(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理室において、露点が−６０℃以下であるスパッタガスを用いて、スパッタ法により酸化物半導体層を形成し、
前記酸化物半導体層は、トランジスタのチャネルとして機能し、
前記処理室が、前記酸化物半導体層形成前に、ハロゲン元素を含むガスを用いてクリーニング処理が行われることにより、前記酸化物半導体層の形成時に前記酸化物半導体層に前記ハロゲン元素を含ませることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２】
処理室において、露点が−６０℃以下であるスパッタガスを用いて、スパッタ法により酸化物半導体層を形成し、
前記酸化物半導体層に加熱処理を行い、
前記酸化物半導体層は、トランジスタのチャネルとして機能し、
前記処理室が、前記酸化物半導体層形成前に、ハロゲン元素を含むガスを用いてクリーニング処理が行われることにより、前記酸化物半導体層の形成時に前記酸化物半導体層に前記ハロゲン元素を含ませることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記ハロゲン元素は、フッ素原子を含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項４】
請求項１または請求項２において、
前記ハロゲン元素は、塩素、三塩化硼素、四塩化珪素、または四塩化炭素を含む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】
酸化物半導体を用いる半導体装置、及びその作成方法に関する。ここで、半導体装置とは
、半導体特性を利用することで機能する素子および装置全般を指すものである。
【背景技術】
【０００２】
絶縁表面を有する基板上に形成した半導体層を用いてトランジスタを構成する技術が知ら
れている。例えば、シリコン系半導体材料を含む薄膜を用いてガラス基板上にトランジス
タを形成し、液晶表示装置等に応用する技術が知られている。
【０００３】
液晶表示装置に用いるトランジスタは、主にアモルファスシリコン、または多結晶シリコ
ンなどの半導体材料を用いて作製される。アモルファスシリコンを用いたトランジスタは
、電界効果移動度が低いもののガラス基板の大面積化に対応することができる。一方、多
結晶シリコンを用いたトランジスタは、電界効果移動度が高いもののレーザアニールなど
の結晶化工程が必要であり、ガラス基板の大面積化には必ずしも適応しないといった特性
を有している。
【０００４】
その他の材料として酸化物半導体が注目されている。酸化物半導体の材料としては、酸化
亜鉛又は酸化亜鉛を成分とするものが知られている。そして、電子キャリア濃度が１０１
８／ｃｍ３未満である非晶質酸化物（酸化物半導体）なるもので形成された薄膜トランジ
スタが開示されている（特許文献１乃至３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１６５５２７号公報
【特許文献２】特開２００６−１６５５２８号公報
【特許文献３】特開２００６−１６５５２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
半導体特性を利用するトランジスタは経時劣化による閾値電圧のバラツキが小さいことが
望まれる。経時劣化による閾値電圧のバラツキが大きいトランジスタは、それを用いた半
導体装置の信頼性を損ねてしまうからである。また、半導体特性を利用するトランジスタ
はオフ電流が小さいことなどが望まれる。オフ電流が大きいトランジスタは、それを用い
た半導体装置の消費電力を高めてしまうからである。
【０００７】
本発明は、信頼性の高い半導体装置の作製方法を提供することを課題の一とする。
【０００８】
また、消費電力が低い半導体装置の作製方法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】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明者等は、酸化物半導体を半導体層に用いる半導体装置に
おいて、酸化物半導体層に含まれる不純物の濃度が、閾値電圧の変動、並びにオフ電流の
増大に影響を与えることに着目した。不純物としては、水素や、水など、水素原子を含む
物質をその例にあげることができる。水素原子を含む不純物は、酸化物半導体層の金属原
子に水素原子を与え、不純物準位を生じる。
【００１０】
酸化物半導体に含まれる水素原子を含む不純物は、当該酸化物半導体を成膜したあとに行
う比較的高温（例えば、６００℃）の第１の加熱処理によりおよそ除去できる。しかし、
酸化物半導体を構成する金属と強く結合する不純物（例えば水素、及び水酸基）は、その
強い結合力によって半導体層に残留してしまう。不純物が残留する酸化物半導体を半導体
層に用いると、半導体装置の閾値電圧が長期間の使用や光照射により変動してしまう。ま
たオフ電流が増大する等の不具合が生じてしまう。
【００１１】
従って上記課題を解決するためには、成膜室から水素原子を含む不純物を徹底的に排除し
て、高い純度の酸化物半導体層を成膜すればよい。具体的には、成膜中に水素原子を含む
不純物と強く結合する物質を成膜室に導入して、成膜室に残留する水素原子を含む不純物
と反応せしめ、水素原子を含む安定な物質に変性すればよい。水素原子を含む安定な物質
は酸化物半導体層の金属原子に水素原子を与えることなく排気されるため、水素原子等が
酸化物半導体層に取り込まれる現象を防止できる。水素原子を含む不純物と強く結合する
物質としては、例えばハロゲン元素を含む物質が好ましい。ハロゲン元素を含む物質はプ
ラズマ中でハロゲンラジカルを生じ、水素原子を含む不純物から水素原子を奪うからであ
る。また、ハロゲン元素を含む物質の中でも、フッ素ラジカルを生じるフッ素原子を含む
物質が特に好ましい。フッ素原子と水素原子の結合エネルギーは他のハロゲン元素と水素
原子の結合エネルギーより高く、フッ素原子と水素原子の結合は他のハロゲン元素と水素
原子の結合より安定だからである。
【００１２】
また、半導体層に含まれる酸化物半導体の末端の金属原子は酸素を介して他の金属原子と
結合している状態が好ましい。しかし、作製工程中に金属原子と酸素の結合が失われると
、金属原子に未結合手（ダングリングボンド）が生じる場合がある。また、水素原子を含
む不純物の存在下で金属原子と酸素の結合が失われると、水素と金属原子の結合、水酸基
と金属原子の結合が生じる場合がある。金属原子に生じた未結合手（ダングリングボンド
）はキャリア密度を高め、水素と金属原子の結合、及び水酸基と金属原子の結合は不純物
準位を形成する。高いキャリア密度を有する酸化物半導体層を用いた半導体装置は、閾値
電圧がノーマリオンの傾向を示し、例えば長期間の使用や光照射により変動する恐れがあ
る。また、不純物準位が形成された酸化物半導体層を用いた半導体装置は、オフ電流が増
大する等の不具合を生じてしまう。
【００１３】
上記課題を解決するためには、作製工程中に金属原子に生じた未結合手（ダングリングボ
ンド）を補う物質を添加すればよい。具体的には、ハロゲン元素の供給源を成膜室に導入
すればよい。ハロゲン元素は酸化物半導体層に含まれる金属原子に生じた未結合手（ダン
グリングボンド）に結合して終端を形成するため、キャリアの生成、または不純物準位の
生成を抑制することができる。
【００１４】
すなわち、本発明の一態様は、絶縁表面を有する基板上にゲート電極を形成し、前記ゲー
ト電極上にゲート絶縁層を形成し、前記ゲート絶縁層に接して前記ゲート電極に重畳する
酸化物半導体層を、ハロゲン元素を含む物質がガス状で導入された成膜室内で形成し、前
記酸化物半導体層を加熱処理し、加熱処理された前記酸化物半導体層に接して、端部をゲ
ート電極に重畳するソース電極、及びドレイン電極を形成し、前記酸化物半導体層のチャ
ネル形成領域に重畳し、前記酸化物半導体層の表面に接して、第１の絶縁層を形成する半
導体装置の作製方法である。
【００１５】
また、本発明の一態様は、水素、または水の含有量が１０ｐｐｍ以下である窒素、酸素、
乃至窒素及び酸素の混合ガス中で、前記酸化物半導体層を２５０℃以上７００℃以下の温
度で加熱する上記半導体装置の作製方法である。
【００１６】
また、本発明の一態様は、前記酸化物半導体層を加熱後２００℃以下まで徐冷する上記半
導体装置の作製方法である。
【００１７】
また、本発明の一態様は、フッ素原子を含む物質をガス状で成膜室内に導入する上記半導
体装置の作製方法である。
【００１８】
また、本発明の一態様は、絶縁表面を有する基板上にソース電極、及びドレイン電極を形
成し、前記ソース電極、及びドレイン電極の端部を覆う酸化物半導体層を、ハロゲン元素
を含む物質がガス状で導入された成膜室内で形成し、前記酸化物半導体層を加熱処理し、
加熱処理された前記酸化物半導体層に接して、前記ソース電極、及びドレイン電極の端部
に重畳するゲート絶縁層を形成し、前記ゲート絶縁層に接し、前記ソース電極、及びドレ
イン電極の端部に重畳するゲート電極を形成する半導体装置の作製方法である。
【００１９】
また、本発明の一態様は、水素、または水の含有量が１０ｐｐｍ以下である窒素、酸素、
乃至窒素及び酸素の混合ガス中で、前記酸化物半導体層を２５０℃以上７００℃以下の温
度で加熱する上記半導体装置の作製方法である。
【００２０】
また、本発明の一態様は、前記酸化物半導体層を加熱後２００℃以下まで徐冷する上記半
導体装置の作製方法である。
【００２１】
また、本発明の一態様は、フッ素原子を含む物質をガス状で成膜室内に導入する上記半導
体装置の作製方法である。
【００２２】
なお、本明細書中において、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。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の半導体装置の作製方法によれば、ハロゲン元素を含む物質を成膜室に導入し、成
膜中に生じるハロゲンラジカルを成膜室内に残留する水素原子を含む不純物と反応させ、
水素原子を含む安定なハロゲン化物に変性して排気することで、高純度な酸化物半導体膜
を成膜できる。さらに、半導体層を加熱することで、当該半導体層に残留する不純物を低
減できる。残留する不純物が低減された酸化物半導体層を有する半導体装置は閾値電圧の
変動が抑止され信頼性が高い。
【００２４】
よって、信頼性の高い半導体装置の作製方法を提供できる。
【００２５】
本発明の半導体装置の作製方法によれば、酸化物半導体層に残留する不純物を低減できる
。残留する不純物が低減された酸化物半導体層を有する半導体装置はオフ電流が低減され
、消費電力が低い。
【００２６】
よって、消費電力が低い半導体装置の作製方法を提供できる。
【００２７】
本発明の半導体装置の作製方法によれば、酸化物半導体層に残留する不純物を低減できる
。残留する不純物が低減された酸化物半導体層を有する半導体装置は半導体特性のバラツ
キが小さく量産性に優れる。
【００２８】
よって、量産性の高い半導体装置の作製方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】実施の形態に係る半導体装置の構成を説明する図。
【図２】実施の形態に係る半導体装置の作製方法を説明する図。
【図３】実施の形態に係る半導体装置の構成を説明する図。
【図４】実施の形態に係る半導体装置の作製方法を説明する図。
【図５】実施の形態に係る半導体装置の構成を説明する図。
【図６】実施の形態に係る半導体装置の作製方法を説明する図。
【図７】実施の形態に係る半導体装置の作製方法を説明する図。
【図８】実施の形態に係る半導体装置の作製方法を説明する図。
【図９】実施の形態に係る半導体装置の作製方法を説明する図。
【図１０】実施の形態に係る半導体装置の回路図。
【図１１】実施の形態に係る半導体装置の回路図。
【図１２】実施の形態に係る半導体装置の回路図。
【図１３】実施の形態に係る半導体装置を用いた電子機器を説明するための図。
【図１４】実施の形態に係る反応経路とそれぞれの状態のエネルギーを説明するエネルギーダイアグラム。
【図１５】実施の形態に係る反応経路とそれぞれの状態のエネルギーを説明するエネルギーダイアグラム。
【図１６】実施の形態に係わる液晶表示装置の各構成を説明するブロック図。
【図１７】実施の形態に係わる液晶表示装置の駆動回路と画素の構成を説明する図。
【図１８】実施の形態に係わる液晶表示装置の動作を説明するタイミングチャート。
【図１９】実施の形態に係わる液晶表示装置の表示制御回路の動作を説明するタイミングチャート。
【図２０】実施の形態に係わる動画を表示する期間と静止画を表示する期間におけるフレーム期間毎の画像信号の書き込み頻度を模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定さ
れず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し
得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の
記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する発明の構成において
、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、
その繰り返しの説明は省略する。
【００３１】
（実施の形態１）
本実施の形態では、ハロゲン元素を含む物質をガス状で成膜室に導入しながら酸化物半導
体層を成膜し、後に加熱処理を施して、酸化物半導体層を高純度化する方法で作製するボ
トムゲート型のトランジスタ、及びその作製方法について図１、及び図２を用いて説明す
る。
【００３２】
本実施の形態で作製するボトムゲート型のトランジスタ５５０の構成を図１に示す。図１
（Ａ）にトランジスタ５５０の上面図を、図１（Ｂ）にトランジスタ５５０の断面図を示
す。なお、図１（Ｂ）は図１（Ａ）に示す切断線Ｐ１−Ｐ２における断面図に相当する。
【００３３】
トランジスタ５５０は、絶縁表面を有する基板５００上に、ゲート電極５１１、及びゲー
ト電極５１１を覆うゲート絶縁層５０２を有する。また、ゲート絶縁層５０２上にゲート
電極５１１と重畳する高純度化された酸化物半導体層５１３ｂ、及び酸化物半導体層５１
３ｂに接し、端部をゲート電極５１１と重畳するソース電極またはドレイン電極として機
能する第１の電極５１５ａ及び第２の電極５１５ｂを有する。また、酸化物半導体層５１
３ｂに接してそのチャネル形成領域と重なる絶縁層５０７、及びトランジスタ５５０を覆
う保護絶縁層５０８を有する。
【００３４】
本実施の形態の半導体層に用いる酸化物半導体は、ｎ型不純物として働く水素が除去され
、酸化物半導体の主成分以外の不純物を極力含まないように高純度化することによりＩ型
（真性）の酸化物半導体、又はＩ型（真性）に限りなく近い酸化物半導体としたものであ
る。
【００３５】
なお、高純度化された酸化物半導体中ではキャリアが極めて少なく、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１×１
０１１／ｃｍ３未満となる。また、このようにキャリアが少ないことで、オフ状態におけ
る電流（オフ電流）は十分に小さくなる。
【００３６】
具体的には、上述の酸化物半導体層を具備するトランジスタでは、オフ状態でのソースと
ドレイン間のチャネル幅１μｍあたりのリーク電流密度（オフ電流密度）は、ソースとド
レイン間の電圧が３．５Ｖ、使用時の温度条件下（例えば、２５℃）において、１００ｚ
Ａ／μｍ（１×１０−１９Ａ／μｍ）以下、もしくは１０ｚＡ／μｍ（１×１０−２０Ａ
／μｍ）以下、さらには１ｚＡ／μｍ（１×１０−２１Ａ／μｍ）以下とすることができ
る。
【００３７】
また、高純度化された酸化物半導体層を具備するトランジスタは、オフ電流の温度依存性
がほとんど見られず、高温状態においてもオフ電流は非常に小さいままである。
【００３８】
トランジスタ５５０が有する酸化物半導体層５１３ｂは、ハロゲン元素を含む物質がガス
状で導入された成膜室内で成膜される。また、トランジスタ５５０が有する酸化物半導体
層５１３ｂは、ハロゲン元素を含んでいる場合がある。酸化物半導体層５１３ｂに含まれ
るハロゲン元素の濃度は１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以
下である。酸化物半導体層５１３ｂ中のハロゲン元素は、半導体装置の作成工程中に金属
原子に生じた未結合手（ダングリングボンド）に結合して終端を形成するため、不純物準
位、またはキャリアの生成を抑制する。
【００３９】
次に、トランジスタ５５０を基板５００上に作製する方法について、図２（Ａ）乃至（Ｄ
）を用いて説明する。
【００４０】
まず、絶縁表面を有する基板５００上に導電膜を形成した後、第１のフォトリソグラフィ
工程によりゲート電極５１１を含む配線層を形成する。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。
【００４１】
本実施の形態では絶縁表面を有する基板５００としてガラス基板を用いる。
【００４２】
下地膜となる絶縁膜を基板５００とゲート電極５１１との間に設けてもよい。下地膜は、
基板５００からの不純物元素（例えば、Ｌｉ、Ｎａなどのアルカリ金属、及びＣａなどの
アルカリ土類金属など）の拡散を防止する機能があり、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜
、窒化酸化シリコン膜、又は酸化窒化シリコン膜から選ばれた一又は複数の膜による積層
構造により形成することができる。
【００４３】
また、ゲート電極５１１は、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、ネオジム、
スカンジウム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。
【００４４】
なお、後の工程において行われる加熱処理の温度に耐えうるのであれば、上記金属材料と
してアルミニウム、銅を用いることもできる。アルミニウムまたは銅は、耐熱性や腐食性
の問題を回避するために、高融点金属材料と組み合わせて用いると良い。高融点金属材料
としては、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、ネオジム、スカンジ
ウム等を用いることができる。
【００４５】
また、銅を用いる場合は、下地となる層にＣｕ−Ｍｇ−Ａｌ合金を設け、その上に銅を形
成する構成が好ましい。Ｃｕ−Ｍｇ−Ａｌ合金を設けることで、酸化膜などの下地と銅の
密着性が高まる効果を奏する。
【００４６】
次いで、ゲート電極５１１上にゲート絶縁層５０２を形成する。ゲート絶縁層５０２は、
プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いて、酸化シリコン層、窒化シリコン層、
酸化窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、酸化アルミニウム層、窒化アルミニウム層、
酸化窒化アルミニウム層、窒化酸化アルミニウム層、又は酸化ハフニウム層を単層で又は
積層して形成することができる。
【００４７】
本実施の形態の酸化物半導体としては、ハロゲン元素を含む物質をガス状で成膜室に導入
しながら成膜し、後に加熱処理を施して不純物を除去した、Ｉ型化又は実質的にＩ型化さ
れた酸化物半導体を用いる。このような高純度化された酸化物半導体は界面準位密度、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。
【００４８】
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、界面準位密度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。
【００４９】
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。
【００５０】
なお、ゲート絶縁層５０２は後に形成される酸化物半導体層と接する。酸化物半導体層に
、水素が拡散すると半導体特性が損なわれるので、ゲート絶縁層５０２は水素、水酸基お
よび水分が含まれないことが望ましい。また、ゲート絶縁層５０２、酸化物半導体膜に水
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、酸化物半導体膜の成膜の前
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５１１が形成された基板５０
０、又はゲート絶縁層５０２までが形成された基板５００を予備加熱し、基板５００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５０７の成膜前に、第１の電極５１５ａ及び第２の
電極５１５ｂまで形成した基板５００にも同様に行ってもよい。
【００５１】
次いで、ゲート絶縁層５０２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膜を形成する。
【００５２】
酸化物半導体膜は、金属酸化物をターゲットとして用い、スパッタ法により成膜する。ま
た、酸化物半導体膜は、希ガス（例えばアルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、又は希ガス
（例えばアルゴン）及び酸素混合雰囲気下においてスパッタ法により形成することができ
る。
【００５３】
なお、酸化物半導体膜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５０２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、ター
ゲット側に電圧を印加せずにアルゴン雰囲気下で基板に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、アルゴン雰囲気に代え
