酸化物半導体膜の処理方法および半導体装置の作製方法
【課題】トランジスタに用いることが可能な、低抵抗領域を有する酸化物半導体膜を提供する。また、高速動作が可能な、酸化物半導体膜を用いたトランジスタを生産性高く提供する。また、高速動作が可能な、酸化物半導体膜を用いたトランジスタを有する高性能の半導体装置を生産性高く提供する。
【解決手段】酸化物半導体膜上に還元性を有する膜を成膜し、次に酸化物半導体膜から還元性を有する膜へ酸素の一部を移動させ、次に還元性を有する膜を介して酸化物半導体膜に不純物を注入した後、還元性を有する膜を除去することで、酸化物半導体膜に低抵抗領域を形成する。
【解決手段】酸化物半導体膜上に還元性を有する膜を成膜し、次に酸化物半導体膜から還元性を有する膜へ酸素の一部を移動させ、次に還元性を有する膜を介して酸化物半導体膜に不純物を注入した後、還元性を有する膜を除去することで、酸化物半導体膜に低抵抗領域を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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いう。従って、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膜を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（表示装置）のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体膜としてシリコン系半導体膜が広く知られているが、その他にも酸化物半導体膜が注目されている。
【０００４】
酸化物半導体膜を用いたトランジスタとしては、より高機能な半導体装置への応用のために、より高い電気特性が求められている。酸化物半導体膜を用いたトランジスタにおいて、アルミニウム反応法により自己整合的に低抵抗なソース領域およびドレイン領域を形成し、寄生容量を低減することで高速動作を可能とする技術が報告されている（非特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｎａｒｉｈｉｒｏ Ｍｏｒｏｓａｗａ， Ｙｏｓｈｉｈｉｒｏ Ｏｈｓｈｉｍａ， Ｍｉｔｓｕｏ Ｍｏｒｏｏｋａ， Ｔｏｓｈｉａｋｉ Ａｒａｉ， Ｔａｔｓｕｙａ Ｓａｓａｏｋａ， 「Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｓｅｌｆ−Ａｌｉｇｎｅｄ Ｔｏｐ−Ｇａｔｅ Ｏｘｉｄｅ ＴＦＴ ｆｏｒ ＡＭ−ＯＬＥＤ Ｄｉｓｐｌａｙｓ」、 ＳＩＤ １１ ＤＩＧＥＳＴ ｐｐ４７９−４８２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
トランジスタに用いることが可能な、低抵抗領域を有する酸化物半導体膜を提供することを課題の一とする。
【０００７】
寄生容量を低減することで高速動作が可能な、酸化物半導体膜を用いたトランジスタを生産性高く提供することを課題の一とする。
【０００８】
また、寄生容量を低減することで高速動作が可能な、酸化物半導体膜を用いたトランジスタを有する高性能の半導体装置を生産性高く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】
酸化物半導体膜上に還元性を有する膜を成膜し、酸化物半導体膜から還元性を有する膜へ酸素の一部を移動させた後、還元性を有する膜を除去することで、酸化物半導体膜に低抵抗領域を形成する。
【００１０】
または、酸化物半導体膜上に還元性を有する膜を成膜し、次に還元性を有する膜を介して酸化物半導体膜に不純物を注入し、次に酸化物半導体膜から還元性を有する膜へ酸素の一部を移動させた後、還元性を有する膜を除去することで、酸化物半導体膜に低抵抗領域を形成する。
【００１１】
または、酸化物半導体膜上に還元性を有する膜を成膜し、次に酸化物半導体膜から還元性を有する膜へ酸素の一部を移動させ、次に還元性を有する膜を介して酸化物半導体膜に不純物を注入した後、還元性を有する膜を除去することで、酸化物半導体膜に低抵抗領域を形成する。
【００１２】
なお、酸化物半導体膜から還元性を有する膜へ酸素の一部を移動する、とは、酸化物半導体膜を構成する酸素原子の一部が還元性を有する膜に取り込まれることをいう。
【００１３】
なお、酸化物半導体膜から還元性を有する膜へ酸素の一部が移動する際に、還元性を有する膜を構成する材料の一部が酸化物半導体膜へ移動することがある。還元性を有する膜の材料の一部が酸化物半導体膜に移動することで、還元性を有する膜の材料により酸化物半導体膜にキャリアが生成され、酸化物半導体膜をさらに低抵抗化することが可能となる。具体的には、還元性を有する膜の材料は酸化物半導体膜において、ドナーまたはアクセプターとして機能する。
【００１４】
還元性を有する膜は、還元性を有する、金属膜または半金属膜を用いればよい。
【００１５】
例えば、還元性を有する膜として、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、チタン、バナジウム、クロム、ニッケル、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタルまたはタングステンを用いればよい。
【００１６】
または、還元性を有する膜として、酸化還元電位がタングステン以下である材料を用いてもよい。なお、酸化還元電位がタングステン以下であると酸化物半導体膜を還元する機能を有するが、酸化還元電位がタングステンより大きいと酸化物半導体膜を還元する機能が低い。
【００１７】
または、還元性を有する膜として、イオン化傾向がタングステン以上である材料を用いてもよい。なお、イオン化傾向がタングステン以上であると酸化物半導体膜を還元する機能を有するが、イオン化傾向がタングステン未満であると酸化物半導体膜を還元する機能が低い。
【００１８】
または、還元性を有する膜として、酸素と反応して不動態となる材料を用いてもよい。
【００１９】
還元性を有する膜として、好ましくは、ニッケル膜、アルミニウム膜またはマグネシウム膜を用いる。
【００２０】
例えば、還元性を有する膜の酸化物半導体膜に対する還元性が高いと、室温にて容易に酸化物半導体膜から還元性を有する膜へ酸素の一部を移動させることができる。
【００２１】
または、加熱処理を行うことで、酸化物半導体膜から還元性を有する膜へ酸素の一部を移動させることができる。
【００２２】
なお、加熱処理は不活性雰囲気（窒素雰囲気または希ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンなど）雰囲気など）または減圧雰囲気にて行うと好ましい。不活性雰囲気で加熱処理を行うことで、還元性を有する膜が雰囲気の影響で変質してしまうことを抑制できる。還元性を有する膜が変質してしまうことで、後に還元性を有する膜を除去することが困難になることがある。還元性を有する膜が除去されずに残存することで、トランジスタの電気特性が低下してしまうことがある。
【００２３】
また、還元性を有する膜を除去せずに絶縁化させる場合、還元性を有する膜を完全に反応させ、絶縁化させることが困難である。このとき、未反応または完全に反応しきっていない還元性を有する膜がトランジスタの電気特性を低下させることがある。従って、還元性を有する膜を完全に絶縁化させるのではなく、あらかじめ除去しておくことが好ましい。
【００２４】
このように、酸化物半導体膜から還元性を有する膜に酸素が移動することにより、酸化物半導体膜中または／および酸化物半導体膜における還元性を有する膜との界面近傍に酸素欠損を有する領域を形成することができる。酸素欠損を有する領域は、キャリア密度の高い、低抵抗領域となる。
【００２５】
酸化物半導体膜に注入する不純物として、酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を用いればよい。具体的には、酸化物半導体膜中でキャリアを生成する材料を不純物に用いることができる。
【００２６】
例えば、酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物として、水素、ヘリウム、ホウ素、窒素、フッ素、ネオン、アルミニウム、リン、アルゴン、ヒ素、クリプトン、インジウム、スズ、アンチモンおよびキセノンから選ばれた一種以上を注入してもよい。
【００２７】
酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物として、好ましくは、ホウ素またはリンを用いる。ホウ素またはリンは、比較的低濃度でも酸化物半導体膜を低抵抗化できる。
【００２８】
また、酸化物半導体膜から還元性を有する膜に酸素が移動することに加え、酸化物半導体膜中に酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入することにより、不純物を注入しない場合と比べ、より酸化物半導体膜を低抵抗化させた領域を形成できる。
【００２９】
なお、酸化物半導体膜中に、還元性を有する膜を介して酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入することにより、還元性を有する膜を構成する材料の一部が酸化物半導体膜中に移動する場合がある。その場合に、さらに酸化物半導体膜を低抵抗化させることができる。
【００３０】
以上のようにして形成した低抵抗領域を有する酸化物半導体膜は、例えば、酸化物半導体膜を用いたトランジスタにおいて、低抵抗領域をソース領域およびドレイン領域とし、低抵抗化されていない領域をチャネル領域とすることができる。または、低抵抗領域をＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ Ｄｏｐｅｄ Ｄｒａｉｎ）領域とすることができる。
【００３１】
または、低抵抗領域を透明導電膜とすることができる。低抵抗領域を有する酸化物半導体膜を電極または配線として用いてもよい。
【００３２】
以下に、本発明の一態様に係る酸化物半導体膜を用いたトランジスタに、前述の低抵抗領域を有する酸化物半導体膜を用いる場合におけるトランジスタの作製方法について説明する。
【００３３】
まず、絶縁表面を有する基板上に酸化物半導体膜を成膜する。次に、酸化物半導体膜上に絶縁膜を成膜する。次に、絶縁膜上に導電膜を成膜する。次に、導電膜および絶縁膜を加工してゲート電極およびゲート電極と同様の上面形状を有するゲート絶縁膜を形成することで酸化物半導体膜の一部を露出する。次に、露出した酸化物半導体膜上およびゲート電極上に還元性を有する膜を成膜する。次に、還元性を有する膜を除去することでトランジスタを作製する。
【００３４】
または、絶縁表面を有する基板上に酸化物半導体膜を成膜する。次に、酸化物半導体膜上に絶縁膜を成膜する。次に、絶縁膜上に導電膜を成膜する。次に、導電膜および絶縁膜を加工してゲート電極およびゲート電極と同様の上面形状を有するゲート絶縁膜を形成することで酸化物半導体膜の一部を露出する。次に、露出した酸化物半導体膜上およびゲート電極上に還元性を有する膜を成膜する。次に、加熱処理を行う。次に、還元性を有する膜を除去することでトランジスタを作製する。
【００３５】
または、絶縁表面を有する基板上に酸化物半導体膜を成膜する。次に、酸化物半導体膜上に絶縁膜を成膜する。次に、絶縁膜上に導電膜を成膜する。次に、導電膜および絶縁膜を加工してゲート電極およびゲート電極と同様の上面形状を有するゲート絶縁膜を形成することで酸化物半導体膜の一部を露出する。次に、露出した酸化物半導体膜上およびゲート電極上に還元性を有する膜を成膜する。次に、還元性を有する膜を除去する。次に、加熱処理を行うことでトランジスタを作製する。
【００３６】
または、絶縁表面を有する基板上に酸化物半導体膜を成膜する。次に、酸化物半導体膜上に絶縁膜を成膜する。次に、絶縁膜上に導電膜を成膜する。次に、導電膜および絶縁膜を加工してゲート電極およびゲート電極と同様の上面形状を有するゲート絶縁膜を形成することで酸化物半導体膜の一部を露出する。次に、露出した酸化物半導体膜上およびゲート電極上に還元性を有する膜を成膜する。次に、ゲート電極をマスクとし、還元性を有する膜を介して酸化物半導体膜の一部に酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入する。次に、還元性を有する膜を除去することでトランジスタを作製する。
【００３７】
または、絶縁表面を有する基板上に酸化物半導体膜を成膜する。次に、酸化物半導体膜上に絶縁膜を成膜する。次に、絶縁膜上に導電膜を成膜する。次に、導電膜および絶縁膜を加工してゲート電極およびゲート電極と同様の上面形状を有するゲート絶縁膜を形成することで酸化物半導体膜の一部を露出する。次に、露出した酸化物半導体膜上およびゲート電極上に還元性を有する膜を成膜する。次に、ゲート電極をマスクとし、還元性を有する膜を介して酸化物半導体膜の一部に酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入する。次に、加熱処理を行う。次に、還元性を有する膜を除去することでトランジスタを作製する。
【００３８】
または、絶縁表面を有する基板上に酸化物半導体膜を成膜する。次に、酸化物半導体膜上に絶縁膜を成膜する。次に、絶縁膜上に導電膜を成膜する。次に、導電膜および絶縁膜を加工してゲート電極およびゲート電極と同様の上面形状を有するゲート絶縁膜を形成することで酸化物半導体膜の一部を露出する。次に、露出した酸化物半導体膜上およびゲート電極上に還元性を有する膜を成膜する。次に、ゲート電極をマスクとし、還元性を有する膜を介して酸化物半導体膜の一部に酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入する。次に、還元性を有する膜を除去する。次に、加熱処理を行うことでトランジスタを作製する。
【００３９】
または、絶縁表面を有する基板上に酸化物半導体膜を成膜する。次に、酸化物半導体膜上に絶縁膜を成膜する。次に、絶縁膜上に導電膜を成膜する。次に、導電膜および絶縁膜を加工してゲート電極およびゲート電極と同様の上面形状を有するゲート絶縁膜を形成することで酸化物半導体膜の一部を露出する。次に、露出した酸化物半導体膜上およびゲート電極上に還元性を有する膜を成膜する。次に、加熱処理を行う。次に、ゲート電極をマスクとし、還元性を有する膜を介して酸化物半導体膜の一部に酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入する。次に、還元性を有する膜を除去することでトランジスタを作製する。
【００４０】
なお、還元性を有する膜を成膜した後で不純物を注入するため、ゲート電極の側壁には還元性を有する膜が堆積しており、その分だけ酸化物半導体膜において不純物の注入されない領域が広がる。該領域はＬＤＤ領域となり、シート抵抗値が１ｋΩ／ｓｑ以上１００ＭΩ／ｓｑ以下、好ましくは１０ｋΩ／ｓｑ以上５０ＭΩ／ｓｑ以下、さらに好ましくは１００ｋΩ／ｓｑ以上２０ＭΩ／ｓｑ以下となる。なお、本明細書では、不純物の注入されない領域であっても、酸素の一部が脱離した領域であればＬＤＤ領域と呼ぶ。
【００４１】
ＬＤＤ領域を有することで、ホットキャリア劣化などのトランジスタの劣化を低減し、チャネル長が短くなることによってしきい値電圧がマイナス方向へシフトすることを抑制することができる。
【００４２】
または、絶縁表面を有する基板上に酸化物半導体膜を成膜する。次に、酸化物半導体膜上に絶縁膜を成膜する。次に、絶縁膜上に導電膜を成膜する。次に、導電膜および絶縁膜を加工してゲート電極およびゲート電極と同様の上面形状を有するゲート絶縁膜を形成することで酸化物半導体膜の一部を露出する。次に、ゲート電極をマスクとし、酸化物半導体膜の一部に酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入する。次に、露出した酸化物半導体膜上およびゲート電極上に還元性を有する膜を成膜する。次に、還元性を有する膜を除去することでトランジスタを作製する。なお、不純物の注入は、絶縁膜を介して行ってもよい。その場合、ゲート絶縁膜の形成を不純物の注入後に行えばよい。
【００４３】
または、絶縁表面を有する基板上に酸化物半導体膜を成膜する。次に、酸化物半導体膜上に絶縁膜を成膜する。次に、絶縁膜上に導電膜を成膜する。次に、導電膜および絶縁膜を加工してゲート電極およびゲート電極と同様の上面形状を有するゲート絶縁膜を形成することで酸化物半導体膜の一部を露出する。次に、ゲート電極をマスクとし、酸化物半導体膜の一部に酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入する。次に、露出した酸化物半導体膜上およびゲート電極上に還元性を有する膜を成膜する。次に、加熱処理を行う。次に、還元性を有する膜を除去することでトランジスタを作製する。なお、不純物の注入は、絶縁膜を介して行ってもよい。その場合、ゲート絶縁膜の形成を不純物の注入後に行えばよい。
【００４４】
または、絶縁表面を有する基板上に酸化物半導体膜を成膜する。次に、酸化物半導体膜上に絶縁膜を成膜する。次に、絶縁膜上に導電膜を成膜する。次に、導電膜および絶縁膜を加工してゲート電極およびゲート電極と同様の上面形状を有するゲート絶縁膜を形成することで酸化物半導体膜の一部を露出する。次に、ゲート電極をマスクとし、酸化物半導体膜の一部に酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入する。次に、露出した酸化物半導体膜上およびゲート電極上に還元性を有する膜を成膜する。次に、還元性を有する膜を除去する。次に、加熱処理を行うことでトランジスタを作製する。なお、不純物の注入は、絶縁膜を介して行ってもよい。その場合、ゲート絶縁膜の形成を不純物の注入後に行えばよい。
【００４５】
なお、酸化物半導体膜の不純物の注入された領域または／および還元性を有する膜が形成された領域は、低抵抗化され、シート抵抗値が１０Ω／ｓｑ以上１００ｋΩ／ｓｑ以下、好ましくは１０Ω／ｓｑ以上２０ｋΩ／ｓｑ以下、さらに好ましくは１０Ω／ｓｑ以上３ｋΩ／ｓｑ以下とする。
【００４６】
以上のように酸化物半導体膜の低抵抗化された領域は、ゲート電極をマスクとして自己整合的に形成されるため、低抵抗領域とゲート電極との重なりがほとんどなく、寄生容量を低減することができる。そのため、本発明の一態様に係るトランジスタは、微細化しても寄生容量の影響でトランジスタの動作速度が低下することなく、高速動作が可能となる。
【００４７】
また、酸化物半導体膜を低抵抗化するために用いた還元性を有する膜を後の工程で除去することで、トランジスタの作製後に、還元性を有する膜が残存することで生じる短絡などの不良を低減することができる。不良が低減されることで、トランジスタの歩留まりが向上し、生産性を高めることができる。
【００４８】
なお、ゲート電極の側壁に接して側壁絶縁膜を設けてもよい。
【００４９】
側壁絶縁膜は、ゲート電極上に絶縁膜を成膜し、該絶縁膜に対し異方性の高いエッチングを行うことで、自己整合的に形成すればよい。異方性の高いエッチングとしては、例えば、ドライエッチング法を用いればよい。
【００５０】
ゲート電極の側壁に接して側壁絶縁膜を設けた場合、ゲート電極と側壁絶縁膜を合わせた領域と同様の上面形状でゲート絶縁膜を形成してもよい。
【００５１】
また、不純物の注入時に、ゲート電極および側壁絶縁膜をマスクとして用いても構わない。その場合、側壁絶縁膜と重畳する領域において、酸化物半導体膜の不純物の添加されない領域が設けられる。
【００５２】
または、不純物の注入時はゲート電極をマスクとし、その後側壁絶縁膜を形成してもよい。
【００５３】
また、還元性を有する膜の成膜時に側壁絶縁膜が設けられていてもよい。
【００５４】
還元性を有する膜の成膜時に側壁絶縁膜が設けられていることにより、還元性を有する膜を除去する際に、還元性を有する膜が完全に除去しきれなかった場合でも、ゲート電極とソース領域およびドレイン領域とのショートが起こりにくくなり、トランジスタの電気特性の低下要因を低減できる。
【００５５】
側壁絶縁膜およびゲート電極と重畳しない酸化物半導体膜の領域（第１の領域）と比べ、側壁絶縁膜と重畳する酸化物半導体膜の領域（第２の領域）の抵抗値が高いことで、ホットキャリア劣化などのトランジスタの劣化を低減し、チャネル長が短くなることによってしきい値電圧がマイナス方向へシフトすることを抑制することができる。
【００５６】
なお、第１の領域は、シート抵抗値が１０Ω／ｓｑ以上１００ｋΩ／ｓｑ以下、好ましくは１０Ω／ｓｑ以上２０ｋΩ／ｓｑ以下、さらに好ましくは１０Ω／ｓｑ以上３ｋΩ／ｓｑ以下とする。
【００５７】
また、第２の領域をＬＤＤ領域とする場合、シート抵抗値が１ｋΩ／ｓｑ以上１００ＭΩ／ｓｑ以下、好ましくは１０ｋΩ／ｓｑ以上５０ＭΩ／ｓｑ以下、さらに好ましくは１００ｋΩ／ｓｑ以上２０ＭΩ／ｓｑ以下とする。
【００５８】
なお、第２の領域をオフセット領域（Ｌｏｆｆ領域ともいう。）にする場合、第２の領域のシート抵抗値はオフ状態のチャネル領域と同程度となる。具体的には、５０ＭΩ／ｓｑ以上、好ましくは１ＧΩ／ｓｑ以上となる。
【００５９】
または、Ｌｏｆｆ領域は、極めてキャリア密度が低く、具体的には１×１０１４個／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１２個／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１０個／ｃｍ３以下とする。
【００６０】
以上のように酸化物半導体膜の低抵抗化された領域は、ゲート電極および／または側壁絶縁膜をマスクとして自己整合的に形成されるため、低抵抗領域とゲート電極との重なりがほとんどなく、寄生容量を低減することができる。そのため、本発明の一態様に係るトランジスタは、微細化しても寄生容量の影響でトランジスタの動作速度が低下することなく、高速動作が可能となる。
【００６１】
なお、本発明の一態様に係るトランジスタは、前述の方法で形成した低抵抗領域をトランジスタのソース領域およびドレイン領域とし、ソース領域およびドレイン領域は、それぞれ配線が接続されていても構わない。
【００６２】
また、本発明の一態様に係るトランジスタ上に層間絶縁膜を設けても構わない。また、層間絶縁膜上に前述の配線を設けても構わない。
【００６３】
また、本発明の一態様に係るトランジスタは、ソース領域およびドレイン領域にそれぞれ接続するソース電極およびドレイン電極を設けても構わない。
【００６４】
以上のように、本発明の一態様により、酸化物半導体膜に低抵抗領域を形成することが可能となる。
【００６５】
また、トランジスタに還元性を有する膜が残存しないことで、還元性を有する膜が原因で生じるトランジスタの短絡などの不良が低減され、トランジスタの歩留まりが向上し、生産性を高めることができる。
【００６６】
また、ＬＤＤ領域またはＬｏｆｆ領域を設けることで、トランジスタのチャネル長が短くなることによってしきい値電圧がマイナス方向へシフトすることを抑制することができる。
【００６７】
また、該トランジスタを用いた、高性能な半導体装置を生産性高く作製することができる。
【発明の効果】
【００６８】
トランジスタに用いることが可能な、低抵抗領域を有する酸化物半導体膜を形成することができる。
【００６９】
酸化物半導体膜を用いた高速動作が可能なトランジスタを生産性高く作製することができる。
【００７０】
また、酸化物半導体膜を用いた高速動作が可能なトランジスタを有する高性能の半導体装置を生産性高く作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】酸化物半導体膜の作製方法の一例を示す断面図。
【図２】酸化物半導体膜の作製方法の一例を示す断面図。
【図３】酸化物半導体膜の作製方法の一例を示す断面図。
【図４】半導体装置の作製方法の一例を示す断面図。
【図５】半導体装置の作製方法の一例を示す断面図。
【図６】半導体装置の作製方法の一例を示す断面図。
【図７】半導体装置の作製方法の一例を示す断面図。
【図８】半導体装置の作製方法の一例を示す断面図。
【図９】半導体装置の作製方法の一例を示す断面図。
【図１０】半導体装置の作製方法の一例を示す断面図。
【図１１】半導体装置の作製方法の一例を示す断面図。
【図１２】半導体装置の作製方法の一例を示す断面図。
【図１３】半導体装置の作製方法の一例を示す断面図。
【図１４】本発明の一態様であるトランジスタを用いた液晶表示装置の一例を示す回路図。
【図１５】本発明の一態様であるトランジスタを用いた半導体記憶装置の一例を示す回路図および電気特性を示す図。
【図１６】本発明の一態様であるトランジスタを用いた半導体記憶装置の一例を示す回路図および電気特性を示す図。
【図１７】本発明の一態様であるトランジスタを用いたＣＰＵの具体例を示すブロック図およびその一部の回路図。
【図１８】本発明の一態様であるトランジスタを用いたイメージセンサの一例を示す回路図および断面図。
【図１９】本発明の一態様である電子機器の一例を示す斜視図。
【図２０】低抵抗化された酸化物半導体膜のシート抵抗値を示す図。
【図２１】低抵抗化された酸化物半導体膜のシート抵抗値を示す図。
【図２２】本発明の一態様に係る酸化物半導体の結晶構造を説明する図。
【図２３】本発明の一態様に係る酸化物半導体の結晶構造を説明する図。
【図２４】本発明の一態様に係る酸化物半導体の結晶構造を説明する図。
【図２５】本発明の一態様に係る酸化物半導体の結晶構造を説明する図。
【図２６】計算によって得られた電界効果移動度のＶｇ依存性を説明する図。
【図２７】計算によって得られたＩｄおよび電界効果移動度のＶｇ依存性を説明する図。
【図２８】計算によって得られたＩｄおよび電界効果移動度のＶｇ依存性を説明する図。
【図２９】計算によって得られたＩｄおよび電界効果移動度のＶｇ依存性を説明する図。
【図３０】計算に用いたトランジスタの上面図および断面図。
【発明を実施するための形態】
【００７２】
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、その形態および詳細を様々に変更しうることは、当業者であれば容易に理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態および実施例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。なお、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。
【００７３】
以下、本発明の説明を行うが、本明細書で用いる用語について簡単に説明する。まず、トランジスタのソースおよびドレインについては、本明細書においては、一方をドレインと呼ぶとき他方をソースと呼び、電位の高低によって、それらを区別しない。従って、本明細書において、ソースとされている部分をドレインと読み替えることもできる。また、単にソースと記載する場合、ソース電極およびソース領域のいずれかを示す。また、単にドレインと記載する場合、ドレイン電極およびドレイン領域のいずれかを示す。
【００７４】
電圧は、ある電位と、基準の電位（例えばソース電位、接地電位）との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧と電位とを言い換えることが可能である。
【００７５】
本明細書においては、「接続する」と表現される場合であっても、現実の回路においては、物理的な接続部分がなく、配線が延在しているだけの場合もある。また、抵抗素子などの、回路の動作に著しい作用を与えない素子が間に含まれていても構わない。
【００７６】
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、工程順また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。
【００７７】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る酸化物半導体膜の形成方法について、図１乃至図３を用いて説明する。
【００７８】
なお、図１乃至図３は、酸化物半導体膜と還元性を有する膜との界面近傍を拡大した断面模式図である。
【００７９】
まず、酸化物半導体膜１００を成膜する（図１（Ａ）参照。）。
【００８０】
次に、酸化物半導体膜１００上に還元性を有する膜１１０を接して設ける（図１（Ｂ）参照。）。
【００８１】
次に、酸化物半導体膜１００から還元性を有する膜１１０へ酸素の一部を移動させ、酸化物半導体膜１００と還元性を有する膜１１０との界面近傍に酸素の一部が脱離した領域１０１および酸素を含む領域１１１を形成する（図１（Ｃ）参照。）。
【００８２】
なお、酸素の一部が脱離した領域１０１は、酸化物半導体膜１００の一部から酸素が脱離することで形成される。
【００８３】
また、酸素を含む領域１１１は、還元性を有する膜１１０に酸素が付加されることで形成される。
【００８４】
次に、還元性を有する膜１１０および酸素を含む領域１１１を除去することで、酸素の一部が脱離した領域１０１を有する酸化物半導体膜１０６ａを形成することができる（図１（Ｄ）参照。）。
【００８５】
酸化物半導体膜１００から酸素の一部が脱離した領域１０１は、酸化物半導体膜１００よりも低抵抗な領域である。これは、酸化物半導体膜中の酸素欠損の一部がドナーとなり、電子を生成することで、キャリア密度が高まるためである。
【００８６】
そのため、酸化物半導体膜１０６ａは低抵抗となる。
【００８７】
なお、酸化物半導体膜１００から還元性を有する膜１１０へ酸素の一部を移動させるために、加熱処理を行うと好ましい。
【００８８】
ただし、還元性を有する膜１１０が、室温でも十分な還元性を有する場合、前述の加熱処理は不要となる。
【００８９】
なお、酸化物半導体膜１００から還元性を有する膜１１０へ酸素の一部が移動する際に、還元性を有する膜１１０を構成する材料の一部が酸化物半導体膜１００へ移動することがある。還元性を有する膜１１０の材料の一部が酸化物半導体膜１００に移動することで、還元性を有する膜１１０の材料により酸化物半導体膜１００にキャリアが生成され、酸化物半導体膜１００をさらに低抵抗化することが可能となる。具体的には、還元性を有する膜１１０の材料は酸化物半導体膜１００において、ドナーまたはアクセプターとしての機能する。
【００９０】
ここで、酸化物半導体膜１００として、例えば、Ｉｎ−Ｏ系材料、Ｇａ−Ｏ系材料、Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｓｎ−Ｏ系材料、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ系材料、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ系材料、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｎｉ−Ｚｎ−Ｏ系材料、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系材料を用いることができる。
【００９１】
例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系材料とは、Ｉｎ、ＧａおよびＺｎを主成分として有する酸化物という意味であり、Ｉｎ、ＧａおよびＺｎの原子数比は問わない。
【００９２】
酸化物半導体膜１００としてＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系材料を用いる場合、原子数比で、Ｉｎ／Ｚｎ＝０．５以上５０以下、好ましくはＩｎ／Ｚｎ＝１以上２０以下、さらに好ましくはＩｎ／Ｚｎ＝１．５以上１５以下とする。Ｚｎの原子数比を前述の範囲とすることで、トランジスタの電界効果移動度を向上させることができる。ここで、化合物の原子数比がＩｎ：Ｚｎ：Ｏ＝Ｘ：Ｙ：Ｚのとき、Ｚ＞１．５Ｘ＋Ｙとすると好ましい。
【００９３】
酸化物半導体膜１００として、化学式ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される材料を用いてもよい。ここで、Ｍは、Ｚｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｓｎ、ＨｆおよびＣｏから選ばれた一または複数の金属元素を示す。例えば、Ｍとして、Ｇａ、ＧａおよびＡｌ、ＧａおよびＭｎ、またはＧａおよびＣｏなどを用いてもよい。
【００９４】
また、還元性を有する膜１１０として、金属膜または半金属膜を用いればよい。
【００９５】
例えば、還元性を有する膜１１０として、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、チタン、バナジウム、クロム、ニッケル、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタルまたはタングステンを用いればよい。
【００９６】
または、還元性を有する膜１１０として、酸化還元電位がタングステン以下である材料を用いてもよい。
【００９７】
または、還元性を有する膜１１０として、イオン化傾向がタングステン以上である材料を用いてもよい。
【００９８】
または、還元性を有する膜１１０として、酸素と反応して不動態となる材料を用いてもよい。
【００９９】
還元性を有する膜１１０として、好ましくは、ニッケル膜、アルミニウム膜またはマグネシウム膜を用いる。
【０１００】
次に、図２を用いて、図１とは異なる方法で酸化物半導体膜を形成する方法を説明する。
【０１０１】
まず、酸化物半導体膜１００を成膜する（図２（Ａ）参照。）。
【０１０２】
次に、酸化物半導体膜１００上に還元性を有する膜１１０を接して設ける（図２（Ｂ）参照。）。
【０１０３】
次に、還元性を有する膜１１０を介して酸化物半導体膜１００に酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入し、不純物を含む酸化物半導体膜１０２を形成する（図２（Ｃ）参照。）。
【０１０４】
なお、酸化物半導体膜１００中に、還元性を有する膜１１０を介して酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入することにより、還元性を有する膜１１０を構成する材料の一部が酸化物半導体膜１００中に移動する場合がある。その場合に、さらに酸化物半導体膜１００を低抵抗化させることができる。
【０１０５】
不純物の注入は、例えば、イオン注入法またはイオンドーピング法を用いればよい。
【０１０６】
不純物の注入量は、１×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上１×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下、好ましくは５×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上５×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下とする。
【０１０７】
次に、不純物を含む酸化物半導体膜１０２から還元性を有する膜１１０へ酸素の一部を移動させ、不純物を含む酸化物半導体膜１０２と還元性を有する膜１１０との界面近傍に酸素の一部が脱離した領域１０３および酸素を含む領域１１１を形成する（図２（Ｄ）参照。）。
【０１０８】
次に、還元性を有する膜１１０および酸素を含む領域１１１を除去することで、不純物を含む酸化物半導体膜１０２および酸素の一部が脱離した領域１０３を有する酸化物半導体膜１０６ｂを形成することができる（図２（Ｅ）参照。）。
【０１０９】
不純物を含む酸化物半導体膜１０２は、酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を酸化物半導体膜１００に注入することで形成されるため、酸化物半導体膜１００よりも低抵抗である。
【０１１０】
また、不純物を含む酸化物半導体膜１０２から酸素の一部が脱離した領域１０３は、不純物を含む酸化物半導体膜１０２よりも低抵抗な領域である。これは、酸化物半導体膜中の酸素欠損の一部がドナーとなり、電子を生成することで、キャリア密度が高まるためである。
【０１１１】
そのため、酸化物半導体膜１０６ｂは低抵抗となる。
【０１１２】
なお、図１と同様に、不純物を含む酸化物半導体膜１０２から還元性を有する膜１１０へ酸素の一部を移動させるために、加熱処理を行うと好ましい。
【０１１３】
次に、図３を用いて、図１および図２とは異なる方法で酸化物半導体膜を形成する方法を説明する。
【０１１４】
まず、酸化物半導体膜１００を成膜する（図３（Ａ）参照。）。
【０１１５】
次に、酸化物半導体膜１００上に還元性を有する膜１１０を接して設ける（図３（Ｂ）参照。）。
【０１１６】
