(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極に対向して設けられ、酸化物半導体を含む半導体層を形成する工程と、
前記半導体層の第１領域に非金属元素をイオン注入する工程と、
前記第１領域にイオン注入した後、２５０℃以上５５０℃以下において前記半導体層を加熱する工程と、
前記半導体層上に、前記半導体層と電気的に接続されるソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
を備え、
前記半導体層は、前記基板から前記ゲート電極に向かう第１方向において互いに対向する第１面及び第２面を有し、
前記第１領域は、前記第１面の一部、及び、前記第２面の一部を含み、前記第１方向において前記ゲート電極と重畳し、前記第１方向において前記ソース電極及び前記ドレイン電極と重畳しない領域であり、
前記非金属元素は、窒素であり、
前記窒素のイオン注入量は、５．０×１０１０ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上５．０×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記半導体層上に、保護膜を形成する工程をさらに備え、
前記非金属元素は、前記保護膜を介して前記第１領域にイオン注入されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体を材料とする半導体装置は、シリコンを材料とする半導体装置には無い優れた特性を実現できるものとして期待されている。例えば、ｎ型の導電性を示すことが知られているＩｎＧａＺｎＯ等を材料とする酸化物半導体は、キャリアの移動度が大きいという特性から薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor: TFT）のチャネル層に使用されている。
【０００３】
このような酸化物半導体は、スパッタ法を用いて形成される。例えば、薄膜トランジスタのチャネル層として、スパッタ法を用いてＩｎＧａＺｎＯを形成すると、化学組成や化学結合状態の制御が難しいため、チャネル層のキャリア濃度が変化して電気特性が不安定になることがある。そのため、電気特性がより安定した信頼性の高い半導体装置が望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１９９００５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の実施形態は、電気特性がより安定した信頼性の高い半導体装置の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態によれば、基板上にゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極に対向して設けられ、酸化物半導体を含む半導体層を形成する工程と、前記半導体層の第１領域に非金属元素をイオン注入する工程と、前記第１領域にイオン注入した後、２５０℃以上５５０℃以下において前記半導体層を加熱する工程と、前記半導体層上に、前記半導体層と電気的に接続されるソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、を備える半導体装置の製造方法が提供される。前記半導体層は、前記基板から前記ゲート電極に向かう第１方向において互いに対向する第１面及び第２面を有する。前記第１領域は、前記第１面の一部、及び、前記第２面の一部を含み、前記第１方向において前記ゲート電極と重畳し、前記第１方向において前記ソース電極及び前記ドレイン電極と重畳しない領域である。前記非金属元素は、窒素である。前記窒素のイオン注入量は、５．０×１０１０ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上５．０×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下である。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１実施形態に係る半導体装置を示す模式図である。
【図２】図２（ａ）及び図２（ｂ）は、イオン注入による半導体層内の窒素濃度分布を示すグラフ図である。
【図３】半導体装置の特性を示す参考図である。
【図４】第１実施形態に係る半導体装置の特性を示す図である。
【図５】第１実施形態に係る半導体装置の特性を示すグラフ図である。
【図６】半導体層内の窒素の化学結合状態を示す図である。
【図７】図７（ａ）〜図７（ｆ）は、第１実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す模式図である。
【図８】図８（ａ）〜図８（ｆ）は、第１実施形態に係る半導体装置の別の製造方法を示す模式図である。
【図９】第２実施形態に係る半導体装置を示す模式図である。
【図１０】図１０（ａ）〜図１０（ｆ）は、第２実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す模式図である。
【図１１】第３実施形態に係る半導体装置を示す模式図である。
【図１２】第３実施形態に係る半導体装置の特性を示すグラフ図である。
【図１３】第３実施形態に係る半導体装置の特性を示す図である。
【図１４】図１４（ａ）〜図１４（ｆ）は、第３実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す模式図である。
【図１５】第４実施形態に係る半導体装置を示す模式図である。
【図１６】図１６（ａ）及び図１６（ｂ）は、第４実施形態に係る半導体装置を示す模式図である。
【図１７】図１７（ａ）及び図１７（ｂ）は、第４実施形態に係る別の半導体装置を示す模式図である。
【図１８】図１８（ａ）及び図１８（ｂ）は、第５実施形態に係る半導体装置を示す模式図である。
【図１９】第５実施形態に係る半導体装置の回路図である。
【図２０】第５実施形態に係る別の半導体装置の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。  
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。  
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【０００９】
本願明細書において、「上に設けられる」とは、直接接して設けられる場合の他に、間に他の層又は膜が挿入されて設けられる場合も含む。また、「対向して設けられる」とは、上または下に直接接して設けられる場合の他に、間に他の層又は膜が挿入されて設けられる場合も含む。
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る半導体装置を示す模式図である。  
図１において、半導体装置１００の断面図が示されている。
【００１１】
図１に表すように、半導体装置１００には、基板１０と、下地膜２０と、ゲート電極３０と、絶縁膜４０と、半導体層５０と、保護膜６０と、ソース電極７０と、ドレイン電極８０と、が設けられている。本実施形態の半導体装置１００は、ゲート電極３０が半導体層５０の下側に設けられているボトムゲート型（逆スタガ型）の薄膜トランジスタである。
【００１２】
基板１０は、例えば、シリコン基板、ガラス基板、又はプラスチック基板である。基板１０に、ポリイミド等の樹脂を含む基板が用いられても良い。基板１０は、非透光性でも良い。基板１０から下地膜２０に向かう方向が積層方向である。図１の矢印の方向（第１方向）が積層方向である。
【００１３】
下地膜２０は、基板１０の上に設けられる。下地膜２０として、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）又は窒化シリコン（ＳｉＮｘ）を含む膜が用いられる。下地膜２０の積層方向の厚みは、１００ナノメートル程度である。
【００１４】
ゲート電極３０は、下地膜２０の上に設けられる。例えば、ゲート電極３０には、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）、Ｔａ（タンタル）、又はＡｌ（アルミニウム）を含む金属膜が用いられる。ゲート電極３０として、窒化チタン（ＴｉＮ）又は窒化タンタル（ＴａＮ）が用いられても良い。ゲート電極３０には、アルミニウム合金を用いても良い。アルミニウム合金は、アルミニウムを主成分とし、ヒロック対策が施される。
【００１５】
ゲート電極３０の積層方向の厚みＷ１は、１０ナノメートル以上２００ナノメートル以下である。ゲート電極３０の側面は、積層方向に対して傾斜していても良い。つまり、ゲート電極３０の側面は、テーパ状でも良い。ゲート電極３０の側面をテーパ状にすることで、ゲート電極３０の上に形成される絶縁膜４０による被覆性が高まる。被覆性が高まることで、リーク電流を抑制できる。
【００１６】
