(57)【要約】【課題】チャネル長の短い酸化物半導体トランジスタにおいて、十分なオン／オフ比が取れないことを抑制する。【解決手段】酸化物半導体層と、当該酸化物半導体層のチャネル形成領域と重畳するゲート電極と、当該酸化物半導体層の第１の領域と重畳するソース電極又はドレイン電極と、当該チャネル形成領域と当該第１の領域との間に第２の領域を有し、当該第２の領域の上層は微小な空洞を含んでいる半導体装置に関する。酸化物半導体層と、当該酸化物半導体層のチャネル形成領域と重畳するゲート電極と、当該酸化物半導体層の第１の領域と重畳するソース電極又はドレイン電極と、当該チャネル形成領域と当該第１の領域との間に第２の領域を有し、当該第２の領域の上層は窒素を含んでいる半導体装置に関する。【選択図】図１
2013033950.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物半導体層と、
酸化物半導体層上に設けられたゲート絶縁膜と、
前記酸化物半導体層のチャネル形成領域上に、前記ゲート絶縁膜を挟んで設けられたゲート電極と、
前記酸化物半導体層の第１の領域上に設けられたソース電極又はドレイン電極と、
前記チャネル形成領域と前記第１の領域との間に第２の領域と、
を有し
前記第２の領域の上層は微小な空洞を含んでいることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
酸化物半導体層と、
酸化物半導体層上に設けられたゲート絶縁膜と、
前記酸化物半導体層のチャネル形成領域上に、前記ゲート絶縁膜を挟んで設けられたゲート電極と、
前記酸化物半導体層の第１の領域上に設けられたソース電極又はドレイン電極と、
前記チャネル形成領域と前記第１の領域との間に第２の領域と、
を有し、
前記第２の領域の上層は窒素を含んでいることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
酸化物半導体層と、
酸化物半導体層上に設けられたゲート絶縁膜と、
前記酸化物半導体層のチャネル形成領域上に、前記ゲート絶縁膜を挟んで設けられたゲート電極と、
前記酸化物半導体層の第１の領域上に設けられたソース電極又はドレイン電極と、
前記チャネル形成領域と前記第１の領域との間に第２の領域と、
を有し、
前記第２の領域の上層は、前記第２の領域の下層よりも窒素を多く含んでいることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項２又は請求項３において、
前記第２の領域の上層の窒素濃度は、１×１０２１ｃｍ−３以上であることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項２乃至請求項４のいずれか一項において、
前記第２の領域の上層には、微小な空洞が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
酸化物半導体層と、
酸化物半導体層上に設けられたゲート絶縁膜と、
前記酸化物半導体層のチャネル形成領域上に、前記ゲート絶縁膜を挟んで設けられたゲート電極と、
前記酸化物半導体層の第１の領域上に設けられたソース電極又はドレイン電極と、
前記チャネル形成領域と前記第１の領域との間の第２の領域の上層は、前記第２の領域の下層よりも酸素を多く含んでいることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項５において、
前記第２の領域の上層には、微小な空洞が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項６又は請求項７において、
前記第２の領域の上層の酸素濃度は、１×１０２１ｃｍ−３以上であることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
酸化物半導体層を形成し、
前記酸化物半導体層中の第１の領域上にソース電極又はドレイン電極を形成し、
前記酸化物半導体層中のチャネル形成領域上に、ゲート絶縁膜を挟んで重畳するように、ゲート電極を形成し、
前記ソース電極又はドレイン電極、及び前記ゲート電極をマスクとして、前記第１の領域及び前記チャネル形成領域との間の第２の領域の上層に窒素を添加し、
前記窒素が添加された第２の領域の上層を有する前記酸化物半導体層を加熱することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１０】
請求項９において、
前記窒素のドーズ量は、５×１０１６ｃｍ−２以上であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１１】
酸化物半導体層を形成し、
前記酸化物半導体層中の第１の領域上にソース電極又はドレイン電極を形成し、
前記酸化物半導体層中のチャネル形成領域上に、ゲート絶縁膜を挟んで重畳するように、ゲート電極を形成し、
前記ソース電極又はドレイン電極、及び前記ゲート電極をマスクとして、前記第１の領域及び前記チャネル形成領域との間の第２の領域の上層に酸素を添加し、
前記酸素が添加された第２の領域の上層を有する前記酸化物半導体層を加熱することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１２】
請求項１１において、
前記酸素のドーズ量は、５×１０１６ｃｍ−２以上であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示される発明の一態様は、半導体装置及びその作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、酸化物半導体を用いてトランジスタを作製し、電子デバイスや光デバイスに応用する技術が注目されている。例えば、特許文献１には、酸化物半導体として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物を用いてトランジスタを形成し、形成されたトランジスタを用いて表示装置を作製することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１４１１１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
酸化物半導体層にチャネル形成領域が形成されるトランジスタ（以下「酸化物半導体トランジスタ」という）において、外部から水や水素が酸化物半導体層に侵入する恐れがある。水や水素が侵入した酸化物半導体層に熱処理を行うと、酸化物半導体層に水素が拡散してしまう。酸化物半導体層において、水素の一部はドナーとなり、キャリアである電子を放出する。酸化物半導体層中のキャリア濃度が高まると、ゲート電極に電圧を印加しなくても、酸化物半導体トランジスタにチャネルが形成されてしまう。すなわち、酸化物半導体層がｎ型化する。このように、酸化物半導体層がｎ型化した酸化物半導体トランジスタでは、チャネル形成領域の長さ（以下「チャネル長Ｌ」という）が短い場合、十分なオン／オフ比が取れない、すなわち、ゲート電極に印加されるゲート電圧によらずドレイン電流が一定となる、またはトランジスタがオフしているときのドレイン電流に対するトランジスタがオンしているときのドレイン電流の比がトランジスタとして機能させるために十分でなくなる恐れが生じる。
