(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物絶縁表面上に酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層上にソース電極層、ドレイン電極層及びゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層上にゲート電極層と、を有し、
前記酸化物半導体層は、チャネル形成領域、ソース領域及びドレイン領域を有し、
前記ソース電極層は、前記ソース領域上面に接し、
前記ドレイン電極層は、前記ドレイン領域上面に接し、
前記酸化物半導体層は、第１の領域と、第２の領域と、前記第１の領域及び前記第２の領域より膜厚の薄い第３の領域と、を有し、
前記ソース電極層は、前記第１の領域の上面と接し、前記第３の領域の上面と接さず、
前記ドレイン電極層は、前記第２の領域の上面と接し、前記第３の領域の上面と接さず、
前記ゲート絶縁層は、前記第１の領域の側面、前記第２の領域の側面、前記ソース電極層の上面、ドレイン電極層の上面及び前記第３の領域の上面と接し、
前記ゲート電極層は、前記第１の領域及び前記第２の領域と重ならず、
前記ソース領域および前記ドレイン領域は、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ホウ素（Ｂ）、チタン（Ｔｉ）から選択される一以上の元素を有し、
前記酸化物半導体層は、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）及び亜鉛（Ｚｎ）を有し、
前記ゲート絶縁膜は酸化シリコンを有し、
前記ソース領域上および前記ドレイン領域上には、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）から選択される一以上の元素を有する膜を有する、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】
本発明の一形態は、トランジスタ若しくはトランジスタを含んで構成される回路を有す
る半導体装置に関する。例えば、酸化物半導体でチャネル形成領域が形成される、トラン
ジスタ若しくはトランジスタを含んで構成される回路を有する半導体装置に関する。例え
ば、ＬＳＩや、ＣＰＵや、電源回路に搭載されるパワーデバイスや、メモリ、サイリスタ
、コンバータ、イメージセンサなどを含む半導体集積回路、液晶表示パネルに代表される
電気光学装置や発光素子を有する発光表示装置を部品として搭載した電子機器に関する。
【０００２】
なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装
置全般を指し、電気光学装置、半導体回路および電子機器は全て半導体装置である。
【背景技術】
【０００３】
近年、半導体装置の開発が進められ、ＬＳＩやＣＰＵやメモリとして用いられている。
ＣＰＵは、半導体ウェハから切り離された半導体集積回路（少なくともトランジスタ及び
メモリ）を有し、接続端子である電極が形成された半導体素子の集合体である。
【０００４】
ＬＳＩやＣＰＵやメモリなどの半導体回路（ＩＣチップ）は、回路基板、例えばプリン
ト配線板に実装され、様々な電子機器の部品の一つとして用いられる。
【０００５】
また、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いてトランジスタなどを作製する技術が注
目されている。例えば、酸化物半導体として酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用いるトランジスタや
、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍを用いるトランジスタが挙げられる。これらの酸化物半導体
を用いたトランジスタを、透光性を有する基板上に形成し、画像表示装置のスイッチング
素子などに用いる技術が特許文献１、及び特許文献２で開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１２３８６１号公報
【特許文献２】特開２００７−９６０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
Ｎ型のトランジスタを用いる場合、該トランジスタは、ゲート電圧が０Ｖにできるだけ
近い正のしきい値電圧（Ｖｔｈ）でチャネルが形成されることが望ましい。トランジスタ
のしきい値電圧の値がマイナスであると、ゲート電圧が０Ｖでもソース電極とドレイン電
極の間に電流が流れる、所謂ノーマリーオンとなりやすい。ＬＳＩやＣＰＵやメモリにお
いては、回路を構成するトランジスタの電気特性が重要であり、この電気特性が半導体装
置の消費電力を左右する。特に、トランジスタの電気特性のうち、しきい値電圧が重要で
ある。電界効果移動度が高くとも、しきい値電圧の値がマイナスであると、回路として制
御することが困難である。負の電圧状態でもチャネルが形成されてドレイン電流が流れる
トランジスタは、半導体装置の集積回路に用いるトランジスタとしては不向きである。
【０００８】
また、トランジスタの動作の高速化、低消費電力化、高集積化、及び低価格化などを達
成するためには、トランジスタの微細化は必須である。トランジスタを微細化する場合に
は、短チャネル効果の問題が生じる。短チャネル効果とは、トランジスタの微細化（チャ
ネル長の縮小）に伴って顕在化する電気特性の劣化である。短チャネル効果は、ドレイン
の電界の効果がソースにまで及ぶことに起因するものである。短チャネル効果の具体例と
しては、しきい値電圧の低下、Ｓ値の増大、漏れ電流の増大などがある。特に、酸化物半
導体を用いたトランジスタは、ドーピングによるしきい値電圧の制御を適用することが難
しいため、短チャネル効果が現れやすい傾向にある。
【０００９】
また、ソース電極層、及びドレイン電極層と、チャネル形成領域に用いる酸化物半導体
層と、が直接接するトランジスタ構造とすると、コンタクト抵抗が高くなり、オン電流が
抑制されてしまう恐れがある。コンタクト抵抗が高くなる原因は、ソース電極層およびド
レイン電極層と、酸化物半導体層との接触面でショットキー接合が形成されることが要因
の一つと考えられる。
【００１０】
上記問題に鑑み、開示する発明の一態様は、微細化に伴う短チャネル効果を抑制しつつ
、トランジスタの電気特性のしきい値電圧（Ｖｔｈ）をプラスにすることができ、所謂ノ
ーマリーオフを達成した半導体装置、及びその作製方法を提供することを目的の一とする
。また、開示する発明の一態様は、ソース領域、及びドレイン領域と、チャネル形成領域
との間のコンタクト抵抗を低くして良好なオーミックコンタクトがとれる半導体装置、及
びその作製方法を提供することを目的の一とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、半導体装置として、酸化物半導体層を
有するトランジスタにおいて、少なくともチャネル形成領域となる、酸化物半導体層の一
部をエッチングによって部分的に薄くし、そのエッチングによってチャネル形成領域の膜
厚を調節する。また、酸化物半導体層の厚い領域に、リン（Ｐ）、またはホウ素（Ｂ）を
含むドーパントを導入し、ソース領域、及びドレイン領域を酸化物半導体層中に形成する
ことにより、ソース領域、及びドレイン領域と接続するチャネル形成領域とのコンタクト
抵抗を低くする。より詳細には以下の通りである。
【００１２】
本発明の一態様は、酸化物絶縁表面上に酸化物半導体層と、酸化物半導体層上にゲート
絶縁層と、ゲート絶縁層上にゲート電極層と、酸化物半導体層の一部にソース領域、及び
ドレイン領域と、を有し、酸化物半導体層は、ゲート電極層と重なる領域の膜厚がソース
領域、及びドレイン領域が形成される領域の膜厚よりも薄いことを特徴とする半導体装置
である。
【００１３】
上記構成において、酸化物半導体層の薄い領域は、ゲート電極層と重なるチャネル形成
領域を含むことが好ましい。
【００１４】
チャネル形成領域の酸化物半導体層の膜厚を薄くすることで、短チャネル効果を抑制し
つつ、しきい値電圧（Ｖｔｈ）をプラス方向に調整することができる。したがって、ノー
マリーオフの半導体装置を実現することができる。
【００１５】
また、本発明の他の一態様は、酸化物絶縁表面上に酸化物半導体層と、酸化物半導体層
上にゲート絶縁層と、ゲート絶縁層上にゲート電極層と、酸化物半導体層の一部にソース
領域、及びドレイン領域と、を有し、酸化物半導体層は、ゲート電極層と重なる領域の膜
厚がソース領域、及びドレイン領域が形成される領域の膜厚よりも薄く、酸化物半導体層
の薄い領域は、ゲート電極層と重なるチャネル形成領域と、チャネル形成領域と接し、且
つチャネル形成領域よりも抵抗が低い低抵抗領域と、を含み、低抵抗領域は、リンまたは
ホウ素を含むことを特徴とする半導体装置である。
【００１６】
チャネル形成領域と接した低抵抗領域を設けることにより、チャネル形成領域と、ソー
ス領域及びドレイン領域とのコンタクト抵抗を低くすることができる。したがって、トラ
ンジスタの電気特性の一つであるオン特性（例えば、オン電流、及び電界効果移動度）が
高く、高速動作、高速応答が可能となる。
【００１７】
また、本発明の他の一態様は、酸化物絶縁表面上に酸化物半導体層と、酸化物半導体層
上にゲート絶縁層と、ゲート絶縁層上にゲート電極層と、酸化物半導体層の一部にソース
領域、及びドレイン領域と、を有し、酸化物半導体層は、ゲート電極層と重なる領域の膜
厚がソース領域、及びドレイン領域が形成される領域の膜厚よりも薄く、酸化物半導体層
の薄い領域は、ゲート電極層と重なるチャネル形成領域を含み、酸化物半導体層の薄い領
域の端部は、ゲート電極層の端部と等しいことを特徴とする半導体装置である。
【００１８】
なお、本明細書等において、酸化物半導体層の端部とは、トランジスタのチャネル長方
向での位置である。また、酸化物半導体層の薄い領域の端部が、ゲート電極層の端部と等
しいとは、換言すると、チャネル形成領域において、ゲート電極層とソース領域、及びド
レイン領域との、端部が等しい構成である。このような構成とすることで、チャネル形成
領域に効率的に電界を与えることができ、好適である。
【００１９】
上記各構成において、さらにソース領域、及びドレイン領域と接する金属層を有するこ
とが好ましい。また、当該金属層の端部は、酸化物半導体層の厚い領域の端部と等しい、
または、酸化物半導体層の厚い領域の端部よりも内側に形成されてもよい。
【００２０】
ソース領域、及びドレイン領域と接する金属層を設けることにより、ソース領域、及び
ドレイン領域の抵抗をさらに低くすることができる。また、金属層の端部を、酸化物半導
体層の厚い領域の端部よりも内側に形成した場合においては、金属層と、ゲート電極層と
の間の寄生容量を減らすことができる。
【００２１】
また、本発明の他の一態様は、酸化物絶縁表面上に酸化物半導体層を形成し、酸化物半
導体層上にマスクを形成し、マスクを用いて、選択的に酸化物半導体層をエッチングして
一部が薄い領域を形成し、酸化物半導体層を覆ってゲート絶縁層を形成し、ゲート絶縁層
上に酸化物半導体層の薄い領域と重なるゲート電極層を形成することを特徴とする半導体
装置の作製方法である。
【００２２】
このように、ゲート電極層を最後に形成するプロセス、所謂ゲートラストプロセスとす
ることにより、例えば、酸化物半導体層を高温で熱処理等を行う場合、当該熱処理による
ゲート電極層へのダメージを軽減することができる。したがって、ゲート電極層に用いる
ことのできる材料への選択性が広がる。例えば、ゲート電極層として、アルミニウム等の
低融点金属も使用することができる。
【００２３】
また、本発明の他の一態様は、酸化物絶縁表面上に酸化物半導体層を形成し、酸化物半
導体層上にマスクを形成し、マスクを用いて、選択的に酸化物半導体層をエッチングして
一部が薄い領域を形成し、酸化物半導体層を覆ってゲート絶縁層を形成し、ゲート絶縁層
上に酸化物半導体層の薄い領域と重なるゲート電極層を形成し、ゲート電極層をマスクと
して、自己整合的にリンまたはホウ素をゲート絶縁層を通過して酸化物半導体層に導入し
、酸化物半導体層の一部に、ソース領域、及びドレイン領域を形成することを特徴とする
半導体装置の作製方法である。
【００２４】
このようにゲート電極層をマスクとして、リンまたはホウ素を酸化物半導体層に導入す
ることで、酸化物半導体層の一部にチャネル形成領域よりも抵抗の低い、ソース領域、及
びドレイン領域を形成することができる。特に、酸化物半導体層の構成元素として、ガリ
ウムを含む場合においては、ホウ素を用いることが好ましい。ホウ素は、酸化物半導体層
を構成するガリウムと同族（１３族元素）のため、酸化物半導体層中で安定に存在するこ
とができる。
【００２５】
また、本発明の他の一態様は、酸化物絶縁表面上に酸化物半導体層と金属層の積層を形
成し、金属層上にマスクを形成し、マスクを用いて、金属層の一部を除去した後、金属層
をマスクとして、選択的に酸化物半導体層をエッチングして一部が薄い領域を形成し、金
属層、及び酸化物半導体層を覆ってゲート絶縁層を形成し、ゲート絶縁層上に酸化物半導
体層の薄い領域と重なるゲート電極層を形成し、ゲート電極層をマスクとして、自己整合
的にリンまたはホウ素をゲート絶縁層、及び金属層を通過して酸化物半導体層に導入し、
酸化物半導体層の一部に、ソース領域、及びドレイン領域を形成することを特徴とする半
導体装置の作製方法である。
【００２６】
ソース領域、及びドレイン領域と接する金属層を設けることにより、ソース領域、及び
ドレイン領域の抵抗をさらに低くすることができる。また、リン、またはホウ素をゲート
絶縁層、及び金属層を通過して酸化物半導体層に導入した後に、加熱処理などを行うこと
で、酸化物半導体層中に金属層が反応及び／または拡散し、ソース領域、及びドレイン領
域を、さらに低抵抗とすることができる。
【００２７】
また、上記各構成において、ゲート絶縁層を形成した後、ゲート絶縁層を通過して酸化
物半導体層に酸素を導入することが好ましい。
【００２８】
ゲート絶縁層を形成した後、ゲート絶縁層を通過して酸化物半導体層に酸素を導入する
ことにより、酸化物半導体層に酸素を供給することができる。なお、ゲート絶縁層を薄く
すると、ゲート絶縁層に含まれる酸素の含有量が少ないため、ゲート絶縁層から酸化物半
導体層への酸素の供給、及び拡散が不十分となる。したがって、ゲート絶縁層を形成した
後に、酸素を酸化物半導体層に導入するのが好適である。
【発明の効果】
【００２９】
微細化に伴う短チャネル効果を抑制しつつ、トランジスタの電気特性のしきい値電圧（
Ｖｔｈ）をプラスにすることができ、所謂ノーマリーオフを達成した半導体装置、及びそ
の作製方法を提供することができる。
【００３０】
また、ソース領域、及びドレイン領域と、チャネル形成領域との間のコンタクト抵抗を
低くして良好なオーミックコンタクトがとれる半導体装置、及びその作製方法を提供する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】半導体装置の一形態を説明する図。
【図２】半導体装置の作製方法の一形態を説明する図。
【図３】半導体装置の作製方法の一形態を説明する図。
【図４】半導体装置の一形態を説明する図。
【図５】半導体装置の作製方法の一形態を説明する図。
【図６】半導体装置の作製方法の一形態を説明する図。
【図７】半導体装置の一形態を説明する図。
【図８】電子機器を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明
は以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であ
れば容易に理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈
されるものではない。
【００３３】
また、本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に
限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり
、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「
配線」が一体となって形成されている場合なども含む。
【００３４】
また、「ソース」や「ドレイン」の機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合
や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このた
め、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」の用語は、入れ替えて用いることが
できるものとする。
【００３５】
（実施の形態１）
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図１（Ａ）乃至図１（Ｃ）を用いて説明す
る。本実施の形態では、半導体装置の一例として酸化物半導体層を有するトランジスタの
断面図を示す。
【００３６】
図１（Ａ）にトランジスタ１４０、図１（Ｂ）にトランジスタ１５０、及び図１（Ｃ）
にトランジスタ１６０の断面図をそれぞれ示している。なお、トランジスタ１４０、トラ
ンジスタ１５０、及びトランジスタ１６０は、半導体層（本明細書においては、酸化物半
導体層）に対してのゲート電極層の位置と、半導体層に対してのソース領域、及びドレイ
