JP2019080083A - 半導体装置の作製方法 - Google Patents

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佑太 遠藤
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Toshinari Sasaki
俊成 佐々木
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Kosei Noda
耕生 野田
瑞穂 佐藤
Mizuho Sato
瑞穂 佐藤
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Abstract

【課題】酸化物半導体を用いたトランジスタにおいて、電気的特性の変動が小さく、信頼性の高い半導体装置を作製することを課題とする。【解決手段】チャネルを形成する酸化物半導体層の下地絶縁層に、加熱により酸素を放出する絶縁層を用いる。前記下地絶縁層から酸素が放出されることにより、前記酸化物半導体層中の酸素欠損及び前記下地絶縁層と前記酸化物半導体層の界面準位を低減することができ、電気的特性の変動が小さく、信頼性の高い半導体装置を作製することができる。【選択図】図１

Description

半導体装置及び半導体装置の作製方法に関する。
なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能し得る装
置全般をいい、電気光学装置、半導体回路及び電子機器は全て半導体装置である。
絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術
が注目されている。該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（表示装置）のよ
うな電子デバイス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薄膜としてシ
リコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目され
ている。
例えば、トランジスタの活性層として、電子キャリア濃度が１０１８／ｃｍ３未満であ
るインジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び亜鉛（Ｚｎ）を含む非晶質酸化物を用い
たトランジスタが開示されている（特許文献１参照。）。
酸化物半導体を用いたトランジスタは、アモルファスシリコンを用いたトランジスタよ
りも動作が速く、多結晶シリコンを用いたトランジスタよりも製造が容易であるものの、
電気的特性が変動しやすく信頼性が低いという問題点が知られている。例えば、バイアス
−熱ストレス試験（ＢＴ試験）前後において、トランジスタのしきい値電圧は変動してし
まう。なお、本明細書において、しきい値電圧とは、トランジスタを「オン状態」にする
ために必要なゲート電圧をいう。そして、ゲート電圧とは、ソースの電位を基準としたゲ
ートの電位との電位差をいう。
特開２００６−１６５５２８号公報
酸化物半導体を用いたトランジスタのＢＴ試験によるしきい値電圧の変動は、酸化物半
導体を用いたトランジスタの信頼性を著しく低下させる。本発明の一態様は、酸化物半導
体を用いた半導体装置の信頼性を向上することを目的とする。
本発明の一態様は、酸化物半導体層の下地層である絶縁層（下地絶縁層ともいう。）と
して、加熱により酸素を放出する絶縁層を形成することを技術的思想とする半導体装置ま
たは半導体装置の作製方法である。
「加熱により酸素放出可能」とは、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ
Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：昇温脱離ガス分光法）分析にて、酸素分子（Ｏ２ともいう。
）の放出量が１×１０１８個／ｃｍ３以上、好ましくは３×１０２０個／ｃｍ３以上であ
ることを指す。
下地絶縁層から酸化物半導体層に酸素が供給されることで、酸化物半導体層と下地絶縁
層との界面準位を低減できる。この結果、半導体装置の動作などに起因して生じうる電荷
などが、上述の下地絶縁層と酸化物半導体層との界面に捕獲されることを十分に抑制する
ことができる。
さらに、酸化物半導体層の酸素欠損に起因して電荷が生じる場合がある。一般に酸化物
半導体層中の酸素欠損はドナーとなり、キャリアである電子を生じる。この結果、トラン
ジスタのしきい値電圧が負方向にシフトしてしまう。下地絶縁層から酸素が十分に放出す
ることにより、しきい値電圧が負方向へシフトする要因である酸化物半導体層中の酸素欠
損を下地絶縁層から供給される酸素で補うことができる。
即ち、酸化物半導体層に酸素欠損が生じるとき、下地絶縁層と酸化物半導体層との界面
における電荷の捕獲を抑制することが困難になるところ、下地絶縁層として加熱により酸
素を放出する絶縁層を設けることにより、酸化物半導体層における界面準位及び酸素欠損
を低減し、酸化物半導体層と下地絶縁層との界面における電荷の捕獲の影響を小さくする
ことができる。
このように、本発明の一態様による効果は、加熱により酸素を放出する下地絶縁層に起
因するものである。
上述した下地絶縁層と酸化物半導体層の界面における電荷の捕獲を抑制する効果により
、酸化物半導体を用いたトランジスタのオフ電流の増加、しきい値電圧の変動などの不具
合を抑制し、加えて半導体装置の信頼性を向上させることができる。
なお、加熱により酸素を放出する絶縁層は、酸化物半導体層に対して十分な厚みを有し
ていることが好ましい。加熱により酸素を放出する絶縁層が酸化物半導体層の厚みよりも
薄い場合には、酸化物半導体層への酸素供給が十分でなくなる場合があるためである。
本発明の一態様は、下地絶縁層と、下地絶縁層上の酸化物半導体層と、酸化物半導体層
と電気的に接続するソース電極及びドレイン電極と、酸化物半導体層と一部が接するゲー
ト絶縁層と、ゲート絶縁層上のゲート電極と、を有する半導体装置であり、下地絶縁層は
加熱により酸素を放出する絶縁層であることを特徴とする。より好ましくは、ゲート絶縁
層として、加熱により酸素を放出する絶縁層を用いる。
また、上記構成において、下地絶縁層は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化
シリコン、酸化アルミニウムを単層または積層して形成することができる。また、ゲート
絶縁層は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムを
単層または積層して形成することができる。
ここで、酸化窒化シリコンとは、その組成において、窒素よりも酸素の含有量が多いも
のを示し、例えば、酸素が５０原子％以上７０原子％以下、窒素が０．５原子％以上１５
原子％以下、シリコンが２５原子％以上３５原子％以下、水素が０原子％以上１０原子％
以下の範囲で含まれるものをいう。また、窒化酸化シリコンとは、その組成において、酸
素よりも窒素の含有量が多いものを示し、例えば、酸素が５原子％以上３０原子％以下、
窒素が２０原子％以上５５原子％以下、シリコンが２５原子％以上３５原子％以下、水素
が１０原子％以上２５原子％以下の範囲で含まれるものをいう。但し、上記範囲は、ラザ
フォード後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ
Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）や、水素前方散乱法（ＨＦＳ：Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｆｏｒｗ
ａｒｄ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を用いて測定した場合のも
のである。また、構成元素の含有比率は、その合計が１００原子％を超えない値をとる。
また、上記構成において、ゲート絶縁層及びゲート電極を覆う絶縁層（保護絶縁層とも
いう。）を有することがある。この保護絶縁層は、加熱により酸素を放出する絶縁層であ
ることが好ましい。また、酸化物半導体層の下方に導電層を有することがある。
なお、上記構成において、ソース電極とドレイン電極の最小の間隔によって決定される
トランジスタのチャネル長Ｌは、１０ｎｍ以上１０μｍ以下、例えば、０．１μｍから０
．５μｍとすることができる。もちろん、チャネル長Ｌは、１μｍ以上であっても構わな
い。また、チャネル幅Ｗについても、１０μｍ以上とすることができる。
本発明の一態様により、酸化物半導体層の下地絶縁層として加熱により酸素を放出する
絶縁層を設けることで、オフ電流が小さく、しきい値電圧のばらつきの少ない、安定した
電気特性を有するトランジスタが提供される。
または、本発明の一態様により、電気特性が良好で信頼性の高いトランジスタを有する
半導体装置が提供される。
本発明の一態様である半導体装置の一例を示す上面図及び断面図。 本発明の一態様である半導体装置の一例を示す断面図。 本発明の一態様である半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。 本発明の一態様である半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。 本発明の一態様である半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。 本発明の一態様である半導体装置の一形態を説明する図。 本発明の一態様である半導体装置の一形態を説明する断面図。 本発明の一態様である半導体装置の一形態を説明する断面図。 本発明の一態様である半導体装置の一形態を説明する断面図。 本発明の一態様である半導体装置としての電子機器を示す図。 本発明の一態様を用いて形成した酸化シリコン層のＴＤＳスペクトルを示すグラフ。 本発明の一態様である半導体装置の一形態を説明する断面図。 本発明の一態様を用いて作製した半導体装置のドレイン電流（Ｉｄｓ）―ゲート電圧（Ｖｇｓ）測定結果を示すグラフ。 本発明の一態様を用いて作製した半導体装置のＢＴ試験前後のＩｄｓ―Ｖｇｓ測定結果を示すグラフ。
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明
は以下の説明に限定されず、その形態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。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈さ
れるものではない。なお、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す
符号は異なる図面間でも共通して用いる。なお、同様のものを指す際にはハッチパターン
を同じくし、特に符号を付さない場合がある。
