(57)【要約】【課題】銅、アルミニウム、金、銀、モリブデン等を用いて形成される配線の加工工程の安定性を高める。または、本半導体膜の不純物濃度を低減する。または、半導体装置の電気特性を向上させる。【解決手段】酸化物半導体膜と、該酸化物半導体膜に接する酸化物膜と、該酸化物膜に接する、銅、アルミニウム、金、銀、モリブデン等を用いて形成される一対の導電膜とを有するトランジスタにおいて、酸化物膜が複数の結晶部を有し、該複数の結晶部において、ｃ軸配向性を有し、かつｃ軸が酸化物半導体膜または酸化物膜の上面の法線ベクトルに平行な方向を向いている。【選択図】図１
2014220493.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜に接する酸化物膜と、
前記酸化物膜に接する、銅、アルミニウム、金、銀、またはモリブデンを有する一対の導電膜と、
前記酸化物半導体膜または前記酸化物膜に接するゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を介して、前記酸化物半導体膜及び前記酸化物膜と重なるゲート電極と、を有し、
前記酸化物膜は、複数の結晶部を有し、前記複数の結晶部において、ｃ軸配向性を有し、かつｃ軸が前記酸化物半導体膜または前記酸化物膜の上面の法線ベクトルに平行な方向を向いていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記酸化物膜は、前記複数の結晶部において、ａ軸およびｂ軸の配向は不規則であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記一対の導電膜は、単層構造であることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２において、
前記一対の導電膜は、積層構造であり、少なくとも前記酸化物膜に接する膜において、前記銅、アルミニウム、金、銀、またはモリブデンを有することを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、
前記ゲート電極及び前記一対の導電膜の間に、前記ゲート絶縁膜、前記酸化物半導体膜、及び前記酸化物膜を順に有し、
前記ゲート絶縁膜は、前記酸化物半導体膜において前記酸化物膜と接する面と反対の面で接する酸化物絶縁膜と、前記一対の導電膜及び前記酸化物絶縁膜と接する窒化物絶縁膜とを有することを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、
前記酸化物半導体膜及び前記ゲート電極の間に、前記酸化物膜、前記一対の導電膜、及び前記ゲート絶縁膜を順に有し、
前記酸化物半導体膜は、下地絶縁膜と接し、
前記下地絶縁膜は、前記酸化物半導体膜において前記酸化物膜と接する面と反対の面で接する酸化物絶縁膜と、前記一対の導電膜及び前記酸化物絶縁膜と接する窒化物絶縁膜とを有することを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一項において、
前記一対の導電膜において、前記酸化物膜と接する面と反対の面に保護膜を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項７において、
前記保護膜は、窒化物絶縁膜であることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項８において、
前記窒化物絶縁膜は、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、または窒化酸化アルミニウムを用いて形成されることを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
請求項７において、
前記保護膜は、透光性を有する導電膜で形成されることを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
請求項１０において、
前記透光性を有する導電膜は、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、または酸化シリコンを含むインジウム錫酸化物で形成されることを特徴とする半導体装置。
【請求項１２】
請求項７において、
前記第保護膜は、Ｉｎ、Ｇａ、若しくはＺｎを含む酸化物膜であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１３】
請求項１２において、
前記Ｉｎ、Ｇａ、若しくはＺｎを含む半導体膜は、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（Ｍは、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄ）で形成されることを特徴とする半導体装置。
【請求項１４】
請求項１乃至請求項１３のいずれか一項において、
前記酸化物半導体膜は、Ｉｎ、Ｇａ、若しくはＺｎを含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項１５】
請求項１乃至請求項１４のいずれか一項において、
前記酸化物膜は、Ｉｎ、Ｇａ、若しくはＺｎを含むことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
トランジスタを有する半導体装置及びその作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置や発光表示装置に代表されるフラットパネルディスプレイの多くに用いられているトランジスタは、ガラス基板上に形成されたアモルファスシリコン、単結晶シリコンまたは多結晶シリコンなどのシリコン半導体によって構成されている。また、該シリコン半導体を用いたトランジスタは、集積回路（ＩＣ）などにも利用されている。
【０００３】
近年、シリコン半導体に代わって、半導体特性を示す金属酸化物をトランジスタに用いる技術が注目されている。なお、本明細書中では、半導体特性を示す金属酸化物を酸化物半導体とよぶことにする。
【０００４】
例えば、酸化物半導体として、酸化亜鉛、またはＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物を用いたトランジスタを作製し、該トランジスタを表示装置の画素のスイッチング素子などに用いる技術が開示されている（特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００５】
また、フラットパネルディスプレイの大面積化及び高精細化に伴って、駆動周波数が高まると共に、配線の抵抗及び寄生容量が増大し、配線遅延が生じる。そのため、配線遅延を抑制するため、銅を用いて配線を形成する技術が検討されている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１２３８６１号公報
【特許文献２】特開２００７−９６０５５号公報
【特許文献３】特開２００４−１３３４２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、配線の構成元素である、銅、アルミニウム、金、銀、モリブデン等は、加工しにくく、また、加工の途中において酸化物半導体膜に拡散してしまうという問題がある。
【０００８】
配線の構成元素である、銅、アルミニウム、金、銀、モリブデン等は、トランジスタの電気特性の不良の原因となる不純物の一つである。このため、該不純物が、酸化物半導体膜に混入することにより、当該酸化物半導体膜が低抵抗化してしまい、経時変化やストレス試験により、トランジスタの電気特性、代表的にはしきい値電圧の変動量が増大するという問題がある。
【０００９】
そこで、本発明の一態様は、銅、アルミニウム、金、銀、モリブデン等を用いて形成される配線の加工工程の安定性を高めることを課題とする。または、本発明の一態様は、酸化物半導体膜の不純物濃度を低減することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、半導体装置の電気特性を向上させることを課題の一とする。または、本発明の一態様は、半導体装置の信頼性を向上させることを課題の一とする。また、本発明の一態様は、半導体装置の高速動作を実現することを課題とする。また、本発明の一態様は、半導体装置の省電力化を実現することを課題とする。また、本発明の一態様は、生産性に優れた半導体装置を実現することを課題とする。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様は、酸化物半導体膜と、該酸化物半導体膜に接する酸化物膜と、該酸化物膜に接する、銅、アルミニウム、金、銀、モリブデン等を用いて形成される一対の導電膜とを有するトランジスタにおいて、酸化物膜が複数の結晶部を有し、該複数の結晶部において、ｃ軸配向性を有し、かつｃ軸が酸化物半導体膜または酸化物膜の上面の法線ベクトルに平行な方向を向いていることを特徴とする。複数の結晶部を有し、該複数の結晶部において、ｃ軸配向性を有し、かつｃ軸が酸化物半導体膜または酸化物膜の上面の法線ベクトルに平行な方向を向いて酸化物膜を、酸化物半導体膜と、一対の導電膜との間に設けることで、一対の導電膜を構成する金属元素、代表的には銅、アルミニウム、金、銀、モリブデン等が、酸化物半導体膜に移動することを防ぐことが可能である。この結果、酸化物半導体膜において、銅、アルミニウム、金、銀、モリブデン等を低減することができる。
【００１１】
また、本発明の一態様は、酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜に接する酸化物膜と、酸化物膜に接する、銅、アルミニウム、金、銀、またはモリブデンを有する一対の導電膜と、酸化物半導体膜または酸化物膜に接するゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜を介して、酸化物半導体膜及び酸化物膜と重なるゲート電極と、を有し、酸化物膜は、複数の結晶部を有し、該複数の結晶部において、ｃ軸配向性を有し、かつｃ軸が酸化物半導体膜または酸化物膜の上面の法線ベクトルに平行な方向を向いているトランジスタを有する半導体装置である。
【００１２】
なお、酸化物膜に含まれる複数の結晶部において、ａ軸およびｂ軸の配向は不規則である。また、一対の導電膜は、単層構造であってもよい。または、一対の導電膜は、積層構造であってもよい。なお、一対の導電膜が積層構造の場合、少なくとも酸化物膜に接する膜において、銅、アルミニウム、金、銀、またはモリブデンを有する。
【００１３】
また、上記トランジスタはボトムゲート型のトランジスタであり、ゲート電極及び一対の導電膜の間に、ゲート絶縁膜、酸化物半導体膜、及び酸化物膜を順に有し、ゲート絶縁膜は、酸化物半導体膜において酸化物膜と接する面と反対の面で接する酸化物絶縁膜と、ゲート電極及び酸化物絶縁膜と接する窒化物絶縁膜とを有する。
【００１４】
また、上記トランジスタはトップゲート型のトランジスタであり、酸化物半導体膜及びゲート電極の間に、酸化物膜、一対の導電膜、及びゲート絶縁膜を順に有し、酸化物半導体膜は、下地絶縁膜と接し、下地絶縁膜は、酸化物半導体膜において酸化物膜と接する面と反対の面で接する酸化物絶縁膜と、該酸化物絶縁膜と接する窒化物絶縁膜とを有する。
【００１５】
また、一対の導電膜において、酸化物膜と接する面と反対の面に保護膜を有してもよい。
【００１６】
保護膜は、窒化物絶縁膜であり、代表的には、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、または窒化酸化アルミニウムで形成されてもよい。
【００１７】
または、保護膜は、透光性を有する導電膜であり、代表的には、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、または酸化シリコンを含むインジウム錫酸化物で形成されてもよい。
【００１８】
または、保護膜は、Ｉｎ、Ｇａ、若しくはＺｎを含む酸化物膜であり、代表的には、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（Ｍは、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄ）で形成される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の一態様により、銅、アルミニウム、金、銀、モリブデン等を用いて形成される配線の加工工程の安定性を高めることができる。または、本発明の一態様により、酸化物半導体膜を用いた半導体装置などにおいて、酸化物半導体膜の不純物を低減することができる。または、本発明の一態様により、酸化物半導体膜を用いた半導体装置において、電気特性を向上させることができる。または、本発明の一態様により、酸化物半導体膜を用いた半導体装置において、信頼性を向上させることができる。また、本発明の一態様により、半導体装置の高速動作を実現することができる。また、本発明の一態様により、半導体装置の省電力化を実現することができる。また、本発明の一態様により、生産性に優れた半導体装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】トランジスタの一形態を説明する上面図及び断面図である。
【図２】トランジスタの作製方法の一形態を説明する断面図である。
【図３】トランジスタのバンド構造を説明する図である。
【図４】ＩＧＺＯ（１１１）の計算モデルを説明する図である。
【図５】Ｃｕの拡散経路及び活性障壁を説明する図である。
【図６】Ｃｕの拡散経路及び活性障壁を説明する図である。
【図７】Ｃｕの拡散経路及び活性障壁を説明する図である。
【図８】Ｃｕの拡散経路及び活性障壁を説明する図である。
【図９】Ｃｕの活性障壁を説明する図である。
【図１０】ＺｎＯの計算モデルを説明する図である。
【図１１】Ｃｕの拡散経路及び活性障壁を説明する図である。
【図１２】Ｃｕの拡散経路及び活性障壁を説明する図である。
【図１３】Ｃｕの活性障壁を説明する図である。
【図１４】トランジスタの一形態を説明する断面図である。
【図１５】トランジスタの一形態を説明する断面図である。
【図１６】トランジスタの一形態を説明する上面図及び断面図である。
【図１７】トランジスタの作製方法の一形態を説明する断面図である。
【図１８】半導体装置の一形態を説明するブロック図及び回路図である。
【図１９】半導体装置の一形態を説明する上面図である。
【図２０】半導体装置の一形態を説明する断面図である。
【図２１】半導体装置の作製方法の一形態を説明する断面図である。
【図２２】半導体装置の作製方法の一形態を説明する断面図である。
【図２３】半導体装置の作製方法の一形態を説明する断面図である。
【図２４】半導体装置の作製方法の一形態を説明する断面図である。
【図２５】半導体装置の作製方法の一形態を説明する断面図である。
【図２６】半導体装置の作製方法の一形態を説明する断面図である。
【図２７】酸化物半導体の極微電子線回折パターンを示す図である。
【図２８】酸化物半導体の不純物分析結果及びＸＲＤ分析結果を示す図である。
【図２９】酸化物半導体の不純物分析結果及びＸＲＤ分析結果を示す図である。
【図３０】酸化物半導体の不純物分析結果及びＸＲＤ分析結果を示す図である。
【図３１】酸化物半導体の不純物分析結果及びＸＲＤ分析結果を示す図である。
【図３２】トランジスタの一形態を説明する断面図である。
【図３３】トランジスタの一形態を説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、以下に示す実施の形態及び実施例の記載内容に限定して解釈されるものではない。また、以下に説明する実施の形態及び実施例において、同一部分または同様の機能を有する部分には、同一の符号または同一のハッチパターンを異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。
【００２２】
なお、本明細書で説明する各図において、各構成の大きさ、膜の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。
【００２３】
また、本明細書にて用いる第１、第２、第３などの用語は、構成要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではない。そのため、例えば、「第１の」を「第２の」または「第３の」などと適宜置き換えて説明することができる。
【００２４】
また、「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。
【００２５】
また、電圧とは２点間における電位差のことをいい、電位とはある一点における静電場の中にある単位電荷が持つ静電エネルギー（電気的な位置エネルギー）のことをいう。ただし、一般的に、ある一点における電位と基準となる電位（例えば接地電位）との電位差のことを、単に電位もしくは電圧と呼び、電位と電圧が同義語として用いられることが多い。このため、本明細書では特に指定する場合を除き、電位を電圧と読み替えてもよいし、電圧を電位と読み替えてもよいこととする。
【００２６】
本明細書において、フォトリソグラフィ工程を行った後にエッチング工程を行う場合は、フォトリソグラフィ工程で形成したマスクは除去するものとする。
【００２７】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様である半導体装置及びその作製方法について図面を参照して説明する。
【００２８】
酸化物半導体膜を用いたトランジスタにおいて、トランジスタの電気特性の不良に繋がる欠陥の一例として酸素欠損がある。例えば、膜中に酸素欠損が含まれている酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナス方向に変動しやすく、ノーマリーオン特性となりやすい。これは、酸化物半導体膜に含まれる酸素欠損に起因して電荷が生じ、低抵抗化するためである。トランジスタがノーマリーオン特性を有すると、動作時に動作不良が発生しやすくなる、または非動作時の消費電力が高くなるなどの、様々な問題が生じる。また、経時変化やストレス試験により、トランジスタの電気特性、代表的にはしきい値電圧の変動量が増大するという問題がある。
【００２９】
酸素欠損の発生原因の一つとして、トランジスタの作製工程に生じるダメージがある。例えば、酸化物半導体膜上にプラズマＣＶＤ法またはスパッタリング法により絶縁膜、導電膜などを形成する際、その形成条件によっては、当該酸化物半導体膜にダメージが入ることがある。
【００３０】
また、酸素欠損に限らず、絶縁膜の構成元素であるシリコンや炭素等の不純物も、トランジスタの電気特性の不良の原因となる。また、例えば、第８世代以上の大面積基板を用いてトランジスタを作製する場合、配線遅延を抑制するため、銅、アルミニウム、金、銀、モリブデン等の低抵抗材料を用いて配線を形成する。しかしながら、配線の構成元素である、銅、アルミニウム、金、銀、モリブデン等もトランジスタの電気特性の不良の原因となる不純物の一つである。このため、該不純物が、酸化物半導体膜に混入することにより、当該酸化物半導体膜が低抵抗化してしまい、経時変化やストレス試験により、トランジスタの電気特性、代表的にはしきい値電圧の変動量が増大するという問題がある。
【００３１】
そこで、本実施の形態では、酸化物半導体膜を有するトランジスタを備える半導体装置において、チャネル領域である酸化物半導体膜への酸素欠損、及び酸化物半導体膜の不純物濃度を低減することを課題の一とする。
【００３２】
一方で、市場で販売されている表示装置は、画面サイズが対角６０インチ以上と大型化する傾向にあり、さらには、対角１２０インチ以上の画面サイズも視野に入れた開発が行われている。このため、表示装置に用いられるガラス基板においては、第８世代以上の大面積化が進んでいる。しかしながら、大面積基板を用いる場合、高温処理、例えば４５０℃以上の加熱処理をするため加熱装置が大型で高価となってしまい、生産コストが増大してしまう。また、高温処理を行うと、基板の反りやシュリンクが生じてしまい、歩留まりが低減してしまう。
【００３３】
そこで、本実施の形態では、少ない加熱処理工程数、及び大面積基板を用いても可能な温度の加熱処理を用いて、半導体装置を作製することを課題の一とする。
【００３４】
図１（Ａ）乃至図１（Ｃ）に、半導体装置が有するトランジスタ６０の上面図及び断面図を示す。図１に示すトランジスタ６０は、チャネルエッチ型のトランジスタである。図１（Ａ）はトランジスタ６０の上面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の一点鎖線Ａ−Ｂ間の断面図であり、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）の一点鎖線Ｃ−Ｄ間の断面図である。なお、図１（Ａ）では、明瞭化のため、基板１１、トランジスタ６０の構成要素の一部（例えば、ゲート絶縁膜１７）、酸化物絶縁膜２３、酸化物絶縁膜２４、窒化物絶縁膜２５などを省略している。
【００３５】
図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）に示すトランジスタ６０は、基板１１上に設けられるゲート電極１５と、基板１１及びゲート電極１５上に形成されるゲート絶縁膜１７と、ゲート絶縁膜１７を介して、ゲート電極１５と重なる多層膜２０と、多層膜２０に接し、電極として機能する一対の導電膜（以下、一対の電極２１、２２と称して説明する。）とを有する。また、ゲート絶縁膜１７、多層膜２０、及び一対の電極２１、２２上には、酸化物絶縁膜２３、酸化物絶縁膜２４、及び窒化物絶縁膜２５で構成される保護膜２６が形成される。
【００３６】
本実施の形態に示すトランジスタ６０において、多層膜２０は、酸化物半導体膜１８及び酸化物膜１９を有する。また、酸化物半導体膜１８の一部がチャネル領域として機能する。また、酸化物膜１９に接するように、酸化物絶縁膜２３が形成されており、酸化物絶縁膜２３に接するように酸化物絶縁膜２４が形成されている。即ち、酸化物半導体膜１８と酸化物絶縁膜２３との間に、酸化物膜１９が設けられている。
【００３７】
本実施の形態において、酸化物膜１９は、ＣＡＡＣ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）酸化物膜を用いて形成されることを特徴とする。ＣＡＡＣ酸化物膜の詳細に関しては後述するが、ＣＡＡＣ酸化物膜は、結晶粒界が確認されず、ｃ軸配向性を有し、かつｃ軸が被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向を向いている。このため、酸化物膜１９が一対の電極２１、２２を構成する金属元素、例えば銅、アルミニウム、金、銀、モリブデン等の移動を防ぐ膜として機能する。このため、一対の電極２１、２２を構成する金属元素が、酸化物半導体膜１８へ移動しにくくなる。この結果、多層膜２０に含まれる酸化物半導体膜１８の不純物を低減することができる。また、電気特性を向上させたトランジスタを作製することができる。
【００３８】
以下に、トランジスタ６０の他の構成の詳細について説明する。
【００３９】
基板１１の材質など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必要がある。例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板等を、基板１１として用いてもよい。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等の化合物半導体基板、ＳＯＩ基板等を適用することも可能であり、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板１１として用いてもよい。なお、基板１１として、ガラス基板を用いる場合、第６世代（１５００ｍｍ×１８５０ｍｍ）、第７世代（１８７０ｍｍ×２２００ｍｍ）、第８世代（２２００ｍｍ×２４００ｍｍ）、第９世代（２４００ｍｍ×２８００ｍｍ）、第１０世代（２９５０ｍｍ×３４００ｍｍ）等の大面積基板を用いることで、大型の表示装置を作製することができる。
