CN102859704B - 半导体装置的制造方法 - Google Patents

Abstract

在具有氧化物半导体膜的底栅结构晶体管的制造工序中，进行由热处理的脱水化或脱氢化处理以及氧掺杂处理。具有经过由热处理的脱水化或脱氢化处理的氧化物半导体膜且受到氧掺杂处理的晶体管可以减小晶体管在偏压-热应力试验（BT试验）的前后的阈值电压的变化量，从而可以实现具有稳定电特性的可靠性高的晶体管。

Description

半导体装置的制造方法

技术领域

本发明涉及一种半导体装置及半导体装置的制造方法。

另外，在本说明书中半导体装置是指能够通过利用半导体特性而工作的所有装置，因此电光装置、半导体电路以及电子设备都是半导体装置。

背景技术

使用形成在具有绝缘表面的衬底上的半导体薄膜构成晶体管的技术受到关注。该晶体管被广泛地应用于如集成电路（IC）及图像显示装置（显示装置）那样的电子设备。作为可以应用于晶体管的半导体薄膜，硅类半导体材料被广泛地所知。但是，作为其他材料，氧化物半导体受到关注。

例如，已经公开了，作为晶体管的活性层使用其电子载流子浓度低于10¹⁸/cm³的包含铟（In）、镓（Ga）、锌（Zn）的非晶氧化物的晶体管（参照专利文献1）。

[专利文献1]日本专利申请公开2006-165528号公报

然而，氧化物半导体当在形成装置的工序中发生形成电子给体的氢、水分的混入等时，其导电率可能变化。这种现象成为使用氧化物半导体的晶体管的电特性变动的主要原因。

发明内容

鉴于这种问题，本发明的一个实施方式的目的之一是对使用氧化物半导体的半导体装置赋予稳定的电特性，以实现高可靠性化。

本说明书所公开的发明的一个方式是一种半导体装置的制造方法，包括如下步骤：形成栅电极层；在栅电极层上形成栅极绝缘膜；在栅极绝缘膜上且与栅电极层重叠的区域中形成氧化物半导体膜；对氧化物半导体膜进行热处理，以去除氧化物半导体膜中的氢原子；形成与氧化物半导体膜电连接的源电极层及漏电极层；在氧化物半导体膜、源电极层及漏电极层上形成与氧化物半导体膜接触的绝缘膜；对绝缘膜进行氧掺杂处理，以对绝缘膜供应氧原子。

另外，所公开的发明的一个方式是一种半导体装置的制造方法，包括如下步骤：形成栅电极层；在栅电极层上形成栅极绝缘膜；在栅极绝缘膜上且与栅电极层重叠的区域中形成氧化物半导体膜；对氧化物半导体膜进行热处理，以去除氧化物半导体膜中的氢原子；形成与氧化物半导体膜电连接的源电极层及漏电极层；在氧化物半导体膜、源电极层及漏电极层上形成与氧化物半导体膜接触的绝缘膜；对绝缘膜进行氧掺杂处理，以对绝缘膜供应氧原子；以及进行热处理。

另外，在上述半导体装置的制造方法中，作为栅极绝缘膜或绝缘膜，可以形成包含氧化物半导体膜的成分元素的绝缘膜。

或者，在上述半导体装置的制造方法中，作为栅极绝缘膜或绝缘膜，可以形成包含氧化物半导体膜的成分元素的绝缘膜以及包含与该绝缘膜的成分元素不同的元素的膜。

或者，在上述半导体装置的制造方法中，作为栅极绝缘膜或绝缘膜，可以形成包含氧化镓的绝缘膜。

或者，在上述半导体装置的制造方法中，作为栅极绝缘膜或绝缘膜，可以形成包含氧化镓的绝缘膜以及包含与氧化镓不同的材料的膜。

另外，在上述半导体装置的制造方法中，可以覆盖绝缘膜地形成包含氮的绝缘膜。

在具有氧化物半导体膜的晶体管的制造工序中，通过进行氧掺杂处理，可以在层叠的栅极绝缘膜的膜中（块（bulk）中）、氧化物半导体膜的膜中（块中）、绝缘膜的膜中（块中）、栅极绝缘膜与氧化物半导体膜的界面、氧化物半导体膜与绝缘膜的界面中的至少一处以上设置存在有超过该膜的化学计量比的氧的氧过剩区域。氧含量优选为超过化学计量比的1倍至4倍（小于4倍），更优选为超过1倍至2倍（小于2倍）。超过化学计量比的氧过剩的氧化物，例如在以In_aGa_bZn_cSi_dAl_eMg_fO_g（a，b，c，d，e,f，g≥0）表示的氧化物中，满足2g>3a+3b+2c+4d+3e+2f。另外，通过氧掺杂处理添加的氧有可能存在于氧化物半导体的晶格之间。

另外，也可以在层叠的栅极绝缘膜、氧化物半导体膜以及绝缘膜中的两处以上设置上述氧过剩区域。例如，在制造工序中，可以通过进行氧掺杂处理，在栅极绝缘膜与氧化物半导体膜的界面、氧化物半导体膜的膜中（块中）、以及氧化物半导体膜与绝缘膜的界面的每一处设置氧过剩区域。

另外，在没有缺陷（氧缺乏）的氧化物半导体中，只要包含相同于化学计量比的数量的氧即可，但是为了确保如抑制晶体管的阈值电压的变动等的可靠性，优选使氧化物半导体包含超过化学计量比的数量的氧。类似地，在没有缺陷（氧缺乏）的氧化物半导体中，不需要将氧过剩的绝缘膜用作栅极绝缘膜或绝缘膜，但是为了确保如抑制晶体管的阈值电压的变动等的可靠性，考虑到在氧化物半导体层中可能产生氧缺乏的状态，而优选将氧过剩的绝缘膜用作栅极绝缘膜或绝缘膜。

另外，对氧化物半导体膜通过热处理进行脱水化或脱氢化处理，去除氧化物半导体膜中的氢原子或水等包含氢原子的杂质，来使氧化物半导体膜高纯度化。这里，将由氧掺杂处理而添加的氧量设定为比由脱水化或脱氢化处理而被高纯度化了的氧化物半导体膜中的氢量多。如果在上述叠层的栅极绝缘膜、氧化物半导体膜、以及绝缘膜的至少一部分的氧量多，该氧扩散并与其他不稳定因素的原因的氢起反应，来固定氢（使氢不动离子化）。也就是说，可以降低（或充分减小）可靠性上的不稳定性。另外，通过形成氧过剩状态，可以减小由氧缺乏而引起的阈值电压Vth的不均匀，并可以降低阈值电压的偏移ΔVth。

这里，上述“氧掺杂”是指将氧（至少包含氧自由基、氧原子、氧离子中的任一种）添加到块中的处理。该术语“块”是为了明确显示不仅将氧添加到薄膜表面还将氧添加到薄膜内部的情况的目的而使用。另外，“氧掺杂”包括将等离子体化的氧添加到块中的“氧等离子体掺杂”。

在此，描述通过上述“氧等离子体掺杂”处理将氧添加到块中的状态。注意，在对包含氧作为其一成分的氧化物半导体膜中进行氧掺杂处理时，一般来说，确认氧浓度的增减是很困难的。由此，这里使用硅片来确认氧掺杂处理的效果。

氧掺杂处理通过利用电感耦合等离子体（ICP：InductivelyCoupledPlasma）方式来进行。其条件如下：ICP功率为800W、RF偏置功率为300W或0W、压力为1.5Pa、气体流量为75sccm、衬底温度为70℃。图15表示根据SIMS（SecondaryIonMassSpectrometry：二次离子质谱）分析的硅片的深度方向的氧浓度分布。在图15中，纵轴表示氧浓度，横轴表示离硅片表面的深度。

根据图15，可以确认在RF偏置功率为0W的情况以及RF偏置功率为300W的情况都添加有氧。另外，可以确认在RF偏置为300W时，与RF偏置为0W的情况相比，氧的添加深度更深。

接着，在图16A和16B中示出通过STEM（ScanningTransmissionElectronMicroscopy：扫描透射电子显微镜）对进行氧掺杂处理之前和之后的硅片的截面进行观察的结果。图16A是进行氧掺杂处理之前的STEM图像，图16B是在上述RF偏置功率为300W的条件下进行氧掺杂处理之后的STEM图像。由图16B可知，通过进行氧掺杂处理，在硅片中形成了氧高掺杂区域。

如上所示，通过对硅片进行氧掺杂，可以在硅片中添加氧。根据该结果，可以理解通过对氧化物半导体膜进行氧掺杂，当然也可以在氧化物半导体膜中添加氧。

至于所公开的发明的一个方式的上述结构的效果，按照下述考察就很容易理解。但是，以下说明只不过是一个考察而已。

在对栅电极施加正电压时，从氧化物半导体膜的栅电极一侧到背沟道一侧（与栅极绝缘膜相反一侧）产生电场，由此存在于氧化物半导体膜中的具有正电荷的氢离子移动到背沟道一侧并蓄积在与绝缘膜的界面附近。由于正电荷从所蓄积的氢离子移动到绝缘膜中的电荷俘获中心（氢原子、水、或污染物质等），在氧化物半导体膜的背沟道一侧蓄积有负电荷。也就是说，在晶体管的背沟道一侧发生寄生沟道，阈值电压向负值一侧偏移，从而晶体管显示常通（normally-on）的趋势。

如上所述，由于在绝缘膜中的氢或水等电荷俘获中心捕获正电荷，正电荷移动到绝缘膜中，而晶体管的电特性变动，所以为了抑制晶体管的电特性的变动，很重要的是在绝缘膜中不存在上述电荷俘获中心，或者电荷俘获中心的含量少。由此，作为绝缘膜的形成方法，优选使用沉积时的氢含量少的溅射法。通过溅射法而沉积的绝缘膜在膜中没有存在电荷俘获中心或电荷俘获中心很少，其与通过CVD法等形成的膜相比不容易发生正电荷的移动。因此，可以抑制晶体管的阈值电压的偏移，并可以使晶体管成为常关闭（normally-off）型。

另外，在对栅电极施加负电压时，从背沟道一侧到栅电极一侧产生电场，由此存在于氧化物半导体膜中的氢离子移动到栅极绝缘膜一侧并蓄积在与栅极绝缘膜的界面附近。由此，晶体管的阈值电压向负值一侧偏移。

另外，在对栅电极施加负电压后，在电压0的条件下放置时，从电荷俘获中心释放正电荷，晶体管的阈值电压向正值一侧偏移且返回到初始状态，或者有时与初始状态相比进一步向正值一侧偏移。该现象显示在氧化物半导体膜中存在有容易移动的离子的事实，并可以认为最小原子的氢成为最容易移动的离子。

另外，在底栅型的晶体管中，通过在栅极绝缘膜上形成氧化物半导体膜之后进行热处理，不仅可以去除包含在氧化物半导体膜中的水或氢，而且也可去除包含在栅极绝缘膜中的水或氢。因此，在栅极绝缘膜中，用来捕获在氧化半导体膜中移动而来的正电荷的电荷俘获中心很少。像这样，由于用来对氧化物半导体膜进行脱水化或脱氢化的热处理不仅对氧化物半导体膜进行，还对存在于氧化物半导体膜的下层的栅极绝缘膜进行，所以在底栅型晶体管中，栅极绝缘膜可以通过利用等离子体CVD法等的CVD法而形成。

另外，由于氧化物半导体膜吸收光，因光能在氧化物半导体膜中的金属元素（M）与氢原子（H）间的键合（也称为M-H键）断裂。这里，波长为400nm左右的光能和金属元素与氢原子间的键合能大致相同。当对氧化物半导体膜中的金属元素与氢元素间的键合断裂的晶体管施加负值栅极偏压时，与金属元素之间的键切断了的氢离子被引到栅极一侧，因此电荷分布发生变化，晶体管的阈值电压向负值一侧偏移而显示常通的趋势。

另外，通过停止电压施加，由于晶体管的光照射和负值栅极偏压的施加而移动到栅极绝缘膜界面的氢离子返回到初始状态。这可理解为氧化物半导体膜中的离子移动的典型例。

作为对于这种因电压施加导致的电特性的变动（BT退化）或因光照射导致的电特性的变动（光退化）的对策，最重要的是，从氧化物半导体膜彻底去除氢原子或水等包含氢原子的杂质，来使氧化物半导体膜高纯度化。在电荷密度为10¹⁵cm^-3，或每单位面积的电荷为10¹⁰cm^-2的情况下，该电荷不影响到晶体管的特性，或者即使有影响也是很小的。因此，电荷密度优选为10¹⁵cm^-3以下。当假设氧化物半导体膜所包含的氢中10％的氢在氧化物半导体膜中移动时，氢浓度优选为10¹⁶cm^-3以下。并且，为了防止在完成装置后氢从外部侵入，优选使用通过溅射法形成的氮化硅膜作为钝化膜，并覆盖晶体管。

并且，通过对包含在氧化物半导体膜中的氢掺杂过剩的氧（（氢原子数量）<<（氧自由基数量）或（氧离子数量）），可以从氧化物半导体膜中去除氢或水。具体来说，利用射频波（RF）使氧等离子体化，并增高衬底偏压，将氧自由基、氧离子掺杂或添加到衬底上的氧化物半导体膜中，以使在氧化物半导体膜中使氧量多于氢的量。氧的电负性是3.0，其高于电负性为2.0左右的氧化物半导体膜中的金属（Zn、Ga、In），因此，通过使氧化物半导体膜包含相对于氢过剩的氧，从M-H键夺取氢原子，而形成OH基。另外，该OH基可能与M键合而形成M-O-H基。

另外，优选以使氧化物半导体膜的氧含量比化学计量比更过剩的方式进行氧掺杂。例如，在作为氧化物半导体膜使用In-Ga-Zn-O类氧化物半导体膜的情况下，优选通过氧掺杂等将氧的比率设定为超过化学计量比的1倍至2倍（小于2倍）的范围。例如，理想的In-Ga-Zn-O类氧化物半导体单晶的化学计量比是In：Ga：Zn：O=1：1：1：4，因此在以InGaZnO_X表示组成的氧化物半导体膜中，X更优选为超过4且小于8。

由于光能或BT应力，氢离子从M-H键脱离而成为退化的原因，但是，在通过上述掺杂注入氧的情况下，所注入的氧与氢离子键合而成为OH基。该OH基的键合能较大，因此即使对晶体管执行光照射或BT应力也不放出氢离子，而且，由于其质量比氢离子更大，所以不容易在氧化物半导体膜中移动。因此，起因于氧掺杂而形成的OH基不会成为晶体管退化的原因，或者可减小退化的原因。

另外，已经确认氧化物半导体膜的膜厚度越厚，晶体管的阈值电压的不均匀性越增大的趋势。可以推测，这是因为氧化物半导体膜中的氧缺乏成为阈值电压变动的一个原因，并且其厚度越厚，氧缺乏越增加的缘故。在根据本发明的一个方式的晶体管中，对氧化物半导体膜掺杂氧的工序不仅实现从氧化物半导体膜排出氢或水，而且对膜中的氧缺乏的填补很有效。由此，根据本发明的一个方式的晶体管可以抑制阈值电压的不均匀性。