次に、酸化物半導体膜１００から還元性を有する膜１１０へ酸素の一部を移動させ、酸化物半導体膜１００と還元性を有する膜１１０との界面近傍に酸素の一部が脱離した領域１０１および酸素を含む領域１１１を形成する（図３（Ｃ）参照。）。
【０１１７】
次に、還元性を有する膜１１０および酸素を含む領域１１１を介して酸化物半導体膜１００および酸素の一部が脱離した領域１０１に酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入し、不純物を含む酸化物半導体膜１０４および不純物を含む酸素の一部が脱離した領域１０５を形成する（図３（Ｄ）参照。）。
【０１１８】
次に、還元性を有する膜１１０および酸素を含む領域１１１を除去することで、不純物を含む酸化物半導体膜１０４および不純物を含む酸素の一部が脱離した領域１０５を有する酸化物半導体膜１０６ｃを形成することができる（図３（Ｅ）参照。）。
【０１１９】
不純物を含む酸化物半導体膜１０４は、酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を酸化物半導体膜１００に注入することで形成されるため、酸化物半導体膜１００よりも低抵抗である。
【０１２０】
また、不純物を含む酸化物半導体膜から酸素の一部が脱離した不純物を含む酸素の一部が脱離した領域１０５は、不純物を含む酸化物半導体膜１０４よりも低抵抗な領域である。これは、酸化物半導体膜中の酸素欠損の一部がドナーとなり、電子を生成することで、キャリア密度が高まるためである。
【０１２１】
そのため、酸化物半導体膜１０６ｃは低抵抗となる。
【０１２２】
なお、図１と同様に、酸化物半導体膜１００から還元性を有する膜１１０へ酸素の一部を移動させるために、加熱処理を行うと好ましい。
【０１２３】
以上のようにして、低抵抗領域を有する酸化物半導体膜を形成することができる。
【０１２４】
低抵抗領域を有する酸化物半導体膜は、トランジスタのソース領域およびドレイン領域、または半導体装置の透明導電膜などに用いることができる。
【０１２５】
低抵抗領域を有する酸化物半導体膜は、シート抵抗値が１０Ω／ｓｑ以上１００ｋΩ／ｓｑ以下、好ましくは１０Ω／ｓｑ以上２０ｋΩ／ｓｑ以下、さらに好ましくは１０Ω／ｓｑ以上３ｋΩ／ｓｑ以下となる。
【０１２６】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。
【０１２７】
（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置であるトランジスタの作製方法の一例について図４乃至図１３を用いて説明する。
【０１２８】
まず、基板２００を準備する（図４（Ａ）参照。）。
【０１２９】
基板２００は絶縁表面を有する。また、基板上に下地絶縁膜が設けられているものを基板２００としても構わない。
【０１３０】
基板２００は、加熱処理により酸素を放出する基板を用いてもよい。
【０１３１】
「加熱処理により酸素を放出する」とは、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：昇温脱離ガス分光法）分析にて、酸素原子に換算しての酸素の放出量が３．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上、１．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上、３．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上、５．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上、または１．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上であることをいう。
【０１３２】
なお、酸素の放出量は、ＴＤＳ分析において、基板温度が１５０℃以上７００℃以下、２００℃以上６５０℃以下、または２５０℃以上４７０℃以下の範囲で測定する。例えば、基板温度が１５０℃未満で起こる酸素の放出は、主として基板表面に吸着した、比較的安定性の低い酸素起因と推定されるため、測定範囲に含めないことが好ましい。また、基板温度を７００℃以下の範囲とすることで、トランジスタの作製工程に即した酸素の放出量を評価していることになる。
【０１３３】
ここで、ＴＤＳ分析を用いた酸素の放出量の測定方法について、以下に説明する。
【０１３４】
ＴＤＳ分析したときの気体の全放出量は、放出ガスのイオン強度の積分値に比例する。そしてこの積分値と標準試料との比較により、気体の全放出量を計算することができる。標準試料の基準値は、所定の原子を含む試料の、スペクトルの積分値に対する原子の密度の割合である。
【０１３５】
例えば、標準試料である所定の密度の水素を含むシリコンウェハのＴＤＳ分析結果、および絶縁膜のＴＤＳ分析結果から、絶縁膜の酸素分子の放出量（ＮＯ２）は、数式１で求めることができる。ここで、ＴＤＳ分析で得られる質量電荷比（ｍ／ｚ）３２で検出されるガスの全てが酸素分子由来と仮定する。ｍ／ｚ＝３２のものとしてほかにＣＨ３ＯＨがあるが、存在する可能性が低いものとしてここでは考慮しない。また、酸素原子の同位体であるｍ／ｚ＝１７の酸素原子およびｍ／ｚ＝１８の酸素原子を含む酸素分子についても、自然界における存在比率が極微量であるため考慮しない。
【０１３６】
【数１】
【０１３７】
ＮＨ２は、標準試料から脱離した水素分子を密度で換算した値である。ＳＨ２は、標準試料をＴＤＳ分析したときのイオン強度の積分値である。ここで、標準試料の基準値を、ＮＨ２／ＳＨ２とする。ＳＯ２は、絶縁膜をＴＤＳ分析したときのイオン強度の積分値である。αは、ＴＤＳ分析におけるイオン強度に影響する係数である。数式１の詳細に関しては、特開平６−２７５６９７公報を参照する。なお、上記絶縁膜の酸素の放出量を測定するＴＤＳ装置としては、電子科学株式会社製の昇温脱離分析装置ＥＭＤ−ＷＡ１０００Ｓ／Ｗを用い、標準試料として１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の水素原子を含むシリコンウェハを用いて測定した。
【０１３８】
また、ＴＤＳ分析において、酸素の一部は酸素原子として検出される。酸素分子と酸素原子の比率は、酸素分子のイオン化率から算出することができる。なお、上述のαは酸素分子のイオン化率を含むため、酸素分子の放出量を評価することで、酸素原子の放出量についても見積もることができる。
【０１３９】
なお、ＮＯ２は酸素分子の放出量である。酸素原子に換算したときの放出量は、酸素分子の放出量の２倍となる。
【０１４０】
なお、基板２００から酸素が供給されることで、酸化物半導体膜のチャネル領域と基板２００との界面準位密度を低減することができる。この結果、トランジスタの動作などに起因して、酸化物半導体膜のチャネル領域と基板２００との界面にキャリアが捕獲されることを抑制することができ、電気特性の劣化の少ないトランジスタを得ることができる。
【０１４１】
基板２００は、材料に大きな制限はないが、少なくとも後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有する。例えば、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の絶縁体基板、シリコンウェハなどの半導体基板、ステンレス鋼などの導体基板を、基板２００として用いてもよい。なお、半導体基板または導体基板を用いる場合、基板２００の表面には絶縁体材料が設けられる。なお、後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有すればプラスチック基板を用いてもよい。
【０１４２】
基板２００は、トランジスタの作製面の平坦性が高いと、後に形成する酸化物半導体膜が結晶性を有しやすくなるため好ましい。
【０１４３】
具体的には、平均面粗さ（Ｒａ）が１ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下である基板２００を用いる。なお、Ｒａ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、数式２にて定義される。
【０１４４】
【数２】
【０１４５】
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。
【０１４６】
次に、基板２００上に酸化物半導体膜２５６を成膜する（図４（Ｂ）参照。）。酸化物半導体膜２５６は、例えば、実施の形態１に示した酸化物半導体膜１００で示した材料を用いればよい。
【０１４７】
なお、酸化物半導体膜２５６は、成膜電力を高くすること、成膜圧力を低くすること、ターゲット−基板間距離（Ｔ−Ｓ間距離）を短くすることおよび基板加熱温度（Ｔｓｕｂ）を高くすることが重要である。
【０１４８】
具体的には、単位面積あたりの成膜電力を５Ｗ／ｃｍ２以上５０Ｗ／ｃｍ２以下、成膜圧力を０．０１Ｐａ以上０．４Ｐａ以下、好ましくは０．０５Ｐａ以上０．３Ｐａ以下、Ｔ−Ｓ間距離を１０ｍｍ以上２００ｍｍ以下、好ましくは２０ｍｍ以上８０ｍｍ以下、Ｔｓｕｂを１００℃以上５００℃以下、好ましくは１５０℃以上４５０℃以下とする。
【０１４９】
また、酸化物半導体膜２５６中の不純物濃度を極力低減すると好ましい。酸化物半導体膜２５６中の不純物濃度を低減するためには、材料の純度を高めること、成膜室の内部リークおよび外部リークを低減することなどが効果的である。
【０１５０】
以上のような方法で酸化物半導体膜２５６を成膜することにより、多結晶膜またはＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜である酸化物半導体膜が得られる。
【０１５１】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、完全な単結晶ではなく、完全な非晶質でもない。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、非晶質相に結晶部および非晶質部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体膜である。なお、当該結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による観察像では、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる非晶質部と結晶部との境界は明確ではない。また、ＴＥＭによってＣＡＡＣ−ＯＳ膜には粒界（グレインバウンダリーともいう。）は確認できない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、粒界に起因する電子移動度の低下が抑制される。
【０１５２】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部は、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃い、かつａｂ面に垂直な方向から見て三角形状または六角形状の原子配列を有し、ｃ軸に垂直な方向から見て金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に配列している。なお、異なる結晶部間で、それぞれａ軸およびｂ軸の向きが異なっていてもよい。本明細書において、単に垂直と記載する場合、８５°以上９５°以下の範囲も含まれることとする。また、単に平行と記載する場合、−５°以上５°以下の範囲も含まれることとする。
【０１５３】
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。
【０１５４】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃うため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形状（被形成面の断面形状または表面の断面形状）によっては互いに異なる方向を向くことがある。なお、結晶部のｃ軸の方向は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されたときの被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向となる。結晶部は、成膜することにより、または成膜後に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。
【０１５５】
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を低減することが可能である。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。
【０１５６】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶構造の一例について図２２乃至図２５を用いて詳細に説明する。なお、特に断りがない限り、図２２乃至図２５は上方向をｃ軸方向とし、ｃ軸方向と直交する面をａｂ面とする。なお、単に上半分、下半分という場合、ａｂ面を境にした場合の上半分、下半分をいう。また、図２２において丸で囲まれたＯは４配位のＯを示し、二重丸で囲まれたＯは３配位のＯを示す。
【０１５７】
図２２（Ａ）に、１個の６配位のＩｎと、Ｉｎに近接の６個の４配位の酸素原子（以下４配位のＯ）と、を有する構造を示す。ここでは、金属原子が１個に対して、近接の酸素原子のみ示した構造を小グループと呼ぶ。図２２（Ａ）の構造は、八面体構造をとるが、簡単のため平面構造で示している。なお、図２２（Ａ）の上半分および下半分にはそれぞれ３個ずつ４配位のＯがある。図２２（Ａ）に示す小グループは電荷が０である。
【０１５８】
図２２（Ｂ）に、１個の５配位のＧａと、Ｇａに近接の３個の３配位の酸素原子（以下３配位のＯ）と、Ｇａに近接の２個の４配位のＯと、を有する構造を示す。３配位のＯは、いずれもａｂ面に存在する。図２２（Ｂ）の上半分および下半分にはそれぞれ１個ずつ４配位のＯがある。また、Ｉｎも５配位をとるため、図２２（Ｂ）に示す構造をとりうる。図２２（Ｂ）に示す小グループは電荷が０である。
【０１５９】
図２２（Ｃ）に、１個の４配位のＺｎと、Ｚｎに近接の４個の４配位のＯと、を有する構造を示す。図２２（Ｃ）の上半分には１個の４配位のＯがあり、下半分には３個の４配位のＯがある。または、図２２（Ｃ）の上半分に３個の４配位のＯがあり、下半分に１個の４配位のＯがあってもよい。図２２（Ｃ）に示す小グループは電荷が０である。
【０１６０】
図２２（Ｄ）に、１個の６配位のＳｎと、Ｓｎに近接の６個の４配位のＯと、を有する構造を示す。図２２（Ｄ）の上半分には３個の４配位のＯがあり、下半分には３個の４配位のＯがある。図２２（Ｄ）に示す小グループは電荷が＋１となる。
【０１６１】
図２２（Ｅ）に、２個のＺｎを含む小グループを示す。図２２（Ｅ）の上半分には１個の４配位のＯがあり、下半分には１個の４配位のＯがある。図２２（Ｅ）に示す小グループは電荷が−１となる。
【０１６２】
ここでは、複数の小グループの集合体を中グループと呼び、複数の中グループの集合体を大グループ（ユニットセルともいう。）と呼ぶ。
【０１６３】
ここで、これらの小グループ同士が結合する規則について説明する。図２２（Ａ）に示す６配位のＩｎの上半分の３個のＯは、下方向にそれぞれ３個の近接Ｉｎを有し、下半分の３個のＯは、上方向にそれぞれ３個の近接Ｉｎを有する。図２２（Ｂ）に示す５配位のＧａの上半分の１個のＯは下方向に１個の近接Ｇａを有し、下半分の１個のＯは上方向に１個の近接Ｇａを有する。図２２（Ｃ）に示す４配位のＺｎの上半分の１個のＯは、下方向に１個の近接Ｚｎを有し、下半分の３個のＯは、上方向にそれぞれ３個の近接Ｚｎを有する。この様に、金属原子の上方向の４配位のＯの数と、そのＯの下方向にある近接金属原子の数は等しく、同様に金属原子の下方向の４配位のＯの数と、そのＯの上方向にある近接金属原子の数は等しい。Ｏは４配位なので、下方向にある近接金属原子の数と、上方向にある近接金属原子の数の和は４になる。従って、金属原子の上方向にある４配位のＯの数と、別の金属原子の下方向にある４配位のＯの数との和が４個のとき、金属原子を有する二種の小グループ同士は結合することができる。例えば、６配位の金属原子（ＩｎまたはＳｎ）が下半分の４配位のＯを介して結合する場合、４配位のＯが３個であるため、５配位の金属原子（ＧａまたはＩｎ）、４配位の金属原子（Ｚｎ）のいずれかと結合することになる。
【０１６４】
これらの配位数を有する金属原子は、ｃ軸方向において、４配位のＯを介して結合する。また、このほかにも、層構造の合計の電荷が０となるように複数の小グループが結合して中グループを構成する。
【０１６５】
図２３（Ａ）に、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造を構成する中グループのモデル図を示す。図２３（Ｂ）に、３つの中グループで構成される大グループを示す。なお、図２３（Ｃ）は、図２３（Ｂ）の層構造をｃ軸方向から観察した場合の原子配列を示す。
【０１６６】
図２３（Ａ）においては、簡単のため、３配位のＯは省略し、４配位のＯは個数のみ示し、例えば、Ｓｎの上半分および下半分にはそれぞれ３個ずつ４配位のＯがあることを丸枠の３として示している。同様に、図２３（Ａ）において、Ｉｎの上半分および下半分にはそれぞれ１個ずつ４配位のＯがあり、丸枠の１として示している。また、同様に、図２３（Ａ）において、下半分には１個の４配位のＯがあり、上半分には３個の４配位のＯがあるＺｎと、上半分には１個の４配位のＯがあり、下半分には３個の４配位のＯがあるＺｎとを示している。
【０１６７】
図２３（Ａ）において、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造を構成する中グループは、上から順に４配位のＯが３個ずつ上半分および下半分にあるＳｎが、４配位のＯが１個ずつ上半分および下半分にあるＩｎと結合し、そのＩｎが、上半分に３個の４配位のＯがあるＺｎと結合し、そのＺｎの下半分の１個の４配位のＯを介して４配位のＯが３個ずつ上半分および下半分にあるＩｎと結合し、そのＩｎが、上半分に１個の４配位のＯがあるＺｎ２個からなる小グループと結合し、この小グループの下半分の１個の４配位のＯを介して４配位のＯが３個ずつ上半分および下半分にあるＳｎと結合している構成である。この中グループが複数結合して大グループを構成する。
【０１６８】
ここで、３配位のＯおよび４配位のＯの場合、結合１本当たりの電荷はそれぞれ−０．６６７、−０．５と考えることができる。例えば、Ｉｎ（６配位または５配位）、Ｚｎ（４配位）、Ｓｎ（５配位または６配位）の電荷は、それぞれ＋３、＋２、＋４である。従って、Ｓｎを含む小グループは電荷が＋１となる。そのため、Ｓｎを含む層構造を形成するためには、電荷＋１を打ち消す電荷−１が必要となる。電荷−１をとる構造として、図２２（Ｅ）に示すように、２個のＺｎを含む小グループが挙げられる。例えば、Ｓｎを含む小グループが１個に対し、２個のＺｎを含む小グループが１個あれば、電荷が打ち消されるため、層構造の合計の電荷を０とすることができる。
【０１６９】
具体的には、図２３（Ｂ）に示した大グループが繰り返されることで、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の結晶（Ｉｎ２ＳｎＺｎ３Ｏ８）を得ることができる。なお、得られるＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造は、Ｉｎ２ＳｎＺｎ２Ｏ７（ＺｎＯ）ｍ（ｍは０または自然数。）とする組成式で表すことができる。
【０１７０】
また、このほかにも、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物や、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物（ＩＧＺＯとも表記する。）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物や、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物や、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物や、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ系酸化物などを用いた場合も同様である。
【０１７１】
例えば、図２４（Ａ）に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物の層構造を構成する中グループのモデル図を示す。
【０１７２】
図２４（Ａ）において、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物の層構造を構成する中グループは、上から順に４配位のＯが３個ずつ上半分および下半分にあるＩｎが、４配位のＯが１個上半分にあるＺｎと結合し、そのＺｎの下半分の３個の４配位のＯを介して、４配位のＯが１個ずつ上半分および下半分にあるＧａと結合し、そのＧａの下半分の１個の４配位のＯを介して、４配位のＯが３個ずつ上半分および下半分にあるＩｎと結合している構成である。この中グループが複数結合して大グループを構成する。
【０１７３】
図２４（Ｂ）に３つの中グループで構成される大グループを示す。なお、図２４（Ｃ）は、図２４（Ｂ）の層構造をｃ軸方向から観察した場合の原子配列を示している。
【０１７４】
ここで、Ｉｎ（６配位または５配位）、Ｚｎ（４配位）、Ｇａ（５配位）の電荷は、それぞれ＋３、＋２、＋３であるため、Ｉｎ、ＺｎおよびＧａのいずれかを含む小グループは、電荷が０となる。そのため、これらの小グループの組み合わせであれば中グループの合計の電荷は常に０となる。
【０１７５】
また、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造を構成する中グループは、図２４（Ａ）に示した中グループに限定されず、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの配列が異なる中グループを組み合わせた大グループも取りうる。
【０１７６】
具体的には、図２４（Ｂ）に示した大グループが繰り返されることで、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物の結晶を得ることができる。なお、得られるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物の層構造は、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｎ（ｎは自然数。）とする組成式で表すことができる。
【０１７７】
ｎ＝１（ＩｎＧａＺｎＯ４）の場合は、例えば、図２５（Ａ）に示す結晶構造を取りうる。なお、図２５（Ａ）に示す結晶構造において、図２２（Ｂ）で説明したように、ＧａおよびＩｎは５配位をとるため、ＧａがＩｎに置き換わった構造も取りうる。
【０１７８】
また、ｎ＝２（ＩｎＧａＺｎ２Ｏ５）の場合は、例えば、図２５（Ｂ）に示す結晶構造を取りうる。なお、図２５（Ｂ）に示す結晶構造において、図２２（Ｂ）で説明したように、ＧａおよびＩｎは５配位をとるため、ＧａがＩｎに置き換わった構造も取りうる。
【０１７９】
以上がＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部分に関する説明である。
【０１８０】
酸化物半導体膜２５６は、トランジスタのオフ電流を低減するため、バンドギャップが２．５ｅＶ以上、好ましくは２．８ｅＶ以上、さらに好ましくは３．０ｅＶ以上の材料を選択する。
【０１８１】
酸化物半導体にとって不純物である水素は、一部がドナーとなりキャリアを生成する。そのため、酸化物半導体膜２５６中の水素濃度は、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【０１８２】
アルカリ金属は酸化物半導体を構成する元素ではないため、不純物である。アルカリ土類金属も、酸化物半導体を構成する元素ではない場合において、不純物となる。特に、アルカリ金属のうちナトリウム（Ｎａ）は、酸化物半導体膜に接する絶縁膜中に拡散してＮａ＋となる。また、Ｎａは、酸化物半導体膜内において、酸化物半導体を構成する金属と酸素の結合を分断する、または、その結合中に割り込む。その結果、例えば、しきい値電圧がマイナス方向にシフトすることによるノーマリオン化、電界効果移動度の低下などの、トランジスタ特性の劣化が起こり、加えて、特性のばらつきも生じる。従って、酸化物半導体膜中の上記不純物の濃度を低減することが望ましい。具体的に、Ｎａ濃度は、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）において、５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。同様に、リチウム（Ｌｉ）濃度の測定値は、５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。同様に、カリウム（Ｋ）濃度の測定値は、５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【０１８３】
酸化物半導体膜２５６は、水素、アルカリ金属およびアルカリ土類金属などが低減され、極めて不純物濃度の低い酸化物半導体膜である。そのため、酸化物半導体膜２５６をチャネル領域に用いたトランジスタはオフ電流を小さくできる。
【０１８４】
以上に示した酸化物半導体膜２５６を用いることでトランジスタのオフ電流を小さくできる。例えば、チャネル長が３μｍ、チャネル幅が１μｍのときのトランジスタのオフ電流を１×１０−１８Ａ以下、または１×１０−２１Ａ以下、または１×１０−２４Ａ以下とすることができる。
【０１８５】
なお、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物を用いたトランジスタでは比較的容易に高い電界効果移動度が得られる。具体的には、トランジスタの電界効果移動度を３１ｃｍ２／Ｖｓ以上、４０ｃｍ２／Ｖｓ以上、６０ｃｍ２／Ｖｓ以上、８０ｃｍ２／Ｖｓ以上または１００ｃｍ２／Ｖｓ以上とすることができる。なお、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物以外（例えばＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物）でも、欠陥密度を低減することにより電界効果移動度を高めることができる。
【０１８６】
以下にトランジスタの電界効果移動度について図２６乃至図２９を用いて説明する。
【０１８７】
酸化物半導体に限らず、トランジスタの電界効果移動度は、様々な理由によって本来の得られるはずの電界効果移動度よりも低く測定される。電界効果移動度を低下させる要因としては半導体内部の欠陥や半導体と絶縁膜との界面における欠陥がある。ここでは、Ｌｅｖｉｎｓｏｎモデルを用い、半導体内部に欠陥がないと仮定した場合の電界効果移動度を理論的に導き出す。
【０１８８】
本来のトランジスタの電界効果移動度をμ０とし、半導体中に何らかのポテンシャル障壁（粒界など）が存在すると仮定したときに測定される電界効果移動度μは数式３で表される。
【０１８９】
【数３】
【０１９０】
ここで、Ｅはポテンシャル障壁の高さであり、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。なお、Ｌｅｖｉｎｓｏｎモデルでは、ポテンシャル障壁の高さＥが欠陥に由来すると仮定し、数式４で表される。
【０１９１】
【数４】
【０１９２】
ここで、ｅは電気素量、Ｎはチャネル内の単位面積あたりの平均欠陥密度、εは半導体の誘電率、ｎはチャネルの単位面積あたりのキャリア密度、Ｃｏｘは単位面積当たりのゲート絶縁膜容量、Ｖｇはゲート電圧、ｔはチャネルの厚さである。なお、厚さが３０ｎｍ以下の半導体層であれば、チャネルの厚さは半導体層の厚さと同一として差し支えない。
【０１９３】
線形領域におけるドレイン電流Ｉｄは、数式５で表される。
【０１９４】
【数５】
【０１９５】
ここで、Ｌはチャネル長、Ｗはチャネル幅であり、ここでは、ＬおよびＷは１０μｍとする。また、Ｖｄはドレイン電圧である。
【０１９６】
数式５の両辺の対数を取ると、数式６で表される。
【０１９７】
【数６】
【０１９８】
数式６の右辺はＶｇの関数であるため、縦軸をｌｎ（Ｉｄ／Ｖｇ）、横軸を１／Ｖｇとして実測値をプロットして得られるグラフの近似直線の傾きから欠陥密度Ｎが求められる。即ち、トランジスタのＶｇ−Ｉｄ特性から半導体中の欠陥密度Ｎが得られる。
【０１９９】
半導体中の欠陥密度Ｎは半導体の成膜時の基板加熱温度に依存する。半導体として、Ｉｎ、ＳｎおよびＺｎの比率が、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］のＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏターゲットを用いて成膜した酸化物半導体を用いた場合、酸化物半導体中の欠陥密度Ｎは１×１０１２／ｃｍ２程度となる。
【０２００】
上述した酸化物半導体中の欠陥密度Ｎをもとに、数式３および数式４を用いて計算すると、本来のトランジスタの電界効果移動度μ０は１２０ｃｍ２／Ｖｓとなる。従って、酸化物半導体中および酸化物半導体と接するゲート絶縁膜との界面に欠陥がない、理想的なトランジスタの電界効果移動度μ０は１２０ｃｍ２／Ｖｓとわかる。ところが、欠陥の多い酸化物半導体では、トランジスタの電界効果移動度μは３０ｃｍ２／Ｖｓ程度である。
【０２０１】
また、半導体内部に欠陥がなくても、チャネルとゲート絶縁膜との界面散乱によってトランジスタの輸送特性は影響を受ける。ゲート絶縁膜界面からｘだけ離れた場所における電界効果移動度μ１は、数式７で表される。
【０２０２】
【数７】
【０２０３】
ここで、Ｄはゲート電極による電界強度、Ｂは定数、ｌは界面散乱の影響が生じる深さである。Ｂおよびｌは、トランジスタの電気特性の実測より求めることができ、上記酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性の実測からは、Ｂ＝４．７５×１０７ｃｍ／ｓ、ｌ＝１０ｎｍが得られる。Ｄが増加すると、即ちＶｇが高くなると、数式７の第２項が増加するため、電界効果移動度μ１は低下することがわかる。
【０２０４】
酸化物半導体中および酸化物半導体と接するゲート絶縁膜との界面に欠陥のない、理想的なトランジスタの電界効果移動度μ２を計算した結果を図２６に示す。なお、計算にはシノプシス社製Ｓｅｎｔａｕｒｕｓ Ｄｅｖｉｃｅを使用し、酸化物半導体のバンドギャップを２．８ｅＶ、電子親和力を４．７ｅＶ、比誘電率を１５、厚さを１５ｎｍとした。さらに、ゲートの仕事関数を５．５ｅＶ、ソースおよびドレインの仕事関数を４．６ｅＶとした。また、ゲート絶縁膜の厚さは１００ｎｍ、比誘電率を４．１とした。また、チャネル長およびチャネル幅はともに１０μｍ、Ｖｄは０．１Ｖとした。
【０２０５】
図２６で示されるように、Ｖｇが１Ｖ近傍で電界効果移動度μ２は１００ｃｍ２／Ｖｓ以上のピークを有するが、Ｖｇがさらに高くなると、界面散乱の影響が大きくなり、電界効果移動度μ２が低下することがわかる。
【０２０６】
このような理想的なトランジスタを微細化した場合について、計算した結果を図２７乃至図２９に示す。なお、計算には図３０に示した構造のトランジスタを仮定している。
【０２０７】
次に、図３０に示すトランジスタの構造について説明する。図３０（Ａ）はトランジスタの上面図である。図３０（Ａ）に示す一点鎖線Ａ−Ｂに対応する断面図が図３０（Ｂ）である。
【０２０８】
図３０（Ｂ）に示すトランジスタは、基板２００上に設けられた下地絶縁膜３００２と、下地絶縁膜３００２の周辺に設けられた保護膜３０２０と、下地絶縁膜３００２および保護膜３０２０上に設けられた、高抵抗領域３００６ａおよび低抵抗領域３００６ｂを含む酸化物半導体膜３００６と、酸化物半導体膜３００６上に設けられたゲート絶縁膜３０１２と、ゲート絶縁膜３０１２を介して酸化物半導体膜３００６に重畳して設けられたゲート電極３００４と、ゲート電極３００４の側面に接して設けられた側壁絶縁膜３０２４と、酸化物半導体膜３００６上にあり、少なくとも酸化物半導体膜３００６と一部を接して設けられた一対の電極３０１６と、ゲート電極３００４、側壁絶縁膜３０２４および一対の電極３０１６を覆って設けられた保護絶縁膜３０１８と、保護絶縁膜３０１８に設けられた開口部を介して一対の電極３０１６と接して設けられた配線３０２２と、を有する。
【０２０９】
ここで、低抵抗領域３００６ｂの抵抗率を２×１０−３Ωｃｍ、ゲート電極３００４の幅を３３ｎｍ、側壁絶縁膜３０２４の幅を５ｎｍ、チャネル幅を４０ｎｍとする。なお、チャネル領域を便宜上高抵抗領域３００６ａという名称で記載しているが、ここではチャネル領域を真性半導体と仮定している。
【０２１０】
計算にはシノプシス社製Ｓｅｎｔａｕｒｕｓ Ｄｅｖｉｃｅを使用した。図２７は、図３０（Ｂ）に示される構造のトランジスタのＩｄ（実線）および電界効果移動度μ（点線）のＶｇ依存性である。なお、ＩｄはＶｄを１Ｖとし、電界効果移動度μはＶｄを０．１Ｖとして計算している。ここで、ゲート絶縁膜の厚さが１５ｎｍとした場合を図２７（Ａ）に、１０ｎｍとした場合を図２７（Ｂ）に、５ｎｍとした場合を図２７（Ｃ）にそれぞれ示す。
【０２１１】
図２７より、ゲート絶縁膜が薄くなるほど、オフ状態（ここではＶｇが−３Ｖから０Ｖの範囲を指す。）でのドレイン電流Ｉｄが低下する。一方、電界効果移動度μのピーク値やオン状態（ここではＶｇが０Ｖから３Ｖの範囲を指す。）でのドレイン電流Ｉｄには目立った変化がない。図２７より、Ｖｇが１Ｖ近傍でＩｄは半導体装置であるメモリなどに必要とされる１０μＡを超えることがわかる。
【０２１２】
同様に、図３０（Ｃ）で示されるトランジスタについて計算を行っている。図３０（Ｃ）で示されるトランジスタは、高抵抗領域３００７ａおよび低抵抗領域３００７ｂを有する酸化物半導体膜３００７を有する点で、図３０（Ｂ）で示されるトランジスタとは異なる。具体的には、図３０（Ｃ）で示されるトランジスタは、側壁絶縁膜３０２４と重畳する酸化物半導体膜３００７の領域が高抵抗領域３００７ａに含まれる。即ち、該トランジスタは側壁絶縁膜３０２４の幅だけオフセット領域を有するトランジスタである。なお、オフセット領域の幅をオフセット長（Ｌｏｆｆ）ともいう（図３０（Ａ）参照。）。なお、Ｌｏｆｆは便宜上左右で同じ幅としている。
【０２１３】
図３０（Ｃ）で示されるトランジスタにおいて、Ｌｏｆｆを５ｎｍとし、ドレイン電流Ｉｄ（実線）および電界効果移動度μ（点線）のＶｇ依存性を図２８に示す。なお、Ｉｄは、Ｖｄを１Ｖとし、電界効果移動度μはＶｄを０．１Ｖとして計算している。ここで、ゲート絶縁膜の厚さが１５ｎｍとした場合を図２８（Ａ）に、１０ｎｍとした場合を図２８（Ｂ）に、５ｎｍとした場合を図２８（Ｃ）にそれぞれ示す。
【０２１４】
また、図２９は、図３０（Ｃ）に示されるトランジスタの構造から、Ｌｏｆｆを１５ｎｍとしたもののドレイン電流Ｉｄ（実線）および電界効果移動度μ（点線）のＶｇ依存性である。なお、Ｉｄは、Ｖｄを１Ｖとし、電界効果移動度μはＶｄを０．１Ｖとして計算している。ここで、ゲート絶縁膜の厚さが１５ｎｍとした場合を図２９（Ａ）に、１０ｎｍとした場合を図２９（Ｂ）に、５ｎｍとした場合を図２９（Ｃ）にそれぞれ示す。
【０２１５】
図２８および図２９に示した計算結果より、図２７と同様に、いずれもゲート絶縁膜が薄くなるほどオフ状態（ここではＶｇが−３Ｖから０Ｖの範囲を指す。）でのドレイン電流Ｉｄが低下する。一方、電界効果移動度μのピーク値やオン状態（ここではＶｇが０Ｖから３Ｖの範囲を指す。）でのドレイン電流Ｉｄには目立った変化がないとわかる。
【０２１６】
なお、電界効果移動度μのピークは、図２７では８０ｃｍ２／Ｖｓ程度であるが、図２８では６０ｃｍ２／Ｖｓ程度、図２９では４０ｃｍ２／Ｖｓ程度と、Ｌｏｆｆが増加するほど低下することがわかる。また、オフ状態でのＩｄも同様の傾向となることがわかる。一方、オン状態のＩｄはオフセット長Ｌｏｆｆの増加に伴って減少するが、オフ状態のＩｄの低下に比べるとはるかに緩やかである。また、いずれの計算結果からもＶｇが１Ｖ近傍で、Ｉｄはメモリなどに必要とされる１０μＡを超えることがわかる。
【０２１７】
以上でトランジスタの電界効果移動度についての説明を終了する。
【０２１８】
なお、酸化物半導体膜２５６は、島状に加工されていてもよいが、本実施の形態では島状に加工されていないものとして説明する。
【０２１９】
次に、第１の加熱処理を行う。第１の加熱処理を行うと、酸化物半導体膜２５６の結晶化度が高まる、または／および酸化物半導体膜２５６中の不純物濃度を低減することができる。