なお、第１、第２として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順または積層
順を示すものではない。また、本明細書において発明を特定するための事項として固有の
名称を示すものではない。
（実施の形態１）
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を、図１乃至図５を
用いて説明する。
図１には、本発明の一態様の半導体装置の例として、トップゲートトップコンタクト型
であるトランジスタ１５１の上面図及び断面図を示す。ここで、図１（Ａ）は上面図であ
り、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）はそれぞれ、図１（Ａ）におけるＡ−Ｂ断面及びＣ−Ｄ断
面における断面図である。なお、図１（Ａ）では、煩雑になることを避けるため、トラン
ジスタ１５１の構成要素の一部（例えば、ゲート絶縁層１１２など）を省略している。
図１に示すトランジスタ１５１は、基板１００上の、絶縁層１０２、酸化物半導体層１
０６、ソース電極１０８ａ、ドレイン電極１０８ｂ、ゲート絶縁層１１２、ゲート電極１
１４を含む。
絶縁層１０２の材料には、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウムまたは
これらの混合材料などを用いればよい。また、絶縁層１０２には、前述の材料と酸化シリ
コン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化ア
ルミニウムまたはこれらの混合材料などを積層して用いてもよい。例えば、絶縁層１０２
を窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、酸化アルミニウム層または窒化アルミニウム層
と酸化シリコン層の積層構造とすると、基板１００などからトランジスタ１５１への水分
及び水素の混入を防ぐことができる。絶縁層１０２を積層構造で形成する場合、酸化物半
導体層１０６と接する側を酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、これら
の混合材料などの酸化物層とするとよい。なお、絶縁層１０２はトランジスタ１５１の下
地層として機能する。絶縁層１０２は加熱により酸素を放出する絶縁層であることを特徴
とする。「加熱により酸素を放出する」とは、ＴＤＳ分析においてＯ２の放出量が１×１
０１８個／ｃｍ３以上、好ましくは３×１０２０個／ｃｍ３以上であることを指す。
酸化物半導体層に用いる材料としては、四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚ
ｎ−Ｏ系の材料や、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｓｎ
−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、
Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系の材料や、二元系金属酸化物で
あるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｚｎ
−Ｍｇ−Ｏ系の材料、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｇａ−
Ｏ系の材料や、Ｉｎ−Ｏ系の材料、Ｓｎ−Ｏ系の材料、Ｚｎ−Ｏ系の材料などを用いるこ
とができる。また、上記の材料に酸化シリコンを含ませてもよい。ここで、例えば、Ｉｎ
−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料とは、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）
を有する酸化物層、という意味であり、その組成比は特に問わない。また、ＩｎとＧａと
Ｚｎ以外の元素を含んでいてもよい。なお、一例として、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料を用い
る場合、原子数比で、Ｉｎ／Ｚｎ＝０．５以上５０以下、好ましくはＩｎ／Ｚｎ＝１以上
２０以下、さらに好ましくはＩｎ／Ｚｎ＝１．５以上１５以下とする。Ｚｎの原子数比を
前述の範囲とすることで、トランジスタの電界効果移動度を向上させることができる。こ
こで、化合物の原子数比がＩｎ：Ｚｎ：Ｏ＝Ｘ：Ｙ：Ｚのとき、Ｚ＞１．５Ｘ＋Ｙとする
と好ましい。
また、酸化物半導体層は、化学式ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される材料
を用いた薄膜により形成することができる。ここで、Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、Ｍｎ及びＣｏか
ら選ばれた一または複数の金属元素を示す。例えば、Ｍとして、Ｇａ、Ｇａ及びＡｌ、Ｇ
ａ及びＭｎまたはＧａ及びＣｏなどを用いることができる。
絶縁層１０２と酸化物半導体層１０６との界面準位及び酸化物半導体層１０６中の酸素
欠損を低減することができる。上記界面準位の低減により、ＢＴ試験前後のしきい値電圧
変動を小さくすることができる。
ゲート絶縁層１１２は、絶縁層１０２と同様の構成とすることができ、加熱により酸素
を放出する絶縁層であることが好ましい。このとき、トランジスタのゲート絶縁層として
機能することを考慮して、酸化ハフニウムや酸化アルミニウムなどの比誘電率が高い材料
を採用してもよい。また、ゲート耐圧や酸化物半導体層とゲート絶縁層１１２の間の界面
状態などを考慮し、酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンに酸化ハフニウ
ムや酸化アルミニウムなどの比誘電率の高い材料を積層して用いてもよい。
トランジスタ１５１上には、さらに保護絶縁層が設けられていてもよい。保護絶縁層は
、絶縁層１０２と同様の構成とすることができる。また、ソース電極１０８ａやドレイン
電極１０８ｂと配線とを電気的に接続させるために、絶縁層１０２、ゲート絶縁層１１２
などには開口部が形成されていてもよい。また、酸化物半導体層１０６の下方に、さらに
、第２のゲート電極を有していてもよい。なお、酸化物半導体層１０６は島状に加工され
ていることが好ましいが、島状に加工されていなくてもよい。
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）には、トランジスタ１５１とは異なる構成のトランジスタの
断面構造を示す。
図２（Ａ）に示すトランジスタ１５２は、絶縁層１０２、酸化物半導体層１０６、ソー
ス電極１０８ａ、ドレイン電極１０８ｂ、ゲート絶縁層１１２、ゲート電極１１４を含む
点で、トランジスタ１５１と共通している。トランジスタ１５２とトランジスタ１５１と
の相違は、酸化物半導体層１０６と、ソース電極１０８ａやドレイン電極１０８ｂが接続
する位置である。即ち、トランジスタ１５２では、酸化物半導体層１０６の下部において
、酸化物半導体層１０６と、ソース電極１０８ａやドレイン電極１０８ｂとが接している
。その他の構成要素については、図１のトランジスタ１５１と同様である。
図２（Ｂ）に示すトランジスタ１５３は、絶縁層１０２、ゲート絶縁層１１２、ゲート
電極１１４、ソース電極１０８ａ、ドレイン電極１０８ｂを含む点で、トランジスタ１５
１及びトランジスタ１５２と共通している。トランジスタ１５３は、同一平面上の酸化物
半導体層中にチャネル領域１２６、ソース領域１２２ａ、ドレイン領域１２２ｂを形成す
る点でトランジスタ１５１及びトランジスタ１５２との相違がある。ソース領域１２２ａ
及びドレイン領域１２２ｂには、保護絶縁層１２４を介して、それぞれソース電極１０８
ａ及びドレイン電極１０８ｂが接続される。なお、図２（Ｂ）において、ゲート絶縁層１
１２はゲート電極１１４の下部にのみ設けられているが、これに限定されない。例えば、
チャネル領域１２６、ソース領域１２２ａ、ドレイン領域１２２ｂからなる酸化物半導体
層を覆うように設けられていても構わない。
以下、図３及び図４を用いて、図１に示すトランジスタの作製工程の例について説明す
る。
まず、図３（Ａ）乃至図３（Ｅ）を用いて、図１に示すトランジスタ１５１の作製工程
の一例について説明する。
まず、基板１００上に絶縁層１０２を形成する（図３（Ａ）参照。）。絶縁層１０２は
、加熱により酸素を放出する絶縁層であることを特徴とする。
基板１００の材質などに大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度
の耐熱性を有している必要がある。例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サ
ファイア基板などを、基板１００として用いることができる。また、シリコンや炭化シリ
コンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半
導体基板、ＳＯＩ基板などを適用することも可能であり、これらの基板上に半導体素子が
設けられたものを、基板１００として用いてもよい。
また、基板１００として、可撓性基板を用いてもよい。その場合は、可撓性基板上に直
接的にトランジスタを作製する。なお、可撓性基板上にトランジスタを設ける方法として
は、基板１００として非可撓性のものを用いて、この上にトランジスタを作製した後、ト
ランジスタを剥離し、可撓性基板に転置する方法もある。その場合には、基板１００とト
ランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。
絶縁層１０２の形成方法は、例えば、プラズマＣＶＤ法やスパッタリング法などを用い
ることができる。加熱により酸素を放出する絶縁層の形成にはスパッタリング法を用いる
ことが好ましい。絶縁層１０２の材料には、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アル
ミニウムまたはこれらの混合材料などを用いればよい。また、絶縁層１０２には、前述の
材料と酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミ
ニウム、窒化アルミニウムまたはこれらの混合材料などを積層して用いてもよい。絶縁層
１０２を積層構造で形成する場合、酸化物半導体層１０６と接する側を酸化シリコン、酸
化窒化シリコン、酸化アルミニウム、これらの混合材料などのような酸化物層とするとよ
い。絶縁層１０２の合計の膜厚は、好ましくは２０ｎｍ以上、より好ましくは１００ｎｍ
以上とする。絶縁層１０２を厚く形成することにより、絶縁層１０２からの酸素放出量を
増加することができる。
スパッタリング法を用いて加熱により酸素を放出する絶縁層を形成するには、成膜ガス
として、酸素または、酸素と希ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン及びキセ