て窒素、ヘリウム、酸素などを用いてもよい。
【００５４】
酸化物半導体膜に用いる酸化物半導体としては、四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇ
ａ−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、Ｓｎ−Ａ
ｌ−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、Ｉｎ−Ｇ
ａ−Ｏ系酸化物半導体や、一元系金属酸化物である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
導体はＳｉＯ２を含んでもよい。酸化物半導体膜に結晶化を阻害する酸化珪素（ＳｉＯｘ
（Ｘ＞０））を含ませることで、製造プロセス中において酸化物半導体膜の形成後に加熱
処理した場合に、結晶化してしまうのを抑制することができる。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（Ｚ
ｎ）を有する酸化物膜、という意味であり、その組成比はとくに問わない。また、Ｉｎと
ＧａとＺｎ以外の元素を含ませてもよい。
【００５５】
また、酸化物半導体膜には、化学式ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０、且つｍは自然数で
ない）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Ｇａ及びＣｏなどがある。
【００５６】
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＝１０：１〜１：２）、さらに好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝１
５：１〜１．５：１（モル数比に換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１５：２〜３：４）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。
【００５７】
酸化物半導体は、好ましくはＩｎを含有する酸化物半導体、さらに好ましくは、Ｉｎ、及
びＧａを含有する酸化物半導体である。酸化物半導体層をＩ型（真性）とするため、脱水
化または脱水素化は有効である。本実施の形態では、酸化物半導体膜を、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚ
ｎ−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。
【００５８】
酸化物半導体膜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膜を成膜する。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］、
又はＩｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：４［ｍｏｌ数比］の組成比を有する酸化
物ターゲットを用いてもよい。
【００５９】
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
化物半導体膜は緻密な膜とすることができる。また、ターゲットの純度は９９．９９％以
上が好ましく、特にＮａ、Ｌｉ等のアルカリ金属及びＣａなどのアルカリ土類金属などの
不純物は低減されているものが好ましい。
【００６０】
また、酸化物半導体膜を成膜する際に用いるスパッタガス（ガス状で用いるハロゲン元素
を含む物質も含め）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。例えば濃度１０ｐｐｍ程度以下、好ましくは１ｐｐｍ以下まで除去された
高純度ガスを用いることが好ましい。具体的には、露点−６０℃以下の高純度ガスが好ま
しい。
【００６１】
成膜室に導入するハロゲン元素を含む物質としては、フッ素原子を含むガス（フッ素系ガ
ス、例えば四弗化炭素（ＣＦ４）、六弗化硫黄（ＳＦ６）、三弗化窒素（ＮＦ３）、トリ
フルオロメタン（ＣＨＦ３）など）、塩素原子を含むガス（塩素系ガス、例えば塩素（Ｃ
ｌ２）、三塩化硼素（ＢＣｌ３）、四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）、四塩化炭素（ＣＣｌ４）
など）などを適宜用いることができる。特にフッ素原子を含むガスは、プラズマ中でフッ
素ラジカルを生じるため好ましい。フッ素原子と水素原子の結合エネルギーは他のハロゲ
ン元素と水素原子の結合エネルギーより高く、フッ素原子と水素原子の結合は他のハロゲ
ン元素と水素原子の結合より安定だからである。
【００６２】
また、ハロゲン元素の供給源を成膜室に導入する方法は、成膜ガスにハロゲン元素を含む
ガスを添加する方法が便宜であり好ましい。また、上記ＮＦ３のようなハロゲン元素を含
むガスを、成膜を行う処理室のクリーニング処理に用い、成膜時に処理室内に残留するフ
ッ素などのハロゲン元素を酸化物半導体膜に含ませるように成膜することができる。
【００６３】
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１００℃以上６００℃以下好
ましくは２００℃以上４００℃以下とする。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膜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、排気ポンプを用い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、ハロゲン元素を含む物質がガス状で添加されたスパッタ
ガスを導入し、上記ターゲットを用いて基板５００上に酸化物半導体膜を成膜する。成膜
室内の残留水分、及び成膜室の外部から侵入する水素や水分（リークに伴い浸入する水素
や水分）を除去するには、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
体膜に含まれる不純物の濃度を低減できる。
【００６４】
なお、スパッタリング法を行う雰囲気は、ハロゲン元素を含む物質をガス状で添加した希
ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気、ハロゲン元素を含む物質をガス状で添加した酸素雰
囲気、またはハロゲン元素を含む物質をガス状で添加した、希ガスと酸素の混合雰囲気と
すればよい。
【００６５】
成膜室に導入したハロゲン元素を含む物質はプラズマによって分解しハロゲンラジカルを
生成する。生じたハロゲンラジカルは成膜室内の残留水分、及びリークに伴い成膜室の外
部から侵入する水分と反応し、水素原子を含む安定な物質（一例としては、ハロゲン化水
素）を生成する。例えば、フッ素原子を含む物質（一例としては、ＮＦ３）を含む雰囲気
で酸化物半導体膜を成膜すると、フッ素ラジカルと成膜室内の水分が反応してフッ化水素
を生成する。なお、フッ化水素分子の水素原子とフッ素原子の解離エネルギーは、水分子
の水素原子と酸素原子の解離エネルギーより大きいことから、フッ化水素分子は水分子よ
り安定であると言える。
【００６６】
成膜室内の水分はフッ化水素となって成膜室から排気されるため、酸化物半導体層は水分
によって汚染され難くなる。
【００６７】
成膜条件の一例としては、基板とターゲットとの間の距離を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。
【００６８】
また、スパッタリング装置の処理室のリークレートを１×１０−１０Ｐａ・ｍ３／秒以下
とすることで、スパッタリング法による成膜途中における酸化物半導体膜への、アルカリ
金属、水素化物等の不純物の混入を低減することができる。
【００６９】
また、排気系として吸着型の真空ポンプを用いることで、排気系からアルカリ金属、水素
原子、水素分子、水、水酸基、または水素化物等の不純物の逆流を低減することができる
。
【００７０】
なお、酸化物半導体層中に含まれる、Ｌｉ、Ｎａなどのアルカリ金属、及びＣａなどのア
ルカリ土類金属などの不純物は低減されていることが好ましい。具体的には、酸化物半導
体層中に含まれるこれらの不純物濃度は、ＳＩＭＳを用いてＬｉが５×１０１５ｃｍ−３
以下、好ましくは１×１０１５ｃｍ−３以下、Ｎａが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１×１０１
５ｃｍ−３以下であることが好ましい。
【００７１】
アルカリ金属、及びアルカリ土類金属は酸化物半導体にとっては悪性の不純物であり、少
ないほうがよい。特にアルカリ金属のうち、Ｎａは酸化物半導体に接する絶縁膜が酸化物
であった場合、その中に拡散し、Ｎａ＋となる。また、酸化物半導体内において、金属と
酸素の結合を分断し、あるいは結合中に割り込む。その結果、トランジスタ特性の劣化（
例えば、ノーマリーオン化（しきい値の負へのシフト）、移動度の低下等）をもたらす。
加えて、特性のばらつきの原因ともなる。このような問題は、特に酸化物半導体中の水素
の濃度が十分に低い場合において顕著となる。したがって、酸化物半導体中の水素の濃度
が５×１０１９ｃｍ−３以下、特に５×１０１８ｃｍ−３以下である場合には、アルカリ
金属の濃度を上記の値にすることが強く求められる。
【００７２】
次いで、酸化物半導体膜を第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５
１３ａに加工する。また、島状の酸化物半導体層を形成するための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。
【００７３】
また、ゲート絶縁層５０２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
膜の加工時に同時に行うことができる。
【００７４】
なお、ここでの酸化物半導体膜のエッチングは、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、酸化物半導体膜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、ＩＴＯ０７Ｎ（関東化学社製）を用いてもよい。なお、この段階の断面図を図２（Ａ
）に示す。
【００７５】
また、ドライエッチングに用いるエッチングガスとしては、塩素を含むガス（塩素系ガス
、例えば塩素（Ｃｌ２）、三塩化硼素（ＢＣｌ３）、四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）、四塩化
炭素（ＣＣｌ４）など）が好ましい。また、フッ素原子を含む物質（フッ素系ガス、例え
ば四弗化炭素（ＣＦ４）、六弗化硫黄（ＳＦ６）、三弗化窒素（ＮＦ３）、トリフルオロ
メタン（ＣＨＦ３）など）、臭化水素（ＨＢｒ）、酸素（Ｏ２）、これらのガスにヘリウ
ム（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）などの希ガスを添加したガス、などを用いることができる
。
【００７６】
ドライエッチング法としては、平行平板型ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈ
ｉｎｇ）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。
【００７７】
次いで、酸化物半導体層５１３ａに第１の加熱処理を施す。この第１の加熱処理によって
、酸化物半導体層から不純物を除去できる。例えば、酸化物半導体層に取り込まれたハロ
ゲン化水素を除去できる。金属に強固に結合する水素または水酸基を直接取り除く方法に
比べ、生成するハロゲン化水素を加熱によって除去する方法は容易である。
【００７８】
第１の加熱処理の温度は、２５０℃以上７５０℃以下、好ましくは４００℃以上基板の歪
み点未満とする。例えば、５００℃、３分間以上６分間以下で行ってもよい。加熱処理に
ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）法を用いれば、短時間に脱水化ま
たは脱水素化が行えるため、ガラス基板の歪み点を超える温度でも処理することができる
。第４世代のガラス基板程度の大きさを有する基板については、２５０℃以上７５０℃以
下の範囲で加熱処理を行うことができるが、第６世代から第１０世代の程度の大きさを有
する基板については、２５０℃以上４５０℃以下の範囲の加熱処理温度が好ましい。
【００７９】
ここでは、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６００℃において加熱処理を行った後、大気に触れることなく２００℃以下ま
で徐冷し、酸化物半導体層への水や水素の再混入を防ぎ、酸化物半導体層５１３ｂを得る
（図２（Ｂ）参照。）。２００℃以下まで冷却することにより、高温の酸化物半導体層が
大気中の水や水分と接する状況を避けることができる。高温の酸化物半導体層が大気中の
水や水分と接すると、酸化物半導体は水素原子を含む不純物に汚染される場合がある。
【００８０】
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  Ｒ
ａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ  Ｒａｐｉｄ  Ｔ
ｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅ
ａｌ）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
活性気体が用いられる。
【００８１】
例えば、第１の加熱処理として、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。
【００８２】
なお、第１の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、加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、５Ｎ（９９．９９９％）以上好
ましくは６Ｎ（９９．９９９９％）以上（即ち不純物濃度を１０ｐｐｍ以下、好ましくは
１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
【００８３】
また、第１の加熱処理で酸化物半導体層を加熱した後、同じ炉に高純度の酸素ガス、高純
度のＮ２Ｏ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、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Ｎ２Ｏガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、加熱処理装
置に導入する酸素ガスまたはＮ２Ｏガスの純度を、５Ｎ以上好ましくは６Ｎ以上（即ち、
酸素ガスまたはＮ２Ｏガス中の不純物濃度を１０ｐｐｍ以下、好ましくは１ｐｐｍ以下）
とすることが好ましい。酸素ガス又はＮ２Ｏ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、酸化物半導体層を高純度化及び電気的にＩ型
（真性）化する。
【００８４】
また、酸化物半導体層の第１の加熱処理は、島状の酸化物半導体層に加工する前の酸化物
半導体膜に行うこともできる。その場合には、第１の加熱処理後に、加熱装置から基板を
取り出し、フォトリソグラフィ工程を行う。
【００８５】
なお、第１の加熱処理は、上記以外にも、酸化物半導体層成膜後であれば、酸化物半導体
層上にソース電極及びドレイン電極を積層させた後、あるいは、ソース電極及びドレイン
電極上に絶縁層を形成した後、のいずれで行っても良い。
【００８６】
また、ゲート絶縁層５０２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
膜に第１の加熱処理を行う前に行っても良いし、第１の加熱処理を行った後に行ってもよ
い。
【００８７】
以上の工程により、島状の酸化物半導体層中の水素の濃度を低減し、高純度化することが
できる。それにより酸化物半導体層の安定化を図ることができる。また、ガラス基板の歪
み点以下の加熱処理で、キャリア密度が極端に少なく、バンドギャップの広い酸化物半導
体膜を形成することができる。このため、大面積基板を用いてトランジスタを作製するこ
とができ、量産性を高めることができる。また、当該水素濃度が低減され高純度化された
酸化物半導体膜を用いることで、耐圧性が高く、オフ電流の著しく低いトランジスタを作
製することができる。上記加熱処理は、酸化物半導体層５１３ａの成膜以降であれば、い
つでも行うことができる。
【００８８】
なお、酸化物半導体膜を加熱する場合、酸化物半導体膜の材料や加熱条件にもよるが、そ
の表面に板状結晶が形成されることがある。板状結晶は、酸化物半導体膜の表面に対して
略垂直にｃ軸配向した板状結晶体であることが好ましい。
【００８９】
また、ハロゲン元素を含むガス中で酸化物半導体層を２回に分けて成膜し、２回に分けて
加熱処理を行うことで、はじめに成膜した酸化物半導体層５１３ａが接する下地部材の材
料が、酸化物、窒化物、金属など材料を問わず、膜厚の厚い結晶領域、即ち、膜表面に垂
直にｃ軸配向した結晶領域を有する酸化物半導体層を形成してもよい。例えば、３ｎｍ以
上１５ｎｍ以下の第１の酸化物半導体膜を成膜し、窒素、酸素、希ガス、または乾燥空気
の雰囲気下で４５０℃以上８５０℃以下、好ましくは５５０℃以上７５０℃以下の結晶化
のための第１の加熱処理を行うことにより、表面を含む領域に結晶領域（板状結晶を含む
）を有する第１の酸化物半導体膜を形成する。そして、ハロゲン元素を含むガス中で第１
の酸化物半導体膜よりも厚い第２の酸化物半導体膜を形成した後に、４５０℃以上８５０
℃以下、好ましくは６００℃以上７００℃以下の結晶化のための第２の加熱処理を行うこ
とにより、第１の酸化物半導体膜を結晶成長の種として、上方に結晶成長させ、第２の酸
化物半導体膜の全体を結晶化させ、結果として膜厚の厚い結晶領域を有する酸化物半導体
層を形成することができる。なお、結晶化のための加熱処理は酸化物半導体層から不純物
（例えば、ハロゲン化水素）を取り除く加熱処理を兼ねることになる。
【００９０】
また、酸化物半導体層を成膜する際に、酸化物半導体がｃ軸に配向する温度に基板を加熱
しながら成膜を行うことにより、膜表面に垂直にｃ軸配向した結晶領域を有する酸化物半
導体層を形成してもよい。このような成膜方法を用いることにより、プロセスを短縮する
ことができる。基板を加熱する温度は、成膜装置によって他の成膜条件が異なるためこれ
に合わせて適宜設定すればよいが、例えば、スパッタリング装置で成膜する際の基板温度
を２５０℃以上として成膜すればよい。
【００９１】
次いで、ゲート絶縁層５０２、及び酸化物半導体層５１３ｂ上に、ソース電極及びドレイ
ン電極（これと同じ層で形成される配線を含む）となる導電膜を形成する。ソース電極、
及びドレイン電極に用いる導電膜としては、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍ
ｏ、Ｗから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、Ａｌ、Ｃｕなどの金属膜は、耐熱性や腐食性の問題を回避するために下側又は上側
の一方または双方にＴｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｄ、Ｓｃ、Ｙなどの高融点金属膜ま
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。
【００９２】
また、導電膜は、単層構造でも、２層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを
含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する２層構造、チタ
ン膜と、そのチタン膜上に重ねてアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を成
膜する３層構造などが挙げられる。
【００９３】
また、導電膜は、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、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化インジウム酸化スズ合金、酸化インジウム酸化
亜鉛合金または前記金属酸化物材料にシリコン若しくは酸化シリコンを含ませたものを用
いることができる。
【００９４】
なお、導電膜形成後に加熱処理を行う場合には、この加熱処理に耐える耐熱性を導電膜に
持たせることが好ましい。
【００９５】
次いで、第３のフォトリソグラフィ工程により導電膜上にレジストマスクを形成し、選択
的にエッチングを行ってソース電極またはドレイン電極として機能する第１の電極５１５
ａ、及び第２の電極５１５ｂを形成した後、レジストマスクを除去する（図２（Ｃ）参照
）。
【００９６】
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５１３ｂ上で隣り合う第１の電
極の下端部と第２の電極の下端部との間隔幅によって後に形成されるトランジスタのチャ
ネル長（Ｌ）が決定される。なお、チャネル長（Ｌ）＝２５ｎｍ未満の露光を行う場合に
は、数ｎｍ〜数１０ｎｍと極めて波長が短い超紫外線（Ｅｘｔｒｅｍｅ  Ｕｌｔｒａｖｉ
ｏｌｅｔ）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。
【００９７】
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。
