(57)【要約】【課題】酸化物半導体を用いた半導体装置において、電気特性を向上させる。また、電気特性の変動の少ない、信頼性の高い半導体装置を作製する。【解決手段】下地絶縁膜として機能する酸化窒化絶縁膜と、該酸化窒化絶縁膜に接して設けられるトランジスタであり、該トランジスタは、下地絶縁膜として機能する酸化窒化絶縁膜と接する酸化物半導体膜を有する。また、酸化窒化絶縁膜は、加熱処理により放出する、質量電荷比３０の気体の放出量、及び質量電荷比３２の気体の放出量の２倍の和が５×１０１５／ｃｍ２以上５×１０１６／ｃｍ２以下、または５×１０１５／ｃｍ２以上３×１０１６／ｃｍ２以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化窒化絶縁膜と、
前記酸化窒化絶縁膜に接する酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜と接する一対の電極と、
前記酸化物半導体膜と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と重なるゲート電極と、を有し、
前記酸化窒化絶縁膜は、加熱処理により酸素分子及び一酸化窒素を放出し、
前記加熱処理により放出する、酸素分子に由来する酸素原子及び一酸化窒素に由来する酸素原子の放出量が、５×１０１５／ｃｍ２以上５×１０１６／ｃｍ２以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
酸化窒化絶縁膜と、
前記酸化窒化絶縁膜に接する酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜と接する一対の電極と、
前記酸化物半導体膜と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と重なるゲート電極と、を有し、
前記酸化窒化絶縁膜は、加熱処理により酸素分子及び一酸化窒素を放出し、
前記加熱処理により放出する、酸素分子に由来する酸素原子及び一酸化窒素に由来する酸素原子の放出量が、１×１０２０／ｃｍ３以上１×１０２１／ｃｍ３以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
酸化窒化絶縁膜と、
前記酸化窒化絶縁膜に接する酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜と接する一対の電極と、
前記酸化物半導体膜と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と重なるゲート電極と、を有し、
前記酸化窒化絶縁膜は、加熱処理により放出する、質量電荷比３０の気体の放出量、及び質量電荷比３２の気体の放出量の２倍の和が、５×１０１５／ｃｍ２以上５×１０１６／ｃｍ２以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
酸化窒化絶縁膜と、
前記酸化窒化絶縁膜に接する酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜と接する一対の電極と、
前記酸化物半導体膜と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と重なるゲート電極と、を有し、
前記酸化窒化絶縁膜は、加熱処理により放出する、質量電荷比３０の気体の放出量、及び質量電荷比３２の気体の放出量の２倍の和が、１×１０２０／ｃｍ３以上１×１０２１／ｃｍ３以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項３または請求項４において、前記質量電荷比が３０の気体は、一酸化窒素であり、前記質量電荷比が３２の気体は、酸素であることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項において、前記酸化窒化絶縁膜は、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窒化絶縁膜であることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
基板上に酸化窒化絶縁膜を形成し、
前記酸化窒化絶縁膜上に接する酸化物半導体膜を形成した後、加熱処理を行い、
前記加熱処理された酸化物半導体膜上に一対の電極を形成し、
前記加熱処理された酸化物半導体膜及び前記一対の電極上にゲート絶縁膜を形成し、
前記ゲート絶縁膜上に前記加熱処理された酸化物半導体膜と重なるゲート電極を形成し、
前記酸化窒化絶縁膜は、前記加熱処理により酸素分子及び一酸化窒素を放出し、
前記加熱処理により放出する、酸素分子に由来する酸素原子及び一酸化窒素に由来する酸素原子の放出量が、５×１０１５／ｃｍ２以上５×１０１６／ｃｍ２以下であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項８】
基板上に酸化窒化絶縁膜を形成し、
前記酸化窒化絶縁膜上に接する酸化物半導体膜を形成した後、加熱処理を行い、
前記加熱処理された酸化物半導体膜上に一対の電極を形成し、
前記加熱処理された酸化物半導体膜及び前記一対の電極上にゲート絶縁膜を形成し、
前記ゲート絶縁膜上に前記加熱処理された酸化物半導体膜と重なるゲート電極を形成し、
前記加熱処理により放出する、酸素分子に由来する酸素原子及び一酸化窒素に由来する酸素原子の放出量が、１×１０２０／ｃｍ３以上１×１０２１／ｃｍ３以下であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項９】
基板上に酸化窒化絶縁膜を形成し、
前記酸化窒化絶縁膜上に接する酸化物半導体膜を形成した後、加熱処理を行い、
前記加熱処理された酸化物半導体膜上に一対の電極を形成し、
前記加熱処理された酸化物半導体膜及び前記一対の電極上にゲート絶縁膜を形成し、
前記ゲート絶縁膜上に前記加熱処理された酸化物半導体膜と重なるゲート電極を形成し、
前記酸化窒化絶縁膜は、前記加熱処理により酸素分子及び一酸化窒素を放出し、
前記加熱処理により放出する、質量電荷比３０の気体の放出量、及び質量電荷比３２の気体の放出量の２倍の和が、５×１０１５／ｃｍ２以上５×１０１６／ｃｍ２以下であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１０】
基板上に酸化窒化絶縁膜を形成し、
前記酸化窒化絶縁膜上に接する酸化物半導体膜を形成した後、加熱処理を行い、
前記加熱処理された酸化物半導体膜上に一対の電極を形成し、
前記加熱処理された酸化物半導体膜及び前記一対の電極上にゲート絶縁膜を形成し、
前記ゲート絶縁膜上に前記加熱処理された酸化物半導体膜と重なるゲート電極を形成し、
前記酸化窒化絶縁膜は、前記加熱処理により放出する、質量電荷比３０の気体の放出量、及び質量電荷比３２の気体の放出量の２倍の和が、１×１０２０／ｃｍ３以上１×１０２１／ｃｍ３以下であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１１】
請求項９または請求項１０において、前記質量電荷比が３０の気体は、一酸化窒素であり、前記質量電荷比が３２の気体は、酸素であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１２】
請求項７乃至請求項１１のいずれか一項において、前記酸化窒化絶縁膜は、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窒化絶縁膜であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界効果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、単結晶シリコン又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、又は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、酸化物半導体膜において不純物である水または水素を低減するために、加熱処理を行い、酸化物半導体膜の含有水分を低減することが開示されている（特許文献３参照。）。
【０００６】
また、酸化物半導体膜に含まれる欠陥の一つとして酸素欠損がある。酸化物半導体膜中の酸素欠損に起因して、キャリアである電子が生じる。この結果、酸素欠損が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタは、電気特性の変動、代表的にはしきい値電圧のマイナスシフトが生じるという問題がある。また、酸化物半導体膜に酸素欠損が含まれると、経時変化やストレス試験（例えば、バイアス温度ストレス試験、ＢＴ（Ｂｉａｓ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）ストレス試験ともいう。）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してしまい、信頼性が低くなるという問題がある。
【０００７】
そこで、酸化物半導体膜に接する絶縁膜として、加熱により酸素を放出する絶縁膜を、スパッタリング法を用いて形成し、加熱処理することで、該絶縁膜から酸化物半導体膜へ酸素を供給し、酸化物半導体膜中の酸素欠損を補うことが開示されている（特許文献４参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【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２０１１−０２９６３０号公報
【特許文献４】特開２０１２−００９８３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、スパッタリング法は、タクトタイムが長く、成膜された膜の面内膜厚分布にばらつきがあり、パーティクルが発生しやすく、生産性及び歩留まり低下の原因となる。また、下層に配線等が設けられており被形成面が凹凸状である場合、スパッタリング法で形成される絶縁膜は被覆性が低いため、下層に設けられる配線と、絶縁膜上に後に形成される配線との短絡が生じやすく、歩留まり低下の原因となる。
【００１０】
このため、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて、加熱により酸素を放出する絶縁膜を形成することが好ましいが、一方で、ＣＶＤ法は、活性種の化学反応により膜を堆積する方法であるため、加熱により酸素を放出することが可能な絶縁膜を形成しにくい。
【００１１】
また、低温のＣＶＤ法を用いることで、未反応の酸素を膜に混入させることが可能であり、この結果、加熱により酸素を放出することが可能な絶縁膜を形成することができるが、一方で、絶縁膜に多くの欠陥が含まれてしまう。この結果、低温のＣＶＤ法を用いて形成し酸素を放出する絶縁膜を下地絶縁膜として用いたトランジスタは、ソース電極及びドレイン電極の間を流れる電子が下地絶縁膜に含まれる欠陥にトラップされてしまい、トランジスタのオン電流が小さくなってしまうという問題がある。また、ストレス試験において、下地絶縁膜に含まれる欠陥に電子がトラップされてしまい、しきい値電圧の変動量が増加してしまい、信頼性が低くなるという問題がある。
【００１２】
そこで、本発明の一態様は、酸化物半導体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を課題の一とする。また、電気特性の変動の少ない、信頼性の高い半導体装置を作製することを課題の一とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一態様は、下地絶縁膜として機能する酸化窒化絶縁膜と、該酸化窒化絶縁膜に接して設けられるトランジスタであり、該トランジスタは、下地絶縁膜として機能する酸化窒化絶縁膜と接する酸化物半導体膜を有する。また、酸化窒化絶縁膜は、加熱処理により放出する、質量電荷比３０の気体の放出量、及び質量電荷比３２の気体の放出量の２倍の和が、５×１０１５／ｃｍ２以上５×１０１６／ｃｍ２以下、または５×１０１５／ｃｍ２以上３×１０１６／ｃｍ２以下である。
【００１４】
また、本発明の一態様は、下地絶縁膜として機能する酸化窒化絶縁膜と、該酸化窒化絶縁膜に接して設けられるトランジスタであり、該トランジスタは、下地絶縁膜として機能する酸化窒化絶縁膜と接する酸化物半導体膜を有する。また、酸化窒化絶縁膜は、加熱処理により放出する、質量電荷比３０の気体の放出量、及び質量電荷比３２の気体の放出量の２倍の和が、１×１０２０／ｃｍ３以上１×１０２１／ｃｍ３以下、または１×１０２０／ｃｍ３以上５×１０２０／ｃｍ３以下である。
【００１５】
なお、質量電荷比３０の気体の代表例として一酸化窒素があり、質量電荷比３２の気体の代表例として酸素がある。また、質量電荷比３０の気体の放出量、及び質量電荷比３２の気体の放出量の２倍の和は、酸素分子に由来する酸素原子及び一酸化窒素に由来する酸素原子の総和放出量に相当する。
【００１６】
ＣＶＤ法の原料気体に含まれる酸化性気体として、一酸化二窒素または二酸化窒素を用いることで、堆積する膜には酸素と共に窒素が含まれる。また、加熱により、質量電荷比３０の気体、代表的には一酸化窒素が放出される。酸化物半導体膜を有するトランジスタにおいて、酸化物半導体膜が接する酸化窒化絶縁膜として、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窒化絶縁膜を設けることで、酸化窒化絶縁膜から酸化物半導体膜に酸素が供給され、酸化窒化絶縁膜及び酸化物半導体膜の界面準位を低減できると共に、酸化物半導体膜に含まれる酸素欠損を低減することができる。これらの結果、トランジスタの動作などに起因して生じうる電荷などが、酸化窒化絶縁膜及び酸化物半導体膜の界面に捕獲されることを抑制することができ、オン電流が大きく、且つ電気特性の変動の少ないトランジスタを得ることができる。
【００１７】
また、本発明の一態様は、シリコンを含む堆積性気体及び酸化性気体を用いたＣＶＤ法により基板上に、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窒化絶縁膜を形成し、該酸化窒化絶縁膜を下地絶縁膜として、下地絶縁膜上に酸化物半導体膜を有するトランジスタを作製することを特徴とする。
【００１８】
該下地絶縁膜は、シリコンを含む堆積性気体に対する酸化性気体の流量比が５０より大であり１００００以下、または２００以上１５００以下である原料ガスを処理室に導入して、処理室内における圧力を１００Ｐａ以上１５００Ｐａ以下、または２００Ｐａ以上１０００Ｐａ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ＣＶＤ法により、基板上に形成する。
【００１９】
なお、基板を２００℃以上４５０℃未満に保持することが好ましい。シリコンを含む堆積性気体としては、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、一酸化二窒素、二酸化窒素等がある。また、処理室内に設けられる電極に０．２Ｗ／ｃｍ２以上５．０Ｗ／ｃｍ２以下、または１．８Ｗ／ｃｍ２以上３．７Ｗ／ｃｍ２以下の高周波電力を供給することが好ましい。
【００２０】
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る。また、酸化性気体として、一酸化二窒素、二酸化窒素等の窒素酸化物を用いると、シリコンを含む堆積性気体の酸化反応が促進される。また、シリコンを含む堆積性気体に対する酸化性気体の流量比を高い条件とすることで、酸素ラジカルが増加し、原料ガスの酸化が進む。これらの結果、下地絶縁膜中における酸素含有量を化学量論的組成を満たす酸素よりも多くすることができる。また、基板温度を上記温度範囲とすることで、下地絶縁膜に含まれる水の含有量を低減することができる。
【発明の効果】
【００２１】
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窒化絶縁膜を下地絶縁膜としてＣＶＤ法を用いて形成し、該下地絶縁膜上に酸化物半導体膜を有するトランジスタを作製することで、トランジスタのオン電流を高めることが可能であり、半導体装置の電気特性を向上させることができる。また、半導体装置の経時変化やストレス試験による電気特性の変動を低減し、信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【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】トランジスタの一形態を説明する上面図及び断面図である。
【図４】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５】トランジスタの一形態を説明する断面図である。
【図６】トランジスタの一形態を説明する断面図である。
【図７】トランジスタの一形態を説明する断面図である。
【図８】半導体装置の一形態を説明する断面図である。
【図９】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１０】ｎｃ−ＯＳ膜を説明する図である。
【図１１】半導体装置の一形態を示す回路図である。
【図１２】半導体装置の一形態を示すブロック図である。
【図１３】半導体装置の一形態を示すブロック図である。
【図１４】半導体装置の一形態を示すブロック図である。
【図１５】トランジスタの電気特性を説明する図である。
【図１６】トランジスタの電気特性を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。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。また、以下に説明する実施の形態及び実施例において、同一部分又は同様の機能を有する部分には、同一の符号又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。
【００２４】
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、又は領域は、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。
【００２５】
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」又は「第３の」などと適宜置き換えて説明することができる。
【００２６】
「ソース」や「ドレイン」の機能は、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」の用語は、入れ替えて用いることができるものとする。
【００２７】
（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の作製方法、及び当該作製方法によって作製される半導体装置について図面を参照して説明する。
