(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学量論比よりも多くの酸素を有する第１の絶縁膜上に、金属原子が、被形成面と平行な方向に層状に配列した領域を有する島状の酸化物半導体膜を形成し、
前記島状の酸化物半導体膜の少なくとも側面を覆って、且つ、前記第１の絶縁膜と接するように、化学量論比よりも多くの酸素を有する第２の絶縁膜を形成し、
前記第２の絶縁膜上に、前記第２の絶縁膜よりも酸素透過性の低い第３の絶縁膜を形成し、
前記第３の絶縁膜を形成した後、熱処理を行い、
前記第２の絶縁膜と前記第３の絶縁膜とを介して前記島状の酸化物半導体膜と重なるように、ゲート電極を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２】
化学量論比よりも多くの酸素を有する第１の絶縁膜上に、金属原子が、被形成面と平行な方向に層状に配列した領域を有する島状の酸化物半導体膜を形成し、
前記島状の酸化物半導体膜の少なくとも側面を覆って、且つ、前記第１の絶縁膜と接するように、化学量論比よりも多くの酸素を有する第２の絶縁膜を形成し、
前記第２の絶縁膜上に、前記第２の絶縁膜よりも酸素透過性の低い第３の絶縁膜を形成し、
前記第３の絶縁膜を形成した後、熱を加え、前記第１の絶縁膜中の酸素を前記島状の酸化物半導体膜へ供給し、且つ、前記第２の絶縁膜中の酸素を前記島状の酸化物半導体膜へ供給し、
前記第２の絶縁膜と前記第３の絶縁膜とを介して前記島状の酸化物半導体膜と重なるように、ゲート電極を形成す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】
本明細書などで開示する発明は半導体装置及びその作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体特性を示す金属酸化物（以下、酸化物半導体と呼ぶ。）が注目されている。酸化物半導体は、トランジスタに適用することができる（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２００７−０９６０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
酸化物半導体を適用したトランジスタの電気的特性には、酸素欠損が大きく影響する。すなわち、酸化物半導体膜中に酸素欠損が多い場合には導電性が高まり、オフ電流を十分に下げることが困難になり、スイッチング特性が低下するおそれがある。そのため、酸化物半導体膜には十分な酸素が必要であり、過剰な酸素を含ませるとよい。
【０００５】
酸化物半導体膜は、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りうるが、本発明の一態様においては、少なくとも一部に結晶性を有する。好ましくは、本発明の一態様における酸化物半導体膜は、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜とする。
【０００６】
ＣＡＡＣ−ＯＳは、完全な単結晶ではなく、完全な非晶質でもない。ＣＡＡＣ−ＯＳは、非晶質相に結晶部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に含まれる非晶質部と結晶部との境界は明確ではない。また、ＴＥＭによってＣＡＡＣ−ＯＳには粒界（グレインバウンダリーともいう。）は確認できない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳは、粒界に起因する電子移動度の低下が抑制される。
【０００７】
ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれる結晶部は、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃い、かつａｂ面に垂直な方向から見て三角形状または六角形状の原子配列を有し、ｃ軸に垂直な方向から見て金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に配列している。なお、異なる結晶部間で、それぞれａ軸およびｂ軸の向きが異なっていてもよい。本明細書において、単に垂直と記載する場合、８５°以上９５°以下の範囲も含まれることとする。また、単に平行と記載する場合、−５°以上５°以下の範囲も含まれることとする。
【０００８】
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳにおいて、結晶部の分布は一様でなくてもよく、被形成面の近傍よりも表面の近傍において結晶部の占める割合が高くなっていてもよい。例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳの形成において、ＣＡＡＣ−ＯＳの表面側から結晶を成長させると、被形成面の近傍よりも表面の近傍において結晶部の占める割合が高くなることがある。また、ＣＡＡＣ−ＯＳへドーピングなどにより添加物が導入されて一部が非晶質化されていてもよい。
【０００９】
ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれる結晶部のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃うため、ＣＡＡＣ−ＯＳの形状（被形成面の断面形状または表面の断面形状）によっては互いに異なる方向を向いていてもよい。なお、結晶部のｃ軸の方向は、ＣＡＡＣ−ＯＳが形成されたときの被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向となる。なお、結晶部は、当該膜の成膜時に形成されていてもよいし、成膜後の結晶化処理（例えば熱処理）により形成されてもよい。
