(57)【要約】【課題】信頼性の高い半導体装置を提供する。【解決手段】チャネルが形成される酸化物半導体層の上に、該酸化物半導体層よりも絶縁性の高い酸化物半導体材料を用いた絶縁層を形成する。絶縁性の高い酸化物半導体材料として、元素Ｍを含む化学式ＩｎＭＺｎＯｘ（Ｘ＞０）で表記される材料、または元素Ｍ１および元素Ｍ２を含む化学式ＩｎＭ１ＸＭ２（１−Ｘ）ＺｎＯ（０＜Ｘ＜１＋α、ただしαは０．３未満、かつ、（１−Ｘ）＞０）で表記される材料を適用する。元素Ｍおよび元素Ｍ２として、例えば、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｇｅ、Ｃｅ、またはＹを用いる。元素Ｍ１として、例えば、Ｇａを用いる。【選択図】図１
2020188274.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲート電極と、
前記ゲート電極上の第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層を介して前記ゲート電極上に位置し、トランジスタのチャネル形成領域を有する酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層上に接する第２の絶縁層と、
前記酸化物半導体層と電気的に接続され、前記トランジスタのソース電極又はドレイン電極としての機能を有する導電層と、
前記第２の絶縁層上の第３の絶縁層と、を有し、
前記酸化物半導体層の上面は、前記導電層と接する領域と、前記第２の絶縁層と接する領域と、前記第３の絶縁層と接する領域と、を有し、
前記第２の絶縁層の上面は、前記導電層と接する領域と、前記第３の絶縁層と接する領域と、を有し、
上面視において、前記第２の絶縁層のチャネル幅方向の両端部は、前記酸化物半導体層との重なりを有する半導体装置。
【請求項２】
ゲート電極と、
前記ゲート電極上の第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層を介して前記ゲート電極上に位置し、トランジスタのチャネル形成領域を有する酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層上に接する第２の絶縁層と、
前記酸化物半導体層と電気的に接続され、前記トランジスタのソース電極又はドレイン電極としての機能を有する導電層と、
前記第２の絶縁層上の第３の絶縁層と、を有し、
前記酸化物半導体層の上面は、前記導電層と接する領域と、前記第２の絶縁層と接する領域と、前記第３の絶縁層と接する領域と、を有し、
前記第２の絶縁層の上面は、前記導電層と接する領域と、前記第３の絶縁層と接する領域と、を有し、
上面視において、前記酸化物半導体層は、前記第２の絶縁層のチャネル幅方向の端部の一方を超えて伸長した領域と、前記第２の絶縁層のチャネル幅方向の端部の他方を超えて伸長した領域とを有する半導体装置。
【請求項３】
ゲート電極と、
前記ゲート電極上の第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層を介して前記ゲート電極上に位置し、トランジスタのチャネル形成領域を有する酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層上に接する第２の絶縁層と、
前記酸化物半導体層と電気的に接続され、前記トランジスタのソース電極又はドレイン電極としての機能を有する導電層と、
前記第２の絶縁層上の第３の絶縁層と、を有し、
前記酸化物半導体層の上面は、前記導電層と接する領域と、前記第２の絶縁層と接する領域と、前記第３の絶縁層と接する領域と、を有し、
前記第２の絶縁層の上面は、前記導電層と接する領域と、前記第３の絶縁層と接する領域と、を有し、
上面視において、前記第２の絶縁層のチャネル幅方向の両端部は、前記酸化物半導体層との重なりを有し、前記導電層のチャネル幅方向の両端部は、前記第２の絶縁層との重なりを有する半導体装置。
【請求項４】
ゲート電極と、
前記ゲート電極上の第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層を介して前記ゲート電極上に位置し、トランジスタのチャネル形成領域を有する酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層上に接する第２の絶縁層と、
前記酸化物半導体層と電気的に接続され、前記トランジスタのソース電極又はドレイン電極としての機能を有する導電層と、
前記第２の絶縁層上の第３の絶縁層と、を有し、
前記酸化物半導体層の上面は、前記導電層と接する領域と、前記第２の絶縁層と接する領域と、前記第３の絶縁層と接する領域と、を有し、
前記第２の絶縁層の上面は、前記導電層と接する領域と、前記第３の絶縁層と接する領域と、を有し、
上面視において、前記酸化物半導体層は、前記第２の絶縁層のチャネル幅方向の端部の一方を超えて伸長した領域と、前記第２の絶縁層のチャネル幅方向の端部の他方を超えて伸長した領域とを有し、
上面視において、前記第２の絶縁層は、前記導電層のチャネル幅方向の端部の一方を超えて伸長した領域と、前記導電層のチャネル幅方向の端部の他方を超えて伸長した領域と、を有する半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一において、
断面視において、前記第２の絶縁層は、テーパー形状を有する半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
半導体装置及び半導体装置の作製方法に関する。
【０００２】
なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置
全般を指し、電気光学装置、半導体回路および電子機器は全て半導体装置である。
【背景技術】
【０００３】
絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタ（薄膜トランジス
タ（ＴＦＴ）ともいう）を構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路（
ＩＣ）や画像表示装置（表示装置）のような電子デバイスに広く応用されている。トラン
ジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その
他の材料として酸化物半導体が注目されている。
【０００４】
例えば、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び亜鉛（Ｚｎ）を含むアモルファス
酸化物（ＩＧＺＯ系アモルファス酸化物）からなる半導体層を用いたトランジスタが開示
されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１８１８０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、酸化物半導体を用いたトランジスタを有する半導体装置において、高信頼性の
達成は、製品化にむけて重要事項である。
【０００７】
しかし、半導体装置は複雑な構造の複数の薄膜で構成されており、多種の材料、方法及び
工程で作製される。よって、用いられる作製工程によっては、得られる半導体装置の形状
不良や電気特性の低下が生じる恐れがある。
【０００８】
このような問題に鑑み、酸化物半導体を用いたトランジスタを有する信頼性の高い半導体
装置を提供することを課題の一とする。
【０００９】
また、信頼性の高い半導体装置を歩留まりよく作製し、生産性の良い半導体装置を提供す
ることを課題の一とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様は、チャネルが形成される酸化物半導体層の上に、ＩｎまたはＺｎの少な
くとも一方を含む酸化物絶縁材料、または、該酸化物半導体層よりも絶縁性の高い酸化物
半導体材料を用いた保護層を形成することを特徴とする半導体装置である。
【００１１】
また、ＩｎまたはＺｎの少なくとも一方を含む酸化物絶縁材料、または、該酸化物半導体
層よりも絶縁性の高い酸化物半導体材料は、チャネルが形成される酸化物半導体層の下に
形成してもよいし、該酸化物半導体層の上および下に形成してもよい。
【００１２】
本発明の一態様は、チャネルが形成される酸化物半導体層上に、Ｉｎ、元素Ｍ（元素Ｍは
、３Ａ族元素、４Ａ族元素、または４Ｂ族元素）、およびＺｎを含む酸化物材料、または
、Ｉｎ、元素Ｍ１（元素Ｍ１は、３Ｂ族元素）、元素Ｍ２（元素Ｍ２は、３Ａ族元素、４
Ａ族元素、または４Ｂ族元素）、およびＺｎを含む酸化物材料を用いた保護層を形成する
ことを特徴とする半導体装置である。
【００１３】
本発明の一態様は、ゲート電極と、ゲート絶縁層と、酸化物半導体層と、保護層と、を有
し、酸化物半導体層は、ゲート絶縁層を介してゲート電極と重畳し、保護層は、酸化物半
導体層を介してゲート絶縁層と重畳し、また、保護層は、Ｉｎ、元素Ｍ、およびＺｎを含
む酸化物材料で形成されていることを特徴とする半導体装置である。
【００１４】
Ｉｎ、元素Ｍ、およびＺｎを含む酸化物材料としては、化学式ＩｎＭＺｎＯＸ（Ｘ＞０）
で表記される材料を用いることができる。
【００１５】
元素Ｍとしては、例えば、４Ａ族元素であるチタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハ
フニウム（Ｈｆ）、４Ｂ族元素であるゲルマニウム（Ｇｅ）、３Ａ族元素であるセリウム
（Ｃｅ）、イットリウム（Ｙ）などを用いることができる。
【００１６】
また、元素Ｍの含有量は、Ｉｎの含有量の０．３倍以上１．３倍未満である。また、元素
Ｍの含有量は、Ｚｎの含有量の０．３倍以上１．３倍未満である。元素Ｍに対して相対的
にＩｎまたはＺｎの数を減らすと、絶縁性を高めることができる。
【００１７】
本発明の一態様は、ゲート電極と、ゲート絶縁層と、酸化物半導体層と、保護層と、を有
し、酸化物半導体層は、ゲート絶縁層を介してゲート電極と重畳し、保護層は、酸化物半
導体層を介してゲート絶縁層と重畳し、また、保護層は、Ｉｎ、元素Ｍ１、元素Ｍ２、お
よびＺｎを含む酸化物材料で形成されていることを特徴とする半導体装置である。
【００１８】
Ｉｎ、元素Ｍ１、元素Ｍ２、およびＺｎを含む酸化物材料としては、化学式ＩｎＭ１ＸＭ
２（１−Ｘ）ＺｎＯ（０＜Ｘ＜１＋α、ただしαは０．３未満）で表記される材料を用い
ることができる。なお、元素Ｍ２において（１−Ｘ）の値がマイナスとなることはない。
【００１９】
元素Ｍ１としては、例えば、３Ｂ族元素であるガリウム（Ｇａ）を用いることができる。
また、元素Ｍ２としては、例えば、４Ａ族元素であるチタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚ
ｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、４Ｂ族元素であるゲルマニウム（Ｇｅ）、３Ａ族元素である
セリウム（Ｃｅ）、イットリウム（Ｙ）などを用いることができる。
【００２０】
また、元素Ｍ１に対して、元素Ｍ２を１原子％以上５０原子％未満、好ましくは３原子％
以上４０原子％以下とすることで、絶縁性を高めることができる。
【発明の効果】
【００２１】
ＩｎまたはＺｎの少なくとも一方を含む酸化物絶縁材料で形成された保護層を酸化物半導
体層に接して形成することにより、保護層と酸化物半導体層の界面の状態を良好に保つこ
とができ、トランジスタの特性を良好なものとすることができる。従って、安定した電気
特性を有する信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【００２２】
酸化物半導体層の上層または下層に、酸化物半導体層よりも絶縁性の高い酸化物半導体を
形成することで、絶縁層のチャージアップによるしきい値電圧の変動を抑え、静電気など
によるトランジスタの特性劣化や破損を防ぐことができる。従って、半導体装置を歩留ま
りよく作製することができ、半導体装置の生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】半導体装置の構成を説明する図。
【図２】半導体装置の作製方法を説明する図。
【図３】半導体装置の構成を説明する図。
【図４】半導体装置の作製方法を説明する図。
【図５】半導体装置の作製方法を説明する図。
【図６】多階調マスクを説明する図。
【図７】半導体装置の構成を説明する図。
【図８】半導体装置の構成を説明する図。
【図９】半導体装置の構成を説明する図。
【図１０】半導体装置の構成を説明する図。
【図１１】半導体装置の構成を説明する図。
【図１２】半導体装置の構成と等価回路を説明する図。
【図１３】電子機器を示す図。
【図１４】電子機器を示す図と充放電制御回路のブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下では、本明細書に開示する発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
ただし、本明細書に開示する発明は以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々
に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。また、本明細書に開示する発明
は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、第１、第
２として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順又は積層順を示すものではな
い。また、本明細書において発明を特定するための事項として固有の名称を示すものでは
ない。
【００２５】
トランジスタは半導体素子の一種であり、電流や電圧の増幅や、導通または非導通を制御
するスイッチング動作などを実現することができる。本明細書におけるトランジスタは、
ＩＧＦＥＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉ
ｓｔｏｒ）や薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）
を含む。
【００２６】
また、トランジスタの「ソース」や「ドレイン」の機能は、回路動作において電流の方向
が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書においては、「ソー
ス」や「ドレイン」の用語は、入れ替えて用いることができるものとする。
【００２７】
また、本明細書等において「上」や「下」の用語は、構成要素の位置関係が「直上」また
は「直下」であることを限定するものではない。
【００２８】
（実施の形態１）
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態として、チャネルが形
成される半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタを例として、図１及び図２を用い
て説明する。図１（Ａ）は、チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を用いたトラ
ンジスタ１１０の平面構成を示す上面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）中でＡ１−Ａ
２の鎖線で示した部位の断面構成を示す断面図である。また、図１（Ｃ）は、図１（Ｂ）
における部位１９９の拡大図である。なお、図面をわかりやすくするため、図１（Ａ）で
は基板１０１、絶縁層１０２、ゲート絶縁層１０４、絶縁層１０８の記載を省略している
。
【００２９】
図１に示すトランジスタ１１０は、チャネル保護型（チャネルストップ型ともいう）と呼
ばれるボトムゲート構造のトランジスタの一つである、また、逆スタガ型と呼ばれるトラ
ンジスタの一つでもある。
【００３０】
図１において、基板１０１上に絶縁層１０２が形成され、絶縁層１０２上にゲート電極１
０３が形成されている。また、ゲート電極１０３上にゲート絶縁層１０４が形成され、ゲ
ート絶縁層１０４上に酸化物半導体層１０５が形成されている。また、酸化物半導体層１
０５上に保護層１０６が形成され、保護層１０６及び酸化物半導体層１０５の一部と接し
て、ソース電極１０７ａ及びドレイン電極１０７ｂが形成されている。さらに、保護層１
０６上に絶縁層１０８を形成してもよい。なお、保護層１０６は、後述するチャネル幅方
向において、酸化物半導体層１０５の端部を越えて伸長している。
【００３１】
酸化物半導体層１０５に用いる酸化物半導体としては、少なくともインジウム（Ｉｎ）を
含む。特にＩｎと亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。また、該酸化物を用いたトランジ
スタの電気特性のばらつきを減らすためのスタビライザーとして、それらに加えてガリウ
ム（Ｇａ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてスズ（Ｓｎ）を有する
ことが好ましい。また、スタビライザーとしてハフニウム（Ｈｆ）を有することが好まし
い。また、スタビライザーとしてアルミニウム（Ａｌ）を有することが好ましい。また、
スタビライザーとしてジルコニウム（Ｚｒ）を有することが好ましい。
【００３２】
また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム（
Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム
（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホル
ミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ル
テチウム（Ｌｕ）のいずれか一種あるいは複数種を有してもよい。
【００３３】
例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属の酸化
物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、三元系金属の
酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯとも表記する）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系
酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸
化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化
物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物
、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、
Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉ
ｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、
Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ
−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を
用いることができる。
【００３４】
なお、ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分とし
て有する酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧ
ａとＺｎ以外の金属元素が入っていてもよい。
【００３５】
また、酸化物半導体として、元素Ｑを含む化学式ＩｎＱＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表
記される材料を用いてもよい。なお、元素Ｑは、Ｚｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｍｎ及びＣｏ
から選ばれた一の金属元素または複数の金属元素を示す。また、酸化物半導体として、Ｉ
ｎ２ＳｎＯ５（ＺｎＯ）ｎ（ｎ＞０）で表記される材料を用いてもよい。
【００３６】
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚ
ｎ＝２：２：１（＝２／５：２／５：１／５）、あるいはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２
（＝１／２：１／６：１／３）の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍
の酸化物を用いることができる。あるいは、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：
