半導体装置及び半導体装置の作製方法
【課題】微細な構造であっても高い電気特性を有するトランジスタを歩留まりよく提供する。該トランジスタを含む半導体装置においても、高性能化、高信頼性化、及び高生産化を達成する。
【解決手段】酸化物半導体膜、ゲート絶縁膜、及び側面に側壁絶縁層が設けられたゲート電極層が順に積層されたトランジスタを有する半導体装置において、ソース電極層及びドレイン電極層は、酸化物半導体膜及び側壁絶縁層に接して設けられる。該半導体装置の作製工程において、酸化物半導体膜、側壁絶縁層、及びゲート電極層上を覆うように導電膜及び層間絶縁膜を積層し、化学的機械研磨法によりゲート電極層上の層間絶縁膜及び導電膜を除去してソース電極層及びドレイン電極層を形成する。
【解決手段】酸化物半導体膜、ゲート絶縁膜、及び側面に側壁絶縁層が設けられたゲート電極層が順に積層されたトランジスタを有する半導体装置において、ソース電極層及びドレイン電極層は、酸化物半導体膜及び側壁絶縁層に接して設けられる。該半導体装置の作製工程において、酸化物半導体膜、側壁絶縁層、及びゲート電極層上を覆うように導電膜及び層間絶縁膜を積層し、化学的機械研磨法によりゲート電極層上の層間絶縁膜及び導電膜を除去してソース電極層及びドレイン電極層を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
半導体装置及び半導体装置の作製方法に関する。
【０００２】
なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指し、電気光学装置、半導体回路および電子機器は全て半導体装置である。
【背景技術】
【０００３】
絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタ（薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）ともいう）を構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（表示装置）のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。
【０００４】
例えば、トランジスタの活性層として、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】
ところで、トランジスタの動作の高速化、トランジスタの低消費電力化、高集積化等を達成するためにはトランジスタの微細化が必須である。
【０００７】
より高性能な半導体装置を実現するため、微細化されたトランジスタのオン特性（例えば、オン電流や電界効果移動度）を向上させて、半導体装置の高速応答、高速駆動を実現する構成およびその作製方法を提供することを目的の一とする。
【０００８】
また、トランジスタの微細化に伴って作製工程における歩留まりの低下が懸念される。
【０００９】
微細な構造であっても高い電気特性を有するトランジスタを歩留まりよく提供することを目的の一とする。
【００１０】
また、該トランジスタを含む半導体装置においても、高性能化、高信頼性化、及び高生産化を達成することを目的の一とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
酸化物半導体膜、ゲート絶縁膜、及び側面に側壁絶縁層が設けられたゲート電極層が順に積層されたトランジスタを有する半導体装置において、ソース電極層及びドレイン電極層は、酸化物半導体膜及び側壁絶縁層に接して設けられる。該半導体装置の作製工程において、酸化物半導体膜、側壁絶縁層、及びゲート電極層上を覆うように導電膜及び層間絶縁膜を積層し、層間絶縁膜及び導電膜を切削（研削、研磨）することによりゲート電極層上の導電膜を除去してソース電極層及びドレイン電極層を形成する。切削（研削、研磨）方法としては化学的機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）法を好適に用いることができる。
【００１２】
ソース電極層及びドレイン電極層の形成工程におけるゲート電極層上の導電膜を除去する工程において、レジストマスクを用いたエッチング工程を用いないため、精密な加工を正確に行うことができる。よって、半導体装置の作製工程において、形状や特性のばらつきの少ない微細な構造を有するトランジスタを歩留まりよく作製することができる。
【００１３】
また、ゲート電極層上に絶縁膜を設けることが好ましい。該絶縁膜は、絶縁膜上に設けられるソース電極層及びドレイン電極層となる導電膜を除去する工程において、一部、又は全部除去してもよい。
【００１４】
ゲート電極層をマスクとして酸化物半導体膜に自己整合的にドーパントを導入し、酸化物半導体膜においてチャネル形成領域を挟んでチャネル形成領域より抵抗が低く、ドーパントを含む低抵抗領域を形成する。ドーパントは、酸化物半導体膜の導電率を変化させる不純物である。ドーパントの導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる。
【００１５】
チャネル長方向にチャネル形成領域を挟んで低抵抗領域を含む酸化物半導体膜を有することにより、該トランジスタはオン特性（例えば、オン電流及び電界効果移動度）が高く、高速動作、高速応答が可能となる。
【００１６】
本明細書で開示する発明の構成の一形態は、酸化物絶縁膜上に設けられたチャネル形成領域を含む酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜上にゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上にゲート電極層及び絶縁膜の積層と、ゲート電極層の側面及び絶縁膜の側面を覆う側壁絶縁層と、酸化物半導体膜、ゲート絶縁膜の側面及び側壁絶縁層の側面に接する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層間絶縁膜とを有し、ソース電極層及びドレイン電極層の上面の高さは絶縁膜、側壁絶縁層、及び層間絶縁膜の上面の高さより低く、かつゲート電極層の上面の高さより高く、酸化物半導体膜において、ゲート絶縁膜と重なる領域を含むゲート電極層と重ならない領域は、ドーパントを含む半導体装置である。
【００１７】
上記構成において、本明細書で開示する発明の構成の一形態は、絶縁膜、側壁絶縁層、及び層間絶縁膜の上面の高さが一致する半導体装置である。
【００１８】
また、酸化物半導体膜において、ソース電極層又はドレイン電極層と重畳しない領域は、ソース電極層又はドレイン電極層と重畳する領域よりも高い酸素濃度を有する構成としてもよい。
【００１９】
本明細書で開示する発明の構成の一形態は、酸化物絶縁膜を形成し、酸化物絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成し、酸化物半導体膜上にゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上に酸化物半導体膜と重なるゲート電極層及び絶縁膜を積層し、ゲート電極層及び絶縁膜をマスクとして酸化物半導体膜にドーパントを選択的に導入し、ゲート絶縁膜上にゲート電極層の側面及び絶縁膜の側面を覆う側壁絶縁層を形成し、酸化物半導体膜、ゲート絶縁膜、ゲート電極層、絶縁膜、及び側壁絶縁層上に導電膜を形成し、導電膜上に層間絶縁膜を形成し、層間絶縁膜及び導電膜をゲート電極層上の絶縁膜を露出させるまで化学的機械研磨法により除去して導電膜を分断しソース電極層及びドレイン電極層を形成する半導体装置の作製方法である。
【００２０】
上記構成において、絶縁膜、ソース電極層、ドレイン電極層、側壁絶縁層、及び層間絶縁膜上に保護絶縁膜となる緻密性の高い無機絶縁膜（代表的には酸化アルミニウム膜）を設けてもよい。
【００２１】
上記構成において、ソース電極層及びドレイン電極層と層間絶縁膜との間に保護絶縁膜となる緻密性の高い無機絶縁膜（代表的には酸化アルミニウム膜）を設けてもよい。
【００２２】
なお、ゲート電極層上の導電膜を除去する工程において、化学的機械研磨法などの切削（研削、研磨）法の他、エッチング（ドライエッチング、ウェットエッチング）法や、プラズマ処理などを組み合わせてもよい。例えば、化学的機械研磨法による除去工程後、ドライエッチング法やプラズマ処理を行い、処理表面の平坦性向上を図ってもよい。
【００２３】
上記構成において、酸化物半導体膜の形成される酸化物絶縁膜表面を平坦化処理により平坦化してもよい。膜厚の薄い酸化物半導体膜を被覆性よく設けることができる。平坦化処理としては、化学的機械研磨法、エッチング法、プラズマ処理などを単独、又は組み合わせて用いることができる。
【００２４】
また、酸化物半導体膜に水素若しくは水分を放出させる加熱処理（脱水化又は脱水素化処理）を行ってもよい。また、酸化物半導体膜として結晶性酸化物半導体膜を用いる場合、結晶化のための加熱処理を行ってもよい。
【００２５】
また、酸化物半導体膜に酸素の供給を行ってもよい。特に、脱水化又は脱水素化処理によって、酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素が同時に脱離して減少してしまうおそれがある。酸化物半導体膜において、酸素が脱離した箇所では酸素欠損が存在し、該酸素欠損に起因してトランジスタの電気的特性変動を招くドナー準位が生じてしまう。
【００２６】
よって、脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体膜に、酸素を供給することが好ましい。酸化物半導体膜へ酸素を供給することにより、膜中の酸素欠損を補填することができる。
【００２７】
例えば、酸素の供給源となる酸素を多く（過剰に）含む酸化物絶縁膜を酸化物半導体膜と接して設けることによって、該酸化物絶縁膜から酸化物半導体膜へ酸素を供給することができる。上記構成において、脱水化又は脱水素化処理として加熱処理を行った酸化物半導体膜及び酸化物絶縁膜を少なくとも一部が接した状態で加熱処理を行うことによって酸化物半導体膜への酸素の供給を行ってもよい。
【００２８】
また、脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体膜に、酸素（少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオン、のいずれかを含む）を導入して膜中に酸素を供給してもよい。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法、プラズマ処理などを用いることができる。
【００２９】
さらに、好ましくはトランジスタに設けられる酸化物半導体膜は、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている膜とするとよい。この場合、酸素の含有量は、酸化物半導体の化学量論組成を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化物半導体の格子間に酸素が存在する場合もある。
【００３０】
水素若しくは水分を酸化物半導体から除去し、不純物が極力含まれないように高純度化し、酸素を供給して酸素欠損を補填することによりＩ型（真性）の酸化物半導体、又はＩ型（真性）に限りなく近い酸化物半導体とすることができる。そうすることにより、酸化物半導体のフェルミ準位（Ｅｆ）を真性フェルミ準位（Ｅｉ）と同じレベルにまですることができる。よって、該酸化物半導体膜をトランジスタに用いることで、酸素欠損に起因するトランジスタのしきい値電圧Ｖｔｈのばらつき、しきい値電圧のシフトΔＶｔｈを低減することができる。
【００３１】
本発明の一形態は、トランジスタ若しくはトランジスタを含んで構成される回路を有する半導体装置に関する。例えば、酸化物半導体でチャネル形成領域が形成される、トランジスタ若しくはトランジスタを含んで構成される回路を有する半導体装置に関する。例えば、ＬＳＩや、ＣＰＵや、電源回路に搭載されるパワーデバイスや、メモリ、サイリスタ、コンバータ、イメージセンサなどを含む半導体集積回路、液晶表示パネルに代表される電気光学装置や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。
【発明の効果】
【００３２】
微細な構造であっても高い電気特性を有するトランジスタを歩留まりよく提供することができる。
【００３３】
また、該トランジスタを含む半導体装置においても、高性能化、高信頼性化、及び高生産化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】半導体装置の一形態を説明する平面図及び断面図。
【図２】半導体装置の作製方法の一形態を説明する断面図。
【図３】半導体装置の作製方法の一形態を説明する断面図。
【図４】半導体装置の一形態を説明する断面図。
【図５】半導体装置の一形態を示す断面図、平面図及び回路図。
【図６】半導体装置の一形態を示す回路図及び斜視図。
【図７】半導体装置の一形態を示す断面図及び平面図。
【図８】半導体装置の一形態を示す回路図。
【図９】半導体装置の一形態を示すブロック図。
【図１０】半導体装置の一形態を示すブロック図。
【図１１】半導体装置の一形態を示すブロック図。
【図１２】半導体装置の一形態を説明する平面図。
【図１３】半導体装置の一形態を説明する断面図。
【図１４】半導体装置の一形態を説明する回路図及び断面図。
【図１５】電子機器を示す図。
【図１６】実施例トランジスタ１の断面ＳＴＥＭ像を示す図。
【図１７】実施例トランジスタ２の構造を示す図。
【図１８】実施例トランジスタ２の電気特性を示す図。
【図１９】半導体装置の一形態を説明する平面図及び断面図。
【図２０】半導体装置の一形態を説明する平面図及び断面図。
【図２１】実施例トランジスタ２におけるオン電流の正規確率グラフを示す図。
【図２２】実施例トランジスタ２におけるしきい値電圧の正規確率グラフを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下では、本明細書に開示する発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本明細書に開示する発明は以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。また、本明細書に開示する発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、第１、第２として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順又は積層順を示すものではない。また、本明細書において発明を特定するための事項として固有の名称を示すものではない。
【００３６】
（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等を用いて説明する。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。
【００３７】
トランジスタはチャネル形成領域が１つ形成されるシングルゲート構造でも、２つ形成されるダブルゲート構造もしくは３つ形成されるトリプルゲート構造であってもよい。また、チャネル形成領域の上下にゲート絶縁膜を介して配置された２つのゲート電極層を有する、デュアルゲート型でもよい。
【００３８】
図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すトランジスタ４４０ａは、トップゲート構造のトランジスタの一例である。図１（Ａ）は平面図であり、図１（Ａ）中の一点鎖線Ｘ−Ｙで切断した断面が図１（Ｂ）に相当する。
【００３９】
チャネル長方向の断面図である図１（Ｂ）に示すように、トランジスタ４４０ａを含む半導体装置は、酸化物絶縁膜４３６が設けられた絶縁表面を有する基板４００上に、チャネル形成領域４０９、低抵抗領域４０４ａ、４０４ｂを含む酸化物半導体膜４０３、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ、ゲート絶縁膜４０２、ゲート電極層４０１、ゲート電極層４０１の側面に設けられた側壁絶縁層４１２ａ、４１２ｂ、ゲート電極層４０１上に設けられた絶縁膜４１３、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂ上に設けられた層間絶縁膜４１５、トランジスタ４４０ａを覆う絶縁膜４０７を有する。
【００４０】
層間絶縁膜４１５はトランジスタ４４０ａによる凹凸を平坦化するように設けられており、該上面の高さは側壁絶縁層４１２ａ、４１２ｂ、及び絶縁膜４１３と概略同じである。また、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂの上面の高さは、層間絶縁膜４１５、側壁絶縁層４１２ａ、４１２ｂ、及び絶縁膜４１３の上面の高さより低く、ゲート電極層４０１の上面の高さより高い。なお、ここでいう高さとは、基板４００上面からの高さである。
【００４１】
また、図１において、絶縁膜４０７は、層間絶縁膜４１５、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ、側壁絶縁層４１２ａ、４１２ｂ、絶縁膜４１３と接して設けられている。
【００４２】
なお、ゲート電極層４０１をマスクとして酸化物半導体膜４０３に自己整合的にドーパントを導入し、酸化物半導体膜４０３においてチャネル形成領域４０９を挟んでチャネル形成領域４０９より抵抗が低く、ドーパントを含む低抵抗領域４０４ａ、４０４ｂを形成する。ドーパントは、酸化物半導体膜４０３の導電率を変化させる不純物である。ドーパントの導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる。
【００４３】
チャネル長方向にチャネル形成領域４０９を挟んで低抵抗領域４０４ａ、４０４ｂを含む酸化物半導体膜４０３を有することにより、該トランジスタ４４０ａはオン特性（例えば、オン電流及び電界効果移動度）が高く、高速動作、高速応答が可能となる。
【００４４】
酸化物半導体膜４０３に用いる酸化物半導体としては、少なくともインジウム（Ｉｎ）あるいは亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。特にＩｎとＺｎを含むことが好ましい。また、該酸化物を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすためのスタビライザーとして、それらに加えてガリウム（Ｇａ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてスズ（Ｓｎ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてハフニウム（Ｈｆ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてアルミニウム（Ａｌ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてジルコニウム（Ｚｒ）を有することが好ましい。
【００４５】
また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）のいずれか一種あるいは複数種を有してもよい。
【００４６】
例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯとも表記する）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を用いることができる。
【００４７】
なお、ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分として有する酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素が入っていてもよい。
【００４８】
また、酸化物半導体として、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０、且つ、ｍは整数でない）で表記される材料を用いてもよい。なお、Ｍは、Ｇａ、Ｆｅ、Ｍｎ及びＣｏ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。また、酸化物半導体として、Ｉｎ２ＳｎＯ５（ＺｎＯ）ｎ（ｎ＞０、且つ、ｎは整数）で表記される材料を用いてもよい。
【００４９】
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：２：１（＝２／５：２／５：１／５）、あるいはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２（＝１／２：１／６：１／３）の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。あるいは、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：３（＝１／３：１／６：１／２）あるいはＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：５（＝１／４：１／８：５／８）の原子数比のＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。
【００５０】
しかし、これらに限られず、必要とする半導体特性（移動度、しきい値、ばらつき等）に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とする半導体特性を得るために、キャリア濃度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。
【００５１】
例えば、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物では比較的容易に高い移動度が得られる。しかしながら、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物でも、バルク内欠陥密度を低くすることにより移動度を上げることができる。
【００５２】
なお、例えば、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝ａ：ｂ：ｃ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１）である酸化物の組成が、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝Ａ：Ｂ：Ｃ（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＝１）の酸化物の組成の近傍であるとは、ａ、ｂ、ｃが、（ａ−Ａ）２＋（ｂ−Ｂ）２＋（ｃ−Ｃ）２≦ｒ２を満たすことをいう。ｒとしては、例えば、０．０５とすればよい。他の酸化物でも同様である。
【００５３】
酸化物半導体膜４０３は、単結晶、多結晶（ポリクリスタルともいう。）または非晶質などの状態をとる。
【００５４】
好ましくは、酸化物半導体膜は、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜とする。
【００５５】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、完全な単結晶ではなく、完全な非晶質でもない。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、非晶質相に結晶部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体膜である。なお、当該結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による観察像では、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる非晶質部と結晶部との境界は明確ではない。また、ＴＥＭによってＣＡＡＣ−ＯＳ膜には粒界（グレインバウンダリーともいう。）は確認できない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、粒界に起因する電子移動度の低下が抑制される。
【００５６】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部は、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または表面に垂直な方向に揃い、かつａｂ面に垂直な方向から見て三角形状または六角形状の原子配列を有し、金属原子および酸素原子を有する層が重なる。なお、層の法線ベクトルがｃ軸方向である。なお、異なる結晶部間で、それぞれａ軸およびｂ軸の向きが異なっていてもよい。本明細書において、単に垂直と記載する場合、８５°以上９５°以下の範囲も含まれることとする。
【００５７】
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜において、結晶部の分布が一様でなくてもよい。例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形成過程において、酸化物半導体膜の表面側から結晶成長させる場合、被形成面の近傍に対し表面の近傍では結晶部の占める割合が高くなることがある。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜へ不純物を添加することにより、当該不純物添加領域において結晶部が非晶質化することもある。
【００５８】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または表面に垂直な方向に揃うため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形状（被形成面の断面形状または表面の断面形状）によっては互いに異なる方向を向くことがある。なお、結晶部のｃ軸の方向は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されたときの被形成面または表面に垂直な方向となる。結晶部は、成膜することにより、または成膜後に加熱処理などの結晶化処理を行うことにより形成される。
【００５９】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。
【００６０】
なお、酸化物半導体膜を構成する酸素の一部は窒素で置換されてもよい。
【００６１】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳのように結晶部を有する酸化物半導体では、よりバルク内欠陥を低減することができ、表面の平坦性を高めればアモルファス状態の酸化物半導体以上の移動度を得ることができる。表面の平坦性を高めるためには、平坦な表面上に酸化物半導体を形成することが好ましく、具体的には、平均面粗さ（Ｒａ）が１ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下、より好ましくは０．１ｎｍ以下の表面上に形成するとよい。
【００６２】
Ｒａとは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２００１（ＩＳＯ４２８７：１９９７）で定義されている算術平均粗さを曲面に対して適用できるよう三次元に拡張したものであり、「基準面から指定面までの偏差の絶対値を平均した値」で表現でき、以下の式にて定義される。
【００６３】
【数１】
【００６４】
ここで、指定面とは、粗さ計測の対象となる面であり、座標（（ｘ１，ｙ１，ｆ（ｘ１，ｙ１））（ｘ１，ｙ２，ｆ（ｘ１，ｙ２））（ｘ２，ｙ１，ｆ（ｘ２，ｙ１））（ｘ２，ｙ２，ｆ（ｘ２，ｙ２））の４点で表される四角形の領域とし、指定面をｘｙ平面に投影した長方形の面積をＳ０、基準面の高さ（指定面の平均の高さ）をＺ０とする。Ｒａは原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）にて測定可能である。
【００６５】
酸化物半導体膜４０３の膜厚は、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下（好ましくは５ｎｍ以上１０ｎｍ以下）とし、スパッタリング法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＣＶＤ法、パルスレーザ堆積法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等を適宜用いることができる。また、酸化物半導体膜４０３は、スパッタリングターゲット表面に対し、概略垂直に複数の基板表面がセットされた状態で成膜を行うスパッタ装置を用いて成膜してもよい。
【００６６】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、例えば、多結晶である酸化物半導体スパッタリング用ターゲットを用い、スパッタリング法によって成膜する。当該スパッタリング用ターゲットにイオンが衝突すると、スパッタリング用ターゲットに含まれる結晶領域がａｂ面から劈開し、ａ−ｂ面に平行な面を有する平板状またはペレット状のスパッタリング粒子として剥離することがある。この場合、当該平板状のスパッタリング粒子が、結晶状態を維持したまま基板に到達することで、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜することができる。
【００６７】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜するために、以下の条件を適用することが好ましい。
【００６８】
成膜時の不純物混入を低減することで、不純物によって結晶状態が崩れることを抑制できる。例えば、成膜室内に存在する不純物濃度（水素、水、二酸化炭素および窒素など）を低減すればよい。また、成膜ガス中の不純物濃度を低減すればよい。具体的には、露点が−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下である成膜ガスを用いる。
【００６９】
また、成膜時の基板加熱温度を高めることで、基板到達後にスパッタリング粒子のマイグレーションが起こる。具体的には、基板加熱温度を１００℃以上７４０℃以下、好ましくは２００℃以上５００℃以下として成膜する。成膜時の基板加熱温度を高めることで、平板状のスパッタリング粒子が基板に到達した場合、基板上でマイグレーションが起こり、スパッタリング粒子の平らな面が基板に付着する。
【００７０】
また、成膜ガス中の酸素割合を高め、電力を最適化することで成膜時のプラズマダメージを軽減すると好ましい。成膜ガス中の酸素割合は、３０体積％以上、好ましくは１００体積％とする。
【００７１】
スパッタリング用ターゲットの一例として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ化合物ターゲットについて以下に示す。
【００７２】
ＩｎＯＸ粉末、ＧａＯＹ粉末およびＺｎＯＺ粉末を所定のｍｏｌ数比で混合し、加圧処理後、１０００℃以上１５００℃以下の温度で加熱処理をすることで多結晶であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ化合物ターゲットとする。なお、Ｘ、ＹおよびＺは任意の正数である。ここで、所定のｍｏｌ数比は、例えば、ＩｎＯＸ粉末、ＧａＯＹ粉末およびＺｎＯＺ粉末が、２：２：１、８：４：３、３：１：１、１：１：１、４：２：３または３：１：２である。なお、粉末の種類、およびその混合するｍｏｌ数比は、作製するスパッタリング用ターゲットによって適宜変更すればよい。
【００７３】
図２（Ａ）乃至（Ｄ）及び図３（Ａ）乃至（Ｄ）にトランジスタ４４０ａを有する半導体装置の作製方法の一例を示す。
【００７４】
まず、絶縁表面を有する基板４００上に酸化物絶縁膜４３６を形成する。
【００７５】
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。
【００７６】
また、基板４００として、可撓性基板を用いて半導体装置を作製してもよい。可撓性を有する半導体装置を作製するには、可撓性基板上に酸化物半導体膜４０３を含むトランジスタ４４０ａ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４０３を含むトランジスタ４４０ａを作製し、その後可撓性基板に剥離、転置してもよい。なお、作製基板から可撓性基板に剥離、転置するために、作製基板と酸化物半導体膜を含むトランジスタ４４０ａとの間に剥離層を設けるとよい。
【００７７】
酸化物絶縁膜４３６としては、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、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウム、又はこれらの混合材料を用いて形成することができる。
【００７８】
酸化物絶縁膜４３６は、単層でも積層でもよい。例えば、基板４００上に酸化シリコン膜、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物膜、酸化物半導体膜４０３を順に積層してもよいし、基板４００上に酸化シリコン膜、Ｉｎ：Ｚｒ：Ｚｎ＝１：１：１の原子数比のＩｎ−Ｚｒ−Ｚｎ系酸化物膜、酸化物半導体膜４０３を順に積層してもよいし、基板４００上に酸化シリコン膜、Ｉｎ：Ｇｄ：Ｚｎ＝１：１：１の原子数比のＩｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物膜、酸化物半導体膜４０３を順に積層してもよい。
【００７９】
本実施の形態では酸化物絶縁膜４３６としてスパッタリング法を用いて形成する酸化シリコン膜を用いる。
【００８０】
また、酸化物絶縁膜４３６と基板４００との間に窒化物絶縁膜を設けてもよい。窒化物絶縁膜は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、又はこれらの混合材料を用いて形成することができる。
【００８１】
次に、酸化物絶縁膜４３６上に酸化物半導体膜４０３を形成する（図２（Ａ）参照）。
【００８２】
酸化物絶縁膜４３６は、酸化物半導体膜４０３と接するため、膜中（バルク中）に少なくとも化学量論組成を超える量の酸素が存在することが好ましい。例えば、酸化物絶縁膜４３６として、酸化シリコン膜を用いる場合には、ＳｉＯ２＋α（ただし、α＞０）とする。このような酸化物絶縁膜４３６を用いることで、酸化物半導体膜４０３に酸素を供給することができ、特性を良好にすることができる。酸化物半導体膜４０３へ酸素を供給することにより、膜中の酸素欠損を補填することができる。
【００８３】
例えば、酸素の供給源となる酸素を多く（過剰に）含む酸化物絶縁膜４３６を酸化物半導体膜４０３と接して設けることによって、該酸化物絶縁膜４３６から酸化物半導体膜４０３へ酸素を供給することができる。酸化物半導体膜４０３及び酸化物絶縁膜４３６を少なくとも一部が接した状態で加熱処理を行うことによって酸化物半導体膜４０３への酸素の供給を行ってもよい。
【００８４】
酸化物半導体膜４０３の形成工程において、酸化物半導体膜４０３に水素、又は水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４０３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酸化物絶縁膜４３６が形成された基板を予備加熱し、基板及び酸化物絶縁膜４３６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。
【００８５】
酸化物絶縁膜４３６において酸化物半導体膜４０３が接して形成される領域に、平坦化処理を行ってもよい。平坦化処理としては、特に限定されないが、研磨処理（例えば、化学的機械研磨法）、ドライエッチング処理、プラズマ処理を用いることができる。
【００８６】
プラズマ処理としては、例えば、アルゴンガスを導入してプラズマを発生させる逆スパッタリングを行うことができる。逆スパッタリングとは、アルゴン雰囲気下で基板側にＲＦ電源を用いて電圧を印加して基板近傍にプラズマを形成して表面を改質する方法である。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウム、酸素などを用いてもよい。逆スパッタリングを行うと、酸化物絶縁膜４３６の表面に付着している粉状物質（パーティクル、ごみともいう）を除去することができる。
【００８７】
平坦化処理として、研磨処理、ドライエッチング処理、プラズマ処理は複数回行ってもよく、それらを組み合わせて行ってもよい。また、組み合わせて行う場合、工程順も特に限定されず、酸化物絶縁膜４３６表面の凹凸状態に合わせて適宜設定すればよい。
【００８８】
平坦化処理は、例えば、酸化物絶縁膜４３６として用いる酸化シリコン膜表面に化学的機械研磨法により研磨処理（研磨条件：ポリウレタン系研磨布、シリカ系スラリー、スラリー温度室温、研磨圧０．００１ＭＰａ、研磨時回転数（テーブル／スピンドル）６０ｒｐｍ／５６ｒｐｍ、研磨時間０．５分）を行い、酸化シリコン膜表面における平均面粗さ（Ｒａ）を約０．１５ｎｍとすればよい。
【００８９】
なお、酸化物半導体膜４０３は、成膜時に酸素が多く含まれるような条件（例えば、酸素１００％の雰囲気下でスパッタリング法により成膜を行うなど）で成膜して、酸素を多く含む（好ましくは酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている）膜とすることが好ましい。
【００９０】
なお、本実施の形態において、酸化物半導体膜４０３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、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２［原子数比］の酸化物ターゲットを用い、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物膜（ＩＧＺＯ膜）を成膜する。
【００９１】
また、金属酸化物ターゲットの相対密度（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。相対密度の高い金属酸化物ターゲットを用いることにより、成膜した酸化物半導体膜は緻密な膜とすることができる。
【００９２】
酸化物半導体膜４０３を、成膜する際に用いるスパッタリングガスは水素、水、水酸基又は水素化物などの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。
【００９３】
減圧状態に保持された成膜室内に基板を保持する。そして、成膜室内の残留水分を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入し、上記ターゲットを用いて基板４００上に酸化物半導体膜４０３を成膜する。成膜室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプ、例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また、排気手段としては、ターボ分子ポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素原子、水（Ｈ２Ｏ）など水素原子を含む化合物（より好ましくは炭素原子を含む化合物も）等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物半導体膜４０３に含まれる不純物の濃度を低減できる。
【００９４】
また、酸化物絶縁膜４３６と酸化物半導体膜４０３とを大気に解放せずに連続的に形成することが好ましい。酸化物絶縁膜４３６と酸化物半導体膜４０３とを大気に曝露せずに連続して形成すると、酸化物絶縁膜４３６表面に水素や水分などの不純物が吸着することを防止することができる。
【００９５】
酸化物半導体膜４０３は、膜状の酸化物半導体膜をフォトリソグラフィ工程により島状の酸化物半導体膜に加工して形成することができる。
【００９６】
また、島状の酸化物半導体膜４０３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。
【００９７】
なお、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、ＩＴＯ−０７Ｎ（関東化学社製）を用いてもよい。また、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：誘導結合型プラズマ）エッチング法によるドライエッチングによってエッチング加工してもよい。例えば、ＩＧＺＯ膜をＩＣＰエッチング法により、エッチング（エッチング条件：エッチングガス（ＢＣｌ３：Ｃｌ２＝６０ｓｃｃｍ：２０ｓｃｃｍ）、電源電力４５０Ｗ、バイアス電力１００Ｗ、圧力１．９Ｐａ）し、島状に加工することができる。
【００９８】
また、酸化物半導体膜４０３に、過剰な水素（水や水酸基を含む）を除去（脱水化または脱水素化）するための加熱処理を行ってもよい。加熱処理の温度は、３００℃以上７００℃以下、または基板の歪み点未満とする。加熱処理は減圧下又は窒素雰囲気下などで行うことができる。例えば、加熱処理装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半導体膜４０３に対して窒素雰囲気下４５０℃において１時間の加熱処理を行う。
【００９９】
なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を用いてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置を用いることができる。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置である。ＧＲＴＡ装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。高温のガスには、アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられる。