【００１０】
ＣＡＡＣ−ＯＳを用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気的特性の変動を抑制することができるため、信頼性を高いものとすることができる。
【００１１】
ここで、酸化物半導体膜の一例として、三種類の金属を含む酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（以下、ＩＧＺＯと呼ぶ。）膜における、過剰酸素（化学量論比を越えて存在している酸素原子）及び酸素欠損の動きやすさについて、科学技術計算結果を参照して説明する。
【００１２】
過剰酸素及び酸素欠損の動きやすさについて説明する。計算は結晶性ＩＧＺＯの一つのＩｎＯ２層に過剰酸素が一つ存在するモデルを構造最適化によって作製し、ＮＥＢ（Ｎｕｄｇｅｄ  Ｅｌａｓｔｉｃ  Ｂａｎｄ）法を用いて最小エネルギー経路に沿った中間構造に対するエネルギーをそれぞれ算出した。
【００１３】
計算は、密度汎関数理論（ＤＦＴ）に基づく計算プログラムソフト「ＯｐｅｎＭＸ」を用いて行った。パラメータについて以下に説明する。
【００１４】
基底関数には、擬原子局在基底関数を用いた。この基底関数は、分極基底系ＳＴＯ（Ｓｌａｔｅｒ  Ｔｙｐｅ  Ｏｒｂｉｔａｌ）に分類される。
【００１５】
汎関数には、ＧＧＡ／ＰＢＥ（Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ−Ｇｒａｄｉｅｎｔ−Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ／Ｐｅｒｄｅｗ−Ｂｕｒｋｅ−Ｅｒｎｚｅｒｈｏｆ）を用いた。
【００１６】
カットオフエネルギーは２００Ｒｙとした。
【００１７】
サンプリングｋ点は、５×５×３とした。
【００１８】
過剰酸素の動きやすさについての計算では、計算モデル内に存在する原子の数を８５個とし、酸素欠損の動きやすさについての計算では、計算モデル内に存在する原子の数を８３個とした。
【００１９】
過剰酸素または酸素欠損の動きやすさは、過剰酸素または酸素欠損が各々のサイトへ移動する際に越えることを要するエネルギーバリアの高さＥｂを計算することにより評価する。すなわち、移動に際して越えるエネルギーバリアの高さＥｂが高ければ移動しにくく、エネルギーバリアの高さＥｂが低ければ移動しやすい。
【００２０】
まず、過剰酸素の移動について説明する。過剰酸素の移動の計算に用いたモデルを図１に示す。計算は、以下の２つの遷移形態について行った。計算結果は、図２に示す。図２では、横軸を（過剰酸素の移動の）経路長とし、縦軸を図１（Ａ）のモデルＡの状態のエネルギーを基準とした相対エネルギーとしている。
【００２１】
過剰酸素の移動について、２つの遷移形態のうち、第１の遷移は、モデルＡから図１（Ｂ）に示すモデルＢへの遷移である。第２の遷移は、モデルＡから図１（Ｃ）に示すモデルＣへの遷移である。
【００２２】
なお、図１中の”１”と表記されている酸素原子をモデルＡの第１の酸素原子と呼ぶ。図１中の”２”と表記されている酸素原子をモデルＡの第２の酸素原子と呼ぶ。図１中の”３”と表記されている酸素原子をモデルＡの第３の酸素原子と呼ぶ。
【００２３】
図２から明らかなように、第１の遷移のエネルギーバリアの高さＥｂは、０．５３ｅＶであり、第２の遷移のエネルギーバリアの高さＥｂは、２．３８ｅＶである。そのため、第１の遷移では第２の遷移よりもエネルギーバリアの高さＥｂが低い。そのため、第１の遷移に要するエネルギーは第２の遷移に要するエネルギーよりも小さく、第１の遷移のほうが第２の遷移よりも起こりやすいといえる。
【００２４】
すなわち、モデルＡの第１の酸素原子の移動は、モデルＡの第３の酸素原子を押し出す方向よりも、モデルＡの第２の酸素原子を押し出す方向に移動しやすいといえる。従って、酸素原子はＩｎＯ２層を横断して移動するよりもＩｎＯ２層に沿って移動しやすいといえる。
【００２５】
上記計算は、結晶性ＩＧＺＯの一つであるＩｎＯ２層に過剰酸素が一つ存在するモデルを用いているが、上記計算に用いたモデルとは異なるモデルにおける計算結果を示す。具体的には、ＩｎＯ２層に過剰酸素が一つ存在するモデル（図１０（Ａ）参照）とガリウム原子及び亜鉛原子が含まれる層に過剰酸素が一つ存在するモデル（図１０（Ｂ）及び図１１（Ａ）、（Ｂ）参照）を構造最適化によって作製し、ＮＥＢ法を用いて最小エネルギー経路に沿った中間構造に対するエネルギーをそれぞれ算出した。なお、異なるモデルにおける計算は、上記計算と同様にして行った。
【００２６】
過剰酸素の移動の計算に用いたモデルの一部を図１０（Ａ）、（Ｂ）に示す。計算は、以下の２つの遷移形態について行った。計算結果は、図１２に示す。図１２では、横軸を（過剰酸素の移動の）経路長とし、縦軸を図１０（Ａ）のモデルＤおよび図１１（Ａ）のモデルＦの状態のエネルギーをそれぞれ基準とした相対エネルギーとしている。
【００２７】
過剰酸素の移動について、２つの遷移形態のうち、第３の遷移は、図１０（Ａ）に示すモデルＤから図１０（Ｂ）に示すモデルＥへの遷移であり、具体的には、ＩｎＯ２層に存在する過剰酸素がガリウム及び亜鉛を含む層に移動する遷移である。第４の遷移は、図１１（Ａ）に示すモデルＦから図１１（Ｂ）に示すモデルＧへの遷移であり、具体的にはガリウム及び亜鉛を含む層に存在する過剰酸素が当該層に隣接するガリウム及び亜鉛を含む層に移動する遷移である。