【００９８】
なお、導電膜のエッチングの際に、酸化物半導体層５１３ｂ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、導電膜のみ
をエッチングし、酸化物半導体層５１３ｂ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、導電膜のエッチングの際に酸化物半導体層５１３ｂ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５１３ｂとなることもある。
【００９９】
本実施の形態では、導電膜としてＴｉ膜を用い、酸化物半導体層５１３ｂにはＩｎ−Ｇａ
−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体を用いたので、エッチャントとしてアンモニア過水（アンモニ
ア、水、過酸化水素水の混合液）を用いることにより選択的に導電膜をエッチングするこ
とができる。
【０１００】
次いで、Ｎ２Ｏ、Ｎ２、またはＡｒなどのガスを用いたプラズマ処理を行い、露出してい
る酸化物半導体層の表面に付着した吸着水などを除去してもよい。また、酸素とアルゴン
の混合ガスを用いてプラズマ処理を行ってもよい。プラズマ処理を行った場合、プラズマ
処理の後、大気に触れることなく、酸化物半導体層の一部に接する保護絶縁膜となる絶縁
層５０７を形成する。
【０１０１】
絶縁層５０７は、水分や、水素、酸素などの不純物を極力含まないことが望ましく、単層
の絶縁膜であっても良いし、積層された複数の絶縁膜で構成されていても良い。
【０１０２】
絶縁層５０７は、少なくとも１ｎｍ以上の膜厚とし、スパッタ法など、絶縁層５０７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５０７
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。よって、絶縁層５０７はできるだけ
水素原子を含まない膜になるように、成膜方法に水素を用いないことが重要である。
【０１０３】
たとえば、スパッタ法で形成された膜厚２００ｎｍの酸化ガリウム膜上に、スパッタ法で
形成された膜厚１００ｎｍの酸化アルミニウム膜を積層させた構造を有する、絶縁膜を形
成してもよい。成膜時の基板温度は、室温以上３００℃以下とすればよい。また、絶縁膜
は酸素を多く含有していることが好ましく、化学量論比を超える程度、好ましくは、化学
量論比の１倍を超えて２倍まで（１倍より大きく２倍未満）酸素を含有していることが好
ましい。このように絶縁膜が過剰な酸素を有することにより、島状の酸化物半導体層の界
面に酸素を供給し、酸素の欠損を低減することができる。
【０１０４】
本実施の形態では、絶縁層５０７として膜厚２００ｎｍの酸化シリコン膜を、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。酸化シリコン膜のスパッタ法による成膜は、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、ターゲットとして酸化シリコンターゲットまたはシリコンタ
ーゲットを用いることができる。例えば、シリコンターゲットを用いて、酸素を含む雰囲
気下でスパッタ法により酸化シリコン膜を形成することができる。酸化物半導体層に接し
て形成する絶縁層５０７は、水分や、水素イオンや、ＯＨ−などの不純物を含まず、これ
らが外部から侵入することをブロックする無機絶縁膜を用い、代表的には酸化シリコン膜
、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、または酸化窒化アルミニウム膜などを用い
る。
【０１０５】
酸化物半導体膜の成膜時と同様に、絶縁層５０７の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５０７に含まれる不純物の濃度を低減できる
。また、絶縁層５０７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
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。
【０１０６】
絶縁層５０７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。
【０１０７】
なお、絶縁層５０７を形成した後に、第２の加熱処理（酸化物半導体層を２回に分けて成
膜し、２回に分けて加熱処理を行う場合は、第３の加熱処理）を行ってもよい。当該加熱
処理は窒素、超乾燥空気、または希ガス（アルゴン、ヘリウムなど）の雰囲気下において
、好ましくは２００℃以上４００℃以下、例えば２５０℃以上３５０℃以下で行う。上記
ガスは、水の含有量が２０ｐｐｍ以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｂ
以下であることが望ましい。第１の加熱処理と同様に、高温短時間のＲＴＡ処理を行って
も良い。酸素を含む絶縁層５０７が設けられた後に加熱処理が施されることによって、第
１の加熱処理により、島状の酸化物半導体層に酸素欠損が発生していたとしても、絶縁層
５０７から島状の酸化物半導体層に酸素が供与される。そして、島状の酸化物半導体層に
酸素が供与されることで、島状の酸化物半導体層において、ドナーとなる酸素欠損を低減
し、化学量論比を満たすことが可能である。その結果、島状の酸化物半導体層をｉ型に近
づけることができ、酸素欠損によるトランジスタの電気特性のばらつきを軽減し、電気特
性の向上を実現することができる。この第２の加熱処理を行うタイミングは、絶縁層５０
７の形成後であれば特に限定されず、他の工程、例えば樹脂膜形成時の加熱処理や、透光
性を有する導電膜を低抵抗化させるための加熱処理と兼ねることで、工程数を増やすこと
なく、島状の酸化物半導体層をｉ型に近づけることができる。
【０１０８】
また、酸素雰囲気下で島状の酸化物半導体層に加熱処理を施すことで、酸化物半導体に酸
素を添加し、島状の酸化物半導体層中においてドナーとなる酸素欠損を低減させても良い
。加熱処理の温度は、例えば１００℃以上３５０℃未満、好ましくは１５０℃以上２５０
℃未満で行う。上記酸素雰囲気下の加熱処理に用いられる酸素ガスには、水、水素などが
含まれないことが好ましい。または、加熱処理装置に導入する酸素ガスの純度を、６Ｎ（
９９．９９９９％）以上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上、（即ち酸素中の
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。
【０１０９】
本実施の形態では、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２００℃以上４００℃以下）を行う。例えば、窒素雰囲気下で２５０℃、１時間
の第２の加熱処理を行う。第２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）が絶縁層５０７と接した状態で加熱される。
【０１１０】
第２の加熱処理は以下の効果を奏する。前述の第１の加熱処理により、酸化物半導体層か
ら水素、水分、水酸基又は水素化物（水素化合物ともいう）等の不純物が意図的に排除さ
れる一方で、酸化物半導体を構成する主成分材料の一つである酸素が減少してしまう場合
がある。第２の加熱処理は、第１加熱処理が施された酸化物半導体層に酸素を供給するた
め、酸化物半導体層は高純度化及び電気的にＩ型（真性）化する。
【０１１１】
以上のように、ハロゲン元素を含む物質をガス状で成膜室に導入しながら酸化物半導体層
を成膜し、後に加熱処理を施す工程を経ることによって、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することがで
きる。よって、酸化物半導体層は高純度化及び電気的にＩ型（真性）化または実質的にＩ
型化する。以上の工程でトランジスタ５５０が形成される
【０１１２】
また、絶縁層５０７に欠陥を多く含む酸化シリコン層を用いると、酸化シリコン層形成後
の加熱処理によって酸化物半導体層中に含まれる水素、水分、水酸基又は水素化物などの
不純物を酸化シリコン層に拡散させ、酸化物半導体層中に含まれる該不純物をより低減さ
せる効果を奏する。
【０１１３】
また、絶縁層５０７に酸素を過剰に含む酸化シリコン層を用いると、絶縁層５０７形成後
の加熱処理によって絶縁層５０７中の酸素が酸化物半導体層５１３ｂに移動し、酸化物半
導体層５１３ｂの酸素濃度を向上させ、高純度化する効果を奏する。
【０１１４】
絶縁層５０７上にさらに保護絶縁層５０８を形成してもよい。保護絶縁層５０８は、例え
ば、ＲＦスパッタ法を用いて形成する。ＲＦスパッタ法は、量産性がよいため、保護絶縁
層の成膜方法として好ましい。保護絶縁層は、水分などの不純物を含まず、これらが外部
から侵入することをブロックする無機絶縁膜を用い、窒化シリコン膜、窒化アルミニウム
膜などを用いる。本実施の形態では、窒化シリコン膜を用いて保護絶縁層５０８を形成す
る（図２（Ｄ）参照。）。
【０１１５】
本実施の形態では、保護絶縁層５０８として、絶縁層５０７まで形成された基板５００を
１００℃〜４００℃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半導体のターゲットを用いて窒化シリコン膜を成膜する。この場
合においても、絶縁層５０７と同様に、処理室内の残留水分を除去しつつ保護絶縁層５０
８を成膜することが好ましい。
【０１１６】
保護絶縁層の形成後、さらに大気中、１００℃以上２００℃以下、１時間以上３０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、１００℃以上２００℃以下の加熱温度への昇温と、加熱温度から室温ま
での降温を複数回くりかえして行ってもよい。
【０１１７】
本実施の形態で例示した成膜中にハロゲン元素を含む物質をガス状で成膜室に導入して、
成膜室に残留する水素原子を含む不純物と反応せしめ、水素原子を含む安定な物質に変性
して排気する方法によれば、水素原子を含む安定な物質は酸化物半導体層の金属原子に水
素原子を与えることがなく、水素原子等が酸化物半導体層に取り込まれる現象を防止でき
る。その結果、高純度化された酸化物半導体層を形成できる。
【０１１８】
本実施の形態で例示したトランジスタは、高純度化された酸化物半導体層を有し、閾値電
圧のバラツキが小さい。従って、本実施の形態で例示した半導体装置の作製方法を適用す
ることで、信頼性の高い半導体装置を提供できる。また、量産性の高い半導体装置を提供
できる。
【０１１９】
また、オフ電流が低減できるため、消費電力が低い半導体装置を提供できる。
【０１２０】
なお、酸化物半導体層を含むトランジスタは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、液晶表示装置の画素部に酸化物半導体層を含むトランジスタを
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、酸化物半導体層を含むトラ
ンジスタによって、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で
きるため、液晶表示装置の部品点数を削減することができる。
【０１２１】
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる
。
【０１２２】
（実施の形態２）
本実施の形態では、ハロゲン元素を含む物質をガス状で成膜室に導入しながら酸化物半導
体層を成膜し、後に加熱処理を施して、酸化物半導体層を高純度化する方法で作製するト
ップゲート型のトランジスタ、及びその作製方法について図３、及び図４を用いて説明す
る。
【０１２３】
本実施の形態で作製するトップゲート型のトランジスタ６５０の構成を図３に示す。図３
（Ａ）にトランジスタ６５０の上面図を、図３（Ｂ）にトランジスタ６５０の断面図を示
す。なお、図３（Ｂ）は図３（Ａ）に示す切断線Ｑ１−Ｑ２における断面図に相当する。
【０１２４】
トランジスタ６５０は、絶縁表面を有する基板６００上に、ソース電極またはドレイン電
極として機能する第１の電極６１５ａ及び第２の電極６１５ｂを有する。また、第１の電
極６１５ａ及び第２の電極６１５ｂの端部を覆う高純度化された酸化物半導体層６１３ｂ
、及び酸化物半導体層６１３ｂを覆うゲート絶縁層６０２を有する。また、ゲート絶縁層
６０２に接して第１の電極６１５ａ及び第２の電極６１５ｂの端部と重畳するゲート電極
６１１と、ゲート電極６１１に接してトランジスタ６５０を覆う保護絶縁層６０８を有す
る。
【０１２５】
トランジスタ６５０が有する酸化物半導体層６１３ｂは、ハロゲン元素を含む物質がガス
状で導入された成膜室内で成膜される。また、トランジスタ６５０が有する酸化物半導体
層６１３ｂは、ハロゲン元素を含んでいる場合がある。酸化物半導体層６１３ｂに含まれ
るハロゲン元素の濃度は１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以
下である。酸化物半導体層６１３ｂ中のハロゲン元素は、半導体装置の作成工程中に金属
原子に生じた未結合手（ダングリングボンド）に結合して終端を形成するため、不純物準
位、またはキャリアの生成を抑制する。
【０１２６】
次に、トランジスタ６５０を基板６００上に作製する方法について、図４（Ａ）乃至（Ｄ
）を用いて説明する。
【０１２７】
まず、絶縁表面を有する基板６００上に、ソース電極及びドレイン電極（これと同じ層で
形成される配線を含む）となる導電膜を形成する。ソース電極、及びドレイン電極に用い
る導電膜としては、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗからから選ばれた
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、Ａｌ、Ｃｕなどの
金属膜は、耐熱性や腐食性の問題を回避するために下側又は上側の一方または双方にＴｉ
、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｄ、Ｓｃ、Ｙなど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。特に、酸化物半導体層と接する側にチタンを含む導電膜を設けることが好ましい。
【０１２８】
第１のフォトリソグラフィ工程により導電膜上にレジストマスクを形成し、選択的にエッ
チングを行ってソース電極またはドレイン電極として機能する第１の電極６１５ａ、及び
第２の電極６１５ｂを形成し、レジストマスクを除去する。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。
【０１２９】
本実施の形態では絶縁表面を有する基板６００としてガラス基板を用いる。
【０１３０】
下地膜となる絶縁膜を第１の電極６１５ａ、及び第２の電極６１５ｂと基板６００の間に
設けてもよい。下地膜は、基板６００からの不純物元素の拡散を防止する機能があり、窒
化シリコン膜、酸化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、又は酸化窒化シリコン膜から選ば
れた一又は複数の膜による積層構造により形成することができる。
【０１３１】
次いで、ソース電極またはドレイン電極として機能する第１の電極６１５ａ、及び第２の
電極６１５ｂ上に、膜厚２ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上３０ｎｍ以下
の酸化物半導体膜を形成する。
【０１３２】
なお、酸化物半導体膜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、第１の電極６１５ａ、第２の電極６１５ｂの表
面、および基板６００の露出した絶縁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、アルゴン雰囲気下で基板側にＲ
Ｆ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。
【０１３３】
本実施の形態で例示する酸化物半導体膜は、実施の形態１で示した酸化物半導体膜と同様
の材料、方法、及び条件を用いて形成することができる。具体的には、酸化物半導体膜に
用いる酸化物半導体、成膜方法、ターゲット組成、ターゲット充填率、スパッタガスの純
度、成膜室に導入するハロゲンガス、成膜時の基板温度、スパッタリング装置の排気手段
、並びにスパッタガスの組成等を同様にすればよい。よって、詳細については、実施の形
態１の記載を参酌することができる。
【０１３４】
次いで、酸化物半導体膜を第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６
１３ａに加工する。また、島状の酸化物半導体層を形成するための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。
【０１３５】
なお、ここでの酸化物半導体膜のエッチングは、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、酸化物半導体膜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、ＩＴＯ０７Ｎ（関東化学社製）を用いてもよい。なお、この段階の断面図を図４（Ａ
）に示す。
【０１３６】
次いで、酸化物半導体層６１３ａに第１の加熱処理を施す。この第１の加熱処理によって
、酸化物半導体層から不純物を除去できる。例えば、酸化物半導体層に取り込まれたハロ
ゲン化水素を除去できる。金属に強固に結合する水素または水酸基を直接取り除く方法に
比べ、生成するハロゲン化水素を加熱によって除去する方法は容易である。
【０１３７】
第１の加熱処理の温度は、２５０℃以上７００℃以下、好ましくは２５０℃以上４５０℃
以下、または２５０℃以上基板の歪み点未満とする。第４世代のガラス基板程度の大きさ
を有する基板については、２５０℃以上７００℃以下の範囲で加熱処理を行うことができ
るが、第６世代から第１０世代の程度の大きさを有する基板については、２５０℃以上４
５０℃以下の範囲の加熱処理温度が好ましい。
【０１３８】
ここでは、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６００℃において加熱処理を行った後、大気に触れることなく２００℃以下ま
で徐冷し、酸化物半導体層への水や水素の再混入を防ぎ、酸化物半導体層６１３ｂを得る
（図４（Ｂ）参照。）。２００℃以下まで冷却することにより、高温の酸化物半導体層が
大気中の水や水分と接する状況を避けることができる。高温の酸化物半導体層が大気中の
水や水分と接すると、酸化物半導体は水素原子を含む不純物に汚染される場合がある。
【０１３９】
なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、実施の形態１で示した加熱手段、加熱方法、及
び加熱条件を用いることができる。具体的には、加熱処理装置、加熱温度、並びに加熱に
用いるガスの種類及び純度等を実施の形態１と同様にすればよい。よって、詳細について
は、実施の形態１の記載を参酌することができる。
【０１４０】
また、第１の加熱処理は、島状の酸化物半導体層に加工する前の酸化物半導体膜に行うこ
ともできる。その場合には、第１の加熱処理後に、加熱装置から基板を取り出し、フォト
リソグラフィ工程を行う。
【０１４１】
なお、第１の加熱処理は、上記以外にも、酸化物半導体層成膜後であれば、酸化物半導体
層上にゲート絶縁層を積層させた後、あるいは、ゲート絶縁層にゲート電極を形成した後
、のいずれで行っても良い。
【０１４２】
また、ハロゲン元素を含むガス中で酸化物半導体層を２回に分けて成膜し、２回に分けて
加熱処理を行うことで、はじめに成膜した酸化物半導体層６１３ａが接する下地部材の材
料が、酸化物、窒化物、金属など材料を問わず、膜厚の厚い結晶領域、即ち、膜表面に垂
直にｃ軸配向した結晶領域を有する酸化物半導体層を形成してもよい。なお、結晶領域を
有する酸化物半導体層は実施の形態１で示した成膜条件を用いることができる。よって、
詳細については、実施の形態１の記載を参酌することができる。
【０１４３】
次いで、Ｎ２Ｏ、Ｎ２、またはＡｒなどのガスを用いたプラズマ処理を行い、露出してい
る酸化物半導体層の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、プラズマ処理を行った後、大気に触れることなく、酸化物半導体層に接するゲート
絶縁層６０２を形成する。
【０１４４】
本実施の形態の酸化物半導体としては、不純物を除去され、Ｉ型化又は実質的にＩ型化さ
れた酸化物半導体を用いる。このような高純度化された酸化物半導体は界面準位密度、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層に接するゲート絶縁層は、高品質化が要求
される。
【０１４５】
ゲート絶縁層６０２は、少なくとも１ｎｍ以上の膜厚とし、スパッタ法など、ゲート絶縁
層６０２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。
ゲート絶縁層６０２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チャネルが低抵抗化
（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。よって、ゲート絶縁層
６０２はできるだけ水素原子を含まない膜になるように、成膜方法に水素を用いないこと
が重要である。
【０１４６】
本実施の形態では、ゲート絶縁層６０２として酸化シリコン膜を、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。酸化シリコン膜のスパッタ法による成膜は、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、ターゲットとして酸化シリコンターゲットまたはシリコンターゲットを