另外，隔着氧化物半导体膜设置由与氧化物半导体膜相同种类的成分构成的金属氧化物膜的结构，也对防止电特性的变动是很有效的。作为由与氧化物半导体膜相同种类的成分构成的金属氧化物膜，具体来说，优选使用包含从氧化物半导体膜的构成元素中选择的至少一种金属元素的氧化物的膜。这种材料与氧化物半导体膜的搭配良好，通过隔着氧化物半导体膜设置该金属氧化物膜，可以保持与氧化物半导体膜的界面的良好状态。也就是说，通过设置使用上述材料的金属氧化物膜作为与氧化物半导体膜接触的绝缘膜，可以抑制或防止氢离子蓄积在该金属氧化物膜与氧化物半导体膜的界面及其附近。从而，与隔着氧化物半导体膜设置例如氧化硅膜等由与氧化物半导体膜不同的成分构成的绝缘膜的情况相比，可以充分降低对晶体管的阈值电压有影响的氧化物半导体膜界面的氢浓度。

另外，作为该金属氧化物膜，优选使用氧化镓膜。氧化镓的带隙（Eg）较大，因此通过在氧化镓膜之间夹入氧化物半导体膜，在氧化物半导体膜与金属氧化物膜的界面形成能垒，在该界面处载流子的移动被妨碍。因此，载流子不从氧化物半导体移动到金属氧化物，而在氧化物半导体膜中移动。另一方面，氢离子通过氧化物半导体与金属氧化物的界面，蓄积在金属氧化物与绝缘膜的界面附近。即使氢离子蓄积在与绝缘膜的界面附近，由于用作金属氧化物膜的氧化镓膜没有形成能够流动载流子的寄生沟道，所以对晶体管的阈值电压没有影响，或影响极少。另外，在氧化镓与In-Ga-Zn-O类材料接触时的能垒，在导带一侧为0.8eV左右，在价电子带一侧为0.9eV左右。

至于根据所公开的发明的一个方式的晶体管，其技术思想在于通过氧掺杂处理增大与氧化物半导体膜接触的绝缘膜中、氧化物半导体膜中、或这些膜的界面附近中的至少一处的氧含量。

在使用包含铟的氧化物半导体材料作为氧化物半导体膜时，由于铟与氧的键合力较弱，所以在与氧化物半导体膜接触的绝缘膜中含有硅等与氧的键合力更强的材料时，氧化物半导体膜中的氧因热处理被抽出，从而可以在氧化物半导体膜的界面附近形成氧缺乏。然而，根据所公开的发明的一个方式的晶体管，通过对与氧化物半导体膜接触的绝缘膜供应过剩的氧，可以抑制因从氧化物半导体膜的氧抽出导致的氧缺乏的形成。

这里，在晶体管的制造工序中进行氧掺杂处理之后，氧化物半导体膜或与氧化物半导体膜接触的绝缘膜所包含的比化学计量比过剩的氧量有时在各层中彼此不同。在过剩的氧量不同的状态下，各层的氧的化学势也不同，并且该化学势的不同通过在晶体管的制造工序中的热处理等接近平衡状态，或者变为平衡状态。由此，在对绝缘膜的氧掺杂处理后，优选进行热处理。通过在氧掺杂处理后进行热处理，可以扩散对绝缘膜供应的过剩的氧，并可以将充分量的氧供应到氧化物半导体膜中。下面将研讨平衡状态下的氧分布。

在某一温度T、压力P下的平衡状态是指全体系的吉布斯（Gibbs）自由能G最小的状态，并可以由如下式（1）表示全体系的吉布斯自由能G。

式（1）

G(N_a,N_b,N_c,…,T,P)=

G⁽¹⁾(N_a,N_b,N_c,…,T,P)+G⁽²⁾(N_a,N_b,N_c,…,T,P)+G⁽³⁾(N_a,N_b,N_c,…,T,P)

····（1）

在式（1）中，G^(1）、G^(2）、G^(3）表示各层的吉布斯自由能。另外，N_a、N_b、N_c表示粒子数，a、b、c表示粒子的种类。粒子a从i层向j层移动δN_a ^（j）时，吉布斯自由能的变化如下面的式（2）所示那样。

式（2）

$\mathrm{\&delta;G}=-\frac{{\&PartialD;G}^{\left(i\right)}}{\&PartialD;N_a^{\left(i\right)}}\mathrm{\&delta;}{N}_a^{\left(j\right)}+\frac{{\&PartialD;G}^{\left(j\right)}}{\&PartialD;N_a^{\left(j\right)}}\mathrm{\&delta;}{N}_a^{\left(j\right)}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(2\right)$

这里，在δG为0，满足下面的式（3）时，体系成为平衡状态。

式（3）

$\frac{\&PartialD;G^{\left(i\right)}}{\&PartialD;N_a^{\left(i\right)}}=\frac{\&PartialD;G^{\left(j\right)}}{{\&PartialD;N}_a^{\left(j\right)}}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(3\right)$

吉布斯自由能的粒子数微分相当于化学势，因此，在平衡状态下，所有层中的粒子的化学势彼此相等。

就是说，具体来说，在与氧化物半导体膜接触的绝缘膜中包含与氧化物半导体膜相比过剩的氧时，氧化物半导体膜中的氧化学势相对小，绝缘膜中的氧化学势相对大。

而且，通过在晶体管的制造工序中进行热处理，整个体系（这里，是氧化物半导体膜和与其接触的绝缘膜）的温度充分提高，当导致开始层内及层间的原子扩散时，发生氧的移动以使其化学势相同。也就是说，绝缘膜的氧移动到氧化物半导体膜中，因此绝缘膜的化学势减小，氧化物半导体膜的化学势增大。

因此，通过后面的热处理使整个体系为平衡状态，由氧掺杂处理供应到绝缘膜中的过剩的氧被扩散，并该氧供应到氧化物半导体膜中。如上所述，供应到氧化物半导体膜中的氧与氢离子键合而成为OH基，因此没有产生晶体管的退化原因，或可减小退化原因。此外，对氧化物半导体膜的氧供应是对膜中的氧缺乏的填补也有效的。

具有经过利用热处理的脱水化或脱氢化处理以及氧掺杂处理的氧化物半导体膜的晶体管也在偏压-热应力试验（BT试验）的前后可以减小晶体管的阈值电压的变化量，从而可以实现具有稳定的电特性且可靠性高的晶体管。

此外，本发明的一个方式可以制造具有电特性良好且可靠性高的晶体管的半导体装置。

附图说明

图1A至1C是说明半导体装置的一个方式的图；

图2A至2F是说明半导体装置的制造方法的一个方式的图；

图3A至3D是说明半导体装置的一个方式的图；

图4A至4F是说明半导体装置的制造方法的一个方式的图；

图5A至5C是说明半导体装置的制造方法的一个方式的图；

图6是说明半导体装置的一个方式的图；

图7是说明半导体装置的一个方式的图；

图8是说明半导体装置的一个方式的图；

图9A和9B是说明半导体装置的一个方式的图；

图10A和10B是表示电子设备的图；

图11A至11F是表示电子设备的图；

图12A至12C是说明半导体装置的一个方式的图；

图13A至13D是说明半导体装置的一个方式的图；

图14A和14B是表示本发明的一个方式的等离子体装置的俯视图以及截面图；

图15是表示SIMS测试的结果的图；

图16A和16B是说明截面STEM图像的图。

具体实施方式

下面，参照附图详细地说明本说明书所公开的发明的实施方式。但是，所属技术领域的普通技术人员可以很容易地理解一个事实，就是本说明书所公开的发明的方式及详细内容可以被变换为各种各样的形式而不局限于以下说明。并且，本说明书所公开的发明不应被看作仅限定于以下实施方式的描述内容。

另外，为了方便起见附加了第一、第二等序数词，其并不表示工序顺序或叠层顺序。此外，本说明书中的序数不表示特定发明的事项的固有名称。

实施方式1

在本实施方式中，参照图1A至3D对半导体装置及半导体装置的制造方法的一个方式进行说明。在本实施方式中，作为半导体装置的一个例子示出具有氧化物半导体膜的晶体管。

作为半导体装置的例子，在图1A至1C中表示底栅型的晶体管的截面图以及平面图。图1A是平面图，图1B及1C是图1A中的沿线A-B和C-D截断的截面图。注意，在图1A中，为了避免过于复杂，省略晶体管410的结构要素的一部分（例如，绝缘膜407等）。

图1A、1B、1C所示的晶体管410在具有绝缘表面的衬底400上包括栅电极层401、栅极绝缘膜402、氧化物半导体膜403、源电极层405a、漏电极层405b以及绝缘膜407。

在图1A到1C所示的晶体管410中，绝缘膜407是被进行了氧掺杂处理的绝缘膜，且具有氧过剩区域。由于绝缘膜407具有氧过剩区域，可以防止氧从氧化物半导体膜403向绝缘膜407移动。此外，可以从绝缘膜407向氧化物半导体膜403供应氧。因此，通过对绝缘膜407进行氧掺杂处理，可以将充分量的氧包含在氧化物半导体膜403中，所以可以实现可靠性高的晶体管410。

这里，氧掺杂处理是指将氧自由基、氧原子或氧离子添加到氧化物半导体膜的表面及块中的处理。尤其是，通过使氧等离子体化将上述氧自由基、氧原子或氧离子添加到氧化物半导体膜的表面及块中的处理也称为氧等离子体掺杂处理。另外，优选在氧掺杂处理中对在其上形成氧化物半导体膜的衬底施加偏压。

另外，可以在晶体管410上还设置有绝缘体。另外，为了将源电极层405a和漏电极层405b与布线电连接，可以在栅极绝缘膜402等之中形成有开口。此外，在氧化物半导体膜403的上方还可以具有第二栅电极。这里，氧化物半导体膜403优选被加工为岛状，但不必一定被加工为岛状。

图2A至2F表示晶体管410的制造方法的一个例子。

首先，在具有绝缘表面的衬底400上形成导电膜之后，利用第一光刻工序形成栅电极层401。这里，也可以使用喷墨法形成抗蚀剂掩模。当使用喷墨法形成抗蚀剂掩模时不需要光掩模，由此可以降低制造成本。

对可用作具有绝缘表面的衬底400的衬底没有特别的限制，但是衬底400需要至少具有能够承受后面进行的热处理的程度的耐热性。例如，可以使用玻璃衬底（如硼硅酸钡玻璃和硼硅酸铝玻璃等）、陶瓷衬底、石英衬底、蓝宝石衬底等。另外，作为衬底400，也可以采用硅或碳化硅等的单晶半导体衬底、多晶半导体衬底、硅锗等的化合物半导体衬底、SOI衬底等，并且也可以在这些衬底上设置有半导体元件。

此外，作为衬底400也可以使用柔性衬底。在使用柔性衬底时，既可以在柔性衬底上直接形成具有氧化物半导体膜的晶体管，又可以在其他衬底上形成具有氧化物半导体膜的晶体管，然后转置到柔性衬底上。另外，为了将晶体管从其他衬底转置到柔性衬底上，优选在其他衬底与具有氧化物半导体膜的晶体管之间设置剥离层。

也可以在衬底400与栅电极层401之间设置用作基底膜的绝缘膜。该基底膜有防止杂质元素从衬底400扩散的功能，并且可以使用选自氮化硅膜、氧化硅膜、氮氧化硅膜和氧氮化硅膜中的一种或多种膜的单层或叠层结构而形成。

另外，栅电极层401可以通过等离子体CVD法或溅射法等使用钼、钛、钽、钨、铝、铜、钕、钪等的金属材料或以这些金属材料为主要成分的合金材料以单层或叠层结构形成。

接着，在栅电极层401上形成栅极绝缘膜402。栅极绝缘膜402可以通过等离子体CVD法或溅射法等使用氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氧化铝、氮化铝、氧氮化铝、氮氧化铝、氧化铪、氧化镓或这些的混合材料以单层或叠层结构形成。

在此，作为栅极绝缘膜402，特别优选使用由与后面形成的氧化物半导体膜相同种类的成分构成的绝缘材料。这是因为，这种材料与氧化物半导体膜的搭配良好，由此通过将其用作栅极绝缘膜402，可以保持栅极绝缘膜402与氧化物半导体膜之间的界面的良好状态。这里，包含“与氧化物半导体膜相同种类的成分”是指包含选自氧化物半导体膜的构成元素中的一种或多种元素。例如，在氧化物半导体膜由In-Ga-Zn-O类的氧化物半导体材料构成的情况下，作为包含与氧化物半导体膜相同种类的成分构成的绝缘材料，可以举出氧化镓等。

在利用叠层结构的栅极绝缘膜402的情况下，更优选采用由与氧化物半导体膜相同种类的成分的绝缘材料构成的膜（以下称为“膜a”）和包含与该膜a的成分材料不同的材料的膜（以下称为“膜b”）的叠层结构。这是因为如下缘故：通过采用从氧化物半导体膜一侧按顺序层叠膜a和膜b的结构，与氧化物半导体膜和膜a的界面相比，膜a和膜b的界面的电荷俘获中心优先地捕获电荷，因此，可以充分抑制氧化物半导体膜界面的电荷捕获，从而可以提高半导体装置的可靠性。

另外，作为上述叠层结构，可以使用氧化镓膜和氧化硅膜的叠层结构、氧化镓膜和氮化硅膜的叠层结构等。

另外，使用微波（μ波）（例如，频率为2.45GHz）的高密度等离子体CVD可以形成致密且绝缘耐压高的高品质绝缘层，所以在形成栅极绝缘膜402时利用该方法是优选的。这是由于通过使高纯度化的氧化物半导体与高品质栅极绝缘膜密接可以降低界面能级而形成良好的界面特性的缘故。

另外，作为栅极绝缘膜，还可以使用通过成膜后的热处理栅极绝缘层的膜质及与氧化物半导体之间的界面特性得到改善的绝缘层。总之，只要是作为栅极绝缘膜的膜质良好并能够降低与氧化物半导体之间的界面态密度从而形成良好的界面的层即可。

另外，为了尽量不使栅极绝缘膜402、形成在栅极绝缘膜402上的氧化物半导体膜中含有氢、羟基及水分，优选作为形成氧化物半导体膜的预处理，在溅射设备的预热室对形成有栅电极层401的衬底400或形成有到（且包括）栅极绝缘膜402的膜的衬底400进行预加热，来使吸附在衬底400的氢或水分等杂质脱离并排出。另外，设置在预热室中的排气装置优选使用低温泵。此外，还可以省略该预热处理。另外，还可以在形成绝缘膜407之前，对形成有到（且包括）源电极层405a及漏电极层405b的膜的衬底400进行这样的预热处理。

