(57)【要約】      （修正有）【課題】酸化物半導体膜の被形成面近傍に含まれる不純物を低減し、酸化物半導体膜の被形成面近傍の結晶性を向上し、該酸化物半導体膜を用いることにより、安定した電気特性を有する半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置において、シリコンを含む下地絶縁膜１０４と、下地絶縁膜上に形成された酸化物半導体膜１０６と、酸化物半導体膜上に形成されたゲート絶縁膜１０８と、ゲート絶縁膜と接し、少なくとも酸化物半導体膜と重畳する領域に設けられたゲート電極１１０と、酸化物半導体膜に電気的に接続されたソース電極１１２ａ及びドレイン電極１１２ｂと、を有する。酸化物半導体膜は、下地絶縁膜との界面から酸化物半導体膜に向けてシリコン濃度が１．０原子％以下の濃度で分布する領域を有し、少なくとも領域内に、結晶部を含む。【選択図】図１
2020145463.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンを含む絶縁膜と、
前記絶縁膜上の酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を介して、前記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、
前記酸化物半導体膜に電気的に接続されたソース電極及びドレイン電極と、を有し、
前記酸化物半導体膜は、結晶部を含み、
前記酸化物半導体膜は、前記絶縁膜との界面から前記酸化物半導体膜に向けてシリコン濃度が１．０原子％以下の濃度で分布する領域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。例えば、トランジスタに適用可能な半導体
薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導
体が注目されている。
【０００４】
例えば、トランジスタの活性層として、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び
亜鉛（Ｚｎ）を含む非晶質酸化物を用いたトランジスタが開示されている（特許文献１参
照）。
【０００５】
酸化物半導体を用いたトランジスタは、アモルファスシリコンを用いたトランジスタよ
りも高いオン特性（オン電流など）を有する。当該酸化物半導体を用いたトランジスタを
、高機能デバイスに応用するために、さらなる特性の向上が求められており、酸化物半導
体の結晶化の技術が進められている（特許文献２参照）。特許文献２においては、酸化物
半導体を熱処理することによって、結晶化する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１６５５２８号公報
【特許文献２】特開２００８−３１１３４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
トランジスタに用いられる酸化物半導体膜は、スパッタリング法を用いて成膜されるこ
とが多い。しかしながら、酸化物半導体膜のスパッタリングの際に、イオン化された希ガ
ス元素（例えば、アルゴン）やターゲット表面からはじき飛ばされた元素が、下地絶縁膜
などの酸化物半導体膜の被形成面となる膜の構成元素をはじき飛ばしてしまうことがある
。このようにして被形成面となる膜からはじき飛ばされた元素は、酸化物半導体膜に不純
物元素として取り込まれてしまい、特に酸化物半導体膜の被形成面近傍の不純物濃度が高
くなるおそれがある。また、不純物元素が、酸化物半導体膜に残存すると、当該酸化物半
導体膜が高抵抗化してしまい、トランジスタの電気特性の一であるオン電流、または電界
効果移動度の低下の要因になる。
【０００８】
また、酸化物半導体膜の被形成面近傍に不純物元素が取り込まれていると、不純物元素
によって酸化物半導体膜の結晶化が阻害されてしまう。そのため、酸化物半導体膜の被形
成面近傍において非晶質領域が残存してしまう。
【０００９】
そこで、酸化物半導体膜の膜厚を厚くして、表層の結晶領域をチャネル形成領域として
使用することも考えられる。しかし、酸化物半導体膜の膜厚は、トランジスタの特性の一
であるしきい値電圧に影響を与える。例えば、しきい値電圧をプラス方向にシフトさせる
ためには、酸化物半導体膜の膜厚を薄くすることが望ましい。
【００１０】
このような問題に鑑み、酸化物半導体膜の被形成面近傍に含まれる不純物濃度を低減す
ることを目的の一とする。また、酸化物半導体膜の被形成面近傍の結晶性を向上させるこ
とを目的の一とする。また、該酸化物半導体膜を用いることにより、良好な電気特性を有
する半導体装置を提供することを目的の一とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
酸化物半導体膜の被形成面近傍に含まれる不純物濃度を低減させるためには、酸化物半
導体膜を構成する元素が被形成面に衝突する際のエネルギーを小さくすることが有効であ
る。例えば、下地絶縁膜上に、スパッタリング法を用い酸化物半導体膜を成膜する場合、
スパッタリング時の成膜電力を低くする、成膜圧力を高くする方法がある。このような方
法を用いて形成された酸化物半導体膜は、下地絶縁膜との界面から酸化物半導体膜に向け
て不純物濃度が低減された領域が形成される。より詳細には、以下の通りである。
【００１２】
開示する本発明の一態様は、シリコンを含む下地絶縁膜と、下地絶縁膜上に形成された
酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜上に形成されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜と接し
、少なくとも酸化物半導体膜と重畳する領域に設けられたゲート電極と、酸化物半導体膜
に電気的に接続されたソース電極、及びドレイン電極と、を有し、酸化物半導体膜は、下
地絶縁膜との界面から酸化物半導体膜に向けてシリコン濃度が１．０原子％以下の濃度で
分布する領域を有し、少なくとも領域内に、結晶部を含む半導体装置である。
【００１３】
上記構成において、領域は、下地絶縁膜の界面からの厚さが５ｎｍ以下の範囲に形成さ
れるとよい。また、酸化物半導体膜は、領域以外にも、結晶部を含むことが好ましく、結
晶部は、ｃ軸が下地絶縁膜表面の法線ベクトルに平行な方向に揃うことが好ましい。
【００１４】
また、上記各構成において、領域は、シリコン濃度が０．１原子％以下となることが好
ましい。また、領域は、炭素濃度が１．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下となること
が好ましい。
【００１５】
下地絶縁膜近傍の酸化物半導体膜を、上述したシリコン濃度、または炭素濃度とするこ
とによって、酸化物半導体膜の高抵抗化の抑制、または酸化物半導体膜の結晶性を向上さ
せることができる。その結果、安定した電気特性を有する半導体装置とすることができる
。
【発明の効果】
【００１６】
開示する本発明の一態様によれば、下地絶縁膜近傍の酸化物半導体膜に含まれる不純物
濃度を低減することができる。また、下地絶縁膜近傍の酸化物半導体膜の結晶性を向上さ
せることができる。また、安定した電気特性を有する半導体装置を提供することができる
。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】半導体装置の一態様を示す平面図及び断面図。
【図２】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図３】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図４】半導体装置の一態様を示す平面図及び断面図。
【図５】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図６】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図７】半導体装置の一形態を説明する図。
【図８】半導体装置の一形態を説明する図。
【図９】半導体装置の一形態を説明する図。
【図１０】半導体装置の一形態を説明する図。
【図１１】半導体装置の一形態を説明する図。
【図１２】半導体装置の一形態を説明する図。
【図１３】半導体装置の一形態を説明する図。
【図１４】計算に用いたモデル図。
【図１５】計算に用いたモデル図。
【図１６】計算結果を示す図。
【図１７】計算に用いたモデル図。
【図１８】計算結果を示す図。
【図１９】計算に用いたモデル図。
【図２０】計算に用いたモデル図。
【図２１】計算に用いたモデル図。
【図２２】本発明の実施例に係る測定結果を示す図。
【図２３】本発明の実施例に係る測定結果を示す図。
【図２４】本発明の実施例に係る試料構造を示す図。
【図２５】本発明の実施例に係る測定結果を示す図。
【図２６】本発明の実施例に係る試料構造を示す図。
【図２７】本発明の実施例に係る測定結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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
。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱するこ
となく、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
。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない
。
【００１９】
なお、図面等において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、理解の簡単のため、
実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、
必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。
【００２０】
なお、本明細書等における「第１」、「第２」、「第３」などの序数詞は、構成要素の
混同を避けるために付すものであり、数的に限定するものではないことを付記する。
【００２１】
なお、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。例えば、「ゲート絶縁膜上のゲート電
極」の表現であれば、ゲート絶縁膜とゲート電極との間に他の構成要素を含むものを除外
しない。
【００２２】
また、本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に
限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり
、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「
配線」が一体となって形成されている場合なども含む。
【００２３】
また、「ソース」や「ドレイン」の機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合
や、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、本明細書等においては、「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。
【００２４】
なお、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するも
の」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するも
の」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない
。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジス
タなどのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、キャパシタ、その他の各種機能を有
する素子などが含まれる。
【００２５】
（実施の形態１）
本実施の形態では、半導体装置、及び半導体装置の作製方法の一形態を、図１乃至図３
を用いて説明する。
【００２６】
〈半導体装置の構成例〉
図１（Ａ）、及び図１（Ｂ）に、半導体装置の一例として、トップゲート構造のトラン
ジスタの平面図および断面図を示す。図１（Ａ）は平面図であり、図１（Ｂ）は、図１（
Ａ）におけるＸ１−Ｙ１に係る断面図に相当する。なお、図１（Ａ）では、煩雑になるこ
とを避けるため、トランジスタ１５０の構成要素の一部（例えば、ゲート絶縁膜１０８な
ど）を省略している。
【００２７】
図１（Ａ）、及び図１（Ｂ）に示すトランジスタ１５０は、下地絶縁膜１０４上に形成
された領域１０６ａ、及び領域１０６ｂを含む酸化物半導体膜１０６と、酸化物半導体膜
１０６上に形成されたゲート絶縁膜１０８と、ゲート絶縁膜１０８と接し、少なくとも酸
化物半導体膜１０６と重畳する領域に設けられたゲート電極１１０と、酸化物半導体膜１
０６と電気的に接続されたソース電極１１２ａ、及びドレイン電極１１２ｂと、を含む。
また、トランジスタ１５０上に絶縁膜１１４が形成されている。
【００２８】
酸化物半導体膜１０６の膜厚は、５ｎｍより大きく２００ｎｍ以下とし、好ましくは１
０ｎｍ以上３０ｎｍ以下とする。また、酸化物半導体膜１０６は、単結晶、多結晶（ポリ
クリスタルともいう。）、または微結晶などの結晶性を有する構造とすることが好ましい
。
【００２９】
また、本実施の形態において、酸化物半導体膜１０６は、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉ
ｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏ
ｒ）膜であることが好ましい。なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜については、後述するトランジス
タ１５０の作製方法において、詳細な説明を行う。
【００３０】
また、酸化物半導体膜１０６は、図１（Ｂ）に示すように、端部に２０°乃至５０°の
テーパーを有していることが好ましい。酸化物半導体膜１０６の端部が垂直であると酸化
物半導体膜１０６の端部から酸素が抜けやすく酸素欠損を生じやすいが、酸化物半導体膜
１０６の端部にテーパーを有することで酸素欠損の発生を抑制し、トランジスタ１５０の
リーク電流の発生を低減することができる。
【００３１】
下地絶縁膜１０４は、基板１０２からの水素、水分などの不純物元素の拡散を防止する
機能、及び酸化物半導体膜１０６に酸素を供給する機能を有すると好ましい。例えば、下
地絶縁膜１０４として、酸化シリコン膜のようなシリコンを含む絶縁膜を用いるとよい。
また、下地絶縁膜１０４は、シリコンを含む単層構造、またはシリコン以外の構成元素を
含む絶縁膜と、シリコンを含む絶縁膜と、により２層以上の積層構造としてもよい。ただ
し、酸化物半導体膜１０６に接する下地絶縁膜１０４には酸化シリコン膜を設けることが
好ましい。酸化シリコン膜は、酸化物半導体膜１０６に好適に酸素を供給することができ
るためである。
【００３２】
なお、下地絶縁膜１０４から酸化物半導体膜１０６に酸素を供給するとは、例えば、下
地絶縁膜１０４を加熱することにより、酸素の一部を脱離させ、酸化物半導体膜１０６に
酸素を供給し、酸化物半導体膜１０６の酸素欠損を補填することが挙げられる。特に、下
地絶縁膜１０４中に少なくとも化学量論的組成を超える量の酸素が存在することが好まし
く、例えば、下地絶縁膜１０４として、ＳｉＯ２＋α（ただし、α＞０）で表される酸化
シリコン膜を用いることが好ましい。このような酸化シリコン膜を下地絶縁膜１０４とし
て用いることで、酸化物半導体膜１０６に酸素を供給することができ、当該酸化物半導体
膜１０６を用いたトランジスタ１５０のトランジスタ特性を良好にすることができる。
【００３３】
しかしながら、下地絶縁膜１０４として酸化シリコン膜を用いる場合、下地絶縁膜１０
４中のシリコンが、不純物として酸化物半導体膜１０６に取り込まれるおそれがある。酸
化物半導体膜１０６にシリコンなどが不純物として取り込まれることにより、酸化物半導
体膜１０６が高抵抗化してしまい、トランジスタの電気特性の一であるオン電流、または
電界効果移動度の低下の要因になる。
【００３４】
また、酸化物半導体膜１０６の被形成面近傍に不純物元素が取り込まれると、不純物元
素によって酸化物半導体膜１０６の結晶化が阻害されてしまう。そのため、酸化物半導体
膜１０６の被形成面近傍において非晶質領域が残存してしまう。また、酸化物半導体膜１
０６をＣＡＡＣ−ＯＳ膜とする場合には、被形成面近傍において、結晶部を形成すること
が困難となる。
【００３５】
ここで、酸化物半導体膜１０６に、不純物としてシリコン（Ｓｉ）が添加されると、ど
のような構造変化が起こるかについて、古典分子動力学計算により調査した結果について
、図１４乃至図１６を用いて説明する。なお、上記計算を行うため、古典分子動力学計算
ソフトウェアとして、富士通株式会社製ＳＣＩＧＲＥＳＳ  ＭＥを用いた。古典分子動力
学法では、原子間相互作用を特徴づける経験的ポテンシャルを定義することで、各原子に
働く力を評価する。ニュートンの運動方程式を数値的に解くことにより、各原子の運動（
時間発展）を決定論的に追跡できる。
【００３６】
以下に、計算モデルと計算条件を述べる。なお、本計算においては、Ｂｏｒｎ−Ｍａｙ
ｅｒ−Ｈｕｇｇｉｎｓポテンシャルを用いた。
【００３７】
計算モデルとして、１６８０原子からなるＩｎＧａＺｎＯ４の単結晶構造（図１４（Ａ
）参照）と、１６８０原子からなるＩｎＧａＺｎＯ４のＩｎ、Ｇａ、Ｚｎのそれぞれ２０
原子ずつをシリコン（Ｓｉ）原子で置換した構造（図１４（Ｂ）参照）を作製した。図１
４（Ｂ）に示すシリコン（Ｓｉ）置換モデルにおいて、シリコン（Ｓｉ）は、３．５７ａ
ｔｏｍ％（２．３４重量％）である。また、図１４（Ａ）に示す単結晶モデルの密度は、
６．３６ｇ／ｃｍ３であり、図１４（Ｂ）に示すシリコン（Ｓｉ）置換モデルの密度は、
６．０８ｇ／ｃｍ３である。
【００３８】
図１４（Ａ）、及び図１４（Ｂ）に示す計算モデルに対して、ＩｎＧａＺｎＯ４の単結
晶の融点（古典分子動力学計算による見積もりでは約２０００℃）より小さい１７２７℃
において、圧力一定（１ａｔｍ）で、１５０ｐｓｅｃ間（時間刻み幅０．２ｆｓｅｃ×７
５万ステップ）の古典分子動力学計算により、構造緩和を行った。また、これら２つの構
造に対して動径分布関数ｇ（ｒ）を求めた。なお、動径分布関数ｇ（ｒ）とは、ある原子
