説明

半導体装置の作製方法

【課題】酸化物半導体を用いた半導体装置に安定した電気的特性を付与し、高信頼性化す
ることを目的の一とする。
【解決手段】酸化物半導体膜を有するボトムゲート構造のトランジスタの作製工程におい
て、熱処理による脱水化または脱水素化処理、及び酸素ドープ処理を行う。熱処理による
脱水化または脱水素化処理を行った酸化物半導体膜を含み、且つ、作製工程において酸素
ドープ処理されたトランジスタは、バイアス−熱ストレス試験(BT試験)前後において
もトランジスタのしきい値電圧の変化量が低減できており、信頼性の高いトランジスタと
することができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
半導体装置及び半導体装置の作製方法に関する。
【0002】
なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置
全般を指し、電気光学装置、半導体回路および電子機器は全て半導体装置である。
【背景技術】
【0003】
絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が
注目されている。該トランジスタは集積回路(IC)や画像表示装置(表示装置)のよう
な電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリ
コン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されて
いる。
【0004】
例えば、トランジスタの活性層として、電子キャリア濃度が1018/cm未満である
インジウム(In)、ガリウム(Ga)、及び亜鉛(Zn)を含む非晶質酸化物を用いた
トランジスタが開示されている(特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2006−165528号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかし、酸化物半導体はデバイス作製工程において、電子供与体を形成する水素や水分の
混入などが生じると、その電気伝導度が変化する恐れがある。このような現象は、酸化物
半導体を用いたトランジスタにとって電気的特性の変動要因となる。
【0007】
このような問題に鑑み、酸化物半導体を用いた半導体装置に安定した電気的特性を付与し
、高信頼性化することを目的の一とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本明細書で開示する発明の一形態は、ゲート電極層を形成し、ゲート電極層上にゲート絶
縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上のゲート電極層と重畳する領域に酸化物半導体膜を形成し
、酸化物半導体膜に熱処理を行って、酸化物半導体膜中の水素原子を除去し、酸化物半導
体膜と電気的に接続するソース電極層及びドレイン電極層を形成し、酸化物半導体膜、ソ
ース電極層及びドレイン電極層上に酸化物半導体膜に接して絶縁膜を形成し、絶縁膜に酸
素ドープ処理を行って、絶縁膜に酸素原子を供給する半導体装置の作製方法である。
【0009】
また、開示する発明の一態様は、ゲート電極層を形成し、ゲート電極層上にゲート絶縁膜
を形成し、ゲート絶縁膜上のゲート電極層と重畳する領域に酸化物半導体膜を形成し、酸
化物半導体膜に熱処理を行って、酸化物半導体膜中の水素原子を除去し、酸化物半導体膜
と電気的に接続するソース電極層及びドレイン電極層を形成し、酸化物半導体膜、ソース
電極層及びドレイン電極層上に酸化物半導体膜に接して絶縁膜を形成し、絶縁膜に酸素ド
ープ処理を行って、絶縁膜に酸素原子を供給した後、熱処理を行う半導体装置の作製方法
である。
【0010】
また、上記の半導体装置の作製方法において、ゲート絶縁膜または絶縁膜として、酸化物
半導体膜の成分元素を含む絶縁膜を形成してもよい。
【0011】
または、上記の半導体装置の作製方法において、ゲート絶縁膜または絶縁膜として、酸化
物半導体膜の成分元素を含む絶縁膜と、当該絶縁膜の成分元素とは異なる元素を含む膜を
形成してもよい。
【0012】
または、上記の半導体装置の作製方法において、ゲート絶縁膜または絶縁膜として、酸化
ガリウムを含む絶縁膜を形成してもよい。
【0013】
または、上記の半導体装置の作製方法において、ゲート絶縁膜または絶縁膜として、酸化
ガリウムを含む絶縁膜と、酸化ガリウムとは異なる材料を含む膜を形成してもよい。
【0014】
また、上記の半導体装置の作製方法において、絶縁膜を覆うように、窒素を含有する絶縁
膜を形成してもよい。
【0015】
酸化物半導体膜を有するトランジスタの作製工程において、酸素ドープ処理を行うことに
よって、積層するゲート絶縁膜の膜中(バルク中)、酸化物半導体膜の膜中(バルク中)
、絶縁膜の膜中(バルク中)、ゲート絶縁膜と酸化物半導体膜の界面、酸化物半導体膜と
絶縁膜との界面において、少なくとも1ヶ所以上、該膜の化学量論比をこえる酸素が存在
する酸素過剰領域を設けることができる。酸素の量は好ましくは化学量論比の1倍を超え
て4倍まで(4倍未満)、より好ましくは、1倍を超えて2倍まで(2倍未満)である。
化学量論比を超える酸素過剰な酸化物とは、例えば、InGaZnSiAl
(a,b,c,d,e,f,g≧0)で表される酸化物の場合、2g>3a+3
b+2c+4d+3e+2f、である。なお、酸素ドープ処理によって添加された酸素は
、酸化物半導体の格子間に存在する場合もある。
【0016】
また、上記酸素過剰領域を、積層するゲート絶縁膜、酸化物半導体膜、及び絶縁膜におい
て2ヶ所以上に設けてもよい。例えば作製工程において、酸素ドープ処理を行うことによ
って、ゲート絶縁膜と酸化物半導体膜の界面、酸化物半導体膜の膜中(バルク中)、及び
酸化物半導体膜と絶縁膜との界面にそれぞれ酸素過剰領域を設けることができる。
【0017】
なお、欠陥(酸素欠損)のない酸化物半導体であれば、化学量論比に一致した量の酸素が
含まれていれば良いが、トランジスタのしきい値電圧の変動を抑えるなどの信頼性を確保
するためには、酸化物半導体には、化学量論比を超える量の酸素が含まれていることが好
ましい。同様に、欠陥(酸素欠損)のない酸化物半導体であれば、ゲート絶縁膜または絶
縁膜を酸素過剰の絶縁膜とする必要はないが、トランジスタのしきい値電圧の変動を抑え
るなどの信頼性を確保するためには、酸化物半導体層に酸素欠損の状態は生じ得ることを
考慮して、ゲート絶縁膜または絶縁膜を酸素過剰の絶縁膜とすることが好ましい。
【0018】
また、酸化物半導体膜には熱処理による脱水化または脱水素化処理を行い、酸化物半導体
膜中の水素原子または水などの水素原子を含む不純物を除去し、酸化物半導体膜を高純度
化する。なお、酸素ドープ処理により添加される酸素の量は、脱水化または脱水素化処理
により高純度化された酸化物半導体膜中の水素の量より多くなるようにする。上記積層す
るゲート絶縁膜、酸化物半導体膜、及び絶縁膜の少なくとも一部において酸素が多ければ
、それが拡散し、他の不安定要素の原因の水素と反応することにより水素を固定(非可動
イオン化)する。すなわち、信頼性上の不安定性を減らす(又は十分に低減する)ことが
できる。また、酸素を過剰とすることで酸素欠損に起因するしきい値電圧Vthのばらつ
き、しきい値電圧のシフトΔVthを低減することができる。
【0019】
なお、上記の「酸素ドープ」とは、酸素(少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素イ
オン、のいずれかを含む)をバルクに添加することを言う。なお、当該「バルク」の用語
は、酸素を、薄膜表面のみでなく薄膜内部に添加することを明確にする趣旨で用いている
。また、「酸素ドープ」には、プラズマ化した酸素をバルクに添加する「酸素プラズマド
ープ」が含まれる。
【0020】
ここで、上述の「酸素プラズマドープ」処理によって、バルク中に酸素が添加される様子
を示す。なお、酸素を一成分として含む酸化物半導体膜中に酸素ドープ処理を行う場合、
一般に、酸素濃度の増減を確認することは困難である。よって、ここでは、シリコンウエ
ハを用いて、酸素ドープ処理の効果を確認した。
【0021】
酸素ドープ処理は、誘導結合プラズマ(ICP:Inductively Couple
d Plasma)方式を用いて行った。その条件は、ICP電力800W、RFバイア
ス電力300Wまたは0W、圧力1.5Pa、ガス流量75sccm、基板温度70℃で
ある。図15に、SIMS(SIMS、Secondary Ion Mass Spe
ctrometry)分析によるシリコンウエハの深さ方向の酸素濃度プロファイルを示
す。図15において、縦軸は酸素濃度を示し、横軸はシリコンウエハ表面からの深さを示
す。
【0022】
図15より、RFバイアス電力が0Wの場合および300Wの場合のいずれにおいても、
酸素が添加されていることが確認できる。また、RFバイアス300Wの場合は、RFバ
イアス0Wの場合と比較して、酸素がより深く添加されることが確認できる。
【0023】
次に、酸素ドープ処理を行う前と、酸素ドープを行った後のシリコンウエハの断面をST
EM(Scanning Transmission Electron Micros
copy)で観察した結果を図16に示す。図16(A)は、酸素ドープ処理を行う前の
STEM像であり、図16(B)は、上述のRFバイアス電力300Wの条件で酸素ドー
プ処理を行った後のSTEM像である。図16(B)に示すように、酸素ドープを行うこ
とによって、シリコンウエハに酸素高ドープ領域が形成されていることが確認できる。
【0024】
以上のように、シリコンウエハに対して酸素ドープを行うことで、シリコンウエハに酸素
が添加されることが示された。この結果により、酸化物半導体膜に対して酸素ドープを行
うことによっても、酸化物半導体膜に酸素を当然に添加できることが理解できる。
【0025】
開示する発明の一態様である上述の構成の効果は、次のように考えると理解が容易である
。ただし、以下の説明は、あくまでも一考察に過ぎないことを付記する。
【0026】
ゲート電極にプラスの電圧を印加すると、酸化物半導体膜のゲート電極側からバックチャ
ネル側(ゲート絶縁膜と反対側)へ電界が発生するため、酸化物半導体膜中に存在するプ
ラスの電荷を有する水素イオンがバックチャネル側へ移動して、絶縁膜との界面近傍に蓄
積する。蓄積した水素イオンから絶縁膜中の電荷捕獲中心(水素原子、水、あるいは汚染
物等)へプラスの電荷が移動することによって、酸化物半導体膜のバックチャネル側には
マイナスの電荷が蓄積される。すなわち、トランジスタのバックチャネル側に寄生チャネ
ルが発生して、しきい値電圧がマイナス側にシフトし、トランジスタがノーマリーオンの
傾向を示す。
【0027】
上記の通り、絶縁膜中の水素または水等の電荷捕獲中心がプラスの電荷を捕獲し、絶縁膜
中へプラスの電荷が移動することによってトランジスタの電気的特性が変動するため、ト
ランジスタの電気的特性の変動を抑制するためには、絶縁膜中にこれらの電荷捕獲中心が
存在しない、またはその含有量が少ないことが重要である。したがって、絶縁膜の成膜に
は、成膜時に水素含有量が少ないスパッタリング法を用いるのが望ましい。スパッタリン
グ法により成膜された絶縁膜は、その膜中に電荷捕獲中心が存在しない、または少なく、
CVD法等によって成膜した場合と比較してプラスの電荷の移動がおきにくい。よって、
トランジスタのしきい値電圧のシフトを抑制し、トランジスタをノーマリーオフとするこ
とができる。
【0028】
また、ゲート電極にマイナスの電圧を印加すると、バックチャネル側からゲート電極側へ
電界が発生するため、酸化物半導体膜中に存在する水素イオンがゲート絶縁膜側へ移動し
て、ゲート絶縁膜との界面近傍へと蓄積する。また、これによりトランジスタのしきい値
電圧はマイナス側へシフトする。
【0029】
なお、ゲート電極にマイナスの電圧を印加した後、電圧を0として放置すると、電荷捕獲
中心からプラスの電荷が解放され、トランジスタのしきい値電圧がプラス側へシフトして
、初期状態に戻る、または、場合によっては初期状態よりもプラス側へシフトする。この
現象は、酸化物半導体膜中に移動しやすいイオンが存在していることを示唆しており、最
も小さい原子である水素が最も移動しやすいイオンとなると考察することができる。
【0030】
なお、ボトムゲート型のトランジスタにおいては、ゲート絶縁膜上に酸化物半導体膜を形
成した後、熱処理を行うことで、酸化物半導体膜に含まれる水または水素を除去すると同
時に、ゲート絶縁膜中に含まれる水または水素をも除去することができる。よって、ゲー
ト絶縁膜中には、酸化物半導体膜中を移動してきたプラスの電荷を捕獲するための電荷捕
獲中心が少ない。このように、酸化物半導体膜への脱水化または脱水素化のための熱処理
は、酸化物半導体膜に加えて、酸化物半導体膜の下層に存在するゲート絶縁膜に対しても
行われるため、ボトムゲート型のトランジスタにおいては、ゲート絶縁膜はプラズマCV
D法等のCVD法を用いて成膜されていても構わない。
【0031】
また、酸化物半導体膜が光を吸収することによって、光エネルギーによって酸化物半導体
膜中の金属元素(M)と水素原子(H)との結合(M−H結合とも表記する)が切れる。
なお、波長が400nm前後の光エネルギーと、金属元素及び水素原子の結合エネルギー
と、は概略一致している。酸化物半導体膜中の金属元素と水素原子との結合が切れたトラ
ンジスタに負のゲートバイアスを加えると、金属元素との結合が切れた水素イオンがゲー
ト電極側に引き寄せられるため電荷の分布が変化し、トランジスタのしきい値電圧はマイ
ナス側にシフトして、ノーマリーオンの傾向を示す。
【0032】
なお、トランジスタへの光照射と負のゲートバイアスの印加によってゲート絶縁膜界面に
移動した水素イオンは、電圧の印加を停止すると元に戻る。これは、酸化物半導体膜中の
イオンの移動の代表的な例として理解できる。
【0033】
このような、電圧印加による電気的特性の変動(BT劣化)または光照射による電気的特
性の変動(光劣化)への対策は、酸化物半導体膜から水素原子または水などの水素原子を
含む不純物を徹底的に排除し、酸化物半導体膜を高純度化することが最も重要である。電
荷密度が1015cm−3、つまり、単位面積あたりの電荷が1010cm−2の場合、
その電荷はトランジスタ特性に影響しないまたは影響するとしてもごく僅かである。よっ
て、電荷密度は1015cm−3以下であることが望ましい。仮に、酸化物半導体膜に含
まれる水素のうち、10%の水素が酸化物半導体膜中を移動する場合、水素の濃度は10
16cm−3以下であることが望ましい。さらに、デバイス完成後に水素が外部より侵入
するのを防ぐために、スパッタリング法によって成膜した窒化シリコン膜をパッシベーシ
ョン膜として用い、トランジスタを覆うのが好ましい。
【0034】
さらに、酸化物半導体膜中に含まれる水素に対して、過剰な酸素をドープする((水素原
子の数)<<(酸素ラジカルの数)または、(酸素イオンの数)とする)ことで、酸化物
半導体膜から水素または水を排除することができる。具体的には、高周波(RF)を用い
て酸素をプラズマ化し、基板バイアスを大きくして、酸素ラジカル、酸素イオンを基板上
の酸化物半導体膜へドープまたは添加し、酸化物半導体膜中では残存する水素よりも酸素
を多くする。酸素の電気陰性度は3.0と、電気陰性度が約2.0である酸化物半導体膜
中の金属(Zn、Ga、In)よりも大きいため、水素に対して酸素を過剰に含有させる
ことで、M−H結合より水素原子を奪い、OH基を形成する。なお、このOH基は、Mと
結合してM−O−H基を形成しうる。
【0035】
なお、酸化物半導体膜の酸素の含有量が、化学量論比よりも過剰となるように酸素をドー
プするのがより好ましい。例えば、酸化物半導体膜としてIn−Ga−Zn−O系酸化物
半導体膜を用いる場合、酸素のドープなどによって酸素の比率を化学量論比の1倍を超え
て2倍まで(2倍未満)とするのがより好ましい。例えば、理想的なIn−Ga−Zn−
O系酸化物半導体の単結晶の化学量論比はIn:Ga:Zn:O=1:1:1:4である
から、組成がInGaZnOで表される酸化物半導体薄膜において、Xは4を超えて8
未満とするのがより好ましい。
【0036】
光エネルギーやBTストレスによって、M−H結合から水素イオンが脱離して劣化の原因
となるが、上述のドープによって酸素を注入する場合、注入された酸素が水素イオンと結
合してOH基となる。OH基は、結合エネルギーが大きいため、トランジスタに光照射や
BTストレスが加えられても水素イオンを放出せず、また、水素イオンより質量も大きい
ため、酸化物半導体膜中を移動しにくい。よって、酸素のドープに起因して形成されるO
H基は、トランジスタの劣化の原因にならないか、または劣化の原因を減らすことができ
る。
【0037】
なお、酸化物半導体膜の膜厚を大きくする程、トランジスタのしきい値電圧のばらつきが
大きくなる傾向が確認されている。これは、酸化物半導体膜中の酸素欠損がしきい値電圧
の変動の一因であり、膜厚が大きくなるほど酸素欠損が増加するためと推測できる。本発
明の一態様に係るトランジスタにおいて酸化物半導体膜に酸素をドープする工程は、酸化
物半導体膜からの水素または水の排除のみでなく、膜中の酸素欠損の補填に対しても有効
である。よって、本発明の一態様に係るトランジスタは、しきい値電圧のばらつきも抑制
することができる。
【0038】
また、酸化物半導体膜を挟んで、酸化物半導体膜と同種の成分でなる金属酸化物膜を設け
る構成も、電気的特性の変動防止に効果的である。酸化物半導体膜と同種の成分でなる金
属酸化物膜として、具体的には、酸化物半導体膜の構成元素から選択される一または複数
の金属元素の酸化物を含む膜を用いるのが好ましい。このような材料は酸化物半導体膜と
の相性が良く、酸化物半導体膜を挟んで該金属酸化物膜を設けることで、酸化物半導体膜