１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：３（＝１／３：１／６：１／２）あるい
はＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：５（＝１／４：１／８：５／８）の原子数比のＩｎ−Ｓｎ
−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。
【００３７】
しかし、インジウムを含む酸化物半導体は、これらに限られず、必要とする半導体特性（
移動度、しきい値、ばらつき等）に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要
とする半導体特性を得るために、キャリア濃度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素
の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。
【００３８】
例えば、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物では比較的容易に高い移動度が得られる。しかしなが
ら、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物でも、バルク内欠陥密度を低くすることにより移動度を上
げることができる。
【００３９】
なお、例えば、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝ａ：ｂ：ｃ（ａ＋ｂ＋
ｃ＝１）である酸化物の組成が、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝Ａ：Ｂ：Ｃ（Ａ＋Ｂ＋Ｃ
＝１）の酸化物の組成の近傍であるとは、ａ、ｂ、ｃが、（ａ−Ａ）２＋（ｂ−Ｂ）２＋
（ｃ−Ｃ）２≦ｒ２を満たすことをいう。ｒとしては、例えば、０．０５とすればよい。
他の酸化物でも同様である。
【００４０】
酸化物半導体層１０５に用いる酸化物半導体は、単結晶、多結晶（ポリクリスタルともい
う。）または非晶質などの状態をとる。
【００４１】
好ましくは、酸化物半導体層１０５に用いる酸化物半導体は、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘ
ｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔ
ｏｒ）とする。
【００４２】
ＣＡＡＣ−ＯＳは、完全な単結晶ではなく、完全な非晶質でもない。ＣＡＡＣ−ＯＳは、
非晶質相に結晶部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体膜である。なお、当該結
晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。また、透過
型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃ
ｏｐｅ）による観察像では、ＣＡＡＣ−ＯＳ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は、粒界に起因する電子移動度の低下
が抑制される。
【００４３】
ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれる結晶部は、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面または表面に垂直
な方向に揃い、かつａｂ面に垂直な方向から見て三角形状または六角形状の原子配列を有
し、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。
【００４４】
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ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。
【００４５】
ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれる結晶部のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面または表面に垂直
な方向に揃うため、ＣＡＡＣ−ＯＳ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が形成されたときの被形成面または表面に垂直な方向となる。結晶部は、成膜する
ことにより、または成膜後に加熱処理などの結晶化処理を行うことにより形成される。
【００４６】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面は非晶質であることが好ましい。ＣＡＡＣ−ＯＳの被形
成面が結晶質であると、結晶性が乱れやすくＣＡＡＣ−ＯＳが形成されにくい。本実施の
形態に示すトランジスタ１１０は、ゲート絶縁層１０４上に酸化物半導体層１０５を形成
する。よって、酸化物半導体層１０５にＣＡＡＣ−ＯＳを用いる場合、ゲート絶縁層１０
４は非晶質であることが好ましい。
【００４７】
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面がＣＡＡＣ−ＯＳと同様の結晶質を有する場合はこの限
りではない。ＣＡＡＣ−ＯＳと同様の結晶質を有する表面上に酸化物半導体層を形成する
と、該化物半導体層はＣＡＡＣ−ＯＳになりやすい。
【００４８】
ＣＡＡＣ−ＯＳを用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が
小さい。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。
【００４９】
なお、酸化物半導体膜を構成する酸素の一部は窒素で置換されてもよい。
【００５０】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳのように結晶部を有する酸化物半導体では、よりバルク内欠陥を低
減することができ、表面の平坦性を高めればアモルファス状態の酸化物半導体以上の移動
度を得ることができる。表面の平坦性を高めるためには、平坦な表面上に酸化物半導体を
形成することが好ましく、具体的には、平均面粗さ（Ｒａ）が１ｎｍ以下、好ましくは０
．３ｎｍ以下、より好ましくは０．１ｎｍ以下の表面上に形成するとよい。Ｒａは原子間
力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）にて評価可能で
ある。
【００５１】
ただし、本実施の形態で説明するトランジスタ１１０は、ボトムゲート型であるため、酸
化物半導体膜の下方には、ゲート電極１０３とゲート絶縁層１０４が存在している。従っ
て、上記平坦な表面を得るために基板上にゲート電極１０３及びゲート絶縁層１０４を形
成した後、少なくともゲート電極１０３と重畳するゲート絶縁層１０４の表面に対してＣ
ＭＰ処理などの平坦化処理を行ってもよい。
【００５２】
酸化物半導体層１０５の膜厚は、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下（好ましくは５ｎｍ以上１０ｎ
ｍ以下）とし、スパッタリング法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａ
ｘｙ）法、ＣＶＤ法、パルスレーザ堆積法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐ
ｏｓｉｔｉｏｎ）法等を適宜用いることができる。また、酸化物半導体層１０５は、スパ
ッタリングターゲット表面に対し、概略垂直に複数の基板表面がセットされた状態で成膜
を行うスパッタ装置を用いて成膜してもよい。
【００５３】
保護層１０６は、ゲート電極１０３及び酸化物半導体層１０５と重畳する位置に形成され
、チャネル保護層として機能する。トランジスタ１１０のチャネル領域は、酸化物半導体
層１０５中の、ゲート電極１０３と保護層１０６が重畳する位置に形成される。このため
、トランジスタ１１０のチャネル長Ｌは、キャリアが流れる方向と平行な方向の、保護層
１０６の長さで定義される。また、トランジスタ１１０のチャネル幅Ｗは、キャリアが流
れる方向と直交する方向の、酸化物半導体層１０５と保護層１０６とソース電極１０７ａ
が接する部位の長さと、酸化物半導体層１０５と保護層１０６とドレイン電極１０７ｂが
接する部位の長さのうち、短い方の長さ、もしくは、両長さの平均値で定義される。
【００５４】
チャネル領域中の凹凸を軽減するため、少なくともチャネル長方向の断面構成において、
ゲート電極１０３の端部が保護層１０６の端部より外側に位置するように構成することが
好ましい。
【００５５】
保護層１０６の断面形状、具体的には端部の断面形状（テーパー角や膜厚など）を工夫す
ることにより、ソース電極１０７ａ又はドレイン電極１０７ｂと重畳する保護層１０６の
端部近傍に生じる恐れのある電界集中を緩和し、トランジスタ１１０の電気特性の劣化を
抑えることができる。
【００５６】
具体的には、保護層１０６の断面形状が台形または三角形状となるように、保護層１０６
の端部をテーパー形状とする。ここで、保護層１０６端部のテーパー角θを、６０°以下
、好ましくは４５°以下、さらに好ましくは３０°以下とする。このような角度範囲とす
ることで、高いゲート電圧がゲート電極１０３に印加される場合、ソース電極１０７ａ又
はドレイン電極１０７ｂの端部近傍に生じる恐れのある電界集中を緩和することができる
。なお、テーパー角θとは、テーパー形状を有する層を、その断面（基板の表面と直交す
る面）に垂直な方向から観察した際に、当該層の側面と底面がなす傾斜角を示す（図１（
Ｃ）参照）。また、テーパー角が９０°未満である場合を順テーパーといい、テーパー角
が９０°以上である場合を逆テーパーという。各層の端部を順テーパー形状とすることで
、その上に形成する層が途切れてしまう現象（段切れ）を防ぎ、被覆性を向上させること
ができる。
【００５７】
また、保護層１０６の膜厚は、０．３μｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上０．１μｍ以下と
する。このような膜厚範囲とすることで、電界強度のピークを小さくできる、或いは電界
集中が分散されて電界の集中する箇所が複数となり、結果的にソース電極１０７ａ又はド
レイン電極１０７ｂの端部近傍に生じる恐れのある電界集中を緩和することができる。
【００５８】
続いて、トランジスタ１１０の作製方法の一例を、図２を用いて説明する。
【００５９】
まず、基板１０１上に絶縁層１０２を形成する。基板１０１に使用することができる基板
に大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有しているこ
とが必要となる。例えば、ガラス基板、セラミック基板、シリコンや炭化シリコンなどの
単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、
ＳＯＩ基板の他、本作製工程の処理温度に耐えうる程度の耐熱性を有するプラスチック基
板等を用いることができる。また、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基
板１０１として用いてもよい。
【００６０】
ガラス基板としては、例えば、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス若
しくはアルミノケイ酸ガラス等の無アルカリガラス基板を用いるとよい。他に、石英基板
、サファイア基板などを用いることができる。また、基板１０１として、可撓性基板（フ
レキシブル基板）を用いてもよい。可撓性基板を用いる場合、可撓性基板上に、トランジ
スタ１１０を直接作製してもよいし、他の作製基板上にトランジスタ１１０を作製し、そ
の後可撓性基板に剥離、転置してもよい。なお、作製基板から可撓性基板に剥離、転置す
るために、作製基板とトランジスタとの間に、剥離層を設けるとよい。本実施の形態では
、基板１０１として、アルミノホウケイ酸ガラスを用いる。
【００６１】
絶縁層１０２は下地層として機能し、基板１０１からの不純物元素の拡散を防止または低
減することができる。絶縁層１０２は、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化酸化
アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化シリコン、酸化シリコン、窒化酸化シリコン
または酸化窒化シリコンから選ばれた材料を、単層でまたは積層して形成する。なお、本
明細書中において、窒化酸化とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いもの
であって、酸化窒化とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものを示す。
なお、各元素の含有量は、例えば、ラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏ
ｒｄ  Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）等を用いて測定する
ことができる。絶縁層１０２は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、塗布法、印刷法等を用い
て形成することができる。
【００６２】
また、下地層に、塩素、フッ素などのハロゲン元素を含ませることで、基板１０１からの
不純物元素の拡散を防止または低減する機能をさらに高めることができる。下地層に含ま
せるハロゲン元素の濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉ
ｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を用いた分析により得られる濃度ピークに
おいて、１×１０１５／ｃｍ３以上１×１０２０／ｃｍ３以下とすればよい。
【００６３】
本実施の形態では、基板１０１上に絶縁層１０２としてプラズマＣＶＤ法を用いて膜厚２
００ｎｍの酸化窒化シリコンを形成する。また、絶縁層１０２形成時の温度は、基板１０
１が耐えうる温度以下で、より高いほうが好ましい。例えば、基板１０１を３５０℃以上
４５０℃以下の温度に加熱しながら絶縁層１０２を形成する。なお、絶縁層１０２形成時
の温度は一定であることが好ましい。例えば、絶縁層１０２の形成を、基板を３５０℃に
加熱して行う。
【００６４】
また、絶縁層１０２の形成後、減圧下、窒素雰囲気下、希ガス雰囲気下、または超乾燥エ
ア窒素雰囲気下において、加熱処理を行ってもよい。加熱処理により絶縁層１０２に含ま
れる水素、水分、水素化物、または水酸化物などの濃度を低減することができる。加熱処
理温度は、基板１０１が耐えうる温度以下で、より高い温度で行うことが好ましい。具体
的には、絶縁層１０２の成膜温度以上、基板１０１の歪点以下で行うことが好ましい。
【００６５】
なお、絶縁層１０２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、更に好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることが望ましい。
【００６６】
また、絶縁層１０２の形成後、絶縁層１０２に酸素（少なくとも、酸素ラジカル、酸素原
子、酸素イオン、のいずれかを含む）を導入して絶縁層１０２を酸素過剰な状態としても
よい。酸素の導入は、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン
インプランテーション法、酸素雰囲気下で行うプラズマ処理などを用いることができる。
【００６７】
また、酸素の導入により、絶縁層１０２を構成する元素と水素の間の結合、或いは該元素
と水酸基の間の結合を切断するとともに、これらの水素または水酸基が酸素と反応するこ
とで水を生成するため、酸素の導入後に加熱処理を行うと、不純物である水素または水酸
基が、水として脱離しやすくなる。このため、絶縁層１０２へ酸素を導入した後に加熱処
理を行ってもよい。その後、さらに絶縁層１０２に酸素を導入し、絶縁層１０２を酸素過
剰な状態としてもよい。
【００６８】
次に、スパッタリング法、真空蒸着法、またはメッキ法を用いて後にゲート電極１０３と
なる導電層を形成する。ゲート電極１０３となる導電層は、アルミニウム（Ａｌ）、クロ
ム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タ
ングステン（Ｗ）、ネオジム（Ｎｄ）、スカンジウム（Ｓｃ）から選ばれた金属元素、上
述した金属元素を成分とする合金、上述した金属元素を組み合わせた合金、上述した金属
元素の窒化物などを用いて形成することができる。また、マンガン（Ｍｎ）、マグネシウ
ム（Ｍｇ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ベリリウム（Ｂｅ）のいずれか一または複数から選
択された金属元素を含む材料用いてもよい。また、リン等の不純物元素を含有させた多結
晶シリコンに代表される半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
【００６９】
また、ゲート電極１０３となる導電層は、単層構造でも、二層以上の積層構造としてもよ
い。例えば、シリコンを含むアルミニウムを用いた単層構造、アルミニウム上にチタンを
積層する二層構造、窒化チタン上にチタンを積層する二層構造、窒化チタン上にタングス
テンを積層する二層構造、窒化タンタル上にタングステンを積層する二層構造、Ｃｕ−Ｍ
ｇ−Ａｌ合金上にＣｕを積層する二層構造、窒化チタン上に銅を積層し、さらにその上に
タングステンを形成する三層構造などがある。
【００７０】
また、ゲート電極１０３となる導電層は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含む
インジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むイ
ンジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケ
イ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有する導電性材料を適用することもで
きる。また、上記透光性を有する導電性材料と、上記金属元素を含む材料の積層構造とす
ることもできる。
【００７１】
また、ゲート電極１０３となる導電層として、窒素を含む金属酸化物、具体的には、窒素
を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物や、窒素を含むＩｎ−Ｓｎ系酸化物や、窒素を含むＩｎ
−Ｇａ系酸化物や、窒素を含むＩｎ−Ｚｎ系酸化物や、窒素を含むＳｎ系酸化物や、窒素
を含むＩｎ系酸化物や、金属窒化膜（ＩｎＮ、ＳｎＮなど）を用いることができる。
【００７２】
これらの材料は５ｅＶ（電子ボルト）以上の仕事関数を有し、ゲート電極として用いた場
合、トランジスタの電気特性のしきい値電圧をプラスにすることができ、所謂ノーマリー
オフのｎ型トランジスタを実現できる。
【００７３】
本実施の形態では、ゲート電極１０３となる導電層として、スパッタリング法により厚さ
１００ｎｍのタングステンを形成する。
【００７４】
次に、ゲート電極１０３となる導電層の一部を選択的にエッチングして、ゲート電極１０
３（これと同じ層で形成される配線を含む）を形成する（図２（Ａ）参照）。導電層の一
部を選択的にエッチングする場合は、導電層上にレジストマスクを形成し、ドライエッチ
ング法またはウェットエッチング法により、導電層の不要部分を除去すればよい。また、
導電層のエッチングを、ドライエッチング法とウェットエッチング法の両方を組み合わせ
て行ってもよい。導電層上に形成するレジストマスクはフォトリソグラフィ法、印刷法、
インクジェット法等を適宜用いることができる。レジストマスクをインクジェット法で形
成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
【００７５】
導電層のエッチングをドライエッチング法で行う場合は、エッチングガスとしてハロゲン
元素を含むガスを用いることができる。ハロゲン元素を含むガスの一例としては、塩素（
Ｃｌ２）、三塩化硼素（ＢＣｌ３）、四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）もしくは四塩化炭素（Ｃ
Ｃｌ４）などを代表とする塩素系ガス、四フッ化炭素（ＣＦ４）、六フッ化硫黄（ＳＦ６
）、三フッ化窒素（ＮＦ３）もしくはトリフルオロメタン（ＣＨＦ３）などを代表とする
フッ素系ガス、臭化水素（ＨＢｒ）または酸素を適宜用いることができる。また用いるエ
ッチング用ガスに不活性気体を添加してもよい。また、ドライエッチング法としては、平