【０２２０】
第１の加熱処理は、酸化性雰囲気、不活性雰囲気、減圧雰囲気または乾燥空気雰囲気において、１５０℃以上６５０℃以下、好ましくは２５０℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３００℃以上４５０℃以下の温度で行えばよい。第１の加熱処理は、抵抗加熱方式、ランプヒータ方式、加熱ガス方式などを適用すればよい。
【０２２１】
酸化性雰囲気とは、酸化性ガスを含む雰囲気をいう。酸化性ガスとは、酸素、オゾンまたは亜酸化窒素などであって、水、水素などが含まれないことが好ましい。例えば、熱処理装置に導入する酸素、オゾン、亜酸化窒素の純度を、８Ｎ（９９．９９９９９９％）以上、好ましくは９Ｎ（９９．９９９９９９９％）以上とする。酸化性雰囲気には、酸化性ガスと不活性ガスが混合されていてもよい。その場合、酸化性ガスが少なくとも１０ｐｐｍ以上含まれる雰囲気とする。
【０２２２】
不活性雰囲気とは、窒素、希ガスなどの不活性ガスを主成分とする雰囲気をいう。具体的には、酸化性ガスなどの反応性ガスが１０ｐｐｍ未満である雰囲気とする。
【０２２３】
減圧雰囲気とは、処理室の圧力が１０Ｐａ以下の雰囲気をいう。
【０２２４】
乾燥空気雰囲気とは、露点−４０℃以下、好ましくは露点−５０℃以下の雰囲気をいう。
【０２２５】
次に、酸化物半導体膜２５６上に絶縁膜２６２を成膜する。
【０２２６】
絶縁膜２６２は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムまたはＹＳＺ（酸化イットリウムで安定化した酸化ジルコニウム）などを、単層で、または積層して用いればよい。
【０２２７】
酸化窒化シリコンとは、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、例えば、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、シリコンが２５原子％以上３５原子％以下、水素が０原子％以上１０原子％以下の範囲で含まれるものをいう。また、窒化酸化シリコンとは、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、例えば、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、シリコンが２５原子％以上３５原子％以下、水素が１０原子％以上２５原子％以下の範囲で含まれるものをいう。但し、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 Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を用いて測定した場合のものである。また、構成元素の組成は、その合計が１００原子％を超えない値をとる。
【０２２８】
次に、絶縁膜２６２上に導電膜２５４を成膜する（図４（Ｃ）参照。）。
【０２２９】
導電膜２５４は、単層または積層構造とすればよく、アルミニウム、チタン、クロム、コバルト、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタルおよびタングステン、それらの窒化物、酸化物ならびに合金から一種以上選択し、単層でまたは積層で用いればよい。
【０２３０】
次に、導電膜２５４を加工し、ゲート電極２０４を形成する。
【０２３１】
なお、本明細書において、例えば、「加工する」とは、フォトリソグラフィ法などを用いて所望の形状を得ることをいう。
【０２３２】
次に、ゲート電極２０４と同様の上面形状に絶縁膜２６２を加工し、ゲート絶縁膜２１２を形成する（図４（Ｄ）参照。）。
【０２３３】
また、ゲート絶縁膜２１２は、加熱処理により酸素を放出する膜を用いると好ましい。加熱処理により酸素を放出する膜を用いることで、酸化物半導体膜のチャネル領域に生じる欠陥を修復することができ、トランジスタの電気特性の劣化を抑制できる。
【０２３４】
次に、酸化物半導体膜２５６およびゲート電極２０４上に還元性を有する膜２１０を成膜する（図５（Ａ）参照。）。還元性を有する膜２１０は、例えば、実施の形態１に示した還元性を有する膜１１０で示した材料を用いればよい。
【０２３５】
次に、還元性を有する膜２１０と接する領域において、酸化物半導体膜２５６の酸素を還元性を有する膜２１０に移動させ、第１の領域２０６ａ、第２の領域２０６ｂおよび第３の領域２０６ｃを含む酸化物半導体膜２０６を形成する（図５（Ｂ）参照。）。
【０２３６】
なお、第１の領域２０６ａは、酸化物半導体膜２５６から酸素の脱離していない領域であり、第２の領域２０６ｂおよび第３の領域２０６ｃは、酸素の一部が脱離した領域である。
【０２３７】
実施の形態１でも示したように、ここで第２の領域２０６ｂおよび第３の領域２０６ｃは、第１の領域２０６ａよりも低抵抗化された領域である。
【０２３８】
第１の領域２０６ａはトランジスタのチャネル領域として機能し、第２の領域２０６ｂおよび第３の領域２０６ｃはトランジスタのソース領域およびドレイン領域として機能する。
【０２３９】
酸化物半導体膜２５６の酸素を還元性を有する膜２１０に移動させるために、第２の加熱処理を行うと好ましい。第２の加熱処理は、不活性雰囲気または減圧雰囲気において、１５０℃以上６５０℃以下、好ましくは２００℃以上４５０℃以下で行う。
【０２４０】
なお、第２の加熱処理を不活性雰囲気または減圧雰囲気にて行うことで、還元性を有する膜２１０が雰囲気の影響で変質してしまうことを抑制できる。還元性を有する膜２１０が変質してしまうことで、後に還元性を有する膜２１０を除去することが困難になることがある。また、還元性を有する膜２１０が除去されずに残存することで、トランジスタの電気特性が低下してしまうことがある。
【０２４１】
なお、還元性を有する膜２１０が、室温でも作用する十分な還元性を有する場合、第２の加熱処理は不要となる。
【０２４２】
また、第２の加熱処理によって第１の加熱処理を兼ねてもよい。その場合、第１の加熱処理を行わなくて構わない。
【０２４３】
次に、還元性を有する膜２１０を除去する（図５（Ｃ）参照。）。
【０２４４】
還元性を有する膜２１０の除去は、ゲート電極２０４、ゲート絶縁膜２１２および酸化物半導体膜２０６と十分に選択比のとれる条件で行う。
【０２４５】
十分に選択比のとれる条件とは、還元性を有する膜２１０のエッチングレートに対し、他の膜のエッチングレートが１／２以下、好ましくは１／１０以下、さらに好ましくは１／２０以下であることをいう。
【０２４６】
なお、還元性を有する膜２１０の除去に伴い、ゲート電極２０４、ゲート絶縁膜２１２および酸化物半導体膜２０６の露出面に反応生成物が生じてしまう場合、該反応生成物を除去する処理を行うと好ましい。
【０２４７】
還元性を有する膜２１０の除去は、ドライエッチング法、ウェットエッチング法、またはドライエッチング法およびウェットエッチング法の組み合わせにより行えばよい。
【０２４８】
また、還元性を有する膜２１０を除去せずに絶縁化させる場合、還元性を有する膜２１０を完全に反応させることが困難である。そのため、未反応または完全に反応しきっていない還元性を有する膜２１０がトランジスタの電気特性を低下させることがある。
【０２４９】
以上のように、基板２００上の第１の領域２０６ａ、第２の領域２０６ｂおよび第３の領域２０６ｃを含む酸化物半導体膜２０６と、酸化物半導体膜２０６上のゲート絶縁膜２１２と、ゲート絶縁膜２１２を介して酸化物半導体膜２０６上に設けられたゲート電極２０４と、を有するトランジスタ２７１を作製することができる（図５（Ｃ）参照。）。
【０２５０】
なお、トランジスタ２７１を作製後、第３の加熱処理を行うと好ましい。第３の加熱処理は、第２の加熱処理と同様の方法で行えばよい。
【０２５１】
なお、トランジスタ２７１に側壁絶縁膜を設けて、当該側壁絶縁膜と重畳する酸化物半導体膜２０６の領域をＬＤＤ領域とした、ＬＤＤ構造としても構わない。以下に、ＬＤＤ構造であるトランジスタの作製方法について説明する。
【０２５２】
図５（Ｃ）まではトランジスタ２７１の作製方法を参酌する。
【０２５３】
まず、酸化物半導体膜２０６およびゲート電極２０４上に絶縁膜２５８を成膜する（図６（Ａ）参照。）。
【０２５４】
絶縁膜２５８は、絶縁膜２６２と同様の方法および同様の材料を用いて成膜すればよい。
【０２５５】
次に、絶縁膜２５８を加工して、側壁絶縁膜２０８を形成する。側壁絶縁膜２０８は、ゲート電極２０４の側壁に接して設けられる。
【０２５６】
側壁絶縁膜２０８は、絶縁膜２５８を成膜した後、絶縁膜２５８に対し異方性の高いエッチングを行うことで、自己整合的に形成すればよい。異方性の高いエッチングとしては、例えば、ドライエッチング法を用いると好ましい。ドライエッチング法に用いるエッチングガスとしては、例えば、トリフルオロメタン、オクタフルオロシクロブタン、テトラフルオロメタンなどのフッ素を含むガスが挙げられる。エッチングガスには、希ガスまたは水素を添加してもよい。ドライエッチング法は、基板に高周波電圧を印加する、反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）を用いると好ましい。
【０２５７】
次に、ゲート電極２０４および側壁絶縁膜２０８をマスクとし、酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を、酸化物半導体膜２０６に注入し、第１の領域２０６ａ、第４の領域２０６ｄ、第５の領域２０６ｅ、第６の領域２０６ｆおよび第７の領域２０６ｇを含む酸化物半導体膜２０６を形成する（図６（Ｂ）参照。）。
【０２５８】
酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物として、具体的には、酸化物半導体膜中でキャリアを生成する材料を用いることができる。
【０２５９】
例えば、酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物として、水素、ヘリウム、ホウ素、窒素、フッ素、ネオン、アルミニウム、リン、アルゴン、ヒ素、クリプトン、インジウム、スズ、アンチモンおよびキセノンから選ばれた一種以上を注入してもよい。
【０２６０】
酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物として、好ましくは、ホウ素またはリンを用いる。ホウ素またはリンは、比較的低濃度でも酸化物半導体膜を低抵抗化できる。
【０２６１】
なお、側壁絶縁膜２０８を有することで、酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物が、酸化物半導体膜２０６のチャネル領域（ここでは第１の領域２０６ａ）まで拡散することを抑制できる。そのため、微細化したトランジスタにおける電気特性の低下を抑制できる。
【０２６２】
なお、第１の領域２０６ａ、第４の領域２０６ｄ、第５の領域２０６ｅ、第６の領域２０６ｆおよび第７の領域２０６ｇを含む酸化物半導体膜２０６は、絶縁膜２５８の加工前に絶縁膜２５８を介して酸化物半導体膜２０６に酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入することで形成してもよい。その場合、第１の領域２０６ａ、第４の領域２０６ｄ、第５の領域２０６ｅ、第６の領域２０６ｆおよび第７の領域２０６ｇを含む酸化物半導体膜２０６を形成した後で、絶縁膜２５８を加工して、側壁絶縁膜２０８を形成すればよい。または、側壁絶縁膜２０８を形成せず絶縁膜２５８を除去しても構わないし、絶縁膜２５８を残存させたままトランジスタを作製しても構わない。
【０２６３】
酸化物半導体膜２０６へ酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入した後、第４の加熱処理を行っても構わない。第４の加熱処理は、第１の加熱処理または第２の加熱処理と同様の方法で行えばよい。なお、第４の加熱処理を行う場合、第１の加熱処理を兼ねても構わない。
【０２６４】
第４の領域２０６ｄおよび第５の領域２０６ｅは、第２の領域２０６ｂおよび第３の領域２０６ｃに、酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入することで、さらに低抵抗化させた領域である。
【０２６５】
また、第６の領域２０６ｆおよび第７の領域２０６ｇは、第２の領域２０６ｂおよび第３の領域２０６ｃと同様の抵抗を有する領域である。
【０２６６】
ここで、第４の領域２０６ｄおよび第５の領域２０６ｅは、トランジスタのソース領域およびドレイン領域として機能する。また、第６の領域２０６ｆおよび第７の領域２０６ｇは、トランジスタのＬＤＤ領域として機能する。
【０２６７】
ＬＤＤ領域は、シート抵抗値が１ｋΩ／ｓｑ以上１００ＭΩ／ｓｑ以下、好ましくは１０ｋΩ／ｓｑ以上５０ＭΩ／ｓｑ以下、さらに好ましくは１００ｋΩ／ｓｑ以上２０ＭΩ／ｓｑ以下とする。
【０２６８】
以上のようにして、ＬＤＤ領域を有するトランジスタ２７２を作製することができる（図６（Ｂ）参照。）。
【０２６９】
なお、トランジスタ２７２を作製後、第３の加熱処理を行うと好ましい。
【０２７０】
ＬＤＤ領域を有することで、ホットキャリア劣化などのトランジスタの劣化を低減し、チャネル長が短くなることによってしきい値電圧がマイナス方向へシフトすることを抑制することができる。
【０２７１】
次に、側壁絶縁膜を設けずに、ＬＤＤ領域を有するトランジスタを作製する方法について説明する。
【０２７２】
なお、図４（Ｄ）までは、トランジスタ２７１と同様の作製方法を採る。
【０２７３】
まず、酸化物半導体膜２５６およびゲート電極２０４上に還元性を有する膜２１０を成膜する（図７（Ａ）参照。）。
【０２７４】
次に、還元性を有する膜２１０を介して酸化物半導体膜２５６に、酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入し、その後、還元性を有する膜２１０と接する酸化物半導体膜２５６の領域から酸素の一部を脱離させ、第１の領域２０６ａ、第４の領域２０６ｄ、第５の領域２０６ｅ、第６の領域２０６ｆおよび第７の領域２０６ｇを含む酸化物半導体膜２０６を形成する（図７（Ｂ）参照。）。
【０２７５】
または、還元性を有する膜２１０と接する酸化物半導体膜２５６の領域から酸素の一部を脱離させ、その後、還元性を有する膜２１０を介して酸化物半導体膜２５６に、酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入し、第１の領域２０６ａ、第４の領域２０６ｄ、第５の領域２０６ｅ、第６の領域２０６ｆおよび第７の領域２０６ｇを含む酸化物半導体膜２０６を形成する（図７（Ｂ）参照。）。
【０２７６】
なお、酸化物半導体膜２５６中に、還元性を有する膜２１０を介して酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入することにより、還元性を有する膜２１０を構成する材料の一部が酸化物半導体膜２５６中に移動する場合がある。その場合に、さらに酸化物半導体膜２５６を低抵抗化させることができる。
【０２７７】
なお、ゲート電極２０４の側壁に堆積した還元性を有する膜２１０の厚さの分、酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物の注入されない領域が広がり、該領域（ここでは、第６の領域２０６ｆおよび第７の領域２０６ｇに相当。）をＬＤＤ領域とすることができる。
【０２７８】
ここで、第１の領域２０６ａはトランジスタのチャネル領域として機能し、第４の領域２０６ｄおよび第５の領域２０６ｅはトランジスタのソース領域およびドレイン領域として機能する。
【０２７９】
なお、還元性を有する膜２１０と接する酸化物半導体膜２５６の領域から酸素の一部を脱離させるために、第２の加熱処理を行うと好ましい。
【０２８０】
次に、還元性を有する膜２１０を除去する（図７（Ｃ）参照。）。
【０２８１】
以上のようにして、ＬＤＤ領域を有するトランジスタ２７３を作製することができる（図７（Ｃ）参照。）。
【０２８２】
なお、トランジスタ２７３を作製後、第３の加熱処理を行うと好ましい。
【０２８３】
次に、トランジスタ２７１、トランジスタ２７２およびトランジスタ２７３とは異なるトランジスタの作製方法を説明する。
【０２８４】
なお、図４（Ｄ）までは、トランジスタ２７１と同様の作製方法を採る。
【０２８５】
まず、ゲート電極２０４をマスクとし、酸化物半導体膜２５６に酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入し、第１の領域２０６ａ、第８の領域２０６ｈおよび第９の領域２０６ｉを含む酸化物半導体膜２０６を形成する（図８（Ａ）参照。）。
【０２８６】
酸化物半導体膜２５６へ酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入した後、第４の加熱処理を行っても構わない。
【０２８７】
なお、第８の領域２０６ｈおよび第９の領域２０６ｉは、酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を含む領域である。そのため、第８の領域２０６ｈおよび第９の領域２０６ｉは、第１の領域２０６ａよりも低抵抗化された領域である。
【０２８８】
次に、酸化物半導体膜２０６およびゲート電極２０４上に還元性を有する膜２１０を成膜する（図８（Ｂ）参照。）。
【０２８９】
次に、酸化物半導体膜２０６から還元性を有する膜２１０へ酸素の一部を移動させ、第１０の領域２０６ｊおよび第１１の領域２０６ｋを含む酸化物半導体膜２０６を形成する（図８（Ｃ）参照。）。
【０２９０】
なお、還元性を有する膜２１０と接する酸化物半導体膜２０６の領域から酸素の一部を脱離させるために、第２の加熱処理を行うと好ましい。
【０２９１】
なお、第１０の領域２０６ｊおよび第１１の領域２０６ｋは、第８の領域２０６ｈおよび第９の領域２０６ｉから酸素の一部が脱離した領域である。そのため、第１０の領域２０６ｊおよび第１１の領域２０６ｋは、第８の領域２０６ｈおよび第９の領域２０６ｉよりも低抵抗化された領域である。
【０２９２】
ここで、第１の領域２０６ａはトランジスタのチャネル領域として機能し、第１０の領域２０６ｊおよび第１１の領域２０６ｋはトランジスタのソース領域およびドレイン領域として機能する。
【０２９３】
次に、還元性を有する膜２１０を除去する（図８（Ｄ）参照。）。
【０２９４】
以上のようにして、トランジスタ２７４を作製することができる（図８（Ｄ）参照。）。
【０２９５】
なお、トランジスタ２７４を作製後、第３の加熱処理を行うと好ましい。
【０２９６】
なお、図８では、ゲート電極２０４と同様の上面形状にゲート絶縁膜２１２を加工してから酸化物半導体膜２５６を低抵抗化させる処理を行っているが、これに限定されない。例えば、絶縁膜２６２を介して、酸化物半導体膜２５６に酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入しても構わない。その場合、還元性を有する膜２１０の成膜前に、絶縁膜２６２を加工してゲート絶縁膜２１２を形成すればよい。
【０２９７】
次に、Ｌｏｆｆ領域を有するトランジスタの作製方法について説明する。
【０２９８】
なお、図４（Ｄ）までは、トランジスタ２７１と同様の作製方法を採る。
【０２９９】
まず、ゲート電極２０４に側壁に接して側壁絶縁膜２０８を形成する（図９（Ａ）参照。）。側壁絶縁膜２０８の形成方法は、図６を参酌する。
【０３００】
次に、酸化物半導体膜２５６、ゲート電極２０４および側壁絶縁膜２０８上に還元性を有する膜２１１を成膜する（図９（Ｂ）参照。）。
【０３０１】
なお、還元性を有する膜２１１は、還元性を有する膜２１０と同様の材料を用いて成膜すればよい。
【０３０２】
次に、酸化物半導体膜２５６から還元性を有する膜２１１へ酸素の一部を移動させ、第１２の領域２０６ｌ、第１３の領域２０６ｍおよび第１４の領域２０６ｎを含む酸化物半導体膜２０６を形成する（図９（Ｃ）参照。）。
【０３０３】
なお、側壁絶縁膜２０８を有することで、還元性を有する膜２１１の影響が、酸化物半導体膜２０６のチャネル領域（ここでは第１２の領域２０６ｌ）まで広がることを抑制できる。そのため、微細化したトランジスタにおける電気特性の低下を抑制できる。
【０３０４】
なお、還元性を有する膜２１１と接する酸化物半導体膜２５６の領域から酸素の一部を脱離させるために、第２の加熱処理を行うと好ましい。
【０３０５】
なお、第１２の領域２０６ｌは、酸化物半導体膜２５６から酸素の脱離していない領域であり、第１３の領域２０６ｍおよび第１４の領域２０６ｎは、酸素の一部が脱離した領域である。
【０３０６】
実施の形態１でも示したように、ここで第１３の領域２０６ｍおよび第１４の領域２０６ｎは、第１２の領域２０６ｌよりも低抵抗化された領域である。
【０３０７】
ここで、第１２の領域２０６ｌはトランジスタのチャネル領域として機能し、第１３の領域２０６ｍおよび第１４の領域２０６ｎはトランジスタのソース領域およびドレイン領域として機能する。
【０３０８】
ここで、第１２の領域２０６ｌは、側壁絶縁膜２０８と重畳する領域の分、第１の領域２０６ａよりも広くなる。側壁絶縁膜２０８と重畳する酸化物半導体膜２０６の領域は、Ｌｏｆｆ領域となる。
【０３０９】
Ｌｏｆｆ領域を有することにより、ホットキャリア劣化などのトランジスタの劣化を低減し、チャネル長が短くなることによってしきい値電圧がマイナス方向へシフトすることを抑制することができる。
【０３１０】
次に、還元性を有する膜２１１を除去する（図９（Ｄ）参照。）。
【０３１１】
側壁絶縁膜２０８が設けられていることにより、還元性を有する膜２１１を除去する際に、還元性を有する膜２１１が完全に除去しきれなかった場合でも、ゲート電極２０４とソース領域およびドレイン領域とのショートが起こりにくくなり、トランジスタの電気特性の低下要因を低減できる。
【０３１２】
以上のようにして、トランジスタ２７５を作製することができる（図９（Ｄ）参照。）。
【０３１３】
なお、トランジスタ２７５を作製後、第３の加熱処理を行うと好ましい。
【０３１４】
次に、Ｌｏｆｆ領域を有し、トランジスタ２７５とは異なるトランジスタの作製方法について説明する。
【０３１５】
なお、図９（Ａ）までは、トランジスタ２７５と同様の作製方法を採る。
【０３１６】
まず、ゲート電極２０４および側壁絶縁膜２０８をマスクとし、酸化物半導体膜２５６に酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入し、第１２の領域２０６ｌ、第１５の領域２０６ｏおよび第１６の領域２０６ｐを含む酸化物半導体膜２０６を形成する（図１０（Ａ）参照。）。
【０３１７】
酸化物半導体膜２５６へ酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入した後、第４の加熱処理を行っても構わない。
【０３１８】
次に、酸化物半導体膜２０６、ゲート電極２０４および側壁絶縁膜２０８上に還元性を有する膜２１１を成膜する（図１０（Ｂ）参照。）。
【０３１９】
次に、酸化物半導体膜２０６から還元性を有する膜２１１へ酸素の一部を移動させ、第１２の領域２０６ｌ、第１７の領域２０６ｑおよび第１８の領域２０６ｒを含む酸化物半導体膜２０６を形成する（図１０（Ｃ）参照。）。
【０３２０】
なお、第１７の領域２０６ｑおよび第１８の領域２０６ｒは、第１５の領域２０６ｏおよび第１６の領域２０６ｐから酸素の一部が脱離した領域である。そのため、第１７の領域２０６ｑおよび第１８の領域２０６ｒは、第１５の領域２０６ｏおよび第１６の領域２０６ｐよりも低抵抗化された領域である。
【０３２１】
ここで、第１２の領域２０６ｌはトランジスタのチャネル領域として機能し、第１７の領域２０６ｑおよび第１８の領域２０６ｒはトランジスタのソース領域およびドレイン領域として機能する。
【０３２２】
ここで、第１２の領域２０６ｌは、側壁絶縁膜２０８と重畳する領域の分、第１の領域２０６ａよりも広くなる。側壁絶縁膜２０８と重畳する酸化物半導体膜２０６の領域は、Ｌｏｆｆ領域となる。
【０３２３】
なお、側壁絶縁膜２０８を有することで、酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物が、酸化物半導体膜２０６のチャネル領域（ここでは第１２の領域２０６ｌ）まで拡散することを抑制できる。また、還元性を有する膜２１１の影響が、酸化物半導体膜２０６のチャネル領域まで拡散することを抑制できる。そのため、微細化したトランジスタにおける電気特性の低下を抑制できる。
【０３２４】
次に、還元性を有する膜２１１を除去する（図１０（Ｄ）参照。）。
【０３２５】
側壁絶縁膜２０８が設けられていることにより、還元性を有する膜２１１を除去する際に、還元性を有する膜２１１が完全に除去しきれなかった場合でも、ゲート電極２０４とソース領域およびドレイン領域とのショートが起こりにくくなり、トランジスタの電気特性の低下要因を低減できる。
【０３２６】
以上のようにして、トランジスタ２７６を作製することができる（図１０（Ｄ）参照。）。
【０３２７】
なお、トランジスタ２７６を作製後、第３の加熱処理を行うと好ましい。
【０３２８】
次に、Ｌｏｆｆ領域およびＬＤＤ領域を有するトランジスタの作製方法について説明する。
【０３２９】
なお、図９（Ｂ）までは、トランジスタ２７５と同様の作製方法を採る。
【０３３０】
まず、還元性を有する膜２１１を介して酸化物半導体膜２５６に、酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入し、その後、還元性を有する膜２１１と接する酸化物半導体膜２５６の領域から酸素の一部を脱離させ、第１２の領域２０６ｌ、第１９の領域２０６ｓ、第２０の領域２０６ｔ、第２１の領域２０６ｕおよび第２２の領域２０６ｖを含む酸化物半導体膜２０６を形成する（図１１（Ａ）参照。）。
【０３３１】
または、還元性を有する膜２１１と接する酸化物半導体膜２５６の領域から酸素の一部を脱離させ、その後、還元性を有する膜２１１を介して酸化物半導体膜２５６に、酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入し、第１２の領域２０６ｌ、第１９の領域２０６ｓ、第２０の領域２０６ｔ、第２１の領域２０６ｕおよび第２２の領域２０６ｖを含む酸化物半導体膜２０６を形成する（図１１（Ａ）参照。）。
【０３３２】
なお、酸化物半導体膜２５６中に、還元性を有する膜２１１を介して酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入することにより、還元性を有する膜２１１を構成する材料の一部が酸化物半導体膜２５６中に移動する場合がある。その場合に、さらに酸化物半導体膜２５６を低抵抗化させることができる。
【０３３３】
ここで、第１２の領域２０６ｌはトランジスタのチャネル領域として機能し、第１９の領域２０６ｓおよび第２０の領域２０６ｔはトランジスタのソース領域およびドレイン領域として機能する。
【０３３４】
なお、側壁絶縁膜２０８の側壁に堆積した還元性を有する膜２１１の厚さの分、酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物の注入されない領域が広がり、該領域（ここでは、第２１の領域２０６ｕおよび第２２の領域２０６ｖに相当。）をＬＤＤ領域とすることができる。
【０３３５】
また、第１２の領域２０６ｌは、側壁絶縁膜２０８と重畳する領域の分、第１の領域２０６ａよりも広くなる。側壁絶縁膜２０８と重畳する酸化物半導体膜２０６の領域は、Ｌｏｆｆ領域となる。
【０３３６】
なお、側壁絶縁膜２０８を有することで、酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物が、酸化物半導体膜２０６のチャネル領域（ここでは第１２の領域２０６ｌ）まで拡散することを抑制できる。また、還元性を有する膜２１１の影響が、酸化物半導体膜２０６のチャネル領域まで拡散することを抑制できる。そのため、微細化したトランジスタにおける電気特性の低下を抑制できる。
【０３３７】
次に、還元性を有する膜２１１を除去する（図１１（Ｂ）参照。）。
【０３３８】
側壁絶縁膜２０８が設けられていることにより、還元性を有する膜２１１を除去する際に、還元性を有する膜２１１が完全に除去しきれなかった場合でも、ゲート電極２０４とソース領域およびドレイン領域とのショートが起こりにくくなり、トランジスタの電気特性の低下要因を低減できる。
【０３３９】
以上のようにして、Ｌｏｆｆ領域およびＬＤＤ領域を有するトランジスタ２７７を作製することができる（図１１（Ｂ）参照。）。
【０３４０】
なお、トランジスタ２７７を作製後、第３の加熱処理を行うと好ましい。
【０３４１】
トランジスタ２７７は、Ｌｏｆｆ領域およびＬＤＤ領域を有するため、ＬＤＤ領域のみを有するトランジスタおよびＬｏｆｆ領域のみを有するトランジスタと比べ、さらにホットキャリア劣化などのトランジスタの劣化を低減し、チャネル長が短くなることによってしきい値電圧がマイナス方向へシフトすることを抑制することができる。
【０３４２】
次に、トランジスタを作製した後、配線を形成するまでの作製方法の一例を示す。
【０３４３】
図１２（Ａ）に示すトランジスタは、基板２００上に設けられた酸化物半導体膜２０６と、酸化物半導体膜２０６上に設けられたゲート絶縁膜２１２と、ゲート絶縁膜２１２を介して酸化物半導体膜２０６と重畳して設けられたゲート電極２０４と、を有する。
【０３４４】
なお、図示しないが、酸化物半導体膜２０６は、チャネル領域、ソース領域およびドレイン領域を含む。また、ＬＤＤ領域または／およびＬｏｆｆ領域を含んでも構わない。
【０３４５】
なお、図１２（Ａ）に示すトランジスタは、側壁絶縁膜２０８を設けない構造であるが、以下の説明はこの構造に限定されるものではなく、側壁絶縁膜２０８を設けた構造に適用可能である。
【０３４６】
まず、酸化物半導体膜２０６を加工し、島状の酸化物半導体膜２０７を形成する（図１２（Ｂ）参照。）。
【０３４７】
次に、基板２００、島状の酸化物半導体膜２０７、ゲート電極２０４およびゲート絶縁膜２１２を覆って第３の絶縁膜２１８を成膜する（図１２（Ｃ）参照。）。
【０３４８】
次に、第３の絶縁膜２１８に酸化物半導体膜２０７を露出する一対の開口部を形成し、該開口部を介して酸化物半導体膜２０７と接する一対の配線２２０を形成する（図１２（Ｄ）参照。）。
【０３４９】
以上のように、トランジスタと接続する配線を形成すればよい。
【０３５０】
同様に、トランジスタを作製した後、配線を形成するまでの作成方法の一例を示す。
【０３５１】
なお、図１２（Ｂ）までは、同様の作製方法を採る。
【０３５２】
まず、酸化物半導体膜２０７と接して一対の電極２１６を形成する（図１３（Ａ）参照。）。なお、図示しないが一対の電極２１６は、酸化物半導体膜２０７下に接して設けられていても構わない。
【０３５３】
次に、基板２００、一対の電極２１６、酸化物半導体膜２０７、ゲート電極２０４およびゲート絶縁膜２１２を覆って第３の絶縁膜２１９を成膜する（図１３（Ｂ）参照。）。
【０３５４】
次に、第３の絶縁膜２１９に一対の電極２１６を露出する一対の開口部を形成し、該開口部を介して一対の電極２１６と接する一対の配線２２１を形成する（図１３（Ｃ）参照。）。
【０３５５】
以上のように、トランジスタと接続する配線を形成すればよい。
【０３５６】
このようにして、実施の形態１で示した低抵抗領域を有する酸化物半導体膜を用いたトランジスタを作製することができる。
【０３５７】
本実施の形態に示したトランジスタは、自己整合的に低抵抗領域を設けることができるため、ゲート電極とソース領域およびドレイン領域との間に寄生容量を生じさせることがなく、高速動作が可能となる。
【０３５８】
また、Ｌｏｆｆ領域または／およびＬＤＤ領域を有することで、ホットキャリア劣化などのトランジスタの劣化を低減し、チャネル長が短くなることによってしきい値電圧がマイナス方向へシフトすることを抑制することができる。そのため、微細化したトランジスタにおいても、電気特性を良好とすることができる。
【０３５９】
また、本実施の形態で示したトランジスタを適用することで、高性能な半導体装置を歩留まり高く作製することができる。
【０３６０】
（実施の形態３）
本実施の形態では実施の形態２に示すトランジスタを用いて作製した液晶表示装置について説明する。なお、本実施の形態では液晶表示装置に本発明の一形態を適用した例について説明するが、これに限定されるものではない。例えば、発光装置の一つであるＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）表示装置に本発明の一形態を適用することも、当業者であれば容易に想到しうるものである。
【０３６１】
図１４にアクティブマトリクス駆動方式の液晶表示装置の回路図を示す。液晶表示装置は、ソース線ＳＬ＿１乃至ＳＬ＿ａ（ａは自然数）、ゲート線ＧＬ＿１乃至ＧＬ＿ｂ（ｂは自然数）および複数（ａ×ｂ個）の画素２２００を有する。画素２２００は、トランジスタ２２３０と、キャパシタ２２２０と、液晶素子２２１０と、を含む。こうした画素２２００が複数集まって液晶表示装置の画素部を構成する。なお、単にソース線またはゲート線を指す場合には、ソース線ＳＬまたはゲート線ＧＬと記載することもある。
【０３６２】
トランジスタ２２３０は、本発明の一態様である実施の形態２で示すトランジスタを用いる。実施の形態２で示すトランジスタは電気特性が良好な酸化物半導体を用いたトランジスタであるため、表示品位の高い表示装置を得ることができる。
【０３６３】
ゲート線ＧＬはトランジスタ２２３０のゲートと接続し、ソース線ＳＬはトランジスタ２２３０のソースと接続し、トランジスタ２２３０のドレインは、キャパシタ２２２０の一方の容量電極および液晶素子２２１０の一方の画素電極と接続する。キャパシタ２２２０の他方の容量電極および液晶素子２２１０の他方の画素電極は、共通電極と接続する。なお、共通電極はゲート線ＧＬと同一層かつ同一材料で設けてもよい。
【０３６４】
また、ゲート線ＧＬは、ゲート駆動回路と接続される。ゲート駆動回路は、実施の形態２で示すトランジスタを含んでもよい。
【０３６５】
また、ソース線ＳＬは、ソース駆動回路と接続される。ソース駆動回路は、実施の形態２で示すトランジスタを含んでもよい。
【０３６６】
なお、ゲート駆動回路およびソース駆動回路のいずれかまたは両方を、別途用意された基板上に形成し、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）、ワイヤボンディング、またはＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）などの方法を用いて接続してもよい。
【０３６７】
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、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。
【０３６８】
ゲート線ＧＬにトランジスタ２２３０のしきい値電圧以上になるように電圧を印加すると、ソース線ＳＬから供給された電荷がトランジスタ２２３０のドレイン電流となってキャパシタ２２２０に蓄積される。１行分の充電後、該行にあるトランジスタ２２３０はオフ状態となり、ソース線ＳＬから電圧が掛からなくなるが、キャパシタ２２２０に蓄積された電荷によって必要な電圧を維持することができる。その後、次の行のキャパシタ２２２０の充電に移る。このようにして、１行からｂ行の充電を行う。ドレイン電流は、トランジスタにおいてドレインからチャネルを介してソースに流れる電流のことである。ドレイン電流はゲート電圧がしきい値電圧よりも大きいときに流れる。
【０３６９】
なお、トランジスタ２２３０にオフ電流の小さなトランジスタを用いる場合、電圧を維持する期間を長くすることができる。この効果によって、動きの少ない画像（静止画を含む。）では、表示の書き換え周波数を低減でき、さらなる消費電力の低減が可能となる。また、キャパシタ２２２０の容量をさらに小さくすることが可能となるため、充電に必要な消費電力を低減することができる。
【０３７０】
以上のように、本発明の一態様によって、表示品位が高く、消費電力の小さい液晶表示装置を提供することができる。
【０３７１】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。
【０３７２】
（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態２で示すトランジスタを用いて、半導体記憶装置を作製する例について説明する。
【０３７３】