ノンなど）の混合ガスを用いる場合、酸素と希ガスの混合割合を、酸素の割合を高めて形
成するとよい。例えば、全ガス中の酸素の濃度を６％以上１００％未満にするとよい。
例えば、石英（好ましくは合成石英）をターゲットに用い、基板温度３０℃以上４５０
℃以下（好ましくは７０℃以上２００℃以下）、基板とターゲットの間の距離（Ｔ−Ｓ間
距離）を２０ｍｍ以上４００ｍｍ以下（好ましくは４０ｍｍ以上２００ｍｍ以下）、圧力
を０．１Ｐａ以上４Ｐａ以下（好ましくは０．２Ｐａ以上１．２Ｐａ以下）、高周波電源
を０．５ｋＷ以上１２ｋＷ以下（好ましくは１ｋＷ以上５ｋＷ以下）、成膜ガス中のＯ２
／（Ｏ２＋Ａｒ）割合を１％以上１００％以下（好ましくは６％以上１００％以下）とし
て、ＲＦスパッタリング法により酸化シリコン膜を形成する。なお、石英（好ましくは合
成石英）ターゲットに代えてシリコンターゲットを用いることもできる。なお、成膜ガス
として酸素または酸素及びアルゴンの混合ガスを用いて行う。
次に、絶縁層１０２上に酸化物半導体層を形成し、当該酸化物半導体層を加工して島状
の酸化物半導体層１０６を形成する（図３（Ｂ）参照。）。
酸化物半導体層は、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法、パルスレーザ堆積法、Ｃ
ＶＤ法などを用いて形成することができる。また、酸化物半導体層の厚さは、３ｎｍ以上
５０ｎｍ以下とすることが好ましい。酸化物半導体層を厚くしすぎると（例えば、厚さを
１００ｎｍ以上）、短チャネル効果の影響が大きくなり、サイズの小さなトランジスタで
ノーマリーオンになるおそれがあるためである。ここで、「ノーマリーオン」とは、ゲー
ト電極に電圧を印加しなくてもチャネルが存在し、トランジスタに電流が流れてしまう状
態のことである。なお、絶縁層１０２及び酸化物半導体層は、大気に触れさせることなく
連続して成膜すると好ましい。
例えば、酸化物半導体層を、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物ターゲットを用いたスパ
ッタリング法により形成する。
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物ターゲットとしては、例えば、組成比として、Ｉｎ２
Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１［ｍｏｌ数比］の酸化物ターゲットを用いること
ができる。なお、ターゲットの材料及び組成を上述したものに限定する必要はない。例え
ば、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ数比］の組成比の酸化物ター
ゲットを用いることもできる。
酸化物ターゲットの相対密度は、９０％以上１００％以下、好ましくは９５％以上９９
．９％以下とする。相対密度の高い酸化物ターゲットを用いることにより、成膜した酸化
物半導体層を緻密な層とすることができるためである。
成膜は、希ガス雰囲気下、酸素雰囲気下または希ガスと酸素の混合雰囲気下などで行え
ばよい。また、酸化物半導体層への水素、水、水酸基、水素化物などの混入を防ぐために
、水素、水、水酸基、水素化物などの不純物が十分に除去された高純度ガスを用いた雰囲
気とすることが好ましい。
例えば、酸化物半導体層は、次のように形成することができる。
成膜条件の一例として、基板とターゲットの間との距離を６０ｍｍ、圧力を０．４Ｐａ
、直流（ＤＣ）電源を０．５ｋＷ、成膜雰囲気をアルゴンと酸素の混合雰囲気（酸素流量
比率３３％）とすることができる。なお、パルスＤＣスパッタリング法を用いると、成膜
時に発生する粉状物質（パーティクル、ごみともいう。）が軽減でき、厚さの分布も均一
となるため好ましい。
このとき、基板温度を１００℃以上４５０℃以下、好ましくは１５０℃以上２５０℃以
下とすることで絶縁層１０２から酸素が放出され、酸化物半導体層中の酸素欠損及び絶縁
層１０２と酸化物半導体層との界面準位を低減することができる。
なお、酸化物半導体層１０６をスパッタリング法により形成する前には、希ガスを導入
してプラズマを発生させる逆スパッタを行い、形成表面（例えば絶縁層１０２の表面）の
付着物を除去してもよい。ここで、逆スパッタとは、通常のスパッタリングにおいては、
スパッタターゲットにイオンを衝突させるところを、逆に、処理表面にイオンを衝突させ
ることによってその表面を改質する方法のことをいう。処理表面にイオンを衝突させる方
法としては、例えば、アルゴン雰囲気下で処理表面側に高周波電圧を印加して、被処理物
付近にプラズマを生成する方法などがある。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウ
ム、酸素などによる雰囲気を適用してもよい。
酸化物半導体層１０６の加工は、所望の形状のマスクを酸化物半導体層上に形成した後
、当該酸化物半導体層をエッチングすることによって行うことができる。上述のマスクは
、フォトリソグラフィなどの方法を用いて形成することができる。または、インクジェッ
ト法などの方法を用いてマスクを形成してもよい。
なお、酸化物半導体層のエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでも
よい。もちろん、これらを組み合わせて用いてもよい。
その後、酸化物半導体層に対して、熱処理（第１の熱処理）を行うことが好ましい。こ
の第１の熱処理によって酸化物半導体層中の、過剰な水素（水や水酸基を含む）を除去し
、かつ酸化物半導体層の構造を整えることができる。第１の熱処理の温度は、１００℃以
上６５０℃以下または基板の歪み点未満、好ましくは２５０℃以上６００℃以下とする。
第１の熱処理の雰囲気は、酸化性ガス雰囲気下、もしくは不活性ガス雰囲気下とする。
なお、不活性ガス雰囲気とは、窒素または希ガスを主成分とする雰囲気であって、水、
水素などが含まれないことが好ましい。例えば、熱処理装置に導入する窒素や、ヘリウム
、ネオン、アルゴンなどの希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上、好ましくは
７Ｎ（９９．９９９９９％）以上（即ち、不純物濃度が１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１
ｐｐｍ以下）とする。不活性ガス雰囲気とは、不活性ガスを主成分とする雰囲気で、反応
性ガスが１０ｐｐｍ未満である雰囲気のことである。
なお、酸化性ガスとは、酸素、オゾンまたは亜酸化窒素などであって、水、水素などが
含まれないことが好ましい。例えば、熱処理装置に導入する酸素、オゾン、亜酸化窒素の
純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上（
即ち、不純物濃度が１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とする。酸化性ガス雰
囲気には、酸化性ガスを不活性ガスと混合して用いてもよく、酸化性ガスが少なくとも１
０ｐｐｍ以上含まれるものとする。
この第１の熱処理によって、絶縁層１０２から酸素が放出され、絶縁層１０２と酸化物
半導体層１０６との界面準位及び酸化物半導体層１０６中の酸素欠損を低減することがで
きる。上記界面準位の低減により、ＢＴ試験前後のしきい値電圧変動を小さくすることが
できる。また、一般に、酸化物半導体層中の酸素欠損は、ドナーとなりキャリアである電
子の発生源となることが知られている。酸化物半導体層１０６中に電子が生じることで、
トランジスタ１５１のしきい値電圧が負方向へシフトし、ノーマリーオンになりやすい。
酸化物半導体層１０６中の酸素欠損が埋められることで、しきい値電圧が負方向へシフト
することを抑制できる。
熱処理は、例えば、抵抗発熱体などを用いた電気炉に被処理物を導入し、窒素雰囲気下
で、３５０℃、１時間の条件で行うことができる。この間、酸化物半導体層は大気に触れ
させず、水や水素の混入が生じないようにする。
熱処理装置は電気炉に限られず、加熱されたガスなどの媒体からの熱伝導または熱輻射
によって、被処理物を加熱する装置を用いてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐ
ｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅ
ｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置などのＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａ
ｌ）装置を用いることができる。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドラン
プ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ラ
ンプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置である
。ＧＲＴＡ装置は、高温のガスを用いて熱処理を行う装置である。ガスとしては、アルゴ
ンなどの希ガスまたは窒素のような、熱処理によって被処理物と反応しない不活性ガスが
用いられる。
例えば、第１の熱処理として、熱せられた不活性ガス雰囲気中に被処理物を投入し、数
分間熱した後、当該不活性ガス雰囲気から被処理物を取り出すＧＲＴＡ処理を行ってもよ
い。ＧＲＴＡ処理を用いると短時間での高温熱処理が可能となる。また、被処理物の耐熱
温度を超える温度条件であっても適用が可能となる。なお、処理中に、不活性ガス雰囲気
を、酸化性ガスを含む雰囲気に切り替えてもよい。酸化性ガスを含む雰囲気において第１
の熱処理を行うことで、酸化物半導体層１０６中の酸素欠損を埋めることができるととも
に、酸素欠損に起因するエネルギーギャップ中の欠陥準位を低減することができるためで
ある。
ところで、上述の熱処理（第１の熱処理）には水素や水などを除去する効果があるため
、当該熱処理を、脱水化処理や、脱水素化処理などと呼ぶこともできる。また、絶縁層や
熱処理雰囲気などから酸素を供給する効果があることから、加酸素化処理と呼ぶこともで
きる。当該脱水化処理、脱水素化処理及び加酸素化処理は、例えば、酸化物半導体層を島
状に加工した後などのタイミングにおいて行うことが可能である。また、このような脱水
化処理、脱水素化処理及び加酸素化処理は、一回に限らず複数回行ってもよい。
なお、ここでは、酸化物半導体層１０６を島状に加工した後に、第１の熱処理を行う構
成について説明したが、これに限定されず、第１の熱処理を行った後に、酸化物半導体層
１０６を加工してもよい。
次いで、絶縁層１０２及び酸化物半導体層１０６上に、ソース電極及びドレイン電極（
同じ層で形成される配線を含む）を形成するための導電層を形成し、当該導電層を加工し
て、ソース電極１０８ａ及びドレイン電極１０８ｂを形成する（図３（Ｃ）参照。）。な
