(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｉｎと、Ｇａと、Ｚｎと、を有する酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上の、金属酸化物と、を有し、
前記金属酸化物上から、前記酸化物半導体膜へ酸素を添加する半導体装置の作製方法であって、
前記金属酸化物は、前記酸化物半導体膜の構成元素から選択される一又は複数の金属元素を含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２】
Ｉｎと、Ｇａと、Ｚｎと、を有する酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上の、金属酸化物と、を有し、
前記金属酸化物上から、前記酸化物半導体膜へ酸素を添加する半導体装置の作製方法であって、
前記金属酸化物は、前記酸化物半導体膜の構成元素から選択される一又は複数の金属元素を含み、
前記添加される酸素の量は、前記酸化物半導体膜に含まれる水素の量よりも多いことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項３】
Ｉｎと、Ｇａと、Ｚｎと、を有する酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上の、金属酸化物と、を有し、
前記金属酸化物上から、前記酸化物半導体膜へ酸素を添加し、
前記酸化物半導体膜と、前記金属酸化物とを加熱して、前記酸化物半導体膜の脱水化又は脱水素化を行う半導体装置の作製方法であって、
前記金属酸化物は、前記酸化物半導体膜の構成元素から選択される１又は複数の金属元素を含み、
前記添加される酸素の量は、前記脱水化又は前記脱水素化された酸化物半導体膜に含まれる水素の量よりも多いことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項４】
ゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上の、Ｉｎと、Ｇａと、Ｚｎと、を有する酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上の、金属酸化物と、を有し、
前記金属酸化物上から、前記酸化物半導体膜へ酸素を添加する半導体装置の作製方法であって、
前記金属酸化物は、前記ゲート絶縁膜と同じ材料を含み、
前記添加される酸素の量は、前記酸化物半導体膜に含まれる水素の量よりも多いことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
前記金属酸化物は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の膜厚を有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】
半導体装置及び半導体装置の作製方法に関する。
【０００２】
なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置
全般を指し、撮像装置、表示装置、電気光学装置、電力供給装置、半導体回路及び電子機
器などは全て半導体装置である。
【背景技術】
【０００３】
絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタ（薄膜トランジス
タ（ＴＦＴ）ともいう）を構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路（
ＩＣ）や画像表示装置（表示装置）のような電子デバイスに広く応用されている。トラン
ジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その
他の材料として酸化物半導体が注目されている。
【０００４】
例えば、トランジスタの活性層として、電子キャリア濃度が１０１８／ｃｍ３未満である
インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び亜鉛（Ｚｎ）を含む非晶質酸化物を用いた
トランジスタが開示されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１６５５２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、酸化物半導体はデバイス作製工程において、酸素の過不足などによる化学量論的
組成からのずれや、電子供与体を形成する水素や水分の混入などが生じると、その電気伝
導度が変化してしまう。このような現象は、酸化物半導体を用いたトランジスタにとって
電気的特性の変動要因となる。
【０００７】
このような問題に鑑み、酸化物半導体を用いた半導体装置に安定した電気的特性を付与し
、高信頼性化することを目的の一とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
酸化物半導体を用いるトランジスタの電気的特性変動を抑止するため、変動要因となる水
素、水分、水酸基又は水素化物（水素化合物ともいう）などの不純物を酸化物半導体より
意図的に排除し、かつ不純物の排除工程によって同時に減少してしまう酸化物半導体を構
成する主成分材料である酸素を供給することによって、酸化物半導体を高純度化及び電気
的にｉ型（真性）化する。
【０００９】
酸化物半導体のバルク中に酸素を導入（添加）し、加熱処理を行う。この酸素導入及び加
熱工程によって、水素、水分、水酸基又は水素化物（水素化合物ともいう）などの不純物
を酸化物半導体より意図的に排除し、酸化物半導体を高純度化する。酸素の導入により、
酸化物半導体を構成している金属と水素の間の結合、或いは該金属と水酸基の間の結合を
切断するとともに、これら水素、または水酸基が、酸素と反応することで水を生成するた
め、後に行われる加熱処理により、不純物である水素、または水酸基を、水として、脱離
させやすくすることができる。また、加熱処理によって酸化物半導体の構造を整え、エネ
ルギーギャップ中の欠陥準位を低減することができる。また、酸化物半導体と、該酸化物
半導体が接する絶縁層との界面に生じた欠陥を低減することができる。
【００１０】
なお、上記「バルク」の用語は、酸素を、薄膜表面のみでなく薄膜内部に添加することを
明確にする趣旨で用いている。酸素の導入は、「酸素ドープ」と言い換えることもできる
。本明細書における「酸素ドープ」とは、酸素（少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、
酸素イオン、のいずれかを含む）をバルクに添加することを言う。
【００１１】
酸素ドープ（「酸素ドープ処理」ともいう）は、プラズマ化した酸素をバルクに添加する
酸素プラズマドープにより行うことができる。具体的には、高周波（ＲＦ）を用いて酸素
をプラズマ化し、酸素ラジカル、酸素イオンを基板上の酸化物半導体へ導入する。この時
、酸化物半導体が形成される基板にバイアスを印加すると好ましい。基板に印加するバイ
アスを大きくすることで、より深くまで酸素を導入することができる。なお、酸素ドープ
は、イオン注入法またはイオンドーピング法により行ってもよい。
【００１２】
酸化物半導体を有するトランジスタの作製工程において、酸素ドープ処理を行うことによ
って、酸化物半導体中（バルク中）において、化学量論比をこえる酸素が存在する酸素過
剰領域を設けることができる。酸素の量は好ましくは化学量論比の１倍を超えて４倍まで
（４倍未満）、より好ましくは、１倍を超えて２倍まで（２倍未満）である。化学量論比
を超える酸素過剰な酸化物とは、例えば、ＩｎａＧａｂＺｎｃＳｉｄＡｌｅＭｇｆＯｇ（
ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ≧０）で表される酸化物の場合、２ｇ＞３ａ＋３ｂ＋２ｃ＋
４ｄ＋３ｅ＋２ｆ、である。なお、酸素ドープ処理によって添加された酸素は、酸化物半
導体の格子間に存在する場合もある。
【００１３】
なお、欠陥（酸素欠損）のない酸化物半導体であれば、化学量論比に一致した量の酸素が
含まれていれば良いが、トランジスタのしきい値電圧の変動を抑えるなどの信頼性を確保
するためには、酸化物半導体には、化学量論比を超える量の酸素が含まれていることが好
ましい。
【００１４】
また、酸化物半導体には熱処理による脱水化または脱水素化処理を行い、酸化物半導体中
の水素原子または水などの水素原子を含む不純物を除去し、酸化物半導体を高純度化する
。なお、酸素ドープ処理により添加される酸素の量は、脱水化または脱水素化処理により
高純度化された酸化物半導体中の水素の量より多くなるようにする。
【００１５】
また、酸化物半導体上に接してキャップ層を形成し、キャップ層を通過して酸化物半導体
中に酸素を導入させてもよい。キャップ層を通過して酸素を導入させることにより、酸素
ドープ処理における酸化物半導体への過剰なダメージを軽減することができる。また、酸
素の導入をイオン注入法またはイオンドーピング法により行う場合は、酸素の導入深さ（
導入領域）が制御し易くなり、酸化物半導体中へ酸素を効率よく導入することができる。
【００１６】
なお、キャップ層に酸化ガリウムを用いると、酸素導入時のチャージアップが緩和され、
酸化物半導体への過剰なダメージをさらに軽減することができる。また、キャップ層とし
て酸化物半導体と同種の成分でなる金属酸化物を用いることで、該金属酸化物と酸化物半
導体との界面及びその近傍への水素イオンの蓄積を抑制または防止することができる。具
体的には、金属酸化物として、酸化物半導体の構成元素から選択される一または複数の金
属元素の酸化物を含む材料を用いるのが好ましい。
【００１７】
また、キャップ層に金属酸化物を用い、酸化物半導体とキャップ層とを接した状態で加熱
処理を行うと、不純物の排除工程によって同時に減少してしまう酸化物半導体を構成する
主成分材料の一つである酸素を、金属酸化物より酸化物半導体へ供給することができる。
よって、酸化物半導体はより高純度化し、電気的にｉ型（真性）化する。
【００１８】
高純度し、電気的にｉ型（真性）化した酸化物半導体を有するトランジスタは、しきい値
電圧やオン電流などの電気的特性に温度依存性がほとんど見られない。また、光劣化によ
るトランジスタ特性の変動も少ない。
【００１９】
このように、高純度化し、電気的にｉ型（真性）化した酸化物半導体を有するトランジス
タは、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。よって安定した電気的特
性を有する酸化物半導体を用いた信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【００２０】
また、酸化物半導体の形成前に、酸化物半導体が形成される絶縁層に対して、塩素ドープ
（「塩素ドープ処理」ともいう）を行ってもよい。具体的には、高周波（ＲＦ）を用いて
塩素をプラズマ化し、塩素ラジカル、塩素イオンを基板上の絶縁層へ導入する。この時、
絶縁層が形成される基板にバイアスを印加すると好ましい。基板に印加するバイアスを大
きくすることで、より深くまで塩素を導入することができる。なお、塩素ドープは、イオ
ン注入法またはイオンドーピング法により行ってもよい。
【００２１】
酸化物半導体が形成される絶縁層に塩素を導入することで、該絶縁層中の水素を固定化し
、該絶縁層中から酸化物半導体中への水素の拡散を防ぐことができる。また、塩素と同時
に酸素を導入してもよい。
【００２２】
本発明の一態様は、酸化物半導体層上にレジストマスクを形成し、レジストマスクを用い
て島状の酸化物半導体層を形成し、レジストマスクを除去した後、酸化物半導体層中に酸
素を導入し、酸化物半導体層に加熱処理を行う半導体装置の作製方法であって、レジスト
マスクの除去と、酸化物半導体層への酸素の導入と、酸化物半導体層の加熱処理を、途中
で大気に触れることなく連続して行うことを特徴とする半導体装置の作製方法である。
【００２３】
本発明の一態様は、酸化物半導体層形成前に、酸化物半導体層が形成される絶縁層に塩素
ドープ処理を行い、酸化物半導体層上にレジストマスクを形成し、レジストマスクを用い
て島状の酸化物半導体層を形成し、レジストマスクを除去した後、酸化物半導体層中に酸
素を導入し、酸化物半導体層に加熱処理を行う半導体装置の作製方法であって、レジスト
マスクの除去と、酸化物半導体層への酸素の導入と、酸化物半導体層の加熱処理を、途中
で大気に触れることなく連続して行うことを特徴とする半導体装置の作製方法である。
【００２４】
本発明の一態様は、酸化物半導体層上にキャップ層を形成し、キャップ層上にレジストマ
スクを形成し、レジストマスクを用いて島状の酸化物半導体層と島状のキャップ層を形成
し、レジストマスクを除去した後、キャップ層を介して酸化物半導体層中に酸素を導入し
、酸化物半導体層に加熱処理を行う半導体装置の作製方法であって、レジストマスクの除
去と、酸化物半導体層への酸素の導入と、酸化物半導体層の加熱処理を、途中で大気に触
れることなく連続して行うことを特徴とする半導体装置の作製方法である。
【００２５】
また、酸化物半導体層中に導入される酸素は、酸素ラジカルまたは酸素イオンを用いる。
【００２６】
また、レジストマスクの除去と、酸化物半導体層への酸素の導入と、酸化物半導体層の加
熱処理は、途中で大気に触れさせず、減圧雰囲気下、不活性ガス雰囲気下、または酸素ガ
ス雰囲気下で行う。
【００２７】
本明細書で開示する発明の効果は、次のように考えると理解が容易である。ただし、以下
の説明は、あくまでも一考察に過ぎないことを付記する。
【００２８】
トランジスタのゲート電極にプラスの電圧を印加すると、酸化物半導体層のゲート電極側
からバックチャネル側（ゲート絶縁層と反対側）へ電界が発生するため、酸化物半導体層
中に存在するプラスの電荷を有する水素イオンがバックチャネル側へ移動して、酸化物半
導体層と絶縁層との界面のうち酸化物半導体層側へと蓄積する。蓄積した水素イオンから
絶縁層中の電荷捕獲中心（水素原子、水、あるいは汚染物等）へプラスの電荷が移動する
ことによって、酸化物半導体層のバックチャネル側にはマイナスの電荷が蓄積される。す
なわち、トランジスタのバックチャネル側に寄生チャネルが発生して、しきい値電圧がマ
イナス側にシフトし、トランジスタがノーマリーオンの傾向を示す。
【００２９】
上記の通り、絶縁層中の水素または水等の電荷捕獲中心がプラスの電荷を捕獲し、絶縁層
中へプラスの電荷が移動することによってトランジスタの電気的特性が変動するため、ト
ランジスタの電気的特性の変動を抑制するためには、絶縁層中にこれらの電荷捕獲中心が
存在しない、またはその含有量が少ないことが重要である。したがって、絶縁層の形成に
は、成膜時に水素含有量が少ないスパッタリング法を用いるのが望ましい。スパッタリン
グ法により形成された絶縁層は、その層中に電荷捕獲中心が存在しない、または少なく、
ＣＶＤ法等によって形成した場合と比較してプラスの電荷の移動がおきにくい。よって、
トランジスタのしきい値電圧のシフトを抑制し、トランジスタをノーマリーオフとするこ
とができる。
【００３０】
なお、トップゲート型のトランジスタにおいては、下地となる絶縁層上に酸化物半導体層
を形成した後、熱処理を行うことで、酸化物半導体層に含まれる水または水素を除去する
と同時に、絶縁層中に含まれる水または水素をも除去することができる。よって、絶縁層
中には、酸化物半導体層中を移動してきたプラスの電荷を捕獲するための電荷捕獲中心が
少ない。このように、酸化物半導体層への脱水化または脱水素化のための熱処理は、酸化
物半導体層に加えて、酸化物半導体層の下層に存在する絶縁層に対しても行われるため、
トップゲート型のトランジスタにおいては、下地となる絶縁層はプラズマＣＶＤ法等のＣ
ＶＤ法を用いて形成されていても構わない。
【００３１】
また、ボトムゲート型のトランジスタにおいては、ゲート絶縁層上に酸化物半導体層を形
成した後、熱処理を行うことで、酸化物半導体層に含まれる水または水素を除去すると同
時に、ゲート絶縁層中に含まれる水または水素をも除去することができる。よって、ゲー
ト絶縁層中には、酸化物半導体層中を移動してきたプラスの電荷を捕獲するための電荷捕
獲中心が少ない。このように、酸化物半導体層への脱水化または脱水素化のための熱処理
は、酸化物半導体層に加えて、酸化物半導体層の下層に存在するゲート絶縁層に対しても
行われるため、ボトムゲート型のトランジスタにおいては、ゲート絶縁層はプラズマＣＶ
Ｄ法等のＣＶＤ法を用いて形成されていても構わない。
【００３２】
また、ゲート電極にマイナスの電圧を印加すると、酸化物半導体層のバックチャネル側か
らゲート電極側へ電界が発生するため、酸化物半導体層中に存在する水素イオンがゲート
絶縁層側へ移動して、酸化物半導体層とゲート絶縁層との界面のうち酸化物半導体層側へ
と蓄積する。また、これによりトランジスタのしきい値電圧はマイナス側へシフトする。
【００３３】
なお、ゲート電極にマイナスの電圧を印加した後、電界を止めて放置すると、電荷捕獲中
心からプラスの電荷が解放され、トランジスタのしきい値電圧がプラス側へシフトして、
初期状態に戻る、または、場合によっては初期状態よりもプラス側へシフトする。これら
の現象から、酸化物半導体層中に移動しやすいイオンが存在しており、最も小さい原子で
ある水素が最も移動しやすいと考察することができる。
【００３４】
また、酸化物半導体層が光を吸収することによって、光エネルギーによって酸化物半導体
層中の金属元素（Ｍ）と水素原子（Ｈ）との結合（Ｍ−Ｈ結合とも表記する）が切れる。
なお、波長が４００ｎｍ前後の光エネルギーと、金属元素及び水素原子の結合エネルギー
と、は概略一致している。酸化物半導体層中の金属元素と水素原子との結合が切れたトラ
ンジスタに負のゲートバイアスを加えると、金属元素から脱離した水素イオンがゲート電
極側に引き寄せられるため電荷の分布が変化し、トランジスタのしきい値電圧はマイナス
側にシフトして、ノーマリーオンの傾向を示す。
【００３５】
なお、トランジスタへの光照射と負のゲートバイアスの印加によってゲート絶縁層界面に
移動した水素イオンは、電圧の印加を停止すると元に戻る。これは、酸化物半導体層中の
イオンの移動の代表的な例として理解できる。
【００３６】
このような、電圧印加による電気的特性の変動（ＢＴ劣化）または光照射による電気的特
性の変動（光劣化）への対策は、酸化物半導体層から水素原子または水などの水素原子を
含む不純物を徹底的に排除し、酸化物半導体層を高純度化することが最も重要である。電
荷密度が１０１５ｃｍ−３、つまり、単位面積あたりの電荷が１０１０ｃｍ−２の場合、
その電荷はトランジスタ特性に影響しないまたは影響するとしてもごく僅かである。よっ
て、電荷密度は１０１５ｃｍ−３以下であることが望ましい。仮に、酸化物半導体層に含
まれる水素のうち、１０％の水素が酸化物半導体層中を移動する場合、水素の濃度は１０
１６ｃｍ−３以下であることが望ましい。さらに、デバイス完成後に水素が外部より侵入
するのを防ぐために、スパッタリング法によって形成した窒化シリコン層をパッシベーシ
ョン層として用い、トランジスタを覆うのが好ましい。
【００３７】
さらに、酸化物半導体層中に含まれる水素に対して、過剰な酸素をドープする（（水素原
子の数）＜＜（酸素ラジカルの数）または、（酸素イオンの数）とする））ことで、酸化
物半導体層から水素または水を排除することができる。具体的には、高周波（ＲＦ）を用
いて酸素をプラズマ化し、基板バイアスを大きくして、酸素ラジカル、酸素イオンを基板
上の酸化物半導体層へドープまたは添加し、酸化物半導体層中では残存する水素よりも酸
素を多くする。酸素の電気陰性度は３．０と、電気陰性度が約２．０である酸化物半導体
層中の金属（Ｚｎ、Ｇａ、Ｉｎ）よりも大きいため、酸素を過剰に含有させることで、Ｍ
−Ｈ結合より水素原子を奪い、ＯＨ基を形成する。なお、このＯＨ基は、Ｍと結合してＭ
−Ｏ−Ｈ基を形成しうる。
【００３８】
なお、酸化物半導体層の酸素の含有量が、化学量論比よりも過剰となるように酸素をドー
プするのがより好ましい。例えば、酸化物半導体層としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物
半導体層を用いる場合、理想的な単結晶の比率はＩｎＧａＺｎＯ４であるから、酸素のド
ープによってＯの値を、４を超えて８まで（１倍を超えて２倍まで（２倍未満））とする
のがより好ましい。
【００３９】
光エネルギーやＢＴストレスによって、Ｍ−Ｈ結合から水素イオンが脱離して劣化の原因
となるが、上述のドープによって酸素を注入する場合、注入された酸素が水素イオンと結
合してＯＨ基となる。ＯＨ基は、結合エネルギーが大きいため、トランジスタに光照射や
ＢＴストレスが加えられても水素イオンを放出せず、また、水素イオンより質量も大きい
ため、酸化物半導体層中を移動しにくい。よって、酸素のドープに起因して形成されるＯ
Ｈ基は、トランジスタの劣化の原因にならないか、または劣化の原因を減らすことができ
る。
【００４０】
なお、酸化物半導体層の膜厚を大きくする程、トランジスタのしきい値電圧のばらつきが
大きくなる傾向が確認されている。これは、酸化物半導体層中の酸素欠陥がしきい値電圧