との界面の状態を良好に保つことができる。つまり、上述の材料を用いた金属酸化物膜を
、酸化物半導体膜と接する絶縁膜として設けることで、該金属酸化物膜と酸化物半導体膜
との界面及びその近傍への水素イオンの蓄積を抑制または防止することができる。したが
って、酸化物半導体膜を挟んで、例えば酸化シリコン膜等の酸化物半導体膜とは異なる成
分でなる絶縁膜を設けた場合と比較して、トランジスタのしきい値電圧に影響を与える酸
化物半導体膜界面の水素濃度を十分に低減することができる。
【0039】
なお、該金属酸化物膜としては、酸化ガリウム膜を用いるのが好ましい。酸化ガリウムは
、バンドギャップ(Eg)が大きいので、酸化ガリウム膜によって酸化物半導体膜を挟む
ことで、酸化物半導体膜と金属酸化物膜との界面において、エネルギー障壁が形成され、
その界面においてキャリアの移動は妨げられる。したがって、キャリアは酸化物半導体か
ら金属酸化物に移動することなく、酸化物半導体膜中を移動する。一方、水素イオンは、
酸化物半導体と金属酸化物との界面を通過して、金属酸化物と絶縁膜との界面付近に蓄積
する。仮に絶縁膜との界面近傍に水素イオンが蓄積されたとしても、金属酸化物膜として
の酸化ガリウム膜にはキャリアが流れうる寄生チャネルが形成されないため、トランジス
タのしきい値電圧への影響を与えない、またはその影響が極めて少ない。なお、酸化ガリ
ウムとIn−Ga−Zn−O系の材料を接触させた場合のエネルギー障壁は、伝導帯側で
約0.8eVとなり、価電子帯側で約0.9eVとなる。
【0040】
開示する発明の一態様に係るトランジスタは、酸素ドープ処理によって、酸化物半導体膜
に接する絶縁膜中、酸化物半導体膜中、またはこれらの界面近傍の少なくともいずれか一
に酸素の含有量を増大させることを技術思想とするものである。
【0041】
酸化物半導体膜としてインジウムを含む酸化物半導体材料を用いる場合、インジウムと酸
素の結合力は比較的弱いため、酸化物半導体膜に接する絶縁膜にシリコン等のより酸素と
の結合力が強い材料が含まれる場合に、熱処理によって酸化物半導体膜中の酸素が引き抜
かれてしまい、酸化物半導体膜の界面近傍に酸素欠損が形成される恐れがある。しかしな
がら、開示する発明の一態様に係るトランジスタは、酸化物半導体膜と接する絶縁膜に過
剰な酸素を供給することで、酸化物半導体膜からの酸素の引き抜きによる酸素欠損の形成
を抑制することができる。
【0042】
ここで、トランジスタの作製工程において酸素ドープ処理を行った後では、酸化物半導体
膜または酸化物半導体膜に接する絶縁膜に含有される、化学量論比より過剰な酸素の量が
各層において異なる場合がある。過剰な酸素の量が異なる状態では、各層の酸素の化学ポ
テンシャルが異なり、化学ポテンシャルの相違はトランジスタの作製工程における熱処理
等で、平衡状態へ近づく、または平衡状態となると考えられる。したがって、絶縁膜への
酸素ドープ処理後には、熱処理を行うことがより好ましい。酸素ドープ処理後の熱処理に
よって、絶縁膜に過剰に供給された酸素を拡散させ、十分な量の酸素を酸化物半導体膜に
供給することが可能である。以下では、平衡状態における酸素の分布について検討する。
【0043】
ある温度T、圧力Pでの平衡状態とは、全系のギブスの自由エネルギーGが最小となる状
態であり、全系のギブスの自由エネルギーGは、以下の式(1)で表される。
【0044】
【数1】

【0045】
式(1)において、G(1)、G(2)、G(3)は、各層のギブスの自由エネルギーを
表す。また、N、N、Nは粒子数を表し、a、b、cは粒子の種類を表す。粒子a
がi層からj層へδN(j)だけ移動した場合、ギブスの自由エネルギーの変化は、以
下の式(2)のようになる。
【0046】
【数2】

【0047】
ここでδGが0、すなわち以下の式(3)が成り立つとき、系が平衡状態となる。
【0048】
【数3】

【0049】
ギブスの自由エネルギーの粒子数微分は、化学ポテンシャルに相当するので、平衡状態に
おいて、粒子の化学ポテンシャルが全ての層で等しくなる。
【0050】
つまり、具体的には、酸化物半導体膜と比較して該酸化物半導体膜と接する絶縁膜に酸素
が過剰に含まれている場合、酸化物半導体膜では酸素の化学ポテンシャルが相対的に小さ
く、絶縁膜では化学ポテンシャルが相対的に大きい状態となっている。
【0051】
そして、トランジスタの作製工程において熱処理を行うことにより、系全体(ここでは、
酸化物半導体膜と、それに接する絶縁膜)が十分高温になり、原子の層内及び層間の拡散
が起こるようになると、化学ポテンシャルが同じになるように酸素の移動が起こる。すな
わち、絶縁膜の酸素が酸化物半導体膜に移動することで、絶縁膜の化学ポテンシャルが小
さくなり、酸化物半導体膜の化学ポテンシャルが大きくなる。
【0052】
したがって、酸素ドープ処理によって絶縁膜に過剰に供給された酸素は、その後の熱処理
によって系全体を平衡状態とすることで、拡散し、酸化物半導体膜へ酸素が供給される。
上述のように、酸化物半導体膜に供給された酸素は、水素イオンと結合してOH基となり
、トランジスタの劣化の原因にならないか、または劣化の原因を減らすことができる。ま
た、酸化物半導体膜に酸素を供給することは、膜中の酸素欠損の補填に対しても有効であ
る。
【発明の効果】
【0053】
熱処理による脱水化または脱水素化処理及び酸素ドープ処理された酸化物半導体膜を有す
るトランジスタは、バイアス−熱ストレス試験(BT試験)前後においてもトランジスタ
のしきい値電圧の変化量が低減できており、安定した電気特性を有する信頼性の高いトラ
ンジスタとすることができる。
【0054】
また、本発明の一形態は、電気特性が良好で信頼性のよいトランジスタを有する半導体装
置を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【0055】
【図1】半導体装置の一形態を説明する図。
【図2】半導体装置の作製方法の一形態を説明する図。
【図3】半導体装置の一形態を説明する図。
【図4】半導体装置の作製方法の一形態を説明する図。
【図5】半導体装置の作製方法の一形態を説明する図。
【図6】半導体装置の一形態を説明する図。
【図7】半導体装置の一形態を説明する図。
【図8】半導体装置の一形態を説明する図。
【図9】半導体装置の一形態を説明する図。
【図10】電子機器を示す図。
【図11】電子機器を示す図。
【図12】半導体装置の一形態を説明する図。
【図13】半導体装置の一形態を説明する図。
【図14】本発明の一態様を示すプラズマ装置の上面図及び断面図である。
【図15】SIMSの測定結果を示す図である。
【図16】断面STEM像を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0056】
以下では、本明細書に開示する発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
ただし、本明細書に開示する発明は以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々
に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。また、本明細書に開示する発明
は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
【0057】
なお、第1、第2として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順又は積層順を
示すものではない。また、本明細書において発明を特定するための事項として固有の名称
を示すものではない。
【0058】
(実施の形態1)
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を、図1乃至図3を用
いて説明する。本実施の形態では、半導体装置の一例として酸化物半導体膜を有するトラ
ンジスタを示す。
【0059】
図1に、半導体装置の例として、ボトムゲート型のトランジスタの断面図及び平面図を示
す。図1(A)は平面図であり、図1(B)及び図1(C)は、図1(A)におけるA−
B断面及びC−D断面に係る断面図である。なお、図1(A)では、煩雑になることを避
けるため、トランジスタ410の構成要素の一部(例えば、絶縁膜407など)を省略し
ている。
【0060】
図1(A)(B)(C)に示すトランジスタ410は、絶縁表面を有する基板400上に
、ゲート電極層401、ゲート絶縁膜402、酸化物半導体膜403、ソース電極層40
5a、ドレイン電極層405b及び絶縁膜407を含む。
【0061】
図1に示すトランジスタ410において、絶縁膜407は、酸素ドープ処理が行われた絶
縁膜であり、酸素過剰領域を有する。絶縁膜407が酸素過剰領域を有することにより、
酸化物半導体膜403から絶縁膜407への酸素の移動を防ぐことができる。また、絶縁
膜407から酸化物半導体膜403への酸素の供給を行うこともできる。よって、絶縁膜
407に酸素ドープ処理を行うことにより、酸化物半導体膜403に十分な量の酸素を含
有させることができるので、信頼性が高められたトランジスタ410が実現する。
【0062】
なお、酸素ドープ処理とは、酸素ラジカルまたは酸素原子、酸素イオンを酸化物半導体膜
の表面及びバルクへ添加することである。特に、酸素をプラズマ化することにより、上記
酸素ラジカルまたは酸素原子、酸素イオンを酸化物半導体膜の表面及びバルク膜中に添加
することを酸素プラズマドープ処理ともいう。なお、酸素ドープ処理中に、酸化物半導体
膜が形成される基板にバイアスを印加すると好ましい。
【0063】
なお、トランジスタ410上には、さらに絶縁物が設けられていても良い。また、ソース
電極層405aやドレイン電極層405bと配線とを電気的に接続させるために、ゲート
絶縁膜402などには開口が形成されていても良い。また、酸化物半導体膜403の上方
に、さらに、第2のゲート電極を有していても良い。なお、酸化物半導体膜403は島状
に加工されていることが望ましいが、島状に加工されていなくても良い。
【0064】
図2(A)乃至(F)にトランジスタ410の作製方法の一例を示す。
【0065】
まず、絶縁表面を有する基板400上に導電膜を形成した後、第1のフォトリソグラフィ
工程によりゲート電極層401を形成する。なお、レジストマスクをインクジェット法で
形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用し
ないため、製造コストを低減できる。
【0066】
絶縁表面を有する基板400に使用することができる基板に大きな制限はないが、少なく
とも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、バリ
ウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、セラミック基板、
石英基板、サファイア基板などを用いることができる。また、シリコンや炭化シリコンな
どの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基
板、SOI基板などを適用することもでき、これらの基板上に半導体素子が設けられたも
のを、基板400として用いてもよい。
【0067】
また、基板400として、可撓性基板を用いてもよい。可撓性基板を用いる場合、可撓性
基板上に酸化物半導体膜を含むトランジスタを直接作製してもよいし、他の作製基板に酸
化物半導体膜を含むトランジスタを作製し、その後作製基板から剥離して可撓性基板に転
置してもよい。なお、作製基板から剥離して、可撓性基板に転置するために、作製基板と
酸化物半導体膜を含むトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。
【0068】
下地膜となる絶縁膜を基板400とゲート電極層401との間に設けてもよい。下地膜は
、基板400からの不純物元素の拡散を防止する機能があり、窒化シリコン膜、酸化シリ
コン膜、窒化酸化シリコン膜、又は酸化窒化シリコン膜から選ばれた一又は複数の膜によ
る積層構造により形成することができる。
【0069】
また、ゲート電極層401は、プラズマCVD法又はスパッタリング法等により、モリブ
デン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等
の金属材料又はこれらを主成分とする合金材料を用いて、単層で又は積層して形成するこ
とができる。
【0070】
次いで、ゲート電極層401上にゲート絶縁膜402を形成する。ゲート絶縁膜402は
、プラズマCVD法又はスパッタリング法等により、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化
窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化アル
ミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウム、又はこれらの混合材
料を用いて単層で又は積層して形成することができる。
【0071】
なお、ゲート絶縁膜402には、後に形成される酸化物半導体膜と同種の成分でなる絶縁
材料を用いると特に好ましい。このような材料は酸化物半導体膜との相性が良く、これを
ゲート絶縁膜402に用いることで、酸化物半導体膜との界面の状態を良好に保つことが
できるからである。ここで、「酸化物半導体膜と同種の成分」とは、酸化物半導体膜の構
成元素から選択される一または複数の元素を含むことを意味する。例えば、酸化物半導体
膜がIn−Ga−Zn−O系の酸化物半導体材料によって構成される場合、同種の成分で
なる絶縁材料としては酸化ガリウムなどがある。
【0072】
ゲート絶縁膜402を積層構造とする場合には、酸化物半導体膜と同種の成分でなる絶縁
材料でなる膜(以下、膜a)と、膜aの成分材料とは異なる材料を含む膜(以下、膜b)
との積層構造とするとさらに好ましい。膜aと膜bとを酸化物半導体膜側から順に積層し
た構造とすることで、電荷は、酸化物半導体膜と膜aとの界面と比較して、膜aと膜bと
の界面の電荷捕獲中心に優先的に捕獲されるため、酸化物半導体膜の界面での電荷捕獲を
十分に抑制することができるようになり、半導体装置の信頼性が向上するためである。
【0073】
なお、このような積層構造としては、酸化ガリウム膜と酸化シリコン膜の積層構造や、酸
化ガリウム膜と窒化シリコン膜との積層構造などを適用することができる。
【0074】
また、μ波(例えば周波数2.45GHz)を用いた高密度プラズマCVDは、緻密で絶
縁耐圧の高い高品質な絶縁層を形成できるので、ゲート絶縁膜402の形成に用いると好
ましい。高純度化された酸化物半導体と高品質ゲート絶縁膜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。
【0075】
また、成膜後の熱処理によって、膜質、酸化物半導体との界面特性が改質される絶縁層を
ゲート絶縁膜として用いても良い。いずれにしても、ゲート絶縁膜としての膜質が良好で
あることは勿論のこと、酸化物半導体との界面準位密度を低減し、良好な界面を形成でき
るものであれば良い。
【0076】
また、ゲート絶縁膜402、ゲート絶縁膜402上に形成される酸化物半導体膜に水素、
水酸基及び水分がなるべく含まれないようにするために、酸化物半導体膜の成膜の前処理
として、スパッタリング装置の予備加熱室でゲート電極層401が形成された基板400
、又はゲート絶縁膜402までが形成された基板400を予備加熱し、基板400に吸着
した水素、水分などの不純物を脱離し排気することが好ましい。なお、予備加熱室に設け
る排気手段はクライオポンプが好ましい。なお、この予備加熱の処理は省略することもで
きる。またこの予備加熱は、絶縁膜407の成膜前に、ソース電極層405a及びドレイ
ン電極層405bまで形成した基板400にも同様に行ってもよい。
【0077】
次いで、ゲート絶縁膜402上に、膜厚2nm以上200nm以下、好ましくは5nm以
上30nm以下の酸化物半導体膜を形成する。
【0078】
酸化物半導体膜に用いる酸化物半導体としては、四元系金属酸化物であるIn−Sn−G
a−Zn−O系酸化物半導体や、三元系金属酸化物であるIn−Ga−Zn−O系酸化物
半導体、In−Sn−Zn−O系酸化物半導体、In−Al−Zn−O系酸化物半導体、
Sn−Ga−Zn−O系酸化物半導体、Al−Ga−Zn−O系酸化物半導体、Sn−A
l−Zn−O系酸化物半導体や、二元系金属酸化物であるIn−Zn−O系酸化物半導体
、Sn−Zn−O系酸化物半導体、Al−Zn−O系酸化物半導体、Zn−Mg−O系酸
化物半導体、Sn−Mg−O系酸化物半導体、In−Mg−O系酸化物半導体や、In−
Ga−O系酸化物半導体、In−O系酸化物半導体、Sn−O系酸化物半導体、Zn−O
系酸化物半導体などを用いることができる。また、上記酸化物半導体にSiOを含んで
もよい。ここで、例えば、In−Ga−Zn−O系酸化物半導体とは、インジウム(In
)、ガリウム(Ga)、亜鉛(Zn)を有する酸化物膜、という意味であり、その化学量
論比はとくに問わない。また、InとGaとZn以外の元素を含んでもよい。
【0079】
また、酸化物半導体膜は、化学式InMO(ZnO)(m>0)で表記される薄膜を
用いることができる。ここで、Mは、Ga、Al、MnおよびCoから選ばれた一または
複数の金属元素を示す。例えばMとして、Ga、Ga及びAl、Ga及びMn、またはG
a及びCoなどがある。
【0080】
酸化物半導体膜に用いる酸化物半導体としては、インジウムを含む酸化物半導体、インジ
ウム及びガリウムを含む酸化物半導体などを好適に用いることができる。
【0081】
本実施の形態では、酸化物半導体膜としてIn−Ga−Zn−O系酸化物半導体膜成膜用
ターゲットを用いてスパッタリング法により成膜する。また、酸化物半導体膜は、希ガス