絶縁膜４０は、ゲート絶縁膜である。絶縁膜４０は、ゲート電極３０と半導体層５０との間に設けられる。例えば、絶縁膜４０は、酸化膜である。絶縁膜４０は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、酸化アルミニウム（ＡｌｘＯｙ）、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）、又は酸窒化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ）を含む膜である。絶縁膜４０には、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化シリコン、及び酸窒化シリコンの２つ以上の膜の積層膜を用いても良い。絶縁膜４０の積層方向の厚みＷ２は、１０ナノメートル以上１００ナノメートル以下である。
【００１７】
半導体層５０は、酸化物半導体を含む層である。半導体層５０は、第１面５０ａ及び第２面５０ｂを有する。第２面５０ｂは、第１面５０ａの反対側の面である。半導体層５０は、絶縁膜４０の上に設けられる。半導体層５０の第１面５０ａが絶縁膜４０に対向している。
【００１８】
酸化物半導体は、単結晶、多結晶、又は非晶質（アモルファス）等の状態を有する。例えば、酸化物半導体は、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び亜鉛（Ｚｎ）の少なくともいずれかを含む。酸化物半導体には、ＩｎＧａＺｎＯ（以下、ＩＧＺＯと呼ぶ場合がある。）等の三元系金属酸化物が用いられる。酸化物半導体として、例えば、ＩｎＧａＯ等の二元系金属酸化物が用いられても良い。また、酸化物半導体は、錫（Ｓｎ）またはアルミニウム（Ａｌ）の少なくともいずれかを含んだ、ＩｎＳｎＧａＺｎＯまたはＩｎＡｌＧａＺｎＯ等の四元系金属酸化物が用いられても良い。
【００１９】
ここで、ＩｎＧａＺｎ系酸化物とは、インジウム、ガリウム、及び亜鉛を主成分として有する酸化物であり、これらの金属の成分比率は任意である。また、インジウム、ガリウム、及び亜鉛以外の金属元素を含有しても良い。酸化物半導体として、ＩＧＺＯを用いると、無電界時の抵抗が十分に高くオフ電流を十分に小さくすることができる。また、キャリアの移動度を高めることができる。
【００２０】
半導体層５０は、薄膜トランジスタのチャネル層となる。半導体層５０の積層方向の厚みＷ３は、２０ナノメートル以上１５０ナノメートル以下である。半導体層５０がＩＧＺＯを含む層である場合、半導体層５０は、例えば、スパッタ法によって形成される。半導体層５０は、例えば、ＩＧＺＯの組成比として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏ＝１：１：１：４であるＩＧＺＯ４をターゲットとして用いたスパッタ法によって形成される。
【００２１】
また、スパッタ法によって形成された半導体層５０には、非金属元素がイオン注入されている。非金属元素のイオン注入後、加熱処理が行われる。イオン注入される元素は、電気陰性度が２．０より大きい非金属元素である。例えば、このような非金属元素として、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、及びフッ素（Ｆ）の少なくともいずれかが用いられる。
【００２２】
炭素の電気陰性度の値は、２．５である。窒素の電気陰性度の値は、３．０である。フッ素の電気陰性度の値は、４．０である。電気陰性度の値を考慮すると、イオン注入される非金属元素として窒素又はフッ素を用いることが望ましい。さらに、半導体プロセスとの整合性を考慮すると、イオン注入される非金属元素として窒素がより安定で好ましい。電気陰性度の大きい非金属元素がＩＧＺＯを含む層に添加されると、酸化物半導体であるＩＧＺＯの内部に過剰に存在する電子は非金属元素によって捕獲される。これにより、キャリア（電子）濃度を所望のレベルに制御することができる。
【００２３】
非金属元素として窒素をイオン注入する場合は、一価の窒素イオン(１４Ｎ＋)、又は二価の窒素イオン(１４Ｎ＋＋)を選択することができる。イオン注入量は、５．０×１０１０ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上５．０×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下の範囲である。このような範囲でイオン注入量を設定すると、チャネル層のキャリア濃度は、２．０×１０１７ｃｍ−３以下に制御できる。イオン注入は、一度に行って良く、複数回に分けて多段階で行っても良い。また、イオン注入する場合、水平面に対して基板１０の傾斜角度を１度以上１０度以下にしても良い。
【００２４】
イオン注入する領域は、半導体層５０内の領域であって、積層方向においてゲート電極３０が形成される領域と重畳する領域である。また、イオン注入する領域は、半導体層５０内の領域であって、積層方向においてソース電極７０及びドレイン電極８０が形成される領域と重畳しない領域である。つまり、イオン注入する領域は、図１の点線で表された領域５０Ｒである。領域５０Ｒは、チャネル領域である。領域５０Ｒは、第１領域であり、領域５０Ｒ以外の領域は、第２領域である。
【００２５】
領域５０Ｒに電気陰性度の大きい非金属元素をイオン注入すると、領域５０Ｒ内のキャリア濃度は低くなり、半導体層５０内に高抵抗化された領域５０Ｒが形成される。領域５０Ｒのキャリア濃度が下がることで、半導体装置１００における閾値電圧Ｖｔｈのシフト（特に、負側へのシフト）を低減することができる。また、領域５０Ｒは、積層方向においてソース電極７０及びドレイン電極８０が形成される領域と重畳しない。これにより、キャリア濃度の低下によってコンタクト抵抗が増加してオーミック接続が困難になることは生じ難い。
【００２６】
イオン注入後に、アルゴンを含む不活性ガスの雰囲気中で、所定時間、加熱処理が行われる。加熱処理の温度は、２５０℃以上５５０℃以下である。半導体層５０の組成変化を考慮すると、加熱処理は、アルゴンを含む不活性ガスの雰囲気下で行うことが望ましい。加熱する装置としては、例えば、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）装置を用いることができる。
【００２７】
保護膜６０は、半導体層５０の上に設けられる。保護膜６０は、半導体層５０の第２面５０ｂを保護する膜である。例えば、保護膜６０は、酸化シリコン、テオス（Tetra Ethyl Ortho Silicate： TEOS）、酸化アルミニウム又は窒化シリコンを含む膜である。保護膜６０には、酸化シリコン、テオス、酸化アルミニウム及び窒化シリコンの２つ以上の膜の積層膜を用いても良い。保護膜６０の積層方向の厚みＷ４は、１０ナノメートル以上２００ナノメートル以下である。
【００２８】
ソース電極７０は、半導体層５０及び保護膜６０の上に設けられている。ソース電極７０は、半導体層５０の一部と電気的に接続される。ソース電極７０に、モリブデン、チタン（Ｔｉ）、タンタル、タングステン、又はアルミニウムを含む金属膜が用いられる。ソース電極７０に、窒化モリブデン（ＭｏＮ）、窒化チタン又は窒化タンタルが用いられても良い。ソース電極７０に、これら導電性材料の２つ以上の膜の積層膜を用いても良い。ソース電極７０にＩＴＯ（Indium Tin Oxide）を含む膜を用いても良い。
【００２９】
ドレイン電極８０は、半導体層５０及び保護膜６０の上に設けられている。ドレイン電極８０は、半導体層５０の一部と電気的に接続される。ドレイン電極８０に、ソース電極７０と同じ金属膜が用いられる。また、保護膜６０、ソース電極７０及びドレイン電極８０の上にオーバーコート膜を設けても良い。オーバーコート膜は、保護膜として作用する。例えば、オーバーコート膜に、保護膜６０と同じ材料を含む膜が用いられる。
【００３０】
ここで、薄膜トランジスタにおいて半導体層として酸化物半導体を用いる場合、半導体層はスパッタ法を用いて形成される。スパッタ法を用いた半導体層の形成においては、アルゴン（Ａｒ）と酸素（Ｏ２）の混合ガスを用いる。この際に、ＡｒガスとＯ２ガスに、例えば、窒素（Ｎ２）ガスを添加してスパッタリングすると、半導体層の全面に窒素が導入されることになる。窒素の電気陰性度は大きいので、半導体層内のキャリア（電子）濃度が低下し、半導体層上のコンタクト抵抗が増大する。これにより、ソース電極及びドレイン電極等のオーミック接続が困難になる。
【００３１】
また、半導体層を形成するためのスパッタ法において、Ａｒガス、Ｏ２ガス及びＮ２ガスの流量比を高い精度で制御することは困難である。そのため、半導体層内の窒素濃度を制御する範囲が狭くなる。
さらに、スパッタ法においては、半導体層内に導入した窒素の化学結合状態を制御することが極めて難しい。例えば、半導体層を構成する主要な金属元素と、スパッタリング時に導入した窒素と、の結合が多数形成される場合、半導体層のキャリア濃度は著しく増大し、低抵抗化する。
【００３２】
そのため、スパッタ法を用いて半導体層を形成する場合は、キャリア濃度が変化し易く、閾値電圧のバラツキや変動(特に、負側へのシフト)が生じ易いので薄膜トランジスタの電気特性が安定しない。