用いることができる。例えば、シリコンターゲットを用いて、酸素を含む雰囲気下でスパ
ッタ法により酸化シリコン膜を形成することができる。酸化物半導体層に接して形成する
ゲート絶縁層６０２としては、水分や、水素イオンや、ＯＨ−などの不純物を含まず、こ
れらが外部から侵入することをブロックする無機絶縁膜を用い、代表的には酸化シリコン
膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、または酸化窒化アルミニウム膜などを用
いる。
【０１４７】
酸化物半導体膜の成膜時と同様に、ゲート絶縁層６０２の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ゲート絶縁層６０２に含まれる不純物の濃度
を低減できる。また、ゲート絶縁層６０２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。
【０１４８】
ゲート絶縁層６０２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。なお、この段階の断面
図を図４（Ｃ）に示す。
【０１４９】
次に、ゲート絶縁層６０２にコンタクトホールを形成する場合、第３のフォトリソグラフ
ィ工程によりゲート絶縁層６０２にコンタクトホールを形成する。なお、図４（Ｄ）には
コンタクトホールは図示されていない。
【０１５０】
次に、ゲート絶縁層６０２上に導電膜を形成した後、第４のフォトリソグラフィ工程によ
りゲート電極６１１を含む配線層を形成する。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。
【０１５１】
また、ゲート電極６１１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、ネオジム、スカンジウム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。
【０１５２】
ゲート電極６１１上に保護絶縁層６０８を形成してもよい。保護絶縁層６０８は、例えば
、ＲＦスパッタ法を用いて形成する。ＲＦスパッタ法は、量産性がよいため、保護絶縁層
の成膜方法として好ましい。保護絶縁層は、水分などの不純物を含まず、これらが外部か
ら侵入することをブロックする無機絶縁膜を用い、窒化シリコン膜、窒化アルミニウム膜
などを用いる。本実施の形態では、窒化シリコン膜を用いて保護絶縁層６０８を形成する
。なお、この段階の断面図を図４（Ｄ）に示す。
【０１５３】
本実施の形態では、保護絶縁層６０８として、ゲート電極６１１まで形成した基板６００
を１００℃〜４００℃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、シリコン半導体のターゲットを用いて窒化シリコン膜を成膜する。こ
の場合においても、ゲート絶縁層６０２と同様に処理室内の残留水分を除去しつつ保護絶
縁層６０８を成膜することが好ましい。
【０１５４】
保護絶縁層の形成後、さらに大気中、１００℃以上２００℃以下、１時間以上３０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、１００℃以上２００℃以下の加熱温度への昇温と、加熱温度から室温ま
での降温を複数回くりかえして行ってもよい。
【０１５５】
本実施の形態で例示した成膜中にハロゲン元素を含む物質をガス状で成膜室に導入して、
成膜室に残留する水素原子を含む不純物と反応せしめ、水素原子を含む安定な物質に変性
して排気する方法によれば、水素原子を含む安定な物質は酸化物半導体層の金属原子に水
素原子を与えることがなく、水素原子等が酸化物半導体層に取り込まれる現象を防止でき
る。その結果、高純度化された酸化物半導体層を形成できる。
【０１５６】
本実施の形態で例示したトランジスタは、高純度化された酸化物半導体層を有し、閾値電
圧のバラツキが小さい。従って、本実施の形態で例示した半導体装置の作製方法を適用す
ることで、信頼性の高い半導体装置を提供できる。また、量産性の高い半導体装置を提供
できる。
【０１５７】
また、オフ電流が低減できるため、消費電力が低い半導体装置を提供できる。
【０１５８】
なお、酸化物半導体層を含むトランジスタは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、液晶表示装置の画素部に酸化物半導体層を含むトランジスタを
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、酸化物半導体層を含むトラ
ンジスタによって、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で
きるため、液晶表示装置の部品点数を削減することができる。
【０１５９】
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる
。
【０１６０】
（実施の形態３）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置の構成およびその作製方法について、図
５乃至図９を参照して説明する。なお、本実施の形態で例示する半導体装置は、記憶装置
として用いることができる。
【０１６１】
本実施の形態で例示する半導体装置の構成を図５に示す。半導体装置の断面図を図５（Ａ
）に示し、半導体装置の上面図を図５（Ｂ）に示す。なお、図５（Ａ）は、図５（Ｂ）の
切断線Ａ１−Ａ２およびＢ１−Ｂ２における断面図に相当する。
【０１６２】
例示する半導体装置は、下部に第１の半導体材料を用いたトランジスタ２６０を有し、上
部に第２の半導体材料を用いたトランジスタ２６２、及び容量素子２６４を有する。トラ
ンジスタ２６０のゲート電極２１０は、トランジスタ２６２の第１の電極２４２ａと直接
接続されている。
【０１６３】
トランジスタ２６２、及び容量素子２６４をトランジスタ２６０に重畳して設けることに
より高集積化が可能である。例えば、配線や電極との接続関係を工夫することにより、最
小加工寸法をＦとして、メモリセルの占める面積を１５Ｆ２〜２５Ｆ２とすることも可能
である。
【０１６４】
トランジスタ２６０が有する第１の半導体材料とトランジスタ２６２が有する第２の半導
体材料に異なる材料を適用できる。例えば、第１の半導体材料に単結晶半導体を適用して
トランジスタ２６０を高速動作が容易な構成とし、第２の半導体材料に酸化物半導体を適
用してトランジスタ２６２をオフ電流が十分に低減され、長時間の電荷保持が可能な構成
とすることができる。
【０１６５】
第１の半導体材料、または第２の半導体材料としては、例えば、酸化物半導体や、酸化物
半導体以外の半導体材料を用いればよい。酸化物半導体以外の半導体材料としては、例え
ばシリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、またはガリウムヒ素
等を用いることができる。また、有機半導体材料などを用いることができる。
【０１６６】
本実施の形態では、第１の半導体材料として単結晶シリコンを用いて高速動作が可能なト
ランジスタ２６０を構成し、第２の半導体材料として酸化物半導体を用いてオフ電流が低
減されたトランジスタ２６２を構成する場合について説明する。
【０１６７】
なお、トランジスタ２６０のゲート電極２１０と、トランジスタ２６２の第１の電極２４
２ａが接続される構成の半導体装置は記憶装置として好適である。トランジスタ２６２を
オフ状態とすることで、トランジスタ２６０のゲート電極２１０の電位を極めて長時間に
わたって保持することが可能である。また、容量素子２６４を備えることにより、トラン
ジスタ２６０のゲート電極２１０に与えた電荷の保持が容易になり、また、保持された情
報の読み出しが容易になる。また、高速動作が可能な半導体材料を用いたトランジスタ２
６０を用いることで、高速に情報を読み出すことができる。
【０１６８】
なお、本実施の形態で例示する半導体装置が備えるトランジスタは、いずれもｎチャネル
型トランジスタであるものとして説明するが、ｐチャネル型トランジスタを用いることが
できるのはいうまでもない。また、開示する発明の技術的な本質は、オフ電流が十分に低
減された、酸化物半導体を用いたトランジスタと、十分な高速動作が可能な、酸化物半導
体以外の材料を用いたトランジスタとを一体に備える点であるから、半導体装置に用いら
れる材料や半導体装置の構造など、半導体装置の具体的な構成をここで示すものに限定す
る必要はない。
【０１６９】
トランジスタ２６０は、第１の半導体材料を含む基板２００に設けられたチャネル形成領
域２１６と、チャネル形成領域２１６を挟む不純物領域２２０を有する。また、不純物領
域２２０に接する金属化合物領域２２４と、チャネル形成領域２１６上に設けられたゲー
ト絶縁層２０８と、ゲート絶縁層２０８上に設けられたゲート電極２１０を有する。なお
、図において、明示的にはソース電極やドレイン電極を有しない場合があるが、便宜上、
このような状態を含めてトランジスタと呼ぶ場合がある。また、この場合、トランジスタ
の接続関係を説明するために、ソース領域やドレイン領域を含めてソース電極やドレイン
電極と表現することがある。つまり、本明細書において、ソース電極の記載には、ソース
領域が含まれ、ドレイン電極の記載には、ドレイン領域が含まれうる。
【０１７０】
また基板２００上には、素子分離絶縁層２０６がトランジスタ２６０を囲むように設けら
れ、トランジスタ２６０上に絶縁層２２８および絶縁層２３０が設けられている。また、
図示しないがトランジスタ２６０の金属化合物領域２２４の一部は、ソース電極やドレイ
ン電極として機能する電極を介して配線２５６または他の配線に接続されている。なお、
図において、明示的にはソース電極やドレイン電極を有しない場合があるが、便宜上、こ
のような構成を含めてトランジスタと呼ぶ場合がある。
【０１７１】
高集積化を実現するためには、図５に示すようにトランジスタ２６０がサイドウォール絶
縁層を有しない構成とすることが望ましい。一方で、トランジスタ２６０の特性を重視す
る場合には、ゲート電極２１０の側面にサイドウォール絶縁層を設け、そのサイドウォー
ル絶縁層と重畳する領域に形成された不純物濃度が不純物領域２２０と異なる領域を含め
て不純物領域２２０を設けても良い。
【０１７２】
なお、本実施の形態では第１の半導体材料を含む基板２００として、シリコン単結晶基板
を用いる。シリコンなどの単結晶半導体基板を用いる場合には、半導体装置の読み出し動
作を高速化することができる。
【０１７３】
トランジスタ２６２は、第２の半導体材料として高純度化された酸化物半導体層を備える
。トランジスタ２６２は、絶縁層２３０上にソース電極またはドレイン電極として機能す
る第１の電極２４２ａ、及び第２の電極２４２ｂと、第１の電極と第２の電極に電気的に
接続する酸化物半導体層２４４を有する。また、酸化物半導体層２４４を覆うゲート絶縁
層２４６と、ゲート絶縁層２４６上に酸化物半導体層２４４と重畳してゲート電極２４８
ａを有する。また、第１の電極２４２ａと酸化物半導体層２４４の間にゲート電極２４８
ａと重畳して絶縁層２４３ａと、第２の電極２４２ｂと酸化物半導体層２４４の間にゲー
ト電極２４８ａと重畳して絶縁層２４３ｂを有する。
【０１７４】
絶縁層２４３ａおよび絶縁層２４３ｂは、ソース電極またはドレイン電極と、ゲート電極
との間に生じる容量を低減する。しかし、絶縁層２４３ａおよび絶縁層２４３ｂを設けな
い構成とすることも可能である。
【０１７５】
ここで、酸化物半導体層２４４は水素などの不純物が十分に除去されることにより、また
は、十分な酸素が供給されることにより、高純度化されたものであることが望ましい。具
体的には、例えば、酸化物半導体層２４４の水素濃度は５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３
以下、望ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より望ましくは５×１０１７ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。なお、上述の酸化物半導体層２４４中の水素濃度は、二次
イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏ
ｓｃｏｐｙ）で測定されるものである。このように、水素濃度が十分に低減されて高純度
化され、十分な酸素の供給により酸素欠乏に起因するエネルギーギャップ中の欠陥準位が
低減された酸化物半導体層２４４では、水素や酸素欠陥等に由来するキャリア濃度が１×
１０１２／ｃｍ３未満、望ましくは、１×１０１１／ｃｍ３未満、より望ましくは１．４
５×１０１０／ｃｍ３未満となる。
【０１７６】
酸化物半導体層２４４を有するトランジスタでは、オフ電流を十分に小さくすることが可
能である。例えば、酸化物半導体層２４４の膜厚が３０ｎｍで、チャネル長が２μｍのト
ランジスタの、室温（２５℃）でのチャネル長１μｍあたりのオフ電流（ゲートバイアス
−３Ｖ）は１００ｚＡ（１ｚＡ（ゼプトアンペア）は１×１０−２１Ａ）以下、望ましく
は１０ｚＡ以下となる。
【０１７７】
本実施の形態では、ハロゲン元素を含む物質をガス状で成膜室に導入しながら酸化物半導
体層を成膜し、後に加熱処理を施して、酸化物半導体層を高純度化する方法を適用して高
純度化された酸化物半導体層を形成する。このように、高純度化された酸化物半導体を用
いることで、極めて優れたオフ電流特性のトランジスタ２６２を得ることができる。なお
、酸化物半導体層２４４の詳細な構成および作製方法については、実施の形態２を参酌す
ることができる。
【０１７８】
なお、図５のトランジスタ２６２では、微細化に起因して素子間に生じるリークを抑制す
るために、島状に加工された酸化物半導体層２４４を用いているが、島状に加工されてい
ない構成を採用しても良い。酸化物半導体層を島状に加工しない場合には、加工の際のエ
ッチングによる酸化物半導体層２４４の汚染を防止できる。
【０１７９】
図５に例示する半導体装置は、トランジスタ２６０のゲート電極２１０の上面が絶縁層２
３０から露出し、トランジスタ２６２のソース電極またはドレイン電極として機能する第
１の電極２４２ａと直接接続する。ゲート電極２１０と第１の電極２４２ａを、別途設け
るコンタクトのための開口および電極を用いて接続することもできるが、直接接続する構
成とすることで、コンタクト面積を縮小でき、半導体装置の高集積化を図ることができる
。
【０１８０】
例えば、本実施の形態の半導体装置を記憶装置として用いる場合、単位面積あたりの記憶
容量を増加するために高集積化は重要である。また、コンタクトのために、別途形成する
開口および電極に必要な工程を省くことができるので、半導体装置作製の工程を簡略化す
ることができる。
【０１８１】
図５における容量素子２６４は、ソース電極またはドレイン電極として機能する第１の電
極２４２ａ、酸化物半導体層２４４、ゲート絶縁層２４６、及び電極２４８ｂで構成され
る。すなわち、第１の電極２４２ａは、容量素子２６４の一方の電極として機能し、電極
２４８ｂは、容量素子２６４の他方の電極として機能する。
【０１８２】
なお、図５で例示する容量素子２６４は、第１の電極２４２ａと電極２４８ｂの間に酸化
物半導体層２４４とゲート絶縁層２４６を挟んで設ける構成としたが、ゲート絶縁層２４
６のみを挟んで設け、容量の大きい構成としてもよい。また、絶縁層２４３ａと同様に形
成される絶縁層を有する構成としてもよい。さらに、容量が不要であれば、容量素子２６
４を設けない構成とすることも可能である。
【０１８３】
また、トランジスタ２６２および容量素子２６４上に絶縁層２５０が設けられ、絶縁層２
５０上に絶縁層２５２が設けられている。また、ゲート絶縁層２４６、絶縁層２５０、絶
縁層２５２などに形成された開口には、電極２５４が設けられている。また、絶縁層２５
２上に配線２５６が設けられ、電極２５４を介して第２の電極２４２ｂと電気的に接続さ
れている。なお、配線２５６を直接、第２の電極２４２ｂに接触させても良い。
【０１８４】
金属化合物領域２２４と接続される電極（図示せず）と、第２の電極２４２ｂを接続して
も良い。この場合、金属化合物領域２２４と接続される電極と、電極２５４を重畳して配
置すると、半導体装置の高集積化を図ることができる。
【０１８５】
〈半導体装置の作製方法〉
次に、上記半導体装置の作製方法の一例について説明する。以下では、はじめに下部のト
ランジスタ２６０の作製方法について図６および図７を参照して説明し、その後、上部の
トランジスタ２６２および容量素子２６４の作製方法について図８および図９を参照して
説明する。
【０１８６】
〈下部のトランジスタの作製方法〉
まず、半導体材料を含む基板２００を用意する（図６（Ａ）参照）。半導体材料を含む基
板２００としては、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板
、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、ＳＯＩ基板などを適用できる。ここで
は、半導体材料を含む基板２００として、単結晶シリコン基板を用いる場合の一例につい
て示す。
【０１８７】
なお、一般に「ＳＯＩ基板」は、絶縁表面上にシリコン半導体層が設けられた構成の基板
をいうが、本明細書等においては、絶縁表面上にシリコン以外の材料からなる半導体層が
設けられた構成の基板も含むものとする。つまり、「ＳＯＩ基板」が有する半導体層は、
シリコン半導体層に限定されない。また、ＳＯＩ基板には、ガラス基板などの絶縁基板上
に絶縁層を介して半導体層が設けられた構成のものも含まれるものとする。
【０１８８】
半導体材料を含む基板２００として、特に、シリコンなどの単結晶半導体基板を用いる場
合には、トランジスタ２６０の動作を高速化することができるため好適である。
【０１８９】
基板２００上には、素子分離絶縁層を形成するためのマスクとなる保護層２０２を形成す
る（図６（Ａ）参照）。保護層２０２としては、例えば、酸化シリコンや窒化シリコン、
酸窒化シリコンなどを材料とする絶縁層を用いることができる。なお、この工程の前後に
おいて、トランジスタのしきい値電圧を制御するために、ｎ型の導電性を付与する不純物
原子やｐ型の導電性を付与する不純物原子を基板２００に添加してもよい。半導体がシリ
コンの場合、ｎ型の導電性を付与する不純物としては、例えば、リンや砒素などを用いる
ことができる。また、ｐ型の導電性を付与する不純物としては、例えば、硼素、アルミニ
ウム、ガリウムなどを用いることができる。
【０１９０】
次に、上記の保護層２０２をマスクとしてエッチングを行い、保護層２０２に覆われてい
ない領域（露出している領域）の、基板２００の一部を除去する。これにより他の半導体
領域と分離された半導体領域２０４が形成される（図６（Ｂ）参照）。当該エッチングに
は、ドライエッチングを用いるのが好適であるが、ウェットエッチングを用いても良い。
エッチングガスやエッチング液については被エッチング材料に応じて適宜選択することが
できる。
【０１９１】
次に、半導体領域２０４を覆うように絶縁層を形成し、半導体領域２０４に重畳する領域
の絶縁層を選択的に除去することで、素子分離絶縁層２０６を形成する（図６（Ｃ）参照
）。当該絶縁層は、酸化シリコンや窒化シリコン、酸窒化シリコンなどを用いて形成され
る。絶縁層の除去方法としては、化学的機械的研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉ
ｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）処理などの研磨処理やエッチング処理などがある
が、そのいずれを用いても良いし、それらを組み合わせて使用しても良い。なお、半導体
領域２０４の形成後、または、素子分離絶縁層２０６の形成後には、保護層２０２を除去
する。
【０１９２】
なお、素子分離絶縁層２０６の形成方法として、絶縁層を選択的に除去する方法の他、酸
素を打ち込むことにより絶縁性の領域を形成する方法などを用いることもできる。
【０１９３】
次に、半導体領域２０４の表面に絶縁層を形成し、当該絶縁層上に導電材料を含む層を形
成する。
【０１９４】
絶縁層は後のゲート絶縁層となるものであり、例えば、半導体領域２０４表面に熱処理（
熱酸化処理や熱窒化処理など）を行うことによって形成することができる。熱処理に代え
て、高密度プラズマ処理を適用しても良い。高密度プラズマ処理は、例えば、Ｈｅ、Ａｒ
、Ｋｒ、Ｘｅなどの希ガス、酸素、酸化窒素、アンモニア、窒素、水素などのうちいずれ
かの混合ガスを用いて行うことができる。もちろん、ＣＶＤ法やスパッタリング法等を用
いて絶縁層を形成しても良い。当該絶縁層は、酸化シリコン、酸窒化シリコン、窒化シリ
コン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化イットリウム、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（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムアルミネー
ト（ＨｆＡｌｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））等を含む単層構造または積層構造とすることが
望ましい。また、絶縁層の厚さは、例えば、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは１０
ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることができる。
【０１９５】
導電材料を含む層は、アルミニウムや銅、チタン、タンタル、タングステン等の金属材料
を用いて形成することができる。また、多結晶シリコンなどの半導体材料を用いて、導電
