JP2017041641A - 酸化物半導体膜 - Google Patents

Abstract

【課題】酸化物半導体膜のソース領域およびドレイン領域の導電率を高めることで、高いオン特性を有する酸化物半導体膜を用いたトランジスタを提供する。【解決手段】第１の領域１０６ａおよび第２の領域１０６ｂを有し、少なくともインジウム（Ｉｎ）を含む酸化物半導体膜１０６と、少なくとも酸化物半導体膜の第１の領域と重畳して設けられたゲート電極１０４と、酸化物半導体膜およびゲート電極の間に設けられたゲート絶縁膜１１２と、少なくとも一部が酸化物半導体膜の第２の領域と接して設けられた電極１１６と、を有する。酸化物半導体膜は、酸化物半導体膜と電極との界面近傍のＩｎの濃度が高く、界面から１５ｎｍの範囲で遠ざかるに従いＩｎの濃度が低くなる。なお、酸化物半導体膜の第１の領域はトランジスタのチャネル領域として機能し、第２の領域はトランジスタのソース領域、ドレイン領域として機能する。【選択図】図１

Description

半導体装置およびその作製方法に関する。

なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能し得る装置
全般をいい、電気光学装置、半導体回路および電子機器などは全て半導体装置である。

絶縁表面を有する基板上に形成された半導体膜を用いて、トランジスタを構成する技術が
注目されている。該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（表示装置）のよう
な半導体装置に広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体膜としてシリコン
系半導体材料が知られているが、近年では酸化物系半導体材料が注目されている。

例えば、トランジスタの活性層として、電子キャリア濃度が１０^１８／ｃｍ^３未満である
インジウム、ガリウムおよび亜鉛を含む非晶質酸化物膜を用いたトランジスタが開示され
ている（特許文献１参照。）。

酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、非晶質シリコン膜を用いたトランジスタと比べ
て酸化物半導体膜の電子移動度が高いため、動作速度を大幅に向上させることができる。
また、非晶質シリコン膜を用いたトランジスタの生産設備の一部を改良して利用すること
が可能であるため、設備投資を押さえられるメリットもある。

また、酸化物半導体膜であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系材料中の組成比とホール移動度およ
びキャリア密度の関係が開示されている（非特許文献１参照。）。

特開２００６−１６５５２８号公報

Ｔｏｓｈｉｏ Ｋａｍｉｙａ， Ｋｅｎｊｉ Ｎｏｍｕｒａ， ａｎｄ Ｈｉｄｅｏ Ｈｏｓｏｎｏ， "Ｏｒｉｇｉｎｓ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ Ｌｏｗ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ Ｖｏｌｔａｇｅ ｏｆ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｏｘｉｄｅ ＴＦＴｓ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ， Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ， Ｄｅｆｅｃｔｓ ａｎｄ Ｄｏｐｉｎｇ" Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ｖｏｌ．５， Ｎｏ．７， ２００９， ｐｐ２７３−２８８

酸化物半導体膜を用いたトランジスタにおいて高いオン特性を得ようとする場合、チャネ
ル領域の抵抗よりも、ソース領域およびドレイン領域の抵抗の影響が大きくなる。これは
、酸化物半導体膜自体が高抵抗であることに起因する。

そこで、酸化物半導体膜のソース領域およびドレイン領域の導電率を高めることで、高い
オン特性を有する酸化物半導体膜を用いたトランジスタを提供することを課題の一とする
。

また、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタを用い、高速動作が可能な半導体装置を
提供することを課題の一とする。

本発明の一態様に係るトランジスタは、第１の領域および第２の領域を有し、少なくとも
インジウム（Ｉｎ）を含む酸化物半導体膜と、少なくとも酸化物半導体膜の第１の領域と
重畳して設けられたゲート電極と、酸化物半導体膜およびゲート電極の間に設けられたゲ
ート絶縁膜と、少なくとも一部が酸化物半導体膜の第２の領域と接して設けられた電極と
、を有し、酸化物半導体膜は、電極との界面近傍のＩｎの濃度が高く、界面から１５ｎｍ
の範囲で遠ざかるに従いＩｎの濃度が低くなる。

なお、酸化物半導体膜の第１の領域はトランジスタのチャネル領域として機能し、第２の
領域はトランジスタのソース領域、ドレイン領域として機能する。

または、当該酸化物半導体膜は、電極との界面近傍の亜鉛（Ｚｎ）の濃度が低く、界面か
ら１５ｎｍの範囲で遠ざかるに従いＺｎの濃度が高くなるトランジスタである。

または、当該酸化物半導体膜は、電極との界面近傍のガリウム（Ｇａ）の濃度が低く、界
面から１５ｎｍの範囲で遠ざかるに従いＧａの濃度が高くなるトランジスタである。

または、当該酸化物半導体膜は、電極との界面近傍のＧａの濃度が高く、界面から１５ｎ
ｍの範囲で遠ざかるに従いＧａの濃度が低くなるトランジスタである。

酸化物半導体膜は、概してＩｎの濃度が高いほどホール移動度が高く、かつキャリア密度
が高い。即ち、Ｉｎの濃度が高い酸化物半導体膜は導電率が高くなる。

従って、トランジスタのオン特性を向上させるためには、トランジスタのソース領域およ
びドレイン領域のＩｎの濃度が高いことが好ましい。

また、トランジスタのオン特性を向上させるためには、トランジスタのソース領域および
ドレイン領域とチャネル領域との間にキャリアの移動を阻害する要因のないことが好まし
い。

発明者らは、酸化物半導体膜に対し加熱処理を行うことにより、酸化物半導体膜に含まれ
るＩｎ以外の金属元素（例えばＧａ、Ｚｎなど）の濃度が部分的に低減し、相対的にＩｎ
の濃度が高まることを見出した。

これは、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓ
ｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）による、精密な深さ方向分析によりわかったことである。

具体的には、酸化物半導体膜に対し加熱処理を行った際の表面側（加熱雰囲気に暴露され
る側）でＩｎの濃度がもっとも高く、表面から遠ざかるほどＩｎの濃度は低くなる。また
、表面から１５ｎｍより深い部分では一定のＩｎの濃度となる。このように、Ｉｎが濃度
勾配を有することにより、単に低抵抗の異種材料を用いた場合と比較して、酸化物半導体
膜中でキャリアの移動が阻害されにくい。そのため、当該酸化物半導体膜を用いたトラン
ジスタは、高いオン特性を得ることができる。

また、トランジスタのチャネル領域においてもＩｎの濃度を高めた場合、キャリア密度が
高まることによりトランジスタのしきい値電圧がマイナス側にシフトすることが懸念され
る。そのため、トランジスタのチャネル領域のＩｎの濃度が高くないことが好ましい。

例えば、トランジスタのチャネル領域を絶縁膜で覆った状態で加熱処理を行うことで、絶
縁膜によってＩｎ以外の金属元素の脱離を防ぐことができるため、トランジスタのチャネ
ル領域のＩｎの濃度を高めないことが可能となる。または、トランジスタのチャネル領域
の表面を僅かにエッチングすることで、Ｉｎの濃度の高い層を除去することが可能となる
。

酸化物半導体膜のソース領域およびドレイン領域の導電率を高めることで、高いオン特性
を有する、酸化物半導体膜を用いたトランジスタを提供することができる。

また、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタを用い、高速動作が可能な半導体装置を
提供することができる。

本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法の一例を示す断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法の一例を示す断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法の一例を示す断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法の一例を示す断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法の一例を示す断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法の一例を示す断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法の一例を示す断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法の一例を示す断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法の一例を示す断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法の一例を示す断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを用いた液晶表示装置の一例を示す回路図。 本発明の一態様に係るトランジスタを用いた半導体記憶装置の一例を示す回路図および電気的特性を示す図。 本発明の一態様に係るトランジスタを用いた半導体記憶装置の一例を示す回路図および電気的特性を示す図。 本発明の一態様に係るトランジスタを用いたＣＰＵの具体例を示すブロック図およびその一部の回路図。 本発明の一態様に係る半導体装置を有する電子機器の一例を示す斜視図。 酸化物半導体膜のＴＤＳ結果を示す図。 酸化物半導体膜のＳＩＭＳ結果を示す図。 酸化物半導体膜のＳＩＭＳ結果を示す図。

本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説
明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に
理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるもの
ではない。なお、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異
なる図面間でも共通して用いる。なお、同様のものを指す際にはハッチパターンを同じく
し、特に符号を付さない場合がある。

なお、第１、第２として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順または積層順
を示すものではない。また、本明細書において発明を特定するための事項として固有の名
称を示すものではない。

（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様に係るトランジスタについて図１乃至図３を用いて説
明する。

図１（Ａ）は本発明の一態様に係るトランジスタの上面図である。図１（Ａ）に示す一点
鎖線Ａ−Ｂに対応する断面図を図１（Ｂ）に示す。なお、簡単のため、図１（Ａ）におい
ては、保護絶縁膜１１８、ゲート絶縁膜１１２などを省略して示す。

図１（Ｂ）に示すトランジスタは、基板１００と、基板１００上に設けられた下地絶縁膜
１０２と、下地絶縁膜１０２上に設けられたゲート電極１０４と、少なくともゲート電極
１０４を覆って設けられたゲート絶縁膜１１２と、ゲート絶縁膜１１２を介してゲート電
極１０４と重畳して設けられた、第１の層１０６ａおよび第２の層１０６ｂを有する酸化
物半導体膜１０６と、酸化物半導体膜１０６上に設けられた一対の電極１１６と、を有し
、酸化物半導体膜１０６の第２の層１０６ｂは、一対の電極１１６との界面近傍に設けら
れる。なお、図１（Ｂ）に示すトランジスタは、少なくとも酸化物半導体膜１０６および
一対の電極１１６を覆って設けられた保護絶縁膜１１８を有すると好ましい。

なお、本明細書において、「Ａを覆って設けられるＢ」とは、少なくともＡの表面および
側面に接してＢが設けられることをいう。ただし、配線などの接続のために、Ｂが開口部
を有し、Ａの一部を露出していても構わない。

なお、酸化物半導体膜１０６の第１の層１０６ａは、酸化物半導体膜１０６を構成する金
属元素および酸素の原子数比が均一な層である。

また、酸化物半導体膜１０６の第２の層１０６ｂは、酸化物半導体膜１０６を構成する金
属元素の濃度勾配を有する層である。ここでは、酸化物半導体膜１０６の表面の法線ベク
トルに沿って金属元素の濃度勾配を有する。第２の層１０６ｂの厚さは１５ｎｍ以下、１
０ｎｍ以下または５ｎｍ以下である。

酸化物半導体膜１０６の材料として、例えば、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ−Ｏ系材料を用いればよい
。ここで、金属元素Ｍは酸素との結合エネルギーがＩｎおよびＺｎよりも高い元素である
。または、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ−Ｏ系材料から酸素が脱離することを抑制する機能を有する元
素である。金属元素Ｍの作用によって、酸化物半導体膜の酸素欠損の生成が抑制される。
そのため、酸素欠損に起因するトランジスタの電気特性の変動を低減することができ、信
頼性の高いトランジスタを得ることができる。

金属元素Ｍは、具体的にはＡｌ、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ
、Ｇａ、Ｇｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇ
ｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｈｆ、ＴａまたはＷとすればよく、好
ましくはＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、ＣｅまたはＨｆとする。金属元素Ｍは、前述の元
素から一種または二種以上選択すればよい。

ここで、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ−Ｏ系材料で表される酸化物半導体は、Ｉｎの濃度が高いほどキ
ャリア移動度およびキャリア密度が高まる。結果、Ｉｎの濃度が高いほど導電率の高い酸
化物半導体となる。

一方、キャリア密度の高い酸化物半導体をチャネル領域に形成したトランジスタは、トラ
ンジスタをオフ状態とするためにゲート電極に負の電圧を印加しなくてはならなくなる。
そのため、チャネル領域のキャリア密度が高いほど、トランジスタのしきい値電圧がマイ
ナス方向へシフトしていくことになる。

そこで、ソース領域およびドレイン領域（ここでは、酸化物半導体膜１０６において、一
対の電極１１６と接する領域を指す。）にのみ、Ｉｎの濃度の高い酸化物半導体を用いれ
ばよい。具体的には、図１（Ｂ）に示すトランジスタにおいては、酸化物半導体膜１０６
の第２の層１０６ｂを、第１の層１０６ａよりもＩｎの濃度の高い層とする。例えば、酸
化物半導体膜１０６の第２の層１０６ｂは、第１の層１０６ａよりも平均して５原子％以
上、好ましくは１０原子％以上、さらに好ましくは１５原子％以上Ｉｎの濃度が高い。