【００４０】
また、基板１１として、可撓性基板を用い、可撓性基板上に直接、トランジスタ６０を形成してもよい。または、基板１１とトランジスタ６０の間に剥離層を設けてもよい。剥離層は、その上に半導体装置を一部あるいは全部完成させた後、基板１１より分離し、他の基板に転載するのに用いることができる。その際、トランジスタ６０は耐熱性の劣る基板や可撓性の基板にも転載できる。
【００４１】
ゲート電極１５は、クロム、銅、アルミニウム、金、銀、モリブデン、タンタル、チタン、タングステンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いて形成することができる。また、マンガン、ジルコニウムのいずれか一または複数から選択された金属元素を用いてもよい。また、ゲート電極１５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膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜または窒化タングステン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造等がある。また、アルミニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素の一または複数を組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
【００４２】
また、ゲート電極１５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、酸化シリコンを添加したインジウム錫酸化物等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、上記金属元素の積層構造とすることもできる。
【００４３】
また、ゲート電極１５とゲート絶縁膜１７との間に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化窒化物膜、Ｉｎ−Ｓｎ系酸化窒化物膜、Ｉｎ−Ｇａ系酸化窒化物膜、Ｉｎ−Ｚｎ系酸化窒化物膜、Ｓｎ系酸化窒化物膜、Ｉｎ系酸化窒化物膜、金属窒化膜（ＩｎＮ、ＺｎＮ等）等を設けてもよい。これらの膜は５ｅＶ以上、または５．５ｅＶ以上の仕事関数を有し、酸化物半導体の電子親和力よりも大きい値であるため、酸化物半導体を用いたトランジスタのしきい値電圧をプラスにシフトすることができ、所謂ノーマリーオフ特性のスイッチング素子を実現できる。例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化窒化物膜を用いる場合、少なくとも酸化物半導体膜１８より高い窒素濃度、具体的には７原子％以上のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化窒化物膜を用いる。
【００４４】
ゲート絶縁膜１７は、ゲート電極１５側に設けられる窒化物絶縁膜１７ａと、酸化物半導体膜１８に接する酸化物絶縁膜１７ｃを有する。窒化物絶縁膜１７ａは、一方の面においてゲート電極１５と接し、他方の面において酸化物絶縁膜１７ｃ及び一対の電極２１、２２と接する。酸化物絶縁膜１７ｃは、一方の面において窒化物絶縁膜１７ａと接し、他方の面において酸化物半導体膜１８と接する。即ち、酸化物半導体膜１８の側面は、酸化物絶縁膜１７ｃの側面と略一致する。
【００４５】
窒化物絶縁膜１７ａは、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム等を用いて形成する。
【００４６】
窒化物絶縁膜１７ａは、単層構造または積層構造とすることができる。積層構造の一例としては、欠陥の少ない第１の窒化物絶縁膜と、水素ブロッキング性の高い第２の窒化物絶縁膜とが、ゲート電極１５側から順に積層される積層構造とすることができる。欠陥の少ない第１の窒化物絶縁膜を設けることで、ゲート絶縁膜１７の絶縁耐圧を向上させることができる。また、水素ブロッキング性の高い第２の窒化物絶縁膜を設けることで、ゲート電極１５及び第１の窒化物絶縁膜からの水素が酸化物半導体膜１８に移動することを防ぐことができる。
【００４７】
または、窒化物絶縁膜１７ａは、不純物のブロッキング性が高い第１の窒化物絶縁膜と、欠陥の少ない第２の窒化物絶縁膜と、水素ブロッキング性の高い第３の窒化物絶縁膜とが、ゲート電極１５側から順に積層される積層構造とすることができる。不純物のブロッキング性が高い第１の窒化物絶縁膜を設けることで、ゲート電極１５からの不純物、代表的には、水素、窒素、アルカリ金属、またはアルカリ土類金属等が酸化物半導体膜１８に移動することを防ぐことができる。
【００４８】
酸化物絶縁膜１７ｃは、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムまたはＧａ−Ｚｎ系金属酸化物等を用いて形成する。
【００４９】
本実施の形態においては、ゲート絶縁膜１７は、一対の電極２１、２２と接する窒化物絶縁膜１７ａと、酸化物半導体膜１８と接する酸化物絶縁膜１７ｃを有する。酸化物半導体膜１８がゲート絶縁膜１７と接するため、酸化物半導体膜１８及びゲート絶縁膜１７の界面準位密度を低減することができる。また、一対の電極２１、２２が窒化物絶縁膜１７ａと接する。窒化物絶縁膜１７ａは、一対の電極２１、２２の酸化を防ぐ機能を有すると共に、一対の電極２１、２２を構成する金属元素の拡散を防ぐ機能を有する。このため、一対の電極２１、２２が窒化物絶縁膜１７ａと接することで、一対の電極２１、２２の抵抗値の上昇を防ぐと共に、一対の電極２１、２２の拡散によるトランジスタの電気特性の低下を防ぐことができる。
【００５０】
ゲート絶縁膜１７の厚さは、５ｎｍ以上４００ｎｍ以下、または１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下、または５０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下とするとよい。
【００５１】
酸化物半導体膜１８は、代表的には、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（Ｍは、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄ）を用いて形成する。また、酸化物半導体膜１８は、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（Ｍは、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄ、ｍは自然数）で表されるホモロガス化合物を用いて形成する。
【００５２】
酸化物半導体膜１８がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（Ｍは、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄ）の場合、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を成膜するために用いるスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比は、Ｉｎ≧Ｍ、Ｚｎ≧Ｍを満たすことが好ましい。このようなスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比として、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２が好ましい。なお、成膜される酸化物半導体膜１８の原子数比はそれぞれ、誤差として上記のスパッタリングターゲットに含まれる金属元素の原子数比のプラスマイナス４０％の変動を含む。
【００５３】
なお、酸化物半導体膜１８がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、ＩｎとＭの原子数比率は、Ｉｎが２５ａｔｏｍｉｃ％以上、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、またはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％以上、Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。
【００５４】
酸化物半導体膜１８は、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、または２．５ｅＶ以上、または３ｅＶ以上である。このように、エネルギーギャップの広い酸化物半導体を用いることで、トランジスタ６０のオフ電流を低減することができる。
【００５５】
酸化物半導体膜１８の厚さは、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、または３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、または３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。
【００５６】
なお、酸化物半導体膜１８として、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の小さい酸化物半導体膜を用いることで、さらに優れた電気特性を有するトランジスタを作製することができ好ましい。ここでは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の小さい（酸素欠損の少ない）ことを高純度真性または実質的に高純度真性とよぶ。
【００５７】
高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる場合がある。従って、当該酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性（ノーマリーオンともいう。）になることが少ない場合がある。
【００５８】
また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、欠陥準位密度が小さいため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。
【００５９】
また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、オフ電流が著しく小さく、チャネル幅が１×１０６μｍでチャネル長Ｌが１０μｍの素子であっても、ソース電極とドレイン電極間の電圧（ドレイン電圧）が１Ｖから１０Ｖの範囲において、オフ電流が、半導体パラメータアナライザの測定限界以下、すなわち１×１０−１３Ａ以下という特性を得ることができる。
【００６０】
従って、当該酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる場合がある。なお、酸化物半導体膜のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、またはアルカリ土類金属等がある。
【００６１】
また、酸化物半導体膜１８として、後述するＣＡＡＣ酸化物膜と同様の構造の酸化物半導体膜（以下、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）という。）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。
【００６２】
酸化物半導体膜に含まれる水素は金属原子と結合する酸素と反応して水になると共に、酸素が脱離した格子（または酸素が脱離した部分）に酸素欠損が形成される。当該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合することで、キャリアである電子を生成する場合がある。従って、水素が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。
【００６３】
このため、酸化物半導体膜１８は水素ができる限り低減されていることが好ましい。具体的には、酸化物半導体膜１８において、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる水素濃度を、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、または１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、または５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、または１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、または５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、または１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【００６４】
酸化物半導体膜１８において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物半導体膜１８において酸素欠損量が増加し、ｎ型化してしまう。このため、酸化物半導体膜１８におけるシリコンや炭素の濃度、または酸化物膜１９と、酸化物半導体膜１８との界面近傍のシリコンや炭素の濃度（二次イオン質量分析法により得られる濃度）を、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、または２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【００６５】
また、酸化物半導体膜１８において、二次イオン質量分析法により得られるアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、または２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。アルカリ金属及びアルカリ土類金属は、酸化物半導体と結合するとキャリアを生成する場合があり、トランジスタのオフ電流が増大してしまうことがある。このため、酸化物半導体膜１８のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。
【００６６】
また、酸化物半導体膜１８に窒素が含まれていると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、当該酸化物半導体膜において、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、二次イオン質量分析法により得られる窒素濃度は、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にすることが好ましい。
【００６７】
なお、酸化物半導体膜１８は、例えば非単結晶構造でもよい。非単結晶構造は、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ、多結晶構造、後述する微結晶構造、または非晶質構造を含む。非単結晶構造において、非晶質構造は最も欠陥準位密度が大きく、ＣＡＡＣ−ＯＳは最も欠陥準位密度が小さい。
【００６８】
なお、酸化物半導体膜１８が、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域、単結晶構造の領域の二種以上を有する混合膜であってもよい。混合膜は、例えば、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域、単結晶構造の領域のいずれか二種以上の領域を有する単層構造の場合がある。また、混合膜は、例えば、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域、単結晶構造の領域のいずれか二種以上の領域を有する積層構造を有する場合がある。
【００６９】
酸化物膜１９は、代表的には、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（Ｍは、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄ）であり、且つ酸化物半導体膜１８よりも伝導帯の下端のエネルギーが真空準位に近く、代表的には、酸化物膜１９の伝導帯の下端のエネルギーと、酸化物半導体膜１８の伝導帯の下端のエネルギーとの差が、０．０５ｅＶ以上、０．０７ｅＶ以上、０．１ｅＶ以上、または０．１５ｅＶ以上、且つ２ｅＶ以下、１ｅＶ以下、０．５ｅＶ以下、または０．４ｅＶ以下である。即ち、酸化物膜１９の電子親和力と、酸化物半導体膜１８の電子親和力との差が、０．０５ｅＶ以上、０．０７ｅＶ以上、０．１ｅＶ以上、または０．１５ｅＶ以上、且つ２ｅＶ以下、１ｅＶ以下、０．５ｅＶ以下、または０．４ｅＶ以下である。
【００７０】
酸化物膜１９がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（Ｍは、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄ）の場合、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を成膜するために用いるスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比は、Ｍ＞Ｉｎ、Ｚｎ＞０．５×Ｍ、更にはＺｎ≧Ｍを満たすことが好ましい。このようなスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：３、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：５、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：６、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：７、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：８、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：９、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：１０、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：４：３、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：４：４、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：４：５、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：４：６、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：４：７、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：４：８、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：４：９、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：４：１０、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：５：３、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：５：４、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：５：５、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：５：６、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：５：７、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：５：８、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：５：９、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：５：１０、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：６：４、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：６：５、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：６：６、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：６：７、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：６：８、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：６：９、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：６：１０が好ましい。Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を成膜するために用いるスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比をＭ＞Ｉｎ、且つＺｎ≧Ｍとすることで、ＣＡＡＣ酸化物膜を形成することができる。なお、上記スパッタリングターゲットを用いて成膜された酸化物膜１９に含まれる金属元素の原子数比はそれぞれ、誤差として上記スパッタリングターゲットに含まれる金属元素の原子数比のプラスマイナス４０％の変動を含む。
【００７１】
また、酸化物膜１９は、ＣＡＡＣ酸化物膜を用いて形成されることを特徴とする。
【００７２】
ＣＡＡＣ酸化物膜は、複数の結晶部を有する酸化物半導体膜の一つである。また、ＣＡＡＣ酸化物膜に含まれる結晶部は、ｃ軸配向性を有する。平面ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ））像において、ＣＡＡＣ酸化物膜に含まれる結晶部の面積が２５００ｎｍ２以上、または５μｍ２以上、または１０００μｍ２以上である。また、断面ＴＥＭ像において、該結晶部を５０％以上、または８０％以上、または９５％以上有する場合、ＣＡＡＣ酸化物膜は単結晶に近い物性の薄膜となる。
【００７３】
ＣＡＡＣ酸化物膜をＴＥＭによって観察すると、結晶部同士の明確な境界、即ち結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を確認することができない。そのため、ＣＡＡＣ酸化物膜は、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。
【００７４】
ＣＡＡＣ酸化物膜を、試料面と概略平行な方向からＴＥＭによって観察（断面ＴＥＭ観察）すると、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層は、ＣＡＡＣ酸化物膜の膜を形成する面（被形成面ともいう。）または上面の凹凸を反映した形状であり、ＣＡＡＣ酸化物膜の被形成面または上面と平行に配列する。なお、本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。
【００７５】
