半導体装置
【課題】酸化物半導体を用いるトランジスタにおいては、酸化物半導体内に水素が存在することでトランジスタの電気特性不良に繋がる。そこで、良好な電気特性を有する半導体装置を提供する。
【解決手段】チャネル領域が形成される酸化物半導体層と接する絶縁層をハロゲン化珪素を用いたプラズマＣＶＤ法により形成する。このようにして形成された絶縁層の水素濃度は６×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であり、且つハロゲンの濃度は１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であるので、酸化物半導体層に水素が拡散することを防ぐことができ、ハロゲンにより酸化物半導体層内に存在する水素を不活性化させ、または脱離させ、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することできる。
【解決手段】チャネル領域が形成される酸化物半導体層と接する絶縁層をハロゲン化珪素を用いたプラズマＣＶＤ法により形成する。このようにして形成された絶縁層の水素濃度は６×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であり、且つハロゲンの濃度は１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であるので、酸化物半導体層に水素が拡散することを防ぐことができ、ハロゲンにより酸化物半導体層内に存在する水素を不活性化させ、または脱離させ、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することできる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
酸化物半導体を用いる半導体装置、およびそ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】
近年、フラットパネルディスプレイに代表される液晶表示装置や発光表示装置において、その多くに用いられているトランジスタは、ガラス基板上にて、アモルファス珪素や多結晶珪素などの珪素半導体によって構成されている。
【０００４】
最近、珪素半導体に代わって、酸化物半導体をトランジスタに用いる技術が注目されている。
【０００５】
例えば、酸化物半導体として、一元系金属酸化物である酸化亜鉛や、ホモロガス化合物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物があり、それらを用いてトランジスタを作製し、表示装置の画素のスイッチング素子などに用いる技術が開示されている（特許文献１乃至特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１６５５２８号公報
【特許文献２】特開２００７−９６０５５号公報
【特許文献３】特開２００７−１２３８６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
酸化物半導体をチャネル領域に用いたトランジスタは、しきい値電圧（Ｖｔｈ）が、マイナス方向に変動しやすく、ゲート電極の電位がソース電極の電位と同じ場合（Ｖｇｓ＝０Ｖ）においても、少なからずドレイン電流が流れるという問題がある。
【０００８】
このような状況を鑑み、本明細書中で開示する発明の一態様は、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することを課題の一とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するには、チャネル領域が形成される酸化物半導体層と接するゲート絶縁層に、水素含有量が低く、且つフッ素、塩素等のハロゲンを含有する絶縁層を用いることで、ゲート絶縁層から酸化物半導体層への水素の移動が抑制されると共に、酸化物半導体層内に存在する水素を不活性化させ、または脱離させるため、酸化物半導体層内の水素含有量を低減させることができる。
【００１０】
具体的には、水素濃度が６×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、且つハロゲンの濃度が、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であるゲート絶縁層を用いる。
【００１１】
本発明の一態様は、ゲート電極層と、チャネル領域が形成される酸化物半導体層と、酸化物半導体層と電気的に接続されるソース電極層及びドレイン電極層と、ゲート電極層と酸化物半導体層の間に位置するゲート絶縁層と、酸化物半導体層を介して、ゲート絶縁層と対向し、且つ該酸化物半導体層に接し、水素濃度が６×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、ハロゲンの濃度が、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である絶縁層を有する半導体装置である。
【００１２】
本発明の別の一態様は、酸化物半導体層が、上記のゲート絶縁層を介して、ゲート電極層に重畳するボトムゲート構造のトランジスタである。本発明の別の一態様は、ゲート電極層が、上記のゲート絶縁層を介して、酸化物半導体層に重畳するトップゲート構造のトランジスタである。
【００１３】
また、本発明の別の一態様は、上記のゲート絶縁層を、酸化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、または酸化タンタルである酸化物絶縁層とすることである。
【００１４】
また、上記のゲート絶縁層が、ゲート電極層と接する第１のゲート絶縁層と、酸化物半導体層と接する第２のゲート絶縁層とを有してもよい。その際、第２のゲート絶縁層を、水素含有量が低く、且つハロゲンを含有する材料で構成することで、第２のゲート絶縁層から酸化物半導体層への水素の移動が抑制されると共に、酸化物半導体層内に存在する水素を不活性化させ、または脱離させるため、酸化物半導体層内の水素含有量を低減させることができる。
【００１５】
本発明の別の一態様は、ゲート絶縁層が、ゲート電極層と接する第１のゲート絶縁層と、酸化物半導体層と接する第２のゲート絶縁層とを有し、第２のゲート絶縁層における水素濃度が６×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、第２のゲート絶縁層におけるハロゲンの濃度が、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることを特徴とする半導体装置である。
【００１６】
さらに、上記半導体装置を構成し、酸化物半導体層に接するその他の絶縁層においても、水素含有量が低く、ハロゲンを含有している材料で構成することで、絶縁層から酸化物半導体層への水素の移動が抑制されると共に、酸化物半導体層内に存在する水素を不活性化させ、または脱離させるため、酸化物半導体層内の水素含有量を低減させることができる。
【００１７】
本発明の別の一態様は、酸化物半導体層と接する絶縁層の水素濃度が、６×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、ハロゲンの濃度が、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることを特徴とする半導体装置である。
【００１８】
本発明の別の一態様は、酸化物半導体層と接し、酸化物半導体層と基板の間に設けられた絶縁層の水素濃度が、６×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、ハロゲンの濃度が、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であって、絶縁層の厚さが、酸化物半導体層の厚さとゲート絶縁層の厚さの和の５倍以上であるトップゲート型トランジスタおよびそのようなトランジスタを有する半導体装置である。
【００１９】
また、本発明の別の一態様は、基板上に設けられた絶縁層と、絶縁層に接する酸化物半導体層と、酸化物半導体層に接して設けられた１対の導電領域と、酸化物半導体層および導電領域上に、絶縁膜を間にはさんで設けられるゲート電極層とを有し、導電領域が絶縁層と接しないことを特徴とするトップゲート型トランジスタおよびそのようなトランジスタを有する半導体装置である。
【００２０】
また、本発明の別の一態様は、酸化物半導体層に接して、四フッ化珪素（ＳｉＦ４）、四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）等のハロゲン化珪素を原料ガスとして用いることにより得られる酸化珪素を主成分とする絶縁膜を設けた半導体装置である。ここで、酸化珪素を主成分とする絶縁膜とは、絶縁膜中の酸素以外の元素のうち、珪素の比率が７０％以上、好ましくは９０％以上であるものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の一態様によれば、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】半導体装置（トランジスタ）を説明する上面図及び断面図である。
【図２】ガリウム原子中心のクラスターモデルを示す図である。
【図３】水素原子の脱離反応における反応式および、エネルギーダイアグラムを示す図である。
【図４】結合エネルギーの算出に用いるモデルを示す図である。
【図５】水素原子の脱離反応における反応式および、エネルギーダイアグラムを示す図である。
【図６】トランジスタの作製方法を説明する断面図である。
【図７】トランジスタの作製方法を説明する断面図である。
【図８】トランジスタの作製方法を説明する断面図である。
【図９】トランジスタの作製方法を説明する断面図である。
【図１０】酸化珪素層に含まれる水素濃度、およびフッ素濃度を示す図である。
【図１１】電子書籍の一例を示す外観図である。
【図１２】テレビジョン装置およびデジタルフォトフレームの例を示す外観図である。
【図１３】携帯型のコンピュータの一例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる。また、同様のものを指す際にはハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。また、便宜上、絶縁層は上面図には表さない場合がある。なお、各図面において示す各構成の、大きさ、層の厚さ、又は領域は、明瞭化のために誇張されて表記している場合がある。従って、必ずしもそのスケールに限定されない。
【００２４】
なお、ＡとＢとが接続されている、と記載する場合は、ＡとＢとが電気的に接続されている場合と、ＡとＢとが直接接続されている場合とを含むものとする。ここで、Ａ、Ｂは、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など）であるとする。
【００２５】
また、トランジスタにおいて「ソース」や「ドレイン」の機能は、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」の用語は、入れ替えて用いることができるものとする。
【００２６】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様である半導体装置について図１を用いて説明する。なお、図１では半導体装置としてトランジスタを示すが、ダイオードその他のものであっても同様に実施できる。
【００２７】
図１（Ａ）は、トランジスタの上面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ１−Ｂ１における断面図である。トランジスタは、基板１０１上に下地絶縁層１０２と、ゲート電極層１０３と、ゲート絶縁層１０４と、チャネル領域が形成される酸化物半導体層１０６と、ソース電極層１０７ａおよびドレイン電極層１０７ｂと、酸化物半導体層１０６とソース電極層１０７ａおよびドレイン電極層１０７ｂとを覆う絶縁層１０８と、を含む。
【００２８】
図１に示すトランジスタは、酸化物半導体層１０６が、ゲート絶縁層１０４を介して、ゲート電極層１０３に重畳して形成されるボトムゲート構造のトランジスタである。また、図１に示すトランジスタは、ソース電極層１０７ａおよびドレイン電極層１０７ｂが、酸化物半導体層１０６の上面一部と接して形成されるトップコンタクト型である。
【００２９】
なお、ボトムゲート構造のトランジスタには、トップコンタクト型の他に、ソース電極層およびドレイン電極層が、チャネル領域が形成される半導体層の下面一部と接して形成されるボトムコンタクト型がある。本実施の形態ではトップコンタクト型について説明するが、ボトムコンタクト型であっても、本実施の形態を参照して実施することができる。
【００３０】
図１に示すトランジスタは、ゲート絶縁層１０４の上面一部と酸化物半導体層１０６の下面が接する構造となる。それゆえ、トランジスタの作製工程において、ゲート絶縁層１０４に水素が多く存在する場合、酸化物半導体層１０６に水素が拡散し、酸化物半導体層１０６内の水素含有量が増加する。酸化物半導体層１０６内の水素含有量が増加すると、酸化物半導体層１０６内のキャリアが増加する。このため、トランジスタのしきい値電圧（Ｖｔｈ）が、マイナス方向に変動してしまい、ゲート電極の電位がソース電極の電位と同じ場合（Ｖｇｓ＝０Ｖ）においても、ドレイン電流が流れる、電気特性が不良なトランジスタとなる。
【００３１】
酸化物半導体層１０６から拡散した水素を取り除くには、酸化物半導体層１０６を加熱処理する方法がある。しかし、トランジスタの作製工程を増やすため、コストがかかり、歩留まりを悪くする可能性がある。また、４００℃程度の加熱処理では十分な効果が得られないこともわかっている。
【００３２】
一方、本発明者らの知見では、酸化物半導体層１０６と接するゲート絶縁層１０４の水素濃度を６×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とし、且つハロゲンの濃度を１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上とすると、ゲート絶縁層１０４から酸化物半導体層１０６への水素の移動が抑制されると共に、酸化物半導体層１０６内に存在する水素を不活性化させ、または脱離させる効果が得られるため、酸化物半導体層１０６内の水素含有量を低減させることができることが明らかとなった。
【００３３】
つまり、酸化物半導体層１０６と接するゲート絶縁層１０４を、上記水素濃度およびハロゲン濃度であるゲート絶縁層とすることで、トランジスタの作製工程を増やさずに、良好な電気特性を有するトランジスタを得ることができる。特に、プロセスの最高温度を４００℃未満、好ましくは３５０℃以下としながらも実用的な信頼性と特性を備えたトランジスタを形成できる。もちろん、プロセスの最高温度は本発明を実施する上で何ら制約となるものではなく、プロセスの最高温度を４００℃以上としてもよい。
【００３４】
また、酸化物半導体層１０６と、ソース電極層１０７ａおよびドレイン電極層１０７ｂとを覆う絶縁層１０８は、酸化物半導体層１０６の上面一部と接している。それゆえ、絶縁層１０８の水素濃度を６×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、ハロゲン濃度を１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上とすることで、絶縁層１０８から酸化物半導体層１０６への水素の移動が抑制されると共に、酸化物半導体層１０６内に存在する水素を不活性化させ、または脱離させることができるため、酸化物半導体層１０６内の水素含有量を低減させることができ、良好な電気特性を有する半導体装置とすることができる。
【００３５】
基板１０１としては、後の作製工程に耐えられるものであれば特に限定されない。例えば、基板１０１として、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、若しくはサファイア基板などの絶縁性基板、珪素などの半導体材料でなる半導体基板、金属若しくはステンレスなどの導電体でなる導電性基板、又は、半導体基板若しくは導電性基板の表面を絶縁材料で被覆した基板などを用いることができる。また、プラスチック基板も適宜用いることができる。
【００３６】
また、ガラス基板としては、トランジスタの作製工程に加熱温度が６００℃以上の処理をおこなう場合には、歪点が７３０℃以上のものを用いるとよい。例えば、アルミノシリケートガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスなどのガラス材料が用いられる。
【００３７】
下地絶縁層１０２は、基板１０１からの不純物元素の拡散を防止する他に、トランジスタの作製工程におけるエッチング工程によって、基板がエッチングされることを防ぐ。下地絶縁層１０２の厚さに限定はないが、上記理由より、下地絶縁層１０２の厚さは５０ｎｍ以上とすることが好ましい。
【００３８】
下地絶縁層１０２には、酸化珪素、酸化窒化珪素、窒化珪素、窒化酸化珪素、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、または酸化タンタルなどの絶縁層を用いて、単層構造又は２層以上の積層構造で形成する。
【００３９】
ここで、酸化窒化珪素とは、その組成において、窒素よりも酸素の含有量が多いものを示し、例として、少なくとも酸素が５０原子％以上７０原子％以下、窒素が０．５原子％以上１５原子％以下、珪素が２５原子％以上３５原子％以下の範囲で含まれるものをいう。また、窒化酸化珪素とは、その組成において、酸素よりも窒素の含有量が多いものを示し、例として、少なくとも酸素が５原子％以上３０原子％以下、窒素が２０原子％以上５５原子％以下、珪素が２５原子％以上３５原子％以下の範囲で含まれるものをいう。
【００４０】
上記範囲は、ラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）や、水素前方散乱法（ＨＦＳ：Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｆｏｒｗａｒｄ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）を用いて測定した場合のものである。また、構成元素の含有比率は、その合計が１００原子％を超えない値をとる。
【００４１】
ゲート電極層１０３は、下地絶縁層１０２上に形成される。ゲート電極層１０３の材料は、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、白金、パラジウム、オスミウム等の金属材料、これら金属材料を主成分とする合金材料、或いはこれら金属の窒化物を、単層で又は積層で用いることができる。なお、後の工程において行われる加熱処理の温度に耐えうるのであれば、上記金属材料としてアルミニウムまたは銅を用いることも出来る。アルミニウムまたは銅は、耐熱性や腐食性の問題を回避するために、高融点金属材料と組み合わせて用いると良い。高融点金属材料としては、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、ネオジム、スカンジウム等を用いることができる。
【００４２】
ゲート電極層１０３は単層構造以外にも、２つ以上の異なる材質の膜の積層よりなってもよい。例えば、積層構造を有するゲート電極層１０３として、アルミニウム膜上にモリブデン膜を積層した二層構造、または銅膜上にモリブデン膜を積層した二層構造、または銅膜上に窒化チタン膜若しくは窒化タンタル膜を積層した二層構造、窒化チタン膜とモリブデン膜とを積層した二層構造とすることが好ましい。また、積層構造を有するゲート電極層１０３としては、アルミニウム膜、アルミニウムと珪素の合金膜、アルミニウムとチタンの合金膜またはアルミニウムとネオジムの合金膜を中間層とし、タングステン膜、窒化タングステン膜、窒化チタン膜またはチタン膜をその上下に配置した構造とすることが好ましい。
【００４３】