揮発性半導体記憶装置の代表的な例としては、記憶素子を構成するトランジスタを選択してキャパシタに電荷を蓄積することで、情報を記憶するＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、フリップフロップなどの回路を用いて記憶内容を保持するＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）がある。
【０３７４】
不揮発性半導体記憶装置の代表例としては、トランジスタのゲートとチャネル領域との間にノードを有し、当該ノードに電荷を保持することで記憶を行うフラッシュメモリがある。
【０３７５】
上述した半導体記憶装置に含まれるトランジスタの一部に実施の形態２で示すトランジスタを適用することができる。
【０３７６】
まずは、実施の形態２で示すトランジスタを適用した半導体記憶装置を構成するメモリセルについて図１５を用いて説明する。
【０３７７】
メモリセルは、ビット線ＢＬと、ワード線ＷＬと、センスアンプＳＡｍｐと、トランジスタＴｒと、キャパシタＣと、を有する（図１５（Ａ）参照。）。
【０３７８】
キャパシタＣに保持された電圧の時間変化は、トランジスタＴｒのオフ電流によって図１５（Ｂ）に示すように徐々に低減していくことが知られている。当初Ｖ０からＶ１まで充電された電圧は、時間が経過するとｄａｔａ１を読み出す限界点であるＶＡまで低減する。この期間を保持期間Ｔ＿１とする。即ち、２値メモリセルの場合、保持期間Ｔ＿１の間にリフレッシュをする必要がある。
【０３７９】
ここで、トランジスタＴｒに実施の形態２で示すトランジスタを適用すると、オフ電流が小さいため、保持期間Ｔ＿１を長くすることができる。即ち、リフレッシュの頻度を少なくすることが可能となるため、消費電力を低減することができる。例えば、オフ電流が１×１０−２１Ａ以下、好ましくは１×１０−２４Ａ以下となった酸化物半導体膜を用いたトランジスタでメモリセルを構成すると、電力を供給せずに数日間から数十年間に渡ってデータを保持することが可能となる。
【０３８０】
以上のように、本発明の一態様によって、信頼性が高く、消費電力の小さい半導体記憶装置を構成するメモリセルを得ることができる。
【０３８１】
次に、実施の形態２で示すトランジスタを適用した半導体記憶装置を構成するメモリセルについて図１５とは異なる例について図１６を用いて説明する。
【０３８２】
図１６（Ａ）は、半導体記憶装置を構成するメモリセルの回路図である。メモリセルは、トランジスタＴｒ＿１と、トランジスタＴｒ＿１のゲートと接続するワード線ＷＬ＿１と、トランジスタＴｒ＿１のソースと接続するソース線ＳＬ＿１と、トランジスタＴｒ＿２と、トランジスタＴｒ＿２のソースと接続するソース線ＳＬ＿２と、トランジスタＴｒ＿２のドレインと接続するドレイン線ＤＬ＿２と、キャパシタＣと、キャパシタＣの一端と接続する容量線ＣＬと、キャパシタＣの他端、トランジスタＴｒ＿１のドレインおよびトランジスタＴｒ＿２のゲートと接続するノードＮと、を有する。
【０３８３】
なお、本実施の形態に示すメモリセルは、ノードＮの電位に応じて、トランジスタＴｒ＿２の見かけ上のしきい値電圧が変動することを利用したものである。例えば、図１６（Ｂ）は容量線ＣＬの電圧ＶＣＬと、トランジスタＴｒ＿２を流れるドレイン電流Ｉｄ＿２との関係を説明する図である。
【０３８４】
ここで、ノードＮは、トランジスタＴｒ＿１を介して電圧を調整することができる。例えば、ソース線ＳＬ＿１の電位をＶＤＤとする。このとき、ワード線ＷＬ＿１の電位をトランジスタＴｒ＿１のしきい値電圧ＶｔｈにＶＤＤを加えた電位以上とすることで、ノードＮの電圧をＨＩＧＨにすることができる。また、ワード線ＷＬ＿１の電位をトランジスタＴｒ＿１のしきい値電圧Ｖｔｈ以下とすることで、ノードＮの電位をＬＯＷにすることができる。
【０３８５】
そのため、Ｎ＝ＬＯＷで示したＶＣＬ−Ｉｄ＿２カーブと、Ｎ＝ＨＩＧＨで示したＶＣＬ−Ｉｄ＿２カーブのいずれかを得ることができる。即ち、Ｎ＝ＬＯＷでは、ＶＣＬ＝０ＶにてＩｄ＿２が小さいため、データ０となる。また、Ｎ＝ＨＩＧＨでは、ＶＣＬ＝０ＶにてＩｄ＿２が大きいため、データ１となる。このようにして、データを記憶することができる。
【０３８６】
ここで、トランジスタＴｒ＿１に実施の形態２で示すトランジスタを適用すると、該トランジスタはオフ電流を極めて小さくすることができるため、ノードＮに蓄積された電荷がトランジスタＴｒ＿１のソースおよびドレイン間を意図せずにリークすることを抑制できる。そのため、長期間に渡ってデータを保持することができる。また、本発明の一態様を用いることでトランジスタＴｒ＿１のしきい値電圧が調整されるため、書き込みに必要な電圧を低減することが可能となり、フラッシュメモリなどと比較して消費電力を低減することができる。
【０３８７】
なお、トランジスタＴｒ＿２に、実施の形態２で示すトランジスタを適用しても構わない。
【０３８８】
以上のように、本発明の一態様によって、長期間の信頼性が高く、消費電力の小さく、集積度の高い半導体記憶装置を得ることができる。
【０３８９】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。
【０３９０】
（実施の形態５）
実施の形態２で示すトランジスタまたは実施の形態４に示した半導体記憶装置を少なくとも一部に用いてＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を構成することができる。
【０３９１】
図１７（Ａ）は、ＣＰＵの具体的な構成を示すブロック図である。図１７（Ａ）に示すＣＰＵは、基板１１９０上に、演算論理装置（ＡＬＵ：Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ ｌｏｇｉｃ ｕｎｉｔ）１１９１、ＡＬＵコントローラ１１９２、インストラクションデコーダ１１９３、インタラプトコントローラ１１９４、タイミングコントローラ１１９５、レジスタ１１９６、レジスタコントローラ１１９７、バスインターフェース（Ｂｕｓ Ｉ／Ｆ）１１９８、書き換え可能なＲＯＭ１１９９、およびＲＯＭインターフェース（ＲＯＭ Ｉ／Ｆ）１１８９を有している。基板１１９０は、半導体基板、ＳＯＩ基板、ガラス基板などを用いる。ＲＯＭ１１９９およびＲＯＭインターフェース１１８９は、別チップに設けてもよい。もちろん、図１７（Ａ）に示すＣＰＵは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際のＣＰＵはその用途によって多種多様な構成を有している。
【０３９２】
バスインターフェース１１９８を介してＣＰＵに入力された命令は、インストラクションデコーダ１１９３に入力され、デコードされた後、ＡＬＵコントローラ１１９２、インタラプトコントローラ１１９４、レジスタコントローラ１１９７、タイミングコントローラ１１９５に入力される。
【０３９３】
ＡＬＵコントローラ１１９２、インタラプトコントローラ１１９４、レジスタコントローラ１１９７、タイミングコントローラ１１９５は、デコードされた命令に基づき、各種制御を行う。具体的にＡＬＵコントローラ１１９２は、ＡＬＵ１１９１の動作を制御するための信号を生成する。また、インタラプトコントローラ１１９４は、ＣＰＵのプログラム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク状態から判断し、処理する。レジスタコントローラ１１９７は、レジスタ１１９６のアドレスを生成し、ＣＰＵの状態に応じてレジスタ１１９６の読み出しや書き込みを行う。
【０３９４】
また、タイミングコントローラ１１９５は、ＡＬＵ１１９１、ＡＬＵコントローラ１１９２、インストラクションデコーダ１１９３、インタラプトコントローラ１１９４、およびレジスタコントローラ１１９７の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタイミングコントローラ１１９５は、基準クロック信号ＣＬＫ１を元に、内部クロック信号ＣＬＫ２を生成する内部クロック生成部を備えており、クロック信号ＣＬＫ２を上記各種回路に供給する。
【０３９５】
図１７（Ａ）に示すＣＰＵでは、レジスタ１１９６に、記憶素子が設けられている。レジスタ１１９６の記憶素子には、実施の形態４に示す半導体記憶装置を用いることができる。
【０３９６】
図１７（Ａ）に示すＣＰＵにおいて、レジスタコントローラ１１９７は、ＡＬＵ１１９１からの指示に従い、レジスタ１１９６における保持動作を行う。即ち、レジスタ１１９６が有する記憶素子において、フリップフロップによるデータの保持を行うか、キャパシタによるデータの保持を行う。フリップフロップによってデータが保持されている場合、レジスタ１１９６内の記憶素子への、電源電圧の供給が行われる。キャパシタによってデータが保持されている場合、キャパシタへのデータの書き換えが行われ、レジスタ１１９６内の記憶素子への電源電圧の供給を停止することができる。
【０３９７】
電源停止に関しては、図１７（Ｂ）または図１７（Ｃ）に示すように、記憶素子群と、電源電位ＶＤＤまたは電源電位ＶＳＳの与えられているノード間に、スイッチング素子を設けることにより行うことができる。以下に図１７（Ｂ）および図１７（Ｃ）の回路の説明を行う。
【０３９８】
図１７（Ｂ）および図１７（Ｃ）では、記憶素子への電源電位の供給を制御するスイッチング素子に実施の形態２に示すトランジスタ用いた構成の一例を示す。
【０３９９】
図１７（Ｂ）に示す記憶装置は、スイッチング素子１１４１と、記憶素子１１４２を複数有する記憶素子群１１４３とを有している。具体的に、それぞれの記憶素子１１４２には、実施の形態４に示す記憶素子を用いることができる。記憶素子群１１４３が有するそれぞれの記憶素子１１４２には、スイッチング素子１１４１を介して、ハイレベルの電源電位ＶＤＤが供給されている。さらに、記憶素子群１１４３が有するそれぞれの記憶素子１１４２には、信号ＩＮの電位と、ローレベルの電源電位ＶＳＳの電位が与えられている。
【０４００】
図１７（Ｂ）では、スイッチング素子１１４１として、実施の形態２で示したオフ電流の極めて小さいトランジスタを用いており、該トランジスタは、そのゲートに与えられる信号ＳｉｇＡによりスイッチングが制御される。
【０４０１】
なお、図１７（Ｂ）では、スイッチング素子１１４１がトランジスタを一つだけ有する構成を示しているが、これに限定されず、トランジスタを複数有していてもよい。スイッチング素子１１４１が、スイッチング素子として機能するトランジスタを複数有している場合、上記複数のトランジスタは並列に接続されていてもよいし、直列に接続されていてもよいし、直列と並列が組み合わされて接続されていてもよい。
【０４０２】
また、図１７（Ｃ）には、記憶素子群１１４３が有するそれぞれの記憶素子１１４２に、スイッチング素子１１４１を介して、ローレベルの電源電位ＶＳＳが供給されている、記憶装置の一例を示す。スイッチング素子１１４１により、記憶素子群１１４３が有するそれぞれの記憶素子１１４２への、ローレベルの電源電位ＶＳＳの供給を制御することができる。
【０４０３】
記憶素子群と、電源電位ＶＤＤまたは電源電位ＶＳＳの与えられているノード間に、スイッチング素子を設け、一時的にＣＰＵの動作を停止し、電源電圧の供給を停止した場合においてもデータを保持することが可能であり、消費電力の低減を行うことができる。例えば、パーソナルコンピュータのユーザーが、キーボードなどの入力装置への情報の入力を停止している間でも、ＣＰＵの動作を停止することができ、それにより消費電力を低減することができる。
【０４０４】
ここでは、ＣＰＵを例に挙げて説明したが、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、カスタムＬＳＩ、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）などのＬＳＩにも応用可能である。
【０４０５】
本実施の形態は、上記実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０４０６】
（実施の形態６）
実施の形態２で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。
【０４０７】
図１８（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１８（Ａ）はフォトセンサの等価回路であり、図１８（Ｂ）はフォトセンサの一部を示す断面図である。
【０４０８】
フォトダイオード６０２は、一方の電極がフォトダイオードリセット信号線６５８に、他方の電極がトランジスタ６４０のゲートに電気的に接続されている。トランジスタ６４０は、ソースまたはドレインの一方がフォトセンサ基準信号線６７２に、ソースまたはドレインの他方がトランジスタ６５６のソースまたはドレインの一方に電気的に接続されている。トランジスタ６５６は、ゲートがゲート信号線６５９に、ソースまたはドレインの他方がフォトセンサ出力信号線６７１に電気的に接続されている。
【０４０９】
なお、図１８（Ａ）において、トランジスタ６４０、トランジスタ６５６は実施の形態２で示したトランジスタが適用できる。
【０４１０】
図１８（Ｂ）は、フォトセンサにおけるフォトダイオード６０２およびトランジスタ６４０に示す断面図であり、絶縁表面を有する基板６０１上に、センサとして機能するフォトダイオード６０２およびトランジスタ６４０が設けられている。フォトダイオード６０２、トランジスタ６４０の上には接着層６０８を用いて基板６１３が設けられている。
【０４１１】
トランジスタ６４０上には層間絶縁膜６３３および層間絶縁膜６３４が設けられている。フォトダイオード６０２は、層間絶縁膜６３３上に設けられ、層間絶縁膜６３３上に形成した電極６４１と、層間絶縁膜６３４上に設けられた電極６４２との間に、層間絶縁膜６３３側から順に第１半導体膜６０６ａ、第２半導体膜６０６ｂおよび第３半導体膜６０６ｃを積層した構造を有している。
【０４１２】
電極６４１は、層間絶縁膜６３４に形成された導電膜６４３と電気的に接続し、電極６４２は電極６４１を介して導電膜６４５と電気的に接続している。導電膜６４５は、トランジスタ６４０のゲート電極と電気的に接続しており、フォトダイオード６０２はトランジスタ６４０と電気的に接続している。
【０４１３】
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。
【０４１４】
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非晶質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（例えばホウ素）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モノシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４などを用いてもよい。また、不純物元素を含まない非晶質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非晶質シリコン膜に不純物元素を導入してもよい。また、イオン注入法などにより不純物元素を導入した後に加熱などを行うことで、不純物元素を拡散させると好ましい。この場合に非晶質シリコン膜を形成する方法としては、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法またはスパッタリング法などを用いればよい。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。
【０４１５】
第２半導体膜６０６ｂは、ｉ型半導体膜であり、非晶質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、非晶質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、モノシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４などを用いてもよい。第２半導体膜６０６ｂの形成は、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法またはスパッタリング法などにより行えばよい。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。
【０４１６】
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非晶質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）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モノシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４などを用いてもよい。また、不純物元素を含まない非晶質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非晶質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。この場合に非晶質シリコン膜を形成する方法としては、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法またはスパッタリング法などを用いればよい。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。
【０４１７】
また、第１半導体膜６０６ａ、第２半導体膜６０６ｂおよび第３半導体膜６０６ｃは、非晶質半導体ではなく、多結晶半導体を用いて形成してもよいし、微結晶半導体を用いて形成してもよい。
【０４１８】
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。
【０４１９】
層間絶縁膜６３３および層間絶縁膜６３４としては、絶縁性材料を用いて、その材料に応じて、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法、ＳＯＧ法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法など）、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。
【０４２０】
層間絶縁膜６３３および層間絶縁膜６３４としては、表面凹凸を低減するため平坦化絶縁膜として機能する絶縁膜が好ましい。層間絶縁膜６３３および層間絶縁膜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樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂等の、耐熱性を有する有機絶縁材料を用いることができる。また上記有機絶縁材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等の単層、または積層を用いることができる。
【０４２１】
フォトダイオード６０２に入射する光を検出することによって、被検出物の情報を読み取ることができる。なお、被検出物の情報を読み取る際にバックライトなどの光源を用いることができる。
【０４２２】
以上のように、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トランジスタは、オン特性（例えば、オン電流および電界効果移動度）が高く、高速動作、高速応答が可能である。また、微細化も達成できる。よって、該トランジスタを用いることで高性能および高信頼性の半導体装置を提供することができる。
【０４２３】
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。
【０４２４】
（実施の形態７）
本実施の形態では、実施の形態２乃至実施の形態５を適用した電子機器の例について説明する。
【０４２５】
図１９（Ａ）は携帯型情報端末である。図１９（Ａ）に示す携帯型情報端末は、筐体９３００と、ボタン９３０１と、マイクロフォン９３０２と、表示部９３０３と、スピーカ９３０４と、カメラ９３０５と、を具備し、携帯型電話機としての機能を有する。本発明の一態様は、表示部９３０３およびカメラ９３０５に適用することができる。また、図示しないが、本体内部にある演算装置、無線回路または記憶回路に本発明の一態様を適用することもできる。
【０４２６】
図１９（Ｂ）は、ディスプレイである。図１９（Ｂ）に示すディスプレイは、筐体９３１０と、表示部９３１１と、を具備する。本発明の一態様は、表示部９３１１に適用することができる。本発明の一態様を適用することで、表示部９３１１のサイズを大きくしたときにも表示品位の高いディスプレイとすることができる。
【０４２７】
図１９（Ｃ）は、デジタルスチルカメラである。図１９（Ｃ）に示すデジタルスチルカメラは、筐体９３２０と、ボタン９３２１と、マイクロフォン９３２２と、表示部９３２３と、を具備する。本発明の一態様は、表示部９３２３に適用することができる。また、図示しないが、本発明の一態様に係る記憶素子またはイメージセンサを有してもよい。
【０４２８】
本発明の一態様を用いることで、電子機器の性能を高め、かつ信頼性を高めることができる。
【０４２９】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。
【実施例１】
【０４３０】
本実施例では、低抵抗化した酸化物半導体膜について説明する。
【０４３１】
以下に試料の作製方法について説明する。
【０４３２】
まず、ガラス基板を準備した。
【０４３３】
次に、ガラス基板上に酸化シリコン膜を３３０ｎｍの厚さで成膜した。
【０４３４】
酸化シリコン膜は、石英ターゲットを用い、スパッタリング法により成膜した。そのほかの成膜条件は、成膜電力を５ｋＷ（ＲＦ）、成膜圧力を０．４Ｐａ、成膜ガスとしてアルゴンを２５ｓｃｃｍおよび酸素を２５ｓｃｃｍ、成膜時の基板温度を１００℃とした。
【０４３５】
その後、ＣＭＰ処理を行い、酸化シリコン膜を３００ｎｍの厚さとなるまで平坦化した。
【０４３６】
次に、酸化物半導体膜として、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜を３０ｎｍの厚さで成膜した。
【０４３７】
酸化物半導体膜は、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏターゲット（Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：３［原子数比］）を用い、スパッタリング法により成膜した。そのほかの成膜条件は、成膜電力を０．５ｋＷ（ＤＣ）、成膜圧力を０．４Ｐａ、成膜ガスとして酸素を５０ｓｃｃｍ、成膜時の基板温度を３００℃とした。
【０４３８】
ここまでの工程で作製した試料を試料１とする。
【０４３９】
さらに、試料１において、酸化物半導体膜上に還元性を有する膜としてアルミニウム膜を２０ｎｍの厚さで成膜した。
【０４４０】
アルミニウム膜は、アルミニウムターゲットを用い、スパッタリング法により成膜した。そのほかの成膜条件は、成膜電力を１ｋＷ（ＤＣ）、成膜圧力を０．４Ｐａ、成膜ガスとしてアルゴンを５０ｓｃｃｍ、成膜時の基板温度を室温とした。
【０４４１】
次に、加熱処理を行った。加熱処理は、窒素雰囲気にて１時間行った。加熱処理の温度は、２００℃、３００℃または４５０℃で行った。
【０４４２】
次に、アルミニウム膜を除去した。アルミニウム膜の除去は、和光純薬工業株式会社製の混酸アルミ液（２．０重量％の硝酸と、９．８重量％の酢酸と、７２．３重量％のリン酸と、を含有する水溶液）を用いて６０秒間行い、完全にアルミニウム膜が除去されていることを確認した。
【０４４３】
ここで、２００℃で加熱処理を行った試料を試料２、３００℃で加熱処理を行った試料を試料３、４５０℃で加熱処理を行った試料を試料４とし、加熱処理を行わずにアルミニウム膜を除去した試料を試料５とした。
【０４４４】
次に、試料１乃至試料５のシート抵抗値を測定した。結果を図２０に示す。
【０４４５】
図２０より、試料５は、シート抵抗測定器の測定上限（５ＭΩ／ｓｑ）以上のシート抵抗値を有することがわかった。また、試料５と比較し、試料１乃至試料４のシート抵抗値が低抵抗化されていることがわかる。
【０４４６】
特に、試料３および試料４が低抵抗であった。これにより、酸化物半導体膜上にアルミニウム膜を成膜した後で３００℃以上の加熱処理を行うことで、酸化物半導体膜をより低抵抗化できるとわかる。
【実施例２】
【０４４７】
本実施例では、実施例１とは異なる方法で酸化物半導体膜を低抵抗化させた例について説明する。
【０４４８】
以下に試料の作製方法について説明する。
【０４４９】
まず、ガラス基板を準備した。
【０４５０】
次に、ガラス基板上に酸化シリコン膜を３３０ｎｍの厚さで成膜した。
【０４５１】
酸化シリコン膜は、石英ターゲットを用い、スパッタリング法により成膜した。そのほかの成膜条件は、成膜電力を５ｋＷ（ＲＦ）、成膜圧力を０．４Ｐａ、成膜ガスとしてアルゴンを２５ｓｃｃｍおよび酸素を２５ｓｃｃｍ、成膜時の基板温度を１００℃とした。
【０４５２】
その後、ＣＭＰ処理を行い、酸化シリコン膜を３００ｎｍの厚さとなるまで平坦化した。
【０４５３】
次に、酸化物半導体膜として、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜を３０ｎｍの厚さで成膜した。
【０４５４】
酸化物半導体膜は、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏターゲット（Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：３［原子数比］）を用い、スパッタリング法により成膜した。そのほかの成膜条件は、成膜電力を０．５ｋＷ（ＤＣ）、成膜圧力を０．４Ｐａ、成膜ガスとして酸素を５０ｓｃｃｍ、成膜時の基板温度を３００℃とした。
【０４５５】
次に、酸化物半導体膜上に還元性を有する膜としてアルミニウム膜を２０ｎｍの厚さで成膜した。
【０４５６】
アルミニウム膜は、アルミニウムターゲットを用い、スパッタリング法により成膜した。そのほかの成膜条件は、成膜電力を１ｋＷ（ＤＣ）、成膜圧力を０．４Ｐａ、成膜ガスとしてアルゴンを５０ｓｃｃｍ、成膜時の基板温度を室温とした。
【０４５７】
次に、アルミニウム膜を介して酸化物半導体膜に不純物を注入した。
【０４５８】
不純物の注入は、イオン注入法を用いて行った。
【０４５９】
不純物としてリンイオンを５×１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２の濃度で注入した試料を試料６とした。また、不純物としてリンイオンを１×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２の濃度で注入した試料を試料７とした。また、不純物としてリンイオンを３×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２の濃度で注入した試料を試料８とした。なお、加速電圧を４０ｋＶとして行った。
【０４６０】
同様に、不純物としてホウ素イオンを５×１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２の濃度で注入した試料を試料９とした。また、不純物としてホウ素イオンを１×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２の濃度で注入した試料を試料１０とした。また、不純物としてホウ素イオンを３×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２の濃度で注入した試料を試料１１とした。なお、加速電圧を１５ｋＶとして行った。
【０４６１】
次に、加熱処理を行った。加熱処理は、窒素雰囲気にて１時間行った。加熱処理の温度は、２００℃または３００℃で行った。
【０４６２】
次に、アルミニウム膜を除去した。アルミニウム膜の除去は、和光純薬工業株式会社製の混酸アルミ液（２．０重量％の硝酸と、９．８重量％の酢酸と、７２．３重量％のリン酸と、を含有する水溶液）を用いて６０秒間行い、完全にアルミニウム膜が除去されていることを確認した。
【０４６３】
次に、試料６乃至試料１１のシート抵抗値を測定した。結果を図２１に示す。
【０４６４】
ここで、２００℃で加熱処理を行ったシート抵抗値を白抜き、３００℃で加熱処理を行ったシート抵抗値を網掛けとして示す。
【０４６５】
図２１より、試料６、試料９および試料１０は１ｋΩ／ｓｑ程度まで低抵抗化されることがわかった。
【０４６６】
また、そのほかの試料も、試料８を除き、おおむね１０ｋΩ／ｓｑ程度以下まで低抵抗化されることがわかった。
【０４６７】
特に、試料９を２００℃で加熱処理した酸化物半導体膜が低抵抗であった。これにより、酸化物半導体膜上にアルミニウム膜を成膜した後でホウ素イオンを５×１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２程度の濃度で注入し、２００℃で加熱処理を行うと、酸化物半導体膜をさらに低抵抗化できるとわかる。
【符号の説明】
【０４６８】
１００ 酸化物半導体膜
１０１ 酸素の一部が脱離した領域
１０２ 不純物を含む酸化物半導体膜
１０３ 酸素の一部が脱離した領域
１０４ 不純物を含む酸化物半導体膜
１０５ 不純物を含む酸素の一部が脱離した領域
１０６ａ 酸化物半導体膜
１０６ｂ 酸化物半導体膜
１０６ｃ 酸化物半導体膜
１１０ 還元性を有する膜
１１１ 酸素を含む領域
２００ 基板
２０４ ゲート電極
２０６ 酸化物半導体膜
２０６ａ 第１の領域
２０６ｂ 第２の領域
２０６ｃ 第３の領域
２０６ｄ 第４の領域
２０６ｅ 第５の領域
２０６ｆ 第６の領域
２０６ｇ 第７の領域
２０６ｈ 第８の領域
２０６ｉ 第９の領域
２０６ｊ 第１０の領域
２０６ｋ 第１１の領域
２０６ｌ 第１２の領域
２０６ｍ 第１３の領域
２０６ｎ 第１４の領域
２０６ｏ 第１５の領域
２０６ｐ 第１６の領域
２０６ｑ 第１７の領域
２０６ｒ 第１８の領域
２０６ｓ 第１９の領域
２０６ｔ 第２０の領域
２０６ｕ 第２１の領域
２０６ｖ 第２２の領域
２０７ 酸化物半導体膜
２０８ 側壁絶縁膜
２１０ 還元性を有する膜
２１１ 還元性を有する膜
２１２ ゲート絶縁膜
２１６ 一対の電極
２１８ 絶縁膜
２１９ 絶縁膜
２２０ 配線
２２１ 配線
２５４ 導電膜
２５６ 酸化物半導体膜
２５８ 絶縁膜
２６２ 絶縁膜
２７１ トランジスタ
２７２ トランジスタ
２７３ トランジスタ
２７４ トランジスタ
２７５ トランジスタ
２７６ トランジスタ
２７７ トランジスタ
６０１ 基板
６０２ フォトダイオード
６０６ａ 半導体膜
６０６ｂ 半導体膜
６０６ｃ 半導体膜
６０８ 接着層
６１３ 基板
６３３ 層間絶縁膜
６３４ 層間絶縁膜
６４０ トランジスタ
６４１ 電極
６４２ 電極
６４３ 導電膜
６４５ 導電膜
６５６ トランジスタ
６５８ フォトダイオードリセット信号線
６５９ ゲート信号線
６７１ フォトセンサ出力信号線
６７２ フォトセンサ基準信号線
１１４１ スイッチング素子
１１４２ 記憶素子
１１４３ 記憶素子群
１１８９ ＲＯＭインターフェース
１１９０ 基板
１１９１ ＡＬＵ
１１９２ ＡＬＵコントローラ
１１９３ インストラクションデコーダ
１１９４ インタラプトコントローラ
１１９５ タイミングコントローラ
１１９６ レジスタ
１１９７ レジスタコントローラ
１１９８ バスインターフェース
１１９９ ＲＯＭ
２２００ 画素
２２１０ 液晶素子
２２２０ キャパシタ
２２３０ トランジスタ
３００２ 下地絶縁膜
３００４ ゲート電極
３００６ 酸化物半導体膜
３００６ａ 高抵抗領域
３００６ｂ 低抵抗領域
３００７ 酸化物半導体膜
３００７ａ 高抵抗領域
３００７ｂ 低抵抗領域
３０１２ ゲート絶縁膜
３０１６ 一対の電極
３０１８ 保護絶縁膜
３０２０ 保護膜
３０２２ 配線
３０２４ 側壁絶縁膜
９３００ 筐体
９３０１ ボタン
９３０２ マイクロフォン
９３０３ 表示部
９３０４ スピーカ
９３０５ カメラ
９３１０ 筐体
９３１１ 表示部
９３２０ 筐体
９３２１ ボタン
９３２２ マイクロフォン
９３２３ 表示部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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いう。従って、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膜を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（表示装置）のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体膜としてシリコン系半導体膜が広く知られているが、その他にも酸化物半導体膜が注目されている。
【０００４】
酸化物半導体膜を用いたトランジスタとしては、より高機能な半導体装置への応用のために、より高い電気特性が求められている。酸化物半導体膜を用いたトランジスタにおいて、アルミニウム反応法により自己整合的に低抵抗なソース領域およびドレイン領域を形成し、寄生容量を低減することで高速動作を可能とする技術が報告されている（非特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｎａｒｉｈｉｒｏ Ｍｏｒｏｓａｗａ， Ｙｏｓｈｉｈｉｒｏ Ｏｈｓｈｉｍａ， Ｍｉｔｓｕｏ Ｍｏｒｏｏｋａ， Ｔｏｓｈｉａｋｉ Ａｒａｉ， Ｔａｔｓｕｙａ Ｓａｓａｏｋａ， 「Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｓｅｌｆ−Ａｌｉｇｎｅｄ Ｔｏｐ−Ｇａｔｅ Ｏｘｉｄｅ ＴＦＴ ｆｏｒ ＡＭ−ＯＬＥＤ Ｄｉｓｐｌａｙｓ」、 ＳＩＤ １１ ＤＩＧＥＳＴ ｐｐ４７９−４８２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
トランジスタに用いることが可能な、低抵抗領域を有する酸化物半導体膜を提供することを課題の一とする。
【０００７】
寄生容量を低減することで高速動作が可能な、酸化物半導体膜を用いたトランジスタを生産性高く提供することを課題の一とする。
【０００８】
また、寄生容量を低減することで高速動作が可能な、酸化物半導体膜を用いたトランジスタを有する高性能の半導体装置を生産性高く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】
酸化物半導体膜上に還元性を有する膜を成膜し、酸化物半導体膜から還元性を有する膜へ酸素の一部を移動させた後、還元性を有する膜を除去することで、酸化物半導体膜に低抵抗領域を形成する。
【００１０】
または、酸化物半導体膜上に還元性を有する膜を成膜し、次に還元性を有する膜を介して酸化物半導体膜に不純物を注入し、次に酸化物半導体膜から還元性を有する膜へ酸素の一部を移動させた後、還元性を有する膜を除去することで、酸化物半導体膜に低抵抗領域を形成する。
【００１１】
または、酸化物半導体膜上に還元性を有する膜を成膜し、次に酸化物半導体膜から還元性を有する膜へ酸素の一部を移動させ、次に還元性を有する膜を介して酸化物半導体膜に不純物を注入した後、還元性を有する膜を除去することで、酸化物半導体膜に低抵抗領域を形成する。
【００１２】
なお、酸化物半導体膜から還元性を有する膜へ酸素の一部を移動する、とは、酸化物半導体膜を構成する酸素原子の一部が還元性を有する膜に取り込まれることをいう。
【００１３】
なお、酸化物半導体膜から還元性を有する膜へ酸素の一部が移動する際に、還元性を有する膜を構成する材料の一部が酸化物半導体膜へ移動することがある。還元性を有する膜の材料の一部が酸化物半導体膜に移動することで、還元性を有する膜の材料により酸化物半導体膜にキャリアが生成され、酸化物半導体膜をさらに低抵抗化することが可能となる。具体的には、還元性を有する膜の材料は酸化物半導体膜において、ドナーまたはアクセプターとして機能する。
【００１４】
還元性を有する膜は、還元性を有する、金属膜または半金属膜を用いればよい。
【００１５】
例えば、還元性を有する膜として、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、チタン、バナジウム、クロム、ニッケル、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタルまたはタングステンを用いればよい。
【００１６】
または、還元性を有する膜として、酸化還元電位がタングステン以下である材料を用いてもよい。なお、酸化還元電位がタングステン以下であると酸化物半導体膜を還元する機能を有するが、酸化還元電位がタングステンより大きいと酸化物半導体膜を還元する機能が低い。
【００１７】