の変動の一因であり、膜厚が大きくなるほど酸素欠陥が増加するためと推測できる。本発
明の一態様に係るトランジスタにおいて酸化物半導体層に酸素をドープする工程は、酸化
物半導体層からの水素または水の排除のみでなく、層中の酸素欠陥の補填に対しても有効
である。よって、本発明の一態様に係るトランジスタは、しきい値電圧のばらつきも制御
することができる。
【００４１】
また、酸化物半導体層を挟んで、酸化物半導体層と同種の成分でなる金属酸化物層を設け
る構成も、電気的特性の変動防止に効果的である。酸化物半導体層と同種の成分でなる金
属酸化物層として、具体的には、酸化物半導体層の構成元素から選択される一または複数
の金属元素の酸化物を含む材料を用いるのが好ましい。このような材料は酸化物半導体層
との相性が良く、酸化物半導体層を挟んで該金属酸化物層を設けることで、酸化物半導体
層との界面の状態を良好に保つことができる。つまり、上述の材料を用いた金属酸化物層
を、酸化物半導体層と接する絶縁層として設けることで、水素イオンは主として金属酸化
物層内に拡散するため、該金属酸化物層と酸化物半導体層との界面及びその近傍への水素
イオンの蓄積を抑制または防止することができる。したがって、酸化物半導体層を挟んで
、例えば酸化シリコン等の酸化物半導体層とは異なる成分でなる絶縁層を設けた場合と比
較して、トランジスタのしきい値電圧に影響を与える酸化物半導体層界面の水素濃度を十
分に低減することができる。
【００４２】
なお、該金属酸化物層としては、酸化ガリウムを用いるのが好ましい。酸化ガリウムは、
バンドギャップ（Ｅｇ）が大きいので、酸化ガリウムによって酸化物半導体層を挟むこと
で、酸化物半導体層と金属酸化物層との界面において、エネルギー障壁が形成され、その
界面においてキャリアの移動は妨げられる。したがって、キャリアは酸化物半導体から金
属酸化物に移動することなく、主として、酸化物半導体層中を移動する。一方、水素イオ
ンは、酸化物半導体層と金属酸化物層との界面を通過して、例えば、酸化物半導体層と接
する面と対向する面近傍に蓄積される。その付近はキャリアの流れる領域からは離れてい
るため、トランジスタのしきい値電圧への影響を与えない、またはその影響が極めて少な
い。なお、酸化ガリウムとＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料を接触させた場合のエネルギー
障壁は、伝導帯側で約０．８ｅＶとなり、価電子帯側で約０．９ｅＶとなる。
【発明の効果】
【００４３】
熱処理による脱水化または脱水素化処理及び酸素ドープ処理された酸化物半導体を有する
トランジスタは、バイアス−熱ストレス試験（ＢＴ試験）前後においてもトランジスタの
しきい値電圧の変化量が低減でき、信頼性の高いトランジスタとすることができる。
【００４４】
よって、本発明の一形態は、安定し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。
【００４５】
また、本発明の一形態は、電気特性が良好で信頼性のよいトランジスタを有する半導体装
置を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を説明する図。
【図２】半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を説明する図。
【図３】半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を説明する図。
【図４】半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を説明する図。
【図５】半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を説明する図。
【図６】プラズマ装置の一形態を説明する上面図及び断面図。
【図７】半導体装置の一形態を説明する図。
【図８】半導体装置の一形態を説明する図。
【図９】半導体装置の一形態を説明する図。
【図１０】半導体装置の一形態を説明する図。
【図１１】半導体装置の一形態を説明する図。
【図１２】電子機器を示す図。
【図１３】電子機器を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
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、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれ
ば容易に理解される。また、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。
【００４８】
トランジスタは半導体素子の一種であり、電流や電圧の増幅や、導通または非導通を制御
するスイッチング動作などを実現することができる。本明細書におけるトランジスタは、
ＩＧＦＥＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉ
ｓｔｏｒ）や薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）
を含む。
【００４９】
本明細書等で開示するトランジスタの構造は特に限定されず、例えばトップゲート構造、
又はボトムゲート構造のスタガ型及びプレーナ型などを用いることができる。また、トラ
ンジスタはチャネル形成領域が一つ形成されるシングルゲート構造でも、二つ形成される
ダブルゲート構造もしくは三つ形成されるトリプルゲート構造であっても良い。
【００５０】
また、「ソース」や「ドレイン」の機能は、トランジスタの動作条件などにより入れ替わ
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。
【００５１】
なお、第１、第２として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順又は積層順を
示すものではない。また、本明細書において発明を特定するための事項として固有の名称
を示すものではない。
【００５２】
（実施の形態１）
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を、図１及び図５を用
いて説明する。本実施の形態では、半導体装置の一例としてチャネルが形成される半導体
層に酸化物半導体を用いたトランジスタについて詳細に説明する。
【００５３】
図１（Ｅ）に示すトランジスタ４１０は、基板４００上に、ゲート電極層４０１、ゲート
絶縁層４０２、酸化物半導体層４０３、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ
を有している。トランジスタ４１０上には、絶縁層４０７（第１の絶縁層ともいう）、及
び保護絶縁層４０９（第２の絶縁層ともいう）が順に積層されている。トランジスタ４１
０は、ボトムゲート構造のトランジスタの一つであり、逆スタガ型トランジスタの一つで
もある。
【００５４】
図１（Ａ）乃至（Ｅ）にトランジスタ４１０の作製方法の一例を示す。
【００５５】
まず、基板４００上に導電層を形成した後、第１のフォトリソグラフィ工程によりゲート
電極層４０１を形成する。なお、レジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。
レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コ
ストを低減できる。
【００５６】
基板４００に使用することができる基板に大きな制限はないが、ガラス基板、セラミック
基板、石英基板、サファイア基板の他、結晶化ガラスなどを用いることができる。
【００５７】
また、基板４００として、可撓性基板（フレキシブル基板）を用いてもよい。可撓性基板
を用いる場合、可撓性基板上に、トランジスタを直接作製してもよいし、他の作製基板上
にトランジスタを作製し、その後可撓性基板に剥離、転置してもよい。なお、作製基板か
ら可撓性基板に剥離、転置するために、作製基板とトランジスタとの間に、剥離層を設け
るとよい。
【００５８】
基板４００とゲート電極層４０１との間に下地層を設けてもよい。下地層は、窒化シリコ
ン、酸化シリコン、窒化酸化シリコン、又は酸化窒化シリコンから選ばれた一又は複数の
絶縁層による積層構造により形成することができ、基板４００からの不純物元素の拡散を
防止する機能がある。
【００５９】
また、下地層に、塩素、フッ素などのハロゲン元素を含ませることで、基板４００からの
不純物元素の拡散を防止する機能をさらに高めることができる。下地層に含ませるハロゲ
ン元素の濃度は、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析計）を用いた分析により得られる濃度ピ
ークにおいて、１×１０１５／ｃｍ３以上１×１０２０／ｃｍ３以下とすればよい。
【００６０】
なお、下地層として酸化ガリウムを用いてもよい。また、下地層を酸化ガリウムと上記絶
縁層の積層構造としてもよい。酸化ガリウムは帯電しにくい材料であるため、絶縁層のチ
ャージアップによるしきい値電圧の変動を抑えることができる。
【００６１】
また、ゲート電極層４０１の材料は、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（
Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、ネ
オジム（Ｎｄ）、スカンジウム（Ｓｃ）、マグネシウム（Ｍｇ）等の金属材料又はこれら
を主成分とする合金材料を用いて、単層で又は積層して形成することができる。
【００６２】
続いて、ゲート電極層４０１上にゲート絶縁層４０２を形成する（図１（Ａ）参照）。ゲ
ート絶縁層４０２には、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリ
コン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニ
ウム、酸化タンタル、酸化ガリウム、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、ハフニウムシ
リケート（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、ハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘ
Ｏｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が導入されたハフニウムシリケート、窒素が導入された
ハフニウムアルミネート等を用いることができ、プラズマＣＶＤ法やスパッタリング法等
で形成することができる。また、ゲート絶縁層４０２は単層に限らず異なる層の積層でも
良い。例えば、第１のゲート絶縁層としてプラズマＣＶＤ法により窒化シリコン層（Ｓｉ
Ｎｙ（ｙ＞０））を形成し、第１のゲート絶縁層上に第２のゲート絶縁層として酸化シリ
コン層（ＳｉＯｘ（ｘ＞０））を積層して、ゲート絶縁層としても良い。
【００６３】
また、本実施の形態で説明する酸化物半導体は、不純物を除去され、酸化物半導体の主成
分以外のキャリア供与体となる不純物が極力含まれないように高純度化された酸化物半導
体である。
【００６４】
このような高純度化された酸化物半導体は界面準位、界面電荷に対して極めて敏感である
ため、酸化物半導体層とゲート絶縁層との界面は重要である。そのため高純度化された酸
化物半導体に接するゲート絶縁層は、高品質化が要求される。
【００６５】
例えば、μ波（例えば周波数２．４５ＧＨｚ）を用いた高密度プラズマＣＶＤは、緻密で
絶縁耐圧の高い高品質な絶縁層を形成できるので好ましい。高純度化された酸化物半導体
と高品質ゲート絶縁層とが密接することにより、界面準位を低減して界面特性を良好なも
のとすることができるからである。
【００６６】
もちろん、ゲート絶縁層として良質な絶縁層を形成できるものであれば、スパッタリング
法やプラズマＣＶＤ法など他の成膜方法を適用することができる。また、成膜後の熱処理
によってゲート絶縁層の膜質、酸化物半導体との界面特性が改質される絶縁層であっても
良い。いずれにしても、ゲート絶縁層としての膜質が良好であることは勿論のこと、酸化
物半導体との界面準位密度を低減し、良好な界面を形成できるものであれば良い。
【００６７】
また、ゲート絶縁層４０２には、酸化物半導体と同種の成分でなる絶縁材料を用いると特
に好ましい。このような材料は酸化物半導体との相性が良く、これをゲート絶縁層４０２
に用いることで、酸化物半導体との界面の状態を良好に保つことができるからである。こ
こで、「酸化物半導体と同種の成分」とは、酸化物半導体の構成元素から選択される一ま
たは複数の元素を含むことを意味する。例えば、酸化物半導体がＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸
化物半導体材料によって構成される場合、同種の成分でなる絶縁材料としては酸化ガリウ
ムなどがある。
【００６８】
また、ゲート絶縁層４０２を積層構造とする場合には、酸化物半導体と同種の成分でなる
絶縁材料でなる層（以下、層ａ）と、層ａの成分材料とは異なる材料を含む層（以下、層
ｂ）との積層構造とするとなお良い。層ａと層ｂとを酸化物半導体側から順に積層した構
造とすることで、電荷は層ａと層ｂとの界面の電荷捕獲中心に優先的に捕獲される（酸化
物半導体と層ａとの界面との比較）ため、酸化物半導体の界面での電荷捕獲を十分に抑制
することができるようになり、半導体装置の信頼性が向上するためである。
【００６９】
また、ゲート絶縁層４０２、酸化物半導体層に水素、水酸基及び水分がなるべく含まれな
いようにするために、酸化物半導体層の成膜の前処理として、スパッタリング装置の予備
加熱室でゲート電極層４０１が形成された基板４００、又はゲート絶縁層４０２までが形
成された基板４００を予備加熱し、基板４００に吸着した水素、水分などの不純物を脱離
し排気することが好ましい。なお、予備加熱室に設ける排気手段はクライオポンプが好ま
しい。なお、この予備加熱の処理は省略することもできる。またこの予備加熱は、絶縁層
４０７の成膜前に、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂまで形成した基板
４００にも同様に行ってもよい。
【００７０】
次いで、ゲート絶縁層４０２上に、膜厚２ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以
上３０ｎｍ以下の酸化物半導体層を形成する。
【００７１】
なお、酸化物半導体層をスパッタリング法により成膜する前に、アルゴンガスを導入して
プラズマを発生させる逆スパッタを行い、ゲート絶縁層４０２の表面に付着している粉状
物質（パーティクル、ごみともいう）を除去することが好ましい。逆スパッタとは、アル
ゴン等の希ガス雰囲気下で基板にＲＦ電源を用いて電圧を印加して基板近傍にプラズマを
形成して表面を改質する方法である。なお、アルゴンガスに代えて窒素ガス、ヘリウムガ
ス、酸素ガスなどを用いてもよい。
【００７２】
酸化物半導体層の成膜前に、酸化物半導体層が形成される絶縁層（本実施の形態ではゲー
ト絶縁層４０２に相当する）に対して、後述する酸素プラズマドープと同様の方法により
、酸素ガスの代わりに塩素ガス（Ｃｌ２、ＳｉＣｌ４等の、塩素を含むガス）を用いて、
塩素を導入してもよい。また、塩素の導入は、実施の形態２で説明するイオン注入法また
はイオンドーピング法を用いてもよい。
【００７３】
酸化物半導体層が形成される絶縁層に塩素を導入することで、該絶縁層中の水素を固定化
し、該絶縁層中から酸化物半導体層中への水素の拡散を防ぐことができる。また、該絶縁
層中に、塩素と同時に酸素を導入してもよい。なお、塩素等の導入は、該絶縁層と酸化物
半導体層との界面に与えるダメージが最小限となる条件で行うことが好ましい。
【００７４】
酸化物半導体層に用いる酸化物半導体としては、Ｉｎを含む金属酸化物、ＩｎとＧａを含
む金属酸化物などを用いることができる。その他にも、四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓ
ｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体や、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系
酸化物半導体、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半
導体、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓ
ｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体や、二元系金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物
半導体、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｚｎ−Ｍｇ−
Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体や、
Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｚｎ−Ｏ
系酸化物半導体などを用いることができる。また、上記酸化物半導体にＳｉＯ２を含んで
もよい。ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体とは、インジウム（Ｉｎ
）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）を有する酸化物、という意味であり、その組成比は
とくに問わない。
【００７５】
また、酸化物半導体層は、化学式ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される薄膜を
用いることができる。ここで、Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、ＭｎおよびＣｏから選ばれた一または
複数の金属元素を示す。例えばＭとして、Ｇａ、Ｇａ及びＡｌ、Ｇａ及びＭｎ、またはＧ
ａ及びＣｏなどがある。
【００７６】
本実施の形態では、酸化物半導体層としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物ターゲットを用
いてスパッタリング法により成膜する。また、酸化物半導体層は、希ガス（代表的にはア
ルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、又は希ガスと酸素の混合雰囲気下においてスパッタリ
ング法により形成することができる。
【００７７】
酸化物半導体層をスパッタリング法で作製するためのターゲットとしては、例えば、組成
比として、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１［ｍｏｌ数比］の酸化物ターゲ
ットを用い、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層を成膜する。また、このターゲットの材料及び組成
に限定されず、例えば、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ数比］の
酸化物ターゲットを用いてもよい。
【００７８】
また、酸化物半導体としてＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料を用いる場合、用いるターゲットの組
成比は、原子数比で、Ｉｎ：Ｚｎ＝５０：１〜１：２（モル数比に換算するとＩｎ２Ｏ３
：ＺｎＯ＝２５：１〜１：４）、好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝２０：１〜１：１（モル数比に
換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝２：１〜１０：１）、さらに好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝１
．５：１〜１５：１（モル数比に換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝３：４〜１５：２）と
する。例えば、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体の形成に用いるターゲットは、原子数比が
Ｉｎ：Ｚｎ：Ｏ＝Ｘ：Ｙ：Ｚのとき、Ｚ＞１．５Ｘ＋Ｙとする。
【００７９】
また、酸化物ターゲットの充填率は９０％以上１００％以下、好ましくは９５％以上９９
．９％以下である。充填率の高い金属酸化物ターゲットを用いることにより、成膜した酸
化物半導体は緻密な膜とすることができる。
【００８０】
酸化物半導体層を、成膜する際に用いるスパッタガスは水素、水、水酸基又は水素化物な
どの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。
【００８１】