から距離ｒ離れた位置において、他の原子が存在する確率密度を表す関数である。原子同
士の相関が無くなっていくと、ｇ（ｒ）は１に近づく。
【００３９】
上記の２つの計算モデルを、１５０ｐｓｅｃ間の古典分子動力学計算を行うことにより
得られた最終構造をそれぞれ図１５（Ａ）、及び図１５（Ｂ）に示す。また、それぞれの
構造における動径分布関数ｇ（ｒ）を図１６に示す。
【００４０】
図１５（Ａ）に示す単結晶モデルは安定で、最終構造においても結晶構造を保っている
が、図１５（Ｂ）に示すシリコン（Ｓｉ）置換モデルは不安定で、時間経過とともに結晶
構造が崩れていき、アモルファス構造へと変化することが確認できる。また、図１６にお
いて、各構造モデルの動径分布関数ｇ（ｒ）を比較すると、単結晶モデルでは、長距離で
もピークがあり、長距離秩序があることがわかる。一方、シリコン（Ｓｉ）置換モデルで
は、０．６ｎｍ近傍でピークが消え、長距離秩序がないことがわかる。
【００４１】
これらの計算結果により、ＩｎＧａＺｎＯ４にシリコン（Ｓｉ）が含まれることにより
、ＩｎＧａＺｎＯ４のアモルファス化が起こりやすくなることが示唆された。また、Ｉｎ
ＧａＺｎＯ４にシリコン（Ｓｉ）が含まれた状態で高温加熱を行っても、ＩｎＧａＺｎＯ
４は結晶化しないことが確認された。
【００４２】
次に、酸化物半導体膜１０６に炭素原子（Ｃ）が添加されると、どのような構造変化が
起こるかについて、古典分子動力学計算により調査した結果について、図１４（Ａ）、図
１５（Ａ），図１７、及び図１８を用いて説明する。なお、上記計算を行うため、古典分
子動力学計算ソフトウェアとして、富士通株式会社製ＳＣＩＧＲＥＳＳ  ＭＥを用いた。
【００４３】
以下に、計算モデルと計算条件を述べる。なお、本計算においては、Ｂｏｒｎ−Ｍａｙ
ｅｒ−Ｈｕｇｇｉｎｓポテンシャルを用いた。また、炭素原子（Ｃ）との原子間相互作用
にはＬｅｎｎａｒｄ−Ｊｏｎｅｓポテンシャルを用いた。
【００４４】
計算モデルとして、１６８０原子からなるＩｎＧａＺｎＯ４の単結晶構造（図１４（Ａ
）参照）と、１６８０原子からなるＩｎＧａＺｎＯ４のＩｎ、Ｇａ、Ｚｎのそれぞれ２０
原子ずつを炭素原子（Ｃ）で置換し、酸素（Ｏ）の８０原子を炭素原子（Ｃ）で置換した
構造（図１７（Ａ）参照）を作製した。図１７（Ａ）に示す炭素（Ｃ）置換モデルにおい
て、炭素原子（Ｃ）は、８．３３ａｔｏｍ％である。また、図１４（Ａ）に示す単結晶モ
デルの密度は、６．３６ｇ／ｃｍ３であり、図１７（Ａ）に示す炭素（Ｃ）置換モデルの
密度は、５．８９ｇ／ｃｍ３である。
【００４５】
図１４（Ａ）、及び図１７（Ａ）に示す計算モデルに対して、ＩｎＧａＺｎＯ４の単結
晶の融点（古典分子動力学計算による見積もりでは約２０００℃）より小さい１７２７℃
において、圧力一定（１ａｔｍ）で、１５０ｐｓｅｃ間（時間刻み幅０．２ｆｓｅｃ×７
５万ステップ）の古典分子動力学計算により、構造緩和を行った。また、これら２つの構
造に対して動径分布関数ｇ（ｒ）を求めた。なお、動径分布関数ｇ（ｒ）とは、ある原子
から距離ｒ離れた位置において、他の原子が存在する確率密度を表す関数である。原子同
士の相関が無くなっていくと、ｇ（ｒ）は１に近づく。
【００４６】
上記の２つの計算モデルを、１５０ｐｓｅｃ間の古典分子動力学計算を行うことにより
得られた最終構造をそれぞれ、図１５（Ａ）、及び図１７（Ｂ）に示す。また、それぞれ
の構造における動径分布関数ｇ（ｒ）を図１８に示す。
【００４７】
図１５（Ａ）に示す単結晶モデルは安定で、最終構造においても結晶構造を保っている
が、図１７（Ｂ）に示す炭素（Ｃ）置換モデルは不安定で、時間経過とともに結晶構造が
崩れていき、アモルファス構造へと変化することが確認できる。また、図１８において、
各構造モデルの動径分布関数ｇ（ｒ）を比較すると、単結晶モデルでは、長距離でもピー
クがあり、長距離秩序があることがわかる。一方、炭素（Ｃ）置換モデルでは、０．７ｎ
ｍ近傍でピークが消え、長距離秩序がないことがわかる。
【００４８】
これらの計算結果により、ＩｎＧａＺｎＯ４に炭素（Ｃ）が含まれることによって、Ｉ
ｎＧａＺｎＯ４のアモルファス化が起こりやすくなることが示唆された。また、ＩｎＧａ
ＺｎＯ４に炭素（Ｃ）が含まれた状態で高温加熱を行っても、ＩｎＧａＺｎＯ４は結晶化
しないことが確認された。
【００４９】
このように、酸化物半導体膜にシリコン及び炭素などの不純物が取り込まれると結晶化
が阻害されるため、本実施の形態に示す半導体装置においては、シリコン及び炭素などの
不純物が少ない領域を設ける構成とする。
【００５０】
具体的には、図１（Ｂ）において、酸化物半導体膜１０６は、下地絶縁膜１０４との界
面から５ｎｍ以下の範囲に領域１０６ａを有し、領域１０６ａ以外の領域として、領域１
０６ｂを有する。
【００５１】
このように、酸化物半導体膜１０６の領域１０６ａに取り込まれるシリコン、及び炭素
などの不純物濃度を低減することにより、トランジスタ１５０の電気特性の変動を抑制す
ることができる。また、酸化物半導体膜１０６をＣＡＡＣ−ＯＳ膜とする場合、下地絶縁
膜１０４との界面近傍まで、結晶部を形成することができる。このような酸化物半導体膜
１０６を用いてトランジスタ１５０を作製することにより、安定した電気特性を有する半
導体装置とすることができる。
【００５２】
なお、その他の構成要素の詳細については、後述するトランジスタ１５０の作製方法に
おいて、図２、及び図３を用いて説明する。
【００５３】
〈トランジスタ１５０の作製方法〉
以下、図２、及び図３を用いて、本実施の形態に係る図１に示すトランジスタ１５０の
作製方法の一例について説明する。
【００５４】
まず、基板１０２を準備する。基板１０２に使用することができる基板に大きな制限は
ないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる
。例えば、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、セ
ラミック基板、石英基板、サファイア基板などの基板を用いることができる。また、シリ
コンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム
などの化合物半導体基板、ＳＯＩ基板などを適用することも可能である。
【００５５】
また、基板１０２として、可撓性基板を用いてもよい。可撓性基板を用いる場合、可撓
性基板上に酸化物半導体膜１０６を含むトランジスタを直接作製してもよいし、他の作製
基板に酸化物半導体膜１０６を含むトランジスタを作製し、その後可撓性基板に剥離、転
置してもよい。なお、作製基板から可撓性基板に剥離、転置するために、作製基板と酸化
物半導体膜１０６を含むトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。
【００５６】
次に、基板１０２上に下地絶縁膜１０４を形成する（図２（Ａ）参照）。下地絶縁膜１
０４は、基板１０２からの水素、水分などの不純物元素の拡散を防止する効果があり、シ
リコンを含む絶縁膜である酸化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、または酸化窒化シリコ
ン膜から選ばれた一、または複数の膜による積層構造により形成することができる。
【００５７】
また、下地絶縁膜１０４のその他の効果としては、のちに形成される酸化物半導体膜１
０６に酸素を供給することができる。例えば、下地絶縁膜１０４として、シリコンを含む
絶縁膜、特に酸化シリコン膜を用いた場合、当該下地絶縁膜１０４を加熱することにより
酸素の一部を脱離させることができるので、酸化物半導体膜１０６に酸素を供給し、酸化
物半導体膜１０６中の酸素欠損を補填することができる。特に、下地絶縁膜１０４中に少
なくとも化学量論的組成を超える量の酸素が存在することが好ましく、例えば、下地絶縁
膜１０４として、ＳｉＯ２＋α（ただし、α＞０）で表される酸化シリコン膜を用いるこ
とが好ましい。このような酸化シリコン膜を下地絶縁膜１０４として用いることで、酸化
物半導体膜１０６に酸素を供給することができ、当該酸化物半導体膜１０６を用いたトラ
ンジスタ１５０のトランジスタ特性を良好にすることができる。
【００５８】
また、下地絶縁膜１０４を形成する前に、基板１０２に対してプラズマ処理等を行って
も良い。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
１０２側にＲＦ電源を用いて電圧を印加して基板１０２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、基板１０２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。
【００５９】
次に、下地絶縁膜１０４上に酸化物半導体膜を成膜し、フォトリソグラフィ工程、及び
エッチング工程を行い酸化物半導体膜１０６を形成する（図２（Ｂ）参照）。また、酸化
物半導体膜１０６は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜とすることが好ましい。なお、下地絶縁膜１０４
、及び酸化物半導体膜１０６は、大気に触れさせることなく連続して成膜するのが好まし
い。
【００６０】
ここで、酸化物半導体膜１０６に用いることができるＣＡＡＣ−ＯＳ膜について、以下
詳細な説明を行う。
【００６１】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、完全な単結晶ではなく、完全な非晶質でもない。ＣＡＡＣ−ＯＳ
膜は、非晶質相に結晶部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体膜である。なお、
当該結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。また
、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒ
ｏｓｃｏｐｅ）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。
【００６２】
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。
【００６３】
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、ＣＡ
ＡＣ−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、Ｃ
ＡＡＣ−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。
【００６４】
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。
【００６５】
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トランジスタ
の電気特性の変動を低減することが可能である。また、しきい値の変動、及びバラツキを
抑制できる。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。
【００６６】
また、結晶性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る。
さらに、結晶性を有する酸化物半導体膜表面の平坦性を高めることによって、該酸化物半
導体を用いたトップゲート構造のトランジスタは、アモルファス状態の酸化物半導体を用
いたトランジスタ以上の電界効果移動度を得ることができる。酸化物半導体膜表面の平坦
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０．１５ｎｍ以下、好ましくは０．１ｎｍ以下の表面上に形成
するとよい。
【００６７】
なお、Ｒａとは、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１：２００１（ＩＳＯ４２８７：１９９７）で定
義されている算術平均粗さを曲面に対して適用できるよう三次元に拡張したものであり、
「基準面から指定面までの偏差の絶対値を平均した値」で表現でき、以下の式にて定義さ
れる。
【００６８】
【数１】
2020145463.tif 000003
【００６９】
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。
【００７０】
また、酸化物半導体膜１０６に用いる酸化物半導体としては、少なくともインジウム（
Ｉｎ）あるいは亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。特にＩｎとＺｎを含むことが好まし
い。また、該酸化物半導体膜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）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、スカンジウム（Ｓｃ
）、イットリウム（Ｙ）、ランタノイド（例えば、セリウム（Ｃｅ）、ネオジム（Ｎｄ）
、ガドリニウム（Ｇｄ））から選ばれた一種、または複数種が含まれていることが好まし
い。
【００７１】
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、Ｉｎ−Ｚｎ系酸
化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸
化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯ
とも表記する）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−
Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚ
ｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｚｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｉ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｃ−Ｚｎ
系酸化物、Ｉｎ−Ｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸
化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化
物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物
、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、
Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉ
ｎ−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、Ｉ
ｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を用いることができる。
【００７２】
ここで、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分として有する酸化
物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外
の金属元素が入っていてもよい。
【００７３】
また、酸化物半導体として、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０、且つ、ｍは整数でない
）で表記される材料を用いてもよい。なお、Ｍは、Ｇａ、Ｆｅ、Ｍｎ及びＣｏから選ばれ
た一の金属元素または複数の金属元素、若しくは上記のスタビライザーとしての元素を示
す。また、酸化物半導体として、Ｉｎ２ＳｎＯ５（ＺｎＯ）ｎ（ｎ＞０、且つ、ｎは整数
）で表記される材料を用いてもよい。
【００７４】
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２、あるいはＩ
ｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：１：３の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物やその比率に近傍す
る酸化物を用いるとよい。
【００７５】
また、酸化物半導体膜１０６の成膜工程において、酸化物半導体膜１０６に水素、また
は水がなるべく含まれないことが好ましい。例えば、酸化物半導体膜１０６の成膜工程の
前処理として、スパッタリング装置の予備加熱室で下地絶縁膜１０４が形成された基板１
０２を予備加熱し、基板１０２、及び下地絶縁膜１０４に吸着した水素、水分などの不純
物を脱離し排気することが好ましい。また、酸化物半導体膜１０６の成膜時、残留水分が
排気された成膜室（成膜チャンバーともいう）で行うことが好ましい。
【００７６】
なお、予備加熱室、及び成膜室の水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプ、例え
ば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ま
しい。また、排気手段は、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい
。クライオポンプを用いて排気した、予備加熱室、及び成膜室は、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、酸化物半導体膜１０６に含まれる水素、水分などの不純物の濃度を低減で
きる。
【００７７】
なお、本実施の形態では、酸化物半導体膜１０６としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物をス
パッタリング法により成膜する。また、酸化物半導体膜１０６は、希ガス（代表的にはア
ルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、または希ガスと酸素の混合雰囲気下においてスパッタ
リング法により形成することができる。
【００７８】
酸化物半導体膜１０６として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物をスパッタリング法で作製す
るためのターゲットとしては、例えば、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の金属