なお、酸化物半導体膜１０６の第２の層１０６ｂは、金属元素の濃度勾配を有する層であ
る。より詳細には、酸化物半導体膜１０６の表面に近いほどＩｎの濃度が高く、表面から
遠ざかるほどＩｎの濃度が低くなる。例えば、酸化物半導体膜１０６の第２の層１０６ｂ
は、第１の層１０６ａよりも平均して５原子％以上、好ましくは１０原子％以上、さらに
好ましくは１５原子％以上Ｉｎの濃度が高い。

また、酸化物半導体膜１０６の第２の層１０６ｂは、表面に近いほどＺｎの濃度が低く、
表面から遠ざかるほどＺｎの濃度が高くなる。例えば、酸化物半導体膜１０６の第２の層
１０６ｂは、第１の層１０６ａよりも平均して５原子％以上、好ましくは１０原子％以上
、さらに好ましくは１５原子％以上Ｚｎの濃度が低い。

また、酸化物半導体膜１０６の第２の層１０６ｂは、表面に近いほど金属元素Ｍの濃度が
低く、表面から遠ざかるほど金属元素Ｍの濃度が高くなる。例えば、酸化物半導体膜１０
６の第２の層１０６ｂは、第１の層１０６ａよりも平均して１原子％以上、好ましくは２
原子％以上、さらに好ましくは５原子％以上金属元素Ｍの濃度が低い。ただし、これに限
定されず、酸化物半導体膜１０６の表面に近いほど金属元素Ｍの濃度が高く、表面から遠
ざかるほど金属元素Ｍの濃度が低くなっても構わない。例えば、酸化物半導体膜１０６の
第２の層１０６ｂは、第１の層１０６ａよりも平均して１原子％以上、好ましくは２原子
％以上、さらに好ましくは５原子％以上金属元素Ｍの濃度が高い。

このように、酸化物半導体膜１０６の第２の層１０６ｂは、金属元素の濃度勾配を有する
。そのため、単に低抵抗の異種材料を用いた場合と比較して、酸化物半導体膜１０６中で
キャリアの移動が阻害されにくい。

酸化物半導体膜１０６は、単結晶、多結晶（ポリクリスタルともいう。）または非晶質な
どの状態をとる。

好ましくは、酸化物半導体膜１０６は、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ
Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜とする。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、完全な単結晶ではなく、完全な非晶質でもない。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜
は、非晶質相に結晶部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体膜である。なお、当
該結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。また、
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏ
ｓｃｏｐｅ）による観察像では、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる非晶質部と結晶部との境界
は明確ではない。また、ＴＥＭによってＣＡＡＣ−ＯＳ膜には粒界（グレインバウンダリ
ーともいう。）は確認できない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、粒界に起因するキャリ
ア移動度の低下が抑制される。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部は、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または表面に
垂直な方向に揃い、かつａｂ面に垂直な方向から見て三角形状または六角形状の原子配列
を有し、ｃ軸に垂直な方向から見て金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に
配列している。なお、異なる結晶部間で、それぞれａ軸およびｂ軸の向きが異なっていて
もよい。本明細書において、単に垂直と記載する場合、８５°以上９５°以下の範囲も含
まれることとする。

なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜において、結晶部の分布が一様でなくてもよい。例えば、ＣＡＡ
Ｃ−ＯＳ膜の形成過程において、酸化物半導体膜１０６の表面側から結晶成長させる場合
、被形成面の近傍に対し表面の近傍では結晶部の占める割合が高くなることがある。また
、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜へ不純物を添加することにより、当該不純物添加領域において結晶部
が非晶質化することもある。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または表面に
垂直な方向に揃うため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形状（被形成面の断面形状または表面の断面
形状）によっては互いに異なる方向を向くことがある。なお、結晶部のｃ軸の方向は、Ｃ
ＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されたときの被形成面または表面に垂直な方向となる。結晶部は、
成膜することにより、または成膜後に加熱処理などの結晶化処理を行うことにより形成さ
れる。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動
を低減することが可能である。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。

基板１００に大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐え得る程度の耐熱性を有
している必要がある。例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板
などを、基板１００として用いてもよい。また、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半
導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、ＳＯＩ（
Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などを適用することも可能であり、こ
れらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板１００として用いてもよい。

また、基板１００として、可とう性基板を用いてもよい。なお、可とう性基板上にトラン
ジスタを設ける方法としては、非可とう性の基板上にトランジスタを作製した後、トラン
ジスタを剥離し、可とう性基板である基板１００に転置する方法もある。その場合には、
非可とう性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。

下地絶縁膜１０２は、基板１００に起因する不純物が、酸化物半導体膜１０６に影響しな
いようにするために設ける。ただし、基板１００が不純物を含まない場合は、下地絶縁膜
１０２を設けなくても構わない。

下地絶縁膜１０２としては、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、
酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ゲルマニウム
、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム
および酸化タンタルを含む材料から一種以上選択して、単層または積層して用いればよい
。

酸化窒化シリコンとは、その組成において、窒素よりも酸素の含有量が多いものを示し、
例えば、酸素が５０原子％以上７０原子％以下、窒素が０．５原子％以上１５原子％以下
、シリコンが２５原子％以上３５原子％以下、水素が０原子％以上１０原子％以下の範囲
で含まれるものをいう。また、窒化酸化シリコンとは、その組成において、酸素よりも窒
素の含有量が多いものを示し、例えば、酸素が５原子％以上３０原子％以下、窒素が２０
原子％以上５５原子％以下、シリコンが２５原子％以上３５原子％以下、水素が１０原子
％以上２５原子％以下の範囲で含まれるものをいう。ただし、上記範囲は、ラザフォード
後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃ
ｔｒｏｍｅｔｒｙ）や、水素前方散乱法（ＨＦＳ：Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｆｏｒｗａｒｄ
ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を用いて測定した場合のものである
。また、構成元素の組成は、その合計が１００原子％を超えない値をとる。

ゲート電極１０４は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｔ
ａおよびＷを一種以上含む、単体、窒化物、酸化物または合金を、単層または積層して用
いればよい。または、少なくともＩｎおよびＺｎを含む酸化物または酸窒化物を用いても
構わない。例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ−Ｎ系材料などを用いればよい。

ゲート絶縁膜１１２は酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シ
リコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ゲルマニウム、酸化
イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび
酸化タンタルを含む材料から一種以上選択して、単層または積層して用いればよい。

一対の電極１１６は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｔ
ａおよびＷを一種以上含む、単体、窒化物、酸化物または合金を、単層または積層して用
いればよい。

保護絶縁膜１１８は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シ
リコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ゲルマニウム、酸化
イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび
酸化タンタルを含む材料から一種以上選択して、単層または積層して用いればよい。

なお、保護絶縁膜１１８は、比誘電率が低く、かつ十分な厚さを有すると好ましい。例え
ば、比誘電率が３．８程度である酸化シリコン膜を用い、２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以
下の厚さで設ければよい。保護絶縁膜１１８の表面は、大気成分などの影響で僅かに固定
電荷を有し、その影響により、トランジスタのしきい値電圧が変動することがある。その
ため、保護絶縁膜１１８は、表面に生じる電荷の影響が十分に小さくなるような範囲の比
誘電率および厚さとすることが好ましい。同様の理由で、保護絶縁膜１１８上に樹脂膜を
形成することで、表面に生じる電荷の影響を軽減しても構わない。

以上に示すとおり、本発明の一態様に係るトランジスタは、ソース領域およびドレイン領
域の導電率が高い、オン特性に優れたトランジスタである。

以下に、図２および図３を用いて、図１（Ｂ）に示すトランジスタの作製方法を説明する
。

まず、基板１００を準備し、基板１００上に下地絶縁膜１０２を成膜する。下地絶縁膜１
０２は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄ
ｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ
Ｅｐｉｔａｘｙ）法、原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉ
ｔｉｏｎ）法またはパルスレーザ堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉ
ｔｉｏｎ）法を用いて成膜すればよい。

次に、ゲート電極１０４となる導電膜を成膜する。該導電膜は、スパッタリング法、ＣＶ
Ｄ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて成膜すればよい。次に、ゲート電極１
０４となる導電膜を加工し、ゲート電極１０４を形成する。

なお、本明細書において、単に「加工する」と記載する場合、フォトリソグラフィ工程に
より形成したレジストマスクを用いて、膜を所望の形状にすることを示す。

次に、ゲート絶縁膜１１２を成膜する。ゲート絶縁膜１１２は、スパッタリング法、ＣＶ
Ｄ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて成膜すればよい。

ゲート絶縁膜１１２は、好ましくはスパッタリング法を用いて成膜する。この際、酸化性
ガス（酸素、オゾンまたは亜酸化窒素）を５％以上、好ましくは１０％以上、さらに好ま
しくは２０％以上、さらに好ましくは５０％以上含む成膜ガスを用いる。該成膜ガスとし
て、水素などの不純物濃度が低いガスを用いる。また、成膜時の基板温度は室温以上２０
０℃以下、好ましくは室温以上１５０℃以下、さらに好ましくは室温以上１２０℃以下と
する。以上のような方法を用いることで、水素などの不純物濃度が低く、かつ酸素を余剰
に含みやすいため、加熱処理により酸素を放出するゲート絶縁膜１１２を成膜することが
できる。

なお、ゲート絶縁膜１１２は、３００℃以上４５０℃以下、好ましくは２５０℃以上７０
０℃以下の温度における加熱処理により酸素を放出する絶縁膜を用いると好ましい。

酸化物半導体膜を用いたトランジスタにおいて、酸化物半導体膜中の酸素欠損はドナーと
なるため、トランジスタのしきい値電圧をマイナス方向へシフトさせる要因となる。また
、ゲート絶縁膜と酸化物半導体膜との界面における酸素欠損は、トランジスタの動作など
に起因して電荷を捕獲するため、トランジスタの電気特性を変動させる要因となる。従っ
て、酸化物半導体膜中、および酸化物半導体膜とゲート絶縁膜との界面における酸素欠損
を低減することは、酸化物半導体膜を用いたトランジスタの電気特性を安定させ、かつ信
頼性を向上させることに繋がる。そのため、ゲート絶縁膜から酸素が放出されると、酸化
物半導体膜中、および酸化物半導体膜とゲート絶縁膜との界面における酸素欠損を低減す
ることができて好ましい。

「加熱処理により酸素を放出する」とは、ＴＤＳにて、酸素原子に換算しての酸素の放出
量が１．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、好ましくは３．０×１０^１９ａｔｏｍｓ
／ｃｍ^３以上、さらに好ましくは１．０×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、さらに好ま
しくは３．０×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であることをいう。

ここで、ＴＤＳにて、酸素原子に換算しての酸素の放出量の測定方法について、以下に説
明する。

ＴＤＳによる気体の放出量は、スペクトルの積分値に比例する。このため、測定したスペ
クトルの積分値と標準試料の基準値との比により、気体の放出量を計算することができる
。標準試料の基準値は、所定の原子密度を有する試料において、スペクトルの積分値に対
する原子密度の割合である。

例えば、標準試料である所定の密度の水素を含むシリコンウェハのＴＤＳ分析結果、およ
び絶縁膜のＴＤＳ結果から、絶縁膜の酸素分子の放出量（Ｎ_Ｏ２）は、数式１で求めるこ
とができる。ここで、ＴＤＳで得られる質量電荷比（Ｍ／ｚ）が３２で検出されるスペク
トルの全てが酸素分子由来と仮定する。Ｍ／ｚが３２のものとしてほかにＣＨ_３ＯＨがあ
るが、存在する可能性が低いものとしてここでは考慮しない。また、酸素原子の同位体で
あるＭ／ｚが１７の酸素原子およびＭ／ｚが１８の酸素原子を含む酸素分子についても、
自然界における存在比率が極微量であるため考慮しない。

Ｎ_Ｈ２は、標準試料から脱離した水素分子を密度で換算した値である。Ｓ_Ｈ２は、標準試
料をＴＤＳによるスペクトルの積分値である。ここで、標準試料の基準値を、Ｎ_Ｈ２／Ｓ
_Ｈ２とする。Ｓ_Ｏ２は、絶縁膜をＴＤＳによるスペクトルの積分値である。αは、ＴＤＳ
におけるスペクトル強度に影響する係数である。数式１の詳細に関しては、特開平６−２
７５６９７公報を参照する。なお、上記絶縁膜の酸素の放出量は、電子科学株式会社製の
昇温脱離分析装置ＥＭＤ−ＷＡ１０００Ｓ／Ｗを用い、標準試料として１×１０^１６ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ^３の水素原子を含むシリコンウェハを用いて測定する。