酸化物半導体層の成膜は、減圧状態に保持された成膜室内に基板を保持し、基板温度を１
００℃以上６００℃以下好ましくは２００℃以上４００℃以下として行う。基板を加熱し
ながら成膜することにより、成膜した酸化物半導体層に含まれる不純物濃度を低減するこ
とができる。また、スパッタリングによる損傷が軽減される。そして、成膜室内の残留水
分を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入し、上記ターゲットを用い
て基板４００上に酸化物半導体層を成膜する。成膜室内の残留水分を除去するためには、
吸着型の真空ポンプ、例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーション
ポンプを用いることが好ましい。また、排気手段としては、ターボ分子ポンプにコールド
トラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例え
ば、水素原子、水（Ｈ２Ｏ）など水素原子を含む化合物（より好ましくは炭素原子を含む
化合物も）等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物半導体層に含まれる不純物
の濃度を低減できる。
【００８２】
成膜条件の一例としては、基板とターゲットの間との距離を１００ｍｍ、圧力０．６Ｐａ
、直流（ＤＣ）電源０．５ｋＷ、酸素（酸素流量比率１００％）雰囲気下の条件が適用さ
れる。なお、パルス直流電源を用いると、成膜時に発生する粉状物質（パーティクル、ご
みともいう）が軽減でき、膜厚分布も均一となるために好ましい。
【００８３】
次いで、第１の加熱処理を行う。この第１の加熱処理によって酸化物半導体層中の過剰な
水素（水や水酸基を含む）を除去（脱水化または脱水素化）し、酸化物半導体層の構造を
整え、エネルギーギャップ中の欠陥準位を低減することができる。また、酸化物半導体層
と、該酸化物半導体層が接する絶縁層との界面に生じた欠陥を低減することができる。
【００８４】
第１の加熱処理は、減圧雰囲気下、窒素や希ガスなどの不活性ガス雰囲気下、酸素ガス雰
囲気下、または超乾燥エア（ＣＲＤＳ（キャビティリングダウンレーザー分光法）方式の
露点計を用いて測定した場合の水分量が２０ｐｐｍ（露点換算で−５５℃）以下、好まし
くは１ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）雰囲気下で、２５０℃以上７５０
℃以下、または４００℃以上基板の歪み点未満の温度で行う。例えば、加熱処理装置の一
つである電気炉に基板を導入し、酸化物半導体層に対して窒素雰囲気下４５０℃において
１時間の加熱処理を行う。
【００８５】
なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱
輻射によって、被処理物を加熱する装置を備えていてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ
Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ  Ｒａｐｉｄ
Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎ
ｎｅａｌ）装置を用いることができる。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライ
ドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧
水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置
である。ＧＲＴＡ装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。高温のガスに
は、アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しな
い不活性ガスが用いられる。
【００８６】
例えば、第１の加熱処理として、６５０℃以上７００℃以下の高温に加熱した不活性ガス
中に基板を移動させて入れ、数分間加熱した後、基板を移動させて高温に加熱した不活性
ガス中から出すＧＲＴＡを行ってもよい。
【００８７】
加熱処理を、窒素または希ガスなどの不活性ガス、酸素、超乾燥エアのガス雰囲気下で行
なう場合は、これらの雰囲気に水、水素などが含まれないことが好ましい。また、加熱処
理装置に導入する窒素、酸素、または希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上好
ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは
０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
【００８８】
次いで、酸化物半導体層を第２のフォトリソグラフィ工程により島状の酸化物半導体層４
４１に加工する（図１（Ｂ）参照）。また、島状の酸化物半導体層４４１を形成するため
のレジストマスク４２０をインクジェット法で形成してもよい。レジストマスク４２０を
インクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる
。
【００８９】
また、ゲート絶縁層４０２にコンタクトホールを形成する場合、その工程は酸化物半導体
層の加工時に同時に行うことができる。
【００９０】
なお、ここでの酸化物半導体層のエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチン
グでもよく、両方を用いてもよい。例えば、酸化物半導体層のウェットエッチングに用い
るエッチング液としては、燐酸と酢酸と硝酸を混ぜた溶液などを用いることができる。ま
た、ＩＴＯ−０７Ｎ（関東化学社製）を用いてもよい。
【００９１】
続いて、酸素雰囲気下で行うアッシング処理により、酸化物半導体層４４１上に形成され
たレジストマスク４２０を分解除去する。アッシングは、オゾン等の酸素雰囲気下で紫外
線等の光を照射し、酸素とレジストマスクの化学反応を促進させて行う光励起アッシング
や、高周波電力等によりプラズマ化した酸素により分解除去を行うプラズマアッシングを
用いることができる。レジストマスクの除去をアッシングで行うことにより、酸化物半導
体層４４１に、水、水素、ハイドロカーボンがなるべく含まれないようにすることができ
る。
【００９２】
続いて、酸化物半導体層４４１に酸素４３０を導入する。酸素４３０の導入は、酸素プラ
ズマドープにより行うことができる。具体的には、高周波（ＲＦ）を用いて酸素４３０を
プラズマ化し、酸素ラジカル、酸素イオンを基板上の酸化物半導体層へ導入する。この時
、酸化物半導体層４４１が形成される基板にバイアスを印加すると好ましい。基板に印加
するバイアスを大きくすることで、より深くまで酸素４３０を導入することができる。
【００９３】
酸素プラズマドープにより、酸素４３０を酸化物半導体層４４１に供給して、酸化物半導
体層４４１中に、酸化物半導体の化学量論比を超えて（好ましくは２倍まで（２倍未満）
）酸素を含有させる。酸素の含有量を多くしすぎると、水素吸蔵合金（水素貯蔵合金）の
ように、かえって酸化物半導体層４４１が水素を取り込んでしまう恐れがあるためである
。なお、これは、単結晶の場合の酸素の数量をＹとして、Ｙを超える程度、好ましくは、
Ｙを超えて２Ｙまで、と表現することもできる。あるいは、酸素の含有量は、酸素ドープ
処理を行わない場合の酸化物半導体中の酸素の量Ｚを基準として、Ｚを超える程度、好ま
しくは、Ｚを超えて２Ｚまでとすることもできる。酸化物半導体層４４１にドープされる
酸素４３０は酸素ラジカル、酸素原子、及び／又は酸素イオンを含む。よって、酸化物半
導体において酸素の含有量は水素の含有量より大きくなる。
【００９４】
例えば、酸化物半導体層４４１の組成がＩｎＧａＺｎＯｘで表されるとすると、Ｉｎ：Ｇ
ａ：Ｚｎ＝１：１：１である酸化物の単結晶構造より導かれる化学式はＩｎＧａＺｎＯ４
であるから、ｘは４を越えて８までとなる酸素過剰領域を有する酸化物半導体層４４１を
形成する。同様に、酸化物半導体層４４１の組成がＩｎＧａＺｎ２Ｏｘで表されるとする
と、ｘは５を越えて１０までとなる酸素過剰領域を有する酸化物半導体層４４１を形成す
る。なお、酸素過剰領域は、酸化物半導体層の一部（界面も含む）に存在していればよい
。
【００９５】
なお、酸化物半導体層において、酸素は主たる成分材料の一つである。このため、酸化物
半導体層中の酸素濃度を、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃ
ｔｒｏｓｃｏｐｙ）などの方法を用いて、正確に見積もることは難しい。つまり、酸化物
半導体層に酸素が意図的に添加されたか否かを判別することは困難であるといえる。
【００９６】
ところで、酸素にはＯ１７やＯ１８といった同位体が存在し、自然界におけるこれらの存
在比率はそれぞれ酸素原子全体の０．０３７％、０．２０４％程度であることが知られて
いる。つまり、酸化物半導体層中におけるこれら同位体の濃度は、ＳＩＭＳなどの方法に
よって見積もることができる程度になるから、これらの濃度を測定することで、酸化物半
導体層中の酸素濃度をより正確に見積もることが可能な場合がある。よって、これらの濃
度を測定することで、酸化物半導体層に意図的に酸素が添加されたか否かを判別しても良
い。
【００９７】
例えば、Ｏ１８の濃度を基準に用いると、酸素が添加された領域における酸素の同位体の
濃度Ｄ１（Ｏ１８）と、酸素が添加されていない領域における酸素の同位体の濃度Ｄ２（
Ｏ１８）との間には、Ｄ１（Ｏ１８）＞Ｄ２（Ｏ１８）が成立する。
【００９８】
また、酸化物半導体層４４１に添加される（含まれる）酸素４３０の少なくとも一部は酸
素の不対結合手を酸化物半導体中で有することが好ましい。不対結合手を有することによ
り、層中に残存しうる水素と結合して、水素を固定化（非可動イオン化）することができ
るためである。
【００９９】
ドープされる酸素（酸素ラジカル、酸素原子、及び／又は酸素イオン）は、酸素を含むガ
スを用いてプラズマ発生装置により供給されてもよいし、又はオゾン発生装置により供給
されてもよい。より具体的には、例えば、半導体装置に対してエッチング処理を行うため
の装置や、レジストマスクに対してアッシングを行うための装置などを用いて酸素４３０
を発生させ、酸化物半導体層４４１を処理することができる。
【０１００】
ここで、図６を用いて、酸素プラズマドープを行うプラズマ装置（アッシング装置とも呼
ぶ）の一例について説明しておく。なお、この装置は、例えば第５世代以降の大型のガラ
ス基板などに対応することができる点で、イオン注入装置などよりも工業的に適している
。
【０１０１】
図６（Ａ）は、枚葉式マルチチャンバー設備の上面図である。図６（Ｂ）は、酸素プラズ
マドープを行うプラズマ装置（アッシング装置とも呼ぶ）の断面図を示している。
【０１０２】
図６（Ａ）に示す枚葉式マルチチャンバー設備は、図６（Ｂ）に示すプラズマ装置１０を
３つ有し、被処理基板を収容するカセットポート１４を３つ有する基板供給室１１や、ロ
ードロック室１２や、搬送室１３などを有している。基板供給室に供給された基板は、ロ
ードロック室１２と搬送室１３を介してプラズマ装置１０内の真空チャンバー１５に搬送
されて酸素プラズマドープが行われる。酸素プラズマドープが終了した基板は、プラズマ
装置からロードロック室と搬送室を介して基板供給室に搬送される。なお、基板供給室１
１及び搬送室１３には、被処理基板を搬送するための搬送ロボットがそれぞれ配置されて
いる。
【０１０３】
図６（Ｂ）を参照すると、プラズマ装置１０は、真空チャンバー１５を備える。真空チャ
ンバー１５の上部には、複数のガス吹き出し口と、プラズマ発生源であるＩＣＰコイル１
６（誘導結合プラズマコイル）が配置されている。
【０１０４】
ガス吹き出し口は、プラズマ装置１０の上面から見て中央部分に１２個配置されている。
それぞれのガス吹き出し口は、酸素ガスを供給するためのガス供給源とガス流路１７を介
して接続されており、ガス供給源は、マスフローコントローラ等を備え、所望の流量（０
より多く１０００ｓｃｃｍ以下）でガス流路１７に対して酸素ガスを供給することができ
る。ガス供給源から供給される酸素ガスは、ガス流路１７から１２個のガス吹き出し口を
介して真空チャンバー１５内に供給される。
【０１０５】
ＩＣＰコイル１６は、複数本の帯状の導体を螺旋状に配置してなる。各導体の一端は、イ
ンピーダンス調整のためのマッチング回路を介して第１の高周波電源１８（１３．５６Ｍ
Ｈｚ）に電気的に接続され、他端は接地されている。
【０１０６】
真空チャンバーの下部には、下部電極として機能する基板ステージ１９が配置されている
。基板ステージ１９に設けられた静電チャックなどにより、基板ステージ上に被処理基板
２０が着脱可能に保持される。基板ステージ１９には、加熱機構としてヒータ、冷却機構
としてＨｅガス流路を備えている。基板ステージは、基板バイアス電圧印加用の第２の高
周波電源２１（３．２ＭＨｚ）に接続されている。
【０１０７】
また、真空チャンバー１５には、排気口が設けられ、自動圧力制御弁２２（ａｕｔｏｍａ
ｔｉｃ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｖａｌｖｅ、ＡＰＣとも呼ぶ）が備えられ
る。ＡＰＣはターボ分子ポンプ２３に接続され、さらにターボ分子ポンプ２３を介してド
ライポンプ２４に接続される。ＡＰＣは真空チャンバー内の圧力制御を行い、ターボ分子
ポンプ２３及びドライポンプ２４は、真空チャンバー１５内を減圧する。
【０１０８】
次に、図６（Ｂ）に示す真空チャンバー１５内にプラズマを発生させ、被処理基板２０に
設けられている酸化物半導体層に酸素プラズマドープを行う一例を示す。
【０１０９】
まず、ターボ分子ポンプ２３及びドライポンプ２４などを作動させて、真空チャンバー１
５内を所望の圧力に保持した後、被処理基板２０を真空チャンバー１５内の基板ステージ
に設置する。なお、基板ステージに保持する被処理基板２０には少なくとも酸化物半導体
層を備えるものとする。本実施の形態では、真空チャンバー１５内の圧力を１．３３Ｐａ
に保持する。なお、酸素ガスをガス吹き出し口から真空チャンバー１５内に供給する流量
を２５０ｓｃｃｍに設定する。
【０１１０】
次いで、第１の高周波電源１８からＩＣＰコイル１６に高周波電力を印加し、プラズマを
発生させる。そして、プラズマを発生させた状態を一定時間（３０秒以上６００秒以下）
維持する。なお、ＩＣＰコイル１６に印加する高周波電力は、１ｋＷ以上１０ｋＷ以下と
する。本実施の形態では、６０００Ｗとする。この際、第２の高周波電源２１から基板ス
テージに基板バイアス電圧を印加してもよい。本実施の形態では１０００Ｗとする。
【０１１１】
本実施の形態では、プラズマを発生させた状態を６０秒維持した後、被処理基板２０を真
空チャンバー１５から搬出する。こうして、被処理基板２０に設けられている酸化物半導
体層に酸素プラズマドープを行うことができる。
【０１１２】
また、酸素４３０の導入は、実施の形態２で説明するイオン注入法またはイオンドーピン
グ法を用いてもよい。
【０１１３】
なお、酸化物半導体層への酸素の導入を酸素プラズマドープで行う場合は、レジストマス
クの除去と酸素プラズマドープを、同一の真空チャンバー内で途切れることなく連続して
行うことができる。すなわち、大気に触れることなく連続して行うことができる。また、
真空チャンバー内の雰囲気中に、分解除去されたレジストマスクの構成成分が残留してい
る可能性が考えられる。雰囲気中の残留成分を除去するため、レジストマスクの除去後、
酸素プラズマドープを行う前に、一旦酸素プラズマの生成を停止し、被処理基板が配置さ
れた真空チャンバーに対して、不活性ガスまたは酸素ガスの充填と排気を１回以上行うと
好ましい。
【０１１４】
また、酸化物半導体層４４１上に形成されたレジストマスク４２０の除去と、酸化物半導
体層４４１への酸素４３０の導入を、異なる真空チャンバーもしくは異なる装置で行う場
合は、被処理基板の移動中に酸化物半導体層４４１が大気に触れることの無いように、被
処理基板の周囲の雰囲気を減圧雰囲気、不活性ガス雰囲気、または酸素ガス雰囲気として
移動させる。このようにすることで、酸化物半導体層４４１の表面への水、水素、ハイド
ロカーボンなどの不純物の付着を防ぎ、酸素４３０導入時の酸化物半導体中への不純物混
入を防ぐことができる（図１（Ｃ）参照）。
【０１１５】
酸化物半導体層４４１に酸素４３０を導入することで、酸素が過剰に導入された酸化物半
導体層４４１が形成される。酸素の電気陰性度は３．０と、電気陰性度が約２．０である
酸化物半導体層中の金属（Ｚｎ、Ｇａ、Ｉｎ）よりも大きいため、水素に対して酸素を過
剰に含有させることで、Ｍ−Ｈ結合より水素原子を奪い、ＯＨ基を形成する。なお、この
ＯＨ基は、Ｍと結合してＭ−Ｏ−Ｈ基を形成しうる。
【０１１６】
すなわち、酸素の導入により、酸化物半導体を構成している金属と水素の間の結合、或い
は該金属と水酸基の間の結合を切断するとともに、これら水素、または水酸基が、酸素と
反応することで水を生成する。特に不対結合手を有する酸素は、酸化物半導体中に残存す
る水素と容易に反応し、水を生成しやすい。よって、後に行われる第２の加熱処理により
、不純物である水素、または水酸基を、水として、脱離させやすくすることができる。
【０１１７】
酸化物半導体層４４１に酸素４３０を導入した後、大気に触れることなく連続して減圧雰
囲気下、不活性ガス雰囲気下、または酸素ガス雰囲気下で第２の加熱処理（好ましくは２
００℃以上６００℃以下、例えば２５０℃以上５５０℃以下）を行う。例えば、窒素雰囲
気下で４５０℃、１時間の第２の加熱処理を行う。なお、上記雰囲気に水、水素などが含
まれないことが好ましい。
【０１１８】
以上の工程を経ることによって、酸素４３０の導入及び加熱処理によって、酸化物半導体
層の脱水化または脱水素化を行うことができ、第１の加熱処理で除去しきれなかった水素
、水分、水酸基又は水素化物（「水素化合物」ともいう）などの水素分子を含む不純物を
酸化物半導体層４４１中から排除することができる。また、酸化物半導体層と、該酸化物
半導体層が接する絶縁層との界面に生じた欠陥を低減することができる。このようにして
、酸化物半導体層４４１を、高純度化することができる。
【０１１９】
次いで、ゲート絶縁層４０２、及び酸化物半導体層４０３上に、ソース電極層４０５ａ及
びドレイン電極層４０５ｂ（これと同じ層で形成される配線を含む）となる導電層を形成
する。ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂに用いる導電層としては、例
えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｇからから選ばれた元素を含む金属
材料又はこれらを主成分とする合金材料や、上述した元素を成分とする金属窒化物（窒化
チタン、窒化モリブデン、窒化タングステン）等を単層又は積層して用いることができる
。また、Ａｌ、Ｃｕなどの金属層の下側又は上側の一方または双方にＴｉ、Ｍｏ、Ｗなど
の高融点金属またはそれらの金属窒化物（窒化チタン、窒化モリブデン、窒化タングステ
ン）を積層させた構成としても良い。また、ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層
４０５ｂに用いる導電層としては、導電性の金属酸化物で形成しても良い。導電性の金属
酸化物としては酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（Ｚｎ
Ｏ）、酸化インジウム酸化スズ合金（Ｉｎ２Ｏ３―ＳｎＯ２、ＩＴＯと略記する）、酸化
インジウム酸化亜鉛合金（Ｉｎ２Ｏ３―ＺｎＯ）またはこれらの金属酸化物材料に酸化シ
リコンを含ませたものを用いることができる。
【０１２０】
第３のフォトリソグラフィ工程により導電層上にレジストマスクを形成し、該導電層を選
択的にエッチングしてソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂを形成した後、レ
ジストマスクを除去する。
【０１２１】
なお、トランジスタ４１０のチャネル長Ｌは、酸化物半導体層４０３に接するソース電極
層４０５ａとドレイン電極層４０５ｂの間隔幅によって決定される（図１（Ｅ）参照）。
【０１２２】
また、フォトリソグラフィ工程で用いるフォトマスク数及び工程数を削減するため、透過
した光が複数の強度となる露光マスクである多階調マスクによって形成されたレジストマ
スクを用いてエッチング工程を行ってもよい。多階調マスクを用いて形成したレジストマ
スクは複数の膜厚を有する形状となり、エッチングを行うことでさらに形状を変形するこ
とができるため、異なるパターンに加工する複数のエッチング工程に用いることができる
。よって、一枚の多階調マスクによって、少なくとも二種類以上の異なるパターンに対応
するレジストマスクを形成することができる。よって露光マスク数を削減することができ
、対応するフォトリソグラフィ工程も削減できるため、工程の簡略化が可能となる。
【０１２３】
