(57)【要約】【課題】酸化物半導体膜と接して酸素を放出する絶縁膜を設けることで、酸化物半導体膜中の酸素欠損を低減できることが知られている。そこで、過剰酸素を含む積層膜を提供する。また、当該積層膜を用いることで、トランジスタの形状不良を低減する。また、安定した電気特性を有するトランジスタを提供する。【解決手段】酸化物絶縁膜上に金属膜の設けられた積層膜の処理方法であって、酸素を含む雰囲気下で、圧力を５Ｐａ以上１５Ｐａ以下とし、積層膜側に電力密度０．５９Ｗ／ｃｍ２以上１．１８Ｗ／ｃｍ２以下の高周波電力を印加することで酸素イオンを含むプラズマを生成し、酸素イオンによって、金属膜を酸化させ、かつ酸化物絶縁膜を過剰酸素を有する酸化物絶縁膜を形成する。【選択図】図１
2018056590.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物半導体膜を活性層とするトランジスタと、
積層膜と、を有し、
前記トランジスタは、前記積層膜上に設けられ、
前記積層膜は、
酸化物絶縁膜と、
前記酸化物絶縁膜上の金属酸化物膜と、を有し、
前記積層膜は、熱処理によって前記酸化物膜から放出された酸素を、前記金属酸化物膜を介して外部に拡散する機能を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
酸化物半導体膜を活性層とするトランジスタと、
積層膜と、を有し、
前記トランジスタは、前記積層膜上に設けられ、
前記積層膜は、
酸化物絶縁膜と、
前記酸化物絶縁膜上の金属酸化物膜と、を有し、
前記積層膜は、熱処理によって前記酸化物膜から放出された酸素を、前記金属酸化物膜を介して外部に拡散する機能を有し、
前記金属酸化物膜は、前記トランジスタと重なる第１の領域と、前記トランジスタと重ならない第２の領域とを有し、
前記第１の領域の厚さは、前記第２の領域の厚さよりも大きいことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
積層膜と、
前記積層膜上のゲート電極と、
前記ゲート電極上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上の酸化物半導体膜と、を有し、
前記積層膜は、
酸化物絶縁膜と、
前記酸化物絶縁膜上の金属酸化物膜と、を有し、
前記積層膜は、熱処理によって前記酸化物膜から放出された酸素を、前記金属酸化物膜を介して外部に拡散する機能を有し、
前記金属酸化物膜は、前記ゲート電極に接する第１の領域と、前記ゲート絶縁膜に接する第２の領域とを有し、
前記第１の領域の厚さは、前記第２の領域の厚さよりも大きいことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
積層膜と、
前記積層膜上の酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上のゲート電極と、を有し、
前記積層膜は、
酸化物絶縁膜と、
前記酸化物絶縁膜上の金属酸化物膜と、を有し、
前記積層膜は、熱処理によって前記酸化物膜から放出された酸素を、前記金属酸化物膜を介して外部に拡散する機能を有し、
前記金属酸化物膜は、前記酸化物半導体膜に接する第１の領域と、前記ゲート絶縁膜に接する第２の領域とを有し、
前記第１の領域の厚さは、前記第２の領域の厚さよりも大きいことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層膜、積層膜の処理方法、半導体装置および半導体装置の作製方法に関する
。
【０００２】
なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能し得る装置
全般をいい、電気光学装置、半導体回路および電子機器などは全て半導体装置である。
【０００３】
また、本発明は、物、方法、製造方法、プロセス、マシーン、マニュファクチャー、また
は、組成物（コンポジション  オブ  マター）に関する。特に、本発明は、例えば、半導
体装置、記憶装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、それらの駆動方法、またはそれ
らを生産する方法に関する。または、本発明は、例えば、当該半導体装置、当該表示装置
、または当該発光装置を有する電子機器に関する。
【背景技術】
【０００４】
絶縁表面を有する基板上に形成された半導体膜を用いて、トランジスタを構成する技術が
注目されている。当該トランジスタは集積回路や表示装置のような半導体装置に広く応用
されている。トランジスタに適用可能な半導体膜としてシリコン膜などが知られている。
【０００５】
トランジスタの半導体膜に用いられるシリコン膜は、用途によって非晶質シリコン膜と多
結晶シリコン膜とが使い分けられている。例えば、大型の表示装置を構成するトランジス
タに適用する場合、大面積基板への成膜技術が確立されている非晶質シリコン膜を用いる
と好適である。一方、駆動回路を一体形成した高機能の表示装置を構成するトランジスタ
に適用する場合、高い電界効果移動度を有するトランジスタを作製可能な多結晶シリコン
膜を用いると好適である。多結晶シリコン膜は、非晶質シリコン膜に対し高温での熱処理
、またはレーザービーム処理を行うことで形成する方法が知られる。
【０００６】
さらに、近年では酸化物系半導体膜が注目されている。例えば、キャリア密度が１０１８
／ｃｍ３未満であるインジウム、ガリウムおよび亜鉛を含む非晶質酸化物半導体膜を用い
たトランジスタが開示されている（特許文献１参照。）。
【０００７】
酸化物半導体膜は、スパッタリング法を用いて成膜できるため、大型の表示装置を構成す
るトランジスタに適用することができる。また、酸化物半導体膜を用いたトランジスタは
、高い電界効果移動度を有するため、駆動回路を一体形成した高機能の表示装置や高性能
の集積回路を実現できる。また、非晶質シリコン膜を用いたトランジスタの生産設備の一
部を改良して利用することが可能であるため、設備投資を抑えられるメリットもある。
【０００８】
また、酸化物半導体膜を用いたトランジスタにおいては、酸化物半導体膜中の酸素欠損が
トランジスタの電気特性を劣化させることがある。下地絶縁膜に加熱により酸素を放出す
る絶縁膜を用い、当該下地絶縁膜から放出される酸素によって酸化物半導体膜中の酸素欠
損、および下地絶縁膜と酸化物半導体膜との界面準位を低減する技術が開示されている（
特許文献２参照。）。
【０００９】
なお、トランジスタはスケーリング則に沿って微細化し続けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−１６５５２８号公報
【特許文献２】特開２０１２−９８３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
トランジスタの微細化に伴い、各層の厚さが薄くなっていくと、僅かな段差でも形状不良
が起こりやすくなる。そのため、トランジスタの微細化に伴い、歩留まりの低下が懸念さ
れる。
【００１２】
また、トランジスタは、半導体膜およびその近傍の欠陥によって、安定した電気特性を得
られない場合がある。
【００１３】
特に酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、酸化物半導体膜中の酸素欠損によってトラ
ンジスタの電気特性が劣化することがある。
【００１４】
なお、上述したように、酸素を放出する絶縁膜を用いて、酸化物半導体膜中の酸素欠損を
低減できることが知られている。そこで、過剰酸素（化学量論的組成を超える酸素、また
は格子間に存在する酸素ともいう。）を含む積層膜を提供することを課題の一とする。
【００１５】
また、形状不良を低減することでトランジスタを歩留まり高く提供することを課題の一と
する。また、安定した電気特性を有するトランジスタを提供することを課題の一とする。
【００１６】
また、当該トランジスタを用いた半導体装置を提供することを課題の一とする。
【００１７】
また、輝度の低下を抑制することを課題とする。または、消費電力を低減することを課題
とする。または、寿命の低減を抑制することを課題とする。または、熱の上昇を抑制する
ことを課題とする。または、製造歩留まりを向上することを課題とする。または、コスト
を低減することを課題とする。または、画質を向上することを課題とする。または、新規
な半導体装置を提供することを課題の一とする。または、優れた半導体装置を提供するこ
とを課題の一とする。
【００１８】
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一
態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題
は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図
面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の一態様は、酸化物絶縁膜上に金属膜の設けられた積層膜の処理方法であって、酸
素を含む雰囲気下で、圧力を５Ｐａ以上１５Ｐａ以下とし、積層膜側に電力密度０．５９
Ｗ／ｃｍ２以上１．１８Ｗ／ｃｍ２以下の高周波電力を印加することで酸素イオンを含む
プラズマを生成し、酸素イオンによって、金属膜を酸化させることで金属酸化物膜を形成
し、かつ酸化物絶縁膜に酸素を供給することで過剰酸素を有する酸化物絶縁膜を形成する
積層膜の処理方法である。
【００２０】
本発明の一態様に係る積層膜において、プラズマに含まれる酸素イオンによって、金属膜
を酸化させるとともに、酸化物絶縁膜に過剰酸素を供給する。酸化した金属膜は、酸素透
過性を有することができる。なお、プラズマを高圧力、高電力密度にて生成することで、
酸化物絶縁膜に酸素を十分に添加し、かつ金属膜（金属酸化物膜）の当該プラズマによる
消失を起こさないことができる。
【００２１】
または、本発明の一態様は、酸化物絶縁膜上に金属膜を成膜し、酸素を含む雰囲気下で酸
素イオンを含むプラズマを生成し、酸素イオンによって、金属膜を酸化させることで金属
酸化物膜を形成し、かつ酸化物絶縁膜に酸素を供給することで過剰酸素を有する酸化物絶
縁膜を形成した後、金属酸化物膜上に酸化物半導体膜を形成し、酸化物半導体膜上にゲー
ト絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する半導体装置の作製方法である
。
【００２２】
または、本発明の一態様は、酸化物絶縁膜上に金属膜を成膜し、酸素を含む雰囲気下で酸
素イオンを含むプラズマを生成し、酸素イオンによって、金属膜を酸化させることで金属
酸化物膜を形成し、かつ酸化物絶縁膜に酸素を供給することで過剰酸素を有する酸化物絶
縁膜を形成した後、金属酸化物膜上にゲート電極を形成し、ゲート電極上にゲート絶縁膜
を形成し、ゲート絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成する半導体装置の作製方法である。
【００２３】
なお、プラズマは、圧力を５Ｐａ以上１５Ｐａ以下とし、金属膜側に電力密度０．５９Ｗ
／ｃｍ２以上１．１８Ｗ／ｃｍ２以下の高周波電力を印加することで生成する。
【００２４】
なお、金属膜として、マグネシウム、アルミニウム、イットリウム、ハフニウムおよびジ
ルコニウムを一種以上含む、厚さが３ｎｍ以上１５ｎｍ以下の、単体膜、窒化物膜、酸化
物膜または合金膜を設ける。
【００２５】
本発明の一態様に係る半導体装置は、過剰酸素を有する酸化物絶縁膜から酸素が放出され
る。当該酸素が、酸化した金属膜を介して酸化物半導体膜に達することで、トランジスタ
の電気特性を劣化させる要因となる、酸化物半導体膜中の酸素欠損を低減させることがで
きる。
【００２６】
また、酸化した金属膜は、酸化物半導体膜またはゲート電極と比べ、幅広い条件において
ドライエッチングまたはウェットエッチングの速度を遅くすることが可能である。従って
、酸化した金属膜がエッチング保護膜として機能し、酸化物半導体膜またはゲート電極を
形成する際に発生する形状不良を抑制できる。
【発明の効果】
【００２７】
基板上に酸化物絶縁膜を成膜し、酸化物絶縁膜上に金属膜を成膜し、酸素を含む雰囲気下
で生成したプラズマの作用によって、金属膜を酸化させるとともに、酸化物絶縁膜に酸素
が供給されることで、過剰酸素を含む積層膜を提供することができる。
【００２８】
また、当該積層膜に含まれる酸化した金属膜は、酸化物半導体膜またはゲート電極と比べ
、幅広い条件においてドライエッチングまたはウェットエッチングの速度を遅くすること
が可能である。従って、形状不良が起こりにくく、安定した電気特性を有するトランジス
タを歩留まり高く提供することができる。
【００２９】
また、当該トランジスタを用い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】
【００３０】
【図１】本発明の一態様に係る積層膜の形成方法の一例を示す断面図。
【図２】本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す上面図および断面図。
【図３】本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す上面図および断面図。
【図４】本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す上面図および断面図。
【図５】本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す上面図および断面図。
【図６】本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す上面図および断面図。
【図７】本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す上面図および断面図。
【図８】図２に示すトランジスタの作製方法の一例を示す断面図。
【図９】図２に示すトランジスタの作製方法の一例を示す断面図。
【図１０】図３に示すトランジスタの作製方法の一例を示す断面図。
【図１１】図３に示すトランジスタの作製方法の一例を示す断面図。
【図１２】図４に示すトランジスタの作製方法の一例を示す断面図。
【図１３】図５に示すトランジスタの作製方法の一例を示す断面図。
【図１４】図６に示すトランジスタの作製方法の一例を示す断面図。
【図１５】図７に示すトランジスタの作製方法の一例を示す断面図。
【図１６】図７に示すトランジスタの作製方法の一例を示す断面図。
【図１７】本発明の一態様に係る半導体装置の回路図、断面図および電気特性を示す図。
【図１８】本発明の一態様に係る半導体装置の回路図、電気特性を示す図および断面図。
【図１９】本発明の一態様に係るＣＰＵの構成を示すブロック図。
【図２０】本発明の一態様に係る、ＥＬ素子を用いた表示装置の画素の一部の断面図、発光層の断面図および回路図。
【図２１】本発明の一態様に係る、液晶素子を用いた表示装置の画素の回路図および断面図。
【図２２】本発明の一態様に係る電子機器を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説
明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に
理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるもの
ではない。なお、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異
なる図面間でも共通して用いる。なお、同様のものを指す際にはハッチパターンを同じく
し、特に符号を付さない場合がある。
【００３２】
なお、ある一つの実施の形態の中で述べる内容（一部の内容でもよい）は、その実施の形
態で述べる別の内容（一部の内容でもよい）、または／および、一つ若しくは複数の別の
実施の形態で述べる内容（一部の内容でもよい）に対して、適用、組み合わせ、または置
き換えなどを行うことが出来る。
【００３３】
なお、実施の形態の中で述べる内容とは、各々の実施の形態において、様々な図を用いて
述べる内容、または明細書に記載される文章を用いて述べる内容のことである。
【００３４】
なお、ある一つの実施の形態において述べる図（一部でもよい）は、その図の別の部分、
その実施の形態において述べる別の図（一部でもよい）、または／および、一つ若しくは
複数の別の実施の形態において述べる図（一部でもよい）に対して、組み合わせることに
より、さらに多くの図を構成させることが出来る。
【００３５】
なお、図において、大きさ、層の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場
合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。
【００３６】
なお、図は、理想的な例を模式的に示したものであり、図に示す形状または値などに限定
されない。例えば、製造技術による形状のばらつき、誤差による形状のばらつき、ノイズ
による信号、電圧、若しくは電流のばらつき、または、タイミングのずれによる信号、電
圧、若しくは電流のばらつきなどを含むことが可能である。
【００３７】
また、電圧は、ある電位と、基準の電位（例えば接地電位（ＧＮＤ）またはソース電位）
との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧を電位と言い換えることが可能である
。
【００３８】
本明細書においては、「電気的に接続する」と表現される場合であっても、現実の回路に
おいては、物理的な接続部分がなく、配線が延在しているだけの場合もある。
【００３９】
なお、専門用語は、特定の実施の形態、または実施例などを述べる目的で用いられる場合
が多い。ただし、本発明の一態様は、専門用語によって、限定して解釈されるものではな
い。
【００４０】
なお、定義されていない文言（専門用語または学術用語などの科学技術文言を含む）は、
通常の当業者が理解する一般的な意味と同等の意味として用いることが可能である。辞書
等により定義されている文言は、関連技術の背景と矛盾がないような意味に解釈されるこ
とが好ましい。
【００４１】
なお、第１、第２として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順または積層順
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。
【００４２】
なお、明細書の中の図面や文章において規定されていない内容について、その内容を除く
ことを規定した発明を構成することが出来る。または、ある値について、上限値と下限値
などで示される数値範囲が記載されている場合、その範囲を任意に狭めることで、または
、その範囲の中の一点を除くことで、その範囲を一部除いて発明を規定することができる
。これらにより、例えば、従来技術が本発明の技術的範囲内に入らないことを規定するこ
とができる。
【００４３】
具体例としては、ある回路において、第１乃至第５のトランジスタを用いている回路図が
記載されているとする。その場合、その回路が、第６のトランジスタを有していないこと
を発明として規定することが可能である。または、その回路が、容量素子を有していない
ことを規定することが可能である。さらに、その回路が、ある特定の接続構造を有してい
る第６のトランジスタを有していない、と規定して発明を構成することができる。または
、その回路が、ある特定の接続構造を有している容量素子を有していない、と規定して発
明を構成することができる。例えば、ゲートが第３のトランジスタのゲートと接続されて
いる第６のトランジスタを有していない、と発明を規定することが可能である。または、
例えば、第１の電極が第３のトランジスタのゲートと接続されている容量素子を有してい
ない、と発明を規定することが可能である。
【００４４】
別の具体例としては、ある値について、例えば、「ある電圧が、３Ｖ以上１０Ｖ以下であ
ることが好適である」と記載されているとする。その場合、例えば、ある電圧が、−２Ｖ
以上１Ｖ以下である場合を除く、と発明を規定することが可能である。または、例えば、
ある電圧が、１３Ｖ以上である場合を除く、と発明を規定することが可能である。なお、
例えば、その電圧が、５Ｖ以上８Ｖ以下であると発明を規定することも可能である。なお
、例えば、その電圧が、概略９Ｖであると発明を規定することも可能である。なお、例え
ば、その電圧が、３Ｖ以上１０Ｖ以下であるが、９Ｖである場合を除くと発明を規定する
ことも可能である。
【００４５】
別の具体例としては、ある値について、例えば、「ある電圧が、１０Ｖであることが好適
である」と記載されているとする。その場合、例えば、ある電圧が、−２Ｖ以上１Ｖ以下
である場合を除く、と発明を規定することが可能である。または、例えば、ある電圧が、
