JP5829457B2 - 半導体装置の作製方法 - Google Patents

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Description

トランジスタなどの半導体素子を少なくとも一つの素子として含む回路を有する半導体装置及びその作製方法に関する。例えば、電源回路に搭載されるパワーデバイスや、メモリ、サイリスタ、コンバータ、イメージセンサなどを含む半導体集積回路、液晶表示装置に代表される電気光学装置や発光素子を有する発光表示装置を部品として搭載した電子機器に関する。
液晶表示装置に代表されるように、ガラス基板等に形成されるトランジスタはアモルファスシリコン、多結晶シリコンなどによって構成されている。アモルファスシリコンを用いたトランジスタは電界効果移動度が低いもののガラス基板の大面積化に対応することができる。また、多結晶シリコンを用いたトランジスタの電界効果移動度は高いがガラス基板の大面積化には適していないという欠点を有している。
シリコンを用いたトランジスタに対して、酸化物半導体を用いてトランジスタを作製し、電子デバイスや光デバイスに応用する技術が注目されている。例えば酸化物半導体として、酸化亜鉛、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物を用いてトランジスタを作製し、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特許文献１及び特許文献２で開示されている。
ところで、特に酸化物半導体においては、水素がキャリア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る。また、酸化物半導体のみならず、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低減している（特許文献３参照）。
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、従来の酸化物半導体を用いたトランジスタは、オンオフ比が低く、表示装置の画素のスイッチング素子としては十分な性能が得られなかった。また、しきい値電圧がマイナスとなり、ノーマリーオンの特性になるという問題があった。
本発明の一態様は、電気特性の優れたトランジスタを作製することを課題とする。
本発明の一態様は、基板上に酸化物絶縁膜を形成し、該酸化物絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成した後、酸化物半導体膜に含まれる水素を脱離させつつ、酸化物絶縁膜に含まれる酸素の一部を脱離させる温度で加熱した後、該加熱された酸化物半導体膜を所定の形状にエッチングして島状の酸化物半導体膜を形成し、島状の酸化物半導体膜上に一対の電極を形成し、該一対の電極及び島状の酸化物半導膜上にゲート絶縁膜を形成し、該ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成することを特徴とする。
本発明の一態様は、基板上に酸化物絶縁膜を形成し、該酸化物絶縁膜上に一対の電極を形成し、該一対の電極及び酸化物絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成し、酸化物半導体膜に含まれる水素を脱離させつつ、酸化物絶縁膜に含まれる酸素の一部を脱離させる温度で加熱した後、該加熱された酸化物半導体膜を所定の形状にエッチングして島状の酸化物半導体膜を形成し、一対の電極及び島状の酸化物半導体膜上にゲート絶縁膜を形成し、該ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成することを特徴とする。
基板上に形成する酸化物絶縁膜は、加熱により酸素の一部が脱離する酸化物絶縁膜を用いて形成する。加熱により酸素の一部が脱離する酸化物絶縁膜としては、化学量論的組成比よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を用いることが好ましい。加熱により酸素の一部が脱離する酸化物絶縁膜の代表例としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化イットリウム等がある。
加熱により酸素の一部が脱離する酸化物絶縁膜の酸素の脱離量は、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：昇温脱離ガス分光法）分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、より好ましくは３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である。
酸化物半導体膜に含まれる水素を脱離させつつ、酸化物絶縁膜に含まれる酸素の一部を酸化物半導体膜に拡散させる温度は、１５０℃以上基板の歪み点未満、好ましくは２５０℃以上４５０℃以下である。
酸化物絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成し、酸化物半導体膜に含まれる水素を脱離させつつ、酸化物絶縁膜に含まれる酸素の一部を脱離させる温度で加熱することで、酸化物絶縁膜に含まれる酸素の一部を酸化物半導体膜に拡散させると共に、酸化物半導体膜に含まれる水素を脱離させることができる。なお、酸化物半導体膜に拡散した酸素は、酸化物半導体膜の酸素欠損を補償するため、酸化物半導体膜の酸素欠損が低減する。また、酸化物半導体膜は酸化物絶縁膜からの外部への酸素脱離のブロッキング膜として機能するため、酸化物絶縁膜から過剰な酸素の脱離が生じず、酸化物絶縁膜に酸素が残存する。これらにより、キャリア源となる水素及び酸素欠損の濃度を低減しつつ、酸化物半導体膜及び酸化物絶縁膜の界面における欠陥を低減することができる。
酸化物半導体に含まれる元素と水素の結合により、水素の一部がドナーとなり、キャリアである電子が生じてしまう。また、酸化物半導体中の酸素欠損も同様に、ドナーとなり、キャリアである電子が生じてしまう。これらのため、酸化物半導体膜中の水素濃度及び酸素欠損量を低減することで、しきい値電圧のマイナスシフトを低減することができる。
また、酸化物半導体膜に酸素の一部を拡散しつつ、酸化物絶縁膜に酸素を残存させることで、酸化物半導体膜及び酸化物絶縁膜の界面における欠陥を低減することができ、しきい値電圧のマイナスシフトを低減することができる。
なお、本明細書では、ｎチャネル型トランジスタにおいて、しきい値電圧の値が正であるトランジスタをノーマリオフのトランジスタと定義する。ｐチャネル型トランジスタにおいて、しきい値電圧の値が負であるトランジスタをノーマリオフのトランジスタと定義する。また、ｎチャネル型トランジスタにおいて、しきい値電圧の値が負であるトランジスタをノーマリーオンのトランジスタと定義する。ｐチャネル型トランジスタにおいて、しきい値電圧の値が正であるトランジスタをノーマリーオンのトランジスタと定義する。
酸化物絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成し、酸化物半導体膜に含まれる水素を脱離させつつ、酸化物絶縁膜に含まれる酸素の一部を脱離させる温度で加熱した後、当該酸化物半導体膜を所定の形状にエッチングしてトランジスタを作製することで、電気特性の優れたトランジスタを作製することができる。
本発明の一態様を示す半導体装置の作製工程を説明する断面図である。 本発明の一態様を示す半導体装置の作製工程を説明する上面図である。 本発明の一態様を示す半導体装置の作製工程を説明する断面図である。 本発明の一態様を示す半導体装置の作製工程を説明する上面図である。 本発明の一態様を示す半導体装置の作製工程を説明する断面図である。 本発明の一態様を示す半導体装置の作製工程を説明する断面図である。 電子機器の一形態を説明する図である。 電子機器の一形態を説明する図である。 ＴＤＳ分析結果を説明する図である。 加熱処理と酸素の脱離量の関係を説明する断面図である。 トランジスタの電気特性を説明する図である。