(代表的にはアルゴン)雰囲気下、酸素雰囲気下、又は希ガスと酸素の混合雰囲気下にお
いてスパッタリング法により形成することができる。
【0082】
酸化物半導体膜をスパッタリング法で作製するためのターゲットとしては、例えば、組成
比として、In:Ga:ZnO=1:1:1[mol数比]の酸化物半導体
膜成膜用ターゲットを用い、In−Ga−Zn−O膜を成膜する。また、このターゲット
の材料及び組成に限定されず、例えば、In:Ga:ZnO=1:1:2[
mol数比]の酸化物半導体膜成膜用ターゲットを用いてもよい。
【0083】
また、酸化物半導体膜成膜用ターゲットの充填率は90%以上100%以下、好ましくは
95%以上99.9%以下である。充填率の高い酸化物半導体膜成膜用ターゲットを用い
ることにより、成膜した酸化物半導体膜を緻密な膜とすることができる。
【0084】
酸化物半導体膜を成膜する際に用いるスパッタガスは、水素、水、水酸基又は水素化物な
どの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。
【0085】
減圧状態に保持された成膜室内に基板を保持し、基板温度を100℃以上600℃以下好
ましくは200℃以上400℃以下とする。基板を加熱しながら成膜することにより、成
膜した酸化物半導体膜に含まれる不純物濃度を低減することができる。また、スパッタリ
ングによる損傷が軽減される。そして、成膜室内の残留水分を除去しつつ水素及び水分が
除去されたスパッタガスを導入し、上記ターゲットを用いて基板400上に酸化物半導体
膜を成膜する。成膜室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプ、例えば、
クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい
。また、排気手段としては、ターボ分子ポンプにコールドトラップを加えたものであって
もよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素原子、水など水素原子
を含む化合物(より好ましくは炭素原子を含む化合物も)等が排気されるため、当該成膜
室で成膜した酸化物半導体膜に含まれる不純物の濃度を低減できる。
【0086】
成膜条件の一例としては、基板とターゲットの間との距離を100mm、圧力0.6Pa
、直流(DC)電源0.5kW、酸素(酸素流量比率100%)雰囲気下の条件が適用さ
れる。なお、パルス直流電源を用いると、成膜時に発生する粉状物質(パーティクル、ご
みともいう)が軽減でき、膜厚分布も均一となるために好ましい。
【0087】
次いで、酸化物半導体膜を第2のフォトリソグラフィ工程により島状の酸化物半導体膜4
41に加工する(図2(A)参照)。また、島状の酸化物半導体膜441を形成するため
のレジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェッ
ト法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
【0088】
また、ゲート絶縁膜402にコンタクトホールを形成する場合、その工程は酸化物半導体
膜の加工時に同時に行うことができる。
【0089】
なお、ここでの酸化物半導体膜のエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチン
グでもよく、両方を用いてもよい。例えば、酸化物半導体膜のウェットエッチングに用い
るエッチング液としては、燐酸と酢酸と硝酸を混ぜた溶液などを用いることができる。ま
た、ITO07N(関東化学社製)を用いてもよい。
【0090】
次いで、酸化物半導体膜441に熱処理を行う。この熱処理によって過剰な水素(水や水
酸基を含む)を除去(脱水化または脱水素化)し、酸化物半導体膜の構造を整え、エネル
ギーギャップ中の欠陥準位を低減することができる。熱処理の温度は、250℃以上75
0℃以下、または400℃以上基板の歪み点未満とする。ここでは、熱処理装置の一つで
ある電気炉に基板を導入し、酸化物半導体膜に対して窒素雰囲気下450℃において1時
間の熱処理を行った後、大気に触れることなく、酸化物半導体膜への水や水素の混入を防
ぎ、酸化物半導体膜403を得る(図2(B)参照)。
【0091】
なお、熱処理装置は電気炉に限られず、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱輻
射によって、被処理物を加熱する装置を用いてもよい。例えば、GRTA(Gas Ra
pid Thermal Anneal)装置、LRTA(Lamp Rapid Th
ermal Anneal)装置等のRTA(Rapid Thermal Annea
l)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。高温のガスには、アル
ゴンなどの希ガス、または窒素のような、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。
【0092】
例えば、熱処理として、650℃〜700℃の高温に加熱した不活性ガス中に基板を移動
させて入れ、数分間加熱した後、基板を移動させて高温に加熱した不活性ガス中から出す
GRTAを行ってもよい。
【0093】
なお、熱処理においては、窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスに、水、
水素などが含まれないことが好ましい。または、熱処理装置に導入する窒素、またはヘリ
ウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、6N(99.9999%)以上好ましくは
7N(99.99999%)以上(即ち不純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1p
pm以下)とすることが好ましい。
【0094】
また、熱処理で酸化物半導体膜を加熱した後、同じ炉に高純度の酸素ガス、高純度の二窒
化酸素ガス、又は超乾燥空気(CRDS(キャビティリングダウンレーザー分光法)方式
の露点計を用いて測定した場合の水分量が20ppm(露点換算で−55℃)以下、好ま
しくは1ppm以下、好ましくは10ppb以下の空気)を導入してもよい。酸素ガスま
たは二窒化酸素ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、熱処理装置
に導入する酸素ガスまたは二窒化酸素ガスの純度を、6N以上好ましくは7N以上(即ち
、酸素ガスまたは二窒化酸素ガス中の不純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1pp
m以下)とすることが好ましい。酸素ガス又は二窒化酸素ガスの作用により、脱水化また
は脱水素化処理による不純物の排除工程によって同時に減少してしまった酸化物半導体を
構成する主成分材料である酸素を供給することによって、酸化物半導体膜を高純度化及び
電気的にi型(真性)化する。
【0095】
また、酸化物半導体膜の熱処理は、島状の酸化物半導体膜に加工する前の酸化物半導体膜
に行うこともできる。その場合には、熱処理後に、加熱装置から基板を取り出し、酸化物
半導体膜にフォトリソグラフィ工程を行う。また、熱処理は、酸化物半導体膜成膜後であ
れば、島状の酸化物半導体膜上にソース電極層及びドレイン電極層を積層させた後で行っ
ても良い。
【0096】
次いで、ゲート絶縁膜402、及び酸化物半導体膜403上に、ソース電極層及びドレイ
ン電極層(これと同じ層で形成される配線を含む)となる導電膜を形成する。ソース電極
層、及びドレイン電極層に用いる導電膜としては、例えば、Al、Cr、Cu、Ta、T
i、Mo、Wからから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属
窒化物膜(窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜)等を用いることがで
きる。また、Al、Cuなどの金属膜の下側又は上側の一方または双方にTi、Mo、W
などの高融点金属膜またはそれらの金属窒化物膜(窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒
化タングステン膜)を積層させた構成としても良い。また、ソース電極層、及びドレイン
電極層に用いる導電膜としては、導電性の金属酸化物で形成しても良い。導電性の金属酸
化物としては酸化インジウム(In)、酸化スズ(SnO)、酸化亜鉛(ZnO
)、酸化インジウム酸化スズ合金(In−SnO、ITOと略記する)、酸化イ
ンジウム酸化亜鉛合金(In−ZnO)またはこれらの金属酸化物材料に酸化シリ
コンを含ませたものを用いることができる。
【0097】
第3のフォトリソグラフィ工程により導電膜上にレジストマスクを形成し、選択的にエッ
チングを行ってソース電極層405a、ドレイン電極層405bを形成した後、レジスト
マスクを除去する(図2(C)参照)。
【0098】
また、フォトリソグラフィ工程で用いるフォトマスク数及び工程数を削減するため、透過
した光が複数の強度となる露光マスクである多階調マスクによって形成されたレジストマ
スクを用いてエッチング工程を行ってもよい。多階調マスクを用いて形成したレジストマ
スクは複数の膜厚を有する形状となり、エッチングを行うことでさらに形状を変形するこ
とができるため、異なるパターンに加工する複数のエッチング工程に用いることができる
。よって、一枚の多階調マスクによって、少なくとも二種類以上の異なるパターンに対応
するレジストマスクを形成することができる。よって露光マスク数を削減することができ
、対応するフォトリソグラフィ工程も削減できるため、工程の簡略化が可能となる。
【0099】
なお、導電膜のエッチングの際に、酸化物半導体膜403がエッチングされ、分断するこ
とのないようエッチング条件を最適化することが望まれる。しかしながら、導電膜のみを
エッチングし、酸化物半導体膜403を全くエッチングしないという条件を得ることは難
しく、導電膜のエッチングの際に酸化物半導体膜441は一部のみがエッチングされ、溝
部(凹部)を有する酸化物半導体膜となることもある。
【0100】
本実施の形態では、導電膜としてTi膜を用い、酸化物半導体膜403にはIn−Ga−
Zn−O系酸化物半導体を用いたので、エッチャントとしてアンモニア過水(アンモニア
、水、過酸化水素水の混合液)を用いる。
【0101】
次いで、酸化物半導体膜403の一部と接し、且つ、ソース電極層405aおよびドレイ
ン電極層405bを覆う絶縁膜407を形成する(図2(D)参照)。
【0102】
絶縁膜407は、少なくとも1nm以上の膜厚とし、スパッタリング法など、絶縁膜40
7に水、水素等の不純物を混入させない方法を適宜用いて形成することができる。また、
成膜に用いるスパッタガスは水素、水、水酸基又は水素化物などの不純物が除去された高
純度ガスを用いることが好ましい。絶縁膜407に水素が含まれると、その水素の酸化物
半導体膜への侵入、又は水素による酸化物半導体膜中の酸素の引き抜き、が生じ酸化物半
導体膜のバックチャネルが低抵抗化(n型化)してしまい、寄生チャネルが形成されるお
それがある。よって、絶縁膜407はできるだけ水素を含まない膜になるように、成膜方
法に水素を用いないことが重要である。
【0103】
絶縁膜407としては、代表的には酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニ
ウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、又は酸化ガリウム膜などの無機絶縁膜を用いることが
できる。
【0104】
本実施の形態では、絶縁膜407として膜厚200nmの酸化ガリウム膜を、スパッタリ
ング法を用いて成膜する。
【0105】
なお、絶縁膜407には、ゲート絶縁膜402と同様に、酸化物半導体膜403と同種の
成分でなる絶縁材料を用いると特に好ましい。このような材料は酸化物半導体膜との相性
が良く、これを、絶縁膜407に用いることで、酸化物半導体膜との界面の状態を良好に
保つことができるからである。例えば、酸化物半導体膜がIn−Ga−Zn−O系の酸化
物半導体材料によって構成される場合、同種の成分でなる絶縁材料としては酸化ガリウム
などがある。
【0106】
また、絶縁膜407を積層構造とする場合には、酸化物半導体膜と同種の成分でなる絶縁
材料でなる膜(以下、膜a)と、膜aの成分材料とは異なる材料を含む膜(以下、膜b)
との積層構造とするとさらに好ましい。膜aと膜bとを酸化物半導体膜側から順に積層し
た構造とすることで、電荷は、酸化物半導体膜と膜aとの界面と比較して、膜aと膜bと
の界面の電荷捕獲中心に優先的に捕獲されるため、酸化物半導体膜の界面での電荷捕獲を
十分に抑制することができるようになり、半導体装置の信頼性が向上するためである。
【0107】
例えば、絶縁膜407として酸化物半導体膜403側から酸化ガリウム膜と酸化シリコン
膜との積層、又は酸化ガリウム膜と窒化シリコン膜との積層などを好適に用いることがで
きる。
【0108】
また、絶縁膜407の成膜時には、酸化物半導体膜の成膜時と同様に成膜室内の残留水分
を除去するため、吸着型の真空ポンプ(クライオポンプなど)を用いることが好ましい。
クライオポンプを用いて排気した成膜室で成膜した絶縁膜407に含まれる不純物の濃度
を低減できる。また、絶縁膜407の成膜室内の残留水分を除去するための排気手段とし
ては、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。
【0109】
なお、絶縁膜407の形成後に、250℃以上700℃以下、好ましくは450℃以上6
00℃以下、または基板の歪み点未満の温度範囲で熱処理を行っても良い。この熱処理に
おいては、酸素を含む絶縁膜407と酸化物半導体膜403と、が接した状態で加熱され
るため、上述の脱水化(または脱水素化)処理によって減少してしまう可能性のある酸素
を、絶縁膜407から酸化物半導体膜403へ供給することも可能である。熱処理は、窒
素、酸素、超乾燥空気、または希ガス(アルゴン、ヘリウムなど)の雰囲気下で行えばよ
いが、上記窒素、酸素、超乾燥空気、または希ガス等の雰囲気には、水、水素などが含ま
れないことが好ましい。また、熱処理装置に導入する窒素、酸素、または希ガスの純度は
、6N(99.9999%)以上(即ち不純物濃度を1ppm以下)とするのが好ましく
、7N(99.99999%)以上(即ち不純物濃度を0.1ppm以下)とすると、よ
り好ましい。
【0110】
次に、絶縁膜407に酸素ドープ処理を行う(図2(E)参照)。絶縁膜407に酸素4
21をドープすることにより、絶縁膜407中に酸素を含有させることができる。これに
より、絶縁膜407中に酸素過剰領域が形成されるため、酸化物半導体膜403から絶縁
膜407への酸素の移動を防ぐことができる。さらに、絶縁膜407の膜厚が十分薄い場
合や後述する熱処理を行う場合には、絶縁膜407と酸化物半導体膜403との界面近傍
、酸化物半導体膜403中、酸化物半導体膜403とゲート絶縁膜402の界面近傍、ま
たは、ゲート絶縁膜402中に酸素を供給することもできる。この場合、絶縁膜407中
の酸素の含有量は、絶縁膜407の化学量論比を超える程度、好ましくは、化学量論比の
1倍を超えて4倍まで(1倍より大きく4倍未満)、より好ましくは1倍を超えて2倍ま
で(1倍より大きく2倍未満)とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素
の量をYとして、Yを超える程度、好ましくはYを超えて4Yまで、より好ましくはYを
超えて2Yまで、とすることもできる。あるいは、酸素の含有量は、酸素ドープ処理を行
わない場合の絶縁膜中の酸素の量Zを基準として、Zを超える程度、好ましくはZを超え
て4Zまで、より好ましくはZを超えて2Zまで、とすることもできる。よって、絶縁膜
407において酸素の含有量は水素の含有量より大きくなる。
【0111】
例えば、組成がGaO(x>0)で表現される絶縁膜を用いる場合、酸化ガリウムの化
学量論比はGa:O=1:1.5であるので、xが1.5を超えて6まで含まれる酸素過
剰領域を有する絶縁膜を形成する。また、例えば、組成がSiO(x>0)で表現され
る絶縁膜を用いる場合、酸化シリコンの化学量論比はSi:O=1:2であるので、xが
2を超えて8まで含まれる酸素過剰領域を有する絶縁膜を形成する。なお、このような酸
素過剰領域は、絶縁膜の少なくとも一部(界面も含む)に存在していればよい。
【0112】
上述の酸素421は、プラズマ発生装置やオゾン発生装置によって発生させることができ
る。より具体的には、例えば、半導体装置に対してエッチング処理を行うことができる装
置や、レジストマスクに対してアッシングを行うことができる装置などを用いて酸素42
1を発生させ、酸化物半導体膜403を処理することができる。ここで、酸素421には
、少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオン、のいずれかが含まれている。
【0113】
なお、酸素の添加をより好適に行うためには、基板には電気的なバイアスを加えておくこ
とが望ましい。
【0114】
なお、上述の酸素ドープ処理の後には、熱処理を行うことが好ましい。熱処理の温度は、
例えば150℃以上470℃以下とする。酸素ドープ処理後の熱処理によって、十分な量
の酸素を酸化物半導体膜に供給することが可能である。当該効果を得るための熱処理のタ
イミングは、上述の酸素ドープ処理の後であればいつでも構わない。また、酸素ドープ処
理と熱処理を繰り返して行っても良い。当該処理を繰り返して行うことにより、トランジ
スタの信頼性をさらに高めることができる。なお、繰り返しの回数は適宜設定することが
できる。
【0115】