材料を含む層を形成しても良い。形成方法も特に限定されず、蒸着法、ＣＶＤ法、スパッ
タリング法、スピンコート法などの各種成膜方法を用いることができる。なお、本実施の
形態では、導電材料を含む層を、金属材料を用いて形成する場合の一例について示すもの
とする。
【０１９６】
その後、絶縁層および導電材料を含む層を選択的にエッチングして、ゲート絶縁層２０８
、ゲート電極２１０を形成する（図６（Ｃ）参照）。
【０１９７】
次に、半導体領域２０４にリン（Ｐ）やヒ素（Ａｓ）などを添加して、チャネル形成領域
２１６および不純物領域２２０を形成する（図６（Ｄ）参照）。なお、ここではｎ型トラ
ンジスタを形成するためにリンやヒ素を添加しているが、ｐ型トランジスタを形成する場
合には、硼素（Ｂ）やアルミニウム（Ａｌ）などの不純物元素を添加すればよい。ここで
、添加する不純物の濃度は適宜設定することができるが、半導体素子が高度に微細化され
る場合には、その濃度を高くすることが望ましい。
【０１９８】
なお、ゲート電極２１０の周囲にサイドウォール絶縁層を形成して、不純物元素が異なる
濃度で添加された不純物領域を形成しても良い。
【０１９９】
次に、ゲート電極２１０、不純物領域２２０等を覆うように金属層２２２を形成する（図
７（Ａ）参照）。当該金属層２２２は、真空蒸着法やスパッタリング法、スピンコート法
などの各種成膜方法を用いて形成することができる。金属層２２２は、半導体領域２０４
を構成する半導体材料と反応することによって低抵抗な金属化合物となる金属材料を用い
て形成することが望ましい。このような金属材料としては、例えば、チタン、タンタル、
タングステン、ニッケル、コバルト、白金等がある。
【０２００】
次に、熱処理を施して、金属層２２２と半導体材料とを反応させる。これにより、不純物
領域２２０に接する金属化合物領域２２４が形成される（図７（Ａ）参照）。なお、ゲー
ト電極２１０として多結晶シリコンなどを用いる場合には、ゲート電極２１０の金属層２
２２と接触する部分にも、金属化合物領域が形成されることになる。
【０２０１】
上記熱処理としては、例えば、フラッシュランプの照射による熱処理を用いることができ
る。もちろん、その他の熱処理方法を用いても良いが、金属化合物の形成に係る化学反応
の制御性を向上させるためには、ごく短時間の熱処理を実現できる方法を用いることが望
ましい。なお、上記の金属化合物領域は、金属材料と半導体材料との反応により形成され
るものであり、十分に導電性が高められた領域である。当該金属化合物領域を形成するこ
とで、電気抵抗を十分に低減し、素子特性を向上させることができる。なお、金属化合物
領域２２４を形成した後には、金属層２２２は除去する。
【０２０２】
次に、上述の工程により形成された各構成を覆うように、絶縁層２２８、絶縁層２３０を
形成する（図７（Ｂ）参照）。絶縁層２２８や絶縁層２３０は、酸化シリコン、酸化窒化
シリコン、酸化アルミニ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
。特に、絶縁層２２８や絶縁層２３０に誘電率の低い（ｌｏｗ−ｋ）材料を用いることで
、各種電極や配線の重なりに起因する容量を十分に低減することが可能になるため好まし
い。なお、絶縁層２２８や絶縁層２３０には、これらの材料を用いた多孔性の絶縁層を適
用しても良い。多孔性の絶縁層では、密度の高い絶縁層と比較して誘電率が低下するため
、電極や配線に起因する容量をさらに低減することが可能である。
【０２０３】
また、絶縁層２２８や絶縁層２３０中に、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、等の窒素を
多く含む無機絶縁材料からなる層を含んでも良い。これにより、下部のトランジスタ２６
０を構成する材料が含む水や水素などの不純物が後に形成する上部のトランジスタ２６２
の酸化物半導体層２４４に侵入するのを防ぐことができる。ただし、この場合、後の工程
で行うＣＭＰ処理だけでは窒素を多く含む無機絶縁材料からなる層の除去が困難なので、
エッチング処理などを併用するのが好ましい。
【０２０４】
また、絶縁層２２８として酸化窒化シリコンを、絶縁層２３０として酸化シリコンを形成
することができる。このように、絶縁層２２８および絶縁層２３０を酸化窒化シリコンや
酸化シリコンのような、酸素を多く含む無機絶縁材料だけを用いて形成することにより、
後の工程で絶縁層２２８および絶縁層２３０に容易にＣＭＰ処理を施すことができる。
【０２０５】
なお、ここでは、絶縁層２２８と絶縁層２３０の積層構造としているが、開示する発明の
一態様はこれに限定されない。１層としても良いし、３層以上の積層構造としても良い。
例えば、上記の絶縁層２２８として酸化窒化シリコンを、絶縁層２３０として酸化シリコ
ンを形成する構成において、さらに絶縁層２２８と絶縁層２３０の間に窒化酸化シリコン
を形成するような構成としても良い。
【０２０６】
その後、トランジスタ２６２の形成前の処理として、絶縁層２２８や絶縁層２３０にＣＭ
Ｐ処理を施して、絶縁層２２８および絶縁層２３０の表面を平坦化すると同時にゲート電
極２１０の上面を露出させる（図７（Ｃ）参照）。
【０２０７】
ＣＭＰ処理は、１回行ってもよいし、複数回行ってもよい。複数回に分けてＣＭＰ処理を
行う場合は、高い研磨レートの一次研磨を行った後、低い研磨レートの仕上げ研磨を行う
のが好ましい。このように研磨レートの異なる研磨を組み合わせることによって、絶縁層
２２８および絶縁層２３０の表面の平坦性をさらに向上できる。
【０２０８】
また、絶縁層２２８および絶縁層２３０の積層構造に、窒素を多く含む無機絶縁材料が含
まれる場合、ＣＭＰ処理だけでは除去が困難なため、エッチング処理などを併用するのが
好ましい。窒素を多く含む無機絶縁材料のエッチング処理には、ドライエッチング、ウェ
ットエッチングのいずれを用いても良いが、素子の微細化という観点からはドライエッチ
ングが好適である。また、各絶縁層のエッチングレートが均一になり、且つゲート電極２
１０とはエッチングの選択比が取れるように、エッチング条件（エッチングガスやエッチ
ング液、エッチング時間、温度等）を適宜設定するのが好ましい。また、ドライエッチン
グに用いるエッチングガスには、例えば、フッ素原子を含む物質（トリフルオロメタン（
ＣＨＦ３）など）や、ヘリウム（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）などの希ガスを添加したフッ
素原子を含む物質、などを用いることができる。
【０２０９】
また、ゲート電極２１０の上面を絶縁層２３０から露出させる場合、好ましくはゲート電
極２１０の上面と絶縁層２３０を同一の面にする。
【０２１０】
なお、上記の各工程の前後には、さらに電極や配線、半導体層、絶縁層などを形成する工
程を含んでいても良い。例えば、金属化合物領域２２４の一部と接続される、トランジス
タ２６０のソース電極またはドレイン電極として機能する電極を形成しても良い。また、
配線の構造として、絶縁層および導電層の積層構造でなる多層配線構造を採用して、高度
に集積化した半導体装置を実現することも可能である。
【０２１１】
〈上部のトランジスタの作製方法〉
次に、ゲート電極２１０、絶縁層２２８、絶縁層２３０などの上に導電層を形成し、該導
電層を選択的にエッチングして、ソース電極またはドレイン電極として機能する第１の電
極２４２ａ、及び第２の電極２４２ｂを形成する（図８（Ａ）参照）。第１の電極２４２
ａ、及び第２の電極２４２ｂは、実施の形態２で示したソース電極またはドレイン電極と
して機能する電極と同様の材料、方法を用いて形成することができる。よって、詳細につ
いては、実施の形態２の記載を参酌することができる。
【０２１２】
ここで、第１の電極２４２ａ、および第２の電極２４２ｂの端部は、テーパー形状となる
ようにエッチングする。第１の電極２４２ａ、第２の電極２４２ｂの端部をテーパー形状
とすることにより、後に形成する酸化物半導体層が当該端部を被覆し易くなり、段切れを
防止することができる。また、後に形成するゲート絶縁層の被覆性を向上し、段切れを防
止することができる。
【０２１３】
ここで、テーパー角は、例えば、３０°以上６０°以下とする。なお、テーパー角とは、
テーパー形状を有する層（例えば、第１の電極２４２ａ）を、その断面（基板の表面と直
交する面）に垂直な方向から観察した際に、当該層の側面と底面がなす傾斜角を指す。
【０２１４】
また、上部のトランジスタのチャネル長（Ｌ）は、第１の電極２４２ａ、及び第２の電極
２４２ｂの下端部の間隔によって決定される。なお、チャネル長（Ｌ）が２５ｎｍ未満の
トランジスタを形成する場合に用いるマスク形成の露光を行う際には、数ｎｍ〜数１０ｎ
ｍと波長の短い超紫外線（Ｅｘｔｒｅｍｅ  Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）を用いるのが望ま
しい。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（１μｍ）以下とするこ
とも可能であり、回路の動作速度を高めることが可能である。また、微細化によって、半
導体装置の消費電力を低減することも可能である。
【０２１５】
ここで、トランジスタ２６２の第１の電極２４２ａと、トランジスタ２６０のゲート電極
２１０が直接接続される（図８（Ａ）参照）。
【０２１６】
次に、第１の電極２４２ａの上に絶縁層２４３ａを、第２の電極２４２ｂの上に絶縁層２
４３ｂを、それぞれ形成する（図８（Ｂ）参照）。絶縁層２４３ａおよび絶縁層２４３ｂ
は、第１の電極２４２ａや、第２の電極２４２ｂを覆う絶縁層を形成した後、当該絶縁層
を選択的にエッチングして形成する。また、絶縁層２４３ａおよび絶縁層２４３ｂは、後
に形成されるゲート電極の一部と重畳するように形成する。このような絶縁層を設けるこ
とにより、ゲート電極とソース電極またはドレイン電極との間に生じる容量を低減するこ
とが可能である。
【０２１７】
絶縁層２４３ａや絶縁層２４３ｂは、酸化シリコン、酸窒化シリコン、窒化シリコン、酸
化アルミニ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。特に、絶縁
層２４３ａや絶縁層２４３ｂに誘電率の低い（ｌｏｗ−ｋ）材料を用いることで、ゲート
電極と、ソース電極またはドレイン電極との間の容量を十分に低減することが可能になる
ため好ましい。なお、絶縁層２４３ａや絶縁層２４３ｂには、これらの材料を用いた多孔
性の絶縁層を適用しても良い。多孔性の絶縁層では、密度の高い絶縁層と比較して誘電率
が低下するため、ゲート電極と、ソース電極またはドレイン電極との間の容量をさらに低
減することが可能である。
【０２１８】
なお、ゲート電極と、ソース電極またはドレイン電極との間の容量を低減させるという点
では、絶縁層２４３ａおよび絶縁層２４３ｂを形成するのが好適であるが、当該絶縁層を
設けない構成とすることも可能である。
【０２１９】
次に、第１の電極２４２ａ、および第２の電極２４２ｂを覆うように酸化物半導体層を形
成した後、当該酸化物半導体層を選択的にエッチングして酸化物半導体層２４４を形成す
る（図８（Ｃ）参照）。酸化物半導体層２４４は、実施の形態２で示した酸化物半導体層
と同様の材料、方法を用いて形成することができる。よって、詳細については、実施の形
態２の記載を参酌することができる。
【０２２０】
なお、実施の形態２で示したように、酸化物半導体層をスパッタ法により形成する前には
、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、形成表面（例えば絶
縁層２３０の表面）の付着物を除去するのが好適である。
【０２２１】
形成した酸化物半導体層に対して、熱処理（第１の熱処理）を行う。熱処理（第１の熱処
理）を行う方法については、実施の形態２で示した装置、方法を適用することができる。
よって、詳細については、実施の形態２の記載を参酌することができる。
【０２２２】
成膜中にハロゲン元素を含む物質をガス状で成膜室に導入して、成膜室に残留する水素原
子を含む不純物と反応せしめ、水素原子を含む安定な物質に変性して排気する方法によれ
ば、水素原子を含む安定な物質は酸化物半導体層の金属原子に水素原子を与えることがな
く、水素原子等が酸化物半導体層に取り込まれる現象を防止できる。その結果、高純度化
された酸化物半導体層を形成できる。残留する不純物が低減され、ｉ型（真性半導体）ま
たはｉ型に限りなく近い酸化物半導体層を用いたトランジスタは閾値電圧の変動が抑制さ
れ、オフ電流が低減された極めて優れた特性を実現することができる。
【０２２３】
なお、酸化物半導体層のエッチングは、熱処理（第１の熱処理）の前、または上記熱処理
（第１の熱処理）の後のいずれにおいて行っても良い。また、素子の微細化という観点か
らはドライエッチングを用いるのが好適であるが、ウェットエッチングを用いても良い。
エッチングガスやエッチング液については被エッチング材料に応じて適宜選択することが
できる。なお、素子におけるリークなどが問題とならない場合には、酸化物半導体層を島
状に加工しないで用いても良い。
【０２２４】
次に、酸化物半導体層２４４に接するゲート絶縁層２４６を形成し、その後、ゲート絶縁
層２４６上において酸化物半導体層２４４と重畳する領域にゲート電極２４８ａを形成し
、第１の電極２４２ａと重畳する領域に電極２４８ｂを形成する（図８（Ｄ）参照）。ゲ
ート絶縁層２４６は、実施の形態２で示したゲート絶縁層と同様の材料、方法を用いて形
成することができる。
【０２２５】
ゲート絶縁層２４６の形成後には、不活性ガス雰囲気下、または酸素雰囲気下で第２の熱
処理を行うのが望ましい。第２の熱処理については、実施の形態２で示したのと同様の方
法で行うことができる。第２の熱処理を行うことによって、トランジスタの電気的特性の
ばらつきを軽減することができる。また、ゲート絶縁層２４６が酸素を含む場合、酸化物
半導体層２４４に酸素を供給し、該酸化物半導体層２４４の酸素欠損を補填して、ｉ型（
真性半導体）またはｉ型に限りなく近い酸化物半導体層を形成することもできる。
【０２２６】
なお、本実施の形態では、ゲート絶縁層２４６の形成後に第２の熱処理を行っているが、
第２の熱処理のタイミングはこれに限定されない。例えば、ゲート電極の形成後に第２の
熱処理を行っても良い。また、第２の熱処理に第１の熱処理を兼ねさせても良い。
【０２２７】
ゲート電極２４８ａは、実施の形態２で示したゲート電極６１１と同様の材料、方法を用
いて形成することができる。また、ゲート電極２４８ａを形成する際、導電層を選択的に
エッチングすることによって、電極２４８ｂを形成することができる。以上の詳細につい
ては、実施の形態２の記載を参酌することができる。
【０２２８】
次に、ゲート絶縁層２４６、ゲート電極２４８ａ、および電極２４８ｂ上に、絶縁層２５
０および絶縁層２５２を形成する（図９（Ａ）参照）。絶縁層２５０および絶縁層２５２
は、実施の形態１で示した絶縁層５０７および保護絶縁層５０８と同様の材料、方法を用
いて形成することができる。よって、詳細については、実施の形態１の記載を参酌するこ
とができる。
【０２２９】
次に、ゲート絶縁層２４６、絶縁層２５０、絶縁層２５２に、第２の電極２４２ｂにまで
達する開口を形成する（図９（Ｂ）参照）。当該開口の形成は、マスクなどを用いた選択
的なエッチングにより行われる。
【０２３０】
その後、上記開口に電極２５４を形成し、絶縁層２５２上に電極２５４に接する配線２５
６を形成する（図９（Ｃ）参照）。
【０２３１】
電極２５４は、例えば、開口を含む領域にＰＶＤ法やＣＶＤ法などを用いて導電層を形成
した後、エッチング処理やＣＭＰといった方法を用いて、上記導電層の一部を除去するこ
とにより形成することができる。
【０２３２】
より具体的には、例えば、開口を含む領域にＰＶＤ法によりチタン膜を薄く形成し、ＣＶ
Ｄ法により窒化チタン膜を薄く形成した後に、開口に埋め込むようにタングステン膜を形
成する方法を適用することができる。ここで、ＰＶＤ法により形成されるチタン膜は、被
形成面の酸化膜（自然酸化膜など）を還元し、下部電極など（ここでは第２の電極２４２
ｂ）との接触抵抗を低減させる機能を有する。また、その後に形成される窒化チタン膜は
、導電性材料の拡散を抑制するバリア機能を備える。また、チタンや窒化チタンなどによ
るバリア膜を形成した後に、メッキ法により銅膜を形成してもよい。
【０２３３】
なお、上記導電層の一部を除去して電極２５４を形成する際には、その表面が平坦になる
ように加工することが望ましい。例えば、開口を含む領域にチタン膜や窒化チタン膜を薄
く形成した後に、開口に埋め込むようにタングステン膜を形成する場合には、その後のＣ
ＭＰ処理によって、不要なタングステン、チタン、窒化チタンなどを除去すると共に、そ
の表面の平坦性を向上させることができる。このように、電極２５４を含む表面を平坦化
することにより、後の工程において、良好な電極、配線、絶縁層、半導体層などを形成す
ることが可能となる。
【０２３４】
配線２５６は、実施の形態２で示したゲート電極６１１を含む配線と同様の材料、方法を
用いて形成することができる。よって、詳細については、実施の形態２の記載を参酌する
ことができる。
【０２３５】
以上により、高純度化された酸化物半導体層２４４を用いたトランジスタ２６２、および
容量素子２６４が完成する。
【０２３６】
このように高純度化され、真性化された酸化物半導体層２４４を用いることで、トランジ
スタのオフ電流を十分に低減することができる。なお、このようなトランジスタを用いる
ことで、極めて長期にわたり記憶内容を保持することが可能な半導体装置が得られる。
【０２３７】
上記に例示する本実施の形態の方法によれば、下部に酸化物半導体以外の半導体材料を用
いたトランジスタを有し、上部に酸化物半導体を用いたトランジスタを有する半導体装置
を作製できる。
【０２３８】
また、ゲート電極２１０と、第１の電極２４２ａとを直接接続することで、コンタクト面
積を縮小することができるので、半導体装置の高集積化を図ることができる。よって、記
憶装置として用いることができる半導体装置の単位面積あたりの記憶容量を増加させるこ
とができる。
【０２３９】
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適
宜組み合わせて用いることができる。
【０２４０】
（実施の形態４）
本実施の形態では、開示する発明の一態様に係る半導体装置の応用例について、図１０を
参照して説明する。ここでは、記憶装置の一例について説明する。なお、回路図において
は、酸化物半導体を用いたトランジスタであることを示すために、ＯＳの符号を併せて付
す場合がある。
【０２４１】
図１０（Ａ−１）に示す半導体装置において、第１の配線（１ｓｔ  Ｌｉｎｅ）とトラン
ジスタ７００のソース電極とは、電気的に接続され、第２の配線（２ｎｄ  Ｌｉｎｅ）と
トランジスタ７００のドレイン電極とは、電気的に接続されている。また、第３の配線（
３ｒｄ  Ｌｉｎｅ）とトランジスタ７１０のソース電極またはドレイン電極の一方とは、
電気的に接続され、第４の配線（４ｔｈ  Ｌｉｎｅ）と、トランジスタ７１０のゲート電
極とは、電気的に接続されている。また、第５の配線（５ｔｈ  Ｌｉｎｅ）と、容量素子
７２０の電極の一方は電気的に接続されている。そして、トランジスタ７００のゲート電
極と、トランジスタ７１０のソース電極またはドレイン電極の他方は、容量素子７２０の
電極の他方と電気的に接続される。
【０２４２】
ここで、トランジスタ７１０には、酸化物半導体を用いたトランジスタが適用される。こ
こで、酸化物半導体を用いたトランジスタとしては、例えば、先の実施の形態で示した、
トランジスタ２６２を用いることができる。酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ
電流が極めて小さいという特徴を有している。このため、トランジスタ７１０をオフ状態
とすることで、トランジスタ７００のゲート電極の電位を極めて長時間にわたって保持す
ることが可能である。そして、容量素子７２０を有することにより、トランジスタ７００
のゲート電極に与えられた電荷の保持が容易になり、また、保持された情報の読み出しが
容易になる。ここで、容量素子７２０としては、例えば、先の実施の形態で示した、容量
素子２６４を用いることができる。
【０２４３】
また、トランジスタ７００には、酸化物半導体以外の半導体材料を用いたトランジスタが
適用される。酸化物半導体以外の半導体材料としては、例えば、シリコン、ゲルマニウム
、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、またはガリウムヒ素等を用いることができ、単
結晶半導体を用いるのが好ましい。他に、有機半導体材料などを用いてもよい。このよう
な半導体材料を用いたトランジスタは、高速動作が容易である。ここで、酸化物半導体以
外の半導体材料を用いたトランジスタとしては、例えば、先の実施の形態で示した、トラ
ンジスタ２６０を用いることができる。
【０２４４】
また、図１０（Ｂ）に示すように、容量素子７２０を設けない構成とすることも可能であ
る。
【０２４５】
図１０（Ａ−１）に示す半導体装置では、トランジスタ７００のゲート電極の電位が保持
可能という特徴を生かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能で
ある。
【０２４６】
はじめに、情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第４の配線の電位を、ト
ランジスタ７１０がオン状態となる電位にして、トランジスタ７１０をオン状態とする。
これにより、第３の配線の電位が、トランジスタ７００のゲート電極、および容量素子７
２０に与えられる。すなわち、トランジスタ７００のゲート電極には、所定の電荷が与え
られる（書き込み）。ここでは、異なる二つの電位を与える電荷（以下、低電位を与える
電荷を電荷ＱＬ、高電位を与える電荷を電荷ＱＨという）のいずれかが与えられるものと