一方、ＣＡＡＣ酸化物膜を、試料面と概略垂直な方向からＴＥＭによって観察（平面ＴＥＭ観察）すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られない。
【００７６】
なお、ＣＡＡＣ酸化物膜に対し、電子線回折を行うと、配向性を示すスポット（輝点）が観測される。
【００７７】
断面ＴＥＭ観察および平面ＴＥＭ観察より、ＣＡＡＣ酸化物膜の結晶部は配向性を有していることがわかる。
【００７８】
ＣＡＡＣ酸化物膜に対し、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）装置を用いて構造解析を行うと、ＣＡＡＣ酸化物膜のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎ酸化物の結晶の（００ｘ）面（ｘは整数）に帰属されることから、ＣＡＡＣ酸化物膜の結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に概略垂直な方向を向いていることが確認できる。
【００７９】
一方、ＣＡＡＣ酸化物膜に対し、ｃ軸に概略垂直な方向からＸ線を入射させるｉｎ−ｐｌａｎｅ法による解析では、２θが５６°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎ酸化物の結晶の（１１０）面に帰属される。ＩｎＧａＺｎ酸化物の単結晶酸化物半導体膜であれば、２θを５６°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸（φ軸）として試料を回転させながら分析（φスキャン）を行うと、（１１０）面と等価な結晶面に帰属されるピークが６本観察される。これに対し、ＣＡＡＣ酸化物膜の場合は、２θを５６°近傍に固定してφスキャンした場合でも、明瞭なピークが現れない。
【００８０】
以上のことから、ＣＡＡＣ酸化物膜では、異なる結晶部間ではａ軸およびｂ軸の配向は不規則であるが、ｃ軸配向性を有し、かつｃ軸が被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向を向いていることがわかる。従って、前述の断面ＴＥＭ観察で確認された層状に配列した金属原子の各層は、結晶のａ−ｂ面に平行な面である。
【００８１】
なお、結晶部は、ＣＡＡＣ酸化物膜を成膜した際、または加熱処理などの結晶化処理を行った際に形成される。上述したように、結晶部のｃ軸は、ＣＡＡＣ酸化物膜の被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向に配向する。従って、例えば、ＣＡＡＣ酸化物膜の形状をエッチングなどによって変化させた場合、結晶部のｃ軸がＣＡＡＣ酸化物膜の被形成面または上面の法線ベクトルと平行にならないこともある。
【００８２】
また、ＣＡＡＣ酸化物膜中の結晶化度が均一でなくてもよい。例えば、ＣＡＡＣ酸化物膜の結晶部が、ＣＡＡＣ酸化物膜の上面近傍からの結晶成長によって形成される場合、上面近傍の領域は、被形成面近傍の領域よりも結晶化度が高くなることがある。また、ＣＡＡＣ酸化物膜に不純物を添加する場合、不純物が添加された領域の結晶化度が変化し、部分的に結晶化度の異なる領域が形成されることもある。
【００８３】
なお、ＣＡＡＣ酸化物膜のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、２θが３１°近傍のピークの他に、２θが３６°近傍にもピークが現れる場合がある。２θが３６°近傍のピークは、ＣＡＡＣ酸化物膜中の一部に、ｃ軸配向性を有さない結晶が含まれることを示している。ＣＡＡＣ酸化物膜は、２θが３１°近傍にピークを示し、２θが３６°近傍にピークを示さないことが好ましい。
【００８４】
酸化物膜１９を、結晶粒界が確認されず、ｃ軸配向性を有し、かつｃ軸が被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向を向いているＣＡＡＣ酸化物膜を用いて形成することで、酸化物膜１９が一対の電極２１、２２を構成する金属元素、例えば銅、アルミニウム、金、銀、モリブデン等の移動を防ぐ膜として機能する。このため、一対の電極２１、２２を構成する金属元素が、酸化物半導体膜１８へ移動しにくくなる。この結果、多層膜２０に含まれる酸化物半導体膜１８の不純物を低減することができる。また、電気特性を向上させたトランジスタを作製することができる。
【００８５】
酸化物膜１９として、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄをＩｎより高い原子数比で有することで、以下の効果を有する場合がある。（１）酸化物膜１９のエネルギーギャップを大きくする。（２）酸化物膜１９の電子親和力を小さくする。（３）外部からの不純物の拡散を低減する。（４）酸化物半導体膜１８と比較して、絶縁性が高くなる。また、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄは、酸素との結合力が強い金属元素であるため、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄをＩｎより高い原子数比で有することで、酸素欠損が生じにくくなる。
【００８６】
酸化物膜１９がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物膜であるとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、ＩｎとＭの原子数比率は、Ｉｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％以上、またはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％以上とする。
【００８７】
また、酸化物半導体膜１８、及び酸化物膜１９がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物膜（Ｍは、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄ）の場合、酸化物半導体膜１８と比較して、酸化物膜１９に含まれるＭ（Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄ）の原子数比が大きく、代表的には、酸化物半導体膜１８に含まれる上記原子と比較して、１．５倍以上、または２倍以上、または３倍以上高い原子数比である。
【００８８】
また、酸化物半導体膜１８、及び酸化物膜１９がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物膜（Ｍは、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄ）の場合、酸化物膜１９をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ１：ｚ１［原子数比］、酸化物半導体膜１８をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ２：ｙ２：ｚ２［原子数比］とすると、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２よりも大きく、または、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２よりも１．５倍以上である。または、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２よりも２倍以上大きく、または、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２よりも３倍以上大きい。このとき、酸化物半導体膜において、ｙ２がｘ２以上であると、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタに安定した電気特性を付与できるため好ましい。
【００８９】
酸化物半導体膜１８及び酸化物膜１９としては、キャリア密度の低い酸化物半導体膜及び酸化物膜を用いる。例えば、酸化物半導体膜１８、及び酸化物膜１９は、キャリア密度が１×１０１７個／ｃｍ３以下、または１×１０１５個／ｃｍ３以下、または１×１０１３個／ｃｍ３以下、または１×１０１１個／ｃｍ３以下の酸化物半導体膜及び酸化物膜を用いる。
【００９０】
なお、これらに限られず、必要とするトランジスタの半導体特性及び電気特性（電界効果移動度、しきい値電圧等）に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とするトランジスタの半導体特性を得るために、酸化物半導体膜１８のキャリア密度や不純物濃度、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。
【００９１】
酸化物膜１９は、後に形成する酸化物絶縁膜２４を形成する際の、酸化物半導体膜１８へのダメージ緩和膜としても機能する。
【００９２】
酸化物膜１９の厚さは、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、または３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。
【００９３】
本実施の形態に示すトランジスタ６０は、酸化物膜１９がＣＡＡＣ酸化物膜で形成される。このため、酸化物膜１９は、外部からの不純物の拡散を低減することが可能であり、一対の電極２１、２２から酸化物半導体膜１８へ移動する不純物量を低減することが可能である。このため、銅、アルミニウム、金、銀、またはモリブデンを用いて一対の電極２１、２２を形成しても、さらには、一対の電極２１、２２において、酸化物膜１９と接する膜が、銅、アルミニウム、金、銀、モリブデン等の低抵抗材料を用いて形成されても、一対の電極２１、２２の、銅、アルミニウム、金、銀、またはモリブデンが酸化物膜１９を介して酸化物半導体膜１８に移動しにくい。この結果、トランジスタのしきい値電圧の変動を低減することができる。
【００９４】
また、酸化物半導体膜１８及び酸化物絶縁膜２３の間に、酸化物膜１９が設けられている。このため、酸化物膜１９と酸化物絶縁膜２３の間において、不純物及び欠陥によりトラップ準位が形成されても、当該トラップ準位と酸化物半導体膜１８との間には隔たりがある。この結果、酸化物半導体膜１８を流れる電子がトラップ準位に捕獲されにくく、トランジスタのオン電流を増大させることが可能であると共に、電界効果移動度を高めることができる。また、トラップ準位に電子が捕獲されると、該電子がマイナスの固定電荷となってしまう。この結果、トランジスタのしきい値電圧が変動してしまう。しかしながら、酸化物半導体膜１８とトラップ準位との間に隔たりがあるため、トラップ準位における電子の捕獲を低減することが可能であり、しきい値電圧の変動を低減することができる。
【００９５】
また、酸化物膜１９は、酸素欠損を形成しにくい。
【００９６】
これらのため、酸化物半導体膜１８における不純物濃度及び酸素欠損量を低減することが可能である。
【００９７】
また、本実施の形態に示すトランジスタ６０において、多層膜２０に接するように、一対の電極２１、２２が形成されている。
【００９８】
一対の電極２１、２２は、銅、アルミニウム、金、銀、モリブデン等の低抵抗材料からなる単体金属、またはこれを主成分とする化合物または合金を、単層構造または積層構造として用いる。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、銅膜の単層構造、金膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、銅−マグネシウム−アルミニウム合金膜上に、銅膜、銀膜、または金膜を積層する二層構造等がある。なお、一対の電極２１、２２が積層構造の場合、酸化物膜１９に接する膜が銅、アルミニウム、金、銀、モリブデン等の低抵抗材料を用いて形成される。
【００９９】
一対の電極２１、２２を、銅、アルミニウム、金、銀、モリブデン等の低抵抗材料を用いて形成することで、大面積基板を用いて、配線遅延を抑制した半導体装置を作製することができる。また、消費電力を低減した半導体装置を作製することができる。
【０１００】
酸化物絶縁膜２３は、酸素を透過する酸化物絶縁膜である。なお、酸化物絶縁膜２３は、後に形成する酸化物絶縁膜２４を形成する際の、多層膜２０へのダメージ緩和膜としても機能する。
【０１０１】
酸化物絶縁膜２３としては、厚さが５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下、または５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜等を用いることができる。なお、本明細書中において、酸化窒化シリコン膜とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多い膜を指し、窒化酸化シリコン膜とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い膜を指す。
【０１０２】
また、酸化物絶縁膜２３は、欠陥量が少ないことが好ましく、代表的には、ＥＳＲ測定により、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝２．００１に現れる信号のスピン密度が３×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。これは、酸化物絶縁膜２３に含まれる欠陥密度が多いと、当該欠陥に酸素が結合してしまい、酸化物絶縁膜２３における酸素の透過量が減少してしまうためである。
【０１０３】
また、酸化物絶縁膜２３と多層膜２０との界面における欠陥量が少ないことが好ましく、代表的には、ＥＳＲ測定により、多層膜２０の欠陥に由来するｇ＝１．９３に現れる信号のスピン密度が１×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下、さらには検出下限以下であることが好ましい。
【０１０４】
なお、酸化物絶縁膜２３においては、外部から酸化物絶縁膜２３に入った酸素が全て酸化物絶縁膜２３の外部に移動せず、酸化物絶縁膜２３にとどまる酸素もある。また、酸化物絶縁膜２３に酸素が入ると共に、酸化物絶縁膜２３に含まれる酸素が酸化物絶縁膜２３の外部へ移動することで、酸化物絶縁膜２３において酸素の移動が生じる場合もある。
【０１０５】
酸化物絶縁膜２３として酸素を透過する酸化物絶縁膜を形成すると、酸化物絶縁膜２３上に設けられる、酸化物絶縁膜２４から脱離する酸素を、酸化物絶縁膜２３を介して酸化物半導体膜１８に移動させることができる。
【０１０６】
酸化物絶縁膜２３に接するように酸化物絶縁膜２４が形成されている。酸化物絶縁膜２４は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を用いて形成する。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜は、加熱により酸素の一部が脱離する。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜は、ＴＤＳ分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、または３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である酸化物絶縁膜である。
【０１０７】
酸化物絶縁膜２４としては、厚さが３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、または５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下の、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜等を用いることができる。
【０１０８】
また、酸化物絶縁膜２４は、欠陥量が少ないことが好ましく、代表的には、ＥＳＲ測定により、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝２．００１に現れる信号のスピン密度が１．５×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満、更には１×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。なお、酸化物絶縁膜２４は、酸化物絶縁膜２３と比較して多層膜２０から離れているため、酸化物絶縁膜２３より、欠陥密度が多くともよい。
【０１０９】
さらに、酸化物絶縁膜２４上に、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキング効果を有する窒化物絶縁膜２５を設けることで、多層膜２０からの酸素の外部への拡散と、外部から多層膜２０への水素、水等の侵入を防ぐことができる。窒化物絶縁膜としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム等がある。なお、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキング効果を有する窒化物絶縁膜の代わりに、酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜を設けてもよい。酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜としては、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等がある。
【０１１０】
次に、図１に示すトランジスタ６０の作製方法について、図２を用いて説明する。
【０１１１】
図２（Ａ）に示すように、基板１１上にゲート電極１５を形成し、ゲート電極１５上に窒化物絶縁膜１７ａ及び酸化物絶縁膜１７ｂを形成する。
【０１１２】
ここでは、基板１１としてガラス基板を用いる。
【０１１３】
ゲート電極１５の形成方法を以下に示す。はじめに、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法等により導電膜を形成し、導電膜上にフォトリソグラフィ工程によりマスクを形成する。次に、該マスクを用いて導電膜の一部をエッチングして、ゲート電極１５を形成する。この後、マスクを除去する。
【０１１４】
なお、ゲート電極１５は、上記形成方法の代わりに、電解メッキ法、印刷法、インクジェット法等で形成してもよい。
【０１１５】
ここでは、厚さ１００ｎｍのタングステン膜をスパッタリング法により形成する。次に、フォトリソグラフィ工程によりマスクを形成し、当該マスクを用いてタングステン膜をドライエッチングして、ゲート電極１５を形成する。
【０１１６】
窒化物絶縁膜１７ａ及び酸化物絶縁膜１７ｂは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法等で形成する。
【０１１７】
窒化物絶縁膜１７ａとして窒化シリコン膜または窒化酸化シリコン膜を形成する場合、原料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体と、窒素または／及びアンモニアを用いることが好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例としては、シラン、ジシラン、トリシラン、フッ化シラン等がある。
【０１１８】
酸化物絶縁膜１７ｂとして酸化シリコン膜、または酸化窒化シリコン膜を形成する場合、原料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体及び酸化性気体を用いることが好ましい。酸化性気体としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素、二酸化窒素等がある。
【０１１９】
また、酸化物絶縁膜１７ｂとして酸化ガリウム膜を形成する場合、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成することができる。
【０１２０】
次に、図２（Ｂ）に示すように、酸化物絶縁膜１７ｂ上に酸化物半導体膜１８及び酸化物膜１９を形成する。
【０１２１】
酸化物半導体膜１８、及び酸化物膜１９の形成方法について、以下に説明する。ゲート絶縁膜１７上に、酸化物半導体膜１８となる酸化物半導体膜、及び酸化物膜１９となる酸化物膜を連続的に形成する。次に、酸化物膜上にフォトリソグラフィ工程によりマスクを形成した後、該マスクを用いて酸化物半導体膜、及び酸化物膜のそれぞれ一部をエッチングすることで、図２（Ｂ）に示すような、素子分離された酸化物半導体膜１８、及び酸化物膜１９を有する多層膜２０を形成する。この後、マスクを除去する。
【０１２２】
酸化物半導体膜１８となる酸化物半導体膜、及び酸化物膜１９となる酸化物膜は、スパッタリング法、塗布法、パルスレーザー蒸着法、レーザーアブレーション法等を用いて形成することができる。
【０１２３】
スパッタリング法で該酸化物半導体膜及び酸化物膜を形成する場合、プラズマを発生させるための電源装置は、ＲＦ電源装置、ＡＣ電源装置、ＤＣ電源装置等を適宜用いることができる。
【０１２４】
スパッタリングガスは、希ガス（代表的にはアルゴン）、酸素ガス、希ガス及び酸素の混合ガスを適宜用いる。なお、希ガス及び酸素の混合ガスの場合、希ガスに対して酸素のガス比を高めることが好ましい。
【０１２５】
また、ターゲットは、形成する酸化物半導体膜及び酸化物膜の組成にあわせて、適宜選択すればよい。
【０１２６】
なお、酸化物半導体膜１８となる酸化物半導体膜、及び酸化物膜１９となる酸化物膜をそれぞれＣＡＡＣ−ＯＳ膜及びＣＡＡＣ酸化物膜を用いて形成する場合、ｃ軸配向した多結晶金属酸化物を有するターゲットを用いることが好ましい。ｃ軸配向した多結晶金属酸化物を有するターゲットは、スパッタリング粒子によってスパッタ面と平行な面で劈開する劈開面を有する。ターゲットにスパッタリング粒子が衝突すると、当該劈開面及び原子間の結合の弱い部分において結合が切断され、ターゲットの一部が平板状の粒子となって剥離する。当該平板状の粒子が被形成面に堆積することにより、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜及びＣＡＡＣ酸化物膜を成膜することができる。なお、平板状の粒子は、劈開面がａ−ｂ面と平行な平面である六角柱、または劈開面がａ−ｂ面と平行な平面である三角柱であってもよい。
【０１２７】
また、酸化物半導体膜１８となる酸化物半導体膜、及び酸化物膜１９となる酸化物膜がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、スパッタリングターゲットの金属元素の原子数比をＺｎ≧Ｍとすることが好ましい。２００℃以上５００℃以下の加熱により、六方晶であるＺｎＯは、ａ−ｂ面においてＺｎ原子とＯ原子が六角形状に結合し、且つｃ軸配向する。このため、該ＺｎＯを種結晶とし、ＺｎＯの方位に揃って上記平板状の粒子を堆積させることで、平面ＴＥＭ像において、面積が２５００ｎｍ２以上、または５μｍ２以上、または１０００μｍ２以上である結晶部を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜及びＣＡＡＣ酸化物膜を形成することができる。
【０１２８】
酸化物半導体膜及び酸化物膜は、各膜を単に積層するのではなく連続接合（ここでは特に伝導帯の下端のエネルギーが各膜の間で連続的に変化する構造）が形成されるように作製する。すなわち、各膜の界面にトラップ中心や再結合中心のような欠陥準位を形成するような不純物が存在しないような積層構造とする。仮に、積層された酸化物半導体膜及び酸化物膜の間に不純物が混在していると、エネルギーバンドの連続性が失われ、界面でキャリアがトラップされ、あるいは再結合して、消滅してしまう。
【０１２９】