お、ここで形成されるソース電極１０８ａの端部とドレイン電極１０８ｂの端部との最小
の間隔によって、トランジスタのチャネル長Ｌが決定されることになる。
ソース電極１０８ａ及びドレイン電極１０８ｂに用いる導電層としては、例えば、Ａｌ
、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗから選ばれた元素を含む金属層または上述した元素
を成分とする金属窒化物層（窒化チタン層、窒化モリブデン層、窒化タングステン層）な
どを用いることができる。また、Ａｌ、Ｃｕなどの低融点かつ低抵抗の金属層の下側及び
上側の一方または双方に、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗなどの高融点金属層またはこれらの金属窒化物
層（窒化チタン層、窒化モリブデン層、窒化タングステン層）を積層させた構成を用いて
もよい。
また、ソース電極１０８ａ及びドレイン電極１０８ｂに用いる導電層は、導電性の金属
酸化物で形成してもよい。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３等）
、酸化スズ（ＳｎＯ２等）、酸化亜鉛（ＺｎＯ等）、酸化インジウム酸化スズ合金（Ｉｎ
２Ｏ３―ＳｎＯ２等、ＩＴＯと略記する。）、酸化インジウム酸化亜鉛合金（Ｉｎ２Ｏ３
―ＺｎＯ等）またはこれらの金属酸化物材料に酸化シリコンを含ませたものを用いること
ができる。
導電層の加工は、レジストマスクを用いたエッチングによって行うことができる。当該
エッチングに用いるレジストマスク形成時の露光には、紫外線やＫｒＦレーザ光やＡｒＦ
レーザ光などを用いるとよい。
なお、チャネル長Ｌが２５ｎｍ未満となるように露光を行う場合には、例えば、数ｎｍ
〜数１０ｎｍと極めて波長が短い超紫外線（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）
を用いて、レジストマスク形成時の露光を行うとよい。超紫外線による露光は、解像度が
高く焦点深度も大きい。したがって、後に形成されるトランジスタのチャネル長Ｌを短く
することが可能であり、回路の動作を速くすることができる。
また、いわゆる多階調マスクによって形成されたレジストマスクを用いてエッチングを
行ってもよい。多階調マスクを用いて形成されたレジストマスクは、複数の層厚を有する
形状となり、アッシングによってさらに形状を変形させることができるため、異なるパタ
ーンに加工する複数のエッチング工程に用いることが可能である。このため、一枚の多階
調マスクによって、少なくとも二種類以上の異なるパターンに対応するレジストマスクを
形成することができる。つまり、工程の簡略化が可能となる。
なお、導電層のエッチングの際に、酸化物半導体層１０６の一部がエッチングされ、溝
部（凹部）を有する酸化物半導体層となることもある。
その後、酸素、オゾン、亜酸化窒素などのガスを用いたプラズマ処理を行い、露出して
いる酸化物半導体層１０６の表面を酸化し、酸素欠損を埋めてもよい。プラズマ処理を行
った場合、当該プラズマ処理に続けて大気に触れさせることなく、酸化物半導体層１０６
の一部に接するゲート絶縁層１１２を形成することが好ましい。
次に、ソース電極１０８ａ及びドレイン電極１０８ｂを覆い、かつ、酸化物半導体層１
０６の一部と接するように、ゲート絶縁層１１２を形成する（図３（Ｄ）参照。）。
ゲート絶縁層１１２は、絶縁層１０２と同様の構成とすることができる。ただし、トラ
ンジスタのゲート絶縁層として機能することを考慮して、酸化ハフニウムや酸化アルミニ
ウムなどの比誘電率が高い材料を採用してもよい。また、ゲート耐圧や酸化物半導体層と
ゲート絶縁層１１２の間の界面状態などを考慮し、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒
化シリコンに酸化ハフニウムや酸化アルミニウムなどの比誘電率の高い材料を積層して用
いてもよい。ゲート絶縁層１１２の合計の膜厚は、好ましくは１ｎｍ以上３００ｎｍ以下
、より好ましくは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。ゲート絶縁層が厚いほど短チャネル効
果が顕著となり、しきい値電圧が負方向へシフトしやすい傾向となる。また、ゲート絶縁
層が５ｎｍ以下となるとトンネル電流によるリークが増大することがわかっている。
ゲート絶縁層１１２の形成後には、第２の熱処理を行うのが好ましい。第２の熱処理の
温度は、２５０℃以上７００℃以下、好ましくは３５０℃以上６００℃以下または基板の
歪み点未満とする。
第２の熱処理は、酸化性ガス雰囲気下または不活性ガス雰囲気下で行えばよいが、雰囲
気中に水、水素などが含まれないことが好ましい。また、熱処理装置に導入するガスの純
度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上（即ち
不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
第２の熱処理においては、酸化物半導体層１０６と、ゲート絶縁層１１２が接した状態
で加熱される。したがって、酸化物半導体を構成する主成分材料の一つである酸素を、酸
素を含むゲート絶縁層１１２より酸化物半導体層１０６へ供給することができる。これに
よって、酸化物半導体層１０６の酸素欠損及び酸化物半導体層とゲート絶縁層１１２との
界面準位を低減することができる。また、同時にゲート絶縁層１１２中の欠陥も低減する
ことができる。
なお、第２の熱処理のタイミングは、ゲート絶縁層１１２の形成後であれば特に限定さ
れない。例えば、ゲート電極１１４の形成後に第２の熱処理を行ってもよい。
その後、ゲート電極１１４を形成する（図３（Ｅ）参照。）。ゲート電極１１４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、ネオジム、スカンジウ
ムなどの金属材料、これらの窒化物、またはこれらを主成分とする合金材料を用いて形成
することができる。なお、ゲート電極１１４は、単層構造としてもよいし、積層構造とし
てもよい。
以上の工程でトランジスタ１５１が作製される。
次に、図４（Ａ）乃至図４（Ｅ）を用いて、図２（Ａ）に示すトランジスタ１５２の作
製工程の一例について説明する。
まず、基板１００上に絶縁層１０２を形成する（図４（Ａ）参照。）。絶縁層１０２は
トランジスタ１５１と同様に、加熱により酸素を放出する絶縁層であることを特徴とする
。
次に、絶縁層１０２上に、ソース電極及びドレイン電極（同じ層で形成される配線を含
む）を形成するための導電層を形成し、当該導電層を加工して、ソース電極１０８ａ及び
ドレイン電極１０８ｂを形成する（図４（Ｂ）参照。）。
次に、絶縁層１０２上に、ソース電極１０８ａ及びドレイン電極１０８ｂと接続する酸
化物半導体層を形成し、当該酸化物半導体層を加工して島状の酸化物半導体層１０６を形
成する（図４（Ｃ）参照。）。その後、トランジスタ１５１と同様に第１の熱処理を行っ
てもよい。
次に、ソース電極１０８ａ及びドレイン電極１０８ｂ、酸化物半導体層１０６を覆い、
かつ、酸化物半導体層１０６、ソース電極１０８ａ及びドレイン電極１０８ｂの一部と接
するように、ゲート絶縁層１１２を形成する（図４（Ｄ）参照。）。その後、トランジス
タ１５１と同様に第２の熱処理を行ってもよい。
その後、ゲート電極１１４を形成する（図４（Ｅ）参照。）。
以上の工程でトランジスタ１５２が形成される。
なお、酸化物半導体層の界面に電荷がトラップされると、トランジスタのしきい値電圧
はシフトする。例えば、バックチャネル側に正電荷がトラップされると、トランジスタの
しきい値電圧は負方向にシフトする。このような電荷捕獲の要因の一つとして、陽イオン
（またはその原因たる原子）の移動及びトラップのモデルを仮定することができる。本発
明の一態様では、加熱により酸素を放出する絶縁層を用い、酸化物半導体層と、絶縁層１
０２及びゲート絶縁層１１２と、の界面準位を低減することで、上述のモデルにおいて想
定される電荷捕獲を低減することができ、トランジスタのしきい値電圧のシフトを抑制す
ることができる。
図５（Ａ）乃至図５（Ｅ）を用いて、図２（Ｂ）に示すトランジスタ１５３の作製工程
の一例について説明する。
まず、基板１００上に絶縁層１０２を形成する（図５（Ａ）参照。）。絶縁層１０２は
加熱により酸素を放出する絶縁層であることを特徴とする。
次に、絶縁層１０２上に、酸化物半導体層を形成し、当該酸化物半導体層を加工して島
状の酸化物半導体層１０６を形成する（図５（Ｂ）参照。）。その後、トランジスタ１５
１と同様に第１の熱処理を行ってもよい。
次に、ゲート絶縁層１１２及びゲート電極１１４を形成し、フォトリソグラフィにより
同様のパターンに加工する（図５（Ｃ）参照。）。このとき、ゲート電極１１４を加工し
、その後、ゲート電極１１４をマスクにゲート絶縁層１１２を加工してもよい。その後、
トランジスタ１５１と同様に第２の熱処理を行ってもよい。
次に、ゲート電極１１４をマスクに用いて酸化物半導体層１０６を低抵抗化し、ソース
領域１２２ａ及びドレイン領域１２２ｂを形成する。低抵抗化されないゲート電極下の領
域はチャネル領域１２６となる（図５（Ｄ）参照。）。低抵抗化の方法としては、アルゴ
ンプラズマ処理、水素プラズマ処理またはアンモニアプラズマ処理などが挙げられる。こ
のとき、ゲート電極の幅によってトランジスタのチャネル長Ｌが決定されることになる。
このように、ゲート電極をマスクに用いてパターニングすることで、ゲート電極とソース
領域、ドレイン領域の重なりが生じず、この領域における寄生容量が生じないため、トラ
ンジスタ動作を速くすることができる。
次に、保護絶縁層１２４を形成し、ソース領域１２２ａ及びドレイン領域１２２ｂと重
畳する部分の保護絶縁層１２４に開口部を設ける。ソース電極及びドレイン電極（これと
同じ層で形成される配線を含む）を形成するための導電層を形成し、当該導電層を加工し
て、ソース電極１０８ａ及びドレイン電極１０８ｂを形成する（図５（Ｅ）参照。）。
以上の工程でトランジスタ１５３が作製される。
以上のように、安定した電気的特性を有する酸化物半導体を用いた半導体装置を提供す
ることができる。よって、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと
適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態２）
実施の形態１で例示したトランジスタを用いて表示機能を有する半導体装置（表示装置
ともいう。）を作製することができる。また、トランジスタを含む駆動回路の一部または
全体を、画素部と同じ基板上に一体形成し、システムオンパネルを形成することができる
。
図６（Ａ）において、第１の基板２０１上に設けられた画素部２０２を囲むようにして
、シール材２０５が設けられ、第２の基板２０６によって封止されている。図６（Ａ）に
おいては、第１の基板２０１上のシール材２０５によって囲まれている領域とは異なる領