接着，在栅极绝缘膜402上形成厚度为2nm以上200nm以下，优选为5nm以上30nm以下的氧化物半导体膜。

作为用作氧化物半导体膜的氧化物半导体，可以使用四元金属氧化物的In-Sn-Ga-Zn-O类氧化物半导体；三元金属氧化物的In-Ga-Zn-O类氧化物半导体、In-Sn-Zn-O类氧化物半导体、In-Al-Zn-O类氧化物半导体、Sn-Ga-Zn-O类氧化物半导体、Al-Ga-Zn-O类氧化物半导体、Sn-Al-Zn-O类氧化物半导体；二元金属氧化物的In-Zn-O类氧化物半导体、Sn-Zn-O类氧化物半导体、Al-Zn-O类氧化物半导体、Zn-Mg-O类氧化物半导体、Sn-Mg-O类氧化物半导体、In-Mg-O类氧化物半导体、In-Ga-O类氧化物半导体；In-O类氧化物半导体、Sn-O类氧化物半导体、Zn-O类氧化物半导体等。上述氧化物半导体也可以包含SiO₂。这里，例如In-Ga-Zn-O类氧化物半导体是指含有铟（In）、镓（Ga）、锌（Zn）的氧化物膜，对其化学计量比没有特别的限制。此外，In-Ga-Zn-O类氧化物半导体也可以包含In、Ga、Zn以外的元素。

另外，作为氧化物半导体膜，可以使用由化学式InMO₃（ZnO）_m（m>0）表示的材料的薄膜。在此，M表示选自Ga、Al、Mn及Co中的一种或多种金属元素。例如，作为M可举出Ga、Ga及Al、Ga及Mn或Ga及Co等。

作为用作氧化物半导体膜的氧化物半导体，可以优选使用包含铟的氧化物半导体、包含铟及镓的氧化物半导体等。

在本实施方式中，使用In-Ga-Zn-O类氧化物半导体膜成膜用的靶材并利用溅射法来形成氧化物半导体膜。此外，氧化物半导体膜可以在稀有气体（典型为氩）气氛下、氧气氛下、或者稀有气体及氧的混合气氛下利用溅射法来形成。

作为用于利用溅射法制造氧化物半导体膜的靶材，例如可以使用组成比为In₂O₃:Ga₂O₃:ZnO=1:1:1[摩尔数比]的氧化物半导体膜成膜用的靶材。利用该靶材形成In-Ga-Zn-O膜。另外，不局限于该靶材及组成，例如，还可以使用In₂O₃:Ga₂O₃:ZnO=1:1:2[摩尔数比]的氧化物半导体膜成膜用的靶材。

另外，氧化物半导体膜成膜用的靶材的填充率为90％以上100％以下，优选为95％以上99.9％以下。通过采用填充率高的氧化物半导体膜成膜用的靶材，可以形成致密的氧化物半导体膜。

作为形成氧化物半导体膜时的溅射气体，优选使用氢、水、羟基或氢化物等的杂质被去除了的高纯度气体。

在维持减压状态的沉积室内保持衬底，并且将衬底温度设定为100℃以上且600℃以下，优选为200℃以上且400℃以下。通过边加热衬底边进行成膜，可以降低形成的氧化物半导体膜中含有的杂质浓度。另外，可以减轻由于溅射带来的损伤。然后，边去除残留在沉积室内的水分边引入去除了氢及水分的溅射气体，并使用上述靶材在衬底400上形成氧化物半导体膜。为了去除残留在沉积室内的水分，优选使用吸附型真空泵，例如，低温泵、离子泵、钛升华泵。另外，作为排气装置，也可以使用配备有冷阱的涡轮分子泵。由于在利用低温泵进行了排气的沉积室中，如氢原子、水等的包含氢原子的化合物（优选还包括包含碳原子的化合物）等被排出，由此可以降低利用该沉积室形成的氧化物半导体膜中含有的杂质浓度。

作为成膜条件的一个例子，可以采用如下条件：衬底与靶材之间的距离为100mm；压力为0.6Pa；直流（DC）电源为0.5kW；氧（氧流量比率为100％）气氛。另外，当使用脉冲直流电源时，可以减少成膜时产生的粉状物质（也称为微粒、尘屑），并且膜厚度分布也变得均匀，所以是优选的。

接着，利用第二光刻工序将氧化物半导体膜加工为岛状的氧化物半导体膜441（参照图2A）。另外，也可以利用喷墨法形成用于形成岛状氧化物半导体膜441的抗蚀剂掩模。当使用喷墨法形成抗蚀剂掩模时不使用光掩模，由此可以降低制造成本。

另外，当在栅极绝缘膜402中形成接触孔时，可以在对氧化物半导体膜进行加工的同时进行该工序。

另外，这里作为氧化物半导体膜的蚀刻方法，可以采用干蚀刻及湿蚀刻中的一方或者双方。例如，作为用于氧化物半导体膜的湿蚀刻的蚀刻液，可以使用磷酸、醋酸以及硝酸的混合溶液等。此外，也可以使用ITO-07N（日本关东化学公司制造）。

接着，对氧化物半导体膜441进行热处理。通过进行该热处理，可以去除过剩的氢（包含水和羟基）（脱水化或脱氢化），调整氧化物半导体膜的结构，并减小能隙中的缺陷能级。将该热处理的温度设定为250℃以上且750℃以下，或者400℃以上且低于衬底的应变点的温度。这里，将衬底放入到加热处理装置之一的电炉中，在氮气氛下以450℃对氧化物半导体膜进行1小时的热处理之后，不使其接触于大气以防止水、氢再次混入到氧化物半导体膜中，来获得氧化物半导体膜403（参照图2B）。

注意，热处理装置不局限于电炉，也可以利用电阻发热体等的发热体所产生的热传导或热辐射对被处理物进行加热的装置。例如，可以使用GRTA（GasRapidThermalAnneal：气体快速热退火）装置、LRTA（LampRapidThermalAnneal：灯快速热退火）装置等的RTA（RapidThermalAnneal：快速热退火）装置。LRTA装置是利用从灯如卤素灯、金卤灯、氙弧灯、碳弧灯、高压钠灯或高压汞灯等发出的光（电磁波）的辐射加热被处理物的装置。GRTA装置是使用高温的气体进行热处理的装置。作为高温气体，使用如氩等的稀有气体或如氮那样的即使进行热处理也不与被处理物产生反应的惰性气体。

例如，作为热处理，也可以进行如下GRTA，即将衬底放入加热为650℃至700℃的高温的惰性气体中，加热几分钟之后从加热为高温的惰性气体中取出衬底。

此外，在热处理中，优选不使氮或氦、氖、氩等稀有气体中含有水、氢等。另外，优选将引入热处理装置中的氮或氦、氖、氩等的稀有气体的纯度设定为6N（99.9999％）以上，更优选设定为7N（99.99999％）以上（即，将杂质浓度设定为1ppm以下，更优选设定为0.1ppm以下）。

另外，可以在利用热处理对氧化物半导体膜进行加热之后，对相同炉内引入高纯度的氧气体、高纯度的N₂O气体或超干燥空气（使用CRDS（cavityring-downlaserspectroscopy：光腔衰荡光谱法）方式的露点计进行测定时的水分量是20ppm（露点换算，-55℃）以下，优选的是1ppm以下，更优选的是10ppb以下的空气）。优选不使氧气体或二氮化氧气体包含水、氢等。或者，优选将引入到热处理装置中的氧气体或二氮化氧气体的纯度设定为6N以上，更优选为7N以上（也就是说，将氧气体或二氮化氧气体中的杂质浓度设定为1ppm以下，更优选设定为0.1ppm以下）。通过利用氧气体或二氮化氧气体来供给由于脱水化或脱氢化处理中的杂质排出工序而同时被减少的构成氧化物半导体的主要成分材料的氧，来使氧化物半导体膜高纯度化并电性i型（本征）化。

另外，也可以对加工为岛状的氧化物半导体膜之前的氧化物半导体膜进行热处理。在此情况下，在热处理之后从加热装置取出衬底，并对氧化物半导体膜进行光刻工序。另外，只要是在形成氧化物半导体膜之后，就也可以在在岛状氧化物半导体膜上层叠源电极层及漏电极层之后进行热处理。

接着，在栅极绝缘膜402及氧化物半导体膜403上形成成为源电极层及漏电极层（包括由与它们相同的层形成的布线）的导电膜。作为用作源电极层及漏电极层的导电膜，例如可以使用含有选自Al、Cr、Cu、Ta、Ti、Mo、W中的元素的金属膜或以上述元素为成分的金属氮化物膜（氮化钛膜、氮化钼膜、氮化钨膜）等。另外，也可以在Al、Cu等的金属膜的下侧或上侧的一方或双方层叠Ti、Mo、W等的高熔点金属膜或它们的金属氮化物膜（氮化钛膜、氮化钼膜、氮化钨膜）。此外，用作源电极层及漏电极层的导电膜可以由导电金属氧化物而形成。作为导电金属氧化物，可以使用氧化铟（In₂O₃）、氧化锡（SnO₂）、氧化锌（ZnO）、氧化铟氧化锡合金（In₂O₃-SnO₂，缩写为ITO）、氧化铟氧化锌合金（In₂O₃-ZnO）或使这些金属氧化物材料包含氧化硅的材料。

利用第三光刻工序在导电膜上形成抗蚀剂掩模，并通过进行选择性的蚀刻来形成源电极层405a及漏电极层405b，然后去除抗蚀剂掩模（参照图2C）。

此外，为了缩减用于光刻工序的光掩模数及工序数，也可以使用通过透过的光成为多种强度的曝光掩模的多级灰度掩模形成的抗蚀剂掩模进行蚀刻工序。由于使用多级灰度掩模形成的抗蚀剂掩模成为具有多种厚度的形状，且通过进行蚀刻进一步改变形状，因此可以用于加工为不同图案的多个蚀刻工序。由此，通过使用一个多级灰度掩模，可以形成至少对应于两种以上的不同图案的抗蚀剂掩模。从而，可以缩减曝光掩模数，并还可以缩减与其对应的光刻工序的数量，所以可以实现工序的简化。

注意，当进行导电膜的蚀刻时，优选使蚀刻条件最适化以防止氧化物半导体膜403被蚀刻而分断。但是，很难仅蚀刻导电膜而完全不蚀刻氧化物半导体膜403，所以有时当对导电膜进行蚀刻时氧化物半导体膜441的一部分也被蚀刻，而成为具有槽部（凹部）的氧化物半导体膜。

在本实施方式中，由于使用Ti膜作为导电膜，并使用In-Ga-Zn-O类氧化物半导体作为氧化物半导体膜403，所以作为蚀刻剂使用氨水-过氧化氢混合液（氨、水、过氧化氢的混合液）。

接着，形成绝缘膜407（参照图2D）。该绝缘膜407与氧化物半导体膜403的一部分接触，且覆盖源电极层405a及漏电极层405b。

作为绝缘膜407，至少将其厚度形成为1nm以上，并可以适当地采用溅射法等的不使水、氢等的杂质混入到绝缘膜407的方法来形成。作为用来形成绝缘膜407的溅射气体，优选使用氢、水、羟基或氢化物等的杂质被去除了的高纯度气体。当绝缘膜407包含氢时，有如下忧虑：因该氢侵入到氧化物半导体膜或该氢抽出氧化物半导体膜中的氧而发生氧化物半导体膜的背沟道的低电阻化（其导电性会n型化），而形成寄生沟道。因此，为了使绝缘膜407成为尽量不包含氢的膜，在成膜方法中不使用氢是十分重要的。

作为绝缘膜407，代表性地可以使用如氧化硅膜、氧氮化硅膜、氧化铝膜、氧氮化铝膜或氧化镓膜等无机绝缘膜。

在本实施方式中，作为绝缘膜407利用溅射法形成厚度为200nm的氧化镓膜。

在此，作为绝缘膜407，与栅极绝缘膜402同样，优选使用由与氧化物半导体膜403相同种类的成分构成的绝缘材料。这是因为，这种材料与氧化物半导体膜的搭配良好，由此通过将其用作绝缘膜407，可以保持与氧化物半导体膜之间的界面的良好状态。例如，在氧化物半导体膜由In-Ga-Zn-O类的氧化物半导体材料构成的情况下，作为由与其相同种类的成分构成的绝缘材料，可以举出氧化镓等。

在利用叠层结构的绝缘膜407的情况下，更优选采用由与氧化物半导体膜相同种类的成分的绝缘材料构成的膜（以下称为“膜a”）和包含与该膜a的成分材料不同的材料的膜（以下称为“膜b”）的叠层结构。这是因为如下缘故：通过采用从氧化物半导体膜一侧按顺序层叠膜a和膜b的结构，与氧化物半导体膜和膜a的界面相比，膜a和膜b的界面的电荷俘获中心优先地捕获电荷，因此，可以充分抑制氧化物半导体膜界面的电荷捕获，从而可以提高半导体装置的可靠性。

例如，作为绝缘膜407，可以适当地采用从氧化物半导体膜403一侧层叠氧化镓膜和氧化硅膜的结构或层叠氧化镓膜和氮化硅膜的结构等。

在形成绝缘膜407时，与形成氧化物半导体膜时同样，为了去除沉积室中的残留水分，优选使用吸附型的真空泵（低温泵等）。当在使用低温泵排气的沉积室中沉积绝缘膜407时，可以降低绝缘膜407所包含的杂质的浓度。此外，作为用来去除绝缘膜407的沉积室中的残留水分的排气装置，也可以采用配备有冷阱的涡轮泵。

另外，在形成绝缘膜407之后，可以在250℃以上且700℃以下，优选在450℃以上且600℃以下，或者低于衬底的应变点的温度范围内进行热处理。在该热处理中，在含氧的绝缘膜407与氧化物半导体膜403互相接触的状态下进行加热，因此，虽然由上述脱水化（或脱氢化）处理有可能减少氧，但可以从绝缘膜407向氧化物半导体膜403供应氧。该热处理可以在氮气、氧气、超干燥空气或稀有气体（氩、氦等）的气氛中进行，但优选的是，在该氮气、氧气、超干燥空气或稀有气体等的气氛中没有包含水、氢等。此外，引入到热处理装置的氮、氧或稀有气体的纯度优选为6N（99.9999％）以上（即，将杂质浓度设定为1ppm以下），更优选为7N（99.99999％）以上（即，将杂质浓度设定为0.1ppm以下）。

接着，对绝缘膜407进行氧掺杂处理（参照图2E）。通过对绝缘膜407掺杂氧421，可以使绝缘膜407中包含氧。据此，由于在绝缘膜407中形成氧过剩区域，所以可以防止氧从氧化物半导体膜403向绝缘膜407移动。此外，当绝缘膜407的膜厚度充分薄或者进行后述的热处理时，也可以对绝缘膜407与氧化物半导体膜403的界面附近、氧化物半导体膜403中、氧化物半导体膜403与栅极绝缘膜402的界面附近、或栅极绝缘膜402中供应氧。在此情况下，将绝缘膜407中的氧含量设定为超过绝缘膜407的化学计量比的程度，优选为超过化学计量比的1倍至4倍（大于1倍且小于4倍），更优选为超过1倍至2倍（大于1倍且小于2倍）。或者，当以单晶的绝缘膜的材料中的氧量为Y时，可以将氧含量设定为超过Y的程度，优选为超过Y至4Y，更优选为超过Y至2Y。或者，当以不进行氧掺杂处理时的绝缘膜中的氧量Z为基准时，可以将氧含量设定为超过Z的程度，优选为超过Z至4Z，更优选为超过Z至2Z。由此，在绝缘膜407中的氧含量大于氢含量。