【０１００】
例えば、加熱処理として、６５０℃〜７００℃の高温に加熱した不活性ガス中に基板を入れ、数分間加熱した後、基板を不活性ガス中から出すＧＲＴＡを行ってもよい。
【０１０１】
なお、加熱処理においては、窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、熱処理装置に導入する窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
【０１０２】
また、加熱処理で酸化物半導体膜４０３を加熱した後、同じ炉に高純度の酸素ガス、高純度の一酸化二窒素ガス、又は超乾燥エア（ＣＲＤＳ（キャビティリングダウンレーザー分光法）方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が２０ｐｐｍ（露点換算で−５５℃）以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、より好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）を導入してもよい。酸素ガスまたは一酸化二窒素ガスに、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一酸化二窒素ガスの純度を、６Ｎ以上好ましくは７Ｎ以上（即ち、酸素ガスまたは一酸化二窒素ガス中の不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。酸素ガス又は一酸化二窒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４０３を高純度化及びＩ型（真性）化することができる。
【０１０３】
なお、脱水化又は脱水素化のための加熱処理を行うタイミングは、膜状の酸化物半導体膜形成後でも、島状の酸化物半導体膜４０３形成後でもよい。
【０１０４】
また、脱水化又は脱水素化のための加熱処理は、複数回行ってもよく、他の加熱処理と兼ねてもよい。
【０１０５】
脱水化又は脱水素化のための加熱処理を、酸化物半導体膜４０３として島状に加工される前、膜状の酸化物半導体膜が酸化物絶縁膜４３６を覆った状態で行うと、酸化物絶縁膜４３６に含まれる酸素が加熱処理によって放出されるのを防止することができるため好ましい。
【０１０６】
また、脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体膜４０３に、酸素（少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオン、のいずれかを含む）を導入して膜中に酸素を供給してもよい。
【０１０７】
また、脱水化又は脱水素化処理によって、酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素が同時に脱離して減少してしまうおそれがある。酸化物半導体膜において、酸素が脱離した箇所では酸素欠損が存在し、該酸素欠損に起因してトランジスタの電気的特性変動を招くドナー準位が生じてしまう。
【０１０８】
脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体膜４０３に、酸素を導入して膜中に酸素を供給することによって、酸化物半導体膜４０３を高純度化、及びＩ型（真性）化することができる。高純度化し、Ｉ型（真性）化した酸化物半導体膜４０３を有するトランジスタは、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。
【０１０９】
酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法、プラズマ処理などを用いることができる。
【０１１０】
酸素の導入工程は、酸化物半導体膜４０３に酸素導入する場合、酸化物半導体膜４０３に直接導入してもよいし、ゲート絶縁膜４０２や絶縁膜４０７などの他の膜を通過して酸化物半導体膜４０３へ導入してもよい。酸素を他の膜を通過して導入する場合は、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いればよいが、酸素を露出された酸化物半導体膜４０３へ直接導入する場合は、プラズマ処理なども用いることができる。
【０１１１】
酸化物半導体膜４０３への酸素の導入は、脱水化又は脱水素化処理を行った後が好ましいが、特に限定されない。また、上記脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体膜４０３への酸素の導入は複数回行ってもよい。
【０１１２】
次いで、酸化物半導体膜４０３を覆うゲート絶縁膜４４２を形成する（図２（Ｂ）参照）。
【０１１３】
なお、ゲート絶縁膜４４２の被覆性を向上させるために、酸化物半導体膜４０３表面にも上記平坦化処理を行ってもよい。特にゲート絶縁膜４４２として膜厚の薄い絶縁膜を用いる場合、酸化物半導体膜４０３表面の平坦性が良好であることが好ましい。
【０１１４】
ゲート絶縁膜４４２の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とし、スパッタリング法、ＭＢＥ法、ＣＶＤ法、パルスレーザ堆積法、ＡＬＤ法等を適宜用いることができる。また、ゲート絶縁膜４４２は、スパッタリングターゲット表面に対し、概略垂直に複数の基板表面がセットされた状態で成膜を行うスパッタ装置を用いて成膜してもよい。
【０１１５】
ゲート絶縁膜４４２の材料としては、酸化シリコン膜、酸化ガリウム膜、酸化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜、または窒化酸化シリコン膜を用いて形成することができる。ゲート絶縁膜４４２は、酸化物半導体膜４０３と接する部分において酸素を含むことが好ましい。特に、ゲート絶縁膜４４２は、膜中（バルク中）に少なくとも化学量論組成を超える量の酸素が存在することが好ましく、例えば、ゲート絶縁膜４４２として、酸化シリコン膜を用いる場合には、ＳｉＯ２＋α（ただし、α＞０）とする。本実施の形態では、ゲート絶縁膜４４２として、ＳｉＯ２＋α（ただし、α＞０）である酸化シリコン膜を用いる。この酸化シリコン膜をゲート絶縁膜４４２として用いることで、酸化物半導体膜４０３に酸素を供給することができ、特性を良好にすることができる。さらに、ゲート絶縁膜４４２は、作製するトランジスタのサイズやゲート絶縁膜４４２の段差被覆性を考慮して形成することが好ましい。
【０１１６】
また、ゲート絶縁膜４４２の材料として酸化ハフニウム、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯｘＮｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、ハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、酸化ランタンなどのｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることでゲートリーク電流を低減できる。さらに、ゲート絶縁膜４４２は、単層構造としても良いし、積層構造としても良い。
【０１１７】
次にゲート絶縁膜４４２上に導電膜及び絶縁膜の積層を形成し、該導電膜及び該絶縁膜をエッチングして、ゲート電極層４０１及び絶縁膜４１３の積層を形成する（図２（Ｃ）参照）。
【０１１８】
ゲート電極層４０１の材料は、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、クロム、ネオジム、スカンジウム等の金属材料またはこれらを主成分とする合金材料を用いて形成することができる。また、ゲート電極層４０１としてリン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコン膜に代表される半導体膜、ニッケルシリサイドなどのシリサイド膜を用いてもよい。ゲート電極層４０１は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。
【０１１９】
また、ゲート電極層４０１の材料は、酸化インジウム酸化スズ、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、酸化インジウム酸化亜鉛、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。また、上記導電性材料と、上記金属材料の積層構造とすることもできる。
【０１２０】
また、ゲート絶縁膜４４２と接するゲート電極層４０１の一層として、窒素を含む金属酸化物膜、具体的には、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｓｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＳｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｏ膜や、金属窒化膜（ＩｎＮ、ＳｎＮなど）を用いることができる。これらの膜は５ｅＶ（電子ボルト）以上、好ましくは５．５ｅＶ（電子ボルト）以上の仕事関数を有し、ゲート電極層として用いた場合、トランジスタの電気特性のしきい値電圧をプラスにすることができ、所謂ノーマリーオフのスイッチング素子を実現できる。
【０１２１】
絶縁膜４１３は、代表的には酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、窒化酸化シリコン膜、窒化酸化アルミニウム膜などの無機絶縁膜を用いることができる。絶縁膜４１３は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いて形成することができる。
【０１２２】
次に、ゲート電極層４０１及び絶縁膜４１３をマスクとして酸化物半導体膜４０３にドーパント４２１を導入し、低抵抗領域４０４ａ、４０４ｂを形成する（図２（Ｄ）参照）。
【０１２３】
ドーパント４２１は、酸化物半導体膜４０３の導電率を変化させる不純物である。ドーパント４２１としては、１５族元素（代表的にはリン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、およびアンチモン（Ｓｂ））、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、窒素（Ｎ）、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、インジウム（Ｉｎ）、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、チタン（Ｔｉ）、及び亜鉛（Ｚｎ）のいずれかから選択される一以上を用いることができる。
【０１２４】
ドーパント４２１は、注入法により、他の膜（例えばゲート絶縁膜４４２）を通過して、酸化物半導体膜４０３に導入することもできる。ドーパント４２１の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる。その際には、ドーパント４２１の単体のイオンあるいはフッ化物、塩化物のイオンを用いると好ましい。
【０１２５】
ドーパント４２１の導入工程は、加速電圧、ドーズ量などの注入条件、また通過させる膜の膜厚を適宜設定して制御すればよい。本実施の形態では、ドーパント４２１としてリンを用いて、イオン注入法でリンイオンの注入を行う。なお、ドーパント４２１のドーズ量は１×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上５×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下とすればよい。
【０１２６】
低抵抗領域におけるドーパント４２１の濃度は、５×１０１８／ｃｍ３以上１×１０２２／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【０１２７】
ドーパント４２１を導入する際に、基板４００を加熱しながら行ってもよい。
【０１２８】
なお、酸化物半導体膜４０３にドーパント４２１を導入する処理は、複数回行ってもよく、ドーパントの種類も複数種用いてもよい。
【０１２９】
また、ドーパント４２１の導入処理後、加熱処理を行ってもよい。加熱条件としては、温度３００℃以上７００℃以下、好ましくは３００℃以上４５０℃以下で１時間、酸素雰囲気下で行うことが好ましい。また、窒素雰囲気下、減圧下、大気（超乾燥エア）下で加熱処理を行ってもよい。
【０１３０】
本実施の形態では、イオン注入法により酸化物半導体膜４０３に、リン（Ｐ）イオンを注入する。なお、リン（Ｐ）イオンの注入条件は加速電圧３０ｋＶ、ドーズ量を１．０×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２とする。
【０１３１】
酸化物半導体膜４０３をＣＡＡＣ−ＯＳ膜とした場合、ドーパント４２１の導入により、一部非晶質化する場合がある。この場合、ドーパント４２１の導入後に加熱処理を行うことによって、酸化物半導体膜４０３の結晶性を回復することができる。
【０１３２】
よって、チャネル形成領域４０９を挟んで低抵抗領域４０４ａ、４０４ｂが設けられた酸化物半導体膜４０３が形成される。
【０１３３】
次に、ゲート電極層４０１及び絶縁膜４１３上に絶縁膜を形成し、該絶縁膜をエッチングして側壁絶縁層４１２ａ、４１２ｂを形成する。さらに、ゲート電極層４０１及び側壁絶縁層４１２ａ、４１２ｂをマスクとして、ゲート絶縁膜４４２をエッチングし、ゲート絶縁膜４０２を形成する（図３（Ａ）参照）。
【０１３４】
側壁絶縁層４１２ａ、４１２ｂは、絶縁膜４１３と同様な材料及び方法を用いて形成することができる。本実施の形態では、ＣＶＤ法により形成した酸化窒化シリコン膜を用いる。
【０１３５】
次いで、酸化物半導体膜４０３、ゲート絶縁膜４０２、ゲート電極層４０１、側壁絶縁層４１２ａ、４１２ｂ、及び絶縁膜４１３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。
【０１３６】
導電膜は後の加熱処理に耐えられる材料を用いる。ソース電極層、及びドレイン電極層に用いる導電膜としては、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等を用いることができる。また、Ａｌ、Ｃｕなどの金属膜の下側又は上側の一方または双方にＴｉ、Ｍｏ、Ｗなどの高融点金属膜またはそれらの金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）を積層させた構成としても良い。また、ソース電極層、及びドレイン電極層に用いる導電膜としては、導電性の金属酸化物で形成しても良い。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム酸化スズ（Ｉｎ２Ｏ３―ＳｎＯ２）、酸化インジウム酸化亜鉛（Ｉｎ２Ｏ３―ＺｎＯ）またはこれらの金属酸化物材料に酸化シリコンを含ませたものを用いることができる。
【０１３７】
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島状の導電膜４４５を形成した後、レジストマスクを除去する。なお、該エッチング工程では、ゲート電極層４０１上の導電膜４４５の除去は行わない。
【０１３８】
導電膜として膜厚３０ｎｍのタングステン膜を用いる場合、該導電膜のエッチングは、例えばドライエッチング法により、タングステン膜をエッチング（エッチング条件：エッチングガス（ＣＦ４：Ｃｌ２：Ｏ２＝５５ｓｃｃｍ：４５ｓｃｃｍ：５５ｓｃｃｍ）、電源電力３０００Ｗ、バイアス電力１４０Ｗ、圧力０．６７Ｐａ）して、島状のタングステン膜を形成すればよい。
【０１３９】
島状の導電膜４４５上に層間絶縁膜４１５となる絶縁膜４４６を積層する（図３（Ｂ）参照）。
【０１４０】
絶縁膜４４６は、絶縁膜４１３と同様の材料及び方法を用いて形成することができる。絶縁膜４４６はトランジスタ４４０ａにより生じる凹凸を平坦化できる膜厚で形成する。本実施の形態では、ＣＶＤ法により形成した酸化窒化シリコン膜を３００ｎｍ形成する。
【０１４１】
次に絶縁膜４４６及び導電膜４４５に化学的機械研磨法により研磨処理を行い、絶縁膜４１３が露出するよう絶縁膜４４６及び導電膜４４５の一部を除去する。
【０１４２】
該研磨処理によって、絶縁膜４４６を層間絶縁膜４１５に加工し、ゲート電極層４０１上の導電膜４４５を除去し、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂを形成した。
【０１４３】
本実施の形態では、絶縁膜４４６及び導電膜４４５の除去に化学的機械研磨法を用いたが、他の切削（研削、研磨）方法を用いてもよい。また、ゲート電極層４０１上の導電膜４４５を除去する工程において、化学的機械研磨法などの切削（研削、研磨）法の他、エッチング（ドライエッチング、ウェットエッチング）法や、プラズマ処理などを組み合わせてもよい。例えば、化学的機械研磨法による除去工程後、ドライエッチング法やプラズマ処理（逆スパッタリングなど）を行い、処理表面の平坦性向上を図ってもよい。切削（研削、研磨）方法に、エッチング法、プラズマ処理などを組み合わせて行う場合、工程順は特に限定されず、絶縁膜４４６及び導電膜４４５の材料、膜厚、及び表面の凹凸状態に合わせて適宜設定すればよい。
【０１４４】
なお、本実施の形態においては、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂはゲート電極層４０１側面に設けられた側壁絶縁層４１２ａ、４１２ｂの側面に接するように設けられており、側壁絶縁層４１２ａ、４１２ｂの側面を上端部よりやや低い位置まで覆っている。ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂの形状は導電膜４４５を除去する研磨処理の条件によって異なり、本実施の形態に示すように、側壁絶縁層４１２ａ、４１２ｂ、絶縁膜４１３の研磨処理された表面より膜厚方向に後退した形状となる場合がある。しかし、研磨処理の条件によっては、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂの上端部の高さと、側壁絶縁層４１２ａ、４１２ｂの上端部の高さとは概略一致する場合もある。
【０１４５】
以上の工程で、本実施の形態のトランジスタ４４０ａが作製される（図３（Ｃ）参照）。
【０１４６】
トランジスタ４４０ａは作製工程において、ゲート電極層４０１、絶縁膜４１３、及び側壁絶縁層４１２ａ、４１２ｂ上に設けられた導電膜４４５を化学的機械研磨処理することによって除去し導電膜４４５を分断することによって、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂを形成する。
【０１４７】
また、ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂは、露出した酸化物半導体膜４０３上面、及び側壁絶縁層４１２ａ、又は側壁絶縁層４１２ｂと接して設けられている。よって、ソース電極層４０５ａ又はドレイン電極層４０５ｂと酸化物半導体膜４０３とが接する領域（コンタクト領域）と、ゲート電極層４０１との距離（最短距離）は、側壁絶縁層４１２ａ、４１２ｂのチャネル長方向の幅となり、より微細化が達成できる他、作製工程においてよりばらつきなく制御することができる。
【０１４８】
このように、ソース電極層４０５ａ又はドレイン電極層４０５ｂと酸化物半導体膜４０３とが接する領域（コンタクト領域）と、ゲート電極層４０１との距離を短くすることができるため、ソース電極層４０５ａ又はドレイン電極層４０５ｂと酸化物半導体膜４０３とが接する領域（コンタクト領域）、及びゲート電極層４０１間の抵抗が減少し、トランジスタ４４０ａのオン特性を向上させることが可能となる。
【０１４９】
また、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂの形成工程におけるゲート電極層４０１上の導電膜４４５を除去する工程において、レジストマスクを用いたエッチング工程を用いないため、精密な加工を正確に行うことができる。よって、半導体装置の作製工程において、形状や特性のばらつきの少ない微細な構造を有するトランジスタ４４０ａを歩留まりよく作製することができる。
【０１５０】
なお、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂの形成工程におけるゲート電極層４０１上の導電膜４４５を除去する工程において、絶縁膜４１３の一部、又は絶縁膜４１３全部を除去してもよい。図４（Ｃ）に、絶縁膜４１３を全部除去し、ゲート電極層４０１が露出しているトランジスタ４４０ｃの例を示す。また、ゲート電極層４０１も上方の一部が除去されてもよい。トランジスタ４４０ｃのようにゲート電極層４０１を露出する構造は、トランジスタ４４０ｃ上に他の配線や半導体素子を積層する集積回路において用いることができる。
【０１５１】
トランジスタ４４０ａ上に保護絶縁膜となる緻密性の高い無機絶縁膜（代表的には酸化アルミニウム膜）を設けてもよい。
【０１５２】
本実施の形態では、絶縁膜４１３、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ、側壁絶縁層４１２ａ、４１２ｂ、及び層間絶縁膜４１５上に接して絶縁膜４０７を形成する（図３（Ｄ）参照）。
【０１５３】
また、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂと層間絶縁膜４１５との間に保護絶縁膜となる緻密性の高い無機絶縁膜（代表的には酸化アルミニウム膜）を設けてもよい。
【０１５４】
図４（Ｂ）にソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂと層間絶縁膜４１５との間に絶縁膜４１０を設けたトランジスタ４４０ｂの例を示す。トランジスタ４４０ｂにおいては、絶縁膜４１０も、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂの形成工程において用いる切削（研削、研磨）工程により上面が平坦化処理されている。
【０１５５】
絶縁膜４０７、４１０は、単層でも積層でもよく、少なくとも酸化アルミニウム膜を含むことが好ましい。
【０１５６】
絶縁膜４０７、４１０は、プラズマＣＶＤ法、スパッタリング法、又は蒸着法等により成膜することができる。
【０１５７】
酸化アルミニウム膜以外に、絶縁膜４０７、４１０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などを用いることができる。また、酸化ハフニウム膜、酸化マグネシウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ランタン膜、酸化バリウム膜、又は金属窒化物膜（例えば、窒化アルミニウム膜）も用いることができる。
【０１５８】
本実施の形態では、絶縁膜４０７、４１０としてスパッタリング法により酸化アルミニウム膜を形成する。酸化アルミニウム膜を高密度（膜密度３．２ｇ／ｃｍ３以上、好ましくは３．６ｇ／ｃｍ３以上）とすることによって、トランジスタ４４０ａ、４４０ｂに安定な電気特性を付与することができる。膜密度はラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）や、Ｘ線反射率測定法（ＸＲＲ：Ｘ−Ｒａｙ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）によって測定することができる。
【０１５９】
酸化物半導体膜４０３上に設けられる絶縁膜４０７、４１０として用いることのできる酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を通過させない遮断効果（ブロック効果）が高い。
【０１６０】
従って、酸化アルミニウム膜は、作製工程中及び作製後において、変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体膜４０３への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体膜４０３からの放出を防止する保護膜として機能する。
【０１６１】
絶縁膜４０７、４１０は、絶縁膜４０７、４１０に水、水素等の不純物を混入させない方法（好適にはスパッタリング法など）を適宜用いて形成することが好ましい。
【０１６２】
酸化物半導体膜の成膜時と同様に、絶縁膜４０７、４１０の成膜室内の残留水分を除去するために、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、４１０に含まれる不純物の濃度を低減できる。また、絶縁膜４０７、４１０の成膜室内の残留水分を除去するための排気手段としては、ターボ分子ポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。
【０１６３】
絶縁膜４０７、４１０を、成膜する際に用いるスパッタガスとしては、水素、水、水酸基又は水素化物などの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。
【０１６４】
また、トランジスタ起因の表面凹凸を低減するために平坦化絶縁膜を形成してもよい。平坦化絶縁膜としては、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、等の有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）等を用いることができる。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、平坦化絶縁膜を形成してもよい。
【０１６５】
また、図４（Ａ）に、層間絶縁膜４１５及び絶縁膜４０７にソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂに達する開口を形成し、開口に配線層４３５ａ、４３５ｂを形成する例を示す。配線層４３５ａ、４３５ｂを用いて他のトランジスタや素子と接続させ、様々な回路を構成することができる。
【０１６６】
配線層４３５ａ、配線層４３５ｂはゲート電極層４０１、ソース電極層４０５ａ、又はドレイン電極層４０５ｂと同様の材料及び方法を用いて形成することができ、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等を用いることができる。また、Ａｌ、Ｃｕなどの金属膜の下側又は上側の一方または双方にＴｉ、Ｍｏ、Ｗなどの高融点金属膜またはそれらの金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）を積層させた構成としても良い。また、配線層４３５ａ、配線層４３５ｂに用いる導電膜としては、導電性の金属酸化物で形成しても良い。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム酸化スズ（Ｉｎ２Ｏ３―ＳｎＯ２）、酸化インジウム酸化亜鉛（Ｉｎ２Ｏ３―ＺｎＯ）またはこれらの金属酸化物材料に酸化シリコンを含ませたものを用いることができる。
【０１６７】
例えば、配線層４３５ａ、配線層４３５ｂとして、モリブデン膜の単層、窒化タンタル膜と銅膜との積層、又は窒化タンタル膜とタングステン膜との積層などを用いることができる。
【０１６８】
以上のように、半導体装置の作製工程において、形状や特性のばらつきの少ない微細な構造を有するオン特性の高いトランジスタ４４０ａ、４４０ｂ、４４０ｃを歩留まりよく提供することができる。
【０１６９】
従って、微細化を実現し、かつ高い電気的特性を付与された半導体装置、及び該半導体装置の作製方法を提供することができる。
【０１７０】
（実施の形態２）
本実施の形態では、本明細書に示すトランジスタを使用し、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置の一例を、図面を用いて説明する。
【０１７１】
図５は、半導体装置の構成の一例である。図５（Ａ）に、半導体装置の断面図を、図５（Ｂ）に半導体装置の平面図を、図５（Ｃ）に半導体装置の回路図をそれぞれ示す。ここで、図５（Ａ）は、図５（Ｂ）のＣ１−Ｃ２、及びＤ１−Ｄ２における断面に相当する。
【０１７２】
図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示す半導体装置は、下部に第１の半導体材料を用いたトランジスタ１６０を有し、上部に第２の半導体材料を用いたトランジスタ１６２を有するものである。トランジスタ１６２としては、実施の形態１で示すトランジスタ４４０ａの構造を適用する例である。
【０１７３】
ここで、第１の半導体材料と第２の半導体材料は異なる禁制帯幅を持つ材料とすることが望ましい。例えば、第１の半導体材料を酸化物半導体以外の半導体材料（シリコンなど）とし、第２の半導体材料を酸化物半導体とすることができる。酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタは、高速動作が容易である。一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、その特性により長時間の電荷保持を可能とする。
【０１７４】
なお、上記トランジスタは、いずれもｎチャネル型トランジスタであるものとして説明するが、ｐチャネル型トランジスタを用いることができるのはいうまでもない。また、情報を保持するために酸化物半導体を実施の形態１に示すようなトランジスタ１６２に用いる他、半導体装置に用いられる材料や半導体装置の構造など、半導体装置の具体的な構成をここで示すものに限定する必要はない。
【０１７５】
図５（Ａ）におけるトランジスタ１６０は、半導体材料（例えば、シリコンなど）を含む基板１８５に設けられたチャネル形成領域１１６と、チャネル形成領域１１６を挟むように設けられた不純物領域１２０と、不純物領域１２０に接する金属間化合物領域１２４と、チャネル形成領域１１６上に設けられたゲート絶縁膜１０８と、ゲート絶縁膜１０８上に設けられたゲート電極１１０と、を有する。なお、図において、明示的にはソース電極やドレイン電極を有しない場合があるが、便宜上、このような状態を含めてトランジスタと呼ぶ場合がある。また、この場合、トランジスタの接続関係を説明するために、ソース領域やドレイン領域を含めてソース電極やドレイン電極と表現することがある。つまり、本明細書において、ソース電極との記載には、ソース領域が含まれうる。
【０１７６】
基板１８５上にはトランジスタ１６０を囲むように素子分離絶縁層１０６が設けられており、トランジスタ１６０を覆うように絶縁層１２８、及び絶縁層１３０が設けられている。なお、トランジスタ１６０において、ゲート電極１１０の側面に側壁絶縁層（サイドウォール絶縁層）を設け、不純物濃度が異なる領域を含む不純物領域１２０としてもよい。
【０１７７】
単結晶半導体基板を用いたトランジスタ１６０は、高速動作が可能である。このため、当該トランジスタを読み出し用のトランジスタとして用いることで、情報の読み出しを高速に行うことができる。トランジスタ１６０を覆うように絶縁膜を２層形成する。トランジスタ１６２および容量素子１６４の形成前の処理として、該絶縁膜２層にＣＭＰ処理を施して、平坦化した絶縁層１２８、絶縁層１３０を形成し、同時にゲート電極１１０の上面を露出させる。
【０１７８】
絶縁層１２８、絶縁層１３０は、代表的には酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、窒化酸化シリコン膜、窒化酸化アルミニウム膜などの無機絶縁膜を用いることができる。絶縁層１２８、絶縁層１３０は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いて形成することができる。
【０１７９】
また、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、等の有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）等を用いることができる。有機材料を用いる場合、スピンコート法、印刷法などの湿式法によって絶縁層１２８、絶縁層１３０を形成してもよい。
【０１８０】
なお、本実施の形態において、絶縁層１２８として窒化シリコン膜、絶縁層１３０として酸化シリコン膜を用いる。
【０１８１】
絶縁層１３０表面において、酸化物半導体膜１４４形成領域に、平坦化処理を行うことが好ましい。本実施の形態では、研磨処理（例えばＣＭＰ処理）により十分に平坦化した（好ましくは絶縁層１３０表面の平均面粗さは０．１５ｎｍ以下）絶縁層１３０上に酸化物半導体膜１４４を形成する。
【０１８２】
図５（Ａ）に示すトランジスタ１６２は、酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタである。ここで、トランジスタ１６２に含まれる酸化物半導体膜１４４は、高純度化されたものであることが望ましい。高純度化された酸化物半導体を用いることで、極めて優れたオフ特性のトランジスタ１６２を得ることができる。
【０１８３】
トランジスタ１６２は、オフ電流が小さいため、これを用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、或いは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ない半導体記憶装置とすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。
【０１８４】
トランジスタ１６２は作製工程において、ゲート電極１４８、絶縁膜１３７、及び側壁絶縁層１３６ａ、１３６ｂ上に設けられた導電膜を化学的機械研磨処理により除去する工程を用いて、ソース電極層及びドレイン電極層として機能する電極層１４２ａ、１４２ｂを形成する。
【０１８５】
よって、トランジスタ１６２は、ソース電極層又はドレイン電極層として機能する電極層１４２ａ、１４２ｂと酸化物半導体膜１４４が接する領域（コンタクト領域）と、ゲート電極１４８との距離を短くすることができるため、電極層１４２ａ、１４２ｂと酸化物半導体膜１４４とが接する領域（コンタクト領域）、及びゲート電極１４８間の抵抗が減少し、トランジスタ１６２のオン特性を向上させることが可能となる。
【０１８６】
電極層１４２ａ、１４２ｂの形成工程におけるゲート電極１４８上の導電膜を除去する工程において、レジストマスクを用いたエッチング工程を用いないため、精密な加工を正確に行うことができる。よって、半導体装置の作製工程において、形状や特性のばらつきの少ない微細な構造を有するトランジスタを歩留まりよく作製することができる。
【０１８７】
トランジスタ１６２上には、層間絶縁膜１３５、絶縁膜１５０が単層または積層で設けられている。本実施の形態では、絶縁膜１５０として、酸化アルミニウム膜を用いる。酸化アルミニウム膜を高密度（膜密度３．２ｇ／ｃｍ３以上、好ましくは３．６ｇ／ｃｍ３以上）とすることによって、トランジスタ１６２に安定な電気特性を付与することができる。
【０１８８】
また、層間絶縁膜１３５及び絶縁膜１５０を介して、トランジスタ１６２の電極層１４２ａと重畳する領域には、導電層１５３が設けられており、電極層１４２ａと、層間絶縁膜１３５と、絶縁膜１５０と、導電層１５３とによって、容量素子１６４が構成される。すなわち、トランジスタ１６２の電極層１４２ａは、容量素子１６４の一方の電極として機能し、導電層１５３は、容量素子１６４の他方の電極として機能する。なお、容量が不要の場合には、容量素子１６４を設けない構成とすることもできる。また、容量素子１６４は、別途、トランジスタ１６２の上方に設けてもよい。
【０１８９】
トランジスタ１６２および容量素子１６４の上には絶縁膜１５２が設けられている。そして、絶縁膜１５２上にはトランジスタ１６２と、他のトランジスタを接続するための配線１５６が設けられている。図５（Ａ）には図示しないが、配線１５６は、絶縁膜１５０、絶縁膜１５２及びゲート絶縁膜１４６などに形成された開口に形成された電極を介して電極層１４２ｂと電気的に接続される。ここで、該電極は、少なくともトランジスタ１６２の酸化物半導体膜１４４の一部と重畳するように設けられることが好ましい。
【０１９０】
図５（Ａ）及び図５（Ｂ）において、トランジスタ１６０と、トランジスタ１６２とは、少なくとも一部が重畳するように設けられており、トランジスタ１６０のソース領域またはドレイン領域と酸化物半導体膜１４４の一部が重畳するように設けられているのが好ましい。また、トランジスタ１６２及び容量素子１６４が、トランジスタ１６０の少なくとも一部と重畳するように設けられている。例えば、容量素子１６４の導電層１５３は、トランジスタ１６０のゲート電極１１０と少なくとも一部が重畳して設けられている。このような平面レイアウトを採用することにより、半導体装置の占有面積の低減を図ることができるため、高集積化を図ることができる。
【０１９１】
なお、電極層１４２ｂ及び配線１５６の電気的接続は、電極層１４２ｂ及び配線１５６を直接接触させて行ってもよいし、電極層１４２ｂ及び配線１５６の間の絶縁膜に電極を設けて、該電極を介して行ってもよい。また、間に介する電極は、複数でもよい。
【０１９２】
次に、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に対応する回路構成の一例を図５（Ｃ）に示す。
【０１９３】
図５（Ｃ）において、第１の配線（１ｓｔ Ｌｉｎｅ）とトランジスタ１６０のソース電極とは、電気的に接続され、第２の配線（２ｎｄ Ｌｉｎｅ）とトランジスタ１６０のドレイン電極とは、電気的に接続されている。また、第３の配線（３ｒｄ Ｌｉｎｅ）とトランジスタ１６２のソース電極またはドレイン電極の一方とは、電気的に接続され、第４の配線（４ｔｈ Ｌｉｎｅ）と、トランジスタ１６２のゲート電極とは、電気的に接続されている。そして、トランジスタ１６０のゲート電極と、トランジスタ１６２のソース電極またはドレイン電極の他方は、容量素子１６４の電極の一方と電気的に接続され、第５の配線（５ｔｈ Ｌｉｎｅ）と、容量素子１６４の電極の他方は電気的に接続されている。
【０１９４】
図５（Ｃ）に示す半導体装置では、トランジスタ１６０のゲート電極の電位が保持可能という特徴を生かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
【０１９５】
情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第４の配線の電位を、トランジスタ１６２がオン状態となる電位にして、トランジスタ１６２をオン状態とする。これにより、第３の配線の電位が、トランジスタ１６０のゲート電極、および容量素子１６４に与えられる。すなわち、トランジスタ１６０のゲート電極には、所定の電荷が与えられる（書き込み）。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷（以下Ｌｏｗレベル電荷、Ｈｉｇｈレベル電荷という）のいずれかが与えられるものとする。その後、第４の配線の電位を、トランジスタ１６２がオフ状態となる電位にして、トランジスタ１６２をオフ状態とすることにより、トランジスタ１６０のゲート電極に与えられた電荷が保持される（保持）。
【０１９６】
トランジスタ１６２のオフ電流は極めて小さいため、トランジスタ１６０のゲート電極の電荷は長時間にわたって保持される。
【０１９７】
次に情報の読み出しについて説明する。第１の配線に所定の電位（定電位）を与えた状態で、第５の配線に適切な電位（読み出し電位）を与えると、トランジスタ１６０のゲート電極に保持された電荷量に応じて、第２の配線は異なる電位をとる。一般に、トランジスタ１６０をｎチャネル型とすると、トランジスタ１６０のゲート電極にＨｉｇｈレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Ｖｔｈ＿Ｈは、トランジスタ１６０のゲート電極にＬｏｗレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Ｖｔｈ＿Ｌより低くなるためである。ここで、見かけのしきい値電圧とは、トランジスタ１６０を「オン状態」とするために必要な第５の配線の電位をいうものとする。したがって、第５の配線の電位をＶｔｈ＿ＨとＶｔｈ＿Ｌの間の電位Ｖ０とすることにより、トランジスタ１６０のゲート電極に与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、Ｈｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線の電位がＶ０（＞Ｖｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ１６０は「オン状態」となる。Ｌｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線の電位がＶ０（＜Ｖｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ１６０は「オフ状態」のままである。このため、第２の配線の電位を見ることで、保持されている情報を読み出すことができる。
【０１９８】
なお、メモリセルをアレイ状に配置して用いる場合、所望のメモリセルの情報のみを読み出せることが必要になる。情報を読み出さないメモリセルの場合には、ゲート電極の状態にかかわらずトランジスタ１６０が「オフ状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｈより小さい電位を第５の配線に与えればよい。または、ゲート電極の状態にかかわらずトランジスタ１６０が「オン状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｌより大きい電位を第５の配線に与えればよい。