ン領域の位置と、該ソース領域、及びドレイン領域と接する配線層の関係から、トップゲ
ートトップコンタクト型（所謂ＴＧＴＣ型）のトランジスタの構成である。以下に、各ト
ランジスタの構成について、説明を行う。
【００３７】
図１（Ａ）に示すトランジスタ１４０は、基板１０２と、基板１０２上に形成された酸
化物絶縁層１０４と、酸化物絶縁層１０４上に形成され、チャネル形成領域１１８、低抵
抗領域１１６、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂを含む酸化物半導体層１
０６と、ソース領域１１４ａに接して設けられた金属層１０８ａ、及びドレイン領域１１
４ｂに接して設けられた金属層１０８ｂと、酸化物絶縁層１０４、酸化物半導体層１０６
、金属層１０８ａ、及び金属層１０８ｂ上に形成されたゲート絶縁層１１０と、ゲート絶
縁層１１０上に形成されたゲート電極層１１２と、を有している。
【００３８】
なお、酸化物半導体層１０６は、ゲート電極層１１２と重なる領域の膜厚が、ソース領
域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂが形成される領域の膜厚よりも薄い。（以下、便
宜的に酸化物半導体層１０６の薄い領域と、酸化物半導体層１０６の厚い領域と、する。
）また、酸化物半導体層１０６は、一対の低抵抗領域１１６と、一対の低抵抗領域１１６
に挟まれたチャネル形成領域１１８と、一対の低抵抗領域１１６と接して設けられたソー
ス領域１１４ａと、ドレイン領域１１４ｂと、を有する。一対の低抵抗領域１１６は、酸
化物半導体層１０６の薄い領域に形成され、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１１
４ｂは、金属層１０８ａ、及び金属層１０８ｂと、各々接して酸化物半導体層１０６の厚
い領域に形成される。
【００３９】
また、酸化物半導体層１０６の薄い領域は、エッチング処理により形成することができ
る。例えば１５〜３０ｎｍの酸化物半導体層を形成後、エッチング処理により５ｎｍ程度
とすれば良い。このような厚さの酸化物半導体層１０６をチャネル形成領域１１８に用い
ることで、微細化に伴うトランジスタの短チャネル効果が低減されるため、好ましい。ま
た、酸化物半導体層１０６の薄い領域を、エッチング処理により形成し、薄い領域には、
チャネル形成領域１１８を形成し、厚い領域には、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領
域１１４ｂを形成することができる。このような構成とすることで、酸化物半導体層１０
６の薄膜化に伴う、チャネル形成領域１１８と、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域
１１４ｂとのコンタクト抵抗を低くすることができる。
【００４０】
また、酸化物半導体層１０６が有する一対の低抵抗領域１１６、ソース領域１１４ａ、
及びドレイン領域１１４ｂは、チャネル形成領域１１８よりも低抵抗な領域であり、リン
（Ｐ）、またはホウ素（Ｂ）を含む領域である。例えば、ゲート電極層１１２形成後、リ
ン（Ｐ）、またはホウ素（Ｂ）を含むドーパントを酸化物半導体層１０６中に導入する不
純物導入処理を行うことで、自己整合的に形成することができる。なお、ドーパントとは
、酸化物半導体層の抵抗を低くする不純物である。
【００４１】
また、一対の低抵抗領域１１６をチャネル形成領域１１８とソース領域１１４ａ、及び
ドレイン領域１１４ｂの間に設けることで、短チャネル効果によるしきい値電圧のマイナ
スシフトを軽減することができる。
【００４２】
また、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂは、酸化物半導体層１０６と、
金属層１０８ａ、及び金属層１０８ｂと、が接した状態で加熱処理などを行うことにより
、酸化物半導体層１０６中へ当該金属層１０８ａ、及び金属層１０８ｂを反応、及び／ま
たは拡散させることにより、形成することができる。上記、不純物導入処理と合わせて、
金属層１０８ａ、及び金属層１０８ｂを設けることにより、ソース領域１１４ａ、及びド
レイン領域１１４ｂをさらに低抵抗化させることができる。
【００４３】
また、トランジスタ１４０は、ゲート絶縁層１１０、及びゲート電極層１１２上に形成
された保護層１２０と、保護層１２０、ゲート絶縁層１１０、金属層１０８ａ、及び金属
層１０８ｂに設けられた開口部を介して、ソース領域１１４ａと接する配線層１２２ａ、
及びドレイン領域１１４ｂと接する配線層１２２ｂと、を形成してもよい。トランジスタ
１４０上に保護層１２０、配線層１２２ａ、及び配線層１２２ｂを形成することにより、
トランジスタ１４０の集積化を行うことができるので好適である。また、保護層１２０を
設けることにより、トランジスタ１４０の凹凸の低減、またはトランジスタ１４０に侵入
する不純物（例えば、水など）を抑制できるため、好ましい。
【００４４】
次に、図１（Ａ）に示すトランジスタ１４０と異なる形態について、図１（Ｂ）を用い
て説明する。
【００４５】
図１（Ｂ）に示すトランジスタ１５０は、基板１０２と、基板１０２上に形成された酸
化物絶縁層１０４と、酸化物絶縁層１０４上に形成され、チャネル形成領域１１８、ソー
ス領域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂを含む酸化物半導体層１０６と、ソース領域
１１４ａに接して設けられた金属層１０８ａ、及びドレイン領域１１４ｂに接して設けら
れた金属層１０８ｂと、酸化物絶縁層１０４、酸化物半導体層１０６、金属層１０８ａ、
及び金属層１０８ｂ上に形成されたゲート絶縁層１１０と、ゲート絶縁層１１０上に形成
されたゲート電極層１１２と、を有している。
【００４６】
なお、酸化物半導体層１０６は、ゲート電極層１１２と重なる領域の膜厚が、ソース領
域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂが形成される領域の膜厚よりも薄い。また、酸化
物半導体層１０６の薄い領域の端部は、ゲート電極層１１２の端部と等しい。
【００４７】
また、酸化物半導体層１０６が有する、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１１４
ｂは、チャネル形成領域１１８よりも低抵抗な領域であり、例えば、リン（Ｐ）、または
ホウ素（Ｂ）を含む領域である。例えば、ゲート電極層１１２形成後、リン（Ｐ）、また
はホウ素（Ｂ）を含むドーパントを酸化物半導体層１０６中に導入する不純物導入処理を
行うことで、自己整合的に形成することができる。
【００４８】
また、酸化物半導体層１０６の薄い領域は、エッチング処理により形成することができ
る。例えば１５〜３０ｎｍの酸化物半導体層を形成後、エッチング処理により５ｎｍ程度
とすれば良い。このような厚さの酸化物半導体層１０６をチャネル形成領域１１８に用い
ることで、微細化に伴うトランジスタの短チャネル効果が低減されるため、好ましい。ま
た、酸化物半導体層１０６の薄い領域を、エッチング処理により形成し、薄い領域には、
チャネル形成領域１１８を形成し、厚い領域には、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領
域１１４ｂを形成することができる。このような構成とすることで、酸化物半導体層１０
６の薄膜化に伴う、チャネル形成領域１１８と、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域
１１４ｂとのコンタクト抵抗を低くすることができる。
【００４９】
また、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂは、酸化物半導体層１０６と、
金属層１０８ａ、及び金属層１０８ｂと、が接した状態で加熱処理などを行うことにより
、酸化物半導体層１０６中へ当該金属層１０８ａ、及び金属層１０８ｂを反応、及び／ま
たは拡散させることにより、形成することができる。上記、不純物導入処理と合わせて、
金属層１０８ａ、及び金属層１０８ｂを設けることにより、ソース領域１１４ａ、及びド
レイン領域１１４ｂをさらに低抵抗化させることができる。
【００５０】
また、トランジスタ１５０は、ゲート絶縁層１１０、及びゲート電極層１１２上に形成
された保護層１２０と、保護層１２０、ゲート絶縁層１１０、金属層１０８ａ、及び金属
層１０８ｂに設けられた開口部を介して、ソース領域１１４ａと接する配線層１２２ａ、
及びドレイン領域１１４ｂと接する配線層１２２ｂと、を形成してもよい。トランジスタ
１５０上に保護層１２０、配線層１２２ａ、及び配線層１２２ｂを形成することにより、
トランジスタ１５０の集積化を行うことができるので好適である。また、保護層１２０を
設けることにより、トランジスタ１５０の凹凸の低減、またはトランジスタ１５０に侵入
する不純物（例えば、水など）を抑制できるため、好ましい。
【００５１】
なお、図１（Ｂ）に示すトランジスタ１５０と、図１（Ａ）に示すトランジスタ１４０
の異なる構成としては、酸化物半導体層１０６の薄い領域の形状、及び一対の低抵抗領域
１１６の有無である。すなわち、図１（Ａ）に示すトランジスタ１４０においては、酸化
物半導体層１０６の薄い領域には、チャネル形成領域１１８と、一対の低抵抗領域１１６
と、を有しているが、図１（Ｂ）に示すトランジスタ１５０においては、酸化物半導体層
１０６の薄い領域には、チャネル形成領域１１８のみである。また、酸化物半導体層１０
６の薄い領域の端部が、ゲート電極層１１２の端部と等しい。換言すると、チャネル形成
領域１１８において、ゲート電極層１１２とソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１１
４ｂとの、端部が等しい構成である。このような構成とすることで、チャネル形成領域１
１８に効率的に電界を与えることができる。
【００５２】
次に、図１（Ａ）に示すトランジスタ１４０、及び図１（Ｂ）に示すトランジスタ１５
０と異なる形態について、図１（Ｃ）を用いて説明する。
【００５３】
図１（Ｃ）に示すトランジスタ１６０は、基板１０２と、基板１０２上に形成された酸
化物絶縁層１０４と、酸化物絶縁層１０４上に形成され、チャネル形成領域１１８、ソー
ス領域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂを含む酸化物半導体層１０６と、ソース領域
１１４ａに接して設けられた金属層１０８ａ、及びドレイン領域１１４ｂに接して設けら
れた金属層１０８ｂと、酸化物絶縁層１０４、酸化物半導体層１０６、金属層１０８ａ、
及び金属層１０８ｂ上に形成されたゲート絶縁層１１０と、ゲート絶縁層１１０上に形成
されたゲート電極層１１２と、を有している。
【００５４】
なお、酸化物半導体層１０６は、ゲート電極層１１２と重なる領域の膜厚が、ソース領
域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂが形成される領域の膜厚よりも薄い。また、酸化
物半導体層１０６の薄い領域の端部は、ゲート電極層１１２の端部と等しい。また、金属
層１０８ａ、及び金属層１０８ｂは、酸化物半導体層１０６の厚い領域に形成されている
。また、金属層１０８ａの端部、及び金属層１０８ｂの端部は、酸化物半導体層１０６の
厚い領域の端部よりも内側に形成されている。
【００５５】
また、酸化物半導体層１０６が有する、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１１４
ｂは、チャネル形成領域１１８よりも低抵抗な領域であり、例えば、リン（Ｐ）、または
ホウ素（Ｂ）を含む領域である。例えば、ゲート電極層１１２形成後、リン（Ｐ）、また
はホウ素（Ｂ）を含むドーパントを酸化物半導体層１０６中に導入する不純物導入処理を
行うことで、自己整合的に形成することができる。
【００５６】
また、酸化物半導体層１０６の薄い領域は、エッチング処理により形成することができ
る。例えば１５〜３０ｎｍの酸化物半導体層を形成後、エッチング処理により５ｎｍ程度
とすれば良い。このような厚さの酸化物半導体層１０６をチャネル形成領域１１８に用い
ることで、微細化に伴うトランジスタの短チャネル効果が低減されるため、好ましい。ま
た、酸化物半導体層１０６の薄い領域を、エッチング処理により形成し、薄い領域には、
チャネル形成領域１１８を形成し、厚い領域には、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領
域１１４ｂを形成することができる。このような構成とすることで、酸化物半導体層１０
６の薄膜化に伴う、チャネル形成領域１１８と、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域
１１４ｂとのコンタクト抵抗を低くすることができる。
【００５７】
また、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂは、酸化物半導体層１０６と、
金属層１０８ａ、及び金属層１０８ｂと、が接した状態で加熱処理などを行うことにより
、酸化物半導体層１０６中へ当該金属層１０８ａ、及び金属層１０８ｂを反応、及び／ま
たは拡散させることにより、形成することができる。上記、不純物導入処理と合わせて、
金属層１０８ａ、及び金属層１０８ｂを設けることにより、ソース領域１１４ａ、及びド
レイン領域１１４ｂをさらに低抵抗化させることができる。
【００５８】
また、トランジスタ１６０は、ゲート絶縁層１１０、及びゲート電極層１１２上に形成
された保護層１２０と、保護層１２０、ゲート絶縁層１１０、金属層１０８ａ、及び金属
層１０８ｂに設けられた開口部を介して、ソース領域１１４ａと接する配線層１２２ａ、
及びドレイン領域１１４ｂと接する配線層１２２ｂと、を形成してもよい。トランジスタ
１６０上に保護層１２０、配線層１２２ａ、及び配線層１２２ｂを形成することにより、
トランジスタ１６０の集積化を行うことができるので好適である。また、保護層１２０を
設けることにより、トランジスタ１６０の凹凸の低減、またはトランジスタ１６０に侵入
する不純物（例えば、水など）を抑制できるため、好ましい。
【００５９】
なお、図１（Ｃ）に示すトランジスタ１６０と、図１（Ｂ）に示すトランジスタ１５０
の異なる構成としては、酸化物半導体層１０６に対する金属層１０８ａと、金属層１０８
ｂの形状である。トランジスタ１６０においては、金属層１０８ａの端部、及び金属層１
０８ｂの端部は、酸化物半導体層１０６の厚い領域の端部よりも内側に形成されている。
このような構成とすることで、ゲート絶縁層１１０の被覆性を改善することができるので
、効果的である。また、ゲート電極層１１２の形成位置にズレが生じた場合においても、
ゲート電極層１１２と、金属層１０８ａ、及び金属層１０８ｂと重なる可能性が低減され
るので、好適である。また、金属層１０８ａ、及び金属層１０８ｂと、ゲート電極層１１
２との間の寄生容量を減らすことができる。
【００６０】
以上のように、図１（Ａ）乃至図１（Ｃ）に示す半導体装置は、半導体層に酸化物半導
体層を用い、少なくともチャネル形成領域となる、酸化物半導体層の一部をエッチングに
よって部分的に薄くし、そのエッチングによってチャネル形成領域の膜厚が調整された酸
化物半導体層を用いている構成が共通している。チャネル形成領域の酸化物半導体層の膜
厚を薄くすることで、短チャネル効果を抑制しつつ、しきい値電圧（Ｖｔｈ）をプラス方
向に調整することができる。したがって、ノーマリーオフの半導体装置を実現することが
できる。
【００６１】
また、図１（Ａ）乃至図１（Ｃ）に示す半導体装置は、酸化物半導体層の厚い領域に、
リン（Ｐ）、またはホウ素（Ｂ）を含むドーパントを導入し、ソース領域、及びドレイン
領域を酸化物半導体層中に形成することにより、ソース領域、及びドレイン領域と接続す
るチャネル形成領域とのコンタクト抵抗を低くすることができる。したがって、オン電流
の高い半導体装置を実現することができる。
【００６２】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【００６３】
（実施の形態２）
本実施の形態においては、実施の形態１の図１（Ａ）に示したトランジスタ１４０の作
製方法について、図２、及び図３を用いて、詳細に説明を行う。なお、図１で示した符号
については、同様の符号を用い、その繰り返しの説明は省略する。
【００６４】
まず、基板１０２上に酸化物絶縁層１０４を形成し、酸化物絶縁層１０４上に酸化物半
導体膜、及び金属膜を形成する。次に金属膜上の所望の領域にレジストマスク１２４を形
成する（図２（Ａ）参照）。
【００６５】
基板１０２としては、使用することができる材料に大きな制限はないが、少なくとも、
後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、バリウムホ
ウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、セラミック基板、石英基
板、サファイア基板などを用いることができる。また、シリコンや炭化シリコンなどの単
結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、Ｓ
ＯＩ基板などを適用することもでき、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、