１３Ｖ以上である場合を除く、と発明を規定することが可能である。
【００４６】
別の具体例としては、ある物質の性質について、例えば、「ある膜は、絶縁膜である」と
記載されているとする。その場合、例えば、その絶縁膜が、有機絶縁膜である場合を除く
、と発明を規定することが可能である。または、例えば、その絶縁膜が、無機絶縁膜であ
る場合を除く、と発明を規定することが可能である。
【００４７】
別の具体例としては、ある積層構造について、例えば、「ＡとＢとの間に、ある膜が設け
られている」と記載されているとする。その場合、例えば、その膜が、４層以上の積層膜
である場合を除く、と発明を規定することが可能である。または、例えば、Ａとその膜と
の間に、導電膜が設けられている場合を除く、と発明を規定することが可能である。
【００４８】
なお、本明細書等において記載されている発明は、さまざまな人が実施することが出来る
。しかしながら、その実施は、複数の人にまたがって実施される場合がある。例えば、送
受信システムの場合において、Ａ社が送信機を製造および販売し、Ｂ社が受信機を製造お
よび販売する場合がある。別の例としては、ＴＦＴおよび発光素子を有する発光装置の場
合において、ＴＦＴが形成された半導体装置は、Ａ社が製造および販売する。そして、Ｂ
社がその半導体装置を購入して、その半導体装置に発光素子を成膜して、発光装置として
完成させる、という場合がある。
【００４９】
このような場合、Ａ社またはＢ社のいずれに対しても、特許侵害を主張できるような発明
の一態様を、構成することが出来る。従って、Ａ社またはＢ社に対して、特許侵害を主張
できるような発明の一態様は、明確であり、本明細書等に記載されていると判断する事が
出来る。例えば、送受信システムの場合において、送信機のみで発明の一態様を構成する
ことができ、受信機のみで発明の一態様を構成することができ、それらの発明の一態様は
、明確であり、本明細書等に記載されていると判断することが出来る。別の例としては、
ＴＦＴおよび発光素子を有する発光装置の場合において、ＴＦＴが形成された半導体装置
のみで発明の一態様を構成することができ、ＴＦＴおよび発光素子を有する発光装置のみ
で発明の一態様を構成することができ、それらの発明の一態様は、明確であり、本明細書
等に記載されていると判断することが出来る。
【００５０】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る積層膜について説明する。
【００５１】
図１は、本発明の一態様に係る積層膜の形成方法を示す断面図である。
【００５２】
まず、基板５０上に酸化物絶縁膜５３ａを成膜する（図１（Ａ）参照。）。
【００５３】
酸化物絶縁膜５３ａは、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化
シリコン、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸
化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を、単層で、また
は積層で用いればよい。
【００５４】
なお、本明細書において、酸化窒化シリコンは、その組成において、窒素よりも酸素の含
有量が多いものを示し、また、窒化酸化シリコンは、その組成において、酸素よりも窒素
の含有量が多いものを示す。
【００５５】
酸化物絶縁膜５３ａは、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  
Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌ
ａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法、原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ
Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法またはパルスレーザ堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅ
ｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて成膜すればよい。
【００５６】
なお、ＣＶＤ法として、マイクロ波ＣＶＤ法を適用すると、成膜面へのプラズマダメージ
を小さくすることができる。また、高密度プラズマを用いるため、比較的低温（３２５℃
程度）でも緻密で欠陥の少ない膜を成膜することができる。なお、マイクロ波ＣＶＤ法は
、高密度プラズマＣＶＤ法とも呼ばれる。本明細書において、単にＣＶＤ法と記載する場
合、マイクロ波ＣＶＤ法などを含むものとする。
【００５７】
次に、金属膜５３ｂを成膜する。金属膜５３ｂは、３ｎｍ以上１５ｎｍ以下、好ましくは
５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さとなるよう成膜すればよい。
【００５８】
金属膜５３ｂは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用
いて成膜すればよい。
【００５９】
金属膜５３ｂは、マグネシウム、アルミニウム、バナジウム、クロム、イットリウム、ジ
ルコニウム、ニオブ、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタルおよびタン
グステンを一種以上含む、単体、窒化物、酸化物または合金を、単層で、または積層で用
いればよい。好ましくは、マグネシウム、アルミニウム、イットリウム、ジルコニウムお
よびハフニウムを一種以上含む、単体、窒化物、酸化物または合金を、単層で、または積
層で用いればよい。
【００６０】
次に、酸素を含む雰囲気下において、プラズマを生成し、プラズマ中の酸化性を有するイ
オン８０に基板５０を曝す（図１（Ｂ）参照。）。なお、イオン８０は、例えば酸素イオ
ンである。
【００６１】
プラズマは、例えば、圧力５Ｐａ以上１５Ｐａ以下（好ましくは８Ｐａ以上１２Ｐａ以下
）、基板５０側に電力密度０．５９Ｗ／ｃｍ２以上１．１８Ｗ／ｃｍ２以下（好ましくは
０．７４Ｗ／ｃｍ２以上１．０３Ｗ／ｃｍ２）の高周波電力を印加することで生成される
。このような条件でプラズマを生成することにより、基板５０側にセルフバイアスが加わ
り、イオン８０が基板５０側に引き寄せられる。
【００６２】
イオン８０に曝されることによって、金属膜５３ｂが酸化され、金属酸化物膜５２ｂが形
成される。また、酸化物絶縁膜５３ａに酸素が添加され、過剰酸素（化学量論的組成を超
える酸素、または格子間に存在する酸素ともいう。）を含む酸化物絶縁膜５２ａが形成さ
れる。このようにして、酸化物絶縁膜５２ａおよび金属酸化物膜５２ｂを含む積層膜５２
が形成される（図１（Ｃ）参照。）。なお、プラズマを高圧力、高電力密度にて生成する
ことで、酸化物絶縁膜５３ａ（酸化物絶縁膜５２ａ）に酸素を十分に添加し、かつ金属膜
５３ｂ（金属酸化物膜５２ｂ）の当該プラズマによる消失を起こさないことができる。
【００６３】
また、イオン８０の作用により、金属酸化物膜５２ｂは、金属膜５３ｂよりも平坦な表面
を有することができる。これは、イオン８０が金属膜５３ｂの表面に衝突した際に、金属
膜５３ｂを酸化するとともに、その表面をスパッタリングするためである。イオン８０に
よるスパッタリングは、イオン８０の入射角度が浅いほどスパッタリング率が高まる。従
って、基板５０に垂直な方向からイオン８０を入射させる場合、イオン８０の入射角度が
浅くなる凸部が選択的にエッチングされる。そのため、イオン８０の入射角度の浅い表面
の割合が減少し、イオン８０の入射角度の深い（垂直な）表面の割合が増大する。即ち、
平坦な表面を有する金属酸化物膜５２ｂが得られることになる。
【００６４】
具体的には、金属酸化物膜５２ｂは、平均面粗さ（Ｒａ）が１ｎｍ以下、０．３ｎｍ以下
、または０．１ｎｍ以下にできる。なお、Ｒａは、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１（ＪＩＳ  Ｂ  
０６０１：２００１（ＩＳＯ４２８７：１９９７））で定義されている中心線平均粗さ（
または算術平均粗さ）を曲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」で表現でき、数式（１）にて定義され
る。
【００６５】
【数１】
2018056590.tif 000003
【００６６】
ここで、指定面とは、粗さ計測の対象となる面であり、座標（ｘ１，ｙ１，ｆ（ｘ１，ｙ
１）），（ｘ１，ｙ２，ｆ（ｘ１，ｙ２）），（ｘ２，ｙ１，ｆ（ｘ２，ｙ１）），（ｘ
２，ｙ２，ｆ（ｘ２，ｙ２））の４点で表される四角形の領域とし、指定面をｘｙ平面に
投影した長方形の面積をＳ０、基準面の高さ（指定面の平均の高さ）をＺ０とする。Ｒａ
は原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）にて評
価可能である。
【００６７】
ここで、金属酸化物膜５２ｂは、酸素を透過することができる。これは、金属酸化物膜５
２ｂが化学量論的組成未満、または化学量論的組成を超える酸素を有するためである。化
学量論的組成未満、または化学量論的組成を超える酸素を有することによって、金属酸化
物膜５２ｂは未結合手を有し、当該未結合手の作用によって活性となる。従って、金属酸
化物膜５２ｂの界面に達した酸素は、玉突き状に置換を繰り返し、金属酸化物膜５２ｂを
透過することができる。または、金属酸化物膜５２ｂが化学量論的組成未満、または化学
量論的組成を超える酸素を有することによって、歪みが生じる。当該歪みによって空隙が
形成され、金属酸化物膜５２ｂの密度および結晶性は低くなる。酸素は、空隙を介して金
属酸化物膜５２ｂを透過することができる。
【００６８】
一方、金属酸化物膜５２ｂは、サイズの大きい重金属などを透過させにくい。
【００６９】
また、酸化物絶縁膜５２ａは、過剰酸素を含むため、加熱処理などによって酸素を放出す
ることができる。従って、酸化物絶縁膜５２ａから放出された酸素は、金属酸化物膜５２
ｂを介して、外方拡散する。即ち、積層膜５２は、加熱処理によって酸素を放出する機能
を有する。
【００７０】
ここで、加熱処理によって酸素を放出するとは、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｄｅｓｏｒｐ
ｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：昇温脱離ガス分光法）分析にて放出される酸素が
酸素原子に換算して１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ３以上または１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることをいう。
【００７１】
ここで、ＴＤＳ分析を用いた酸素の放出量の測定方法について、以下に説明する。
【００７２】
測定試料をＴＤＳ分析したときの気体の全放出量は、放出ガスのイオン強度の積分値に比
例する。そして標準試料との比較により、気体の全放出量を計算することができる。
【００７３】
例えば、標準試料である所定の密度の水素を含むシリコンウェハのＴＤＳ分析結果、およ
び測定試料のＴＤＳ分析結果から、測定試料の酸素分子の放出量（ＮＯ２）は、数式（２
）で求めることができる。ここで、ＴＤＳ分析で得られる質量数３２で検出されるガスの
全てが酸素分子由来と仮定する。質量数３２のものとしてほかにＣＨ３ＯＨがあるが、存
在する可能性が低いものとしてここでは考慮しない。また、酸素原子の同位体である質量
数１７の酸素原子および質量数１８の酸素原子を含む酸素分子についても、自然界におけ
る存在比率が極微量であるため考慮しない。
【００７４】
【数２】
2018056590.tif 000004
【００７５】
ＮＨ２は、標準試料から脱離した水素分子を密度で換算した値である。ＳＨ２は、標準試
料をＴＤＳ分析したときのイオン強度の積分値である。ここで、標準試料の基準値を、Ｎ
Ｈ２／ＳＨ２とする。ＳＯ２は、測定試料をＴＤＳ分析したときのイオン強度の積分値で
ある。αは、ＴＤＳ分析におけるイオン強度に影響する係数である。数式（２）の詳細に
関しては、特開平６−２７５６９７公報を参照する。なお、上記酸素の放出量は、電子科
学株式会社製の昇温脱離分析装置ＥＭＤ−ＷＡ１０００Ｓ／Ｗを用い、標準試料として１
×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２の水素原子を含むシリコンウェハを用いて測定した。
【００７６】
また、ＴＤＳ分析において、酸素の一部は酸素原子として検出される。酸素分子と酸素原
子の比率は、酸素分子のイオン化率から算出することができる。なお、上述のαは酸素分
子のイオン化率を含むため、酸素分子の放出量を評価することで、酸素原子の放出量につ
いても見積もることができる。
【００７７】
なお、ＮＯ２は酸素分子の放出量である。酸素原子に換算したときの放出量は、酸素分子
の放出量の２倍となる。
【００７８】
または、加熱処理によって酸素を放出するとは、過酸化ラジカルを含むことをいう。具体
的には、過酸化ラジカルに起因するスピン密度が、５×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以上
であることをいう。なお、過酸化ラジカルを含むとは、電子スピン共鳴（ＥＳＲ：Ｅｌｅ
ｃｔｒｏｎ  Ｓｐｉｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）にて、ｇ値が２．０１近傍に非対称の信号
を有することをいう。
【００７９】
金属酸化物膜５２ｂは、マグネシウム、アルミニウム、イットリウム、ジルコニウムおよ
びハフニウムを一種以上含む酸化物膜である場合、特に化学的安定性が高く、ドライエッ
チングおよびウェットエッチングによってエッチングされる速度を遅くすることができる
。
【００８０】
以上のようにして、加熱処理によって酸素を放出し、かつドライエッチングおよびウェッ
トエッチングによってエッチングされる速度の遅い金属酸化物膜を有する積層膜を形成す
ることができる。当該積層膜は、酸化物半導体膜を用いたトランジスタの下地などとして
好適に用いることができる。
【００８１】
本実施の形態は、基本原理の一例について述べたものである。したがって、本実施の形態
の一部または全部について、他の実施の形態の一部また全部と、自由に組み合わせること
や、適用することや、置き換えて実施することができる。
【００８２】
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１で示した積層膜を用いた本発明の一態様に係るトランジ
スタについて説明する。
【００８３】
図２（Ａ）は本発明の一態様に係るトランジスタの上面図である。図２（Ａ）に示す一点
鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図を図２（Ｂ）に示す。また、図２（Ａ）に示す一点鎖線
Ａ３−Ａ４に対応する断面図を図２（Ｃ）に示す。なお、理解を容易にするため、図２（
Ａ）においては、ゲート絶縁膜１１２などを省略して示す。
【００８４】
図２（Ｂ）は、基板１００上に設けられた酸化物絶縁膜１０２ａ、および酸化物絶縁膜１
０２ａ上に設けられた金属酸化物膜１０２ｂを含む積層膜１０２と、積層膜１０２上に設
けられたゲート電極１０４と、ゲート電極１０４上に設けられたゲート絶縁膜１１２と、
ゲート絶縁膜１１２上にあり、ゲート電極１０４と重畳して設けられた酸化物半導体膜１
０６と、酸化物半導体膜１０６上に設けられたソース電極１１６ａおよびドレイン電極１
１６ｂと、を有するトランジスタの断面図である。なお、酸化物半導体膜１０６、ソース
電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂ上に保護絶縁膜１１８が設けられてもよい。
【００８５】
ここで、酸化物絶縁膜１０２ａは、過剰酸素を含む。また、金属酸化物膜１０２ｂは、化
学量論的組成未満、または化学量論的組成を超える酸素を有する。
【００８６】
図２に示すトランジスタの作製方法について、図８および図９を用いて説明する。なお、
理解を容易にするため、図８および図９には、図２（Ｂ）に対応する断面図のみ示す。
【００８７】
まず、基板１００を準備する。
【００８８】
ここで、基板１００に大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐え得る程度の耐
熱性を有している必要がある。例えば、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、基板１００として用いてもよい。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（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などを適用することも可能で
あり、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板１００として用いてもよい
。
【００８９】
また、基板１００として、第５世代（１０００ｍｍ×１２００ｍｍまたは１３００ｍｍ×
１５００ｍｍ）、第６世代（１５００ｍｍ×１８００ｍｍ）、第７世代（１８７０ｍｍ×
２２００ｍｍ）、第８世代（２２００ｍｍ×２５００ｍｍ）、第９世代（２４００ｍｍ×
２８００ｍｍ）、第１０世代（２８８０ｍｍ×３１３０ｍｍ）などの大型ガラス基板を用
いる場合、半導体装置の作製工程における加熱処理などで生じる基板１００の縮みによっ
て、微細な加工が困難になる場合ある。そのため、前述したような大型ガラス基板を基板
１００として用いる場合、加熱処理による縮みの小さいものを用いることが好ましい。例
えば、基板１００として、４００℃、好ましくは４５０℃、さらに好ましくは５００℃の
温度で１時間加熱処理を行った後の縮み量が１０ｐｐｍ以下、好ましくは５ｐｐｍ以下、
さらに好ましくは３ｐｐｍ以下である大型ガラス基板を用いればよい。
【００９０】
また、基板１００として、可とう性基板を用いてもよい。なお、可とう性基板上にトラン
ジスタを設ける方法としては、非可とう性の基板上にトランジスタを作製した後、トラン
ジスタを剥離し、可とう性基板である基板１００に転置する方法もある。その場合には、
非可とう性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。
【００９１】
次に、基板１００上に酸化物絶縁膜１０３ａを成膜する（図８（Ａ）参照。）。
【００９２】
酸化物絶縁膜１０３ａは、酸化物絶縁膜５３ａと同様の絶縁膜および方法を用いて成膜す
ればよい。
【００９３】
次に、金属膜１０３ｂを成膜する。金属膜１０３ｂは、３ｎｍ以上１５ｎｍ以下、好まし
くは５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さとなるよう成膜すればよい。
【００９４】
金属膜１０３ｂは、金属膜５３ｂと同様の金属膜および方法を用いて成膜すればよい。
【００９５】
次に、酸素を含む雰囲気下において、プラズマを生成し、プラズマ中の酸化性を有するイ
オン１３０に基板１００を曝す（図８（Ｂ）参照。）。イオン１３０は、イオン８０と同
様の方法で生成すればよい。
【００９６】
イオン１３０に曝されることによって、金属膜１０３ｂが酸化され、金属酸化物膜１０２
ｂが形成される。また、酸化物絶縁膜１０３ａに酸素が添加され、過剰酸素を含む酸化物
絶縁膜１０２ａが形成される。このようにして、酸化物絶縁膜１０２ａおよび金属酸化物
膜１０２ｂを含む積層膜１０２が形成される。
【００９７】
また、イオン１３０の作用により、金属酸化物膜１０２ｂは、金属膜１０３ｂよりも平坦
な表面を有することができる。これは、イオン１３０が金属膜１０３ｂの表面に衝突した
際に、金属膜１０３ｂを酸化するとともに、その表面をスパッタリングするためである。
イオン１３０によるスパッタリングは、イオン１３０の入射角度が浅いほどスパッタリン
グ率が高まる。従って、基板１００に垂直な方向からイオン１３０を入射させる場合、イ
オン１３０の入射角度が浅くなる凸部が選択的にエッチングされる。そのため、イオン１
３０の入射角度の浅い表面の割合が減少し、イオン１３０の入射角度の深い（垂直な）表
面の割合が増大する。即ち、平坦な表面を有する金属酸化物膜１０２ｂが得られることに
なる。
【００９８】
具体的には、積層膜１０２は、Ｒａが１ｎｍ以下、０．３ｎｍ以下、または０．１ｎｍ以
下にできる。
【００９９】
以上に示したように、積層膜１０２は積層膜５２と同様の積層膜および方法で形成される
。従って、積層膜１０２は積層膜５２と同様の機能を有する。
【０１００】
即ち、金属酸化物膜１０２ｂは、酸素を透過させることができる。
【０１０１】