【０１９９】
また、図１９に、半導体装置の構成の他の一例を示す。図１９（Ａ）は、半導体装置の平面図、図１９（Ｂ）は半導体装置の断面図である。ここで、図１９（Ｂ）は、図１９（Ａ）のＤ３−Ｄ４における断面に相当する。なお、図１９（Ａ）においては、図の明瞭化のため、図１９（Ｂ）に示す半導体装置の一部の構成要素を省略している。
【０２００】
図１９において容量素子１６４は、ゲート電極１１０、酸化物半導体膜１４４、絶縁膜１７３、及び導電層１７４で構成されている。導電層１７４はゲート電極１４８と同工程で作製され、上面を絶縁膜１７６、側面を側壁絶縁層１７５ａ、１７５ｂで覆われている。
【０２０１】
トランジスタ１６２の電極層１４２ｂは層間絶縁膜１３５、絶縁膜１５０に形成された電極層１４２ｂに達する開口において、配線１５６と電気的に接続する。また、酸化物半導体膜１４４の下に接して、導電層１７２が設けられており、トランジスタ１６０とトランジスタ１６２とを電気的に接続している。
【０２０２】
図１９で示すように、トランジスタ１６０、トランジスタ１６２、容量素子１６４を重畳するように密に積層して設けることで、より半導体装置の占有面積の低減を図ることができるため、高集積化を図ることができる。
【０２０３】
本実施の形態に示す半導体装置では、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたオフ電流の極めて小さいトランジスタを適用することで、極めて長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合（ただし、電位は固定されていることが望ましい）であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。
【０２０４】
また、本実施の形態に示す半導体装置では、情報の書き込みに高い電圧を必要とせず、素子の劣化の問題もない。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行う必要がないため、ゲート絶縁膜の劣化といった問題が全く生じない。すなわち、開示する発明に係る半導体装置では、従来の不揮発性メモリで問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上する。さらに、トランジスタのオン状態、オフ状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作も容易に実現しうる。
【０２０５】
以上のように、微細化及び高集積化を実現し、かつ高い電気的特性を付与された半導体装置、及び該半導体装置の作製方法を提供することができる。
【０２０６】
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。
【０２０７】
（実施の形態３）
本実施の形態においては、実施の形態１又は実施の形態２に示すトランジスタを使用し、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置について、実施の形態２に示した構成と異なる構成について、図６及び図７を用いて説明を行う。
【０２０８】
図６（Ａ）は、半導体装置の回路構成の一例を示し、図６（Ｂ）は半導体装置の一例を示す概念図である。まず、図６（Ａ）に示す半導体装置について説明を行い、続けて図６（Ｂ）に示す半導体装置について、以下説明を行う。
【０２０９】
図６（Ａ）に示す半導体装置において、ビット線ＢＬとトランジスタ１６２のソース電極又はドレイン電極の一方とは電気的に接続され、ワード線ＷＬとトランジスタ１６２のゲート電極とは電気的に接続され、トランジスタ１６２のソース電極又はドレイン電極の他方と容量素子２５４の第１の端子とは電気的に接続されている。
【０２１０】
次に、図６（Ａ）に示す半導体装置（メモリセル２５０）に、情報の書き込みおよび保持を行う場合について説明する。
【０２１１】
まず、ワード線ＷＬの電位を、トランジスタ１６２がオン状態となる電位として、トランジスタ１６２をオン状態とする。これにより、ビット線ＢＬの電位が、容量素子２５４の第１の端子に与えられる（書き込み）。その後、ワード線ＷＬの電位を、トランジスタ１６２がオフ状態となる電位として、トランジスタ１６２をオフ状態とすることにより、容量素子２５４の第１の端子の電位が保持される（保持）。
【０２１２】
酸化物半導体を用いたトランジスタ１６２は、オフ電流が極めて小さいという特徴を有している。このため、トランジスタ１６２をオフ状態とすることで、容量素子２５４の第１の端子の電位（あるいは、容量素子２５４に蓄積された電荷）を極めて長時間にわたって保持することが可能である。
【０２１３】
次に、情報の読み出しについて説明する。トランジスタ１６２がオン状態となると、浮遊状態であるビット線ＢＬと容量素子２５４の第１端子とが導通し、ビット線ＢＬと容量素子２５４の間で電荷が再分配される。その結果、ビット線ＢＬの電位が変化する。ビット線ＢＬの電位の変化量は、容量素子２５４の第１の端子の電位（あるいは容量素子２５４に蓄積された電荷）によって、異なる値をとる。
【０２１４】
例えば、容量素子２５４の第１の端子の電位をＶ、容量素子２５４の容量をＣ、ビット線ＢＬが有する容量成分（以下、ビット線容量とも呼ぶ）をＣＢ、電荷が再分配される前のビット線ＢＬの電位をＶＢ０とすると、電荷が再分配された後のビット線ＢＬの電位は、（ＣＢ＊ＶＢ０＋Ｃ＊Ｖ）／（ＣＢ＋Ｃ）となる。従って、メモリセル２５０の状態として、容量素子２５４の第１の端子の電位がＶ１とＶ０（Ｖ１＞Ｖ０）の２状態をとるとすると、電位Ｖ１を保持している場合のビット線ＢＬの電位（＝ＣＢ＊ＶＢ０＋Ｃ＊Ｖ１）／（ＣＢ＋Ｃ））は、電位Ｖ０を保持している場合のビット線ＢＬの電位（＝ＣＢ＊ＶＢ０＋Ｃ＊Ｖ０）／（ＣＢ＋Ｃ））よりも高くなることがわかる。
【０２１５】
そして、ビット線ＢＬの電位を所定の電位と比較することで、情報を読み出すことができる。
【０２１６】
このように、図６（Ａ）に示す半導体装置は、トランジスタ１６２のオフ電流が極めて小さいという特徴から、容量素子２５４に蓄積された電荷は長時間にわたって保持することができる。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。
【０２１７】
次に、図６（Ｂ）に示す半導体装置について、説明を行う。
【０２１８】
図６（Ｂ）に示す半導体装置は、上部に記憶回路として図６（Ａ）に示したメモリセル２５０を複数有するメモリセルアレイ２５１ａ及び２５１ｂを有し、下部に、メモリセルアレイ２５１（メモリセルアレイ２５１ａ及び２５１ｂ）を動作させるために必要な周辺回路２５３を有する。なお、周辺回路２５３は、メモリセルアレイ２５１と電気的に接続されている。
【０２１９】
図６（Ｂ）に示した構成とすることにより、周辺回路２５３をメモリセルアレイ２５１（メモリセルアレイ２５１ａ及び２５１ｂ）の直下に設けることができるため半導体装置の小型化を図ることができる。
【０２２０】
周辺回路２５３に設けられるトランジスタは、トランジスタ１６２とは異なる半導体材料を用いるのがより好ましい。例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、またはガリウムヒ素等を用いることができ、単結晶半導体を用いることが好ましい。他に、有機半導体材料などを用いてもよい。このような半導体材料を用いたトランジスタは、十分な高速動作が可能である。したがって、該トランジスタにより、高速動作が要求される各種回路（論理回路、駆動回路など）を好適に実現することが可能である。
【０２２１】
なお、図６（Ｂ）に示した半導体装置では、２つのメモリセルアレイ２５１（メモリセルアレイ２５１ａと、メモリセルアレイ２５１ｂ）が積層された構成を例示したが、積層するメモリセルアレイの数はこれに限定されない。３つ以上のメモリセルアレイを積層する構成としても良い。
【０２２２】
次に、図６（Ａ）に示したメモリセル２５０の具体的な構成について図７を用いて説明を行う。
【０２２３】
図７は、メモリセル２５０の構成の一例である。図７（Ａ）に、メモリセル２５０の断面図を、図７（Ｂ）にメモリセル２５０の平面図をそれぞれ示す。ここで、図７（Ａ）は、図７（Ｂ）のＦ１−Ｆ２、及びＧ１−Ｇ２における断面に相当する。
【０２２４】
図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示すトランジスタ１６２は、実施の形態１又は実施の形態２で示した構成と同一の構成とすることができる。
【０２２５】
絶縁層１８０上に設けられたトランジスタ１６２上には、絶縁膜２５６が単層または積層で設けられている。また、絶縁膜２５６を介して、トランジスタ１６２の電極層１４２ａと重畳する領域には、導電層２６２が設けられており、電極層１４２ａと、層間絶縁膜１３５と、絶縁膜２５６と、導電層２６２とによって、容量素子２５４が構成される。すなわち、トランジスタ１６２の電極層１４２ａは、容量素子２５４の一方の電極として機能し、導電層２６２は、容量素子２５４の他方の電極として機能する。
【０２２６】
トランジスタ１６２および容量素子２５４の上には絶縁膜２５８が設けられている。そして、絶縁膜２５８上にはメモリセル２５０と、隣接するメモリセル２５０を接続するための配線２６０が設けられている。図示しないが、配線２６０は、絶縁膜２５６及び絶縁膜２５８などに形成された開口を介してトランジスタ１６２の電極層１４２ｂと電気的に接続されている。但し、開口に他の導電層を設け、該他の導電層を介して、配線２６０と電極層１４２ｂとを電気的に接続してもよい。なお、配線２６０は、図６（Ａ）の回路図におけるビット線ＢＬに相当する。
【０２２７】
図７（Ａ）及び図７（Ｂ）において、トランジスタ１６２の電極層１４２ｂは、隣接するメモリセルに含まれるトランジスタのソース電極としても機能することができる。このような平面レイアウトを採用することにより、半導体装置の占有面積の低減を図ることができるため、高集積化を図ることができる。
【０２２８】
図７（Ａ）に示す平面レイアウトを採用することにより、半導体装置の占有面積の低減を図ることができるため、高集積化を図ることができる。
【０２２９】
また、図２０に、半導体装置の構成の他の一例を示す。
【０２３０】
図２０（Ａ）は、半導体装置の平面図、図２０（Ｂ）は半導体装置の断面図である。ここで、図２０（Ｂ）は、図２０（Ａ）のＦ５−Ｆ６における断面に相当する。なお、図２０（Ａ）においては、図の明瞭化のため、図２０（Ｂ）に示す半導体装置の一部の構成要素を省略している。
【０２３１】
図２０（Ａ）（Ｂ）において、容量素子２５４は、導電層１９２、絶縁膜１９３、導電層１９４で構成され、絶縁膜１９６中に形成されている。なお、絶縁膜１９３は誘電率の高い絶縁材料を用いることが好ましい。容量素子２５４とトランジスタ１６２とは、層間絶縁膜１３５、絶縁膜１５０、及び絶縁膜１９５に形成されたトランジスタ１６２の電極層１４２ａに達する開口に設けられた導電層１９１を介して電気的に接続されている。
【０２３２】
図２０で示すように、トランジスタ１６２、容量素子２５４を重畳するように密に積層して設けることで、より半導体装置の占有面積の低減を図ることができるため、高集積化を図ることができる。
【０２３３】
以上のように、上部に多層に形成された複数のメモリセルは、酸化物半導体を用いたトランジスタにより形成されている。酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流が小さいため、これを用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。
【０２３４】
このように、酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタ（換言すると、十分な高速動作が可能なトランジスタ）を用いた周辺回路と、酸化物半導体を用いたトランジスタ（より広義には、十分にオフ電流が小さいトランジスタ）を用いた記憶回路とを一体に備えることで、これまでにない特徴を有する半導体装置を実現することができる。また、周辺回路と記憶回路を積層構造とすることにより、半導体装置の集積化を図ることができる。
【０２３５】
以上のように、微細化及び高集積化を実現し、かつ高い電気的特性を付与された半導体装置、及び該半導体装置の作製方法を提供することができる。
【０２３６】
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。
【０２３７】
（実施の形態４）
本実施の形態では、先の実施の形態で示した半導体装置を携帯電話、スマートフォン、電子書籍などの携帯機器に応用した場合の例を図８乃至図１１を用いて説明する。
【０２３８】
携帯電話、スマートフォン、電子書籍などの携帯機器においては、画像データの一時記憶などにＳＲＡＭまたはＤＲＡＭが使用されている。ＳＲＡＭまたはＤＲＡＭが使用される理由としてはフラッシュメモリでは応答が遅く、画像処理では不向きであるためである。一方で、ＳＲＡＭまたはＤＲＡＭを画像データの一時記憶に用いた場合、以下の特徴がある。
【０２３９】
通常のＳＲＡＭは、図８（Ａ）に示すように１つのメモリセルがトランジスタ８０１〜８０６の６個のトランジスタで構成されており、それをＸデコーダー８０７、Ｙデコーダー８０８にて駆動している。トランジスタ８０３とトランジスタ８０５、トランジスタ８０４とトランジスタ８０６はインバータを構成し、高速駆動を可能としている。しかし１つのメモリセルが６トランジスタで構成されているため、セル面積が大きいという欠点がある。デザインルールの最小寸法をＦとしたときにＳＲＡＭのメモリセル面積は通常１００〜１５０Ｆ２である。このためＳＲＡＭはビットあたりの単価が各種メモリの中で最も高い。
【０２４０】
それに対して、ＤＲＡＭはメモリセルが図８（Ｂ）に示すようにトランジスタ８１１、保持容量８１２によって構成され、それをＸデコーダー８１３、Ｙデコーダー８１４にて駆動している。１つのセルが１トランジスタ１容量の構成になっており、面積が小さい。ＤＲＡＭのメモリセル面積は通常１０Ｆ２以下である。ただし、ＤＲＡＭは常にリフレッシュが必要であり、書き換えをおこなわない場合でも電力を消費する。
【０２４１】
しかし、先の実施の形態で説明した半導体装置のメモリセル面積は、１０Ｆ２前後であり、且つ頻繁なリフレッシュは不要である。したがって、メモリセル面積が縮小され、且つ消費電力を低減することができる。
【０２４２】
図９に携帯機器のブロック図を示す。図９に示す携帯機器はＲＦ回路９０１、アナログベースバンド回路９０２、デジタルベースバンド回路９０３、バッテリー９０４、電源回路９０５、アプリケーションプロセッサ９０６、フラッシュメモリ９１０、ディスプレイコントローラ９１１、メモリ回路９１２、ディスプレイ９１３、タッチセンサ９１９、音声回路９１７、キーボード９１８などより構成されている。ディスプレイ９１３は表示部９１４、ソースドライバ９１５、ゲートドライバ９１６によって構成されている。アプリケーションプロセッサ９０６はＣＰＵ９０７、ＤＳＰ９０８、インターフェイス９０９（ＩＦ９０９）を有している。一般にメモリ回路９１２はＳＲＡＭまたはＤＲＡＭで構成されており、この部分に先の実施の形態で説明した半導体装置を採用することによって、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減することができる。
【０２４３】
図１０に、ディスプレイのメモリ回路９５０に先の実施の形態で説明した半導体装置を使用した例を示す。図１０に示すメモリ回路９５０は、メモリ９５２、メモリ９５３、スイッチ９５４、スイッチ９５５およびメモリコントローラ９５１により構成されている。また、メモリ回路９５０は、信号線から入力された画像データ（入力画像データ）、メモリ９５２、及びメモリ９５３に記憶されたデータ（記憶画像データ）を読み出し、及び制御を行うディスプレイコントローラ９５６と、ディスプレイコントローラ９５６からの信号により表示するディスプレイ９５７が接続されている。
【０２４４】
まず、ある画像データがアプリケーションプロセッサ（図示しない）によって、形成される（入力画像データＡ）。入力画像データＡは、スイッチ９５４を介してメモリ９５２に記憶される。そしてメモリ９５２に記憶された画像データ（記憶画像データＡ）は、スイッチ９５５、及びディスプレイコントローラ９５６を介してディスプレイ９５７に送られ、表示される。
【０２４５】
入力画像データＡに変更が無い場合、記憶画像データＡは、通常３０〜６０Ｈｚ程度の周期でメモリ９５２からスイッチ９５５を介して、ディスプレイコントローラ９５６から読み出される。
【０２４６】
次に、例えばユーザーが画面を書き換える操作をしたとき（すなわち、入力画像データＡに変更が有る場合）、アプリケーションプロセッサは新たな画像データ（入力画像データＢ）を形成する。入力画像データＢはスイッチ９５４を介してメモリ９５３に記憶される。この間も定期的にメモリ９５２からスイッチ９５５を介して記憶画像データＡは読み出されている。メモリ９５３に新たな画像データ（記憶画像データＢ）を記憶し終わると、ディスプレイ９５７の次のフレームより、記憶画像データＢは読み出され、スイッチ９５５、及びディスプレイコントローラ９５６を介して、ディスプレイ９５７に記憶画像データＢが送られ、表示がおこなわれる。この読み出しはさらに次に新たな画像データがメモリ９５２に記憶されるまで継続される。
【０２４７】
このようにメモリ９５２及びメモリ９５３は交互に画像データの書き込みと、画像データの読み出しを行うことによって、ディスプレイ９５７の表示をおこなう。なお、メモリ９５２及びメモリ９５３はそれぞれ別のメモリには限定されず、１つのメモリを分割して使用してもよい。先の実施の形態で説明した半導体装置をメモリ９５２及びメモリ９５３に採用することによって、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力を十分に低減することができる。
【０２４８】
図１１に電子書籍のブロック図を示す。図１１はバッテリー１００１、電源回路１００２、マイクロプロセッサ１００３、フラッシュメモリ１００４、音声回路１００５、キーボード１００６、メモリ回路１００７、タッチパネル１００８、ディスプレイ１００９、ディスプレイコントローラ１０１０によって構成される。
【０２４９】
ここでは、図１１のメモリ回路１００７に先の実施の形態で説明した半導体装置を使用することができる。メモリ回路１００７の役割は書籍の内容を一時的に保持する機能を持つ。機能の例としては、ユーザーがハイライト機能を使用する場合などがある。ユーザーが電子書籍を読んでいるときに、特定の箇所にマーキングをしたい場合がある。このマーキング機能をハイライト機能と言い、表示の色を変える、アンダーラインを引く、文字を太くする、文字の書体を変えるなどによって、周囲との違いを示すことである。ユーザーが指定した箇所の情報を記憶し、保持する機能である。この情報を長期に保存する場合にはフラッシュメモリ１００４にコピーしても良い。このような場合においても、先の実施の形態で説明した半導体装置を採用することによって、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力を十分に低減することができる。
【０２５０】
以上のように、本実施の形態に示す携帯機器には、先の実施の形態に係る半導体装置が搭載されている。このため、読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力を低減した携帯機器が実現される。
【０２５１】
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。
【０２５２】
（実施の形態５）
上記実施の形態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。
【０２５３】
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１２（Ａ）においては、第１の基板４００１上のシール材４００５によって囲まれている領域とは異なる領域に、別途用意された基板上に単結晶半導体膜又は多結晶半導体膜で形成された走査線駆動回路４００４、信号線駆動回路４００３が実装されている。また別途形成された信号線駆動回路４００３と、走査線駆動回路４００４または画素部４００２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）４０１８ａ、４０１８ｂから供給されている。
【０２５４】
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。
【０２５５】
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よいし、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よい。
【０２５６】
なお、別途形成した駆動回路の接続方法は、特に限定されるものではなく、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）方法、ワイヤボンディング方法、或いはＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）方法などを用いることができる。図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１２（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。
【０２５７】
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（表示パネル、発光パネル）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。
【０２５８】
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。
【０２５９】
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、上記実施の形態で一例を示したトランジスタを適用することができる。
【０２６０】
表示装置に設けられる表示素子としては液晶素子（液晶表示素子ともいう）、発光素子（発光表示素子ともいう）、を用いることができる。発光素子は、電流または電圧によって輝度が制御される素子をその範疇に含んでおり、具体的には無機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）、有機ＥＬ等が含まれる。また、電子インクなど、電気的作用によりコントラストが変化する表示媒体も適用することができる。
【０２６１】
半導体装置の一形態について、図１２及び図１３を用いて説明する。図１３は、図１２（Ｂ）のＭ−Ｎにおける断面図に相当する。
【０２６２】
図１２及び図１３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。
【０２６３】
接続端子電極４０１５は、第１の電極層４０３０と同じ導電膜から形成され、端子電極４０１６は、トランジスタ４０１０、４０１１のソース電極層及びドレイン電極層と同じ導電膜で形成されている。
【０２６４】
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１２及び図１３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１３（Ａ）では、トランジスタ４０１０、４０１１上には層間絶縁膜４０２０、絶縁膜４０２４が設けられ、絶縁膜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。また、トランジスタ４０１０、４０１１と重畳する領域には遮光膜４０５０が設けられている。
【０２６５】
トランジスタ４０１０、４０１１としては、上記実施の形態で示したトランジスタを適用することができる。本実施の形態では、実施の形態１で示したトランジスタ４４０ａと同様な構造を有するトランジスタを適用する例を示す。
【０２６６】
トランジスタ４０１０、４０１１は作製工程において、ゲート電極層、絶縁膜、及び側壁絶縁層上に設けられた導電膜を化学的機械研磨処理することによって除去し導電膜を分断することによって、ソース電極層及びドレイン電極層を形成する。
【０２６７】
従って、ソース電極層又はドレイン電極層と酸化物半導体膜とが接する領域（コンタクト領域）と、ゲート電極層との距離を短くすることができるため、ソース電極層又はドレイン電極層と酸化物半導体膜とが接する領域（コンタクト領域）、及びゲート電極層間の抵抗が減少し、トランジスタ４０１０、４０１１のオン特性を向上させることが可能となる。
【０２６８】
ソース電極層及びドレイン電極層の形成工程におけるゲート電極層上の導電膜を除去する工程において、レジストマスクを用いたエッチング工程を用いないため、精密な加工を正確に行うことができる。よって、半導体装置の作製工程において、形状や特性のばらつきの少ない微細な構造を有するトランジスタ４０１０、４０１１を歩留まりよく作製することができる。
【０２６９】
よって、図１２及び図１３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。
【０２７０】
また、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さらに導電層を設けてもよい。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、バイアス−熱ストレス試験（ＢＴ試験）前後におけるトランジスタ４０１１のしきい値電圧の変化量をさらに低減することができる。また、導電層は、電位がトランジスタ４０１１のゲート電極層と同じでもよいし、異なっていても良く、第２のゲート電極層として機能させることもできる。また、導電層の電位がＧＮＤ、０Ｖ、或いはフローティング状態であってもよい。
【０２７１】
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。
【０２７２】
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。
【０２７３】
図１３（Ａ）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１３（Ａ）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。
【０２７４】
またスペーサ４０３５は絶縁膜を選択的にエッチングすることで得られる柱状のスペーサであり、液晶層４００８の膜厚（セルギャップ）を制御するために設けられている。なお球状のスペーサを用いていてもよい。
【０２７５】
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（液晶組成物）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。
【０２７６】
また、液晶層４００８に、配向膜を用いないブルー相を発現する液晶組成物を用いてもよい。この場合、液晶層４００８と、第１の電極層４０３０及び第２の電極層４０３１とは接する構造となる。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、液晶及びカイラル剤を混合させた液晶組成物を用いて発現させることができる。また、ブルー相が発現する温度範囲を広げるために、ブルー相を発現する液晶組成物に重合性モノマー及び重合開始剤などを添加し、高分子安定化させる処理を行って液晶層を形成することもできる。ブルー相を発現する液晶組成物は、応答速度が短く、光学的等方性であるため配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい。また配向膜を設けなくてもよいのでラビング処理も不要となるため、ラビング処理によって引き起こされる静電破壊を防止することができ、作製工程中の液晶表示装置の不良や破損を軽減することができる。よって液晶表示装置の生産性を向上させることが可能となる。酸化物半導体膜を用いるトランジスタは、静電気の影響によりトランジスタの電気的な特性が著しく変動して設計範囲を逸脱する恐れがある。よって酸化物半導体膜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を発現する液晶組成物を用いることはより効果的である。
【０２７７】
また、液晶材料の固有抵抗は、１×１０９Ω・ｃｍ以上であり、好ましくは１×１０１１Ω・ｃｍ以上であり、さらに好ましくは１×１０１２Ω・ｃｍ以上である。なお、本明細書における固有抵抗の値は、２０℃で測定した値とする。
【０２７８】
液晶表示装置に設けられる保持容量の大きさは、画素部に配置されるトランジスタのリーク電流等を考慮して、所定の期間の間電荷を保持できるように設定される。保持容量の大きさは、トランジスタのオフ電流等を考慮して設定すればよい。
【０２７９】
本実施の形態で用いる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。
【０２８０】
また、本実施の形態で用いる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。例えば、このような高速駆動が可能なトランジスタを液晶表示装置に用いることで、画素部のスイッチングトランジスタと、駆動回路部に使用するドライバートランジスタを同一基板上に形成することができる。すなわち、別途駆動回路として、シリコンウェハ等により形成された半導体装置を用いる必要がないため、半導体装置の部品点数を削減することができる。また、画素部においても、高速駆動が可能なトランジスタを用いることで、高画質な画像を提供することができる。
【０２８１】
液晶表示装置には、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ Ｆｉｅｌｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ａｌｉｇｎｅｄ Ｍｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モードなどを用いることができる。
【０２８２】
また、ノーマリーブラック型の液晶表示装置、例えば垂直配向（ＶＡ）モードを採用した透過型の液晶表示装置としてもよい。垂直配向モードとしては、いくつか挙げられるが、例えば、ＭＶＡ（Ｍｕｌｔｉ−Ｄｏｍａｉｎ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＡＳＶ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｓｕｐｅｒ Ｖｉｅｗ）モードなどを用いることができる。また、ＶＡ型の液晶表示装置にも適用することができる。ＶＡ型の液晶表示装置とは、液晶表示パネルの液晶分子の配列を制御する方式の一種である。ＶＡ型の液晶表示装置は、電圧が印加されていないときにパネル面に対して液晶分子が垂直方向を向く方式である。また、画素（ピクセル）をいくつかの領域（サブピクセル）に分け、それぞれ別の方向に分子を倒すよう工夫されているマルチドメイン化あるいはマルチドメイン設計といわれる方法を用いることができる。
【０２８３】
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。
【０２８４】
また、画素部における表示方式は、プログレッシブ方式やインターレース方式等を用いることができる。また、カラー表示する際に画素で制御する色要素としては、ＲＧＢ（Ｒは赤、Ｇは緑、Ｂは青を表す）の三色に限定されない。例えば、ＲＧＢＷ（Ｗは白を表す）、又はＲＧＢに、イエロー、シアン、マゼンタ等を一色以上追加したものがある。なお、色要素のドット毎にその表示領域の大きさが異なっていてもよい。ただし、開示する発明はカラー表示の表示装置に限定されるものではなく、モノクロ表示の表示装置に適用することもできる。
【０２８５】
また、表示装置に含まれる表示素子として、エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子を適用することができる。エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子は、発光材料が有機化合物であるか、無機化合物であるかによって区別され、一般的に、前者は有機ＥＬ素子、後者は無機ＥＬ素子と呼ばれている。
【０２８６】
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。
【０２８７】
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。
【０２８８】
発光素子は発光を取り出すために少なくとも一対の電極の一方が透光性であればよい。そして、基板上にトランジスタ及び発光素子を形成し、基板とは逆側の面から発光を取り出す上面射出や、基板側の面から発光を取り出す下面射出や、基板側及び基板とは反対側の面から発光を取り出す両面射出構造の発光素子があり、どの射出構造の発光素子も適用することができる。
【０２８９】
図１３（Ｂ）に表示素子として発光素子を用いた発光装置（発光パネル）の例を示す。表示素子である発光素子４５１３は、画素部４００２に設けられたトランジスタ４０１０と電気的に接続している。なお発光素子４５１３の構成は、第１の電極層４０３０、電界発光層４５１１、第２の電極層４０３１の積層構造であるが、示した構成に限定されない。発光素子４５１３から取り出す光の方向などに合わせて、発光素子４５１３の構成は適宜変えることができる。
【０２９０】
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。
【０２９１】
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よい。
【０２９２】
発光素子４５１３に酸素、水素、水分、二酸化炭素等が侵入しないように、第２の電極層４０３１及び隔壁４５１０上に保護膜を形成してもよい。保護膜としては、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、ＤＬＣ膜等を形成することができる。また、第１の基板４００１、第２の基板４００６、及びシール材４００５によって封止された空間には充填材４５１４が設けられ密封されている。このように外気に曝されないように気密性が高く、脱ガスの少ない保護フィルム（貼り合わせフィルム、紫外線硬化樹脂フィルム等）やカバー材でパッケージング（封入）することが好ましい。
【０２９３】
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）、アクリルじゅし、ポリイミド樹脂、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。
【０２９４】
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。
【０２９５】
また、表示装置として、電子インクを駆動させる電子ペーパーを提供することも可能である。電子ペーパーは、電気泳動表示装置（電気泳動ディスプレイ）も呼ばれており、紙と同じ読みやすさ、他の表示装置に比べ低消費電力、薄くて軽い形状とすることが可能という利点を有している。
【０２９６】
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。
【０２９７】
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。
【０２９８】
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。
【０２９９】
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。
【０３００】
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。
【０３０１】
なお、図１２及び図１３において、第１の基板４００１、第２の基板４００６としては、ガラス基板の他、可撓性を有する基板も用いることができ、例えば透光性を有するプラスチック基板などを用いることができる。プラスチックとしては、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒｇｌａｓｓ−Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）板、ＰＶＦ（ポリビニルフルオライド）フィルム、ポリエステルフィルムまたはアクリル樹脂フィルムを用いることができる。また、透光性が必要でなければ、アルミニウムやステンレスなどの金属基板（金属フィルム）を用いてもよい。例えば、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。
【０３０２】
層間絶縁膜４０２０、絶縁膜４０２４は酸化物絶縁膜を用いることができ、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、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウム、又はこれらの混合材料を用いて形成することができる。また、上記酸化物絶縁膜上に窒化物絶縁膜を積層してもよく、窒化物絶縁膜は窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、又はこれらの混合材料を用いて形成することができる。
【０３０３】
本実施の形態では、絶縁膜４０２４として酸化アルミニウム膜を用いる。絶縁膜４０２４はスパッタリング法やプラズマＣＶＤ法によって形成することができる。
【０３０４】
酸化物半導体膜上に絶縁膜４０２４として設けられた酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果（ブロック効果）が高い。
【０３０５】
従って、酸化アルミニウム膜は、作製工程中及び作製後において、変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体膜への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体膜からの放出を防止する保護膜として機能する。
【０３０６】
また、平坦化絶縁膜として機能する絶縁膜４０２１は、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂等の、耐熱性を有する有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、絶縁膜を形成してもよい。
【０３０７】
絶縁膜４０２１の形成法は、特に限定されず、その材料に応じて、スパッタリング法、ＳＯＧ法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法等）、印刷法（スクリーン印刷、オフセット印刷等）、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイフコーター等を用いることができる。
【０３０８】
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。
【０３０９】
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。
【０３１０】
第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１は、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物、グラフェンなどの透光性を有する導電性材料を用いることができる。
【０３１１】
また、第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１はタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）等の金属、又はその合金、若しくはその金属窒化物から一つ、又は複数種を用いて形成することができる。
【０３１２】
また、第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１として、導電性高分子（導電性ポリマーともいう）を含む導電性組成物を用いて形成することができる。導電性高分子としては、いわゆるπ電子共役系導電性高分子が用いることができる。例えば、ポリアニリンまたはその誘導体、ポリピロールまたはその誘導体、ポリチオフェンまたはその誘導体、若しくはアニリン、ピロールおよびチオフェンの２種以上からなる共重合体若しくはその誘導体などがあげられる。
【０３１３】
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。
【０３１４】
以上のように上記実施の形態で示したトランジスタを適用することで、様々な機能を有する半導体装置を提供することができる。
【０３１５】
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。
【０３１６】
（実施の形態６）
実施の形態１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。
【０３１７】
図１４（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１４（Ａ）はフォトセンサの等価回路であり、図１４（Ｂ）はフォトセンサの一部を示す断面図である。
【０３１８】