連続接合を形成するためには、ロードロック室を備えたマルチチャンバー方式の成膜装置（スパッタリング装置）を用いて各膜を大気に触れさせることなく連続して積層することが必要となる。スパッタリング装置における各チャンバーは、酸化物半導体膜にとって不純物となる水等を可能な限り除去すべくクライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて高真空排気（５×１０−７Ｐａ乃至１×１０−４Ｐａ程度まで）することが好ましい。または、ターボ分子ポンプとコールドトラップを組み合わせて排気系からチャンバー内に気体、特に炭素または水素を含む気体が逆流しないようにしておくことが好ましい。
【０１３０】
高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜を得るためには、チャンバー内を高真空排気するのみならずスパッタガスの高純度化も必要である。スパッタガスとして用いる酸素ガスやアルゴンガスは、露点が−４０℃以下、または−８０℃以下、または−１００℃以下、または−１２０℃以下にまで高純度化したガスを用いることで酸化物半導体膜に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。
【０１３１】
ここでは、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１）を用いたスパッタリング法により、酸化物半導体膜として厚さ３５ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物膜を形成した後、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４）を用いたスパッタリング法により、酸化物膜として厚さ２０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物膜を形成する。次に、酸化物膜上にマスクを形成し、酸化物半導体膜及び酸化物膜のそれぞれ一部を選択的にエッチングすることで、酸化物半導体膜１８及び酸化物膜１９を有する多層膜２０を形成する。
【０１３２】
こののち、第１の加熱処理を行う。第１の加熱処理によって、酸化物半導体膜１８に含まれる水素、水等を脱離させ、酸化物半導体膜１８に含まれる水素及び水の量を低減することができる。該加熱処理の温度は、代表的には、３００℃以上４００℃以下、または３２０℃以上３７０℃以下とする。
【０１３３】
第１の加熱処理は、電気炉、ＲＴＡ装置等を用いることができる。ＲＴＡ装置を用いることで、短時間に限り、基板の歪み点以上の温度で熱処理を行うことができる。そのため加熱処理時間を短縮することができる。
【０１３４】
第１の加熱処理は、窒素、酸素、超乾燥空気（水の含有量が２０ｐｐｍ以下、または１ｐｐｍ以下、または１０ｐｐｂ以下の空気）、または希ガス（アルゴン、ヘリウム等）の雰囲気下で行えばよい。なお、上記窒素、酸素、超乾燥空気、または希ガスに水素、水等が含まれないことが好ましい。また、窒素または希ガス雰囲気で加熱処理した後、酸素または超乾燥空気雰囲気で加熱してもよい。この結果、酸化物半導体膜中に含まれる水素、水等を脱離させると共に、酸化物半導体膜中に酸素を供給することができる。この結果、酸化物半導体膜中に含まれる酸素欠損量を低減することができる。
【０１３５】
次に、図２（Ｃ）に示すように、酸化物絶縁膜１７ｂの一部をエッチングして、酸化物絶縁膜１７ｃを形成する。以上の工程により、窒化物絶縁膜１７ａ及び酸化物絶縁膜１７ｃを有するゲート絶縁膜１７を形成することができる。なお、多層膜２０をマスクとして、酸化物絶縁膜１７ｂをエッチングすることで、分離された酸化物絶縁膜１７ｃを形成することができる。または、フォトリソグラフィ工程によって得られたマスクを用いて多層膜２０を形成した後、加熱処理を行わずに、該マスクを用いて酸化物絶縁膜１７ｂをエッチングすることで、分離された酸化物絶縁膜１７ｃを形成し、さらに加熱処理を行ってもよい。これらの結果、フォトマスクの枚数を増やさずとも、分離された酸化物絶縁膜１７ｃを形成することができる。また、窒化物絶縁膜１７ａの一部を露出させることができる。
【０１３６】
次に、図２（Ｄ）に示すように、一対の電極２１、２２を形成する。
【０１３７】
一対の電極２１、２２の形成方法を以下に示す。はじめに、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法等で導電膜を形成する。次に、該導電膜上にフォトリソグラフィ工程によりマスクを形成する。次に、該マスクを用いて導電膜をエッチングして、一対の電極２１、２２を形成する。この後、マスクを除去する。
【０１３８】
ここでは、厚さ４００ｎｍの銅膜をスパッタリング法により形成する。次に、銅膜上にフォトリソグラフィ工程によりマスクを形成し、当該マスクを用いて銅膜をドライエッチングして、一対の電極２１、２２を形成する。
【０１３９】
本実施の形態では、一対の電極２１、２２がゲート絶縁膜１７において、主に窒化物絶縁膜１７ａと接しており、酸化物絶縁膜１７ｃとの接触面積が極めて少ない。窒化物絶縁膜１７ａは、一対の電極２１、２２を構成する金属元素の酸化及び拡散を防ぐ機能を有する。このため、一対の電極２１、２２が、ゲート絶縁膜１７の窒化物絶縁膜１７ａと接することで、一対の電極２１、２２を構成する金属元素の酸化及び拡散を防ぐことができる。
【０１４０】
次に、図２（Ｅ）に示すように、多層膜２０及び一対の電極２１、２２上に、酸化物絶縁膜２３を形成する。次に、酸化物絶縁膜２３上に酸化物絶縁膜２４を形成する。
【０１４１】
なお、酸化物絶縁膜２３を形成した後、大気に曝すことなく、連続的に酸化物絶縁膜２４を形成することが好ましい。酸化物絶縁膜２３を形成した後、大気開放せず、原料ガスの流量、圧力、高周波電力及び基板温度の一以上を調整して、酸化物絶縁膜２４を連続的に形成することで、酸化物絶縁膜２３及び酸化物絶縁膜２４における界面の大気成分由来の不純物濃度を低減することができると共に、酸化物絶縁膜２４に含まれる酸素を酸化物半導体膜１８に移動させることが可能であり、酸化物半導体膜１８の酸素欠損量を低減することができる。
【０１４２】
酸化物絶縁膜２３としては、プラズマＣＶＤ装置の真空排気された処理室内に載置された基板を１８０℃以上４００℃以下、または２００℃以上３７０℃以下に保持し、処理室に原料ガスを導入して処理室内における圧力を２０Ｐａ以上２５０Ｐａ以下、または１００Ｐａ以上２５０Ｐａ以下とし、処理室内に設けられる電極に高周波電力を供給する条件により、酸化物絶縁膜２３として酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形成することができる。
【０１４３】
酸化物絶縁膜２３の原料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体及び酸化性気体を用いることが好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例としては、シラン、ジシラン、トリシラン、フッ化シラン等がある。酸化性気体としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素、二酸化窒素等がある。
【０１４４】
上記条件を用いることで、酸化物絶縁膜２３として酸素を透過する酸化物絶縁膜を形成することができる。また、酸化物膜１９及び酸化物絶縁膜２３を設けることで、後に形成する酸化物絶縁膜２４の形成工程において、酸化物半導体膜１８へのダメージ低減が可能である。
【０１４５】
なお、酸化物絶縁膜２３は、プラズマＣＶＤ装置の真空排気された処理室内に載置された基板を３００℃以上４００℃以下、または３２０℃以上３７０℃以下に保持し、処理室に原料ガスを導入して処理室内における圧力を１００Ｐａ以上２５０Ｐａ以下とし、処理室内に設けられる電極に高周波電力を供給する条件により、酸化物絶縁膜２３として、酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形成することができる。
【０１４６】
当該成膜条件において、基板温度を３００℃以上４００℃以下、または３２０℃以上３７０℃以下とすることで、シリコン及び酸素の結合力が強くなる。この結果、酸化物絶縁膜２３として、酸素が透過し、緻密であり、且つ硬い酸化物絶縁膜、代表的には、２５℃において０．５重量％のフッ酸に対するエッチング速度が１０ｎｍ／分以下、または８ｎｍ／分以下である酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形成することができる。
【０１４７】
また、当該工程において、加熱をしながら酸化物絶縁膜２３を形成するため、当該工程において酸化物半導体膜１８に含まれる水素、水等を脱離させることができる。酸化物半導体膜１８に含まれる水素は、プラズマ中で発生した酸素ラジカルと結合し、水となる。酸化物絶縁膜２３の成膜工程において基板が加熱されているため、酸素及び水素の結合により生成された水は酸化物半導体膜から脱離する。即ち、プラズマＣＶＤ法によって酸化物絶縁膜２３を形成することで、酸化物半導体膜に含まれる水、水素の含有量を低減することができる。
【０１４８】
さらには、処理室の圧力を１００Ｐａ以上２５０Ｐａ以下とすることで、酸化物絶縁膜２３に含まれる水の含有量が少なくなるため、トランジスタ６０の電気特性のばらつきを低減すると共に、しきい値電圧の変動を抑制することができる。また、処理室の圧力を１００Ｐａ以上２５０Ｐａ以下とすることで、酸化物絶縁膜２３を成膜する際に、酸化物半導体膜１８を含む多層膜２０へのダメージを低減することが可能であり、酸化物半導体膜１８に含まれる酸素欠損量を低減することができる。特に、酸化物絶縁膜２３または後に形成される酸化物絶縁膜２４の成膜温度を高くする、代表的には２２０℃より高い温度とすることで、酸化物半導体膜１８に含まれる酸素の一部が脱離し、酸素欠損が形成されやすい。また、トランジスタの信頼性を高めるため、後に形成する酸化物絶縁膜２４の欠陥量を低減するための成膜条件を用いると、酸素脱離量が低減しやすい。これらの結果、酸化物半導体膜１８の酸素欠損量を低減することが困難な場合がある。しかしながら、処理室の圧力を１００Ｐａ以上２５０Ｐａ以下とし、酸化物絶縁膜２３の成膜時における酸化物半導体膜１８へのダメージを低減することで、酸化物絶縁膜２４からの少ない酸素脱離量でも酸化物半導体膜１８中の酸素欠損量を低減することが可能である。
【０１４９】
なお、シリコンを含む堆積性気体に対する酸化性気体量を１００倍以上とすることで、酸化物絶縁膜２３に含まれる水素含有量を低減することが可能である。この結果、酸化物半導体膜１８に混入する水素量を低減できるため、トランジスタのしきい値電圧のマイナスシフトを抑制することができる。
【０１５０】
ここでは、酸化物絶縁膜２３として、流量３０ｓｃｃｍのシラン及び流量４０００ｓｃｃｍの一酸化二窒素を原料ガスとし、処理室の圧力を２００Ｐａ、基板温度を２２０℃とし、２７．１２ＭＨｚの高周波電源を用いて１５０Ｗの高周波電力を平行平板電極に供給したプラズマＣＶＤ法により、厚さ５０ｎｍの酸化窒化シリコン膜を形成する。当該条件により、酸素が透過する酸化窒化シリコン膜を形成することができる。なお、本実施の形態においては、２７．１２ＭＨｚの高周波電源を用いて酸化物絶縁膜２３を形成する方法について例示したが、これに限定されず、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電源を用いて酸化物絶縁膜２３を形成してもよい。
【０１５１】
酸化物絶縁膜２４としては、プラズマＣＶＤ装置の真空排気された処理室内に載置された基板を１８０℃以上２８０℃以下、または２００℃以上２４０℃以下に保持し、処理室に原料ガスを導入して処理室内における圧力を１００Ｐａ以上２５０Ｐａ以下、または１００Ｐａ以上２００Ｐａ以下とし、処理室内に設けられる電極に０．１７Ｗ／ｃｍ２以上０．５Ｗ／ｃｍ２以下、または０．２５Ｗ／ｃｍ２以上０．３５Ｗ／ｃｍ２以下の高周波電力を供給する条件により、酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形成する。
【０１５２】
酸化物絶縁膜２４の原料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体及び酸化性気体を用いることが好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例としては、シラン、ジシラン、トリシラン、フッ化シラン等がある。酸化性気体としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素、二酸化窒素等がある。
【０１５３】
酸化物絶縁膜２４の成膜条件として、上記圧力の処理室において上記パワー密度の高周波電力を供給することで、プラズマ中で原料ガスの分解効率が高まり、酸素ラジカルが増加し、原料ガスの酸化が進むため、酸化物絶縁膜２４中における酸素含有量が化学量論的組成よりも多くなる。一方、基板温度が、上記温度で形成された膜では、シリコンと酸素の結合力が弱いため、後の工程の加熱処理により膜中の酸素の一部が脱離する。この結果、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含み、加熱により酸素の一部が脱離する酸化物絶縁膜を形成することができる。また、多層膜２０上に酸化物絶縁膜２３が設けられている。このため、酸化物絶縁膜２４の形成工程において、酸化物絶縁膜２３が多層膜２０の保護膜となる。また、酸化物膜１９が酸化物半導体膜１８の保護膜となる。これらの結果、酸化物半導体膜１８へのダメージを低減しつつ、パワー密度の高い高周波電力を用いて酸化物絶縁膜２４を形成することができる。
【０１５４】
なお、酸化物絶縁膜２４の成膜条件において、酸化性気体に対するシリコンを含む堆積性気体の流量を増加することで、酸化物絶縁膜２４の欠陥量を低減することが可能である。代表的には、ＥＳＲ測定により、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝２．００１に現れる信号のスピン密度が６×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満、または３×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下、または１．５×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下である欠陥量の少ない酸化物絶縁膜を形成することができる。この結果トランジスタの信頼性を高めることができる。
【０１５５】
ここでは、酸化物絶縁膜２４として、流量２００ｓｃｃｍのシラン及び流量４０００ｓｃｃｍの一酸化二窒素を原料ガスとし、処理室の圧力を２００Ｐａ、基板温度を２２０℃とし、２７．１２ＭＨｚの高周波電源を用いて１５００Ｗの高周波電力を平行平板電極に供給したプラズマＣＶＤ法により、厚さ４００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を形成する。なお、プラズマＣＶＤ装置は電極面積が６０００ｃｍ２である平行平板型のプラズマＣＶＤ装置であり、供給した電力を単位面積あたりの電力（電力密度）に換算すると０．２５Ｗ／ｃｍ２である。なお、本実施の形態においては、２７．１２ＭＨｚの高周波電源を用いて酸化物絶縁膜２４を形成する方法について例示したが、これに限定されず、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電源を用いて酸化物絶縁膜２４を形成してもよい。
【０１５６】
次に、第２の加熱処理を行う。該加熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上３００℃以下、または２００℃以上２５０℃以下とする。
【０１５７】
該加熱処理は、電気炉、ＲＴＡ装置等を用いることができる。ＲＴＡ装置を用いることで、短時間に限り、基板の歪み点以上の温度で熱処理を行うことができる。そのため加熱処理時間を短縮することができる。
【０１５８】
加熱処理は、窒素、酸素、超乾燥空気（水の含有量が２０ｐｐｍ以下、または１ｐｐｍ以下、または１０ｐｐｂ以下の空気）、または希ガス（アルゴン、ヘリウム等）の雰囲気下で行えばよい。なお、上記窒素、酸素、超乾燥空気、または希ガスに水素、水等が含まれないことが好ましい。
【０１５９】
当該加熱処理により、酸化物絶縁膜２４に含まれる酸素の一部を酸化物半導体膜１８に移動させ、酸化物半導体膜１８に含まれる酸素欠損量を低減することができる。
【０１６０】
また、酸化物絶縁膜２３及び酸化物絶縁膜２４に水、水素等が含まれる場合、水、水素等をブロッキングする機能を有する窒化物絶縁膜２５を後に形成し、加熱処理を行うと、酸化物絶縁膜２３及び酸化物絶縁膜２４に含まれる水、水素等が、酸化物半導体膜１８に移動し、酸化物半導体膜１８に欠陥が生じてしまう。しかしながら、当該加熱により、酸化物絶縁膜２３及び酸化物絶縁膜２４に含まれる水、水素等を脱離させることが可能であり、トランジスタ６０の電気特性のばらつきを低減すると共に、しきい値電圧の変動を抑制することができる。
【０１６１】
なお、加熱しながら酸化物絶縁膜２４を、酸化物絶縁膜２３上に形成することで、酸化物半導体膜１８に酸素を移動させ、酸化物半導体膜１８に含まれる酸素欠損量を低減することが可能であるため、当該加熱処理を行わなくともよい。
【０１６２】
また、該加熱処理温度を１５０℃以上３００℃以下、または２００℃以上２５０℃以下とすることで、銅、アルミニウム、金、銀、モリブデン等の拡散、及び酸化物半導体膜への混入を抑制することができる。
【０１６３】
ここでは、窒素及び酸素雰囲気で、２２０℃、１時間の加熱処理を行う。
【０１６４】
また、一対の電極２１、２２を形成する際、導電膜のエッチングによって、多層膜２０はダメージを受け、多層膜２０のバックチャネル（多層膜２０において、ゲート電極１５と対向する面と反対側の面）側に酸素欠損が生じる。しかし、酸化物絶縁膜２４に化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を適用することで、加熱処理によって当該バックチャネル側に生じた酸素欠損を修復することができる。これにより、多層膜２０に含まれる欠陥を低減することができるため、トランジスタ６０の信頼性を向上させることができる。
【０１６５】
次に、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により、窒化物絶縁膜２５を形成する。
【０１６６】
なお、窒化物絶縁膜２５をプラズマＣＶＤ法で形成する場合、プラズマＣＶＤ装置の真空排気された処理室内に載置された基板を３００℃以上４００℃以下、または３２０℃以上３７０℃以下にとすることで、緻密な窒化物絶縁膜を形成できるため好ましい。
【０１６７】
窒化物絶縁膜２５としてプラズマＣＶＤ法により窒化シリコン膜を形成する場合、シリコンを含む堆積性気体、窒素、及びアンモニアを原料ガスとして用いことが好ましい。原料ガスとして、窒素と比較して少量のアンモニアを用いることで、プラズマ中でアンモニアが解離し、活性種が発生する。当該活性種が、シリコンを含む堆積性気体に含まれるシリコン及び水素の結合、及び窒素の三重結合を切断する。この結果、シリコン及び窒素の結合が促進され、シリコン及び水素の結合が少なく、欠陥が少なく、緻密な窒化シリコン膜を形成することができる。一方、原料ガスにおいて、窒素に対するアンモニアの量が多いと、シリコンを含む堆積性気体及び窒素それぞれの分解が進まず、シリコン及び水素結合が残存してしまい、欠陥が増大した、且つ粗な窒化シリコン膜が形成されてしまう。これらのため、原料ガスにおいて、アンモニアに対する窒素の流量比を５以上５０以下、または１０以上５０以下とすることが好ましい。
【０１６８】
ここでは、プラズマＣＶＤ装置の処理室に、流量５０ｓｃｃｍのシラン、流量５０００ｓｃｃｍの窒素、及び流量１００ｓｃｃｍのアンモニアを原料ガスとし、処理室の圧力を１００Ｐａ、基板温度を３５０℃とし、２７．１２ＭＨｚの高周波電源を用いて１０００Ｗの高周波電力を平行平板電極に供給したプラズマＣＶＤ法により、厚さ５０ｎｍの窒化シリコン膜を形成する。なお、プラズマＣＶＤ装置は電極面積が６０００ｃｍ２である平行平板型のプラズマＣＶＤ装置であり、供給した電力を単位面積あたりの電力（電力密度）に換算すると１．７×１０−１Ｗ／ｃｍ２である。
【０１６９】
以上の工程により、酸化物絶縁膜２３、酸化物絶縁膜２４、及び窒化物絶縁膜２５で構成される保護膜２６を形成することができる。
【０１７０】
次に、加熱処理を行ってもよい。該加熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上３００℃以下、または２００℃以上２５０℃以下とする。
【０１７１】
以上の工程により、トランジスタ６０を作製することができる。
【０１７２】
本実施の形態では、酸化物半導体膜及び一対の電極の間に、ＣＡＡＣ酸化物膜で形成される酸化物膜を有する。該酸化物膜は、外部から酸化物半導体膜への不純物の拡散を低減することが可能であり、一対の電極から酸化物半導体膜へ拡散する不純物量を低減することが可能である。このため、銅、アルミニウム、金、銀、またはモリブデンを用いて一対の電極を形成しても、トランジスタのしきい値電圧の変動を低減することができる。
【０１７３】
また、本実施の形態では、トランジスタの作製工程において、第１の加熱処理及び第２の加熱処理を行っているが、酸化物半導体膜を有する多層膜を形成することで、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可能であり、且つ欠陥準位におけるキャリアのトラップを妨げることが可能である。この結果、それぞれの加熱処理の温度を４００℃以下としても、高温で加熱処理したトランジスタと、しきい値電圧の変動量が同等であるトランジスタを作製することができる。この結果、半導体装置のコスト削減が可能である。
【０１７４】
また、チャネル領域として機能する酸化物半導体膜に重畳して、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を形成することで、当該酸化物絶縁膜の酸素を酸化物半導体膜に移動させることができる。この結果、酸化物半導体膜に含まれる酸素欠損の含有量を低減することができる。
【０１７５】
特に、チャネル領域として機能する酸化物半導体膜と、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜との間に酸素を透過する酸化物絶縁膜を形成することで、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を形成する際に、当該酸化物半導体膜にダメージが入ることを抑制できる。この結果、酸化物半導体膜に含まれる酸素欠損量を低減することができる。
【０１７６】
そして、酸化物半導体膜上に酸化物膜を形成することで、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を形成する際に、当該酸化物半導体膜にダメージが入ることをさらに抑制できる。加えて、酸化物膜を形成することで、当該酸化物半導体膜上に形成される絶縁膜、例えば酸化物絶縁膜の構成元素が、当該酸化物半導体膜に混入することを抑制できる。
【０１７７】
上記より、酸化物半導体膜を用いた半導体装置において、欠陥量が低減された半導体装置を得ることができる。また、酸化物半導体膜を用いた半導体装置において電気特性が向上した半導体装置を得ることができる。
【０１７８】
＜酸化物半導体膜における金属元素の拡散メカニズム＞
ここで、酸化物半導体膜における金属元素の拡散メカニズムについて計算した結果を以下に示す。
【０１７９】
ここでは、酸化物半導体膜として、金属原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１のスパッタリングターゲットを用いて成膜されたＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物膜（以下、ＩＧＺＯ（１１１）と示す。）の結晶中の格子間に、金属元素としてＣｕを配置し、Ｃｕの拡散のしやすさに関する計算を行った。