また、金属酸化物膜１０２ｂは、サイズの大きい重金属などを透過させにくい。
【０１０２】
また、酸化物絶縁膜１０２ａは、過剰酸素を含むため、加熱処理などによって酸素を放出
することができる。従って、酸化物絶縁膜１０２ａから放出された酸素は、金属酸化物膜
１０２ｂを介して、外方拡散する。即ち、積層膜１０２は、加熱処理によって酸素を放出
する機能を有する。
【０１０３】
次に、ゲート電極１０４となる導電膜を成膜する。
【０１０４】
ゲート電極１０４となる導電膜は、アルミニウム、チタン、クロム、コバルト、ニッケル
、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタルおよびタングステンを一
種以上含む、単体、窒化物、酸化物または合金を、単層で、または積層で用いればよい。
ゲート電極１０４となる導電膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法ま
たはＰＬＤ法を用いて成膜すればよい。
【０１０５】
次に、ゲート電極１０４となる導電膜を加工し、ゲート電極１０４を形成する（図８（Ｃ
）参照。）。この際、金属酸化物膜１０２ｂもエッチングされるが、金属酸化物膜１０２
ｂはエッチング速度が遅いため、僅かにエッチングされるのみである。従って、積層膜１
０２があることによって形状不良が発生しにくいといえる。即ち、トランジスタを歩留ま
り高く作製することができる。なお、その他の工程においても意図しないエッチングが起
こり得るが、理解を容易にするため省略して説明する。
【０１０６】
次に、ゲート絶縁膜１１２を成膜する（図８（Ｄ）参照。）。
【０１０７】
ゲート絶縁膜１１２は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化
シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸
化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一
種以上含む絶縁膜を、単層で、または積層で用いればよい。ゲート絶縁膜１１２は、スパ
ッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて成膜すればよい。
【０１０８】
次に、酸化物半導体膜１０６となる酸化物半導体膜を成膜する。
【０１０９】
酸化物半導体膜１０６となる酸化物半導体膜は、例えば、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を用いれ
ばよい。ここで、金属元素Ｍは酸素との結合エネルギーがＩｎおよびＺｎよりも高い元素
である。または、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物から酸素が脱離することを抑制する機能を有する
元素である。金属元素Ｍの作用によって、酸化物半導体膜中の酸素欠損の生成が抑制され
る。なお、酸化物半導体膜の酸素欠損はキャリアを生成することがある。そのため、金属
元素Ｍの作用によって、酸化物半導体膜中のキャリア密度が増大し、オフ電流が増大する
ことを抑制できる。また、酸素欠損に起因するトランジスタの電気特性の変動を低減する
ことができ、信頼性の高いトランジスタを得ることができる。
【０１１０】
金属元素Ｍは、具体的にはＡｌ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇａ
、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄ
ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｈｆ、ＴａまたはＷとすればよく、好ましくはＡｌ
、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、ＣｅまたはＨｆとする。金属元素Ｍは、前述の元素から一種ま
たは二種以上選択すればよい。また、金属元素Ｍの代わりにＳｉまたはＧｅを用いても構
わない。
【０１１１】
また、酸化物半導体膜１０６となる酸化物半導体膜は、水素濃度を、２×１０２０ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは
１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。これは、酸化物半導体膜に含まれる水素が
、意図しないキャリアを生成することがあるためである。生成されたキャリアは、トラン
ジスタのオフ電流を増大させ、かつトランジスタの電気特性を変動させる要因となる。従
って、酸化物半導体膜１０６となる酸化物半導体膜の水素濃度を上述の範囲とすることで
、トランジスタのオフ電流の増大を抑制し、かつトランジスタの電気特性の変動を抑制す
ることができる。
【０１１２】
酸化物半導体膜は、例えば非単結晶を有してもよい。非単結晶は、例えば、ＣＡＡＣ（Ｃ
Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）、多結晶、微結晶、非晶質部を有する。
非晶質部は、微結晶、ＣＡＡＣよりも欠陥準位密度が高い。また、微結晶は、ＣＡＡＣよ
りも欠陥準位密度が高い。なお、ＣＡＡＣを有する酸化物半導体を、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ
Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄ
ｕｃｔｏｒ）と呼ぶ。
【０１１３】
酸化物半導体膜は、例えばＣＡＡＣ−ＯＳを有してもよい。ＣＡＡＣ−ＯＳは、例えば、
ｃ軸配向し、ａ軸または／およびｂ軸はマクロに揃っていない。
【０１１４】
酸化物半導体膜は、例えば微結晶を有してもよい。なお、微結晶を有する酸化物半導体を
、微結晶酸化物半導体と呼ぶ。微結晶酸化物半導体膜は、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ未
満のサイズの微結晶（ナノ結晶ともいう。）を膜中に含む。または、微結晶酸化物半導体
膜は、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ未満の結晶部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物
半導体を有している。
【０１１５】
酸化物半導体膜は、例えば非晶質部を有してもよい。なお、非晶質部を有する酸化物半導
体を、非晶質酸化物半導体と呼ぶ。非晶質酸化物半導体膜は、例えば、原子配列が無秩序
であり、結晶成分を有さない。または、非晶質酸化物半導体膜は、例えば、完全な非晶質
であり、結晶部を有さない。
【０１１６】
なお、酸化物半導体膜が、ＣＡＡＣ−ＯＳ、微結晶酸化物半導体、非晶質酸化物半導体の
混合膜であってもよい。混合膜は、例えば、非晶質酸化物半導体の領域と、微結晶酸化物
半導体の領域と、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域と、を有する。また、混合膜は、例えば、非晶質
酸化物半導体の領域と、微結晶酸化物半導体の領域と、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域と、の積層
構造を有してもよい。
【０１１７】
なお、酸化物半導体膜は、例えば、単結晶を有してもよい。
【０１１８】
酸化物半導体膜は、複数の結晶部を有し、当該結晶部のｃ軸が被形成面の法線ベクトルま
たは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃っていることが好ましい。なお、異なる結晶部
間で、それぞれａ軸およびｂ軸の向きが異なっていてもよい。そのような酸化物半導体膜
の一例としては、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜がある。
【０１１９】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、完全な非晶質ではない。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、例えば、結晶部およ
び非晶質部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体を有している。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  Ｍｉｃｒｏｓｃｏ
ｐｅ）による観察像では、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる非晶質部と結晶部との境界、結晶
部と結晶部との境界は明確ではない。また、ＴＥＭによってＣＡＡＣ−ＯＳ膜には明確な
粒界（グレインバウンダリーともいう。）は確認できない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜
は、粒界に起因する電子移動度の低下が抑制される。
【０１２０】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部は、例えば、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法
線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向になるように揃い、かつａｂ面に垂直
な方向から見て金属原子が三角形状または六角形状に配列し、ｃ軸に垂直な方向から見て
金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に配列している。なお、異なる結晶部
間で、それぞれａ軸およびｂ軸の向きが異なっていてもよい。本明細書において、単に垂
直と記載する場合、８０°以上１００°以下、好ましくは８５°以上９５°以下の範囲も
含まれることとする。また、単に平行と記載する場合、−１０°以上１０°以下、好まし
くは−５°以上５°以下の範囲も含まれることとする。
【０１２１】
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜において、結晶部の分布が一様でなくてもよい。例えば、ＣＡＡ
Ｃ−ＯＳ膜の形成過程において、酸化物半導体膜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、ＣＡ
ＡＣ−ＯＳ膜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。
【０１２２】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線ベクト
ルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向になるように揃うため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形
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。また、結晶部は、成膜したとき、または成膜後に加熱処理などの結晶化処理を行
ったときに形成される。従って、結晶部のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されたときの
被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向になるように揃う。
【０１２３】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜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
が小さい。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。
【０１２４】
以上に示した酸化物半導体膜１０６となる酸化物半導体膜は、シリコン膜と比べて１〜２
ｅＶ程度バンドギャップが大きい。そのため、酸化物半導体膜１０６を用いたトランジス
タは、衝突イオン化が起こりにくく、アバランシェブレークダウンが起こりにくい。即ち
、当該トランジスタは、ホットキャリア劣化が起こりにくいといえる。
【０１２５】
また、酸化物半導体膜１０６となる酸化物半導体膜はキャリアの生成が少ないため、酸化
物半導体膜１０６となる酸化物半導体膜の厚さが厚い場合（例えば、１５ｎｍ以上１００
ｎｍ未満）でも、ゲート電極１０４の電界によってチャネル領域を完全空乏化させること
ができる。従って、酸化物半導体膜１０６を用いたトランジスタは、パンチスルー現象に
よるオフ電流の増大およびしきい値電圧の変動が起こらない。例えば、チャネル長が３μ
ｍのとき、チャネル幅１μｍあたりのオフ電流を、室温において１０−２１Ａ未満、また
は１０−２４Ａ未満とすることができる。
【０１２６】
キャリア生成源の一つである、酸化物半導体膜中の酸素欠損は、ＥＳＲによって評価でき
る。即ち、酸素欠損の少ない酸化物半導体膜は、ＥＳＲによって、酸素欠損に起因する信
号を有さない酸化物半導体膜と言い換えることができる。具体的には、酸素欠損に起因す
るスピン密度が、５×１０１６ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満の酸化物半導体膜である。なお、
酸化物半導体膜が酸素欠損を有すると、ＥＳＲにてｇ値が１．９３近傍に対称性を有する
信号が現れる。
【０１２７】
酸化物半導体膜１０６となる酸化物半導体膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法
、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて成膜すればよい。なお、酸化物半導体膜１０６となる
酸化物半導体膜は、スパッタリング法で成膜すると好ましい。スパッタリング法を用いる
と、高密度で結晶性を有する酸化物半導体膜が成膜されやすいためである。また、酸化物
半導体膜を１００℃以上４５０℃以下に基板加熱しつつ成膜すると、高密度で結晶性を有
する酸化物半導体膜が成膜されやすいため、好ましい。
【０１２８】
ここで、第１の加熱処理を行ってもよい。第１の加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下
、好ましくは３００℃以上５００℃以下で行えばよい。第１の加熱処理の雰囲気は、不活
性ガス雰囲気、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上もしくは１０％以上含む雰囲気、
または減圧状態で行う。または、第１の加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気で加熱処
理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上または１
０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。第１の加熱処理によって、酸化物半導体
膜の結晶性を高め、さらに酸化物半導体膜から水素や水などの不純物を除去することがで
きる。また、第１の加熱処理によって、積層膜１０２から酸素が放出される。当該酸素が
酸化物半導体膜１０６まで達することによって、酸化物半導体膜１０６の酸素欠損を低減
することができる。
【０１２９】
次に、酸化物半導体膜１０６となる酸化物半導体膜を加工し、島状に加工された酸化物半
導体膜１０６を形成する（図９（Ａ）参照。）。
【０１３０】
なお、酸化物半導体膜１０６の形成後に第２の加熱処理を行ってもよい。第２の加熱処理
は、第１の加熱処理で示した条件を用いて行えばよい。第２の加熱処理は、酸化物半導体
膜の側面が露出した状態で行うため、酸化物半導体膜の側面から水素や水などの不純物が
除去されやすく、効果的に不純物を除去することができる。なお、酸化物半導体膜がＣＡ
ＡＣ−ＯＳ膜であるとき、結晶の層に沿って不純物が拡散しやすいため、側面から水素や
水などの不純物がさらに除去されやすい。
【０１３１】
次に、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂとなる導電膜を成膜する。ソース
電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂとなる導電膜は、アルミニウム、チタン、クロ
ム、コバルト、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル
およびタングステンを一種以上含む、単体、窒化物、酸化物または合金を、単層で、また
は積層で用いればよい。ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂとなる導電膜は
、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて成膜すれば
よい。
【０１３２】
ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂとなる導電膜を加工し、ソース電極１１
６ａおよびドレイン電極１１６ｂを形成する。
【０１３３】
以上のようにして、図２に示したトランジスタを作製することができる。
【０１３４】
好ましくは、次に、保護絶縁膜１１８を成膜する（図９（Ｂ）参照。）。保護絶縁膜１１
８は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸
化シリコン、窒化シリコン、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、
酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜
を、単層で、または積層で用いればよい。保護絶縁膜１１８は、スパッタリング法、ＣＶ
Ｄ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて成膜すればよい。
【０１３５】
保護絶縁膜１１８は、例えば、石英（好ましくは合成石英）をターゲットに用い、基板加
熱温度３０℃以上４５０℃以下（好ましくは７０℃以上２００℃以下）、基板とターゲッ
トの間の距離（Ｔ−Ｓ間距離）を２０ｍｍ以上４００ｍｍ以下（好ましくは４０ｍｍ以上
２００ｍｍ以下）、圧力を０．１Ｐａ以上４Ｐａ以下（好ましくは０．２Ｐａ以上１．２
Ｐａ以下）、高周波電源を０．５ｋＷ以上１２ｋＷ以下（好ましくは１ｋＷ以上５ｋＷ以
下）、成膜ガス中のＯ２／（Ｏ２＋Ａｒ）割合を２０％超過１００％以下（好ましくは５
０％以上１００％以下）として、ＲＦスパッタリング法により酸化シリコン膜を成膜する
と好ましい。なお、石英（好ましくは合成石英）ターゲットに代えてシリコンターゲット
を用いることもできる。なお、成膜ガスとしては、酸素ガスまたは、酸素及びアルゴンの
混合ガスを用いて行う。このような方法を用いることで、保護絶縁膜１１８を過剰酸素を
含む絶縁膜とすることができ、加熱処理によって酸素を放出する絶縁膜となる。
【０１３６】
次に、第３の加熱処理を行ってもよい。第３の加熱処理は第１の加熱処理と同様の条件か
ら選択して行えばよい。第３の加熱処理によって、積層膜１０２または／および保護絶縁
膜１１８から酸素が放出される。当該酸素が酸化物半導体膜１０６まで達することによっ
て、酸化物半導体膜１０６の酸素欠損を低減することができる。
【０１３７】
図２に示すトランジスタは、積層膜１０２または／および保護絶縁膜１１８から酸素を放
出させ、酸化物半導体膜１０６の酸素欠損を低減することができるため、安定した電気特
性を有する。さらに、キャリアの発生源となる不純物も少ないため、極めて低いオフ電流
が実現できる。また、積層膜１０２によって形状不良が発生しにくいため、歩留まり高く
トランジスタを作製することができる。
【０１３８】
なお、図９（Ｃ）に示すように、保護絶縁膜１１８上にゲート電極１１４を形成しても構
わない。ゲート電極１１４は、以下のようにして形成すればよい。
【０１３９】
まず、ゲート電極１１４となる導電膜を成膜する。ゲート電極１１４となる導電膜は、ア
ルミニウム、チタン、クロム、コバルト、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、
モリブデン、銀、タンタルおよびタングステンを一種以上含む、単体、窒化物、酸化物ま
たは合金を、単層で、または積層で用いればよい。ゲート電極１１４となる導電膜は、ス
パッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて成膜すればよい
。
【０１４０】
次に、ゲート電極１１４となる導電膜を加工し、ゲート電極１１４を形成する。
【０１４１】
ゲート電極１１４を有することによって、トランジスタの電気特性のばらつきを低減する