酸化物ターゲットや、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２の金属酸化物ターゲット
や、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：１：３の金属酸化物ターゲットを用いることがで
きる。ただし、酸化物半導体膜１０６に用いることのできるターゲットは、これらのター
ゲットの材料、及び組成に限定されるものではない。
【００７９】
また、酸化物半導体膜１０６を上述した金属酸化物ターゲットを用いて形成した場合、
ターゲットの組成と、基板上に形成される薄膜の組成と、が異なる場合がある。例えば、
Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１［ｍｏｌ比］の金属酸化物ターゲットを用
いた場合、成膜条件にも依存するが、薄膜である酸化物半導体膜１０６の組成は、Ｉｎ２
Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：０．６〜０．８［ｍｏｌ比］となる場合がある。こ
れは、酸化物半導体膜１０６の成膜中において、ＺｎＯが昇華する、またはＩｎ２Ｏ３、
Ｇａ２Ｏ３、ＺｎＯの各成分のスパッタリングレートが異なるためだと考えられる。
【００８０】
したがって、所望の組成の薄膜を形成したい場合においては、予め金属酸化物ターゲッ
トの組成を調整する必要がある。例えば、薄膜である酸化物半導体膜１０６の組成を、Ｉ
ｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１［ｍｏｌ比］とする場合においては、金属酸
化物ターゲットの組成を、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１．５［ｍｏｌ比
］とすればよい。すなわち、金属酸化物ターゲットのＺｎＯの含有量を予め多くすればよ
い。ただし、ターゲットの組成は、上記数値に限定されず、成膜条件や、形成される薄膜
の組成により適宜調整することができる。また、金属酸化物ターゲットのＺｎＯの含有量
を多くすることにより、得られる薄膜の結晶性が向上するため好ましい。
【００８１】
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膜１０６は緻密な膜とすることができる。
【００８２】
また、酸化物半導体膜１０６を成膜する際に用いるスパッタリングガスとしては、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。
【００８３】
酸化物半導体膜１０６として、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を適用する場合、該ＣＡＡＣ−ＯＳ膜
を形成する方法としては、三つ挙げられる。一つめは、成膜温度を１００℃以上４５０℃
以下として酸化物半導体膜の成膜を行うことで、酸化物半導体膜に含まれる結晶部のｃ軸
が、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ように形成す
る方法である。二つめは、酸化物半導体膜を薄い膜厚で成膜した後、２００℃以上７００
℃以下の熱処理を行うことで、酸化物半導体膜に含まれる結晶部のｃ軸が、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ように形成する方法である。三
つめは、一層目の酸化物半導体膜を薄く成膜した後、２００℃以上７００℃以下の熱処理
を行い、さらに二層目の酸化物半導体膜の成膜を行うことで、酸化物半導体膜に含まれる
結晶部のｃ軸が、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
ように形成する方法である。
【００８４】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、例えば、多結晶である酸化物半導体スパッタリング用ター
ゲットを用い、スパッタリング法によって成膜する。当該スパッタリング用ターゲットに
イオンが衝突すると、スパッタリング用ターゲットに含まれる結晶領域がａｂ面から劈開
し、ａｂ面に平行な面を有する平板状またはペレット状のスパッタリング粒子として剥離
することがある。この場合、当該平板状のスパッタリング粒子が、結晶状態を維持したま
ま基板に到達することで、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜することができる。
【００８５】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜するために、以下の条件を適用することが好ましい。
【００８６】
成膜時の不純物混入を低減することで、不純物によって結晶状態が崩れることを抑制で
きる。例えば、成膜室内に存在する不純物濃度（水素、水、二酸化炭素および窒素など）
を低減すればよい。また、成膜ガス中の不純物濃度を低減すればよい。具体的には、露点
が−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下である成膜ガスを用いる。
【００８７】
また、成膜時の基板加熱温度を高めることで、基板到達後にスパッタリング粒子のマイ
グレーションが起こる。具体的には、基板加熱温度を１００℃以上７４０℃以下、好まし
くは１５０℃以上５００℃以下として成膜する。成膜時の基板加熱温度を高めることで、
平板状のスパッタリング粒子が基板に到達した場合、基板上でマイグレーションが起こり
、スパッタリング粒子の平らな面が基板に付着する。
【００８８】
また、成膜ガス中の酸素割合を高め、電力を最適化することで成膜時のプラズマダメー
ジを軽減すると好ましい。成膜ガス中の酸素割合は、３０体積％以上、好ましくは１００
体積％とする。
【００８９】
なお、酸化物半導体膜１０６として、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜以外の結晶性を有する酸化物半
導体膜（単結晶または微結晶）を成膜する場合には、成膜温度は特に限定されない。
【００９０】
なお、スパッタリング法を用いて酸化物半導体膜１０６を成膜する場合、酸化物半導体
膜１０６を構成する元素などが下地絶縁膜１０４に対して衝突すると、下地絶縁膜１０４
を構成する元素が酸化物半導体膜１０６中に混入してしまう。なお、この混入する現象を
本明細書等において、以下ミキシング、ミキシング効果と記す場合がある。また、図２（
Ｂ）において、酸化物半導体膜１０６にミキシングにより生じた領域を領域１０６ａと示
し、酸化物半導体膜１０６の領域１０６ａ以外を領域１０６ｂと示す。
【００９１】
このミキシングは、下地絶縁膜１０４との界面近傍の酸化物半導体膜１０６中、具体的
には、上述の領域１０６ａにおいて、特に顕著に生じる。酸化物半導体膜１０６中に下地
絶縁膜１０４を構成する元素が混入すると、酸化物半導体膜１０６の高抵抗化が生じ、ト
ランジスタの電気特性の一であるオン電流、または電界効果移動度を低下させる要因とな
り得る。また、酸化物半導体膜１０６をＣＡＡＣ−ＯＳ膜とする場合、下地絶縁膜１０４
近傍の酸化物半導体膜１０６の結晶化が阻害される。
【００９２】
ここで、下地絶縁膜１０４上に酸化物半導体膜１０６を成膜する際に、下地絶縁膜１０
４と酸化物半導体膜１０６との界面近傍においてミキシングが起こる可能性について、古
典分子動力学計算により調査した結果について、図１９乃至図２１を用いて説明する。な
お、上記計算を行うため古典分子動力学計算ソフトウェアとして、富士通株式会社製ＳＣ
ＩＧＲＥＳＳ  ＭＥを用いた。
【００９３】
下地絶縁膜としてアモルファス酸化シリコン膜（以下、ａ−ＳｉＯ２と記す。）を用い
て、図１９に示すモデルを作製した。計算に係る単位胞（計算単位胞）のサイズは、ｘ軸
方向に３ｎｍ、ｙ軸方向に３ｎｍ、ｚ軸方向に７．５ｎｍとした。ここで、ｘ軸、及びｙ
軸は、ａ−ＳｉＯ２膜に平行な方向であり、ｚ軸は、ａ−ＳｉＯ２膜の膜厚方向である。
なお、計算に当たって、ｘ軸方向、及びｙ軸方向に周期境界条件を適用することで、ｘ軸
方向、及びｙ軸方向に十分広い膜を想定することとした。
【００９４】
次に、ａ−ＳｉＯ２膜上に、酸化物半導体膜としてＩＧＺＯ膜（Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎを含
む酸化物）を想定し、１ｅＶのエネルギーをもつＩｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｏを、１：１：１：
４の割合（合計８４０原子）で、上方（図１９中、原子発生）から下方に向かって入射さ
せ、温度を３００℃、時間を２ｎｓｅｃ（時間刻み幅０．２ｆｓ×１０００万ステップ）
として古典分子動力学計算を行った。
【００９５】
図２０、及び図２１に、上記計算の結果を示す。図２０（Ａ）に、０ｓｅｃにおける酸
素（Ｏ）原子、及びシリコン（Ｓｉ）原子の配置を示し、図２０（Ｂ）に、１ｎｓｅｃ後
の酸素（Ｏ）原子、シリコン（Ｓｉ）原子、ガリウム（Ｇａ）原子、及び亜鉛（Ｚｎ）原
子の配置を示し、図２０（Ｃ）に、２ｎｓｅｃ後の酸素（Ｏ）原子、シリコン（Ｓｉ）原
子、ガリウム（Ｇａ）原子、及び亜鉛（Ｚｎ）原子の配置を示す。また、図２１（Ａ）は
、２ｎｓｅｃ後の酸素（Ｏ）原子、シリコン（Ｓｉ）原子、ガリウム（Ｇａ）原子、及び
亜鉛（Ｚｎ）原子の配置を示し、図２１（Ｂ）に、２ｎｓｅｃ後のシリコン（Ｓｉ）原子
のみの配置を示し、図２１（Ｃ）に、２ｎｓｅｃ後のインジウム（Ｉｎ）原子、ガリウム
（Ｇａ）原子、及び亜鉛（Ｚｎ）原子の配置を示す。
【００９６】
図２１（Ｂ）に示すシリコン（Ｓｉ）原子のみの配置と、図２１（Ｃ）に示すインジウ
ム（Ｉｎ）原子、ガリウム（Ｇａ）原子、及び亜鉛（Ｚｎ）原子の配置とを比較すること
によって、シリコン（Ｓｉ）原子の層に、インジウム（Ｉｎ）原子、ガリウム（Ｇａ）原
子、及び亜鉛（Ｚｎ）原子が浸入していることが確認された。
【００９７】
上記計算の結果から、１ｅＶのエネルギーをもつインジウム（Ｉｎ）原子、ガリウム（
Ｇａ）原子、亜鉛（Ｚｎ）原子、および酸素（Ｏ）原子を、ａ−ＳｉＯ２膜に入射させる
ことより、ａ−ＳｉＯ２膜とＩＧＺＯ膜との間に、シリコン（Ｓｉ）原子、インジウム（
Ｉｎ）原子、ガリウム（Ｇａ）原子、亜鉛（Ｚｎ）原子、および酸素（Ｏ）原子とが混合
した層が形成されることが示された。
【００９８】
以上の結果から、下地絶縁膜１０４と酸化物半導体膜１０６とが混合した層を形成させ
ないためには、酸化物半導体膜１０６を構成する元素が下地絶縁膜１０４に衝突する際の
エネルギーを小さくすることが有効である。例えば、スパッタリング法を用い、酸化物半
導体膜１０６の成膜時において、成膜電力を低くする、成膜圧力を高くする方法がある。
または、ターゲットと被成膜基板間の距離（以下、Ｔ−Ｓ間距離とも記載する。）を広げ
てもよい。
【００９９】
なお、上述のようにスパッタリングによるミキシングは、下地絶縁膜１０４との界面近
傍の酸化物半導体膜１０６中において発生しうる。よって、酸化物半導体膜１０６を構成
する元素が下地絶縁膜１０４に衝突する際のエネルギーを小さくしてスパッタリングを行
って、ミキシング効果を低減して当該界面近傍の酸化物半導体膜を成膜してしまえば、そ
の後は衝突する際のエネルギーを大きくしてもよい。
【０１００】
例えば、酸化物半導体膜１０６の成膜時において、成膜電力を低くして下地絶縁膜１０
４との界面近傍の酸化物半導体膜を成膜し、それから成膜電力を高くして酸化物半導体膜
を成膜してもよい。また、成膜圧力を高くして下地絶縁膜１０４との界面近傍の酸化物半
導体膜を成膜し、それから成膜圧力を低くして酸化物半導体膜を成膜してもよい。また、
Ｔ−Ｓ間距離（ターゲットと基板間距離）を広くして下地絶縁膜１０４との界面近傍の酸
化物半導体膜を成膜し、それからＴ−Ｓ間距離を狭くして酸化物半導体膜を成膜してもよ
い。
【０１０１】
成膜電力の具体的な数値としては、５ｋＷ以下、好ましくは１ｋＷ以下、より好ましく
は５００Ｗ以下、更に好ましくは２００Ｗ以下とすることが望ましい。なお、成膜電力を
下げるほど酸化物半導体膜１０６の成膜レートが低下してしまう。また、成膜電力が非常
に低いと、スパッタリング装置内でプラズマが発生しにくくなり、正常に成膜処理が行え
なくなる可能性が高まる。このため、成膜電力は、使用するスパッタリング装置で印加す
ることのできる最大電力の５％以上とすることが望ましい。成膜電力をどの程度まで下げ
るかについては、スパッタリング装置の性能や酸化物半導体膜１０６の膜厚などを鑑み、
成膜を正常に行うことができ、かつ、成膜時間がトランジスタ１５０の作製工程（タクト
タイム）に対して重大な影響を及ぼさない範囲で、実施者が適宜最適な電力値を選択すれ
ばよい。
【０１０２】
また、成膜圧力の具体的な数値としては、０．４Ｐａ以上、好ましくは１．０Ｐａ以上
、より好ましくは２．０Ｐａ以上、更に好ましくは５．０Ｐａ以上とすることが望ましい
。なお、成膜圧力を高くするほど、成膜される膜の膜質が悪化する（例えば、膜質が疎に
なる。）傾向がある。このため、成膜圧力は１００Ｐａ以下とすることが望ましい。成膜
圧力をどの程度まで高めるかについては、酸化物半導体膜１０６に必要とされる特性（例
えば、電界効果移動度など）を鑑み、実施者が適宜最適な圧力値を選択すればよい。
【０１０３】
また、Ｔ−Ｓ間距離の具体的な数値としては、３０ｍｍ以上、好ましくは５０ｍｍ以上
、より好ましくは１００ｍｍ以上、更に好ましくは３００ｍｍ以上とすることが望ましい
。なお、Ｔ−Ｓ間距離を広くするほど酸化物半導体膜１０６の成膜レートが低下してしま
う。このため、Ｔ−Ｓ間距離は５００ｍｍ以下とすることが望ましい。Ｔ−Ｓ間距離をど
の程度まで広げるかについては、成膜時間がトランジスタ１５０の作製工程（タクトタイ
ム）に対して重大な影響を及ぼさない範囲で、実施者が適宜最適なＴ−Ｓ間距離を選択す
ればよい。
【０１０４】
なお、酸化物半導体膜１０６を構成する元素が下地絶縁膜１０４に衝突する際のエネル
ギーを小さくするためには、成膜電力、成膜圧力、またはＴ−Ｓ間距離のいずれか一つの
条件を上述の範囲として酸化物半導体膜１０６を成膜してもよいし、複数の条件を上述の
範囲として酸化物半導体膜１０６を成膜してもよい。
【０１０５】
なお、スパッタリング装置として、ターゲット（酸化物半導体膜１０６の成膜に用いる
ターゲット）と被成膜基板が略平行に設置されたマグネトロン方式スパッタリング装置（
単に、マグネトロンスパッタ装置とも言う。）を用いた場合、下地絶縁膜１０４には、酸
化物半導体膜１０６を構成する元素以外にもプラズマや二次電子なども衝突するため、下
地絶縁膜１０４を構成する元素が酸化物半導体膜１０６中に非常に混入しやすい状態にあ
ると言える。このため、酸化物半導体膜１０６を成膜するスパッタリング装置としては、
対向ターゲット式スパッタリング装置（ミラートロンスパッタリング装置とも言う。）を
用いてもよい。当該スパッタリング装置は、２枚のターゲットが対向する状態に設置され
、被成膜基板は２枚のターゲットに挟まれた空間以外の場所に、ターゲットに対して概垂
直な状態に設置されている。そして、対向する２枚のターゲット間に高密度のプラズマを
生成し、当該プラズマによりターゲット表面がスパッタリングされることで、被成膜基板
に酸化物半導体膜１０６が成膜される。このため、被成膜基板はプラズマや二次電子に直
接晒されることがない（または非常に少ない）。
【０１０６】
また、酸化物半導体膜１０６のスパッタリング成膜を希ガス雰囲気で行う場合、アルゴ
ンの代わりにヘリウムを用いてもよい。アルゴンより質量数の小さいヘリウムを用いるこ
とにより、酸化物半導体膜１０６を構成する元素が下地絶縁膜１０４に衝突する際のエネ
ルギーを小さくすることができる。さらに、酸化物半導体膜１０６の下地絶縁膜１０４と
の界面近傍の成膜をヘリウム雰囲気で行った後、成膜室内をアルゴン雰囲気に切り替える
ことにより、酸化物半導体膜１０６の成膜スピードを向上させることができる。
【０１０７】
また、酸化物半導体膜１０６を、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔ
ｉｏｎ）法、蒸着法、塗布法などの下地絶縁膜１０４への衝撃が弱い方法で成膜してもよ
い。
【０１０８】
以上のように、酸化物半導体膜１０６を構成する元素が下地絶縁膜１０４に衝突する際
のエネルギーを小さくして酸化物半導体膜１０６を成膜することで、上述のように酸化物
半導体膜１０６において、下地絶縁膜１０４との界面から酸化物半導体膜１０６に向けて
シリコン濃度が１．０原子％以下、さらに好ましくは０．１原子％以下の濃度で分布する
領域１０６ａが形成される。ここで、領域１０６ｂとは、酸化物半導体膜１０６の領域１
０６ａ以外の領域のことである。
【０１０９】
また、このようにして酸化物半導体膜１０６を成膜することで下地絶縁膜１０４中に含
まれる炭素などの不純物が酸化物半導体膜１０６に混入することも低減されるので、領域
１０６ａに含まれる炭素濃度は、１．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好まし
くは１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下となる。
【０１１０】
また、酸化物半導体膜１０６として、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜とする場合、領域１０６ａに取
り込まれるシリコンなどの不純物を低減することによって、ｃ軸が下地絶縁膜１０４表面
の法線ベクトルに平行な方向に揃う結晶部を、下地絶縁膜１０４との界面から形成するこ
とができる。
【０１１１】
また、酸化物半導体膜１０６の形成後、酸化物半導体膜１０６に対して、熱処理を行っ
てもよい。当該熱処理の温度は、３００℃以上７００℃以下、または基板の歪み点未満と
する。当該熱処理を行うことで、過剰な水素（水や水酸基を含む）を除去することが可能
である。なお、当該熱処理は、本明細書等において、脱水化処理（脱水素化処理）と記す
場合がある。
【０１１２】
当該熱処理は、例えば、抵抗発熱体などを用いた電気炉に被処理物を導入し、窒素雰囲
気下、４５０℃、１時間の条件で行うことができる。この間、酸化物半導体膜１０６は大
気に触れさせず、水や水素の混入が生じないようにする。
【０１１３】
熱処理装置は、電気炉に限られず、加熱されたガスなどの媒体からの熱伝導、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良い。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熱処理を行う装置である。ガスとしては、アル