【０００５】
酸化物半導体トランジスタの作製において、酸化物半導体トランジスタの特性向上等のため、熱処理が必要である。しかしながら、上述のように水や水素が侵入した酸化物半導体層に熱処理を行うと、酸化物半導体層に水素が拡散し、拡散した水素が酸化物半導体層中の酸素と反応し、酸化物半導体中の酸素が引き抜かれてしまう。酸素が引き抜かれた酸化物半導体層はｎ型化してしまう。これにより、酸化物半導体トランジスタにおいて十分なオン／オフ比が取れなくなってしまう。
【０００６】
また、電子デバイスや光デバイスに用いられる酸化物半導体トランジスタは、微細化が求められている。酸化物半導体トランジスタの微細化には、チャネル長Ｌを短くする必要があるが、チャネル長Ｌを短くすると上述のように十分なオン／オフ比が取れなくなる恐れが生じる。
【０００７】
十分なオン／オフ比が取れない酸化物半導体トランジスタは、例えばスイッチング素子として機能しない。そのため十分なオン／オフ比が取れない酸化物半導体トランジスタを用いた電子デバイスや光デバイスは、その信頼性が低下する恐れがある。
【０００８】
以上を鑑みて、開示される発明の一様態では、チャネル長Ｌの短い酸化物半導体トランジスタにおいて、十分なオン／オフ比が取れないことを抑制することを課題の一とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
開示される発明の一様態は、酸化物半導体層と、酸化物半導体層上に設けられたゲート絶縁膜と、当該酸化物半導体層のチャネル形成領域上に、当該ゲート絶縁膜を挟んで設けられたゲート電極と、当該酸化物半導体層の第１の領域上に設けられたソース電極又はドレイン電極と、当該チャネル形成領域と当該第１の領域との間に第２の領域とを有し、当該第２の領域の上層は微小な空洞を含んでいることを特徴とする半導体装置に関する。
【００１０】
開示される発明の一様態は、酸化物半導体層と、酸化物半導体層上に設けられたゲート絶縁膜と、当該酸化物半導体層のチャネル形成領域上に、当該ゲート絶縁膜を挟んで設けられたゲート電極と、当該酸化物半導体層の第１の領域上に設けられたソース電極又はドレイン電極と、当該チャネル形成領域と当該第１の領域との間に第２の領域とを有し、当該第２の領域の上層は窒素を含んでいることを特徴とする半導体装置に関する。
【００１１】
開示される発明の一様態は、酸化物半導体層と、酸化物半導体層上に設けられたゲート絶縁膜と、当該酸化物半導体層のチャネル形成領域上に、当該ゲート絶縁膜を挟んで設けられたゲート電極と、当該酸化物半導体層の第１の領域上に設けられたソース電極又はドレイン電極と、当該チャネル形成領域と当該第１の領域との間に第２の領域とを有し、当該第２の領域の上層は、当該第２の領域の下層よりも窒素を多く含んでいることを特徴とする半導体装置に関する。
【００１２】
当該第２の領域の上層には、高ドーズ量で窒素が添加されることにより微小な空洞が形成される。当該微小な空洞の内壁には、外気や絶縁膜からの水素が吸着される。
【００１３】
当該微小な空洞は、周りと比較して低密度であるか、空隙であり、直径が０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以上７ｎｍ以下の概略球形領域、または前述の概略球形領域が複数重なった領域である。
【００１４】
上述のように、外部からの水素が酸化物半導体層中に拡散し、当該水素が酸化物半導体層中の酸素と反応すると、酸化物半導体層から酸素が引き抜かれる。酸化物半導体層から酸素が引き抜かれると、十分なオン／オフ比が取れない酸化物半導体トランジスタになる。しかし当該微小な空洞の内壁に水素が吸着されると、酸化物半導体層から酸素が引き抜かれない。
【００１５】
このように微小な空洞の内壁に水素が吸着され、酸素が引き抜かれない酸化物半導体層を有する酸化物半導体トランジスタは、十分なオン／オフ比が取れないことが抑制される。
【００１６】
上述のように酸化物半導体層中に微小な空洞を設けることにより、十分なオン／オフ比が取れる酸化物半導体トランジスタを形成できる。しかしながら、当該微小な空洞を形成すると、酸化物半導体トランジスタのオン電流が低下してしまう。
【００１７】
しかしながら、当該第１の領域、及び、当該第２の領域の下層が窒素を含まない領域、あるいは、当該上層と比較して窒素濃度が極めて低い領域であるように、窒素を添加すると、当該第１の領域、並びに、当該第２の領域の下層には微小な空洞が形成されない。そのため当該第１の領域、及び、当該第２の領域の下層を設けることにより、酸化物半導体トランジスタのオン電流の低下を抑制することができる。
【００１８】
開示される発明の一様態において、当該第２の領域の上層の窒素濃度は、１×１０２１ｃｍ−３以上であることを特徴とする。
【００１９】
また開示される発明の一様態において、窒素の代わりに酸素を酸化物半導体層に添加してもよい。酸素を酸化物半導体層に添加した場合にも、酸化物半導体層には微小な空洞が形成される。窒素を添加した場合と同様に、酸化物半導体層の微小な空洞の内壁に水素が吸着されるため、酸化物半導体層の酸素は引き抜かれない。窒素の代わりに酸素を添加した酸化物半導体層を用いた酸化物半導体トランジスタは、窒素を添加した場合と同様に、十分なオン／オフ比が取れる酸化物半導体トランジスタとなる。
【００２０】
開示される発明の一様態は、酸化物半導体層と、酸化物半導体層上に設けられたゲート絶縁膜と、当該酸化物半導体層のチャネル形成領域上に、当該ゲート絶縁膜を挟んで設けられたゲート電極と、当該酸化物半導体層の第１の領域上に設けられたソース電極又はドレイン電極と、当該チャネル形成領域と当該第１の領域との間に第２の領域とを有し、当該第２の領域の上層は、当該第２の領域の下層よりも酸素を多く含んでいることを特徴とする半導体装置に関する。
【００２１】
開示される発明の一様態において、当該第２の領域の上層の酸素濃度は、１×１０２１ｃｍ−３以上であることを特徴とする。
【００２２】
開示される発明の一様態において、当該第２の領域の上層には、微小な空洞が形成されていることを特徴とする。
【００２３】
