JP2018014408A - 酸化物半導体の評価方法、半導体装置及びその作製方法 - Google Patents
酸化物半導体の評価方法、半導体装置及びその作製方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2018014408A JP2018014408A JP2016143073A JP2016143073A JP2018014408A JP 2018014408 A JP2018014408 A JP 2018014408A JP 2016143073 A JP2016143073 A JP 2016143073A JP 2016143073 A JP2016143073 A JP 2016143073A JP 2018014408 A JP2018014408 A JP 2018014408A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- oxide semiconductor
- insulator
- transistor
- conductor
- oxide
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Landscapes
- Thin Film Transistor (AREA)
- Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)
Abstract
【課題】トランジスタ作製工程途中で酸化物半導体のキャリア密度を評価する方法を提供する。できる。または、トランジスタのしきい値電圧のマイナスシフトを抑制する。または、トランジスタのオン電流を向上する。または、トランジスタの電界効果移動度を向上する。
【解決手段】基板と、基板上に形成した酸化物半導体と、を有する試料を、マイクロ波光導電減衰法で測定し、マイクロ波の反射強度のピーク値及びライフタイムを算出し、ピーク値及びライフタイムから酸化物半導体のキャリア密度を算出することを特徴とする酸化物半導体の評価方法である。
【選択図】図３３
【解決手段】基板と、基板上に形成した酸化物半導体と、を有する試料を、マイクロ波光導電減衰法で測定し、マイクロ波の反射強度のピーク値及びライフタイムを算出し、ピーク値及びライフタイムから酸化物半導体のキャリア密度を算出することを特徴とする酸化物半導体の評価方法である。
【選択図】図３３
Description
本発明は、例えば、絶縁膜、トランジスタ及び半導体装置に関する。または、本発明は、例えば、絶縁膜、トランジスタ及び半導体装置の評価方法に関する。または、本発明は、例えば、絶縁膜、トランジスタ及び半導体装置の製造方法に関する。または、本発明は、例えば、絶縁膜、表示装置、発光装置、照明装置、蓄電装置、記憶装置、プロセッサ、電子機器に関する。または、絶縁膜、表示装置、液晶表示装置、発光装置、記憶装置、電子機器の製造方法に関する。または、半導体装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、記憶装置、電子機器の駆動方法に関する。
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関するものである。
なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。表示装置、発光装置、照明装置、電気光学装置、半導体回路及び電子機器は、半導体装置を有する場合がある。
絶縁表面を有する基板上の半導体膜を用いて、トランジスタを構成する技術が注目されている。当該トランジスタは集積回路や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が知られている。
トランジスタの半導体膜に用いられるシリコンは、用途によって非晶質シリコンと多結晶シリコンとが使い分けられている。例えば、大型の表示装置を構成するトランジスタに適用する場合、大面積基板への成膜技術が確立されている非晶質シリコンを用いると好適である。一方、駆動回路を一体形成した高機能の表示装置を構成するトランジスタに適用する場合、高い電界効果移動度を有するトランジスタを作製可能な多結晶シリコンを用いると好適である。多結晶シリコンは、非晶質シリコンに対し高温での熱処理、またはレーザ光処理を行うことで形成する方法が知られる。
一方で、近年では、トランジスタの半導体膜として、酸化物半導体が用いられている。（特許文献１参照。）。酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、大型の表示装置を構成するトランジスタの半導体に用いることができる。また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、高い電界効果移動度を有するため、駆動回路を一体形成した高機能の表示装置を実現できる。また、非晶質シリコン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できるため、設備投資を抑えられるメリットもある。
また、酸化物半導体の諸特性を非接触で評価する方法として、酸化物半導体に励起光及びマイクロ波を照射し、励起光の照射により変化するマイクロ波の反射波を測定する方法が開示されている（特許文献２参照。）。この測定はマイクロ波光導電減衰法（μ―ＰＣＤ：Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ−Ｐｈｏｔｏ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｄｅｃａｙ）と呼ばれる。非特許文献１には、非晶質の酸化物半導体は、波長３４９ｎｍの励起光の浸透長（侵入長または進入長などとも呼ばれる。）が３００ｎｍ程度であることが示されている。
また、非特許文献２には、代表的な酸化物半導体であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の電子スピン共鳴（ＥＳＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｉｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）によるスピン密度と導電率との関係が開示されている。また、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のキャリア発生源として、酸素欠損及び水素に起因する欠陥準位が示されている。
Ｓ． Ｙａｓｕｎｏ， ｅｔ ａｌ．： Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２０１１ ｖｏｌ．９８， １０２１０７
Ｙ． Ｎｏｎａｋａ， ｅｔ ａｌ．： Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ２０１４ ｖｏｌ．１１５， １６３７０７
トランジスタを作製する場合、チャネル、ソース、ドレイン、ゲート電極などを形成した後に電気特性の測定が可能となる。その為、トランジスタ作製工程の途中で異常があった場合でも、電気特性測定の結果を工程管理にフィードバックするには時間がかかり、生産性悪化の原因となる。
また、酸化物半導体を用いたトランジスタにおいて、良好な電気特性を得るには、酸化物半導体のキャリア密度の制御が重要である。
上記に鑑み、本発明の一態様は、トランジスタ作製工程途中で酸化物半導体のキャリア密度を評価する方法を提供することを課題の一とする。または、トランジスタのしきい値電圧のマイナスシフトを抑制することを課題の一とする。または、トランジスタのオン電流を向上することを課題の一とする。または、トランジスタの電界効果移動度を向上することを課題の一とする。
また、本発明の一態様は、トランジスタを生産性高く作製することを課題の一とする。または、該トランジスタを有する半導体装置を生産性高く作製することを課題の一とする。
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出できる。
μ―ＰＣＤ測定は、非接触、非破壊、短時間で酸化物半導体の物性の測定が可能であり、μ―ＰＣＤ測定で得られるピーク強度及びライフタイムはキャリア密度と相関がある。
トランジスタ作製工程途中にμ―ＰＣＤ測定を行うことにより、トランジスタ作製工程途中の酸化物半導体のキャリア密度を評価できる。よって、トランジスタ作製工程途中にトランジスタの電気特性を推測できるようになる為、トランジスタ作製の生産性を高めるには有効である。
本明細書で開示する発明の一態様は、試料を準備し、試料は、基板と、基板上に形成した酸化物半導体と、を有し、マイクロ波及び励起光を試料に照射するマイクロ波光導電減衰法を用いて、試料によって反射されたマイクロ波の強度を測定し、反射されたマイクロ波の強度のピーク値から酸化物半導体のキャリア密度を評価する、酸化物半導体の評価方法である。
本明細書で開示する発明の一態様は、キャリア密度は、マイクロ波光導電減衰法の反射強度のピーク値及びホール効果測定で得られた酸化物半導体のキャリア密度の相関より評価される、酸化物半導体の評価方法である。
本明細書で開示する発明の一態様は、励起光のエネルギーが、酸化物半導体のバンドギャップより大きく、基板のバンドギャップより小さいことを特徴とする酸化物半導体の評価方法である。
本明細書で開示する発明の一態様は、試料が、酸化物半導体の上に形成された第１の絶縁体と、を有し、マイクロ波光導電減衰法の励起光のエネルギーが、第１の絶縁体のバンドギャップより小さいことを特徴とする酸化物半導体の評価方法である。
本明細書で開示する発明の一態様は、試料が、基板と酸化物半導体の間に形成された第２の絶縁体と、を有し、マイクロ波光導電減衰法の励起光のエネルギーが、第２の絶縁体のバンドギャップより小さいことを特徴とする酸化物半導体の評価方法である。
本明細書で開示する発明の一態様は、第１の絶縁体または第２の絶縁体が積層構造であることを特徴とする酸化物半導体の評価方法である。
本明細書で開示する発明の一態様は、絶縁体と、酸化物半導体と、導電体と、を有し、
酸化物半導体は、絶縁体を介して、酸化物半導体と導電体とが互いに重なる領域を有し、領域のバンドギャップが３．１７ｅＶ以上３．５８ｅＶ以下、かつ膜厚が２７．７ｎｍ以上３２．５ｎｍ以下において、酸化物半導体のマイクロ波光導電減衰法によるマイクロ波の反射強度のピーク値が１０４２ｍＶ以下となる領域を有することを特徴とする半導体装置である。
酸化物半導体は、絶縁体を介して、酸化物半導体と導電体とが互いに重なる領域を有し、領域のバンドギャップが３．１７ｅＶ以上３．５８ｅＶ以下、かつ膜厚が２７．７ｎｍ以上３２．５ｎｍ以下において、酸化物半導体のマイクロ波光導電減衰法によるマイクロ波の反射強度のピーク値が１０４２ｍＶ以下となる領域を有することを特徴とする半導体装置である。
本明細書で開示する発明の一態様は、領域において、酸化物半導体のマイクロ波光導電減衰法によるライフタイムτ１が５０ｎｓｅｃ以上となる領域を有することを特徴とする半導体装置である。
本明細書で開示する発明の一態様は、第１の基板及び第２の基板上に酸化物半導体を形成し、第２の基板上の酸化物半導体をマイクロ波光導電減衰法で測定し、マイクロ波光導電減衰法の励起光のエネルギーは、酸化物半導体のバンドギャップより大きく、第２の基板のバンドギャップより小さく、測定におけるマイクロ波の反射強度のピーク値を算出し、ピーク値から酸化物半導体のキャリア密度を評価し、酸化物半導体の評価を行う、半導体装置の作製方法である。
トランジスタ作製工程途中で酸化物半導体のキャリア密度を評価する方法を提供できる。または、トランジスタのしきい値電圧のマイナスシフトを抑制できる。または、トランジスタのオン電流を向上できる。または、トランジスタの電界効果移動度を向上できる。
または、トランジスタを生産性高く作製できる。または、該トランジスタを有する半導体装置を生産性高く作製できる。
なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の
一態様は、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果
は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図
面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
一態様は、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果
は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図
面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、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、本発明は、以下の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。
また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。
また、本明細書にて用いる「第１」、「第２」、「第３」という序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではないことを付記する。
また、本明細書において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。従って、明細書で説明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン（ドレイン端子、ドレイン領域またはドレイン電極）とソース（ソース端子、ソース領域またはソース電極）の間にチャネル領域を有しており、ドレインとチャネル領域とソースとを介して電流を流すことができるものである。なお、本明細書等において、チャネル領域とは、電流が主として流れる領域をいう。
また、ソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。
また、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジスタなどのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、キャパシタ、その他の各種機能を有する素子などが含まれる。
また、本明細書等において、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場合がある。
また、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が−３０°以上３０°以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が６０°以上１２０°以下の角度で配置されている状態をいう。
また、本明細書等において、「膜」という用語と、「層」という用語とは、場合によっては、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。
なお、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分低い場合は「絶縁体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「絶縁体」は境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。したがって、本明細書に記載の「半導体」は、「絶縁体」と言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「絶縁体」は、「半導体」と言い換えることができる場合がある。
（実施の形態１）
本実施の形態においては、本発明の一態様に用いることのできる、μ―ＰＣＤ測定を用いて酸化物半導体の評価を行う方法について、図１乃至図３を参照して説明する。
本実施の形態においては、本発明の一態様に用いることのできる、μ―ＰＣＤ測定を用いて酸化物半導体の評価を行う方法について、図１乃至図３を参照して説明する。
＜μ―ＰＣＤ測定＞
以下に、μ―ＰＣＤ測定について説明する。
以下に、μ―ＰＣＤ測定について説明する。
図１は、μ―ＰＣＤ測定を行うための装置の一例を示す模式図である。図１に示す装置は、ワイドギャップ半導体の薄膜の評価に好適である。特に、トランジスタの半導体に用いられる、１ｎｍ以上１μｍ以下、２ｎｍ以上５００ｎｍ以下、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下または５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の膜厚のワイドギャップ半導体の評価に好適である。
図１に示す装置は、パルスレーザ発振器１３０１と、マイクロ波発振器１３０２と、方向性結合器１３０３と、導波管１３０５と、ミキサー１３０６と、信号処理装置１３０７と、試料ステージ１３１１と、を有する。なお、図１において、導波管１３０５は、コーナー部が曲率を有する形状を示しているが、これに限定されるものではない。試料ステージ１３１１上には、試料１３２０を配置できる。試料１３２０は、例えば、基板１３２０ｂと、基板１３２０ｂ上の酸化物半導体１３２０ａと、を有する。
試料ステージ１３１１の上面には、導電体が配置されている。導電体としては、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタル若しくはタングステンを一種以上、又は該金属元素の一種以上及びホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン若しくはリンの一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、ステンレス鋼などの合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅及びチタンを含む導電体、銅及びマンガンを含む導電体、インジウム、スズ及び酸素を含む導電体、チタン及び窒素を含む導電体などを用いてもよい。
なお、試料１３２０と試料ステージ１３１１との間にスペーサ１３１０を配置しても構わない。スペーサ１３１０は、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウム又はタンタルの一種以上及びアルゴン、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、リン又は塩素の一種以上を含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、酸化アルミニウム、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、酸化ガリウム、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、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。なお、酸化窒化シリコン膜とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多い膜を指し、窒化酸化シリコン膜とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い膜を指す。
スペーサ１３１０は、例えば、酸化物半導体１３２０ａの上面と、試料ステージ１３１１の上面と、の距離が基板１３２０ｂ及びスペーサ１３１０におけるマイクロ波の波長の１／４程度となるように厚さを選択すればよい。なお、スペーサ１３１０を配置することにより、試料１３２０を上下逆さまに配置した場合でも評価が可能となる場合がある。試料１３２０を上下逆さまに配置することで、例えば、基板１３２０ｂと酸化物半導体１３２０ａとの界面の影響を多く含んだ情報が得られる場合がある。
以下に、酸化物半導体１３２０ａのμ―ＰＣＤ測定による評価方法を示す。
まず、マイクロ波発振器１３０２より、マイクロ波を放射する。放射されたマイクロ波を特に進行波（入射波ともいう。）と呼ぶ。方向性結合器１３０３を介して進行波が、導波管１３０５と位相器１３１５とに分かれる。導波管１３０５を通った進行波は、試料１３２０に入射する。このとき、試料１３２０の酸化物半導体１３２０ａで反射したマイクロ波（特に反射波と呼ぶ。）が、再び導波管１３０５を通る。反射波は、ミキサー１３０６にて、位相器１３１５を介して分かれた進行波と混合される。混合された信号は、信号処理装置１３０７において検出される。
このとき、信号処理装置１３０７で検出される信号の強度は、酸化物半導体１３２０ａにおけるマイクロ波の反射強度によって変化する。例えば、酸化物半導体１３２０ａのキャリア密度が高いほど、酸化物半導体１３２０ａの導電率が高くなる。導電率が高くなると、マイクロ波の反射強度は高くなり、それに伴って信号処理装置１３０７で検出される信号の強度も強くなる。
また、酸化物半導体１３２０ａは、励起光を吸収することで正孔及び電子を生成する。即ち、励起光を酸化物半導体１３２０ａに照射することで、酸化物半導体１３２０ａのキャリア密度が高くなり、それに伴いマイクロ波の反射強度が高くなる。なお、励起光は、ミラー１３１３及びレンズ１３１４を介して酸化物半導体１３２０ａに照射させればよい。
ある程度の時間、酸化物半導体１３２０ａに励起光を当て続けると、マイクロ波の反射強度は、励起光によるキャリアの生成と、再結合などによるキャリアの消失と、のバランスによって一定値をとる。この値が、マイクロ波の反射強度の最も高い値となることから、マイクロ波の反射強度のピーク値と呼ぶことができる。
なお、励起光としては、例えば、パルスレーザ発振器１３０１から放射されたレーザ光を用いることができる。レーザ光は、酸化物半導体１３２０ａのバンドギャップよりも十分に高いエネルギーの波長を用いると好ましい。また、光学系のコストの上昇を抑えるためには、レーザ光の波長は２００ｎｍ以上が好ましい。ただし、波長が２００ｎｍ未満のレーザ光を用いても構わない。なお、光の進入長は、光の強度が１／ｅに減衰する深さであり、数式１で表すことができる。
ここで、ｄは光の進入長、λは光の波長、ｋは減衰係数を示す。
例えば、酸化物半導体１３２０ａのバンドギャップよりも十分に高いエネルギーの波長の励起光を用いない場合、検出感度を高めるために励起光の出力をある程度高くしなくてはならない。そのため、酸化物半導体１３２０ａを変質させてしまう場合がある。酸化物半導体１３２０ａのバンドギャップよりも十分に高いエネルギーの波長の励起光を用いることで、励起光の出力を小さくした場合でも酸化物半導体１３２０ａのキャリア密度を十分に高くできる。したがって、上述したような、酸化物半導体１３２０ａの変質を抑制できる。
また、酸化物半導体１３２０ａへの進入長の浅い励起光を用いることで、基板１３２０ｂなど下地の情報が測定結果に反映されることを抑制できる。また、干渉効果により、酸化物半導体１３２０ａの厚さに応じて測定結果にムラが生じることを抑制できる。
基板１３２０ｂとして、μ―ＰＣＤ測定での励起光のエネルギーよりもバンドギャップが小さい基板を用いる場合、励起光照射によって基板にキャリアが多数発生する。このような試料のμ―ＰＣＤ測定を行うと、基板１３２０ｂ由来の信号が大きくなり、酸化物半導体１３２０ａ由来の信号を打ち消す場合がある。そのため、励起光のエネルギーよりもバンドギャップが大きい基板、例えば、ガラスや石英を用いることが望ましい。
酸化物半導体１３２０ａの上または下に、μ―ＰＣＤ測定での励起光のエネルギーよりもバンドギャップが大きい膜を有する場合においても、酸化物半導体１３２０ａ由来の信号を検出できる。例えばシリコン酸化膜は、励起光よりバンドギャップが大きく、キャリアが発生しづらいことから、μ―ＰＣＤ測定においてシリコン酸化膜由来の信号は小さくなり、酸化物半導体１３２０ａ由来の信号を検出できる。なお、酸化物半導体１３２０ａの上または下に設ける、μ―ＰＣＤ測定での励起光のエネルギーよりもバンドギャップが大きい膜は、積層構造としてもよい。
酸化物半導体１３２０ａへの励起光の照射を止めると、キャリアの生成が止まり、酸化物半導体１３２０ａのキャリア密度は減衰していく。酸化物半導体において、励起光の照射により生成したキャリアは単純に指数関数的に減衰するのではなく、減衰の途中から減衰が緩やかになる場合がある。つまり、キャリアの減衰は、速やかに減衰する成分と緩やかに減衰する成分の二つから構成される。速やかに減衰する成分はおおよそ指数関数的であり、緩やかに減衰する成分は非指数関数型の傾向となる場合がある。キャリア密度の減衰は、速やかな減衰成分に対する指数関数型モデルと、緩やかな減衰成分に対する拡張指数関数型モデルを組み合わせた数式２で表すことができる。
ここで、ｔは励起光の照射を停止してからの時間、ｎ（ｔ）は時間ｔにおけるキャリア密度、ｎ０は励起光照射下でのキャリア密度、τ１は速やかに減衰する成分の時定数、τ２は緩やかに減衰する成分の時定数、βは拡張指数係数を示す。
本明細書では、速やかに減衰する成分の時定数をライフタイムτ１、緩やかに減衰する成分の時定数をライフタイムτ２と呼ぶ。
酸化物半導体１３２０ａに照射されたマイクロ波は、酸化物半導体１３２０ａのキャリア密度で決まる導電率に基づいたマイクロ波の反射強度で反射される。つまり、酸化物半導体１３２０ａのキャリア密度とマイクロ波の反射強度が対応することから、マイクロ波の反射強度の減衰を、数式３で表すことができる。なお、μ―ＰＣＤ測定によるライフタイムτ１及びライフタイムτ２の算出方法は、Ｓ． Ｙａｓｕｎｏ， ｅｔ ａｌ．： Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ２０１２ ｖｏｌ．１１２， ０５３７１５の記載を参照できる。
ここで、ｔは励起光の照射を停止してからの時間、Ｒ（ｔ）は時間ｔにおけるマイクロ波の反射強度、Ｒ０は励起光照射下でのマイクロ波の反射強度、τ１は速やかに減衰する成分のライフタイム、τ２は緩やかに減衰する成分のライフタイム、βは拡張指数関数を示す。
μ―ＰＣＤ測定で得られる減衰曲線の例を図３（Ａ）に示す。図３（Ａ）は、横軸に励起光の照射を停止してからの時間［ｎｓｅｃ］をとり、左の縦軸にマイクロ波の反射強度［ｍＶ］をとる。プロットは実測値を示し、実線は数式３を用いたフィッティングから得られた速やかに減衰する成分、破線はフィッティングから得られた緩やかに減衰する成分を示す。このように、得られたマイクロ波の反射強度の減衰曲線から、キャリアのライフタイムτ１及びτ２を算出できる。
マイクロ波の反射強度が非常に低い例を図３（Ｂ）に示す。図３（Ｂ）は、横軸に励起光の照射を停止してからの時間［ｎｓｅｃ］をとり、左の縦軸にマイクロ波の反射強度［ｍＶ］をとる。このように、マイクロ波の反射強度が低い試料においては、減衰曲線のノイズの影響が大きくなり、ライフタイムτ１及びτ２を算出できない場合がある。
酸化物半導体の伝導帯が縮退していない範囲においては、酸化物半導体のキャリア密度が高くなるほど、μ―ＰＣＤ測定で得られる反射強度のピーク値が高くなり、また、ライフタイムが長くなる傾向となる。キャリア密度とピーク値、ライフタイムの相関関係を事前に取得しておくことで、任意の酸化物半導体のμ―ＰＣＤ測定を行うことにより、該酸化物半導体のキャリア密度を推測できる。
酸化物半導体をトランジスタに用いる場合、良好なトランジスタの電気特性を得るには、酸化物半導体のキャリア密度の制御が重要となる。μ―ＰＣＤ測定を行うことにより、酸化物半導体のキャリア密度を推測できることから、効率良く、トランジスタの電気特性の向上が可能となる。具体的には、しきい値電圧のマイナスシフトの抑制、オン電流の向上、または電界効果移動度の向上が可能となる。
さらにキャリア密度が高くなり、伝導帯が縮退する範囲になると、キャリア密度が高くなるほど、μ―ＰＣＤ測定で得られるピーク値は低くなる。また、酸化物半導体の伝導帯が縮退する範囲においては、キャリア密度が高くなるほど、μ―ＰＣＤ測定で得られるライフタイムが短くなる。さらにキャリア密度が高くなると、ピーク値が低くなることから、図３（Ｂ）に示したように、減衰曲線のノイズの影響が大きくなり、ライフタイムを算出できなくなる。ピーク値と合わせて、ライフタイムも用いることにより、酸化物半導体のキャリア密度をより精度良く推測できる。
縮退領域において、キャリア密度が高くなるほどピーク値が低くなる原因として、次の３つが考えられる。一つ目は、キャリア―キャリア散乱による移動度の低下である。二つ目は、キャリア―キャリア散乱による、励起光照射下でのキャリア密度の減少である。三つ目は、バースタイン・モスシフト（Ｂｕｒｓｔｅｉｎ―Ｍｏｓｓ ｓｈｉｆｔ）効果による、励起光照射下でのキャリア密度の減少である。
まず、一つ目及び二つ目の理由について説明する。励起光照射により過剰キャリアが生成し、酸化物半導体の導電率が増加する。励起光照射による導電率の変化量を、数式４で表すことができる。
ここで、Δσは励起光照射による導電率の変化量、ｑは電気素量、μｎは電子の移動度、ｎｄａｒｋは励起光照射前のキャリア密度、ｎｐｈｏｔｏは励起光照射下でのキャリア密度を示す。
キャリア密度が高くなると、キャリア―キャリア散乱により移動度μｎが低下することから、励起光照射による導電率の変化量が小さくなることが分かる。また、キャリア密度が高くなると、キャリア―キャリア散乱によりライフタイムが短くなり、励起光照射下でのキャリア密度ｎｐｈｏｔｏが減少することから、励起光照射による導電率の変化量が小さくなることが分かる。よって、μ―ＰＣＤ測定のピーク値が小さくなると考えられる。
次に、三つ目の理由について説明する。キャリア密度が高くなり、伝導帯が縮退すると、光学バンドギャップが広がることが知られており、これはバースタイン・モスシフト（Ｂｕｒｓｔｅｉｎ―Ｍｏｓｓ ｓｈｉｆｔ）効果と呼ばれる。光学バンドギャップが広がることにより、励起光照射で励起するキャリア密度が減少し、μ―ＰＣＤ測定のピーク値が小さくなると考えられる。
酸化物半導体のキャリア密度測定方法の一つとして、ホール（Ｈａｌｌ）効果測定が挙げられる。しかし、ホール（Ｈａｌｌ）効果測定は、測定可能なサンプルサイズが小さい為、基板サイズが大きいと、基板を分断する必要がある。また、サンプルに針を接触させて測定する。ホール効果測定は破壊、接触測定になることから、例えば酸化物半導体を用いたトランジスタ作製工程において、ホール効果測定を工程管理に用いるのは好ましくない。
これに対して、μ―ＰＣＤ測定は酸化物半導体を形成した後であれば、トランジスタ作製の工程途中に非接触、非破壊、短時間で酸化物半導体のキャリア密度を評価できる。
また、トランジスタを作製する場合、チャネル、ソース、ドレイン、ゲートなどを形成するまで電気特性の測定を行うことができない。しかし、μ―ＰＣＤ測定は工程途中に非接触、非破壊、短時間で酸化物半導体のキャリア密度を評価し、当該キャリア密度からトランジスタの電気特性を推測することができる。このように、工程途中に適宜μ―ＰＣＤ測定を行うことにより、工程不良を容易に発見でき、μ−ＰＣＤ測定結果を効率良く工程管理へフィードバックすることができる。
よって、トランジスタ作製工程途中にμ―ＰＣＤ測定を行うことにより、時間遅延なく異常工程を確認でき、即座に異常に対応できる。また、異常のあった試料をトランジスタ製造工程から外すことにより、後の工程を流す無駄を排除できる。その為、効率良く、トランジスタを歩留まり高く作製できる。または、トランジスタを生産性高く作製できる。または、効率良く、該トランジスタを有する半導体装置を生産性高く作製できる。
また、試料ステージ１３１１をＸ方向及びＹ方向に動かすことで、酸化物半導体１３２０ａの面内において、複数個所の評価を行うことができる。μ―ＰＣＤ測定は非接触、非破壊、短時間で試料面内の複数個所の測定が可能である。したがって、トランジスタ作製工程途中で試料面内の複数個所でμ―ＰＣＤ測定を行うことにより、工程途中で酸化物半導体のキャリア密度の面内分布を評価し、当該キャリア密度からトランジスタの電気特性の面内分布を推測することができる。したがって、試料面内分布に異常が発生した場合でも、速やか工程管理へフィードバックすることができる。
なお、酸化物半導体の膜厚やバンドギャップにより、酸化物半導体のμ―ＰＣＤ測定での励起光の吸収率は異なる。励起光の吸収率が異なると、酸化物半導体に発生するキャリア密度が異なる為、酸化物半導体の膜厚やバンドギャップにより、マイクロ波の反射強度のピーク値が異なる。トランジスタ作製に用いる酸化物半導体の膜厚やバンドギャップに合わせたサンプルを作製し、事前にホール（Ｈａｌｌ）効果測定などによるキャリア密度と、μ―ＰＣＤ測定によるピーク値及びライフタイムとの相関を取得しておくことで、より精度良く、キャリア密度を推測することができる。
また、図２のように、導波管１３０５ａ及び導波管１３０５ｂの二つの導波管と、マジックＴ１３０４と、有する装置を用いても構わない。なお、導波管１３０５ａと導波管１３０５ｂとが、対称性を有すると好ましい。または、導波管１３０５ａと導波管１３０５ｂとのマイクロ波の経路長が同じであればよい。なお、図２において、導波管１３０５ａ及び導波管１３０５ｂは、コーナー部が曲率を有する形状を示しているが、これに限定されるものではない。
図２の場合も、まず、マイクロ波発振器１３０２より、マイクロ波を放射する。方向性結合器１３０３を介して進行波が、マジックＴ１３０４と位相器１３１５とに分かれる。マジックＴ１３０４において、進行波は、導波管１３０５ａ及び導波管１３０５ｂに分かれる。導波管１３０５ａを通った進行波は、励起光とともに試料１３２０に入射する。また、導波管１３０５ｂを通った進行波は、そのまま試料１３２０に入射する。このとき、試料１３２０の酸化物半導体１３２０ａで反射したマイクロ波が、再び導波管１３０５ａ及び導波管１３０５ｂを通り、マジックＴ１３０４に戻る。導波管１３０５ａと導波管１３０５ｂと、を通った反射波は、マジックＴ１３０４において再び合流する、そして、マジックＴ１３０４はそれらの差信号を出力する。そして、ミキサー１３０６にて、位相器１３１５を介して分かれた進行波と混合される。混合された信号は、信号処理装置１３０７において検出される。
このとき、導波管１３０５ｂを通った反射波は、マイクロ波発振器１３０２に起因したノイズ、及び機械的振動による外乱などを、導波管１３０５ａを通った反射波と同じだけ含む。したがって、その差信号をとることで、ノイズなどの影響を低減させられる。そのため、図２に示す装置は、励起光によるマイクロ波の反射強度の変化を、さらに感度よく検出できる。
（実施の形態２）