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。
【０３１９】
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１４（Ａ）において、トランジスタ６４０、トランジスタ６５６は上記実施の形態に示したトランジスタが適用でき、酸化物半導体膜を用いるトランジスタである。本実施の形態では、実施の形態１で示したトランジスタ４４０ａと同様な構造を有するトランジスタを適用する例を示す。
【０３２０】
図１４（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。
【０３２１】
絶縁膜６３１上に設けられたトランジスタ６４０上には層間絶縁膜６３２、絶縁膜６３３、層間絶縁膜６３４が設けられている。フォトダイオード６０２は、絶縁膜６３３上に設けられ、絶縁膜６３３上に形成した電極層６４１ａ、６４１ｂと、層間絶縁膜６３４上に設けられた電極層６４２との間に、絶縁膜６３３側から順に第１半導体膜６０６ａ、第２半導体膜６０６ｂ、及び第３半導体膜６０６ｃを積層した構造を有している。
【０３２２】
なお、トランジスタ６４０と重畳する領域に遮光膜６５０が設けられている。
【０３２３】
電極層６４１ｂは、層間絶縁膜６３４に形成された導電層６４３と電気的に接続し、電極層６４２は電極層６４１ａを介して導電層６４５と電気的に接続している。導電層６４５は、トランジスタ６４０のゲート電極層と電気的に接続しており、フォトダイオード６０２はトランジスタ６４０と電気的に接続している。
【０３２４】
ここでは、第１半導体膜６０６ａとしてｐ型の導電型を有する半導体膜と、第２半導体膜６０６ｂとして高抵抗な半導体膜（Ｉ型半導体膜）、第３半導体膜６０６ｃとしてｎ型の導電型を有する半導体膜を積層するｐｉｎ型のフォトダイオードを例示している。
【０３２５】
第１半導体膜６０６ａはｐ型半導体膜であり、ｐ型を付与する不純物元素を含むアモルファスシリコン膜により形成することができる。第１半導体膜６０６ａの形成には１３族の不純物元素（例えばボロン（Ｂ））を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。また、不純物元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入法を用いて該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合にアモルファスシリコン膜を形成する方法としては、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、又はスパッタリング法等を用いればよい。第１半導体膜６０６ａの膜厚は１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下となるよう形成することが好ましい。
【０３２６】
第２半導体膜６０６ｂは、Ｉ型半導体膜（真性半導体膜）であり、アモルファスシリコン膜により形成する。第２半導体膜６０６ｂの形成には、半導体材料ガスを用いて、アモルファスシリコン膜をプラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしては、シラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。第２半導体膜６０６ｂの形成は、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、スパッタリング法等により行ってもよい。第２半導体膜６０６ｂの膜厚は２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下となるように形成することが好ましい。
【０３２７】
第３半導体膜６０６ｃは、ｎ型半導体膜であり、ｎ型を付与する不純物元素を含むアモルファスシリコン膜により形成する。第３半導体膜６０６ｃの形成には、１５族の不純物元素（例えばリン（Ｐ））を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。また、不純物元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入法を用いて該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合にアモルファスシリコン膜を形成する方法としては、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、又はスパッタリング法等を用いればよい。第３半導体膜６０６ｃの膜厚は２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下となるよう形成することが好ましい。
【０３２８】
また、第１半導体膜６０６ａ、第２半導体膜６０６ｂ、及び第３半導体膜６０６ｃは、アモルファス半導体ではなく、多結晶半導体を用いて形成してもよいし、微結晶半導体（セミアモルファス半導体（Ｓｅｍｉ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：ＳＡＳ））を用いて形成してもよい。
【０３２９】
微結晶半導体は、ギブスの自由エネルギーを考慮すれば非晶質と単結晶の中間的な準安定状態に属するものである。すなわち、自由エネルギー的に安定な第３の状態を有する半導体であって、短距離秩序を持ち格子歪みを有する。柱状または針状結晶が基板表面に対して法線方向に成長している。微結晶半導体の代表例である微結晶シリコンは、そのラマンスペクトルが単結晶シリコンを示す５２０ｃｍ−１よりも低波数側に、シフトしている。即ち、単結晶シリコンを示す５２０ｃｍ−１とアモルファスシリコンを示す４８０ｃｍ−１の間に微結晶シリコンのラマンスペクトルのピークがある。また、未結合手（ダングリングボンド）を終端するため水素またはハロゲンを少なくとも１原子％またはそれ以上含ませている。さらに、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、ネオンなどの希ガス元素を含ませて格子歪みをさらに助長させることで、安定性が増し良好な微結晶半導体膜が得られる。
【０３３０】
この微結晶半導体膜は、周波数が数十ＭＨｚ〜数百ＭＨｚの高周波プラズマＣＶＤ法、または周波数が１ＧＨｚ以上のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置により形成することができる。代表的には、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４などの珪素を含む化合物を水素で希釈して形成することができる。また、珪素を含む化合物（例えば水素化珪素）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。これらのときの珪素を含む化合物（例えば水素化珪素）に対して水素の流量比を５倍以上２００倍以下、好ましくは５０倍以上１５０倍以下、更に好ましくは１００倍とする。さらには、シリコンを含む気体中に、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ６等の炭化物気体、ＧｅＨ４、ＧｅＦ４等のゲルマニウム化気体、Ｆ２等を混入させてもよい。
【０３３１】
また、光電効果で発生した正孔の移動度は電子の移動度に比べて小さいため、ｐｉｎ型のフォトダイオードはｐ型の半導体膜側を受光面とする方がよい特性を示す。ここでは、ｐｉｎ型のフォトダイオードが形成されている基板６０１の面からフォトダイオード６０２が受ける光を電気信号に変換する例を示す。また、受光面とした半導体膜側とは逆の導電型を有する半導体膜側からの光は外乱光となるため、電極層は遮光性を有する導電膜を用いるとよい。また、ｎ型の半導体膜側を受光面として用いることもできる。
【０３３２】
絶縁膜６３１、層間絶縁膜６３２、絶縁膜６３３としては、絶縁性材料を用いて、その材料に応じて、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法、ＳＯＧ法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法等）、印刷法（スクリーン印刷、オフセット印刷等）、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイフコーター等を用いて形成することができる。
【０３３３】
本実施の形態では、絶縁膜６３３として酸化アルミニウム膜を用いる。絶縁膜６３３はスパッタリング法やプラズマＣＶＤ法によって形成することができる。
【０３３４】
酸化物半導体膜上に絶縁膜６３３として設けられた酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果（ブロック効果）が高い。
【０３３５】
従って、酸化アルミニウム膜は、作製工程中及び作製後において、変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体膜への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体膜からの放出を防止する保護膜として機能する。
【０３３６】
本実施の形態において、トランジスタ６４０は、作製工程において、ゲート電極層、絶縁膜、及び側壁絶縁層上に設けられた導電膜を化学機械研磨処理することによって除去し導電膜を分断することによって、ソース電極層及びドレイン電極層を形成する。
【０３３７】
従って、ソース電極層又はドレイン電極層と酸化物半導体膜とが接する領域（コンタクト領域）と、ゲート電極層との距離を短くすることができるため、ソース電極層又はドレイン電極層と酸化物半導体膜とが接する領域（コンタクト領域）、及びゲート電極層間の抵抗が減少し、トランジスタ６４０のオン特性を向上させることが可能となる。
【０３３８】
ソース電極層及びドレイン電極層の形成工程におけるゲート電極層上の導電膜を除去する工程において、レジストマスクを用いたエッチング工程を用いないため、精密な加工を正確に行うことができる。よって、半導体装置の作製工程において、形状や特性のばらつきの少ない微細な構造を有するトランジスタ６４０を歩留まりよく作製することができる。
【０３３９】
絶縁膜６３１、層間絶縁膜６３２、絶縁膜６３３としては、無機絶縁材料を用いることができる。例えば、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、又は酸化窒化アルミニウム膜などの酸化物絶縁膜、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、又は窒化酸化アルミニウム膜などの窒化物絶縁膜の単層、又は積層を用いることができる。
【０３４０】
また、層間絶縁膜６３４としては、表面凹凸を低減するため平坦化絶縁膜として機能する絶縁膜が好ましい。層間絶縁膜６３４としては、例えばポリイミド、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂等の、耐熱性を有する有機絶縁材料を用いることができる。また上記有機絶縁材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等の単層、又は積層を用いることができる。
【０３４１】
フォトダイオード６０２に入射する光６２２を検出することによって、被検出物の情報を読み取ることができる。なお、被検出物の情報を読み取る際にバックライトなどの光源を用いることができる。
【０３４２】
以上のように、微細化及び高集積化を実現し、かつ高い電気的特性を付与された半導体装置、及び該半導体装置の作製方法を提供することができる。
【０３４３】
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。
【０３４４】
（実施の形態７）
本実施の形態では、本発明の一態様の電子機器について説明する。具体的には、上記実施の形態で示すトランジスタを有する表示パネル、又は発光パネルを搭載した電子機器について図１５を用いて説明する。
【０３４５】
半導体装置を適用した電子機器として、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。これらの電子機器の具体例を図１５に示す。
【０３４６】
図１５（Ａ）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７１００は、筐体７１０１に表示部７１０３が組み込まれている。表示部７１０３により、映像を表示することが可能であり、表示パネルを表示部７１０３に用いることができる。また、ここでは、スタンド７１０５により筐体７１０１を支持した構成を示している。
【０３４７】
テレビジョン装置７１００の操作は、筐体７１０１が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機７１１０により行うことができる。リモコン操作機７１１０が備える操作キー７１０９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７１０３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７１１０に、当該リモコン操作機７１１０から出力する情報を表示する表示部７１０７を設ける構成としてもよい。
【０３４８】
なお、テレビジョン装置７１００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。
【０３４９】
図１５（Ｂ）はコンピュータであり、本体７２０１、筐体７２０２、表示部７２０３、キーボード７２０４、外部接続ポート７２０５、ポインティングデバイス７２０６等を含む。なお、コンピュータは、表示パネルをその表示部７２０３に用いることにより作製される。
【０３５０】
図１５（Ｃ）は携帯型遊技機であり、筐体７３０１と筐体７３０２の２つの筐体で構成されており、連結部７３０３により、開閉可能に連結されている。筐体７３０１には表示部７３０４が組み込まれ、筐体７３０２には表示部７３０５が組み込まれている。また、図１５（Ｃ）に示す携帯型遊技機は、その他、スピーカ部７３０６、記録媒体挿入部７３０７、ＬＥＤランプ７３０８、入力手段（操作キー７３０９、接続端子７３１０、センサ７３１１（力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、においまたは赤外線を測定する機能を含むもの）、マイクロフォン７３１２）等を備えている。もちろん、携帯型遊技機の構成は上述のものに限定されず、少なくとも表示部７３０４および表示部７３０５の両方、または一方に表示パネルを用いていればよく、その他付属設備が適宜設けられた構成とすることができる。図１５（Ｃ）に示す携帯型遊技機は、記録媒体に記録されているプログラムまたはデータを読み出して表示部に表示する機能や、他の携帯型遊技機と無線通信を行って情報を共有する機能を有する。なお、図１５（Ｃ）に示す携帯型遊技機が有する機能はこれに限定されず、様々な機能を有することができる。
【０３５１】
図１５（Ｄ）は、携帯電話機の一例を示している。携帯電話機７４００は、筐体７４０１に組み込まれた表示部７４０２の他、操作ボタン７４０３、外部接続ポート７４０４、スピーカ７４０５、マイク７４０６などを備えている。なお、携帯電話機７４００は、表示パネルを表示部７４０２に用いることにより作製される。
【０３５２】
図１５（Ｄ）に示す携帯電話機７４００は、表示部７４０２を指などで触れることで、情報を入力することができる。また、電話を掛ける、或いはメールを作成するなどの操作は、表示部７４０２を指などで触れることにより行うことができる。
【０３５３】
表示部７４０２の画面は主として３つのモードがある。第１は、画像の表示を主とする表示モードであり、第２は、文字等の情報の入力を主とする入力モードである。第３は表示モードと入力モードの２つのモードが混合した表示＋入力モードである。
【０３５４】
例えば、電話を掛ける、或いはメールを作成する場合は、表示部７４０２を文字の入力を主とする文字入力モードとし、画面に表示させた文字の入力操作を行えばよい。この場合、表示部７４０２の画面のほとんどにキーボードまたは番号ボタンを表示させることが好ましい。
【０３５５】
また、携帯電話機７４００内部に、ジャイロ、加速度センサ等の傾きを検出するセンサを有する検出装置を設けることで、携帯電話機７４００の向き（縦か横か）を判断して、表示部７４０２の画面表示を自動的に切り替えるようにすることができる。
【０３５６】
また、画面モードの切り替えは、表示部７４０２を触れること、または筐体７４０１の操作ボタン７４０３の操作により行われる。また、表示部７４０２に表示される画像の種類によって切り替えるようにすることもできる。例えば、表示部に表示する画像信号が動画のデータであれば表示モード、テキストデータであれば入力モードに切り替える。
【０３５７】
また、入力モードにおいて、表示部７４０２の光センサで検出される信号を検知し、表示部７４０２のタッチ操作による入力が一定期間ない場合には、画面のモードを入力モードから表示モードに切り替えるように制御してもよい。
【０３５８】
表示部７４０２は、イメージセンサとして機能させることもできる。例えば、表示部７４０２に掌や指で触れ、掌紋、指紋等を撮像することで、本人認証を行うことができる。また、表示部に近赤外光を発光するバックライトまたは近赤外光を発光するセンシング用光源を用いれば、指静脈、掌静脈などを撮像することもできる。
【０３５９】
図１５（Ｅ）は、平板状のコンピュータの一例を示している。平板状のコンピュータ７４５０は、ヒンジ７４５４で接続された筐体７４５１Ｌと筐体７４５１Ｒを備えている。また、操作ボタン７４５３、左側スピーカ７４５５Ｌおよび右側スピーカ７４５５Ｒの他、コンピュータ７４５０の側面には図示されていない外部接続ポート７４５６を備える。なお、筐体７４５１Ｌに設けられた表示部７４５２Ｌと、筐体７４５１Ｒに設けられた表示部７４５２Ｒが互いに対峙するようにヒンジ７４５４を折り畳むと、表示部を筐体で保護することができる。
【０３６０】
表示部７４５２Ｌと表示部７４５２Ｒは、画像を表示する他、指などで触れると情報を入力できる。例えば、インストール済みのプログラムを示すアイコンを指でふれて選択し、プログラムを起動できる。または、表示された画像の二箇所に触れた指の間隔を変えて、画像を拡大または縮小できる。または、表示された画像の一箇所に触れた指を移動して画像を移動できる。また、キーボードの画像を表示して、表示された文字や記号を指で触れて選択し、情報を入力することもできる。
【０３６１】
また、コンピュータ７４５０に、ジャイロ、加速度センサ、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）受信機、指紋センサ、ビデオカメラを搭載することもできる。例えば、ジャイロ、加速度センサ等の傾きを検出するセンサを有する検出装置を設けることで、コンピュータ７４５０の向き（縦か横か）を判断して、表示する画面の向きを自動的に切り替えるようにすることができる。
【０３６２】
また、コンピュータ７４５０はネットワークに接続できる。コンピュータ７４５０はインターネット上の情報を表示できる他、ネットワークに接続された他の機器を遠隔から操作する端末として用いることができる。
【０３６３】
図１５（Ｆ）は、照明装置の一例を示している。照明装置７５００は、筐体７５０１に光源として本発明の一態様の発光パネル７５０３ａ〜７５０３ｄが組み込まれている。照明装置７５００は、天井や壁等に取り付けることが可能である。
【０３６４】
また、本発明の一態様の発光パネルは、発光パネルが薄膜状であるため、曲面を有する基体に貼り付けることで、曲面を有する半導体装置とすることができる。また、その発光パネルを、曲面を有する筐体に配置することで、曲面を有する電子機器または照明装置を実現することができる。
【０３６５】
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【実施例１】
【０３６６】
本実施例では、実施の形態１で示すトランジスタを作製し、該トランジスタの断面観察を行った。
【０３６７】
トランジスタとして、図１に示すトランジスタ４４０ａと同様の構造の実施例トランジスタ１を作製した。以下に実施例トランジスタ１の作製方法を示す。
【０３６８】
シリコン基板１０上に絶縁膜１１としてスパッタリング法を用いて、膜厚１００ｎｍの酸化シリコン膜を形成した（成膜条件：酸素（酸素５０ｓｃｃｍ）雰囲気下、圧力０．４Ｐａ、電源電力（電源出力）５．０ｋＷ、シリコン基板とターゲットとの間の距離を６０ｍｍ、基板温度１００℃）。
【０３６９】
酸化シリコン膜上に酸化物半導体膜１２としてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２［原子数比］の酸化物ターゲットを用いたスパッタリング法により、膜厚２０ｎｍのＩＧＺＯ膜を形成した。成膜条件は、アルゴン及び酸素（アルゴン：酸素＝３０ｓｃｃｍ：１５ｓｃｃｍ）雰囲気下、圧力０．４Ｐａ、電源電力０．５ｋＷ、基板温度２００℃とした。
【０３７０】
次にＣＶＤ法によりＩＧＺＯ膜上にゲート絶縁膜として酸化窒化シリコン膜を２０ｎｍ成膜した（成膜条件：ＳｉＨ４：Ｎ２Ｏ＝１ｓｃｃｍ：８００ｓｃｃｍ、圧力４０Ｐａ、ＲＦ電源電力（電源出力）１５０Ｗ、電源周波数６０ＭＨｚ、基板温度４００℃）。
【０３７１】
ゲート絶縁膜上に、スパッタリング法により膜厚１００ｎｍのタングステン膜（成膜条件：アルゴン（１００ｓｃｃｍ）雰囲気下、圧力０．２Ｐａ、電源電力１ｋＷ）を成膜し、タングステン膜上にＣＶＤ法により酸化窒化シリコン膜（成膜条件：ＳｉＨ４：Ｎ２Ｏ＝２７ｓｃｃｍ：１０００ｓｃｃｍ、圧力１３３．３Ｐａ、ＲＦ電源電力６０Ｗ、電源周波数１３．５６ＭＨｚ、基板温度３２５℃）を２００ｎｍ積層した。
【０３７２】
ドライエッチング法により、酸化窒化シリコン膜をエッチング（エッチング条件：エッチングガス（ＣＨＦ３：Ｈｅ：ＣＨ４＝２２．５ｓｃｃｍ：１２７．５ｓｃｃｍ：５ｓｃｃｍ）、ＩＣＰ電源電力４７５Ｗ、バイアス電力３００Ｗ、圧力３．５Ｐａ）して絶縁膜１５を形成した。
【０３７３】
次に、ドライエッチング法により、タングステン膜をエッチング（エッチング条件：エッチングガス（ＣＦ４：Ｃｌ２：Ｏ２＝２５ｓｃｃｍ：２５ｓｃｃｍ：１０ｓｃｃｍ）、ＩＣＰ電源電力５００Ｗ、バイアス電力１００Ｗ、圧力１．０Ｐａ、基板温度７０℃）してゲート電極層１４を形成した。
【０３７４】
ゲート電極層１４及び絶縁膜１５上に絶縁膜として、ＣＶＤ法により酸化窒化シリコン膜を７０ｎｍ成膜し（成膜条件：ＳｉＨ４：Ｎ２Ｏ＝１ｓｃｃｍ：８００ｓｃｃｍ、圧力４０Ｐａ、ＲＦ電源電力（電源出力）１５０Ｗ、電源周波数６０ＭＨｚ、基板温度４００℃）、該酸化窒化シリコン膜をドライエッチング法により、エッチング（エッチング条件：エッチングガス（ＣＨＦ３：Ｈｅ＝５６ｓｃｃｍ：１４４ｓｃｃｍ）、ＩＣＰ電源電力２５Ｗ、バイアス電力４２５Ｗ、圧力７．５Ｐａ、基板温度７０℃）して側壁絶縁層１６ａ、１６ｂを形成した。ゲート電極層１４、及び側壁絶縁層１６ａ、１６ｂをマスクとして、ゲート絶縁膜をエッチングし、ゲート絶縁膜１３を形成した。
【０３７５】
酸化物半導体膜１２、ゲート絶縁膜１３、側壁絶縁層１６ａ、１６ｂ、絶縁膜１５上に、スパッタリング法により膜厚３０ｎｍのタングステン膜（成膜条件：アルゴン（８０ｓｃｃｍ）雰囲気下、圧力０．８Ｐａ、電源電力１ｋＷ、基板温度２３０℃）を成膜した。
【０３７６】
さらに、タングステン膜上に、ＣＶＤ法により酸化窒化シリコン膜を５００ｎｍ成膜した（成膜条件：ＳｉＨ４：Ｎ２Ｏ＝２７ｓｃｃｍ：１０００ｓｃｃｍ、圧力１３３．３Ｐａ、ＲＦ電源電力６０Ｗ、電源周波数１３．５６ＭＨｚ、基板温度３２５℃）。
【０３７７】
次に酸化窒化シリコン膜及びタングステン膜に化学的機械研磨法により研磨処理（研磨条件：硬質ポリウレタン系研磨布、アルカリ性シリカ系スラリー、スラリー温度室温、研磨（ロード）圧０．０８ＭＰａ、研磨時回転数（テーブル／スピンドル）５０ｒｐｍ／５０ｒｐｍ、研磨時間２分）を行い、絶縁膜１５が露出するようにゲート電極層１４上の酸化窒化シリコン膜を及びタングステン膜を除去した。
【０３７８】
該研磨処理によって、酸化窒化シリコン膜を絶縁膜１８に加工し、タングステン膜を分断し、ソース電極層１７ａ及びドレイン電極層１７ｂを形成した。
【０３７９】
以上の工程で実施例トランジスタ１を作製した。
【０３８０】
実施例トランジスタ１の端面を切り出し、走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）により、実施例トランジスタ１の断面観察を行った。本実施例ではＳＴＥＭは「日立超薄膜評価装置ＨＤ−２３００」（株式会社日立ハイテクノロジーズ製）を用いた。図１６にトランジスタの断面ＳＴＥＭ像を示す。
【０３８１】
図１６は、実施例トランジスタ１のチャネル長方向の断面ＳＴＥＭ像であり、ソース電極層１７ａ、ドレイン電極層１７ｂが研磨処理によって分断されていることが確認できる。ソース電極層１７ａ、ドレイン電極層１７ｂはゲート電極層１４側面に設けられた側壁絶縁層１６ａ、１６ｂの側面に接するように設けられており、本実施例では側壁絶縁層１６ａ、１６ｂの側面を上端部よりやや低い位置まで覆っている。ソース電極層１７ａ、ドレイン電極層１７ｂの形状は導電膜を分断する研磨処理の条件によって異なり、本実施例に示すように、側壁絶縁層１６ａ、１６ｂ、絶縁膜１５の研磨処理された表面より膜厚方向に後退した形状となる場合がある。
【０３８２】
なお、図１６において、台形を示すゲート電極層１４の下底の幅は約３８２ｎｍ、上底の幅は約３６４ｎｍであり、側壁絶縁層１６ａ、１６ｂのチャネル長方向の幅は約５１．６ｎｍ、ゲート電極層１４上に設けられた絶縁膜１５の膜厚は約４４．１ｎｍ、絶縁膜１８における酸化物半導体膜１２と接するソース電極層１７ａ、ドレイン電極層１７ｂから表面までの膜厚は約１３９．８ｎｍであった。
【０３８３】
本実施例トランジスタ１は、ソース電極層１７ａ、ドレイン電極層１７ｂをゲート電極層１４、絶縁膜１５、及び側壁絶縁層１６ａ、１６ｂ上に設けられた導電膜を化学機械研磨処理することによって除去し、導電膜を分断して形成する。
【０３８４】
従って、ソース電極層１７ａ又はドレイン電極層１７ｂと酸化物半導体膜１２とが接する領域（コンタクト領域）と、ゲート電極層１４との距離を短くすることができるため、ソース電極層１７ａ又はドレイン電極層１７ｂと酸化物半導体膜１２とが接する領域（コンタクト領域）、及びゲート電極層１４間の抵抗が減少し、トランジスタのオン特性を向上させることが可能となる。
【０３８５】
ソース電極層１７ａ及びドレイン電極層１７ｂの形成工程におけるゲート電極層１４上の導電膜を除去する工程において、レジストマスクを用いたエッチング工程を用いないため、精密な加工を正確に行うことができる。よって、半導体装置の作製工程において、形状や特性のばらつきの少ない微細な構造を有するトランジスタを歩留まりよく作製することができる。
【０３８６】
以上、本実施例で示すように、微細な構造であっても高い電気特性を有するトランジスタを歩留まりよく提供することができる。また、該トランジスタを含む半導体装置においても、高性能化、高信頼性化、及び高生産化を達成することができる。
【実施例２】
【０３８７】
本実施例では、本明細書に開示する半導体装置の一形態であるトランジスタを作製し、電気特性の評価を行った。
【０３８８】
トランジスタとして、図１７に示すトランジスタ３４０と同様の構造の実施例トランジスタ２を作製した。以下に実施例トランジスタ２の作製方法を示す。
【０３８９】
シリコン基板３００上に絶縁膜３３６としてスパッタリング法を用いて、膜厚３００ｎｍの酸化シリコン膜を形成した（成膜条件：酸素（酸素５０ｓｃｃｍ）雰囲気下、圧力０．４Ｐａ、電源電力（電源出力）１．５ｋＷ、シリコン基板とターゲットとの間の距離を６０ｍｍ、基板温度１００℃）。
【０３９０】
絶縁膜３３６表面に化学的機械研磨法により研磨処理（研磨圧０．０８ＭＰａ、研磨時間０．５分）を行った。
【０３９１】
研磨処理された絶縁膜３３６上に酸化物半導体膜としてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２［原子数比］の酸化物ターゲットを用いたスパッタリング法により、膜厚１０ｎｍのＩＧＺＯ膜を形成した。成膜条件は、アルゴン及び酸素（アルゴン：酸素＝３０ｓｃｃｍ：１５ｓｃｃｍ）雰囲気下、圧力０．４Ｐａ、電源電力０．５ｋＷ、基板温度２００℃とした。
【０３９２】
ドライエッチング法により、酸化物半導体膜をエッチング（エッチング条件：エッチングガス（ＢＣｌ３：Ｃｌ２＝６０ｓｃｃｍ：２０ｓｃｃｍ）、ＩＣＰ電源電力４５０Ｗ、バイアス電力１００Ｗ、圧力１．９Ｐａ）して島状の酸化物半導体膜３０３を形成した。
【０３９３】
次にＣＶＤ法により島状の酸化物半導体膜３０３上にゲート絶縁膜として酸化窒化シリコン膜を２０ｎｍ成膜した（成膜条件：ＳｉＨ４：Ｎ２Ｏ＝１ｓｃｃｍ：８００ｓｃｃｍ、圧力４０Ｐａ、ＲＦ電源電力（電源出力）１５０Ｗ、電源周波数６０ＭＨｚ、基板温度４００℃）。
【０３９４】
ゲート絶縁膜上に、スパッタリング法により膜厚３０ｎｍの窒化タンタル膜（成膜条件：アルゴン及び窒素（アルゴン：窒素＝５０ｓｃｃｍ：１０ｓｃｃｍ）雰囲気下、圧力０．６Ｐａ、電源電力１ｋＷ）及び膜厚１３５ｎｍのタングステン膜（成膜条件：アルゴン（１００ｓｃｃｍ）雰囲気下、圧力２．０Ｐａ、電源電力４ｋＷ）の積層を成膜した。
【０３９５】
次に、タングステン膜上に、ＣＶＤ法により酸化窒化シリコン膜（成膜条件：ＳｉＨ４：Ｎ２Ｏ＝２７ｓｃｃｍ：１０００ｓｃｃｍ、圧力１３３．３Ｐａ、ＲＦ電源電力６０Ｗ、電源周波数１３．５６ＭＨｚ、基板温度３２５℃）を２００ｎｍ積層した。
【０３９６】
ドライエッチング法により、酸化窒化シリコン膜をエッチング（（エッチング条件：エッチングガス（ＣＨＦ３：Ｈｅ：ＣＨ４＝２２．５ｓｃｃｍ：１２７．５ｓｃｃｍ：５ｓｃｃｍ）、ＩＣＰ電源電力４７５Ｗ、バイアス電力３００Ｗ、圧力３．５Ｐａ）して絶縁膜３１３を形成した。
【０３９７】
ドライエッチング法により、窒化タンタル膜及びタングステン膜をエッチング（第１エッチング条件：エッチングガス（ＣＦ４：Ｃｌ２：Ｏ２＝２５ｓｃｃｍ：２５ｓｃｃｍ：１０ｓｃｃｍ）、ＩＣＰ電源電力５００Ｗ、バイアス電力１００Ｗ、圧力１．０Ｐａ）、（第２エッチング条件：エッチングガス（Ｃｌ２＝１００ｓｃｃｍ）、電源電力２ｋＷ、バイアス電力５０Ｗ、圧力１．０Ｐａ）、（第３エッチング条件：エッチングガス（Ｃｌ２＝１００ｓｃｃｍ）、電源電力１ｋＷ、バイアス電力２５Ｗ圧力、２．０Ｐａ））して、ゲート電極層３０１を形成した。
【０３９８】
ゲート電極層３０１をマスクとしてイオン注入法により酸化物半導体膜３０３に、リン（Ｐ）イオンを注入し、低抵抗領域３０４ａ、低抵抗領域３０４ｂを形成した。なお、リン（Ｐ）イオンの注入条件は加速電圧２５ｋＶ、ドーズ量を１．０×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２とした。
【０３９９】
ゲート電極層３０１及び絶縁膜３１３上に絶縁膜として、ＣＶＤ法により酸化窒化シリコン膜を９０ｎｍ成膜し（成膜条件：ＳｉＨ４：Ｎ２Ｏ＝１ｓｃｃｍ：８００ｓｃｃｍ、圧力４０Ｐａ、ＲＦ電源電力（電源出力）１５０Ｗ、電源周波数６０ＭＨｚ、基板温度４００℃）、該酸化窒化シリコン膜をドライエッチング法により、エッチングして側壁絶縁層３１２ａ、３１２ｂを形成した。ゲート電極層３０１、及び側壁絶縁層３１２ａ、３１２ｂをマスクとして、ゲート絶縁膜をエッチングし、ゲート絶縁膜３０２を形成した。なお、側壁絶縁層３１２ａ、３１２ｂ、及びゲート絶縁膜３０２の形成に用いたエッチング条件は、エッチングガス（ＣＨＦ３：Ｈｅ＝３０ｓｃｃｍ：１２０ｓｃｃｍ）、電源電力３ｋＷ、バイアス電力２００Ｗ、圧力２．０Ｐａ、基板温度−１０℃とした。
【０４００】
酸化物半導体膜３０３、ゲート電極層３０１、側壁絶縁層３１２ａ、３１２ｂ、絶縁膜３１３上に、スパッタリング法により膜厚３０ｎｍのタングステン膜（成膜条件：アルゴン（８０ｓｃｃｍ）雰囲気下、圧力０．８Ｐａ、電源電力１ｋＷ、基板温度２３０℃）を成膜した。
【０４０１】
次に、ドライエッチング法により、タングステン膜をエッチング（（エッチング条件：エッチングガス（ＣＦ４：Ｃｌ２：Ｏ２＝５５ｓｃｃｍ：４５ｓｃｃｍ：５５ｓｃｃｍ）、電源電力３ｋＷ、バイアス電力１４０Ｗ、圧力０．６７Ｐａ）して島状のタングステン膜を形成した。
【０４０２】
次に、絶縁膜として酸化物半導体膜３０３、ゲート電極層３０１、側壁絶縁層３１２ａ、３１２ｂ、絶縁膜３１３、タングステン膜上に、スパッタリング法により酸化アルミニウム膜（成膜条件：アルゴン及び酸素（アルゴン：酸素＝２５ｓｃｃｍ：２５ｓｃｃｍ）雰囲気下、圧力０．４Ｐａ、電源電力２．５ｋＷ、シリコン基板とターゲットとの間の距離を６０ｍｍ、基板温度２５０℃）を７０ｎｍ成膜した。
【０４０３】
さらに、酸化アルミニウム膜上に、ＣＶＤ法により酸化窒化シリコン膜を４３０ｎｍ成膜した（成膜条件：ＳｉＨ４：Ｎ２Ｏ＝２７ｓｃｃｍ：１０００ｓｃｃｍ、圧力１３３．３Ｐａ、ＲＦ電源電力６０Ｗ、電源周波数１３．５６ＭＨｚ、基板温度３２５℃）。
【０４０４】
次に酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、及びタングステン膜に化学的機械研磨法により研磨処理（研磨条件：硬質ポリウレタン系研磨布、アルカリ性シリカ系スラリー、スラリー温度室温、研磨圧０．０８ＭＰａ、研磨時回転数（テーブル／スピンドル）５１ｒｐｍ／５０ｒｐｍ）を行い、絶縁膜３１３が露出するようにゲート電極層３０１上の酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、及びタングステン膜を除去した。
【０４０５】
該研磨処理によって、酸化窒化シリコン膜を絶縁膜３１５と加工し、酸化アルミニウム膜を絶縁膜３１０と加工し、タングステン膜を分断してソース電極層３０５ａ及びドレイン電極層３０５ｂを形成した。
【０４０６】
ゲート電極層３０１、絶縁膜３１３、ソース電極層３０５ａ、ドレイン電極層３０５ｂ、絶縁膜３１０、絶縁膜３１５上に絶縁膜３０７として、ＣＶＤ法により酸化窒化シリコン膜を４００ｎｍ成膜した（成膜条件：ＳｉＨ４：Ｎ２Ｏ＝２７ｓｃｃｍ：１０００ｓｃｃｍ、圧力１３３．３Ｐａ、ＲＦ電源電力６０Ｗ、電源周波数１３．５６ＭＨｚ、基板温度３２５℃）。
【０４０７】
絶縁膜３０７、絶縁膜３１５、及び絶縁膜３１０にソース電極層３０５ａ、ドレイン電極層３０５ｂに達する開口を形成（第１エッチング条件：エッチングガス（ＣＨＦ３：Ｈｅ＝７．５ｓｃｃｍ：１４２．５ｓｃｃｍ）、ＩＣＰ電源電力４７５Ｗ、バイアス電力３００Ｗ、圧力５．５Ｐａ、時間１９２秒、第２エッチング条件：エッチングガス（ＣＨＦ３：Ｈｅ＝７．５ｓｃｃｍ：１４２．５ｓｃｃｍ）、ＩＣＰ電源電力４７５Ｗ、バイアス電力１５０Ｗ、圧力５．５Ｐａ、時間７８秒）した。
【０４０８】
開口に、スパッタリング法により膜厚５０ｎｍのチタン膜（成膜条件：アルゴン（２０ｓｃｃｍ）雰囲気下、圧力０．１Ｐａ、電源電力１２ｋＷ）、膜厚１００ｎｍのアルミニウム膜（成膜条件：アルゴン（５０ｓｃｃｍ）雰囲気下、圧力０．４Ｐａ、電源電力１ｋＷ）、膜厚５０ｎｍのチタン膜（成膜条件：アルゴン（２０ｓｃｃｍ）雰囲気下、圧力０．１Ｐａ、電源電力１２ｋＷ）を積層した。
【０４０９】
チタン膜、アルミニウム膜、及びチタン膜の積層を、エッチング（エッチング条件：エッチングガス（ＢＣｌ３：Ｃｌ２＝６０ｓｃｃｍ：２０ｓｃｃｍ）、ＩＣＰ電源電力４５０Ｗ、バイアス電力１００Ｗ、圧力１．９Ｐａ）し、配線層３３５ａ、３３５ｂを形成した。
【０４１０】
以上の工程で実施例トランジスタ２としてトランジスタ３４０を作製した。
【０４１１】
なお、実施例トランジスタ２においては、チャネル幅（Ｗ）は１０μｍ、ゲート電極層３０１と、ソース電極層３０５ａ、又はドレイン電極層３０５ｂが酸化物半導体膜３０３と接する開口との距離は０．０７μｍとした。
【０４１２】
実施例トランジスタ２の電気特性の評価を行った。
【０４１３】
図１８に、実施例トランジスタ２のドレイン電圧（Ｖｄ）が１Ｖにおけるゲート電圧（Ｖｇ）−ドレイン電流（Ｉｄ）特性、及びドレイン電圧（Ｖｄ）が０．１Ｖにおけるゲート電圧（Ｖｇ）−ドレイン電流（Ｉｄ）特性を示す。なお、図１８の電気特性は、実施例トランジスタ２においてチャネル長（Ｌ）が０．３５μｍの場合であり、測定範囲はゲート電圧−４Ｖ〜＋４Ｖである。
【０４１４】
図１８に示すように実施例トランジスタ２においては、スイッチング素子としての電気特性を示し、ドレイン電圧（Ｖｄ）が１Ｖ、ゲート電圧が２．７Ｖにおいて、実施例トランジスタ２のオン電流値は、４５．１μＡ、しきい値電圧（Ｖｔｈ）は−０．２７Ｖ、サブスレッショルド係数（Ｓ値）は７３．８ｍＶ／ｄｅｃ．であり、また、ドレイン電圧（Ｖｄ）が０．１Ｖにおいて、実施例トランジスタ２の電界効果移動度は３．０ｃｍ２／Ｖｓであった。なお、上記オン電流値、しきい値電圧（Ｖｔｈ）、サブスレッショルド係数（Ｓ値）、電界効果移動度は測定データにおける中央値である。
【０４１５】
また、実施例トランジスタ２の電気特性について、１００点測定したときの面内ばらつきを評価した。
【０４１６】
図２１に、ドレイン電圧が１Ｖ、ゲート電圧が２．７Ｖのときのオン電流の正規確率グラフを示す。オン電流のばらつきを３σで表すと、チャネル長０．３５μｍの場合、３σは１６．５μＡであり、３σを中央値で割った百分率は３６．３％であり、チャネル長０．５５μｍの場合、３σは１１．８μＡであり、３σを中央値で割った百分率は３６．０％であり、チャネル長１μｍの場合、３σは６．４μＡであり、３σを中央値で割った百分率は３０．０％であった。
【０４１７】
図２２に、ドレイン電圧が１Ｖのときのしきい値電圧の正規確率グラフを示す。しきい値電圧のばらつきを３σで表すと、チャネル長０．３５μｍの場合、３σは０．２２Ｖであり、チャネル長０．５５μｍの場合、３σは０．２６Ｖであり、チャネル長１μｍの場合、３σは０．１２Ｖであった。
【０４１８】
図２１及び図２２の結果から、オン電流及びしきい値電圧の両方において、グラフの傾きは大きく、ばらつきが小さいことが確認できた。
【０４１９】
以上より、本実施例のトランジスタは、チャネル長０．３５μｍという微細な構造であっても、スイッチング素子としての十分な電気特性を示し、電気特性のばらつきも小さいことが確認できた。
【０４２０】
以上、本実施例で示すように、微細な構造であっても高い電気特性を有するトランジスタを歩留まりよく提供することができる。また、該トランジスタを含む半導体装置においても、高性能化、高信頼性化、及び高生産化を達成することができる。
【技術分野】
【０００１】
半導体装置及び半導体装置の作製方法に関する。
【０００２】
なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指し、電気光学装置、半導体回路および電子機器は全て半導体装置である。
【背景技術】
【０００３】
絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタ（薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）ともいう）を構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（表示装置）のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。
【０００４】
例えば、トランジスタの活性層として、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】
ところで、トランジスタの動作の高速化、トランジスタの低消費電力化、高集積化等を達成するためにはトランジスタの微細化が必須である。
【０００７】
より高性能な半導体装置を実現するため、微細化されたトランジスタのオン特性（例えば、オン電流や電界効果移動度）を向上させて、半導体装置の高速応答、高速駆動を実現する構成およびその作製方法を提供することを目的の一とする。
【０００８】
また、トランジスタの微細化に伴って作製工程における歩留まりの低下が懸念される。
【０００９】
微細な構造であっても高い電気特性を有するトランジスタを歩留まりよく提供することを目的の一とする。
【００１０】
また、該トランジスタを含む半導体装置においても、高性能化、高信頼性化、及び高生産化を達成することを目的の一とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
酸化物半導体膜、ゲート絶縁膜、及び側面に側壁絶縁層が設けられたゲート電極層が順に積層されたトランジスタを有する半導体装置において、ソース電極層及びドレイン電極層は、酸化物半導体膜及び側壁絶縁層に接して設けられる。該半導体装置の作製工程において、酸化物半導体膜、側壁絶縁層、及びゲート電極層上を覆うように導電膜及び層間絶縁膜を積層し、層間絶縁膜及び導電膜を切削（研削、研磨）することによりゲート電極層上の導電膜を除去してソース電極層及びドレイン電極層を形成する。切削（研削、研磨）方法としては化学的機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）法を好適に用いることができる。
【００１２】
ソース電極層及びドレイン電極層の形成工程におけるゲート電極層上の導電膜を除去する工程において、レジストマスクを用いたエッチング工程を用いないため、精密な加工を正確に行うことができる。よって、半導体装置の作製工程において、形状や特性のばらつきの少ない微細な構造を有するトランジスタを歩留まりよく作製することができる。
【００１３】
また、ゲート電極層上に絶縁膜を設けることが好ましい。該絶縁膜は、絶縁膜上に設けられるソース電極層及びドレイン電極層となる導電膜を除去する工程において、一部、又は全部除去してもよい。
【００１４】