または、還元性を有する膜として、イオン化傾向がタングステン以上である材料を用いてもよい。なお、イオン化傾向がタングステン以上であると酸化物半導体膜を還元する機能を有するが、イオン化傾向がタングステン未満であると酸化物半導体膜を還元する機能が低い。
【００１８】
または、還元性を有する膜として、酸素と反応して不動態となる材料を用いてもよい。
【００１９】
還元性を有する膜として、好ましくは、ニッケル膜、アルミニウム膜またはマグネシウム膜を用いる。
【００２０】
例えば、還元性を有する膜の酸化物半導体膜に対する還元性が高いと、室温にて容易に酸化物半導体膜から還元性を有する膜へ酸素の一部を移動させることができる。
【００２１】
または、加熱処理を行うことで、酸化物半導体膜から還元性を有する膜へ酸素の一部を移動させることができる。
【００２２】
なお、加熱処理は不活性雰囲気（窒素雰囲気または希ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンなど）雰囲気など）または減圧雰囲気にて行うと好ましい。不活性雰囲気で加熱処理を行うことで、還元性を有する膜が雰囲気の影響で変質してしまうことを抑制できる。還元性を有する膜が変質してしまうことで、後に還元性を有する膜を除去することが困難になることがある。還元性を有する膜が除去されずに残存することで、トランジスタの電気特性が低下してしまうことがある。
【００２３】
また、還元性を有する膜を除去せずに絶縁化させる場合、還元性を有する膜を完全に反応させ、絶縁化させることが困難である。このとき、未反応または完全に反応しきっていない還元性を有する膜がトランジスタの電気特性を低下させることがある。従って、還元性を有する膜を完全に絶縁化させるのではなく、あらかじめ除去しておくことが好ましい。
【００２４】
このように、酸化物半導体膜から還元性を有する膜に酸素が移動することにより、酸化物半導体膜中または／および酸化物半導体膜における還元性を有する膜との界面近傍に酸素欠損を有する領域を形成することができる。酸素欠損を有する領域は、キャリア密度の高い、低抵抗領域となる。
【００２５】
酸化物半導体膜に注入する不純物として、酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を用いればよい。具体的には、酸化物半導体膜中でキャリアを生成する材料を不純物に用いることができる。
【００２６】
例えば、酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物として、水素、ヘリウム、ホウ素、窒素、フッ素、ネオン、アルミニウム、リン、アルゴン、ヒ素、クリプトン、インジウム、スズ、アンチモンおよびキセノンから選ばれた一種以上を注入してもよい。
【００２７】
酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物として、好ましくは、ホウ素またはリンを用いる。ホウ素またはリンは、比較的低濃度でも酸化物半導体膜を低抵抗化できる。
【００２８】
また、酸化物半導体膜から還元性を有する膜に酸素が移動することに加え、酸化物半導体膜中に酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入することにより、不純物を注入しない場合と比べ、より酸化物半導体膜を低抵抗化させた領域を形成できる。
【００２９】
なお、酸化物半導体膜中に、還元性を有する膜を介して酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入することにより、還元性を有する膜を構成する材料の一部が酸化物半導体膜中に移動する場合がある。その場合に、さらに酸化物半導体膜を低抵抗化させることができる。
【００３０】
以上のようにして形成した低抵抗領域を有する酸化物半導体膜は、例えば、酸化物半導体膜を用いたトランジスタにおいて、低抵抗領域をソース領域およびドレイン領域とし、低抵抗化されていない領域をチャネル領域とすることができる。または、低抵抗領域をＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ Ｄｏｐｅｄ Ｄｒａｉｎ）領域とすることができる。
【００３１】
または、低抵抗領域を透明導電膜とすることができる。低抵抗領域を有する酸化物半導体膜を電極または配線として用いてもよい。
【００３２】
以下に、本発明の一態様に係る酸化物半導体膜を用いたトランジスタに、前述の低抵抗領域を有する酸化物半導体膜を用いる場合におけるトランジスタの作製方法について説明する。
【００３３】
まず、絶縁表面を有する基板上に酸化物半導体膜を成膜する。次に、酸化物半導体膜上に絶縁膜を成膜する。次に、絶縁膜上に導電膜を成膜する。次に、導電膜および絶縁膜を加工してゲート電極およびゲート電極と同様の上面形状を有するゲート絶縁膜を形成することで酸化物半導体膜の一部を露出する。次に、露出した酸化物半導体膜上およびゲート電極上に還元性を有する膜を成膜する。次に、還元性を有する膜を除去することでトランジスタを作製する。
【００３４】
または、絶縁表面を有する基板上に酸化物半導体膜を成膜する。次に、酸化物半導体膜上に絶縁膜を成膜する。次に、絶縁膜上に導電膜を成膜する。次に、導電膜および絶縁膜を加工してゲート電極およびゲート電極と同様の上面形状を有するゲート絶縁膜を形成することで酸化物半導体膜の一部を露出する。次に、露出した酸化物半導体膜上およびゲート電極上に還元性を有する膜を成膜する。次に、加熱処理を行う。次に、還元性を有する膜を除去することでトランジスタを作製する。
【００３５】
または、絶縁表面を有する基板上に酸化物半導体膜を成膜する。次に、酸化物半導体膜上に絶縁膜を成膜する。次に、絶縁膜上に導電膜を成膜する。次に、導電膜および絶縁膜を加工してゲート電極およびゲート電極と同様の上面形状を有するゲート絶縁膜を形成することで酸化物半導体膜の一部を露出する。次に、露出した酸化物半導体膜上およびゲート電極上に還元性を有する膜を成膜する。次に、還元性を有する膜を除去する。次に、加熱処理を行うことでトランジスタを作製する。
【００３６】
または、絶縁表面を有する基板上に酸化物半導体膜を成膜する。次に、酸化物半導体膜上に絶縁膜を成膜する。次に、絶縁膜上に導電膜を成膜する。次に、導電膜および絶縁膜を加工してゲート電極およびゲート電極と同様の上面形状を有するゲート絶縁膜を形成することで酸化物半導体膜の一部を露出する。次に、露出した酸化物半導体膜上およびゲート電極上に還元性を有する膜を成膜する。次に、ゲート電極をマスクとし、還元性を有する膜を介して酸化物半導体膜の一部に酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入する。次に、還元性を有する膜を除去することでトランジスタを作製する。
【００３７】
または、絶縁表面を有する基板上に酸化物半導体膜を成膜する。次に、酸化物半導体膜上に絶縁膜を成膜する。次に、絶縁膜上に導電膜を成膜する。次に、導電膜および絶縁膜を加工してゲート電極およびゲート電極と同様の上面形状を有するゲート絶縁膜を形成することで酸化物半導体膜の一部を露出する。次に、露出した酸化物半導体膜上およびゲート電極上に還元性を有する膜を成膜する。次に、ゲート電極をマスクとし、還元性を有する膜を介して酸化物半導体膜の一部に酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入する。次に、加熱処理を行う。次に、還元性を有する膜を除去することでトランジスタを作製する。
【００３８】
または、絶縁表面を有する基板上に酸化物半導体膜を成膜する。次に、酸化物半導体膜上に絶縁膜を成膜する。次に、絶縁膜上に導電膜を成膜する。次に、導電膜および絶縁膜を加工してゲート電極およびゲート電極と同様の上面形状を有するゲート絶縁膜を形成することで酸化物半導体膜の一部を露出する。次に、露出した酸化物半導体膜上およびゲート電極上に還元性を有する膜を成膜する。次に、ゲート電極をマスクとし、還元性を有する膜を介して酸化物半導体膜の一部に酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入する。次に、還元性を有する膜を除去する。次に、加熱処理を行うことでトランジスタを作製する。
【００３９】
または、絶縁表面を有する基板上に酸化物半導体膜を成膜する。次に、酸化物半導体膜上に絶縁膜を成膜する。次に、絶縁膜上に導電膜を成膜する。次に、導電膜および絶縁膜を加工してゲート電極およびゲート電極と同様の上面形状を有するゲート絶縁膜を形成することで酸化物半導体膜の一部を露出する。次に、露出した酸化物半導体膜上およびゲート電極上に還元性を有する膜を成膜する。次に、加熱処理を行う。次に、ゲート電極をマスクとし、還元性を有する膜を介して酸化物半導体膜の一部に酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入する。次に、還元性を有する膜を除去することでトランジスタを作製する。
【００４０】
なお、還元性を有する膜を成膜した後で不純物を注入するため、ゲート電極の側壁には還元性を有する膜が堆積しており、その分だけ酸化物半導体膜において不純物の注入されない領域が広がる。該領域はＬＤＤ領域となり、シート抵抗値が１ｋΩ／ｓｑ以上１００ＭΩ／ｓｑ以下、好ましくは１０ｋΩ／ｓｑ以上５０ＭΩ／ｓｑ以下、さらに好ましくは１００ｋΩ／ｓｑ以上２０ＭΩ／ｓｑ以下となる。なお、本明細書では、不純物の注入されない領域であっても、酸素の一部が脱離した領域であればＬＤＤ領域と呼ぶ。
【００４１】
ＬＤＤ領域を有することで、ホットキャリア劣化などのトランジスタの劣化を低減し、チャネル長が短くなることによってしきい値電圧がマイナス方向へシフトすることを抑制することができる。
【００４２】
または、絶縁表面を有する基板上に酸化物半導体膜を成膜する。次に、酸化物半導体膜上に絶縁膜を成膜する。次に、絶縁膜上に導電膜を成膜する。次に、導電膜および絶縁膜を加工してゲート電極およびゲート電極と同様の上面形状を有するゲート絶縁膜を形成することで酸化物半導体膜の一部を露出する。次に、ゲート電極をマスクとし、酸化物半導体膜の一部に酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入する。次に、露出した酸化物半導体膜上およびゲート電極上に還元性を有する膜を成膜する。次に、還元性を有する膜を除去することでトランジスタを作製する。なお、不純物の注入は、絶縁膜を介して行ってもよい。その場合、ゲート絶縁膜の形成を不純物の注入後に行えばよい。
【００４３】
または、絶縁表面を有する基板上に酸化物半導体膜を成膜する。次に、酸化物半導体膜上に絶縁膜を成膜する。次に、絶縁膜上に導電膜を成膜する。次に、導電膜および絶縁膜を加工してゲート電極およびゲート電極と同様の上面形状を有するゲート絶縁膜を形成することで酸化物半導体膜の一部を露出する。次に、ゲート電極をマスクとし、酸化物半導体膜の一部に酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入する。次に、露出した酸化物半導体膜上およびゲート電極上に還元性を有する膜を成膜する。次に、加熱処理を行う。次に、還元性を有する膜を除去することでトランジスタを作製する。なお、不純物の注入は、絶縁膜を介して行ってもよい。その場合、ゲート絶縁膜の形成を不純物の注入後に行えばよい。
【００４４】
または、絶縁表面を有する基板上に酸化物半導体膜を成膜する。次に、酸化物半導体膜上に絶縁膜を成膜する。次に、絶縁膜上に導電膜を成膜する。次に、導電膜および絶縁膜を加工してゲート電極およびゲート電極と同様の上面形状を有するゲート絶縁膜を形成することで酸化物半導体膜の一部を露出する。次に、ゲート電極をマスクとし、酸化物半導体膜の一部に酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入する。次に、露出した酸化物半導体膜上およびゲート電極上に還元性を有する膜を成膜する。次に、還元性を有する膜を除去する。次に、加熱処理を行うことでトランジスタを作製する。なお、不純物の注入は、絶縁膜を介して行ってもよい。その場合、ゲート絶縁膜の形成を不純物の注入後に行えばよい。
【００４５】
なお、酸化物半導体膜の不純物の注入された領域または／および還元性を有する膜が形成された領域は、低抵抗化され、シート抵抗値が１０Ω／ｓｑ以上１００ｋΩ／ｓｑ以下、好ましくは１０Ω／ｓｑ以上２０ｋΩ／ｓｑ以下、さらに好ましくは１０Ω／ｓｑ以上３ｋΩ／ｓｑ以下とする。
【００４６】
以上のように酸化物半導体膜の低抵抗化された領域は、ゲート電極をマスクとして自己整合的に形成されるため、低抵抗領域とゲート電極との重なりがほとんどなく、寄生容量を低減することができる。そのため、本発明の一態様に係るトランジスタは、微細化しても寄生容量の影響でトランジスタの動作速度が低下することなく、高速動作が可能となる。
【００４７】
また、酸化物半導体膜を低抵抗化するために用いた還元性を有する膜を後の工程で除去することで、トランジスタの作製後に、還元性を有する膜が残存することで生じる短絡などの不良を低減することができる。不良が低減されることで、トランジスタの歩留まりが向上し、生産性を高めることができる。
【００４８】
なお、ゲート電極の側壁に接して側壁絶縁膜を設けてもよい。
【００４９】
側壁絶縁膜は、ゲート電極上に絶縁膜を成膜し、該絶縁膜に対し異方性の高いエッチングを行うことで、自己整合的に形成すればよい。異方性の高いエッチングとしては、例えば、ドライエッチング法を用いればよい。
【００５０】
ゲート電極の側壁に接して側壁絶縁膜を設けた場合、ゲート電極と側壁絶縁膜を合わせた領域と同様の上面形状でゲート絶縁膜を形成してもよい。
【００５１】
また、不純物の注入時に、ゲート電極および側壁絶縁膜をマスクとして用いても構わない。その場合、側壁絶縁膜と重畳する領域において、酸化物半導体膜の不純物の添加されない領域が設けられる。
【００５２】
または、不純物の注入時はゲート電極をマスクとし、その後側壁絶縁膜を形成してもよい。
【００５３】
また、還元性を有する膜の成膜時に側壁絶縁膜が設けられていてもよい。
【００５４】
還元性を有する膜の成膜時に側壁絶縁膜が設けられていることにより、還元性を有する膜を除去する際に、還元性を有する膜が完全に除去しきれなかった場合でも、ゲート電極とソース領域およびドレイン領域とのショートが起こりにくくなり、トランジスタの電気特性の低下要因を低減できる。
【００５５】
側壁絶縁膜およびゲート電極と重畳しない酸化物半導体膜の領域（第１の領域）と比べ、側壁絶縁膜と重畳する酸化物半導体膜の領域（第２の領域）の抵抗値が高いことで、ホットキャリア劣化などのトランジスタの劣化を低減し、チャネル長が短くなることによってしきい値電圧がマイナス方向へシフトすることを抑制することができる。
【００５６】
なお、第１の領域は、シート抵抗値が１０Ω／ｓｑ以上１００ｋΩ／ｓｑ以下、好ましくは１０Ω／ｓｑ以上２０ｋΩ／ｓｑ以下、さらに好ましくは１０Ω／ｓｑ以上３ｋΩ／ｓｑ以下とする。
【００５７】
また、第２の領域をＬＤＤ領域とする場合、シート抵抗値が１ｋΩ／ｓｑ以上１００ＭΩ／ｓｑ以下、好ましくは１０ｋΩ／ｓｑ以上５０ＭΩ／ｓｑ以下、さらに好ましくは１００ｋΩ／ｓｑ以上２０ＭΩ／ｓｑ以下とする。
【００５８】
なお、第２の領域をオフセット領域（Ｌｏｆｆ領域ともいう。）にする場合、第２の領域のシート抵抗値はオフ状態のチャネル領域と同程度となる。具体的には、５０ＭΩ／ｓｑ以上、好ましくは１ＧΩ／ｓｑ以上となる。
【００５９】
または、Ｌｏｆｆ領域は、極めてキャリア密度が低く、具体的には１×１０１４個／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１２個／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１０個／ｃｍ３以下とする。
【００６０】
以上のように酸化物半導体膜の低抵抗化された領域は、ゲート電極および／または側壁絶縁膜をマスクとして自己整合的に形成されるため、低抵抗領域とゲート電極との重なりがほとんどなく、寄生容量を低減することができる。そのため、本発明の一態様に係るトランジスタは、微細化しても寄生容量の影響でトランジスタの動作速度が低下することなく、高速動作が可能となる。
【００６１】
なお、本発明の一態様に係るトランジスタは、前述の方法で形成した低抵抗領域をトランジスタのソース領域およびドレイン領域とし、ソース領域およびドレイン領域は、それぞれ配線が接続されていても構わない。
【００６２】
また、本発明の一態様に係るトランジスタ上に層間絶縁膜を設けても構わない。また、層間絶縁膜上に前述の配線を設けても構わない。
【００６３】
また、本発明の一態様に係るトランジスタは、ソース領域およびドレイン領域にそれぞれ接続するソース電極およびドレイン電極を設けても構わない。
【００６４】
以上のように、本発明の一態様により、酸化物半導体膜に低抵抗領域を形成することが可能となる。
【００６５】
また、トランジスタに還元性を有する膜が残存しないことで、還元性を有する膜が原因で生じるトランジスタの短絡などの不良が低減され、トランジスタの歩留まりが向上し、生産性を高めることができる。
【００６６】
また、ＬＤＤ領域またはＬｏｆｆ領域を設けることで、トランジスタのチャネル長が短くなることによってしきい値電圧がマイナス方向へシフトすることを抑制することができる。
【００６７】
また、該トランジスタを用いた、高性能な半導体装置を生産性高く作製することができる。
【発明の効果】
【００６８】
トランジスタに用いることが可能な、低抵抗領域を有する酸化物半導体膜を形成することができる。
【００６９】
酸化物半導体膜を用いた高速動作が可能なトランジスタを生産性高く作製することができる。
【００７０】
また、酸化物半導体膜を用いた高速動作が可能なトランジスタを有する高性能の半導体装置を生産性高く作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】酸化物半導体膜の作製方法の一例を示す断面図。
【図２】酸化物半導体膜の作製方法の一例を示す断面図。
【図３】酸化物半導体膜の作製方法の一例を示す断面図。
【図４】半導体装置の作製方法の一例を示す断面図。
【図５】半導体装置の作製方法の一例を示す断面図。
【図６】半導体装置の作製方法の一例を示す断面図。
【図７】半導体装置の作製方法の一例を示す断面図。
【図８】半導体装置の作製方法の一例を示す断面図。
【図９】半導体装置の作製方法の一例を示す断面図。
【図１０】半導体装置の作製方法の一例を示す断面図。
【図１１】半導体装置の作製方法の一例を示す断面図。
【図１２】半導体装置の作製方法の一例を示す断面図。
【図１３】半導体装置の作製方法の一例を示す断面図。
【図１４】本発明の一態様であるトランジスタを用いた液晶表示装置の一例を示す回路図。
【図１５】本発明の一態様であるトランジスタを用いた半導体記憶装置の一例を示す回路図および電気特性を示す図。
【図１６】本発明の一態様であるトランジスタを用いた半導体記憶装置の一例を示す回路図および電気特性を示す図。
【図１７】本発明の一態様であるトランジスタを用いたＣＰＵの具体例を示すブロック図およびその一部の回路図。
【図１８】本発明の一態様であるトランジスタを用いたイメージセンサの一例を示す回路図および断面図。
【図１９】本発明の一態様である電子機器の一例を示す斜視図。
【図２０】低抵抗化された酸化物半導体膜のシート抵抗値を示す図。
【図２１】低抵抗化された酸化物半導体膜のシート抵抗値を示す図。
【図２２】本発明の一態様に係る酸化物半導体の結晶構造を説明する図。
【図２３】本発明の一態様に係る酸化物半導体の結晶構造を説明する図。
【図２４】本発明の一態様に係る酸化物半導体の結晶構造を説明する図。
【図２５】本発明の一態様に係る酸化物半導体の結晶構造を説明する図。
【図２６】計算によって得られた電界効果移動度のＶｇ依存性を説明する図。
【図２７】計算によって得られたＩｄおよび電界効果移動度のＶｇ依存性を説明する図。
【図２８】計算によって得られたＩｄおよび電界効果移動度のＶｇ依存性を説明する図。
【図２９】計算によって得られたＩｄおよび電界効果移動度のＶｇ依存性を説明する図。
【図３０】計算に用いたトランジスタの上面図および断面図。
【発明を実施するための形態】
【００７２】
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、その形態および詳細を様々に変更しうることは、当業者であれば容易に理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態および実施例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。なお、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。
【００７３】
以下、本発明の説明を行うが、本明細書で用いる用語について簡単に説明する。まず、トランジスタのソースおよびドレインについては、本明細書においては、一方をドレインと呼ぶとき他方をソースと呼び、電位の高低によって、それらを区別しない。従って、本明細書において、ソースとされている部分をドレインと読み替えることもできる。また、単にソースと記載する場合、ソース電極およびソース領域のいずれかを示す。また、単にドレインと記載する場合、ドレイン電極およびドレイン領域のいずれかを示す。
【００７４】
電圧は、ある電位と、基準の電位（例えばソース電位、接地電位）との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧と電位とを言い換えることが可能である。
【００７５】
本明細書においては、「接続する」と表現される場合であっても、現実の回路においては、物理的な接続部分がなく、配線が延在しているだけの場合もある。また、抵抗素子などの、回路の動作に著しい作用を与えない素子が間に含まれていても構わない。
【００７６】
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、工程順また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。
【００７７】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る酸化物半導体膜の形成方法について、図１乃至図３を用いて説明する。
【００７８】
なお、図１乃至図３は、酸化物半導体膜と還元性を有する膜との界面近傍を拡大した断面模式図である。
【００７９】
まず、酸化物半導体膜１００を成膜する（図１（Ａ）参照。）。
【００８０】
次に、酸化物半導体膜１００上に還元性を有する膜１１０を接して設ける（図１（Ｂ）参照。）。
【００８１】
次に、酸化物半導体膜１００から還元性を有する膜１１０へ酸素の一部を移動させ、酸化物半導体膜１００と還元性を有する膜１１０との界面近傍に酸素の一部が脱離した領域１０１および酸素を含む領域１１１を形成する（図１（Ｃ）参照。）。
【００８２】
なお、酸素の一部が脱離した領域１０１は、酸化物半導体膜１００の一部から酸素が脱離することで形成される。
【００８３】
また、酸素を含む領域１１１は、還元性を有する膜１１０に酸素が付加されることで形成される。
【００８４】
次に、還元性を有する膜１１０および酸素を含む領域１１１を除去することで、酸素の一部が脱離した領域１０１を有する酸化物半導体膜１０６ａを形成することができる（図１（Ｄ）参照。）。
【００８５】
酸化物半導体膜１００から酸素の一部が脱離した領域１０１は、酸化物半導体膜１００よりも低抵抗な領域である。これは、酸化物半導体膜中の酸素欠損の一部がドナーとなり、電子を生成することで、キャリア密度が高まるためである。
【００８６】
そのため、酸化物半導体膜１０６ａは低抵抗となる。
【００８７】
なお、酸化物半導体膜１００から還元性を有する膜１１０へ酸素の一部を移動させるために、加熱処理を行うと好ましい。
【００８８】
ただし、還元性を有する膜１１０が、室温でも十分な還元性を有する場合、前述の加熱処理は不要となる。
【００８９】
なお、酸化物半導体膜１００から還元性を有する膜１１０へ酸素の一部が移動する際に、還元性を有する膜１１０を構成する材料の一部が酸化物半導体膜１００へ移動することがある。還元性を有する膜１１０の材料の一部が酸化物半導体膜１００に移動することで、還元性を有する膜１１０の材料により酸化物半導体膜１００にキャリアが生成され、酸化物半導体膜１００をさらに低抵抗化することが可能となる。具体的には、還元性を有する膜１１０の材料は酸化物半導体膜１００において、ドナーまたはアクセプターとしての機能する。
【００９０】
ここで、酸化物半導体膜１００として、例えば、Ｉｎ−Ｏ系材料、Ｇａ−Ｏ系材料、Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｓｎ−Ｏ系材料、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ系材料、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ系材料、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｎｉ−Ｚｎ−Ｏ系材料、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ−Ｏ系材料、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系材料を用いることができる。
【００９１】
例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系材料とは、Ｉｎ、ＧａおよびＺｎを主成分として有する酸化物という意味であり、Ｉｎ、ＧａおよびＺｎの原子数比は問わない。
【００９２】
酸化物半導体膜１００としてＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系材料を用いる場合、原子数比で、Ｉｎ／Ｚｎ＝０．５以上５０以下、好ましくはＩｎ／Ｚｎ＝１以上２０以下、さらに好ましくはＩｎ／Ｚｎ＝１．５以上１５以下とする。Ｚｎの原子数比を前述の範囲とすることで、トランジスタの電界効果移動度を向上させることができる。ここで、化合物の原子数比がＩｎ：Ｚｎ：Ｏ＝Ｘ：Ｙ：Ｚのとき、Ｚ＞１．５Ｘ＋Ｙとすると好ましい。
【００９３】
酸化物半導体膜１００として、化学式ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される材料を用いてもよい。ここで、Ｍは、Ｚｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｓｎ、ＨｆおよびＣｏから選ばれた一または複数の金属元素を示す。例えば、Ｍとして、Ｇａ、ＧａおよびＡｌ、ＧａおよびＭｎ、またはＧａおよびＣｏなどを用いてもよい。
【００９４】
また、還元性を有する膜１１０として、金属膜または半金属膜を用いればよい。
【００９５】
例えば、還元性を有する膜１１０として、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、チタン、バナジウム、クロム、ニッケル、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタルまたはタングステンを用いればよい。
【００９６】
または、還元性を有する膜１１０として、酸化還元電位がタングステン以下である材料を用いてもよい。
【００９７】
または、還元性を有する膜１１０として、イオン化傾向がタングステン以上である材料を用いてもよい。
【００９８】
または、還元性を有する膜１１０として、酸素と反応して不動態となる材料を用いてもよい。
【００９９】
還元性を有する膜１１０として、好ましくは、ニッケル膜、アルミニウム膜またはマグネシウム膜を用いる。
【０１００】
次に、図２を用いて、図１とは異なる方法で酸化物半導体膜を形成する方法を説明する。
【０１０１】
まず、酸化物半導体膜１００を成膜する（図２（Ａ）参照。）。
【０１０２】
次に、酸化物半導体膜１００上に還元性を有する膜１１０を接して設ける（図２（Ｂ）参照。）。
【０１０３】
次に、還元性を有する膜１１０を介して酸化物半導体膜１００に酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入し、不純物を含む酸化物半導体膜１０２を形成する（図２（Ｃ）参照。）。
【０１０４】
なお、酸化物半導体膜１００中に、還元性を有する膜１１０を介して酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入することにより、還元性を有する膜１１０を構成する材料の一部が酸化物半導体膜１００中に移動する場合がある。その場合に、さらに酸化物半導体膜１００を低抵抗化させることができる。
【０１０５】
不純物の注入は、例えば、イオン注入法またはイオンドーピング法を用いればよい。
【０１０６】
不純物の注入量は、１×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上１×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下、好ましくは５×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上５×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下とする。
【０１０７】
次に、不純物を含む酸化物半導体膜１０２から還元性を有する膜１１０へ酸素の一部を移動させ、不純物を含む酸化物半導体膜１０２と還元性を有する膜１１０との界面近傍に酸素の一部が脱離した領域１０３および酸素を含む領域１１１を形成する（図２（Ｄ）参照。）。
【０１０８】
次に、還元性を有する膜１１０および酸素を含む領域１１１を除去することで、不純物を含む酸化物半導体膜１０２および酸素の一部が脱離した領域１０３を有する酸化物半導体膜１０６ｂを形成することができる（図２（Ｅ）参照。）。
【０１０９】
不純物を含む酸化物半導体膜１０２は、酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を酸化物半導体膜１００に注入することで形成されるため、酸化物半導体膜１００よりも低抵抗である。
【０１１０】
また、不純物を含む酸化物半導体膜１０２から酸素の一部が脱離した領域１０３は、不純物を含む酸化物半導体膜１０２よりも低抵抗な領域である。これは、酸化物半導体膜中の酸素欠損の一部がドナーとなり、電子を生成することで、キャリア密度が高まるためである。
【０１１１】
そのため、酸化物半導体膜１０６ｂは低抵抗となる。
【０１１２】
なお、図１と同様に、不純物を含む酸化物半導体膜１０２から還元性を有する膜１１０へ酸素の一部を移動させるために、加熱処理を行うと好ましい。
【０１１３】
次に、図３を用いて、図１および図２とは異なる方法で酸化物半導体膜を形成する方法を説明する。
【０１１４】
まず、酸化物半導体膜１００を成膜する（図３（Ａ）参照。）。
【０１１５】
次に、酸化物半導体膜１００上に還元性を有する膜１１０を接して設ける（図３（Ｂ）参照。）。
【０１１６】
次に、酸化物半導体膜１００から還元性を有する膜１１０へ酸素の一部を移動させ、酸化物半導体膜１００と還元性を有する膜１１０との界面近傍に酸素の一部が脱離した領域１０１および酸素を含む領域１１１を形成する（図３（Ｃ）参照。）。
【０１１７】
次に、還元性を有する膜１１０および酸素を含む領域１１１を介して酸化物半導体膜１００および酸素の一部が脱離した領域１０１に酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入し、不純物を含む酸化物半導体膜１０４および不純物を含む酸素の一部が脱離した領域１０５を形成する（図３（Ｄ）参照。）。
【０１１８】
次に、還元性を有する膜１１０および酸素を含む領域１１１を除去することで、不純物を含む酸化物半導体膜１０４および不純物を含む酸素の一部が脱離した領域１０５を有する酸化物半導体膜１０６ｃを形成することができる（図３（Ｅ）参照。）。
【０１１９】
不純物を含む酸化物半導体膜１０４は、酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を酸化物半導体膜１００に注入することで形成されるため、酸化物半導体膜１００よりも低抵抗である。
【０１２０】
また、不純物を含む酸化物半導体膜から酸素の一部が脱離した不純物を含む酸素の一部が脱離した領域１０５は、不純物を含む酸化物半導体膜１０４よりも低抵抗な領域である。これは、酸化物半導体膜中の酸素欠損の一部がドナーとなり、電子を生成することで、キャリア密度が高まるためである。
【０１２１】
そのため、酸化物半導体膜１０６ｃは低抵抗となる。
【０１２２】
なお、図１と同様に、酸化物半導体膜１００から還元性を有する膜１１０へ酸素の一部を移動させるために、加熱処理を行うと好ましい。
【０１２３】
以上のようにして、低抵抗領域を有する酸化物半導体膜を形成することができる。
【０１２４】
低抵抗領域を有する酸化物半導体膜は、トランジスタのソース領域およびドレイン領域、または半導体装置の透明導電膜などに用いることができる。
【０１２５】
低抵抗領域を有する酸化物半導体膜は、シート抵抗値が１０Ω／ｓｑ以上１００ｋΩ／ｓｑ以下、好ましくは１０Ω／ｓｑ以上２０ｋΩ／ｓｑ以下、さらに好ましくは１０Ω／ｓｑ以上３ｋΩ／ｓｑ以下となる。
【０１２６】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。
【０１２７】
（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置であるトランジスタの作製方法の一例について図４乃至図１３を用いて説明する。
【０１２８】
まず、基板２００を準備する（図４（Ａ）参照。）。
【０１２９】
基板２００は絶縁表面を有する。また、基板上に下地絶縁膜が設けられているものを基板２００としても構わない。
【０１３０】
基板２００は、加熱処理により酸素を放出する基板を用いてもよい。
【０１３１】
「加熱処理により酸素を放出する」とは、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：昇温脱離ガス分光法）分析にて、酸素原子に換算しての酸素の放出量が３．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上、１．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上、３．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上、５．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上、または１．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上であることをいう。
【０１３２】
なお、酸素の放出量は、ＴＤＳ分析において、基板温度が１５０℃以上７００℃以下、２００℃以上６５０℃以下、または２５０℃以上４７０℃以下の範囲で測定する。例えば、基板温度が１５０℃未満で起こる酸素の放出は、主として基板表面に吸着した、比較的安定性の低い酸素起因と推定されるため、測定範囲に含めないことが好ましい。また、基板温度を７００℃以下の範囲とすることで、トランジスタの作製工程に即した酸素の放出量を評価していることになる。
【０１３３】
ここで、ＴＤＳ分析を用いた酸素の放出量の測定方法について、以下に説明する。
【０１３４】
ＴＤＳ分析したときの気体の全放出量は、放出ガスのイオン強度の積分値に比例する。そしてこの積分値と標準試料との比較により、気体の全放出量を計算することができる。標準試料の基準値は、所定の原子を含む試料の、スペクトルの積分値に対する原子の密度の割合である。
【０１３５】
例えば、標準試料である所定の密度の水素を含むシリコンウェハのＴＤＳ分析結果、および絶縁膜のＴＤＳ分析結果から、絶縁膜の酸素分子の放出量（ＮＯ２）は、数式１で求めることができる。ここで、ＴＤＳ分析で得られる質量電荷比（ｍ／ｚ）３２で検出されるガスの全てが酸素分子由来と仮定する。ｍ／ｚ＝３２のものとしてほかにＣＨ３ＯＨがあるが、存在する可能性が低いものとしてここでは考慮しない。また、酸素原子の同位体であるｍ／ｚ＝１７の酸素原子およびｍ／ｚ＝１８の酸素原子を含む酸素分子についても、自然界における存在比率が極微量であるため考慮しない。
【０１３６】
【数１】
【０１３７】