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。但し、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の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する本発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号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、層の厚さ、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。
（実施の形態１）
図１は、半導体装置の構成の一形態であるトランジスタの作製工程を示す断面図であり、図２の一点破線Ａ−Ｂの断面図は図１（Ｅ）に相当する。
図１（Ａ）に示すように、基板５１上に酸化物絶縁膜５３を形成し、酸化物絶縁膜５３上に酸化物半導体膜５５を形成する。
基板５１としては、ガラス基板（無アルカリガラス基板とも呼ばれる。）、石英基板、セラミック基板、プラスチック基板等を適宜用いることができる。また、基板５１として、可撓性を有するガラス基板または可撓性を有するプラスチック基板を用いることができる。プラスチック基板としては、屈折率異方性の小さい基板を用いることが好ましく、代表的には、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）フィルム、ポリイミドフィルム、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）フィルム、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、ポリカーボネート（ＰＣ）フィルム、アクリル樹脂フィルム、または半硬化した有機樹脂中に繊維体を含むプリプレグ等を用いることができる。
酸化物絶縁膜５３は、加熱により酸素の一部が脱離する酸化物絶縁膜を用いて形成する。加熱により酸素の一部が脱離する酸化物絶縁膜としては、化学量論的組成比よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を用いることが好ましい。加熱により酸素の一部が脱離する酸化物絶縁膜は、加熱により酸素が脱離するため、加熱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。酸化物絶縁膜５３は、代表的には、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、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化イットリウム等で形成することができる。
化学量論的組成比よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜は、加熱により酸素の一部が脱離する。このときの酸素の脱離量は、ＴＤＳ分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、より好ましくは３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である。
ここで、ＴＤＳ分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量の測定方法について、以下に説明する。
ＴＤＳ分析したときの気体の脱離量は、スペクトルの積分値に比例する。このため、酸化物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、気体の脱離量を計算することができる。標準試料の基準値とは、所定の原子または分子を含む試料の、スペクトルの積分値に対する原子または分子の密度の比である。
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、及び酸化物絶縁膜のＴＤＳ分析結果から、酸化物絶縁膜の酸素分子の脱離量（ＮＯ２）は、数式１で求めることができる。
ＮＯ２＝ＮＨ２／ＳＨ２×ＳＯ２×α （数式１）
ＮＨ２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。ＳＨ２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。即ち、標準試料の基準値は、ＮＨ２／ＳＨ２である。ＳＯ２は、酸化物絶縁膜を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６−２７５６９７公報を参照する。なお、上記酸化物絶縁膜の酸素の脱離量は、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１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の水素原子を含むシリコンウェハを用いて測定した。
なお、ＮＯ２は酸素分子（Ｏ２）の脱離量である。酸化物絶縁膜においては、酸素原子で換算した酸素の脱離量は、酸素分子（Ｏ２）の脱離量の２倍となる。
酸化物絶縁膜５３は、５０ｎｍ以上、好ましくは２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下とする。酸化物絶縁膜５３を厚くすることで、酸化物絶縁膜５３からの酸素脱離量を増加させることができると共に、酸化物絶縁膜５３及び後に形成される酸化物半導体膜との界面における欠陥を低減することが可能である。
酸化物絶縁膜５３は、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成する。なお、加熱により酸素の一部が脱離する酸化物絶縁膜は、スパッタリング法を用いることで形成しやすいため好ましい。
加熱により酸素の一部が脱離する酸化物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（Ｏ２）、または酸素（Ｏ２）及び希ガス（Ａｒなど）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。
加熱により酸素の一部が脱離する酸化物絶縁膜の代表例として酸化シリコン膜を形成する場合、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ことが好ましい。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、成膜ガスとしては、酸素のみを用いてもよい。
酸化物半導体膜５５は、四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系金属酸化物や、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系金属酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系金属酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系金属酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系金属酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系金属酸化物や、二元系金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系金属酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系金属酸化物、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系金属酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ系金属酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系金属酸化物などを用いることができる。ここでは、ｎ元系金属酸化物はｎ種類の金属酸化物で構成される。なお、酸化物半導体膜５５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、バンドギャップの広い金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。
また、酸化物半導体膜は、化学式ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される薄膜を用いることができる。ここで、Ｍは、Ｚｎ、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、Ｇａ及びＭｎ、またはＧａ及びＣｏなどがある。
また、酸化物半導体としてＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料を用いる場合、用いるターゲットの組成比は、原子数比で、Ｉｎ：Ｚｎ＝５０：１〜１：２（モル数比に換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝２５：１〜１：４）、好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝２０：１〜１：１（モル数比に換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１０：１〜１：２）、さらに好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝１５：１〜１．５：１（モル数比に換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１５：２〜３：４）とする。例えば、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体の形成に用いるターゲットは、原子数比がＩｎ：Ｚｎ：Ｏ＝Ｘ：Ｙ：Ｚのとき、Ｚ＞１．５Ｘ＋Ｙとする。
なお、酸化物半導体膜５５には、水素が含まれる。酸化物半導体膜５５に含まれる水素は、水素原子の他、水素分子、水、水酸基、または水素化物として含まれる場合もある。
酸化物半導体膜５５において、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度は、２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、あるいは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。
酸化物半導体膜５５の厚さは、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好ましい。
酸化物半導体膜５５は、スパッタリング法、塗布法、印刷法、パルスレーザー蒸着法等により形成することができる。
本実施の形態では、酸化物半導体膜５５としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系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。また、酸化物半導体膜５５は、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気、酸素雰囲気、又は希ガスと酸素の混合雰囲気においてスパッタリングすることによって、形成することができる。
なお、酸化物半導体膜５５を形成する際に用いるスパッタリングガスは、水素、水、水酸基又は水素化物などの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。また、基板温度を１００℃以上６００℃以下好ましくは２００℃以上４００℃以下としながら酸化物半導体膜５５を形成することで、酸化物半導体膜５５に含まれる不純物濃度を低減することができる。
次に、基板５１に加熱処理を施して、酸化物半導体膜５５から水素を除去すると共に、酸化物絶縁膜５３に含まれる酸素の一部を、酸化物半導体膜５５と、酸化物絶縁膜５３における酸化物半導体膜５５及び酸化物絶縁膜５３との界面近傍に拡散させる。
このように、酸化物半導体膜の成膜を加熱しながら行い、または酸化物半導体膜を成膜後に加熱処理を施すことによって、酸化物半導体膜を、Ｃ軸配向した結晶領域を有する膜とすることができる。
当該加熱処理に用いる加熱処理装置は特に限られず、抵抗発熱体などの発熱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備えていてもよい。例えば、電気炉や、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）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加熱処理を行う装置である。
加熱処理温度は、酸化物半導体膜５５から水素を除去すると共に、酸化物絶縁膜５３に含まれる酸素の一部を脱離させ、さらには酸化物半導体膜５５に拡散させる温度が好ましく、代表的には、１５０℃以上基板５１の歪み点未満、好ましくは２５０℃以上４５０℃以下とする。
加熱処理は、不活性ガス雰囲気で行うことが好ましく、代表的には、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、または窒素雰囲気で行うことが好ましい。また、酸化性雰囲気で行ってもよい。
当該加熱処理により、酸化物半導体膜５５から水素を脱離させると共に、酸化物絶縁膜５３に含まれる酸素の一部を、酸化物半導体膜５５と、酸化物絶縁膜５３における酸化物絶縁膜５３及び酸化物半導体膜５５との界面近傍に拡散させることができる。当該工程により、酸化物半導体膜５５中に含まれる酸素欠損を低減することができるとともに、酸化物絶縁膜５３及び酸化物半導体膜５５との界面近傍に酸素を拡散させることで、酸化物半導体膜５５及び酸化物絶縁膜５３との界面における欠陥を低減することができる。この結果、図１（Ｂ）に示すように、水素濃度及び酸素欠損が低減された酸化物半導体膜５７を形成することができる。
酸化物絶縁膜５３を酸化物半導体膜５５が覆う状態で加熱処理を行うことで、酸化物絶縁膜５３に含まれる酸素の一部が酸化物半導体膜５５に拡散するため、酸化物半導体膜５５に含まれる酸素欠損を低減することができる。また、酸化物絶縁膜５３が酸化物半導体膜５５に覆われており、表面が露出していないため、酸化物絶縁膜５３からの外部への酸素の放出量が低減され、酸化物絶縁膜５３において酸化物半導体膜５５との界面の欠陥を効率よく低減することができる。
次に、酸化物半導体膜５７上にマスクを形成した後、当該マスクを用いて酸化物半導体膜５７をエッチングして、島状の酸化物半導体膜５９を形成する。この後、マスクを除去する（図１（Ｃ）参照。）。
酸化物半導体膜５７をエッチングするためのマスクは、フォトリソグラフィ工程、インクジェット法、印刷法等を適宜用いることができる。また、酸化物半導体膜５７のエッチングはウエットエッチングまたはドライエッチングを適宜用いることができる。
次に、図１（Ｄ）に示すように、酸化物半導体膜５９に接する一対の電極６１を形成する。
一対の電極６１は、ソース電極及びドレイン電極として機能する。
一対の電極６１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などを用いて形成することができる。また、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリ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、一対の電極６１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などがある。
また、一対の電極６１は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの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。
一対の電極６１は、印刷法またはインクジェット法により形成する。若しくは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法等で導電膜を形成した後、該導電膜上にマスクを形成して導電膜をエッチングして形成する。導電膜上に形成するマスクは印刷法、インクジェット法、フォトリソグラフィ法を適宜用いることができる。
ここでは、酸化物半導体膜５９及び酸化物絶縁膜５３上に導電膜を形成した後、導電膜を所定の形状にエッチングして一対の電極６１を形成する。
なお、酸化物半導体膜５７上に導電膜を形成した後、多階調フォトマスクによって、凹凸状のマスクを形成し、当該マスクを用いて酸化物半導体膜５７及び導電膜をエッチングした後、アッシングにより凹凸状のマスクを分離し、当該分離されたマスクにより導電膜をエッチングすることで、島状の酸化物半導体膜５９及び一対の電極６１を形成することができる。当該工程により、フォトマスク数及びフォトリソグラフィ工程数を削減することができる。
次に、酸化物半導体膜５９及び一対の電極６１上にゲート絶縁膜６３を形成する。
次に、ゲート絶縁膜６３上であって、酸化物半導体膜５９と重畳する領域にゲート電極６５を形成する。
この後、保護膜として絶縁膜６９を形成してもよい（図１（Ｅ）参照。）。また、ゲート絶縁膜６３及び絶縁膜６９にコンタクトホールを形成した後、一対の電極６１に接続する配線を形成してもよい。
ゲート絶縁膜６３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、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、または酸化ガリウムを単層でまたは積層して形成することができる。なお、ゲート絶縁膜６３は、酸化物半導体膜５９と接する部分が酸素を含むことが好ましく、特に好ましくは酸化シリコン膜により形成する。酸化シリコン膜を用いることで、酸化物半導体膜５９に酸素を拡散させることができ、特性を良好にすることができる。
また、ゲート絶縁膜６３として、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯｘ）、窒素が添加されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙＮｚ）、窒素が添加されたハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙＮｚ）、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、ゲート絶縁膜の物理的な膜厚を大きくすることができるため、ゲートリークを低減できる。さらには、ｈｉｇｈ−ｋ材料と、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、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、及び酸化ガリウムのいずれか一以上との積層構造とすることができる。ゲート絶縁膜６３の厚さは、１ｎｍ以上３００ｎｍ以下、より好ましくは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下とするとよい。ゲート絶縁膜６３の厚さを５ｎｍ以上とすることで、ゲートリーク電流を低減することができる。
なお、ゲート絶縁膜６３を形成する前に、島状の酸化物半導体膜５９の表面を、酸素、オゾン、一酸化二窒素等の酸化性ガスのプラズマに曝し、島状の酸化物半導体膜５９の表面を酸化し、酸素欠損を低減してもよい。
ゲート電極６５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などを用いて形成することができる。また、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリ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６５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などがある。
また、ゲート電極６５は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの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。
絶縁膜６９は、ゲート絶縁膜６３に列挙した絶縁膜を適宜用いて形成することができる。
この後、加熱処理を行ってもよい。
以上の工程により、酸化物半導体膜をチャネル形成領域に有するトランジスタを作製することができる。
本実施の形態では、酸化物絶縁膜の表面が酸化物半導体膜で覆われた状態で加熱処理を行った後、酸化物半導体膜を所定の形状にエッチングし、酸化物絶縁膜の一部を露出させているため、酸化物絶縁膜からの酸素の外部への放出量を制御しつつ、酸素の一部を酸化物半導体膜に拡散させ酸化物半導体膜の酸素欠損を低減させると共に、酸化物半導体膜から水素を脱離させることが可能である。この結果、酸化物半導体膜のキャリア源となる水素及び酸素欠損を低減すると共に、酸化物半導体膜及び酸化物絶縁膜の界面における欠陥を低減することができるため、トランジスタのしきい値電圧のマイナスシフトを低減することができる。
（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の作製方法について、図３及び図４を用いて説明する。本実施の形態では、酸化物絶縁膜及び酸化物半導体膜の間に一対の電極が設けられる点が実施の形態１と異なる。なお、図４の一点破線Ａ−Ｂの断面図は図３（Ｄ）に相当する。
図３（Ａ）に示すように、実施の形態１と同様に、基板５１上に酸化物絶縁膜５３を形成する。次に、酸化物絶縁膜５３上に一対の電極７１を形成する。次に、一対の電極７１及び酸化物絶縁膜５３上に、酸化物半導体膜７３を形成する。
一対の電極７１は、実施の形態１に示す一対の電極６１と同様の材料及び作製方法を適宜用いて形成することができる。
酸化物半導体膜７３は、実施の形態１に示す酸化物半導体膜５５と同様の材料及び作製方法を適宜用いて形成することができる。
次に、実施の形態１と同様に基板５１を加熱して、水素濃度及び酸素欠損が低減された酸化物半導体膜を形成した後、水素濃度及び酸素欠損が低減された酸化物半導体膜上にマスクを形成し、水素濃度及び酸素欠損が低減された酸化物半導体膜をエッチングして、島状の酸化物半導体膜７５を形成する。この後、マスクを除去する（図３（Ｂ）参照。）。
次に、図３（Ｃ）に示すように、一対の電極７１及び酸化物半導体膜７５上にゲート絶縁膜７７を形成する。次に、ゲート絶縁膜７７上であって、酸化物半導体膜７５と重畳する領域にゲート電極７９を形成する。次に、ゲート絶縁膜７７及びゲート電極７９上に保護膜として絶縁膜８１を形成してもよい。
ゲート絶縁膜７７は、実施の形態１に示すゲート絶縁膜６３と同様の材料及び作製方法を適宜用いて形成することができる。
ゲート電極７９は、実施の形態１に示すゲート電極６５と同様の材料及び作製方法を適宜用いて形成することができる。
絶縁膜８１は、実施の形態１に示す絶縁膜６９と同様の材料及び作製方法を適宜用いて形成することができる。
次に、絶縁膜８１上にマスクを形成した後、ゲート絶縁膜７７及び絶縁膜８１の一部をエッチングしてコンタクトホールを形成する。次に、コンタクトホールを介して、一対の電極７１に接続する配線８３を形成する。
配線８３は、一対の電極７１と同様の材料及び作製方法を適宜用いて形成することができる。
以上の工程により、酸化物半導体膜をチャネル形成領域に有するトランジスタを作製することができる。
本実施の形態では、酸化物半導体膜のキャリア源となる水素及び酸素欠損を低減すると共に、酸化物半導体膜及び酸化物絶縁膜の界面における欠陥を低減することができるため、トランジスタのしきい値電圧のマイナスシフトを低減することができる。
（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と比較して、酸化物半導体膜及び一対の配線の接触抵抗を低減できるトランジスタの作製方法について、図１及び図５を用いて説明する。
実施の形態１と同様に、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）の工程により酸化物絶縁膜５３上に酸化物半導体膜５５を形成し、酸化物半導体膜５５を加熱して、水素濃度及び酸素欠損が低減された酸化物半導体膜５７を形成する。次に、図５（Ａ）に示すように、水素濃度及び酸素欠損が低減された酸化物半導体膜５７上に、ｎ型の導電型を有するバッファ８４を形成する。
ｎ型の導電型を有するバッファ８４としては、インジウム酸化物、インジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、錫酸化物、亜鉛酸化物、錫亜鉛酸化物から選ばれた一つの金属酸化物であるか、または該金属酸化物にアルミニウム、ガリウム、シリコンから選ばれた元素が一つ以上含まれている材料を用いることができる。この構成とすることで、後に形成されるソース電極及びドレイン電極として機能する一対の電極及び酸化物半導体膜の接触抵抗を低減することができる。
ここでは、酸化物半導体膜を加熱して酸化物半導体膜から水素を脱離させると共に、酸化物絶縁膜から酸化物半導体膜に酸素を拡散させた後、当該酸化物半導体膜上にｎ型の導電型を有するバッファ８４を形成するため、酸化物半導体膜からの水素の脱離を十分に行うことができる。この結果、酸化物半導体膜中の水素濃度及び酸素欠損を低減することが可能であり、トランジスタのしきい値電圧のマイナスシフトを低減することができる。
次に、ｎ型の導電型を有するバッファ８４上にマスクを形成した後、水素濃度及び酸素欠損が低減された酸化物半導体膜５７及びｎ型の導電型を有するバッファ８４をエッチングして、島状の酸化物半導体膜５９及びｎ型の導電型を有するバッファ８５を形成する。この後、マスクを除去する（図５（Ｂ）参照。）。
次に、図５（Ｃ）に示すように、島状の酸化物半導体膜５９及びｎ型の導電型を有するバッファ８５上に一対の電極６１を形成する。ここでは、ゲート絶縁膜の膜質を保つため、一対の電極６１として、ゲート絶縁膜から、酸素を引き抜かない材料を用いることが好ましい。このような一対の電極６１の材料として、タングステン、モリブデン等がある。しかしながら、タングステン及びモリブデンは酸化物半導体膜及びゲート絶縁膜と接する領域において抵抗の高い金属酸化物が形成されてしまう。そこで、島状の酸化物半導体膜５９及び一対の電極６１の間に、ｎ型の導電型を有するバッファを設けることで、島状の酸化物半導体膜５９及び一対の電極６１の接触抵抗を低減することができる。
次に、一対の電極６１上に形成されるマスク（図示しない。）を用いて、ｎ型の導電型を有するバッファ８５の露出部をエッチングして、一対のｎ型の導電型を有するバッファ８７を形成する。
なお、一対の電極６１上に形成されるマスクを除去した後、一対の電極６１をマスクとして、ｎ型の導電型を有するバッファ８５の露出部をエッチングして、一対のｎ型の導電型を有するバッファ８７を形成してもよい。
ｎ型の導電型を有するバッファ８５をエッチングする際には、島状の酸化物半導体膜５９がエッチングされず、選択的にｎ型の導電型を有するバッファ８５をエッチングする条件（エッチング選択比の高い条件）を用いることが好ましい。なお、島状の酸化物半導体膜５９及びｎ型の導電型を有するバッファ８５のエッチング選択比が低い場合は、ｎ型の導電型を有するバッファ８５のエッチングの際に島状の酸化物半導体膜５９の一部もエッチングされ、溝部（凹部）を有する形状となることもある。
本実施の形態により、島状の酸化物半導体膜５９及び一対の電極６１の間にｎ型の導電型を有するバッファ８７を有するため、島状の酸化物半導体膜５９及び一対の電極６１の接触抵抗を低減することができる。この結果、トランジスタのオン電流の低減を抑えることができる。
次に、実施の形態１と同様に、ゲート絶縁膜６３、ゲート電極６５、及び絶縁膜６９を形成する。また、ゲート絶縁膜６３及び絶縁膜６９にコンタクトホールを形成した後、一対の電極６１に接続する配線を形成してもよい。
以上の工程により、酸化物半導体膜をチャネル形成領域に有するトランジスタを作製することができる。
本実施の形態により、水素濃度及び酸素欠損が低減された酸化物半導体膜を形成すると共に、酸化物半導体膜及び一対の配線の間に接触抵抗を低減するｎ型の導電型を有するバッファを形成するため、トランジスタのしきい値電圧のマイナスシフトを低減すると共に、トランジスタのオン電流の低減を抑えることができる。
（実施の形態４）
本実施の形態では、オン電流及び電界効果移動度を高めることが可能なトランジスタ、またはしきい値電圧を制御することができるトランジスタについて、図６を用いて説明する。
図６（Ａ）に示すように、基板５１上に酸化物絶縁膜５３を形成する。次に、酸化物絶縁膜５３上に第１のゲート電極９１を形成する。次に、酸化物絶縁膜５３及び第１のゲート電極９１上に第１のゲート絶縁膜９３を形成する。次に、第１のゲート絶縁膜９３上に酸化物半導体膜９５を形成する。
第１のゲート電極９１は、実施の形態１に示すゲート電極６５と同様に形成することができる。
第１のゲート絶縁膜９３は、実施の形態１に示すゲート絶縁膜６３と同様に形成することができる。
酸化物半導体膜９５は、実施の形態１に示す酸化物半導体膜５５と同様に形成することができる。
次に、図６（Ｂ）に示すように、実施の形態１と同様に、酸化物半導体膜９５を加熱して、水素濃度及び酸素欠損が低減された酸化物半導体膜９７を形成する。
次に、酸化物半導体膜９７上にマスクを形成して、酸化物半導体膜９７をエッチングして、島状の酸化物半導体膜９９を形成する。この後マスクを除去する（図６（Ｃ）参照。）。
次に、図６（Ｄ）に示すように、島状の酸化物半導体膜９９上に一対の電極１０１を形成する。次に、島状の酸化物半導体膜９９及び一対の電極１０１上に第２のゲート絶縁膜１０３を形成する。次に、第２のゲート絶縁膜１０３上であって、島状の酸化物半導体膜９９と重畳する領域に第２のゲート電極１０５を形成する。次に、第２のゲート絶縁膜１０３及び第２のゲート電極１０５上に保護膜として絶縁膜１０９を形成してもよい。
一対の電極１０１は、実施の形態１に示す一対の電極６１と同様に形成することができる。
第２のゲート絶縁膜１０３は、実施の形態１に示すゲート絶縁膜６３と同様に形成することができる。
第２のゲート電極１０５は、実施の形態１に示すゲート電極６５と同様に形成することができる。
絶縁膜１０９は、実施の形態１に示す絶縁膜６９と同様に形成することができる。
第１のゲート電極９１及び第２のゲート電極１０５は接続されていてもよい。この場合、第１のゲート電極９１及び第２のゲート電極１０５は同電位となるため、チャネル形成領域が酸化物半導体膜９９の第１のゲート絶縁膜９３側、及び第２のゲート絶縁膜１０３側に形成されるため、トランジスタのオン電流及び電界効果移動度を高めることができる。
または、第１のゲート電極９１及び第２のゲート電極１０５は接続されず、異なる電位が印加されてもよい。この場合、トランジスタのしきい値電圧を制御することができる。
なお、本実施の形態では、一対の電極が島状の酸化物半導体膜９９及び第２のゲート絶縁膜１０３の間に形成したが、第１のゲート絶縁膜９３及び島状の酸化物半導体膜９９の間に形成してもよい。
以上の工程により、ゲート電極を複数有するトランジスタを作製することができる。
（実施の形態５）
本実施の形態では、実施の形態１乃至実施の形態４と比較して、さらに酸化物半導体膜中の水素濃度を低減する方法について、説明する。本実施の形態では実施の形態１を用いて説明するが、適宜実施の形態２乃至実施の形態４に適応することができる。
図１（Ａ）において、基板５１に酸化物絶縁膜５３を形成する前に、基板５１を加熱する。次に、基板５１上に酸化物絶縁膜５３及び酸化物半導体膜５５を形成する。
基板５１を加熱する温度は、基板５１に吸着または含有される水素を脱離させることが可能な温度が好ましい。代表的には１００℃以上基板歪み点未満である。また、基板５１を加熱する際、水素含有量の低い雰囲気で行うことが好ましい。好ましくは１×１０−４Ｐａ以下の高真空中で行ことが好ましい。この結果、基板表面に吸着する水素、水素分子、水、水酸基、または水素化物などを低減できる。
さらには、基板５１の加熱から酸化物半導体膜５５の形成までを大気に曝さず、真空雰囲気で連続的に行うことで、基板５１、酸化物絶縁膜５３、及び酸化物半導体膜５５に水素、水素分子、水、水酸基、または水素化物が吸着されず、酸化物半導体膜５５の加熱工程において、基板５１及び酸化物絶縁膜５３から酸化物半導体膜５５への水素拡散を低減することが可能であり、図１（Ｂ）に示す加熱された酸化物半導体膜５７の水素濃度をより低減することができる。この結果、トランジスタのしきい値電圧のマイナスシフトを低減することができる。
（実施の形態６）
実施の形態１乃至５に示したトランジスタを作製し、該トランジスタを画素部、さらには駆動回路に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、トランジスタを用いた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。
表示装置は表示素子を含む。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（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）、有機ＥＬ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。
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。さらに、該表示装置を作製する過程における、表示素子が完成する前の一形態に相当する素子基板に関し、該素子基板は、電流を表示素子に供給するための手段を複数の各画素に備える。素子基板は、具体的には、表示素子の画素電極のみが形成された状態であっても良いし、画素電極となる導電膜を形成した後であって、エッチングして画素電極を形成する前の状態であっても良いし、あらゆる形態があてはまる。
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、例えばＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）もしくはＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）テープもしくはＴＣＰ（Ｔａｐｅ Ｃａｒｒｉｅｒ Ｐａｃｋａｇｅ）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（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）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。
（実施の形態７）
本明細書に開示する半導体装置は、電子ペーパーとして適用することができる。電子ペーパーは、情報を表示するものであればあらゆる分野の電子機器に用いることが可能である。例えば、電子ペーパーを用いて、電子書籍（電子ブック）、ポスター、デジタルサイネージ、ＰＩＤ（Ｐｕｂｌｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）、電車などの乗り物の車内広告、クレジットカード等の各種カードにおける表示等に適用することができる。電子機器の一例を図７に示す。
図７は、電子機器の一例として電子書籍２７００を示している。例えば、電子書籍２７００は、筐体２７０１及び筐体２７０３の２つの筐体で構成されている。筐体２７０１及び筐体２７０３は、軸部２７１１により一体とされており、該軸部２７１１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２７０１には表示部２７０５及び光電変換装置２７０６が組み込まれ、筐体２７０３には表示部２７０７及び光電変換装置２７０８が組み込まれている。表示部２７０５及び表示部２７０７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７では表示部２７０５）に文章を表示し、左側の表示部（図７では表示部２７０７）に画像を表示することができる。
また、図７では、筐体２７０１に操作部などを備えた例を示している。例えば、筐体２７０１において、電源２７２１、操作キー２７２３、スピーカ２７２５などを備えている。操作キー２７２３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、または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な端子など）、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２７００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２７００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。
（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、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、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。
図８（Ａ）は、電子機器の一例としてテレビジョン装置９６００を示している。テレビジョン装置９６００は、筐体９６０１に表示部９６０３が組み込まれている。表示部９６０３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９６０５により筐体９６０１を支持した構成を示している。
テレビジョン装置９６００の操作は、筐体９６０１が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機９６１０により行うことができる。リモコン操作機９６１０が備える操作キー９６０９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９６０３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９６１０に、当該リモコン操作機９６１０から出力する情報を表示する表示部９６０７を設ける構成としてもよい。
なお、テレビジョン装置９６００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。
図８（Ｂ）は、電子機器の一例としてデジタルフォトフレーム９７００を示している。例えば、デジタルフォトフレーム９７００は、筐体９７０１に表示部９７０３が組み込まれている。表示部９７０３は、各種画像を表示することが可能であり、例えばデジタルカメラなどで撮影した画像データを表示させることで、通常の写真立てと同様に機能させることができる。
なお、デジタルフォトフレーム９７００は、操作部、外部接続用端子（ＵＳＢ端子、ＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能な端子など）、記録媒体挿入部などを備える構成とする。これらの構成は、表示部と同一面に組み込まれていてもよいが、側面や裏面に備えるとデザイン性が向上するため好ましい。例えば、デジタルフォトフレーム９７００の記録媒体挿入部に、デジタルカメラで撮影した画像データを記憶したメモリを挿入して画像データを取り込み、取り込んだ画像データを表示部９７０３に表示させることができる。
また、デジタルフォトフレーム９７００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、所望の画像データを取り込み、表示させる構成とすることもできる。
本実施例では、酸化物絶縁膜及び酸化物半導体膜の形成工程、並びに加熱処理の順序と、酸化物絶縁膜からの酸素の脱離量との関係について、図９乃至図１１を用いて説明する。
はじめに、試料の作製方法について説明する。本実施例では、以下の工程１乃至工程４の少なくとも１以上を行って各試料を作製した。
（工程１）基板上に酸化物絶縁膜を形成した。ここでは、酸化物絶縁膜として厚さ３００ｎｍの酸化シリコン膜を形成した。
酸化物絶縁膜は、石英ターゲットを用い、スパッタリングガスとして流量２５ｓｃｃｍのアルゴン及び２５ｓｃｃｍの酸素を用いた、ＲＦスパッタリング法を用いて形成した。周波数が１３．５６ＭＨｚの高周波電源の電力を１．５ｋＷとし、圧力を０．４Ｐａとし、基板及びターゲットの間隔を６０ｍｍとし、基板温度を１００℃とした。
（工程２）酸化物絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成した。ここでは、酸化物半導体膜として厚さ３０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を形成した。