本実施の形態においては、本発明の一態様に用いることのできる、酸化物半導体の組成、及び酸化物半導体の構造等について、図４及び図５を参照して説明する。
本実施の形態においては、本発明の一態様に用いることのできる、酸化物半導体の組成、及び酸化物半導体の構造等について、図４及び図５を参照して説明する。
［酸化物半導体］
以下に、本発明に係る酸化物半導体について説明する。
以下に、本発明に係る酸化物半導体について説明する。
酸化物半導体は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウム及び亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
ここでは、酸化物半導体が、インジウム、元素Ｍ及び亜鉛を有するＩｎＭＺｎＯである場合を考える。なお、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。
＜構造＞
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ（ｃ−ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）及び非晶質酸化物半導体などがある。
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ（ｃ−ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）及び非晶質酸化物半導体などがある。
ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向性を有し、かつａ−ｂ面方向において複数のナノ結晶が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。なお、歪みとは、複数のナノ結晶が連結する領域において、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を指す。
ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形、及び七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、ＣＡＡＣ−ＯＳにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界（グレインバウンダリーともいう）を確認することはできない。即ち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、ＣＡＡＣ−ＯＳが、ａ−ｂ面方向において原子配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。
また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、インジウム、及び酸素を有する層（以下、Ｉｎ層）と、元素Ｍ、亜鉛、及び酸素を有する層（以下、（Ｍ，Ｚｎ）層）とが積層した、層状の結晶構造（層状構造ともいう）を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Ｍは、互いに置換可能であり、（Ｍ，Ｚｎ）層の元素Ｍがインジウムと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層と表すこともできる。また、Ｉｎ層のインジウムが元素Ｍと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ）層と表すこともできる。
ｎｃ−ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ−ＯＳは、異なるナノ結晶間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、ｎｃ−ＯＳは、分析方法によっては、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。
ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、鬆または低密度領域を有する。即ち、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳ及びＣＡＡＣ−ＯＳと比べて、結晶性が低い。
酸化物半導体は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一態様の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ、ｎｃ−ＯＳ、ＣＡＡＣ−ＯＳのうち、二種以上を有していてもよい。
＜原子数比＞
次に、図４（Ａ）、図４（Ｂ）、及び図４（Ｃ）を用いて、本発明に係る酸化物半導体が有するインジウム、元素Ｍ及び亜鉛の原子数比の好ましい範囲について説明する。なお、図４（Ａ）、図４（Ｂ）、及び図４（Ｃ）には、酸素の原子数比については記載しない。また、酸化物半導体が有するインジウム、元素Ｍ、及び亜鉛の原子数比のそれぞれの項を［Ｉｎ］、［Ｍ］、及び［Ｚｎ］とする。
次に、図４（Ａ）、図４（Ｂ）、及び図４（Ｃ）を用いて、本発明に係る酸化物半導体が有するインジウム、元素Ｍ及び亜鉛の原子数比の好ましい範囲について説明する。なお、図４（Ａ）、図４（Ｂ）、及び図４（Ｃ）には、酸素の原子数比については記載しない。また、酸化物半導体が有するインジウム、元素Ｍ、及び亜鉛の原子数比のそれぞれの項を［Ｉｎ］、［Ｍ］、及び［Ｚｎ］とする。
図４（Ａ）、図４（Ｂ）、及び図４（Ｃ）において、破線は、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：１の原子数比（−１≦α≦１）となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：２の原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：３の原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：４の原子数比となるライン、及び［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：５の原子数比となるラインを表す。
また、一点鎖線は、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：１：βの原子数比（β≧０）となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝２：１：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：２：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：３：βの原子数比となるライン、及び［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：４：βの原子数比となるラインを表す。
また、図４（Ａ）、図４（Ｂ）、及び図４（Ｃ）に示す、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：２：１の原子数比、及びその近傍値の酸化物半導体は、スピネル型の結晶構造をとりやすい。
また、酸化物半導体中に複数の相が共存する場合がある（二相共存、三相共存など）。例えば、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：２：１の近傍値である場合、スピネル型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。また、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：０：０の近傍値である場合、ビックスバイト型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。酸化物半導体中に複数の相が共存する場合、異なる結晶構造の間において、結晶粒界が形成される場合がある。
図４（Ａ）に示す領域Ａは、酸化物半導体が有する、インジウム、元素Ｍ、及び亜鉛の原子数比の好ましい範囲の一例について示している。
酸化物半導体は、インジウムの含有率を高くすることで、酸化物半導体のキャリア移動度（電子移動度）を高くすることができる。従って、インジウムの含有率が高い酸化物半導体はインジウムの含有率が低い酸化物半導体と比較してキャリア移動度が高くなる。
一方、酸化物半導体中のインジウム及び亜鉛の含有率が低くなると、キャリア移動度が低くなる。従って、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：１：０、及びその近傍値である場合（例えば図４（Ｃ）に示す領域Ｃ）は、絶縁性が高くなる。
従って、本発明の一態様の酸化物半導体は、キャリア移動度が高く、かつ、結晶粒界が少ない層状構造となりやすい、図４（Ａ）の領域Ａで示される原子数比を有することが好ましい。
特に、図４（Ｂ）に示す領域Ｂでは、領域Ａの中でも、ＣＡＡＣ−ＯＳとなりやすく、キャリア移動度も高い優れた酸化物半導体が得られる。
ＣＡＡＣ−ＯＳは結晶性の高い酸化物半導体である。一方、ＣＡＡＣ−ＯＳは、明確な結晶粒界を確認することはできないため、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。また、酸化物半導体の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、ＣＡＡＣ−ＯＳは不純物や欠陥（酸素欠損など）の少ない酸化物半導体ともいえる。従って、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する酸化物半導体は、物理的性質が安定する。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する酸化物半導体は熱に強く、信頼性が高い。
なお、領域Ｂは、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝４：２：３から４．１、及びその近傍値を含む。近傍値には、例えば、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：３：４が含まれる。また、領域Ｂは、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：１：６、及びその近傍値、及び［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：１：７、及びその近傍値を含む。
なお、酸化物半導体が有する性質は、原子数比によって一義的に定まらない。同じ原子数比であっても、形成条件により、酸化物半導体の性質が異なる場合がある。例えば、酸化物半導体をスパッタリング装置にて成膜する場合、ターゲットの原子数比からずれた原子数比の膜が形成される。また、成膜時の基板温度によっては、ターゲットの［Ｚｎ］よりも、膜の［Ｚｎ］が小さくなる場合がある。従って、図示する領域は、酸化物半導体が特定の特性を有する傾向がある原子数比を示す領域であり、領域Ａ乃至領域Ｃの境界は厳密ではない。
［酸化物半導体を有するトランジスタ］
続いて、上記酸化物半導体をトランジスタに用いる場合について説明する。
続いて、上記酸化物半導体をトランジスタに用いる場合について説明する。
なお、上記酸化物半導体をトランジスタに用いることで、結晶粒界におけるキャリア散乱等を減少させることができるため、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。
また、トランジスタには、キャリア密度の低い酸化物半導体を用いることが好ましい。酸化物半導体膜のキャリア密度を低くする場合においては、酸化物半導体膜中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性と言う。
また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。
また、酸化物半導体のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い酸化物半導体にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
従って、トランジスタの電気特性を安定にするためには、酸化物半導体中の不純物濃度を低減することが有効である。また、酸化物半導体中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。
＜不純物＞
ここで、酸化物半導体中における各不純物の影響について説明する。
ここで、酸化物半導体中における各不純物の影響について説明する。
酸化物半導体において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物半導体において欠陥準位が形成される。このため、酸化物半導体におけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物半導体との界面近傍のシリコンや炭素の濃度（二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる濃度）を、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
また、酸化物半導体にアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。従って、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物半導体中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、ＳＩＭＳにより得られる酸化物半導体中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。
また、酸化物半導体において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体を半導体に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、該酸化物半導体において、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、酸化物半導体中の窒素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
また、酸化物半導体に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、水素が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物半導体中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、酸化物半導体において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、より好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする。
不純物が十分に低減された酸化物半導体をトランジスタのチャネル領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。
＜バンド図＞
続いて、該酸化物半導体を２層構造、または３層構造とした場合について述べる。酸化物半導体Ｓ１、酸化物半導体Ｓ２、及び酸化物半導体Ｓ３の積層構造、及び積層構造に接する絶縁体のバンド図と、酸化物半導体Ｓ２及び酸化物半導体Ｓ３の積層構造、及び積層構造に接する絶縁体のバンド図と、酸化物半導体Ｓ１及び酸化物半導体Ｓ２の積層構造、及び積層構造に接する絶縁体のバンド図と、について、図５を用いて説明する。
続いて、該酸化物半導体を２層構造、または３層構造とした場合について述べる。酸化物半導体Ｓ１、酸化物半導体Ｓ２、及び酸化物半導体Ｓ３の積層構造、及び積層構造に接する絶縁体のバンド図と、酸化物半導体Ｓ２及び酸化物半導体Ｓ３の積層構造、及び積層構造に接する絶縁体のバンド図と、酸化物半導体Ｓ１及び酸化物半導体Ｓ２の積層構造、及び積層構造に接する絶縁体のバンド図と、について、図５を用いて説明する。
図５（Ａ）は、絶縁体Ｉ１、酸化物半導体Ｓ１、酸化物半導体Ｓ２、酸化物半導体Ｓ３、及び絶縁体Ｉ２を有する積層構造の膜厚方向のバンド図の一例である。また、図５（Ｂ）は、絶縁体Ｉ１、酸化物半導体Ｓ２、酸化物半導体Ｓ３、及び絶縁体Ｉ２を有する積層構造の膜厚方向のバンド図の一例である。また、図５（Ｃ）は、絶縁体Ｉ１、酸化物半導体Ｓ１、酸化物半導体Ｓ２、及び絶縁体Ｉ２を有する積層構造の膜厚方向のバンド図の一例である。なお、バンド図は、理解を容易にするため絶縁体Ｉ１、酸化物半導体Ｓ１、酸化物半導体Ｓ２、酸化物半導体Ｓ３、及び絶縁体Ｉ２の伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ）を示す。
酸化物半導体Ｓ１、酸化物半導体Ｓ３は、酸化物半導体Ｓ２よりも伝導帯下端のエネルギー準位が真空準位に近く、代表的には、酸化物半導体Ｓ２の伝導帯下端のエネルギー準位と、酸化物半導体Ｓ１、酸化物半導体Ｓ３の伝導帯下端のエネルギー準位との差が、０．１５ｅＶ以上、または０．５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、または１ｅＶ以下であることが好ましい。すなわち、酸化物半導体Ｓ１、酸化物半導体Ｓ３の電子親和力と、酸化物半導体Ｓ２の電子親和力との差が、０．１５ｅＶ以上、または０．５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、または１ｅＶ以下であることが好ましい。
図５（Ａ）、図５（Ｂ）、及び図５（Ｃ）に示すように、酸化物半導体Ｓ１、酸化物半導体Ｓ２、酸化物半導体Ｓ３において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようなバンド図を有するためには、酸化物半導体Ｓ１と酸化物半導体Ｓ２との界面、または酸化物半導体Ｓ２と酸化物半導体Ｓ３との界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。
具体的には、酸化物半導体Ｓ１と酸化物半導体Ｓ２、酸化物半導体Ｓ２と酸化物半導体Ｓ３が、酸素以外に共通の元素を有する（主成分とする）ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物半導体Ｓ２がＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物半導体の場合、酸化物半導体Ｓ１、酸化物半導体Ｓ３として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物半導体、Ｇａ−Ｚｎ酸化物半導体、酸化ガリウムなどを用いるとよい。
このとき、キャリアの主たる経路は酸化物半導体Ｓ２となる。酸化物半導体Ｓ１と酸化物半導体Ｓ２との界面、及び酸化物半導体Ｓ２と酸化物半導体Ｓ３との界面における欠陥準位密度を低くすることができるため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さく、高いオン電流が得られる。
トラップ準位に電子が捕獲されることで、捕獲された電子は固定電荷のように振る舞うため、トランジスタのしきい値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。酸化物半導体Ｓ１、酸化物半導体Ｓ３を設けることにより、トラップ準位を酸化物半導体Ｓ２より遠ざけることができる。当該構成とすることで、トランジスタのしきい値電圧がプラス方向にシフトすることを防止することができる。
酸化物半導体Ｓ１、及び酸化物半導体Ｓ３は、酸化物半導体Ｓ２と比較して、導電率が十分に低い材料を用いる。このとき、酸化物半導体Ｓ２、酸化物半導体Ｓ２と酸化物半導体Ｓ１との界面、及び酸化物半導体Ｓ２と酸化物半導体Ｓ３との界面が、主にチャネル領域として機能する。例えば、酸化物半導体Ｓ１、酸化物半導体Ｓ３には、図４（Ｃ）において、絶縁性が高くなる領域Ｃで示す原子数比の酸化物半導体を用いればよい。なお、図４（Ｃ）に示す領域Ｃは、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：１：０、及びその近傍値、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：３：２及びその近傍値、及び［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：３：４、及びその近傍値である原子数比を示している。
特に、酸化物半導体Ｓ２に領域Ａで示される原子数比の酸化物半導体を用いる場合、酸化物半導体Ｓ１及び酸化物半導体Ｓ３には、［Ｍ］／［Ｉｎ］が１以上、好ましくは２以上である酸化物半導体を用いることが好ましい。また、酸化物半導体Ｓ３として、十分に高い絶縁性を得ることができる［Ｍ］／（［Ｚｎ］＋［Ｉｎ］）が１以上である酸化物半導体を用いることが好適である。
＜ＣＡＣ−ＯＳの構成＞
また、本発明の一態様に用いることのできる、ＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ）−ＯＳの構成について説明する。
また、本発明の一態様に用いることのできる、ＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ）−ＯＳの構成について説明する。
ＣＡＣ−ＯＳとは、例えば、酸化物半導体を構成する元素が、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上２ｎｍ以下、またはその近傍のサイズで偏在した材料の一構成である。なお、以下では、酸化物半導体において、一つあるいはそれ以上の金属元素が偏在し、該金属元素を有する領域が、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上２ｎｍ以下、またはその近傍のサイズで混合した状態をモザイク状、またはパッチ状ともいう。
なお、酸化物半導体は、少なくともインジウムを含むことが好ましい。特にインジウム及び亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ−ＯＳ（ＣＡＣ−ＯＳの中でもＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を、特にＣＡＣ−ＩＧＺＯと呼称してもよい。）とは、インジウム酸化物（以下、ＩｎＯＸ１（Ｘ１は０よりも大きい実数）とする。）、またはインジウム亜鉛酸化物（以下、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２（Ｘ２、Ｙ２、及びＺ２は０よりも大きい実数）とする。）と、ガリウム酸化物（以下、ＧａＯＸ３（Ｘ３は０よりも大きい実数）とする。）、またはガリウム亜鉛酸化物（以下、ＧａＸ４ＺｎＹ４ＯＺ４（Ｘ４、Ｙ４、及びＺ４は０よりも大きい実数）とする。）などと、に材料が分離することでモザイク状となり、モザイク状のＩｎＯＸ１、またはＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２が、膜中に均一に分布した構成（以下、クラウド状ともいう。）である。
つまり、ＣＡＣ−ＯＳは、ＧａＯＸ３が主成分である領域と、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１が主成分である領域とが、混合している構成を有する複合酸化物半導体である。なお、本明細書において、例えば、第１の領域の元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、第２の領域の元素Ｍに対するＩｎの原子数比よりも大きいことを、第１の領域は、第２の領域と比較して、Ｉｎの濃度が高いとする。
なお、ＩＧＺＯは通称であり、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、及びＯによる１つの化合物をいう場合がある。代表例として、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ１（ｍ１は自然数）、またはＩｎ（１＋ｘ０）Ｇａ（１−ｘ０）Ｏ３（ＺｎＯ）ｍ０（−１≦ｘ０≦１、ｍ０は任意数）で表される結晶性の化合物が挙げられる。
上記結晶性の化合物は、単結晶構造、多結晶構造、または前述のＣＡＡＣ構造を有する。なお、ＣＡＡＣ構造とは、複数のＩＧＺＯのナノ結晶がｃ軸配向を有し、かつａ−ｂ面においては配向せずに連結した結晶構造である。
一方、ＣＡＣ−ＯＳは、酸化物半導体の材料構成に関する。ＣＡＣ−ＯＳとは、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、及びＯを含む材料構成において、一部にＧａを主成分とするナノ粒子状に観察される領域と、一部にＩｎを主成分とするナノ粒子状に観察される領域とが、それぞれモザイク状にランダムに分散している構成をいう。従って、ＣＡＣ−ＯＳにおいて、結晶構造は副次的な要素である。
なお、ＣＡＣ−ＯＳは、組成の異なる二種類以上の膜の積層構造は含まないものとする。例えば、Ｉｎを主成分とする膜と、Ｇａを主成分とする膜との２層からなる構造は、含まない。
なお、ＧａＯＸ３が主成分である領域と、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１が主成分である領域とは、明確な境界が観察できない場合がある。
なお、ガリウムの代わりに、アルミニウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれている場合、ＣＡＣ−ＯＳは、一部に該金属元素を主成分とするナノ粒子状に観察される領域と、一部にＩｎを主成分とするナノ粒子状に観察される領域とが、それぞれモザイク状にランダムに分散している構成をいう。
ＣＡＣ−ＯＳは、例えば基板を加熱しない条件で、スパッタリング法により形成することができる。また、ＣＡＣ−ＯＳをスパッタリング法で形成する場合、成膜ガスとして、不活性ガス（代表的にはアルゴン）、酸素ガス、及び窒素ガスの中から選ばれたいずれか一つまたは複数を用いればよい。また、成膜時の成膜ガスの総流量に対する酸素ガスの流量比は低いほど好ましく、例えば酸素ガスの流量比を０％以上３０％未満、好ましくは０％以上１０％以下とすることが好ましい。
ＣＡＣ−ＯＳは、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）測定法のひとつであるＯｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法によるθ／２θスキャンを用いて測定したときに、明確なピークが観察されないという特徴を有する。すなわち、Ｘ線回折から、測定領域のａ−ｂ面方向、及びｃ軸方向の配向は見られないことが分かる。
またＣＡＣ−ＯＳは、プローブ径が１ｎｍの電子線（ナノビーム電子線ともいう。）を照射することで得られる電子線回折パターンにおいて、リング状に輝度の高い領域と、該リング領域に複数の輝点が観測される。従って、電子線回折パターンから、ＣＡＣ−ＯＳの結晶構造が、平面方向、及び断面方向において、配向性を有さないｎｃ（ｎａｎｏ−ｃｒｙｓｔａｌ）構造を有することがわかる。
また例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ−ＯＳでは、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ：Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて取得したＥＤＸマッピングにより、ＧａＯＸ３が主成分である領域と、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１が主成分である領域とが、偏在し、混合している構造を有することが確認できる。
ＣＡＣ−ＯＳは、金属元素が均一に分布したＩＧＺＯ化合物とは異なる構造であり、ＩＧＺＯ化合物と異なる性質を有する。つまり、ＣＡＣ−ＯＳは、ＧａＯＸ３などが主成分である領域と、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１が主成分である領域と、に互いに相分離し、各元素を主成分とする領域がモザイク状である構造を有する。
ここで、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１が主成分である領域は、ＧａＯＸ３などが主成分である領域と比較して、導電性が高い領域である。つまり、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１が主成分である領域を、キャリアが流れることにより、酸化物半導体としての導電性が発現する。従って、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１が主成分である領域が、酸化物半導体中にクラウド状に分布することで、高い電界効果移動度（μ）が実現できる。
一方、ＧａＯＸ３などが主成分である領域は、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１が主成分である領域と比較して、絶縁性が高い領域である。つまり、ＧａＯＸ３などが主成分である領域が、酸化物半導体中に分布することで、リーク電流を抑制し、良好なスイッチング動作を実現できる。
従って、ＣＡＣ−ＯＳを半導体素子に用いた場合、ＧａＯＸ３などに起因する絶縁性と、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１に起因する導電性とが、相補的に作用することにより、高いオン電流（Ｉｏｎ）、及び高い電界効果移動度（μ）を実現することができる。
また、ＣＡＣ−ＯＳを用いた半導体素子は、信頼性が高い。従って、ＣＡＣ−ＯＳは、ディスプレイをはじめとするさまざまな半導体装置に最適である。
本明細書等において、金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）とは、広い表現での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体（透明酸化物導電体を含む）、酸化物半導体（Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒまたは単にＯＳともいう）などに分類される。例えば、トランジスタに金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、金属酸化物が増幅作用、整流作用、及びスイッチング作用の少なくとも１つを有する場合、当該金属酸化物を、金属酸化物半導体（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、略してＯＳと呼ぶことができる。また、ＯＳ ＦＥＴと記載する場合においては、金属酸化物または酸化物半導体を有するトランジスタと換言することができる。
また、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。
また、本明細書等において、ＣＡＡＣ（ｃ−ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ）、及びＣＡＣ（ｃｌｏｕｄ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ）と記載する場合がある。なお、ＣＡＡＣは結晶構造の一例を表し、ＣＡＣは機能、または材料の構成の一例を表す。
また、本明細書等において、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅとは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅを、トランジスタの半導体層に用いる場合、導電性の機能は、キャリアとなる電子（またはホール）を流す機能であり、絶縁性の機能は、キャリアとなる電子を流さない機能である。導電性の機能と、絶縁性の機能とを、それぞれ相補的に作用させることで、スイッチングさせる機能（Ｏｎ／Ｏｆｆさせる機能）をＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅに付与することができる。ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅにおいて、それぞれの機能を分離させることで、双方の機能を最大限に高めることができる。
また、本明細書等において、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、導電性領域、及び絶縁性領域を有する。導電性領域は、上述の導電性の機能を有し、絶縁性領域は、上述の絶縁性の機能を有する。また、材料中において、導電性領域と、絶縁性領域とは、ナノ粒子レベルで分離している場合がある。また、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ材料中に偏在する場合がある。また、導電性領域は、周辺がぼけてクラウド状に連結して観察される場合がある。
また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅにおいて、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下のサイズで材料中に分散している場合がある。
また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、異なるバンドギャップを有する成分により構成される。例えば、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、絶縁性領域に起因するワイドギャップを有する成分と、導電性領域に起因するナローギャップを有する成分と、により構成される。当該構成の場合、キャリアを流す際に、ナローギャップを有する成分において、主にキャリアが流れる。また、ナローギャップを有する成分が、ワイドギャップを有する成分に相補的に作用し、ナローギャップを有する成分に連動してワイドギャップを有する成分にもキャリアが流れる。このため、上記ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅをトランジスタのチャネル領域に用いる場合、トランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きなオン電流、及び高い電界効果移動度を得ることができる。