ゴンなどの希ガス、または窒素のような、熱処理によって被処理物と反応しない不活性気
体が用いられる。
【０１１４】
例えば、当該熱処理として、熱せられた不活性ガス雰囲気中に被処理物を投入し、数分
間熱した後、当該不活性ガス雰囲気から被処理物を取り出すＧＲＴＡ処理を行ってもよい
。ＧＲＴＡ処理を用いると短時間での高温熱処理が可能となる。また、被処理物の耐熱温
度を超える温度条件であっても適用が可能となる。なお、処理中に、不活性ガスを、酸素
を含むガスに切り替えても良い。
【０１１５】
なお、不活性ガス雰囲気としては、窒素、または希ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン
等）を主成分とする雰囲気であって、水、水素などが含まれない雰囲気を適用するのが望
ましい。例えば、熱処理装置に導入する窒素や、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
（すなわち、不純物濃度が１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とする。
【０１１６】
また、上述の脱水化処理（脱水素化処理）を行うと、酸化物半導体膜を構成する主成分
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。よって、脱水化処理（脱水素化処理）を行
った場合、酸化物半導体膜１０６中に、酸素を供給することが好ましい。酸化物半導体膜
１０６中に酸素を供給することにより、膜中の酸素欠損を補填することができる。
【０１１７】
酸化物半導体膜１０６中の酸素欠損を補填する方法の一例としては、酸化物半導体膜１
０６に対して脱水化処理（脱水素化処理）を行った後、同じ炉に高純度の酸素ガス、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）を導入すればよい。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（９９．９９９
９％）以上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）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。
【０１１８】
また、酸化物半導体膜１０６中に酸素を供給する方法の一例としては、酸化物半導体膜
１０６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）
を添加することで、酸化物半導体膜１０６中に酸素を供給してもよい。酸素の添加方法と
しては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテ
ーション法、プラズマ処理などを用いる。
【０１１９】
また、酸化物半導体膜１０６中に酸素を供給する方法の一例としては、下地絶縁膜１０
４、または後に形成されるゲート絶縁膜１０８等を加熱することにより、酸素の一部を脱
離させ、酸化物半導体膜１０６に酸素を供給してもよい。
【０１２０】
上述のように、酸化物半導体膜１０６の形成後において、脱水化処理（脱水素化処理）
を行い酸化物半導体膜１０６から、水素、または水分を除去して不純物が極力含まれない
ように高純度化し、脱水化処理（脱水素化処理）によって同時に減少してしまった酸素を
酸化物半導体に加える、または過剰な酸素を供給し酸化物半導体膜１０６の酸素欠損を補
填することが好ましい。また、本明細書等において、酸化物半導体膜１０６に酸素を供給
する場合を、加酸素化処理、または過酸素化処理と記す場合がある。
【０１２１】
なお、上述の方法では、酸化物半導体膜１０６を島状に加工した後に脱水化処理（脱水
素化処理）、および加酸素化処理を行う構成について説明したが、開示する発明の一態様
はこれに限定して解釈されない。酸化物半導体膜１０６を島状に加工する前に、当該処理
を行ってもよい。また、後に形成される絶縁膜１１４の形成後に、加熱処理を行い、下地
絶縁膜１０４、またはゲート絶縁膜１０８等から、酸化物半導体膜１０６に酸素を供給し
てもよい。
【０１２２】
このように、酸化物半導体膜１０６は、脱水化処理（脱水素化処理）により、水素また
は水分が除去され、加酸素化処理により酸素欠損を補填することによって、ｉ型（真性）
化またはｉ型に限りなく近い酸化物半導体膜１０６とすることができる。このような酸化
物半導体膜１０６中には、ドナーに由来するキャリアが極めて少なく（ゼロに近い）、キ
ャリア濃度は１×１０１４／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１２／ｃｍ３未満、さらに
好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満である。
【０１２３】
次に、酸化物半導体膜１０６上に絶縁膜１０７を形成する（図２（Ｃ）参照）。ここで
、絶縁膜１０７の膜厚は、例えば１ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることができる。また、
絶縁膜１０７の作製方法に特に限定はないが、例えば、スパッタリング法、ＭＢＥ法、Ｃ
ＶＤ法、パルスレーザ堆積法、ＡＬＤ法等を適宜用いて絶縁膜１０７を作製することがで
きる。なお、絶縁膜１０７は、のちに加工しゲート絶縁膜１０８となる絶縁膜である。
【０１２４】
絶縁膜１０７の材料としては、酸化シリコン、酸化ガリウム、酸化アルミニウム、窒化
シリコン、酸化窒化シリコン、酸化窒化アルミニウム、または窒化酸化シリコン等を用い
ることができる。絶縁膜１０７は、酸化物半導体膜１０６と接する部分において酸素を含
むことが好ましい。特に、絶縁膜１０７は、膜中に少なくとも化学量論的組成を超える量
の酸素が存在することが好ましく、例えば、絶縁膜１０７として、酸化シリコン膜を用い
る場合には、ＳｉＯ２＋α（ただし、α＞０）とすることが好ましい。本実施の形態では
、絶縁膜１０７として、ＳｉＯ２＋α（ただし、α＞０）である酸化シリコン膜を用いる
。この酸化シリコン膜を絶縁膜１０７として用いることで、下地絶縁膜１０４と同様に、
酸化物半導体膜１０６に酸素を供給することができ、電気特性を良好にすることができる
。
【０１２５】
また、絶縁膜１０７の材料として酸化ハフニウム、酸化イットリウム、ハフニウムシリ
ケート（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムシリケート
（ＨｆＳｉＯｘＮｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、ハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙ（
ｘ＞０、ｙ＞０））、酸化ランタンなどのｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることでゲートリーク
電流を低減できる。さらに、絶縁膜１０７は、単層構造としても良いし、積層構造として
も良い。
【０１２６】
次に、絶縁膜１０７上に、ゲート電極（これと同じ層で形成される配線を含む）となる
導電膜１０９を成膜する（図２（Ｄ）参照）。ゲート電極となる導電膜１０９としては、
例えば、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、
スカンジウム等の金属材料、またはこれらを主成分とする合金材料を用いることができる
。また、ゲート電極に用いる導電膜１０９としては、導電性の金属酸化物を用いて形成し
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（Ｓｎ
Ｏ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、インジウムスズ酸化物（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２、ＩＴＯと
略記する場合がある）、インジウム亜鉛酸化物（Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ）、または、これら
の金属酸化物材料にシリコン、または酸化シリコンを含有させたものを用いることができ
る。ゲート電極に用いる導電膜１０９は、上記の材料を用いて単層、または積層して形成
することができる。形成方法も特に限定されず、蒸着法、ＣＶＤ法、スパッタリング法、
スピンコート法などの各種成膜方法を用いることができる。
【０１２７】
次に、フォトリソグラフィ工程により導電膜１０９上にレジストマスクを形成し、選択
的にエッチングを行って、ゲート電極１１０を形成した後、レジストマスクを除去する。
続いて、ゲート電極１１０をマスクとして、絶縁膜１０７をエッチングし、ゲート電極１
１０の下部以外の絶縁膜１０７を除去し、ゲート絶縁膜１０８を形成する（図３（Ａ）参
照）。
【０１２８】
なお、ゲート電極１１０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。なお、ゲート電極１１０、及びゲート絶縁膜１０８のエッ
チングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよく、両方を用いてもよい。
【０１２９】
次に、酸化物半導体膜１０６上に、ソース電極、及びドレイン電極（これと同じ層で形
成される配線を含む）に用いる導電膜を成膜する。ソース電極、及びドレイン電極に用い
る導電膜としては、例えば、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン
、タングステンから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒
化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等を用いることができ
る。また、アルミニウム、銅などの金属膜の下側、または上側の一方、または双方にチタ
ン、モリブデン、タングステンなどの高融点金属膜、またはそれらの金属窒化物膜（窒化
チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）を積層させた構成としても良い。ま
た、ソース電極、及びドレイン電極に用いる導電膜は、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）、インジウムスズ酸化物（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２、ＩＴＯと略記
する）、インジウム亜鉛酸化物（Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ）を用いることができる。ソース電
極、及びドレイン電極に用いる導電膜は、上記の材料を用いて単層で又は積層して成膜す
ることができる。形成方法も特に限定されず、蒸着法、ＣＶＤ法、スパッタリング法、ス
ピンコート法などの各種成膜方法を用いることができる。
【０１３０】
そして、フォトリソグラフィ工程により導電膜上にレジストマスクを形成し、選択的に
エッチングを行ってソース電極１１２ａ、及びドレイン電極１１２ｂを形成した後、レジ
ストマスクを除去することにより、トランジスタ１５０が形成される（図３（Ｂ）参照）
。
【０１３１】
なお、上記フォトリソグラフィ工程で用いるフォトマスク数、及び工程数を削減するた
め、透過した光が複数の強度となる露光マスクである多階調マスクによって形成されたレ
ジストマスクを用いてエッチング工程を行ってもよい。多階調マスクを用いて形成したレ
ジストマスクは、複数の膜厚を有する形状となり、エッチングを行うことでさらに形状を
変形することができるため、異なるパターンに加工する複数のエッチング工程に用いるこ
とができる。よって、一枚の多階調マスクによって、少なくとも二種類以上の異なるパタ
ーンに対応するレジストマスクを形成することができる。よって露光マスク数を削減する
ことができ、対応するフォトリソグラフィ工程数も削減できるため、工程の簡略化が可能
となる。
【０１３２】
次に、トランジスタ１５０上に絶縁膜１１４を形成する（図３（Ｃ）参照）。
【０１３３】
絶縁膜１１４としては、無機絶縁膜を用いることが好ましく、酸化シリコン膜、酸化窒
化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、酸化ガリウム膜、酸化ハ
フニウム膜などの酸化物絶縁膜を単層、または積層して用いればよい。また、上述の酸化
物絶縁膜上に、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、窒化酸化ア
ルミニウム膜などの窒化物絶縁膜の単層、または積層をさらに形成してもよい。例えば、
スパッタリング法を用いて、ゲート電極１１０側から順に酸化シリコン膜、及び酸化アル
ミニウム膜の積層を形成する。
【０１３４】
なお、絶縁膜１１４上に、さらに平坦化絶縁膜を設けても良い。平坦化絶縁膜としては
、アクリル系樹脂、ポリイミド系樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド系樹脂、
エポキシ系樹脂等の、耐熱性を有する有機材料を用いることができる。また上記有機材料
の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂等を用いることができる。
なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させてもよい。
【０１３５】
以上の工程でトランジスタ１５０が形成される。トランジスタ１５０は、酸化物半導体
膜１０６の領域１０６ａに取り込まれるシリコンなどの不純物濃度が低減されている。ま
た、酸化物半導体膜をＣＡＡＣ−ＯＳ膜とする場合、下地絶縁膜１０４との界面近傍まで
、結晶部を形成することができる。これにより、トランジスタ１５０を、安定した電気特
性を有するものとすることができる。
【０１３６】
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと
適宜組み合わせて用いることができる。
【０１３７】
（実施の形態２）
本実施の形態においては、実施の形態１の図１乃至図３に示した半導体装置、及び半導
体装置の作製方法の変形例について、図４乃至図６を用いて説明を行う。なお、図１乃至
図３で示した符号については、同様の符号を用い、その繰り返しの説明は省略する。
【０１３８】
〈半導体装置の構成例（変形例）〉
図４（Ａ）、及び図４（Ｂ）に、半導体装置の一例として、トップゲート構造のトラン
ジスタの平面図、および断面図を示す。図４（Ａ）は平面図であり、図４（Ｂ）は、図４
（Ａ）におけるＸ２−Ｙ２に係る断面図に相当する。なお、図４（Ａ）では、煩雑になる
ことを避けるため、トランジスタ１６０の構成要素の一部（例えば、ゲート絶縁膜１０８
など）を省略している。
【０１３９】
図４（Ａ）、及び図４（Ｂ）に示すトランジスタ１６０は、基板１０２上に、下地絶縁
膜１０４と、下地絶縁膜１０４上に形成された領域１０６ｃ、領域１０６ｄ、領域１０６
ｅ、及び領域１０６ｆを含む酸化物半導体膜１０６と、酸化物半導体膜１０６上に形成さ
れたゲート絶縁膜１０８と、ゲート絶縁膜１０８と接し、少なくとも酸化物半導体膜１０
６と重畳する領域に設けられたゲート電極１１０と、ゲート絶縁膜１０８、及びゲート電
極１１０上に形成された絶縁膜１１４と、絶縁膜１１４上に設けられ、酸化物半導体膜１
０６と電気的に接続されたソース電極１１２ａ、及びドレイン電極１１２ｂを含む。
【０１４０】
また、酸化物半導体膜１０６は、チャネル形成領域として機能する領域１０６ｃ、及び
領域１０６ｄを含み、さらに、酸化物半導体膜１０６は一対の低抵抗領域として機能する
領域１０６ｅ、及び領域１０６ｆを含む。
【０１４１】
酸化物半導体膜１０６の膜厚は、５ｎｍより大きく２００ｎｍ以下とし、好ましくは１
０ｎｍ以上３０ｎｍ以下とする。また、酸化物半導体膜１０６は、単結晶、または微結晶
などの結晶性を有する構造とすることが好ましい。
【０１４２】
なお、本実施の形態において、酸化物半導体膜１０６は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜とする。
【０１４３】
また、酸化物半導体膜１０６は、図４（Ｂ）に示すように、端部に２０°乃至５０°の
テーパーを有していることが好ましい。酸化物半導体膜１０６の端部が垂直であると酸化
物半導体膜１０６の端部から酸素が抜けやすく酸素欠損を生じやすいが、酸化物半導体膜
１０６の端部にテーパーを有することで酸素欠損の発生を抑制し、トランジスタ１６０の
リーク電流の発生を低減することができる。
【０１４４】
下地絶縁膜１０４は、基板１０２からの水素、水分などの不純物元素の拡散を防止する
機能、及び酸化物半導体膜１０６に酸素を供給する機能を有すると好ましい。例えば、下
地絶縁膜１０４として、酸化シリコン膜のようなシリコンを含む絶縁膜を用いるとよい。
また、下地絶縁膜１０４は、シリコンを含む単層構造、またはシリコン以外の構成元素を
含む絶縁膜と、シリコンを含む絶縁膜と、により２層以上の積層構造としてもよい。ただ
し、酸化物半導体膜１０６に接する下地絶縁膜１０４には酸化シリコン膜を設けることが
好ましい。酸化シリコン膜は、酸化物半導体膜１０６に好適に酸素を供給することができ
るためである。
【０１４５】
なお、下地絶縁膜１０４から酸化物半導体膜１０６に酸素を供給するとは、例えば、下
地絶縁膜１０４を加熱することにより、酸素の一部を脱離させ、酸化物半導体膜１０６に
酸素を供給し、酸化物半導体膜１０６の酸素欠損を補填することが挙げられる。特に、下
地絶縁膜１０４中に少なくとも化学量論的組成を超える量の酸素が存在することが好まし
く、例えば、下地絶縁膜１０４として、ＳｉＯ２＋α（ただし、α＞０）で表される酸化
シリコン膜を用いることが好ましい。このような酸化シリコン膜を下地絶縁膜１０４とし
て用いることで、酸化物半導体膜１０６に酸素を供給することができ、当該酸化物半導体
膜１０６を用いたトランジスタ１６０のトランジスタ特性を良好にすることができる。
【０１４６】
しかしながら、下地絶縁膜１０４として酸化シリコン膜を用いる場合、下地絶縁膜１０
４中のシリコンが不純物として酸化物半導体膜１０６に取り込まれるおそれがある。酸化
物半導体膜１０６にシリコンなどが不純物として取り込まれることにより、酸化物半導体
膜１０６が高抵抗化してしまい、トランジスタの電気特性の一であるオン電流、または電
界効果移動度の低下の要因になる。
【０１４７】
また、酸化物半導体膜１０６の被形成面近傍に不純物元素が取り込まれると、不純物元