【００２８】
なお、図１０（Ａ）、（Ｂ）中の”１”と表記されている酸素原子をモデルＤの第１の酸素原子と呼ぶ。図１０（Ａ）、（Ｂ）中の”２”と表記されている酸素原子をモデルＤの第２の酸素原子と呼ぶ。図１１（Ａ）、（Ｂ）中の”１”と表記されている酸素原子をモデルＦの第１の酸素原子と呼ぶ。図１１（Ａ）、（Ｂ）中の”２”と表記されている酸素原子をモデルＦの第２の酸素原子と呼ぶ。
【００２９】
図１２から明らかなように、第３遷移のエネルギーバリアの高さＥｂは、０．６１ｅＶであり、第４の遷移のエネルギーバリアの高さＥｂは、０．２９ｅＶである。そのため、第３の遷移では第４の遷移よりもエネルギーバリアの高さＥｂが高い。そのため、第４の遷移に要するエネルギーは第３の遷移に要するエネルギーよりも小さく、第４の遷移のほうが第３の遷移よりも起こりやすいといえる。
【００３０】
すなわち、ＩｎＯ２層に存在する過剰酸素がガリウム原子及び亜鉛原子を含む層に移動するよりも、ガリウム原子及び亜鉛原子を含む層に存在する過剰酸素が当該層に隣接するガリウム及び亜鉛を含む層に移動するほうが起こりやすいといえる。
【００３１】
また、図２及び図１２より、過剰酸素の移動は、エネルギーバリアの高さＥｂが低い順に起こりやすいといえる。つまり、第４の遷移、第１の遷移、第３の遷移、第２の遷移の順に起こりやすい。
【００３２】
次に、酸素欠損の移動について説明する。酸素欠損の移動の計算に用いたモデルを図３に示す。計算は、以下の２つの遷移形態について行った。計算結果は、図４に示す。図４では、横軸を（酸素欠損の移動の）経路長とし、縦軸を図３（Ａ）のモデルＡの状態のエネルギーを基準とした相対エネルギーとしている。
【００３３】
酸素欠損の移動について、２つの遷移形態のうち、第１の遷移は、モデルＡから図３（Ｂ）に示すモデルＢへの遷移である。第２の遷移は、モデルＡから図３（Ｃ）に示すモデルＣへの遷移である。
【００３４】
なお、図３（Ａ）乃至（Ｃ）中の破線で描画している丸は、酸素欠損を表している。
【００３５】
図４から明らかなように、第１の遷移のエネルギーバリアの高さＥｂは、１．８１ｅＶであり、第２の遷移のエネルギーバリアの高さＥｂは、４．１０ｅＶである。そのため、第１の遷移では第２の遷移よりもエネルギーバリアの高さＥｂが低い。そのため、第１の遷移に要するエネルギーは第２の遷移に要するエネルギーよりも小さく、第１の遷移のほうが第２の遷移よりも起こりやすいといえる。
【００３６】
すなわち、モデルＡの酸素欠損はモデルＣの酸素欠損の位置よりも、モデルＢの酸素欠損の位置のほうが移動しやすいといえる。従って、酸素欠損もＩｎＯ２層を横断して移動するよりもＩｎＯ２層に沿って移動しやすいといえる。
【００３７】
次に、上記した６つの遷移形態の起こりやすさを別の側面から比較するために、これらの遷移の温度依存性について説明する。上記した６つの遷移形態は、（１）過剰酸素の第１の遷移、（２）過剰酸素の第２の遷移、（３）過剰酸素の第３の遷移、（４）過剰酸素の第４の遷移、（５）酸素欠損の第１の遷移、（６）酸素欠損の第２の遷移の６つである。
【００３８】
これらの遷移の温度依存性は、単位時間あたりの移動頻度により比較する。ここで、ある温度Ｔ（Ｋ）における移動頻度Ｚ（／秒）は、化学的に安定な位置における酸素原子の振動数Ｚｏ（／秒）を用いると、以下の式（１）で表される。
【００３９】
【数１】
0005917385.tif 000002
【００４０】
なお、式（１）において、Ｅｂは各遷移におけるエネルギーバリアの高さであり、ｋはボルツマン定数である。また、Ｚｏ＝１．０×１０１３（／秒）を計算に用いる。
【００４１】
過剰酸素または酸素欠損が１秒間あたりに１度だけエネルギーバリアの高さＥｂを越えて移動する場合（Ｚ＝１（／秒）の場合）、Ｔについて式（１）を解くと以下の通りである。
（１）過剰酸素の第１の遷移  Ｚ＝１においてＴ＝２０６Ｋ（−６７℃）
（２）過剰酸素の第２の遷移  Ｚ＝１においてＴ＝９２３Ｋ（６５０℃）
（３）過剰酸素の第３の遷移  Ｚ＝１においてＴ＝２４０Ｋ（−３３℃）
（４）過剰酸素の第４の遷移  Ｚ＝１においてＴ＝１１３Ｋ（−１６０℃）
（５）酸素欠損の第１の遷移  Ｚ＝１においてＴ＝７０１Ｋ（４２８℃）
（６）酸素欠損の第２の遷移  Ｚ＝１においてＴ＝１５９０Ｋ（１３１７℃）
【００４２】
一方、Ｔ＝３００Ｋ（２７℃）の場合のＺは、以下の通りである。
（１）過剰酸素の第１の遷移  Ｔ＝３００ＫにおいてＺ＝１．２×１０４（／秒）
（２）過剰酸素の第２の遷移  Ｔ＝３００ＫにおいてＺ＝１．０×１０−２７（／秒）
（３）過剰酸素の第３の遷移  Ｔ＝３００ＫにおいてＺ＝３．９×１０２（／秒）
（４）過剰酸素の第４の遷移  Ｔ＝３００ＫにおいてＺ＝１．２×１０８（／秒）
（５）酸素欠損の第１の遷移  Ｔ＝３００ＫにおいてＺ＝４．３×１０−１８（／秒）
（６）酸素欠損の第２の遷移  Ｔ＝３００ＫにおいてＺ＝１．４×１０−５６（／秒）
【００４３】
また、Ｔ＝７２３Ｋ（４５０℃）の場合のＺは、以下の通りである。
（１）過剰酸素の第１の遷移  Ｔ＝７２３ＫにおいてＺ＝２．０×１０９（／秒）
（２）過剰酸素の第２の遷移  Ｔ＝７２３ＫにおいてＺ＝２．５×１０−４（／秒）
（３）過剰酸素の第３の遷移  Ｔ＝７２３ＫにおいてＺ＝４．８×１０８（／秒）
（４）過剰酸素の第４の遷移  Ｔ＝７２３ＫにおいてＺ＝９．２×１０１０（／秒）
（５）酸素欠損の第１の遷移  Ｔ＝７２３ＫにおいてＺ＝２．５（／秒）
（６）酸素欠損の第２の遷移  Ｔ＝７２３ＫにおいてＺ＝２．５×１０−１６（／秒）