【００３３】
一方で、本実施形態の半導体装置１００においては、スパッタ法等を用いて形成された半導体層５０の領域５０Ｒに非金属元素をイオン注入している。このようにスパッタ法を用いて半導体層５０を形成した後、選択的にイオン注入された領域５０Ｒを設けると、半導体層５０のキャリア濃度を選択的かつ高精度に制御することができる。また、半導体層５０上のコンタクト抵抗が増大することを防止し、ソース電極及びドレイン電極等のオーミック接続を容易にすることができる。
【００３４】
以下、上記のような効果を見出す基となった検討結果について説明する。  
【００３５】
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、イオン注入による半導体層内の窒素濃度分布を示すグラフ図である。
図３は、半導体装置の特性を示す参考図である。
図４は、第１実施形態に係る半導体装置の特性を示す図である。
図５は、第１実施形態に係る半導体装置の特性を示すグラフ図である。
図６は、半導体層内の窒素の化学結合状態を示す図である。
【００３６】
図２（ａ）、図２（ｂ）及び図４〜図６のいずれにおいても、半導体装置１００の特性が示されている。半導体層５０は、ＤＣマグネトロンスパッタ法によって形成したＩｎＧａＺｎＯを用いている。スパッタリングに用いたターゲットは、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏ＝１：１：１：４組成のＩＧＺＯ４である。スパッタリングは、Ａｒ及びＯ２の混合ガスを使用している。ＤＣ電源の出力は、３００Ｗであり、圧力は、０．３６Ｐａ〜０．４６Ｐａである。スパッタリング時の基板加熱は行っていない。
【００３７】
半導体装置１００においては、半導体層５０の領域５０Ｒにイオン注入する非金属元素として窒素を用いている。イオン注入は、一価の窒素イオン(１４Ｎ＋)を半導体層５０内の領域５０Ｒに対して選択的に行っている。イオン注入後、アルゴンを含む不活性ガスの雰囲気中で、３５０℃、６０分間の加熱処理が行われる。
【００３８】
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、半導体層５０にＮイオンを注入した場合の窒素濃度の深さ方向の分布を示している。
図２（ａ）は、半導体層５０に加速エネルギーを３０ｋｅＶ一定として、Ｎイオン(１４Ｎ＋)の注入量を条件（ａ）〜条件（ｆ）において変化させた場合のシミュレーション（ＬＳＳ理論に基づく数値計算）結果である。ＩＧＺＯ膜の密度は、６．０（ｇ/ｃｍ３）である。縦軸は、半導体層５０内の窒素濃度（atoms/ｃｍ３）を表している。横軸は、半導体層５０の第２面５０ｂから第１面５０ａに向かう方向の深さ（ナノメートル）を表している。つまり、深さ方向とは、第２面５０ｂから第１面５０ａに向かう方向である。条件（ａ）〜条件（ｆ）は、図２（ａ）の曲線（ａ）〜曲線（ｆ）に対応する。
【００３９】
図２（ａ）の条件（ａ）において、Ｎイオンの注入量は、１．０×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２である。図２（ａ）の条件（ｂ）において、Ｎイオンの注入量は、２．０×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２である。図２（ａ）の条件（ｃ）において、Ｎイオンの注入量は、５．０×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２である。
【００４０】
図２（ａ）の条件（ｄ）において、Ｎイオンの注入量は、１．０×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２である。図２（ａ）の条件（ｅ）において、Ｎイオンの注入量は、２．０×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２である。図２（ａ）の条件（ｆ）において、Ｎイオンの注入量は、５．０×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２である。
【００４１】
図２（ｂ）は、半導体層５０内の窒素濃度がピーク値で２．０×１０２１（atoms/ｃｍ３）になるように、Ｎイオン(１４Ｎ＋)の注入量と加速エネルギーの両方を変化させた場合のシミュレーション（ＬＳＳ理論に基づく数値計算）結果である。ＩＧＺＯ膜の密度は、６．０（ｇ/ｃｍ３）である。縦軸は、半導体層５０内の窒素濃度（atoms/ｃｍ３）を表している。横軸は、半導体層５０の第２面５０ｂから第１面５０ａに向かう方向の深さ（ナノメートル）を表している。つまり、深さ方向とは、第２面５０ｂから第１面５０ａに向かう方向である。条件（ａ）〜条件（ｆ）は、図２（ｂ）の曲線（ａ）〜曲線（f）に対応する。
【００４２】
図２（ｂ）の条件（ａ）において、Ｎイオンの注入量は、２．０×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２である。加速エネルギーは５ｋｅＶである。図２（ｂ）の条件（ｂ）において、Ｎイオンの注入量は、３．０×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２である。加速エネルギーは８ｋｅＶである。図２（ｂ）の条件（ｃ）において、Ｎイオンの注入量は、３．５×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２である。加速エネルギーは１０ｋｅＶである。
【００４３】
図２（ｂ）の条件（ｄ）において、Ｎイオンの注入量は、４．０×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２である。加速エネルギーは１２ｋｅＶである。図２（ｂ）の条件（ｅ）において、Ｎイオンの注入量は、５．０×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２である。加速エネルギーは１５ｋｅＶである。図２（ｂ）の条件（ｆ）において、Ｎイオンの注入量は、２．０×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２である。加速エネルギーは４０ｋｅＶである。
【００４４】
図２（ａ）及び図２（ｂ）に表すように、Ｎイオンの注入量と加速エネルギーを適宜選択することで、半導体層５０の深さ方向に対する窒素濃度を高い精度で制御できることが分かった。
【００４５】
図３は、スパッタ法によって形成したＩｎＧａＺｎＯからなる半導体層にＮイオンを注入しない半導体装置において、スパッタリング時の条件が異なる試料１及び試料２の半導体層内の窒素濃度とキャリア濃度の測定結果を示している。窒素濃度の測定には、二次イオン質量分析法を用い、CAMECA社製の二次イオン質量分析装置(IMS-7f)を使用した。この二次イオン質量分析装置における窒素濃度の検出下限値は、３．０×１０１７（atoms／ｃｍ３）である。キャリア濃度の測定には、ホール効果測定法を用い、東陽テクニカ社製のホール効果測定装置（Resi Test8310）を使用した。試料１及び試料２のいずれにおいても、スパッタ法による半導体層の形成後に加熱処理が行われている。試料１は、スパッタリング時のＯ２ガスの流量比が２５％である。試料２は、スパッタリング時のＯ２ガスの流量比が３％である。
【００４６】
つまり、試料１は、スパッタリング時に過酸素の条件下で形成された半導体層を示している。試料２は、スパッタリング時に低酸素の条件下で形成された半導体層を示している。Ｏ２ガスの流量比は、ＡｒガスとＯ２ガスの流量に対するＯ２ガスの流量（Ｏ２／Ａｒ＋Ｏ２）の百分率で表される。
【００４７】
Ｎイオンを注入しない試料１において、半導体層内の窒素濃度（ピーク濃度）は、４．０×１０１８（atoms／ｃｍ３）である。Ｎイオンを注入しない試料２において、半導体層内の窒素濃度（ピーク濃度）は、１．８×１０１８（atoms／ｃｍ３）である。試料１において、半導体層のキャリア濃度は、２．５×１０１７（atoms／ｃｍ３）である。試料２において、半導体層のキャリア濃度は、４．５×１０１８（atoms／ｃｍ３）である。
【００４８】
図４は、スパッタ法による半導体層５０の形成後、半導体層５０の領域５０ＲにＮイオンを注入した半導体装置１００において、スパッタリング時の条件が異なる試料３及び試料４の半導体層内の窒素濃度とキャリア濃度の測定結果を示している。窒素濃度の測定には、二次イオン質量分析法を用い、CAMECA社製の二次イオン質量分析装置(IMS-7f)を使用した。キャリア濃度の測定には、ホール効果測定法を用い、東陽テクニカ社製のホール効果測定装置（Resi Test8310）を使用した。試料３及び試料４のいずれにおいても、Ｎイオンの注入後に加熱処理が行われている。試料３は、スパッタリング時のＯ２ガスの流量比が２５％である。試料４は、スパッタリング時のＯ２ガスの流量比が３％である。