【００２８】
＜半導体装置の構造＞
図１（Ａ）乃至図１（Ｃ）に、トランジスタ１００の上面図及び断面図を示す。図１（Ａ）はトランジスタ１００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１０１、下地絶縁膜１０３、ゲート絶縁膜１０９、絶縁膜１１３などを省略している。
【００２９】
図１に示すトランジスタ１００は、基板１０１上に設けられた下地絶縁膜１０３上の酸化物半導体膜１０５と、酸化物半導体膜１０５に接する一対の電極１０７と、下地絶縁膜１０３、酸化物半導体膜１０５、及び一対の電極１０７に接するゲート絶縁膜１０９と、ゲート絶縁膜１０９を介して酸化物半導体膜１０５と重なるゲート電極１１１とを有する。また、ゲート絶縁膜１０９及びゲート電極１１１を覆う絶縁膜１１３を有する。また、ゲート絶縁膜１０９及び絶縁膜１１３の開口部１１２において一対の電極１０７と接する配線１１５とを有してもよい。
【００３０】
本実施の形態に示すトランジスタ１００は、一対の電極１０７及びゲート電極１１１がゲート絶縁膜１０９を介して重なっている。このため、酸化物半導体膜１０５において、ゲート絶縁膜１０９を介してゲート電極１１１と対向する領域がチャネル領域として機能し、一対の電極１０７と接する領域が低抵抗領域として機能する。即ち、チャネル領域と、低抵抗領域とが接している。チャネル領域と、低抵抗領域との間に抵抗となる領域がないため、オン電流を増大できると共に、電界効果移動度を高めることができる。
【００３１】
本実施の形態に示すトランジスタ１００は、下地絶縁膜１０３として、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窒化絶縁膜を用いる。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窒化絶縁膜は、加熱により酸素の一部が放出されるため、酸化物半導体膜へ該酸素を移動させることができる。
【００３２】
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窒化絶縁膜は、代表的には、加熱処理により放出する、質量電荷比３０の気体の放出量、及び質量電荷比３２の気体の放出量の２倍の和が、５×１０１５／ｃｍ２以上５×１０１６／ｃｍ２以下、または５×１０１５／ｃｍ２以上３×１０１６／ｃｍ２以下である。または、加熱処理により放出する、質量電荷比３０の気体の放出量、及び質量電荷比３２の気体の放出量の２倍の和が、１×１０２０／ｃｍ３以上１×１０２１／ｃｍ３以下、または１×１０２０／ｃｍ３以上５×１０２０／ｃｍ３以下である。
【００３３】
なお、質量電荷比３０の気体の代表例としては一酸化窒素があり、質量電荷比３２の気体の代表例として酸素がある。このため、加熱処理により放出する酸素分子及び一酸化窒素に由来する酸素原子の放出量（即ち、酸素分子に由来する酸素原子の放出量と、一酸素窒素に由来する酸素原子の放出量との総和）が、５×１０１５／ｃｍ２以上５×１０１６／ｃｍ２以下、または５×１０１５／ｃｍ２以上３×１０１６／ｃｍ２以下である。または、加熱処理により放出する酸素分子及び一酸化窒素に由来する酸素原子の放出量（即ち、酸素分子に由来する酸素原子の放出量と、一酸素窒素に由来する酸素原子の放出量との総和）が、１×１０２０／ｃｍ３以上１×１０２１／ｃｍ３以下、または１×１０２０／ｃｍ３以上５×１０２０／ｃｍ３以下である。
【００３４】
また、下地絶縁膜１０３の代表例としては、酸化窒化シリコン膜がある。なお、本明細書において、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。
【００３５】
下地絶縁膜１０３の厚さは、５０ｎｍ以上、または１００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下、または２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とする。下地絶縁膜１０３を厚くすることで、下地絶縁膜１０３の酸素放出量を増加させることができると共に、下地絶縁膜１０３及び後に形成される酸化物半導体膜の界面における界面準位密度、並びに酸化物半導体膜に含まれる酸素欠損を低減することが可能である。
【００３６】
加熱処理による気体の放出量を測定する方法の一例として昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ））がある。ここで、ＴＤＳ分析にて、酸素原子に換算しての酸素の放出量の測定方法について、以下に説明する。
【００３７】
ＴＤＳ分析したときの気体の放出量は、分析によって得られるスペクトルの積分値に比例する。このため、絶縁膜のスペクトルの積分値と、標準試料の基準値に対する比とにより、気体の放出量を計算することができる。標準試料の基準値とは、所定の原子を含む試料の、スペクトルの積分値に対する原子の密度の割合である。
【００３８】
例えば、標準試料である所定の密度の水素を含むシリコンウェハのＴＤＳ分析結果、及び絶縁膜のＴＤＳ分析結果から、絶縁膜の酸素分子の放出量（ＮＯ２）は、数式１で求めることができる。ここで、ＴＤＳ分析で得られる質量電荷比３２で検出されるスペクトルの全てが酸素分子由来と仮定する。ＣＨ３ＯＨの質量電荷比は３２であるが、存在する可能性が低いものとしてここでは考慮しない。また、酸素原子の同位体である質量数１７の酸素原子及び質量数１８の酸素原子を含む酸素分子についても、自然界における存在比率が極微量であるため考慮しない。
【００３９】
ＮＯ２＝ＮＨ２／ＳＨ２×ＳＯ２×α（数式１）
【００４０】
ＮＨ２は、標準試料から放出した水素分子を密度で換算した値である。ＳＨ２は、標準試料をＴＤＳ分析したときのスペクトルの積分値である。ここで、標準試料の基準値を、ＮＨ２／ＳＨ２とする。ＳＯ２は、絶縁膜をＴＤＳ分析したときのスペクトルの積分値である。αは、ＴＤＳ分析におけるスペクトル強度に影響する係数である。なお、ＴＤＳ分析において、例えば酸素分子について説明すると、試料から放出された酸素分子は、その一部が分析中に解離し質量数１６である酸素原子として検出される。検出された酸素分子の放出量に対して、酸素分子の解離によって検出される酸素原子の放出量の比率は、ほぼ一定の値となる。当該比率をパターン係数という。例えば、酸素分子のパターン係数を１００とした場合、酸素原子のパターン係数は１１．４である。また、分析により放出した酸素分子及び酸素原子に対する酸素分子の比率をフラグメンテーション係数という。例えば、酸素分子のフラグメンテーション係数は０．８９８である。数式１のαは、フラグメンテーション係数の逆数を含む。すなわち、数式１から得られる酸素分子の放出量は、酸素分子、及び酸素原子に解離した酸素分子を含む放出量である。なお、数式１の詳細に関しては、特開平６−２７５６９７公報を参照する。また、上記絶縁膜の酸素の放出量は、電子科学株式会社製の昇温脱離分析装置ＥＭＤ−ＷＡ１０００Ｓ／Ｗを用い、標準試料として９．６２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２の水素原子を含むシリコンウェハを用いて測定する。
【００４１】
また、ＴＤＳ分析において、酸素の一部は酸素原子として検出される。酸素分子と酸素原子の比率は、酸素分子のイオン化率から算出することができる。なお、上述のαは酸素分子のイオン化率を含むため、酸素分子の放出量を評価することで、酸素原子の放出量についても見積もることができる。
【００４２】
なお、ＮＯ２は酸素分子の放出量である。絶縁膜においては、酸素原子に換算したときの酸素の放出量は、酸素分子の放出量の２倍となる。
【００４３】
また、上記数式１において、絶縁膜の一酸化窒素の放出量をＴＤＳ分析したときのスペクトルの積分値を、ＳＯ２に代入することで、一酸化窒素の放出量を求めることができる。
【００４４】
下地絶縁膜１０３から酸化物半導体膜１０５に酸素が供給されることで、酸化物半導体膜１０５に含まれる酸素欠損量を低減することができる。酸化物半導体膜に酸素欠損が含まれると、酸素欠損に起因してキャリアである電子が生じてしまい、酸化物半導体膜が低抵抗化し、トランジスタのしきい値電圧がマイナス方向に変動してしまう。しかしながら、本実施の形態に示すトランジスタに含まれる酸化物半導体膜は、酸素欠損が低減されているため、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。また、下地絶縁膜１０３及び酸化物半導体膜１０５の界面準位を低減できるため、トランジスタの動作などに起因して生じうる電荷などが、上述の下地絶縁膜１０３及び酸化物半導体膜１０５の界面に捕獲されることを抑制することができ、オン電流が大きく、且つ電気特性の変動の少ないトランジスタを得ることができる。
【００４５】
以下に、トランジスタ１００の他の構成の詳細について説明する。
【００４６】
基板１０１は、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１０１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１０１として用いてもよい。
【００４７】
また、基板１０１として、可撓性基板を用い、可撓性基板上に直接、下地絶縁膜１０３及びトランジスタ１００を形成してもよい。または、基板１０１と下地絶縁膜１０３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１０１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１００は耐熱性の劣る基板や可撓性の基板にも転載できる。
【００４８】
酸化物半導体膜１０５は、代表的には、Ｉｎ−Ｇａ酸化物膜、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物膜、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物膜（Ｍは、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｓ、またはＮｄ）がある。また、酸化物半導体膜１０５は、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（Ｍは、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｓ、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される。
【００４９】
酸化物半導体膜１０５がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物膜（Ｍは、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｓ、またはＮｄ）の場合、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物膜を成膜するために用いるターゲットにおいて、金属元素の原子数比をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ１：ｚ１とすると、ｘ１／ｙ１は、１／３以上６以下、さらには１以上６以下であって、ｚ１／ｙ１は、１／３以上６以下、さらには１以上６以下であることが好ましい。なお、ｚ１／ｙ１を１以上６以下とすることで、酸化物半導体膜１０５としてＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜が形成されやすくなる。ターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２等がある。  なお、成膜される酸化物半導体膜１０５の原子数比はそれぞれ、誤差として上記の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。
【００５０】
なお、酸化物半導体膜１０５がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物膜であるとき、ＩｎとＭの原子数比率は、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、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。
【００５１】
酸化物半導体膜１０５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、トランジスタのオフ電流を低減することができる。
【００５２】
酸化物半導体膜１０５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。
【００５３】
なお、酸化物半導体膜１０５として、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低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、欠陥準位密度の低い（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。
【００５４】
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。
【００５５】
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、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。
【００５６】
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。
【００５７】
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。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。
【００５８】
また、酸化物半導体膜１０５として、後述するＣＡＡＣ−ＯＳ膜と同様の構造の酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。
【００５９】
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）に酸素欠損を形成する。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。
【００６０】
このため、酸化物半導体膜１０５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１０５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。
【００６１】
酸化物半導体膜１０５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１０５において酸素欠損が増加し、ｎ型化してしまう。このため、酸化物半導体膜１０５におけるシリコンや炭素の濃度、または下地絶縁膜１０３と、酸化物半導体膜１０５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。
【００６２】
また、酸化物半導体膜１０５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１０５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。
【００６３】
また、酸化物半導体膜１０５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膜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。
【００６４】
なお、酸化物半導体膜１０５は、例えば非単結晶構造でもよい。非単結晶構造は、例えば、後述する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高く、後述するＣＡＡＣ−ＯＳは最も欠陥準位密度が低い。
【００６５】
なお、酸化物半導体膜１０５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、後述する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、後述する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、後述する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の場合がある。
【００６６】
一対の電極１０７は、導電材料として、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、ルテニウム、タンタル、またはタングステンからなる単体金属、またはこれを主成分とする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、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、タングステン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を積層する二層構造、チタン膜または窒化チタン膜と、そのチタン膜または窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜または窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と、そのモリブデン膜または窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構造等がある。なお、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。
【００６７】
一対の電極１０７において、端部をテーパ形状または階段形状とすることで、ゲート絶縁膜１０９の被覆性が高まるため好ましい。
【００６８】
ゲート絶縁膜１０９は、例えば厚さ５ｎｍ以上４００ｎｍ以下、または１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下、または２０ｎｍ以上１００ｎｍ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。
【００６９】