また、ゲート電極層１０３に酸化インジウム、酸化インジウム酸化スズ合金、酸化インジウム酸化亜鉛合金、酸化亜鉛、酸化亜鉛アルミニウム、酸化窒化亜鉛アルミニウム、または酸化亜鉛ガリウム等の透光性を有する酸化物導電体、または多結晶珪素を用いることができる。
【００４４】
また、ゲート電極層１０３にＩｎ−Ｏ−Ｎ系、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ−Ｎ系、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ−Ｎ系、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ−Ｎ系等の酸窒化物を用いてもよい。ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ−Ｎ系の酸窒化物とは、少なくともＩｎとＧａとＺｎとを含む酸窒化物であり、その組成比に特に制限はない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の元素を含んでもよい。
【００４５】
ゲート電極層１０３の厚さは、特に限定はなく、金属材料、合金材料、またはその他の化合物からなる導電膜の電気抵抗や、作製工程にかかる時間を考慮し、適宜決めることができる。例えば、１０ｎｍ〜５００ｎｍで形成すればよい。
【００４６】
ゲート絶縁層１０４は、ゲート電極層１０３を覆って設けられる。上記したようにゲート絶縁層１０４は、酸化物半導体層１０６と接するため、ゲート絶縁層１０４の水素濃度を６×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とし、且つフッ素濃度を１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上とするとよい。
【００４７】
かくすることで、ゲート絶縁層１０４から酸化物半導体層１０６への水素の移動が抑制されると共に、酸化物半導体層１０６内に存在する水素を不活性化させ、または脱離させるため、酸化物半導体層１０６内の水素含有量を低減させることができる。なお、ゲート絶縁層１０４の厚さは、絶縁耐圧、およびトランジスタの作製工程を考慮して、適宜決めることができる。
【００４８】
ゲート絶縁層１０４は、上記水素濃度およびフッ素濃度を満たしていれば、下地絶縁層１０２で例示したものを用いることができるが、本実施の形態では、プラズマＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で形成する酸化珪素層について記載する。
【００４９】
プラズマＣＶＤ法とは、プラズマＣＶＤ装置内の反応室に、原料となる堆積性ガスを供給し、プラズマエネルギーを援用して、膜を形成する方法である。プラズマＣＶＤ法では、例えば、スパッタリング法に比べて、段差被覆性の良好な膜を形成できる。
【００５０】
プラズマＣＶＤ装置は、高周波電源を用いる容量結合型高周波プラズマＣＶＤ装置や、誘導結合型高周波プラズマＣＶＤ装置、マイクロ波発生源であるマグネトロンおよび誘電体を有し、マイクロ波を用いてプラズマを発生させるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置（電子サイクロトロン共鳴プラズマＣＶＤ装置）その他、ヘリコン波プラズマＣＶＤ装置などがあり、本明細書中のプラズマＣＶＤ法においては、グロー放電プラズマを膜形成に利用するＣＶＤ装置を適宜用いることができる。また、プラズマＣＶＤ法は、基板を加熱しながらおこなうことができる。
【００５１】
原料となる堆積性ガスとして、組成式中に水素が含まれていないガスを選択し、酸化珪素層を形成する必要がある。つまり、堆積性ガスとしてシラン（ＳｉＨ４）ではなく、フッ化珪素（例えば、ＳｉＦ４）あるいは塩化珪素（例えば、ＳｉＣｌ４）を使用する。さらに、酸化させるためのガスについて、水素や水の含有量を低減した亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）または酸素とし、プラズマの安定化のために添加するアルゴンなどその他のガスにおいても、水素や水の含有量が低いガスとする。
【００５２】
さらに、プラズマＣＶＤ法で酸化珪素層を形成する際に、プラズマＣＶＤ装置の反応室内に残留しているまたは反応室の内壁に吸着している水素や水などの不純物を除去したのち、反応室の内壁を加熱しながら、上記構成のガスを用いて形成する。特に堆積性ガスとしてフッ化珪素を用いた場合には、ゲート絶縁層１０４の水素濃度を６×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、フッ素濃度を１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上とすることができる。
【００５３】
また、ゲート電極層１０３上に、フッ素を含有する酸化珪素層を形成する際には、同時に生じるフッ素により、ゲート電極層１０３がエッチングされる可能性があるが、ゲート絶縁層を二層以上とすることで、これを防ぐことができる。その際、ゲート電極層１０３と接する第１のゲート絶縁層のフッ素濃度は、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満が好ましい。
【００５４】
そして、酸化物半導体層１０６と接する第２のゲート絶縁層は、上記した四フッ化珪素を用いた酸化珪素層のような、フッ素濃度が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である絶縁層とする必要がある。さらに、第１のゲート絶縁層は、四フッ化珪素等を用いて第２のゲート絶縁層である酸化珪素層を形成する際に、消失しない膜厚で形成することがよい。例えば、第１のゲート絶縁層には、下地絶縁層１０２で例示した絶縁層を用いることができる。
【００５５】
チャネル領域が形成される酸化物半導体層１０６は、ゲート絶縁層１０４上に接して形成される。また、酸化物半導体層１０６の厚さは、１０ｎｍ〜３００ｎｍ、好ましくは２０ｎｍ〜１００ｎｍとする。
【００５６】
酸化物半導体層１０６は、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物を用いて形成する。酸化物半導体としては、その他にも、四元系酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系や、三元系酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系や、二元系酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系や、酸化インジウム、酸化錫、酸化亜鉛などを用いて形成することができる。ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物とは、少なくともＩｎとＧａとＺｎとを含む酸化物であり、その組成比に特に制限はない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の元素を含んでもよい。
【００５７】
また、酸化物半導体層１０６は、化学式ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される酸化物を用いて形成することができる。ここで、Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、ＭｎもしくはＣｏから選ばれた一の金属元素、又は複数の金属元素を示す。例えばＭとして、Ｇａ、Ｇａ及びＡｌ、Ｇａ及びＭｎ、またはＧａ及びＣｏなどがある。
【００５８】
ソース電極層１０７ａおよびドレイン電極層１０７ｂは、ゲート絶縁層１０４および酸化物半導体層１０６に接して形成される。ソース電極層１０７ａおよびドレイン電極層１０７ｂは、ゲート電極層１０３と同様の材料および厚さとすることができる。
【００５９】
パッシベーション膜、または層間絶縁膜として機能する絶縁層１０８は、ソース電極層１０７ａ、ドレイン電極層１０７ｂ、および酸化物半導体層１０６上に接して形成される。絶縁層１０８は、ゲート絶縁層１０４と同様に形成することができる。酸化物半導体層１０６の上面一部と接するため、ゲート絶縁層１０４と同様の酸化珪素層を用いることで、絶縁層１０８から酸化物半導体層１０６への水素の移動が抑制されると共に、酸化物半導体層１０６内に存在する水素を不活性化させ、または脱離させるため、酸化物半導体層１０６内の水素含有量を低減させることができる。
【００６０】
絶縁層１０８の形成過程においては、ゲート絶縁層１０４の形成に関して指摘したのと同様に、堆積性ガスに含まれるフッ素により、ソース電極層１０７ａおよびドレイン電極層１０７ｂがエッチングされる可能性がある。したがって、絶縁層１０８の厚さは、このことを考慮して、適宜決めればよい。
【００６１】
また、絶縁層１０８は、水素含有量を低減できる手法で形成してもよい。例えば、スパッタリング法で形成した酸化珪素等である。酸化珪素は、珪素ターゲットまたは酸化珪素ターゲットなどを用いて形成することができる。好ましくは、酸化珪素ターゲット、より好ましくは、含まれる水酸基濃度が１０００ｐｐｍ以下、または水素濃度が３．５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である酸化珪素ターゲットを用いる。さらに、形成する際に供給するガスは、アルゴン等の希ガスおよび、酸素とする。そして、該形成する際に供給するガスは、水素、水、水酸基または水素化物などの不純物が１ｐｐｍ以下、好ましくは１ｐｐｂ以下にまで除去された高純度ガスを用いることが好ましい。
【００６２】
以下に、フッ素によって、酸化物半導体層１０６内に存在する水素が不活性化し、または脱離する効果について量子化学計算より説明する。以下に示す量子化学計算には、ガウス（Ｇａｕｓｓ）基底を用いた密度汎関数法（Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｔｈｅｏｒｙ：ＤＦＴ）を用いる。密度汎関数法では、交換相関相互作用を電子密度で表現された一電子ポテンシャルの汎関数で近似しているため、計算は高速かつ高精度である。本実施の形態では、混合汎関数であるＢ３ＬＹＰを用いて、交換と相関エネルギーに係る各パラメータの重みを規定する。
【００６３】
また、全ての原子に適用する基底関数は、それぞれの原子価軌道に三つの短縮関数を用いたｔｒｉｐｌｅ ｓｐｌｉｔ ｖａｌｅｎｃｅ基底系の基底関数である６−３１１Ｇとする。この基底関数により、水素原子であれば、１ｓ〜３ｓの軌道が考慮され、酸素原子であれば、１ｓ〜４ｓ、２ｐ〜４ｐの軌道が考慮される。さらに、計算精度向上のために、分極基底系として、水素原子にはｐ関数を、水素原子以外にはｄ関数を加える。そして、量子化学計算プログラムには、コンフレックス株式会社製のＧａｕｓｓｉａｎ ０９を用いる。
【００６４】
本実施の形態において、酸化物半導体層１０６に存在する水素原子は、酸素原子や金属原子と結合しているので、酸化物半導体層１０６中の水素を含む構造は、下記構造式（α−１）、および構造式（α−２）であると仮定する。下記構造式（α−１）、および構造式（α−２）では、配位結合は考慮せず、イオン結合のみを考慮している。本実施の形態における酸化物半導体層１０６は、上記で説明したＩｎ（インジウム）、Ｇａ（ガリウム）、及びＺｎ（亜鉛）を含む酸化物半導体であるが、下記構造式（α−１）、および構造式（α−２）で示す金属原子は、Ｇａ（ガリウム）としている。
【００６５】
【化１】
【００６６】
フッ素原子が、酸化物半導体層１０６内の水素と反応する過程としては、（式１）に示す反応と、（式２）に示す反応がある。
【００６７】
Ｇａ−ＯＨ ＋ Ｆ・ →ＨＦ ＋ Ｇａ−Ｏ・ （式１）
【００６８】
Ｇａ−Ｈ ＋ Ｆ・ →ＨＦ ＋ Ｇａ・ （式２）
【００６９】
（式１）では、フッ素ラジカルが、水酸基の水素原子と反応して、ＨＦ（フッ化水素）分子を形成し、（式２）では、フッ素ラジカルが、ガリウム原子と結合している水素原子と反応してＨＦ（フッ化水素）分子を形成する。なお、（式１）および（式２）における「・」は、ラジカルを表す。
【００７０】
本量子化学計算では、上記構造式（α−１）および構造式（α−２）において、図２に示す簡易的なクラスターモデルを用いて行い、上記反応についての活性化エネルギーを算出し、反応の起こりやすさを評価している。
【００７１】
（式１）の反応について量子化学計算を行い、解析した反応経路と、エネルギーダイアグラムを図３に示す。
【００７２】
図３において、始状態（１）では、水酸基とフッ素ラジカルが無限遠に離れているとする。エネルギーダイアグラムでは、始状態（１）のエネルギーを基準とする。中間体（２）では、フッ素ラジカルがガリウム原子へ接近して、Ｇａ−Ｏ結合が切断し、水酸基ラジカルが生成し、Ｇａ−Ｆ結合が形成される。この反応により、中間体（２）のポテンシャルエネルギーが−１．６７ｅＶとなる。
【００７３】
中間体（３）では、水酸基ラジカルの水素原子が、フッ素原子と結合し、ＨＦ分子を生成する。中間体（２）および中間体（３）のポテンシャルエネルギーの差である活性化エネルギーは、０．６１ｅＶと算出される。中間体（４）では、酸素ラジカルとＨＦ分子が相互作用しており、終状態（５）では、酸素ラジカルとＨＦ分子が無限遠に離れる。
【００７４】
実際には、ＨＦは酸化物半導体層１０６から脱離することもあるし、何らかの理由で留まることもある。酸化物半導体層１０６中にＨＦが留まっていたとしても、ＨＦ分子中の水素は、酸化物半導体と結合していない（すなわち、不活性化されている）ので、酸化物半導体のキャリア源となることはない。
【００７５】
中間体（２）において、フッ素ラジカルがガリウム原子へ接近することで、Ｇａ−Ｏ結合が切断し、Ｇａ−Ｆ結合が形成されることは、Ｇａ−Ｏ結合の結合エネルギーが４．３７ｅＶであり、Ｇａ−Ｆ結合の結合エネルギーが５．３１ｅＶであることに起因している。
【００７６】
ここでのＧａ−Ｏ結合の結合エネルギーとは、ガリウム原子に水酸基が結合している状態（図４（Ａ）参照）のポテンシャルエネルギーと、水酸基ラジカルが、無限遠に離れている状態（図４（Ｂ）参照）のポテンシャルエネルギーの差を算出した値である。ここでのＧａ−Ｆ結合の結合エネルギーとは、ガリウム原子にフッ素が結合している状態（図４（Ｃ）参照）のポテンシャルエネルギーと、フッ素ラジカルが、無限遠に離れている状態（図４（Ｄ）参照）のポテンシャルエネルギーの差を算出した値である。
【００７７】
（式１）に示した酸化物半導体層１０６内の水素とフッ素が化合する反応は、始状態（１）と終状態（５）のエネルギー差から、発熱反応であることがわかる。それゆえ、この反応は容易に進行すると言える。
【００７８】
次に、（式２）の反応について量子化学計算をし、解析した反応経路と、エネルギーダイアグラムを図５に示す。
【００７９】
図５において、始状態（１）では、水素原子とフッ素ラジカルが無限遠に離れているとする。エネルギーダイアグラムでは、始状態（１）のエネルギーを基準としている。中間体（２）では、フッ素ラジカルがガリウム原子へ接近して、Ｇａ−Ｈ結合が切断し、水素ラジカルが生成し、Ｇａ−Ｆ結合を形成する。この反応により、中間体（２）のポテンシャルエネルギーが−１．９９ｅＶとなる。
【００８０】
中間体（３）では、水素ラジカルがフッ素原子と結合して、ＨＦ分子を形成する。中間体（２）および中間体（３）のポテンシャルエネルギーの差である活性化エネルギーは０．４５ｅＶと算出される。中間体（４）では、ガリウム原子に結合している酸素原子とＨＦ分子が相互作用しており、終状態（５）では、ＨＦ分子が無限遠に離れる。
【００８１】
（式１）と同様に、中間体（２）では、フッ素ラジカルがガリウム原子へ接近すると、Ｇａ−Ｈ結合が切れて、Ｇａ−Ｆ結合が形成されることは、（式１）で説明した理由と同様にＧａ−Ｆ結合のほうが、Ｇａ−Ｈ結合よりも結合エネルギーの観点から、安定であることに起因している。
【００８２】
（式２）に示した酸化物半導体層１０６内の水素を脱離させる反応においても、始状態（１）と終状態（５）のエネルギー差から、発熱反応であることがわかる。それゆえ、水素を脱離させる反応が容易に進行すると言える。
【００８３】
以上より、フッ素により酸化物半導体層１０６内に存在する水素を不活性化させ、または脱離させることができる。
【００８４】
次に、図１に示す半導体装置の作製方法について図６を用いて説明する。
【００８５】
基板１０１上に下地絶縁層１０２を形成する。基板１０１および下地絶縁層１０２は、上記に記載したものを用いることができ、本実施の形態では、基板１０１にガラス基板を用いる。下地絶縁層１０２は、プラズマＣＶＤ法でも形成することができるが、本半導体装置の作製方法では、ターゲットを酸化珪素とし、形成する際の供給するガスをアルゴン等の希ガスおよび、酸素として、ＲＦスパッタリング法で酸化珪素層を２００ｎｍ形成する。
【００８６】
次いで、ゲート電極層１０３として機能する導電膜を成膜する。該導電膜として、本半導体装置の作製方法では、チタンターゲットを用いたＤＣスパッタリング法で厚さ１５０ｎｍのチタン膜を成膜する。その後、第１のフォトリソグラフィ工程およびエッチング工程を行い、厚さ１５０ｎｍのゲート電極層１０３を形成する。
【００８７】
該導電膜のエッチングには、ウェットエッチング、ドライエッチングのいずれを用いても良い。なお、素子の微細化という観点からはドライエッチングを用いるのが好適である。エッチングガスやエッチング液については被エッチング材料に応じて適宜選択することができる。
【００８８】
なお、ゲート電極層１０３の側面はテーパー状とすることが好ましい。ゲート電極層１０３上には、後の工程で酸化物半導体膜、ソース電極層およびドレイン電極層となる導電膜を形成するので、ゲート電極層１０３の側面がテーパー状であると段差の箇所における配線の断線を防止する上で有効である。ゲート電極層１０３の側面をテーパー状とするためにはレジストマスクを後退させつつエッチングを行えばよい。
【００８９】
次いで、ゲート絶縁層１０４をプラズマＣＶＤ法で形成する。プラズマＣＶＤ装置内の反応室の内壁を加熱して、反応室の内壁から不純物を放出させる。その後、反応室内に残留しているまたは反応室の内壁から放出させた不純物を、三フッ化窒素（ＮＦ３）などのフッ素化合物を用いたプラズマクリーニングで除去する。また、本実施の形態では、高周波電源を用いた容量結合型プラズマＣＶＤ装置を用いる。
【００９０】
プラズマＣＶＤ装置内の反応室の内壁を加熱する温度は、１００℃以上３５０℃以下として、好ましくは１００℃以上１２５℃以下とすることがよく、少なくとも３０分以上、好ましくは６０分以上おこなうことがよい。また、本加熱工程は、排気しながらおこなうことも可能である。
【００９１】
上記プラズマクリーニングの方法に特別な限定はない。本半導体装置の作製方法では、クリーニングをおこなう反応室にて、プラズマ生成を行い、クリーニングをする方法について例示するが、クリーニングをおこなう反応室の外部にて、あらかじめプラズマ生成を行い、該生成したプラズマを反応室に供給して、クリーニングをするリモートプラズマクリーニングであってもよい。
【００９２】
本半導体装置の作製方法におけるプラズマクリーニングは、プラズマ処理工程と排気工程からなり、具体的なプラズマクリーニング条件としては、三フッ化窒素を４００ｓｃｃｍ〜２０００ｓｃｃｍの流量で反応室内に供給し、反応室内の圧力を１０Ｐａ〜２００Ｐａに調整し、電極間隔は、１５ｍｍ〜６０ｍｍに調整し、１３．５６ＭＨｚ〜６０ＭＨｚの高周波電源にて５００Ｗ〜２０００Ｗの電力（単位電極面積あたりの電力（パワー密度）としては１Ｗ／ｃｍ２〜４Ｗ／ｃｍ２）を出力することでプラズマを発生させ、５分〜１０分の間処理するとよい。より好ましいプラズマクリーニング条件としては、三フッ化窒素を６００ｓｃｃｍの流量で反応室内に供給し、反応室内の圧力は７０Ｐａ程度とし、電極間隔は５０ｍｍに調整し、６０ＭＨｚの高周波電源にて９００Ｗ（パワー密度に換算すると約１．８Ｗ／ｃｍ２）を７分間出力するとよい。
【００９３】
