(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
不活性ガスが導入されるガス導入部と、熱電子を発生するフィラメントとを有するアークチャンバと、
前記アークチャンバでイオン化された不活性ガスのイオンを引き出す第１の電極と、
前記第１の電極によって引き出された前記不活性ガスのイオンを加速する第２の電極と、
前記第２の電極で加速された前記不活性ガスのイオンが通過する領域に酸素イオンを供給する酸素イオン供給部と、
前記不活性ガスのイオンと前記酸素イオンが導入される試料室と、
を有し、
前記酸素イオン供給部は、誘導結合プラズマによって酸素をプラズマ化して酸素イオンを生成することを特徴とするドーピング装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記酸素イオン供給部は、酸素導入装置と、前記酸素導入装置に連結された管と、前記管に捲かれたコイルを有することを特徴とするドーピング装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記管の材料は、石英ガラスであることを特徴とするドーピング装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
前記フィラメントの材料は、タングステンであることを特徴とするドーピング装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、
前記第１の電極及び前記第２の電極は、それぞれ多孔性電極であり、前記第１の電極及び前記第２の電極の材料は、タングステンであることを特徴とするドーピング装置。
【請求項６】
フィラメントに電流を流して熱電子を発生させ、
前記熱電子を不活性気体に衝突させて、前記不活性気体のイオンを生成し、
前記生成された不活性気体のイオンに、電極により電圧を印加することにより、前記不活性気体のイオンを加速し、
誘導結合プラズマによって酸素をプラズマ化して酸素イオンを生成し、
前記酸素イオンに、前記加速された不活性気体のイオンを衝突させて、前記酸素イオンを対象物に照射することを特徴とするドーピング方法。
【請求項７】
請求項６に記載のドーピング方法を用いて、
基板上に絶縁層を形成し、前記絶縁層に前記酸素イオンを照射することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項８】
請求項６に記載のドーピング方法を用いて、
酸化物半導体層に前記酸素イオンを照射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】
開示される発明の一態様は、ドーピング装置及びドーピング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオンドーピング装置（ドーピング装置とも呼ばれる）は、イオン源に連接するドーピング室を有する。ドーピング装置は、真空状態としたドーピング室に基板を設置し、イオン源で発生させたイオンを電界で加速し、基板の極表層に添加するものである。本明細書中において、基板とはドーピングされる対象物の１つである。イオン源はプラズマ室と、プラズマ室で生じたイオンを引き出す引き出し加速電極系（引き出し電極と加速電極）と、二次電子の流入を制御する減速電極系（減速電極と接地電極）とから成っている。電極には一般に多孔電極が使用され、イオンはこの孔を通過してドーピング室へ到達する。このようなイオンの流れをイオン流と称する。
【０００３】
イオン源のプラズマ発生方法には、直流放電方式、高周波放電方式、マイクロ波放電方式等がある（特許文献１参照）。また、磁場を印加することによりプラズマをイオン源内部に閉じこめておくことも可能であり、プラズマ室の周囲に永久磁石を配置することによりカスプ磁場を形成する場合もある。
【０００４】
ところで、近年、トランジスタの構成材料として、酸化物半導体と呼ばれる半導体特性を示す金属酸化物に注目が集まっている。半導体特性を示す金属酸化物としては、例えば、酸化タングステン、酸化錫、酸化インジウム、酸化亜鉛などがあり、このような半導体特性を示す金属酸化物にチャネルが形成されるトランジスタが、既に知られている（特許文献２及び特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２１０６６号公報
【特許文献２】特開２００７−１２３８６１号公報
【特許文献３】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】
【０００６】
酸化物半導体において、水素や酸素欠損の一部はドナーとなり、キャリアである電子を生成する。酸化物半導体膜において、キャリア密度が高まると、ゲートに電圧を印加しなくてもトランジスタにチャネルが形成されてしまう。これにより、しきい値電圧が負の方向にシフトする。
【０００７】
そのため、酸化物半導体膜に酸素を添加する、又は当該酸化物半導体膜に接する絶縁膜に過剰な酸素を添加して酸素過剰領域を形成し、当該酸素過剰領域から酸化物半導体膜に酸素を供給すると、酸素欠損を抑制することができるので好適である。酸化物半導体膜に酸素を添加する、又は、当該酸化物半導体膜に接する絶縁膜に酸素過剰領域を形成することにより、トランジスタの電気特性を向上させることができる。
【０００８】
酸化物半導体膜、又は当該酸化物半導体膜に接する絶縁膜に酸素を添加するために、上述のドーピング装置を用いると、酸化物半導体膜又は絶縁膜表面の広い領域に酸素を添加することが可能という点で好適である。
【０００９】
しかしながら、ドーピング装置により酸素を添加する場合、熱電子を発生させるフィラメントや、発生したイオンを加速又は減速する電極が、酸素により酸化してしまう恐れが生じる。フィラメントが酸化してしまうと、プラズマを発生させることが不可能となる。また電極が酸化してしまうと、電極に設けられた複数の孔が酸化物で詰まってしまい、イオン流を塞いでしまう恐れがある。
【００１０】
以上を鑑みて、開示される発明の一態様では、酸素を添加可能なドーピング装置を提供することを課題の一とする。
【００１１】
また開示される発明の一態様では、電気特性が向上した半導体装置を提供することを課題の一とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
開示される発明の一態様では、まず、第１のチャンバに設けられたフィラメントに電流を流すことにより、熱電子を発生させる。
【００１３】
また第１のチャンバには、ガス導入部から不活性ガスが導入される。導入された不活性ガスは、当該熱電子と衝突し、これにより当該不活性ガスのイオンが生成され、不活性ガスのプラズマが発生する。このように、フィラメントが曝されるのは不活性ガスであるので、フィラメントが酸化されることはない。
【００１４】
当該生成された不活性ガスのイオンは、第２のチャンバに設置された引き出し電極により引き出され、加速電極にて加速される。引き出し電極及び加速電極は多孔質であり、引き出し電極及び加速電極が酸化されてしまうと、設けられた複数の孔が酸化物で詰まる恐れがある。しかしながら、引き出し電極及び加速電極を通過するのは不活性ガスのイオンであるので、引き出し電極及び加速電極が酸化される恐れはない。
【００１５】
当該加速された不活性ガスのイオンは、第３のチャンバに到達する。当該第３のチャンバには、酸素イオン供給部によって酸素イオンが供給される。より具体的には、酸素イオン供給部は、酸素導入装置、酸素導入装置及び酸素プラズマ室を連結する管、管に捲かれたコイルを有しており、酸素導入装置から管を通って酸素プラズマ室に酸素が導入される。管に捲かれたコイルによって高電圧が印加されることにより、当該管を通る酸素がプラズマ化される（誘導結合プラズマ）。つまり、当該コイルで電圧が印加されることにより、酸素イオンが生成される。なお、酸素がプラズマ化されることにより、酸素イオンだけでなく、酸素ラジカルも生成される可能性がある。その場合、本明細書では「酸素イオン」は、記載がなくても「酸素ラジカル」も含むものとする。なお、当該管は、例えば石英ガラス管等の絶縁物で構成された管を用いる。このようにして、第３のチャンバには、酸素プラズマが生成されている。
【００１６】
第３のチャンバでは、不活性ガスのイオンが通過する領域に、上述のようにして生成された酸素イオンが供給される。これにより不活性ガスのイオンと酸素イオンが衝突する。衝突した不活性ガスのイオン及び酸素イオンは、不活性ガスのイオンの運動エネルギーにより、第４のチャンバに設置された対象物に照射される。
【００１７】
以上により、酸素イオンが対象物に照射される。なお、対象物には、酸素イオンと同時に不活性ガスのイオンも照射されるが、不活性ガスのため、特に問題は生じない。
【００１８】
開示される発明の一態様は、不活性ガスが導入されるガス導入部と、熱電子を発生するフィラメントとを有するアークチャンバと、当該アークチャンバでイオン化された不活性ガスのイオンを引き出す第１の電極と、当該第１の電極によって引き出された不活性ガスのイオンを加速する第２の電極と、当該第２の電極で加速された不活性ガスのイオンが通過する領域に酸素イオンを供給する酸素イオン供給部と、当該不活性ガスのイオンと酸素イオンが導入される試料室と、を有することを特徴とするドーピング装置に関する。
【００１９】
開示される発明の一態様において、当該酸素イオン供給部は、誘導結合プラズマによって酸素をプラズマ化して酸素イオンを生成するものであることを特徴とする。
【００２０】
開示される発明の一態様において、当該酸素イオン供給部は、酸素導入装置と、酸素導入装置に連結された管と、当該管に捲かれたコイルを有することを特徴とする。
【００２１】
開示される発明の一態様において、当該管の材料は、石英ガラスであることを特徴とする。
【００２２】
開示される発明の一態様において、当該フィラメントの材料は、タングステンであることを特徴とする。
【００２３】
開示される発明の一態様において、当該第１の電極及び当該第２の電極は、それぞれ多孔性電極であり、当該第１の電極及び当該第２の電極の材料は、タングステンであることを特徴とする。
【００２４】
開示される発明の一態様は、フィラメントに電流を流して熱電子を発生させ、当該熱電子を不活性気体に衝突させて、当該不活性気体のイオンを生成し、当該生成された不活性気体のイオンに、電極により電圧を印加することにより、当該不活性気体のイオンを加速し、酸素に電圧を印加することにより、酸素プラズマを発生させて酸素イオンを生成し、当該酸素イオンに、当該加速された不活性気体のイオンを衝突させて、当該酸素イオンを対象物に照射することを特徴とするドーピング方法に関する。
【００２５】
開示される発明の一態様において、基板上に絶縁層を形成し、当該絶縁層に当該酸素イオンを照射することを特徴とする。
【００２６】
開示される発明の一態様において、酸化物半導体層に当該酸素イオンを照射することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２７】
開示される発明の一態様により、酸素を添加可能なドーピング装置を提供することができる。
【００２８】
また開示される発明の一態様により、電気特性が向上した半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】ドーピング装置の概略図。
【図２】ドーピング装置の概略図。
【図３】半導体装置の平面図及び断面図。
【図４】半導体装置の作製工程を示す断面図。
【図５】半導体装置の作製工程を示す断面図。
【図６】半導体装置の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本明細書に開示された発明の実施の態様について、図面を参照して説明する。但し、本明細書に開示された発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本明細書に開示された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、以下に示す図面において、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付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００３１】
なお本明細書に開示された発明において、半導体装置とは、半導体を利用することで機能する素子及び装置全般を指し、電子回路、表示装置、発光装置等を含む電気装置およびその電気装置を搭載した電子機器をその範疇とする。
【００３２】
なお、図面等において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、説明を分かりやすくするために、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。
【００３３】
なお、本明細書等における「第１」、「第２」、「第３」などの序数は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、数的に限定するものではないことを付記する。
【００３４】