ここで、酸化物半導体膜403中の酸素の含有量は、酸化物半導体膜403の化学量論比
を超える程度、好ましくは、化学量論比の1倍を超えて2倍まで(1倍より大きく2倍未
満)、とするのが好ましい。酸素の含有量を多くしすぎると、水素吸蔵合金(水素貯蔵合
金)のように、かえって水素を取り込んでしまうためである。あるいは、酸素の含有量は
、単結晶の場合の酸素の量をYとして、Yを超える程度、好ましくはYを超えて2Yまで
、とすることもできる。あるいは、酸素の含有量は、酸素ドープ処理を行わない場合の酸
化物半導体膜中の酸素の量Zを基準として、Zを超える程度、好ましくは、Zを超えて2
Zまで、とすることもできる。よって、酸化物半導体膜において酸素の含有量は水素の含
有量より大きくなる。
【0116】
単結晶構造がInGaO(ZnO)(m>0)で表現される材料の場合、酸化物半導
体膜403の組成はInGaZnで表されるから、例えば、m=1(InGaZn
)であれば、xは4を超えて8まで、また、m=2(InGaZn)であれば
、xは5を超えて10まで、が許容される。なお、このような酸素過剰領域は、酸化物半
導体の少なくとも一部(界面も含む)に存在していればよい。
【0117】
なお、酸化物半導体膜において、酸素は主たる成分材料の一つである。このため、酸化物
半導体膜中の酸素濃度を、SIMS(Secondary Ion Mass Spec
trometry)などの方法を用いて、正確に見積もることは難しい。つまり、酸化物
半導体膜に酸素が意図的に添加されたか否かを判別することは困難であるといえる。
【0118】
ところで、酸素には17Oや18Oといった同位体が存在し、自然界におけるこれらの存
在比率はそれぞれ酸素原子全体の0.037%、0.204%程度であることが知られて
いる。つまり、酸化物半導体膜中におけるこれら同位体の濃度は、SIMSなどの方法に
よって見積もることができる程度になるから、これらの濃度を測定することで、酸化物半
導体膜中の酸素濃度をより正確に見積もることが可能な場合がある。よって、これらの濃
度を測定することで、酸化物半導体膜に意図的に酸素が添加されたか否かを判別しても良
い。
【0119】
例えば、18Oの濃度を基準に用いると、酸化物半導体膜において、酸素が添加された領
域における酸素の同位体の濃度D1(18O)と、酸素が添加されていない領域における
酸素の同位体の濃度D2(18O)との間には、D1(18O)>D2(18O)が成立
するといえる。
【0120】
また、絶縁膜407に添加される酸素421の少なくとも一部は、酸化物半導体に供給さ
れた後、酸化物半導体中において未結合手を有することが好ましい。未結合手を有するこ
とにより、膜中に残存しうる水素と結合して、水素を固定化(非可動イオン化)すること
ができるためである。
【0121】
以上の工程でトランジスタ410が形成される(図2(F)参照)。トランジスタ410
は、脱水化または脱水素化を目的とする熱処理によって、水素、水、水酸基又は水素化物
(水素化合物ともいう)などの不純物を酸化物半導体膜より意図的に排除し、高純度化さ
れた酸化物半導体膜403を含むトランジスタである。高純度化された酸化物半導体膜4
03中にはキャリアが極めて少ない(ゼロに近い)。さらに、絶縁膜407に酸素ドープ
処理によって酸素過剰領域を作製することで、酸化物半導体膜403からの酸素の引き抜
きを抑制し、酸化物半導体膜中または界面近傍における酸素欠損の形成を抑制することが
できる。また、酸素ドープ処理、またはその後の熱処理によって、酸化物半導体膜403
へと酸素を供給することで、酸化物半導体膜403の酸素欠損を補填すると共に、酸化物
半導体膜403中に残留する水素イオンを固定化することができる。よって、トランジス
タ410は、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。
【0122】
図3(A)乃至図3(D)に、本実施の形態に係るトランジスタの別の構成例を示す。
【0123】
図3(A)に示すトランジスタ440は、絶縁表面を有する基板400上に、ゲート電極
層401、ゲート絶縁膜402、酸化物半導体膜403、ソース電極層405a、ドレイ
ン電極層405b及び、酸素ドープ処理が行われた絶縁膜407を含む点でトランジスタ
410と共通しており、トランジスタ440は、前記構成に加えて、絶縁膜407上にさ
らに水分や水素などの不純物が酸化物半導体膜403に混入しないように、またゲート絶
縁膜402、酸化物半導体膜403、絶縁膜407及び該界面より酸素が放出されないよ
うに、ブロックする保護絶縁層として絶縁膜409を形成したトランジスタである。
【0124】
絶縁膜409としては、無機絶縁膜を用い、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜などを
用いればよい。例えば、RFスパッタ法を用いて窒化シリコン膜を形成する。RFスパッ
タ法は、量産性がよいため、絶縁膜409の成膜方法として好ましい。
【0125】
絶縁膜409の形成後、熱処理を行ってもよい。例えば、大気中、100℃以上200℃
以下、1時間以上30時間以下での熱処理を行ってもよい。この熱処理は一定の加熱温度
を保持して加熱してもよいし、室温から、100℃以上200℃以下の加熱温度への昇温
と、加熱温度から室温までの降温を複数回くりかえして行ってもよい。
【0126】
図3(B)に示すトランジスタ460は、トランジスタ440において、ゲート絶縁膜を
積層構造としたトランジスタであり、その他の構成はトランジスタ440と同様である。
トランジスタ460は、ゲート電極層401上に第1のゲート絶縁膜402a、第2のゲ
ート絶縁膜402bが積層され、第2のゲート絶縁膜402b上に酸化物半導体膜403
が形成されている。トランジスタ460において、酸化物半導体膜403と接する第2の
ゲート絶縁膜402bを酸化物半導体膜403と同種の成分でなる絶縁材料でなる膜(膜
a)とし、第2のゲート絶縁膜402bの下方に形成される第1のゲート絶縁膜402a
を第2のゲート絶縁膜402bの成分材料とは異なる材料を含む膜(膜b)で形成する。
【0127】
例えば、酸化物半導体膜403としてIn−Ga−Zn−O系の酸化物半導体膜を用いる
場合、第2のゲート絶縁膜402bとして酸化ガリウム膜を用い、第1のゲート絶縁膜4
02aとして酸化シリコン膜を用いることができる。
【0128】
また、酸化物半導体膜403と接して上方に形成される絶縁膜407にも酸化物半導体膜
と同種の成分でなる絶縁材料でなる膜を用いることが好ましい。このように、酸化物半導
体膜403に接して下方及び上方に酸化物半導体膜と同種の成分でなる絶縁材料でなる膜
を設けることによって、該膜で酸化物半導体膜403を囲うことができる。酸化物半導体
膜403と接して下方及び上方に酸化物半導体膜と同種の成分でなる絶縁材料でなる膜(
膜a)を設け、さらに膜aの外側に膜aの成分材料とは異なる材料を含む膜(膜b)を設
けることによって、酸化物半導体膜403の下方及び上方において電荷が膜aと膜bとの
界面の電荷捕獲中心に優先的に捕獲され、より効果的に酸化物半導体膜の界面での電荷捕
獲を十分に抑制することができるようになり、半導体装置の信頼性が向上する。
【0129】
図3(C)に示すトランジスタ420は、チャネル保護型(チャネルストップ型ともいう
)と呼ばれるボトムゲート構造の一つであり逆スタガ型トランジスタともいう。
【0130】
トランジスタ420は、絶縁表面を有する基板400上に、ゲート電極層401、ゲート
絶縁膜402、酸化物半導体膜403、酸化物半導体膜403のチャネル形成領域を覆う
チャネル保護層として機能する絶縁層427、ソース電極層405a、及びドレイン電極
層405bを含む。また、トランジスタ420を覆い、絶縁膜409が形成されている。
【0131】
トランジスタ420において、絶縁層427は、酸素ドープ処理が行われた絶縁層であり
、酸素過剰領域を有する。絶縁層427が酸素過剰領域を有することにより、酸化物半導
体膜403から絶縁層427への酸素の移動を防ぐことができる。また、絶縁層427か
ら酸化物半導体膜403への酸素の供給を行うこともできる。よって、絶縁層427に酸
素ドープ処理を行うことにより、酸化物半導体膜403に十分な量の酸素を含有させるこ
とができるので、信頼性が高められたトランジスタ420が実現する。
【0132】
図3(D)に示すトランジスタ430はボトムゲート型のトランジスタであり、絶縁表面
を有する基板である基板400上に、ゲート電極層401、ゲート絶縁膜402、ソース
電極層405a、ドレイン電極層405b、酸化物半導体膜403、及び絶縁膜407を
含む点で、トランジスタ410と共通している。また、絶縁膜407上にはさらに絶縁膜
409が形成されている。
【0133】
トランジスタ430においては、ゲート絶縁膜402は基板400及びゲート電極層40
1上に接して設けられ、ゲート絶縁膜402上にソース電極層405a、ドレイン電極層
405bが接して設けられている。そして、ゲート絶縁膜402、及びソース電極層40
5a、ドレイン電極層405b上に酸化物半導体膜403が設けられている。
【0134】
以上示した、開示する発明の一態様に係るトランジスタは、熱処理によって、水素、水、
水酸基又は水素化物(水素化合物ともいう)などの水素原子を含む不純物を酸化物半導体
より排除し、且つ、不純物の排除工程において減少するおそれのある酸素を供給すること
によって、高純度化およびi型(真性)化を図った酸化物半導体膜を用いている。このよ
うに高純度化された酸化物半導体膜を含むトランジスタは、しきい値電圧などの電気的特
性変動が抑制されており、電気的に安定である。
【0135】
特に、酸素ドープ処理によって酸化物半導体膜に接する絶縁膜中、及び/または酸化物半
導体膜中の酸素の含有量を増大させることで、電気的バイアスストレスや熱ストレスに起
因する劣化を抑制し、光による劣化を低減することができる。
【0136】
また、酸化物半導体膜403を用いたトランジスタ410、420、430、440、4
60は、比較的高い電界効果移動度が得られるため、高速駆動が可能である。よって、表
示機能を有する半導体装置の画素部に上記トランジスタを用いることで、高画質な画像を
提供することができる。また、高純度化された酸化物半導体膜を含むトランジスタによっ
て、同一基板上に駆動回路部または画素部を作り分けて作製することができるため、半導
体装置の部品点数を削減することができる。
【0137】
以上のように、安定した電気的特性を有する酸化物半導体を用いた半導体装置を提供する
ことができる。よって、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【0138】
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。
【0139】
(実施の形態2)
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の他の一形態を、図4及び図5
を用いて説明する。本実施の形態では、半導体装置の一例として酸化物半導体膜を有する
トランジスタを示す。実施の形態1と同一部分又は同様な機能を有する部分、及び工程は
、実施の形態1と同様に行うことができ、繰り返しの説明は省略する。また同じ箇所の詳
細な説明は省略する。
【0140】
図4及び図5にトランジスタ450の作製方法の一例を示す。本実施の形態では、トラン
ジスタ450の作製工程において酸素ドープ処理を複数回行う。
【0141】
まず、絶縁表面を有する基板400上に導電膜を形成した後、第1のフォトリソグラフィ
工程によりゲート電極層401を形成する。
【0142】
次いで、ゲート電極層401上にゲート絶縁膜402を形成する(図4(A)参照)。
【0143】
次に、ゲート絶縁膜402に酸素ドープ処理を行う。ゲート絶縁膜402に酸素ドープ処
理を行うことにより、酸素421aをゲート絶縁膜402に供給して、酸化物半導体膜4
03、酸化物半導体膜中、又はゲート絶縁膜402中及び該界面近傍に酸素を含有させる
ことができる(図4(B)参照)。この場合、酸素の含有量は、ゲート絶縁膜402の化
学量論比を超える程度、好ましくは、化学量論比の1倍を超えて4倍まで(1倍より大き
く4倍未満)、より好ましくは1倍を超えて2倍まで(1倍より大きく2倍未満)とする
。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量をYとして、Yを超える程度、好
ましくはYを超えて4Yまで、より好ましくはYを超えて2Yまで、とすることもできる
。あるいは、酸素の含有量は、酸素ドープ処理を行わない場合のゲート絶縁膜中の酸素の
量Zを基準として、Zを超える程度、好ましくはZを超えて4Zまで、より好ましくはZ
を超えて2Zまで、とすることもできる。なお、ドープされる酸素421aは、酸素ラジ
カル、酸素原子、及び/又は酸素イオンを含む。
【0144】
例えば、組成がGaO(x>0)で表現されるゲート絶縁膜を用いる場合、酸化ガリウ
ムの化学量論比はGa:O=1:1.5であるので、xが1.5を超えて6まで含まれる
酸素過剰領域を有するゲート絶縁膜を形成する。また、例えば、組成がSiO(x>0
)で表現されるゲート絶縁膜を用いる場合、酸化シリコンの化学量論比はSi:O=1:
2であるので、xが2を超えて8まで含まれる酸素過剰領域を有するゲート絶縁膜を形成
する。なお、このような酸素過剰領域は、ゲート絶縁膜402の少なくとも一部(界面も
含む)に存在していればよい。
【0145】
酸素ドープは、酸素を含むガスを用いてラジカル発生装置により供給されてもよいし、又
はオゾン発生装置により供給されてもよい。より具体的には、例えば、半導体装置に対し
てエッチング処理を行うための装置や、マスクに対してアッシングを行うための装置など
を用いて酸素421aを発生させ、ゲート絶縁膜402を処理することができる。
【0146】
また、酸素ドープ処理を行ったゲート絶縁膜402に熱処理(温度150℃〜470℃)
を行ってもよい。熱処理により、酸素421aとゲート絶縁膜402との間で反応して生
成された水、水酸化物をゲート絶縁膜402から除去することができる。熱処理は、窒素
、酸素、超乾燥空気、または希ガス(アルゴン、ヘリウムなど)の雰囲気下で行えばよい
が、上記窒素、酸素、超乾燥空気、または希ガス等の雰囲気は、水、水素などが含まれず
高純度化されていることが好ましい。
【0147】
また、ゲート絶縁膜402、ゲート絶縁膜402上に形成される酸化物半導体膜に水素、
水酸基及び水分がなるべく含まれないようにするために、酸化物半導体膜の成膜の前処理
として、スパッタリング装置の予備加熱室でゲート電極層401が形成された基板400
、又はゲート絶縁膜402までが形成された基板400を予備加熱し、基板400に吸着
した水素、水分などの不純物を脱離し排気することが好ましい。なお、予備加熱室に設け
る排気手段はクライオポンプが好ましい。なお、この予備加熱の処理は省略することもで
きる。またこの予備加熱は、絶縁膜407の成膜前に、ソース電極層405a及びドレイ
ン電極層405bまで形成した基板400にも同様に行ってもよい。
【0148】
次いで、ゲート絶縁膜402上に、膜厚2nm以上200nm以下、好ましくは5nm以
上30nm以下の酸化物半導体膜を形成する。
【0149】
本実施の形態では、酸化物半導体膜としてIn−Ga−Zn−O系酸化物ターゲットを用
いてスパッタリング法により成膜する。また、酸化物半導体膜は、希ガス(代表的にはア
ルゴン)雰囲気下、酸素雰囲気下、又は希ガスと酸素の混合雰囲気下においてスパッタリ
ング法により形成することができる。
【0150】
酸化物半導体膜をスパッタリング法で作製するためのターゲットとしては、例えば、組成
比として、In:Ga:ZnO=1:1:1[mol数比]の酸化物ターゲ
ットを用い、In−Ga−Zn−O膜を成膜することができる。
【0151】
酸化物半導体膜を、成膜する際に用いるスパッタガスは水素、水、水酸基又は水素化物な
どの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。
【0152】
成膜条件の一例としては、基板とターゲットの間との距離を100mm、圧力0.6Pa
、直流(DC)電源0.5kW、酸素(酸素流量比率100%)雰囲気下の条件が適用さ
れる。なお、パルス直流電源を用いると、成膜時に発生する粉状物質(パーティクル、ご
みともいう)が軽減でき、膜厚分布も均一となるために好ましい。
【0153】
次いで、酸化物半導体膜を第2のフォトリソグラフィ工程により島状の酸化物半導体膜4
41に加工する(図4(C)参照)。
【0154】
次いで、酸化物半導体膜441に熱処理を行う。この熱処理によって過剰な水素(水や水
酸基を含む)を除去(脱水化または脱水素化)し、酸化物半導体膜の構造を整え、エネル
ギーギャップ中の欠陥準位を低減することができる。熱処理の温度は、250℃以上75
0℃以下、または400℃以上基板の歪み点未満とする。ここでは、熱処理装置の一つで
ある電気炉に基板を導入し、酸化物半導体膜に対して窒素雰囲気下450℃において1時
間の熱処理を行った後、大気に触れることなく、酸化物半導体膜への水や水素の混入を防
ぎ、酸化物半導体膜403を得る(図4(D)参照)。
【0155】
なお、熱処理装置は電気炉に限られず、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱輻
射によって、被処理物を加熱する装置を用いてもよい。
【0156】
例えば、熱処理として、650℃〜700℃の高温に加熱した不活性ガス中に基板を移動
させて入れ、数分間加熱した後、基板を移動させて高温に加熱した不活性ガス中から出す
GRTAを行ってもよい。
【0157】
また、酸化物半導体膜の熱処理は、島状の酸化物半導体膜に加工する前の酸化物半導体膜
に行うこともできる。その場合には、熱処理後に、加熱装置から基板を取り出し、酸化物