ＮＨ２は、標準試料から脱離した水素分子を密度で換算した値である。ＳＨ２は、標準試料をＴＤＳ分析したときのイオン強度の積分値である。ここで、標準試料の基準値を、ＮＨ２／ＳＨ２とする。ＳＯ２は、絶縁膜をＴＤＳ分析したときのイオン強度の積分値である。αは、ＴＤＳ分析におけるイオン強度に影響する係数である。数式１の詳細に関しては、特開平６−２７５６９７公報を参照する。なお、上記絶縁膜の酸素の放出量を測定するＴＤＳ装置としては、電子科学株式会社製の昇温脱離分析装置ＥＭＤ−ＷＡ１０００Ｓ／Ｗを用い、標準試料として１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の水素原子を含むシリコンウェハを用いて測定した。
【０１３８】
また、ＴＤＳ分析において、酸素の一部は酸素原子として検出される。酸素分子と酸素原子の比率は、酸素分子のイオン化率から算出することができる。なお、上述のαは酸素分子のイオン化率を含むため、酸素分子の放出量を評価することで、酸素原子の放出量についても見積もることができる。
【０１３９】
なお、ＮＯ２は酸素分子の放出量である。酸素原子に換算したときの放出量は、酸素分子の放出量の２倍となる。
【０１４０】
なお、基板２００から酸素が供給されることで、酸化物半導体膜のチャネル領域と基板２００との界面準位密度を低減することができる。この結果、トランジスタの動作などに起因して、酸化物半導体膜のチャネル領域と基板２００との界面にキャリアが捕獲されることを抑制することができ、電気特性の劣化の少ないトランジスタを得ることができる。
【０１４１】
基板２００は、材料に大きな制限はないが、少なくとも後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有する。例えば、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の絶縁体基板、シリコンウェハなどの半導体基板、ステンレス鋼などの導体基板を、基板２００として用いてもよい。なお、半導体基板または導体基板を用いる場合、基板２００の表面には絶縁体材料が設けられる。なお、後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有すればプラスチック基板を用いてもよい。
【０１４２】
基板２００は、トランジスタの作製面の平坦性が高いと、後に形成する酸化物半導体膜が結晶性を有しやすくなるため好ましい。
【０１４３】
具体的には、平均面粗さ（Ｒａ）が１ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下である基板２００を用いる。なお、Ｒａ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、数式２にて定義される。
【０１４４】
【数２】
【０１４５】
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。
【０１４６】
次に、基板２００上に酸化物半導体膜２５６を成膜する（図４（Ｂ）参照。）。酸化物半導体膜２５６は、例えば、実施の形態１に示した酸化物半導体膜１００で示した材料を用いればよい。
【０１４７】
なお、酸化物半導体膜２５６は、成膜電力を高くすること、成膜圧力を低くすること、ターゲット−基板間距離（Ｔ−Ｓ間距離）を短くすることおよび基板加熱温度（Ｔｓｕｂ）を高くすることが重要である。
【０１４８】
具体的には、単位面積あたりの成膜電力を５Ｗ／ｃｍ２以上５０Ｗ／ｃｍ２以下、成膜圧力を０．０１Ｐａ以上０．４Ｐａ以下、好ましくは０．０５Ｐａ以上０．３Ｐａ以下、Ｔ−Ｓ間距離を１０ｍｍ以上２００ｍｍ以下、好ましくは２０ｍｍ以上８０ｍｍ以下、Ｔｓｕｂを１００℃以上５００℃以下、好ましくは１５０℃以上４５０℃以下とする。
【０１４９】
また、酸化物半導体膜２５６中の不純物濃度を極力低減すると好ましい。酸化物半導体膜２５６中の不純物濃度を低減するためには、材料の純度を高めること、成膜室の内部リークおよび外部リークを低減することなどが効果的である。
【０１５０】
以上のような方法で酸化物半導体膜２５６を成膜することにより、多結晶膜またはＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜である酸化物半導体膜が得られる。
【０１５１】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、完全な単結晶ではなく、完全な非晶質でもない。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、非晶質相に結晶部および非晶質部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体膜である。なお、当該結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による観察像では、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる非晶質部と結晶部との境界は明確ではない。また、ＴＥＭによってＣＡＡＣ−ＯＳ膜には粒界（グレインバウンダリーともいう。）は確認できない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、粒界に起因する電子移動度の低下が抑制される。
【０１５２】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部は、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃い、かつａｂ面に垂直な方向から見て三角形状または六角形状の原子配列を有し、ｃ軸に垂直な方向から見て金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に配列している。なお、異なる結晶部間で、それぞれａ軸およびｂ軸の向きが異なっていてもよい。本明細書において、単に垂直と記載する場合、８５°以上９５°以下の範囲も含まれることとする。また、単に平行と記載する場合、−５°以上５°以下の範囲も含まれることとする。
【０１５３】
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。
【０１５４】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃うため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形状（被形成面の断面形状または表面の断面形状）によっては互いに異なる方向を向くことがある。なお、結晶部のｃ軸の方向は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されたときの被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向となる。結晶部は、成膜することにより、または成膜後に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。
【０１５５】
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を低減することが可能である。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。
【０１５６】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶構造の一例について図２２乃至図２５を用いて詳細に説明する。なお、特に断りがない限り、図２２乃至図２５は上方向をｃ軸方向とし、ｃ軸方向と直交する面をａｂ面とする。なお、単に上半分、下半分という場合、ａｂ面を境にした場合の上半分、下半分をいう。また、図２２において丸で囲まれたＯは４配位のＯを示し、二重丸で囲まれたＯは３配位のＯを示す。
【０１５７】
図２２（Ａ）に、１個の６配位のＩｎと、Ｉｎに近接の６個の４配位の酸素原子（以下４配位のＯ）と、を有する構造を示す。ここでは、金属原子が１個に対して、近接の酸素原子のみ示した構造を小グループと呼ぶ。図２２（Ａ）の構造は、八面体構造をとるが、簡単のため平面構造で示している。なお、図２２（Ａ）の上半分および下半分にはそれぞれ３個ずつ４配位のＯがある。図２２（Ａ）に示す小グループは電荷が０である。
【０１５８】
図２２（Ｂ）に、１個の５配位のＧａと、Ｇａに近接の３個の３配位の酸素原子（以下３配位のＯ）と、Ｇａに近接の２個の４配位のＯと、を有する構造を示す。３配位のＯは、いずれもａｂ面に存在する。図２２（Ｂ）の上半分および下半分にはそれぞれ１個ずつ４配位のＯがある。また、Ｉｎも５配位をとるため、図２２（Ｂ）に示す構造をとりうる。図２２（Ｂ）に示す小グループは電荷が０である。
【０１５９】
図２２（Ｃ）に、１個の４配位のＺｎと、Ｚｎに近接の４個の４配位のＯと、を有する構造を示す。図２２（Ｃ）の上半分には１個の４配位のＯがあり、下半分には３個の４配位のＯがある。または、図２２（Ｃ）の上半分に３個の４配位のＯがあり、下半分に１個の４配位のＯがあってもよい。図２２（Ｃ）に示す小グループは電荷が０である。
【０１６０】
図２２（Ｄ）に、１個の６配位のＳｎと、Ｓｎに近接の６個の４配位のＯと、を有する構造を示す。図２２（Ｄ）の上半分には３個の４配位のＯがあり、下半分には３個の４配位のＯがある。図２２（Ｄ）に示す小グループは電荷が＋１となる。
【０１６１】
図２２（Ｅ）に、２個のＺｎを含む小グループを示す。図２２（Ｅ）の上半分には１個の４配位のＯがあり、下半分には１個の４配位のＯがある。図２２（Ｅ）に示す小グループは電荷が−１となる。
【０１６２】
ここでは、複数の小グループの集合体を中グループと呼び、複数の中グループの集合体を大グループ（ユニットセルともいう。）と呼ぶ。
【０１６３】
ここで、これらの小グループ同士が結合する規則について説明する。図２２（Ａ）に示す６配位のＩｎの上半分の３個のＯは、下方向にそれぞれ３個の近接Ｉｎを有し、下半分の３個のＯは、上方向にそれぞれ３個の近接Ｉｎを有する。図２２（Ｂ）に示す５配位のＧａの上半分の１個のＯは下方向に１個の近接Ｇａを有し、下半分の１個のＯは上方向に１個の近接Ｇａを有する。図２２（Ｃ）に示す４配位のＺｎの上半分の１個のＯは、下方向に１個の近接Ｚｎを有し、下半分の３個のＯは、上方向にそれぞれ３個の近接Ｚｎを有する。この様に、金属原子の上方向の４配位のＯの数と、そのＯの下方向にある近接金属原子の数は等しく、同様に金属原子の下方向の４配位のＯの数と、そのＯの上方向にある近接金属原子の数は等しい。Ｏは４配位なので、下方向にある近接金属原子の数と、上方向にある近接金属原子の数の和は４になる。従って、金属原子の上方向にある４配位のＯの数と、別の金属原子の下方向にある４配位のＯの数との和が４個のとき、金属原子を有する二種の小グループ同士は結合することができる。例えば、６配位の金属原子（ＩｎまたはＳｎ）が下半分の４配位のＯを介して結合する場合、４配位のＯが３個であるため、５配位の金属原子（ＧａまたはＩｎ）、４配位の金属原子（Ｚｎ）のいずれかと結合することになる。
【０１６４】
これらの配位数を有する金属原子は、ｃ軸方向において、４配位のＯを介して結合する。また、このほかにも、層構造の合計の電荷が０となるように複数の小グループが結合して中グループを構成する。
【０１６５】
図２３（Ａ）に、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造を構成する中グループのモデル図を示す。図２３（Ｂ）に、３つの中グループで構成される大グループを示す。なお、図２３（Ｃ）は、図２３（Ｂ）の層構造をｃ軸方向から観察した場合の原子配列を示す。
【０１６６】
図２３（Ａ）においては、簡単のため、３配位のＯは省略し、４配位のＯは個数のみ示し、例えば、Ｓｎの上半分および下半分にはそれぞれ３個ずつ４配位のＯがあることを丸枠の３として示している。同様に、図２３（Ａ）において、Ｉｎの上半分および下半分にはそれぞれ１個ずつ４配位のＯがあり、丸枠の１として示している。また、同様に、図２３（Ａ）において、下半分には１個の４配位のＯがあり、上半分には３個の４配位のＯがあるＺｎと、上半分には１個の４配位のＯがあり、下半分には３個の４配位のＯがあるＺｎとを示している。
【０１６７】
図２３（Ａ）において、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造を構成する中グループは、上から順に４配位のＯが３個ずつ上半分および下半分にあるＳｎが、４配位のＯが１個ずつ上半分および下半分にあるＩｎと結合し、そのＩｎが、上半分に３個の４配位のＯがあるＺｎと結合し、そのＺｎの下半分の１個の４配位のＯを介して４配位のＯが３個ずつ上半分および下半分にあるＩｎと結合し、そのＩｎが、上半分に１個の４配位のＯがあるＺｎ２個からなる小グループと結合し、この小グループの下半分の１個の４配位のＯを介して４配位のＯが３個ずつ上半分および下半分にあるＳｎと結合している構成である。この中グループが複数結合して大グループを構成する。
【０１６８】
ここで、３配位のＯおよび４配位のＯの場合、結合１本当たりの電荷はそれぞれ−０．６６７、−０．５と考えることができる。例えば、Ｉｎ（６配位または５配位）、Ｚｎ（４配位）、Ｓｎ（５配位または６配位）の電荷は、それぞれ＋３、＋２、＋４である。従って、Ｓｎを含む小グループは電荷が＋１となる。そのため、Ｓｎを含む層構造を形成するためには、電荷＋１を打ち消す電荷−１が必要となる。電荷−１をとる構造として、図２２（Ｅ）に示すように、２個のＺｎを含む小グループが挙げられる。例えば、Ｓｎを含む小グループが１個に対し、２個のＺｎを含む小グループが１個あれば、電荷が打ち消されるため、層構造の合計の電荷を０とすることができる。
【０１６９】
具体的には、図２３（Ｂ）に示した大グループが繰り返されることで、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の結晶（Ｉｎ２ＳｎＺｎ３Ｏ８）を得ることができる。なお、得られるＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造は、Ｉｎ２ＳｎＺｎ２Ｏ７（ＺｎＯ）ｍ（ｍは０または自然数。）とする組成式で表すことができる。
【０１７０】
また、このほかにも、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物や、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物（ＩＧＺＯとも表記する。）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物や、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物や、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物や、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ系酸化物などを用いた場合も同様である。
【０１７１】
例えば、図２４（Ａ）に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物の層構造を構成する中グループのモデル図を示す。
【０１７２】
図２４（Ａ）において、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物の層構造を構成する中グループは、上から順に４配位のＯが３個ずつ上半分および下半分にあるＩｎが、４配位のＯが１個上半分にあるＺｎと結合し、そのＺｎの下半分の３個の４配位のＯを介して、４配位のＯが１個ずつ上半分および下半分にあるＧａと結合し、そのＧａの下半分の１個の４配位のＯを介して、４配位のＯが３個ずつ上半分および下半分にあるＩｎと結合している構成である。この中グループが複数結合して大グループを構成する。
【０１７３】
図２４（Ｂ）に３つの中グループで構成される大グループを示す。なお、図２４（Ｃ）は、図２４（Ｂ）の層構造をｃ軸方向から観察した場合の原子配列を示している。
【０１７４】
ここで、Ｉｎ（６配位または５配位）、Ｚｎ（４配位）、Ｇａ（５配位）の電荷は、それぞれ＋３、＋２、＋３であるため、Ｉｎ、ＺｎおよびＧａのいずれかを含む小グループは、電荷が０となる。そのため、これらの小グループの組み合わせであれば中グループの合計の電荷は常に０となる。
【０１７５】
また、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造を構成する中グループは、図２４（Ａ）に示した中グループに限定されず、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの配列が異なる中グループを組み合わせた大グループも取りうる。
【０１７６】
具体的には、図２４（Ｂ）に示した大グループが繰り返されることで、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物の結晶を得ることができる。なお、得られるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物の層構造は、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｎ（ｎは自然数。）とする組成式で表すことができる。
【０１７７】
ｎ＝１（ＩｎＧａＺｎＯ４）の場合は、例えば、図２５（Ａ）に示す結晶構造を取りうる。なお、図２５（Ａ）に示す結晶構造において、図２２（Ｂ）で説明したように、ＧａおよびＩｎは５配位をとるため、ＧａがＩｎに置き換わった構造も取りうる。
【０１７８】
また、ｎ＝２（ＩｎＧａＺｎ２Ｏ５）の場合は、例えば、図２５（Ｂ）に示す結晶構造を取りうる。なお、図２５（Ｂ）に示す結晶構造において、図２２（Ｂ）で説明したように、ＧａおよびＩｎは５配位をとるため、ＧａがＩｎに置き換わった構造も取りうる。
【０１７９】
以上がＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部分に関する説明である。
【０１８０】
酸化物半導体膜２５６は、トランジスタのオフ電流を低減するため、バンドギャップが２．５ｅＶ以上、好ましくは２．８ｅＶ以上、さらに好ましくは３．０ｅＶ以上の材料を選択する。
【０１８１】
酸化物半導体にとって不純物である水素は、一部がドナーとなりキャリアを生成する。そのため、酸化物半導体膜２５６中の水素濃度は、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【０１８２】
アルカリ金属は酸化物半導体を構成する元素ではないため、不純物である。アルカリ土類金属も、酸化物半導体を構成する元素ではない場合において、不純物となる。特に、アルカリ金属のうちナトリウム（Ｎａ）は、酸化物半導体膜に接する絶縁膜中に拡散してＮａ＋となる。また、Ｎａは、酸化物半導体膜内において、酸化物半導体を構成する金属と酸素の結合を分断する、または、その結合中に割り込む。その結果、例えば、しきい値電圧がマイナス方向にシフトすることによるノーマリオン化、電界効果移動度の低下などの、トランジスタ特性の劣化が起こり、加えて、特性のばらつきも生じる。従って、酸化物半導体膜中の上記不純物の濃度を低減することが望ましい。具体的に、Ｎａ濃度は、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）において、５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。同様に、リチウム（Ｌｉ）濃度の測定値は、５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。同様に、カリウム（Ｋ）濃度の測定値は、５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【０１８３】
酸化物半導体膜２５６は、水素、アルカリ金属およびアルカリ土類金属などが低減され、極めて不純物濃度の低い酸化物半導体膜である。そのため、酸化物半導体膜２５６をチャネル領域に用いたトランジスタはオフ電流を小さくできる。
【０１８４】
以上に示した酸化物半導体膜２５６を用いることでトランジスタのオフ電流を小さくできる。例えば、チャネル長が３μｍ、チャネル幅が１μｍのときのトランジスタのオフ電流を１×１０−１８Ａ以下、または１×１０−２１Ａ以下、または１×１０−２４Ａ以下とすることができる。
【０１８５】
なお、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物を用いたトランジスタでは比較的容易に高い電界効果移動度が得られる。具体的には、トランジスタの電界効果移動度を３１ｃｍ２／Ｖｓ以上、４０ｃｍ２／Ｖｓ以上、６０ｃｍ２／Ｖｓ以上、８０ｃｍ２／Ｖｓ以上または１００ｃｍ２／Ｖｓ以上とすることができる。なお、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物以外（例えばＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物）でも、欠陥密度を低減することにより電界効果移動度を高めることができる。
【０１８６】
以下にトランジスタの電界効果移動度について図２６乃至図２９を用いて説明する。
【０１８７】
酸化物半導体に限らず、トランジスタの電界効果移動度は、様々な理由によって本来の得られるはずの電界効果移動度よりも低く測定される。電界効果移動度を低下させる要因としては半導体内部の欠陥や半導体と絶縁膜との界面における欠陥がある。ここでは、Ｌｅｖｉｎｓｏｎモデルを用い、半導体内部に欠陥がないと仮定した場合の電界効果移動度を理論的に導き出す。
【０１８８】
本来のトランジスタの電界効果移動度をμ０とし、半導体中に何らかのポテンシャル障壁（粒界など）が存在すると仮定したときに測定される電界効果移動度μは数式３で表される。
【０１８９】
【数３】
【０１９０】
ここで、Ｅはポテンシャル障壁の高さであり、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。なお、Ｌｅｖｉｎｓｏｎモデルでは、ポテンシャル障壁の高さＥが欠陥に由来すると仮定し、数式４で表される。
【０１９１】
【数４】
【０１９２】
ここで、ｅは電気素量、Ｎはチャネル内の単位面積あたりの平均欠陥密度、εは半導体の誘電率、ｎはチャネルの単位面積あたりのキャリア密度、Ｃｏｘは単位面積当たりのゲート絶縁膜容量、Ｖｇはゲート電圧、ｔはチャネルの厚さである。なお、厚さが３０ｎｍ以下の半導体層であれば、チャネルの厚さは半導体層の厚さと同一として差し支えない。
【０１９３】
線形領域におけるドレイン電流Ｉｄは、数式５で表される。
【０１９４】
【数５】
【０１９５】
ここで、Ｌはチャネル長、Ｗはチャネル幅であり、ここでは、ＬおよびＷは１０μｍとする。また、Ｖｄはドレイン電圧である。
【０１９６】
数式５の両辺の対数を取ると、数式６で表される。
【０１９７】
【数６】
【０１９８】
数式６の右辺はＶｇの関数であるため、縦軸をｌｎ（Ｉｄ／Ｖｇ）、横軸を１／Ｖｇとして実測値をプロットして得られるグラフの近似直線の傾きから欠陥密度Ｎが求められる。即ち、トランジスタのＶｇ−Ｉｄ特性から半導体中の欠陥密度Ｎが得られる。
【０１９９】
半導体中の欠陥密度Ｎは半導体の成膜時の基板加熱温度に依存する。半導体として、Ｉｎ、ＳｎおよびＺｎの比率が、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］のＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏターゲットを用いて成膜した酸化物半導体を用いた場合、酸化物半導体中の欠陥密度Ｎは１×１０１２／ｃｍ２程度となる。
【０２００】
上述した酸化物半導体中の欠陥密度Ｎをもとに、数式３および数式４を用いて計算すると、本来のトランジスタの電界効果移動度μ０は１２０ｃｍ２／Ｖｓとなる。従って、酸化物半導体中および酸化物半導体と接するゲート絶縁膜との界面に欠陥がない、理想的なトランジスタの電界効果移動度μ０は１２０ｃｍ２／Ｖｓとわかる。ところが、欠陥の多い酸化物半導体では、トランジスタの電界効果移動度μは３０ｃｍ２／Ｖｓ程度である。
【０２０１】
また、半導体内部に欠陥がなくても、チャネルとゲート絶縁膜との界面散乱によってトランジスタの輸送特性は影響を受ける。ゲート絶縁膜界面からｘだけ離れた場所における電界効果移動度μ１は、数式７で表される。
【０２０２】
【数７】
【０２０３】
ここで、Ｄはゲート電極による電界強度、Ｂは定数、ｌは界面散乱の影響が生じる深さである。Ｂおよびｌは、トランジスタの電気特性の実測より求めることができ、上記酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性の実測からは、Ｂ＝４．７５×１０７ｃｍ／ｓ、ｌ＝１０ｎｍが得られる。Ｄが増加すると、即ちＶｇが高くなると、数式７の第２項が増加するため、電界効果移動度μ１は低下することがわかる。
【０２０４】
酸化物半導体中および酸化物半導体と接するゲート絶縁膜との界面に欠陥のない、理想的なトランジスタの電界効果移動度μ２を計算した結果を図２６に示す。なお、計算にはシノプシス社製Ｓｅｎｔａｕｒｕｓ Ｄｅｖｉｃｅを使用し、酸化物半導体のバンドギャップを２．８ｅＶ、電子親和力を４．７ｅＶ、比誘電率を１５、厚さを１５ｎｍとした。さらに、ゲートの仕事関数を５．５ｅＶ、ソースおよびドレインの仕事関数を４．６ｅＶとした。また、ゲート絶縁膜の厚さは１００ｎｍ、比誘電率を４．１とした。また、チャネル長およびチャネル幅はともに１０μｍ、Ｖｄは０．１Ｖとした。
【０２０５】
図２６で示されるように、Ｖｇが１Ｖ近傍で電界効果移動度μ２は１００ｃｍ２／Ｖｓ以上のピークを有するが、Ｖｇがさらに高くなると、界面散乱の影響が大きくなり、電界効果移動度μ２が低下することがわかる。
【０２０６】
このような理想的なトランジスタを微細化した場合について、計算した結果を図２７乃至図２９に示す。なお、計算には図３０に示した構造のトランジスタを仮定している。
【０２０７】
次に、図３０に示すトランジスタの構造について説明する。図３０（Ａ）はトランジスタの上面図である。図３０（Ａ）に示す一点鎖線Ａ−Ｂに対応する断面図が図３０（Ｂ）である。
【０２０８】
図３０（Ｂ）に示すトランジスタは、基板２００上に設けられた下地絶縁膜３００２と、下地絶縁膜３００２の周辺に設けられた保護膜３０２０と、下地絶縁膜３００２および保護膜３０２０上に設けられた、高抵抗領域３００６ａおよび低抵抗領域３００６ｂを含む酸化物半導体膜３００６と、酸化物半導体膜３００６上に設けられたゲート絶縁膜３０１２と、ゲート絶縁膜３０１２を介して酸化物半導体膜３００６に重畳して設けられたゲート電極３００４と、ゲート電極３００４の側面に接して設けられた側壁絶縁膜３０２４と、酸化物半導体膜３００６上にあり、少なくとも酸化物半導体膜３００６と一部を接して設けられた一対の電極３０１６と、ゲート電極３００４、側壁絶縁膜３０２４および一対の電極３０１６を覆って設けられた保護絶縁膜３０１８と、保護絶縁膜３０１８に設けられた開口部を介して一対の電極３０１６と接して設けられた配線３０２２と、を有する。
【０２０９】
ここで、低抵抗領域３００６ｂの抵抗率を２×１０−３Ωｃｍ、ゲート電極３００４の幅を３３ｎｍ、側壁絶縁膜３０２４の幅を５ｎｍ、チャネル幅を４０ｎｍとする。なお、チャネル領域を便宜上高抵抗領域３００６ａという名称で記載しているが、ここではチャネル領域を真性半導体と仮定している。
【０２１０】
計算にはシノプシス社製Ｓｅｎｔａｕｒｕｓ Ｄｅｖｉｃｅを使用した。図２７は、図３０（Ｂ）に示される構造のトランジスタのＩｄ（実線）および電界効果移動度μ（点線）のＶｇ依存性である。なお、ＩｄはＶｄを１Ｖとし、電界効果移動度μはＶｄを０．１Ｖとして計算している。ここで、ゲート絶縁膜の厚さが１５ｎｍとした場合を図２７（Ａ）に、１０ｎｍとした場合を図２７（Ｂ）に、５ｎｍとした場合を図２７（Ｃ）にそれぞれ示す。
【０２１１】
図２７より、ゲート絶縁膜が薄くなるほど、オフ状態（ここではＶｇが−３Ｖから０Ｖの範囲を指す。）でのドレイン電流Ｉｄが低下する。一方、電界効果移動度μのピーク値やオン状態（ここではＶｇが０Ｖから３Ｖの範囲を指す。）でのドレイン電流Ｉｄには目立った変化がない。図２７より、Ｖｇが１Ｖ近傍でＩｄは半導体装置であるメモリなどに必要とされる１０μＡを超えることがわかる。
【０２１２】
同様に、図３０（Ｃ）で示されるトランジスタについて計算を行っている。図３０（Ｃ）で示されるトランジスタは、高抵抗領域３００７ａおよび低抵抗領域３００７ｂを有する酸化物半導体膜３００７を有する点で、図３０（Ｂ）で示されるトランジスタとは異なる。具体的には、図３０（Ｃ）で示されるトランジスタは、側壁絶縁膜３０２４と重畳する酸化物半導体膜３００７の領域が高抵抗領域３００７ａに含まれる。即ち、該トランジスタは側壁絶縁膜３０２４の幅だけオフセット領域を有するトランジスタである。なお、オフセット領域の幅をオフセット長（Ｌｏｆｆ）ともいう（図３０（Ａ）参照。）。なお、Ｌｏｆｆは便宜上左右で同じ幅としている。
【０２１３】
図３０（Ｃ）で示されるトランジスタにおいて、Ｌｏｆｆを５ｎｍとし、ドレイン電流Ｉｄ（実線）および電界効果移動度μ（点線）のＶｇ依存性を図２８に示す。なお、Ｉｄは、Ｖｄを１Ｖとし、電界効果移動度μはＶｄを０．１Ｖとして計算している。ここで、ゲート絶縁膜の厚さが１５ｎｍとした場合を図２８（Ａ）に、１０ｎｍとした場合を図２８（Ｂ）に、５ｎｍとした場合を図２８（Ｃ）にそれぞれ示す。
【０２１４】
また、図２９は、図３０（Ｃ）に示されるトランジスタの構造から、Ｌｏｆｆを１５ｎｍとしたもののドレイン電流Ｉｄ（実線）および電界効果移動度μ（点線）のＶｇ依存性である。なお、Ｉｄは、Ｖｄを１Ｖとし、電界効果移動度μはＶｄを０．１Ｖとして計算している。ここで、ゲート絶縁膜の厚さが１５ｎｍとした場合を図２９（Ａ）に、１０ｎｍとした場合を図２９（Ｂ）に、５ｎｍとした場合を図２９（Ｃ）にそれぞれ示す。
【０２１５】
図２８および図２９に示した計算結果より、図２７と同様に、いずれもゲート絶縁膜が薄くなるほどオフ状態（ここではＶｇが−３Ｖから０Ｖの範囲を指す。）でのドレイン電流Ｉｄが低下する。一方、電界効果移動度μのピーク値やオン状態（ここではＶｇが０Ｖから３Ｖの範囲を指す。）でのドレイン電流Ｉｄには目立った変化がないとわかる。
【０２１６】
なお、電界効果移動度μのピークは、図２７では８０ｃｍ２／Ｖｓ程度であるが、図２８では６０ｃｍ２／Ｖｓ程度、図２９では４０ｃｍ２／Ｖｓ程度と、Ｌｏｆｆが増加するほど低下することがわかる。また、オフ状態でのＩｄも同様の傾向となることがわかる。一方、オン状態のＩｄはオフセット長Ｌｏｆｆの増加に伴って減少するが、オフ状態のＩｄの低下に比べるとはるかに緩やかである。また、いずれの計算結果からもＶｇが１Ｖ近傍で、Ｉｄはメモリなどに必要とされる１０μＡを超えることがわかる。
【０２１７】
以上でトランジスタの電界効果移動度についての説明を終了する。
【０２１８】
なお、酸化物半導体膜２５６は、島状に加工されていてもよいが、本実施の形態では島状に加工されていないものとして説明する。
【０２１９】
次に、第１の加熱処理を行う。第１の加熱処理を行うと、酸化物半導体膜２５６の結晶化度が高まる、または／および酸化物半導体膜２５６中の不純物濃度を低減することができる。
【０２２０】
第１の加熱処理は、酸化性雰囲気、不活性雰囲気、減圧雰囲気または乾燥空気雰囲気において、１５０℃以上６５０℃以下、好ましくは２５０℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３００℃以上４５０℃以下の温度で行えばよい。第１の加熱処理は、抵抗加熱方式、ランプヒータ方式、加熱ガス方式などを適用すればよい。
【０２２１】
酸化性雰囲気とは、酸化性ガスを含む雰囲気をいう。酸化性ガスとは、酸素、オゾンまたは亜酸化窒素などであって、水、水素などが含まれないことが好ましい。例えば、熱処理装置に導入する酸素、オゾン、亜酸化窒素の純度を、８Ｎ（９９．９９９９９９％）以上、好ましくは９Ｎ（９９．９９９９９９９％）以上とする。酸化性雰囲気には、酸化性ガスと不活性ガスが混合されていてもよい。その場合、酸化性ガスが少なくとも１０ｐｐｍ以上含まれる雰囲気とする。
【０２２２】
不活性雰囲気とは、窒素、希ガスなどの不活性ガスを主成分とする雰囲気をいう。具体的には、酸化性ガスなどの反応性ガスが１０ｐｐｍ未満である雰囲気とする。
【０２２３】
減圧雰囲気とは、処理室の圧力が１０Ｐａ以下の雰囲気をいう。
【０２２４】
乾燥空気雰囲気とは、露点−４０℃以下、好ましくは露点−５０℃以下の雰囲気をいう。
【０２２５】
次に、酸化物半導体膜２５６上に絶縁膜２６２を成膜する。
【０２２６】
絶縁膜２６２は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムまたはＹＳＺ（酸化イットリウムで安定化した酸化ジルコニウム）などを、単層で、または積層して用いればよい。
【０２２７】
酸化窒化シリコンとは、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、例えば、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、シリコンが２５原子％以上３５原子％以下、水素が０原子％以上１０原子％以下の範囲で含まれるものをいう。また、窒化酸化シリコンとは、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、例えば、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、シリコンが２５原子％以上３５原子％以下、水素が１０原子％以上２５原子％以下の範囲で含まれるものをいう。但し、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 Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を用いて測定した場合のものである。また、構成元素の組成は、その合計が１００原子％を超えない値をとる。
【０２２８】
次に、絶縁膜２６２上に導電膜２５４を成膜する（図４（Ｃ）参照。）。
【０２２９】
導電膜２５４は、単層または積層構造とすればよく、アルミニウム、チタン、クロム、コバルト、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタルおよびタングステン、それらの窒化物、酸化物ならびに合金から一種以上選択し、単層でまたは積層で用いればよい。
【０２３０】
次に、導電膜２５４を加工し、ゲート電極２０４を形成する。
【０２３１】
なお、本明細書において、例えば、「加工する」とは、フォトリソグラフィ法などを用いて所望の形状を得ることをいう。
【０２３２】
次に、ゲート電極２０４と同様の上面形状に絶縁膜２６２を加工し、ゲート絶縁膜２１２を形成する（図４（Ｄ）参照。）。
【０２３３】
また、ゲート絶縁膜２１２は、加熱処理により酸素を放出する膜を用いると好ましい。加熱処理により酸素を放出する膜を用いることで、酸化物半導体膜のチャネル領域に生じる欠陥を修復することができ、トランジスタの電気特性の劣化を抑制できる。
【０２３４】
次に、酸化物半導体膜２５６およびゲート電極２０４上に還元性を有する膜２１０を成膜する（図５（Ａ）参照。）。還元性を有する膜２１０は、例えば、実施の形態１に示した還元性を有する膜１１０で示した材料を用いればよい。
【０２３５】
次に、還元性を有する膜２１０と接する領域において、酸化物半導体膜２５６の酸素を還元性を有する膜２１０に移動させ、第１の領域２０６ａ、第２の領域２０６ｂおよび第３の領域２０６ｃを含む酸化物半導体膜２０６を形成する（図５（Ｂ）参照。）。
【０２３６】
なお、第１の領域２０６ａは、酸化物半導体膜２５６から酸素の脱離していない領域であり、第２の領域２０６ｂおよび第３の領域２０６ｃは、酸素の一部が脱離した領域である。
【０２３７】
実施の形態１でも示したように、ここで第２の領域２０６ｂおよび第３の領域２０６ｃは、第１の領域２０６ａよりも低抵抗化された領域である。
【０２３８】
第１の領域２０６ａはトランジスタのチャネル領域として機能し、第２の領域２０６ｂおよび第３の領域２０６ｃはトランジスタのソース領域およびドレイン領域として機能する。
【０２３９】
酸化物半導体膜２５６の酸素を還元性を有する膜２１０に移動させるために、第２の加熱処理を行うと好ましい。第２の加熱処理は、不活性雰囲気または減圧雰囲気において、１５０℃以上６５０℃以下、好ましくは２００℃以上４５０℃以下で行う。
【０２４０】