例如，当采用其组成由GaO_x（x>0）表示的绝缘膜时，氧化镓的化学计量比是Ga：O=1：1.5，因此形成具有x为1.5至6的氧过剩区域的绝缘膜。此外，例如，当采用其组成由SiO_x（x>0）表示的绝缘膜时，氧化硅的化学计量比是Si：O=1：2，因此形成具有x超过2至8的氧过剩区域的绝缘膜。这里，只要在绝缘膜的至少一部分（包括界面）存在有这样的氧过剩区域即可。

上述氧421可以利用等离子体产生装置或臭氧产生装置而产生。更具体来说，例如，可以通过利用能够对半导体装置进行蚀刻处理的装置或对抗蚀剂掩模进行灰化处理的装置等产生氧421，并对氧化物半导体膜403进行处理。在此，氧421包含氧自由基、氧原子和氧离子中的至少一种。

另外，为了更好地进行氧掺杂，优选对衬底施加电偏压。

另外，在上述氧掺杂处理后，优选进行热处理。热处理的温度例如设定为150℃以上且470℃以下。通过在氧掺杂处理后进行热处理，可以将充分量的氧供应到氧化物半导体膜中。为了得到该效果而进行的热处理的时序只要是在上述氧掺杂处理后就可以随时进行。此外，也可以反复进行氧掺杂处理和热处理。通过反复进行该处理，可以进一步提高晶体管的可靠性。此外，可以适当地设定反复次数。

这里，氧化物半导体膜403中的氧含量设定为超过氧化物半导体膜403的化学计量比的程度，优选为超过化学计量比的1倍至2倍（大于1倍且小于2倍）。这是因为在氧含量过多时，如氢贮藏合金（氢吸藏合金）那样反而吸收氢的缘故。或者，当以单晶的氧化物半导体膜的材料中的氧量为Y时，可以将氧含量设定为超过Y的程度，优选为超过Y至2Y。或者，当以不进行氧掺杂处理时的氧化物半导体膜中的氧量Z为基准时，可以将氧含量设定为超过Z的程度，优选为超过Z至2Z。由此，在氧化物半导体膜中的氧含量大于氢含量。

当使用其单晶结构由InGaO₃（ZnO）_m（m>0）表示的材料时，氧化物半导体膜403的组成可以表示为InGaZn_mO_x，由此，例如在m=1（InGaZnO₄）时，x可以超过4至8，而在m=2（InGaZn₂O₅）时，x可以超过5至10。这里，只要在氧化物半导体的至少一部分（包括界面）存在有这样的氧过剩区域即可。

在氧化物半导体膜中，氧是主要成分材料之一。因此，难以通过SIMS（SecondaryIonMassSpectrometry）等的方法正确估计氧化物半导体膜中的氧浓度。也就是说，难以判断是否有意地对氧化物半导体膜添加氧。

另外，氧有O¹⁷和O¹⁸等同位素，并且，一般认为在自然界的O¹⁷和O¹⁸的存在比率分别是氧原子整体中的0.037％和0.204％左右。也就是说，在氧化物半导体膜中的上述同位素的浓度为通过SIMS等的方法可估计的程度，因此通过测量这些浓度，有时可以进一步正确地估计氧化物半导体膜中的氧浓度。由此，可以通过测量这些同位素的浓度判断是否有意地对氧化物半导体膜添加氧。

例如，当以O¹⁸的浓度为基准时，在氧化物半导体膜中，掺杂有氧的区域中的氧同位素的浓度D1（O¹⁸）和不掺杂有氧的区域中的氧同位素的浓度D2（O¹⁸）之间的关系为D1（O¹⁸）>D2（O¹⁸）。

另外，添加到绝缘膜407的氧421中的至少一部分优选在供应到氧化物半导体之后在氧化物半导体中具有悬空键。这是因为，具有悬空键的氧可以与有可能残留在膜中的氢键合而使氢固定化（不动离子化）的缘故。

通过上述工序形成晶体管410（参照图2F）。晶体管410是具有通过以脱水化或脱氢化为目的的热处理有意地从氧化物半导体膜去除氢、水、羟基、氢化物（也称为氢化合物）等杂质而实现高纯度化的氧化物半导体膜403的晶体管。高纯度化了的氧化物半导体膜403中的载流子极少（近乎为零）。而且，通过利用氧掺杂处理在绝缘膜407中形成氧过剩区域，可以抑制从氧化物半导体膜403的氢抽出，并可以抑制氧化物半导体膜中或界面附近的氧缺乏的形成。此外，通过氧掺杂处理或之后的热处理对氧化物半导体膜403供应氧，可以对氧化物半导体膜403的氧缺乏进行填补，同时可以使残留在氧化物半导体膜403中的氢离子固定化。因此，晶体管410的电特性变动被抑制，且晶体管410在电性能上稳定。

图3A至3D表示根据本实施方式的晶体管的另一结构例子。

图3A所示的晶体管440和晶体管410的相同之处在于：具有绝缘表面的衬底400上包括栅电极层401、栅极绝缘膜402、氧化物半导体膜403、源电极层405a、漏电极层405b以及经过氧掺杂处理的绝缘膜407。为了防止水分或氢等的杂质再次混入到氧化物半导体膜403中，和为了防止氧从栅极绝缘膜402、氧化物半导体膜403、绝缘膜407以及这些的界面放出，晶体管440除了上述结构之外在绝缘膜407上进一步形成有绝缘膜409作为有阻挡功能的保护绝缘层。

作为绝缘膜409，可以使用无机绝缘膜，具体地，使用氮化硅膜、氧化铝膜等。例如，通过利用RF溅射法形成氮化硅膜。由于RF溅射法的量产性高，所以作为绝缘膜409的成膜方法是优选的。

在形成绝缘膜409后，也可以进行热处理。例如，可以在大气中以100℃以上且200℃以下进行1小时以上且30小时以下的热处理。该热处理既可在保持一定的加热温度的状态下进行加热，又可反复多次进行从室温到100℃以上且200℃以下的加热温度的升温和从加热温度到室温的降温。

图3B所示的晶体管460是在晶体管440中采用叠层结构的栅极绝缘膜的晶体管，其他结构与晶体管440一样。在晶体管460中，在栅电极层401上层叠有第一栅极绝缘膜402a、第二栅极绝缘膜402b，并在第二栅极绝缘膜402b上形成有氧化物半导体膜403。在晶体管460中，通过使用由与氧化物半导体膜403相同种类的成分的绝缘材料构成的膜（膜a）来形成与氧化物半导体膜403接触的第二栅极绝缘膜402b，并通过使用包含与第二栅极绝缘膜402b的成分材料不同的材料的膜（膜b）来形成在第二栅极绝缘膜402b下方形成的第一栅极绝缘膜402a。

例如，当作为氧化物半导体膜403使用In-Ga-Zn-O类的氧化物半导体膜时，作为第二栅极绝缘膜402b可以使用氧化镓膜，作为第一栅极绝缘膜402a可以使用氧化硅膜。

另外，优选的是，作为与氧化物半导体膜403接触且在氧化物半导体膜403上方形成的绝缘膜407，也采用由与氧化物半导体膜相同种类的成分的绝缘材料构成的膜。像这样，通过以与氧化物半导体膜403接触的方式在氧化物半导体膜的下方和上方设置由与氧化物半导体膜相同种类的成分的绝缘材料构成的膜，可以由该膜围绕氧化物半导体膜403。通过以与氧化物半导体膜403接触的方式在氧化物半导体膜的下方和上方设置由与氧化物半导体膜相同种类的成分的绝缘材料构成的膜（膜a），并在该膜a的外侧设置包含与膜a的成分材料不同的材料的膜（膜b），来可以在氧化物半导体膜403的下方和上方在膜a和膜b的界面的电荷俘获中心优先地捕获电荷，从而可以在氧化物半导体膜的界面处进一步有效地抑制电荷俘获，可提高半导体装置的可靠性。

图3C所示的晶体管420是被称为沟道保护型（也称为沟道停止型）的底栅结构的一种，也称为反交错型晶体管。

晶体管420包括在具有绝缘表面的衬底400上的栅电极层401、栅极绝缘膜402、氧化物半导体膜403、覆盖氧化物半导体膜403的沟道形成区的用作沟道保护层的绝缘层427、源电极层405a及漏电极层405b。此外，覆盖晶体管420地形成有绝缘膜409。

在晶体管420中，绝缘层427是被进行了氧掺杂处理的绝缘层，且具有氧过剩区域。由于绝缘层427具有氧过剩区域，可以防止氧从氧化物半导体膜403向绝缘层427移动。此外，可以从绝缘层427向氧化物半导体膜403供应氧。因此，通过对绝缘层427进行氧掺杂处理，可以将充分量的氧包含在氧化物半导体膜403中，所以可以实现可靠性高的晶体管420。

图3D所示的晶体管430是底栅型晶体管，其中与晶体管410相同之处在于，在具有绝缘表面的衬底400上包括栅电极层401、栅极绝缘膜402、源电极层405a、漏电极层405b、氧化物半导体膜403及绝缘膜407。此外，在绝缘膜407上还形成有绝缘膜409。

在晶体管430中，与衬底400及栅电极层401上接触地设置有栅极绝缘膜402，在栅极绝缘膜402上以与栅极绝缘膜402接触的方式设置有源电极层405a、漏电极层405b。而且，在栅极绝缘膜402、源电极层405a及漏电极层405b上设置有氧化物半导体膜403。

在上述根据所公开的发明的一个方式的晶体管采用如下氧化物半导体膜：即，通过进行热处理，从氧化物半导体排除氢、水、羟基或氢化物（也称为氢化合物）等的包含氢原子的杂质，且通过供应在杂质排除工序中有可能减少的氧，来实现高纯度化及i型（本征）化的氧化物半导体膜。包括上述那样被高纯度化的氧化物半导体膜的晶体管的阈值电压等电特性变动被抑制，由此该晶体管在电性能上稳定。

尤其是，通过利用氧掺杂处理增大在接触于氧化物半导体膜的绝缘膜中及/或氧化物半导体膜中的氧含量，可以抑制由电偏压应力或热应力所引起的退化，并可以降低由光导致的退化。

此外，由于使用氧化物半导体膜403的晶体管410、420、430、440、460可以获得较高的场效应迁移率，可以进行高速驱动。由此，通过在具有显示功能的半导体装置的像素部中使用上述晶体管，可以显示高图像质量的图像。另外，因为通过利用包括高纯度化的氧化物半导体膜的晶体管可以在同一衬底上分别制造驱动电路部及像素部，所以可以减少半导体装置的部件个数。

如上所述，可以提供使用具有稳定的电特性的氧化物半导体的半导体装置。由此，可以提供可靠性高的半导体装置。

本实施方式所示的结构或方法等可以与其他实施方式所示的结构或方法等适当地组合而使用。

实施方式2

在本实施方式中，参照图4A至图4F及图5A至图5C对半导体装置及半导体装置的制造方法的其他一个方式进行说明。在本实施方式中，作为半导体装置的一个例子示出具有氧化物半导体膜的晶体管。与实施方式1同一部分或具有同样功能的部分及工序可以与实施方式1同样地进行，而省略反复说明。另外，省略同一部分的详细说明。

在图4A至图4F及图5A至图5C中示出晶体管450的制造方法的一个例子。在本实施方式中，在晶体管450的制造工序中进行多次氧掺杂处理。

首先，在具有绝缘表面的衬底400上形成导电膜之后，通过第一光刻工序形成栅电极层401。

接着，在栅电极层401上形成栅极绝缘膜402（参照图4A）。

接着，对栅极绝缘膜402进行氧掺杂处理。通过对栅极绝缘膜402进行氧掺杂处理，将氧421a供给到栅极绝缘膜402中，可以使氧化物半导体膜403中、栅极绝缘膜402中以及/或该界面附近包含氧（参照图4B）。在此情况下，将氧含量设定为超过栅极绝缘膜402的化学计量比的程度，优选为超过化学计量比的1倍至4倍（大于1倍且小于4倍），更优选为超过1倍至2倍（大于1倍且小于2倍）。或者，当以单晶的栅极绝缘膜的材料中的氧量为Y时，可以将氧含量设定为超过Y的程度，优选为超过Y且低于4Y，更优选为超过Y且低于2Y。或者，当以不进行氧掺杂处理时的栅极绝缘膜中的氧量Z为基准时，可以将氧含量设定为超过Z的程度，优选为超过Z且低于4Z，更优选为超过Z且低于2Z。被掺杂的氧421a包含氧自由基、氧原子、以及/或氧离子。

例如，当采用其组成由GaO_x（x>0）表示的栅极绝缘膜时，氧化镓的化学计量比是Ga：O=1：1.5，因此形成具有x超过1.5且小于6的氧过剩区域的栅极绝缘膜。此外，例如当采用其组成由SiO_x（x>0）表示的栅极绝缘膜时，氧化硅的化学计量比是Si：O=1：2，因此形成具有x超过2且小于8的氧过剩区域的栅极绝缘膜。这里，这样的氧过剩区域只要存在于栅极绝缘膜402的至少一部分（包括界面）即可。

至于氧掺杂，既可利用包含氧的气体通过自由基产生装置供给，又可通过臭氧产生装置供给。更具体地说，例如可以使用用于对半导体装置进行蚀刻处理的装置、用于对掩模进行灰化的装置等来产生氧421a，而处理栅极绝缘膜402。

另外，也可以对进行氧掺杂处理的栅极绝缘膜402进行热处理（温度为150℃至470℃）。通过热处理，可以从栅极绝缘膜402中去除在氧421a和栅极绝缘膜402之间反应而产生的水、氢氧化物。热处理可以在氮、氧、超干燥空气、或稀有气体（氩、氦等）的气氛下进行，但是优选上述氮、氧、超干燥空气或稀有气体等的气氛不包含水、氢等而被高纯度化。

此外，为了尽量不使栅极绝缘膜402、形成在栅极绝缘膜402上的氧化物半导体膜包含氢、羟基及水分，作为在形成氧化物半导体膜之前进行的预处理，优选在溅射装置的预备加热室中对形成有栅电极层401的衬底400或形成到栅极绝缘膜402的衬底400进行预备加热，来对吸附到衬底400的氢、水分等的杂质进行脱离及排气。注意，作为设置在预备加热室的排气单元，优选使用低温泵。另外，也可以省略该预备加热处理。此外，该预备加热也可以在形成绝缘膜407之前对形成到源电极层405a及漏电极层405b的衬底400同样地进行。

接着，在栅极绝缘膜402上形成厚度为2nm以上且200nm以下，优选为5nm以上且30nm以下的氧化物半导体膜。

在本实施方式中，作为氧化物半导体膜，使用In-Ga-Zn-O类氧化物半导体成膜靶材并通过溅射法进行成膜。另外，氧化物半导体膜可以在稀有气体（典型的是氩）气氛下、氧气氛下或稀有气体和氧的混合气氛下通过溅射法来形成。

作为用于通过溅射法制造氧化物半导体膜的靶材，例如可以使用具有In₂O₃:Ga₂O₃:ZnO=1:1:1[摩尔数比]的组成比的氧化物半导体成膜靶材来形成In-Ga-Zn-O膜。

