JP6016532B2

JP6016532B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP6016532B2
Application number: JP2012189399A
Authority: JP
Inventors: 直人山出; 純一肥塚
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2012-08-30
Publication date: 2016-10-26
Anticipated expiration: 2032-08-30
Also published as: JP2013070039A; US9269825B2; US20140299876A1; US20130056727A1; US8796681B2

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うる装置全般を指し、電気光学装置、半導体回路およ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（薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）ともいう）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、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）。

特開２００６−１６５５２８号公報

ところで、トランジスタの動作の高速化、トランジスタの低消費電力化、高集積化等を達成するためにはトランジスタの微細化が必須である。

しかし、トランジスタの微細化に伴って電気特性の劣化（代表的には短チャネル効果）が顕在化する恐れがある。

そこで、開示する発明は、微細化を実現し、トランジスタとして十分に機能できる電気的特性を付与された半導体装置を提供することを目的の一とする。また、上記半導体装置を作製する方法を提供することを目的の一とする。

半導体層、ゲート絶縁膜、及びゲート電極層が順に積層されたトランジスタを有する半導体装置において、該半導体層としてインジウム、ガリウム、亜鉛、及び酸素の４元素を少なくとも含み、該４元素の組成（該４元素の割合）を原子百分率で表したとき、インジウムの割合が、ガリウムの割合及び亜鉛の割合の２倍以上である酸化物半導体膜を用いる。該半導体装置において、酸化物半導体膜は作製工程において酸素が導入され、酸素を多く（過剰に）含む膜であり、トランジスタを覆う酸化アルミニウム膜を含む絶縁層が設けられる。

酸化物半導体膜は、非単結晶半導体であって、インジウム：ガリウム：亜鉛の組成が３：１：２の酸化物ターゲットで作製することができる。

酸化物半導体膜の形成される酸化物絶縁層表面は研磨処理により平坦化されており（好ましくは平均面粗さが０．１５ｎｍ以下）、薄膜の酸化物半導体膜を被覆性よく設けることができる。

酸化物半導体膜に、酸素（少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオン、のいずれかを含む）を導入して膜中に酸素を供給する。酸素の導入方法としては、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、プラズマ処理などを用いることができる。

トランジスタに設けられる酸化物半導体膜は、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている膜とすると好ましい。この場合、酸素の含有量は、酸化物半導体の化学量論比を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化物半導体の格子間に酸素が存在する場合もある。

ゲート電極層をマスクとして酸化物半導体膜に自己整合的にドーパントを導入し、酸化物半導体膜においてチャネル形成領域を挟んでチャネル形成領域より抵抗が低く、ドーパントを含む低抵抗領域を形成する。ドーパントは、酸化物半導体膜の導電率を変化させる不純物である。ドーパントの導入方法としては、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などを用いることができる。

チャネル長方向にチャネル形成領域を挟んで低抵抗領域を含む酸化物半導体膜を有することにより、該トランジスタはオン特性（例えば、オン電流及び電界効果移動度）が高く、高速動作、高速応答が可能となる。

本明細書で開示する発明の構成の一形態は、酸化物絶縁層上に設けられたチャネル形成領域を含む酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜上にゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に酸化物半導体膜と重なるゲート電極層と、酸化物半導体層及びゲート電極層上に酸化アルミニウム膜を含む絶縁層を有し、酸化物絶縁層表面の平均面粗さは０．１５ｎｍ以下であり、酸化物半導体膜はインジウム、ガリウム、亜鉛、及び酸素の４元素を少なくとも含み、該４元素の組成を原子百分率で表したとき、インジウムの割合が、ガリウムの割合及び亜鉛の割合の２倍以上であり、酸化物半導体膜において、ゲート電極層と重畳しない領域は、ドーパントを含む半導体装置である。

酸化物半導体膜は、非単結晶半導体であって、ｃ軸配向した結晶領域を含んでもよい。

また、酸化物半導体膜において、ソース電極層またはドレイン電極層と重畳しない領域は、ソース電極層またはドレイン電極層と重畳する領域よりも高い酸素濃度を有する構成としてもよい。

本明細書で開示する発明の構成の一形態は、酸化物絶縁層を形成し、酸化物絶縁層表面に研磨処理を行い、研磨処理を行った酸化物絶縁層上にインジウム：ガリウム：亜鉛の組成が３：１：２の酸化物ターゲットを用いたスパッタリング法により酸化物半導体膜を形成し、酸化物半導体膜に酸素を注入し、酸素を注入した酸化物半導体膜上にゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上に酸化物半導体膜と重なるゲート電極層を形成し、ゲート電極層をマスクとして酸化物半導体膜にドーパントを選択的に導入し、ドーパントを導入した酸化物半導体層、及びゲート電極層上に酸化アルミニウム膜を含む絶縁層を形成する半導体装置の作製方法である。

本明細書で開示する発明の構成の一形態は、酸化物絶縁層を形成し、酸化物絶縁層表面に研磨処理を行い、研磨処理を行った酸化物絶縁層上にインジウム：ガリウム：亜鉛の組成が３：１：２の酸化物ターゲットを用いたスパッタリング法により酸化物半導体膜を形成し、酸化物半導体膜に酸素を注入し、酸素を注入した酸化物半導体膜を島状の酸化物半導体膜に加工し、島状に加工した酸化物半導体膜上にゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上に酸化物半導体膜と重なるゲート電極層を形成し、ゲート電極層をマスクとして酸化物半導体膜にドーパントを選択的に導入し、ドーパントを導入した酸化物半導体層、及びゲート電極層上に酸化アルミニウム膜を含む絶縁層を形成する半導体装置の作製方法である。

また、酸化物半導体膜に水素若しくは水分を放出させる加熱処理（脱水化又は脱水素化処理）を行ってもよい。また、酸化物半導体膜として結晶性酸化物半導体膜を用いる場合、結晶化のための加熱処理を行ってもよい。

本発明の一形態は、トランジスタ若しくはトランジスタを含んで構成される回路を有する半導体装置に関する。例えば、酸化物半導体でチャネル形成領域が形成される、トランジスタ若しくはトランジスタを含んで構成される回路を有する半導体装置に関する。例えば、ＬＳＩや、ＣＰＵや、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、液晶表示パネル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。

微細化を実現し、トランジスタとして十分に機能できる電気的特性を付与された半導体装置、及び該半導体装置の作製方法を提供することができる。

半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を説明する図。実施例トランジスタ１及び実施例トランジスタ２の電気特性評価を示す図。比較例トランジスタ１及び比較例トランジスタ２の電気特性評価を示す図。半導体装置の一形態を示す断面図、平面図及び回路図。半導体装置の一形態を示す回路図及び斜視図。半導体装置の一形態を示す断面図及び平面図。半導体装置の一形態を示す回路図。半導体装置の一形態を示すブロック図。半導体装置の一形態を示すブロック図。半導体装置の一形態を示すブロック図。

以下では、本明細書に開示する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、本明細書に開示する発明は以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。また、本明細書に開示する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、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、工程順又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を用いて説明する。本実施の形態では、半導体装置の一例として酸化物半導体膜を有するトランジスタを示す。