【００４４】
上記計算結果を鑑みるに、過剰酸素は、Ｔ＝３００ＫにおいてもＴ＝７２３Ｋにおいても、ＩｎＯ２層を横断して移動するよりもＩｎＯ２層に沿って移動しやすいといえる。また、酸素欠損も、Ｔ＝３００ＫにおいてもＴ＝７２３Ｋにおいても、ＩｎＯ２層を横断して移動するよりもＩｎＯ２層に沿って移動しやすいといえる。
【００４５】
さらに、Ｔ＝３００ＫにおいてもＴ＝７２３Ｋにおいても、過剰酸素が最も移動しやすい遷移形態は、ガリウム原子及び亜鉛原子を含む層に存在する過剰酸素が当該層に隣接するガリウム原子及び亜鉛原子を含む層に移動する遷移である過剰酸素の第４の遷移であるといえる。つまり、過剰酸素は、形成した膜の被形成面又は表面と平行方向に沿って移動しやすいといえる。
【００４６】
また、Ｔ＝３００Ｋにおいて、ＩｎＯ２層に沿った過剰酸素の移動は非常に起こりやすいが、他の遷移形態は起こりにくい。Ｔ＝７２３Ｋにおいては、ＩｎＯ２層に沿う過剰酸素の移動のみならず、ＩｎＯ２層に沿う酸素欠損の移動も起こりやすいが、過剰酸素についても酸素欠損についてもＩｎＯ２層を横断する移動は困難である。
【００４７】
以上説明したように、ＣＡＡＣ−ＯＳでは、膜の被形成面または表面と平行方向に沿って移動しやすい。そのため、当該膜の側面からの酸素抜けが問題となる。酸素抜けが生じると過剰酸素の数が減少してしまい、酸素欠損を埋めることが困難になる。酸素欠損が存在すると、スイッチング素子に用いるには好ましくないレベルにまでＣＡＡＣ−ＯＳの導電性が高まるおそれがある。
【００４８】
なお、上記説明では過剰酸素または酸素欠損がＩｎＯ２層を横断する場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、酸化物半導体膜に含まれるインジウム以外の金属についても同様である。
【００４９】
上記した酸素抜けは、ＣＡＡＣ−ＯＳが島状に加工されている場合に特に顕著である。酸化物半導体膜が島状に加工されていると、酸化物半導体膜の側面の面積が増大するためである。
【００５０】
本発明の一態様は、ＣＡＡＣ−ＯＳの側面からの酸素原子の脱離を防止し、ＣＡＡＣ−ＯＳに十分な酸素を含ませることを課題とする。また、半導体装置の劣化を抑制することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００５１】
本発明の一態様は、少なくとも一部に結晶を有する島状の酸化物半導体膜と、島状の酸化物半導体膜の少なくとも側面を覆って設けられた第１のゲート絶縁膜と、少なくとも島状の酸化物半導体膜及び第１のゲート絶縁膜を覆って設けられた第２のゲート絶縁膜と、を有し、第１のゲート絶縁膜は、島状の酸化物半導体膜に供給される酸素を透過する絶縁膜であり、第２のゲート絶縁膜は、酸素透過性の低い絶縁膜であることを特徴とする半導体装置である。
【００５２】
本発明の一態様は、少なくとも一部に結晶を有する島状の酸化物半導体膜と、島状の酸化物半導体膜の少なくとも側面を覆って設けられた第１のゲート絶縁膜と、少なくとも島状の酸化物半導体膜及び第１のゲート絶縁膜を覆って設けられた第２のゲート絶縁膜と、第２のゲート絶縁膜上に島状の酸化物半導体膜と重畳して設けられたゲート電極と、を有し、第１のゲート絶縁膜は、島状の酸化物半導体膜に供給される酸素を透過する絶縁膜であり、第２のゲート絶縁膜は、酸素透過性の低い絶縁膜であり、ゲート電極は、島状の酸化物半導体膜の側面と重畳する第２のゲート絶縁膜に接して設けられていることを特徴とする半導体装置である。
【００５３】
構成において、島状の酸化物半導体膜に含まれるいずれか一または複数の金属が、島状の酸化物半導体膜中に層状に配列され、金属の層は、酸化物半導体膜の被形成面に平行であるとよい。
【００５４】
構成において、金属として、例えばインジウムを例示することができる。
【００５５】
構成において、第２のゲート絶縁膜として、例えば酸化アルミニウム膜を例示することができる。
【００５６】
本発明の一態様は、第１及び第２の酸化物半導体膜上にゲート絶縁膜が設けられた半導体装置の作製方法であって、インジウムの組成が小さく、ガリウムと亜鉛の組成が大きい第１の酸化物半導体膜と、インジウムの組成と亜鉛の組成が大きい第２の酸化物半導体膜と、を積層して形成し、ゲート絶縁膜を形成する前に熱処理を行う半導体装置の作製方法である。
【００５７】
本発明の一態様は、第１及び第２の酸化物半導体膜上にゲート絶縁膜が設けられた半導体装置の作製方法であって、第１の酸化物半導体膜と、第１の半導体膜よりも、インジウムの組成と亜鉛の組成が大きく、ガリウムの組成が小さい第２の酸化物半導体膜と、を積層して形成し、ゲート絶縁膜を形成する前に熱処理を行う半導体装置の作製方法である。
【００５８】
上記構成において、熱処理は、基板温度４００℃〜８００℃で行えばよい。
【００５９】
上記構成において、ゲート絶縁膜が２層の積層構造を有し、ゲート絶縁膜の上側の層は酸化アルミニウム膜であることが好ましい。
【発明の効果】
【００６０】
本発明の一態様によれば、側面からの酸素原子の脱離を防止し、ＣＡＡＣ−ＯＳに十分な酸素を含ませることができる。また、半導体装置の劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】過剰酸素の移動の計算に用いたモデル図。
【図２】図１のモデル図の計算結果。
【図３】酸素欠損の移動の計算に用いたモデル図。
【図４】図３のモデル図の計算結果。
【図５】本発明の一態様である半導体装置を説明する図。
【図６】本発明の一態様である半導体装置の作製方法を説明する図。