すなわち、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、マトリックス複合材（ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）、または金属マトリックス複合材（ｍｅｔａｌ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と呼称することもできる。
トランジスタのオン電流の向上、またはトランジスタの電界効果移動度の向上を目的とする場合においては、酸化物半導体膜のキャリア密度を高くする方が好ましい。酸化物半導体膜のキャリア密度を高くする場合においては、酸化物半導体膜の不純物濃度をわずかに高める、または酸化物半導体膜の欠陥準位密度をわずかに高めればよい。あるいは、酸化物半導体膜のバンドギャップをより小さくするとよい。例えば、トランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性のオン／オフ比が取れる範囲において、不純物濃度がわずかに高い、または欠陥準位密度がわずかに高い酸化物半導体膜は、実質的に真性とみなせる。また、電子親和力が大きく、それにともなってバンドギャップが小さくなり、その結果、熱励起された電子（キャリア）の密度が増加した酸化物半導体膜は、実質的に真性とみなせる。なお、より電子親和力が大きな酸化物半導体膜を用いた場合には、トランジスタのしきい値電圧がより低くなる。
上述のキャリア密度が高められた酸化物半導体膜は、わずかにｎ型化している。
実質的に真性の酸化物半導体膜のキャリア密度は、１×１０５ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３未満が好ましく、１×１０７ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３以下がより好ましく、１×１０９ｃｍ−３以上５×１０１６ｃｍ−３以下がさらに好ましく、１×１０１０ｃｍ−３以上１×１０１６ｃｍ−３以下がさらに好ましく、１×１０１１ｃｍ−３以上１×１０１５ｃｍ−３以下がさらに好ましい。
実施の形態１に示す方法でμ―ＰＣＤ測定を行うことにより、酸化物半導体のキャリア密度を評価できる。バンドギャップが３．１７ｅＶ以上３．５８ｅＶ以下、かつ膜厚が２７．６ｎｍ以上３２．５ｎｍ以下の酸化物半導体において、ピーク値が１０４２ｍＶ以下かつライフタイムτ１が５０ｎｓｅｃ以上である酸化物半導体は、キャリア密度が１×１０１６ｃｍ−３未満で少ないと推測でき、好ましい。よって、該酸化物半導体を用いたトランジスタはしきい値電圧のマイナスシフトの抑制、オン電流の向上、または電界効果移動度の向上が可能となる。
なお、本実施の形態は、上述のバンドギャップ及び膜厚の範囲内の酸化物半導体に限られない。上述のバンドギャップ及び膜厚の範囲外の酸化物半導体においても、該酸化物半導体のキャリア密度を評価でき、また該酸化物半導体をトランジスタに使用できる。
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施できる。
（実施の形態３）
本実施の形態では、先の実施の形態にした、酸化物半導体を有するトランジスタを用いる半導体装置の一形態について、図６乃至図２６を用いて説明する。
本実施の形態では、先の実施の形態にした、酸化物半導体を有するトランジスタを用いる半導体装置の一形態について、図６乃至図２６を用いて説明する。
＜半導体装置１０００の構成例＞
図６（Ａ）乃至図６（Ｅ）は、半導体装置１０００を示す上面図及び断面図である。半導体装置１０００はトランジスタ２００及びトランジスタ４００を有する。基板３１０の上に形成されたトランジスタ２００及びトランジスタ４００は、異なる構成を有する。例えば、トランジスタ４００は、トランジスタ２００と比較して、バックゲート電圧及びトップゲート電圧が０Ｖのときのドレイン電流（以下、Ｉｃｕｔと呼ぶ。）が小さい構成とすればよい。トランジスタ４００をスイッチング素子として、トランジスタ２００のバックゲートの電位を制御できる構成とする。これにより、トランジスタ２００のバックゲートと接続するノードを所望の電位にした後、トランジスタ４００をオフ状態にすることで、トランジスタ２００のバックゲートと接続するノードの電荷が消失することを抑制できる。
図６（Ａ）乃至図６（Ｅ）は、半導体装置１０００を示す上面図及び断面図である。半導体装置１０００はトランジスタ２００及びトランジスタ４００を有する。基板３１０の上に形成されたトランジスタ２００及びトランジスタ４００は、異なる構成を有する。例えば、トランジスタ４００は、トランジスタ２００と比較して、バックゲート電圧及びトップゲート電圧が０Ｖのときのドレイン電流（以下、Ｉｃｕｔと呼ぶ。）が小さい構成とすればよい。トランジスタ４００をスイッチング素子として、トランジスタ２００のバックゲートの電位を制御できる構成とする。これにより、トランジスタ２００のバックゲートと接続するノードを所望の電位にした後、トランジスタ４００をオフ状態にすることで、トランジスタ２００のバックゲートと接続するノードの電荷が消失することを抑制できる。
ここで、図６（Ａ）は半導体装置１０００の上面図である。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）中の一点鎖線Ｌ１−Ｌ２に対応しており、トランジスタ２００及びトランジスタ４００のチャネル長方向の断面図である。また、図６（Ｃ）は、図６（Ａ）中の一点鎖線Ｗ１−Ｗ２に対応しており、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図である。また、図６（Ｄ）は、図６（Ａ）中の一点鎖線Ｗ３−Ｗ４に対応するトランジスタ２００の断面図である。また、図６（Ｅ）は、図６（Ａ）中の一点鎖線Ｗ５−Ｗ６に対応しており、トランジスタ４００のチャネル幅方向の断面図である。
以下、トランジスタ２００とトランジスタ４００の構成についてそれぞれ図４（Ａ）乃至図４（Ｅ）を用いて説明する。なお、トランジスタ２００とトランジスタ４００の構成材料の詳細については＜構成材料について＞で詳細に説明する。
〔トランジスタ２００〕
図６（Ａ）乃至図６（Ｄ）に示すように、トランジスタ２００は、基板３１０の上に配置された絶縁体２１２と、絶縁体２１２の上に配置された絶縁体２１４と、絶縁体２１４の上に配置された導電体２０５（導電体２０５ａ、及び導電体２０５ｂ）と、導電体２０５の上に配置された絶縁体２２０、絶縁体２２２、及び絶縁体２２４と、絶縁体２２４の上に配置された酸化物半導体２３０（酸化物半導体２３０ａ、酸化物半導体２３０ｂ、及び酸化物半導体２３０ｃ）と、酸化物半導体２３０ｂの上に配置された導電体２４０ａ、及び導電体２４０ｂ（以下、導電体２４０ａと導電体２４０ｂをまとめて導電体２４０という場合がある。）と、導電体２４０の上に配置された層２４５ａ、及び層２４５ｂ（以下、層２４５ａと層２４５ｂをまとめて層２４５という場合がある。）と、酸化物半導体２３０ｃの上に配置された絶縁体２５０と、絶縁体２５０の上に配置された導電体２６０（導電体２６０ａ、導電体２６０ｂ、及び導電体２６０ｃ）と、導電体２６０ｃの上に配置された層２７０と、層２７０の上に配置された絶縁体２７２と、絶縁体２７２の上に配置された絶縁体２７４と、を有する。
図６（Ａ）乃至図６（Ｄ）に示すように、トランジスタ２００は、基板３１０の上に配置された絶縁体２１２と、絶縁体２１２の上に配置された絶縁体２１４と、絶縁体２１４の上に配置された導電体２０５（導電体２０５ａ、及び導電体２０５ｂ）と、導電体２０５の上に配置された絶縁体２２０、絶縁体２２２、及び絶縁体２２４と、絶縁体２２４の上に配置された酸化物半導体２３０（酸化物半導体２３０ａ、酸化物半導体２３０ｂ、及び酸化物半導体２３０ｃ）と、酸化物半導体２３０ｂの上に配置された導電体２４０ａ、及び導電体２４０ｂ（以下、導電体２４０ａと導電体２４０ｂをまとめて導電体２４０という場合がある。）と、導電体２４０の上に配置された層２４５ａ、及び層２４５ｂ（以下、層２４５ａと層２４５ｂをまとめて層２４５という場合がある。）と、酸化物半導体２３０ｃの上に配置された絶縁体２５０と、絶縁体２５０の上に配置された導電体２６０（導電体２６０ａ、導電体２６０ｂ、及び導電体２６０ｃ）と、導電体２６０ｃの上に配置された層２７０と、層２７０の上に配置された絶縁体２７２と、絶縁体２７２の上に配置された絶縁体２７４と、を有する。
絶縁体２１２及び絶縁体２１４は、下層から水または水素などの不純物がトランジスタ２００などに混入するのを防ぐバリア絶縁膜として機能できる。絶縁体２１２及び絶縁体２１４は、水または水素などの不純物が透過しにくい絶縁性材料を用いることが好ましく、例えば、酸化アルミニウムなどを用いることが好ましい。これにより、基板３１０から水素、水などの不純物が絶縁体２１２及び絶縁体２１４より上層に拡散するのを抑制できる。なお、絶縁体２１２及び絶縁体２１４は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の少なくとも一が透過しにくいことが好ましい。また、以下において、不純物が透過しにくい絶縁性材料について記載する場合も同様である。
また、例えば、絶縁体２１２は原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて成膜することが好ましい。これにより、絶縁体２１２を良好な被覆性で成膜し、クラックやピンホールなどが形成されることを抑制できる。また、例えば、絶縁体２１４はスパッタリング法を用いて成膜することが好ましい。これにより、絶縁体２１２より速い成膜速度で成膜でき、絶縁体２１２より生産性よく膜厚を大きくできる。このような絶縁体２１２と絶縁体２１４の積層にすることで、水素、水などの不純物に対するバリア性を向上させることができる。なお、絶縁体２１２は、絶縁体２１４の下に設ける構成としてもよい。また、絶縁体２１４が不純物に対して十分なバリア性を持つ場合、絶縁体２１２を設けない構成としてもよい。
また、絶縁体２１２及び絶縁体２１４は、酸素（例えば、酸素原子または酸素分子など）が透過しにくい絶縁性材料を用いることが好ましい。これにより、絶縁体２２４などに含まれる酸素が下方拡散するのを抑制できる。これにより、酸化物半導体２３０ｂに効果的に酸素を供給できる。
ここで、絶縁体２１４及び絶縁体２１６は開口が形成されており、これらの開口の内壁はつながって一つの開口を形成している。
絶縁体２１４及び絶縁体２１６の開口の内壁に接して導電体２０５ａが形成され、さらに内側に導電体２０５ｂが形成されている。ここで、導電体２０５ａ及び導電体２０５ｂの上面の高さと、絶縁体２１６の上面の高さは同程度にできる。導電体２０５は、ゲート電極の一方として機能できる。
ここで、導電体２０５ａは、水または水素などの不純物が透過しにくい導電性材料を用いることが好ましい。また、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましく、単層または積層とすればよい。これにより、基板３１０から水素、水などの不純物が導電体２０５を通じて上層に拡散するのを抑制できる。なお、導電体２０５ａは、水素原子、水素分子、水分子、酸素原子、酸素分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子など）の少なくとも一が透過しにくいことが好ましい。また、以下において、不純物が透過しにくい導電性材料について記載する場合も同様である。
また、導電体２０５ｂに、銅など酸化シリコン中を拡散しやすい金属を用いる場合、絶縁体２２０として、窒化シリコン、窒化酸化シリコンなどの銅が透過しにくい絶縁性材料を用いることにより、銅などの不純物が絶縁体２２０より上に拡散することを防ぐことができる。このとき、導電体２０５ａも銅が透過しにくい絶縁性材料を用いて、銅などの不純物が導電体２０５ａ、導電体２０５ｂの外に銅などの不純物が拡散しないようにすることが好ましい。
また、絶縁体２２２は、水または水素などの不純物、及び酸素が透過しにくい絶縁性材料を用いることが好ましく、例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、基板３１０から水素、水などの不純物が絶縁体２１２及び絶縁体２１４より上層に拡散するのを抑制できる。さらに、絶縁体２２４などに含まれる酸素が下方拡散するのを抑制できる。
絶縁体２２４は、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。具体的には、昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ：Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）にて、酸素原子に換算した酸素の脱離量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ・ｃｍ−３以上、好ましくは３．０×１０２０ａｔｏｍｓ・ｃｍ−３以上である絶縁体を用いることが好ましい。なお、加熱により放出される酸素を「過剰酸素」ともいう。このような絶縁体２２４を酸化物半導体２３０に接して設けることにより、酸化物半導体２３０ｂに効果的に酸素を供給できる。
また、絶縁体２２４中の水、水素または窒素酸化物などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。例えば、絶縁体２２４の水素の脱離量は、ＴＤＳにおいて、５０℃から５００℃の範囲において、水素分子に換算した脱離量が、絶縁体２２４の面積当たりに換算して、２×１０１５ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ・ｃｍ−２以下、好ましくは１×１０１５ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ・ｃｍ−２以下、より好ましくは５×１０１４ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ・ｃｍ−２以下であればよい。
絶縁体２２０、絶縁体２２２、及び絶縁体２２４は、ゲート絶縁膜として機能できる。
酸化物半導体２３０ａは、例えば、酸素雰囲気下で成膜した酸化物を用いることが好ましい。これにより、酸化物半導体２３０ａの形状の安定を図ることができる。なお、酸化物半導体２３０ａ乃至酸化物半導体２３０ｃの構成の詳細については後述する。
トランジスタ２００に安定した電気特性及び、良好な信頼性を付与するには、酸化物半導体２３０ｂが、酸化物中の不純物及び酸素欠損が低減され、高純度真性または実質的に高純度真性であることが好ましい。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。
また、酸化物のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い酸化物にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となり、信頼性が低下する場合がある。
従って、トランジスタの電気特性を安定させ、信頼性を向上させるためには、酸化物中の酸素欠損及び不純物濃度を低減することが有効である。また、酸化物中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。
また、酸化物半導体２３０ｂは、酸化物半導体２３０ａ及び酸化物半導体２３０ｃよりも電子親和力の大きい酸化物を用いる。例えば、酸化物半導体２３０ｂとして、酸化物半導体２３０ａ及び酸化物半導体２３０ｃよりも電子親和力が０．０７ｅＶ以上１．３ｅＶ以下、好ましくは０．１ｅＶ以上０．７ｅＶ以下、さらに好ましくは０．１ｅＶ以上０．４ｅＶ以下大きい酸化物を用いる。なお、電子親和力は、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差である。
また、酸化物半導体２３０ｂは、第１の領域、第２の領域、及び第３の領域を有する。第３の領域は、上面図において第１の領域と第２の領域に挟まれる。トランジスタ２００は、酸化物半導体２３０ｂの第１の領域上に接して導電体２４０ａを有する。また、トランジスタ２００は、酸化物半導体２３０ｂの第２の領域上に接して導電体２４０ｂを有する。導電体２４０ａは、ソース電極またはドレイン電極の一方として機能し、導電体２４０ｂは、ソース電極またはドレイン電極の他方として機能できる。よって、酸化物半導体２３０ｂの第１の領域または第２の領域の一方は、ソース領域として機能でき、他方はドレイン領域として機能できる。また、酸化物半導体２３０ｂの第３の領域はチャネル形成領域として機能できる。
なお、酸化物半導体２３０ｂに含まれる酸素欠損の量は、例えば、一定電流測定法（ＣＰＭ：Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｐｈｏｔｏｃｕｒｒｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ）などを用いて評価すればよい。ＣＰＭを用いることで、試料中の酸素欠損に起因する深い欠陥準位について評価を行うことができる。また、酸化物半導体２３０ｂに含まれる酸素欠損に捕獲された水素の量は、例えば、電子スピン共鳴（ＥＳＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｉｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）分析などを用いて評価すればよい。ＥＳＲを用いることで、試料中の酸素欠損に捕獲された水素に起因する伝導電子について評価を行うことができる。
ここで、導電体２４０ａ、導電体２４０ｂの酸化物半導体２３０ｃと接する側の側面が９０°未満のテーパー角を有することが好ましい。導電体２４０ａ、導電体２４０ｂの酸化物半導体２３０ｃと接する側の側面と底面のなす角が４５°以上７５°以下であることが好ましい。このように導電体２４０ａ、導電体２４０ｂを形成することにより、酸化物半導体２３０ｃを導電体２４０が形成する段差部にも被覆性良く成膜できる。これにより、酸化物半導体２３０ｃが段切れなどを起こして、酸化物半導体２３０ｂと絶縁体２５０などが接するのを防ぐことができる。
また、導電体２４０ａ上に層２４５ａが形成され、導電体２４０ｂ上に層２４５ｂが形成される。ここで、層２４５ａ及び層２４５ｂは、酸素が透過しにくい材料を用いることが好ましく、例えば酸化アルミニウムなどを用いることができる。これにより、導電体２４０ａ及び導電体２４０ｂの酸化によって周囲の過剰酸素が消費されることを防ぐことができる。
酸化物半導体２３０ｃは、層２４５ａ、層２４５ｂ、導電体２４０ａ、導電体２４０ｂ、酸化物半導体２３０ｂ、及び酸化物半導体２３０ａ上に形成される。ここで、酸化物半導体２３０ｃは、酸化物半導体２３０ｂの上面と、酸化物半導体２３０ｂのチャネル幅方向の側面と、酸化物半導体２３０ａのチャネル幅方向の側面と、絶縁体２２４の上面と接する。酸化物半導体２３０ｃは、酸化物半導体２３０ｂに酸素を供給する機能を有する場合がある。また、酸化物半導体２３０ｃの上に絶縁体２５０を形成することにより、絶縁体２５０から水または水素などの不純物が酸化物半導体２３０ｂに直接浸入することを防ぐことができる。また、例えば、酸素雰囲気下で成膜した酸化物を用いることが好ましい。これにより、酸化物半導体２３０ｃの形状の安定を図ることができる。
絶縁体２５０はゲート絶縁膜として機能できる。絶縁体２５０は、絶縁体２２４と同様に、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。このような絶縁体２５０を酸化物半導体２３０に接して設けることにより、酸化物半導体２３０ｂに効果的に酸素を供給できる。また、絶縁体２２４と同様に、絶縁体２５０中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。
絶縁体２５０上に導電体２６０ａを有し、導電体２６０ａ上に導電体２６０ｂを有し、導電体２６０ｂ上に導電体２６０ｃを有する。絶縁体２５０及び導電体２６０は、第３の領域と重なる領域を有する。また、絶縁体２５０、導電体２６０ａ、導電体２６０ｂ及び導電体２６０ｃの端部は概略一致する。
なお、導電体２０５または導電体２６０の一方はゲート電極として機能でき、他方はバックゲート電極として機能できる。ゲート電極とバックゲート電極で半導体のチャネル形成領域を挟むように配置される。バックゲート電極の電位は、ゲート電極と同電位としてもよいし、接地電位や、任意の電位としてもよい。また、バックゲート電極の電位をゲート電極と連動させず独立して変化させることで、トランジスタのしきい値電圧を変化させることができる。
導電体２６０ａは、酸化物で導電性を有するものが好ましい。例えば、酸化物半導体２３０として用いることができるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物のうち、導電性が高い、金属の原子数比が［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：３から４．１、及びその近傍値のものを用いることが好ましい。
導電体２６０ｂは、導電体２６０ａに窒素などの不純物を添加して導電体２６０ａの導電性を向上できる導電体が好ましい。例えば導電体２６０ｂは、窒化チタンなどを用いることが好ましい。
また、導電体２６０上に層２７０が形成されている。ここで、層２７０は、酸素が透過しにくい材料を用いることが好ましく、例えば酸化アルミニウムなどを用いることができる。これにより、導電体２６０の酸化によって周囲の過剰酸素が消費されることを防ぐことができる。このように、層２７０はゲートを保護するゲートキャップとしての機能を有する。層２７０及び酸化物半導体２３０ｃは、導電体２６０の端部を越えて延伸し、当該延伸部分で重畳する領域を有し、層２７０の端部と酸化物半導体２３０ｃの端部は概略一致している。
絶縁体２７２は、酸化物半導体２３０、導電体２４０、層２４５、絶縁体２５０、導電体２６０、及び層２７０を覆って設けられている。さらに絶縁体２７２は、酸化物半導体２３０ｂの側面、及び絶縁体２２４の上面と接して設けられている。さらに、絶縁体２７２の上に絶縁体２７４が設けられている。絶縁体２７２及び絶縁体２７４は、上層から水または水素などの不純物がトランジスタ２００などに混入するのを防ぐバリア絶縁膜として機能できる。
ここで、絶縁体２７２は、スパッタリング法を用いて成膜された酸化物絶縁体を用いることが好ましく、例えば酸化アルミニウムを用いることが好ましい。このような絶縁体２７２を用いることにより、絶縁体２２４及び酸化物半導体２３０ｂの絶縁体２７２と接する面に酸素を添加して、酸素過剰な状態にできる。
また、絶縁体２７２及び絶縁体２７４は、加熱処理を行うことにより、酸化物半導体２３０及び絶縁体２２４中の水素をゲッタリングして、外方拡散させる機能を持つことが好ましく、例えば、酸化アルミニウムを用いることが好ましい。これにより、絶縁体２２４及び酸化物半導体２３０ｂ中の水または水素などの不純物を低減させることができる。
また、絶縁体２７２及び絶縁体２７４は、水または水素などの不純物が透過しにくい絶縁性材料を用いることが好ましく、例えば、酸化アルミニウムなどを用いることが好ましい。このような絶縁体２７２を用いることにより、絶縁体２７４より上層から水素、水などの不純物が絶縁体２７２より下層に拡散するのを抑制できる。
さらに、絶縁体２７４はＡＬＤ法を用いて成膜された酸化物絶縁体を用いることが好ましく、例えば酸化アルミニウムを用いることが好ましい。ＡＬＤ法を用いて成膜された絶縁体２７４は、良好な被覆性を有し、クラックやピンホールなどの形成が抑制された膜となる。絶縁体２７２及び絶縁体２７４は凹凸を有する形状の上に設けられるが、ＡＬＤ法で成膜された絶縁体２７４を用いることにより、段切れ、クラック、ピンホールなどが形成されることなく、トランジスタ２００を絶縁体２７４で覆うことができる。これにより、絶縁体２７２に段切れなどが発生しても、絶縁体２７４で覆うことができるので、絶縁体２７２と絶縁体２７４の積層膜の、水素、水などの不純物に対するバリア性をより顕著に向上させることができる。
また、絶縁体２７２をスパッタリング法で成膜し、絶縁体２７４をＡＬＤ法で成膜した場合、導電体２６０ｃの上面が被形成面となる部分の膜厚（以下、第１の膜厚とよぶ。）と、酸化物半導体２３０ａ、酸化物半導体２３０ｂ、及び導電体２４０の側面が被形成面となる部分の膜厚（以下、第２の膜厚とよぶ。）と、で絶縁体２７２及び絶縁体２７４で膜厚の比が異なる場合がある。絶縁体２７２では、第１の膜厚と、第２の膜厚とを同程度の大きさとすることができる。これに対して、絶縁体２７４では、第１の膜厚が第２の膜厚より大きくなる場合が多く、例えば、第１の膜厚が第２の膜厚の２倍程度になる場合がある。
また、絶縁体２７２及び絶縁体２７４は、酸素が透過しにくい絶縁性材料を用いることが好ましい。これにより、絶縁体２２４、絶縁体２５０などに含まれる酸素が上方拡散するのを抑制できる。
このように、トランジスタ２００は、絶縁体２７４、絶縁体２７２、絶縁体２１４、及び絶縁体２１２に挟まれる構造とすることによって、酸素を外方拡散させず、絶縁体２２４、酸化物半導体２３０、及び絶縁体２５０中に多くの酸素を含有させることができる。さらに、絶縁体２７４の上方及び絶縁体２１２の下方から水素、または水などの不純物が混入するのを防ぎ、絶縁体２２４、酸化物半導体２３０、及び絶縁体２５０中の不純物濃度を低減させることができる。
このようにして、トランジスタ２００の半導体層として機能する酸化物半導体２３０ｂ中の酸素欠損を低減し、水素または水などの不純物を低減することで、トランジスタ２００の電気特性を安定させ、信頼性を向上させることができる。
絶縁体２７４の上には、絶縁体２８０が設けられている。絶縁体２８０は、絶縁体２２４などと同様に、膜中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。
さらに、絶縁体２８０の上に絶縁体２８２が設けられ、絶縁体２８２の上に絶縁体２８４が設けられている。絶縁体２８２及び絶縁体２８４は、上層から水または水素などの不純物がトランジスタ２００などに混入するのを防ぐバリア絶縁膜として機能できる。絶縁体２８２及び絶縁体２８４は、絶縁体２７２及び絶縁体２７４と同様に、水、水素などの不純物、及び酸素が透過しにくい絶縁性材料、例えば酸化アルミニウムを用いることが好ましい。
絶縁体２８２及び絶縁体２８４は、絶縁体２７２及び絶縁体２７４と同様に、加熱処理を行うことにより、絶縁体２８０中の水素をゲッタリングする性質をもつことが好ましく、例えば、酸化アルミニウムを用いることが好ましい。このような絶縁体２８２及び絶縁体２８４を設けることで、絶縁体２８０の膜中の水または水素などの不純物濃度を低減できる。
また、絶縁体２８４は、絶縁体２７４と同様に、ＡＬＤ法を用いて成膜された酸化物絶縁体を用いることが好ましく、例えば酸化アルミニウムを用いることが好ましい。このような絶縁体２７４を用いることにより、絶縁体２８４より上層から水素、水などの不純物が絶縁体２８２より下層に拡散するのを抑制できる。
ここで、絶縁体２１６、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、絶縁体２７２、絶縁体２７４及び絶縁体２８０には、絶縁体２１４に達する開口４８０が形成されている。絶縁体２８２は、開口４８０の内側にも成膜されており、絶縁体２１４の上面と接している。なお、図６（Ａ）では、Ｗ１−Ｗ２方向に伸長された開口４８０の一部だけが示されているが、開口４８０はトランジスタ２００及びトランジスタ４００を囲むように形成され、少なくとも酸化物半導体２３０より外側を囲むように開口４８０が形成される。また、開口４８０は閉じており、開口４８０より内側の領域と開口４８０より外側の領域を分断していることが好ましい。開口４８０において、絶縁体２１４の上面と絶縁体２８２の下面が接しており、開口４８０で囲まれる領域は、絶縁体２１４と絶縁体２８２で囲まれる領域ということができる。
このような構造とすることにより、トランジスタ２００を基板の上下方向だけでなく、側面方向からも絶縁体２８２及び絶縁体２８４で囲んで封止できる。これにより、絶縁体２８４の外側から水、または水素などの不純物がトランジスタ２００及びトランジスタ４００に拡散するのを防ぐことができる。さらに、絶縁体２８２をＡＬＤ法で成膜することにより、開口４８０においても段切れなどを起こさずに、成膜できる。これにより、絶縁体２８２に段切れなどが発生しても、絶縁体２８４で覆うことができるので、絶縁体２８２と絶縁体２８４の積層膜の、不純物に対するバリア性を向上させることができる。
また、開口４８０は、半導体装置１０００を切り出すダイシングラインまたはスクライブラインの内側に位置するように設けることが好ましい。これにより、半導体装置１０００を切り出した時も、絶縁体２８０、絶縁体２２４、絶縁体２１６などの側面が絶縁体２８２及び絶縁体２８４で封止されたままなので、これらの絶縁体から、水素または水などの不純物が浸入してトランジスタ２００及びトランジスタ４００に拡散するのを防ぐことができる。なお、ダイシングラインまたはスクライブラインの内側に開口４８０で囲まれる領域を複数設け、複数の半導体装置を個別に、絶縁体２８２及び絶縁体２８４で封止する構造としてもよい。
〔トランジスタ４００〕
図６（Ａ）、図６（Ｂ）及び図６（Ｅ）に示すように、トランジスタ４００は、基板３１０の上に配置された絶縁体２１２と、絶縁体２１２の上に配置された絶縁体２１４と、絶縁体２１４の上に配置された導電体４０３（導電体４０３ａ、及び導電体４０３ｂ）、導電体４０５（導電体４０５ａ、及び導電体４０５ｂ）、導電体４０７（導電体４０７ａ、及び導電体４０７ｂ）と、導電体４０３、導電体４０５、及び導電体４０７の上に配置された絶縁体２２０、絶縁体２２２、及び絶縁体２２４と、絶縁体２２４、導電体４０５ｂ、及び導電体４０７ｂの上に配置された酸化物半導体４３０と、酸化物半導体４３０の上に配置された絶縁体４５０と、絶縁体４５０の上に配置された導電体４６０（導電体４６０ａ、導電体４６０ｂ、及び導電体４６０ｃ）と、導電体４６０ｃの上に配置された層４７０と、層４７０の上に配置された絶縁体２７２と、絶縁体２７２の上に配置された絶縁体２７４と、を有する。以下、トランジスタ２００で説明した構成については省略する。
図６（Ａ）、図６（Ｂ）及び図６（Ｅ）に示すように、トランジスタ４００は、基板３１０の上に配置された絶縁体２１２と、絶縁体２１２の上に配置された絶縁体２１４と、絶縁体２１４の上に配置された導電体４０３（導電体４０３ａ、及び導電体４０３ｂ）、導電体４０５（導電体４０５ａ、及び導電体４０５ｂ）、導電体４０７（導電体４０７ａ、及び導電体４０７ｂ）と、導電体４０３、導電体４０５、及び導電体４０７の上に配置された絶縁体２２０、絶縁体２２２、及び絶縁体２２４と、絶縁体２２４、導電体４０５ｂ、及び導電体４０７ｂの上に配置された酸化物半導体４３０と、酸化物半導体４３０の上に配置された絶縁体４５０と、絶縁体４５０の上に配置された導電体４６０（導電体４６０ａ、導電体４６０ｂ、及び導電体４６０ｃ）と、導電体４６０ｃの上に配置された層４７０と、層４７０の上に配置された絶縁体２７２と、絶縁体２７２の上に配置された絶縁体２７４と、を有する。以下、トランジスタ２００で説明した構成については省略する。
絶縁体２１６の開口に導電体４０３、導電体４０５、及び導電体４０７が設けられる。導電体４０３、導電体４０５、及び導電体４０７は導電体２０５と同様の構成にすることが好ましい。絶縁体２１６の開口の内側に接して導電体４０３ａが形成され、さらに内側に導電体４０３ｂが形成されている。導電体４０５及び導電体４０７も、導電体４０３と同様の構成である。導電体４０５または導電体４０７の一方は、ソース電極またはドレイン電極の一方として機能でき、他方は、ソース電極またはドレイン電極の他方として機能できる。
酸化物半導体４３０は、酸化物半導体２３０ｃと同様の構成とすることが好ましい。また、酸化物半導体４３０は、第１の領域、第２の領域、及び第３の領域を有する。第３の領域は、上面図において第１の領域と第２の領域に挟まれる。トランジスタ４００は、酸化物半導体４３０の第１の領域の下に導電体４０５ｂを有し、酸化物半導体４３０の第２の領域上に導電体４０７ｂを有する。よって、酸化物半導体４３０ｃの第１の領域または第２の領域の一方は、ソース領域として機能でき、他方はドレイン領域として機能できる。また、酸化物半導体４３０ｃの第３の領域はチャネル形成領域として機能できる。
なお、トランジスタ２００では、酸化物半導体２３０ｂにチャネルが形成されるが、トランジスタ４００では酸化物半導体４３０にチャネルが形成される。酸化物半導体２３０ｂと酸化物半導体４３０は、電気的性質の異なる半導体材料を用いることが好ましい。酸化物半導体２３０ｂと酸化物半導体４３０に電気的性質の異なる半導体材料を用いることで、トランジスタ２００とトランジスタ４００の電気特性を異ならせることができる。