行平板型ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）法や、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕ
ｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ：誘導結合型プラズマ）エッチング法を
用いることができる。所望の加工形状にエッチングできるように、エッチング条件（コイ
ル型の電極に印加される電力量、基板側の電極に印加される電力量、基板側の電極温度等
）を適宜調節する。
【００７６】
なお、フォトリソグラフィ法を用いて導電層や絶縁層上に任意形状のレジストマスクを形
成する工程をフォトリソグラフィ工程と言うが、一般にレジストマスク形成後には、エッ
チング工程とレジストマスクの剥離工程が行われることが多い。このため、特段の説明が
無い限り、本明細書で言うフォトリソグラフィ工程には、レジストマスクの形成工程と、
導電層または絶縁層のエッチング工程と、レジストマスクの剥離工程が含まれているもの
とする。
【００７７】
次いで、ゲート電極１０３上にゲート絶縁層１０４を形成する。
【００７８】
なお、ゲート絶縁層１０４の被覆性を向上させるために、ゲート電極１０３表面に平坦化
処理を行ってもよい。特にゲート絶縁層１０４として膜厚の薄い絶縁層を用いる場合、ゲ
ート電極１０３表面の平坦性が良好であることが好ましい。
【００７９】
ゲート絶縁層１０４は、スパッタリング法、ＭＢＥ法、ＣＶＤ法、パルスレーザ堆積法、
ＡＬＤ法等を適宜用いて形成することができる。また、μ波（例えば周波数２．４５ＧＨ
ｚ）を用いた高密度プラズマＣＶＤ法などを適用することができる。また、ゲート絶縁層
１０４は、スパッタリングターゲット表面に対し、概略垂直に複数の基板表面がセットさ
れた状態で成膜を行うスパッタ装置を用いて成膜してもよい。
【００８０】
ゲート絶縁層１０４の材料としては、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化酸化ア
ルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、窒化シリコン、酸化シリコン、窒化
酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンから選ばれた材料を、単層でまたは積層して形成す
ることができる。
【００８１】
また、酸化物半導体層１０５のチャネルが形成される領域とゲート電極１０３間で形成さ
れる容量値は大きいほうが好ましいが、容量値を増やすためにゲート絶縁層１０４を薄く
すると、ゲート電極１０３と酸化物半導体層１０５間に生じる漏れ電流（リーク電流）が
増加しやすくなる。
【００８２】
ゲート絶縁層１０４として、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙ）、窒素が添加され
たハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙＮｚ）、窒素が添加されたハフニウムアルミネ
ート（ＨｆＡｌｘＯｙＮｚ）、酸化ハフニウム、酸化イットリウムなどのｈｉｇｈ−ｋ材
料を用いることで、ゲート絶縁層１０４を厚くしても、ゲート電極１０３と酸化物半導体
層１０５間の容量値を十分確保することが可能となる。
【００８３】
例えば、ゲート絶縁層１０４に酸化シリコンを用いた場合と同等の容量値を、ゲート絶縁
層１０４を厚くしても実現できるため、ゲート電極１０３と酸化物半導体層１０５間に生
じる漏れ電流（リーク電流）を低減できる。また、ゲート電極１０３と同じ層を用いて形
成された配線と、該配線と重畳する他の配線との間に生じる漏れ電流（リーク電流）を低
減できる。なお、ｈｉｇｈ−ｋ材料と、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン
、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、及び酸化ガリウムのい
ずれか一以上との積層構造としてもよい。ゲート絶縁層１０４の厚さは、１０ｎｍ以上３
００ｎｍ以下、より好ましくは５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とするとよい。例えば、ゲー
ト絶縁層１０４を、厚さ１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の窒化シリコンと、厚さ１００ｎｍ以
上３００ｎｍ以下の酸化窒化シリコンの積層構造としてもよい。
【００８４】
また、ゲート絶縁層１０４形成時の温度は、基板１０１及びゲート電極１０３が耐えうる
温度以下で、より高いほうが好ましい。例えば、ゲート絶縁層１０４として基板１０１を
３５０℃以上４５０℃以下に加熱しながら、高密度プラズマＣＶＤ法により厚さ２００ｎ
ｍの酸化窒化シリコンを形成する。なお、ゲート絶縁層１０４形成時の温度は一定である
ことが好ましい。例えば、ゲート絶縁層１０４の形成を、基板を３５０℃に加熱して行う
。
【００８５】
また、ゲート絶縁層１０４の形成後、減圧下、窒素雰囲気下、希ガス雰囲気下、または超
乾燥エア窒素雰囲気下において、加熱処理を行ってもよい。加熱処理によりゲート絶縁層
１０４に含まれる水素、水分、水素化物、または水酸化物などの濃度を低減することがで
きる。加熱処理温度は、基板１０１が耐えうる温度以下で、より高い温度で行うことが好
ましい。具体的には、ゲート絶縁層１０４の成膜温度以上、基板１０１の歪点以下で行う
ことが好ましい。
【００８６】
なお、ゲート絶縁層１０４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、更に好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることが望ましい
。
【００８７】
また、ゲート絶縁層１０４は、酸化物半導体層１０５と接する部分において酸素を含むこ
とが好ましい。特に、ゲート絶縁層１０４は、層中（バルク中）に少なくとも化学量論比
を超える量の酸素が存在することが好ましく、例えば、ゲート絶縁層１０４として、酸化
シリコンを用いる場合には、ＳｉＯ２＋α（ただし、α＞０）とする。
【００８８】
また、ゲート絶縁層１０４の形成後、ゲート絶縁層１０４に酸素（少なくとも、酸素ラジ
カル、酸素原子、酸素イオン、のいずれかを含む）を導入してゲート絶縁層１０４を酸素
過剰な状態としてもよい。酸素の導入は、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマ
イマージョンイオンインプランテーション法、酸素雰囲気下で行うプラズマ処理などを用
いることができる。
【００８９】
また、酸素の導入により、ゲート絶縁層１０４を構成する元素と水素の間の結合、或いは
該元素と水酸基の間の結合を切断するとともに、これらの水素または水酸基が酸素と反応
することで水を生成するため、酸素の導入後に加熱処理を行うと、不純物である水素また
は水酸基が、水として脱離しやすくなる。このため、ゲート絶縁層１０４へ酸素を導入し
た後に加熱処理を行ってもよい。その後、さらにゲート絶縁層１０４に酸素を導入し、ゲ
ート絶縁層１０４を酸素過剰な状態としてもよい。
【００９０】
酸素の供給源となる酸素を多く（過剰に）含むゲート絶縁層１０４を酸化物半導体層１０
５と接して設けることによって、該ゲート絶縁層１０４から酸化物半導体層１０５へ酸素
を供給することができる。酸化物半導体層１０５及びゲート絶縁層１０４を少なくとも一
部が接した状態で加熱処理を行うことによって酸化物半導体層１０５への酸素の供給を行
ってもよい。
【００９１】
酸化物半導体層１０５へ酸素を供給することにより、酸化物半導体層１０５中の酸素欠損
を補填することができる。さらに、ゲート絶縁層１０４は、作製するトランジスタのサイ
ズやゲート絶縁層１０４の段差被覆性を考慮して形成することが好ましい。
【００９２】
次に、ゲート絶縁層１０４上に、後に酸化物半導体層１０５となる酸化物半導体層をスパ
ッタリング法により形成する。
【００９３】
また、酸化物半導体層の形成に先立ち、ゲート絶縁層１０４の酸化物半導体層１０５が接
して形成される領域に、平坦化処理を行ってもよい。平坦化処理としては、特に限定され
ないが、研磨処理（例えば、化学的機械研磨法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａ
ｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ））、ドライエッチング処理、プラズマ処理を用いるこ
とができる。
【００９４】
プラズマ処理としては、例えば、アルゴンガスを導入してプラズマを発生させる逆スパッ
タリングを行うことができる。逆スパッタリングとは、アルゴン雰囲気下で基板側にＲＦ
電源を用いて電圧を印加して基板近傍にプラズマを形成して表面を改質する方法である。
なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウム、酸素などを用いてもよい。逆スパッタリ
ングを行うと、ゲート絶縁層１０４の表面に付着している粉状物質（パーティクル、ごみ
ともいう）を除去することができる。
【００９５】
また、平坦化処理としての、研磨処理、ドライエッチング処理、プラズマ処理は複数回行
ってもよく、それらを組み合わせて行ってもよい。また、組み合わせて行う場合、工程順
も特に限定されず、ゲート絶縁層１０４表面の凹凸状態に合わせて適宜設定すればよい。
【００９６】
なお、酸化物半導体層を形成するためのスパッタガスは、希ガス（代表的にはアルゴン）
雰囲気、酸素雰囲気、希ガス及び酸素の混合ガスを適宜用いる。また、スパッタガスには
、水素、水、水酸基または水素化物などの不純物が除去された高純度ガスを用いることが
好ましい。
【００９７】
なお、後に酸化物半導体層１０５となる酸化物半導体層は、成膜時に酸素が多く含まれる
ような条件（例えば、酸素１００％の雰囲気下でスパッタリング法により成膜を行うなど
）で成膜して、酸素を多く含む（好ましくは酸化物半導体が結晶状態における化学量論的
組成に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている）膜とすることが好ましい。
【００９８】
酸化物半導体をスパッタリング法で作製するためのターゲットは、例えば、Ｉｎ、Ｇａ、
及びＺｎを含む金属酸化物を、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１［ｍｏｌ数
比］の組成で有するターゲットを用いることができる。また、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：
ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ数比］の組成を有するターゲット、またはＩｎ２Ｏ３：Ｇａ
２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：４［ｍｏｌ数比］の組成を有するターゲット、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇ
ａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝２：１：８［ｍｏｌ数比］の組成を有するターゲットを用いることも
できる。
【００９９】
また、金属酸化物ターゲットの相対密度は９０％以上１００％以下、好ましくは９５％以
上９９．９％以下である。相対密度の高い金属酸化物ターゲットを用いることにより、成
膜した酸化物半導体を緻密な膜とすることができる。
【０１００】
酸化物半導体の成膜は、減圧状態に保持された成膜室内に基板を保持し、基板温度を１０
０℃以上６００℃以下好ましくは３００℃以上５００℃以下として行う。
【０１０１】
基板を加熱しながら成膜することにより、成膜した酸化物半導体に含まれる水素、水分、
水素化物、または水酸化物などの不純物濃度を低減することができる。また、スパッタリ
ングによる損傷が軽減される。そして、成膜室内の残留水分を除去しつつ水素及び水分が
除去されたスパッタガスを導入し、上記ターゲットを用いて酸化物半導体を形成する。
【０１０２】
また、酸化物半導体中のＮａやＬｉなどのアルカリ金属の濃度は、１×１０１８ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とするとよい。
【０１０３】
成膜条件の一例としては、基板とターゲットの間との距離を１００ｍｍ、圧力０．６Ｐａ
、直流（ＤＣ）電源電力０．５ｋＷ、酸素（酸素流量比率１００％）雰囲気下の条件が適
用される。なお、パルス直流電源を用いると、成膜時に発生する粉状物質（パーティクル
、ごみともいう）が軽減でき、膜厚分布も均一となるために好ましい。
【０１０４】
なお、上記スパッタリング装置を用いても、酸化物半導体は少なからず窒素を含んで形成
される場合がある。例えば、ＳＩＭＳで測定される酸化物半導体中の窒素濃度が、５×１
０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満で含まれる場合がある。
【０１０５】
ここで、酸化物半導体を形成するスパッタリング装置について、以下に詳細を説明する。
【０１０６】
酸化物半導体を形成する処理室は、リークレートを１×１０−１０Ｐａ・ｍ３／秒以下と
することが好ましく、それによりスパッタリング法により成膜する際、膜中への不純物の
混入を低減することができる。
【０１０７】
リークレートを低くするには、外部リークのみならず内部リークを低減する必要がある。
外部リークとは、微小な穴やシール不良などによって真空系の外から気体が流入すること
である。内部リークとは、真空系内のバルブなどの仕切りからの漏れや内部の部材からの
放出ガスに起因する。リークレートを１×１０−１０Ｐａ・ｍ３／秒以下とするためには
、外部リーク及び内部リークの両面から対策をとる必要がある。
【０１０８】
外部リークを減らすには、成膜室の開閉部分はメタルガスケットでシールするとよい。メ
タルガスケットは、フッ化鉄、酸化アルミニウム、または酸化クロムによって被覆された
金属材料を用いると好ましい。メタルガスケットはＯリングと比べ密着性が高く、外部リ
ークを低減できる。また、フッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどの不動態によっ
て被覆された金属材料を用いることで、メタルガスケットから生じる水素を含む放出ガス
が抑制され、内部リークも低減することができる。
【０１０９】
処理室の内壁を構成する部材として、水素を含む放出ガスの少ないアルミニウム、クロム
、チタン、ジルコニウム、ニッケルまたはバナジウムを用いる。また、前述の材料を鉄、
クロム及びニッケルなどを含む合金材料に被覆して用いてもよい。鉄、クロム及びニッケ
ルなどを含む合金材料は、剛性があり、熱に強く、また加工に適している。ここで、表面
積を小さくするために部材の表面凹凸を研磨などによって低減しておくと、放出ガスを低
減できる。あるいは、前述の成膜装置の部材をフッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロム
などの不動態で被覆してもよい。
【０１１０】
さらに、スパッタガスを処理室に導入する直前に、スパッタガスの精製機を設けることが
好ましい。このとき、精製機から成膜室までの配管の長さを５ｍ以下、好ましくは１ｍ以
下とする。配管の長さを５ｍ以下または１ｍ以下とすることで、配管からの放出ガスの影
響を長さに応じて低減できる。
【０１１１】
処理室の排気は、ドライポンプなどの粗引きポンプと、スパッタイオンポンプ、ターボ分
子ポンプ及びクライオポンプなどの高真空ポンプとを適宜組み合わせて行うとよい。また
、成膜室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプ、例えば、クライオポン
プ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。ターボ分子
ポンプは大きいサイズの分子の排気が優れる一方、水素や水の排気能力が低い。さらに、
水の排気能力の高いクライオポンプまたは水素の排気能力の高いスパッタイオンポンプを
組み合わせることが有効となる。また、ターボ分子ポンプにコールドトラップを加えたも
のであってもよい。クライオポンプ等の吸着型の真空ポンプを用いて排気した成膜室は、
例えば、水素原子、水（Ｈ２Ｏ）など水素原子を含む化合物（より好ましくは炭素原子を
含む化合物も）等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物半導体に含まれる不純
物の濃度を低減できる。
【０１１２】
処理室の内側に存在する吸着物は、内壁に吸着しているために成膜室の圧力に影響しない
が、成膜室を排気した際のガス放出の原因となる。そのため、リークレートと排気速度に
相関はないが、排気能力の高いポンプを用いて、成膜室に存在する吸着物をできる限り脱
離し、予め排気しておくことが重要である。なお、吸着物の脱離を促すために、成膜室を
ベーキングしてもよい。ベーキングすることで吸着物の脱離速度を１０倍程度大きくする
ことができる。ベーキングは１００℃以上４５０℃以下で行えばよい。このとき、不活性
ガスを添加しながら吸着物の除去を行うと、排気するだけでは脱離しにくい水などの脱離
速度をさらに大きくすることができる。
【０１１３】
スパッタリング法において、プラズマを発生させるための電源装置は、ＲＦ電源装置、Ａ
Ｃ電源装置、ＤＣ電源装置等を適宜用いることができる。なお、パルスＤＣ電源を用いる
と、成膜時に発生する粉状物質（パーティクル、ごみともいう）が軽減でき、膜厚分布も
均一となるために好ましい。
【０１１４】
本実施の形態では、後に酸化物半導体層１０５となる酸化物半導体層として、ＡＣ電源装
置を有するスパッタリング装置を用いたスパッタリング法により、膜厚３５ｎｍのＩｎ−
Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯ）を形成する。また、ターゲットとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚ
ｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）の原子比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物ター
ゲットを用いる。なお、成膜条件は、酸素及びアルゴン雰囲気下（酸素流量比率５０％）
、圧力０．６Ｐａ、電源電力５ｋＷ、基板温度１７０℃とする。この成膜条件での成膜速
度は、１６ｎｍ／ｍｉｎである。
【０１１５】
また、酸化物半導体層中のナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、カリウム（Ｋ）など
のアルカリ金属の濃度は、Ｎａは５×１０１６ｃｍ−３以下、好ましくは１×１０１６ｃ
ｍ−３以下、さらに好ましくは１×１０１５ｃｍ−３以下、Ｌｉは５×１０１５ｃｍ−３
以下、好ましくは１×１０１５ｃｍ−３以下、Ｋは５×１０１５ｃｍ−３以下、好ましく
は１×１０１５ｃｍ−３以下とすることが好ましい。
【０１１６】
酸化物半導体は不純物に対して鈍感であり、酸化物半導体中にはかなりの金属不純物が含
まれていても問題がなく、ナトリウムのようなアルカリ金属が多量に含まれる廉価なソー
ダ石灰ガラスも使えると指摘されている（神谷、野村、細野、「アモルファス酸化物半導
体の物性とデバイス開発の現状」、固体物理、２００９年９月号、Ｖｏｌ．４４、ｐ．６
２１−６３３）しかし、このような指摘は適切でない。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Ｎａは、酸化物半
導体層に接する絶縁層が酸化物である場合、当該絶縁層中に拡散してＮａ＋となる。また
、Ｎａは、酸化物半導体層内において、酸化物半導体を構成する金属と酸素の結合を分断
する、或いは、その結合中に割り込む。その結果、例えば、閾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、移動度の低下等の、トランジスタの特性の劣化が起
こり、加えて、特性のばらつきも生じる。この不純物によりもたらされるトランジスタの
特性の劣化と、特性のばらつきは、酸化物半導体層中の水素の濃度が十分に低い場合にお
いて顕著に現れる。したがって、酸化物半導体中の水素の濃度が５×１０１９ｃｍ−３以
下、特に５×１０１８ｃｍ−３以下である場合には、酸化物半導体中のアルカリ金属の濃
度を上記の値にすることが強く求められる。
【０１１７】
また、酸化物半導体層１０５となる酸化物半導体層形成前に、減圧下、窒素雰囲気下、希
ガス雰囲気下、または超乾燥エア窒素雰囲気下において、加熱処理を行ってもよい。例え
ば、窒素雰囲気下で３５０℃以上４５０℃以下の温度で加熱処理を行ってもよい。例えば