【０１８０】
計算モデルを図４に示す。Ｃｕの拡散ルートとして、図４中の矢印で示した４つの経路について、各経路の活性障壁をＮＥＢ（Ｎｕｄｇｅｄ  Ｅｌａｓｔｉｃ  Ｂａｎｄ）法を用いて計算した。なお、図４において、各状態を数字で表した。また、ＮＥＢ法とは初期状態と最終状態からその２つの状態を結ぶ状態の中で必要なエネルギーが最も低くなる状態を探す手法である。また、計算モデルに周期境界条件を課している。また、酸化物半導体膜において、被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向がｃ軸であり、該方向を縦方向と示す。また、ｃ軸方向に垂直方向、即ちａ−ｂ面方向を横方向と示す。
【０１８１】
経路１は、（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ層−（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ層間におけるＣｕの横拡散である。図４においては、初期状態から状態１への移動である。
【０１８２】
経路２は、（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ層を通過するＣｕの縦拡散である。図４において、状態１から状態２への移動である。
【０１８３】
経路３は、（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ層−ＩｎＯ２層間におけるＣｕの横拡散である。図４においては、状態２から状態３への移動である。
【０１８４】
経路４は、ＩｎＯ２層を通過するＣｕの縦拡散である。図４においては、状態３から状態４への移動である。
【０１８５】
次に、計算条件を表１に示す。
【０１８６】
【表１】
2014220493.tif 000003
【０１８７】
経路１、即ち、（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ層−（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ層間における横拡散において、障壁の低い経路を図５（Ａ）に示し、活性障壁を図５（Ｂ）に示す。図５（Ｂ）より、Ｃｕは格子間よりも拡散途中の方がエネルギー的に安定であることがわかる。安定状態から格子間へ移動するのに必要な活性障壁は約０．３０ｅＶであり、室温でも、（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ層−（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ層間における横拡散が生じると考えられる。
【０１８８】
経路２、即ち、（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ層を通過する縦拡散において、障壁の低い経路を図６（Ａ）に示し、活性障壁を図６（Ｂ）に示す。図６（Ｂ）より、Ｃｕが（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ層内に存在するとき不安定であり、その活性障壁は約０．７１ｅＶであった。よって、室温では、（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ層を通過する縦拡散はほとんど生じないと考えられる。
【０１８９】
経路３、即ち、（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ層−ＩｎＯ２層間における横拡散において、障壁の低い経路を図７（Ａ）に示し、活性障壁を図７（Ｂ）に示す。図７（Ｂ）より、Ｃｕは格子間よりも拡散途中の方がエネルギー的に安定であることがわかる。安定状態から格子間へ移動するための活性障壁は約０．２５ｅＶであり、室温でも、（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ層−ＩｎＯ２層間における横拡散は生じると考えられる。
【０１９０】
経路４、即ち、ＩｎＯ２層を通過する縦拡散において、障壁の低い経路を図８（Ａ）に示し、活性障壁を図８（Ｂ）に示す。ＣｕがＩｎＯ２層内に存在するとき不安定であり、その活性障壁は約１．９０ｅＶであった。よって、高温でも、ＩｎＯ２層を通過する縦拡散はほとんど生じないと考えられる。
【０１９１】
以上のことから、図４に示す矢印、即ち、初期状態、経路１、経路２、経路３、及び経路４における活性障壁を図９に示す。図９において、横軸はＣｕの移動距離を表し、縦軸は活性障壁を表す。
【０１９２】
図９より、Ｃｕは（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ層とＩｎＯ２層間に存在するときエネルギー的に安定であり、ＩｎＯ２層を越える経路４の活性障壁が最も高い。以上のことから、ＣｕがＩｎＯ２層を越える拡散経路において、拡散し難いことが分かる。
【０１９３】
ここで、比較例として、六方晶構造のＺｎＯについて、同様の計算を行った結果を以下に示す。
【０１９４】
計算モデルを図１０に示す。ここでは、ＺｎＯ結晶の基本格子を全ての軸方向に対して２倍ずつした７２原子結晶モデルを用い、Ｃｕの拡散ルートとして、図１０中の矢印で示した２つの経路について、各経路の活性障壁をＮＥＢ（Ｎｕｄｇｅｄ  Ｅｌａｓｔｉｃ  Ｂａｎｄ）法を用いて計算した。
【０１９５】
経路１は、ｃ軸方向におけるＣｕの縦拡散である。図１０においては、初期状態から状態１への移動である。
【０１９６】
経路２は、ｂ軸方向におけるＣｕの横拡散である。図１０においては、状態１から状態２への移動である。
【０１９７】
次に、計算条件を表２に示す。
【０１９８】
【表２】
2014220493.tif 000004
【０１９９】
経路１、即ち、ｃ軸方向におけるＣｕの縦拡散において、Ｃｕの拡散経路をｃ軸に対して垂直方向から見た図を図１１（Ａ）に示し、ｃ軸方向から見た図を図１１（Ｂ）に示し、活性障壁を図１１（Ｃ）に示す。Ｃｕは、Ｚｎで囲まれた平面内に存在するとき不安定であり、その活性障壁は約０．７３ｅＶであった。よって、室温では、ｃ軸方向におけるＣｕの縦拡散は、ほとんど生じないと考えられる。
【０２００】
経路２、即ち、ｂ軸方向におけるＣｕの横拡散において、Ｃｕの拡散経路をｃ軸に対して垂直方向から見た図を図１２（Ａ）に示し、ｃ軸方向からみた図を図１２（Ｂ）に示し、活性障壁を図１２（Ｃ）に示す。Ｃｕは、格子間よりも、拡散途中であってＣｕが２個のＯと結合する位置の方がエネルギー的に安定であることがわかる。安定状態から格子間へ移動するのに必要な活性障壁は約０．３２ｅＶであり、室温でもｂ軸方向へのＣｕの横拡散は生じると考えられる。
【０２０１】
以上のことから、図１０に示す矢印、即ち、初期状態、経路１、及び経路２における活性障壁を図１３に示す。
【０２０２】
図１３より、Ｃｕは横拡散における拡散途中であってＣｕが２個のＯと結合する位置においてエネルギー的に安定であり、ｃ軸方向への縦拡散において活性障壁が最も高い。
【０２０３】
なお、図９に示す経路４、即ち、ＩｎＯ２層を通過する時の活性障壁（約１．９ｅＶ）と比較すると、図１３の経路１、即ち、ＺｎＯでの縦拡散の活性障壁（約０．７ｅＶ）は低い。このことから、ＺｎＯより、ＩＧＺＯ（１１１）の方が、Ｃｕ拡散の縦方向における抑制効果は高いと考えられる。
【０２０４】
即ち、結晶粒界が確認されず、ｃ軸配向性を有し、かつｃ軸が被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向を向いているＣＡＡＣ酸化物膜を酸化物半導体膜及び一対の電極の間に設け、一対の電極をＣｕを用いて形成することで、チャネルエッチ型トランジスタにおいて、酸化物半導体膜へのＣｕの拡散を低減することが可能であることが分かる。
【０２０５】
＜トランジスタのバンド構造＞
次に、多層膜２０のバンド構造について、図３を用いて説明する。
【０２０６】
ここでは、例として、酸化物半導体膜１８としてエネルギーギャップが３．１５ｅＶであるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用い、酸化物膜１９としてエネルギーギャップが３．５ｅＶであるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いる。エネルギーギャップは、分光エリプソメータ（ＨＯＲＩＢＡ  ＪＯＢＩＮ  ＹＶＯＮ社  ＵＴ−３００）を用いて測定することができる。
【０２０７】
酸化物半導体膜１８及び酸化物膜１９の真空準位と価電子帯上端のエネルギー差（イオン化ポテンシャルともいう。）は、それぞれ８ｅＶ及び８．２ｅＶである。なお、真空準位と価電子帯上端のエネルギー差は、紫外線光電子分光分析（ＵＰＳ：Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）装置（ＰＨＩ社  ＶｅｒｓａＰｒｏｂｅ）を用いて測定できる。
【０２０８】
したがって、酸化物半導体膜１８及び酸化物膜１９の真空準位と伝導帯下端のエネルギー差（電子親和力ともいう。）は、それぞれ４．８５ｅＶ及び４．７ｅＶである。
【０２０９】
図３（Ａ）は、多層膜２０のバンド構造の一部を模式的に示している。ここでは、多層膜２０に酸化シリコン膜を接して設けた場合について説明する。なお、図３（Ａ）に表すＥｃＩ１は酸化シリコン膜の伝導帯下端のエネルギーを示し、ＥｃＳ１は酸化物半導体膜１８の伝導帯下端のエネルギーを示し、ＥｃＳ２は酸化物膜１９の伝導帯下端のエネルギーを示し、ＥｃＩ２は酸化シリコン膜の伝導帯下端のエネルギーを示す。また、ＥｃＩ１は、図１（Ｂ）において、ゲート絶縁膜１７に相当し、ＥｃＩ２は、図１（Ｂ）において、酸化物絶縁膜２３に相当する。
【０２１０】
図３（Ａ）に示すように、酸化物半導体膜１８及び酸化物膜１９において、伝導帯下端のエネルギーは障壁が無くなだらかに変化する。換言すると、連続的に変化するともいうことができる。これは、多層膜２０は、酸化物半導体膜１８と共通の元素を含み、酸化物半導体膜１８及び酸化物膜１９の間で、酸素が相互に移動することで混合層が形成されるためであるということができる。
【０２１１】
図３（Ａ）より、多層膜２０の酸化物半導体膜１８がウェル（井戸）となり、多層膜２０を用いたトランジスタにおいて、チャネル領域が酸化物半導体膜１８に形成されることがわかる。なお、多層膜２０は、伝導帯下端のエネルギーが連続的に変化しているため、酸化物半導体膜１８と酸化物膜１９とが連続接合している、ともいえる。
【０２１２】
なお、図３（Ａ）に示すように、酸化物膜１９と、酸化物絶縁膜２３との界面近傍には、酸化物絶縁膜２３の構成元素であるシリコンまたは炭素、一対の電極２１、２２の構成元素である銅、アルミニウム、金、銀、モリブデン等の不純物や欠陥に起因したトラップ準位が形成され得るものの、酸化物膜１９が設けられることにより、酸化物半導体膜１８と該トラップ準位とを遠ざけることができる。ただし、ＥｃＳ１とＥｃＳ２とのエネルギー差が小さい場合、酸化物半導体膜１８の電子が該エネルギー差を超えてトラップ準位に達することがある。トラップ準位に電子が捕獲されることで、絶縁膜界面にマイナスの電荷が生じ、トランジスタのしきい値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。したがって、ＥｃＳ１とＥｃＳ２とのエネルギー差を、０．１ｅＶ以上、または０．１５ｅＶ以上とすると、トランジスタのしきい値電圧の変動が低減され、安定した電気特性となるため好適である。
【０２１３】
また、図３（Ｂ）は、多層膜２０のバンド構造の一部を模式的に示し、図３（Ａ）に示すバンド構造の変形例である。ここでは、多層膜２０に酸化シリコン膜を接して設けた場合について説明する。なお、図３（Ｂ）に表すＥｃＩ１は酸化シリコン膜の伝導帯下端のエネルギーを示し、ＥｃＳ１は酸化物半導体膜１８の伝導帯下端のエネルギーを示し、ＥｃＩ２は酸化シリコン膜の伝導帯下端のエネルギーを示す。また、ＥｃＩ１は、図１（Ｂ）において、ゲート絶縁膜１７に相当し、ＥｃＩ２は、図１（Ｂ）において、酸化物絶縁膜２３に相当する。
【０２１４】
図１（Ｂ）に示すトランジスタにおいて、一対の電極２１、２２の形成時に多層膜２０の上方、すなわち酸化物膜１９がエッチングされる場合がある。一方、酸化物半導体膜１８の上面は、酸化物膜１９の成膜時に酸化物半導体膜１８と酸化物膜１９の混合層が形成される場合がある。
【０２１５】
例えば、酸化物半導体膜１８が、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、またはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物をスパッタリングターゲットに用いて形成された酸化物半導体膜であり、酸化物膜１９が、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、またはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：６：４［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物をスパッタリングターゲットに用いて形成された酸化物膜である場合、酸化物半導体膜１８よりも酸化物膜１９のＧａの含有量が多いため、酸化物半導体膜１８の上面には、ＧａＯｘ層または酸化物半導体膜１８よりもＧａを多く含む混合層が形成されうる。
【０２１６】
したがって、酸化物膜１９がエッチングされた場合においても、ＥｃＳ１のＥｃＩ２側の伝導帯下端のエネルギーが高くなり、図３（Ｂ）に示すバンド構造のようになる場合がある。
【０２１７】
図３（Ｂ）に示すバンド構造のようになる場合、チャネル領域の断面観察時において、多層膜２０は、酸化物半導体膜１８のみと見かけ上観察される場合がある。しかしながら、実質的には、酸化物半導体膜１８上には、酸化物半導体膜１８よりもＧａを多く含む混合層が形成されているため、該混合層を１．５層として、捉えることができる。なお、該混合層は、例えば、ＥＤＸ分析等によって、多層膜２０に含有する元素を測定した場合、酸化物半導体膜１８の上方の組成を分析することで確認することができる。例えば、酸化物半導体膜１８の上方の組成が、酸化物半導体膜１８中の組成よりもＧａの含有量が多い構成となることで確認することができる。
【０２１８】
＜変形例１＞
本実施の形態に示すトランジスタ６０において、多層膜２０の変形例を図１４を用いて説明する。
【０２１９】
図１４（Ａ）に示すトランジスタは、多層膜２０が、ゲート絶縁膜１７側から、第１の酸化物半導体膜１８ａ、第２の酸化物半導体膜１８ｂ、及び酸化物膜１９の順に積層している。
【０２２０】
第１の酸化物半導体膜１８ａ、第２の酸化物半導体膜１８ｂは、前述した酸化物半導体膜１８と同様の材料を用いて形成する。第１の酸化物半導体膜１８ａ、第２の酸化物半導体膜１８ｂをＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（Ｍは、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄ）で形成する場合、Ｍに対するＩｎの原子数比が、第２の酸化物半導体膜１８ｂより第１の酸化物半導体膜１８ａの方が大きい方が好ましい。Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物において、Ｍに対するＩｎの原子数比が大きい、即ちＩｎの割合が大きいと、キャリア移動度（電子移動度）が高くなる。このため、ゲート絶縁膜１７と接する第１の酸化物半導体膜１８ａをよりＩｎの割合が大きい膜とすることで、トランジスタのオン電流を増大することが可能であると共に、電界効果移動度を高めることができる。
【０２２１】
また、第１の酸化物半導体膜１８ａをＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いて形成することで、外部からの不純物の拡散を低減することが可能であるため、外部から第１の酸化物半導体膜１８ａ及び第２の酸化物半導体膜１８ｂへ移動する不純物量を低減することが可能である。
【０２２２】
図１４（Ｂ）に示すトランジスタは、多層膜２０が、ゲート絶縁膜１７側から、第１の酸化物膜１９ａ、酸化物半導体膜１８、及び第２の酸化物膜１９ｂの順に積層している。
【０２２３】
第１の酸化物膜１９ａ、第２の酸化物膜１９ｂは、実施の形態１に示す酸化物膜１９と同様の材料を用いて形成する。なお、第１の酸化物膜１９ａ、第２の酸化物膜１９ｂを構成する金属元素の原子数比は、同じでもよく、または異なっていてもよい。
【０２２４】
第１の酸化物膜１９ａは、酸化物半導体膜１８より膜厚が小さいと好ましい。第１の酸化物膜１９ａの厚さを１ｎｍ以上５ｎｍ以下、または１ｎｍ以上３ｎｍ以下とすることで、トランジスタのしきい値電圧の変動量を低減することが可能である。
【０２２５】
図１４（Ｂ）に示すトランジスタは、ゲート絶縁膜１７と酸化物半導体膜１８との間に、第１の酸化物膜１９ａが設けられている。このため、第１の酸化物膜１９ａと酸化物半導体膜１８の間において、不純物及び欠陥によりトラップ準位が形成されても、当該トラップ準位と酸化物半導体膜１８との間には隔たりがある。この結果、酸化物半導体膜１８を流れる電子がトラップ準位に捕獲されにくく、トランジスタのオン電流を増大させることが可能であると共に、電界効果移動度を高めることができる。また、トラップ準位に電子が捕獲されると、該電子がマイナスの固定電荷となってしまう。この結果、トランジスタのしきい値電圧が変動してしまう。しかしながら、酸化物半導体膜１８とトラップ準位との間に隔たりがあるため、トラップ準位における電子の捕獲を低減することが可能であり、しきい値電圧の変動を低減することができる。
【０２２６】
また、第１の酸化物膜１９ａをＣＡＡＣ酸化物膜を用いて形成することで、外部からの不純物の拡散を低減することが可能であるため、外部から酸化物半導体膜１８へ移動する不純物量を低減することが可能である。このため、酸化物半導体膜１８における不純物濃度を低減することが可能である。
【０２２７】
＜変形例２＞
本実施の形態に示すトランジスタ６０に設けられる一対の電極２１、２２として、銅、アルミニウム、またはモリブデン単体若しくは合金等の酸素と結合しやすい導電材料を用いることが好ましい。この結果、多層膜２０に含まれる酸素と一対の電極２１、２２に含まれる導電材料とが結合し、多層膜２０において、酸素欠損領域が形成される。また、多層膜２０に一対の電極２１、２２を形成する導電材料の構成元素の一部が混入する場合もある。これらの結果、多層膜２０において、一対の電極２１、２２と接する領域近傍に、低抵抗領域が形成される。低抵抗領域は、一対の電極２１、２２に接し、且つゲート絶縁膜１７と、一対の電極２１、２２の間に形成される。低抵抗領域は、導電性が高いため、多層膜２０と一対の電極２１、２２との接触抵抗を低減することが可能であり、トランジスタのオン電流を増大させることが可能である。
【０２２８】
また、一対の電極２１、２２を、上記酸素と結合しやすい導電材料と、窒化チタン、窒化タンタル、ルテニウム等の酸素と結合しにくい導電材料との積層構造としてもよい。例えば、多層膜２０に接するように酸素と結合しにくい導電材料で形成される導電膜を形成し、該導電膜上に酸素と結合しやすい導電材料で形成される導電膜を形成してもよい。このような積層構造とすることで、一対の電極２１、２２と酸化物絶縁膜２３との界面において、一対の電極２１、２２の酸化を防ぐことが可能であり、一対の電極２１、２２の高抵抗化を抑制することが可能である。
【０２２９】
＜変形例３＞
本実施の形態に示すトランジスタ６０において、図１５に示すように、トランジスタ６０上に、酸化物絶縁膜２４及び窒化物絶縁膜２５が積層される保護膜２６ａを設けることができる。図１５に示すトランジスタは、酸化物半導体膜１８上に酸化物膜１９を有するため、当該酸化物膜１９が、酸化物絶縁膜２４を形成する際の保護膜として機能する。この結果、酸化物絶縁膜２４を形成する際、酸化物半導体膜１８がプラズマに曝されず、比較的高い電力を用いるプラズマＣＶＤ法で酸化物絶縁膜２４を形成する際に生じるプラズマダメージを低減できる。
【０２３０】
また、酸化物絶縁膜２４に含まれる酸素を、多層膜２０に直接移動させることが可能であるため、酸化物半導体膜１８への酸素供給量を増加させることが可能である。この結果、酸化物半導体膜１８の酸素欠損量をさらに低減することが可能である。
【０２３１】
なお、本実施の形態では、多層膜を酸化物半導体膜１８及び酸化物膜１９の積層膜としたが、ゲート絶縁膜１７及び酸化物半導体膜１８の間に酸化物膜をさらに設けることができる。ゲート絶縁膜１７及び酸化物半導体膜１８の間に酸化物膜を設けることで、ゲート絶縁膜１７と多層膜との界面近傍におけるシリコンや炭素の濃度、酸化物半導体膜１８におけるシリコンや炭素の濃度を低減することができる。
【０２３２】
＜変形例４＞
なお、本実施の形態では、ゲート電極１５が基板１１と多層膜２０の間に設けられるボトムゲート構造のトランジスタを用いて説明したが、図３２（Ａ）に示すように、トップゲート構造のトランジスタとすることができる。即ち、多層膜２０上に、一対の電極２１、２２を有し、一対の電極２１、２２上にゲート絶縁膜２７を有し、ゲート絶縁膜２７上にゲート電極１５ａを有するトランジスタ６２とすることができる。なお、基板１１と多層膜２０の間には、多層膜２０に接する酸化物絶縁膜１７ｃと、酸化物絶縁膜１７ｃ及び一対の電極２１、２２に接する窒化物絶縁膜１７ａとが設けられる。さらには、図３２（Ｂ）に示すように、ゲート電極１５と、ゲート電極１５上のゲート絶縁膜１７と、ゲート絶縁膜１７上の多層膜２０と、多層膜２０上の一対の電極２１、２２と、多層膜２０及び一対の電極２１、２２上の保護膜２６と、保護膜２６上のゲート電極１５ａとを有するデュアルゲート構造のトランジスタ６４とすることができる。
【０２３３】
（実施の形態２）
本実施の形態では、一対の電極２１、２２を構成する金属元素の拡散を防ぐことが可能なトランジスタを有する半導体装置及びその作製方法について、図２、図１６、及び図１７を用いて説明する。
【０２３４】
図１６（Ａ）乃至図１６（Ｃ）に、半導体装置が有するトランジスタ７０の上面図及び断面図を示す。図１６に示すトランジスタ７０は、チャネルエッチ型のトランジスタである。図１６（Ａ）はトランジスタ７０の上面図であり、図１６（Ｂ）は、図１６（Ａ）の一点鎖線Ａ−Ｂ間の断面図であり、図１６（Ｃ）は、図１６（Ａ）の一点鎖線Ｃ−Ｄ間の断面図である。なお、図１６（Ａ）では、明瞭化のため、基板１１、トランジスタ７０の構成要素の一部（例えば、ゲート絶縁膜１７）、酸化物絶縁膜２３、酸化物絶縁膜２４、窒化物絶縁膜２５などを省略している。
【０２３５】
図１６（Ｂ）及び図１６（Ｃ）に示すトランジスタ７０は、基板１１上に設けられるゲート電極１５と、基板１１及びゲート電極１５上に形成されるゲート絶縁膜１７と、ゲート絶縁膜１７を介して、ゲート電極１５と重なる多層膜２０と、多層膜２０に接する一対の電極２１、２２とを有する。また、一対の電極２１、２２上に保護膜４３、４４を有する。また、ゲート絶縁膜１７、多層膜２０、一対の電極２１、２２、及び保護膜４３、４４上には、酸化物絶縁膜２３、酸化物絶縁膜２４、及び窒化物絶縁膜２５で構成される保護膜２６が形成される。
【０２３６】
保護膜４３、４４は、一対の電極２１、２２を形成するための加工工程において、エッチング保護膜として機能する。また、保護膜４３、４４は、一対の電極２１、２２がプラズマ、代表的には酸素プラズマに曝されるのを防ぐ機能を有する。また、保護膜４３、４４は、一対の電極２１、２２を構成する金属元素の拡散を防ぐ機能を有する。これらのため、保護膜４３、４４は、プラズマ耐性を有する材料で形成される。また、保護膜４３、４４は、一対の電極２１、２２を構成する金属元素の拡散を防ぐ材料を用いて形成される。
【０２３７】