また、例えば、酸化物半導体４３０に、酸化物半導体２３０ｂよりも電子親和力が小さい半導体を用いることで、トランジスタ４００のしきい値電圧をトランジスタ２００よりも大きくできる。具体的には、酸化物半導体４３０及び酸化物半導体２３０ｂがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎと元素ＭとＺｎを含む酸化物）であるとき、酸化物半導体４３０をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ１：ｚ１［原子数比］、酸化物半導体２３０ｂをＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ２：ｙ２：ｚ２［原子数比］とすると、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２よりも大きくなる酸化物半導体４３０、及び酸化物半導体２３０ｂを用いればよい。酸化物半導体２３０ｂは、例えば、ターゲットの原子数比が、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：１．５、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：２．３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：４．１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：１：７等を用いて成膜したものが好ましい。また、酸化物半導体４３０は、例えば、ターゲットの原子数比が、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：２：４、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：６、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：８、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：４、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：５、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：６、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：６：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：６：４、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：６：５、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：６：６、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：６：７、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：６：８、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：６：９、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１０：１等を用いて成膜したものが好ましい。ただし、これに限られることなく、上記の式を満たす範囲で酸化物半導体４３０及び酸化物半導体２３０ｂの原子数比を適宜設定すればよい。このようなＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を用いることで、トランジスタ４００のＶｔｈをトランジスタ２００よりも大きくできる。
また、トランジスタ４００では酸化物半導体２３０のチャネルが形成される領域が絶縁体２２４と絶縁体４５０に直接接しているため、界面散乱やトラップ準位の影響を受けやすい。これにより、トランジスタ４００の電界効果移動度及びキャリア密度を小さくできる。また、トランジスタ４００のしきい値電圧をトランジスタ２００よりも大きくできる。
酸化物半導体４３０は、過剰酸素を多く含むことが好ましく、例えば、酸素雰囲気下で成膜した酸化物を用いることが好ましい。このような酸化物半導体４３０を半導体層として用いることにより、トランジスタ４００のしきい値電圧を０Ｖより大きくし、オフ電流を低減し、Ｉｃｕｔを非常に小さくできる。
絶縁体４５０は、絶縁体２５０と同様の構成とすることが好ましく、ゲート絶縁膜として機能できる。このような絶縁体４５０を酸化物半導体４３０に接して設けることにより、酸化物半導体４３０に効果的に酸素を供給できる。また、絶縁体２２４と同様に、絶縁体４５０中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。
導電体４６０は、導電体２６０と同様の構成とすることが好ましい。絶縁体４５０上に導電体４６０ａを有し、導電体４６０ａ上に導電体４６０ｂを有し、導電体４６０ｂ上に導電体４６０ｃを有する。絶縁体４５０及び導電体４６０は、第３の領域と重なる領域を有する。また、絶縁体４５０、導電体４６０ａ、導電体４６０ｂ及び導電体４６０ｃの端部は概略一致する。なお、導電体４０３または導電体４６０の一方はゲート電極として機能でき、他方はバックゲート電極として機能できる。
層４７０は、層２７０と同様の構成とすることが好ましい。導電体４６０上に層４７０が形成されている。これにより、導電体４６０の酸化によって周囲の過剰酸素が消費されることを防ぐことができる。層４７０及び酸化物半導体４３０ｃは、導電体４６０の端部を越えて延伸し、当該延伸部分で重畳する領域を有し、層４７０の端部と酸化物半導体４３０の端部は概略一致している。
トランジスタ４００も、トランジスタ２００と同様に、絶縁体２７４、絶縁体２７２、絶縁体２１４、及び絶縁体２１２に挟まれる構造とすることによって、酸素を外方拡散させず、絶縁体２２４、酸化物半導体４３０、及び絶縁体４５０中に多くの酸素を含有させることができる。さらに、絶縁体２７４の上方及び絶縁体２１２の下方から水素、または水などの不純物が混入するのを防ぎ、絶縁体２２４、酸化物半導体２３０、及び絶縁体２５０中の不純物濃度を低減させることができる。
このようにして、トランジスタ４００の半導体層として機能する酸化物半導体４３０中の酸素欠損を低減し、水素または水などの不純物を低減することで、トランジスタ４００のしきい値電圧を０Ｖより大きくし、オフ電流を低減し、Ｉｃｕｔを非常に小さくできる。さらに、トランジスタ４００の電気特性を安定させ、信頼性を向上させることができる。
このようなトランジスタ４００をスイッチング素子としてトランジスタ２００のバックゲートの電位を保持できる構成とすることにより、トランジスタ２００のオフ状態を長く維持できる。
＜構成材料について＞
〔基板〕
半導体装置を作製するのに用いる基板に大きな制限はないが、少なくとも後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、基板としてシリコンや炭化シリコンなどを材料とした単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどを材料とした化合物半導体基板等を用いることができる。また、ＳＯＩ基板や、半導体基板上に歪トランジスタやＦＩＮ型トランジスタなどの半導体素子が設けられたものなどを用いることもできる。または、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）に適用可能なヒ化ガリウム、ヒ化アルミニウムガリウム、ヒ化インジウムガリウム、窒化ガリウム、リン化インジウム、シリコンゲルマニウムなどを用いてもよい。すなわち、基板は、単なる支持基板に限らず、他のトランジスタなどのデバイスが形成された基板であってもよい。この場合、トランジスタ２００、またはトランジスタ４００のゲート、ソース、またはドレインの少なくとも一つは、上記他のデバイスと電気的に接続されていてもよい。
半導体装置を作製するのに用いる基板に大きな制限はないが、少なくとも後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、基板としてシリコンや炭化シリコンなどを材料とした単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどを材料とした化合物半導体基板等を用いることができる。また、ＳＯＩ基板や、半導体基板上に歪トランジスタやＦＩＮ型トランジスタなどの半導体素子が設けられたものなどを用いることもできる。または、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）に適用可能なヒ化ガリウム、ヒ化アルミニウムガリウム、ヒ化インジウムガリウム、窒化ガリウム、リン化インジウム、シリコンゲルマニウムなどを用いてもよい。すなわち、基板は、単なる支持基板に限らず、他のトランジスタなどのデバイスが形成された基板であってもよい。この場合、トランジスタ２００、またはトランジスタ４００のゲート、ソース、またはドレインの少なくとも一つは、上記他のデバイスと電気的に接続されていてもよい。
また、基板として、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いることもできる。なお、基板として、可撓性基板（フレキシブル基板）を用いてもよい。可撓性基板を用いる場合、可撓性基板上に、トランジスタや容量素子などを直接作製してもよいし、他の作製基板上にトランジスタや容量素子などを作製し、その後可撓性基板に剥離、転置してもよい。なお、作製基板から可撓性基板に剥離、転置するために、作製基板とトランジスタや容量素子などとの間に剥離層を設けるとよい。
可撓性基板としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維などを用いることができる。基板に用いる可撓性基板は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。基板に用いる可撓性基板は、例えば、線膨張率が１×１０−３／Ｋ以下、５×１０−５／Ｋ以下、または１×１０−５／Ｋ以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリルなどがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可撓性基板として好適である。
〔絶縁体〕
絶縁体２１６、絶縁体２２０、絶縁体２２４、絶縁体２５０、絶縁体４５０、及び絶縁体２８０は、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁材料を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、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、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、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、酸化タンタル、アルミニウムシリケートなどから選ばれた材料を、単層でまたは積層して用いる。また、酸化物材料、窒化物材料、酸化窒化物材料、窒化酸化物材料のうち、複数の材料を混合した材料を用いてもよい。
絶縁体２１６、絶縁体２２０、絶縁体２２４、絶縁体２５０、絶縁体４５０、及び絶縁体２８０は、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁材料を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、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、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、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、酸化タンタル、アルミニウムシリケートなどから選ばれた材料を、単層でまたは積層して用いる。また、酸化物材料、窒化物材料、酸化窒化物材料、窒化酸化物材料のうち、複数の材料を混合した材料を用いてもよい。
なお、本明細書中において、窒化酸化物とは、酸素よりも窒素の含有量が多い化合物をいう。また、酸化窒化物とは、窒素よりも酸素の含有量が多い化合物をいう。なお、各元素の含有量は、例えば、ラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）等を用いて測定できる。
絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２２２、絶縁体２７２、絶縁体２７４、絶縁体２８２、及び絶縁体２８４は、絶縁体２２４、絶縁体２５０、絶縁体４５０、及び絶縁体２８０より、水または水素などの不純物が透過しにくい絶縁性材料を用いて形成することが好ましい。例えば、不純物が透過しにくい絶縁性材料として、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化ガリウム、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、酸化タンタル、窒化シリコンなどを挙げることができる。これらを単層で、または積層で用いればよい。
絶縁体２１２、絶縁体２１４、及び絶縁体２２２に不純物が透過しにくい絶縁性材料を用いることで、基板側からトランジスタへの不純物の拡散を抑制し、トランジスタの信頼性を高めることができる。絶縁体２７２、絶縁体２７４、絶縁体２８２、及び絶縁体２８４に不純物が透過しにくい絶縁性材料を用いることで、絶縁体２８０よりも上層からトランジスタへの不純物の拡散を抑制し、トランジスタの信頼性を高めることができる。
なお、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２７２、絶縁体２８２、及び絶縁体２８４として、これらの材料で形成される絶縁層を複数積層して用いてもよい。また、絶縁体２１２、絶縁体２１４のどちらか一方を省略してもよい。また、絶縁体２８２、絶縁体２８４のどちらか一方を省略してもよい。
ここで、不純物が透過しにくい絶縁性材料とは、水素または水に代表される不純物の拡散を抑制する機能を有し、耐酸化性が高く、酸素の拡散を抑制する機能を有する。
例えば、酸化シリコンに対し、酸化アルミニウムは、３５０℃または４００℃の雰囲気下において、一時間当たりの酸素または水素の拡散距離が非常に小さい。従って、酸化アルミニウムは不純物が透過しにくい材料であるといえる。
また、不純物が透過しにくい絶縁性材料の一例として、例えば、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ２００等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ２００は、水素の拡散を抑制する膜で封止されていることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
水素の脱離量は、例えば、ＴＤＳなどを用いて分析できる。例えば、絶縁体２１２の水素の脱離量は、ＴＤＳにおいて、５０℃から５００℃の範囲において、水素分子に換算した脱離量が、絶縁体２１２の面積当たりに換算して、２×１０１５ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ・ｃｍ−２以下、好ましくは１×１０１５ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ・ｃｍ−２以下、より好ましくは５×１０１４ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ・ｃｍ−２以下であればよい。
また、特に、絶縁体２１６、絶縁体２２４、及び絶縁体２８０は、誘電率が低いことが好ましい。例えば、絶縁体２１６、絶縁体２２４、及び絶縁体２８０の比誘電率は、３未満、好ましくは２．４未満、さらに好ましくは１．８未満であることが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減できる。不純物が透過しにくい絶縁性材料を用いて形成することが好ましい。
また、酸化物半導体２３０として酸化物半導体を用いる場合は、酸化物半導体２３０中の水素濃度の増加を防ぐために、絶縁体中の水素濃度を低減することが好ましい。具体的には、絶縁体中の水素濃度を、（二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）において２×１０２０ａｔｏｍｓ・ｃｍ−３以下、好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ・ｃｍ−３以下、より好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ・ｃｍ−３以下、さらに好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ・ｃｍ−３以下とする。特に、絶縁体２１６、絶縁体２２４、絶縁体２５０、絶縁体４５０、及び絶縁体２８０の水素濃度を低減することが好ましい。少なくとも、酸化物半導体２３０、または酸化物半導体４３０と接する絶縁体２２４、絶縁体２５０、及び絶縁体４５０の水素濃度を低減することが好ましい。
また、酸化物半導体２３０中の窒素濃度の増加を防ぐために、絶縁体中の窒素濃度を低減することが好ましい。具体的には、絶縁体中の窒素濃度を、ＳＩＭＳにおいて５×１０１９ａｔｏｍｓ・ｃｍ−３以下、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ・ｃｍ−３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ・ｃｍ−３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ・ｃｍ−３以下とする。
また、絶縁体２２４の少なくとも酸化物半導体２３０と接する領域と、絶縁体２５０の少なくとも酸化物半導体２３０と接する領域は、欠陥が少ないことが好ましく、代表的には、電子スピン共鳴法（ＥＳＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｉｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）で観察されるシグナルが少ない方が好ましい。例えば、上述のシグナルとしては、ｇ値が２．００１に観察されるＥ’センターが挙げられる。なお、Ｅ’センターは、シリコンのダングリングボンドに起因する。絶縁体２２４及び絶縁体２５０として酸化シリコン層または酸化窒化シリコン層を用いる場合は、Ｅ’センター起因のスピン密度が、３×１０１７ｓｐｉｎｓ・ｃｍ−３以下、好ましくは５×１０１６ｓｐｉｎｓ・ｃｍ−３以下である酸化シリコン層、または酸化窒化シリコン層を用いればよい。
また、上述のシグナル以外に二酸化窒素（ＮＯ２）に起因するシグナルが観察される場合がある。当該シグナルは、Ｎの核スピンにより３つのシグナルに分裂しており、それぞれのｇ値が２．０３７以上２．０３９以下（第１のシグナルとする）、ｇ値が２．００１以上２．００３以下（第２のシグナルとする）、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下（第３のシグナルとする）に観察される。
例えば、絶縁体２２４及び絶縁体２５０として、二酸化窒素（ＮＯ２）起因のスピン密度が、１×１０１７ｓｐｉｎｓ・ｃｍ−３以上１×１０１８ｓｐｉｎｓ・ｃｍ−３未満である絶縁層を用いると好適である。
なお、二酸化窒素（ＮＯ２）を含む窒素酸化物（ＮＯｘ）は、絶縁層中に準位を形成する。当該準位は、酸化物半導体のエネルギーギャップ内に位置する。そのため、窒素酸化物（ＮＯｘ）が、絶縁層と酸化物半導体の界面に拡散すると、当該準位が絶縁層側において電子をトラップする場合がある。この結果、トラップされた電子が、絶縁層と酸化物半導体の界面近傍に留まるため、トランジスタのしきい値電圧をプラス方向にシフトさせてしまう。したがって、絶縁体２２４及び絶縁体２５０として窒素酸化物の含有量が少ない膜を用いると、トランジスタのしきい値電圧のシフトを低減できる。
窒素酸化物（ＮＯｘ）の放出量が少ない絶縁層としては、例えば、酸化窒化シリコン層を用いることができる。当該酸化窒化シリコン層は、ＴＤＳにおいて、窒素酸化物（ＮＯｘ）の放出量よりアンモニアの放出量が多い膜であり、代表的にはアンモニアの放出量が１×１０１８ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ・ｃｍ−３以上５×１０１９ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ・ｃｍ−３以下である。なお、上記のアンモニアの放出量は、ＴＤＳにおける加熱処理の温度が５０℃以上６５０℃以下、または５０℃以上５５０℃以下の範囲での総量である。
窒素酸化物（ＮＯｘ）は、加熱処理においてアンモニア及び酸素と反応するため、アンモニアの放出量が多い絶縁層を用いることで窒素酸化物（ＮＯｘ）が低減される。
また、絶縁体２１６、絶縁体２２４、絶縁体２５０、及び絶縁体４５０の少なくとも１つは、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。具体的には、ＴＤＳにて、酸素原子に換算した酸素の脱離量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ・ｃｍ−３以上、好ましくは３．０×１０２０ａｔｏｍｓ・ｃｍ−３以上である絶縁体を用いることが好ましい。
また、過剰酸素を含む絶縁層は、絶縁層に酸素を添加する処理を行って形成することもできる。酸素を添加する処理は、酸素雰囲気下による加熱処理や、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、またはプラズマ処理などを用いて行うことができる。また、酸素を含むプラズマ処理は、例えばマイクロ波を用いた高密度プラズマを発生させる電源を有する装置を用いることが好ましい。または、基板側にＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を印加する電源を有してもよい。高密度プラズマを用いることより高密度の酸素ラジカルを生成することができ、基板側にＲＦを印加することで高密度プラズマによって生成された酸素ラジカルを効率よく対象となる膜内に導くことができる。または、この装置を用いて不活性ガスを含むプラズマ処理を行った後に脱離した酸素を補うために酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。なお、酸素を添加するためのガスとしては、１６Ｏ２もしくは１８Ｏ２などの酸素ガス、亜酸化窒素ガスまたはオゾンガスなどを用いることができる。なお、本明細書では酸素を添加する処理を「酸素ドープ処理」ともいう。
また、酸素ドープ処理によって、半導体の結晶性を高めることや、水素や水などの不純物を除去することなどができる場合がある。つまり、「酸素ドープ処理」は、「不純物除去処理」ともいえる。特に、酸素ドープ処理として、減圧状態で酸素を含むプラズマ処理を行うことで、対象となる絶縁体、または酸化物中の水素、及び水に関する結合が切断されることにより、水素、及び水が脱離しやすい状態に変化する。従って、加熱しながらのプラズマ処理、または、プラズマ処理後に加熱処理を行うことが好ましい。また、加熱処理後に、プラズマ処理を行い、さらに加熱処理を行うことで、対象となる膜中の不純物濃度を低減できる。
絶縁体の形成方法は、特に限定されず、その材料に応じて、スパッタ法、ＳＯＧ法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法など）、印刷法（スクリーン印刷、オフセット印刷など）などを用いればよい。
また、層２４５ａ、層２４５ｂ、層２７０、及び層４７０として上記の絶縁層を用いてもよい。層２４５ａ、層２４５ｂ、層２７０、及び層４７０に絶縁層を用いる場合は、酸素が放出されにくい、及び／または吸収されにくい絶縁層を用いることが好ましい。
酸化物半導体２３０及び酸化物半導体４３０として、実施の形態２で示した酸化物半導体を使用できる。なお、本実施の形態ではトランジスタ２００の酸化物半導体２３０を上述の３層構造としているが、本発明の一態様はこれに限定されない。例えば、酸化物半導体２３０を、酸化物半導体２３０ａまたは酸化物半導体２３０ｃの一方がない２層構造としても構わない。もしくは、酸化物半導体２３０ａ、酸化物半導体２３０ｂ、または酸化物半導体２３０ｃのいずれか一を用いた単層構造としても構わない。または、酸化物半導体２３０ａの上もしくは下、または酸化物半導体２３０ｃの上もしくは下に、前述した半導体のいずれか一を有する４層構造としても構わない。または、酸化物半導体２３０ａの上、酸化物半導体２３０ａの下、酸化物半導体２３０ｃの上、酸化物半導体２３０ｃの下のいずれか二箇所以上に、酸化物半導体２３０ａ、酸化物半導体２３０ｂ及び酸化物半導体２３０ｃとして例示した半導体のいずれか一を有するｎ層構造（ｎは５以上の整数）としても構わない。
また、本明細書等において、チャネルが形成される半導体に酸化物半導体を用いたトランジスタを「ＯＳトランジスタ」ともいう。また、本明細書等において、チャネルが形成される半導体に結晶性を有するシリコンを用いたトランジスタを「結晶性Ｓｉトランジスタ」ともいう。
結晶性Ｓｉトランジスタは、ＯＳトランジスタよりも比較的高い移動度を得やすい。一方で、結晶性Ｓｉトランジスタは、ＯＳトランジスタのように極めて少ないオフ電流の実現が困難である。よって、半導体に用いる半導体材料は、目的や用途に応じて適宜使い分けることが肝要である。例えば、目的や用途に応じて、ＯＳトランジスタと結晶性Ｓｉトランジスタなどを組み合わせて用いてもよい。
なお、インジウムガリウム酸化物は、小さい電子親和力と、高い酸素ブロック性を有する。そのため、酸化物半導体２３０ｃがインジウムガリウム酸化物を含むと好ましい。ガリウム原子割合［Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）］は、例えば、７０％以上、好ましくは８０％以上、さらに好ましくは９０％以上とする。
ただし、酸化物半導体２３０ａ、及び酸化物半導体２３０ｃが、酸化ガリウムであっても構わない。例えば、酸化物半導体２３０ｃとして、酸化ガリウムを用いると導電体２０５と酸化物半導体２３０との間に生じるリーク電流を低減できる。即ち、トランジスタ２００のオフ電流を小さくできる。
このとき、ゲート電圧を印加すると、酸化物半導体２３０ａ、酸化物半導体２３０ｂ、酸化物半導体２３０ｃのうち、電子親和力の大きい酸化物半導体２３０ｂにチャネルが形成される。
酸化物半導体を用いたトランジスタに安定した電気特性と良好な信頼性を付与するためには、酸化物半導体中の不純物及び酸素欠損を低減して高純度真性化し、少なくとも酸化物半導体２３０ｂを真性または実質的に真性と見なせる酸化物半導体とすることが好ましい。また、少なくとも酸化物半導体２３０ｂ中のチャネル形成領域が真性または実質的に真性と見なせる半導体とすることが好ましい。
また、層２４５ａ、層２４５ｂ、層２７０、及び層４７０を酸化物半導体２３０、または酸化物半導体４３０と同様の材料及び方法で形成してもよい。層２４５ａ、層２４５ｂ、層２７０、及び層４７０に酸化物半導体を用いる場合は、酸素が放出されにくい、または吸収されにくい酸化物半導体を用いることが好ましい。
〔導電体〕
導電体２０５、導電体４０３、導電体４０５、導電体４０７、導電体２４０、導電体２６０及び導電体４６０を形成するための導電性材料としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウムなどから選ばれた金属元素を１種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
導電体２０５、導電体４０３、導電体４０５、導電体４０７、導電体２４０、導電体２６０及び導電体４６０を形成するための導電性材料としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウムなどから選ばれた金属元素を１種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
また、前述した金属元素及び酸素を含む導電性材料を用いてもよい。また、前述した金属元素及び窒素を含む導電性材料を用いてもよい。例えば、窒化チタン、窒化タンタルなどの窒素を含む導電性材料を用いてもよい。また、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ：Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、タングステンを含むインジウム酸化物、タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、チタンを含むインジウム酸化物、チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、シリコンを添加したインジウム錫酸化物を用いてもよい。また、窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いてもよい。
また、上記の材料で形成される導電層を複数積層して用いてもよい。例えば、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。
なお、導電体２０５ｂ、導電体４０３ｂ、導電体４０５ｂ、及び導電体４０７ｂとしては、例えば、タングステン、ポリシリコン等の導電性材料を用いればよい。また、絶縁体２１２及び絶縁体２１４と接する、導電体２０５ａ、導電体４０３ａ、導電体４０５ａ、及び導電体４０７ａとして、チタン層、窒化チタン層、窒化タンタル層などのバリア層（拡散防止層）を積層または単層で用いることができる。
絶縁体２１２及び絶縁体２１４に不純物が透過しにくい絶縁性材料を用い、絶縁体２１２及び絶縁体２１４と接する、導電体２０５ａ、導電体４０３ａ、導電体４０５ａ、及び導電体４０７ａに不純物が透過しにくい導電性材料を用いることで、トランジスタ２００及びトランジスタ４００への不純物の拡散をさらに抑制できる。よって、トランジスタ２００及びトランジスタ４００の信頼性をさらに高めることができる。
また、層２４５ａ、層２４５ｂ、層２７０、及び層４７０として上記の導電性材料を用いてもよい。層２４５ａ、層２４５ｂ、層２７０、及び層４７０に導電性材料を用いる場合は、酸素が放出されにくい、及び／または吸収されにくい導電性材料を用いることが好ましい。
＜半導体装置１０００の作製方法例＞
半導体装置１０００の作製方法例について図７乃至図２６を用いて説明する。ここで、図７乃至図２６は、図６と対応している。図７（Ａ）乃至図２６（Ａ）は半導体装置１０００の上面図である。図７（Ｂ）乃至図２６（Ｂ）は、図７（Ａ）乃至図２６（Ａ）中の一点鎖線Ｌ１−Ｌ２に対応しており、トランジスタ２００及びトランジスタ４００のチャネル長方向の断面図である。また、図７（Ｃ）乃至図２６（Ｃ）は、図７（Ａ）乃至図２６（Ａ）中の一点鎖線Ｗ１−Ｗ２に対応しており、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図である。また、図７（Ｄ）乃至図２６（Ｄ）は、図７（Ａ）乃至図２６（Ａ）中の一点鎖線Ｗ３−Ｗ４に対応するトランジスタ２００の断面図である。また、図７（Ｅ）乃至図２６（Ｅ）は、図７（Ａ）乃至図２６（Ａ）中の一点鎖線Ｗ５−Ｗ６に対応しており、トランジスタ４００のチャネル幅方向の断面図である。
半導体装置１０００の作製方法例について図７乃至図２６を用いて説明する。ここで、図７乃至図２６は、図６と対応している。図７（Ａ）乃至図２６（Ａ）は半導体装置１０００の上面図である。図７（Ｂ）乃至図２６（Ｂ）は、図７（Ａ）乃至図２６（Ａ）中の一点鎖線Ｌ１−Ｌ２に対応しており、トランジスタ２００及びトランジスタ４００のチャネル長方向の断面図である。また、図７（Ｃ）乃至図２６（Ｃ）は、図７（Ａ）乃至図２６（Ａ）中の一点鎖線Ｗ１−Ｗ２に対応しており、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図である。また、図７（Ｄ）乃至図２６（Ｄ）は、図７（Ａ）乃至図２６（Ａ）中の一点鎖線Ｗ３−Ｗ４に対応するトランジスタ２００の断面図である。また、図７（Ｅ）乃至図２６（Ｅ）は、図７（Ａ）乃至図２６（Ａ）中の一点鎖線Ｗ５−Ｗ６に対応しており、トランジスタ４００のチャネル幅方向の断面図である。
なお、以下において、絶縁体を形成するための絶縁性材料、導電体を形成するための導電性材料、または半導体を形成するための半導体材料は、スパッタリング法、スピンコート法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法（熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ）法、高密度プラズマＣＶＤ（Ｈｉｇｈ ｄｅｎｓｉｔｙ ｐｌａｓｍａ ＣＶＤ）法、ＬＰＣＶＤ法（ｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ＣＶＤ）、ＡＰＣＶＤ法（ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ＣＶＤ）等を含む）、ＡＬＤ法、または、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、または、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を適宜用いて形成できる。
プラズマＣＶＤ法は、比較的低温で高品質の膜が得られる。ＭＯＣＶＤ法、ＡＬＤ法、または熱ＣＶＤ法などの、成膜時にプラズマを用いない成膜方法を用いると、被形成面にダメージが生じにくく、また、欠陥の少ない膜が得られる。
なお、ＡＬＤ法により成膜する場合は、材料ガスとして塩素を含まないガスを用いることが好ましい。
まず、基板３１０の上に絶縁体２１２、絶縁体２１４、及び絶縁体２１６を順に成膜する。
実施の形態１で示したように、μ―ＰＣＤ測定で用いる励起光のエネルギーより、バンドギャップが小さい基板を用いる場合、基板に多数のキャリアが発生する。これにより、μ―ＰＣＤ測定で得られる情報に基板由来の情報が多く含まれることになり、酸化物半導体を評価しづらくなる場合がある。バンドギャップの小さい基板で半導体装置を作製する場合は、別途ガラス基板や石英基板などのバンドギャップが大きい基板を用意し、モニタ基板としてガラス基板や石英基板などで半導体装置を作製し、トランジスタ作製工程途中で適宜μ―ＰＣＤ測定を行うことで、酸化物半導体のキャリア密度の評価が可能となる。
本実施の形態では、絶縁体２１２として、ＡＬＤ法により酸化アルミニウムを形成する。ＡＬＤ法を用いて絶縁層を形成することで、緻密な、クラックやピンホールなどの欠陥が低減された、または均一な厚さを備える絶縁層を形成できる。
本実施の形態では、絶縁体２１４として、スパッタリング法により酸化アルミニウムを形成する。また、前述した通り、絶縁体２２４は過剰酸素を含む絶縁体であることが好ましい。また、絶縁体２１６の形成後に酸素ドープ処理を行ってもよい。
次に、絶縁体２１６上にレジストマスクを形成して絶縁体２１６に、導電体２０５、導電体４０５、導電体４０３、及び導電体４０７に対応する開口を形成する。レジストマスクの形成は、フォトリソグラフィ法、印刷法、インクジェット法等を適宜用いて行うことができる。レジストマスクを印刷法やインクジェット法などで形成すると、フォトマスクを使用しないため製造コストを低減できる。