、３５０℃で、１時間の加熱処理を行う。該加熱処理により、ゲート絶縁層１０４表面に
付着した水素、水分、ハイドロカーボンなどの不純物を軽減することができる。なお、該
加熱処理後に基板１０１を大気に曝すことなく、連続して酸化物半導体層を形成すること
が好ましい。
【０１１８】
また、ゲート絶縁層１０４の形成から酸化物半導体層の形成までの工程は、途中で大気に
曝すことなく連続して行うことが好ましい。ゲート絶縁層１０４と酸化物半導体層を途中
で大気に曝すことなく連続して形成すると、ゲート絶縁層１０４表面に水素、水分、ハイ
ドロカーボンなどの不純物が吸着することを防ぐことができる。すなわち、ゲート絶縁層
１０４と酸化物半導体層の界面を清浄な状態とすることができるため、半導体装置の信頼
性を向上することが可能となる。
【０１１９】
次に、フォトリソグラフィ工程を用いて、酸化物半導体層を島状の酸化物半導体層１０５
に加工する（図２（Ｂ）参照）。また、酸化物半導体層１０５を形成するためのレジスト
マスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成
するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
【０１２０】
なお、酸化物半導体層のエッチングは、ドライエッチング法でもウェットエッチング法で
もよく、両方を用いてもよい。ウェットエッチング法により、酸化物半導体層のエッチン
グを行う場合は、エッチング液として、燐酸と酢酸と硝酸を混ぜた溶液や、シュウ酸を含
む溶液などを用いることができる。また、ＩＴＯ−０７Ｎ（関東化学社製）を用いてもよ
い。また、ドライエッチング法で酸化物半導体層のエッチングを行う場合は、例えば、反
応性イオンエッチング法（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ法）や、ＥＣＲ（
Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）またはＩＣＰ（Ｉｎｄｕ
ｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）などの高密度プラズマ源を用いたドラ
イエッチング法を用いることができる。また、広い面積に渡って一様な放電が得られやす
いドライエッチング法として、ＥＣＣＰ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ
Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）モードを用いたドライエッチング法がある。このドラ
イエッチング法であれば、例えば基板として、第１０世代の３ｍを超えるサイズの基板を
用いる場合にも対応することができる。
【０１２１】
また、酸化物半導体層１０５に、過剰な水素（水や水酸基を含む）を除去（脱水化または
脱水素化）するための加熱処理を行ってもよい。加熱処理の温度は、３００℃以上７００
℃以下、または基板の歪点未満とする。加熱処理は減圧下又は窒素雰囲気下、希ガス雰囲
気下などで行うことができる。
【０１２２】
本実施の形態では、加熱処理装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半導体層１
０５に対して窒素雰囲気下において３５０℃以上４５０℃以下の温度で１時間の加熱処理
を行い、さらに窒素及び酸素雰囲気下において３５０℃以上４５０℃以下の温度で１時間
の加熱処理を行う。例えば、３５０℃で、１時間の加熱処理を行う。
【０１２３】
なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱
輻射によって、被処理物を加熱する装置を用いてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ  Ｒ
ａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ  Ｒａｐｉｄ  Ｔ
ｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅ
ａｌ）装置を用いることができる。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドラ
ンプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀
ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置であ
る。ＧＲＴＡ装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。高温のガスには、
アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不
活性気体が用いられる。
【０１２４】
例えば、加熱処理として、６５０℃〜７００℃の高温に加熱した不活性ガス中に基板を入
れ、数分間加熱した後、基板を不活性ガス中から出すＧＲＴＡを行ってもよい。
【０１２５】
なお、加熱処理においては、窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスに、水
、水素などが含まれないことが好ましい。または、熱処理装置に導入する窒素、またはヘ
リウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上好ましく
は７Ｎ（９９．９９９９９％）以上（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１
ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
【０１２６】
また、加熱処理で酸化物半導体層１０５を加熱した後、同じ炉に高純度の酸素ガス、高純
度の一酸化二窒素ガス、又は超乾燥エア（ＣＲＤＳ（キャビティリングダウンレーザー分
光法）方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が２０ｐｐｍ（露点換算で−５５℃）
以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、より好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）を導入してもよ
い。酸素ガスまたは一酸化二窒素ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。ま
たは、熱処理装置に導入する酸素ガスまたは一酸化二窒素ガスの純度を、６Ｎ以上好まし
くは７Ｎ以上（即ち、酸素ガスまたは一酸化二窒素ガス中の不純物濃度を１ｐｐｍ以下、
好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。酸素ガス又は一酸化二窒素ガスの
作用により、脱水化または脱水素化処理による不純物の排除工程によって同時に減少して
しまった酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素を供給することによって、酸化物
半導体層１０５を高純度化及びｉ型（真性）化することができる。
【０１２７】
また、脱水化又は脱水素化処理によって、酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素
が同時に脱離して減少してしまうおそれがある。酸化物半導体膜において、酸素が脱離し
た箇所では酸素欠損が存在し、該酸素欠損に起因してトランジスタの電気的特性変動を招
くドナー準位が生じてしまう。
【０１２８】
このため、脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体層１０５に、酸素（少なくとも
、酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオン、のいずれかを含む）を導入して膜中に酸素を供
給してもよい。
【０１２９】
酸素の導入は、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプ
ランテーション法、酸素雰囲気下で行うプラズマ処理などを用いることができる。
【０１３０】
また、酸素の導入により、酸化物半導体を構成している元素と水素の間の結合、或いは該
元素と水酸基の間の結合を切断するとともに、これら水素、または水酸基が、酸素と反応
することで水を生成するため、後に行われる加熱処理により、不純物である水素、または
水酸基を、水として、脱離させやすくすることができる。このため、酸化物半導体層１０
５へ酸素を導入した後に加熱処理を行い、その後、酸化物半導体層１０５へ酸素の導入を
行ってもよい。
【０１３１】
脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体層１０５に、酸素を導入して層中に酸素を
供給することによって、酸化物半導体層１０５を高純度化、及びｉ型（真性）化すること
ができる。高純度化し、ｉ型（真性）化した酸化物半導体層１０５を有するトランジスタ
は、電気特性変動が抑制されており、電気的に安定である。
【０１３２】
なお、上記脱水化又は脱水素化のための加熱処理、および酸素の導入は、酸化物半導体層
を形成した後、該酸化物半導体層を島状の酸化物半導体層１０５に加工する前に行っても
よいし、島状の酸化物半導体層１０５形成後に行ってもよい。また、脱水化又は脱水素化
のための加熱処理および酸素の導入を複数回行ってもよい。
【０１３３】
なお、酸化物半導体層１０５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、更に好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることが望まし
い。
【０１３４】
次に、酸化物半導体層１０５上に保護層を形成し、フォトリソグラフィ工程により島状の
保護層１０６を形成する（図２（Ｃ）参照）。保護層１０６に適用する材料としては、Ｉ
ｎまたはＺｎの少なくとも一方を含む酸化物絶縁材料、または、酸化物半導体層１０５よ
りも絶縁性の高い酸化物半導体材料を用いる。
【０１３５】
例えば、保護層１０６として、元素Ｍを含む化学式ＩｎＭＺｎＯＸ（Ｘ＞０）で表記され
る材料を用いることができる。この時、元素Ｍとして、保護層１０６の絶縁性が酸化物半
導体層１０５よりも高くなるような元素を適用する。例えば、元素Ｍとして４Ａ族元素で
あるチタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）や、３Ａ族元素である
セリウム（Ｃｅ）、４Ｂ族元素であるゲルマニウム（Ｇｅ）などの４価のイオンとなる金
属元素を適用することができる。
【０１３６】
４価の金属元素は３価の金属元素（例えば、Ｇａなど）よりも結合手が一本多く、３価の
金属元素よりも酸素との結合力が強いため、化学式ＩｎＭＺｎＯＸ（Ｘ＞０）で表記され
る材料の絶縁性を高めることができる。例えば、ＩｎＺｒＺｎＯのエネルギーギャップは
、ＩｎＧａＺｎＯのエネルギーギャップ（約３．２ｅＶ）よりも大きく、ＩｎＧａＺｎＯ
よりも絶縁性が高いといえる。
【０１３７】
なお、絶縁性を高める元素であれば、３Ａ族元素を用いることも可能である。そのような
元素の一例としては、イットリウム（Ｙ）が挙げられる。イットリウムはＧａよりも電気
陰性度が小さいため、酸化物半導体中での酸素との結合をより強くすることができる。
【０１３８】
なお、本明細書において、「エネルギーギャップ」という用語は、「バンドギャップ」や
、「禁制帯幅」と同じ意味で用いている。また、バンドギャップの値は、材料の単膜のエ
リプソで測定して得られる値を用いる。
【０１３９】
また、化学式ＩｎＭＺｎＯＸ（Ｘ＞０）で表記される材料中の元素Ｍの含有量は、Ｉｎの
含有量の０．３倍以上１．３倍未満である。また、化学式ＩｎＭＺｎＯＸ（Ｘ＞０）で表
記される材料中の元素Ｍの含有量は、Ｚｎの含有量の０．３倍以上１．３倍未満である。
元素Ｍに対して相対的にＩｎまたはＺｎの数を減らすと、絶縁性を高めることができる。
【０１４０】
具体的には、元素Ｍを含ませた酸化物半導体材料をスパッタリング法で形成する場合、好
ましくは原子数比がＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、３：１：３、３：２：４、２：１：３
、４：５：４、または４：２：３で示される酸化物ターゲットを用いる。
【０１４１】
また、保護層１０６として、元素Ｍ１および元素Ｍ２を含む化学式ＩｎＭ１ＸＭ２（１−
Ｘ）ＺｎＯ（０＜Ｘ＜１＋α、ただしαは０．３未満）で示される酸化物材料を適用して
もよい。具体的には、上記材料において、元素Ｍ１は３価のイオンとなる金属元素であり
、その一部を元素Ｍ２として４価のイオンとなる金属元素で置き換える。４価の金属元素
は３価の金属元素よりも結合手が一本多いので、元素Ｍ１を元素Ｍ２に置換することで酸
素との結合力を高め、酸素欠損が形成されることを抑える。すなわち、元素Ｍ１に対する
元素Ｍ２の比率を高めることで、上記材料の絶縁性を高めることができる。
【０１４２】
具体的には、該酸化物材料において、元素Ｍ１に対して、元素Ｍ２を１原子％以上５０原
子％未満、好ましくは３原子％以上４０原子％以下加えて、材料中に酸素欠損が形成され
ることを抑え、絶縁性を高める。なお、Ｘは自然数とは限らず、非自然数を含む。なお、
元素Ｍ２において（１−Ｘ）の値がマイナスとなることはない。
【０１４３】
元素Ｍ１としては、３Ｂ族元素であるガリウム（Ｇａ）などが挙げられる。元素Ｍ２とし
ては、４Ａ族元素であるチタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）や
、３Ａ族元素であるセリウム（Ｃｅ）、４Ｂ族元素であるゲルマニウム（Ｇｅ）などが挙
げられる。なお、上記材料は、非単結晶である。
【０１４４】
なお、絶縁性を高める元素であれば、元素Ｍ２として３価の金属元素を用いることも可能
である。そのような元素の一例としては、３Ａ族元素であるイットリウム（Ｙ）が挙げら
れる。イットリウムはＧａよりも電気陰性度が小さいため、酸化物半導体中での酸素との
結合を強くし、絶縁性を高めることができる。
【０１４５】
また、上記材料において、構成元素以外の重金属不純物はほとんど含まれず、上記材料の
純度は３Ｎ、好ましくは４Ｎ以上である。
【０１４６】
本実施の形態では、保護層１０６として化学式ＩｎＭ１ＸＭ２（１−Ｘ）ＺｎＯ（０＜Ｘ
＜１＋α、ただしαは０．３未満、かつ、（１−Ｘ）＞０）で示される材料を用いる。具
体的には、Ｘ＝０．０５としたＩｎ：Ｚｒ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：０．０５：０．９５：２の
ターゲットを用いて、スパッタリング法により、ＩｎＺｒＧａＺｎＯ膜を形成する。
【０１４７】
化学式ＩｎＭＺｎＯＸ（Ｘ＞０）で表記される材料や、化学式ＩｎＭ１ＸＭ２（１−Ｘ）
ＺｎＯ（０＜Ｘ＜１＋α、ただしαは０．３未満、かつ、（１−Ｘ）＞０）で表記される
材料は、酸化物半導体層１０５との界面の状態を良好に保つことができ、トランジスタの
特性を良好なものとすることができる。また、保護層１０６に酸化物半導体層１０５より
も絶縁性の高い酸化物半導体を用いることで、寄生チャネルが生じることなく、絶縁層の
チャージアップによるしきい値電圧の変動を抑えることができる。酸化物半導体層１０５
よりも絶縁性の高い酸化物半導体としては、上記化学式で表記される材料を適用すること
ができる。
【０１４８】
また、保護層１０６形成後に、酸素（少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオン
、のいずれかを含む）を導入して膜中に酸素を供給してもよい。酸素の導入は、保護層１
０６に直接導入してもよいし、絶縁層１０８などの他の膜を通過して保護層１０６へ導入
してもよい。酸素を他の膜を通過して導入する場合は、イオン注入法、イオンドーピング
法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いればよい。また、保
護層１０６へ直接酸素を導入する場合は、上記の方法に加えて酸素雰囲気下で行うプラズ
マ処理なども用いることができる。
【０１４９】
酸素の導入により、保護層１０６を構成している元素と水素の間の結合、或いは該元素と
水酸基の間の結合を切断するとともに、これら水素、または水酸基が、酸素と反応するこ
とで水を生成するため、酸素の導入後に加熱処理を行うことで、不純物である水素、また
は水酸基を、水として、脱離させやすくすることができる。すなわち、保護層１０６中の
不純物濃度をさらに低減することができる。このため、保護層１０６へ酸素を導入した後
に加熱処理を行ってもよい。その後、さらに保護層１０６に酸素を導入し、保護層１０６
を酸素過剰な状態としてもよい。
【０１５０】
なお、保護層１０６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、更に好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることが望ましい。
【０１５１】
また、保護層１０６形成前に、酸素プラズマ処理または一酸化二窒素プラズマ処理などを
行い、表面に付着した水分や有機物を除去することが好ましい。保護層１０６の形成は、
酸素プラズマ処理または一酸化二窒素プラズマ処理などを行った後、大気に曝すことなく
連続して行うことが好ましい。
【０１５２】
また、保護層１０６のエッチングは、ウェットエッチング法またはドライエッチング法で
行うことができる。
【０１５３】
島状の保護層１０６の形成後、窒素雰囲気下、希ガス雰囲気下、酸素雰囲気下、窒素と酸
素、または希ガスと酸素の混合ガス雰囲気下で加熱処理を行ってもよい。本実施の形態で
は、窒素と酸素の混合ガス雰囲気下３００℃で１時間の加熱処理を行う。
【０１５４】
次いで、酸化物半導体層１０５、及び保護層１０６上に、後にソース電極１０７ａ及びド
レイン電極１０７ｂとなる導電層を形成する（図２（Ｄ）参照）。
【０１５５】
ソース電極１０７ａ及びドレイン電極１０７ｂとなる導電層は後の加熱処理に耐えられる
材料を用いる。ソース電極１０７ａ及びドレイン電極１０７ｂとなる導電層としては、例
えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗから選ばれた元素を含む金属、または上
述した元素を成分とする金属窒化物（窒化チタン、窒化モリブデン、窒化タングステン）
等を用いることができる。また、Ａｌ、Ｃｕなどの金属層の下側又は上側の一方または双
方にＴｉ、Ｍｏ、Ｗなどの高融点金属またはそれらの金属窒化物（窒化チタン、窒化モリ
ブデン、窒化タングステン）を積層させた構成としても良い。また、ソース電極１０７ａ
及びドレイン電極１０７ｂとなる導電層としては、導電性の金属酸化物で形成しても良い
。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、
酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム酸化スズ（Ｉｎ２Ｏ３―ＳｎＯ２、ＩＴＯと略記す
る）、酸化インジウム酸化亜鉛（Ｉｎ２Ｏ３―ＺｎＯ）またはこれらの金属酸化物材料に
酸化シリコンを含ませたものを用いることができる。
【０１５６】
本実施の形態では、ソース電極１０７ａ及びドレイン電極１０７ｂとなる導電層としてス
パッタリング法により膜厚１００ｎｍのチタン、膜厚４００ｎｍのアルミニウム、膜厚１
００ｎｍのチタンの積層を形成する。導電層のエッチングは、ＩＣＰエッチング法により
、チタン、アルミニウム、チタンの積層をエッチングして、ソース電極１０７ａ及びドレ
イン電極１０７ｂ（これと同じ層で形成される配線を含む）を形成する。その結果、ソー
ス電極１０７ａ及びドレイン電極１０７ｂの端部は、保護層１０６の上面または側面に位
置する構成となる。
【０１５７】
導電層のエッチングは、ゲート電極１０３の形成と同様の方法で行うことができる。
【０１５８】
本実施の形態では、第１のエッチング条件でチタンとアルミニウムの２層をエッチングし
た後、第２のエッチング条件で残りのチタン膜単層を除去する。なお、第１のエッチング
条件は、エッチングガス（ＢＣｌ３：Ｃｌ２＝７５０ｓｃｃｍ：１５０ｓｃｃｍ）を用い
、バイアス電力を１５００Ｗとし、ＩＣＰ電源電力を０Ｗとし、圧力を２．０Ｐａとする
。第２のエッチング条件は、エッチングガス（ＢＣｌ３：Ｃｌ２＝７００ｓｃｃｍ：１０
０ｓｃｃｍ）を用い、バイアス電力を７５０Ｗとし、ＩＣＰ電源電力を０Ｗとし、圧力を
２．０Ｐａとする。
【０１５９】
なお、ソース電極１０７ａ及びドレイン電極１０７ｂの形成により露出した酸化物半導体
層１０５及び保護層１０６の表面や側面には、ソース電極１０７ａ及びドレイン電極１０
７ｂを構成する元素や、処理室内に存在する元素、エッチングに用いたエッチングガスま
たはエッチング液を構成する元素が不純物として付着する場合がある。
【０１６０】