なお、ゲート絶縁膜１０９として、下地絶縁膜１０３のように、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窒化絶縁膜を用いてもよい。ゲート絶縁膜１０９として、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窒化絶縁膜を用いることで、加熱処理において、ゲート絶縁膜１０９から酸化物半導体膜１０５に酸素が供給されるため、ゲート絶縁膜１０９及び酸化物半導体膜１０５の界面準位を低減できる。また、酸化物半導体膜１０５に含まれる酸素欠損量を低減することができる。また、水の含有量が低減され、且つ、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窒化絶縁膜は水素の供給源となる水の含有量が少ないため、ゲート絶縁膜１０９から酸化物半導体膜１０５へ水が移動し、酸化物半導体膜１０５におけるキャリアの発生を抑えることが可能であり、トランジスタの電気特性の変動を低減することができる。
【００７０】
ゲート電極１１１は、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、ルテニウム、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１１１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膜、または複数組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
【００７１】
また、ゲート電極１１１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。
【００７２】
絶縁膜１１３は、厚さが３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、または１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の、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、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、窒化酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜等を用いればよく、積層または単層で設ける。
【００７３】
なお、絶縁膜１１３として、下地絶縁膜１０３のように、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窒化絶縁膜と、水素、水等のブロッキング効果を有する絶縁膜の積層構造としてもよい。酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する絶縁膜としては、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、窒化シリコン等を用いて形成された膜がある。この結果、加熱処理において、ゲート絶縁膜１０９または／及び下地絶縁膜１０３を介して、酸素が酸化物半導体膜１０５に供給されるため、下地絶縁膜１０３または／及びゲート絶縁膜１０９と、酸化物半導体膜１０５との界面準位を低減できる。また、酸化物半導体膜１０５に含まれる酸素欠損量を低減することができる。
【００７４】
配線１１５は、一対の電極１０７に列挙する材料を適宜用いることができる。
【００７５】
＜半導体装置の変形例１＞
ここでは、図１に示すトランジスタと比較して酸化物半導体膜と一対の電極の構造の異なるトランジスタについて説明する。図１（Ｂ）に示すトランジスタにおいて、一対の電極１０７は、酸化物半導体膜１０５とゲート絶縁膜１０９の間に設けたが、下地絶縁膜１０３と酸化物半導体膜１０５の間に、一対の電極１０７を設けてもよい。この場合、酸化物半導体膜１０５の段差被覆性を高めるために、一対の電極の厚さを薄くすることが好ましい。
【００７６】
当該構成のトランジスタは、一対の電極を形成した後、酸化物半導体膜１０５及びゲート絶縁膜１０９を形成する。このため、酸化物半導体膜１０５がエッチングガスに曝されることなく、酸化物半導体膜１０５上にゲート絶縁膜１０９を形成するため、酸化物半導体膜１０５へのエッチングダメージをなくすことが可能であり、トランジスタの電気特性を向上させることができる。
【００７７】
＜半導体装置の作製方法＞
次に、図１（Ｂ）に示すトランジスタの作製方法について、図２を用いて説明する。
【００７８】
図２（Ａ）に示すように、基板１０１上に下地絶縁膜１０３を形成する。次に、下地絶縁膜１０３上に酸化物半導体膜１０５を形成する。
【００７９】
下地絶縁膜１０３として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。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、一酸化二窒素、二酸化窒素等がある。
【００８０】
代表的な下地絶縁膜１０３の成膜条件としては、以下の条件がある。プラズマＣＶＤ装置の真空排気された処理室内にシリコンを含む堆積性気体に対する酸化性気体の流量比が５０より大であり１００００以下、または２００以上１５００以下である原料ガスを処理室に導入し、処理室内における圧力を１００Ｐａ以上１５００Ｐａ以下、または２００Ｐａ以上１０００Ｐａ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、酸化窒化シリコン膜を形成する。なお、処理室内に設けられる電極上の基板の温度を２００℃以上４５０℃未満、または２００℃以上３５０℃以下とすることが好ましい。また、処理室内に設けられる電極に、０．２Ｗ／ｃｍ２以上５．０Ｗ／ｃｍ２以下、または１．８Ｗ／ｃｍ２以上３．７Ｗ／ｃｍ２以下の高周波電力を供給することが好ましい。処理室内に設けられる電極が平行平板型の場合、基板と対向する電極に上記電力を供給する。また、基板が搭載される電極に電力を供給してもよい。
【００８１】
下地絶縁膜１０３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る。また、シリコンを含む堆積性気体に対する酸化性気体の流量比を高い条件とすることで、酸素ラジカルが増加し、原料ガスの酸化が進むため、下地絶縁膜１０３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。また、酸化性気体として、酸素を用いる場合と比較して、一酸化二窒素、二酸化窒素等の窒素酸化物を用いると、シリコンを含む堆積性気体の酸化反応が促進され、下地絶縁膜１０３中における酸素含有量が化学量論的組成よりもさらに多くなる。なお、酸化性気体として、酸素を用いると、パーティクルが発生し、歩留まりが低下してしまうが、酸化性気体として、一酸化二窒素、二酸化窒素等の窒素酸化物を用いることで、パーティクルの発生を抑制することが可能である。一方で、酸化性気体として一酸化二窒素、二酸化窒素等の窒素酸化物を用いることで、下地絶縁膜１０３には酸化絶縁膜に窒素が含まれた酸化窒化絶縁膜となる。また、当該窒素は、加熱処理により一酸化窒素となり放出される。このため、ＴＤＳ分析により、ＮＯが検出されることで、酸化性気体として一酸化二窒素または二酸化窒素を用いたことがわかる。また、基板温度を上記温度範囲とすることで、下地絶縁膜１０３に含まれる水の含有量を低減することができる。これらの結果、下地絶縁膜１０３として、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窒化絶縁膜を形成することができる。
【００８２】
なお、本実施の形態で形成する下地絶縁膜１０３において、酸素含有量が化学量論的組成よりも多い酸素を含むため、特段、絶縁膜の成膜工程の他に酸素を添加する工程が必要ない。即ち、本実施の形態により、少ない工程数で、酸化物半導体膜１０５及び酸化物半導体膜１０５との界面における欠陥、並びに酸化物半導体膜に含まれる酸素欠損を低減することが可能な下地絶縁膜を形成することができる。
【００８３】
ここでは、処理室内に流量２ｓｃｃｍのシラン及び流量４０００ｓｃｃｍの一酸化二窒素を原料ガスとして供給し、処理室内の圧力を７００Ｐａに制御し、平行平板の電極の一方に６０ＭＨｚの高周波電源で２５０Ｗの電力を供給し、厚さ３００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を下地絶縁膜１０３として形成する。
【００８４】
酸化物半導体膜１０５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により形成する。
【００８５】
スパッタリング法で酸化物半導体膜１０５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。
【００８６】
スパッタリングガスは、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気、酸素雰囲気、希ガス及び酸素の混合ガスを適宜用いる。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。
【００８７】
また、ターゲットは、形成する酸化物半導体膜１０５の組成にあわせて、適宜選択すればよい。
【００８８】
また、酸化物半導体膜１０５として印刷法を用いて形成することで、素子分離された酸化物半導体膜１０５を直接的に形成することができる。
【００８９】
ここでは、金属元素の原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１のターゲットを用いたスパッタリング法により、厚さ１５ｎｍの酸化物半導体膜を形成した後、当該酸化物半導体膜上にマスクを形成し、酸化物半導体膜の一部を選択的にエッチングすることで、酸化物半導体膜１０５を形成する。
【００９０】
次に、第１の加熱処理を行うことが好ましい。当該加熱処理により、下地絶縁膜１０３に含まれる酸素の一部を、下地絶縁膜１０３及び酸化物半導体膜１０５の界面近傍、並びに酸化物半導体膜１０５に移動させることができる。この結果、下地絶縁膜１０３及び酸化物半導体膜１０５の界面近傍における界面準位を低減すると共に、酸化物半導体膜に含まれる酸素欠損を低減することができる。なお、酸化物半導体膜１０５を加熱しながら下地絶縁膜１０３上に設けることで、下地絶縁膜１０３から酸化物半導体膜１０５へ酸素を移動させることが可能な場合は、当該加熱処理を省略することができる。また、当該加熱処理を、後に行われる加熱処理と兼ねることで、工程数を削減することができる。
【００９１】
第１の加熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上基板歪み点未満、または２５０℃以上４５０℃以下、または３００℃以上４５０℃以下とする。
【００９２】
加熱処理は、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン、クリプトン等の希ガス、または窒素を含む不活性ガス雰囲気で行う。または、不活性ガス雰囲気で加熱した後、酸素雰囲気で加熱してもよい。なお、上記不活性雰囲気及び酸素雰囲気に水素、水などが含まれないことが好ましい。処理時間は３分乃至２４時間とする。
【００９３】
ここでは、窒素を含む雰囲気で４５０℃１時間の加熱処理を行った後、窒素及び酸素雰囲気で４５０℃１時間の加熱処理を行う。
【００９４】
なお、当該加熱処理は、当該工程で行わず、後の工程で行ってもよい。即ち、後の工程に行われる別の加熱工程によって、下地絶縁膜１０３に含まれる酸素の一部を酸化物半導体膜１０５に移動させてもよい。この結果、加熱工程数を削減することが可能である。
【００９５】
次に、図２（Ｂ）に示すように、一対の電極１０７を形成する。
【００９６】
一対の電極１０７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、一対の電極１０７となる導電膜を形成する。次に、一対の電極１０７となる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、該マスクを用いて一対の電極１０７となる導電膜をエッチングして、一対の電極１０７を形成する。この後、マスクを除去する。
【００９７】
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積層する。次に、タングステン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タングステン膜をドライエッチングして、一対の電極１０７を形成する。
【００９８】
なお、一対の電極１０７を形成した後、エッチング残渣を除去するため、洗浄処理をすることが好ましい。この洗浄処理を行うことで、一対の電極１０７の短絡を抑制することができる。当該洗浄処理は、ＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ  Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）溶液などのアルカリ性の溶液、希フッ酸、シュウ酸、リン酸などの酸性の溶液を用いて行うことができる。
【００９９】
なお、印刷法またはインクジェット法により一対の電極１０７を形成してもよい。
【０１００】
次に、図２（Ｃ）に示すように、ゲート絶縁膜１０９を形成した後、ゲート絶縁膜１０９上にゲート電極１１１を形成する。
【０１０１】
ゲート絶縁膜１０９は、ＣＶＤ法、蒸着法等を用いて形成する。
【０１０２】
ゲート絶縁膜１０９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。
【０１０３】
また、ゲート絶縁膜１０９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。
【０１０４】
また、ゲート絶縁膜１０９として、ＣＶＤ法により酸化絶縁膜を形成した後、該酸化絶縁膜を酸素プラズマに曝して、酸化絶縁膜の欠陥を低減すると共に、密度を高めることができる。なお、酸素プラズマは、高周波またはマイクロ波の電界エネルギーを利用して発生させることができる。酸素プラズマ処理された酸化絶縁膜をゲート絶縁膜１０９として用いることで、トランジスタのリーク電流を低減できる。
【０１０５】
ここでは、プラズマＣＶＤ法により、厚さ２０ｎｍの酸化窒化シリコン膜を用いてゲート絶縁膜１０９を形成する。
【０１０６】
ゲート電極１１１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、蒸着法等によりゲート電極１１１となる導電膜を形成し、ゲート電極１１１となる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、該マスクを用いてゲート電極１１１となる導電膜の一部をエッチングして、ゲート電極１１１を形成する。この後、マスクを除去する。
【０１０７】
なお、ゲート電極１１１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。
【０１０８】
ここでは、厚さ３０ｎｍの窒化チタン膜及び厚さ１３５ｎｍのタングステン膜をスパッタリング法により順に形成する。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窒化チタン膜及びタングステン膜をドライエッチングして、ゲート電極１１１を形成する。
【０１０９】
次に、図２（Ｄ）に示すように、ゲート絶縁膜１０９及びゲート電極１１１上に絶縁膜１１３を形成した後、一対の電極１０７に接続する配線１１５を形成する。
【０１１０】
絶縁膜１１３となる絶縁膜を形成し、第２の加熱処理を行った後、当該絶縁膜に開口部を形成することで、絶縁膜１１３を形成する。絶縁膜１１３となる絶縁膜は、ＣＶＤ法またはスパッタリング法を用いて形成する。また、絶縁膜１１３となる絶縁膜として、下地絶縁膜１０３と同様の条件を用いて、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窒化絶縁膜を形成してもよい。
【０１１１】
ここでは、スパッタリング法により厚さ７０ｎｍの酸化アルミニウム膜を形成し、ＣＶＤ法により厚さ３００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を形成したのち、開口部を設けて、絶縁膜１１３を形成する。
【０１１２】
第２の加熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上基板歪み点未満、または２５０℃以上４５０℃以下、または３００℃以上４５０℃以下とする。
【０１１３】
第２の加熱処理は、電気炉、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）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、下地絶縁膜１０３から酸化物半導体膜１０５への酸素拡散時間を短縮することができる。
【０１１４】
第２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。
【０１１５】
ここでは、酸素雰囲気で、４００℃、１時間の加熱処理を行う。
【０１１６】
配線１１５は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法等で導電膜を形成した後、該導電膜上にマスクを形成して導電膜をエッチングして形成する。導電膜上に形成するマスクは、印刷法、インクジェット法、フォトリソグラフィ法を適宜用いることができる。この後マスクを除去する。また、配線１１５をデュアルダマシン法で形成してもよい。
【０１１７】
ここでは、厚さ５０ｎｍのチタン膜、厚さ２００ｎｍのアルミニウム膜、及び厚さ５０ｎｍのチタン膜の積層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積層膜をドライエッチングして、配線１１５を形成する。
【０１１８】
以上の工程により、オン電流が高く、電気特性が向上したトランジスタを作製することができる。また、電気特性の変動の少ない、信頼性の高い半導体装置を作製することができる。
【０１１９】
なお、本実施の形態に示す構成及び方法などは、他の実施の形態及び実施例に示す構成及び方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【０１２０】
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１と異なる構造のトランジスタ及びその作製方法について、図３乃至図５を用いて説明する。
【０１２１】
図３（Ａ）乃至図３（Ｃ）は、トランジスタ１１０の上面図及び断面図である。図３（Ａ）はトランジスタ１１０の上面図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の一点鎖線Ａ−Ｂ間の断面図であり、図３（Ｃ）は、図３（Ａ）の一点鎖線Ｃ−Ｄ間の断面図である。なお、図３（Ａ）では、明瞭化のため、基板１０１、酸化物半導体膜１０５ａ、酸化物半導体膜１０５ｃ、ゲート絶縁膜１０９ａ、絶縁膜１１８、絶縁膜１１９などを省略している。