トランジスタはチャネル形成領域が１つ形成されるシングルゲート構造でも、２つ形成されるダブルゲート構造もしくは３つ形成されるトリプルゲート構造であってもよい。また、チャネル領域の上下にゲート絶縁膜を介して配置された２つのゲート電極層を有する、デュアルゲート型でもよい。

図１（Ａ）乃至（Ｅ）に作製方法ともに示すトランジスタ４４０は、トップゲート構造を有するプレーナ型のトランジスタの例である。

トランジスタ４４０は、酸化物絶縁層４３６が設けられた絶縁表面を有する基板４００上に、チャネル形成領域４０９、低抵抗領域４０４ａ、４０４ｂを含む酸化物半導体膜４０３、ゲート絶縁膜４０２、ゲート電極層４０１を有する。トランジスタ４４０上には、絶縁層４０７ａ、４０７ｂが形成されている。酸化物半導体膜４０３と電気的に接続し、ソース電極層又はドレイン電極層として機能する配線層４６５ａ、４６５ｂが設けられる。

酸化物半導体膜４０３は、インジウム、ガリウム、亜鉛、及び酸素の４元素を少なくとも含み、該４元素の組成を原子百分率で表したとき、インジウムの割合が、ガリウムの割合及び亜鉛の割合の２倍以上である酸化物半導体膜（ＩＧＺＯ層ともいう）である。

酸化物半導体膜４０３は、インジウム：ガリウム：亜鉛の組成が３：１：２の酸化物ターゲットを用いたスパッタリング法によって作製することができる。

該半導体装置において、酸化物半導体膜４０３は作製工程において酸素が導入され、酸素を多く（過剰に）含む膜であり、トランジスタ４４０を覆う絶縁層は酸化アルミニウム膜を含む絶縁層である。本実施の形態では、絶縁層４０７ａとして酸化アルミニウム膜、絶縁層４０７ｂとして酸化窒化シリコン膜を用いる。酸化アルミニウム膜を高密度（膜密度３．２ｇ／ｃｍ^３以上、好ましくは３．６ｇ／ｃｍ^３以上）とすることによって、トランジスタ４４０に安定な電気特性を付与することができる。膜密度はラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：ＲｕｔｈｅｒｆｏｒｄＢａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）や、Ｘ線反射率測定法（ＸＲＲ：Ｘ−ＲａｙＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）によって測定することができる。

酸化物半導体膜４０３の形成される酸化物絶縁層４３６表面は研磨処理により平坦化されており（好ましくは平均面粗さが０．１５ｎｍ以下）、薄膜の酸化物半導体膜４０３を被覆性よく設けることができる。

酸化物半導体膜４０３に、酸素（少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオン、のいずれかを含む）を導入して膜中に酸素を供給する。酸素の導入方法としては、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、プラズマ処理などを用いることができる。

トランジスタ４４０に設けられる酸化物半導体膜４０３は、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている膜とすると好ましい。この場合、酸素の含有量は、酸化物半導体の化学量論比を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化物半導体の格子間に酸素が存在する場合もある。

ゲート電極層４０１をマスクとして酸化物半導体膜４０３に自己整合的にドーパントを導入し、酸化物半導体膜４０３においてチャネル形成領域４０９を挟んでチャネル形成領域４０９より抵抗が低く、ドーパントを含む低抵抗領域４０４ａ、４０４ｂを形成する。ドーパントは、酸化物半導体膜４０３の導電率を変化させる不純物である。ドーパントの導入方法としては、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などを用いることができる。

チャネル長方向にチャネル形成領域４０９を挟んで低抵抗領域４０４ａ、４０４ｂを含む酸化物半導体膜４０３を有することにより、該トランジスタ４４０はオン特性（例えば、オン電流及び電界効果移動度）が高く、高速動作、高速応答が可能となる。

酸化物半導体は非単結晶であり、アモルファスでも、多結晶でもよい。また、アモルファス中に結晶性を有する部分を含む構造でも、非アモルファスでもよい。

アモルファス状態の酸化物半導体は、比較的容易に平坦な表面を得ることができるため、これを用いてトランジスタを作製した際の界面散乱を低減でき、比較的容易に、比較的高い移動度を得ることができる。

また、結晶性を有する酸化物半導体では、よりバルク内欠陥を低減することができ、表面の平坦性を高めればアモルファス状態の酸化物半導体以上の移動度を得ることができる。表面の平坦性を高めるためには、平坦な表面上に酸化物半導体を形成することが好ましく、具体的には、平均面粗さ（Ｒａ）が０．１５ｎｍ以下、好ましくは０．１ｎｍ以下の表面上に形成するとよい。

Ｒａとは、ＪＩＳＢ０６０１：２００１（ＩＳＯ４２８７：１９９７）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、以下の式にて定義される。

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。Ｒａは原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：ＡｔｏｍｉｃＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）にて測定可能である。

酸化物半導体膜４０３として、結晶を含み、結晶性を有する酸化物半導体膜（結晶性酸化物半導体膜）を用いることができる。結晶性酸化物半導体膜における結晶状態は、結晶軸の方向が無秩序な状態でも、一定の配向性を有する状態であってもよい。

例えば、結晶性酸化物半導体膜として、表面に概略垂直なｃ軸を有している結晶を含む酸化物半導体膜を用いることができる。

表面に概略垂直なｃ軸を有している結晶を含む酸化物半導体膜は、単結晶構造ではなく、非晶質構造でもない構造であり、ｃ軸配向を有した結晶を含む酸化物半導体膜（ＣＡｘｉｓＡｌｉｇｎｅｄＣｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ；ＣＡＡＣ−ＯＳともいう）である。なお、該結晶性酸化物半導体膜は、一部に結晶粒界（グレインバウンダリー）を有しうる。

ＣＡＡＣとは、ｃ軸配向し、かつａｂ面、表面または界面に垂直な方向から見て三角形状または六角形状の原子配列を有し、金属原子および酸素原子を有する層が重なり（なお当該層の法線ベクトルがｃ軸方向である）、ａｂ面（あるいは表面または界面）においては、ａ軸またはｂ軸の向きが異なる（ｃ軸を中心に回転した）結晶である。ＣＡＡＣを含む薄膜とは、ｃ軸に対しては結晶化した薄膜であり、ａｂ面に対しては必ずしも配列していない。

広義に、ＣＡＡＣとは、非単結晶であって、そのａｂ面に垂直な方向から見て、三角形もしくは六角形、または正三角形もしくは正六角形の原子配列を有し、かつｃ軸方向に垂直な方向から見て金属原子が層状または金属原子と酸素原子が層状に配列した相を含む。

ＣＡＡＣを含む薄膜は単結晶ではないが、非晶質のみから形成されているものでもない。また、ＣＡＡＣを含む薄膜は結晶部分を含むが、１つの結晶部分と他の結晶部分の境界を明確に判別できないこともある。

ＣＡＡＣに酸素が含まれる場合、酸素の一部は窒素で置換されてもよい。また、ＣＡＡＣを含む薄膜を構成する個々の結晶部分のｃ軸は一定の方向（例えば、ＣＡＡＣが形成される基板面やＣＡＡＣの表面や膜面、界面等に垂直な方向）に揃っていてもよい。あるいは、ＣＡＡＣを含む薄膜を構成する個々の結晶部分のａｂ面の法線は一定の方向（例えば、基板面、表面、膜面、界面等に垂直な方向）を向いていてもよい。