ことができる。なお、ゲート電極１１４はソース電極１１６ａまたはゲート電極１０４と
接続されていても構わない。
【０１４２】
次に、図２とは異なる構造のトランジスタについて、図３を用いて説明する。
【０１４３】
図３（Ａ）は本発明の一態様に係るトランジスタの上面図である。図３（Ａ）に示す一点
鎖線Ｂ１−Ｂ２に対応する断面図を図３（Ｂ）に示す。また、図３（Ａ）に示す一点鎖線
Ｂ３−Ｂ４に対応する断面図を図３（Ｃ）に示す。なお、理解を容易にするため、図３（
Ａ）においては、ゲート絶縁膜２１２などを省略して示す。
【０１４４】
図３（Ｂ）は、基板２００上に設けられた酸化物絶縁膜２０２ａ、および酸化物絶縁膜２
０２ａ上に設けられた金属酸化物膜２０２ｂを含む積層膜２０２と、積層膜２０２上に設
けられたゲート電極２０４と、ゲート電極２０４上に設けられたゲート絶縁膜２１２と、
ゲート絶縁膜２１２上に設けられたソース電極２１６ａおよびドレイン電極２１６ｂと、
ゲート絶縁膜２１２、ソース電極２１６ａおよびドレイン電極２１６ｂ上にあり、ゲート
電極２０４と重畳して設けられた酸化物半導体膜２０６と、を有するトランジスタの断面
図である。なお、酸化物半導体膜２０６、ソース電極２１６ａおよびドレイン電極２１６
ｂ上に保護絶縁膜２１８が設けられてもよい。
【０１４５】
なお、図３に示すトランジスタの積層膜２０２（酸化物絶縁膜２０２ａ、および酸化物絶
縁膜２０２ａ上に設けられた金属酸化物膜２０２ｂ）、ゲート電極２０４およびゲート絶
縁膜２１２は、それぞれ図２に示すトランジスタの積層膜１０２（酸化物絶縁膜１０２ａ
、および酸化物絶縁膜１０２ａ上に設けられた金属酸化物膜１０２ｂ）、ゲート電極１０
４およびゲート絶縁膜１１２と同様の絶縁膜および方法を用いて成膜または形成すればよ
い。また、図３に示すトランジスタの酸化物半導体膜２０６、ソース電極２１６ａ、ドレ
イン電極２１６ｂおよび保護絶縁膜２１８は、それぞれ図２に示すトランジスタの酸化物
半導体膜１０６、ソース電極１１６ａ、ドレイン電極１１６ｂおよび保護絶縁膜１１８と
形状が異なるのみであり、同様の膜および方法を用いて成膜または形成すればよい。即ち
、図３に示すトランジスタは、図２に示すトランジスタと比べ、酸化物半導体膜とソース
電極およびドレイン電極との位置関係が異なるのみである。従って、図３に示すトランジ
スタについての説明は、図２に示すトランジスタの説明を参照することができる。
【０１４６】
図３に示すトランジスタの作製方法について、図１０および図１１を用いて説明する。な
お、理解を容易にするため、図１０および図１１には、図３（Ｂ）に対応する断面図のみ
示す。
【０１４７】
まず、基板２００を準備する。基板２００は、基板１００と同様の基板を用いればよい。
【０１４８】
次に、基板２００上に酸化物絶縁膜２０３ａを成膜する（図１０（Ａ）参照。）。
【０１４９】
酸化物絶縁膜２０３ａは、酸化物絶縁膜５３ａと同様の絶縁膜および方法を用いて成膜す
ればよい。
【０１５０】
次に、金属膜２０３ｂを成膜する。金属膜２０３ｂは、３ｎｍ以上１５ｎｍ以下、好まし
くは５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さとなるよう成膜すればよい。
【０１５１】
金属膜２０３ｂは、金属膜５３ｂと同様の金属膜および方法を用いて成膜すればよい。
【０１５２】
次に、酸素を含む雰囲気下において、プラズマを生成し、プラズマ中の酸化性を有するイ
オン２３０に基板２００を曝す（図１０（Ｂ）参照。）。イオン２３０は、イオン８０と
同様の方法で生成すればよい。
【０１５３】
イオン２３０に曝されることによって、金属膜２０３ｂが酸化され、金属酸化物膜２０２
ｂが形成される。また、酸化物絶縁膜２０３ａに酸素が添加され、過剰酸素を含む酸化物
絶縁膜２０２ａが形成される。このようにして、酸化物絶縁膜２０２ａおよび金属酸化物
膜２０２ｂを含む積層膜２０２が形成される。
【０１５４】
また、イオン２３０の作用により、金属酸化物膜２０２ｂは、金属膜２０３ｂよりも平坦
な表面を有することができる。これは、イオン２３０が金属膜２０３ｂの表面に衝突した
際に、金属膜２０３ｂを酸化するとともに、その表面をスパッタリングするためである。
イオン２３０によるスパッタリングは、イオン２３０の入射角度が浅いほどスパッタリン
グ率が高まる。従って、基板２００に垂直な方向からイオン２３０を入射させる場合、イ
オン２３０の入射角度の浅くなる凸部が選択的にエッチングされる。そのため、イオン２
３０の入射角度の浅い表面の割合が減少し、イオン２３０の入射角度の深い（垂直な）表
面の割合が増大する。即ち、平坦な表面を有する金属酸化物膜２０２ｂが得られることに
なる。
【０１５５】
具体的には、積層膜２０２は、Ｒａが１ｎｍ以下、０．３ｎｍ以下、または０．１ｎｍ以
下にできる。
【０１５６】
以上に示したように、積層膜２０２は積層膜５２と同様の積層膜および方法で形成される
。従って、積層膜２０２は積層膜５２と同様の機能を有する。
【０１５７】
次に、ゲート電極２０４となる導電膜を成膜する。
【０１５８】
次に、ゲート電極２０４となる導電膜を加工し、ゲート電極２０４を形成する（図１０（
Ｃ）参照。）。この際、金属酸化物膜２０２ｂもエッチングされるが、金属酸化物膜２０
２ｂはエッチング速度が遅いため、僅かにエッチングされるのみである。従って、積層膜
２０２があることによって形状不良が発生しにくいといえる。即ち、トランジスタを歩留
まり高く作製することができる。なお、その他の工程においても意図しないエッチングが
起こり得るが、理解を容易にするため省略して説明する。
【０１５９】
次に、ゲート絶縁膜２１２を成膜する（図１０（Ｄ）参照。）。
【０１６０】
次に、ソース電極２１６ａおよびドレイン電極２１６ｂとなる導電膜を成膜する。
【０１６１】
ソース電極２１６ａおよびドレイン電極２１６ｂとなる導電膜を加工し、ソース電極２１
６ａおよびドレイン電極２１６ｂを形成する（図１１（Ａ）参照。）。
【０１６２】
次に、酸化物半導体膜２０６となる酸化物半導体膜を成膜する。
【０１６３】
ここで、第４の加熱処理を行ってもよい。第４の加熱処理は、第１の加熱処理と同様の条
件から選択して行えばよい。第４の加熱処理によって、酸化物半導体膜の結晶性を高め、
さらに酸化物半導体膜から水素や水などの不純物を除去することができる。また、第４の
加熱処理によって、積層膜２０２から酸素が放出される。当該酸素が酸化物半導体膜２０
６まで達することによって、酸化物半導体膜２０６の酸素欠損を低減することができる。
【０１６４】
次に、酸化物半導体膜２０６となる酸化物半導体膜を加工し、島状に加工された酸化物半
導体膜２０６を形成する。
【０１６５】
なお、酸化物半導体膜２０６の形成後に第５の加熱処理を行ってもよい。第５の加熱処理
は、第１の加熱処理で示した条件を用いて行えばよい。第５の加熱処理は、酸化物半導体
膜の側面が露出した状態で行うため、酸化物半導体膜の側面から水素や水などの不純物が
除去されやすく、効果的に不純物を除去することができる。なお、酸化物半導体膜がＣＡ
ＡＣ−ＯＳ膜であるとき、結晶の層に沿って不純物が拡散しやすいため、側面から水素や
水などの不純物がさらに除去されやすい。
【０１６６】
以上のようにして、図３に示したトランジスタを作製することができる。
【０１６７】
好ましくは、次に、保護絶縁膜２１８を成膜する（図１１（Ｂ）参照。）。
【０１６８】
次に、第６の加熱処理を行ってもよい。第６の加熱処理は第１の加熱処理と同様の条件か
ら選択して行えばよい。第６の加熱処理によって、積層膜２０２または／および保護絶縁
膜２１８から酸素が放出される。当該酸素が酸化物半導体膜２０６まで達することによっ
て、酸化物半導体膜２０６の酸素欠損を低減することができる。
【０１６９】
図３に示すトランジスタは、積層膜２０２または／および保護絶縁膜２１８から酸素を放
出させ、酸化物半導体膜２０６の酸素欠損を低減することができるため、安定した電気特
性を有する。さらに、キャリアの発生源となる不純物も少ないため、極めて低いオフ電流
が実現できる。また、積層膜２０２によって形状不良が発生しにくいため、歩留まり高く
トランジスタを作製することができる。
【０１７０】
なお、図１１（Ｃ）に示すように、保護絶縁膜２１８上にゲート電極２１４を形成しても
構わない。ゲート電極２１４は、以下のようにして形成すればよい。
【０１７１】
まず、ゲート電極２１４となる導電膜を成膜する。ゲート電極２１４となる導電膜は、ア
ルミニウム、チタン、クロム、コバルト、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、
モリブデン、銀、タンタルおよびタングステンを一種以上含む、単体、窒化物、酸化物ま
たは合金を、単層で、または積層で用いればよい。ゲート電極２１４となる導電膜は、ス
パッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて成膜すればよい
。
【０１７２】
次に、ゲート電極２１４となる導電膜を加工し、ゲート電極２１４を形成する。
【０１７３】
ゲート電極２１４を有することによって、トランジスタの電気特性のばらつきを低減する
ことができる。なお、ゲート電極２１４はソース電極２１６ａまたはゲート電極２０４と
接続されていても構わない。
【０１７４】
次に、図２および図３とは異なる構造のトランジスタについて、図４を用いて説明する。
【０１７５】
図４（Ａ）は本発明の一態様に係るトランジスタの上面図である。図４（Ａ）に示す一点
鎖線Ｃ１−Ｃ２に対応する断面図を図４（Ｂ）に示す。また、図４（Ａ）に示す一点鎖線
Ｃ３−Ｃ４に対応する断面図を図４（Ｃ）に示す。なお、理解を容易にするため、図４（
Ａ）においては、ゲート絶縁膜３１２などを省略して示す。
【０１７６】
図４（Ｂ）は、基板３００上に設けられた酸化物絶縁膜３０２ａ、および酸化物絶縁膜３
０２ａ上に設けられた金属酸化物膜３０２ｂを含む積層膜３０２と、積層膜３０２上に設
けられた酸化物半導体膜３０６と、酸化物半導体膜３０６上に設けられたソース電極３１
６ａおよびドレイン電極３１６ｂと、酸化物半導体膜３０６、ソース電極３１６ａおよび
ドレイン電極３１６ｂ上に設けられたゲート絶縁膜３１２と、ゲート絶縁膜３１２上にあ
り、酸化物半導体膜３０６と重畳して設けられたゲート電極３０４と、を有するトランジ
スタの断面図である。
【０１７７】
なお、図４に示すトランジスタの積層膜３０２（酸化物絶縁膜３０２ａ、および酸化物絶
縁膜３０２ａ上に設けられた金属酸化物膜３０２ｂ）は、図２に示すトランジスタの積層
膜１０２（酸化物絶縁膜１０２ａ、および酸化物絶縁膜１０２ａ上に設けられた金属酸化
物膜１０２ｂ）と同様の積層膜および方法を用いて成膜または形成すればよい。また、図
４に示すトランジスタの酸化物半導体膜３０６、ソース電極３１６ａ、ドレイン電極３１
６ｂ、ゲート絶縁膜３１２およびゲート電極３０４は、それぞれ図２に示すトランジスタ
の酸化物半導体膜１０６、ソース電極１１６ａ、ドレイン電極１１６ｂ、ゲート絶縁膜１
１２およびゲート電極１０４と形状が異なるのみであり、同様の膜および方法を用いて成
膜または形成すればよい。即ち、図４に示すトランジスタは、図２に示すトランジスタと
比べ、酸化物半導体膜とゲート電極の位置関係が異なるのみである。従って、図４に示す
トランジスタについての説明は、図２に示すトランジスタの説明を参照することができる
。
【０１７８】
図４に示すトランジスタの作製方法について、図１２を用いて説明する。なお、理解を容
易にするため、図１２には、図４（Ｂ）に対応する断面図のみ示す。
【０１７９】
まず、基板３００を準備する。基板３００は、基板１００と同様の基板を用いればよい。
【０１８０】
次に、基板３００上に酸化物絶縁膜３０３ａを成膜する（図１２（Ａ）参照。）。
【０１８１】
酸化物絶縁膜３０３ａは、酸化物絶縁膜５３ａと同様の絶縁膜および方法を用いて成膜す
ればよい。
【０１８２】
次に、金属膜３０３ｂを成膜する。金属膜３０３ｂは、３ｎｍ以上１５ｎｍ以下、好まし
くは５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さとなるよう成膜すればよい。
【０１８３】
金属膜３０３ｂは、金属膜５３ｂと同様の金属膜および方法を用いて成膜すればよい。
【０１８４】
次に、酸素を含む雰囲気下において、プラズマを生成し、プラズマ中の酸化性を有するイ
オン３３０に基板３００を曝す（図１２（Ｂ）参照。）。イオン３３０は、イオン８０と
同様の方法で生成すればよい。
【０１８５】
イオン３３０に曝されることによって、金属膜３０３ｂが酸化され、金属酸化物膜３０２
ｂが形成される。また、酸化物絶縁膜３０３ａに酸素が添加され、過剰酸素を含む酸化物
絶縁膜３０２ａが形成される。このようにして、酸化物絶縁膜３０２ａおよび金属酸化物
膜３０２ｂを含む積層膜３０２が形成される。
【０１８６】
また、イオン３３０の作用により、金属酸化物膜３０２ｂは、金属膜３０３ｂよりも平坦
な表面を有することができる。これは、イオン３３０が金属膜３０３ｂの表面に衝突した
際に、金属膜３０３ｂを酸化するとともに、その表面をスパッタリングするためである。
イオン３３０によるスパッタリングは、イオン３３０の入射角度が浅いほどスパッタリン
グ率が高まる。従って、基板３００に垂直な方向からイオン３３０を入射させる場合、イ
オン３３０の入射角度の浅くなる凸部が選択的にエッチングされる。そのため、イオン３
３０の入射角度の浅い表面の割合が減少し、イオン３３０の入射角度の深い（垂直な）表
面の割合が増大する。即ち、平坦な表面を有する金属酸化物膜３０２ｂが得られることに
なる。
【０１８７】
具体的には、積層膜３０２は、Ｒａが１ｎｍ以下、０．３ｎｍ以下、または０．１ｎｍ以
下にできる。積層膜３０２が上述のＲａ以下となることで、結晶化度の高い酸化物半導体
膜３０６を設けることができる。また、積層膜３０２と酸化物半導体膜３０６との界面の
凹凸が小さくなることで、界面散乱の影響を小さくできる。
【０１８８】
以上に示したように、積層膜３０２は積層膜５２と同様の積層膜および方法で形成される
。従って、積層膜３０２は積層膜５２と同様の機能を有する。
【０１８９】
次に、酸化物半導体膜３０６となる酸化物半導体膜を成膜する。
【０１９０】
ここで、第７の加熱処理を行ってもよい。第７の加熱処理は、第１の加熱処理と同様の条
件から選択して行えばよい。第７の加熱処理によって、酸化物半導体膜の結晶性を高め、
さらに酸化物半導体膜から水素や水などの不純物を除去することができる。また、第７の
加熱処理によって、積層膜３０２から酸素が放出される。当該酸素が酸化物半導体膜３０
６まで達することによって、酸化物半導体膜３０６の酸素欠損を低減することができる。
【０１９１】
次に、酸化物半導体膜３０６となる酸化物半導体膜を加工し、島状に加工された酸化物半
導体膜３０６を形成する（図１２（Ｃ）参照。）。この際、金属酸化物膜３０２ｂもエッ
チングされるが、金属酸化物膜３０２ｂはエッチング速度が遅いため、僅かにエッチング
されるのみである。従って、積層膜３０２があることによって形状不良が発生しにくいと
いえる。即ち、トランジスタを歩留まり高く作製することができる。なお、その他の工程
においても意図しないエッチングが起こり得るが、理解を容易にするため省略して説明す
る。
【０１９２】
なお、酸化物半導体膜３０６の形成後に第８の加熱処理を行ってもよい。第８の加熱処理
は、第１の加熱処理で示した条件を用いて行えばよい。第８の加熱処理は、酸化物半導体
膜の側面が露出した状態で行うため、酸化物半導体膜の側面から水素や水などの不純物が
除去されやすく、効果的に不純物を除去することができる。なお、酸化物半導体膜がＣＡ
ＡＣ−ＯＳ膜であるとき、結晶の層に沿って不純物が拡散しやすいため、側面から水素や
水などの不純物がさらに除去されやすい。
【０１９３】
次に、ソース電極３１６ａおよびドレイン電極３１６ｂとなる導電膜を成膜する。
【０１９４】
ソース電極３１６ａおよびドレイン電極３１６ｂとなる導電膜を加工し、ソース電極３１
６ａおよびドレイン電極３１６ｂを形成する。
【０１９５】
次に、ゲート絶縁膜３１２を成膜する。
【０１９６】
次に、ゲート電極３０４となる導電膜を成膜する。
【０１９７】
次に、ゲート電極３０４となる導電膜を加工し、ゲート電極３０４を形成する（図１２（
Ｄ）参照。）。
【０１９８】
以上のようにして、図４に示したトランジスタを作製することができる。
【０１９９】
図４に示すトランジスタは、積層膜３０２から酸素を放出させ、酸化物半導体膜３０６の
酸素欠損を低減することができるため、安定した電気特性を有する。さらに、キャリアの
発生源となる不純物も少ないため、極めて低いオフ電流が実現できる。また、積層膜３０
２によって形状不良が発生しにくいため、歩留まり高くトランジスタを作製することがで
きる。
【０２００】
次に、図２乃至図４とは異なる構造のトランジスタについて、図５を用いて説明する。
【０２０１】
図５（Ａ）は本発明の一態様に係るトランジスタの上面図である。図５（Ａ）に示す一点
鎖線Ｄ１−Ｄ２に対応する断面図を図５（Ｂ）に示す。また、図５（Ａ）に示す一点鎖線
Ｄ３−Ｄ４に対応する断面図を図５（Ｃ）に示す。なお、理解を容易にするため、図５（
Ａ）においては、ゲート絶縁膜４１２などを省略して示す。
【０２０２】
図５（Ｂ）は、基板４００上に設けられた酸化物絶縁膜４０２ａ、および酸化物絶縁膜４
０２ａ上に設けられた金属酸化物膜４０２ｂを含む積層膜４０２と、積層膜４０２上に設
けられたソース電極４１６ａおよびドレイン電極４１６ｂと、積層膜４０２、ソース電極
４１６ａおよびドレイン電極４１６ｂ上に設けられた酸化物半導体膜４０６と、酸化物半
導体膜４０６上に設けられたゲート絶縁膜４１２と、ゲート絶縁膜４１２上にあり、酸化
物半導体膜４０６と重畳して設けられたゲート電極４０４と、を有するトランジスタの断
面図である。
【０２０３】
なお、図５に示すトランジスタの積層膜４０２（酸化物絶縁膜４０２ａ、および酸化物絶
縁膜４０２ａ上に設けられた金属酸化物膜４０２ｂ）は、図４に示すトランジスタの積層
膜３０２（酸化物絶縁膜３０２ａ、および酸化物絶縁膜３０２ａ上に設けられた金属酸化
物膜３０２ｂ）と同様の絶縁膜および方法を用いて成膜または形成すればよい。また、図
５に示すトランジスタの酸化物半導体膜４０６、ソース電極４１６ａ、ドレイン電極４１
６ｂ、ゲート絶縁膜４１２およびゲート電極４０４は、それぞれ図４に示すトランジスタ
の酸化物半導体膜３０６、ソース電極３１６ａ、ドレイン電極３１６ｂ、ゲート絶縁膜３
１２およびゲート電極３０４と形状が異なるのみであり、同様の膜および方法を用いて成
膜または形成すればよい。即ち、図５に示すトランジスタは、図４に示すトランジスタと
比べ、酸化物半導体膜とソース電極およびドレイン電極の位置関係が異なるのみである。
従って、図５に示すトランジスタについての説明は、図２および図４に示すトランジスタ
の説明を参照することができる。
【０２０４】
図５に示すトランジスタの作製方法について、図１３を用いて説明する。なお、理解を容
易にするため、図１３には、図５（Ｂ）に対応する断面図のみ示す。
【０２０５】
まず、基板４００を準備する。基板４００は、基板１００と同様の基板を用いればよい。
【０２０６】
次に、基板４００上に酸化物絶縁膜４０３ａを成膜する（図１３（Ａ）参照。）。
【０２０７】
酸化物絶縁膜４０３ａは、酸化物絶縁膜５３ａと同様の絶縁膜および方法を用いて成膜す
ればよい。
【０２０８】
次に、金属膜４０３ｂを成膜する。金属膜４０３ｂは、３ｎｍ以上１５ｎｍ以下、好まし
くは５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さとなるよう成膜すればよい。
【０２０９】
金属膜４０３ｂは、金属膜５３ｂと同様の金属膜および方法を用いて成膜すればよい。
【０２１０】
次に、酸素を含む雰囲気下において、プラズマを生成し、プラズマ中の酸化性を有するイ
オン４３０に基板４００を曝す（図１３（Ｂ）参照。）。イオン４３０は、イオン８０と
同様の方法で生成すればよい。
【０２１１】
イオン４３０に曝されることによって、金属膜４０３ｂが酸化され、金属酸化物膜４０２
ｂが形成される。また、酸化物絶縁膜４０３ａに酸素が添加され、過剰酸素を含む酸化物
絶縁膜４０２ａが形成される。このようにして、酸化物絶縁膜４０２ａおよび金属酸化物
膜４０２ｂを含む積層膜４０２が形成される。
【０２１２】
また、イオン４３０の作用により、金属酸化物膜４０２ｂは、金属膜４０３ｂよりも平坦
な表面を有することができる。これは、イオン４３０が金属膜４０３ｂの表面に衝突した
際に、金属膜４０３ｂを酸化するとともに、その表面をスパッタリングするためである。
イオン４３０によるスパッタリングは、イオン４３０の入射角度が浅いほどスパッタリン
グ率が高まる。従って、基板４００に垂直な方向からイオン４３０を入射させる場合、イ
オン４３０の入射角度の浅くなる凸部が選択的にエッチングされる。そのため、イオン４