なお、導電層のエッチングの際に、酸化物半導体層４０３がエッチングされ、分断するこ
とのないようエッチング条件を最適化することが望まれる。しかしながら、導電層のみを
エッチングし、酸化物半導体層４０３を全くエッチングしないという条件を得ることは難
しく、導電層のエッチングの際に酸化物半導体層４０３は一部のみがエッチングされ、溝
部（凹部）を有する酸化物半導体層となることもある。
【０１２４】
本実施の形態では、導電層としてＴｉを用い、酸化物半導体層にはＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ
系酸化物半導体を用いたので、導電層のエッチャントとしてアンモニア過水（３１重量％
過酸化水素水、２８重量％アンモニア水、水を体積比で２：１：１の比率で混合した水溶
液）を用いると良い。
【０１２５】
次いで、酸化物半導体層４０３の一部に接し、ソース電極層４０５ａとドレイン電極層４
０５ｂの上に絶縁層４０７を形成する。（図１（Ｄ）参照）。
【０１２６】
絶縁層４０７は、少なくとも１ｎｍ以上の膜厚とし、スパッタリング法など、絶縁層４０
７に水、水素等の不純物を混入させない方法を適宜用いて形成することができる。絶縁層
４０７の形成方法に特に限定はなく、例えば、プラズマＣＶＤ法やスパッタリング法など
の成膜方法を用いて作製することができる。なお、水素や水などが混入しにくいという点
では、スパッタリング法が好適である。絶縁層４０７に水素が含まれると、その水素の酸
化物半導体層への侵入、又は水素による酸化物半導体層中の酸素の引き抜きが生じ酸化物
半導体層のバックチャネル（半導体層のゲート電極層から遠い側の領域。トランジスタ４
１０では、酸化物半導体層４０３中における、絶縁層４０７との界面近傍の領域）が低抵
抗化（Ｎ型化）してしまい、寄生チャネルが形成されるおそれがある。従って、絶縁層４
０７は、水素及び水素を含む不純物が含まれない手段を用いて成膜することが重要である
。
【０１２７】
絶縁層４０７としては、代表的には酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化ハフニウム、
酸化アルミニウム、酸化ガリウムなどの無機絶縁材料を用いることができる。酸化ガリウ
ムは帯電しにくい材料であるため、絶縁層のチャージアップによるしきい値電圧の変動を
抑えることができる。なお、絶縁層４０７として、または、絶縁層４０７と積層して、酸
化物半導体と同種の成分でなる金属酸化物層を形成してもよい。
【０１２８】
本実施の形態では、絶縁層４０７として膜厚２００ｎｍの酸化シリコンをスパッタリング
法を用いて成膜する。成膜時の基板温度は、室温以上３００℃以下とすればよく、本実施
の形態では１００℃とする。酸化シリコン層のスパッタリング法による成膜は、希ガス（
代表的にはアルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、または希ガスと酸素の混合雰囲気下にお
いて行うことができる。また、ターゲットには、酸化シリコンまたはシリコンを用いるこ
とができる。例えば、シリコンをターゲットに用いて、酸素を含む雰囲気下でスパッタを
行うと酸化シリコンを形成することができる。
【０１２９】
酸化物半導体や、絶縁層４０７の成膜時における成膜室内の残留水分を除去するためには
、吸着型の真空ポンプ（クライオポンプなど）を用いることが好ましい。クライオポンプ
を用いて排気した成膜室で成膜した絶縁層４０７は、絶縁層４０７中に含まれる不純物の
濃度を低減することができる。また、絶縁層４０７の成膜室内の残留水分を除去するため
の排気手段としては、ターボ分子ポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい
。
【０１３０】
絶縁層４０７を成膜する際に用いるスパッタガスは水素、水、水酸基又は水素化物などの
不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。
【０１３１】
次いで、減圧雰囲気下、不活性ガス雰囲気下、酸素ガス雰囲気下、または超乾燥エア雰囲
気下で第３の加熱処理（好ましくは２００℃以上６００℃以下、例えば２５０℃以上５５
０℃以下）を行ってもよい。例えば、窒素雰囲気下で４５０℃、１時間の第３の加熱処理
を行ってもよい。第３の加熱処理を行うと、酸化物半導体層の一部（チャネル形成領域）
は絶縁層４０７と接した状態で昇温される。なお、上記雰囲気に水、水素などが含まれな
いことが好ましい。
【０１３２】
酸化物半導体層と酸素を含む絶縁層４０７とを接した状態で熱処理を行うと、酸素を含む
絶縁層４０７より酸素をさらに酸化物半導体層へ供給することができる。
【０１３３】
以上の工程でトランジスタ４１０が形成される。トランジスタ４１０は、水素、水分、水
酸基又は水素化物（水素化合物ともいう）などの不純物を酸化物半導体層より意図的に排
除し、高純度化された酸化物半導体層４０３を含むトランジスタである。
【０１３４】
絶縁層４０７上にさらに保護絶縁層４０９を形成してもよい。例えば、プラズマＣＶＤ法
やスパッタリング法等を用いて窒化シリコン層を形成する。保護絶縁層４０９には、水分
などの不純物をほとんど含まず、更にこれらの外部からの侵入を防ぐことのできる無機絶
縁物である窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなどを用いると良い。本
実施の形態では、保護絶縁層４０９に窒化シリコン層を用いる（図１（Ｅ）参照）。
【０１３５】
保護絶縁層４０９に用いる窒化シリコン層は、絶縁層４０７まで形成された基板４００を
１００℃以上４００℃以下の温度に加熱し、水素及び水分が除去された高純度窒素を含む
スパッタガスを導入し、シリコンのターゲットを用いて成膜する。この場合においても、
絶縁層４０７と同様に、処理室内の残留水分を除去しつつ保護絶縁層４０９を成膜するこ
とが好ましい。
【０１３６】
トランジスタ４１０の形成後、さらに大気中で１００℃以上２００℃以下、１時間以上３
０時間以下での加熱処理を行ってもよい。この加熱処理は一定の加熱温度を保持して加熱
してもよいし、室温から加熱温度への昇温と加熱温度から室温までの降温を１サイクルと
する処理を複数回繰り返して行ってもよい。
【０１３７】
また、第１の加熱処理を行わず、第２の加熱処理を第１の加熱処理の条件で行ってもよい
。ただし、この場合は、減圧雰囲気下、不活性ガス雰囲気下、または酸素ガス雰囲気下で
行う。
【０１３８】
図５（Ａ）に、トランジスタ４１０にバックゲート電極層４１１を形成した構成例を示す
。バックゲート電極層４１１は、ゲート電極層とバックゲート電極層４１１で半導体層の
チャネル形成領域を挟むように配置される。バックゲート電極層４１１は導電層で形成さ
れ、ゲート電極層と同様に機能させることができる。また、バックゲート電極層の電位を
変化させることで、トランジスタのしきい値電圧を変化させることができる。
【０１３９】
バックゲート電極層４１１は、ゲート電極層４０１、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電
極層４０５ｂなどと同様の材料及び方法により形成することができる。
【０１４０】
図５（Ａ）において、バックゲート電極層４１１は、酸化物半導体層４０３のチャネル形
成領域上に、絶縁層４０７及び保護絶縁層４０９を介して形成されている。図５（Ａ）は
、バックゲート電極層４１１を保護絶縁層４０９上に形成する例を示しているが、バック
ゲート電極層４１１は、絶縁層４０７と保護絶縁層４０９の間に形成してもよい。
【０１４１】
本実施の形態の半導体層に用いる酸化物半導体は、ドナーとなる性質を持つ水素を酸化物
半導体から極力除去し、酸化物半導体の主成分以外の不純物が極力含まれないように高純
度化したものである。従って、上述のトランジスタに用いられる酸化物半導体層は、高純
度化した酸化物半導体層である。
【０１４２】
また、ｉ型化された酸化物半導体中にはキャリアが極めて少なく（ゼロに近い）、キャリ
ア濃度は１×１０１４／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１２／ｃｍ３未満、さらに好ま
しくは１×１０１１／ｃｍ３未満とすることができる。
【０１４３】
酸化物半導体中にキャリアが極めて少ないため、トランジスタのオフ電流を少なくするこ
とができる。オフ電流は少なければ少ないほど好ましい。
【０１４４】
具体的には、上述の酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、チャネル
幅１μｍあたりのオフ電流を室温下において１０ａＡ（１×１０−１７Ａ／μｍ）以下に
すること、さらには、１ａＡ（１×１０−１８Ａ／μｍ）以下、さらには１ｚＡ（１×１
０−２１Ａ／μｍ）以下、さらには１ｙＡ（１×１０−２４Ａ／μｍ）以下にすることが
可能である。
【０１４５】
また、上述の酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、オン電流の温度
依存性がほとんど見られず、オフ電流の変化も非常に小さい。
【０１４６】
また、上述の酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、バイアス−熱ス
トレス試験（ＢＴ試験）前後においてもトランジスタのしきい値電圧の変化量が低減でき
、信頼性の高いトランジスタとすることができる。
【０１４７】
また、上述の酸化物半導体を用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られ
るため、高速駆動が可能である。よって、表示機能を有する半導体装置の画素部に上記ト
ランジスタを用いることで、高画質な画像を提供することができる。また、同一基板上に
駆動回路部または画素部を作り分けて作製することが可能となるため、半導体装置の部品
点数を削減することができる。
【０１４８】
以上のように、安定した電気的特性を有する酸化物半導体を用いた半導体装置を提供する
ことができる。よって、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０１４９】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１５０】
（実施の形態２）
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の他の一形態を図２及び図５を
用いて説明する。実施の形態１と同一部分又は同様な機能を有する部分、及び工程は、実
施の形態１と同様に行うことができ、本実施の形態での繰り返しの説明は省略する。なお
、同じ箇所の詳細な説明も省略する。
【０１５１】
図２（Ｅ）に示すトランジスタ４５０は、基板４００上に、ゲート電極層４０１、ゲート
絶縁層４０２、酸化物半導体層４０３、チャネル保護層４０６、ソース電極層４０５ａ、
ドレイン電極層４０５ｂを有している。トランジスタ４５０上に保護絶縁層４０９が形成
されている。また、トランジスタ４１０と同様に、絶縁層４０７を設けてもよい。トラン
ジスタ４５０は、チャネル保護型（チャネルストップ型ともいう）と呼ばれるボトムゲー
ト構造の一つであり、逆スタガ型トランジスタの一つでもある。
【０１５２】
図２（Ａ）乃至（Ｅ）にトランジスタ４５０の作製方法の一例を示す。
【０１５３】
まず、基板４００上に、第１のフォトリソグラフィ工程によりゲート電極層４０１を形成
する。続いて、ゲート電極層４０１上にゲート絶縁層４０２を形成する（図２（Ａ）参照
）。実施の形態１と同様に、下地層を基板４００とゲート電極層４０１との間に設けても
よい。
【０１５４】
次いで、ゲート絶縁層４０２上に、膜厚２ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以
上３０ｎｍ以下の酸化物半導体層を形成し、酸化物半導体層上にキャップ層を成膜する。
【０１５５】
なお、実施の形態１と同様に、酸化物半導体層の成膜前に、酸化物半導体層が形成される
絶縁層に対して、塩素、または塩素と酸素を導入してもよい。
【０１５６】
酸化物半導体層とキャップ層の成膜は、酸化物半導体層とキャップ層の界面を大気に触れ
させることなく、連続して行うことが好ましい。大気に触れず連続して成膜することで、
酸化物半導体層とキャップ層の界面に、水、水素、ハイドロカーボンなどの不純物が付着
することを防ぐ。
【０１５７】
本実施の形態では、酸化物半導体層としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物ターゲットを用
いてスパッタリング法により成膜する。酸化物半導体層上に成膜するキャップ層は、ゲー
ト絶縁層４０２と同様の材料及び方法により成膜することができる。酸化物半導体層上に
成膜するキャップ層は、膜厚１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下が好ましい。なお、キャップ層
として酸化物半導体と同種の成分でなる金属酸化物を用いてもよい。キャップ層として酸
化物半導体と同種の成分でなる金属酸化物を用いることで、該金属酸化物と酸化物半導体
との界面及びその近傍への水素イオンの蓄積を抑制または防止することができる。具体的
には、金属酸化物として、酸化物半導体の構成元素から選択される一または複数の金属元
素の酸化物を含む材料を用いるのが好ましい。
【０１５８】
なお、該金属酸化物としては、酸化ガリウムを用いるのが好ましい。酸化ガリウムは、バ
ンドギャップ（Ｅｇ）が大きいので、酸化ガリウムによって酸化物半導体層を挟むことで
、酸化物半導体層と金属酸化物層との界面において、エネルギー障壁が形成され、その界
面においてキャリアの移動は妨げられる。したがって、キャリアは酸化物半導体から金属
酸化物に移動することなく、主として、酸化物半導体層中を移動する。一方、水素イオン
は、酸化物半導体層と金属酸化物層との界面を通過して、例えば、酸化物半導体層と接す
る面と対向する面近傍に蓄積される。その付近はキャリアの流れる領域からは離れている
ため、トランジスタのしきい値電圧への影響を与えない、またはその影響が極めて少ない
。なお、酸化ガリウムとＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料を接触させた場合のエネルギー障
壁は、伝導帯側で約０．８ｅＶとなり、価電子帯側で約０．９ｅＶとなる。
【０１５９】
次いで、酸化物半導体層に第１の加熱処理を行う。この第１の加熱処理によって酸化物半
導体層の脱水化または脱水素化を行うことができる。また、酸化物半導体層と、該酸化物
半導体層が接する絶縁層との界面に生じた欠陥を低減することができる。第１の加熱処理
は、実施の形態１と同様の条件及び方法で行うことができる。
【０１６０】
次いで、第２のフォトリソグラフィ工程により、酸化物半導体層及びキャップ層を、島状
の酸化物半導体層４４１とキャップ層４０４に加工する（図２（Ｂ）参照）。酸化物半導
体層及びキャップ層のエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよく
、両方を用いてもよい。例えば、ドライエッチングでキャップ層４０４を形成し、その後
ウェットエッチングにより酸化物半導体層４４１を形成してもよい。
【０１６１】
続いて、酸素雰囲気下で行うアッシング処理により、キャップ層４０４上に形成されたレ
ジストマスク４２０を分解除去する。
【０１６２】
レジストマスク除去後、キャップ層４０４を通過させて酸化物半導体層４４１に酸素４３
０を導入する。酸素４３０の導入は、イオン注入法またはイオンドーピング法を用いるこ
とができる。また、実施の形態１で説明した酸素プラズマドープにより行ってもよい。酸
化物半導体層４４１への酸素４３０の導入を、酸化物半導体層４４１に積層されたキャッ
プ層４０４を通過して行うことで、酸素４３０の導入における酸化物半導体層４４１への
過剰なダメージを軽減することができる。また、酸素の導入深さ（導入領域）が制御し易
くなり、酸化物半導体層４４１中へ酸素を効率よく導入することができる。
【０１６３】
なお、キャップ層４０４に酸化ガリウムを用いると、酸素４３０導入時のチャージアップ
が緩和され、酸化物半導体層４４１への過剰なダメージをさらに軽減することができる。
【０１６４】
また、レジストマスク除去の工程と、酸化物半導体層４４１へ酸素４３０を導入する工程
を、途中で大気に触れることなく減圧雰囲気下、不活性ガス雰囲気下、または酸素ガス雰
囲気下で連続して行うことで、キャップ層４０４の表面に水、水素、ハイドロカーボンな
どの不純物の付着を防ぎ、酸素４３０導入時のイオン衝撃による酸化物半導体中への不純
物混入を防ぐことができる（図２（Ｃ）参照）。また、上記雰囲気に水、水素などが含ま
れないことが好ましい。
【０１６５】
イオン注入法は、ソースガスをプラズマ化し、このプラズマに含まれるイオン種を引き出
し、質量分離して、所定の質量を有するイオン種を加速して、イオンビームとして、被処
理物に注入する方法である。また、イオンドーピング法は、ソースガスをプラズマ化し、
所定の電界の作用によりプラズマからイオン種を引き出し、引き出したイオン種を質量分
離せずに加速して、イオンビームとして被処理物に注入する方法である。質量分離を伴う
イオン注入法を用いて酸素の導入を行うことで、金属元素等の不純物が酸素と共に酸化物
半導体層に導入されてしまうのを防ぐことができる。また、イオンドーピング法はイオン
注入法に比べてイオンビームの照射される面積を大きくすることができるので、イオンド
ーピング法を用いて酸素の導入を行うことで、タクトタイムを短縮することができる。
【０１６６】
酸素の導入深さ（導入領域）や濃度は、加速電圧、ドーズ量などの導入条件や、キャップ
層の厚さを適宜設定して制御することができる。例えば、酸素ガスを用いて、イオン注入
法で酸素の導入を行う場合、ドーズ量を１×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上５×１０１５
ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下とすればよい。酸化物半導体層４４１中における導入された酸素の
ピーク濃度は、１×１０１８／ｃｍ３以上３×１０２０／ｃｍ３以下（好ましくは１×１
０１８／ｃｍ３以上１×１０２０／ｃｍ３以下）とすることが好ましい。
【０１６７】
特に酸化物半導体層のチャネル形成領域における、水素、水、水酸基又は水素化物などの
不純物を排除することが重要である。このため、導入された酸素のピーク濃度位置が、酸
化物半導体層４４１中における、酸化物半導体層４４１とゲート絶縁層４０２の界面付近
となるように設定することが好ましい。
【０１６８】
次いで、酸化物半導体層４４１に第２の加熱処理を行う。酸化物半導体層４４１へ酸素を
導入する工程と、第２の加熱処理は、途中で大気に触れることなく減圧雰囲気下、不活性
ガス雰囲気下、または酸素ガス雰囲気下で連続して行うことが好ましい。この第２の加熱
処理によって酸化物半導体層４４１の脱水化または脱水素化を行うことができる。また、
酸化物半導体層と、該酸化物半導体層が接する絶縁層との界面に生じた欠陥を低減するこ
とができる。なお、第２の加熱処理は、実施の形態１と同様の条件及び方法で行うことが
できる。
【０１６９】
酸素の導入及び加熱処理によって、酸化物半導体層の脱水化または脱水素化を行うことが
でき、酸化物半導体層から水素、水分、水酸基又は水素化物などの不純物を排除すること
ができる。このようにして、酸化物半導体層４４１を高純度化して、酸化物半導体層４０
３を得ることができる。
【０１７０】
なお、第２の加熱処理に代えて、酸化物半導体層４４１への酸素４３０の導入と並行して
、酸化物半導体層４４１が形成された基板に対して、２５０℃以上７００℃以下（若しく
はガラス基板の歪点以下の温度）の範囲で、加熱処理を行うようにしても良い。
【０１７１】
次いで、キャップ層４０４を第３のフォトリソグラフィ工程により加工し、酸化物半導体
層４０３のチャネル形成領域を覆うチャネル保護層４０６を形成する。なお、キャップ層
４０４の加工時に、加工の条件によっては酸化物半導体層４０３の一部も除去される場合
がある。この場合、チャネル保護層４０６に覆われていない酸化物半導体層４０３の領域
の膜厚は薄くなる。
【０１７２】
なお、トランジスタ４５０のチャネル長Ｌは、キャリアの流れる方向と平行な方向で、酸
化物半導体層４０３と接するチャネル保護層４０６の幅で定義される（図２（Ｅ）参照）
。
【０１７３】
次いで、酸化物半導体層４０３及びチャネル保護層４０６上に導電層を形成した後、第４
のフォトリソグラフィ工程により、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂを形
成する。ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂは、実施の形態１で説明し
たソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂと同様の材料及び方法で形成する
ことができる。
【０１７４】
以上の工程でトランジスタ４５０が形成される。トランジスタ４５０は、水素、水分、水