作为当形成氧化物半导体膜时使用的溅射气体，优选使用去除了氢、水、羟基或氢化物等杂质的高纯度气体。

作为成膜条件的一个例子，可以应用如下条件：衬底与靶材之间的距离为100mm，压力为0.6Pa，直流（DC）电源为0.5kW，氧（氧流量比率为100％）气氛。另外，通过使用脉冲直流电源，可以减轻在进行成膜时产生的粉状物质（也称为微粒、尘屑），且膜厚度分布也变得均匀，所以是优选的。

接着，通过第二光刻工序将氧化物半导体膜加工为岛状的氧化物半导体膜441（参照图4C）。

接着，对氧化物半导体膜441进行热处理。通过该热处理，可以去除过剩的氢（包含水或羟基）（脱水化或脱氢化），调整氧化物半导体膜的结构，并降低能隙中的缺陷能级。热处理的温度为250℃以上且750℃以下，或者400℃以上且低于衬底的应变点。在此，对热处理装置之一的电炉引入衬底，在氮气氛下以450℃对氧化物半导体膜进行1小时的热处理，然后不使其接触于大气以防止水、氢再次混入到氧化物半导体膜中，由此获得氧化物半导体膜403（参照图4D）。

注意，热处理装置不局限于电炉，也可以使用利用由电阻发热体等的发热体的热传导或热辐射对被处理物进行加热的装置。

例如，作为热处理可以进行GRTA，其中将衬底移动到加热到650℃至700℃的高温的惰性气体中，进行几分钟的加热，然后将衬底从加热到高温的惰性气体中移动并取出。

此外，也可以对加工为岛状的氧化物半导体膜之前的氧化物半导体膜进行氧化物半导体膜的热处理。在此情况下，在热处理之后将衬底从加热装置取出而对氧化物半导体膜进行光刻工序。另外，热处理只要是在形成氧化物半导体膜之后，也可以在岛状的氧化物半导体膜上层叠源电极层及漏电极层之后进行。

接着，对得到脱水化或脱氢化的氧化物半导体膜403进行氧掺杂处理。通过对氧化物半导体膜403进行氧掺杂处理，将氧421b供给到氧化物半导体膜403中，并使氧化物半导体膜403、氧化物半导体膜中或氧化物半导体中及该界面附近以超过氧化物半导体的化学计量比的程度（优选至2倍（小于2倍））包含氧（参照图4E）。这是因为如果将氧含量过多，则如氢贮藏合金（氢储存合金）（hydrogenstoringalloy）那样，氧化物半导体膜403会引入氢的缘故。或者，氧含量也可以设定为超过单晶的氧化物半导体膜的材料的氧量为Y时的Y的程度，优选为超过Y至2Y。或者，氧含量也可以设定为超过以不进行氧掺杂处理时的氧化物半导体膜中的氧量Z为基准时的Z的程度，优选为超过Z至2Z。被掺杂的氧421b包含氧自由基、氧原子、以及/或氧离子。

例如，形成具有如下氧过剩区域的氧化物半导体膜，该氧过剩区域包含：在InGaO₃（ZnO）_m（m>0）中，当m=1（InGaZnO₄）时，氧容许为超过4至8，而当m=2（InGaZn₂O₅）时，氧容许为超过5至10。另外，这种氧过剩区域可以存在于氧化物半导体膜的一部分。

另外，添加到（包含在）氧化物半导体膜中的氧421b的至少一部分优选在氧化物半导体中具有氧的悬空键。这是因为通过具有悬空键，可以与残留在膜中的氢键合而使氢固定化（不动离子化）的缘故。

被掺杂的氧（氧自由基、氧原子、以及/或氧离子）既可以利用包含氧的气体通过自由基产生装置供给，又可以通过臭氧产生装置供给。更具体地说，例如可以使用用于对半导体装置进行蚀刻处理的装置、用于对抗蚀剂掩模进行灰化的装置等来产生氧421b，而处理氧化物半导体膜403。

注意，为了进行更优选的氧的添加，优选将电偏压施加到衬底。

另外，也可以对进行氧掺杂处理的氧化物半导体膜403进行热处理（温度为150℃至470℃）。通过热处理，可以从氧化物半导体膜403中去除在氧421b和氧化物半导体膜403之间反应而产生的水、氢氧化物。热处理可以在氮、氧、超干燥空气、或稀有气体（氩、氦等）的气氛下进行，但是优选上述氮、氧、超干燥空气或稀有气体等的气氛不包含水、氢等而被高纯度化。

通过上述工序，得到被高纯度化、电性i型（本征）化的氧化物半导体膜403。被高纯度化的氧化物半导体膜403中的载流子极少，接近零。

另外，对氧化物半导体膜的氧掺杂处理只要是在热处理之后，既可以对加工为岛状的氧化物半导体膜之前的氧化物半导体膜进行，又可以在岛状的氧化物半导体膜上层叠源电极层及漏电极层之后进行。

接着，在栅极绝缘膜402及氧化物半导体膜403上，形成成为源电极层及漏电极层（包括使用与其相同的层形成的布线）的导电膜。

通过第三光刻工序在导电膜上形成抗蚀剂掩模，选择性地进行蚀刻来形成源电极层405a、漏电极层405b，然后去除抗蚀剂掩模（参照图4F）。

注意，当进行导电膜的蚀刻时，优选将蚀刻条件最适化以防止氧化物半导体膜403被蚀刻而分断。但是，难以得到只对导电膜进行蚀刻而完全不对氧化物半导体膜403进行蚀刻的条件，有时当对导电膜进行蚀刻时氧化物半导体膜441的一部分被蚀刻，而成为具有槽部（凹部）的氧化物半导体膜。

在本实施方式中，因为作为导电膜使用Ti膜，并作为氧化物半导体膜403使用In-Ga-Zn-O类氧化物半导体，所以作为蚀刻剂使用过氧化氢氨水（氨、水以及过氧化氢的混合液）。

接着，在氧化物半导体膜403、源电极层405a及漏电极层405b上形成绝缘膜407（参照图5A）。

将氧化物绝缘膜407的厚度至少设定为1nm以上，并且该绝缘膜407可以适当地采用溅射法等的不使水、氢等的杂质混入到绝缘膜407中的方法形成。

作为绝缘膜407，典型地可以使用氧化硅膜、氧氮化硅膜、氧化铝膜、氧氮化铝膜或氧化镓膜等的无机绝缘膜。

另外，作为绝缘膜407，与栅极绝缘膜402同样地，特别优选使用由与氧化物半导体膜403相同的种类的成分构成的绝缘材料。这是因为这种材料与氧化物半导体膜的搭配良好，所以通过将其用于绝缘膜407，可以将与氧化物半导体膜的界面状态保持为良好的缘故。例如，当氧化物半导体膜由In-Ga-Zn-O类氧化物半导体材料构成时，作为由相同的种类的成分构成的绝缘材料，有氧化镓等。

在形成上述绝缘膜407之后，优选进行热处理。热处理的温度设定为250℃以上且700℃以下，优选为450℃以上且600℃以下，或者低于衬底的应变点。

热处理可以在氮、氧、超干燥空气、或稀有气体（氩、氦等）的气氛下进行，但是优选上述氮、氧、超干燥空气或稀有气体等的气氛不包含水、氢等。另外，优选将引入到热处理装置中的氮、氧或稀有气体的纯度设定为6N（99.9999％）以上（即，杂质浓度设定为1ppm以下），更优选为7N（99.99999％）以上（即，杂质浓度设定为0.1ppm以下）。

另外，当在氧化物半导体膜和包含氧的绝缘膜407彼此接触的状态下进行热处理时，可以将氧从包含氧的绝缘膜407进一步供给到氧化物半导体膜中。

接着，对绝缘膜407进行氧掺杂处理。通过对栅极绝缘膜407进行氧掺杂处理，将氧421c供给到绝缘膜407中，使氧化物半导体膜403、氧化物半导体膜中或栅极绝缘膜402中及该界面附近包含氧（参照图5B）。在此情况下，将氧含量设定为超过绝缘膜407的化学计量比的程度，优选为超过化学计量比的1倍至4倍（大于1倍且小于4倍），更优选为超过1倍至2倍（大于1倍且小于2倍）。或者，当以单晶的绝缘膜的材料中的氧量为Y时，可以将氧含量设定为超过Y的程度，优选为超过Y且低于4Y，更优选为超过Y且低于2Y。或者，当以不进行氧掺杂处理时的绝缘膜中的氧量Z为基准时，可以将氧含量设定为超过Z的程度，优选为超过Z且低于4Z，更优选为超过Z且低于2Z。被掺杂的氧421c包含氧自由基、氧原子、以及/或氧离子。

例如，当采用其组成由GaO_x（x>0）表示的绝缘膜时，氧化镓的化学计量比是Ga：O=1：1.5，因此形成具有x超过1.5且小于6的氧过剩区域的绝缘膜。此外，例如当采用其组成由SiO_x（x>0）表示的绝缘膜时，氧化硅的化学计量比是Si：O=1：2，因此形成具有x超过2且小于8的氧过剩区域的氧化物半导体膜。这里，这样的氧过剩区域只要存在于绝缘膜的至少一部分（包括界面）即可。

被掺杂的氧（氧自由基、氧原子、以及/或氧离子）既可利用包含氧的气体通过自由基产生装置供给，又可通过臭氧产生装置供给。更具体地说，例如可以使用用于对半导体装置进行蚀刻处理的装置、用于对抗蚀剂掩模进行灰化的装置等来产生氧421c，而处理绝缘膜407。

另外，也可以对进行氧掺杂处理的绝缘膜407进行热处理（温度为150℃至470℃）。通过热处理，可以从绝缘膜407中去除在氧421c和绝缘膜407之间反应而产生的水、氢氧化物。热处理可以在氮、氧、超干燥空气、或稀有气体（氩、氦等）的气氛下进行，但是优选上述氮、氧、超干燥空气或稀有气体等的气氛不包含水、氢等而被高纯度化。

为了防止水分、氢等的杂质再次混入到氧化物半导体膜403中，优选在绝缘膜407上还形成绝缘膜409，作为阻挡这些杂质从外部侵入的保护绝缘层。作为绝缘膜409使用无机绝缘膜，可以使用氮化硅膜、氧化铝膜等。例如，使用RF溅射法来形成氮化硅膜。由于RF溅射法的量产性高，所以作为绝缘膜409的成膜方法是优选的。

可以在形成绝缘膜之后，进行热处理。例如，可以在大气中以100℃以上且200℃以下的温度进行1小时以上且30小时以下的热处理。在该热处理中，既可以保持一定的加热温度地进行加热，又可以反复多次进行从室温到100℃以上且200℃以下的加热温度的升温和从加热温度到室温的降温。

通过上述工序形成晶体管450（参照图5C）。晶体管450是包括从氧化物半导体膜中意图性地排除氢、水分、羟基或者氢化物（也称为氢化合物）等的杂质而实现高纯度化的氧化物半导体膜403的晶体管。因此，晶体管450的电特性的变动被抑制，而在电性上是稳定的。

使用本实施方式来制造的使用高纯度化的氧化物半导体膜403的晶体管450可以降低截止状态下的电流值（截止电流值）。

像这样，除了对绝缘膜407以外，可以对栅极绝缘膜402、氧化物半导体膜403也进行氧掺杂处理。氧掺杂处理既可以对栅极绝缘膜402及氧化物半导体膜403的双方进行，又可以只对任一方进行。

另外，也可以在进行氧掺杂处理之后，进行热处理（温度为150℃至470℃）。热处理可以在氮、氧、超干燥空气、或稀有气体（氩、氦等）的气氛下进行，但是上述氮、氧、超干燥空气或稀有气体等的气氛优选不包含水、氢等并被高纯度化。

在上述根据所公开的发明的一个方式的晶体管采用如下氧化物半导体膜：即，通过进行热处理，从氧化物半导体排除氢、水、羟基或氢化物（也称为氢化合物）等的包含氢原子的杂质，且通过供应在杂质排除工序中有可能减少的氧，来实现高纯度化及i型（本征）化的氧化物半导体膜。包括上述那样被高纯度化的氧化物半导体膜的晶体管的阈值电压等电特性变动被抑制，由此该晶体管在电性能上稳定。

尤其是，通过利用氧掺杂处理增大在接触于氧化物半导体膜的绝缘膜中及/或氧化物半导体膜中的氧含量，可以抑制由电偏压应力或热应力所引起的退化，并可以降低由光导致的退化。

此外，由于使用氧化物半导体膜403的晶体管450可以获得较高的电场效应迁移率，可以进行高速驱动。由此，通过在具有显示功能的半导体装置的像素部中使用上述晶体管，可以显示高图像质量的图像。另外，因为通过利用包括高纯度化的氧化物半导体膜的晶体管可以在同一衬底上分别制造驱动电路部及像素部，所以可以减少半导体装置的部件个数。

本实施方式所示的结构或方法等可以与其他实施方式所示的结构或方法等适当地组合而使用。

实施方式3

在本实施方式中，参照图13A至图13D对半导体装置的其他一个方式进行说明。与上述实施方式同一部分或具有同样功能的部分及工序可以与上述实施方式同样地进行，而省略反复说明。另外，省略同一部分的详细说明。

在本实施方式中，示出将导电层（布线层、像素电极层等）连接到晶体管的源电极层或/及漏电极层的结构的一个例子。另外，本实施方式也可以应用于实施方式1、实施方式2所示的晶体管。

如图13A所示那样，晶体管470在具有绝缘表面的衬底400上包括栅电极层401、栅极绝缘膜402、氧化物半导体膜403、源电极层405a及漏电极层405b。

如实施方式2所示那样，在晶体管470的制造工序中，对作为脱水化或脱氢化处理进行热处理的氧化物半导体膜403进行氧掺杂工序。本实施方式的晶体管470是在作为脱氢化处理进行热处理的氧化物半导体膜403上形成源电极层405a、漏电极层405b之后，进行氧掺杂工序的例子。

在该氧掺杂工序中，氧自由基、氧原子或氧离子不但到达氧化物半导体膜403，而且到达源电极层405a、漏电极层405b，并被传输到（引入到源电极层405a、漏电极层405b的表面附近）。因此，如图13A所示那样，照射氧自由基、氧原子或氧离子的源电极层405a、漏电极层405b表面被氧化，有时在绝缘膜407之间形成氧化金属区404a、404b。有时氧化金属区404a、404b也成为膜的形状。

接着，在晶体管470上依次层叠绝缘膜407及绝缘膜409（参照图13B）。

在如图13B那样的情况下，用于在绝缘膜409上形成连接到源电极层405a及漏电极层405b的导电层的开口455a、455b优选以去除高电阻的氧化金属区404a、404b，并露出低电阻的源电极层405a及漏电极层405b的方式形成（参照图13C）。去除绝缘膜409、绝缘膜407、氧化金属区404a、404b的一部分而形成开口455a、455b。源电极层405a及漏电极层405b通过去除其一部分成为具有凹部的形状。在源电极层405a及漏电极层405b中，露出在该凹部的底面的区域的氧浓度低于源电极层405a及漏电极层405b表面的氧化金属区404a、404b的氧浓度。

例如，为了去除形成在源电极层405a、漏电极层405b表面上的氧化金属区404a、404b，在开口455a、455b中，从源电极层405a、漏电极层405b表面去除源电极层405a、漏电极层405b的二分之一以下（优选为三分之一以下）的厚度，即可。