３０の入射角度の浅い表面の割合が減少し、イオン４３０の入射角度の深い（垂直な）表
面の割合が増大する。即ち、平坦な表面を有する金属酸化物膜４０２ｂが得られることに
なる。
【０２１３】
具体的には、積層膜４０２は、Ｒａが１ｎｍ以下、０．３ｎｍ以下、または０．１ｎｍ以
下にできる。積層膜４０２が上述のＲａ以下となることで、結晶化度の高い酸化物半導体
膜４０６を設けることができる。また、積層膜４０２と酸化物半導体膜４０６との界面の
凹凸が小さくなることで、界面散乱の影響を小さくできる。
【０２１４】
以上に示したように、積層膜４０２は積層膜５２と同様の積層膜および方法で形成される
。従って、積層膜４０２は積層膜５２と同様の機能を有する。
【０２１５】
次に、ソース電極４１６ａおよびドレイン電極４１６ｂとなる導電膜を成膜する。
【０２１６】
ソース電極４１６ａおよびドレイン電極４１６ｂとなる導電膜を加工し、ソース電極４１
６ａおよびドレイン電極４１６ｂを形成する（図１３（Ｃ）参照。）。この際、金属酸化
物膜４０２ｂもエッチングされるが、金属酸化物膜４０２ｂはエッチング速度が遅いため
、僅かにエッチングされるのみである。従って、積層膜４０２があることによって形状不
良が発生しにくいといえる。即ち、トランジスタを歩留まり高く作製することができる。
なお、その他の工程においても意図しないエッチングが起こり得るが、理解を容易にする
ため省略して説明する。
【０２１７】
次に、酸化物半導体膜４０６となる酸化物半導体膜を成膜する。
【０２１８】
ここで、第９の加熱処理を行ってもよい。第９の加熱処理は、第１の加熱処理と同様の条
件から選択して行えばよい。第９の加熱処理によって、酸化物半導体膜の結晶性を高め、
さらに酸化物半導体膜から水素や水などの不純物を除去することができる。また、第９の
加熱処理によって、積層膜４０２から酸素が放出される。当該酸素が酸化物半導体膜４０
６まで達することによって、酸化物半導体膜４０６の酸素欠損を低減することができる。
【０２１９】
次に、酸化物半導体膜４０６となる酸化物半導体膜を加工し、島状に加工された酸化物半
導体膜４０６を形成する。
【０２２０】
なお、酸化物半導体膜４０６の形成後に第１０の加熱処理を行ってもよい。第１０の加熱
処理は、第１の加熱処理で示した条件を用いて行えばよい。第１０の加熱処理は、酸化物
半導体膜の側面が露出した状態で行うため、酸化物半導体膜の側面から水素や水などの不
純物が除去されやすく、効果的に不純物を除去することができる。なお、酸化物半導体膜
がＣＡＡＣ−ＯＳ膜であるとき、結晶の層に沿って不純物が拡散しやすいため、側面から
水素や水などの不純物がさらに除去されやすい。
【０２２１】
次に、ゲート絶縁膜４１２を成膜する。
【０２２２】
次に、ゲート電極４０４となる導電膜を成膜する。
【０２２３】
次に、ゲート電極４０４となる導電膜を加工し、ゲート電極４０４を形成する（図１３（
Ｄ）参照。）。
【０２２４】
以上のようにして、図５に示したトランジスタを作製することができる。
【０２２５】
図５に示すトランジスタは、積層膜４０２から酸素を放出させ、酸化物半導体膜４０６の
酸素欠損を低減することができるため、安定した電気特性を有する。さらに、キャリアの
発生源となる不純物も少ないため、極めて低いオフ電流が実現できる。また、積層膜４０
２によって形状不良が発生しにくいため、歩留まり高くトランジスタを作製することがで
きる。
【０２２６】
次に、図２乃至図５とは異なる構造のトランジスタについて、図６を用いて説明する。
【０２２７】
図６（Ａ）は本発明の一態様に係るトランジスタの上面図である。図６（Ａ）に示す一点
鎖線Ｅ１−Ｅ２に対応する断面図を図６（Ｂ）に示す。また、図６（Ａ）に示す一点鎖線
Ｅ３−Ｅ４に対応する断面図を図６（Ｃ）に示す。なお、理解を容易にするため、図６（
Ａ）においては、ゲート絶縁膜５１２などを省略して示す。
【０２２８】
図６（Ｂ）は、基板５００上に設けられた酸化物絶縁膜５０２ａ、および酸化物絶縁膜５
０２ａ上に設けられた金属酸化物膜５０２ｂを含む積層膜５０２と、積層膜５０２上に設
けられた酸化物半導体膜５０６と、酸化物半導体膜５０６上に設けられたゲート絶縁膜５
１２と、ゲート絶縁膜５１２上にあり、酸化物半導体膜５０６と重畳して設けられたゲー
ト電極５０４と、を有するトランジスタの断面図である。
【０２２９】
図６（Ｂ）に示す断面図では、酸化物半導体膜５０６およびゲート電極５０４上に保護絶
縁膜５１８が設けられる。なお、保護絶縁膜５１８は、酸化物半導体膜５０６に達する開
口部を有し、当該開口部を介して、保護絶縁膜５１８上に設けられた配線５２４ａおよび
配線５２４ｂは酸化物半導体膜５０６と接する。
【０２３０】
なお、図６（Ｂ）では、ゲート絶縁膜５１２がゲート電極５０４と重畳する領域のみに設
けられているが、これに限定されない。例えば、ゲート絶縁膜５１２が酸化物半導体膜５
０６を覆うように設けられていてもよい。また、ゲート電極５０４の側壁に接して側壁絶
縁膜を有しても構わない。
【０２３１】
また、側壁絶縁膜を設ける場合、酸化物半導体膜５０６の側壁絶縁膜と重畳する領域は、
ゲート電極５０４と重畳する領域よりも低抵抗であると好ましい。例えば、酸化物半導体
膜５０６のゲート電極５０４と重畳しない領域は、酸化物半導体膜５０６を低抵抗化する
不純物を有する領域であってもよい。また、欠陥によって低抵抗化された領域であっても
よい。酸化物半導体膜５０６の側壁絶縁膜と重畳する領域が、ゲート電極５０４と重畳す
る領域よりも低抵抗であることにより、当該領域をＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ  Ｄｏｐｅｄ
Ｄｒａｉｎ）領域として機能する。トランジスタが、ＬＤＤ領域を有することによって
、ＤＩＢＬ（Ｄｒａｉｎ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｂａｒｒｉｅｒ  Ｌｏｗｅｒｉｎｇ）および
ホットキャリア劣化を抑制することができる。ただし、酸化物半導体膜５０６の側壁絶縁
膜と重畳する領域をオフセット領域としても構わない。トランジスタが、オフセット領域
を有することでも、ＤＩＢＬおよびホットキャリア劣化を抑制することができる。
【０２３２】
酸化物半導体膜５０６のゲート電極５０４と重畳しない領域は、ゲート電極５０４と重畳
する領域よりも低抵抗であると好ましい。例えば、酸化物半導体膜５０６のゲート電極５
０４と重畳しない領域は、酸化物半導体膜５０６を低抵抗化する不純物を有する領域であ
ってもよい。また、欠陥によって低抵抗化された領域であってもよい。酸化物半導体膜５
０６のゲート電極５０４と重畳しない領域がゲート電極５０４と重畳する領域よりも低抵
抗であることにより、トランジスタのソース領域およびドレイン領域として機能すること
ができる。
【０２３３】
図６に示すトランジスタは、ゲート電極５０４と他の配線および電極との重畳する領域が
小さいため、寄生容量が発生しにくく、トランジスタのスイッチング特性を高めることが
できる。また、トランジスタのチャネル長がゲート電極５０４の幅で決定されるため、チ
ャネル長の小さい、微細化されたトランジスタを作製しやすい構造である。
【０２３４】
図６に示すトランジスタの作製方法について、図１４を用いて説明する。なお、理解を容
易にするため、図１４には、図６（Ｂ）に対応する断面図のみ示す。
【０２３５】
まず、基板５００を準備する。基板５００は、基板１００と同様の基板を用いればよい。
【０２３６】
次に、基板５００上に酸化物絶縁膜５０３ａを成膜する（図１４（Ａ）参照。）。
【０２３７】
酸化物絶縁膜５０３ａは、酸化物絶縁膜５３ａと同様の絶縁膜および方法を用いて成膜す
ればよい。
【０２３８】
次に、金属膜５０３ｂを成膜する。金属膜５０３ｂは、３ｎｍ以上１５ｎｍ以下、好まし
くは５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さとなるよう成膜すればよい。
【０２３９】
金属膜５０３ｂは、金属膜５３ｂと同様の金属膜および方法を用いて成膜すればよい。
【０２４０】
次に、酸素を含む雰囲気下において、プラズマを生成し、プラズマ中の酸化性を有するイ
オン５３０に基板５００を曝す（図１４（Ｂ）参照。）。イオン５３０は、イオン８０と
同様の方法で生成すればよい。
【０２４１】
イオン５３０に曝されることによって、金属膜５０３ｂが酸化され、金属酸化物膜５０２
ｂが形成される。また、酸化物絶縁膜５０３ａに酸素が添加され、過剰酸素を含む酸化物
絶縁膜５０２ａが形成される。このようにして、酸化物絶縁膜５０２ａおよび金属酸化物
膜５０２ｂを含む積層膜５０２が形成される。
【０２４２】
また、イオン５３０の作用により、金属酸化物膜５０２ｂは、金属膜５０３ｂよりも平坦
な表面を有することができる。これは、イオン５３０が金属膜５０３ｂの表面に衝突した
際に、金属膜５０３ｂを酸化するとともに、その表面をスパッタリングするためである。
イオン５３０によるスパッタリングは、イオン５３０の入射角度が浅いほどスパッタリン
グ率が高まる。従って、基板５００に垂直な方向からイオン５３０を入射させる場合、イ
オン５３０の入射角度の浅くなる凸部が選択的にエッチングされる。そのため、イオン５
３０の入射角度の浅い表面の割合が減少し、イオン５３０の入射角度の深い（垂直な）表
面の割合が増大する。即ち、平坦な表面を有する金属酸化物膜５０２ｂが得られることに
なる。
【０２４３】
具体的には、積層膜５０２は、Ｒａが１ｎｍ以下、０．３ｎｍ以下、または０．１ｎｍ以
下にできる。積層膜５０２が上述のＲａ以下となることで、結晶化度の高い酸化物半導体
膜５０６を設けることができる。また、積層膜５０２と酸化物半導体膜５０６との界面の
凹凸が小さくなることで、界面散乱の影響を小さくできる。
【０２４４】
以上に示したように、積層膜５０２は積層膜５２と同様の積層膜および方法で形成される
。従って、積層膜５０２は積層膜５２と同様の機能を有する。
【０２４５】
次に、酸化物半導体膜５０６となる酸化物半導体膜を成膜する。酸化物半導体膜５０６と
なる酸化物半導体膜は、酸化物半導体膜１０６と同様の酸化物半導体膜および方法を用い
て成膜すればよい。
【０２４６】
なお、酸化物半導体膜の成膜後に第１１の加熱処理を行ってもよい。第１１の加熱処理は
、第１の加熱処理で示した条件を用いて行えばよい。第１１の加熱処理によって、酸化物
半導体膜の結晶性を高め、さらに酸化物半導体膜から水素や水などの不純物を除去するこ
とができる。また、第１１の加熱処理によって、積層膜５０２から酸素が放出される。当
該酸素が、酸化物半導体膜５０６まで達することによって酸化物半導体膜５０６の酸素欠
損を低減することができる。
【０２４７】
次に、酸化物半導体膜５０６となる酸化物半導体膜を加工し、島状に加工された酸化物半
導体膜５０６を形成する（図１４（Ｃ）参照。）。この際、金属酸化物膜５０２ｂもエッ
チングされるが、金属酸化物膜５０２ｂはエッチング速度が遅いため、僅かにエッチング
されるのみである。従って、積層膜５０２があることによって形状不良が発生しにくいと
いえる。即ち、トランジスタを歩留まり高く作製することができる。なお、その他の工程
においても意図しないエッチングが起こり得るが、理解を容易にするため省略して説明す
る。
【０２４８】
なお、酸化物半導体膜５０６の形成後に第１２の加熱処理を行ってもよい。第１２の加熱
処理は、第１の加熱処理で示した条件を用いて行えばよい。第１２の加熱処理は、酸化物
半導体膜の側面が露出した状態で行うため、酸化物半導体膜の側面から水素や水などの不
純物が除去されやすく、効果的に不純物を除去することができる。なお、酸化物半導体膜
がＣＡＡＣ−ＯＳ膜であるとき、結晶の層に沿って不純物が拡散しやすいため、側面から
水素や水などの不純物がさらに除去されやすい。
【０２４９】
次に、ゲート絶縁膜５１２となる絶縁膜を成膜する。ゲート絶縁膜５１２となる絶縁膜は
、ゲート絶縁膜１１２と同様の絶縁膜および方法を用いて成膜すればよい。
【０２５０】
次に、ゲート電極５０４となる導電膜を成膜する。ゲート電極５０４となる導電膜は、ゲ
ート電極１０４と同様の導電膜および方法を用いて成膜すればよい。
【０２５１】
次に、ゲート電極５０４となる導電膜を加工し、ゲート電極５０４を形成する。
【０２５２】
次に、ゲート電極５０４の加工で用いたレジストマスクまたはゲート電極５０４をマスク
として、ゲート絶縁膜５１２となる絶縁膜を加工し、ゲート絶縁膜５１２を形成する（図
１４（Ｄ）参照。）。
【０２５３】
次に、ゲート電極５０４をマスクとし、酸化物半導体膜５０６に不純物を添加してもよい
。不純物としては、酸化物半導体膜５０６が低抵抗化する不純物から選択して添加すれば
よい。なお、不純物として、ヘリウム、ホウ素、窒素、フッ素、ネオン、アルミニウム、
リン、アルゴン、ヒ素、クリプトン、インジウム、スズ、アンチモンおよびキセノンから
選ばれた一種以上を添加すればよい。なお、不純物を添加するためには、イオン注入法、
イオンドーピング法で行えばよい。好ましくはイオン注入法を用いればよい。このとき、
加速電圧を５ｋＶ以上１００ｋＶ以下とする。また、不純物の添加量は１×１０１４ｉｏ
ｎｓ／ｃｍ２以上１×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下とする。
【０２５４】
次に、第１３の加熱処理を行ってもよい。第１３の加熱処理は第１の加熱処理と同様の条
件から選択して行えばよい。第１３の加熱処理によって、酸化物半導体膜５０６の不純物
の添加された領域を低抵抗領域とすることができる。
【０２５５】
以上のようにして、図６に示したトランジスタを作製することができる。
【０２５６】
次に、保護絶縁膜５１８を成膜する。保護絶縁膜５１８は、保護絶縁膜１１８と同様の絶
縁膜および方法を用いて成膜すればよい。
【０２５７】
次に、保護絶縁膜５１８を加工し、酸化物半導体膜５０６を露出する開口部を形成する。
【０２５８】
次に、配線５２４ａおよび配線５２４ｂとなる導電膜を成膜する。配線５２４ａおよび配
線５２４ｂとなる導電膜は、アルミニウム、チタン、クロム、コバルト、ニッケル、銅、
イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタルおよびタングステンを一種以上
含む、単体、窒化物、酸化物または合金を、単層で、または積層で用いればよい。配線５
２４ａおよび配線５２４ｂとなる導電膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、Ａ
ＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて成膜すればよい。
【０２５９】
配線５２４ａおよび配線５２４ｂとなる導電膜を加工し、配線５２４ａおよび配線５２４
ｂを形成する。
【０２６０】
図６に示すトランジスタは、積層膜５０２から酸素を放出させ、酸化物半導体膜５０６の
酸素欠損を低減することができるため、安定した電気特性を有する。さらに、キャリアの
発生源となる不純物も少ないため、極めて低いオフ電流が実現できる。また、積層膜５０
２によって形状不良が発生しにくいため、歩留まり高くトランジスタを作製することがで
きる。
【０２６１】
次に、図２乃至図６とは異なる構造のトランジスタについて、図７を用いて説明する。
【０２６２】
図７（Ａ）は本発明の一態様に係るトランジスタの上面図である。図７（Ａ）に示す一点
鎖線Ｆ１−Ｆ２に対応する断面図を図７（Ｂ）に示す。また、図７（Ａ）に示す一点鎖線
Ｆ３−Ｆ４に対応する断面図を図７（Ｃ）に示す。なお、理解を容易にするため、図７（
Ａ）においては、ゲート絶縁膜６１２などを省略して示す。
【０２６３】
図７（Ｂ）は、基板６００上に設けられた酸化物絶縁膜６０２ａ、および酸化物絶縁膜６
０２ａ上に設けられた金属酸化物膜６０２ｂを含む積層膜６０２と、積層膜６０２上に設
けられた酸化物半導体膜６０６と、酸化物半導体膜６０６上に設けられたゲート絶縁膜６
１２と、ゲート絶縁膜６１２上に設けられたゲート電極６０４と、ゲート電極６０４の側
面と接して設けられた側壁絶縁膜６１０と、酸化物半導体膜６０６および側壁絶縁膜６１
０上に設けられたソース電極６１６ａおよびドレイン電極６１６ｂと、酸化物半導体膜６
０６、ソース電極６１６ａおよびドレイン電極６１６ｂ上に設けられた絶縁膜６４０と、
を有するトランジスタの断面図である。
【０２６４】
図７（Ｂ）に示す断面図では、ゲート電極６０４、ソース電極６１６ａおよびドレイン電
極６１６ｂ上に保護絶縁膜６１８が設けられる。なお、絶縁膜６４０および保護絶縁膜６
１８は、ソース電極６１６ａおよびドレイン電極６１６ｂに達する開口部をそれぞれ有し
、当該開口部を介して、保護絶縁膜６１８上に設けられた配線６２４ａおよび配線６２４
ｂは、ソース電極６１６ａおよびドレイン電極６１６ｂとそれぞれ接する。
【０２６５】
なお、図７（Ｂ）では、側壁絶縁膜６１０が、ゲート絶縁膜６１２の側面に設けられてい
るが、これに限定されない。例えば、ゲート絶縁膜６１２上に側壁絶縁膜６１０が設けら
れていてもよい。
【０２６６】
なお、図７（Ｂ）では、ゲート電極６０４、側壁絶縁膜６１０、ソース電極６１６ａ、ド
レイン電極６１６ｂおよび絶縁膜６４０の形成する表面の高さが揃っている。
【０２６７】
酸化物半導体膜６０６のゲート電極６０４と重畳しない領域は、ゲート電極６０４と重畳
する領域よりも低抵抗であると好ましい。例えば、酸化物半導体膜６０６のゲート電極６
０４と重畳しない領域は、酸化物半導体膜６０６を低抵抗化する不純物を有する領域であ
ってもよい。また、欠陥によって低抵抗化された領域であってもよい。酸化物半導体膜６
０６のゲート電極６０４と重畳しない領域がゲート電極６０４と重畳する領域よりも低抵
抗であることにより、トランジスタのソース領域およびドレイン領域として機能すること
ができる。ただし、図７（Ｂ）に示すトランジスタはソース電極６１６ａおよびドレイン
電極６１６ｂを有するため、ソース領域およびドレイン領域を特に設けなくても構わない
。
【０２６８】
また、酸化物半導体膜６０６の側壁絶縁膜６１０と重畳する領域は、ソース電極６１６ａ
およびドレイン電極６１６ｂと重畳する領域よりも高抵抗、かつゲート電極６０４と重畳
する領域よりも低抵抗であると好ましい。例えば、酸化物半導体膜６０６のゲート電極６
０４と重畳しない領域は、酸化物半導体膜６０６を低抵抗化する不純物を有する領域であ
ってもよい。また、欠陥によって低抵抗化された領域であってもよい。酸化物半導体膜６
０６の側壁絶縁膜６１０と重畳する領域が、ソース電極６１６ａおよびドレイン電極６１
６ｂよりも高抵抗、かつゲート電極６０４と重畳する領域よりも低抵抗であることにより
、当該領域をＬＤＤ領域として機能する。トランジスタが、ＬＤＤ領域を有することによ
って、ＤＩＢＬおよびホットキャリア劣化を抑制することができる。ただし、酸化物半導
体膜６０６の側壁絶縁膜６１０と重畳する領域をオフセット領域としても構わない。トラ
ンジスタが、オフセット領域を有することでも、ＤＩＢＬおよびホットキャリア劣化を抑
制することができる。
【０２６９】
図７に示すトランジスタは、ゲート電極６０４と他の配線および電極との重畳する領域が
小さいため、寄生容量が発生しにくく、トランジスタのスイッチング特性を高めることが
できる。また、ソース電極６１６ａおよびドレイン電極６１６ｂが設けられることにより
、図６に示したトランジスタよりも寄生抵抗が小さくでき、オン電流を増大させることが
できる。また、トランジスタのチャネル長がゲート電極６０４の幅で決定されるため、チ
ャネル長の小さい、微細化されたトランジスタを作製しやすい構造である。
【０２７０】
図７に示すトランジスタの作製方法について、図１５および図１６を用いて説明する。な
お、理解を容易にするため、図１５および図１６には、図７（Ｂ）に対応する断面図のみ
示す。
【０２７１】
まず、基板６００を準備する。基板６００は、基板１００と同様の基板を用いればよい。
【０２７２】
次に、基板６００上に酸化物絶縁膜６０３ａを成膜する（図１５（Ａ）参照。）。
【０２７３】
酸化物絶縁膜６０３ａは、酸化物絶縁膜５３ａと同様の絶縁膜および方法を用いて成膜す
ればよい。
【０２７４】
次に、金属膜６０３ｂを成膜する。金属膜６０３ｂは、３ｎｍ以上１５ｎｍ以下、好まし
くは５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さとなるよう成膜すればよい。
【０２７５】
金属膜６０３ｂは、金属膜５３ｂと同様の金属膜および方法を用いて成膜すればよい。
【０２７６】
次に、酸素を含む雰囲気下において、プラズマを生成し、プラズマ中の酸化性を有するイ
オン６３０に基板６００を曝す（図１５（Ｂ）参照。）。イオン６３０は、イオン８０と
同様の方法で生成すればよい。
【０２７７】
イオン６３０に曝されることによって、金属膜６０３ｂが酸化され、金属酸化物膜６０２
ｂが形成される。また、酸化物絶縁膜６０３ａに酸素が添加され、過剰酸素を含む酸化物