酸基又は水素化物（水素化合物ともいう）などの不純物を酸化物半導体層より意図的に排
除し、高純度化された酸化物半導体層４０３を含むトランジスタである。よって、トラン
ジスタ４５０は、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。
【０１７５】
チャネル保護層４０６、ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂ上にさらに
水分や水素などの不純物が酸化物半導体層４０３に再混入しないように、これらが外部か
ら侵入することをブロックする保護絶縁層４０９を形成することが好ましい（図２（Ｅ）
参照）。保護絶縁層４０９は、実施の形態１と同様に形成することができる。
【０１７６】
また、保護絶縁層４０９として、または、保護絶縁層４０９と積層して、酸化ガリウムを
形成してもよい。酸化ガリウムは帯電しにくい材料であるため、絶縁層のチャージアップ
によるしきい値電圧の変動を抑えることができる。
【０１７７】
トランジスタ４５０の形成後、さらに大気中で１００℃以上２００℃以下、１時間以上３
０時間以下での加熱処理を行ってもよい。この加熱処理は一定の加熱温度を保持して加熱
してもよいし、室温から加熱温度への昇温と加熱温度から室温までの降温を１サイクルと
する処理を複数回繰り返して行ってもよい。
【０１７８】
また、第１の加熱処理を行わず、第２の加熱処理を第１の加熱処理の条件で行ってもよい
。ただし、この場合は、減圧雰囲気下、不活性ガス雰囲気下、または酸素ガス雰囲気下で
行う。
【０１７９】
図５（Ｂ）に、トランジスタ４５０にバックゲート電極層４１１を形成した構成例を示す
。バックゲート電極層４１１は、酸化物半導体層４０３のチャネル形成領域上に、保護絶
縁層４０９を介して形成されている。図５（Ｂ）は、バックゲート電極層４１１を保護絶
縁層４０９上に形成する例を示しているが、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４
０５ｂと同じ層を用いて、チャネル保護層４０６上にバックゲート電極層４１１を形成し
てもよい。バックゲート電極層４１１の電位を変化させることで、トランジスタのしきい
値電圧を変化させることができる。
【０１８０】
上述の酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、オン電流の温度依存性
がほとんど見られず、オフ電流の変化も非常に小さい。
【０１８１】
また、上述の酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、バイアス−熱ス
トレス試験（ＢＴ試験）前後においてもトランジスタのしきい値電圧の変化量が低減でき
、信頼性の高いトランジスタとすることができる。
【０１８２】
また、上述の酸化物半導体を用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られ
るため、高速駆動が可能である。よって、表示機能を有する半導体装置の画素部に上記ト
ランジスタを用いることで、高画質な画像を提供することができる。また、同一基板上に
駆動回路部または画素部を作り分けて作製することが可能となるため、半導体装置の部品
点数を削減することができる。
【０１８３】
以上のように、安定した電気的特性を有する酸化物半導体を用いた半導体装置を提供する
ことができる。よって、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０１８４】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１８５】
（実施の形態３）
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の他の一形態を図３及び図５を
用いて説明する。上記実施の形態と同一部分又は同様な機能を有する部分、及び工程は、
上記実施の形態と同様に行うことができ、本実施の形態での繰り返しの説明は省略する。
なお、同じ箇所の詳細な説明も省略する。
【０１８６】
図３（Ｅ）に示すトランジスタ４６０は、基板４００上に、ソース電極層４０５ａ、及び
ドレイン電極層４０５ｂ、酸化物半導体層４０３、ゲート絶縁層４０２、ゲート電極層４
０１を有している。基板４００と酸化物半導体層４０３の間には、下地層４３６が形成さ
れている。トランジスタ４６０上には、保護絶縁層４０９が形成されている。また、酸化
物半導体層４０３上にキャップ層４０４が形成されている。キャップ層４０４はゲート絶
縁層としても機能する。トランジスタ４６０は、トップゲート構造の一つであり順スタガ
型トランジスタともいう。
【０１８７】
図３（Ａ）乃至（Ｅ）にトランジスタ４６０の作製方法の一例を示す。
【０１８８】
まず、基板４００上に、下地層４３６を成膜する。下地層４３６は、実施の形態１で説明
した下地層と同様に形成することができる。また、下地層４３６として、酸化物半導体と
同種の成分でなる金属酸化物を用いることで、該金属酸化物と酸化物半導体との界面及び
その近傍への水素イオンの蓄積を抑制または防止することができる。具体的には、金属酸
化物として、酸化物半導体の構成元素から選択される一または複数の金属元素の酸化物を
含む材料を用いるのが好ましい。
【０１８９】
次いで、下地層４３６上に導電層を形成した後、第１のフォトリソグラフィ工程により、
ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂを形成する。ソース電極層４０５ａ
、及びドレイン電極層４０５ｂは、実施の形態１で説明したソース電極層４０５ａ、及び
ドレイン電極層４０５ｂと同様の材料及び方法で形成することができる（図３（Ａ）参照
）。
【０１９０】
第１のフォトリソグラフィ工程でのレジストマスク形成時の露光には、紫外線やＫｒＦレ
ーザ光やＡｒＦレーザ光を用いるとよい。酸化物半導体層４０３に接するソース電極層４
０５ａとドレイン電極層４０５ｂの間隔幅によって、トランジスタ４６０のチャネル長Ｌ
が決定される（図３（Ｅ）参照）。なお、チャネル長Ｌ＝２５ｎｍ未満の露光を行う場合
には、数ｎｍ以上数１０ｎｍ以下と極めて波長が短い超紫外線（Ｅｘｔｒｅｍｅ  Ｕｌｔ
ｒａｖｉｏｌｅｔ）を用いて第３のフォトリソグラフィ工程でのレジストマスク形成時の
露光を行うとよい。超紫外線による露光は、解像度が高く焦点深度も大きい。従って、後
に形成されるトランジスタのチャネル長Ｌを１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることも
可能であり、回路の動作速度を高速化できる。
【０１９１】
次いで、下地層４３６と、ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂ上に、膜
厚２ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上３０ｎｍ以下の酸化物半導体層を形
成し、酸化物半導体層上にキャップ層を成膜する。酸化物半導体層とキャップ層の成膜は
、酸化物半導体層とキャップ層の界面を大気に触れさせることなく、連続して行うことが
好ましい。大気に触れず連続して成膜することで、酸化物半導体層とキャップ層の界面に
、水、水素、ハイドロカーボンなどの不純物が付着することを防ぐ。
【０１９２】
なお、実施の形態１と同様に、酸化物半導体層の成膜前に、酸化物半導体層が形成される
絶縁層（本実施の形態では下地層４３６に相当する）に対して、塩素、または塩素と酸素
を導入してもよい。塩素、または塩素と酸素の導入は、酸化物半導体層の成膜前であれば
、ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂの形成前に行ってもよい。
【０１９３】
本実施の形態では、酸化物半導体層としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物ターゲットを用
いてスパッタリング法により成膜する。酸化物半導体層上に成膜するキャップ層は、実施
の形態２と同様の材料及び方法により成膜することができる。
【０１９４】
次いで、酸化物半導体層に第１の加熱処理を行う。この第１の加熱処理によって酸化物半
導体層の脱水化または脱水素化を行うことができる。また、酸化物半導体層と、該酸化物
半導体層が接する絶縁層との界面に生じた欠陥を低減することができる。第１の加熱処理
は、実施の形態１と同様の条件及び方法で行うことができる。
【０１９５】
次いで、第２のフォトリソグラフィ工程により、酸化物半導体層及びキャップ層を、島状
の酸化物半導体層４４１とキャップ層４０４に加工する（図３（Ｂ）参照）。酸化物半導
体層及びキャップ層のエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよく
、両方を用いてもよい。例えば、ドライエッチングでキャップ層４０４を形成し、その後
ウェットエッチングにより酸化物半導体層４４１を形成してもよい。
【０１９６】
続いて、酸素雰囲気下で行うアッシング処理により、キャップ層４０４上に形成されたレ
ジストマスク４２０を分解除去する。
【０１９７】
レジストマスク除去後、キャップ層４０４を通過させて酸化物半導体層４４１に酸素４３
０を導入する。酸素４３０の導入は、イオン注入法またはイオンドーピング法を用いるこ
とができる。また、実施の形態１で説明した酸素プラズマドープにより行ってもよい。酸
化物半導体層４４１への酸素４３０の導入を、酸化物半導体層４４１に積層されたキャッ
プ層４０４を通過して行うことで、酸素４３０の導入における酸化物半導体層４４１への
過剰なダメージを軽減することができる。また、酸素の導入深さ（導入領域）が制御し易
くなり、酸化物半導体層４４１中へ酸素を効率よく導入することができる。
【０１９８】
なお、キャップ層４０４に酸化ガリウムを用いると、酸素４３０導入時のチャージアップ
が緩和され、酸化物半導体層４４１への過剰なダメージをさらに軽減することができる。
【０１９９】
また、レジストマスク除去の工程と、酸化物半導体層４４１へ酸素４３０を導入する工程
を、途中で大気に触れることなく減圧雰囲気下、不活性ガス雰囲気下、または酸素ガス雰
囲気下で連続して行うことで、酸化物半導体層４４１の表面に水、水素、ハイドロカーボ
ンなどの不純物の付着を防ぎ、酸素４３０導入時のイオン衝撃による酸化物半導体中への
不純物混入を防ぐことができる（図３（Ｃ）参照）。
【０２００】
なお、工程を簡略化するため、実施の形態１で示したように、キャップ層４０４を設けず
に、酸化物半導体層４４１に酸素４３０を導入してもよいが、上記の理由により、キャッ
プ層４０４を設けた方が好ましい。
【０２０１】
酸素４３０の導入を、イオン注入法またはイオンドーピング法で行う場合、酸素の導入深
さ（導入領域）や濃度は、加速電圧、ドーズ量などの導入条件を適宜設定して制御するこ
とができる。例えば、酸素ガスを用いて、イオン注入法で酸素の導入を行う場合、ドーズ
量を１×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上５×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下とすればよい
。酸化物半導体層４４１中における導入された酸素のピーク濃度は、１×１０１８／ｃｍ
３以上３×１０２０／ｃｍ３以下（好ましくは１×１０１８／ｃｍ３以上１×１０２０／
ｃｍ３以下）とすることが好ましい。
【０２０２】
特に酸化物半導体層のチャネル形成領域における、水素、水、水酸基又は水素化物などの
不純物を排除することが重要であるため、トップゲート構造のトランジスタ４６０では酸
化物半導体層４４１において、キャップ層４０４と酸化物半導体層４４１の界面付近に多
く酸素を導入することが好ましい。
【０２０３】
次いで、酸化物半導体層４４１に第２の加熱処理を行う。酸化物半導体層４４１へ酸素を
導入する工程と、第２の加熱処理は、途中で大気に触れることなく減圧雰囲気下、不活性
ガス雰囲気下、または酸素ガス雰囲気下で連続して行うことが好ましい。この第２の加熱
処理によって酸化物半導体層４４１の脱水化または脱水素化を行うことができる。また、
酸化物半導体層と、該酸化物半導体層が接する絶縁層との界面に生じた欠陥を低減するこ
とができる。なお、第２の加熱処理は、実施の形態１と同様の条件で行うことができる。
【０２０４】
酸素の導入及び加熱処理によって、酸化物半導体層の脱水化または脱水素化を行うことが
でき、酸化物半導体層から水素、水分、水酸基又は水素化物などの不純物を排除すること
ができる。このようにして、高純度化された酸化物半導体層４０３を得ることができる。
【０２０５】
なお、第２の加熱処理に代えて、酸化物半導体層４４１への酸素４３０の導入と並行して
、酸化物半導体層４４１が形成された基板に対して、２５０℃以上７００℃以下（若しく
はガラス基板の歪点以下の温度）の範囲で、加熱処理を行うようにしても良い。
【０２０６】
続いて、ゲート絶縁層４０２を形成する。ゲート絶縁層４０２の形成前に、キャップ層４
０４を除去しても良い。ゲート絶縁層４０２は、実施の形態１のゲート絶縁層４０２と同
様の材料及び方法で形成することができる。
【０２０７】
続いて、ゲート絶縁層４０２上に導電層を形成した後、第３のフォトリソグラフィ工程に
よりゲート電極層４０１を形成する。ゲート電極層４０１は、実施の形態１のゲート電極
層４０１と同様に形成することができる。
【０２０８】
以上の工程でトランジスタ４６０が形成される。トランジスタ４６０は、水素、水分、水
酸基又は水素化物（水素化合物ともいう）などの不純物を酸化物半導体層より意図的に排
除し、高純度化された酸化物半導体層４０３を含むトランジスタである。
【０２０９】
ゲート電極層４０１、ゲート絶縁層４０２上に、さらに水分や水素などの不純物が酸化物
半導体層４０３に再混入しないように、これらが外部から侵入することをブロックする保
護絶縁層４０９を形成することが好ましい（図３（Ｅ）参照）。保護絶縁層４０９は、実
施の形態１と同様に形成することができる。
【０２１０】
また、保護絶縁層４０９として、または、保護絶縁層４０９と積層して、酸化ガリウム層
を形成してもよい。酸化ガリウムは帯電しにくい材料であるため、絶縁層のチャージアッ
プによるしきい値電圧の変動を抑えることができる。
【０２１１】
トランジスタ４６０の形成後、さらに大気中で１００℃以上２００℃以下、１時間以上３
０時間以下での加熱処理を行ってもよい。この加熱処理は一定の加熱温度を保持して加熱
してもよいし、室温から加熱温度への昇温と加熱温度から室温までの降温を１サイクルと
する処理を複数回繰り返して行ってもよい。
【０２１２】
また、第１の加熱処理を行わず、第２の加熱処理を第１の加熱処理の条件で行ってもよい
。ただし、この場合は、減圧雰囲気下、不活性ガス雰囲気下、または酸素ガス雰囲気下で
行う。
【０２１３】
図５（Ｃ）に、トランジスタ４６０にバックゲート電極層４１１を形成した構成例を示す
。バックゲート電極層４１１は、酸化物半導体層４０３のチャネル形成領域と重畳する位
置に、下地層４３６を介して形成されている。バックゲート電極層４１１の電位を変化さ
せることで、トランジスタのしきい値電圧を変化させることができる。
【０２１４】
また、上述の酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、オン電流の温度
依存性がほとんど見られず、オフ電流の変化も非常に小さい。
【０２１５】
また、上述の酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、バイアス−熱ス
トレス試験（ＢＴ試験）前後においてもトランジスタのしきい値電圧の変化量が低減でき
、信頼性の高いトランジスタとすることができる。
【０２１６】
また、上述の酸化物半導体を用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られ
るため、高速駆動が可能である。よって、表示機能を有する半導体装置の画素部に上記ト
ランジスタを用いることで、高画質な画像を提供することができる。また、同一基板上に
駆動回路部または画素部を作り分けて作製することが可能となるため、半導体装置の部品
点数を削減することができる。
【０２１７】
以上のように、安定した電気的特性を有する酸化物半導体を用いた半導体装置を提供する
ことができる。よって、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０２１８】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０２１９】
（実施の形態４）
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の他の一形態を図４及び図５を
用いて説明する。上記実施の形態と同一部分又は同様な機能を有する部分、及び工程は、
上記実施の形態と同様に行うことができ、本実施の形態での繰り返しの説明は省略する。
なお、同じ箇所の詳細な説明も省略する。
【０２２０】
図４（Ｅ）に示すトランジスタ４７０は、基板４００上に、ゲート電極層４０１、ゲート
絶縁層４０２、酸化物半導体層４０３、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ
を有している。トランジスタ４７０上には、絶縁層４０７、及び保護絶縁層４０９が順に
積層されている。また、酸化物半導体層４０３上にキャップ層４０４が形成されている。
トランジスタ４７０は、ボトムゲート構造のトランジスタの一つである。
【０２２１】
図４（Ａ）乃至（Ｅ）にトランジスタ４７０の作製方法の一例を示す。
【０２２２】
まず、基板４００上に、第１のフォトリソグラフィ工程によりゲート電極層４０１を形成
する。続いて、ゲート電極層４０１上にゲート絶縁層４０２を形成する（図４（Ａ）参照
）。実施の形態１と同様に、下地層を基板４００とゲート電極層４０１との間に設けても
よい。
【０２２３】
次いで、ゲート絶縁層４０２上に導電層を形成した後、第２のフォトリソグラフィ工程に
より、ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂを形成する。ソース電極層４
０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂは、実施の形態１で説明したソース電極層４０５ａ
、及びドレイン電極層４０５ｂと同様の材料及び方法で形成することができる（図４（Ｂ
）参照）。なお、この後形成される酸化物半導体層４０３に接するソース電極層４０５ａ
とドレイン電極層４０５ｂの間隔幅によって、トランジスタ４７０のチャネル長Ｌが決定
される（図４（Ｅ）参照）。
【０２２４】
次いで、ゲート絶縁層４０２、ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂ上に
、膜厚２ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上３０ｎｍ以下の酸化物半導体層
を形成し、酸化物半導体層上にキャップ層を成膜する。酸化物半導体層とキャップ層の成
膜は、酸化物半導体層とキャップ層の界面を大気に触れさせることなく、連続して行うこ
とが好ましい。大気に触れず連続して成膜することで、酸化物半導体層とキャップ層の界
面に、水、水素、ハイドロカーボンなどの不純物が付着することを防ぐ。
【０２２５】
なお、実施の形態１と同様に、酸化物半導体層の成膜前に、酸化物半導体層が形成される
絶縁層に対して、塩素、または塩素と酸素を導入してもよい。塩素、または塩素と酸素の
導入は、酸化物半導体層の成膜前であれば、ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層
４０５ｂの形成前に行ってもよい。
【０２２６】
本実施の形態では、酸化物半導体層としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物ターゲットを用
いてスパッタリング法により成膜する。酸化物半導体層上に成膜するキャップ層は、実施
の形態２と同様の材料及び方法により成膜することができる。
【０２２７】
次いで、酸化物半導体層に第１の加熱処理を行う。この第１の加熱処理によって酸化物半
導体層の脱水化または脱水素化を行うことができる。また、酸化物半導体層と、該酸化物
半導体層が接する絶縁層との界面に生じた欠陥を低減することができる。第１の加熱処理
は、実施の形態１と同様の条件及び方法で行うことができる。
【０２２８】
次いで、第３のフォトリソグラフィ工程により、酸化物半導体層及びキャップ層を、島状
の酸化物半導体層４４１とキャップ層４０４に加工する（図３（Ｃ）参照）。酸化物半導
体層及びキャップ層のエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよく
、両方を用いてもよい。例えば、ドライエッチングでキャップ層４０４を形成し、その後
ウェットエッチングにより酸化物半導体層４４１を形成してもよい。
【０２２９】
続いて、酸素雰囲気下で行うアッシング処理により、キャップ層４０４上に形成されたレ