接着，以接触于在开口455a、455b中露出的源电极层405a及漏电极层405b的方式形成导电层456a、456b（参照图13D）。导电层456a、456b不隔着高电阻的氧化金属区404a、404b，直接接触于低电阻的源电极层405a及漏电极层405b地设置，由此可以实现优良的电连接（接触）。

也可以在导电层456a、456b上形成覆盖晶体管470的绝缘膜，作为保护层。通过进一步覆盖绝缘膜，可以防止氢、水分等的杂质从开口455a、455b部分侵入到氧化物半导体膜403中。

如上所述，可以提供使用具有晶体管的优良的电连接及稳定的电特性的氧化物半导体的半导体装置。因此，可以提供可靠性高的半导体装置。

实施方式4

在本实施方式中，对可以用于氧掺杂处理的等离子体装置（也称为灰化装置）的例子进行说明。另外，由于该装置可以对应例如第五代以后的大尺寸玻璃衬底，所以比起离子注入装置等更适于工业化。

图14A示出板料送进方式多室设备的俯视图的一个例子。图14B示出进行氧掺杂的等离子体装置（也称为灰化装置）的截面图的一个例子。

图14A所示的板料送进方式多室设备包括：三个图14B所示的等离子体装置10、具有三个收纳被处理衬底的盒式接口（cassetteport）14的衬底供给室11、装载闭锁室12及传送室13等。被供给到衬底供给室11的衬底通过装载闭锁室12及传送室13被传送到等离子体装置10内的真空处理室15进行氧掺杂。进行完氧掺杂的衬底从等离子体装置10经过装载闭锁室12及传送室13被传送到衬底供给室11。另外，衬底供给室11及传送室13分别配置有用来传送被处理衬底的传送机械。

参照图14B可知等离子体装置10备有真空处理室15。真空处理室15的上部配置有多个气体吹出口及等离子体发生源ICP线圈16（感应耦合等离子体线圈）。

从等离子体装置10的上面看在其中央部分设置有12个气体吹出口。各个气体吹出口通过气体流道17与供给氧气的气体供给源连接，气体供给源备有质量流量控制器等而可以通过气体流道17供给所希望的流量（大于0sccm且1000sccm以下）的氧气。由气体供给源供给的氧气从气体流道17通过12个气体吹出口供给到真空处理室15内。

ICP线圈16是由多个带状的导体以螺旋状配置而成。各导体的一端通过用来进行高阻抗调整的匹配电路电连接到第一高频电源18（13.56MHz），另一端接地。

真空处理室的下部配置有工作下部电极的衬底工作台19。利用设置在衬底工作台19上的静电吸盘等，衬底工作台上的被处理衬底20被保持为能够装卸。衬底工作台19备有作为加热结构的加热器及作为冷却机构的He气体流道。衬底工作台连接于用来施加衬底偏压电压的第二高频电源21（3.2MHz）。

另外，真空处理室15设置有排气口并备有自动压力控制阀22（automaticpressurecontrolvalve，也称为APC）。APC连接于涡轮分子泵23，并且通过涡轮分子泵23连接于干燥泵24。APC进行真空处理室内的压力控制，涡轮分子泵23及干燥泵24对真空处理室15内进行减压。

接着，在图14B中示出在真空处理室15内生成等离子体来对设置在被处理衬底20上的氧化物半导体膜或栅极绝缘膜进行氧掺杂的一个例子。

首先，利用涡轮分子泵23及干燥泵24等使真空处理室15内保持所希望的压力，然后将被处理衬底20设置在真空处理室15内的衬底工作台上。注意，被保持在衬底工作台上的被处理衬底20至少具有氧化物半导体膜或栅极绝缘膜。在本实施方式中，将真空处理室15内的压力保持为1.33Pa。另外，将从气体吹出口供给到真空处理室15内的氧气流量设定为250sccm。

接着，由第一高频电源18对ICP线圈16施加高频电力来生成等离子体。并且，将生成等离子体的状态维持一定时间（30秒以上600秒以下）。另外，将对ICP线圈16施加的高频电力设定为1kW以上10kW以下。在本实施方式中设定为6000W。此时，也可以由第二高频电源21向衬底工作台施加衬底偏压电力。在本实施方式中衬底偏压电力设置为1000W。

在本实施方式中，将生成等离子体的状态维持60秒，然后将被处理衬底20从真空处理室15中传出。由此，可以对设置在被处理衬底20上的氧化物半导体膜或栅极绝缘膜进行氧掺杂。

本实施方式可以与其他的实施方式所示的结构适当地组合而实施。

实施方式5

可以通过使用在实施方式1至实施方式3中的任一个中示出一个例子的晶体管来制造具有显示功能的半导体装置（也称为显示装置）。此外，通过将包括晶体管的驱动电路的一部分或全部与像素部一起形成在与该像素部相同的衬底上，可以形成系统化面板（system-on-panel）。

在图12A中，以围绕设置在第一衬底4001上的像素部4002的方式设置密封剂4005，并且，使用第二衬底4006对像素部4002进行密封。在图12A中，在第一衬底4001上的与由密封剂4005围绕的区域不同的区域中安装有使用单晶半导体膜或多晶半导体膜形成在另行准备的衬底上的扫描线驱动电路4004、信号线驱动电路4003。此外，供给到另行形成的信号线驱动电路4003、扫描线驱动电路4004或者像素部4002的各种信号及电位从FPC（Flexibleprintedcircuit：柔性印刷电路）4018a、4018b供给。

在图12B和12C中，以围绕设置在第一衬底4001上的像素部4002和扫描线驱动电路4004的方式设置密封剂4005。此外，在像素部4002和扫描线驱动电路4004上设置有第二衬底4006。因此，像素部4002、扫描线驱动电路4004与显示元件一起由第一衬底4001、密封剂4005以及第二衬底4006密封。在图12B和12C中，在第一衬底4001上的与由密封剂4005围绕的区域不同的区域中安装有使用单晶半导体膜或多晶半导体膜形成在另行准备的衬底上的信号线驱动电路4003。在图12B和12C中，供给到另行形成的信号线驱动电路4003、扫描线驱动电路4004或者像素部4002的各种信号及电位从FPC4018供给。

此外，图12B和12C示出另行形成信号线驱动电路4003并且将该信号线驱动电路4003安装到第一衬底4001的实例，但是不局限于该结构。既可以另行形成扫描线驱动电路并进行安装，又可以另行仅形成信号线驱动电路的一部分或者扫描线驱动电路的一部分并进行安装。

注意，对另行形成的驱动电路的连接方法没有特别的限制，而可以采用COG（ChipOnGlass，玻璃上芯片）方法、引线键合方法或者TAB（TapeAutomatedBonding，卷带式自动接合）方法等。图12A是通过COG方法安装信号线驱动电路4003、扫描线驱动电路4004的例子，图12B是通过COG方法安装信号线驱动电路4003的例子，而图12C是通过TAB方法安装信号线驱动电路4003的例子。

此外，显示装置包括密封有显示元件的面板和在该面板中安装有包括控制器的IC等的模块。

注意，本说明书中的显示装置是指图像显示装置、显示装置或光源（包括照明装置）。另外，显示装置还包括：安装有连接器诸如FPC、TAB胶带或TCP的模块；在TAB胶带或TCP的端部上设置有印刷线路板的模块；通过COG方式将IC（集成电路）直接安装到显示元件的模块。

此外，设置在第一衬底上的像素部及扫描线驱动电路包括多个晶体管，并且，可以应用在实施方式1至实施方式3中的任一个中示出一个例子的晶体管。

作为设置在显示装置中的显示元件，可以使用液晶元件（也称为液晶显示元件）、发光元件（也称为发光显示元件）。发光元件将由电流或电压控制亮度的元件包括在其范畴内，具体而言，包括无机EL（ElectroLuminescence，电致发光）元件、有机EL元件等。此外，也可以应用电子墨水等由于电作用而改变对比度的显示媒体。

参照图6至图8而说明半导体装置的一种方式。图6至图8相当于沿着图12B的M-N线的截面图。

如图6至图8所示，半导体装置包括连接端子电极4015及端子电极4016，并且，连接端子电极4015及端子电极4016通过各向异性导电膜4019电连接到FPC4018所包括的端子。

连接端子电极4015由与第一电极层4030相同的导电膜形成，并且，端子电极4016由与晶体管4010、4011的源电极及漏电极相同的导电膜形成。

此外，设置在第一衬底4001上的像素部4002、扫描线驱动电路4004包括多个晶体管，并且，在图6至图8中例示像素部4002所包括的晶体管4010、扫描线驱动电路4004所包括的晶体管4011。在图6中，在晶体管4010、4011上设置有绝缘膜4020、绝缘膜4024，并且，在图7及图8中绝缘膜4024上还设置有绝缘层4021。注意，绝缘膜4023用作基底膜。

在本实施方式中，作为晶体管4010、晶体管4011，可以应用在实施方式1至实施方式3中的任一个中示出的晶体管。晶体管4010、晶体管4011的电特性变动被抑制，所以在电性上是稳定的。因此，作为图6至图8所示的本实施方式的半导体装置，可以提供可靠性高的半导体装置。

此外，在本实施方式中，在绝缘层上的与驱动电路用晶体管4011的氧化物半导体膜的沟道形成区域重叠的位置设置有导电层。通过将导电层设置在与氧化物半导体膜的沟道形成区域重叠的位置，可以进一步降低BT试验前后的晶体管4011的阈值电压的变化量。此外，导电层的电位既可以与晶体管4011的栅电极的电位相同，又可以不同，并且，还可以用作第二栅电极。此外，导电层的电位也可以为GND、0V或者浮动状态。

此外，该导电层还具有遮蔽外部的电场，即不使外部的电场作用到内部（包括晶体管的电路部）的功能（尤其是，遮蔽静电的静电遮蔽功能）。利用导电层的遮蔽功能，可以防止由于静电等外部的电场的影响而使晶体管的电特性变动。

设置在像素部4002中的晶体管4010电连接到显示元件，构成显示面板。只要可以进行显示就对显示元件没有特别的限制，而可以使用各种各样的显示元件。

图6示出作为显示元件使用液晶元件的液晶显示装置的例子。在图6中，作为显示元件的液晶元件4013包括第一电极层4030、第二电极层4031以及液晶层4008。注意，以夹持液晶层4008的方式设置有用作取向膜的绝缘膜4032、4033。第二电极层4031设置在第二衬底4006一侧，并且，第一电极层4030和第二电极层4031夹着液晶层4008而层叠。

此外，附图标记4035表示通过对绝缘膜选择性地进行蚀刻而获得的柱状间隔物，并且它是为控制液晶层4008的厚度（单元间隙）而设置的。另外，间隔物的形状不局限于柱状，例如还可以使用球状间隔物。

当作为显示元件使用液晶元件时，可以使用热致液晶、低分子液晶、高分子液晶、高分子分散型液晶、铁电液晶、反铁电液晶等。上述液晶材料根据条件而呈现胆甾相、近晶相、立方相、手征向列相（chiralnematicphase）、均质相等。

另外，还可以使用不使用取向膜的呈现蓝相的液晶。蓝相是液晶相的一种，是指当使胆甾相液晶的温度上升时即将从胆甾相转变到均质相之前出现的相。由于蓝相只出现在较窄的温度范围内，所以为了改善温度范围而将混合有5wt％（重量百分比）以上的手性试剂的液晶组成物用于液晶层。由于包含呈现蓝相的液晶和手性试剂的液晶组成物的响应速度短，即为1msec（毫秒）以下，并且其具有光学各向同性，所以不需要取向处理，从而视角依赖性小。另外，由于不需要设置取向膜而不需要摩擦处理，因此可以防止由于摩擦处理而引起的静电破坏，并可以降低制造工序中的液晶显示装置的不良、破损。从而，可以提高液晶显示装置的生产率。

此外，液晶材料的固有电阻率为1×10⁹Ω·cm以上，优选为1×10¹¹Ω·cm以上，更优选为1×10¹²Ω·cm以上。注意，本说明书中的固有电阻率的值为以20℃测量的值。

考虑到配置在像素部中的晶体管的漏电流等而以能够在指定期间中保持电荷的方式设定设置在液晶显示装置中的存储电容器的大小。通过使用具有高纯度的氧化物半导体膜的晶体管，设置具有各像素中的液晶电容的三分之一以下，优选为五分之一以下的电容的大小的存储电容器，就足够了。

在本实施方式中使用的具有高纯度化的氧化物半导体膜的晶体管可以降低截止状态下的电流值（截止电流值）。因此，可以延长图像信号等的电信号的保持时间，并且，还可以延长电源导通状态下的写入间隔。因此，可以降低刷新工作的频度，所以可以得到抑制耗电量的效果。

此外，在本实施方式中使用的具有高纯度化的氧化物半导体膜的晶体管可以得到较高的电场效应迁移率，所以可以进行高速驱动。因此，通过将上述晶体管用于液晶显示装置的像素部，可以显示高图像质量的图像。此外，由于上述晶体管可以在同一衬底上分别制造驱动电路部、像素部，所以可以削减液晶显示装置的零部件数。

液晶显示装置可以采用TN（TwistedNematic，扭曲向列）模式、IPS（In-Plane-Switching，平面内转换）模式、FFS（FringeFieldSwitching，边缘电场转换）模式、ASM（AxiallySymmetricalignedMicro-cell，轴对称排列微单元）模式、OCB（OpticalCompensatedBirefringence，光学补偿弯曲）模式、FLC（FerroelectricLiquidCrystal，铁电性液晶）模式、以及AFLC（AntiferroelectricLiquidCrystal，反铁电性液晶）模式等。

此外，也可以使用常黑型液晶显示装置，例如采用垂直配向（VA）模式的透过型液晶显示装置。在此，垂直配向模式是指控制液晶显示面板的液晶分子的排列的方式的一种，是当不施加电压时液晶分子朝向垂直于面板表面的方向的方式。作为垂直配向模式，例如可以使用MVA（Multi-DomainVerticalAlignment：多象限垂直配向）模式、PVA（PatternedVerticalAlignment：垂直取向构型）模式、ASV模式等。此外，也可以使用将像素（pixel）分成几个区域（子像素），并且使分子分别倒向不同方向的称为多畴化或者多畴设计的方法。

此外，在显示装置中，适当地设置黑矩阵（遮光层）、偏振构件、相位差构件、抗反射构件等的光学构件（光学衬底）等。例如，也可以使用利用偏振衬底以及相位差衬底的圆偏振。此外，作为光源，也可以使用背光灯、侧光灯等。

此外，也可以作为背光灯利用多个发光二极管（LED）来进行分时显示方式（场序制驱动方式）。通过应用场序制驱动方式，可以不使用滤光片地进行彩色显示。

此外，作为像素部中的显示方式，可以采用逐行扫描方式或隔行扫描方式等。此外，当进行彩色显示时在像素中受到控制的颜色因素不局限于RGB（R显示红色，G显示绿色，B显示蓝色）的三种颜色。例如，也可以采用RGBW（W显示白色）、或者对RGB追加黄色（yellow）、青色（cyan）、品红色（magenta）等中的一种颜色以上的颜色。注意，也可以按每个颜色因素的点使其显示区域的大小不同。但是，本发明不局限于彩色显示的显示装置，而也可以应用于单色显示的显示装置。