また、本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合なども含む。
【００３５】
また、「ソース」や「ドレイン」の機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」の用語は、入れ替えて用いることができるものとする。
【００３６】
なお、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジスタなどのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、キャパシタ、その他の各種機能を有する素子などが含まれる。
【００３７】
本明細書等において厚さに関する「略等しい」の用語は、完全に等しい場合のみでなく、実質的に等しい場合をも含む趣旨で用いる。例えば、「略等しい」には、完全に等しい場合と比較して半導体装置の特性に与える影響が無視できる程度の差（特性に与える影響が５％以下）である場合や、意図せずに僅かに研磨された場合（研磨量が５ｎｍ未満程度の場合）などが含まれる。
【００３８】
なお、本明細書等において「上」や「下」の用語は、構成要素の位置関係が「直上」または「直下」であることを限定するものではない。例えば、「ゲート絶縁膜上のゲート電極」の表現であれば、ゲート絶縁膜とゲート電極との間に他の構成要素を含むものを除外しない。
【００３９】
［実施の形態１］
本実施の形態のドーピング装置を図１に示す。図１に示すドーピング装置は、第１のチャンバであるアークチャンバ１０１、第２のチャンバであるイオン加速室１０３、第３のチャンバである酸素プラズマ室１０４、第４のチャンバである試料室１０２を有している。なお図１では、アークチャンバ１０１、イオン加速室１０３、及び、酸素プラズマ室１０４は、明確な区切りはなく連結されているため、これら全てのチャンバが一つのチャンバとみなすこともでき、ドーピングに用いるイオンを発生させるイオン源であるともいえる。
【００４０】
アークチャンバ１０１には、カソードであるフィラメント１１１、アノード１１６、及び、アルゴン等の不活性ガスを導入するガス導入部１３４が設けられている。なおアノード１１６は、必要がなければ設けなくてもよい。
【００４１】
不活性ガスは、ガス導入部１３４からアークチャンバ１０１に導入される。
【００４２】
上記フィラメント１１１に電流を流すことにより、熱電子を発生させる。なお本実施の形態では、フィラメント１１１の材料として、タングステン（Ｗ）を用いている。
【００４３】
図１における、フィラメント１１１が設けられたアークチャンバ１０１のＡ１−Ａ２の断面を図２（Ａ）に示す。図２（Ａ）において、断面が円状のアークチャンバ１０１に、４つのフィラメント１１１が等間隔に設けられている。
【００４４】
ガス導入部１３４からアークチャンバ１０１に不活性ガスが導入される。導入された不活性ガスは、当該熱電子と衝突し、これにより当該不活性ガスのイオンが生成され、不活性ガスのプラズマ１３８が発生する（アーク放電）。このように、フィラメントが曝されるのは不活性ガスであり、酸素には曝されないので、フィラメント１１１は酸化されない。
【００４５】
イオン加速室１０３には、引き出し電極１１２、加速電極１１３、減速電極１１４、及び、接地電極１１５が設けられている。引き出し電極１１２、加速電極１１３、減速電極１１４、及び、接地電極１１５は、それぞれ貫通穴を複数有する多孔性電極である。引き出し電極１１２及びアノード１１６は同電位であり、引き出し電源１３１の正極に電気的に接続されている。加速電極１１３は、引き出し電源１３１の負極及び加速電源１３２の正極に電気的に接続されている。減速電極１１４は、減速電源１３３の負極に電気的に接続されている。接地電極１１５は接地されている。以上のようにして、引き出し電極１１２、加速電極１１３、減速電極１１４、及び、接地電極１１５には、異なる電圧値の電圧が印加されている。なお本実施の形態では、引き出し電極１１２、加速電極１１３、減速電極１１４、及び、接地電極１１５の材料として、タングステン（Ｗ）を用いている。
【００４６】
アークチャンバ１０１で生成されたイオンは、引き出し電極１１２に所定の電圧値の電圧を印加されることにより引き出され、加速電極１１３に別の電圧値の電圧を印加されることにより所望の速度まで加速される。減速電極１１４及び接地電極１１５では、発散するイオンを捕集してイオン流の方向性を高めている。
【００４７】
図１における、引き出し電極１１２が設けられたイオン加速室１０３のＢ１−Ｂ２の断面を図２（Ｂ）に示す。図２（Ｂ）に示すように、断面が円状のイオン加速室１０３に、複数の貫通孔を有する多孔性電極である引き出し電極１１２が設けられている。
【００４８】
なお、加速電極１１３、減速電極１１４、接地電極１１５も、図２（Ｂ）に示す引き出し電極１１２と同様の構造を有している。
【００４９】
また減速電極１１４は、引き出し電極１１２、加速電極１１３、減速電極１１４、及び、接地電極１１５を通過したものの、ドーピング装置の壁に反射して戻ってくるイオンの進行を抑制する機能を有する。これにより、ドーピング装置の壁に反射して戻ってくる不活性ガスのイオンはもちろん、後述する酸素イオンがアークチャンバ１０１側に進行するのを抑制することができる。
【００５０】
なお、引き出し電源１３１、加速電源１３２、及び減速電源１３３は、ドーピング装置の外部に設けられている。加速電源１３２の負極及び減速電源１３３の正極は、接地されている。
【００５１】
生成された不活性ガスのイオンは、引き出し電極１１２により引き出され、加速電極１１３にて加速される。引き出し電極１１２、加速電極１１３、減速電極１１４、及び、接地電極１１５は多孔性電極であり、これら多孔性電極が酸化されてしまうと、設けられた複数の孔が酸化物で詰まる恐れがある。しかしながら、引き出し電極１１２、加速電極１１３、減速電極１１４、及び、接地電極１１５を通過するのは不活性ガスのイオンであるので、これら多孔性電極が酸化される恐れはない。
【００５２】
生成された不活性ガスのイオンは、引き出し電極１１２、加速電極１１３、減速電極１１４、及び、接地電極１１５を通過して、酸素プラズマ室１０４に到達する。
【００５３】
酸素プラズマ室１０４には、酸素イオン供給部１４５及び排気装置１３６が設けられている。酸素イオン供給部１４５は、酸素を導入する酸素導入装置１３５、酸素導入装置１３５と酸素プラズマ室１０４を連結する管１４１、管１４１に捲かれたコイル１４２を有している。管１４１は、例えば石英ガラス管等であり、絶縁物で構成された管である。また酸素プラズマ室１０４の内壁の材料として、酸化されない材料、例えば酸化物材料、より具体的には酸化モリブデンを用いることが好ましい。
【００５４】
酸素プラズマ室１０４では、酸素導入装置１３５から酸素が導入される。また排気装置１３６により、酸素プラズマ室１０４に供給された酸素が排気される。これにより、酸素プラズマ室１０４内で、酸素導入装置１３５から排気装置１３６に向かって酸素の気流が発生する。
【００５５】
管１４１に捲かれたコイル１４２に電源１４３から高電圧が印加されることにより、コイル１４２から酸素に高電圧が印加される。これにより、管１４１を通る酸素がプラズマ化される（誘導結合プラズマ）。これにより、酸素導入装置１３５から酸素プラズマ室１０４に酸素が移動する間に、酸素イオンが生成される。
【００５６】
このようにして、酸素プラズマ室１０４には、酸素プラズマ１３９が生成される。
【００５７】
酸素プラズマ室１０４では、不活性ガスのイオンが通過する領域に、上述のようにして生成された酸素イオンが供給される。これにより不活性ガスのイオンと酸素イオンが衝突する。衝突した不活性ガスのイオン及び酸素イオンは、不活性ガスのイオンの運動エネルギーにより、試料室１０２に設けられた対象物１２０に照射される。
【００５８】
なお、酸素プラズマ室１０４及び試料室１０２との間に、酸素イオン及び不活性ガスのイオンの拡散を防止する拡散防止板１４４を設けてもよい。拡散防止板１４４は、複数の貫通孔を有する多孔性の材料から形成されればよい。
【００５９】
以上により、酸素イオンが対象物１２０に照射される。なお、対象物１２０には、酸素イオンと同時に不活性ガスのイオンも照射されるが、不活性ガスのため、特に問題は生じない。
【００６０】
試料室１０２には、ステージ１０７及び排気装置１０８が設けられている。酸素イオンが照射される対象物１２０は、ステージ１０７上に配置される。なお、ステージ１０７は、ステージ１０７が設けられている試料室の壁（あるいは床）を移動できるような構成にしてもよい。ステージ１０７を移動させることにより、対象物１２０も移動し、対象物１２０に均一にイオンを照射することができる。
【００６１】
試料室１０２はイオン流の断面積よりも大面積の対象物１２０を処理する場合は、ステージ１０７を走査させることにより対象物１２０の全面へのドーピング処理を可能とする。このような場合、イオン流の断面形状を長方形又は線形として、対象物１２０に照射する形態とする。なお、図１においては、対象物１２０を水平に配置し、イオン流を対象物１２０に対して垂直方向に照射する構成を示しているが、対象物１２０上のパーティクルを減らすために、対象物１２０を地面に対して垂直に配置し、イオン流を対象物１２０に対して垂直方向に照射する構造としてもよい。
【００６２】
本実施の形態では、対象物１２０は、保持手段１２１ａ及び保持手段１２１ｂにより、ステージ１０７上に保持されている。又は、対象物１２０を真空チャック等でステージ１０７に保持してもよい。
【００６３】
図１における、対象物１２０、ステージ１０７、保持手段１２１ａ、及び保持手段１２１ｂが設けられた試料室１０２のＣ１−Ｃ２の断面を図２（Ｃ）に示す。図２（Ｃ）に示すように、断面が円状の試料室１０２に、ステージ１０７が設けられている。また、対象物１２０の端部を保持手段１２１ａ及び保持手段１２１ｂで保持することにより、対象物１２０をステージ１０７上に保持する。
【００６４】
なお図２（Ｃ）では、イオン流の断面積よりも面積の小さい対象物１２０について述べている。イオン流の断面積よりも大面積の対象物１２０を処理する場合は、上述のように、ステージ１０７を走査させることにより対象物１２０の全面へのドーピング処理を可能とする。このような場合、イオン流の断面形状を長方形又は線形として、対象物１２０に照射する形態とすればよい。
【００６５】
対象物１２０は、例えば、酸化物半導体層や当該酸化物半導体層に接する絶縁膜の形成された基板等である。
【００６６】
なお試料室１０２には、排気装置１０８が設けられており、対象物１２０へのイオン照射を行う前に、アークチャンバ１０１、試料室１０２、イオン加速室１０３、及び酸素プラズマ室１０４内部を、排気装置１０８により高真空状態とする。
【００６７】
図１に示すドーピング装置では、フィラメント１１１を用いて発生させるのは、不活性ガスのプラズマである。また、引き出し電極１１２により加速電極１１３に導入され、当該加速電極１１３により加速、減速電極１１４及び接地電極１１５によりイオンの分布が調整されるのは、不活性ガスのイオンである。
【００６８】
一方、酸素プラズマが発生し、酸素イオンが生成される酸素プラズマ室内部には、フィラメントや電極が設置されない。これにより、フィラメントや電極が酸化されるのを防ぐことができる。
【００６９】
上述のように、本実施の形態のドーピング装置では、対象物１２０に酸素を添加（酸素イオンを照射）することが可能であり、かつ、フィラメントや多孔性電極の酸化を防ぐことが可能である。
【００７０】
排気装置１３６及び排気装置１０８はそれぞれ、ドライポンプ、メカニカルブースターポンプ、又はターボ分子ポンプ等を適宜用いればよい。
【００７１】
なお必要であれば、第３のチャンバである酸素プラズマ室１０４及び第４のチャンバである試料室１０２との間に、質量分離器を設置してもよい。質量分離器を設置することによって、特定の質量のイオン種を対象物に照射することができる。
【００７２】
以上本実施の形態により、酸素を添加可能なドーピング装置を提供することができる。
【００７３】
［実施の形態２］
本実施の形態では、実施の形態１で述べたドーピング装置を用いた半導体装置の作製方法の一形態について説明する。本実施の形態では、半導体装置の一例として酸化物半導体層を有するトランジスタを示す。
【００７４】
トランジスタはチャネル形成領域が１つ形成されるシングルゲート構造でも、２つ形成されるダブルゲート構造もしくは３つ形成されるトリプルゲート構造であってもよい。また、チャネル領域の上下にゲート絶縁層を介して配置された２つのゲート電極層を有する、デュアルゲート型でもよい。
【００７５】
図３（Ａ）乃至図３（Ｃ）に示すトランジスタ４４０ａは、トップゲート構造のトランジスタの一例である。図３（Ａ）は平面図であり、図３（Ａ）中の一点鎖線Ｘ１−Ｘ２で切断した断面が図３（Ｂ）に相当し、図３（Ａ）中の一点鎖線Ｙ１−Ｙ２で切断した断面が図３（Ｃ）に相当する。
【００７６】