ゲート電極層をマスクとして酸化物半導体膜に自己整合的にドーパントを導入し、酸化物半導体膜においてチャネル形成領域を挟んでチャネル形成領域より抵抗が低く、ドーパントを含む低抵抗領域を形成する。ドーパントは、酸化物半導体膜の導電率を変化させる不純物である。ドーパントの導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる。
【００１５】
チャネル長方向にチャネル形成領域を挟んで低抵抗領域を含む酸化物半導体膜を有することにより、該トランジスタはオン特性（例えば、オン電流及び電界効果移動度）が高く、高速動作、高速応答が可能となる。
【００１６】
本明細書で開示する発明の構成の一形態は、酸化物絶縁膜上に設けられたチャネル形成領域を含む酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜上にゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上にゲート電極層及び絶縁膜の積層と、ゲート電極層の側面及び絶縁膜の側面を覆う側壁絶縁層と、酸化物半導体膜、ゲート絶縁膜の側面及び側壁絶縁層の側面に接する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層間絶縁膜とを有し、ソース電極層及びドレイン電極層の上面の高さは絶縁膜、側壁絶縁層、及び層間絶縁膜の上面の高さより低く、かつゲート電極層の上面の高さより高く、酸化物半導体膜において、ゲート絶縁膜と重なる領域を含むゲート電極層と重ならない領域は、ドーパントを含む半導体装置である。
【００１７】
上記構成において、本明細書で開示する発明の構成の一形態は、絶縁膜、側壁絶縁層、及び層間絶縁膜の上面の高さが一致する半導体装置である。
【００１８】
また、酸化物半導体膜において、ソース電極層又はドレイン電極層と重畳しない領域は、ソース電極層又はドレイン電極層と重畳する領域よりも高い酸素濃度を有する構成としてもよい。
【００１９】
本明細書で開示する発明の構成の一形態は、酸化物絶縁膜を形成し、酸化物絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成し、酸化物半導体膜上にゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上に酸化物半導体膜と重なるゲート電極層及び絶縁膜を積層し、ゲート電極層及び絶縁膜をマスクとして酸化物半導体膜にドーパントを選択的に導入し、ゲート絶縁膜上にゲート電極層の側面及び絶縁膜の側面を覆う側壁絶縁層を形成し、酸化物半導体膜、ゲート絶縁膜、ゲート電極層、絶縁膜、及び側壁絶縁層上に導電膜を形成し、導電膜上に層間絶縁膜を形成し、層間絶縁膜及び導電膜をゲート電極層上の絶縁膜を露出させるまで化学的機械研磨法により除去して導電膜を分断しソース電極層及びドレイン電極層を形成する半導体装置の作製方法である。
【００２０】
上記構成において、絶縁膜、ソース電極層、ドレイン電極層、側壁絶縁層、及び層間絶縁膜上に保護絶縁膜となる緻密性の高い無機絶縁膜（代表的には酸化アルミニウム膜）を設けてもよい。
【００２１】
上記構成において、ソース電極層及びドレイン電極層と層間絶縁膜との間に保護絶縁膜となる緻密性の高い無機絶縁膜（代表的には酸化アルミニウム膜）を設けてもよい。
【００２２】
なお、ゲート電極層上の導電膜を除去する工程において、化学的機械研磨法などの切削（研削、研磨）法の他、エッチング（ドライエッチング、ウェットエッチング）法や、プラズマ処理などを組み合わせてもよい。例えば、化学的機械研磨法による除去工程後、ドライエッチング法やプラズマ処理を行い、処理表面の平坦性向上を図ってもよい。
【００２３】
上記構成において、酸化物半導体膜の形成される酸化物絶縁膜表面を平坦化処理により平坦化してもよい。膜厚の薄い酸化物半導体膜を被覆性よく設けることができる。平坦化処理としては、化学的機械研磨法、エッチング法、プラズマ処理などを単独、又は組み合わせて用いることができる。
【００２４】
また、酸化物半導体膜に水素若しくは水分を放出させる加熱処理（脱水化又は脱水素化処理）を行ってもよい。また、酸化物半導体膜として結晶性酸化物半導体膜を用いる場合、結晶化のための加熱処理を行ってもよい。
【００２５】
また、酸化物半導体膜に酸素の供給を行ってもよい。特に、脱水化又は脱水素化処理によって、酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素が同時に脱離して減少してしまうおそれがある。酸化物半導体膜において、酸素が脱離した箇所では酸素欠損が存在し、該酸素欠損に起因してトランジスタの電気的特性変動を招くドナー準位が生じてしまう。
【００２６】
よって、脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体膜に、酸素を供給することが好ましい。酸化物半導体膜へ酸素を供給することにより、膜中の酸素欠損を補填することができる。
【００２７】
例えば、酸素の供給源となる酸素を多く（過剰に）含む酸化物絶縁膜を酸化物半導体膜と接して設けることによって、該酸化物絶縁膜から酸化物半導体膜へ酸素を供給することができる。上記構成において、脱水化又は脱水素化処理として加熱処理を行った酸化物半導体膜及び酸化物絶縁膜を少なくとも一部が接した状態で加熱処理を行うことによって酸化物半導体膜への酸素の供給を行ってもよい。
【００２８】
また、脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体膜に、酸素（少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオン、のいずれかを含む）を導入して膜中に酸素を供給してもよい。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法、プラズマ処理などを用いることができる。
【００２９】
さらに、好ましくはトランジスタに設けられる酸化物半導体膜は、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている膜とするとよい。この場合、酸素の含有量は、酸化物半導体の化学量論組成を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化物半導体の格子間に酸素が存在する場合もある。
【００３０】
水素若しくは水分を酸化物半導体から除去し、不純物が極力含まれないように高純度化し、酸素を供給して酸素欠損を補填することによりＩ型（真性）の酸化物半導体、又はＩ型（真性）に限りなく近い酸化物半導体とすることができる。そうすることにより、酸化物半導体のフェルミ準位（Ｅｆ）を真性フェルミ準位（Ｅｉ）と同じレベルにまですることができる。よって、該酸化物半導体膜をトランジスタに用いることで、酸素欠損に起因するトランジスタのしきい値電圧Ｖｔｈのばらつき、しきい値電圧のシフトΔＶｔｈを低減することができる。
【００３１】
本発明の一形態は、トランジスタ若しくはトランジスタを含んで構成される回路を有する半導体装置に関する。例えば、酸化物半導体でチャネル形成領域が形成される、トランジスタ若しくはトランジスタを含んで構成される回路を有する半導体装置に関する。例えば、ＬＳＩや、ＣＰＵや、電源回路に搭載されるパワーデバイスや、メモリ、サイリスタ、コンバータ、イメージセンサなどを含む半導体集積回路、液晶表示パネルに代表される電気光学装置や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。
【発明の効果】
【００３２】
微細な構造であっても高い電気特性を有するトランジスタを歩留まりよく提供することができる。
【００３３】
また、該トランジスタを含む半導体装置においても、高性能化、高信頼性化、及び高生産化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】半導体装置の一形態を説明する平面図及び断面図。
【図２】半導体装置の作製方法の一形態を説明する断面図。
【図３】半導体装置の作製方法の一形態を説明する断面図。
【図４】半導体装置の一形態を説明する断面図。
【図５】半導体装置の一形態を示す断面図、平面図及び回路図。
【図６】半導体装置の一形態を示す回路図及び斜視図。
【図７】半導体装置の一形態を示す断面図及び平面図。
【図８】半導体装置の一形態を示す回路図。
【図９】半導体装置の一形態を示すブロック図。
【図１０】半導体装置の一形態を示すブロック図。
【図１１】半導体装置の一形態を示すブロック図。
【図１２】半導体装置の一形態を説明する平面図。
【図１３】半導体装置の一形態を説明する断面図。
【図１４】半導体装置の一形態を説明する回路図及び断面図。
【図１５】電子機器を示す図。
【図１６】実施例トランジスタ１の断面ＳＴＥＭ像を示す図。
【図１７】実施例トランジスタ２の構造を示す図。
【図１８】実施例トランジスタ２の電気特性を示す図。
【図１９】半導体装置の一形態を説明する平面図及び断面図。
【図２０】半導体装置の一形態を説明する平面図及び断面図。
【図２１】実施例トランジスタ２におけるオン電流の正規確率グラフを示す図。
【図２２】実施例トランジスタ２におけるしきい値電圧の正規確率グラフを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下では、本明細書に開示する発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本明細書に開示する発明は以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。また、本明細書に開示する発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、第１、第２として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順又は積層順を示すものではない。また、本明細書において発明を特定するための事項として固有の名称を示すものではない。
【００３６】
（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等を用いて説明する。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。
【００３７】
トランジスタはチャネル形成領域が１つ形成されるシングルゲート構造でも、２つ形成されるダブルゲート構造もしくは３つ形成されるトリプルゲート構造であってもよい。また、チャネル形成領域の上下にゲート絶縁膜を介して配置された２つのゲート電極層を有する、デュアルゲート型でもよい。
【００３８】
図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すトランジスタ４４０ａは、トップゲート構造のトランジスタの一例である。図１（Ａ）は平面図であり、図１（Ａ）中の一点鎖線Ｘ−Ｙで切断した断面が図１（Ｂ）に相当する。
【００３９】
チャネル長方向の断面図である図１（Ｂ）に示すように、トランジスタ４４０ａを含む半導体装置は、酸化物絶縁膜４３６が設けられた絶縁表面を有する基板４００上に、チャネル形成領域４０９、低抵抗領域４０４ａ、４０４ｂを含む酸化物半導体膜４０３、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ、ゲート絶縁膜４０２、ゲート電極層４０１、ゲート電極層４０１の側面に設けられた側壁絶縁層４１２ａ、４１２ｂ、ゲート電極層４０１上に設けられた絶縁膜４１３、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂ上に設けられた層間絶縁膜４１５、トランジスタ４４０ａを覆う絶縁膜４０７を有する。
【００４０】
層間絶縁膜４１５はトランジスタ４４０ａによる凹凸を平坦化するように設けられており、該上面の高さは側壁絶縁層４１２ａ、４１２ｂ、及び絶縁膜４１３と概略同じである。また、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂの上面の高さは、層間絶縁膜４１５、側壁絶縁層４１２ａ、４１２ｂ、及び絶縁膜４１３の上面の高さより低く、ゲート電極層４０１の上面の高さより高い。なお、ここでいう高さとは、基板４００上面からの高さである。
【００４１】
また、図１において、絶縁膜４０７は、層間絶縁膜４１５、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ、側壁絶縁層４１２ａ、４１２ｂ、絶縁膜４１３と接して設けられている。
【００４２】
なお、ゲート電極層４０１をマスクとして酸化物半導体膜４０３に自己整合的にドーパントを導入し、酸化物半導体膜４０３においてチャネル形成領域４０９を挟んでチャネル形成領域４０９より抵抗が低く、ドーパントを含む低抵抗領域４０４ａ、４０４ｂを形成する。ドーパントは、酸化物半導体膜４０３の導電率を変化させる不純物である。ドーパントの導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる。
【００４３】
チャネル長方向にチャネル形成領域４０９を挟んで低抵抗領域４０４ａ、４０４ｂを含む酸化物半導体膜４０３を有することにより、該トランジスタ４４０ａはオン特性（例えば、オン電流及び電界効果移動度）が高く、高速動作、高速応答が可能となる。
【００４４】
酸化物半導体膜４０３に用いる酸化物半導体としては、少なくともインジウム（Ｉｎ）あるいは亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。特にＩｎとＺｎを含むことが好ましい。また、該酸化物を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすためのスタビライザーとして、それらに加えてガリウム（Ｇａ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてスズ（Ｓｎ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてハフニウム（Ｈｆ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてアルミニウム（Ａｌ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてジルコニウム（Ｚｒ）を有することが好ましい。
【００４５】
また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）のいずれか一種あるいは複数種を有してもよい。
【００４６】
例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯとも表記する）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を用いることができる。
【００４７】
なお、ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分として有する酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素が入っていてもよい。
【００４８】
また、酸化物半導体として、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０、且つ、ｍは整数でない）で表記される材料を用いてもよい。なお、Ｍは、Ｇａ、Ｆｅ、Ｍｎ及びＣｏ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。また、酸化物半導体として、Ｉｎ２ＳｎＯ５（ＺｎＯ）ｎ（ｎ＞０、且つ、ｎは整数）で表記される材料を用いてもよい。
【００４９】
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：２：１（＝２／５：２／５：１／５）、あるいはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２（＝１／２：１／６：１／３）の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。あるいは、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：３（＝１／３：１／６：１／２）あるいはＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：５（＝１／４：１／８：５／８）の原子数比のＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。
【００５０】
しかし、これらに限られず、必要とする半導体特性（移動度、しきい値、ばらつき等）に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とする半導体特性を得るために、キャリア濃度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。
【００５１】
例えば、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物では比較的容易に高い移動度が得られる。しかしながら、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物でも、バルク内欠陥密度を低くすることにより移動度を上げることができる。
【００５２】
なお、例えば、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝ａ：ｂ：ｃ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１）である酸化物の組成が、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝Ａ：Ｂ：Ｃ（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＝１）の酸化物の組成の近傍であるとは、ａ、ｂ、ｃが、（ａ−Ａ）２＋（ｂ−Ｂ）２＋（ｃ−Ｃ）２≦ｒ２を満たすことをいう。ｒとしては、例えば、０．０５とすればよい。他の酸化物でも同様である。
【００５３】
酸化物半導体膜４０３は、単結晶、多結晶（ポリクリスタルともいう。）または非晶質などの状態をとる。
【００５４】
好ましくは、酸化物半導体膜は、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜とする。
【００５５】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、完全な単結晶ではなく、完全な非晶質でもない。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、非晶質相に結晶部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体膜である。なお、当該結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による観察像では、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる非晶質部と結晶部との境界は明確ではない。また、ＴＥＭによってＣＡＡＣ−ＯＳ膜には粒界（グレインバウンダリーともいう。）は確認できない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、粒界に起因する電子移動度の低下が抑制される。
【００５６】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部は、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または表面に垂直な方向に揃い、かつａｂ面に垂直な方向から見て三角形状または六角形状の原子配列を有し、金属原子および酸素原子を有する層が重なる。なお、層の法線ベクトルがｃ軸方向である。なお、異なる結晶部間で、それぞれａ軸およびｂ軸の向きが異なっていてもよい。本明細書において、単に垂直と記載する場合、８５°以上９５°以下の範囲も含まれることとする。
【００５７】
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜において、結晶部の分布が一様でなくてもよい。例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形成過程において、酸化物半導体膜の表面側から結晶成長させる場合、被形成面の近傍に対し表面の近傍では結晶部の占める割合が高くなることがある。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜へ不純物を添加することにより、当該不純物添加領域において結晶部が非晶質化することもある。
【００５８】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または表面に垂直な方向に揃うため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形状（被形成面の断面形状または表面の断面形状）によっては互いに異なる方向を向くことがある。なお、結晶部のｃ軸の方向は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されたときの被形成面または表面に垂直な方向となる。結晶部は、成膜することにより、または成膜後に加熱処理などの結晶化処理を行うことにより形成される。
【００５９】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。
【００６０】
なお、酸化物半導体膜を構成する酸素の一部は窒素で置換されてもよい。
【００６１】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳのように結晶部を有する酸化物半導体では、よりバルク内欠陥を低減することができ、表面の平坦性を高めればアモルファス状態の酸化物半導体以上の移動度を得ることができる。表面の平坦性を高めるためには、平坦な表面上に酸化物半導体を形成することが好ましく、具体的には、平均面粗さ（Ｒａ）が１ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下、より好ましくは０．１ｎｍ以下の表面上に形成するとよい。
【００６２】
Ｒａとは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２００１（ＩＳＯ４２８７：１９９７）で定義されている算術平均粗さを曲面に対して適用できるよう三次元に拡張したものであり、「基準面から指定面までの偏差の絶対値を平均した値」で表現でき、以下の式にて定義される。
【００６３】
【数１】
【００６４】
ここで、指定面とは、粗さ計測の対象となる面であり、座標（（ｘ１，ｙ１，ｆ（ｘ１，ｙ１））（ｘ１，ｙ２，ｆ（ｘ１，ｙ２））（ｘ２，ｙ１，ｆ（ｘ２，ｙ１））（ｘ２，ｙ２，ｆ（ｘ２，ｙ２））の４点で表される四角形の領域とし、指定面をｘｙ平面に投影した長方形の面積をＳ０、基準面の高さ（指定面の平均の高さ）をＺ０とする。Ｒａは原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）にて測定可能である。
【００６５】
酸化物半導体膜４０３の膜厚は、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下（好ましくは５ｎｍ以上１０ｎｍ以下）とし、スパッタリング法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＣＶＤ法、パルスレーザ堆積法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等を適宜用いることができる。また、酸化物半導体膜４０３は、スパッタリングターゲット表面に対し、概略垂直に複数の基板表面がセットされた状態で成膜を行うスパッタ装置を用いて成膜してもよい。
【００６６】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、例えば、多結晶である酸化物半導体スパッタリング用ターゲットを用い、スパッタリング法によって成膜する。当該スパッタリング用ターゲットにイオンが衝突すると、スパッタリング用ターゲットに含まれる結晶領域がａｂ面から劈開し、ａ−ｂ面に平行な面を有する平板状またはペレット状のスパッタリング粒子として剥離することがある。この場合、当該平板状のスパッタリング粒子が、結晶状態を維持したまま基板に到達することで、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜することができる。
【００６７】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜するために、以下の条件を適用することが好ましい。
【００６８】
成膜時の不純物混入を低減することで、不純物によって結晶状態が崩れることを抑制できる。例えば、成膜室内に存在する不純物濃度（水素、水、二酸化炭素および窒素など）を低減すればよい。また、成膜ガス中の不純物濃度を低減すればよい。具体的には、露点が−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下である成膜ガスを用いる。
【００６９】
また、成膜時の基板加熱温度を高めることで、基板到達後にスパッタリング粒子のマイグレーションが起こる。具体的には、基板加熱温度を１００℃以上７４０℃以下、好ましくは２００℃以上５００℃以下として成膜する。成膜時の基板加熱温度を高めることで、平板状のスパッタリング粒子が基板に到達した場合、基板上でマイグレーションが起こり、スパッタリング粒子の平らな面が基板に付着する。
【００７０】
また、成膜ガス中の酸素割合を高め、電力を最適化することで成膜時のプラズマダメージを軽減すると好ましい。成膜ガス中の酸素割合は、３０体積％以上、好ましくは１００体積％とする。
【００７１】
スパッタリング用ターゲットの一例として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ化合物ターゲットについて以下に示す。
【００７２】
ＩｎＯＸ粉末、ＧａＯＹ粉末およびＺｎＯＺ粉末を所定のｍｏｌ数比で混合し、加圧処理後、１０００℃以上１５００℃以下の温度で加熱処理をすることで多結晶であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ化合物ターゲットとする。なお、Ｘ、ＹおよびＺは任意の正数である。ここで、所定のｍｏｌ数比は、例えば、ＩｎＯＸ粉末、ＧａＯＹ粉末およびＺｎＯＺ粉末が、２：２：１、８：４：３、３：１：１、１：１：１、４：２：３または３：１：２である。なお、粉末の種類、およびその混合するｍｏｌ数比は、作製するスパッタリング用ターゲットによって適宜変更すればよい。
【００７３】
図２（Ａ）乃至（Ｄ）及び図３（Ａ）乃至（Ｄ）にトランジスタ４４０ａを有する半導体装置の作製方法の一例を示す。
【００７４】
まず、絶縁表面を有する基板４００上に酸化物絶縁膜４３６を形成する。
【００７５】
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。
【００７６】
また、基板４００として、可撓性基板を用いて半導体装置を作製してもよい。可撓性を有する半導体装置を作製するには、可撓性基板上に酸化物半導体膜４０３を含むトランジスタ４４０ａ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４０３を含むトランジスタ４４０ａを作製し、その後可撓性基板に剥離、転置してもよい。なお、作製基板から可撓性基板に剥離、転置するために、作製基板と酸化物半導体膜を含むトランジスタ４４０ａとの間に剥離層を設けるとよい。
【００７７】
酸化物絶縁膜４３６としては、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、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウム、又はこれらの混合材料を用いて形成することができる。
【００７８】
酸化物絶縁膜４３６は、単層でも積層でもよい。例えば、基板４００上に酸化シリコン膜、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物膜、酸化物半導体膜４０３を順に積層してもよいし、基板４００上に酸化シリコン膜、Ｉｎ：Ｚｒ：Ｚｎ＝１：１：１の原子数比のＩｎ−Ｚｒ−Ｚｎ系酸化物膜、酸化物半導体膜４０３を順に積層してもよいし、基板４００上に酸化シリコン膜、Ｉｎ：Ｇｄ：Ｚｎ＝１：１：１の原子数比のＩｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物膜、酸化物半導体膜４０３を順に積層してもよい。
【００７９】
本実施の形態では酸化物絶縁膜４３６としてスパッタリング法を用いて形成する酸化シリコン膜を用いる。
【００８０】
また、酸化物絶縁膜４３６と基板４００との間に窒化物絶縁膜を設けてもよい。窒化物絶縁膜は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、又はこれらの混合材料を用いて形成することができる。
【００８１】
次に、酸化物絶縁膜４３６上に酸化物半導体膜４０３を形成する（図２（Ａ）参照）。
【００８２】
酸化物絶縁膜４３６は、酸化物半導体膜４０３と接するため、膜中（バルク中）に少なくとも化学量論組成を超える量の酸素が存在することが好ましい。例えば、酸化物絶縁膜４３６として、酸化シリコン膜を用いる場合には、ＳｉＯ２＋α（ただし、α＞０）とする。このような酸化物絶縁膜４３６を用いることで、酸化物半導体膜４０３に酸素を供給することができ、特性を良好にすることができる。酸化物半導体膜４０３へ酸素を供給することにより、膜中の酸素欠損を補填することができる。
【００８３】
例えば、酸素の供給源となる酸素を多く（過剰に）含む酸化物絶縁膜４３６を酸化物半導体膜４０３と接して設けることによって、該酸化物絶縁膜４３６から酸化物半導体膜４０３へ酸素を供給することができる。酸化物半導体膜４０３及び酸化物絶縁膜４３６を少なくとも一部が接した状態で加熱処理を行うことによって酸化物半導体膜４０３への酸素の供給を行ってもよい。
【００８４】
酸化物半導体膜４０３の形成工程において、酸化物半導体膜４０３に水素、又は水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４０３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酸化物絶縁膜４３６が形成された基板を予備加熱し、基板及び酸化物絶縁膜４３６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。
【００８５】
酸化物絶縁膜４３６において酸化物半導体膜４０３が接して形成される領域に、平坦化処理を行ってもよい。平坦化処理としては、特に限定されないが、研磨処理（例えば、化学的機械研磨法）、ドライエッチング処理、プラズマ処理を用いることができる。
【００８６】
プラズマ処理としては、例えば、アルゴンガスを導入してプラズマを発生させる逆スパッタリングを行うことができる。逆スパッタリングとは、アルゴン雰囲気下で基板側にＲＦ電源を用いて電圧を印加して基板近傍にプラズマを形成して表面を改質する方法である。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウム、酸素などを用いてもよい。逆スパッタリングを行うと、酸化物絶縁膜４３６の表面に付着している粉状物質（パーティクル、ごみともいう）を除去することができる。
【００８７】
平坦化処理として、研磨処理、ドライエッチング処理、プラズマ処理は複数回行ってもよく、それらを組み合わせて行ってもよい。また、組み合わせて行う場合、工程順も特に限定されず、酸化物絶縁膜４３６表面の凹凸状態に合わせて適宜設定すればよい。
【００８８】
平坦化処理は、例えば、酸化物絶縁膜４３６として用いる酸化シリコン膜表面に化学的機械研磨法により研磨処理（研磨条件：ポリウレタン系研磨布、シリカ系スラリー、スラリー温度室温、研磨圧０．００１ＭＰａ、研磨時回転数（テーブル／スピンドル）６０ｒｐｍ／５６ｒｐｍ、研磨時間０．５分）を行い、酸化シリコン膜表面における平均面粗さ（Ｒａ）を約０．１５ｎｍとすればよい。
【００８９】
なお、酸化物半導体膜４０３は、成膜時に酸素が多く含まれるような条件（例えば、酸素１００％の雰囲気下でスパッタリング法により成膜を行うなど）で成膜して、酸素を多く含む（好ましくは酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている）膜とすることが好ましい。
【００９０】
なお、本実施の形態において、酸化物半導体膜４０３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、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２［原子数比］の酸化物ターゲットを用い、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物膜（ＩＧＺＯ膜）を成膜する。
【００９１】
また、金属酸化物ターゲットの相対密度（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。相対密度の高い金属酸化物ターゲットを用いることにより、成膜した酸化物半導体膜は緻密な膜とすることができる。
【００９２】
酸化物半導体膜４０３を、成膜する際に用いるスパッタリングガスは水素、水、水酸基又は水素化物などの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。
【００９３】
減圧状態に保持された成膜室内に基板を保持する。そして、成膜室内の残留水分を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入し、上記ターゲットを用いて基板４００上に酸化物半導体膜４０３を成膜する。成膜室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプ、例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また、排気手段としては、ターボ分子ポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素原子、水（Ｈ２Ｏ）など水素原子を含む化合物（より好ましくは炭素原子を含む化合物も）等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物半導体膜４０３に含まれる不純物の濃度を低減できる。
【００９４】
また、酸化物絶縁膜４３６と酸化物半導体膜４０３とを大気に解放せずに連続的に形成することが好ましい。酸化物絶縁膜４３６と酸化物半導体膜４０３とを大気に曝露せずに連続して形成すると、酸化物絶縁膜４３６表面に水素や水分などの不純物が吸着することを防止することができる。
【００９５】
酸化物半導体膜４０３は、膜状の酸化物半導体膜をフォトリソグラフィ工程により島状の酸化物半導体膜に加工して形成することができる。
【００９６】
また、島状の酸化物半導体膜４０３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。
【００９７】
なお、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、ＩＴＯ−０７Ｎ（関東化学社製）を用いてもよい。また、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：誘導結合型プラズマ）エッチング法によるドライエッチングによってエッチング加工してもよい。例えば、ＩＧＺＯ膜をＩＣＰエッチング法により、エッチング（エッチング条件：エッチングガス（ＢＣｌ３：Ｃｌ２＝６０ｓｃｃｍ：２０ｓｃｃｍ）、電源電力４５０Ｗ、バイアス電力１００Ｗ、圧力１．９Ｐａ）し、島状に加工することができる。
【００９８】
また、酸化物半導体膜４０３に、過剰な水素（水や水酸基を含む）を除去（脱水化または脱水素化）するための加熱処理を行ってもよい。加熱処理の温度は、３００℃以上７００℃以下、または基板の歪み点未満とする。加熱処理は減圧下又は窒素雰囲気下などで行うことができる。例えば、加熱処理装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半導体膜４０３に対して窒素雰囲気下４５０℃において１時間の加熱処理を行う。
【００９９】
なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を用いてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置を用いることができる。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置である。ＧＲＴＡ装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。高温のガスには、アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられる。
【０１００】
例えば、加熱処理として、６５０℃〜７００℃の高温に加熱した不活性ガス中に基板を入れ、数分間加熱した後、基板を不活性ガス中から出すＧＲＴＡを行ってもよい。
【０１０１】
なお、加熱処理においては、窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、熱処理装置に導入する窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
【０１０２】
また、加熱処理で酸化物半導体膜４０３を加熱した後、同じ炉に高純度の酸素ガス、高純度の一酸化二窒素ガス、又は超乾燥エア（ＣＲＤＳ（キャビティリングダウンレーザー分光法）方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が２０ｐｐｍ（露点換算で−５５℃）以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、より好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）を導入してもよい。酸素ガスまたは一酸化二窒素ガスに、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一酸化二窒素ガスの純度を、６Ｎ以上好ましくは７Ｎ以上（即ち、酸素ガスまたは一酸化二窒素ガス中の不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。酸素ガス又は一酸化二窒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４０３を高純度化及びＩ型（真性）化することができる。
【０１０３】
なお、脱水化又は脱水素化のための加熱処理を行うタイミングは、膜状の酸化物半導体膜形成後でも、島状の酸化物半導体膜４０３形成後でもよい。
【０１０４】
また、脱水化又は脱水素化のための加熱処理は、複数回行ってもよく、他の加熱処理と兼ねてもよい。
【０１０５】
脱水化又は脱水素化のための加熱処理を、酸化物半導体膜４０３として島状に加工される前、膜状の酸化物半導体膜が酸化物絶縁膜４３６を覆った状態で行うと、酸化物絶縁膜４３６に含まれる酸素が加熱処理によって放出されるのを防止することができるため好ましい。
【０１０６】
また、脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体膜４０３に、酸素（少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオン、のいずれかを含む）を導入して膜中に酸素を供給してもよい。
【０１０７】
また、脱水化又は脱水素化処理によって、酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素が同時に脱離して減少してしまうおそれがある。酸化物半導体膜において、酸素が脱離した箇所では酸素欠損が存在し、該酸素欠損に起因してトランジスタの電気的特性変動を招くドナー準位が生じてしまう。
【０１０８】
脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体膜４０３に、酸素を導入して膜中に酸素を供給することによって、酸化物半導体膜４０３を高純度化、及びＩ型（真性）化することができる。高純度化し、Ｉ型（真性）化した酸化物半導体膜４０３を有するトランジスタは、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。
【０１０９】
酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法、プラズマ処理などを用いることができる。
【０１１０】
酸素の導入工程は、酸化物半導体膜４０３に酸素導入する場合、酸化物半導体膜４０３に直接導入してもよいし、ゲート絶縁膜４０２や絶縁膜４０７などの他の膜を通過して酸化物半導体膜４０３へ導入してもよい。酸素を他の膜を通過して導入する場合は、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いればよいが、酸素を露出された酸化物半導体膜４０３へ直接導入する場合は、プラズマ処理なども用いることができる。
【０１１１】