半導体膜にフォトリソグラフィ工程を行う。また、熱処理は、酸化物半導体膜成膜後であ
れば、島状の酸化物半導体膜上にソース電極層及びドレイン電極層を積層させた後で行っ
ても良い。
【0158】
次に、脱水化または脱水素化された酸化物半導体膜403に酸素ドープ処理を行う。酸化
物半導体膜403に酸素ドープ処理を行うことにより、酸素421bを酸化物半導体膜4
03に供給して、酸化物半導体膜403、酸化物半導体膜中、又は酸化物半導体膜中及び
該界面近傍に酸化物半導体の化学量論比を超えてそれ以上(好ましくは2倍まで(2倍未
満))酸素を含有させる(図4(E)参照)。酸素の含有量を多くしすぎると、水素吸蔵
合金(水素貯蔵合金)のように、かえって酸化物半導体膜403が水素を取り込んでしま
う恐れがあるためである。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量をYとし
て、Yを超える程度、好ましくは、Yを超えて2Yまで、とすることもできる。あるいは
、酸素の含有量は、酸素ドープ処理を行わない場合の酸化物半導体膜中の酸素の量Zを基
準として、Zを超える程度、好ましくは、Zを超えて2Zまで、とすることもできる。ド
ープされる酸素421bは、酸素ラジカル、酸素原子、及び/又は酸素イオンを含む。
【0159】
例えば、化学量論比がInGaO(ZnO)(m>0)において、m=1(InGa
ZnO)であれば、酸素は4を超えて例えば8まで、またm=2(InGaZn
)であれば酸素は5を超えて例えば10まで含まれる酸素過剰領域を有する酸化物半導体
膜を形成する。なお、このような酸素過剰領域は、酸化物半導体膜の一部に存在していれ
ばよい。
【0160】
また、酸化物半導体膜に添加される(含まれる)酸素421bの少なくとも一部は酸素の
未結合手を酸化物半導体中で有することが好ましい。未結合手を有することにより、膜中
に残存しうる水素と結合して、水素を固定化(非可動イオン化)することができるためで
ある。
【0161】
ドープされる酸素(酸素ラジカル、酸素原子、及び/又は酸素イオン)は、酸素を含むガ
スを用いてラジカル発生装置により供給されてもよいし、又はオゾン発生装置により供給
されてもよい。より具体的には、例えば、半導体装置に対してエッチング処理を行うため
の装置や、レジストマスクに対してアッシングを行うための装置などを用いて酸素421
bを発生させ、酸化物半導体膜403を処理することができる。
【0162】
なお、酸素の添加をより好適に行うためには、基板には電気的なバイアスを加えておくこ
とが望ましい。
【0163】
また、酸素ドープ処理を行った酸化物半導体膜403に熱処理(温度150℃〜470℃
)を行ってもよい。熱処理により、酸素421bと酸化物半導体膜403との間で反応し
て生成された水、水酸化物を酸化物半導体膜403から除去することができる。熱処理は
、窒素、酸素、超乾燥空気、または希ガス(アルゴン、ヘリウムなど)の雰囲気下で行え
ばよいが、上記窒素、酸素、超乾燥空気、または希ガス等の雰囲気は、水、水素などが含
まれず高純度化されていることが好ましい。
【0164】
以上の工程で高純度化し、電気的にi型(真性)化された酸化物半導体膜403を得る。
高純度化された酸化物半導体膜403中には、キャリアが極めて少なく、ゼロに近い。
【0165】
また、酸化物半導体膜への酸素ドープ処理は、熱処理後であれば、島状の酸化物半導体膜
への加工前の酸化物半導体膜に行ってもよいし、島状の酸化物半導体膜上にソース電極層
及びドレイン電極層を積層させた後で行ってもよい。
【0166】
次いで、ゲート絶縁膜402、及び酸化物半導体膜403上に、ソース電極層及びドレイ
ン電極層(これと同じ層で形成される配線を含む)となる導電膜を形成する。
【0167】
第3のフォトリソグラフィ工程により導電膜上にレジストマスクを形成し、選択的にエッ
チングを行ってソース電極層405a、ドレイン電極層405bを形成した後、レジスト
マスクを除去する(図4(F)参照)。
【0168】
なお、導電膜のエッチングの際に、酸化物半導体膜403がエッチングされ、分断するこ
とのないようエッチング条件を最適化することが望まれる。しかしながら、導電膜のみを
エッチングし、酸化物半導体膜403を全くエッチングしないという条件を得ることは難
しく、導電膜のエッチングの際に酸化物半導体膜441は一部のみがエッチングされ、溝
部(凹部)を有する酸化物半導体膜となることもある。
【0169】
本実施の形態では、導電膜としてTi膜を用い、酸化物半導体膜403にはIn−Ga−
Zn−O系酸化物半導体を用いたので、エッチャントとしてアンモニア過水(アンモニア
、水、過酸化水素水の混合液)を用いる。
【0170】
次に酸化物半導体膜403、ソース電極層405a及びドレイン電極層405b上に絶縁
膜407を形成する(図5(A)参照)。
【0171】
絶縁膜407は、少なくとも1nm以上の膜厚とし、スパッタリング法など、絶縁膜40
7に水、水素等の不純物を混入させない方法を適宜用いて形成することができる。
【0172】
絶縁膜407としては、代表的には酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニ
ウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、又は酸化ガリウム膜などの無機絶縁膜を用いることが
できる。
【0173】
なお、絶縁膜407には、ゲート絶縁膜402と同様に、酸化物半導体膜403と同種の
成分でなる絶縁材料を用いると特に好ましい。このような材料は酸化物半導体膜との相性
が良く、これを、絶縁膜407に用いることで、酸化物半導体膜との界面の状態を良好に
保つことができるからである。例えば、酸化物半導体膜がIn−Ga−Zn−O系の酸化
物半導体材料によって構成される場合、同種の成分でなる絶縁材料としては酸化ガリウム
などがある。
【0174】
上述の絶縁膜407の形成後には、熱処理を行うのが望ましい。熱処理の温度は、250
℃以上700℃以下、好ましくは450℃以上600℃以下、または基板の歪み点未満と
する。
【0175】
熱処理は、窒素、酸素、超乾燥空気、または希ガス(アルゴン、ヘリウムなど)の雰囲気
下で行えばよいが、上記窒素、酸素、超乾燥空気、または希ガス等の雰囲気には、水、水
素などが含まれないことが好ましい。また、熱処理装置に導入する窒素、酸素、または希
ガスの純度は、6N(99.9999%)以上(即ち不純物濃度を1ppm以下)とする
のが好ましく、7N(99.99999%)以上(即ち不純物濃度を0.1ppm以下)
とすると、より好ましい。
【0176】
また、酸化物半導体膜と酸素を含む絶縁膜407とを接した状態で熱処理を行うと、酸素
を含む絶縁膜407より酸素をさらに酸化物半導体膜へ供給することができる。
【0177】
次に、絶縁膜407に酸素ドープ処理を行う。絶縁膜407に酸素ドープ処理を行うこと
により、酸素421cを絶縁膜407に供給して、酸化物半導体膜403、酸化物半導体
膜中、又はゲート絶縁膜402中及び該界面近傍に酸素を含有させる(図5(B)参照)
。この場合、酸素の含有量は、絶縁膜407の化学量論比を超える程度、好ましくは、化
学量論比の1倍を超えて4倍まで(1倍より大きく4倍未満)、より好ましくは1倍を超
えて2倍まで(1倍より大きく2倍未満)とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の
場合の酸素の量をYとして、Yを超える程度、好ましくはYを超えて4Yまで、より好ま
しくはYを超えて2Yまで、とすることもできる。あるいは、酸素の含有量は、酸素ドー
プ処理を行わない場合の絶縁膜中の酸素の量Zを基準として、Zを超える程度、好ましく
はZを超えて4Zまで、より好ましくはZを超えて2Zまでとすることもできる。ドープ
される酸素421cは、酸素ラジカル、酸素原子、及び/又は酸素イオンを含む。
【0178】
例えば、組成がGaO(x>0)で表現される絶縁膜を用いる場合、酸化ガリウムの化
学量論比はGa:O=1:1.5であるので、xが1.5を超えて6まで含まれる酸素過
剰領域を有する絶縁膜を形成する。また、例えば、組成がSiO(x>0)で表現され
る絶縁膜を用いる場合、酸化シリコンの化学量論比はSi:O=1:2であるので、xが
2を超えて8まで含まれる酸素過剰領域を有する酸化物半導体膜を形成する。なお、この
ような酸素過剰領域は、絶縁膜の少なくとも一部(界面も含む)に存在していればよい。
【0179】
ドープされる酸素(酸素ラジカル、酸素原子、及び/又は酸素イオン)は、酸素を含むガ
スを用いてラジカル発生装置により供給されてもよいし、又はオゾン発生装置により供給
されてもよい。より具体的には、例えば、半導体装置に対してエッチング処理を行うため
の装置や、レジストマスクに対してアッシングを行うための装置などを用いて酸素421
cを発生させ、絶縁膜407を処理することができる。
【0180】
また、酸素ドープ処理を行った絶縁膜407に熱処理(温度150℃〜470℃)を行っ
てもよい。熱処理により、酸素421cと絶縁膜407との間で反応して生成された水、
水酸化物を絶縁膜407から除去することができる。熱処理は、窒素、酸素、超乾燥空気
、または希ガス(アルゴン、ヘリウムなど)の雰囲気下で行えばよいが、上記窒素、酸素
、超乾燥空気、または希ガス等の雰囲気は、水、水素などが含まれず高純度化されている
ことが好ましい。
【0181】
絶縁膜407上にさらに水分や水素などの不純物が酸化物半導体膜403に混入しないよ
うに、これらが外部から侵入することをブロックする保護絶縁層として絶縁膜409を形
成することが好ましい。絶縁膜409としては、無機絶縁膜を用い、窒化シリコン膜、酸
化アルミニウム膜などを用いればよい。例えば、RFスパッタリング法を用いて窒化シリ
コン膜を形成する。RFスパッタリング法は、量産性がよいため、絶縁膜409の成膜方
法として好ましい。
【0182】
絶縁膜の形成後、熱処理を行ってもよい。例えば、大気中、100℃以上200℃以下、
1時間以上30時間以下での熱処理を行ってもよい。この熱処理は一定の加熱温度を保持
して加熱してもよいし、室温から、100℃以上200℃以下の加熱温度への昇温と、加
熱温度から室温までの降温を複数回繰り返して行ってもよい。
【0183】
以上の工程でトランジスタ450が形成される(図5(C)参照)。トランジスタ450
は、水素、水分、水酸基又は水素化物(水素化合物ともいう)などの不純物を酸化物半導
体膜より意図的に排除し、高純度化された酸化物半導体膜403を含むトランジスタであ
る。よって、トランジスタ450は、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定で
ある。
【0184】
本実施の形態を用いて作製した、高純度化された酸化物半導体膜403を用いたトランジ
スタ450は、オフ状態における電流値(オフ電流値)を、低くすることができる。
【0185】
このように酸素ドープ処理は、絶縁膜407の他、ゲート絶縁膜402、酸化物半導体膜
403に対しても行うことができる。酸素ドープ処理は、ゲート絶縁膜402及び酸化物
半導体膜403両方に対してそれぞれ行ってもよいし、どちらか一方に対してのみ行って
もよい。
【0186】
また、酸素ドープ処理を行った後、熱処理(温度150℃〜470℃)を行ってもよい。
熱処理は、窒素、酸素、超乾燥空気、または希ガス(アルゴン、ヘリウムなど)の雰囲気
下で行えばよいが、上記窒素、酸素、超乾燥空気、または希ガス等の雰囲気は、水、水素
などが含まれず高純度化されていることが好ましい。
【0187】
以上示した、開示する発明の一態様に係るトランジスタは、熱処理によって、水素、水、
水酸基又は水素化物(水素化合物ともいう)などの水素原子を含む不純物を酸化物半導体
より排除し、且つ、不純物の排除工程において減少するおそれのある酸素を供給すること
によって、高純度化およびi型(真性)化を図った酸化物半導体膜を用いている。このよ
うに高純度化された酸化物半導体膜を含むトランジスタは、しきい値電圧などの電気的特
性変動が抑制されており、電気的に安定である。
【0188】
特に、酸素ドープ処理によって酸化物半導体膜に接する絶縁膜中、及び/または酸化物半
導体膜中の酸素の含有量を増大させることで、電気的バイアスストレスや熱ストレスに起
因する劣化を抑制し、光による劣化を低減することができる。
【0189】
また、酸化物半導体膜403を用いたトランジスタ450は、比較的高い電界効果移動度
が得られるため、高速駆動が可能である。よって、表示機能を有する半導体装置の画素部
に上記トランジスタを用いることで、高画質な画像を提供することができる。また、高純
度化された酸化物半導体膜を含むトランジスタによって、同一基板上に駆動回路部または
画素部を作り分けて作製することができるため、半導体装置の部品点数を削減することが
できる。
【0190】
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。
【0191】
(実施の形態3)
本実施の形態では、半導体装置の他の一形態を図13を用いて説明する。上記実施の形態
と同一部分又は同様な機能を有する部分、及び工程は、上記実施の形態と同様に行うこと
ができ、繰り返しの説明は省略する。また同じ箇所の詳細な説明は省略する。
【0192】
本実施の形態では、トランジスタのソース電極層又は/及びドレイン電極層に導電層(配
線層や画素電極層など)を接続する構成の一例を示す。なお、本実施の形態は、実施の形
態1又は実施の形態2で示したトランジスタにも適用できる。
【0193】
図13(A)に示すように、トランジスタ470は、絶縁表面を有する基板400上に、
ゲート電極層401、ゲート絶縁膜402、酸化物半導体膜403、ソース電極層405
a、ドレイン電極層405bを含む。
【0194】
実施の形態2で示したように、トランジスタ470の作製工程においても、脱水化または
脱水素化処理として熱処理を行った酸化物半導体膜403に酸素ドープ工程を行う。本実
施の形態のトランジスタ470は脱水素化処理として熱処理を行った酸化物半導体膜40
3上にソース電極層405a、ドレイン電極層405bを形成した後、酸素ドープ工程を
行う例である。
【0195】
この酸素ドープ工程において、酸素ラジカルまたは酸素原子、酸素イオンは酸化物半導体
膜403の他、ソース電極層405a、ドレイン電極層405bへも到達し、照射(表面
付近に導入)される。よって、図13(A)に示すように酸素ラジカルまたは酸素原子、
酸素イオンが照射されたソース電極層405a、ドレイン電極層405b表面は酸化され
、絶縁膜407の間に酸化金属領域404a、404bが形成される場合がある。酸化金
属領域404a、404bは膜の形状となる場合もある。
【0196】
次に、トランジスタ470上に、絶縁膜407、及び絶縁膜409を順に積層する(図1
3(B)参照)。
【0197】
図13(B)のような場合、絶縁膜409上に、ソース電極層405a及びドレイン電極
層405bに接続する導電層を形成するための開口455a、455bは、抵抗の高い酸
化金属領域404a、404bも除去し、抵抗の低いソース電極層405a及びドレイン
電極層405bが露出するまで形成することが好ましい(図13(C)参照)。開口45
5a、455bは絶縁膜409、絶縁膜407、酸化金属領域404a、404bの一部
を除去して形成する。ソース電極層405a及びドレイン電極層405bは一部を除去さ
れることによって凹部を有する形状となる。ソース電極層405a及びドレイン電極層4
05bにおいて、該凹部の底面に露出する領域の酸素濃度は、ソース電極層405a及び
ドレイン電極層405b表面の酸化金属領域404a、404bの酸素濃度より低い。
【0198】
例えば、ソース電極層405a、ドレイン電極層405b表面に形成された酸化金属領域
404a、404bを除去するために、開口455a、455bにおいて、ソース電極層
405a、ドレイン電極層405bは表面より該膜厚の2分の1以下(好ましくは3分の
1以下)の膜厚分を除去すればよい。
【0199】
次に、開口455a、455bにおいて露出されたソース電極層405a及びドレイン電
極層405bに接するように導電層456a、456bを形成する(図13(D)参照)
。導電層456a、456bは抵抗の高い酸化金属領域404a、404bを介さずに、
直接抵抗の低いソース電極層405a及びドレイン電極層405bと接して設けられるた
めに、良好な電気的接続(コンタクト)を行うことができる。
【0200】
導電層456a、456bの上に保護層としてトランジスタ470を覆う絶縁膜を形成し
てもよい。さらに絶縁膜を覆うことで、開口455a、455b部分より水素、水分など
の不純物が酸化物半導体膜403へ侵入することを防止することができる。
【0201】
以上のように、トランジスタの良好な電気的接続及び安定した電気的特性を有する酸化物
半導体を用いた半導体装置を提供することができる。よって、信頼性の高い半導体装置を
提供することができる。
【0202】
(実施の形態4)
本実施の形態では、酸素ドープ処理に用いることができるプラズマ装置(アッシング装置
とも呼ぶ)の例を説明する。なお、この装置は、例えば第5世代以降の大型のガラス基板
などに対応することができる点で、イオン注入装置などよりも工業的に適している。
【0203】
図14(A)は、枚葉式マルチチャンバー設備の上面図の一例を示す。図14(B)は、
酸素ドープを行うプラズマ装置(アッシング装置とも呼ぶ)の断面図の一例を示す。
【0204】
図14(A)に示す枚葉式マルチチャンバー設備は、図14(B)に示すプラズマ装置1
0を3つ有し、被処理基板を収容するカセットポート14を3つ有する基板供給室11や
、ロードロック室12や、搬送室13などを有している。基板供給室11に供給された基
板は、ロードロック室12と搬送室13を介してプラズマ装置10内の真空チャンバー1