基板１０２として用いてもよい。
【００６６】
酸化物絶縁層１０４としては、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により、酸化
シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ハフニウ
ム、酸化ガリウム、窒化酸化シリコン、窒化酸化アルミニウム、又はこれらの混合材料を
用いて形成することができる。本実施の形態では酸化物絶縁層１０４としてスパッタリン
グ法を用いて形成する酸化シリコン膜を用いる。
【００６７】
なお、酸化物絶縁層１０４は、酸化物半導体膜と接するため、膜中（バルク中）に少な
くとも化学量論比を超える量の酸素が存在することが好ましい。例えば、酸化物絶縁層１
０４として、酸化シリコン膜を用いる場合には、ＳｉＯ２＋α（ただし、α＞０）とする
。このような酸化物絶縁層１０４を用いることで、酸化物半導体膜に酸素を供給すること
ができ、酸化物半導体膜へ酸素を供給することにより、膜中の酸素欠損を補填することが
できる。
【００６８】
酸化物半導体膜の形成工程において、酸化物半導体膜に水素、又は水がなるべく含まれ
ないようにするために、酸化物半導体膜の成膜の前処理として、スパッタリング装置の予
備加熱室で酸化物絶縁層１０４が形成された基板１０２を予備加熱し、基板１０２及び酸
化物絶縁層１０４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。
【００６９】
酸化物半導体膜としては、少なくともインジウム（Ｉｎ）あるいは亜鉛（Ｚｎ）を含む
ことが好ましい。特にＩｎとＺｎを含むことが好ましい。また、該酸化物を用いたトラン
ジスタの電気特性のばらつきを減らすためのスタビライザーとして、それらに加えてガリ
ウム（Ｇａ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてスズ（Ｓｎ）を有す
ることが好ましい。また、スタビライザーとしてハフニウム（Ｈｆ）を有することが好ま
しい。また、スタビライザーとしてアルミニウム（Ａｌ）を有することが好ましい。
【００７０】
また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム
（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウ
ム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホ
ルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、
ルテチウム（Ｌｕ）のいずれか一種あるいは複数種を有してもよい。
【００７１】
例えば、酸化物半導体膜として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属の
酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍ
ｇ系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、三元系金
属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯとも表記する）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚ
ｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ
系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系
酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸
化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化
物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物
、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、
Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物
、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａ
ｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物
を用いることができる。
【００７２】
なお、ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分と
して有する酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、Ｉｎと
ＧａとＺｎ以外の金属元素が入っていてもよい。
【００７３】
また、酸化物半導体膜として、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０、且つ、ｍは整数でな
い）で表記される材料を用いてもよい。なお、Ｍは、Ｇａ、Ｆｅ、Ｍｎ及びＣｏから選ば
れた一の金属元素または複数の金属元素を示す。また、酸化物半導体として、Ｉｎ２Ｓｎ
Ｏ５（ＺｎＯ）ｎ（ｎ＞０、且つ、ｎは整数）で表記される材料を用いてもよい。
【００７４】
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）あるいはＩｎ：
Ｇａ：Ｚｎ＝２：２：１（＝２／５：２／５：１／５）の原子比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸
化物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。あるいは、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１
：１：１（＝１／３：１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：３（＝１／３：１
／６：１／２）あるいはＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：５（＝１／４：１／８：５／８）の
原子比のＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。
【００７５】
しかし、これらに限られず、必要とする半導体特性（移動度、しきい値、ばらつき等）
に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とする半導体特性を得るために、
キャリア濃度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間結合距離、密
度等を適切なものとすることが好ましい。
【００７６】
例えば、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物では比較的容易に高い移動度が得られる。しかしな
がら、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物でも、バルク内欠陥密度を下げることにより移動度を上
げることができる。
【００７７】
なお、例えば、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝ａ：ｂ：ｃ（ａ＋ｂ
＋ｃ＝１）である酸化物の組成が、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝Ａ：Ｂ：Ｃ（Ａ＋Ｂ＋
Ｃ＝１）の酸化物の組成の近傍であるとは、ａ、ｂ、ｃが、（ａ−Ａ）２＋（ｂ−Ｂ）２
＋（ｃ−Ｃ）２≦ｒ２を満たすことをいい、ｒは、例えば、０．０５とすればよい。他の
酸化物でも同様である。
【００７８】
酸化物半導体膜は単結晶でも、非単結晶でもよい。後者の場合、アモルファスでも、多
結晶でもよい。また、アモルファス中に結晶性を有する部分を含む構造でも、非アモルフ
ァスでもよい。
【００７９】
アモルファス状態の酸化物半導体膜は、比較的容易に平坦な表面を得ることができるた
め、これを用いてトランジスタを作製した際の界面散乱を低減でき、比較的容易に、比較
的高い移動度を得ることができる。
【００８０】
また、結晶性を有する酸化物半導体膜では、よりバルク内欠陥を低減することができ、
表面の平坦性を高めればアモルファス状態の酸化物半導体膜以上の移動度を得ることがで
きる。表面の平坦性を高めるためには、平坦な表面上に酸化物半導体膜を形成することが
好ましく、具体的には、平均面粗さ（Ｒａ）が１ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下、
より好ましくは０．１ｎｍ以下の表面上に形成するとよい。
【００８１】
なお、Ｒａは、ＪＩＳ  Ｂ０６０１：２００１（ＩＳＯ４２８７：１９９７）で定義さ
れている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、以下の式にて定義される
。
【００８２】
【数１】
0006408644.tif 000002
【００８３】
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，
ｙ１）），（ｘ１，ｙ２，ｆ（ｘ１，ｙ２）），（ｘ２，ｙ１，ｆ（ｘ２，ｙ１）），（
ｘ２，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。Ｒ
ａは原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）にて
測定可能である。
【００８４】
よって、酸化物絶縁層１０４において酸化物半導体膜が接して形成される領域に、平坦
化処理を行ってもよい。平坦化処理としては、特に限定されないが、研磨処理（例えば、
化学的機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭ
Ｐ）法）、ドライエッチング処理、プラズマ処理を用いることができる。
【００８５】
プラズマ処理としては、例えば、アルゴンガスを導入してプラズマを発生させる逆スパ
ッタリングを行うことができる。逆スパッタリングとは、アルゴン雰囲気下で基板側に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。逆スパッタ
リングを行うと、酸化物絶縁層１０４の表面に付着している粉状物質（パーティクル、ご
みともいう）を除去することができる。
【００８６】
平坦化処理として、研磨処理、ドライエッチング処理、プラズマ処理は複数回行っても
よく、それらを組み合わせて行ってもよい。また、組み合わせて行う場合、工程順も特に
限定されず、酸化物絶縁層１０４表面の凹凸状態に合わせて適宜設定すればよい。
【００８７】
酸化物半導体膜として、結晶性を有する酸化物半導体膜（結晶性酸化物半導体膜）を用
いることができる。結晶性酸化物半導体膜における結晶状態は、結晶軸の方向が無秩序な
状態でも、一定の配向性を有する状態であってもよい。
【００８８】
例えば、結晶性酸化物半導体膜として、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅ
ｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜であること
が好ましい。
【００８９】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、完全な単結晶ではなく、完全な非晶質でもない。ＣＡＡＣ−ＯＳ
膜は、非晶質相に結晶部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体膜である。なお、
当該結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。また
、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒ
ｏｓｃｏｐｅ）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
界は明確ではない。また、ＴＥＭによってＣＡＡＣ−ＯＳ膜には粒界（グレインバウンダ
リーともいう）は確認できない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、粒界に起因する電子移
動度の低下が抑制される。
【００９０】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部は、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揃い、かつａｂ面に垂直な方向から見て三
角形状または六角形状の原子配列を有し、ｃ軸に垂直な方向から見て金属原子が層状また
は金属原子と酸素原子とが層状に配列している。なお、異なる結晶部間で、それぞれａ軸
およびｂ軸の向きが異なっていてもよい。本明細書において、単に垂直と記載する場合、
８５°以上９５°以下の範囲も含まれることとする。また、単に平行と記載する場合、−
５°以上５°以下の範囲も含まれることとする。
【００９１】
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、ＣＡ
ＡＣ−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、Ｃ
ＡＡＣ−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。
【００９２】
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。
【００９３】
なお、結晶部のｃ軸の方向は、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となる。結晶部は、成膜することにより、
または成膜後に加熱処理などの結晶化処理を行うことにより形成される。
【００９４】
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
動を低減することが可能である。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。
【００９５】
酸化物半導体膜として、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を適用する場合、該ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を得る
方法としては、３つ挙げられる。１つ目は、成膜温度を２００℃以上５００℃以下として
酸化物半導体膜の成膜を行い、表面に概略垂直にｃ軸配向させる方法である。２つ目は、
膜厚を薄く成膜した後、２００℃以上７００℃以下の加熱処理を行い、表面に概略垂直に
ｃ軸配向させる方法である。３つ目は、一層目の膜厚を薄く成膜した後、２００℃以上７
００℃以下の加熱処理を行い、２層目の成膜を行い、表面に概略垂直にｃ軸配向させる方
法である。
【００９６】
酸化物半導体膜の膜厚は、１ｎｍ以上２００ｎｍ以下（好ましくは１５ｎｍ以上３０ｎ
ｍ以下）とし、スパッタリング法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａ
ｘｙ）法、ＣＶＤ法、パルスレーザ堆積法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐ
ｏｓｉｔｉｏｎ）法等を適宜用いることができる。また、酸化物半導体膜は、スパッタリ
ングターゲット表面に対し、概略垂直に複数の基板表面がセットされた状態で成膜を行う
スパッタ装置（Ｃｏｌｕｍｎａｒ  Ｐｌａｓｍａ  Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ
）を用いて成膜してもよい。
【００９７】
なお、酸化物半導体膜は、成膜時に酸素が多く含まれるような条件（例えば、酸素１０
０％の雰囲気下でスパッタリング法により成膜を行うなど）で成膜して、酸素を多く含む
（好ましくは酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が
過剰な領域が含まれている）膜とすることが好ましい。
【００９８】
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＝１：１：２［ｍｏｌ比］の金属酸化物タ
ーゲットを用い、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ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＝１：１：１［ｍｏｌ比］の金
属酸化物ターゲットを用いてもよい。
【００９９】
また、金属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。
【０１００】
酸化物半導体膜を、成膜する際に用いるスパッタリングガスは水素、水、水酸基又は水
素化物などの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。