開示される発明の一様態は、酸化物半導体層を形成し、当該酸化物半導体層中の第１の領域上にソース電極又はドレイン電極を形成し、当該酸化物半導体層中のチャネル形成領域上に、ゲート絶縁膜を挟んで重畳するように、ゲート電極を形成し、当該ソース電極又はドレイン電極、及び当該ゲート電極をマスクとして、当該第１の領域及び当該チャネル形成領域との間の第２の領域の上層に窒素を添加し、当該窒素が添加された第２の領域の上層を有する当該酸化物半導体層を加熱することを特徴とする半導体装置の作製方法に関する。
【００２４】
開示される発明の一様態において、当該窒素のドーズ量は、５×１０１６ｃｍ−２以上であることを特徴とする。
【００２５】
開示される発明の一様態は、酸化物半導体層を形成し、当該酸化物半導体層中の第１の領域上にソース電極又はドレイン電極を形成し、当該酸化物半導体層中のチャネル形成領域上に、ゲート絶縁膜を挟んで重畳するように、ゲート電極を形成し、当該ソース電極又はドレイン電極、及び当該ゲート電極をマスクとして、当該第１の領域及び当該チャネル形成領域との間の第２の領域の上層に酸素を添加し、当該酸素が添加された第２の領域の上層を有する当該酸化物半導体層を加熱することを特徴とする半導体装置の作製方法に関する。
【００２６】
開示される発明の一様態において、当該酸素のドーズ量は、５×１０１６ｃｍ−２以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２７】
開示される発明の一様態により、チャネル長Ｌの短い酸化物半導体トランジスタにおいて、オン／オフ比を取ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】半導体装置の断面図。
【図２】半導体装置の作製方法を示す断面図。
【図３】半導体装置の作製方法を示す断面図。
【図４】窒素の濃度プロファイルを示す図。
【図５】酸化物半導体層の断面ＴＥＭ写真。
【図６】ゲート電圧及びドレイン電流の関係を示す図。
【図７】酸化物材料の構造を説明する図。
【図８】酸化物材料の構造を説明する図。
【図９】酸化物材料の構造を説明する図。
【図１０】半導体装置の作製方法を示す断面図。
【図１１】半導体装置の作製方法を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本明細書に開示された発明の実施の態様について、図面を参照して説明する。但し、本明細書に開示された発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本明細書に開示された発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に示す図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００３０】
なお本明細書に開示された発明において、半導体装置とは、半導体を利用することで機能する素子及び装置全般を指し、電子回路、表示装置、発光装置等を含む電気装置およびその電気装置を搭載した電子機器をその範疇とする。
【００３１】
なお、図面等において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、説明を分かりやすくするために、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。
【００３２】
なお、本明細書等における「第１」、「第２」、「第３」などの序数は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、数的に限定するものではないことを付記する。
【００３３】
［実施の形態１］
＜酸化物半導体トランジスタの構造＞
本実施の形態の酸化物半導体トランジスタの構成を図１に示す。図１に示す酸化物半導体トランジスタ２０１は、基板２００上に下地絶縁膜２０２が設けられ、下地絶縁膜２０２上に形成された、活性層として機能する酸化物半導体層２０３と、酸化物半導体層２０３上に形成されたソース電極及びドレイン電極として機能する電極２０４ａ及び電極２０４ｂと、酸化物半導体層２０３、電極２０４ａ及び電極２０４ｂ上のゲート絶縁膜２０６と、ゲート絶縁膜２０６を挟んで酸化物半導体層２０３と重畳する位置に設けられたゲート電極２０７とを有する。
【００３４】
図１に示す酸化物半導体トランジスタ２０１は、ゲート電極２０７が酸化物半導体層２０３の上に形成されているトップゲート型であり、なおかつ、ソース電極及びドレイン電極として機能する電極２０４ａ及び電極２０４ｂが酸化物半導体層２０３の上に形成されているトップコンタクト型である。
【００３５】
電極２０４ａ及び電極２０４ｂが酸化物半導体層２０３と重畳している領域２０８ａ及び領域２０８ｂは、ソース領域及びドレイン領域として機能する。
【００３６】
酸化物半導体トランジスタ２０１は、電極２０４ａ及び電極２０４ｂと、ゲート電極２０７とが重なっていない。酸化物半導体層２０３の、電極２０４ａ及び電極２０４ｂとゲート電極２０７との間には、領域２１１ａ及び領域２１１ｂが形成される。領域２１１ａは、上層２１１ａｕ及び下層２１１ａｌを有する。また領域２１１ｂは、上層２１１ｂｕ及び下層２１１ｂｌを有する。上層２１１ａｕ及び上層２１１ｂｕは窒素を含んでおり、下層２１１ａｌ及び下層２１１ｂｌは窒素を含まない、あるいは上層２１１ａｕ及び上層２１１ｂｕと比較して極めて窒素濃度が低い。上層２１１ａｕ及び上層２１１ｂｕの窒素濃度は、１×１０２１ｃｍ−３以上であることが好ましい。
【００３７】
窒素を含む上層２１１ａｕ及び上層２１１ｂｕには、高ドーズ量で窒素が添加されている。高ドーズ量で窒素を添加することにより、上層２１１ａｕ及び上層２１１ｂｕにナノサイズの微小な空洞が形成される。微小な空洞は、酸化物半導体層２０３の窒素が添加された領域において複数個形成される。
【００３８】
当該微小な空洞は、周りと比較して低密度であるか、空隙であり、直径が０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以上７ｎｍ以下の概略球形領域、または前述の概略球形領域が複数重なった領域である。
【００３９】
上述のように、酸化物半導体層２０３に外部からの水素が拡散してしまうと、水素が酸化物半導体層２０３中の酸素と反応し、酸化物半導体層２０３から酸素が引き抜かれてしまう。酸化物半導体層２０３から酸素が引き抜かれると、十分なオン／オフ比が取れない酸化物半導体トランジスタになる。しかし当該微小な空洞の内壁に水素が吸着されていると、酸化物半導体層２０３から酸素が引き抜かれない。
【００４０】
このように微小な空洞の内壁に水素が吸着され、酸素が引き抜かれない酸化物半導体層２０３を有する酸化物半導体トランジスタ２０１は、十分なオン／オフ比が取れるトランジスタとなる。
【００４１】
また酸化物半導体層２０３に窒素添加をする際に、下層２１１ａｌ、及び下層２１１ｂｌには、窒素が添加されないように加速電圧を制御する。すなわち、下層２１１ａｌ及び下層２１１ｂｌは窒素を含まない領域、あるいは、上層２１１ａｕ及び上層２１１ｂｕと比較して窒素濃度が極めて低い領域である。