5に搬送されて酸素ドープが行われる。酸素ドープが終了した基板は、プラズマ装置10
からロードロック室12と搬送室13を介して基板供給室11に搬送される。なお、基板
供給室11及び搬送室13には、被処理基板を搬送するための搬送ロボットがそれぞれ配
置されている。
【0205】
図14(B)を参照すると、プラズマ装置10は、真空チャンバー15を備える。真空チ
ャンバー15の上部には、複数のガス吹き出し口と、プラズマ発生源であるICPコイル
16(誘導結合プラズマコイル)が配置されている。
【0206】
ガス吹き出し口は、プラズマ装置10の上面から見て中央部分に12個配置されている。
それぞれのガス吹き出し口は、酸素ガスを供給するためのガス供給源とガス流路17を介
して接続されており、ガス供給源は、マスフローコントローラ等を備え、所望の流量(0
より多く1000sccm以下)でガス流路17に対して酸素ガスを供給することができ
る。ガス供給源から供給される酸素ガスは、ガス流路17から12個のガス吹き出し口を
介して真空チャンバー15内に供給される。
【0207】
ICPコイル16は、複数本の帯状の導体を螺旋状に配置してなる。各導体の一端は、イ
ンピーダンス調整のためのマッチング回路を介して第1の高周波電源18(13.56M
Hz)に電気的に接続され、他端は接地されている。
【0208】
真空チャンバーの下部には、下部電極として機能する基板ステージ19が配置されている
。基板ステージ19に設けられた静電チャックなどにより、基板ステージ上に被処理基板
20が着脱可能に保持される。基板ステージ19には、加熱機構としてヒータ、冷却機構
としてHeガス流路を備えている。基板ステージは、基板バイアス電圧印加用の第2の高
周波電源21(3.2MHz)に接続されている。
【0209】
また、真空チャンバー15には、排気口が設けられ、自動圧力制御弁22(automa
tic pressure control valve、APCとも呼ぶ。)が備えら
れる。APCはターボ分子ポンプ23に接続され、さらにターボ分子ポンプ23を介して
ドライポンプ24に接続される。APCは真空チャンバー内の圧力制御を行い、ターボ分
子ポンプ23及びドライポンプ24は、真空チャンバー15内を減圧する。
【0210】
次に、図14(B)に示す真空チャンバー15内にプラズマを発生させ、被処理基板20
に設けられている酸化物半導体膜またはゲート絶縁膜に酸素ドープを行う一例を示す。
【0211】
まず、ターボ分子ポンプ23及びドライポンプ24などを作動させて、真空チャンバー1
5内を所望の圧力に保持した後、被処理基板20を真空チャンバー15内の基板ステージ
に設置する。なお、基板ステージに保持する被処理基板20には少なくとも酸化物半導体
膜またはゲート絶縁膜を備えるものとする。本実施の形態では、真空チャンバー15内の
圧力を1.33Paに保持する。なお、酸素ガスをガス吹き出し口から真空チャンバー1
5内に供給する流量を250sccmに設定する。
【0212】
次いで、第1の高周波電源18からICPコイル16に高周波電力を印加し、プラズマを
発生させる。そして、プラズマを発生させた状態を一定時間(30秒以上600秒以下)
維持する。なお、ICPコイル16に印加する高周波電力は、1kW以上10kW以下と
する。本実施の形態では、6000Wとする。この際、第2の高周波電源21から基板ス
テージに基板バイアス電力を印加してもよい。本実施の形態では1000Wとする。
【0213】
本実施の形態では、プラズマを発生させた状態を60秒維持した後、被処理基板20を真
空チャンバー15から搬出する。こうして、被処理基板20に設けられている酸化物半導
体膜またはゲート絶縁膜に酸素ドープを行うことができる。
【0214】
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。
【0215】
(実施の形態5)
実施の形態1乃至3のいずれかで一例を示したトランジスタを用いて表示機能を有する半
導体装置(表示装置ともいう)を作製することができる。また、トランジスタを含む駆動
回路の一部または全体を、画素部と同じ基板上に一体形成し、システムオンパネルを形成
することができる。
【0216】
図12(A)において、第1の基板4001上に設けられた画素部4002を囲むように
して、シール材4005が設けられ、第2の基板4006によって封止されている。図1
2(A)においては、第1の基板4001上のシール材4005によって囲まれている領
域とは異なる領域に、別途用意された基板上に単結晶半導体膜又は多結晶半導体膜で形成
された走査線駆動回路4004、信号線駆動回路4003が実装されている。また別途形
成された信号線駆動回路4003と、走査線駆動回路4004または画素部4002に与
えられる各種信号及び電位は、FPC(Flexible printed circu
it)4018a、4018bから供給されている。
【0217】
図12(B)(C)において、第1の基板4001上に設けられた画素部4002と、走
査線駆動回路4004とを囲むようにして、シール材4005が設けられている。また画
素部4002と、走査線駆動回路4004の上に第2の基板4006が設けられている。
よって画素部4002と、走査線駆動回路4004とは、第1の基板4001とシール材
4005と第2の基板4006とによって、表示素子と共に封止されている。図12(B
)(C)においては、第1の基板4001上のシール材4005によって囲まれている領
域とは異なる領域に、別途用意された基板上に単結晶半導体膜又は多結晶半導体膜で形成
された信号線駆動回路4003が実装されている。図12(B)(C)においては、別途
形成された信号線駆動回路4003と、走査線駆動回路4004または画素部4002に
与えられる各種信号及び電位は、FPC4018から供給されている。
【0218】
また図12(B)(C)においては、信号線駆動回路4003を別途形成し、第1の基板
4001に実装している例を示しているが、この構成に限定されない。走査線駆動回路を
別途形成して実装しても良いし、信号線駆動回路の一部または走査線駆動回路の一部のみ
を別途形成して実装しても良い。
【0219】
なお、別途形成した駆動回路の接続方法は、特に限定されるものではなく、COG(Ch
ip On Glass)方法、ワイヤボンディング方法、或いはTAB(Tape A
utomated Bonding)方法などを用いることができる。図12(A)は、
COG方法により信号線駆動回路4003、走査線駆動回路4004を実装する例であり
、図12(B)は、COG方法により信号線駆動回路4003を実装する例であり、図1
2(C)は、TAB方法により信号線駆動回路4003を実装する例である。
【0220】
また、表示装置は、表示素子が封止された状態にあるパネルと、該パネルにコントローラ
を含むIC等を実装した状態にあるモジュールとを含む。
【0221】
なお、本明細書中における表示装置とは、画像表示デバイス、表示デバイス、もしくは光
源(照明装置含む)を指す。また、コネクター、例えばFPCもしくはTABテープもし
くはTCPが取り付けられたモジュール、TABテープやTCPの先にプリント配線板が
設けられたモジュール、または表示素子にCOG方式によりIC(集積回路)が直接実装
されたモジュールも全て表示装置に含むものとする。
【0222】
また第1の基板上に設けられた画素部及び走査線駆動回路は、トランジスタを複数有して
おり、実施の形態1乃至3のいずれかで一例を示したトランジスタを適用することができ
る。
【0223】
表示装置に設けられる表示素子としては液晶素子(液晶表示素子ともいう)、発光素子(
発光表示素子ともいう)、を用いることができる。発光素子は、電流または電圧によって
輝度が制御される素子をその範疇に含んでおり、具体的には無機EL(Electro
Luminescence)素子、有機EL素子等が含まれる。また、電子インクなど、
電気的作用によりコントラストが変化する表示媒体も適用することができる。
【0224】
半導体装置の一形態について、図6乃至図8を用いて説明する。図6乃至図8は、図12
(B)のM−Nにおける断面図に相当する。
【0225】
図6乃至図8で示すように、半導体装置は接続端子電極4015及び端子電極4016を
有しており、接続端子電極4015及び端子電極4016はFPC4018が有する端子
と異方性導電膜4019を介して、電気的に接続されている。
【0226】
接続端子電極4015は、第1の電極層4030と同じ導電膜から形成され、端子電極4
016は、トランジスタ4010、4011のソース電極及びドレイン電極と同じ導電膜
で形成されている。
【0227】
また第1の基板4001上に設けられた画素部4002と、走査線駆動回路4004は、
トランジスタを複数有しており、図6乃至図8では、画素部4002に含まれるトランジ
スタ4010と、走査線駆動回路4004に含まれるトランジスタ4011とを例示して
いる。図6では、トランジスタ4010、4011上には絶縁膜4020、絶縁膜402
4が設けられ、図7及び図8ではさらに、絶縁層4021が設けられている。なお、絶縁
膜4023は下地膜として機能する絶縁膜である。
【0228】
本実施の形態では、トランジスタ4010、トランジスタ4011として、実施の形態1
乃至3のいずれかで示したトランジスタを適用することができる。トランジスタ4010
、トランジスタ4011は、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。よ
って、図6乃至図8で示す本実施の形態の半導体装置として信頼性の高い半導体装置を提
供することができる。
【0229】
また、本実施の形態では、絶縁層上において駆動回路用のトランジスタ4011の酸化物
半導体膜のチャネル形成領域と重なる位置には導電層が設けられている。導電層を酸化物
半導体膜のチャネル形成領域と重なる位置に設けることによって、BT試験前後における
トランジスタ4011のしきい値電圧の変化量をさらに低減することができる。また、導
電層は、電位がトランジスタ4011のゲート電極と同じでもよいし、異なっていても良
く、第2のゲート電極として機能させることもできる。また、導電層の電位がGND、0
V、或いはフローティング状態であってもよい。
【0230】
また、該導電層は外部の電場を遮蔽する、すなわち外部の電場が内部(トランジスタを含
む回路部)に作用しないようにする機能(特に静電気に対する静電遮蔽機能)も有する。
導電層の遮蔽機能により、静電気などの外部の電場の影響によりトランジスタの電気的な
特性が変動することを防止することができる。
【0231】
画素部4002に設けられたトランジスタ4010は表示素子と電気的に接続し、表示パ
ネルを構成する。表示素子は表示を行うことができれば特に限定されず、様々な表示素子
を用いることができる。
【0232】
図6に表示素子として液晶素子を用いた液晶表示装置の例を示す。図6において、表示素
子である液晶素子4013は、第1の電極層4030、第2の電極層4031、及び液晶
層4008を含む。なお、液晶層4008を挟持するように配向膜として機能する絶縁膜
4032、4033が設けられている。第2の電極層4031は第2の基板4006側に
設けられ、第1の電極層4030と第2の電極層4031とは液晶層4008を介して積
層する構成となっている。
【0233】
また4035は絶縁膜を選択的にエッチングすることで得られる柱状のスペーサであり、
液晶層4008の膜厚(セルギャップ)を制御するために設けられている。なおスペーサ
の形状は、柱状に限定されるものではなく、例えば、球状のスペーサを用いていても良い

【0234】
表示素子として、液晶素子を用いる場合、サーモトロピック液晶、低分子液晶、高分子液
晶、高分子分散型液晶、強誘電性液晶、反強誘電性液晶等を用いることができる。これら
の液晶材料は、条件により、コレステリック相、スメクチック相、キュービック相、カイ
ラルネマチック相、等方相等を示す。
【0235】
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液晶層に用いる。ブルー
相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、応答速度が1msec以下と短く、光
学的等方性であるため配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい。また配向膜を設け
なくてもよいのでラビング処理も不要となるため、ラビング処理によって引き起こされる
静電破壊を防止することができ、作製工程中の液晶表示装置の不良や破損を軽減すること
ができる。よって液晶表示装置の生産性を向上させることが可能となる。
【0236】
また、液晶材料の固有抵抗率は、1×10Ω・cm以上であり、好ましくは1×10
Ω・cm以上であり、さらに好ましくは1×1012Ω・cm以上である。なお、本明
細書における固有抵抗率の値は、20℃で測定した値とする。
【0237】
液晶表示装置に設けられる保持容量の大きさは、画素部に配置されるトランジスタのリー
ク電流等を考慮して、所定の期間の間電荷を保持できるように設定される。高純度の酸化
物半導体膜を有するトランジスタを用いることにより、各画素における液晶容量に対して
1/3以下、好ましくは1/5以下の容量の大きさを有する保持容量を設ければ充分であ
る。
【0238】
本実施の形態で用いる高純度化された酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、オフ状態
における電流値(オフ電流値)を低くすることができる。よって、画像信号等の電気信号
の保持時間を長くすることができ、電源オン状態では書き込み間隔も長く設定できる。よ
って、リフレッシュ動作の頻度を少なくすることができるため、消費電力を抑制する効果
を奏する。
【0239】
また、本実施の形態で用いる高純度化された酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、比
較的高い電界効果移動度が得られるため、高速駆動が可能である。よって、液晶表示装置
の画素部に上記トランジスタを用いることで、高画質な画像を提供することができる。ま
た、上記トランジスタは、同一基板上に駆動回路部または画素部に作り分けて作製するこ
とができるため、液晶表示装置の部品点数を削減することができる。
【0240】
液晶表示装置には、TN(Twisted Nematic)モード、IPS(In−P
lane−Switching)モード、FFS(Fringe Field Swit
ching)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。
【0241】
また、ノーマリーブラック型の液晶表示装置、例えば垂直配向(VA)モードを採用した
透過型の液晶表示装置としてもよい。ここで、垂直配向モードとは、液晶表示パネルの液
晶分子の配列を制御する方式の一種であり、電圧が印加されていないときにパネル面に対
して液晶分子が垂直方向を向く方式である。垂直配向モードとしては、いくつか挙げられ
るが、例えば、MVA(Multi−Domain Vertical Alignme
nt)モード、PVA(Patterned Vertical Alignment)
モード、ASVモードなどを用いることができる。また、画素(ピクセル)をいくつかの
領域(サブピクセル)に分け、それぞれ別の方向に分子を倒すよう工夫されているマルチ
ドメイン化あるいはマルチドメイン設計といわれる方法を用いることができる。
【0242】
また、表示装置において、ブラックマトリクス(遮光層)、偏光部材、位相差部材、反射
防止部材などの光学部材(光学基板)などは適宜設ける。例えば、偏光基板及び位相差基
板による円偏光を用いてもよい。また、光源としてバックライト、サイドライトなどを用
いてもよい。
【0243】
また、バックライトとして複数の発光ダイオード(LED)を用いて、時間分割表示方式
(フィールドシーケンシャル駆動方式)を行うことも可能である。フィールドシーケンシ
ャル駆動方式を適用することで、カラーフィルタを用いることなく、カラー表示を行うこ
とができる。
【0244】
また、画素部における表示方式は、プログレッシブ方式やインターレース方式等を用いる
ことができる。また、カラー表示する際に画素で制御する色要素としては、RGB(Rは
赤、Gは緑、Bは青を表す)の三色に限定されない。例えば、RGBW(Wは白を表す)
、又はRGBに、イエロー、シアン、マゼンタ等を一色以上追加したものがある。なお、
色要素のドット毎にその表示領域の大きさが異なっていてもよい。ただし、本発明はカラ
ー表示の表示装置に限定されるものではなく、モノクロ表示の表示装置に適用することも
できる。
【0245】
また、表示装置に含まれる表示素子として、エレクトロルミネッセンスを利用する発光素
子を適用することができる。エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子は、発光材料
が有機化合物であるか、無機化合物であるかによって区別され、一般的に、前者は有機E
L素子、後者は無機EL素子と呼ばれている。
【0246】
有機EL素子は、発光素子に電圧を印加することにより、一対の電極から電子および正孔
がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして、それらキャ
リア(電子および正孔)が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成
し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このよう
な発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。
【0247】
無機EL素子は、その素子構成により、分散型無機EL素子と薄膜型無機EL素子とに分