該結晶性酸化物半導体膜とすることで、可視光や紫外光の照射によるトランジスタの電気的特性変化をより抑制し、信頼性の高い半導体装置とすることができる。

ｃ軸配向を有した結晶性酸化物半導体膜を得る方法としては、３つ挙げられる。１つ目は、成膜温度を２００℃以上５００℃以下として酸化物半導体膜の成膜を行い、表面に概略垂直にｃ軸配向させる方法である。２つ目は、膜厚を薄く成膜した後、２００℃以上７００℃以下の加熱処理を行い、表面に概略垂直にｃ軸配向させる方法である。３つ目は、一層目の膜厚を薄く成膜した後、２００℃以上７００℃以下の加熱処理を行い、２層目の成膜を行い、表面に概略垂直にｃ軸配向させる方法である。

酸化物半導体膜４０３の膜厚は、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下（好ましくは５ｎｍ以上１０ｎｍ以下）とし、スパッタリング法、ＭＢＥ（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）法、ＣＶＤ法、パルスレーザ堆積法、ＡＬＤ（ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等を適宜用いることができる。また、酸化物半導体膜４０３は、スパッタリングターゲット表面に対し、概略垂直に複数の基板表面がセットされた状態で成膜を行うスパッタ装置を用いて成膜してもよい。

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低減することで、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７４０℃以下、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−Ｏ化合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−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ化合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。

図１（Ａ）乃至（Ｅ）にトランジスタ４４０を用いて、作製方法の一例を示す。

まず、絶縁表面を有する基板４００上に酸化物絶縁層４３６を形成する。

絶縁表面を有する基板４００に使用することができる基板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ことが必要となる。例えば、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。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でき、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板４００として用いてもよい。

また、基板４００として、可撓性基板を用いて半導体装置を作製してもよい。可撓性を有する半導体装置を作製するには、可撓性基板上に酸化物半導体膜４０３を含むトランジスタ４４０を直接作製してもよいし、他の作製基板に酸化物半導体膜４０３を含むトランジスタ４４０を作製し、その後可撓性基板に剥離、転置してもよい。なお、作製基板から可撓性基板に剥離、転置するために、作製基板と酸化物半導体膜を含むトランジスタ４４０との間に剥離層を設けるとよい。

酸化物絶縁層４３６としては、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウム、又はこれらの混合材料を用いて形成することができる。

酸化物絶縁層４３６は、単層でも積層でもよい。例えば、基板４００上に酸化シリコン膜、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物膜、酸化物半導体膜４０３を順に積層してもよいし、基板４００上に酸化シリコン膜、Ｉｎ：Ｚｒ：Ｚｎ＝１：１：１の原子数比のＩｎ−Ｚｒ−Ｚｎ系酸化物膜、酸化物半導体膜４０３を順に積層してもよいし、基板４００上に酸化シリコン膜、Ｉｎ：Ｇｄ：Ｚｎ＝１：１：１の原子数比のＩｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物膜、酸化物半導体膜４０３を順に積層してもよい。

本実施の形態では酸化物絶縁層４３６としてスパッタリング法を用いて形成する酸化シリコン膜を用いる。

また、酸化物絶縁層４３６と基板４００との間に窒化物絶縁膜を設けてもよい。窒化物絶縁膜は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により、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、又はこれらの混合材料を用いて形成することができる。

次に、酸化物絶縁層４３６上に酸化物半導体膜４９１を形成する（図１（Ａ）参照）。

酸化物絶縁層４３６は、酸化物半導体膜４９１と接するため、膜中（バルク中）に少なくとも化学量論比を超える量の酸素が存在することが好ましい。例えば、酸化物絶縁層４３６として、酸化シリコン膜を用いる場合には、ＳｉＯ_２＋α（ただし、α＞０）とする。このような酸化物絶縁層４３６を用いることで、酸化物半導体膜４９１に酸素を供給することができ、特性を良好にすることができる。酸化物半導体膜４９１へ酸素を供給することにより、膜中の酸素欠損を補填することができる。

例えば、酸素の供給源となる酸素を多く（過剰に）含む酸化物絶縁層４３６を酸化物半導体膜４９１と接して設けることによって、該酸化物絶縁層４３６から酸化物半導体膜４９１へ酸素を供給することができる。酸化物半導体膜４９１及び酸化物絶縁層４３６を少なくとも一部が接した状態で加熱処理を行うことによって酸化物半導体膜４９１への酸素の供給を行ってもよい。

酸化物半導体膜４９１の形成工程において、酸化物半導体膜４９１に水素、又は水がなるべく含まれないようにするために、酸化物半導体膜４９１の成膜の前処理として、スパッタリング装置の予備加熱室で酸化物絶縁層４３６が形成された基板を予備加熱し、基板及び酸化物絶縁層４３６に吸着した水素、水分などの不純物を脱離し排気することが好ましい。なお、予備加熱室に設ける排気手段はクライオポンプが好ましい。

酸化物絶縁層４３６において酸化物半導体膜４９１が接して形成される領域に、平坦化処理を行う。平坦化処理としては、特に限定されないが、研磨処理（例えば、化学的機械研磨（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）法）、ドライエッチング処理、プラズマ処理を用いることができる。本実施の形態では、平坦化処理により、酸化物絶縁層４３６表面の平均面粗さは０．１５ｎｍ以下とする。

プラズマ処理としては、例えば、アルゴンガスを導入してプラズマを発生させる逆スパッタリングを行うことができる。逆スパッタリングとは、アルゴン雰囲気下で基板側にＲＦ電源を用いて電圧を印加して基板近傍にプラズマを形成して表面を改質する方法である。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウム、酸素などを用いてもよい。逆スパッタリングを行うと、酸化物絶縁層４３６の表面に付着している粉状物質（パーティクル、ごみともいう）を除去することができる。

平坦化処理として、研磨処理、ドライエッチング処理、プラズマ処理は複数回行ってもよく、それらを組み合わせて行ってもよい。また、組み合わせて行う場合、工程順も特に限定されず、酸化物絶縁層４３６表面の凹凸状態に合わせて適宜設定すればよい。

なお、酸化物半導体膜４９１は、成膜時に酸素が多く含まれるような条件（例えば、酸素１００％の雰囲気下でスパッタリング法により成膜を行うなど）で成膜して、酸素を多く含む（好ましくは酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている）膜とすることが好ましい。

なお、本実施の形態において、酸化物半導体膜４９１を、スパッタリング法で作製するためのターゲットとしては、組成として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２［原子百分率］の酸化物ターゲットを用い、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物膜（ＩＧＺＯ膜）を成膜する。

また、金属酸化物ターゲットの相対密度（充填率）は９０％以上１００％以下、好ましくは９５％以上９９．９％以下である。相対密度の高い金属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膜は緻密な膜とすることができる。