チャネル長方向の断面図である図３（Ｂ）及びチャネル幅方向の断面図である図３（Ｃ）に示すように、トランジスタ４４０ａを含む半導体装置は、下地絶縁層４３６が設けられた絶縁表面を有する基板４００上に、酸化物半導体層４０３、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ、ゲート絶縁層４０２、ゲート電極層４０１、ゲート電極層４０１の側面に設けられた側壁絶縁層４１２、ゲート電極層４０１上に設けられた絶縁層４１３、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂ上に設けられた層間絶縁層４１７、層間絶縁層４１７上に設けられた層間絶縁層４１５、トランジスタ４４０ａを覆う絶縁層４０７を有する。なお、図面をわかりやすくするため、図３（Ａ）では一部の構成要素の記載を省略している。
【００７７】
また、本実施の形態に示す下地絶縁層４３６は、第１の下地絶縁層４３６ａ及び第２の下地絶縁層４３６ｂの積層により構成する例を示している。また、本実施の形態に示すゲート絶縁層４０２は、第１のゲート絶縁層４０２ａ及び第２のゲート絶縁層４０２ｂの積層により構成する例を示している。第１の下地絶縁層４３６ａ、第２のゲート絶縁層４０２ｂ、層間絶縁層４１７は、水素、水分、水素化物、または水酸化物などの不純物や、酸素に対するバリア性を有する材料を用いることが好ましい。上記絶縁層にバリア性を有する材料を適用することで、外部からの不純物の浸入を防ぐとともに、酸化物半導体層４０３、第２の下地絶縁層４３６ｂ、第１のゲート絶縁層４０２ａからの酸素の脱離を防ぐことができる。
【００７８】
層間絶縁層４１５はトランジスタ４４０ａによる凹凸を平坦化するように設けられており、該上面の高さ（基板４００表面からの垂直距離）は側壁絶縁層４１２、及び絶縁層４１３と概略同じである。また、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂの上面の高さは、層間絶縁層４１５、側壁絶縁層４１２、及び絶縁層４１３の上面の高さより低く、ゲート電極層４０１の上面の高さより高い。
【００７９】
また、図３において、絶縁層４０７は、層間絶縁層４１５、層間絶縁層４１７、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ、側壁絶縁層４１２、絶縁層４１３と接して設けられている。
【００８０】
なお、本明細書中において、酸化物半導体層４０３中のゲート電極層４０１と重畳する領域を、チャネル形成領域と言い、酸化物半導体層４０３中のソース電極層４０５ａと接する領域をソース領域と言い、酸化物半導体層４０３中のドレイン電極層４０５ｂと接する領域をドレイン領域と言う。また、酸化物半導体層４０３中のチャネル形成領域とソース領域の間をオフセット領域４０６ａと言い、チャネル形成領域とドレイン領域の間の領域をオフセット領域４０６ｂと言う。オフセット領域４０６ａ、及びオフセット領域４０６ｂは、酸化物半導体層４０３中の側壁絶縁層４１２と重畳する位置に形成される。
【００８１】
すなわち、チャネル形成領域、ソース領域、ドレイン領域、オフセット領域４０６ａ、オフセット領域４０６ｂは、自己整合により形成される。なお、オフセット領域を設けることによりゲート電極層４０１とソース電極層４０５ａ間に生じる寄生容量を低減することができる。また、ゲート電極層４０１とドレイン電極層４０５ｂ間に生じる寄生容量を低減することができる。
【００８２】
また、自己整合によりチャネル形成領域が形成されるため、トランジスタの微細化が実現し易く、オン特性（例えば、オン電流及び電界効果移動度）が高く、高速動作が可能となる。
【００８３】
一方、後述する作製工程において、酸化物半導体層４０３に、ゲート電極層４０１をマスクとして、酸化物半導体の導電性を変化させる不純物元素が添加される場合は、ソース領域及びチャネル形成領域との間、並びに、ドレイン領域及びチャネル形成領域との間に、自己整合的に低抵抗領域が形成される。当該低抵抗領域が形成されると、トランジスタ４４０ａのオン抵抗を低減し、動作速度を向上させることができる。
【００８４】
酸化物半導体層４０３に用いる酸化物半導体としては、少なくともインジウム（Ｉｎ）または亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。特にＩｎとＺｎを含むことが好ましい。また、該酸化物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。
【００８５】
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。
【００８６】
例えば、酸化物半導体層４０３として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属の酸化物である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、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。
【００８７】
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。
【００８８】
また、酸化物半導体として、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される材料を用いてもよい。なお、Ｍは、Ｇａ、Ｆｅ、Ｍｎ及び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）で表記される材料を用いてもよい。
【００８９】
例えば、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。
【００９０】
しかし、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。
【００９１】
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。
【００９２】
なお、例えば、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝ａ：ｂ：ｃ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１）である酸化物の組成が、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝Ａ：Ｂ：Ｃ（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＝１）の酸化物の組成の近傍であるとは、ａ、ｂ、ｃが、（ａ−Ａ）２＋（ｂ−Ｂ）２＋（ｃ−Ｃ）２≦ｒ２を満たすことをいう。ｒとしては、例えば、０．０５とすればよい。他の酸化物でも同様である。
【００９３】
本実施の形態に開示する酸化物半導体には、単結晶酸化物半導体、多結晶（ポリクリスタルともいう。）酸化物半導体、または非晶質酸化物半導体の他に、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を用いることができる。
【００９４】
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。
【００９５】
ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれる結晶部は、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面または表面に垂直な方向に揃い、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軸及び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。
【００９６】
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳにおいて、結晶部の分布が一様でなくてもよい。例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳの形成過程において、酸化物半導体層の表面側から結晶成長させる場合、被形成面の近傍に対し表面の近傍では結晶部の占める割合が高くなることがある。また、ＣＡＡＣ−ＯＳへ不純物を添加することにより、当該不純物添加領域において結晶部が非晶質化することもある。
【００９７】
ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれる結晶部のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面または表面に垂直な方向に揃うため、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くことがある。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または表面に垂直な方向となる。結晶部は、成膜することにより、または成膜後に加熱処理などの結晶化処理を行うことにより形成される。
【００９８】
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特性の変動を低減することが可能である。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。
【００９９】
なお、酸化物半導体層を構成する酸素の一部は窒素で置換されてもよい。
【０１００】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳのように結晶部を有する酸化物半導体では、よりバルク内欠陥を低減することができ、表面の平坦性を高めればアモルファス状態の酸化物半導体以上の移動度を得ることができる。表面の平坦性を高めるためには、平坦な表面上に酸化物半導体を形成することが好ましく、具体的には、平均面粗さ（Ｒａ）が１ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下、より好ましくは０．１ｎｍ以下の表面上に形成するとよい。
【０１０１】
なお、Ｒａは、ＪＩＳ  Ｂ０６０１で定義されている中心線平均粗さを面に対して適用できるよう三次元に拡張したものであり、「基準面から指定面までの偏差の絶対値を平均した値」と表現できる。また、Ｒａは原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）にて評価可能である。
【０１０２】
酸化物半導体層の厚さは、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下（好ましくは５ｎｍ以上１０ｎｍ以下）とし、スパッタリング法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌｅｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＣＶＤ法、パルスレーザ堆積法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等を適宜用いることができる。また、酸化物半導体層４０３は、スパッタリングターゲット表面に対し、概略垂直に複数の基板表面がセットされた状態で成膜を行うスパッタ装置、所謂ＣＰスパッタ装置（Ｃｏｌｕｍｎｅｒ  Ｐｌａｓｍａ  Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ）を用いて成膜してもよい。
【０１０３】
図４（Ａ）乃至図４（Ｅ）及び図５（Ａ）乃至図５（Ｄ）にトランジスタ４４０ａを有する半導体装置の作製方法の一例を示す。
【０１０４】
まず、基板４００上に下地絶縁層４３６を形成する。
【０１０５】
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、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。また、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、ＳＯＩ基板などを適用することもでき、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板４００として用いてもよい。
【０１０６】
また、基板４００として、可撓性基板を用いて半導体装置を作製してもよい。可撓性を有する半導体装置を作製するには、可撓性基板上に酸化物半導体層４０３を含むトランジスタ４４０ａを直接作製してもよいし、他の作製基板に酸化物半導体層４０３を含むトランジスタ４４０ａ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、作製基板と酸化物半導体層を含むトランジスタ４４０ａとの間に剥離層を設けるとよい。
【０１０７】