【００４２】
上述のように酸化物半導体層２０３中に微小な空洞を設けることにより、十分なオン／オフ比が取れる酸化物半導体トランジスタを形成できる。しかしながら、当該微小な空洞を形成すると、酸化物半導体トランジスタ２０１のオン電流が低下してしまう。
【００４３】
下層２１１ａｌ及び下層２１１ｂｌは窒素が添加されないので、微小な空洞が形成されない。そのため下層２１１ａｌ及び下層２１１ｂｌを設けることにより、オン電流の低下を抑制することができる。
【００４４】
また、窒素の代わりに上層２１１ａｕ及び上層２１１ｂｕに酸素を添加することによっても、上層２１１ａｕ及び上層２１１ｂｕに微小な空洞を形成することができる。
【００４５】
上述のように、上層２１１ａｕ及び上層２１１ｂｕに微小な空洞を形成すると、当該微小な空洞の内壁に外気や絶縁膜からの水素が吸着される。微小な空洞の内壁に水素が吸着されると、酸化物半導体層２０３の酸素は引き抜かれない。よってこのような酸化物半導体層２０３を用いた酸化物半導体トランジスタ２０１は、窒素を添加した場合と同様に、十分なオン／オフ比が取れる酸化物半導体トランジスタとなる。
【００４６】
上層２１１ａｕ及び上層２１１ｂｕの酸素濃度は、１×１０２１ｃｍ−３以上であることが好ましい。
【００４７】
また、酸化物半導体層２０３は、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）で構成されていても良い。酸化物半導体層２０３がＣＡＡＣ−ＯＳで構成されている場合、非晶質の場合に比べて酸化物半導体層２０３の導電率を高めることができるので、電極２０４ａと電極２０４ｂの間の抵抗を下げることができる。なおＣＡＡＣ−ＯＳについては後述する。
【００４８】
また図１では、酸化物半導体トランジスタ２０１を覆って絶縁膜２１２が形成されている。絶縁膜２１２上には、電極２０４ａに電気的に接続される配線２１３、電極２０４ｂに電気的に接続される配線２１４、ゲート電極２０７に電気的に接続される配線２１５が設けられている。
【００４９】
＜酸化物半導体トランジスタの作製方法＞
図１に示す酸化物半導体トランジスタ２０１の作製方法を以下に示す。
【００５０】
基板２００上に下地絶縁膜２０２を形成する。本実施の形態では、基板２００として、ガラス基板、下地絶縁膜２０２として酸化珪素膜を用いる。
【００５１】
下地絶縁膜２０２上に酸化物半導体膜を形成し、当該酸化物半導体膜をエッチング等で加工し、島状の酸化物半導体層２０３を形成する（図２（Ａ）参照）。なお酸化物半導体層２０３の材料についての詳細な説明は後述する。また当該酸化物半導体膜は、後の工程で窒素が添加される上層及び窒素が添加されない下層が形成可能な程度に充分な膜厚を有するように成膜する。酸化物半導体膜の膜厚は、例えば、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは、４０ｎｍ以上８０ｎｍ以下であればよい。
【００５２】
酸化物半導体層２０３の一部と重畳するように、電極２０４ａ及び電極２０４ｂを形成する。電極２０４ａ及び電極２０４ｂの材料として、例えば、チタン膜、アルミニウム膜、チタン膜がこの順で形成された積層膜を用いる。
【００５３】
酸化物半導体層２０３と電極２０４ａが重畳する領域を領域２０８ａ、及び酸化物半導体層２０３と電極２０４ｂが重畳する領域を領域２０８ｂとする（図２（Ｂ）参照）。領域２０８ａ及び領域２０８ｂは、上述のようにソース領域及びドレイン領域として機能する。
【００５４】
次いで、下地絶縁膜２０２、酸化物半導体層２０３、電極２０４ａ、及び電極２０４ｂを覆って、ゲート絶縁膜２０６を形成する。ゲート絶縁膜２０６として、例えば酸化珪素膜を用いる。
【００５５】
次いで酸化物半導体層２０３の電極２０４ａ及び電極２０４ｂが重畳しない領域上に、ゲート絶縁膜２０６を介してゲート電極２０７を形成する（図２（Ｃ）参照）。ゲート電極２０７として、例えば窒化タンタル膜とタングステン膜との積層膜を用いる。なお酸化物半導体層２０３中のゲート電極２０７と重畳する領域をチャネル形成領域２０９とし、領域２０８ａ及びチャネル形成領域２０９との間の領域を領域２１１ａ、並びに、領域２０８ｂ及びチャネル形成領域２０９との間の領域を領域２１１ｂとする。領域２１１ａ及び領域２１１ｂは、ゲート電極２０７、電極２０４ａ、及び電極２０４ｂとは重畳しない領域である。
【００５６】
次いで酸化物半導体層２０３に窒素２１０を添加する（図２（Ｄ）参照）。窒素２１０を添加する際には、ドーズ量は高く加速電圧は低い条件で行う。また酸化物半導体層２０３への窒素２１０の添加において、ゲート電極２０７、電極２０４ａ、及び電極２０４ｂはマスクとして機能する。
【００５７】
以上のような条件で窒素２１０を添加することにより、領域２１１ａの上層２１１ａｕ、及び領域２１１ｂの上層２１１ｂｕを、高濃度窒素含有領域とすることができる。
【００５８】
以上のようにして、酸化物半導体トランジスタ２０１が作製される（図１０（Ａ）参照）。
【００５９】
窒素２１０を添加した後、基板２００、下地絶縁膜２０２、酸化物半導体層２０３、電極２０４ａ、電極２０４ｂ、ゲート絶縁膜２０６、ゲート電極２０７を覆って、絶縁膜２１２を形成する（図１０（Ｂ）参照）。絶縁膜２１２を形成後、熱処理を行う。本実施の形態では、４５０℃で熱処理を行う。
【００６０】
上述のように、上層２１１ａｕ及び上層２１１ｂｕに窒素２１０を添加すると、上層２１１ａｕ及び上層２１１ｂｕ中に微小な空洞が形成される。微小な空洞は、酸化物半導体層２０３の窒素２１０が添加された領域（上層２１１ａｕ及び上層２１１ｂｕ）において複数個形成される。
【００６１】
図５は、微小な空洞形成の確認のため、窒素添加の有無、窒素添加のドーズ量を変えた酸化物半導体層の断面ＴＥＭ写真（倍率４００万倍）である。
【００６２】
図５において、下地絶縁膜２０２として酸素を有する窒化珪素膜を膜厚３００ｎｍで形成し、下地絶縁膜２０２上の酸化物半導体層２０３として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物膜（以下「ＩＧＺＯ膜」という）を膜厚３０ｎｍで形成する。下地絶縁膜２０２及び酸化物半導体層２０３を成膜後、窒素雰囲気中、温度４５０℃で１時間熱処理を行う。
【００６３】
図５（Ａ）は窒素添加なし、図５（Ｂ）は窒素添加をドーズ量１×１０１５ｃｍ−２、図５（Ｃ）は窒素添加をドーズ量１×１０１６ｃｍ−２、図５（Ｄ）は窒素添加をドーズ量５×１０１６ｃｍ−２で行った場合の酸化物半導体層２０３の断面ＴＥＭ写真である。なお、窒素添加は加速電圧２０ｋＶで行った。
【００６４】
図５（Ａ）〜図５（Ｄ）において、窒素をドーズ量５×１０１６ｃｍ−２で添加すると、酸化物半導体層２０３中に微小な空洞が形成されることが示された（（図５（Ｄ）参照）。
【００６５】