【０１０１】
減圧状態に保持された成膜室内に基板を保持する。そして、成膜室内の残留水分を除去
しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入し、上記ターゲットを用いて酸化物
絶縁層１０４上に酸化物半導体膜を成膜する。成膜室内の残留水分を除去するためには、
吸着型の真空ポンプ、例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーション
ポンプを用いることが好ましい。また、排気手段としては、ターボ分子ポンプにコールド
トラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例え
ば、水素原子、水（Ｈ２Ｏ）など水素原子を含む化合物（より好ましくは炭素原子を含む
化合物も）等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物半導体膜に含まれる不純物
の濃度を低減できる。
【０１０２】
また、酸化物絶縁層１０４と酸化物半導体膜とを大気に解放せずに連続的に形成するこ
とが好ましい。酸化物絶縁層１０４と酸化物半導体膜とを大気に曝露せずに連続して形成
すると、酸化物絶縁層１０４表面に水素や水分などの不純物が吸着することを防止するこ
とができる。
【０１０３】
また、酸化物半導体膜に、過剰な水素（水や水酸基を含む）を除去（脱水化または脱水
素化）するための加熱処理を行ってもよい。加熱処理の温度は、３００℃以上７００℃以
下、または基板の歪み点未満とする。加熱処理は減圧下又は窒素雰囲気下などで行うこと
ができる。例えば、加熱処理装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半導体膜に
対して窒素雰囲気下４５０℃において１時間の加熱処理を行う。
【０１０４】
なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または
熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を用いてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ  
Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ  Ｒａｐｉｄ  
Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎ
ｅａｌ）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。
【０１０５】
例えば、加熱処理として、６５０℃〜７００℃の高温に加熱した不活性ガス中に基板を
入れ、数分間加熱した後、基板を不活性ガス中から出すＧＲＴＡを行ってもよい。
【０１０６】
なお、脱水化又は脱水素化のための加熱処理は、酸化物半導体膜の形成後、島状の酸化
物半導体層１０５形成後、金属層１０８ａ、及び金属層１０８ｂの形成後であれば、トラ
ンジスタ１４０の作製工程において、どのタイミングで行ってもよい。
【０１０７】
脱水化又は脱水素化のための加熱処理を、島状の酸化物半導体層１０５に加工される前
に行うと、酸化物絶縁層１０４に含まれる酸素が加熱処理によって放出されるのを防止す
ることができるため好ましい。
【０１０８】
なお、加熱処理においては、窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスに、
水、水素などが含まれないことが好ましい。または、熱処理装置に導入する窒素、または
ヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上好まし
くは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．
１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
【０１０９】
また、加熱処理で酸化物半導体膜を加熱した後、同じ炉に高純度の酸素ガス、高純度の
一酸化二窒素ガス、又は超乾燥エア（ＣＲＤＳ（キャビティリングダウンレーザー分光法
）方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が２０ｐｐｍ（露点換算で−５５℃）以下
、好ましくは１ｐｐｍ以下、より好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）を導入してもよい。
酸素ガスまたは一酸化二窒素ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。または
、熱処理装置に導入する酸素ガスまたは一酸化二窒素ガスの純度を、６Ｎ以上好ましくは
７Ｎ以上（即ち、酸素ガスまたは一酸化二窒素ガス中の不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ま
しくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。酸素ガス又は一酸化二窒素ガスの作用
により、脱水化または脱水素化処理による不純物の排除工程によって同時に減少してしま
った酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素を供給することによって、酸化物半導
体膜を高純度化及び電気的にＩ型（真性）化することができる。
【０１１０】
金属膜としては、例えば、Ｔａ、Ｗ、Ａｌ、Ｍｏから選ばれた元素を含む金属膜、また
は、これらの元素を含む金属窒化膜（窒化タンタル、窒化タングステン、窒化アルミニウ
ム、窒化モリブデン）、または、これらの元素を含む金属酸化膜（酸化タンタル、酸化タ
ングステン、酸化アルミニウム、酸化モリブデン）等を用いることができる。また、これ
らの金属膜、金属窒化膜、及び金属酸化膜を組み合わせて積層させた構成としてもよい。
【０１１１】
なお、金属膜の膜厚としては、のちにドーパントが通過できる膜厚が好ましい。例えば
、好ましくは１ｎｍ以上５０ｎｍ以下、更に好ましくは１ｎｍ以上３０ｎｍ以下とすれば
良い。
【０１１２】
レジストマスク１２４としては、例えば、フォトレジストを用いる。フォトレジストに
はポジ型とネガ型があり、どちらを用いても良い。フォトレジストを用いて、スピンコー
タやスリットコータ等を用いて、０．５μｍ以上５μｍ以下の厚さに形成し、プリベーク
後、使用するフォトレジストが感光する波長の光で露光することで、形成することができ
る。また、レジストマスク１２４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ため好適である。
【０１１３】
次に、レジストマスク１２４をマスクとして、エッチング処理にて金属膜、及び酸化物
半導体膜の不要な領域を除去し、その後、レジストマスク１２４を除去する。レジストマ
スク１２４除去後、島状の酸化物半導体層１０５、及び島状の金属層１０７が形成される
（図２（Ｂ）参照）。
【０１１４】
なお、金属膜、及び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。
【０１１５】
次に、酸化物絶縁層１０４、酸化物半導体層１０５、及び金属層１０７上にレジストマ
スク１２５を形成する（図２（Ｃ）参照）。
【０１１６】
レジストマスク１２５は、レジストマスク１２４と同様な手法、及び材料により形成す
ることができる。
【０１１７】
次に、レジストマスク１２５をマスクとして、エッチング処理にて金属層１０７、及び
酸化物半導体層１０５の不要な領域を除去する。その後、レジストマスク１２５を除去す
る。金属層１０７は、当該エッチング処理にて分離され、金属層１０８ａ、及び金属層１
０８ｂが形成される。また、酸化物半導体層１０５は、レジストマスク１２５、金属層１
０８ａ、及び金属層１０８ｂをマスクとして、当該エッチング処理にて、膜厚の薄い領域
を有した酸化物半導体層１０６が形成される（図２（Ｄ）参照）。
【０１１８】
なお、酸化物半導体層１０６の薄い領域の一部は、後にチャネル形成領域となり、金属
層１０８ａ、及び金属層１０８ｂが接する厚い領域は、ソース領域及びドレイン領域とし
て機能する。酸化物半導体層１０６の薄い領域は、金属層１０８ａ、及び金属層１０８ｂ
が接する厚い領域よりも、少なくとも薄く形成されればよく、好ましくは１ｎｍ以上１０
ｎｍ以下、更に好ましくは１ｎｍ以上５ｎｍ以下とすれば良い。ただし、酸化物半導体層
１０６の薄い領域の膜厚は、この数値に限定されず、酸化物半導体の構成元素、成膜方法
、またはトランジスタのサイズ（Ｌ／Ｗサイズ、Ｌ／Ｗ比など）により、適宜膜厚を調整
することができる。
【０１１９】
次に、酸化物絶縁層１０４、酸化物半導体層１０６、金属層１０８ａ、及び金属層１０
８ｂ上にゲート絶縁層１１０を形成する（図３（Ａ）参照）。
【０１２０】
ゲート絶縁層１１０としては、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法等を用いて形成す
ることができる。例えば、プラズマＣＶＤ法を用い、酸化シリコン、酸化ガリウム、酸化
アルミニウム、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化窒化アルミニウム、または窒化酸
化シリコン等を形成することができる。
【０１２１】
なお、ゲート絶縁層１１０は、酸化物半導体層１０６と接する部分において酸素を含む
ことが好ましい。特に、ゲート絶縁層１１０は、膜中（バルク中）に少なくとも化学量論
比を超える量の酸素が存在することが好ましく、例えば、ゲート絶縁層１１０として、酸
化シリコン膜を用いる場合には、ＳｉＯ２＋α（ただし、α＞０）とする。本実施の形態
では、ゲート絶縁層１１０として、ＳｉＯ２＋α（ただし、α＞０）である酸化シリコン
膜を用いる。この酸化シリコン膜をゲート絶縁層１１０として用いることで、酸化物半導
体層１０６に酸素を供給することができる。
【０１２２】
また、ゲート絶縁層１１０の材料として酸化ハフニウム、酸化イットリウム、ハフニウ
ムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムシリケ
ート（ＨｆＳｉＯｘＮｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、ハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯ
ｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、酸化ランタンなどのｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることでゲートリ
ーク電流を低減できる。さらに、ゲート絶縁層１１０は、単層構造としても良いし、積層
構造としても良い。
【０１２３】
また、ゲート絶縁層１１０の膜厚は、好ましくは１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、更に好ま
しくは、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下とすればよい。ゲート絶縁層１１０の膜厚を薄くするこ
とで、短チャネル効果を抑制することができる。本実施の形態においては、ゲート絶縁層
１１０として、プラズマＣＶＤ法を用い、１５ｎｍの酸化シリコン膜を用いる。
【０１２４】
次に、ゲート絶縁層１１０を介して、酸化物半導体層１０６に酸素１２６を導入する。
（図３（Ａ）参照）。
【０１２５】
なお、酸素１２６を導入する処理については、酸素（少なくとも、酸素ラジカル、酸素
原子、酸素イオン、のいずれかを含む）を導入して酸化物半導体層１０６中に酸素を供給
する。処理方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイ
オンインプランテーション法、プラズマ処理などを用いることができる。
【０１２６】
酸化物半導体層１０６中への酸素供給としては、ゲート絶縁層１１０が含有する酸素を
酸化物半導体層１０６へ供給してもよいが、本実施の形態においては、ゲート絶縁層１１
０の膜厚が１５ｎｍと薄く、ゲート絶縁層が厚い場合（例えば１００ｎｍ以上）と比較し
ゲート絶縁層が含有している酸素量が少ない。よって、酸化物半導体層１０６への酸素供
給能力としては、不十分となる可能性がある。したがって、本実施の形態に示すように、
酸素導入処理を行うことで、酸化物半導体層１０６へ過剰な酸素を供給することができる
。また、ゲート絶縁層１１０を介して酸素導入処理を行うことで、酸化物半導体層１０６
へのダメージを低減させることができるので好適である。
【０１２７】
水素若しくは水分を酸化物半導体層１０６から除去し、不純物が極力含まれないように
高純度化し、酸素を供給して酸素欠損を補填することによりＩ型（真性）の酸化物半導体
層１０６、又はＩ型（真性）に限りなく近い酸化物半導体層１０６とすることができる。
そうすることにより、酸化物半導体層１０６のフェルミ準位（Ｅｆ）を真性フェルミ準位
（Ｅｉ）と同じレベルにまですることができる。よって、酸化物半導体層１０６をトラン
ジスタに用いることで、酸素欠損に起因するトランジスタのしきい値電圧（Ｖｔｈ）のば
らつき、しきい値電圧（Ｖｔｈ）のシフト（ΔＶｔｈ）を低減することができる。
【０１２８】
次に、酸化物半導体層１０６の薄い領域に重畳したゲート絶縁層１１０上に、ゲート電
極層１１２を形成する。ゲート電極層１１２は、ゲート絶縁層１１０上に金属膜を成膜し
、該金属膜を所望の形状にパターニング、及びエッチングを行うことで形成できる（図３
（Ｂ）参照）。
【０１２９】
ゲート電極層１１２としては、プラズマＣＶＤ法またはスパッタリング法等により、モ
リブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、ス
カンジウム等の金属材料、またはこれらを含む合金材料を用いて形成することができる。
また、ゲート電極層１１２は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。
【０１３０】
次に、ゲート電極層１１２をマスクとして、酸化物半導体層１０６にドーパント１２８
を選択的に導入し、ソース領域１１４ａ、ドレイン領域１１４ｂ、及び一対の低抵抗領域
１１６を形成する。なお、ドーパント１２８は、ゲート絶縁層１１０、金属層１０８ａ、
及び金属層１０８ｂを通過させることによって、注入される。
【０１３１】
なお、本実施の形態では、ゲート絶縁層１１０、金属層１０８ａ、及び金属層１０８ｂ
を薄膜とするため、ドーパント１２８は、ゲート絶縁層１１０、金属層１０８ａ、及び金
属層１０８ｂを通過し、酸化物半導体層１０６にもドーパント１２８が導入され、ソース
領域１１４ａ、ドレイン領域１１４ｂ、一対の低抵抗領域１１６が形成される構造を例示
している。なお、一対の低抵抗領域１１６に挟まれた領域は、ゲート電極層１１２がマス
クとなり、ドーパント１２８が導入されず、チャネル形成領域１１８となる。このように
、ゲート電極層１１２をマスクとして、酸化物半導体層１０６にドーパント１２８を選択
的に注入することで、一対の低抵抗領域１１６、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域
１１４ｂは、自己整合的に形成される。なお、図３（Ｃ）において、一対の低抵抗領域１
１６、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂは明確な界面が存在しないため、
全て同一のハッチングで示している。
【０１３２】
ドーパント１２８は、酸化物半導体層１０６の抵抗を低くする不純物である。ドーパン
ト１２８としては、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ホウ素（Ｂ）、ア
ルミニウム（Ａｌ）、窒素（Ｎ）、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ
）、インジウム（Ｉｎ）、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、チタン（Ｔｉ）、及び亜鉛（Ｚ
ｎ）のいずれかから選択される一以上を用いることができる。特に、酸化物半導体層１０
６の構成元素としてガリウム（Ｇａ）を含む場合においては、ホウ素（Ｂ）を用いること
が好ましい。ホウ素（Ｂ）は、酸化物半導体層１０６を構成するガリウム（Ｇａ）と同族
（１３族元素）のため、酸化物半導体層１０６中で安定に存在することができる。
【０１３３】
ドーパント１２８は、注入法により、ゲート絶縁層１１０、金属層１０８ａ、及び金属
層１０８ｂを通過して、酸化物半導体層１０６に導入する。ドーパント１２８の導入方法
としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプラン
テーション法などを用いることができる。その際には、ドーパント１２８の単体のイオン
あるいは水素化物やフッ化物、塩化物のイオンを用いると好ましい。
【０１３４】
ドーパント１２８の導入工程は、加速電圧、ドーズ量などの注入条件、また通過させる
ゲート絶縁層１１０、金属層１０８ａ、及び金属層１０８ｂの膜厚を適宜設定して制御す
ればよい。例えば、ホウ素（Ｂ）を用いて、イオン注入法でホウ素（Ｂ）イオンの注入を