下地絶縁層４３６としては、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により、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、酸化ハフニウム、酸化ガリウム、又はこれらの混合材料を用いて形成することができる。なお、本明細書において、酸化窒化とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものを指し、窒化酸化とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものを指すものとする。ここで、酸素及び窒素の含有量は、ラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ  Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）または水素前方散乱法（ＨＦＳ：Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｆｏｒｗａｒｄ  ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を用いて測定するものとする。
【０１０８】
また、下地絶縁層４３６として、熱酸化膜を用いてもよい。熱酸化膜は、基板を酸化性雰囲気中で熱処理することで、基板表面を酸化させて形成することができる。例えば、基板４００として単結晶シリコン基板を用いて、酸素を含む雰囲気や水蒸気を含む雰囲気中で、９００℃乃至１２００℃で数時間の熱処理を行うことで、基板４００の表面に熱酸化膜を形成することができる。
【０１０９】
また、下地絶縁層４３６は、単層でも積層でもよいが、後述する酸化物半導体層４０３に近い方から順に、層中（バルク中）に少なくとも化学量論比を超える量の酸素が存在する絶縁層、及び、水素、水分、水素化物、または水酸化物などの不純物や、酸素に対するバリア性を有する絶縁層の積層であると、酸化物半導体層４０３に酸素を供給、かつ、酸化物半導体層４０３からの酸素の脱離を抑制することができるので好適である。本実施の形態では、下地絶縁層４３６として、第１の下地絶縁層４３６ａと第２の下地絶縁層４３６ｂの積層を用いる。また、基板４００上に形成する第１の下地絶縁層４３６ａは、窒化シリコンや酸化アルミニウムなどの、水素、水分、水素化物、または水酸化物などの不純物や、酸素に対するバリア性を有する材料を用いることが好ましい。また、第１の下地絶縁層４３６ａ上に形成する第２の下地絶縁層４３６ｂは酸化物半導体層４０３と接するため、層中（バルク中）に少なくとも化学量論比を超える量の酸素が存在することが好ましい。例えば、第２の下地絶縁層４３６ｂとして、酸化シリコンを用いる場合には、ＳｉＯ２＋α（ただし、α＞０）とする。このような第２の下地絶縁層４３６ｂを用いることで、酸化物半導体層４０３に酸素を供給することができ、特性を良好にすることができる。酸化物半導体層４０３へ酸素を供給することにより、酸化物半導体層４０３中の酸素欠損を補填することができる。
【０１１０】
層中（バルク中）に少なくとも化学量論比を超える量の酸素が存在する第２の下地絶縁層４３６ｂを形成するために、第２の下地絶縁層４３６ｂを成膜後、実施の形態１で説明したドーピング装置を用いて酸素を添加すればよい。実施の形態１で説明したドーピング装置を用いて、酸素を添加する方法については、第１の下地絶縁層４３６ａ及び第２の下地絶縁層４３６ｂを積層した基板４００を、実施の形態１で述べた対象物１２０として、酸素を第２の下地絶縁層４３６ｂに添加する。
【０１１１】
本実施の形態では、基板４００として単結晶シリコン基板を用い、第１の下地絶縁層４３６ａとして基板４００上にプラズマＣＶＤ法により厚さ５０ｎｍの窒化シリコンを形成し、第１の下地絶縁層４３６ａ上に第２の下地絶縁層４３６ｂとして厚さ３００ｎｍの酸化シリコンを形成する。
【０１１２】
下地絶縁層４３６形成時の温度は、基板４００が耐えうる温度以下で、より高いほうが好ましい。例えば、基板４００を３５０℃以上４５０℃以下の温度に加熱しながら下地絶縁層４３６を形成する。なお、下地絶縁層４３６形成時の温度は一定であることが好ましい。例えば、下地絶縁層４３６の形成を、基板４００を３５０℃に加熱して行う。
【０１１３】
また、下地絶縁層４３６の形成後、減圧下、窒素雰囲気下、希ガス雰囲気下、または超乾燥エア窒素雰囲気下において、加熱処理を行ってもよい。加熱処理により下地絶縁層４３６に含まれる水素、水分、水素化物、または水酸化物などの濃度を低減することができる。加熱処理度は、基板４００が耐えうる温度以下で、より高い温度で行うことが好ましい。具体的には、下地絶縁層４３６の成膜温度以上、基板４００の歪点以下で行うことが好ましい。
【０１１４】
なお、下地絶縁層４３６の水素濃度は、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、更に好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることが望ましい。
【０１１５】
第２の下地絶縁層４３６ｂを成膜後、実施の形態１で説明したドーピング装置を用いて酸素を添加する。これにより、層中（バルク中）に少なくとも化学量論比を超える量の酸素が存在する第２の下地絶縁層４３６ｂを形成することができる。
【０１１６】
第２の下地絶縁層４３６ｂに酸素を添加する方法については、上述のように、第１の下地絶縁層４３６ａ及び第２の下地絶縁層４３６ｂを積層した基板４００を、実施の形態１で述べた対象物１２０として、第２の下地絶縁層４３６ｂに酸素を添加する（図４（Ａ）参照）。
【０１１７】
酸素の供給により、第２の下地絶縁層４３６ｂを構成する元素と水素の間の結合、或いは該元素と水酸基の間の結合を切断するとともに、これらの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、酸素の供給後に加熱処理を行うと、不純物である水素または水酸基が、水として脱離しやすくなる。このため、第２の下地絶縁層４３６ｂへ酸素を供給した後に加熱処理を行ってもよい。その後、さらに第２の下地絶縁層４３６ｂに酸素を供給し、第２の下地絶縁層４３６ｂを酸素過剰な状態としてもよい。また、第２の下地絶縁層４３６ｂへの酸素の供給と加熱処理は、それぞれを交互に複数回行ってもよい。また、加熱処理と酸素の供給を同時に行ってもよい。
【０１１８】
次に、下地絶縁層４３６上に酸化物半導体層４０３をスパッタリング法により形成する。
【０１１９】
酸化物半導体層４０３の形成工程において、酸化物半導体層４０３に水素、又は水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４０３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下地絶縁層４３６が形成された基板を予備加熱し、基板及び下地絶縁層４３６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。
【０１２０】
下地絶縁層４３６において酸化物半導体層４０３が接して形成される領域に、平坦化処理を行ってもよい。平坦化処理としては、特に限定されないが、研磨処理（例えば、化学的機械研磨法）、ドライエッチング処理、プラズマ処理を用いることができる。
【０１２１】
プラズマ処理としては、例えば、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リングを行うことができる。逆スパッタリングとは、アルゴン雰囲気下で基板側に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、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウム、酸素などを用いてもよい。逆スパッタリングを行うと、下地絶縁層４３６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）を除去することができる。
【０１２２】
平坦化処理として、研磨処理、ドライエッチング処理、プラズマ処理は複数回行ってもよく、それらを組み合わせて行ってもよい。また、組み合わせて行う場合、工程順も特に限定されず、下地絶縁層４３６表面の凹凸状態に合わせて適宜設定すればよい。
【０１２３】
平坦化処理は、例えば、下地絶縁層４３６として用いる酸化シリコン層表面に化学的機械研磨法により研磨処理（研磨条件：ポリウレタン系研磨布、シリカ系スラリー、スラリー温度室温、研磨圧０．００１ＭＰａ、研磨時回転数（テーブル／スピンドル）６０ｒｐｍ／５６ｒｐｍ、研磨時間０．５分）を行い、酸化シリコン層表面における平均面粗さ（Ｒａ）を約０．１５ｎｍとすればよい。
【０１２４】
なお、酸化物半導体層４０３を形成するためのスパッタリングガスは、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気、酸素雰囲気、希ガス及び酸素の混合ガスを適宜用いる。また、スパッタリングガスには、水素、水、水酸基また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。
【０１２５】
なお、酸化物半導体層４０３は、酸素が多く含まれるような条件（例えば、酸素１００％の雰囲気下でスパッタリング法により成膜を行うなど）で形成して、酸素を多く含むまたは酸素が過飽和な状態（好ましくは酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている状態）とすることが好ましい。
【０１２６】
例えば、スパッタリング法を用いて酸化物半導体層を形成する場合、スパッタリングガスの酸素の占める割合が多い条件で行うことが好ましく、スパッタリングガスを酸素ガス１００％として行うことが好ましい。スパッタリングガス中の酸素ガスの占める割合が多い条件、特に酸素ガス１００％で成膜すると、例えば形成温度を３００℃以上としても、酸化物半導体層中からのＺｎの放出が抑えられる。
【０１２７】
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い。具体的には、酸化物半導体層４０３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、酸化物半導体層４０３のアルミニウム濃度は１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。また、酸化物半導体層４０３の塩素濃度は２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【０１２８】
また、酸化物半導体層４０３中のナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、カリウム（Ｋ）などのアルカリ金属の濃度は、Ｎａは５×１０１６ｃｍ−３以下、好ましくは１×１０１６ｃｍ−３以下、さらに好ましくは１×１０１５ｃｍ−３以下、Ｌｉは５×１０１５ｃｍ−３以下、好ましくは１×１０１５ｃｍ−３以下、Ｋは５×１０１５ｃｍ−３以下、好ましくは１×１０１５ｃｍ−３以下とすることが好ましい。
【０１２９】
本実施の形態においては、酸化物半導体層４０３として、ＡＣ電源装置を有するスパッタリング装置を用いたスパッタリング法により、膜厚３５ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯ）を形成する。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、組成比として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２［原子数比］の金属酸化物ターゲットを用いる。
【０１３０】
また、金属酸化物ターゲットの相対密度（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。相対密度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層４０３は緻密な膜とすることができる。
【０１３１】
酸化物半導体層４０３を、成膜する際に用いるスパッタリングガスは水素、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。
【０１３２】
まず、減圧状態に保持された成膜室内に基板を保持する。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４０３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４０３に含まれる不純物の濃度を低減できる。
【０１３３】
また、下地絶縁層４３６と酸化物半導体層４０３を大気に解放せずに連続的に形成してもよい。下地絶縁層４３６と酸化物半導体層４０３とを大気に曝露せずに連続して形成すると、下地絶縁層４３６表面に水素や水分などの不純物が付着することを防止することができる。
【０１３４】
また、酸化物半導体層４０３形成後に、酸化物半導体層４０３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）するための加熱処理を行ってもよい。加熱処理の温度は、３００℃以上７００℃以下、または基板の歪み点未満とする。加熱処理は減圧下又は窒素雰囲気下などで行うことができる。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４０３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。
【０１３５】