【００４９】
つまり、試料３は、スパッタリング時に過酸素の条件下で形成された半導体層５０を示している。試料４は、スパッタリング時に低酸素の条件下で形成された半導体層５０を示している。試料３は、半導体層のＮイオンの注入の有無において、試料１と異なる。試料４は、半導体層のＮイオンの注入の有無において、試料２と異なる。
【００５０】
試料３において、半導体層５０内の窒素濃度（ピーク濃度）は、１．５×１０２１（atoms／ｃｍ３）である。試料４において、半導体層５０内の窒素濃度（ピーク濃度）は、２．０×１０２１（atoms／ｃｍ３）である。試料３において、半導体層のキャリア濃度は、２．２×１０１６（atoms／ｃｍ３）である。試料４において、半導体層のキャリア濃度は、１．１×１０１７（atoms／ｃｍ３）である。
【００５１】
図３及び図４に表すように、Ｎイオンを注入した試料３及び試料４と、Ｎイオンを注入していない試料１及び試料２と、を比較すると、試料３及び試料４における半導体層５０の領域５０Ｒのキャリア濃度が減少することが分かった。また、図示しないが、試料３及び試料４におけるシート抵抗は、試料１及び試料２に比べ増加することが分かった。
【００５２】
スパッタ法による成膜時に窒素を導入して酸化物半導体を含む半導体層を形成する場合は、特に低酸素の条件下において、半導体層を構成する主要な金属元素と窒素との結合が形成され易く、半導体層のキャリア濃度が著しく増大することがある。これに対して、スパッタ法で成膜した後にＮイオンを注入した場合は、金属元素と窒素との結合が抑制され、過酸素の条件下及び低酸素の条件下のいずれにおいても、Ｎイオンを注入した領域５０Ｒのキャリア濃度が減少することが分かった。つまり、スパッタ法で酸化物半導体を含む半導体層５０を形成した後に、Ｎイオンを注入し、適正な加熱処理を行うことで、半導体層５０の領域５０Ｒに導入した窒素の化学結合状態を制御できることが分かった。
【００５３】
図５は、半導体装置１００において、スパッタ法による半導体層５０の形成後、半導体層５０の領域５０ＲにＮイオンを注入した場合の電子スピン共鳴法により得られたＥＳＲ（Electron Spin Resonance）スペクトルを示している。測定には、BRUKER社製のElexsys E580を使用した。Ｎイオンの注入後に加熱処理が行われており、半導体層５０内の窒素濃度（ピーク濃度）は、１．５×１０２１（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）である。縦軸は、信号強度（任意単位）を表している。横軸は、ＥＳＲ測定時の磁場強度（Ｇ）を表している。
【００５４】
図５に表すように、パラメータｇを中心として非対称な信号Ｓが複数検出された。パラメータｇは、電子軌道の状態を表す物質固有のパラメータであって、その数値（ｇ値）は、２．００２である。スピン密度は、４．０×１０１８（個／ｃｍ３）であった。このような非対称な信号Ｓは窒素酸化物に由来し、Ｎのダングリングボンドに基づくスペクトルであることが分かった。半導体層５０の領域５０Ｒに導入した窒素は、図６に表すような化学結合状態であると推定され、Ｎ原子はＯ原子に近接して存在するものと考えられる。
【００５５】
スパッタ法で成膜した後にＮイオンを注入した場合は、図６に表すような化学結合状態が半導体層５０の領域５０Ｒに発生し易いので、半導体層を構成する主要な金属元素と窒素との結合が抑制される。これにより、過酸素の条件下及び低酸素の条件下のいずれにおいても、領域５０Ｒのキャリア濃度が減少し、低抵抗化が抑制されることが分かった。したがって、スパッタ法で半導体層５０を成膜した後に、領域５０ＲにＮイオンを選択的に注入し、適正な加熱処理を行うことで、半導体層５０内のキャリア濃度を所望の値に制御できる。
【００５６】
本実施形態によれば、スパッタ法等を用いて形成された半導体層５０の領域５０Ｒに非金属元素をイオン注入している。このように半導体装置１００に半導体層５０を設けると、閾値電圧のバラツキや変動（特に、負側へのシフト）が抑制されるので、電気特性がより安定した信頼性の高い半導体装置が提供される。
【００５７】
図７（ａ）〜図７（ｆ）は、第１実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す模式図である。
下地膜２０が設けられた基板１０が準備される。
【００５８】
図７（ａ）において、下地膜２０の上にゲート電極３０が形成される。例えば、下地膜２０の上に金属膜を形成し、フォトリソグラフィとエッチングによって金属膜を加工してゲート電極３０を形成する。
【００５９】
図７（ｂ）において、ゲート電極３０を覆うように絶縁膜４０を形成する。
図７（ｃ）において、絶縁膜４０の上に半導体層５０を形成する。例えば、半導体層５０は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏ＝１：１：１：４組成のＩＧＺＯ４をターゲットとして用いたＤＣマグネトロンスパッタ法によって形成される。スパッタリングは、Ａｒ及びＯ２の混合ガスを使用する。ＤＣ電源の出力は、３００Ｗであり、圧力は、０．３６Ｐａ〜０．４６Ｐａである。
【００６０】
図７（ｄ）において、フォトリソグラフィとエッチングによって半導体層５０を加工し、素子分離を行った後、レジストマスク１５を用いて半導体層５０内の点線で表された領域５０Ｒに非金属元素をイオン注入する。例えば、非金属元素に窒素が用いられる。
【００６１】
領域５０Ｒは、半導体層５０内の領域であって、積層方向においてゲート電極３０が形成される領域と重畳する領域である。また、領域５０Ｒは、半導体層５０内の領域であって、積層方向においてソース電極７０及びドレイン電極８０が形成される領域と重畳しない領域である。積層方向においてソース電極７０及びドレイン電極８０が形成される領域と重畳する領域は、レジストマスク１５によってイオン注入されない。
【００６２】
イオン注入後、加熱処理が行われる。例えば、加熱処理は、アルゴンを含む不活性ガスの雰囲気中で、３５０℃の温度で６０分間行われる。
【００６３】
図７（ｅ）において、半導体層５０の上に保護膜６０を形成する。
本実施形態によれば、図７（ｄ）において、レジストマスク１５を用いて半導体層５０の領域５０Ｒにイオン注入が行われているが、保護膜６０を介して半導体層５０の領域５０Ｒにイオン注入しても良い。例えば、図７（ｅ）において、半導体層５０の上に保護膜６０を形成した後、レジストマスク１５を用いて半導体層５０の領域５０Ｒにイオン注入を行うことができる。
【００６４】
図７（ｆ）において、開口が保護膜６０に形成され、ソース電極７０及びドレイン電極８０を形成する。例えば、保護膜６０の上に金属膜を形成し、フォトリソグラフィとエッチングによって金属膜を加工してソース電極７０及びドレイン電極８０を形成する。ソース電極７０及びドレイン電極８０は、開口によって半導体層５０の一部と電気的に接続される。例えば、開口は、エッチングによって保護膜６０に形成される。
本製造方法によってボトムゲート型の薄膜トランジスタが形成される。
【００６５】
図８（ａ）〜図８（ｆ）は、第１実施形態に係る半導体装置の別の製造方法を示す模式図である。
図８（ａ）〜図８（ｃ）の製造工程は、図７（ａ）〜図７（ｃ）の製造工程にそれぞれ対応するので、図８（ａ）〜図８（ｃ）の製造工程の詳細な説明は省略する。
【００６６】
図８（ｄ）において、フォトリソグラフィとエッチングによって半導体層５０を加工し、素子分離を行った後、半導体層５０の上に保護膜６０を形成する。
図８（ｅ）において、開口が保護膜６０に形成され、ソース電極７０及びドレイン電極８０を形成する。ソース電極７０及びドレイン電極８０は、開口によって半導体層５０の一部と電気的に接続される。
【００６７】
図８（ｆ）において、半導体層５０の領域５０Ｒに保護膜６０を介して非金属元素をイオン注入した後、加熱処理を行う。ソース電極７０及びドレイン電極８０をマスクとして自己整合的にイオン注入が行われる。領域５０Ｒは、点線で表されたチャネル領域である。例えば、加熱処理は、アルゴンを含む不活性ガスの雰囲気中で、３５０℃の温度で６０分間行われる。
本製造方法によってボトムゲート型の薄膜トランジスタが形成される。
【００６８】
本実施形態によれば、電気特性がより安定した信頼性の高い半導体装置の製造方法が提供される。
【００６９】
（第２実施形態）
図９は、第２実施形態に係る半導体装置を示す模式図である。  
図９において、半導体装置１１０の断面図が示されている。
【００７０】
図９に表すように、半導体装置１１０には、基板１０と、下地膜２０と、ゲート電極３０と、絶縁膜４０と、半導体層５０と、保護膜６０と、ソース電極７０と、ドレイン電極８０と、が設けられている。本実施形態の半導体装置１１０は、ゲート電極３０が半導体層５０の上側に設けられているトップゲート型（スタガ型）の薄膜トランジスタである。
【００７１】
基板１０から下地膜２０に向かう方向が積層方向である。図９の矢印の方向が積層方向である。下地膜２０は、基板１０の上に設けられる。
【００７２】