此外，作为显示装置所包括的显示元件，可以应用利用电致发光的发光元件。利用电致发光的发光元件根据发光材料是有机化合物还是无机化合物被区别，一般地，前者被称为有机EL元件，而后者被称为无机EL元件。

在有机EL元件中，通过对发光元件施加电压，电子及空穴分别从一对电极注入到包括具有发光性的有机化合物的层，以流过电流。并且，这些载流子（电子及空穴）重新结合，具有发光性的有机化合物形成激发状态，当从该激发状态回到基态时发光。由于这种机理，这种发光元件被称为电流激发型发光元件。

无机EL元件根据其元件结构而分类为分散型无机EL元件和薄膜型无机EL元件。分散型无机EL元件具有发光层，其中发光材料的粒子分散在粘合剂中，并且其发光机理是利用施主能级和受主能级的施主-受主重新结合型发光。薄膜型无机EL元件具有一种结构，其中，发光层夹在介电层之间，并且该夹着发光层的介电层由电极夹住，其发光机理是利用金属离子的内壳层电子跃迁的定域型发光。注意，这里作为发光元件使用有机EL元件进行说明。

为了取出发光，使发光元件的一对电极中的至少一个为透明即可。并且，在衬底上形成晶体管及发光元件，作为发光元件，有从与衬底相反一侧的表面取出发光的顶部发射结构；从衬底一侧的表面取出发光的底部发射结构；从衬底一侧及与衬底相反一侧的表面取出发光的双面发射结构的发光元件，可以应用上述任一种发射结构的发光元件。

图7示出作为显示元件使用发光元件的发光装置的例子。作为显示元件的发光元件4513电连接到设置在像素部4002中的晶体管4010。注意，发光元件4513的结构是图7例示的由第一电极层4030、场致发光层4511、第二电极层4031构成的叠层结构，但是，不局限于该结构。根据从发光元件4513取出的光的方向等，可以适当地改变发光元件4513的结构。

分隔壁4510使用有机绝缘材料或者无机绝缘材料形成。尤其是，使用感光树脂材料，在第一电极层4030上形成开口部，并且优选将该开口部的侧壁形成为具有连续曲率的倾斜面。

场致发光层4511可以使用一个层构成，也可以使用多个层的叠层构成。

为了防止氧、氢、水分、二氧碳等侵入发光元件4513中，而也可以在第二电极层4031及分隔壁4510上形成保护膜。作为保护膜，可以形成氮化硅膜、氮氧化硅膜、DLC膜等。此外，在由第一衬底4001、第二衬底4006以及密封剂4005密封的空间中设置有填充材料4514并被密封。如此，为了不暴露于外气，而优选使用气密性高且脱气少的保护膜（粘合膜、紫外线固化树脂膜等）、覆盖材料进行封装（封入）。

作为填充材料4514，除了氮或氩等惰性气体以外，还可以使用紫外线固化树脂、热固化树脂，并且，可以使用PVC（聚氯乙烯）、丙烯酸树脂、聚酰亚胺、环氧树脂、硅酮树脂、PVB（聚乙烯醇缩丁醛）或者EVA（乙烯-醋酸乙烯酯）。例如，作为填充材料而使用氮，即可。

另外，如果需要，则可以在发光元件的射出表面上适当地设置诸如偏振片、圆偏振片（包括椭圆偏振片）、相位差板（λ/4板，λ/2板）、滤色片等的光学薄膜。此外，也可以在偏振片、圆偏振片上设置防反射膜。例如，可以进行抗眩光处理，该处理是利用表面的凹凸来扩散反射光而可以降低眩光的处理。

此外，作为显示装置，也可以提供使电子墨水驱动的电子纸。电子纸也称为电泳显示装置（电泳显示器），并且，具有如下优点：与纸同样的易读性；其耗电量比其他显示装置的耗电量低；形状薄且轻。

作为电泳显示装置，有各种各样的形式，但是它是多个包括具有正电荷的第一粒子和具有负电荷的第二粒子的微胶囊分散在溶剂或溶质中，并且，通过对微胶囊施加电场，使微胶囊中的粒子彼此移动到相对方向，以只显示集合在一方侧的粒子的颜色的装置。注意，第一粒子或者第二粒子包括染料，并且，当没有电场时不移动。此外，第一粒子的颜色和第二粒子的颜色不同（其中之一可以是无色）。

如此，电泳显示装置是利用介电常数高的物质移动到高电场区域，即所谓的介电泳效应（dielectrophoreticeffect）的显示器。

分散有上述微囊的溶剂被称为电子墨水，并且该电子墨水可以印刷到玻璃、塑料、布、纸等的表面上。另外，还可以通过使用滤色片、具有色素的粒子来进行彩色显示。

此外，作为微囊中的第一粒子及第二粒子，使用选自导电材料、绝缘材料、半导体材料、磁性材料、液晶材料、铁电性材料、电致发光材料、电致变色材料、磁泳材料中的一种材料或这些的材料的复合材料即可。

此外，作为电子纸，还可以应用使用旋转球显示方式的显示装置。旋转球显示方式是如下方法，即将分别涂为白色和黑色的球形粒子配置在用于显示元件的电极层的第一电极层与第二电极层之间，使第一电极层与第二电极层之间产生电位差来控制球形粒子的方向，以进行显示。

图8示出半导体装置的一个方式的有源矩阵型电子纸。图8所示的电子纸是使用旋转球显示方式的显示装置的例子。

在连接到晶体管4010的第一电极层4030与设置在第二衬底4006上的第二电极层4031之间设置有具有黑色区域4615a及白色区域4615b并且在该黑色区域4615a及白色区域4615b的周围包括填充有液体的空洞4612的球形粒子4613，并且，球形粒子4613的周围填充有树脂等填充材料4614。第二电极层4031相当于公共电极（对置电极）。第二电极层4031电连接到公共电位线。

注意，在图6至图8中，作为第一衬底4001、第二衬底4006，除了玻璃衬底以外，还可以使用具有挠性的衬底。例如，可以使用具有透光性的塑料衬底等。作为塑料衬底，可以使用FRP（Fiberglass-ReinforcedPlastics；纤维增强塑料）板、PVF（聚氟乙烯）膜、聚酯膜或丙烯酸树脂膜。此外，也可以使用具有由PVF膜或聚酯膜夹住铝箔的结构的薄片。

绝缘膜4020可以使用含有氧化硅、氧氮化硅、氧化铪、氧化铝、氧化镓等的无机绝缘材料的材料来形成。对绝缘膜4020的制造方法没有特别的限制，例如可以使用等离子体CVD法或溅射法等的成膜方法来制造。另外，从氢或水等不容易混入的观点而言，优选使用溅射法。

绝缘膜4024可以利用溅射法并使用氮化硅膜、氮氧化硅膜、氧化铝膜、氮化铝膜、氧氮化铝膜或氮氧化铝膜的单层或叠层而形成，并用作晶体管的保护膜。

绝缘层4021可以使用无机绝缘材料或者有机绝缘材料来形成。注意，当使用丙烯酸树脂、聚酰亚胺、苯并环丁烯类树脂、聚酰胺、环氧树脂等具有耐热性的有机绝缘材料时，适于用作平坦化绝缘膜。此外，除了上述有机绝缘材料以外，还可以使用低介电常数材料（low-k材料）、硅氧烷类树脂、PSG（磷硅玻璃）、BPSG（硼磷硅玻璃）等。注意，可以通过层叠多个由这些材料形成的绝缘膜，来形成绝缘层。

对绝缘层4021的形成方法没有特别的限制，可以根据其材料而利用溅射法、旋涂法、浸渍法、喷涂法、液滴喷射法（喷墨法、丝网印刷、胶版印刷等）、辊涂机、幕式涂布机、刮刀式涂布机等。

显示装置通过透过来自光源或显示元件的光来进行显示。因此，设置在透过光的像素部中的衬底、绝缘膜、导电膜等的薄膜全都对可见光的波长区域的光具有透光性。

关于对显示元件施加电压的第一电极层及第二电极层（也称为像素电极层、公共电极层、对置电极层等），根据取出光的方向、设置电极层的地方以及电极层的图案结构而选择其透光性、反射性，即可。

作为第一电极层4030、第二电极层4031，可以使用包括氧化钨的氧化铟、包括氧化钨的氧化铟锌、包括氧化钛的氧化铟、包括氧化钛的氧化铟锡、ITO、氧化铟锌、添加有氧化硅的氧化铟锡等具有透光性的导电材料。

此外，第一电极层4030、第二电极层4031可以使用钨（W）、钼（Mo）、锆（Zr）、铪（Hf）、钒（V）、铌（Nb）、钽（Ta）、铬（Cr）、钴（Co）、镍（Ni）、钛（Ti）、铂（Pt）、铝（Al）、铜（Cu）、银（Ag）等的金属、其合金或者其氮化物中的一种或多种来形成。

此外，由于晶体管容易受到静电等的破坏，所以优选设置驱动电路保护用的保护电路。保护电路优选使用非线性元件构成。

如上所述，通过应用在实施方式1至实施方式3中的任一个中示出的晶体管，可以提供可靠性高的半导体装置。

本实施方式可以与其他实施方式所示的结构适当地组合而实施。

实施方式6

通过使用由实施方式1至实施方式3中的任何一个示出的作为一例的晶体管，可以制造具有读取对象物的信息的图像传感器功能的半导体装置。

图9A示出具有图像传感器功能的半导体装置的一例。图9A示出光电传感器的等效电路，而图9B示出光电传感器的一部分的截面图。

光电二极管602的一个电极电连接到光电二极管复位信号线658，而光电二极管602的另一个电极电连接到晶体管640的栅极。晶体管640的源极和漏极中的一个电连接到光电传感器参考信号线672，而晶体管640的源极和漏极中的另一个电连接到晶体管656的源极和漏极中的一个。晶体管656的栅极电连接到栅极信号线659，晶体管656的源极和漏极中的另一个电连接到光电传感器输出信号线671。

注意，在本说明书的电路图中，为了使使用氧化物半导体膜的晶体管一目了然，将使用氧化物半导体膜的晶体管的符号表示为“OS”。在图9A中，晶体管640和晶体管656是使用氧化物半导体膜的晶体管。

图9B是示出光电传感器中的光电二极管602和晶体管640的截面图，其中在具有绝缘表面的衬底601（TFT衬底）上设置有用作传感器的光电二极管602和晶体管640。隔着粘合层608，在光电二极管602和晶体管640上设置有衬底613。

在晶体管640上设置有绝缘膜631、保护绝缘膜632、第一层间绝缘层633以及第二层间绝缘层634。光电二极管602设置在第一层间绝缘层633上，并且光电二极管602具有如下结构：在形成在第一层间绝缘层633上的电极层641和设置在第二层间绝缘层634上的电极层642之间从第一层间绝缘层633一侧按顺序层叠有第一半导体层606a、第二半导体层606b及第三半导体层606c。

在本实施方式中，作为晶体管640可以使用实施方式1至实施方式3中任一个所示的晶体管。由于晶体管640、晶体管656的电特性变动得到抑制而在电方面稳定，所以作为图9A和9B所示的本实施方式的半导体装置可以提供可靠性高的半导体装置。

电极层641电连接到形成在第二层间绝缘层634上的导电层643，且电极层642通过电极层641电连接到栅电极645。栅电极645电连接到晶体管640的栅电极，且光电二极管602电连接到晶体管640。

在此，例示一种pin型的光电二极管，其中层叠用作第一半导体层606a的具有p型的导电型的半导体层、用作第二半导体层606b的高电阻的半导体层（i型半导体层）、用作第三半导体层606c的具有n型的导电型的半导体层。

第一半导体层606a是p型半导体层，而可以由包含赋予p型的杂质元素的非晶硅膜形成。使用包含属于周期表中的第13族的杂质元素（例如，硼（B））的半导体材料气体通过等离子体CVD法形成第一半导体层606a。作为半导体材料气体，可以使用硅烷（SiH₄）。替代地，可以使用Si₂H₆、SiH₂Cl₂、SiHCl₃、SiCl₄或SiF₄等。进一步替代地，可以使用如下方法：在形成不包含杂质元素的非晶硅膜之后，使用扩散方法或离子注入方法将杂质元素引入到该非晶硅膜。优选在使用离子注入方法等引入杂质元素之后进行加热等来使杂质元素扩散。在此情况下，作为形成非晶硅膜的方法，可以使用LPCVD方法、化学气相淀积方法或溅射方法等。优选将第一半导体层606a的厚度设定为10nm以上且50nm以下。

第二半导体层606b是i型半导体层（本征半导体层），而可以由非晶硅膜形成。为了形成第二半导体层606b，通过等离子体CVD法，使用半导体材料气体形成非晶硅膜。作为半导体材料气体，可以使用硅烷（SiH₄）。替代地，可以使用Si₂H₆、SiH₂Cl₂、SiHCl₃、SiCl₄或SiF₄等。也可以通过LPCVD法、气相沉积法、溅射法等形成第二半导体层606b。优选将第二半导体层606b的厚度设定为200nm以上且1000nm以下。

第三半导体层606c是n型半导体层，而可以由包含赋予n型的杂质元素的非晶硅膜形成。使用包含属于周期表中的第15族的杂质元素（例如，磷（P））的半导体材料气体通过等离子体CVD法形成第三半导体层606c。作为半导体材料气体，可以使用硅烷（SiH₄）。替代地，可以使用Si₂H₆、SiH₂Cl₂、SiHCl₃、SiCl₄或SiF₄等。进一步替代地，可以使用如下方法：在形成不包含杂质元素的非晶硅膜之后，使用扩散方法或离子注入方法将杂质元素引入到该非晶硅膜。优选在使用离子注入方法等引入杂质元素之后进行加热等来使杂质元素扩散。在此情况下，作为形成非晶硅膜的方法，可以使用LPCVD方法、化学气相淀积方法或溅射方法等。优选将第三半导体层606c的厚度设定为20nm以上且200nm以下。

此外，第一半导体层606a、第二半导体层606b以及第三半导体层606c可以不使用非晶半导体形成，而使用多晶半导体或微晶半导体（SemiAmorphousSemiconductor：SAS，半非晶半导体）形成。

在考虑吉布斯自由能时，微晶半导体属于介于非晶和单晶之间的中间亚稳态。即，微晶半导体处于自由能稳定的第三态，且具有短程有序和晶格畸变。此外，柱状或针状晶体在相对于衬底表面的法线方向上生长。作为微晶半导体的典型例子的微晶硅，其拉曼光谱的峰值向表示单晶硅的520cm^-1的低波数一侧偏移。亦即，微晶硅的拉曼光谱的峰值位于表示单晶硅的520cm^-1和表示非晶硅的480cm^-1之间。另外，包含至少1at.％（原子百分比）或其以上的氢或卤素，以终结悬空键。还有，通过包含氦、氩、氪、氖等的稀有气体元素来进一步促进晶格畸变，提高稳定性而得到优良的微晶半导体膜。