行う場合、加速電圧１５ｋＶ、ドーズ量を１×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上５×１０１
６ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下とすればよい。
【０１３５】
低抵抗領域１１６、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂにおけるドーパン
ト１２８の濃度は、５×１０１８／ｃｍ３以上１×１０２２／ｃｍ３以下であることが好
ましい。また、ドーパント１２８を導入する際に、基板１０２を加熱しながら行ってもよ
い。
【０１３６】
なお、酸化物半導体層１０６にドーパント１２８を導入する処理は、複数回行ってもよ
く、ドーパントの種類も複数種用いてもよい。
【０１３７】
また、ドーパント１２８の導入処理後、加熱処理を行ってもよい。加熱条件としては、
温度３００℃以上７００℃以下、好ましくは３００℃以上４５０℃以下で１時間、酸素雰
囲気下で行うことが好ましい。また、窒素雰囲気下、減圧下、大気（超乾燥エア）下で加
熱処理を行ってもよい。
【０１３８】
酸化物半導体層１０６を結晶性酸化物半導体とした場合、ドーパント１２８の導入によ
り、酸化物半導体層１０６が一部非晶質化する場合がある。この場合、ドーパント１２８
の導入後に加熱処理を行うことによって、酸化物半導体層１０６の結晶性を回復すること
ができる。
【０１３９】
また、当該加熱処理により、酸化物半導体層１０６と、金属層１０８ａ、及び金属層１
０８ｂが接した状態で加熱される。酸化物半導体層１０６と、金属層１０８ａ、及び金属
層１０８ｂが接した状態で加熱された場合、酸化物半導体層１０６中に金属層１０８ａ、
及び金属層１０８ｂが反応及び／または拡散し、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域
１１４ｂを、さらに低抵抗とすることができる。
【０１４０】
このように、酸化物半導体層１０６の薄い領域において、チャネル形成領域１１８を挟
んで、ドーパントを含む一対の低抵抗領域１１６が形成される。また、酸化物半導体層１
０６の厚い領域において、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂを形成するこ
とができる。
【０１４１】
本実施の形態では、ドーパント１２８としてホウ素（Ｂ）を用いたため、低抵抗領域１
１６、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂは、ホウ素（Ｂ）が含まれる。
【０１４２】
以上の工程で、本実施の形態のトランジスタ１４０が作製される（図３（Ｃ）参照）。
【０１４３】
トランジスタ１４０は、チャネル長方向にチャネル形成領域１１８を挟んで一対の低抵
抗領域１１６、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂを含む酸化物半導体層１
０６を有することにより、該トランジスタ１４０はオン特性（例えば、オン電流及び電界
効果移動度）が高く、高速動作、高速応答が可能となる。また、酸化物半導体層１０６は
、ゲート電極層１１２と重なる領域と、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂ
が形成される領域と、で膜厚が異なる。ゲート電極層の重なる領域の酸化物半導体層１０
６の膜厚は、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂが形成される領域の酸化物
半導体層１０６の膜厚よりも薄い。また、酸化物半導体層１０６の薄い領域には、チャネ
ル形成領域１１８が形成される。チャネル形成領域１１８の酸化物半導体層１０６の膜厚
を薄くすることで、しきい値電圧（Ｖｔｈ）をプラス方向に調整することができる。
【０１４４】
次に、ゲート絶縁層１１０、及びゲート電極層１１２上に保護層１２０を形成する。そ
の後、保護層１２０にソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂまで達する開口を
形成し、開口にソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂと各々電気的に接続する
配線層１２２ａ、及び配線層１２２ｂを形成する（図３（Ｄ）参照）。
【０１４５】
保護層１２０として、トランジスタ起因の表面凹凸を低減するために平坦化絶縁膜を形
成してもよい。平坦化絶縁膜としては、ポリイミド、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン
系樹脂等の有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌ
ｏｗ−ｋ材料）や、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、酸化ハフニウム、
酸化アルミニウム等の無機材料を用いることができる。なお、これらの材料で形成される
絶縁膜を複数積層させることで、平坦化絶縁膜を形成してもよい。
【０１４６】
このように本実施の形態に示す酸化物半導体層を有するトランジスタにおいて、高純度
化され、酸素欠損が補填された酸化物半導体層は、水素、水などの不純物が十分に除去さ
れており、酸化物半導体層中の水素濃度は５×１０１９／ｃｍ３以下、好ましくは５×１
０１８／ｃｍ３以下である。なお、酸化物半導体層中の水素濃度は、二次イオン質量分析
法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）で
測定されるものである。
【０１４７】
このような酸化物半導体層中にはキャリアが極めて少なく（ゼロに近い）、キャリア濃
度は１×１０１４／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１２／ｃｍ３未満、さらに好ましく
は１×１０１１／ｃｍ３未満である。
【０１４８】
また、本実施の形態を用いて作製した、高純度化し、酸素欠損を補填する酸素を過剰に
含む酸化物半導体層を用いたトランジスタは、オフ状態における電流値（オフ電流値）を
、チャネル幅１μｍ当たり室温にて１００ｚＡ／μｍ（１ｚＡ（ゼプトアンペア）は１×
１０−２１Ａ）以下、好ましくは１０ｚＡ／μｍ以下、より好ましくは１ｚＡ／μｍ以下
、さらに好ましくは１００ｙＡ／μｍ以下レベルにまで低くすることができる。
【０１４９】
また、本実施の形態を用いて作製したトランジスタは、チャネル長方向にチャネル形成
領域を挟んで一対の低抵抗領域と、ソース領域、及びドレイン領域と、を含む酸化物半導
体層を有することにより、該トランジスタはオン特性（例えば、オン電流及び電界効果移
動度）が高く、高速動作、高速応答が可能となる。また、酸化物半導体層は、ゲート電極
層と重なる領域と、ソース領域、及びドレイン領域が形成される領域と、で膜厚が異なる
。ゲート電極層の重なる領域の酸化物半導体層の膜厚は、ソース領域、及びドレイン領域
が形成される領域の酸化物半導体層の膜厚よりも薄い。また、酸化物半導体層の薄い領域
には、チャネル形成領域が形成される。チャネル形成領域の酸化物半導体層の膜厚を薄く
することで、短チャネル効果を抑制しつつ、しきい値電圧（Ｖｔｈ）をプラス方向に調整
することができる。したがって、ノーマリーオフの半導体装置を実現することができる。
【０１５０】
また、チャネル形成領域は、一対の低抵抗領域の間に設けられる。このような構成とす
ることで、チャネル形成領域に加わる電界を緩和させることができる。また、ソース領域
、及びドレイン領域は、酸化物半導体層中に直接形成され、且つ低抵抗領域を介してチャ
ネル形成領域と接している。このような構成とすることで、チャネル形成領域とソース領
域、及びドレイン領域とのコンタクト抵抗を低くすることができる。
【０１５１】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【０１５２】
（実施の形態３）
本実施の形態では、先の実施の形態１の図１に示したトランジスタ１４０、トランジス
タ１５０、及びトランジスタ１６０と異なる形態について図４を用いて説明する。本実施
の形態では、半導体装置の一例として酸化物半導体層を有するトランジスタの断面図を示
す。なお、図１で示した符号については、同様の符号を用い、その繰り返しの説明は省略
する。
【０１５３】
図４（Ａ）にトランジスタ１７０、及び図４（Ｂ）にトランジスタ１８０の断面図をそ
れぞれ示している。なお、トランジスタ１７０、及びトランジスタ１８０は、半導体層（
本明細書においては、酸化物半導体層）に対してのゲート電極層の位置と、半導体層に対
してのソース領域、及びドレイン領域の位置と、該ソース領域、及びドレイン領域と接す
る配線層の関係から、トップゲートトップコンタクト型（所謂ＴＧＴＣ型）のトランジス
タの構成である。以下に、各トランジスタの構成について、説明を行う。
【０１５４】
図４（Ａ）に示すトランジスタ１７０は、基板１０２と、基板１０２上に形成された酸
化物絶縁層１０４と、酸化物絶縁層１０４上に形成され、チャネル形成領域１１８、低抵
抗領域１１６、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂを含む酸化物半導体層１
０６と、酸化物絶縁層１０４、及び酸化物半導体層１０６上に形成されたゲート絶縁層１
１０と、ゲート絶縁層１１０上に形成されたゲート電極層１１２と、を有している。
【０１５５】
なお、酸化物半導体層１０６は、ゲート電極層１１２と重なる領域の膜厚が、ソース領
域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂが形成される領域の膜厚よりも薄い。また、酸化
物半導体層１０６は、一対の低抵抗領域１１６と、一対の低抵抗領域１１６に挟まれたチ
ャネル形成領域１１８と、一対の低抵抗領域１１６と接して設けられたソース領域１１４
ａと、ドレイン領域１１４ｂと、を有する。一対の低抵抗領域１１６は、酸化物半導体層
１０６の薄い領域に形成され、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂは、酸化
物半導体層１０６の厚い領域に形成される。
【０１５６】
また、酸化物半導体層１０６の薄い領域は、エッチング処理により形成することができ
る。例えば１５〜３０ｎｍの酸化物半導体層を形成後、エッチング処理により５ｎｍ程度
とすれば良い。このような厚さの酸化物半導体層１０６をチャネル形成領域１１８に用い
ることで、微細化に伴うトランジスタの短チャネル効果が低減されるため、好ましい。ま
た、酸化物半導体層１０６の薄い領域を、エッチング処理により形成し、薄い領域には、
チャネル形成領域１１８を形成し、厚い領域には、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領
域１１４ｂを形成することができる。このような構成とすることで、酸化物半導体層１０
６の薄膜化に伴う、チャネル形成領域１１８と、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域
１１４ｂとのコンタクト抵抗を低くすることができる。
【０１５７】
また、酸化物半導体層１０６が有する一対の低抵抗領域１１６、ソース領域１１４ａ、
及びドレイン領域１１４ｂは、チャネル形成領域１１８よりも低抵抗な領域であり、例え
ば、リン（Ｐ）、またはホウ素（Ｂ）を含む領域である。例えば、ゲート電極層１１２形
成後、リン（Ｐ）、またはホウ素（Ｂ）を含むドーパントを酸化物半導体層１０６中に導
入する不純物導入処理を行うことで、自己整合的に形成することができる。
【０１５８】
また、一対の低抵抗領域１１６をチャネル形成領域１１８とソース領域１１４ａ、及び
ドレイン領域１１４ｂの間に設けることで、短チャネル効果によるしきい値電圧のマイナ
スシフトを軽減することができる。
【０１５９】
また、トランジスタ１７０は、ゲート絶縁層１１０、及びゲート電極層１１２上に形成
された保護層１２０と、保護層１２０、及びゲート絶縁層１１０に設けられた開口部を介
して、ソース領域１１４ａと接する配線層１２２ａ、及びドレイン領域１１４ｂと接する
配線層１２２ｂと、を形成してもよい。トランジスタ１７０上に保護層１２０、配線層１
２２ａ、及び配線層１２２ｂを形成することにより、トランジスタ１７０の集積化を行う
ことができるので好適である。また、保護層１２０を設けることにより、トランジスタ１
７０の凹凸の低減、またはトランジスタ１７０に侵入する不純物（例えば、水など）を抑
制できるため、好ましい。
【０１６０】
なお、トランジスタ１７０と実施の形態１の図１（Ａ）に示したトランジスタ１４０と
の違いは、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂ上の金属層１０８ａ、及び金
属層１０８ｂの有無である。本実施の形態に示すトランジスタ１７０のように、金属層１
０８ａ、及び金属層１０８ｂを設けない構成としてもよい。
【０１６１】
次に、図４（Ｂ）に示すトランジスタ１８０について、説明する。
【０１６２】
図４（Ｂ）に示すトランジスタ１８０は、基板１０２と、基板１０２上に形成された酸
化物絶縁層１０４と、酸化物絶縁層１０４上に形成され、チャネル形成領域１１８、低抵
抗領域１１６、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂを含む酸化物半導体層１
０６と、ソース領域１１４ａに接して設けられた金属層１０８ａ、及びドレイン領域１１
４ｂに接して設けられた金属層１０８ｂと、酸化物絶縁層１０４、酸化物半導体層１０６
、金属層１０８ａ、及び金属層１０８ｂ上に形成されたゲート絶縁層１１０と、ゲート絶
縁層１１０上に形成されたゲート電極層１１２と、を有している。
【０１６３】
なお、酸化物半導体層１０６は、ゲート電極層１１２と重なる領域の膜厚が、ソース領
域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂが形成される領域の膜厚よりも薄い。また、酸化
物半導体層１０６は、一対の低抵抗領域１１６と、一対の低抵抗領域１１６に挟まれたチ
ャネル形成領域１１８と、一対の低抵抗領域１１６と接して設けられたソース領域１１４
ａと、ドレイン領域１１４ｂと、を有する。一対の低抵抗領域１１６は、酸化物半導体層
１０６の薄い領域に形成され、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂは、金属
層１０８ａ、及び金属層１０８ｂと、各々接して酸化物半導体層１０６の厚い領域に形成
される。
【０１６４】
また、酸化物半導体層１０６の薄い領域は、エッチング処理により形成することができ
る。例えば１５〜３０ｎｍの酸化物半導体を形成後、エッチング処理により５ｎｍ程度と
すれば良い。このような厚さの酸化物半導体層１０６をチャネル形成領域１１８に用いる
ことで、微細化に伴うトランジスタの短チャネル効果が低減されるため、好ましい。また
、酸化物半導体層１０６の薄い領域を、エッチング処理により形成し、薄い領域には、チ
ャネル形成領域１１８を形成し、厚い領域には、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域
１１４ｂを形成することができる。このような構成とすることで、酸化物半導体層１０６
の薄膜化に伴う、チャネル形成領域１１８と、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１
１４ｂとのコンタクト抵抗を低くすることができる。
【０１６５】
また、酸化物半導体層１０６が有する一対の低抵抗領域１１６、ソース領域１１４ａ、
及びドレイン領域１１４ｂは、チャネル形成領域１１８よりも低抵抗な領域であり、例え
ば、リン（Ｐ）、またはホウ素（Ｂ）を含む領域である。例えば、ゲート電極層１１２形
成後、リン（Ｐ）、またはホウ素（Ｂ）を含むドーパントを酸化物半導体層１０６中に導
入する不純物導入処理を行うことで、自己整合的に形成することができる。
【０１６６】
また、一対の低抵抗領域１１６をチャネル形成領域１１８とソース領域１１４ａ、及び
ドレイン領域１１４ｂの間に設けることで、短チャネル効果によるしきい値電圧のマイナ
スシフトを軽減することができる。
【０１６７】
また、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂは、酸化物半導体層１０６と、
金属層１０８ａ、及び金属層１０８ｂと、が接した状態で加熱処理などを行うことにより
、酸化物半導体層１０６中へ当該金属層１０８ａ、及び金属層１０８ｂを反応、及び／ま
たは拡散させることにより、形成することができる。上記、不純物導入処理と合わせて、
金属層１０８ａ、及び金属層１０８ｂを設けることにより、ソース領域１１４ａ、及びド
レイン領域１１４ｂをさらに低抵抗化させることができる。
【０１６８】
また、トランジスタ１８０は、ゲート絶縁層１１０、及びゲート電極層１１２上に形成
された保護層１２０と、保護層１２０、及びゲート絶縁層１１０に設けられた開口部を介
して、金属層１０８ａと接する配線層１２２ａ、及び金属層１０８ｂと接する配線層１２
２ｂと、を形成してもよい。なお、配線層１２２ａは、金属層１０８ａを介してソース領
域１１４ａと電気的に接続され、配線層１２２ｂは、金属層１０８ｂを介してドレイン領