酸化物半導体膜４９１を、成膜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。

減圧状態に保持された成膜室内に基板を保持する。そして、成膜室内の残留水分を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入し、上記ターゲットを用いて酸化物絶縁層４３６上に酸化物半導体膜４９１を成膜する。成膜室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプ、例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また、排気手段としては、ターボ分子ポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素原子、水（Ｈ_２Ｏ）など水素原子を含む化合物（より好ましくは炭素原子を含む化合物も）等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物半導体膜４９１に含まれる不純物の濃度を低減できる。

また、酸化物絶縁層４３６と酸化物半導体膜４９１とを大気に解放せずに連続的に形成することが好ましい。酸化物絶縁層４３６と酸化物半導体膜４９１とを大気に曝露せずに連続して形成すると、酸化物絶縁層４３６表面に水素や水分などの不純物が吸着することを防止することができる。

次に、酸化物半導体膜４９１に酸素４３１（少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオン、のいずれかを含む）を導入して、酸化物半導体膜４９１に酸素の供給を行う。酸素の導入方法としては、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、プラズマ処理などを用いることができる。

本実施の形態におけるトランジスタ４４０の作製工程において、酸素の導入工程は、酸化物半導体膜４９１の形成後、ゲート電極層４０１が形成される前までに行うことが好ましい。酸化物半導体膜４０３への酸素の導入は複数回行ってもよい。

また、酸素の導入工程は、酸化物半導体膜に直接導入してもよいし、ゲート絶縁膜や絶縁膜などの他の膜を通過して酸化物半導体膜へ導入してもよい。酸素を酸化物半導体膜に他の膜を通過して導入する場合は、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などを用いればよいが、本実施の形態のように酸素を露出された酸化物半導体膜４９１へ直接導入する場合は、プラズマ処理なども用いることができる。

本実施の形態では、イオン注入法により酸化物半導体膜４９１に酸素４３１を注入する。酸素４３１の注入工程により、酸化物半導体膜４９１は、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている酸化物半導体膜４９２となる（図１（Ｂ）参照）。

例えば、酸素４３１の導入工程によって導入された酸化物半導体膜４９２における酸素濃度を１×１０^１８／ｃｍ^３以上３×１０^２１／ｃｍ^３以下とするのが好ましい。なお、酸素過剰領域は、酸化物半導体膜４９２の一部（界面も含む）に存在していればよい。よって、酸素４３１を導入することにより、ゲート絶縁膜４０２、酸化物半導体膜４９２、及び酸化物絶縁層４３６の積層において、酸化物絶縁層４３６と酸化物半導体膜４９２との界面、酸化物半導体膜４９２中、又は酸化物半導体膜４９２とゲート絶縁膜４０２との界面の少なくとも一に酸素を含有させる。

酸化物半導体膜４９２は、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている。この場合、酸素の含有量は、酸化物半導体の化学量論比を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化物半導体の格子間に酸素が存在する場合もある。このような酸化物半導体の組成はＩｎＧａＺｎ_ｍＯ_ｍ＋３ｘ（ｘ＞１）で表すことができる。例えば、ｍ＝１であるとき、酸化物半導体の組成はＩｎＧａＺｎＯ_１＋３ｘ（ｘ＞１）となり、酸素過剰である場合には、１＋３ｘが４を越える値を示す。

供給された酸素４３１によって、酸化物半導体膜４９２中に存在する酸素欠損を補填することができる。

なお、酸化物半導体において、酸素は主たる成分材料の一つである。このため、酸化物半導体膜中の酸素濃度を、ＳＩＭＳ（ＳｅｃｏｎｄａｒｙＩｏｎＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）などの方法を用いて、正確に見積もることは難しい。つまり、酸化物半導体膜に酸素が意図的に添加されたか否かを判別することは困難であるといえる。

ところで、酸素には^１７Ｏや^１８Ｏといった同位体が存在し、自然界におけるこれらの存在比率はそれぞれ酸素原子全体の０．０３７％、０．２０４％程度であることが知られている。つまり、酸化物半導体膜中におけるこれら同位体の濃度は、ＳＩＭＳなどの方法によって見積もることができる程度になるから、これらの濃度を測定することで、酸化物半導体膜中の酸素濃度をより正確に見積もることが可能な場合がある。よって、これらの濃度を測定することで、酸化物半導体膜に意図的に酸素が添加されたか否かを判別してもよい。

本実施の形態のように、酸素４３１を直接酸化物半導体膜４９２へ導入する場合は、酸化物半導体膜４９２と接する絶縁膜（酸化物絶縁層４３６、ゲート絶縁膜４０２など）を、必ずしも酸素を多く含む膜とする必要はないが、酸化物半導体膜４９２と接する絶縁膜（酸化物絶縁層４３６、ゲート絶縁膜４０２など）を、酸素を多く含む膜とし、さらに酸素４３１を直接酸化物半導体膜４９２に導入し、複数の酸素供給方法を行ってもよい。

次に、膜状の酸化物半導体膜４９２をフォトリソグラフィ工程により島状の酸化物半導体膜４０３に加工する。

また、島状の酸化物半導体膜４０３を形成するためのレジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。

なお、酸化物半導体膜４９２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く、両方を用いてもよい。例えば、酸化物半導体膜４９２のウェットエッチングに用いるエッチング液としては、燐酸と酢酸と硝酸を混ぜた溶液などを用いることができる。また、ＩＴＯ−０７Ｎ（関東化学社製）を用いてもよい。

また、酸化物半導体膜４０３に、過剰な水素（水や水酸基を含む）を除去（脱水化または脱水素化）するための加熱処理を行ってもよい。加熱処理の温度は、３００℃以上７００℃以下、または基板の歪み点未満とする。加熱処理は減圧下又は窒素雰囲気下などで行うことができる。例えば、加熱処理装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半導体膜４０３に対して窒素雰囲気下４５０℃において１時間の加熱処理を行う。

なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、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用いてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（ＧａｓＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（ＬａｍｐＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌ）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。高温のガスには、アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられる。

例えば、加熱処理として、６５０℃〜７００℃の高温に加熱した不活性ガス中に基板を入れ、数分間加熱した後、基板を不活性ガス中から出すＧＲＴＡを行ってもよい。

なお、加熱処理においては、窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、熱処理装置に導入する窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。

また、加熱処理で酸化物半導体膜４０３を加熱した後、同じ炉に高純度の酸素ガス、高純度の一酸化二窒素ガス、又は超乾燥エア（ＣＲＤＳ（キャビティリングダウンレーザー分光法）方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が２０ｐｐｍ（露点換算で−５５℃）以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、より好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）を導入してもよい。酸素ガスまたは一酸化二窒素ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、熱処理装置に導入する酸素ガスまたは一酸化二窒素ガスの純度を、６Ｎ以上好ましくは７Ｎ以上（即ち、酸素ガスまたは一酸化二窒素ガス中の不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。酸素ガス又は一酸化二窒素ガスの作用により、脱水化または脱水素化処理による不純物の排除工程によって同時に減少してしまった酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素を供給することによって、酸化物半導体膜４０３を高純度化及び電気的にＩ型（真性）化することができる。