その後、堆積性ガスとして、四フッ化珪素を、さらに、酸化させるためのガスとして亜酸化窒素を、添加ガスとしてアルゴンを、反応室に供給し、プラズマエネルギーを援用して、酸化珪素膜を２００ｎｍ成膜する。また、ゲート絶縁層１０４を二層とする場合は、ゲート電極層１０３と接する第１のゲート絶縁層に、堆積性ガスとしてシランを用いた酸化珪素膜を１５０ｎｍ成膜し、酸化物半導体層１０５と接する第２のゲート絶縁層に、堆積性ガスとして四フッ化珪素を用いた酸化珪素膜を５０ｎｍ成膜すればよい。ここまでの工程で得られた構成を図６（Ａ）に示す。
【００９４】
次いで、厚さ５０ｎｍの酸化物半導体膜を、ＤＣスパッタリング法で成膜する。酸化物半導体膜は、ゲート絶縁層１０４と接して形成されるため、ゲート絶縁層１０４に含有されているフッ素が、酸化物半導体膜中に存在する水素を不活性化させ、または、脱離させる。さらに、ゲート絶縁層１０４から、酸化物半導体膜の欠陥に酸素が供給される。本実施の形態では、ＤＣスパッタリング法を用いるが、真空蒸着法、パルスレーザ堆積法、ＣＶＤ法などを用いて形成してもよい。
【００９５】
本半導体装置の作製方法では、Ｉｎ（インジウム）、Ｇａ（ガリウム）、及びＺｎ（亜鉛）を含む酸化物半導体ターゲット（モル数比がＩｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１、またはＩｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：２）を用いたスパッタリング法により得られるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体膜を用いる。さらに、本半導体装置の作製方法では、ＤＣスパッタリング法を用い、アルゴンの流量を３０ｓｃｃｍとし、酸素の流量を１５ｓｃｃｍとする。
【００９６】
なお、酸化物半導体膜をスパッタリング法により成膜する前に、アルゴンガスを導入してプラズマを発生させる逆スパッタリングをおこなうことが好ましい。逆スパッタリングとは、アルゴン、窒素、ヘリウムなどの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。また、酸素、亜酸化窒素などを加えた雰囲気で行ってもよいし、塩素（Ｃｌ２）、四フッ化炭素（ＣＦ４）などを加えた雰囲気で行ってもよい。
【００９７】
酸化物半導体膜の形成の際には、基板の温度が１００℃以上５５０℃未満、好ましくは２００℃以上４００℃以下となるように基板を熱する。そして、処理室内の水分を除去しつつ、水素や水などが除去されたスパッタリングガスを導入し、酸化物半導体ターゲットを用いて酸化物半導体膜を形成する。基板を熱しながら酸化物半導体膜を形成することにより、酸化物半導体膜に含まれる水分をさらに低減することができる。また、スパッタリングによる損傷を軽減することができる。
【００９８】
処理室内の水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプなどを用いることができる。また、ターボポンプにコールドトラップを加えたものを用いてもよい。クライオポンプなどを用いて排気することで、処理室から水素や水などを除去することができるため、酸化物半導体膜中のそれらの濃度を低減できる。
【００９９】
その後、第２のフォトリソグラフィ工程およびエッチング工程を行い、島状に加工された酸化物半導体層１０５を形成する。ここまでの工程で得られた構成を図６（Ｂ）に示す。
【０１００】
次いで、不活性ガス雰囲気（窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン等）下、或いは露点がマイナス６０℃以下等の水分含有量が少ない乾燥空気雰囲気下において、酸化物半導体層１０５に加熱処理を施しても良い。例えば、１００℃以上４００℃以下で１０分間以上の加熱処理でおこなうとよい。
【０１０１】
加熱処理は、電気炉を用いた加熱方法、加熱した気体を用いるＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）法またはランプ光を用いるＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）法などの瞬間加熱方法などを用いることができる。例えば、電気炉を用いて加熱処理をおこなう場合、昇温特性を０．１℃／ｍｉｎ以上２０℃／ｍｉｎ以下、降温特性を０．１℃／ｍｉｎ以上１５℃／ｍｉｎ以下とすることが好ましい。
【０１０２】
本半導体装置の作製方法では、酸化物半導体層１０５に加熱処理を施すことで、水分、水素が脱離した酸化物半導体層１０６が形成される。この際においても、ゲート絶縁層１０４に含有されるフッ素が、酸化物半導体膜内に存在する水素を不活性化させ、または、脱離させる。さらに、ゲート絶縁層１０４から、酸化物半導体層１０６の欠陥に酸素が供給される。
【０１０３】
また、不活性ガス雰囲気（窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等）下において、５００℃以上７５０℃以下（若しくはガラス基板の歪点以下の温度）で１分間以上１０分間以下程度、好ましくは６００℃、３分間以上６分間以下程度のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）処理をおこなうこともできる。ＲＴＡ法を用いれば、短時間に脱水化または脱水素化が行えるため、ガラス基板の歪点を超える温度でも処理することができる。
【０１０４】
なお、加熱処理においては、不活性ガス（窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガス）に、水分、水素などが含まれないことが好ましい。または、加熱処理装置に導入する窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上、（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
【０１０５】
なお、上記加熱処理は、島状の酸化物半導体層１０５形成後に限らず、島状の酸化物半導体層１０５を形成する前の酸化物半導体膜に対して行ってもよい。また、上記加熱処理を複数回行ってもよい。加熱処理後の、酸化物半導体層１０６は一部結晶化していても良い。
【０１０６】
ここで、酸化物半導体層１０６の露出した表面に、酸素、オゾン、亜酸化窒素を用いて、プラズマ処理を施しても良い。プラズマ処理をすることで、酸化物半導体層１０６の欠陥に酸素を供給することができる。ここまでの工程で得られた構成を図６（Ｃ）に示す。
【０１０７】
次いで、導電膜を成膜し、第３のフォトリソグラフィ工程およびエッチング工程を行い、ソース電極層１０７ａ、ドレイン電極層１０７ｂを形成する。該導電膜は、ゲート電極層１０３と同様のものとすることができる。本半導体装置の作製方法では、チタンターゲットを用いたＤＣスパッタリング法で厚さ１５０ｎｍのチタン膜を成膜し、第３のフォトリソグラフィ工程およびエッチング工程により、ソース電極層１０７ａ、ドレイン電極層１０７ｂを形成する。
【０１０８】
その後、絶縁層１０８を形成する。本半導体装置の作製方法では、ゲート絶縁層１０４と同様のガスおよび同様の方法で、厚さ５０ｎｍの酸化珪素層を形成する。なお、絶縁層１０８を形成した後に、加熱処理を施しても良い。加熱処理は不活性ガス雰囲気（窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等）下においておこなう。好ましくは２００℃以上４００℃以下でおこなうとよい。または、上記記載のＲＴＡ処理を行っても良い。ここまでの工程を経て得られた構成を図６（Ｄ）に示す。
【０１０９】
本実施の形態に示した構成とすることで、酸化物半導体層１０６に水素が拡散することを抑制でき、酸化物半導体層１０６内に存在する水素を不活性化させ、または脱離させ、良好な電気特性を有する半導体装置とすることができる。なお、本実施の形態で示した構成は、本明細書の他の実施の形態で示す構成と適宜組み合わせることができる。
【０１１０】
（実施の形態２）
本実施の形態では、堆積性ガスに四フッ化珪素を、酸化させるためのガスとして、亜酸化窒素を、さらに、安定してプラズマを発生させるためのガスとしてアルゴンを用いてプラズマＣＶＤ法で得られる水素濃度の低い酸化珪素をトップゲート型トランジスタの下地絶縁層として用いる例について、図７を用いて説明する。
【０１１１】
基板２０１上に酸化珪素を主要成分とする下地絶縁層２０２を形成する。下地絶縁層２０２は上述の通り、四フッ化珪素を用いてプラズマＣＶＤ法で形成する。成膜方法の詳細は、実施の形態１のゲート絶縁層１０４の形成方法を参照すればよい。また、その厚さは、その後に形成される酸化物半導体層およびゲート絶縁層のそれぞれの厚さの和の５倍以上であるとよい。
【０１１２】
このような厚さであれば、下地絶縁層から拡散するフッ素の量が十分であるため、酸化物半導体層およびゲート絶縁層に存在する水素は不活性化され、あるいは、酸化物半導体層およびゲート絶縁層から脱離する。下地絶縁層の厚さが、酸化物半導体層およびゲート絶縁層のそれぞれの厚さの和の２倍以下であると、フッ素量が不十分なために、そのような効果が得られない。
【０１１３】
その後、酸化物半導体膜として、厚さ１０乃至３０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物の膜をスパッタリング法により形成する。そして、これをエッチングして島状の酸化物半導体層２０３を得る。酸化物半導体層２０３には、水素濃度を減らすために熱処理をおこなってもよい。ここまでの状態を図７（Ａ）に示す。
【０１１４】
次に、下地絶縁層２０２と酸化物半導体層２０３を覆って、導電膜を形成する。導電膜としては、例えば、チタンとアルミニウムの多層膜をスパッタリング法で形成すればよい。そして、これをエッチングしてソース電極層２０４ａ、ドレイン電極層２０４ｂを形成する。その際、導電膜のエッチングレートと酸化物半導体層２０３のエッチングレートの関係から、酸化物半導体層２０３の表面もエッチングされることがある。
【０１１５】
ここで、ソース電極層２０４ａ、ドレイン電極層２０４ｂの最下面の材料としてフッ素と反応する金属材料（例えば、チタン、タングステン、モリブデン、アルミニウムあるいはそれらの窒化物等）を用いる場合には、ソース電極層２０４ａ、ドレイン電極層２０４ｂが、下地絶縁層２０２に接しないことが好ましい。
【０１１６】
これらの材料を用いたソース電極層２０４ａ、ドレイン電極層２０４ｂが、下地絶縁層２０２に接すると、界面で化学反応がおこり、ソース電極層２０４ａ、ドレイン電極層２０４ｂが剥離しやすくなる。したがって、図７（Ｂ）に示すように、ソース電極層２０４ａ、ドレイン電極層２０４ｂは酸化物半導体層２０３上のみに設けられることが好ましい。
【０１１７】
なお、ソース電極層２０４ａ、ドレイン電極層２０４ｂの最下面が酸化物導電体のような材料で構成されている場合には、上記のような問題は生じない。
【０１１８】
さらに、下地絶縁層２０２と酸化物半導体層２０３、ソース電極層２０４ａ、ドレイン電極層２０４ｂを覆って、プラズマＣＶＤ法により厚さ１０乃至３０ｎｍの酸化窒化珪素よりなるゲート絶縁層２０５を形成する。プラズマＣＶＤ法を用いることにより、段差被覆性に優れたゲート絶縁膜が得られる。
【０１１９】
ここでは、用いるガスにフッ素や塩素が含まれないことが好ましい。このような成分を有するガスを用いると、成膜時にソース電極層２０４ａ、ドレイン電極層２０４ｂがエッチングされるおそれがあるためである。
【０１２０】
そのため、堆積性ガスとしては、シランとアンモニアを用いることが好ましい。このようにして得られる酸化窒化珪素中には多量の水素が含まれているが、先に指摘したように、十分な厚さの下地絶縁層２０２よりフッ素が供給されるため、これらの水素は不活性化され、あるいは、脱離する。ここまでの状態を図７（Ｂ）に示す。
【０１２１】
次に、ゲート絶縁層２０５を覆って、導電膜を形成し、これをエッチングして、ゲート電極層２０６を形成する。ゲート絶縁層２０５とゲート電極層を形成するための導電膜の堆積は、大気に曝すことなく連続的におこなうことが望ましい。
【０１２２】
その後、プラズマＣＶＤ法により、厚さ１００乃至３００ｎｍの酸化珪素よりなる絶縁層２０７を堆積し、さらに、有機樹脂等により表面が平坦な絶縁層２０８を形成する。絶縁層２０７の成膜に関しても、成膜時のゲート電極層２０６のエッチングを避けるため、堆積性ガスとしては、シランあるいはＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン、Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）４）を用いるとよい。
【０１２３】
絶縁層２０７中にも多量の水素が含まれるが、絶縁層２０７とトランジスタのチャネル領域は、ゲート電極層２０６で隔てられているため、信頼性に問題を起こすことは少ない。より信頼性を高め、また、ゲート電極層２０６のエッチングを防止するためには、絶縁層２０７を多層とし、ゲート電極層２０６に接する厚さ２０乃至１００ｎｍの第１の絶縁層を上記のシランあるいはＴＥＯＳを用いて形成し、それより上の第２の絶縁層を、フッ化珪素（例えば、四フッ化珪素）を用いて形成してもよい。
【０１２４】
最後に、ゲート絶縁層２０５，絶縁層２０７と絶縁層２０８に、ソース電極層２０４ａ、ドレイン電極層２０４ｂに達するコンタクトホールを設け、電極２０９ａと電極２０９ｂを形成する。ここまでの状態を図７（Ｃ）に示す。
【０１２５】
以上の工程により、トップゲート型のトランジスタを作製できる。以上の例では、下地絶縁層２０２の堆積性ガスとしてフッ化珪素を用いる例を示したが、塩化珪素を用いてもよいことはいうまでもない。本実施の形態は他の実施の形態と組み合わせることができる。
【０１２６】
（実施の形態３）
本実施の形態では、堆積性ガスに四フッ化珪素を用いて得られる水素濃度の低い酸化珪素をトップゲート型トランジスタの下地絶縁層として用いる例について、図８を用いて説明する。
【０１２７】
基板３０１上に酸化珪素を主要成分とする下地絶縁層３０２を形成する。下地絶縁層３０２は上述の通り、四フッ化珪素を用いてプラズマＣＶＤ法で形成する。成膜方法の詳細は、実施の形態１のゲート絶縁層１０４の形成方法を参照すればよい。また、その厚さは、その後に形成される酸化物半導体層およびゲート絶縁層のそれぞれの厚さの和の５倍以上であるとよい。
【０１２８】
その後、酸化物半導体膜３０３として、厚さ１０乃至３０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系膜をスパッタリング法により形成する。さらに酸化物半導体膜３０３を覆って、導電膜３０４を形成する。導電膜としては、例えば、タングステン膜をスパッタリング法で形成すればよい。
【０１２９】
さらに、導電膜３０４上にレジストを塗布し、多階調マスクを用いるフォトリソグラフィ法でパターン形成し、少なくとも２つの厚さの異なる部分を有するレジストマスク３０５を得る。ここまでの状態を図８（Ａ）に示す。
【０１３０】
そして、このレジストマスク３０５を用いて、第１のエッチングをおこなう。例えば、異方性ドライエッチングにより、レジストマスクで覆われていない部分の導電膜３０４および酸化物半導体膜３０３をエッチングする。第１のエッチングにより、島状の酸化物半導体層３０３ａおよびそれと概略同一形状の導電層３０４ａを得る（図８（Ｂ）参照）。
【０１３１】
ドライエッチングにおいては、レジストマスク３０５もエッチングされ、図８（Ｂ）に示すように、２つのレジストマスク３０５ａとレジストマスク３０５ｂに分離されることが起こりえる。一方、ウェットエッチングではレジストマスク３０５のエッチングは起こらず、また、ドライエッチングでも、条件によっては、レジストマスク３０５がほとんどエッチングされないことがあるが、そのような場合には、別に、アッシング工程を設けて、レジストマスク３０５をエッチングして、図８（Ｂ）に示すような形状とする。
【０１３２】
次に、２つのレジストマスク３０５ａとレジストマスク３０５ｂを用いて、第２のエッチングをおこなう。このエッチングは、導電層３０４ａを選択的にエッチングすることが求められ、また、エッチング後の導電層３０４ａの側面がテーパー状となるような方法を採用するとよい。このようにして、ソース電極層３０４ｂ、ドレイン電極層３０４ｃが得られる（図８（Ｃ）参照）。
【０１３３】
上記の下地絶縁層３０２の成膜からソース電極層３０４ｂ、ドレイン電極層３０４ｃを得るまでの工程においては、多階調マスクを用いるため、１回のフォトリソグラフィ工程で済む。これに対し、実施の形態２においては、ソース電極層２０４ａ、ドレイン電極層２０４ｂを得るまでに２回のフォトリソグラフィ工程が必要である。
【０１３４】
また、実施の形態２においては、酸化物半導体層２０３を形成するために、酸化物半導体膜上にレジストを塗布することが必要であったが、本実施の形態では、酸化物半導体膜３０３あるいは酸化物半導体層３０３ａ上にレジストが塗布されることはなく、酸化物半導体層３０３ａの表面を清浄に保つことができる。
【０１３５】
また、上記の工程から明らかなように、ソース電極層３０４ｂ、ドレイン電極層３０４ｃは、酸化物半導体層３０３ａ上にのみ形成されるので、下地絶縁層３０２に接することはない。
【０１３６】
さらに、下地絶縁層３０２と酸化物半導体層３０３ａ、ソース電極層３０４ｂ、ドレイン電極層３０４ｃを覆って、プラズマＣＶＤ法により厚さ１０乃至３０ｎｍの酸化窒化珪素よりなるゲート絶縁層３０６を形成する。ここまでの状態を図８（Ｃ）に示す。
【０１３７】
次に、ゲート絶縁層３０６を覆って、導電膜を形成し、これをエッチングして、ゲート電極層３０７を形成する。その後、スパッタリング法により、厚さ１００乃至３００ｎｍの酸化珪素よりなる絶縁層３０８を堆積し、さらに、有機樹脂等により表面が平坦な絶縁層３０９を形成する。そして、ゲート絶縁層３０６，絶縁層３０８と絶縁層３０９に、ソース電極層３０４ｂ、ドレイン電極層３０４ｃに達するコンタクトホールを設け、電極３１０ａと電極３１０ｂを形成する。ここまでの状態を図８（Ｄ）に示す。
【０１３８】
以上の工程により、トップゲート型のトランジスタを作製できる。以上の例では、下地絶縁層３０２の堆積性ガスとしてフッ化珪素を用いる例を示したが、塩化珪素を用いてもよいことはいうまでもない。本実施の形態は他の実施の形態と組み合わせることができる。
【０１３９】
（実施の形態４）
本実施の形態では、堆積性ガスに四フッ化珪素を用いて得られる水素濃度の低い酸化珪素を多層配線回路上に設けられるトップゲート型トランジスタの下地絶縁層として用いる例について、図９を用いて説明する。
【０１４０】
基板４０１上には、配線４０２ａ、配線４０２ｂが設けられている。配線４０２ａ、配線４０２ｂは、単なる配線に限られず、基板４０１上に設けられたトランジスタのゲート電極層やソース電極、ドレイン電極あるいはそれらから延在する配線であってもよい。すなわち、基板４０１上には、珪素等の半導体材料を用いたトランジスタが設けられていてもよい。
【０１４１】
そのような配線４０２ａ、配線４０２ｂを覆って、プラズマＣＶＤ法により、窒化酸化珪素膜４０３を形成する。窒化酸化珪素膜４０３には適量の水素が含まれていることが好ましい。窒化酸化珪素膜４０３によって配線４０２ａ、配線４０２ｂおよび基板４０１上のトランジスタを覆うことにより、該トランジスタに水素を供給することができるが、該トランジスタが珪素やゲルマニウムを用いたトランジスタであれば、水素によりそれらの半導体材料中のダングリングボンドを終端することができ、トランジスタ特性を良好なものとできる。
【０１４２】
窒化酸化珪素膜４０３の厚さはいくつかのことを考慮して決定されることが好ましい。第一に、上記の水素化の効果を考慮して決定される必要がある。また、第二には、後述するように窒化酸化珪素膜４０３は、平坦化工程のエッチングストッパともなるので、その作用も考慮される必要がある。さらに、第三には、平坦化後のエッチング工程において、下地絶縁層（窒化酸化珪素膜４０３上に形成される）とともにエッチングされるので、下地絶縁層と窒化酸化珪素膜４０３のエッチングレートの差が、平坦性に支障をもたらさない程度であることが必要である。
【０１４３】
上記第一および第二の要求からは、窒化酸化珪素膜４０３は厚いことが望ましく、第三の要求からは薄いことが望まれる。それらのことを考慮すると、窒化酸化珪素膜４０３の厚さは、例えば、５０乃至２００ｎｍとするとよい。