酸化物半導体膜４０３への酸素の導入は、脱水化又は脱水素化処理を行った後が好ましいが、特に限定されない。また、上記脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体膜４０３への酸素の導入は複数回行ってもよい。
【０１１２】
次いで、酸化物半導体膜４０３を覆うゲート絶縁膜４４２を形成する（図２（Ｂ）参照）。
【０１１３】
なお、ゲート絶縁膜４４２の被覆性を向上させるために、酸化物半導体膜４０３表面にも上記平坦化処理を行ってもよい。特にゲート絶縁膜４４２として膜厚の薄い絶縁膜を用いる場合、酸化物半導体膜４０３表面の平坦性が良好であることが好ましい。
【０１１４】
ゲート絶縁膜４４２の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とし、スパッタリング法、ＭＢＥ法、ＣＶＤ法、パルスレーザ堆積法、ＡＬＤ法等を適宜用いることができる。また、ゲート絶縁膜４４２は、スパッタリングターゲット表面に対し、概略垂直に複数の基板表面がセットされた状態で成膜を行うスパッタ装置を用いて成膜してもよい。
【０１１５】
ゲート絶縁膜４４２の材料としては、酸化シリコン膜、酸化ガリウム膜、酸化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜、または窒化酸化シリコン膜を用いて形成することができる。ゲート絶縁膜４４２は、酸化物半導体膜４０３と接する部分において酸素を含むことが好ましい。特に、ゲート絶縁膜４４２は、膜中（バルク中）に少なくとも化学量論組成を超える量の酸素が存在することが好ましく、例えば、ゲート絶縁膜４４２として、酸化シリコン膜を用いる場合には、ＳｉＯ２＋α（ただし、α＞０）とする。本実施の形態では、ゲート絶縁膜４４２として、ＳｉＯ２＋α（ただし、α＞０）である酸化シリコン膜を用いる。この酸化シリコン膜をゲート絶縁膜４４２として用いることで、酸化物半導体膜４０３に酸素を供給することができ、特性を良好にすることができる。さらに、ゲート絶縁膜４４２は、作製するトランジスタのサイズやゲート絶縁膜４４２の段差被覆性を考慮して形成することが好ましい。
【０１１６】
また、ゲート絶縁膜４４２の材料として酸化ハフニウム、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯｘＮｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、ハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、酸化ランタンなどのｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることでゲートリーク電流を低減できる。さらに、ゲート絶縁膜４４２は、単層構造としても良いし、積層構造としても良い。
【０１１７】
次にゲート絶縁膜４４２上に導電膜及び絶縁膜の積層を形成し、該導電膜及び該絶縁膜をエッチングして、ゲート電極層４０１及び絶縁膜４１３の積層を形成する（図２（Ｃ）参照）。
【０１１８】
ゲート電極層４０１の材料は、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、クロム、ネオジム、スカンジウム等の金属材料またはこれらを主成分とする合金材料を用いて形成することができる。また、ゲート電極層４０１としてリン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコン膜に代表される半導体膜、ニッケルシリサイドなどのシリサイド膜を用いてもよい。ゲート電極層４０１は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。
【０１１９】
また、ゲート電極層４０１の材料は、酸化インジウム酸化スズ、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、酸化インジウム酸化亜鉛、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。また、上記導電性材料と、上記金属材料の積層構造とすることもできる。
【０１２０】
また、ゲート絶縁膜４４２と接するゲート電極層４０１の一層として、窒素を含む金属酸化物膜、具体的には、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｓｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＳｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｏ膜や、金属窒化膜（ＩｎＮ、ＳｎＮなど）を用いることができる。これらの膜は５ｅＶ（電子ボルト）以上、好ましくは５．５ｅＶ（電子ボルト）以上の仕事関数を有し、ゲート電極層として用いた場合、トランジスタの電気特性のしきい値電圧をプラスにすることができ、所謂ノーマリーオフのスイッチング素子を実現できる。
【０１２１】
絶縁膜４１３は、代表的には酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、窒化酸化シリコン膜、窒化酸化アルミニウム膜などの無機絶縁膜を用いることができる。絶縁膜４１３は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いて形成することができる。
【０１２２】
次に、ゲート電極層４０１及び絶縁膜４１３をマスクとして酸化物半導体膜４０３にドーパント４２１を導入し、低抵抗領域４０４ａ、４０４ｂを形成する（図２（Ｄ）参照）。
【０１２３】
ドーパント４２１は、酸化物半導体膜４０３の導電率を変化させる不純物である。ドーパント４２１としては、１５族元素（代表的にはリン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、およびアンチモン（Ｓｂ））、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、窒素（Ｎ）、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、インジウム（Ｉｎ）、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、チタン（Ｔｉ）、及び亜鉛（Ｚｎ）のいずれかから選択される一以上を用いることができる。
【０１２４】
ドーパント４２１は、注入法により、他の膜（例えばゲート絶縁膜４４２）を通過して、酸化物半導体膜４０３に導入することもできる。ドーパント４２１の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる。その際には、ドーパント４２１の単体のイオンあるいはフッ化物、塩化物のイオンを用いると好ましい。
【０１２５】
ドーパント４２１の導入工程は、加速電圧、ドーズ量などの注入条件、また通過させる膜の膜厚を適宜設定して制御すればよい。本実施の形態では、ドーパント４２１としてリンを用いて、イオン注入法でリンイオンの注入を行う。なお、ドーパント４２１のドーズ量は１×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上５×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下とすればよい。
【０１２６】
低抵抗領域におけるドーパント４２１の濃度は、５×１０１８／ｃｍ３以上１×１０２２／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【０１２７】
ドーパント４２１を導入する際に、基板４００を加熱しながら行ってもよい。
【０１２８】
なお、酸化物半導体膜４０３にドーパント４２１を導入する処理は、複数回行ってもよく、ドーパントの種類も複数種用いてもよい。
【０１２９】
また、ドーパント４２１の導入処理後、加熱処理を行ってもよい。加熱条件としては、温度３００℃以上７００℃以下、好ましくは３００℃以上４５０℃以下で１時間、酸素雰囲気下で行うことが好ましい。また、窒素雰囲気下、減圧下、大気（超乾燥エア）下で加熱処理を行ってもよい。
【０１３０】
本実施の形態では、イオン注入法により酸化物半導体膜４０３に、リン（Ｐ）イオンを注入する。なお、リン（Ｐ）イオンの注入条件は加速電圧３０ｋＶ、ドーズ量を１．０×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２とする。
【０１３１】
酸化物半導体膜４０３をＣＡＡＣ−ＯＳ膜とした場合、ドーパント４２１の導入により、一部非晶質化する場合がある。この場合、ドーパント４２１の導入後に加熱処理を行うことによって、酸化物半導体膜４０３の結晶性を回復することができる。
【０１３２】
よって、チャネル形成領域４０９を挟んで低抵抗領域４０４ａ、４０４ｂが設けられた酸化物半導体膜４０３が形成される。
【０１３３】
次に、ゲート電極層４０１及び絶縁膜４１３上に絶縁膜を形成し、該絶縁膜をエッチングして側壁絶縁層４１２ａ、４１２ｂを形成する。さらに、ゲート電極層４０１及び側壁絶縁層４１２ａ、４１２ｂをマスクとして、ゲート絶縁膜４４２をエッチングし、ゲート絶縁膜４０２を形成する（図３（Ａ）参照）。
【０１３４】
側壁絶縁層４１２ａ、４１２ｂは、絶縁膜４１３と同様な材料及び方法を用いて形成することができる。本実施の形態では、ＣＶＤ法により形成した酸化窒化シリコン膜を用いる。
【０１３５】
次いで、酸化物半導体膜４０３、ゲート絶縁膜４０２、ゲート電極層４０１、側壁絶縁層４１２ａ、４１２ｂ、及び絶縁膜４１３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。
【０１３６】
導電膜は後の加熱処理に耐えられる材料を用いる。ソース電極層、及びドレイン電極層に用いる導電膜としては、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等を用いることができる。また、Ａｌ、Ｃｕなどの金属膜の下側又は上側の一方または双方にＴｉ、Ｍｏ、Ｗなどの高融点金属膜またはそれらの金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）を積層させた構成としても良い。また、ソース電極層、及びドレイン電極層に用いる導電膜としては、導電性の金属酸化物で形成しても良い。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム酸化スズ（Ｉｎ２Ｏ３―ＳｎＯ２）、酸化インジウム酸化亜鉛（Ｉｎ２Ｏ３―ＺｎＯ）またはこれらの金属酸化物材料に酸化シリコンを含ませたものを用いることができる。
【０１３７】
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島状の導電膜４４５を形成した後、レジストマスクを除去する。なお、該エッチング工程では、ゲート電極層４０１上の導電膜４４５の除去は行わない。
【０１３８】
導電膜として膜厚３０ｎｍのタングステン膜を用いる場合、該導電膜のエッチングは、例えばドライエッチング法により、タングステン膜をエッチング（エッチング条件：エッチングガス（ＣＦ４：Ｃｌ２：Ｏ２＝５５ｓｃｃｍ：４５ｓｃｃｍ：５５ｓｃｃｍ）、電源電力３０００Ｗ、バイアス電力１４０Ｗ、圧力０．６７Ｐａ）して、島状のタングステン膜を形成すればよい。
【０１３９】
島状の導電膜４４５上に層間絶縁膜４１５となる絶縁膜４４６を積層する（図３（Ｂ）参照）。
【０１４０】
絶縁膜４４６は、絶縁膜４１３と同様の材料及び方法を用いて形成することができる。絶縁膜４４６はトランジスタ４４０ａにより生じる凹凸を平坦化できる膜厚で形成する。本実施の形態では、ＣＶＤ法により形成した酸化窒化シリコン膜を３００ｎｍ形成する。
【０１４１】
次に絶縁膜４４６及び導電膜４４５に化学的機械研磨法により研磨処理を行い、絶縁膜４１３が露出するよう絶縁膜４４６及び導電膜４４５の一部を除去する。
【０１４２】
該研磨処理によって、絶縁膜４４６を層間絶縁膜４１５に加工し、ゲート電極層４０１上の導電膜４４５を除去し、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂを形成した。
【０１４３】
本実施の形態では、絶縁膜４４６及び導電膜４４５の除去に化学的機械研磨法を用いたが、他の切削（研削、研磨）方法を用いてもよい。また、ゲート電極層４０１上の導電膜４４５を除去する工程において、化学的機械研磨法などの切削（研削、研磨）法の他、エッチング（ドライエッチング、ウェットエッチング）法や、プラズマ処理などを組み合わせてもよい。例えば、化学的機械研磨法による除去工程後、ドライエッチング法やプラズマ処理（逆スパッタリングなど）を行い、処理表面の平坦性向上を図ってもよい。切削（研削、研磨）方法に、エッチング法、プラズマ処理などを組み合わせて行う場合、工程順は特に限定されず、絶縁膜４４６及び導電膜４４５の材料、膜厚、及び表面の凹凸状態に合わせて適宜設定すればよい。
【０１４４】
なお、本実施の形態においては、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂはゲート電極層４０１側面に設けられた側壁絶縁層４１２ａ、４１２ｂの側面に接するように設けられており、側壁絶縁層４１２ａ、４１２ｂの側面を上端部よりやや低い位置まで覆っている。ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂの形状は導電膜４４５を除去する研磨処理の条件によって異なり、本実施の形態に示すように、側壁絶縁層４１２ａ、４１２ｂ、絶縁膜４１３の研磨処理された表面より膜厚方向に後退した形状となる場合がある。しかし、研磨処理の条件によっては、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂの上端部の高さと、側壁絶縁層４１２ａ、４１２ｂの上端部の高さとは概略一致する場合もある。
【０１４５】
以上の工程で、本実施の形態のトランジスタ４４０ａが作製される（図３（Ｃ）参照）。
【０１４６】
トランジスタ４４０ａは作製工程において、ゲート電極層４０１、絶縁膜４１３、及び側壁絶縁層４１２ａ、４１２ｂ上に設けられた導電膜４４５を化学的機械研磨処理することによって除去し導電膜４４５を分断することによって、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂを形成する。
【０１４７】
また、ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂは、露出した酸化物半導体膜４０３上面、及び側壁絶縁層４１２ａ、又は側壁絶縁層４１２ｂと接して設けられている。よって、ソース電極層４０５ａ又はドレイン電極層４０５ｂと酸化物半導体膜４０３とが接する領域（コンタクト領域）と、ゲート電極層４０１との距離（最短距離）は、側壁絶縁層４１２ａ、４１２ｂのチャネル長方向の幅となり、より微細化が達成できる他、作製工程においてよりばらつきなく制御することができる。
【０１４８】
このように、ソース電極層４０５ａ又はドレイン電極層４０５ｂと酸化物半導体膜４０３とが接する領域（コンタクト領域）と、ゲート電極層４０１との距離を短くすることができるため、ソース電極層４０５ａ又はドレイン電極層４０５ｂと酸化物半導体膜４０３とが接する領域（コンタクト領域）、及びゲート電極層４０１間の抵抗が減少し、トランジスタ４４０ａのオン特性を向上させることが可能となる。
【０１４９】
また、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂの形成工程におけるゲート電極層４０１上の導電膜４４５を除去する工程において、レジストマスクを用いたエッチング工程を用いないため、精密な加工を正確に行うことができる。よって、半導体装置の作製工程において、形状や特性のばらつきの少ない微細な構造を有するトランジスタ４４０ａを歩留まりよく作製することができる。
【０１５０】
なお、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂの形成工程におけるゲート電極層４０１上の導電膜４４５を除去する工程において、絶縁膜４１３の一部、又は絶縁膜４１３全部を除去してもよい。図４（Ｃ）に、絶縁膜４１３を全部除去し、ゲート電極層４０１が露出しているトランジスタ４４０ｃの例を示す。また、ゲート電極層４０１も上方の一部が除去されてもよい。トランジスタ４４０ｃのようにゲート電極層４０１を露出する構造は、トランジスタ４４０ｃ上に他の配線や半導体素子を積層する集積回路において用いることができる。
【０１５１】
トランジスタ４４０ａ上に保護絶縁膜となる緻密性の高い無機絶縁膜（代表的には酸化アルミニウム膜）を設けてもよい。
【０１５２】
本実施の形態では、絶縁膜４１３、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ、側壁絶縁層４１２ａ、４１２ｂ、及び層間絶縁膜４１５上に接して絶縁膜４０７を形成する（図３（Ｄ）参照）。
【０１５３】
また、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂと層間絶縁膜４１５との間に保護絶縁膜となる緻密性の高い無機絶縁膜（代表的には酸化アルミニウム膜）を設けてもよい。
【０１５４】
図４（Ｂ）にソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂと層間絶縁膜４１５との間に絶縁膜４１０を設けたトランジスタ４４０ｂの例を示す。トランジスタ４４０ｂにおいては、絶縁膜４１０も、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂの形成工程において用いる切削（研削、研磨）工程により上面が平坦化処理されている。
【０１５５】
絶縁膜４０７、４１０は、単層でも積層でもよく、少なくとも酸化アルミニウム膜を含むことが好ましい。
【０１５６】
絶縁膜４０７、４１０は、プラズマＣＶＤ法、スパッタリング法、又は蒸着法等により成膜することができる。
【０１５７】
酸化アルミニウム膜以外に、絶縁膜４０７、４１０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などを用いることができる。また、酸化ハフニウム膜、酸化マグネシウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ランタン膜、酸化バリウム膜、又は金属窒化物膜（例えば、窒化アルミニウム膜）も用いることができる。
【０１５８】
本実施の形態では、絶縁膜４０７、４１０としてスパッタリング法により酸化アルミニウム膜を形成する。酸化アルミニウム膜を高密度（膜密度３．２ｇ／ｃｍ３以上、好ましくは３．６ｇ／ｃｍ３以上）とすることによって、トランジスタ４４０ａ、４４０ｂに安定な電気特性を付与することができる。膜密度はラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）や、Ｘ線反射率測定法（ＸＲＲ：Ｘ−Ｒａｙ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）によって測定することができる。
【０１５９】
酸化物半導体膜４０３上に設けられる絶縁膜４０７、４１０として用いることのできる酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を通過させない遮断効果（ブロック効果）が高い。
【０１６０】
従って、酸化アルミニウム膜は、作製工程中及び作製後において、変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体膜４０３への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体膜４０３からの放出を防止する保護膜として機能する。
【０１６１】
絶縁膜４０７、４１０は、絶縁膜４０７、４１０に水、水素等の不純物を混入させない方法（好適にはスパッタリング法など）を適宜用いて形成することが好ましい。
【０１６２】
酸化物半導体膜の成膜時と同様に、絶縁膜４０７、４１０の成膜室内の残留水分を除去するために、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、４１０に含まれる不純物の濃度を低減できる。また、絶縁膜４０７、４１０の成膜室内の残留水分を除去するための排気手段としては、ターボ分子ポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。
【０１６３】
絶縁膜４０７、４１０を、成膜する際に用いるスパッタガスとしては、水素、水、水酸基又は水素化物などの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。
【０１６４】
また、トランジスタ起因の表面凹凸を低減するために平坦化絶縁膜を形成してもよい。平坦化絶縁膜としては、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、等の有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）等を用いることができる。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、平坦化絶縁膜を形成してもよい。
【０１６５】
また、図４（Ａ）に、層間絶縁膜４１５及び絶縁膜４０７にソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂに達する開口を形成し、開口に配線層４３５ａ、４３５ｂを形成する例を示す。配線層４３５ａ、４３５ｂを用いて他のトランジスタや素子と接続させ、様々な回路を構成することができる。
【０１６６】
配線層４３５ａ、配線層４３５ｂはゲート電極層４０１、ソース電極層４０５ａ、又はドレイン電極層４０５ｂと同様の材料及び方法を用いて形成することができ、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等を用いることができる。また、Ａｌ、Ｃｕなどの金属膜の下側又は上側の一方または双方にＴｉ、Ｍｏ、Ｗなどの高融点金属膜またはそれらの金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）を積層させた構成としても良い。また、配線層４３５ａ、配線層４３５ｂに用いる導電膜としては、導電性の金属酸化物で形成しても良い。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム酸化スズ（Ｉｎ２Ｏ３―ＳｎＯ２）、酸化インジウム酸化亜鉛（Ｉｎ２Ｏ３―ＺｎＯ）またはこれらの金属酸化物材料に酸化シリコンを含ませたものを用いることができる。
【０１６７】
例えば、配線層４３５ａ、配線層４３５ｂとして、モリブデン膜の単層、窒化タンタル膜と銅膜との積層、又は窒化タンタル膜とタングステン膜との積層などを用いることができる。
【０１６８】
以上のように、半導体装置の作製工程において、形状や特性のばらつきの少ない微細な構造を有するオン特性の高いトランジスタ４４０ａ、４４０ｂ、４４０ｃを歩留まりよく提供することができる。
【０１６９】
従って、微細化を実現し、かつ高い電気的特性を付与された半導体装置、及び該半導体装置の作製方法を提供することができる。
【０１７０】
（実施の形態２）
本実施の形態では、本明細書に示すトランジスタを使用し、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置の一例を、図面を用いて説明する。
【０１７１】
図５は、半導体装置の構成の一例である。図５（Ａ）に、半導体装置の断面図を、図５（Ｂ）に半導体装置の平面図を、図５（Ｃ）に半導体装置の回路図をそれぞれ示す。ここで、図５（Ａ）は、図５（Ｂ）のＣ１−Ｃ２、及びＤ１−Ｄ２における断面に相当する。
【０１７２】
図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示す半導体装置は、下部に第１の半導体材料を用いたトランジスタ１６０を有し、上部に第２の半導体材料を用いたトランジスタ１６２を有するものである。トランジスタ１６２としては、実施の形態１で示すトランジスタ４４０ａの構造を適用する例である。
【０１７３】
ここで、第１の半導体材料と第２の半導体材料は異なる禁制帯幅を持つ材料とすることが望ましい。例えば、第１の半導体材料を酸化物半導体以外の半導体材料（シリコンなど）とし、第２の半導体材料を酸化物半導体とすることができる。酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタは、高速動作が容易である。一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、その特性により長時間の電荷保持を可能とする。
【０１７４】
なお、上記トランジスタは、いずれもｎチャネル型トランジスタであるものとして説明するが、ｐチャネル型トランジスタを用いることができるのはいうまでもない。また、情報を保持するために酸化物半導体を実施の形態１に示すようなトランジスタ１６２に用いる他、半導体装置に用いられる材料や半導体装置の構造など、半導体装置の具体的な構成をここで示すものに限定する必要はない。
【０１７５】
図５（Ａ）におけるトランジスタ１６０は、半導体材料（例えば、シリコンなど）を含む基板１８５に設けられたチャネル形成領域１１６と、チャネル形成領域１１６を挟むように設けられた不純物領域１２０と、不純物領域１２０に接する金属間化合物領域１２４と、チャネル形成領域１１６上に設けられたゲート絶縁膜１０８と、ゲート絶縁膜１０８上に設けられたゲート電極１１０と、を有する。なお、図において、明示的にはソース電極やドレイン電極を有しない場合があるが、便宜上、このような状態を含めてトランジスタと呼ぶ場合がある。また、この場合、トランジスタの接続関係を説明するために、ソース領域やドレイン領域を含めてソース電極やドレイン電極と表現することがある。つまり、本明細書において、ソース電極との記載には、ソース領域が含まれうる。
【０１７６】
基板１８５上にはトランジスタ１６０を囲むように素子分離絶縁層１０６が設けられており、トランジスタ１６０を覆うように絶縁層１２８、及び絶縁層１３０が設けられている。なお、トランジスタ１６０において、ゲート電極１１０の側面に側壁絶縁層（サイドウォール絶縁層）を設け、不純物濃度が異なる領域を含む不純物領域１２０としてもよい。
【０１７７】
単結晶半導体基板を用いたトランジスタ１６０は、高速動作が可能である。このため、当該トランジスタを読み出し用のトランジスタとして用いることで、情報の読み出しを高速に行うことができる。トランジスタ１６０を覆うように絶縁膜を２層形成する。トランジスタ１６２および容量素子１６４の形成前の処理として、該絶縁膜２層にＣＭＰ処理を施して、平坦化した絶縁層１２８、絶縁層１３０を形成し、同時にゲート電極１１０の上面を露出させる。
【０１７８】
絶縁層１２８、絶縁層１３０は、代表的には酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、窒化酸化シリコン膜、窒化酸化アルミニウム膜などの無機絶縁膜を用いることができる。絶縁層１２８、絶縁層１３０は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いて形成することができる。
【０１７９】
また、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、等の有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）等を用いることができる。有機材料を用いる場合、スピンコート法、印刷法などの湿式法によって絶縁層１２８、絶縁層１３０を形成してもよい。
【０１８０】
なお、本実施の形態において、絶縁層１２８として窒化シリコン膜、絶縁層１３０として酸化シリコン膜を用いる。
【０１８１】
絶縁層１３０表面において、酸化物半導体膜１４４形成領域に、平坦化処理を行うことが好ましい。本実施の形態では、研磨処理（例えばＣＭＰ処理）により十分に平坦化した（好ましくは絶縁層１３０表面の平均面粗さは０．１５ｎｍ以下）絶縁層１３０上に酸化物半導体膜１４４を形成する。
【０１８２】
図５（Ａ）に示すトランジスタ１６２は、酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタである。ここで、トランジスタ１６２に含まれる酸化物半導体膜１４４は、高純度化されたものであることが望ましい。高純度化された酸化物半導体を用いることで、極めて優れたオフ特性のトランジスタ１６２を得ることができる。
【０１８３】
トランジスタ１６２は、オフ電流が小さいため、これを用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、或いは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ない半導体記憶装置とすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。
【０１８４】
トランジスタ１６２は作製工程において、ゲート電極１４８、絶縁膜１３７、及び側壁絶縁層１３６ａ、１３６ｂ上に設けられた導電膜を化学的機械研磨処理により除去する工程を用いて、ソース電極層及びドレイン電極層として機能する電極層１４２ａ、１４２ｂを形成する。
【０１８５】
よって、トランジスタ１６２は、ソース電極層又はドレイン電極層として機能する電極層１４２ａ、１４２ｂと酸化物半導体膜１４４が接する領域（コンタクト領域）と、ゲート電極１４８との距離を短くすることができるため、電極層１４２ａ、１４２ｂと酸化物半導体膜１４４とが接する領域（コンタクト領域）、及びゲート電極１４８間の抵抗が減少し、トランジスタ１６２のオン特性を向上させることが可能となる。
【０１８６】
電極層１４２ａ、１４２ｂの形成工程におけるゲート電極１４８上の導電膜を除去する工程において、レジストマスクを用いたエッチング工程を用いないため、精密な加工を正確に行うことができる。よって、半導体装置の作製工程において、形状や特性のばらつきの少ない微細な構造を有するトランジスタを歩留まりよく作製することができる。
【０１８７】
トランジスタ１６２上には、層間絶縁膜１３５、絶縁膜１５０が単層または積層で設けられている。本実施の形態では、絶縁膜１５０として、酸化アルミニウム膜を用いる。酸化アルミニウム膜を高密度（膜密度３．２ｇ／ｃｍ３以上、好ましくは３．６ｇ／ｃｍ３以上）とすることによって、トランジスタ１６２に安定な電気特性を付与することができる。
【０１８８】
また、層間絶縁膜１３５及び絶縁膜１５０を介して、トランジスタ１６２の電極層１４２ａと重畳する領域には、導電層１５３が設けられており、電極層１４２ａと、層間絶縁膜１３５と、絶縁膜１５０と、導電層１５３とによって、容量素子１６４が構成される。すなわち、トランジスタ１６２の電極層１４２ａは、容量素子１６４の一方の電極として機能し、導電層１５３は、容量素子１６４の他方の電極として機能する。なお、容量が不要の場合には、容量素子１６４を設けない構成とすることもできる。また、容量素子１６４は、別途、トランジスタ１６２の上方に設けてもよい。
【０１８９】
トランジスタ１６２および容量素子１６４の上には絶縁膜１５２が設けられている。そして、絶縁膜１５２上にはトランジスタ１６２と、他のトランジスタを接続するための配線１５６が設けられている。図５（Ａ）には図示しないが、配線１５６は、絶縁膜１５０、絶縁膜１５２及びゲート絶縁膜１４６などに形成された開口に形成された電極を介して電極層１４２ｂと電気的に接続される。ここで、該電極は、少なくともトランジスタ１６２の酸化物半導体膜１４４の一部と重畳するように設けられることが好ましい。
【０１９０】
図５（Ａ）及び図５（Ｂ）において、トランジスタ１６０と、トランジスタ１６２とは、少なくとも一部が重畳するように設けられており、トランジスタ１６０のソース領域またはドレイン領域と酸化物半導体膜１４４の一部が重畳するように設けられているのが好ましい。また、トランジスタ１６２及び容量素子１６４が、トランジスタ１６０の少なくとも一部と重畳するように設けられている。例えば、容量素子１６４の導電層１５３は、トランジスタ１６０のゲート電極１１０と少なくとも一部が重畳して設けられている。このような平面レイアウトを採用することにより、半導体装置の占有面積の低減を図ることができるため、高集積化を図ることができる。
【０１９１】
なお、電極層１４２ｂ及び配線１５６の電気的接続は、電極層１４２ｂ及び配線１５６を直接接触させて行ってもよいし、電極層１４２ｂ及び配線１５６の間の絶縁膜に電極を設けて、該電極を介して行ってもよい。また、間に介する電極は、複数でもよい。
【０１９２】
次に、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に対応する回路構成の一例を図５（Ｃ）に示す。
【０１９３】
図５（Ｃ）において、第１の配線（１ｓｔ Ｌｉｎｅ）とトランジスタ１６０のソース電極とは、電気的に接続され、第２の配線（２ｎｄ Ｌｉｎｅ）とトランジスタ１６０のドレイン電極とは、電気的に接続されている。また、第３の配線（３ｒｄ Ｌｉｎｅ）とトランジスタ１６２のソース電極またはドレイン電極の一方とは、電気的に接続され、第４の配線（４ｔｈ Ｌｉｎｅ）と、トランジスタ１６２のゲート電極とは、電気的に接続されている。そして、トランジスタ１６０のゲート電極と、トランジスタ１６２のソース電極またはドレイン電極の他方は、容量素子１６４の電極の一方と電気的に接続され、第５の配線（５ｔｈ Ｌｉｎｅ）と、容量素子１６４の電極の他方は電気的に接続されている。
【０１９４】
図５（Ｃ）に示す半導体装置では、トランジスタ１６０のゲート電極の電位が保持可能という特徴を生かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
【０１９５】
情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第４の配線の電位を、トランジスタ１６２がオン状態となる電位にして、トランジスタ１６２をオン状態とする。これにより、第３の配線の電位が、トランジスタ１６０のゲート電極、および容量素子１６４に与えられる。すなわち、トランジスタ１６０のゲート電極には、所定の電荷が与えられる（書き込み）。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷（以下Ｌｏｗレベル電荷、Ｈｉｇｈレベル電荷という）のいずれかが与えられるものとする。その後、第４の配線の電位を、トランジスタ１６２がオフ状態となる電位にして、トランジスタ１６２をオフ状態とすることにより、トランジスタ１６０のゲート電極に与えられた電荷が保持される（保持）。
【０１９６】
トランジスタ１６２のオフ電流は極めて小さいため、トランジスタ１６０のゲート電極の電荷は長時間にわたって保持される。
【０１９７】
次に情報の読み出しについて説明する。第１の配線に所定の電位（定電位）を与えた状態で、第５の配線に適切な電位（読み出し電位）を与えると、トランジスタ１６０のゲート電極に保持された電荷量に応じて、第２の配線は異なる電位をとる。一般に、トランジスタ１６０をｎチャネル型とすると、トランジスタ１６０のゲート電極にＨｉｇｈレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Ｖｔｈ＿Ｈは、トランジスタ１６０のゲート電極にＬｏｗレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Ｖｔｈ＿Ｌより低くなるためである。ここで、見かけのしきい値電圧とは、トランジスタ１６０を「オン状態」とするために必要な第５の配線の電位をいうものとする。したがって、第５の配線の電位をＶｔｈ＿ＨとＶｔｈ＿Ｌの間の電位Ｖ０とすることにより、トランジスタ１６０のゲート電極に与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、Ｈｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線の電位がＶ０（＞Ｖｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ１６０は「オン状態」となる。Ｌｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線の電位がＶ０（＜Ｖｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ１６０は「オフ状態」のままである。このため、第２の配線の電位を見ることで、保持されている情報を読み出すことができる。
【０１９８】
なお、メモリセルをアレイ状に配置して用いる場合、所望のメモリセルの情報のみを読み出せることが必要になる。情報を読み出さないメモリセルの場合には、ゲート電極の状態にかかわらずトランジスタ１６０が「オフ状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｈより小さい電位を第５の配線に与えればよい。または、ゲート電極の状態にかかわらずトランジスタ１６０が「オン状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｌより大きい電位を第５の配線に与えればよい。
【０１９９】
また、図１９に、半導体装置の構成の他の一例を示す。図１９（Ａ）は、半導体装置の平面図、図１９（Ｂ）は半導体装置の断面図である。ここで、図１９（Ｂ）は、図１９（Ａ）のＤ３−Ｄ４における断面に相当する。なお、図１９（Ａ）においては、図の明瞭化のため、図１９（Ｂ）に示す半導体装置の一部の構成要素を省略している。
【０２００】
図１９において容量素子１６４は、ゲート電極１１０、酸化物半導体膜１４４、絶縁膜１７３、及び導電層１７４で構成されている。導電層１７４はゲート電極１４８と同工程で作製され、上面を絶縁膜１７６、側面を側壁絶縁層１７５ａ、１７５ｂで覆われている。
【０２０１】
トランジスタ１６２の電極層１４２ｂは層間絶縁膜１３５、絶縁膜１５０に形成された電極層１４２ｂに達する開口において、配線１５６と電気的に接続する。また、酸化物半導体膜１４４の下に接して、導電層１７２が設けられており、トランジスタ１６０とトランジスタ１６２とを電気的に接続している。
【０２０２】
図１９で示すように、トランジスタ１６０、トランジスタ１６２、容量素子１６４を重畳するように密に積層して設けることで、より半導体装置の占有面積の低減を図ることができるため、高集積化を図ることができる。
【０２０３】
本実施の形態に示す半導体装置では、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたオフ電流の極めて小さいトランジスタを適用することで、極めて長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合（ただし、電位は固定されていることが望ましい）であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。
【０２０４】
また、本実施の形態に示す半導体装置では、情報の書き込みに高い電圧を必要とせず、素子の劣化の問題もない。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行う必要がないため、ゲート絶縁膜の劣化といった問題が全く生じない。すなわち、開示する発明に係る半導体装置では、従来の不揮発性メモリで問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上する。さらに、トランジスタのオン状態、オフ状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作も容易に実現しうる。
【０２０５】
以上のように、微細化及び高集積化を実現し、かつ高い電気的特性を付与された半導体装置、及び該半導体装置の作製方法を提供することができる。
【０２０６】
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。
【０２０７】
（実施の形態３）
本実施の形態においては、実施の形態１又は実施の形態２に示すトランジスタを使用し、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置について、実施の形態２に示した構成と異なる構成について、図６及び図７を用いて説明を行う。
【０２０８】
図６（Ａ）は、半導体装置の回路構成の一例を示し、図６（Ｂ）は半導体装置の一例を示す概念図である。まず、図６（Ａ）に示す半導体装置について説明を行い、続けて図６（Ｂ）に示す半導体装置について、以下説明を行う。
【０２０９】
図６（Ａ）に示す半導体装置において、ビット線ＢＬとトランジスタ１６２のソース電極又はドレイン電極の一方とは電気的に接続され、ワード線ＷＬとトランジスタ１６２のゲート電極とは電気的に接続され、トランジスタ１６２のソース電極又はドレイン電極の他方と容量素子２５４の第１の端子とは電気的に接続されている。
【０２１０】
次に、図６（Ａ）に示す半導体装置（メモリセル２５０）に、情報の書き込みおよび保持を行う場合について説明する。
【０２１１】
まず、ワード線ＷＬの電位を、トランジスタ１６２がオン状態となる電位として、トランジスタ１６２をオン状態とする。これにより、ビット線ＢＬの電位が、容量素子２５４の第１の端子に与えられる（書き込み）。その後、ワード線ＷＬの電位を、トランジスタ１６２がオフ状態となる電位として、トランジスタ１６２をオフ状態とすることにより、容量素子２５４の第１の端子の電位が保持される（保持）。
【０２１２】