ゲート電極３０は、絶縁膜４０の上に設けられる。ゲート電極３０の積層方向の厚みＷ１は、１０ナノメートル以上２００ナノメートル以下である。
【００７３】
絶縁膜４０は、ゲート絶縁膜である。絶縁膜４０は、ゲート電極３０と半導体層５０との間に設けられる。絶縁膜４０の積層方向の厚みＷ２は、１０ナノメートル以上１００ナノメートル以下である。
【００７４】
半導体層５０は、ＩＧＺＯ等の酸化物半導体を含む層である。半導体層５０は、第１面５０ａ及び第２面５０ｂを有する。第２面５０ｂは、第１面５０ａの反対側の面である。半導体層５０は、下地膜２０の上に設けられる。半導体層５０の第１面５０ａが下地膜２０に対向しており、第２面５０ｂが絶縁膜４０を挟んでゲート電極３０と対向している。
【００７５】
半導体層５０の厚みＷ３は、２０ナノメートル以上１５０ナノメートル以下である。半導体層５０は、スパッタ法によって形成される。また、スパッタ法によって形成された半導体層５０には、非金属元素がイオン注入されている。イオン注入される元素は、電気陰性度が２．０より大きい非金属元素である。例えば、このような非金属元素として、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、及びフッ素（Ｆ）の少なくともいずれかが用いられる。
【００７６】
炭素の電気陰性度の値は、２．５である。窒素の電気陰性度の値は、３．０である。フッ素の電気陰性度の値は、４．０である。電気陰性度の値を考慮すると、イオン注入される非金属元素として窒素又はフッ素を用いることが望ましい。さらに、半導体プロセスとの整合性を考慮すると、イオン注入される非金属元素として窒素がより安定で好ましい。電気陰性度の大きい非金属元素がＩＧＺＯを含む層に添加されると、酸化物半導体であるＩＧＺＯの内部に過剰に存在する電子は非金属元素によって捕獲される。これにより、キャリア（電子）濃度を所望のレベルに制御することができる。
【００７７】
非金属元素として窒素をイオン注入する場合は、一価の窒素イオン(１４Ｎ＋)、又は二価の窒素イオン(１４Ｎ＋＋)を選択することができる。イオン注入量は、５．０×１０１０ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上５．０×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下の範囲である。このような範囲でイオン注入量を設定すると、チャネル層のキャリア(電子)濃度は、２．０×１０１７ｃｍ−３以下に制御できる。イオン注入は、一度に行って良く、複数回に分けて多段階で行っても良い。また、イオン注入する場合、水平面に対して基板１０の傾斜角度を１度以上１０度以下にしても良い。
【００７８】
イオン注入する領域は、半導体層５０内の領域であって、積層方向においてゲート電極３０が形成される領域と重畳する領域である。また、イオン注入する領域は、半導体層５０内の領域であって、積層方向においてソース電極７０及びドレイン電極８０が形成される領域と重畳しない領域である。つまり、イオン注入する領域は、図９の点線で表された領域５０Ｒである。領域５０Ｒは、チャネル領域である。領域５０Ｒは、第１領域であり、領域５０Ｒ以外の領域は、第２領域である。
【００７９】
領域５０Ｒに電気陰性度の大きい非金属元素をイオン注入すると、領域５０Ｒ内のキャリア濃度は低くなり、半導体層５０内に高抵抗化された領域５０Ｒが形成される。領域５０Ｒのキャリア濃度が下がることで、半導体装置１１０における閾値電圧のシフト（特に、負側へのシフト）を低減できる。また、領域５０Ｒは、積層方向においてソース電極７０及びドレイン電極８０が形成される領域と重畳しない。これにより、キャリア濃度の低下によってコンタクト抵抗が増加してオーミック接続が困難になることは生じ難い。
【００８０】
イオン注入後、アルゴンを含む不活性ガスの雰囲気中で、所定時間、加熱処理が行われる。加熱処理の温度は、２５０℃以上５５０℃以下である。
【００８１】
保護膜６０は、ゲート電極３０及び絶縁膜４０の上に設けられる。保護膜６０の積層方向の厚みＷ４は、１０ナノメートル以上２００ナノメートル以下である。
【００８２】
ソース電極７０は、半導体層５０及び保護膜６０の上に設けられている。ソース電極７０は、半導体層５０の一部と電気的に接続される。ドレイン電極８０は、半導体層５０及び保護膜６０の上に設けられている。ドレイン電極８０は、半導体層５０の一部と電気的に接続される。
【００８３】
本実施形態の半導体装置１１０において、スパッタ法等を用いて形成された半導体層５０の領域５０Ｒに非金属元素をイオン注入している。このようにスパッタ法を用いて半導体層５０を形成した後、選択的にイオン注入された半導体層５０を設けると、半導体層５０のキャリア濃度を選択的かつ高精度に制御することができる。また、半導体層５０上のコンタクト抵抗が増大することを防止し、ソース電極及びドレイン電極等のオーミック接続を容易にすることができる。
【００８４】
本実施形態によれば、電気特性がより安定した信頼性の高い半導体装置が提供される。
【００８５】
図１０（ａ）〜図１０（ｆ）は、第２実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す模式図である。
下地膜２０が設けられた基板１０が準備される。
【００８６】
図１０（ａ）において、下地膜２０の上に半導体層５０が形成される。例えば、半導体層５０は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏ＝１：１：１：４組成のＩＧＺＯ４をターゲットとして用いたＤＣマグネトロンスパッタ法によって形成される。スパッタリングは、Ａｒ及びＯ２の混合ガスを使用する。ＤＣ電源の出力は、３００Ｗであり、圧力は、０．３６Ｐａ〜０．４６Ｐａである。
【００８７】
図１０（ｂ）において、フォトリソグラフィとエッチングによって半導体層５０を加工し、素子分離を行う。その後、レジストマスク１５を用いて半導体層５０の領域５０Ｒに非金属元素をイオン注入した後、加熱処理を行う。領域５０Ｒは、点線で表されたチャネル領域である。例えば、非金属元素に窒素が用いられる。
【００８８】
領域５０Ｒは、半導体層５０内の領域であって、積層方向においてゲート電極３０が形成される領域と重畳する領域である。また、領域５０Ｒは、半導体層５０内の領域であって、積層方向においてソース電極７０及びドレイン電極８０が形成される領域と重畳しない領域である。積層方向においてソース電極７０及びドレイン電極８０が形成される領域と重畳する領域は、レジストマスク１５によってイオン注入されない。
【００８９】
イオン注入後、加熱処理が行われる。例えば、加熱処理は、アルゴンを含む不活性ガスの雰囲気中で、３５０℃の温度で６０分間行われる。加熱する装置としては、例えば、ＲＴＡ装置を用いることができる。
【００９０】
図１０（ｃ）において、半導体層５０を覆うように絶縁膜４０を形成する。
図１０（ｄ）において、絶縁膜４０の上にゲート電極３０が形成される。例えば、絶縁膜４０の上に金属膜を形成し、フォトリソグラフィとエッチングによって金属膜を加工してゲート電極３０を形成する。
図１０（ｅ）において、ゲート電極３０を覆うように保護膜６０を形成する。
【００９１】
図１０（ｆ）において、開口が絶縁膜４０及び保護膜６０に形成され、ソース電極７０及びドレイン電極８０を形成する。例えば、保護膜６０の上に金属膜を形成し、フォトリソグラフィとエッチングによって金属膜を加工してソース電極７０及びドレイン電極８０を形成する。ソース電極７０及びドレイン電極８０は、開口によって半導体層５０の一部と電気的に接続される。例えば、開口は、エッチングによって絶縁膜４０及び保護膜６０に形成される。
本製造方法によってトップゲート型の薄膜トランジスタが形成される。
【００９２】
本実施形態によれば、電気特性がより安定した信頼性の高い半導体装置の製造方法が提供される。
【００９３】
（第３実施形態）
図１１は、第３実施形態に係る半導体装置を示す模式図である。  
図１１において、半導体装置１２０の断面図が示されている。
【００９４】
図１１に表すように、半導体装置１２０には、基板１０と、下地膜２０と、ゲート電極３０と、絶縁膜４０と、半導体層５０と、保護膜６０と、ソース電極７０と、ドレイン電極８０と、が設けられている。本実施形態の半導体装置１２０は、ゲート電極３０が半導体層５０の下側に設けられているボトムゲート型の薄膜トランジスタである。
【００９５】
本実施形態の半導体装置１２０は、半導体層５０にイオン注入される領域において第１実施形態の半導体装置１００と異なる。イオン注入される領域以外の構成は、第１実施形態の半導体装置１００と同じであるので、その他の構成の詳細な説明は省略する。
【００９６】