ジストマスク４２０を分解除去する。
【０２３０】
レジストマスク４２０除去後、キャップ層４０４を通過させて酸化物半導体層４４１に酸
素４３０を導入する。酸素４３０の導入は、実施の形態２で説明したイオン注入法または
イオンドーピング法を用いることができる。また、実施の形態１で説明した酸素プラズマ
ドープにより行ってもよい。酸化物半導体層４４１への酸素４３０の導入を、酸化物半導
体層４４１に積層されたキャップ層４０４を通過して行うことで、酸素４３０の導入にお
ける酸化物半導体層４４１への過剰なダメージを軽減することができる。また、酸素の導
入深さ（導入領域）が制御し易くなり、酸化物半導体層４４１中へ酸素を効率よく導入す
ることができる。
【０２３１】
なお、キャップ層４０４に酸化ガリウムを用いると、酸素４３０導入時のチャージアップ
が緩和され、酸化物半導体層４４１への過剰なダメージをさらに軽減することができる。
【０２３２】
また、レジストマスク除去の工程と、酸化物半導体層４４１へ酸素４３０を導入する工程
を、途中で大気に触れることなく減圧雰囲気下、不活性ガス雰囲気下、または酸素ガス雰
囲気下で連続して行うことで、酸化物半導体層４４１の表面に水、水素、ハイドロカーボ
ンなどの不純物の付着を防ぎ、酸素４３０導入時のイオン衝撃による酸化物半導体中への
不純物混入を防ぐことができる（図３（Ｄ）参照）。
【０２３３】
なお、工程を簡略化するため、実施の形態１で示したように、キャップ層４０４を設けず
に、酸化物半導体層４４１に酸素４３０を導入してもよいが、上記の理由により、キャッ
プ層４０４を設けた方が好ましい。
【０２３４】
次いで、酸化物半導体層４４１に第２の加熱処理を行う。酸化物半導体層４４１へ酸素を
導入する工程と、第２の加熱処理は、途中で大気に触れることなく減圧雰囲気下、不活性
ガス雰囲気下、または酸素ガス雰囲気下で連続して行うことが好ましい。この第２の加熱
処理によって酸化物半導体層４４１の脱水化または脱水素化を行うことができる。また、
酸化物半導体層と、該酸化物半導体層が接する絶縁層との界面に生じた欠陥を低減するこ
とができる。なお、第２の加熱処理は、実施の形態１と同様の条件で行うことができる。
【０２３５】
酸素の導入及び加熱処理によって、酸化物半導体層の脱水化または脱水素化を行うことが
でき、酸化物半導体層から水素、水分、水酸基又は水素化物などの不純物を排除すること
ができる。このようにして、高純度化された酸化物半導体層４０３を得ることができる。
【０２３６】
なお、第２の加熱処理に代えて、酸化物半導体層４４１への酸素４３０の導入と並行して
、酸化物半導体層４４１が形成された基板に対して、２５０℃以上７００℃以下（若しく
はガラス基板の歪点以下の温度）の範囲で、加熱処理を行うようにしても良い。
【０２３７】
次いで、キャップ層４０４、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂの上に絶縁
層４０７を形成する。絶縁層４０７の成膜に先立ち、Ｎ２Ｏ、Ｎ２、またはＡｒなどのガ
スを用いたプラズマ処理を行い、試料表面に付着した吸着水などを除去してもよい。プラ
ズマ処理を行った場合、大気に触れることなく、続けて絶縁層４０７を形成する（図４（
Ｅ）参照）。絶縁層４０７は、実施の形態１と同様の条件及び方法で形成することができ
る。
【０２３８】
次いで、減圧雰囲気下、不活性ガス雰囲気下、酸素ガス雰囲気下、または超乾燥エア雰囲
気下で第３の加熱処理（好ましくは２００℃以上６００℃以下、例えば２５０℃以上５５
０℃以下）を行ってもよい。例えば、窒素雰囲気下で４５０℃、１時間の第３の加熱処理
を行ってもよい。第３の加熱処理を行うと、酸化物半導体層の一部（チャネル形成領域）
は絶縁層４０７と接した状態で昇温される。
【０２３９】
以上の工程を経ることによって、酸化物半導体層に対して第２の加熱処理を行って水素、
水分、水酸基又は水素化物（「水素化合物」ともいう）などの不純物と同時に減少してし
まった酸化物半導体を構成する主成分材料の一つである酸素を供給することができる。
【０２４０】
以上の工程でトランジスタ４７０が形成される。トランジスタ４７０は、水素、水分、水
酸基又は水素化物（水素化合物ともいう）などの不純物を酸化物半導体層より意図的に排
除し、高純度化され、酸素の供給によりｉ型（真性）化された酸化物半導体層４０３を含
むトランジスタである。よって、トランジスタ４７０は、電気的特性変動が抑制されてお
り、電気的に安定である。
【０２４１】
絶縁層４０７上にさらに保護絶縁層４０９を形成してもよい。例えば、プラズマＣＶＤ法
やスパッタリング法等を用いて窒化シリコン層を形成する。保護絶縁層４０９は、実施の
形態１と同様の条件及び方法で形成することができる。（図４（Ｅ）参照）。
【０２４２】
トランジスタ４１０の形成後、さらに大気中で１００℃以上２００℃以下、１時間以上３
０時間以下での加熱処理を行ってもよい。この加熱処理は一定の加熱温度を保持して加熱
してもよいし、室温から加熱温度への昇温と加熱温度から室温までの降温を１サイクルと
する処理を複数回繰り返して行ってもよい。
【０２４３】
また、第１の加熱処理を行わず、第２の加熱処理を第１の加熱処理の条件で行ってもよい
。ただし、この場合は、減圧雰囲気下、不活性ガス雰囲気下、または酸素ガス雰囲気下で
行う。
【０２４４】
図５（Ｄ）に、トランジスタ４７０にバックゲート電極層４１１を形成した構成例を示す
。バックゲート電極層４１１は、ゲート電極層とバックゲート電極層４１１で半導体層の
チャネル形成領域を挟むように配置される。バックゲート電極層４１１は導電層で形成さ
れ、ゲート電極層と同様に機能させることができる。また、バックゲート電極層４１１の
電位を変化させることで、トランジスタのしきい値電圧を変化させることができる。
【０２４５】
バックゲート電極層４１１は、ゲート電極層４０１、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電
極層４０５ｂなどと同様の材料及び方法により形成することができる。
【０２４６】
図５（Ｄ）において、バックゲート電極層４１１は、酸化物半導体層４０３のチャネル形
成領域上に、絶縁層４０７及び保護絶縁層４０９を介して形成されている。図５（Ｄ）は
、バックゲート電極層４１１を保護絶縁層４０９上に形成する例を示しているが、バック
ゲート電極層４１１は、絶縁層４０７と保護絶縁層４０９の間に形成してもよい。
【０２４７】
また、上述の酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、オン電流の温度
依存性がほとんど見られず、オフ電流の変化も非常に小さい。
【０２４８】
また、上述の酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、バイアス−熱ス
トレス試験（ＢＴ試験）前後においてもトランジスタのしきい値電圧の変化量が低減でき
、信頼性の高いトランジスタとすることができる。
【０２４９】
また、上述の酸化物半導体を用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られ
るため、高速駆動が可能である。よって、表示機能を有する半導体装置の画素部に上記ト
ランジスタを用いることで、高画質な画像を提供することができる。また、同一基板上に
駆動回路部または画素部を作り分けて作製することが可能となるため、半導体装置の部品
点数を削減することができる。
【０２５０】
以上のように、安定した電気的特性を有する酸化物半導体を用いた半導体装置を提供する
ことができる。よって、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０２５１】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０２５２】
（実施の形態５）
上記実施の形態のいずれかで一例を示したトランジスタを用いて表示機能を有する半導体
装置（表示装置ともいう）を作製することができる。また、トランジスタを含む駆動回路
の一部または全体を、画素部と同じ基板上に一体形成し、システムオンパネルを形成する
ことができる。本実施の形態では、上記実施の形態のいずれかで一例を示したトランジス
タを用いた表示装置の例について、図７乃至図１０を用いて説明する。なお、図８乃至図
１０は、図７（Ｂ）のＭ−Ｎにおける断面図に相当する。
【０２５３】
図７（Ａ）において、第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２を囲むようにし
て、シール材４００５が設けられ、第２の基板４００６によって封止されている。図７（
Ａ）においては、第１の基板４００１上のシール材４００５によって囲まれている領域と
は異なる領域に、別途用意された基板上に単結晶半導体又は多結晶半導体を用いて形成さ
れた信号線駆動回路４００３、及び走査線駆動回路４００４が実装されている。また、信
号線駆動回路４００３、走査線駆動回路４００４、または画素部４００２に与えられる各
種信号及び電位は、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  ｐｒｉｎｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）４０
１８ａ、ＦＰＣ４０１８ｂから供給されている。
【０２５４】
図７（Ｂ）及び図７（Ｃ）において、第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２
と、走査線駆動回路４００４とを囲むようにして、シール材４００５が設けられている。
また画素部４００２と、走査線駆動回路４００４の上に第２の基板４００６が設けられて
いる。よって画素部４００２と、走査線駆動回路４００４とは、第１の基板４００１とシ
ール材４００５と第２の基板４００６とによって、表示素子と共に封止されている。図７
（Ｂ）及び図７（Ｃ）においては、第１の基板４００１上のシール材４００５によって囲
まれている領域とは異なる領域に、別途用意された基板上に単結晶半導体又は多結晶半導
体を用いて形成された信号線駆動回路４００３が実装されている。図７（Ｂ）及び図７（
Ｃ）においては、信号線駆動回路４００３、走査線駆動回路４００４、または画素部４０
０２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ４０１８から供給されている。
【０２５５】
また図７（Ｂ）及び図７（Ｃ）においては、信号線駆動回路４００３を別途形成し、第１
の基板４００１に実装している例を示しているが、この構成に限定されない。走査線駆動
回路を別途形成して実装しても良いし、信号線駆動回路の一部または走査線駆動回路の一
部のみを別途形成して実装しても良い。
【０２５６】
なお、別途形成した駆動回路の接続方法は、特に限定されるものではなく、ＣＯＧ（Ｃｈ
ｉｐ  Ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）方法、ワイヤボンディング方法、或いはＴＡＢ（Ｔａｐｅ  Ａ
ｕｔｏｍａｔｅｄ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）方法などを用いることができる。図７（Ａ）は、Ｃ
ＯＧ方法により信号線駆動回路４００３、走査線駆動回路４００４を実装する例であり、
図７（Ｂ）は、ＣＯＧ方法により信号線駆動回路４００３を実装する例であり、図７（Ｃ
）は、ＴＡＢ方法により信号線駆動回路４００３を実装する例である。
【０２５７】
また、表示装置は、表示素子が封止された状態にあるパネルと、該パネルにコントローラ
を含むＩＣ等を実装した状態にあるモジュールとを含む。
【０２５８】
なお、本明細書中における表示装置とは、画像表示デバイス、表示デバイス、もしくは光
源（照明装置含む）を指す。また、コネクター、例えばＦＰＣもしくはＴＡＢテープもし
くはＴＣＰが取り付けられたモジュール、ＴＡＢテープやＴＣＰの先にプリント配線板が
設けられたモジュール、または表示素子にＣＯＧ方式によりＩＣ（集積回路）が直接実装
されたモジュールも全て表示装置に含むものとする。
【０２５９】
また第１の基板上に設けられた画素部及び走査線駆動回路は、トランジスタを複数有して
おり、上記実施の形態のいずれかで一例を示したトランジスタを適用することができる。
【０２６０】
表示装置に設けられる表示素子としては液晶素子（液晶表示素子ともいう）、発光素子（
発光表示素子ともいう）、を用いることができる。発光素子は、電流または電圧によって
輝度が制御される素子をその範疇に含んでおり、具体的には無機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ  
Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）、有機ＥＬ等が含まれる。また、電子インクなど、電気的作
用によりコントラストが変化する表示媒体も適用することができる。
【０２６１】
図８乃至図１０で示すように、半導体装置は接続端子電極４０１５及び端子電極４０１６
を有しており、接続端子電極４０１５及び端子電極４０１６はＦＰＣ４０１８が有する端
子と異方性導電層４０１９を介して、電気的に接続されている。
【０２６２】
接続端子電極４０１５は、第１の電極層４０３０と同じ導電層から形成され、端子電極４
０１６は、トランジスタ４０１０、４０１１のソース電極層及びドレイン電極層と同じ導
電層で形成されている。
【０２６３】
また第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２と、走査線駆動回路４００４は、
トランジスタを複数有しており、図８乃至図１０では、画素部４００２に含まれるトラン
ジスタ４０１０と、走査線駆動回路４００４に含まれるトランジスタ４０１１とを例示し
ている。図８では、トランジスタ４０１０、４０１１上には絶縁層４０２０、絶縁層４０
２４が設けられ、図９及び図１０ではさらに、絶縁層４０２１が設けられている。なお、
絶縁層４０２３は下地層として機能する絶縁層である。
【０２６４】
本実施の形態では、トランジスタ４０１０、トランジスタ４０１１として、上記実施の形
態のいずれかで示したトランジスタを適用することができる。
【０２６５】
トランジスタ４０１０及びトランジスタ４０１１において、酸化物半導体層は、上に積層
される絶縁層４０２０を通過して酸素を導入し、加熱処理を行うことによって、水素、水
分、水酸基又は水素化物（水素化合物ともいう）などの不純物を酸化物半導体層より意図
的に排除し、高純度化された酸化物半導体層である。酸素の導入により、酸化物半導体を
構成している金属と水素の間の結合、或いは該金属と水酸基の間の結合を切断するととも
に、これら水素、または水酸基が、酸素と反応することで水を生成するため、後に行われ
る加熱処理により、不純物である水素、または水酸基を、水として、脱離させやすくする
ことができる。
【０２６６】
酸化物半導体層への酸素の導入を、積層された絶縁層４０２０を通過して行うため、酸素
の導入深さ（導入領域）を制御することができ、酸化物半導体層中への酸素を効率よく導
入することができる。
【０２６７】
また、酸化物半導体層と酸素を含む絶縁層４０２０とを接した状態で加熱処理を行うため
、不純物の排除工程によって同時に減少してしまう酸化物半導体を構成する主成分材料の
一つである酸素を、酸素を含む絶縁層４０２０より酸化物半導体層へ供給することができ
る。よって、酸化物半導体層はより高純度化し、電気的にｉ型（真性）化する。
【０２６８】
従って、上記酸化物半導体層を含むトランジスタ４０１０及びトランジスタ４０１１は、
電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。よって、図８乃至図１０で示す
本実施の形態の半導体装置として信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０２６９】
また、本実施の形態では、絶縁層上において駆動回路用のトランジスタ４０１１の酸化物
半導体層のチャネル形成領域と重なる位置に導電層が設けられている例である。導電層を
酸化物半導体層のチャネル形成領域と重なる位置に設けることによって、ＢＴ試験前後に
おけるトランジスタ４０１１のしきい値電圧の変化量をさらに低減することができる。ま
た、導電層は、電位がトランジスタ４０１１のゲート電極層と同じでもよいし、異なって
いても良く、第２のゲート電極層として機能させることもできる。また、導電層の電位が
ＧＮＤ、０Ｖ、或いはフローティング状態であってもよい。
【０２７０】
また、該導電層は外部の電場を遮蔽する、すなわち外部の電場が内部（薄膜トランジスタ
を含む回路部）に作用しないようにする機能（特に静電気に対する静電遮蔽機能）も有す
る。導電層の遮蔽機能により、静電気などの外部の電場の影響によりトランジスタの電気
的な特性が変動することを防止することができる。
【０２７１】
画素部４００２に設けられたトランジスタ４０１０は表示素子と電気的に接続し、表示パ
ネルを構成する。表示素子は表示を行うことができれば特に限定されず、様々な表示素子
を用いることができる。
【０２７２】
図８に表示素子として液晶素子を用いた液晶表示装置の例を示す。図８において、表示素
子である液晶素子４０１３は、第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１、及び液晶
層４００８を含む。なお、液晶層４００８を挟持するように配向膜として機能する絶縁層
４０３２、絶縁層４０３３が設けられている。第２の電極層４０３１は第２の基板４００
６側に設けられ、第１の電極層４０３０と第２の電極層４０３１とは液晶層４００８を介
して積層する構成となっている。
【０２７３】
またスペーサ４０３５は絶縁層を選択的にエッチングすることで得られる柱状のスペーサ
であり、液晶層４００８の膜厚（セルギャップ）を制御するために設けられている。なお
球状のスペーサを用いていても良い。
【０２７４】
表示素子として、液晶素子を用いる場合、サーモトロピック液晶、低分子液晶、高分子液
晶、高分子分散型液晶、強誘電性液晶、反強誘電性液晶等を用いることができる。これら
の液晶材料は、条件により、コレステリック相、スメクチック相、キュービック相、カイ
ラルネマチック相、等方相等を示す。
【０２７５】
また、配向膜を用いないブルー相を示す液晶を用いてもよい。ブルー相は液晶相の一つで
あり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリック相から等方相へ転移する直
前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発現しないため、温度範囲を改善
するために５重量％以上のカイラル剤を混合させた液晶組成物を用いて液晶層に用いる。
ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、応答速度が１ｍｓｅｃ以下と短
く、光学的等方性であるため配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい。また配向膜
を設けなくてもよいのでラビング処理も不要となるため、ラビング処理によって引き起こ
される静電破壊を防止することができ、作製工程中の液晶表示装置の不良や破損を軽減す
ることができる。よって液晶表示装置の生産性を向上させることが可能となる。酸化物半
導体層を用いるトランジスタは、静電気の影響によりトランジスタの電気的な特性が著し
く変動して設計範囲を逸脱する恐れがある。よって酸化物半導体層を用いるトランジスタ
を有する液晶表示装置にブルー相の液晶材料を用いることはより効果的である。
【０２７６】
また、液晶材料の固有抵抗は、１×１０９Ω・ｃｍ以上であり、好ましくは１×１０１１
Ω・ｃｍ以上であり、さらに好ましくは１×１０１２Ω・ｃｍ以上である。なお、本明細
書における固有抵抗の値は、２０℃で測定した値とする。
【０２７７】
液晶表示装置に設けられる保持容量の大きさは、画素部に配置されるトランジスタのリー
ク電流等を考慮して、所定の期間の間電荷を保持できるように設定される。保持容量の大
きさは、トランジスタのオフ電流等を考慮して設定すればよい。ｉ型（真性）化された酸
化物半導体層を有するトランジスタを用いることにより、各画素における液晶容量に対し
て１／３以下、好ましくは１／５以下の容量の大きさを有する保持容量を設ければ充分で
ある。
【０２７８】
本実施の形態で用いる酸化物半導体層を用いたトランジスタは、オフ状態における電流値
（オフ電流値）を低くすることができる。よって、画像信号等の電気信号の保持時間を長
くすることができ、電源オン状態では書き込み間隔も長く設定できる。よって、リフレッ
シュ動作の頻度を少なくすることができるため、消費電力を抑制する効果を奏する。
【０２７９】
また、上述の酸化物半導体を用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られ
るため、高速駆動が可能である。よって、表示機能を有する半導体装置の画素部に上記ト
ランジスタを用いることで、高画質な画像を提供することができる。また、同一基板上に