フォトリソグラフィ法によるレジストマスクの形成は、感光性レジストにフォトマスクを介して光を照射し、現像液を用いて感光した部分（または感光していない部分）のレジストを除去して行なうことができる。感光性レジストに照射する光は、ＫｒＦエキシマレーザ光、ＡｒＦエキシマレーザ光、ＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光などがある。また、基板と投影レンズとの間に液体（例えば水）を満たして露光する液浸技術を用いてもよい。また、前述した光に代えて、電子ビームやイオンビームを用いてもよい。なお、電子ビームやイオンビームを用いる場合には、フォトマスクは不要となる。なお、レジストマスクの除去は、アッシングなどのドライエッチング法または専用の剥離液などを用いたウェットエッチング法で行うことができる。ドライエッチング法とウェットエッチング法の両方を用いてもよい。
なお、開口の形成時に、絶縁体２１４の一部も除去される場合がある。絶縁体２１４、及び絶縁体２１６のエッチングは、ドライエッチング法や、ウェットエッチング法などを用いて行なうことができる。ドライエッチング法とウェットエッチング法の両方を用いてもよい。開口を形成後、レジストマスクを除去する。
次に、絶縁体２１４及び絶縁体２１６上に、導電体２０５ａ、導電体４０３ａ、導電体４０５ａ、及び導電体４０７ａとなる導電膜、及び導電体２０５ｂ、導電体４０３ｂ、導電体４０５ｂ、及び導電体４０７ｂとなる導電膜を成膜する。本実施の形態では、導電体２０５ａ、導電体４０３ａ、導電体４０５ａ、及び導電体４０７ａとなる導電膜としてスパッタリング法により窒化タンタルと窒化チタンの積層膜を形成する。また、導電体２０５ｂ、導電体４０３ｂ、導電体４０５ｂ、及び導電体４０７ｂとなる導電膜としてスパッタリング法によりタングステンを形成する。
次に、化学的機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理（「ＣＭＰ処理」ともいう。）を行なって、導電体２０５ａ、導電体２０５ｂ、導電体４０３ａ、導電体４０３ｂ、導電体４０５ａ、導電体４０５ｂ、導電体４０７ａ、及び導電体４０７ｂを形成する（図８（Ａ）乃至図８（Ｅ）参照）。ＣＭＰ処理によって、導電膜の一部が除去される。この時、絶縁体２１６の表面の一部も除去される場合がある。ＣＭＰ処理を行うことで試料表面の凹凸が低減し、この後形成される絶縁層や導電層の被覆性を高めることができる。
なお、導電体２０５、導電体４０５、導電体４０３、及び導電体４０７と、はデュアルダマシン法を用いることで、同時に作製できる。このようにして、導電体２０５、導電体４０３、導電体４０５、及び導電体４０７を形成する。
絶縁体２１６、導電体２０５、導電体４０３、導電体４０５、及び導電体４０７上に、絶縁体２２０、絶縁体２２２、及び絶縁体２２４を順に成膜する（図９（Ａ）乃至図９（Ｅ）参照）。本実施の形態では、絶縁体２２０としてＡＬＤ法により、酸化ハフニウムを成膜し、絶縁体２２４としてＣＶＤ法により、酸化シリコンを成膜する。
ここで、絶縁体２２４は、膜中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。このため、窒素や希ガスなどを含む不活性ガス雰囲気下で加熱処理を行って、水または水素などの不純物を外方拡散させることが好ましい。加熱処理の詳細については、後述する。また、絶縁体２２４は過剰酸素を含む絶縁層であることが好ましい。このため、絶縁体２２４の形成後に酸素ドープ処理を行ってもよい。
次に、酸化物半導体２３０Ａ、酸化物半導体２３０Ｂ、導電膜２４０Ａ、膜２４５Ａ、及び導電膜２４７Ａを順に成膜する（図１０（Ａ）乃至図１０（Ｅ）参照）。
酸化物半導体２３０及び酸化物半導体４３０を形成する酸化物半導体２３０Ａ及び酸化物半導体２３０Ｂは、スパッタリング法で形成することが好ましい。スパッタリング法で形成すると酸化物半導体２３０及び酸化物半導体４３０の密度を高められるため、好適である。スパッタリングガスには、希ガス（代表的にはアルゴン）、酸素、または、希ガス及び酸素の混合ガスを用いればよい。また、基板を加熱しながら成膜を行ってもよい。
また、スパッタリングガスの高純度化も必要である。例えば、スパッタリングガスとして用いる酸素ガスや希ガスは、露点が−６０℃以下、好ましくは−１００℃以下にまで高純度化したガスを用いる。高純度化されたスパッタリングガスを用いて成膜することで、酸化物半導体２３０及び酸化物半導体４３０に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。
また、スパッタリング法で酸化物半導体２３０Ａ及び酸化物半導体２３０Ｂを成膜する場合、スパッタリング装置が有する成膜室内の水分を可能な限り除去することが好ましい。例えば、クライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて、成膜室内を高真空（５×１０−７Ｐａから１×１０−４Ｐａ程度まで）に排気することが好ましい。特に、スパッタリング装置の待機時における、成膜室内のＨ２Ｏに相当するガス分子（ｍ／ｚ＝１８に相当するガス分子）の分圧を１×１０−４Ｐａ以下、好ましく５×１０−５Ｐａ以下とすることが好ましい。
本実施の形態では、酸化物半導体２３０Ａをスパッタリング法で形成する。また、スパッタリングガスとして酸素、または、酸素と希ガスの混合ガスを用いる。スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を高めることで、成膜される酸化膜中の過剰酸素を増やすことができる。
また、酸化物半導体２３０Ｂの形成時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が絶縁体２２４、絶縁体２２２、及び２１６に供給される場合がある。スパッタリングガスに含まれる酸素が多いほど、絶縁体２２４、絶縁体２２２、及び２１６に供給される酸素も増加する。従って、絶縁体２２４、絶縁体２２２、絶縁体２１６に過剰酸素を有する領域を形成できる。また、絶縁体２２４、絶縁体２２２、及び２１６に供給された酸素の一部は、絶縁体２２４、絶縁体２２２、及び２１６中に残存する水素と反応して水となり、後の加熱処理によって絶縁体２２４、絶縁体２２２、及び２１６から放出される。このようにして、絶縁体２２４、絶縁体２２２、及び２１６中の水素濃度を低減できる。
従って、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合は、７０％以上が好ましく、８０％以上がさらに好ましく、１００％がより好ましい。酸化物半導体２３０Ａに過剰酸素を含む酸化物を用いることで、後の加熱処理によって酸化物半導体２３０ｂに酸素を供給できる。
続いて、酸化物半導体２３０Ｂをスパッタリング法で形成する。この時、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を１％以上３０％以下、好ましくは５％以上２０％以下として成膜すると、酸素欠乏型の酸化物半導体が形成される。酸素欠乏型の酸化物半導体を用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られる。
次に実施の形態１に示す方法でμ―ＰＣＤ測定を行い、得られたピーク値及びライフタイムτ１から、酸化物半導体２３０Ａ及び酸化物半導体２３０Ｂのキャリア密度を評価する。これにより、酸化物半導体２３０Ａ及び酸化物半導体２３０Ｂの成膜工程に異常がないか、効率良く、確認できる。異常がある場合は、即座に製造工程にフィードバックし、成膜工程の確認を行うことができる。トランジスタ作製工程途中にμ―ＰＣＤ測定を行うことにより、時間遅延なく異常工程を発見でき、即座に異常に対応できる。また、異常のあった試料をトランジスタ製造工程から外すことにより、後の工程を流す無駄を排除できる。
トランジスタ作製工程途中のμ―ＰＣＤ測定について一例を示したが、μ―ＰＣＤ測定を行う工程はこれに限られない。他の工程で、適宜μ―ＰＣＤ測定を行っても良い。
なお、酸化物半導体２３０Ｂに酸素欠乏型の酸化物半導体を用いる場合は、酸化物半導体２３０Ａに過剰酸素を含む酸化膜を用いることが好ましい。また、酸化物半導体２３０Ｂの形成後に酸素ドープ処理を行ってもよい。
なお、酸化物半導体２３０Ａ及び酸化物半導体２３０Ｂの成膜後に、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理条件の詳細については、後述する。本実施の形態では、酸素ガス雰囲気中で４００℃１時間の加熱処理行う。これにより、酸化物半導体２３０Ａ、及び酸化物半導体２３０Ｂ中に酸素が導入される。より好ましくは、酸素ガス雰囲気の加熱処理の前に、窒素ガス雰囲気中で４００℃、１時間の加熱処理を行なう。始めに窒素ガス雰囲気中で加熱処理を行うことにより、酸化物半導体２３０Ａ、及び酸化物半導体２３０Ｂに含まれる水分または水素などの不純物が放出されて、酸化物半導体２３０Ａ、及び酸化物半導体２３０Ｂ中の不純物濃度を低減できる。
次に実施の形態１に示す方法でμ―ＰＣＤ測定を行い、得られたピーク値及びライフタイムτ１から、酸化物半導体２３０Ａ及び酸化物半導体２３０Ｂのキャリア密度を評価する。これにより、酸化物半導体２３０Ａ及び酸化物半導体２３０Ｂに異常がないか、効率良く、確認できる。
トランジスタ作製工程途中のμ―ＰＣＤ測定について一例を示したが、μ―ＰＣＤ測定を行う工程はこれに限られない。他の工程で、適宜μ―ＰＣＤ測定を行っても良い。
次に、導電膜２４０Ａを成膜する。本実施の形態では、導電膜２４０Ａとして、窒化タンタルをスパッタリング法で形成する。窒化タンタルは、耐酸化性が高いため、後工程において加熱処理を行う場合に好ましい。
次に、膜２４５Ａを成膜する。本実施の形態では、膜２４５Ａとして、ＡＬＤ法により酸化アルミニウムを形成する。ＡＬＤ法を用いて形成することで、緻密な、クラックやピンホールなどの欠陥が低減された、または均一な厚さを備える膜を形成できる。
導電膜２４７Ａは、後の工程で導電体２４０ａ及び導電体２４０ｂを形成するためのハードマスクとなる。本実施の形態では、導電膜２４７Ａとして窒化タンタルを用いる。
次に、フォトリソグラフィ法を用いて、膜２４５Ａ及び導電膜２４７Ａを加工して、膜２４５Ｂ及び導電膜２４７Ｂを形成する（図１１（Ａ）乃至図１１（Ｅ）参照）。膜２４５Ｂ及び導電膜２４７Ｂは開口を有する。
なお、開口を形成する際に、膜２４５Ｂ及び導電膜２４７Ｂの開口側の側面は、酸化物半導体２３０ｂの上面に対して、角度を有することが好ましい。なお、角度は、３０度以上９０度以下、好ましくは４５度以上８０度以下とする。また、本レジストマスクによる開口の形成は、最小加工寸法を用いて行うことが好ましい。つまり、膜２４５Ｂは、幅が最小加工寸法の開口部を有する。
次に、膜２４５Ｂ及び導電膜２４７Ｂ上に、フォトリソグラフィ法により、レジストマスク２９０を形成する（図１２（Ａ）乃至図１２（Ｅ）参照）。
次に、レジストマスク２９０をマスクとして用いて、導電膜２４０Ａ、膜２４５Ｂ、及び導電膜２４７Ｂの一部を選択的に除去し、島状に加工する（図１３（Ａ）乃至図１３（Ｅ）参照）。このようにして、導電膜２４０Ａから島状の導電膜２４０Ｂが、膜２４５Ｂから、層２４５ａ、及び層２４５ｂが、導電膜２４７Ｂから導電体２４７ａ、及び導電体２４７ｂが、形成される。なお、膜２４５Ｂの開口を最小加工寸法とした場合、層２４５ａ、及び層２４５ｂの間の距離は、最小加工寸法となる。
なお、導電膜２４０Ａ、膜２４５Ａ、及び導電膜２４７Ａの除去は、ドライエッチング法や、ウェットエッチング法などを用いて行なうことができる。ドライエッチング法とウェットエッチング法の両方を用いてもよい。
続いて、導電膜２４０Ｂをマスクとして酸化物半導体２３０Ａ、及び酸化物半導体２３０Ｂの一部を選択的に除去する（図１４（Ａ）乃至図１４（Ｅ）参照）。このとき、同時に絶縁体２２４の一部も除去される場合がある。その後レジストマスクを除去することにより、島状の酸化物半導体２３０ａ、及び島状の酸化物半導体２３０ｂを形成できる。
なお、酸化物半導体２３０Ａ及び酸化物半導体２３０Ｂの除去は、ドライエッチング法や、ウェットエッチング法などを用いて行なうことができる。ドライエッチング法とウェットエッチング法の両方を用いてもよい。
続いて、層２４５ａ、層２４５ｂ、導電体２４７ａ及び導電体２４７ｂをマスクとして、ドライエッチング法を用いることで、及び導電膜２４０Ｂの一部を選択的に除去する。該エッチング工程により、導電膜２４０Ｂを導電体２４０ａと導電体２４０ｂに分離する（図１５（Ａ）乃至図１５（Ｅ）参照）。
ドライエッチングに使用するガスは、例えば、Ｃ４Ｆ６ガス、Ｃ２Ｆ６ガス、Ｃ４Ｆ８ガス、ＣＦ４ガス、ＳＦ６ガスまたはＣＨＦ３ガスなどを単独または２以上のガスを混合して用いることができる。または、上記ガスに酸素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガスまたは水素ガスなどを適宜添加できる。特に、プラズマによって有機物を生成できるガスを用いることが好ましい。例えば、Ｃ４Ｆ６ガス、Ｃ４Ｆ８ガス、またはＣＨＦ３ガスのいずれか一に、ヘリウムガス、アルゴンガスまたは水素ガスなどを適宜添加したものを使用することが好ましい。
ここで、導電体２４７ａ及び導電体２４７ｂはハードマスクとして機能し、エッチングの進行に伴って導電体２４７ａ及び導電体２４７ｂも除去される。
有機物を生成できるガスを用いて、層２４５ａ、層２４５ｂ、導電体２４７ａ及び導電体２４７ｂの側面に有機物を付着させながら、導電膜２４０Ｂをエッチングすることで、導電体２４０ａ及び導電体２４０ｂの酸化物半導体２３０ｃと接する側の側面にテーパー形状を形成できる。
導電体２４０ａ及び導電体２４０ｂは、トランジスタ２００のソース電極及びドレイン電極としての機能を有するので、導電体２４０ａ及び導電体２４０ｂのお互いに向かい合う間隔の長さは、本トランジスタのチャネル長と呼ぶことができる。つまり、膜２４５Ｂの開口を最小加工寸法とした場合、層２４５ａ、及び層２４５ｂの間の距離は、最小加工寸法であるため、最小加工寸法より小さなゲート線幅及びチャネル長を形成できる。
なお、膜２４５Ｂの開口の側面が有する角度は、導電膜２４０Ｂのエッチング速度と、層２４５ａ、及び層２４５ｂの側面に堆積する有機物の堆積速度の比に応じて制御できる。例えば、該エッチング速度と有機物の堆積速度の比が１であれば角度は４５度とすればよい。
エッチング速度と有機物の堆積速度の比は、エッチングに使用するガスに応じて、適宜エッチング条件を設定すればよい。例えば、エッチングガスとして、Ｃ４Ｆ８ガスとアルゴンガスの混合ガスを使用して、エッチング装置の高周波電力とエッチング圧力を制御することでエッチング速度と有機物の堆積速度の比を制御できる。
また、ドライエッチング法により導電体２４０ａ及び導電体２４０ｂを形成した場合は、露出した酸化物半導体２３０ｂにエッチングガスの残留成分などの不純物元素が付着する場合がある。例えば、エッチングガスとして塩素系ガスを用いると、塩素などが付着する場合がある。また、エッチングガスとして炭化水素系ガスを用いると、炭素や水素などが付着する場合がある。このため、酸化物半導体２３０ｂの露出した表面に付着した不純物元素を低減することが好ましい。当該不純物の低減は、例えば、フッ化水素酸などを用いた洗浄処理、オゾンなどを用いた洗浄処理、または紫外線などを用いた洗浄処理で行なえばよい。なお、複数の洗浄処理を組み合わせてもよい。
また、酸化性ガスを用いたプラズマ処理を行ってもよい。例えば、亜酸化窒素ガスを用いたプラズマ処理を行う。当該プラズマ処理を行うことで、酸化物半導体２３０ｂ中のフッ素濃度を低減できる。また、試料表面の有機物を除去する効果も得られる。
また、露出した酸化物半導体２３０ｂに対して、酸素ドープ処理を行ってもよい。また、後述する加熱処理を行ってもよい。
また、例えば、層２４５ａ、及び層２４５ｂをマスクとして加工を行うことで、導電膜２４０Ｂと、絶縁体２２４との選択比が比較的高いエッチングガスを用いることができる。従って、絶縁体２２４の合計膜厚が薄い構造においても、下方にある配線層まで、オーバーエッチングされることを防止できる。また、絶縁体２２４の合計膜厚が薄くすることで導電体２０５からの電圧が効率的にかかる為、消費電力が低いトランジスタを提供できる。
次に、酸化物半導体２３０ａ、及び酸化物半導体２３０ｂに含まれる水分または水素などの不純物をさらに低減して、酸化物半導体２３０ａ、及び酸化物半導体２３０ｂを高純度化するために、加熱処理を行うことが好ましい。
また、加熱処理の前に、酸化性ガスを用いたプラズマ処理を行ってもよい。例えば、亜酸化窒素ガスを用いたプラズマ処理を行う。当該プラズマ処理を行うことで、露出した絶縁層中のフッ素濃度を低減できる。また、試料表面の有機物を除去する効果も得られる。
加熱処理は、例えば、窒素や希ガスなどを含む不活性ガス雰囲気下、酸化性ガス雰囲気下、又は超乾燥エア（ＣＲＤＳ（キャビティリングダウンレーザー分光法）方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が２０ｐｐｍ（露点換算で−５５℃）以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）雰囲気下で行なう。なお、「酸化性ガス雰囲気」とは、酸素、オゾンまたは窒化酸素などの酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上含有する雰囲気をいう。また、「不活性ガス雰囲気」とは、前述の酸化性ガスが１０ｐｐｍ未満であり、その他、窒素または希ガスで充填された雰囲気をいう。加熱処理中の圧力に特段の制約はないが、加熱処理は減圧下で行なうことが好ましい。
また、加熱処理を行うことにより、不純物の放出と同時に絶縁体２２４に含まれる酸素を酸化物半導体２３０ａ、及び酸化物半導体２３０ｂ中に拡散させ、該酸化物に含まれる酸素欠損を低減できる。なお、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。なお、加熱処理は酸化物半導体２３０ａ、及び酸化物半導体２３０ｂの形成後であればいつ行ってもよい。
加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下で行えばよい。処理時間は２４時間以内とする。２４時間を超える加熱処理は生産性の低下を招くため好ましくない。また、導電体としてＣｕなどの加熱により拡散しやすい金属を用いている場合、加熱処理温度を４１０℃以下、好ましくは４００℃以下とすればよい。
本実施の形態では、窒素ガス雰囲気中で４００℃、１時間の加熱処理を行った後、窒素ガスを酸素ガスに換えて、さらに４００℃、１時間の加熱処理を行なう。始めに窒素ガス雰囲気中で加熱処理を行うことにより、酸化物半導体２３０ａ、及び酸化物半導体２３０ｂに含まれる水分または水素などの不純物が放出されて、酸化物半導体２３０ａ、及び酸化物半導体２３０ｂ中の不純物濃度が低減される。続いて酸素ガス雰囲気中で加熱処理を行うことにより、酸化物半導体２３０ａ、及び酸化物半導体２３０ｂ中に酸素が導入される。
また、加熱処理時、導電膜２４０Ｂの上面の一部は、層２４５ａ、及び層２４５ｂに覆われているため、上面からの酸化を防ぐことができる。
次に、フォトリソグラフィ法を用いて、絶縁体２２０、絶縁体２２２、及び絶縁体２２４に開口を形成する。なお、開口は導電体４０５ｂ、及び導電体４０７ｂ上に設ける（図１６（Ａ）乃至図１６（Ｅ）参照。）。
次に、後に酸化物半導体２３０ｃ、及び酸化物半導体４３０となる酸化物半導体２３０Ｃを形成する。本実施の形態では、酸化物半導体２３０Ｃは、酸化物半導体２３０Ａと同様に、過剰酸素を多く含む酸化物を用いる。酸化物半導体２３０Ｃに過剰酸素を含む半導体を用いることで、後の加熱処理によって酸化物半導体２３０ｂに酸素を供給できる。
また、酸化物半導体２３０ａと同様に、酸化物半導体２３０ｃの形成時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が絶縁体２２４、絶縁体２２２、及び絶縁体２１６に供給され、過剰酸素領域を形成する場合がある。また、絶縁体２２４、絶縁体２２２、及び絶縁体２１６中に供給された酸素の一部は、絶縁体２２４、絶縁体２２２、及び絶縁体２１６中に残存する水素と反応して水となり、後の加熱処理によって絶縁体２２４、絶縁体２２２、及び絶縁体２１６から放出される。よって、絶縁体２２４、絶縁体２２２、及び絶縁体２１６中の水素濃度を低減できる。
なお、酸化物半導体２３０Ｃを形成後に、酸素ドープ処理、または加熱処理の一方、あるいは両方を行ってもよい。加熱処理を行うことで、酸化物半導体２３０ａ及び酸化物半導体２３０ｃに含まれる酸素を酸化物半導体２３０ｂに供給できる。酸化物半導体２３０ｂに酸素を供給することで、酸化物半導体２３０ｂ中の酸素欠損を低減できる。よって、酸化物半導体２３０ｂに酸素欠乏型の酸化物半導体を用いる場合は、酸化物半導体２３０ｃに過剰酸素を含む半導体を用いることが好ましい。
酸化物半導体２３０ｃの一部は、酸化物半導体２３０ｂのチャネル形成領域と接する。また、酸化物半導体２３０ｂのチャネルが形成される領域の上面及び側面は、酸化物半導体２３０ｃによって覆われる。このようにして、酸化物半導体２３０ｂを、酸化物半導体２３０ａと酸化物半導体２３０ｃで取り囲むことができる。酸化物半導体２３０ｂを、酸化物半導体２３０ａと酸化物半導体２３０ｃで取り囲むことで、後の工程において生じる不純物の酸化物半導体２３０ｂへの拡散を抑制できる。
次に、酸化物半導体２３０Ｃ上に絶縁膜２５０Ａを形成する（図１７（Ａ）乃至図１７（Ｅ）参照）。本実施の形態では、絶縁膜２５０ＡとしてＣＶＤ法により酸化窒化シリコンを形成する。なお、絶縁膜２５０Ａは過剰酸素を含む絶縁層であることが好ましい。また、絶縁膜２５０Ａに酸素ドープ処理を行ってもよい。また、絶縁膜２５０Ａ形成後に、加熱処理を行ってもよい。
次に、導電膜２６０Ａ、導電膜２６０Ｂ、導電膜２６０Ｃの順に成膜する（図１８（Ａ）乃至図１８（Ｅ）参照。）。本実施の形態では、導電膜２６０Ａとしてスパッタリング法で成膜した金属酸化物を用い、導電膜２６０Ｂとして窒化チタンを用い、導電膜２６０Ｃとしてタングステンを用いる。導電膜２６０Ａはスパッタリング法を用いて成膜することにより、絶縁体２５０に酸素を添加して、酸素過剰な状態にできる。よって、絶縁体２５０から酸化物半導体２３０ｂに効果的に酸素を供給できる。
次に、フォトリソグラフィ法を用いて、絶縁膜２５０Ａ、導電膜２６０Ａ、導電膜２６０Ｂ、及び導電膜２６０Ｃの一部を選択的に除去して、絶縁体２５０、絶縁体４５０、導電体２６０ａ、導電体２６０ｂ、導電体２６０ｃ、導電体４６０ａ、導電体４６０ｂ、及び導電体４６０ｃを形成する（図１９（Ａ）乃至図１９（Ｅ）参照）。
なお、μ―ＰＣＤ測定で用いる励起光のエネルギーより、導電体２０５、導電体４０３、導電体４０５、導電体４０７、導電体２４０、導電体２６０及び導電体４６０のバンドギャップが小さい場合、導電体２０５、導電体４０３、導電体４０５、導電体４０７、導電体２４０、導電体２６０及び導電体４６０に多数のキャリアが発生する。これにより、μ―ＰＣＤ測定で得られる情報に導電体２０５、導電体４０３、導電体４０５、導電体４０７、導電体２４０、導電体２６０及び導電体４６０由来の情報が多く含まれることになり、酸化物半導体を評価しづらくなる場合がある。別途ガラス基板や石英基板などのバンドギャップが大きい基板を用意し、モニタ基板としてガラス基板や石英基板などで導電体２０５、導電体４０３、導電体４０５、導電体４０７、導電体２４０、導電体２６０及び導電体４６０を設けずに半導体装置を作製し、μ―ＰＣＤ測定を行うことで、酸化物半導体のキャリア密度の評価が可能となる。
次に、後の工程で層２７０及び層４７０に加工される膜２７０Ａを成膜する（図２０（Ａ）乃至図２０（Ｅ）参照）。膜２７０Ａは、ゲートキャップとして機能し、本実施の形態ではＡＬＤ法で成膜した酸化アルミニウムを用いる。
上述の通り、トランジスタ２００及びトランジスタ４００に安定な電気特性と良好な信頼性を付与するにあたって、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２７２、絶縁体２７４、絶縁体２８２、及び絶縁体２８４によって、内部の酸素を外方拡散させずに酸化物半導体２３０及び酸化物半導体４３０に供給し、外部の水素又は水などの不純物をトランジスタ２００及びトランジスタ４００に混入させないことが重要である。
次に、フォトリソグラフィ法を用いて、膜２７０Ａの一部を選択的に除去して、層２７０及び層４７０を形成する。このように、導電体２６０上に層２７０を形成することにより、導電体２６０の酸化によって周囲の過剰酸素が消費されることを防ぐことができる。
層２７０及び層４７０のエッチングは、ドライエッチング法や、ウェットエッチング法などを用いて行なうことができる。本実施の形態では、ドライエッチング法を用いて層２７０及び層４７０を形成する。このとき、酸化物半導体２３０Ｃの一部を除去できる場合があるが、酸化物半導体２３０ａ及び酸化物半導体２３０ｂの側面などに酸化物半導体２３０Ｃの残渣が形成されやすい。
次に、層２７０及び層４７０をマスクとして、酸化物半導体２３０Ｃをエッチングする（図２１（Ａ）乃至図２１（Ｅ）参照）。当該工程のエッチング処理は、ウェットエッチングなどで行えばよく、本実施の形態では、リン酸を用いてウェットエッチングを行う。これにより、島状の酸化物半導体２３０ｃ及び島状の酸化物半導体４３０が形成される。酸化物半導体２３０Ｃの一部が残渣として残っていた場合でも、これを除去し、酸化物半導体２３０ａ、酸化物半導体２３０ｂの側面を露出させることができる。
次に、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理は上記の記載を参酌できる。本実施の形態では、窒素ガス雰囲気中で４００℃、１時間の加熱処理を行った後、窒素ガスを酸素ガスに換えて、さらに４００℃、１時間の加熱処理を行なう。始めに窒素ガス雰囲気中で加熱処理を行うことにより、酸化物半導体２３０に含まれる水分または水素などの不純物が放出されて、酸化物半導体２３０中の不純物濃度が低減される。続いて酸素ガス雰囲気中で加熱処理を行うことにより、酸化物半導体２３０中に酸素が導入される。
次に、複数のチャンバーを有する成膜装置に基板を搬入し、当該成膜装置のチャンバーで加熱処理を行う。当該加熱処理は、加熱雰囲気などは上記の加熱処理の条件を参酌できる。例えば、酸素雰囲気中で行うことが好ましく、チャンバーの圧力を１．０×１０−８Ｐａ以上１０００Ｐａ以下、好ましくは１．０×１０−８Ｐａ以上１００Ｐａ以下、より好ましくは１．０×１０−８Ｐａ以上１０Ｐａ以下、さらに好ましくは１．０×１０−８Ｐａ以上１Ｐａ以下にする。加熱温度は、１００℃以上５００℃以下、好ましくは、２００℃以上４５０℃以下とすればよい。また、導電体としてＣｕなどの加熱により拡散しやすい金属を用いている場合は、好ましくは４１０℃以下、より好ましくは４００℃以下とすればよい。ただし、加熱温度は後述する絶縁体２７２の成膜時の基板温度よりも高くすることが好ましい。
本実施の形態では、酸素ガス雰囲気中で基板温度を４００℃として、５分程度の加熱処理を行う。これにより、絶縁体２７２の成膜前に吸着水などの水分を除去できる。特に、酸素ガス雰囲気で加熱処理を行うことにより、酸化物半導体２３０に酸素欠損を形成することなく、加熱処理を行うことができる。
次に、上記成膜装置の加熱処理を行ったチャンバーとは異なるチャンバーで、スパッタリング法を用いて絶縁体２７２を成膜する（図２２（Ａ）乃至図２２（Ｅ）参照）。絶縁体２７２の成膜は、上記加熱処理から外気に曝すことなく、連続して行われる。本実施の形態では、絶縁体２７２の膜厚を、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上２０ｎｍ以下、より好ましくは５ｎｍ以上１０ｎｍ以下程度に成膜する。
絶縁体２７２は、酸素を含む雰囲気でスパッタリング法を用いて成膜することが好ましい。本実施の形態では、絶縁体２７２として、酸素を含む雰囲気でスパッタリング法を用いて酸化アルミニウム膜を成膜する。これにより、絶縁体２７２と接する表面（酸化物半導体２３０ａの側面、酸化物半導体２３０ｂの側面、絶縁体２２４の上面など）の近傍に酸素を添加して、酸素過剰な状態にできる。ここで、酸素は、例えば、酸素ラジカルとして添加されるが、酸素が添加されるときの状態はこれに限定されない。酸素は、酸素原子、又は酸素イオンなどの状態で添加されてもよい。後の工程の熱処理によって、酸素を拡散させて酸化物半導体２３０ｂに効果的に酸素を供給できる。
なお、絶縁体２７２を成膜する際に、基板加熱を行うことが好ましい。基板加熱は、１００℃よりも高く、２００℃以下であることが好ましい。より、好ましくは１２０℃以上１５０℃以下で行えばよい。基板温度を、１００℃よりも高くすることで、酸化物半導体２３０中の水を除去できる。また、形成した膜上に、表面吸着水が付着することを防止できる。また、基板加熱はできるだけ低い温度で行うことが好ましい。低温で成膜することにより、後の加熱処理において、低温で成膜した膜に接する膜中の不純物をゲッタリングする機能が向上する。例えば、絶縁体２７２を１３０℃前後で成膜することにより、絶縁体２２４、酸化物半導体２３０ａ、及び酸化物半導体２３０ｂなどに含まれる水素を、絶縁体２７２にゲッタリングできる。
上記加熱処理で水などの不純物を除去しても、成膜前に外気に曝してしまうと、再び水素または水などの不純物が酸化物半導体２３０などに混入するおそれがある。しかし、本実施の形態に示すように、上記加熱処理から大気に暴露することなく、同一成膜装置で連続して成膜を行うことによって、水などの不純物を混入させずに、絶縁体２７２でトランジスタ２００及びトランジスタ４００を覆うことができる。また、上記加熱処理で水などの不純物が脱離することで形成されたサイトに酸素を添加することで、より多くの酸素を含有できる。また、マルチチャンバー方式の成膜装置で加熱処理と成膜処理を異なるチャンバーで行うことにより、加熱処理で脱離した水などの不純物の影響を受けずに絶縁体２７２の成膜を行うことができる。
また、絶縁体２７２は、水または水素などの不純物が透過しにくい絶縁性材料を用いることが好ましく、本実施の形態では、酸化アルミニウムを用いる。また、スパッタリング法を用いて絶縁体２７２を成膜することで、絶縁体２７４より速い成膜速度で成膜でき、絶縁体２７２と絶縁体２７４の積層膜の膜厚を生産性よく大きくできる。このようにして、水素、水などの不純物に対するバリア性を、生産性よく、向上させることができる。
次に、絶縁体２７２の上に、ＡＬＤ法を用いて絶縁体２７４を成膜する（図２３（Ａ）乃至図２３（Ｅ）参照）。本実施の形態では、絶縁体２７４の膜厚を５ｎｍ以上２０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、より好ましくは５ｎｍ以上７ｎｍ以下程度に成膜する。
絶縁体２７４は、水または水素などの不純物が透過しにくい絶縁性材料を用いることが好ましく、例えば、酸化アルミニウムなどを用いることが好ましい。さらに、絶縁体２７４はＡＬＤ法を用いて成膜することで、クラックやピンホールなどが形成されることを抑制し、被覆性良く成膜できる。絶縁体２７２及び絶縁体２７４は凹凸を有する形状の上に成膜されるが、絶縁体２７４をＡＬＤ法で成膜することにより、段切れ、クラック、ピンホールなどが形成されることなく、トランジスタ２００及びトランジスタ４００を絶縁体２７４で覆うことができる。これにより、水素、水などの不純物に対するバリア性をより顕著に向上させることができる。
このように、トランジスタ２００及びトランジスタ４００を、絶縁体２７４、絶縁体２７２、絶縁体２１４、及び絶縁体２１２に挟まれる構造とすることによって、酸素を外方拡散させず、絶縁体２２４、酸化物半導体２３０、及び絶縁体２５０中に多くの酸素を含有させることができる。さらに、絶縁体２７４の上方及び絶縁体２１２の下方から水素、または水などの不純物が混入するのを防ぎ、絶縁体２２４、酸化物半導体２３０、及び絶縁体２５０中の不純物濃度を低減させることができる。
次に、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理は上記の記載を参酌できる。本実施の形態では、窒素ガス雰囲気中で４００℃、１時間の加熱処理を行う。
当該加熱処理により、トランジスタ２００において、絶縁体２２４、絶縁体２５０などに含まれる酸素を拡散させることができる。これにより、酸化物半導体２３０ａ、酸化物半導体２３０ｂ及び酸化物半導体２３０ｃの酸素欠損を低減できる。また、トランジスタ４００においても、絶縁体２２４、絶縁体４５０などに含まれる酸素を拡散させ、酸化物半導体４３０、特に酸化物半導体４３０のチャネル形成領域に供給できる。ここで、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２２２、絶縁体２７２によって、酸素がトランジスタ２００及びトランジスタ４００の上方及び下方に拡散することを防ぐことができ、酸化物半導体２３０ｂ及び酸化物半導体４３０に効果的に酸素を供給できる。
このようにして、トランジスタ２００の半導体層として機能する酸化物半導体２３０ｂ中の酸素欠損を低減し、水素または水などの不純物を低減することで、トランジスタ２００の電気特性を安定させ、信頼性を向上させることができる。
次に実施の形態１に示す方法でμ―ＰＣＤ測定を行い、得られたピーク値及びライフタイムτ１から、酸化物半導体２３０Ａ及び酸化物半導体２３０Ｂのキャリア密度を評価する。酸化物半導体２３０Ａ及び酸化物半導体２３０Ｂの酸素欠損が十分に補充され、キャリア密度が低くなっていると、トランジスタ２００の電気特性が良好と判断できる。一方、酸化物半導体２３０Ａ及び酸化物半導体２３０Ｂの酸素欠損の補充が不十分で、キャリア密度が高い場合は、トランジスタ２００の電気特性が不良となると判断できる。以上に示したように、μ―ＰＣＤ測定により、トランジスタ作製工程途中に、酸化物半導体２３０Ａ及び酸化物半導体２３０Ｂのキャリア密度を評価できる。
トランジスタ作製工程途中のμ―ＰＣＤ測定について一例を示したが、μ―ＰＣＤ測定を行う工程はこれに限られない。他の工程で、適宜μ―ＰＣＤ測定を行っても良い。
なお、上記加熱処理は、絶縁体２７２を成膜した後で行ってもよい。また、基板加熱しながら絶縁体２７２を成膜した場合、上記加熱処理を省略できる場合もある。
次に、絶縁体２７４の上に絶縁体２８０を成膜する。本実施の形態では、絶縁体２８０として、プラズマＣＶＤ法を用いて成膜された酸化シリコンを用いる。
次に、絶縁体２８０にＣＭＰ処理を行い、膜表面の凹凸を低減する（図２４（Ａ）乃至図２４（Ｅ）参照）。