また、ＴＤＳにおいて、酸素の一部は酸素原子として検出される。酸素分子と酸素原子の
比率は、酸素分子のイオン化率から算出することができる。なお、上述のαは酸素分子の
イオン化率を含むため、酸素分子の放出量を評価することで、酸素原子の放出量について
も見積もることができる。

なお、Ｎ_Ｏ２は酸素分子の放出量である。酸素原子に換算したときの放出量は、酸素分子
の放出量の２倍となる。

次に、ゲート絶縁膜１１２上に酸化物半導体膜１３６を成膜する（図２（Ａ）参照。）。
酸化物半導体膜１３６は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬ
Ｄ法を用いて成膜すればよい。

酸化物半導体膜１３６は、好ましくはスパッタリング法を用いて成膜する。この際、酸化
性ガスを５％以上、好ましくは１０％以上、さらに好ましくは２０％以上、さらに好まし
くは５０％以上含む成膜ガスを用いる。該成膜ガスとして、水素などの不純物濃度が低い
ガスを用いる。

酸化物半導体膜１３６の成膜後、酸化物半導体膜１３６の表面近傍に金属元素の濃度勾配
を形成する処理を行う。例えば、減圧処理、加熱処理、プラズマ処理または薬液処理で行
えばよく、好ましくは減圧状態で加熱処理で行う。なお、本明細書において、表面近傍と
は、表面から１５ｎｍ以下、１０ｎｍ以下、または５ｎｍ以下の範囲をいう。

酸化物半導体膜１３６の表面近傍に金属元素の濃度勾配を形成する処理は、酸化物半導体
膜１３６の成膜後、大気に暴露せずに行ってもよい。例えば、スパッタリング装置の処理
室で酸化物半導体膜１３６を成膜後、０．５分以上１２０分以下、好ましくは１分以上６
０分以下の時間、基板１００を処理室に保持することで減圧処理を兼ねても構わない。

または、酸化物半導体膜１３６の成膜時の基板温度を１００℃以上４００℃以下、好まし
くは１５０℃以上３５０℃以下とすることで、酸化物半導体膜１３６の成膜後、大気に暴
露せずに減圧状態で加熱処理を行うことが可能となる。具体的には、酸化物半導体膜１３
６の成膜後、０．５分以上１２０分以下、好ましくは１分以上６０分以下の時間、基板１
００を処理室に保持すればよい。

または、酸化物半導体膜１３６の成膜後、酸化物半導体膜１３６を成膜した成膜装置内の
別の処理室に基板１００を移動させ、減圧処理、加熱処理またはプラズマ処理を行っても
よい。

このように、酸化物半導体膜１３６の表面近傍に金属元素の濃度勾配を形成する処理を、
大気に暴露せずに行うことで、コストの低減および生産性の向上が可能となる。

加熱処理は、不活性ガス（窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセ
ノンなどの希ガス）雰囲気、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、好ましくは１％以上、さらに
好ましくは１０％以上含む雰囲気、または減圧状態（１０Ｐａ以下、好ましくは１Ｐａ以
下、さらに好ましくは０．１Ｐａ以下）において、５０℃以上６５０℃以下、好ましくは
１００℃以上４５０℃以下の温度で行う。

加熱処理によって、酸化物半導体膜１３６の表面近傍のＩｎの濃度を高めることができる
。

酸化物半導体膜１３６として、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ−Ｏ系材料を用いる場合、加熱処理によっ
てＺｎが脱離し濃度が低くなる。その結果、相対的にＩｎの濃度を高めることができる。

また、金属元素Ｍの濃度は、酸化物半導体膜１３６の成膜条件、金属元素Ｍの種類または
／および加熱処理の条件によって、高まることも、低まることもある。

このように、酸化物半導体膜１３６の表面近傍に金属元素の濃度勾配を形成する処理を行
うことで、第１の層１３７ａおよび第２の層１３７ｂを有する酸化物半導体膜１３７を形
成する（図２（Ｂ）参照。）。

ここで、第１の層１３７ａは、酸化物半導体膜１３６と同様の原子数比の層である。また
、第２の層１３７ｂは、酸化物半導体膜１３６よりもＩｎの濃度が高い層である。なお、
第２の層１３７ｂは、表面側ほどＩｎの濃度が高く、表面から１５ｎｍ、１０ｎｍまたは
５ｎｍの範囲でＩｎの濃度勾配を有する。

次に、酸化物半導体膜１３７を加工し、島状の酸化物半導体膜１０７を形成する（図２（
Ｃ）参照。）。なお、酸化物半導体膜１０７は、第１の層１３７ａおよび第２の層１３７
ｂに対応する第１の層１０７ａおよび第２の層１０７ｂを有する。

次に、導電膜１１７を成膜する（図３（Ａ）参照。）。導電膜１１７は、スパッタリング
法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて成膜すればよい。

次に、導電膜１１７を加工し、一対の電極１１６を形成する（図３（Ｂ）参照。）。

導電膜１１７を加工するとともに、酸化物半導体膜１０７をエッチングし、第１の層１０
６ａおよび第２の層１０６ｂを有する酸化物半導体膜１０６を形成する。このような方法
を用いることで、一対の電極１１６との界面近傍に、酸化物半導体膜１０６の第２の層１
０６ｂを選択的に設けることができる。

次に、保護絶縁膜１１８を成膜する（図３（Ｃ）参照。）。保護絶縁膜１１８は、スパッ
タリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて成膜すればよい。

以上のようにして、図１（Ｂ）に示すトランジスタを作製すればよい。

図１（Ｂ）に示すトランジスタは、酸化物半導体膜１０６において、第１の層１０６ａと
第２の層１０６ｂとの間でキャリアの移動が阻害されにくく、高いオン特性を得ることが
できる。

また、酸化物半導体膜の導電率を高めるために酸化物半導体膜中の金属元素の原子数比を
調整していることにより、作製したトランジスタにおいて、酸化物半導体膜中の原子数比
は、容易に変動し得ない。そのため、当該トランジスタは、長期的に安定な電気特性が得
られる。

本実施の形態により、ソース領域およびドレイン領域の導電率が高く、オン特性に優れ、
信頼性の高いトランジスタを、低いコストで生産性高く提供することができる。

本実施の形態は適宜他の実施の形態と組み合わせて用いることができる。

（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１とは異なる構造のトランジスタについて図４乃至図６を
用いて説明する。

図４（Ａ）は本発明の一態様に係るトランジスタの上面図である。図４（Ａ）に示す一点
鎖線Ａ−Ｂに対応する断面図を図４（Ｂ）に示す。なお、簡単のため、図４（Ａ）におい
ては、保護絶縁膜２１４、ゲート絶縁膜１１２、下地絶縁膜１０２などを省略して示す。

図４（Ｂ）に示すトランジスタは、基板１００と、基板１００上に設けられた下地絶縁膜
１０２と、下地絶縁膜１０２上に設けられたゲート電極１０４と、少なくともゲート電極
１０４を覆って設けられたゲート絶縁膜１１２と、ゲート絶縁膜１１２を介してゲート電
極１０４と重畳して設けられた、第１の層２０６ａおよび第２の層２０６ｂを有する酸化
物半導体膜２０６と、酸化物半導体膜２０６を覆って設けられた、酸化物半導体膜２０６
の一部を露出する開口部を有する保護絶縁膜２１４と、保護絶縁膜２１４の開口部を介し
て酸化物半導体膜２０６の第２の層２０６ｂと接して設けられた一対の電極２１６と、を
有し、酸化物半導体膜２０６の第２の層２０６ｂは、一対の電極２１６との界面近傍に設
けられる。

なお、基板１００、下地絶縁膜１０２、ゲート電極１０４およびゲート絶縁膜１１２の材
料および形成方法は、実施の形態１の説明を参照する。

なお、酸化物半導体膜２０６の第１の層２０６ａは、酸化物半導体膜２０６を構成する金
属元素および酸素の原子数比が均一な層である。

また、酸化物半導体膜２０６の第２の層２０６ｂは、酸化物半導体膜２０６を構成する金
属元素の濃度勾配を有する層である。ここでは、酸化物半導体膜２０６の表面の法線ベク
トルに沿って金属元素の濃度勾配を有する。第２の層２０６ｂの厚さは１５ｎｍ以下、１
０ｎｍ以下または５ｎｍ以下である。

このように、酸化物半導体膜２０６の第２の層２０６ｂは、金属元素の濃度勾配を有する
。そのため、単に低抵抗の異種材料を用いた場合と比較して、酸化物半導体膜２０６中で
キャリアの移動が阻害されにくい。

酸化物半導体膜２０６の材料は、酸化物半導体膜１０６と同様の材料を用いればよい。

保護絶縁膜２１４は、保護絶縁膜１１８と同様の材料を用いればよい。

一対の電極２１６は、一対の電極１１６と同様の材料を用いればよい。

以下に、図５および図６を用いて、図４（Ｂ）に示すトランジスタの作製方法を示す。

なお、図５（Ａ）に示す、基板１００上に下地絶縁膜１０２が設けられ、下地絶縁膜１０
２上にゲート電極１０４が設けられ、ゲート電極１０４を覆ってゲート絶縁膜１１２が設
けられ、ゲート絶縁膜１１２上に酸化物半導体膜１３６が成膜されるまでの作製方法につ
いては、実施の形態１に示した説明を参照する。

次に、酸化物半導体膜１３６を加工して島状の酸化物半導体膜２３６を形成する（図５（
Ｂ）参照。）。

次に、保護絶縁膜２１５を成膜する（図５（Ｃ）参照。）。保護絶縁膜２１５は、スパッ
タリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて成膜すればよい。

次に、保護絶縁膜２１５を加工し、酸化物半導体膜２３６を露出する開口部を有する保護
絶縁膜２１４を形成する（図６（Ａ）参照。）。

次に、酸化物半導体膜２３６の表面近傍に金属元素の濃度勾配を形成する処理を行う。例
えば、減圧処理、加熱処理、プラズマ処理または薬液処理で行えばよく、好ましくは減圧
状態で加熱処理で行う。

酸化物半導体膜２３６の表面近傍に金属元素の濃度勾配を形成する処理は、酸化物半導体
膜２３６の露出後（保護絶縁膜２１４の形成後）、大気に暴露せずに行ってもよい。例え
ば、ドライエッチング装置の処理室で保護絶縁膜２１４の形成後、０．５分以上１２０分
以下、好ましくは１分以上６０分以下の時間、基板１００を処理室に保持することで減圧
処理を兼ねても構わない。

または、保護絶縁膜２１４の形成時の基板温度を１００℃以上４００℃以下、好ましくは
１５０℃以上３５０℃以下とすることで、酸化物半導体膜２３６の露出後、大気に暴露せ
ずに減圧状態で加熱処理を行うことが可能となる。具体的には、酸化物半導体膜２３６の
露出後、０．５分以上１２０分以下、好ましくは１分以上６０分以下の時間、基板１００
を処理室に保持すればよい。

または、酸化物半導体膜２３６の露出後、保護絶縁膜２１４を形成した装置にて、減圧処
理、加熱処理またはプラズマ処理を行ってもよい。

このように、酸化物半導体膜２３６の表面近傍に金属元素の濃度勾配を形成する処理を、
大気に暴露せずに行うことで、コストの低減および生産性の向上が可能となる。

加熱処理は、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、好ましくは１％以上、さ
らに好ましくは１０％以上含む雰囲気、または減圧状態において、５０℃以上６５０℃以
下、好ましくは１００℃以上４５０℃以下の温度で行う。

加熱処理によって、酸化物半導体膜２３６の表面近傍のＩｎの濃度を高めることができる
。

酸化物半導体膜２３６として、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ−Ｏ系材料を用いる場合、加熱処理によっ
てＺｎが脱離し濃度が低くなる。その結果、相対的にＩｎの濃度を高めることができる。

また、金属元素Ｍの濃度は、酸化物半導体膜２３６の成膜条件、金属元素Ｍの種類または
／および加熱処理の条件によって、高まることも、低まることもある。

このように、酸化物半導体膜２３６の表面近傍に金属元素の濃度勾配を形成する処理を行
うことで、第１の層２０６ａおよび第２の層２０６ｂを有する酸化物半導体膜２０６を形
成する（図６（Ｂ）参照。）。

ここで、第１の層２０６ａは、酸化物半導体膜１３６と同様の原子数比の層である。また
、第２の層２０６ｂは、酸化物半導体膜１３６よりもＩｎの濃度が高い層である。なお、
第２の層２０６ｂは、表面側ほどＩｎの濃度が高く、表面から１５ｎｍ、１０ｎｍまたは
５ｎｍの範囲でＩｎの濃度勾配を有する。

次に、導電膜を成膜する。該導電膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ
法またはＰＬＤ法を用いて成膜すればよい。