不純物が付着すると、トランジスタのオフ電流の増加、或いはトランジスタの電気的特性
の劣化がもたらされやすい。また、酸化物半導体層１０５に寄生チャネルが生じやすくな
り、電気的に分離されるべき電極が酸化物半導体層１０５を介して電気的に接続されやす
くなる。
【０１６１】
また、不純物によっては、酸化物半導体層１０５内の表面近傍や側面近傍に混入し、酸化
物半導体層１０５中の酸素を引き抜いてしまい、酸化物半導体層１０５の表面近傍や側面
近傍に酸素欠損が形成されることがある。例えば、上述したエッチングガスに含まれる塩
素やボロンや、処理室の構成材料であるアルミニウムは、酸化物半導体層１０５が低抵抗
化（ｎ型化）する要因の一つとなりうる。
【０１６２】
そこで、本発明の一態様では、ソース電極１０７ａ及びドレイン電極１０７ｂを形成する
ためのエッチングが終了した後、酸化物半導体層１０５及び保護層１０６の表面や側面に
付着した不純物を除去するための洗浄処理（不純物除去処理）を行う。
【０１６３】
不純物除去処理は、プラズマ処理、または溶液による処理によって行うことができる。プ
ラズマ処理としては、酸素プラズマ処理または一酸化二窒素プラズマ処理などを用いるこ
とができる。また、プラズマ処理として希ガス（代表的にはアルゴン）を用いてもよい。
【０１６４】
また、溶液による洗浄処理としては、ＴＭＡＨ溶液などのアルカリ性の溶液、水、希フッ
酸などの酸性の溶液を用いて行うことができる。例えば、希フッ酸を用いる場合、５０重
量％フッ酸を、水で１／１０２乃至１／１０５程度、好ましくは１／１０３乃至１／１０
５程度に希釈した希フッ酸を使用する。すなわち、濃度が０．５重量％乃至５×１０−４
重量％の希フッ酸、好ましくは５×１０−２重量％乃至５×１０−４重量％の希フッ酸を
洗浄処理に用いることが望ましい。洗浄処理により、酸化物半導体層１０５、保護層１０
６などの表面に付着した上記不純物を除去することができる。
【０１６５】
また、希フッ酸溶液を用いて不純物除去処理を行うと、保護層１０６及び酸化物半導体層
１０５の表面や側面をエッチングすることができる。すなわち、保護層１０６及び酸化物
半導体層１０５の表面や側面に付着した不純物や、または保護層１０６及び酸化物半導体
層１０５内の表面近傍や側面近傍に混入した不純物を、保護層１０６及び酸化物半導体層
１０５の一部とともに除去することができる。これにより、酸化物半導体層１０５におい
て、保護層１０６と重畳する領域の膜厚が、保護層１０６と重畳しない領域の膜厚より大
きくなる。例えば、１／１０３希フッ酸（０．０５％重量フッ酸）で、ＩＧＺＯ膜を処理
すると、１秒あたり１〜３ｎｍ膜厚が減少し、２／１０５希フッ酸（０．００２５％重量
フッ酸）で、ＩＧＺＯ膜を処理すると、１秒あたり０．１ｎｍ程度膜厚が減少する。
【０１６６】
不純物除去処理を行うことで、ＳＩＭＳを用いた分析により得られる濃度ピークにおいて
、絶縁層表面及び酸化物半導体層表面における塩素濃度を１×１０１９／ｃｍ３以下（好
ましくは５×１０１８／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１８／ｃｍ３以下）とす
ることができる。また、ボロン濃度を１×１０１９／ｃｍ３以下（好ましくは５×１０１
８／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１８／ｃｍ３以下）とすることができる。ま
た、アルミニウム濃度を１×１０１９／ｃｍ３以下（好ましくは５×１０１８／ｃｍ３以
下、さらに好ましくは１×１０１８／ｃｍ３以下）とすることができる。
【０１６７】
不純物除去処理を行うことで、安定した電気特性を有する信頼性の高いトランジスタ１１
０を実現することができる。
【０１６８】
上記不純物除去処理は、チャネル保護層として機能する保護層１０６を形成した後、ソー
ス電極１０７ａ及びドレイン電極１０７ｂを形成する前に行っても良い。保護層１０６を
形成した後、上記不純物除去処理を行うことで、酸化物半導体層１０５の表面に付着した
不純物を除去することができる。
【０１６９】
このようにして、トランジスタ１１０を作製することができる。なお、上記洗浄処理を行
った場合でも、大気中に含まれる水分や炭素などの不純物が、酸化物半導体層１０５、保
護層１０６、ソース電極１０７ａ及びドレイン電極１０７ｂの表面や側面に付着する場合
がある。このため、保護層１０６、ソース電極１０７ａ及びドレイン電極１０７ｂ上に、
さらに絶縁層１０８を形成してもよい（図２（Ｅ）参照）。絶縁層１０８は、絶縁層１０
２、ゲート絶縁層１０４、保護層１０６と同様の材料及び方法で形成することができる。
また、絶縁層１０８には、水分や、水素イオンや、ＯＨ−などの不純物をほとんど含まず
、更にこれらの外部からの侵入を防ぐことのできる材料を用いることが好ましい。
【０１７０】
また、絶縁層１０８の形成後、絶縁層１０８に酸素（少なくとも、酸素ラジカル、酸素原
子、酸素イオン、のいずれかを含む）を導入して絶縁層１０８を酸素過剰な状態としても
よい。酸素の導入は、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン
インプランテーション法、酸素雰囲気下で行うプラズマ処理などを用いることができる。
【０１７１】
酸素の導入により、絶縁層１０８を構成する元素と水素の間の結合、或いは該元素と水酸
基の間の結合を切断するとともに、これらの水素または水酸基が酸素と反応することで水
を生成するため、酸素の導入後に加熱処理を行うと、不純物である水素または水酸基が、
水として脱離しやすくなる。このため、絶縁層１０８へ酸素を導入した後に加熱処理を行
ってもよい。その後、さらに絶縁層１０８に酸素を導入し、絶縁層１０８を酸素過剰な状
態としてもよい。
【０１７２】
なお、絶縁層１０８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、更に好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることが望ましい。
【０１７３】
また、絶縁層１０８を形成する前に、酸素、一酸化二窒素、もしくは希ガス（代表的には
アルゴン）などを用いたプラズマ処理により、表面や側面に付着した水分や有機物などの
不純物を除去することが好ましい。絶縁層１０８は、酸素プラズマ処理または一酸化二窒
素プラズマ処理などを行った後、大気に曝すことなく連続して形成することが好ましい。
【０１７４】
また、絶縁層１０８として緻密性の高い無機絶縁膜を設けてもよい。例えば、絶縁層１０
８として、スパッタリング法により形成した酸化アルミニウムを用いる。酸化アルミニウ
ムを高密度（膜密度３．２ｇ／ｃｍ３以上、好ましくは３．６ｇ／ｃｍ３以上）とするこ
とによって、トランジスタ１１０に安定な電気特性を付与することができる。膜密度はラ
ザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ  Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ
Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）や、Ｘ線反射率測定法（ＸＲＲ：Ｘ−Ｒａｙ  Ｒｅｆｌｅ
ｃｔｏｍｅｔｒｙ）によって測定することができる。
【０１７５】
酸化アルミニウムは、トランジスタ１１０の保護絶縁層として機能することができ、水素
、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を通過させない遮断効果（ブロック効果
）が高い。
【０１７６】
従って、酸化アルミニウムは、作製工程中及び作製後において、変動要因となる水素、水
分などの不純物の酸化物半導体層１０５への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材
料である酸素の酸化物半導体層１０５からの放出を防止する。本実施の形態では、絶縁層
１０８として、スパッタリング法により酸化アルミニウムを形成する。
【０１７７】
トランジスタ１１０の形成後、またはトランジスタ１１０上に絶縁層１０８を形成後、さ
らに大気中で１００℃以上３００℃以下、１時間以上３０時間以下での加熱処理を行って
もよい。この加熱処理は一定の加熱温度を保持して加熱してもよいし、室温から加熱温度
への昇温と加熱温度から室温までの降温を１サイクルとする処理を複数回繰り返して行っ
てもよい。
【０１７８】
本実施の形態によれば、安定した電気特性を有するトランジスタを含む信頼性の高い半導
体装置を提供することができる。また、信頼性の高い半導体装置を歩留まりよく作製し、
半導体装置の生産性を向上させることができる。
【０１７９】
本実施の形態は、他の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。
【０１８０】
（実施の形態２）
本実施の形態では、半導体装置の一形態として、上記実施の形態で開示したトランジスタ
１１０と異なる構成を有するトランジスタと、その作製方法について、図３乃至図５を用
いて説明する。図３（Ａ）は、チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を用いたト
ランジスタ１２０の平面構成を示す上面図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）中でＢ１−
Ｂ２の鎖線で示した部位の断面構成を示す断面図である。また、図３（Ｃ）は、図３（Ａ
）中でＢ１−Ｂ２の鎖線で示した部位の、図３（Ｂ）とは異なる断面構成を示す断面図で
ある。なお、図面をわかりやすくするため、図３（Ａ）では基板１０１、絶縁層１０２、
ゲート絶縁層１０４、保護層１０６ｂ、絶縁層１０８の記載を省略している。
【０１８１】
図３に示すトランジスタ１２０は、トランジスタ１１０と同じチャネル保護型（チャネル
ストップ型ともいう）のトランジスタである。本実施の形態では、トランジスタ１２０の
トランジスタ１１０と異なる部位の構成及び作製方法について説明する。
【０１８２】
トランジスタ１１０では、チャネル幅方向において、保護層１０６が酸化物半導体層１０
５の端部を越えて伸長しているが、トランジスタ１２０では、保護層１０６が酸化物半導
体層１０５の内側に形成されている。すなわち、トランジスタ１２０は、チャネル幅方向
において、酸化物半導体層１０５が保護層１０６の端部を越えて伸長していると言い換え
ることができる。このような構成とすることで、酸化物半導体層１０５の形成と保護層１
０６の形成を一回のフォトリソグラフィ工程で行うことが可能となり、半導体装置の生産
性を向上することが可能となる。
【０１８３】
また、図３（Ｃ）は、保護層１０６を保護層１０６ａと保護層１０６ｂの積層構造とする
構成例を示している。保護層１０６ａと保護層１０６ｂのどちらか一方を、絶縁層１０２
またはゲート絶縁層１０４と同様の材料及び方法で形成し、保護層１０６ａと保護層１０
６ｂの他方を、上記実施の形態で示した化学式ＩｎＭＺｎＯＸ（Ｘ＞０）で表記される材
料、または化学式ＩｎＭ１ＸＭ２（１−Ｘ）ＺｎＯ（０＜Ｘ＜１＋α、ただしαは０．３
未満、かつ、（１−Ｘ）＞０）で表記される材料を用いて形成する。
【０１８４】
例えば、酸化物半導体層１０５に接する保護層１０６ａを化学式ＩｎＭＺｎＯＸまたは化
学式ＩｎＭ１ＸＭ２（１−Ｘ）ＺｎＯ（０＜Ｘ＜１＋α、ただしαは０．３未満、かつ、
（１−Ｘ）＞０）で表記される材料を用いて形成し、保護層１０６ａ上に形成する保護層
１０６ｂを保護層１０６ａよりもエッチングレートの大きい材料で形成することで、実施
の形態１に示した効果に加え、保護層１０６の端部にテーパー形状を付与し易くすること
ができる。また、保護層１０６を複数層からなる積層構造とすることで、保護層１０６の
端部を階段形状とすることができ、その上に形成する層の段切れを防ぎ、被覆性を向上さ
せることができる。
【０１８５】
また、酸化物半導体層１０５に接する保護層１０６ａを、酸素を多く含む材料で形成し、
保護層１０６ａ上に形成する保護層１０６ｂを化学式ＩｎＭＺｎＯＸまたは化学式ＩｎＭ
１ＸＭ２（１−Ｘ）ＺｎＯ（０＜Ｘ＜１＋α、ただしαは０．３未満、かつ、（１−Ｘ）
＞０）で表記される材料を用いて形成することで、実施の形態１に示した効果に加え、酸
化物半導体層１０５へ酸素を供給し、酸化物半導体層１０５中の酸素欠損を補填すること
ができる。従って、安定した電気特性を有する信頼性の高い半導体装置を提供することが
できる。
【０１８６】
次に、酸化物半導体層１０５の形成と保護層１０６の形成を一回のフォトリソグラフィ工
程で行うトランジスタ１２０の作製方法について図４及び図５を用いて説明する。図４（
Ａ１）乃至図４（Ａ３）は、トランジスタ１２０の作製途中における上面図である。図４
（Ｂ１）乃至図４（Ｂ３）は、図４（Ａ１）乃至図４（Ａ３）中のＢ１−Ｂ２の一点鎖線
で示した部位の断面構成を示す断面図である。また、図５（Ａ１）乃至図５（Ａ３）は、
トランジスタ１２０の作製途中における上面図である。図５（Ｂ１）乃至図５（Ｂ３）は
、図５（Ａ１）乃至図５（Ａ３）中のＢ１−Ｂ２の一点鎖線で示した部位の断面構成を示
す断面図である。
【０１８７】
以下、トランジスタ１２０の作製方法について説明する。まず、実施の形態１に示した作
製方法と同様に、基板１０１上に絶縁層１０２を形成し、絶縁層１０２上にゲート電極１
０３を形成する。続いて、ゲート電極１０３上にゲート絶縁層１０４と、酸化物半導体層
２０１と、絶縁層２０２を形成する（図４（Ａ１）及び（Ｂ１）参照）。ゲート絶縁層１
０４と、酸化物半導体層２０１と、絶縁層２０２の形成は、途中で大気に曝すことなく連
続して形成することが好ましい。酸化物半導体層２０１は、実施の形態１に示した後に酸
化物半導体層１０５となる酸化物半導体層と同様の材料及び方法で形成することが出来る
。また、絶縁層２０２は、実施の形態１に示した後に保護層１０６となる絶縁層と同様の
材料及び方法で形成することが出来る。
【０１８８】
次に、絶縁層２０２上に厚さの異なる領域を有するレジストマスクを形成する。厚さの異
なる領域を有するレジストマスクは、多階調マスクを用いて形成することができる。多階
調マスクを用いることで、１枚のフォトマスクで酸化物半導体層１０５と保護層１０６を
形成することができるため、フォトリソグラフィ工程数を削減することができる。
【０１８９】
多階調マスクとは、多段階の光量で露光を行うことが可能なマスクであり、代表的には、
露光領域、半露光領域および未露光領域の３段階の光量で露光を行う。多階調マスクを用
いることで、一度の露光および現像工程によって、複数（代表的には二種類）の厚さを有
するレジストマスクを形成することができる。そのため、多階調マスクを用いることで、
フォトマスクの枚数を削減することができる。
【０１９０】
多階調マスクについて図６を用いて説明する。図６（Ａ１）および図６（Ｂ１）は、代表
的な多階調マスクの断面を示す。図６（Ａ１）には、グレイトーンマスク３０４を示し、
図６（Ｂ１）にはハーフトーンマスク３１４を示す。
【０１９１】
図６（Ａ１）に示すグレイトーンマスク３０４は、透光性を有する基板３０１に遮光層に
より形成された遮光部３０２、および遮光層のパターンにより設けられた回折格子部３０
３で構成されている。
【０１９２】
回折格子部３０３は、露光に用いる光の解像度限界以下の間隔で設けられたスリット、ド
ットまたはメッシュ等を有することで、光の透過率を制御する。なお、回折格子部３０３
に設けられるスリット、ドットまたはメッシュは周期的なものであってもよいし、非周期
的なものであってもよい。
【０１９３】
透光性を有する基板３０１としては、石英等を用いることができる。遮光部３０２および
回折格子部３０３を構成する遮光層は、金属膜を用いて形成すればよく、好ましくはクロ
ムまたは酸化クロム等により設けられる。
【０１９４】
グレイトーンマスク３０４に露光するための光を照射した場合、図６（Ａ２）に示すよう
に、遮光部３０２に重畳する領域における透光率は０％となり、遮光部３０２も回折格子
部３０３も設けられていない領域における透光率は１００％となる。また、回折格子部３
０３における透光率は、概ね１０％〜７０％の範囲であり、回折格子のスリット、ドット
またはメッシュの間隔等により調節可能である。
【０１９５】
図６（Ｂ１）に示すハーフトーンマスク３１４は、透光性を有する基板３１１上に半透光
層により形成された半透光部３１２および遮光層により形成された遮光部３１３で構成さ
れている。
【０１９６】
半透光部３１２は、ＭｏＳｉＮ、ＭｏＳｉ、ＭｏＳｉＯ、ＭｏＳｉＯＮ、ＣｒＳｉ等の層
を用いて形成することができる。遮光部３１３は、グレイトーンマスクの遮光層と同様の
金属膜を用いて形成すればよく、好ましくはクロムまたは酸化クロム等により設けられる
。
【０１９７】
ハーフトーンマスク３１４に露光するための光を照射した場合、図６（Ｂ２）に示すよう
に、遮光部３１３に重畳する領域における透光率は０％となり、遮光部３１３も半透光部
３１２も設けられていない領域における透光率は１００％となる。また、半透光部３１２
における透光率は、概ね１０％〜７０％の範囲であり、形成する材料の種類または形成す
る膜厚等により調整可能である。
【０１９８】
多階調マスクを用いることにより、露光部分、中間露光部分、および未露光部分の３つの
露光レベルのマスクを形成することができ、一度の露光および現像工程により、複数（代
表的には二種類）の厚さの領域を有するレジストマスクを形成することができる。このた
め、多階調マスクを用いることで、トランジスタ１２０を作製工程におけるフォトマスク
の枚数を削減することができる。
【０１９９】
したがって、多階調マスクを用いて、レジストマスク２０３を保護層１０６が形成される
領域は厚く、それ以外の領域は薄くなるように形成する（図４（Ａ２）及び（Ｂ２）参照
）。なお、保護層１０６及び酸化物半導体層１０５とも形成されない領域には、レジスト
マスク２０３も形成されないようにする。
【０２００】
次に、レジストマスク２０３を用いて、絶縁層２０２と酸化物半導体層２０１の一部を選
択的に除去（エッチング）する。このエッチングにより、島状に加工された絶縁層２０２
と酸化物半導体層１０５が形成される（図４（Ａ３）及び（Ｂ３）参照）。
【０２０１】
次に、レジストマスク２０３を縮小（後退）させて、レジストマスク２０３の薄い領域を
除去し、レジストマスク２０４を形成する。レジストマスク２０３の縮小（後退）には、
例えば酸素プラズマによるアッシングを用いればよい。レジストマスク２０３の縮小（後
退）は厚さ方向のみでなく、平面方向にも生じるため、レジストマスク２０４は酸化物半
導体層１０５の内側に形成されることになる（図５（Ａ１）及び（Ｂ１）参照）。
【０２０２】
次に、レジストマスク２０４を用いて島状に加工された絶縁層２０２をエッチングし、保
護層１０６を形成する（図５（Ａ２）及び（Ｂ２）参照）。そして、該エッチングの後に
レジストマスク２０４を除去する（図５（Ａ３）及び（Ｂ３）参照）。
【０２０３】
絶縁層２０２をエッチングする際に、レジストマスク２０４もエッチングされる条件でエ
ッチングを行うと、保護層１０６の側面にテーパー形状を付与しやすくなる。また、エッ
チング条件を工夫し、レジストマスク２０４に対するエッチングレートと、保護層１０６
に対するエッチングレートを適宜調節することで、保護層１０６側面のテーパー角θを制
御することも可能である。
【０２０４】
その後の作製工程は、実施の形態１に示したトランジスタ１１０と同様に行うことが出来
る。半導体装置の作製工程において、フォトマスクの使用枚数が増えることは、それだけ
フォトリソグラフィ工程の回数が増えることになり、歩留まりの低下や生産コスト増加の
原因となる。本実施の形態によれば、少ないフォトリソグラフィ工程で半導体装置を作製
することが可能になるため、半導体装置の生産性を向上することができる。
【０２０５】
本実施の形態は、他の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。
【０２０６】
（実施の形態３）
本実施の形態では、半導体装置の一形態として、上記実施の形態で開示したトランジスタ
１１０と異なる構成を有するトランジスタについて、図７を用いて説明する。図７（Ａ）
は、チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタ１３０の平面構
成を示す上面図であり、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）中でＣ１−Ｃ２の鎖線で示した部位の
断面構成を示す断面図である。また、図７（Ｃ）は、図７（Ａ）中でＤ１−Ｄ２の鎖線で
示した部位の断面構成を示す断面図である。なお、図面をわかりやすくするため、図７（
Ａ）では基板１０１、絶縁層１０２、ゲート絶縁層１０４、絶縁層１０８の記載を省略し
ている。
【０２０７】
トランジスタ１３０は、実施の形態１に示したトランジスタ１１０と同様に作製すること
ができるが、保護層１０６、ソース電極１０７ａ及びドレイン電極１０７ｂにより酸化物
半導体層１０５が完全に覆われている点が異なる。