【図７】本発明の一態様である半導体装置の作製方法を説明する図。
【図８】本発明の一態様である半導体装置の作製方法を説明する図。
【図９】本発明の一態様である半導体装置を適用した電子機器を説明する図。
【図１０】過剰酸素の移動の計算に用いたモデル図。
【図１１】過剰酸素の移動の計算に用いたモデル図。
【図１２】図１０及び図１１のモデル図の計算結果。
【発明を実施するための形態】
【００６２】
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。したがって、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。
【００６３】
（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（トランジスタ）と、その作製方法について説明する。
【００６４】
図５には、本発明の一態様である半導体装置としてトランジスタを示す。図５（Ａ）には、トランジスタの上面図を示す。図５（Ｂ）には、図５（Ａ）のＸ１−Ｘ２における断面図を示し、図５（Ｃ）は、図５（Ａ）のＹ１−Ｙ２における断面図を示す。
【００６５】
図５（Ａ）乃至（Ｃ）に示すトランジスタは、基板１００上に設けられた下地膜１０２と、下地膜１０２上に設けられた島状の酸化物半導体膜１０４と、島状の酸化物半導体膜１０４を覆って設けられた第１のゲート絶縁膜１０６と、第１のゲート絶縁膜１０６上に設けられた第２のゲート絶縁膜１０８と、第２のゲート絶縁膜１０８上に設けられたゲート電極１１０と、ゲート電極１１０を覆って設けられた層間絶縁膜１１２と、層間絶縁膜１１２上に設けられ、島状の酸化物半導体膜１０４に接続されたソース電極１１４ａ及びドレイン電極１１４ｂと、を有する。
【００６６】
図５に示すトランジスタでは、島状の酸化物半導体膜１０４を覆って第１のゲート絶縁膜１０６と第２のゲート絶縁膜１０８が設けられており、第１のゲート絶縁膜１０６は、島状の酸化物半導体膜１０４と接して設けられていてもよい、酸素透過性の高い絶縁膜であり、第２のゲート絶縁膜１０８は、酸素透過性の低い絶縁膜であることが特徴の一である。好ましくは、第１のゲート絶縁膜１０６は、島状の酸化物半導体膜１０４に酸素を供給する供給源として機能する酸化性絶縁膜であり、特に好ましくは、第１のゲート絶縁膜１０６は、化学量論比よりも多くの酸素を含む。
【００６７】
このように、島状の酸化物半導体膜１０４を覆うゲート絶縁膜が２層であり上記特徴を有することで、島状の酸化物半導体膜１０４に十分な酸素が供給されることになる。島状の酸化物半導体膜１０４が十分な酸素を含むことで、酸素抜けによって導電性が高まることを防止することができる。
【００６８】
特に、図５（Ａ）に太い破線で示す部分において導電性が高まると寄生チャネルが発生し、スイッチング特性の低下及び信号遅延の原因となるところ、本発明の一態様によれば、この部分においても低抵抗化を抑制することができるため、寄生チャネルの発生を防止し、さらにはスイッチング特性の低下及び信号遅延も防止することができる。
【００６９】
次に、図６乃至図８を参照して図５に示すトランジスタの作製方法について説明する。なお、図６乃至図８において、左側は、図５（Ｂ）に対応し、図６乃至図８において、右側は、図５（Ｃ）に対応する。
【００７０】
まず、基板１００上に下地膜１０２を形成する（図６（Ａ））。下地膜１０２は、スパッタリング法またはＣＶＤ法などにより形成すればよいが、水素、水、水酸基及び水素化物などが混入しにくい方法で形成することが好ましい。
【００７１】
基板１００は、トランジスタの作製工程における熱処理などにより変質しなければよく、特定のものに限定されない。基板１００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、プラスチック基板またはシリコン基板などを例示列挙することができる。
【００７２】
下地膜１０２は、絶縁材料により形成する。ただし、下地膜１０２は、酸化物半導体膜と接する膜であるため、水素、水、水酸基及び水素化物を極力含まず且つ酸素を含むとよい。好ましくは、該酸素の一部が熱処理により脱離する絶縁性酸化物材料により形成する。
【００７３】
下地膜１０２は、化学量論比よりも多くの酸素を含むことが特に好ましい。下地膜１０２が化学量論比よりも多くの酸素を含むことで、酸化物半導体膜に酸素を供給する供給源として機能させることもできる。
【００７４】
下地膜１０２が化学量論比よりも多くの酸素を含む場合として、例えば、酸化シリコンＳｉＯｘにおいてｘ＞２である場合が挙げられる。ただし、これに限定されず、下地膜１０２は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化ハフニウムまたは酸化イットリウムなどで形成してもよい。なお、「窒化酸化シリコン」とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものをいい、「酸化窒化シリコン」とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものをいう。
【００７５】
なお、下地膜１０２は、複数の膜が積層された２層の積層膜であってもよい。この場合には、下層には基板１００に含まれる不純物などが酸化物半導体膜に侵入することを防止するバリア膜を配し、上層には上記した酸化物半導体膜に酸素を供給する供給源として機能する絶縁膜を配することが好ましい。上記バリア膜としては、窒化シリコン膜または酸化アルミニウム膜を例示することができる。