次に、導電膜を加工し、一対の電極２１６を形成する（図６（Ｃ）参照。）。

以上のようにして、図４（Ｂ）に示すトランジスタを作製すればよい。

図４（Ｂ）に示すトランジスタは、酸化物半導体膜２０６において、第１の層２０６ａと
第２の層２０６ｂとの間でキャリアの移動が阻害されにくく、高いオン特性を得ることが
できる。

また、酸化物半導体膜の導電率を高めるために酸化物半導体膜中の金属元素の原子数比を
調整していることにより、作製したトランジスタにおいて、酸化物半導体膜中の原子数比
は、容易に変動し得ない。そのため、当該トランジスタは、長期的に安定な電気特性が得
られる。

本実施の形態により、ソース領域およびドレイン領域の導電率が高く、オン特性に優れ、
信頼性の高いトランジスタを、低いコストで生産性高く提供することができる。

なお、本実施の形態は適宜他の実施の形態と組み合わせて用いることができる。

（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態１および実施の形態２とは異なる構造のトランジスタにつ
いて図７乃至図９を用いて説明する。

図７（Ａ）は本発明の一態様に係るトランジスタの上面図である。図７（Ａ）に示す一点
鎖線Ａ−Ｂに対応する断面図を図７（Ｂ）に示す。なお、簡単のため、図７（Ａ）におい
ては、ゲート絶縁膜３１２、下地絶縁膜１０２などを省略して示す。

図７（Ｂ）に示すトランジスタは、基板１００と、基板１００上に設けられた下地絶縁膜
１０２と、下地絶縁膜１０２上に設けられた第１の層３０６ａおよび第２の層３０６ｂを
有する酸化物半導体膜３０６と、酸化物半導体膜３０６上に設けられた一対の電極３１６
と、酸化物半導体膜３０６および一対の電極３１６を覆って設けられたゲート絶縁膜３１
２と、ゲート絶縁膜３１２を介して酸化物半導体膜３０６と重畳して設けられたゲート電
極３０４と、を有し、酸化物半導体膜３０６の第２の層３０６ｂは、酸化物半導体膜３０
６と一対の電極３１６との間に設けられる。

なお、基板１００および下地絶縁膜１０２の材料および形成方法は、実施の形態１の説明
を参照する。

なお、酸化物半導体膜３０６の第１の層３０６ａは、酸化物半導体膜３０６を構成する金
属元素および酸素の原子数比が均一な層である。

また、酸化物半導体膜３０６の第２の層３０６ｂは、酸化物半導体膜３０６を構成する金
属元素の濃度勾配を有する層である。ここでは、酸化物半導体膜３０６の表面の法線ベク
トルに沿って金属元素の濃度勾配を有する。第２の層３０６ｂの厚さは１５ｎｍ以下、１
０ｎｍ以下または５ｎｍ以下である。

このように、酸化物半導体膜３０６の第２の層３０６ｂは、金属元素の濃度勾配を有する
。そのため、単に低抵抗の異種材料を用いた場合と比較して、酸化物半導体膜３０６中で
キャリアの移動が阻害されにくい。

酸化物半導体膜３０６の材料は、酸化物半導体膜１０６と同様の材料を用いればよい。

一対の電極３１６は、一対の電極１１６と同様の材料を用いればよい。

ゲート絶縁膜３１２は、ゲート絶縁膜１１２と同様の材料を用いればよい。

ゲート電極３０４は、ゲート電極１０４と同様の材料を用いればよい。

以下に、図８および図９を用いて、図７（Ｂ）に示すトランジスタの作製方法を示す。

なお、基板１００上に下地絶縁膜１０２が設けられるまでの作製方法については、実施の
形態１に示した説明を参照する。

なお、下地絶縁膜１０２は十分な平坦性を有することが好ましい。そのため、下地絶縁膜
１０２に対し、平坦化処理を行うと好ましい。平坦化処理としては、化学機械研磨（ＣＭ
Ｐ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）、またはドライエ
ッチング法を用いればよい。具体的には、平均面粗さ（Ｒａ）が１ｎｍ以下、好ましくは
０．３ｎｍ以下、さらに好ましくは０．１ｎｍ以下となるように下地絶縁膜１０２を設け
る。上述の数値以下のＲａとすることで、酸化物半導体膜に結晶領域が形成されやすくな
る。また、下地絶縁膜１０２と酸化物半導体膜との界面の凹凸が小さくなることで、界面
散乱の影響を小さくできる。なお、Ｒａは、ＪＩＳ Ｂ０６０１で定義されている中心線
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、数式２にて定義される。

なお、数式２において、Ｓ_０は、測定面（座標（ｘ１，ｙ１）（ｘ１，ｙ２）（ｘ２，ｙ
１）（ｘ２，ｙ２）で表される４点によって囲まれる長方形の領域）の面積を指し、Ｚ_０
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。

次に、酸化物半導体膜３３６を成膜する（図８（Ａ）参照。）。酸化物半導体膜３３６は
、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて成膜すれば
よい。

酸化物半導体膜３３６は、好ましくはスパッタリング法を用いて成膜する。この際、酸化
性ガスを５％以上、好ましくは１０％以上、さらに好ましくは２０％以上、さらに好まし
くは５０％以上含む成膜ガスを用いる。該成膜ガスとして、水素などの不純物濃度が低い
ガスを用いる。

酸化物半導体膜３３６の成膜後、酸化物半導体膜３３６の表面近傍に金属元素の濃度勾配
を形成する処理を行う。例えば、減圧処理、加熱処理、プラズマ処理または薬液処理で行
えばよく、好ましくは減圧状態で加熱処理で行う。

酸化物半導体膜３３６の表面近傍に金属元素の濃度勾配を形成する処理は、酸化物半導体
膜３３６の成膜後、大気に暴露せずに行ってもよい。例えば、スパッタリング装置の処理
室で酸化物半導体膜３３６を成膜後、０．５分以上１２０分以下、好ましくは１分以上６
０分以下の時間、基板１００を処理室に保持することで減圧処理を兼ねても構わない。

または、酸化物半導体膜３３６の成膜時の基板温度を１００℃以上４００℃以下、好まし
くは１５０℃以上３５０℃以下とすることで、酸化物半導体膜３３６の成膜後、大気に暴
露せずに減圧状態で加熱処理を行うことが可能となる。具体的には、酸化物半導体膜３３
６の成膜後、０．５分以上１２０分以下、好ましくは１分以上６０分以下の時間、基板１
００を処理室に保持すればよい。

または、酸化物半導体膜３３６の成膜後、酸化物半導体膜３３６を成膜した成膜装置内の
別の処理室に基板１００を移動させ、減圧処理、加熱処理またはプラズマ処理を行っても
よい。

このように、酸化物半導体膜３３６の表面近傍に金属元素の濃度勾配を形成する処理を、
大気に暴露せずに行うことで、コストの低減および生産性の向上が可能となる。

加熱処理は、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、好ましくは１％以上、さ
らに好ましくは１０％以上含む雰囲気、または減圧状態において、５０℃以上６５０℃以
下、好ましくは１００℃以上４５０℃以下の温度で行う。

加熱処理によって、酸化物半導体膜３３６の表面近傍のＩｎの濃度を高めることができる
。

酸化物半導体膜３３６として、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ−Ｏ系材料を用いる場合、加熱処理によっ
てＺｎが脱離し濃度が低くなる。その結果、相対的にＩｎの濃度を高めることができる。

また、金属元素Ｍの濃度は、酸化物半導体膜３３６の成膜条件、金属元素Ｍの種類または
／および加熱処理の条件によって、高まることも、低まることもある。

このように、酸化物半導体膜３３６の表面近傍に金属元素の濃度勾配を形成する処理を行
うことで、第１の層３３７ａおよび第２の層３３７ｂを有する酸化物半導体膜３３７を形
成する（図８（Ｂ）参照。）。

ここで、第１の層３３７ａは、酸化物半導体膜３３６と同様の原子数比の層である。また
、第２の層３３７ｂは、酸化物半導体膜３３６よりもＩｎの濃度が高い層である。なお、
第２の層３３７ｂは、表面側ほどＩｎの濃度が高く、表面から１５ｎｍ、１０ｎｍまたは
５ｎｍの範囲でＩｎの濃度勾配を有する。

なお、加熱処理によって、下地絶縁膜１０２から酸化物半導体膜３３６へ酸素を供給する
と好ましい。その場合、下地絶縁膜１０２として、加熱処理により酸素を放出する絶縁膜
を設ければよい。加熱処理により酸素を放出する絶縁膜を設けるためには、実施の形態１
で示したゲート絶縁膜１１２の成膜方法を参照すればよい。

酸化物半導体膜を用いたトランジスタにおいて、酸化物半導体膜中の酸素欠損はドナーと
なるため、トランジスタのしきい値電圧をマイナス方向へシフトさせる要因となる。また
、下地絶縁膜と酸化物半導体膜との界面における酸素欠損は、トランジスタの動作などに
起因して電荷を捕獲するため、トランジスタの電気特性を変動させる要因となる。従って
、酸化物半導体膜中、および酸化物半導体膜と下地絶縁膜との界面における酸素欠損を低
減することは、酸化物半導体膜を用いたトランジスタの電気特性を安定させ、かつ信頼性
を向上させることに繋がる。そのため、下地絶縁膜から酸素が放出されると、酸化物半導
体膜中、および酸化物半導体膜と下地絶縁膜との界面における酸素欠損を低減することが
できて好ましい。

次に、酸化物半導体膜３３７を加工し、島状の酸化物半導体膜３０７を形成する（図８（
Ｃ）参照。）。なお、酸化物半導体膜３０７は、第１の層３３７ａおよび第２の層３３７
ｂに対応する第１の層３０７ａおよび第２の層３０７ｂを有する。

次に、導電膜３１７を成膜する（図９（Ａ）参照。）。導電膜３１７は、スパッタリング
法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて成膜すればよい。

次に、導電膜３１７を加工し、一対の電極３１６を形成する（図９（Ｂ）参照。）。

導電膜３１７を加工するとともに、酸化物半導体膜３０７をエッチングし、第１の層３０
６ａおよび第２の層３０６ｂを有する酸化物半導体膜３０６を形成する。このような方法
を用いることで、一対の電極３１６との界面近傍に、酸化物半導体膜３０６の第２の層３
０６ｂを選択的に設けることができる。

次に、ゲート絶縁膜３１２を成膜する。ゲート絶縁膜３１２は、スパッタリング法、ＣＶ
Ｄ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて成膜すればよい。

次に、ゲート電極３０４となる導電膜を成膜する。該導電膜は、スパッタリング法、ＣＶ
Ｄ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて成膜すればよい。次に、ゲート電極３
０４となる導電膜を加工し、ゲート電極３０４を形成する（図９（Ｃ）参照。）。

以上のようにして、図７（Ｂ）に示すトランジスタを作製すればよい。

図７（Ｂ）に示すトランジスタは、酸化物半導体膜３０６において、第１の層３０６ａと
第２の層３０６ｂとの間でキャリアの移動が阻害されにくく、高いオン特性を得ることが
できる。

また、酸化物半導体膜の導電率を高めるために酸化物半導体膜中の金属元素の原子数比を
調整していることにより、作製したトランジスタにおいて、酸化物半導体膜中の原子数比
は、容易に変動し得ない。そのため、当該トランジスタは、長期的に安定な電気特性が得
られる。

本実施の形態により、ソース領域およびドレイン領域の導電率が高く、オン特性に優れ、
信頼性の高いトランジスタを、低いコストで生産性高く提供することができる。

なお、本実施の形態は適宜他の実施の形態と組み合わせて用いることができる。

（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態１乃至実施の形態３とは異なる構造のトランジスタについ
て図１０乃至図１５を用いて説明する。

図１０（Ａ）は本発明の一態様に係るトランジスタの上面図である。図１０（Ａ）に示す
一点鎖線Ａ−Ｂに対応する断面図を図１０（Ｂ）に示す。なお、簡単のため、図１０（Ａ
）においては、保護絶縁膜４１８、下地絶縁膜１０２などを省略して示す。

図１０（Ｂ）に示すトランジスタは、基板１００と、基板１００上に設けられた下地絶縁
膜１０２と、下地絶縁膜１０２上に設けられた第１の層４０６ａおよび第２の層４０６ｂ
を有する酸化物半導体膜４０６と、酸化物半導体膜４０６上に設けられたゲート絶縁膜４
１２と、ゲート絶縁膜４１２と重畳して設けられたゲート電極４０４と、ゲート電極４０
４および酸化物半導体膜４０６を覆って設けられた、酸化物半導体膜４０６の一部を露出
する開口部を有する保護絶縁膜４１８と、保護絶縁膜４１８の開口部を介して酸化物半導
体膜４０６の第２の層４０６ｂと接して設けられた一対の電極４１６と、を有し、酸化物
半導体膜４０６の第２の層４０６ｂは、一対の電極４１６との界面近傍に設けられる。