絶縁膜６０２ａが形成される。このようにして、酸化物絶縁膜６０２ａおよび金属酸化物
膜６０２ｂを含む積層膜６０２が形成される。
【０２７８】
また、イオン６３０の作用により、金属酸化物膜６０２ｂは、金属膜６０３ｂよりも平坦
な表面を有することができる。これは、イオン６３０が金属膜６０３ｂの表面に衝突した
際に、金属膜６０３ｂを酸化するとともに、その表面をスパッタリングするためである。
イオン６３０によるスパッタリングは、イオン６３０の入射角度が浅いほどスパッタリン
グ率が高まる。従って、基板６００に垂直な方向からイオン６３０を入射させる場合、イ
オン６３０の入射角度の浅くなる凸部が選択的にエッチングされる。そのため、イオン６
３０の入射角度の浅い表面の割合が減少し、イオン６３０の入射角度の深い（垂直な）表
面の割合が増大する。即ち、平坦な表面を有する金属酸化物膜６０２ｂが得られることに
なる。
【０２７９】
具体的には、積層膜６０２は、Ｒａが１ｎｍ以下、０．３ｎｍ以下、または０．１ｎｍ以
下にできる。積層膜６０２が上述のＲａ以下となることで、結晶化度の高い酸化物半導体
膜６０６を設けることができる。また、積層膜６０２と酸化物半導体膜６０６との界面の
凹凸が小さくなることで、界面散乱の影響を小さくできる。
【０２８０】
以上に示したように、積層膜６０２は積層膜５２と同様の積層膜および方法で形成される
。従って、積層膜６０２は積層膜５２と同様の機能を有する。
【０２８１】
次に、酸化物半導体膜６０６となる酸化物半導体膜を成膜する。酸化物半導体膜６０６と
なる酸化物半導体膜は、酸化物半導体膜１０６と同様の酸化物半導体膜および方法を用い
て成膜すればよい。
【０２８２】
なお、酸化物半導体膜の成膜後に第１４の加熱処理を行ってもよい。第１４の加熱処理は
、第１の加熱処理で示した条件を用いて行えばよい。第１４の加熱処理によって、酸化物
半導体膜の結晶性を高め、さらに酸化物半導体膜から水素や水などの不純物を除去するこ
とができる。また、第１４の加熱処理によって、積層膜６０２から酸素が放出される。当
該酸素が、酸化物半導体膜６０６まで達することによって酸化物半導体膜６０６の酸素欠
損を低減することができる。
【０２８３】
次に、酸化物半導体膜６０６となる酸化物半導体膜を加工し、島状に加工された酸化物半
導体膜６０６を形成する（図１５（Ｃ）参照。）。この際、金属酸化物膜６０２ｂもエッ
チングされるが、金属酸化物膜６０２ｂはエッチング速度が遅いため、僅かにエッチング
されるのみである。従って、積層膜６０２があることによって形状不良が発生しにくいと
いえる。即ち、トランジスタを歩留まり高く作製することができる。なお、その他の工程
においても意図しないエッチングが起こり得るが、理解を容易にするため省略して説明す
る。
【０２８４】
なお、酸化物半導体膜６０６の形成後に第１５の加熱処理を行ってもよい。第１５の加熱
処理は、第１の加熱処理で示した条件を用いて行えばよい。第１５の加熱処理は、酸化物
半導体膜の側面が露出した状態で行うため、酸化物半導体膜の側面から水素や水などの不
純物が除去されやすく、効果的に不純物を除去することができる。なお、酸化物半導体膜
がＣＡＡＣ−ＯＳ膜であるとき、結晶の層に沿って不純物が拡散しやすいため、側面から
水素や水などの不純物がさらに除去されやすい。
【０２８５】
次に、ゲート絶縁膜６１２となる絶縁膜を成膜する。ゲート絶縁膜６１２となる絶縁膜は
、ゲート絶縁膜１１２と同様の絶縁膜および方法を用いて成膜すればよい。
【０２８６】
次に、ゲート電極６０４となる導電膜を成膜する。ゲート電極６０４となる導電膜は、ゲ
ート電極１０４と同様の導電膜および方法を用いて成膜すればよい。
【０２８７】
次に、ゲート電極６０４となる導電膜を加工し、ゲート電極６０４となる導電膜６０５を
形成する。
【０２８８】
次に、ゲート電極６０４となる導電膜６０５の加工で用いたレジストマスクまたはゲート
電極６０４となる導電膜６０５をマスクとして、ゲート絶縁膜６１２となる絶縁膜を加工
し、ゲート絶縁膜６１２を形成する（図１５（Ｄ）参照。）。
【０２８９】
次に、ゲート電極６０４となる導電膜６０５をマスクとし、酸化物半導体膜６０６に不純
物を添加してもよい（第１の不純物添加ともいう。）。不純物としては、酸化物半導体膜
６０６が低抵抗化する不純物から選択して添加すればよい。なお、不純物として、ヘリウ
ム、ホウ素、窒素、フッ素、ネオン、アルミニウム、リン、アルゴン、ヒ素、クリプトン
、インジウム、スズ、アンチモンおよびキセノンから選ばれた一種以上を添加すればよい
。なお、不純物を添加するためには、イオン注入法、イオンドーピング法で行えばよい。
好ましくはイオン注入法を用いればよい。このとき、加速電圧を５ｋＶ以上１００ｋＶ以
下とする。また、不純物の添加量は１×１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上１×１０１６ｉｏ
ｎｓ／ｃｍ２以下とする。
【０２９０】
次に、第１６の加熱処理を行ってもよい。第１６の加熱処理は第１の加熱処理と同様の条
件から選択して行えばよい。第１６の加熱処理によって、酸化物半導体膜６０６の不純物
の添加された領域を低抵抗領域とすることができる。
【０２９１】
次に、側壁絶縁膜６１１となる絶縁膜を成膜する。側壁絶縁膜６１１となる絶縁膜は、酸
化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコ
ン、窒化シリコン、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ラン
タン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を、単層
で、または積層で用いればよい。側壁絶縁膜６１１となる絶縁膜は、スパッタリング法、
ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて成膜すればよい。
【０２９２】
次に、側壁絶縁膜６１１となる絶縁膜に対し異方性の高いエッチング処理を行うことによ
り、ゲート絶縁膜６１２およびゲート電極６０４となる導電膜６０５の側面に接する側壁
絶縁膜６１１を形成することができる（図１６（Ａ）参照。）。
【０２９３】
次に、ゲート電極６０４となる導電膜６０５および側壁絶縁膜６１１をマスクとし、酸化
物半導体膜６０６に不純物を添加してもよい（第２の不純物添加ともいう。）。第２の不
純物添加は、第１の不純物添加の条件を参照すればよい。第１の不純物添加および第２の
不純物添加を行うことで、酸化物半導体膜６０６に二種類の低抵抗領域を設けることがで
きる。そのため、ドレイン電極端での電界集中が緩和されやすく、ホットキャリア劣化の
抑制効果が高い。また、ソース電極端においてドレイン電極端からの電界の影響が小さく
なり、ＤＩＢＬを抑制することができる。なお、第１の不純物添加および第２の不純物添
加は、いずれか一方のみを行うこととしてもよい。
【０２９４】
次に、第１７の加熱処理を行ってもよい。第１７の加熱処理は第１の加熱処理と同様の条
件から選択して行えばよい。第１７の加熱処理によって、酸化物半導体膜６０６の不純物
の添加された領域を低抵抗領域とすることができる。
【０２９５】
次に、ソース電極６１６ａおよびドレイン電極６１６ｂとなる導電膜を成膜する。ソース
電極６１６ａおよびドレイン電極６１６ｂとなる導電膜は、ソース電極１１６ａおよびド
レイン電極１１６ｂとなる導電膜と同様の導電膜および方法を用いて成膜すればよい。
【０２９６】
次に、ソース電極６１６ａおよびドレイン電極６１６ｂとなる導電膜を加工し、導電膜６
１６を形成する。
【０２９７】
次に、絶縁膜６４０となる絶縁膜６４１を成膜する（図１６（Ｂ）参照。）。絶縁膜６４
０となる絶縁膜６４１は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒
化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、
酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを
一種以上含む絶縁膜を、単層で、または積層で用いればよい。絶縁膜６４０となる絶縁膜
６４１は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて成
膜すればよい。
【０２９８】
次に、絶縁膜６４１、導電膜６１６、側壁絶縁膜６１１および導電膜６０５に対し、各層
の表面の高さが揃うよう加工する。当該加工は、ドライエッチング処理、または化学機械
研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理に
よって行えばよい。当該加工によって、導電膜６０５がゲート電極６０４となり、側壁絶
縁膜６１１が側壁絶縁膜６１０となり、導電膜６１６がソース電極６１６ａおよびドレイ
ン電極６１６ｂとなり、絶縁膜６４１が絶縁膜６４０となる（図１６（Ｃ）参照。）。
【０２９９】
このようにして、ソース電極６１６ａおよびドレイン電極６１６ｂを形成することで、ゲ
ート電極６０４とソース電極６１６ａおよびドレイン電極６１６ｂとの距離を側壁絶縁膜
６１０の厚さと同様にすることができる。従って、ゲート電極６０４とソース電極６１６
ａおよびドレイン電極６１６ｂとの距離を最小加工寸法よりも小さくできるため、微細化
されたトランジスタを作製する際に好適な構造である。
【０３００】
ここで、エッチング速度の遅い積層膜６０２を有するため、下地となる膜または基板がエ
ッチングされることによる影響を受けにくい。例えば、前述した各層の表面の高さが揃う
ように行う加工時に、下地となる膜または基板がエッチングされることによって、各層の
加工前の高さのずれが起こってしまうことが懸念される。各層の加工前の高さのずれによ
っては、加工後も分離すべき層が一部で繋がったままになるなど、形状不良が発生し得る
。積層膜６０２はエッチング速度が遅いため、積層膜６０２がエッチングされることによ
る各層の加工前の高さのずれが起こらず、トランジスタの形状不良の発生を低減できる。
【０３０１】
以上のようにして図７に示したトランジスタを作製することができる。
【０３０２】
次に、保護絶縁膜６１８を成膜する。保護絶縁膜６１８は、保護絶縁膜１１８と同様の絶
縁膜および方法を用いて成膜すればよい。
【０３０３】
次に、絶縁膜６４０および保護絶縁膜６１８を加工し、ソース電極６１６ａおよびドレイ
ン電極６１６ｂを露出する開口部を形成する。
【０３０４】
次に、配線６２４ａおよび配線６２４ｂとなる導電膜を成膜する。配線６２４ａおよび配
線６２４ｂとなる導電膜は、配線５２４ａおよび配線５２４ｂと同様の導電膜および方法
を用いて成膜すればよい。
【０３０５】
次に、配線６２４ａおよび配線６２４ｂとなる導電膜を加工し、配線６２４ａおよび配線
６２４ｂを形成する。
【０３０６】
図７に示すトランジスタは、積層膜６０２から酸素を放出させ、酸化物半導体膜６０６の
酸素欠損を低減することができるため、安定した電気特性を有する。さらに、キャリアの
発生源となる不純物も少ないため、極めて低いオフ電流が実現できる。また、積層膜６０
２によって形状不良が発生しにくいため、歩留まり高くトランジスタを作製することがで
きる。
【０３０７】
本実施の形態より、安定した電気特性を有するトランジスタを歩留まり高く作製すること
ができる。
【０３０８】
本実施の形態は、基本原理の一例について述べたものである。したがって、本実施の形態
の一部または全部について、他の実施の形態の一部また全部と、自由に組み合わせること
や、適用することや、置き換えて実施することができる。
【０３０９】
（実施の形態３）
本実施の形態では、先の実施の形態に示したトランジスタを適用した記憶素子を有する半
導体装置について説明する。
【０３１０】
先の実施の形態に示したトランジスタは、安定した電気特性を有するだけでなく、オフ電
流を極めて小さくすることができる。即ち、当該トランジスタを介した電荷のリークが起
こりにくい電気特性を有する。
【０３１１】
以下では、このような電気特性を有するトランジスタを適用した、既知の記憶素子を有す
る半導体装置と比べ、機能的に優れた記憶素子を有する半導体装置について説明する。
【０３１２】
まず、半導体装置について、図１７を用いて具体的に示す。なお、図１７（Ａ）は半導体
装置のメモリセルアレイを示す回路図である。図１７（Ｂ）はメモリセルの回路図である
。また、図１７（Ｃ）は、図１７（Ｂ）に示すメモリセルに相当する断面構造の一例であ
る。また、図１７（Ｄ）は図１７（Ｂ）に示すメモリセルの電気特性を示す図である。
【０３１３】
図１７（Ａ）に示すメモリセルアレイは、メモリセル５５６と、ビット線５５３と、ワー
ド線５５４と、容量線５５５と、センスアンプ５５８と、をそれぞれ複数有する。
【０３１４】
なお、ビット線５５３およびワード線５５４がグリッド状に設けられ、各メモリセル５５
６はビット線５５３およびワード線５５４の交点に付き一つずつ配置される。ビット線５
５３はセンスアンプ５５８と接続される。センスアンプ５５８は、ビット線５５３の電位
をデータとして読み出す機能を有する。
【０３１５】
図１７（Ｂ）より、メモリセル５５６は、トランジスタ５５１と、キャパシタ５５２と、
を有する。また、トランジスタ５５１のゲートはワード線５５４と電気的に接続される。
トランジスタ５５１のソースはビット線５５３と電気的に接続される。トランジスタ５５
１のドレインはキャパシタ５５２の一端と電気的に接続される。キャパシタ５５２の他端
は容量線５５５に電気的に接続される。
【０３１６】
図１７（Ｃ）は、メモリセルの断面構造の一例である。図１７（Ｃ）は、トランジスタ５
５１と、トランジスタ５５１に接続される配線５２４ａおよび配線５２４ｂと、トランジ
スタ５５１、配線５２４ａおよび配線５２４ｂ上に設けられた絶縁膜５２０と、絶縁膜５
２０上に設けられたキャパシタ５５２と、を有する半導体装置の断面図である。
【０３１７】
なお、図１７（Ｃ）では、トランジスタ５５１の一例として図６で示したトランジスタを
適用している。そのため、トランジスタ５５１の各構成のうち、以下で特に説明しないも
のについては、先の実施の形態での説明を参照する。
【０３１８】
絶縁膜５２０は、保護絶縁膜５１８と同様の方法および同様の絶縁膜を用いて設ければよ
い。または、絶縁膜５２０として、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリ
コーン樹脂などの樹脂膜を用いても構わない。
【０３１９】
キャパシタ５５２は、配線５２４ｂと接する電極５２６と、電極５２６と重畳する電極５
２８と、電極５２６および電極５２８に挟まれた絶縁膜５２２と、を有する。
【０３２０】
電極５２６は、アルミニウム、チタン、クロム、コバルト、ニッケル、銅、イットリウム
、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタルおよびタングステンを一種以上含む、単体、
窒化物、酸化物または合金を、単層で、または積層で用いればよい。
【０３２１】
電極５２８は、アルミニウム、チタン、クロム、コバルト、ニッケル、銅、イットリウム
、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタルおよびタングステンを一種以上含む、単体、
窒化物、酸化物または合金を、単層で、または積層で用いればよい。
【０３２２】
絶縁膜５２２は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコ
ン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジル
コニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上
含む絶縁膜を、単層で、または積層で用いればよい。
【０３２３】
なお、図１７（Ｃ）では、トランジスタ５５１とキャパシタ５５２とが、異なる層に設け
られた例を示すが、これに限定されない。例えば、トランジスタ５５１およびキャパシタ
５５２を同一層に設けても構わない。このような構造とすることで、メモリセルの上に同
様の構成のメモリセルを重畳させることができる。メモリセルを何層も重畳させることで
、メモリセル１つ分の面積に多数のメモリセルを集積化することができる。よって、半導
体装置の集積度を高めることができる。なお、本明細書において、ＡがＢに重畳するとは
、Ａの少なくとも一部がＢの少なくとも一部と重なって設けられることをいう。
【０３２４】
ここで、図１７（Ｃ）における配線５２４ａは図１７（Ｂ）におけるビット線５５３と電
気的に接続される。また、図１７（Ｃ）におけるゲート電極５０４は図１７（Ｂ）におけ
るワード線５５４と電気的に接続される。また、図１７（Ｃ）における電極５２８は図１
７（Ｂ）における容量線５５５と電気的に接続される。
【０３２５】
図１７（Ｄ）に示すように、キャパシタ５５２に保持された電圧は、トランジスタ５５１
のリークによって時間が経つと徐々に低減していく。当初Ｖ０からＶ１まで充電された電
圧は、時間が経過するとｄａｔａ１を読み出す限界点であるＶＡまで低減する。この期間
を保持期間Ｔ＿１とする。即ち、２値メモリセルの場合、保持期間Ｔ＿１の間にリフレッ
シュをする必要がある。
【０３２６】
例えば、トランジスタ５５１のオフ電流が十分小さくない場合、キャパシタ５５２に保持
された電圧の時間変化が大きいため、保持期間Ｔ＿１が短くなる。従って、頻繁にリフレ
ッシュをする必要がある。リフレッシュの頻度が高まると、半導体装置の消費電力が高ま
ってしまう。
【０３２７】
本実施の形態では、トランジスタ５５１のオフ電流が極めて小さいため、保持期間Ｔ＿１
を極めて長くすることができる。また、リフレッシュの頻度を少なくすることが可能とな
るため、消費電力を低減することができる。例えば、オフ電流が１×１０−２１Ａから１
×１０−２５Ａであるトランジスタ５５１でメモリセルを構成すると、電力を供給せずに
数日間から数十年間に渡ってデータを保持することが可能となる。
【０３２８】
以上のように、本発明の一態様によって、集積度が高く、消費電力の小さい半導体装置を
得ることができる。
【０３２９】
次に、図１７とは異なる半導体装置について、図１８を用いて説明する。なお、図１８（
Ａ）は半導体装置を構成するメモリセルおよび配線を含む回路図である。また、図１８（
Ｂ）は図１８（Ａ）に示すメモリセルの電気特性を示す図である。また、図１８（Ｃ）は
、図１８（Ａ）に示すメモリセルに相当する断面図の一例である。
【０３３０】
図１８（Ａ）より、メモリセルは、トランジスタ６７１と、トランジスタ６７２と、キャ
パシタ６７３とを有する。ここで、トランジスタ６７１のゲートはワード線６７６と電気
的に接続される。トランジスタ６７１のソースはソース線６７４と電気的に接続される。
トランジスタ６７１のドレインはトランジスタ６７２のゲートおよびキャパシタ６７３の
一端と電気的に接続され、この部分をノード６７９とする。トランジスタ６７２のソース
はソース線６７５と電気的に接続される。トランジスタ６７２のドレインはドレイン線６
７７と電気的に接続される。キャパシタ６７３の他端は容量線６７８と電気的に接続され
る。
【０３３１】
なお、図１８に示す半導体装置は、ノード６７９の電位に応じて、トランジスタ６７２の
見かけ上のしきい値電圧が変動することを利用したものである。例えば、図１８（Ｂ）は
容量線６７８の電圧ＶＣＬと、トランジスタ６７２を流れるドレイン電流Ｉｄ＿２との関
係を説明する図である。
【０３３２】
なお、トランジスタ６７１を介してノード６７９の電位を調整することができる。例えば
、ソース線６７４の電位を電源電位ＶＤＤとする。このとき、ワード線６７６の電位をト
ランジスタ６７１のしきい値電圧Ｖｔｈに電源電位ＶＤＤを加えた電位以上とすることで
、ノード６７９の電位をＨＩＧＨにすることができる。また、ワード線６７６の電位をト
ランジスタ６７１のしきい値電圧Ｖｔｈ以下とすることで、ノード６７９の電位をＬＯＷ
にすることができる。
【０３３３】
そのため、トランジスタ６７２は、ＬＯＷで示したＶＣＬ−Ｉｄ＿２カーブと、ＨＩＧＨ
で示したＶＣＬ−Ｉｄ＿２カーブのいずれかの電気特性となる。即ち、ＬＯＷでは、ＶＣ
Ｌ＝０ＶにてＩｄ＿２が小さいため、データ０となる。また、ＨＩＧＨでは、ＶＣＬ＝０
ＶにてＩｄ＿２が大きいため、データ１となる。このようにして、データを記憶すること
ができる。
【０３３４】
図１８（Ｃ）は、メモリセルの断面構造の一例である。図１８（Ｃ）は、トランジスタ６
７２と、トランジスタ６７２上に設けられた絶縁膜６６８と、絶縁膜６６８上に設けられ
たトランジスタ６７１と、トランジスタ６７１に接続される配線６２４ａおよび配線６２
４ｂと、トランジスタ６７１、配線６２４ａおよび配線６２４ｂ上に設けられた絶縁膜６
２０と、絶縁膜６２０上に設けられたキャパシタ６７３と、を有する半導体装置の断面図
