(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層の端面に接し、かつ前記酸化物半導体層の端面を覆うように設けられた保護層と、
前記酸化物半導体層と接するソース電極及びドレイン電極と、
前記酸化物半導体層と重なるゲート電極と、
前記酸化物半導体層と前記ゲート電極との間に設けられたゲート絶縁層と、
前記酸化物半導体層に接して設けられた層間絶縁膜と、を有し、
前記保護層が、酸素を除く第１６族元素から選ばれた少なくとも一種または複数種の元素を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記保護層が、少なくとも、硫黄、セレン、テルルの一種または複数種の元素を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記保護層が結晶を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
ゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極と接するようにゲート絶縁層を形成する工程と、
前記ゲート絶縁層と接するように酸化物半導体層を形成する工程と、
前記酸化物半導体層を島状に形成する工程と、
前記酸化物半導体層の端部に接し、且つ前記酸化物半導体層の端部を覆うように、酸素を除く第１６族元素から選ばれた少なくとも一種または複数種の元素を含む保護層を形成する工程と、
ソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、
を有する、半導体装置の作製方法。
【請求項５】
酸化物半導体層を形成する工程と、
前記酸化物半導体層を島状に形成する工程と、
前記酸化物半導体層の端部に接し、且つ前記酸化物半導体層の端部を覆うように、酸素を除く第１６族元素から選ばれた少なくとも一種または複数種の元素を含む保護層を形成する工程と、
前記酸化物半導体層と接するようにゲート絶縁層を形成する工程と、
前記ゲート絶縁層と接するようにゲート電極を形成する工程と、
ソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、
を有する、半導体装置の作製方法。
【請求項６】
前記保護層が少なくとも、硫黄、セレン、テルルの一種または複数種の元素を含むことを特徴とする請求項４または５に記載の半導体装置の作製方法。
【請求項７】
前記保護層が結晶を含むことを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の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、半導体装置及び半導体装置の作製方法に関する。なお、本明細書において、半導体装置とは、半導体素子自体または半導体素子を含むものをいい、このような半導体素子として、例えばトランジスタなどが挙げられる。また、液晶表示装置などの表示装置も半導体装置に含まれる。
【背景技術】
【０００２】
近年、酸化物半導体膜をチャネル形成領域に用いた半導体装置が大変注目されている（例えば、特許文献１及び特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１２３８６１号公報
【特許文献２】特開２００７−９６０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
シリコンに代わる半導体材料として、酸化物半導体が注目されている。酸化物半導体を活性層に用いた半導体装置は、シリコンに比べオフリーク電流が小さく、成膜したままの状態でアモルファスシリコンより高い電界効果移動度を得ることが出来る。しかしながら、酸化物半導体を活性層に用いた半導体装置の電気特性は、外部から活性層に侵入する水分、大気成分により影響を受け、低下する場合がある。例えば、半導体装置の閾値が変動し、リーク電流が増大する場合がある。
【０００５】
そこで、本発明は、酸化物半導体を活性層に用いた半導体装置において、電気特性の低下や変動を生じにくい半導体装置を提供することを目的の一とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様に係る半導体装置は、島状の酸化物半導体層を活性層に用いた半導体装置であり、当該島状の酸化物半導体層の端部が、酸素原子の存在していた場所に置換して、酸化物半導体層の酸素欠損を低減することができる元素を含む保護層に覆われている。なお、酸素欠損とは酸化物半導体層中に存在した酸素が、拡散または消失した状態をいい、酸素欠損の低減とは、酸素または、異なる元素でその欠陥の一部が修復された状態をいう。
【０００７】
すなわち、本発明の一態様は、酸化物半導体層と、酸化物半導体層の端面に接し、かつ酸化物半導体層の端面を覆うように設けられた保護層と、酸化物半導体層と接するソース電極及びドレイン電極と、酸化物半導体層と重なるゲート電極と、酸化物半導体層とゲート電極との間に設けられたゲート絶縁層と、酸化物半導体層に接して設けられた層間絶縁膜と、を有し、保護層が、酸素を除く第１６族元素から選ばれた少なくとも一種または複数種の元素を含むことを特徴とする半導体装置である。
【０００８】
酸化物半導体層の端部は酸素欠損を生じやすく、その酸素欠損はキャリアを生じる。端部によるキャリアの発生は、当該半導体装置の電気特性の低下や変動を生じさせる。保護層には、酸素を除く第１６族元素から選ばれた少なくとも一種または複数種の元素を含む。それらの元素は、酸素と同族の元素であるので酸素原子の存在した場所に置換して、酸化物半導体層の酸素欠損を低減することができるので、酸化物半導体層の端部のキャリアの発生を抑制することができる。よって、酸化物半導体層の端部をその保護層で覆うことにより、当該半導体装置の電気特性の低下や変動を防止することができる。
【０００９】
さらに保護層が、少なくとも、硫黄、セレン、テルルの一種または複数種の元素を含むことを特徴とする半導体装置であることが好ましい。
【００１０】
硫黄、セレン、テルルは、酸素原子の存在した場所に置換して、酸化物半導体層の酸素欠損を低減しやすく、置換後に拡散しにくいためである。
【００１１】
さらに、保護層が結晶を含むことを特徴とする半導体装置であることが好ましい。
【００１２】
外部の水分・大気成分は、酸化物半導体層の端部から侵入しやすい。酸化物半導体層は、その内部に外部の水分・大気成分が侵入すると、当該酸化物半導層を用いた半導体装置の電気特性は低下しやすい。
【００１３】
結晶を含む保護層は非晶質より密度が高いので、当該保護層を当該酸化物半導体層の端部に接するように形成すると、当該酸化物半導体層に外部からの水素、水分等の浸入を防止することができる。そのため、当該酸化物半導層を用いた半導体装置の電気特性の低下や変動を防止することができる。
【００１４】
本発明の一態様の半導体装置の作製方法は、ゲート電極を形成する工程と、ゲート電極と接するようにゲート絶縁層を形成する工程と、ゲート絶縁層と接するように酸化物半導体層を形成する工程と、酸化物半導体層を島状に形成する工程と、酸化物半導体層の端部に接し、且つ酸化物半導体層の端部を覆うように、酸素を除く第１６族元素から選ばれた少なくとも一種または複数種の元素を含む保護層を形成する工程と、ソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、を有する、半導体装置の作製方法である。
【００１５】
酸素を除く第１６族元素から選ばれた少なくとも一種または複数種の元素を含む保護層の形成はスパッタリング法等で容易である。また、上記半導体装置の作製方法により、電気特性の低下や変動が少ないボトムゲート型トランジスタを作製することができる。
【００１６】