【００７６】
なお、下地膜１０２の形成後には、水素、水、水酸基及び水素化物を除くこと（脱水化または脱水素化と呼ぶ）を目的として熱処理を行い、その後、イオンインプランテーション法などにより酸素を導入することが好ましい。
【００７７】
次に、下地膜１０２上に酸化物半導体膜１０３を形成する（図６（Ｂ））。その後、酸化物半導体膜１０３を加工して島状の酸化物半導体膜１０４を形成する（図６（Ｃ））。酸化物半導体膜１０３は、水素、水、水酸基及び水素化物などが混入しにくい方法で形成すればよく、例えばスパッタリング法により形成することが好ましい。
【００７８】
スパッタリング法は、希ガス雰囲気、酸素ガス雰囲気または希ガスと酸素ガスの混合ガス雰囲気中などで行えばよい。また、酸化物半導体層への水素、水、水酸基及び水素化物などの混入を防ぐために、これらが十分に除去された高純度ガスを用いることが好ましい。
【００７９】
酸化物半導体膜１０３に用いる材料としては、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二種類の金属を含む酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、三種類の金属を含む酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（上記したように、ＩＧＺＯとも表記する。）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−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、四種類の金属を含む酸化物である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系酸化物などを用いることができる。
【００８０】
なお、ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、Ｉｎ、Ｇａ及びＺｎを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、Ｇａ及びＺｎ以外の金属元素が含まれていてもよい。
【００８１】
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）若しくはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：２：１（＝２／５：２／５：１／５）の原子比の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。または、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：３（＝１／３：１／６：１／２）若しくはＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：５（＝１／４：１／８：５／８）の原子比の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。ただし、これに限定されるものではない。
【００８２】
なお、酸化物半導体膜１０３は、上記したように、好ましくは、ＣＡＡＣ−ＯＳとする。
【００８３】
なお、島状の酸化物半導体膜１０４が、２層の積層構造であってもよい。島状の酸化物半導体膜１０４が、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物により形成されている場合には、下地膜１０２に接する層（下層）ではガリウムと亜鉛の組成を大きく、且つインジウムの組成を小さくし、下地膜１０２に接しない層（上層）では亜鉛とインジウムの組成を大きくするとよい。すなわち、下地膜１０２に接しない層（上層）では、下地膜１０２に接する層（下層）よりも、インジウムの組成と亜鉛の組成が大きく、ガリウムの組成を小さくするとよい。このように、亜鉛の組成を大きくすることで、ＣＡＡＣ−ＯＳが良好に形成されやすくなる。
【００８４】
しかし、島状の酸化物半導体膜１０４が亜鉛を多く含むと、後に形成されるゲート絶縁膜の絶縁耐圧が低下する傾向が見られる。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳの形成後、ゲート絶縁膜を形成する前に亜鉛の低減を目的として熱処理を行うことが好ましい。該熱処理は、基板温度４００℃〜８００℃で行えばよく、好ましくは基板温度６５０℃近傍で行う。このような温度で熱処理を行うことで、ゲート絶縁膜中への亜鉛の混入を防止し、ゲート絶縁膜の絶縁耐圧を向上させることができる。
【００８５】
なお、該熱処理は、本実施の形態にて説明する作製工程において、最も高温の工程であり、この後の熱処理は、該熱処理の温度以下で行うことが好ましい。残存している亜鉛が、ゲート絶縁膜に混入することを防止するためである。
【００８６】
次に、島状の酸化物半導体膜１０４を覆って第１のゲート絶縁膜１０６を形成する（図６（Ｄ））。第１のゲート絶縁膜１０６は、スパッタリング法またはＣＶＤ法などにより形成すればよいが、水素、水、水酸基及び水素化物などが混入しにくい方法で形成することが好ましい。
【００８７】
第１のゲート絶縁膜１０６は、島状の酸化物半導体膜１０４と接して設けられていてもよい、酸素透過性の高い絶縁膜であればよい。好ましくは、第１のゲート絶縁膜１０６は、島状の酸化物半導体膜１０４に酸素を供給する供給源として機能する酸化性絶縁膜であり、特に好ましくは、第１のゲート絶縁膜１０６は、化学量論的組成よりも多くの酸素を含む。