该微晶半导体膜可以通过频率为几十MHz至几百MHz的高频等离子体CVD法或频率为1GHz以上的微波等离子体CVD装置形成。典型地，可以使用氢稀释SiH₄、Si₂H₆、SiH₂Cl₂、SiHCl₃、SiCl₄或SiF₄等形成该微晶半导体膜。此外，除了氢化硅和氢之外，还可以使用选自氦、氩、氪、氖中的一种或多种稀有气体元素进行稀释来形成微晶半导体膜。在上述情况下，将氢的流量比设定为氢化硅的5倍以上且200倍以下，优选设定为50倍以上且150倍以下，更优选设定为100倍。再者，也可以在含硅的气体中混入CH₄、C₂H₆等的碳化物气体、GeH₄、GeF₄等的锗化气体、F₂等。

此外，由于光电效应生成的空穴的迁移率低于电子的迁移率，因此当p型半导体层侧上的表面用作光接收面时，pin光电二极管具有较好的特性。这里示出将光电二极管602从形成有pin型的光电二极管的衬底601的面接收的光622转换为电信号的例子。此外，来自其导电型与用作光接收面的半导体层一侧相反的半导体层一侧的光是干扰光，因此，电极层642优选由具有遮光性的导电膜形成。注意，替代地，可以使用n型半导体层侧的表面作为光接收面。

作为第一层间绝缘层633、第二层间绝缘层634，优选采用用作减少表面凹凸的平坦化绝缘膜的绝缘层。作为第一层间绝缘层633、第二层间绝缘层634，例如可以使用聚酰亚胺、丙烯酸树脂、苯并环丁烯树脂、聚酰胺或环氧树脂等的有机绝缘材料。除了上述有机绝缘材料之外，还可以使用低介电常数材料（low-k材料）、硅氧烷类树脂、PSG（磷硅玻璃）、BPSG（硼磷硅玻璃）等的单层或叠层。

可以使用绝缘材料，且根据该材料使用溅射法、旋涂法、浸渍法、喷涂法、液滴喷出法（喷墨法、丝网印刷、胶版印刷等）、辊涂法、帘涂法、刮刀涂布法等来形成绝缘膜631、保护绝缘膜632、第一层间绝缘层633、第二层间绝缘层634。

通过检测入射到光电二极管602的光，可以读取检测对象的信息。另外，在读取检测对象的信息时，可以使用背光灯等的光源。

作为晶体管640，可以使用实施方式1至实施方式3中任一个所示的晶体管。包含如下氧化物半导体膜的晶体管的电特性变动得到抑制而在电方面稳定，该氧化物半导体膜是通过意图性地去除氢、水分、羟基或氢化物（也称为氢化合物）等杂质而被高纯度化并通过氧掺杂处理含有过剩的氧的氧化物半导体膜。因此，可以提供高可靠性的半导体装置。

本实施方式可以与其他实施方式所示的结构适当地组合而实施。

实施方式7

可将本说明书中公开的半导体装置应用于多种电子设备（包括游戏机）。作为电子设备，例如可以举出电视装置(也称为电视或电视接收机)、用于计算机等的监视器、数码相机、数码摄像机等影像拍摄装置、数码相框、移动电话机(也称为手机、移动电话装置)、便携式游戏机、移动信息终端、声音再现装置、弹子机等大型游戏机等。以下，对具备在上述其他实施方式中说明的液晶显示装置的电子设备的例子进行说明。

图10A示出电子书阅读器（也称为E-book），可以具有框体9630、显示部9631、操作键9632、太阳能电池9633以及充放电控制电路9634。图10A所示的电子书阅读器可以具有如下功能：显示各种各样的信息（静态图像、动态图像、文字图像等）；将日历、日期或时刻等显示在显示部上；对显示在显示部上的信息进行操作或编辑；通过各种各样的软件（程序）控制处理等。另外，在图10A中，作为充放电控制电路9634的一例，示出具有电池9635和DCDC转换器（以下简称为转换器）9636的结构。通过将上述其他实施方式中的任何一个所示的半导体装置应用于显示部9631，可以提供高可靠性电子书阅读器。

通过采用图10A所示的结构，当将半透过型液晶显示装置或反射型液晶显示装置用于显示部9631时，可以预料电子书阅读器在较明亮的情况下也被使用，所以可以高效地进行利用太阳能电池9633的发电以及利用电池9635的充电，所以是优选的。另外，太阳能电池9633是优选的，因为它可以适当地设置在框体9630的空余空间（表面或背面）而高效地进行电池9635的充电。另外，当作为电池9635使用锂离子电池时，有可以谋求实现小型化等的优点。

此外，参照图10B所示的方框图而说明图10A所示的充放电控制电路9634的结构及工作。图10B示出太阳能电池9633、电池9635、转换器9636、转换器9637、开关SW1至SW3、显示部9631，并且，电池9635、转换器9636、转换器9637、开关SW1至SW3相当于充放电控制电路9634。

首先，说明在利用外光使太阳能电池9633发电时的工作的实例。利用转换器9636对太阳能电池所发的电力进行升压或降压，以得到用来对电池9635进行充电的电压。并且，当利用来自太阳能电池9633的电力使显示部9631工作时使开关SW1导通，并且，利用转换器9637将其升压或降压到显示部9631所需要的电压。此外，当不进行显示部9631上的显示时，使SW1截止并使SW2导通，以对电池9635进行充电，即可。

接着，说明在不利用外光使太阳能电池9633发电时的工作的实例。通过使SW3导通并且利用转换器9637对电池9635所蓄的电力进行升压或降压。并且，当使显示部9631工作时，利用来自电池9635的电力。

注意，虽然作为充电方法的一例而示出太阳能电池9633，但是也可以利用其他方法对电池9635进行充电。此外，也可以组合其他充电方法进行充电。

图11A示出笔记本个人计算机，由主体3001、框体3002、显示部3003以及键盘3004等构成。通过将上述其他实施方式中的任何一个所示的半导体装置应用于显示部3003，可以提供高可靠性笔记本个人计算机。

图11B示出便携式信息终端（PDA），在主体3021中设置有显示部3023、外部接口3025以及操作按钮3024等。另外，还具备操作便携式信息终端的触屏笔3022。通过将上述其他实施方式中的任何一个所示的半导体装置应用于显示部3023，可以提供高可靠性便携式信息终端（PDA）。

图11C示出电子书阅读器的一个例子。例如，电子书阅读器2700由两个框体，即框体2701及框体2703构成。框体2701及框体2703由轴部2711形成为一体，且可以以该轴部2711为轴进行开闭工作。通过采用这种结构，可以进行如纸的书籍那样的工作。

框体2701组装有显示部2705，而框体2703组装有显示部2707。显示部2705及显示部2707的结构既可以是显示连屏画面的结构，又可以是显示不同的画面的结构。通过采用显示不同的画面的结构，例如在右边的显示部（图11C中的显示部2705）中可以显示文字，而在左边的显示部（图11C中的显示部2707）中可以显示图像。通过将上述其他实施方式中的任何一个所示的半导体装置应用于显示部2705和显示部2707，可以提供高可靠性电子书阅读器2700。

此外，在图11C中示出框体2701具备操作部等的例子。例如，在框体2701中具备电源开关2721、操作键2723、扬声器2725等。利用操作键2723可以翻页。注意，在与框体的显示部相同的平面上可以设置键盘、定位装置等。另外，也可以采用在框体的背面或侧面具备外部连接端子（耳机端子、USB端子等）、记录介质插入部等的结构。再者，电子书阅读器2700也可以具有电子词典的功能。

此外，电子书阅读器2700也可以采用能够以无线的方式收发信息的结构。还可以采用以无线的方式从电子书阅读器服务器购买所希望的书籍数据等，然后下载的结构。

图11D示出移动电话，由框体2800及框体2801的两个框体构成。框体2801具备显示面板2802、扬声器2803、麦克风2804、定位装置2806、影像拍摄用透镜2807、外部连接端子2808等。此外，框体2800具备对移动电话进行充电的太阳能电池单元2810、外部储存槽2811等。另外，在框体2801内组装有天线。通过将上述其他实施方式中的任何一个所示的半导体装置应用于显示面板2802，可以提供高可靠性移动电话。

另外，显示面板2802具备触摸屏，图11D使用虚线示出作为图像而被显示出来的多个操作键2805。另外，还安装有用来将由太阳能电池单元2810输出的电压升压到各电路所需的电压的升压电路。

显示面板2802根据使用方式适当地改变显示的方向。另外，由于在与显示面板2802同一面上设置影像拍摄用透镜2807，所以可以实现可视电话。扬声器2803及麦克风2804不局限于音频通话，还可以进行可视通话、录音、再生等。再者，滑动框体2800和框体2801而可以处于如图11D那样的展开状态和重叠状态，所以可以实现适于携带的小型化。

外部连接端子2808可以与AC适配器及各种电缆如USB电缆等连接，并可以进行充电及与个人计算机等的数据通讯。另外，通过将记录媒体插入外部储存槽2811中，可以对应于更大量数据的保存及移动。

另外，也可以是除了上述功能以外还具有红外线通信功能、电视接收功能等的移动电话。

图11E示出数码摄像机，其由主体3051、显示部A3057、取景器3053、操作开关3054、显示部B3055以及电池3056等构成。通过将上述其他实施方式中的任何一个所示的半导体装置应用于显示部A3057及显示部B3055，可以提供高可靠性数码摄像机。

图11F示出电视装置的一例。在电视装置9600中，框体9601组装有显示部9603。利用显示部9603可以显示图像。此外，在此示出利用支架9605支撑框体9601的结构。通过将上述其他实施方式中的任何一个所示的半导体装置应用于显示部9603，可以提供高可靠性电视装置9600。

可以通过利用框体9601所具备的操作开关或另行提供的遥控操作机进行电视装置9600的操作。或者，也可以采用在遥控操作机中设置显示部的结构，该显示部显示从该遥控操作机输出的信息。

另外，电视装置9600采用具备接收机、调制解调器等的结构。可以通过利用接收机接收一般的电视广播。再者，通过调制解调器连接到有线或无线方式的通信网络，从而也可以进行单向（从发送者到接收者）或双向（在发送者和接收者之间或在接收者之间等）的信息通信。

本实施方式可以与其他实施方式所示的结构适当地组合而实施。

本申请基于2010年4月23向日本专利局提交的日本专利申请2010-100201，在此通过引用并入其全部内容。

Claims (19)

1.一种半导体装置的制造方法，包括如下步骤：

形成栅电极层；

在所述栅电极层上形成栅极绝缘膜；

以与所述栅电极层重叠的方式在所述栅极绝缘膜上形成氧化物半导体膜；

对所述氧化物半导体膜进行第一热处理，以去除所述氧化物半导体膜中的氢；

以与所述氧化物半导体膜电连接的方式形成源电极层及漏电极层；

以与所述氧化物半导体膜接触的方式在所述氧化物半导体膜、所述源电极层及所述漏电极层上形成绝缘膜；以及

对所述绝缘膜进行氧掺杂处理，以对所述绝缘膜供应氧，由此所述绝缘膜中的氧含量高于化学计量比。

2.根据权利要求1所述的半导体装置的制造方法，还包括如下步骤：

在进行所述氧掺杂处理之后，进行第二热处理。

3.根据权利要求1所述的半导体装置的制造方法，其中，进行所述氧掺杂处理之后的所述绝缘膜中的第二氧含量大于不进行所述氧掺杂处理的所述绝缘膜中的第一氧含量且小于所述第一氧含量的4倍。

4.根据权利要求1所述的半导体装置的制造方法，其中，所述绝缘膜中的氧含量小于所述绝缘膜的化学计量比的4倍。

5.一种半导体装置的制造方法，包括如下步骤：

形成栅电极层；

在所述栅电极层上形成栅极绝缘膜；

以与所述栅电极层重叠的方式在所述栅极绝缘膜上形成氧化物半导体膜；

通过使所述氧化物半导体膜经受第一热处理，进行脱氢化或脱水化；

以与所述氧化物半导体膜电连接的方式形成源电极层及漏电极层；

以与所述氧化物半导体膜接触的方式在所述氧化物半导体膜、所述源电极层及所述漏电极层上形成绝缘膜，其中所述绝缘膜中的氧含量高于化学计量比；以及

进行第二热处理，以将所述绝缘膜中的氧供应到所述氧化物半导体膜。

6.根据权利要求5所述的半导体装置的制造方法，其中所述氧化物半导体膜通过进行所述脱氢化或脱水化而被高纯度化。

7.根据权利要求5所述的半导体装置的制造方法，还包括如下步骤：

对所述绝缘膜进行氧掺杂处理，以对所述绝缘膜供应氧，

其中所述氧掺杂处理在所述第二热处理之前进行。

8.根据权利要求5所述的半导体装置的制造方法，其中，通过所述第二热处理，氧被供应到所述绝缘膜与所述氧化物半导体膜之间的界面附近，供应到所述氧化物半导体膜中，供应到所述氧化物半导体膜与所述栅极绝缘膜之间的界面附近，或供应到所述栅极绝缘膜中。

9.根据权利要求1或7所述的半导体装置的制造方法，其中，通过所述氧掺杂处理，氧被供应到所述绝缘膜与所述氧化物半导体膜之间的界面附近，供应到所述氧化物半导体膜中，供应到所述氧化物半导体膜与所述栅极绝缘膜之间的界面附近，或供应到所述栅极绝缘膜中。

10.根据权利要求1-3和5中任一项所述的半导体装置的制造方法，还包括如下步骤：

在形成所述绝缘膜之前，形成与所述氧化物半导体膜电连接的源电极层和漏电极层。

11.根据权利要求1-3和5中任一项所述的半导体装置的制造方法，其中，作为所述栅极绝缘膜或所述绝缘膜，形成包含所述氧化物半导体膜的成分元素的绝缘膜。

12.根据权利要求1-3和5中任一项所述的半导体装置的制造方法，其中，作为所述栅极绝缘膜或所述绝缘膜，形成：包含所述氧化物半导体膜的成分元素的绝缘膜；以及包含与该包含所述氧化物半导体膜的成分元素的绝缘膜的成分元素不同的成分元素的膜。

13.根据权利要求1-3和5中任一项所述的半导体装置的制造方法，其中，作为所述栅极绝缘膜或所述绝缘膜，形成包含氧化镓的绝缘膜。

14.根据权利要求1-3和5中任一项所述的半导体装置的制造方法，其中，作为所述栅极绝缘膜或所述绝缘膜，形成包含氧化镓的绝缘膜以及包含与氧化镓不同的材料的膜。

15.根据权利要求1-3和5中任一项所述的半导体装置的制造方法，其中，作为所述栅极绝缘膜或所述绝缘膜，形成包含氧化铝的绝缘膜。

16.根据权利要求1-3和5中任一项所述的半导体装置的制造方法，其中，以覆盖所述绝缘膜的方式形成包含氮的绝缘膜。

17.根据权利要求1-3和5中任一项所述的半导体装置的制造方法，还包括如下步骤：

在形成所述栅电极层之前在衬底上形成绝缘膜。

18.根据权利要求1-3和5中任一项所述的半导体装置的制造方法，其中所述绝缘膜是氧化硅膜、氧氮化硅膜、氧化铝膜、氧氮化铝膜和氧化镓膜中的一种。

19.根据权利要求1-3和5中任一项所述的半导体装置的制造方法，其中所述栅极绝缘膜是具有第一栅极绝缘膜和所述第一栅极绝缘膜上的第二栅极绝缘膜的叠层结构的膜。