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用いてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ  Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ  Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）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。
【０１３６】
例えば、加熱処理として、６５０℃〜７００℃の高温に加熱した不活性ガス中に基板を入れ、数分間加熱した後、基板を不活性ガス中から出すＧＲＴＡを行ってもよい。
【０１３７】
なお、加熱処理においては、窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、熱処理装置に導入する窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、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。
【０１３８】
また、加熱処理により酸化物半導体層４０３を加熱した後、同じ炉に高純度の酸素ガス、高純度の一酸化二窒素ガス、又は超乾燥エア（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、より好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）を導入してもよい。酸素ガスまたは一酸化二窒素ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、熱処理装置に導入する酸素ガスまたは一酸化二窒素ガスの純度を、６Ｎ以上好ましくは７Ｎ以上（即ち、酸素ガスまたは一酸化二窒素ガス中の不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。酸素ガス又は一酸化二窒素ガスの作用により、脱水化または脱水素化処理による不純物の排除工程によって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である酸素を供給することによって、酸化物半導体内の酸素欠損が低減され、酸化物半導体層４０３をｉ型（真性）または実質的にｉ型化することができる。この点、シリコンなどのように不純物元素を添加してのｉ型化ではないため、酸化物半導体のｉ型化は従来にない技術思想を含むものといえる。
【０１３９】
脱水化又は脱水素化のための加熱処理は、酸化物半導体層の形成後であれば、島状の酸化物半導体層４０３の形成前に行ってもよく、形成後に行ってもよい。また、脱水化又は脱水素化のための加熱処理は、複数回行ってもよく、他の加熱処理と兼ねてもよい。
【０１４０】
また、脱水化又は脱水素化処理によって、酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素が同時に脱離して減少してしまう恐れがある。酸化物半導体層において、酸素が脱離した箇所では酸素欠損が存在し、該酸素欠損に起因してトランジスタの電気的特性変動を招くドナー準位が生じてしまう。
【０１４１】
このため、脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体層４０３に、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）を供給してもよい。
【０１４２】
脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体層４０３に、酸素を供給することによって、脱水化または脱水素化処理による不純物の排除工程によって生じた酸化物半導体内の酸素欠損を低減し、酸化物半導体層４０３を電気的にｉ型（真性）化することができる。電気的にｉ型（真性）化した酸化物半導体層４０３を有するトランジスタは、電気特性変動が抑制されており、電気的に安定である。
【０１４３】
酸素の供給方法としては、実施の形態１で説明したドーピング装置を用いて酸素を添加すればよい。下地絶縁層４３６上に酸化物半導体層４０３を成膜した基板４００を、実施の形態１で述べた対象物１２０として、酸化物半導体層４０３に酸素を添加する（図４（Ｂ）参照）。
【０１４４】
酸素の供給により、酸化物半導体層４０３を構成する元素と水素の間の結合、或いは該元素と水酸基の間の結合を切断するとともに、これらの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、酸素の供給後に加熱処理を行うと、不純物である水素または水酸基が、水として脱離しやすくなる。このため、酸化物半導体層４０３へ酸素を供給した後に加熱処理を行ってもよい。その後、さらに酸化物半導体層４０３に酸素を供給し、酸化物半導体層４０３を酸素過剰な状態としてもよい。また、酸化物半導体層４０３への酸素の供給と加熱処理は、それぞれを交互に複数回行ってもよい。また、加熱処理と酸素の供給を同時に行ってもよい。
【０１４５】
このように、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ることにより高純度化され、また、十分な酸素が供給されて酸化物半導体層４０３中の酸素欠損が低減されることにより、ｉ型（真性）または実質的にｉ型（真性）化されたものであることが望ましい。
【０１４６】
電子供与体（ドナー）となる水分または水素などの不純物が低減されて高純度化された酸化物半導体（ｐｕｒｉｆｉｅｄ  ＯＳ）は、その後、酸化物半導体に酸素を供給して、酸化物半導体内の酸素欠損を低減することによりｉ型（真性）の酸化物半導体又はｉ型に限りなく近い（実質的にｉ型化した）酸化物半導体とすることができる。チャネルが形成される半導体層にｉ型または実質的にｉ型化された酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流が著しく低いという特性を有する。
【０１４７】
具体的に、高純度化された酸化物半導体層の水素濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）による水素濃度の測定値が、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。また、酸化物半導体層４０３に十分な酸素が供給されて酸素が過飽和の状態とするため、酸化物半導体層４０３を挟むように酸素を多く含む絶縁層（酸化シリコンなど）を接して設けることが好ましい。
【０１４８】
また、酸素を多く含む絶縁層の水素濃度もトランジスタの特性に影響を与えるため重要である。酸素を多く含む絶縁層の水素濃度が、７．２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である場合には、トランジスタの初期特性のバラツキの増大、Ｌ長依存性の増大、さらにＢＴストレス試験において大きく劣化するため、酸素を多く含む絶縁層の水素濃度は、７．２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする。即ち、酸化物半導体層の水素濃度は５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、且つ、酸素を多く含む絶縁層の水素濃度は、７．２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とすることが好ましい。
【０１４９】
ここで、水素濃度のＳＩＭＳ分析について触れておく。ＳＩＭＳ分析は、その原理上、試料表面近傍や、材質が異なる膜との積層界面近傍のデータを正確に得ることが困難であることが知られている。そこで、層中における水素濃度の厚さ方向の分布をＳＩＭＳで分析する場合、対象となる層が存在する範囲において、値に極端な変動が無く、ほぼ一定の値が得られる領域における平均値を、水素濃度として採用する。また、測定の対象となる層の厚さが小さい場合、隣接する膜内の水素濃度の影響を受けて、ほぼ一定の値が得られる領域を見いだせない場合がある。この場合、当該膜が存在する領域における、水素濃度の最大値または最小値を、当該膜中の水素濃度として採用する。さらに、当該膜が存在する領域において、最大値を有する山型のピーク、最小値を有する谷型のピークが存在しない場合、変曲点の値を水素濃度として採用する。
【０１５０】
次いで、酸化物半導体層４０３を島状に加工し、当該島状の酸化物半導体層４０３を覆うゲート絶縁層４４２を形成する。
【０１５１】
なお、ゲート絶縁層４４２の被覆性を向上させるために、酸化物半導体層４０３表面にも上記平坦化処理を行ってもよい。特にゲート絶縁層４４２として膜厚の薄い絶縁層を用いる場合、酸化物半導体層４０３表面の平坦性が良好であることが好ましい。
【０１５２】
ゲート絶縁層４４２の厚さは、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とし、スパッタリング法、ＭＢＥ法、ＣＶＤ法、パルスレーザ堆積法、ＡＬＤ法等を適宜用いて形成することができる。また、ゲート絶縁層４４２は、スパッタリングターゲット表面に対し、概略垂直に複数の基板表面がセットされた状態で成膜を行うスパッタ装置、所謂ＣＰスパッタ装置を用いて成膜してもよい。
【０１５３】
なお、ゲート絶縁層４４２として、酸化シリコン膜または、酸化窒化シリコンを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、酸化窒化シリコンは、ゲート絶縁層４４２の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、または酸化窒化シリコンより少ない。そのためトランジスタの閾値電圧等の電気特性の信頼を高くすることができる。
【０１５４】
また、ゲート絶縁層４４２は、単層でも積層でもよいが、酸化物半導体層４０３に近い方から順に、層中（バルク中）に少なくとも化学量論比を超える量の酸素が存在する絶縁層、及び、水素、水分、水素化物、または水酸化物などの不純物や、酸素に対するバリア性を有する絶縁層の積層であると、酸化物半導体層４０３に酸素を供給、かつ、酸化物半導体層４０３からの酸素の脱離を抑制することができるので好適である。本実施の形態では、ゲート絶縁層４４２として、第１のゲート絶縁層４４２ａと第２のゲート絶縁層４４２ｂの積層を用いる。ゲート絶縁層４４２の材料としては、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、酸化ハフニウム、酸化ガリウム、又はこれらの混合材料を用いて形成することができる。本実施の形態では、ゲート絶縁層４４２として、第１のゲート絶縁層４４２ａ及び第２のゲート絶縁層４４２ｂを積層する。
【０１５５】
また、一般に、容量素子は対向する二つの電極の間に誘電体を挟む構成を有し、誘電体の厚さが薄いほど（対向する二つの電極間距離が短いほど）、また、誘電体の誘電率が大きいほど容量値が大きくなる。ただし、容量素子の容量値を増やすために誘電体を薄くすると、二つの電極間に生じるリーク電流が増加しやすくなり、また、容量素子の絶縁耐圧が低下しやすくなる。
【０１５６】
トランジスタのゲート電極、ゲート絶縁層、半導体層が重畳する部分は、前述した容量素子として機能する（以下、「ゲート容量」ともいう）。なお、半導体層の、ゲート絶縁層を介してゲート電極と重畳する領域にチャネルが形成される。すなわち、ゲート電極と、チャネル形成領域が容量素子の二つの電極として機能し、ゲート絶縁層が容量素子の誘電体として機能する。ゲート容量の容量値は大きいほうが好ましいが、容量値を増やすためにゲート絶縁層を薄くすると、前述のリーク電流の増加や、絶縁耐圧の低下といった問題が生じやすい。
【０１５７】
そこで、ゲート絶縁層４４２として、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙＮｚ（ｘ＞０、ｙ＞０、ｚ＞０））、窒素が添加されたハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙＮｚ（ｘ＞０、ｙ＞０、ｚ＞０））、酸化ハフニウム、酸化イットリウムなどのｈｉｇｈ−ｋ材料を用いると、ゲート絶縁層４４２を厚くしても、ゲート電極層４０１と酸化物半導体層４０３間の容量値を十分確保することが可能となる。
【０１５８】
例えば、ゲート絶縁層４４２として誘電率が大きいｈｉｇｈ−ｋ材料を用いると、ゲート絶縁層４４２を厚くしても、ゲート絶縁層４４２に酸化シリコンを用いた場合と同等の容量値を実現できるため、ゲート電極層４０１と酸化物半導体層４０３間に生じるリーク電流を低減できる。また、ゲート電極層４０１と同じ層を用いて形成された配線と、該配線と重畳する他の配線との間に生じるリーク電流を低減できる。なお、ゲート絶縁層４４２をｈｉｇｈ−ｋ材料と、上記材料との積層構造としてもよい。
【０１５９】