【０１２２】
図３に示すトランジスタ１１０は、基板１０１上に設けられた下地絶縁膜１１７上の酸化物半導体膜１０５ａと、酸化物半導体膜１０５ａ上に設けられた酸化物半導体膜１０５ｂと、酸化物半導体膜１０５ｂに接する一対の電極１１６と、下地絶縁膜１０３、酸化物半導体膜１０５ｂ、及び一対の電極１１６に接する酸化物半導体膜１０５ｃと、酸化物半導体膜１０５ｃに接するゲート絶縁膜１０９ａと、ゲート絶縁膜１０９ａを介して酸化物半導体膜１０５ｃと重なるゲート電極１１１とを有する。なお、酸化物半導体膜１０５ａ、酸化物半導体膜１０５ｂ、及び酸化物半導体膜１０５ｃを多層膜１０６という。また、ゲート絶縁膜１０９ａ、ゲート電極１１１、及び一対の電極１１６を覆う絶縁膜１１８と、絶縁膜１１８を覆う絶縁膜１１９とを有してもよい。また、絶縁膜１１８及び絶縁膜１１９の開口部１１４において、一対の電極１１６と接する配線１１５を有してもよい。
【０１２３】
下地絶縁膜１１７は、実施の形態１に示す下地絶縁膜１０３と同様に、過剰な酸素を含む酸化絶縁膜を用いて形成することができる。代表的には、加熱処理により放出する、質量電荷比３０の気体の放出量、及び質量電荷比３２の気体の放出量の２倍の和が、５×１０１５／ｃｍ２以上５×１０１６／ｃｍ２以下、または５×１０１５／ｃｍ２以上３×１０１６／ｃｍ２以下である。または、加熱処理により放出する、質量電荷比３０の気体の放出量、及び質量電荷比３２の気体の放出量の２倍の和が、１×１０２０／ｃｍ３以上１×１０２１／ｃｍ３以下、または１×１０２０／ｃｍ３以上５×１０２０／ｃｍ３以下である。
【０１２４】
なお、質量電荷比３０の気体の代表例としては一酸化窒素があり、質量電荷比３２の気体の代表例として酸素がある。このため、加熱処理により放出する酸素分子及び一酸化窒素に由来する酸素原子の放出量（即ち、酸素分子に由来する酸素原子の放出量と、一酸素窒素に由来する酸素原子の放出量との総和）が、５×１０１５／ｃｍ２以上５×１０１６／ｃｍ２以下、または５×１０１５／ｃｍ２以上３×１０１６／ｃｍ２以下である。または、加熱処理により放出する酸素分子及び一酸化窒素に由来する酸素原子の放出量（即ち、酸素分子に由来する酸素原子の放出量と、一酸素窒素に由来する酸素原子の放出量との総和）が、１×１０２０／ｃｍ３以上１×１０２１／ｃｍ３以下、または１×１０２０／ｃｍ３以上５×１０２０／ｃｍ３以下である。
【０１２５】
なお、本実施の形態に示す下地絶縁膜１１７は、多層膜１０６をエッチングする際に一部がエッチングされており、多層膜１０６と重なる領域において凸部を有する。
【０１２６】
酸化物半導体膜１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃは、代表的には、Ｉｎ−Ｇａ酸化物膜、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物膜、またはＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物膜（Ｍは、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｓ、ＮｄまたはＨｆ）を用いて形成され、酸化物半導体膜１０５ａ、１０５ｃは、酸化物半導体膜１０５ｂを構成する元素の一種以上を用いて形成される。このため、酸化物半導体膜１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃそれぞれの界面において、界面散乱が起こりにくい。従って、該界面においてはキャリアの動きが阻害されないため、トランジスタの電界効果移動度が高くなる。
【０１２７】
酸化物半導体膜１０５ａ、１０５ｃは、酸化物半導体膜１０５ｂ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、酸化物半導体膜１０５ａ、１０５ｃの伝導帯の下端のエネルギーと、酸化物半導体膜１０５ｂ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、酸化物半導体膜１０５ａ、１０５ｃの電子親和力と、酸化物半導体膜１０５ｂ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。
【０１２８】
酸化物半導体膜１０５ａ、１０５ｃとして、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｓ、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）酸化物半導体膜１０５ａ、１０５ｃのエネルギーギャップを大きくする。（２）酸化物半導体膜１０５ａ、１０５ｃ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１０５ｂと比較して、絶縁性が高くなる。（５）Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｓ、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、Ｃｓ、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。
【０１２９】
酸化物半導体膜１０５ｂがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物膜（Ｍは、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｓ、またはＮｄ）の場合、酸化物半導体膜１０５ｂを成膜するために用いるターゲットにおいて、金属元素の原子数比をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ１：ｚ１とすると、ｘ１／ｙ１は、１／３以上６以下、さらには１以上６以下であって、ｚ１／ｙ１は、１／３以上６以下、さらには１以上６以下であることが好ましい。なお、ｚ１／ｙ１を１以上６以下とすることで、酸化物半導体膜１０５ｂとして後述するＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されやすくなる。ターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２等がある。
【０１３０】
酸化物半導体膜１０５ａ、１０５ｃがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物膜（Ｍは、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｓ、またはＮｄ）の場合、酸化物半導体膜１０５ａ、１０５ｃを成膜するために用いるターゲットにおいて、金属元素の原子数比をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ２：ｙ２：ｚ２とすると、ｘ２／ｙ２＜ｘ１／ｙ１であって、ｚ２／ｙ２は、１／３以上６以下、さらには１以上６以下であることが好ましい。なお、ｚ２／ｙ２を１以上６以下とすることで、酸化物半導体膜１０５ａ、１０５ｃとして後述するＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されやすくなる。ターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：６：４等がある。
【０１３１】
また、酸化物半導体膜１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃとして、上記ターゲットを用いて形成した酸化物半導体膜１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃに含まれるＭ／Ｉｎ、Ｚｎ／Ｉｎの原子数比はターゲットに含まれる原子数比より小さくなる。また、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物膜において、Ｍに対するＺｎの原子数比（Ｚｎ／Ｍ）が０．５以上となる。このような膜は、後述するＣＡＡＣ−ＯＳ膜となる。
【０１３２】
酸化物半導体膜１０５ｂがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物膜であるとき、ＩｎとＭの原子数比率は、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、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。
【０１３３】
酸化物半導体膜１０５ａ、１０５ｃがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物膜であるとき、ＩｎとＭの原子数比率は、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、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。
【０１３４】
また、酸化物半導体膜１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物膜（Ｍは、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｓ、ＮｄまたはＨｆ）の場合、酸化物半導体膜１０５ｂと比較して、酸化物半導体膜１０５ａ、１０５ｃに含まれるＭ（Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｓ、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１０５ｂ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。
【０１３５】
また、酸化物半導体膜１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物膜（Ｍは、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｓ、またはＮｄ）の場合、酸化物半導体膜１０５ａ、１０５ｃをＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ１：ｚ１［原子数比］、酸化物半導体膜１０５ｂ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１０５ｂにおいて、ｙ２がｘ２以上であると、当該酸化物半導体膜１０５ｂ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。
【０１３６】
酸化物半導体膜１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃとして、実施の形態１に示す酸化物半導体膜１０５と同様の形成工程を適宜用いることができる。
【０１３７】
酸化物半導体膜１０５ｃは、後に形成するゲート絶縁膜１０９ａを形成する際の、酸化物半導体膜１０５ｂへのダメージ緩和膜としても機能する。この結果、酸化物半導体膜１０５ｂに含まれる酸素欠損量を低減することができる。さらに、酸化物半導体膜１０５ｃを形成することで、当該酸化物半導体膜１０５ｂ上に形成させる絶縁膜、例えば酸化物絶縁膜の構成元素が、当該酸化物半導体膜１０５ｂに混入することを抑制できる。
【０１３８】
酸化物半導体膜１０５ｂ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。
【０１３９】
酸化物半導体膜１０５ａ、１０５ｃの厚さは、０．３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、または３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。
【０１４０】
なお、酸化物半導体膜１０５ａの厚さは、酸化物半導体膜１０５ｂより厚いことが好ましい。また、酸化物半導体膜１０５ｃの厚さは、酸化物半導体膜１０５ｂより薄いことが好ましい。
【０１４１】
酸化物半導体膜１０５ａの厚さが薄すぎると、酸化物半導体膜１０５ａ及び酸化物半導体膜１０５ｂの界面において電子が捕獲され、トランジスタのオン電流が低下してしまう。一方、酸化物半導体膜１０５ａの厚さが厚すぎると、下地絶縁膜１１７から酸化物半導体膜１０５ｂに移動する酸素量が低減してしまい、酸化物半導体膜１０５ｂの酸素欠損量及び水素量を低減することが困難となる。このため、酸化物半導体膜１０５ａの厚さを、酸化物半導体膜１０５ｂより厚く、且つ２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることが好ましい。
【０１４２】
酸化物半導体膜１０５ｃに多くの電子が誘起されると、酸化物半導体膜１０５ｃはゲート電極の電界を遮蔽し、酸化物半導体膜１０５ｂに印加される電界が弱まる。この結果、トランジスタのオン電流が低下してしまう。そこで、酸化物半導体膜１０５ｃの厚さを、酸化物半導体膜１０５ｂより薄く、且つ０．３ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることが好ましい。
【０１４３】
また、酸化物半導体膜１０５ａ、１０５ｃは、酸化物半導体膜１０５ｂと同様に、適宜単結晶構造、非単結晶構造とすることができる。非単結晶構造は、例えば、後述するＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、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。
【０１４４】
なお、酸化物半導体膜１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃはそれぞれ、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、後述する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を構成してもよい。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、後述する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、後述するＣＡＡＣ−ＯＳの領域、単結晶構造の領域のいずれか二種以上の層を有する積層構造を有する場合がある。さらには、酸化物半導体膜１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃの順に、微結晶構造及び後述するＣＡＡＣ−ＯＳの積層構造を有してもよい。または、酸化物半導体膜１０５ａが微結晶構造及び後述するＣＡＡＣ−ＯＳの積層構造であり、酸化物半導体膜１０５ｂ、１０５ｃが後述するＣＡＡＣ−ＯＳであってもよい。
【０１４５】
酸化物半導体膜１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃが共に後述するＣＡＡＣ−ＯＳであると、酸化物半導体膜１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃそれぞれの界面における結晶性を高めることが可能であり好ましい。
【０１４６】
なお、多層膜１０６において、ゲート電極１１１と重なり、且つ一対の電極１１６の間に挟まれる領域をチャネル形成領域という。また、チャネル形成領域において、キャリアが主に流れる領域をチャネル領域という。ここでは、一対の電極１１６の間に設けられる酸化物半導体膜１０５ｂがチャネル領域である。また、一対の電極１１６の間の距離をチャネル長という。
【０１４７】
ここでは、酸化物半導体膜１０５ｂ及びゲート絶縁膜１０９ａの間に、酸化物半導体膜１０５ｃが設けられている。このため、酸化物半導体膜１０５ｃとゲート絶縁膜１０９ａ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１０５ｂとの間には隔たりがある。この結果、酸化物半導体膜１０５ｂ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１０５ｂ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。
【０１４８】
また、酸化物半導体膜１０５ｃは、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１０５ｂへ移動する不純物量を低減することが可能である。また、酸化物半導体膜１０５ｃは、酸素欠損を形成しにくい。これらのため、酸化物半導体膜１０５ｂ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。
【０１４９】
なお、少なくとも酸化物半導体膜１０５ａ、１０５ｂ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、各膜の界面において、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１０５ａ、１０５ｂ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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
本実施の形態に示すトランジスタは、酸化物半導体膜１０５ｂとゲート絶縁膜１０９ａの間に、酸化物半導体膜１０５ｃが設けられているため、酸化物半導体膜１０５ｂにおけるシリコンや炭素の濃度、または酸化物半導体膜１０５ｂと酸化物半導体膜１０５ａ、１０５ｃとの界面近傍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。
【０１５２】
このような構造を有するトランジスタ１１０は、酸化物半導体膜１０５ｂを含む多層膜１０６において欠陥が極めて少ないため、トランジスタの電気特性を向上させることが可能であり、代表的には、オン電流の増大及び電界効果移動度の向上が可能である。また、ストレス試験の一例であるＢＴストレス試験及び光ＢＴストレス試験におけるしきい値電圧の変動量が少なく、信頼性が高い。
【０１５３】
ゲート絶縁膜１０９ａは、実施の形態１に示すトランジスタ１００のゲート絶縁膜１０９の材料を適宜用いることができる。なお、本実施の形態に示すゲート絶縁膜１０９ａは、端部がゲート電極１１１の端部と略一致している。
【０１５４】
本実施の形態に示すトランジスタ１１０は、酸化物半導体膜１０５ｃ及びゲート絶縁膜１０９ａの端部が、ゲート電極１１１の端部と略一致している。
【０１５５】
トランジスタ１１０においては、ゲート電極１１１の形成の際のエッチング残渣を酸化物半導体膜１０５ｃ及びゲート絶縁膜１０９ａの形成工程の際に除去することが可能であるため、ゲート電極１１１と、配線１１５との間に生じるリーク電流を低減することが可能である。
【０１５６】
一対の電極１１６は、実施の形態１に示す一対の電極１０７と同様の材料を適宜用いることができる。なお、実施の形態１に示す一対の電極１０７と比較して、本実施の形態で示す一対の電極１１６の対向する間隔が小さい。
【０１５７】
絶縁膜１１８及び絶縁膜１１９はそれぞれ、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、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、窒化酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜等を用いればよく、積層または単層で設ける。なお、絶縁膜１１８及び絶縁膜１１９の合計の厚さが３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、または１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下とすることが好ましい。
【０１５８】
次に、半導体装置の作製方法について、図４及び図５を用いて説明する。
【０１５９】
図４（Ａ）に示すように、基板１０１上に下地絶縁膜１０３を形成し、下地絶縁膜１０３上に酸化物半導体膜１０４ａ及び酸化物半導体膜１０４ｂを形成する。
【０１６０】
ここでは、基板１０１としてシリコンウェハを用いる。
【０１６１】
下地絶縁膜１０３は、実施の形態１と同様に、酸素含有量が化学量論的組成よりも多い酸化窒化絶縁膜を形成する。
【０１６２】
ここでは、下地絶縁膜１０３として実施の形態１と同様に、ＣＶＤ法により厚さ３００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を形成する。
【０１６３】
酸化物半導体膜１０４ａ及び酸化物半導体膜１０４ｂ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。
【０１６４】
ここでは、金属元素の原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４であるターゲットを用いたスパッタリング法により、酸化物半導体膜１０４ａとして、厚さ２０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物膜を形成する。また、金属元素の原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２であるターゲットを用いたスパッタリング法により、酸化物半導体膜１０４ｂとして、厚さ１５ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物膜を形成する。
【０１６５】
次に、第１の加熱処理を行って、下地絶縁膜１０３から酸化物半導体膜１０４ａ及び酸化物半導体膜１０４ｂに酸素を移動させることが好ましい。また、酸化物半導体膜１０４ａ及び酸化物半導体膜１０４ｂに含まれる不純物を除去することが好ましい。
【０１６６】
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適宜用いて行うことができる。
【０１６７】
当該加熱処理により、下地絶縁膜１０３に含まれる酸素の一部を酸化物半導体膜１０４ａ、１０４ｂに移動させ、酸化物半導体膜１０４ａ、１０４ｂの酸素欠損量を低減させる。なお、下地絶縁膜１０３は、当該加熱処理により、酸素含有量が低減されている。
【０１６８】
ここでは、窒素を含む雰囲気で４５０℃１時間の加熱処理を行った後、及び酸素雰囲気で４５０℃１時間の加熱処理を行う。
【０１６９】
以上の工程により、酸化物半導体膜１０４ａ、１０４ｂの酸素欠損、及び下地絶縁膜１０３及び酸化物半導体膜１０４ａの界面準位を低減することができる。
【０１７０】
なお、当該加熱処理は、当該工程で行わず、後の工程で行ってもよい。即ち、後の工程に行われる別の加熱工程によって、下地絶縁膜１０３に含まれる酸素の一部を酸化物半導体膜１０４ａ、１０４ｂに移動させてもよい。この結果、加熱工程数を削減することが可能である。
【０１７１】
次に、酸化物半導体膜１０４ｂ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１０４ａ及び酸化物半導体膜１０４ｂのそれぞれ一部をエッチングすることで、図４（Ｂ）に示すように、酸化物半導体膜１０５ａ及び酸化物半導体膜１０５ｂを形成する。この後、マスクを除去する。なお、当該エッチング工程において、下地絶縁膜１０３の一部がエッチングされる場合がある。ここでは、一部がエッチングされた下地絶縁膜１０３を下地絶縁膜１１７と示す。
【０１７２】
次に、図４（Ｃ）に示すように、酸化物半導体膜１０５ｂ上に一対の電極１１６を形成する。次に、酸化物半導体膜１０５ｂ及び一対の電極１１６上に、酸化物半導体膜１０４ｃを形成し、酸化物半導体膜１０４ｃ上にゲート絶縁膜１０８を形成する。
【０１７３】
一対の電極１１６は、実施の形態１に示す一対の電極１０７と同様に形成することができる。
【０１７４】
なお、チャネル長が極めて短いトランジスタを形成する場合は、少なくとも一対の電極１０７となる導電膜を分断する領域は、電子ビーム露光などの細線加工に適した方法を用いてレジストマスク加工を行い、エッチング工程によって当該領域をエッチングすればよい。なお、当該レジストマスクとしては、ポジ型レジストを用いれば、露光領域を最小限にすることができ、スループットを向上させることができる。このような方法を用いれば、チャネル長を１００ｎｍ以下、さらには３０ｎｍ以下とするトランジスタを形成することができる。または、極めて波長の短い光（例えば極端紫外光（ＥＵＶ：Ｅｘｔｒｅｍｅ  Ｕｌｔｒａ−  ｖｉｏｌｅｔ））や、Ｘ線等を用いた露光技術によって微細な加工を行ってもよい。
【０１７５】
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積層する。次に、タングステン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タングステン膜をドライエッチングして、一対の電極１１６を形成する。
【０１７６】
なお、実施の形態１と同様に、一対の電極１１６を形成した後、エッチング残渣を除去するため、洗浄処理をすることが好ましい。
【０１７７】
次に、図４（Ｄ）に示すように、酸化物半導体膜１０５ｂ及び一対の電極１１６上に、酸化物半導体膜１０４ｃを形成し、酸化物半導体膜１０４ｃ上にゲート絶縁膜１０８を形成する。
【０１７８】
酸化物半導体膜１０４ｃは、酸化物半導体膜１０５ａと同様に形成することができる。また、ゲート絶縁膜１０８は、実施の形態１に示すゲート絶縁膜１０９と同様に形成することができる。
【０１７９】
ここでは、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４であるターゲットを用いたスパッタリング法により、酸化物半導体膜１０４ｃとして、厚さ５ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物膜を形成する。また、ゲート絶縁膜１０８は、プラズマＣＶＤ法により厚さ２０ｎｍの酸化窒化シリコン膜を形成する。
【０１８０】
次に、図５（Ａ）に示すように、ゲート絶縁膜１０８上にであって、酸化物半導体膜１０５ｂと重なる領域に、実施の形態１と同様にゲート電極１１１を形成する。
【０１８１】
ここでは、厚さ３０ｎｍの窒化チタン膜及び厚さ１３５ｎｍのタングステン膜をスパッタリング法により順に形成する。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窒化チタン膜及びタングステン膜をドライエッチングして、ゲート電極１１１を形成する。
【０１８２】
次に、図５（Ｂ）に示すように、ゲート電極１１１をマスクとして、酸化物半導体膜１０４ｃ及びゲート絶縁膜１０８をエッチングし、酸化物半導体膜１０５ｃ及びゲート絶縁膜１０９ａを形成する。このため、フォトマスクの枚数を増やすことなく、酸化物半導体膜１０５ｃ及びゲート絶縁膜１０９ａを形成することが可能である。また、酸化物半導体膜１０５ｃ及びゲート絶縁膜１０９ａの端部が、ゲート電極１１１の端部と略一致する。
【０１８３】
また、トランジスタ１１０においては、ゲート電極１１１の形成の際のエッチング残渣を酸化物半導体膜１０５ｃ及びゲート絶縁膜１０９ａの形成工程の際に除去することが可能であるため、ゲート電極１１１と、後に形成される配線１１５との間に生じるリーク電流を低減することが可能である。
【０１８４】
次に、図５（Ｃ）に示すように、一対の電極１１６及びゲート電極１１１上に絶縁膜１１８及び絶縁膜１１９を順に積層形成する。次に、第２の加熱処理を行う。次に、絶縁膜１１８及び絶縁膜１１９に開口部を形成した後、配線１１５を形成する。
【０１８５】
絶縁膜１１８及び絶縁膜１１９は、スパッタリング法、ＣＶＤ法等を適宜用いることができる。絶縁膜１１８として、酸素のブロッキング膜を用いることで、後の加熱処理において、多層膜１０６からの酸素の脱離が低減できるため、トランジスタ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。
【０１８６】
第２の加熱処理は、実施の形態１に示す第２の加熱処理の条件を適宜用いて行う。
【０１８７】
ここでは、絶縁膜１１８として、スパッタリング法により厚さ７０ｎｍの酸化アルミニウム膜を形成し、絶縁膜１１９として、ＣＶＤ法により厚さ３００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を形成する。また、酸素雰囲気で、４５０℃、１時間の加熱処理を行う。この後、フォトリソグラフィ工程によりマスクを形成し、該マスクを用いてドライエッチング法により絶縁膜１１８及び絶縁膜１１９の一部をエッチングして、開口部を形成する。
【０１８８】
配線１１５は、一対の電極１１６と同様に形成することができる。または、ダマシン法により形成することができる。
【０１８９】
ここでは、厚さ５０ｎｍのチタン膜、厚さ２００ｎｍのアルミニウム膜、及び厚さ５０ｎｍのチタン膜をスパッタリング法により順に形成する。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チタン膜、アルミニウム膜、及びチタン膜をドライエッチングして、配線１１５を形成する。
【０１９０】
以上の工程により、トランジスタ１１０を作製することができる。
【０１９１】
酸化物半導体膜１０５ａとして、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４であるターゲットを用いたスパッタリング法により形成し、酸化物半導体膜１０５ｂとして、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１又はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２であるターゲットを用いたスパッタリング法により形成し、酸化物半導体膜１０５ｃとして、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４であるターゲットを用いたスパッタリング法により形成することで、酸化物半導体膜１０５ａの伝導帯下端及び酸化物半導体膜１０５ｃの伝導帯下端に比べて、酸化物半導体膜１０５ｂの伝導帯下端が真空準位から最も低くなる井戸型構造となると共に、キャリアパスとなる酸化物半導体膜１０５ｂにおけるシリコンや炭素等の濃度を低減できるため、トランジスタの電界効果移動度を高めることが可能であると共に、トランジスタの経時変化や信頼性試験によるしきい値電圧の変動量を低減することができる。
【０１９２】
また、下地絶縁膜１０３、酸化物半導体膜１０５ｂ、及び一対の電極１０７上に、酸化物半導体膜１０５ｃとなる酸化物半導体膜、ゲート絶縁膜１０９ａとなる絶縁膜、及びゲート電極１１１となる導電膜を形成した後、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し、該マスクを用いて、酸化物半導体膜、絶縁膜、及び導電膜をエッチングすることで、酸化物半導体膜１０５ｃ、ゲート絶縁膜１０９ａ、及びゲート電極１１１を同時に形成することができる。
【０１９３】
以上の工程により、酸化物半導体膜を有する多層膜の局在準位密度が低く、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る。また、経時変化やストレス試験による電気特性の変動の少ない、信頼性の高いトランジスタを作製することができる。
【０１９４】
なお、本実施の形態に示す構成及び方法などは、他の実施の形態及びその変形例、並びに実施例に示す構成及び方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【０１９５】
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態１乃至実施の形態３と異なる構造のトランジスタについて、図６を用いて説明する。本実施の形態に示すトランジスタは、酸化物半導体膜を介して対向する複数のゲート電極を有することを特徴とする。なお、本実施の形態では、実施の形態１に示すトランジスタを用いて説明するが、適宜他の実施の形態と組み合わせることができる。
【０１９６】
図６に示すトランジスタ１３０は、基板１０１上に設けられるゲート電極２３１と、ゲート電極２３１を覆う絶縁膜２３３を有する。また、絶縁膜２３３上に形成される酸化物半導体膜１０５と、酸化物半導体膜１０５に接する一対の電極１０７と、絶縁膜２３３、酸化物半導体膜１０５、及び一対の電極１０７に接するゲート絶縁膜１０９と、ゲート絶縁膜１０９を介して酸化物半導体膜１０５と重なるゲート電極１１１とを有する。また、ゲート絶縁膜１０９及びゲート電極１１１を覆う絶縁膜１１３を有する。また、ゲート絶縁膜１０９及び絶縁膜１１３の開口部において、一対の電極１０７と接する配線１１５とを有してもよい。
【０１９７】
ゲート電極２３１は、実施の形態１に示すゲート電極１１１と同様に形成することができる。なお、ゲート電極２３１は、後に形成される絶縁膜２３３の被覆性を高めるために、側面がテーパ形状であることが好ましく、基板１０１とゲート電極２３１の側面のなす角度は、２０度以上７０度以下、または３０度以上６０度以下とする。
【０１９８】
絶縁膜２３３は、実施の形態１に示す下地絶縁膜１０３と同様に形成することができる。代表的には、加熱処理により放出する、質量電荷比３０の気体の放出量、及び質量電荷比３２の気体の放出量の２倍の和が５×１０１５／ｃｍ２以上５×１０１６／ｃｍ２以下、または５×１０１５／ｃｍ２以上３×１０１６／ｃｍ２以下の酸化絶縁膜である。または、加熱処理により放出する、質量電荷比３０の気体の放出量、及び質量電荷比３２の気体の放出量の２倍の和が１×１０２０／ｃｍ３以上１×１０２１／ｃｍ３以下、または１×１０２０／ｃｍ３以上５×１０２０／ｃｍ３以下の酸化絶縁膜である。
【０１９９】
なお、質量電荷比３０の気体の代表例としては一酸化窒素があり、質量電荷比３２の気体の代表例として酸素がある。このため、加熱処理により放出する、酸素分子及び一酸化窒素に由来する酸素原子の放出量（即ち、酸素分子に由来する酸素原子の放出量と、一酸素窒素に由来する酸素原子の放出量との総和）が、５×１０１５／ｃｍ２以上５×１０１６／ｃｍ２以下、または５×１０１５／ｃｍ２以上３×１０１６／ｃｍ２以下である。または、加熱処理により放出する、酸素分子及び一酸化窒素に由来する酸素原子の放出量（即ち、酸素分子に由来する酸素原子の放出量と、一酸素窒素に由来する酸素原子の放出量との総和）が、１×１０２０／ｃｍ３以上１×１０２１／ｃｍ３以下、または１×１０２０／ｃｍ３以上５×１０２０／ｃｍ３以下である。
【０２００】
なお、後に、絶縁膜２３３上に酸化物半導体膜１０５を形成するため、絶縁膜２３３の表面は平坦であることが好ましい。このため、後に絶縁膜２３３となる絶縁膜を基板１０１及びゲート電極２３１上に形成した後、当該絶縁膜をＣＭＰ等により平坦化処理して、表面の凹凸が少ない絶縁膜２３３を形成する。
【０２０１】
本実施の形態に示すトランジスタ１３０は、酸化物半導体膜１０５を介して対向するゲート電極２３１及びゲート電極１１１を有する。ゲート電極２３１とゲート電極１１１に異なる電位を印加することで、トランジスタ１３０のしきい値電圧を制御させることができる。または、ゲート電極２３１及びゲート電極１１１に同電位を印加してもよい。または、ゲート電極２３１の電位を定電位としてもよく、また接地電位としてもよい。
【０２０２】
以上の工程により、酸化物半導体膜が形成される下地絶縁膜として、実施の形態１に示すような、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窒化絶縁膜を形成し、該下地絶縁膜上に酸化物半導体膜が設けられたトランジスタを作製することで、オン電流が高く、電気特性が向上したトランジスタを作製することができる。また、経時変化やストレス試験による電気特性の変動の少ない、信頼性の高い半導体装置を作製することができる。
【０２０３】
また、本実施の形態に示すトランジスタは、酸化物半導体膜を介して２つのゲート電極が対向するため、容易にトランジスタの電気特性を制御することが可能である。
【０２０４】
なお、本実施の形態に示す構成及び方法などは、他の実施の形態及び実施例に示す構成及び方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【０２０５】
（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態１乃至実施の形態３に適用可能な下地絶縁膜１０３、下地絶縁膜１１７、絶縁膜１１３及び絶縁膜２３３について、図７を用いて説明する。本実施の形態では実施の形態１に示すトランジスタ１００を用いて説明するが、適宜他の実施の形態に示すトランジスタの下地絶縁膜１０３、下地絶縁膜１１７、絶縁膜１１３及び絶縁膜２３３に適用することができる。
【０２０６】
本実施の形態に示すトランジスタ１５０では、図７に示すように、基板１０１及び酸化物半導体膜１０５の間に、成膜温度の異なる条件を用いて複数の絶縁膜を用いて下地絶縁膜が形成されている点が実施の形態１乃至実施の形態３と異なる。
【０２０７】
下地絶縁膜の成膜条件において、成膜温度が低いほど、代表的には３００℃以下であると、加熱による酸素の放出量が多い。しかしながら、当該温度で成膜した下地絶縁膜には欠陥が含まれ、トランジスタの信頼性の低下の原因となる。一方、下地絶縁膜の成膜条件において、成膜温度が高いほど、代表的には３５０℃以上であると、成膜した下地絶縁膜に含まれる欠陥量が少なく、トランジスタの信頼性を高めることができる。しかしながら、当該温度で成膜した下地絶縁膜は、加熱による酸素の放出量が少ない。このため、当該下地絶縁膜に接する酸化物半導体膜を有するトランジスタにおいて、チャネル長が短い、代表的には１μｍ以下の場合、加熱処理によって下地絶縁膜から酸化物半導体膜へ移動する酸素量が少なく、酸化物半導体膜に含まれる酸素欠損量が多く含まれる。この結果、しきい値電圧がマイナスとなってしまう。
【０２０８】
そこで、下地絶縁膜１５３として絶縁膜１５３ａ及び絶縁膜１５３ｂの積層膜を形成すること、さらに絶縁膜１５３ａと絶縁膜１５３ｂを異なる成膜温度を用いて形成することで、欠陥量及び酸素放出量を制御した下地絶縁膜１５３を形成することができる。
【０２０９】
また、下地絶縁膜１５３上に形成される酸化物半導体膜１０５において、酸化物半導体膜１０５に含まれる金属元素の原子数比によって、酸素欠損量が異なる。例えば、酸化物半導体膜１０５としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物膜を用いた場合、Ｇａの金属原子数比が少ない程、酸化物半導体膜１０５における酸素欠損量が増加する。代表的には、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１のターゲットを用いて成膜した酸化物半導体膜と比較して、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２のターゲットを用いて成膜した酸化物半導体膜の方が酸素欠損量が多い。Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２のターゲットを用いて成膜した酸化物半導体膜を有するトランジスタの方がしきい値電圧がマイナスシフトしやすいため、加熱による酸素の放出量の多い絶縁膜を用いて下地絶縁膜１５３を形成することが好ましい。
【０２１０】
そこで、酸化物半導体膜１０５に含まれる金属元素の原子数比によって、絶縁膜１５３ａ及び絶縁膜１５３ｂの厚さ及び成膜温度を制御することで、酸化物半導体膜１０５の酸素欠損を低減することが可能であり、且つ信頼性が高いトランジスタを作製することができる。
【０２１１】
（実施の形態５）
本実施の形態では、下部に第１の半導体材料を用いたトランジスタを有し、上部に第２の半導体材料を用いたトランジスタを有する半導体装置であって、第１の半導体材料を用いたトランジスタに半導体基板を用いた構造及びその作製方法について、図８及び図９を用いて説明する。第１の半導体材料を用いたトランジスタに用いられる半導体基板としては、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基板等を用いることが可能であり、ここでは、半導体基板として単結晶シリコンウェハを用いる。また、第２の半導体材料を用いたトランジスタとしては、実施の形態１乃至実施の形態６に示す酸化物半導体を用いたトランジスタを用いる。
【０２１２】
はじめに、半導体装置の構造について図８を用いて説明する。
【０２１３】
半導体基板３０１を用いて形成されるトランジスタ３０５は、ｎチャネル型トランジスタ（ＮＭＯＳＦＥＴ）であり、トランジスタ３０６は、ｐチャネル型トランジスタ（ＰＭＯＳＦＥＴ）である。トランジスタ３０５及びトランジスタ３０６は、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）３０３によって他の素子と絶縁分離されている。ＳＴＩ３０３を用いることにより、ＬＯＣＯＳによる素子分離法で発生する素子分離部のバーズビークを抑制することができ、素子分離部の縮小等が可能となる。一方で、構造の微細化小型化が要求されない半導体装置においてはＳＴＩ３０３の形成は必ずしも必要ではなく、ＬＯＣＯＳ等の素子分離手段を用いることもできる。
【０２１４】
トランジスタ３０５は、半導体基板３０１中に設けられたチャネル領域３０７と、チャネル領域３０７を挟むように設けられた不純物領域３０９（ソース領域及びドレイン領域ともいう。）と、チャネル領域３０７上に設けられたゲート絶縁膜３１１と、ゲート絶縁膜３１１上にチャネル領域と重畳するように設けられたゲート電極３１３とを有する。ゲート電極３１３は単層または多層とすることができる。なお、ゲート電極３１３を、加工精度を高めるための第１の材料からなる第１の導電膜と、低抵抗化を目的とした第２の材料からなる第２の導電膜との積層構造としてもよい。
【０２１５】
また、不純物領域３０９とチャネル領域３０７の間には、不純物領域３０９と異なる不純物領域３１５が設けられている。該不純物領域３１５は、導入された不純物の濃度によって、ＬＤＤ領域やエクステンション領域としてチャネル領域近傍の電界分布を制御する機能を果たす。ゲート電極３１３の側壁にはサイドウォール３１７を有する。サイドウォール３１７を用いることで、不純物領域３１５を形成することができる。
【０２１６】
トランジスタ３０６は、ｎウェル領域３０４中に設けられたチャネル領域３０８と、チャネル領域３０８を挟むように設けられた不純物領域３１０（ソース領域及びドレイン領域ともいう）と、チャネル領域３０８上に設けられたゲート絶縁膜３１２と、ゲート絶縁膜３１２上にチャネル領域と重畳するように設けられたゲート電極３１４とを有する。ゲート電極３１４は単層または多層とすることができる。
【０２１７】
また、不純物領域３１０とチャネル領域３０８の間には、不純物領域３１０と異なる不純物領域３１６が設けられている。該不純物領域３１６は、導入された不純物の濃度によって、ＬＤＤ領域やエクステンション領域としてチャネル領域近傍の電界分布を制御する機能を果たす。ゲート電極３１４の側壁にはサイドウォール３１８を有する。サイドウォール３１８を用いることで、不純物領域３１０を形成することができる。
【０２１８】
トランジスタ３０５及びトランジスタ３０６上には絶縁膜３２１及び絶縁膜３２３が設けられる。また、絶縁膜３２１及び絶縁膜３２３には開口部が設けられ、当該開口部に不純物領域３０９及び不純物領域３１０に接続するコンタクトプラグ３２５が設けられる。コンタクトプラグ３２５は、トランジスタ３０５及びトランジスタ３０６のソース電極やドレイン電極としても機能する。また、コンタクトプラグ３２５は、絶縁膜３２３上であって、絶縁膜３２７に埋め込まれている配線３２９と接続する。
【０２１９】
絶縁膜３２１には保護膜として機能させることができ、外部からチャネル領域への不純物の侵入を防止することができる。また、絶縁膜３２１をＣＶＤ法による窒化シリコン等の材料とすることで、チャネル領域に単結晶シリコンを用いた場合には加熱処理によって水素化を行うことができる。また、絶縁膜３２１に引張応力または圧縮応力を有する絶縁膜を用いることで、チャネル領域を構成する半導体材料に歪みを与えることができる。ｎチャネル型のトランジスタの場合にはチャネル領域となるシリコン材料に引張応力を、ｐチャネル型のトランジスタの場合にはチャネル領域となるシリコン材料に圧縮応力を付加することで、各トランジスタの移動度を向上させることができる。
【０２２０】
絶縁膜３２１及び絶縁膜３２３は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ  Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）、ＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）、炭素を添加した酸化シリコン（ＳｉＯＣ）、フッ素を添加した酸化シリコン（ＳｉＯＦ）、Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）４を原料とした酸化シリコンであるＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ  ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）、ＨＳＱ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ）、ＭＳＱ（Ｍｅｔｈｙｌ  Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ）、ＯＳＧ（Ｏｒｇａｎｏ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）、有機ポリマー系の材料等の絶縁体を用いることができる。特に半導体装置の微細化を進める場合には、配線間の寄生容量が顕著になり信号遅延が増大するため酸化シリコンの比誘電率（ｋ＝４．０乃至４．５）では高く、ｋが３．０以下の材料を用いることが好ましい。また、該絶縁膜に開口部を設け、当該開口部に導電膜を埋め込んだ後にＣＭＰ処理してコンタクトプラグを形成するため、絶縁膜には機械的強度が要求される。この機械的強度が確保できる限りにおいて、これらを多孔質（ポーラス）化させて低誘電率化することができる。
【０２２１】
コンタクトプラグ３２５は、導電材料として、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタングステンからなる単体金属、またはこれを主成分とする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、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、タングステン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を積層する二層構造、チタン膜または窒化チタン膜と、そのチタン膜または窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜または窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と、そのモリブデン膜または窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構造等がある。
【０２２２】
配線３２９は、例えば、銅、アルミニウム等の低抵抗な導電性材料を用いることが好ましい。低抵抗な導電性材料を用いることで、配線３２９を伝播する信号の配線遅延を低減することができる。配線３２９に銅を用いる場合には、半導体基板３０１のチャネル領域への銅の拡散を防止するため、絶縁膜３２３及び配線３２９の間にバリア膜を形成することが好ましい。バリア膜として、例えば窒化タンタル、窒化タンタルとタンタルとの積層、窒化チタン、窒化チタンとチタンとの積層等による膜を用いることができるが、配線材料の拡散防止機能、及び配線材料や下地膜等との密着性が確保される程度においてこれらの材料からなる膜に限られない。
【０２２３】
絶縁膜３２７及び配線３２９上には絶縁膜３３１及びバリア膜３３２が積層され、バリア膜３３２上に絶縁膜３３３が形成され、絶縁膜３３３に配線３３５ａ、３３５ｂ、３３５ｃが埋め込まれている。
【０２２４】
配線３３５ａ及び配線３３５ｂは、絶縁膜３３１及びバリア膜３３２に埋め込まれたコンタクトプラグ（図示しない。）により、配線３２９のいずれかと接続する。
【０２２５】
バリア膜３３２は、水素、水、及び酸素のブロッキング効果を有する絶縁膜で形成することが好ましく、代表的には、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、窒化シリコン等を用いて形成することができる。
【０２２６】
なお、ここでは、絶縁膜３３１上にバリア膜を３３２設けたが、トランジスタ３０５及びトランジスタ３０６と、絶縁膜３４３との間であれば、いずれに設けてもよい。
【０２２７】
絶縁膜３３３及び配線３３５ａ、３３５ｂ、３３５ｃ上には、絶縁膜３４３が設けられる。また、絶縁膜３４３には開口部が設けられ、当該開口部に配線３３５ａ接続するコンタクトプラグ３４５ａ、及び配線３３５ｂに接続するコンタクトプラグ３４５ｂが設けられる。
【０２２８】
絶縁膜３４３、コンタクトプラグ３４５ａ、３４５ｂ上に、トランジスタ３４９が設けられる。トランジスタ３４９は、実施の形態１乃至実施の形態６に示すようなトランジスタを適宜用いることができる。ここでは、トランジスタ３４９は、酸化物半導体膜３５１と、酸化物半導体膜３５１に接する一対の電極３５３、３５５と、酸化物半導体膜３５１及び一対の電極３５３、３５５を覆うゲート絶縁膜３５７と、ゲート絶縁膜３５７を介して酸化物半導体膜３５１と重畳するゲート電極３５９とを有する。
【０２２９】
また、トランジスタ３４９上には、絶縁膜３６５が積層されている。また、絶縁膜３６５上に絶縁膜３６７を有してもよい。
【０２３０】
絶縁膜３４３は、実施の形態１に示す下地絶縁膜１０３と同様に、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窒化絶縁膜を用いることができる。
【０２３１】
コンタクトプラグ３４５ａ、３４５ｂは、コンタクトプラグ３２５と同様の材料及び形成方法を適宜用いることができる。なお、トランジスタ３４９の電極３５３及び配線３３５ａはコンタクトプラグ３４５ａを介して接続し、電極３５５及び配線３３５ｂはコンタクトプラグ３４５ｂを介して接続する。
【０２３２】
絶縁膜３６５は実施の形態１に示す絶縁膜１１３と同様の材料を適宜用いることができる。
【０２３３】
絶縁膜３６７は、絶縁膜３２３の材料を適宜用いることができる。
【０２３４】
本実施の形態に示す半導体装置は、第１の半導体材料を用いたトランジスタ３０５、３０６と、第２の半導体材料を用いたトランジスタ３４９とが積層されており、第２の半導体材料を用いたトランジスタ３４９は、実施の形態１に示す下地絶縁膜１０３と同様の条件を用いて形成する絶縁膜３４３と接している。このため、加熱処理により、絶縁膜３４３から酸化物半導体膜３５１に酸素が供給されるため、絶縁膜３４３及び酸化物半導体膜３５１の界面準位を低減できる。また、酸化物半導体膜３５１に含まれる酸素欠損量を低減することができる。また、絶縁膜３４３は水素の供給源となる水の含有量が少ないため、絶縁膜３４３から酸化物半導体膜３５１へ水が移動し、酸化物半導体膜３５１におけるキャリアの発生を抑えることが可能であり、トランジスタの電気特性の変動を低減することができる。
【０２３５】
次に、図８に示す半導体装置の作製方法について、図９を用いて説明する。
【０２３６】
図９（Ａ）に示すように、公知のＭＯＳトランジスタの作製方法を用いて、半導体基板３０１にトランジスタ３０５及びトランジスタ３０６を形成する。
【０２３７】
次に、スパッタリング法またはＣＶＤ法により、トランジスタ３０５及びトランジスタ３０６上に絶縁膜３２１となる絶縁膜を形成し、絶縁膜３２１となる絶縁膜上に、スパッタリング法、ＣＶＤ法、スピンコート法（Ｓｐｉｎ  Ｏｎ  Ｇｌａｓｓ：ＳＯＧともいう）を含む塗布法等により絶縁膜３２３となる絶縁膜を形成する。なお、絶縁膜３２３となる絶縁膜は、ＣＭＰ法等の平坦化処理等により、表面が平坦であることが好ましい。
【０２３８】
次に、絶縁膜３２１となる絶縁膜及び絶縁膜３２３となる絶縁膜に開口部を形成し、不純物領域３０９及び不純物領域３１０の一部を露出させると共に、絶縁膜３２１及び絶縁膜３２３を形成した後、当該開口部を充填するようにコンタクトプラグ３２５を形成する。コンタクトプラグ３２５は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、電解メッキ法等により導電膜を形成した後、ＣＭＰ法、エッチング法等により平坦化処理を行い、導電膜の表面の不要な部分を除去して形成することができる。
【０２３９】
次に、絶縁膜３２３上に絶縁膜３２７及び配線３２９を形成する。
【０２４０】
絶縁膜３２７の形成方法について、以下に示す。絶縁膜３２１または絶縁膜３２３の材料を適宜用いて、スパッタリング法、ＣＶＤ法、スピンコート法を含む塗布法等により、絶縁膜３２７となる絶縁膜を形成する。次に、絶縁膜３２７となる絶縁膜の一部を除去し、コンタクトプラグ３２５の一部を露出する開口部を形成すると共に、絶縁膜３２７を形成する。
【０２４１】
配線３２９は、コンタクトプラグ３２５及び絶縁膜３２７上に、スパッタリング法、ＣＶＤ法、電解メッキ法等により導電膜を形成した後、ＣＭＰ法、エッチング法等により平坦化処理を行い、導電膜を分離することで、形成できる。
【０２４２】
なお、デュアルダマシン法を用いて、コンタクトプラグ３２５及び配線３２９を同時に形成してもよい。
【０２４３】
次に、絶縁膜３２７及び配線３２９上に絶縁膜３３１を形成し、絶縁膜３３１上にバリア膜３３２を形成する。なお、図示しないが、絶縁膜３３１及びバリア膜３３２のそれぞれには開口部が設けられており、当該開口部を充填するコンタクトプラグを形成する。
【０２４４】
絶縁膜３３１は、絶縁膜３２３と同様の形成方法を用いて形成することができる。
【０２４５】
バリア膜３３２はスパッタリング法またはＣＶＤ法により形成することができる。
【０２４６】
次に、バリア膜３３２上に絶縁膜３３３及び配線３３５ａ、３３５ｂ、３３５ｃを形成する。絶縁膜３３３及び配線３３５ａ、３３５ｂ、３３５ｃはそれぞれ、絶縁膜３２７及び配線３２９と同様に形成することができる。
【０２４７】
絶縁膜３３３及び配線３３５ａ、３３５ｂ、３３５ｃ上に絶縁膜３４２を形成する。絶縁膜３４２は、実施の形態１に示す下地絶縁膜１０３と同様の条件を用いて形成する。なお、本実施の形態で形成する絶縁膜３４２の水含有量が少ないため、酸化物半導体膜を形成する前に、絶縁膜３４２からの水を放出させるための加熱処理を行わなくてよい。また、酸素含有量が化学量論比よりも多い酸素を含むため、特段、絶縁膜の成膜工程の他に酸素を添加する工程が必要ない。即ち、本実施の形態により、少ない工程数で、酸化物半導体膜３５１との界面における欠陥、及び酸化物半導体膜に含まれる酸素欠損を低減することが可能な絶縁膜３４２を形成することができる。
【０２４８】
次に、絶縁膜３４２の一部を除去して開口部を形成することで、絶縁膜３４３を形成する。次に、開口部を充填するコンタクトプラグ３４５ａ及びコンタクトプラグ３４５ｂを形成する（図９（Ｂ）参照。）。
【０２４９】
コンタクトプラグ３４５ａ及びコンタクトプラグ３４５ｂは、コンタクトプラグ３２５と同様に形成することができる。
【０２５０】
次に、絶縁膜３４３、コンタクトプラグ３４５ａ及びコンタクトプラグ３４５ｂ上にトランジスタ３４９を形成する。トランジスタ３４９は、実施の形態１乃至実施の形態６のいずれかに示す作製方法を適宜用いて形成することができる。
【０２５１】
トランジスタ３４９上に、絶縁膜３６５を形成し、絶縁膜３６５上に絶縁膜３６７を形成する（図９（Ｃ）参照。）。
【０２５２】
絶縁膜３６５は、スパッタリング法、ＣＶＤ法を用いて形成することができる。絶縁膜３６７は、塗布法、印刷法等を用いて形成することができる。
【０２５３】
以上のように、半導体装置の下部に設けられた第１の半導体材料を用いたトランジスタ３０５またはトランジスタ３０６は、複数のコンタクトプラグ及び複数の配線を介して、上部に設けられた第２の半導体材料を用いたトランジスタ３４９と電気的に接続する。半導体装置を以上のような構成とすることで、高速動作性能を有する第１の半導体材料を用いたトランジスタと、オフ電流が極めて小さい第２の半導体材料を用いたトランジスタとを組み合わせ、低消費電力化が可能な高速動作の論理回路を有する半導体装置、一例としては記憶装置、中央演算処理装置（ＣＰＵ）等を作製することができる。
【０２５４】
このような半導体装置は、既述の構成に限らず、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、任意に変更が可能である。例えば、説明においては第１の半導体材料を用いたトランジスタと、第２の半導体材料を用いたトランジスタの間の配線層は２層として説明したが、これを１層あるいは３層以上とすることもでき、また配線を用いることなく、コンタクトプラグのみによって両トランジスタを直接接続することもできる。この場合、例えばシリコン貫通電極（Ｔｈｒｏｕｇｈ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｖｉａ：ＴＳＶ）技術を用いることもできる。また、配線は銅等の材料を絶縁膜中に埋め込むことで形成する場合について説明したが、例えばバリア膜、配線材料層、及びバリア膜の三層構造としてフォトリソグラフィ工程により配線パターンに加工したものを用いてもよい。
【０２５５】
特に、銅配線を第１の半導体材料を用いたトランジスタ３０５及びトランジスタ３０６と第２の半導体材料を用いたトランジスタ３４９との間の階層に形成する場合には、第２の半導体材料を用いたトランジスタ３４９の製造工程において付加する熱処理の影響を十分考慮する必要がある。換言すれば、第２の半導体材料を用いたトランジスタ３４９の製造工程において付加する熱処理の温度を配線材料の性質に適合するように留意する必要がある。例えば、トランジスタ３４９の構成部材に対して高温で熱処理を行った場合、銅配線では熱応力が発生し、これに起因したストレスマイグレーションなどの不都合が生じるためである。
【０２５６】
本実施の形態に示すトランジスタ３４９に含まれる酸化物半導体膜３５１は、下地絶縁膜である絶縁膜３４３から酸素が供給され、絶縁膜３４３及び酸化物半導体膜３５１の界面準位、並びに酸化物半導体膜３５１の酸素欠損量を低減することが可能である。この結果、オン電流が大きく、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る。また、絶縁膜３４３は、水素の供給源となる水の含有量が少ないため、絶縁膜３４３から酸化物半導体膜３５１へ水が移動し、酸化物半導体膜３５１におけるキャリアの発生を抑えることが可能であり、電気特性の変動の少ない、信頼性の高い半導体装置を作製することができる。
【０２５７】
なお、本実施の形態に示す構成及び方法などは、他の実施の形態及び実施例に示す構成及び方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【０２５８】
（実施の形態６）
本実施の形態では、実施の形態１乃至実施の形態５に示すトランジスタにおいて、酸化物半導体膜１０５、１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、３５１に用いることが可能な構造の酸化物半導体膜について説明する。
【０２５９】
酸化物半導体膜は、非単結晶酸化物半導体膜と単結晶酸化物半導体膜とに大別される。非単結晶酸化物半導体膜とは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜、多結晶酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、非晶質酸化物半導体膜などをいう。ここでは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜及び微結晶酸化物半導体膜について説明する。
【０２６０】
まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜について説明する。
【０２６１】
ＣＡＡＣ−ＯＳ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−ＯＳ膜に含まれる結晶部は、ｃ軸配向性を有する。平面ＴＥＭ像において、ＣＡＡＣ−ＯＳ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％以上有することで、単結晶に近い物性の薄膜となる。
【０２６２】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）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。）を確認することが困難である。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ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。
【０２６３】
ＣＡＡＣ−ＯＳ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−ＯＳ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−ＯＳ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。
【０２６４】
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳ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。
【０２６５】
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ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。
【０２６６】
断面ＴＥＭ観察および平面ＴＥＭ観察より、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶部は配向性を有していることがわかる。
【０２６７】
ＣＡＡＣ−ＯＳ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−ＯＳ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−ＯＳ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。
【０２６８】
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳ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−ＯＳ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。
【０２６９】
以上のことから、ＣＡＡＣ−ＯＳ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。
【０２７０】
なお、結晶部は、ＣＡＡＣ−ＯＳ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−ＯＳ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−ＯＳ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−ＯＳ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。
【０２７１】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜中の結晶化度が均一でなくてもよい。例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶部が、ＣＡＡＣ−ＯＳ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−ＯＳ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。
【０２７２】
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ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−ＯＳ膜中の一部に、ｃ軸配向性を有さない結晶部が含まれることを示している。ＣＡＡＣ−ＯＳ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。
【０２７３】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、不純物濃度の低い酸化物半導体膜である。不純物は、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などの酸化物半導体膜の主成分以外の元素である。特に、シリコンなどの、酸化物半導体膜を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体膜から酸素を奪うことで酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径（または分子半径）が大きいため、酸化物半導体膜内部に含まれると、酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。なお、酸化物半導体膜に含まれる不純物は、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。
【０２７４】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜である。例えば、酸化物半導体膜中の酸素欠損は、キャリアトラップとなることや、水素を捕獲することによってキャリア発生源となることがある。
【０２７５】
不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い（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呼ぶ。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、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。従って、当該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。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、キャリアトラップが少ない。そのため、当該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。なお、酸化物半導体膜のキャリアトラップに捕獲された電荷は、放出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、不純物濃度が高く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
【０２７６】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。
【０２７７】
次に、微結晶酸化物半導体膜について説明する。
【０２７８】
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困難である場合がある。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が困難である場合がある。
【０２７９】
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。
【０２８０】
図１０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１０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。
【０２８１】
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低くなる。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高くなる。
【０２８２】
なお、酸化物半導体膜は、例えば、非晶質酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
【０２８３】
（実施の形態７）
先の実施の形態で示した半導体装置の一例としては、中央演算処理装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、記憶装置、イメージセンサ、電気光学装置、発光表示装置等がある。また、該半導体装置をさまざまな電子機器に適用することができる。電子機器としては、例えば、表示装置、照明装置、パーソナルコンピュータ、ワードプロセッサ、画像再生装置、ポータブルＣＤプレーヤ、ラジオ、テープレコーダ、ヘッドホンステレオ、ステレオ、時計、コードレス電話子機、トランシーバ、携帯電話、スマートフォン、電子書籍、自動車電話、携帯型ゲーム機、電卓、携帯情報端末、電子手帳、電子翻訳機、音声入力機器、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、電気シェーバ、高周波加熱装置、電気炊飯器、電気洗濯機、電気掃除機、温水器、扇風機、毛髪乾燥機、エアコンディショナー、加湿器、除湿器、空調設備、食器洗浄器、食器乾燥器、衣類乾燥器、布団乾燥器、電気冷蔵庫、電気冷凍庫、電気冷凍冷蔵庫、ＤＮＡ保存用冷凍庫、懐中電灯、工具、煙感知器、医療機器、誘導灯、信号機、ベルトコンベア、エレベータ、エスカレータ、産業用ロボット、電力貯蔵システム、電気自動車、ハイブリッド車、プラグインハイブリッド車、装軌車両、原動機付自転車、自動二輪車、電動車椅子、ゴルフ用カート、船舶、潜水艦、ヘリコプター、航空機、ロケット、人工衛星、宇宙探査機や惑星探査機、宇宙船等がある。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１１乃至図１４を用いて説明する。
【０２８４】
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。
【０２８５】
通常のＳＲＡＭは、図１１（Ａ）に示すように１つのメモリセルがトランジスタ８０１乃至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１００乃至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。
【０２８６】
それに対して、ＤＲＡＭはメモリセルが図１１（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。
【０２８７】
しかしながら、トランジスタ８１１に先の実施の形態で説明した、オフ電流の低いトランジスタを用いることで、保持容量８１２の電荷を長時間保持することが可能であり頻繁なリフレッシュは不要である。したがって、消費電力を低減することができる。
【０２８８】
図１２に携帯機器のブロック図を示す。図１２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９０４、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９１３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、中央演算処理装置（ＣＰＵ９０７）、ＤＳＰ９０８、インターフェイス（ＩＦ）９０９を有している。一般にメモリ回路９１２はＳＲＡＭまたはＤＲＡＭ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、情報の書き込み及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。また、ＣＰＵ９０７に含まれる、データや命令を記憶するための主記憶装置、及び高速でデータの書き込みと読み出しができるレジスタ、キャッシュなどの緩衝記憶装置に、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り、ＣＰＵの消費電力が十分に低減することができる。
【０２８９】
図１３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１３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及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。
【０２９０】
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。
【０２９１】
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乃至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。
【０２９２】
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。
【０２９３】
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９５３に採用することによって、情報の書き込み及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。
【０２９４】
図１４に電子書籍のブロック図を示す。図１４はバッテリー１００１、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。
【０２９５】
ここでは、図１４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の役割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、情報の書き込み及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。
【０２９６】
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、情報の書き込み及び読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力を低減した携帯機器が実現される。
【０２９７】
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】