素によって酸化物半導体膜１０６の結晶化が阻害されてしまう。そのため、酸化物半導体
膜１０６の被形成面近傍において非晶質領域が残存してしまう。また、酸化物半導体膜１
０６をＣＡＡＣ−ＯＳ膜とする場合には、被形成面近傍において、結晶部を形成すること
が困難となる。
【０１４８】
このように、酸化物半導体膜にシリコン及び炭素などの不純物が取り込まれると結晶化
が阻害されるため、本実施の形態に示す半導体装置においては、シリコン及び炭素などの
不純物が少ない領域を設ける構成とする。
【０１４９】
具体的には、図４（Ｂ）において、酸化物半導体膜１０６は、下地絶縁膜１０４との界
面から５ｎｍ以下の範囲に領域１０６ｃ及び領域１０６ｅを有し、領域１０６ｃ及び領域
１０６ｅ以外の領域として、領域１０６ｄ及び領域１０６ｆを有する。
【０１５０】
このように、酸化物半導体膜１０６の領域１０６ｃ、及び領域１０６ｅに取り込まれる
シリコン、及び炭素などの不純物濃度を低減することにより、トランジスタ１６０の電気
特性の変動を抑制することができる。また、酸化物半導体膜１０６をＣＡＡＣ−ＯＳ膜と
する場合、下地絶縁膜１０４との界面近傍まで、結晶部を形成することができる。このよ
うな酸化物半導体膜１０６を用いてトランジスタ１６０を作製することにより、安定した
電気特性を有する半導体装置とすることができる。
【０１５１】
なお、その他の構成要素の詳細については、後述するトランジスタ１６０の作製方法に
おいて、図５、及び図６を用いて説明する。
【０１５２】
〈トランジスタ１６０の作製方法〉
以下、図５、及び図６を用いて、本実施の形態に係る図４に示すトランジスタ１６０の
作製方法の一例について説明する。
【０１５３】
まず、基板１０２を準備する。基板１０２については、実施の形態１に記載した構成と
、同様の構成とすることができる。
【０１５４】
次に、基板１０２上に下地絶縁膜１０４を形成する（図５（Ａ）参照）。下地絶縁膜１
０４は、基板１０２からの水素、水分などの不純物元素の拡散を防止する機能があり、窒
化シリコン膜、酸化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、または酸化窒化シリコン膜から選
ばれた一、または複数の膜による積層構造により形成することができる。
【０１５５】
また、下地絶縁膜１０４のその他の効果としては、のちに形成される酸化物半導体膜１
０６に酸素を供給することができる。例えば、下地絶縁膜１０４として、シリコンを含む
絶縁膜、特に酸化シリコン膜を用いた場合、当該下地絶縁膜１０４を加熱することにより
酸素の一部を脱離させることができるので、酸化物半導体膜１０６に酸素を供給し、酸化
物半導体膜１０６中の酸素欠損を補填することができる。特に、下地絶縁膜１０４中に少
なくとも化学量論的組成を超える量の酸素が存在することが好ましく、例えば、下地絶縁
膜１０４として、ＳｉＯ２＋α（ただし、α＞０）で表される酸化シリコン膜を用いるこ
とが好ましい。このような酸化シリコン膜を下地絶縁膜１０４として用いることで、酸化
物半導体膜１０６に酸素を供給することができ、当該酸化物半導体膜１０６を用いたトラ
ンジスタ１６０のトランジスタ特性を良好にすることができる。
【０１５６】
また、下地絶縁膜１０４を形成する前に、基板１０２に対してプラズマ処理等を行って
も良い。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
１０２側にＲＦ電源を用いて電圧を印加して基板１０２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、基板１０２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。
【０１５７】
次に、下地絶縁膜１０４上に酸化物半導体膜を成膜し、フォトリソグラフィ工程、及び
エッチング工程を行い酸化物半導体膜１０６を形成する（図５（Ａ）参照）。また、酸化
物半導体膜１０６は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜とすることが好ましい。なお、下地絶縁膜１０４
、及び酸化物半導体膜１０６は、大気に触れさせることなく連続して成膜するのが好まし
い。
【０１５８】
なお、スパッタリング法を用いて酸化物半導体膜１０６を成膜する場合、酸化物半導体
膜１０６を構成する元素などが下地絶縁膜１０４に対して衝突すると、下地絶縁膜１０４
を構成する元素が酸化物半導体膜１０６中に混入してしまう（ミキシング、ミキシング効
果）。また、図５（Ａ）において、酸化物半導体膜１０６にミキシングにより生じた領域
を領域１０６ａと示し、酸化物半導体膜１０６の領域１０６ａ以外を領域１０６ｂと示す
。
【０１５９】
このミキシングは、下地絶縁膜１０４との界面近傍の酸化物半導体膜１０６中、具体的
には、上述の領域１０６ａにおいて、特に顕著に生じる。酸化物半導体膜１０６中に下地
絶縁膜１０４を構成する元素が混入すると、酸化物半導体膜１０６の高抵抗化が生じ、ト
ランジスタの電気特性の一であるオン電流、または電界効果移動度を低下させる要因とな
り得る。また、酸化物半導体膜１０６がＣＡＡＣ−ＯＳ膜とする場合、下地絶縁膜１０４
近傍の酸化物半導体膜１０６の結晶化が阻害される。
【０１６０】
酸化物半導体膜１０６に用いることのできる材料、及び成膜方法などについては、実施
の形態１に記載した構成と、同様の構成とすることができる。
【０１６１】
酸化物半導体膜１０６を構成する元素が下地絶縁膜１０４に衝突する際のエネルギーを
小さくして酸化物半導体膜１０６を成膜することで、上述のように酸化物半導体膜１０６
において、下地絶縁膜１０４との界面から酸化物半導体膜１０６に向けてシリコン濃度が
１．０原子％以下、さらに好ましくは０．１原子％以下の濃度で分布する領域１０６ａが
形成される。ここで、領域１０６ｂとは、酸化物半導体膜１０６の領域１０６ａ以外の領
域のことである。
【０１６２】
なお、本実施の形態において、領域１０６ａは、のちに領域１０６ｃ、及び領域１０６
ｅとなる部分であり、領域１０６ｂは、領域１０６ｄ、及び領域１０６ｆとなる部分であ
る。
【０１６３】
また、このようにして酸化物半導体膜１０６を成膜することで下地絶縁膜１０４中に含
まれる炭素などの不純物が酸化物半導体膜１０６に混入することも低減されるので、領域
１０６ａに含まれる炭素濃度は、１．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好まし
くは１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下となる。
【０１６４】
また、酸化物半導体膜１０６として、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜とする場合、領域１０６ａに取
り込まれるシリコンなどの不純物を低減することによって、ｃ軸が下地絶縁膜１０４表面
の法線ベクトルに平行な方向に揃う結晶部を、下地絶縁膜１０４との界面から形成するこ
とができる。
【０１６５】
また、酸化物半導体膜１０６の形成後、酸化物半導体膜１０６に対して、脱水化処理（
脱水素化処理）、または加酸素化処理を行っても良い。脱水化処理（脱水素化処理）、及
び加酸素化処理は、実施の形態１に記載した構成と、同様の構成とすることができる。
【０１６６】
次に、酸化物半導体膜１０６上にゲート絶縁膜１０８を形成する（図５（Ｂ）参照）。
ここで、ゲート絶縁膜１０８の膜厚は、例えば１ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることがで
きる。また、ゲート絶縁膜１０８の作製方法に特に限定はないが、例えば、スパッタリン
グ法、ＭＢＥ法、ＣＶＤ法、パルスレーザ堆積法、ＡＬＤ法等を適宜用いて作製すること
ができる。
【０１６７】
ゲート絶縁膜１０８の材料としては、酸化シリコン、酸化ガリウム、酸化アルミニウム
、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化窒化アルミニウム、または窒化酸化シリコン等
を用いることができる。ゲート絶縁膜１０８は、酸化物半導体膜１０６と接する部分にお
いて酸素を含むことが好ましい。特に、ゲート絶縁膜１０８は、膜中に少なくとも化学量
論的組成を超える量の酸素が存在することが好ましく、例えば、ゲート絶縁膜１０８とし
て、酸化シリコン膜を用いる場合には、ＳｉＯ２＋α（ただし、α＞０）とすることが好
ましい。本実施の形態では、ゲート絶縁膜１０８として、ＳｉＯ２＋α（ただし、α＞０
）である酸化シリコン膜を用いる。この酸化シリコン膜をゲート絶縁膜１０８として用い
ることで、下地絶縁膜１０４と同様に、酸化物半導体膜１０６に酸素を供給することがで
き、電気特性を良好にすることができる。
【０１６８】
また、ゲート絶縁膜１０８の材料として酸化ハフニウム、酸化イットリウム、ハフニウ
ムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムシリ
ケート（ＨｆＳｉＯｘＮｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、ハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘ
Ｏｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、酸化ランタンなどのｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることでゲート
リーク電流を低減できる。さらに、ゲート絶縁膜１０８は、単層構造としても良いし、積
層構造としても良い。
【０１６９】
次に、ゲート絶縁膜１０８上に、ゲート電極（これと同じ層で形成される配線を含む）
となる導電膜を成膜する。ゲート電極となる導電膜としては、例えば、モリブデン、チタ
ン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料
、またはこれらを主成分とする合金材料を用いることができる。また、ゲート電極に用い
る導電膜としては、導電性の金属酸化物を用いて形成しても良い。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）、イ
ンジウムスズ酸化物（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２、ＩＴＯと略記する場合がある）、インジウ
ム亜鉛酸化物（Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ）、または、これらの金属酸化物材料にシリコン、ま
たは酸化シリコンを含有させたものを用いることができる。ゲート電極に用いる導電膜は
、上記の材料を用いて単層、または積層して形成することができる。形成方法も特に限定
されず、蒸着法、ＣＶＤ法、スパッタリング法、スピンコート法などの各種成膜方法を用
いることができる。
【０１７０】
次に、フォトリソグラフィ工程により導電膜上にレジストマスクを形成し、選択的にエ
ッチングを行って、ゲート電極１１０を形成した後、レジストマスクを除去する（図５（
Ｃ）参照）。
【０１７１】
次に、ゲート電極１１０をマスクとして酸化物半導体膜１０６にドーパント１８１を導
入し、一対の低抵抗領域として機能する領域１０６ｅ、及び領域１０６ｆを形成する（図
５（Ｄ）参照）。なお、この段階で、領域１０６ａは、領域１０６ｃ、及び領域１０６ｅ
となり、領域１０６ｂは、領域１０６ｄ、及び領域１０６ｆとなる。
【０１７２】
ドーパント１８１は、酸化物半導体膜１０６の導電率を変化させる不純物である。ドー
パント１８１としては、１５族元素（代表的には窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）
、およびアンチモン（Ｓｂ））、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、アルゴン（Ａｒ
）、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、インジウム（Ｉｎ）、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃ
ｌ）、チタン（Ｔｉ）、及び亜鉛（Ｚｎ）のいずれかから選択される一以上を用いること
ができる。
【０１７３】
また、ドーパント１８１は、注入法により、他の膜（例えばゲート絶縁膜１０８）を通
過して、酸化物半導体膜１０６に導入することもできる。ドーパント１８１の導入方法と
しては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテ
ーション法などを用いることができる。その際には、ドーパント１８１の単体のイオンあ
るいはフッ化物、塩化物のイオンを用いると好ましい。
【０１７４】
ドーパント１８１の導入工程は、加速電圧、ドーズ量などの注入条件、また通過させる
膜の膜厚を適宜設定して制御すればよい。本実施の形態では、ドーパント１８１としてリ
ンを用いて、イオン注入法でリンイオンの注入を行う。なお、ドーパント１８１のイオン
のドーズ量は１×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上５×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下とす
ればよい。
【０１７５】
低抵抗領域におけるドーパント１８１の濃度は、５×１０１８／ｃｍ３以上１×１０２
２／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【０１７６】
また、ドーパント１８１を導入する際に、基板１０２を加熱しながら行ってもよい。
【０１７７】
なお、酸化物半導体膜１０６にドーパント１８１を導入する処理は、複数回行ってもよ
く、ドーパントの種類も複数種用いてもよい。
【０１７８】
また、ドーパント１８１の導入処理後、加熱処理を行ってもよい。加熱条件としては、
温度３００℃以上７００℃以下、好ましくは３００℃以上４５０℃以下で１時間、酸素雰
囲気下で行うことが好ましい。また、窒素雰囲気下、減圧下、大気（超乾燥エア）下で加
熱処理を行ってもよい。
【０１７９】
酸化物半導体膜１０６を結晶性酸化物半導体膜、またはＣＡＡＣ−ＯＳ膜とした場合、
ドーパント１８１の導入により、一部非晶質化する場合がある。この場合、ドーパント１
８１の導入後に加熱処理を行うことによって、酸化物半導体膜１０６の結晶性を回復する
ことができる。
【０１８０】
よって、酸化物半導体膜１０６において、チャネル形成領域として機能する領域１０６
ｃ、及び領域１０６ｄを挟んで低抵抗領域として機能する領域１０６ｅ、及び領域１０６
ｆが設けられた酸化物半導体膜１０６が形成される。
【０１８１】
次いで、ゲート絶縁膜１０８、及びゲート電極１１０上に絶縁膜１１４を形成する（図
６（Ａ）参照）。
【０１８２】
絶縁膜１１４については、実施の形態１に記載した構成と、同様の構成とすることがで
きる。
【０１８３】
また、絶縁膜１１４の成膜後、酸化物半導体膜１０６に対して熱処理を行うのが好まし
い。当該熱処理については、実施の形態１に記載した構成と、同様の構成とすることがで
きる。
【０１８４】
次に、ゲート絶縁膜１０８、及び絶縁膜１１４に酸化物半導体膜１０６（領域１０６ｅ
、または領域１０６ｆ）に達する開口部を形成し、開口部にソース電極、及びドレイン電
極（これと同じ層で形成される配線を含む）に用いる導電膜を成膜する。ソース電極、及
びドレイン電極に用いる導電膜としては、実施の形態１に記載の材料等と同様の構成とす
ればよい。
【０１８５】
次いで、フォトリソグラフィ工程により導電膜上にレジストマスクを形成し、選択的に
エッチングを行ってソース電極１１２ａ、及びドレイン電極１１２ｂを形成した後、レジ
ストマスクを除去することにより、トランジスタ１６０が形成される（図６（Ｂ）参照）
。
【０１８６】
なお、トランジスタ１６０上に、さらに平坦化絶縁膜を設けても良い。平坦化絶縁膜と
しては、アクリル系樹脂、ポリイミド系樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド系
樹脂、エポキシ系樹脂等の、耐熱性を有する有機材料を用いることができる。また上記有
機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂等を用いることがで
きる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させてもよい。
【０１８７】
トランジスタ１６０は、酸化物半導体膜１０６の領域１０６ｃ、及び領域１０６ｅに取
り込まれるシリコンなどの不純物濃度が低減されている。また、酸化物半導体膜をＣＡＡ
Ｃ−ＯＳ膜とする場合、下地絶縁膜１０４との界面近傍まで、結晶部を形成することがで
きる。これにより、トランジスタ１６０を、安定した電気特性を有するものとすることが
できる。
【０１８８】
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと
適宜組み合わせて用いることができる。
【０１８９】
（実施の形態３）
本実施の形態では、本明細書に示すトランジスタを使用し、電力が供給されない状況で
も記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置の一例を、図
面を用いて説明する。
【０１９０】
図７は、半導体装置の構成の一例である。図７（Ａ）に、半導体装置の断面図を、図７
（Ｂ）に半導体装置の平面図を、図７（Ｃ）に半導体装置の回路図をそれぞれ示す。ここ
で、図７（Ａ）は、図７（Ｂ）のＣ１−Ｃ２、及びＤ１−Ｄ２における断面に相当する。
【０１９１】
図７（Ａ）、及び図７（Ｂ）に示す半導体装置は、下部に第１の半導体材料を用いたト
ランジスタ２６０を有し、上部に第２の半導体材料を用いたトランジスタ１５０を有する
ものである。トランジスタ１５０としては、実施の形態１で示すトランジスタの構造を適
用することができるが、トランジスタ１５０は、酸化物半導体膜１０６と接してソース電
極１１２ａ、及びドレイン電極１１２ｂが設けられた例である。なお、本実施の形態にお
いては、記載していないが、実施の形態２で用いたトランジスタを適用することもできる
。
【０１９２】
ここで、第１の半導体材料と第２の半導体材料は、異なる禁制帯幅を持つ材料とするこ
とが望ましい。例えば、第１の半導体材料を酸化物半導体以外の半導体材料（例えば、単
結晶シリコンなど）とし、第２の半導体材料を酸化物半導体とすることができる。酸化物
半導体以外の材料として、単結晶シリコンを用いたトランジスタは、高速動作が容易であ
る。一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、その特性により長時間の電荷保持を
可能とする。
【０１９３】
なお、上記トランジスタは、いずれもｎチャネル型トランジスタであるものとして説明
するが、ｐチャネル型トランジスタを用いることができるのはいうまでもない。また、情
報を保持するために酸化物半導体を実施の形態１に示すようなトランジスタ１５０に用い
る他、半導体装置に用いられる材料や半導体装置の構造など、半導体装置の具体的な構成
をここで示すものに限定する必要はない。
【０１９４】
図７（Ａ）におけるトランジスタ２６０は、半導体材料（例えば、シリコンなど）を含
む基板２００に設けられたチャネル形成領域２１６と、チャネル形成領域２１６を挟むよ
うに設けられた不純物領域２２０と、不純物領域２２０に接する金属間化合物領域２２４
と、チャネル形成領域２１６上に設けられたゲート絶縁膜２０８と、ゲート絶縁膜２０８
上に設けられたゲート電極２１０と、を有する。なお、図において、明示的にはソース電
極やドレイン電極を有しない場合があるが、便宜上、このような状態を含めてトランジス
タと呼ぶ場合がある。また、この場合、トランジスタの接続関係を説明するために、ソー
ス領域やドレイン領域を含めてソース電極やドレイン電極と表現することがある。つまり
、本明細書において、ソース電極との記載には、ソース領域が含まれうる。
【０１９５】
基板２００上にはトランジスタ２６０を囲むように素子分離絶縁膜２０６が設けられて
おり、トランジスタ２６０を覆うように絶縁膜２２８、及び絶縁膜２３０が設けられてい
る。なお、高集積化を実現するためには、図７（Ａ）に示すようにトランジスタ２６０が
サイドウォール絶縁膜を有しない構成とすることが望ましい。一方で、トランジスタ２６
０の特性を重視する場合には、ゲート電極２１０の側面にサイドウォール絶縁膜を設け、
不純物濃度が異なる領域を含む不純物領域２２０としてもよい。
【０１９６】
単結晶半導体基板を用いたトランジスタ２６０は、高速動作が可能である。このため、
当該トランジスタを読み出し用のトランジスタとして用いることで、情報の読み出しを高
速に行うことができる。トランジスタ２６０を覆うように絶縁膜を２層形成する。トラン
ジスタ１５０、および容量素子２６４の形成前の処理として、該絶縁膜２層にＣＭＰ処理
を施して、平坦化した絶縁膜２２８、絶縁膜２３０を形成し、同時にゲート電極２１０の
上面を露出させる。
【０１９７】
絶縁膜２２８は、代表的には酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム
膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、窒化酸化シリコン
膜、窒化酸化アルミニウム膜などの無機絶縁膜を用いることができる。また、絶縁膜２３
０は、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜などのシリコンを含む
無機絶縁膜を用いることができる。絶縁膜２２８、絶縁膜２３０は、プラズマＣＶＤ法、
またはスパッタリング法等を用いて形成することができる。
【０１９８】
また、絶縁膜２２８は、ポリイミド系樹脂、アクリル系樹脂、ベンゾシクロブテン系樹
脂、等の有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏ
ｗ−ｋ材料）等を用いることができる。有機材料を用いる場合、スピンコート法、印刷法
などの湿式法によって絶縁膜２２８を形成してもよい。
【０１９９】
なお、本実施の形態において、絶縁膜２２８として窒化シリコン膜を用い、絶縁膜２３
０として酸化シリコン膜を用いる。
【０２００】
研磨処理（例えばＣＭＰ処理）により十分に平坦化した絶縁膜２３０上に酸化物半導体
膜１０６を形成する。なお、絶縁膜２３０表面の平均面粗さは、０．１５ｎｍ以下が好ま
しい。
【０２０１】
図７（Ａ）に示すトランジスタ１５０は、酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたト
ランジスタである。ここで、トランジスタ１５０に含まれる酸化物半導体膜１０６は、高
純度化されたものであることが望ましい。高純度化された酸化物半導体を用いることで、
極めて優れたオフ特性のトランジスタ１５０を得ることができる。
【０２０２】
トランジスタ１５０は、オフ電流が小さいため、これを用いることにより長期にわたり
記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、また
は、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ない半導体記憶装置とすることが可能となるため
、消費電力を十分に低減することができる。
【０２０３】
トランジスタ１５０上には、絶縁膜１８４が単層または積層で設けられている。本実施
の形態では、絶縁膜１８４として、ゲート電極１１０側から酸化シリコン膜と酸化アルミ
ニウム膜との積層を用いる。なお、酸化アルミニウム膜を高密度（例えば、膜密度３．２
ｇ／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
１５０に安定な電気特性を付与することができるため好ましい。
【０２０４】
また、絶縁膜１１４を介して、トランジスタ１５０のソース電極１１２ａと重畳する領
域には、導電膜１８２が設けられており、ソース電極１１２ａと、絶縁膜１１４と、導電
膜１８２とによって、容量素子２６４が構成される。すなわち、トランジスタ１５０のソ
ース電極１１２ａは、容量素子２６４の一方の電極として機能し、導電膜１８２は、容量
素子２６４の他方の電極として機能する。なお、容量が不要の場合には、容量素子２６４
を設けない構成とすることもできる。また、容量素子２６４は、別途、トランジスタ１５
０の上方に設けてもよい。なお、絶縁膜１１４は、実施の形態１と同様の構成とすること
ができる。
【０２０５】
トランジスタ１５０、及び容量素子２６４の上には絶縁膜１８４が設けられている。そ
して、絶縁膜１８４上にはトランジスタ１５０と、他のトランジスタを接続するための配
線１８６が設けられている。図７（Ａ）には図示しないが、配線１８６は、絶縁膜１８４
、絶縁膜１１４などに形成された開口に電極を形成し、該電極を介してドレイン電極１１
２ｂと電気的に接続される。ここで、該電極は、少なくともトランジスタ１５０の酸化物
半導体膜１０６の一部と重畳するように設けられることが好ましい。
【０２０６】
図７（Ａ）、及び図７（Ｂ）において、トランジスタ２６０と、トランジスタ１５０と
は、少なくとも一部が重畳するように設けられており、トランジスタ２６０のソース領域
、またはドレイン領域と酸化物半導体膜１０６の一部が重畳するように設けられているの
が好ましい。また、トランジスタ１５０、及び容量素子２６４が、トランジスタ２６０の
少なくとも一部と重畳するように設けられている。例えば、容量素子２６４の導電膜１８
２は、トランジスタ２６０のゲート電極２１０と少なくとも一部が重畳して設けられてい
る。このような平面レイアウトを採用することにより、半導体装置の占有面積の低減を図
ることができるため、高集積化を図ることができる。
【０２０７】
なお、ドレイン電極１１２ｂ、及び配線１８６の電気的接続は、ドレイン電極１１２ｂ
、及び配線１８６を直接接触させて行ってもよいし、間の絶縁膜に電極を設けて、該電極
を介して行ってもよい。また、間に介する電極は、複数でもよい。
【０２０８】
次に、図７（Ａ）、及び図７（Ｂ）に対応する回路構成の一例を図７（Ｃ）に示す。
【０２０９】
図７（Ｃ）において、第１の配線（１ｓｔ  Ｌｉｎｅ）とトランジスタ２６０のソース
電極、またはドレイン電極の一方とは、電気的に接続され、第２の配線（２ｎｄ  Ｌｉｎ
ｅ）とトランジスタ２６０のソース電極、またはドレイン電極の他方とは、電気的に接続
されている。また、第３の配線（３ｒｄ  Ｌｉｎｅ）とトランジスタ１５０のソース電極
またはドレイン電極の一方とは、電気的に接続され、第４の配線（４ｔｈ  Ｌｉｎｅ）と
、トランジスタ１５０のゲート電極とは、電気的に接続されている。そして、トランジス
タ２６０のゲート電極と、トランジスタ１５０のソース電極、またはドレイン電極の他方
は、容量素子２６４の電極の一方と電気的に接続され、第５の配線（５ｔｈ  Ｌｉｎｅ）
と、容量素子２６４の電極の他方は電気的に接続されている。
【０２１０】
図７（Ｃ）に示す半導体装置では、トランジスタ２６０のゲート電極の電位が保持可能
という特徴を生かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である
。
【０２１１】
情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第４の配線の電位を、トランジス
タ１５０がオン状態となる電位にして、トランジスタ１５０をオン状態とする。これによ
り、第３の配線の電位が、トランジスタ２６０のゲート電極、および容量素子２６４に与
えられる。すなわち、トランジスタ２６０のゲート電極には、所定の電荷が与えられる（
書き込み）。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷（以下Ｌｏｗレベル電荷、
Ｈｉｇｈレベル電荷という）のいずれかが与えられるものとする。その後、第４の配線の
電位を、トランジスタ１５０がオフ状態となる電位にして、トランジスタ１５０をオフ状
態とすることにより、トランジスタ２６０のゲート電極に与えられた電荷が保持される（
保持）。
【０２１２】
トランジスタ１５０のオフ電流は極めて小さいため、トランジスタ２６０のゲート電極
の電荷は長時間にわたって保持される。
【０２１３】
次に情報の読み出しについて説明する。第１の配線に所定の電位（定電位）を与えた状
態で、第５の配線に適切な電位（読み出し電位）を与えると、トランジスタ２６０のゲー
ト電極に保持された電荷量に応じて、第２の配線は異なる電位をとる。一般に、トランジ
スタ２６０をｎチャネル型とすると、トランジスタ２６０のゲート電極にＨｉｇｈレベル
電荷が与えられている場合の見かけのしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｈは、トランジスタ２６０の
ゲート電極にＬｏｗレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｌ
より低くなるためである。ここで、見かけのしきい値電圧とは、トランジスタ２６０を「
オン状態」とするために必要な第５の配線の電位をいうものとする。したがって、第５の
配線の電位をＶｔｈ＿ＨとＶｔｈ＿Ｌの間の電位Ｖ０とすることにより、トランジスタ２
６０のゲート電極に与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、Ｈｉｇｈ
レベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線の電位がＶ０（＞Ｖｔｈ＿Ｈ）となれ
ば、トランジスタ２６０は「オン状態」となる。Ｌｏｗレベル電荷が与えられていた場合
には、第５の配線の電位がＶ０（＜Ｖｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ２６０は「オ
フ状態」のままである。このため、第２の配線の電位を見ることで、保持されている情報
を読み出すことができる。
【０２１４】
なお、メモリセルをアレイ状に配置して用いる場合、所望のメモリセルの情報のみを読
み出せることが必要になる。このように情報を読み出さない場合には、ゲート電極の状態
にかかわらずトランジスタ２６０が「オフ状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｈ
より小さい電位を第５の配線に与えればよい。または、ゲート電極の状態にかかわらずト
ランジスタ２６０が「オン状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｌより大きい電位
を第５の配線に与えればよい。
【０２１５】
本実施の形態に示す半導体装置では、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたオフ電
流の極めて小さいトランジスタを適用することで、極めて長期にわたり記憶内容を保持す
ることが可能である。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ
動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することがで
きる。また、電力の供給がない場合（ただし、電位は固定されていることが望ましい）で
あっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。
【０２１６】
また、本実施の形態に示す半導体装置では、情報の書き込みに高い電圧を必要とせず、
素子の劣化の問題もない。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲー
トへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行う必要がないため
、ゲート絶縁層の劣化といった問題が全く生じない。すなわち、開示する発明に係る半導
体装置では、従来の不揮発性メモリで問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、
信頼性が飛躍的に向上する。さらに、トランジスタのオン状態、オフ状態によって、情報
の書き込みが行われるため、高速な動作も容易に実現しうる。
【０２１７】
また、トランジスタ１５０は、酸化物半導体膜１０６の領域１０６ａに取り込まれるシ
リコンなどの不純物濃度が低減されている。また、酸化物半導体膜１０６をＣＡＡＣ−Ｏ
Ｓ膜とする場合、絶縁膜２３０との界面近傍まで、結晶部を形成することができる。これ
により、トランジスタ１５０を、安定した電気特性を有するものとすることができる。
【０２１８】
従って、微細化及び高集積化を実現し、かつ高い電気特性を付与された半導体装置を提
供することができる。
【０２１９】
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適
宜組み合わせて用いることができる。
【０２２０】
（実施の形態４）
本実施の形態においては、実施の形態１、または実施の形態２に示すトランジスタを使
用し、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制
限が無い半導体装置について、実施の形態３に示した構成と異なる構成について、図８、
及び図９を用いて説明を行う。
【０２２１】
図８（Ａ）は、半導体装置の回路構成の一例を示し、図８（Ｂ）は半導体装置の一例を
示す概念図である。まず、図８（Ａ）に示す半導体装置について説明を行い、続けて図８
（Ｂ）に示す半導体装置について、以下説明を行う。
【０２２２】
図８（Ａ）に示す半導体装置において、ビット線ＢＬとトランジスタ１５０のソース電
極、またはドレイン電極とは電気的に接続され、ワード線ＷＬとトランジスタ１５０のゲ
ート電極とは電気的に接続され、トランジスタ１５０のソース電極、またはドレイン電極
と容量素子３５４の第１の端子とは電気的に接続されている。
【０２２３】
酸化物半導体を用いたトランジスタ１５０は、オフ電流が極めて小さいという特徴を有
している。このため、トランジスタ１５０をオフ状態とすることで、容量素子３５４の第
１の端子の電位（あるいは、容量素子３５４に蓄積された電荷）を極めて長時間にわたっ
て保持することが可能である。
【０２２４】
次に、図８（Ａ）に示す半導体装置（メモリセル３５０）に、情報の書き込みおよび保
持を行う場合について説明する。
【０２２５】
まず、ワード線ＷＬの電位を、トランジスタ１５０がオン状態となる電位として、トラ
ンジスタ１５０をオン状態とする。これにより、ビット線ＢＬの電位が、容量素子３５４
の第１の端子に与えられる（書き込み）。その後、ワード線ＷＬの電位を、トランジスタ
１５０がオフ状態となる電位として、トランジスタ１５０をオフ状態とすることにより、
容量素子３５４の第１の端子の電位が保持される（保持）。
【０２２６】
トランジスタ１５０のオフ電流は極めて小さいから、容量素子３５４の第１の端子の電
位（あるいは容量素子に蓄積された電荷）は長時間にわたって保持することができる。
【０２２７】
次に、情報の読み出しについて説明する。トランジスタ１５０がオン状態となると、浮
遊状態であるビット線ＢＬと容量素子３５４とが導通し、ビット線ＢＬと容量素子３５４
の間で電荷が再分配される。その結果、ビット線ＢＬの電位が変化する。ビット線ＢＬの
電位の変化量は、容量素子３５４の第１の端子の電位（あるいは容量素子３５４に蓄積さ
れた電荷）によって、異なる値をとる。
【０２２８】
例えば、容量素子３５４の第１の端子の電位をＶ、容量素子３５４の容量をＣ、ビット
線ＢＬが有する容量成分（以下、ビット線容量とも呼ぶ）をＣＢ、電荷が再分配される前
のビット線ＢＬの電位をＶＢ０とすると、電荷が再分配された後のビット線ＢＬの電位は
、（ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ）／（ＣＢ＋Ｃ）となる。従って、メモリセル３５０の状態と
して、容量素子３５４の第１の端子の電位がＶ１とＶ０（Ｖ１＞Ｖ０）の２状態をとると
すると、電位Ｖ１を保持している場合のビット線ＢＬの電位（＝（ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ
１）／（ＣＢ＋Ｃ））は、電位Ｖ０を保持している場合のビット線ＢＬの電位（＝（ＣＢ
×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ０）／（ＣＢ＋Ｃ））よりも高くなることがわかる。
【０２２９】
そして、ビット線ＢＬの電位を所定の電位と比較することで、情報を読み出すことがで
きる。
【０２３０】
このように、図８（Ａ）に示す半導体装置は、トランジスタ１５０のオフ電流が極めて
小さいという特徴から、容量素子３５４に蓄積された電荷は長時間にわたって保持するこ
とができる。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻
度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。ま