【０１４４】
次に、酸化珪素を主要成分とする下地絶縁層４０４を形成する。下地絶縁層４０４は上述の通り、四フッ化珪素を用いてプラズマＣＶＤ法で形成する。プラズマＣＶＤ法を用いることにより、配線４０２ａ、配線４０２ｂの側面にも段差被覆性よく形成できる。下地絶縁層４０４の厚さは、その後に形成される酸化物半導体層およびゲート絶縁層のそれぞれの厚さの和の５倍以上であるとよい。なお、下地絶縁層４０４はその後の工程でエッチングされるので、その分を見越して、厚めに形成するとよい。ここまでの状態を図９（Ａ）に示す。
【０１４５】
その後、公知の化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法により、下地絶縁層４０４を平坦化しつつエッチングする。この工程は、窒化酸化珪素膜４０３が露出した時点で停止できる。窒化酸化珪素は、酸化珪素に比べて、ＣＭＰ法でのエッチングレートが小さく、エッチングストッパとして機能するためである。ここまでの状態を図９（Ｂ）に示す。下地絶縁層４０４は、窒化酸化珪素膜４０３によって分断された状態（下地絶縁層４０４ａ）となる。また、表面はほぼ平坦である。
【０１４６】
その後、ドライエッチング法により、窒化酸化珪素膜４０３と下地絶縁層４０４ａを概略同じ厚さだけエッチングし、平坦な表面を得る。このエッチングは、配線４０２ａ、配線４０２ｂの表面が露出した段階で停止する。この段階で下地絶縁層４０４ａはさらにエッチングされ、図９（Ｃ）に４０４ｂで示すような状態となる。
【０１４７】
その後は、実施の形態２および実施の形態３と同様にしてトップゲート型トランジスタを形成する。すなわち、厚さ１０乃至２０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系膜を用いて、酸化物半導体層４０５を形成し、その上にソース電極層４０６ａ、ドレイン電極層４０６ｂを形成する。さらに、ゲート絶縁層４０７を形成する（図９（Ｃ）参照）。
【０１４８】
ここで酸化物半導体層４０５は、配線４０２ａおよびソース電極層４０６ａと接し、配線４０２ａとソース電極層４０６ａは、酸化物半導体層４０５を間に挟んで重なる。ところで、酸化物半導体と導電体がオーミック接触する状態では、その界面から酸化物半導体の深さ１０ｎｍ程度までの領域では、キャリア濃度が１×１０１９／ｃｍ３程度もしくはそれ以上であるので、間に酸化物半導体層４０５が存在するものの、実質的に、配線４０２ａとソース電極層４０６ａは導通しているものと見なせる。
【０１４９】
オーミック接触するためには、配線４０２ａおよびソース電極層４０６ａが、酸化物半導体層４０５との界面でオーミック接触することが必要である。そのためには、配線４０２ａおよびソース電極層４０６ａが酸化物半導体層４０５に接する部分に、その仕事関数が酸化物半導体層４０５の電子親和力よりも小さなものを用いることが好ましい。例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体であれば、電子親和力は４．３電子ボルト程度であるので、チタンや窒化チタンを用いるとよい。配線４０２ｂおよびドレイン電極層４０６ｂについても同様である。
【０１５０】
次に、ゲート絶縁層４０７を覆って、導電膜を形成し、これをエッチングして、ゲート電極層４０８を形成する。その後、窒化珪素よりなる絶縁層４０９と、有機樹脂等により表面が平坦な絶縁層４１０を形成する。そして、ゲート絶縁層４０７，絶縁層４０９と絶縁層４１０に、ソース電極層４０６ａ、ドレイン電極層４０６ｂに達するコンタクトホールを設け、電極４１１ａと電極４１１ｂを形成する。ここまでの状態を図９（Ｄ）に示す。
【０１５１】
以上の工程により、トップゲート型のトランジスタを作製できる。本実施の形態は他の実施の形態と組み合わせることができる。
【０１５２】
（実施の形態５）
上記実施の形態で説明したトランジスタを作製し、該トランジスタを画素部、さらには駆動回路に用いて表示機能を有する半導体装置（表示装置ともいう）を作製することができる。また、トランジスタを用いた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。また、上記実施の形態で記載した酸化物半導体材料を用いたトランジスタで、メモリセルを含んだ半導体装置を作製することもできる。
【０１５３】
表示装置は表示素子を含む。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。
【０１５４】
また、表示装置は、表示素子が封止された状態にあるパネルと、該パネルにコントローラを含むＩＣ等を実装した状態にあるモジュールとを含む。さらに、該表示装置を作製する過程における、表示素子が完成する前の一形態に相当する素子基板に関し、該素子基板は、電流を表示素子に供給するための手段を複数の各画素に備える。素子基板は、具体的には、表示素子の画素電極のみが形成された状態であっても良いし、画素電極となる導電膜を形成した後であって、エッチングして画素電極を形成する前の状態であっても良いし、あらゆる形態があてはまる。
【０１５５】
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（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）もしくはＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）テープもしくはＴＣＰ（Ｔａｐｅ Ｃａｒｒｉｅｒ Ｐａｃｋａｇｅ）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（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）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。
【０１５６】
（実施の形態６）
上記実施の形態に記載したトランジスタの作製方法で作製したトランジスタからなる表示装置を、電子インクを駆動させて表示する電子ペーパーに適用することができる。電子ペーパーは、情報を表示するものであればあらゆる分野の電子機器に用いることが可能である。例えば、電子ペーパーを用いて、電子書籍（電子ブック）、ポスター、デジタルサイネージ、ＰＩＤ（Ｐｕｂｌｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）、電車などの乗り物の車内広告、クレジットカード等の各種カードにおける表示等に適用することができる。電子機器の一例を図１１に示す。
【０１５７】
図１１の電子書籍５０１は、筐体５０２および筐体５０３の２つの筐体で構成されている。筐体５０２および筐体５０３は、軸部５０８により一体とされており、該軸部５０８を軸として開閉動作をおこなうことができる。このような構成により、紙の書籍のような動作をおこなうことが可能となる。
【０１５８】
筐体５０２には表示部５０４及び光電変換装置５０５が組み込まれ、筐体５０３には表示部５０６及び光電変換装置５０７が組み込まれている。表示部５０４および表示部５０６は、続き画面を表示する構成としてもよいし、異なる画面を表示する構成としてもよい。異なる画面を表示する構成とすることで、例えば右側の表示部（図１１では表示部５０４）に文章を表示し、左側の表示部（図１１では表示部５０６）に画像を表示することができる。
【０１５９】
また、図１１では、筐体５０２に操作部などを備えた例を示している。例えば、筐体５０２において、電源スイッチ５０９、操作キー５１０、スピーカ５１１などを備えている。操作キー５１０により、頁を送ることができる。なお、筐体の表示部と同一面にキーボードやポインティングデバイスなどを備える構成としてもよい。また、筐体の裏面や側面に、外部接続用端子（イヤホン端子、ＵＳＢ端子、またはＡＣアダプタおよびＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能な端子など）、記録媒体挿入部などを備える構成としてもよい。さらに、電子書籍５０１は、電子辞書としての機能を持たせた構成としてもよい。
【０１６０】
また、電子書籍５０１は、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。無線により、電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とすることも可能である。
【０１６１】
（実施の形態７）
本明細書に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器（遊技機も含む）に適用することができる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置（テレビ、またはテレビジョン受信機ともいう）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラやデジタルビデオカメラ等のカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などがある。
【０１６２】
図１２（Ａ）のテレビジョン装置５１２は、筐体５１３に表示部５１４が組み込まれている。表示部５１４により、映像を表示することが可能である。また、ここでは、スタンド５１５により筐体５１３を支持した構成を示している。
【０１６３】
テレビジョン装置５１２の操作は、筐体５１３が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機５１８によりおこなうことができる。リモコン操作機５１８が備える操作キー５１７により、チャンネルや音量の操作をおこなうことができ、表示部５１４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５１８に、当該リモコン操作機５１８から出力する情報を表示する表示部５１６を設ける構成としてもよい。
【０１６４】
なお、テレビジョン装置５１２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おこなうことができ、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）の情報通信をおこなうことも可能である。
【０１６５】
図１２（Ｂ）のデジタルフォトフレーム５１９は、筐体５２０に表示部５２１が組み込まれている。表示部５２１は、各種画像を表示することが可能であり、例えばデジタルカメラなどで撮影した画像データを表示させることで、通常の写真立てと同様に機能させることができる。
【０１６６】
なお、デジタルフォトフレーム５１９は、操作部、外部接続用端子（ＵＳＢ端子、ＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能な端子など）、記録媒体挿入部などを備える構成とする。これらの構成は、表示部と同一面に組み込まれていてもよいが、側面や裏面に備えるとデザイン性が向上するため好ましい。例えば、デジタルフォトフレームの記録媒体挿入部に、デジタルカメラで撮影した画像データを記憶したメモリを挿入して画像データを取り込み、取り込んだ画像データを表示部５２１に表示させることができる。
【０１６７】
また、デジタルフォトフレーム５１９は、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。無線により、所望の画像データを取り込み、表示させる構成とすることもできる。
【０１６８】
図１３は携帯型のコンピュータの一例を示す斜視図である。図１３の携帯型のコンピュータは、上部筐体５２２と下部筐体５２３とを接続するヒンジユニットを閉状態として表示部５２４を有する上部筐体５２２と、キーボード５２５を有する下部筐体５２３とを重ねた状態とすることができ、持ち運ぶことが便利であるとともに、使用者がキーボード入力する場合には、ヒンジユニットを開状態として、表示部５２４を見て入力操作をおこなうことができる。
【０１６９】
また、下部筐体５２３はキーボード５２５の他に入力操作をおこなうポインティングデバイス５２７を有する。また、表示部５２４をタッチ入力パネルとすれば、表示部の一部に触れることで入力操作をおこなうこともできる。また、下部筐体５２３はＣＰＵやハードディスク等の演算機能部を有している。また、下部筐体５２３は他の機器、例えばＵＳＢの通信規格に準拠した通信ケーブルが差し込まれる外部接続ポート５２６を有している。
【０１７０】
上部筐体５２２には更に上部筐体５２２内部にスライドさせて収納可能な表示部５２８を有しており、広い表示画面を実現することができる。また、収納可能な表示部５２８の画面の向きを使用者は調節できる。また、収納可能な表示部５２８をタッチ入力パネルとすれば、収納可能な表示部の一部に触れることで入力操作をおこなうこともできる。
【０１７１】
表示部５２４または収納可能な表示部５２８は、液晶表示パネル、有機発光素子または無機発光素子などの発光表示パネルなどの映像表示装置を用いる。
【０１７２】
また、図１３の携帯型のコンピュータは、受信機などを備えた構成として、テレビ放送を受信して映像を表示部５２４または表示部５２８に表示することができる。また、上部筐体５２２と下部筐体５２３とを接続するヒンジユニットを閉状態としたまま、表示部５２８をスライドさせて画面全面を露出させ、画面角度を調節して使用者がテレビ放送を見ることもできる。ヒンジユニットを開状態として表示部５２４を表示させず、さらにテレビ放送を表示するだけの回路の起動のみをおこなうため、最小限の消費電力とすることができ、バッテリー容量の限られている携帯型のコンピュータにおいて有用である。
【実施例１】
【０１７３】
上記実施の形態で説明したゲート絶縁層１０４、ゲート絶縁層２０５、 ゲート絶縁層３０６、ゲート絶縁層４０７、絶縁層１０８、下地絶縁層２０２、下地絶縁層３０２、および下地絶縁層４０４として用いることのできる酸化珪素膜（試料Ａ）を作製し、試料Ａに含まれる水素濃度、およびフッ素濃度について評価した結果を、図１０に示す。
【０１７４】
試料Ａの作製方法について説明する。試料ＡはプラズマＣＶＤ法を用いて作製した。プラズマＣＶＤ装置の反応室の内壁温度が、１１５℃となるように６０分間加熱し、反応室内に残留または吸着している、不純物を含むガスを放出させた。
【０１７５】
次に、三フッ化窒素（ＮＦ３）を６００ｓｃｃｍの流量で反応室内に供給し、反応室内の圧力は７０Ｐａ程度とし、ギャップ間隔は５０ｍｍに調整し、６０ＭＨｚの高周波電源にて９００Ｗの電力を７分間出力し、反応室内の内壁を１１５℃に加熱したまま、プラズマクリーニングを行い、不純物を含むガスを除去した。なお、本実施例で用いたプラズマＣＶＤ装置における電極面積は４９０ｃｍ２である。
【０１７６】
プラズマクリーニング後、反応室の内壁温度を１１５℃に加熱しながら、酸化珪素を珪素ウエハ上に、膜厚２００ｎｍ狙いで成膜した。この際、珪素を含む堆積性ガスとして四フッ化珪素を６ｓｃｃｍの流量で、添加ガスとして亜酸化窒素を１０００ｓｃｃｍの流量で、不活性ガスとしてアルゴンを１０００ｓｃｃｍの流量で、反応室内に供給し、反応室内の圧力を１３３Ｐａに調整し、ギャップ間隔は１０ｍｍに調整し、酸化珪素が成膜される珪素ウエハの温度を４００℃に調整し、６０ＭＨｚの高周波電源にて８００Ｗの出力により、酸化珪素を成膜した。
【０１７７】
次に、試料ＡにおけるＳＩＭＳでの測定結果を、図１０に示す。図１０において、縦軸は試料Ａに含まれる水素濃度、またはフッ素濃度を表し、横軸は、試料Ａの酸化珪素膜表面から基板方向への深さを表している。また、試料Ａの水素濃度プロファイルを実線で示し、試料Ａのフッ素濃度プロファイルを破線で示す。試料Ａにおいて、横軸１０ｎｍから１２０ｎｍを定量範囲とし、横軸２００ｎｍ以上は珪素ウエハを表している。
【０１７８】
図１０より、試料Ａの水素濃度は、定量範囲において、３．４×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、試料Ａのフッ素濃度は、定量範囲において、９．２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることが確認された。
【０１７９】
水素放出が抑制され、酸化物半導体層内に存在する水素を不活性化させ、または、脱離させることができる酸化珪素膜は、上記水素濃度、およびフッ素濃度を有することがわかった。
【０１８０】
本実施例に示した酸化珪素膜をゲート絶縁層１０４、ゲート絶縁層２０５、 ゲート絶縁層３０６、ゲート絶縁層４０７、絶縁層１０８、下地絶縁層２０２、下地絶縁層３０２、および下地絶縁層４０４に用いることで、良好な電気特性を有する半導体装置を作製することができる。
【符号の説明】
【０１８１】
１０１ 基板
１０２ 下地絶縁層
１０３ ゲート電極層
１０４ ゲート絶縁層
１０５ 酸化物半導体層
１０６ 酸化物半導体層
１０７ａ ソース電極層
１０７ｂ ドレイン電極層
１０８ 絶縁層
２０１ 基板
２０２ 下地絶縁層
２０３ 酸化物半導体層
２０４ａ ソース電極層
２０４ｂ ドレイン電極層
２０５ ゲート絶縁層
２０６ ゲート電極層
２０７ 絶縁層
２０８ 絶縁層
２０９ａ 電極
２０９ｂ 電極
３０１ 基板
３０２ 下地絶縁層
３０３ 酸化物半導体膜
３０３ａ 酸化物半導体層
３０４ 導電膜
３０４ａ 導電層
３０４ｂ ソース電極層
３０４ｃ ドレイン電極層
３０５ レジストマスク
３０５ａ レジストマスク
３０５ｂ レジストマスク
３０６ ゲート絶縁層
３０７ ゲート電極層
３０８ 絶縁層
３０９ 絶縁層
３１０ａ 電極
３１０ｂ 電極
４０１ 基板
４０２ａ 配線
４０２ｂ 配線
４０３ 窒化酸化珪素膜
４０４ 下地絶縁層
４０４ａ 下地絶縁層
４０４ｂ 下地絶縁層
４０５ 酸化物半導体層
４０６ａ ソース電極層
４０６ｂ ドレイン電極層
４０７ ゲート絶縁層
４０８ ゲート電極層
４０９ 絶縁層
４１０ 絶縁層
４１１ａ 電極
４１１ｂ 電極
５０１ 電子書籍
５０２ 筐体
５０３ 筐体
５０４ 表示部
５０５ 光電変換装置
５０６ 表示部
５０７ 光電変換装置
５０８ 軸部
５０９ 電源スイッチ
５１０ 操作キー
５１１ スピーカ
５１２ テレビジョン装置
５１３ 筐体
５１４ 表示部
５１５ スタンド
５１６ 表示部
５１７ 操作キー
５１８ リモコン操作機
５１９ デジタルフォトフレーム
５２０ 筐体
５２１ 表示部
５２２ 上部筐体
５２３ 下部筐体
５２４ 表示部
５２５ キーボード
５２６ 外部接続ポート
５２７ ポインティングデバイス
５２８ 表示部
【技術分野】
【０００１】
酸化物半導体を用いる半導体装置、およびそ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】
近年、フラットパネルディスプレイに代表される液晶表示装置や発光表示装置において、その多くに用いられているトランジスタは、ガラス基板上にて、アモルファス珪素や多結晶珪素などの珪素半導体によって構成されている。
【０００４】
最近、珪素半導体に代わって、酸化物半導体をトランジスタに用いる技術が注目されている。
【０００５】
例えば、酸化物半導体として、一元系金属酸化物である酸化亜鉛や、ホモロガス化合物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物があり、それらを用いてトランジスタを作製し、表示装置の画素のスイッチング素子などに用いる技術が開示されている（特許文献１乃至特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１６５５２８号公報
【特許文献２】特開２００７−９６０５５号公報
【特許文献３】特開２００７−１２３８６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
酸化物半導体をチャネル領域に用いたトランジスタは、しきい値電圧（Ｖｔｈ）が、マイナス方向に変動しやすく、ゲート電極の電位がソース電極の電位と同じ場合（Ｖｇｓ＝０Ｖ）においても、少なからずドレイン電流が流れるという問題がある。
【０００８】