本発明の一態様の半導体装置の作製方法は、酸化物半導体層を形成する工程と、酸化物半導体層を島状に形成する工程と、酸化物半導体層の端部に接し、且つ酸化物半導体層の端部を覆うように、酸素を除く第１６族元素から選ばれた少なくとも一種または複数種の元素を含む保護層を形成する工程と、酸化物半導体層と接するようにゲート絶縁層を形成する工程と、ゲート絶縁層と接するようにゲート電極を形成する工程と、ソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、を有する、半導体装置の作製方法である。
【００１７】
酸素を除く第１６族元素から選ばれた少なくとも一種または複数種の元素を含む保護層の形成は、スパッタリング法等で容易である。また、上記半導体装置の作製方法により、の電気特性の低下や変動が少ないトップゲート型トランジスタを作製することができる。
【００１８】
保護層が少なくとも、硫黄、セレン、テルルの一種または複数種の元素を含むことを特徴とする半導体装置の作製方法である。
【００１９】
保護層が結晶を含むことを特徴とする半導体装置の作製方法である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の一態様によれば、酸化物半導体層の端部に酸素を除く第１６族元素から選ばれた少なくとも一種または複数種の元素を含む保護層を接するように設けることにより、当該酸化物半導体層を用いた半導体装置の電気特性の低下や変動を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一態様の半導体装置の上面図と断面図。
【図２】本発明の一態様の半導体装置の作製方法を説明する図。
【図３】本発明の一態様の半導体装置の作製方法を説明する図。
【図４】本発明の一態様の半導体装置の上面図と断面図。
【図５】本発明の一態様の半導体装置の作製方法を説明する図。
【図６】本発明の一態様の半導体装置の作製方法を説明する図。
【図７】本発明の一態様の半導体装置の作製方法を説明する図。
【図８】本発明の一態様に係る酸化物半導体の構造を説明する図。
【図９】本発明の一態様に係る酸化物半導体の構造を説明する図。
【図１０】本発明の一態様に係る酸化物半導体の構造を説明する図。
【図１１】本発明の一態様に係る酸化物半導体の構造を説明する図。
【図１２】本発明の一態様である半導体装置を説明する図。
【図１３】本発明の一態様である半導体装置を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨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。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号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。
【００２３】
（実施の形態１）
本発明の一態様の半導体装置の一例としてボトムゲート型トランジスタ１６０の構成について、図１を用いて説明する。本実施の形態のトランジスタ１６０の上面図を図１（Ａ）に、図１（Ａ）中の破線Ｋ−Ｌにおける断面図を図１（Ｂ）に示す。本発明の一態様の半導体装置は、活性層である島状の酸化物半導体層４０３と基板４００の間にゲート電極４０１が形成されているいわゆるボトムゲートトランジスタである。なお、上面図は層間絶縁膜４０４を省いて、図示している。
【００２４】
本実施の形態で例示するトランジスタ１６０は、島状の酸化物半導体層４０３と、島状の酸化物半導体層４０３の端部に接して、且つ島状の酸化物半導体層４０３の端部を覆うように設けられた保護層５００と、ゲート絶縁層４０２と、ゲート電極４０１と、ソース電極と、ドレイン電極と、を有し、酸素を除く第１６族元素から選ばれた少なくとも一種または複数種の元素を含む保護層５００を有する。
【００２５】
（酸化物半導体層）
酸化物半導体層４０３は、酸化物半導体で形成することができる。酸化物半導体層４０３に適用できる材料は、実施の形態４及び５で詳細を説明する。酸化物半導体層４０３の膜厚は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下で形成することができる。また、酸化物半導体層４０３は、少なくとも禁制帯幅がシリコンの１．１ｅＶよりも大きい半導体を用いることが出来る。このような半導体としては、例えば、禁制帯幅が３．１５ｅＶであるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、禁制帯幅が約３．０ｅＶである酸化インジウム、禁制帯幅が約３．０ｅＶであるインジウム錫酸化物、禁制帯幅が約３．３ｅＶであるインジウムガリウム酸化物、禁制帯幅が約２．７ｅＶであるインジウム亜鉛酸化物、禁制帯幅が約３．３ｅＶである酸化錫、禁制帯幅が約３．３７ｅＶである酸化亜鉛などを用いることができる。
【００２６】
酸化物半導体層４０３は島状に形成されている。本実施の形態では、一つの半導体装置のみを例示しているが、半導体装置では隣接して複数の酸化物半導体層４０３を用いた半導体装置を有する。半導体装置として機能させるため、隣接する半導体装置を電気的に分離する必要があるために、酸化物半導体層４０３を島状としている。島状にするために端部が生じるが、その端部は酸素欠損を生じやすいので保護する必要がある。なお、酸化物半導体層４０３は基板４００上に形成される。
【００２７】
基板４００としては、ガラス基板（好ましくは、無アルカリガラス基板）、石英基板、セラミック基板またはプラスチック基板などを適宜用いることができる。または、基板４００として、可とう性を有するガラス基板若しくは可とう性を有するプラスチック基板を用いることができる。プラスチック基板の材料としては、屈折率異方性の小さい材料を用いることが好ましい。例えば、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリイミドフィルム、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリビニルフルオライド（ＰＶＦ）、ポリエステル、ポリカーボネート（ＰＣ）、アクリル樹脂または半硬化した有機樹脂中に繊維体を含むプリプレグなどを用いることができる。
【００２８】
なお、本実施の形態では、酸化物半導体層４０３を基板に接するように形成しているが、基板と酸化物半導体層４０３の間に、絶縁膜を形成することが好ましい。化学量論比を満たす酸素よりも多くの酸素を含む保護層５００が好適であり、例えば酸化シリコンであればＳｉＯ２＋α（ただし、α＞０）をその例に挙げることができる。
【００２９】
（保護層）
保護層５００は、上述した酸化物半導体層４０３の端部に接し、且つ酸化物半導体層４０３の端部を覆うように形成されている。保護層５００は、酸素を除く第１６族元素から選ばれた少なくとも一種または複数種の元素を含む酸化物絶縁体であることが好ましい。保護層５００としては、例えば、ＬＭ−Ｇａ２Ｍ３−ＧｅＭ２（（Ｌはアルカリ土類金属、Ｍは硫黄、セレンまたはテルル）等のカルコゲナイドガラスを用いることができる。セレン、テルル等が、酸素原子の存在した場所に置換した場合、酸素より原子欠陥を生じにくい。酸素より原子半径が大きいため、拡散等しにくいからである。
【００３０】
保護層５００は、結晶であることが好ましい。非晶質より密度が高い保護層５００の結晶を、当該酸化物半導体層４０３の端部に接するように形成すると、当該酸化物半導体層４０３に外部からの水素、水分等の浸入を防止することができるからである。成膜した段階で非晶質である場合、炉により加熱または、レーザー光照射により、結晶とすることが好ましい。
【００３１】
その保護層５００に接した酸化物半導体層４０３に酸素欠損が生じると、酸素を除く第１６族元素から選ばれた少なくとも一種または複数種の元素は、酸素原子の存在した場所に置換して、酸素欠損を低減することができる。それらに元素等は、酸素と同族の元素だからである。当該保護層は、スパッタリング法等で成膜することが可能である。当該保護層形成後、加熱処理により結晶化させることもできる。加熱の方法は、炉による加熱、レーザー光照射による加熱であっても良い。