【０２０８】
また、保護層１０６形成後に、実施の形態１に示した不純物除去処理を行ってもよい。ま
た、本実施の形態で開示するトランジスタ１３０は、保護層１０６、ソース電極１０７ａ
及びドレイン電極１０７ｂにより酸化物半導体層１０５が完全に覆われているため、ソー
ス電極１０７ａ及びドレイン電極１０７ｂの形成時に生じる不純物の影響を受けにくい。
このため、半導体装置の信頼性を高めることができる。また、ソース電極１０７ａ及びド
レイン電極１０７ｂ形成後の不純物除去処理を省略することが可能であり、半導体装置の
生産性を向上させることができる。
【０２０９】
本実施の形態は、他の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。
【０２１０】
（実施の形態４）
本実施の形態では、上記実施の形態で開示したトランジスタと異なる構成を有するトラン
ジスタについて、図８を用いて説明する。図８（Ａ）は、チャネルが形成される半導体層
に酸化物半導体を用いたトランジスタ１４０の平面構成を示す上面図であり、図８（Ｂ）
は、図８（Ａ）中でＤ１−Ｄ２の鎖線で示した部位の断面構成を示す断面図である。また
、図８（Ｃ）も、図８（Ａ）中でＤ１−Ｄ２の鎖線で示した部位の断面構成を示す断面図
であるが、図８（Ｃ）は図８（Ｂ）で示す断面構成の変形例を示している。なお、図面を
わかりやすくするため、図８（Ａ）では基板１０１、絶縁層１０２、ゲート絶縁層１０４
、保護層１０６ｂ、絶縁層１０８、平坦化層１１２の記載を省略している。
【０２１１】
トランジスタ１４０は、上記実施の形態に示したトランジスタと同様に作製することがで
きるが、保護層１０６中にコンタクトホール１１１ａ及びコンタクトホール１１１ｂを有
する点が異なる。
【０２１２】
以下、トランジスタ１４０の作製方法について説明する。まず、上記実施の形態に示した
作製方法と同様に、基板１０１上に絶縁層１０２を形成し、絶縁層１０２上にゲート電極
１０３を形成する。続いて、ゲート電極１０３上にゲート絶縁層１０４を形成し、ゲート
絶縁層１０４上に酸化物半導体層１０５を形成し、酸化物半導体層１０５上に保護層１０
６を形成する。
【０２１３】
続いて、フォトリソグラフィ工程を用いて、酸化物半導体層１０５と重畳する保護層１０
６の一部を選択的に除去（エッチング）し、コンタクトホール１１１ａ及びコンタクトホ
ール１１１ｂを形成する。このようにして、開口部（コンタクトホール）を有する保護層
１０６を形成する。なお、コンタクトホール１１１ａ及びコンタクトホール１１１ｂの底
部において、酸化物半導体層１０５が露出される。また、開口部であるコンタクトホール
１１１ａ及びコンタクトホール１１１ｂの形成は、上記実施の形態に示した島状の保護層
１０６の形成方法と同様に行うことが出来る。
【０２１４】
なお、開口部を有する保護層１０６をドライエッチング法で形成した場合に、保護層１０
６及び露出した酸化物半導体層１０５の表面に不純物が残存することを防止するため、実
施の形態１に示した不純物除去処理を行ってもよい。不純物除去処理は、実施の形態１に
示す工程と同様に、プラズマ処理、または溶液による処理によって行うことができる。プ
ラズマ処理としては、酸素プラズマ処理または一酸化二窒素プラズマ処理などを用いるこ
とができる。また、プラズマ処理として希ガス（代表的にはアルゴン）を用いてもよい。
また、溶液による処理としては、希フッ酸溶液による洗浄処理を用いることができる。例
えば、希フッ酸溶液を用いる場合、５０重量％フッ酸を１／１０２乃至１／１０５程度、
好ましくは１／１０３乃至１／１０５程度に希釈する。また、溶液による処理としてＴＭ
ＡＨ溶液などのアルカリ性の溶液による処理を行ってもよい。また、溶液の代わりに水を
用いて洗浄処理を行ってもよい。
【０２１５】
次に、コンタクトホール１１１ａ及びコンタクトホール１１１ｂを覆って、ソース電極１
０７ａ及びドレイン電極１０７ｂを形成する。ソース電極１０７ａ及びドレイン電極１０
７ｂは、上記実施の形態と同様の材料及び方法で形成することが出来る。ソース電極１０
７ａはコンタクトホール１１１ａを介して酸化物半導体層１０５と接続し、ドレイン電極
１０７ｂはコンタクトホール１１１ｂを介して酸化物半導体層１０５と接続する。このよ
うにして、トランジスタ１４０を作製することができる。
【０２１６】
なお、本実施の形態で開示するトランジスタ１４０は、保護層１０６、ソース電極１０７
ａ及びドレイン電極１０７ｂにより酸化物半導体層１０５が完全に覆われるため、ソース
電極１０７ａ及びドレイン電極１０７ｂの形成時に生じる不純物の影響を受けにくい。こ
のため、半導体装置の信頼性を高めることができる。また、ソース電極１０７ａ及びドレ
イン電極１０７ｂ形成後の不純物除去処理を省略することが可能であり、半導体装置の生
産性を向上させることができる。
【０２１７】
また、ソース電極１０７ａ及びドレイン電極１０７ｂ上に、さらに絶縁層１０８を形成し
てもよい。絶縁層１０８は、上記実施の形態と同様の材料及び方法で形成することが出来
る。
【０２１８】
なお、トランジスタ１４０のチャネル領域は、ゲート電極１０３と重畳する酸化物半導体
層１０５中の、コンタクトホール１１１ａとコンタクトホール１１１ｂの間に形成される
。すなわち、トランジスタ１４０のチャネル長Ｌは、キャリアが流れる方向と平行な方向
において、酸化物半導体層１０５上に形成されたコンタクトホール１１１ａとコンタクト
ホール１１１ｂの最短距離で定義される。また、トランジスタ１４０のチャネル幅Ｗは、
キャリアが流れる方向と直交する方向におけるコンタクトホール１１１ａの長さ、または
コンタクトホール１１１ｂの長さのうち、短いほうの長さ、もしくは、両長さの平均値で
定義される。
【０２１９】
図８（Ｃ）は、保護層１０６を保護層１０６ａと保護層１０６ｂの積層構造とし、ソース
電極１０７ａ及びドレイン電極１０７ｂ上に平坦化層１１２を形成するトランジスタ１４
０の構成例を示している。保護層１０６ａ及び保護層１０６ｂは、上記実施の形態と同様
の材料及び方法で形成することが出来る。開口部を有する保護層１０６を積層構造とする
ことで、上記実施の形態で説明した島状の保護層１０６を積層構造とした場合と同様の効
果が期待できる。
【０２２０】
トランジスタ１４０起因の表面凹凸を低減するために、図８（Ｃ）に示すように平坦化層
１１２を形成してもよい。平坦化層１１２としては、ポリイミド、アクリル樹脂、ベンゾ
シクロブテン系樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂等の有機材料を用いることができる。ま
た上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（
リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用いることができる。なお、これらの
材料で形成される絶縁層を複数積層させることで、平坦化層１１２を形成してもよい。
【０２２１】
平坦化層１１２の形成方法は特に限定されず、その材料に応じて、スパッタリング法、ス
ピンコート法、ディッピング法、スプレー塗布法、液滴吐出法（インクジェット法、スク
リーン印刷法、オフセット印刷法等）、ロールコーティング法、カーテンコーティング法
、ナイフコーティング法等を用いることができる。
【０２２２】
例えば、平坦化層１１２として、膜厚１５００ｎｍのアクリル樹脂層を形成すればよい。
アクリル樹脂層はスピンコート法による塗布後、焼成（例えば窒素雰囲気下２５０℃１時
間）して形成することができる。
【０２２３】
平坦化層１１２を形成後、加熱処理を行ってもよい。例えば、窒素雰囲気下２５０℃で１
時間加熱処理を行う。
【０２２４】
本実施の形態は、他の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。
【０２２５】
（実施の形態５）
本実施の形態では、上記実施の形態で開示したトランジスタと異なる構成を有するトラン
ジスタについて、図９を用いて説明する。図９（Ａ）は、チャネルが形成される半導体層
に酸化物半導体を用いたトランジスタ１５０の平面構成を示す上面図であり、図９（Ｂ）
は、図９（Ａ）中でＥ１−Ｅ２の鎖線で示した部位の断面構成を示す断面図である。また
、図９（Ｃ）も、図９（Ａ）中でＥ１−Ｅ２の鎖線で示した部位の断面構成を示す断面図
であるが、図９（Ｃ）は図９（Ｂ）で示す断面構成の変形例を示している。なお、図面を
わかりやすくするため、図９（Ａ）では基板１０１、絶縁層１０２、ゲート絶縁層１０４
の記載を省略している。
【０２２６】
図９に示すトランジスタ１５０は、チャネルエッチング型と呼ばれるボトムゲート構造の
トランジスタの一つである、また、逆スタガ型と呼ばれるトランジスタの一つでもある。
【０２２７】
チャネルエッチング型のトランジスタ１５０は、上記実施の形態で示したトランジスタ１
１０乃至トランジスタ１４０と比較して、ソース電極１０７ａ及びドレイン電極１０７ｂ
と、酸化物半導体層１０５の間にチャネル保護層として機能する保護層１０６を形成しな
い点が異なる。このため、トランジスタ１５０は多階調マスクを用いなくても、トランジ
スタ１１０、トランジスタ１３０、及びトランジスタ１４０よりも少ないフォトリソグラ
フィ工程で作製することが可能となる。
【０２２８】
以下、トランジスタ１５０の作製方法について説明する。まず、上記実施の形態に示した
作製方法と同様に、基板１０１上に絶縁層１０２を形成し、絶縁層１０２上にゲート電極
１０３を形成する。続いて、ゲート電極１０３上にゲート絶縁層１０４を形成し、ゲート
絶縁層１０４上に酸化物半導体層１０５を形成する。
【０２２９】
次に、酸化物半導体層１０５上に導電層を形成し、フォトリソグラフィ工程によりソース
電極１０７ａ及びドレイン電極１０７ｂを形成する。ソース電極１０７ａ及びドレイン電
極１０７ｂを形成するための材料及び方法は、上記実施の形態に示した材料及び方法と同
様に行うことができる。
【０２３０】
なお、トランジスタ１５０のチャネル領域は、ゲート電極１０３と重畳する酸化物半導体
層１０５中の、ソース電極１０７ａとドレイン電極１０７ｂに挟まれた領域に形成される
。このため、トランジスタ１５０のチャネル長Ｌは、酸化物半導体層１０５のゲート電極
１０３と重畳する領域の、酸化物半導体層１０５と接するソース電極１０７ａの端部から
、酸化物半導体層１０５と接するドレイン電極１０７ｂの端部までの最短距離により決定
される。また、トランジスタ１５０のチャネル幅Ｗは、酸化物半導体層１０５のゲート電
極１０３と重畳する領域の、チャネル長Ｌと直交する方向における、酸化物半導体層１０
５とソース電極１０７ａが接する長さと、酸化物半導体層１０５とドレイン電極１０７ｂ
が接する長さのうち、短い方の長さ、もしくは、両長さの平均値で定義される。
【０２３１】
ソース電極１０７ａ及びドレイン電極１０７ｂの形成後に、実施の形態１で示した不純物
除去処理を行う。トランジスタ１５０はチャネルエッチング型のトランジスタであるため
、ソース電極１０７ａ及びドレイン電極１０７ｂの形成後に、チャネル領域に不純物が付
着すると、トランジスタのオフ電流の増加や、ソース電極１０７ａ及びドレイン電極１０
７ｂの短絡によりトランジスタの電気的特性の劣化が生じやすい。このため、ソース電極
１０７ａ及びドレイン電極１０７ｂの形成後に不純物除去処理を行うことで、安定した電
気特性を有する信頼性の高いトランジスタ１１０を実現することができる。
【０２３２】
次に、ソース電極１０７ａ及びドレイン電極１０７ｂ上に、酸化物半導体層１０５の一部
に接して保護層１１６を形成する。保護層１１６は、絶縁層１０２、ゲート絶縁層１０４
、保護層１０６、及び絶縁層１０８と同様の材料及び方法で形成することができる。
【０２３３】
また、保護層１１６形成前に、酸素プラズマ処理または一酸化二窒素プラズマ処理などを
行い、表面に付着した水分や有機物を除去することが好ましい。保護層１１６は、酸素プ
ラズマ処理または一酸化二窒素プラズマ処理などを行った後、大気に曝すことなく連続し
て形成することが好ましい。
【０２３４】
また、保護層１１６に、上記実施の形態に示した化学式ＩｎＭＺｎＯＸ（Ｘ＞０）で表記
される材料や、化学式ＩｎＭ１ＸＭ２（１−Ｘ）ＺｎＯ（０＜Ｘ＜１＋α、ただしαは０
．３未満、かつ、（１−Ｘ）＞０）で表記される材料を用いると、バックチャネル側の酸
化物半導体層１０５と保護層１１６の界面の状態を良好に保つことができる。従って、安
定した電気特性を有する信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０２３５】
また、酸化物半導体層１０５の上層または下層に、酸化物半導体層１０５よりも絶縁性の
高い酸化物半導体を用いることで、寄生チャネルが生じることなく、絶縁層のチャージア
ップによるしきい値電圧の変動を抑えることができる。従って、静電気などによるトラン
ジスタの特性劣化や破損を防ぐことができるため、半導体装置を歩留まりよく作製するこ
とができ、半導体装置の生産性を向上させることができる。また、半導体装置の信頼性を
向上させることができる。酸化物半導体層１０５よりも絶縁性の高い酸化物半導体として
は、上記化学式で表記される材料を適用することができる。
【０２３６】
また、図９（Ｃ）は、ゲート絶縁層１０４をゲート絶縁層１０４ａとゲート絶縁層１０４
ｂの積層構造とする構成例を示している。ゲート絶縁層１０４ａとゲート絶縁層１０４ｂ
のどちらか一方を、絶縁層１０２またはゲート絶縁層１０４と同様の材料及び方法で形成
し、ゲート絶縁層１０４ａとゲート絶縁層１０４ｂの他方を、化学式ＩｎＭＺｎＯＸで表
記される材料、または化学式ＩｎＭ１ＸＭ２（１−Ｘ）ＺｎＯで表記される材料を用いて
形成する。
【０２３７】
例えば、酸化物半導体層１０５に接するゲート絶縁層１０４ｂを化学式ＩｎＭＺｎＯＸで
表記される材料、または化学式ＩｎＭ１ＸＭ２（１−Ｘ）ＺｎＯで表記される材料を用い
て形成することで、酸化物半導体層１０５とゲート絶縁層１０４ｂの界面の状態を良好に
保つことができ、トランジスタの特性を良好なものとすることができる。従って、安定し
た電気特性を有する信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０２３８】
また、酸化物半導体層１０５より上層と、酸化物半導体層１０５より下層に、化学式Ｉｎ
ＭＺｎＯＸで表記される材料、または化学式ＩｎＭ１ＸＭ２（１−Ｘ）ＺｎＯで表記され
る材料用いて絶縁層を形成することで、半導体装置の信頼性をさらに向上させることがで
きる。
【０２３９】
本実施の形態は、他の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。
【０２４０】
（実施の形態６）
上記実施の形態で一例を示したトランジスタを用いて表示機能を有する半導体装置（表示
装置ともいう）を作製することができる。また、トランジスタを含む駆動回路の一部また
は全体を、画素部と同じ基板上に一体形成し、システムオンパネルを形成することができ
る。本実施の形態では、上記実施の形態で一例を示したトランジスタを用いた表示装置の
例について、図１０及び図１１を用いて説明する。なお、図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）
は、図１０（Ｂ）中でＭ−Ｎの鎖線で示した部位の断面構成を示す断面図である。
【０２４１】
図１０（Ａ）において、第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２を囲むように
して、シール材４００５が設けられ、第２の基板４００６によって封止されている。図１
０（Ａ）においては、第１の基板４００１上のシール材４００５によって囲まれている領
域とは異なる領域に、別途用意された基板上に単結晶半導体又は多結晶半導体で形成され
た信号線駆動回路４００３、及び走査線駆動回路４００４が実装されている。また、信号
線駆動回路４００３、走査線駆動回路４００４、または画素部４００２に与えられる各種
信号及び電位は、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  ｐｒｉｎｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）４０１
８ａ、ＦＰＣ４０１８ｂから供給されている。
【０２４２】
図１０（Ｂ）及び図１０（Ｃ）において、第１の基板４００１上に設けられた画素部４０
０２と、走査線駆動回路４００４とを囲むようにして、シール材４００５が設けられてい
る。また画素部４００２と、走査線駆動回路４００４の上に第２の基板４００６が設けら
れている。よって画素部４００２と、走査線駆動回路４００４とは、第１の基板４００１
とシール材４００５と第２の基板４００６とによって、表示素子と共に封止されている。
図１０（Ｂ）及び図１０（Ｃ）においては、第１の基板４００１上のシール材４００５に
よって囲まれている領域とは異なる領域に、別途用意された基板上に単結晶半導体又は多
結晶半導体で形成された信号線駆動回路４００３が実装されている。図１０（Ｂ）及び図
１０（Ｃ）においては、信号線駆動回路４００３、走査線駆動回路４００４、または画素
部４００２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ４０１８から供給されている。
【０２４３】
また図１０（Ｂ）及び図１０（Ｃ）においては、信号線駆動回路４００３を別途形成し、
第１の基板４００１に実装する例を示しているが、この構成に限定されない。走査線駆動
回路を別途形成して実装しても良いし、信号線駆動回路の一部または走査線駆動回路の一
部を別途形成して実装しても良い。
【０２４４】
なお、別途形成した駆動回路の実装方法は、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ  Ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）方法
、ワイヤボンディング方法、或いはＴＣＰ（Ｔａｐｅ  Ｃａｒｒｉｅｒ  Ｐａｃｋａｇｅ
）を用いる方法などの、既知の実装方法を用いることができる。図１０（Ａ）は、別途用
意された基板上に形成された信号線駆動回路４００３、走査線駆動回路４００４をＣＯＧ
方法により実装する例であり、図１０（Ｂ）は、別途用意された基板上に形成された信号
線駆動回路４００３をＣＯＧ方法により実装する例であり、図１０（Ｃ）は、別途用意さ
れた基板上に形成された信号線駆動回路４００３をＴＣＰとして実装する例である。
【０２４５】
また、表示装置は、表示素子が封止された状態にあるパネルと、該パネルにコントローラ
を含むＩＣ等を実装した状態にあるモジュールとを含む。
【０２４６】
なお、本明細書中における表示装置とは、画像表示デバイス、表示デバイス、もしくは光
源（照明装置含む）を指す。また、コネクター、例えばＦＰＣやＴＣＰが取り付けられた
モジュール、ＦＰＣやＴＣＰの先にプリント配線板が設けられたモジュール、または表示
素子にＣＯＧ方式によりＩＣ（集積回路）が直接実装されたモジュールも全て表示装置に
含むものとする。
【０２４７】
また第１の基板上に設けられた画素部及び走査線駆動回路は、トランジスタを複数有して
おり、上記実施の形態で示したトランジスタを適用することができる。
【０２４８】
表示装置に設けられる表示素子としては液晶素子（液晶表示素子ともいう）、発光素子（
発光表示素子ともいう）、を用いることができる。発光素子は、電流または電圧によって
輝度が制御される素子をその範疇に含んでおり、具体的には無機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ  
Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）、有機ＥＬ等が含まれる。また、電子インクなど、電気的作
用によりコントラストが変化する表示媒体も適用することができる。
【０２４９】
図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）で示すように、半導体装置は接続端子電極４０１５及び端
子電極４０１６を有しており、接続端子電極４０１５及び端子電極４０１６はＦＰＣ４０
１８が有する端子と異方性導電層４０１９を介して、電気的に接続されている。
【０２５０】
接続端子電極４０１５は、第１の電極層４０３０と同じ導電層から形成され、端子電極４
０１６は、トランジスタ４０１０、４０１１のソース電極及びドレイン電極と同じ導電層
で形成されている。
【０２５１】
また第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２と、走査線駆動回路４００４は、
トランジスタを複数有しており、図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）では、画素部４００２に
含まれるトランジスタ４０１０と、走査線駆動回路４００４に含まれるトランジスタ４０
１１とを例示している。図１１（Ａ）では、トランジスタ４０１０、４０１１上には絶縁