このような状況を鑑み、本明細書中で開示する発明の一態様は、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することを課題の一とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するには、チャネル領域が形成される酸化物半導体層と接するゲート絶縁層に、水素含有量が低く、且つフッ素、塩素等のハロゲンを含有する絶縁層を用いることで、ゲート絶縁層から酸化物半導体層への水素の移動が抑制されると共に、酸化物半導体層内に存在する水素を不活性化させ、または脱離させるため、酸化物半導体層内の水素含有量を低減させることができる。
【００１０】
具体的には、水素濃度が６×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、且つハロゲンの濃度が、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であるゲート絶縁層を用いる。
【００１１】
本発明の一態様は、ゲート電極層と、チャネル領域が形成される酸化物半導体層と、酸化物半導体層と電気的に接続されるソース電極層及びドレイン電極層と、ゲート電極層と酸化物半導体層の間に位置するゲート絶縁層と、酸化物半導体層を介して、ゲート絶縁層と対向し、且つ該酸化物半導体層に接し、水素濃度が６×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、ハロゲンの濃度が、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である絶縁層を有する半導体装置である。
【００１２】
本発明の別の一態様は、酸化物半導体層が、上記のゲート絶縁層を介して、ゲート電極層に重畳するボトムゲート構造のトランジスタである。本発明の別の一態様は、ゲート電極層が、上記のゲート絶縁層を介して、酸化物半導体層に重畳するトップゲート構造のトランジスタである。
【００１３】
また、本発明の別の一態様は、上記のゲート絶縁層を、酸化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、または酸化タンタルである酸化物絶縁層とすることである。
【００１４】
また、上記のゲート絶縁層が、ゲート電極層と接する第１のゲート絶縁層と、酸化物半導体層と接する第２のゲート絶縁層とを有してもよい。その際、第２のゲート絶縁層を、水素含有量が低く、且つハロゲンを含有する材料で構成することで、第２のゲート絶縁層から酸化物半導体層への水素の移動が抑制されると共に、酸化物半導体層内に存在する水素を不活性化させ、または脱離させるため、酸化物半導体層内の水素含有量を低減させることができる。
【００１５】
本発明の別の一態様は、ゲート絶縁層が、ゲート電極層と接する第１のゲート絶縁層と、酸化物半導体層と接する第２のゲート絶縁層とを有し、第２のゲート絶縁層における水素濃度が６×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、第２のゲート絶縁層におけるハロゲンの濃度が、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることを特徴とする半導体装置である。
【００１６】
さらに、上記半導体装置を構成し、酸化物半導体層に接するその他の絶縁層においても、水素含有量が低く、ハロゲンを含有している材料で構成することで、絶縁層から酸化物半導体層への水素の移動が抑制されると共に、酸化物半導体層内に存在する水素を不活性化させ、または脱離させるため、酸化物半導体層内の水素含有量を低減させることができる。
【００１７】
本発明の別の一態様は、酸化物半導体層と接する絶縁層の水素濃度が、６×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、ハロゲンの濃度が、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることを特徴とする半導体装置である。
【００１８】
本発明の別の一態様は、酸化物半導体層と接し、酸化物半導体層と基板の間に設けられた絶縁層の水素濃度が、６×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、ハロゲンの濃度が、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であって、絶縁層の厚さが、酸化物半導体層の厚さとゲート絶縁層の厚さの和の５倍以上であるトップゲート型トランジスタおよびそのようなトランジスタを有する半導体装置である。
【００１９】
また、本発明の別の一態様は、基板上に設けられた絶縁層と、絶縁層に接する酸化物半導体層と、酸化物半導体層に接して設けられた１対の導電領域と、酸化物半導体層および導電領域上に、絶縁膜を間にはさんで設けられるゲート電極層とを有し、導電領域が絶縁層と接しないことを特徴とするトップゲート型トランジスタおよびそのようなトランジスタを有する半導体装置である。
【００２０】
また、本発明の別の一態様は、酸化物半導体層に接して、四フッ化珪素（ＳｉＦ４）、四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）等のハロゲン化珪素を原料ガスとして用いることにより得られる酸化珪素を主成分とする絶縁膜を設けた半導体装置である。ここで、酸化珪素を主成分とする絶縁膜とは、絶縁膜中の酸素以外の元素のうち、珪素の比率が７０％以上、好ましくは９０％以上であるものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の一態様によれば、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】半導体装置（トランジスタ）を説明する上面図及び断面図である。
【図２】ガリウム原子中心のクラスターモデルを示す図である。
【図３】水素原子の脱離反応における反応式および、エネルギーダイアグラムを示す図である。
【図４】結合エネルギーの算出に用いるモデルを示す図である。
【図５】水素原子の脱離反応における反応式および、エネルギーダイアグラムを示す図である。
【図６】トランジスタの作製方法を説明する断面図である。
【図７】トランジスタの作製方法を説明する断面図である。
【図８】トランジスタの作製方法を説明する断面図である。
【図９】トランジスタの作製方法を説明する断面図である。
【図１０】酸化珪素層に含まれる水素濃度、およびフッ素濃度を示す図である。
【図１１】電子書籍の一例を示す外観図である。
【図１２】テレビジョン装置およびデジタルフォトフレームの例を示す外観図である。
【図１３】携帯型のコンピュータの一例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる。また、同様のものを指す際にはハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。また、便宜上、絶縁層は上面図には表さない場合がある。なお、各図面において示す各構成の、大きさ、層の厚さ、又は領域は、明瞭化のために誇張されて表記している場合がある。従って、必ずしもそのスケールに限定されない。
【００２４】
なお、ＡとＢとが接続されている、と記載する場合は、ＡとＢとが電気的に接続されている場合と、ＡとＢとが直接接続されている場合とを含むものとする。ここで、Ａ、Ｂは、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など）であるとする。
【００２５】
また、トランジスタにおいて「ソース」や「ドレイン」の機能は、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」の用語は、入れ替えて用いることができるものとする。
【００２６】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様である半導体装置について図１を用いて説明する。なお、図１では半導体装置としてトランジスタを示すが、ダイオードその他のものであっても同様に実施できる。
【００２７】
図１（Ａ）は、トランジスタの上面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ１−Ｂ１における断面図である。トランジスタは、基板１０１上に下地絶縁層１０２と、ゲート電極層１０３と、ゲート絶縁層１０４と、チャネル領域が形成される酸化物半導体層１０６と、ソース電極層１０７ａおよびドレイン電極層１０７ｂと、酸化物半導体層１０６とソース電極層１０７ａおよびドレイン電極層１０７ｂとを覆う絶縁層１０８と、を含む。
【００２８】
図１に示すトランジスタは、酸化物半導体層１０６が、ゲート絶縁層１０４を介して、ゲート電極層１０３に重畳して形成されるボトムゲート構造のトランジスタである。また、図１に示すトランジスタは、ソース電極層１０７ａおよびドレイン電極層１０７ｂが、酸化物半導体層１０６の上面一部と接して形成されるトップコンタクト型である。
【００２９】
なお、ボトムゲート構造のトランジスタには、トップコンタクト型の他に、ソース電極層およびドレイン電極層が、チャネル領域が形成される半導体層の下面一部と接して形成されるボトムコンタクト型がある。本実施の形態ではトップコンタクト型について説明するが、ボトムコンタクト型であっても、本実施の形態を参照して実施することができる。
【００３０】
図１に示すトランジスタは、ゲート絶縁層１０４の上面一部と酸化物半導体層１０６の下面が接する構造となる。それゆえ、トランジスタの作製工程において、ゲート絶縁層１０４に水素が多く存在する場合、酸化物半導体層１０６に水素が拡散し、酸化物半導体層１０６内の水素含有量が増加する。酸化物半導体層１０６内の水素含有量が増加すると、酸化物半導体層１０６内のキャリアが増加する。このため、トランジスタのしきい値電圧（Ｖｔｈ）が、マイナス方向に変動してしまい、ゲート電極の電位がソース電極の電位と同じ場合（Ｖｇｓ＝０Ｖ）においても、ドレイン電流が流れる、電気特性が不良なトランジスタとなる。
【００３１】
酸化物半導体層１０６から拡散した水素を取り除くには、酸化物半導体層１０６を加熱処理する方法がある。しかし、トランジスタの作製工程を増やすため、コストがかかり、歩留まりを悪くする可能性がある。また、４００℃程度の加熱処理では十分な効果が得られないこともわかっている。
【００３２】
一方、本発明者らの知見では、酸化物半導体層１０６と接するゲート絶縁層１０４の水素濃度を６×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とし、且つハロゲンの濃度を１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上とすると、ゲート絶縁層１０４から酸化物半導体層１０６への水素の移動が抑制されると共に、酸化物半導体層１０６内に存在する水素を不活性化させ、または脱離させる効果が得られるため、酸化物半導体層１０６内の水素含有量を低減させることができることが明らかとなった。
【００３３】
つまり、酸化物半導体層１０６と接するゲート絶縁層１０４を、上記水素濃度およびハロゲン濃度であるゲート絶縁層とすることで、トランジスタの作製工程を増やさずに、良好な電気特性を有するトランジスタを得ることができる。特に、プロセスの最高温度を４００℃未満、好ましくは３５０℃以下としながらも実用的な信頼性と特性を備えたトランジスタを形成できる。もちろん、プロセスの最高温度は本発明を実施する上で何ら制約となるものではなく、プロセスの最高温度を４００℃以上としてもよい。
【００３４】
また、酸化物半導体層１０６と、ソース電極層１０７ａおよびドレイン電極層１０７ｂとを覆う絶縁層１０８は、酸化物半導体層１０６の上面一部と接している。それゆえ、絶縁層１０８の水素濃度を６×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、ハロゲン濃度を１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上とすることで、絶縁層１０８から酸化物半導体層１０６への水素の移動が抑制されると共に、酸化物半導体層１０６内に存在する水素を不活性化させ、または脱離させることができるため、酸化物半導体層１０６内の水素含有量を低減させることができ、良好な電気特性を有する半導体装置とすることができる。
【００３５】
基板１０１としては、後の作製工程に耐えられるものであれば特に限定されない。例えば、基板１０１として、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、若しくはサファイア基板などの絶縁性基板、珪素などの半導体材料でなる半導体基板、金属若しくはステンレスなどの導電体でなる導電性基板、又は、半導体基板若しくは導電性基板の表面を絶縁材料で被覆した基板などを用いることができる。また、プラスチック基板も適宜用いることができる。
【００３６】
また、ガラス基板としては、トランジスタの作製工程に加熱温度が６００℃以上の処理をおこなう場合には、歪点が７３０℃以上のものを用いるとよい。例えば、アルミノシリケートガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスなどのガラス材料が用いられる。
【００３７】
下地絶縁層１０２は、基板１０１からの不純物元素の拡散を防止する他に、トランジスタの作製工程におけるエッチング工程によって、基板がエッチングされることを防ぐ。下地絶縁層１０２の厚さに限定はないが、上記理由より、下地絶縁層１０２の厚さは５０ｎｍ以上とすることが好ましい。
【００３８】
下地絶縁層１０２には、酸化珪素、酸化窒化珪素、窒化珪素、窒化酸化珪素、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、または酸化タンタルなどの絶縁層を用いて、単層構造又は２層以上の積層構造で形成する。
【００３９】
ここで、酸化窒化珪素とは、その組成において、窒素よりも酸素の含有量が多いものを示し、例として、少なくとも酸素が５０原子％以上７０原子％以下、窒素が０．５原子％以上１５原子％以下、珪素が２５原子％以上３５原子％以下の範囲で含まれるものをいう。また、窒化酸化珪素とは、その組成において、酸素よりも窒素の含有量が多いものを示し、例として、少なくとも酸素が５原子％以上３０原子％以下、窒素が２０原子％以上５５原子％以下、珪素が２５原子％以上３５原子％以下の範囲で含まれるものをいう。
【００４０】
上記範囲は、ラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）や、水素前方散乱法（ＨＦＳ：Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｆｏｒｗａｒｄ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）を用いて測定した場合のものである。また、構成元素の含有比率は、その合計が１００原子％を超えない値をとる。
【００４１】
ゲート電極層１０３は、下地絶縁層１０２上に形成される。ゲート電極層１０３の材料は、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、白金、パラジウム、オスミウム等の金属材料、これら金属材料を主成分とする合金材料、或いはこれら金属の窒化物を、単層で又は積層で用いることができる。なお、後の工程において行われる加熱処理の温度に耐えうるのであれば、上記金属材料としてアルミニウムまたは銅を用いることも出来る。アルミニウムまたは銅は、耐熱性や腐食性の問題を回避するために、高融点金属材料と組み合わせて用いると良い。高融点金属材料としては、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、ネオジム、スカンジウム等を用いることができる。
【００４２】
ゲート電極層１０３は単層構造以外にも、２つ以上の異なる材質の膜の積層よりなってもよい。例えば、積層構造を有するゲート電極層１０３として、アルミニウム膜上にモリブデン膜を積層した二層構造、または銅膜上にモリブデン膜を積層した二層構造、または銅膜上に窒化チタン膜若しくは窒化タンタル膜を積層した二層構造、窒化チタン膜とモリブデン膜とを積層した二層構造とすることが好ましい。また、積層構造を有するゲート電極層１０３としては、アルミニウム膜、アルミニウムと珪素の合金膜、アルミニウムとチタンの合金膜またはアルミニウムとネオジムの合金膜を中間層とし、タングステン膜、窒化タングステン膜、窒化チタン膜またはチタン膜をその上下に配置した構造とすることが好ましい。
【００４３】
また、ゲート電極層１０３に酸化インジウム、酸化インジウム酸化スズ合金、酸化インジウム酸化亜鉛合金、酸化亜鉛、酸化亜鉛アルミニウム、酸化窒化亜鉛アルミニウム、または酸化亜鉛ガリウム等の透光性を有する酸化物導電体、または多結晶珪素を用いることができる。
【００４４】
また、ゲート電極層１０３にＩｎ−Ｏ−Ｎ系、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ−Ｎ系、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ−Ｎ系、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ−Ｎ系等の酸窒化物を用いてもよい。ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ−Ｎ系の酸窒化物とは、少なくともＩｎとＧａとＺｎとを含む酸窒化物であり、その組成比に特に制限はない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の元素を含んでもよい。
【００４５】
ゲート電極層１０３の厚さは、特に限定はなく、金属材料、合金材料、またはその他の化合物からなる導電膜の電気抵抗や、作製工程にかかる時間を考慮し、適宜決めることができる。例えば、１０ｎｍ〜５００ｎｍで形成すればよい。
【００４６】
ゲート絶縁層１０４は、ゲート電極層１０３を覆って設けられる。上記したようにゲート絶縁層１０４は、酸化物半導体層１０６と接するため、ゲート絶縁層１０４の水素濃度を６×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とし、且つフッ素濃度を１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上とするとよい。
【００４７】
かくすることで、ゲート絶縁層１０４から酸化物半導体層１０６への水素の移動が抑制されると共に、酸化物半導体層１０６内に存在する水素を不活性化させ、または脱離させるため、酸化物半導体層１０６内の水素含有量を低減させることができる。なお、ゲート絶縁層１０４の厚さは、絶縁耐圧、およびトランジスタの作製工程を考慮して、適宜決めることができる。
【００４８】
ゲート絶縁層１０４は、上記水素濃度およびフッ素濃度を満たしていれば、下地絶縁層１０２で例示したものを用いることができるが、本実施の形態では、プラズマＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で形成する酸化珪素層について記載する。
【００４９】
プラズマＣＶＤ法とは、プラズマＣＶＤ装置内の反応室に、原料となる堆積性ガスを供給し、プラズマエネルギーを援用して、膜を形成する方法である。プラズマＣＶＤ法では、例えば、スパッタリング法に比べて、段差被覆性の良好な膜を形成できる。
【００５０】
プラズマＣＶＤ装置は、高周波電源を用いる容量結合型高周波プラズマＣＶＤ装置や、誘導結合型高周波プラズマＣＶＤ装置、マイクロ波発生源であるマグネトロンおよび誘電体を有し、マイクロ波を用いてプラズマを発生させるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置（電子サイクロトロン共鳴プラズマＣＶＤ装置）その他、ヘリコン波プラズマＣＶＤ装置などがあり、本明細書中のプラズマＣＶＤ法においては、グロー放電プラズマを膜形成に利用するＣＶＤ装置を適宜用いることができる。また、プラズマＣＶＤ法は、基板を加熱しながらおこなうことができる。
【００５１】