なお、図１０（Ｂ）に示すトランジスタは、少なくともゲート電極４０４下に、ゲート絶
縁膜４１２および酸化物半導体膜４０６が設けられる。

なお、基板１００および下地絶縁膜１０２の材料および形成方法は、実施の形態１の説明
を参照する。

なお、酸化物半導体膜４０６の第１の層４０６ａは、酸化物半導体膜４０６を構成する金
属元素および酸素の原子数比が均一な層である。

また、酸化物半導体膜４０６の第２の層４０６ｂは、酸化物半導体膜４０６を構成する金
属元素の濃度勾配を有する層である。ここでは、酸化物半導体膜４０６の表面の法線ベク
トルに沿って金属元素の濃度勾配を有する。第２の層４０６ｂの厚さは１５ｎｍ以下、１
０ｎｍ以下または５ｎｍ以下である。

このように、酸化物半導体膜４０６の第２の層４０６ｂは、金属元素の濃度勾配を有する
。そのため、単に低抵抗の異種材料を用いた場合と比較して、酸化物半導体膜４０６中で
キャリアの移動が阻害されにくい。

酸化物半導体膜４０６の材料は、酸化物半導体膜１０６と同様の材料を用いればよい。

ゲート絶縁膜４１２は、ゲート絶縁膜１１２と同様の材料を用いればよい。

ゲート電極４０４は、ゲート電極１０４と同様の材料を用いればよい。なお、ゲート電極
４０４の側面に側壁絶縁膜が設けられても構わない。側壁絶縁膜を有することで、トラン
ジスタのチャネル領域近傍にオフセット領域を設けることができる。

保護絶縁膜４１８は、保護絶縁膜１１８と同様の材料を用いればよい。

一対の電極４１６は、一対の電極１１６と同様の材料を用いればよい。

以下に、図１１および図１２を用いて、図１０（Ｂ）に示すトランジスタの作製方法を示
す。

なお、図１１（Ａ）に示す、基板１００上に下地絶縁膜１０２が設けられ、下地絶縁膜１
０２上に酸化物半導体膜３３６が成膜されるまでの作製方法については、実施の形態１お
よび実施の形態３に示した説明を参照する。

次に、ゲート絶縁膜４１３を成膜する。ゲート絶縁膜４１３は、スパッタリング法、ＣＶ
Ｄ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて成膜すればよい。

次に、導電膜４０５を成膜する（図１１（Ｂ）参照。））。導電膜４０５は、スパッタリ
ング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて成膜すればよい。

次に、導電膜４０５およびゲート絶縁膜４１３を加工し、ゲート電極４０４およびゲート
絶縁膜４１２を形成する（図１１（Ｃ）参照。）。なお、ゲート絶縁膜４１２は、ゲート
電極４０４の加工に用いたレジストマスクを用いて加工してもよいし、該レジストマスク
を除去した後に、ゲート電極４０４をマスクに用いて加工してもよい。このようにして酸
化物半導体膜３３６の表面の一部を露出する。

次に、酸化物半導体膜３３６の表面近傍に金属元素の濃度勾配を形成する処理を行う。例
えば、減圧処理、加熱処理、プラズマ処理または薬液処理で行えばよく、好ましくは減圧
状態で加熱処理で行う。

酸化物半導体膜３３６の表面近傍に金属元素の濃度勾配を形成する処理は酸化物半導体膜
３３６の露出後（ゲート絶縁膜４１２の形成後）、大気に暴露せずに行ってもよい。例え
ば、ドライエッチング装置の処理室で酸化物半導体膜３３６の露出後、０．５分以上１２
０分以下、好ましくは１分以上６０分以下の時間、基板１００を処理室に保持することで
減圧処理を兼ねても構わない。

または、ゲート絶縁膜４１２の形成時の基板温度を１００℃以上４００℃以下、好ましく
は１５０℃以上３５０℃以下とすることで、酸化物半導体膜３３６の露出後、大気に暴露
せずに減圧状態で加熱処理を行うことが可能となる。具体的には、酸化物半導体膜３３６
の露出後、０．５分以上１２０分以下、好ましくは１分以上６０分以下の時間、基板１０
０を処理室に保持すればよい。

または酸化物半導体膜３３６の露出後、ゲート絶縁膜４１２を形成した装置にて、減圧処
理、加熱処理またはプラズマ処理を行ってもよい。

このように、酸化物半導体膜３３６の表面近傍に金属元素の濃度勾配を形成する処理を、
大気に暴露せずに行うことで、コストの低減および生産性の向上が可能となる。

加熱処理は、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、好ましくは１％以上、さ
らに好ましくは１０％以上含む雰囲気、または減圧状態において、５０℃以上６５０℃以
下、好ましくは１００℃以上４５０℃以下の温度で行う。

加熱処理によって、酸化物半導体膜３３６の表面近傍のＩｎの濃度を高めることができる
。

酸化物半導体膜３３６として、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ−Ｏ系材料を用いる場合、加熱処理によっ
てＺｎが脱離し濃度が低くなる。その結果、相対的にＩｎの濃度を高めることができる。

また、金属元素Ｍの濃度は、酸化物半導体膜３３６の成膜条件、金属元素Ｍの種類または
／および加熱処理の条件によって、高まることも、低まることもある。

このように、酸化物半導体膜３３６の表面近傍に金属元素の濃度勾配を形成する処理を行
うことで、第１の層４３６ａおよび第２の層４３６ｂを有する酸化物半導体膜４３６を形
成する（図１２（Ａ）参照。）。

ここで、第１の層４３６ａは、酸化物半導体膜３３６と同様の原子数比の層である。また
、第２の層４３６ｂは、酸化物半導体膜３３６よりもＩｎの濃度が高い層である。なお、
第２の層４３６ｂは、表面側ほどＩｎの濃度が高く、表面から１５ｎｍ、１０ｎｍまたは
５ｎｍの範囲でＩｎの濃度勾配を有する。

なお、加熱処理によって、下地絶縁膜１０２から酸化物半導体膜３３６へ酸素を供給する
と好ましい。その場合、下地絶縁膜１０２として、加熱処理により酸素を放出する絶縁膜
を設ければよい。加熱処理により酸素を放出する絶縁膜を設けるためには、実施の形態１
で示したゲート絶縁膜１１２の成膜方法を参照すればよい。

次に、酸化物半導体膜４３６を加工し、島状の酸化物半導体膜４０６を形成する（図１２
（Ｂ）参照。）。なお、酸化物半導体膜４０６は、第１の層４３６ａおよび第２の層４３
６ｂに対応する第１の層４０６ａおよび第２の層４０６ｂを有する。

なお、図に示さないが、次に、ゲート電極４０４をマスクとし、酸化物半導体膜４０６に
不純物を添加しても構わない。不純物は、酸化物半導体膜を低抵抗化する不純物である。
具体的には、ヘリウム、ホウ素、窒素、フッ素、ネオン、アルミニウム、リン、アルゴン
、ヒ素、クリプトン、インジウム、スズ、アンチモンおよびキセノンから選ばれた一種以
上を添加すればよい。なお、その方法は、イオン注入法、イオンドーピング法で行えばよ
い。または、酸化物半導体膜を低抵抗化する不純物を含む雰囲気でのプラズマ処理もしく
は加熱処理を行えばよい。好ましくはイオン注入法を用いる。なお、イオン注入法にて酸
化物半導体膜を低抵抗化する不純物を添加した後、加熱処理を行ってもよい。当該酸化物
半導体膜への不純物の添加は、酸化物半導体膜３３６の表面近傍に金属元素の濃度勾配を
形成する処理の前に行っても構わない。その場合、酸化物半導体膜３３６の表面近傍に金
属元素の濃度勾配を形成するために加熱処理を適用することで、当該酸化物半導体膜への
不純物添加後の加熱処理を兼ねることもできる。

次に、酸化物半導体膜４０６およびゲート電極４０４上に保護絶縁膜４１８を成膜する。
保護絶縁膜４１８は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法
を用いて成膜すればよい。

次に、保護絶縁膜４１８を加工して、酸化物半導体膜４０６の第２の層４０６ｂを露出す
る一対の開口部を形成する。該開口部の形成は、酸化物半導体膜４０６がなるべくエッチ
ングされないような条件で行うが、これに限定されない。具体的には、該開口部を形成す
る際に、酸化物半導体膜４０６の第２の層４０６ｂの表面の一部をエッチングしてしまっ
ても構わないし、第２の層４０６ｂを貫通し、第１の層４０６ａを露出してしまっても構
わない。

次に、保護絶縁膜４１８、および露出された酸化物半導体膜４０６上に、一対の電極４１
６となる導電膜を成膜する。該導電膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬ
Ｄ法またはＰＬＤ法を用いて成膜すればよい。

次に、一対の電極４１６となる導電膜を加工し、一対の電極４１６を形成する（図１２（
Ｃ）参照。）。

なお、酸化物半導体膜４０６の第２の層４０６ｂを貫通し、第１の層４０６ａを露出して
しまう場合、酸化物半導体膜４０６と第２の層４０６ｂは、第２の層４０６ｂの側面で接
することになる。その場合、酸化物半導体膜４０６と一対の電極４１６との間に第２の層
４０６ｂが設けられない構造となる。

以上のようにして、図１０（Ｂ）に示すトランジスタを作製すればよい。

図１０（Ｂ）に示すトランジスタは、酸化物半導体膜４０６において、第１の層４０６ａ
と第２の層４０６ｂとの間でキャリアの移動が阻害されにくく、高いオン特性を得ること
ができる。

また、図１０と酸化物半導体膜の構成が異なるトランジスタについて、図１３に示す。

図１３（Ａ）は本発明の一態様に係るトランジスタの上面図である。図１３（Ａ）に示す
一点鎖線Ａ−Ｂに対応する断面図を図１３（Ｂ）に示す。なお、簡単のため、図１３（Ａ
）においては、保護絶縁膜４６８、下地絶縁膜１０２などを省略して示す。

図１３（Ｂ）に示すトランジスタは、基板１００と、基板１００上に設けられた下地絶縁
膜１０２と、下地絶縁膜１０２上に設けられた第１の層４５６ａおよび第２の層４５６ｂ
を有する酸化物半導体膜４５６と、酸化物半導体膜４５６上に設けられたゲート絶縁膜４
６２と、ゲート絶縁膜４６２と重畳して設けられたゲート電極４５４と、ゲート電極４５
４および酸化物半導体膜４５６を覆って設けられた、酸化物半導体膜４５６の一部を露出
する開口部を有する保護絶縁膜４６８と、保護絶縁膜４６８の開口部を介して酸化物半導
体膜４５６の第２の層４５６ｂと接して設けられた一対の電極４６６と、を有し、酸化物
半導体膜４５６の第２の層４５６ｂは、一対の電極４６６との界面近傍に設けられる。

なお、基板１００および下地絶縁膜１０２の材料および形成方法は、実施の形態１の説明
を参照する。

なお、図１３（Ｂ）に示すトランジスタは、酸化物半導体膜４５６の第２の層４５６ｂが
、ゲート電極４５４と重畳する領域を除いた酸化物半導体膜４５６の表面および側面に設
けられる点が図１０（Ｂ）に示すトランジスタと異なる。

そのほか、ゲート絶縁膜４６２、ゲート電極４５４、保護絶縁膜４６８および一対の電極
４６６は、それぞれゲート絶縁膜４１２、ゲート電極４０４、保護絶縁膜４６８および一
対の電極４１６と同様の材料および形成方法とする。なお、ゲート電極４５４の側面に側
壁絶縁膜が設けられても構わない。側壁絶縁膜を有することで、トランジスタのチャネル
領域近傍にオフセット領域を設けることができる。

なお、酸化物半導体膜４５６の第１の層４５６ａは、酸化物半導体膜４５６を構成する金
属元素および酸素の原子数比が均一な層である。

また、酸化物半導体膜４５６の第２の層４５６ｂは、酸化物半導体膜４５６を構成する金
属元素の濃度勾配を有する層である。ここでは、酸化物半導体膜４５６の表面の法線ベク
トルに沿って金属元素の濃度勾配を有する。第２の層４５６ｂの厚さは１５ｎｍ以下、１
０ｎｍ以下または５ｎｍ以下である。