域に、別途用意された基板上に単結晶半導体層または多結晶半導体層で形成された走査線
駆動回路２０４、信号線駆動回路２０３が実装されている。また別途形成された信号線駆
動回路２０３と、走査線駆動回路２０４または画素部２０２に与えられる各種信号及び電
位は、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）２１８ａ、２１８
ｂから供給されている。
図６（Ｂ）及び図６（Ｃ）において、第１の基板２０１上に設けられた画素部２０２と
、走査線駆動回路２０４とを囲むようにして、シール材２０５が設けられている。また画
素部２０２と、走査線駆動回路２０４の上に第２の基板２０６が設けられている。よって
画素部２０２と、走査線駆動回路２０４とは、第１の基板２０１とシール材２０５と第２
の基板２０６とによって、表示素子と共に封止されている。図６（Ｂ）及び図６（Ｃ）に
おいては、第１の基板２０１上のシール材２０５によって囲まれている領域とは異なる領
域に、別途用意された基板上に単結晶半導体層または多結晶半導体層で形成された信号線
駆動回路２０３が実装されている。図６（Ｂ）及び図６（Ｃ）においては、別途形成され
た信号線駆動回路２０３と、走査線駆動回路２０４または画素部２０２に与えられる各種
信号及び電位は、ＦＰＣ２１８から供給されている。
また図６（Ｂ）及び図６（Ｃ）においては、信号線駆動回路２０３を別途形成し、第１
の基板２０１に実装している例を示しているが、この構成に限定されない。走査線駆動回
路を別途形成して実装してもよいし、信号線駆動回路の一部または走査線駆動回路の一部
のみを別途形成して実装してもよい。
なお、別途形成した駆動回路の接続方法は、特に限定されるものではなく、ＣＯＧ（Ｃ
ｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）方法、ワイヤボンディング方法、或いはＴＡＢ（Ｔａｐｅ
Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）方法などを用いることができる。図６（Ａ）は、
ＣＯＧ方法により信号線駆動回路２０３、走査線駆動回路２０４を実装する例であり、図
６（Ｂ）は、ＣＯＧ方法により信号線駆動回路２０３を実装する例であり、図６（Ｃ）は
、ＴＡＢ方法により信号線駆動回路２０３を実装する例である。
また、表示装置は、表示素子が封止された状態にあるパネルと、該パネルにコントロー
ラを含むＩＣなどを実装した状態にあるモジュールとを含む。
なお、本明細書中における表示装置とは、画像表示デバイス、表示デバイス、もしくは
光源（照明装置含む）を指す。また、コネクター、例えばＦＰＣもしくはＴＡＢテープも
しくはＴＣＰが取り付けられたモジュール、ＴＡＢテープやＴＣＰの先にプリント配線板
が設けられたモジュールまたは表示素子にＣＯＧ方式によりＩＣが直接実装されたモジュ
ールも全て表示装置に含むものとする。
また第１の基板上に設けられた画素部及び走査線駆動回路は、トランジスタを複数有し
ており、実施の形態１で一例を示したトランジスタを適用することができる。
表示装置に設けられる表示素子としては液晶素子（液晶表示素子ともいう。）、発光素
子（発光表示素子ともいう。）、を用いることができる。発光素子は、電流または電圧に
よって輝度が制御される素子をその範疇に含んでおり、具体的には無機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔ
ｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）素子、有機ＥＬ素子などを含む。また、電子インクな
ど、電気的作用によりコントラストが変化する表示媒体も適用することができる。
半導体装置の一形態について、図７乃至図９を用いて説明する。図７乃至図９は、図６
（Ｂ）のＭ−Ｎにおける断面図に相当する。
図７乃至図９で示すように、半導体装置は接続端子電極２１５及び端子電極２１６を有
しており、接続端子電極２１５及び端子電極２１６はＦＰＣ２１８が有する端子と異方性
導電層２１９を介して、電気的に接続されている。
接続端子電極２１５は、第１の電極層２３０と同じ導電層から形成され、端子電極２１
６は、トランジスタ２１０、トランジスタ２１１のソース電極及びドレイン電極と同じ導
電層で形成されている。
また第１の基板２０１上に設けられた画素部２０２と、走査線駆動回路２０４は、トラ
ンジスタを複数有しており、図７乃至図９では、画素部２０２に含まれるトランジスタ２
１０と、走査線駆動回路２０４に含まれるトランジスタ２１１とを例示している。
本実施の形態では、トランジスタ２１０、トランジスタ２１１として、実施の形態１で
示したトランジスタを適用することができる。トランジスタ２１０、トランジスタ２１１
は、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。よって、図７乃至図９で示
す本実施の形態の半導体装置として信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
画素部２０２に設けられたトランジスタ２１０は表示素子と電気的に接続し、表示パネ
ルを構成する。表示素子は表示を行うことができれば特に限定されず、様々な表示素子を
用いることができる。
図７に表示素子として液晶素子を用いた液晶表示装置の例を示す。図７において、表示
素子である液晶素子２１３は、第１の電極層２３０、第２の電極層２３１、及び液晶層２
０８を含む。なお、液晶層２０８を挟持するように配向層として機能する絶縁層２３２、
２３３が設けられている。第２の電極層２３１は第２の基板２０６側に設けられ、第１の
電極層２３０と第２の電極層２３１とは液晶層２０８を介して積層する構成となっている
。
また、スペーサ２３５は絶縁層を選択的にエッチングすることで得られる柱状のスペー
サであり、液晶層２０８の厚さ（セルギャップ）を制御するために設けられている。なお
球状のスペーサを用いていてもよい。
表示素子として、液晶素子を用いる場合、サーモトロピック液晶、低分子液晶、高分子液
晶、高分子分散型液晶、強誘電性液晶、反強誘電性液晶などを用いることができる。これ
らの液晶材料は、条件により、コレステリック相、スメクチック相、キュービック相、カ
イラルネマチック相、等方相などを示す。
また、配向層を不要とすることができるブルー相を示す液晶を用いてもよい。ブルー相
は液晶相の一つであり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリック相から等
方相へ転移する直前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発現しないため
、温度範囲を改善するためにカイラル剤を混合させた液晶組成物を用いて液晶層に用いる
。ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、応答速度が１ｍｓｅｃ以下と
短く、光学的等方性であるため配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい。また配向
層を設けなくてもよいのでラビング処理も不要となるため、ラビング処理によって引き起
こされる静電破壊を防止することができ、作製工程中の液晶表示装置の不良や破損を軽減
することができる。よって液晶表示装置の生産性を向上させることが可能となる。
また、液晶材料の固有抵抗率は、１×１０９Ω・ｃｍ以上であり、好ましくは１×１０
１１Ω・ｃｍ以上であり、さらに好ましくは１×１０１２Ω・ｃｍ以上である。なお、本
明細書における固有抵抗率の値は、２０℃で測定した値とする。
液晶表示装置に設けられる保持容量の大きさは、画素部に配置されるトランジスタのリ
ーク電流などを考慮して、所定の期間の間電荷を保持できるように設定される。高純度の
酸化物半導体層を有するトランジスタを用いることにより、各画素における液晶容量に対
して１／３以下、好ましくは１／５以下の容量の大きさを有する保持容量を設ければ充分
である。
本実施の形態で用いる高純度化された酸化物半導体層を用いたトランジスタは、オフ電
流を小さくすることができる。よって、画像信号などの電気信号の保持時間を長くするこ
とができ、電源オン状態では書き込み間隔も長く設定できる。よって、リフレッシュ動作
の頻度を少なくすることができるため、消費電力を抑制する効果を奏する。
また、本実施の形態で用いる高純度化された酸化物半導体層を用いたトランジスタは、
高い電界効果移動度が得られるため、高速駆動が可能である。よって、液晶表示装置の画
素部に上記トランジスタを用いることで、高画質な画像を提供することができる。また、
上記トランジスタは、同一基板上に駆動回路部または画素部に作り分けて作製することが
できるため、液晶表示装置の部品点数を削減することができる。
液晶表示装置には、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＩＰＳ（Ｉｎ−
Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ Ｆｉｅｌｄ Ｓｗｉ
ｔｃｈｉｎｇ）モード、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ａｌｉｇｎｅｄ
Ｍｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ
Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕ
ｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉ
ｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モードなどを用いることができる。
また、ノーマリーブラック型の液晶表示装置、例えば垂直配向（ＶＡ）モードを採用し
た透過型の液晶表示装置としてもよい。ここで、垂直配向モードとは、液晶表示パネルの
液晶分子の配列を制御する方式の一種であり、電圧が印加されていないときにパネル面に
対して液晶分子が垂直方向を向く方式である。垂直配向モードとしては、いくつか挙げら
れるが、例えば、ＭＶＡ（Ｍｕｌｔｉ−Ｄｏｍａｉｎ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍ
ｅｎｔ）モード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ
）モード、ＡＳＶモードなどを用いることができる。また、画素（ピクセル）をいくつか
の領域（サブピクセル）に分け、それぞれ別の方向に分子を倒すよう工夫されているマル
チドメイン化あるいはマルチドメイン設計といわれる方法を用いることができる。
また、表示装置において、ブラックマトリクス（遮光層）、偏光部材、位相差部材、反
射防止部材などの光学部材（光学基板）などは適宜設ける。例えば、偏光基板及び位相差