【００３２】
（ゲート絶縁層）
ゲート絶縁層４０２の材料としては、絶縁膜を用いることができる。例えば、酸化シリコン膜、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート、ハフニウムアルミネート、窒素が添加されたハフニウムシリケート、窒素が添加されたハフニウムアルミネート、酸化ランタンなどを用いることができる。
【００３３】
（ゲート電極）
ゲート電極４０１材料は、電気伝導性とゲート絶縁層４０２と密着性があればよい。例えば、モリブデン、チタン、タンタル、銅、タングステン、アルミニウム、クロム、ネオジム、スカンジウム等の金属材料、またはこれらを主成分とする合金材料を用いて形成することができる。また、ゲート電極４０１は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。
【００３４】
（層間絶縁膜）
層間絶縁膜４０４は、水分及び大気成分の透過性の低い絶縁膜で形成することができる。層間絶縁膜４０４の材料としては、絶縁膜を用いることができる。例えば、酸化シリコン膜、窒化シリコン、酸化アルミニウムなどを用いることができる。外部から酸化物半導体層４０３に、水分及び大気成分の進入を防止することができるので、トランジスタ１６０の電気特性の低下や変動を少なくすることができる。
【００３５】
（ソース電極及びドレイン電極）
ソース電極及びドレイン電極５０２は、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウム等の金属材料、またはこれらを主成分とする合金材料を用いて形成することができる。導電層５０１は、酸化物半導体層４０３と電気的に接続していれば良い。
【００３６】
本実施の形態にて説明した本発明の一態様であるトランジスタ１６０の構成により、電気特性の低下や変動を防止することができる。酸化物半導体層４０３を用いた半導体装置の酸化物半導体の端部は酸素欠損を生じやすく、その酸素欠損はキャリアを生じやすい。端部によるキャリアの発生は、当該半導体装置の電気特性の低下や変動を生じさせる。保護層５００に含まれる酸素を除く第１６族元素から選ばれた少なくとも一種または複数種の元素は、酸素原子の存在した場所に置換して、酸化物半導層４０３端部の酸素欠損を低減することができるので、本発明の一態様である半導体装置の構成により、電気特性の低下や変動を防止することができる。少なくとも、硫黄、セレン、テルルの一種または複数種の元素を含む保護層が好ましい。
【００３７】
（実施の形態２）
＜半導体装置の作製方法＞
以下、図２から図３を用いて、図１に示すトランジスタ１６０の作製方法の一例を示す。なお、図２から図３において、各作製工程における破線Ｋ−Ｌにおける断面図を示す。
【００３８】
図２には、ゲート電極４０１の形成から酸化物半導体層４０３の形成までを示す。
【００３９】
図２（Ａ）に示すように、基板に導電層３９９を形成する（図２（Ａ））。導電層３９９はスパッタ法などで形成すればよい。導電層３９９として用いることができる材料は、実施の形態１を参酌することができる。なお、導電層３９９を加工するとゲート電極４０１となる。
【００４０】
つぎに、導電層３９９に接するように、レジスト２４０５を形成する（図２（Ｂ））。作製する半導体装置のチャネル長に応じて、レジスト２４０５の材料、レジスト２４０５の膜厚を選択し、適切な露光装置を用いればよい。
【００４１】
つぎに、上記で作製したレジスト２４０５を用いて、ゲート電極４０１の加工を行う（図２（Ｃ））。加工方法は、ウェットエッチング、ドライエッチングを用いることができる。作製する半導体装置のチャネル長が、１マイクロメートル以下である場合、ドライエッチングを用いることが好ましい。
【００４２】
つぎに、ゲート電極４０１と接するようにゲート絶縁層４０２を形成する（図２（Ｄ））。ゲート絶縁層４０２は、ＣＶＤ法、スパッタリング法で形成することができる。ゲート絶縁層４０２に用いることができる材料は、実施の形態１を参酌することができる。ゲート絶縁層４０２を、酸化シリコン膜または、酸窒化シリコンをＣＶＤ法で形成する際、グロー放電プラズマの生成は、３ＭＨｚから３０ＭＨｚ、代表的には１３．５６ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚのＨＦ帯の高周波電力、または３０ＭＨｚより大きく３００ＭＨｚ程度までのＶＨＦ帯の高周波電力、代表的には、６０ＭＨｚを印加することで行うことが好ましい。また、１ＧＨｚ以上のマイクロ波の高周波電力を印加することで行うこともできる。なお、高周波電力がパルス状に印加されるパルス発振や、連続的に印加される連続発振とすることができる。１ＧＨｚ以上のマイクロ波を用いて形成した酸化シリコン膜または、酸窒化シリコンは、膜中および酸化物半導体層４０３との界面の固定電荷が、通常のプラズマＣＶＤで成膜した酸化シリコン膜、または酸窒化シリコンより少ない。そのため、トランジスタ１６０において、閾値電圧等の電気特性の信頼を高くすることができる。ゲート絶縁層４０２の膜厚は、作製する半導体装置のチャネル長に応じて、選択すればよい。
【００４３】
つぎに、ゲート絶縁層４０２と接するように酸化物半導体層４０３を成膜する。酸化物半導体層４０３は、スパッタリング法等で形成すればよい。酸化物半導体層４０３に用いることができる材料は実施の形態４，５を参酌することができる。酸化物半導体層４０３の膜厚は、作製する半導体装置のチャネル長に応じて、適切な膜厚を選択すればよい。
【００４４】
酸化物半導体層４０３は、銅、アルミニウム、塩素などの不純物がほとんど含まれない高純度化されたものであることが望ましい。トランジスタの製造工程において、これらの不純物が混入または酸化物半導体層４０３の表面に付着する恐れのない工程を適宜選択することが好ましく、酸化物半導体層４０３に付着した場合には、シュウ酸や希フッ酸などに曝す、またはプラズマ処理（Ｎ２Ｏプラズマ処理など）を行うことにより、酸化物半導体層４０３の不純物を除去することが好ましい。具体的には、酸化物半導体中の銅濃度は１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。また、酸化物半導体中のアルミニウム濃度は１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。また、酸化物半導体中の塩素濃度は２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【００４５】
また、酸化物半導体は成膜直後において、化学量論的組成より酸素が多い過飽和の状態とすることが好ましい。例えば、スパッタリング法を用いて酸化物半導体を成膜する場合、成膜ガスの酸素の占める割合が多い条件で成膜することが好ましく、特に酸素雰囲気（酸素ガス１００％）で成膜を行うことが好ましい。成膜ガスの酸素の占める割合が多い条件、特に酸素ガス１００％の雰囲気で成膜すると、例えば成膜温度を３００℃以上としても、膜中からのＺｎの放出が抑えられる。
【００４６】
酸化物半導体は、水素などの不純物が十分に除去され、その酸化物半導体に十分な酸素が供給されて酸素が過飽和の状態となっていることが望ましい。具体的には、酸化物半導体の水素濃度は５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、望ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より望ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。なお、上述の酸化物半導体の水素濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）で測定されるものである。