このように、酸化物半導体膜４５６の第２の層４５６ｂは、金属元素の濃度勾配を有する
。そのため、単に低抵抗の異種材料を用いた場合と比較して、酸化物半導体膜４５６中で
キャリアの移動が阻害されにくい。

以下に、図１４および図１５を用いて、図１３（Ｂ）に示すトランジスタの作製方法を示
す。

なお、図１４（Ａ）に示す、基板１００上に下地絶縁膜１０２が設けられ、下地絶縁膜１
０２上に酸化物半導体膜３３６が成膜されるまでの作製方法については、実施の形態１お
よび実施の形態３に示した説明を参照する。

次に、酸化物半導体膜３３６を加工し、島状の酸化物半導体膜４５７を形成する（図１４
（Ｂ）参照。）。

次に、ゲート絶縁膜４６３を成膜する。

次に、導電膜４５５を成膜する（図１４（Ｃ）参照。）。

次に、導電膜４５５およびゲート絶縁膜４６３を加工し、ゲート電極４５４およびゲート
絶縁膜４６２を形成する（図１５（Ａ）参照。）。なお、ゲート絶縁膜４６２は、ゲート
電極４５４の加工に用いたレジストマスクを用いて加工してもよいし、該レジストマスク
を除去した後に、ゲート電極４５４をマスクに用いて加工してもよい。このようにして酸
化物半導体膜４５７の表面の一部を露出する。

次に、酸化物半導体膜４５７の表面近傍および側面近傍に金属元素の濃度勾配を形成する
処理を行う。例えば、減圧処理、加熱処理、プラズマ処理または薬液処理で行えばよく、
好ましくは減圧状態で加熱処理を行う。

酸化物半導体膜４５７の表面近傍および側面近傍に金属元素の濃度勾配を形成する処理は
酸化物半導体膜４５７の露出後（ゲート絶縁膜４６２の形成後）、大気に暴露せずに行っ
てもよい。例えば、ドライエッチング装置の処理室で酸化物半導体膜４５７の露出後、０
．５分以上１２０分以下、好ましくは１分以上６０分以下の時間、基板１００を処理室に
保持することで減圧処理を兼ねても構わない。

または、ゲート絶縁膜４６２の形成時の基板温度を１００℃以上４００℃以下、好ましく
は１５０℃以上３５０℃以下とすることで、酸化物半導体膜４５７の露出後、大気に暴露
せずに減圧状態で加熱処理を行うことが可能となる。具体的には、酸化物半導体膜４５７
の露出後、０．５分以上１２０分以下、好ましくは１分以上６０分以下の時間、基板１０
０を処理室に保持すればよい。

または酸化物半導体膜４５７の露出後、ゲート絶縁膜４６２を形成した装置にて、減圧処
理、加熱処理またはプラズマ処理を行ってもよい。

このように、酸化物半導体膜４５７の表面近傍および側面近傍に金属元素の濃度勾配を形
成する処理を、大気に暴露せずに行うことで、コストの低減および生産性の向上が可能と
なる。

加熱処理は、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、好ましくは１％以上、さ
らに好ましくは１０％以上含む雰囲気、または減圧状態において、５０℃以上６５０℃以
下、好ましくは１００℃以上４５０℃以下の温度で行う。

加熱処理によって、酸化物半導体膜４５７の表面近傍のＩｎの濃度を高めることができる
。

酸化物半導体膜４５７として、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ−Ｏ系材料を用いる場合、加熱処理によっ
てＺｎが脱離し濃度が低くなる。その結果、相対的にＩｎの濃度を高めることができる。

また、金属元素Ｍの濃度は、酸化物半導体膜４５７の成膜条件、金属元素Ｍの種類または
／および加熱処理の条件によって、高まることも、低まることもある。

このように、酸化物半導体膜４５７の表面近傍および側面近傍に金属元素の濃度勾配を形
成する処理を行うことで、第１の層４５６ａおよび第２の層４５６ｂを有する酸化物半導
体膜４５６を形成する（図１５（Ｂ）参照。）。

ここで、第１の層４５６ａは、酸化物半導体膜４５７と同様の原子数比の層である。また
、第２の層４５６ｂは、酸化物半導体膜４５７よりもＩｎの濃度が高い層である。なお、
第２の層４５６ｂは、表面側および側面側ほどＩｎの濃度が高く、表面から１５ｎｍ、１
０ｎｍまたは５ｎｍの範囲でＩｎの濃度勾配を有する。

なお、加熱処理によって、下地絶縁膜１０２から酸化物半導体膜４５７へ酸素を供給する
と好ましい。その場合、下地絶縁膜１０２として、加熱処理により酸素を放出する絶縁膜
を設ければよい。加熱処理により酸素を放出する絶縁膜を設けるためには、実施の形態１
で示したゲート絶縁膜１１２の成膜方法を参照すればよい。

なお、図に示さないが、次に、ゲート電極４５４をマスクとし、酸化物半導体膜４５６に
不純物を添加しても構わない。不純物は、酸化物半導体膜を低抵抗化する不純物である。
なお、その方法は、イオン注入法、イオンドーピング法で行えばよい。または、酸化物半
導体膜を低抵抗化する不純物を含む雰囲気でのプラズマ処理もしくは加熱処理を行えばよ
い。好ましくはイオン注入法を用いる。なお、イオン注入法にて酸化物半導体膜を低抵抗
化する不純物を添加した後、加熱処理を行ってもよい。当該酸化物半導体膜への不純物の
添加は、酸化物半導体膜４５７の表面近傍および側面近傍に金属元素の濃度勾配を形成す
る処理の前に行っても構わない。その場合、酸化物半導体膜４５７の表面近傍および側面
近傍に金属元素の濃度勾配を形成するための加熱処理により、当該酸化物半導体膜への不
純物添加後の加熱処理を兼ねることもできる。

次に、酸化物半導体膜４５６の第２の層４５６ｂを露出する開口部を有する保護絶縁膜４
６８を形成する。

次に、保護絶縁膜４６８、および露出された酸化物半導体膜４５６上に、一対の電極４６
６を形成する（図１５（Ｃ）参照。）。

以上のようにして、図１３（Ｂ）に示すトランジスタを作製すればよい。

図１３（Ｂ）に示すトランジスタは、酸化物半導体膜４５６において、第１の層４５６ａ
と第２の層４５６ｂとの間でキャリアの移動が阻害されにくく、高いオン特性を得ること
ができる。

また、酸化物半導体膜の導電率を高めるために酸化物半導体膜中の金属元素の原子数比を
調整していることにより、作製したトランジスタにおいて、酸化物半導体膜中の原子数比
は、容易に変動し得ない。そのため、当該トランジスタは、長期的に安定な電気特性が得
られる。

本実施の形態により、ソース領域およびドレイン領域の導電率が高く、オン特性に優れ、
信頼性の高いトランジスタを、低いコストで生産性高く提供することができる。

なお、本実施の形態は適宜他の実施の形態と組み合わせて用いることができる。

（実施の形態５）
本実施の形態では実施の形態１乃至実施の形態４のいずれかに示すトランジスタを用いて
作製した液晶表示装置について説明する。なお、本実施の形態では液晶表示装置に本発明
の一形態を適用した例について説明するが、これに限定されるものではない。例えば、発
光装置の一つであるＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）表示装置に本発
明の一形態を適用することも、当業者であれば容易に想到し得るものである。

図１６にアクティブマトリクス駆動方式の液晶表示装置の回路図を示す。液晶表示装置は
、ソース線ＳＬ＿１乃至ＳＬ＿ａ、ゲート線ＧＬ＿１乃至ＧＬ＿ｂおよび複数の画素２２
００を有する。画素２２００は、トランジスタ２２３０と、キャパシタ２２２０と、液晶
素子２２１０と、を含む。こうした画素２２００が複数集まって液晶表示装置の画素部を
構成する。なお、単にソース線またはゲート線を指す場合には、ソース線ＳＬまたはゲー
ト線ＧＬと記載することもある。

トランジスタ２２３０は、実施の形態１乃至実施の形態４のいずれかに示すトランジスタ
を用いる。実施の形態１乃至実施の形態４に示すトランジスタは電気的特性が良好な酸化
物半導体を用いたトランジスタであるため、表示品位の高い表示装置を得ることができる
。

ゲート線ＧＬはトランジスタ２２３０のゲートと接続し、ソース線ＳＬはトランジスタ２
２３０のソースと接続し、トランジスタ２２３０のドレインは、キャパシタ２２２０の一
方の容量電極および液晶素子２２１０の一方の画素電極と接続する。キャパシタ２２２０
の他方の容量電極および液晶素子２２１０の他方の画素電極は、共通電極と接続する。な
お、共通電極はゲート線ＧＬと同一層かつ同一材料で設けてもよい。

また、ゲート線ＧＬは、ゲート駆動回路と接続される。ゲート駆動回路は、実施の形態１
乃至実施の形態４のいずれかに示すトランジスタを含んでもよい。

また、ソース線ＳＬは、ソース駆動回路と接続される。ソース駆動回路は、実施の形態１
乃至実施の形態４のいずれかに示すトランジスタを含んでもよい。

なお、ゲート駆動回路およびソース駆動回路のいずれかまたは両方を、別途用意された基
板上に形成し、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）、ワイヤボンディング、またはＴ
ＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）などの方法を用いて接続しても
よい。

また、トランジスタは静電気などにより破壊されやすいため、保護回路を設けることが好
ましい。保護回路は、非線形素子を用いて構成することが好ましい。

ゲート線ＧＬにトランジスタ２２３０のしきい値電圧以上になるように電圧を印加すると
、ソース線ＳＬから供給された電荷がトランジスタ２２３０のドレイン電流となってキャ
パシタ２２２０に蓄積される。１行分の充電後、該行にあるトランジスタ２２３０はオフ
状態となり、ソース線ＳＬから電圧が掛からなくなるが、キャパシタ２２２０に蓄積され
た電荷によって必要な電圧を維持することができる。その後、次の行のキャパシタ２２２
０の充電に移る。このようにして、１行からｂ行の充電を行う。ドレイン電流は、トラン
ジスタにおいてソースからチャネルを介してドレインに流れる電流のことである。ドレイ
ン電流はゲート電圧がしきい値電圧よりも大きいときに流れる。

なお、トランジスタ２２３０はオフ電流が小さい。そのため、動きの少ない画像（静止画
を含む。）では、表示の書き換え周波数を低減でき、さらなる消費電力の低減が可能とな
る。また、キャパシタ２２２０の容量をさらに小さくすることが可能となるため、充電に
必要な消費電力を低減することができる。

また、トランジスタ２２３０はトランジスタの動作に起因する電気特性の変動が小さいた
め、信頼性の高い液晶表示装置を得ることができる。

以上のように、本発明の一態様によって、表示品位が高く、消費電力の小さい液晶表示装
置を提供することができる。

本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。

（実施の形態６）
本実施の形態では、実施の形態１乃至実施の形態４のいずれかに示すトランジスタを用い
て、半導体記憶装置を作製する例について説明する。

揮発性半導体記憶装置の代表的な例としては、記憶素子を構成するトランジスタを選択し
てキャパシタに電荷を蓄積することで、情報を記憶するＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａ
ｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、フリップフロップなどの回路を用いて記憶内
容を保持するＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）が
ある。

不揮発性半導体記憶装置の代表例としては、トランジスタのゲートとチャネル領域との間
にノードを有し、当該ノードに電荷を保持することで記憶を行うフラッシュメモリがある
。

上述した半導体記憶装置に含まれるトランジスタの一部に実施の形態１乃至実施の形態４
のいずれかに示すトランジスタを適用することができる。

まずは、実施の形態１乃至実施の形態４のいずれかに示すトランジスタを適用したＤＲＡ
Ｍについて図１７を用いて説明する。

ＤＲＡＭは、ビット線ＢＬと、ワード線ＷＬと、センスアンプＳＡｍｐと、トランジスタ
Ｔｒと、キャパシタＣと、を有する（図１７（Ａ）参照。）。

キャパシタＣに保持された電圧の時間変化は、トランジスタＴｒのオフ電流によって図１
７（Ｂ）に示すように徐々に低減していくことが知られている。当初Ｖ０からＶ１まで充
電された電圧は、時間が経過するとｄａｔａ１を読み出す限界点であるＶＡまで低減する
。この期間を保持期間Ｔ＿１とする。即ち、２値ＤＲＡＭの場合、保持期間Ｔ＿１の間に
リフレッシュをする必要がある。