する。なお、異なる三つまたはそれ以上の電位を与える電荷を適用して、記憶容量を向上
させても良い。その後、第４の配線の電位を、トランジスタ７１０がオフ状態となる電位
にして、トランジスタ７１０をオフ状態とすることにより、トランジスタ７００のゲート
電極に与えられた電荷が保持される（保持）。
【０２４７】
トランジスタ７１０のオフ電流は極めて小さいから、トランジスタ７００のゲート電極の
電荷は長時間にわたって保持される。
【０２４８】
次に、情報の読み出しについて説明する。第１の配線に所定の電位（定電位）を与えた状
態で、第５の配線に適切な電位（読み出し電位）を与えると、トランジスタ７００のゲー
ト電極に保持された電荷量に応じて、第２の配線は異なる電位をとる。一般に、トランジ
スタ７００をｎチャネル型とすると、トランジスタ７００のゲート電極にＱＨが与えられ
ている場合の見かけのしきい値Ｖｔｈ＿Ｈは、トランジスタ７００のゲート電極にＱＬが
与えられている場合の見かけのしきい値Ｖｔｈ＿Ｌより低くなるためである。ここで、見
かけのしきい値電圧とは、トランジスタ７００を「オン状態」とするために必要な第５の
配線の電位をいうものとする。したがって、第５の配線の電位をＶｔｈ＿ＨとＶｔｈ＿Ｌ
の中間の電位Ｖ０とすることにより、トランジスタ７００のゲート電極に与えられた電荷
を判別できる。例えば、書き込みにおいて、ＱＨが与えられていた場合には、第５の配線
の電位がＶ０（＞Ｖｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ７００は「オン状態」となる。Ｑ
Ｌが与えられていた場合には、第５の配線の電位がＶ０（＜Ｖｔｈ＿Ｌ）となっても、ト
ランジスタ７００は「オフ状態」のままである。このため、第２の配線の電位を見ること
で、保持されている情報を読み出すことができる。
【０２４９】
なお、メモリセルをアレイ状に配置して用いる場合には、所望のメモリセルの情報のみを
読み出せることが必要になる。このように、所定のメモリセルの情報を読み出し、それ以
外のメモリセルの情報を読み出さないようにするには、各メモリセル間でトランジスタ７
００がそれぞれ並列に接続されている場合には、読み出しの対象ではないメモリセルの第
５の配線に対して、ゲート電極の状態にかかわらずトランジスタ７００が「オフ状態」と
なるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｈより小さい電位を与えればよい。また、各メモリセ
ル間でトランジスタ７００がそれぞれ直列に接続されている場合には、読み出しの対象で
はないメモリセルの第５の配線に対して、ゲート電極の状態にかかわらずトランジスタ７
００が「オン状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｌより大きい電位を第５の配線
に与えればよい。
【０２５０】
次に、情報の書き換えについて説明する。情報の書き換えは、上記情報の書き込みおよび
保持と同様に行われる。つまり、第４の配線の電位を、トランジスタ７１０がオン状態と
なる電位にして、トランジスタ７１０をオン状態とする。これにより、第３の配線の電位
（新たな情報に係る電位）が、トランジスタ７００のゲート電極および容量素子７２０に
与えられる。その後、第４の配線の電位を、トランジスタ７１０がオフ状態となる電位に
して、トランジスタ７１０をオフ状態とすることにより、トランジスタ７００のゲート電
極は、新たな情報に係る電荷が与えられた状態となる。
【０２５１】
このように、開示する発明に係る半導体装置は、再度の情報の書き込みによって直接的に
情報を書き換えることが可能である。このためフラッシュメモリなどにおいて必要とされ
る高電圧を用いてのフローティングゲートからの電荷の引き抜きが不要であり、消去動作
に起因する動作速度の低下を抑制することができる。つまり、半導体装置の高速動作が実
現される。
【０２５２】
なお、トランジスタ７１０のソース電極またはドレイン電極は、トランジスタ７００のゲ
ート電極と電気的に接続されることにより、不揮発性メモリ素子として用いられるフロー
ティングゲート型トランジスタのフローティングゲートと同等の作用を奏する。このため
、図中、トランジスタ７１０のソース電極またはドレイン電極とトランジスタ７００のゲ
ート電極が電気的に接続される部位をフローティングゲート部ＦＧと呼ぶ場合がある。ト
ランジスタ７１０がオフの場合、当該フローティングゲート部ＦＧは絶縁体中に埋設され
たと見ることができ、フローティングゲート部ＦＧには電荷が保持される。酸化物半導体
を用いたトランジスタ７１０のオフ電流は、シリコン半導体などで形成されるトランジス
タの１０万分の１以下であるため、トランジスタ７１０のリークによる、フローティング
ゲート部ＦＧに蓄積される電荷の消失を無視することが可能である。つまり、酸化物半導
体を用いたトランジスタ７１０により、電力の供給が無くても情報の保持が可能な不揮発
性の記憶装置を実現することが可能である。
【０２５３】
例えば、トランジスタ７１０の室温でのオフ電流が１０ｚＡ（１ｚＡ（ゼプトアンペア）
は１×１０−２１Ａ）以下であり、容量素子７２０の容量値が１０ｆＦ程度である場合に
は、少なくとも１０４秒以上のデータ保持が可能である。なお、当該保持時間が、トラン
ジスタ特性や容量値によって変動することはいうまでもない。
【０２５４】
また、この場合、従来のフローティングゲート型トランジスタにおいて指摘されているゲ
ート絶縁膜（トンネル絶縁膜）の劣化という問題が存在しない。つまり、従来問題とされ
ていた、電子をフローティングゲートに注入する際のゲート絶縁膜の劣化という問題を解
消することができる。これは、原理的な書き込み回数の制限が存在しないことを意味する
ものである。また、従来のフローティングゲート型トランジスタにおいて書き込みや消去
の際に必要であった高電圧も不要である。
【０２５５】
図１０（Ａ−１）に示す半導体装置は、当該半導体装置を構成するトランジスタなどの要
素が抵抗および容量を含むものとして、図１０（Ａ−２）のように考えることが可能であ
る。つまり、図１０（Ａ−２）では、トランジスタ７００および容量素子７２０が、それ
ぞれ、抵抗および容量を含んで構成されると考えていることになる。Ｒ１およびＣ１は、
それぞれ、容量素子７２０の抵抗値および容量値であり、抵抗値Ｒ１は、容量素子７２０
を構成する絶縁層による抵抗値に相当する。また、Ｒ２およびＣ２は、それぞれ、トラン
ジスタ７００の抵抗値および容量値であり、抵抗値Ｒ２はトランジスタ７００がオン状態
の時のゲート絶縁層による抵抗値に相当し、容量値Ｃ２はいわゆるゲート容量（ゲート電
極と、ソース電極またはドレイン電極との間に形成される容量、及び、ゲート電極とチャ
ネル形成領域との間に形成される容量）の容量値に相当する。
【０２５６】
トランジスタ７１０がオフ状態にある場合のソース電極とドレイン電極の間の抵抗値（実
効抵抗とも呼ぶ）をＲＯＳとすると、トランジスタ７１０のゲートリークが十分に小さい
条件において、Ｒ１およびＲ２が、Ｒ１≧ＲＯＳ、Ｒ２≧ＲＯＳを満たす場合には、電荷
の保持期間（情報の保持期間ということもできる）は、主としてトランジスタ７１０のオ
フ電流によって決定されることになる。
【０２５７】
逆に、当該条件を満たさない場合には、トランジスタ７１０のオフ電流が十分に小さくと
も、保持期間を十分に確保することが困難になる。トランジスタ７１０のオフ電流以外の
リーク電流（例えば、ソース電極とゲート電極の間において生じるリーク電流等）が大き
いためである。このことから、本実施の形態において開示する半導体装置は、上述の関係
を満たすものであることが望ましいといえる。
【０２５８】
一方で、Ｃ１とＣ２は、Ｃ１≧Ｃ２の関係を満たすことが望ましい。Ｃ１を大きくするこ
とで、第５の配線によってフローティングゲート部ＦＧの電位を制御する際に、第５の配
線の電位を効率よくフローティングゲート部ＦＧに与えることができるようになり、第５
の配線に与える電位間（例えば、読み出しの電位と、非読み出しの電位）の電位差を低く
抑えることができるためである。
【０２５９】
上述の関係を満たすことで、より好適な半導体装置を実現することが可能である。なお、
Ｒ１およびＲ２は、トランジスタ７００のゲート絶縁層や容量素子７２０の絶縁層によっ
て制御される。Ｃ１およびＣ２についても同様である。よって、ゲート絶縁層の材料や厚
さなどを適宜設定し、上述の関係を満たすようにすることが望ましい。
【０２６０】
本実施の形態で示す半導体装置においては、フローティングゲート部ＦＧが、フラッシュ
メモリ等のフローティングゲート型のトランジスタのフローティングゲートと同等の作用
をするが、本実施の形態のフローティングゲート部ＦＧは、フラッシュメモリ等のフロー
ティングゲートと本質的に異なる特徴を有する。フラッシュメモリでは、コントロールゲ
ートに印加される電圧が高いため、その電位の影響が、隣接するセルのフローティングゲ
ートにおよぶことを防ぐために、セルとセルとの間隔をある程度保つ必要が生じる。この
ことは、半導体装置の高集積化を阻害する要因の一つである。そして、当該要因は、高電
界をかけてトンネル電流を発生させるというフラッシュメモリの根本的な原理に起因する
ものである。
【０２６１】
また、フラッシュメモリの上記原理によって、絶縁膜の劣化が進行し、書き換え回数の限
界（１０４〜１０５回程度）という別の問題も生じる。
【０２６２】
開示する発明に係る半導体装置は、酸化物半導体を用いたトランジスタのスイッチングに
よって動作し、上述のようなトンネル電流による電荷注入の原理を用いない。すなわち、
フラッシュメモリのような、電荷を注入するための高電界が不要である。これにより、隣
接セルに対する、コントロールゲートによる高電界の影響を考慮する必要がないため、高
集積化が容易になる。
【０２６３】
また、トンネル電流による電荷の注入を用いないため、メモリセルの劣化の原因が存在し
ない。つまり、フラッシュメモリと比較して高い耐久性および信頼性を有することになる
。
【０２６４】
また、高電界が不要であり、大型の周辺回路（昇圧回路など）が不要である点も、フラッ
シュメモリに対するアドバンテージである。
【０２６５】
なお、容量素子７２０を構成する絶縁層の比誘電率εｒ１と、トランジスタ７００を構成
する絶縁層の比誘電率εｒ２とを異ならせる場合には、容量素子７２０を構成する絶縁層
の面積Ｓ１と、トランジスタ７００においてゲート容量を構成する絶縁層の面積Ｓ２とが
、２・Ｓ２≧Ｓ１（望ましくはＳ２≧Ｓ１）を満たしつつ、Ｃ１≧Ｃ２を実現することが
容易である。すなわち、容量素子７２０を構成する絶縁層の面積を小さくしつつ、Ｃ１≧
Ｃ２を実現することが容易である。具体的には、例えば、容量素子７２０を構成する絶縁
層においては、酸化ハフニウムなどのｈｉｇｈ−ｋ材料でなる膜、または酸化ハフニウム
などのｈｉｇｈ−ｋ材料でなる膜と酸化物半導体でなる膜との積層構造を採用してεｒ１
を１０以上、好ましくは１５以上とし、ゲート容量を構成する絶縁層においては、酸化シ
リコンを採用して、εｒ２＝３〜４とすることができる。
【０２６６】
このような構成を併せて用いることで、開示する発明に係る半導体装置の、より一層の高
集積化が可能である。
【０２６７】
なお、上記説明は、電子を多数キャリアとするｎ型トランジスタ（ｎチャネル型トランジ
スタ）を用いる場合についてのものであるが、ｎ型トランジスタに代えて、正孔を多数キ
ャリアとするｐ型トランジスタを用いることができるのはいうまでもない。
【０２６８】
以上示したように、開示する発明の一態様の半導体装置は、オフ状態でのソースとドレイ
ン間のリーク電流（オフ電流）が少ない書き込み用トランジスタ、該書き込み用トランジ
スタと異なる半導体材料を用いた読み出し用トランジスタ及び容量素子を含む不揮発性の
メモリセルを有している。
【０２６９】
書き込み用トランジスタのオフ電流は、使用時の温度（例えば、２５℃）で１００ｚＡ（
１×１０−１９Ａ）以下、好ましくは１０ｚＡ（１×１０−２０Ａ）以下、さらに好まし
くは、１ｚＡ（１×１０−２１Ａ）以下である。通常のシリコン半導体では、上述のよう
に低いオフ電流を得ることは困難であるが、酸化物半導体を適切な条件で加工して得られ
たトランジスタにおいては達成しうる。このため、書き込み用トランジスタとして、酸化
物半導体を含むトランジスタを用いることが好ましい。
【０２７０】
さらに酸化物半導体を用いたトランジスタはサブスレッショルドスイング値（Ｓ値）が小
さいため、比較的移動度が低くてもスイッチング速度を十分大きくすることが可能である
。よって、該トランジスタを書き込み用トランジスタとして用いることで、フローティン
グゲート部ＦＧに与えられる書き込みパルスの立ち上がりを極めて急峻にすることができ
る。また、オフ電流が小さいため、フローティングゲート部ＦＧに保持させる電荷量を少
なくすることが可能である。つまり、酸化物半導体を用いたトランジスタを書き込み用ト
ランジスタとして用いることで、情報の書き換えを高速に行うことができる。
【０２７１】
読み出し用トランジスタとしては、オフ電流についての制限はないが、読み出しの速度を
高くするために、高速で動作するトランジスタを用いるのが望ましい。例えば、読み出し
用トランジスタとしてスイッチング速度が１ナノ秒以下のトランジスタを用いるのが好ま
しい。
【０２７２】
このように、酸化物半導体を用いたトランジスタを書き込み用トランジスタとして用い、
酸化物半導体以外の半導体材料を用いたトランジスタを読み出し用トランジスタとして用
いることにより、長時間に渡っての情報の保持が可能で、且つ情報の読み出しを高速で行
うことが可能な、記憶装置として用いることができる半導体装置を実現することができる
。
【０２７３】
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適
宜組み合わせて用いることができる。
【０２７４】
（実施の形態５）
本実施の形態では、開示する発明の一態様に係る半導体装置の応用例について、図１１お
よび図１２を用いて説明する。
【０２７５】
図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）は、図１０（Ａ−１）に示す半導体装置（以下、メモリ
セル７５０とも記載する。）を複数用いて形成される半導体装置の回路図である。図１１
（Ａ）は、メモリセル７５０が直列に接続された、いわゆるＮＡＮＤ型の半導体装置の回
路図であり、図１１（Ｂ）は、メモリセル７５０が並列に接続された、いわゆるＮＯＲ型
の半導体装置の回路図である。
【０２７６】
図１１（Ａ）に示す半導体装置は、ソース線ＳＬ、ビット線ＢＬ、第１信号線Ｓ１、複数
本の第２信号線Ｓ２、複数本のワード線ＷＬ、複数のメモリセル７５０を有する。図１１
（Ａ）では、ソース線ＳＬおよびビット線ＢＬを１本ずつ有する構成となっているが、こ
れに限られることなく、ソース線ＳＬおよびビット線ＢＬを複数本有する構成としてもよ
い。
【０２７７】
各メモリセル７５０において、トランジスタ７００のゲート電極と、トランジスタ７１０
のソース電極またはドレイン電極の他方と、容量素子７２０の電極の他方とは、電気的に
接続されている。また、第１信号線Ｓ１とトランジスタ７１０のソース電極またはドレイ
ン電極の一方とは、電気的に接続され、第２信号線Ｓ２と、トランジスタ７１０のゲート
電極とは、電気的に接続されている。そして、ワード線ＷＬと、容量素子７２０の電極の
一方は電気的に接続されている。
【０２７８】
また、メモリセル７５０が有するトランジスタ７００のソース電極は、隣接するメモリセ
ル７５０のトランジスタ７００のドレイン電極と電気的に接続され、メモリセル７５０が
有するトランジスタ７００のドレイン電極は、隣接するメモリセル７５０のトランジスタ
７００のソース電極と電気的に接続される。ただし、直列に接続された複数のメモリセル
のうち、一方の端に設けられたメモリセル７５０が有するトランジスタ７００のドレイン
電極は、ビット線と電気的に接続される。また、直列に接続された複数のメモリセルのう
ち、他方の端に設けられたメモリセル７５０が有するトランジスタ７００のソース電極は
、ソース線と電気的に接続される。
【０２７９】
図１１（Ａ）に示す半導体装置では、行ごとの書き込み動作および読み出し動作を行う。
書き込み動作は次のように行われる。書き込みを行う行の第２の信号線Ｓ２にトランジス
タ７１０がオン状態となる電位を与え、書き込みを行う行のトランジスタ７１０をオン状
態にする。これにより、指定した行のトランジスタ７００のゲート電極に第１の信号線Ｓ
１の電位が与えられ、該ゲート電極に所定の電荷が与えられる。このようにして、指定し
た行のメモリセルにデータを書き込むことができる。
【０２８０】
また、読み出し動作は次のように行われる。まず、読み出しを行う行以外のワード線ＷＬ
に、トランジスタ７００のゲート電極に与えられた電荷によらず、トランジスタ７００が
オン状態となるような電位を与え、読み出しを行う行以外のトランジスタ７００をオン状
態とする。それから、読み出しを行う行のワード線ＷＬに、トランジスタ７００のゲート
電極が有する電荷によって、トランジスタ７００のオン状態またはオフ状態が選択される
ような電位（読み出し電位）を与える。そして、ソース線ＳＬに定電位を与え、ビット線
ＢＬに接続されている読み出し回路（図示しない）を動作状態とする。ここで、ソース線
ＳＬ−ビット線ＢＬ間の複数のトランジスタ７００は、読み出しを行う行を除いてオン状
態となっているため、ソース線ＳＬ−ビット線ＢＬ間のコンダクタンスは、読み出しを行
う行のトランジスタ７００の状態（オン状態またはオフ状態）によって決定される。読み
出しを行う行のトランジスタ７００のゲート電極が有する電荷によって、トランジスタの
コンダクタンスは異なるから、それに応じて、ビット線ＢＬの電位は異なる値をとること
になる。ビット線の電位を読み出し回路によって読み出すことで、指定した行のメモリセ
ルから情報を読み出すことができる。
【０２８１】
図１１（Ｂ）に示す半導体装置は、ソース線ＳＬ、ビット線ＢＬ、第１信号線Ｓ１、第２
信号線Ｓ２、およびワード線ＷＬをそれぞれ複数本有し、複数のメモリセル７５０を有す
る。各トランジスタ７００のゲート電極と、トランジスタ７１０のソース電極またはドレ
イン電極の他方と、容量素子７２０の電極の他方とは、電気的に接続されている。また、
ソース線ＳＬとトランジスタ７００のソース電極とは、電気的に接続され、ビット線ＢＬ
とトランジスタ７００のドレイン電極とは、電気的に接続されている。また、第１信号線
Ｓ１とトランジスタ７１０のソース電極またはドレイン電極の一方とは、電気的に接続さ
れ、第２信号線Ｓ２と、トランジスタ７１０のゲート電極とは、電気的に接続されている
。そして、ワード線ＷＬと、容量素子７２０の電極の一方は電気的に接続されている。
【０２８２】
図１１（Ｂ）に示す半導体装置では、行ごとの書き込み動作および読み出し動作を行う。
書き込み動作は、上述の図１１（Ａ）に示す半導体装置と同様の方法で行われる。読み出
し動作は次のように行われる。まず、読み出しを行う行以外のワード線ＷＬに、トランジ
スタ７００のゲート電極に与えられた電荷によらず、トランジスタ７００がオフ状態とな
るような電位を与え、読み出しを行う行以外のトランジスタ７００をオフ状態とする。そ
れから、読み出しを行う行のワード線ＷＬに、トランジスタ７００のゲート電極が有する
電荷によって、トランジスタ７００のオン状態またはオフ状態が選択されるような電位（
読み出し電位）を与える。そして、ソース線ＳＬに定電位を与え、ビット線ＢＬに接続さ
れている読み出し回路（図示しない）を動作状態とする。ここで、ソース線ＳＬ−ビット
線ＢＬ間のコンダクタンスは、読み出しを行う行のトランジスタ７００の状態（オン状態
またはオフ状態）によって決定される。つまり、読み出しを行う行のトランジスタ７００
のゲート電極が有する電荷によって、ビット線ＢＬの電位は異なる値をとることになる。
ビット線の電位を読み出し回路によって読み出すことで、指定した行のメモリセルから情
報を読み出すことができる。
【０２８３】
なお、上記においては、各メモリセル７５０に保持させる情報量を１ビットとしたが、本
実施の形態に示す記憶装置の構成はこれに限られない。トランジスタ７００のゲート電極
に与える電位を３種類以上用意して、各メモリセル７５０が保持する情報量を増加させて
も良い。例えば、トランジスタ７００のゲート電極にあたえる電位を４種類とする場合に
は、各メモリセルに２ビットの情報を保持させることができる。
【０２８４】
次に、図１１に示す半導体装置などに用いることができる読み出し回路の一例について図
１２を用いて説明する。
【０２８５】
図１２（Ａ）には、読み出し回路の概略を示す。当該読み出し回路は、トランジスタとセ
ンスアンプ回路を有する。
【０２８６】
読み出し時には、端子Ａは読み出しを行うメモリセルが接続されたビット線に接続される
。また、トランジスタのゲート電極にはバイアス電位Ｖｂｉａｓが印加され、端子Ａの電
位が制御される。
【０２８７】
メモリセル７５０は、格納されるデータに応じて、異なる抵抗値を示す。具体的には、選
択したメモリセル７５０のトランジスタ７００がオン状態の場合には低抵抗状態となり、
選択したメモリセル７５０のトランジスタ７００がオフ状態の場合には高抵抗状態となる
。
【０２８８】
メモリセルが高抵抗状態の場合、端子Ａの電位が参照電位Ｖｒｅｆより高くなり、センス
アンプ回路は端子Ａの電位に対応する電位を出力する。一方、メモリセルが低抵抗状態の
場合、端子Ａの電位が参照電位Ｖｒｅｆより低くなり、センスアンプ回路は端子Ａの電位
に対応する電位を出力する。
【０２８９】
このように、読み出し回路を用いることで、メモリセルからデータを読み出すことができ
る。なお、本実施の形態の読み出し回路は一例である。他の回路を用いても良い。また、
読み出し回路は、プリチャージ回路を有しても良い。参照電位Ｖｒｅｆの代わりに参照用
のビット線が接続される構成としても良い。
【０２９０】
図１２（Ｂ）に、センスアンプ回路の一例である差動型センスアンプを示す。差動型セン