駆動回路部または画素部を作り分けて作製することが可能となるため、半導体装置の部品
点数を削減することができる。
【０２８０】
液晶表示装置には、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ  Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐ
ｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ  Ｆｉｅｌｄ  Ｓｗｉｔ
ｃｈｉｎｇ）モード、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ  Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  ａｌｉｇｎｅｄ  
Ｍｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ  Ｂ
ｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｌｉｑｕｉ
ｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｌｉｑ
ｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モードなどを用いることができる。
【０２８１】
また、ノーマリーブラック型の液晶表示装置、例えば垂直配向（ＶＡ）モードを採用した
透過型の液晶表示装置としてもよい。ここで、垂直配向モードとは、液晶表示パネルの液
晶分子の配列を制御する方式の一種であり、電圧が印加されていないときにパネル面に対
して液晶分子が垂直方向を向く方式である。垂直配向モードとしては、いくつか挙げられ
るが、例えば、ＭＶＡ（Ｍｕｌｔｉ−Ｄｏｍａｉｎ  Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ａｌｉｇｎｍｅ
ｎｔ）モード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ  Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）
モード、ＡＳＶ（Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｓｕｐｅｒ  Ｖｉｅｗ）モードなどを用いることが
できる。また、画素（ピクセル）をいくつかの領域（サブピクセル）に分け、それぞれ別
の方向に分子を倒すよう工夫されているマルチドメイン化あるいはマルチドメイン設計と
いわれる方法を用いることができる。
【０２８２】
また、表示装置において、ブラックマトリクス（遮光層）、偏光部材、位相差部材、反射
防止部材などの光学部材（光学基板）などは適宜設ける。例えば、偏光基板及び位相差基
板による円偏光を用いてもよい。また、光源としてバックライト、サイドライトなどを用
いてもよい。
【０２８３】
また、画素部における表示方式は、プログレッシブ方式やインターレース方式等を用いる
ことができる。また、カラー表示する際に画素で制御する色要素としては、ＲＧＢ（Ｒは
赤、Ｇは緑、Ｂは青を表す）の三色に限定されない。例えば、ＲＧＢＷ（Ｗは白を表す）
、又はＲＧＢに、イエロー、シアン、マゼンタ等を一色以上追加したものがある。なお、
色要素のドット毎にその表示領域の大きさが異なっていてもよい。ただし、本発明はカラ
ー表示の表示装置に限定されるものではなく、モノクロ表示の表示装置に適用することも
できる。
【０２８４】
また、表示装置に含まれる表示素子として、エレクトロルミネッセンスを利用する発光素
子を適用することができる。エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子は、発光材料
が有機化合物であるか、無機化合物であるかによって区別され、一般的に、前者は有機Ｅ
Ｌ素子、後者は無機ＥＬ素子と呼ばれている。
【０２８５】
有機ＥＬ素子は、発光素子に電圧を印加することにより、一対の電極から電子および正孔
がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして、それらキャ
リア（電子および正孔）が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成
し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このよう
な発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。
【０２８６】
無機ＥＬ素子は、その素子構成により、分散型無機ＥＬ素子と薄膜型無機ＥＬ素子とに分
類される。分散型無機ＥＬ素子は、発光材料の粒子をバインダ中に分散させた発光層を有
するものであり、発光メカニズムはドナー準位とアクセプター準位を利用するドナー−ア
クセプター再結合型発光である。薄膜型無機ＥＬ素子は、発光層を誘電体層で挟み込み、
さらにそれを電極で挟んだ構造であり、発光メカニズムは金属イオンの内殻電子遷移を利
用する局在型発光である。なお、ここでは、発光素子として有機ＥＬ素子を用いて説明す
る。
【０２８７】
発光素子は発光を取り出すために少なくとも一対の電極の一方が透明であればよい。そし
て、基板上にトランジスタ及び発光素子を形成し、基板とは逆側の面から発光を取り出す
上面射出や、基板側の面から発光を取り出す下面射出や、基板側及び基板とは反対側の面
から発光を取り出す両面射出構造の発光素子があり、どの射出構造の発光素子も適用する
ことができる。
【０２８８】
図９に表示素子として発光素子を用いた発光装置の例を示す。表示素子である発光素子４
５１３は、画素部４００２に設けられたトランジスタ４０１０と電気的に接続している。
なお発光素子４５１３の構成は、第１の電極層４０３０、電界発光層４５１１、第２の電
極層４０３１の積層構造であるが、示した構成に限定されない。発光素子４５１３から取
り出す光の方向などに合わせて、発光素子４５１３の構成は適宜変えることができる。
【０２８９】
隔壁４５１０は、有機絶縁材料、又は無機絶縁材料を用いて形成する。特に感光性の樹脂
材料を用い、第１の電極層４０３０上に開口部を形成し、その開口部の側壁が連続した曲
率を持って形成される傾斜面となるように形成することが好ましい。
【０２９０】
電界発光層４５１１は、単数の層で構成されていても、複数の層が積層されるように構成
されていてもどちらでも良い。
【０２９１】
発光素子４５１３に酸素、水素、水分、二酸化炭素等が侵入しないように、第２の電極層
４０３１及び隔壁４５１０上に保護層を形成してもよい。保護層としては、窒化シリコン
、窒化酸化シリコン、ＤＬＣ等を形成することができる。また、第１の基板４００１、第
２の基板４００６、及びシール材４００５によって封止された空間には充填材４５１４が
設けられ密封されている。このように外気に曝されないように気密性が高く、脱ガスの少
ない保護フィルム（貼り合わせフィルム、紫外線硬化樹脂フィルム等）やカバー材でパッ
ケージング（封入）することが好ましい。
【０２９２】
充填材４５１４としては窒素やアルゴンなどの不活性な気体の他に、紫外線硬化樹脂また
は熱硬化樹脂を用いることができ、ＰＶＣ（ポリビニルクロライド）、アクリル樹脂、ポ
リイミド、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ＰＶＢ（ポリビニルブチラル）またはＥＶＡ
（エチレンビニルアセテート）を用いることができる。例えば充填材として窒素を用いれ
ばよい。
【０２９３】
また、必要であれば、発光素子の射出面に偏光板、又は円偏光板（楕円偏光板を含む）、
位相差板（λ／４板、λ／２板）、カラーフィルタなどの光学フィルムを適宜設けてもよ
い。また、偏光板又は円偏光板に反射防止層を設けてもよい。例えば、表面の凹凸により
反射光を拡散し、映り込みを低減できるアンチグレア処理を施すことができる。
【０２９４】
また、表示装置として、電子インクを駆動させる電子ペーパーを提供することも可能であ
る。電子ペーパーは、電気泳動表示装置（電気泳動ディスプレイ）とも呼ばれており、紙
と同じ読みやすさ、他の表示装置に比べ低消費電力、薄くて軽い形状とすることが可能と
いう利点を有している。
【０２９５】
電気泳動表示装置は、様々な形態が考えられ得るが、プラスの電荷を有する第１の粒子と
、マイナスの電荷を有する第２の粒子とを含むマイクロカプセルが溶媒または溶質に複数
分散されたものであり、マイクロカプセルに電界を印加することによって、マイクロカプ
セル中の粒子を互いに反対方向に移動させて一方側に集合した粒子の色のみを表示するも
のである。なお、第１の粒子または第２の粒子は染料を含み、電界がない場合において移
動しないものである。また、第１の粒子の色と第２の粒子の色は異なるもの（無色を含む
）とする。
【０２９６】
このように、電気泳動表示装置は、誘電定数の高い物質が高い電界領域に移動する、いわ
ゆる誘電泳動的効果を利用したディスプレイである。
【０２９７】
上記マイクロカプセルを溶媒中に分散させたものが電子インクと呼ばれるものであり、こ
の電子インクはガラス、プラスチック、布、紙などの表面に印刷することができる。また
、カラーフィルタや色素を有する粒子を用いることによってカラー表示も可能である。
【０２９８】
なお、マイクロカプセル中の第１の粒子および第２の粒子は、導電体材料、絶縁体材料、
半導体材料、磁性材料、液晶材料、強誘電性材料、エレクトロルミネセント材料、エレク
トロクロミック材料、磁気泳動材料から選ばれた一種の材料、またはこれらの複合材料を
用いればよい。
【０２９９】
また、電子ペーパーとして、ツイストボール表示方式を用いる表示装置も適用することが
できる。ツイストボール表示方式とは、白と黒に塗り分けられた球形粒子を表示素子に用
いる電極層である第１の電極層及び第２の電極層の間に配置し、第１の電極層及び第２の
電極層に電位差を生じさせて球形粒子の向きを制御することにより、表示を行う方法であ
る。
【０３００】
図１０に、半導体装置の一形態としてアクティブマトリクス型の電子ペーパーを示す。図
１０の電子ペーパーは、ツイストボール表示方式を用いた表示装置の例である。
【０３０１】
トランジスタ４０１０と接続する第１の電極層４０３０と、第２の基板４００６に設けら
れた第２の電極層４０３１との間には黒色領域４６１５ａ及び白色領域４６１５ｂを有し
、周りに液体で満たされているキャビティ４６１２を含む球形粒子４６１３が設けられて
おり、球形粒子４６１３の周囲は樹脂等の充填材４６１４で充填されている。第２の電極
層４０３１が共通電極（対向電極）に相当する。第２の電極層４０３１は、共通電位線と
電気的に接続される。
【０３０２】
なお、図８乃至図１０において、第１の基板４００１、第２の基板４００６としては、ガ
ラス基板の他、可撓性を有する基板も用いることができ、例えば透光性を有するプラスチ
ック基板などを用いることができる。プラスチックとしては、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒｇｌａ
ｓｓ−Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ）板、ＰＶＦ（ポリビニルフルオライド
）フィルム、ポリエステルフィルムまたはアクリル樹脂フィルムを用いることができる。
また、アルミニウムホイルをＰＶＦフィルムやポリエステルフィルムで挟んだ構造のシー
トを用いることもできる。
【０３０３】
絶縁層４０２０は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウ
ム、酸化ガリウム等の無機絶縁材料を含む材料を用いて形成することができる。絶縁層４
０２０の作製方法に特に限定はなく、例えば、プラズマＣＶＤ法やスパッタリング法など
の成膜方法を用いて作製することができる。なお、水素や水などが混入しにくいという点
では、スパッタリング法が好適である。
【０３０４】
絶縁層４０２４は、大気中に浮遊する有機物や金属物、水蒸気などの汚染不純物の侵入を
防ぐためのものであり、緻密な層が好ましい。絶縁層４０２４は、スパッタリング法を用
いて、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒
化アルミニウム、又は窒化酸化アルミニウムの単層、又は積層で形成すればよく、トラン
ジスタの保護層として機能する。
【０３０５】
また、平坦化絶縁層として機能する絶縁層４０２１は、アクリル樹脂、ポリイミド、ベン
ゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂等の、耐熱性を有する有機材料を用い
ることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサ
ン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用いることができ
る。なお、これらの材料で形成される絶縁層を複数積層させることで、絶縁層を形成して
もよい。
【０３０６】
絶縁層４０２０、絶縁層４０２４、絶縁層４０２１の形成法は、特に限定されず、その材
料に応じて、スパッタリング法、スピンコート法、ディッピング法、スプレー塗布、液滴
吐出法（インクジェット法、スクリーン印刷、オフセット印刷等）、ロールコーティング
、カーテンコーティング、ナイフコーティング等を用いることができる。
【０３０７】
表示装置は光源又は表示素子からの光を透過させて表示を行う。よって光が透過する画素
部に設けられる基板、絶縁層、導電層などの薄膜はすべて可視光の波長領域の光に対して
透光性とする。
【０３０８】
表示素子に電圧を印加する第１の電極層及び第２の電極層（画素電極層、共通電極層、対
向電極層などともいう）においては、取り出す光の方向、電極層が設けられる場所、及び
電極層のパターン構造によって透光性、反射性を選択すればよい。
【０３０９】
第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１は、酸化タングステンを含むインジウム酸
化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化
物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、ＩＴＯ、酸化ケイ素
を添加したＩＴＯなどの透光性を有する導電性材料を用いることができる。
【０３１０】
また、第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１はタングステン（Ｗ）、モリブデン
（Ｍｏ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎ
ｂ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタ
ン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、マグネシ
ウム（Ｍｇ）等の金属、又はその合金、若しくはその金属窒化物から一つ、又は複数種を
用いて形成することができる。
【０３１１】
また、第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１として、導電性高分子（導電性ポリ
マーともいう）を含む導電性組成物を用いて形成することができる。導電性高分子として
は、いわゆるπ電子共役系導電性高分子を用いることができる。例えば、ポリアニリンま
たはその誘導体、ポリピロールまたはその誘導体、ポリチオフェンまたはその誘導体、若
しくはアニリン、ピロールおよびチオフェンの２種以上からなる共重合体若しくはその誘
導体等が挙げられる。
【０３１２】
また、トランジスタは静電気などにより破壊されやすいため、駆動回路保護用の保護回路
を設けることが好ましい。保護回路は、非線形素子を用いて構成することが好ましい。
【０３１３】
以上のように上記実施の形態のいずれかで示したトランジスタを適用することで、様々な
機能を有する半導体装置を提供することができる。
【０３１４】
（実施の形態６）
上記実施の形態のいずれかで一例を示したトランジスタを用いて、対象物の情報を読み取
るイメージセンサ機能を有する半導体装置を作製することができる。
【０３１５】
図１１に、イメージセンサ機能を有する半導体装置の一例を示す。図１１（Ａ）はフォト
センサの等価回路であり、図１１（Ｂ）はフォトセンサの一部を示す断面図である。
【０３１６】
図１１（Ａ）において、フォトダイオード６０２は、一方の電極がフォトダイオードリセ
ット信号線６５８に、他方の電極がトランジスタ６４０のゲートに電気的に接続されてい
る。トランジスタ６４０は、ソース又はドレインの一方がフォトセンサ基準信号線６７２
に、ソース又はドレインの他方がトランジスタ６５６のソース又はドレインの一方に電気
的に接続されている。トランジスタ６５６は、ゲートがゲート信号線６５９に、ソース又
はドレインの他方がフォトセンサ出力信号線６７１に電気的に接続されている。
【０３１７】
なお、本明細書における回路図において、酸化物半導体層を用いるトランジスタと明確に
判明できるように、酸化物半導体層を用いるトランジスタの記号には「ＯＳ」と記載して
いる。図１１（Ａ）において、トランジスタ６４０、トランジスタ６５６は酸化物半導体
層を用いるトランジスタである。
【０３１８】
図１１（Ｂ）は、フォトセンサにおけるフォトダイオード６０２及びトランジスタ６４０
に示す断面図であり、基板６０１上に、センサとして機能するフォトダイオード６０２及
びトランジスタ６４０が設けられている。フォトダイオード６０２、トランジスタ６４０
の上には接着層６０８を用いて基板６１３が設けられている。
【０３１９】
トランジスタ６４０上には絶縁層６３１、保護絶縁層６３２、層間絶縁層６３３、層間絶
縁層６３４が設けられている。フォトダイオード６０２は、層間絶縁層６３３上に設けら
れ、層間絶縁層６３３側から順に第１半導体層６０６ａ、第２半導体層６０６ｂ、及び第
３半導体層６０６ｃを積層した構造を有している。第１半導体層６０６ａは層間絶縁層６
３３上に設けられた電極層６４１と電気的に接続し、第３半導体層６０６ｃは層間絶縁層
６３４上に設けられた電極層６４２と電気的に接続している。
【０３２０】
電極層６４１は、層間絶縁層６３４に形成された導電層６４３と電気的に接続し、電極層
６４２は電極層６４４を介してゲート電極層６４５と電気的に接続している。ゲート電極
層６４５は、トランジスタ６４０のゲート電極層と電気的に接続している。すなわち、フ
ォトダイオード６０２はトランジスタ６４０と電気的に接続している。
【０３２１】
ここでは、第１半導体層６０６ａとしてｐ型の導電型を有する半導体層と、第２半導体層
６０６ｂとして高抵抗な半導体層（ｉ型半導体層）、第３半導体層６０６ｃとしてｎ型の
導電型を有する半導体層を積層するｐｉｎ型のフォトダイオードを例示している。
【０３２２】
第１半導体層６０６ａはｐ型半導体層であり、ｐ型を付与する不純物元素を含むアモルフ
ァスシリコンにより形成することができる。第１半導体層６０６ａの形成には１３族の不
純物元素（例えばボロン（Ｂ））を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法によ
り形成する。半導体材料ガスとしてはシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ
２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。また
、不純物元素を含まないアモルファスシリコンを形成した後に、拡散法やイオン注入法を
用いて該アモルファスシリコンに不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不
純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合
にアモルファスシリコンを形成する方法としては、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、又はスパ
ッタリング法等を用いればよい。第１半導体層６０６ａの膜厚は１０ｎｍ以上５０ｎｍ以
下となるよう形成することが好ましい。
【０３２３】
第２半導体層６０６ｂは、ｉ型半導体層（真性半導体層）であり、アモルファスシリコン
により形成する。第２半導体層６０６ｂの形成には、半導体材料ガスを用いて、アモルフ
ァスシリコンをプラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしては、シラン（Ｓ
ｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣ
ｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。第２半導体層６０６ｂの形成は、ＬＰＣＶＤ法、気相
成長法、スパッタリング法等により行っても良い。第２半導体層６０６ｂの膜厚は２００
ｎｍ以上１０００ｎｍ以下となるように形成することが好ましい。なお、真性半導体層は