類される。分散型無機EL素子は、発光材料の粒子をバインダ中に分散させた発光層を有
するものであり、発光メカニズムはドナー準位とアクセプター準位を利用するドナー−ア
クセプター再結合型発光である。薄膜型無機EL素子は、発光層を誘電体層で挟み込み、
さらにそれを電極で挟んだ構造であり、発光メカニズムは金属イオンの内殻電子遷移を利
用する局在型発光である。なお、ここでは、発光素子として有機EL素子を用いて説明す
る。
【0248】
発光素子は発光を取り出すために少なくとも一対の電極の一方が透明であればよい。そし
て、基板上にトランジスタ及び発光素子を形成し、基板とは逆側の面から発光を取り出す
上面射出や、基板側の面から発光を取り出す下面射出や、基板側及び基板とは反対側の面
から発光を取り出す両面射出構造の発光素子があり、どの射出構造の発光素子も適用する
ことができる。
【0249】
図7に表示素子として発光素子を用いた発光装置の例を示す。表示素子である発光素子4
513は、画素部4002に設けられたトランジスタ4010と電気的に接続している。
なお発光素子4513の構成は、第1の電極層4030、電界発光層4511、第2の電
極層4031の積層構造であるが、示した構成に限定されない。発光素子4513から取
り出す光の方向などに合わせて、発光素子4513の構成は適宜変えることができる。
【0250】
隔壁4510は、有機絶縁材料、又は無機絶縁材料を用いて形成する。特に感光性の樹脂
材料を用い、第1の電極層4030上に開口部を形成し、その開口部の側壁が連続した曲
率を持って形成される傾斜面となるように形成することが好ましい。
【0251】
電界発光層4511は、単数の層で構成されていても、複数の層が積層されるように構成
されていてもどちらでも良い。
【0252】
発光素子4513に酸素、水素、水分、二酸化炭素等が侵入しないように、第2の電極層
4031及び隔壁4510上に保護膜を形成してもよい。保護膜としては、窒化シリコン
膜、窒化酸化シリコン膜、DLC膜等を形成することができる。また、第1の基板400
1、第2の基板4006、及びシール材4005によって封止された空間には充填材45
14が設けられ密封されている。このように外気に曝されないように気密性が高く、脱ガ
スの少ない保護フィルム(貼り合わせフィルム、紫外線硬化樹脂フィルム等)やカバー材
でパッケージング(封入)することが好ましい。
【0253】
充填材4514としては窒素やアルゴンなどの不活性な気体の他に、紫外線硬化樹脂また
は熱硬化樹脂を用いることができ、PVC(ポリビニルクロライド)、アクリル、ポリイ
ミド、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、PVB(ポリビニルブチラル)またはEVA(エ
チレンビニルアセテート)を用いることができる。例えば充填材として窒素を用いればよ
い。
【0254】
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。
【0255】
また、表示装置として、電子インクを駆動させる電子ペーパーを提供することも可能であ
る。電子ペーパーは、電気泳動表示装置(電気泳動ディスプレイ)とも呼ばれており、紙
と同じ読みやすさ、他の表示装置に比べ低消費電力、薄くて軽い形状とすることが可能と
いう利点を有している。
【0256】
電気泳動表示装置は、様々な形態が考えられ得るが、プラスの電荷を有する第1の粒子と
、マイナスの電荷を有する第2の粒子とを含むマイクロカプセルが溶媒または溶質に複数
分散されたものであり、マイクロカプセルに電界を印加することによって、マイクロカプ
セル中の粒子を互いに反対方向に移動させて一方側に集合した粒子の色のみを表示するも
のである。なお、第1の粒子または第2の粒子は染料を含み、電界がない場合において移
動しないものである。また、第1の粒子の色と第2の粒子の色は異なるもの(無色を含む
)とする。
【0257】
このように、電気泳動表示装置は、誘電定数の高い物質が高い電界領域に移動する、いわ
ゆる誘電泳動的効果を利用したディスプレイである。
【0258】
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。
【0259】
なお、マイクロカプセル中の第1の粒子および第2の粒子は、導電体材料、絶縁体材料、
半導体材料、磁性材料、液晶材料、強誘電性材料、エレクトロルミネセント材料、エレク
トロクロミック材料、磁気泳動材料から選ばれた一種の材料、またはこれらの複合材料を
用いればよい。
【0260】
また、電子ペーパーとして、ツイストボール表示方式を用いる表示装置も適用することが
できる。ツイストボール表示方式とは、白と黒に塗り分けられた球形粒子を表示素子に用
いる電極層である第1の電極層及び第2の電極層の間に配置し、第1の電極層及び第2の
電極層に電位差を生じさせて球形粒子の向きを制御することにより、表示を行う方法であ
る。
【0261】
図8に、半導体装置の一形態としてアクティブマトリクス型の電子ペーパーを示す。図8
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。
【0262】
トランジスタ4010と接続する第1の電極層4030と、第2の基板4006に設けら
れた第2の電極層4031との間には黒色領域4615a及び白色領域4615bを有し
、周りに液体で満たされているキャビティ4612を含む球形粒子4613が設けられて
おり、球形粒子4613の周囲は樹脂等の充填材4614で充填されている。第2の電極
層4031が共通電極(対向電極)に相当する。第2の電極層4031は、共通電位線と
電気的に接続される。
【0263】
なお、図6乃至図8において、第1の基板4001、第2の基板4006としては、ガラ
ス基板の他、可撓性を有する基板も用いることができ、例えば透光性を有するプラスチッ
ク基板などを用いることができる。プラスチックとしては、FRP(Fiberglas
s−Reinforced Plastics)板、PVF(ポリビニルフルオライド)
フィルム、ポリエステルフィルムまたはアクリル樹脂フィルムを用いることができる。ま
た、アルミニウムホイルをPVFフィルムやポリエステルフィルムで挟んだ構造のシート
を用いることもできる。
【0264】
絶縁膜4020は、酸化シリコン、酸窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム
、酸化ガリウム等の無機絶縁材料を含む材料を用いて形成することができる。絶縁膜40
20の作製方法に特に限定はなく、例えば、プラズマCVD法やスパッタリング法などの
成膜方法を用いて作製することができる。なお、水素や水などが混入しにくいという点で
は、スパッタリング法が好適である。
【0265】
絶縁膜4024は、スパッタリング法を用いて、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、
酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、又は窒化酸化アル
ミニウム膜の単層、又は積層で形成すればよく、トランジスタの保護膜として機能する。
【0266】
絶縁層4021は、無機絶縁材料又は有機絶縁材料を用いて形成することができる。なお
、アクリル樹脂、ポリイミド、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂等
の、耐熱性を有する有機絶縁材料を用いると、平坦化絶縁膜として好適である。また上記
有機絶縁材料の他に、低誘電率材料(low−k材料)、シロキサン系樹脂、PSG(リ
ンガラス)、BPSG(リンボロンガラス)等を用いることができる。なお、これらの材
料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、絶縁層を形成してもよい。
【0267】
絶縁層4021の形成法は、特に限定されず、その材料に応じて、スパッタリング法、ス
ピンコート法、ディッピング法、スプレー塗布、液滴吐出法(インクジェット法、スクリ
ーン印刷、オフセット印刷等)、ロールコーティング、カーテンコーティング、ナイフコ
ーティング等を用いることができる。
【0268】
表示装置は光源又は表示素子からの光を透過させて表示を行う。よって光が透過する画素
部に設けられる基板、絶縁膜、導電膜などの薄膜はすべて可視光の波長領域の光に対して
透光性とする。
【0269】
表示素子に電圧を印加する第1の電極層及び第2の電極層(画素電極層、共通電極層、対
向電極層などともいう)においては、取り出す光の方向、電極層が設けられる場所、及び
電極層のパターン構造によって透光性、反射性を選択すればよい。
【0270】
第1の電極層4030、第2の電極層4031は、酸化タングステンを含むインジウム酸
化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化
物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、ITO、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。
【0271】
また、第1の電極層4030、第2の電極層4031はタングステン(W)、モリブデン
(Mo)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、ニオブ(N
b)、タンタル(Ta)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタ
ン(Ti)、白金(Pt)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、銀(Ag)等の金属、
又はその合金、若しくはその窒化物から一つ、又は複数種を用いて形成することができる

【0272】
また、トランジスタは静電気などにより破壊されやすいため、駆動回路保護用の保護回路
を設けることが好ましい。保護回路は、非線形素子を用いて構成することが好ましい。
【0273】
以上のように実施の形態1乃至3のいずれかで示したトランジスタを適用することで、信
頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【0274】
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。
【0275】
(実施の形態6)
実施の形態1乃至3のいずれかで一例を示したトランジスタを用いて、対象物の情報を読
み取るイメージセンサ機能を有する半導体装置を作製することができる。
【0276】
図9(A)に、イメージセンサ機能を有する半導体装置の一例を示す。図9(A)はフォ
トセンサの等価回路であり、図9(B)はフォトセンサの一部を示す断面図である。
【0277】
フォトダイオード602は、一方の電極がフォトダイオードリセット信号線658に、他
方の電極がトランジスタ640のゲートに電気的に接続されている。トランジスタ640
は、ソース又はドレインの一方がフォトセンサ基準信号線672に、ソース又はドレイン
の他方がトランジスタ656のソース又はドレインの一方に電気的に接続されている。ト
ランジスタ656は、ゲートがゲート信号線659に、ソース又はドレインの他方がフォ
トセンサ出力信号線671に電気的に接続されている。
【0278】
なお、本明細書における回路図において、酸化物半導体膜を用いるトランジスタと明確に
判明できるように、酸化物半導体膜を用いるトランジスタの記号には「OS」と記載して
いる。図9(A)において、トランジスタ640、トランジスタ656は酸化物半導体膜
を用いるトランジスタである。
【0279】
図9(B)は、フォトセンサにおけるフォトダイオード602及びトランジスタ640に
示す断面図であり、絶縁表面を有する基板601(TFT基板)上に、センサとして機能
するフォトダイオード602及びトランジスタ640が設けられている。フォトダイオー
ド602、トランジスタ640の上には接着層608を用いて基板613が設けられてい
る。
【0280】
トランジスタ640上には絶縁膜631、保護絶縁膜632、第1の層間絶縁層633、
第2の層間絶縁層634が設けられている。フォトダイオード602は、第1の層間絶縁
層633上に設けられ、第1の層間絶縁層633上に形成した電極層641と、第2の層
間絶縁層634上に設けられた電極層642との間に、第1の層間絶縁層633側から順
に第1半導体層606a、第2半導体層606b、及び第3半導体層606cを積層した
構造を有している。
【0281】
本実施の形態では、トランジスタ640として、実施の形態1乃至3のいずれかで示した
トランジスタを適用することができる。トランジスタ640、トランジスタ656は、電
気的特性変動が抑制されており、電気的に安定であるため、図9で示す本実施の形態の半
導体装置として信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【0282】
電極層641は、第2の層間絶縁層634上に形成された導電層643と電気的に接続し
、電極層642は電極層641を介してゲート電極645と電気的に接続している。ゲー
ト電極645は、トランジスタ640のゲート電極と電気的に接続しており、フォトダイ
オード602はトランジスタ640と電気的に接続している。
【0283】
ここでは、第1半導体層606aとしてp型の導電型を有する半導体層と、第2半導体層
606bとして高抵抗な半導体層(i型半導体層)、第3半導体層606cとしてn型の
導電型を有する半導体層を積層するpin型のフォトダイオードを例示している。
【0284】
第1半導体層606aはp型半導体層であり、p型を付与する不純物元素を含むアモルフ
ァスシリコン膜により形成することができる。第1半導体層606aの形成には13族の
不純物元素(例えばボロン(B))を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマCVD法に
より形成する。半導体材料ガスとしてはシラン(SiH)を用いればよい。または、S
、SiHCl、SiHCl、SiCl、SiF等を用いてもよい。ま
た、不純物元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入
法を用いて該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等に
より不純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。こ
の場合にアモルファスシリコン膜を形成する方法としては、LPCVD法、気相成長法、
又はスパッタリング法等を用いればよい。第1半導体層606aの膜厚は10nm以上5
0nm以下となるよう形成することが好ましい。
【0285】
第2半導体層606bは、i型半導体層(真性半導体層)であり、アモルファスシリコン
膜により形成する。第2半導体層606bの形成には、半導体材料ガスを用いて、アモル
ファスシリコン膜をプラズマCVD法により形成する。半導体材料ガスとしては、シラン
(SiH)を用いればよい。または、Si、SiHCl、SiHCl、S
iCl、SiF等を用いてもよい。第2半導体層606bの形成は、LPCVD法、
気相成長法、スパッタリング法等により行っても良い。第2半導体層606bの膜厚は2
00nm以上1000nm以下となるように形成することが好ましい。
【0286】
第3半導体層606cは、n型半導体層であり、n型を付与する不純物元素を含むアモル
ファスシリコン膜により形成する。第3半導体層606cの形成には、15族の不純物元
素(例えばリン(P))を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマCVD法により形成す
る。半導体材料ガスとしてはシラン(SiH)を用いればよい。または、Si
SiHCl、SiHCl、SiCl、SiF等を用いてもよい。また、不純物
元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入法を用いて
該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不純物
元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合にア
モルファスシリコン膜を形成する方法としては、LPCVD法、気相成長法、又はスパッ
タリング法等を用いればよい。第3半導体層606cの膜厚は20nm以上200nm以
下となるよう形成することが好ましい。
【0287】
また、第1半導体層606a、第2半導体層606b、及び第3半導体層606cは、ア
モルファス半導体ではなく、多結晶半導体を用いて形成してもよいし、微結晶半導体(セ
ミアモルファス半導体(Semi Amorphous Semiconductor:
SAS)を用いて形成してもよい。
【0288】
微結晶半導体は、ギブスの自由エネルギーを考慮すれば非晶質と単結晶の中間的な準安定
状態に属するものである。すなわち、自由エネルギー的に安定な第3の状態を有する半導
体であって、短距離秩序を持ち格子歪みを有する。柱状または針状結晶が基板表面に対し
て法線方向に成長している。微結晶半導体の代表例である微結晶シリコンは、そのラマン
スペクトルのピークが単結晶シリコンを示す520cm−1よりも低波数側に、シフトし
ている。即ち、単結晶シリコンを示す520cm−1とアモルファスシリコンを示す48
0cm−1の間に微結晶シリコンのラマンスペクトルのピークがある。また、ダングリン
グボンドを終端するため水素またはハロゲンを少なくとも1原子%またはそれ以上含ませ
ている。さらに、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、ネオンなどの希ガス元素を含ませて