なお、脱水化又は脱水素化のための加熱処理を行うタイミングは、膜状の酸化物半導体膜４９１形成後でも、島状の酸化物半導体膜４０３形成後でもよい。

また、脱水化又は脱水素化のための加熱処理は、複数回行ってもよく、他の加熱処理と兼ねてもよい。

脱水化又は脱水素化のための加熱処理を、酸化物半導体膜４０３として島状に加工される前、膜状の酸化物半導体膜が酸化物絶縁層４３６を覆った状態で行うと、酸化物絶縁層４３６に含まれる酸素が加熱処理によって放出されるのを防止することができるため好ましい。

また、脱水化又は脱水素化処理によって、酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素が同時に脱離して減少してしまうおそれがある。酸化物半導体膜において、酸素が脱離した箇所では酸素欠損が存在し、該酸素欠損に起因してトランジスタの電気的特性変動を招くドナー準位が生じてしまう。

よって、脱水化又は脱水素化処理を行った場合、酸化物半導体膜に、酸素を供給することが好ましい。酸化物半導体膜へ酸素を供給することにより、膜中の酸素欠損を補填することができる。

従って、酸化物半導体膜４９１への酸素の導入工程の前に脱水化又は脱水素化処理を行っておくことが好ましい。

また、酸素の供給源となる酸素を多く（過剰に）含む酸化物絶縁膜を酸化物半導体膜と接して設けることによって、該酸化物絶縁膜から酸化物半導体膜へ酸素を供給することができる。上記構成において、脱水化又は脱水素化処理として加熱処理を行った酸化物半導体膜及び酸化物絶縁膜を少なくとも一部が接した状態で加熱処理を行うことによって酸化物半導体膜への酸素の供給を行ってもよい。

水素若しくは水分を酸化物半導体から除去し、不純物が極力含まれないように高純度化し、酸素を供給して酸素欠損を補填することによりＩ型（真性）の酸化物半導体、又はＩ型（真性）に限りなく近い酸化物半導体とすることができる。そうすることにより、酸化物半導体のフェルミ準位（Ｅｆ）を真性フェルミ準位（Ｅｉ）と同じレベルにまですることができる。よって、該酸化物半導体膜をトランジスタに用いることで、酸素欠損に起因するトランジスタのしきい値電圧Ｖｔｈのばらつき、しきい値電圧のシフトΔＶｔｈを低減することができる。

また、本実施の形態では図示しないが、酸化物半導体膜４０３上に、ソース電極層及びドレイン電極層（これと同じ層で形成される配線を含む）を形成してもよい。ソース電極層、及びドレイン電極層に用いる導電膜としては、後の加熱処理に耐えられる材料を用い、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等を用いることができる。また、Ａｌ、Ｃｕなどの金属膜の下側又は上側の一方または双方にＴｉ、Ｍｏ、Ｗなどの高融点金属膜またはそれらの金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）を積層させた構成としても良い。また、ソース電極層、及びドレイン電極層に用いる導電膜としては、導電性の金属酸化物で形成しても良い。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム酸化スズ（Ｉｎ_２Ｏ_３―ＳｎＯ_２）、酸化インジウム酸化亜鉛（Ｉｎ_２Ｏ_３―ＺｎＯ）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。

フォトリソグラフィ工程により導電膜上にレジストマスクを形成し、選択的にエッチングを行ってソース電極層、ドレイン電極層を形成した後、レジストマスクを除去する。

次いで、酸化物半導体膜４０３を覆うゲート絶縁膜４０２を形成する。

なお、ゲート絶縁膜４０２の被覆性を向上させるために、酸化物半導体膜４０３表面にも上記平坦化処理を行ってもよい。特にゲート絶縁膜４０２として膜厚の薄い絶縁膜を用いる場合、酸化物半導体膜４０３表面の平坦性が良好であることが好ましい。

ゲート絶縁膜４０２の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とし、スパッタリング法、ＭＢＥ法、ＣＶＤ法、パルスレーザ堆積法、ＡＬＤ法等を適宜用いることができる。また、ゲート絶縁膜４０２は、スパッタリングターゲット表面に対し、概略垂直に複数の基板表面がセットされた状態で成膜を行うスパッタ装置を用いて成膜してもよい。

ゲート絶縁膜４０２の材料としては、酸化シリコン膜、酸化ガリウム膜、酸化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜、または窒化酸化シリコン膜を用いて形成することができる。ゲート絶縁膜４０２は、酸化物半導体膜４０３と接する部分において酸素を含むことが好ましい。特に、ゲート絶縁膜４０２は、膜中（バルク中）に少なくとも化学量論比を超える量の酸素が存在することが好ましく、例えば、ゲート絶縁膜４０２として、酸化シリコン膜を用いる場合には、ＳｉＯ_２＋α（ただし、α＞０）とする。本実施の形態では、ゲート絶縁膜４０２として、ＳｉＯ_２＋α（ただし、α＞０）である酸化シリコン膜を用いる。この酸化シリコン膜をゲート絶縁膜４０２として用いることで、酸化物半導体膜４０３に酸素を供給することができ、特性を良好にすることができる。さらに、ゲート絶縁膜４０２は、作製するトランジスタのサイズやゲート絶縁膜４０２の段差被覆性を考慮して形成することが好ましい。

また、ゲート絶縁膜４０２の材料として酸化ハフニウム、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉ_ｘＯ_ｙｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯ_ｘＮ_ｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、ハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌ_ｘＯ_ｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、酸化ランタンなどのｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることでゲートリーク電流を低減できる。さらに、ゲート絶縁膜４０２は、単層構造としても良いし、積層構造としても良い。

そして、ゲート電極層４０１をプラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により、ゲート絶縁膜４０２上に形成する（図１（Ｃ）参照）。ゲート電極層４０１の材料は、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウム等の金属材料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。また、ゲート電極層４０１としてリン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコン膜に代表される半導体膜、ニッケルシリサイドなどのシリサイド膜を用いてもよい。ゲート電極層４０１は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。

また、ゲート電極層４０１の材料は、酸化インジウム酸化スズ、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、酸化インジウム酸化亜鉛、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。また、上記導電性材料と、上記金属材料の積層構造とすることもできる。

また、ゲート絶縁膜４０２と接するゲート電極層４０１の一層として、窒素を含む金属酸化物膜、具体的には、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｓｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＳｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｏ膜や、金属窒化膜（ＩｎＮ、ＳｎＮなど）を用いることができる。これらの膜は５ｅＶ（電子ボルト）、好ましくは５．５ｅＶ（電子ボルト）以上の仕事関数を有し、ゲート電極層として用いた場合、トランジスタの電気特性のしきい値電圧をプラスにすることができ、所謂ノーマリーオフのスイッチング素子を実現できる。

次に、ゲート電極層４０１をマスクとして酸化物半導体膜４０３にドーパント４２１を導入し、低抵抗領域４０４ａ、４０４ｂを形成する。

ドーパント４２１は、酸化物半導体膜４０３の導電率を変化させる不純物である。ドーパント４２１としては、１５族元素（代表的にはリン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、およびアンチモン（Ｓｂ））、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、窒素（Ｎ）、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、インジウム（Ｉｎ）、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、チタン（Ｔｉ）、及び亜鉛（Ｚｎ）のいずれかから選択される一以上を用いることができる。

ドーパント４２１は、注入法により、他の膜（例えばゲート絶縁膜４０２）を通過して、酸化物半導体膜４０３に導入することもできる。ドーパント４２１の導入方法としては、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などを用いることができる。その際には、ドーパント４２１の単体のイオンあるいはフッ化物、塩化物のイオンを用いると好ましい。

ドーパント４２１の導入工程は、加速電圧、ドーズ量などの注入条件、また通過させる膜の膜厚を適宜設定して制御すればよい。本実施の形態では、ドーパント４２１としてリンを用いて、イオン注入法でリンイオンの注入を行う。なお、ドーパント４２１のドーズ量は１×１０^１３ｉｏｎｓ／ｃｍ^２以上５×１０^１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２以下とすればよい。

低抵抗領域におけるドーパント４２１の濃度は、５×１０^１８／ｃｍ^３以上１×１０^２２／ｃｍ^３以下であることが好ましい。

ドーパント４２１を導入する際に、基板４００を加熱しながら行ってもよい。

なお、酸化物半導体膜４０３にドーパント４２１を導入する処理は、複数回行ってもよく、ドーパントの種類も複数種用いてもよい。

また、ドーパント４２１の導入処理後、加熱処理を行ってもよい。加熱条件としては、温度３００℃以上７００℃以下、好ましくは３００℃以上４５０℃以下で１時間、酸素雰囲気下で行うことが好ましい。また、窒素雰囲気下、減圧下、大気（超乾燥エア）下で加熱処理を行ってもよい。

酸化物半導体膜４０３を結晶性酸化物半導体膜とした場合、ドーパント４２１の導入により、一部非晶質化する場合がある。この場合、ドーパント４２１の導入後に加熱処理を行うことによって、酸化物半導体膜４０３の結晶性を回復することができる。

よって酸化物半導体膜４０３において、チャネル形成領域４０９を挟んで低抵抗領域４０４ａ、４０４ｂが設けられた酸化物半導体膜４０３が形成される。

以上の工程で、本実施の形態のトランジスタ４４０が作製される（図１（Ｄ）参照）。インジウム、ガリウム、亜鉛、及び酸素の４元素を少なくとも含み、該４元素の組成を原子百分率で表したとき、インジウムの割合が、ガリウムの割合及び亜鉛の割合の２倍以上であり、酸素を多く（過剰に）導入したＩＧＺＯ膜を酸化物半導体膜４０３として用いることによって、トランジスタ４４０に高いオン特性（電界効果移動度）、低いオフ電流、高い信頼性を付与することが可能となる。

次いで、酸化物半導体膜４０３、ゲート絶縁膜４０２、ゲート電極層４０１上に絶縁層４０７ａ、４０７ｂを形成する。

絶縁層４０７ａ、４０７ｂは、単層でも積層でもよく、少なくとも酸化アルミニウム膜を含む。

絶縁層４０７ａ、４０７ｂは、プラズマＣＶＤ法、スパッタリング法、又は蒸着法等により成膜することができる。

酸化アルミニウム膜以外に、絶縁層４０７ａ、４０７ｂとしては、代表的には酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜、又は酸化ガリウム膜などの無機絶縁膜などを用いることができる。また、酸化ハフニウム膜、酸化マグネシウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ランタン膜、酸化バリウム膜）、又は金属窒化物膜（例えば、窒化アルミニウム膜）も用いることができる。

本実施の形態では、絶縁層４０７ａとしてスパッタリング法により酸化アルミニウム膜を形成し、絶縁層４０７ｂとして膜厚１００ｎｍの酸化シリコン膜を、スパッタリング法を用いて成膜する。酸化シリコン膜のスパッタリング法による成膜は、希ガス（代表的にはアルゴン）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において行うことができる。

絶縁層４０７ａ、４０７ｂは、スパッタリング法など、絶縁層４０７ａ、４０７ｂに水、水素等の不純物を混入させない方法を適宜用いて形成することが好ましい。

酸化物半導体膜の成膜時と同様に、絶縁層４０７ａ、４０７ｂが成膜される成膜室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプ（クライオポンプなど）を用いることが好ましい。クライオポンプを用いて排気した成膜室で成膜した絶縁層４０７ａ、４０７ｂに含まれる不純物の濃度を低減できる。また、絶縁層４０７ａ、４０７ｂが成膜される成膜室内の残留水分を除去するための排気手段としては、ターボ分子ポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。

絶縁層４０７ａ、４０７ｂを、成膜する際に用いるスパッタガスとしては、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。

酸化物半導体膜４０３上に設けられる絶縁層４０７ａ、４０７ｂとして用いる酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を通過させない遮断効果（ブロック効果）が高い。

従って、酸化アルミニウム膜は、作製工程中及び作製後において、トランジスタ特性の変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体膜４０３への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体膜４０３からの放出を防止する保護膜として機能する。

また、トランジスタ起因の表面凹凸を低減するために平坦化絶縁膜を形成してもよい。平坦化絶縁膜としては、ポリイミド、アクリル、ベンゾシクロブテン系樹脂、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、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）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ることで、平坦化絶縁膜を形成してもよい。

また、ゲート絶縁膜４０２及び絶縁層４０７ａ、４０７ｂに酸化物半導体膜４０３（低抵抗領域４０４ａ、４０４ｂ）に達する開口を形成し、開口にソース電極層又はドレイン電極層として機能する配線層４６５ａ、４６５ｂを形成する（図１（Ｅ）参照）。配線層４６５ａ、４６５ｂを用いて他のトランジスタと接続させ、様々な回路を構成することができる。

配線層４６５ａ、配線層４６５ｂはゲート電極層４０１と同様の材料及び方法を用いて形成することができ、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等を用いることができる。また、Ａｌ、Ｃｕなどの金属膜の下側又は上側の一方または双方にＴｉ、Ｍｏ、Ｗなどの高融点金属膜またはそれらの金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）を積層させた構成としても良い。また、配線層４６５ａ、配線層４６５ｂに用いる導電膜としては、導電性の金属酸化物で形成しても良い。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム酸化スズ（Ｉｎ_２Ｏ_３―ＳｎＯ_２）、酸化インジウム酸化亜鉛（Ｉｎ_２Ｏ_３―ＺｎＯ）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。

例えば、配線層４６５ａ、配線層４６５ｂとして、モリブデン膜の単層、窒化タンタル膜と銅膜との積層、又は窒化タンタル膜とタングステン膜との積層などを用いることができる。

以上のように、トランジスタ４４０は、半導体層としてインジウム、ガリウム、亜鉛、及び酸素の４元素を少なくとも含み、該４元素の組成を原子百分率で表したとき、インジウムの割合が、ガリウムの割合及び亜鉛の割合の２倍以上であり、酸素を多く含む酸化物半導体膜を用い、トランジスタ４４０上を高密度な酸化アルミニウム膜で覆うことによって、微細化してもトランジスタとして十分に機能できる電気的特性を有することができる。

従って、微細化を実現し、かつ高い電気的特性を付与された半導体装置、及び該半導体装置の作製方法を提供することができる。

（実施の形態２）
本実施の形態では、本明細書に示すトランジスタを使用し、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置の一例を、図面を用いて説明する。

図４は、半導体装置の構成の一例である。図４（Ａ）に、半導体装置の断面図を、図４（Ｂ）に半導体装置の平面図を、図４（Ｃ）に半導体装置の回路図をそれぞれ示す。ここで、図４（Ａ）は、図４（Ｂ）のＣ１−Ｃ２、及びＤ１−Ｄ２における断面に相当する。

図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す半導体装置は、下部に第１の半導体材料を用いたトランジスタ１６０を有し、上部に第２の半導体材料を用いたトランジスタ１６２を有するものである。トランジスタ１６２としては、実施の形態１で示すトランジスタの構造を適用することができるが、トランジスタ１６２は酸化物半導体膜１４４と接して電極層１４２ａ及び電極層１４２ｂが設けられた例である。

トランジスタ１６２は、ドーパントの導入時、電極層１４２ａ、及び電極層１４２ｂがマスクとなるため、電極層１４２ａ、及び電極層１４２ｂの下の酸化物半導体膜１４４の領域には低抵抗領域が形成されていない例である。

電極層１４２ａ、及び電極層１４２ｂの膜厚や、ドーパントの導入条件によっては、電極層１４２ａ、及び電極層１４２ｂ下の酸化物半導体膜１４４にもドーパントが導入される場合、また導入されてもドーパントの濃度が低く電極層１４２ａ、又は電極層１４２ｂ下以外の低抵抗領域と比べて抵抗が高い領域となる場合もある。

ここで、第１の半導体材料と第２の半導体材料は異なる禁制帯幅を持つ材料とすることが望ましい。例えば、第１の半導体材料を酸化物半導体以外の半導体材料（シリコンなど）とし、第２の半導体材料を酸化物半導体とすることができる。酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタは、高速動作が容易である。一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、その特性により長時間の電荷保持を可能とする。

なお、上記トランジスタは、いずれもｎチャネル型トランジスタであるものとして説明するが、ｐチャネル型トランジスタを用いることができるのはいうまでもない。また、情報を保持するために酸化物半導体を用いた実施の形態１に示すようなトランジスタ１６２に用いる他、半導体装置に用いられる材料や半導体装置の構造など、半導体装置の具体的な構成をここで示すものに限定する必要はない。

図４（Ａ）におけるトランジスタ１６０は、半導体材料（例えば、シリコンなど）を含む基板１８５に設けられたチャネル形成領域１１６と、チャネル形成領域１１６を挟むように設けられた不純物領域１２０と、不純物領域１２０に接する金属間化合物領域１２４と、チャネル形成領域１１６上に設けられたゲート絶縁層１０８と、ゲート絶縁層１０８上に設けられたゲート電極１１０と、を有する。なお、図において、明示的にはソース電極やドレイン電極を有しない場合があるが、便宜上、このような状態を含めてトランジスタと呼ぶ場合がある。また、この場合、トランジスタの接続関係を説明するために、ソース領域やドレイン領域を含めてソース電極やドレイン電極と表現することがある。つまり、本明細書において、ソース電極との記載には、ソース領域が含まれうる。

基板１８５上にはトランジスタ１６０を囲むように素子分離絶縁層１０６が設けられており、トランジスタ１６０を覆うように絶縁層１２８、及び絶縁層１３０が設けられている。なお、高集積化を実現するためには、図４（Ａ）に示すようにトランジスタ１６０がサイドウォール絶縁層を有しない構成とすることが望ましい。一方で、トランジスタ１６０の特性を重視する場合には、ゲート電極１１０の側面にサイドウォール絶縁層を設け、不純物濃度が異なる領域を含む不純物領域１２０としてもよい。

単結晶半導体基板を用いたトランジスタ１６０は、高速動作が可能である。このため、当該トランジスタを読み出し用のトランジスタとして用いることで、情報の読み出しを高速に行うことができる。トランジスタ１６０を覆うように絶縁膜を２層形成する。トランジスタ１６２および容量素子１６４の形成前の処理として、該絶縁膜２層にＣＭＰ処理を施して、平坦化した絶縁層１２８、絶縁層１３０を形成し、同時にゲート電極１１０の上面を露出させる。

絶縁層１２８、絶縁層１３０は、代表的には酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、窒化酸化シリコン膜、窒化酸化アルミニウム膜などの無機絶縁膜を用いることができる。絶縁層１２８、絶縁層１３０は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いて形成することができる。

また、ポリイミド、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、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、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）等を用いることができる。有機材料を用いる場合、スピンコート法、印刷法などの湿式法によって絶縁層１２８、絶縁層１３０を形成してもよい。

なお、本実施の形態において、絶縁膜１２８として窒化シリコン膜、絶縁層１３０として酸化シリコン膜を用いる。

研磨処理（例えばＣＭＰ処理）により十分に平坦化した（絶縁層１３０表面の平均面粗さは０．１５ｎｍ以下）絶縁層１３０上に酸化物半導体膜１４４を形成する。

図４（Ａ）に示すトランジスタ１６２は、酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタである。ここで、トランジスタ１６２に含まれる酸化物半導体膜１４４は、高純度化されたものであることが望ましい。高純度化された酸化物半導体を用いることで、極めて優れたオフ特性のトランジスタ１６２を得ることができる。

トランジスタ１６２は、オフ電流が小さいため、これを用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、或いは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ない半導体記憶装置とすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。

トランジスタ１６２上には、絶縁層１５０が単層または積層で設けられている。本実施の形態では、絶縁層１５０として、ゲート電極１４８ａ側から酸化アルミニウム膜と酸化シリコン膜との積層を用いる。酸化アルミニウム膜を高密度（膜密度３．２ｇ／ｃｍ^３以上、好ましくは３．６ｇ／ｃｍ^３以上）とすることによって、トランジスタ１６２に安定な電気特性を付与することができる。

また、絶縁層１５０を介して、トランジスタ１６２の電極層１４２ａと重畳する領域には、導電層１４８ｂが設けられており、電極層１４２ａと、絶縁層１５０と、導電層１４８ｂとによって、容量素子１６４が構成される。すなわち、トランジスタ１６２の電極層１４２ａは、容量素子１６４の一方の電極として機能し、導電層１４８ｂは、容量素子１６４の他方の電極として機能する。なお、容量が不要の場合には、容量素子１６４を設けない構成とすることもできる。また、容量素子１６４は、別途、トランジスタ１６２の上方に設けてもよい。

トランジスタ１６２および容量素子１６４の上には絶縁層１５２が設けられている。そして、絶縁層１５２上にはトランジスタ１６２と、他のトランジスタを接続するための配線１５６が設けられている。図４（Ａ）には図示しないが、配線１５６は、絶縁層１５０、絶縁層１５２及びゲート絶縁膜１４６などに形成された開口に形成された電極を介して電極層１４２ｂと電気的に接続される。ここで、該電極は、少なくともトランジスタ１６２の酸化物半導体膜１４４の一部と重畳するように設けられることが好ましい。