ゲート絶縁層４４２は、酸化物半導体層４０３と接する部分において酸素を含むことが好ましい。本実施の形態においては、酸化物半導体層４０３と接する第１のゲート絶縁層４４２ａは、膜中（バルク中）に少なくとも化学量論比を超える量の酸素が存在することが好ましい。例えば、第１のゲート絶縁層４４２ａとして、酸化シリコン膜を用いる場合には、ＳｉＯ２＋α（ただし、α＞０）とする。本実施の形態では、第１のゲート絶縁層４４２ａとして、ＳｉＯ２＋α（ただし、α＞０）である酸化シリコン膜を用いる。この酸化シリコン膜を第１のゲート絶縁層４４２ａとして用いることで、酸化物半導体層４０３に酸素を供給することができ、特性を良好にすることができる。さらに、第１のゲート絶縁層４４２ａは、作製するトランジスタのサイズや第１のゲート絶縁層４４２ａの段差被覆性を考慮して形成することが好ましい。
【０１６０】
第１のゲート絶縁層４４２ａの形成後、第１のゲート絶縁層４４２ａに酸素を供給して第１のゲート絶縁層４４２ａを酸素過剰な状態とすると、第１のゲート絶縁層４４２ａから酸化物半導体層４０３へ酸素を供給できるので好適である。
【０１６１】
酸素の供給方法としては、実施の形態１で説明したドーピング装置を用いて酸素を添加すればよい。酸化物半導体層４０３上に第１のゲート絶縁層４４２ａを成膜した基板４００を、実施の形態１で述べた対象物１２０として、第１のゲート絶縁層４４２ａに酸素を添加する（図４（Ｃ）参照）。
【０１６２】
酸素の供給により、第１のゲート絶縁層４４２ａを構成している元素と水素の間の結合、或いは該元素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、酸素の供給後に加熱処理を行うことで、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。すなわち、第１のゲート絶縁層４４２ａ中の不純物濃度をさらに低減することができる。このため、第１のゲート絶縁層４４２ａへ酸素を供給した後に加熱処理を行ってもよい。その後、さらに第１のゲート絶縁層４４２ａに酸素を供給し、ゲート絶縁層４４２を酸素過剰な状態としてもよい。また、第１のゲート絶縁層４４２ａへの酸素の供給と加熱処理は、それぞれを交互に複数回行ってもよい。また、加熱処理と酸素の供給を同時に行ってもよい。
【０１６３】
次いで、第１のゲート絶縁層４４２ａ上に、第２のゲート絶縁層４４２ｂを形成する。これにより、酸化物半導体層４０３上に、第１のゲート絶縁層４４２ａ及び第２のゲート絶縁層４４２ｂの積層であるゲート絶縁層４４２が形成される。（図４（Ｄ）参照）。第２のゲート絶縁層４４２ｂは、窒化シリコンや酸化アルミニウムなどの、水素、水分、水素化物、または水酸化物などの不純物や、酸素に対するバリア性を有する材料を用いることが好ましい。
【０１６４】
また、ゲート絶縁層４４２を形成する前に、酸素、一酸化二窒素、もしくは希ガス（代表的にはアルゴン）などを用いたプラズマ処理により、酸化物半導体層４０３の表面に付着した水分や有機物などの不純物を除去することが好ましい。
【０１６５】
次に、ゲート絶縁層４４２上に、ゲート電極層４０１を形成するための導電層４０４（図示せず）、及び絶縁層４１３を形成するための絶縁層４０８（図示せず）の積層を形成し、第１のフォトリソグラフィ工程により導電層４０４及び絶縁層４０８の一部を選択的にエッチングして、ゲート電極層４０１及び絶縁層４１３の積層を形成する（図４（Ｅ）参照）。
【０１６６】
なお、特段の説明が無い限り、本明細書で言うフォトリソグラフィ工程には、レジストマスクの形成工程と、導電層または絶縁層のエッチング工程と、レジストマスクの剥離工程が含まれているものとする。
【０１６７】
本実施の形態では、導電層４０４として、スパッタリング法によりゲート絶縁層４４２上に厚さ３０ｎｍの窒化タンタルを形成し、該窒化タンタル上に厚さ１３５ｎｍのタングステンを形成する。また、絶縁層４０８として、プラズマＣＶＤ法により厚さ２００ｎｍの酸化窒化シリコンを形成する。
【０１６８】
導電層４０４及び絶縁層４０８の一部を選択的にエッチングして、ゲート電極層４０１及び絶縁層４１３を形成するためのレジストマスクは、印刷法や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。
【０１６９】
また、ゲート電極層４０１及び絶縁層４１３を形成するためのエッチングは、ドライエッチング法でもウェットエッチング法でもよく、両方を用いてもよい。なお、微細なパターンを形成するためには、異方性エッチングが可能なドライエッチング法を用いることが好ましい。
【０１７０】
導電層４０４及び絶縁層４０８のエッチングをドライエッチング法で行う場合は、エッチングガスとしてハロゲン元素を含むガスを用いることができる。ハロゲン元素を含むガスの一例としては、塩素（Ｃｌ２）、三塩化硼素（ＢＣｌ３）、四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）もしくは四塩化炭素（ＣＣｌ４）などを代表とする塩素系ガス、四フッ化炭素（ＣＦ４）、六フッ化硫黄（ＳＦ６）、三フッ化窒素（ＮＦ３）もしくはトリフルオロメタン（ＣＨＦ３）などを代表とするフッ素系ガス、臭化水素（ＨＢｒ）または酸素を適宜用いることができる。また用いるエッチング用ガスに不活性ガスを添加してもよい。また、ドライエッチング法としては、平行平板型ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）法や、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ：誘導結合型プラズマ）エッチング法を用いることができる。所望の加工形状にエッチングできるように、エッチング条件（コイル型の電極に印加される電力量、基板側の電極に印加される電力量、基板側の電極温度等）を適宜調節する。
【０１７１】
後にゲート電極層４０１となる導電層４０４の材料は、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。また、導電層４０４としてリン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコン膜に代表される半導体層、ニッケルシリサイドなどのシリサイド膜を用いてもよい。導電層４０４は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。
【０１７２】
また、導電層４０４の材料は、酸化インジウム酸化スズ、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、酸化インジウム酸化亜鉛、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。また、上記導電性材料と、上記金属材料の積層構造とすることもできる。
【０１７３】
また、ゲート絶縁層４４２と接する導電層４０４として、窒素を含む金属酸化物、具体的には、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系金属酸化物や、窒素を含むＩｎ−Ｓｎ系金属酸化物や、窒素を含むＩｎ−Ｇａ系金属酸化物や、窒素を含むＩｎ−Ｚｎ系金属酸化物や、窒素を含む酸化錫や、窒素を含む酸化インジウムや、金属窒化膜（ＩｎＮ、ＳｎＮなど）を用いることができる。これらの材料は５ｅＶ（電子ボルト）以上の仕事関数を有し、ゲート電極層として用いた場合、トランジスタの電気特性のしきい値電圧をプラスにすることができ、所謂ノーマリーオフのスイッチング素子を実現できる。
【０１７４】
絶縁層４１３の材料は、代表的には酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化シリコン、窒化酸化アルミニウムなどの無機絶縁材料を用いることができる。絶縁層４１３は、ＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いて形成することができる。
【０１７５】
次に、ゲート電極層４０１及び絶縁層４１３上に絶縁層４１１（図示せず）を形成し、絶縁層４１１をエッチングして側壁絶縁層４１２を形成する。さらに、ゲート電極層４０１及び側壁絶縁層４１２をマスクとして、ゲート絶縁層４４２をエッチングし、ゲート絶縁層４０２（第１のゲート絶縁層４０２ａ及び第２のゲート絶縁層４０２ｂ）を形成する（図５（Ａ）参照）。
【０１７６】
絶縁層４１１は、絶縁層４１３と同様な材料及び方法を用いて形成することができる。本実施の形態では、ＣＶＤ法により形成した酸化窒化シリコン膜を用いる。
【０１７７】
次いで、酸化物半導体層４０３、ゲート絶縁層４０２、ゲート電極層４０１、側壁絶縁層４１２、及び絶縁層４１３上に、後にソース電極層及びドレイン電極層（これと同じ層で形成される配線を含む）となる導電層４４５を形成する（図５（Ｂ）参照）。
【０１７８】
導電層４４５は、後の加熱処理に耐えられる材料を用いる。例えば、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ネオジム（Ｎｄ）、スカンジウム（Ｓｃ）等から選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等を用いることができる。また、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）等の低抵抗な金属膜の下側又は上側の一方または双方にチタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）等の高融点金属膜またはそれらの金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）を積層させた構成としても良い。低抵抗な金属膜の下側又は上側の一方または双方に、高融点金属膜またはそれらの金属窒化物膜を積層すると、低抵抗な金属膜の金属の移動（拡散）を阻害できるので好適である。すなわち、導電層４４５を、第１の導電層、第２の導電層である金属膜、及び第３の導電層の積層とし、第２の導電層として低抵抗な導電層を用いる。第１の導電層及び第３の導電層の少なくとも一方に、第２の導電層の金属の移動を阻害できる材料を用いる。また、第２の導電層上の第３の導電層は、当該第２の導電層の端部を覆う構成にすると、第２の導電層の端部からの金属の移動を抑制することができるので好適である。
【０１７９】
例えば導電層４４５として、タングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）、窒化タンタルを積層したものを用い、低抵抗な銅（Ｃｕ）を、銅の移動を阻害するタングステン（Ｗ）及び窒化タンタルで挟めばよい。
【０１８０】
また、導電層４４５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（ＺｎＯ）、酸化インジウム酸化スズ（Ｉｎ２Ｏ３―ＳｎＯ２、ＩＴＯと略記する）、酸化インジウム酸化亜鉛（Ｉｎ２Ｏ３―ＺｎＯ）またはこれらの金属酸化物に酸化シリコンを含ませたものを用いることができる。
【０１８１】
本実施の形態では、導電層４４５として、スパッタリング法により厚さ３０ｎｍのタングステンを形成する。
【０１８２】
導電層４４５は、第２のフォトリソグラフィ工程により形成する。具体的には、導電層４４５上にレジストマスクを形成し、導電層４４５の一部を選択的にエッチングした後、レジストマスクを除去して島状の導電層４４５を形成する。なお、該エッチング工程では、ゲート電極層４０１と重畳する部分の導電層４４５の除去は行わない。
【０１８３】
導電層４４５として厚さ３０ｎｍのタングステン層を用いる場合、該導電層のエッチングは、例えばドライエッチング法により、タングステン層の一部を選択的にエッチング（（エッチング条件：エッチングガス（ＣＦ４：Ｃｌ２：Ｏ２＝５５ｓｃｃｍ：４５ｓｃｃｍ：５５ｓｃｃｍ、電源電力３０００Ｗ、バイアス電力１４０Ｗ、圧力０．６７Ｐａ）して、島状のタングステン層を形成すればよい。
【０１８４】
この時、導電層４４５の形成により露出した酸化物半導体層４０３の表面には、導電層４４５を構成する元素や、処理室内に存在する元素、エッチングに用いたエッチングガスを構成する元素が不純物として付着する場合がある。
【０１８５】
不純物が付着すると、トランジスタのオフ電流の増加、或いはトランジスタの電気的特性の劣化がもたらされやすい。また、酸化物半導体層４０３に寄生チャネルが生じやすくなり、電気的に分離されるべき電極や配線が酸化物半導体層４０３を介して電気的に接続されやすくなる。
【０１８６】
また、不純物によっては、酸化物半導体層４０３内（バルク内）の表面近傍に混入し、酸化物半導体層４０３中の酸素を引き抜いてしまい、酸化物半導体層４０３の表面及び表面近傍に酸素欠損が形成されることがある。例えば、上述したエッチングガスに含まれる塩素やボロンや、エッチング室の構成材料であるアルミニウムは、酸化物半導体層４０３が低抵抗化（ｎ型化）する要因の一つとなりうる。
【０１８７】
そこで、導電層４４５を形成するためのエッチングが終了した後、酸化物半導体層４０３の表面に付着した不純物を除去するための洗浄処理（不純物除去処理）を行うことが好ましい。
【０１８８】
不純物除去処理は、プラズマ処理、または溶液による処理によって行うことができる。プラズマ処理としては、酸素プラズマ処理または一酸化二窒素プラズマ処理などを用いることができる。また、プラズマ処理として希ガス（代表的にはアルゴン）を用いてもよい。
【０１８９】