域１１４ｂと電気的に接続される。
【０１６９】
トランジスタ１８０上に保護層１２０、配線層１２２ａ、及び配線層１２２ｂを形成す
ることにより、トランジスタ１８０の集積化を行うことができるので好適である。また、
保護層１２０を設けることにより、トランジスタ１８０の凹凸の低減、またはトランジス
タ１８０に侵入する不純物（例えば、水など）を抑制できるため、好ましい。
【０１７０】
なお、トランジスタ１８０は、実施の形態１の図１（Ａ）に示したトランジスタ１４０
との異なる点として、配線層１２２ａ、及び配線層１２２ｂが接する領域が異なる。トラ
ンジスタ１４０においては、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂと直接接し
、トランジスタ１８０においては、金属層１０８ａ、及び金属層１０８ｂを介してソース
領域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂと接続されている。このように、配線層１２２
ａ、及び配線層１２２ｂは、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂと電気的に
接続されればよい。
【０１７１】
以上のように、図４（Ａ）、及び図４（Ｂ）に示す半導体装置は、半導体層に酸化物半
導体層を用い、少なくともチャネル形成領域となる、酸化物半導体層の一部をエッチング
によって部分的に薄くし、そのエッチングによってチャネル形成領域の膜厚が調整された
酸化物半導体層を用いている点が共通している。チャネル形成領域の酸化物半導体層の膜
厚を薄くすることで、短チャネル効果を抑制しつつ、しきい値電圧（Ｖｔｈ）をプラス方
向に調整することができる。したがって、ノーマリーオフの半導体装置を実現することが
できる。
【０１７２】
また、図４（Ａ）、及び図４（Ｂ）に示す半導体装置は、酸化物半導体層の厚い領域に
、リン（Ｐ）、またはホウ素（Ｂ）を含むドーパントを導入し、ソース領域、及びドレイ
ン領域を酸化物半導体層中に形成することにより、ソース領域、及びドレイン領域と接続
するチャネル形成領域とのコンタクト抵抗を低くすることができる。したがって、オン電
流の高い半導体装置を実現することができる。
【０１７３】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【０１７４】
（実施の形態４）
本実施の形態においては、実施の形態３の図４（Ａ）に示したトランジスタ１７０の作
製方法について、図５、及び図６を用いて、詳細に説明を行う。なお、図４（Ａ）で示し
た符号については、同様の符号を用い、その繰り返しの説明は省略する。
【０１７５】
まず、基板１０２上に酸化物絶縁層１０４を形成し、酸化物絶縁層１０４上に酸化物半
導体膜を形成する。次に酸化物半導体膜の所望の領域にレジストマスク１２４を形成する
（図５（Ａ）参照）。
【０１７６】
基板１０２、酸化物絶縁層１０４、酸化物半導体膜、及びレジストマスク１２４につい
ては、先の実施の形態２に示した材料、及び方法等と同様であり、これらの記載を参酌で
きる。
【０１７７】
次に、レジストマスク１２４をマスクとして、エッチング処理にて酸化物半導体膜の不
要な領域を除去し、その後、レジストマスク１２４を除去する。レジストマスク１２４除
去後、島状の酸化物半導体層１０５が形成される（図５（Ｂ）参照）。
【０１７８】
なお、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、Ｉ
ＴＯ０７Ｎ（関東化学社製）を用いてもよい。
【０１７９】
次に、酸化物絶縁層１０４、及び酸化物半導体層１０５上にレジストマスク１２５を形
成する（図５（Ｃ）参照）。
【０１８０】
レジストマスク１２５は、先の実施の形態２に示した材料、及び方法等と同様であり、
これらの記載を参酌できる。
【０１８１】
次に、レジストマスク１２５をマスクとして、エッチング処理にて酸化物半導体層１０
５の不要な領域を除去する。当該エッチング処理にて、膜厚の薄い領域を有した酸化物半
導体層１０６が形成される（図５（Ｄ）参照）。
【０１８２】
なお、酸化物半導体層１０６の薄い領域の一部は、後にチャネル形成領域となり、酸化
物半導体層１０６の厚い領域は、ソース領域及びドレイン領域として機能する。酸化物半
導体層１０６の薄い領域は、厚い領域よりも、少なくとも薄く形成されればよく、好まし
くは１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、更に好ましくは３ｎｍ以上５ｎｍ以下とすれば良い。ただ
し、酸化物半導体層１０６の薄い領域の膜厚は、この数値に限定されず、酸化物半導体の
構成元素、成膜方法、またはトランジスタのサイズ（Ｌ／Ｗサイズ、Ｌ／Ｗ比など）によ
り、適宜膜厚を調整することができる。
【０１８３】
また、ゲート絶縁層１１０の膜厚は、好ましくは１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、更に好ま
しくは、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下とすればよい。ゲート絶縁層１１０の膜厚を薄くするこ
とで、短チャネル効果を抑制することができる。本実施の形態においては、ゲート絶縁層
１１０として、プラズマＣＶＤ法を用い、１５ｎｍの酸化シリコン膜を用いる。
【０１８４】
次に、ゲート絶縁層１１０を介して、酸化物半導体層１０６に酸素１２６を導入する。
（図６（Ａ）参照）。
【０１８５】
なお、酸素１２６を導入する処理については、酸素（少なくとも、酸素ラジカル、酸素
原子、酸素イオン、のいずれかを含む）を導入して酸化物半導体層１０６中に酸素を供給
する。処理方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイ
オンインプランテーション法、プラズマ処理などを用いることができる。
【０１８６】
酸化物半導体層１０６中への酸素供給としては、ゲート絶縁層１１０が含有する酸素を
酸化物半導体層１０６へ供給してもよいが、本実施の形態においては、ゲート絶縁層１１
０の膜厚が１５ｎｍと薄く、ゲート絶縁層が厚い場合（例えば１００ｎｍ以上）と比較し
ゲート絶縁層が含有している酸素量が少ない。よって、酸化物半導体層１０６への酸素供
給能力としては、不十分となる可能性がある。したがって、本実施の形態に示すように、
酸素導入処理を行うことで、酸化物半導体層１０６へ過剰な酸素を供給することができる
。また、ゲート絶縁層１１０を介して酸素導入処理を行うことで、酸化物半導体層１０６
へのダメージを低減させることができるので好適である。
【０１８７】
水素若しくは水分を酸化物半導体層１０６から除去し、不純物が極力含まれないように
高純度化し、酸素を供給して酸素欠損を補填することによりＩ型（真性）の酸化物半導体
層１０６、又はＩ型（真性）に限りなく近い酸化物半導体層１０６とすることができる。
そうすることにより、酸化物半導体層１０６のフェルミ準位（Ｅｆ）を真性フェルミ準位
（Ｅｉ）と同じレベルにまですることができる。よって、酸化物半導体層１０６をトラン
ジスタに用いることで、酸素欠損に起因するトランジスタのしきい値電圧（Ｖｔｈ）のば
らつき、しきい値電圧（Ｖｔｈ）のシフト（ΔＶｔｈ）を低減することができる。
【０１８８】
次に、酸化物半導体層１０６の薄い領域に重畳したゲート絶縁層１１０上に、ゲート電
極層１１２を形成する。ゲート電極層１１２は、ゲート絶縁層１１０上に金属膜を成膜し
、該金属膜を所望の形状にパターニング、及びエッチングを行うことで形成できる（図６
（Ｂ）参照）。
【０１８９】
ゲート電極層１１２としては、プラズマＣＶＤ法またはスパッタリング法等により、モ
リブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、ス
カンジウム等の金属材料、またはこれらを含む合金材料を用いて形成することができる。
また、ゲート電極層１１２は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。
【０１９０】
次に、ゲート電極層１１２をマスクとして、酸化物半導体層１０６にドーパント１２８
を選択的に導入し、ソース領域１１４ａ、ドレイン領域１１４ｂ、及び一対の低抵抗領域
１１６を形成する。なお、ドーパント１２８は、ゲート絶縁層１１０を通過して行う。
【０１９１】
なお、本実施の形態では、ゲート絶縁層１１０を薄膜とするため、ドーパント１２８は
、ゲート絶縁層１１０を通過し、酸化物半導体層１０６にドーパント１２８が導入され、
ソース領域１１４ａ、ドレイン領域１１４ｂ、一対の低抵抗領域１１６が形成される構造
を例示している。なお、一対の低抵抗領域１１６に挟まれた領域は、ゲート電極層１１２
がマスクとなり、ドーパント１２８が導入されず、チャネル形成領域１１８となる。この
ように、ゲート電極層１１２をマスクとして、酸化物半導体層１０６にドーパント１２８
を選択的に行うことで、低抵抗領域１１６、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１１
４ｂは、自己整合的に形成される。なお、図６（Ｃ）において、一対の低抵抗領域１１６
、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂは明確な界面が存在しないため、全て
同一のハッチングで示している。
【０１９２】
ドーパント１２８は、酸化物半導体層１０６の抵抗を低くする不純物である。ドーパン
ト１２８としては、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ホウ素（Ｂ）、ア
ルミニウム（Ａｌ）、窒素（Ｎ）、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ
）、インジウム（Ｉｎ）、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、チタン（Ｔｉ）、及び亜鉛（Ｚ
ｎ）のいずれかから選択される一以上を用いることができる。特に、酸化物半導体層１０
６の構成元素としてガリウム（Ｇａ）を含む場合においては、ホウ素（Ｂ）を用いること
が好ましい。ホウ素（Ｂ）は、酸化物半導体層１０６を構成するガリウム（Ｇａ）と同族
（１３族元素）のため、酸化物半導体層１０６中で安定に存在することができる。
【０１９３】
ドーパント１２８は、注入法により、ゲート絶縁層１１０を通過して、酸化物半導体層
１０６に導入する。ドーパント１２８の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピ
ング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる
。その際には、ドーパント１２８の単体のイオンあるいは水素化物やフッ化物、塩化物の
イオンを用いると好ましい。
【０１９４】
ドーパント１２８の導入工程は、加速電圧、ドーズ量などの注入条件、また通過させる
ゲート絶縁層１１０の膜厚を適宜設定して制御すればよい。例えば、ホウ素（Ｂ）を用い
て、イオン注入法でホウ素（Ｂ）イオンの注入を行う場合、加速電圧１５ｋＶ、ドーズ量
を１×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上５×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下とすればよい。
【０１９５】
低抵抗領域１１６、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂにおけるドーパン
ト１２８の濃度は、５×１０１８／ｃｍ３以上１×１０２２／ｃｍ３以下であることが好
ましい。また、ドーパント１２８を導入する際に、基板１０２を加熱しながら行ってもよ
い。
【０１９６】
なお、酸化物半導体層１０６にドーパント１２８を導入する処理は、複数回行ってもよ
く、ドーパントの種類も複数種用いてもよい。
【０１９７】
また、ドーパント１２８の導入処理後、加熱処理を行ってもよい。加熱条件としては、
温度３００℃以上７００℃以下、好ましくは３００℃以上４５０℃以下で１時間、酸素雰
囲気下で行うことが好ましい。また、窒素雰囲気下、減圧下、大気（超乾燥エア）下で加
熱処理を行ってもよい。
【０１９８】
酸化物半導体層１０６を結晶性酸化物半導体とした場合、ドーパント１２８の導入によ
り、酸化物半導体層１０６が一部非晶質化する場合がある。この場合、ドーパント１２８
の導入後に加熱処理を行うことによって、酸化物半導体層１０６の結晶性を回復すること
ができる。
【０１９９】
このように、酸化物半導体層１０６の薄い領域において、チャネル形成領域１１８を挟
んで、ドーパントを含む一対の低抵抗領域１１６が形成される。また、酸化物半導体層１
０６の厚い領域において、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂを形成するこ
とができる。
【０２００】
本実施の形態では、ドーパント１２８としてホウ素（Ｂ）を用いたため、低抵抗領域１
１６、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂは、ホウ素（Ｂ）が含まれる。
【０２０１】
以上の工程で、本実施の形態のトランジスタ１７０が作製される（図６（Ｃ）参照）。
【０２０２】
トランジスタ１７０は、チャネル長方向にチャネル形成領域１１８を挟んで一対の低抵
抗領域１１６、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂを含む酸化物半導体層１
０６を有することにより、該トランジスタ１７０はオン特性（例えば、オン電流及び電界
効果移動度）が高く、高速動作、高速応答が可能となる。また、酸化物半導体層１０６は
、ゲート電極層１１２と重なる領域と、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂ
が形成される領域と、で膜厚が異なる。ゲート電極層の重なる領域の酸化物半導体層１０
６の膜厚は、ソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂが形成される領域の酸化物
半導体層１０６の膜厚よりも薄い。また、酸化物半導体層１０６の薄い領域には、チャネ
ル形成領域１１８が形成される。チャネル形成領域１１８の酸化物半導体層の膜厚を薄く
することで、しきい値電圧（Ｖｔｈ）をプラス方向に調整することができる。
【０２０３】
次に、ゲート絶縁層１１０、及びゲート電極層１１２上に保護層１２０を形成する。そ
の後、保護層１２０にソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂまで達する開口を
形成し、開口にソース領域１１４ａ、及びドレイン領域１１４ｂと各々電気的に接続する
配線層１２２ａ、及び配線層１２２ｂを形成する（図６（Ｄ）参照）。
【０２０４】
保護層１２０として、トランジスタ起因の表面凹凸を低減するために平坦化絶縁膜を形
成してもよい。平坦化絶縁膜としては、ポリイミド、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン
系樹脂等の有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌ
ｏｗ−ｋ材料）や、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、酸化ハフニウム、
酸化アルミニウム等の無機材料を用いることができる。なお、これらの材料で形成される
絶縁膜を複数積層させることで、平坦化絶縁膜を形成してもよい。
【０２０５】
このように本実施の形態に示す酸化物半導体層を有するトランジスタにおいて、高純度
化され、酸素欠損が補填された酸化物半導体層は、水素、水などの不純物が十分に除去さ
れており、酸化物半導体層中の水素濃度は５×１０１９／ｃｍ３以下、好ましくは５×１
０１８／ｃｍ３以下である。なお、酸化物半導体層中の水素濃度は、二次イオン質量分析
法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）で
測定されるものである。
【０２０６】
このような酸化物半導体層中にはキャリアが極めて少なく（ゼロに近い）、キャリア濃
度は１×１０１４／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１２／ｃｍ３未満、さらに好ましく
は１×１０１１／ｃｍ３未満である。
【０２０７】
また、本実施の形態を用いて作製した、高純度化し、酸素欠損を補填する酸素を過剰に
含む酸化物半導体層を用いたトランジスタは、オフ状態における電流値（オフ電流値）を
、チャネル幅１μｍ当たり室温にて１００ｚＡ／μｍ（１ｚＡ（ゼプトアンペア）は１×
１０−２１Ａ）以下、好ましくは１０ｚＡ／μｍ以下、より好ましくは１ｚＡ／μｍ以下
、さらに好ましくは１００ｙＡ／μｍ以下レベルにまで低くすることができる。
【０２０８】
また、本実施の形態を用いて作製したトランジスタは、チャネル長方向にチャネル形成
領域を挟んで一対の低抵抗領域と、ソース領域、及びドレイン領域と、を含む酸化物半導
体層を有することにより、該トランジスタはオン特性（例えば、オン電流及び電界効果移
動度）が高く、高速動作、高速応答が可能となる。また、酸化物半導体層は、ゲート電極
層と重なる領域と、ソース領域、及びドレイン領域が形成される領域と、で膜厚が異なる