層４０２０が設けられ、図１１（Ｂ）では、絶縁層４０２４の上にさらに平坦化層４０２
１が設けられている。なお、絶縁層４０２３は下地層として機能する絶縁層である。
【０２５２】
本実施の形態では、トランジスタ４０１０、トランジスタ４０１１として、上記実施の形
態で示したトランジスタを適用することができる。
【０２５３】
上記実施の形態で示したトランジスタは、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安
定である。よって、図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）で示す本実施の形態の半導体装置とし
て信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０２５４】
また、図１１（Ｂ）では、絶縁層４０２４上において、駆動回路用のトランジスタ４０１
１の酸化物半導体層のチャネル形成領域と重なる位置に導電層４０１７が設けられている
例である。本実施の形態では、導電層４０１７を第１の電極層４０３０と同じ導電層で形
成する。導電層４０１７を酸化物半導体層のチャネル形成領域と重なる位置に設けること
によって、ＢＴ試験前後におけるトランジスタ４０１１のしきい値電圧の変化量をさらに
低減することができる。また、導電層４０１７の電位は、トランジスタ４０１１のゲート
電極と同じでもよいし、異なっていても良く、導電層４０１７を第２のゲート電極として
機能させることもできる。また、導電層４０１７の電位は、ＧＮＤ、０Ｖ、或いはフロー
ティング状態であってもよい。
【０２５５】
また、導電層４０１７は外部の電場を遮蔽する機能も有する。すなわち外部の電場が内部
（薄膜トランジスタを含む回路部）に作用しないようにする機能（特に静電気に対する静
電遮蔽機能）も有する。導電層４０１７の遮蔽機能により、静電気などの外部の電場の影
響によりトランジスタの電気的な特性が変動することを防止することができる。導電層４
０１７は、上記実施の形態で示した、いずれのトランジスタにも適用可能である。
【０２５６】
画素部４００２に設けられたトランジスタ４０１０は表示素子と電気的に接続し、表示パ
ネルを構成する。表示素子は表示を行うことができれば特に限定されず、様々な表示素子
を用いることができる。
【０２５７】
図１１（Ａ）に表示素子として液晶素子を用いた液晶表示装置の例を示す。図１１（Ａ）
において、表示素子である液晶素子４０１３は、第１の電極層４０３０、第２の電極層４
０３１、及び液晶層４００８を含む。なお、液晶層４００８を挟持するように配向膜とし
て機能する絶縁層４０３２、絶縁層４０３３が設けられている。第２の電極層４０３１は
第２の基板４００６側に設けられ、第１の電極層４０３０と第２の電極層４０３１とは液
晶層４００８を介して重畳する構成となっている。
【０２５８】
またスペーサ４０３５は絶縁層を選択的にエッチングすることで得られる柱状のスペーサ
であり、第１の電極層４０３０と第２の電極層４０３１との間隔（セルギャップ）を制御
するために設けられている。なお球状のスペーサを用いていても良い。
【０２５９】
表示素子として、液晶素子を用いる場合、サーモトロピック液晶、低分子液晶、高分子液
晶、高分子分散型液晶、強誘電性液晶、反強誘電性液晶等を用いることができる。これら
の液晶材料は、条件により、コレステリック相、スメクチック相、キュービック相、カイ
ラルネマチック相、等方相等を示す。
【０２６０】
また、配向膜を用いないブルー相を示す液晶を用いてもよい。ブルー相は液晶相の一つで
あり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリック相から等方相へ転移する直
前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発現しないため、温度範囲を改善
するために５重量％以上のカイラル剤を混合させた液晶組成物を用いて液晶層に用いる。
ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、応答速度が１ｍｓｅｃ以下と短
く、光学的等方性であるため配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい。また配向膜
を設けなくてもよいのでラビング処理も不要となるため、ラビング処理によって引き起こ
される静電破壊を防止することができ、作製工程中の液晶表示装置の不良や破損を軽減す
ることができる。よって液晶表示装置の生産性を向上させることが可能となる。酸化物半
導体層を用いるトランジスタは、静電気の影響によりトランジスタの電気的な特性が著し
く変動して設計範囲を逸脱する恐れがある。よって酸化物半導体層を用いるトランジスタ
を有する液晶表示装置にブルー相の液晶材料を用いることはより効果的である。
【０２６１】
また、液晶材料の固有抵抗は、１×１０９Ω・ｃｍ以上であり、好ましくは１×１０１１
Ω・ｃｍ以上であり、さらに好ましくは１×１０１２Ω・ｃｍ以上である。なお、本明細
書における固有抵抗の値は、２０℃で測定した値とする。
【０２６２】
本実施の形態で用いる高純度化された酸化物半導体層を用いたトランジスタは、オフ状態
における電流値（オフ電流値）を低くすることができる。よって、画像信号等の電気信号
の保持時間を長くすることができ、電源オン状態では書き込み間隔も長く設定できる。よ
って、リフレッシュ動作の頻度を少なくすることができるため、消費電力を抑制する効果
を奏する。
【０２６３】
液晶表示装置に設けられる保持容量の大きさは、画素部に配置されるトランジスタのリー
ク電流等を考慮して、所定の期間の間電荷を保持できるように設定される。保持容量の大
きさは、トランジスタのオフ電流等を考慮して設定すればよい。高純度の酸化物半導体層
を有するトランジスタを用いることにより、各画素における液晶容量に対して１／３以下
、好ましくは１／５以下の容量の大きさを有する保持容量を設ければ充分である。
【０２６４】
また、上述の酸化物半導体を用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られ
るため、高速駆動が可能である。よって、表示機能を有する半導体装置の画素部に上記ト
ランジスタを用いることで、高画質な画像を提供することができる。また、同一基板上に
駆動回路部または画素部を作り分けて作製することが可能となるため、半導体装置の部品
点数を削減することができる。
【０２６５】
液晶表示装置には、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ  Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐ
ｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ  Ｆｉｅｌｄ  Ｓｗｉｔ
ｃｈｉｎｇ）モード、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ  Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  ａｌｉｇｎｅｄ  
Ｍｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ  Ｂ
ｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｌｉｑｕｉ
ｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｌｉｑ
ｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モードなどを用いることができる。
【０２６６】
また、ノーマリーブラック型の液晶表示装置、例えば垂直配向（ＶＡ）モードを採用した
透過型の液晶表示装置としてもよい。ここで、垂直配向モードとは、液晶表示パネルの液
晶分子の配列を制御する方式の一種であり、電圧が印加されていないときにパネル面に対
して液晶分子が垂直方向を向く方式である。垂直配向モードとしては、いくつか挙げられ
るが、例えば、ＭＶＡ（Ｍｕｌｔｉ−Ｄｏｍａｉｎ  Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ａｌｉｇｎｍｅ
ｎｔ）モード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ  Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）
モード、ＡＳＶ（Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｓｕｐｅｒ  Ｖｉｅｗ）モードなどを用いることが
できる。また、画素（ピクセル）をいくつかの領域（サブピクセル）に分け、それぞれ別
の方向に分子を倒すよう工夫されているマルチドメイン化あるいはマルチドメイン設計と
いわれる方法を用いることができる。
【０２６７】
また、表示装置において、ブラックマトリクス（遮光層）、偏光部材、位相差部材、反射
防止部材などの光学部材（光学基板）などは適宜設ける。例えば、偏光基板及び位相差基
板による円偏光を用いてもよい。また、光源としてバックライト、サイドライトなどを用
いてもよい。
【０２６８】
また、画素部における表示方式は、プログレッシブ方式やインターレース方式等を用いる
ことができる。また、カラー表示する際に画素で制御する色要素としては、ＲＧＢ（Ｒは
赤、Ｇは緑、Ｂは青を表す）の三色に限定されない。例えば、ＲＧＢＷ（Ｗは白を表す）
、又はＲＧＢに、イエロー、シアン、マゼンタ等を一色以上追加したものがある。なお、
色要素のドット毎にその表示領域の大きさが異なっていてもよい。ただし、本発明はカラ
ー表示の表示装置に限定されるものではなく、モノクロ表示の表示装置に適用することも
できる。
【０２６９】
また、表示装置に含まれる表示素子として、エレクトロルミネッセンスを利用する発光素
子を適用することができる。エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子は、発光材料
が有機化合物であるか、無機化合物であるかによって区別され、一般的に、前者は有機Ｅ
Ｌ素子、後者は無機ＥＬ素子と呼ばれている。
【０２７０】
有機ＥＬ素子は、発光素子に電圧を印加することにより、一対の電極から電子および正孔
がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして、それらキャ
リア（電子および正孔）が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成
し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このよう
な発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。
【０２７１】
無機ＥＬ素子は、その素子構成により、分散型無機ＥＬ素子と薄膜型無機ＥＬ素子とに分
類される。分散型無機ＥＬ素子は、発光材料の粒子をバインダ中に分散させた発光層を有
するものであり、発光メカニズムはドナー準位とアクセプター準位を利用するドナー−ア
クセプター再結合型発光である。薄膜型無機ＥＬ素子は、発光層を誘電体層で挟み込み、
さらにそれを電極で挟んだ構造であり、発光メカニズムは金属イオンの内殻電子遷移を利
用する局在型発光である。なお、ここでは、発光素子として有機ＥＬ素子を用いて説明す
る。
【０２７２】
発光素子は発光を取り出すために少なくとも一対の電極の一方が透明であればよい。そし
て、基板上にトランジスタ及び発光素子を形成し、基板とは逆側の面から発光を取り出す
上面射出や、基板側の面から発光を取り出す下面射出や、基板側及び基板とは反対側の面
から発光を取り出す両面射出構造の発光素子があり、どの射出構造の発光素子も適用する
ことができる。
【０２７３】
図１１（Ｂ）に表示素子として発光素子を用いた発光装置の例を示す。表示素子である発
光素子４５１３は、画素部４００２に設けられたトランジスタ４０１０と電気的に接続し
ている。なお発光素子４５１３の構成は、第１の電極層４０３０、電界発光層４５１１、
第２の電極層４０３１の積層構造であるが、示した構成に限定されない。発光素子４５１
３から取り出す光の方向などに合わせて、発光素子４５１３の構成は適宜変えることがで
きる。
【０２７４】
隔壁４５１０は、有機絶縁材料、又は無機絶縁材料を用いて形成する。特に感光性の樹脂
材料を用い、第１の電極層４０３０上に開口部を形成し、その開口部の側壁が連続した曲
率を持って形成される傾斜面となるように形成することが好ましい。
【０２７５】
電界発光層４５１１は、単数の層で構成されていても、複数の層が積層されるように構成
されていてもどちらでも良い。
【０２７６】
発光素子４５１３に酸素、水素、水分、二酸化炭素等が侵入しないように、第２の電極層
４０３１及び隔壁４５１０上に保護層を形成してもよい。保護層としては、窒化シリコン
、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒
化酸化アルミニウム、ＤＬＣ膜等を形成することができる。また、第１の基板４００１、
第２の基板４００６、及びシール材４００５によって封止された空間には充填材４５１４
が設けられ密封されている。このように外気に曝されないように気密性が高く、脱ガスの
少ない保護フィルム（貼り合わせフィルム、紫外線硬化樹脂フィルム等）やカバー材でパ
ッケージング（封入）することが好ましい。
【０２７７】
充填材４５１４としては窒素やアルゴンなどの不活性な気体の他に、紫外線硬化樹脂また
は熱硬化樹脂を用いることができ、ＰＶＣ（ポリビニルクロライド）、アクリル樹脂、ポ
リイミド、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ＰＶＢ（ポリビニルブチラル）またはＥＶＡ
（エチレンビニルアセテート）を用いることができる。例えば充填材として窒素を用いれ
ばよい。
【０２７８】
また、必要であれば、発光素子の射出面に偏光板、又は円偏光板（楕円偏光板を含む）、
位相差板（λ／４板、λ／２板）、カラーフィルタなどの光学フィルムを適宜設けてもよ
い。また、偏光板又は円偏光板に反射防止膜を設けてもよい。例えば、表面の凹凸により
反射光を拡散し、映り込みを低減できるアンチグレア処理を施すことができる。
【０２７９】
表示素子に電圧を印加する第１の電極層４０３０及び第２の電極層４０３１（画素電極層
、共通電極層、対向電極層などともいう）においては、取り出す光の方向、電極層が設け
られる場所、及び電極層のパターン構造によって透光性、反射性を選択すればよい。
【０２８０】
第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１は、酸化タングステンを含むインジウム酸
化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化
物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物（以下、ＩＴＯと示す。
）、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有
する導電性材料を用いることができる。
【０２８１】
また、第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１はタングステン（Ｗ）、モリブデン
（Ｍｏ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎ
ｂ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタ
ン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）等の金属、
又はその合金、若しくはその金属窒化物から一つ、又は複数種を用いて形成することがで
きる。
【０２８２】
また、第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１として、導電性高分子（導電性ポリ
マーともいう）を含む導電性組成物を用いて形成することができる。導電性高分子として
は、いわゆるπ電子共役系導電性高分子を用いることができる。例えば、ポリアニリンま
たはその誘導体、ポリピロールまたはその誘導体、ポリチオフェンまたはその誘導体、若
しくはアニリン、ピロールおよびチオフェンの２種以上からなる共重合体またはその誘導
体などがあげられる。
【０２８３】
また、トランジスタは静電気などにより破壊されやすいため、駆動回路保護用の保護回路
を設けることが好ましい。保護回路は、非線形素子を用いて構成することが好ましい。
【０２８４】
以上のように上記実施の形態で示したトランジスタを適用することで、表示機能を有する
信頼性のよい半導体装置を提供することができる。
【０２８５】
本実施の形態は、他の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。
【０２８６】
（実施の形態７）
上記実施の形態に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。
【０２８７】
図１２（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１２（Ａ）は
フォトセンサの等価回路であり、図１２（Ｂ）はフォトセンサの一部を示す断面図である
。
【０２８８】
フォトダイオード６０２は、一方の電極がフォトダイオードリセット信号線６５８に、他
方の電極がトランジスタ６４０のゲートに電気的に接続されている。トランジスタ６４０
は、ソース又はドレインの一方がフォトセンサ基準信号線６７２に、ソース又はドレイン
の他方がトランジスタ６５６のソース又はドレインの一方に電気的に接続されている。ト
ランジスタ６５６は、ゲートがゲート信号線６５９に、ソース又はドレインの他方がフォ
トセンサ出力信号線６７１に電気的に接続されている。
【０２８９】
なお、本明細書における回路図において、酸化物半導体層を用いるトランジスタと明確に
判明できるように、酸化物半導体層を用いるトランジスタの記号には「ＯＳ」と記載して
いる。図１２（Ａ）において、トランジスタ６４０、トランジスタ６５６は上記実施の形
態に示したトランジスタが適用でき、チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を用
いるトランジスタである。本実施の形態では、実施の形態４で示したトランジスタ１４０
と同様な構造を有するトランジスタを適用する例を示す。トランジスタ６４０は、酸化物
半導体層上にチャネル保護層として機能する絶縁層が設けられた、ボトムゲート構造の逆
スタガ型トランジスタである。
【０２９０】
図１２（Ｂ）は、フォトセンサにおけるフォトダイオード６０２及びトランジスタ６４０
の構成例を示す断面図であり、絶縁表面を有する基板６０１（ＴＦＴ基板）上に、センサ
として機能するフォトダイオード６０２及びトランジスタ６４０が設けられている。フォ
トダイオード６０２、トランジスタ６４０の上には接着層６０８を用いて基板６１３が設
けられている。
【０２９１】
トランジスタ６４０上には絶縁層６３１、絶縁層６３３、絶縁層６３４が設けられている
。フォトダイオード６０２は、絶縁層６３３上に設けられ、絶縁層６３３上に形成した電
極６４１ａ、電極６４１ｂと、絶縁層６３４上に設けられた電極層６４２との間に、絶縁
層６３３側から順に第１半導体層６０６ａ、第２半導体層６０６ｂ、及び第３半導体層６
０６ｃを積層した構造を有している。
【０２９２】
電極６４１ｂは、絶縁層６３４上に形成された導電層６４３と電気的に接続し、電極層６
４２は電極６４１ａを介して導電層６４５と電気的に接続している。導電層６４５は、ト
ランジスタ６４０のゲート電極層と電気的に接続しており、フォトダイオード６０２はト
ランジスタ６４０と電気的に接続している。
【０２９３】
ここでは、第１半導体層６０６ａとしてｐ型の導電型を有する半導体層と、第２半導体層
６０６ｂとして高抵抗な半導体層（ｉ型半導体層）、第３半導体層６０６ｃとしてｎ型の
導電型を有する半導体層を積層するｐｉｎ型のフォトダイオードを例示している。
【０２９４】
第１半導体層６０６ａはｐ型半導体層であり、ｐ型を付与する不純物元素を含むアモルフ
ァスシリコンにより形成することができる。第１半導体層６０６ａの形成には１３族の不
純物元素（例えばボロン（Ｂ））を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法によ
り形成する。半導体材料ガスとしてはシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ
２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。また