基板による円偏光を用いてもよい。また、光源としてバックライト、サイドライトなどを
用いてもよい。
また、バックライトとして複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いて、時間分割表示方
式（フィールドシーケンシャル駆動方式）を行うことも可能である。フィールドシーケン
シャル駆動方式を適用することで、カラーフィルタを用いることなく、カラー表示を行う
ことができる。
また、画素部における表示方式は、プログレッシブ方式やインターレース方式などを用
いることができる。また、カラー表示する際に画素で制御する色要素としては、ＲＧＢ（
Ｒは赤、Ｇは緑、Ｂは青を表す）の三色に限定されない。例えば、ＲＧＢＷ（Ｗは白を表
す）、またはＲＧＢに、イエロー、シアン、マゼンタなどを一色以上追加したものがある
。なお、色要素のドット毎にその表示領域の大きさが異なっていてもよい。ただし、本発
明はカラー表示の表示装置に限定されるものではなく、モノクロ表示の表示装置に適用す
ることもできる。
また、表示装置に含まれる表示素子として、ＥＬ素子を利用する発光素子を適用するこ
とができる。
有機ＥＬ素子は、発光素子に電圧を印加することにより、一対の電極から電子及び正孔
がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして、これらキャ
リア（電子及び正孔）が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成し
、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このような
発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。
無機ＥＬ素子は、その素子構成により、分散型無機ＥＬ素子と薄膜型無機ＥＬ素子とに
分類される。分散型無機ＥＬ素子は、発光材料の粒子をバインダ中に分散させた発光層を
有するものであり、発光メカニズムはドナー準位とアクセプター準位を利用するドナー−
アクセプター再結合型発光である。薄膜型無機ＥＬ素子は、発光層を誘電体層で挟み込み
、さらにそれを電極で挟んだ構造であり、発光メカニズムは金属イオンの内殻電子遷移を
利用する局在型発光である。なお、ここでは、発光素子として有機ＥＬ素子を用いて説明
する。
発光素子は発光を取り出すために少なくとも一対の電極の一方が透明であればよい。そ
して、基板上にトランジスタ及び発光素子を形成し、基板とは逆側の面から発光を取り出
す上面射出や、基板側の面から発光を取り出す下面射出や、基板側及び基板とは反対側の
面から発光を取り出す両面射出構造の発光素子があり、どの射出構造の発光素子も適用す
ることができる。
図８に表示素子として発光素子を用いた発光装置の例を示す。表示素子である発光素子
２４３は、画素部２０２に設けられたトランジスタ２１０と電気的に接続している。なお
発光素子２４３の構成は、第１の電極層２３０、電界発光層２４１、第２の電極層２３１
の積層構造であるが、示した構成に限定されない。発光素子２４３から取り出す光の方向
などに合わせて、発光素子２４３の構成は適宜変えることができる。
隔壁２４０は、有機絶縁材料、または無機絶縁材料を用いて形成する。特に感光性の樹
脂材料を用い、第１の電極層２３０上に開口部を形成し、その開口部の側壁が連続した曲
率を持って形成される傾斜面となるように形成することが好ましい。
電界発光層２４１は、単数の層で構成されていても、複数の層が積層されるように構成
されていてもどちらでもよい。
発光素子２４３に酸素、水素、水分、二酸化炭素などが侵入しないように、第２の電極
層２３１及び隔壁２４０上に保護層を形成してもよい。保護層としては、窒化シリコン層
、窒化酸化シリコン層、ＤＬＣ層（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ層）、酸化
アルミニウム層及び窒化アルミニウム層などを形成することができる。また、第１の基板
２０１、第２の基板２０６、及びシール材２０５によって封止された空間には充填材２４
４が設けられ密封されている。このように外気に曝されないように気密性が高く、脱ガス
の少ない保護フィルム（貼り合わせフィルム、紫外線硬化樹脂フィルムなど）やカバー材
でパッケージング（封入）することが好ましい。
充填材２４４としては窒素やアルゴンなどの不活性ガスの他に、紫外線硬化樹脂または
熱硬化樹脂を用いることができ、ＰＶＣ（ポリビニルクロライド）、アクリル、ポリイミ
ド、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ＰＶＢ（ポリビニルブチラル）またはＥＶＡ（エチ
レンビニルアセテート）を用いることができる。例えば充填材として窒素を用いればよい
。
また、必要であれば、発光素子の射出面に偏光板、または円偏光板（楕円偏光板を含む
。）、位相差板（λ／４板、λ／２板）、カラーフィルタなどの光学フィルムを適宜設け
てもよい。また、偏光板または円偏光板に反射防止層を設けてもよい。例えば、表面の凹
凸により反射光を拡散し、映り込みを低減できるアンチグレア処理を施すことができる。
また、表示装置として、電子インクを駆動させる電子ペーパーを提供することも可能で
ある。電子ペーパーは、電気泳動表示装置（電気泳動ディスプレイ）とも呼ばれており、
紙と同じ読みやすさ、他の表示装置に比べ低消費電力、薄くて軽い形状とすることが可能
という利点を有している。
電気泳動表示装置は、様々な形態が考えられ得るが、プラスの電荷を有する第１の粒子
と、マイナスの電荷を有する第２の粒子とを含むマイクロカプセルが溶媒または溶質に複
数分散されたものであり、マイクロカプセルに電界を印加することによって、マイクロカ
プセル中の粒子を互いに反対方向に移動させて一方側に集合した粒子の色のみを表示する
ものである。なお、第１の粒子または第２の粒子は染料を含み、電界がない場合において
移動しないものである。また、第１の粒子の色と第２の粒子の色は異なるもの（無色を含
む）とする。
このように、電気泳動表示装置は、誘電定数の高い物質が高い電界領域に移動する、い
わゆる誘電泳動的効果を利用したディスプレイである。
上記マイクロカプセルを溶媒中に分散させたものが電子インクと呼ばれるものであり、
この電子インクはガラス、プラスチック、布、紙などの表面に印刷することができる。ま
た、カラーフィルタや色素を有する粒子を用いることによってカラー表示も可能である。
なお、マイクロカプセル中の第１の粒子及び第２の粒子は、導電体材料、絶縁体材料、
半導体材料、磁性材料、液晶材料、強誘電性材料、エレクトロルミネセント材料、エレク
トロクロミック材料、磁気泳動材料から選ばれた一種の材料またはこれらの複合材料を用
いればよい。
また、電子ペーパーとして、ツイストボール表示方式を用いる表示装置も適用すること
ができる。ツイストボール表示方式とは、白と黒に塗り分けられた球形粒子を表示素子に
用いる電極層である第１の電極層及び第２の電極層の間に配置し、第１の電極層及び第２
の電極層に電位差を生じさせて球形粒子の向きを制御することにより、表示を行う方法で
ある。
図９に、半導体装置の一形態としてアクティブマトリクス型の電子ペーパーを示す。図
９の電子ペーパーは、ツイストボール表示方式を用いた表示装置の例である。
トランジスタ２１０と接続する第１の電極層２３０と、第２の基板２０６に設けられた
第２の電極層２３１との間には、黒色領域２５５ａ及び白色領域２５５ｂを有し、周りに
液体で満たされているキャビティ２５２を含む球形粒子２５３が設けられており、球形粒
子２５３の周囲は樹脂などの充填材２５４で充填されている。第２の電極層２３１が共通
電極（対向電極）に相当する。第２の電極層２３１は、共通電位線と電気的に接続される
。
なお、図７乃至図９において、第１の基板２０１、第２の基板２０６としては、ガラス
基板の他、可撓性を有する基板も用いることができ、例えば透光性を有するプラスチック
基板などを用いることができる。プラスチックとしては、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒｇｌａｓｓ
−Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）板、ＰＶＦ（ポリビニルフルオライド）フ
ィルム、ポリエステルフィルムまたはアクリル樹脂フィルムを用いることができる。また
、アルミニウムホイルをＰＶＦフィルムやポリエステルフィルムで挟んだ構造のシートを
用いることもできる。
絶縁層２２１は、無機絶縁材料または有機絶縁材料を用いて形成することができる。な
お、アクリル樹脂、ポリイミド、ベンゾシクロブテン樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂な
どの、耐熱性を有する有機絶縁材料を用いると、平坦化絶縁層として好適である。また上
記有機絶縁材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（
リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）などを用いることができる。なお、これら
の材料で形成される絶縁層を複数積層させることで、絶縁層２２１を形成してもよい。
絶縁層２２１の形成法は、特に限定されず、その材料に応じて、スパッタリング法、ス
ピンコート法、ディッピング法、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法、スクリ
ーン印刷、オフセット印刷など）、ロールコーティング、カーテンコーティング、ナイフ
コーティングなどを用いることができる。
表示装置は光源または表示素子からの光を透過させて表示を行う。よって光が透過する
画素部に設けられる基板、絶縁層、導電層などの薄膜はすべて可視光の波長領域の光に対
して透光性とする。
表示素子に電圧を印加する第１の電極層２３０及び第２の電極層２３１（画素電極層、
共通電極層、対向電極層などともいう）においては、取り出す光の方向、電極層が設けら
れる場所、及び電極層のパターン構造によって透光性、反射性を選択すればよい。
第１の電極層２３０、第２の電極層２３１には、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、インジウム錫酸化物（以下、ＩＴＯと示す。
）、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透光性を有
する導電性材料を用いることができる。
また、第１の電極層２３０、第２の電極層２３１はタングステン（Ｗ）、モリブデン（
Ｍｏ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ
）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン
（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）などの金属、
またはその合金、もしくはその窒化物から一つ、または複数種を用いて形成することがで
きる。
また、第１の電極層２３０、第２の電極層２３１は、導電性高分子（導電性ポリマーと
もいう。）を含む導電性組成物を用いて形成することができる。導電性高分子としては、
いわゆるπ電子共役系導電性高分子が用いることができる。例えば、ポリアニリンまたは
その誘導体、ポリピロールまたはその誘導体、ポリチオフェンまたはその誘導体、もしく
はアニリン、ピロール及びチオフェンの２種以上からなる共重合体またはその誘導体など
があげられる。
また、トランジスタは静電気などにより破壊されやすいため、駆動回路保護用の保護回
路を設けることが好ましい。保護回路は、非線形素子を用いて構成することが好ましい。
以上のように実施の形態１で例示したトランジスタを適用することで、信頼性の高い半
導体装置を提供することができる。なお、実施の形態１で例示したトランジスタは上述の
表示機能を有する半導体装置のみでなく、電源回路に搭載されるパワーデバイス、ＬＳＩ
などの半導体集積回路、対象物の情報を読み取るイメージセンサ機能を有する半導体装置
など様々な機能を有する半導体装置に適用することが可能である。
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと
適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態３）
本発明の一態様である半導体装置は、さまざまな電子機器（遊技機も含む。）に適用す
ることができる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置（テレビまたはテレビジ
ョン受信機ともいう。）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデ
オカメラなどのカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置
ともいう。）、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲ
ーム機などが挙げられる。上記実施の形態で説明した半導体装置を具備する電子機器の例
について説明する。
図１０（Ａ）は、ノート型のパーソナルコンピュータであり、本体３０１、筐体３０２
、表示部３０３、キーボード３０４などによって構成されている。実施の形態１または２
で示した半導体装置を適用することにより、信頼性の高いノート型のパーソナルコンピュ
ータとすることができる。
図１０（Ｂ）は、携帯情報端末（ＰＤＡ）であり、本体３１１には表示部３１３と、外
部インターフェイス３１５と、操作ボタン３１４などが設けられている。また操作用の付
属品としてスタイラス３１２がある。実施の形態１または２で示した半導体装置を適用す
ることにより、より信頼性の高い携帯情報端末（ＰＤＡ）とすることができる。
図１０（Ｃ）は、電子書籍の一例を示している。例えば、電子書籍３２０は、筐体３２
１及び筐体３２２の２つの筐体で構成されている。筐体３２１及び筐体３２２は、軸部３
２５により一体とされており、該軸部３２５を軸として開閉動作を行うことができる。こ
のような構成により、紙の書籍のような動作を行うことが可能となる。
筐体３２１には表示部３２３が組み込まれ、筐体３２２には表示部３２４が組み込まれ
ている。表示部３２３及び表示部３２４は、続き画面を表示する構成としてもよいし、異
なる画面を表示する構成としてもよい。異なる画面を表示する構成とすることで、例えば
右側の表示部（図１０（Ｃ）では表示部３２３）に文章を表示し、左側の表示部（図１０
（Ｃ）では表示部３２４）に画像を表示することができる。実施の形態１または２で示し
た半導体装置を適用することにより、信頼性の高い電子書籍３２０とすることができる。
また、図１０（Ｃ）では、筐体３２１に操作部などを備えた例を示している。例えば、
筐体３２１において、電源３２６、操作キー３２７、スピーカー３２８などを備えている
。操作キー３２７により、頁を送ることができる。なお、筐体の表示部と同一面にキーボ
ードやポインティングデバイスなどを備える構成としてもよい。また、筐体の裏面や側面
に、外部接続用端子（イヤホン端子、ＵＳＢ端子など）、記録媒体挿入部などを備える構
成としてもよい。さらに、電子書籍３２０は、電子辞書としての機能を持たせた構成とし
てもよい。
また、電子書籍３２０は、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。無線により、
電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とすること
も可能である。
図１０（Ｄ）は、携帯電話であり、筐体３３０及び筐体３３１の二つの筐体で構成され
ている。筐体３３１には、表示パネル３３２、スピーカー３３３、マイクロフォン３３４
、ポインティングデバイス３３６、カメラ用レンズ３３７、外部接続端子３３８などを備
えている。また、筐体３３０には、携帯型情報端末の充電を行う太陽電池セル３４０、外
部メモリスロット３４１などを備えている。また、アンテナは筐体３３１内部に内蔵され
ている。実施の形態１または２で示した半導体装置を適用することにより、信頼性の高い
携帯電話とすることができる。
また、表示パネル３３２はタッチパネルを備えており、図１０（Ｄ）には映像表示され
ている複数の操作キー３３５を点線で示している。なお、太陽電池セル３４０で出力され
る電圧を各回路に必要な電圧に昇圧するための昇圧回路も実装している。
表示パネル３３２は、使用形態に応じて表示の方向が適宜変化する。また、表示パネル
３３２と同一面上にカメラ用レンズ３３７を備えているため、テレビ電話が可能である。
スピーカー３３３及びマイクロフォン３３４は音声通話に限らず、テレビ電話、録音、再
生などが可能である。さらに、筐体３３０と筐体３３１は、スライドし、図１０（Ｄ）の
ように展開している状態から重なり合った状態とすることができ、携帯に適した小型化が
可能である。
外部接続端子３３８はＡＣアダプタ及びＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能
であり、充電及びパーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能である。また、外部
メモリスロット３４１に記録媒体を挿入し、より大量のデータ保存及び移動に対応できる
。
また、上記機能に加えて、赤外線通信機能、テレビ受信機能などを備えたものであって
もよい。
図１０（Ｅ）は、デジタルビデオカメラであり、本体３５１、表示部（Ａ）３５７、接
眼部３５３、操作スイッチ３５４、表示部（Ｂ）３５５、バッテリー３５６などによって
構成されている。実施の形態１または２で示した半導体装置を適用することにより、信頼
性の高いデジタルビデオカメラとすることができる。
図１０（Ｆ）は、テレビジョン装置の一例を示している。テレビジョン装置３６０は、
筐体３６１に表示部３６３が組み込まれている。表示部３６３により、映像を表示するこ
とが可能である。また、ここでは、スタンド３６５により筐体３６１を支持した構成を示
している。実施の形態１または２で示した半導体装置を適用することにより、信頼性の高
いテレビジョン装置３６０とすることができる。
テレビジョン装置３６０の操作は、筐体３６１が備える操作スイッチや、別体のリモコ
ン操作機により行うことができる。また、リモコン操作機に、当該リモコン操作機から出
力する情報を表示する表示部を設ける構成としてもよい。
なお、テレビジョン装置３６０は、受信機やモデムなどを備えた構成とする。受信機に
より一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線または無線に
よる通信ネットワークに接続することにより、一方向（送信者から受信者）または双方向
（送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など）の情報通信を行うことも可能である。
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと
適宜組み合わせて用いることができる。
本実施例では、本発明の一態様を用いて形成した酸化シリコン層について説明する。
まず、試料としてガラス基板上に実施の形態１で説明した方法を用いて酸化シリコン層
を形成する。本実施例では、厚さ０．７ｍｍのガラス基板上に、厚さ１００ｎｍの酸化シ
リコン層を形成した。
酸化シリコン層のその他の形成条件は以下の通りである。
・成膜法：ＲＦスパッタリング法
・ターゲット：合成石英ターゲット
・成膜ガス：Ａｒ（４０ｓｃｃｍ）、Ｏ２（１０ｓｃｃｍ）
・電力：１．５ｋＷ（１３．５６ＭＨｚ）
・圧力：０．４Ｐａ
・Ｔ−Ｓ間距離：６０ｍｍ
・基板温度：１００℃
上記酸化シリコン層を形成した後、基板を１ｃｍ×１ｃｍのサイズに分断し、ＴＤＳ分
析によって脱ガス量を調査した。ＴＤＳ分析には電子科学株式会社製の昇温脱離分析装置
ＥＭＤ−ＷＡ１０００Ｓ／Ｗを用いた。なお、ＴＤＳ分析とは、試料を真空容器内で加熱
し、昇温中に試料から発生するガス成分を四重極質量分析計で検出する分析方法である。
検出されるガス成分はｍ／ｚ（質量／電荷）で区別される。
作製した試料のＴＤＳ分析結果を図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）に示す。
図１１（Ａ）はｍ／ｚ＝１６におけるＴＤＳスペクトルである。ここで、太線４０１は
成膜直後（ａｓ−ｄｅｐｏ）の試料におけるスペクトルを示し、細線４０３は成膜後に窒
素雰囲気中で２５０℃で１時間の熱処理を行った試料におけるスペクトルを示す。ｍ／ｚ
＝１６である成分には、ＯやＣＨ４などがある。ａｓ−ｄｅｐｏの試料では基板表面温度
２００℃〜３５０℃にピークを持つが、窒素雰囲気中で２５０℃で１時間の熱処理を行っ
た試料では同様のピークは観測されなかった。また、図１１（Ｂ）はｍ／ｚ＝３２におけ
るＴＤＳスペクトルである。ここで、太線４０５はａｓ−ｄｅｐｏの試料におけるスペク
トルを示し、細線４０７は成膜後に窒素雰囲気中で２５０℃で１時間の熱処理を行った試
料におけるスペクトルを示す。ｍ／ｚ＝３２である成分には、Ｏ２やＣＨ３ＯＨなどがあ
る。ａｓ−ｄｅｐｏの試料では基板表面温度２００℃〜３５０℃にピークを持つが、２５
０℃で１時間の熱処理を行った試料では同様のピークは観測されなかった。上述した結果
より、ａｓ−ｄｅｐｏの試料から酸素の放出が起こる。
本実施例で作製した試料のＴＤＳスペクトルより、ｍ／ｚ＝１６である成分を全てＯと
し、ｍ／ｚ＝３２である成分を全てＯ２とした場合の酸素の放出量を、Ｏ２の放出量に換
算して示すと３×１０２０個／ｃｍ３であった。なお、図示はしないが、成膜時のＯ２／
（Ｏ２＋Ａｒ）割合を５０％にすると、Ｏ２に換算した酸素の放出量は５×１０２０個／