ここで、トランジスタＴｒに実施の形態１乃至実施の形態４のいずれかに示すトランジス
タを適用すると、オフ電流が小さいため、保持期間Ｔ＿１を長くすることができる。即ち
、リフレッシュの頻度を少なくすることが可能となるため、消費電力を低減することがで
きる。例えば、オフ電流が１×１０^−２１Ａ以下、好ましくは１×１０^−２４Ａ以下とな
った酸化物半導体膜を用いたトランジスタでＤＲＡＭを構成すると、電力を供給せずに数
日間から数十年間に渡ってデータを保持することが可能となる。

また、トランジスタＴｒに実施の形態１乃至実施の形態４のいずれかに示すトランジスタ
を適用すると、該トランジスタはトランジスタの動作に起因する電気特性の変動が小さい
ため、信頼性の高い半導体記憶装置を得ることができる。

以上のように、本発明の一態様によって、信頼性が高く、消費電力の小さいＤＲＡＭを得
ることができる。

次に、実施の形態１乃至実施の形態４のいずれかに示すトランジスタを適用した不揮発性
メモリについて図１８を用いて説明する。

図１８（Ａ）は、不揮発性メモリの回路図である。不揮発性メモリは、トランジスタＴｒ
＿１と、トランジスタＴｒ＿１のゲートと接続するワード線ＷＬ＿１と、トランジスタＴ
ｒ＿１のソースと接続するソース配線ＳＬ＿１と、トランジスタＴｒ＿２と、トランジス
タＴｒ＿２のソースと接続するソース配線ＳＬ＿２と、トランジスタＴｒ＿２のドレイン
と接続するドレイン配線ＤＬ＿２と、キャパシタＣと、キャパシタＣの一端と接続する容
量配線ＣＬと、キャパシタＣの他端、トランジスタＴｒ＿１のドレインおよびトランジス
タＴｒ＿２のゲートと接続するノードＮと、を有する。

なお、本実施の形態に示す不揮発性メモリは、ノードＮの電位に応じて、トランジスタＴ
ｒ＿２のしきい値電圧が変動することを利用したものである。例えば、図１８（Ｂ）は容
量配線ＣＬの電圧Ｖ_ＣＬと、トランジスタＴｒ＿２を流れるドレイン電流Ｉ_ｄ＿２との関
係を説明する図である。

ここで、ノードＮは、トランジスタＴｒ＿１を介して電圧を調整することができる。例え
ば、ＳＬ＿１の電位をＶＤＤとする。このとき、ＷＬ＿１の電位をＴｒ＿１のしきい値電
圧ＶｔｈにＶＤＤを加えた電位以上とすることで、ノードＮの電圧をＨＩＧＨにすること
ができる。また、ＷＬ＿１の電位をＴｒ＿１のしきい値電圧Ｖｔｈ以下とすることで、ノ
ードＮの電位をＬＯＷにすることができる。

そのため、Ｎ＝ＬＯＷで示したＶ_ＣＬ−Ｉ_ｄ＿２カーブと、Ｎ＝ＨＩＧＨで示したＶ_ＣＬ
−Ｉ_ｄ＿２カーブのいずれかを得ることができる。即ち、Ｎ＝ＬＯＷでは、Ｖ_ＣＬ＝０Ｖ
にてＩ_ｄ＿２が小さいため、データ０となる。また、Ｎ＝ＨＩＧＨでは、Ｖ_ＣＬ＝０Ｖに
てＩ_ｄ＿２が大きいため、データ１となる。このようにして、データを記憶することがで
きる。

ここで、トランジスタＴｒ＿１に実施の形態１乃至実施の形態４のいずれかに示すトラン
ジスタを適用すると、該トランジスタはオフ電流を極めて小さくすることができるため、
ノードＮに蓄積された電荷がトランジスタＴｒ＿１のソースおよびドレイン間を意図せず
にリークすることを抑制できる。そのため、長期間に渡ってデータを保持することができ
る。また、本発明の一態様を用いることでトランジスタＴｒ＿１のしきい値電圧が調整さ
れるため、書き込みに必要な電圧を低減することが可能となり、フラッシュメモリなどと
比較して消費電力を低減することができる。

また、トランジスタＴｒ＿１に実施の形態１乃至実施の形態４のいずれかに示すトランジ
スタを適用すると、該トランジスタはトランジスタの動作に起因する電気特性の変動が小
さいため、信頼性の高い半導体記憶装置を得ることができる。

なお、トランジスタＴｒ＿２に、実施の形態１乃至実施の形態４のいずれかに示すトラン
ジスタを適用しても構わない。

以上のように、本発明の一態様によって、長期間の信頼性が高く、消費電力の小さく、集
積度の高い半導体記憶装置を得ることができる。

本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。

（実施の形態７）
実施の形態１乃至実施の形態４のいずれかに示すトランジスタまたは実施の形態６に示し
た半導体記憶装置を少なくとも一部に用いてＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉ
ｎｇ Ｕｎｉｔ）を構成することができる。

図１９（Ａ）は、ＣＰＵの具体的な構成を示すブロック図である。図１９（Ａ）に示すＣ
ＰＵは、基板１１９０上に、演算回路（ＡＬＵ：Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ ｌｏｇｉｃ ｕ
ｎｉｔ）１１９１、ＡＬＵコントローラ１１９２、インストラクションデコーダ１１９３
、インタラプトコントローラ１１９４、タイミングコントローラ１１９５、レジスタ１１
９６、レジスタコントローラ１１９７、バスインターフェース（Ｂｕｓ Ｉ／Ｆ）１１９
８、書き換え可能なＲＯＭ１１９９、およびＲＯＭインターフェース（ＲＯＭ Ｉ／Ｆ）
１１８９を有している。基板１１９０は、半導体基板、ＳＯＩ基板、ガラス基板などを用
いる。ＲＯＭ１１９９およびＲＯＭインターフェース１１８９は、別チップに設けてもよ
い。もちろん、図１９（Ａ）に示すＣＰＵは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず
、実際のＣＰＵはその用途によって多種多様な構成を有している。

バスインターフェース１１９８を介してＣＰＵに入力された命令は、インストラクション
デコーダ１１９３に入力され、デコードされた後、ＡＬＵコントローラ１１９２、インタ
ラプトコントローラ１１９４、レジスタコントローラ１１９７、タイミングコントローラ
１１９５に入力される。

ＡＬＵコントローラ１１９２、インタラプトコントローラ１１９４、レジスタコントロー
ラ１１９７、タイミングコントローラ１１９５は、デコードされた命令に基づき、各種制
御を行なう。具体的にＡＬＵコントローラ１１９２は、ＡＬＵ１１９１の動作を制御する
ための信号を生成する。また、インタラプトコントローラ１１９４は、ＣＰＵのプログラ
ム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク
状態から判断し、処理する。レジスタコントローラ１１９７は、レジスタ１１９６のアド
レスを生成し、ＣＰＵの状態に応じてレジスタ１１９６の読み出しや書き込みを行なう。

また、タイミングコントローラ１１９５は、ＡＬＵ１１９１、ＡＬＵコントローラ１１９
２、インストラクションデコーダ１１９３、インタラプトコントローラ１１９４、および
レジスタコントローラ１１９７の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタ
イミングコントローラ１１９５は、基準クロック信号ＣＬＫ１を元に、内部クロック信号
ＣＬＫ２を生成する内部クロック生成部を備えており、クロック信号ＣＬＫ２を上記各種
回路に供給する。

図１９（Ａ）に示すＣＰＵでは、レジスタ１１９６に、記憶素子が設けられている。レジ
スタ１１９６の記憶素子には、実施の形態６に示す半導体記憶装置を用いることができる
。

図１９（Ａ）に示すＣＰＵにおいて、レジスタコントローラ１１９７は、ＡＬＵ１１９１
からの指示に従い、レジスタ１１９６における保持動作を行う。即ち、レジスタ１１９６
が有する記憶素子において、位相反転素子によるデータの保持を行うか、キャパシタによ
るデータの保持を行う。位相反転素子によってデータが保持されている場合、レジスタ１
１９６内の記憶素子への、電源電圧の供給が行われる。キャパシタによってデータが保持
されている場合、キャパシタへのデータの書き換えが行われ、レジスタ１１９６内の記憶
素子への電源電圧の供給を停止することができる。

電源停止に関しては、図１９（Ｂ）または図１９（Ｃ）に示すように、記憶素子群と、電
源電位ＶＤＤまたは電源電位ＶＳＳの与えられているノード間に、スイッチング素子を設
けることにより行うことができる。以下に図１９（Ｂ）および図１９（Ｃ）の回路の説明
を行う。

図１９（Ｂ）および図１９（Ｃ）では、記憶素子への電源電位の供給を制御するスイッチ
ング素子に実施の形態１乃至実施の形態４のいずれかに示すトランジスタ用いた構成の一
例を示す。

図１９（Ｂ）に示す記憶装置は、スイッチング素子１１４１と、記憶素子１１４２を複数
有する記憶素子群１１４３とを有している。具体的に、それぞれの記憶素子１１４２には
、実施の形態６に示す半導体記憶装置を用いることができる。記憶素子群１１４３が有す
るそれぞれの記憶素子１１４２には、スイッチング素子１１４１を介して、ハイレベルの
電源電位ＶＤＤが供給されている。さらに、記憶素子群１１４３が有するそれぞれの記憶
素子１１４２には、信号ＩＮの電位と、ローレベルの電源電位ＶＳＳの電位が与えられて
いる。

図１９（Ｂ）では、スイッチング素子１１４１として、酸化物半導体などのバンドギャッ
プの大きい半導体を活性層に有するトランジスタを用いており、該トランジスタは、その
ゲートに与えられる信号ＳｉｇＡによりスイッチングが制御される。

なお、図１９（Ｂ）では、スイッチング素子１１４１がトランジスタを一つだけ有する構
成を示しているが、これに限定されず、トランジスタを複数有していてもよい。スイッチ
ング素子１１４１が、スイッチング素子として機能するトランジスタを複数有している場
合、上記複数のトランジスタは並列に接続されていてもよいし、直列に接続されていても
よいし、直列と並列が組み合わされて接続されていてもよい。

また、図１９（Ｃ）には、記憶素子群１１４３が有するそれぞれの記憶素子１１４２に、
スイッチング素子１１４１を介して、ローレベルの電源電位ＶＳＳが供給されている、記
憶装置の一例を示す。スイッチング素子１１４１により、記憶素子群１１４３が有するそ
れぞれの記憶素子１１４２への、ローレベルの電源電位ＶＳＳの供給を制御することがで
きる。

記憶素子群と、電源電位ＶＤＤまたは電源電位ＶＳＳの与えられているノード間に、スイ
ッチング素子を設け、一時的にＣＰＵの動作を停止し、電源電圧の供給を停止した場合に
おいてもデータを保持することが可能であり、消費電力の低減を行うことができる。例え
ば、パーソナルコンピュータのユーザーが、キーボードなどの入力装置への情報の入力を
停止している間でも、ＣＰＵの動作を停止することができ、それにより消費電力を低減す
ることができる。

ここでは、ＣＰＵを例に挙げて説明したが、ＤＳＰ（Ｄｅｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐ
ｒｏｃｅｓｓｏｒ）、カスタムＬＳＩ、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌ
ｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）などのＬＳＩにも応用可能である。

本実施の形態は、上記実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。

（実施の形態８）
本実施の形態では、実施の形態１乃至実施の形態７の少なくともいずれかを適用した電子
機器の例について説明する。

図２０（Ａ）は携帯型情報端末である。図２０（Ａ）に示す携帯型情報端末は、筐体９３
００と、ボタン９３０１と、マイクロフォン９３０２と、表示部９３０３と、スピーカ９
３０４と、カメラ９３０５と、を具備し、携帯型電話機としての機能を有する。本発明の
一形態は、表示部９３０３およびカメラ９３０５に適用することができる。また、図示し
ないが、本体内部にある演算装置、無線回路または記憶回路に本発明の一形態を適用する
こともできる。

図２０（Ｂ）は、ディスプレイである。図２０（Ｂ）に示すディスプレイは、筐体９３１
０と、表示部９３１１と、を具備する。本発明の一態様は、表示部９３１１に適用するこ
とができる。本発明の一形態を適用することで、表示部９３１１のサイズを大きくしたと
きにも表示品位の高いディスプレイとすることができる。

図２０（Ｃ）は、デジタルスチルカメラである。図２０（Ｃ）に示すデジタルスチルカメ
ラは、筐体９３２０と、ボタン９３２１と、マイクロフォン９３２２と、表示部９３２３
と、を具備する。本発明の一形態は、表示部９３２３に適用することができる。また、図
示しないが、記憶回路またはイメージセンサに本発明の一形態を適用することもできる。