酸化物半導体を用いたトランジスタ１６２は、オフ電流が極めて小さいという特徴を有している。このため、トランジスタ１６２をオフ状態とすることで、容量素子２５４の第１の端子の電位（あるいは、容量素子２５４に蓄積された電荷）を極めて長時間にわたって保持することが可能である。
【０２１３】
次に、情報の読み出しについて説明する。トランジスタ１６２がオン状態となると、浮遊状態であるビット線ＢＬと容量素子２５４の第１端子とが導通し、ビット線ＢＬと容量素子２５４の間で電荷が再分配される。その結果、ビット線ＢＬの電位が変化する。ビット線ＢＬの電位の変化量は、容量素子２５４の第１の端子の電位（あるいは容量素子２５４に蓄積された電荷）によって、異なる値をとる。
【０２１４】
例えば、容量素子２５４の第１の端子の電位をＶ、容量素子２５４の容量をＣ、ビット線ＢＬが有する容量成分（以下、ビット線容量とも呼ぶ）をＣＢ、電荷が再分配される前のビット線ＢＬの電位をＶＢ０とすると、電荷が再分配された後のビット線ＢＬの電位は、（ＣＢ＊ＶＢ０＋Ｃ＊Ｖ）／（ＣＢ＋Ｃ）となる。従って、メモリセル２５０の状態として、容量素子２５４の第１の端子の電位がＶ１とＶ０（Ｖ１＞Ｖ０）の２状態をとるとすると、電位Ｖ１を保持している場合のビット線ＢＬの電位（＝ＣＢ＊ＶＢ０＋Ｃ＊Ｖ１）／（ＣＢ＋Ｃ））は、電位Ｖ０を保持している場合のビット線ＢＬの電位（＝ＣＢ＊ＶＢ０＋Ｃ＊Ｖ０）／（ＣＢ＋Ｃ））よりも高くなることがわかる。
【０２１５】
そして、ビット線ＢＬの電位を所定の電位と比較することで、情報を読み出すことができる。
【０２１６】
このように、図６（Ａ）に示す半導体装置は、トランジスタ１６２のオフ電流が極めて小さいという特徴から、容量素子２５４に蓄積された電荷は長時間にわたって保持することができる。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。
【０２１７】
次に、図６（Ｂ）に示す半導体装置について、説明を行う。
【０２１８】
図６（Ｂ）に示す半導体装置は、上部に記憶回路として図６（Ａ）に示したメモリセル２５０を複数有するメモリセルアレイ２５１ａ及び２５１ｂを有し、下部に、メモリセルアレイ２５１（メモリセルアレイ２５１ａ及び２５１ｂ）を動作させるために必要な周辺回路２５３を有する。なお、周辺回路２５３は、メモリセルアレイ２５１と電気的に接続されている。
【０２１９】
図６（Ｂ）に示した構成とすることにより、周辺回路２５３をメモリセルアレイ２５１（メモリセルアレイ２５１ａ及び２５１ｂ）の直下に設けることができるため半導体装置の小型化を図ることができる。
【０２２０】
周辺回路２５３に設けられるトランジスタは、トランジスタ１６２とは異なる半導体材料を用いるのがより好ましい。例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、またはガリウムヒ素等を用いることができ、単結晶半導体を用いることが好ましい。他に、有機半導体材料などを用いてもよい。このような半導体材料を用いたトランジスタは、十分な高速動作が可能である。したがって、該トランジスタにより、高速動作が要求される各種回路（論理回路、駆動回路など）を好適に実現することが可能である。
【０２２１】
なお、図６（Ｂ）に示した半導体装置では、２つのメモリセルアレイ２５１（メモリセルアレイ２５１ａと、メモリセルアレイ２５１ｂ）が積層された構成を例示したが、積層するメモリセルアレイの数はこれに限定されない。３つ以上のメモリセルアレイを積層する構成としても良い。
【０２２２】
次に、図６（Ａ）に示したメモリセル２５０の具体的な構成について図７を用いて説明を行う。
【０２２３】
図７は、メモリセル２５０の構成の一例である。図７（Ａ）に、メモリセル２５０の断面図を、図７（Ｂ）にメモリセル２５０の平面図をそれぞれ示す。ここで、図７（Ａ）は、図７（Ｂ）のＦ１−Ｆ２、及びＧ１−Ｇ２における断面に相当する。
【０２２４】
図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示すトランジスタ１６２は、実施の形態１又は実施の形態２で示した構成と同一の構成とすることができる。
【０２２５】
絶縁層１８０上に設けられたトランジスタ１６２上には、絶縁膜２５６が単層または積層で設けられている。また、絶縁膜２５６を介して、トランジスタ１６２の電極層１４２ａと重畳する領域には、導電層２６２が設けられており、電極層１４２ａと、層間絶縁膜１３５と、絶縁膜２５６と、導電層２６２とによって、容量素子２５４が構成される。すなわち、トランジスタ１６２の電極層１４２ａは、容量素子２５４の一方の電極として機能し、導電層２６２は、容量素子２５４の他方の電極として機能する。
【０２２６】
トランジスタ１６２および容量素子２５４の上には絶縁膜２５８が設けられている。そして、絶縁膜２５８上にはメモリセル２５０と、隣接するメモリセル２５０を接続するための配線２６０が設けられている。図示しないが、配線２６０は、絶縁膜２５６及び絶縁膜２５８などに形成された開口を介してトランジスタ１６２の電極層１４２ｂと電気的に接続されている。但し、開口に他の導電層を設け、該他の導電層を介して、配線２６０と電極層１４２ｂとを電気的に接続してもよい。なお、配線２６０は、図６（Ａ）の回路図におけるビット線ＢＬに相当する。
【０２２７】
図７（Ａ）及び図７（Ｂ）において、トランジスタ１６２の電極層１４２ｂは、隣接するメモリセルに含まれるトランジスタのソース電極としても機能することができる。このような平面レイアウトを採用することにより、半導体装置の占有面積の低減を図ることができるため、高集積化を図ることができる。
【０２２８】
図７（Ａ）に示す平面レイアウトを採用することにより、半導体装置の占有面積の低減を図ることができるため、高集積化を図ることができる。
【０２２９】
また、図２０に、半導体装置の構成の他の一例を示す。
【０２３０】
図２０（Ａ）は、半導体装置の平面図、図２０（Ｂ）は半導体装置の断面図である。ここで、図２０（Ｂ）は、図２０（Ａ）のＦ５−Ｆ６における断面に相当する。なお、図２０（Ａ）においては、図の明瞭化のため、図２０（Ｂ）に示す半導体装置の一部の構成要素を省略している。
【０２３１】
図２０（Ａ）（Ｂ）において、容量素子２５４は、導電層１９２、絶縁膜１９３、導電層１９４で構成され、絶縁膜１９６中に形成されている。なお、絶縁膜１９３は誘電率の高い絶縁材料を用いることが好ましい。容量素子２５４とトランジスタ１６２とは、層間絶縁膜１３５、絶縁膜１５０、及び絶縁膜１９５に形成されたトランジスタ１６２の電極層１４２ａに達する開口に設けられた導電層１９１を介して電気的に接続されている。
【０２３２】
図２０で示すように、トランジスタ１６２、容量素子２５４を重畳するように密に積層して設けることで、より半導体装置の占有面積の低減を図ることができるため、高集積化を図ることができる。
【０２３３】
以上のように、上部に多層に形成された複数のメモリセルは、酸化物半導体を用いたトランジスタにより形成されている。酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流が小さいため、これを用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。
【０２３４】
このように、酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタ（換言すると、十分な高速動作が可能なトランジスタ）を用いた周辺回路と、酸化物半導体を用いたトランジスタ（より広義には、十分にオフ電流が小さいトランジスタ）を用いた記憶回路とを一体に備えることで、これまでにない特徴を有する半導体装置を実現することができる。また、周辺回路と記憶回路を積層構造とすることにより、半導体装置の集積化を図ることができる。
【０２３５】
以上のように、微細化及び高集積化を実現し、かつ高い電気的特性を付与された半導体装置、及び該半導体装置の作製方法を提供することができる。
【０２３６】
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。
【０２３７】
（実施の形態４）
本実施の形態では、先の実施の形態で示した半導体装置を携帯電話、スマートフォン、電子書籍などの携帯機器に応用した場合の例を図８乃至図１１を用いて説明する。
【０２３８】
携帯電話、スマートフォン、電子書籍などの携帯機器においては、画像データの一時記憶などにＳＲＡＭまたはＤＲＡＭが使用されている。ＳＲＡＭまたはＤＲＡＭが使用される理由としてはフラッシュメモリでは応答が遅く、画像処理では不向きであるためである。一方で、ＳＲＡＭまたはＤＲＡＭを画像データの一時記憶に用いた場合、以下の特徴がある。
【０２３９】
通常のＳＲＡＭは、図８（Ａ）に示すように１つのメモリセルがトランジスタ８０１〜８０６の６個のトランジスタで構成されており、それをＸデコーダー８０７、Ｙデコーダー８０８にて駆動している。トランジスタ８０３とトランジスタ８０５、トランジスタ８０４とトランジスタ８０６はインバータを構成し、高速駆動を可能としている。しかし１つのメモリセルが６トランジスタで構成されているため、セル面積が大きいという欠点がある。デザインルールの最小寸法をＦとしたときにＳＲＡＭのメモリセル面積は通常１００〜１５０Ｆ２である。このためＳＲＡＭはビットあたりの単価が各種メモリの中で最も高い。
【０２４０】
それに対して、ＤＲＡＭはメモリセルが図８（Ｂ）に示すようにトランジスタ８１１、保持容量８１２によって構成され、それをＸデコーダー８１３、Ｙデコーダー８１４にて駆動している。１つのセルが１トランジスタ１容量の構成になっており、面積が小さい。ＤＲＡＭのメモリセル面積は通常１０Ｆ２以下である。ただし、ＤＲＡＭは常にリフレッシュが必要であり、書き換えをおこなわない場合でも電力を消費する。
【０２４１】
しかし、先の実施の形態で説明した半導体装置のメモリセル面積は、１０Ｆ２前後であり、且つ頻繁なリフレッシュは不要である。したがって、メモリセル面積が縮小され、且つ消費電力を低減することができる。
【０２４２】
図９に携帯機器のブロック図を示す。図９に示す携帯機器はＲＦ回路９０１、アナログベースバンド回路９０２、デジタルベースバンド回路９０３、バッテリー９０４、電源回路９０５、アプリケーションプロセッサ９０６、フラッシュメモリ９１０、ディスプレイコントローラ９１１、メモリ回路９１２、ディスプレイ９１３、タッチセンサ９１９、音声回路９１７、キーボード９１８などより構成されている。ディスプレイ９１３は表示部９１４、ソースドライバ９１５、ゲートドライバ９１６によって構成されている。アプリケーションプロセッサ９０６はＣＰＵ９０７、ＤＳＰ９０８、インターフェイス９０９（ＩＦ９０９）を有している。一般にメモリ回路９１２はＳＲＡＭまたはＤＲＡＭで構成されており、この部分に先の実施の形態で説明した半導体装置を採用することによって、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減することができる。
【０２４３】
図１０に、ディスプレイのメモリ回路９５０に先の実施の形態で説明した半導体装置を使用した例を示す。図１０に示すメモリ回路９５０は、メモリ９５２、メモリ９５３、スイッチ９５４、スイッチ９５５およびメモリコントローラ９５１により構成されている。また、メモリ回路９５０は、信号線から入力された画像データ（入力画像データ）、メモリ９５２、及びメモリ９５３に記憶されたデータ（記憶画像データ）を読み出し、及び制御を行うディスプレイコントローラ９５６と、ディスプレイコントローラ９５６からの信号により表示するディスプレイ９５７が接続されている。
【０２４４】
まず、ある画像データがアプリケーションプロセッサ（図示しない）によって、形成される（入力画像データＡ）。入力画像データＡは、スイッチ９５４を介してメモリ９５２に記憶される。そしてメモリ９５２に記憶された画像データ（記憶画像データＡ）は、スイッチ９５５、及びディスプレイコントローラ９５６を介してディスプレイ９５７に送られ、表示される。
【０２４５】
入力画像データＡに変更が無い場合、記憶画像データＡは、通常３０〜６０Ｈｚ程度の周期でメモリ９５２からスイッチ９５５を介して、ディスプレイコントローラ９５６から読み出される。
【０２４６】
次に、例えばユーザーが画面を書き換える操作をしたとき（すなわち、入力画像データＡに変更が有る場合）、アプリケーションプロセッサは新たな画像データ（入力画像データＢ）を形成する。入力画像データＢはスイッチ９５４を介してメモリ９５３に記憶される。この間も定期的にメモリ９５２からスイッチ９５５を介して記憶画像データＡは読み出されている。メモリ９５３に新たな画像データ（記憶画像データＢ）を記憶し終わると、ディスプレイ９５７の次のフレームより、記憶画像データＢは読み出され、スイッチ９５５、及びディスプレイコントローラ９５６を介して、ディスプレイ９５７に記憶画像データＢが送られ、表示がおこなわれる。この読み出しはさらに次に新たな画像データがメモリ９５２に記憶されるまで継続される。
【０２４７】
このようにメモリ９５２及びメモリ９５３は交互に画像データの書き込みと、画像データの読み出しを行うことによって、ディスプレイ９５７の表示をおこなう。なお、メモリ９５２及びメモリ９５３はそれぞれ別のメモリには限定されず、１つのメモリを分割して使用してもよい。先の実施の形態で説明した半導体装置をメモリ９５２及びメモリ９５３に採用することによって、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力を十分に低減することができる。
【０２４８】
図１１に電子書籍のブロック図を示す。図１１はバッテリー１００１、電源回路１００２、マイクロプロセッサ１００３、フラッシュメモリ１００４、音声回路１００５、キーボード１００６、メモリ回路１００７、タッチパネル１００８、ディスプレイ１００９、ディスプレイコントローラ１０１０によって構成される。
【０２４９】
ここでは、図１１のメモリ回路１００７に先の実施の形態で説明した半導体装置を使用することができる。メモリ回路１００７の役割は書籍の内容を一時的に保持する機能を持つ。機能の例としては、ユーザーがハイライト機能を使用する場合などがある。ユーザーが電子書籍を読んでいるときに、特定の箇所にマーキングをしたい場合がある。このマーキング機能をハイライト機能と言い、表示の色を変える、アンダーラインを引く、文字を太くする、文字の書体を変えるなどによって、周囲との違いを示すことである。ユーザーが指定した箇所の情報を記憶し、保持する機能である。この情報を長期に保存する場合にはフラッシュメモリ１００４にコピーしても良い。このような場合においても、先の実施の形態で説明した半導体装置を採用することによって、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力を十分に低減することができる。
【０２５０】
以上のように、本実施の形態に示す携帯機器には、先の実施の形態に係る半導体装置が搭載されている。このため、読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力を低減した携帯機器が実現される。
【０２５１】
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。
【０２５２】
（実施の形態５）
上記実施の形態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。
【０２５３】
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１２（Ａ）においては、第１の基板４００１上のシール材４００５によって囲まれている領域とは異なる領域に、別途用意された基板上に単結晶半導体膜又は多結晶半導体膜で形成された走査線駆動回路４００４、信号線駆動回路４００３が実装されている。また別途形成された信号線駆動回路４００３と、走査線駆動回路４００４または画素部４００２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）４０１８ａ、４０１８ｂから供給されている。
【０２５４】
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。
【０２５５】
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よいし、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よい。
【０２５６】
なお、別途形成した駆動回路の接続方法は、特に限定されるものではなく、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）方法、ワイヤボンディング方法、或いはＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）方法などを用いることができる。図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１２（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。
【０２５７】
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（表示パネル、発光パネル）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。
【０２５８】
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。
【０２５９】
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、上記実施の形態で一例を示したトランジスタを適用することができる。
【０２６０】
表示装置に設けられる表示素子としては液晶素子（液晶表示素子ともいう）、発光素子（発光表示素子ともいう）、を用いることができる。発光素子は、電流または電圧によって輝度が制御される素子をその範疇に含んでおり、具体的には無機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）、有機ＥＬ等が含まれる。また、電子インクなど、電気的作用によりコントラストが変化する表示媒体も適用することができる。
【０２６１】
半導体装置の一形態について、図１２及び図１３を用いて説明する。図１３は、図１２（Ｂ）のＭ−Ｎにおける断面図に相当する。
【０２６２】
図１２及び図１３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。
【０２６３】
接続端子電極４０１５は、第１の電極層４０３０と同じ導電膜から形成され、端子電極４０１６は、トランジスタ４０１０、４０１１のソース電極層及びドレイン電極層と同じ導電膜で形成されている。
【０２６４】
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１２及び図１３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１３（Ａ）では、トランジスタ４０１０、４０１１上には層間絶縁膜４０２０、絶縁膜４０２４が設けられ、絶縁膜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。また、トランジスタ４０１０、４０１１と重畳する領域には遮光膜４０５０が設けられている。
【０２６５】
トランジスタ４０１０、４０１１としては、上記実施の形態で示したトランジスタを適用することができる。本実施の形態では、実施の形態１で示したトランジスタ４４０ａと同様な構造を有するトランジスタを適用する例を示す。
【０２６６】
トランジスタ４０１０、４０１１は作製工程において、ゲート電極層、絶縁膜、及び側壁絶縁層上に設けられた導電膜を化学的機械研磨処理することによって除去し導電膜を分断することによって、ソース電極層及びドレイン電極層を形成する。
【０２６７】
従って、ソース電極層又はドレイン電極層と酸化物半導体膜とが接する領域（コンタクト領域）と、ゲート電極層との距離を短くすることができるため、ソース電極層又はドレイン電極層と酸化物半導体膜とが接する領域（コンタクト領域）、及びゲート電極層間の抵抗が減少し、トランジスタ４０１０、４０１１のオン特性を向上させることが可能となる。
【０２６８】
ソース電極層及びドレイン電極層の形成工程におけるゲート電極層上の導電膜を除去する工程において、レジストマスクを用いたエッチング工程を用いないため、精密な加工を正確に行うことができる。よって、半導体装置の作製工程において、形状や特性のばらつきの少ない微細な構造を有するトランジスタ４０１０、４０１１を歩留まりよく作製することができる。
【０２６９】
よって、図１２及び図１３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。
【０２７０】
また、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さらに導電層を設けてもよい。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、バイアス−熱ストレス試験（ＢＴ試験）前後におけるトランジスタ４０１１のしきい値電圧の変化量をさらに低減することができる。また、導電層は、電位がトランジスタ４０１１のゲート電極層と同じでもよいし、異なっていても良く、第２のゲート電極層として機能させることもできる。また、導電層の電位がＧＮＤ、０Ｖ、或いはフローティング状態であってもよい。
【０２７１】
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。
【０２７２】
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。
【０２７３】
図１３（Ａ）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１３（Ａ）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。
【０２７４】
またスペーサ４０３５は絶縁膜を選択的にエッチングすることで得られる柱状のスペーサであり、液晶層４００８の膜厚（セルギャップ）を制御するために設けられている。なお球状のスペーサを用いていてもよい。
【０２７５】
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（液晶組成物）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。
【０２７６】
また、液晶層４００８に、配向膜を用いないブルー相を発現する液晶組成物を用いてもよい。この場合、液晶層４００８と、第１の電極層４０３０及び第２の電極層４０３１とは接する構造となる。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、液晶及びカイラル剤を混合させた液晶組成物を用いて発現させることができる。また、ブルー相が発現する温度範囲を広げるために、ブルー相を発現する液晶組成物に重合性モノマー及び重合開始剤などを添加し、高分子安定化させる処理を行って液晶層を形成することもできる。ブルー相を発現する液晶組成物は、応答速度が短く、光学的等方性であるため配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい。また配向膜を設けなくてもよいのでラビング処理も不要となるため、ラビング処理によって引き起こされる静電破壊を防止することができ、作製工程中の液晶表示装置の不良や破損を軽減することができる。よって液晶表示装置の生産性を向上させることが可能となる。酸化物半導体膜を用いるトランジスタは、静電気の影響によりトランジスタの電気的な特性が著しく変動して設計範囲を逸脱する恐れがある。よって酸化物半導体膜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を発現する液晶組成物を用いることはより効果的である。
【０２７７】
また、液晶材料の固有抵抗は、１×１０９Ω・ｃｍ以上であり、好ましくは１×１０１１Ω・ｃｍ以上であり、さらに好ましくは１×１０１２Ω・ｃｍ以上である。なお、本明細書における固有抵抗の値は、２０℃で測定した値とする。
【０２７８】
液晶表示装置に設けられる保持容量の大きさは、画素部に配置されるトランジスタのリーク電流等を考慮して、所定の期間の間電荷を保持できるように設定される。保持容量の大きさは、トランジスタのオフ電流等を考慮して設定すればよい。
【０２７９】
本実施の形態で用いる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。
【０２８０】
また、本実施の形態で用いる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。例えば、このような高速駆動が可能なトランジスタを液晶表示装置に用いることで、画素部のスイッチングトランジスタと、駆動回路部に使用するドライバートランジスタを同一基板上に形成することができる。すなわち、別途駆動回路として、シリコンウェハ等により形成された半導体装置を用いる必要がないため、半導体装置の部品点数を削減することができる。また、画素部においても、高速駆動が可能なトランジスタを用いることで、高画質な画像を提供することができる。
【０２８１】
液晶表示装置には、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ Ｆｉｅｌｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ａｌｉｇｎｅｄ Ｍｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モードなどを用いることができる。
【０２８２】
また、ノーマリーブラック型の液晶表示装置、例えば垂直配向（ＶＡ）モードを採用した透過型の液晶表示装置としてもよい。垂直配向モードとしては、いくつか挙げられるが、例えば、ＭＶＡ（Ｍｕｌｔｉ−Ｄｏｍａｉｎ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＡＳＶ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｓｕｐｅｒ Ｖｉｅｗ）モードなどを用いることができる。また、ＶＡ型の液晶表示装置にも適用することができる。ＶＡ型の液晶表示装置とは、液晶表示パネルの液晶分子の配列を制御する方式の一種である。ＶＡ型の液晶表示装置は、電圧が印加されていないときにパネル面に対して液晶分子が垂直方向を向く方式である。また、画素（ピクセル）をいくつかの領域（サブピクセル）に分け、それぞれ別の方向に分子を倒すよう工夫されているマルチドメイン化あるいはマルチドメイン設計といわれる方法を用いることができる。
【０２８３】
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。
【０２８４】
また、画素部における表示方式は、プログレッシブ方式やインターレース方式等を用いることができる。また、カラー表示する際に画素で制御する色要素としては、ＲＧＢ（Ｒは赤、Ｇは緑、Ｂは青を表す）の三色に限定されない。例えば、ＲＧＢＷ（Ｗは白を表す）、又はＲＧＢに、イエロー、シアン、マゼンタ等を一色以上追加したものがある。なお、色要素のドット毎にその表示領域の大きさが異なっていてもよい。ただし、開示する発明はカラー表示の表示装置に限定されるものではなく、モノクロ表示の表示装置に適用することもできる。
【０２８５】
また、表示装置に含まれる表示素子として、エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子を適用することができる。エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子は、発光材料が有機化合物であるか、無機化合物であるかによって区別され、一般的に、前者は有機ＥＬ素子、後者は無機ＥＬ素子と呼ばれている。
【０２８６】
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。
【０２８７】
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。
【０２８８】
発光素子は発光を取り出すために少なくとも一対の電極の一方が透光性であればよい。そして、基板上にトランジスタ及び発光素子を形成し、基板とは逆側の面から発光を取り出す上面射出や、基板側の面から発光を取り出す下面射出や、基板側及び基板とは反対側の面から発光を取り出す両面射出構造の発光素子があり、どの射出構造の発光素子も適用することができる。
【０２８９】
図１３（Ｂ）に表示素子として発光素子を用いた発光装置（発光パネル）の例を示す。表示素子である発光素子４５１３は、画素部４００２に設けられたトランジスタ４０１０と電気的に接続している。なお発光素子４５１３の構成は、第１の電極層４０３０、電界発光層４５１１、第２の電極層４０３１の積層構造であるが、示した構成に限定されない。発光素子４５１３から取り出す光の方向などに合わせて、発光素子４５１３の構成は適宜変えることができる。
【０２９０】
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。
【０２９１】
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よい。
【０２９２】
発光素子４５１３に酸素、水素、水分、二酸化炭素等が侵入しないように、第２の電極層４０３１及び隔壁４５１０上に保護膜を形成してもよい。保護膜としては、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、ＤＬＣ膜等を形成することができる。また、第１の基板４００１、第２の基板４００６、及びシール材４００５によって封止された空間には充填材４５１４が設けられ密封されている。このように外気に曝されないように気密性が高く、脱ガスの少ない保護フィルム（貼り合わせフィルム、紫外線硬化樹脂フィルム等）やカバー材でパッケージング（封入）することが好ましい。
【０２９３】
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）、アクリルじゅし、ポリイミド樹脂、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。
【０２９４】
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。
【０２９５】
また、表示装置として、電子インクを駆動させる電子ペーパーを提供することも可能である。電子ペーパーは、電気泳動表示装置（電気泳動ディスプレイ）も呼ばれており、紙と同じ読みやすさ、他の表示装置に比べ低消費電力、薄くて軽い形状とすることが可能という利点を有している。
【０２９６】
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。
【０２９７】
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。
【０２９８】
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。
【０２９９】
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。
【０３００】
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。
【０３０１】
なお、図１２及び図１３において、第１の基板４００１、第２の基板４００６としては、ガラス基板の他、可撓性を有する基板も用いることができ、例えば透光性を有するプラスチック基板などを用いることができる。プラスチックとしては、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒｇｌａｓｓ−Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）板、ＰＶＦ（ポリビニルフルオライド）フィルム、ポリエステルフィルムまたはアクリル樹脂フィルムを用いることができる。また、透光性が必要でなければ、アルミニウムやステンレスなどの金属基板（金属フィルム）を用いてもよい。例えば、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。
【０３０２】
層間絶縁膜４０２０、絶縁膜４０２４は酸化物絶縁膜を用いることができ、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、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウム、又はこれらの混合材料を用いて形成することができる。また、上記酸化物絶縁膜上に窒化物絶縁膜を積層してもよく、窒化物絶縁膜は窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、又はこれらの混合材料を用いて形成することができる。
【０３０３】
本実施の形態では、絶縁膜４０２４として酸化アルミニウム膜を用いる。絶縁膜４０２４はスパッタリング法やプラズマＣＶＤ法によって形成することができる。
【０３０４】
酸化物半導体膜上に絶縁膜４０２４として設けられた酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果（ブロック効果）が高い。
【０３０５】
従って、酸化アルミニウム膜は、作製工程中及び作製後において、変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体膜への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体膜からの放出を防止する保護膜として機能する。
【０３０６】
また、平坦化絶縁膜として機能する絶縁膜４０２１は、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂等の、耐熱性を有する有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、絶縁膜を形成してもよい。
【０３０７】
絶縁膜４０２１の形成法は、特に限定されず、その材料に応じて、スパッタリング法、ＳＯＧ法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法等）、印刷法（スクリーン印刷、オフセット印刷等）、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイフコーター等を用いることができる。
【０３０８】
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。
【０３０９】
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。
【０３１０】
第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１は、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物、グラフェンなどの透光性を有する導電性材料を用いることができる。
【０３１１】
また、第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１はタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）等の金属、又はその合金、若しくはその金属窒化物から一つ、又は複数種を用いて形成することができる。
【０３１２】
また、第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１として、導電性高分子（導電性ポリマーともいう）を含む導電性組成物を用いて形成することができる。導電性高分子としては、いわゆるπ電子共役系導電性高分子が用いることができる。例えば、ポリアニリンまたはその誘導体、ポリピロールまたはその誘導体、ポリチオフェンまたはその誘導体、若しくはアニリン、ピロールおよびチオフェンの２種以上からなる共重合体若しくはその誘導体などがあげられる。
【０３１３】
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。
【０３１４】
以上のように上記実施の形態で示したトランジスタを適用することで、様々な機能を有する半導体装置を提供することができる。
【０３１５】
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。
【０３１６】
（実施の形態６）
実施の形態１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。
【０３１７】
図１４（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１４（Ａ）はフォトセンサの等価回路であり、図１４（Ｂ）はフォトセンサの一部を示す断面図である。
【０３１８】
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。
【０３１９】
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１４（Ａ）において、トランジスタ６４０、トランジスタ６５６は上記実施の形態に示したトランジスタが適用でき、酸化物半導体膜を用いるトランジスタである。本実施の形態では、実施の形態１で示したトランジスタ４４０ａと同様な構造を有するトランジスタを適用する例を示す。
【０３２０】
図１４（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。
【０３２１】
絶縁膜６３１上に設けられたトランジスタ６４０上には層間絶縁膜６３２、絶縁膜６３３、層間絶縁膜６３４が設けられている。フォトダイオード６０２は、絶縁膜６３３上に設けられ、絶縁膜６３３上に形成した電極層６４１ａ、６４１ｂと、層間絶縁膜６３４上に設けられた電極層６４２との間に、絶縁膜６３３側から順に第１半導体膜６０６ａ、第２半導体膜６０６ｂ、及び第３半導体膜６０６ｃを積層した構造を有している。
【０３２２】
なお、トランジスタ６４０と重畳する領域に遮光膜６５０が設けられている。
【０３２３】
電極層６４１ｂは、層間絶縁膜６３４に形成された導電層６４３と電気的に接続し、電極層６４２は電極層６４１ａを介して導電層６４５と電気的に接続している。導電層６４５は、トランジスタ６４０のゲート電極層と電気的に接続しており、フォトダイオード６０２はトランジスタ６４０と電気的に接続している。
【０３２４】
ここでは、第１半導体膜６０６ａとしてｐ型の導電型を有する半導体膜と、第２半導体膜６０６ｂとして高抵抗な半導体膜（Ｉ型半導体膜）、第３半導体膜６０６ｃとしてｎ型の導電型を有する半導体膜を積層するｐｉｎ型のフォトダイオードを例示している。
【０３２５】
第１半導体膜６０６ａはｐ型半導体膜であり、ｐ型を付与する不純物元素を含むアモルファスシリコン膜により形成することができる。第１半導体膜６０６ａの形成には１３族の不純物元素（例えばボロン（Ｂ））を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。また、不純物元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入法を用いて該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合にアモルファスシリコン膜を形成する方法としては、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、又はスパッタリング法等を用いればよい。第１半導体膜６０６ａの膜厚は１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下となるよう形成することが好ましい。
【０３２６】
第２半導体膜６０６ｂは、Ｉ型半導体膜（真性半導体膜）であり、アモルファスシリコン膜により形成する。第２半導体膜６０６ｂの形成には、半導体材料ガスを用いて、アモルファスシリコン膜をプラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしては、シラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。第２半導体膜６０６ｂの形成は、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、スパッタリング法等により行ってもよい。第２半導体膜６０６ｂの膜厚は２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下となるように形成することが好ましい。
【０３２７】
第３半導体膜６０６ｃは、ｎ型半導体膜であり、ｎ型を付与する不純物元素を含むアモルファスシリコン膜により形成する。第３半導体膜６０６ｃの形成には、１５族の不純物元素（例えばリン（Ｐ））を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。また、不純物元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入法を用いて該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合にアモルファスシリコン膜を形成する方法としては、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、又はスパッタリング法等を用いればよい。第３半導体膜６０６ｃの膜厚は２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下となるよう形成することが好ましい。