原料となる堆積性ガスとして、組成式中に水素が含まれていないガスを選択し、酸化珪素層を形成する必要がある。つまり、堆積性ガスとしてシラン（ＳｉＨ４）ではなく、フッ化珪素（例えば、ＳｉＦ４）あるいは塩化珪素（例えば、ＳｉＣｌ４）を使用する。さらに、酸化させるためのガスについて、水素や水の含有量を低減した亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）または酸素とし、プラズマの安定化のために添加するアルゴンなどその他のガスにおいても、水素や水の含有量が低いガスとする。
【００５２】
さらに、プラズマＣＶＤ法で酸化珪素層を形成する際に、プラズマＣＶＤ装置の反応室内に残留しているまたは反応室の内壁に吸着している水素や水などの不純物を除去したのち、反応室の内壁を加熱しながら、上記構成のガスを用いて形成する。特に堆積性ガスとしてフッ化珪素を用いた場合には、ゲート絶縁層１０４の水素濃度を６×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、フッ素濃度を１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上とすることができる。
【００５３】
また、ゲート電極層１０３上に、フッ素を含有する酸化珪素層を形成する際には、同時に生じるフッ素により、ゲート電極層１０３がエッチングされる可能性があるが、ゲート絶縁層を二層以上とすることで、これを防ぐことができる。その際、ゲート電極層１０３と接する第１のゲート絶縁層のフッ素濃度は、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満が好ましい。
【００５４】
そして、酸化物半導体層１０６と接する第２のゲート絶縁層は、上記した四フッ化珪素を用いた酸化珪素層のような、フッ素濃度が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である絶縁層とする必要がある。さらに、第１のゲート絶縁層は、四フッ化珪素等を用いて第２のゲート絶縁層である酸化珪素層を形成する際に、消失しない膜厚で形成することがよい。例えば、第１のゲート絶縁層には、下地絶縁層１０２で例示した絶縁層を用いることができる。
【００５５】
チャネル領域が形成される酸化物半導体層１０６は、ゲート絶縁層１０４上に接して形成される。また、酸化物半導体層１０６の厚さは、１０ｎｍ〜３００ｎｍ、好ましくは２０ｎｍ〜１００ｎｍとする。
【００５６】
酸化物半導体層１０６は、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物を用いて形成する。酸化物半導体としては、その他にも、四元系酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系や、三元系酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系や、二元系酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系や、酸化インジウム、酸化錫、酸化亜鉛などを用いて形成することができる。ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物とは、少なくともＩｎとＧａとＺｎとを含む酸化物であり、その組成比に特に制限はない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の元素を含んでもよい。
【００５７】
また、酸化物半導体層１０６は、化学式ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される酸化物を用いて形成することができる。ここで、Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、ＭｎもしくはＣｏから選ばれた一の金属元素、又は複数の金属元素を示す。例えばＭとして、Ｇａ、Ｇａ及びＡｌ、Ｇａ及びＭｎ、またはＧａ及びＣｏなどがある。
【００５８】
ソース電極層１０７ａおよびドレイン電極層１０７ｂは、ゲート絶縁層１０４および酸化物半導体層１０６に接して形成される。ソース電極層１０７ａおよびドレイン電極層１０７ｂは、ゲート電極層１０３と同様の材料および厚さとすることができる。
【００５９】
パッシベーション膜、または層間絶縁膜として機能する絶縁層１０８は、ソース電極層１０７ａ、ドレイン電極層１０７ｂ、および酸化物半導体層１０６上に接して形成される。絶縁層１０８は、ゲート絶縁層１０４と同様に形成することができる。酸化物半導体層１０６の上面一部と接するため、ゲート絶縁層１０４と同様の酸化珪素層を用いることで、絶縁層１０８から酸化物半導体層１０６への水素の移動が抑制されると共に、酸化物半導体層１０６内に存在する水素を不活性化させ、または脱離させるため、酸化物半導体層１０６内の水素含有量を低減させることができる。
【００６０】
絶縁層１０８の形成過程においては、ゲート絶縁層１０４の形成に関して指摘したのと同様に、堆積性ガスに含まれるフッ素により、ソース電極層１０７ａおよびドレイン電極層１０７ｂがエッチングされる可能性がある。したがって、絶縁層１０８の厚さは、このことを考慮して、適宜決めればよい。
【００６１】
また、絶縁層１０８は、水素含有量を低減できる手法で形成してもよい。例えば、スパッタリング法で形成した酸化珪素等である。酸化珪素は、珪素ターゲットまたは酸化珪素ターゲットなどを用いて形成することができる。好ましくは、酸化珪素ターゲット、より好ましくは、含まれる水酸基濃度が１０００ｐｐｍ以下、または水素濃度が３．５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である酸化珪素ターゲットを用いる。さらに、形成する際に供給するガスは、アルゴン等の希ガスおよび、酸素とする。そして、該形成する際に供給するガスは、水素、水、水酸基または水素化物などの不純物が１ｐｐｍ以下、好ましくは１ｐｐｂ以下にまで除去された高純度ガスを用いることが好ましい。
【００６２】
以下に、フッ素によって、酸化物半導体層１０６内に存在する水素が不活性化し、または脱離する効果について量子化学計算より説明する。以下に示す量子化学計算には、ガウス（Ｇａｕｓｓ）基底を用いた密度汎関数法（Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｔｈｅｏｒｙ：ＤＦＴ）を用いる。密度汎関数法では、交換相関相互作用を電子密度で表現された一電子ポテンシャルの汎関数で近似しているため、計算は高速かつ高精度である。本実施の形態では、混合汎関数であるＢ３ＬＹＰを用いて、交換と相関エネルギーに係る各パラメータの重みを規定する。
【００６３】
また、全ての原子に適用する基底関数は、それぞれの原子価軌道に三つの短縮関数を用いたｔｒｉｐｌｅ ｓｐｌｉｔ ｖａｌｅｎｃｅ基底系の基底関数である６−３１１Ｇとする。この基底関数により、水素原子であれば、１ｓ〜３ｓの軌道が考慮され、酸素原子であれば、１ｓ〜４ｓ、２ｐ〜４ｐの軌道が考慮される。さらに、計算精度向上のために、分極基底系として、水素原子にはｐ関数を、水素原子以外にはｄ関数を加える。そして、量子化学計算プログラムには、コンフレックス株式会社製のＧａｕｓｓｉａｎ ０９を用いる。
【００６４】
本実施の形態において、酸化物半導体層１０６に存在する水素原子は、酸素原子や金属原子と結合しているので、酸化物半導体層１０６中の水素を含む構造は、下記構造式（α−１）、および構造式（α−２）であると仮定する。下記構造式（α−１）、および構造式（α−２）では、配位結合は考慮せず、イオン結合のみを考慮している。本実施の形態における酸化物半導体層１０６は、上記で説明したＩｎ（インジウム）、Ｇａ（ガリウム）、及びＺｎ（亜鉛）を含む酸化物半導体であるが、下記構造式（α−１）、および構造式（α−２）で示す金属原子は、Ｇａ（ガリウム）としている。
【００６５】
【化１】
【００６６】
フッ素原子が、酸化物半導体層１０６内の水素と反応する過程としては、（式１）に示す反応と、（式２）に示す反応がある。
【００６７】
Ｇａ−ＯＨ ＋ Ｆ・ →ＨＦ ＋ Ｇａ−Ｏ・ （式１）
【００６８】
Ｇａ−Ｈ ＋ Ｆ・ →ＨＦ ＋ Ｇａ・ （式２）
【００６９】
（式１）では、フッ素ラジカルが、水酸基の水素原子と反応して、ＨＦ（フッ化水素）分子を形成し、（式２）では、フッ素ラジカルが、ガリウム原子と結合している水素原子と反応してＨＦ（フッ化水素）分子を形成する。なお、（式１）および（式２）における「・」は、ラジカルを表す。
【００７０】
本量子化学計算では、上記構造式（α−１）および構造式（α−２）において、図２に示す簡易的なクラスターモデルを用いて行い、上記反応についての活性化エネルギーを算出し、反応の起こりやすさを評価している。
【００７１】
（式１）の反応について量子化学計算を行い、解析した反応経路と、エネルギーダイアグラムを図３に示す。
【００７２】
図３において、始状態（１）では、水酸基とフッ素ラジカルが無限遠に離れているとする。エネルギーダイアグラムでは、始状態（１）のエネルギーを基準とする。中間体（２）では、フッ素ラジカルがガリウム原子へ接近して、Ｇａ−Ｏ結合が切断し、水酸基ラジカルが生成し、Ｇａ−Ｆ結合が形成される。この反応により、中間体（２）のポテンシャルエネルギーが−１．６７ｅＶとなる。
【００７３】
中間体（３）では、水酸基ラジカルの水素原子が、フッ素原子と結合し、ＨＦ分子を生成する。中間体（２）および中間体（３）のポテンシャルエネルギーの差である活性化エネルギーは、０．６１ｅＶと算出される。中間体（４）では、酸素ラジカルとＨＦ分子が相互作用しており、終状態（５）では、酸素ラジカルとＨＦ分子が無限遠に離れる。
【００７４】
実際には、ＨＦは酸化物半導体層１０６から脱離することもあるし、何らかの理由で留まることもある。酸化物半導体層１０６中にＨＦが留まっていたとしても、ＨＦ分子中の水素は、酸化物半導体と結合していない（すなわち、不活性化されている）ので、酸化物半導体のキャリア源となることはない。
【００７５】
中間体（２）において、フッ素ラジカルがガリウム原子へ接近することで、Ｇａ−Ｏ結合が切断し、Ｇａ−Ｆ結合が形成されることは、Ｇａ−Ｏ結合の結合エネルギーが４．３７ｅＶであり、Ｇａ−Ｆ結合の結合エネルギーが５．３１ｅＶであることに起因している。
【００７６】
ここでのＧａ−Ｏ結合の結合エネルギーとは、ガリウム原子に水酸基が結合している状態（図４（Ａ）参照）のポテンシャルエネルギーと、水酸基ラジカルが、無限遠に離れている状態（図４（Ｂ）参照）のポテンシャルエネルギーの差を算出した値である。ここでのＧａ−Ｆ結合の結合エネルギーとは、ガリウム原子にフッ素が結合している状態（図４（Ｃ）参照）のポテンシャルエネルギーと、フッ素ラジカルが、無限遠に離れている状態（図４（Ｄ）参照）のポテンシャルエネルギーの差を算出した値である。
【００７７】
（式１）に示した酸化物半導体層１０６内の水素とフッ素が化合する反応は、始状態（１）と終状態（５）のエネルギー差から、発熱反応であることがわかる。それゆえ、この反応は容易に進行すると言える。
【００７８】
次に、（式２）の反応について量子化学計算をし、解析した反応経路と、エネルギーダイアグラムを図５に示す。
【００７９】
図５において、始状態（１）では、水素原子とフッ素ラジカルが無限遠に離れているとする。エネルギーダイアグラムでは、始状態（１）のエネルギーを基準としている。中間体（２）では、フッ素ラジカルがガリウム原子へ接近して、Ｇａ−Ｈ結合が切断し、水素ラジカルが生成し、Ｇａ−Ｆ結合を形成する。この反応により、中間体（２）のポテンシャルエネルギーが−１．９９ｅＶとなる。
【００８０】
中間体（３）では、水素ラジカルがフッ素原子と結合して、ＨＦ分子を形成する。中間体（２）および中間体（３）のポテンシャルエネルギーの差である活性化エネルギーは０．４５ｅＶと算出される。中間体（４）では、ガリウム原子に結合している酸素原子とＨＦ分子が相互作用しており、終状態（５）では、ＨＦ分子が無限遠に離れる。
【００８１】
（式１）と同様に、中間体（２）では、フッ素ラジカルがガリウム原子へ接近すると、Ｇａ−Ｈ結合が切れて、Ｇａ−Ｆ結合が形成されることは、（式１）で説明した理由と同様にＧａ−Ｆ結合のほうが、Ｇａ−Ｈ結合よりも結合エネルギーの観点から、安定であることに起因している。
【００８２】
（式２）に示した酸化物半導体層１０６内の水素を脱離させる反応においても、始状態（１）と終状態（５）のエネルギー差から、発熱反応であることがわかる。それゆえ、水素を脱離させる反応が容易に進行すると言える。
【００８３】
以上より、フッ素により酸化物半導体層１０６内に存在する水素を不活性化させ、または脱離させることができる。
【００８４】
次に、図１に示す半導体装置の作製方法について図６を用いて説明する。
【００８５】
基板１０１上に下地絶縁層１０２を形成する。基板１０１および下地絶縁層１０２は、上記に記載したものを用いることができ、本実施の形態では、基板１０１にガラス基板を用いる。下地絶縁層１０２は、プラズマＣＶＤ法でも形成することができるが、本半導体装置の作製方法では、ターゲットを酸化珪素とし、形成する際の供給するガスをアルゴン等の希ガスおよび、酸素として、ＲＦスパッタリング法で酸化珪素層を２００ｎｍ形成する。
【００８６】
次いで、ゲート電極層１０３として機能する導電膜を成膜する。該導電膜として、本半導体装置の作製方法では、チタンターゲットを用いたＤＣスパッタリング法で厚さ１５０ｎｍのチタン膜を成膜する。その後、第１のフォトリソグラフィ工程およびエッチング工程を行い、厚さ１５０ｎｍのゲート電極層１０３を形成する。
【００８７】
該導電膜のエッチングには、ウェットエッチング、ドライエッチングのいずれを用いても良い。なお、素子の微細化という観点からはドライエッチングを用いるのが好適である。エッチングガスやエッチング液については被エッチング材料に応じて適宜選択することができる。
【００８８】
なお、ゲート電極層１０３の側面はテーパー状とすることが好ましい。ゲート電極層１０３上には、後の工程で酸化物半導体膜、ソース電極層およびドレイン電極層となる導電膜を形成するので、ゲート電極層１０３の側面がテーパー状であると段差の箇所における配線の断線を防止する上で有効である。ゲート電極層１０３の側面をテーパー状とするためにはレジストマスクを後退させつつエッチングを行えばよい。
【００８９】
次いで、ゲート絶縁層１０４をプラズマＣＶＤ法で形成する。プラズマＣＶＤ装置内の反応室の内壁を加熱して、反応室の内壁から不純物を放出させる。その後、反応室内に残留しているまたは反応室の内壁から放出させた不純物を、三フッ化窒素（ＮＦ３）などのフッ素化合物を用いたプラズマクリーニングで除去する。また、本実施の形態では、高周波電源を用いた容量結合型プラズマＣＶＤ装置を用いる。
【００９０】
プラズマＣＶＤ装置内の反応室の内壁を加熱する温度は、１００℃以上３５０℃以下として、好ましくは１００℃以上１２５℃以下とすることがよく、少なくとも３０分以上、好ましくは６０分以上おこなうことがよい。また、本加熱工程は、排気しながらおこなうことも可能である。
【００９１】
上記プラズマクリーニングの方法に特別な限定はない。本半導体装置の作製方法では、クリーニングをおこなう反応室にて、プラズマ生成を行い、クリーニングをする方法について例示するが、クリーニングをおこなう反応室の外部にて、あらかじめプラズマ生成を行い、該生成したプラズマを反応室に供給して、クリーニングをするリモートプラズマクリーニングであってもよい。
【００９２】
本半導体装置の作製方法におけるプラズマクリーニングは、プラズマ処理工程と排気工程からなり、具体的なプラズマクリーニング条件としては、三フッ化窒素を４００ｓｃｃｍ〜２０００ｓｃｃｍの流量で反応室内に供給し、反応室内の圧力を１０Ｐａ〜２００Ｐａに調整し、電極間隔は、１５ｍｍ〜６０ｍｍに調整し、１３．５６ＭＨｚ〜６０ＭＨｚの高周波電源にて５００Ｗ〜２０００Ｗの電力（単位電極面積あたりの電力（パワー密度）としては１Ｗ／ｃｍ２〜４Ｗ／ｃｍ２）を出力することでプラズマを発生させ、５分〜１０分の間処理するとよい。より好ましいプラズマクリーニング条件としては、三フッ化窒素を６００ｓｃｃｍの流量で反応室内に供給し、反応室内の圧力は７０Ｐａ程度とし、電極間隔は５０ｍｍに調整し、６０ＭＨｚの高周波電源にて９００Ｗ（パワー密度に換算すると約１．８Ｗ／ｃｍ２）を７分間出力するとよい。
【００９３】
その後、堆積性ガスとして、四フッ化珪素を、さらに、酸化させるためのガスとして亜酸化窒素を、添加ガスとしてアルゴンを、反応室に供給し、プラズマエネルギーを援用して、酸化珪素膜を２００ｎｍ成膜する。また、ゲート絶縁層１０４を二層とする場合は、ゲート電極層１０３と接する第１のゲート絶縁層に、堆積性ガスとしてシランを用いた酸化珪素膜を１５０ｎｍ成膜し、酸化物半導体層１０５と接する第２のゲート絶縁層に、堆積性ガスとして四フッ化珪素を用いた酸化珪素膜を５０ｎｍ成膜すればよい。ここまでの工程で得られた構成を図６（Ａ）に示す。
【００９４】
次いで、厚さ５０ｎｍの酸化物半導体膜を、ＤＣスパッタリング法で成膜する。酸化物半導体膜は、ゲート絶縁層１０４と接して形成されるため、ゲート絶縁層１０４に含有されているフッ素が、酸化物半導体膜中に存在する水素を不活性化させ、または、脱離させる。さらに、ゲート絶縁層１０４から、酸化物半導体膜の欠陥に酸素が供給される。本実施の形態では、ＤＣスパッタリング法を用いるが、真空蒸着法、パルスレーザ堆積法、ＣＶＤ法などを用いて形成してもよい。
【００９５】
本半導体装置の作製方法では、Ｉｎ（インジウム）、Ｇａ（ガリウム）、及びＺｎ（亜鉛）を含む酸化物半導体ターゲット（モル数比がＩｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１、またはＩｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：２）を用いたスパッタリング法により得られるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体膜を用いる。さらに、本半導体装置の作製方法では、ＤＣスパッタリング法を用い、アルゴンの流量を３０ｓｃｃｍとし、酸素の流量を１５ｓｃｃｍとする。
【００９６】
なお、酸化物半導体膜をスパッタリング法により成膜する前に、アルゴンガスを導入してプラズマを発生させる逆スパッタリングをおこなうことが好ましい。逆スパッタリングとは、アルゴン、窒素、ヘリウムなどの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。また、酸素、亜酸化窒素などを加えた雰囲気で行ってもよいし、塩素（Ｃｌ２）、四フッ化炭素（ＣＦ４）などを加えた雰囲気で行ってもよい。
【００９７】
酸化物半導体膜の形成の際には、基板の温度が１００℃以上５５０℃未満、好ましくは２００℃以上４００℃以下となるように基板を熱する。そして、処理室内の水分を除去しつつ、水素や水などが除去されたスパッタリングガスを導入し、酸化物半導体ターゲットを用いて酸化物半導体膜を形成する。基板を熱しながら酸化物半導体膜を形成することにより、酸化物半導体膜に含まれる水分をさらに低減することができる。また、スパッタリングによる損傷を軽減することができる。
【００９８】
処理室内の水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプなどを用いることができる。また、ターボポンプにコールドトラップを加えたものを用いてもよい。クライオポンプなどを用いて排気することで、処理室から水素や水などを除去することができるため、酸化物半導体膜中のそれらの濃度を低減できる。
【００９９】
その後、第２のフォトリソグラフィ工程およびエッチング工程を行い、島状に加工された酸化物半導体層１０５を形成する。ここまでの工程で得られた構成を図６（Ｂ）に示す。
【０１００】
次いで、不活性ガス雰囲気（窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン等）下、或いは露点がマイナス６０℃以下等の水分含有量が少ない乾燥空気雰囲気下において、酸化物半導体層１０５に加熱処理を施しても良い。例えば、１００℃以上４００℃以下で１０分間以上の加熱処理でおこなうとよい。