【００４７】
ソース電極及びドレイン電極５０２と電気的に接続する領域を設けるように、ゲート電極４０１と重ならない領域にも酸化物半導体層４０３を形成する。後述するように、ソース電極及びドレイン電極５０２のためのコンタクトホールを形成して、ソース電極及びドレイン電極５０２と酸化物半導体層４０３を電気的に接続する。その電気的接続ができるように、酸化物半導体層４０３を設ければよい。（図２（Ｅ））。なお、酸化物半導体層４０３を島状に加工する方法は、ウェットエッチング、ドライエッチングを用いることができる。
【００４８】
図３に、保護層５００の形成からソース電極及びドレイン電極５０２の形成までを示す。
【００４９】
保護層５００を、島状にした酸化物半導体層４０３に接し、且つ端部を覆うように形成する（図３（Ａ））。保護層５００は、スパッタリング法等で形成すればよい。保護層５００は、フォトリソグラフィー工程、エチング工程を経て、パターニングすればよい。保護層５００に用いることができる材料は実施の形態１を参酌することができる。
【００５０】
酸化物半導体層４０３の端部は酸素欠損を生じやすいので、保護層５００が接して且つ酸化物半導体層４０３を覆う構成にすれば、酸素欠損を生じた場合、保護層５００を過熱して、保護層５００中の酸素を除く第１６族元素から選ばれた少なくとも一種または複数種の元素は酸素原子の存在した場所に置換して、酸素欠損を低減することができる。上記加熱は、基板を炉で加熱してもよく、保護層５００をレーザー光等で加熱してもよい。保護層は、少なくとも、硫黄、セレン、テルルの一種または複数種の元素を含むことが好ましい。
【００５１】
トランジスタ１６０の電気的信頼性を向上させるため、酸化物半導体層４０３を覆うように、水分及び大気成分の透過性の低い層間絶縁膜４０４を形成する。外部から酸化物半導体層４０３に、水分及び大気成分の進入を防止することができるので、トランジスタ１６０の電気特性の低下や変動を少なくすることができる。
【００５２】
つぎに、ソース電極及びドレイン電極５０２を形成するため、層間絶縁膜４０４を開口して、ソース電極及びドレイン電極５０２を形成する。層間絶縁膜４０４の開口は、ウェットエッチング、ドライエッチングを用いることができる。
【００５３】
つぎに、酸化物半導体層４０３と電気的に接続するように、上述した層間絶縁膜４０４の開口を埋めるように、導電層５０１を形成する（図３（Ｂ））。
【００５４】
つぎに、導電層５０１を加工して、ソース電極及びドレイン電極５０２を形成する。導電層５０１の加工は、ウェットエッチング、ドライエッチングを用いることができる（図３（Ｃ））。
【００５５】
本実施の形態にて説明した本発明の一態様であるトランジスタ１６０の作製方法により、電気特性の低下や変動を防止することができる。酸化物半導体層４０３を用いた半導体装置の酸化物半導体層の端部は酸素欠損を生じやすく、その酸素欠損はキャリアを生じやすい。端部によるキャリアの発生は、当該半導体装置の電気特性の低下や変動を生じさせる。その端部で生じる酸素欠陥を保護層５００に含まれる酸素を除く第１６族元素から選ばれた少なくとも一種または複数種の元素は、酸素原子の存在した場所に置換して、酸素欠損を低減することができるので、本発明の一態様である半導体装置の構成により、電気特性の低下や変動を防止することができる。
【００５６】
（実施の形態３）
本発明の一態様の半導体装置であるトップゲート型トランジスタ１６１の構成について、図４を用いて説明する。本実施の形態の半導体装置の上面図を図４（Ａ）に、図４（Ａ）中の破線Ｘ−Ｙにおける断面図を図４（Ｂ）に示す。本発明の一態様のトランジスタ１６１は、基板とゲート電極４０１の間に、活性層である島状の酸化物半導体層４０３が形成されているいわゆるトップゲートトランジスタである。なお、上面図は層間絶縁膜４０４を省いて、図示している。
【００５７】
本実施の形態で例示する半導体装置は、島状の酸化物半導体層４０３と、島状の酸化物半導体層４０３の端部に接して、且つ覆うように設けられた保護層５００と、ゲート絶縁層４０２と、ゲート電極４０１と、ソース電極と、ドレイン電極と、を有し、酸素を除く第１６族元素から選ばれた少なくとも一種または複数種の元素を含む保護層５００を有する。
【００５８】
当該トランジスタ１６１を構成している、酸化物半導体層４０３、基板４００、保護層５００、ゲート絶縁層４０２、ゲート電極４０１、層間絶縁膜４０４、ソース電極及びドレイン電極５０２は、実施の形態１を参酌することができる。
【００５９】
＜半導体装置の作製方法＞
以下、図５から図７を用いて、図４に示すトランジスタ１６１の作製方法の一例を示す。なお、図５から図７において、各作製工程における破線Ｘ−Ｙにおける断面図を示す。
【００６０】
図５には、酸化物半導体層４０３の形成から保護層５００の形成までを示す。
【００６１】
図５（Ａ）に示すように、基板に酸化物半導体層４０３を形成する（図５（Ａ））。酸化物半導体層４０３として用いることができる材料は、実施の形態４及び５を参酌することができる。
【００６２】
つぎに、島状の酸化物半導体層４０３を形成する領域に接するように、レジスト２４０６を形成する（図５（Ｂ））。酸化物半導体層４０３の膜厚によって、レジスト２４０６の材料、レジスト２４０６の膜厚を選択し、適切な露光装置を用いればよい。
【００６３】
つぎに、酸化物半導体層４０３を島状に加工する（図５（Ｃ））。加工する方法は、ウェットエッチングまたはドライエッチングを用いることができる。
【００６４】
つぎに、保護層５００を、島状にした酸化物半導体層４０３に接し、且つ端部を覆うように形成する（図５（Ｄ））。酸化物半導体層４０３の端部は酸素欠損を生じやすいので、保護層５００が接して且つ酸化物半導体層４０３に覆う構成にすれば、酸素欠損を生じた場合、保護層５００中の酸素を除く第１６族元素から選ばれた少なくとも一種または複数種の元素は酸素原子の存在した場所に置換して、酸素欠損を低減することができる。
【００６５】
図６に、ゲート絶縁層４０２の形成から、ゲート電極４０１の形成までを示す。
【００６６】
酸化物半導体層４０３と接するようにゲート絶縁層４０２を形成する（図６（Ａ））。ゲート絶縁層４０２は、ＣＶＤ法、スパッタリング法で形成することができる。ゲート絶縁層４０２に用いることができる材料は、実施の形態１を参酌することができる。ゲート絶縁層４０２を、酸化シリコン膜または、酸窒化シリコンをＣＶＤ法で形成する際、グロー放電プラズマの生成は、３ＭＨｚから３０ＭＨｚ、代表的には１３．５６ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚのＨＦ帯の高周波電力、または３０ＭＨｚより大きく３００ＭＨｚ程度までのＶＨＦ帯の高周波電力、代表的には、６０ＭＨｚを印加することで行うことが好ましい。また、１ＧＨｚ以上のマイクロ波の高周波電力を印加することで行うこともできる。なお、高周波電力がパルス状に印加されるパルス発振や、連続的に印加される連続発振とすることができる。１ＧＨｚ以上のマイクロ波を用いて形成した酸化シリコン膜または、酸窒化シリコンは、膜中および酸化物半導体層４０３との界面の固定電荷が、通常のプラズマＣＶＤで成膜した酸化シリコン膜、または酸窒化シリコンより少ない。そのため、トランジスタ１６１において、閾値電圧等の電気特性の信頼を高くすることができる。ゲート絶縁層４０２の膜厚は、作製する半導体装置のチャネル長に応じて、選択すればよい。
【００６７】
つぎに、ゲート絶縁層４０２に接するように導電層３９９を形成する（図６（Ｂ））。ゲート電極４０１として用いることができる材料は、実施の形態１を参酌することができる。なお、導電層３９９を加工するとゲート電極４０１となる。
【００６８】