【００８８】
次に、第１のゲート絶縁膜１０６上に第２のゲート絶縁膜１０８を形成する（図７（Ａ））。第２のゲート絶縁膜１０８は、スパッタリング法またはＣＶＤ法などにより形成すればよいが、水素、水、水酸基及び水素化物などが混入しにくい方法で形成することが好ましい。
【００８９】
第２のゲート絶縁膜１０８は、島状の酸化物半導体膜１０４及び第１のゲート絶縁膜１０６から酸素原子を脱離させない酸素透過性の低い絶縁膜であればよい。このような酸素透過性の低い絶縁膜としては、酸化アルミニウム膜又は窒化シリコン膜を例示することができる。
【００９０】
なお、第２のゲート絶縁膜１０８を酸化アルミニウムにより形成する場合には、まずアルミニウム膜を形成し、該アルミニウム膜に酸素を添加することで酸化アルミニウム膜としてもよい。酸素の添加は、例えばイオンドーピング法又はイオン注入法により行えばよい。このとき、酸素の添加は、第１のゲート絶縁膜１０６中の水素、水、水酸基及び水素化物などを熱処理により除去した後に行うことが好ましい。なお、酸化アルミニウムはスパッタリング法で形成してもよい。
【００９１】
次に、第２のゲート絶縁膜１０８の形成後に熱処理を行うことが好ましい。当該熱処理を第２のゲート絶縁膜１０８の形成後に行うことで、少なくとも下地膜１０２及び第１のゲート絶縁膜１０６のいずれか一方が酸素の供給源として機能し、酸素透過性の低い第２のゲート絶縁膜１０８によって、当該酸素が外部に脱離することを抑制しながら当該酸素を島状の酸化物半導体膜１０４に供給することができ、島状の酸化物半導体膜１０４に含まれる酸素欠損を効率よく埋めることができる。従って、電気特性が良好なトランジスタを作製することができる。
【００９２】
なお、第１のゲート絶縁膜１０６の形成後には熱処理を行ってもよい。特に、第１のゲート絶縁膜１０６をＣＶＤ法により形成する場合には、形成後に熱処理を行うことで水素、水、水酸基及び水素化物などを除去することができる。なお、この熱処理は、亜鉛の除去を目的とした熱処理と同じ温度以下で行う。
【００９３】
しかし、水素、水、水酸基及び水素化物などを除去する熱処理を行うと、酸素もともに脱離してしまう。そのため、第１のゲート絶縁膜１０６に含まれる水素、水、水酸基及び水素化物などを除去するための熱処理を行う場合には、第１のゲート絶縁膜１０６の熱処理後に酸素の添加を行うことが好ましい。酸素の添加は、例えばイオンドーピング法又はイオン注入法により行えばよい。
【００９４】
次に、第２のゲート絶縁膜１０８上に第１の導電膜１０９を形成する（図７（Ｂ））。第１の導電膜１０９は、スパッタリング法またはＣＶＤ法などにより形成すればよい。
【００９５】
第１の導電膜１０９は、導電性材料により形成すればよい。第１の導電膜１０９に用いることができる導電性材料としては、アルミニウム、銅、チタン、タンタル及びタングステンなどの金属材料、並びに導電性を付与する不純物元素が添加された多結晶シリコンを例示することができる。
【００９６】
次に、第１の導電膜１０９を加工してゲート電極１１０を形成する（図７（Ｃ））。加工は、エッチングなどにより行えばよい。
【００９７】
次に、ゲート電極をマスクとして、島状の酸化物半導体膜１０４にドーパントを添加することで、島状の酸化物半導体膜１０４にチャネル形成領域１０４ａ及びドーパントを含む領域１０４ｂを形成する（図７（Ｄ））。ドーパントとしては、ホウ素、窒素、フッ素、アルミニウム、リン、ヒ素、インジウム、スズ、アンチモン、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン及びキセノンなどがある。ドーパントの添加は、例えばイオンドーピング法又はイオン注入法により行えばよい。そして、ドーパントを添加した後に、熱処理を行ってもよい。該熱処理は、基板温度３００℃〜５００℃で行うことができる。ドーパントを含む領域１０４ｂは、チャネル形成領域１０４ａよりも低抵抗な領域となる。
【００９８】
次に、ゲート電極１１０を覆って層間絶縁膜１１２を形成する（図８（Ａ））。層間絶縁膜１１２は、スパッタリング法またはＣＶＤ法などにより形成すればよい。
【００９９】
層間絶縁膜１１２は、下地膜１０２、第１のゲート絶縁膜１０６及び第２のゲート絶縁膜１０８の材料として例示した上記材料を用いればよい。
【０１００】
次に、第１のゲート絶縁膜１０６、第２のゲート絶縁膜１０８及び層間絶縁膜１１２に開口部１１３ａ及び開口部１１３ｂを形成する（図８（Ｂ））。開口部１１３ａ及び開口部１１３ｂは、エッチングを用いて加工するなどして形成する。
【０１０１】
なお、開口部１１３ａ及び開口部１１３ｂの形成後に島状の酸化物半導体膜１０４にドーパントを添加することで、島状の酸化物半導体膜１０４にドーパントを含む領域１０４ｃを形成するとよい（図８（Ｂ））。ドーパントの添加は、例えばイオンドーピング法又はイオン注入法により行えばよい。そして、ドーパントを添加した後、熱処理を行うことができる。該熱処理は、基板温度３００℃〜５００℃で行えばよい。ドーパントを含む領域１０４ｃは、チャネル形成領域１０４ａ及びドーパントを含む領域１０４ｂよりも低抵抗な領域となる。
【０１０２】
次に、層間絶縁膜１１２上に第２の導電膜１１４を形成する（図８（Ｃ））。第２の導電膜１１４は、開口部１１３ａ及び開口部１１３ｂにおいて島状の酸化物半導体膜１０４に接続されるように形成する。第２の導電膜１１４は、スパッタリング法またはＣＶＤ法などにより形成すればよい。
【０１０３】
第２の導電膜１１４は、導電性材料により形成すればよく、第１の導電膜１０９の材料として例示した上記材料を用いればよい。