格子歪みをさらに助長させることで、安定性が増し良好な微結晶半導体膜が得られる。
【0289】
この微結晶半導体膜は、周波数が数十MHz〜数百MHzの高周波プラズマCVD法、ま
たは周波数が1GHz以上のマイクロ波プラズマCVD装置により形成することができる
。代表的には、SiH、Si、SiHCl、SiHCl、SiCl、S
iFなどを水素で希釈して形成することができる。また、水素化珪素及び水素に加え、
ヘリウム、アルゴン、クリプトン、ネオンから選ばれた一種または複数種の希ガス元素で
希釈して微結晶半導体膜を形成することができる。これらのときの水素化珪素に対して水
素の流量比を5倍以上200倍以下、好ましくは50倍以上150倍以下、更に好ましく
は100倍とする。さらには、シリコンを含む気体中に、CH、C等の炭化物気
体、GeH、GeF等のゲルマニウム化気体、F等を混入させてもよい。
【0290】
また、光電効果で発生した正孔の移動度は電子の移動度に比べて小さいため、pin型の
フォトダイオードはp型の半導体層側を受光面とする方がよい特性を示す。ここでは、p
in型のフォトダイオードが形成されている基板601の面からフォトダイオード602
が受ける光622を電気信号に変換する例を示す。また、受光面とした半導体層側とは逆
の導電型を有する半導体層側からの光は外乱光となるため、電極層642は遮光性を有す
る導電膜を用いるとよい。また、n型の半導体層側を受光面として用いることもできる。
【0291】
第1の層間絶縁層633、第2の層間絶縁層634としては、表面凹凸を低減するため平
坦化絶縁膜として機能する絶縁層が好ましい。第1の層間絶縁層633、第2の層間絶縁
層634としては、例えばポリイミド、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、ポリア
ミド、エポキシ樹脂等の有機絶縁材料を用いることができる。また上記有機絶縁材料の他
に、低誘電率材料(low−k材料)、シロキサン系樹脂、PSG(リンガラス)、BP
SG(リンボロンガラス)等の単層、又は積層を用いることができる。
【0292】
絶縁膜631、保護絶縁膜632、第1の層間絶縁層633、第2の層間絶縁層634と
しては、絶縁性材料を用いて、その材料に応じて、スパッタリング法、スピンコート法、
ディッピング法、スプレー塗布、液滴吐出法(インクジェット法、スクリーン印刷、オフ
セット印刷等)、ロールコーティング、カーテンコーティング、ナイフコーティング等を
用いて形成することができる。
【0293】
フォトダイオード602に入射する光を検出することによって、被検出物の情報を読み取
ることができる。なお、被検出物の情報を読み取る際にバックライトなどの光源を用いる
ことができる。
【0294】
トランジスタ640として、実施の形態1乃至3のいずれかで一例を示したトランジスタ
を用いることができる。水素、水分、水酸基又は水素化物(水素化合物ともいう)などの
不純物を意図的に排除することで高純度化され、また、酸素ドープ処理により酸素を過剰
に含有する酸化物半導体膜を含むトランジスタは、トランジスタの電気的特性変動が抑制
されており、電気的に安定である。よって、信頼性の高い半導体装置を提供することがで
きる。
【0295】
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。
【0296】
(実施の形態7)
本明細書に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器(遊技機も含む)に適用すること
ができる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置(テレビ、またはテレビジョン
受信機ともいう)、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメ
ラ等のカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機(携帯電話、携帯電話装置ともいう
)、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機など
が挙げられる。上記実施の形態で説明した液晶表示装置を具備する電子機器の例について
説明する。
【0297】
図10(A)は電子書籍(E−bookともいう)であり、筐体9630、表示部963
1、操作キー9632、太陽電池9633、充放電制御回路9634を有することができ
る。図10(A)に示した電子書籍は、様々な情報(静止画、動画、テキスト画像など)
を表示する機能、カレンダー、日付又は時刻などを表示部に表示する機能、表示部に表示
した情報を操作又は編集する機能、様々なソフトウェア(プログラム)によって処理を制
御する機能、等を有することができる。なお、図10(A)では充放電制御回路9634
の一例としてバッテリー9635、DCDCコンバータ(以下、コンバータと略記)96
36を有する構成について示している。上記他の実施の形態のいずれかで示した半導体装
置を表示部9631に適用することにより、信頼性の高い電子書籍とすることができる。
【0298】
図10(A)に示す構成とすることにより、表示部9631として半透過型、又は反射型
の液晶表示装置を用いる場合、比較的明るい状況下での使用も予想され、太陽電池963
3による発電、及びバッテリー9635での充電を効率よく行うことができ、好適である
。なお太陽電池9633は、筐体9630の空きスペース(表面や裏面)に適宜設けるこ
とができるため、効率的なバッテリー9635の充電を行う構成とすることができるため
好適である。なおバッテリー9635としては、リチウムイオン電池を用いると、小型化
を図れる等の利点がある。
【0299】
また図10(A)に示す充放電制御回路9634の構成、及び動作について図10(B)
にブロック図を示し説明する。図10(B)には、太陽電池9633、バッテリー963
5、コンバータ9636、コンバータ9637、スイッチSW1乃至SW3、表示部96
31について示しており、バッテリー9635、コンバータ9636、コンバータ963
7、スイッチSW1乃至SW3が充放電制御回路9634に対応する箇所となる。
【0300】
まず外光により太陽電池9633により発電がされる場合の動作の例について説明する。
太陽電池で発電した電力は、バッテリー9635を充電するための電圧となるようコンバ
ータ9636で昇圧または降圧がなされる。そして、表示部9631の動作に太陽電池9
633からの電力が用いられる際にはスイッチSW1をオンにし、コンバータ9637で
表示部9631に必要な電圧に昇圧または降圧をすることとなる。また、表示部9631
での表示を行わない際には、SW1をオフにし、SW2をオンにしてバッテリー9635
の充電を行う構成とすればよい。
【0301】
次いで外光により太陽電池9633により発電がされない場合の動作の例について説明す
る。バッテリー9635に蓄電された電力は、スイッチSW3をオンにすることでコンバ
ータ9637により昇圧または降圧がなされる。そして、表示部9631の動作にバッテ
リー9635からの電力が用いられることとなる。
【0302】
なお太陽電池9633については、充電手段の一例として示したが、他の手段によるバッ
テリー9635の充電を行う構成であってもよい。また他の充電手段を組み合わせて行う
構成としてもよい。
【0303】
図11(A)は、ノート型のパーソナルコンピュータであり、本体3001、筐体300
2、表示部3003、キーボード3004などによって構成されている。上記他の実施の
形態のいずれかで示した半導体装置を表示部3003に適用することにより、信頼性の高
いノート型のパーソナルコンピュータとすることができる。
【0304】
図11(B)は、携帯情報端末(PDA)であり、本体3021には表示部3023と、
外部インターフェイス3025と、操作ボタン3024等が設けられている。また操作用
の付属品としてスタイラス3022がある。上記他の実施の形態のいずれかで示した半導
体装置を表示部3023に適用することにより、より信頼性の高い携帯情報端末(PDA
)とすることができる。
【0305】
図11(C)は、電子書籍の一例を示している。例えば、電子書籍2700は、筐体27
01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270
3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。
【0306】
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。上記他の実
施の形態のいずれかで示した半導体装置を表示部2705、表示部2707に適用するこ
とにより、信頼性の高い電子書籍2700とすることができる。
【0307】
また、図11(C)では、筐体2701に操作部などを備えた例を示している。例えば、
筐体2701において、電源スイッチ2721、操作キー2723、スピーカー2725
などを備えている。操作キー2723により、頁を送ることができる。なお、筐体の表示
部と同一面にキーボードやポインティングデバイスなどを備える構成としてもよい。また
、筐体の裏面や側面に、外部接続用端子(イヤホン端子、USB端子など)、記録媒体挿
入部などを備える構成としてもよい。さらに、電子書籍2700は、電子辞書としての機
能を持たせた構成としてもよい。
【0308】
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。
【0309】
図11(D)は、携帯電話であり、筐体2800及び筐体2801の二つの筐体で構成さ
れている。筐体2801には、表示パネル2802、スピーカー2803、マイクロフォ
ン2804、ポインティングデバイス2806、カメラ用レンズ2807、外部接続端子
2808などを備えている。また、筐体2800には、携帯電話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28
01内部に内蔵されている。上記他の実施の形態のいずれかで示した半導体装置を表示パ
ネル2802に適用することにより、信頼性の高い携帯電話とすることができる。
【0310】
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。
【0311】
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。
【0312】
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。
【0313】
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。
【0314】
図11(E)は、デジタルビデオカメラであり、本体3051、表示部(A)3057、
接眼部3053、操作スイッチ3054、表示部(B)3055、バッテリー3056な
どによって構成されている。上記他の実施の形態のいずれかで示した半導体装置を表示部
(A)3057、表示部(B)3055に適用することにより、信頼性の高いデジタルビ
デオカメラとすることができる。
【0315】
図11(F)は、テレビジョン装置の一例を示している。テレビジョン装置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。上記他の実施の形態のいずれかで示した半導体装置を表示部960
3に適用することにより、信頼性の高いテレビジョン装置9600とすることができる。
【0316】
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
コン操作機により行うことができる。また、リモコン操作機に、当該リモコン操作機から
出力する情報を表示する表示部を設ける構成としてもよい。
【0317】
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。
【0318】
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。
【符号の説明】
【0319】
10 プラズマ装置
11 基板供給室
12 ロードロック室
13 搬送室
14 カセットポート
15 真空チャンバー
16 ICPコイル
17 ガス流路
18 第1の高周波電源
19 基板ステージ
20 被処理基板
21 第2の高周波電源
22 自動圧力制御弁
23 ターボ分子ポンプ
24 ドライポンプ
400 基板
401 ゲート電極層
402 ゲート絶縁膜
402a 第1のゲート絶縁膜
402b 第2のゲート絶縁膜
403 酸化物半導体膜
404a 酸化金属領域
404b 酸化金属領域
405a ソース電極層
405b ドレイン電極層
407 絶縁膜
409 絶縁膜
410 トランジスタ
420 トランジスタ
421 酸素
421a 酸素
421b 酸素
421c 酸素
427 絶縁層
430 トランジスタ
440 トランジスタ
441 酸化物半導体膜
450 トランジスタ
455a 開口
455b 開口
456a 導電層
456b 導電層
460 トランジスタ
470 トランジスタ
601 基板
602 フォトダイオード
606a 半導体層
606b 半導体層
606c 半導体層
608 接着層
613 基板
622 光
631 絶縁膜
632 保護絶縁膜
633 層間絶縁層
634 層間絶縁層
640 トランジスタ
641 電極層
642 電極層
643 導電層
645 ゲート電極
656 トランジスタ
658 フォトダイオードリセット信号線
659 ゲート信号線
671 フォトセンサ出力信号線
672 フォトセンサ基準信号線
2700 電子書籍
2701 筐体
2703 筐体
2705 表示部
2707 表示部
2711 軸部
2721 電源スイッチ
2723 操作キー
2725 スピーカー
2800 筐体
2801 筐体
2802 表示パネル
2803 スピーカー
2804 マイクロフォン
2805 操作キー
2806 ポインティングデバイス
2807 カメラ用レンズ
2808 外部接続端子
2810 太陽電池セル
2811 外部メモリスロット
3001 本体
3002 筐体
3003 表示部
3004 キーボード
3021 本体
3022 スタイラス
3023 表示部
3024 操作ボタン
3025 外部インターフェイス
3051 本体
3053 接眼部
3054 操作スイッチ
3055 表示部(B)
3056 バッテリー
3057 表示部(A)
4001 基板
4002 画素部
4003 信号線駆動回路
4004 走査線駆動回路
4005 シール材
4006 基板
4008 液晶層
4010 トランジスタ
4011 トランジスタ
4013 液晶素子
4015 接続端子電極
4016 端子電極
4018 FPC
4018a FPC
4018b FPC
4019 異方性導電膜
4020 絶縁膜
4021 絶縁層
4023 絶縁膜
4024 絶縁膜
4030 電極層
4031 電極層
4032 絶縁膜
4033 絶縁膜
4510 隔壁
4511 電界発光層
4513 発光素子
4514 充填材
4612 キャビティ
4613 球形粒子
4614 充填材
4615a 黒色領域
4615b 白色領域
9600 テレビジョン装置
9601 筐体
9603 表示部
9605 スタンド
9630 筐体
9631 表示部
9632 操作キー
9633 太陽電池
9634 充放電制御回路
9635 バッテリー
9636 コンバータ
9637 コンバータ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ゲート電極層を形成し、
前記ゲート電極層上にゲート絶縁膜を形成し、
前記ゲート絶縁膜をはさんで前記ゲート電極層と重なるように酸化物半導体膜を形成し、
前記酸化物半導体膜に熱処理を行って、前記酸化物半導体膜中の水素を低減し、
前記酸化物半導体膜上に、前記酸化物半導体膜に接するように酸素を含む絶縁膜を形成し、
熱処理を行って、前記絶縁膜中の酸素を前記酸化物半導体膜に供給することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項2】
請求項1において、
前記ゲート絶縁膜または前記絶縁膜は、前記酸化物半導体膜の成分元素を含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【図11】
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【図12】
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【図13】
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【図14】
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【図15】
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【図16】
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【公開番号】特開2013−30785(P2013−30785A)
【公開日】平成25年2月7日(2013.2.7)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−192748(P2012−192748)
【出願日】平成24年9月3日(2012.9.3)
【分割の表示】特願2011−94895(P2011−94895)の分割
【原出願日】平成23年4月21日(2011.4.21)
【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)】