、不純物元素を含まないアモルファスシリコンを形成した後に、拡散法やイオン注入法を
用いて該アモルファスシリコンに不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不
純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合
にアモルファスシリコンを形成する方法としては、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、又はスパ
ッタリング法等を用いればよい。第１半導体層６０６ａの膜厚は１０ｎｍ以上５０ｎｍ以
下となるよう形成することが好ましい。
【０２９５】
第２半導体層６０６ｂは、Ｉ型半導体層（真性半導体層）であり、アモルファスシリコン
により形成する。第２半導体層６０６ｂの形成には、半導体材料ガスを用いて、アモルフ
ァスシリコンをプラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしては、シラン（Ｓ
ｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣ
ｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。第２半導体層６０６ｂの形成は、ＬＰＣＶＤ法、気相
成長法、スパッタリング法等により行ってもよい。第２半導体層６０６ｂの膜厚は２００
ｎｍ以上１０００ｎｍ以下となるように形成することが好ましい。
【０２９６】
第３半導体層６０６ｃは、ｎ型半導体層であり、ｎ型を付与する不純物元素を含むアモル
ファスシリコンにより形成する。第３半導体層６０６ｃの形成には、１５族の不純物元素
（例えばリン（Ｐ））を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により形成する
。半導体材料ガスとしてはシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、Ｓ
ｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。また、不純物元
素を含まないアモルファスシリコンを形成した後に、拡散法やイオン注入法を用いて該ア
モルファスシリコンに不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不純物元素を
導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合にアモルフ
ァスシリコンを形成する方法としては、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、又はスパッタリング
法等を用いればよい。第３半導体層６０６ｃの膜厚は２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下となる
よう形成することが好ましい。
【０２９７】
また、第１半導体層６０６ａ、第２半導体層６０６ｂ、及び第３半導体層６０６ｃは、ア
モルファス半導体ではなく、多結晶半導体を用いて形成してもよいし、微結晶半導体や、
セミアモルファス半導体（Ｓｅｍｉ  Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ
：ＳＡＳ）を用いて形成してもよい。
【０２９８】
また、光電効果で発生した正孔の移動度は電子の移動度に比べて小さいため、ｐｉｎ型の
フォトダイオードはｐ型の半導体層側を受光面とする方がよい特性を示す。ここでは、ｐ
ｉｎ型のフォトダイオードが形成されている基板６０１の面からフォトダイオード６０２
が受ける光６２２を電気信号に変換する例を示す。また、受光面とした半導体層側とは逆
の導電型を有する半導体層側からの光は外乱光となるため、電極層は遮光性を有する導電
層を用いるとよい。また、ｎ型の半導体層側を受光面として用いることもできる。
【０２９９】
絶縁層６３１、絶縁層６３３、絶縁層６３４としては、絶縁性材料を用いて、その材料に
応じて、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法、ＳＯＧ法、スピンコート、ディップ、ス
プレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法等）、印刷法（スクリーン印刷、オフセット
印刷等）等を用いて形成することができる。
【０３００】
絶縁層６３１としては、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、
又は酸化窒化アルミニウムなどの酸化物絶縁物、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化
アルミニウム、又は窒化酸化アルミニウムなどの窒化物絶縁物を単層又は積層して用いる
ことができる。
【０３０１】
本実施の形態では、絶縁層６３１として酸化アルミニウムを用いる。絶縁層６３１はスパ
ッタリング法によって形成することができる。
【０３０２】
酸化物半導体層上に絶縁層６３１として設けられた酸化アルミニウムは、水素、水分など
の不純物、及び酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果（ブロック効果）が高い。
【０３０３】
従って、酸化アルミニウムは、作製工程中及び作製後において、変動要因となる水素、水
分などの不純物の酸化物半導体層への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料であ
る酸素の酸化物半導体層からの放出を防止する保護層として機能する。
【０３０４】
絶縁層６３３、絶縁層６３４としては、表面凹凸を低減するため平坦化層として機能する
絶縁層が好ましい。絶縁層６３３、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、
又は積層を用いることができる。
【０３０５】
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。
【０３０６】
上記実施の形態で示したトランジスタは、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安
定である。従って、安定した電気特性を有するトランジスタ６４０を含む信頼性の高い半
導体装置を提供することができる。また、信頼性の高い半導体装置を歩留まりよく作製し
、高生産化を達成することができる。
【０３０７】
本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み
合わせて用いることができる。
【０３０８】
（実施の形態８）
本明細書に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器（遊技機も含む）に適用すること
ができる。電子機器としては、テレビジョン装置（テレビ、又はテレビジョン受信機とも
いう）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタ
ルフォトフレーム、携帯電話機、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、遊技機
（パチンコ機、スロットマシン等）、ゲーム筐体が挙げられる。これらの電子機器の具体
例を図１３に示す。
【０３０９】
図１３（Ａ）は、表示部を有するテーブル９０００を示している。テーブル９０００は、
筐体９００１に表示部９００３が組み込まれており、表示部９００３により映像を表示す
ることが可能である。なお、４本の脚部９００２により筐体９００１を支持した構成を示
している。また、電力供給のための電源コード９００５を筐体９００１に有している。
【０３１０】
実施の形態１乃至４のいずれかに示す半導体装置は、表示部９００３に用いることが可能
であり、電子機器に高い信頼性を付与することができる。
【０３１１】
表示部９００３は、タッチ入力機能を有しており、テーブル９０００の表示部９００３に
表示された表示ボタン９００４を指などで触れることで、画面操作や、情報を入力するこ
とができ、また他の家電製品との通信を可能とする、又は制御を可能とすることで、画面
操作により他の家電製品をコントロールする制御装置としてもよい。例えば、実施の形態
３に示したイメージセンサ機能を有する半導体装置を用いれば、表示部９００３にタッチ
入力機能を持たせることができる。
【０３１２】
また、筐体９００１に設けられたヒンジによって、表示部９００３の画面を床に対して垂
直に立てることもでき、テレビジョン装置としても利用できる。狭い部屋においては、大
きな画面のテレビジョン装置は設置すると自由な空間が狭くなってしまうが、テーブルに
表示部が内蔵されていれば、部屋の空間を有効に利用することができる。
【０３１３】
図１３（Ｂ）は、テレビジョン装置９１００を示している。テレビジョン装置９１００は
、筐体９１０１に表示部９１０３が組み込まれており、表示部９１０３により映像を表示
することが可能である。なお、ここではスタンド９１０５により筐体９１０１を支持した
構成を示している。
【０３１４】
テレビジョン装置９１００の操作は、筐体９１０１が備える操作スイッチや、別体のリモ
コン操作機９１１０により行うことができる。リモコン操作機９１１０が備える操作キー
９１０９により、チャンネルや音量の操作を行うことができ、表示部９１０３に表示され
る映像を操作することができる。また、リモコン操作機９１１０に、当該リモコン操作機
９１１０から出力する情報を表示する表示部９１０７を設ける構成としてもよい。
【０３１５】
図１３（Ｂ）に示すテレビジョン装置９１００は、受信機やモデムなどを備えている。テ
レビジョン装置９１００は、受信機により一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さ
らにモデムを介して有線又は無線による通信ネットワークに接続することにより、一方向
（送信者から受信者）又は双方向（送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など）の情
報通信を行うことも可能である。
【０３１６】
実施の形態１乃至４のいずれかに示す半導体装置は、表示部９１０３、９１０７に用いる
ことが可能であり、テレビジョン装置、及びリモコン操作機に高い信頼性を付与すること
ができる。
【０３１７】
図１３（Ｃ）はコンピュータであり、本体９２０１、筐体９２０２、表示部９２０３、キ
ーボード９２０４、外部接続ポート９２０５、ポインティングデバイス９２０６等を含む
。コンピュータは、本発明の一態様を用いて作製される半導体装置をその表示部９２０３
に用いることにより作製される。先の実施の形態に示した半導体装置を利用すれば、信頼
性の高いコンピュータとすることが可能となる。
【０３１８】
図１４（Ａ）及び図１４（Ｂ）は２つ折り可能なタブレット型端末である。図１４（Ａ）
は、開いた状態であり、タブレット型端末は、筐体９６３０、表示部９６３１ａ、表示部
９６３１ｂ、表示モード切り替えスイッチ９０３４、電源スイッチ９０３５、省電力モー
ド切り替えスイッチ９０３６、留め具９０３３、操作スイッチ９０３８、を有する。
【０３１９】
実施の形態１乃至４のいずれかに示す半導体装置は、表示部９６３１ａ、表示部９６３１
ｂに用いることが可能であり、信頼性の高いタブレット型端末とすることが可能となる。
【０３２０】
表示部９６３１ａは、一部をタッチパネルの領域９６３２ａとすることができ、表示され
た操作キー９６３８にふれることでデータ入力をすることができる。なお、表示部９６３
１ａにおいては、一例として半分の領域が表示のみの機能を有する構成、もう半分の領域
がタッチパネルの機能を有する構成を示しているが該構成に限定されない。表示部９６３
１ａの全ての領域がタッチパネルの機能を有する構成としても良い。例えば、表示部９６
３１ａの全面をキーボードボタン表示させてタッチパネルとし、表示部９６３１ｂを表示
画面として用いることができる。
【０３２１】
また、表示部９６３１ｂにおいても表示部９６３１ａと同様に、表示部９６３１ｂの一部
をタッチパネルの領域９６３２ｂとすることができる。また、タッチパネルのキーボード
表示切り替えボタン９６３９が表示されている位置に指やスタイラスなどでふれることで
表示部９６３１ｂにキーボードボタン表示することができる。
【０３２２】
また、タッチパネルの領域９６３２ａとタッチパネルの領域９６３２ｂに対して同時にタ
ッチ入力することもできる。
【０３２３】
また、表示モード切り替えスイッチ９０３４は、縦表示又は横表示などの表示の向きを切
り替え、白黒表示やカラー表示の切り替えなどを選択できる。省電力モード切り替えスイ
ッチ９０３６は、タブレット型端末に内蔵している光センサで検出される使用時の外光の
光量に応じて表示の輝度を最適なものとすることができる。タブレット型端末は光センサ
だけでなく、ジャイロ、加速度センサ等の傾きを検出するセンサなどの他の検出装置を内
蔵させてもよい。
【０３２４】
また、図１４（Ａ）では表示部９６３１ｂと表示部９６３１ａの表示面積が同じ例を示し
ているが特に限定されず、一方のサイズともう一方のサイズが異なっていてもよく、表示
の品質も異なっていてもよい。例えば一方が他方よりも高精細な表示を行える表示パネル
としてもよい。
【０３２５】
図１４（Ｂ）は、閉じた状態であり、タブレット型端末は、筐体９６３０、太陽電池９６
３３、充放電制御回路９６３４、バッテリー９６３５、ＤＣＤＣコンバータ９６３６を有
する。なお、図１４（Ｂ）では充放電制御回路９６３４の一例としてバッテリー９６３５
、ＤＣＤＣコンバータ９６３６を有する構成について示している。
【０３２６】
なお、タブレット型端末は２つ折り可能なため、未使用時に筐体９６３０を閉じた状態に
することができる。従って、表示部９６３１ａ、表示部９６３１ｂを保護できるため、耐
久性に優れ、長期使用の観点からも信頼性の優れたタブレット型端末を提供できる。
【０３２７】
また、この他にも図１４（Ａ）及び図１４（Ｂ）に示したタブレット型端末は、様々な情
報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示する機能、カレンダー、日付又は時刻など
を表示部に表示する機能、表示部に表示した情報をタッチ入力操作又は編集するタッチ入
力機能、様々なソフトウェア（プログラム）によって処理を制御する機能、等を有するこ
とができる。
【０３２８】
タブレット型端末の表面に装着された太陽電池９６３３によって、電力をタッチパネル、
表示部、又は映像信号処理部等に供給することができる。なお、太陽電池９６３３は、筐
体９６３０の片面又は両面に設けることができ、バッテリー９６３５の充電を効率的に行
う構成とすることができるため好適である。なおバッテリー９６３５としては、リチウム
イオン電池を用いると、小型化を図れる等の利点がある。
【０３２９】
また、図１４（Ｂ）に示す充放電制御回路９６３４の構成、及び動作について図１４（Ｃ
）にブロック図を示し説明する。図１４（Ｃ）には、太陽電池９６３３、バッテリー９６
３５、ＤＣＤＣコンバータ９６３６、コンバータ９６３７、スイッチＳＷ１乃至ＳＷ３、
表示部９６３１について示しており、バッテリー９６３５、ＤＣＤＣコンバータ９６３６
、コンバータ９６３７、スイッチＳＷ１乃至ＳＷ３が、図１４（Ｂ）に示す充放電制御回
路９６３４に対応する箇所となる。
【０３３０】
まず外光により太陽電池９６３３により発電がされる場合の動作の例について説明する。
太陽電池９６３３で発電した電力は、バッテリー９６３５を充電するための電圧となるよ
うＤＣＤＣコンバータ９６３６で昇圧又は降圧がなされる。そして、表示部９６３１の動
作に太陽電池９６３３からの電力が用いられる際にはスイッチＳＷ１をオンにし、コンバ
ータ９６３７で表示部９６３１に必要な電圧に昇圧又は降圧をすることとなる。また、表
示部９６３１での表示を行わない際には、ＳＷ１をオフにし、ＳＷ２をオンにしてバッテ
リー９６３５の充電を行う構成とすればよい。
【０３３１】
なお太陽電池９６３３については、発電手段の一例として示したが、特に限定されず、圧
電素子（ピエゾ素子）や熱電変換素子（ペルティエ素子）などの他の発電手段によるバッ
テリー９６３５の充電を行う構成であってもよい。例えば、無線（非接触）で電力を送受
信して充電する無接点電力伝送モジュールや、また他の充電手段を組み合わせて行う構成
としてもよい。
【０３３２】
本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み
合わせて用いることができる。
【符号の説明】
【０３３３】
１０１    基板
１０２    絶縁層
１０３    ゲート電極
１０４    ゲート絶縁層
１０５    酸化物半導体層
１０６    保護層
１０８    絶縁層
１１０    トランジスタ
１１２    平坦化層
１１６    保護層
１２０    トランジスタ
１３０    トランジスタ
１４０    トランジスタ
１５０    トランジスタ
１９９    部位
２０１    酸化物半導体層
２０２    絶縁層
２０３    レジストマスク
２０４    レジストマスク
３０１    基板
３０２    遮光部
３０３    回折格子部
３０４    グレイトーンマスク
３１１    基板
３１２    半透光部
３１３    遮光部
３１４    ハーフトーンマスク
６０１    基板
６０２    フォトダイオード
６０８    接着層
６１３    基板
６２２    光
６３１    絶縁層
６３３    絶縁層
６３４    絶縁層
６４０    トランジスタ
６４２    電極層
６４３    導電層
６４５    導電層
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
４００１    基板
４００２    画素部
４００３    信号線駆動回路
４００４    走査線駆動回路
４００５    シール材
４００６    基板
４００８    液晶層
４０１０    トランジスタ
４０１１    トランジスタ
４０１３    液晶素子
４０１５    接続端子電極
４０１６    端子電極
４０１７    導電層
４０１８    ＦＰＣ
４０１９    異方性導電層
４０２０    絶縁層
４０２１    平坦化層
４０２３    絶縁層
４０２４    絶縁層
４０３０    電極層
４０３１    電極層
４０３２    絶縁層
４０３３    絶縁層
４０３５    スペーサ
４５１０    隔壁
４５１１    電界発光層
４５１３    発光素子
４５１４    充填材
９０００    テーブル
９００１    筐体
９００２    脚部
９００３    表示部
９００４    表示ボタン
９００５    電源コード
９０３３    留め具
９０３４    スイッチ
９０３５    電源スイッチ
９０３６    スイッチ
９０３８    操作スイッチ
９１００    テレビジョン装置
９１０１    筐体
９１０３    表示部
９１０５    スタンド
９１０７    表示部
９１０９    操作キー
９１１０    リモコン操作機
９２０１    本体
９２０２    筐体
９２０３    表示部
９２０４    キーボード
９２０５    外部接続ポート
９２０６    ポインティングデバイス
９６３０    筐体
９６３１    表示部
９６３３    太陽電池
９６３４    充放電制御回路
９６３５    バッテリー
９６３６    ＤＣＤＣコンバータ
９６３７    コンバータ
９６３８    操作キー
９６３９    ボタン
１０４ａ    ゲート絶縁層
１０４ｂ    ゲート絶縁層
１０６ａ    保護層
１０６ｂ    保護層
１０７ａ    ソース電極
１０７ｂ    ドレイン電極
１１１ａ    コンタクトホール
１１１ｂ    コンタクトホール
４０１８ｂ    ＦＰＣ
６０６ａ    半導体層
６０６ｂ    半導体層
６０６ｃ    半導体層
６４１ａ    電極
６４１ｂ    電極
９６３１ａ    表示部
９６３１ｂ    表示部
９６３２ａ    領域
９６３２ｂ    領域
【図１】
2020188274.tif 000003
【図２】
2020188274.tif 000004
【図３】
2020188274.tif 000005
【図４】
2020188274.tif 000006
【図５】
2020188274.tif 000007
【図６】
2020188274.tif 000008
【図７】
2020188274.tif 000009
【図８】
2020188274.tif 000010
【図９】
2020188274.tif 000011
【図１０】
2020188274.tif 000012
【図１１】
2020188274.tif 000013
【図１２】
2020188274.tif 000014
【図１３】
2020188274.tif 000015
【図１４】
2020188274.tif 000016