【０３２８】
また、第１半導体膜６０６ａ、第２半導体膜６０６ｂ、及び第３半導体膜６０６ｃは、アモルファス半導体ではなく、多結晶半導体を用いて形成してもよいし、微結晶半導体（セミアモルファス半導体（Ｓｅｍｉ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：ＳＡＳ））を用いて形成してもよい。
【０３２９】
微結晶半導体は、ギブスの自由エネルギーを考慮すれば非晶質と単結晶の中間的な準安定状態に属するものである。すなわち、自由エネルギー的に安定な第３の状態を有する半導体であって、短距離秩序を持ち格子歪みを有する。柱状または針状結晶が基板表面に対して法線方向に成長している。微結晶半導体の代表例である微結晶シリコンは、そのラマンスペクトルが単結晶シリコンを示す５２０ｃｍ−１よりも低波数側に、シフトしている。即ち、単結晶シリコンを示す５２０ｃｍ−１とアモルファスシリコンを示す４８０ｃｍ−１の間に微結晶シリコンのラマンスペクトルのピークがある。また、未結合手（ダングリングボンド）を終端するため水素またはハロゲンを少なくとも１原子％またはそれ以上含ませている。さらに、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、ネオンなどの希ガス元素を含ませて格子歪みをさらに助長させることで、安定性が増し良好な微結晶半導体膜が得られる。
【０３３０】
この微結晶半導体膜は、周波数が数十ＭＨｚ〜数百ＭＨｚの高周波プラズマＣＶＤ法、または周波数が１ＧＨｚ以上のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置により形成することができる。代表的には、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４などの珪素を含む化合物を水素で希釈して形成することができる。また、珪素を含む化合物（例えば水素化珪素）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。これらのときの珪素を含む化合物（例えば水素化珪素）に対して水素の流量比を５倍以上２００倍以下、好ましくは５０倍以上１５０倍以下、更に好ましくは１００倍とする。さらには、シリコンを含む気体中に、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ６等の炭化物気体、ＧｅＨ４、ＧｅＦ４等のゲルマニウム化気体、Ｆ２等を混入させてもよい。
【０３３１】
また、光電効果で発生した正孔の移動度は電子の移動度に比べて小さいため、ｐｉｎ型のフォトダイオードはｐ型の半導体膜側を受光面とする方がよい特性を示す。ここでは、ｐｉｎ型のフォトダイオードが形成されている基板６０１の面からフォトダイオード６０２が受ける光を電気信号に変換する例を示す。また、受光面とした半導体膜側とは逆の導電型を有する半導体膜側からの光は外乱光となるため、電極層は遮光性を有する導電膜を用いるとよい。また、ｎ型の半導体膜側を受光面として用いることもできる。
【０３３２】
絶縁膜６３１、層間絶縁膜６３２、絶縁膜６３３としては、絶縁性材料を用いて、その材料に応じて、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法、ＳＯＧ法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法等）、印刷法（スクリーン印刷、オフセット印刷等）、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイフコーター等を用いて形成することができる。
【０３３３】
本実施の形態では、絶縁膜６３３として酸化アルミニウム膜を用いる。絶縁膜６３３はスパッタリング法やプラズマＣＶＤ法によって形成することができる。
【０３３４】
酸化物半導体膜上に絶縁膜６３３として設けられた酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果（ブロック効果）が高い。
【０３３５】
従って、酸化アルミニウム膜は、作製工程中及び作製後において、変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体膜への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体膜からの放出を防止する保護膜として機能する。
【０３３６】
本実施の形態において、トランジスタ６４０は、作製工程において、ゲート電極層、絶縁膜、及び側壁絶縁層上に設けられた導電膜を化学機械研磨処理することによって除去し導電膜を分断することによって、ソース電極層及びドレイン電極層を形成する。
【０３３７】
従って、ソース電極層又はドレイン電極層と酸化物半導体膜とが接する領域（コンタクト領域）と、ゲート電極層との距離を短くすることができるため、ソース電極層又はドレイン電極層と酸化物半導体膜とが接する領域（コンタクト領域）、及びゲート電極層間の抵抗が減少し、トランジスタ６４０のオン特性を向上させることが可能となる。
【０３３８】
ソース電極層及びドレイン電極層の形成工程におけるゲート電極層上の導電膜を除去する工程において、レジストマスクを用いたエッチング工程を用いないため、精密な加工を正確に行うことができる。よって、半導体装置の作製工程において、形状や特性のばらつきの少ない微細な構造を有するトランジスタ６４０を歩留まりよく作製することができる。
【０３３９】
絶縁膜６３１、層間絶縁膜６３２、絶縁膜６３３としては、無機絶縁材料を用いることができる。例えば、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、又は酸化窒化アルミニウム膜などの酸化物絶縁膜、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、又は窒化酸化アルミニウム膜などの窒化物絶縁膜の単層、又は積層を用いることができる。
【０３４０】
また、層間絶縁膜６３４としては、表面凹凸を低減するため平坦化絶縁膜として機能する絶縁膜が好ましい。層間絶縁膜６３４としては、例えばポリイミド、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂等の、耐熱性を有する有機絶縁材料を用いることができる。また上記有機絶縁材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等の単層、又は積層を用いることができる。
【０３４１】
フォトダイオード６０２に入射する光６２２を検出することによって、被検出物の情報を読み取ることができる。なお、被検出物の情報を読み取る際にバックライトなどの光源を用いることができる。
【０３４２】
以上のように、微細化及び高集積化を実現し、かつ高い電気的特性を付与された半導体装置、及び該半導体装置の作製方法を提供することができる。
【０３４３】
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。
【０３４４】
（実施の形態７）
本実施の形態では、本発明の一態様の電子機器について説明する。具体的には、上記実施の形態で示すトランジスタを有する表示パネル、又は発光パネルを搭載した電子機器について図１５を用いて説明する。
【０３４５】
半導体装置を適用した電子機器として、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。これらの電子機器の具体例を図１５に示す。
【０３４６】
図１５（Ａ）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７１００は、筐体７１０１に表示部７１０３が組み込まれている。表示部７１０３により、映像を表示することが可能であり、表示パネルを表示部７１０３に用いることができる。また、ここでは、スタンド７１０５により筐体７１０１を支持した構成を示している。
【０３４７】
テレビジョン装置７１００の操作は、筐体７１０１が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機７１１０により行うことができる。リモコン操作機７１１０が備える操作キー７１０９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７１０３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７１１０に、当該リモコン操作機７１１０から出力する情報を表示する表示部７１０７を設ける構成としてもよい。
【０３４８】
なお、テレビジョン装置７１００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。
【０３４９】
図１５（Ｂ）はコンピュータであり、本体７２０１、筐体７２０２、表示部７２０３、キーボード７２０４、外部接続ポート７２０５、ポインティングデバイス７２０６等を含む。なお、コンピュータは、表示パネルをその表示部７２０３に用いることにより作製される。
【０３５０】
図１５（Ｃ）は携帯型遊技機であり、筐体７３０１と筐体７３０２の２つの筐体で構成されており、連結部７３０３により、開閉可能に連結されている。筐体７３０１には表示部７３０４が組み込まれ、筐体７３０２には表示部７３０５が組み込まれている。また、図１５（Ｃ）に示す携帯型遊技機は、その他、スピーカ部７３０６、記録媒体挿入部７３０７、ＬＥＤランプ７３０８、入力手段（操作キー７３０９、接続端子７３１０、センサ７３１１（力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、においまたは赤外線を測定する機能を含むもの）、マイクロフォン７３１２）等を備えている。もちろん、携帯型遊技機の構成は上述のものに限定されず、少なくとも表示部７３０４および表示部７３０５の両方、または一方に表示パネルを用いていればよく、その他付属設備が適宜設けられた構成とすることができる。図１５（Ｃ）に示す携帯型遊技機は、記録媒体に記録されているプログラムまたはデータを読み出して表示部に表示する機能や、他の携帯型遊技機と無線通信を行って情報を共有する機能を有する。なお、図１５（Ｃ）に示す携帯型遊技機が有する機能はこれに限定されず、様々な機能を有することができる。
【０３５１】
図１５（Ｄ）は、携帯電話機の一例を示している。携帯電話機７４００は、筐体７４０１に組み込まれた表示部７４０２の他、操作ボタン７４０３、外部接続ポート７４０４、スピーカ７４０５、マイク７４０６などを備えている。なお、携帯電話機７４００は、表示パネルを表示部７４０２に用いることにより作製される。
【０３５２】
図１５（Ｄ）に示す携帯電話機７４００は、表示部７４０２を指などで触れることで、情報を入力することができる。また、電話を掛ける、或いはメールを作成するなどの操作は、表示部７４０２を指などで触れることにより行うことができる。
【０３５３】
表示部７４０２の画面は主として３つのモードがある。第１は、画像の表示を主とする表示モードであり、第２は、文字等の情報の入力を主とする入力モードである。第３は表示モードと入力モードの２つのモードが混合した表示＋入力モードである。
【０３５４】
例えば、電話を掛ける、或いはメールを作成する場合は、表示部７４０２を文字の入力を主とする文字入力モードとし、画面に表示させた文字の入力操作を行えばよい。この場合、表示部７４０２の画面のほとんどにキーボードまたは番号ボタンを表示させることが好ましい。
【０３５５】
また、携帯電話機７４００内部に、ジャイロ、加速度センサ等の傾きを検出するセンサを有する検出装置を設けることで、携帯電話機７４００の向き（縦か横か）を判断して、表示部７４０２の画面表示を自動的に切り替えるようにすることができる。
【０３５６】
また、画面モードの切り替えは、表示部７４０２を触れること、または筐体７４０１の操作ボタン７４０３の操作により行われる。また、表示部７４０２に表示される画像の種類によって切り替えるようにすることもできる。例えば、表示部に表示する画像信号が動画のデータであれば表示モード、テキストデータであれば入力モードに切り替える。
【０３５７】
また、入力モードにおいて、表示部７４０２の光センサで検出される信号を検知し、表示部７４０２のタッチ操作による入力が一定期間ない場合には、画面のモードを入力モードから表示モードに切り替えるように制御してもよい。
【０３５８】
表示部７４０２は、イメージセンサとして機能させることもできる。例えば、表示部７４０２に掌や指で触れ、掌紋、指紋等を撮像することで、本人認証を行うことができる。また、表示部に近赤外光を発光するバックライトまたは近赤外光を発光するセンシング用光源を用いれば、指静脈、掌静脈などを撮像することもできる。
【０３５９】
図１５（Ｅ）は、平板状のコンピュータの一例を示している。平板状のコンピュータ７４５０は、ヒンジ７４５４で接続された筐体７４５１Ｌと筐体７４５１Ｒを備えている。また、操作ボタン７４５３、左側スピーカ７４５５Ｌおよび右側スピーカ７４５５Ｒの他、コンピュータ７４５０の側面には図示されていない外部接続ポート７４５６を備える。なお、筐体７４５１Ｌに設けられた表示部７４５２Ｌと、筐体７４５１Ｒに設けられた表示部７４５２Ｒが互いに対峙するようにヒンジ７４５４を折り畳むと、表示部を筐体で保護することができる。
【０３６０】
表示部７４５２Ｌと表示部７４５２Ｒは、画像を表示する他、指などで触れると情報を入力できる。例えば、インストール済みのプログラムを示すアイコンを指でふれて選択し、プログラムを起動できる。または、表示された画像の二箇所に触れた指の間隔を変えて、画像を拡大または縮小できる。または、表示された画像の一箇所に触れた指を移動して画像を移動できる。また、キーボードの画像を表示して、表示された文字や記号を指で触れて選択し、情報を入力することもできる。
【０３６１】
また、コンピュータ７４５０に、ジャイロ、加速度センサ、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）受信機、指紋センサ、ビデオカメラを搭載することもできる。例えば、ジャイロ、加速度センサ等の傾きを検出するセンサを有する検出装置を設けることで、コンピュータ７４５０の向き（縦か横か）を判断して、表示する画面の向きを自動的に切り替えるようにすることができる。
【０３６２】
また、コンピュータ７４５０はネットワークに接続できる。コンピュータ７４５０はインターネット上の情報を表示できる他、ネットワークに接続された他の機器を遠隔から操作する端末として用いることができる。
【０３６３】
図１５（Ｆ）は、照明装置の一例を示している。照明装置７５００は、筐体７５０１に光源として本発明の一態様の発光パネル７５０３ａ〜７５０３ｄが組み込まれている。照明装置７５００は、天井や壁等に取り付けることが可能である。
【０３６４】
また、本発明の一態様の発光パネルは、発光パネルが薄膜状であるため、曲面を有する基体に貼り付けることで、曲面を有する半導体装置とすることができる。また、その発光パネルを、曲面を有する筐体に配置することで、曲面を有する電子機器または照明装置を実現することができる。
【０３６５】
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【実施例１】
【０３６６】
本実施例では、実施の形態１で示すトランジスタを作製し、該トランジスタの断面観察を行った。
【０３６７】
トランジスタとして、図１に示すトランジスタ４４０ａと同様の構造の実施例トランジスタ１を作製した。以下に実施例トランジスタ１の作製方法を示す。
【０３６８】
シリコン基板１０上に絶縁膜１１としてスパッタリング法を用いて、膜厚１００ｎｍの酸化シリコン膜を形成した（成膜条件：酸素（酸素５０ｓｃｃｍ）雰囲気下、圧力０．４Ｐａ、電源電力（電源出力）５．０ｋＷ、シリコン基板とターゲットとの間の距離を６０ｍｍ、基板温度１００℃）。
【０３６９】
酸化シリコン膜上に酸化物半導体膜１２としてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２［原子数比］の酸化物ターゲットを用いたスパッタリング法により、膜厚２０ｎｍのＩＧＺＯ膜を形成した。成膜条件は、アルゴン及び酸素（アルゴン：酸素＝３０ｓｃｃｍ：１５ｓｃｃｍ）雰囲気下、圧力０．４Ｐａ、電源電力０．５ｋＷ、基板温度２００℃とした。
【０３７０】
次にＣＶＤ法によりＩＧＺＯ膜上にゲート絶縁膜として酸化窒化シリコン膜を２０ｎｍ成膜した（成膜条件：ＳｉＨ４：Ｎ２Ｏ＝１ｓｃｃｍ：８００ｓｃｃｍ、圧力４０Ｐａ、ＲＦ電源電力（電源出力）１５０Ｗ、電源周波数６０ＭＨｚ、基板温度４００℃）。
【０３７１】
ゲート絶縁膜上に、スパッタリング法により膜厚１００ｎｍのタングステン膜（成膜条件：アルゴン（１００ｓｃｃｍ）雰囲気下、圧力０．２Ｐａ、電源電力１ｋＷ）を成膜し、タングステン膜上にＣＶＤ法により酸化窒化シリコン膜（成膜条件：ＳｉＨ４：Ｎ２Ｏ＝２７ｓｃｃｍ：１０００ｓｃｃｍ、圧力１３３．３Ｐａ、ＲＦ電源電力６０Ｗ、電源周波数１３．５６ＭＨｚ、基板温度３２５℃）を２００ｎｍ積層した。
【０３７２】
ドライエッチング法により、酸化窒化シリコン膜をエッチング（エッチング条件：エッチングガス（ＣＨＦ３：Ｈｅ：ＣＨ４＝２２．５ｓｃｃｍ：１２７．５ｓｃｃｍ：５ｓｃｃｍ）、ＩＣＰ電源電力４７５Ｗ、バイアス電力３００Ｗ、圧力３．５Ｐａ）して絶縁膜１５を形成した。
【０３７３】
次に、ドライエッチング法により、タングステン膜をエッチング（エッチング条件：エッチングガス（ＣＦ４：Ｃｌ２：Ｏ２＝２５ｓｃｃｍ：２５ｓｃｃｍ：１０ｓｃｃｍ）、ＩＣＰ電源電力５００Ｗ、バイアス電力１００Ｗ、圧力１．０Ｐａ、基板温度７０℃）してゲート電極層１４を形成した。
【０３７４】
ゲート電極層１４及び絶縁膜１５上に絶縁膜として、ＣＶＤ法により酸化窒化シリコン膜を７０ｎｍ成膜し（成膜条件：ＳｉＨ４：Ｎ２Ｏ＝１ｓｃｃｍ：８００ｓｃｃｍ、圧力４０Ｐａ、ＲＦ電源電力（電源出力）１５０Ｗ、電源周波数６０ＭＨｚ、基板温度４００℃）、該酸化窒化シリコン膜をドライエッチング法により、エッチング（エッチング条件：エッチングガス（ＣＨＦ３：Ｈｅ＝５６ｓｃｃｍ：１４４ｓｃｃｍ）、ＩＣＰ電源電力２５Ｗ、バイアス電力４２５Ｗ、圧力７．５Ｐａ、基板温度７０℃）して側壁絶縁層１６ａ、１６ｂを形成した。ゲート電極層１４、及び側壁絶縁層１６ａ、１６ｂをマスクとして、ゲート絶縁膜をエッチングし、ゲート絶縁膜１３を形成した。
【０３７５】
酸化物半導体膜１２、ゲート絶縁膜１３、側壁絶縁層１６ａ、１６ｂ、絶縁膜１５上に、スパッタリング法により膜厚３０ｎｍのタングステン膜（成膜条件：アルゴン（８０ｓｃｃｍ）雰囲気下、圧力０．８Ｐａ、電源電力１ｋＷ、基板温度２３０℃）を成膜した。
【０３７６】
さらに、タングステン膜上に、ＣＶＤ法により酸化窒化シリコン膜を５００ｎｍ成膜した（成膜条件：ＳｉＨ４：Ｎ２Ｏ＝２７ｓｃｃｍ：１０００ｓｃｃｍ、圧力１３３．３Ｐａ、ＲＦ電源電力６０Ｗ、電源周波数１３．５６ＭＨｚ、基板温度３２５℃）。
【０３７７】
次に酸化窒化シリコン膜及びタングステン膜に化学的機械研磨法により研磨処理（研磨条件：硬質ポリウレタン系研磨布、アルカリ性シリカ系スラリー、スラリー温度室温、研磨（ロード）圧０．０８ＭＰａ、研磨時回転数（テーブル／スピンドル）５０ｒｐｍ／５０ｒｐｍ、研磨時間２分）を行い、絶縁膜１５が露出するようにゲート電極層１４上の酸化窒化シリコン膜を及びタングステン膜を除去した。
【０３７８】
該研磨処理によって、酸化窒化シリコン膜を絶縁膜１８に加工し、タングステン膜を分断し、ソース電極層１７ａ及びドレイン電極層１７ｂを形成した。
【０３７９】
以上の工程で実施例トランジスタ１を作製した。
【０３８０】
実施例トランジスタ１の端面を切り出し、走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）により、実施例トランジスタ１の断面観察を行った。本実施例ではＳＴＥＭは「日立超薄膜評価装置ＨＤ−２３００」（株式会社日立ハイテクノロジーズ製）を用いた。図１６にトランジスタの断面ＳＴＥＭ像を示す。
【０３８１】
図１６は、実施例トランジスタ１のチャネル長方向の断面ＳＴＥＭ像であり、ソース電極層１７ａ、ドレイン電極層１７ｂが研磨処理によって分断されていることが確認できる。ソース電極層１７ａ、ドレイン電極層１７ｂはゲート電極層１４側面に設けられた側壁絶縁層１６ａ、１６ｂの側面に接するように設けられており、本実施例では側壁絶縁層１６ａ、１６ｂの側面を上端部よりやや低い位置まで覆っている。ソース電極層１７ａ、ドレイン電極層１７ｂの形状は導電膜を分断する研磨処理の条件によって異なり、本実施例に示すように、側壁絶縁層１６ａ、１６ｂ、絶縁膜１５の研磨処理された表面より膜厚方向に後退した形状となる場合がある。
【０３８２】
なお、図１６において、台形を示すゲート電極層１４の下底の幅は約３８２ｎｍ、上底の幅は約３６４ｎｍであり、側壁絶縁層１６ａ、１６ｂのチャネル長方向の幅は約５１．６ｎｍ、ゲート電極層１４上に設けられた絶縁膜１５の膜厚は約４４．１ｎｍ、絶縁膜１８における酸化物半導体膜１２と接するソース電極層１７ａ、ドレイン電極層１７ｂから表面までの膜厚は約１３９．８ｎｍであった。
【０３８３】
本実施例トランジスタ１は、ソース電極層１７ａ、ドレイン電極層１７ｂをゲート電極層１４、絶縁膜１５、及び側壁絶縁層１６ａ、１６ｂ上に設けられた導電膜を化学機械研磨処理することによって除去し、導電膜を分断して形成する。
【０３８４】
従って、ソース電極層１７ａ又はドレイン電極層１７ｂと酸化物半導体膜１２とが接する領域（コンタクト領域）と、ゲート電極層１４との距離を短くすることができるため、ソース電極層１７ａ又はドレイン電極層１７ｂと酸化物半導体膜１２とが接する領域（コンタクト領域）、及びゲート電極層１４間の抵抗が減少し、トランジスタのオン特性を向上させることが可能となる。
【０３８５】
ソース電極層１７ａ及びドレイン電極層１７ｂの形成工程におけるゲート電極層１４上の導電膜を除去する工程において、レジストマスクを用いたエッチング工程を用いないため、精密な加工を正確に行うことができる。よって、半導体装置の作製工程において、形状や特性のばらつきの少ない微細な構造を有するトランジスタを歩留まりよく作製することができる。
【０３８６】
以上、本実施例で示すように、微細な構造であっても高い電気特性を有するトランジスタを歩留まりよく提供することができる。また、該トランジスタを含む半導体装置においても、高性能化、高信頼性化、及び高生産化を達成することができる。
【実施例２】
【０３８７】
本実施例では、本明細書に開示する半導体装置の一形態であるトランジスタを作製し、電気特性の評価を行った。
【０３８８】
トランジスタとして、図１７に示すトランジスタ３４０と同様の構造の実施例トランジスタ２を作製した。以下に実施例トランジスタ２の作製方法を示す。
【０３８９】
シリコン基板３００上に絶縁膜３３６としてスパッタリング法を用いて、膜厚３００ｎｍの酸化シリコン膜を形成した（成膜条件：酸素（酸素５０ｓｃｃｍ）雰囲気下、圧力０．４Ｐａ、電源電力（電源出力）１．５ｋＷ、シリコン基板とターゲットとの間の距離を６０ｍｍ、基板温度１００℃）。
【０３９０】
絶縁膜３３６表面に化学的機械研磨法により研磨処理（研磨圧０．０８ＭＰａ、研磨時間０．５分）を行った。
【０３９１】
研磨処理された絶縁膜３３６上に酸化物半導体膜としてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２［原子数比］の酸化物ターゲットを用いたスパッタリング法により、膜厚１０ｎｍのＩＧＺＯ膜を形成した。成膜条件は、アルゴン及び酸素（アルゴン：酸素＝３０ｓｃｃｍ：１５ｓｃｃｍ）雰囲気下、圧力０．４Ｐａ、電源電力０．５ｋＷ、基板温度２００℃とした。
【０３９２】
ドライエッチング法により、酸化物半導体膜をエッチング（エッチング条件：エッチングガス（ＢＣｌ３：Ｃｌ２＝６０ｓｃｃｍ：２０ｓｃｃｍ）、ＩＣＰ電源電力４５０Ｗ、バイアス電力１００Ｗ、圧力１．９Ｐａ）して島状の酸化物半導体膜３０３を形成した。
【０３９３】
次にＣＶＤ法により島状の酸化物半導体膜３０３上にゲート絶縁膜として酸化窒化シリコン膜を２０ｎｍ成膜した（成膜条件：ＳｉＨ４：Ｎ２Ｏ＝１ｓｃｃｍ：８００ｓｃｃｍ、圧力４０Ｐａ、ＲＦ電源電力（電源出力）１５０Ｗ、電源周波数６０ＭＨｚ、基板温度４００℃）。
【０３９４】
ゲート絶縁膜上に、スパッタリング法により膜厚３０ｎｍの窒化タンタル膜（成膜条件：アルゴン及び窒素（アルゴン：窒素＝５０ｓｃｃｍ：１０ｓｃｃｍ）雰囲気下、圧力０．６Ｐａ、電源電力１ｋＷ）及び膜厚１３５ｎｍのタングステン膜（成膜条件：アルゴン（１００ｓｃｃｍ）雰囲気下、圧力２．０Ｐａ、電源電力４ｋＷ）の積層を成膜した。
【０３９５】
次に、タングステン膜上に、ＣＶＤ法により酸化窒化シリコン膜（成膜条件：ＳｉＨ４：Ｎ２Ｏ＝２７ｓｃｃｍ：１０００ｓｃｃｍ、圧力１３３．３Ｐａ、ＲＦ電源電力６０Ｗ、電源周波数１３．５６ＭＨｚ、基板温度３２５℃）を２００ｎｍ積層した。
【０３９６】
ドライエッチング法により、酸化窒化シリコン膜をエッチング（（エッチング条件：エッチングガス（ＣＨＦ３：Ｈｅ：ＣＨ４＝２２．５ｓｃｃｍ：１２７．５ｓｃｃｍ：５ｓｃｃｍ）、ＩＣＰ電源電力４７５Ｗ、バイアス電力３００Ｗ、圧力３．５Ｐａ）して絶縁膜３１３を形成した。
【０３９７】
ドライエッチング法により、窒化タンタル膜及びタングステン膜をエッチング（第１エッチング条件：エッチングガス（ＣＦ４：Ｃｌ２：Ｏ２＝２５ｓｃｃｍ：２５ｓｃｃｍ：１０ｓｃｃｍ）、ＩＣＰ電源電力５００Ｗ、バイアス電力１００Ｗ、圧力１．０Ｐａ）、（第２エッチング条件：エッチングガス（Ｃｌ２＝１００ｓｃｃｍ）、電源電力２ｋＷ、バイアス電力５０Ｗ、圧力１．０Ｐａ）、（第３エッチング条件：エッチングガス（Ｃｌ２＝１００ｓｃｃｍ）、電源電力１ｋＷ、バイアス電力２５Ｗ圧力、２．０Ｐａ））して、ゲート電極層３０１を形成した。
【０３９８】
ゲート電極層３０１をマスクとしてイオン注入法により酸化物半導体膜３０３に、リン（Ｐ）イオンを注入し、低抵抗領域３０４ａ、低抵抗領域３０４ｂを形成した。なお、リン（Ｐ）イオンの注入条件は加速電圧２５ｋＶ、ドーズ量を１．０×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２とした。
【０３９９】
ゲート電極層３０１及び絶縁膜３１３上に絶縁膜として、ＣＶＤ法により酸化窒化シリコン膜を９０ｎｍ成膜し（成膜条件：ＳｉＨ４：Ｎ２Ｏ＝１ｓｃｃｍ：８００ｓｃｃｍ、圧力４０Ｐａ、ＲＦ電源電力（電源出力）１５０Ｗ、電源周波数６０ＭＨｚ、基板温度４００℃）、該酸化窒化シリコン膜をドライエッチング法により、エッチングして側壁絶縁層３１２ａ、３１２ｂを形成した。ゲート電極層３０１、及び側壁絶縁層３１２ａ、３１２ｂをマスクとして、ゲート絶縁膜をエッチングし、ゲート絶縁膜３０２を形成した。なお、側壁絶縁層３１２ａ、３１２ｂ、及びゲート絶縁膜３０２の形成に用いたエッチング条件は、エッチングガス（ＣＨＦ３：Ｈｅ＝３０ｓｃｃｍ：１２０ｓｃｃｍ）、電源電力３ｋＷ、バイアス電力２００Ｗ、圧力２．０Ｐａ、基板温度−１０℃とした。
【０４００】
酸化物半導体膜３０３、ゲート電極層３０１、側壁絶縁層３１２ａ、３１２ｂ、絶縁膜３１３上に、スパッタリング法により膜厚３０ｎｍのタングステン膜（成膜条件：アルゴン（８０ｓｃｃｍ）雰囲気下、圧力０．８Ｐａ、電源電力１ｋＷ、基板温度２３０℃）を成膜した。
【０４０１】
次に、ドライエッチング法により、タングステン膜をエッチング（（エッチング条件：エッチングガス（ＣＦ４：Ｃｌ２：Ｏ２＝５５ｓｃｃｍ：４５ｓｃｃｍ：５５ｓｃｃｍ）、電源電力３ｋＷ、バイアス電力１４０Ｗ、圧力０．６７Ｐａ）して島状のタングステン膜を形成した。
【０４０２】
次に、絶縁膜として酸化物半導体膜３０３、ゲート電極層３０１、側壁絶縁層３１２ａ、３１２ｂ、絶縁膜３１３、タングステン膜上に、スパッタリング法により酸化アルミニウム膜（成膜条件：アルゴン及び酸素（アルゴン：酸素＝２５ｓｃｃｍ：２５ｓｃｃｍ）雰囲気下、圧力０．４Ｐａ、電源電力２．５ｋＷ、シリコン基板とターゲットとの間の距離を６０ｍｍ、基板温度２５０℃）を７０ｎｍ成膜した。
【０４０３】
さらに、酸化アルミニウム膜上に、ＣＶＤ法により酸化窒化シリコン膜を４３０ｎｍ成膜した（成膜条件：ＳｉＨ４：Ｎ２Ｏ＝２７ｓｃｃｍ：１０００ｓｃｃｍ、圧力１３３．３Ｐａ、ＲＦ電源電力６０Ｗ、電源周波数１３．５６ＭＨｚ、基板温度３２５℃）。
【０４０４】
次に酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、及びタングステン膜に化学的機械研磨法により研磨処理（研磨条件：硬質ポリウレタン系研磨布、アルカリ性シリカ系スラリー、スラリー温度室温、研磨圧０．０８ＭＰａ、研磨時回転数（テーブル／スピンドル）５１ｒｐｍ／５０ｒｐｍ）を行い、絶縁膜３１３が露出するようにゲート電極層３０１上の酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、及びタングステン膜を除去した。
【０４０５】
該研磨処理によって、酸化窒化シリコン膜を絶縁膜３１５と加工し、酸化アルミニウム膜を絶縁膜３１０と加工し、タングステン膜を分断してソース電極層３０５ａ及びドレイン電極層３０５ｂを形成した。
【０４０６】
ゲート電極層３０１、絶縁膜３１３、ソース電極層３０５ａ、ドレイン電極層３０５ｂ、絶縁膜３１０、絶縁膜３１５上に絶縁膜３０７として、ＣＶＤ法により酸化窒化シリコン膜を４００ｎｍ成膜した（成膜条件：ＳｉＨ４：Ｎ２Ｏ＝２７ｓｃｃｍ：１０００ｓｃｃｍ、圧力１３３．３Ｐａ、ＲＦ電源電力６０Ｗ、電源周波数１３．５６ＭＨｚ、基板温度３２５℃）。
【０４０７】
絶縁膜３０７、絶縁膜３１５、及び絶縁膜３１０にソース電極層３０５ａ、ドレイン電極層３０５ｂに達する開口を形成（第１エッチング条件：エッチングガス（ＣＨＦ３：Ｈｅ＝７．５ｓｃｃｍ：１４２．５ｓｃｃｍ）、ＩＣＰ電源電力４７５Ｗ、バイアス電力３００Ｗ、圧力５．５Ｐａ、時間１９２秒、第２エッチング条件：エッチングガス（ＣＨＦ３：Ｈｅ＝７．５ｓｃｃｍ：１４２．５ｓｃｃｍ）、ＩＣＰ電源電力４７５Ｗ、バイアス電力１５０Ｗ、圧力５．５Ｐａ、時間７８秒）した。
【０４０８】
開口に、スパッタリング法により膜厚５０ｎｍのチタン膜（成膜条件：アルゴン（２０ｓｃｃｍ）雰囲気下、圧力０．１Ｐａ、電源電力１２ｋＷ）、膜厚１００ｎｍのアルミニウム膜（成膜条件：アルゴン（５０ｓｃｃｍ）雰囲気下、圧力０．４Ｐａ、電源電力１ｋＷ）、膜厚５０ｎｍのチタン膜（成膜条件：アルゴン（２０ｓｃｃｍ）雰囲気下、圧力０．１Ｐａ、電源電力１２ｋＷ）を積層した。
【０４０９】
チタン膜、アルミニウム膜、及びチタン膜の積層を、エッチング（エッチング条件：エッチングガス（ＢＣｌ３：Ｃｌ２＝６０ｓｃｃｍ：２０ｓｃｃｍ）、ＩＣＰ電源電力４５０Ｗ、バイアス電力１００Ｗ、圧力１．９Ｐａ）し、配線層３３５ａ、３３５ｂを形成した。
【０４１０】
以上の工程で実施例トランジスタ２としてトランジスタ３４０を作製した。
【０４１１】
なお、実施例トランジスタ２においては、チャネル幅（Ｗ）は１０μｍ、ゲート電極層３０１と、ソース電極層３０５ａ、又はドレイン電極層３０５ｂが酸化物半導体膜３０３と接する開口との距離は０．０７μｍとした。
【０４１２】
実施例トランジスタ２の電気特性の評価を行った。
【０４１３】
図１８に、実施例トランジスタ２のドレイン電圧（Ｖｄ）が１Ｖにおけるゲート電圧（Ｖｇ）−ドレイン電流（Ｉｄ）特性、及びドレイン電圧（Ｖｄ）が０．１Ｖにおけるゲート電圧（Ｖｇ）−ドレイン電流（Ｉｄ）特性を示す。なお、図１８の電気特性は、実施例トランジスタ２においてチャネル長（Ｌ）が０．３５μｍの場合であり、測定範囲はゲート電圧−４Ｖ〜＋４Ｖである。
【０４１４】
図１８に示すように実施例トランジスタ２においては、スイッチング素子としての電気特性を示し、ドレイン電圧（Ｖｄ）が１Ｖ、ゲート電圧が２．７Ｖにおいて、実施例トランジスタ２のオン電流値は、４５．１μＡ、しきい値電圧（Ｖｔｈ）は−０．２７Ｖ、サブスレッショルド係数（Ｓ値）は７３．８ｍＶ／ｄｅｃ．であり、また、ドレイン電圧（Ｖｄ）が０．１Ｖにおいて、実施例トランジスタ２の電界効果移動度は３．０ｃｍ２／Ｖｓであった。なお、上記オン電流値、しきい値電圧（Ｖｔｈ）、サブスレッショルド係数（Ｓ値）、電界効果移動度は測定データにおける中央値である。
【０４１５】
また、実施例トランジスタ２の電気特性について、１００点測定したときの面内ばらつきを評価した。
【０４１６】
図２１に、ドレイン電圧が１Ｖ、ゲート電圧が２．７Ｖのときのオン電流の正規確率グラフを示す。オン電流のばらつきを３σで表すと、チャネル長０．３５μｍの場合、３σは１６．５μＡであり、３σを中央値で割った百分率は３６．３％であり、チャネル長０．５５μｍの場合、３σは１１．８μＡであり、３σを中央値で割った百分率は３６．０％であり、チャネル長１μｍの場合、３σは６．４μＡであり、３σを中央値で割った百分率は３０．０％であった。
【０４１７】
図２２に、ドレイン電圧が１Ｖのときのしきい値電圧の正規確率グラフを示す。しきい値電圧のばらつきを３σで表すと、チャネル長０．３５μｍの場合、３σは０．２２Ｖであり、チャネル長０．５５μｍの場合、３σは０．２６Ｖであり、チャネル長１μｍの場合、３σは０．１２Ｖであった。
【０４１８】
図２１及び図２２の結果から、オン電流及びしきい値電圧の両方において、グラフの傾きは大きく、ばらつきが小さいことが確認できた。
【０４１９】
以上より、本実施例のトランジスタは、チャネル長０．３５μｍという微細な構造であっても、スイッチング素子としての十分な電気特性を示し、電気特性のばらつきも小さいことが確認できた。
【０４２０】
以上、本実施例で示すように、微細な構造であっても高い電気特性を有するトランジスタを歩留まりよく提供することができる。また、該トランジスタを含む半導体装置においても、高性能化、高信頼性化、及び高生産化を達成することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物絶縁膜上に設けられたチャネル形成領域を含む酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上にゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極層及び絶縁膜の積層と、
前記ゲート電極層の側面及び前記絶縁膜の側面を覆う側壁絶縁層と、
前記酸化物半導体膜、前記ゲート絶縁膜の側面及び前記側壁絶縁層の側面に接するソース電極層及びドレイン電極層と、
前記ソース電極層及び前記ドレイン電極層上に層間絶縁膜とを有し、
前記ソース電極層及び前記ドレイン電極層の上面の高さは前記絶縁膜、前記側壁絶縁層、及び前記層間絶縁膜の上面の高さより低く、かつ前記ゲート電極層の上面の高さより高く、
前記酸化物半導体膜において、前記ゲート絶縁膜と重なる領域を含む前記ゲート電極層と重ならない領域は、ドーパントを含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１において、前記絶縁膜、前記ソース電極層、前記ドレイン電極層、前記側壁絶縁層、及び前記層間絶縁膜上に接して酸化アルミニウム膜が設けられることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、前記ソース電極層及び前記ドレイン電極層と前記層間絶縁膜との間に酸化アルミニウム膜が設けられることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
酸化物絶縁膜を形成し、
前記酸化物絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成し、
前記酸化物半導体膜上にゲート絶縁膜を形成し、
前記ゲート絶縁膜上に前記酸化物半導体膜と重なるゲート電極層及び絶縁膜を積層し、
前記ゲート電極層及び前記絶縁膜をマスクとして前記酸化物半導体膜にドーパントを選択的に導入し、
前記ゲート絶縁膜上に前記ゲート電極層の側面及び前記絶縁膜の側面を覆う側壁絶縁層を形成し、
前記酸化物半導体膜、前記ゲート絶縁膜、前記ゲート電極層、前記絶縁膜、及び前記側壁絶縁層上に導電膜を形成し、
前記導電膜上に層間絶縁膜を形成し、
前記層間絶縁膜及び前記導電膜を前記ゲート電極層上の前記絶縁膜を露出させるまで化学的機械研磨法により除去して前記導電膜を分断しソース電極層及びドレイン電極層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項５】
請求項４において、前記絶縁膜、前記ソース電極層、前記ドレイン電極層、前記側壁絶縁層、及び前記層間絶縁膜上に酸化アルミニウム膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項６】
請求項４又は請求項５において、前記導電膜上に酸化アルミニウム膜を形成し、前記酸化アルミニウム膜上に前記層間絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項７】
請求項４乃至６のいずれか一項において、前記酸化物半導体膜を形成する前に前記酸化物絶縁膜表面に平坦化処理を行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項８】
請求項４乃至７のいずれか一項において、前記側壁絶縁層を形成する前に前記酸化物絶縁膜に酸素を導入することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１】
酸化物絶縁膜上に設けられたチャネル形成領域を含む酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上にゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極層及び絶縁膜の積層と、
前記ゲート電極層の側面及び前記絶縁膜の側面を覆う側壁絶縁層と、
前記酸化物半導体膜、前記ゲート絶縁膜の側面及び前記側壁絶縁層の側面に接するソース電極層及びドレイン電極層と、
前記ソース電極層及び前記ドレイン電極層上に層間絶縁膜とを有し、
前記ソース電極層及び前記ドレイン電極層の上面の高さは前記絶縁膜、前記側壁絶縁層、及び前記層間絶縁膜の上面の高さより低く、かつ前記ゲート電極層の上面の高さより高く、
前記酸化物半導体膜において、前記ゲート絶縁膜と重なる領域を含む前記ゲート電極層と重ならない領域は、ドーパントを含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１において、前記絶縁膜、前記ソース電極層、前記ドレイン電極層、前記側壁絶縁層、及び前記層間絶縁膜上に接して酸化アルミニウム膜が設けられることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、前記ソース電極層及び前記ドレイン電極層と前記層間絶縁膜との間に酸化アルミニウム膜が設けられることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
酸化物絶縁膜を形成し、
前記酸化物絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成し、
前記酸化物半導体膜上にゲート絶縁膜を形成し、
前記ゲート絶縁膜上に前記酸化物半導体膜と重なるゲート電極層及び絶縁膜を積層し、
前記ゲート電極層及び前記絶縁膜をマスクとして前記酸化物半導体膜にドーパントを選択的に導入し、
前記ゲート絶縁膜上に前記ゲート電極層の側面及び前記絶縁膜の側面を覆う側壁絶縁層を形成し、
前記酸化物半導体膜、前記ゲート絶縁膜、前記ゲート電極層、前記絶縁膜、及び前記側壁絶縁層上に導電膜を形成し、
前記導電膜上に層間絶縁膜を形成し、
前記層間絶縁膜及び前記導電膜を前記ゲート電極層上の前記絶縁膜を露出させるまで化学的機械研磨法により除去して前記導電膜を分断しソース電極層及びドレイン電極層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項５】
請求項４において、前記絶縁膜、前記ソース電極層、前記ドレイン電極層、前記側壁絶縁層、及び前記層間絶縁膜上に酸化アルミニウム膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項６】
請求項４又は請求項５において、前記導電膜上に酸化アルミニウム膜を形成し、前記酸化アルミニウム膜上に前記層間絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項７】
請求項４乃至６のいずれか一項において、前記酸化物半導体膜を形成する前に前記酸化物絶縁膜表面に平坦化処理を行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項８】
請求項４乃至７のいずれか一項において、前記側壁絶縁層を形成する前に前記酸化物絶縁膜に酸素を導入することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図１６】
【公開番号】特開２０１３−１０２１３１（Ｐ２０１３−１０２１３１Ａ）
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２０２５４１（Ｐ２０１２−２０２５４１）
【出願日】平成２４年９月１４日（２０１２．９．１４）
【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２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年９月１４日（２０１２．９．１４）
【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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