【０１０１】
加熱処理は、電気炉を用いた加熱方法、加熱した気体を用いるＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）法またはランプ光を用いるＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）法などの瞬間加熱方法などを用いることができる。例えば、電気炉を用いて加熱処理をおこなう場合、昇温特性を０．１℃／ｍｉｎ以上２０℃／ｍｉｎ以下、降温特性を０．１℃／ｍｉｎ以上１５℃／ｍｉｎ以下とすることが好ましい。
【０１０２】
本半導体装置の作製方法では、酸化物半導体層１０５に加熱処理を施すことで、水分、水素が脱離した酸化物半導体層１０６が形成される。この際においても、ゲート絶縁層１０４に含有されるフッ素が、酸化物半導体膜内に存在する水素を不活性化させ、または、脱離させる。さらに、ゲート絶縁層１０４から、酸化物半導体層１０６の欠陥に酸素が供給される。
【０１０３】
また、不活性ガス雰囲気（窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等）下において、５００℃以上７５０℃以下（若しくはガラス基板の歪点以下の温度）で１分間以上１０分間以下程度、好ましくは６００℃、３分間以上６分間以下程度のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）処理をおこなうこともできる。ＲＴＡ法を用いれば、短時間に脱水化または脱水素化が行えるため、ガラス基板の歪点を超える温度でも処理することができる。
【０１０４】
なお、加熱処理においては、不活性ガス（窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガス）に、水分、水素などが含まれないことが好ましい。または、加熱処理装置に導入する窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上、（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
【０１０５】
なお、上記加熱処理は、島状の酸化物半導体層１０５形成後に限らず、島状の酸化物半導体層１０５を形成する前の酸化物半導体膜に対して行ってもよい。また、上記加熱処理を複数回行ってもよい。加熱処理後の、酸化物半導体層１０６は一部結晶化していても良い。
【０１０６】
ここで、酸化物半導体層１０６の露出した表面に、酸素、オゾン、亜酸化窒素を用いて、プラズマ処理を施しても良い。プラズマ処理をすることで、酸化物半導体層１０６の欠陥に酸素を供給することができる。ここまでの工程で得られた構成を図６（Ｃ）に示す。
【０１０７】
次いで、導電膜を成膜し、第３のフォトリソグラフィ工程およびエッチング工程を行い、ソース電極層１０７ａ、ドレイン電極層１０７ｂを形成する。該導電膜は、ゲート電極層１０３と同様のものとすることができる。本半導体装置の作製方法では、チタンターゲットを用いたＤＣスパッタリング法で厚さ１５０ｎｍのチタン膜を成膜し、第３のフォトリソグラフィ工程およびエッチング工程により、ソース電極層１０７ａ、ドレイン電極層１０７ｂを形成する。
【０１０８】
その後、絶縁層１０８を形成する。本半導体装置の作製方法では、ゲート絶縁層１０４と同様のガスおよび同様の方法で、厚さ５０ｎｍの酸化珪素層を形成する。なお、絶縁層１０８を形成した後に、加熱処理を施しても良い。加熱処理は不活性ガス雰囲気（窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等）下においておこなう。好ましくは２００℃以上４００℃以下でおこなうとよい。または、上記記載のＲＴＡ処理を行っても良い。ここまでの工程を経て得られた構成を図６（Ｄ）に示す。
【０１０９】
本実施の形態に示した構成とすることで、酸化物半導体層１０６に水素が拡散することを抑制でき、酸化物半導体層１０６内に存在する水素を不活性化させ、または脱離させ、良好な電気特性を有する半導体装置とすることができる。なお、本実施の形態で示した構成は、本明細書の他の実施の形態で示す構成と適宜組み合わせることができる。
【０１１０】
（実施の形態２）
本実施の形態では、堆積性ガスに四フッ化珪素を、酸化させるためのガスとして、亜酸化窒素を、さらに、安定してプラズマを発生させるためのガスとしてアルゴンを用いてプラズマＣＶＤ法で得られる水素濃度の低い酸化珪素をトップゲート型トランジスタの下地絶縁層として用いる例について、図７を用いて説明する。
【０１１１】
基板２０１上に酸化珪素を主要成分とする下地絶縁層２０２を形成する。下地絶縁層２０２は上述の通り、四フッ化珪素を用いてプラズマＣＶＤ法で形成する。成膜方法の詳細は、実施の形態１のゲート絶縁層１０４の形成方法を参照すればよい。また、その厚さは、その後に形成される酸化物半導体層およびゲート絶縁層のそれぞれの厚さの和の５倍以上であるとよい。
【０１１２】
このような厚さであれば、下地絶縁層から拡散するフッ素の量が十分であるため、酸化物半導体層およびゲート絶縁層に存在する水素は不活性化され、あるいは、酸化物半導体層およびゲート絶縁層から脱離する。下地絶縁層の厚さが、酸化物半導体層およびゲート絶縁層のそれぞれの厚さの和の２倍以下であると、フッ素量が不十分なために、そのような効果が得られない。
【０１１３】
その後、酸化物半導体膜として、厚さ１０乃至３０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物の膜をスパッタリング法により形成する。そして、これをエッチングして島状の酸化物半導体層２０３を得る。酸化物半導体層２０３には、水素濃度を減らすために熱処理をおこなってもよい。ここまでの状態を図７（Ａ）に示す。
【０１１４】
次に、下地絶縁層２０２と酸化物半導体層２０３を覆って、導電膜を形成する。導電膜としては、例えば、チタンとアルミニウムの多層膜をスパッタリング法で形成すればよい。そして、これをエッチングしてソース電極層２０４ａ、ドレイン電極層２０４ｂを形成する。その際、導電膜のエッチングレートと酸化物半導体層２０３のエッチングレートの関係から、酸化物半導体層２０３の表面もエッチングされることがある。
【０１１５】
ここで、ソース電極層２０４ａ、ドレイン電極層２０４ｂの最下面の材料としてフッ素と反応する金属材料（例えば、チタン、タングステン、モリブデン、アルミニウムあるいはそれらの窒化物等）を用いる場合には、ソース電極層２０４ａ、ドレイン電極層２０４ｂが、下地絶縁層２０２に接しないことが好ましい。
【０１１６】
これらの材料を用いたソース電極層２０４ａ、ドレイン電極層２０４ｂが、下地絶縁層２０２に接すると、界面で化学反応がおこり、ソース電極層２０４ａ、ドレイン電極層２０４ｂが剥離しやすくなる。したがって、図７（Ｂ）に示すように、ソース電極層２０４ａ、ドレイン電極層２０４ｂは酸化物半導体層２０３上のみに設けられることが好ましい。
【０１１７】
なお、ソース電極層２０４ａ、ドレイン電極層２０４ｂの最下面が酸化物導電体のような材料で構成されている場合には、上記のような問題は生じない。
【０１１８】
さらに、下地絶縁層２０２と酸化物半導体層２０３、ソース電極層２０４ａ、ドレイン電極層２０４ｂを覆って、プラズマＣＶＤ法により厚さ１０乃至３０ｎｍの酸化窒化珪素よりなるゲート絶縁層２０５を形成する。プラズマＣＶＤ法を用いることにより、段差被覆性に優れたゲート絶縁膜が得られる。
【０１１９】
ここでは、用いるガスにフッ素や塩素が含まれないことが好ましい。このような成分を有するガスを用いると、成膜時にソース電極層２０４ａ、ドレイン電極層２０４ｂがエッチングされるおそれがあるためである。
【０１２０】
そのため、堆積性ガスとしては、シランとアンモニアを用いることが好ましい。このようにして得られる酸化窒化珪素中には多量の水素が含まれているが、先に指摘したように、十分な厚さの下地絶縁層２０２よりフッ素が供給されるため、これらの水素は不活性化され、あるいは、脱離する。ここまでの状態を図７（Ｂ）に示す。
【０１２１】
次に、ゲート絶縁層２０５を覆って、導電膜を形成し、これをエッチングして、ゲート電極層２０６を形成する。ゲート絶縁層２０５とゲート電極層を形成するための導電膜の堆積は、大気に曝すことなく連続的におこなうことが望ましい。
【０１２２】
その後、プラズマＣＶＤ法により、厚さ１００乃至３００ｎｍの酸化珪素よりなる絶縁層２０７を堆積し、さらに、有機樹脂等により表面が平坦な絶縁層２０８を形成する。絶縁層２０７の成膜に関しても、成膜時のゲート電極層２０６のエッチングを避けるため、堆積性ガスとしては、シランあるいはＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン、Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）４）を用いるとよい。
【０１２３】
絶縁層２０７中にも多量の水素が含まれるが、絶縁層２０７とトランジスタのチャネル領域は、ゲート電極層２０６で隔てられているため、信頼性に問題を起こすことは少ない。より信頼性を高め、また、ゲート電極層２０６のエッチングを防止するためには、絶縁層２０７を多層とし、ゲート電極層２０６に接する厚さ２０乃至１００ｎｍの第１の絶縁層を上記のシランあるいはＴＥＯＳを用いて形成し、それより上の第２の絶縁層を、フッ化珪素（例えば、四フッ化珪素）を用いて形成してもよい。
【０１２４】
最後に、ゲート絶縁層２０５，絶縁層２０７と絶縁層２０８に、ソース電極層２０４ａ、ドレイン電極層２０４ｂに達するコンタクトホールを設け、電極２０９ａと電極２０９ｂを形成する。ここまでの状態を図７（Ｃ）に示す。
【０１２５】
以上の工程により、トップゲート型のトランジスタを作製できる。以上の例では、下地絶縁層２０２の堆積性ガスとしてフッ化珪素を用いる例を示したが、塩化珪素を用いてもよいことはいうまでもない。本実施の形態は他の実施の形態と組み合わせることができる。
【０１２６】
（実施の形態３）
本実施の形態では、堆積性ガスに四フッ化珪素を用いて得られる水素濃度の低い酸化珪素をトップゲート型トランジスタの下地絶縁層として用いる例について、図８を用いて説明する。
【０１２７】
基板３０１上に酸化珪素を主要成分とする下地絶縁層３０２を形成する。下地絶縁層３０２は上述の通り、四フッ化珪素を用いてプラズマＣＶＤ法で形成する。成膜方法の詳細は、実施の形態１のゲート絶縁層１０４の形成方法を参照すればよい。また、その厚さは、その後に形成される酸化物半導体層およびゲート絶縁層のそれぞれの厚さの和の５倍以上であるとよい。
【０１２８】
その後、酸化物半導体膜３０３として、厚さ１０乃至３０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系膜をスパッタリング法により形成する。さらに酸化物半導体膜３０３を覆って、導電膜３０４を形成する。導電膜としては、例えば、タングステン膜をスパッタリング法で形成すればよい。
【０１２９】
さらに、導電膜３０４上にレジストを塗布し、多階調マスクを用いるフォトリソグラフィ法でパターン形成し、少なくとも２つの厚さの異なる部分を有するレジストマスク３０５を得る。ここまでの状態を図８（Ａ）に示す。
【０１３０】
そして、このレジストマスク３０５を用いて、第１のエッチングをおこなう。例えば、異方性ドライエッチングにより、レジストマスクで覆われていない部分の導電膜３０４および酸化物半導体膜３０３をエッチングする。第１のエッチングにより、島状の酸化物半導体層３０３ａおよびそれと概略同一形状の導電層３０４ａを得る（図８（Ｂ）参照）。
【０１３１】
ドライエッチングにおいては、レジストマスク３０５もエッチングされ、図８（Ｂ）に示すように、２つのレジストマスク３０５ａとレジストマスク３０５ｂに分離されることが起こりえる。一方、ウェットエッチングではレジストマスク３０５のエッチングは起こらず、また、ドライエッチングでも、条件によっては、レジストマスク３０５がほとんどエッチングされないことがあるが、そのような場合には、別に、アッシング工程を設けて、レジストマスク３０５をエッチングして、図８（Ｂ）に示すような形状とする。
【０１３２】
次に、２つのレジストマスク３０５ａとレジストマスク３０５ｂを用いて、第２のエッチングをおこなう。このエッチングは、導電層３０４ａを選択的にエッチングすることが求められ、また、エッチング後の導電層３０４ａの側面がテーパー状となるような方法を採用するとよい。このようにして、ソース電極層３０４ｂ、ドレイン電極層３０４ｃが得られる（図８（Ｃ）参照）。
【０１３３】
上記の下地絶縁層３０２の成膜からソース電極層３０４ｂ、ドレイン電極層３０４ｃを得るまでの工程においては、多階調マスクを用いるため、１回のフォトリソグラフィ工程で済む。これに対し、実施の形態２においては、ソース電極層２０４ａ、ドレイン電極層２０４ｂを得るまでに２回のフォトリソグラフィ工程が必要である。
【０１３４】
また、実施の形態２においては、酸化物半導体層２０３を形成するために、酸化物半導体膜上にレジストを塗布することが必要であったが、本実施の形態では、酸化物半導体膜３０３あるいは酸化物半導体層３０３ａ上にレジストが塗布されることはなく、酸化物半導体層３０３ａの表面を清浄に保つことができる。
【０１３５】
また、上記の工程から明らかなように、ソース電極層３０４ｂ、ドレイン電極層３０４ｃは、酸化物半導体層３０３ａ上にのみ形成されるので、下地絶縁層３０２に接することはない。
【０１３６】
さらに、下地絶縁層３０２と酸化物半導体層３０３ａ、ソース電極層３０４ｂ、ドレイン電極層３０４ｃを覆って、プラズマＣＶＤ法により厚さ１０乃至３０ｎｍの酸化窒化珪素よりなるゲート絶縁層３０６を形成する。ここまでの状態を図８（Ｃ）に示す。
【０１３７】
次に、ゲート絶縁層３０６を覆って、導電膜を形成し、これをエッチングして、ゲート電極層３０７を形成する。その後、スパッタリング法により、厚さ１００乃至３００ｎｍの酸化珪素よりなる絶縁層３０８を堆積し、さらに、有機樹脂等により表面が平坦な絶縁層３０９を形成する。そして、ゲート絶縁層３０６，絶縁層３０８と絶縁層３０９に、ソース電極層３０４ｂ、ドレイン電極層３０４ｃに達するコンタクトホールを設け、電極３１０ａと電極３１０ｂを形成する。ここまでの状態を図８（Ｄ）に示す。
【０１３８】
以上の工程により、トップゲート型のトランジスタを作製できる。以上の例では、下地絶縁層３０２の堆積性ガスとしてフッ化珪素を用いる例を示したが、塩化珪素を用いてもよいことはいうまでもない。本実施の形態は他の実施の形態と組み合わせることができる。
【０１３９】
（実施の形態４）
本実施の形態では、堆積性ガスに四フッ化珪素を用いて得られる水素濃度の低い酸化珪素を多層配線回路上に設けられるトップゲート型トランジスタの下地絶縁層として用いる例について、図９を用いて説明する。
【０１４０】
基板４０１上には、配線４０２ａ、配線４０２ｂが設けられている。配線４０２ａ、配線４０２ｂは、単なる配線に限られず、基板４０１上に設けられたトランジスタのゲート電極層やソース電極、ドレイン電極あるいはそれらから延在する配線であってもよい。すなわち、基板４０１上には、珪素等の半導体材料を用いたトランジスタが設けられていてもよい。
【０１４１】
そのような配線４０２ａ、配線４０２ｂを覆って、プラズマＣＶＤ法により、窒化酸化珪素膜４０３を形成する。窒化酸化珪素膜４０３には適量の水素が含まれていることが好ましい。窒化酸化珪素膜４０３によって配線４０２ａ、配線４０２ｂおよび基板４０１上のトランジスタを覆うことにより、該トランジスタに水素を供給することができるが、該トランジスタが珪素やゲルマニウムを用いたトランジスタであれば、水素によりそれらの半導体材料中のダングリングボンドを終端することができ、トランジスタ特性を良好なものとできる。
【０１４２】
窒化酸化珪素膜４０３の厚さはいくつかのことを考慮して決定されることが好ましい。第一に、上記の水素化の効果を考慮して決定される必要がある。また、第二には、後述するように窒化酸化珪素膜４０３は、平坦化工程のエッチングストッパともなるので、その作用も考慮される必要がある。さらに、第三には、平坦化後のエッチング工程において、下地絶縁層（窒化酸化珪素膜４０３上に形成される）とともにエッチングされるので、下地絶縁層と窒化酸化珪素膜４０３のエッチングレートの差が、平坦性に支障をもたらさない程度であることが必要である。
【０１４３】
上記第一および第二の要求からは、窒化酸化珪素膜４０３は厚いことが望ましく、第三の要求からは薄いことが望まれる。それらのことを考慮すると、窒化酸化珪素膜４０３の厚さは、例えば、５０乃至２００ｎｍとするとよい。
【０１４４】
次に、酸化珪素を主要成分とする下地絶縁層４０４を形成する。下地絶縁層４０４は上述の通り、四フッ化珪素を用いてプラズマＣＶＤ法で形成する。プラズマＣＶＤ法を用いることにより、配線４０２ａ、配線４０２ｂの側面にも段差被覆性よく形成できる。下地絶縁層４０４の厚さは、その後に形成される酸化物半導体層およびゲート絶縁層のそれぞれの厚さの和の５倍以上であるとよい。なお、下地絶縁層４０４はその後の工程でエッチングされるので、その分を見越して、厚めに形成するとよい。ここまでの状態を図９（Ａ）に示す。
【０１４５】
その後、公知の化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法により、下地絶縁層４０４を平坦化しつつエッチングする。この工程は、窒化酸化珪素膜４０３が露出した時点で停止できる。窒化酸化珪素は、酸化珪素に比べて、ＣＭＰ法でのエッチングレートが小さく、エッチングストッパとして機能するためである。ここまでの状態を図９（Ｂ）に示す。下地絶縁層４０４は、窒化酸化珪素膜４０３によって分断された状態（下地絶縁層４０４ａ）となる。また、表面はほぼ平坦である。
【０１４６】
その後、ドライエッチング法により、窒化酸化珪素膜４０３と下地絶縁層４０４ａを概略同じ厚さだけエッチングし、平坦な表面を得る。このエッチングは、配線４０２ａ、配線４０２ｂの表面が露出した段階で停止する。この段階で下地絶縁層４０４ａはさらにエッチングされ、図９（Ｃ）に４０４ｂで示すような状態となる。
【０１４７】
その後は、実施の形態２および実施の形態３と同様にしてトップゲート型トランジスタを形成する。すなわち、厚さ１０乃至２０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系膜を用いて、酸化物半導体層４０５を形成し、その上にソース電極層４０６ａ、ドレイン電極層４０６ｂを形成する。さらに、ゲート絶縁層４０７を形成する（図９（Ｃ）参照）。
【０１４８】
ここで酸化物半導体層４０５は、配線４０２ａおよびソース電極層４０６ａと接し、配線４０２ａとソース電極層４０６ａは、酸化物半導体層４０５を間に挟んで重なる。ところで、酸化物半導体と導電体がオーミック接触する状態では、その界面から酸化物半導体の深さ１０ｎｍ程度までの領域では、キャリア濃度が１×１０１９／ｃｍ３程度もしくはそれ以上であるので、間に酸化物半導体層４０５が存在するものの、実質的に、配線４０２ａとソース電極層４０６ａは導通しているものと見なせる。
【０１４９】
オーミック接触するためには、配線４０２ａおよびソース電極層４０６ａが、酸化物半導体層４０５との界面でオーミック接触することが必要である。そのためには、配線４０２ａおよびソース電極層４０６ａが酸化物半導体層４０５に接する部分に、その仕事関数が酸化物半導体層４０５の電子親和力よりも小さなものを用いることが好ましい。例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体であれば、電子親和力は４．３電子ボルト程度であるので、チタンや窒化チタンを用いるとよい。配線４０２ｂおよびドレイン電極層４０６ｂについても同様である。
【０１５０】
次に、ゲート絶縁層４０７を覆って、導電膜を形成し、これをエッチングして、ゲート電極層４０８を形成する。その後、窒化珪素よりなる絶縁層４０９と、有機樹脂等により表面が平坦な絶縁層４１０を形成する。そして、ゲート絶縁層４０７，絶縁層４０９と絶縁層４１０に、ソース電極層４０６ａ、ドレイン電極層４０６ｂに達するコンタクトホールを設け、電極４１１ａと電極４１１ｂを形成する。ここまでの状態を図９（Ｄ）に示す。