保護膜４３、４４は、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム等で形成される窒化物絶縁膜を適宜用いて形成することができる。なお、本明細書中において、窒化酸化シリコン膜、窒化酸化アルミニウム膜とは、酸素よりも窒素の含有量（原子数比）が多い膜を指し、酸化窒化シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜とは、窒素よりも酸素の含有量（原子数比）が多い膜を指す。
【０２３８】
または、保護膜４３、４４は、インジウム錫酸化物（以下、ＩＴＯとも示す。）、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、酸化シリコンを含むインジウム錫酸化物等で形成される透光性を有する導電膜を用いて形成することができる。
【０２３９】
または、保護膜４３、４４は、実施の形態１に示す酸化物半導体膜１８または酸化物膜１９に用いることが可能なＩｎ、Ｇａ、若しくはＺｎを含む酸化物半導体を適宜用いて形成することができる。
【０２４０】
なお、保護膜４３、４４が透光性を有する導電膜を用いて形成される場合、保護膜４３、４４は、それぞれ電極２１、２２と共に、電極として機能する。
【０２４１】
一対の電極２１、２２を形成するために用いる、有機樹脂で形成されたマスク（代表的には、レジストで形成されたマスク）は、アッシング処理という、酸素プラズマでマスクを気相中で分解する方法で除去される。または、アッシング処理をすることで、剥離液を用いたマスクの除去が容易となるため、アッシング処理をした後、剥離液を用いて有機樹脂で形成されたマスクを除去することができる。
【０２４２】
また、一対の電極２１、２２上に保護膜として酸化物絶縁膜をスパッタリング法、ＣＶＤ法等で形成する場合、電極２１、２２が酸素プラズマに曝される。
【０２４３】
しかしながら、一対の電極２１、２２は、酸素プラズマに曝されると、一対の電極２１、２２を構成する金属元素と酸素が反応してしまい、金属酸化物が生成される。当該金属酸化物は反応性が高いため、多層膜２０に拡散してしまうという問題がある。このため、一対の電極２１、２２上に保護膜４３、４４が設けられると、保護膜４３、４４がマスクとなり、一対の電極２１、２２が酸素プラズマに曝されにくくなる。この結果、一対の電極２１、２２を構成する金属元素と酸素が反応した金属酸化物が生成されにくくなると共に、一対の電極２１、２２を構成する金属元素の多層膜２０への移動を低減することができる。
【０２４４】
即ち、多層膜２０の不純物濃度を低減することが可能である。また、多層膜２０を有するトランジスタ７０の電気特性の変動を低減することが可能である。
【０２４５】
次に、図１６に示すトランジスタ７０の作製方法について、図２及び図１７を用いて説明する。
【０２４６】
実施の形態１と同様に、図２（Ａ）乃至図２（Ｃ）の工程を経て、図１７（Ａ）に示すように、基板１１上にゲート電極１５、ゲート絶縁膜１７、多層膜２０、導電膜４１、及び保護膜４２を形成する。
【０２４７】
導電膜４１は、後に一対の電極２１、２２となる膜である。このため、導電膜４１は、一対の電極２１、２２に示す材料を適宜用いることができる。
【０２４８】
導電膜４１は、スパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法、印刷法等を適宜用いて形成する。
【０２４９】
ここでは、導電膜４１として、厚さ２００ｎｍの銅膜をスパッタリング法により形成する。また、保護膜４２として、プラズマＣＶＤ法により厚さ２００ｎｍの窒化シリコン膜を形成する。
【０２５０】
次に、保護膜４２上にマスクを形成した後、マスクを用いて保護膜４２の一部をエッチングして、図１７（Ｂ）に示すように、保護膜４３、４４を形成する。保護膜４２のエッチングは、ドライエッチング、ウエットエッチング等を適宜用いることができる。なお、保護膜４３、４４は、後の工程でハードマスクとして機能し、保護膜４３、４４の間の距離がトランジスタのチャネル長となるため、異方性エッチングが可能なドライエッチングを用いて保護膜４２をエッチングすることが好ましい。
【０２５１】
ここでは、フォトリソグラフィ工程によりマスクを形成した後、ドライエッチング法により保護膜４２の一部をエッチングして、保護膜４３、４４を形成する。
【０２５２】
こののち、マスクを除去することが好ましい。この結果、マスクを除去する工程において、多層膜２０が導電膜４１に覆われており露出されていないため、導電膜４１を構成する金属元素が多層膜２０に移動しない。ここでは、アッシング処理をしてマスクを除去しやすくした後、剥離液を用いてマスクを除去する。
【０２５３】
次に、図１７（Ｃ）に示すように、保護膜４３、４４をマスクとして用いて導電膜４１の一部をエッチングして、一対の電極２１、２２を形成する。保護膜４３、４４をエッチングせず、導電膜４１を選択的にエッチングする条件として、エッチャントに、硝酸、過塩素酸、燐酸と酢酸と硝酸との混合液（混酸アルミ液）等を適宜用いることができる。
【０２５４】
ここでは、エッチャントとして過酸化水素、酢酸アンモニウム、マロン酸、エチレンジアミン四酢酸、及び５−アミノ−１Ｈ−テトラゾール一水和物の混合液を用いたウエットエッチング法を用いて、導電膜４１を選択的にエッチングする。
【０２５５】
なお、一対の電極２１、２２を形成した後、多層膜２０上に残存する金属元素を除去するためのエッチング工程を追加することが好ましい。例えば、一対の電極２１、２２、保護膜４３、４４をエッチングせず、多層膜２０の表面を数ｎｍ、例えば１ｎｍ以上５ｎｍ以下エッチングする条件を用いることが好ましい。このようなエッチング条件としては、フッ酸、フッ酸及びフッ化アンモニウムの混合液（バッファードフッ酸ともいう。）、アンモニア及び過酸化水素水の混合液（過水アンモニウムともいう。）等を用いることができる。
【０２５６】
ここでは、０．５％のフッ酸を１／１０００に希釈したエッチャントを用いて、多層膜２０の表面から一対の電極２１、２２を構成する金属元素を除去する。
【０２５７】
なお、一対の電極２１、２２を形成する工程、及び多層膜２０の表面から一対の電極２１、２２を構成する金属元素を除去する工程において、一対の電極２１、２２と接する膜、ここでは、酸化物膜１９をＣＡＡＣ酸化物膜を用いて形成しているため、一対の電極２１、２２を構成する金属元素が、酸化物半導体膜１８に拡散しない。このため、酸化物半導体膜１８の不純物濃度を低減することができる。
【０２５８】
次に、実施の形態１と同様に、図１７（Ｄ）に示す様に、多層膜２０、一対の電極２１、２２、及び一対の保護膜４３、４４上に保護膜２６を形成する。
【０２５９】
以上の工程により、トランジスタ７０を作製することができる。
【０２６０】
本実施の形態では、トランジスタにおいて、一対の電極上に保護膜４３、４４を有する。一対の電極において、プラズマ、一例としては酸素プラズマに曝される面積が低減される。この結果、プラズマ照射による導電膜を構成する金属元素の化合物の生成が低減されるため、導電膜を構成する金属元素が多層膜に移動しにくくなる。
【０２６１】
また、酸化物半導体膜及び一対の電極の間に、ＣＡＡＣ酸化物膜で形成される酸化物膜を有する。該酸化物膜は、外部からの不純物の拡散を低減することが可能であり、一対の電極から酸化物半導体膜へ移動する不純物量を低減することが可能である。このため、銅、アルミニウム、金、銀、またはモリブデンを用いて一対の電極を形成しても、トランジスタのしきい値電圧の変動を低減することができる。
【０２６２】
これらの結果、配線及び電極の構成元素である、銅、アルミニウム、金、銀、モリブデン等の不純物が、多層膜に含まれる酸化物半導体膜への拡散を抑制することができる。また、酸化物半導体膜における不純物の濃度を低減することができる。
【０２６３】
上記より、電気特性が向上した半導体装置を得ることができる。また、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【０２６４】
＜変形例１＞
本実施の形態では、ゲート電極１５が基板１１と多層膜２０の間に設けられるボトムゲート構造のトランジスタを用いて説明したが、図３３（Ａ）に示すように、トップゲート構造のトランジスタとすることができる。即ち、多層膜２０上に、一対の電極２１、２２を有し、一対の電極２１、２２上に保護膜４３、４４を有し、一対の電極２１、２２及び保護膜４３、４４上にゲート絶縁膜２７を有し、ゲート絶縁膜２７上にゲート電極１５ａを有するトランジスタ７２とすることができる。なお、基板１１と多層膜２０の間には、多層膜２０に接する酸化物絶縁膜１７ｃと、酸化物絶縁膜１７ｃ及び一対の電極２１、２２に接する窒化物絶縁膜１７ａとが設けられる。さらには、図３３（Ｂ）に示すように、ゲート電極１５と、ゲート電極１５上のゲート絶縁膜１７と、ゲート絶縁膜１７上の多層膜２０と、多層膜２０上の一対の電極２１、２２と、一対の電極２１、２２上の保護膜４３、４４と、多層膜２０、一対の電極２１、２２、及び保護膜４３、４４上の保護膜２６と、保護膜２６上のゲート電極１５ａとを有するデュアルゲート構造のトランジスタ７４とすることができる。
【０２６５】
（実施の形態３）
本実施の形態では、本発明の一態様である半導体装置について、図面を用いて説明する。なお、本実施の形態では、表示装置を例にして本発明の一態様である半導体装置を説明する。
【０２６６】
図１８（Ａ）に、半導体装置の一例を示す。図１８（Ａ）に示す半導体装置は、画素部１０１と、走査線駆動回路１０４と、信号線駆動回路１０６と、各々が平行または略平行に配設され、且つ走査線駆動回路１０４によって電位が制御されるｍ本の走査線１０７と、各々が平行または略平行に配設され、且つ信号線駆動回路１０６によって電位が制御されるｎ本の信号線１０９と、を有する。さらに、画素部１０１はマトリクス状に配設された複数の画素３０１を有する。また、信号線１０９に沿って、各々が平行または略平行に配設された容量線１１５を有する。なお、容量線１１５は、走査線１０７に沿って、各々が平行または略平行に配設されていてもよい。また、走査線駆動回路１０４及び信号線駆動回路１０６をまとめて駆動回路部という場合がある。
【０２６７】
各走査線１０７は、画素部１０１においてｍ行ｎ列に配設された画素３０１のうち、いずれかの行に配設されたｎ個の画素３０１と電気的に接続される。また、各信号線１０９は、ｍ行ｎ列に配設された画素３０１のうち、いずれかの列に配設されたｍ個の画素３０１に電気的と接続される。ｍ、ｎは、ともに１以上の整数である。また、各容量線１１５は、ｍ行ｎ列に配設された画素３０１のうち、いずれかの列に配設されたｍ個の画素３０１と電気的に接続される。なお、容量線１１５が、走査線１０７に沿って、各々が平行または略平行に配設されている場合は、ｍ行ｎ列に配設された画素３０１のうち、いずれかの行に配設されたｎ個の画素３０１と電気的に接続される。
【０２６８】
図１８（Ｂ）及び図１８（Ｃ）は、図１８（Ａ）に示す表示装置の画素３０１に用いることができる回路構成を示している。
【０２６９】
図１８（Ｂ）に示す画素３０１は、液晶素子１３２と、トランジスタ１３１＿１と、容量素子１３３＿１と、を有する。
【０２７０】
液晶素子１３２の一対の電極の一方の電位は、画素３０１の仕様に応じて適宜設定される。液晶素子１３２は、書き込まれるデータにより配向状態が設定される。なお、複数の画素３０１のそれぞれが有する液晶素子１３２の一対の電極の一方に共通の電位（コモン電位）を与えてもよい。また、各行の画素３０１毎の液晶素子１３２の一対の電極の一方に異なる電位を与えてもよい。
【０２７１】
例えば、液晶素子１３２を備える表示装置の駆動方法としては、ＴＮモード、ＳＴＮモード、ＶＡモード、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ  Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｍｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ  Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ  Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＭＶＡモード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ  Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＩＰＳモード、ＦＦＳモード、またはＴＢＡ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｂｅｎｄ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モードなどを用いてもよい。また、表示装置の駆動方法としては、上述した駆動方法の他、ＥＣＢ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＰＤＬＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＰＮＬＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ゲストホストモードなどがある。ただし、これに限定されず、液晶素子及びその駆動方式として様々なものを用いることができる。
【０２７２】
また、ブルー相（Ｂｌｕｅ  Ｐｈａｓｅ）を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物により液晶素子を構成してもよい。ブルー相を示す液晶は、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。
【０２７３】
ｍ行ｎ列目の画素３０１において、トランジスタ１３１＿１のソース電極及びドレイン電極の一方は、信号線ＤＬ＿ｎに電気的に接続され、他方は液晶素子１３２の一対の電極の他方に電気的に接続される。また、トランジスタ１３１＿１のゲート電極は、走査線ＧＬ＿ｍに電気的に接続される。トランジスタ１３１＿１は、オン状態またはオフ状態になることにより、データ信号のデータの書き込みを制御する機能を有する。
【０２７４】
容量素子１３３＿１の一対の電極の一方は、電位が供給される配線（以下、容量線ＣＬ）に電気的に接続され、他方は、液晶素子１３２の一対の電極の他方に電気的に接続される。なお、容量線ＣＬの電位の値は、画素３０１の仕様に応じて適宜設定される。容量素子１３３＿１は、書き込まれたデータを保持する保持容量としての機能を有する。
【０２７５】
例えば、図１８（Ｂ）の画素３０１を有する表示装置では、走査線駆動回路１０４により各行の画素３０１を順次選択し、トランジスタ１３１＿１をオン状態にしてデータ信号のデータを書き込む。
【０２７６】
データが書き込まれた画素３０１は、トランジスタ１３１＿１がオフ状態になることで保持状態になる。これを行毎に順次行うことにより、画像を表示できる。
【０２７７】
また、図１８（Ｃ）に示す画素３０１は、トランジスタ１３１＿２と、容量素子１３３＿２と、トランジスタ１３４と、発光素子１３５と、を有する。
【０２７８】
トランジスタ１３１＿２のソース電極及びドレイン電極の一方は、データ信号が与えられる配線（以下、信号線ＤＬ＿ｎという）に電気的に接続される。さらに、トランジスタ１３１＿２のゲート電極は、ゲート信号が与えられる配線（以下、走査線ＧＬ＿ｍという）に電気的に接続される。
【０２７９】
トランジスタ１３１＿２は、オン状態またはオフ状態になることにより、データ信号のデータの書き込みを制御する機能を有する。
【０２８０】
容量素子１３３＿２の一対の電極の一方は、電位が与えられる配線（以下、電位供給線ＶＬ＿ａという）に電気的に接続され、他方は、トランジスタ１３１＿２のソース電極及びドレイン電極の他方に電気的に接続される。
【０２８１】
容量素子１３３＿２は、書き込まれたデータを保持する保持容量としての機能を有する。
【０２８２】
トランジスタ１３４のソース電極及びドレイン電極の一方は、電位供給線ＶＬ＿ａに電気的に接続される。さらに、トランジスタ１３４のゲート電極は、トランジスタ１３１＿２のソース電極及びドレイン電極の他方に電気的に接続される。
【０２８３】
発光素子１３５のアノード及びカソードの一方は、電位供給線ＶＬ＿ｂに電気的に接続され、他方は、トランジスタ１３４のソース電極及びドレイン電極の他方に電気的に接続される。
【０２８４】
発光素子１３５としては、例えば有機エレクトロルミネセンス素子（有機ＥＬ素子ともいう）などを用いることができる。ただし、発光素子１３５としては、これに限定されず、無機材料からなる無機ＥＬ素子を用いても良い。
【０２８５】
なお、電位供給線ＶＬ＿ａ及び電位供給線ＶＬ＿ｂの一方には、高電源電位ＶＤＤが与えられ、他方には、低電源電位ＶＳＳが与えられる。
【０２８６】
図１８（Ｃ）の画素３０１を有する表示装置では、走査線駆動回路１０４により各行の画素３０１を順次選択し、トランジスタ１３１＿２をオン状態にしてデータ信号のデータを書き込む。
【０２８７】
データが書き込まれた画素３０１は、トランジスタ１３１＿２がオフ状態になることで保持状態になる。さらに、書き込まれたデータ信号の電位に応じてトランジスタ１３４のソース電極とドレイン電極の間に流れる電流量が制御され、発光素子１３５は、流れる電流量に応じた輝度で発光する。これを行毎に順次行うことにより、画像を表示できる。
【０２８８】
次いで、画素３０１に液晶素子を用いた液晶表示装置の具体的な例について説明する。ここでは、図１８（Ｂ）に示す画素３０１の上面図を図１９に示す。なお、図１９においては、対向電極及び液晶素子を省略する。
【０２８９】
図１９において、走査線として機能する導電膜３０４ｃは、信号線に略直交する方向（図中左右方向）に延伸して設けられている。信号線として機能する導電膜３１０ｄは、走査線に略直交する方向（図中上下方向）に延伸して設けられている。容量線として機能する導電膜３１０ｆは、信号線と平行方向に延伸して設けられている。なお、走査線として機能する導電膜３０４ｃは、走査線駆動回路１０４（図１８（Ａ）を参照。）と電気的に接続されており、信号線として機能する導電膜３１０ｄ及び容量線として機能する導電膜３１０ｆは、信号線駆動回路１０６（図１８（Ａ）を参照。）に電気的に接続されている。
【０２９０】
トランジスタ１０３は、走査線及び信号線が交差する領域に設けられている。トランジスタ１０３は、ゲート電極として機能する導電膜３０４ｃ、ゲート絶縁膜（図１９に図示せず。）、ゲート絶縁膜上に形成されたチャネル領域が形成される多層膜３０８ｂ、ソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜３１０ｄ、３１０ｅにより構成される。なお、導電膜３０４ｃは、走査線としても機能し、多層膜３０８ｂと重畳する領域がトランジスタ１０３のゲート電極として機能する。また、導電膜３１０ｄは、信号線としても機能し、多層膜３０８ｂと重畳する領域がトランジスタ１０３のソース電極またはドレイン電極として機能する。また、図１９において、走査線は、上面形状において端部が多層膜３０８ｂの端部より外側に位置する。このため、走査線はバックライトなどの光源からの光を遮る遮光膜として機能する。この結果、トランジスタに含まれる多層膜３０８ｂに光が照射されず、トランジスタの電気特性の変動を抑制することができる。
【０２９１】
また、導電膜３１０ｅは、開口部３６２ｃにおいて、画素電極として機能する透光性を有する導電膜３１６ｂと電気的に接続されている。
【０２９２】
容量素子１０５は、開口部３６２において容量線として機能する導電膜３１０ｆと接続されている。また、容量素子１０５は、ゲート絶縁膜上に形成される導電性を有する膜３０８ｃと、トランジスタ１０３上に設けられる窒化物絶縁膜で形成される誘電体膜と、画素電極として機能する透光性を有する導電膜３１６ｂとで構成されている。導電性を有する膜３０８ｃは透光性を有するため、容量素子１０５は透光性を有する。
【０２９３】
このように容量素子１０５は透光性を有するため、画素３０１内に容量素子１０５を大きく（大面積に）形成することができる。従って、開口率を高めつつ、代表的には５０％以上、または５５％以上、または６０％以上とすることが可能であると共に、電荷容量を増大させた半導体装置を得ることができる。例えば、解像度の高い半導体装置、例えば液晶表示装置においては、画素の面積が小さくなり、容量素子の面積も小さくなる。このため、解像度の高い半導体装置において、容量素子に蓄積される電荷容量が小さくなる。しかしながら、本実施の形態に示す容量素子１０５は透光性を有するため、当該容量素子を画素に設けることで、各画素において十分な電荷容量を得つつ、開口率を高めることができる。代表的には、画素密度が２００ｐｐｉ以上、さらには３００ｐｐｉ以上である高解像度の半導体装置に好適に用いることができる。
【０２９４】
また、図１９に示す画素３０１は、信号線として機能する導電膜３１０ｄと平行な辺と比較して走査線として機能する導電膜３０４ｃと平行な辺の方が長い形状であり、且つ容量線として機能する導電膜３１０ｆが、信号線として機能する導電膜３１０ｄと平行な方向に延伸して設けられている。この結果、画素３０１に占める導電膜３１０ｆの面積を低減することが可能であるため、開口率を高めることができる。また、容量線として機能する導電膜３１０ｆが接続電極を用いず、直接導電性を有する膜３０８ｃと接する。導電性を有する膜３０８ｃは透光性を有するため、さらに開口率を高めることができる。
【０２９５】
また、本発明の一態様は、高解像度の表示装置においても、開口率を高めることができるため、バックライトなどの光源の光を効率よく利用することができ、表示装置の消費電力を低減することができる。
【０２９６】
次いで、図１９の一点鎖線Ｃ−Ｄ間における断面図を図２０に示す。なお、図２０において、走査線駆動回路１０４及び信号線駆動回路１０６を含む駆動回路部（上面図を省略する。）の断面図をＡ−Ｂに示す。本実施の形態においては、縦電界方式の液晶表示装置について説明する。
【０２９７】
本実施の形態に示す液晶表示装置は、一対の基板（基板３０２と基板３４２）間に液晶素子３２２が挟持されている。
【０２９８】
液晶素子３２２は、基板３０２の上方の透光性を有する導電膜３１６ｂと、配向性を制御する膜（以下、配向膜３１８、３５２という）と、液晶層３２０と、導電膜３５０と、を有する。なお、透光性を有する導電膜３１６ｂは、液晶素子３２２の一方の電極として機能し、導電膜３５０は、液晶素子３２２の他方の電極として機能する。
【０２９９】
このように、液晶表示装置とは、液晶素子を有する装置のことをいう。なお、液晶表示装置は、複数の画素を駆動させる駆動回路等を含む。また、液晶表示装置は、別の基板上に配置された制御回路、電源回路、信号生成回路及びバックライトモジュール等を含み、液晶モジュールとよぶこともある。
【０３００】
駆動回路部において、ゲート電極として機能する導電膜３０４ａ、ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜３０５及び絶縁膜３０６ａ、チャネル領域が形成される多層膜３０８ａ、ソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜３１０ａ、３１０ｂによりトランジスタ１０２を構成する。多層膜３０８ａは、ゲート絶縁膜上に設けられる。導電膜３１０ａ、３１０ｂ上には保護膜３３２ａ、３３２ｂが設けられる。保護膜３３２ａ、３３２ｂ上には、絶縁膜３１２、絶縁膜３１４が保護膜として設けられている。なお、保護膜３３２ａ、３３２ｂが透光性を有する導電膜で形成される場合、保護膜３３２ａ、３３２ｂはソース電極及びドレイン電極として機能し、且つトランジスタ１０２を構成する。
【０３０１】