次に、絶縁体２１６、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、絶縁体２７２、絶縁体２７４及び絶縁体２８０に、絶縁体２１４に達する開口４８０を形成する（図２５（Ａ）乃至図２５（Ｅ）参照）。当該工程は図２８に示すフローチャートのステップＳ１３に対応する。なお、図２６（Ａ）では、Ｗ１−Ｗ２方向に伸長された開口４８０の一部だけが示されているが、開口４８０はトランジスタ２００及びトランジスタ４００を囲むように形成される。
ここで、開口４８０は、半導体装置１０００を切り出すダイシングラインまたはスクライブラインの内側に形成することが好ましい。これにより、半導体装置１０００を切り出した時も、絶縁体２８０、絶縁体２２４、絶縁体２１６などの側面が、後の工程で形成される絶縁体２８２及び絶縁体２８４で封止されたままなので、これらの絶縁体から、水素または水などの不純物が浸入してトランジスタ２００及びトランジスタ４００に拡散するのを防ぐことができる。なお、ダイシングラインまたはスクライブラインの内側に開口４８０で囲まれる領域を複数設け、複数の半導体装置を個別に、絶縁体２８２及び絶縁体２８４で封止する構造としてもよい。
次に、複数のチャンバーを有する成膜装置に基板を搬入し、当該成膜装置のチャンバーで加熱処理を行う。これにより、絶縁体２８２の成膜前に基板に吸着した水分などの不純物を除去できる。
次に、上記成膜装置の加熱処理を行ったチャンバーとは異なるチャンバーで、スパッタリング法を用いて絶縁体２８２を成膜する。絶縁体２８２の成膜は、上記加熱処理から外気に曝すことなく、連続して行われる。
絶縁体２８２は、開口４８０において、絶縁体２１４の上面と接するように形成される。よって、トランジスタ２００及びトランジスタ４００を、基板の上下だけでなく、側面方向からも絶縁体２８２で囲んで封止できる。これにより、絶縁体２８２の外側から水、または水素などの不純物がトランジスタ２００及びトランジスタ４００に拡散するのを防ぐことができる。
本実施の形態に示すように、上記加熱処理から外気に曝すことなく、同一成膜装置で連続して成膜を行うことによって、水などの不純物を混入させずに、絶縁体２８２でトランジスタ２００及びトランジスタ４００を覆うことができる。また、上記加熱処理で水などの不純物が脱離することで形成されたサイトに酸素を添加することで、より多くの酸素を含有させることができる。また、マルチチャンバー方式の成膜装置で加熱処理と成膜処理を異なるチャンバーで行うことにより、加熱処理で脱離した水などの不純物の影響を受けずに絶縁体２８２の成膜を行うことができる。
次に、絶縁体２８２の上に、ＡＬＤ法を用いて絶縁体２８４を成膜する（図２６（Ａ）乃至図２６（Ｅ）参照）。
絶縁体２８４は、水または水素などの不純物が透過しにくい絶縁性材料を用いることが好ましく、例えば、酸化アルミニウムなどを用いることが好ましい。さらに、絶縁体２８４はＡＬＤ法を用いて成膜することで、クラックやピンホールなどが形成されることを抑制し、被覆性良く成膜できる。絶縁体２８２をＡＬＤ法で成膜することにより、開口４８０においても段切れなどを起こさずに、成膜できるので、より、不純物に対するバリア性を向上させることができる。
次に、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理を行うことによって、絶縁体２８０などに含まれる水素を絶縁体２８２及び絶縁体２８４にゲッタリングし、絶縁体２８４の上方から水として外方拡散させることができる。このようにして、絶縁体２８０に含まれる水素などの不純物を低減させることができる。なお、上記加熱処理は、絶縁体２８４を成膜した後で行ってもよい。また、基板加熱しながら絶縁体２８４を成膜した場合、上記加熱処理を省略することもできる。
以上の工程により、トランジスタ２００、トランジスタ４００、及び半導体装置１０００が形成される。上記の作製方法によって、構造が異なるトランジスタ２００とトランジスタ４００を、同一基板上にほぼ同じ工程で設けることができる。上記の作製方法によれば、例えば、トランジスタ２００を作製した後にトランジスタ４００を作製する必要がないため、半導体装置の生産性を高めることができる。
トランジスタ２００は酸化物半導体２３０ａと酸化物半導体２３０ｃに接する酸化物半導体２３０ｂにチャネルが形成される。トランジスタ４００は絶縁体２２４と絶縁体４５０に接する酸化物半導体２３０ｃにチャネルが形成される。このため、トランジスタ４００はトランジスタ２００よりも界面散乱の影響を受けやすい。また、本実施の形態に示す酸化物半導体２３０ｃの電子親和力は、酸化物半導体２３０ｂの電子親和力よりも小さい。よって、トランジスタ４００のＶｔｈはトランジスタ２００のＶｔｈよりも大きくすることができ、トランジスタ４００のＩｃｕｔを小さくできる。
以上に示したように、μ―ＰＣＤ測定により、トランジスタ作製工程途中に、酸化物半導体２３０Ａ及び酸化物半導体２３０Ｂのキャリア密度を評価できる。したがって、トランジスタを生産性高く作製できる。または、該トランジスタを有する半導体装置を生産性高く作製できる。
また、実施の形態１に示したように、μ―ＰＣＤ測定は短時間で基板面内の多点測定が可能である。トランジスタ作製工程途中に、基板面内を多点測定することにより、基板面内の酸化物半導体のキャリア密度を評価できる。つまり、トランジスタ作製工程途中に、基板面内のトランジスタ電気特性を推測することが可能となる。したがって、トランジスタを生産性高く作製できる。または、該トランジスタを有する半導体装置を生産性高く作製できる。
（実施の形態４）
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図２７及び図２８を用いて説明する。
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図２７及び図２８を用いて説明する。
［記憶装置］
本発明の一態様である半導体装置を使用した、記憶装置の一例を図２７及び図２８に示す。
本発明の一態様である半導体装置を使用した、記憶装置の一例を図２７及び図２８に示す。
図２７及び図２８に示す記憶装置は、トランジスタ４００、トランジスタ３００、トランジスタ２００、及び容量素子１００を有している。ここで、トランジスタ２００とトランジスタ４００は実施の形態３に記載したものと同様のトランジスタである。
トランジスタ２００は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタである。トランジスタ２００は、オフ電流が小さいため、これを記憶装置に用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ないため、記憶装置の消費電力を十分に低減できる。
さらにトランジスタ２００のバックゲートに負の電位を印加することで、トランジスタ２００のオフ電流をより小さくできる。この場合、トランジスタ２００のバックゲート電圧を維持できる構成とすることにより、電源の供給なしで長期間の記憶保持が可能となる。
トランジスタ２００のバックゲート電圧を、トランジスタ４００によって制御する。例えば、トランジスタ４００のトップゲート及びバックゲートをソースとダイオード接続し、トランジスタ４００のソースとトランジスタ２００のバックゲートを接続する構成とする。この構成でトランジスタ２００のバックゲートの負電位を保持するとき、トランジスタ４００のトップゲートーソース間の電圧及び、バックゲートーソース間の電圧は、０Ｖになる。先の実施の形態に示すように、トランジスタ４００のＩｃｕｔは非常に小さい。よって、この構成とすることにより、トランジスタ２００及びトランジスタ４００に電源供給をしなくてもトランジスタ２００のバックゲートの負電位を長時間維持できる。これにより、トランジスタ２００及びトランジスタ４００を有する記憶装置は、長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。
図２７及び図２８において、配線３００１はトランジスタ３００のソースと電気的に接続され、配線３００２はトランジスタ３００のドレインと電気的に接続されている。また、配線３００３はトランジスタ２００のソース及びドレインの一方と電気的に接続され、配線３００４はトランジスタ２００のゲートと電気的に接続され、配線３００６はトランジスタ２００のバックゲートと電気的に接続されている。そして、トランジスタ３００のゲート、及びトランジスタ２００のソース及びドレインの他方は、容量素子１００の電極の一方と電気的に接続され、配線３００５は容量素子１００の電極の他方と電気的に接続されている。配線３００７はトランジスタ４００のソースと電気的に接続され、配線３００８はトランジスタ４００のゲートと電気的に接続され、配線３００９はトランジスタ４００のバックゲートと電気的に接続され、配線３０１０はトランジスタ４００のドレインと電気的に接続されている。ここで、配線３００６、配線３００７、配線３００８、及び配線３００９が電気的に接続されている。
＜記憶装置の構成１＞
図２７及び図２８に示す記憶装置は、トランジスタ３００のゲートの電位が保持可能という特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
図２７及び図２８に示す記憶装置は、トランジスタ３００のゲートの電位が保持可能という特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
情報の書き込み及び保持について説明する。まず、配線３００４の電位を、トランジスタ２００が導通状態となる電位にして、トランジスタ２００を導通状態とする。これにより、配線３００３の電位が、トランジスタ３００のゲート、及び容量素子１００の電極の一方と電気的に接続するノードＦＧに与えられる。即ち、トランジスタ３００のゲートには、所定の電荷が与えられる（書き込み）。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷（以下Ｌｏｗレベル電荷、Ｈｉｇｈレベル電荷という。）のどちらかが与えられるものとする。その後、配線３００４の電位を、トランジスタ２００が非導通状態となる電位にして、トランジスタ２００を非導通状態とすることにより、ノードＦＧに電荷が保持される（保持）。
トランジスタ２００のオフ電流が小さい場合、ノードＦＧの電荷は長期間にわたって保持される。
次に情報の読み出しについて説明する。配線３００１に所定の電位（定電位）を与えた状態で、配線３００５に適切な電位（読み出し電位）を与えると、配線３００２は、ノードＦＧに保持された電荷量に応じた電位をとる。これは、トランジスタ３００をｎチャネル型とすると、トランジスタ３００のゲートにＨｉｇｈレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｈは、トランジスタ３００のゲートにＬｏｗレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｌより低くなるためである。ここで、見かけ上のしきい値電圧とは、トランジスタ３００を「導通状態」とするために必要な配線３００５の電位をいうものとする。したがって、配線３００５の電位をＶｔｈ＿ＨとＶｔｈ＿Ｌの間の電位Ｖ０とすることにより、ノードＦＧに与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、ノードＦＧにＨｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、配線３００５の電位がＶ０（＞Ｖｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ３００は「導通状態」となる。一方、ノードＦＧにＬｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、配線３００５の電位がＶ０（＜Ｖｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ３００は「非導通状態」のままである。このため、配線３００２の電位を判別することで、ノードＦＧに保持されている情報を読み出すことができる。
また、図２７及び図２８に示す記憶装置をマトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成することができる。
なお、メモリセルをアレイ状に配置する場合、読み出し時には、所望のメモリセルの情報を読み出さなくてはならない。例えば、トランジスタ３００をｐチャネル型とした場合、メモリセルはＮＯＲ型の構成となる。従って、情報を読み出さないメモリセルにおいては、ノードＦＧに与えられた電荷によらずトランジスタ３００が「非導通状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｈより低い電位を配線３００５に与えることで所望のメモリセルの情報のみを読み出すことができる。または、トランジスタ３００をｎチャネル型とした場合、メモリセルはＮＡＮＤ型の構成となる。従って、情報を読み出さないメモリセルにおいては、ノードＦＧに与えられた電荷によらずトランジスタ３００が「導通状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｌより高い電位を配線３００５に与えることで所望のメモリセルの情報のみを読み出すことができる。
＜記憶装置の構成２＞
図２７及び図２８に示す記憶装置は、トランジスタ３００を有さない構成としてもよい。トランジスタ３００を有さない場合も、先に述べた記憶装置と同様の動作により情報の書き込み及び保持動作が可能である。
図２７及び図２８に示す記憶装置は、トランジスタ３００を有さない構成としてもよい。トランジスタ３００を有さない場合も、先に述べた記憶装置と同様の動作により情報の書き込み及び保持動作が可能である。
例えば、トランジスタ３００を有さない場合における、情報の読み出しについて説明する。トランジスタ２００が導通状態になると、浮遊状態である配線３００３と容量素子１００とが導通し、配線３００３と容量素子１００の間で電荷が再分配される。その結果、配線３００３の電位が変化する。配線３００３の電位の変化量は、容量素子１００の電極の一方の電位（または容量素子１００に蓄積された電荷）によって、異なる値をとる。
例えば、容量素子１００の電極の一方の電位をＶ、容量素子１００の容量をＣ、配線３００３が有する容量成分をＣＢ、電荷が再分配される前の配線３００３の電位をＶＢ０とすると、電荷が再分配された後の配線３００３の電位は、（ＣＢ×ＶＢ０＋ＣＶ）／（ＣＢ＋Ｃ）となる。したがって、メモリセルの状態として、容量素子１００の電極の一方の電位がＶ１とＶ０（Ｖ１＞Ｖ０）の２つの状態をとるとすると、電位Ｖ１を保持している場合の配線３００３の電位（＝（ＣＢ×ＶＢ０＋ＣＶ１）／（ＣＢ＋Ｃ））は、電位Ｖ０を保持している場合の配線３００３の電位（＝（ＣＢ×ＶＢ０＋ＣＶ０）／（ＣＢ＋Ｃ））よりも高くなることがわかる。
そして、配線３００３の電位を所定の電位と比較することで、情報を読み出すことができる。
本構成とする場合、例えば、メモリセルを駆動させるための駆動回路にシリコンが適用されたトランジスタを用い、トランジスタ２００として、酸化物半導体が適用されたトランジスタを駆動回路上に積層して配置する構成とすればよい。
以上に示した記憶装置は、酸化物半導体を用いたオフ電流の小さいトランジスタを適用することで、長期にわたって記憶内容を保持することが可能となる。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、またはリフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力の低い記憶装置を実現できる。また、電力の供給がない場合（ただし、電位は固定されていることが好ましい）であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。
また、該記憶装置は、情報の書き込みに高い電圧が不要であるため、素子の劣化が起こりにくい。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行わないため、絶縁体の劣化といった問題が生じない。即ち、本発明の一態様に係る記憶装置は、従来の不揮発性メモリとは異なり書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上した記憶装置である。さらに、トランジスタの導通状態、非導通状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作が可能となる。
＜記憶装置の構造１＞
本発明の一態様の記憶装置の一例を、図２７に示す。記憶装置は、トランジスタ４００、トランジスタ３００、トランジスタ２００、容量素子１００を有する。トランジスタ２００はトランジスタ３００の上方に設けられ、容量素子１００はトランジスタ３００、及びトランジスタ２００の上方に設けられている。
本発明の一態様の記憶装置の一例を、図２７に示す。記憶装置は、トランジスタ４００、トランジスタ３００、トランジスタ２００、容量素子１００を有する。トランジスタ２００はトランジスタ３００の上方に設けられ、容量素子１００はトランジスタ３００、及びトランジスタ２００の上方に設けられている。
トランジスタ３００は、基板３１１上に設けられ、導電体３１６、絶縁体３１４、基板３１１の一部からなる半導体領域３１２、及びソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗領域３１８ａ、及び低抵抗領域３１８ｂを有する。
基板３１１として、シリコンなどを材料とした単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどを材料とした化合物半導体基板等を用いることができる。
なお、実施の形態１で示したように、μ―ＰＣＤ測定で用いる励起光のエネルギーより、バンドギャップが小さい基板を用いる場合、基板に多数のキャリアが発生する。これにより、μ―ＰＣＤ測定で得られる情報に基板由来の情報が多く含まれることになり、酸化物半導体を評価しづらくなる場合がある。例えば、シリコン単結晶半導体基板で半導体装置を作製する場合は、別途ガラス基板や石英基板などのバンドギャップが大きい基板を用意し、モニタ基板としてガラス基板や石英基板などで半導体装置を作製し、トランジスタ作製工程途中で適宜μ―ＰＣＤ測定を行うことで、酸化物半導体のキャリア密度の評価が可能となる。
また、μ―ＰＣＤ測定で用いる励起光のエネルギーより、バンドギャップが小さい導電体を使用する場合、導電体に多数のキャリアが発生する。これにより、μ―ＰＣＤ測定で得られる情報に導電体由来の情報が多く含まれることになり、酸化物半導体を評価しづらくなる場合がある。別途ガラス基板や石英基板などのバンドギャップが大きい基板を用意し、モニタ基板としてガラス基板や石英基板などで導電体を設けずに半導体装置を作製し、μ―ＰＣＤ測定を行うことで、酸化物半導体のキャリア密度の評価が可能となる。
トランジスタ３００は、ｐチャネル型、あるいはｎチャネル型のいずれでもよい。
半導体領域３１２のチャネルが形成される領域、その近傍の領域、ソース領域、またはドレイン領域となる低抵抗領域３１８ａ、及び低抵抗領域３１８ｂなどにおいて、シリコン系半導体などの半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい。または、Ｇｅ（ゲルマニウム）、ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）、ＧａＡｌＡｓ（ガリウムアルミニウムヒ素）などを有する材料で形成してもよい。結晶格子に応力を与え、格子間隔を変化させることで有効質量を制御したシリコンを用いた構成としてもよい。またはＧａＡｓとＧａＡｌＡｓ等を用いることで、トランジスタ３００をＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）としてもよい。
低抵抗領域３１８ａ、及び低抵抗領域３１８ｂは、半導体領域３１２に適用される半導体材料に加え、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含む。
ゲート電極として機能する導電体３１６は、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、もしくはホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含むシリコンなどの半導体材料、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。
なお、導電体の材料により、仕事関数を定めることで、しきい値電圧を調整できる。具体的には、導電体に窒化チタンや窒化タンタルなどの材料を用いることが好ましい。さらに導電性と埋め込み性を両立するために導電体にタングステンやアルミニウムなどの金属材料を積層として用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが耐熱性の点で好ましい。
なお、図２７に示すトランジスタ３００は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。また、＜記憶装置の構成２＞に示す構成とする場合、トランジスタ３００を設けなくともよい。
トランジスタ３００を覆って、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、及び絶縁体３２６が順に積層して設けられている。
絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、及び絶縁体３２６として、例えば、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、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよい。
絶縁体３２２は、その下方に設けられるトランジスタ３００などによって生じる段差を平坦化する平坦化膜として機能を有していてもよい。例えば、絶縁体３２２の上面は、平坦性を高めるためにＣＭＰ法等を用いた平坦化処理により平坦化されていてもよい。
また、絶縁体３２４には、基板３１１、またはトランジスタ３００などから、トランジスタ２００及びトランジスタ４００が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。ここで、バリア性とは、水素、及び水に代表される不純物の拡散を抑制する機能とする。例えば、３５０℃または４００℃の雰囲気下において、バリア性を有する膜中の一時間当たりの水素の拡散距離が５０ｎｍ以下であればよい。好ましくは、３５０℃または４００℃の雰囲気下において、バリア性を有する膜中における一時間当たりの水素の拡散距離が３０ｎｍ以下、さらに好ましくは２０ｎｍ以下であるとよい。
水素に対するバリア性を有する膜の一例として、例えば、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ２００等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ２００及びトランジスタ４００と、トランジスタ３００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
水素の脱離量は、例えば、ＴＤＳなどを用いて分析できる。例えば、絶縁体３２４の水素の脱離量は、ＴＤＳ分析において、５０℃から５００℃の範囲において、水素分子に換算した脱離量が、絶縁体３２４の面積当たりに換算して、２×１０１５ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ・ｃｍ−２以下、好ましくは１×１０１５ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ・ｃｍ−２以下、より好ましくは５×１０１４ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ・ｃｍ−２以下であればよい。
なお、絶縁体３２６は、絶縁体３２４よりも誘電率が低いことが好ましい。例えば、絶縁体３２６の比誘電率は４未満が好ましく、３未満がより好ましい。また例えば、絶縁体３２４の比誘電率は、絶縁体３２６の比誘電率の０．７倍以下が好ましく、０．６倍以下がより好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減できる。
また、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、及び絶縁体３２６には容量素子１００、またはトランジスタ２００と電気的に接続する導電体３２８、及び導電体３３０等が埋め込まれている。なお、導電体３２８、及び導電体３３０はプラグ、または配線として機能を有する。また、後述するが、プラグまたは配線として機能を有する導電体は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と電気的に接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機能する場合、及び導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。
各プラグ、及び配線（導電体３２８、及び導電体３３０等）の材料としては、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層または積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。または、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くできる。
絶縁体３２６、及び導電体３３０上に、配線層を設けてもよい。例えば、図２７において、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４には、導電体３５６が形成されている。導電体３５６は、プラグ、または配線として機能を有する。なお導電体３５６は、導電体３２８、及び導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
なお、例えば、絶縁体３５０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３５６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３５０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００及びトランジスタ４００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００及びトランジスタ４００への水素の拡散を抑制できる。
なお、水素に対するバリア性を有する導電体としては、例えば、窒化タンタル等を用いるとよい。また、窒化タンタルと導電性が高いタングステンを積層することで、配線としての導電性を保持したまま、トランジスタ３００からの水素の拡散を抑制できる。この場合、水素に対するバリア性を有する窒化タンタル層が、水素に対するバリア性を有する絶縁体３５０と接する構造であることが好ましい。
絶縁体３５４上には、絶縁体３５８、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、及び絶縁体２１６が、順に積層して設けられている。絶縁体３５８、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、及び絶縁体２１６のいずれかは、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。
例えば、絶縁体３５８、絶縁体２１２、及び絶縁体２１４には、例えば、基板３１１、またはトランジスタ３００を設ける領域などから、トランジスタ２００及びトランジスタ４００を設ける領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。従って、絶縁体３２４と同様の材料を用いることができる。
また、水素に対するバリア性を有する膜の一例として、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ２００等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ２００及びトランジスタ４００と、トランジスタ３００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
また、水素に対するバリア性を有する膜として、例えば、絶縁体２１２、及び絶縁体２１４には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。
特に、酸化アルミニウムは、酸素、及びトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中及び作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ２００及びトランジスタ４００への混入を防止できる。また、トランジスタ２００を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制できる。そのため、トランジスタ２００及びトランジスタ４００に対する保護膜として用いることに適している。
また、例えば、絶縁体２１０、及び絶縁体２１６には、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。また、当該絶縁膜に、比較的誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減できる。例えば、絶縁体２１６として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。
また、絶縁体３５８、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、及び絶縁体２１６には、導電体２１８、及びトランジスタ２００及びトランジスタ４００を構成する導電体（導電体２０５、導電体４０５、導電体４０３、及び導電体４０７）等が埋め込まれている。なお、導電体２１８は、容量素子１００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体２１８は、導電体３２８、及び導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
特に、絶縁体３５８、絶縁体２１２、及び絶縁体２１４と接する領域の導電体２１８は、酸素、水素、及び水に対するバリア性を有する導電体であることが好ましい。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、酸素、水素、及び水に対するバリア性を有する層で、完全により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００及びトランジスタ４００への水素の拡散を抑制できる。
絶縁体２１６の上方には、トランジスタ２００及びトランジスタ４００が設けられている。なお、トランジスタ２００及びトランジスタ４００は、実施の形態１で説明したトランジスタ２００及びトランジスタ４００を用いることが好ましい。
トランジスタ２００及びトランジスタ４００の上方には、絶縁体１１０を設ける。絶縁体１１０は、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。また、当該絶縁膜に、比較的誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減できる。例えば、絶縁体１１０として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。
また、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、絶縁体２７２、絶縁体２７４、及び絶縁体１１０には、導電体２８５等が埋め込まれている。
導電体２８５は、容量素子１００、トランジスタ２００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線として機能を有する。導電体２８５は、導電体３２８、及び導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
例えば、導電体２８５を積層構造として設ける場合、酸化しにくい（耐酸化性が高い）導電体を含むことが好ましい。特に、過剰酸素領域を有する絶縁体２２４と接する領域に、耐酸化性が高い導電体を設けることが好ましい。当該構成により、絶縁体２２４から過剰な酸素を、導電体２８５が吸収することを抑制できる。また、導電体２８５は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、過剰酸素領域を有する絶縁体２２４と接する領域に、水素などの不純物に対するバリア性を有する導電体を設けることで、導電体２８５中の不純物、及び導電体２８５の一部の拡散や、外部からの不純物の拡散経路となることを抑制できる。
また、絶縁体１１０、及び導電体２８５上に、導電体２８７、及び容量素子１００などを設ける。なお、容量素子１００は、導電体１１２と、絶縁体１３０、絶縁体１３２、絶縁体１３４、及び導電体１１６とを有する。導電体１１２、及び導電体１１６は、容量素子１００の電極として機能を有し、絶縁体１３０、絶縁体１３２、及び絶縁体１３４は容量素子１００の誘電体として機能を有する。
導電体２８７は、容量素子１００、トランジスタ２００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線として機能を有する。また、導電体１１２は、容量素子１００の電極の一方として機能を有する。なお、導電体２８７、及び導電体１１２は、同時に形成できる。
導電体２８７、及び導電体１１２には、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化タンタル、窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等を用いることができる。又は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。
絶縁体１３０、絶縁体１３２及び絶縁体１３４は、例えば、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、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化酸化ハフニウム、窒化ハフニウムなどを用いればよく、積層または単層で設けることができる。