【０１０４】
次に、第２の導電膜１１４を加工してソース電極１１４ａ及びドレイン電極１１４ｂを形成する（図８（Ｄ））。
【０１０５】
以上説明したように、図５に示すトランジスタを作製することができる。
【０１０６】
なお、本発明の一態様である半導体装置は、本実施の形態において説明した構造に限定されるものではない。
【０１０７】
（実施の形態２）
本発明の一態様である実施の形態１にて説明した半導体装置は、電子機器に搭載することができる。本実施の形態では、実施の形態１にて説明したトランジスタを搭載した電子機器について説明する。
【０１０８】
図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は２つ折り可能なタブレット型端末である。図９（Ａ）は、開状態であり、図９（Ｂ）は、閉状態である。図９（Ａ）に示すタブレット型端末は、筐体２００と、表示部２０２ａと、表示部２０２ｂと、留め具２０６と、表示モード切り替えスイッチ２０８と、電源スイッチ２１０と、省電力モード切り替えスイッチ２１２と、操作スイッチ２１４と、を有する。
【０１０９】
実施の形態１の半導体装置は、表示部２０２ａ及び表示部２０２ｂの画素トランジスタに適用することができる。または、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示すタブレット型端末の記憶素子に実施の形態１の半導体装置を適用してもよい。
【０１１０】
また、表示部２０２ａは、一部をタッチパネルの領域２０４ａとすることができ、表示された操作キー２１８にふれることでデータ入力をすることができる。なお、表示部２０２ａにおいては、一例として表示部２０２ａの半分が表示のみの機能を有し、他の領域がタッチパネルの機能を有する構成を示しているが、これに限定されない。表示部２０２ａの全ての領域がタッチパネルの機能を有していてもよい。例えば、表示部２０２ａの全面にキーボードボタンを表示させてタッチパネルとし、表示部２０２ｂを表示画面として用いてもよい。
【０１１１】
表示部２０２ｂにおいても表示部２０２ａと同様に、表示部２０２ｂの一部をタッチパネルの領域２０４ｂとしてもよい。また、タッチパネルのキーボード表示切り替えボタン２１６が表示されている位置に指やスタイラスなどを接触させることで、表示部２０２ｂにキーボードボタンを表示させることができる。なお、表示部２０２ｂもタッチパネルとして機能してもよい。
【０１１２】
また、表示モード切り替えスイッチ２０８は、縦表示若しくは横表示などの表示の向きの切り替え、または、白黒表示若しくはカラー表示などの切り替えを行うことができる構成であるとよい。
【０１１３】
なお、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示すタブレット型端末は、光センサなどの光量を検出するセンサまたは加速度センサなどの端末の傾きを検出するセンサなどを有していてもよい。
【０１１４】
省電力モード切り替えスイッチ２１２は、光センサで検出される使用時の外光の光量に応じて表示の輝度を最適なものとするために用いられる。
【０１１５】
図９（Ｂ）には閉状態のタブレット型端末を示しているが、図９（Ｂ）に示すタブレット型端末では、筐体２００に太陽電池２２０が設けられている。
【０１１６】
図９（Ａ）及び（Ｂ）に示すタブレット型端末は太陽電池２２０を搭載しているため、受光により生じた電力を利用することができる。
【０１１７】
なお、図９（Ａ）及び（Ｂ）に示すタブレット型端末は２つ折り可能なため、未使用時には筐体２００を閉じた状態にすることができる。従って、表示部２０２ａ及び表示部２０２ｂを保護できるため、耐久性に優れ、長期使用の観点からも信頼性に優れたタブレット型端末とすることができる。
【符号の説明】
【０１１８】
１００    基板
１０２    下地膜
１０３    酸化物半導体膜
１０４    島状の酸化物半導体膜
１０４ａ    チャネル形成領域
１０４ｂ    ドーパントを含む領域
１０４ｃ    ドーパントを含む領域
１０６    第１のゲート絶縁膜
１０８    第２のゲート絶縁膜
１０９    第１の導電膜
１１０    ゲート電極
１１２    層間絶縁膜
１１３ａ    開口部
１１３ｂ    開口部
１１４    第２の導電膜
１１４ａ    ソース電極
１１４ｂ    ドレイン電極
２００    筐体
２０２ａ    表示部
２０２ｂ    表示部
２０４ａ    タッチパネルの領域
２０４ｂ    タッチパネルの領域
２０６    留め具
２０８    表示モード切り替えスイッチ
２１０    電源スイッチ
２１２    省電力モード切り替えスイッチ
２１４    操作スイッチ
２１６    キーボード表示切り替えボタン
２１８    操作キー
２２０    太陽電池
【図２】
0005917385.tif 000003
【図４】
0005917385.tif 000004
【図５】
0005917385.tif 000005
【図６】
0005917385.tif 000006
【図７】
0005917385.tif 000007
【図８】
0005917385.tif 000008
【図９】
0005917385.tif 000009
【図１２】
0005917385.tif 000010
【図１】
0005917385.tif 000011
【図３】
0005917385.tif 000012
【図１０】
0005917385.tif 000013
【図１１】
0005917385.tif 000014