なお、第２の加熱処理を不活性雰囲気または減圧雰囲気にて行うことで、還元性を有する膜２１０が雰囲気の影響で変質してしまうことを抑制できる。還元性を有する膜２１０が変質してしまうことで、後に還元性を有する膜２１０を除去することが困難になることがある。また、還元性を有する膜２１０が除去されずに残存することで、トランジスタの電気特性が低下してしまうことがある。
【０２４１】
なお、還元性を有する膜２１０が、室温でも作用する十分な還元性を有する場合、第２の加熱処理は不要となる。
【０２４２】
また、第２の加熱処理によって第１の加熱処理を兼ねてもよい。その場合、第１の加熱処理を行わなくて構わない。
【０２４３】
次に、還元性を有する膜２１０を除去する（図５（Ｃ）参照。）。
【０２４４】
還元性を有する膜２１０の除去は、ゲート電極２０４、ゲート絶縁膜２１２および酸化物半導体膜２０６と十分に選択比のとれる条件で行う。
【０２４５】
十分に選択比のとれる条件とは、還元性を有する膜２１０のエッチングレートに対し、他の膜のエッチングレートが１／２以下、好ましくは１／１０以下、さらに好ましくは１／２０以下であることをいう。
【０２４６】
なお、還元性を有する膜２１０の除去に伴い、ゲート電極２０４、ゲート絶縁膜２１２および酸化物半導体膜２０６の露出面に反応生成物が生じてしまう場合、該反応生成物を除去する処理を行うと好ましい。
【０２４７】
還元性を有する膜２１０の除去は、ドライエッチング法、ウェットエッチング法、またはドライエッチング法およびウェットエッチング法の組み合わせにより行えばよい。
【０２４８】
また、還元性を有する膜２１０を除去せずに絶縁化させる場合、還元性を有する膜２１０を完全に反応させることが困難である。そのため、未反応または完全に反応しきっていない還元性を有する膜２１０がトランジスタの電気特性を低下させることがある。
【０２４９】
以上のように、基板２００上の第１の領域２０６ａ、第２の領域２０６ｂおよび第３の領域２０６ｃを含む酸化物半導体膜２０６と、酸化物半導体膜２０６上のゲート絶縁膜２１２と、ゲート絶縁膜２１２を介して酸化物半導体膜２０６上に設けられたゲート電極２０４と、を有するトランジスタ２７１を作製することができる（図５（Ｃ）参照。）。
【０２５０】
なお、トランジスタ２７１を作製後、第３の加熱処理を行うと好ましい。第３の加熱処理は、第２の加熱処理と同様の方法で行えばよい。
【０２５１】
なお、トランジスタ２７１に側壁絶縁膜を設けて、当該側壁絶縁膜と重畳する酸化物半導体膜２０６の領域をＬＤＤ領域とした、ＬＤＤ構造としても構わない。以下に、ＬＤＤ構造であるトランジスタの作製方法について説明する。
【０２５２】
図５（Ｃ）まではトランジスタ２７１の作製方法を参酌する。
【０２５３】
まず、酸化物半導体膜２０６およびゲート電極２０４上に絶縁膜２５８を成膜する（図６（Ａ）参照。）。
【０２５４】
絶縁膜２５８は、絶縁膜２６２と同様の方法および同様の材料を用いて成膜すればよい。
【０２５５】
次に、絶縁膜２５８を加工して、側壁絶縁膜２０８を形成する。側壁絶縁膜２０８は、ゲート電極２０４の側壁に接して設けられる。
【０２５６】
側壁絶縁膜２０８は、絶縁膜２５８を成膜した後、絶縁膜２５８に対し異方性の高いエッチングを行うことで、自己整合的に形成すればよい。異方性の高いエッチングとしては、例えば、ドライエッチング法を用いると好ましい。ドライエッチング法に用いるエッチングガスとしては、例えば、トリフルオロメタン、オクタフルオロシクロブタン、テトラフルオロメタンなどのフッ素を含むガスが挙げられる。エッチングガスには、希ガスまたは水素を添加してもよい。ドライエッチング法は、基板に高周波電圧を印加する、反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）を用いると好ましい。
【０２５７】
次に、ゲート電極２０４および側壁絶縁膜２０８をマスクとし、酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を、酸化物半導体膜２０６に注入し、第１の領域２０６ａ、第４の領域２０６ｄ、第５の領域２０６ｅ、第６の領域２０６ｆおよび第７の領域２０６ｇを含む酸化物半導体膜２０６を形成する（図６（Ｂ）参照。）。
【０２５８】
酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物として、具体的には、酸化物半導体膜中でキャリアを生成する材料を用いることができる。
【０２５９】
例えば、酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物として、水素、ヘリウム、ホウ素、窒素、フッ素、ネオン、アルミニウム、リン、アルゴン、ヒ素、クリプトン、インジウム、スズ、アンチモンおよびキセノンから選ばれた一種以上を注入してもよい。
【０２６０】
酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物として、好ましくは、ホウ素またはリンを用いる。ホウ素またはリンは、比較的低濃度でも酸化物半導体膜を低抵抗化できる。
【０２６１】
なお、側壁絶縁膜２０８を有することで、酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物が、酸化物半導体膜２０６のチャネル領域（ここでは第１の領域２０６ａ）まで拡散することを抑制できる。そのため、微細化したトランジスタにおける電気特性の低下を抑制できる。
【０２６２】
なお、第１の領域２０６ａ、第４の領域２０６ｄ、第５の領域２０６ｅ、第６の領域２０６ｆおよび第７の領域２０６ｇを含む酸化物半導体膜２０６は、絶縁膜２５８の加工前に絶縁膜２５８を介して酸化物半導体膜２０６に酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入することで形成してもよい。その場合、第１の領域２０６ａ、第４の領域２０６ｄ、第５の領域２０６ｅ、第６の領域２０６ｆおよび第７の領域２０６ｇを含む酸化物半導体膜２０６を形成した後で、絶縁膜２５８を加工して、側壁絶縁膜２０８を形成すればよい。または、側壁絶縁膜２０８を形成せず絶縁膜２５８を除去しても構わないし、絶縁膜２５８を残存させたままトランジスタを作製しても構わない。
【０２６３】
酸化物半導体膜２０６へ酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入した後、第４の加熱処理を行っても構わない。第４の加熱処理は、第１の加熱処理または第２の加熱処理と同様の方法で行えばよい。なお、第４の加熱処理を行う場合、第１の加熱処理を兼ねても構わない。
【０２６４】
第４の領域２０６ｄおよび第５の領域２０６ｅは、第２の領域２０６ｂおよび第３の領域２０６ｃに、酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入することで、さらに低抵抗化させた領域である。
【０２６５】
また、第６の領域２０６ｆおよび第７の領域２０６ｇは、第２の領域２０６ｂおよび第３の領域２０６ｃと同様の抵抗を有する領域である。
【０２６６】
ここで、第４の領域２０６ｄおよび第５の領域２０６ｅは、トランジスタのソース領域およびドレイン領域として機能する。また、第６の領域２０６ｆおよび第７の領域２０６ｇは、トランジスタのＬＤＤ領域として機能する。
【０２６７】
ＬＤＤ領域は、シート抵抗値が１ｋΩ／ｓｑ以上１００ＭΩ／ｓｑ以下、好ましくは１０ｋΩ／ｓｑ以上５０ＭΩ／ｓｑ以下、さらに好ましくは１００ｋΩ／ｓｑ以上２０ＭΩ／ｓｑ以下とする。
【０２６８】
以上のようにして、ＬＤＤ領域を有するトランジスタ２７２を作製することができる（図６（Ｂ）参照。）。
【０２６９】
なお、トランジスタ２７２を作製後、第３の加熱処理を行うと好ましい。
【０２７０】
ＬＤＤ領域を有することで、ホットキャリア劣化などのトランジスタの劣化を低減し、チャネル長が短くなることによってしきい値電圧がマイナス方向へシフトすることを抑制することができる。
【０２７１】
次に、側壁絶縁膜を設けずに、ＬＤＤ領域を有するトランジスタを作製する方法について説明する。
【０２７２】
なお、図４（Ｄ）までは、トランジスタ２７１と同様の作製方法を採る。
【０２７３】
まず、酸化物半導体膜２５６およびゲート電極２０４上に還元性を有する膜２１０を成膜する（図７（Ａ）参照。）。
【０２７４】
次に、還元性を有する膜２１０を介して酸化物半導体膜２５６に、酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入し、その後、還元性を有する膜２１０と接する酸化物半導体膜２５６の領域から酸素の一部を脱離させ、第１の領域２０６ａ、第４の領域２０６ｄ、第５の領域２０６ｅ、第６の領域２０６ｆおよび第７の領域２０６ｇを含む酸化物半導体膜２０６を形成する（図７（Ｂ）参照。）。
【０２７５】
または、還元性を有する膜２１０と接する酸化物半導体膜２５６の領域から酸素の一部を脱離させ、その後、還元性を有する膜２１０を介して酸化物半導体膜２５６に、酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入し、第１の領域２０６ａ、第４の領域２０６ｄ、第５の領域２０６ｅ、第６の領域２０６ｆおよび第７の領域２０６ｇを含む酸化物半導体膜２０６を形成する（図７（Ｂ）参照。）。
【０２７６】
なお、酸化物半導体膜２５６中に、還元性を有する膜２１０を介して酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入することにより、還元性を有する膜２１０を構成する材料の一部が酸化物半導体膜２５６中に移動する場合がある。その場合に、さらに酸化物半導体膜２５６を低抵抗化させることができる。
【０２７７】
なお、ゲート電極２０４の側壁に堆積した還元性を有する膜２１０の厚さの分、酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物の注入されない領域が広がり、該領域（ここでは、第６の領域２０６ｆおよび第７の領域２０６ｇに相当。）をＬＤＤ領域とすることができる。
【０２７８】
ここで、第１の領域２０６ａはトランジスタのチャネル領域として機能し、第４の領域２０６ｄおよび第５の領域２０６ｅはトランジスタのソース領域およびドレイン領域として機能する。
【０２７９】
なお、還元性を有する膜２１０と接する酸化物半導体膜２５６の領域から酸素の一部を脱離させるために、第２の加熱処理を行うと好ましい。
【０２８０】
次に、還元性を有する膜２１０を除去する（図７（Ｃ）参照。）。
【０２８１】
以上のようにして、ＬＤＤ領域を有するトランジスタ２７３を作製することができる（図７（Ｃ）参照。）。
【０２８２】
なお、トランジスタ２７３を作製後、第３の加熱処理を行うと好ましい。
【０２８３】
次に、トランジスタ２７１、トランジスタ２７２およびトランジスタ２７３とは異なるトランジスタの作製方法を説明する。
【０２８４】
なお、図４（Ｄ）までは、トランジスタ２７１と同様の作製方法を採る。
【０２８５】
まず、ゲート電極２０４をマスクとし、酸化物半導体膜２５６に酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入し、第１の領域２０６ａ、第８の領域２０６ｈおよび第９の領域２０６ｉを含む酸化物半導体膜２０６を形成する（図８（Ａ）参照。）。
【０２８６】
酸化物半導体膜２５６へ酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入した後、第４の加熱処理を行っても構わない。
【０２８７】
なお、第８の領域２０６ｈおよび第９の領域２０６ｉは、酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を含む領域である。そのため、第８の領域２０６ｈおよび第９の領域２０６ｉは、第１の領域２０６ａよりも低抵抗化された領域である。
【０２８８】
次に、酸化物半導体膜２０６およびゲート電極２０４上に還元性を有する膜２１０を成膜する（図８（Ｂ）参照。）。
【０２８９】
次に、酸化物半導体膜２０６から還元性を有する膜２１０へ酸素の一部を移動させ、第１０の領域２０６ｊおよび第１１の領域２０６ｋを含む酸化物半導体膜２０６を形成する（図８（Ｃ）参照。）。
【０２９０】
なお、還元性を有する膜２１０と接する酸化物半導体膜２０６の領域から酸素の一部を脱離させるために、第２の加熱処理を行うと好ましい。
【０２９１】
なお、第１０の領域２０６ｊおよび第１１の領域２０６ｋは、第８の領域２０６ｈおよび第９の領域２０６ｉから酸素の一部が脱離した領域である。そのため、第１０の領域２０６ｊおよび第１１の領域２０６ｋは、第８の領域２０６ｈおよび第９の領域２０６ｉよりも低抵抗化された領域である。
【０２９２】
ここで、第１の領域２０６ａはトランジスタのチャネル領域として機能し、第１０の領域２０６ｊおよび第１１の領域２０６ｋはトランジスタのソース領域およびドレイン領域として機能する。
【０２９３】
次に、還元性を有する膜２１０を除去する（図８（Ｄ）参照。）。
【０２９４】
以上のようにして、トランジスタ２７４を作製することができる（図８（Ｄ）参照。）。
【０２９５】
なお、トランジスタ２７４を作製後、第３の加熱処理を行うと好ましい。
【０２９６】
なお、図８では、ゲート電極２０４と同様の上面形状にゲート絶縁膜２１２を加工してから酸化物半導体膜２５６を低抵抗化させる処理を行っているが、これに限定されない。例えば、絶縁膜２６２を介して、酸化物半導体膜２５６に酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入しても構わない。その場合、還元性を有する膜２１０の成膜前に、絶縁膜２６２を加工してゲート絶縁膜２１２を形成すればよい。
【０２９７】
次に、Ｌｏｆｆ領域を有するトランジスタの作製方法について説明する。
【０２９８】
なお、図４（Ｄ）までは、トランジスタ２７１と同様の作製方法を採る。
【０２９９】
まず、ゲート電極２０４に側壁に接して側壁絶縁膜２０８を形成する（図９（Ａ）参照。）。側壁絶縁膜２０８の形成方法は、図６を参酌する。
【０３００】
次に、酸化物半導体膜２５６、ゲート電極２０４および側壁絶縁膜２０８上に還元性を有する膜２１１を成膜する（図９（Ｂ）参照。）。
【０３０１】
なお、還元性を有する膜２１１は、還元性を有する膜２１０と同様の材料を用いて成膜すればよい。
【０３０２】
次に、酸化物半導体膜２５６から還元性を有する膜２１１へ酸素の一部を移動させ、第１２の領域２０６ｌ、第１３の領域２０６ｍおよび第１４の領域２０６ｎを含む酸化物半導体膜２０６を形成する（図９（Ｃ）参照。）。
【０３０３】
なお、側壁絶縁膜２０８を有することで、還元性を有する膜２１１の影響が、酸化物半導体膜２０６のチャネル領域（ここでは第１２の領域２０６ｌ）まで広がることを抑制できる。そのため、微細化したトランジスタにおける電気特性の低下を抑制できる。
【０３０４】
なお、還元性を有する膜２１１と接する酸化物半導体膜２５６の領域から酸素の一部を脱離させるために、第２の加熱処理を行うと好ましい。
【０３０５】
なお、第１２の領域２０６ｌは、酸化物半導体膜２５６から酸素の脱離していない領域であり、第１３の領域２０６ｍおよび第１４の領域２０６ｎは、酸素の一部が脱離した領域である。
【０３０６】
実施の形態１でも示したように、ここで第１３の領域２０６ｍおよび第１４の領域２０６ｎは、第１２の領域２０６ｌよりも低抵抗化された領域である。
【０３０７】
ここで、第１２の領域２０６ｌはトランジスタのチャネル領域として機能し、第１３の領域２０６ｍおよび第１４の領域２０６ｎはトランジスタのソース領域およびドレイン領域として機能する。
【０３０８】
ここで、第１２の領域２０６ｌは、側壁絶縁膜２０８と重畳する領域の分、第１の領域２０６ａよりも広くなる。側壁絶縁膜２０８と重畳する酸化物半導体膜２０６の領域は、Ｌｏｆｆ領域となる。
【０３０９】
Ｌｏｆｆ領域を有することにより、ホットキャリア劣化などのトランジスタの劣化を低減し、チャネル長が短くなることによってしきい値電圧がマイナス方向へシフトすることを抑制することができる。
【０３１０】
次に、還元性を有する膜２１１を除去する（図９（Ｄ）参照。）。
【０３１１】
側壁絶縁膜２０８が設けられていることにより、還元性を有する膜２１１を除去する際に、還元性を有する膜２１１が完全に除去しきれなかった場合でも、ゲート電極２０４とソース領域およびドレイン領域とのショートが起こりにくくなり、トランジスタの電気特性の低下要因を低減できる。
【０３１２】
以上のようにして、トランジスタ２７５を作製することができる（図９（Ｄ）参照。）。
【０３１３】
なお、トランジスタ２７５を作製後、第３の加熱処理を行うと好ましい。
【０３１４】
次に、Ｌｏｆｆ領域を有し、トランジスタ２７５とは異なるトランジスタの作製方法について説明する。
【０３１５】
なお、図９（Ａ）までは、トランジスタ２７５と同様の作製方法を採る。
【０３１６】
まず、ゲート電極２０４および側壁絶縁膜２０８をマスクとし、酸化物半導体膜２５６に酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入し、第１２の領域２０６ｌ、第１５の領域２０６ｏおよび第１６の領域２０６ｐを含む酸化物半導体膜２０６を形成する（図１０（Ａ）参照。）。
【０３１７】
酸化物半導体膜２５６へ酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入した後、第４の加熱処理を行っても構わない。
【０３１８】
次に、酸化物半導体膜２０６、ゲート電極２０４および側壁絶縁膜２０８上に還元性を有する膜２１１を成膜する（図１０（Ｂ）参照。）。
【０３１９】
次に、酸化物半導体膜２０６から還元性を有する膜２１１へ酸素の一部を移動させ、第１２の領域２０６ｌ、第１７の領域２０６ｑおよび第１８の領域２０６ｒを含む酸化物半導体膜２０６を形成する（図１０（Ｃ）参照。）。
【０３２０】
なお、第１７の領域２０６ｑおよび第１８の領域２０６ｒは、第１５の領域２０６ｏおよび第１６の領域２０６ｐから酸素の一部が脱離した領域である。そのため、第１７の領域２０６ｑおよび第１８の領域２０６ｒは、第１５の領域２０６ｏおよび第１６の領域２０６ｐよりも低抵抗化された領域である。
【０３２１】
ここで、第１２の領域２０６ｌはトランジスタのチャネル領域として機能し、第１７の領域２０６ｑおよび第１８の領域２０６ｒはトランジスタのソース領域およびドレイン領域として機能する。
【０３２２】
ここで、第１２の領域２０６ｌは、側壁絶縁膜２０８と重畳する領域の分、第１の領域２０６ａよりも広くなる。側壁絶縁膜２０８と重畳する酸化物半導体膜２０６の領域は、Ｌｏｆｆ領域となる。
【０３２３】
なお、側壁絶縁膜２０８を有することで、酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物が、酸化物半導体膜２０６のチャネル領域（ここでは第１２の領域２０６ｌ）まで拡散することを抑制できる。また、還元性を有する膜２１１の影響が、酸化物半導体膜２０６のチャネル領域まで拡散することを抑制できる。そのため、微細化したトランジスタにおける電気特性の低下を抑制できる。
【０３２４】
次に、還元性を有する膜２１１を除去する（図１０（Ｄ）参照。）。
【０３２５】
側壁絶縁膜２０８が設けられていることにより、還元性を有する膜２１１を除去する際に、還元性を有する膜２１１が完全に除去しきれなかった場合でも、ゲート電極２０４とソース領域およびドレイン領域とのショートが起こりにくくなり、トランジスタの電気特性の低下要因を低減できる。
【０３２６】
以上のようにして、トランジスタ２７６を作製することができる（図１０（Ｄ）参照。）。
【０３２７】
なお、トランジスタ２７６を作製後、第３の加熱処理を行うと好ましい。
【０３２８】
次に、Ｌｏｆｆ領域およびＬＤＤ領域を有するトランジスタの作製方法について説明する。
【０３２９】
なお、図９（Ｂ）までは、トランジスタ２７５と同様の作製方法を採る。
【０３３０】
まず、還元性を有する膜２１１を介して酸化物半導体膜２５６に、酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入し、その後、還元性を有する膜２１１と接する酸化物半導体膜２５６の領域から酸素の一部を脱離させ、第１２の領域２０６ｌ、第１９の領域２０６ｓ、第２０の領域２０６ｔ、第２１の領域２０６ｕおよび第２２の領域２０６ｖを含む酸化物半導体膜２０６を形成する（図１１（Ａ）参照。）。
【０３３１】
または、還元性を有する膜２１１と接する酸化物半導体膜２５６の領域から酸素の一部を脱離させ、その後、還元性を有する膜２１１を介して酸化物半導体膜２５６に、酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入し、第１２の領域２０６ｌ、第１９の領域２０６ｓ、第２０の領域２０６ｔ、第２１の領域２０６ｕおよび第２２の領域２０６ｖを含む酸化物半導体膜２０６を形成する（図１１（Ａ）参照。）。
【０３３２】
なお、酸化物半導体膜２５６中に、還元性を有する膜２１１を介して酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入することにより、還元性を有する膜２１１を構成する材料の一部が酸化物半導体膜２５６中に移動する場合がある。その場合に、さらに酸化物半導体膜２５６を低抵抗化させることができる。
【０３３３】
ここで、第１２の領域２０６ｌはトランジスタのチャネル領域として機能し、第１９の領域２０６ｓおよび第２０の領域２０６ｔはトランジスタのソース領域およびドレイン領域として機能する。
【０３３４】
なお、側壁絶縁膜２０８の側壁に堆積した還元性を有する膜２１１の厚さの分、酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物の注入されない領域が広がり、該領域（ここでは、第２１の領域２０６ｕおよび第２２の領域２０６ｖに相当。）をＬＤＤ領域とすることができる。
【０３３５】
また、第１２の領域２０６ｌは、側壁絶縁膜２０８と重畳する領域の分、第１の領域２０６ａよりも広くなる。側壁絶縁膜２０８と重畳する酸化物半導体膜２０６の領域は、Ｌｏｆｆ領域となる。
【０３３６】
なお、側壁絶縁膜２０８を有することで、酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物が、酸化物半導体膜２０６のチャネル領域（ここでは第１２の領域２０６ｌ）まで拡散することを抑制できる。また、還元性を有する膜２１１の影響が、酸化物半導体膜２０６のチャネル領域まで拡散することを抑制できる。そのため、微細化したトランジスタにおける電気特性の低下を抑制できる。
【０３３７】
次に、還元性を有する膜２１１を除去する（図１１（Ｂ）参照。）。
【０３３８】
側壁絶縁膜２０８が設けられていることにより、還元性を有する膜２１１を除去する際に、還元性を有する膜２１１が完全に除去しきれなかった場合でも、ゲート電極２０４とソース領域およびドレイン領域とのショートが起こりにくくなり、トランジスタの電気特性の低下要因を低減できる。
【０３３９】
以上のようにして、Ｌｏｆｆ領域およびＬＤＤ領域を有するトランジスタ２７７を作製することができる（図１１（Ｂ）参照。）。
【０３４０】
なお、トランジスタ２７７を作製後、第３の加熱処理を行うと好ましい。
【０３４１】
トランジスタ２７７は、Ｌｏｆｆ領域およびＬＤＤ領域を有するため、ＬＤＤ領域のみを有するトランジスタおよびＬｏｆｆ領域のみを有するトランジスタと比べ、さらにホットキャリア劣化などのトランジスタの劣化を低減し、チャネル長が短くなることによってしきい値電圧がマイナス方向へシフトすることを抑制することができる。
【０３４２】
次に、トランジスタを作製した後、配線を形成するまでの作製方法の一例を示す。
【０３４３】
図１２（Ａ）に示すトランジスタは、基板２００上に設けられた酸化物半導体膜２０６と、酸化物半導体膜２０６上に設けられたゲート絶縁膜２１２と、ゲート絶縁膜２１２を介して酸化物半導体膜２０６と重畳して設けられたゲート電極２０４と、を有する。
【０３４４】
なお、図示しないが、酸化物半導体膜２０６は、チャネル領域、ソース領域およびドレイン領域を含む。また、ＬＤＤ領域または／およびＬｏｆｆ領域を含んでも構わない。
【０３４５】
なお、図１２（Ａ）に示すトランジスタは、側壁絶縁膜２０８を設けない構造であるが、以下の説明はこの構造に限定されるものではなく、側壁絶縁膜２０８を設けた構造に適用可能である。
【０３４６】
まず、酸化物半導体膜２０６を加工し、島状の酸化物半導体膜２０７を形成する（図１２（Ｂ）参照。）。
【０３４７】
次に、基板２００、島状の酸化物半導体膜２０７、ゲート電極２０４およびゲート絶縁膜２１２を覆って第３の絶縁膜２１８を成膜する（図１２（Ｃ）参照。）。
【０３４８】
次に、第３の絶縁膜２１８に酸化物半導体膜２０７を露出する一対の開口部を形成し、該開口部を介して酸化物半導体膜２０７と接する一対の配線２２０を形成する（図１２（Ｄ）参照。）。
【０３４９】
以上のように、トランジスタと接続する配線を形成すればよい。
【０３５０】
同様に、トランジスタを作製した後、配線を形成するまでの作成方法の一例を示す。
【０３５１】
なお、図１２（Ｂ）までは、同様の作製方法を採る。
【０３５２】
まず、酸化物半導体膜２０７と接して一対の電極２１６を形成する（図１３（Ａ）参照。）。なお、図示しないが一対の電極２１６は、酸化物半導体膜２０７下に接して設けられていても構わない。
【０３５３】
次に、基板２００、一対の電極２１６、酸化物半導体膜２０７、ゲート電極２０４およびゲート絶縁膜２１２を覆って第３の絶縁膜２１９を成膜する（図１３（Ｂ）参照。）。
【０３５４】
次に、第３の絶縁膜２１９に一対の電極２１６を露出する一対の開口部を形成し、該開口部を介して一対の電極２１６と接する一対の配線２２１を形成する（図１３（Ｃ）参照。）。
【０３５５】
以上のように、トランジスタと接続する配線を形成すればよい。
【０３５６】
このようにして、実施の形態１で示した低抵抗領域を有する酸化物半導体膜を用いたトランジスタを作製することができる。
【０３５７】
本実施の形態に示したトランジスタは、自己整合的に低抵抗領域を設けることができるため、ゲート電極とソース領域およびドレイン領域との間に寄生容量を生じさせることがなく、高速動作が可能となる。
【０３５８】
また、Ｌｏｆｆ領域または／およびＬＤＤ領域を有することで、ホットキャリア劣化などのトランジスタの劣化を低減し、チャネル長が短くなることによってしきい値電圧がマイナス方向へシフトすることを抑制することができる。そのため、微細化したトランジスタにおいても、電気特性を良好とすることができる。
【０３５９】
また、本実施の形態で示したトランジスタを適用することで、高性能な半導体装置を歩留まり高く作製することができる。
【０３６０】
（実施の形態３）
本実施の形態では実施の形態２に示すトランジスタを用いて作製した液晶表示装置について説明する。なお、本実施の形態では液晶表示装置に本発明の一形態を適用した例について説明するが、これに限定されるものではない。例えば、発光装置の一つであるＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）表示装置に本発明の一形態を適用することも、当業者であれば容易に想到しうるものである。
【０３６１】
図１４にアクティブマトリクス駆動方式の液晶表示装置の回路図を示す。液晶表示装置は、ソース線ＳＬ＿１乃至ＳＬ＿ａ（ａは自然数）、ゲート線ＧＬ＿１乃至ＧＬ＿ｂ（ｂは自然数）および複数（ａ×ｂ個）の画素２２００を有する。画素２２００は、トランジスタ２２３０と、キャパシタ２２２０と、液晶素子２２１０と、を含む。こうした画素２２００が複数集まって液晶表示装置の画素部を構成する。なお、単にソース線またはゲート線を指す場合には、ソース線ＳＬまたはゲート線ＧＬと記載することもある。
【０３６２】
トランジスタ２２３０は、本発明の一態様である実施の形態２で示すトランジスタを用いる。実施の形態２で示すトランジスタは電気特性が良好な酸化物半導体を用いたトランジスタであるため、表示品位の高い表示装置を得ることができる。
【０３６３】
ゲート線ＧＬはトランジスタ２２３０のゲートと接続し、ソース線ＳＬはトランジスタ２２３０のソースと接続し、トランジスタ２２３０のドレインは、キャパシタ２２２０の一方の容量電極および液晶素子２２１０の一方の画素電極と接続する。キャパシタ２２２０の他方の容量電極および液晶素子２２１０の他方の画素電極は、共通電極と接続する。なお、共通電極はゲート線ＧＬと同一層かつ同一材料で設けてもよい。
【０３６４】
また、ゲート線ＧＬは、ゲート駆動回路と接続される。ゲート駆動回路は、実施の形態２で示すトランジスタを含んでもよい。
【０３６５】
また、ソース線ＳＬは、ソース駆動回路と接続される。ソース駆動回路は、実施の形態２で示すトランジスタを含んでもよい。
【０３６６】
なお、ゲート駆動回路およびソース駆動回路のいずれかまたは両方を、別途用意された基板上に形成し、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）、ワイヤボンディング、またはＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）などの方法を用いて接続してもよい。
【０３６７】
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、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。
【０３６８】
ゲート線ＧＬにトランジスタ２２３０のしきい値電圧以上になるように電圧を印加すると、ソース線ＳＬから供給された電荷がトランジスタ２２３０のドレイン電流となってキャパシタ２２２０に蓄積される。１行分の充電後、該行にあるトランジスタ２２３０はオフ状態となり、ソース線ＳＬから電圧が掛からなくなるが、キャパシタ２２２０に蓄積された電荷によって必要な電圧を維持することができる。その後、次の行のキャパシタ２２２０の充電に移る。このようにして、１行からｂ行の充電を行う。ドレイン電流は、トランジスタにおいてドレインからチャネルを介してソースに流れる電流のことである。ドレイン電流はゲート電圧がしきい値電圧よりも大きいときに流れる。
【０３６９】
なお、トランジスタ２２３０にオフ電流の小さなトランジスタを用いる場合、電圧を維持する期間を長くすることができる。この効果によって、動きの少ない画像（静止画を含む。）では、表示の書き換え周波数を低減でき、さらなる消費電力の低減が可能となる。また、キャパシタ２２２０の容量をさらに小さくすることが可能となるため、充電に必要な消費電力を低減することができる。
【０３７０】
以上のように、本発明の一態様によって、表示品位が高く、消費電力の小さい液晶表示装置を提供することができる。
【０３７１】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。
【０３７２】
（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態２で示すトランジスタを用いて、半導体記憶装置を作製する例について説明する。
【０３７３】
揮発性半導体記憶装置の代表的な例としては、記憶素子を構成するトランジスタを選択してキャパシタに電荷を蓄積することで、情報を記憶するＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、フリップフロップなどの回路を用いて記憶内容を保持するＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）がある。
【０３７４】
不揮発性半導体記憶装置の代表例としては、トランジスタのゲートとチャネル領域との間にノードを有し、当該ノードに電荷を保持することで記憶を行うフラッシュメモリがある。
【０３７５】
上述した半導体記憶装置に含まれるトランジスタの一部に実施の形態２で示すトランジスタを適用することができる。
【０３７６】
まずは、実施の形態２で示すトランジスタを適用した半導体記憶装置を構成するメモリセルについて図１５を用いて説明する。
【０３７７】
メモリセルは、ビット線ＢＬと、ワード線ＷＬと、センスアンプＳＡｍｐと、トランジスタＴｒと、キャパシタＣと、を有する（図１５（Ａ）参照。）。
【０３７８】
キャパシタＣに保持された電圧の時間変化は、トランジスタＴｒのオフ電流によって図１５（Ｂ）に示すように徐々に低減していくことが知られている。当初Ｖ０からＶ１まで充電された電圧は、時間が経過するとｄａｔａ１を読み出す限界点であるＶＡまで低減する。この期間を保持期間Ｔ＿１とする。即ち、２値メモリセルの場合、保持期間Ｔ＿１の間にリフレッシュをする必要がある。
【０３７９】
ここで、トランジスタＴｒに実施の形態２で示すトランジスタを適用すると、オフ電流が小さいため、保持期間Ｔ＿１を長くすることができる。即ち、リフレッシュの頻度を少なくすることが可能となるため、消費電力を低減することができる。例えば、オフ電流が１×１０−２１Ａ以下、好ましくは１×１０−２４Ａ以下となった酸化物半導体膜を用いたトランジスタでメモリセルを構成すると、電力を供給せずに数日間から数十年間に渡ってデータを保持することが可能となる。
【０３８０】
以上のように、本発明の一態様によって、信頼性が高く、消費電力の小さい半導体記憶装置を構成するメモリセルを得ることができる。
【０３８１】
次に、実施の形態２で示すトランジスタを適用した半導体記憶装置を構成するメモリセルについて図１５とは異なる例について図１６を用いて説明する。
【０３８２】
図１６（Ａ）は、半導体記憶装置を構成するメモリセルの回路図である。メモリセルは、トランジスタＴｒ＿１と、トランジスタＴｒ＿１のゲートと接続するワード線ＷＬ＿１と、トランジスタＴｒ＿１のソースと接続するソース線ＳＬ＿１と、トランジスタＴｒ＿２と、トランジスタＴｒ＿２のソースと接続するソース線ＳＬ＿２と、トランジスタＴｒ＿２のドレインと接続するドレイン線ＤＬ＿２と、キャパシタＣと、キャパシタＣの一端と接続する容量線ＣＬと、キャパシタＣの他端、トランジスタＴｒ＿１のドレインおよびトランジスタＴｒ＿２のゲートと接続するノードＮと、を有する。
【０３８３】
なお、本実施の形態に示すメモリセルは、ノードＮの電位に応じて、トランジスタＴｒ＿２の見かけ上のしきい値電圧が変動することを利用したものである。例えば、図１６（Ｂ）は容量線ＣＬの電圧ＶＣＬと、トランジスタＴｒ＿２を流れるドレイン電流Ｉｄ＿２との関係を説明する図である。
【０３８４】
ここで、ノードＮは、トランジスタＴｒ＿１を介して電圧を調整することができる。例えば、ソース線ＳＬ＿１の電位をＶＤＤとする。このとき、ワード線ＷＬ＿１の電位をトランジスタＴｒ＿１のしきい値電圧ＶｔｈにＶＤＤを加えた電位以上とすることで、ノードＮの電圧をＨＩＧＨにすることができる。また、ワード線ＷＬ＿１の電位をトランジスタＴｒ＿１のしきい値電圧Ｖｔｈ以下とすることで、ノードＮの電位をＬＯＷにすることができる。
【０３８５】
そのため、Ｎ＝ＬＯＷで示したＶＣＬ−Ｉｄ＿２カーブと、Ｎ＝ＨＩＧＨで示したＶＣＬ−Ｉｄ＿２カーブのいずれかを得ることができる。即ち、Ｎ＝ＬＯＷでは、ＶＣＬ＝０ＶにてＩｄ＿２が小さいため、データ０となる。また、Ｎ＝ＨＩＧＨでは、ＶＣＬ＝０ＶにてＩｄ＿２が大きいため、データ１となる。このようにして、データを記憶することができる。
【０３８６】
ここで、トランジスタＴｒ＿１に実施の形態２で示すトランジスタを適用すると、該トランジスタはオフ電流を極めて小さくすることができるため、ノードＮに蓄積された電荷がトランジスタＴｒ＿１のソースおよびドレイン間を意図せずにリークすることを抑制できる。そのため、長期間に渡ってデータを保持することができる。また、本発明の一態様を用いることでトランジスタＴｒ＿１のしきい値電圧が調整されるため、書き込みに必要な電圧を低減することが可能となり、フラッシュメモリなどと比較して消費電力を低減することができる。
【０３８７】
なお、トランジスタＴｒ＿２に、実施の形態２で示すトランジスタを適用しても構わない。
【０３８８】
以上のように、本発明の一態様によって、長期間の信頼性が高く、消費電力の小さく、集積度の高い半導体記憶装置を得ることができる。
【０３８９】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。
【０３９０】
（実施の形態５）
実施の形態２で示すトランジスタまたは実施の形態４に示した半導体記憶装置を少なくとも一部に用いてＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を構成することができる。
【０３９１】