例えば、絶縁体１３２に、酸化アルミニウムなどの高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料を用いた場合、容量素子１００は、単位面積当たりの容量を大きくできる。また、絶縁体１３０、及び絶縁体１３４には、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料を用いるとよい。絶縁耐力が大きい絶縁体により、高誘電体を挟むことで、容量素子１００の静電破壊を抑制し、かつ容量の大きな容量素子とすることができる。
また、導電体１１６は、絶縁体１３０、絶縁体１３２及び絶縁体１３４を介して、導電体１１２の側面、及び上面を覆うように設ける。当該構成により、導電体１１２の側面は、絶縁体を介して、導電体１１６に包まれる。当該構成とすることで、導電体１１２の側面でも容量が形成されるため、容量素子の投影面積当たりの容量を増加させることができる。従って、記憶装置の小面積化、高集積化、及び微細化が可能となる。
なお、導電体１１６は、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体などの他の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料であるＣｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）等を用いればよい。
導電体１１６、及び絶縁体１３４上には、絶縁体１５０が設けられている。絶縁体１５０は、絶縁体３２０と同様の材料を用いて設けることができる。また、絶縁体１５０は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。
以上が構成例についての説明である。本構成を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた記憶装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供できる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供できる。または、消費電力が低減された記憶装置を提供できる。
＜変形例１＞
記憶装置の変形例の一例を、図２８に示す。図２８は、図２７と、トランジスタ３００の構成、及び絶縁体２７２、及び絶縁体２７４の形状などが異なる。
記憶装置の変形例の一例を、図２８に示す。図２８は、図２７と、トランジスタ３００の構成、及び絶縁体２７２、及び絶縁体２７４の形状などが異なる。
図２８に示すトランジスタ３００はチャネルが形成される半導体領域３１２（基板３１１の一部）が凸形状を有する。また、半導体領域３１２の側面及び上面を、絶縁体３１４を介して、導電体３１６が覆うように設けられている。なお、導電体３１６は仕事関数を調整する材料を用いてもよい。このようなトランジスタ３００は半導体基板の凸部を利用していることからＦＩＮ型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上部に接して、凸部を形成するためのマスクとして機能する絶縁体を有していてもよい。また、ここでは半導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、ＳＯＩ基板を加工して凸形状を有する半導体膜を形成してもよい。
当該構成のトランジスタ３００と、トランジスタ２００を組み合わせて用いることで、小面積化、高集積化、微細化が可能となる。
また、図２８に示すように、絶縁体２２０、及び絶縁体２２２は、必ずしも設けなくともよい。当該構成とすることで、生産性を高くできる。
また、図２８に示すように、絶縁体２１６及び絶縁体２２４に形成された開口において、絶縁体２７２の下面と絶縁体２１４の上面が接する構成とする構成としてもよい。
以上が変形例についての説明である。本構成を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた記憶装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供できる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供できる。または、消費電力が低減された記憶装置を提供できる。
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施できる。
（実施の形態５）
本実施の形態では、先の実施の形態に示す酸化物半導体を半導体層として用いた半導体装置の一形態について、図２９乃至図３０を用いて説明する。
本実施の形態では、先の実施の形態に示す酸化物半導体を半導体層として用いた半導体装置の一形態について、図２９乃至図３０を用いて説明する。
＜半導体ウエハ、チップ＞
図２９（Ａ）は、ダイシング処理が行なわれる前の基板７１１の上面図を示している。基板７１１としては、例えば、半導体基板（「半導体ウエハ」ともいう。）を用いることができる。基板７１１上には、複数の回路領域７１２が設けられている。回路領域７１２には、本発明の一態様に係る半導体装置などを設けることができる。
図２９（Ａ）は、ダイシング処理が行なわれる前の基板７１１の上面図を示している。基板７１１としては、例えば、半導体基板（「半導体ウエハ」ともいう。）を用いることができる。基板７１１上には、複数の回路領域７１２が設けられている。回路領域７１２には、本発明の一態様に係る半導体装置などを設けることができる。
複数の回路領域７１２は、それぞれが分離領域７１３に囲まれている。分離領域７１３と重なる位置に分離線（「ダイシングライン」ともいう。）７１４が設定される。分離線７１４に沿って基板７１１を切断することで、回路領域７１２を含むチップ７１５を基板７１１から切り出すことができる。図２９（Ｂ）にチップ７１５の拡大図を示す。
また、分離領域７１３に導電層、半導体層などを設けてもよい。分離領域７１３に導電層、半導体層などを設けることで、ダイシング工程時に生じうるＥＳＤを緩和し、ダイシング工程に起因する歩留まりの低下を防ぐことができる。また、一般にダイシング工程は、基板の冷却、削りくずの除去、帯電防止などを目的として、炭酸ガスなどを溶解させて比抵抗を下げた純水を切削部に供給しながら行なう。分離領域７１３に導電層、半導体層などを設けることで、当該純水の使用量を削減することができる。よって、半導体装置の生産コストを低減することができる。また、半導体装置の生産性を高めることができる。
＜電子部品＞
チップ７１５を用いた電子部品の一例について、図３０（Ａ）及び図３０（Ｂ）を用いて説明する。なお、電子部品は、半導体パッケージ、またはＩＣ用パッケージともいう。電子部品は、端子取り出し方向、端子の形状などに応じて、複数の規格、名称などが存在する。
チップ７１５を用いた電子部品の一例について、図３０（Ａ）及び図３０（Ｂ）を用いて説明する。なお、電子部品は、半導体パッケージ、またはＩＣ用パッケージともいう。電子部品は、端子取り出し方向、端子の形状などに応じて、複数の規格、名称などが存在する。
電子部品は、組み立て工程（後工程）において、上記実施の形態に示した半導体装置と該半導体装置以外の部品が組み合わされて完成する。
図３０（Ａ）に示すフローチャートを用いて、後工程について説明する。前工程において基板７１１に本発明の一態様に係る半導体装置などを形成した後、基板７１１の裏面（半導体装置などが形成されていない面）を研削する「裏面研削工程」を行なう（ステップＳ７２１）。研削により基板７１１を薄くすることで、電子部品の小型化を図ることができる。
次に、基板７１１を複数のチップ７１５に分離する「ダイシング工程」を行う（ステップＳ７２２）。そして、分離したチップ７１５を個々のリードフレーム上に接合する「ダイボンディング工程」を行う（ステップＳ７２３）。ダイボンディング工程におけるチップ７１５とリードフレームとの接合は、樹脂による接合、またはテープによる接合など、適宜製品に応じて適した方法を選択する。なお、リードフレームに代えてインターポーザ基板上にチップ７１５を接合してもよい。
次いで、リードフレームのリードとチップ７１５上の電極とを、金属の細線（ワイヤー）で電気的に接続する「ワイヤーボンディング工程」を行う（ステップＳ７２４）。金属の細線には、銀線、金線などを用いることができる。また、ワイヤーボンディングは、例えば、ボールボンディング、またはウェッジボンディングを用いることができる。
ワイヤーボンディングされたチップ７１５は、エポキシ樹脂などで封止される「封止工程（モールド工程）」が施される（ステップＳ７２５）。封止工程を行うことで電子部品の内部が樹脂で充填され、チップ７１５とリードを接続するワイヤーを機械的な外力から保護することができ、また水分、埃などによる特性の劣化（信頼性の低下）を低減することができる。
次いで、リードフレームのリードをめっき処理する「リードめっき工程」を行なう（ステップＳ７２６）。めっき処理によりリードの錆を防止し、後にプリント基板に実装する際のはんだ付けをより確実に行うことができる。次いで、リードを切断及び成形加工する「成形工程」を行なう（ステップＳ７２７）。
次いで、パッケージの表面に印字処理（マーキング）を施す「マーキング工程」を行なう（ステップＳ７２８）。そして外観形状の良否、動作不良の有無などを調べる「検査工程」（ステップＳ７２９）を経て、電子部品が完成する。
また、完成した電子部品の斜視模式図を図３０（Ｂ）に示す。図３０（Ｂ）では、電子部品の一例として、ＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）の斜視模式図を示している。図３０（Ｂ）に示す電子部品７５０は、リード７５５及びチップ７１５を有する。電子部品７５０は、チップ７１５を複数有していてもよい。
図３０（Ｂ）に示す電子部品７５０は、例えばプリント基板７５２に実装される。このような電子部品７５０が複数組み合わされて、それぞれがプリント基板７５２上で電気的に接続されることで電子部品が実装された基板（実装基板７５４）が完成する。完成した実装基板７５４は、電子機器などに用いられる。
（実施の形態６）
＜電子機器＞
本発明の一態様に係る半導体装置は、様々な電子機器に用いることができる。図３１に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いた電子機器の具体例を示す。
＜電子機器＞
本発明の一態様に係る半導体装置は、様々な電子機器に用いることができる。図３１に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いた電子機器の具体例を示す。
図３１（Ａ）に示す携帯型ゲーム機２９００は、筐体２９０１、筐体２９０２、表示部２９０３、表示部２９０４、マイクロホン２９０５、スピーカ２９０６、操作スイッチ２９０７等を有する。また、携帯型ゲーム機２９００は、筐体２９０１の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。なお、図３１（Ａ）に示した携帯型ゲーム機は、２つの表示部２９０３と表示部２９０４とを有しているが、表示部の数は、これに限定されない。表示部２９０３は、入力装置としてタッチスクリーンが設けられており、スタイラス２９０８等により操作可能となっている。
図３１（Ｂ）に示す情報端末２９１０は、筐体２９１１に、表示部２９１２、マイク２９１７、スピーカ部２９１４、カメラ２９１３、外部接続部２９１６、及び操作スイッチ２９１５等を有する。表示部２９１２には、可撓性基板が用いられた表示パネル及びタッチスクリーンを備える。また、情報端末２９１０は、筐体２９１１の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。情報端末２９１０は、例えば、スマートフォン、携帯電話、タブレット型情報端末、タブレット型パーソナルコンピュータ、電子書籍端末等として用いることができる。
図３１（Ｃ）に示すノート型パーソナルコンピュータ２９２０は、筐体２９２１、表示部２９２２、キーボード２９２３、及びポインティングデバイス２９２４等を有する。また、ノート型パーソナルコンピュータ２９２０は、筐体２９２１の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。
図３１（Ｄ）に示すビデオカメラ２９４０は、筐体２９４１、筐体２９４２、表示部２９４３、操作スイッチ２９４４、レンズ２９４５、及び接続部２９４６等を有する。操作スイッチ２９４４及びレンズ２９４５は筐体２９４１に設けられており、表示部２９４３は筐体２９４２に設けられている。また、ビデオカメラ２９４０は、筐体２９４１の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。そして、筐体２９４１と筐体２９４２は、接続部２９４６により接続されており、筐体２９４１と筐体２９４２の間の角度は、接続部２９４６により変えることが可能な構造となっている。筐体２９４１に対する筐体２９４２の角度によって、表示部２９４３に表示される画像の向きの変更や、画像の表示／非表示の切り換えを行うことができる。
図３１（Ｅ）にバングル型の情報端末の一例を示す。情報端末２９５０は、筐体２９５１、及び表示部２９５２等を有する。また、情報端末２９５０、筐体２９５１の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。表示部２９５２は、曲面を有する筐体２９５１に支持されている。表示部２９５２には、可撓性基板を用いた表示パネルを備えているため、フレキシブルかつ軽くて使い勝手の良い情報端末２９５０を提供することができる。
図３１（Ｆ）に腕時計型の情報端末の一例を示す。情報端末２９６０は、筐体２９６１、表示部２９６２、バンド２９６３、バックル２９６４、操作スイッチ２９６５、入出力端子２９６６などを備える。また、情報端末２９６０、筐体２９６１の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。情報端末２９６０は、移動電話、電子メール、文章閲覧及び作成、音楽再生、インターネット通信、コンピュータゲームなどの種々のアプリケーションを実行することができる。
表示部２９６２の表示面は湾曲しており、湾曲した表示面に沿って表示を行うことができる。また、表示部２９６２はタッチセンサを備え、指やスタイラスなどで画面に触れることで操作することができる。例えば、表示部２９６２に表示されたアイコン２９６７に触れることで、アプリケーションを起動することができる。操作スイッチ２９６５は、時刻設定のほか、電源のオン、オフ動作、無線通信のオン、オフ動作、マナーモードの実行及び解除、省電力モードの実行及び解除など、様々な機能を持たせることができる。例えば、情報端末２９６０に組み込まれたオペレーティングシステムにより、操作スイッチ２９６５の機能を設定することもできる。
また、情報端末２９６０は、通信規格された近距離無線通信を実行することが可能である。例えば無線通信可能なヘッドセットと相互通信することによって、ハンズフリーで通話することもできる。また、情報端末２９６０は入出力端子２９６６を備え、他の情報端末とコネクターを介して直接データのやりとりを行うことができる。また入出力端子２９６６を介して充電を行うこともできる。なお、充電動作は入出力端子２９６６を介さずに無線給電により行ってもよい。
図３１（Ｇ）は、自動車の一例を示す外観図である。自動車２９８０は、車体２９８１、車輪２９８２、ダッシュボード２９８３、及びライト２９８４等を有する。また、自動車２９８０は、アンテナ、バッテリなどを備える。
例えば、本発明の一態様の半導体装置を用いた記憶装置は、上述した電子機器の制御情報や、制御プログラムなどを長期間保持することができる。本発明の一態様に係る半導体装置を用いることで、信頼性の高い電子機器を実現することができる。
本実施の形態は、他の実施の形態や実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
本実施例では、基板上に酸化物半導体を有する試料に対し、μ―ＰＣＤ測定、及びホール（Ｈａｌｌ）効果測定による評価を行った例を示す。
まず、基板として、厚さが０．７ｍｍの石英基板を準備した。
次に、酸化物半導体を３５ｎｍ成膜した。酸化物半導体は、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲットを用いてスパッタリング法により成膜した。成膜ガスとしては、酸素の体積が３３％となるようにアルゴン及び酸素を混合したガスを用いた。成膜時の圧力は、キャノンアネルバ製ミニチュアゲージＭＧ−２によって０．７Ｐａとなるように調整した。成膜電力は、ＤＣ電源を用いて０．５ｋＷとした。基板温度は３００℃とした。
次に、窒素雰囲気において４５０℃で１時間の加熱処理を行った。次に、酸素雰囲気において４５０℃で１時間の加熱処理を行った。
次に、水素雰囲気において１時間の加熱処理を行い、試料Ａ１乃至試料Ａ１７を作製した。なお、水素雰囲気による加熱処理は、試料Ａ１が加熱処理無し、試料Ａ２が１００℃、試料Ａ３が１２５℃、試料Ａ４が１５０℃、試料Ａ５が１６０℃、試料Ａ６が１７０℃、試料Ａ７が１８０℃、試料Ａ８が１９０℃、試料Ａ９が２００℃、試料Ａ１０が２２５℃、試料Ａ１１が２５０℃、試料Ａ１２が２７５℃、試料Ａ１３が３００℃、試料Ａ１４が３２５℃、試料Ａ１５が３５０℃、試料Ａ１６が３７５℃、試料Ａ１７が４００℃とした。
次に、試料Ａ１乃至試料Ａ１７のμ―ＰＣＤ測定を行った。励起光としては、ネオジムを添加したフッ化イットリウムリチウムをレーザ媒質に用いたレーザの３倍高調波（ＹＬＦ−３ＨＧ、波長３４９ｎｍ）を用いた。なお、μ―ＰＣＤ測定による評価は、株式会社コベルコ科研製低温ポリシリコン・ＳｉＣ評価装置ＬＴＡ−１８００ＳＰを用いた。
次に、試料Ａ１乃至試料Ａ１７のホール効果測定を行い、キャリア密度、シート抵抗を算出した。ここで、ホール効果測定とは、電流の流れているものに垂直に磁場をかけることによって、電流と磁場の双方に垂直な方向に起電力が現れるホール効果を利用して、キャリア密度、移動度及び抵抗率などの電気特性を測定する方法である。本実施例では、Ｖａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ法を用いたホール効果測定を行った。なお、ホール効果測定には、株式会社東陽テクニカ製ＲｅｓｉＴｅｓｔ８４００シリーズを用いた。
試料Ａ１乃至試料Ａ１７におけるμ―ＰＣＤ測定結果と、ホール効果測定と、バンドギャップ測定結果を表１に示す。なお、試料Ａ１３乃至試料Ａ１７は、μ―ＰＣＤ測定で得られたマイクロ波のピーク値が非常に低くなった。これらは減衰曲線のノイズの影響が大きくなり、ライフタイムτ１を算出出来ないため、ライフタイムτ１は表記していない。
次に、試料Ａ１乃至試料Ａ１７のバンドギャップ（Ｅｇ）及び膜厚を、分光エリプソメータを用いて測定した。バンドギャップ（Ｅｇ）とは伝導帯下端Ｅｃと価電子帯上端Ｅｖとのエネルギー差を示す。なお、分光エリプソメータとして、株式会社堀場製作所製全自動超薄膜計測システム ＵＴ−３００を用いた。
試料Ａ１乃至試料Ａ１７におけるバンドギャップ（Ｅｇ）及び膜厚測定結果を表２に示す。
キャリア密度と、μ―ＰＣＤ測定によるピーク値、シート抵抗との関係を図３２（Ａ）に示す。図３２（Ａ）は、横軸にキャリア密度［ｃｍ−３］をとり、左の縦軸にピーク値［ｍＶ］、右の縦軸にシート抵抗［Ω／□］をとる。キャリア密度の増加に伴い、μ―ＰＣＤ測定によるピーク値は増加するが、キャリア密度が１．０×１０１８ｃｍ−３付近より高くなると、ピーク値は減少する傾向となった。一方、シート抵抗はキャリア密度が増加するほど低下する傾向となった。
キャリア密度に対応するフェルミレベルの変化を、数式５で表すことができる。
ここで、ｎはキャリア密度、Ｎｃは伝導帯の有効状態密度、Ｅｃは伝導帯下端のエネルギー、Ｅｆはフェルミレベル、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度を示す。
キャリア密度とフェルミレベルの関係を図３２（Ｂ）に示す。図３２（Ｂ）は、横軸にキャリア密度［ｃｍ−３］をとり、左の縦軸にピーク値［ｍＶ］、右の縦軸にフェルミレベル［ｅＶ］をとる。ホール効果測定で得られるキャリア密度と、そのキャリア密度から算出されるフェルミレベルと対応することが分かった。また、μ―ＰＣＤ測定によるピーク値が減少し始めるキャリア密度（１．０×１０１８ｃｍ−３付近）は、本実施例で使用した酸化物半導体のバンドギャップ（約３．３７ｅＶ）に近く、この酸化物半導体の伝導帯の縮退が始まるキャリア密度とほぼ一致することが分かった。また、伝導帯が縮退しない状態では、キャリア密度が増加するほど、ピーク値が増加することが分かった。このように、μ―ＰＣＤ測定によるピーク値と、ホール効果測定によるキャリア密度に関係があることから、μ―ＰＣＤ測定によりキャリア密度を推定できることが分かった。
伝導帯が縮退していないキャリア密度である１×１０１８ｃｍ−３以下の試料Ａ１乃至試料Ａ９のデータを用い、キャリア密度とピーク値の相関関係を算出した。キャリア密度とピーク値の相関を図３３（Ａ）に示す。図３３（Ａ）は、横軸にキャリア密度［ｃｍ−３］をとり、縦軸にピーク値［ｍＶ］をとる。キャリア密度とピーク値の近似式を、数式６で表せることが分かった。図３３（Ａ）中の実線は、数式６に示す近似線を表している。近似線の決定係数Ｒ２（相関係数Ｒの二乗）は０．９３７８となり、キャリア密度の対数と、ピーク値は強い線形関係にあることが分かった。また、数式６に示す式を用いることにより、任意のキャリア密度に対応する、ピーク値を算出できることが分かった。
［数６］
Ｙ＝１２４．３４×ｌｏｇ（Ｘ）−９４７．６５
Ｙ＝１２４．３４×ｌｏｇ（Ｘ）−９４７．６５
ここで、Ｘはキャリア密度［ｃｍ−３］、Ｙはピーク値［ｍＶ］を示す。
実施の形態２で述べたように、トランジスタのしきい値電圧のマイナスシフトの抑制、オン電流の向上、または電界効果移動度の向上を目的とする場合においては、酸化物半導体のキャリア密度は、１×１０５ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３未満が好ましく、１×１０７ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３以下がより好ましく、１×１０９ｃｍ−３以上５×１０１６ｃｍ−３以下がさらに好ましく、１×１０１０ｃｍ−３以上１×１０１６ｃｍ−３以下がさらに好ましく、１×１０１１ｃｍ−３以上１×１０１５ｃｍ−３以下がさらに好ましい。これらのキャリア密度に対応するピーク値を数式６から算出すると、ピーク値は１２９０ｍＶ以下が好ましく、１１６６ｍＶ以下がさらに好ましく、１１２９ｍＶ以下がさらに好ましく、１０４２ｍＶ以下がさらに好ましく、９１７ｍＶ以下がさらに好ましいことが分かった。なお、図３３（Ａ）に示すように、キャリア密度１×１０１３ｃｍ−３以下は実測データが無い為、ピーク値は算出していない。
また、μ―ＰＣＤ測定によるピーク値及びライフタイムτ１と、ホール効果測定によるキャリア密度との関係を図３３（Ｂ）に示す。図３３（Ｂ）は、横軸にキャリア密度［ｃｍ−３］をとり、左の縦軸にピーク値［ｍＶ］、右の縦軸にライフタイムτ１［ｎｓｅｃ］をとる。キャリア密度の増加に伴い、μ―ＰＣＤ測定によるピーク値とライフタイムτ１は共に増加する傾向となっている。さらにキャリア密度が増加するとライフタイムは大幅に短くなり、５０ｎｓｅｃ未満、もしくは算出不能になっている。ライフタイムτ１が５０ｎｓｅｃ以上であれば、キャリア密度が１×１０１８ｃｍ−３未満で好ましいと言える。ピーク値のみでなく、ライフタイムτ１を用いることにより、キャリア密度の高低を判断しやくなることが分かった。
酸化物半導体を用いてトランジスタを作製する場合、図３３（Ｂ）に示すようなキャリア密度と、ピーク値、ライフタイムτ１のデータを事前に取得しておく。これにより、トランジスタ作製工程の途中にμ―ＰＣＤ測定を行うことで、酸化物半導体のキャリア密度を推測できる。さらに、キャリア密度からトランジスタ電気特性の良否を判定できる。工程途中でトランジスタ電気特性の良否を判定できることから、良好な電気特性のトランジスタを効率よく作製できる。特性不良になると推測される基板をロットアウトにすることで、不良基板の工程を進めることによる以後の無駄な処理を回避できる。
ホール効果測定によるキャリア密度と、μ―ＰＣＤ測定によるピーク値と、バンドギャップの関係を図３４に示す。図３４は、横軸にキャリア密度［ｃｍ−３］をとり、左の縦軸にピーク値［ｍＶ］、右の縦軸にバンドギャップ［ｅＶ］をとる。伝導帯が縮退していないキャリア密度である１×１０１８ｃｍ−３以下では、バンドギャップに大きな変化は見られず、伝導帯が縮退しているキャリア密度である１×１０１８ｃｍ−３より高くなると、バンドギャップが大きくなる傾向を確認できた。実施の形態１で述べたように、バースタイン・モスシフト（Ｂｕｒｓｔｅｉｎ―Ｍｏｓｓ ｓｈｉｆｔ）効果により、光学バンドギャップが広がることで、励起光照射によるキャリアの生成が減少することが、μ―ＰＣＤ測定のピーク値が小さくなる原因の一つと考えられる。
ここで、伝導帯が縮退していないキャリア密度である１×１０１８ｃｍ−３以下の試料Ａ１乃至試料Ａ９において、バンドギャップに大きな変化は見られないことから、これらのバンドギャップの値の違いはばらつきであると言える。同様に膜厚の値の違いもばらつきであると言える。バンドギャップ及び膜厚のばらつきが正規分布に従うと仮定する。一般的にデータ（母集団）が正規分布（ガウシアン分布）に従うとすると、平均値を中心に±１σの内に全体の６８．３％、±２σの内に９５．４％、±３σの内に９９．７％、±６σの内に９９．９９９９９９％が入ることが知られており、平均値±６σの範囲にはほとんどのデータが含まれると言える。標準偏差σは平均値からの分散（ばらつき）を示している。試料Ａ１乃至試料Ａ９において、バンドギャップの算術平均値は３．３７ｅＶ、標準偏差σは０．０３ｅＶであった。同様に試料Ａ１乃至試料Ａ９において、膜厚の算術平均値は３０．１ｎｍ、標準偏差σは０．４ｎｍであった。伝導帯が縮退していないキャリア密度である１×１０１８ｃｍ−３以下の試料Ａ１乃至試料Ａ９は、平均値±６σの範囲であるバンドギャップが３．１７ｅＶ以上３．５８ｅＶ以下、かつ膜厚が２７．７ｎｍ以上３２．５ｎｍ以下である酸化物半導体であるとみなせる。
前述したように、図３３（Ａ）に示すキャリア密度とピーク値の関係、及び図３３（Ｂ）に示すキャリア密度とライフタイムτ１の関係から、ピーク値が１０４２ｍＶ以下かつライフタイムτ１が５０ｎｓｅｃ以上であれば、キャリア密度が１×１０１６ｃｍ−３未満であると推測できる。したがって、バンドギャップが３．１７ｅＶ以上３．５８ｅＶ以下、かつ膜厚が２７．７ｎｍ以上３２．５ｎｍ以下である酸化物半導体において、ピーク値が１０４２ｍＶ以下かつライフタイムτ１が５０ｎｓｅｃ以上であれば、キャリア密度が１×１０１６ｃｍ−３未満で少ないと推測でき、好ましいと言える。
本実施例では、基板上の酸化物半導体と絶縁体とを有する試料に対し、μ―ＰＣＤ測定による評価を行った例を示す。
まず、基板として、厚さが０．７ｍｍの石英基板を準備した。
次に、酸化窒化シリコンを１０ｎｍ成膜した。酸化窒化シリコンは、ＰＥＣＶＤ法を用いて成膜した。成膜ガスとしては、モノシランが１に対して亜酸化窒素が８００となる体積比で混合したガスを用いた。成膜時の圧力は、４０Ｐａとなるよう調整した。成膜電力は、６０ＭＨｚの高周波電源を用いて１５０Ｗとした。電極間のギャップは２８ｍｍとした。基板温度は４００℃とした。
次に、酸化ハフニウムを２０ｎｍ成膜した。酸化ハフニウムは、ＡＬＤ法を用いて成膜した。プリカーサとしてテトラキスジメチルアミドハフニウム（ＴＤＭＡＨ）と、オゾンと、を用いた。基板温度は２００℃とした。
次に、酸化窒化シリコンを３０ｎｍ成膜した。酸化窒化シリコンは、ＰＥＣＶＤ法を用いて成膜した。成膜ガスとしては、モノシランが１に対して亜酸化窒素が８００となる体積比で混合したガスを用いた。成膜時の圧力は、４０Ｐａとなるよう調整した。成膜電力は、６０ＭＨｚの高周波電源を用いて１５０Ｗとした。電極間のギャップは２８ｍｍとした。基板温度は４００℃とした。
次に、酸素雰囲気において４１０℃で１時間の加熱処理を行った。
次に、第１の酸化物半導体として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を５ｎｍ成膜した。Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物は、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲットを用いてスパッタリング法により成膜した。成膜ガスとしては、酸素の体積が１１％となるようにアルゴン及び酸素を混合したガスを用いた。成膜時の圧力は、キャノンアネルバ製ミニチュアゲージＭＧ−２によって０．７Ｐａとなるように調整した。成膜電力は、ＤＣ電源を用いて０．５ｋＷとした。基板温度は２００℃とした。
次に、第２の酸化物半導体として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を３５ｎｍ成膜した。Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物は、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲットを用いてスパッタリング法により成膜した。成膜ガスとしては、酸素の体積が３３％となるようにアルゴン及び酸素を混合したガスを用いた。成膜時の圧力は、キャノンアネルバ製ミニチュアゲージＭＧ−２によって０．７Ｐａとなるように調整した。成膜電力は、ＤＣ電源を用いて０．５ｋＷとした。基板温度は３００℃とした。なお、第１の酸化物半導体の成膜後、第１の酸化物半導体を大気にさらすことなく連続して第２の酸化物半導体を成膜した。本実施例では、搬送室に複数の成膜室が接続したマルチチャンバー型のスパッタリング装置を用い、成膜後の第１の酸化物半導体を大気にさらすことなく、第２の酸化物半導体の成膜室へ基板を搬送した。
次に、工程Ｂ１として、窒素雰囲気において４００℃で１時間の加熱処理を行った。次に、酸素雰囲気において４００℃で１時間の加熱処理を行った。
次に、μ―ＰＣＤ測定を行った。試料におけるピーク値の面内分布を図３５（Ａ）に示す。励起光としては、ネオジムを添加したフッ化イットリウムリチウムをレーザ媒質に用いたレーザの３倍高調波（ＹＬＦ−３ＨＧ、波長３４９ｎｍ）を用いた。なお、μ―ＰＣＤ測定による評価は、株式会社コベルコ科研製低温ポリシリコン・ＳｉＣ評価装置ＬＴＡ−１８００ＳＰを用いた。試料の位置を移動させつつ測定を繰り返すこと（マッピング測定）により、試料面内のピーク値、ライフタイムの情報を得ることができる。今回は、５ｉｎｃｈ×５ｉｎｃｈサイズの基板の１００ｍｍ×１００ｍｍ内を１ｍｍピッチでマッピング測定した（面内１０，０００ポイント）。
また、試料のマッピング測定におけるピーク値の中央値を図３９（Ａ）の工程Ｂ１に示す。試料のマッピング測定におけるライフタイムτ１の中央値を図３９（Ｂ）の工程Ｂ１に示す。μ―ＰＣＤ測定で用いた励起光（λ＝３４９ｎｍ）が約３．５５ｅＶであるのと比較して、酸化窒化シリコンのバンドギャップが約８．７ｅＶ、酸化ハフニウムが約５．１ｅＶと大きい為、酸化窒化シリコン、酸化ハフニウムにはキャリアが生成しづらく、μ―ＰＣＤ測定のピーク値への影響は小さいと言うことができる。第２の酸化物半導体のバンドギャップは約３．３７ｅＶであり、μ―ＰＣＤ測定で用いた励起光で十分に励起できることから、工程Ｂ１で得られるμ―ＰＣＤ測定の情報の多くは、第２の酸化物半導体由来であると言う事ができる。第１の酸化物半導体は膜厚が５ｎｍと薄いことから、キャリアが発生しても非常に少ない為、μ−ＰＣＤ測定のピーク値への寄与は小さいと考えられる。酸化物半導体が薄膜になるほどピーク値が小さくなるのは、後述の実施例３の図４０を参照できる。なお、第１の酸化物半導体のバンドギャップは約３．４ｅＶであった。
次に、工程Ｂ２として、第３の酸化物半導体を５ｎｍ成膜した。第３の酸化物半導体は、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲットを用いてスパッタリング法により成膜した。成膜ガスとしては、酸素の体積が３３％となるようにアルゴン及び酸素を混合したガスを用いた。成膜時の圧力は、キャノンアネルバ製ミニチュアゲージＭＧ−２によって０．７Ｐａとなるように調整した。成膜電力は、ＤＣ電源を用いて０．５ｋＷとした。基板温度は２００℃とした。
次に、μ―ＰＣＤ測定を行った。試料におけるピーク値の面内分布を図３５（Ｂ）に示す。μ―ＰＣＤ測定は工程Ｂ１と同様の方法で行った。
また、試料のマッピング測定におけるピーク値の中央値を図３９（Ａ）の工程Ｂ２に示す。試料のマッピング測定におけるライフタイムτ１の中央値を図３９（Ｂ）の工程Ｂ２に示す。工程Ｂ１と工程Ｂ２で大きな変化は見られない。第３の酸化物半導体は膜厚が５ｎｍと薄いことから、キャリアが発生しても非常に少ない為、μ−ＰＣＤ測定のピーク値への寄与は小さいと考えられる。したがって、工程Ｂ１と工程Ｂ２で大きな変化は見られなかったと考えられる酸化物半導体が薄膜になるほどピーク値が小さくなるのは、後述の実施例３の図４０を参照できる。なお、第３の酸化物半導体のバンドギャップは約３．５ｅＶであった。
次に、工程Ｂ３として、酸化窒化シリコンを１０ｎｍ成膜した。酸化窒化シリコンは、ＰＥＣＶＤ法を用いて成膜した。成膜ガスとしては、モノシランが１に対して亜酸化窒素が８００となる体積比で混合したガスを用いた。成膜時の圧力は、４０Ｐａとなるよう調整した。成膜電力は、６０ＭＨｚの高周波電源を用いて１５０Ｗとした。電極間のギャップは２８ｍｍとした。基板温度は４００℃とした。
次に、μ―ＰＣＤ測定を行った。試料におけるピーク値の面内分布を図３６（Ａ）に示す。μ―ＰＣＤ測定は工程Ｂ１と同様の方法で行った。
また、試料のマッピング測定におけるピーク値の中央値を図３９（Ａ）の工程Ｂ３に示す。試料のマッピング測定におけるライフタイムτ１の中央値を図３９（Ｂ）の工程Ｂ３に示す。工程Ｂ２と比較して、工程Ｂ３はピーク値が非常に低くなった。ピーク値が非常に低いと、減衰曲線のノイズの影響が大きくなることから、ライフタイムτ１を算出できなかった。図３９（Ｂ）中の※印は、ライフタイムτ１を算出できなかったことを示す。工程Ｂ３のＰＥＣＶＤ法による酸化窒化シリコン成膜で酸化膜半導体に多数のキャリアが発生し、ピーク値が大幅に低下することが分かった。