である。
【０３３５】
絶縁膜６２０は、保護絶縁膜１１８と同様の絶縁膜ら選択して用いればよい。または、絶
縁膜６２０として、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂など
の樹脂膜を用いても構わない。
【０３３６】
なお、図１８（Ｃ）では、トランジスタ６７１の一例として図７で示したトランジスタを
適用している。そのため、トランジスタ６７１の各構成のうち、以下で特に説明しないも
のについては、先の実施の形態の説明を参照する。
【０３３７】
なお、本実施の形態では、トランジスタ６７２として、結晶性シリコンを用いたトランジ
スタを適用した場合について説明する。ただし、トランジスタ６７２に、先の実施の形態
で示したトランジスタを適用しても構わない。
【０３３８】
結晶性シリコンを用いたトランジスタは、酸化物半導体膜を用いたトランジスタと比べて
、オン特性を高めやすい利点を有する。従って、高いオン特性の求められるトランジスタ
６７２に好適といえる。
【０３３９】
ここで、トランジスタ６７２は、基板６５０上に設けられた下地絶縁膜６５２と、下地絶
縁膜６５２上に設けられた、結晶シリコン膜６５６と、結晶シリコン膜６５６上に設けら
れたゲート絶縁膜６６２と、ゲート絶縁膜６６２上にあり、結晶シリコン膜６５６と重畳
して設けられたゲート電極６５４と、ゲート電極６５４の側壁に接して設けられた側壁絶
縁膜６６０と、を有する。
【０３４０】
基板６５０は、基板１００と同様の基板から選択して用いればよい。
【０３４１】
下地絶縁膜６５２は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シ
リコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化
ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種
以上含む絶縁膜を、単層で、または積層で用いればよい。または、下地絶縁膜６５２は、
積層膜６０２と同様の積層膜および方法を用いて形成してもよい。
【０３４２】
結晶シリコン膜６５６は、単結晶シリコン膜、多結晶シリコン膜などのシリコン膜を用い
ればよい。
【０３４３】
なお、本実施の形態ではトランジスタ６７２に結晶シリコン膜を用いているが、基板６５
０がシリコンウェハなどの半導体基板の場合、半導体基板内にチャネル領域、ソース領域
およびドレイン領域が設けられたものをトランジスタ６７２としても構わない。
【０３４４】
ゲート絶縁膜６６２は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化
シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸
化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一
種以上含む絶縁膜を、単層で、または積層で用いればよい。
【０３４５】
ゲート電極６５４は、ゲート電極１０４と同様の導電膜から選択して用いればよい。
【０３４６】
側壁絶縁膜６６０は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シ
リコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化
ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種
以上含む絶縁膜を、単層で、または積層で用いればよい。
【０３４７】
絶縁膜６６８は、保護絶縁膜１１８と同様の絶縁膜から選択して用いればよい。または、
絶縁膜６６８として、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂な
どの樹脂膜を用いても構わない。
【０３４８】
絶縁膜６６８および積層膜６０２は、トランジスタ６７２のゲート電極６５４に達する開
口部を有する。トランジスタ６７１のドレイン電極６１６ｂは、当該開口部を介してトラ
ンジスタ６７２のゲート電極６５４と接する。
【０３４９】
キャパシタ６７３は、配線６２４ｂと接する電極６２６と、電極６２６と重畳する電極６
２８と、電極６２６および電極６２８に挟まれた絶縁膜６２２と、を有する。
【０３５０】
電極６２６は、電極５２６と同様の導電膜から選択して用いればよい。
【０３５１】
電極６２８は、電極５２８と同様の導電膜から選択して用いればよい。
【０３５２】
ここで、図１８（Ｃ）における配線６２４ａは図１８（Ａ）におけるソース線６７４と電
気的に接続される。また、図１８（Ｃ）におけるゲート電極６０４は図１８（Ａ）におけ
るワード線６７６と電気的に接続される。また、図１８（Ｃ）における電極６２８は図１
８（Ａ）における容量線６７８と電気的に接続される。
【０３５３】
なお、図１８（Ｃ）では、トランジスタ６７１とキャパシタ６７３とが、異なる層に設け
られた例を示すが、これに限定されない。例えば、トランジスタ６７１およびキャパシタ
６７３を同一層に設けても構わない。このような構造とすることで、メモリセルの上に同
様の構成のメモリセルを重畳させることができる。メモリセルを何層も重畳させることで
、メモリセル１つ分の面積に多数のメモリセルを集積化することができる。よって、半導
体装置の集積度を高めることができる。
【０３５４】
ここで、トランジスタ６７１として、先の実施の形態で示した酸化物半導体膜を用いたト
ランジスタを適用すると、当該トランジスタは極めてオフ電流が小さいため、ノード６７
９に蓄積された電荷がトランジスタ６７１を介してリークすることを抑制できる。そのた
め、長期間に渡ってデータを保持することができる。また、フラッシュメモリと比較して
、書き込み時に高い電圧が不要であるため、消費電力を小さく、動作速度を速くすること
ができる。
【０３５５】
以上のように、本発明の一態様によって、集積度が高く、消費電力の小さい記憶素子を有
する半導体装置を得ることができる。
【０３５６】
本実施の形態は、他の実施の形態の一部または全部について、変更、追加、修正、削除、
応用、上位概念化、又は、下位概念化したものに相当する。したがって、本実施の形態の
一部または全部について、他の実施の形態の一部または全部と自由に組み合わせることや
、適用することや、置き換えて実施することができる。
【０３５７】
（実施の形態４）
先の実施の形態に示したトランジスタまたは半導体装置を少なくとも一部に用いてＣＰＵ
（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）を構成することができる。
【０３５８】
図１９（Ａ）は、ＣＰＵの具体的な構成を示すブロック図である。図１９（Ａ）に示すＣ
ＰＵは、基板１１９０上に、演算論理装置（ＡＬＵ：Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ  ｌｏｇｉｃ
ｕｎｉｔ）１１９１、ＡＬＵコントローラ１１９２、インストラクションデコーダ１１
９３、インタラプトコントローラ１１９４、タイミングコントローラ１１９５、レジスタ
１１９６、レジスタコントローラ１１９７、バスインターフェース（Ｂｕｓ  Ｉ／Ｆ）１
１９８、書き換え可能なＲＯＭ１１９９、およびＲＯＭインターフェース（ＲＯＭ  Ｉ／
Ｆ）１１８９を有している。基板１１９０は、半導体基板、ＳＯＩ基板、ガラス基板など
を用いる。ＲＯＭ１１９９およびＲＯＭインターフェース１１８９は、別チップに設けて
もよい。もちろん、図１９（Ａ）に示すＣＰＵは、その構成を簡略化して示した一例にす
ぎず、実際のＣＰＵはその用途によって多種多様な構成を有している。
【０３５９】
バスインターフェース１１９８を介してＣＰＵに入力された命令は、インストラクション
デコーダ１１９３に入力され、デコードされた後、ＡＬＵコントローラ１１９２、インタ
ラプトコントローラ１１９４、レジスタコントローラ１１９７、タイミングコントローラ
１１９５に入力される。
【０３６０】
ＡＬＵコントローラ１１９２、インタラプトコントローラ１１９４、レジスタコントロー
ラ１１９７、タイミングコントローラ１１９５は、デコードされた命令に基づき、各種制
御を行う。具体的にＡＬＵコントローラ１１９２は、ＡＬＵ１１９１の動作を制御するた
めの信号を生成する。また、インタラプトコントローラ１１９４は、ＣＰＵのプログラム
実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク状
態から判断し、処理する。レジスタコントローラ１１９７は、レジスタ１１９６のアドレ
スを生成し、ＣＰＵの状態に応じてレジスタ１１９６の読み出しや書き込みを行う。
【０３６１】
また、タイミングコントローラ１１９５は、ＡＬＵ１１９１、ＡＬＵコントローラ１１９
２、インストラクションデコーダ１１９３、インタラプトコントローラ１１９４、および
レジスタコントローラ１１９７の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタ
イミングコントローラ１１９５は、基準クロック信号ＣＬＫ１を元に、内部クロック信号
ＣＬＫ２を生成する内部クロック生成部を備えており、クロック信号ＣＬＫ２を上記各種
回路に供給する。
【０３６２】
図１９（Ａ）に示すＣＰＵでは、レジスタ１１９６に、記憶素子が設けられている。レジ
スタ１１９６には、先の実施の形態に示した半導体装置を用いることができる。
【０３６３】
図１９（Ａ）に示すＣＰＵにおいて、レジスタコントローラ１１９７は、ＡＬＵ１１９１
からの指示に従い、レジスタ１１９６における保持動作を行う。即ち、レジスタ１１９６
が有する記憶素子において、フリップフロップによるデータの保持を行うか、キャパシタ
によるデータの保持を行う。フリップフロップによってデータが保持されている場合、レ
ジスタ１１９６内の記憶素子への、電源電圧の供給が行われる。キャパシタによってデー
タが保持されている場合、キャパシタへのデータの書き換えが行われ、レジスタ１１９６
内の記憶素子への電源電圧の供給を停止することができる。
【０３６４】
電源停止に関しては、図１９（Ｂ）または図１９（Ｃ）に示すように、記憶素子群と、電
源電位ＶＤＤまたは電源電位ＶＳＳの与えられているノード間に、スイッチング素子を設
けることにより行うことができる。以下に図１９（Ｂ）および図１９（Ｃ）の回路の説明
を行う。
【０３６５】
図１９（Ｂ）および図１９（Ｃ）では、記憶素子への電源電位の供給を制御するスイッチ
ング素子に先の実施の形態で示したトランジスタを用いた構成の一例を示す。
【０３６６】
図１９（Ｂ）に示す記憶装置は、スイッチング素子１１４１と、記憶素子１１４２を複数
有する記憶素子群１１４３とを有している。具体的に、それぞれの記憶素子１１４２には
、先の実施の形態で示した半導体装置を用いることができる。記憶素子群１１４３が有す
るそれぞれの記憶素子１１４２には、スイッチング素子１１４１を介して、ハイレベルの
電源電位ＶＤＤが与えられている。さらに、記憶素子群１１４３が有するそれぞれの記憶
素子１１４２には、信号ＩＮの電位と、ローレベルの電源電位ＶＳＳの電位が与えられて
いる。
【０３６７】
図１９（Ｂ）では、スイッチング素子１１４１として、先の実施の形態で示したオフ電流
の極めて小さいトランジスタを用いている。当該トランジスタは、そのゲートに与えられ
る信号ＳｉｇＡによりスイッチングが制御される。
【０３６８】
なお、図１９（Ｂ）では、スイッチング素子１１４１がトランジスタを一つだけ有する構
成を示しているが、これに限定されず、トランジスタを複数有していてもよい。スイッチ
ング素子１１４１が、スイッチング素子として機能するトランジスタを複数有している場
合、上記複数のトランジスタは並列に接続されていてもよいし、直列に接続されていても
よいし、直列と並列が組み合わされて接続されていてもよい。
【０３６９】
また、図１９（Ｃ）には、記憶素子群１１４３が有するそれぞれの記憶素子１１４２に、
スイッチング素子１１４１を介して、ローレベルの電源電位ＶＳＳが与えられている、記
憶装置の一例を示す。スイッチング素子１１４１により、記憶素子群１１４３が有するそ
れぞれの記憶素子１１４２への、ローレベルの電源電位ＶＳＳの供給を制御することがで
きる。
【０３７０】
記憶素子群と、電源電位ＶＤＤまたは電源電位ＶＳＳの与えられているノード間に、スイ
ッチング素子を設け、一時的にＣＰＵの動作を停止し、電源電圧の供給を停止した場合に
おいてもデータを保持することが可能であり、消費電力の低減を行うことができる。例え
ば、パーソナルコンピュータのユーザーが、キーボードなどの入力装置への情報の入力を
停止している間でも、ＣＰＵの動作を停止することができ、それにより消費電力を低減す
ることができる。
【０３７１】
ここでは、ＣＰＵを例に挙げて説明したが、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐ
ｒｏｃｅｓｓｏｒ）、カスタムＬＳＩ、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌ
ｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）などのＬＳＩにも応用可能である。
【０３７２】
本実施の形態は、他の実施の形態の一部または全部について、変更、追加、修正、削除、
応用、上位概念化、又は、下位概念化したものに相当する。したがって、本実施の形態の
一部または全部について、他の実施の形態の一部または全部と自由に組み合わせることや
、適用することや、置き換えて実施することができる。
【０３７３】
（実施の形態５）
本実施の形態では、先の実施の形態で示したトランジスタを適用した表示装置について説
明する。
【０３７４】
表示装置に設けられる表示素子としては液晶素子（液晶表示素子ともいう。）、発光素子
（発光表示素子ともいう。）などを用いることができる。発光素子は、電流または電圧に
よって輝度が制御される素子をその範疇に含んでおり、具体的には無機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔ
ｒｏ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）、有機ＥＬなどを含む。また、電子インクなど、電気
的作用によりコントラストが変化する表示媒体も表示素子として適用することができる。
本実施の形態では、表示装置の一例としてＥＬ素子を用いた表示装置および液晶素子を用
いた表示装置について説明する。
【０３７５】
なお、本実施の形態における表示装置は、表示素子が封止された状態にあるパネルと、該
パネルにコントローラを含むＩＣなどを実装した状態にあるモジュールとを含む。
【０３７６】
また、本実施の形態における表示装置は画像表示デバイス、表示デバイス、または光源（
照明装置含む）を指す。また、コネクター、例えばＦＰＣ、ＴＣＰが取り付けられたモジ
ュール、ＴＣＰの先にプリント配線板が設けられたモジュールまたは表示素子にＣＯＧ方
式によりＩＣ（集積回路）が直接実装されたモジュールも全て表示装置に含むものとする
。
【０３７７】
図２０（Ａ）は、ＥＬ素子を用いた表示装置の回路図の一例である。
【０３７８】
図２０（Ａ）に示す表示装置は、スイッチ素子７４３と、トランジスタ７４１と、キャパ
シタ７４２と、発光素子７１９と、を有する。
【０３７９】
トランジスタ７４１のゲートはスイッチ素子７４３の一端およびキャパシタ７４２の一端
と電気的に接続される。トランジスタ７４１のソースは発光素子７１９の一端と電気的に
接続される。トランジスタ７４１のドレインはキャパシタ７４２の他端と電気的に接続さ
れ、電源電位ＶＤＤが与えられる。スイッチ素子７４３の他端は信号線７４４と電気的に
接続される。発光素子７１９の他端は定電位が与えられる。なお、定電位は接地電位ＧＮ
Ｄまたはそれより小さい電位とする。
【０３８０】
なお、トランジスタ７４１は、先の実施の形態で示したトランジスタを用いる。当該トラ
ンジスタは、安定した電気特性を有する。そのため、表示品位の安定した表示装置とする
ことができる。
【０３８１】
スイッチ素子７４３としては、トランジスタを用いると好ましい。トランジスタを用いる
ことで、画素の面積を小さくでき、解像度の高い表示装置とすることができる。また、ス
イッチ素子７４３として、先の実施の形態で示したトランジスタを用いてもよい。スイッ
チ素子７４３として先の実施の形態で示したトランジスタを用いることで、トランジスタ
７４１と同一工程によってスイッチ素子７４３を作製することができ、表示装置の生産性
を高めることができる。
【０３８２】
図２０（Ｂ）に、トランジスタ７４１、キャパシタ７４２および発光素子７１９を含めた
画素の断面の一部を示す。
【０３８３】
なお、図２０（Ｂ）は、トランジスタ７４１とキャパシタ７４２とが、同一平面に設けら
れた例を示す。このような構造とすることで、キャパシタ７４２をトランジスタ７４１の
ゲート電極、ゲート絶縁膜およびソース電極（ドレイン電極）と同一層かつ同一膜を用い
て作製することができる。このように、トランジスタ７４１とキャパシタ７４２とを同一
平面に設けることにより、表示装置の作製工程を短縮化し、生産性を高めることができる
。
【０３８４】
図２０（Ｂ）では、トランジスタ７４１として、図２に示したトランジスタを適用した例
を示す。そのため、トランジスタ７４１の各構成のうち、以下で特に説明しないものにつ
いては、先の実施の形態の説明を参照する。
【０３８５】
トランジスタ７４１およびキャパシタ７４２上には、絶縁膜７２０が設けられる。
【０３８６】
ここで、絶縁膜７２０および保護絶縁膜１１８には、トランジスタ７４１のソース電極１
１６ａに達する開口部が設けられる。
【０３８７】
絶縁膜７２０上には、電極７８１が設けられる。電極７８１は、絶縁膜７２０および保護
絶縁膜１１８に設けられた開口部を介してトランジスタ７４１のソース電極１１６ａと接
する。
【０３８８】
電極７８１上には、電極７８１に達する開口部を有する隔壁７８４が設けられる。
【０３８９】
隔壁７８４上には、隔壁７８４に設けられた開口部で電極７８１と接する発光層７８２が
設けられる。
【０３９０】
発光層７８２上には、電極７８３が設けられる。
【０３９１】
電極７８１、発光層７８２および電極７８３の重畳する領域が、発光素子７１９となる。
【０３９２】
なお、絶縁膜７２０は、保護絶縁膜１１８と同様の絶縁膜から選択して用いればよい。ま
たは、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などの樹脂膜を用
いても構わない。
【０３９３】
発光層７８２は、一層に限定されず、複数種の発光材料などを積層して設けてもよい。例
えば、図２０（Ｃ）に示すような構造とすればよい。図２０（Ｃ）は、中間層７８５ａ、
発光層７８６ａ、中間層７８５ｂ、発光層７８６ｂ、中間層７８５ｃ、発光層７８６ｃお
よび中間層７８５ｄの順番で積層した構造である。このとき、発光層７８６ａ、発光層７
８６ｂおよび発光層７８６ｃに適切な発光色の材料を用いると演色性の高い、または発光
効率の高い、発光素子７１９を形成することができる。
【０３９４】
発光材料を複数種積層して設けることで、白色光を得てもよい。図２０（Ｂ）には示さな
いが、白色光を着色層を介して取り出す構造としても構わない。
【０３９５】
ここでは発光層を３層および中間層を４層設けた構造を示しているが、これに限定される
ものではなく、適宜発光層の数および中間層の数を変更することができる。例えば、中間
層７８５ａ、発光層７８６ａ、中間層７８５ｂ、発光層７８６ｂおよび中間層７８５ｃの
みで構成することもできる。また、中間層７８５ａ、発光層７８６ａ、中間層７８５ｂ、
発光層７８６ｂ、発光層７８６ｃおよび中間層７８５ｄで構成し、中間層７８５ｃを省い
た構造としても構わない。
【０３９６】
また、中間層は、正孔注入層、正孔輸送層、電子輸送層および電子注入層などを積層構造
で用いることができる。なお、中間層は、これらの層を全て備えなくてもよい。これらの
層は適宜選択して設ければよい。なお、同様の機能を有する層を重複して設けてもよい。
また、中間層としてキャリア発生層のほか、電子リレー層などを適宜加えてもよい。
【０３９７】
電極７８１は、可視光透過性を有する導電膜を用いればよい。可視光透過性を有するとは
、可視光領域（例えば４００ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲）における平均の透過率が７０
％以上、特に８０％以上であることをいう。
【０３９８】
電極７８１としては、例えば、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｗ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｓｎ系酸化物膜、Ｉｎ