よって、酸化物半導体層２０３中に微小な空洞を形成するには、ドーズ量が５×１０１６ｃｍ−２以上であることが好ましい。
【００６６】
酸化物半導体層２０３から酸素が引き抜かれると、十分なオン／オフ比が取れない酸化物半導体トランジスタになる。しかし当該微小な空洞の内壁に水素が吸着されていると、水素と酸素が反応して水などが形成されることがなく、酸化物半導体層２０３から酸素が引き抜かれない。
【００６７】
このように微小な空洞の内壁に水素が吸着され、酸素が引き抜かれない酸化物半導体層２０３を有する酸化物半導体トランジスタ２０１は、十分なオン／オフ比が取れるトランジスタとなる。
【００６８】
また領域２１１ａの下層２１１ａｌ、及び領域２１１ｂの下層２１１ｂｌは窒素を含まない領域、あるいは上層２１１ａｕ及び上層２１１ｂｕと比較して極めて窒素濃度が低い領域である。
【００６９】
上述のように酸化物半導体層２０３中に微小な空洞を設けることにより、十分なオン／オフ比が取れるトランジスタを形成できる。しかしながら、当該微小な空洞を形成すると、電流経路が切断され酸化物半導体トランジスタ２０１のオン電流が低下してしまう。
【００７０】
下層２１１ａｌ及び下層２１１ｂｌは窒素が添加されないので、微小な空洞が形成されない。そのため下層２１１ａｌ及び下層２１１ｂｌを設けることにより、オン電流の低下を抑制することができる。
【００７１】
なお酸化物半導体層２０３の下層２１１ａｌ及び下層２１１ｂｌに窒素が添加されないようにするために、酸化物半導体層２０３上に、金属膜、金属酸化物膜、金属窒化物膜等を形成してもよい。当該金属膜、金属酸化物膜、金属窒化物膜等を形成した場合、窒素はこれらの膜を通過して酸化物半導体層２０３に添加される。これにより、窒素が下層２１１ａｌ及び下層２１１ｂｌに到達しないので、下層２１１ａｌ及び下層２１１ｂｌに窒素が添加されるのを防ぐことができる。
【００７２】
次いで、絶縁膜２１２に、電極２０４ａ、電極２０４ｂ、及びゲート電極２０７に達するコンタクトホールを形成する。次いで、絶縁膜２１２上に、当該コンタクトホールを介して、電極２０４ａに電気的に接続される配線２１３、電極２０４ｂに電気的に接続される配線２１４、ゲート電極２０７に電気的に接続される配線２１５を形成する（図１参照）。
【００７３】
また上述のように、窒素の代わりに、酸化物半導体層２０３に酸素を添加した場合においても、酸化物半導体層２０３に微小な空洞が形成される。窒素を添加した場合と同様に、酸素を添加した酸化物半導体層２０３の酸素は引き抜かれない。よって酸素を添加した酸化物半導体層２０３を有する酸化物半導体トランジスタ２０１は、窒素を添加した場合と同様に、十分なオン／オフ比が取れる酸化物半導体トランジスタとなる。また酸素のドーズ量は、窒素と同様に５×１０１６ｃｍ−２以上であることが好ましい。
【００７４】
＜酸化物半導体トランジスタの別の構成例及びその作製方法＞
上述した酸化物半導体トランジスタ２０１において、下層２１１ａｌ及び下層２１１ｂｌは、窒素を含まない領域、あるいは上層２１１ａｕ及び上層２１１ｂｕと比較して極めて窒素濃度が低い領域である。
【００７５】
しかし、下層２１１ａｌ及び下層２１１ｂｌは、微小な空洞が形成されない程度のドーズ量で窒素が添加されていてもよい。下層２１１ａｌ及び下層２１１ｂｌに窒素が含まれていると、下層２１１ａｌ及び下層２１１ｂｌがｎ型化領域となり、オン電流をより流しやすくなる。
【００７６】
下層２１１ａｌ及び下層２１１ｂｌが低濃度窒素含有領域である酸化物半導体トランジスタ２２１の作製方法を以下に説明する。
【００７７】
まず図２（Ａ）〜図２（Ｄ）に基づいて、窒素２１０の添加までを行う（図３（Ａ）参照）。なお図３（Ａ）と図２（Ｄ）は同じ図面である。これにより、上層２１１ａｕ及び上層２１１ｂｕは、高濃度窒素含有領域となる（図３（Ｂ）参照）。なお図３（Ａ）に示す窒素２１０の添加を、第１の添加とする。
【００７８】
次いで酸化物半導体層２０３に対して、窒素２１０を再度添加する（第２の添加）（図３（Ｃ）参照）。なお当該第２の添加は、第１の添加のドーズ量よりも第２の添加のドーズ量の方が小さくなるような条件で行う。また窒素２１０が下層２１１ａｌ及び下層２１１ｂｌに達するように、第２の添加は第１の添加よりも高い加速電圧で行う。
【００７９】
第２の添加により、下層２１１ａｌ及び下層２１１ｂｌは低濃度窒素含有領域となる（図３（Ｄ）参照）。下層２１１ａｌ及び下層２１１ｂｌが低濃度窒素含有領域となることにより、オン電流をより流しやすくなる。
【００８０】
なお、図３（Ａ）〜図３（Ｄ）では、窒素添加を２度行うことで高濃度窒素含有領域である上層２１１ａｕ及び上層２１１ｂｕ、並びに、低濃度窒素含有領域である下層２１１ａｌ及び下層２１１ｂｌを形成する例を示したが、これに限定されない。第１の添加の際に、濃度プロファイルを調節することによっても、下層２１１ａｌ及び下層２１１ｂｌにも窒素が添加される。
【００８１】
図４（Ａ）に添加された窒素の濃度プロファイルを示す。図４（Ａ）に示されるように、窒素の濃度は、初めは深さに対して増加するが、所定の深さＤ１で極大値をとる。深さＤ１より深くなるに従って、窒素の濃度は緩やかに減少する。
【００８２】
図４（Ｂ）に、高い加速電圧で窒素を添加した場合の上層２１１ｂｕ及び下層２１１ｂｌ中の窒素の濃度プロファイルを示す。
【００８３】
図４（Ｂ）に示されるように、上層２１１ｂｕに窒素濃度の極大値が存在する。また下層２１１ｂｌでは窒素濃度は低い。
【００８４】
以上、加速電圧を制御することにより、第１の添加のみでも高濃度窒素含有領域及び低濃度窒素含有領域を形成することができる。
【００８５】
酸化物半導体層２０３に対する窒素２１０添加後、基板２００、下地絶縁膜２０２、酸化物半導体層２０３、電極２０４ａ、電極２０４ｂ、ゲート絶縁膜２０６、ゲート電極２０７を覆って、絶縁膜２１２を形成する。絶縁膜２１２を形成後、熱処理を行う。本実施の形態では、４５０℃で熱処理を行う。
【００８６】
次いで、絶縁膜２１２に、電極２０４ａ、電極２０４ｂ、及びゲート電極２０７に達するコンタクトホールを形成する。次いで、絶縁膜２１２上に、当該コンタクトホールを介して、電極２０４ａに電気的に接続される配線２１３、電極２０４ｂに電気的に接続される配線２１４、ゲート電極２０７に電気的に接続される配線２１５を形成する（図１１参照）。
【００８７】
なお図３及び図１１に示す酸化物半導体トランジスタ２２１において、窒素の代わりに酸素を添加してもよい。窒素の代わりに酸素を添加した場合においても微小な空洞が形成されるため、オン／オフ比が取れる酸化物半導体トランジスタが形成できる。
【００８８】
［実施の形態２］
本実施の形態では、開示される発明の一様態で用いることのできる酸化物半導体層について説明する。
【００８９】