つぎに、ゲート電極４０１を形成する領域に接するように、レジスト２４０７を形成する。作製する半導体装置のチャネル長に応じて、レジスト２４０７の材料、レジスト２４０７の膜厚を選択し、適切な露光装置を用いればよい。上記で作製したレジスト２４０７パターンを用いて、ゲート電極４０１の加工を行う（図６（Ｃ））。加工方法は、ウェットエッチング、ドライエッチングを用いることができる。作製する半導体装置のチャネル長が、１マイクロメートル以下である場合、ドライエッチングを用いることが好ましい。
【００６９】
図７に、層間絶縁膜４０４の形成からソース電極及びドレイン電極５０２の形成までを示す。
【００７０】
トランジスタ１６１の電気的信頼性を向上させるため、酸化物半導体層４０３を覆うように、水分及び大気成分の透過性の低い層間絶縁膜４０４を形成する。外部から酸化物半導体層４０３に、水分及び大気成分の進入を防止することができるので、トランジスタ１６１の電気特性の低下や変動を少なくすることができる。
【００７１】
つぎに、ソース電極及びドレイン電極５０２を形成するため、層間絶縁膜４０４を開口して、ソース電極及びドレイン電極５０２を形成する。酸化物半導体層４０３のゲート電極４０１と重ならない領域に層間絶縁膜４０４を開口すればよい。層間絶縁膜４０４の開口は、ウェットエッチング、ドライエッチングを用いることができる。
【００７２】
つぎに、酸化物半導体層４０３と電気的に接続するように、上述した層間絶縁膜４０４の開口を埋めるように、導電層５０１を形成する（図７（Ａ））。
【００７３】
つぎに、導電層５０１を加工して、ソース電極及びドレイン電極５０２を形成する。導電性物質の加工は、ウェットエッチング、ドライエッチングを用いることができる（図７（Ｂ））。
【００７４】
本実施の形態にて説明した本発明の一態様であるトランジスタ１６１の作製方法により、電気特性の低下や変動を防止することができる。酸化物半導体層４０３を用いた半導体装置の酸化物半導体層の端部は酸素欠損を生じやすく、その酸素欠損はキャリアを生じやすい。端部によるキャリアの発生は、当該半導体装置の電気特性の低下や変動を生じさせる。その端部で生じる酸素欠陥を保護層５００に含まれる酸素を除く第１６族元素から選ばれた少なくとも一種または複数種の元素は、酸素原子の存在した場所に置換して、酸素欠損を低減することができるので、本発明の一態様である半導体装置の構成により、電気特性の低下や変動を防止することができる。
【００７５】
（実施の形態４）
実施の形態１で示した酸化物半導体層４０３に用いることができる酸化物半導体について説明する。
【００７６】
酸化物半導体として用いることのできる材料は、少なくともインジウム（Ｉｎ）を含む。特にＩｎと亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。また、当該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすためのスタビライザーとして、それらに加えてガリウム（Ｇａ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてスズ（Ｓｎ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてハフニウム（Ｈｆ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてアルミニウム（Ａｌ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてジルコニウム（Ｚｒ）を有することが好ましい。
【００７７】
また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）のいずれか一種あるいは複数種を有してもよい。
【００７８】
また、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、２元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、３元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯとも表記する）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、４元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を用いることができる。
【００７９】
なお、ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分として有する酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素が入っていてもよい。
【００８０】
また、酸化物半導体として、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０、且つ、ｍは整数でない）で表記される材料を用いてもよい。なお、Ｍは、Ｇａ、Ｆｅ、ＭｎおよびＣｏから選ばれた一の金属元素または複数の金属元素を示す。また、酸化物半導体として、Ｉｎ２ＳｎＯ５（ＺｎＯ）ｎ（ｎ＞０、且つ、ｎは整数）で表記される材料を用いてもよい。
【００８１】
また、酸化物半導体として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：２：１（＝２／５：２／５：１／５）、あるいはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２（＝１／２：１／６：１／３）の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。あるいは、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：３（＝１／３：１／６：１／２）あるいはＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：５（＝１／４：１／８：５／８）の原子数比のＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。
【００８２】
しかし、インジウムを含む酸化物半導体は、これらに限られず、必要とする半導体特性（移動度、しきい値、ばらつき等）に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とする半導体特性を得るために、キャリア濃度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間結合距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。
【００８３】
例えば、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物では比較的容易に高い移動度が得られる。しかしながら、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物でも、バルク内欠陥密度を低くすることにより移動度を上げることができる。
【００８４】
また、酸化物半導体層４０３は、単結晶、多結晶（ポリクリスタルともいう。）または非晶質などの状態をとる。
【００８５】
また、酸化物半導体層４０３に、銅、アルミニウム、塩素などの不純物がほとんど含まれない高純度化されたものであることが望ましい。トランジスタの作製工程において、これらの不純物が混入または酸化物半導体層４０３の表面に付着する恐れのない工程を適宜選択することが好ましく、酸化物半導体層４０３に付着した場合には、シュウ酸や希フッ酸などに曝す、またはプラズマ処理（Ｎ２Ｏプラズマ処理など）を行うことにより、酸化物半導体層４０３の不純物を除去することが好ましい。酸化物半導体層４０３に酸化物半導体を用いた場合、具体的には、酸化物半導体中の銅濃度は１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。また、酸化物半導体中のアルミニウム濃度は１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。また、酸化物半導体中の塩素濃度は２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【００８６】