半導体層５０は、スパッタ法によって形成される。また、スパッタ法によって形成された半導体層５０には、非金属元素がイオン注入されている。イオン注入される元素は、電気陰性度が２．０より大きい非金属元素である。例えば、このような非金属元素として、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、及びフッ素（Ｆ）の少なくともいずれかが用いられる。炭素の電気陰性度の値は、２．５である。窒素の電気陰性度の値は、３．０である。フッ素の電気陰性度の値は、４．０である。電気陰性度の値を考慮すると、イオン注入される非金属元素として窒素又はフッ素を用いることが望ましい。さらに、半導体プロセスとの整合性を考慮すると、イオン注入される非金属元素として窒素がより安定で好ましい。
【００９７】
例えば、非金属元素は、複数回に分けて多段階でイオン注入されている。非金属元素として窒素をイオン注入する場合は、一価の窒素イオン(１４Ｎ＋)、又は二価の窒素イオン(１４Ｎ＋＋)を選択することができる。イオン注入量は、５．０×１０１０ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上５．０×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下の範囲である。このような範囲でイオン注入量を設定すると、チャネル層のキャリア(電子)濃度は、２．０×１０１７ｃｍ−３以下に制御できる。イオン注入する場合、水平面に対して基板１０の傾斜角度を１度以上１０度以下にしても良い。
【００９８】
イオン注入後、アルゴンを含む不活性ガスの雰囲気中で、所定時間、加熱処理が行われる。加熱処理の温度は、２５０℃以上５５０℃以下である。
【００９９】
イオン注入する領域は、半導体層５０内の領域であって、積層方向においてゲート電極３０が形成される領域と重畳する領域である。また、イオン注入する領域は、半導体層５０内の領域であって、積層方向においてソース電極７０及びドレイン電極８０が形成される領域と重畳しない領域である。
【０１００】
イオン注入する領域は、半導体層５０内の領域であって、半導体層５０の第１面５０ａから積層方向に厚み５０Ｗ１までの領域である。また、イオン注入する領域は、半導体層５０内の領域であって、半導体層５０の第２面５０ｂから積層方向と反対方向に厚み５０Ｗ２までの領域である。つまり、イオン注入する領域は、図１１の点線で表された領域５０Ｒ１及び領域５０Ｒ２である。領域５０Ｒ１及び領域５０Ｒ２は、チャネル領域である。
【０１０１】
例えば、厚み５０Ｗ１及び厚み５０Ｗ２は、５ナノメートル以上１００ナノメートル以下である。厚み５０Ｗ１と、厚み５０Ｗ２とは、異なっても良い。厚み５０Ｗ１と、厚み５０Ｗ２とは、略同じでも良い。厚み５０Ｗ１と厚み５０Ｗ２の総和は、半導体層５０の厚みＷ３未満である。
【０１０２】
本実施形態の半導体装置１２０において、スパッタ法等を用いて形成された半導体層５０の領域５０Ｒ１及び領域５０Ｒ２に非金属元素をイオン注入している。このようにスパッタ法を用いて半導体層５０を形成した後、選択的にイオン注入された領域５０Ｒ１及び領域５０Ｒ２を設けると、半導体層５０のキャリア濃度を選択的かつ高精度に制御することができる。また、半導体層５０上のコンタクト抵抗が増大することを防止し、ソース電極及びドレイン電極等のオーミック接続を容易にすることができる。
【０１０３】
以下、第３実施形態に係る半導体装置１２０の特性について説明する。  
【０１０４】
図１２は、第３実施形態に係る半導体装置の特性を示すグラフ図である。
図１３は、第３実施形態に係る半導体装置の特性を示す図である。
【０１０５】
図１２及び図１３のいずれにおいても、半導体装置１２０の特性が示されている。半導体層５０は、スパッタ法によって形成される。例えば、半導体層５０は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏ＝１：１：１：４組成のＩＧＺＯ４をターゲットとして用いたＤＣマグネトロンスパッタ法によって形成される。スパッタリングは、Ａｒ及びＯ２の混合ガスを使用する。ＤＣ電源の出力は、３００Ｗであり、圧力は、０．３６Ｐａ〜０．４６Ｐａである。
【０１０６】
半導体層５０の領域５０Ｒ１及び領域５０Ｒ２にイオン注入する非金属元素として窒素を用いている。イオン注入は、半導体層５０の上に設けられた保護膜６０を介して、領域５０Ｒ１及び領域５０Ｒ２に行われている。Ｎイオンは、多段階で注入される。多段階のイオン注入後、アルゴンを含む不活性ガスの雰囲気中で、３５０℃、６０分間の条件で加熱処理が行われる。
【０１０７】
多段注入法において、保護膜６０の材質及び膜厚と、半導体層５０の膜厚に合わせて、Ｎイオンの注入量及び加速エネルギーを適宜選択することで、半導体層５０内の窒素濃度を制御できる。また、多段注入法を適用し、Ｎイオンの注入量および加速エネルギーを適宜選択すると、窒素濃度だけでなく半導体層５０の深さ方向に対する水素(Ｈ）濃度を制御できる。酸化物半導体中の水素は、キャリア濃度の変化に大きく影響することが知られている。イオン注入法を用いることで、電気特性をより安定させることができる。
【０１０８】
図１２は、半導体層５０の領域５０Ｒ１及び領域５０Ｒ２にＮイオンを注入した場合の深さ方向に対する窒素濃度の分布曲線を示している。縦軸は、半導体層５０内の窒素濃度を表している。横軸は、半導体層５０の第２面５０ｂから第１面５０ａに向かう方向の距離を表している。横軸の最大値は、半導体層５０の積層方向の厚みＷ３である。
【０１０９】
Ｎイオンは、２段階で注入されている。例えば、第１段階のＮイオン注入で半導体層５０の領域５０Ｒ１を形成した後、第２段階のＮイオン注入で半導体層５０の領域５０Ｒ２を形成する。このような２段階注入によって、図１２に表すように、厚み５０Ｗ１及び厚み５０Ｗ２の範囲にＮイオンが選択的に注入される。つまり、窒素は、半導体層５０内の領域５０Ｒ１と領域５０Ｒ２に導入される。Ｎイオンの注入量及び加速エネルギーを適宜選択することで、例えば、領域５０Ｒ２の窒素濃度は、領域５０Ｒ１の窒素濃度より高く設定することができる。
【０１１０】
図１３は、半導体層５０内の電子が流れる状態を示している。図１３の矢印の方向が電子が流れる方向である。絶縁膜４０及び保護膜６０は、半導体層５０の第１面５０ａ及び第２面５０ｂにそれぞれ接して設けられている。絶縁膜４０及び保護膜６０の界面に位置する領域５０Ｒ１及び領域５０Ｒ２にＮイオンを注入して加熱処理すると、Ｎのダングリングボンドに電子が捕獲される。領域５０Ｒ１及び領域５０Ｒ２は、高抵抗化する。
【０１１１】
領域５０Ｒ３は、領域５０Ｒ１及び領域５０Ｒ２と比較して、低抵抗領域である。半導体層５０内の電子の多くは、領域５０Ｒ１と領域５０Ｒ２との間に位置する領域５０Ｒ３を流れる。そのため、絶縁膜４０及び保護膜６０の界面に存在する界面準位（欠陥）の影響を相対的に減少させることができる。これにより、半導体装置１２０における閾値電圧のシフト（特に、負側へのシフト）など、電気特性の変動を抑制できる。
【０１１２】
本実施形態によれば、スパッタ法等を用いて形成された半導体層５０の領域５０Ｒ１及び領域５０Ｒ２に非金属元素を多段階でイオン注入している。このように半導体装置１２０に半導体層５０を設けると、電気特性がより安定した信頼性の高い半導体装置が提供される。
【０１１３】
図１４（ａ）〜図１４（ｆ）は、第３実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す模式図である。
図１４（ａ）〜図１４（ｅ）の製造工程は、図８（ａ）〜図８（ｅ）の製造工程にそれぞれ対応するので、図１４（ａ）〜図１４（ｅ）の製造工程の詳細な説明は省略する。
【０１１４】
図１４（ｆ）において、半導体層５０の領域５０Ｒ１及び領域５０Ｒ２に、非金属元素をイオン注入して加熱処理を行う。例えば、領域５０Ｒ１及び領域５０Ｒ２に、保護膜６０を介して二段階のイオン注入が行われる。領域５０Ｒ１及び領域５０Ｒ２は、点線で表されたチャネル領域である。例えば、イオン注入する非金属元素に窒素が用いられる。例えば、加熱処理は、アルゴンを含む不活性ガスの雰囲気中で、３５０℃の温度で６０分間行われる。
【０１１５】
本実施形態によれば、図１４（ｆ）において、ソース電極７０及びドレイン電極８０をマスクとして自己整合的に、半導体層５０の領域５０Ｒ１及び領域５０Ｒ２にイオン注入が行われているが、レジストマスクを用いて保護膜６０を介して半導体層５０にイオン注入しても良い。例えば、図１４（ｄ）において、半導体層５０の上に保護膜６０を形成した後、図示しないレジストマスクを用いて半導体層５０の領域５０Ｒ１及び領域５０Ｒ２に二段階のイオン注入を行うことができる。イオン注入後、所定の加熱処理を行えば良い。
本製造方法によってボトムゲート型の薄膜トランジスタが形成される。
【０１１６】
本実施形態によれば、電気特性がより安定した信頼性の高い半導体装置の製造方法が提供される。
【０１１７】
（第４実施形態）
図１５は、第４実施形態に係る半導体装置を示す模式図である。
図１６（ａ）及び図１６（ｂ）は、第４実施形態に係る半導体装置を示す模式図である。
図１７（ａ）及び図１７（ｂ）は、第４実施形態に係る別の半導体装置を示す模式図である。