開示される発明の一様態で用いることのできる酸化物半導体層の酸化物半導体としては、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。
【００９０】
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。
【００９１】
例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯとも表記する）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を用いることができる。
【００９２】
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。
【００９３】
また、酸化物半導体として、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、Ｉｎ２ＳｎＯ５（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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
酸化物半導体は単結晶でも、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。
【００９９】
アモルファス状態の酸化物半導体は、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。
【０１００】
また、結晶性を有する酸化物半導体では、よりバルク内欠陥を低減することができ、表面の平坦性を高めればアモルファス状態の酸化物半導体以上の移動度を得ることができる。表面の平坦性を高めるためには、平坦な表面上に酸化物半導体を形成することが好ましく、具体的には、平均面粗さ（Ｒａ）が１ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下、より好ましくは０．１ｎｍ以下の表面上に形成するとよい。
【０１０１】
なお、Ｒａは、算術平均粗さを面に対して適用できるよう三次元に拡張したものであり、「基準面から指定面までの偏差の絶対値を平均した値」と表現でき、以下の式にて定義される。
【０１０２】
【数１】
2013033950.tif 000003
【０１０３】
なお、上記において、Ｓ０は、測定面（座標（ｘ１，ｙ１）（ｘ１，ｙ２）（ｘ２，ｙ１）（ｘ２，ｙ２）の４点で表される四角形の領域）の面積を指し、Ｚ０は測定面の平均高さを指す。Ｒａは原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）にて評価可能である。
【０１０４】
酸化物半導体が結晶性を有する場合には、ｃ軸配向し、かつａｂ面、表面または界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軸においては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おり、ａｂ面においてはａ軸またはｂ軸の向きが異なる（ｃ軸を中心に回転した）結晶（ＣＡＡＣ：Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌともいう）を含む酸化物を用いてもよい。ＣＡＡＣを含む酸化物について以下に説明する。
【０１０５】
ＣＡＡＣを含む酸化物とは、広義に、非単結晶であって、そのａｂ面に垂直な方向から見て、三角形、六角形、正三角形または正六角形の原子配列を有し、かつｃ軸方向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が層状に配列した相を含む酸化物をいう。
【０１０６】
ＣＡＡＣは単結晶ではないが、非晶質のみから形成されているものでもない。また、ＣＡＡＣは結晶化した部分（結晶部分）を含むが、１つの結晶部分と他の結晶部分の境界を明確に判別できないこともある。
【０１０７】
ＣＡＡＣに酸素が含まれる場合、酸素の一部は窒素で置換されてもよい。また、ＣＡＡＣを構成する個々の結晶部分のｃ軸は一定の方向（例えば、ＣＡＡＣが形成される基板面、ＣＡＡＣの表面などに垂直な方向）に揃っていてもよい。または、ＣＡＡＣを構成する個々の結晶部分のａｂ面の法線は一定の方向（例えば、ＣＡＡＣが形成される基板面、ＣＡＡＣの表面などに垂直な方向）を向いていてもよい。
【０１０８】
ＣＡＡＣは、その組成などに応じて、導体であったり、半導体であったり、絶縁体であったりする。また、その組成などに応じて、可視光に対して透明であったり不透明であったりする。
【０１０９】
このようなＣＡＡＣの例として、膜状に形成され、膜表面またはＣＡＡＣが形成される基板面に垂直な方向から観察すると三角形または六角形の原子配列が認められ、かつその膜断面を観察すると金属原子または金属原子および酸素原子（または窒素原子）の層状配列が認められる結晶を挙げることもできる。
【０１１０】
ＣＡＡＣに含まれる結晶構造の一例について図７乃至図９を用いて詳細に説明する。なお、特に断りがない限り、図７乃至図９は上方向をｃ軸方向とし、ｃ軸方向と直交する面をａｂ面とする。なお、単に上半分、下半分という場合、ａｂ面を境にした場合の上半分、下半分をいう。また、図７において、丸で囲まれたＯは４配位のＯを示し、二重丸で囲まれたＯは３配位のＯを示す。
【０１１１】
図７（Ａ）に、１個の６配位のＩｎと、Ｉｎに近接の６個の４配位の酸素原子（以下４配位のＯ）と、を有する構造を示す。ここでは、金属原子が１個に対して、近接の酸素原子のみ示した構造を小グループと呼ぶ。図７（Ａ）の構造は、八面体構造をとるが、簡単のため平面構造で示している。なお、図７（Ａ）の上半分および下半分にはそれぞれ３個ずつ４配位のＯがある。図７（Ａ）に示す小グループは電荷が０である。
【０１１２】
図７（Ｂ）に、１個の５配位のＧａと、Ｇａに近接の３個の３配位の酸素原子（以下３配位のＯ）と、近接の２個の４配位のＯと、を有する構造を示す。３配位のＯは、いずれもａｂ面に存在する。図７（Ｂ）の上半分および下半分にはそれぞれ１個ずつ４配位のＯがある。また、Ｉｎも５配位をとるため、図７（Ｂ）に示す構造をとりうる。図７（Ｂ）に示す小グループは電荷が０である。
【０１１３】
図７（Ｃ）に、１個の４配位のＺｎと、Ｚｎに近接の４個の４配位のＯと、を有する構造を示す。図７（Ｃ）の上半分には１個の４配位のＯがあり、下半分には３個の４配位のＯがある。図７（Ｃ）に示す小グループは電荷が０である。
【０１１４】
図７（Ｄ）に、１個の６配位のＳｎと、Ｓｎに近接の６個の４配位のＯと、を有する構造を示す。図７（Ｄ）の上半分には３個の４配位のＯがあり、下半分には３個の４配位のＯがある。図７（Ｄ）に示す小グループは電荷が＋１となる。
【０１１５】
図７（Ｅ）に、２個のＺｎを含む小グループを示す。図７（Ｅ）の上半分には１個の４配位のＯがあり、下半分には１個の４配位のＯがある。図７（Ｅ）に示す小グループは電荷が−１となる。