画素部において、ゲート電極として機能する導電膜３０４ｃ、ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜３０５及び絶縁膜３０６ｂ、ゲート絶縁膜上に形成されたチャネル領域が形成される多層膜３０８ｂ、ソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜３１０ｄ、３１０ｅによりトランジスタ１０３を構成する。また、導電膜３１０ｄ、３１０ｅ上には保護膜３３２ｄ、３３２ｅが設けられる。保護膜３３２ｄ、３３２ｅ上には、絶縁膜３１２、絶縁膜３１４が保護膜として設けられている。なお、保護膜３３２ｄ、３３２ｅが透光性を有する導電膜で形成される場合、保護膜３３２ｄ、３３２ｅはソース電極及びドレイン電極として機能し、且つトランジスタ１０３を構成する。
【０３０２】
また、画素電極として機能する透光性を有する導電膜３１６ｂが、保護膜３３２ｅ、絶縁膜３１２、及び絶縁膜３１４に設けられた開口部において、導電膜３１０ｅと接続する。
【０３０３】
また、一方の電極として機能する導電性を有する膜３０８ｃ、誘電体膜として機能する絶縁膜３１４、他方の電極として機能する透光性を有する導電膜３１６ｂにより容量素子１０５を構成する。導電性を有する膜３０８ｃは、絶縁膜３０６ｃ上に設けられる。
【０３０４】
また、駆動回路部において、導電膜３０４ａ、３０４ｃと同時に形成された導電膜３０４ｂと、導電膜３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｄ、３１０ｅと同時に形成された導電膜３１０ｃとは、透光性を有する導電膜３１６ｂと同時に形成された透光性を有する導電膜３１６ａで接続される。
【０３０５】
導電膜３０４ｂ及び透光性を有する導電膜３１６ａは、絶縁膜３０５、絶縁膜３１２及び絶縁膜３１４に設けられた開口部において接続する。また、導電膜３１０ｃと透光性を有する導電膜３１６ａは、保護膜３３２ｃ、絶縁膜３１２、及び絶縁膜３１４に設けられた開口部において接続する。
【０３０６】
ここで、図２０に示す表示装置の構成要素について、以下に説明する。
【０３０７】
基板３０２上には、導電膜３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃが形成されている。導電膜３０４ａは、駆動回路部のトランジスタのゲート電極としての機能を有する。また、導電膜３０４ｃは、画素部１０１に形成され、画素部のトランジスタのゲート電極として機能する。また、導電膜３０４ｂは、走査線駆動回路１０４に形成され、導電膜３１０ｃと接続する。
【０３０８】
基板３０２は、実施の形態１に示す基板１１の材料を適宜用いることができる。
【０３０９】
導電膜３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃとしては、実施の形態１に示すゲート電極１５の材料及び作製方法を適宜用いることができる。
【０３１０】
基板３０２、及び導電膜３０４ａ、３０４ｃ、３０４ｂ上には、絶縁膜３０５が形成され、絶縁膜３０５上には、絶縁膜３０６ａ、３０６ｂ，３０６ｃが形成されている。絶縁膜３０５、絶縁膜３０６ａ、３０６ｂは、駆動回路部のトランジスタのゲート絶縁膜、及び画素部１０１のトランジスタのゲート絶縁膜としての機能を有する。
【０３１１】
絶縁膜３０５としては、実施の形態１に示すゲート絶縁膜１７で説明した窒化物絶縁膜１７ａを用いて形成する。絶縁膜３０６ａ、３０６ｂ、３０６ｃとしては、実施の形態１に示すゲート絶縁膜１７で説明した酸化物絶縁膜１７ｃを用いて形成する。
【０３１２】
絶縁膜３０６ａ、３０６ｂ、３０６ｃ上には、多層膜３０８ａ、３０８ｂ、導電性を有する膜３０８ｃが形成されている。多層膜３０８ａは、導電膜３０４ａと重畳する位置に形成され、駆動回路部のトランジスタのチャネル領域として機能する。また、多層膜３０８ｂは、導電膜３０４ｃと重畳する位置に形成され、画素部のトランジスタのチャネル領域として機能する。導電性を有する膜３０８ｃは、容量素子１０５の一方の電極として機能する。
【０３１３】
多層膜３０８ａ、３０８ｂ、及び導電性を有する膜３０８ｃは、実施の形態１に示す多層膜２０の材料及び作製方法を適宜用いることができる。
【０３１４】
導電性を有する膜３０８ｃは、多層膜３０８ａ、３０８ｂと同様の多層膜であり、且つ不純物が含まれていることを特徴とする。不純物としては、水素がある。なお、水素の代わりに不純物として、ホウ素、リン、スズ、アンチモン、希ガス元素、アルカリ金属、アルカリ土類金属等が含まれていてもよい。
【０３１５】
多層膜３０８ａ、３０８ｂ、及び導電性を有する膜３０８ｃはそれぞれ、絶縁膜３０６ａ、３０６ｂ、３０６ｃ上に形成されるが、不純物濃度が異なる。具体的には、多層膜３０８ａ、３０８ｂと比較して、導電性を有する膜３０８ｃの不純物濃度が高い。例えば、多層膜３０８ａ、３０８ｂに含まれる水素濃度は、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、または５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、または１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、または５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、または１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、導電性を有する膜３０８ｃに含まれる水素濃度は、８×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、または１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、または５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である。また、多層膜３０８ａ、３０８ｂと比較して、導電性を有する膜３０８ｃに含まれる水素濃度は２倍、または１０倍以上である。
【０３１６】
また、導電性を有する膜３０８ｃは、多層膜３０８ａ、３０８ｂより抵抗率が低い。導電性を有する膜３０８ｃの抵抗率が、多層膜３０８ａ、３０８ｂの抵抗率の１×１０−８倍以上１×１０−１倍以下であることが好ましく、代表的には１×１０−３Ωｃｍ以上１×１０４Ωｃｍ未満、または抵抗率が１×１０−３Ωｃｍ以上１×１０−１Ωｃｍ未満であるとよい。
【０３１７】
多層膜３０８ａ、３０８ｂは、絶縁膜３０６ａ、３０６ｂ及び絶縁膜３１２等の、多層膜との界面特性を向上させることが可能な材料で形成される膜と接しているため、多層膜３０８ａ、３０８ｂは、半導体として機能し、多層膜３０８ａ、３０８ｂを有するトランジスタは、優れた電気特性を有する。
【０３１８】
一方、導電性を有する膜３０８ｃは、開口部３６２（図２３（Ｃ）参照。）において絶縁膜３１４と接する。絶縁膜３１４は、外部からの不純物、例えば、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等が、多層膜へ拡散するのを防ぐ材料で形成される膜であり、更には水素を含む。このため、絶縁膜３１４の水素が多層膜３０８ａ、３０８ｂと同時に形成された多層膜に拡散すると、該多層膜に含まれる酸化物半導体膜において水素は酸素と結合し、キャリアである電子が生成される。また、絶縁膜３１４をプラズマＣＶＤ法またはスパッタリング法で成膜すると、多層膜３０８ａ、３０８ｂがプラズマに曝され、酸素欠損が生成される。当該酸素欠損に絶縁膜３１４に含まれる水素が入ることで、キャリアである電子が生成される。これらの結果多層膜に含まれる酸化物半導体膜は、導電性が高くなり導体として機能する。即ち、導電性の高い酸化物半導体膜ともいえる。ここでは、多層膜３０８ａ、３０８ｂと同様の材料を主成分とし、且つ水素濃度が多層膜３０８ａ、３０８ｂより高いことにより、導電性が高められた金属酸化物を、導電性を有する膜３０８ｃとよぶ。
【０３１９】
ただし、本発明の実施形態の一態様は、これに限定されず、導電性を有する膜３０８ｃは、場合によっては、絶縁膜３１４と接していないことも可能である。
【０３２０】
また、本発明の実施形態の一態様は、これに限定されず、導電性を有する膜３０８ｃは、場合によっては、多層膜３０８ａ、または、３０８ｂと別々の工程で形成されてもよい。その場合には、導電性を有する膜３０８ｃは、多層膜３０８ａ、３０８ｂと、異なる材質を有していても良い。例えば、導電性を有する膜３０８ｃは、インジウム錫酸化物（以下、ＩＴＯと示す。）、または、インジウム亜鉛酸化物等を用いて形成してもよい。
【０３２１】
本実施の形態に示す半導体装置は、トランジスタの多層膜と同時に、容量素子の一方となる電極を形成する。また、画素電極として機能する透光性を有する導電膜を容量素子の他方の電極として用いる。これらのため、容量素子を形成するために、新たに導電膜を形成する工程が不要であり、半導体装置の作製工程を削減できる。また、容量素子は、一対の電極が透光性を有する導電膜で形成されているため、透光性を有する。この結果、容量素子の占有面積を大きくしつつ、画素の開口率を高めることができる。
【０３２２】
保護膜３３２ａ、３３２ｂ、３３２ｃ、３３２ｄ、３３２ｅは、実施の形態２に示す保護膜４３、４４の材料及び作製方法を適宜用いることができる。
【０３２３】
導電膜３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄ、３１０ｅは、実施の形態１に示す一対の電極２１、２２の材料及び作製方法を適宜用いることができる。
【０３２４】
絶縁膜３０６ａ、３０６ｂ、３０６ｃ、多層膜３０８ａ、３０８ｂ、導電性を有する膜３０８ｃ、保護膜３３２ａ、３３２ｂ、３３２ｃ、３３２ｄ、３３２ｅ、及び導電膜３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄ、３１０ｅ上には、絶縁膜３１２、絶縁膜３１４が形成されている。絶縁膜３１２は、絶縁膜３０６と同様に、多層膜との界面特性を向上させることが可能な材料を用いることが好ましく、実施の形態１に示す酸化物絶縁膜２４と同様の材料及び作製方法を適宜用いることができる。また、実施の形態１に示すように、酸化物絶縁膜２３及び酸化物絶縁膜２４を積層して形成してもよい。
【０３２５】
絶縁膜３１４は、外部からの不純物、例えば、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等が、多層膜へ拡散するのを防ぐ材料を用いることが好ましく、実施の形態１に示す窒化物絶縁膜２５の材料及び作製方法を適宜用いることができる。
【０３２６】
また、絶縁膜３１４上には透光性を有する導電膜３１６ａ、３１６ｂが形成されている。透光性を有する導電膜３１６ａは、開口部３６４ａ（図２４（Ｂ）参照。）において導電膜３０４ｂと電気的に接続され、開口部３６４ｂ（図２４（Ｂ）参照。）において導電膜３１０ｃと電気的に接続される。即ち、導電膜３０４ｂ及び導電膜３１０ｃを接続する接続電極として機能する。透光性を有する導電膜３１６ｂは、開口部３６４ｃ（図２４（Ｂ）参照。）において導電膜３１０ｅと電気的に接続され、画素の画素電極としての機能を有する。また、透光性を有する導電膜３１６ｂは、容量素子の一対の電極の他方として機能することができる。
【０３２７】
導電膜３０４ｂ及び導電膜３１０ｃが直接接するような接続構造とするには、導電膜３１０ｃを形成する前に、絶縁膜３０５に開口部を形成するためにパターニングを行い、マスクを形成する必要がある。しかしながら、図２０のように、透光性を有する導電膜３１６ａにより、導電膜３０４ｂ及び導電膜３１０ｃを接続することで、導電膜３０４ｂ及び導電膜３１０ｃが直接接する接続部を作製する必要が無くなり、フォトマスクを１枚少なくすることができる。即ち、半導体装置の作製工程を削減することが可能である。
【０３２８】
透光性を有する導電膜３１６ａ、３１６ｂとしては、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、ＩＴＯ、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。
【０３２９】
また、基板３４２上には、有色性を有する膜（以下、有色膜３４６という。）が形成されている。有色膜３４６は、カラーフィルタとしての機能を有する。また、有色膜３４６に隣接する遮光膜３４４が基板３４２上に形成される。遮光膜３４４は、ブラックマトリクスとして機能する。また、有色膜３４６は、必ずしも設ける必要はなく、例えば、表示装置が白黒の場合等によって、有色膜３４６を設けない構成としてもよい。
【０３３０】
有色膜３４６としては、特定の波長帯域の光を透過する有色膜であればよく、例えば、赤色の波長帯域の光を透過する赤色（Ｒ）のカラーフィルタ、緑色の波長帯域の光を透過する緑色（Ｇ）のカラーフィルタ、青色の波長帯域の光を透過する青色（Ｂ）のカラーフィルタなどを用いることができる。
【０３３１】
遮光膜３４４としては、特定の波長帯域の光を遮光する機能を有していればよく、金属膜または黒色顔料等を含んだ有機絶縁膜などを用いることができる。
【０３３２】
また、有色膜３４６上には、絶縁膜３４８が形成されている。絶縁膜３４８は、平坦化層としての機能、または有色膜３４６が含有しうる不純物を液晶素子側へ拡散するのを抑制する機能を有する。
【０３３３】
また、絶縁膜３４８上には、導電膜３５０が形成されている。導電膜３５０は、画素部の液晶素子が有する一対の電極の他方としての機能を有する。なお、透光性を有する導電膜３１６ａ、３１６ｂ、及び導電膜３５０上には、配向膜としての機能を有する絶縁膜を別途形成してもよい。
【０３３４】
また、透光性を有する導電膜３１６ａ、３１６ｂと導電膜３５０との間には、液晶層３２０が形成されている。また液晶層３２０は、シール材（図示しない）を用いて、基板３０２と基板３４２の間に封止されている。なお、シール材は、外部からの水分等の入り込みを抑制するために、無機材料と接触する構成が好ましい。
【０３３５】
また、透光性を有する導電膜３１６ａ、３１６ｂと導電膜３５０との間に液晶層３２０の厚さ（セルギャップともいう）を維持するスペーサを設けてもよい。
【０３３６】
図２０に示す半導体装置に示す基板３０２上に設けられた素子部の作製方法について、図２１乃至図２５を用いて説明する。
【０３３７】
まず、基板３０２を準備する。ここでは、基板３０２としてガラス基板を用いる。
【０３３８】
次に、基板３０２上に導電膜を形成し、該導電膜を所望の領域に加工することで、導電膜３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃを形成する。なお、導電膜３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃは、所望の領域に第１のパターニングによるマスクの形成を行い、該マスクに覆われていない領域をエッチングすることで形成することができる（図２１（Ａ）参照）。
【０３３９】
また、導電膜３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃとしては、代表的には、蒸着法、ＣＶＤ法、スパッタリング法、スピンコート法等を用いて形成することができる。
【０３４０】
次に、基板３０２、及び導電膜３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ上に、絶縁膜３０５を形成し、絶縁膜３０５上に絶縁膜３０６を形成する（図２１（Ａ）参照）。
【０３４１】
絶縁膜３０５及び絶縁膜３０６は、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成することができる。なお、絶縁膜３０５及び絶縁膜３０６は、真空中で連続して形成すると不純物の混入が抑制され好ましい。
【０３４２】
次に、絶縁膜３０６上に多層膜３０７を形成する（図２１（Ｂ）参照）。
【０３４３】
多層膜３０７は、スパッタリング法、塗布法、パルスレーザー蒸着法、レーザーアブレーション法などを用いて形成することができる。
【０３４４】
次に、多層膜３０７を所望の領域に加工することで、島状の多層膜３０８ａ、３０８ｂ、３０８ｄを形成する。なお、多層膜３０８ａ、３０８ｂ、３０８ｄは、所望の領域に第２のパターニングによるマスクの形成を行い、該マスクに覆われていない領域をエッチングすることで形成することができる。エッチングとしては、ドライエッチング、ウエットエッチング、または双方を組み合わせたエッチングを用いることができる（図２１（Ｃ）参照）。
【０３４５】
次に、絶縁膜３０６を所望の領域に加工することで、島状の絶縁膜３０６ａ、３０６ｂ、３０６ｃを形成する。なお、絶縁膜３０６ａ、３０６ｂ、３０６ｃは、多層膜３０８ａ、３０８ｂ、３０８ｄに覆われていない絶縁膜３０６の領域をエッチングすることで形成することができる。エッチングとしては、ドライエッチング、ウエットエッチング、または双方を組み合わせたエッチングを用いることができる（図２２（Ａ）参照）。
【０３４６】
次に、第１の加熱処理を行う。第１の加熱処理は、実施の形態１に示す第１の加熱処理と同様の条件を用いる。第１の加熱処理によって、多層膜３０８ａ、３０８ｂ、３０８ｄに用いる酸化物半導体の結晶性を高め、さらに絶縁膜３０５、絶縁膜３０６ａ、３０６ｂ、３０６ｃ、及び多層膜３０８ａ、３０８ｂ、３０８ｄから水素や水などの不純物を除去することができる。なお、酸化物半導体をエッチングする前に第１の加熱工程を行ってもよい。
【０３４７】
次に、絶縁膜３０６ａ、３０６ｂ、３０６ｃ、及び多層膜３０８ａ、３０８ｂ、３０８ｄ上に導電膜３０９及び保護膜３３０を形成する（図２２（Ｂ）参照）。
【０３４８】
導電膜３０９としては、例えば、スパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法、印刷法等を用いて形成することができる。
【０３４９】
保護膜３３０としては、例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ法等を用いて形成することができる。
【０３５０】
次に、保護膜３３０を所望の領域に加工することで、保護膜３３２ａ、３３２ｂ、３３２ｃ、３３２ｄ、３３２ｅを形成する。なお、保護膜３３２ａ、３３２ｂ、３３２ｃ、３３２ｄ、３３２ｅは、所望の領域に第３のパターニングによるマスクの形成を行い、該マスクに覆われていない領域をエッチングすることで、形成することができる。この後、マスクを除去する（図２２（Ｃ）参照）。
【０３５１】
次に、導電膜３０９を所望の領域に加工することで、導電膜３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄ、３１０ｅを形成する。なお、導電膜３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄ、３１０ｅは、保護膜３３２ａ、３３２ｂ、３３２ｃ、３３２ｄ、３３２ｅをマスクとして機能させ、該マスクに覆われていない領域をエッチングすることで、形成することができる（図２３（Ａ）参照）。
【０３５２】
次に、絶縁膜３０６ａ、３０６ｂ、３０６ｃ、多層膜３０８ａ、３０８ｂ、３０８ｄ、導電膜３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄ、３１０ｅ、及び保護膜３３２ａ、３３２ｂ、３３２ｃ、３３２ｄ、３３２ｅ、上を覆うように、絶縁膜３１１を形成する（図２３（Ｂ）参照）。
【０３５３】
絶縁膜３１１としては、実施の形態１に示す酸化物絶縁膜２３及び酸化物絶縁膜２４と同様の条件を用いて積層して形成することができる。
【０３５４】
次に、絶縁膜３１１を所望の領域に加工することで、絶縁膜３１２、及び開口部３６２を形成する。なお、絶縁膜３１２、及び開口部３６２は、所望の領域に第４のパターニングによるマスクの形成を行い、該マスクに覆われていない領域をエッチングすることで、形成することができる（図２３（Ｃ）参照）。
【０３５５】
なお、開口部３６２は、多層膜３０８ｄの表面が露出するように形成する。開口部３６２の形成方法としては、例えば、ドライエッチング法を用いることができる。ただし、開口部３６２の形成方法としては、これに限定されず、ウエットエッチング法、またはドライエッチング法とウエットエッチング法を組み合わせた形成方法としてもよい。
【０３５６】
こののち、第２の加熱処理を行って、絶縁膜３１２に含まれる酸素の一部を多層膜３０８ａ、３０８ｂに含まれる酸化物半導体膜に酸素を移動させ、多層膜３０８ａ、３０８ｂに含まれる酸化物半導体膜中の酸素欠損量を低減することができる。
【０３５７】
次に、絶縁膜３１２及び多層膜３０８ｄ上に絶縁膜３１３を形成する（図２４（Ａ）参照）。
【０３５８】
絶縁膜３１３としては、外部からの不純物、例えば、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等が、多層膜へ拡散するのを防ぐ材料を用いることが好ましく、更には水素を含むことが好ましく、代表的には窒素を含む無機絶縁材料、例えば窒化物絶縁膜を用いることができる。絶縁膜３１３としては、例えば、ＣＶＤ法を用いて形成することができる。
【０３５９】
絶縁膜３１３は、外部からの不純物、例えば、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等が、多層膜へ拡散するのを防ぐ材料で形成される膜であり、更には水素を含む。このため、絶縁膜３１３の水素が多層膜３０８ｄに拡散すると、該多層膜３０８ｄに含まれる酸化物半導体膜において水素は酸素と結合し、キャリアである電子が生成される。この結果、多層膜３０８ｄに含まれる酸化物半導体膜は、導電性が高くなり、導電性を有する膜３０８ｃとなる。
【０３６０】
また、絶縁膜３１３は、ブロック性を高めるために、高温で成膜されることが好ましく、例えば基板温度１００℃以上基板の歪み点以下、または３００℃以上４００℃以下の温度で加熱して成膜することが好ましい。また高温で成膜する場合は、多層膜３０８ａ、３０８ｂとして用いる酸化物半導体から酸素が脱離し、キャリア濃度が上昇する現象が発生することがあるため、このような現象が発生しない温度とする。
【０３６１】
次に、絶縁膜３０５、３１２、３１３、保護膜３３２ｃ、３３２ｅを所望の領域に加工することで、絶縁膜３１４、及び開口部３６４ａ、３６４ｂ、３６４ｃを形成する。なお、絶縁膜３１４、及び開口部３６４ａ、３６４ｂ、３６４ｃは、所望の領域に第５のパターニングによるマスクの形成を行い、該マスクに覆われていない領域をエッチングすることで形成することができる（図２４（Ｂ）参照）。また、保護膜３３２ｃ、３３２ｅが透光性を有する導電膜で形成される場合、当該工程において保護膜３３２ｃ、３３２ｅをエッチングしなくともよい。
【０３６２】
また、開口部３６４ａは、導電膜３０４ｂの表面が露出するように形成する。また、開口部３６４ｂは、導電膜３１０ｃが露出するように形成する。また、開口部３６４ｃは、導電膜３１０ｅが露出するように形成する。
【０３６３】
なお、開口部３６４ａ、３６４ｂ、３６４ｃの形成方法としては、例えば、ドライエッチング法を用いることができる。ただし、開口部３６４ａ、３６４ｂ、３６４ｃの形成方法としては、これに限定されず、ウエットエッチング法、またはドライエッチング法とウエットエッチング法を組み合わせた形成方法としてもよい。
【０３６４】
次に、開口部３６４ａ、３６４ｂ、３６４ｃを覆うように絶縁膜３１４上に導電膜３１５を形成する（図２５（Ａ）参照）。
【０３６５】
導電膜３１５としては、例えば、スパッタリング法を用いて形成することができる。
【０３６６】
次に、導電膜３１５を所望の領域に加工することで、透光性を有する導電膜３１６ａ、３１６ｂを形成する。なお、透光性を有する導電膜３１６ａ、３１６ｂは、所望の領域に第６のパターニングによるマスクの形成を行い、該マスクに覆われていない領域をエッチングすることで形成することができる（図２５（Ｂ）参照）。
【０３６７】
以上の工程で基板３０２上に、トランジスタを有する画素部及び駆動回路部を形成することができる。なお、本実施の形態に示す作製工程においては、第１乃至第６のパターニング、すなわち６枚のマスクでトランジスタ、及び容量素子を同時に形成することができる。
【０３６８】