ｃｍ３であった。
本実施例では、本発明の一態様を用いて作製したトランジスタについて説明する。
本実施例におけるトランジスタの構造について図１２に示す。
図１２に示すトランジスタは、基板５００上に設けられた絶縁層５０２と、酸化物半導
体層５０６と、ソース電極５０８ａ及びドレイン電極５０８ｂと、ソース電極５０８ａ及
びドレイン電極５０８ｂ上に設けられたゲート絶縁層５１２と、ゲート絶縁層５１２上に
設けられたゲート電極５１４と、ゲート電極５１４上に設けられた保護絶縁層５１６と、
保護絶縁層５１６を介してソース電極５０８ａ及びドレイン電極５０８ｂにそれぞれ接続
されたソース配線５１８ａ及びドレイン配線５１８ｂと、を有する。
本実施例では、基板５００として０．７ｍｍのガラス基板を用い、絶縁層５０２として
酸化シリコン層を３００ｎｍ形成し、酸化物半導体層５０６としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ
系非単結晶層を３０ｎｍ形成し、ソース電極５０８ａ及びドレイン電極５０８ｂとしてタ
ングステン層を１００ｎｍ形成し、ゲート絶縁層５１２として酸化窒化シリコン層を２０
ｎｍ形成し、ゲート電極５１４として窒化タンタル層とタングステン層をそれぞれ３０ｎ
ｍと３７０ｎｍ積層して形成し、保護絶縁層５１６として酸化シリコン層を３００ｎｍ形
成し、ソース配線５１８ａ及びドレイン配線５１８ｂとしてチタン層とアルミニウム層と
チタン層をそれぞれ５０ｎｍと１００ｎｍと５ｎｍ積層して形成した。
本実施例のトランジスタは、しきい値電圧の変動及びＢＴ試験前後のしきい値電圧の変
動を低減させるため、下地層である絶縁層５０２として加熱により酸素を放出する絶縁層
を用いる。本実施例では、加熱により酸素を放出する絶縁層として酸化シリコン層を用い
た。
酸化シリコン層のその他の形成条件は以下の通りである。
・成膜法：ＲＦスパッタリング法
・ターゲット：合成石英ターゲット
・成膜ガス：Ａｒ（２５ｓｃｃｍ）、Ｏ２（２５ｓｃｃｍ）
・電力：１．５ｋＷ（１３．５６ＭＨｚ）
・圧力：０．４Ｐａ
・Ｔ−Ｓ間距離：６０ｍｍ
・基板温度：１００℃
本実施例のトランジスタにおける酸化物半導体層５０６の形成条件は以下の通りである
。
・成膜法：ＤＣスパッタリング法
・ターゲット：Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ（Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：２［
ｍｏｌ数比］）ターゲット
・成膜ガス：Ａｒ（３０ｓｃｃｍ）、Ｏ２（１５ｓｃｃｍ）
・電力：０．５ｋＷ（ＤＣ）
・圧力：０．４Ｐａ
・Ｔ−Ｓ間距離：６０ｍｍ
・基板温度：２００℃
酸化物半導体層５０６を形成した後、抵抗加熱炉を用いて、窒素雰囲気下、３５０℃に
おいて１時間の熱処理を行った。
本実施例のトランジスタにおけるドレイン電流（Ｉｄｓ）−ゲート電圧（Ｖｇｓ）測定
結果について図１３に示す。測定は、基板面内で２５点行っており、図１３には重ねて表
示している。なお、チャネル長Ｌは２μｍであり、チャネル幅Ｗは５０μｍである。トラ
ンジスタのソース電極とドレイン電極の間の電圧Ｖｄｓは３Ｖとした。
図１３より、本実施例のトランジスタは基板面内でばらつきがないことがわかる。２５
点の平均のしきい値電圧は０．２７Ｖであった。
次に、本実施例におけるＢＴ試験について説明する。ＢＴ試験を行うトランジスタのチ
ャネル長Ｌは３μｍであり、チャネル幅は５０μｍである。本実施例では、まず基板温度
２５℃とし、ソース電極とドレイン電極の電圧Ｖｄｓを３Ｖとし、トランジスタのＩｄｓ
−Ｖｇｓ測定を行った。
次に、基板ステージ温度を１５０℃とし、トランジスタのソース電極を０Ｖ、ドレイン
電極を０．１Ｖとした。次に、ゲート絶縁層に印加される電界強度が２ＭＶ／ｃｍとなる
ようにゲート電極に負の電圧を印加し、そのまま１時間保持した。次に、ゲート電極の電
圧を０Ｖとした。次に、基板温度２５℃とし、ソース電極とドレイン電極の電圧Ｖｄｓを
３Ｖとし、トランジスタのＩｄｓ−Ｖｇｓ測定を行った。ＢＴ試験前後のＩｄｓ−Ｖｇｓ
測定結果を図１４（Ａ）に示す。
図１４（Ａ）において、細線５２２はＢＴ試験前のトランジスタのＩｄｓ−Ｖｇｓ測定
結果であり、太線５２４はＢＴ試験後のトランジスタのＩｄｓ−Ｖｇｓ測定結果である。
ＢＴ試験前から比べ、ＢＴ試験後のしきい値電圧は負方向に０．０７Ｖ変動していること
がわかる。
同様に、測定するトランジスタを替えて、基板温度２５℃とし、ソース電極とドレイン
電極の電圧Ｖｄｓを３Ｖとし、トランジスタのＩｄｓ−Ｖｇｓ測定を行った。トランジス
タのチャネル長Ｌは３μｍであり、チャネル幅は５０μｍである。
次に、基板ステージ温度を１５０℃とし、トランジスタのソース電極を０Ｖ、ドレイン
電極を０．１Ｖとした。次に、ゲート絶縁層に印加される電界強度が２ＭＶ／ｃｍとなる
ようにゲート電極に正の電圧を印加し、そのまま１時間保持した。次に、ゲート電極の電
圧を０Ｖとした。次に、基板温度２５℃とし、ソース電極とドレイン電極の電圧Ｖｄｓを
３Ｖとし、トランジスタのＩｄｓ−Ｖｇｓ測定を行った。ＢＴ試験前後のＩｄｓ−Ｖｇｓ
測定結果を図１４（Ｂ）に示す。
図１４（Ｂ）において、細線５３２はＢＴ試験前のトランジスタのＩｄｓ−Ｖｇｓ測定
結果であり、太線５３４はＢＴ試験後のトランジスタのＩｄｓ−Ｖｇｓ測定結果である。
ＢＴ試験前から比べ、ＢＴ試験後のしきい値電圧は正方向に０．１９Ｖ変動していること
がわかる。
上述の通り、本実施例のトランジスタは、基板面内のしきい値電圧のばらつきが小さく
、また、ＢＴ試験前後におけるしきい値電圧の変動が小さいことがわかる。
１００ 基板
１０２ 絶縁層
１０６ 酸化物半導体層
１０８ａ ソース電極
１０８ｂ ドレイン電極
１１２ ゲート絶縁層
１１４ ゲート電極
１２２ａ ソース領域
１２２ｂ ドレイン領域
１２４ 保護絶縁層
１２６ チャネル領域
１５１ トランジスタ
１５２ トランジスタ
１５３ トランジスタ
２０１ 第１の基板
２０２ 画素部
２０３ 信号線駆動回路
２０４ 走査線駆動回路
２０５ シール材
２０６ 第２の基板
２０８ 液晶層
２１０ トランジスタ
２１１ トランジスタ
２１３ 液晶素子
２１５ 接続端子電極
２１６ 端子電極
２１８ ＦＰＣ
２１８ａ ＦＰＣ
２１８ｂ ＦＰＣ
２１９ 異方性導電層
２２１ 絶縁層
２３０ 第１の電極層
２３１ 第２の電極層
２３２ 絶縁層
２３３ 絶縁層
２３５ スペーサ
２４０ 隔壁
２４１ 電界発光層
２４３ 発光素子
２４４ 充填材
２５２ キャビティ
２５３ 球形粒子
２５４ 充填材
２５５ａ 黒色領域
２５５ｂ 白色領域
３０１ 本体
３０２ 筐体
３０３ 表示部
３０４ キーボード
３１１ 本体
３１２ スタイラス
３１３ 表示部
３１４ 操作ボタン
３１５ 外部インターフェイス
３２０ 電子書籍
３２１ 筐体
３２２ 筐体
３２３ 表示部
３２４ 表示部
３２５ 軸部
３２６ 電源
３２７ 操作キー
３２８ スピーカー
３３０ 筐体
３３１ 筐体
３３２ 表示パネル
３３３ スピーカー
３３４ マイクロフォン
３３５ 操作キー
３３６ ポインティングデバイス
３３７ カメラ用レンズ
３３８ 外部接続端子
３４０ 太陽電池セル
３４１ 外部メモリスロット
３５１ 本体
３５３ 接眼部
３５４ 操作スイッチ
３５５ 表示部（Ｂ）
３５６ バッテリー
３５７ 表示部（Ａ）
３６０ テレビジョン装置
３６１ 筐体
３６３ 表示部
３６５ スタンド
４０１ 太線
４０３ 細線
４０５ 太線
４０７ 細線
５００ 基板
５０２ 絶縁層
５０６ 酸化物半導体層
５０８ａ ソース電極
５０８ｂ ドレイン電極
５１２ ゲート絶縁層
５１４ ゲート電極
５１６ 保護絶縁層
５１８ａ ソース配線
５１８ｂ ドレイン配線
５２２ 細線
５２４ 太線
５３２ 細線
５３４ 太線

Claims (6)

  1. 基板上に第１の絶縁層を形成し、
    前記第１の絶縁層上に、ＩｎとＧａとＺｎとを有する酸化物半導体層を形成し、
    前記酸化物半導体層に、不活性ガス雰囲気で行う第１の期間と、前記第１の期間の後、酸化性ガスを含む雰囲気で行う第２の期間とを有する熱処理を行い、
    前記熱処理後に、前記酸化物半導体層上に第２の絶縁層を形成し、
    前記第２の絶縁層上にゲート電極を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
  2. 基板上に第１のゲート電極を形成し、
    前記第１のゲート電極上に第１の絶縁層を形成し、
    前記第１の絶縁層上に、ＩｎとＧａとＺｎとを有する酸化物半導体層を形成し、
    前記酸化物半導体層に、不活性ガス雰囲気で行う第１の期間と、前記第１の期間の後、酸化性ガスを含む雰囲気で行う第２の期間とを有する熱処理を行い、
    前記熱処理後に、前記酸化物半導体層上に第２の絶縁層を形成し、
    前記第２の絶縁層上に第２のゲート電極を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
  3. 基板上に第１の絶縁層を形成し、
    前記第１の絶縁層上に、ＩｎとＧａとＺｎとを有する酸化物半導体層を形成し、
    前記酸化物半導体層に、窒素雰囲気で行う第１の期間と、前記第１の期間の後、酸素雰囲気で行う第２の期間とを有する熱処理を行い、
    前記熱処理後に、前記酸化物半導体層上に第２の絶縁層を形成し、
    前記第２の絶縁層上にゲート電極を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
  4. 基板上に第１のゲート電極を形成し、
    前記第１のゲート電極上に第１の絶縁層を形成し、
    前記第１の絶縁層上に、ＩｎとＧａとＺｎとを有する酸化物半導体層を形成し、
    前記酸化物半導体層に、窒素雰囲気で行う第１の期間と、前記第１の期間の後、酸素雰囲気で行う第２の期間とを有する熱処理を行い、
    前記熱処理後に、前記酸化物半導体層上に第２の絶縁層を形成し、
    前記第２の絶縁層上に第２のゲート電極を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
  5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
    前記熱処理は、１００℃以上６５０℃以下で行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。
  6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一において、
    前記第１の絶縁層は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、または酸化アルミニウムを有することを特徴とする半導体装置の作製方法。
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