図１５は、２つの領域Ｒ１、Ｒ２で分けられた平面上に複数の半導体素子１３０ａ、１３０ｂが設けられた様子を上面から見た図である。半導体装置１３０は、半導体素子１３０ａ、１３０ｂを有する。図１６（ａ）及び図１７（ａ）において、半導体素子１３０ａの断面図が示されている。図１６（ｂ）及び図１７（ｂ）において、半導体素子１３０ｂの断面図が示されている。
【０１１８】
図１５に表すように、半導体素子１３０ａは、領域Ｒ１に設けられ、半導体素子１３０ｂは、領域Ｒ２に設けられている。領域Ｒ１及び領域Ｒ２は、平面上を２つにわける領域である。例えば、領域Ｒ１は、シリコン基板上のアナログ回路部であって、領域Ｒ２は、シリコン基板上のデジタル回路部である。このような場合、例えば、半導体素子１３０ａは、アナログ回路を構成する一素子であって、半導体素子１３０ｂは、デジタル回路を構成する一素子である。
【０１１９】
領域Ｒ１は、半導体素子１３０ａの積層方向（矢印方向）に対して垂直な平面に投影したときに、例えば、四角形状を有する領域であって、領域Ｒ２は、半導体素子１３０ｂの積層方向（矢印方向）に対して垂直な平面に投影したときに、領域Ｒ１に重ならない領域である。
【０１２０】
領域Ｒ１及び領域Ｒ２は、上面視において任意の形状を有することができる。例えば、領域Ｒ１は、上面視において、略四角形状を有する領域であって、領域Ｒ２は、上面視において略環状を有する領域であっても良い。また、領域Ｒ１は、上面視において、（略円形状及び略楕円形状を含む）略円状を有する領域であって、領域Ｒ２は、上面視において略円環状を有する領域であっても良い。また、領域Ｒ１は、領域Ｒ２に接触するように隣接していなくても良い。また、領域Ｒ１の形状は、上面視において、領域Ｒ２の形状と略同じでも良い。
【０１２１】
領域Ｒ１及び領域Ｒ２にそれぞれ設けられる半導体素子１３０ａ、１３０ｂの数は、任意である。また、半導体素子１３０ａ、１３０ｂは薄膜トランジスタであるが、用途に応じて、トランジスタのチャネル長、チャネル幅は異なるサイズや形状で多種類存在してかまわない。
以下、領域Ｒ１及び領域Ｒ２にそれぞれ設けられる半導体素子１３０ａ、１３０ｂの構成の違いについて述べる。
【０１２２】
図１６（ａ）及び図１６（ｂ）に表すように、半導体素子１３０ａ、１３０ｂの各々には、基板１０と、下地膜２０と、ゲート電極３０と、絶縁膜４０と、半導体層５０と、保護膜６０と、ソース電極７０と、ドレイン電極８０と、が設けられている。半導体素子１３０ａ、１３０ｂのいずれも、第１実施形態のようなボトムゲート型（逆スタガ型）の薄膜トランジスタである。半導体素子１３０ａ、１３０ｂは、トップゲート型（スタガ型）の薄膜トランジスタでも良い。
【０１２３】
半導体素子１３０ａ、１３０ｂのいずれにおいても、スパッタ法によって形成された半導体層５０には、非金属元素がイオン注入されている。非金属元素のイオン注入後、加熱処理が行われる。イオン注入する領域は、半導体層５０内の領域であって、積層方向においてゲート電極３０が形成される領域と重畳する領域である。また、イオン注入する領域は、半導体層５０内の領域であって、積層方向においてソース電極７０及びドレイン電極８０が形成される領域と重畳しない領域である。つまり、イオン注入する領域は、図１６（ａ）及び図１６（ｂ）の点線で表された領域５０Ｒである。領域５０Ｒは、チャネル領域である。
【０１２４】
半導体素子１３０ｂの領域５０Ｒに注入する非金属元素の量は、半導体素子１３０ａの領域５０Ｒに注入する非金属元素の量より多い。これにより、半導体素子１３０ｂの領域５０Ｒにおける非金属元素の濃度５０Ｃ２は、半導体素子１３０ａの領域５０Ｒにおける非金属元素の濃度５０Ｃ１より高い。例えば、半導体素子１３０ａの領域５０Ｒに注入する窒素量より半導体素子１３０ｂの領域５０Ｒに注入する窒素量を多くすることで、半導体素子１３０ｂの領域５０Ｒの窒素濃度は、半導体素子１３０ａの領域５０Ｒの窒素濃度より高くなる。
【０１２５】
例えば、半導体素子１３０ａ、１３０ｂの領域５０Ｒに窒素をイオン注入する場合は、一価の窒素イオン(１４Ｎ＋)、又は二価の窒素イオン(１４Ｎ＋＋)を選択することができる。イオン注入量は、５．０×１０１０ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上５．０×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下の範囲である。イオン注入後に、アルゴンを含む不活性ガスの雰囲気中で、所定時間、加熱処理が行われる。加熱処理の温度は、２５０℃以上５５０℃以下である。
【０１２６】
ここで、スパッタ法による成膜時に酸化物半導体を含む半導体層を形成する場合、半導体層のキャリア濃度は、ターゲットの組成比や、スパッタリング時のガス条件などに影響を受け易い。そのため、キャリアの移動度や閾値電圧は、半導体層の形成条件、半導体層に接触する層の形成条件、及び、半導体層の形成後の熱処理条件等で一様に決定されることになる。これにより、異なる閾値電圧を持つ複数の半導体装置を同一半導体層等に設けることは困難である。
【０１２７】
一方で、本実施形態の半導体装置１３０においては、スパッタ法等を用いて形成された半導体層５０の領域５０Ｒに非金属元素をイオン注入している。また、異なる領域Ｒ１、Ｒ２に設けられた半導体素子１３０ａ、１３０ｂにおいて、領域５０Ｒに注入する非金属元素の量が互いに異なる。このように半導体装置１３０に領域５０Ｒを設けると、半導体層５０のキャリア濃度を選択的かつ高精度に制御することができる。
また、半導体装置１３０の電気特性が、ターゲットの組成比や、スパッタリング時のガス条件などで一様に制限され難くなり、導入される非金属元素イオンの濃度や活性化量に強く依存するため、異なる閾値電圧を有する複数の半導体素子１３０ａ、１３０ｂを同一基板及び同一層等に設けることができる。これにより、様々なデバイスへの応用を可能とする。
【０１２８】
例えば、領域Ｒ１に相当するアナログ回路部と、領域Ｒ２に相当するデジタル回路部と、を有するデバイスにおいて、閾値電圧が相対的に低い（例えば、０．１Ｖ）アナログ用トランジスタと、閾値電圧が相対的に高い(例えば０．３Ｖ)ロジック用トランジスタと、を同一半導体層上に設けることができる。
【０１２９】
上述したように、本実施形態では、半導体素子１３０ａの領域５０Ｒに注入する非金属元素の量より半導体素子１３０ｂの領域５０Ｒに注入する非金属元素の量を多くすることで、第１閾値電圧を有する半導体素子１３０ａと、第１閾値電圧より高い第２閾値電圧を有する半導体素子１３０ｂと、を設けることができる。
一方、図１７（ａ）及び図１７（ｂ）に表すように、半導体素子１３０ａの半導体層５０に非金属元素を注入せずに（つまり、半導体層５０に領域５０Ｒを設けずに）、半導体素子１３０ｂの領域５０Ｒに非金属元素を注入しても良い。このような場合、半導体素子１３０ｂの領域５０Ｒにおける非金属元素の濃度５０Ｃ３は、半導体素子１３０ａの半導体層５０における非金属元素の濃度より高くなる。これにより、第１閾値電圧を有する半導体素子１３０ａと、第１閾値電圧より高い第２閾値電圧を有する半導体素子１３０ｂと、を設けることができる。また、半導体素子１３０ａの半導体層５０に非金属元素を注入しないので、半導体素子１３０ａ、１３０ｂを有する半導体装置１３０においてリソグラフィ工程等を減らすことができ、製造工程が簡略化される。
【０１３０】
また、酸化物半導体を含む半導体層５０の形成時に、半導体層５０に一定量の非金属元素が既に含有されていても良い。例えば、半導体素子１３０ａ、１３０ｂの半導体層５０の全域に所定の量の非金属元素が含有されている場合、半導体素子１３０ａの半導体層５０に非金属元素を注入せずに（つまり、半導体層５０に領域５０Ｒを設けずに）、半導体素子１３０ｂの領域５０Ｒに非金属元素を注入することができる。このような場合も、半導体素子１３０ｂの領域５０Ｒにおける非金属元素の濃度は、半導体素子１３０ａの半導体層５０における非金属元素の濃度より高くなる。これにより、第１閾値電圧を有する半導体素子１３０ａと、第１閾値電圧より高い第２閾値電圧を有する半導体素子１３０ｂと、を設けることができる。
【０１３１】
本実施形態によれば、電気特性がより安定した信頼性の高い半導体装置が提供される。
【０１３２】
（第５実施形態）
図１８（ａ）及び図１８（ｂ）は、第５実施形態に係る半導体装置を示す模式図である。
図１９は、第５実施形態に係る半導体装置の回路図である。
図２０は、第５実施形態に係る別の半導体装置の回路図である。
【０１３３】
図１８（ａ）及び図１８（ｂ）において、固体撮像素子１５０内に設けられている半導体装置１４０が示されている。図１８（ａ）は、固体撮像素子１５０の断面から見た半導体装置１４０の配置図である。図１８（ｂ）は、固体撮像素子１５０の上面から見た半導体装置１４０の配置図である。図１９は、図１８（ａ）に対応する半導体装置１４０の回路図である。図１８（ａ）、図１８（ｂ）及び図１９のいずれにおいても、単位画素を示している。
【０１３４】