【０１１６】
ここでは、複数の小グループの集合体を中グループと呼び、複数の中グループの集合体を大グループ（ユニットセルともいう。）と呼ぶ。
【０１１７】
ここで、これらの小グループ同士が結合する規則について説明する。Ｉｎの上半分の３個のＯは下方向に３個の近接Ｉｎを有し、下半分の３個のＯは上方向に３個の近接Ｉｎを有する。Ｇａの上半分の１個のＯは下方向に１個の近接Ｇａを有し、下半分の１個のＯは上方向に１個の近接Ｇａを有する。Ｚｎの上半分の１個のＯは下方向に１個の近接Ｚｎを有し、下半分の３個のＯは上方向に３個の近接Ｚｎを有する。この様に、金属原子の上方向の４配位のＯの数と、そのＯの下方向にある近接金属原子の数は等しく、同様に金属原子の下方向の４配位のＯの数と、そのＯの上方向にある近接金属原子の数は等しい。Ｏは４配位なので、下方向にある近接金属原子の数と、上方向にある近接金属原子の数の和は４になる。従って、金属原子の上方向にある４配位のＯの数と、別の金属原子の下方向にある４配位のＯの数との和が４個のとき、金属原子を有する二種の小グループ同士は結合することができる。その理由を以下に示す。例えば、６配位の金属原子（ＩｎまたはＳｎ）が上半分の４配位のＯを介して結合する場合、４配位のＯが３個であるため、５配位の金属原子（ＧａまたはＩｎ）の上半分の４配位のＯ、５配位の金属原子（ＧａまたはＩｎ）の下半分の４配位のＯまたは４配位の金属原子（Ｚｎ）の上半分の４配位のＯのいずれかと結合することになる。
【０１１８】
これらの配位数を有する金属原子は、ｃ軸方向において、４配位のＯを介して結合する。また、このほかにも、層構造の合計の電荷が０となるように複数の小グループが結合して中グループを構成する。
【０１１９】
図８（Ａ）に、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物の層構造を構成する中グループのモデル図を示す。図８（Ｂ）に、３つの中グループで構成される大グループを示す。なお、図８（Ｃ）は、図８（Ｂ）の層構造をｃ軸方向から観察した場合の原子配列を示す。
【０１２０】
図８（Ａ）においては、簡単のため、３配位のＯは省略し、４配位のＯは個数のみ示し、例えば、Ｓｎの上半分および下半分にはそれぞれ３個ずつ４配位のＯがあることを丸枠の３として示している。同様に、図８（Ａ）において、Ｉｎの上半分および下半分にはそれぞれ１個ずつ４配位のＯがあり、丸枠の１として示している。また、同様に、図８（Ａ）において、下半分には１個の４配位のＯがあり、上半分には３個の４配位のＯがあるＺｎと、上半分には１個の４配位のＯがあり、下半分には３個の４配位のＯがあるＺｎとを示している。
【０１２１】
図８（Ａ）において、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物の層構造を構成する中グループは、上から順に４配位のＯが３個ずつ上半分および下半分にあるＳｎが、４配位のＯが１個ずつ上半分および下半分にあるＩｎと結合し、そのＩｎが、上半分に３個の４配位のＯがあるＺｎと結合し、そのＺｎの下半分の１個の４配位のＯを介して４配位のＯが３個ずつ上半分および下半分にあるＩｎと結合し、そのＩｎが、上半分に１個の４配位のＯがあるＺｎ２個からなる小グループと結合し、この小グループの下半分の１個の４配位のＯを介して４配位のＯが３個ずつ上半分および下半分にあるＳｎと結合している構成である。この中グループが複数結合して大グループを構成する。
【０１２２】
ここで、３配位のＯおよび４配位のＯの場合、結合１本当たりの電荷はそれぞれ−０．６６７、−０．５と考えることができる。例えば、Ｉｎ（６配位または５配位）、Ｚｎ（４配位）、Ｓｎ（５配位または６配位）の電荷は、それぞれ＋３、＋２、＋４である。従って、Ｓｎを含む小グループは電荷が＋１となる。そのため、Ｓｎを含む層構造を形成するためには、電荷＋１を打ち消す電荷−１が必要となる。電荷−１をとる構造として、図７（Ｅ）に示すように、２個のＺｎを含む小グループが挙げられる。例えば、Ｓｎを含む小グループが１個に対し、２個のＺｎを含む小グループが１個あれば、電荷が打ち消されるため、層構造の合計の電荷を０とすることができる。
【０１２３】
具体的には、図８（Ｂ）に示した大グループが繰り返されることで、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物の結晶（Ｉｎ２ＳｎＺｎ３Ｏ８）を得ることができる。なお、得られるＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物の層構造は、Ｉｎ２ＳｎＺｎ２Ｏ７（ＺｎＯ）ｍ（ｍは０または自然数。）とする組成式で表すことができる。なお、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物の結晶は、ｍの数が大きいと結晶性が向上するため、好ましい。
【０１２４】
また、このほかにも、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物や、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯとも表記する。）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物や、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−Ｐｍ−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系酸化物や、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物や、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、Ｉｎ系酸化物、Ｓｎ系酸化物、Ｚｎ系酸化物などを用いた場合も同様である。
【０１２５】
例えば、図９（Ａ）に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物の層構造を構成する中グループのモデル図を示す。
【０１２６】
図９（Ａ）において、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物の層構造を構成する中グループは、上から順に４配位のＯが３個ずつ上半分および下半分にあるＩｎが、４配位のＯが１個上半分にあるＺｎと結合し、そのＺｎの下半分の３個の４配位のＯを介して、４配位のＯが１個ずつ上半分および下半分にあるＧａと結合し、そのＧａの下半分の１個の４配位のＯを介して、４配位のＯが３個ずつ上半分および下半分にあるＩｎと結合している構成である。この中グループが複数結合して大グループを構成する。
【０１２７】
図９（Ｂ）に３つの中グループで構成される大グループを示す。なお、図９（Ｃ）は、図９（Ｂ）の層構造をｃ軸方向から観察した場合の原子配列を示している。
【０１２８】
ここで、Ｉｎ（６配位または５配位）、Ｚｎ（４配位）、Ｇａ（５配位）の電荷は、それぞれ＋３、＋２、＋３であるため、Ｉｎ、ＺｎおよびＧａのいずれかを含む小グループは、電荷が０となる。そのため、これらの小グループの組み合わせであれば中グループの合計の電荷は常に０となる。
【０１２９】
また、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物の層構造を構成する中グループは、図９（Ａ）に示した中グループに限定されず、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの配列が異なる中グループを組み合わせた大グループも取りうる。
【０１３０】
なお、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物は、用いるターゲットの組成比は、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎが原子数比で、１：２：２、２：１：３、１：１：１、または２０：４５：３５などとなる酸化物ターゲットを用いる。
【実施例１】
【０１３１】
図６に、チャネル長Ｌ、窒素添加の有無、窒素添加のドーズ量を変えた場合の酸化物半導体トランジスタにおいて、ゲート電圧（Ｖｇ）とドレイン電流（Ｉｄ）の関係を示す。
【０１３２】
図６（Ａ）乃至図６（Ｃ）はチャネル長Ｌが０．３５μｍ、図６（Ｄ）乃至図６（Ｆ）はチャネル長Ｌが０．８μｍ、図６（Ｇ）乃至図６（Ｉ）はチャネル長Ｌが３．０μｍ、図６（Ｊ）乃至図６（Ｌ）はチャネル長Ｌが１０．０μｍの酸化物半導体トランジスタのゲート電圧（Ｖｇ）とドレイン電流（Ｉｄ）の関係を示している。なお図６で用いた酸化物半導体トランジスタのチャネル幅Ｗは１０μｍであった。
【０１３３】
また、図６（Ａ）、図６（Ｄ）、図６（Ｇ）、図６（Ｊ）の酸化物半導体トランジスタには、窒素添加は行わず、熱処理は４５０℃で行った。図６（Ｂ）、図６（Ｅ）、図６（Ｈ）、図６（Ｋ）の酸化物半導体トランジスタには、加速電圧１０ｋＶ、ドーズ量１×１０１４ｃｍ−２で窒素添加を行い、熱処理は４５０℃で行った。図６（Ｃ）、図６（Ｆ）、図６（Ｉ）、図６（Ｌ）の酸化物半導体トランジスタには、加速電圧１０ｋＶ、ドーズ量５×１０１６ｃｍ−２で窒素添加を行い、熱処理は４５０℃で行った。
【０１３４】
図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図６（Ｄ）、図６（Ｅ）、図６（Ｇ）、図６（Ｈ）に示すように、チャネル長Ｌが小さく（３．０μｍ以下）、かつドーズ量が少ない（１×１０１４ｃｍ−２以下）であると、十分なオン／オフ比は取れず、ゲート電圧Ｖｇを変化させてもドレイン電流Ｉｄは変化しない。すなわちこのような酸化物半導体トランジスタはトランジスタとしては機能しない。
【０１３５】
図６（Ａ）、図６（Ｄ）、図（Ｇ）に示されるように、窒素添加を行わないと、酸化物半導体トランジスタの十分なオン／オフ比は取れず、酸化物半導体トランジスタがトランジスタとして機能しない。
【０１３６】
また図６（Ｂ）、図６（Ｅ）、図６（Ｈ）に示すように、窒素添加が行われていてもドーズ量が小さい（１×１０１４ｃｍ−２）と、酸化物半導体トランジスタの十分なオン／オフ比は取れず、酸化物半導体トランジスタがトランジスタとして機能しない。
【０１３７】
しかしながら、図６（Ｃ）、図６（Ｆ）、図６（Ｉ）に示すように、ドーズ量が５×１０１６ｃｍ−２の酸化物半導体トランジスタは、チャネル長Ｌが小さい、例えば０．３５μｍ（図６（Ｃ）参照）であっても、十分なオン／オフ比が取れる。すなわち、ゲート電圧Ｖｇを変化させるとドレイン電流Ｉｄは変化する。図６（Ｃ）、図６（Ｆ）、図６（Ｉ）に示す酸化物半導体トランジスタはトランジスタとして機能する。
【０１３８】
以上図６から、ドーズ量が５×１０−６ｃｍ−２未満、例えば、１×１０１４ｃｍ−２の酸化物半導体トランジスタでは、チャネル長Ｌが大きい、例えば３．０μｍでも十分なオン／オフ比が取れないことが示された。よってチャネル長Ｌが小さい（例えば３．０μｍ以下）酸化物半導体トランジスタでは、窒素のドーズ量は５×１０１６ｃｍ−２以上が好ましい。
【０１３９】
実施の形態１で示したように、窒素のドーズ量が５×１０１６ｃｍ−２以上であると、酸化物半導体層に微小な空洞が形成される。上述のように、酸化物半導体層中の微小な空洞の内壁には外気や絶縁膜からの水素が吸着される。微小な空洞の内壁に水素が吸着されていると、酸化物半導体層から酸素が引き抜かれない。酸素が引き抜かれない酸化物半導体層を有する酸化物半導体トランジスタは、十分なオン／オフ比を取ることができ、ゲート電圧Ｖｇが変化するとドレイン電流Ｉｄが変化する。すなわち、酸化物半導体トランジスタはトランジスタとして機能する。
【０１４０】
以上本実施例により、開示される発明の一様態の酸化物半導体トランジスタでは、チャネル長Ｌが短くても十分なオン／オフ比を取ることができることが示された。
【符号の説明】
【０１４１】
２００    基板
２０１    酸化物半導体トランジスタ
２０２    下地絶縁膜
２０３    酸化物半導体層
２０４ａ    電極
２０４ｂ    電極
２０６    ゲート絶縁膜
２０７    ゲート電極
２０８ａ    領域
２０８ｂ    領域
２０９    チャネル形成領域
２１０    窒素
２１１ａ    領域
２１１ａｕ    上層
２１１ａｌ    下層
２１１ｂ    領域
２１１ｂｕ    上層
２１１ｂｌ    下層
２１２    絶縁膜
２１３    配線
２１４    配線
２１５    配線
２２１    酸化物半導体トランジスタ
【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６】
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【図７】
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【図１０】
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【図１１】
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【図５】
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【図８】
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【図９】
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