。ゲート電極層の重なる領域の酸化物半導体層の膜厚は、ソース領域、及びドレイン領域
が形成される領域の酸化物半導体層の膜厚よりも薄い。また、酸化物半導体層の薄い領域
には、チャネル形成領域が形成される。チャネル形成領域の酸化物半導体層の膜厚を薄く
することで、しきい値電圧（Ｖｔｈ）をプラス方向に調整することができる。したがって
、ノーマリーオフの半導体装置を実現することができる。
【０２０９】
また、チャネル形成領域は、一対の低抵抗領域の間に設けられる。このような構成とす
ることで、チャネル形成領域に加わる電界を緩和させることができる。また、ソース領域
、及びドレイン領域は、酸化物半導体層中に直接形成され、且つ低抵抗領域を介してチャ
ネル形成領域と接している。このような構成とすることで、チャネル形成領域とソース領
域、及びドレイン領域とのコンタクト抵抗を低くすることができる。
【０２１０】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【０２１１】
（実施の形態５）
実施の形態１乃至実施の形態４のいずれかで一例を示したトランジスタは、複数のトラ
ンジスタを積層する集積回路を有する半導体装置に好適に用いることができる。本実施の
形態では、半導体装置の一例として、記憶媒体（メモリ素子）の例を図７を用いて説明す
る。
【０２１２】
本実施の形態では、単結晶半導体基板に作製された第１のトランジスタであるトランジ
スタ５４０と絶縁層を介してトランジスタ５４０の上方に酸化物半導体層を用いて作製さ
れた第２のトランジスタであるトランジスタ５６２を含む半導体装置を作製する。実施の
形態１乃至実施の形態４のいずれかで一例を示したトランジスタは、トランジスタ５６２
に好適に用いることができる。本実施の形態では、トランジスタ５６２として実施の形態
１で示したトランジスタ１４０と同様な構造を有するトランジスタを用いる例を示す。
【０２１３】
積層するトランジスタ５４０、トランジスタ５６２の半導体材料、及び構造は、同一で
もよいし異なっていてもよい。本実施の形態では、記憶媒体（メモリ素子）の回路に好適
な材料及び構造のトランジスタをそれぞれ用いる例である。
【０２１４】
図７は、半導体装置の構成の一例である。図７（Ａ）には、半導体装置の断面を、図７
（Ｂ）には、半導体装置の平面を、それぞれ示す。ここで、図７（Ａ）は、図７（Ｂ）の
Ｃ１−Ｃ２およびＤ１−Ｄ２における断面に相当する。また、図７（Ｃ）には、上記半導
体装置をメモリ素子として用いる場合の回路図の一例を示す。図７（Ａ）、及び図７（Ｂ
）に示される半導体装置は、下部に第１の半導体材料を用いたトランジスタ５４０を有し
、上部に第２の半導体材料を用いたトランジスタ５６２を有する。本実施の形態では、第
１の半導体材料を酸化物半導体以外の半導体材料とし、第２の半導体材料を酸化物半導体
とする。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。一方で、酸化物半導体を用い
たトランジスタは、その特性により長時間の電荷保持を可能とする。
【０２１５】
図７における半導体装置の作製方法を以下に説明する。
【０２１６】
トランジスタ５４０は、半導体材料（例えば、シリコンなど）を含む基板５８５に設け
られたチャネル形成領域５１６と、チャネル形成領域５１６を挟むように設けられた不純
物領域５２０と、不純物領域５２０に接する金属化合物領域５２４と、チャネル形成領域
５１６上に設けられたゲート絶縁層５０８と、ゲート絶縁層５０８上に設けられたゲート
電極層５１０とを有する。
【０２１７】
半導体材料を含む基板５８５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
することができる。なお、一般に「ＳＯＩ基板」は、絶縁表面上にシリコン半導体膜が設
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
からなる半導体膜が設けられた構成の基板も含む。つまり、「ＳＯＩ基板」が有する半導
体膜は、シリコン半導体膜に限定されない。また、ＳＯＩ基板には、ガラス基板などの絶
縁基板上に絶縁膜を介して半導体膜が設けられた構成のものが含まれるものとする。
【０２１８】
ＳＯＩ基板の作製方法としては、鏡面研磨ウェハに酸素イオンを注入した後、高温加熱
することにより、表面から一定の深さに酸化層を形成させるとともに、表面層に生じた欠
陥を消滅させて作る方法、水素イオン照射により形成された微小ボイドの熱処理による成
長を利用して半導体基板を劈開する方法や、絶縁表面上に結晶成長により単結晶半導体膜
を形成する方法等を用いることができる。
【０２１９】
例えば、単結晶半導体基板の一つの面からイオンを添加して、単結晶半導体基板の一つ
の面から一定の深さに脆弱化層を形成し、単結晶半導体基板の一つの面上、又は素子基板
上のどちらか一方に絶縁膜を形成する。単結晶半導体基板と素子基板を、絶縁膜を挟んで
重ね合わせた状態で、脆弱化層に亀裂を生じさせ、単結晶半導体基板を脆弱化層で分離す
る熱処理を行い、単結晶半導体基板より半導体膜として単結晶半導体膜を素子基板上に形
成する。上記方法を用いて作製されたＳＯＩ基板も好適に用いることができる。
【０２２０】
基板５８５上にはトランジスタ５４０を囲むように素子分離絶縁層５０６が設けられて
いる。なお、高集積化を実現するためには、図７に示すようにトランジスタ５４０がサイ
ドウォールとなる側壁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５４０の特性を重視する場合には、ゲート電極層５１０の側面にサイドウォールとなる
側壁絶縁層を設け、不純物濃度が異なる領域を含む不純物領域５２０を設けてもよい。
【０２２１】
単結晶半導体基板を用いたトランジスタ５４０は、高速動作が可能である。このため、
当該トランジスタを読み出し用のトランジスタとして用いることで、情報の読み出しを高
速に行うことができる。トランジスタ５４０を覆うように絶縁膜を２層形成する。トラン
ジスタ５６２および容量素子５６４の形成前の処理として、該絶縁膜２層にＣＭＰ処理を
施して、平坦化した絶縁層５２８、絶縁層５３０を形成し、同時にゲート電極層５１０の
上面を露出させる。
【０２２２】
絶縁層５２８、絶縁層５３０は、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、酸化窒化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、窒
化酸化シリコン膜、窒化酸化アルミニウム膜などの無機絶縁膜を用いることができる。絶
縁層５２８、絶縁層５３０は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いて形成す
ることができる。
【０２２３】
また、ポリイミド、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、等の有機材料を用いる
ことができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）等を用いるこ
とができる。有機材料を用いる場合、スピンコート法、印刷法などの湿式法によって絶縁
層５２８、絶縁層５３０を形成してもよい。
【０２２４】
なお、絶縁層５３０において、半導体膜と接する膜は酸化シリコン膜を用いる。
【０２２５】
本実施の形態では、絶縁層５２８としてスパッタリング法により膜厚５０ｎｍの酸化窒
化シリコン膜を形成し、絶縁層５３０としてスパッタリング法により膜厚５５０ｎｍの酸
化シリコン膜を形成する。
【０２２６】
ＣＭＰ処理により十分に平坦化した絶縁層５３０上に半導体膜を形成する。本実施の形
態では、半導体膜としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の金属酸化物ターゲットを用いてスパッ
タリング法により酸化物半導体膜を形成する。
【０２２７】
次に、酸化物半導体膜上に金属膜を成膜し、金属膜、及び酸化物半導体膜を選択的にエ
ッチングして、少なくともチャネル形成領域となる、酸化物半導体層の一部をエッチング
によって部分的に薄くした島状の酸化物半導体層５４４、金属層５４２ａ、金属層５４２
ｂ、接続電極層５４３を形成する。
【０２２８】
次に、絶縁層５３０、酸化物半導体層５４４、金属層５４２ａ、金属層５４２ｂ、及び
接続電極層５４３上にゲート絶縁層５４６を成膜し、ゲート絶縁層５４６上にゲート電極
層５４８を形成する。ゲート電極層５４８は、導電膜を形成した後に、当該導電膜を選択
的にエッチングすることによって形成することができる。
【０２２９】
次に、ゲート絶縁層５４６上に容量配線層５４９を形成する。容量配線層５４９は、導
電膜を形成した後、当該導電膜を選択的にエッチングすることによって形成することがで
きる。なお、容量配線層５４９は、ゲート電極層５４８と同一の工程で形成してもよい。
【０２３０】
ゲート絶縁層５４６として、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、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒
化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、又は
酸化ガリウム、酸化アルミニウム等を形成することができる。
【０２３１】
ゲート電極層５１０、ゲート電極層５４８、容量配線層５４９、金属層５４２ａ、金属
層５４２ｂ、及び接続電極層５４３に用いることのできる導電膜は、スパッタリング法を
はじめとするＰＶＤ法や、プラズマＣＶＤ法などのＣＶＤ法を用いて形成することができ
る。また、導電膜の材料としては、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗから選ばれ
た元素や、上述した元素を成分とする合金等を用いることができる。Ｍｎ、Ｍｇ、Ｚｒ、
Ｂｅ、Ｎｄ、Ｓｃのいずれか、またはこれらを複数組み合わせた材料を用いてもよい。
【０２３２】
導電膜は、単層構造であってもよいし、２層以上の積層構造としてもよい。例えば、チ
タン膜や窒化チタン膜の単層構造、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が積層された２層構造、窒化チタン膜上にチタン膜が積層された２層
構造、チタン膜とアルミニウム膜とチタン膜とが積層された３層構造などが挙げられる。
【０２３３】
次に、ゲート電極層５４８をマスクとして用い、ゲート絶縁層５４６、金属層５４２ａ
、及び金属層５４２ｂを通過して、酸化物半導体層５４４にドーパント（本実施の形態で
はホウ素）を導入する不純物導入処理を行い、その後加熱処理を行う。以上の工程により
、酸化物半導体層５４４に、チャネル形成領域５７０、一対の低抵抗領域５７２、ソース
領域５７４、及びドレイン領域５７６が自己整合的に形成される。なお、チャネル形成領
域５７０、及び一対の低抵抗領域５７２は、ソース領域５７４、及びドレイン領域５７６
が形成される領域よりも、薄い領域に形成される。
【０２３４】
なお、不純物導入処理後の加熱処理により、酸化物半導体層５４４と、金属層５４２ａ
、及び金属層５４２ｂが接した状態で加熱される。酸化物半導体層５４４と、金属層５４
２ａ、及び金属層５４２ｂが接した状態で加熱された場合、酸化物半導体層５４４中に金
属層５４２ａ、及び金属層５４２ｂが反応及び／または拡散し、ソース領域５７４、及び
ドレイン領域５７６を、さらに低抵抗とすることができる。
【０２３５】
チャネル長方向にチャネル形成領域５７０を挟んで一対の低抵抗領域５７２、ソース領
域５７４、及びドレイン領域５７６を含む酸化物半導体層５４４を有することにより、該
トランジスタ５６２はオン特性（例えば、オン電流及び電界効果移動度）が高く、高速動
作、高速応答が可能となる。また、酸化物半導体層５４４は、ゲート電極層５４８と重な
る領域と、ソース領域５７４、及びドレイン領域５７６が形成される領域と、で膜厚が異
なる。ゲート電極層の重なる領域の酸化物半導体層５４４の膜厚は、ソース領域５７４、
及びドレイン領域５７６が形成される領域の酸化物半導体層５４４の膜厚よりも薄い。ま
た、酸化物半導体層５４４の薄い領域には、チャネル形成領域５７０が形成される。チャ
ネル形成領域５７０の酸化物半導体層の膜厚を薄くすることで、しきい値電圧（Ｖｔｈ）
をプラス方向に調整することができる。
【０２３６】
また、チャネル形成領域５７０は、一対の低抵抗領域５７２の間に設けられる。このよ
うな構成とすることで、チャネル形成領域５７０に加わる電界を緩和させることができる
。また、ソース領域５７４、及びドレイン領域５７６は、酸化物半導体層５４４中に直接
形成され、且つ低抵抗領域５７２を介してチャネル形成領域５７０と接している。このよ
うな構成とすることで、チャネル形成領域５７０とソース領域５７４、及びドレイン領域
５７６とのコンタクト抵抗を低くすることができる。
【０２３７】
次に、トランジスタ５６２上に、保護層５５２を形成する。保護層５５２は、スパッタ
リング法やＣＶＤ法などを用いて形成することができる。また、酸化シリコン、酸化窒化
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。
【０２３８】
次に、保護層５５２、ゲート絶縁層５４６、金属層５４２ａ、及び金属層５４２ｂに、
ソース領域５７４、及びドレイン領域５７６にまで達する開口を形成する。また、同時に
保護層５５２、及びゲート絶縁層５４６に、接続電極層５４３まで達する開口を形成する
。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。
【０２３９】
その後、上記開口に接続電極層５４３とソース領域５７４と接する配線層５８０ａ、及
びドレイン領域５７６と接する配線層５８０ｂを形成する。なお、配線層５８０ａにより
、トランジスタ５４０のゲート電極層５１０と、トランジスタ５６２のソース領域５７４
が電気的に接続される。
【０２４０】
配線層５８０ａ、及び配線層５８０ｂは、スパッタリング法をはじめとするＰＶＤ法や
、プラズマＣＶＤ法などのＣＶＤ法を用いて導電膜を形成した後、当該導電膜をエッチン
グ加工することによって形成される。また、導電膜の材料としては、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、
Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗから選ばれた元素や、上述した元素を含む合金等を用いることがで
きる。Ｍｎ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂｅ、Ｎｄ、Ｓｃのいずれか、またはこれらを複数組み合わせ
た材料を用いてもよい。
【０２４１】
次に、保護層５５２、及び配線層５８０ａ、及び配線層５８０ｂ上に絶縁層５８２を形
成する。絶縁層５８２は、ポリイミド、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、等の
有機材料を用いることができる。
【０２４２】
次に、絶縁層５８２に、配線層５８０ａ、及び配線層５８０ｂにまで達する開口を形成
する。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。
【０２４３】
その後、上記開口に配線層５８０ａ、及び配線層５８０ｂに接する配線層５８４を形成
する。なお、図７には配線層５８０ａ、及ぶ配線層５８０ｂと配線層５８４との接続箇所
は図示していない。
【０２４４】
配線層５８４は、配線層５８０ａ、及び配線層５８０ｂと同様の材料、及び手法等によ
り形成することができる。
【０２４５】
以上の工程でトランジスタ５６２及び容量素子５６４が完成する。トランジスタ５６２
は、高純度化し、酸素欠損を補填する酸素を過剰に含む酸化物半導体層５４４を有するト
ランジスタである。よって、トランジスタ５６２は、電気的特性変動が抑制されており、
電気的に安定である。また、酸化物半導体層５４４は、エッチングによりチャネル形成領
域５７０が、ソース領域５７４、及びドレイン領域５７６が形成される領域よりも薄い領
域に形成されている。そのため、しきい値電圧（Ｖｔｈ）をプラス方向に調整することが
できる。
【０２４６】
なお、容量素子５６４は、接続電極層５４３、ゲート絶縁層５４６、及び容量配線層５
４９により、構成される。また、容量が不要の場合においては、容量素子５６４を設けな
い構成とすることも可能である。
【０２４７】
図７（Ｃ）には、上記半導体装置をメモリ素子として用いる場合の回路図の一例を示す
。図７（Ｃ）において、トランジスタ５６２のソース電極またはドレイン電極の一方と、
容量素子５６４の電極の一方と、トランジスタ５４０のゲート電極と、は電気的に接続さ
れている。また、第１の配線（１ｓｔ  Ｌｉｎｅ：ソース線とも呼ぶ）とトランジスタ５
４０のソース電極とは、電気的に接続され、第２の配線（２ｎｄ  Ｌｉｎｅ：ビット線と
も呼ぶ）とトランジスタ５４０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：第１の信号線とも呼ぶ）とトランジスタ５６２のソース電
極またはドレイン電極の他方とは、電気的に接続され、第４の配線（４ｔｈ  Ｌｉｎｅ：
第２の信号線とも呼ぶ）と、トランジスタ５６２のゲート電極とは、電気的に接続されて