図２０（Ｄ）は２つ折り可能な携帯情報端末である。図２０（Ｄ）に示す２つ折り可能な
携帯情報端末は、筐体９６３０、表示部９６３１ａ、表示部９６３１ｂ、留め具９６３３
、操作スイッチ９６３８、を有する。本発明の一形態は、表示部９６３１ａおよび表示部
９６３１ｂに適用することができる。また、図示しないが、本体内部にある演算装置、無
線回路または記憶回路に本発明の一形態を適用することもできる。

なお、表示部９６３１ａまたは／および表示部９６３１ｂは、一部または全部をタッチパ
ネルとすることができ、表示された操作キーに触れることでデータ入力などを行うことが
できる。

本発明の一態様に係る半導体装置を用いることで、電子機器の性能を高め、かつ信頼性を
高めることができる。

本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。

本実施例では、ガラス上に設けられた酸化物半導体膜から、減圧状態における加熱処理に
よりＺｎが脱離することを確認するために、ＴＤＳによる放出量評価を行った。なお、Ｔ
ＤＳによる放出量評価は、電子科学株式会社製の昇温脱離分析装置ＥＭＤ−ＷＡ１０００
Ｓ／Ｗを用いた。

ＴＤＳを行った試料の作製方法について以下に説明する。

まずは、ガラス基板を準備した。

次に、ガラス基板上に酸化物半導体膜を成膜した。

酸化物半導体膜は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［
原子数比］）を用いたスパッタリング法により５０ｎｍの厚さで成膜した。そのほかの成
膜条件は、成膜電力を５００Ｗ（ＤＣ）とし、Ａｒを３０ｓｃｃｍおよびＯ_２を１５ｓｃ
ｃｍ流し、処理室の圧力を０．４Ｐａとした。

ここで、酸化物半導体膜の成膜時の基板温度を室温または２００℃とした。

次に、試料を１辺が１０ｍｍの正方形状に分断した。

以上のようにして作製した１０ｍｍ角の試料に対し、ＴＤＳによる放出量評価を行った。
なお、図２１に、ＴＤＳによる放出量評価時の基板表面温度とＭ／ｚが６４（Ｚｎに相当
）の検出量の関係を示す。ここで、図２１（Ａ）は、酸化物半導体膜の成膜時の基板温度
が室温の試料のＴＤＳ結果を示し、図２１（Ｂ）は、酸化物半導体膜の成膜時の基板温度
が２００℃の試料のＴＤＳ結果を示す。

図２１に示すように、基板表面温度の増大に伴い、酸化物半導体膜に含まれるＺｎが脱離
していくことがわかった。特に、基板表面温度が３００℃以上では、酸化物半導体膜に含
まれるＺｎの脱離が顕著になった。Ｚｎが脱離することにより、酸化物半導体膜中のＺｎ
の濃度が低くなり、相対的にＩｎの濃度が高くなることがわかる。

また、酸化物半導体膜の成膜時の基板温度が室温の試料（図２１（Ａ）参照。）と２００
℃の試料（図２１（Ｂ）参照。）と、を比較すると、成膜時の基板温度が２００℃の試料
において、Ｚｎの脱離量が大きいことがわかった。Ｚｎの脱離量が大きいということは、
それだけ酸化物半導体膜中のＺｎの濃度が低くなり、相対的にＩｎの濃度が高くなるとい
える。

本実施例では、減圧処理または／および加熱処理による、ガラス上に設けられた酸化物半
導体膜の原子数比の変化を、ＳＩＭＳによって評価した。ＳＩＭＳには、アルバック・フ
ァイ株式会社製四重極型二次イオン質量分析装置ＰＨＩ ＡＤＥＰＴ１０１０を用いた。
なお、Ｃｓ^＋を一次イオンとして照射した。

ＳＩＭＳを行った試料の作製方法について以下に説明する。

まずは、ガラス基板を準備した。

次に、ガラス基板上に酸化物半導体膜を成膜した。

酸化物半導体膜は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［
原子数比］）を用いたスパッタリング法により１００ｎｍの厚さで成膜した。そのほかの
成膜条件は、成膜電力を５００Ｗ（ＤＣ）とし、Ａｒを３０ｓｃｃｍおよびＯ_２を１５ｓ
ｃｃｍ流し、処理室の圧力を０．４Ｐａとした。

ここで、酸化物半導体膜の成膜時の基板温度を室温または２００℃とした。

なお、酸化物半導体膜を室温で成膜した試料は、酸化物半導体膜の成膜後、室温かつ５×
１０^−５Ｐａ以下の減圧状態で１０分間以上保持した。

同様に、酸化物半導体膜を２００℃の基板温度で成膜した試料は、基板温度を２００℃、
圧力を４×１０^−４Ｐａ以下の減圧状態に１５秒間保持した後、室温かつ５×１０^−５Ｐ
ａ以下の減圧状態で１０分間以上保持した。

以上のようにして作製した試料に対し、ＳＩＭＳによる質量数が１１５（^１１５Ｉｎに相
当。以下Ｉｎと表記する。）、質量数が８４（^６６Ｚｎおよび^１６Ｏに相当。以下Ｚｎ＋
Ｏと表記する。）、質量数が７１（^７１Ｇａに相当。以下Ｇａと表記する。）、質量数が
１６（^１６Ｏに相当。以下Ｏと表記する。）の二次イオン強度の深さ方向分析を行った。
なお、図２２は、酸化物半導体膜を室温で成膜した試料のＳＩＭＳ結果を示し、図２３は
、酸化物半導体膜を２００℃の基板温度で成膜した試料のＳＩＭＳ結果を示す。

ここで、深さとは、試料表面を基準としたときの深さをいう。

図２２より、Ｉｎ、Ｚｎ＋ＯおよびＧａにおける深さ１２ｎｍ程度と深さ２ｎｍ程度（表
面近傍）の二次イオン強度を比較した。Ｉｎは、深さ１１．７９ｎｍにおける二次イオン
強度は５９４２個／秒であったが、深さ２．０６ｎｍにおける二次イオン強度は９５０３
個／秒と大きい値であった。同様に、Ｚｎ＋Ｏは、深さ１１．６８ｎｍにおける二次イオ
ン強度は２２０８６７個／秒であったが、深さ１．９５ｎｍにおける二次イオン強度は８
３８１７個／秒と小さい値であった。同様に、Ｇａは、深さ１１．５９ｎｍにおける二次
イオン強度は１２２４個／秒であったが、深さ１．８６ｎｍにおける二次イオン強度は５
９３個／秒と小さい値であった。

従って、酸化物半導体膜を室温で成膜し、その後、５×１０^−５Ｐａ以下の減圧状態で１
０分間以上保持した試料は、基板表面近傍で金属元素の濃度勾配を有することがわかった
。具体的には、基板表面近傍の深さ２ｎｍ程度の二次イオン強度と、深さ１２ｎｍ程度の
二次イオン強度を比較すると、Ｉｎは基板表面近傍で濃度が高く、Ｚｎは基板表面近傍で
濃度が低く、かつＧａは基板表面近傍で濃度が低くなることがわかった。

また、図２３より、Ｉｎ、Ｚｎ＋ＯおよびＧａにおける深さ１５ｎｍ程度と深さ５ｎｍ程
度（表面近傍）の二次イオン強度を比較した。Ｉｎは、深さ１５．０ｎｍにおける二次イ
オン強度は５０８４個／秒であったが、深さ５．０１ｎｍにおける二次イオン強度は１３
９１９個／秒と大きい値であった。同様に、Ｚｎ＋Ｏは、深さ１４．９ｎｍにおける二次
イオン強度は１８８９６９個／秒であったが、深さ４．８９ｎｍにおける二次イオン強度
は２６５７１個／秒と特に小さい値であった。同様に、Ｇａは、深さ１４．８ｎｍにおけ
る二次イオン強度は１１０９個／秒であったが、深さ４．７８ｎｍにおける二次イオン強
度は１３７８個／秒とやや大きい値であった。

従って、酸化物半導体膜を２００℃の基板温度で成膜し、その後、基板温度を２００℃、
圧力を４×１０^−４Ｐａ以下の減圧状態に１５秒間保持した後、５×１０^−５Ｐａ以下の
減圧状態で１０分間以上保持した試料は、基板表面近傍で金属元素の濃度勾配を有するこ
とがわかった。具体的には、基板表面近傍の深さ５ｎｍ程度の二次イオン強度と、深さ１
５ｎｍ程度の二次イオン強度を比較すると、Ｉｎは基板表面近傍で濃度が高く、Ｚｎは基
板表面近傍で濃度が特に低く、かつＧａは基板表面近傍で濃度がやや高くなることがわか
った。

なお、図２２および図２３において、基板表面近傍とした深さが異なるが、これはＯの二
次イオン強度が大きく変化する深さからおおよその基板表面を決定し、そこを基準として
いるためである。

以上に示すように、本実施例で評価した試料である酸化物半導体膜中の金属元素は、表面
近傍において濃度勾配を有することがわかった。一方、表面から１５ｎｍ以上の深さにお
いては、濃度勾配はほとんど見られないことがわかった。

本実施例より、酸化物半導体膜の成膜後、減圧処理または／および加熱処理を行うことで
、酸化物半導体膜の表面近傍のＩｎの濃度が高まることがわかる。

１００ 基板
１０２ 下地絶縁膜
１０４ ゲート電極
１０６ 酸化物半導体膜
１０６ａ 第１の層
１０６ｂ 第２の層
１０７ 酸化物半導体膜
１０７ａ 第１の層
１０７ｂ 第２の層
１１２ ゲート絶縁膜
１１６ 電極
１１７ 導電膜
１１８ 保護絶縁膜
１３６ 酸化物半導体膜
１３７ 酸化物半導体膜
１３７ａ 第１の層
１３７ｂ 第２の層
２０６ 酸化物半導体膜
２０６ａ 第１の層
２０６ｂ 第２の層
２１４ 保護絶縁膜
２１５ 保護絶縁膜
２１６ 電極
２３６ 酸化物半導体膜
３０４ ゲート電極
３０６ 酸化物半導体膜
３０６ａ 第１の層
３０６ｂ 第２の層
３０７ 酸化物半導体膜
３０７ａ 第１の層
３０７ｂ 第２の層
３１２ ゲート絶縁膜
３１６ 電極
３１７ 導電膜
３３６ 酸化物半導体膜
３３７ 酸化物半導体膜
３３７ａ 第１の層
３３７ｂ 第２の層
４０４ ゲート電極
４０５ 導電膜
４０６ 酸化物半導体膜
４０６ａ 第１の層
４０６ｂ 第２の層
４１２ ゲート絶縁膜
４１３ ゲート絶縁膜
４１６ 電極
４１８ 保護絶縁膜
４３６ 酸化物半導体膜
４３６ａ 第１の層
４３６ｂ 第２の層
４５４ ゲート電極
４５５ 導電膜
４５６ 酸化物半導体膜
４５６ａ 第１の層
４５６ｂ 第２の層
４５７ 酸化物半導体膜
４６２ ゲート絶縁膜
４６３ ゲート絶縁膜
４６６ 電極
４６８ 保護絶縁膜
１１４１ スイッチング素子
１１４２ 記憶素子
１１４３ 記憶素子群
１１８９ ＲＯＭインターフェース
１１９０ 基板
１１９１ ＡＬＵ
１１９２ ＡＬＵコントローラ
１１９３ インストラクションデコーダ
１１９４ インタラプトコントローラ
１１９５ タイミングコントローラ
１１９６ レジスタ
１１９７ レジスタコントローラ
１１９８ バスインターフェース
１１９９ ＲＯＭ
２２００ 画素
２２１０ 液晶素子
２２２０ キャパシタ
２２３０ トランジスタ
９３００ 筐体
９３０１ ボタン
９３０２ マイクロフォン
９３０３ 表示部
９３０４ スピーカ
９３０５ カメラ
９３１０ 筐体
９３１１ 表示部
９３２０ 筐体
９３２１ ボタン
９３２２ マイクロフォン
９３２３ 表示部
９６３０ 筐体
９６３１ａ 表示部
９６３１ｂ 表示部
９６３３ 留め具
９６３８ 操作スイッチ

Claims (3)

1. Ｉｎを含む酸化物半導体膜であって、
   表面に近いほどＩｎの濃度が高くなる領域を有することを特徴とする酸化物半導体膜。
2. Ｚｎを含む請求項１に記載の酸化物半導体膜であって、
   前記表面に近いほどＩｎの濃度が高くなる領域において、表面に近いほどＺｎの濃度が低くなることを特徴とする酸化物半導体膜。
3. Ｇａを含む請求項１又は請求項２に記載の酸化物半導体膜であって、
   前記表面に近いほどＩｎの濃度が高くなる領域において、表面に近いほどＧａの濃度が低くなることを特徴とする酸化物半導体膜。

Images