、理想的には、不純物を含まずにフェルミレベルが禁制帯のほぼ中央に位置する半導体層
であるが、第２半導体層６０６ｂは、ドナーとなる不純物（例えば、リン（Ｐ）など）ま
たはアクセプタとなる不純物（例えば、ボロン（Ｂ）など）を添加して、フェルミレベル
が禁制帯のほぼ中央に位置するようにした半導体であってもよい。
【０３２４】
第３半導体層６０６ｃは、ｎ型半導体層であり、ｎ型を付与する不純物元素を含むアモル
ファスシリコンにより形成する。第３半導体層６０６ｃの形成には、１５族の不純物元素
（例えばリン（Ｐ））を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により形成する
。半導体材料ガスとしてはシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、Ｓ
ｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。また、不純物元
素を含まないアモルファスシリコンを形成した後に、拡散法やイオン注入法を用いて該ア
モルファスシリコンに不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不純物元素を
導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合にアモルフ
ァスシリコンを形成する方法としては、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、又はスパッタリング
法等を用いればよい。第３半導体層６０６ｃの膜厚は２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下となる
よう形成することが好ましい。
【０３２５】
また、第１半導体層６０６ａ、第２半導体層６０６ｂ、及び第３半導体層６０６ｃは、ア
モルファス半導体ではなく、多結晶半導体を用いて形成してもよいし、微結晶半導体や、
セミアモルファス（Ｓｅｍｉ  Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：ＳＡ
Ｓ）半導体を用いて形成してもよい。
【０３２６】
微結晶半導体は、ギブスの自由エネルギーを考慮すれば非晶質と単結晶の中間的な準安定
状態に属するものである。すなわち、自由エネルギー的に安定な第３の状態を有する半導
体であって、短距離秩序を持ち格子歪みを有する。柱状または針状結晶が基板表面に対し
て法線方向に成長している。微結晶半導体の代表例である微結晶シリコンは、そのラマン
スペクトルが単結晶シリコンを示す５２０ｃｍ−１よりも低波数側に、シフトしている。
即ち、単結晶シリコンを示す５２０ｃｍ−１とアモルファスシリコンを示す４８０ｃｍ−
１の間に微結晶シリコンのラマンスペクトルのピークがある。また、未結合手（ダングリ
ングボンド）を終端するため水素またはハロゲンを少なくとも１原子％またはそれ以上含
ませている。さらに、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、ネオンなどの希ガス元素を含ま
せて格子歪みをさらに助長させることで、安定性が増し良好な微結晶半導体が得られる。
【０３２７】
この微結晶半導体は、周波数が数十ＭＨｚ以上数百ＭＨｚ以下の高周波プラズマＣＶＤ法
、または周波数が１ＧＨｚ以上のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置により形成することがで
きる。代表的には、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４
、ＳｉＦ４などの水素化珪素を水素で希釈して形成することができる。また、水素化珪素
及び水素に加え、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、ネオンから選ばれた一種または複数
種の希ガス元素で希釈して微結晶半導体を形成することができる。
【０３２８】
水素化珪素の希釈は、水素化珪素に対して水素の流量比を５倍以上２００倍以下、好まし
くは５０倍以上１５０倍以下、更に好ましくは１００倍とする。さらには、シリコンを含
む気体中に、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ６等の炭化物気体、ＧｅＨ４、ＧｅＦ４等のゲルマニウム化
気体、Ｆ２等を混入させてもよい。
【０３２９】
また、光電効果で発生した正孔の移動度は電子の移動度に比べて小さいため、ｐｉｎ型の
フォトダイオードはｐ型の半導体層側を受光面とする方がよい特性を示す。ここでは、ｐ
ｉｎ型のフォトダイオードが形成されている基板６０１の面からフォトダイオード６０２
が受ける光６２２を電気信号に変換する例を示す。また、受光面とした半導体層側とは逆
の導電型を有する半導体層側からの光は外乱光となるため、電極層は遮光性を有する導電
層を用いるとよい。また、ｎ型の半導体層側を受光面として用いることもできる。
【０３３０】
絶縁層６３１、保護絶縁層６３２、層間絶縁層６３３、層間絶縁層６３４としては、絶縁
性材料を用いて、その材料に応じて、スパッタリング法、スピンコート法、ディッピング
法、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法、スクリーン印刷、オフセット印刷等
）、ロールコーティング、カーテンコーティング、ナイフコーティング等を用いることが
できる。
【０３３１】
絶縁層６３１としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、又は酸化
窒化アルミニウムなどを用いた酸化物絶縁層の単層、又は積層を用いることができる。
【０３３２】
保護絶縁層６３２としては、無機絶縁材料として、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒
化アルミニウム、又は窒化酸化アルミニウムなどを用いた窒化物絶縁層の単層、又は積層
を用いることができる。またμ波（２．４５ＧＨｚ）を用いた高密度プラズマＣＶＤは、
緻密で絶縁耐圧の高い高品質な絶縁層を形成できるので好ましい。
【０３３３】
層間絶縁層６３３、層間絶縁層６３４としては、表面凹凸を低減するため平坦化絶縁層と
して機能する絶縁層が好ましい。層間絶縁層６３３、６３４としては、例えばアクリル樹
脂、ポリイミド、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂等の、耐熱性を
有する有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ
−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）
等の単層、又は積層を用いることができる。
【０３３４】
フォトダイオード６０２に入射する光６２２を検出することによって、被検出物の情報を
読み取ることができる。なお、被検出物の情報を読み取る際にバックライトなどの光源を
用いることができる。
【０３３５】
トランジスタ６４０として、上記実施の形態で一例を示したトランジスタを用いることが
できる。水素、水分、水酸基又は水素化物（水素化合物ともいう）などの不純物を酸化物
半導体層より意図的に排除し、酸素の供給によりｉ型（真性）化された酸化物半導体層を
含むトランジスタは、トランジスタの電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定で
ある。よって、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０３３６】
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能
である。
【０３３７】
（実施の形態７）
本実施の形態においては、上記実施の形態で説明した表示装置を具備する電子機器の例に
ついて説明する。
【０３３８】
図１２（Ａ）は電子書籍（Ｅ−ｂｏｏｋともいう）であり、筐体９６３０、表示部９６３
１、操作キー９６３２、太陽電池９６３３、充放電制御回路９６３４を有することができ
る。太陽電池９６３３と、表示パネルとを開閉自在に装着しており、太陽電池からの電力
を表示パネル、または映像信号処理部に供給する電子書籍である。図１２（Ａ）に示した
電子書籍は、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示する機能、カレンダ
ー、日付又は時刻などを表示部に表示する機能、表示部に表示した情報をタッチ入力操作
又は編集するタッチ入力機能、様々なソフトウェア（プログラム）によって処理を制御す
る機能、等を有することができる。なお、図１２（Ａ）では充放電制御回路９６３４の一
例としてバッテリー９６３５、ＤＣＤＣコンバータ（以下、コンバータ９６３６と略記）
を有する構成について示している。
【０３３９】
表示部９６３１はフォトセンサを利用したタッチ入力機能を備えた反射型の液晶表示装置
であり、比較的明るい状況下で使用するため、太陽電池９６３３による発電、及びバッテ
リー９６３５での充電を効率よく行うことができ、好適である。なお太陽電池９６３３は
、筐体９６３０の表面及び裏面に効率的なバッテリー９６３５の充電を行う構成とするこ
とができるため好適である。なおバッテリー９６３５としては、リチウムイオン電池を用
いると、小型化を図れる等の利点がある。
【０３４０】
また図１２（Ａ）に示す充放電制御回路９６３４の構成、及び動作について図１２（Ｂ）
にブロック図を示し説明する。図１２（Ｂ）には、太陽電池９６３３、バッテリー９６３
５、コンバータ９６３６、コンバータ９６３７、スイッチＳＷ１乃至ＳＷ３、表示部９６
３１について示しており、バッテリー９６３５、コンバータ９６３６、コンバータ９６３
７、スイッチＳＷ１乃至ＳＷ３が充放電制御回路９６３４に対応する箇所となる。
【０３４１】
まず外光により太陽電池９６３３により発電がされる場合の動作の例について説明する。
太陽電池で発電した電力は、バッテリー９６３５を充電するための電圧となるようコンバ
ータ９６３６で昇圧または降圧がなされる。そして、表示部９６３１の動作に太陽電池９
６３３からの電力が用いられる際にはスイッチＳＷ１をオンにし、コンバータ９６３７で
表示部９６３１に必要な電圧に昇圧または降圧をすることとなる。また、表示部９６３１
での表示を行わない際には、ＳＷ１をオフにし、ＳＷ２をオンにしてバッテリー９６３５
の充電を行う構成とすればよい。
【０３４２】
なお太陽電池９６３３については、充電手段の一例として示したが、他の手段によるバッ
テリー９６３５の充電を行う構成であってもよい。また他の充電手段を組み合わせて行う
構成としてもよい。
【０３４３】
図１３（Ａ）は、ノート型のパーソナルコンピュータであり、本体３００１、筐体３００
２、表示部３００３、キーボード３００４などによって構成されている。上記実施の形態
で示した半導体装置を適用することにより、信頼性の高いノート型のパーソナルコンピュ
ータとすることができる。
【０３４４】
図１３（Ｂ）は、携帯情報端末（ＰＤＡ）であり、本体３０２１には表示部３０２３と、
外部インターフェイス３０２５と、操作ボタン３０２４等が設けられている。また操作用
の付属品としてスタイラス３０２２がある。上記実施の形態で示した半導体装置を適用す
ることにより、信頼性の高い携帯情報端末（ＰＤＡ）とすることができる。
【０３４５】
図１３（Ｃ）は、電子書籍の一例を示している。例えば、電子書籍は、筐体２７０１およ
び筐体２７０３の２つの筐体で構成されている。筐体２７０１および筐体２７０３は、軸
部２７１１により一体とされており、該軸部２７１１を軸として開閉動作を行うことがで
きる。このような構成により、紙の書籍のような動作を行うことが可能となる。
【０３４６】
筐体２７０１には表示部２７０５が組み込まれ、筐体２７０３には表示部２７０７が組み
込まれている。表示部２７０５および表示部２７０７は、続き画面を表示する構成として
もよいし、異なる画面を表示する構成としてもよい。異なる画面を表示する構成とするこ
とで、例えば右側の表示部（図１３（Ｃ）では表示部２７０５）に文章を表示し、左側の
表示部（図１３（Ｃ）では表示部２７０７）に画像を表示することができる。上記実施の
形態で示した半導体装置を適用することにより、信頼性の高い電子書籍とすることができ
る。
【０３４７】
また、図１３（Ｃ）では、筐体２７０１に操作部などを備えた例を示している。例えば、
筐体２７０１において、電源端子２７２１、操作キー２７２３、スピーカー２７２５など
を備えている。操作キー２７２３により、頁を送ることができる。なお、筐体の表示部と
同一面にキーボードやポインティングデバイスなどを備える構成としてもよい。また、筐
体の裏面や側面に、外部接続用端子（イヤホン端子、ＵＳＢ端子など）、記録媒体挿入部
などを備える構成としてもよい。さらに、電子書籍は、電子辞書としての機能を持たせた
構成としてもよい。
【０３４８】
また、電子書籍は、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、電子書籍
サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とすることも可能で
ある。
【０３４９】
図１３（Ｄ）は、携帯電話であり、筐体２８００及び筐体２８０１の二つの筐体で構成さ
れている。筐体２８０１には、表示パネル２８０２、スピーカー２８０３、マイクロフォ
ン２８０４、ポインティングデバイス２８０６、カメラ用レンズ２８０７、外部接続端子
２８０８などを備えている。また、筐体２８００には、携帯電話の充電を行う太陽電池セ
ル２８１０、外部メモリスロット２８１１などを備えている。また、アンテナは筐体２８
０１内部に内蔵されている。
【０３５０】
また、表示パネル２８０２はタッチパネルを備えており、図１３（Ｄ）には映像表示され
ている複数の操作キー２８０５を点線で示している。なお、太陽電池セル２８１０で出力
される電圧を各回路に必要な電圧に昇圧するための昇圧回路も実装している。
【０３５１】
表示パネル２８０２は、使用形態に応じて表示の方向が適宜変化する。また、表示パネル
２８０２と同一面上にカメラ用レンズ２８０７を備えているため、テレビ電話が可能であ
る。スピーカー２８０３及びマイクロフォン２８０４は音声通話に限らず、テレビ電話、
録音、再生などが可能である。さらに、筐体２８００と筐体２８０１は、スライドし、図
１３（Ｄ）のように展開している状態から重なり合った状態とすることができ、携帯に適
した小型化が可能である。
【０３５２】
外部接続端子２８０８はＡＣアダプタ及びＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能
であり、充電及びパーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能である。また、外部
メモリスロット２８１１に記録媒体を挿入し、より大量のデータ保存及び移動に対応でき
る。
【０３５３】
また、上記機能に加えて、赤外線通信機能、テレビ受信機能などを備えたものであっても
よい。上記実施の形態で示した半導体装置を適用することにより、信頼性の高い携帯電話
とすることができる。
【０３５４】
図１３（Ｅ）は、デジタルビデオカメラであり、本体３０５１、表示部（Ａ）３０５７、
接眼部３０５３、操作スイッチ３０５４、表示部（Ｂ）３０５５、バッテリー３０５６な
どによって構成されている。上記実施の形態で示した半導体装置を適用することにより、
信頼性の高いデジタルビデオカメラとすることができる。
【０３５５】
図１３（Ｆ）は、テレビジョン装置の一例を示している。テレビジョン装置は、筐体９６
０１に表示部９６０３が組み込まれている。表示部９６０３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９６０５により筐体９６０１を支持した構成を
示している。上記実施の形態で示した半導体装置を適用することにより、信頼性の高いテ
レビジョン装置とすることができる。
【０３５６】
テレビジョン装置の操作は、筐体９６０１が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作
機により行うことができる。また、リモコン操作機に、当該リモコン操作機から出力する
情報を表示する表示部を設ける構成としてもよい。
【０３５７】
なお、テレビジョン装置は、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。
【０３５８】
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能
である。
【符号の説明】
【０３５９】
１０    プラズマ装置
１１    基板供給室
１２    ロードロック室
１３    搬送室
１４    カセットポート
１５    真空チャンバー
１６    ＩＣＰコイル
１７    ガス流路
１８    高周波電源
１９    基板ステージ
２０    被処理基板
２１    高周波電源
２２    自動圧力制御弁
２３    ターボ分子ポンプ
２４    ドライポンプ
４００    基板
４０１    ゲート電極層
４０２    ゲート絶縁層
４０３    酸化物半導体層
４０４    キャップ層
４０６    チャネル保護層
４０７    絶縁層
４０９    保護絶縁層
４１０    トランジスタ
４１１    バックゲート電極層
４２０    レジストマスク
４３０    酸素
４３６    下地層
４４１    酸化物半導体層
４５０    トランジスタ
４６０    トランジスタ
４７０    トランジスタ
６０１    基板
６０２    フォトダイオード
６０８    接着層
６１３    基板
６２２    光
６３１    絶縁層
６３２    保護絶縁層
６３３    層間絶縁層
６３４    層間絶縁層
６４０    トランジスタ
６４１    電極層
６４２    電極層
６４３    導電層
６４４    電極層
６４５    ゲート電極層
６５６    トランジスタ
６５８    フォトダイオードリセット信号線
６５９    ゲート信号線
６７１    フォトセンサ出力信号線
６７２    フォトセンサ基準信号線
２７０１    筐体
２７０３    筐体
２７０５    表示部
２７０７    表示部
２７１１    軸部
２７２１    電源端子
２７２３    操作キー
２７２５    スピーカー
２８００    筐体
２８０１    筐体
２８０２    表示パネル
２８０３    スピーカー
２８０４    マイクロフォン
２８０５    操作キー
２８０６    ポインティングデバイス
２８０７    カメラ用レンズ
２８０８    外部接続端子
２８１０    太陽電池セル
２８１１    外部メモリスロット
３００１    本体
３００２    筐体
３００３    表示部
３００４    キーボード
３０２１    本体
３０２２    スタイラス
３０２３    表示部
３０２４    操作ボタン
３０２５    外部インターフェイス
３０５１    本体
３０５３    接眼部
３０５４    操作スイッチ
３０５５    表示部（Ｂ）
３０５６    バッテリー
３０５７    表示部（Ａ）
４００１    基板
４００２    画素部
４００３    信号線駆動回路
４００４    走査線駆動回路
４００５    シール材
４００６    基板
４００８    液晶層
４０１０    トランジスタ
４０１１    トランジスタ
４０１３    液晶素子
４０１５    接続端子電極
４０１６    端子電極
４０１８    ＦＰＣ
４０１８ａ    ＦＰＣ
４０１８ｂ    ＦＰＣ
４０１９    異方性導電層
４０２０    絶縁層
４０２１    絶縁層
４０２３    絶縁層
４０２４    絶縁層
４０３０    電極層
４０３１    電極層
４０３２    絶縁層
４０３３    絶縁層
４０３５    スペーサ
４５１０    隔壁
４５１１    電界発光層
４５１３    発光素子
４５１４    充填材
４６１２    キャビティ
４６１３    球形粒子
４６１４    充填材
９６０１    筐体
９６０３    表示部
９６０５    スタンド
９６３０    筐体
９６３１    表示部
９６３２    操作キー
９６３３    太陽電池
９６３４    充放電制御回路
９６３５    バッテリー
９６３６    コンバータ
９６３７    コンバータ
４０５ａ    ソース電極層
４０５ｂ    ドレイン電極層
４６１５ａ    黒色領域
４６１５ｂ    白色領域
６０６ａ    半導体層
６０６ｂ    半導体層
６０６ｃ    半導体層
【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１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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