また、酸化物半導体層４０３に酸化物半導体を用いた場合、酸化物半導体は成膜直後において、化学量論的組成より酸素が多い過飽和の状態とすることが好ましい。例えば、スパッタリング法を用いて酸化物半導体を成膜する場合、成膜ガスの酸素の占める割合が多い条件で成膜することが好ましく、特に酸素雰囲気（酸素ガス１００％）で成膜を行うことが好ましい。成膜ガスの酸素の占める割合が多い条件、特に酸素ガス１００％の雰囲気で成膜すると、例えば成膜温度を３００℃以上としても、膜中からのＺｎの放出が抑えられる。
【００８７】
酸化物半導体層４０３は、水素などの不純物が十分に除去され、その酸化物半導体に十分な酸素が供給されて酸素が過飽和の状態となっていることが望ましい。具体的には、酸化物半導体の水素濃度は５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、望ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より望ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。なお、上述の酸化物半導体の水素濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）で測定されるものである。
【００８８】
（実施の形態５）
本実施の形態では、実施の形態１で例示した酸化物半導体層４０３に用いることができる、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜について説明する。
【００８９】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、完全な単結晶ではなく、完全な非晶質でもない。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、結晶部および非晶質部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体膜である。なお、当該結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による観察像では、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる非晶質部と結晶部との境界は明確ではない。また、ＴＥＭによってＣＡＡＣ−ＯＳ膜には粒界（グレインバウンダリーともいう。）は確認できない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、粒界に起因する電子移動度の低下が抑制される。
【００９０】
本実施の形態では、ｃ軸配向し、かつａｂ面、表面または界面の方向から見て三角形状または六角形状の原子配列を有し、ｃ軸においては金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に配列しており、ａｂ面においてはａ軸またはｂ軸の向きが異なる（ｃ軸を中心に回転した）結晶を含む酸化物（ＣＡＡＣ：Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅともいう。）について説明する。
【００９１】
ＣＡＡＣとは、広義に、非単結晶であって、そのａｂ面に垂直な方向から見て、三角形、六角形、正三角形または正六角形の原子配列を有し、かつｃ軸方向に垂直な方向から見て、金属原子が層状、または金属原子と酸素原子が層状に配列した相を含む酸化物をいう。
【００９２】
ＣＡＡＣは単結晶ではないが、非晶質のみから形成されているものでもない。また、ＣＡＡＣは結晶化した部分（結晶部分）を含むが、１つの結晶部分と他の結晶部分の境界を明確に判別できないこともある。
【００９３】
ＣＡＡＣを構成する酸素の一部は窒素で置換されてもよい。また、ＣＡＡＣを構成する個々の結晶部分のｃ軸は一定の方向（例えば、ＣＡＡＣを支持する基板面、ＣＡＡＣの表面などに垂直な方向）に揃っていてもよい。または、ＣＡＡＣを構成する個々の結晶部分のａｂ面の法線は一定の方向（例えば、ＣＡＡＣを支持する基板面、ＣＡＡＣの表面などに垂直な方向）を向いていてもよい。
【００９４】
ＣＡＡＣは、その組成などに応じて、導体であったり、半導体であったり、絶縁体であったりする。また、その組成などに応じて、可視光に対して透明であったり不透明であったりする。
【００９５】
このようなＣＡＡＣの例として、膜状に形成され、膜表面または支持する基板面に垂直な方向から観察すると三角形または六角形の原子配列が認められ、かつその膜断面を観察すると金属原子または金属原子および酸素原子（または窒素原子）の層状配列が認められる酸化物を挙げることもできる。
【００９６】
ＣＡＡＣ酸化物半導体層に含まれる結晶構造の一例について図８乃至図１０を用いて詳細に説明する。なお、特に断りがない限り、図８乃至図１０は上方向をｃ軸方向とし、ｃ軸方向と直交する面をａｂ面とする。なお、単に上半分、下半分という場合、ａｂ面を境にした場合の上半分、下半分をいう。また、図８において丸で囲まれたＯ（酸素）は４配位のＯ（酸素）を示し、二重丸で囲まれたＯ（酸素）は３配位のＯを示す。
【００９７】
図８（Ａ）に、１個の６配位のＩｎと、Ｉｎに近接の６個の４配位の酸素原子（以下４配位のＯ（酸素））と、を有する構造を示す。ここでは、金属原子が１個に対して、近接の酸素原子のみ示した構造を小グループと呼ぶ。図８（Ａ）の構造は、八面体構造をとるが、簡単のため平面構造で示している。なお、図８（Ａ）の上半分および下半分にはそれぞれ３個ずつ４配位のＯ（酸素）がある。図８（Ａ）に示す小グループは電荷が０である。
【００９８】
図８（Ｂ）に、１個の５配位のＧａと、Ｇａに近接の３個の３配位の酸素原子（以下３配位のＯ（酸素））と、Ｇａに近接の２個の４配位のＯ（酸素）と、を有する構造を示す。３配位のＯは、いずれもａｂ面に存在する。図８（Ｂ）の上半分および下半分にはそれぞれ１個ずつ４配位のＯ（酸素）がある。また、Ｉｎも５配位をとるため、図８（Ｂ）に示す構造をとりうる。図８（Ｂ）に示す小グループは電荷が０である。酸化物半導体層４０３の端部において、ａｂ面が露出しやすいため、ａｂ面に存在する３配位のＯ（酸素）の欠損が生じやすい。酸素を除く第１６族元素から選ばれた少なくとも一種または複数種の元素は、その３配位のＯ（酸素）が存在していた場所に置換しやすい。また、酸化物半導体層４０３の端部に４配位のＯ（酸素）の欠損が生じていた場合においても、酸素と同族であるので、第１６族元素から選ばれた少なくとも一種または複数種の元素は、４配位のＯ（酸素）が存在していた場所に置換することは可能である。
【００９９】
図８（Ｃ）に、１個の４配位のＺｎと、Ｚｎに近接の４個の４配位のＯ（酸素）と、を有する構造を示す。図８（Ｃ）の上半分に上半分に３個の４配位のＯ（酸素）があり、下半分に１個の４配位のＯがあってもよい。図８（Ｃ）に示す小グループは電荷が０である。
【０１００】
図８（Ｄ）に、１個の６配位のＳｎと、Ｓｎに近接の６個の４配位のＯ（酸素）と、を有する構造を示す。図８（Ｄ）の上半分には３個の４配位のＯ（酸素）があり、下半分には３個の４配位のＯ（酸素）がある。図８（Ｄ）に示す小グループは電荷が＋１となる。
【０１０１】
図８（Ｅ）に、２個のＺｎを含む小グループを示す。図８（Ｅ）の上半分には１個の４配位のＯがあり、下半分には１個の４配位のＯがある。図８（Ｅ）に示す小グループは電荷が−１となる。
【０１０２】