次に、工程Ｂ４として、酸化窒化シリコンを１４０ｎｍ成膜した。酸化窒化シリコンは、ＰＥＣＶＤ法を用いて成膜した。成膜ガスとしては、モノシランが１に対して亜酸化窒素が２００となる体積比で混合したガスを用いた。成膜時の圧力は、１３３．３Ｐａとなるよう調整した。成膜電力は、１３．５６ＭＨｚのＲＦ電源を用いて４５Ｗとした。電極間のギャップは２０ｍｍとした。基板温度は３２５℃とした。
次に、μ―ＰＣＤ測定を行った。試料におけるピーク値の面内分布を図３６（Ｂ）に示す。μ―ＰＣＤ測定は工程Ｂ１と同様の方法で行った。
また、試料のマッピング測定におけるピーク値の中央値を図３９（Ａ）の工程Ｂ４に示す。試料のマッピング測定におけるライフタイムτ１の中央値を図３９（Ｂ）の工程Ｂ４に示す。工程Ｂ３と工程Ｂ４のピーク値に大きな変化は見られず、ピーク値が非常に低いことから、工程Ｂ４においても酸化物半導体に多数のキャリアが存在することが分かった。
次に、工程Ｂ５として、酸化アルミニウムを４０ｎｍ成膜した。酸化アルミニウムは、原子数比がＡｌ：Ｏ＝２：３であるターゲットを用いてスパッタリング法により成膜した。成膜ガスとしては、酸素の体積が５０％となるようにアルゴン及び酸素を混合したガスを用いた。成膜時の圧力は、Ｂ−Ａゲージによって０．４Ｐａとなるように調整した。成膜電力は、ＲＦ電源を用いて２．５ｋＷとした。基板温度は２５０℃とした。
次に、μ―ＰＣＤ測定を行った。試料におけるピーク値の面内分布を図３７（Ａ）に示すμ―ＰＣＤ測定は工程Ｂ１と同様の方法で行った。
また、試料のマッピング測定におけるピーク値の中央値を図３９（Ａ）の工程Ｂ５に示す。試料のマッピング測定におけるライフタイムτ１の中央値を図３９（Ｂ）の工程Ｂ５に示す。工程Ｂ４と工程Ｂ５のピーク値に大きな変化は見られず、ピーク値が非常に低いことから、工程Ｂ５においても酸化物半導体に多数のキャリアが存在することが分かった。
次に、工程Ｂ６として、酸素雰囲気において３５０℃で１時間の加熱処理を行った。
次に、μ―ＰＣＤ測定を行った。試料におけるピーク値の面内分布を図３７（Ｂ）に示す。μ―ＰＣＤ測定は工程Ｂ１と同様の方法で行った。
また、試料のマッピング測定におけるピーク値の中央値を図３９（Ａ）の工程Ｂ６に示す。試料のマッピング測定におけるライフタイムτ１の中央値を図３９（Ｂ）の工程Ｂ６に示す。工程Ｂ５と比較して、工程Ｂ６はピーク値が大きくなり、酸化物半導体のキャリアが減少していることを確認できた。工程Ｂ５で用いた酸化アルミニウムは過剰酸素を含み、加熱により酸素放出が可能である。工程Ｂ６の加熱処理により酸化アルミニウムの過剰酸素が酸化物に拡散し、酸化物半導体のキャリアを減少させたと考えられる。なお、酸化窒化シリコンのバンドギャップが約８．７ｅＶ、酸化アルミニウムが約８ｅＶであり、励起光（λ＝３４９ｎｍ）よりエネルギーが大きい為、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウムにはキャリアが生成しづらく、μ―ＰＣＤ測定のピーク値への影響は小さいと言うことができる。
次に、工程Ｂ７として、酸化窒化シリコンを１００ｎｍ成膜した。酸化窒化シリコンは、ＰＥＣＶＤ法を用いて成膜した。成膜ガスとしては、モノシランが１に対して亜酸化窒素が２００となる体積比で混合したガスを用いた。成膜時の圧力は、１３３．３Ｐａとなるよう調整した。成膜電力は、１３．５６ＭＨｚのＲＦ電源を用いて４５Ｗとした。電極間のギャップは２０ｍｍとした。基板温度は３２５℃とした。
次に、μ―ＰＣＤ測定を行った。試料におけるピーク値の面内分布を図３８に示す。μ―ＰＣＤ測定は工程Ｂ１と同様の方法で行った。
また、試料のマッピング測定におけるピーク値の中央値を図３９（Ａ）の工程Ｂ７に示す。試料のマッピング測定におけるライフタイムτ１の中央値を図３９（Ｂ）の工程Ｂ７に示す。工程Ｂ６と比較して、工程Ｂ７はピーク値、ライフタイムτ１ともに大きな変化は見られない。工程Ｂ７で酸化物半導体のキャリア密度に大きな変化が無いことが分かった。
図３５乃至図３９に示すように、酸化物半導体のキャリア密度に対する各々の工程の影響をμ―ＰＣＤ測定で確認することができ、工程途中に酸化物半導体のキャリア密度を推測できることが分かった。また、μ―ＰＣＤ測定により、工程途中で酸化物半導体のキャリア密度の基板面内分布を確認できることが分かった。これにより、良好な電気特性のトランジスタを効率よく作製できるが分かった。
本実施例では、基板上に酸化物半導体を有する試料に対し、μ―ＰＣＤ測定、及び光吸収率の評価を行った例を示す。
まず、基板として、厚さが０．７ｍｍの石英基板を準備した。
次に、酸化物半導体として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を成膜した。Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物は、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲットを用いてスパッタリング法により成膜した。成膜ガスとしては、酸素の体積が３３％となるようにアルゴン及び酸素を混合したガスを用いた。成膜時の圧力は、キャノンアネルバ製ミニチュアゲージＭＧ−２によって０．７Ｐａとなるように調整した。成膜電力は、ＤＣ電源を用いて０．５ｋＷとした。基板温度は３００℃とした。なお、試料Ｃ１乃至試料Ｃ１５はそれぞれ成膜時間を変え、酸化物半導体の膜厚が異なるようにした。
次に、試料Ｃ１乃至試料Ｃ１５のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の膜厚を分光エリプソメータで測定した。なお、分光エリプソメータとして、株式会社堀場製作所製全自動超薄膜計測システム ＵＴ−３００を用いた。
次に、試料Ｃ１乃至試料Ｃ１５のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の光吸収率を分光光度計で測定した。なお、光吸収率測定として、株式会社日立ハイテクノロジーズ製分光光度計 Ｕ−４１００形分光光度計を用いた。
次に、試料Ｃ１乃至試料Ｃ１５のμ―ＰＣＤ測定による測定を行った。励起光としては、ネオジムを添加したフッ化イットリウムリチウムをレーザ媒質に用いたレーザの３倍高調波（ＹＬＦ−３ＨＧ、波長３４９ｎｍ）を用いた。なお、μ―ＰＣＤ測定による評価は、株式会社コベルコ科研製低温ポリシリコン・ＳｉＣ評価装置ＬＴＡ−１８００ＳＰを用いた。
試料Ｃ１乃至試料Ｃ１５における膜厚測定、光吸収率測定、μ―ＰＣＤ測定の結果を表３に示す。
酸化物半導体の膜厚と、μ―ＰＣＤ測定によるピーク値、分光光度計による光吸収率の関係を図４０に示す。図４０は、横軸に膜厚［ｎｍ］をとり、左の縦軸にピーク値［ｍＶ］、右の縦軸に光吸収率［％］をとる。膜厚が厚くなると、μ―ＰＣＤ測定によるピーク値が増加している。また、膜厚が厚くなるとλ＝３４９ｎｍでの光吸収率が増加し、ピーク値の傾向と良く一致している。膜厚が厚くなるほど励起光（λ＝３４９ｎｍ）の吸収率が増加し、生成するキャリア密度が増加することで、ピーク値が増加することが分かった。
なお、トランジスタ作製に用いる酸化物半導体の膜厚に合わせたサンプルを作製し、事前にホール（Ｈａｌｌ）効果測定などによるキャリア密度と、μ―ＰＣＤ測定によるピーク値及びライフタイムとの相関を取得しておく。そして、実際のトランジスタ作製工程途中でμ―ＰＣＤ測定を行うことにより、より精度良く、酸化物半導体のキャリア密度を評価でき、また、トランジスタの電気特性の良否判定が可能となる。
本実施例では、基板上に酸化物半導体を有する試料に対し、μ―ＰＣＤ測定、及びバンドギャップの評価を行った例を示す。
まず、基板として、厚さが０．７ｍｍの石英基板を準備した。
次に、試料Ｄ１は、酸化物半導体として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を１００ｎｍ成膜した。Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物は、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲットを用いてスパッタリング法により成膜した。成膜ガスとしては、酸素の体積が３３％となるようにアルゴン及び酸素を混合したガスを用いた。成膜時の圧力は、キャノンアネルバ製ミニチュアゲージＭＧ−２によって０．７Ｐａとなるように調整した。成膜電力は、ＤＣ電源を用いて０．５ｋＷとした。基板温度は２００℃とした。
次に、試料Ｄ２は、酸化物半導体として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を１００ｎｍ成膜した。Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物は、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲットを用いてスパッタリング法により成膜した。成膜ガスとしては、酸素の体積が３３％となるようにアルゴン及び酸素を混合したガスを用いた。成膜時の圧力は、キャノンアネルバ製ミニチュアゲージＭＧ−２によって０．７Ｐａとなるように調整した。成膜電力は、ＤＣ電源を用いて０．５ｋＷとした。基板温度は２００℃とした。
次に、試料Ｄ３は、酸化物半導体として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を１００ｎｍ成膜した。Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物は、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲットを用いてスパッタリング法により成膜した。成膜ガスとしては、酸素の体積が３３％となるようにアルゴン及び酸素を混合したガスを用いた。成膜時の圧力は、キャノンアネルバ製ミニチュアゲージＭＧ−２によって０．７Ｐａとなるように調整した。成膜電力は、ＤＣ電源を用いて０．５ｋＷとした。基板温度は２００℃とした。
次に、試料Ｄ４は、酸化物半導体として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を１００ｎｍ成膜した。Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物は、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：１：６であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲットを用いてスパッタリング法により成膜した。成膜ガスとしては、酸素の体積が３３％となるようにアルゴン及び酸素を混合したガスを用いた。成膜時の圧力は、０．４Ｐａとなるように調整した。成膜電力は、ＤＣ電源を用いて０．２ｋＷとした。基板温度は３００℃とした。
次に、試料Ｄ５は、酸化物半導体として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を１００ｎｍ成膜した。Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物は、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：１：７であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲットを用いてスパッタリング法により成膜した。成膜ガスとしては、酸素の体積が３３％となるようにアルゴン及び酸素を混合したガスを用いた。成膜時の圧力は、０．４Ｐａとなるように調整した。成膜電力は、ＤＣ電源を用いて０．２ｋＷとした。基板温度は３００℃とした。
次に、試料Ｄ６は、酸化物半導体として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を１００ｎｍ成膜した。Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物は、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：１：８であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲットを用いてスパッタリング法により成膜した。成膜ガスとしては、酸素の体積が３３％となるようにアルゴン及び酸素を混合したガスを用いた。成膜時の圧力は、０．４Ｐａとなるように調整した。成膜電力は、ＤＣ電源を用いて０．２ｋＷとした。基板温度は３００℃とした。
次に、試料Ｄ１乃至試料Ｄ６において、窒素雰囲気において４５０℃で１時間の加熱処理を行った。次に、酸素雰囲気において４５０℃で１時間の加熱処理を行った。
次に、試料Ｄ１乃至試料Ｄ６の伝導帯下端Ｅｃと価電子帯上端Ｅｖとのエネルギー差、即ちバンドギャップ（Ｅｇ）を測定した。なお、分光エリプソメータとして、株式会社堀場製作所製全自動超薄膜計測システム ＵＴ−３００を用いた。
次に、試料Ｄ１乃至試料Ｄ６のμ―ＰＣＤ測定を行った。励起光としては、ネオジムを添加したフッ化イットリウムリチウムをレーザ媒質に用いたレーザの３倍高調波（ＹＬＦ−３ＨＧ、波長３４９ｎｍ）を用いた。なお、μ―ＰＣＤ測定による評価は、株式会社コベルコ科研製低温ポリシリコン・ＳｉＣ評価装置ＬＴＡ−１８００ＳＰを用いた。
試料Ｄ１乃至試料Ｄ６におけるバンドギャップ測定、μ―ＰＣＤ測定の結果を表４に示す。
酸化物半導体のバンドギャップと、μ―ＰＣＤ測定によるピーク値の関係を図４１に示す。図４１は、横軸にバンドギャップ［ｅＶ］をとり、縦軸にピーク値［ｍＶ］をとる。バンドギャップが小さくなると、μ―ＰＣＤ測定によるピーク値が増加している。バンドギャップが小さくなるほど励起光（λ＝３４９ｎｍ）によって生成するキャリア密度が増加することで、ピーク値が増加することが分かった。
なお、トランジスタ作製に用いる酸化物半導体の組成及び膜厚に合わせたサンプルを作製し、事前にホール（Ｈａｌｌ）効果測定などによるキャリア密度と、μ―ＰＣＤ測定によるピーク値及びライフタイムとの相関を取得しておく。そして、実際のトランジスタ作製工程途中でμ―ＰＣＤ測定を行うことにより、より精度良く、酸化物半導体のキャリア密度を評価でき、また、トランジスタの電気特性の良否判定が可能となる。
１００ 容量素子
１１０ 絶縁体
１１２ 導電体
１１６ 導電体
１３０ 絶縁体
１３２ 絶縁体
１３４ 絶縁体
１５０ 絶縁体
２００ トランジスタ
２０５ 導電体
２０５ａ 導電体
２０５ｂ 導電体
２１０ 絶縁体
２１２ 絶縁体
２１４ 絶縁体
２１６ 絶縁体
２１８ 導電体
２２０ 絶縁体
２２２ 絶縁体
２２４ 絶縁体
２３０ 酸化物半導体
２３０ａ 酸化物半導体
２３０Ａ 酸化物半導体
２３０ｂ 酸化物半導体
２３０Ｂ 酸化物半導体
２３０ｃ 酸化物半導体
２３０Ｃ 酸化物半導体
２４０ 導電体
２４０ａ 導電体
２４０Ａ 導電膜
２４０ｂ 導電体
２４０Ｂ 導電膜
２４５ 層
２４５ａ 層
２４５Ａ 膜
２４５ｂ 層
２４５Ｂ 膜
２４７ａ 導電体
２４７Ａ 導電膜
２４７ｂ 導電体
２４７Ｂ 導電膜
２５０ 絶縁体
２５０Ａ 絶縁膜
２６０ 導電体
２６０ａ 導電体
２６０Ａ 導電膜
２６０ｂ 導電体
２６０Ｂ 導電膜
２６０ｃ 導電体
２６０Ｃ 導電膜
２７０ 層
２７０Ａ 膜
２７２ 絶縁体
２７４ 絶縁体
２８０ 絶縁体
２８２ 絶縁体
２８４ 絶縁体
２８５ 導電体
２８７ 導電体
２９０ レジストマスク
３００ トランジスタ
３１０ 基板
３１１ 基板
３１２ 半導体領域
３１４ 絶縁体
３１６ 導電体
３１８ａ 低抵抗領域
３１８ｂ 低抵抗領域
３２０ 絶縁体
３２２ 絶縁体
３２４ 絶縁体
３２６ 絶縁体
３２８ 導電体
３３０ 導電体
３５０ 絶縁体
３５２ 絶縁体
３５４ 絶縁体
３５６ 導電体
３５８ 絶縁体
４００ トランジスタ
４０３ 導電体
４０３ａ 導電体
４０３ｂ 導電体
４０５ 導電体
４０５ａ 導電体
４０５ｂ 導電体
４０７ 導電体
４０７ａ 導電体
４０７ｂ 導電体
４３０ 酸化物半導体
４３０ｃ 酸化物半導体
４５０ 絶縁体
４６０ 導電体
４６０ａ 導電体
４６０ｂ 導電体
４６０ｃ 導電体
４７０ 層
４８０ 開口
７１１ 基板
７１２ 回路領域
７１３ 分離領域
７１４ 分離線
７１５ チップ
７５０ 電子部品
７５２ プリント基板
７５４ 実装基板
７５５ リード
１０００ 半導体装置
１３０１ パルスレーザ発振器
１３０２ マイクロ波発振器
１３０３ 方向性結合器
１３０４ マジックＴ
１３０５ 導波管
１３０５ａ 導波管
１３０５ｂ 導波管
１３０６ ミキサー
１３０７ 信号処理装置
１３１０ スペーサ
１３１１ 試料ステージ
１３１３ ミラー
１３１４ レンズ
１３１５ 位相器
１３２０ 試料
１３２０ａ 酸化物半導体
１３２０ｂ 基板
２９００ 携帯型ゲーム機
２９０１ 筐体
２９０２ 筐体
２９０３ 表示部
２９０４ 表示部
２９０５ マイクロホン
２９０６ スピーカ
２９０７ 操作スイッチ
２９０８ スタイラス
２９１０ 情報端末
２９１１ 筐体
２９１２ 表示部
２９１３ カメラ
２９１４ スピーカ部
２９１５ 操作スイッチ
２９１６ 外部接続部
２９１７ マイク
２９２０ ノート型パーソナルコンピュータ
２９２１ 筐体
２９２２ 表示部
２９２３ キーボード
２９２４ ポインティングデバイス
２９４０ ビデオカメラ
２９４１ 筐体
２９４２ 筐体
２９４３ 表示部
２９４４ 操作スイッチ
２９４５ レンズ
２９４６ 接続部
２９５０ 情報端末
２９５１ 筐体
２９５２ 表示部
２９６０ 情報端末
２９６１ 筐体
２９６２ 表示部
２９６３ バンド
２９６４ バックル
２９６５ 操作スイッチ
２９６６ 入出力端子
２９６７ アイコン
２９８０ 自動車
２９８１ 車体
２９８２ 車輪
２９８３ ダッシュボード
２９８４ ライト
３００１ 配線
３００２ 配線
３００３ 配線
３００４ 配線
３００５ 配線
３００６ 配線
３００７ 配線
３００８ 配線
３００９ 配線
３０１０ 配線
Ｓ７２１ ステップ
Ｓ７２２ ステップ
Ｓ７２３ ステップ
Ｓ７２４ ステップ
Ｓ７２５ ステップ
Ｓ７２６ ステップ
Ｓ７２７ ステップ
Ｓ７２８ ステップ
Ｓ７２９ ステップ
１１０ 絶縁体
１１２ 導電体
１１６ 導電体
１３０ 絶縁体
１３２ 絶縁体
１３４ 絶縁体
１５０ 絶縁体
２００ トランジスタ
２０５ 導電体
２０５ａ 導電体
２０５ｂ 導電体
２１０ 絶縁体
２１２ 絶縁体
２１４ 絶縁体
２１６ 絶縁体
２１８ 導電体
２２０ 絶縁体
２２２ 絶縁体
２２４ 絶縁体
２３０ 酸化物半導体
２３０ａ 酸化物半導体
２３０Ａ 酸化物半導体
２３０ｂ 酸化物半導体
２３０Ｂ 酸化物半導体
２３０ｃ 酸化物半導体
２３０Ｃ 酸化物半導体
２４０ 導電体
２４０ａ 導電体
２４０Ａ 導電膜
２４０ｂ 導電体
２４０Ｂ 導電膜
２４５ 層
２４５ａ 層
２４５Ａ 膜
２４５ｂ 層
２４５Ｂ 膜
２４７ａ 導電体
２４７Ａ 導電膜
２４７ｂ 導電体
２４７Ｂ 導電膜
２５０ 絶縁体
２５０Ａ 絶縁膜
２６０ 導電体
２６０ａ 導電体
２６０Ａ 導電膜
２６０ｂ 導電体
２６０Ｂ 導電膜
２６０ｃ 導電体
２６０Ｃ 導電膜
２７０ 層
２７０Ａ 膜
２７２ 絶縁体
２７４ 絶縁体
２８０ 絶縁体
２８２ 絶縁体
２８４ 絶縁体
２８５ 導電体
２８７ 導電体
２９０ レジストマスク
３００ トランジスタ
３１０ 基板
３１１ 基板
３１２ 半導体領域
３１４ 絶縁体
３１６ 導電体
３１８ａ 低抵抗領域
３１８ｂ 低抵抗領域
３２０ 絶縁体
３２２ 絶縁体
３２４ 絶縁体
３２６ 絶縁体
３２８ 導電体
３３０ 導電体
３５０ 絶縁体
３５２ 絶縁体
３５４ 絶縁体
３５６ 導電体
３５８ 絶縁体
４００ トランジスタ
４０３ 導電体
４０３ａ 導電体
４０３ｂ 導電体
４０５ 導電体
４０５ａ 導電体
４０５ｂ 導電体
４０７ 導電体
４０７ａ 導電体
４０７ｂ 導電体
４３０ 酸化物半導体
４３０ｃ 酸化物半導体
４５０ 絶縁体
４６０ 導電体
４６０ａ 導電体
４６０ｂ 導電体
４６０ｃ 導電体
４７０ 層
４８０ 開口
７１１ 基板
７１２ 回路領域
７１３ 分離領域
７１４ 分離線
７１５ チップ
７５０ 電子部品
７５２ プリント基板
７５４ 実装基板
７５５ リード
１０００ 半導体装置
１３０１ パルスレーザ発振器
１３０２ マイクロ波発振器
１３０３ 方向性結合器
１３０４ マジックＴ
１３０５ 導波管
１３０５ａ 導波管
１３０５ｂ 導波管
１３０６ ミキサー
１３０７ 信号処理装置
１３１０ スペーサ
１３１１ 試料ステージ
１３１３ ミラー
１３１４ レンズ
１３１５ 位相器
１３２０ 試料
１３２０ａ 酸化物半導体
１３２０ｂ 基板
２９００ 携帯型ゲーム機
２９０１ 筐体
２９０２ 筐体
２９０３ 表示部
２９０４ 表示部
２９０５ マイクロホン
２９０６ スピーカ
２９０７ 操作スイッチ
２９０８ スタイラス
２９１０ 情報端末
２９１１ 筐体
２９１２ 表示部
２９１３ カメラ
２９１４ スピーカ部
２９１５ 操作スイッチ
２９１６ 外部接続部
２９１７ マイク
２９２０ ノート型パーソナルコンピュータ
２９２１ 筐体
２９２２ 表示部
２９２３ キーボード
２９２４ ポインティングデバイス
２９４０ ビデオカメラ
２９４１ 筐体
２９４２ 筐体
２９４３ 表示部
２９４４ 操作スイッチ
２９４５ レンズ
２９４６ 接続部
２９５０ 情報端末
２９５１ 筐体
２９５２ 表示部
２９６０ 情報端末
２９６１ 筐体
２９６２ 表示部
２９６３ バンド
２９６４ バックル
２９６５ 操作スイッチ
２９６６ 入出力端子
２９６７ アイコン
２９８０ 自動車
２９８１ 車体
２９８２ 車輪
２９８３ ダッシュボード
２９８４ ライト
３００１ 配線
３００２ 配線
３００３ 配線
３００４ 配線
３００５ 配線
３００６ 配線
３００７ 配線
３００８ 配線
３００９ 配線
３０１０ 配線
Ｓ７２１ ステップ
Ｓ７２２ ステップ
Ｓ７２３ ステップ
Ｓ７２４ ステップ
Ｓ７２５ ステップ
Ｓ７２６ ステップ
Ｓ７２７ ステップ
Ｓ７２８ ステップ
Ｓ７２９ ステップ
Claims (9)
- 試料を準備し、
前記試料は、基板と、前記基板上に形成した酸化物半導体と、を有し、
マイクロ波及び励起光を前記試料に照射するマイクロ波光導電減衰法を用いて、前記試料によって反射されたマイクロ波の強度を測定し、
前記反射されたマイクロ波の強度のピーク値から前記酸化物半導体のキャリア密度を評価する、酸化物半導体の評価方法。 - 請求項１において、
前記キャリア密度は、マイクロ波光導電減衰法の反射強度のピーク値及びホール効果測定で得られた酸化物半導体のキャリア密度の相関より評価される、酸化物半導体の評価方法。 - 請求項１又は請求項２において、
前記励起光のエネルギーが、前記酸化物半導体のバンドギャップより大きく、前記基板のバンドギャップより小さいことを特徴とする酸化物半導体の評価方法。 - 請求項１乃至請求項３において、
前記試料が、前記酸化物半導体の上に形成された第１の絶縁体と、を有し、
前記マイクロ波光導電減衰法の励起光のエネルギーが、前記第１の絶縁体のバンドギャップより小さいことを特徴とする酸化物半導体の評価方法。 - 請求項３又は請求項４において、
前記試料が、前記基板と前記酸化物半導体の間に形成された第２の絶縁体と、を有し、
前記マイクロ波光導電減衰法の励起光のエネルギーが、前記第２の絶縁体のバンドギャップより小さいことを特徴とする酸化物半導体の評価方法。 - 請求項４又は請求項５において、
前記第１の絶縁体または前記第２の絶縁体が積層構造であることを特徴とする酸化物半導体の評価方法。 - 絶縁体と、酸化物半導体と、導電体と、を有し、
前記酸化物半導体は、前記絶縁体を介して、前記酸化物半導体と前記導電体とが互いに重なる領域を有し、
前記領域のバンドギャップが３．１７ｅＶ以上３．５８ｅＶ以下、かつ膜厚が２７．７ｎｍ以上３２．５ｎｍ以下において、
前記酸化物半導体のマイクロ波光導電減衰法によるマイクロ波の反射強度のピーク値が１０４２ｍＶ以下となる領域を有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項７において、
前記領域において、前記酸化物半導体の前記マイクロ波光導電減衰法によるライフタイムτ１が５０ｎｓｅｃ以上となる領域を有することを特徴とする半導体装置。 - 第１の基板及び第２の基板上に酸化物半導体を形成し、
前記第２の基板上の酸化物半導体をマイクロ波光導電減衰法で測定し、
前記マイクロ波光導電減衰法の励起光のエネルギーは、前記酸化物半導体のバンドギャップより大きく、前記第２の基板のバンドギャップより小さく、
前記測定におけるマイクロ波の反射強度のピーク値を算出し、
前記ピーク値から前記酸化物半導体のキャリア密度を評価し、前記酸化物半導体の評価を行う、半導体装置の作製方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2016143073A JP6957134B2 (ja) | 2016-07-21 | 2016-07-21 | 酸化物半導体の評価方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2016143073A JP6957134B2 (ja) | 2016-07-21 | 2016-07-21 | 酸化物半導体の評価方法 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2018014408A true JP2018014408A (ja) | 2018-01-25 |
| JP2018014408A5 JP2018014408A5 (ja) | 2019-08-22 |
| JP6957134B2 JP6957134B2 (ja) | 2021-11-02 |
Family
ID=61020987
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2016143073A Active JP6957134B2 (ja) | 2016-07-21 | 2016-07-21 | 酸化物半導体の評価方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6957134B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112005353A (zh) * | 2018-04-25 | 2020-11-27 | 信越半导体株式会社 | 单晶硅基板的分选方法及单晶硅基板 |
| CN117313625A (zh) * | 2023-11-29 | 2023-12-29 | 北京智芯微电子科技有限公司 | Mos器件寿命预测方法、装置和电子设备 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5580828A (en) * | 1992-12-16 | 1996-12-03 | Semiconductor Physics Laboratory Rt | Method for chemical surface passivation for in-situ bulk lifetime measurement of silicon semiconductor material |
| JP2012033857A (ja) * | 2010-06-30 | 2012-02-16 | Kobe Steel Ltd | 酸化物半導体薄膜の評価方法、及び酸化物半導体薄膜の品質管理方法 |
| JP2015130477A (ja) * | 2013-12-03 | 2015-07-16 | 株式会社神戸製鋼所 | 酸化物半導体薄膜の評価方法、及び酸化物半導体薄膜の品質管理方法、並びに上記評価方法に用いられる評価素子及び評価装置 |
| JP2015130404A (ja) * | 2013-01-11 | 2015-07-16 | 株式会社神戸製鋼所 | 酸化物半導体薄膜の評価方法、及び酸化物半導体薄膜の品質管理方法、並びに上記評価方法に用いられる評価素子及び評価装置 |
| WO2015198604A1 (ja) * | 2014-06-26 | 2015-12-30 | 株式会社Ｊｏｌｅｄ | 薄膜トランジスタ及び有機ｅｌ表示装置 |
-
2016
- 2016-07-21 JP JP2016143073A patent/JP6957134B2/ja active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5580828A (en) * | 1992-12-16 | 1996-12-03 | Semiconductor Physics Laboratory Rt | Method for chemical surface passivation for in-situ bulk lifetime measurement of silicon semiconductor material |
| JP2012033857A (ja) * | 2010-06-30 | 2012-02-16 | Kobe Steel Ltd | 酸化物半導体薄膜の評価方法、及び酸化物半導体薄膜の品質管理方法 |
| JP2015130404A (ja) * | 2013-01-11 | 2015-07-16 | 株式会社神戸製鋼所 | 酸化物半導体薄膜の評価方法、及び酸化物半導体薄膜の品質管理方法、並びに上記評価方法に用いられる評価素子及び評価装置 |
| JP2015130477A (ja) * | 2013-12-03 | 2015-07-16 | 株式会社神戸製鋼所 | 酸化物半導体薄膜の評価方法、及び酸化物半導体薄膜の品質管理方法、並びに上記評価方法に用いられる評価素子及び評価装置 |
| WO2015198604A1 (ja) * | 2014-06-26 | 2015-12-30 | 株式会社Ｊｏｌｅｄ | 薄膜トランジスタ及び有機ｅｌ表示装置 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112005353A (zh) * | 2018-04-25 | 2020-11-27 | 信越半导体株式会社 | 单晶硅基板的分选方法及单晶硅基板 |
| CN117313625A (zh) * | 2023-11-29 | 2023-12-29 | 北京智芯微电子科技有限公司 | Mos器件寿命预测方法、装置和电子设备 |
| CN117313625B (zh) * | 2023-11-29 | 2024-02-09 | 北京智芯微电子科技有限公司 | Mos器件寿命预测方法、装置和电子设备 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP6957134B2 (ja) | 2021-11-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7441282B2 (ja) | 半導体装置 | |
| JP2018098505A (ja) | 半導体装置、および半導体装置の作製方法 | |
| JP6937419B2 (ja) | 表示装置の作製方法 | |
| JP2014225651A (ja) | 半導体装置及びその作製方法 | |
| JP2014042005A (ja) | 半導体装置 | |
| JP6942489B2 (ja) | 半導体装置、電子機器、および半導体ウエハ | |
| JP2018125528A (ja) | 容量素子、半導体装置、および半導体装置の作製方法 | |
| JP2018074151A (ja) | 半導体装置 | |
| KR20190129891A (ko) | 반도체 장치, 반도체 장치의 제작 방법 | |
| JP7482947B2 (ja) | 半導体装置 | |
| JP2018085507A (ja) | 半導体装置、および半導体装置の作製方法 | |
| JP2018078289A (ja) | 半導体装置、および半導体装置の作製方法 | |
| KR20180000296A (ko) | 반도체 장치 | |
| JP7019346B2 (ja) | 半導体装置 | |
| JP2018067708A (ja) | 半導体装置およびその作製方法 | |
| US10236357B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method of the same | |
| JP6957134B2 (ja) | 酸化物半導体の評価方法 | |
| JP6871722B2 (ja) | 半導体装置 | |
| JP2018073995A (ja) | 半導体装置、および半導体装置の作製方法 | |
| JP7086934B2 (ja) | 半導体装置 | |
| JP2018073994A (ja) | 半導体装置 | |
| US20220416059A1 (en) | Semiconductor device | |
| JPWO2019016642A1 (ja) | 半導体装置、および半導体装置の作製方法 | |
| JP2018064090A (ja) | 半導体装置、および半導体装置の作製方法 | |
| WO2018142239A1 (ja) | 半導体装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20190710 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20190710 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20200526 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20200623 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20200805 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20210216 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20210329 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20210914 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20211006 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6957134 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |