JP2021007178A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】酸化物半導体膜を有するトランジスタにおいて、酸化物半導体膜への水素及び窒素の移動を抑制する。また、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させる。【解決手段】酸化物半導体膜を有するトランジスタと、当該トランジスタ上に設けられる窒化絶縁膜とを有し、窒化絶縁膜が、昇温脱離ガス分析法において、水素分子の放出量が５×１０２１分子／ｃｍ３未満、好ましくは３×１０２１分子／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０２１分子／ｃｍ３以下であり、アンモニア分子の放出量が１×１０２２分子／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０２１分子／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０２１分子／ｃｍ３以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、電界効果トランジスタを有する半導体装置及びその作製方法に関する。

液晶表示装置や発光表示装置に代表されるフラットパネルディスプレイの多くに用いら
れているトランジスタは、ガラス基板上に形成されたアモルファスシリコン、単結晶シリ
コン又は多結晶シリコンなどのシリコン半導体によって構成されている。また、該シリコ
ン半導体を用いたトランジスタは、集積回路（ＩＣ）などにも利用されている。

近年、シリコン半導体に代わって、半導体特性を示す金属酸化物をトランジスタに用い
る技術が注目されている。なお、本明細書中では、半導体特性を示す金属酸化物を酸化物
半導体とよぶことにする。

例えば、酸化物半導体として、酸化亜鉛、又はＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物を用いたトラ
ンジスタを作製し、該トランジスタを表示装置の画素のスイッチング素子などに用いる技
術が開示されている（特許文献１及び特許文献２参照）。

ところで、特に酸化物半導体においては、水素がキャリアの供給源となることが指摘さ
れている。そのため、酸化物半導体の形成時に水素が混入しないような措置を講じること
が求められており、酸化物半導体膜や、酸化物半導体に接するゲート絶縁膜の水素を低減
することで、しきい値電圧の変動を抑制している（特許文献３参照）。

また、水素の供給源として水がある。このため、酸化物半導体膜を有するトランジスタ
上に水のブロッキング性を有する窒化シリコン膜を設けることで、外部から酸化物半導体
膜に水が侵入することを防ぐことができる。

特開２００７−１２３８６１号公報 特開２００７−９６０５５号公報 特開２００９−２２４４７９号公報

しかしながら、窒素は水素と同様にキャリア供給源となる。このため、窒化シリコン膜
に含まれる窒素が酸化物半導体膜に侵入すると、酸化物半導体膜を有するトランジスタの
電気特性の変動、代表的にはしきい値電圧のマイナスシフトが生じる。また、トランジス
タごとに電気特性がばらつくという問題がある。

そこで、本発明の一態様は、酸化物半導体膜を有するトランジスタにおいて、酸化物半
導体膜への水素及び窒素の移動を抑制することを課題の一とする。また、本発明の一態様
は、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、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を課題の一とする。

本発明の一態様は、酸化物半導体膜を有するトランジスタと、当該トランジスタ上に設
けられる窒化絶縁膜とを有し、窒化絶縁膜が、昇温脱離ガス分析法において、水素分子の
放出量が５×１０^２１分子／ｃｍ^３未満、好ましくは３×１０^２１分子／ｃｍ^３以下、さ
らに好ましくは１×１０^２１分子／ｃｍ^３以下であり、アンモニア分子の放出量が１×１
０^２２分子／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^２１分子／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは
１×１０^２１分子／ｃｍ^３以下であることを特徴とする。

本発明の一態様は、ゲート電極と、ゲート電極の一部とゲート絶縁膜を介して重なる酸
化物半導体膜と、酸化物半導体膜に接する一対の電極と、酸化物半導体膜上に設けられる
窒化絶縁膜とを有し、窒化絶縁膜が、昇温脱離ガス分析法において、水素分子の放出量が
５×１０^２１分子／ｃｍ^３未満、好ましくは３×１０^２１分子／ｃｍ^３以下、さらに好ま
しくは１×１０^２１分子／ｃｍ^３以下であり、アンモニア分子の放出量が１×１０^２２分
子／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^２１分子／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは１×１０
^２１分子／ｃｍ^３以下であることを特徴とする。

本発明の一態様は、酸化物半導体膜を有するトランジスタにおいて、ゲート絶縁膜に窒
化絶縁膜を有し、窒化絶縁膜が、昇温脱離ガス分析法において、水素分子の放出量が５×
１０^２１分子／ｃｍ^３未満、好ましくは３×１０^２１分子／ｃｍ^３以下、さらに好ましく
は１×１０^２１分子／ｃｍ^３以下であり、アンモニア分子の放出量が１×１０^２２分子／
ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^２１分子／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは１×１０^２１
分子／ｃｍ^３以下であることを特徴とする。

本発明の一態様は、酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜に接する一対の電極と、少なく
とも酸化物半導体膜上に設けられるゲート絶縁膜と、酸化物半導体膜の一部とゲート絶縁
膜を介して重なるゲート電極と、を有するトランジスタであって、ゲート絶縁膜が窒化絶
縁膜を有し、窒化絶縁膜が、昇温脱離ガス分析法において、水素分子の放出量が５×１０
^２１分子／ｃｍ^３未満、好ましくは３×１０^２１分子／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは１
×１０^２１分子／ｃｍ^３以下であり、アンモニア分子の放出量が１×１０^２２分子／ｃｍ
^３未満、好ましくは５×１０^２１分子／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは１×１０^２１分子
／ｃｍ^３以下であることを特徴とする。

酸化物半導体膜を有するトランジスタ上に、昇温脱離ガス分析法において、水素分子の
放出量が５×１０^２１分子／ｃｍ^３未満、好ましくは３×１０^２１分子／ｃｍ^３以下、さ
らに好ましくは１×１０^２１分子／ｃｍ^３以下であり、アンモニア分子の放出量が１×１
０^２２分子／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^２１分子／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは
１×１０^２１分子／ｃｍ^３以下である窒化絶縁膜を設けることにより、窒化絶縁膜から酸
化物半導体膜への水素及び窒素の移動量を低減できる。また、外部から酸化物半導体膜へ
の水に含まれる水素の侵入を低減することができる。

また、酸化物半導体膜を有するトランジスタのゲート絶縁膜として、昇温脱離ガス分析
法において、水素分子の放出量が５×１０^２１分子／ｃｍ^３未満、好ましくは３×１０^２
１分子／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは１×１０^２１分子／ｃｍ^３以下であり、アンモニ
ア分子の放出量が１×１０^２２分子／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^２１分子／ｃｍ^３
以下、さらに好ましくは１×１０^２１分子／ｃｍ^３以下である窒化絶縁膜を設けることに
より、窒化絶縁膜から酸化物半導体膜への水素及び窒素の移動量を低減できる。また、外
部から酸化物半導体膜への水に含まれる水素の侵入を低減することができる。

本発明の一態様により、酸化物半導体膜を有するトランジスタの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。

トランジスタの一形態を説明する図。 トランジスタの作製方法の一形態を説明する断面図。 トランジスタの一形態を説明する図。 トランジスタの作製方法の一形態を説明する断面図。 トランジスタの一形態を説明する断面図。 トランジスタの一形態を説明する図。 トランジスタの一形態を説明する図。 表示装置の一形態を説明する上面図である。 表示装置の一形態を説明する断面図である。 表示装置の一形態を説明する断面図である。 表示装置の一形態を説明する断面図である。 半導体装置の一態様を説明する図である。 電子機器を説明する図である。 電子機器を説明する図である。 試料の構造を説明する図である。 ＴＤＳ分析結果を説明する図である。 ＴＤＳ分析結果を説明する図である。 ＴＤＳ分析結果を説明する図である。 ＴＤＳ分析結果を説明する図である。 トランジスタのＶｇ−Ｉｄ特性を説明する図である。 トランジスタのＶｇ−Ｉｄ特性を説明する図である。 トランジスタのＶｇ−Ｉｄ特性を説明する図である。 窒化シリコン膜の水素分子の放出量及びアンモニア分子の放出量と、トランジスタのＶｇ−Ｉｄ特性を説明する図である。

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、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及
び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は
、以下に示す実施の形態及び実施例の記載内容に限定して解釈されるものではない。また
、以下に説明する実施の形態及び実施例において、同一部分または同様の機能を有する部
分には、同一の符号または同一のハッチパターンを異なる図面間で共通して用い、その繰
り返しの説明は省略する。

なお、本明細書で説明する各図において、各構成の大きさ、膜の厚さ、または領域は、
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。

また、本明細書にて用いる第１、第２、第３などの用語は、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。そのため、例えば、「第１の」を
「第２の」または「第３の」などと適宜置き換えて説明することができる。

また、「ソース」や「ドレイン」の機能は、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、電圧とは２点間における電位差のことをいい、電位とはある一点における静電場
の中にある単位電荷が持つ静電エネルギー（電気的な位置エネルギー）のことをいう。た
だし、一般的に、ある一点における電位と基準となる電位（例えば接地電位）との電位差
のことを、単に電位もしくは電圧と呼び、電位と電圧が同義語として用いられることが多
い。このため、本明細書では特に指定する場合を除き、電位を電圧と読み替えてもよいし
、電圧を電位と読み替えてもよいこととする。

また、酸化物半導体膜を有するトランジスタはｎチャネル型トランジスタであるため、
本明細書において、ゲート電圧が０Ｖの場合、ドレイン電流が流れていないとみなすこと
ができるトランジスタを、ノーマリーオフ特性を有するトランジスタと定義する。また、
ゲート電圧が０Ｖの場合、ドレイン電流が流れているとみなすことができるトランジスタ
を、ノーマリーオン特性を有するトランジスタと定義する。

（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様である半導体装置、及びその作製方法について図面
を参照して説明する。

図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に、半導体装置が有するトランジスタ１の上面図及び断面図
を示す。図１（Ａ）はトランジスタ１の上面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の一点
鎖線Ａ−Ｂ間の断面図である。なお、図１（Ａ）では、明瞭化のため、基板１１、トラン
ジスタ１の構成要素の一部（例えば、ゲート絶縁膜１８）、絶縁膜２３、窒化絶縁膜２５
などを省略している。

図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すトランジスタ１は、基板１１上に設けられるゲート電
極１５と、基板１１及びゲート電極１５上に形成されるゲート絶縁膜１８と、ゲート絶縁
膜１８を介して、ゲート電極１５と重なる酸化物半導体膜１９と、酸化物半導体膜１９に
接する一対の電極２１とを有する。また、ゲート絶縁膜１８、酸化物半導体膜１９、及び
一対の電極２１上には、絶縁膜２３及び窒化絶縁膜２５で構成される保護膜２６が形成さ
れる。

本実施の形態に示すトランジスタ１上に設けられる窒化絶縁膜２５は、昇温脱離ガス分
析法（ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ））
において、水素分子の放出量が５×１０^２１分子／ｃｍ^３未満、好ましくは３×１０^２１
分子／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは１×１０^２１分子／ｃｍ^３以下であり、且つアンモ
ニア分子の放出量が１×１０^２２分子／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^２１分子／ｃｍ
^３以下、さらに好ましくは１×１０^２１分子／ｃｍ^３以下である。窒化絶縁膜２５から放
出される水素分子量及び窒素の供給源であるアンモニア分子量が少ないため、トランジス
タ１に含まれる酸化物半導体膜１９への水素及び窒素の移動量が少ない。

酸化物半導体膜１９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となると
共に、酸素が脱離した格子（あるいは酸素が脱離した部分）には欠損が形成されてしまう
。また、水素の一部が酸素と反応することで、キャリアである電子が生じてしまう。また
、酸化物半導体膜１９に含まれる窒素は、金属元素または酸素と反応することで、キャリ
アである電子が生じてしまう。この結果、酸化物半導体膜１９を有するトランジスタはノ
ーマリーオン特性となりやすい。これらのため、酸化物半導体膜１９中の水素及び窒素を
極めて減らすことにより、しきい値電圧のマイナスシフトを抑制することができると共に
、電気特性のばらつきを低減することができる。また、トランジスタのソース及びドレイ
ンにおけるリーク電流を、代表的には、オフ電流を低減することが可能である。

このため、トランジスタ１上に、昇温脱離ガス分析法において、水素分子の放出量が５
×１０^２１分子／ｃｍ^３未満、好ましくは３×１０^２１分子／ｃｍ^３以下、さらに好まし
くは１×１０^２１分子／ｃｍ^３以下であり、且つアンモニア分子の放出量が１×１０^２２
分子／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^２１分子／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは１×１
０^２１分子／ｃｍ^３以下である窒化絶縁膜を設けることで、窒化絶縁膜から酸化物半導体
膜１９への水素及びアンモニアの移動量が少なく、酸化物半導体膜１９中の水素及び窒素
の濃度を低減することができる。また、トランジスタ１上には窒化絶縁膜２５が設けられ
ているため、外部から酸化物半導体膜１９への水の侵入を低減することができる。即ち、
酸化物半導体膜１９への水に含まれる水素の侵入を抑制することができる。以上の結果、
しきい値電圧のマイナスシフトを抑制することができると共に、電気特性のばらつきを低
減することができる。また、トランジスタのソース及びドレインにおけるリーク電流を、
代表的には、オフ電流を低減することが可能である。

窒化絶縁膜２５としては、厚さが５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の窒化シリコン、窒化酸
化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム等を用いることができる。なお、
本明細書中において、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。また、酸化窒化アルミニウム膜とは、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、窒化酸化アルミニウム膜とは、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。

ここで、昇温脱離ガス分析法（以下、ＴＤＳ分析とする。）による、水素分子及びアン
モニア分子の放出量の測定方法について、以下に説明する。

ＴＤＳ分析による気体の放出量は、スペクトルの積分値に比例する。このため、絶縁膜
のスペクトルの積分値と、標準試料の基準値に対する比とにより、気体の放出量を計算す
ることができる。標準試料の基準値とは、所定の原子を含む試料の、スペクトルの積分値
に対する原子の密度の割合である。

例えば、標準試料である所定の密度の水素を含むシリコンウェハのＴＤＳ分析結果、及
び絶縁膜のＴＤＳ分析結果から、絶縁膜の水素分子の放出量（Ｎ_Ｈ２）は、数式１で求め
ることができる。ここで、ＴＤＳ分析で得られる質量数２で検出されるスペクトルの全て
が水素分子由来と仮定する。また、質量数が１以外の水素原子の同位体は、自然界におけ
る存在比率が極微量であるため考慮しない。

Ｎ_Ｈ２は水素分子の放出量である。Ｎ_{Ｈ２（ｓ）}は、標準試料から脱離した水素分子を
密度で換算した値である。Ｓ_{Ｈ２（ｓ）}は、標準試料をＴＤＳ分析したときのスペクトル
の積分値である。ここで、標準試料の基準値を、Ｎ_{Ｈ２（ｓ）}／Ｓ_{Ｈ２（ｓ）}とする。Ｓ
_Ｈ２は、絶縁膜をＴＤＳ分析したときのスペクトルの積分値である。αは、ＴＤＳ分析に
おけるスペクトル強度に影響する係数である。数式１の詳細に関しては、特開平６−２７
５６９７公報を参照する。なお、上記絶縁膜の水素分子の放出量は、電子科学株式会社製
の昇温脱離分析装置ＥＭＤ−ＷＡ１０００Ｓ／Ｗを用い、標準試料として１×１０^１６ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ^２の水素原子を含むシリコンウェハを用いて測定する。

また、上記数式１において、絶縁膜のアンモニア分子の放出量をＴＤＳ分析したときの
スペクトルの積分値を、Ｓ_Ｈ２に代入することで、アンモニア分子の放出量を求めること
ができる。

以下に、トランジスタ１の他の構成の詳細について説明する。

基板１１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
ァイア基板等を、基板１１として用いてもよい。また、シリコンや炭化シリコンなどの単
結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム等の化合物半導体基板、ＳＯ
Ｉ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板等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１１として用いてもよい。

また、基板１１として、可撓性基板を用い、可撓性基板上に直接、トランジスタ１を形
成してもよい。または、基板１１とトランジスタ１の間に剥離層を設けてもよい。剥離層
は、その上に半導体装置を一部あるいは全部完成させた後、基板１１より分離し、他の基
板に転載するのに用いることができる。その際、トランジスタ１は耐熱性の劣る基板や可
撓性の基板にも転載できる。

なお、基板１１及びゲート電極１５の間に下地絶縁膜を設けてもよい。下地絶縁膜とし
ては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化ガリウ
ム、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム等が
ある。なお、下地絶縁膜として、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化イ
ットリウム、酸化アルミニウム等を用いることで、基板１１から不純物、代表的にはアル
カリ金属、水、水素等の酸化物半導体膜１９への拡散を抑制することができる。

ゲート電極１５は、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タン
グステンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した
金属元素を組み合わせた合金等を用いて形成することができる。また、マンガン、ジルコ
ニウムのいずれか一または複数から選択された金属元素を用いてもよい。また、ゲート電
極１５は、単層構造でも、二層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むア
ルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン
膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する二層構
造、窒化タンタル膜または窒化タングステン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、
チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形成
する三層構造等がある。また、アルミニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリ
ブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素の膜、または複数組み合わせ
た合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。

また、ゲート電極１５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、酸化シリコンを含む
インジウム錫酸化物等の透光性を有する導電性材料を適用することもできる。また、上記
透光性を有する導電性材料と、上記金属元素の積層構造とすることもできる。

また、ゲート電極１５とゲート絶縁膜１８との間に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸窒化物半導
体膜、Ｉｎ−Ｓｎ系酸窒化物半導体膜、Ｉｎ−Ｇａ系酸窒化物半導体膜、Ｉｎ−Ｚｎ系酸
窒化物半導体膜、Ｓｎ系酸窒化物半導体膜、Ｉｎ系酸窒化物半導体膜、金属窒化膜（Ｉｎ
Ｎ、ＺｎＮ等）等を設けてもよい。これらの膜は５ｅＶ以上、好ましくは５．５ｅＶ以上
の仕事関数を有し、酸化物半導体の電子親和力よりも大きい値であるため、酸化物半導体
を用いたトランジスタのしきい値電圧をプラスにシフトすることができ、所謂ノーマリー
オフ特性のスイッチング素子を実現できる。例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸窒化物半導体
膜を用いる場合、少なくとも酸化物半導体膜１９より高い窒素濃度、具体的には７原子％
以上のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸窒化物半導体膜を用いる。

ゲート絶縁膜１８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、酸化ハフニウム、酸化ガリウムまたはＧａ−Ｚｎ系金属
酸化物などを用いればよく、積層または単層で設ける。なお、酸化物半導体膜１９との界
面特性を向上させるため、ゲート絶縁膜１８において少なくとも酸化物半導体膜１９と接
する領域は酸化絶縁膜で形成することが好ましい。

また、ゲート絶縁膜１８に、酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する絶縁膜を設
けることで、酸化物半導体膜１９からの酸素の外部への拡散と、外部から酸化物半導体膜
１９への水素、水等の侵入を防ぐことができる。酸素、水素、水等のブロッキング効果を
有する絶縁膜としては、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化
窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハ
フニウム等がある。

また、ゲート絶縁膜１８を積層構造とし、第１の窒化シリコン膜として、欠陥が少ない
窒化シリコン膜とし、第１の窒化シリコン膜上に、窒化絶縁膜２５のように、水素分子放
出量及びアンモニア分子放出量の少ない窒化シリコン膜を第２の窒化シリコン膜を設け、
第２の窒化シリコン膜上に酸化絶縁膜を設けることで、ゲート絶縁膜１８として、欠陥が
少なく、且つ水素分子及びアンモニア分子の放出量の少ないゲート絶縁膜を形成すること
ができる。この結果、ゲート絶縁膜１８に含まれる水素及び窒素が、酸化物半導体膜１９
へ移動することを抑制できる。

また、ゲート絶縁膜１８に窒化シリコン膜を用いることで、以下の効果を得ることがで
きる。窒化シリコン膜は、酸化シリコン膜と比較して比誘電率が高く、同等の静電容量を
得るのに必要な膜厚が大きいため、ゲート絶縁膜を物理的に厚膜化することができる。よ
って、トランジスタ１の絶縁耐圧の低下を抑制、さらには絶縁耐圧を向上させて、半導体
装置の静電破壊を抑制することができる。

また、ゲート電極１５として銅を用い、ゲート電極１５に接するゲート絶縁膜１８に窒
化シリコン膜を用いる場合、加熱によるアンモニア分子放出量をできる限り低減する窒化
シリコン膜を用いることが好ましい。このため、当該窒化シリコン膜として、窒化絶縁膜
２５に適用できる窒化シリコン膜を用いることができる。この結果、銅とアンモニア分子
が反応することを抑制することができる。

酸化物半導体を用いたトランジスタにおいて、酸化物半導体膜及びゲート絶縁膜の界面
またはゲート絶縁膜中に捕獲準位（界面準位ともいう。）があると、トランジスタのしき
い値電圧の変動、代表的にはしきい値電圧のマイナスシフト、及びトランジスタがオン状
態となるときにドレイン電流が一桁変化するのに必要なゲート電圧を示すサブスレッショ
ルド係数（Ｓ値）の増大の原因となる。この結果、トランジスタごとに電気特性がばらつ
くという問題がある。このため、ゲート絶縁膜として、欠陥の少ない窒化シリコン膜を用
いることで、しきい値電圧のマイナスシフト、及びトランジスタの電気特性のばらつきを
低減することができる。

また、ゲート絶縁膜１８として、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯ_ｘ）、窒素が添加
されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉ_ｘＯ_ｙＮ_ｚ）、窒素が添加されたハフニウムアル
ミネート（ＨｆＡｌ_ｘＯ_ｙＮ_ｚ）、酸化ハフニウム、酸化イットリウムなどのｈｉｇｈ−
ｋ材料を用いることでトランジスタのゲートリークを低減できる。

ゲート絶縁膜１８の厚さは、５ｎｍ以上４００ｎｍ以下、より好ましくは１０ｎｍ以上
３００ｎｍ以下、より好ましくは５０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下とするとよい。

酸化物半導体膜１９は、少なくともインジウム（Ｉｎ）若しくは亜鉛（Ｚｎ）を含むこ
とが好ましい。または、ＩｎとＺｎの双方を含むことが好ましい。また、該酸化物半導体
を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすため、それらと共に、スタビライザ
ーの一または複数を有することが好ましい。

スタビライザーとしては、ガリウム（Ｇａ）、スズ（Ｓｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ア
ルミニウム（Ａｌ）、またはジルコニウム（Ｚｒ）等がある。また、他のスタビライザー
としては、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（
Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム
（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビ
ウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）等があ
る。

例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属酸化
物であるＩｎ−Ｚｎ系金属酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系金属酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系金属酸化物、
Ｚｎ−Ｍｇ系金属酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｇ
ａ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｗ系金属酸化物、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系金
属酸化物（ＩＧＺＯとも表記する）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ
系金属酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系金属酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系金属酸化物、Ｓｎ−
Ａｌ−Ｚｎ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系金属酸化
物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ
系金属酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系金属酸化物、Ｉｎ−
Ｇｄ−Ｚｎ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系金属酸化
物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ
系金属酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系金属酸化物、四元系
金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系金属
酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系金属酸化物、
Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系金属酸化物を用いるこ
とができる。

なお、ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系金属酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成
分として有する酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、Ｉ
ｎとＧａとＺｎ以外の金属元素が入っていてもよい。

また、酸化物半導体として、ＩｎＭＯ_３（ＺｎＯ）_ｍ（ｍ＞０、且つ、ｍは整数でない
）で表記される材料を用いてもよい。なお、Ｍは、Ｇａ、Ｆｅ、Ｍｎ及びＣｏから選ばれ
た一の金属元素または複数の金属元素を示す。また、酸化物半導体として、Ｉｎ_２ＳｎＯ
_５（ＺｎＯ）_ｎ（ｎ＞０、且つ、ｎは整数）で表記される材料を用いてもよい。

例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｇａ：
Ｚｎ＝２：２：１（＝２／５：２／５：１／５）、あるいはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：
２（＝１／２：１／６：１／３）の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系金属酸化物やその組成
の近傍の酸化物を用いることができる。あるいは、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１
／３：１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：３（＝１／３：１／６：１／２）
あるいはＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：５（＝１／４：１／８：５／８）の原子数比のＩｎ
−Ｓｎ−Ｚｎ系金属酸化物を用いるとよい。なお、金属酸化物の原子数比は、誤差として
上記の原子数比のプラスマイナス２０％の変動を含む。

しかし、これらに限られず、必要とする半導体特性及び電気特性（電界効果移動度、し
きい値電圧、ばらつき等）に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とする
半導体特性を得るために、キャリア密度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子
数比、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。

例えば、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系金属酸化物では比較的容易に高い移動度が得られる。しか
しながら、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系金属酸化物でも、バルク内欠陥密度を低くすることにより
移動度を上げることができる。

また、酸化物半導体膜１９に形成することが可能な金属酸化物は、エネルギーギャップ
が２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上、より好ましくは３ｅＶ以上である。このよう
に、エネルギーギャップの広い酸化物半導体を用いることで、トランジスタのオフ電流を
低減することができる。

また、酸化物半導体膜１９は、非晶質構造、単結晶構造、または多結晶構造であっても
よい。

また、酸化物半導体膜１９として、結晶部を有するＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａ
ｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒとも
いう。）膜を用いてもよい。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、複数の結晶部を有する酸化物半導体膜の一つであり、ほとんどの
結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさである。従って、ＣＡＡＣ−
ＯＳ膜に含まれる結晶部は、一辺が１０ｎｍ未満、５ｎｍ未満または３ｎｍ未満の立方体
内に収まる大きさの場合も含まれる。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、微結晶酸化物半導体膜よりも
欠陥準位密度が低いという特徴がある。以下、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜について詳細な説明を行
う。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって観察すると、結晶部同士の明確な境界、即ち
結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を確認することができない。そのため、Ｃ
ＡＡＣ−ＯＳ膜は、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。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を、試料面と概略平行な方向からＴＥＭによって観察（断面ＴＥＭ観
察）すると、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原
子の各層は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の膜を形成する面（被形成面ともいう。）または上面の凹
凸を反映した形状であり、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または上面と平行に配列する。

一方、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を、試料面と概略垂直な方向からＴＥＭによって観察（平面Ｔ
ＥＭ観察）すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列している
ことを確認できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られ
ない。

断面ＴＥＭ観察および平面ＴＥＭ観察より、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶部は配向性を有し
ていることがわかる。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）
装置を用いて構造解析を行うと、例えばＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ
膜のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、回折角（２θ）が３１°近傍にピーク
が現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶の（００９）面に帰属され
ることから、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に
概略垂直な方向を向いていることが確認できる。

一方、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、ｃ軸に概略垂直な方向からＸ線を入射させるｉｎ−ｐ
ｌａｎｅ法による解析では、２θが５６°近傍にピークが現れる場合がある。このピーク
は、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶の（１１０）面に帰属される。ＩｎＧａＺｎＯ_４の単結晶酸
化物半導体膜であれば、２θを５６°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸（φ軸）
として試料を回転させながら分析（φスキャン）を行うと、（１１０）面と等価な結晶面
に帰属されるピークが６本観察される。これに対し、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の場合は、２θを
５６°近傍に固定してφスキャンした場合でも、明瞭なピークが現れない。

以上のことから、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜では、異なる結晶部間ではａ軸およびｂ軸の配向は
不規則であるが、ｃ軸配向性を有し、かつｃ軸が被形成面または上面の法線ベクトルに平
行な方向を向いていることがわかる。従って、前述の断面ＴＥＭ観察で確認された層状に
配列した金属原子の各層は、結晶のａｂ面に平行な面である。

なお、結晶部は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜した際、または加熱処理などの結晶化処理を
行った際に形成される。上述したように、結晶のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面ま
たは上面の法線ベクトルに平行な方向に配向する。従って、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の
形状をエッチングなどによって変化させた場合、結晶のｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成
面または上面の法線ベクトルと平行にならないこともある。

また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜中の結晶化度が均一でなくてもよい。例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ
膜の結晶部が、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の上面近傍からの結晶成長によって形成される場合、上
面近傍の領域は、被形成面近傍の領域よりも結晶化度が高くなることがある。また、ＣＡ
ＡＣ−ＯＳ膜に不純物を添加する場合、不純物が添加された領域の結晶化度が変化し、部
分的に結晶化度の異なる領域が形成されることもある。

なお、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ
法による解析では、２θが３１°近傍のピークの他に、２θが３６°近傍にもピークが現
れる場合がある。２θが３６°近傍のピークは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜中の一部に、ｃ軸配向
性を有さない結晶が含まれることを示している。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、２θが３１°近傍
にピークを示し、２θが３６°近傍にピークを示さないことが好ましい。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変
動が小さい。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。

また、酸化物半導体膜１９は、複数の酸化物半導体膜が積層された構造でもよい。例え
ば、酸化物半導体膜１９を、第１の酸化物半導体膜と第２の酸化物半導体膜の積層として
、第１の酸化物半導体膜と第２の酸化物半導体膜に、異なる組成の金属酸化物を用いても
よい。例えば、第１の酸化物半導体膜に二元系金属酸化物乃至四元系金属酸化物の一を用
い、第２の酸化物半導体膜に第１の酸化物半導体膜と異なる二元系金属酸化物乃至四元系
金属酸化物を用いてもよい。

また、第１の酸化物半導体膜と第２の酸化物半導体膜の構成元素を同一とし、両者の組
成を異ならせてもよい。例えば、第１の酸化物半導体膜の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝
３：１：２とし、第２の酸化物半導体膜の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１とし
てもよい。また、第１の酸化物半導体膜の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：１：３とし
、第２の酸化物半導体膜の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２としてもよい。なお
、各酸化物半導体膜の原子数比は、誤差として上記の原子数比のプラスマイナス２０％の
変動を含む。

この時、第１の酸化物半導体膜と第２の酸化物半導体膜のうち、ゲート電極に近い側（
チャネル側）の酸化物半導体膜のＩｎとＧａの含有率をＩｎ＞Ｇａとするとよい。またゲ
ート電極から遠い側（バックチャネル側）の酸化物半導体膜のＩｎとＧａの含有率をＩｎ
≦Ｇａとするとよい。

また、酸化物半導体膜１９を３層構造とし、第１の酸化物半導体膜〜第３の酸化物半導
体膜の構成元素を同一とし、且つそれぞれの組成を異ならせてもよい。例えば、第１の酸
化物半導体膜の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２とし、第２の酸化物半導体膜の
原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２とし、第３の酸化物半導体膜の原子数比をＩｎ
：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１としてもよい。

Ｇａ及びＺｎよりＩｎの原子数比が小さい酸化物半導体膜、代表的には原子数比がＩｎ
：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２である第１の酸化物半導体膜は、Ｇａ及びＺｎよりＩｎの原子
数比が大きい酸化物半導体膜、代表的には第２の酸化物半導体膜、並びにＧａ、Ｚｎ、及
びＩｎの原子数比が同じ酸化物半導体膜、代表的には第３の酸化物半導体膜と比較して、
酸素欠損が生じにくいため、キャリア密度が増加することを抑制することができる。また
、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２である第１の酸化物半導体膜が非晶質構造で
あると、第２の酸化物半導体膜がＣＡＡＣ−ＯＳ膜となりやすい。

また、第１の酸化物半導体膜〜第３の酸化物半導体膜の構成元素は同一であるため、第
１の酸化物半導体膜は、第２の酸化物半導体膜との界面におけるトラップ準位が少ない。
このため、酸化物半導体膜１９を上記構造とすることで、トランジスタの経時変化や光Ｂ
Ｔストレス試験によるしきい値電圧の変動量を低減することができる。

酸化物半導体では主として重金属のｓ軌道がキャリア伝導に寄与しており、Ｉｎの含有
率を多くすることにより、より多くのｓ軌道が重なるため、Ｉｎ＞Ｇａの組成となる酸化
物はＩｎ≦Ｇａの組成となる酸化物と比較して高いキャリア移動度を備える。また、Ｇａ
はＩｎと比較して酸素欠損の形成エネルギーが大きく酸素欠損が生じにくいため、Ｉｎ≦
Ｇａの組成となる酸化物はＩｎ＞Ｇａの組成となる酸化物と比較して安定した特性を備え
る。

チャネル側にＩｎ＞Ｇａの組成となる酸化物半導体を適用し、バックチャネル側にＩｎ
≦Ｇａの組成となる酸化物半導体を適用することで、トランジスタの電界効果移動度及び
信頼性をさらに高めることが可能となる。

また、第１の酸化物半導体膜乃至第３の酸化物半導体膜に、結晶性の異なる酸化物半導
体を適用してもよい。すなわち、単結晶酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、非晶質酸化
物半導体、またはＣＡＡＣ−ＯＳを適宜組み合わせた構成としてもよい。また、第１の酸
化物半導体膜乃至第２の酸化物半導体膜のいずれか一に非晶質酸化物半導体を適用すると
、酸化物半導体膜１９の内部応力や外部からの応力を緩和し、トランジスタの特性ばらつ
きが低減され、また、トランジスタの信頼性をさらに高めることが可能となる。

酸化物半導体膜１９の厚さは、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、更に好ましくは１ｎｍ以上
３０ｎｍ以下、更に好ましくは１ｎｍ以上５０ｎｍ以下、更に好ましくは３ｎｍ以上２０
ｎｍ以下とすることが好ましい。

酸化物半導体膜１９において、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ
Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られるアルカリ金属またはア
ルカリ土類金属の濃度を、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは２×
１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることが望ましい。アルカリ金属及びアルカリ土類
金属は、酸化物半導体と結合するとキャリアを生成する場合があり、トランジスタのオフ
電流の上昇の原因となるためである。

酸化物半導体膜１９において、二次イオン質量分析法により得られる水素濃度を、５×
１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、よ
り好ましくは５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは１×１０^１６ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ^３以下とすることが好ましい。

酸化物半導体膜１９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となると
共に、酸素が脱離した格子（あるいは酸素が脱理した部分）には欠損が形成されてしまう
。また、水素の一部が酸素と結合することで、キャリアである電子が生じてしまう。これ
らのため、酸化物半導体膜の成膜工程において、水素を含む不純物を極めて減らすことに
より、酸化物半導体膜の水素濃度を低減することが可能である。このため、水素をできる
だけ除去された酸化物半導体膜をチャネル領域とすることにより、しきい値電圧のマイナ
スシフトを抑制することができると共に、電気特性のばらつきを低減することができる。
また、トランジスタのソース及びドレインにおけるリーク電流を、代表的には、オフ電流
を低減することが可能である。

また、酸化物半導体膜１９の窒素濃度を５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とするこ
とで、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ができると共に、電
気特性のばらつきを低減することができる。

なお、水素をできるだけ除去することで高純度化された酸化物半導体膜をチャネル領域
に用いたトランジスタのオフ電流が低いことは、いろいろな実験により証明できる。例え
ば、チャネル幅が１×１０^６μｍでチャネル長が１０μｍの素子であっても、ソース電極
とドレイン電極間の電圧（ドレイン電圧）が１Ｖから１０Ｖの範囲において、オフ電流が
、半導体パラメータアナライザの測定限界以下、すなわち１×１０^−１３Ａ以下という特
性を得ることができる。この場合、オフ電流をトランジスタのチャネル幅で除した数値に
相当するオフ電流は、１００ｚＡ／μｍ以下であることが分かる。また、容量素子とトラ
ンジスタとを接続して、容量素子に流入または容量素子から流出する電荷を当該トランジ
スタで制御する回路を用いて、オフ電流の測定を行った。当該測定では、上記トランジス
タに高純度化された酸化物半導体膜をチャネル領域に用い、容量素子の単位時間あたりの
電荷量の推移から当該トランジスタのオフ電流を測定した。その結果、トランジスタのソ
ース電極とドレイン電極間の電圧が３Ｖの場合に、数十ｙＡ／μｍという、さらに低いオ
フ電流が得られることが分かった。従って、高純度化された酸化物半導体膜をチャネル領
域に用いたトランジスタは、オフ電流が著しく小さい。

一対の電極２１は、導電材料として、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、
イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタングステンからなる
単体金属、またはこれを主成分とする合金を単層構造または積層構造として用いる。例え
ば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する
二層構造、タングステン膜上にチタン膜を積層する二層構造、銅−マグネシウム−アルミ
ニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜または窒化チタン膜と、そのチタン
膜または窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチ
タン膜または窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と
、そのモリブデン膜または窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層
し、さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構造等がある。
なお、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。

なお、本実施の形態では、一対の電極２１を酸化物半導体膜１９及び絶縁膜２３の間に
設けたが、ゲート絶縁膜１８及び酸化物半導体膜１９の間に設けてもよい。

絶縁膜２３は、酸化物半導体膜１９との界面特性を向上させるため、酸化絶縁膜を用い
ることが好ましい。絶縁膜２３としては、厚さ１５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下の酸化シリ
コン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウム、またはＧ
ａ−Ｚｎ系金属酸化物等を用いることができる。

次に、図１に示すトランジスタ１の作製方法について、図２を用いて説明する。

図２（Ａ）に示すように、基板１１上にゲート電極１５を形成し、ゲート電極１５上に
ゲート絶縁膜１８を形成する。

ゲート電極１５の形成方法を以下に示す。はじめに、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸
着法等により導電膜を形成し、導電膜上にフォトリソグラフィ工程によりマスクを形成す
る。次に、該マスクを用いて導電膜の一部をエッチングして、ゲート電極１５を形成する
。この後、マスクを除去する。

なお、ゲート電極１５は、上記形成方法の代わりに、電解メッキ法、印刷法、インクジ
ェット法等で形成してもよい。

ここでは、厚さ１００ｎｍのタングステン膜をスパッタリング法により形成する。次に
、フォトリソグラフィ工程によりマスクを形成し、当該マスクを用いてタングステン膜を
ドライエッチングして、ゲート電極１５を形成する。

ゲート絶縁膜１８は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法等で形成する。

ゲート絶縁膜１８として酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形成する場合、原
料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体及び酸化性気体を用いることが好ましい。シ
リコンを含む堆積性気体の代表例としては、シラン、ジシラン、トリシラン、フッ化シラ
ン等がある。酸化性気体としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素、二酸化窒素等がある。

また、ゲート絶縁膜１８として、積層構造の窒化シリコン膜及び酸化絶縁膜を形成する
場合、２段階の形成方法を用いて窒化シリコン膜を積層して形成することが好ましい。は
じめに、シラン、窒素、及びアンモニアの混合ガスを原料ガスとして用いたプラズマＣＶ
Ｄ法により、欠陥の少ない第１の窒化シリコン膜を形成する。次に、後に説明する窒化絶
縁膜２５のような原料ガスの流量比を用いることで、水素分子放出量及びアンモニア分子
放出量の少ない窒化シリコン膜を第２の窒化シリコン膜として形成することができる。こ
のような形成方法により、ゲート絶縁膜１８として、欠陥が少なく、且つ水素分子放出量
及びアンモニア分子放出量の少ない窒化シリコン膜を形成することができる。

また、ゲート絶縁膜１８として酸化ガリウム膜を形成する場合、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａ
ｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用い
て形成することができる。

ここでは、プラズマＣＶＤ法により、厚さ３００ｎｍの第１の窒化シリコン膜、厚さ５
０ｎｍの第２の窒化シリコン膜、及び厚さ５０ｎｍの酸化窒化シリコン膜を積層したゲー
ト絶縁膜１８を形成する。

次に、図２（Ｂ）に示すように、ゲート絶縁膜１８上に酸化物半導体膜１９を形成する
。

酸化物半導体膜１９の形成方法について以下に説明する。ゲート絶縁膜１８上にスパッ
タリング法、塗布法、パルスレーザー蒸着法、レーザーアブレーション法等により酸化物
半導体膜を形成する。次に、酸化物半導体膜上にフォトリソグラフィ工程によりマスクを
形成した後、該マスクを用いて酸化物半導体膜の一部をエッチングすることで、図２（Ｂ
）に示すように、ゲート絶縁膜１８上であって、ゲート電極１５の一部と重なるように素
子分離された酸化物半導体膜１９を形成する。この後、マスクを除去する。

また、酸化物半導体膜１９として印刷法を用いることで、素子分離された酸化物半導体
膜１９を直接形成することができる。

スパッタリング法で酸化物半導体膜を形成する場合、プラズマを発生させるための電源
装置は、ＲＦ電源装置、ＡＣ電源装置、ＤＣ電源装置等を適宜用いることができる。

スパッタリングガスは、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気、酸素雰囲気、希ガス及
び酸素の混合ガスを適宜用いる。なお、希ガス及び酸素の混合ガスの場合、希ガスに対し
て酸素のガス比を高めることが好ましい。

また、ターゲットは、形成する酸化物半導体膜の組成にあわせて、適宜選択すればよい
。

なお、酸化物半導体膜を形成する際に、例えば、スパッタリング法を用いる場合、基板
温度を１５０℃以上７５０℃以下、好ましくは１５０℃以上４５０℃以下、さらに好まし
くは２００℃以上３５０℃以下として、酸化物半導体膜を成膜することで、ＣＡＡＣ−Ｏ
Ｓ膜を形成することができる。

なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、例えば、多結晶である酸化物半導体スパッタリング用ター
ゲットを用い、スパッタリング法によって成膜する。当該スパッタリング用ターゲットに
イオンが衝突すると、スパッタリング用ターゲットに含まれる結晶領域がａ−ｂ面から劈
開し、ａ−ｂ面に平行な面を有する平板状またはペレット状のスパッタリング粒子として
剥離することがある。この場合、当該平板状のスパッタリング粒子が、結晶状態を維持し
たまま基板に到達することで、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜することができる。

また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜するために、以下の条件を適用することが好ましい。

成膜時の不純物混入を抑制することで、不純物によって結晶状態が崩れることを抑制で
きる。例えば、成膜室内に存在する不純物濃度（水素、水、二酸化炭素および窒素など）
を低減すればよい。また、成膜ガス中の不純物濃度を低減すればよい。具体的には、露点
が−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下である成膜ガスを用いる。

また、成膜時の基板加熱温度を高めることで、基板到達後にスパッタリング粒子のマイ
グレーションが起こる。具体的には、基板加熱温度を１００℃以上基板歪み点未満、好ま
しくは２００℃以上５００℃以下として成膜する。成膜時の基板加熱温度を高めることで
、平板状のスパッタリング粒子が基板に到達した場合、基板上でマイグレーションが起こ
り、スパッタリング粒子の平らな面が基板に付着する。

また、成膜ガス中の酸素割合を高め、電力を最適化することで成膜時のプラズマダメー
ジを軽減すると好ましい。成膜ガス中の酸素割合は、３０体積％以上、好ましくは１００
体積％とする。

スパッタリング用ターゲットの一例として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系金属酸化物ターゲット
について以下に示す。

ＩｎＯ_Ｘ粉末、ＧａＯ_Ｙ粉末およびＺｎＯ_Ｚ粉末を所定のｍｏｌ数で混合し、加圧処理
後、１０００℃以上１５００℃以下の温度で加熱処理をすることで多結晶であるＩｎ−Ｇ
ａ−Ｚｎ系金属酸化物ターゲットとする。なお、Ｘ、ＹおよびＺは任意の正数である。こ
こで、所定のｍｏｌ数比は、例えば、ＩｎＯ_Ｘ粉末、ＧａＯ_Ｙ粉末およびＺｎＯ_Ｚ粉末が
、２：２：１、８：４：３、３：１：１、１：１：１、４：２：３または３：１：２であ
る。なお、粉末の種類、およびその混合するｍｏｌ数比は、作製するスパッタリング用タ
ーゲットによって適宜変更すればよい。

また、酸化物半導体膜を形成した後、加熱処理を行い、酸化物半導体膜の脱水素化また
は脱水化をしてもよい。加熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上基板歪み点未満、
好ましくは２５０℃以上４５０℃以下、更に好ましくは３００℃以上４５０℃以下とする
。

加熱処理は、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン、クリプトン等の希ガス、または
窒素を含む不活性ガス雰囲気で行う。または、不活性ガス雰囲気で加熱した後、酸素雰囲
気で加熱してもよい。なお、上記不活性雰囲気及び酸素雰囲気に水素、水などが含まれな
いことが好ましい。処理時間は３分〜２４時間とする。

該加熱処理は、電気炉、ＲＴＡ装置等を用いることができる。ＲＴＡ装置を用いること
で、短時間に限り、基板の歪み点以上の温度で熱処理を行うことができる。そのため加熱
処理時間を短縮することができる。

酸化物半導体膜を形成した後、加熱処理を行うことで、酸化物半導体膜において、水素
濃度を５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ
^３以下、より好ましくは５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは１×１
０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とすることができる。

ここでは、スパッタリング法により、厚さ３５ｎｍの酸化物半導体膜を形成した後、当
該酸化物半導体膜上にマスクを形成し、酸化物半導体膜の一部を選択的にエッチングする
。次に、マスクを除去した後、窒素及び酸素雰囲気で加熱処理を行うことで、酸化物半導
体膜１９を形成する。

次に、図２（Ｃ）に示すように、一対の電極２１を形成する。

一対の電極２１の形成方法を以下に示す。はじめに、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸
着法等で導電膜を形成する。次に、該導電膜上にフォトリソグラフィ工程によりマスクを
形成する。次に、該マスクを用いて導電膜をエッチングして、一対の電極２１を形成する
。この後、マスクを除去する。

ここでは、厚さ５０ｎｍのタングステン膜、厚さ４００ｎｍのアルミニウム膜、及び厚
さ１００ｎｍのチタン膜を順にスパッタリング法により積層する。次に、チタン膜上にフ
ォトリソグラフィ工程によりマスクを形成し、当該マスクを用いてタングステン膜、アル
ミニウム膜、及びチタン膜をドライエッチングして、一対の電極２１を形成する。

なお、一対の電極２１を形成した後、加熱処理を行ってもよい。当該加熱処理としては
酸化物半導体膜１９を形成した後に行う加熱処理と同様にして行うことができる。

また、一対の電極２１を形成した後、エッチング残渣を除去するため、洗浄処理をする
ことが好ましい。この洗浄処理を行うことで、一対の電極２１の短絡を抑制することがで
きる。当該洗浄処理は、ＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ Ｈｙｄｒ
ｏｘｉｄｅ）溶液などのアルカリ性の溶液、フッ酸、シュウ酸などの酸性の溶液、または
水を用いて行うことができる。

次に、酸化物半導体膜１９及び一対の電極２１上に絶縁膜２３を形成する。絶縁膜２３
は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法等により形成することができる。

ここでは、絶縁膜２３として、プラズマＣＶＤ法により、酸化シリコン膜または酸化窒
化シリコン膜を形成する。

次に、加熱処理を行ってもよい。該加熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上基板
歪み点未満、好ましくは２００℃以上４５０℃以下、更に好ましくは３００℃以上４５０
℃以下とする。当該加熱処理により、絶縁膜２３に含まれる水、水素等を放出させること
が可能である。

ここでは、窒素及び酸素雰囲気で、３５０℃、１時間の加熱処理を行う。

次に、絶縁膜２３上に窒化絶縁膜２５を形成する。窒化絶縁膜２５は、スパッタリング
法、ＣＶＤ法等を用いて形成することができる。

窒化絶縁膜２５としてプラズマＣＶＤ法により窒化シリコン膜を形成する場合、シリコ
ンを含む堆積性気体、窒素、及びアンモニアを原料ガスとして用いる。原料ガスとして、
窒素と比較して少量のアンモニアを用いることで、プラズマ中でアンモニアが解離し、活
性種が発生する。当該活性種が、シリコンを含む堆積性気体に含まれるシリコン及び水素
の結合、及び窒素の三重結合を切断する。この結果、シリコン及び窒素の結合が促進され
、シリコン及び水素の結合が少なく、欠陥が少なく、緻密な窒化シリコン膜を形成するこ
とができる。一方、原料ガスにおいて、窒素に対するアンモニアの量が多いと、シリコン
を含む堆積性気体及び窒素それぞれの分解が進まず、シリコン及び水素結合が残存してし
まい、欠陥が増大した、且つ粗な窒化シリコン膜が形成されてしまう。これらのため、原
料ガスにおいて、アンモニアに対する窒素の流量比を５以上５０以下、好ましくは１０以
上５０以下とすることが好ましい。

ここでは、プラズマＣＶＤ装置の処理室に、流量５０ｓｃｃｍのシラン、流量５０００
ｓｃｃｍの窒素、及び流量１００ｓｃｃｍのアンモニアを原料ガスとし、処理室の圧力を
２００Ｐａ、基板温度を２２０℃とし、２７．１２ＭＨｚの高周波電源を用いて１０００
Ｗの高周波電力を平行平板電極に供給したプラズマＣＶＤ法により、厚さ５０ｎｍの窒化
シリコン膜を形成する。なお、プラズマＣＶＤ装置は電極面積が６０００ｃｍ^２である平
行平板型のプラズマＣＶＤ装置であり、供給した電力を単位面積あたりの電力（電力密度
）に換算すると１．７×１０^−１Ｗ／ｃｍ^２である。

以上の工程により、絶縁膜２３、及び水素分子及びアンモニア分子の放出量の少ない窒
化絶縁膜２５で構成される保護膜２６を形成することができる。

次に、加熱処理を行ってもよい。該加熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上基板
歪み点未満、好ましくは２００℃以上４５０℃以下、更に好ましくは３００℃以上４５０
℃以下とする。

以上の工程により、酸化物半導体膜を有するトランジスタ上に、水素分子及びアンモニ
ア分子の放出量の少ない窒化絶縁膜を形成することができる。また、電気特性の変動が抑
制され、信頼性が向上されたトランジスタを作製することができる。

なお、本実施の形態に示す構成及び方法などは、他の実施の形態及び実施例に示す構成
及び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）
本実施の形態では、実施の形態１と異なる構造のトランジスタについて、図３を用いて
説明する。本実施の形態に示すトランジスタ３は、実施の形態１に示すトランジスタと比
較して、トップゲート構造のトランジスタである点が異なる。

図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に、トランジスタ３の上面図及び断面図を示す。図３（Ａ）
はトランジスタ３の上面図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の一点鎖線Ａ−Ｂ間の断面
図である。なお、図３（Ａ）では、明瞭化のため、基板３１、下地絶縁膜３３、トランジ
スタ３の構成要素の一部（例えば、絶縁膜３７、窒化絶縁膜３９など）を省略している。

図３に示すトランジスタ３は、下地絶縁膜３３上に形成される酸化物半導体膜３４と、
酸化物半導体膜３４に接する一対の電極３５と、下地絶縁膜３３、酸化物半導体膜３４、
及び一対の電極３５に接するゲート絶縁膜４０と、ゲート絶縁膜４０を介して酸化物半導
体膜３４と重なるゲート電極４１とを有する。

本実施の形態に示すトランジスタ３に設けられるゲート絶縁膜４０は、絶縁膜３７及び
窒化絶縁膜３９で構成される。絶縁膜３７は、実施の形態１に示すゲート絶縁膜１８に示
す酸化絶縁膜を適宜用いることで、酸化物半導体膜３４とゲート絶縁膜４０の界面準位を
低減することができる。窒化絶縁膜３９は、実施の形態１に示す窒化絶縁膜２５に示すよ
うな、昇温脱離ガス分析法において、水素分子の放出量が５×１０^２１分子／ｃｍ^３未満
、好ましくは３×１０^２１分子／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは１×１０^２１分子／ｃｍ
^３以下であり、且つアンモニア分子の放出量が１×１０^２２分子／ｃｍ^３未満、好ましく
は５×１０^２１分子／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは１×１０^２１分子／ｃｍ^３以下であ
る窒化絶縁膜を用いることができる。窒化絶縁膜３９から放出される水素分子量及びアン
モニア分子量が少ないため、トランジスタ３に含まれる酸化物半導体膜３４への水素及び
窒素の移動量が少ない。

このため、トランジスタ３に設けられるゲート絶縁膜４０から酸化物半導体膜３４への
水素及び窒素の移動量が少なく、酸化物半導体膜３４中の水素及び窒素の濃度を低減する
ことができる。また、トランジスタ３に設けられるゲート絶縁膜として窒化絶縁膜３９が
設けられているため、外部から酸化物半導体膜３４への水の侵入を抑制することができる
。即ち、酸化物半導体膜３４への水に含まれる水素の侵入を抑制することができる。以上
の結果、しきい値電圧のマイナスシフトを抑制することができると共に、電気特性のばら
つきを低減することができる。また、トランジスタのソース及びドレインにおけるリーク
電流を、代表的には、オフ電流を低減することが可能である。

以下に、トランジスタ３の他の構成の詳細について説明する。

基板３１は、実施の形態１に示す基板１１に列挙する基板を適宜用いることができる。

下地絶縁膜３３は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化絶縁膜を
用いて形成することが好ましい。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸
化絶縁膜は、加熱処理により酸化物半導体膜に酸素を拡散させることができる。下地絶縁
膜３３の代表例としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化ガ
リウム、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム
等がある。

下地絶縁膜３３は、５０ｎｍ以上、好ましくは２００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下、好ま
しくは３００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とする。下地絶縁膜３３を厚くすることで、下地
絶縁膜３３の酸素分子の放出量を増加させることができると共に、下地絶縁膜３３及び後
に形成される酸化物半導体膜との界面における界面準位を低減することが可能である。

ここで、「加熱により酸素の一部が脱離する」とは、ＴＤＳ分析にて、酸素原子に換算
しての酸素の放出量が１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、好ましくは３．０×１
０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であることをいう。

酸化物半導体膜３４は、実施の形態１に示す酸化物半導体膜１９と同様に形成すること
ができる。

一対の電極３５は、実施の形態１に示す一対の電極２１と同様に形成することができる
。なお、一対の電極３５において、チャネル幅方向における長さが酸化物半導体膜３４よ
り長く、更にはチャネル長方向と交差する端部を覆う構造とし、一対の電極３５及び酸化
物半導体膜３４の接触面積を増大させることで、酸化物半導体膜３４と一対の電極３５と
の接触抵抗を低減することが可能であり、トランジスタのオン電流を高めることができる
。

なお、本実施の形態では、一対の電極３５を酸化物半導体膜３４及び絶縁膜３７の間に
設けたが、下地絶縁膜３３及び酸化物半導体膜３４の間に設けてもよい。

また、ゲート絶縁膜４０及びゲート電極上に、実施の形態１と同様に絶縁膜２３及び窒
化絶縁膜２５を設けることで、さらに外部から酸化物半導体膜を有するトランジスタ３へ
の水の侵入を抑制することができる。

ゲート電極４１は、実施の形態１に示すゲート電極１５と同様に形成することができる
。

次に、図３に示すトランジスタの作製方法について、図４を用いて説明する。

図４（Ａ）に示すように、基板３１上に下地絶縁膜３３を形成する。次に、下地絶縁膜
３３上に酸化物半導体膜３４を形成する。

下地絶縁膜３３は、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成する。

下地絶縁膜３３として、加熱により酸素の一部が脱離する酸化絶縁膜をスパッタリング
法により形成する場合は、成膜ガス中の酸素量が高いことが好ましく、酸素、または酸素
及び希ガスの混合ガス等を用いることができる。代表的には、成膜ガス中の酸素濃度を６
％以上１００％以下にすることが好ましい。

また、下地絶縁膜３３としてＣＶＤ法で酸化絶縁膜を形成する場合、原料ガス由来の水
素または水が酸化絶縁膜中に混入される場合がある。このため、ＣＶＤ法で酸化絶縁膜を
形成した後、脱水素化または脱水化として、加熱処理を行うことが好ましい。

さらに、ＣＶＤ法で形成した酸化絶縁膜に、酸素を導入することで、加熱により脱離す
る酸素量を増加させることができる。酸化絶縁膜に酸素を導入する方法としては、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インプランテーション法、プ
ラズマ処理等がある。

ここで、酸化物半導体膜３４は、実施の形態１に示す酸化物半導体膜１９と同様の形成
方法を適宜用いることができる。

また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部の配向を高めるためには、酸化物半導体膜の
下地絶縁膜である、下地絶縁膜３３の表面の平坦性を高めることが好ましい。代表的には
、下地絶縁膜３３の平均面粗さ（Ｒａ）が１ｎｍ以下、０．３ｎｍ以下、または０．１ｎ
ｍ以下にできる。なお、Ｒａは、ＪＩＳ Ｂ０６０１で定義されている算術平均粗さを曲
面に対して適用できるよう三次元に拡張したものであり、「基準面から指定面までの偏差
の絶対値を平均した値」で表現でき、数式（２）にて定義される。

ここで、指定面とは、粗さ計測の対象となる面であり、座標（ｘ_１，ｙ_１，ｆ（ｘ_１，
ｙ_１）），（ｘ_１，ｙ_２，ｆ（ｘ_１，ｙ_２）），（ｘ_２，ｙ_１，ｆ（ｘ_２，ｙ_１）），（
ｘ_２，ｙ_２，ｆ（ｘ_２，ｙ_２））の４点で表される四角形の領域とし、指定面をｘｙ平面
に投影した長方形の面積をＳ_０、基準面の高さ（指定面の平均の高さ）をＺ_０とする。Ｒ
ａは原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）にて
測定可能である。

下地絶縁膜３３の表面の平坦性を高める平坦化処理としては、化学的機械的研磨（Ｃｈ
ｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）処理、ドライエッ
チング処理、真空のチャンバーに不活性ガス、例えばアルゴンガスを導入し、被処理面を
陰極とする電界をかけて、表面の微細な凹凸を平坦化するプラズマ処理（いわゆる逆スパ
ッタ）等の一または複数を適用することができる。

次に、加熱処理を行うことが好ましい。当該加熱処理により、下地絶縁膜３３に含まれ
る酸素の一部を、下地絶縁膜３３及び酸化物半導体膜３４の界面近傍に拡散させることが
できる。この結果、下地絶縁膜３３及び酸化物半導体膜３４の界面近傍における界面準位
を低減することができる。

加熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上基板歪み点未満、好ましくは２５０℃以
上４５０℃以下、更に好ましくは３００℃以上４５０℃以下とする。

加熱処理は、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン、クリプトン等の希ガス、または
窒素を含む不活性ガス雰囲気で行う。または、不活性ガス雰囲気で加熱した後、酸素雰囲
気で加熱してもよい。なお、上記不活性雰囲気及び酸素雰囲気に水素、水などが含まれな
いことが好ましい。処理時間は３分〜２４時間とする。

次に、図４（Ｂ）に示すように、一対の電極３５を形成する。一対の電極３５は実施の
形態１に示す一対の電極２１と同様の形成方法を適宜用いることができる。または、印刷
法またはインクジェット法により一対の電極３５を形成することができる。

次に、図４（Ｃ）に示すように、ゲート絶縁膜４０を構成する絶縁膜３７及び窒化絶縁
膜３９を形成する。

絶縁膜３７は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法等で形成する。

窒化絶縁膜３９は、実施の形態１に示す窒化絶縁膜２５と同様に形成することで、昇温
脱離ガス分析法において、水素分子の放出量が５×１０^２１分子／ｃｍ^３未満、好ましく
は３×１０^２１分子／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは１×１０^２１分子／ｃｍ^３以下であ
り、且つアンモニア分子の放出量が１×１０^２２分子／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０
^２１分子／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは１×１０^２１分子／ｃｍ^３以下である窒化絶縁
膜を形成することができる。

次に、図４（Ｄ）に示すように、ゲート絶縁膜４０上にゲート電極４１を形成する。ゲ
ート電極４１は、実施の形態１に示すゲート電極１５の形成方法を適宜用いることができ
る。

次に、実施の形態１と同様に、加熱処理を行ってもよい。該加熱処理の温度は、代表的
には、１５０℃以上基板歪み点未満、好ましくは２５０℃以上４５０℃以下、更に好まし
くは３００℃以上４５０℃以下とする。

以上の工程により、電気特性の変動が抑制され、信頼性が向上されたトランジスタを作
製することができる。

なお、本実施の形態に示す構成及び方法などは、他の実施の形態及び実施例に示す構成
及び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）
本実施の形態では、実施の形態１及び実施の形態２と異なる構造のトランジスタについ
て、図５を用いて説明する。本実施の形態に示すトランジスタ５は、酸化物半導体膜を介
して対向する複数のゲート電極を有することを特徴とする。

図５に示すトランジスタ５は、基板１１上に設けられるゲート電極１５と、基板１１及
びゲート電極１５上に形成されるゲート絶縁膜１８と、ゲート絶縁膜１８を介して、ゲー
ト電極１５と重なる酸化物半導体膜１９と、酸化物半導体膜１９に接する一対の電極２１
と、を有する。また、ゲート絶縁膜１８、酸化物半導体膜１９、及び一対の電極２１上に
は、絶縁膜２３及び窒化絶縁膜２５で構成される保護膜２６が形成される。また、保護膜
２６を介して酸化物半導体膜１９と重畳するゲート電極６１を有する。

ゲート電極６１は、実施の形態１に示すゲート電極１５と同様に形成することができる
。

本実施の形態に示すトランジスタ５は、酸化物半導体膜１９を介して対向するゲート電
極１５及びゲート電極６１を有する。ゲート電極１５とゲート電極６１に異なる電位を印
加することで、トランジスタ５のしきい値電圧を制御することができる。または、ゲート
電極１５及びゲート電極６１に同電位を印加することで、トランジスタ５のオン電流を増
加させることができる。また、酸化物半導体膜１９及びゲート電極６１の間に、昇温脱離
ガス分析法において、水素分子の放出量が５×１０^２１分子／ｃｍ^３未満、好ましくは３
×１０^２１分子／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは１×１０^２１分子／ｃｍ^３以下であり、
且つアンモニア分子の放出量が１×１０^２２分子／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^２１
分子／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは１×１０^２１分子／ｃｍ^３以下である窒化絶縁膜を
設けることで、窒化絶縁膜から酸化物半導体膜１９への水素及びアンモニアの移動量が少
なく、酸化物半導体膜１９中の水素及び窒素の濃度を低減することができる。また、酸化
物半導体膜１９及びゲート電極６１の間に窒化絶縁膜２５を設けられているため、外部か
ら酸化物半導体膜１９への水の侵入を抑制することができる。即ち、酸化物半導体膜１９
への水に含まれる水素の侵入を抑制することができる。以上の結果、しきい値電圧のマイ
ナスシフトを抑制することができると共に、電気特性のばらつきを低減することができる
。

（実施の形態４）
本実施の形態では、酸化物半導体膜への水素及び窒素の移動を抑制すると共に、酸化物
半導体膜の酸素欠損を低減することが可能なトランジスタ及び保護膜の構造について、図
６を用いて説明する。なお、実施の形態１と重複する構成に関しては説明を省略する。

酸化物半導体を用いたトランジスタにおいて、酸化物半導体膜に含まれる酸素欠損は、
トランジスタの電気特性の不良に繋がる。例えば、膜中に酸素欠損が含まれている酸化物
半導体を用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナス方向に変動しやすく、ノーマリ
ーオン特性となりやすい。これは、酸化物半導体に含まれる酸素欠損に起因して電荷が生
じてしまい、低抵抗化するためである。

また、酸化物半導体膜に酸素欠損が含まれると、経時変化やバイアス温度ストレス試験
（以下、ＢＴ（Ｂｉａｓ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）ストレス試験ともいう。）により、
トランジスタの電気特性、代表的にはしきい値電圧の変動量が増大してしまうという問題
がある。

このため、本実施の形態では、しきい値電圧のマイナスシフトを抑制した、優れた電気
特性を有するトランジスタ及びその作製方法について、説明する。また、経時変化や光Ｂ
Ｔストレス試験による電気特性の変動の少ない、信頼性の高いトランジスタ及びその作製
方法について、説明する。

図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に、半導体装置が有するトランジスタ７の上面図及び断面図
を示す。図６（Ａ）はトランジスタ７の上面図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の一点
鎖線Ａ−Ｂ間の断面図である。なお、図６（Ａ）では、明瞭化のため、基板１１、トラン
ジスタ７の構成要素の一部（例えば、ゲート絶縁膜１８）、絶縁膜２４ａ、絶縁膜２４ｂ
、窒化絶縁膜２５、平坦化膜２７などを省略している。

図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示すトランジスタ７は、基板１１上に設けられるゲート電
極１５と、基板１１及びゲート電極１５上に形成されるゲート絶縁膜１８と、ゲート絶縁
膜１８を介して、ゲート電極１５と重なる酸化物半導体膜１９と、酸化物半導体膜１９に
接する一対の電極２１とを有する。また、ゲート絶縁膜１８、酸化物半導体膜１９、及び
一対の電極２１上には、絶縁膜２４ａ、絶縁膜２４ｂ、及び窒化絶縁膜２５で構成される
保護膜２８が形成される。また、保護膜２８上に平坦化膜２７を設けてもよい。また、保
護膜２８及び平坦化膜２７に形成される開口部３０において、一対の電極２１の一方と接
続する導電膜２９を設けてもよい。

本実施の形態に示すトランジスタ７において、酸化物半導体膜１９に接するように、絶
縁膜２４ａが形成されている。絶縁膜２４ａは、酸素を透過する酸化絶縁膜である。なお
、絶縁膜２４ａは、後に形成する絶縁膜２４ｂを形成する際の、酸化物半導体膜１９への
ダメージ緩和膜としても機能する。

酸素を透過する酸化絶縁膜としては、厚さが５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下、好ましくは５
ｎｍ以上５０ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下の酸化シリコン、酸化窒化
シリコン等を用いることができる。

また、絶縁膜２４ａは、欠陥が少ないことが好ましく、代表的には、ＥＳＲ測定により
、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝２．００１に現れる信号のスピン密度が
３×１０^１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下、更には５．０×１０^１６ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下
であることが好ましい。これは、絶縁膜２４ａに含まれる欠陥密度が多いと、当該欠陥に
酸素が結合してしまい、絶縁膜２４ａにおける酸素の透過量が減少してしまうためである
。

また、絶縁膜２４ａと酸化物半導体膜１９との界面に欠陥が少ないことが好ましく、代
表的には、磁場の向きを膜面に対して平行に印加したＥＳＲ測定により、酸化物半導体膜
中の酸素欠損に由来するｇ＝１．９３に現れる信号のスピン密度が１×１０^１７ｓｐｉｎ
ｓ／ｃｍ^３以下、更には検出下限以下であることが好ましい。酸化物半導体膜１９の酸素
欠損に由来するスピン密度を上記スピン密度以下とすることで、酸化物半導体膜を有する
トランジスタのＶｇ−Ｉｄ特性において、ドレイン電圧が異なる場合のトランジスタがオ
ン状態となるゲート電圧のバラツキを低減できる。

なお、絶縁膜２４ａにおいては、外部から絶縁膜２４ａに入った酸素が全て絶縁膜２４
ａの外部に移動せず、絶縁膜２４ａにとどまる酸素もある。また、絶縁膜２４ａに酸素が
入ると共に、絶縁膜２４ａに含まれる酸素が絶縁膜２４ａの外部へ移動することで、絶縁
膜２４ａにおいて酸素の移動が生じる場合もある。

絶縁膜２４ａとして酸素を透過する酸化絶縁膜を形成すると、絶縁膜２４ａ上に設けら
れる、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化絶縁膜から脱離される酸
素を、絶縁膜２４ａを介して酸化物半導体膜１９に移動させることができる。

絶縁膜２４ａに接するように絶縁膜２４ｂが形成されている。絶縁膜２４ｂは、化学量
論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化絶縁膜を用いて形成する。化学量論的
組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化絶縁膜は、加熱により酸素の一部が脱離す
る。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化絶縁膜は、実施の形態２の
下地絶縁膜３３と同様に、ＴＤＳ分析にて、酸素原子に換算しての酸素の放出量が１．０
×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、好ましくは３．０×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以
上である酸化絶縁膜である。

絶縁膜２４ａとしては、プラズマＣＶＤ装置の真空排気された処理室内に載置された基
板を１８０℃以上４００℃以下、さらに好ましくは２００℃以上３７０℃以下に保持し、
処理室に原料ガスを導入して処理室内における圧力を３０Ｐａ以上２５０Ｐａ以下、さら
に好ましくは４０Ｐａ以上２００Ｐａ以下とし、処理室内に設けられる電極に高周波電力
を供給する条件により、絶縁膜２４ａとして酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を
形成することができる。

なお、シリコンを含む堆積性気体に対する酸化性気体量を１００倍以上とすることで、
絶縁膜２４ａに含まれる水素含有量を低減することが可能である。この結果、絶縁膜２４
ａに混入する水素量を低減できるため、トランジスタのしきい値電圧のマイナスシフトを
抑制することができる。

絶縁膜２４ｂとしては、厚さが３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上
４００ｎｍ以下の、酸化シリコン、酸化窒化シリコン等を用いることができる。

また、絶縁膜２４ｂは、欠陥が少ないことが好ましく、代表的には、ＥＳＲ測定により
、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝２．００１に現れる信号のスピン密度が
１×１０^１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下であることが好ましい。なお、絶縁膜２４ｂは、絶
縁膜２４ａと比較して酸化物半導体膜１９から離れているため、絶縁膜２４ａより、欠陥
密度が多くともよい。

絶縁膜２４ｂとしては、プラズマＣＶＤ装置の真空排気された処理室内に載置された基
板を１８０℃以上２６０℃以下、さらに好ましくは１８０℃以上２４０℃以下に保持し、
処理室に原料ガスを導入して処理室内における圧力を１００Ｐａ以上２５０Ｐａ以下、さ
らに好ましくは１００Ｐａ以上２００Ｐａ以下とし、処理室内に設けられる電極に０．１
７Ｗ／ｃｍ^２以上０．５Ｗ／ｃｍ^２以下、さらに好ましくは０．２５Ｗ／ｃｍ^２以上０．
３５Ｗ／ｃｍ^２以下の高周波電力を供給する条件により、酸化シリコン膜または酸化窒化
シリコン膜を形成する。

絶縁膜２４ｂの成膜条件として、上記圧力の処理室において上記パワー密度の高周波電
力を供給することで、プラズマ中で原料ガスの分解効率が高まり、酸素ラジカルが増加し
、原料ガスの酸化が進むため、絶縁膜２４ｂ中における酸素含有量が化学量論比よりも多
くなる。一方、基板温度が、上記温度で形成された膜では、シリコンと酸素の結合力が弱
いため、後の工程の加熱により酸素の一部が脱離する。この結果、化学量論的組成を満た
す酸素よりも多くの酸素を含み、加熱により酸素の一部が脱離する酸化絶縁膜を形成する
ことができる。また、酸化物半導体膜１９上に絶縁膜２４ａが設けられている。このため
、絶縁膜２４ｂの形成工程において、絶縁膜２４ａが酸化物半導体膜１９へのダメージ緩
和膜として機能する。この結果、酸化物半導体膜１９へのダメージを低減しつつ、パワー
密度の高い高周波電力を用いて絶縁膜２４ｂを形成することができる。

加熱しながら絶縁膜２４ｂを絶縁膜２４ａ上に形成することで、酸化物半導体膜１９に
酸素を移動させ、酸化物半導体膜１９に含まれる酸素欠損を補填することが可能である。
または、絶縁膜２４ａ上に絶縁膜２４ｂを形成した後加熱処理することより、酸素を酸化
物半導体膜１９に移動させ、酸化物半導体膜１９に含まれる酸素欠損を補填することが可
能である。この結果、酸化物半導体膜に含まれる酸素欠損量を低減することができる。

酸化物半導体膜１９のバックチャネル（酸化物半導体膜１９において、ゲート電極１５
と対向する面と反対側の面）に、酸素を透過する酸化絶縁膜を介して、化学量論的組成を
満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化絶縁膜を設けることで、酸化物半導体膜１９のバ
ックチャネル側に酸素を移動させることが可能であり、当該領域の酸素欠損を低減するこ
とができる。

なお、絶縁膜２４ｂの形成工程において、酸化物半導体膜１９にダメージが入らない場
合は、絶縁膜２４ａを設けず、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化
絶縁膜である絶縁膜２４ｂのみを保護膜として設けてもよい。

絶縁膜２４ｂ上に、窒化絶縁膜２５が形成されている。窒化絶縁膜２５を設けることで
、窒化絶縁膜から酸化物半導体膜１９への水素及びアンモニアの移動量が少なく、酸化物
半導体膜１９中の水素及び窒素の濃度を低減することができる。また、トランジスタ７上
には窒化絶縁膜２５が設けられているため、外部から酸化物半導体膜１９への水の侵入を
抑制することができる。即ち、酸化物半導体膜１９への水に含まれる水素の侵入を抑制す
ることができる。なお、窒化絶縁膜２５の酸素ブロッキング性が高いと、絶縁膜２４ｂに
含まれる酸素が外部に移動することを抑制でき、絶縁膜２４ｂに含まれる酸素を酸化物半
導体膜１９に移動させることが可能であるため好ましい。以上の結果、しきい値電圧のマ
イナスシフトを抑制することができると共に、電気特性のばらつきを低減することができ
る。また、トランジスタのソース及びドレインにおけるリーク電流を、代表的には、オフ
電流を低減することが可能である。また、経時変化や光ＢＴストレス試験による電気特性
の変動を抑制することができる。

平坦化膜２７は、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、ポリイミド
、ポリアミド等の有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、シリコーン
樹脂等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膜を複数積層させて
、平坦化膜を形成してもよい。

平坦化膜２７として用いられている有機材料は、無機絶縁膜と比較して水や気体を含む
ため、加熱処理により当該水や気体が酸化物半導体膜に移動する場合がある。また、外部
からの水を透過させやすい。これらのため、平坦化膜２７を形成すると、当該水や気体に
よって酸化物半導体膜を有するトランジスタの電気特性変動が生じ、トランジスタの信頼
性が低下する可能性がある。

そこで、図６に示すトランジスタ７のように、トランジスタ７と平坦化膜２７の間に、
水の侵入を抑制する機能を有する窒化絶縁膜２５を設けることが好ましい。

また、絶縁膜２４ｂと平坦化膜２７との間に窒化絶縁膜２５を設けることで、窒化絶縁
膜２５及び平坦化膜２７の密着性が向上するため、好ましい。

導電膜２９は、一対の電極２１に示す材料を適宜用いることができる。また、導電膜２
９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、酸化ケイ素を含
む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、ゲート絶縁膜１８として、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む
酸化絶縁膜を用いてもよい。ゲート絶縁膜１８に化学量論的組成を満たす酸素よりも多く
の酸素を含む酸化絶縁膜を用いることで、酸化物半導体膜１９及びゲート絶縁膜１８の界
面における界面準位を低減することが可能であり、しきい値電圧のマイナスシフト、及び
トランジスタの電気特性のばらつきを低減することができる。

また、実施の形態１の図２（Ｃ）の工程に示す、酸化物半導体膜１９上に一対の電極２
１を形成した後、酸化物半導体膜１９を酸素雰囲気で発生させたプラズマに曝し、酸化物
半導体膜１９に酸素を供給して、酸素欠損の少ない酸化物半導体膜を形成してもよい。酸
素雰囲気としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素、二酸化窒素等の雰囲気がある。さらに
、プラズマ処理において、基板１１側にバイアスを印加しない状態で発生したプラズマに
酸化物半導体膜１９を曝すことが好ましい。この結果、酸化物半導体膜１９にダメージを
与えず、且つ酸素を供給することが可能であり、酸化物半導体膜１９に含まれる酸素欠損
量を低減することができる。また、一対の電極２１を形成する際のエッチング処理により
酸化物半導体膜１９の表面に残存する不純物、例えば、フッ素、塩素等のハロゲン等を除
去することができる。

以上の工程により、電気特性の変動が抑制され、信頼性が向上されたトランジスタを作
製することができる。また、経時変化や光ＢＴストレス試験による電気特性の変動の少な
い、代表的にはしきい値電圧の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタを作製すること
ができる。

なお、本実施の形態に示す構成及び方法などは、他の実施の形態及び実施例に示す構成
及び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５）
本実施の形態では、実施の形態２とは異なるゲート絶縁膜の構造について、図７を用い
て説明する。

図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に、半導体装置が有するトランジスタ９の上面図及び断面図
を示す。図７（Ａ）はトランジスタ９の上面図であり、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の一点
鎖線Ａ−Ｂ間の断面図である。なお、図７（Ａ）では、明瞭化のため、基板３１、下地絶
縁膜３３、トランジスタ９の構成要素の一部（例えば、絶縁膜３８ａ、絶縁膜３８ｂ、窒
化絶縁膜３９）、平坦化膜４３などを省略している。

図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示すトランジスタ９は、下地絶縁膜３３上に形成される酸
化物半導体膜３４と、酸化物半導体膜３４に接する一対の電極３５とを有する。また、絶
縁膜３８ａ、絶縁膜３８ｂ、及び窒化絶縁膜３９で構成されるゲート絶縁膜４２と、ゲー
ト絶縁膜４２を介して酸化物半導体膜３４と重なるゲート電極４１とを有する。また、ゲ
ート絶縁膜４２及びゲート電極４１を覆う平坦化膜４３を有してもよい。また、ゲート絶
縁膜４２及び平坦化膜４３の開口部４７において、一対の電極３５の一方と接する導電膜
４５とを有してもよい。

本実施の形態に示すトランジスタ９において、酸化物半導体膜３４に接するように、絶
縁膜３８ａが形成されている。絶縁膜３８ａは、酸素を透過する酸化絶縁膜である。絶縁
膜３８ａは、実施の形態４に示す絶縁膜２４ａを適宜用いることができる。

絶縁膜３８ａとして酸素を透過する酸化絶縁膜を形成すると、絶縁膜３８ａ上に設けら
れる、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化絶縁膜から脱離される酸
素を、絶縁膜３８ａを介して酸化物半導体膜３４に移動させることができる。

絶縁膜３８ａに接するように絶縁膜３８ｂが形成されている。絶縁膜３８ｂは化学量論
的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化絶縁膜であり、実施の形態４に示す絶縁
膜２４ｂを適宜用いることができる。

加熱しながら絶縁膜３８ｂを絶縁膜３８ａ上に形成することで、酸化物半導体膜３４に
酸素を移動させ、酸化物半導体膜３４に含まれる酸素欠損を補填することが可能である。
または、絶縁膜３８ａ上に絶縁膜３８ｂを形成した後加熱処理することより、酸素を酸化
物半導体膜３４に移動させ、酸化物半導体膜３４に含まれる酸素欠損を補填することが可
能である。この結果、酸化物半導体膜に含まれる酸素欠損量を低減することができる。

ゲート絶縁膜として、欠陥の少ない絶縁膜を用いることで、しきい値電圧のマイナスシ
フト、及びトランジスタの電気特性のばらつきを低減することができる。

なお、絶縁膜３８ｂの形成工程において、酸化物半導体膜３４にダメージが入らない場
合は、絶縁膜３８ａを設けず、加熱により酸素の一部が脱離する酸化絶縁膜である絶縁膜
３８ｂのみを設けてもよい。

絶縁膜３８ｂ上に、窒化絶縁膜３９が形成されている。窒化絶縁膜３９を設けることで
、窒化絶縁膜から酸化物半導体膜３４への水素及びアンモニアの移動量が少なく、酸化物
半導体膜３４中の水素及び窒素の濃度を低減することができる。また、トランジスタ９上
には窒化絶縁膜３９が設けられているため、外部から酸化物半導体膜３４への水の侵入を
抑制することができる。即ち、酸化物半導体膜３４への水に含まれる水素の侵入を抑制す
ることができる。なお、窒化絶縁膜３９の酸素ブロッキング性が高いと、絶縁膜３８ｂに
含まれる酸素が外部に移動することを抑制でき、絶縁膜３８ｂに含まれる酸素を酸化物半
導体膜３４に移動させることが可能であるため好ましい。以上の結果、しきい値電圧のマ
イナスシフトを抑制することができると共に、電気特性のばらつきを低減することができ
る。また、トランジスタのソース及びドレインにおけるリーク電流を、代表的には、オフ
電流を低減することが可能である。また、経時変化や光ＢＴストレス試験による電気特性
の変動を抑制することができる。

平坦化膜４３は、実施の形態４に示す平坦化膜２７の材料を適宜用いることができる。

なお、絶縁膜３８ｂと平坦化膜４３との間に窒化絶縁膜３９を設けることで、窒化絶縁
膜３９及び平坦化膜４３の密着性が向上するため、好ましい。

導電膜４５は、実施の形態４に示す導電膜２９の材料を適宜用いることができる。

また、実施の形態４と同様に、実施の形態２の図４（Ｂ）の工程に示す、酸化物半導体
膜３４上に一対の電極３５を形成した後、酸化物半導体膜３４を酸素雰囲気で発生させた
プラズマに曝し、酸化物半導体膜３４に酸素を供給して、酸素欠損の少ない酸化物半導体
膜を形成してもよい。この結果、酸化物半導体膜３４に酸素を供給することが可能であり
、酸化物半導体膜３４に含まれる酸素欠損量を低減することができる。

以上の工程により、電気特性の変動が抑制され、信頼性が向上されたトランジスタを作
製することができる。また、経時変化や光ＢＴストレス試験による電気特性の変動の少な
い、代表的にはしきい値電圧の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタを作製すること
ができる。

なお、本実施の形態に示す構成及び方法などは、他の実施の形態及び実施例に示す構成
及び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６）
上記実施の形態で一例を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。本実施の形態では、上記実施の形態で一例を示したトランジスタを用いた表示装
置の例について、図８乃至図１１を用いて説明する。なお、図９（Ａ）、図９（Ｂ）及び
図１０は、図８（Ｂ）中でＭ−Ｎの一点鎖線で示した部位の断面構成を示す断面図である
。

図８（Ａ）において、第１の基板９０１上に設けられた画素部９０２を囲むようにして
、シール材９０５が設けられ、第２の基板９０６によって封止されている。図８（Ａ）に
おいては、第１の基板９０１上のシール材９０５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または多結晶半導体で形成された信号線駆動
回路９０３、及び走査線駆動回路９０４が実装されている。また、信号線駆動回路９０３
、走査線駆動回路９０４、または画素部９０２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ
（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）９１８ａ、ＦＰＣ９１８ｂから
供給されている。

図８（Ｂ）及び図８（Ｃ）において、第１の基板９０１上に設けられた画素部９０２と
、走査線駆動回路９０４とを囲むようにして、シール材９０５が設けられている。また画
素部９０２と、走査線駆動回路９０４の上に第２の基板９０６が設けられている。よって
画素部９０２と、走査線駆動回路９０４とは、第１の基板９０１とシール材９０５と第２
の基板９０６とによって、表示素子と共に封止されている。図８（Ｂ）及び図８（Ｃ）に
おいては、第１の基板９０１上のシール材９０５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または多結晶半導体で形成された信号線駆動
回路９０３が実装されている。図８（Ｂ）及び図８（Ｃ）においては、信号線駆動回路９
０３、走査線駆動回路９０４、または画素部９０２に与えられる各種信号及び電位は、Ｆ
ＰＣ９１８から供給されている。

また図８（Ｂ）及び図８（Ｃ）においては、信号線駆動回路９０３を別途形成し、第１
の基板９０１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良いし、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良い。

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８（Ａ）は、
ＣＯＧ方法により信号線駆動回路９０３、走査線駆動回路９０４を実装する例であり、図
８（Ｂ）は、ＣＯＧ方法により信号線駆動回路９０３を実装する例であり、図８（Ｃ）は
、ＴＡＢ方法により信号線駆動回路９０３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等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ＴＣＰが取り
付けられたモジュール、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（集積回路）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、上記実施の形態で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素子等が含まれる。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。

図９（Ａ）に示す表示装置は、接続端子電極９１５及び端子電極９１６を有しており、
接続端子電極９１５及び端子電極９１６はＦＰＣ９１８が有する端子と異方性導電剤９１
９を介して、電気的に接続されている。

接続端子電極９１５は、第１の電極９３０と同じ導電膜から形成され、端子電極９１６
は、トランジスタ９１０、９１１の一対の電極と同じ導電膜で形成されている。

図９（Ｂ）に示す表示装置は、接続端子電極９１５ａ、９１５ｂ及び端子電極９１６を
有しており、接続端子電極９１５ａ、９１５ｂ及び端子電極９１６はＦＰＣ９１８が有す
る端子と異方性導電剤９１９を介して、電気的に接続されている。

接続端子電極９１５ａは、第１の電極９３０と同じ導電膜から形成され、接続端子電極
９１５ｂは、第２の電極９４１と同じ導電膜から形成され、端子電極９１６は、トランジ
スタ９１０、９１１の一対の電極と同じ導電膜で形成されている。

また、図１０で示すように、半導体装置は接続端子電極９５５及び端子電極９１６を有
しており、接続端子電極９５５及び端子電極９１６はＦＰＣ９１８が有する端子と異方性
導電剤９１９を介して、電気的に接続されている。

接続端子電極９５５は、第２の電極９５１と同じ導電膜から形成され、端子電極９１６
は、トランジスタ９１０、９１１の一対の電極と同じ導電膜で形成されている。

また、第１の基板９０１上に設けられた画素部９０２と、走査線駆動回路９０４は、ト
ランジスタを複数有しており、図９及び図１０では、画素部９０２に含まれるトランジス
タ９１０と、走査線駆動回路９０４に含まれるトランジスタ９１１とを例示している。図
９（Ａ）では、トランジスタ９１０及びトランジスタ９１１上には実施の形態１に示す保
護膜２６または実施の形態４に示す保護膜２８に相当する絶縁膜９２４が設けられ、図９
（Ｂ）では、絶縁膜９２４の上にさらに平坦化膜９２１が設けられている。なお、絶縁膜
９２３は下地膜として機能する絶縁膜である。

本実施の形態では、トランジスタ９１０、トランジスタ９１１として、上記実施の形態
で示したトランジスタを適用することができる。

また、図１０では、絶縁膜９２４上において、駆動回路用のトランジスタ９１１の酸化
物半導体膜のチャネル形成領域と重なる位置に導電膜９１７が設けられている例を示して
いる。本実施の形態では、導電膜９１７を第１の電極９３０と同じ導電膜で形成する。導
電膜９１７を酸化物半導体膜のチャネル形成領域と重なる位置に設けることによって、Ｂ
Ｔストレス試験前後におけるトランジスタ９１１のしきい値電圧の変動量をさらに低減す
ることができる。また、導電膜９１７の電位は、トランジスタ９１１のゲート電極と同じ
でもよいし、異なっていても良く、導電膜を第２のゲート電極として機能させることもで
きる。また、導電膜９１７の電位は、ＧＮＤ、０Ｖ、或いはフローティング状態であって
もよい。

また、導電膜９１７は外部の電場を遮蔽する機能も有する。すなわち外部の電場が内部
（トランジスタを含む回路部）に作用しないようにする機能（特に静電気に対する静電遮
蔽機能）も有する。導電膜９１７の遮蔽機能により、静電気などの外部の電場の影響によ
りトランジスタの電気的な特性が変動することを防止することができる。導電膜９１７は
、上記実施の形態で示した、いずれのトランジスタにも適用可能である。

画素部９０２に設けられたトランジスタ９１０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。

表示素子に電圧を印加する第１の電極及び第２の電極（画素電極、共通電極、対向電極
などともいう）においては、取り出す光の方向、電極が設けられる場所、及び電極のパタ
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９３０、第２の電極９３１、第２の電極９４１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、Ｉ
ＴＯ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９３０、第２の電極９３１、第２の電極９４１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（Ａ
ｇ）等の金属、またはその合金、若しくはその金属窒化物から一つ、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９３０、第２の電極９３１、第２の電極９４１として、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を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、若しくはアニリン、ピロールおよびチオフェンの２種以上からなる共重合体若
しくはその誘導体などがあげられる。

図９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９（Ａ）は、縦電
界方式を採用する例である。

図９（Ａ）において、表示素子である液晶素子９１３は、第１の電極９３０、第２の電
極９３１、及び液晶層９０８を含む。なお、液晶層９０８を挟持するように配向膜として
機能する絶縁膜９３２、絶縁膜９３３が設けられている。また、第２の電極９３１は第２
の基板９０６側に設けられ、第１の電極９３０と第２の電極９３１とは液晶層９０８を介
して重なる構成となっている。

図９（Ｂ）は、横電界方式の一例として、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ Ｆｉｅｌｄ Ｓｗｉ
ｔｃｈｉｎｇ）モードを採用する例である。

図９（Ｂ）において、表示素子である液晶素子９４３は、平坦化膜９２１上に形成され
る第１の電極９３０、第２の電極９４１、及び液晶層９０８を含む。第２の電極９４１は
共通電極として機能する。第１の電極９３０及び第２の電極９４１の間には絶縁膜９４４
が設けられている。絶縁膜９４４は窒化シリコン膜を用いて形成する。なお、液晶層９０
８を挟持するように配向膜として機能する絶縁膜９３２、絶縁膜９３３が設けられている
。

また、スペーサ９３５は絶縁膜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、第１の電極９３０と第２の電極９３１との間隔（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良い。

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、反強誘電性液晶等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、等方相等を示す。

また、配向膜を用いない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。また配向膜を設けなくて
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。

第１の基板９０１及び第２の基板９０６はシール材９２５によって固定されている。シ
ール材９２５は、熱硬化樹脂、光硬化樹脂などの有機樹脂を用いることができる。

なお、図９（Ａ）に示す液晶表示装置においては、シール材９２５は、ゲート絶縁膜９
２２と接し、平坦化膜９２１がシール材９２５の内側に設けられている。なお、ゲート絶
縁膜９２２は、窒化シリコン膜及び酸化窒化シリコン膜を積層して形成する。また、絶縁
膜９２４を選択的にエッチングする際に、ゲート絶縁膜９２２の上層の酸化窒化シリコン
膜をエッチングして、窒化シリコン膜を露出させることが好ましい。この結果、シール材
９２５とゲート絶縁膜９２２に形成される窒化シリコン膜が接する構造となり、外部から
の水がシール材９２５の内部に侵入することを抑制することが可能である。

また、図９（Ｂ）に示す液晶表示装置において、シール材９２５は絶縁膜９２４と接し
ている。平坦化膜９２１がシール材９２５の内側に設けられていると共に、シール材９２
５と絶縁膜９２４の表面の窒化シリコン膜が接するため、外部からの水がシール材９２５
の内部に侵入することを抑制することが可能である。

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
ーク電流等を考慮して、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
化物半導体膜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
あるため、画素における開口率を高めることができる。

また、表示装置において、ブラックマトリクス（遮光膜）、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、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等を用い
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、マゼンタ等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。

図１１に、図９（Ａ）に示す表示装置において、基板９０６に設けられた第２の電極９
３１と電気的に接続するための共通接続部（パッド部）を、基板９０１上に形成する例を
示す。

なお、ここでは面積サイズが大きく異なるため、画素部におけるコンタクトホールと、
共通接続部の開口部と使い分けて呼ぶこととする。また、図９及び図１１では、画素部９
０２と共通接続部とで同じ縮尺で図示しておらず、例えば共通接続部の一点鎖線Ｉ−Ｊの
長さが５００μｍ程度であるのに対して、画素部９０２のトランジスタのサイズは５０μ
ｍ未満であり、実際には１０倍以上面積サイズが大きいが、分かりやすくするため、図９
及び図１１では、画素部９０２と共通接続部の縮尺をそれぞれ変えて図示している。

共通接続部は、基板９０１と基板９０６とを接着するためのシール材と重なる位置に配
置され、シール材に含まれる導電性粒子を介して第２の電極９３１と電気的に接続される
。または、シール材と重ならない箇所（但し、画素部を除く）に共通接続部を設け、共通
接続部に重なるように導電性粒子を含むペーストをシール材とは別途設けて第２の電極９
３１と電気的に接続してもよい。

図１１（Ａ）は、共通接続部の断面図であり、図１１（Ｂ）に示す上面図のＩ−Ｊに相
当する。

共通電位線９７５は、ゲート絶縁膜９２２上に設けられ、図９に示すトランジスタ９１
０のソース電極９７１またはドレイン電極９７３と同じ材料及び同じ工程で作製される。

また、共通電位線９７５は、絶縁膜９２４及び平坦化膜９２１で覆われ、絶縁膜９２４
及び平坦化膜９２１は、共通電位線９７５と重なる位置に複数の開口部を有している。こ
の開口部は、トランジスタ９１０のソース電極９７１またはドレイン電極９７３の一方と
、第１の電極９３０とを接続するコンタクトホールと同じ工程で作製される。

また、共通電位線９７５及び共通電極９７７が開口部において接続する。共通電極９７
７は、平坦化膜９２１上に設けられ、接続端子電極９１５や、画素部の第１の電極９３０
と同じ材料及び同じ工程で作製される。

このように、画素部９０２のスイッチング素子の作製工程と共通させて共通接続部を作
製することができる。

共通電極９７７は、シール材に含まれる導電性粒子と接触する電極であり、基板９０６
の第２の電極９３１と電気的に接続が行われる。

また、図１１（Ｃ）に示すように、共通電位線９８５を、トランジスタ９１０のゲート
電極と同じ材料、同じ工程で作製してもよい。

図１１（Ｃ）に示す共通接続部において、共通電位線９８５は、ゲート絶縁膜９２２、
絶縁膜９２４、及び平坦化膜９２１の下層に設けられ、ゲート絶縁膜９２２、絶縁膜９２
４、及び平坦化膜９２１は、共通電位線９８５と重なる位置に複数の開口部を有する。該
開口部は、トランジスタ９１０のソース電極９７１またはドレイン電極９７３の一方と第
１の電極９３０とを接続するコンタクトホールと同じ工程で絶縁膜９２４及び平坦化膜９
２１をエッチングした後、さらにゲート絶縁膜９２２を選択的にエッチングすることで形
成される。

また、共通電位線９８５及び共通電極９８７が開口部において接続する。共通電極９８
７は、平坦化膜９２１上に設けられ、接続端子電極９１５や、画素部の第１の電極９３０
と同じ材料及び同じ工程で作製される。

なお、図９（Ｂ）に示すＦＦＳモードの液晶表示装置においては、共通電極９７７、９
８７はそれぞれ、第２の電極９４１と接続する。

次に、表示装置に含まれる表示素子として、エレクトロルミネッセンスを利用する発光
素子を適用することができる。エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子は、発光材
料が有機化合物であるか、無機化合物であるかによって区別され、一般的に、前者は有機
ＥＬ素子、後者は無機ＥＬ素子と呼ばれている。

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および正
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、それらキ
ャリア（電子および正孔）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１０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９６３は、画素部９０２に設けられたトランジスタ９１０と電気的に接続している。な
お発光素子９６３の構成は、第１の電極９３０、発光層９６１、第２の電極９３１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９６３から取り出す光の方向などに
合わせて、発光素子９６３の構成は適宜変えることができる。

平坦化膜９２１と第１の電極９３０の間に、窒化シリコン膜９５０を有する。窒化シリ
コン膜９５０は、平坦化膜９２１及び絶縁膜９２４の側面と接する。窒化シリコン膜９５
０及び第１の電極９３０の端部上に隔壁９６０を有する。隔壁９６０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９３０
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。

発光層９６１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良い。

発光素子９６３に酸素、水素、水分、二酸化炭素等が侵入しないように、第２の電極９
３１及び隔壁９６０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、窒化
酸化シリコン、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、ＤＬＣ膜等を形成することができる。また、第１の基板９０１、第２の基
板９０６、及びシール材９３６によって封止された空間には充填材９６４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等）やカバー材でパッケージング（
封入）することが好ましい。

シール材９３６は熱硬化樹脂、光硬化樹脂などの有機樹脂や、低融点ガラスを含むフリ
ットガラスなどを用いることができる。フリットガラスは、水や酸素などの不純物に対し
てバリア性が高いため好ましい。また、シール材９３６としてフリットガラスを用いる場
合、図１０に示すように、窒化シリコン膜９５０上にフリットガラスを設けることで、窒
化シリコン膜９５０及びフリットガラスの密着性を高めると共に、外部からシール材９３
６内部への水の侵入を妨げることができる。

充填材９６４としては窒素やアルゴンなどの不活性な気体の他に、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）、アクリル樹脂、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膜を設けてもよい。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。

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。

以上のように上記実施の形態で示したトランジスタを適用することで、表示機能を有す
る信頼性のよい半導体装置を提供することができる。

本実施の形態は、他の実施の形態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。

（実施の形態７）
実施の形態１乃至実施の形態６のいずれかに示したトランジスタを用いて、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を作製することができる。

図１２（Ａ）に、イメージセンサ機能を有する半導体装置の一例を示す。図１２（Ａ）
はフォトセンサの等価回路であり、図１２（Ｂ）はフォトセンサの一部を示す断面図であ
る。

フォトダイオード６０２は、一方の電極がフォトダイオードリセット信号線６５８に、
他方の電極がトランジスタ６４０のゲートに電気的に接続されている。トランジスタ６４
０は、ソース又はドレインの一方がフォトセンサ基準信号線６７２に、ソース又はドレイ
ンの他方がトランジスタ６５６のソース又はドレインの一方に電気的に接続されている。
トランジスタ６５６は、ゲートがゲート信号線６５９に、ソース又はドレインの他方がフ
ォトセンサ出力信号線６７１に電気的に接続されている。

なお、本明細書における回路図において、酸化物半導体膜を用いるトランジスタと明確
に判明できるように、酸化物半導体膜を用いるトランジスタの記号には「ＯＳ」と記載し
ている。図１２（Ａ）において、トランジスタ６４０、トランジスタ６５６は実施の形態
１乃至実施の形態６のいずれかに示したトランジスタが適用でき、酸化物半導体膜を用い
るトランジスタである。本実施の形態では、実施の形態４で示したトランジスタ７と同様
な構造を有するトランジスタを適用する例を示す。

図１２（Ｂ）は、フォトセンサにおけるフォトダイオード６０２及びトランジスタ６４
０に示す断面図であり、絶縁表面を有する基板６０１（素子基板）上に、センサとして機
能するフォトダイオード６０２及びトランジスタ６４０が設けられている。フォトダイオ
ード６０２、トランジスタ６４０の上には接着層６０８を用いて基板６１３が設けられて
いる。

トランジスタ６４０上には絶縁膜６３２、平坦化膜６３３、平坦化膜６３４が設けられ
ている。フォトダイオード６０２は、平坦化膜６３３上に形成された電極６４１ｂと、電
極６４１ｂ上に順に積層された第１の半導体膜６０６ａ、第２の半導体膜６０６ｂ、及び
第３の半導体膜６０６ｃと、平坦化膜６３４上に設けられ、第１乃至第３の半導体膜を介
して電極６４１ｂと電気的に接続する電極６４２と、電極６４１ｂと同じ層に設けられ、
電極６４２と電気的に接続する電極６４１ａと、を有している。

電極６４１ｂは、平坦化膜６３４に形成された導電膜６４３と電気的に接続し、電極６
４２は電極６４１ａを介して導電膜６４５と電気的に接続している。導電膜６４５は、ト
ランジスタ６４０のゲート電極と電気的に接続しており、フォトダイオード６０２はトラ
ンジスタ６４０と電気的に接続している。

ここでは、第１の半導体膜６０６ａとしてｐ型の導電型を有する半導体膜と、第２の半
導体膜６０６ｂとして高抵抗な半導体膜（ｉ型半導体膜）、第３の半導体膜６０６ｃとし
てｎ型の導電型を有する半導体膜を積層するｐｉｎ型のフォトダイオードを例示している
。

第１の半導体膜６０６ａはｐ型半導体膜であり、ｐ型を付与する不純物元素を含むアモ
ルファスシリコン膜により形成することができる。第１の半導体膜６０６ａの形成には１
３族の不純物元素（例えばボロン（Ｂ））を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶ
Ｄ法により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン（ＳｉＨ_４）を用いればよい。また
は、Ｓｉ_２Ｈ_６、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２、ＳｉＨＣｌ_３、ＳｉＣｌ_４、ＳｉＦ_４等を用いてもよ
い。また、不純物元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオ
ン注入法を用いて該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入
法等により不純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよ
い。この場合にアモルファスシリコン膜を形成する方法としては、ＬＰＣＶＤ法、気相成
長法、又はスパッタリング法等を用いればよい。第１の半導体膜６０６ａの膜厚は１０ｎ
ｍ以上５０ｎｍ以下となるよう形成することが好ましい。

第２の半導体膜６０６ｂは、ｉ型半導体膜（真性半導体膜）であり、アモルファスシリ
コン膜により形成する。第２の半導体膜６０６ｂの形成には、半導体材料ガスを用いて、
アモルファスシリコン膜をプラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしては、
シラン（ＳｉＨ_４）を用いればよい。または、Ｓｉ_２Ｈ_６、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２、ＳｉＨＣｌ
_３、ＳｉＣｌ_４、ＳｉＦ_４等を用いてもよい。第２の半導体膜６０６ｂの形成は、ＬＰＣ
ＶＤ法、気相成長法、スパッタリング法等により行ってもよい。第２の半導体膜６０６ｂ
の膜厚は２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下となるように形成することが好ましい。

第３の半導体膜６０６ｃは、ｎ型半導体膜であり、ｎ型を付与する不純物元素を含むア
モルファスシリコン膜により形成する。第３の半導体膜６０６ｃの形成には、１５族の不
純物元素（例えばリン（Ｐ））を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により
形成する。半導体材料ガスとしてはシラン（ＳｉＨ_４）を用いればよい。または、Ｓｉ_２
Ｈ_６、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２、ＳｉＨＣｌ_３、ＳｉＣｌ_４、ＳｉＦ_４等を用いてもよい。また、
不純物元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入法を
用いて該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により
不純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場
合にアモルファスシリコン膜を形成する方法としては、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、又は
スパッタリング法等を用いればよい。第３の半導体膜６０６ｃの膜厚は２０ｎｍ以上２０
０ｎｍ以下となるよう形成することが好ましい。

また、第１の半導体膜６０６ａ、第２の半導体膜６０６ｂ、及び第３の半導体膜６０６
ｃは、アモルファス半導体ではなく、多結晶半導体を用いて形成してもよいし、微結晶（
セミアモルファス（Ｓｅｍｉ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：ＳＡ
Ｓ））半導体を用いて形成してもよい。

また、光電効果で発生した正孔の移動度は電子の移動度に比べて小さいため、ｐｉｎ型
のフォトダイオードはｐ型の半導体膜側を受光面とする方がよい特性を示す。ここでは、
ｐｉｎ型のフォトダイオードが形成されている基板６０１の面からフォトダイオード６０
２が受ける光を電気信号に変換する例を示す。また、受光面とした半導体膜側とは逆の導
電型を有する半導体膜側からの光は外乱光となるため、電極は遮光性を有する導電膜を用
いるとよい。また、ｎ型の半導体膜側を受光面として用いることもできる。

絶縁膜６３２、平坦化膜６３３、平坦化膜６３４としては、絶縁性材料を用いて、その
材料に応じて、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ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）、スクリーン印刷、オフセット印刷等を用いて
形成することができる。

平坦化膜６３３、６３４としては、例えばポリイミド、アクリル樹脂、ベンゾシクロブ
テン系樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂等の、耐熱性を有する有機絶縁材料を用いること
ができる。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）等の単層、又は積層を用
いることができる。

フォトダイオード６０２に入射する光を検出することによって、被検出物の情報を読み
取ることができる。なお、被検出物の情報を読み取る際にバックライトなどの光源を用い
ることができる。

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８）
本明細書に開示する半導体装置は、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、テレビジョン装置（テレビ、又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、デジ
タルフォトフレーム、携帯電話機、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、遊技
機（パチンコ機、スロットマシン等）、ゲーム筐体が挙げられる。これらの電子機器の具
体例を図１３に示す。

図１３（Ａ）は、表示部を有するテーブル９０００を示している。テーブル９０００は
、筐体９００１に表示部９００３が組み込まれており、表示部９００３により映像を表示
することが可能である。なお、４本の脚部９００２により筐体９００１を支持した構成を
示している。また、電力供給のための電源コード９００５を筐体９００１に有している。

上記実施の形態のいずれかに示す半導体装置は、表示部９００３に用いることが可能で
あり、電子機器に高い信頼性を付与することができる。

表示部９００３は、タッチ入力機能を有しており、テーブル９０００の表示部９００３
に表示された表示ボタン９００４を指などで触れることで、画面操作や、情報を入力する
ことができ、また他の家電製品との通信を可能とする、又は制御を可能とすることで、画
面操作により他の家電製品をコントロールする制御装置としてもよい。例えば、実施の形
態７に示したイメージセンサ機能を有する半導体装置を用いれば、表示部９００３にタッ
チ入力機能を持たせることができる。

また、筐体９００１に設けられたヒンジによって、表示部９００３の画面を床に対して
垂直に立てることもでき、テレビジョン装置としても利用できる。狭い部屋においては、
大きな画面のテレビジョン装置は設置すると自由な空間が狭くなってしまうが、テーブル
に表示部が内蔵されていれば、部屋の空間を有効に利用することができる。

図１３（Ｂ）は、テレビジョン装置９１００を示している。テレビジョン装置９１００
は、筐体９１０１に表示部９１０３が組み込まれており、表示部９１０３により映像を表
示することが可能である。なお、ここではスタンド９１０５により筐体９１０１を支持し
た構成を示している。

テレビジョン装置９１００の操作は、筐体９１０１が備える操作スイッチや、別体のリ
モコン操作機９１１０により行うことができる。リモコン操作機９１１０が備える操作キ
ー９１０９により、チャンネルや音量の操作を行うことができ、表示部９１０３に表示さ
れる映像を操作することができる。また、リモコン操作機９１１０に、当該リモコン操作
機９１１０から出力する情報を表示する表示部９１０７を設ける構成としてもよい。

図１３（Ｂ）に示すテレビジョン装置９１００は、受信機やモデムなどを備えている。
テレビジョン装置９１００は、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又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）又は双方向（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。

上記実施の形態のいずれかに示す半導体装置は、表示部９１０３、９１０７に用いるこ
とが可能であり、テレビジョン装置、及びリモコン操作機に高い信頼性を付与することが
できる。

図１３（Ｃ）はコンピュータであり、本体９２０１、筐体９２０２、表示部９２０３、
キーボード９２０４、外部接続ポート９２０５、ポインティングデバイス９２０６等を含
む。

上記実施の形態のいずれかに示す半導体装置は、表示部９２０３に用いることが可能で
あり、コンピュータに高い信頼性を付与することができる。

図１４（Ａ）及び図１４（Ｂ）は２つ折り可能なタブレット型端末である。図１４（Ａ
）は、開いた状態であり、タブレット型端末は、筐体９６３０、表示部９６３１ａ、表示
部９６３１ｂ、表示モード切り替えスイッチ９０３４、電源スイッチ９０３５、省電力モ
ード切り替えスイッチ９０３６、留め具９０３３、操作スイッチ９０３８、を有する。

上記実施の形態のいずれかに示す半導体装置は、表示部９６３１ａ、表示部９６３１ｂ
に用いることが可能であり、信頼性の高いタブレット型端末とすることが可能となる。

表示部９６３１ａは、一部をタッチパネルの領域９６３２ａとすることができ、表示さ
れた操作キー９６３８にふれることでデータ入力をすることができる。なお、表示部９６
３１ａにおいては、一例として半分の領域が表示のみの機能を有する構成、もう半分の領
域がタッチパネルの機能を有する構成を示しているが該構成に限定されない。表示部９６
３１ａの全ての領域がタッチパネルの機能を有する構成としても良い。例えば、表示部９
６３１ａの全面をキーボードボタン表示させてタッチパネルとし、表示部９６３１ｂを表
示画面として用いることができる。

また、表示部９６３１ｂにおいても表示部９６３１ａと同様に、表示部９６３１ｂの一
部をタッチパネルの領域９６３２ｂとすることができる。また、タッチパネルのキーボー
ド表示切り替えボタン９６３９が表示されている位置に指やスタイラスなどでふれること
で表示部９６３１ｂにキーボードボタン表示することができる。

また、タッチパネルの領域９６３２ａとタッチパネルの領域９６３２ｂに対して同時に
タッチ入力することもできる。

また、表示モード切り替えスイッチ９０３４は、縦表示又は横表示などの表示の向きを
切り替え、白黒表示やカラー表示の切り替えなどを選択できる。省電力モード切り替えス
イッチ９０３６は、タブレット型端末に内蔵している光センサで検出される使用時の外光
の光量に応じて表示の輝度を最適なものとすることができる。タブレット型端末は光セン
サだけでなく、ジャイロ、加速度センサ等の傾きを検出するセンサなどの他の検出装置を
内蔵させてもよい。

また、図１４（Ａ）では表示部９６３１ｂと表示部９６３１ａの表示面積が同じ例を示
しているが特に限定されず、一方のサイズともう一方のサイズが異なっていてもよく、表
示の品質も異なっていてもよい。例えば一方が他方よりも高精細な表示を行える表示パネ
ルとしてもよい。

図１４（Ｂ）は、閉じた状態であり、タブレット型端末は、筐体９６３０、太陽電池９
６３３、充放電制御回路９６３４を有する。なお、図１４（Ｂ）では充放電制御回路９６
３４の一例としてバッテリー９６３５、ＤＣＤＣコンバータ９６３６を有する構成につい
て示している。

なお、タブレット型端末は２つ折り可能なため、未使用時に筐体９６３０を閉じた状態
にすることができる。従って、表示部９６３１ａ、表示部９６３１ｂを保護できるため、
耐久性に優れ、長期使用の観点からも信頼性の優れたタブレット型端末を提供できる。

また、この他にも図１４（Ａ）及び図１４（Ｂ）に示したタブレット型端末は、様々な
情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示する機能、カレンダー、日付又は時刻な
どを表示部に表示する機能、表示部に表示した情報をタッチ入力操作又は編集するタッチ
入力機能、様々なソフトウェア（プログラム）によって処理を制御する機能、等を有する
ことができる。

タブレット型端末の表面に装着された太陽電池９６３３によって、電力をタッチパネル
、表示部、又は映像信号処理部等に供給することができる。なお、太陽電池９６３３は、
筐体９６３０の片面又は両面に設けることができ、バッテリー９６３５の充電を効率的に
行うことができる。なお、バッテリー９６３５としては、リチウムイオン電池を用いると
、小型化を図れる等の利点がある。

また、図１４（Ｂ）に示す充放電制御回路９６３４の構成、及び動作について図１４（
Ｃ）にブロック図を示し説明する。図１４（Ｃ）には、太陽電池９６３３、バッテリー９
６３５、ＤＣＤＣコンバータ９６３６、コンバータ９６３７、スイッチＳＷ１乃至ＳＷ３
、表示部９６３１について示しており、バッテリー９６３５、ＤＣＤＣコンバータ９６３
６、コンバータ９６３７、スイッチＳＷ１乃至ＳＷ３が、図１４（Ｂ）に示す充放電制御
回路９６３４に対応する箇所となる。

まず外光により太陽電池９６３３により発電がされる場合の動作の例について説明する
。太陽電池で発電した電力は、バッテリー９６３５を充電するための電圧となるようＤＣ
ＤＣコンバータ９６３６で昇圧又は降圧がなされる。そして、表示部９６３１の動作に太
陽電池９６３３からの電力が用いられる際にはスイッチＳＷ１をオンにし、コンバータ９
６３７で表示部９６３１に必要な電圧に昇圧又は降圧をすることとなる。また、表示部９
６３１での表示を行わない際には、ＳＷ１をオフにし、ＳＷ２をオンにしてバッテリー９
６３５の充電を行う構成とすればよい。

なお太陽電池９６３３については、発電手段の一例として示したが、特に限定されず、
圧電素子（ピエゾ素子）や熱電変換素子（ペルティエ素子）などの他の発電手段によるバ
ッテリー９６３５の充電を行う構成であってもよい。例えば、無線（非接触）で電力を送
受信して充電する無接点電力伝送モジュールや、また他の充電手段を組み合わせて行う構
成としてもよい。

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、本発明の一態様に係るトランジスタに適用できる、窒化絶縁膜を評価し
た結果について説明する。詳細には、加熱による水素分子の放出量、加熱によるアンモニ
ア分子の放出量及び加熱による水分子の放出量を評価した結果について説明する。

はじめに、評価した試料の作製方法を説明する。作製した試料は、構造１及び構造２で
ある。

構造１は、シリコンウェハ９９１上に、実施の形態１に示す窒化絶縁膜２５（図１参照
）に適用できる形成条件を用いてプラズマＣＶＤ法により窒化シリコン膜９９３を形成し
て、作製された（図１５（Ａ）参照）。

窒化シリコン膜９９３は、条件１乃至条件３の３条件を用いて形成し、それぞれの条件
で形成した試料を試料Ａ１乃至試料Ａ３とした。なお、試料Ａ１乃至試料Ａ３ともに窒化
シリコン膜９９３の厚さを５０ｎｍとした。

条件１は、シリコンウェハ９９１を保持する温度を２２０℃とし、流量５０ｓｃｃｍの
シランと、流量５０００ｓｃｃｍの窒素と、流量１００ｓｃｃｍのアンモニアとを、原料
ガスとし、処理室内の圧力を２００Ｐａとし、平行平板電極に供給する高周波電力を２７
．１２ＭＨｚ、１０００Ｗ（電力密度としては１．６×１０^−１Ｗ／ｃｍ^２）とした。な
お、アンモニアの流量に対する窒素の流量比は５０である。

条件２は、条件１の平行平板電極に供給する高周波電力を１５０Ｗ（電力密度としては
、２．５×１０^−２Ｗ／ｃｍ^２）とした条件である。

条件３は、シリコンウェハ９９１を保持する温度を２２０℃とし、流量３０ｓｃｃｍの
シランと、流量１５００ｓｃｃｍの窒素と、流量１５００ｓｃｃｍのアンモニアとを、原
料ガスとし、処理室内の圧力を２００Ｐａとし、平行平板電極に供給する高周波電力を２
７．１２ＭＨｚ、１５０Ｗ（電力密度としては２．５×１０^−２Ｗ／ｃｍ^２）とした。な
お、アンモニアの流量に対する窒素の流量比は１である。

試料Ａ１乃至試料Ａ３についてＴＤＳ分析（昇温脱離ガス分析）を行った。なお、各試
料において、シリコンウェハ９９１を、６５℃以上６１０℃以下で加熱した。

ＴＤＳ分析の結果を示す曲線におけるピークは、分析した試料（本実施例では試料Ａ１
乃至試料Ａ３）に含まれる原子または分子が外部に放出されることで現れるピークである
。なお、外部に放出される原子または分子の総量は、当該ピークの積分値に相当する。そ
れゆえ、当該ピーク強度の高低によって窒化シリコン膜に含まれる原子または分子の総量
を評価できる。

試料Ａ１乃至試料Ａ３についてのＴＤＳ分析結果を図１６及び図１７に示す。図１６（
Ａ）は、基板温度に対するＭ／ｚ＝２である気体、代表的には水素分子の放出量を示した
グラフである。図１６（Ｂ）は、基板温度に対するＭ／ｚ＝１８である気体、代表的には
水分子の放出量を示したグラフである。図１６（Ｃ）は、図１６（Ａ）の曲線のピークの
積分値から算出した水素分子の放出量を示したグラフである。図１７（Ａ）は、基板温度
に対するＭ／ｚ＝１７である気体、代表的にはアンモニア分子の放出量を示したグラフで
ある。図１７（Ｂ）は、図１７（Ａ）の曲線のピークの積分値から算出したアンモニア分
子の放出量を示したグラフである。なお、本ＴＤＳ分析における水素分子の検出下限は１
．０×１０^２１分子／ｃｍ^３以下であり、アンモニア分子の検出下限は、２．０×１０^２
０分子／ｃｍ^３である。

図１６（Ａ）より、水素分子のＴＤＳ強度は、試料Ａ２のほうが、試料Ａ１及び試料Ａ
３より高いと確認された。そして、図１６（Ｃ）より、試料Ａ２の基板温度に対する水素
分子の放出量は、試料Ａ１及び試料Ａ３の５倍程度であると確認された。また、図１６（
Ｂ）より、試料Ａ１乃至試料Ａ３は、基板温度１００℃以上２００℃以下の範囲に水分子
の放出を示すピークが確認された。なお、試料Ａ３のみ当該範囲に鋭いピークが検出され
た。

一方、図１７（Ａ）より、アンモニア分子のＴＤＳ強度は、試料Ａ３のほうが、試料Ａ
１及び試料Ａ２より高いことが確認された。そして、図１７（Ｂ）より、基板温度に対す
るアンモニア分子の放出量は、試料Ａ３が、試料Ａ１及び試料Ａ２の少なくとも約１６倍
以上であると確認された。なお、試料Ａ２のアンモニア分子の放出量は検出下限以下であ
った。

次に、作製した試料のうち、構造２について説明する。構造２は、シリコンウェハ９９
１上に、実施の形態４に示す絶縁膜２４ｂ（図６参照）に適用できる形成条件を用いてプ
ラズマＣＶＤ法により酸化窒化シリコン膜９９５を形成し、酸化窒化シリコン膜９９５上
に構造１と同様にして窒化シリコン膜９９３を形成して、作製された（図１５（Ｂ）参照
）。

構造２について、窒化シリコン膜９９３における水の移動を抑制する効果を評価するた
め、酸化窒化シリコン膜９９５は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む
酸化窒化シリコン膜とした。ここで、シリコンウェハ上に厚さ４００ｎｍの酸化窒化シリ
コン膜９９５のみを形成した試料についてＴＤＳ分析（昇温脱離ガス分析）を行った結果
を図１９に示す。なお、各試料において、シリコンウェハ９９１を、７０℃以上５７０℃
以下で加熱した。図１９（Ａ）は、基板温度に対するＭ／ｚ＝３２である気体、代表的に
は酸素分子の放出量を示したグラフであり、図１９（Ｂ）は、基板温度に対するＭ／ｚ＝
１８である気体、代表的には水分子の放出量を示したグラフである。化学量論的組成を満
たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化窒化シリコン膜は、膜中に酸素が含まれていると共
に（図１９（Ａ）参照）、水も含まれている（図１９（Ｂ）参照）。このため、試料Ａ４
乃至試料Ａ６において、基板温度に対する水分子の放出量を評価することで窒化シリコン
膜９９３に水の移動を抑制する効果があるか否か評価できる。

酸化窒化シリコン膜９９５の形成条件は、シリコンウェハ９９１を保持する温度を２２
０℃とし、流量１６０ｓｃｃｍのシランと、流量４０００ｓｃｃｍの一酸化窒素とを、原
料ガスとし、処理室内の圧力を２００Ｐａとし、平行平板電極に供給する高周波電力を２
７．１２ＭＨｚ、１５００Ｗ（電力密度としては２．５×１０^−１Ｗ／ｃｍ^２）とした。
酸化窒化シリコン膜９９５の厚さは４００ｎｍとした。

構造２において、窒化シリコン膜９９３は、上記条件１乃至条件３の３条件を用いて形
成し、それぞれの条件で形成した試料を試料Ａ４乃至試料Ａ６とした。なお、試料Ａ４乃
至試料Ａ６ともに窒化シリコン膜９９３の厚さは５０ｎｍとした。条件１乃至条件３の詳
細は、構造１の場合と同じである。

構造２において、水の移動を抑制する効果を評価するために、試料Ａ４乃至試料Ａ６に
ついてＴＤＳ分析（昇温脱離ガス分析）を行った。なお、各試料において、シリコンウェ
ハ９９１を、７０℃以上５８０℃以下で加熱した。

試料Ａ４乃至試料Ａ６についてのＴＤＳ分析結果を図１８に示す。図１８（Ａ）は、基
板温度に対する水素分子の放出量を示したグラフである。図１８（Ｂ）は、基板温度に対
する水分子の放出量を示したグラフである。

図１８（Ａ）より、水素分子のＴＤＳ強度は、試料Ａ５のほうが、試料Ａ４及び試料Ａ
６より高いと確認された。また、図１８（Ｂ）より、水分子のＴＤＳ強度は、小さなピー
クが確認できるが、試料Ａ４乃至試料Ａ６において大きな差は見られなかった。

構造２において、試料Ａ４乃至試料Ａ６は、水を含む酸化窒化シリコン膜９９５がある
にも関わらず、水分子の脱離を示すピークの強度はとても低いことが確認できた。従って
、試料Ａ４乃至試料Ａ６の各条件は、水の移動を抑制する効果を有する絶縁膜を形成でき
る条件であるといえる。

しかしながら、試料Ａ５と同じ条件を用いた窒化シリコン膜を有する試料Ａ２は水素分
子の放出量が多く、試料Ａ３はアンモニア分子の放出量が多い。酸化物半導体を有するト
ランジスタにおいて、酸化物半導体膜に水素及び窒素が含まれると、酸化物半導体膜にお
いてキャリアである電子が生じてしまい、トランジスタがノーマリーオン特性となる。こ
のことから、水素分子、及び窒素の供給源であるアンモニア分子は共に、トランジスタの
電気特性を変動させる不純物である。例えば、試料Ａ３のようにアンモニア分子の放出量
が多いということは、窒素供給源が多いということであり、そのような絶縁膜をトランジ
スタ上に形成することで、またはトランジスタのゲート絶縁膜に形成することで、トラン
ジスタはノーマリーオン特性となる。

そこで、酸化物半導体膜を有するトランジスタ上に、試料Ａ１及び試料Ａ４で用いた条
件１により形成する窒化シリコン膜のように、水素分子の放出量及びアンモニア分子の放
出量の少ない窒化絶縁膜を設けることで、電気特性変動を抑制したトランジスタ、または
信頼性を向上させたトランジスタを作製することができる。また、酸化物半導体膜を有す
るトランジスタのゲート絶縁膜において、試料Ａ１及び試料Ａ４で用いた条件１により形
成する窒化シリコン膜のように、水素分子の放出量及びアンモニア分子の放出量の少ない
窒化絶縁膜を設けることで、電気特性変動を抑制したトランジスタ、または信頼性を向上
させたトランジスタを作製することができる。

次に、上記条件１乃至条件３を用いて形成した窒化シリコン膜を有するトランジスタを
作製し、Ｖｇ−Ｉｄ特性を測定した。

はじめに、試料Ｂ１乃至試料Ｂ３に含まれるトランジスタの作製工程について説明する
。本実施例では図２を参照して説明する。

まず、図２（Ａ）に示すように、基板１１としてガラス基板を用い、基板１１上にゲー
ト電極１５を形成した。

スパッタリング法で厚さ１００ｎｍのタングステン膜を形成し、フォトリソグラフィ工
程により該タングステン膜上にマスクを形成し、該マスクを用いて該タングステン膜の一
部をエッチングし、ゲート電極１５を形成した。

次に、ゲート電極１５上にゲート絶縁膜１８を形成した。

ゲート絶縁膜として、厚さ５０ｎｍの窒化シリコン膜、及び厚さ２００ｎｍの酸化窒化
シリコン膜を積層して形成した。該窒化シリコン膜は、シラン５０ｓｃｃｍ、窒素５００
０ｓｃｃｍをプラズマＣＶＤ装置の処理室に供給し、処理室内の圧力を６０Ｐａに制御し
、２７．１２ＭＨｚの高周波電源を用いて１５０Ｗの電力を供給して形成した。該酸化窒
化シリコン膜は、シラン２０ｓｃｃｍ、一酸化二窒素３０００ｓｃｃｍをプラズマＣＶＤ
装置の処理室に供給し、処理室内の圧力を４０Ｐａに制御し、２７．１２ＭＨｚの高周波
電源を用いて１００Ｗの電力を供給して形成した。なお、該窒化シリコン膜及び該酸化窒
化シリコン膜は、基板温度を３５０℃として形成した。

次に、ゲート絶縁膜１８を介してゲート電極１５に重なる酸化物半導体膜１９を形成し
た。

ここでは、ゲート絶縁膜１８上にＣＡＡＣ−ＯＳ膜であるＩＧＺＯ膜をスパッタリング
法で形成し、フォトリソグラフィ工程により該ＩＧＺＯ膜上にマスクを形成し、該マスク
を用いて該ＩＧＺＯ膜の一部をエッチングした。その後、エッチングされたＩＧＺＯ膜に
加熱処理を行い、酸化物半導体膜１９を形成した。なお、本実施例では厚さ３５ｎｍのＩ
ＧＺＯ膜を形成した。

ＩＧＺＯ膜は、スパッタリングターゲットをＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（原子数比
）のターゲットとし、スパッタリングガスとして５０ｓｃｃｍのＡｒと５０ｓｃｃｍの酸
素をスパッタリング装置の処理室内に供給し、処理室内の圧力を０．６Ｐａに制御し、５
ｋＷの直流電力を供給して形成した。なお、ＩＧＺＯ膜を形成する際の基板温度は１７０
℃とした。

次に、加熱処理を行い、酸化物半導体膜に含まれる水、水素等を放出させた。ここでは
、窒素雰囲気で、４５０℃、１時間の加熱処理を行った後、窒素及び酸素雰囲気で、４５
０℃、１時間の加熱処理を行った。

ここまでの工程で得られた構成は図２（Ｂ）を参照できる。

次に、ゲート絶縁膜１８の一部をエッチングしてゲート電極を露出された後（図示しな
い。）、図２（Ｃ）に示すように、酸化物半導体膜１９に接する一対の電極２１を形成し
た。

ゲート絶縁膜１８及び酸化物半導体膜１９上に導電膜を形成し、フォトリソグラフィ工
程により該導電膜上にマスクを形成し、該マスクを用いて該導電膜の一部をエッチングし
、一対の電極２１を形成した。なお、該導電膜は、厚さ５０ｎｍのタングステン膜上に厚
さ４００ｎｍのアルミニウム膜を形成し、該アルミニウム膜上に厚さ１００ｎｍのチタン
膜を形成した。

次に、減圧された処理室に基板を移動し、２２０℃で加熱した後、一酸化二窒素が充填
された処理室に基板を移動させた。次に、処理室に設けられる上部電極に２７．１２ＭＨ
ｚの高周波電源を用いて１５０Ｗの高周波電力を供給して発生させた酸素プラズマに酸化
物半導体膜１９を曝した。

次に、上記プラズマ処理の後、大気に曝すことなく、連続的に酸化物半導体膜１９及び
一対の電極２１上に絶縁膜２３を形成した。厚さ５０ｎｍの第１の酸化窒化シリコン膜及
び厚さ４００ｎｍの第２の酸化窒化シリコン膜を積層して形成した。

第１の酸化窒化シリコン膜としては、流量３０ｓｃｃｍのシラン及び流量４０００ｓｃ
ｃｍの一酸化二窒素を原料ガスとし、処理室の圧力を４０Ｐａ、基板温度を２２０℃とし
、１５０Ｗの高周波電力を平行平板電極に供給したプラズマＣＶＤ法により形成した。

第２の酸化窒化シリコン膜としては、流量１６０ｓｃｃｍのシラン及び流量４０００ｓ
ｃｃｍの一酸化二窒素を原料ガスとし、処理室の圧力を２００Ｐａ、基板温度を２２０℃
とし、１５００Ｗの高周波電力を平行平板電極に供給したプラズマＣＶＤ法により形成し
た。当該条件により、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含み、加熱により
酸素の一部が脱離する酸化窒化シリコン膜を形成することができる。

次に、加熱処理を行い、絶縁膜２３から水、水素等を放出させた。ここでは、窒素及び
酸素雰囲気で、３５０℃、１時間の加熱処理を行った。

次に、図２（Ｄ）に示すように、絶縁膜２３上に窒化絶縁膜２５を形成した。

試料Ｂ１において、窒化絶縁膜２５として、試料Ａ１の条件１を用いた窒化シリコン膜
を形成した。

試料Ｂ２において、窒化絶縁膜２５として、試料Ａ２の条件２を用いた窒化シリコン膜
を形成した。

試料Ｂ３において、窒化絶縁膜２５として、試料Ａ３の条件３を用いた窒化シリコン膜
を形成した。

次に、図示しないが、絶縁膜２３及び窒化絶縁膜２５の一部をエッチングして、一対の
電極の一部を露出する開口部を形成した。

次に、窒化絶縁膜２５上に平坦化膜を形成した（図示しない）。ここでは、組成物を窒
化絶縁膜２５上に塗布した後、露光及び現像を行って、一対の電極の一部を露出する開口
部を有する平坦化膜を形成した。なお、平坦化膜として厚さ１．５μｍのアクリル樹脂を
形成した。こののち、加熱処理を行った。当該加熱処理は、温度を２５０℃とし、窒素を
含む雰囲気で１時間行った。

次に、一対の電極の一部に接続する導電膜を形成した（図示しない）。ここでは、スパ
ッタリング法により厚さ１００ｎｍの酸化シリコンを含むＩＴＯを形成した。

以上の工程により、試料Ｂ１乃至試料Ｂ３においてトランジスタを作製した。

次に、試料Ｂ１乃至試料Ｂ３のトランジスタのＶｇ−Ｉｄ特性を測定した。

次に、耐湿評価の加速寿命試験として、プレッシャークッカー試験（ＰＣＴ：Ｐｒｅｓ
ｓｕｒｅ Ｃｏｏｋｅｒ Ｔｅｓｔ）を行った。本実施例ではＰＣＴ試験として、温度１
３０℃、湿度８５％、圧力０．２３ＭＰａの条件で、試料Ｂ１乃至試料Ｂ３を１５時間保
持した。

試料Ｂ１乃至試料Ｂ３に含まれるトランジスタのＶｇ−Ｉｄ特性の初期特性、及びプレ
ッシャークッカー試験後の試料Ｂ１乃至試料Ｂ３に含まれるトランジスタそれぞれのＶｇ
−Ｉｄ特性を図２０乃至図２２に示す。

なお、各試料において、チャネル長（Ｌ）が２μｍ、チャネル幅（Ｗ）が５０μｍのト
ランジスタ１と、チャネル長（Ｌ）が６μｍ、チャネル幅（Ｗ）が５０μｍのトランジス
タ２それぞれのＶｇ−Ｉｄ特性を測定した。各試料において、トランジスタ１の初期特性
を各図（Ａ）に示し、トランジスタ２の初期特性を各図（Ｂ）に示し、トランジスタ２の
プレッシャークッカー試験後のＶｇ−Ｉｄ特性を各図（Ｃ）に示す。また、各試料におい
て、基板内に同じ構造の２４個のトランジスタを作製した。

図２１（Ａ）に示すＶｇ−Ｉｄ特性はスイッチング特性を有していない。また、図２２
（Ａ）に示すＶｇ−Ｉｄ特性は、しきい値電圧のばらつきが大きい。しかしながら、図２
０（Ａ）に示すＶｇ−Ｉｄ特性は、良好なスイッチング特性を有し、且つしきい値電圧の
ばらつきが少ないことがわかる。

図２１（Ｂ）に示すＶｇ−Ｉｄ特性の初期特性と比較して、図２０（Ｂ）及び図２２（
Ｂ）に示すＶｇ−Ｉｄ特性の初期特性は、しきい値電圧のばらつきが少ないことがわかる
。

図２１（Ｃ）及び図２２（Ｃ）に示す、プレッシャークッカー試験後のＶｇ−Ｉｄ特性
と比較して、図２０（Ｃ）に示すＶｇ−Ｉｄ特性は、良好なスイッチング特性が得られて
いる。

以上のことから、水素分子の放出量、及びアンモニア分子の放出量が少ない窒化絶縁膜
をトランジスタ上に形成することで、しきい値電圧のマイナスシフトを低減することが可
能であると共に、トランジスタの信頼性を向上させることができる。

次に、本実施例の試料Ｂ１乃至試料Ｂ３と同様の工程であって、且つ条件１乃至条件３
以外の条件を用いて窒化絶縁膜２５を形成して、複数の試料を作製した。また、各試料に
おいて、基板内に同じ構造のトランジスタを２４個形成し、各トランジスタのＶｇ−Ｉｄ
特性の初期特性を比較した。なお、各トランジスタにおいて、チャネル長（Ｌ）は２μｍ
、チャネル幅（Ｗ）は５０μｍである。

試料Ｂ１乃至試料Ｂ３、並びに条件１乃至条件３以外の条件を用いて窒化絶縁膜２５を
形成した複数の試料において、窒化絶縁膜２５の水素分子の放出量及びアンモニア分子の
放出量と、トランジスタのＶｇ−Ｉｄ特性の初期特性との関係を図２３に示す。

図２３において、横軸は窒化絶縁膜２５からの水素分子の放出量を示し、縦軸は窒化絶
縁膜２５からのアンモニア分子の放出量を示す。また、図２３において、丸印は、基板内
における２４個のトランジスタにおいて、最大しきい値電圧と、最小しきい値電圧との差
（Ｖｔｈ＿ｍａｘ−Ｖｔｈ＿ｍｉｎ）が１Ｖ以下であることを示す。また、三角印は、Ｖ
ｔｈ＿ｍａｘ−Ｖｔｈ＿ｍｉｎが１Ｖより大きく３Ｖ以下であることを示す。また、バツ
印は、Ｖｔｈ＿ｍａｘ−Ｖｔｈ＿ｍｉｎが３Ｖより大きいことを示す。

図２３では、窒化絶縁膜２５において、水素分子の放出量が５×１０^２１分子／ｃｍ^３
未満、且つアンモニア分子の放出量が１×１０^２２分子／ｃｍ^３未満の領域において、バ
ツ印がプロットされない。このことから、水素分子の放出量が５×１０^２１分子／ｃｍ^３
未満、且つアンモニア分子の放出量が１×１０^２２分子／ｃｍ^３未満の窒化絶縁膜をトラ
ンジスタ上に設けることで、トランジスタのしきい値電圧のばらつきが低減されることが
わかる。また、しきい値電圧のマイナスシフトを抑制することができる。

Claims (1)

1. ゲート電極と、
   前記ゲート電極の一部とゲート絶縁膜を介して重なる酸化物半導体膜と、
   前記酸化物半導体膜に接する一対の電極と、
   前記酸化物半導体膜上に設けられる窒化絶縁膜と、
   を有し、
   前記窒化絶縁膜は、昇温脱離ガス分析法において、水素分子の放出量が５×１０^２１分子／ｃｍ^３未満であり、且つアンモニア分子の放出量が１×１０^２２分子／ｃｍ^３未満であることを特徴とする半導体装置。

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