ここでは、複数の小グループの集合体を中グループと呼び、複数の中グループの集合体を大グループ（ユニットセルともいう。）と呼ぶ。
【０１０３】
ここで、これらの小グループ同士が結合する規則について説明する。６配位のＩｎの上半分の３個のＯ（酸素）は、下方向にそれぞれ３個の近接Ｉｎを有し、下半分の３個のＯ（酸素）は、上方向にそれぞれ３個の近接Ｉｎを有する。５配位のＧａの上半分の１個のＯ（酸素）は下方向に１個の近接Ｇａを有し、下半分の１個のＯ（酸素）は上方向に１個の近接Ｇａを有する。４配位のＺｎの上半分の１個のＯ（酸素）は、下方向に１個の近接Ｚｎを有し、下半分の３個のＯ（酸素）は、上方向にそれぞれ３個の近接Ｚｎを有する。この様に、金属原子の上方向の４配位のＯ（酸素）の数と、そのＯ（酸素）の下方向にある近接金属原子の数は等しく、同様に金属原子の下方向の４配位のＯ（酸素）の数と、そのＯ（酸素）の上方向にある近接金属原子の数は等しい。Ｏ（酸素）は４配位なので、下方向にある近接金属原子の数と、上方向にある近接金属原子の数の和は４になる。従って、金属原子の上方向にある４配位のＯ（酸素）の数と、別の金属原子の下方向にある４配位のＯ（酸素）の数との和が４個のとき、金属原子を有する二種の小グループ同士は結合することができる。例えば、６配位の金属原子（ＩｎまたはＳｎ）が下半分の４配位のＯ（酸素）を介して結合する場合、４配位のＯ（酸素）が３個であるため、５配位の金属原子（ＧａまたはＩｎ）、４配位の金属原子（Ｚｎ）のいずれかと結合することになる。
【０１０４】
これらの配位数を有する金属原子は、ｃ軸方向において、４配位のＯ（酸素）を介して結合する。また、このほかにも、層構造の合計の電荷が０となるように複数の小グループが結合して中グループを構成する。
【０１０５】
図９（Ａ）に、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造を構成する中グループのモデル図を示す。図９（Ｂ）に、３つの中グループで構成される大グループを示す。なお、図９（Ｃ）は、図９（Ｂ）の層構造をｃ軸方向から観察した場合の原子配列を示す。
【０１０６】
図９（Ａ）においては、簡単のため、３配位のＯ（酸素）は省略し、４配位のＯ（酸素）は個数のみ示し、例えば、Ｓｎの上半分および下半分にはそれぞれ３個ずつ４配位のＯ（酸素）があることを丸枠の３として示している。同様に、図９（Ａ）において、Ｉｎの上半分および下半分にはそれぞれ１個ずつ４配位のＯ（酸素）があり、丸枠の１として示している。また、同様に、図９（Ａ）において、下半分には１個の４配位のＯ（酸素）があり、上半分には３個の４配位のＯがあるＺｎと、上半分には１個の４配位のＯ（酸素）があり、下半分には３個の４配位のＯがあるＺｎとを示している。
【０１０７】
図９（Ａ）において、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造を構成する中グループは、上から順に４配位のＯ（酸素）が３個ずつ上半分および下半分にあるＳｎが、４配位のＯ（酸素）が１個ずつ上半分および下半分にあるＩｎと結合し、そのＩｎが、上半分に３個の４配位のＯ（酸素）があるＺｎと結合し、そのＺｎの下半分の１個の４配位のＯ（酸素）を介して４配位のＯ（酸素）が３個ずつ上半分および下半分にあるＩｎと結合し、そのＩｎが、上半分に１個の４配位のＯ（酸素）があるＺｎ２個からなる小グループと結合し、この小グループの下半分の１個の４配位のＯ（酸素）を介して４配位のＯ（酸素）が３個ずつ上半分および下半分にあるＳｎと結合している構成である。この中グループが複数結合して大グループを構成する。
【０１０８】
ここで、３配位のＯおよび４配位のＯ（酸素）の場合、結合１本当たりの電荷はそれぞれ−０．６６７、−０．５と考えることができる。例えば、Ｉｎ（６配位または５配位）、Ｚｎ（４配位）、Ｓｎ（５配位または６配位）の電荷は、それぞれ＋３、＋２、＋４である。従って、Ｓｎを含む小グループは電荷が＋１となる。そのため、Ｓｎを含む層構造を形成するためには、電荷＋１を打ち消す電荷−１が必要となる。電荷−１をとる構造として、図８（Ｅ）に示すように、２個のＺｎを含む小グループが挙げられる。例えば、Ｓｎを含む小グループが１個に対し、２個のＺｎを含む小グループが１個あれば、電荷が打ち消されるため、層構造の合計の電荷を０とすることができる。
【０１０９】
具体的には、図９（Ｂ）に示した大グループが繰り返されることで、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の結晶（Ｉｎ２ＳｎＺｎ３Ｏ８）を得ることができる。なお、得られるＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造は、Ｉｎ２ＳｎＺｎ２Ｏ７（ＺｎＯ）ｍ（ｍは０または自然数。）とする組成式で表すことができる。なお、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の結晶は、ｍの数が大きいと結晶性が向上するため、好ましい。
【０１１０】
また、このほかにも、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物や、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物（ＩＧＺＯとも表記する。）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物や、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物や、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物や、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ系の材料などを用いた場合も同様である。
【０１１１】
例えば、図１０（Ａ）に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造を構成する中グループのモデル図を示す。
【０１１２】
図１０（Ａ）において、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造を構成する中グループは、上から順に４配位のＯ（酸素）が３個ずつ上半分および下半分にあるＩｎが、４配位のＯ（酸素）が１個上半分にあるＺｎと結合し、そのＺｎの下半分の３個の４配位のＯ（酸素）を介して、４配位のＯが１個ずつ上半分および下半分にあるＧａと結合し、そのＧａの下半分の１個の４配位のＯを介して、４配位のＯ（酸素）が３個ずつ上半分および下半分にあるＩｎと結合している構成である。この中グループが複数結合して大グループを構成する。
【０１１３】
図１０（Ｂ）に３つの中グループで構成される大グループを示す。なお、図１０（Ｃ）は、図１０（Ｂ）の層構造をｃ軸方向から観察した場合の原子配列を示している。
【０１１４】
ここで、Ｉｎ（６配位または５配位）、Ｚｎ（４配位）、Ｇａ（５配位）の電荷は、それぞれ＋３、＋２、＋３であるため、Ｉｎ、ＺｎおよびＧａのいずれかを含む小グループは、電荷が０となる。そのため、これらの小グループの組み合わせであれば中グループの合計の電荷は常に０となる。
【０１１５】
また、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造を構成する中グループは、図１０（Ａ）に示した中グループに限定されず、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの配列が異なる中グループを組み合わせた大グループも取りうる。
【０１１６】
具体的には、図１０（Ｂ）に示した大グループが繰り返されることで、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の結晶を得ることができる。なお、得られるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造は、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｎ（ｎは自然数。）とする組成式で表すことができる。