いる。そして、第５の配線（５ｔｈ  Ｌｉｎｅ：ワード線とも呼ぶ）と、容量素子５６４
の電極の他方は電気的に接続されている。
【０２４８】
酸化物半導体を用いたトランジスタ５６２は、オフ電流が極めて小さいという特徴を有
しているため、トランジスタ５６２をオフ状態とすることで、トランジスタ５６２のソー
ス電極またはドレイン電極の一方と、容量素子５６４の電極の一方と、トランジスタ５４
０のゲート電極とが電気的に接続されたノード（以下、ノードＦＧ）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５６４を有することにより、
ノードＦＧ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。
【０２４９】
半導体装置に情報を記憶させる場合（書き込み）は、まず、第４の配線の電位を、トラ
ンジスタ５６２がオン状態となる電位にして、トランジスタ５６２をオン状態とする。こ
れにより、第３の配線の電位が、ノードＦＧに供給され、ノードＦＧに所定量の電荷が蓄
積される。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷（以下、ロー（Ｌｏｗ）レベ
ル電荷、ハイ（Ｈｉｇｈ）レベル電荷という）のいずれかが与えられるものとする。その
後、第４の配線の電位を、トランジスタ５６２がオフ状態となる電位にして、トランジス
タ５６２をオフ状態とすることにより、ノードＦＧが浮遊状態となるため、ノードＦＧに
は所定の電荷が保持されたままの状態となる。以上のように、ノードＦＧに所定量の電荷
を蓄積及び保持させることで、メモリセルに情報を記憶させることができる。
【０２５０】
トランジスタ５６２のオフ電流は極めて小さいため、ノードＦＧに供給された電荷は長
時間にわたって保持される。したがって、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リ
フレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となり、消費電力を十分に低減するこ
とができる。また、電力の供給がない場合であっても、長期にわたって記憶内容を保持す
ることが可能である。
【０２５１】
記憶された情報を読み出す場合（読み出し）は、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、ノードＦＧに保持
された電荷量に応じて、トランジスタ５４０は異なる状態をとる。一般に、トランジスタ
５４０をｎチャネル型とすると、ノードＦＧにＨｉｇｈレベル電荷が保持されている場合
のトランジスタ５４０の見かけのしきい値Ｖｔｈ＿Ｈは、ノードＦＧにＬｏｗレベル電荷
が保持されている場合のトランジスタ５４０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、見かけのしきい値とは、トランジスタ５４０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Ｖｔ
ｈ＿ＨとＶｔｈ＿Ｌの間の電位Ｖ０とすることにより、ノードＦＧに保持された電荷を判
別できる。例えば、書き込みにおいて、Ｈｉｇｈレベル電荷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５４０は「オン状態」
となる。Ｌｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線の電位がＶ０（＜Ｖｔ
ｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ５４０は「オフ状態」のままである。このため、第５
の配線の電位を制御して、トランジスタ５４０のオン状態またはオフ状態を読み出す（第
２の配線の電位を読み出す）ことで、記憶された情報を読み出すことができる。
【０２５２】
また、記憶させた情報を書き換える場合においては、上記の書き込みによって所定量の
電荷を保持したノードＦＧに、新たな電位を供給することで、ノードＦＧに新たな情報に
係る電荷を保持させる。具体的には、第４の配線の電位を、トランジスタ５６２がオン状
態となる電位にして、トランジスタ５６２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、ノードＦＧに供給され、ノードＦＧに所定量の電荷が
蓄積される。その後、第４の配線の電位をトランジスタ５６２がオフ状態となる電位にし
て、トランジスタ５６２をオフ状態とすることにより、ノードＦＧには、新たな情報に係
る電荷が保持された状態となる。すなわち、ノードＦＧに第１の書き込みによって所定量
の電荷が保持された状態で、第１の書き込みと同様の動作（第２の書き込み）を行うこと
で、記憶させた情報を上書きすることが可能である。
【０２５３】
本実施の形態で示すトランジスタ５６２は、本明細書に開示する、高純度化され、酸素
を過剰に含む酸化物半導体膜を酸化物半導体層５４４に用いることで、トランジスタ５６
２のオフ電流を十分に低減することができる。そして、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。
【０２５４】
また、本実施の形態で示すトランジスタ５６２は、チャネル長方向にチャネル形成領域
を挟んで一対の低抵抗領域と、ソース領域、及びドレイン領域と、を含む酸化物半導体層
を有することにより、該トランジスタはオン特性（例えば、オン電流及び電界効果移動度
）が高く、高速動作、高速応答が可能となる。また、酸化物半導体層は、ゲート電極層と
重なる領域と、ソース領域、及びドレイン領域が形成される領域と、で膜厚が異なる。ゲ
ート電極層の重なる領域の酸化物半導体層の膜厚は、ソース領域、及びドレイン領域が形
成される領域の酸化物半導体層の膜厚よりも薄い。また、酸化物半導体層の薄い領域には
、チャネル形成領域が形成される。チャネル形成領域の酸化物半導体層の膜厚を薄くする
ことで、しきい値電圧（Ｖｔｈ）をプラス方向に調整することができる。したがって、ノ
ーマリーオフの半導体装置を実現することができる。
【０２５５】
また、チャネル形成領域は、一対の低抵抗領域の間に設けられる。このような構成とす
ることで、チャネル形成領域に加わる電界を緩和させることができる。また、ソース領域
、及びドレイン領域は、酸化物半導体層中に直接形成され、且つ低抵抗領域を介してチャ
ネル形成領域と接している。このような構成とすることで、チャネル形成領域とソース領
域、及びドレイン領域とのコンタクト抵抗を低くすることができる。
【０２５６】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【０２５７】
（実施の形態６）
本明細書に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器（遊技機も含む）に適用するこ
とができる。電子機器としては、例えば、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）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカ
メラ等のカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともい
う）、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機な
どが挙げられる。上記実施の形態で説明した半導体装置を具備する電子機器の例について
説明する。
【０２５８】
図８（Ａ）は、ノート型のパーソナルコンピュータであり、本体３００１、筐体３００
２、表示部３００３、キーボード３００４などによって構成されている。実施の形態１乃
至５のいずれかで示した半導体装置を表示部３００３に適用することにより、高性能及び
高信頼性なノート型のパーソナルコンピュータとすることができる。
【０２５９】
図８（Ｂ）は、携帯情報端末（ＰＤＡ）であり、本体３０２１には表示部３０２３と、
外部インターフェイス３０２５と、操作ボタン３０２４等が設けられている。また操作用
の付属品としてスタイラス３０２２がある。実施の形態１乃至実施の形態５のいずれかで
示した半導体装置を表示部３０２３に適用することにより、より高性能及び高信頼性な携
帯情報端末（ＰＤＡ）とすることができる。
【０２６０】
図８（Ｃ）は、電子書籍の一例であり、筐体２７０１および筐体２７０３の２つの筐体
で構成されている。筐体２７０１および筐体２７０３は、軸部２７１１により一体とされ
ており、該軸部２７１１を軸として開閉動作を行うことができる。このような構成により
、紙の書籍のような動作を行うことが可能となる。
【０２６１】
筐体２７０１には表示部２７０５が組み込まれ、筐体２７０３には表示部２７０７が組
み込まれている。表示部２７０５および表示部２７０７は、続き画面を表示する構成とし
てもよいし、異なる画面を表示する構成としてもよい。異なる画面を表示する構成とする
ことで、例えば右側の表示部（図８（Ｃ）では表示部２７０５）に文章を表示し、左側の
表示部（図８（Ｃ）では表示部２７０７）に画像を表示することができる。実施の形態１
乃至実施の形態５のいずれかで示した半導体装置を表示部２７０５、表示部２７０７に適
用することにより、高性能及び高信頼性な電子書籍とすることができる。表示部２７０５
として半透過型、又は反射型の液晶表示装置を用いる場合、比較的明るい状況下での使用
も予想されるため、太陽電池を設け、太陽電池による発電、及びバッテリーでの充電を行
えるようにしてもよい。なおバッテリーとしては、リチウムイオン電池を用いると、小型
化を図れる等の利点がある。
【０２６２】
また、図８（Ｃ）では、筐体２７０１に操作部などを備えた例を示している。例えば、
筐体２７０１において、電源２７２１、操作キー２７２３、スピーカー２７２５などを備
えている。操作キー２７２３により、頁を送ることができる。なお、筐体の表示部と同一
面にキーボードやポインティングデバイスなどを備える構成としてもよい。また、筐体の
裏面や側面に、外部接続用端子（イヤホン端子、ＵＳＢ端子など）、記録媒体挿入部など
を備える構成としてもよい。さらに、電子書籍２７００は、電子辞書としての機能を持た
せた構成としてもよい。
【０２６３】
また、図８（Ｃ）に示す電子書籍は、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。無
線により、電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成
とすることも可能である。
【０２６４】
図８（Ｄ）は、携帯電話であり、筐体２８００及び筐体２８０１の二つの筐体で構成さ
れている。筐体２８０１には、表示パネル２８０２、スピーカー２８０３、マイクロフォ
ン２８０４、ポインティングデバイス２８０６、カメラ用レンズ２８０７、外部接続端子
２８０８などを備えている。また、筐体２８００には、携帯電話の充電を行う太陽電池セ
ル２８１０、外部メモリスロット２８１１などを備えている。また、アンテナは筐体２８
０１内部に内蔵されている。実施の形態１乃至実施の形態５のいずれかで示した半導体装
置を表示パネル２８０２に適用することにより、高性能及び高信頼性な携帯電話とするこ
とができる。
【０２６５】
また、表示パネル２８０２はタッチパネルを備えており、図８（Ｄ）には映像表示され
ている複数の操作キー２８０５を点線で示している。なお、太陽電池セル２８１０で出力
される電圧を各回路に必要な電圧に昇圧するための昇圧回路も実装している。
【０２６６】
表示パネル２８０２は、使用形態に応じて表示の方向が適宜変化する。また、表示パネ
ル２８０２と同一面上にカメラ用レンズ２８０７を備えているため、テレビ電話が可能で
ある。スピーカー２８０３及びマイクロフォン２８０４は音声通話に限らず、テレビ電話
、録音、再生などが可能である。さらに、筐体２８００と筐体２８０１は、スライドし、
図８（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。
【０２６７】
外部接続端子２８０８はＡＣアダプタ及びＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可
能であり、充電及びパーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能である。また、外
部メモリスロット２８１１に記録媒体を挿入し、より大量のデータ保存及び移動に対応で
きる。
【０２６８】
また、上記機能に加えて、赤外線通信機能、テレビ受信機能などを備えたものであって
もよい。
【０２６９】
図８（Ｅ）は、デジタルビデオカメラであり、本体３０５１、表示部（Ａ）３０５７、
接眼部３０５３、操作スイッチ３０５４、表示部（Ｂ）３０５５、バッテリー３０５６な
どによって構成されている。実施の形態１乃至実施の形態５のいずれかで示した半導体装
置を表示部（Ａ）３０５７、表示部（Ｂ）３０５５に適用することにより、高性能及び高
信頼性なデジタルビデオカメラとすることができる。
【０２７０】
図８（Ｆ）は、テレビジョン装置の一例を示しており、筐体９６０１に表示部９６０３
が組み込まれている。表示部９６０３により、映像を表示することが可能である。また、
ここでは、スタンド９６０５により筐体９６０１を支持した構成を示している。実施の形
態１乃至実施の形態５のいずれかで示した半導体装置を表示部９６０３に適用することに
より、高性能及び高信頼性なテレビジョン装置とすることができる。
【０２７１】
図８（Ｆ）に示すテレビジョン装置の操作は、筐体９６０１が備える操作スイッチや、
別体のリモコン操作機により行うことができる。また、リモコン操作機に、当該リモコン
操作機から出力する情報を表示する表示部を設ける構成としてもよい。
【０２７２】
なお、図８（Ｆ）に示すテレビジョン装置は、受信機やモデムなどを備えた構成とする
。受信機により一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線ま
たは無線による通信ネットワークに接続することにより、一方向（送信者から受信者）ま
たは双方向（送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など）の情報通信を行うことも可
能である。
【０２７３】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【０２７４】
１０２    基板
１０４    酸化物絶縁層
１０５    酸化物半導体層
１０６    酸化物半導体層
１０７    金属層
１０８ａ    金属層
１０８ｂ    金属層
１１０    ゲート絶縁層
１１２    ゲート電極層
１１４ａ    ソース領域
１１４ｂ    ドレイン領域
１１６    低抵抗領域
１１８    チャネル形成領域
１２０    保護層
１２２ａ    配線層
１２２ｂ    配線層
１２４    レジストマスク
１２５    レジストマスク
１２６    酸素
１２８    ドーパント
１４０    トランジスタ
１５０    トランジスタ
１６０    トランジスタ
１７０    トランジスタ
１８０    トランジスタ
５０６    素子分離絶縁層
５０８    ゲート絶縁層
５１０    ゲート電極層
５１６    チャネル形成領域
５２０    不純物領域
５２４    金属化合物領域
５２８    絶縁層
５３０    絶縁層
５４０    トランジスタ
５４２ａ    金属層
５４２ｂ    金属層
５４３    接続電極層
５４４    酸化物半導体層
５４６    ゲート絶縁層
５４８    ゲート電極層
５４９    容量配線層
５５２    保護層
５６２    トランジスタ
５６４    容量素子
５７０    チャネル形成領域
５７２    低抵抗領域
５７４    ソース領域
５７６    ドレイン領域
５８０ａ    配線層
５８０ｂ    配線層
５８２    絶縁層
５８４    配線層
５８５    基板
２７００    電子書籍
２７０１      筐体
２７０３    筐体
２７０５    表示部
２７０７    表示部
２７１１    軸部
２７２１    電源
２７２３    操作キー
２７２５    スピーカー
２８００    筐体
２８０１    筐体
２８０２    表示パネル
２８０３    スピーカー
２８０４    マイクロフォン
２８０５    操作キー
２８０６    ポインティングデバイス
２８０７    カメラ用レンズ
２８０８    外部接続端子
２８１０    太陽電池セル
２８１１    外部メモリスロット
３００１    本体
３００２    筐体
３００３    表示部
３００４    キーボード
３０２１    本体
３０２２    スタイラス
３０２３    表示部
３０２４    操作ボタン
３０２５    外部インターフェイス
３０５１    本体
３０５３    接眼部
３０５４    操作スイッチ
３０５５    表示部（Ｂ）
３０５６    バッテリー
３０５７    表示部（Ａ）
９６０１    筐体
９６０３    表示部
９６０５    スタンド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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