スアンプは、入力端子Ｖｉｎ（＋）とＶｉｎ（−）と出力端子Ｖｏｕｔを有し、Ｖｉｎ（
＋）とＶｉｎ（−）の差を増幅する。Ｖｉｎ（＋）＞Ｖｉｎ（−）であればＶｏｕｔは、
概ねＨｉｇｈ出力、Ｖｉｎ（＋）＜Ｖｉｎ（−）であればＶｏｕｔは、概ねＬｏｗ出力と
なる。当該差動型センスアンプを読み出し回路に用いる場合、Ｖｉｎ（＋）とＶｉｎ（−
）の一方は入力端子Ａと接続し、Ｖｉｎ（＋）とＶｉｎ（−）の他方には参照電位Ｖｒｅ
ｆを与える。
【０２９１】
図１２（Ｃ）に、センスアンプ回路の一例であるラッチ型センスアンプを示す。ラッチ型
センスアンプは、入出力端子Ｖ１およびＶ２と、制御用信号Ｓｐ、Ｓｎの入力端子を有す
る。まず、信号ＳｐをＨｉｇｈ、信号ＳｎをＬｏｗとして、電源電位（Ｖｄｄ）を遮断す
る。そして、比較を行う電位をＶ１とＶ２に与える。その後、信号ＳｐをＬｏｗ、信号Ｓ
ｎをＨｉｇｈとして、電源電位（Ｖｄｄ）を供給すると、比較を行う電位Ｖ１ｉｎとＶ２
ｉｎがＶ１ｉｎ＞Ｖ２ｉｎの関係にあれば、Ｖ１の出力はＨｉｇｈ、Ｖ２の出力はＬｏｗ
となり、Ｖ１ｉｎ＜Ｖ２ｉｎの関係にあれば、Ｖ１の出力はＬｏｗ、Ｖ２の出力はＨｉｇ
ｈとなる。このような関係を利用して、Ｖ１ｉｎとＶ２ｉｎの差を増幅することができる
。当該ラッチ型センスアンプを読み出し回路に用いる場合、Ｖ１とＶ２の一方は、スイッ
チを介して端子Ａおよび出力端子と接続し、Ｖ１とＶ２の他方には参照電位Ｖｒｅｆを与
える。
【０２９２】
本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み
合わせて用いることができる。
【０２９３】
（実施の形態６）
本実施の形態では、上述の実施の形態で説明した半導体装置を電子機器に適用する場合に
ついて、図１３を用いて説明する。本実施の形態では、コンピュータ、携帯電話機（携帯
電話、携帯電話装置ともいう）、携帯情報端末（携帯型ゲーム機、音響再生装置なども含
む）、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ等のカメラ、電子ペーパー、テレビジョン
装置（テレビ、またはテレビジョン受信機ともいう）などの電子機器に、上述の半導体装
置を適用する場合について説明する。
【０２９４】
図１３（Ａ）は、ノート型のパーソナルコンピュータであり、筐体６０１、筐体６０５、
表示部６０３、キーボード６０４などによって構成されている。筐体６０１と筐体６０５
内には、先の実施の形態に示す酸化物半導体を用いたトランジスタと、酸化物半導体以外
の半導体材料を用いたトランジスタと、を一体に備えた半導体装置が設けられている。そ
のため、長時間に渡っての情報の保持および情報の高速読み出しが可能、といった特徴を
備えたノート型のパーソナルコンピュータが実現される。
【０２９５】
図１３（Ｂ）は、携帯情報端末（ＰＤＡ）であり、本体６１０には、表示部６１３と、外
部インターフェイス６１５と、操作ボタン６１４等が設けられている。また、携帯情報端
末を操作するスタイラス６１２などを備えている。本体６１０内には、先の実施の形態に
示す酸化物半導体を用いたトランジスタと、酸化物半導体以外の半導体材料を用いたトラ
ンジスタと、を一体に備えた半導体装置が設けられている。そのため、長時間に渡っての
情報の保持および情報の高速読み出しが可能、といった特徴を備えた携帯情報端末が実現
される。
【０２９６】
図１３（Ｃ）は、電子ペーパーを実装した電子書籍６２０であり、筐体６２１と筐体６２
３の２つの筐体で構成されている。筐体６２１及び筐体６２３には、それぞれ表示部６２
５及び表示部６２７が設けられている。筐体６２１と筐体６２３は、軸部６３７により接
続されており、該軸部６３７を軸として開閉動作を行うことができる。また、筐体６２１
は、電源６３１、操作キー６３３、スピーカー６３５などを備えている。筐体６２１、筐
体６２３の少なくとも一には、先の実施の形態に示す酸化物半導体を用いたトランジスタ
と、酸化物半導体以外の半導体材料を用いたトランジスタと、を一体に備えた半導体装置
が設けられている。そのため、長時間に渡っての情報の保持および情報の高速読み出しが
可能、といった特徴を備えた電子書籍が実現される。
【０２９７】
図１３（Ｄ）は、携帯電話機であり、筐体６４０と筐体６４１の２つの筐体で構成されて
いる。さらに、筐体６４０と筐体６４１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。ま
た、筐体６４１は、表示パネル６４２、スピーカー６４３、マイクロフォン６４４、ポイ
ンティングデバイス６４６、カメラ用レンズ６４７、外部接続端子６４８などを備えてい
る。また、筐体６４０は、携帯電話機の充電を行う太陽電池セル６４９、外部メモリスロ
ット６５１などを備えている。また、表示パネル６４２はタッチパネル機能を備えており
、図１３（Ｄ）には映像表示されている複数の操作キー６４５を点線で示している。また
、アンテナは、筐体６４１に内蔵されている。筐体６４０と筐体６４１の少なくとも一に
は、先の実施の形態に示す酸化物半導体を用いたトランジスタと、酸化物半導体以外の半
導体材料を用いたトランジスタと、を一体に備えた半導体装置が設けられている。そのた
め、長時間に渡っての情報の保持および情報の高速読み出しが可能、といった特徴を備え
た携帯電話機が実現される。
【０２９８】
図１３（Ｅ）は、デジタルカメラであり、本体６６１、表示部６６７、接眼部６６３、操
作スイッチ６６４、表示部６６５、バッテリー６６６などによって構成されている。本体
６６１内には、先の実施の形態に示す酸化物半導体を用いたトランジスタと、酸化物半導
体以外の半導体材料を用いたトランジスタと、を一体に備えた半導体装置が設けられてい
る。そのため、長時間に渡っての情報の保持および情報の高速読み出しが可能、といった
特徴を備えたデジタルカメラが実現される。
【０２９９】
図１３（Ｆ）は、テレビジョン装置６７０であり、筐体６７１、表示部６７３、スタンド
６７５などで構成されている。テレビジョン装置６７０の操作は、筐体６７１が備えるス
イッチや、リモコン操作機６８０により行うことができる。筐体６７１及びリモコン操作
機６８０には、先の実施の形態に示す酸化物半導体を用いたトランジスタと、酸化物半導
体以外の半導体材料を用いたトランジスタと、を一体に備えた半導体装置が設けられてい
る。そのため、長時間に渡っての情報の保持および情報の高速読み出しが可能、といった
特徴を備えたテレビジョン装置が実現される。
【０３００】
以上のように、本実施の形態に示す電子機器には、先の実施の形態に係る半導体装置が搭
載されている。このため、小型、高速動作、低消費電力、といった特徴を備えた電子機器
が実現される。
【０３０１】
（実施の形態７）
本実施の形態では、成膜室にフッ素原子を含む物質をガス状で導入して、成膜室に残留す
る水分と反応せしめ、水素原子を含む安定な物質に変性する過程について、その起こり易
さを量子化学計算により検証する。
【０３０２】
本実施の形態では、成膜室でプラズマに曝されたフッ素原子を含む物質から発生するフッ
素ラジカルと、水分子の気相反応に着目した。具体的には、フッ素ラジカルと水分子が反
応してフッ化水素を生成する過程を解析した。なお、本実施の形態では量子化学計算を用
いて活性化エネルギーを求め、活性化エネルギーを用いて反応の起こり易さを評価した。
フッ素ラジカル（Ｆ・）と水分子（Ｈ２Ｏ）の反応として、以下の第１の反応乃至第３の
反応を想定した。
【０３０３】
第１の反応を反応式１に示す。第１の反応はフッ素ラジカルと水分子が反応して、水酸基
ラジカル（・ＯＨ）とフッ化水素分子（ＨＦ）を生成する反応である。
【０３０４】
【化１】
0006007278.tif 000002
【０３０５】
第２の反応を反応式２に示す。第２の反応はフッ素ラジカルと水酸基ラジカル（・ＯＨ）
が反応して、水素原子が結合した酸素原子にフッ素原子が結合する反応である。
【０３０６】
【化２】
0006007278.tif 000003
【０３０７】
第３の反応を反応式３に示す。第３の反応はフッ素ラジカルと酸素原子に水素原子とフッ
素原子が結合した物質（ＨＯＦ）が反応して、フッ素原子と酸素原子が結合したラジカル
（ＦＯ・）とフッ化水素分子（ＨＦ）を生成する反応である。
【０３０８】
【化３】
0006007278.tif 000004
【０３０９】
なお計算には、Ｇａｕｓｓ基底を用いた密度汎関数法（ＤＦＴ）を用いた。ＤＦＴでは、
交換相関相互作用を電子密度で表現された一電子ポテンシャルの汎関数（関数の関数の意
）で近似しているため、計算は高速かつ高精度である。ここでは、混合汎関数であるＢ３
ＬＹＰを用いて、交換と相関エネルギーに係る各パラメータの重みを規定した。また、基
底関数として、６−３１１Ｇ（それぞれの原子価軌道に三つの短縮関数を用いたｔｒｉｐ
ｌｅ  ｓｐｌｉｔ  ｖａｌｅｎｃｅ基底系の基底関数）を全ての原子に適用した。上述の
基底関数により、例えば、水素原子であれば、１ｓ〜３ｓの軌道が考慮され、また、酸素
原子であれば、１ｓ〜４ｓ、２ｐ〜４ｐの軌道が考慮される。さらに、計算精度向上のた
め、分極基底系として、水素原子にはｐ関数を、水素原子以外にはｄ関数を加えた。
【０３１０】
なお、量子化学計算プログラムとしては、Ｇａｕｓｓｉａｎ  ０９を使用した。計算は、
ハイパフォーマンスコンピュータ（ＳＧＩ社製、Ａｌｔｉｘ４７００）を用いて行った。
【０３１１】
第１の反応について、第１の状態１から第５の状態５に至る反応経路と、それぞれの状態
のエネルギーを計算した結果をエネルギーダイアグラムとして図１４に示す。
【０３１２】
第１の状態１では、水分子（Ｈ２Ｏ）とフッ素ラジカル（Ｆ・）が無限遠に離れている。
また、エネルギーダイアグラムは第１の状態１のエネルギーを基準とする。
【０３１３】
第２の状態２では、水分子（Ｈ２Ｏ）とフッ素ラジカル（Ｆ・）が接近して中間体を形成
し、相互作用によってポテンシャルエネルギーが０．６３ｅＶほど低下する。
【０３１４】
第３の状態３は、水分子（Ｈ２Ｏ）の水素原子をフッ素ラジカル（Ｆ・）が引き抜く遷移
状態であり、この水素引き抜き反応の活性化エネルギーは０．１５ｅＶと算出された。
【０３１５】
第４の状態４では、生成した水酸基ラジカル（・ＯＨ）とフッ化水素分子（ＨＦ）が相互
作用して、中間体を形成している。
【０３１６】
第５の状態５では、水酸基ラジカル（・ＯＨ）とフッ化水素分子（ＨＦ）が無限遠に離れ
ている。
【０３１７】
第１の反応において、第３の状態３の活性化エネルギーは０．１５ｅＶと低く、フッ素ラ
ジカル（Ｆ・）による水素引き抜き反応は起こり易いことが示唆された。また、第１の反
応は全体に発熱反応であり、自発的に進行し易い傾向を有している。
【０３１８】
第２の反応では、フッ素ラジカル（Ｆ・）と水酸基ラジカル（・ＯＨ）が活性障壁なく結
合する。フッ素原子と酸素原子の結合エネルギーは２．１１ｅＶと算出された。
【０３１９】
第３の反応について、第６の状態６から第１０の状態１０に至る反応経路とエネルギーダ
イアグラムを解析した結果を図１５に示す。
【０３２０】
第３の反応において第６の状態６では、酸素原子に水素原子とフッ素原子が結合した物質
（ＨＯＦ）とフッ素ラジカル（Ｆ・）が無限遠に離れている。また、エネルギーダイアグ
ラムは第６の状態６のエネルギーを基準とする。
【０３２１】
第７の状態７では、酸素原子に水素原子とフッ素原子が結合した物質（ＨＯＦ）とフッ素
ラジカル（Ｆ・）が接近して中間体を形成し、相互作用によってポテンシャルエネルギー
が０．２１ｅｖほど低下する。
【０３２２】
第８の状態８は、酸素原子に水素原子とフッ素原子が結合した物質（ＨＯＦ）の水素原子
をフッ素ラジカル（Ｆ・）が引き抜く遷移状態であり、この水素引き抜き反応の活性化エ
ネルギーは０．１６ｅＶと算出された。
【０３２３】
第９の状態９では、生成した酸素原子とフッ素原子が結合したラジカル（ＦＯ・）とフッ
化水素分子（ＨＦ）が相互作用して、中間体を形成する。
【０３２４】
第１０の状態１０では、酸素原子とフッ素原子が結合したラジカル（ＦＯ・）とフッ化水
素分子（ＨＦ）が無限遠に離れている。
【０３２５】
第３の反応において、第８の状態８の活性化エネルギーは０．１６ｅＶと低く、フッ素ラ
ジカル（Ｆ・）による水素引き抜き反応は起こり易いことが示唆された。また、第３の反
応は全体に発熱反応であり、自発的に進行し易い傾向を有している。
【０３２６】
なお、上記の反応で生成したフッ化水素分子（ＨＦ）における水素原子とフッ素原子の結
合エネルギーは５．８２ｅＶであり、フッ化水素分子（ＨＦ）は分解し難い。
【０３２７】
上述の通り、フッ素ラジカル（Ｆ・）は水分子（Ｈ２Ｏ）から容易に水素原子を引き抜き
、フッ化水素分子（ＨＦ）を形成する。生成したフッ化水素分子（ＨＦ）は分解し難く、
水素原子を坦持するため、酸化物半導体膜中への水素混入を抑制する効果がある。
【０３２８】
従って、ハロゲン元素を含む物質をガス状で成膜室に導入しながら酸化物半導体膜を成膜
することにより、水素や水分に由来する水素原子が膜中へ混入することを抑制できる。
【０３２９】
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる
。
【０３３０】
（実施の形態８）
本実施の形態では、ハロゲン元素を含む物質をガス状で成膜室に導入しながら酸化物半導
体層を成膜し、後に加熱処理を施して、酸化物半導体層を高純度化する方法で作製するト
ランジスタを適用し、さらに低消費電力化を図れる液晶表示装置、及びその駆動方法の一
形態を、図１６、乃至図２０を用いて説明する。
【０３３１】
本実施の形態で例示する液晶表示装置１００の各構成を、図１６のブロック図に示す。液
晶表示装置１００は、画像処理回路１１０、電源１１６、表示制御回路１１３、表示パネ
ル１２０を有する。透過型液晶表示装置、又は半透過型液晶表示装置の場合、さらに光源
としてバックライト部１３０を設ける。
【０３３２】
液晶表示装置１００は、接続された外部機器から画像信号（画像信号Ｄａｔａ）が供給さ
れている。電源電位（高電源電位Ｖｄｄ、低電源電位Ｖｓｓ、及び共通電位Ｖｃｏｍ）は
電源１１６をオン状態とすることで、表示制御回路１１３に供給が開始される。制御信号
（スタートパルスＳＰ、及びクロック信号ＣＫ）は表示制御回路１１３によって供給され
る。
【０３３３】
なお高電源電位Ｖｄｄとは、基準電位より高い電位のことであり、低電源電位Ｖｓｓとは
基準電位以下の電位のことをいう。なお高電源電位Ｖｄｄ及び低電源電位Ｖｓｓともに、
トランジスタが動作できる程度の電位であることが望ましい。なお高電源電位Ｖｄｄ及び
低電源電位Ｖｓｓを併せて、電源電圧と呼ぶこともある。
【０３３４】
共通電位Ｖｃｏｍは、画素電極に供給される画像信号の電位に対して基準となる固定電位
であればよく、一例としてはグラウンド電位であってもよい。
【０３３５】
画像信号Ｄａｔａは、ドット反転駆動、ソースライン反転駆動、ゲートライン反転駆動、
フレーム反転駆動等に応じて適宜反転させて液晶表示装置１００に入力される構成とすれ
ばよい。また、画像信号がアナログの信号の場合には、Ａ／Ｄコンバータ等を介してデジ
タルの信号に変換して、液晶表示装置１００に供給する構成とすればよい。
【０３３６】
本実施の形態では、共通電極１２８及び容量素子２１１の一方の電極に、固定電位である
共通電位Ｖｃｏｍが電源１１６から表示制御回路１１３を介して与えられている。
【０３３７】
表示制御回路１１３は、表示パネル１２０に画像処理回路１１０で処理された画像信号、
制御信号（具体的にはスタートパルスＳＰ、及びクロック信号ＣＫ等の制御信号の供給ま
たは停止の切り替えを制御するための信号）、並びに電源電位（高電源電位Ｖｄｄ、低電
源電位Ｖｓｓ、及び共通電位Ｖｃｏｍ）を供給し、バックライト部１３０にバックライト
制御信号（具体的にはバックライト制御回路１３１がバックライト１３２の点灯、及び消
灯を制御するための信号）を供給する回路である。
【０３３８】
画像処理回路１１０は、入力される画像信号（画像信号Ｄａｔａ）を解析、演算、乃至加
工し、処理した画像信号を制御信号と共に表示制御回路１１３に出力する。
【０３３９】
例えば画像処理回路１１０は、入力される画像信号Ｄａｔａを解析し動画であるか静止画
であるかを判断し、判断結果を含む制御信号を表示制御回路１１３に出力する処理ができ
る。また、画像処理回路１１０は、静止画を含む画像信号Ｄａｔａから１フレームの静止
画を切り出し、静止画であることを意味する制御信号と共に表示制御回路１１３に出力す
ることができる。また、画像処理回路１１０は、動画を含む画像信号Ｄａｔａから動画を
検知し、動画であることを意味する制御信号と共に連続するフレームを表示制御回路１１
３に出力することができる。
【０３４０】
画像処理回路１１０は入力される画像信号Ｄａｔａに応じて本実施の形態の液晶表示装置
に異なる動作をさせる。本実施の形態において、画像処理回路１１０が画像を静止画と判
断しておこなう動作を静止画表示モード、画像処理回路１１０が画像を動画と判断してお
こなう動作を動画表示モードとよぶ。なお本明細書では、静止画表示の時に表示される画
像を静止画像とよぶ。
【０３４１】
また、本実施の形態で例示される画像処理回路１１０は、表示モード切り替え機能を有し
ていてもよい。表示モード切り替え機能は、画像処理回路１１０の判断によらず、当該液
晶表示装置の利用者が手動または外部接続機器を用いて当該液晶表示装置の動作モードを
選択し、動画表示モードまたは静止画表示モードを切り替える機能である。
【０３４２】
上述した機能は画像処理回路１１０が有する機能の一例であり、表示装置の用途に応じて
種々の画像処理機能を選択して適用すればよい。
【０３４３】
なお、デジタル信号に変換された画像信号は演算（例えば画像信号の差分を検出する等）
が容易であるため、入力される画像信号（画像信号Ｄａｔａ）がアナログの信号の場合に
は、Ａ／Ｄコンバータ等を画像処理回路１１０に設けることができる。
【０３４４】
表示パネル１２０は一対の基板（第１の基板と第２の基板）を有する。また、液晶層を一
対の基板の間に挟持して液晶素子２１５を形成している。第１の基板上には、駆動回路部
１２１、画素部１２２、端子部１２６、及びスイッチング素子１２７が設けられている。
第２の基板上には、共通電極１２８（コモン電極、または対向電極ともいう）が設けられ
ている。なお、本実施の形態においては、共通接続部（コモンコンタクトともいう）が第
１の基板、または第２の基板に設けられ、第１の基板上の接続部と第２の基板上の共通電
極１２８が接続されている。
【０３４５】
画素部１２２には、複数のゲート線１２４（走査線）、及びソース線１２５（信号線）が
設けられており、複数の画素１２３がゲート線１２４及びソース線１２５に環囲されてマ
トリクス状に設けられている。なお、本実施の形態で例示する表示パネルにおいては、ゲ
ート線１２４はゲート線側駆動回路１２１Ａから延在し、ソース線１２５はソース線側駆
動回路１２１Ｂから延在している。
【０３４６】
画素１２３はスイッチング素子としてトランジスタ２１４、該トランジスタ２１４と接続
する容量素子２１１、及び液晶素子２１５を有する（図１７参照。）。
【０３４７】
トランジスタ２１４は、ゲート電極が画素部１２２に設けられた複数のゲート線１２４の
うちの一つと接続され、ソース電極またはドレイン電極の一方が複数のソース線１２５の
うちの一つと接続され、ソース電極またはドレイン電極の他方が容量素子２１１の一方の
電極、及び液晶素子２１５の一方の電極（画素電極）と接続される。
【０３４８】
またトランジスタ２１４はオフ電流が低減されたトランジスタを用いることが好ましく、
実施の形態１または実施の形態２で説明したトランジスタが好適である。オフ電流が低減
されていると、オフ状態のトランジスタ２１４は、液晶素子２１５、及び容量素子２１１
に安定して電荷を保持できる。また、オフ電流が充分低減されたトランジスタ２１４を用
いることによって、容量素子２１１を設けることなく画素１２３を構成することもできる
。
【０３４９】
このような構成とすることで画素１２３は、トランジスタ２１４がオフ状態になる前に書
き込まれた状態を長時間に渡って保持でき、消費電力を低減できる。
【０３５０】
液晶素子２１５は、液晶の光学的変調作用によって光の透過又は非透過を制御する素子で
ある。液晶の光学的変調作用は、液晶にかかる電界によって制御される。液晶にかかる電
界方向は液晶材料、駆動方法、及び電極構造によって異なり、適宜選択することができる
。例えば、液晶の厚さ方向（いわゆる縦方向）に電界をかける駆動方法を用いる場合は液
晶を挟持するように第１の基板に画素電極を、第２の基板に共通電極をそれぞれ設ける構
造とすればよい。また、液晶に基板面内方向（いわゆる横電界）に電界をかける駆動方法
を用いる場合は、液晶に対して同一面に、画素電極と共通電極を設ける構造とすればよい
。また画素電極及び共通電極は、多様な開口パターンを有する形状としてもよい。
【０３５１】
液晶素子に適用する液晶の一例としては、ネマチック液晶、コレステリック液晶、スメク
チック液晶、ディスコチック液晶、サーモトロピック液晶、リオトロピック液晶、低分子
液晶、高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）、強誘電液晶、反強誘電液晶、主鎖型液晶、側鎖型
高分子液晶、バナナ型液晶などを挙げることができる。
【０３５２】
また、液晶の駆動モードとしては、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ  Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、Ｓ
ＴＮ（Ｓｕｐｅｒ  Ｔｗｉｓｔｅｄ  Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌ
ｌｙ  Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ  Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＥＣＢ（Ｅｌｅ
ｃｔｒｉｃａｌｌｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、Ｆ
ＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ
（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＰＤ
ＬＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、
ＰＮＬＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、
ゲストホストモードなどを用いることができる。また、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗ
ｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ  Ｆｉｅｌｄ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モ
ード、ＭＶＡ（Ｍｕｌｔｉ−ｄｏｍａｉｎ  Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モ
ード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ  Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、
ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ  Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  ａｌｉｇｎｅｄ  Ｍｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ
）モードなどを適宜用いることができる。もちろん、本実施の形態においては光学的変調
作用によって光の透過又は非透過を制御する素子であれば、液晶材料、駆動方法、及び電
極構造は特に限定されない。
【０３５３】
なお、本実施の形態で例示する液晶素子は第１の基板に設けられた画素電極と、第２の基
板に設けられた画素電極に対向する共通電極の間に生じる縦方向の電界により、液晶の配
向を制御する。
【０３５４】
端子部１２６は、表示制御回路１１３が出力する所定の信号（高電源電位Ｖｄｄ、低電源
電位Ｖｓｓ、スタートパルスＳＰ、クロック信号ＣＫ、画像信号Ｄａｔａ、共通電位Ｖｃ
ｏｍ等）等を駆動回路部１２１に供給する入力端子である。
【０３５５】
駆動回路部１２１は、ゲート線側駆動回路１２１Ａ、ソース線側駆動回路１２１Ｂを有す
る。ゲート線側駆動回路１２１Ａ、ソース線側駆動回路１２１Ｂは、複数の画素を有する
画素部１２２を駆動するための駆動回路であり、シフトレジスタ回路（シフトレジスタと
もいう）を有する。
【０３５６】
なお、ゲート線側駆動回路１２１Ａ、及びソース線側駆動回路１２１Ｂは、画素部１２２
と同じ基板に形成されるものでもよいし、別の基板に形成されるものであってもよい。
【０３５７】
また駆動回路部１２１には、表示制御回路１１３によって制御された高電源電位Ｖｄｄ、
低電源電位Ｖｓｓ、スタートパルスＳＰ、クロック信号ＣＫ、画像信号Ｄａｔａが供給さ
れる。
【０３５８】
スイッチング素子１２７としては、トランジスタを用いることができる。スイッチング素
子１２７のゲート電極は端子１２６Ａに接続され、表示制御回路１１３が出力する制御信
号に応じて、共通電位Ｖｃｏｍを共通電極１２８に供給する。スイッチング素子１２７の
ソース電極またはドレイン電極の一方を端子１２６Ｂに接続し、他方を共通電極１２８に
接続して、表示制御回路１１３から共通電極１２８に共通電位Ｖｃｏｍが供給されるよう
にすればよい。なお、スイッチング素子１２７は駆動回路部１２１、または画素部１２２
と同じ基板に形成されるものでもよいし、別の基板に形成されるものであってもよい。
【０３５９】
また、スイッチング素子１２７として実施の形態１または実施の形態２で説明したオフ電
流が低減されたトランジスタを用いることにより、液晶素子２１５の両端子に加わる電圧
の経時的な低下を抑制できる。
【０３６０】
共通電極１２８は、表示制御回路１１３に制御された共通電位Ｖｃｏｍを与える共通電位
線と、共通接続部において電気的に接続する。
【０３６１】
共通接続部の具体的な一例としては、絶縁性球体に金属薄膜が被覆された導電粒子を間に
介することにより共通電極１２８と共通電位線との電気的な接続を図ることができる。な
お、共通接続部は、表示パネル１２０内に複数箇所設けられる構成としてもよい。
【０３６２】
また、測光回路を液晶表示装置に設けてもよい。測光回路を設けた液晶表示装置は当該液
晶表示装置がおかれている環境の明るさを検知できる。液晶表示装置が薄暗い環境で使用
されていることが判明すると表示制御回路１１３はバックライト１３２の光の強度を高め
るように制御して表示画面の良好な視認性を確保し、反対に液晶表示装置が極めて明るい
外光下（例えば屋外の直射日光下）で利用されていることが判明すると、表示制御回路１
１３はバックライト１３２の光の強度を抑えるように制御しバックライト１３２が消費す
る電力を低下させる。このように、測光回路から入力される信号に応じて、表示制御回路
１１３がバックライト、サイドライト等の光源の駆動方法を制御することができる。
【０３６３】
バックライト部１３０はバックライト制御回路１３１、及びバックライト１３２を有する
。バックライト１３２は、液晶表示装置１００の用途に応じて選択して組み合わせればよ
く、発光ダイオード（ＬＥＤ）などを用いることができる。バックライト１３２には例え
ば白色の発光素子（例えばＬＥＤ）を配置することができる。バックライト制御回路１３
１には、表示制御回路１１３からバックライトを制御するバックライト信号、及び電源電
位が供給される。
【０３６４】
なお、必要に応じて光学フィルム（偏光フィルム、位相差フィルム、反射防止フィルムな
ど）も適宜組み合わせて用いることができる。半透過型液晶表示装置に用いられるバック
ライト等の光源は、液晶表示装置１００の用途に応じて選択して組み合わせればよく、冷
陰極管や発光ダイオード（ＬＥＤ）などを用いることができる。また複数のＬＥＤ光源、
または複数のエレクトロルミネセンス（ＥＬ）光源などを用いて面光源を構成してもよい
。面光源として、３種類以上のＬＥＤを用いてもよいし、白色発光のＬＥＤを用いてもよ
い。なお、バックライトにＲＧＢの発光ダイオード等を配置し、時分割によりカラー表示
する継時加法混色法（フィールドシーケンシャル法）を採用するときには、カラーフィル
タを設けない場合もある。
【０３６５】
次に、図１６に例示した液晶表示装置１００の駆動方法について、図１７、乃至図２０を
用いて説明する。本実施の形態で説明する液晶表示装置の駆動方法は、表示する画像の特
性に応じて、表示パネルの書き換え頻度（または周波数）を変える表示方法である。具体
的には、連続するフレームの画像信号が異なる画像（動画）を表示する場合は、フレーム
毎に画像信号が書き込まれる表示モードを用いる。一方、連続するフレームの画像信号が
同一な画像（静止画）を表示する場合は、同一な画像を表示し続ける期間に新たに画像信
号は書き込まれないか、書き込む頻度を極めてすくなくし、さらに液晶素子に電圧を印加
する画素電極及び共通電極の電位を浮遊状態（フローティング）にして液晶素子にかかる
電圧を保持し、新たに電位を供給することなく静止画の表示を行う表示モードを用いる。
【０３６６】
なお、液晶表示装置は動画と静止画を組み合わせて画面に表示する。動画は、複数のフレ
ームに時分割した複数の異なる画像を高速に切り替えることで人間の目に動く画像として
認識される画像をいう。具体的には、１秒間に６０回（６０フレーム）以上画像を切り替
えることで、人間の目にはちらつきが少なく動画と認識されるものとなる。一方、静止画
は、動画及び部分動画と異なり、複数のフレーム期間に時分割した複数の画像を高速に切
り替えて動作させていても、連続するフレーム期間、例えばｎフレーム目と、（ｎ＋１）
フレーム目とで変化しない画像のことをいう。
【０３６７】
はじめに、液晶表示装置の電源１１６をオン状態として電力を供給する。表示制御回路１
１３は電源電位（高電源電位Ｖｄｄ、低電源電位Ｖｓｓ、及び共通電位Ｖｃｏｍ）、並び
に制御信号（スタートパルスＳＰ、及びクロック信号ＣＫ）を表示パネル１２０に供給す
る。
【０３６８】
なお、画像信号（画像信号Ｄａｔａ）は液晶表示装置１００に接続された外部機器から液
晶表示装置１００に供給される。液晶表示装置１００の画像処理回路１１０は、入力され
る画像信号を解析する。ここでは動画と静止画を判別し、動画と静止画で異なる信号を出
力する処理を行う場合について説明する。
【０３６９】
例えば画像処理回路１１０は、入力される画像信号（画像信号Ｄａｔａ）が動画から静止
画に移行する際、入力される画像信号から静止画を切り出し、静止画であることを意味す
る制御信号と共に表示制御回路１１３に出力する。また、入力される画像信号（画像信号
Ｄａｔａ）が静止画から動画に移行する際に、動画を含む画像信号を、動画であることを
意味する制御信号と共に表示制御回路１１３に出力する。
【０３７０】
次に、画素に供給する信号の様子を、図１７に示す液晶表示装置の等価回路図、及び図１
８に示すタイミングチャートを用いて説明する。
【０３７１】
図１８に、表示制御回路１１３がゲート線側駆動回路１２１Ａに供給するクロック信号Ｇ
ＣＫ、及びスタートパルスＧＳＰを示す。また、表示制御回路１１３がソース線側駆動回
路１２１Ｂに供給するクロック信号ＳＣＫ、及びスタートパルスＳＳＰを示す。なお、ク
ロック信号の出力のタイミングを説明するために、図１８ではクロック信号の波形を単純
な矩形波で示す。
【０３７２】
また図１８に、ソース線１２５の電位、画素電極の電位、端子１２６Ａの電位、端子１２
６Ｂの電位、並びに共通電極の電位を示す。
【０３７３】
図１８において期間１４０１は、動画を表示するための画像信号を書き込む期間に相当す
る。期間１４０１では画像信号、共通電位が画素部１２２の各画素、共通電極に供給され
るように動作する。
【０３７４】
また、期間１４０２は、静止画を表示する期間に相当する。期間１４０２では、画素部１
２２の各画素への画像信号、共通電極への共通電位を停止することとなる。なお図１８に
示す期間１４０２では、駆動回路部の動作を停止するよう各信号を供給する構成について
示したが、期間１４０２の長さ及びリフレッシュレートによって、定期的に画像信号を書
き込むことで静止画の画像の劣化を防ぐ構成とすることが好ましい。
【０３７５】
まず、動画を表示するための画像信号を書き込む期間１４０１におけるタイミングチャー
トを説明する。期間１４０１では、クロック信号ＧＣＫとして、常時クロック信号が供給
され、スタートパルスＧＳＰとして、垂直同期周波数に応じたパルスが供給される。また
、期間１４０１では、クロック信号ＳＣＫとして、常時クロック信号が供給され、スター
トパルスＳＳＰとして、１ゲート選択期間に応じたパルスが供給される。
【０３７６】
また、各行の画素に画像信号Ｄａｔａがソース線１２５を介して供給され、ゲート線１２
４の電位に応じて画素電極にソース線１２５の電位が供給される。
【０３７７】
また、表示制御回路１１３がスイッチング素子１２７の端子１２６Ａにスイッチング素子
１２７を導通状態とする電位を供給し、端子１２６Ｂを介して共通電極に共通電位を供給
する。
【０３７８】
次に、静止画を表示する期間１４０２におけるタイミングチャートを説明する。期間１４
０２では、クロック信号ＧＣＫ、スタートパルスＧＳＰ、クロック信号ＳＣＫ、及びスタ
ートパルスＳＳＰは共に停止する。また、期間１４０２において、ソース線１２５に供給
していた画像信号Ｄａｔａは停止する。クロック信号ＧＣＫ及びスタートパルスＧＳＰが
共に停止する期間１４０２では、トランジスタ２１４が非導通状態となり画素電極の電位
が浮遊状態となる。
【０３７９】
また、表示制御回路１１３がスイッチング素子１２７の端子１２６Ａにスイッチング素子
１２７を非導通状態とする電位を供給し、共通電極の電位を浮遊状態にする。
【０３８０】
期間１４０２では、液晶素子２１５の両端の電極、即ち画素電極及び共通電極の電位を浮
遊状態にして、新たに電位を供給することなく、静止画の表示を行うことができる。
【０３８１】
また、ゲート線側駆動回路１２１Ａ、及びソース線側駆動回路１２１Ｂに供給するクロッ
ク信号、及びスタートパルスを停止することにより低消費電力化を図ることができる。
【０３８２】
特に、トランジスタ２１４及びスイッチング素子１２７をオフ電流が低減されたトランジ
スタを用いることにより、液晶素子２１５の両端子に加わる電圧が経時的に低下する現象
を抑制できる。
【０３８３】
次に、動画から静止画に切り替わる期間（図１８中の期間１４０３）、及び静止画から動
画に切り替わる期間（図１８中の期間１４０４）における表示制御回路の動作を、図１９
（Ａ）、（Ｂ）を用いて説明する。図１９（Ａ）、（Ｂ）は表示制御回路が出力する、高
電源電位Ｖｄｄ、クロック信号（ここではＧＣＫ）、スタートパルス信号（ここではＧＳ
Ｐ）、及び端子１２６Ａの電位を示す。
【０３８４】
動画から静止画に切り替わる期間１４０３の表示制御回路の動作を図１９（Ａ）に示す。
表示制御回路は、スタートパルスＧＳＰを停止する（図１９（Ａ）のＥ１、第１のステッ
プ）。次いで、スタートパルス信号ＧＳＰの停止後、パルス出力がシフトレジスタの最終
段まで達した後に、複数のクロック信号ＧＣＫを停止する（図１９（Ａ）のＥ２、第２の
ステップ）。次いで、電源電圧の高電源電位Ｖｄｄを低電源電位Ｖｓｓにする（図１９（
Ａ）のＥ３、第３のステップ）。次いで、端子１２６Ａの電位を、スイッチング素子１２
７が非導通状態となる電位にする（図１９（Ａ）のＥ４、第４のステップ）。
【０３８５】
以上の手順をもって、駆動回路部１２１の誤動作を引き起こすことなく、駆動回路部１２
１に供給する信号を停止できる。動画から静止画に切り替わる際の誤動作はノイズを生じ
、ノイズは静止画として保持されるため、誤動作が少ない表示制御回路を搭載した液晶表
示装置は画像の劣化が少ない静止画を表示できる。
【０３８６】
次に静止画から動画に切り替わる期間１４０４の表示制御回路の動作を図１９（Ｂ）に示
す。表示制御回路は、端子１２６Ａの電位をスイッチング素子１２７が導通状態となる電
位にする（図１９（Ｂ）のＳ１、第１のステップ）。次いで、電源電圧を低電源電位Ｖｓ
ｓから高電源電位Ｖｄｄにする（図１９（Ｂ）のＳ２、第２のステップ）。次いで、クロ
ック信号ＧＣＫとして後に与える通常のクロック信号ＧＣＫより長いパルス信号でハイの
電位を与えた後、複数のクロック信号ＧＣＫを供給する（図１９（Ｂ）のＳ３、第３のス
テップ）。次いでスタートパルス信号ＧＳＰを供給する（図１９（Ｂ）のＳ４、第４のス
テップ）。
【０３８７】
以上の手順をもって、駆動回路部１２１の誤動作を引き起こすことなく駆動回路部１２１
に駆動信号の供給を再開できる。各配線の電位を適宜順番に動画表示時に戻すことで、誤
動作なく駆動回路部の駆動を行うことができる。
【０３８８】
また、図２０に、動画を表示する期間１６０１、または静止画を表示する期間１６０２に
おける、フレーム期間毎の画像信号の書き込み頻度を模式的に示す。図２０中、「Ｗ」は
画像信号の書き込み期間であることをあらわし、「Ｈ」は画像信号を保持する期間である
ことを示している。また、図２０中、期間１６０３は１フレーム期間を表したものである
が、別の期間であってもよい。
【０３８９】
このように、本実施の形態の液晶表示装置の構成において、期間１６０２で表示される静
止画の画像信号は期間１６０４に書き込まれ、期間１６０４で書き込まれた画像信号は、
期間１６０２の他の期間で保持される。
【０３９０】
本実施の形態に例示した液晶表示装置は、静止画を表示する期間において画像信号の書き
込み頻度を低減できる。その結果、静止画を表示する際の低消費電力化を図ることができ
る。
【０３９１】
また、同一の画像を複数回書き換えて静止画を表示する場合、画像の切り替わりが視認で
きると、人間は目に疲労を感じることもあり得る。本実施の形態の液晶表示装置は、画像
信号の書き込み頻度が削減されているため、目の疲労を減らすといった効果もある。
【０３９２】
特に、本実施の形態の液晶表示装置は、ハロゲン元素を含む物質をガス状で成膜室に導入
しながら酸化物半導体層を成膜し、後に加熱処理を施して、酸化物半導体層を高純度化す
る方法で作製したオフ電流が低減されたトランジスタを各画素、並びに共通電極のスイッ
チング素子に適用することにより、保持容量で電圧を保持できる期間（時間）を長く取る
ことができる。その結果、画像信号の書き込み頻度を画期的に低減することが可能になり
、静止画を表示する際の低消費電力化、及び目の疲労の低減に、顕著な効果を有する。
【０３９３】
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる
。
【符号の説明】
【０３９４】
１    第１の状態
２    第２の状態
３    第３の状態
４    第４の状態
５    第５の状態
６    第６の状態
７    第７の状態
８    第８の状態
９    第９の状態
１０    第１０の状態
１００    液晶表示装置
１１０    画像処理回路
１１３    表示制御回路
１１６    電源
１２０    表示パネル
１２１    駆動回路部
１２１Ａ    ゲート線側駆動回路
１２１Ｂ    ソース線側駆動回路
１２２    画素部
１２３    画素
１２４    ゲート線
１２５    ソース線
１２６    端子部
１２６Ａ    端子
１２６Ｂ    端子
１２７    スイッチング素子
１２８    共通電極
１３０    バックライト部
１３１    バックライト制御回路
１３２    バックライト
２００    基板
２０２    保護層
２０４    半導体領域
２０６    素子分離絶縁層
２０８    ゲート絶縁層
２１０    ゲート電極
２１１    容量素子
２１４    トランジスタ
２１５    液晶素子
２１６    チャネル形成領域
２２０    不純物領域
２２２    金属層
２２４    金属化合物領域
２２８    絶縁層
２３０    絶縁層
２４２ａ    電極
２４２ｂ    電極
２４３ａ    絶縁層
２４３ｂ    絶縁層
２４４    酸化物半導体層
２４６    ゲート絶縁層
２４８ａ    ゲート電極
２４８ｂ    電極
２５０    絶縁層
２５２    絶縁層
２５４    電極
２５６    配線
２６０    トランジスタ
２６２    トランジスタ
２６４    容量素子
５００    基板
５０２    ゲート絶縁層
５０７    絶縁層
５０８    保護絶縁層
５１１    ゲート電極
５１３ａ    酸化物半導体層
５１３ｂ    酸化物半導体層
５１５ａ    電極
５１５ｂ    電極
５５０    トランジスタ
６００    基板
６０１    筐体
６０２    ゲート絶縁層
６０３    表示部
６０４    キーボード
６０５    筐体
６０８    保護絶縁層
６１０    本体
６１１    ゲート電極
６１２    スタイラス
６１３    表示部
６１３ａ    酸化物半導体層
６１３ｂ    酸化物半導体層
６１４    操作ボタン
６１５    外部インターフェイス
６１５ａ    電極
６１５ｂ    電極
６２０    電子書籍
６２１    筐体
６２３    筐体
６２５    表示部
６２７    表示部
６３１    電源
６３３    操作キー
６３５    スピーカー
６３７    軸部
６４０    筐体
６４１    筐体
６４２    表示パネル
６４３    スピーカー
６４４    マイクロフォン
６４５    操作キー
６４６    ポインティングデバイス
６４７    カメラ用レンズ
６４８    外部接続端子
６４９    太陽電池セル
６５０    トランジスタ
６５１    外部メモリスロット
６６１    本体
６６３    接眼部
６６４    操作スイッチ
６６５    表示部
６６６    バッテリー
６６７    表示部
６７０    テレビジョン装置
６７１    筐体
６７３    表示部
６７５    スタンド
６８０    リモコン操作機
７００    トランジスタ
７１０    トランジスタ
７２０    容量素子
７５０    メモリセル
１４０１    期間
１４０２    期間
１４０３    期間
１４０４    期間
１６０１    期間
１６０２    期間
１６０３    期間
１６０４    期間
【図１】
0006007278.tif 000005
【図２】
0006007278.tif 000006
【図３】
0006007278.tif 000007
【図４】
0006007278.tif 000008
【図５】
0006007278.tif 000009
【図６】
0006007278.tif 000010
【図７】
0006007278.tif 000011
【図８】
0006007278.tif 000012
【図９】
0006007278.tif 000013
【図１０】
0006007278.tif 000014
【図１１】
0006007278.tif 000015
【図１２】
0006007278.tif 000016
【図１３】
0006007278.tif 000017
【図１４】
0006007278.tif 000018
【図１５】
0006007278.tif 000019
【図１６】
0006007278.tif 000020
【図１７】
0006007278.tif 000021
【図１８】
0006007278.tif 000022
【図１９】
0006007278.tif 000023
【図２０】
0006007278.tif 000024