酸化物半導体膜は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏターゲット（Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ数比］）を用い、スパッタリングガスとして流量３０ｓｃｃｍのアルゴン及び１５ｓｃｃｍの酸素を用いた、ＤＣスパッタリング法を用いて形成した。このときの電源の電力を０．５ｋＷとし、圧力を０．４Ｐａとし、基板及びターゲットの間隔を６０ｍｍとし、基板温度を２００℃とした。
（工程３）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、酸化物半導体膜の一部をエッチングして、島状の酸化物半導体膜を形成した。
（工程４）加熱処理を行った。
加熱処理条件は、窒素雰囲気の電気炉で４５０℃、１時間保持することで、各試料を加熱した。
試料１、試料３、及び試料５は、加熱処理を行わない試料であり、試料２、試料４及び試料６は加熱処理を行う試料である。また、試料２、試料４及び試料６はそれぞれ加熱処理の順序が異なる。
試料１は、工程１及び工程２の後、酸化物半導体膜を除去した。試料２は、工程１及び工程２の後に工程４（加熱処理）を行い、酸化物半導体膜を除去した。
試料３は、工程１を行った。試料４は、工程１の後に工程４（加熱処理）を行った。
試料５は、工程１乃至工程３の後、島状の酸化物半導体膜を除去した。試料６は、工程１乃至工程３の後に工程４（加熱処理）を行い、島状の酸化物半導体膜を除去した。
次に、試料１乃至試料６の脱ガス量をＴＤＳ分析により測定した。ここでは、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昇温し、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。ここでは、ｍ／ｚ＝３２におけるＴＤＳスペクトルである。なお、ｍ／ｚ＝３２である成分には、酸素分子（Ｏ２）などが挙げられる。
試料１（加熱処理無し）及び試料２（加熱処理有り）のＴＤＳスペクトルをそれぞれ、図９（Ａ）の破線２０１及び実線２０３で示す。
試料３（加熱処理無し）及び試料４（加熱処理有り）のＴＤＳスペクトルをそれぞれ、図９（Ｂ）の破線２０５及び実線２０７で示す。
試料５（加熱処理無し）及び試料６（加熱処理有り）のＴＤＳスペクトルをそれぞれ、図９（Ｃ）の破線２０９及び実線２１１で示す。
図１０（Ａ）乃至（Ｃ）はそれぞれ、試料２、試料４、及び試料６の加熱処理における酸化物絶縁膜１１３からの酸素の放出を説明するモデル図である。
図１０（Ａ）に示すように、基板１１１上に積層された酸化物絶縁膜１１３及び酸化物半導体膜１１５を加熱処理すると、酸化物半導体膜１１５が保護膜となり、酸化物絶縁膜１１３からの酸素の外部への放出が低減される。このため、図９（Ａ）に示すように、酸化物半導体膜を除去した試料１及び試料２においては、加熱処理の有無でＴＤＳ分析における酸素の放出量の差がほとんど無い。これは、加熱処理によって、酸化物絶縁膜に含まれる、加熱により脱離可能な酸素含有量の減少が少ないためである。
一方、図１０（Ｂ）に示すように、基板１１１上に形成された酸化物絶縁膜１１３の表面を覆う酸化物半導体膜が設けられない状態で加熱処理をすると、酸化物絶縁膜１１３から酸素が放出される。このため、図９（Ｂ）の実線２０７に示すように、加熱処理がある試料４においては、試料３と比較してＴＤＳ分析における酸素の放出量が低減している。これは、加熱処理によって、酸化物絶縁膜から酸素の一部が外部へ放出してしまい、酸化物絶縁膜に含まれる、加熱により脱離可能な酸素含有量が低減しているためである。
さらに、図１０（Ｃ）に示すように、基板１１１上に形成された酸化物絶縁膜１１３の表面の一部を覆う島状の酸化物半導体膜１１７が設けられた状態で加熱処理をすると、露出している酸化物絶縁膜１１３から酸素が放出される。また、島状の酸化物半導体膜１１７と接する酸化物絶縁膜１１３に含まれる酸素が拡散して、露出している酸化物絶縁膜１１３から放出される。これは、酸化物絶縁膜１１３から酸化物半導体膜への酸素の拡散より、酸化物絶縁膜中の酸素拡散係数の方が大きいため、酸化物絶縁膜から酸化物半導体膜へよりも、酸化物絶縁膜中での酸素の拡散の方が早く、島状の酸化物半導体膜の周辺に酸素が拡散してしまうためである。具体的には、４５０℃加熱処理において酸化物絶縁膜１１３中の酸素の拡散係数は１×１０―１０ｃｍ２／ｓｅｃ程度であり、酸化物半導体膜１１７中の酸素の拡散係数は１×１０―１７ｃｍ２／ｓｅｃ程度であることが分析により確認されている。なお、上記酸化物半導体膜１１７中の酸素の拡散係数は、酸化物半導体膜としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜における値を示したが、他の酸化物半導体でも同様の傾向を示す。例えばＩｎ−Ｓｎ−Ｏ膜中の酸素の拡散係数は、６×１０―１６ｃｍ２／ｓｅｃ程度であり、酸化物絶縁膜１１３中の酸素の拡散係数よりも十分小さい値を示す。このため、図９（Ｃ）の実線２１１に示すように、加熱処理がある試料６においては、試料５と比較してＴＤＳ分析における酸素の放出量が低減している。これは、加熱処理によって、酸化物絶縁膜から酸素の一部が外部へ放出してしまい、酸化物絶縁膜に含まれる、加熱により脱離可能な酸素含有量が低減しているためである。
以上のことから、酸化物絶縁膜１１３上に酸化物半導体膜１１５を形成し、島状の酸化物半導体膜１１７を形成する前に、加熱処理を行うことで、酸化物絶縁膜１１３に含まれる酸素を効率よく酸化物半導体膜１１５に拡散させることができる。
本実施例では、トランジスタの作製方法及び当該トランジスタの電気特性について、図１及び図１１を用いて説明する。
本実施例では、実施例１と同様に、加熱工程順の異なる試料７乃至試料９を作製した。試料７は、酸化物絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成した後、加熱を行う。試料８は、酸化物絶縁膜を形成した後、加熱を行う。試料９は、酸化物絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成し、酸化物半導体膜の一部をエッチングして島状の酸化物半導体膜を形成した後、加熱を行う。
はじめに試料７乃至９の作製方法を説明する。
図１（Ａ）に示すように、基板５１上に酸化物絶縁膜５３を形成した。次に、酸化物絶縁膜５３上に酸化物半導体膜５５を形成した。なお、試料８は、酸化物絶縁膜５３の形成後、且つ酸化物半導体膜５５の形成前に加熱処理を行った。また、試料７は酸化物半導体膜５５の形成後、且つ図１（Ｃ）に示す酸化物半導体膜５９の形成前に加熱処理を行った。
基板５１として、ＡＮ１００（旭硝子社製）ガラス基板を用いた。
酸化物絶縁膜５３の成膜条件は、実施例１の工程１に示す酸化物絶縁膜の成膜条件を用いて、厚さ３００ｎｍの酸化シリコン膜を形成した。
酸化物半導体膜５５の成膜条件は、実施例１の工程２に示す酸化物半導体膜の成膜条件を用いて、厚さ３０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を形成した。
試料７及び試料８の加熱処理は、実施例１の工程４に示す加熱処理条件を用いた。
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、当該マスクを用いて酸化物半導体膜をエッチングした。なお、試料９は、酸化物半導体膜をエッチングした後、加熱処理を行った。以上の工程により、図１（Ｃ）に示すように、酸化物半導体膜５９を形成した。
ここでは、ウエットエッチングを用いて酸化物半導体膜をエッチングした。
試料９の加熱処理は、実施例１の工程４に示す加熱条件を用いた。
次に、酸化物半導体膜５９上に一対の電極６１を形成した（図１（Ｄ）参照。）。
ここでは、導電膜として、スパッタリング法により厚さ１００ｎｍのタングステン膜を形成した。次に、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した後、当該マスクを用いて導電膜をドライエッチングして一対の電極６１を形成した。この後、マスクを除去した。
次に、酸化物半導体膜５９及び一対の電極６１上にゲート絶縁膜６３を形成した。次に、ゲート絶縁膜６３上にゲート電極６５を形成した。次に、保護膜として機能する絶縁膜６９を形成した（図１（Ｅ）参照。）。