−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ系酸化物膜、Ｚｎ系酸化物膜およびＳｎ系酸化物膜などの酸化物
膜を用いればよい。また、前述の酸化物膜は、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｂ、Ｆなどが微量添加され
てもよい。また、光を透過する程度の金属薄膜（好ましくは、５ｎｍ〜３０ｎｍ程度）を
用いることもできる。例えば５ｎｍの膜厚を有するＡｇ膜、Ｍｇ膜またはＡｇ−Ｍｇ合金
膜を用いてもよい。
【０３９９】
または、電極７８１は、可視光を効率よく反射する膜が好ましい。電極７８１は、例えば
、リチウム、アルミニウム、チタン、マグネシウム、ランタン、銀、シリコンまたはニッ
ケルを含む膜を用いればよい。
【０４００】
電極７８３は、電極７８１として示した膜から選択して用いることができる。ただし、電
極７８１が可視光透過性を有する場合は、電極７８３が可視光を効率よく反射すると好ま
しい。また、電極７８１が可視光を効率よく反射する場合は、電極７８３が可視光透過性
を有すると好ましい。
【０４０１】
なお、電極７８１および電極７８３を図２０（Ｂ）に示す構造で設けているが、電極７８
１と電極７８３を入れ替えても構わない。アノードとして機能する電極には、仕事関数の
大きい導電膜を用いることが好ましく、カソードとして機能する電極には仕事関数の小さ
い導電膜を用いることが好ましい。ただし、アノードと接してキャリア発生層を設ける場
合には、仕事関数を考慮せずに様々な導電膜を陽極に用いることができる。
【０４０２】
隔壁７８４は、保護絶縁膜１１８と同様の絶縁膜から選択して用いればよい。または、ポ
リイミド樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などの樹脂膜を用いても構
わない。
【０４０３】
発光素子７１９と接続するトランジスタ７４１は、安定した電気特性を有する。そのため
、表示品位の安定した表示装置を提供することができる。
【０４０４】
次に、液晶素子を用いた表示装置について説明する。
【０４０５】
図２１（Ａ）は、液晶素子を用いた表示装置の画素の構成例を示す回路図である。図２１
（Ａ）に示す画素７５０は、トランジスタ７５１と、キャパシタ７５２と、一対の電極間
に液晶の充填された素子（以下液晶素子ともいう）７５３とを有する。
【０４０６】
トランジスタ７５１では、ソースおよびドレインの一方が信号線７５５に電気的に接続さ
れ、ゲートが走査線７５４に電気的に接続されている。
【０４０７】
キャパシタ７５２では、一方の電極がトランジスタ７５１のソースおよびドレインの他方
に電気的に接続され、他方の電極が共通電位を供給する配線に電気的に接続されている。
【０４０８】
液晶素子７５３では、一方の電極がトランジスタ７５１のソースおよびドレインの他方に
電気的に接続され、他方の電極が共通電位を供給する配線に電気的に接続されている。な
お、上述のキャパシタ７５２の他方の電極が電気的に接続する配線に与えられる共通電位
と、液晶素子７５３の他方の電極に与えられる共通電位とが異なる電位であってもよい。
【０４０９】
図２１（Ｂ）に、画素７５０の断面の一部を示す。
【０４１０】
図２１（Ｂ）には、トランジスタ７５１とキャパシタ７５２とが、同一平面に設けられた
例を示す。このような構造とすることで、キャパシタ７５２をトランジスタ７５１のゲー
ト電極、ゲート絶縁膜およびソース電極（ドレイン電極）と同一層かつ同一膜を用いて作
製することができる。このように、トランジスタ７５１とキャパシタ７５２とを同一平面
に設けることにより、表示装置の作製工程を短縮化し、生産性を高めることができる。
【０４１１】
トランジスタ７５１としては、先の実施の形態で示したトランジスタを適用することがで
きる。図２１（Ｂ）においては、図２に示したトランジスタを適用した例を示す。そのた
め、トランジスタ７５１の各構成のうち、以下で特に説明しないものについては、先の実
施の形態の説明を参照する。
【０４１２】
なお、トランジスタ７５１は極めてオフ電流の小さいトランジスタである。従って、キャ
パシタ７５２に保持された電荷がリークしにくく、長期間に渡って液晶素子７５３に印加
される電圧を維持することができる。そのため、動きの少ない動画や静止画の表示の際に
、トランジスタ７５１をオフ状態とすることで、トランジスタ７５１の動作のための電極
が不要となり、消費電力の小さい表示装置とすることができる。
【０４１３】
トランジスタ７５１およびキャパシタ７５２上には、絶縁膜７２１が設けられる。
【０４１４】
ここで、絶縁膜７２１および保護絶縁膜１１８には、トランジスタ７５１のドレイン電極
１１６ｂに達する開口部が設けられる。
【０４１５】
絶縁膜７２１上には、電極７９１が設けられる。電極７９１は、絶縁膜７２１および保護
絶縁膜１１８に設けられた開口部を介してトランジスタ７５１のドレイン電極１１６ｂと
接する。
【０４１６】
電極７９１上には、配向膜として機能する絶縁膜７９２が設けられる。
【０４１７】
絶縁膜７９２上には、液晶層７９３が設けられる。
【０４１８】
液晶層７９３上には、配向膜として機能する絶縁膜７９４が設けられる。
【０４１９】
絶縁膜７９４上には、スペーサ７９５が設けられる。
【０４２０】
スペーサ７９５および絶縁膜７９４上には、電極７９６が設けられる。
【０４２１】
電極７９６上には、基板７９７が設けられる。
【０４２２】
なお、絶縁膜７２１は、保護絶縁膜１１８と同様の絶縁膜から選択して用いればよい。ま
たは、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などの樹脂膜を用
いても構わない。
【０４２３】
液晶層７９３は、サーモトロピック液晶、低分子液晶、高分子液晶、高分子分散型液晶、
強誘電性液晶、反強誘電性液晶などを用いればよい。これらの液晶は、条件により、コレ
ステリック相、スメクチック相、キュービック相、カイラルネマチック相、等方相などを
示す。
【０４２４】
なお、液晶層７９３として、ブルー相を示す液晶を用いてもよい。その場合、配向膜とし
て機能する絶縁膜７９２および絶縁膜７９４を設けない構成とすればよい。
【０４２５】
電極７９１は、可視光透過性を有する導電膜を用いればよい。
【０４２６】
電極７９１としては、例えば、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｗ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｓｎ系酸化物膜、Ｉｎ
−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ系酸化物膜、Ｚｎ系酸化物膜およびＳｎ系酸化物膜などの酸化物
膜を用いればよい。また、前述の酸化物膜は、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｂ、Ｆなどが微量添加され
てもよい。また、光を透過する程度の金属薄膜（好ましくは、５ｎｍ〜３０ｎｍ程度）を
用いることもできる。
【０４２７】
または、電極７９１は、可視光を効率よく反射する膜が好ましい。電極７９１は、例えば
、アルミニウム、チタン、クロム、銅、モリブデン、銀、タンタルまたはタングステンを
含む膜を用いればよい。
【０４２８】
電極７９６は、電極７９１として示した膜から選択して用いることができる。ただし、電
極７９１が可視光透過性を有する場合は、電極７９６が可視光を効率よく反射すると好ま
しい。また、電極７９１が可視光を効率よく反射する場合は、電極７９６が可視光透過性
を有すると好ましい。
【０４２９】
なお、電極７９１および電極７９６を図２１（Ｂ）に示す構造で設けているが、電極７９
１と電極７９６を入れ替えても構わない。
【０４３０】
絶縁膜７９２および絶縁膜７９４は、有機化合物または無機化合物から選択して用いれば
よい。
【０４３１】
スペーサ７９５は、有機化合物または無機化合物から選択して用いればよい。
なお、スペーサ７９５の形状は、柱状、球状など様々にとることができる。
【０４３２】
電極７９１、絶縁膜７９２、液晶層７９３、絶縁膜７９４および電極７９６の重畳する領
域が、液晶素子７５３となる。
【０４３３】
基板７９７は、ガラス、樹脂または金属などを用いればよい。基板７９７は可とう性を有
してもよい。
【０４３４】
液晶素子７５３と接続するトランジスタ７５１は、安定した電気特性を有する。そのため
、表示品位の安定した表示装置を提供することができる。また、極めてオフ電流の小さい
トランジスタ７５１を用いることで、消費電力の小さい表示装置を提供することができる
。
【０４３５】
本実施の形態は、他の実施の形態の一部または全部について、変更、追加、修正、削除、
応用、上位概念化、又は、下位概念化したものに相当する。したがって、本実施の形態の
一部または全部について、他の実施の形態の一部または全部と自由に組み合わせることや
、適用することや、置き換えて実施することができる。
【０４３６】
（実施の形態６）
本実施の形態では、先の実施の形態で示した半導体装置を適用した電子機器の例について
説明する。
【０４３７】
図２２（Ａ）は携帯型情報端末である。図２２（Ａ）に示す携帯型情報端末は、筐体９３
００と、ボタン９３０１と、マイクロフォン９３０２と、表示部９３０３と、スピーカ９
３０４と、カメラ９３０５と、を具備し、携帯型電話機としての機能を有する。本発明の
一形態は、本体内部にある演算装置、無線回路または記憶回路に本発明の一形態を適用す
ることができる。または、本発明の一態様は表示部９３０３に適用することができる。
【０４３８】
図２２（Ｂ）は、ディスプレイである。図２２（Ｂ）に示すディスプレイは、筐体９３１
０と、表示部９３１１と、を具備する。本発明の一形態は、本体内部にある演算装置、無
線回路または記憶回路に適用することができる。または、本発明の一態様は表示部９３１
１に適用することができる。
【０４３９】
図２２（Ｃ）は、デジタルスチルカメラである。図２２（Ｃ）に示すデジタルスチルカメ
ラは、筐体９３２０と、ボタン９３２１と、マイクロフォン９３２２と、表示部９３２３
と、を具備する。本発明の一形態は、本体内部にある演算装置、無線回路または記憶回路
に適用することができる。または、本発明の一態様は表示部９３２３に適用することがで
きる。
【０４４０】
図２２（Ｄ）は２つ折り可能な携帯情報端末である。図２２（Ｄ）に示す２つ折り可能な
携帯情報端末は、筐体９６３０、表示部９６３１ａ、表示部９６３１ｂ、留め具９６３３
、操作スイッチ９６３８、を有する。本発明の一形態は、本体内部にある演算装置、無線
回路または記憶回路に適用することができる。または、本発明の一態様は表示部９６３１
ａおよび表示部９６３１ｂに適用することができる。
【０４４１】
なお、表示部９６３１ａまたは／および表示部９６３１ｂは、一部または全部をタッチパ
ネルとすることができ、表示された操作キーに触れることでデータ入力などを行うことが
できる。
【０４４２】
本発明の一態様に係る半導体装置を用いることで、動作が安定であり、消費電力が小さい
電子機器を提供することができる。
【０４４３】
本実施の形態は、他の実施の形態の一部または全部について、変更、追加、修正、削除、
応用、上位概念化、又は、下位概念化したものに相当する。したがって、本実施の形態の
一部または全部について、他の実施の形態の一部または全部と自由に組み合わせることや
、適用することや、置き換えて実施することができる。
【０４４４】
なお、本明細書等においては、ある一つの実施の形態において述べる図または文章におい
て、その一部分を取り出して、発明の一態様を構成することは可能である。したがって、
ある部分を述べる図または文章が記載されている場合、その一部分の図または文章を取り
出した内容も、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成する
ことが可能であるものとする。そのため、例えば、能動素子（トランジスタ、ダイオード
など）、配線、受動素子（容量素子、抵抗素子など）、導電層、絶縁層、半導体層、有機
材料、無機材料、部品、装置、動作方法、製造方法などが単数又は複数記載された図面ま
たは文章において、その一部分を取り出して、発明の一態様を構成することが可能である
ものとする。例えば、Ｎ個（Ｎは整数）の回路素子（トランジスタ、容量素子等）を有し
て構成される回路図から、Ｍ個（Ｍは整数で、Ｍ＜Ｎ）の回路素子（トランジスタ、容量
素子等）を抜き出して、発明の一態様を構成することは可能である。別の例としては、Ｎ
個（Ｎは整数）の層を有して構成される断面図から、Ｍ個（Ｍは整数で、Ｍ＜Ｎ）の層を
抜き出して、発明の一態様を構成することは可能である。さらに別の例としては、Ｎ個（
Ｎは整数）の要素を有して構成されるフローチャートから、Ｍ個（Ｍは整数で、Ｍ＜Ｎ）
の要素を抜き出して、発明の一態様を構成することは可能である。
【０４４５】
なお、本明細書等においては、ある一つの実施の形態において述べる図または文章におい
て、少なくとも一つの具体例が記載される場合、その具体例の上位概念を導き出すことは
、当業者であれば容易に理解される。したがって、ある一つの実施の形態において述べる
図または文章において、少なくとも一つの具体例が記載される場合、その具体例の上位概
念も、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可
能である。
【０４４６】
なお、本明細書等においては、少なくとも図に記載した内容（図の中の一部でもよい）は
、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能で
ある。したがって、ある内容について、図に記載されていれば、文章を用いて述べていな
くても、その内容は、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構
成することが可能である。同様に、図の一部を取り出した図についても、発明の一態様と
して開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。
【符号の説明】
【０４４７】
５０    基板
５２    積層膜
５２ａ    酸化物絶縁膜
５２ｂ    金属酸化物膜
５３ａ    酸化物絶縁膜
５３ｂ    金属膜
８０    イオン
１００    基板
１０２    積層膜
１０２ａ    酸化物絶縁膜
１０２ｂ    金属酸化物膜
１０３ａ    酸化物絶縁膜
１０３ｂ    金属膜
１０４    ゲート電極
１０６    酸化物半導体膜
１１２    ゲート絶縁膜
１１４    ゲート電極
１１６ａ    ソース電極
１１６ｂ    ドレイン電極
１１８    保護絶縁膜
１３０    イオン
２００    基板
２０２    積層膜
２０２ａ    酸化物絶縁膜
２０２ｂ    金属酸化物膜
２０３ａ    酸化物絶縁膜
２０３ｂ    金属膜
２０４    ゲート電極
２０６    酸化物半導体膜
２１２    ゲート絶縁膜
２１４    ゲート電極
２１６ａ    ソース電極
２１６ｂ    ドレイン電極
２１８    保護絶縁膜
２３０    イオン
３００    基板
３０２    積層膜
３０２ａ    酸化物絶縁膜
３０２ｂ    金属酸化物膜
３０３ａ    酸化物絶縁膜
３０３ｂ    金属膜
３０４    ゲート電極
３０６    酸化物半導体膜
３１２    ゲート絶縁膜
３１６ａ    ソース電極
３１６ｂ    ドレイン電極
３３０    イオン
４００    基板
４０２    積層膜
４０２ａ    酸化物絶縁膜
４０２ｂ    金属酸化物膜
４０３ａ    酸化物絶縁膜
４０３ｂ    金属膜
４０４    ゲート電極
４０６    酸化物半導体膜
４１２    ゲート絶縁膜
４１６ａ    ソース電極
４１６ｂ    ドレイン電極
４３０    イオン
５００    基板
５０２    積層膜
５０２ａ    酸化物絶縁膜
５０２ｂ    金属酸化物膜
５０３ａ    酸化物絶縁膜
５０３ｂ    金属膜
５０４    ゲート電極
５０６    酸化物半導体膜
５１２    ゲート絶縁膜
５１８    保護絶縁膜
５２０    絶縁膜
５２２    絶縁膜
５２４ａ    配線
５２４ｂ    配線
５２６    電極
５２８    電極
５３０    イオン
５５１    トランジスタ
５５２    キャパシタ
５５３    ビット線
５５４    ワード線
５５５    容量線
５５６    メモリセル
５５８    センスアンプ
６００    基板
６０２    積層膜
６０２ａ    酸化物絶縁膜
６０２ｂ    金属酸化物膜
６０３ａ    酸化物絶縁膜
６０３ｂ    金属膜
６０４    ゲート電極
６０５    導電膜
６０６    酸化物半導体膜
６１０    側壁絶縁膜
６１１    側壁絶縁膜
６１２    ゲート絶縁膜
６１６    導電膜
６１６ａ    ソース電極
６１６ｂ    ドレイン電極
６１８    保護絶縁膜
６２０    絶縁膜
６２２    絶縁膜
６２４ａ    配線
６２４ｂ    配線
６２６    電極
６２８    電極
６３０    イオン
６４０    絶縁膜
６４１    絶縁膜
６５０    基板
６５２    下地絶縁膜
６５４    ゲート電極
６５６    結晶シリコン膜
６６０    側壁絶縁膜
６６２    ゲート絶縁膜
６６８    絶縁膜
６７１    トランジスタ
６７２    トランジスタ
６７３    キャパシタ
６７４    ソース線
６７５    ソース線
６７６    ワード線
６７７    ドレイン線
６７８    容量線
６７９    ノード
７１９    発光素子
７２０    絶縁膜
７２１    絶縁膜
７４１    トランジスタ
７４２    キャパシタ
７４３    スイッチ素子
７４４    信号線
７５０    画素
７５１    トランジスタ
７５２    キャパシタ
７５３    液晶素子
７５４    走査線
７５５    信号線
７８１    電極
７８２    発光層
７８３    電極
７８４    隔壁
７８５ａ    中間層
７８５ｂ    中間層
７８５ｃ    中間層
７８５ｄ    中間層
７８６ａ    発光層
７８６ｂ    発光層
７８６ｃ    発光層
７９１    電極
７９２    絶縁膜
７９３    液晶層
７９４    絶縁膜
７９５    スペーサ
７９６    電極
７９７    基板
１１４１    スイッチング素子
１１４２    記憶素子
１１４３    記憶素子群
１１８９    ＲＯＭインターフェース
１１９０    基板
１１９１    ＡＬＵ
１１９２    ＡＬＵコントローラ
１１９３    インストラクションデコーダ
１１９４    インタラプトコントローラ
１１９５    タイミングコントローラ
１１９６    レジスタ
１１９７    レジスタコントローラ
１１９８    バスインターフェース
１１９９    ＲＯＭ
９３００    筐体
９３０１    ボタン
９３０２    マイクロフォン
９３０３    表示部
９３０４    スピーカ
９３０５    カメラ
９３１０    筐体
９３１１    表示部
９３２０    筐体
９３２１    ボタン
９３２２    マイクロフォン
９３２３    表示部
９６３０    筐体
９６３１ａ    表示部
９６３１ｂ    表示部
９６３３    留め具
９６３８    操作スイッチ
【図１】
2018056590.tif 000005
【図２】
2018056590.tif 000006
【図３】
2018056590.tif 000007
【図４】
2018056590.tif 000008
【図５】
2018056590.tif 000009
【図６】
2018056590.tif 000010
【図７】
2018056590.tif 000011
【図８】
2018056590.tif 000012
【図９】
2018056590.tif 000013
【図１０】
2018056590.tif 000014
【図１１】
2018056590.tif 000015
【図１２】
2018056590.tif 000016
【図１３】
2018056590.tif 000017
【図１４】
2018056590.tif 000018
【図１５】
2018056590.tif 000019
【図１６】
2018056590.tif 000020
【図１７】
2018056590.tif 000021
【図１８】
2018056590.tif 000022
【図１９】
2018056590.tif 000023
【図２０】
2018056590.tif 000024
【図２１】
2018056590.tif 000025
【図２２】
2018056590.tif 000026