【０１１７】
ｎ＝１（ＩｎＧａＺｎＯ４）の場合は、例えば、図１１（Ａ）に示す結晶構造を取りうる。なお、図１１（Ａ）に示す結晶構造において、図８（Ｂ）で説明したように、Ｇａ及びＩｎは５配位をとるため、ＧａがＩｎに置き換わった構造も取りうる。
【０１１８】
また、ｎ＝２（ＩｎＧａＺｎ２Ｏ５）の場合は、例えば、図１１（Ｂ）に示す結晶構造を取りうる。なお、図１１（Ｂ）に示す結晶構造において、図８（Ｂ）で説明したように、Ｇａ及びＩｎは５配位をとるため、ＧａがＩｎに置き換わった構造も取りうる。
【０１１９】
（実施の形態６）
実施の形態１、２、３で示したトランジスタを応用した本発明の一態様である半導体装置としては、電子ペーパー以外にもさまざまな電子機器（遊技機も含む）が挙げられる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置（テレビ、またはテレビジョン受信機ともいう）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などが挙げられる。
【０１２０】
図１２（Ａ）は、テレビジョン装置の一例を示している。テレビジョン装置１４００は、筐体１４０１に表示部１４０３が組み込まれている。表示部１４０３により、映像を表示することが可能である。また、ここでは、スタンド１４０５により筐体１４０１を支持した構成を示している。
【０１２１】
テレビジョン装置１４００の操作は、筐体１４０１が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機１４１０により行うことができる。リモコン操作機１４１０が備える操作キー１４０９により、チャンネルや音量の操作を行うことができ、表示部１４０３に表示される映像を操作することができる。また、リモコン操作機１４１０に、当該リモコン操作機１４１０から出力する情報を表示する表示部１４０７を設ける構成としてもよい。
【０１２２】
なお、テレビジョン装置１４００は、受信機やモデムなどを備えた構成とする。受信機により一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線または無線による通信ネットワークに接続することにより、一方向（送信者から受信者）または双方向（送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など）の情報通信を行うことも可能である。
【０１２３】
図１２（Ｂ）は、デジタルフォトフレームの一例を示している。例えば、デジタルフォトフレーム１４２０は、筐体１４２１に表示部１４２３が組み込まれている。表示部１４２３は、各種画像を表示することが可能であり、例えばデジタルカメラなどで撮影した画像データを表示させることで、通常の写真立てと同様に機能させることができる。
【０１２４】
なお、デジタルフォトフレーム１４２０は、操作部、外部接続用端子（ＵＳＢ端子、ＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能な端子など）、記録媒体挿入部などを備える構成とする。これらの構成は、表示部と同一面に組み込まれていてもよいが、側面や裏面に備えるとデザイン性が向上するため好ましい。例えば、デジタルフォトフレームの記録媒体挿入部に、デジタルカメラで撮影した画像データを記憶したメモリを挿入して画像データを取り込み、取り込んだ画像データを表示部１４２３に表示させることができる。
【０１２５】
また、デジタルフォトフレーム１４２０は、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。無線により、所望の画像データを取り込み、表示させる構成とすることもできる。
【０１２６】
図１３は携帯型のコンピュータの一例を示す斜視図である。
【０１２７】
図１３の携帯型のコンピュータは、上部筐体１４４１と下部筐体１４４２とを接続するヒンジユニットを閉状態として表示部１４４３を有する上部筐体１４４１と、キーボード１４４４を有する下部筐体１４４２とを重ねた状態とすることができ、持ち運ぶことが便利であるとともに、使用者がキーボード入力する場合には、ヒンジユニットを開状態として、表示部１４４３を見て入力操作を行うことができる。
【０１２８】
また、下部筐体１４４２はキーボード１４４４の他に入力操作を行うポインティングデバイス１４４６を有する。また、表示部１４４３をタッチ入力パネルとすれば、表示部の一部に触れることで入力操作を行うこともできる。また、下部筐体１４４２はＣＰＵやハードディスクなどの演算機能部を有している。また、下部筐体１４４２は他の機器、例えばＵＳＢの通信規格に準拠した通信ケーブルが差し込まれる外部接続ポート１４４５を有している。
【０１２９】
上部筐体１４４１には更に上部筐体１４４１内部にスライドさせて収納可能な表示部１４４７を有しており、広い表示画面を実現することができる。また、収納可能な表示部１４４７の画面の向きを使用者は調節できる。また、収納可能な表示部１４４７をタッチ入力パネルとすれば、収納可能な表示部の一部に触れることで入力操作を行うこともできる。
【０１３０】
表示部１４４３または収納可能な表示部１４４７は、液晶表示パネル、有機発光素子または無機発光素子などの発光表示パネルなどの映像表示装置を用いる。
【０１３１】
また、図１３の携帯型のコンピュータは、受信機などを備えた構成として、テレビ放送を受信して映像を表示部に表示することができる。また、上部筐体１４４１と下部筐体１４４２とを接続するヒンジユニットを閉状態としたまま、表示部１４４７をスライドさせて画面全面を露出させ、画面角度を調節して使用者がテレビ放送を見ることもできる。この場合には、ヒンジユニットを閉状態として表示部１４４３を表示させず、さらにテレビ放送を表示するだけの回路の起動のみを行うため、最小限の消費電力とすることができ、バッテリー容量の限られている携帯型のコンピュータにおいて有用である。
【０１３２】
実施の形態１、２、３で示したトランジスタは、電気特性の低下や変動を生じにくいので、それらを用いた半導体装置は、電気特性の低下や変動を生じにくい半導体装置を得ることが可能である。
【符号の説明】
【０１３３】
１６０    トランジスタ
１６１    トランジスタ
３９９    導電層
４００    基板
４０１    ゲート電極
４０２    ゲート絶縁層
４０３    酸化物半導体層
４０４    層間絶縁膜
２４０５    レジスト
２４０６    レジスト
２４０７    レジスト
５００    保護層
５０１    導電層
５０２    ソース電極及びドレイン電極
１４００    テレビジョン装置
１４０１    筐体
１４０３    表示部
１４０５    スタンド
１４０７    表示部
１４０９    操作キー
１４１０    リモコン操作機
１４２０    デジタルフォトフレーム
１４２１    筐体
１４２３    表示部
１４４１    上部筐体
１４４２    下部筐体
１４４３    表示部
１４４４    キーボード
１４４５    外部接続ポート
１４４６    ポインティングデバイス
１４４７    表示部
【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１２】
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【図１３】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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