ここでは、ゲート絶縁膜６３として、プラズマＣＶＤ法により酸化窒化シリコン膜を形成した。試料７及び試料８では、ゲート絶縁膜の厚さを３０ｎｍとし、試料９ではゲート絶縁膜の厚さを１５ｎｍとした。
また、ゲート絶縁膜６３上に、スパッタリング法により厚さ１５ｎｍの窒化タンタル膜を形成した後、スパッタリング法により厚さ１３５ｎｍのタングステン膜を形成した。次に、フォトリソグラフィ工程によりマスクを形成した後、当該マスクを用いてタングステン膜及び窒化タンタル膜をドライエッチングして、ゲート電極６５を形成した。次に、マスクを除去した。
ここでは、絶縁膜６９としてプラズマＣＶＤ法により厚さ３００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を形成した。
次に、図示しないが、絶縁膜６９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、当該マスクを用いて絶縁膜６９の一部をエッチングしてコンタクトホールを形成した。ここでは、ドライエッチングによりゲート絶縁膜６３及び絶縁膜６９をエッチングして、一対の電極６１及びゲート電極６５を露出するコンタクトホールを形成した。
次に、一対の電極６１及びゲート電極６５に接続する配線をそれぞれ形成した。
ここでは、絶縁膜６９上に、スパッタリング法により厚さ５０ｎｍのチタン膜、厚さ１００ｎｍのアルミニウム膜、及び厚さ５ｎｍのチタン膜を順に形成した。次に、フォトリソグラフィ工程によりマスクを形成した後、当該マスクを用いてチタン膜、アルミニウム膜、及びチタン膜をドライエッチングして、配線を形成した。次に、マスクを除去した。
次に、窒素雰囲気の電気炉で２５０℃、１時間保持することで、各試料を加熱した。
以上の工程によりトランジスタを作製した。次に、試料７乃至試料９に形成されたトランジスタの電気特性を測定した。測定は、基板面内で２５点行っており、重ねて表示している。チャネル長Ｌは３μｍであり、チャネル幅Ｗは１０μｍである。
図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）、及び図１１（Ｃ）はそれぞれ、試料７、試料８、及び試料９に作製されたトランジスタの電気特性を示す。曲線２２１、２２５、２２９は、それぞれのトランジスタにドレイン電圧を０．１Ｖ印加したときの電流電圧曲線を示し、曲線２２３、２２７、２３１は、それぞれのトランジスタにドレイン電圧を３Ｖ印加したときの電流電圧曲線を示す。
図１１（Ａ）に示す電流電圧曲線はオンオフ比が高く、スイッチング特性を有するが、図１１（Ｂ）及び図１１（Ｃ）に示す電流電圧曲線はオンオフがとれておらず、スイッチング特性を有していない。
実施例１のＴＤＳ分析結果より、試料２に示すように、酸化物絶縁膜の表面を酸化物半導体膜で覆った状態で加熱処理を行っても酸化物絶縁膜に含まれる、加熱により脱離可能な酸素量の減少が少なく、外部への酸素の放出が生じにくい。一方、試料４及び試料６においては、酸化物絶縁膜が露出した状態で加熱処理することにより、酸素が外部へ放出している。
これらのことから、試料２と同様の工程順で加熱処理を行った本実施例の試料７においては、酸化物絶縁膜に含まれる酸素の一部が加熱によって酸化物半導体膜に拡散しており、また外部への酸素放出が抑制されているため、酸化物半導体膜に含まれる酸素欠損が低減している。このため、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、スイッチング特性を有する。
一方、試料４及び試料６と同様の工程順で加熱処理を行った本実施例の試料８及び試料９においては、酸化物絶縁膜に含まれる酸素の一部が加熱によって外部に放出されたため、酸化物半導体膜への酸素拡散量が少なく、キャリア源となる酸素欠損が多く含まれる。このため、酸化物半導体膜がｎ型の導電型を有し、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、スイッチング特性を有さない。
以上のことから、加熱により酸素の一部が脱離する酸化物絶縁膜の表面を酸化物半導体膜で覆った状態で加熱処理を行った後、酸化物半導体膜を所定の形状にエッチングし、ゲート絶縁膜及びゲート電極を形成することで、オンオフ比が十分高く、しきい値電圧のマイナスシフトの少ないトランジスタを作製することができる。
５１ 基板
５３ 酸化物絶縁膜
５５ 酸化物半導体膜
５７ 酸化物半導体膜
５９ 酸化物半導体膜
６１ 電極
６３ ゲート絶縁膜
６５ ゲート電極
６９ 絶縁膜
７１ 電極
７３ 酸化物半導体膜
７５ 酸化物半導体膜
７７ ゲート絶縁膜
７９ ゲート電極
８１ 絶縁膜
８３ 配線
８４ バッファ
８５ バッファ
８７ バッファ
９１ ゲート電極
９３ ゲート絶縁膜
９５ 酸化物半導体膜
９７ 酸化物半導体膜
９９ 酸化物半導体膜
１０１ 電極
１０３ ゲート絶縁膜
１０５ ゲート電極
１０９ 絶縁膜
１１１ 基板
１１３ 酸化物絶縁膜
１１５ 酸化物半導体膜
１１７ 酸化物半導体膜
２０１ 破線
２０３ 実線
２０５ 破線
２０７ 実線
２０９ 破線
２１１ 実線
２２１ 曲線
２２３ 曲線
２７００ 電子書籍
２７０１ 筐体
２７０３ 筐体
２７０５ 表示部
２７０６ 光電変換装置
２７０７ 表示部
２７０８ 光電変換装置
２７１１ 軸部
２７２１ 電源
２７２３ 操作キー
２７２５ スピーカ
９６００ テレビジョン装置
９６０１ 筐体
９６０３ 表示部
９６０５ スタンド
９６０７ 表示部
９６０９ 操作キー
９６１０ リモコン操作機
９７００ デジタルフォトフレーム
９７０１ 筐体
９７０３ 表示部

Claims (5)

  1. 基板上に酸化物絶縁膜を形成し、
    前記酸化物絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成し、
    前記酸化物半導体膜を形成した後、加熱処理を行い、
    前記加熱処理を行った後、前記酸化物半導体膜の一部をエッチングして、島状の酸化物半導体膜を形成し、
    前記島状の酸化物半導体膜上に一対の電極を形成し、
    前記島状の酸化物半導体膜上及び前記一対の電極上にゲート絶縁膜を形成し、
    前記ゲート絶縁膜上に、前記島状の酸化物半導体膜と重畳する領域を有するゲート電極を形成し、
    前記加熱処理において、前記酸化物半導体膜に含まれる水素が脱離し、前記酸化物絶縁膜に含まれる酸素の一部が脱離して、前記酸化物半導体膜と前記酸化物絶縁膜との界面近傍、及び前記酸化物半導体膜に拡散することを特徴とする半導体装置の作製方法。
  2. 基板上に酸化物絶縁膜を形成し、
    前記酸化物絶縁膜上に一対の電極を形成し、
    前記一対の電極上に酸化物半導体膜を形成し、
    前記酸化物半導体膜を形成した後、加熱処理を行い、
    前記加熱処理を行った後、前記酸化物半導体膜の一部をエッチングして、島状の酸化物半導体膜を形成し、
    前記一対の電極上及び前記島状の酸化物半導体膜上にゲート絶縁膜を形成し、
    前記ゲート絶縁膜上に、前記島状の酸化物半導体膜と重畳する領域を有するゲート電極を形成し、
    前記加熱処理において、前記酸化物半導体膜に含まれる水素が脱離し、前記酸化物絶縁膜に含まれる酸素の一部が脱離して、前記酸化物半導体膜と前記酸化物絶縁膜との界面近傍、及び前記酸化物半導体膜に拡散することを特徴とする半導体装置の作製方法。
  3. 請求項１または請求項２において、
    前記酸化物絶縁膜において、前記加熱処理によって脱離する酸素の脱離量は、昇温脱離ガス分光法分析を用いて、酸素原子として換算すると、１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
  4. 請求項１または請求項２において、
    前記酸化物絶縁膜として、化学量論比より多くの酸素を含む酸化物絶縁膜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のいずれか一項において、
    前記加熱処理は、１５０℃以上前記基板の歪み点未満で行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。
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