なお、本実施の形態では、絶縁膜３１３に含まれる水素を多層膜３０８ｄに拡散させて、多層膜３０８ｄに含まれる酸化物半導体膜の導電性を高めたが、多層膜３０８ａ、３０８ｂをマスクで覆い、多層膜３０８ｄに不純物、代表的には、水素、ホウ素、リン、スズ、アンチモン、希ガス元素、アルカリ金属、アルカリ土類金属等を添加して、多層膜３０８ｄに含まれる酸化物半導体膜の導電性を高めてもよい。多層膜３０８ｄに水素、ホウ素、リン、スズ、アンチモン、希ガス元素等を添加する方法としては、イオンドーピング法、イオン注入法等がある。一方、多層膜３０８ｄにアルカリ金属、アルカリ土類金属等を添加する方法としては、該不純物を含む溶液を多層膜３０８ｄに曝す方法がある。
【０３６９】
次に、基板３０２に対向して設けられる基板３４２上に形成される構造について、以下説明を行う。
【０３７０】
まず、基板３４２を準備する。基板３４２としては、基板３０２に示す材料を援用することができる。次に、基板３４２上に遮光膜３４４、有色膜３４６を形成する（図２６（Ａ）参照）。
【０３７１】
遮光膜３４４及び有色膜３４６は、様々な材料を用いて、印刷法、インクジェット法、フォトリソグラフィ技術を用いたエッチング方法などでそれぞれ所望の位置に形成する。
【０３７２】
次に、遮光膜３４４、及び有色膜３４６上に絶縁膜３４８を形成する（図２６（Ｂ）参照）。
【０３７３】
絶縁膜３４８としては、例えばアクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド等の有機絶縁膜を用いることができる。絶縁膜３４８を形成することによって、例えば、有色膜３４６中に含まれる不純物等を液晶層３２０側に拡散することを抑制することができる。ただし、絶縁膜３４８は、必ずしも設ける必要はなく、絶縁膜３４８を形成しない構造としてもよい。
【０３７４】
次に、絶縁膜３４８上に導電膜３５０を形成する（図２６（Ｃ）参照）。導電膜３５０としては、導電膜３１５に示す材料を援用することができる。
【０３７５】
以上の工程で基板３４２上に形成される構造を形成することができる。
【０３７６】
次に、基板３０２と基板３４２上、より詳しくは基板３０２上に形成された絶縁膜３１４、透光性を有する導電膜３１６ａ、３１６ｂと、基板３４２上に形成された導電膜３５０上に、それぞれ配向膜３１８と配向膜３５２を形成する。配向膜３１８、配向膜３５２は、ラビング法、光配向法等を用いて形成することができる。その後、基板３０２と、基板３４２との間に液晶層３２０を形成する。液晶層３２０の形成方法としては、ディスペンサ法（滴下法）や、基板３０２と基板３４２とを貼り合わせてから毛細管現象を用いて液晶を注入する注入法を用いることができる。
【０３７７】
以上の工程で、図２０に示す表示装置を作製することができる。
【０３７８】
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【０３７９】
（実施の形態４）
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した半導体装置に含まれているトランジスタにおいて、酸化物半導体膜に適用可能な一態様について説明する。
【０３８０】
酸化物半導体膜は、単結晶構造の酸化物半導体（以下、単結晶酸化物半導体という。）、多結晶構造の酸化物半導体（以下、多結晶酸化物半導体という。）、微結晶構造の酸化物半導体（以下、微結晶酸化物半導体という。）、及び非晶質構造の酸化物半導体（以下、非晶質酸化物半導体という。）の一以上で構成されてもよい。また、酸化物半導体膜は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜で構成されていてもよい。また、酸化物半導体膜は、非晶質酸化物半導体及び結晶粒を有する酸化物半導体で構成されていてもよい。以下に、単結晶酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、及び微結晶酸化物半導体について説明する。
【０３８１】
＜単結晶酸化物半導体＞
単結晶酸化物半導体膜は、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が小さい（酸素欠損量が少ない）酸化物半導体膜である。そのため、キャリア密度を低くすることができる。従って、単結晶酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、ノーマリーオンの電気特性になることが少ない。また、単結晶酸化物半導体膜は、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が小さいため、キャリアトラップが少なくなる場合がある。従って、単結晶酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。
【０３８２】
なお、酸化物半導体膜は、欠陥が少ないと密度が高くなる。また、酸化物半導体膜は、結晶性が高いと密度が高くなる。また、酸化物半導体膜は、水素などの不純物濃度が低いと密度が高くなる。単結晶酸化物半導体膜は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜よりも密度が高い。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、微結晶酸化物半導体膜よりも密度が高い。また、多結晶酸化物半導体膜は、微結晶酸化物半導体膜よりも密度が高い。また、微結晶酸化物半導体膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも密度が高い。
【０３８３】
＜多結晶酸化物半導体＞
多結晶酸化物半導体膜は、ＴＥＭによる観察像で、結晶粒を確認することができる。多結晶酸化物半導体膜に含まれる結晶粒は、例えば、ＴＥＭによる観察像で、２ｎｍ以上３００ｎｍ以下、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下または５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の粒径であることが多い。また、多結晶酸化物半導体膜は、ＴＥＭによる観察像で、粒界を確認できる場合がある。
【０３８４】
多結晶酸化物半導体膜は、複数の結晶粒を有し、当該複数の結晶粒間において結晶の方位が異なっている場合がある。また、多結晶酸化物半導体膜は、例えば、ＸＲＤ装置を用い、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による分析を行うと、単一または複数のピークが現れる場合がある。例えば多結晶のＩＧＺＯ膜では、配向を示す２θが３１°近傍のピーク、または複数種の配向を示す複数のピークが現れる場合がある。
【０３８５】
多結晶酸化物半導体膜は、高い結晶性を有するため、高い電子移動度を有する場合がある。従って、多結晶酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、高い電界効果移動度を有する。ただし、多結晶酸化物半導体膜は、粒界に不純物が偏析する場合がある。また、多結晶酸化物半導体膜の粒界は欠陥準位となる。多結晶酸化物半導体膜は、粒界がキャリア発生源、トラップ準位となる場合があるため、多結晶酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いたトランジスタと比べて、電気特性の変動が大きく、信頼性の低いトランジスタとなる場合がある。
【０３８６】
＜微結晶酸化物半導体＞
微結晶酸化物半導体膜は、ＴＥＭによる観察像では、明確に結晶部を確認することができない場合がある。微結晶酸化物半導体膜に含まれる結晶部は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、または１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の大きさであることが多い。特に、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、または１ｎｍ以上３ｎｍ以下の微結晶であるナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）を有する酸化物半導体膜を、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜と呼ぶ。また、ｎｃ−ＯＳ膜は、例えば、ＴＥＭによる観察像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。
【０３８７】
ｎｃ−ＯＳ膜は、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ−ＯＳ膜は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。従って、ｎｃ−ＯＳ膜は、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体膜と区別が付かない場合がある。例えば、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、結晶部よりも大きい径のＸ線を用いるＸＲＤ装置を用いて構造解析を行うと、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、結晶部よりも大きい径（例えば５０ｎｍ以上）の電子線を用いる電子線回折（制限視野電子線回折ともいう。）を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、結晶部の大きさと近いか結晶部より小さい径（例えば１ｎｍ以上３０ｎｍ以下）の電子線を用いる電子線回折（ナノビーム電子線回折ともいう。）を行うと、スポットが観測される。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対しナノビーム電子線回折を行うと、円を描くように（リング状に）輝度の高い領域が観測される場合がある。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対しナノビーム電子線回折を行うと、リング状の領域内に複数のスポットが観測される場合がある。
【０３８８】
図２７は、ｎｃ−ＯＳ膜を有する試料に対し、測定箇所を変えてナノビーム電子線回折を行った例である。ここでは、試料を、ｎｃ−ＯＳ膜の被形成面に垂直な方向に切断し、厚さが１０ｎｍ以下となるように薄片化する。また、ここでは、径が１ｎｍの電子線を、試料の切断面に垂直な方向から入射させる。図２７より、ｎｃ−ＯＳ膜を有する試料に対しナノビーム電子線回折を行うと、結晶面を示す回折パターンが得られるが、特定方向の結晶面への配向性は見られないことがわかった。
【０３８９】
ｎｃ−ＯＳ膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも規則性の高い酸化物半導体膜である。そのため、ｎｃ−ＯＳ膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が小さくなる。ただし、ｎｃ−ＯＳ膜は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、ｎｃ−ＯＳ膜は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜と比べて欠陥準位密度が大きくなる。
【０３９０】
従って、ｎｃ−ＯＳ膜は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜と比べて、キャリア密度が高くなる場合がある。キャリア密度が高い酸化物半導体膜は、電子移動度が高くなる場合がある。従って、ｎｃ−ＯＳ膜を用いたトランジスタは、高い電界効果移動度を有する場合がある。また、ｎｃ−ＯＳ膜は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜と比べて、欠陥準位密度が大きいため、キャリアトラップが多くなる場合がある。従って、ｎｃ−ＯＳ膜を用いたトランジスタは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いたトランジスタと比べて、電気特性の変動が大きく、信頼性の低いトランジスタとなる。ただし、ｎｃ−ＯＳ膜は、比較的不純物が多く含まれていても形成することができるため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜よりも形成が容易となり、用途によっては好適に用いることができる場合がある。そのため、ｎｃ−ＯＳ膜を用いたトランジスタを有する半導体装置は、生産性高く作製することができる場合がある。
【０３９１】
（実施の形態５）
上記実施の形態で開示された酸化物半導体膜はスパッタリングにより形成することができるが、他の方法、例えば、熱ＣＶＤ法により形成してもよい。熱ＣＶＤ法の例としてＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を使っても良い。
【０３９２】
熱ＣＶＤ法は、プラズマを使わない成膜方法のため、プラズマダメージにより欠陥が生成されることが無いという利点を有する。
【０３９３】
熱ＣＶＤ法は、原料ガスと酸化剤を同時にチャンバー内に送り、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで成膜を行ってもよい。
【０３９４】
また、ＡＬＤ法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、反応のための原料ガスが順次にチャンバーに導入され、そのガス導入の順序を繰り返すことで成膜を行ってもよい。例えば、それぞれのスイッチングバルブ（高速バルブとも呼ぶ）を切り替えて２種類以上の原料ガスを順番にチャンバーに供給し、複数種の原料ガスが混ざらないように第１の原料ガスと同時またはその後に不活性ガス（アルゴン、或いは窒素など）などを導入し、第２の原料ガスを導入する。なお、同時に不活性ガスを導入する場合には、不活性ガスはキャリアガスとなり、また、第２の原料ガスの導入時にも同時に不活性ガスを導入してもよい。また、不活性ガスを導入する代わりに真空排気によって第１の原料ガスを排出した後、第２の原料ガスを導入してもよい。第１の原料ガスが基板の表面に吸着して第１の層を成膜し、後から導入される第２の原料ガスと反応して、第２の層が第１の層上に積層されて薄膜が形成される。このガス導入順序を制御しつつ所望の厚さになるまで複数回繰り返すことで、段差被覆性に優れた薄膜を形成することができる。薄膜の厚さは、ガス導入順序を繰り返す回数によって調節することができるため、精密な膜厚調節が可能であり、微細なＦＥＴを作製する場合に適している。
【０３９５】
ＭＯＣＶＤ法やＡＬＤ法などの熱ＣＶＤ法は、これまでに記載した実施形態に開示された金属膜、酸化物半導体膜、無機絶縁膜など様々な膜を形成することができ、例えば、ＩｎＧａＺｎＯ膜を成膜する場合には、トリメチルインジウム、トリメチルガリウム、及びジメチル亜鉛を用いる。なお、トリメチルインジウムの化学式は、Ｉｎ（ＣＨ３）３である。また、トリメチルガリウムの化学式は、Ｇａ（ＣＨ３）３である。また、ジメチル亜鉛の化学式は、Ｚｎ（ＣＨ３）２である。また、これらの組み合わせに限定されず、トリメチルガリウムに代えてトリエチルガリウム（化学式Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３）を用いることもでき、ジメチル亜鉛に代えてジエチル亜鉛（化学式Ｚｎ（Ｃ２Ｈ５）２）を用いることもできる。
【０３９６】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化物半導体膜、例えばＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を成膜する場合には、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを順次繰り返し導入してＩｎ−Ｏ層を形成し、その後、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを同時に導入してＧａＯ層を形成し、更にその後Ｚｎ（ＣＨ３）２とＯ３ガスを同時に導入してＺｎＯ層を形成する。なお、これらの層の順番はこの例に限らない。また、これらのガスを混ぜてＩｎ−Ｇａ−Ｏ層やＩｎ−Ｚｎ−Ｏ層、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層などの混合化合物層を形成しても良い。なお、Ｏ３ガスに変えてＡｒ等の不活性ガスでバブリングして得られたＨ２Ｏガスを用いても良いが、Ｈを含まないＯ３ガスを用いる方が好ましい。また、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスにかえて、Ｉｎ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いても良い。また、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスにかえて、Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いても良い。また、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスにかえて、Ｉｎ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いても良い。また、Ｚｎ（ＣＨ３）２ガスを用いても良い。
【実施例１】
【０３９７】
本実施例は、酸化物半導体膜の不純物分析及びＸＲＤ分析について、図２８乃至図３１を用いて説明する。
【０３９８】
本実施例においては、不純物分析用のサンプルとして、４種類のサンプル（以下、試料Ａ１乃至試料Ａ４）を作製した。
【０３９９】
まず、はじめに試料Ａ１の作製方法を以下に示す。
【０４００】
試料Ａ１は、ガラス基板上に厚さ１００ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物膜（以下、ＩＧＺＯ膜という。）を成膜し、ＩＧＺＯ膜上に厚さ６０ｎｍの銅膜を成膜し、銅膜上に厚さ５０ｎｍの窒化シリコン膜を成膜した。その後、窒素雰囲気下で３５０℃、１時間の加熱処理を行った。
【０４０１】
なお、ＩＧＺＯ膜の成膜条件としては、スパッタリング法にて、金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１）を用い、スパッタリングガスの流量比がＡｒ／Ｏ２＝１／１、圧力が０．６Ｐａ、交流電力が５０００Ｗ、基板温度が１７０℃の条件を用いた。
【０４０２】
次に、試料Ａ２の作製方法を以下に示す。
【０４０３】
試料Ａ１において、ＩＧＺＯ膜の成膜条件の代わりに、金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４）を用い、スパッタリングガスの流量比がＡｒ／Ｏ２＝２／１、圧力が０．４Ｐａ、直流電力が２００Ｗ、基板温度が２００℃の条件を用いて、厚さ１００ｎｍのＩＧＺＯ膜を成膜した。当該試料を試料Ａ２とする。
【０４０４】
次に、試料Ａ３の作製方法を以下に示す。
【０４０５】
試料Ａ１において、ＩＧＺＯ膜の成膜条件の代わりに、金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：６）を用い、スパッタリングガスの流量比がＡｒ／Ｏ２＝２／１、圧力が０．４Ｐａ、直流電力が２００Ｗ、基板温度が２００℃の条件を用いて、厚さ１００ｎｍのＩＧＺＯ膜を成膜した。当該試料を試料Ａ３とする。
【０４０６】
次に、試料Ａ４の作製方法を以下に示す。
【０４０７】
試料Ａ１において、ＩＧＺＯ膜の成膜条件の代わりに、金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：６：８）を用い、スパッタリングガスの流量比がＡｒ／Ｏ２＝２／１、圧力が０．４Ｐａ、直流電力が２００Ｗ、基板温度が２００℃の条件を用いて、厚さ１００ｎｍのＩＧＺＯ膜を成膜した。当該試料を試料Ａ４とする。
【０４０８】
試料Ａ１乃至試料Ａ４の不純物分析結果及びＸＲＤ分析結果をそれぞれ、図２８乃至図３１に示す。
【０４０９】
なお、各図において（Ａ）は不純物分析結果であり、（Ｂ）はＸＲＤ分析結果である。不純物分析としては、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を用い、図２８乃至図３１に示す白抜き矢印の方向に沿って分析を行った。すなわち、ガラス基板側からの測定である。
【０４１０】
また、図２８（Ａ）において、ＩＧＺＯ（１：１：１）は、Ｉｎと、Ｇａと、Ｚｎの原子数比が１：１：１のスパッタリングターゲットを用いて成膜したＩＧＺＯ膜を表す。図２９（Ａ）において、ＩＧＺＯ（１：３：４）は、Ｉｎと、Ｇａと、Ｚｎの原子数比が１：３：４のスパッタリングターゲットを用いて成膜したＩＧＺＯ膜を表す。図３０（Ａ）において、ＩＧＺＯ（１：３：６）は、Ｉｎと、Ｇａと、Ｚｎの原子数比が１：３：６のスパッタリングターゲットを用いて成膜したＩＧＺＯ膜を表す。図３１（Ａ）において、ＩＧＺＯ（１：６：８）は、Ｉｎと、Ｇａと、Ｚｎの原子数比が１：６：８のスパッタリングターゲットを用いて成膜したＩＧＺＯ膜を表す。また、図２８（Ａ）乃至図３１（Ａ）において、破線は銅膜とＩＧＺＯ膜の界面を示す。
【０４１１】
トランジスタのチャネル領域において、電気特性に影響を与える銅（Ｃｕ）の濃度は１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である。
【０４１２】
図２８（Ａ）に示すように、試料Ａ１において、銅（Ｃｕ）の濃度が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の領域は、銅膜及びＩＧＺＯ膜の界面から３０ｎｍ基板側の領域である。
【０４１３】
一方、図２９（Ａ）に示すように、試料Ａ２において、銅（Ｃｕ）の濃度が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の領域は、銅膜及びＩＧＺＯ膜の界面から１０ｎｍ基板側の領域である。
【０４１４】
また、図３０（Ａ）に示すように、試料Ａ３において、銅（Ｃｕ）の濃度が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の領域は、銅膜及びＩＧＺＯ膜の界面から１０ｎｍ基板側の領域である。
【０４１５】
また、図３１（Ａ）に示すように、試料Ａ４において、銅（Ｃｕ）の濃度が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の領域は、銅膜及びＩＧＺＯ膜の界面から１０ｎｍ基板側の領域である。
【０４１６】
以上のことから、ＩＧＺＯ膜（１：１：１）上に、ＩＧＺＯ膜（１：３：４）、ＩＧＺＯ膜（１：３：６）、またはＩＧＺＯ膜（１：６：８）を成膜し、その上に銅膜を成膜することで、銅膜から銅元素（Ｃｕ）がＩＧＺＯ膜（１：１：１）に拡散するのを防ぐことができる。
【０４１７】
また、図２８（Ｂ）乃至図３１（Ｂ）に示すように、各試料に含まれるＩＧＺＯ膜において、２θが３１°近傍にピークが観察される。このピークは（００９）面を示すピークである。このことから、各試料に含まれるＩＧＺＯ膜は、ｃ軸配向した膜であることが分かる。即ち、試料Ａ１乃至試料Ａ４に含まれるＩＧＺＯ膜は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜及びＣＡＡＣ酸化物であることが分かる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図９】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図２７】
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