【０２９８】
本実施例では、本発明の一態様に係る下地絶縁膜に適用できる、ＣＶＤ法により形成された酸化窒化シリコン膜を評価した結果について説明する。詳細には、加熱による酸素分子の放出量及び一酸化窒素の放出量を評価した結果について説明する。
【０２９９】
はじめに、評価した試料の作製方法を説明する。作製した試料は、試料１乃至試料４である。
【０３００】
シリコンウェハ上に、実施の形態１に示す下地絶縁膜１０３を形成する条件または比較条件を用いて、プラズマＣＶＤ法により、厚さ１００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を形成して、試料１乃至試料４を作製した。
【０３０１】
試料１において、形成した酸化窒化シリコン膜の成膜条件を以下に示す。シリコンウェハをプラズマＣＶＤ装置の処理室内に設置し、処理室内に流量２ｓｃｃｍのシラン及び流量４０００ｓｃｃｍの一酸化二窒素を原料ガスとして供給し、処理室内の圧力を７００Ｐａに制御し、平行平板の電極の一方に６０ＭＨｚの高周波電源で２５０Ｗの電力を供給し、平行平板の電極の他方（基板側）には電力供給せず、酸化窒化シリコン膜を形成した。なお、シランに対する一酸化二窒素の流量比は、２０００である。また、基板温度は３５０℃とした。また、該プラズマＣＶＤ装置は、面積が４０５ｃｍ２である平行平板型の電極を用いているため、電極に供給する電力の電力密度は０．６２Ｗ／ｃｍ２である。
【０３０２】
試料２は、試料１で用いた成膜条件において、基板温度を４００℃として、酸化窒化シリコン膜を形成した。
【０３０３】
試料３は、加熱により酸素を放出しない酸化窒化シリコン膜をＣＶＤ法により形成した後、該酸化窒化シリコン膜に酸素をドーピングして、加熱により酸素を放出する酸化窒化シリコン膜を形成した。なお、酸化窒化シリコン膜の膜厚を３００ｎｍとした。
【０３０４】
ここでは、シリコンウェハをプラズマＣＶＤ装置の処理室内に設置し、処理室内に流量２．３ｓｃｃｍのシラン及び流量８００ｓｃｃｍの一酸化二窒素を原料ガスとして供給し、処理室内の圧力を４０Ｐａに制御し、平行平板の電極の一方に２７．１２ＭＨｚの高周波電源で５０Ｗの電力を供給し、平行平板の電極の他方（基板側）には電力供給せず、酸化窒化シリコン膜を形成した。なお、シランに対する一酸化二窒素の流量比は、３４８である。また、基板温度は４００℃とした。また、該プラズマＣＶＤ装置は、面積が６１５ｃｍ２である平行平板型の電極を用いているため、電極に供給する電力の電力密度は０．０８Ｗ／ｃｍ２である。次に、真空雰囲気にて４５０℃で１時間加熱処理を行った後、ドーズ量を２×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２として酸素イオンを酸化窒化シリコン膜にドーピングして、加熱により酸素を放出する酸化窒化シリコン膜を形成した。
【０３０５】
試料４において、形成した酸化窒化シリコン膜の成膜条件を以下に示す。シリコンウェハをプラズマＣＶＤ装置の処理室内に設置し、処理室内に流量２ｓｃｃｍのシラン、流量３０００ｓｃｃｍのアルゴン及び流量１０００ｓｃｃｍの一酸化二窒素を原料ガスとして供給し、処理室内の圧力を７００Ｐａに制御し、平行平板の電極の一方に６０ＭＨｚの高周波電源で２５０Ｗの電力を供給し、平行平板の電極の他方（基板側）には電力供給せず、酸化窒化シリコン膜を形成した。なお、シランに対する一酸化二窒素の流量比は、５００である。また、基板温度は３５０℃とした。また、該プラズマＣＶＤ装置は、面積が４０５ｃｍ２である平行平板型の電極を用いているため、電極に供給する電力の電力密度は０．６２Ｗ／ｃｍ２である。なお、試料４の成膜条件において、原料ガスの他にアルゴンが含まれている。アルゴンが含まれることで、プラズマによる原料ガスの分解が促進される。この結果、シリコンと酸素の結合の割合が増加し、加熱により脱離する酸素量が低減する。
【０３０６】
次に、試料１乃至試料４についてＴＤＳ分析を行った。ここでは、黒色石英で形成されるステージに試料１乃至試料４を設置し、ステージの温度を５０℃から９５０℃（各試料の基板の温度は４６℃から５３０℃）まで加熱しＴＤＳ分析を行った。外部に放出される酸素分子の放出量と、酸素分子に由来する酸素原子及び一酸化窒素に由来する酸素原子の総和放出量（即ち、一酸素窒素の放出量と、酸素分子の放出量の２倍との総和）とを、表１に示す。なお、各気体の放出量は、ＴＤＳ分析の結果を示す曲線におけるピークの積分値から定量される。
【０３０７】
【表１】
2014225651.tif 000003
【０３０８】
表１より、試料１乃至試料３においては、酸素分子に由来する酸素原子と一酸化窒素に由来する酸素原子の総和放出量は、５×１０１５／ｃｍ２以上５×１０１６／ｃｍ２以下であった。また、酸化窒化シリコン膜の膜厚は１００ｎｍであるため、酸素分子に由来する酸素原子と一酸化窒素に由来する酸素原子の総和放出量は、１×１０２０／ｃｍ３以上１×１０２１／ｃｍ３以下であった。
【０３０９】
次に、試料１乃至試料４で形成した酸化窒化シリコン膜を、酸化物半導体膜を有するトランジスタの下地絶縁膜として用いたときの、トランジスタの電気特性について説明する。
【０３１０】
はじめに、トランジスタの作製工程について説明する。本実施例では図４及び図５を参照して説明する。
【０３１１】
図４（Ａ）に示すように基板１０１上に下地絶縁膜１０３を形成した。次に下地絶縁膜１０３上に酸化物半導体膜１０４ａ、１０４ｂを形成した。
【０３１２】
基板１０１としては、シリコンウェハを用いた。
【０３１３】
塩化水素を含む酸素雰囲気において、９５０℃で基板１０１を加熱して、基板１０１表面に、厚さ１００ｎｍの塩素を含む酸化シリコン膜を形成した。次に、塩素を含む酸化シリコン膜上に厚さ３００ｎｍの酸化窒化シリコン膜をＣＶＤ法により形成した。なお、試料１乃至試料４それぞれの条件を用いて酸化窒化シリコン膜を形成した試料を試料５乃至試料８とする。次に、酸化窒化シリコン膜の表面をＣＭＰ処理して、酸化窒化シリコン膜の表面を２０ｎｍ程度研磨した。以上の工程により、塩素を含む酸化シリコン膜及び酸化窒化シリコン膜が積層する下地絶縁膜１０３を形成した。
【０３１４】
酸化物半導体膜１０４ａとして、スパッタリング法により、厚さ２０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物膜を形成した。このときのスパッタリング条件としては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２のターゲットを用い、スパッタガスとして流量３０ｓｃｃｍのアルゴン及び流量１５ｓｃｃｍの酸素を圧力０．４Ｐａの処理室に導入し、基板温度を２００℃とし、供給電力を０．５ｋＷとした。
【０３１５】
酸化物半導体膜１０４ｂとして、スパッタリング法により、厚さ１５ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物膜を形成した。このときのスパッタリング条件としては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１のターゲットを用い、スパッタガスとして流量３０ｓｃｃｍのアルゴン及び流量１５ｓｃｃｍの酸素を圧力０．４Ｐａの処理室に導入し、基板温度を３００℃とし、供給電力を０．５ｋＷとした。
【０３１６】
次に、加熱処理を行って、下地絶縁膜１０３から酸素をＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物膜に移動させ、酸素欠損を低減させた。このときの加熱処理の条件は、４５０℃の処理室において窒素雰囲気で１時間加熱した後、酸素雰囲気で１時間加熱した。
【０３１７】
次に、酸化物半導体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、酸化物半導体膜を選択的にエッチングして、図４（Ｂ）に示すように、酸化物半導体膜１０５ａ、１０５ｂ（以下、酸化物半導体膜１０５と示す。）を形成した。ここでは、ＩＣＰエッチング装置を用いてエッチングを行った。エッチング条件として、ＩＣＰ電極に４５０Ｗの電力を供給し、バイアス電極に１００Ｗの電力を供給し、処理室の圧力を１．９Ｐａとし、流量６０ｓｃｃｍの三塩化ボロン及び流量２０ｓｃｃｍの塩素をエッチングガスとして用いた。この後、マスクを除去した。
【０３１８】
次に、図４（Ｃ）に示すように、酸化物半導体膜１０５上に一対の電極１１６を形成した。ここでは、酸化物半導体膜１０５上に厚さ１００ｎｍのタングステン膜をスパッタリング法により形成した後、タングステン膜上にフォトリソグラフィ工程によりマスクを形成し、タングステン膜を選択的にエッチングして、一対の電極１１６を形成した。この後、マスクを除去した。
【０３１９】
なお、タングステン膜の成膜に用いたスパッタリング条件としては、タングステンターゲットを用い、スパッタガスとして流量８０ｓｃｃｍの加熱したアルゴンを圧力０．８Ｐａの処理室に導入し、基板温度を２００℃とし、供給電力を１ｋＷとした。
【０３２０】
また、タングステン膜をエッチングする条件としては、ＩＣＰ電極に３０００Ｗの電力を供給し、バイアス電極に１１０Ｗの電力を供給し、処理室の圧力を０．６７Ｐａとし、流量４５ｓｃｃｍの塩素、流量５５ｓｃｃｍの四塩化炭素、及び流量５５ｓｃｃｍの酸素をエッチングガスとして用いて、第１のエッチングを行った。次に、バイアス電極の電力を０Ｗとし、エッチングガスの導入の代わりに、酸素を処理室へ導入して、アッシング処理によりレジストを後退させたのち、第１のエッチングと同じ条件を用いて、第２のエッチングを行った。
【０３２１】
次に、図４（Ｄ）に示すように、酸化物半導体膜１０５及び一対の電極１１６上に、酸化物半導体膜１０４ｃ及びゲート絶縁膜１０８を形成した。
【０３２２】
酸化物半導体膜１０４ｃとして、酸化物半導体膜１０４ａと同様の条件を用いて、厚さ５ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物膜を形成した。
【０３２３】
ゲート絶縁膜１０８として厚さ２０ｎｍの酸化窒化シリコン膜をＣＶＤ法により形成した。このときのプラズマＣＶＤ法の成膜条件は、流量１ｓｃｃｍのシラン、流量８００ｓｃｃｍの一酸化二窒素を原料ガスとして、圧力４０Ｐａの処理室に導入し、６０ＭＨｚの高周波電源の電力を１５０Ｗとし、基板温度を３５０℃とし、電極間隔距離を２８ｍｍとした。
【０３２４】
次に、図５（Ａ）に示す様に、ゲート絶縁膜１０８上にゲート電極１１１を形成した。
【０３２５】
ゲート電極１１１は、ゲート絶縁膜１０８上に、スパッタリング方法により厚さ３０ｎｍの窒化チタン膜と、厚さ１３５ｎｍのタングステン膜を積層形成した後、タングステン膜上にフォトリソグラフィ工程によりマスクを形成し、窒化チタン膜及びタングステン膜を選択的にエッチングして、形成した。
【０３２６】
なお、窒化チタン膜の成膜に用いたスパッタリング条件としては、チタンターゲットを用い、スパッタガスとして流量５０ｓｃｃｍの窒素を圧力０．２Ｐａの処理室に導入し、基板温度を２５℃とし、供給電力を１２ｋＷとした。また、タングステン膜の成膜に用いたスパッタリング条件としては、タングステンターゲットを用い、スパッタガスとして流量１００ｓｃｃｍの加熱したアルゴンを圧力２Ｐａの処理室に導入し、基板温度を２００℃とし、供給電力を４ｋＷとした。
【０３２７】
タングステン膜及び窒化チタン膜のエッチング条件として、ＩＣＰ電極に３０００Ｗの電力を供給し、バイアス電極に１１０Ｗの電力を供給し、処理室の圧力を０．６７Ｐａとし、流量４５ｓｃｃｍの塩素、流量５５ｓｃｃｍの四フッ化炭素、流量５５ｓｃｃｍの酸素をエッチングガスとして用いて第１のエッチングを行った。次に、ＩＣＰ電極に２０００Ｗの電力を供給し、バイアス電極に５０Ｗの電力を供給し、処理室の圧力を０．６７Ｐａとし、流量１００ｓｃｃｍの塩素をエッチングガスとして第２のエッチングを行った。
【０３２８】
次に、ゲート電極１１１をマスクとして、下地絶縁膜１１７及び酸化物半導体膜１０５ａ近傍に濃度プロファイルのピークが位置するように、リンをドーピングした。ここでは、ドーズ量が１×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２のリンを下地絶縁膜１１７及び酸化物半導体膜１０５ａにドーピングした。下地絶縁膜１１７にリンをドーピングすると、下地絶縁膜１１７の表面近傍において酸素及びリンが反応する。この結果得られる反応生成物は、下地絶縁膜１１７の表面から酸素が脱離することを妨げる。このため、下地絶縁膜１１７に含まれる過剰な酸素は、リンがドーピングされていない領域、即ち、酸化物半導体膜１０５ａにおいてゲート電極１１１と重なる領域近傍に移動する。この結果、酸化物半導体膜１０５ａの酸素欠損をより低減させることが可能である。
【０３２９】
次に、図５（Ｂ）に示すように、酸化物半導体膜１０５ｃ及びゲート絶縁膜１０９ａを形成した。
【０３３０】
ここでは、ＩＣＰ電極に４５０Ｗの電力を供給し、バイアス電極に１００Ｗの電力を供給し、処理室の圧力を１Ｐａとし、流量８０ｓｃｃｍの塩化ホウ素をエッチングガスとして用いてエッチングを行い、酸化物半導体膜１０５ｃ及びゲート絶縁膜１０９ａを形成した。
【０３３１】
次に、図５（Ｃ）に示すように、絶縁膜１１８、１１９、及び配線１１５を形成した。
【０３３２】
ここでは、厚さ７０ｎｍの酸化アルミニウム膜及び厚さ３００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を積層して、後に絶縁膜１１８、１１９となる絶縁膜を形成した。
【０３３３】
次に、４００℃の酸素雰囲気で１時間加熱処理を行った。
【０３３４】
次に、絶縁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、酸化アルミニウム膜及び酸化窒化シリコン膜を選択的にエッチングして、開口部を形成すると共に、絶縁膜１１８、１１９を形成した。
【０３３５】
配線１１５は、厚さ５０ｎｍのチタン膜、厚さ２００ｎｍのアルミニウム膜、及び厚さ５０ｎｍのチタン膜を順に積層形成した後、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選択的にエッチングして、形成した。この後、マスクを除去した。
【０３３６】
なお、チタン膜の成膜に用いたスパッタリング条件としては、チタンターゲットを用い、スパッタガスとして流量２０ｓｃｃｍのアルゴンを圧力０．１Ｐａの処理室に導入し、基板温度を室温とし、供給電力を１２ｋＷとした。また、アルミニウム膜の成膜に用いたスパッタリング条件としては、アルミニウムターゲットを用い、スパッタガスとして流量５０ｓｃｃｍのアルゴンを圧力０．４Ｐａの処理室に導入し、基板温度を室温とし、供給電力を１ｋＷとした。
【０３３７】
チタン膜、アルミニウム膜、及びチタン膜のエッチング条件としては、ＩＣＰ電極に４５０Ｗの電力を供給し、バイアス電極に１００Ｗの電力を供給し、処理室の圧力を１．９Ｐａとし、流量６０ｓｃｃｍの三塩化ボロン、流量２０ｓｃｃｍの塩素をエッチングガスとして用いて第１のエッチングを行った。次に、ＩＣＰ電極に５００Ｗの電力を供給し、バイアス電極に５０Ｗの電力を供給し、処理室の圧力を２．０Ｐａとし、流量８０ｓｃｃｍの四フッ化炭素をエッチングガスとして用いて第２のエッチングを行った。
【０３３８】
次に、絶縁膜１１９及び配線１１５上に組成物を塗布し、露光した後、現像して、配線１１５を露出させた後、加熱処理を行って、ポリイミドで形成される絶縁膜を形成した。
【０３３９】
以上の工程により、トランジスタを作製した。
【０３４０】
次に、試料５乃至試料８の電気特性を測定した。ここでは、ソース−ドレイン間電圧（以下、ドレイン電圧という。）を０．１Ｖ、３．０Ｖとし、ソース−ゲート間電圧（以下、ゲート電圧という。）を−３Ｖ乃至＋３Ｖまで変化させたときのソース−ドレイン間電流（以下、ドレイン電流という。）の変化特性、すなわち電流電圧特性を測定した。このときの電流電圧特性を図１５及び図１６に示す。なお、図１５及び図１６において、横軸は、ゲート電圧を表し、縦軸はドレイン電流を表す。また、トランジスタのチャネル長を０．４９μｍとし、チャネル幅を１０μｍとした。
【０３４１】
図１５（Ａ）に示す実線は試料５の電流電圧特性であり、図１５（Ｂ）に示す実線は試料６の電流電圧特性であり、図１６（Ａ）に示す実線は試料７の電流電圧特性であり、図１６（Ｂ）に示す実線は試料８の電流電圧特性である。なお、図１５及び図１６に示す破線は電界効果移動度である。
【０３４２】
また、試料５乃至試料８において、ゲート電圧Ｖｇが３Ｖでドレイン電圧Ｖｄが３．３Ｖのときのオン電流（Ｉｏｎ）と、ドレイン電圧Ｖｄが３．３Ｖのときのしきい値電圧（Ｖｔｈ）と、ドレイン電圧Ｖｄが０．１Ｖのときの電界効果移動度（μＦＥ）と、ドレイン電圧Ｖｄが０．１Ｖのときのサブスレッショルドスイング値（Ｓ値）とを、表２に示す。
【０３４３】
【表２】
2014225651.tif 000004
【０３４４】
図１５（Ａ）、図１５（Ｂ）、及び図１６（Ａ）から、試料１乃至試料３の酸化窒化シリコン膜を下地絶縁膜に用いたトランジスタの電流電圧特性は、スイッチング特性を有することが分かる。一方、試料４の酸化窒化シリコン膜を下地絶縁膜に用いたトランジスタは、スイッチング特性を有さないことが分かる。以上のことから、酸化物半導体膜を有するトランジスタの下地絶縁膜として、加熱処理により放出する、酸素分子に由来する酸素原子及び一酸化窒素に由来する酸素原子の総和放出量が、５×１０１５／ｃｍ２以上５×１０１６／ｃｍ２以下である酸化窒化シリコン膜を用いることで、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ることがわかる。また、酸化物半導体膜を有するトランジスタの下地絶縁膜として、酸素分子に由来する酸素原子と一酸化窒素に由来する酸素原子の総和放出量が、１×１０２０／ｃｍ３以上１×１０２１／ｃｍ３以下である酸化窒化シリコン膜を用いることで、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ることがわかる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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９】
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【図１１】
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【図１２】
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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１０】
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