【０１５１】
以上の工程により、トップゲート型のトランジスタを作製できる。本実施の形態は他の実施の形態と組み合わせることができる。
【０１５２】
（実施の形態５）
上記実施の形態で説明したトランジスタを作製し、該トランジスタを画素部、さらには駆動回路に用いて表示機能を有する半導体装置（表示装置ともいう）を作製することができる。また、トランジスタを用いた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。また、上記実施の形態で記載した酸化物半導体材料を用いたトランジスタで、メモリセルを含んだ半導体装置を作製することもできる。
【０１５３】
表示装置は表示素子を含む。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。
【０１５４】
また、表示装置は、表示素子が封止された状態にあるパネルと、該パネルにコントローラを含むＩＣ等を実装した状態にあるモジュールとを含む。さらに、該表示装置を作製する過程における、表示素子が完成する前の一形態に相当する素子基板に関し、該素子基板は、電流を表示素子に供給するための手段を複数の各画素に備える。素子基板は、具体的には、表示素子の画素電極のみが形成された状態であっても良いし、画素電極となる導電膜を形成した後であって、エッチングして画素電極を形成する前の状態であっても良いし、あらゆる形態があてはまる。
【０１５５】
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（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）もしくはＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）テープもしくはＴＣＰ（Ｔａｐｅ Ｃａｒｒｉｅｒ Ｐａｃｋａｇｅ）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（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）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。
【０１５６】
（実施の形態６）
上記実施の形態に記載したトランジスタの作製方法で作製したトランジスタからなる表示装置を、電子インクを駆動させて表示する電子ペーパーに適用することができる。電子ペーパーは、情報を表示するものであればあらゆる分野の電子機器に用いることが可能である。例えば、電子ペーパーを用いて、電子書籍（電子ブック）、ポスター、デジタルサイネージ、ＰＩＤ（Ｐｕｂｌｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）、電車などの乗り物の車内広告、クレジットカード等の各種カードにおける表示等に適用することができる。電子機器の一例を図１１に示す。
【０１５７】
図１１の電子書籍５０１は、筐体５０２および筐体５０３の２つの筐体で構成されている。筐体５０２および筐体５０３は、軸部５０８により一体とされており、該軸部５０８を軸として開閉動作をおこなうことができる。このような構成により、紙の書籍のような動作をおこなうことが可能となる。
【０１５８】
筐体５０２には表示部５０４及び光電変換装置５０５が組み込まれ、筐体５０３には表示部５０６及び光電変換装置５０７が組み込まれている。表示部５０４および表示部５０６は、続き画面を表示する構成としてもよいし、異なる画面を表示する構成としてもよい。異なる画面を表示する構成とすることで、例えば右側の表示部（図１１では表示部５０４）に文章を表示し、左側の表示部（図１１では表示部５０６）に画像を表示することができる。
【０１５９】
また、図１１では、筐体５０２に操作部などを備えた例を示している。例えば、筐体５０２において、電源スイッチ５０９、操作キー５１０、スピーカ５１１などを備えている。操作キー５１０により、頁を送ることができる。なお、筐体の表示部と同一面にキーボードやポインティングデバイスなどを備える構成としてもよい。また、筐体の裏面や側面に、外部接続用端子（イヤホン端子、ＵＳＢ端子、またはＡＣアダプタおよびＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能な端子など）、記録媒体挿入部などを備える構成としてもよい。さらに、電子書籍５０１は、電子辞書としての機能を持たせた構成としてもよい。
【０１６０】
また、電子書籍５０１は、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。無線により、電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とすることも可能である。
【０１６１】
（実施の形態７）
本明細書に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器（遊技機も含む）に適用することができる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置（テレビ、またはテレビジョン受信機ともいう）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラやデジタルビデオカメラ等のカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などがある。
【０１６２】
図１２（Ａ）のテレビジョン装置５１２は、筐体５１３に表示部５１４が組み込まれている。表示部５１４により、映像を表示することが可能である。また、ここでは、スタンド５１５により筐体５１３を支持した構成を示している。
【０１６３】
テレビジョン装置５１２の操作は、筐体５１３が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機５１８によりおこなうことができる。リモコン操作機５１８が備える操作キー５１７により、チャンネルや音量の操作をおこなうことができ、表示部５１４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５１８に、当該リモコン操作機５１８から出力する情報を表示する表示部５１６を設ける構成としてもよい。
【０１６４】
なお、テレビジョン装置５１２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おこなうことができ、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）の情報通信をおこなうことも可能である。
【０１６５】
図１２（Ｂ）のデジタルフォトフレーム５１９は、筐体５２０に表示部５２１が組み込まれている。表示部５２１は、各種画像を表示することが可能であり、例えばデジタルカメラなどで撮影した画像データを表示させることで、通常の写真立てと同様に機能させることができる。
【０１６６】
なお、デジタルフォトフレーム５１９は、操作部、外部接続用端子（ＵＳＢ端子、ＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能な端子など）、記録媒体挿入部などを備える構成とする。これらの構成は、表示部と同一面に組み込まれていてもよいが、側面や裏面に備えるとデザイン性が向上するため好ましい。例えば、デジタルフォトフレームの記録媒体挿入部に、デジタルカメラで撮影した画像データを記憶したメモリを挿入して画像データを取り込み、取り込んだ画像データを表示部５２１に表示させることができる。
【０１６７】
また、デジタルフォトフレーム５１９は、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。無線により、所望の画像データを取り込み、表示させる構成とすることもできる。
【０１６８】
図１３は携帯型のコンピュータの一例を示す斜視図である。図１３の携帯型のコンピュータは、上部筐体５２２と下部筐体５２３とを接続するヒンジユニットを閉状態として表示部５２４を有する上部筐体５２２と、キーボード５２５を有する下部筐体５２３とを重ねた状態とすることができ、持ち運ぶことが便利であるとともに、使用者がキーボード入力する場合には、ヒンジユニットを開状態として、表示部５２４を見て入力操作をおこなうことができる。
【０１６９】
また、下部筐体５２３はキーボード５２５の他に入力操作をおこなうポインティングデバイス５２７を有する。また、表示部５２４をタッチ入力パネルとすれば、表示部の一部に触れることで入力操作をおこなうこともできる。また、下部筐体５２３はＣＰＵやハードディスク等の演算機能部を有している。また、下部筐体５２３は他の機器、例えばＵＳＢの通信規格に準拠した通信ケーブルが差し込まれる外部接続ポート５２６を有している。
【０１７０】
上部筐体５２２には更に上部筐体５２２内部にスライドさせて収納可能な表示部５２８を有しており、広い表示画面を実現することができる。また、収納可能な表示部５２８の画面の向きを使用者は調節できる。また、収納可能な表示部５２８をタッチ入力パネルとすれば、収納可能な表示部の一部に触れることで入力操作をおこなうこともできる。
【０１７１】
表示部５２４または収納可能な表示部５２８は、液晶表示パネル、有機発光素子または無機発光素子などの発光表示パネルなどの映像表示装置を用いる。
【０１７２】
また、図１３の携帯型のコンピュータは、受信機などを備えた構成として、テレビ放送を受信して映像を表示部５２４または表示部５２８に表示することができる。また、上部筐体５２２と下部筐体５２３とを接続するヒンジユニットを閉状態としたまま、表示部５２８をスライドさせて画面全面を露出させ、画面角度を調節して使用者がテレビ放送を見ることもできる。ヒンジユニットを開状態として表示部５２４を表示させず、さらにテレビ放送を表示するだけの回路の起動のみをおこなうため、最小限の消費電力とすることができ、バッテリー容量の限られている携帯型のコンピュータにおいて有用である。
【実施例１】
【０１７３】
上記実施の形態で説明したゲート絶縁層１０４、ゲート絶縁層２０５、 ゲート絶縁層３０６、ゲート絶縁層４０７、絶縁層１０８、下地絶縁層２０２、下地絶縁層３０２、および下地絶縁層４０４として用いることのできる酸化珪素膜（試料Ａ）を作製し、試料Ａに含まれる水素濃度、およびフッ素濃度について評価した結果を、図１０に示す。
【０１７４】
試料Ａの作製方法について説明する。試料ＡはプラズマＣＶＤ法を用いて作製した。プラズマＣＶＤ装置の反応室の内壁温度が、１１５℃となるように６０分間加熱し、反応室内に残留または吸着している、不純物を含むガスを放出させた。
【０１７５】
次に、三フッ化窒素（ＮＦ３）を６００ｓｃｃｍの流量で反応室内に供給し、反応室内の圧力は７０Ｐａ程度とし、ギャップ間隔は５０ｍｍに調整し、６０ＭＨｚの高周波電源にて９００Ｗの電力を７分間出力し、反応室内の内壁を１１５℃に加熱したまま、プラズマクリーニングを行い、不純物を含むガスを除去した。なお、本実施例で用いたプラズマＣＶＤ装置における電極面積は４９０ｃｍ２である。
【０１７６】
プラズマクリーニング後、反応室の内壁温度を１１５℃に加熱しながら、酸化珪素を珪素ウエハ上に、膜厚２００ｎｍ狙いで成膜した。この際、珪素を含む堆積性ガスとして四フッ化珪素を６ｓｃｃｍの流量で、添加ガスとして亜酸化窒素を１０００ｓｃｃｍの流量で、不活性ガスとしてアルゴンを１０００ｓｃｃｍの流量で、反応室内に供給し、反応室内の圧力を１３３Ｐａに調整し、ギャップ間隔は１０ｍｍに調整し、酸化珪素が成膜される珪素ウエハの温度を４００℃に調整し、６０ＭＨｚの高周波電源にて８００Ｗの出力により、酸化珪素を成膜した。
【０１７７】
次に、試料ＡにおけるＳＩＭＳでの測定結果を、図１０に示す。図１０において、縦軸は試料Ａに含まれる水素濃度、またはフッ素濃度を表し、横軸は、試料Ａの酸化珪素膜表面から基板方向への深さを表している。また、試料Ａの水素濃度プロファイルを実線で示し、試料Ａのフッ素濃度プロファイルを破線で示す。試料Ａにおいて、横軸１０ｎｍから１２０ｎｍを定量範囲とし、横軸２００ｎｍ以上は珪素ウエハを表している。
【０１７８】
図１０より、試料Ａの水素濃度は、定量範囲において、３．４×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、試料Ａのフッ素濃度は、定量範囲において、９．２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることが確認された。
【０１７９】
水素放出が抑制され、酸化物半導体層内に存在する水素を不活性化させ、または、脱離させることができる酸化珪素膜は、上記水素濃度、およびフッ素濃度を有することがわかった。
【０１８０】
本実施例に示した酸化珪素膜をゲート絶縁層１０４、ゲート絶縁層２０５、 ゲート絶縁層３０６、ゲート絶縁層４０７、絶縁層１０８、下地絶縁層２０２、下地絶縁層３０２、および下地絶縁層４０４に用いることで、良好な電気特性を有する半導体装置を作製することができる。
【符号の説明】
【０１８１】
１０１ 基板
１０２ 下地絶縁層
１０３ ゲート電極層
１０４ ゲート絶縁層
１０５ 酸化物半導体層
１０６ 酸化物半導体層
１０７ａ ソース電極層
１０７ｂ ドレイン電極層
１０８ 絶縁層
２０１ 基板
２０２ 下地絶縁層
２０３ 酸化物半導体層
２０４ａ ソース電極層
２０４ｂ ドレイン電極層
２０５ ゲート絶縁層
２０６ ゲート電極層
２０７ 絶縁層
２０８ 絶縁層
２０９ａ 電極
２０９ｂ 電極
３０１ 基板
３０２ 下地絶縁層
３０３ 酸化物半導体膜
３０３ａ 酸化物半導体層
３０４ 導電膜
３０４ａ 導電層
３０４ｂ ソース電極層
３０４ｃ ドレイン電極層
３０５ レジストマスク
３０５ａ レジストマスク
３０５ｂ レジストマスク
３０６ ゲート絶縁層
３０７ ゲート電極層
３０８ 絶縁層
３０９ 絶縁層
３１０ａ 電極
３１０ｂ 電極
４０１ 基板
４０２ａ 配線
４０２ｂ 配線
４０３ 窒化酸化珪素膜
４０４ 下地絶縁層
４０４ａ 下地絶縁層
４０４ｂ 下地絶縁層
４０５ 酸化物半導体層
４０６ａ ソース電極層
４０６ｂ ドレイン電極層
４０７ ゲート絶縁層
４０８ ゲート電極層
４０９ 絶縁層
４１０ 絶縁層
４１１ａ 電極
４１１ｂ 電極
５０１ 電子書籍
５０２ 筐体
５０３ 筐体
５０４ 表示部
５０５ 光電変換装置
５０６ 表示部
５０７ 光電変換装置
５０８ 軸部
５０９ 電源スイッチ
５１０ 操作キー
５１１ スピーカ
５１２ テレビジョン装置
５１３ 筐体
５１４ 表示部
５１５ スタンド
５１６ 表示部
５１７ 操作キー
５１８ リモコン操作機
５１９ デジタルフォトフレーム
５２０ 筐体
５２１ 表示部
５２２ 上部筐体
５２３ 下部筐体
５２４ 表示部
５２５ キーボード
５２６ 外部接続ポート
５２７ ポインティングデバイス
５２８ 表示部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲート電極層と、
酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層と電気的に接続されるソース電極層及びドレイン電極層と、
前記ゲート電極層及び前記酸化物半導体層の間に形成されるゲート絶縁層と、
前記酸化物半導体層を介して、前記ゲート絶縁層と対向し、且つ酸化物半導体層に接する絶縁層とを有し、
前記絶縁層における水素濃度は６×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であり、前記絶縁層におけるハロゲンの濃度は１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であり、
前記絶縁層は、ハロゲン化珪素を用いたプラズマＣＶＤ法により形成される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、前記絶縁層は、酸化物絶縁層であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１あるいは請求項２において、前記ゲート絶縁層は、酸化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、または酸化タンタルであることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一において、前記酸化物半導体層は、前記ゲート絶縁層を介して、前記ゲート電極層に重畳することを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一において、前記絶縁層の厚さは、前記酸化物半導体層の厚さと前記ゲート絶縁層の厚さの和の５倍以上であることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一において、前記絶縁層は、基板と前記酸化物半導体層の間に設けられていることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一において、ハロゲンはフッ素であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１】
ゲート電極層と、
酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層と電気的に接続されるソース電極層及びドレイン電極層と、
前記ゲート電極層及び前記酸化物半導体層の間に形成されるゲート絶縁層と、
前記酸化物半導体層を介して、前記ゲート絶縁層と対向し、且つ酸化物半導体層に接する絶縁層とを有し、
前記絶縁層における水素濃度は６×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であり、前記絶縁層におけるハロゲンの濃度は１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であり、
前記絶縁層は、ハロゲン化珪素を用いたプラズマＣＶＤ法により形成される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、前記絶縁層は、酸化物絶縁層であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１あるいは請求項２において、前記ゲート絶縁層は、酸化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、または酸化タンタルであることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一において、前記酸化物半導体層は、前記ゲート絶縁層を介して、前記ゲート電極層に重畳することを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一において、前記絶縁層の厚さは、前記酸化物半導体層の厚さと前記ゲート絶縁層の厚さの和の５倍以上であることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一において、前記絶縁層は、基板と前記酸化物半導体層の間に設けられていることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一において、ハロゲンはフッ素であることを特徴とする半導体装置。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−３３９１３（Ｐ２０１２−３３９１３Ａ）
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４５１４６（Ｐ２０１１−１４５１４６）
【出願日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【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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