また、溶液による洗浄処理としては、ＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ  Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）溶液などのアルカリ性の溶液、希フッ酸、シュウ酸などの酸性の溶液、水などを用いて行うことができる。例えば、希フッ酸を用いる場合、５０ｗｔ％フッ酸を、水で１／１０２乃至１／１０５程度、好ましくは１／１０３乃至１／１０５程度に希釈した希フッ酸を使用する。すなわち、濃度が０．５重量％乃至５×１０−４重量％の希フッ酸、好ましくは５×１０−２重量％乃至５×１０−４重量％の希フッ酸を洗浄処理に用いることが望ましい。洗浄処理により、酸化物半導体層４０３の表面に付着した上記不純物を除去することができる。
【０１９０】
また、希フッ酸溶液を用いて不純物除去処理を行うと、酸化物半導体層４０３の表面をエッチングすることができる。すなわち、酸化物半導体層４０３の表面に付着した不純物や、酸化物半導体層４０３内の表面近傍に混入した不純物を、酸化物半導体層４０３の一部とともに除去することができる。これにより、酸化物半導体層４０３の、導電層４４５と重畳する領域の膜厚が、重畳しない領域の膜厚より大きくなる場合がある。すなわち、酸化物半導体層４０３の、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂと重畳する領域の膜厚が、重畳しない領域の膜厚より大きくなる場合がある。例えば、１／１０３希釈フッ酸（０．０５％フッ酸）で、ＩＧＺＯ膜を処理すると、１秒あたり１〜３ｎｍ膜厚が減少し、２／１０５希釈フッ酸（０．００２５％フッ酸）で、ＩＧＺＯ膜を処理すると、１秒あたり０．１ｎｍ程度膜厚が減少する。
【０１９１】
不純物除去処理を行うことで、ＳＩＭＳを用いた分析により得られる濃度のピーク値において、半導体層表面における塩素濃度を１×１０１９／ｃｍ３以下（好ましくは５×１０１８／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１８／ｃｍ３以下）とすることができる。また、半導体層表面におけるボロン濃度を１×１０１９／ｃｍ３以下（好ましくは５×１０１８／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１８／ｃｍ３以下）とすることができる。また、半導体層表面におけるアルミニウム濃度を１×１０１９／ｃｍ３以下（好ましくは５×１０１８／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１８／ｃｍ３以下）とすることができる。
【０１９２】
不純物除去処理を行うことで、安定した電気特性を有する信頼性の高いトランジスタを実現することができる。なお、ゲート絶縁層４０２形成後にも不純物除去処理を行っても構わない。
【０１９３】
次に、島状の導電層４４５上に絶縁層４４７を形成し、絶縁層４４７上に絶縁層４４６を形成する。
【０１９４】
絶縁層４４７は、第２のゲート絶縁層４０２ｂ、第１の下地絶縁層４３６ａと同様の材料及び方法で形成することができる。絶縁層４４７は、絶縁層４１３と同様の材料及び方法を用いて形成することができる。絶縁層４４７は、窒化シリコンや酸化アルミニウムなどの、水素、水分、水素化物、または水酸化物などの不純物や、酸素に対するバリア性を有する材料を用いることが好ましい。本実施の形態では、絶縁層４４７としてスパッタリング法により酸化アルミニウムを１０ｎｍの厚さで形成する。酸化アルミニウムを高密度（密度３．２ｇ／ｃｍ３以上、好ましくは３．６ｇ／ｃｍ３以上）とすることによって、トランジスタ４４０ａ、トランジスタ４４０ｂに安定な電気特性を付与することができる。膜密度はラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ  Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）や、Ｘ線反射率測定法（ＸＲＲ：Ｘ−Ｒａｙ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）によって測定することができる。
【０１９５】
また、絶縁層４４６は、これまで基板４００上に形成された層により生じる凹凸を平坦化できる厚さで形成する。本実施の形態では、絶縁層４４６としてＣＶＤ法により酸化窒化シリコンを３００ｎｍの厚さで形成する。
【０１９６】
絶縁層４４７の形成後、絶縁層４４７に酸素を供給して絶縁層４４７を酸素過剰な状態とすると、絶縁層４４７から酸化物半導体層４０３へ酸素を供給できるので好適である。
【０１９７】
酸素の供給方法としては、実施の形態１で説明したドーピング装置を用いて酸素を添加すればよい。絶縁層４４７を形成した基板４００を、実施の形態１で述べた対象物１２０として、絶縁層４４７に酸素を添加する（図５（Ｃ）参照）。
【０１９８】
また、絶縁層４４６を形成後、実施の形態１で説明したドーピング装置を用いて絶縁層４４６に酸素を添加してもよい。その場合は、絶縁層４４６を形成した基板４００を、実施の形態１で述べた対象物１２０として、絶縁層４４６に酸素を添加すればよい。
【０１９９】
酸素の供給により、絶縁層を構成している元素と水素の間の結合、或いは該元素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、酸素の供給後に加熱処理を行うことで、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。すなわち、絶縁層４４７又は絶縁層４４６、あるいはその両方中の不純物濃度をさらに低減することができる。このため、絶縁層４４７又は絶縁層４４６、あるいはその両方へ酸素を供給した後に加熱処理を行ってもよい。その後、さらに絶縁層４４７又は絶縁層４４６、あるいはその両方に酸素を供給し、絶縁層４４７又は絶縁層４４６、あるいはその両方を酸素過剰な状態としてもよい。また、絶縁層４４７又は絶縁層４４６、あるいはその両方への酸素の供給と加熱処理は、それぞれを交互に複数回行ってもよい。また、加熱処理と酸素の供給を同時に行ってもよい。
【０２００】
次に絶縁層４４７、絶縁層４４６及び導電層４４５に化学的機械研磨法により研磨処理を行い、絶縁層４１３が露出するよう絶縁層４４７、絶縁層４４６及び導電層４４５の一部を除去する。
【０２０１】
該研磨処理によって、絶縁層４４６を層間絶縁層４１５に加工し、絶縁層４４７を層間絶縁層４１７に加工し、ゲート電極層４０１上の導電層４４５を除去してソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂを形成する。
【０２０２】
本実施の形態では、絶縁層４４６、絶縁層４４７及び導電層４４５の除去に化学的機械研磨法を用いたが、他の切削（研削、研磨）方法を用いてもよい。また、ゲート電極層４０１上の導電層４４５を除去する工程において、化学的機械研磨法などの切削（研削、研磨）法の他、エッチング（ドライエッチング、ウェットエッチング）法や、プラズマ処理などを組み合わせてもよい。例えば、化学的機械研磨法による除去工程後、ドライエッチング法やプラズマ処理（逆スパッタリングなど）を行い、処理表面の平坦性向上を図ってもよい。切削（研削、研磨）方法に、エッチング法、プラズマ処理などを組み合わせて行う場合、工程順は特に限定されず、絶縁層４４６及び導電層４４５の材料、厚さ、及び表面の凹凸状態に合わせて適宜設定すればよい。
【０２０３】
なお、本実施の形態においては、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂはゲート電極層４０１側面に設けられた側壁絶縁層４１２の側面に接するように設けられている。また、ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂは、側壁絶縁層４１２を側壁絶縁層４１２の側面の上端部よりやや低い位置まで覆っている。ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂの形状は導電層４４５を除去する研磨処理の条件によって異なり、本実施の形態に示すように、側壁絶縁層４１２、及び絶縁層４１３の研磨処理された表面より厚さ方向に後退した形状となる場合がある。しかし、研磨処理の条件によっては、ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂの上端部と、側壁絶縁層４１２の上端部とは概略一致する場合もある。
【０２０４】
以上の工程で、本実施の形態のトランジスタ４４０ａが作製される（図５（Ｄ）参照）。
【０２０５】
トランジスタ４４０ａは作製工程において、ゲート電極層４０１、絶縁層４１３、及び側壁絶縁層４１２上に設けられた導電層４４５を化学機械研磨処理することによって除去し導電層４４５を分断することによって、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂを形成する。
【０２０６】
また、ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂは、露出した酸化物半導体層４０３上面、及び側壁絶縁層４１２と接して設けられている。よって、ソース電極層４０５ａ又はドレイン電極層４０５ｂと酸化物半導体層４０３とが接する領域（ソース領域又はドレイン領域）と、ゲート電極層４０１との距離は、側壁絶縁層４１２のチャネル長方向の幅となり、より微細化が達成できる他、作製工程におけるばらつきをより少なくすることができる。
【０２０７】
また、ソース電極層４０５ａ又はドレイン電極層４０５ｂと酸化物半導体層４０３とが接する領域（ソース領域又はドレイン領域）と、ゲート電極層４０１との距離を短くすることができるため、ソース電極層４０５ａ又はドレイン電極層４０５ｂと酸化物半導体層４０３とが接する領域（ソース領域又はドレイン領域）、及びゲート電極層４０１間の抵抗が減少し、トランジスタ４４０ａのオン特性を向上させることが可能となる。
【０２０８】
また、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂの形成工程におけるゲート電極層４０１上の導電層４４５を除去する工程において、レジストマスクを用いたエッチング工程を用いないため、精密な加工を正確に行うことができる。よって、半導体装置の作製工程において、形状や特性のばらつきが少ない微細な構造を有するトランジスタ４４０ａを歩留まりよく作製することができる。
【０２０９】
なお、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂの形成工程におけるゲート電極層４０１上の導電層４４５を除去する工程において、絶縁層４１３の一部、又は絶縁層４１３全部を除去してもよい。図６（Ｃ）に、絶縁層４１３を全部除去し、ゲート電極層４０１が露出しているトランジスタ４４０ｃの例を示す。また、ゲート電極層４０１も上方の一部が除去されてもよい。トランジスタ４４０ｃのようにゲート電極層４０１を露出する構造は、トランジスタ４４０ｃ上に他の配線や半導体素子を積層する集積回路において用いることができる。
【０２１０】
トランジスタ４４０ａ上に保護絶縁層となる緻密性の高い無機絶縁層（代表的には酸化アルミニウム層）を設けてもよい。
【０２１１】
本実施の形態では、絶縁層４１３、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ、側壁絶縁層４１２、及び層間絶縁層４１５上に接して絶縁層４０７を形成する（図３（Ｂ）参照）。
【０２１２】
また、層間絶縁層４１７を形成せず、層間絶縁層４１５として保護絶縁層となる緻密性の高い無機絶縁層（代表的には酸化アルミニウム層）を設けてもよい。図６（Ｂ）にソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂと層間絶縁層４１５との間に層間絶縁層４１７を形成しないトランジスタ４４０ｂの例を示す。
【０２１３】
また、絶縁層４０７は単層でも積層でもよく、少なくとも酸化アルミニウム層を含むことが好ましい。
【０２１４】
絶縁層４０７は、プラズマＣＶＤ法、スパッタリング法、又は蒸着法等により成膜することができる。
【０２１５】
酸化アルミニウム以外の絶縁層４０７に用いる材料としては、例えば酸化シリコン、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、又は酸化ガリウムなどの無機絶縁材料などを用いることができる。また、酸化ハフニウム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化バリウム、又は金属窒化物も用いることができる。
【０２１６】
本実施の形態では、絶縁層４０７としてスパッタリング法により酸化アルミニウムを形成する。酸化アルミニウムを高密度（密度３．２ｇ／ｃｍ３以上、好ましくは３．６ｇ／ｃｍ３以上）とすることによって、トランジスタ４４０ａ、トランジスタ４４０ｂに安定な電気特性を付与することができる。
【０２１７】
酸化物半導体層４０３上に設けられる絶縁層４０７、絶縁層４１０として用いることのできる酸化アルミニウムは、水素、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を通過させない遮断効果（ブロック効果）が高い。