図１７（Ａ）は、ＣＰＵの具体的な構成を示すブロック図である。図１７（Ａ）に示すＣＰＵは、基板１１９０上に、演算論理装置（ＡＬＵ：Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ ｌｏｇｉｃ ｕｎｉｔ）１１９１、ＡＬＵコントローラ１１９２、インストラクションデコーダ１１９３、インタラプトコントローラ１１９４、タイミングコントローラ１１９５、レジスタ１１９６、レジスタコントローラ１１９７、バスインターフェース（Ｂｕｓ Ｉ／Ｆ）１１９８、書き換え可能なＲＯＭ１１９９、およびＲＯＭインターフェース（ＲＯＭ Ｉ／Ｆ）１１８９を有している。基板１１９０は、半導体基板、ＳＯＩ基板、ガラス基板などを用いる。ＲＯＭ１１９９およびＲＯＭインターフェース１１８９は、別チップに設けてもよい。もちろん、図１７（Ａ）に示すＣＰＵは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際のＣＰＵはその用途によって多種多様な構成を有している。
【０３９２】
バスインターフェース１１９８を介してＣＰＵに入力された命令は、インストラクションデコーダ１１９３に入力され、デコードされた後、ＡＬＵコントローラ１１９２、インタラプトコントローラ１１９４、レジスタコントローラ１１９７、タイミングコントローラ１１９５に入力される。
【０３９３】
ＡＬＵコントローラ１１９２、インタラプトコントローラ１１９４、レジスタコントローラ１１９７、タイミングコントローラ１１９５は、デコードされた命令に基づき、各種制御を行う。具体的にＡＬＵコントローラ１１９２は、ＡＬＵ１１９１の動作を制御するための信号を生成する。また、インタラプトコントローラ１１９４は、ＣＰＵのプログラム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク状態から判断し、処理する。レジスタコントローラ１１９７は、レジスタ１１９６のアドレスを生成し、ＣＰＵの状態に応じてレジスタ１１９６の読み出しや書き込みを行う。
【０３９４】
また、タイミングコントローラ１１９５は、ＡＬＵ１１９１、ＡＬＵコントローラ１１９２、インストラクションデコーダ１１９３、インタラプトコントローラ１１９４、およびレジスタコントローラ１１９７の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタイミングコントローラ１１９５は、基準クロック信号ＣＬＫ１を元に、内部クロック信号ＣＬＫ２を生成する内部クロック生成部を備えており、クロック信号ＣＬＫ２を上記各種回路に供給する。
【０３９５】
図１７（Ａ）に示すＣＰＵでは、レジスタ１１９６に、記憶素子が設けられている。レジスタ１１９６の記憶素子には、実施の形態４に示す半導体記憶装置を用いることができる。
【０３９６】
図１７（Ａ）に示すＣＰＵにおいて、レジスタコントローラ１１９７は、ＡＬＵ１１９１からの指示に従い、レジスタ１１９６における保持動作を行う。即ち、レジスタ１１９６が有する記憶素子において、フリップフロップによるデータの保持を行うか、キャパシタによるデータの保持を行う。フリップフロップによってデータが保持されている場合、レジスタ１１９６内の記憶素子への、電源電圧の供給が行われる。キャパシタによってデータが保持されている場合、キャパシタへのデータの書き換えが行われ、レジスタ１１９６内の記憶素子への電源電圧の供給を停止することができる。
【０３９７】
電源停止に関しては、図１７（Ｂ）または図１７（Ｃ）に示すように、記憶素子群と、電源電位ＶＤＤまたは電源電位ＶＳＳの与えられているノード間に、スイッチング素子を設けることにより行うことができる。以下に図１７（Ｂ）および図１７（Ｃ）の回路の説明を行う。
【０３９８】
図１７（Ｂ）および図１７（Ｃ）では、記憶素子への電源電位の供給を制御するスイッチング素子に実施の形態２に示すトランジスタ用いた構成の一例を示す。
【０３９９】
図１７（Ｂ）に示す記憶装置は、スイッチング素子１１４１と、記憶素子１１４２を複数有する記憶素子群１１４３とを有している。具体的に、それぞれの記憶素子１１４２には、実施の形態４に示す記憶素子を用いることができる。記憶素子群１１４３が有するそれぞれの記憶素子１１４２には、スイッチング素子１１４１を介して、ハイレベルの電源電位ＶＤＤが供給されている。さらに、記憶素子群１１４３が有するそれぞれの記憶素子１１４２には、信号ＩＮの電位と、ローレベルの電源電位ＶＳＳの電位が与えられている。
【０４００】
図１７（Ｂ）では、スイッチング素子１１４１として、実施の形態２で示したオフ電流の極めて小さいトランジスタを用いており、該トランジスタは、そのゲートに与えられる信号ＳｉｇＡによりスイッチングが制御される。
【０４０１】
なお、図１７（Ｂ）では、スイッチング素子１１４１がトランジスタを一つだけ有する構成を示しているが、これに限定されず、トランジスタを複数有していてもよい。スイッチング素子１１４１が、スイッチング素子として機能するトランジスタを複数有している場合、上記複数のトランジスタは並列に接続されていてもよいし、直列に接続されていてもよいし、直列と並列が組み合わされて接続されていてもよい。
【０４０２】
また、図１７（Ｃ）には、記憶素子群１１４３が有するそれぞれの記憶素子１１４２に、スイッチング素子１１４１を介して、ローレベルの電源電位ＶＳＳが供給されている、記憶装置の一例を示す。スイッチング素子１１４１により、記憶素子群１１４３が有するそれぞれの記憶素子１１４２への、ローレベルの電源電位ＶＳＳの供給を制御することができる。
【０４０３】
記憶素子群と、電源電位ＶＤＤまたは電源電位ＶＳＳの与えられているノード間に、スイッチング素子を設け、一時的にＣＰＵの動作を停止し、電源電圧の供給を停止した場合においてもデータを保持することが可能であり、消費電力の低減を行うことができる。例えば、パーソナルコンピュータのユーザーが、キーボードなどの入力装置への情報の入力を停止している間でも、ＣＰＵの動作を停止することができ、それにより消費電力を低減することができる。
【０４０４】
ここでは、ＣＰＵを例に挙げて説明したが、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、カスタムＬＳＩ、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）などのＬＳＩにも応用可能である。
【０４０５】
本実施の形態は、上記実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０４０６】
（実施の形態６）
実施の形態２で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。
【０４０７】
図１８（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１８（Ａ）はフォトセンサの等価回路であり、図１８（Ｂ）はフォトセンサの一部を示す断面図である。
【０４０８】
フォトダイオード６０２は、一方の電極がフォトダイオードリセット信号線６５８に、他方の電極がトランジスタ６４０のゲートに電気的に接続されている。トランジスタ６４０は、ソースまたはドレインの一方がフォトセンサ基準信号線６７２に、ソースまたはドレインの他方がトランジスタ６５６のソースまたはドレインの一方に電気的に接続されている。トランジスタ６５６は、ゲートがゲート信号線６５９に、ソースまたはドレインの他方がフォトセンサ出力信号線６７１に電気的に接続されている。
【０４０９】
なお、図１８（Ａ）において、トランジスタ６４０、トランジスタ６５６は実施の形態２で示したトランジスタが適用できる。
【０４１０】
図１８（Ｂ）は、フォトセンサにおけるフォトダイオード６０２およびトランジスタ６４０に示す断面図であり、絶縁表面を有する基板６０１上に、センサとして機能するフォトダイオード６０２およびトランジスタ６４０が設けられている。フォトダイオード６０２、トランジスタ６４０の上には接着層６０８を用いて基板６１３が設けられている。
【０４１１】
トランジスタ６４０上には層間絶縁膜６３３および層間絶縁膜６３４が設けられている。フォトダイオード６０２は、層間絶縁膜６３３上に設けられ、層間絶縁膜６３３上に形成した電極６４１と、層間絶縁膜６３４上に設けられた電極６４２との間に、層間絶縁膜６３３側から順に第１半導体膜６０６ａ、第２半導体膜６０６ｂおよび第３半導体膜６０６ｃを積層した構造を有している。
【０４１２】
電極６４１は、層間絶縁膜６３４に形成された導電膜６４３と電気的に接続し、電極６４２は電極６４１を介して導電膜６４５と電気的に接続している。導電膜６４５は、トランジスタ６４０のゲート電極と電気的に接続しており、フォトダイオード６０２はトランジスタ６４０と電気的に接続している。
【０４１３】
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。
【０４１４】
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非晶質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（例えばホウ素）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モノシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４などを用いてもよい。また、不純物元素を含まない非晶質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非晶質シリコン膜に不純物元素を導入してもよい。また、イオン注入法などにより不純物元素を導入した後に加熱などを行うことで、不純物元素を拡散させると好ましい。この場合に非晶質シリコン膜を形成する方法としては、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法またはスパッタリング法などを用いればよい。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。
【０４１５】
第２半導体膜６０６ｂは、ｉ型半導体膜であり、非晶質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、非晶質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、モノシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４などを用いてもよい。第２半導体膜６０６ｂの形成は、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法またはスパッタリング法などにより行えばよい。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。
【０４１６】
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非晶質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）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モノシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４などを用いてもよい。また、不純物元素を含まない非晶質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非晶質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。この場合に非晶質シリコン膜を形成する方法としては、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法またはスパッタリング法などを用いればよい。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。
【０４１７】
また、第１半導体膜６０６ａ、第２半導体膜６０６ｂおよび第３半導体膜６０６ｃは、非晶質半導体ではなく、多結晶半導体を用いて形成してもよいし、微結晶半導体を用いて形成してもよい。
【０４１８】
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。
【０４１９】
層間絶縁膜６３３および層間絶縁膜６３４としては、絶縁性材料を用いて、その材料に応じて、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法、ＳＯＧ法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法など）、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。
【０４２０】
層間絶縁膜６３３および層間絶縁膜６３４としては、表面凹凸を低減するため平坦化絶縁膜として機能する絶縁膜が好ましい。層間絶縁膜６３３および層間絶縁膜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樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂等の、耐熱性を有する有機絶縁材料を用いることができる。また上記有機絶縁材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等の単層、または積層を用いることができる。
【０４２１】
フォトダイオード６０２に入射する光を検出することによって、被検出物の情報を読み取ることができる。なお、被検出物の情報を読み取る際にバックライトなどの光源を用いることができる。
【０４２２】
以上のように、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トランジスタは、オン特性（例えば、オン電流および電界効果移動度）が高く、高速動作、高速応答が可能である。また、微細化も達成できる。よって、該トランジスタを用いることで高性能および高信頼性の半導体装置を提供することができる。
【０４２３】
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。
【０４２４】
（実施の形態７）
本実施の形態では、実施の形態２乃至実施の形態５を適用した電子機器の例について説明する。
【０４２５】
図１９（Ａ）は携帯型情報端末である。図１９（Ａ）に示す携帯型情報端末は、筐体９３００と、ボタン９３０１と、マイクロフォン９３０２と、表示部９３０３と、スピーカ９３０４と、カメラ９３０５と、を具備し、携帯型電話機としての機能を有する。本発明の一態様は、表示部９３０３およびカメラ９３０５に適用することができる。また、図示しないが、本体内部にある演算装置、無線回路または記憶回路に本発明の一態様を適用することもできる。
【０４２６】
図１９（Ｂ）は、ディスプレイである。図１９（Ｂ）に示すディスプレイは、筐体９３１０と、表示部９３１１と、を具備する。本発明の一態様は、表示部９３１１に適用することができる。本発明の一態様を適用することで、表示部９３１１のサイズを大きくしたときにも表示品位の高いディスプレイとすることができる。
【０４２７】
図１９（Ｃ）は、デジタルスチルカメラである。図１９（Ｃ）に示すデジタルスチルカメラは、筐体９３２０と、ボタン９３２１と、マイクロフォン９３２２と、表示部９３２３と、を具備する。本発明の一態様は、表示部９３２３に適用することができる。また、図示しないが、本発明の一態様に係る記憶素子またはイメージセンサを有してもよい。
【０４２８】
本発明の一態様を用いることで、電子機器の性能を高め、かつ信頼性を高めることができる。
【０４２９】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。
【実施例１】
【０４３０】
本実施例では、低抵抗化した酸化物半導体膜について説明する。
【０４３１】
以下に試料の作製方法について説明する。
【０４３２】
まず、ガラス基板を準備した。
【０４３３】
次に、ガラス基板上に酸化シリコン膜を３３０ｎｍの厚さで成膜した。
【０４３４】
酸化シリコン膜は、石英ターゲットを用い、スパッタリング法により成膜した。そのほかの成膜条件は、成膜電力を５ｋＷ（ＲＦ）、成膜圧力を０．４Ｐａ、成膜ガスとしてアルゴンを２５ｓｃｃｍおよび酸素を２５ｓｃｃｍ、成膜時の基板温度を１００℃とした。
【０４３５】
その後、ＣＭＰ処理を行い、酸化シリコン膜を３００ｎｍの厚さとなるまで平坦化した。
【０４３６】
次に、酸化物半導体膜として、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜を３０ｎｍの厚さで成膜した。
【０４３７】
酸化物半導体膜は、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏターゲット（Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：３［原子数比］）を用い、スパッタリング法により成膜した。そのほかの成膜条件は、成膜電力を０．５ｋＷ（ＤＣ）、成膜圧力を０．４Ｐａ、成膜ガスとして酸素を５０ｓｃｃｍ、成膜時の基板温度を３００℃とした。
【０４３８】
ここまでの工程で作製した試料を試料１とする。
【０４３９】
さらに、試料１において、酸化物半導体膜上に還元性を有する膜としてアルミニウム膜を２０ｎｍの厚さで成膜した。
【０４４０】
アルミニウム膜は、アルミニウムターゲットを用い、スパッタリング法により成膜した。そのほかの成膜条件は、成膜電力を１ｋＷ（ＤＣ）、成膜圧力を０．４Ｐａ、成膜ガスとしてアルゴンを５０ｓｃｃｍ、成膜時の基板温度を室温とした。
【０４４１】
次に、加熱処理を行った。加熱処理は、窒素雰囲気にて１時間行った。加熱処理の温度は、２００℃、３００℃または４５０℃で行った。
【０４４２】
次に、アルミニウム膜を除去した。アルミニウム膜の除去は、和光純薬工業株式会社製の混酸アルミ液（２．０重量％の硝酸と、９．８重量％の酢酸と、７２．３重量％のリン酸と、を含有する水溶液）を用いて６０秒間行い、完全にアルミニウム膜が除去されていることを確認した。
【０４４３】
ここで、２００℃で加熱処理を行った試料を試料２、３００℃で加熱処理を行った試料を試料３、４５０℃で加熱処理を行った試料を試料４とし、加熱処理を行わずにアルミニウム膜を除去した試料を試料５とした。
【０４４４】
次に、試料１乃至試料５のシート抵抗値を測定した。結果を図２０に示す。
【０４４５】
図２０より、試料５は、シート抵抗測定器の測定上限（５ＭΩ／ｓｑ）以上のシート抵抗値を有することがわかった。また、試料５と比較し、試料１乃至試料４のシート抵抗値が低抵抗化されていることがわかる。
【０４４６】
特に、試料３および試料４が低抵抗であった。これにより、酸化物半導体膜上にアルミニウム膜を成膜した後で３００℃以上の加熱処理を行うことで、酸化物半導体膜をより低抵抗化できるとわかる。
【実施例２】
【０４４７】
本実施例では、実施例１とは異なる方法で酸化物半導体膜を低抵抗化させた例について説明する。
【０４４８】
以下に試料の作製方法について説明する。
【０４４９】
まず、ガラス基板を準備した。
【０４５０】
次に、ガラス基板上に酸化シリコン膜を３３０ｎｍの厚さで成膜した。
【０４５１】
酸化シリコン膜は、石英ターゲットを用い、スパッタリング法により成膜した。そのほかの成膜条件は、成膜電力を５ｋＷ（ＲＦ）、成膜圧力を０．４Ｐａ、成膜ガスとしてアルゴンを２５ｓｃｃｍおよび酸素を２５ｓｃｃｍ、成膜時の基板温度を１００℃とした。
【０４５２】
その後、ＣＭＰ処理を行い、酸化シリコン膜を３００ｎｍの厚さとなるまで平坦化した。
【０４５３】
次に、酸化物半導体膜として、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜を３０ｎｍの厚さで成膜した。
【０４５４】
酸化物半導体膜は、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏターゲット（Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：３［原子数比］）を用い、スパッタリング法により成膜した。そのほかの成膜条件は、成膜電力を０．５ｋＷ（ＤＣ）、成膜圧力を０．４Ｐａ、成膜ガスとして酸素を５０ｓｃｃｍ、成膜時の基板温度を３００℃とした。
【０４５５】
次に、酸化物半導体膜上に還元性を有する膜としてアルミニウム膜を２０ｎｍの厚さで成膜した。
【０４５６】
アルミニウム膜は、アルミニウムターゲットを用い、スパッタリング法により成膜した。そのほかの成膜条件は、成膜電力を１ｋＷ（ＤＣ）、成膜圧力を０．４Ｐａ、成膜ガスとしてアルゴンを５０ｓｃｃｍ、成膜時の基板温度を室温とした。
【０４５７】
次に、アルミニウム膜を介して酸化物半導体膜に不純物を注入した。
【０４５８】
不純物の注入は、イオン注入法を用いて行った。
【０４５９】
不純物としてリンイオンを５×１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２の濃度で注入した試料を試料６とした。また、不純物としてリンイオンを１×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２の濃度で注入した試料を試料７とした。また、不純物としてリンイオンを３×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２の濃度で注入した試料を試料８とした。なお、加速電圧を４０ｋＶとして行った。
【０４６０】
同様に、不純物としてホウ素イオンを５×１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２の濃度で注入した試料を試料９とした。また、不純物としてホウ素イオンを１×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２の濃度で注入した試料を試料１０とした。また、不純物としてホウ素イオンを３×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２の濃度で注入した試料を試料１１とした。なお、加速電圧を１５ｋＶとして行った。
【０４６１】
次に、加熱処理を行った。加熱処理は、窒素雰囲気にて１時間行った。加熱処理の温度は、２００℃または３００℃で行った。
【０４６２】
次に、アルミニウム膜を除去した。アルミニウム膜の除去は、和光純薬工業株式会社製の混酸アルミ液（２．０重量％の硝酸と、９．８重量％の酢酸と、７２．３重量％のリン酸と、を含有する水溶液）を用いて６０秒間行い、完全にアルミニウム膜が除去されていることを確認した。
【０４６３】
次に、試料６乃至試料１１のシート抵抗値を測定した。結果を図２１に示す。
【０４６４】
ここで、２００℃で加熱処理を行ったシート抵抗値を白抜き、３００℃で加熱処理を行ったシート抵抗値を網掛けとして示す。
【０４６５】
図２１より、試料６、試料９および試料１０は１ｋΩ／ｓｑ程度まで低抵抗化されることがわかった。
【０４６６】
また、そのほかの試料も、試料８を除き、おおむね１０ｋΩ／ｓｑ程度以下まで低抵抗化されることがわかった。
【０４６７】
特に、試料９を２００℃で加熱処理した酸化物半導体膜が低抵抗であった。これにより、酸化物半導体膜上にアルミニウム膜を成膜した後でホウ素イオンを５×１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２程度の濃度で注入し、２００℃で加熱処理を行うと、酸化物半導体膜をさらに低抵抗化できるとわかる。
【符号の説明】
【０４６８】
１００ 酸化物半導体膜
１０１ 酸素の一部が脱離した領域
１０２ 不純物を含む酸化物半導体膜
１０３ 酸素の一部が脱離した領域
１０４ 不純物を含む酸化物半導体膜
１０５ 不純物を含む酸素の一部が脱離した領域
１０６ａ 酸化物半導体膜
１０６ｂ 酸化物半導体膜
１０６ｃ 酸化物半導体膜
１１０ 還元性を有する膜
１１１ 酸素を含む領域
２００ 基板
２０４ ゲート電極
２０６ 酸化物半導体膜
２０６ａ 第１の領域
２０６ｂ 第２の領域
２０６ｃ 第３の領域
２０６ｄ 第４の領域
２０６ｅ 第５の領域
２０６ｆ 第６の領域
２０６ｇ 第７の領域
２０６ｈ 第８の領域
２０６ｉ 第９の領域
２０６ｊ 第１０の領域
２０６ｋ 第１１の領域
２０６ｌ 第１２の領域
２０６ｍ 第１３の領域
２０６ｎ 第１４の領域
２０６ｏ 第１５の領域
２０６ｐ 第１６の領域
２０６ｑ 第１７の領域
２０６ｒ 第１８の領域
２０６ｓ 第１９の領域
２０６ｔ 第２０の領域
２０６ｕ 第２１の領域
２０６ｖ 第２２の領域
２０７ 酸化物半導体膜
２０８ 側壁絶縁膜
２１０ 還元性を有する膜
２１１ 還元性を有する膜
２１２ ゲート絶縁膜
２１６ 一対の電極
２１８ 絶縁膜
２１９ 絶縁膜
２２０ 配線
２２１ 配線
２５４ 導電膜
２５６ 酸化物半導体膜
２５８ 絶縁膜
２６２ 絶縁膜
２７１ トランジスタ
２７２ トランジスタ
２７３ トランジスタ
２７４ トランジスタ
２７５ トランジスタ
２７６ トランジスタ
２７７ トランジスタ
６０１ 基板
６０２ フォトダイオード
６０６ａ 半導体膜
６０６ｂ 半導体膜
６０６ｃ 半導体膜
６０８ 接着層
６１３ 基板
６３３ 層間絶縁膜
６３４ 層間絶縁膜
６４０ トランジスタ
６４１ 電極
６４２ 電極
６４３ 導電膜
６４５ 導電膜
６５６ トランジスタ
６５８ フォトダイオードリセット信号線
６５９ ゲート信号線
６７１ フォトセンサ出力信号線
６７２ フォトセンサ基準信号線
１１４１ スイッチング素子
１１４２ 記憶素子
１１４３ 記憶素子群
１１８９ ＲＯＭインターフェース
１１９０ 基板
１１９１ ＡＬＵ
１１９２ ＡＬＵコントローラ
１１９３ インストラクションデコーダ
１１９４ インタラプトコントローラ
１１９５ タイミングコントローラ
１１９６ レジスタ
１１９７ レジスタコントローラ
１１９８ バスインターフェース
１１９９ ＲＯＭ
２２００ 画素
２２１０ 液晶素子
２２２０ キャパシタ
２２３０ トランジスタ
３００２ 下地絶縁膜
３００４ ゲート電極
３００６ 酸化物半導体膜
３００６ａ 高抵抗領域
３００６ｂ 低抵抗領域
３００７ 酸化物半導体膜
３００７ａ 高抵抗領域
３００７ｂ 低抵抗領域
３０１２ ゲート絶縁膜
３０１６ 一対の電極
３０１８ 保護絶縁膜
３０２０ 保護膜
３０２２ 配線
３０２４ 側壁絶縁膜
９３００ 筐体
９３０１ ボタン
９３０２ マイクロフォン
９３０３ 表示部
９３０４ スピーカ
９３０５ カメラ
９３１０ 筐体
９３１１ 表示部
９３２０ 筐体
９３２１ ボタン
９３２２ マイクロフォン
９３２３ 表示部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物半導体膜上に還元性を有する膜が設けられており、
前記酸化物半導体膜の酸素の一部を前記還元性を有する膜へ移動させた後、前記還元性を有する膜を除去することを特徴とする酸化物半導体膜の処理方法。
【請求項２】
酸化物半導体膜上に還元性を有する膜が設けられており、
前記還元性を有する膜を介して前記酸化物半導体膜に不純物を注入し、
前記酸化物半導体膜の酸素の一部を前記還元性を有する膜へ移動させた後、前記還元性を有する膜を除去することを特徴とする酸化物半導体膜の処理方法。
【請求項３】
請求項２において、
前記還元性を有する膜を介して前記酸化物半導体膜に前記不純物を注入する際、前記還元性を有する膜を構成する材料の一部が前記酸化物半導体膜に移動することを特徴とする酸化物半導体膜の処理方法。
【請求項４】
酸化物半導体膜上に還元性を有する膜が設けられており、
前記酸化物半導体膜の酸素の一部を前記還元性を有する膜へ移動させ、
前記還元性を有する膜を介して前記酸化物半導体膜に不純物を注入した後、前記還元性を有する膜を除去することを特徴とする酸化物半導体膜の処理方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
加熱処理を行うことで、前記酸化物半導体膜の酸素の一部を前記還元性を有する膜へ移動させることを特徴とする酸化物半導体膜の処理方法。
【請求項６】
請求項５において、
前記加熱処理は、不活性雰囲気または減圧雰囲気で行うことを特徴とする酸化物半導体膜の処理方法。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一において、
前記酸化物半導体膜は、少なくともインジウムを含むことを特徴とする酸化物半導体膜の処理方法。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか一において、
前記還元性を有する膜の材料は、ニッケル、アルミニウムまたはマグネシウムを含むことを特徴とする酸化物半導体膜の処理方法。
【請求項９】
酸化物半導体膜上に絶縁膜を成膜し、
前記絶縁膜上に導電膜を成膜し、
前記導電膜および前記絶縁膜を加工してゲート電極および前記ゲート電極と同様の上面形状を有するゲート絶縁膜を形成することで前記酸化物半導体膜の一部を露出し、
前記露出した酸化物半導体膜上および前記ゲート電極上に還元性を有する膜を成膜し、
前記ゲート電極をマスクとし、前記還元性を有する膜を介して前記酸化物半導体膜の一部に前記酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入し、
前記還元性を有する膜を除去した後、加熱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１０】
酸化物半導体膜上に第１の絶縁膜を成膜し、
前記第１の絶縁膜上に導電膜を成膜し、
前記導電膜および前記第１の絶縁膜を加工してゲート電極および前記ゲート電極と同様の上面形状を有するゲート絶縁膜を形成することで前記酸化物半導体膜の一部を露出し、
前記ゲート電極を覆って第２の絶縁膜を成膜し、
前記第２の絶縁膜を加工して、前記ゲート電極の側壁と接する側壁絶縁膜を形成し、
前記露出した酸化物半導体膜上、前記ゲート電極上および前記側壁絶縁膜上に還元性を有する膜を成膜し、
前記ゲート電極および前記側壁絶縁膜をマスクとし、前記還元性を有する膜を介して前記酸化物半導体膜の一部に前記酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入し、
前記還元性を有する膜を除去した後、加熱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１１】
請求項９または請求項１０において、
前記還元性を有する膜を介して前記酸化物半導体膜に前記不純物を注入する際、前記還元性を有する膜を構成する材料の一部が前記酸化物半導体膜に移動することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１２】
請求項９乃至請求項１１のいずれか一において、
前記酸化物半導体膜は、少なくともインジウムを含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１３】
請求項９乃至請求項１２のいずれか一において、
前記還元性を有する膜の材料は、ニッケル、アルミニウムまたはマグネシウムを含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１】
酸化物半導体膜上に還元性を有する膜が設けられており、
前記酸化物半導体膜の酸素の一部を前記還元性を有する膜へ移動させた後、前記還元性を有する膜を除去することを特徴とする酸化物半導体膜の処理方法。
【請求項２】
酸化物半導体膜上に還元性を有する膜が設けられており、
前記還元性を有する膜を介して前記酸化物半導体膜に不純物を注入し、
前記酸化物半導体膜の酸素の一部を前記還元性を有する膜へ移動させた後、前記還元性を有する膜を除去することを特徴とする酸化物半導体膜の処理方法。
【請求項３】
請求項２において、
前記還元性を有する膜を介して前記酸化物半導体膜に前記不純物を注入する際、前記還元性を有する膜を構成する材料の一部が前記酸化物半導体膜に移動することを特徴とする酸化物半導体膜の処理方法。
【請求項４】
酸化物半導体膜上に還元性を有する膜が設けられており、
前記酸化物半導体膜の酸素の一部を前記還元性を有する膜へ移動させ、
前記還元性を有する膜を介して前記酸化物半導体膜に不純物を注入した後、前記還元性を有する膜を除去することを特徴とする酸化物半導体膜の処理方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
加熱処理を行うことで、前記酸化物半導体膜の酸素の一部を前記還元性を有する膜へ移動させることを特徴とする酸化物半導体膜の処理方法。
【請求項６】
請求項５において、
前記加熱処理は、不活性雰囲気または減圧雰囲気で行うことを特徴とする酸化物半導体膜の処理方法。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一において、
前記酸化物半導体膜は、少なくともインジウムを含むことを特徴とする酸化物半導体膜の処理方法。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか一において、
前記還元性を有する膜の材料は、ニッケル、アルミニウムまたはマグネシウムを含むことを特徴とする酸化物半導体膜の処理方法。
【請求項９】
酸化物半導体膜上に絶縁膜を成膜し、
前記絶縁膜上に導電膜を成膜し、
前記導電膜および前記絶縁膜を加工してゲート電極および前記ゲート電極と同様の上面形状を有するゲート絶縁膜を形成することで前記酸化物半導体膜の一部を露出し、
前記露出した酸化物半導体膜上および前記ゲート電極上に還元性を有する膜を成膜し、
前記ゲート電極をマスクとし、前記還元性を有する膜を介して前記酸化物半導体膜の一部に前記酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入し、
前記還元性を有する膜を除去した後、加熱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１０】
酸化物半導体膜上に第１の絶縁膜を成膜し、
前記第１の絶縁膜上に導電膜を成膜し、
前記導電膜および前記第１の絶縁膜を加工してゲート電極および前記ゲート電極と同様の上面形状を有するゲート絶縁膜を形成することで前記酸化物半導体膜の一部を露出し、
前記ゲート電極を覆って第２の絶縁膜を成膜し、
前記第２の絶縁膜を加工して、前記ゲート電極の側壁と接する側壁絶縁膜を形成し、
前記露出した酸化物半導体膜上、前記ゲート電極上および前記側壁絶縁膜上に還元性を有する膜を成膜し、
前記ゲート電極および前記側壁絶縁膜をマスクとし、前記還元性を有する膜を介して前記酸化物半導体膜の一部に前記酸化物半導体膜を低抵抗化させる不純物を注入し、
前記還元性を有する膜を除去した後、加熱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１１】
請求項９または請求項１０において、
前記還元性を有する膜を介して前記酸化物半導体膜に前記不純物を注入する際、前記還元性を有する膜を構成する材料の一部が前記酸化物半導体膜に移動することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１２】
請求項９乃至請求項１１のいずれか一において、
前記酸化物半導体膜は、少なくともインジウムを含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１３】
請求項９乃至請求項１２のいずれか一において、
前記還元性を有する膜の材料は、ニッケル、アルミニウムまたはマグネシウムを含む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１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【公開番号】特開２０１３−４８２１７（Ｐ２０１３−４８２１７Ａ）
【公開日】平成２５年３月７日（２０１３．３．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１５９１８３（Ｐ２０１２−１５９１８３）
【出願日】平成２４年７月１８日（２０１２．７．１８）
【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３月７日（２０１３．３．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年７月１８日（２０１２．７．１８）
【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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