た、電力の供給がない場合であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能で
ある。
【０２３１】
次に、図８（Ｂ）に示す半導体装置について、説明を行う。
【０２３２】
図８（Ｂ）に示す半導体装置は、上部に記憶回路として図８（Ａ）に示したメモリセル
３５０を複数有するメモリセルアレイ３５１ａ、及びメモリセルアレイ３５１ｂを有し、
下部に、メモリセルアレイ３５１ａ、及びメモリセルアレイ３５１ｂを動作させるために
必要な周辺回路３５３を有する。なお、周辺回路３５３は、メモリセルアレイ３５１ａ、
及びメモリセルアレイ３５１ｂと電気的に接続されている。
【０２３３】
図８（Ｂ）に示した構成とすることにより、周辺回路３５３をメモリセルアレイ３５１
ａ、及びメモリセルアレイ３５１ｂの直下に設けることができるため半導体装置の小型化
を図ることができる。
【０２３４】
周辺回路３５３に設けられるトランジスタは、トランジスタ１５０とは異なる半導体材
料を用いるのがより好ましい。例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム
、炭化シリコン、またはガリウムヒ素等を用いることができ、単結晶半導体を用いること
が好ましい。他に、有機半導体材料などを用いてもよい。このような半導体材料を用いた
トランジスタは、十分な高速動作が可能である。したがって、該トランジスタにより、高
速動作が要求される各種回路（論理回路、駆動回路など）を好適に実現することが可能で
ある。
【０２３５】
なお、図８（Ｂ）に示した半導体装置では、メモリセルアレイ３５１ａと、メモリセル
アレイ３５１ｂと、２つのメモリセルアレイが積層された構成を例示したが、積層するメ
モリセルアレイの数はこれに限定されない。３つ以上のメモリセルアレイを積層する構成
としても良い。
【０２３６】
次に、図８（Ａ）に示したメモリセル３５０の具体的な構成について図９を用いて説明
を行う。
【０２３７】
図９は、メモリセル３５０の構成の一例である。図９（Ａ）にメモリセル３５０の断面
図を、図９（Ｂ）にメモリセル３５０の平面図をそれぞれ示す。ここで、図９（Ａ）は、
図９（Ｂ）のＦ１−Ｆ２、及びＧ１−Ｇ２における断面に相当する。
【０２３８】
図９（Ａ）、及び図９（Ｂ）に示すトランジスタ１５０は、実施の形態１で示した構成
と同一の構成とすることができる。
【０２３９】
トランジスタ１５０は、下地絶縁膜２７４上に形成された領域１０６ａ、及び領域１０
６ｂを含む酸化物半導体膜１０６と、酸化物半導体膜１０６上に形成されたゲート絶縁膜
１０８と、ゲート絶縁膜１０８と接し、少なくとも酸化物半導体膜１０６と重畳する領域
に設けられたゲート電極１１０と、酸化物半導体膜１０６と電気的に接続されたソース電
極１１２ａ、及びドレイン電極１１２ｂと、を含む。また、トランジスタ１５０上に絶縁
膜１１４が形成されている。
【０２４０】
また、トランジスタ１５０は、酸化物半導体膜１０６の下地絶縁膜２７４との界面近傍
に取り込まれるシリコンなどの不純物が抑制されている。その結果、酸化物半導体膜１０
６において、下地絶縁膜２７４との界面から酸化物半導体膜１０６に向けてシリコン濃度
が１．０原子％以下、より好ましくは、０．１原子％以下の濃度で分布する領域１０６ａ
が形成されている。
【０２４１】
また、絶縁膜１１４を介して、トランジスタ１５０のソース電極１１２ａと重畳する領
域には、導電層２６２が設けられており、ソース電極１１２ａと、絶縁膜１１４と、導電
層２６２とによって、容量素子３５４が構成される。すなわち、トランジスタ１５０のソ
ース電極１１２ａは、容量素子３５４の一方の電極として機能し、導電層２６２は、容量
素子３５４の他方の電極として機能する。
【０２４２】
トランジスタ１５０、及び容量素子３５４上には、絶縁層２５６が単層または積層で設
けられている。そして、絶縁層２５６上には、隣接するメモリセルと接続するための配線
２７２が設けられている。配線２７２は、絶縁層２５６、及び絶縁膜１１４などに形成さ
れた開口を介してトランジスタ１５０のドレイン電極１１２ｂと電気的に接続されている
。但し、配線２７２とドレイン電極１１２ｂとを直接接続してもよい。なお、配線２７２
は、図８（Ａ）の回路図におけるビット線ＢＬに相当する。
【０２４３】
図９（Ａ）、及び図９（Ｂ）において、トランジスタ１５０のドレイン電極１１２ｂは
、隣接するメモリセルに含まれるトランジスタのソース電極 としても機能することがで
きる。このような平面レイアウトを採用することにより、半導体装置の占有面積の低減を
図ることができるため、高集積化を図ることができる。
【０２４４】
以上のように、多層に形成された複数のメモリセルは、酸化物半導体を用いたトランジ
スタにより形成されている。酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流が小さいた
め、これを用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり
、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低
減することができる。
【０２４５】
このように、酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタ（換言すると、十分な高速
動作が可能なトランジスタ）を用いた周辺回路と、酸化物半導体を用いたトランジスタ（
より広義には、十分にオフ電流が小さいトランジスタ）を用いた記憶回路とを一体に備え
ることで、これまでにない特徴を有する半導体装置を実現することができる。また、周辺
回路と記憶回路を積層構造とすることにより、半導体装置の集積化を図ることができる。
【０２４６】
以上のように、微細化及び高集積化を実現し、かつ高い電気的特性を付与された半導体
装置、及び該半導体装置の作製方法を提供することができる。
【０２４７】
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。
【０２４８】
（実施の形態５）
本実施の形態では、先の実施の形態で示した半導体装置を携帯電話、スマートフォン、
電子書籍などの携帯機器に応用した場合の例を図１０乃至図１３を用いて説明する。
【０２４９】
携帯電話、スマートフォン、電子書籍などの携帯機器においては、画像データの一時記
憶などにＳＲＡＭまたはＤＲＡＭが使用されている。ＳＲＡＭまたはＤＲＡＭが使用され
る理由としてはフラッシュメモリでは応答が遅く、画像処理では不向きであるためである
。一方で、ＳＲＡＭまたはＤＲＡＭを画像データの一時記憶に用いた場合、以下の特徴が
ある。
【０２５０】
通常のＳＲＡＭは、図１０（Ａ）に示すように１つのメモリセルがトランジスタ８０１
〜８０６の６個のトランジスタで構成されており、それをＸデコーダー８０７、Ｙデコー
ダー８０８にて駆動している。トランジスタ８０３とトランジスタ８０５、トランジスタ
８０４とトランジスタ８０６はインバータを構成し、高速駆動を可能としている。しかし
１つのメモリセルが６トランジスタで構成されているため、セル面積が大きいという欠点
がある。デザインルールの最小寸法をＦとしたときにＳＲＡＭのメモリセル面積は通常１
００〜１５０Ｆ２である。このためＳＲＡＭはビットあたりの単価が各種メモリの中で最
も高い。
【０２５１】
それに対して、ＤＲＡＭはメモリセルが図１０（Ｂ）に示すようにトランジスタ８１１
、保持容量８１２によって構成され、それをＸデコーダー８１３、Ｙデコーダー８１４に
て駆動している。１つのセルが１トランジスタ１容量の構成になっており、面積が小さい
。ＤＲＡＭのメモリセル面積は通常１０Ｆ２以下である。ただし、ＤＲＡＭは常にリフレ
ッシュが必要であり、書き換えをおこなわない場合でも電力を消費する。
【０２５２】
しかし、先の実施の形態で説明した半導体装置のメモリセル面積は、１０Ｆ２前後であ
り、且つ頻繁なリフレッシュは不要である。したがって、メモリセル面積が縮小され、且
つ消費電力が低減することができる。
【０２５３】
次に、図１１に携帯機器のブロック図を示す。図１１に示す携帯機器はＲＦ回路９０１
、アナログベースバンド回路９０２、デジタルベースバンド回路９０３、バッテリー９０
４、電源回路９０５、アプリケーションプロセッサ９０６、フラッシュメモリ９１０、デ
ィスプレイコントローラ９１１、メモリ回路９１２、ディスプレイ９１３、タッチセンサ
９１９、音声回路９１７、キーボード９１８などより構成されている。ディスプレイ９１
３は表示部９１４、ソースドライバ９１５、ゲートドライバ９１６によって構成されてい
る。アプリケーションプロセッサ９０６はＣＰＵ９０７、ＤＳＰ９０８、インターフェイ
ス９０９（ＩＦ９０９）を有している。一般にメモリ回路９１２はＳＲＡＭまたはＤＲＡ
Ｍで構成されており、この部分に先の実施の形態で説明した半導体装置を採用することに
よって、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費
電力が十分に低減することができる。
【０２５４】
次に、図１２にディスプレイのメモリ回路９５０に先の実施の形態で説明した半導体装
置を使用した例を示す。図１２に示すメモリ回路９５０は、メモリ９５２、メモリ９５３
、スイッチ９５４、スイッチ９５５およびメモリコントローラ９５１により構成されてい
る。また、メモリ回路９５０は、信号線から入力された画像データ（入力画像データ）、
メモリ９５２、及びメモリ９５３に記憶されたデータ（記憶画像データ）を読み出し、及
び制御を行うディスプレイコントローラ９５６と、ディスプレイコントローラ９５６から
の信号により表示するディスプレイ９５７が接続されている。
【０２５５】
まず、ある画像データがアプリケーションプロセッサ（図示しない）によって、形成さ
れる（入力画像データＡ）。入力画像データＡは、スイッチ９５４を介してメモリ９５２
に記憶される。そしてメモリ９５２に記憶された画像データ（記憶画像データＡ）は、ス
イッチ９５５、及びディスプレイコントローラ９５６を介してディスプレイ９５７に送ら
れ、表示される。
【０２５６】
入力画像データＡに変更が無い場合、記憶画像データＡは、通常３０〜６０Ｈｚ程度の
周期でメモリ９５２からスイッチ９５５を介して、ディスプレイコントローラ９５６から
読み出される。
【０２５７】
次に、例えばユーザーが画面を書き換える操作をしたとき（すなわち、入力画像データ
Ａに変更が有る場合）、アプリケーションプロセッサは新たな画像データ（入力画像デー
タＢ）を形成する。入力画像データＢはスイッチ９５４を介してメモリ９５３に記憶され
る。この間も定期的にメモリ９５２からスイッチ９５５を介して記憶画像データＡは読み
出されている。メモリ９５３に新たな画像データ（記憶画像データＢ）が記憶し終わると
、ディスプレイ９５７の次のフレームより、記憶画像データＢは読み出され、スイッチ９
５５、及びディスプレイコントローラ９５６を介して、ディスプレイ９５７に記憶画像デ
ータＢが送られ、表示がおこなわれる。この読み出しはさらに次に新たな画像データがメ
モリ９５２に記憶されるまで継続される。
【０２５８】
このようにメモリ９５２、及びメモリ９５３は交互に画像データの書き込みと、画像デ
ータの読み出しを行うことによって、ディスプレイ９５７の表示をおこなう。なお、メモ
リ９５２、及びメモリ９５３はそれぞれ別のメモリには限定されず、１つのメモリを分割
して使用してもよい。先の実施の形態で説明した半導体装置をメモリ９５２及びメモリ９
５３に採用することによって、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保
持が可能で、且つ消費電力が十分に低減することができる。
【０２５９】
次に、図１３に電子書籍のブロック図を示す。図１３に示す電子書籍はバッテリー１０
０１、電源回路１００２、マイクロプロセッサ１００３、フラッシュメモリ１００４、音
声回路１００５、キーボード１００６、メモリ回路１００７、タッチパネル１００８、デ
ィスプレイ１００９、ディスプレイコントローラ１０１０によって構成される。
【０２６０】
ここでは、図１３のメモリ回路１００７に先の実施の形態で説明した半導体装置を使用
することができる。メモリ回路１００７は書籍の内容を一時的に保持する機能を持つ。機
能の例としては、ユーザーがハイライト機能を使用する場合などがある。ユーザーが電子
書籍を読んでいるときに、特定の箇所にマーキングをしたい場合がある。このマーキング
機能をハイライト機能と言い、表示の色を変える、アンダーラインを引く、文字を太くす
る、文字の書体を変えるなどによって、周囲との違いを示すことである。ユーザーが指定
した箇所の情報を記憶し、保持する機能である。この情報を長期に保存する場合にはフラ
ッシュメモリ１００４にコピーしても良い。このような場合においても、先の実施の形態
で説明した半導体装置を採用することによって、情報の書き込みおよび読み出しが高速で
、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減することができる。
【０２６１】
以上のように、本実施の形態に示す携帯機器には、先の実施の形態に係る半導体装置が
搭載されている。このため、読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電
力を低減した携帯機器が実現される。
【０２６２】
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。
【実施例１】
【０２６３】
本実施例においては、酸化物半導体膜に意図的にシリコン（Ｓｉ）を添加し、その特性
について評価を行った。以下に評価方法の詳細について説明を行う。
【０２６４】
まず、酸化物半導体膜は、スパッタリング装置にて成膜を行うこととした。そこで、ス
パッタリング装置に用いる金属酸化物ターゲットに対し、意図的にＳｉを添加した。金属
酸化物ターゲットとしては、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（以下、ＩＧＺＯ）にＳｉＯ２を
添加したターゲットを作製した。すなわち、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｓｉ系酸化物のターゲッ
トである。
【０２６５】
本実施例においては、ＩＧＺＯターゲットとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原
子数比］の組成のターゲットに、ＳｉＯ２を２重量％添加したターゲットＡと、Ｉｎ：Ｇ
ａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］の組成のターゲットに、ＳｉＯ２を５重量％添加した
ターゲットＢと、ＳｉＯ２を添加しないターゲットＣ（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［
原子数比］）の３つのターゲットを用いた。
【０２６６】
なお、ターゲットＡを用いて作製した薄膜を、ＩＧＺＯ−ＳｉＯｘ（２ｗｔ．％）と、
ターゲットＢを用いて作製した薄膜を、ＩＧＺＯ−ＳｉＯｘ（５ｗｔ．％）と、ターゲッ
トＣを用いて作製した薄膜を、ＩＧＺＯと、以下記載する場合がある。
【０２６７】
次に、上記ターゲットＡ、ターゲットＢ、及びターゲットＣを用いて、酸化物半導体薄
膜を形成し、各種評価を行った。評価手法としては、得られた薄膜のシート抵抗、組成、
及び結晶性について、それぞれ評価を行った。
【０２６８】
（シート抵抗評価）
ガラス基板上にターゲットＣを用いてスパッタリング法にて、電力＝１００Ｗ、圧力＝
０．４Ｐａ、基板温度＝２００℃、Ａｒ／Ｏ２＝１０ｓｃｃｍ／５ｓｃｃｍ（Ｏ２＝３３
％）の条件下で酸化物半導体膜を形成し、その後、窒素雰囲気中で１時間の４５０℃の熱
処理を実施し、続けて酸素雰囲気中で１時間の４５０℃の熱処理を実施した試料１と、ガ
ラス基板上にターゲットＣを用いてスパッタリング法にて、電力＝１００Ｗ、圧力＝０．
４Ｐａ、基板温度＝２００℃、Ａｒ／Ｏ２＝０ｓｃｃｍ／１５ｓｃｃｍ（Ｏ２＝１００％
）の条件下で酸化物半導体膜を形成し、その後、窒素雰囲気中で１時間の４５０℃の熱処
理を実施し、続けて酸素雰囲気中で１時間の４５０℃の熱処理を実施した試料２と、ガラ
ス基板上にターゲットＡを用いてスパッタリング法にて、電力＝１００Ｗ、圧力＝０．４
Ｐａ、基板温度＝２００℃、Ａｒ／Ｏ２＝１０ｓｃｃｍ／５ｓｃｃｍ（Ｏ２＝３３％）の
条件下で酸化物半導体膜を形成し、その後、窒素雰囲気中で１時間の４５０℃の熱処理を
実施し、続けて酸素雰囲気中で１時間の４５０℃の熱処理を実施した試料３と、ガラス基
板上にターゲットＡを用いてスパッタリング法にて、電力＝１００Ｗ、圧力＝０．４Ｐａ
、基板温度＝２００℃、Ａｒ／Ｏ２＝０ｓｃｃｍ／１５ｓｃｃｍ（Ｏ２＝１００％）の条
件下で酸化物半導体膜を形成し、その後、窒素雰囲気中で１時間の４５０℃の熱処理を実
施し、続けて酸素雰囲気中で１時間の４５０℃の熱処理を実施した試料４と、ガラス基板
上にターゲットＢを用いてスパッタリング法にて、電力＝１００Ｗ、圧力＝０．４Ｐａ、
基板温度＝２００℃、Ａｒ／Ｏ２＝１０ｓｃｃｍ／５ｓｃｃｍ（Ｏ２＝３３％）の条件下
で酸化物半導体膜を形成し、その後、窒素雰囲気中で１時間の４５０℃の熱処理を実施し
、続けて酸素雰囲気中で１時間の４５０℃の熱処理を実施した試料５と、ガラス基板上に
ターゲットＢを用いてスパッタリング法にて、電力＝１００Ｗ、圧力＝０．４Ｐａ、基板
温度＝２００℃、Ａｒ／Ｏ２＝０ｓｃｃｍ／１５ｓｃｃｍ（Ｏ２＝１００％）の条件下で
酸化物半導体膜を形成し、その後、窒素雰囲気中で１時間の４５０℃の熱処理を実施し、
続けて酸素雰囲気中で１時間の４５０℃の熱処理を実施した試料６と、をそれぞれ作製し
た。
【０２６９】
なお、試料１乃至試料６の成膜した酸化物半導体膜の膜厚は、１００ｎｍとした。作製
した試料の条件、及び構造等について、表１に示す。
【０２７０】
【表１】
2020145463.tif 000004
【０２７１】
次に、上記試料１乃至試料６のシート抵抗測定を行った。なお、シート抵抗評価として
は、シート抵抗測定器を用いた。試料１乃至試料６のシート抵抗測定結果を図２２に示す
。なお、図２２において、横軸は、項目（作製した薄膜）を、縦軸は、シート抵抗を、そ
れぞれ示す。
【０２７２】
図２２より、ＩＧＺＯ中にＳｉを添加した薄膜においては、シート抵抗が上昇している
のが分かる。特に試料５については、測定装置の測定上限（５×１０５Ω／ｃｍ２）を超
え、測定することができなかった。なお、試料６についても、測定装置の測定上限を超え
ているが、測定装置の原理上、測定上限近傍の数値が算出されている。ただし、測定装置
上限の数値に関しては、正確な測定が出来ているとは限らない。