図１８（ａ）に表すように、固体撮像素子１５０には、受光部９０と、配線部９１と、が設けられている。固体撮像素子１５０は、例えば、裏面照射型のＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）イメージセンサである。裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサにおいては、配線部９１が設けられた面の反対側から光が入射する。受光部９０の上には、カラーフィルタやマイクロレンズ等の集光素子を設けることができる。
【０１３５】
受光部９０は、例えば、シリコン基板等の半導体基板上に形成されたエピタキシャル層である。受光部９０は、ｎ形拡散層９０ｎと、ｐ形領域９０ｐと、を有し、フォトダイオード(PD)を構成する。配線部９１は、多層配線９２と、層間絶縁層９３と、を有する。多層配線９２は、層間絶縁層９３内に形成される。
【０１３６】
ｎ形拡散層９０ｎと、ｐ形領域９０ｐで構成されたフォトダイオードにおいて光電変換が行われる。つまり、受光部９０に照射された光が電荷に変換されて蓄積される。ｎ形拡散層９０ｎは、光電変換により発生した信号電子を蓄積する。転送トランジスタ９４は、受光部９０及び配線部９１の境界付近に設けられ、ｎ形拡散層９０ｎに蓄積された信号電子を浮遊拡散層(FD)に移動させる。
【０１３７】
トランジスタ群９５は、酸化物半導体を含む半導体層にチャネル部を形成し、配線部９１の配線層内に形成される。トランジスタ群９５は、半導体装置１４０に相当する。トランジスタ群９５は、例えば、リセットトランジスタ、アンプトランジスタ、及び選択トランジスタ等を有し、信号電子を増幅して多層配線９２に出力する。
【０１３８】
図１８（ｂ）に表すように、トランジスタ群９５である半導体装置１４０は、半導体素子１４０ａと、半導体素子１４０ｂと、半導体素子１４０ｃと、を有する。半導体装置１４０の数は、ＣＭＯＳイメージセンサの画素の構成回路によって決まり、リセットトランジスタ、アンプトランジスタ、選択トランジスタ等が含まれる。
【０１３９】
例えば、半導体装置１４０が３つの半導体素子１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃを有する場合、半導体素子１４０ａと、半導体素子１４０ｂ及び半導体素子１４０ｃと、は、半導体層５０の領域５０Ｒに注入される非金属元素の量において異なる。
また、半導体素子１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃは薄膜トランジスタであるが、用途に応じて、トランジスタのチャネル長、チャネル幅は異なるサイズや形状で多種類存在してかまわない。
【０１４０】
半導体素子１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃが薄膜トランジスタである場合、半導体素子１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃのいずれにおいても、スパッタ法によって形成された半導体層５０の領域５０Ｒには、非金属元素がイオン注入されている。非金属元素のイオン注入後、加熱処理が行われる。また、半導体素子１４０ｂ、１４０ｃの領域５０Ｒに注入する非金属元素の量は、半導体素子１４０ａの領域５０Ｒに注入する非金属元素の量より多い。例えば、半導体素子１４０ａの領域５０Ｒに注入する窒素量より半導体素子１４０ｂ、１４０ｃの領域５０Ｒに注入する窒素量を多くすることで、半導体素子１４０ｂ、１４０ｃの領域５０Ｒの窒素濃度は、半導体素子１４０ａの領域５０Ｒの窒素濃度より高くなる。
【０１４１】
つまり、本実施形態の半導体素子１４０ａの構成は、第４実施形態の半導体素子１３０ａの構成に相当し、本実施形態の半導体素子１４０ｂ、１４０ｃの構成は、第４実施形態の半導体素子１３０ｂの構成に相当する。なお、半導体素子１４０ｂの領域５０Ｒに注入する非金属元素の量は、半導体素子１４０ｃの領域５０Ｒに注入する非金属元素の量と略同じでも良く、異なっていても良い。
【０１４２】
図１９は、ＣＭＯＳイメージセンサにおける単位画素の例である。この場合、第１トランジスタＴｒ１は、配線Ｌ２に接続されている。第１トランジスタＴｒ１は半導体素子１４０ａに相当し、リセットトランジスタである。また、配線Ｌ２は、行リセット線である。
【０１４３】
第２トランジスタＴｒ２は、配線Ｌ３に接続されている。第２トランジスタＴｒ２は半導体素子１４０ｂに相当し、アンプトランジスタである。また、配線Ｌ３は、電源線である。
【０１４４】
第３トランジスタＴｒ３は、配線Ｌ４、Ｌ５に接続されている。第３トランジスタＴｒ３は半導体素子１４０ｃに相当し、選択トランジスタである。また、配線Ｌ４は、行選択線である。配線Ｌ５は、列選択線である。第４トランジスタＴｒ４は、フォトダイオード（ＰＤ）及び配線Ｌ１に接続されている。第４トランジスタＴｒ４は、読み出し用のトランジスタ（転送トランジスタ９４）である。配線Ｌ１は、行読み出し線である。
【０１４５】
半導体素子１４０ａ〜半導体素子１４０ｃは、２つ以上が薄膜トランジスタであれば良く、それ以外の半導体素子は、シリコン基板上にチャネル部を有するトランジスタであっても良い。
図２０は、画素を構成するトランジスタが、５個の場合である。この場合は、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ、選択トランジスタに加えて、第５トランジスタＴｒ５と容量素子が追加されており、ＦＤの容量改善に効果がある。配線Ｌ６は、行読み出し線である。リセットトランジスタ、増幅トランジスタ、選択トランジスタに加えて、ＦＤ容量の改善用のトランジスタの、４トランジスタのうち少なくとも２つが薄膜トランジスタであれば良く、それ以外の半導体素子は、シリコン基板上にチャネル部を有するトランジスタであってもかまわない。
【０１４６】
本実施形態の半導体装置１４０においては、スパッタ法等を用いて形成された半導体層５０の領域５０Ｒに非金属元素をイオン注入している。また、半導体素子１４０ａと、半導体素子１４０ｂ、１４０ｃと、において、領域５０Ｒに注入する非金属元素の量が異なる２条件以上となる。このように半導体装置１４０に領域５０Ｒを設けると、半導体層５０のキャリア濃度を選択的かつ高精度に制御することができる。
【０１４７】
また、半導体装置１４０の電気特性が、ターゲットの組成比や、スパッタリング時のガス条件などで一様に制限され難くなり、異なる閾値電圧を有する複数の半導体素子１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃを同一基板及び同一層等に設けることができる。これにより、様々なデバイスへの応用を可能とする。
【０１４８】
例えば、ＣＭＯＳイメージセンサの画素内のトランジスタにおいて、閾値電圧が相対的に低い（例えば、０．２Ｖ）リセットトランジスタと、閾値電圧が相対的に高い(例えば０．４Ｖ)アンプトランジスタや選択トランジスタと、を同一層に設けることができる。
さらに、３種類以上のトランジスタを薄膜トランジスタで形成する場合は、３種類以上の閾値電圧を有する薄膜トランジスタを実現できる。例えば、閾値電圧が相対的に最も低いＦＤ容量の改善用のトランジスタ（例えば、−０．４Ｖ）と、閾値電圧が相対的に低い（例えば、０．２Ｖ）リセットトランジスタと、閾値電圧が相対的に高い(例えば０．４Ｖ)アンプトランジスタや選択トランジスタのように３種類の閾値電圧にすることも可能である。
【０１４９】
本実施形態によれば、電気特性がより安定した信頼性の高い半導体装置が提供される。
【０１５０】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１５１】
１０…基板、  １５…レジストマスク、  ２０…下地膜、  ３０…ゲート電極、  ４０…絶縁膜、  ５０…半導体層、  ５０ａ…第１面、  ５０ｂ…第２面、  ５０Ｃ１、５０Ｃ２、５０Ｃ３…濃度、  ５０Ｒ、５０Ｒ１、５０Ｒ２、５０Ｒ３、Ｒ１、Ｒ２…領域、  ５０Ｗ１、５０Ｗ２、Ｗ１〜Ｗ４…厚み、  ６０…保護膜、  ７０…ソース電極、  ８０…ドレイン電極、  ９０…受光部、  ９０ｎ…ｎ形拡散層、  ９０ｐ…ｐ形領域、  ９１…配線部、  ９２…多層配線、  ９３…層間絶縁層、  ９４…転送トランジスタ、  ９５…トランジスタ群、  １００、１１０、１２０、１３０、１４０…半導体装置、  １３０ａ、１３０ｂ、１４０ａ〜１４０ｃ…半導体素子、  １５０…固体撮像素子、  ｇ…パラメータ、  Ｓ…信号、  Ｌ１〜Ｌ６…配線、  Ｔｒ１〜Ｔｒ５…トランジスタ、  ＰＤ…フォトダイオード、  ＦＤ…浮遊拡散層
【図１】
0006325953.tif 000002
【図２】
0006325953.tif 000003
【図３】
0006325953.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0006325953.tif 000008
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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