【０２１８】
従って、酸化アルミニウムで形成された絶縁層は、作製工程中及び作製後において、変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体層４０３への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体層４０３からの放出を防止する保護層として機能する。
【０２１９】
絶縁層４０７は、絶縁層４０７に水、水素等の不純物を混入させない方法（好適にはスパッタリング法など）を適宜用いて形成することが好ましい。
【０２２０】
また、酸化物半導体層の形成時と同様に、成膜室内の残留水分を除去するために、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形成した絶縁層４０７、絶縁層４１０に含まれる不純物の濃度を低減できる。また、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。
【０２２１】
絶縁層４０７を、成膜する際に用いるスパッタガスとしては、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。
【０２２２】
また、トランジスタ起因の表面凹凸を低減するために、トランジスタ上に平坦化絶縁層を形成してもよい。平坦化絶縁層としては、ポリイミド、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、等の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）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、平坦化絶縁層を形成してもよい。
【０２２３】
また、図６（Ａ）に、絶縁層４０７、層間絶縁層４１５及び層間絶縁層４１７にソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂに達する開口４３３ａ、開口４３３ｂを形成し、絶縁層４０７上に、開口４３３ａを介してソース電極層４０５ａと電気的に接続する配線層４３５ａと、開口４３３ｂを介してドレイン電極層４０５ｂに電気的に接続する配線層４３５ｂを形成する例を示す。配線層４３５ａ、配線層４３５ｂを用いて他のトランジスタや素子と接続させ、様々な回路を構成することができる。
【０２２４】
開口４３３ａ、及び開口４３３ｂは、第３のフォトリソグラフィ工程により絶縁層４０７、層間絶縁層４１５及び層間絶縁層４１７の一部を選択的にエッチングして形成することができる。絶縁層４０７、層間絶縁層４１５及び層間絶縁層４１７のエッチングは、ドライエッチング法でもウェットエッチング法でもよく、両方を用いてもよい。
【０２２５】
配線層４３５ａ及び配線層４３５ｂは、開口４３３ａ及び開口４３３ｂの形成後、絶縁層４０７上に配線層４３５ａ及び配線層４３５ｂを形成するための導電層を形成し、第４のフォトリソグラフィ工程により該導電層の一部を選択的にエッチングして形成することができる。
【０２２６】
配線層４３５ａ、及び配線層４３５ｂを形成するための導電層は、ゲート電極層４０１、ソース電極層４０５ａ、又はドレイン電極層４０５ｂと同様の材料を用いることができる。
【０２２７】
配線層４３５ａ、及び配線層４３５ｂを形成するための導電層は、後の加熱処理に耐えられる材料を用いる。例えば、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ネオジム（Ｎｄ）、スカンジウム（Ｓｃ）等から選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等を用いることができる。また、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）等の低抵抗な金属膜の下側又は上側の一方または双方にチタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）等の高融点金属膜またはそれらの金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）を積層させた構成としても良い。低抵抗な金属膜の下側又は上側の一方または双方に、高融点金属膜またはそれらの金属窒化物膜を積層すると、低抵抗な金属膜の金属の移動（拡散）を阻害できるので好適である。すなわち、配線層４３５ａ、及び配線層４３５ｂを形成するための導電層を、第１の導電層、第２の導電層である金属膜、及び第３の導電層の積層とし、第２の導電層として低抵抗な導電層を用いる。第１の導電層及び第３の導電層の少なくとも一方に、第２の導電層の金属の移動を阻害できる材料を用いる。また、第２の導電層上の第３の導電層は、当該第２の導電層の端部を覆う構成にすると、第２の導電層の端部からの金属の移動を抑制することができるので好適である。
【０２２８】
例えば配線層４３５ａ、及び配線層４３５ｂを形成するための導電層として、タングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）、窒化タンタルを積層したものを用い、低抵抗な銅（Ｃｕ）を、銅の移動を阻害するタングステン（Ｗ）及び窒化タンタルで挟めばよい。
【０２２９】
また、配線層４３５ａ、配線層４３５ｂ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（ＺｎＯ）、酸化インジウム酸化スズ（Ｉｎ２Ｏ３―ＳｎＯ２、ＩＴＯと略記する）、酸化インジウム酸化亜鉛（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。
【０２３０】
また、配線層４３５ａ及び配線層４３５ｂとして、モリブデンの単層、窒化タンタルと銅との積層、又は窒化タンタルとタングステンとの積層などを用いることができる。
【０２３１】
本実施の形態によれば、半導体装置において、形状や特性のばらつきを少ない微細な構造を有するオン特性の高いトランジスタ４４０ａ、トランジスタ４４０ｂ、トランジスタ４４０ｃを歩留まりよく提供することができる。
【０２３２】
従って、微細化を実現し、かつ高い電気的特性を付与された半導体装置、及び該半導体装置の作製方法を提供することができる。
【０２３３】
なお、酸化物半導体層４０３を、複数の酸化物半導体層が積層された構造としてもよい。例えば、酸化物半導体層４０３を、第１の酸化物半導体層と第２の酸化物半導体層の積層として、第１の酸化物半導体層と第２の酸化物半導体層に異なる組成の金属酸化物を用いてもよい。例えば、第１の酸化物半導体層に三元系金属の酸化物を用い、第２の酸化物半導体層に二元系金属の酸化物を用いてもよい。また、例えば、第１の酸化物半導体層と第２の酸化物半導体層を、どちらも三元系金属の酸化物としてもよい。
【０２３４】
また、第１の酸化物半導体層と第２の酸化物半導体層の構成元素を同一とし、両者の組成比を異ならせてもよい。例えば、第１の酸化物半導体層の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１とし、第２の酸化物半導体層の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２としてもよい。また、第１の酸化物半導体層の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２とし、第２の酸化物半導体層の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：１：３としてもよい。
【０２３５】
この時、第１の酸化物半導体層と第２の酸化物半導体層のうち、ゲート電極に近い側（チャネル側）の酸化物半導体層のＩｎとＧａの含有率をＩｎ＞Ｇａとするとよい。またゲート電極から遠い側（バックチャネル側）の酸化物半導体層のＩｎとＧａの含有率をＩｎ≦Ｇａとするとよい。
【０２３６】
酸化物半導体では主として重金属のｓ軌道がキャリア伝導に寄与しており、Ｉｎの含有率を多くすることによりｓ軌道のオーバーラップが多くなる傾向があるため、Ｉｎ＞Ｇａの組成となる酸化物はＩｎ≦Ｇａの組成となる酸化物と比較して高い移動度を備える。また、ＧａはＩｎと比較して酸素欠損の形成エネルギーが大きく酸素欠損が生じにくいため、Ｉｎ≦Ｇａの組成となる酸化物はＩｎ＞Ｇａの組成となる酸化物と比較して安定した特性を備える。
【０２３７】
チャネル側にＩｎ＞Ｇａの組成となる酸化物半導体を適用し、バックチャネル側にＩｎ≦Ｇａの組成となる酸化物半導体を適用することで、トランジスタの移動度及び信頼性をさらに高めることが可能となる。
【０２３８】
また、第１の酸化物半導体層と第２の酸化物半導体層に、結晶性の異なる酸化物半導体を適用してもよい。すなわち、単結晶酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、非晶質酸化物半導体、またはＣＡＡＣ−ＯＳを適宜組み合わせた構成としてもよい。また、第１の酸化物半導体層と第２の酸化物半導体層の少なくともどちらか一方に非晶質酸化物半導体を適用すると、酸化物半導体層４０３の内部応力や外部からの応力を緩和し、トランジスタの特性ばらつきが低減され、また、トランジスタの信頼性をさらに高めることが可能となる。
【０２３９】
一方で、非晶質酸化物半導体は水素などのドナーとなる不純物を吸収しやすく、また、酸素欠損が生じやすいためｎ型化されやすい。このため、チャネル側の酸化物半導体層は、ＣＡＡＣ−ＯＳなどの結晶性を有する酸化物半導体を適用することが好ましい。
【０２４０】
また、トランジスタとしてボトムゲート構造のチャネルエッチング型のトランジスタを用いる場合、バックチャネル側に非晶質酸化物半導体を用いると、ソース電極及びドレイン電極形成時のエッチング処理により酸素欠損が生じ、ｎ型化されやすい。このため、チャネルエッチング型のトランジスタを用いる場合は、バックチャネル側の酸化物半導体層に結晶性を有する酸化物半導体を適用することが好ましい。
【０２４１】
また、酸化物半導体層４０３を３層以上の積層構造とし、複数層の結晶性を有する酸化物半導体層で非晶質酸化物半導体層を挟む構造としてもよい。また、結晶性を有する酸化物半導体層と非晶質酸化物半導体層を交互に積層する構造としてもよい。
【０２４２】
酸化物半導体層４０３を複数層の積層構造とする場合の上記構成は、それぞれを適宜組み合わせて用いることができる。
【０２４３】
また、酸化物半導体層４０３を複数層の積層構造とし、各酸化物半導体層の形成後に酸素を供給してもよい。酸素の供給は、酸素雰囲気下による熱処理や、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法、酸素を含む雰囲気下で行うプラズマ処理などを用いることができる。
【０２４４】
本実施の形態により、電気特性が向上した半導体装置を提供することができる。
【０２４５】
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】
【０２４６】
１０１    アークチャンバ
１０２    試料室
１０３    イオン加速室
１０４    酸素プラズマ室
１０７    ステージ
１０８    排気装置
１１１    フィラメント
１１２    引き出し電極
１１３    加速電極
１１４    減速電極
１１５    接地電極
１１６    アノード
１２０    対象物
１２１ａ    保持手段
１２１ｂ    保持手段
１３１    引き出し電源
１３２    加速電源
１３３    減速電源
１３４    ガス導入部
１３５    酸素導入装置
１３６    排気装置
１３８    プラズマ
１３９    酸素プラズマ
１４１    管
１４２    コイル
１４３    電源
１４５    酸素イオン供給部
４００    基板
４０１    ゲート電極層
４０２    ゲート絶縁層
４０２ａ    第１のゲート絶縁層
４０２ｂ    第２のゲート絶縁層
４０３    酸化物半導体層
４０４    導電層
４０５ａ    ソース電極層
４０５ｂ    ドレイン電極層
４０６ａ    オフセット領域
４０６ｂ    オフセット領域
４０７    絶縁層
４０８    絶縁層
４１０    絶縁層
４１１    絶縁層
４１２    側壁絶縁層
４１３    絶縁層
４１５    層間絶縁層
４１７    層間絶縁層
４３３ａ    開口
４３３ｂ    開口
４３５ａ    配線層
４３５ｂ    配線層
４３６    下地絶縁層
４３６ａ    第１の下地絶縁層
４３６ｂ    第２の下地絶縁層
４４０ａ    トランジスタ
４４０ｂ    トランジスタ
４４０ｃ    トランジスタ
４４２    ゲート絶縁層
４４２ａ    第１のゲート絶縁層
４４２ｂ    第２のゲート絶縁層
４４５    導電層
４４６    絶縁層
４４７    絶縁層
【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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