【０２７３】
（組成評価）
ガラス基板上にターゲットＡを用いてスパッタリング法にて、電力＝１００Ｗ、圧力＝
０．４Ｐａ、基板温度＝２００℃、Ａｒ／Ｏ２＝０ｓｃｃｍ／１５ｓｃｃｍ（Ｏ２＝１０
０％）の条件下で酸化物半導体膜を形成した試料７と、ガラス基板上にターゲットＢを用
いてスパッタリング法にて、電力＝１００Ｗ、圧力＝０．４Ｐａ、基板温度＝２００℃、
Ａｒ／Ｏ２＝０ｓｃｃｍ／１５ｓｃｃｍ（Ｏ２＝１００％）の条件下で酸化物半導体膜を
形成した試料８と、をそれぞれ作製した。
【０２７４】
なお、試料７、及び試料８の形成した酸化物半導体膜の膜厚は、１００ｎｍとした。
【０２７５】
次に、上記試料７、及び試料８の組成分析を行った。なお、組成分析としては、Ｘ線光
電子分光法（ＸＰＳ：Ｘ−Ｒａｙ  Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏ
ｐｙ）を用いた。ＸＰＳは、試料表面にＸ線を照射することで生じる光電子エネルギーを
測定し、試料の構成元素と、その電子状態を分析できる測定方法である。試料７、及び試
料８の条件、構造、及び組成分析の結果を表２に示す。
【０２７６】
【表２】
2020145463.tif 000005
【０２７７】
表２より、ターゲットＡを用いて作製した試料７は、Ｉｎ＝１８．０（原子％）、Ｇａ
＝１５．３（原子％）、Ｚｎ＝４．６（原子％）、Ｏ＝６１．０（原子％）、Ｓｉ＝１．
１（原子％）の組成であることが分かった。また、ターゲットＢを用いて作製した試料８
は、Ｉｎ＝１６．７（原子％）、Ｇａ＝１４．４（原子％）、Ｚｎ＝４．３（原子％）、
Ｏ＝６２．０（原子％）、Ｓｉ＝２．６（原子％）の組成であることが分かった。
【０２７８】
（結晶性評価）
ガラス基板上にターゲットＡを用いてスパッタリング法にて、電力＝１００Ｗ、圧力＝
０．４Ｐａ、基板温度＝２００℃、Ａｒ／Ｏ２＝０ｓｃｃｍ／１５ｓｃｃｍ（Ｏ２＝１０
０％）の条件下で酸化物半導体膜を形成した試料９と、ガラス基板上にターゲットＡを用
いてスパッタリング法にて、電力＝１００Ｗ、圧力＝０．４Ｐａ、基板温度＝２００℃、
Ａｒ／Ｏ２＝０ｓｃｃｍ／１５ｓｃｃｍ（Ｏ２＝１００％）の条件下で酸化物半導体膜を
形成し、その後、窒素雰囲気中で１時間の４５０℃の熱処理を実施し、続けて酸素雰囲気
中で１時間の４５０℃の熱処理を実施した試料１０と、ガラス基板上にターゲットＡを用
いてスパッタリング法にて、電力＝１００Ｗ、圧力＝０．４Ｐａ、基板温度＝２００℃、
Ａｒ／Ｏ２＝０ｓｃｃｍ／１５ｓｃｃｍ（Ｏ２＝１００％）の条件下で酸化物半導体膜を
形成し、その後、窒素雰囲気中で１時間の６５０℃の熱処理を実施し、続けて酸素雰囲気
中で１時間の６５０℃の熱処理を実施した試料１１と、ガラス基板上にターゲットＢを用
いてスパッタリング法にて、電力＝１００Ｗ、圧力＝０．４Ｐａ、基板温度＝２００℃、
Ａｒ／Ｏ２＝０ｓｃｃｍ／１５ｓｃｃｍ（Ｏ２＝１００％）の条件下で酸化物半導体膜を
形成した試料１２と、ガラス基板上にターゲットＢを用いてスパッタリング法にて、電力
＝１００Ｗ、圧力＝０．４Ｐａ、基板温度＝２００℃、Ａｒ／Ｏ２＝０ｓｃｃｍ／１５ｓ
ｃｃｍ（Ｏ２＝１００％）の条件下で酸化物半導体膜を形成し、その後、窒素雰囲気中で
１時間の４５０℃の熱処理を実施し、続けて酸素雰囲気中で１時間の４５０℃の熱処理を
実施した試料１３と、ガラス基板上にターゲットＢを用いてスパッタリング法にて、電力
＝１００Ｗ、圧力＝０．４Ｐａ、基板温度＝２００℃、Ａｒ／Ｏ２＝０ｓｃｃｍ／１５ｓ
ｃｃｍ（Ｏ２＝１００％）の条件下で酸化物半導体膜を形成し、その後、窒素雰囲気中で
１時間の６５０℃の熱処理を実施し、続けて酸素雰囲気中で１時間の６５０℃の熱処理を
実施した試料１４と、をそれぞれ作製した。
【０２７９】
また、試料９乃至試料１４の形成した酸化物半導体膜の膜厚は、１００ｎｍとした。作
製した試料の条件、及び構造等について、表３に示す。なお、試料９乃至試料１１につい
ては、先に記載した試料７と同様の組成の酸化物半導体膜であり、試料１２乃至試料１４
については、先に記載した試料８と同様の組成の酸化物半導体膜である。
【０２８０】
【表３】
2020145463.tif 000006
【０２８１】
次に、上記試料９乃至試料１４の結晶性について分析を行った。なお、結晶性の分析と
しては、Ｘ線回折法（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａ ｃｔｉｏｎ）を用いた。ＸＲ
Ｄは、Ｘ線が結晶格子で回折を示す現象であるため、測定試料の結晶性を測定することが
できる。試料９乃至試料１１の結晶性分析結果を図２３（Ａ）に、試料１２乃至試料１４
の結晶性分析結果を図２３（Ｂ）にそれぞれ示す。
【０２８２】
図２３（Ａ）より、ターゲットＡを用いて作製した試料９乃至試料１１においては、熱
処理なしの試料９、及び４５０℃の熱処理を行った試料１０では、明確な結晶性を示す回
折ピークが確認されなかった。一方、６５０℃の熱処理を行った試料１１では、２θ＝３
１°付近に結晶化を示す回折ピークが確認された。
【０２８３】
また、図２３（Ｂ）より、ターゲットＢを用いて作製した試料１２乃至試料１４におい
ては、熱処理なしの試料１２、４５０℃の熱処理を行った試料１３、及び６５０℃の熱処
理を行った試料１４では、明確な結晶性を示す回折ピークが確認されなかった。
【０２８４】
以上の結果から、ターゲットＡを用いて作製した試料９乃至試料１１は、酸化物半導体
膜中のシリコン（Ｓｉ）濃度が１．１原子％であり、ターゲットＢを用いて作製した試料
１２乃至試料１４は、酸化物半導体膜中のシリコン（Ｓｉ）濃度が２．６原子％である。
このように、酸化物半導体膜中のＳｉ濃度が多く含有されることで、結晶化が阻害される
ことが分かった。
【実施例２】
【０２８５】
上述の実施の形態において、酸化物半導体膜中への下地絶縁膜の構成元素の混入は、酸
化物半導体膜を成膜する際に生じるミキシングが原因であると記載したが、酸化物半導体
膜を成膜後に基板を加熱処理することで、下地絶縁膜の構成元素が酸化物半導体中に拡散
している可能性も考えられる。そこで、本実施例では、酸化物半導体膜中への下地絶縁膜
の構成元素の混入が熱拡散に起因するかを調査した実験についての説明を行う。
【０２８６】
実験内容は、まず、基板上に下地絶縁膜および酸化物半導体膜を形成した構造の基板を
３つ準備した後、熱処理を行わない基板を試料１５とし、４５０℃の熱処理を行った基板
を試料１６とし、６５０℃の熱処理を行った基板を試料１７として、それぞれ作製した。
そして、各試料について、飛行時間型二次イオン質量分析法（ＴｏＦ−ＳＩＭＳ：Ｔｉｍ
ｅ−ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ  Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅ
ｔｒｙ）を用いて、酸化物半導体膜中の下地絶縁膜との界面近傍におけるシリコン濃度を
測定した。
【０２８７】
まず、ＴｏＦ−ＳＩＭＳ測定に用いた試料１５乃至試料１７の構造を図２４に示す。
【０２８８】
図２４に示す試料は、シリコン基板２０１上に、下地絶縁膜として酸化シリコン膜２０
２を成膜し、化学機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌ
ｉｓｈｉｎｇ）装置を用いて表面の平坦性を高め、ＩＧＺＯ膜２０４を成膜した。
【０２８９】
酸化シリコン膜２０２は、スパッタリング装置を用いて成膜した。酸化シリコン膜２０
２の成膜条件は、基板温度：１００℃、ガス流量：Ａｒ／Ｏ２＝２５ｓｃｃｍ／２５ｓｃ
ｃｍ、成膜電力：１．５ｋＷ（ＲＦ電源）、成膜圧力：０．４Ｐａ、膜厚：３００ｎｍと
した。なお、スパッタリングターゲットとしては、酸化シリコンターゲットを用いた。な
お、酸化シリコン膜２０２を形成する前に、希弗酸にてシリコン基板２０１表面に形成さ
れた酸化膜を除去した。
【０２９０】
ＩＧＺＯ膜２０４は、スパッタリング装置を用いて成膜した。ＩＧＺＯ膜２０４の成膜
条件は、基板温度：２００℃、ガス流量：Ａｒ／Ｏ２＝３０ｓｃｃｍ／１５ｓｃｃｍ、成
膜電力：０．５ｋＷ（ＤＣ電源）、成膜圧力：０．４Ｐａ、膜厚：１５ｎｍとした。なお
、スパッタリングターゲットとしては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２［原子数比］の酸
化物ターゲットを用いた。
【０２９１】
熱処理は、抵抗発熱体などを用いた電気炉に基板を導入して加熱処理を行った。熱処理
条件は、試料１６については、加熱温度：４５０℃、加熱時間：１時間とし、試料１７に
ついては、加熱温度：６５０℃、加熱時間：１時間とした。なお、加熱雰囲気は、両サン
プルとも窒素および酸素の混合雰囲気とした。また、試料１５は、加熱処理を行っていな
い。
【０２９２】
次に、試料１５乃至試料１７に対して、基板表面側（ＩＧＺＯ膜２０４側）からＴｏＦ
−ＳＩＭＳ測定を行い、酸化シリコン膜２０２との界面近傍におけるＩＧＺＯ膜２０４中
のシリコン濃度を測定した。結果を図２５に示す。
【０２９３】
なお、図２５において、横軸は、深さ（ｎｍ）を、縦軸はシリコン（Ｓｉ）濃度（ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ３）を、それぞれ示す。また、図２５において、酸化シリコン膜２０２をＳ
ｉＯｘとして示し、ＩＧＺＯ膜２０４をＩＧＺＯとして示す。
【０２９４】
図２５より、加熱処理を行っていない試料１５と、加熱処理を行った試料１６、及び試
料１７と、を比較すると、酸化シリコン膜界面近傍における、ＩＧＺＯ膜中のシリコン濃
度の傾き（シリコン濃度勾配とも言える。）に、特異な差は確認されない。したがって、
酸化物半導体膜中への下地絶縁膜の構成元素の混入は、熱拡散に起因するものではなくミ
キシングに起因するものであると言える。
【実施例３】
【０２９５】
本実施例では、ミキシングによって生じる酸化物半導体膜中への下地絶縁膜の構成元素
の混入を、酸化物半導体膜の成膜電力を弱くすることで抑制できるかを調査した実験につ
いての説明を行う。
【０２９６】
実験内容は、まず、基板上に下地絶縁膜を成膜し、下地絶縁膜上に酸化物半導体膜を４
種類の電力条件（１ｋＷ、５ｋＷ、９ｋＷおよび１ｋＷ＋５ｋＷ）で成膜した後に、各基
板に対して熱処理を行い４種類のサンプルを作製した。そして、各サンプルについて、酸
化物半導体膜中の下地絶縁膜との界面近傍におけるシリコン濃度を、ＴｏＦ−ＳＩＭＳ法
を用いて測定した。
【０２９７】
まず、ＴｏＦ−ＳＩＭＳ測定に用いたサンプルの構造を図２６に示す。
【０２９８】
図２６に示すサンプルは、ガラス基板３００上に下地絶縁膜として酸化窒化シリコン膜
３０２を成膜した後に、ＩＧＺＯ膜３０４を成膜し、最後に熱処理を行ったものである。
【０２９９】
酸化窒化シリコン膜３０２は、プラズマＣＶＤ装置を用いて成膜した。酸化窒化シリコ
ン膜３０２の成膜条件は、基板温度：３２５℃、ガス流量：ＳｉＨ４／Ｎ２Ｏ／Ａｒ＝２
５０ｓｃｃｍ／２５００ｓｃｃｍ／２５００ｓｃｃｍ、成膜電力：５ｋＷ（周波数＝２．
４５ＧＨｚ電源、４台使用）、成膜圧力：３０Ｐａ、膜厚：１００ｎｍとした。なお、酸
化窒化シリコン膜３０２を形成する前に、ガラス基板３００表面を洗浄してパーティクル
等を除去した。
【０３００】
ＩＧＺＯ膜３０４は、スパッタリング装置を用いて成膜した。ＩＧＺＯ膜３０４の成膜
条件は、基板温度：１７０℃、ガス流量：Ａｒ／Ｏ２＝１００ｓｃｃｍ／１００ｓｃｃｍ
、成膜圧力：０．６Ｐａ、膜厚：３５ｎｍとし、１ｋＷ、５ｋＷ、９ｋＷ、及び１ｋＷ＋
５ｋＷの４条件の電力で成膜を行った（共に、ＡＣ電源使用）。なお、スパッタリングタ
ーゲットとしては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］の酸化物ターゲットを用
いた。
【０３０１】
なお、上述成膜電力の「１ｋＷ＋５ｋＷ」とは、最初の５ｎｍの成膜を１ｋＷの電力で
、その後の３０ｎｍの成膜を５ｋＷの電力で成膜したことを表す。また、以下では、酸化
物半導体膜を９ｋＷで成膜した基板を試料１８、５ｋＷで成膜した基板を試料１９、１ｋ
Ｗで成膜した基板を試料２０、１ｋＷ＋５ｋＷで成膜した基板を試料２１とする。
【０３０２】
また、熱処理は、抵抗発熱体などを用いた電気炉に基板を導入して加熱処理を行った。
処理条件は、まず、加熱温度：４５０℃、加熱雰囲気：Ｎ２の条件で１時間の加熱を行っ
た後、加熱温度：６５０℃、加熱雰囲気：Ｎ２＋Ｏ２の条件で、１時間の加熱を行った。
【０３０３】
次に、試料１８乃至試料２１に対して、基板表面側（ＩＧＺＯ膜３０４側）からＴｏＦ
−ＳＩＭＳ測定を行い、酸化窒化シリコン膜３０２との界面近傍におけるＩＧＺＯ膜３０
４膜中のシリコン濃度を測定した。結果を図２７に示す。なお、図２７（Ｂ）は、図２７
（Ａ）の一部分を拡大した図である。
【０３０４】
また、図２７において、横軸は、深さ（ｎｍ）を、縦軸はシリコン（Ｓｉ）濃度（ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ３）を、それぞれ示す。また、図２７において、酸化窒化シリコン膜３０２
をＳｉＯＮとして示し、ＩＧＺＯ膜３０４をＩＧＺＯとして示す。
【０３０５】
図２７より、酸化窒化シリコン膜界面近傍におけるＩＧＺＯ膜中のシリコン濃度は、成
膜電力を弱くするに従い低下する傾向が確認された。したがって、酸化物半導体膜の成膜
電力を弱くすることにより、ミキシングによって生じる酸化物半導体膜中への下地絶縁膜
の構成元素の混入を抑制できることが確認された。なお、先の実施例２に示す図２５と本
実施例に示す図２７の各々の図中に示すＳｉ検出下限値については、測定時に用いる標準
試料が異なるため、１桁程度異なる数値を示している。
【０３０６】
また、試料２０と試料２１のシリコン濃度が略一致していることより、成膜初期段階は
、弱い電力で酸化物半導体膜を成膜し、その後、成膜電力を高めて酸化物半導体膜を成膜
しても、ミキシングによって生じる酸化物半導体膜中への下地絶縁膜の構成元素の混入を
抑制できることが確認された。
【符号の説明】
【０３０７】
１０２    基板
１０４    下地絶縁膜
１０６    酸化物半導体膜
１０６ａ    領域
１０６ｂ    領域
１０６ｃ    領域
１０６ｄ    領域
１０６ｅ    領域
１０６ｆ    領域
１０７    絶縁膜
１０８    ゲート絶縁膜
１０９    導電膜
１１０    ゲート電極
１１２ａ    ソース電極
１１２ｂ    ドレイン電極
１１４    絶縁膜
１５０    トランジスタ
１６０    トランジスタ
１８１    ドーパント
１８２    導電膜
１８４    絶縁膜
１８６    配線
２００    基板
２０１    シリコン基板
２０２    酸化シリコン膜
２０４    ＩＧＺＯ膜
２０６    素子分離絶縁膜
２０８    ゲート絶縁膜
２１０    ゲート電極
２１６    チャネル形成領域
２２０    不純物領域
２２４    金属間化合物領域
２２８    絶縁膜
２３０    絶縁膜
２５６    絶縁層
２６０    トランジスタ
２６２    導電層
２６４    容量素子
２７２    配線
２７４    下地絶縁膜
３００    ガラス基板
３０２    酸化窒化シリコン膜
３０４    ＩＧＺＯ膜
３５０    メモリセル
３５１ａ    メモリセルアレイ
３５１ｂ    メモリセルアレイ
３５３    周辺回路
３５４    容量素子
８０１    トランジスタ
８０３    トランジスタ
８０４    トランジスタ
８０５    トランジスタ
８０６    トランジスタ
８０７    Ｘデコーダー
８０８    Ｙデコーダー
８１１    トランジスタ
８１２    保持容量
８１３    Ｘデコーダー
８１４    Ｙデコーダー
９０１    ＲＦ回路
９０２    アナログベースバンド回路
９０３    デジタルベースバンド回路
９０４    バッテリー
９０５    電源回路
９０６    アプリケーションプロセッサ
９０７    ＣＰＵ
９０８    ＤＳＰ
９０９    インターフェイス
９１０    フラッシュメモリ
９１１    ディスプレイコントローラ
９１２    メモリ回路
９１３    ディスプレイ
９１４    表示部
９１５    ソースドライバ
９１６    ゲートドライバ
９１７    音声回路
９１８    キーボード
９１９    タッチセンサ
９５０    メモリ回路
９５１    メモリコントローラ
９５２    メモリ
９５３    メモリ
９５４    スイッチ
９５５    スイッチ
９５６    ディスプレイコントローラ
９５７    ディスプレイ
１００１    バッテリー
１００２    電源回路
１００３    マイクロプロセッサ
１００４    フラッシュメモリ
１００５    音声回路
１００６    キーボード
１００７    メモリ回路
１００８    タッチパネル
１００９    ディスプレイ
１０１０    ディスプレイコントローラ
【図１】
2020145463.tif 000007
【図２】
2020145463.tif 000008
【図３】
2020145463.tif 000009
【図４】
2020145463.tif 000010
【図５】
2020145463.tif 000011
【図６】
2020145463.tif 000012
【図７】
2020145463.tif 000013
【図８】
2020145463.tif 000014
【図９】
2020145463.tif 000015
【図１０】
2020145463.tif 000016
【図１１】
2020145463.tif 000017
【図１２】
2020145463.tif 000018
【図１３】
2020145463.tif 000019
【図１４】
2020145463.tif 000020
【図１５】
2020145463.tif 000021
【図１６】
2020145463.tif 000022
【図１７】
2020145463.tif 000023
【図１８】
2020145463.tif 000024
【図１９】
2020145463.tif 000025
【図２０】
2020145463.tif 000026
【図２１】
2020145463.tif 000027
【図２２】
2020145463.tif 000028
【図２３】
2020145463.tif 000029
【図２４】
2020145463.tif 000030
【図２５】
2020145463.tif 000031
【図２６】
2020145463.tif 000032
【図２７】
2020145463.tif 000033