図４（Ａ）及び図４（Ｂ）において、トランジスタ１６０と、トランジスタ１６２とは、少なくとも一部が重畳するように設けられており、トランジスタ１６０のソース領域またはドレイン領域と酸化物半導体膜１４４の一部が重畳するように設けられているのが好ましい。また、トランジスタ１６２及び容量素子１６４が、トランジスタ１６０の少なくとも一部と重畳するように設けられている。例えば、容量素子１６４の導電層１４８ｂは、トランジスタ１６０のゲート電極１１０と少なくとも一部が重畳して設けられている。このような平面レイアウトを採用することにより、半導体装置の占有面積の低減を図ることができるため、高集積化を図ることができる。

なお、電極層１４２ｂ及び配線１５６の電気的接続は、電極層１４２ｂ及び配線１５６を直接接触させて行ってもよいし、間の絶縁層に電極を設けて、該電極を介して行ってもよい。また、間に介する電極は、複数でもよい。

次に、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に対応する回路構成の一例を図４（Ｃ）に示す。

図４（Ｃ）において、第１の配線（１ｓｔＬｉｎｅ）とトランジスタ１６０のソース電極とは、電気的に接続され、第２の配線（２ｎｄＬｉｎｅ）とトランジスタ１６０のドレイン電極とは、電気的に接続されている。また、第３の配線（３ｒｄＬｉｎｅ）とトランジスタ１６２のソース電極またはドレイン電極の一方とは、電気的に接続され、第４の配線（４ｔｈＬｉｎｅ）と、トランジスタ１６２のゲート電極とは、電気的に接続されている。そして、トランジスタ１６０のゲート電極と、トランジスタ１６２のソース電極またはドレイン電極の一方は、容量素子１６４の電極の一方と電気的に接続され、第５の配線（５ｔｈＬｉｎｅ）と、容量素子１６４の電極の他方は電気的に接続されている。

図４（Ｃ）に示す半導体装置では、トランジスタ１６０のゲート電極の電位が保持可能という特徴を生かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。

情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第４の配線の電位を、トランジスタ１６２がオン状態となる電位にして、トランジスタ１６２をオン状態とする。これにより、第３の配線の電位が、トランジスタ１６０のゲート電極、および容量素子１６４に与えられる。すなわち、トランジスタ１６０のゲート電極には、所定の電荷が与えられる（書き込み）。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷（以下Ｌｏｗレベル電荷、Ｈｉｇｈレベル電荷という）のいずれかが与えられるものとする。その後、第４の配線の電位を、トランジスタ１６２がオフ状態となる電位にして、トランジスタ１６２をオフ状態とすることにより、トランジスタ１６０のゲート電極に与えられた電荷が保持される（保持）。

トランジスタ１６２のオフ電流は極めて小さいため、トランジスタ１６０のゲート電極の電荷は長時間にわたって保持される。

次に情報の読み出しについて説明する。第１の配線に所定の電位（定電位）を与えた状態で、第５の配線に適切な電位（読み出し電位）を与えると、トランジスタ１６０のゲート電極に保持された電荷量に応じて、第２の配線は異なる電位をとる。一般に、トランジスタ１６０をｎチャネル型とすると、トランジスタ１６０のゲート電極にＨｉｇｈレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Ｖ_ｔｈ＿Ｈは、トランジスタ１６０のゲート電極にＬｏｗレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Ｖ_ｔｈ＿Ｌより低くなるためである。ここで、見かけのしきい値電圧とは、トランジスタ１６０を「オン状態」とするために必要な第５の配線の電位をいうものとする。したがって、第５の配線の電位をＶ_ｔｈ＿ＨとＶ_ｔｈ＿Ｌの間の電位Ｖ_０とすることにより、トランジスタ１６０のゲート電極に与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、Ｈｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線の電位がＶ_０（＞Ｖ_ｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ１６０は「オン状態」となる。Ｌｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線の電位がＶ_０（＜Ｖ_ｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ１６０は「オフ状態」のままである。このため、第２の配線の電位を見ることで、保持されている情報を読み出すことができる。

なお、メモリセルをアレイ状に配置して用いる場合、所望のメモリセルの情報のみを読み出せることが必要になる。このように情報を読み出さない場合には、ゲート電極の状態にかかわらずトランジスタ１６０が「オフ状態」となるような電位、つまり、Ｖ_ｔｈ＿Ｈより小さい電位を第５の配線に与えればよい。または、ゲート電極の状態にかかわらずトランジスタ１６０が「オン状態」となるような電位、つまり、Ｖ_ｔｈ＿Ｌより大きい電位を第５の配線に与えればよい。

本実施の形態に示す半導体装置では、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたオフ電流の極めて小さいトランジスタを適用することで、極めて長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合（ただし、電位は固定されていることが望ましい）であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。

また、本実施の形態に示す半導体装置では、情報の書き込みに高い電圧を必要とせず、素子の劣化の問題もない。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行う必要がないため、ゲート絶縁層の劣化といった問題が全く生じない。すなわち、開示する発明に係る半導体装置では、従来の不揮発性メモリで問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上する。さらに、トランジスタのオン状態、オフ状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作も容易に実現しうる。

また、トランジスタ１６２は、半導体層としてインジウム、ガリウム、亜鉛、及び酸素の４元素を少なくとも含み、該４元素の組成を原子百分率で表したとき、インジウムの割合が、ガリウムの割合及び亜鉛の割合の２倍以上であり、酸素を多く含む酸化物半導体膜１４４を用い、トランジスタ１６２上を高密度な酸化アルミニウム膜で覆うことによって、微細化してもトランジスタとして十分に機能できる電気的特性を有することができる。

従って、微細化及び高集積化を実現し、かつ高い電気的特性を付与された半導体装置、及び該半導体装置の作製方法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３）
本実施の形態においては、実施の形態１又は実施の形態２に示すトランジスタを使用し、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置について、実施の形態２に示した構成と異なる構成について、図５及び図６を用いて説明を行う。

図５（Ａ）は、半導体装置の回路構成の一例を示し、図５（Ｂ）は半導体装置の一例を示す概念図である。まず、図５（Ａ）に示す半導体装置について説明を行い、続けて図５（Ｂ）に示す半導体装置について、以下説明を行う。

図５（Ａ）に示す半導体装置において、ビット線ＢＬとトランジスタ１６２のソース電極又はドレイン電極とは電気的に接続され、ワード線ＷＬとトランジスタ１６２のゲート電極とは電気的に接続され、トランジスタ１６２のソース電極又はドレイン電極と容量素子２５４の第１の端子とは電気的に接続されている。

酸化物半導体を用いたトランジスタ１６２は、オフ電流が極めて小さいという特徴を有している。このため、トランジスタ１６２をオフ状態とすることで、容量素子２５４の第１の端子の電位（あるいは、容量素子２５４に蓄積された電荷）を極めて長時間にわたって保持することが可能である。

次に、図５（Ａ）に示す半導体装置（メモリセル２５０）に、情報の書き込みおよび保持を行う場合について説明する。

まず、ワード線ＷＬの電位を、トランジスタ１６２がオン状態となる電位として、トランジスタ１６２をオン状態とする。これにより、ビット線ＢＬの電位が、容量素子２５４の第１の端子に与えられる（書き込み）。その後、ワード線ＷＬの電位を、トランジスタ１６２がオフ状態となる電位として、トランジスタ１６２をオフ状態とすることにより、容量素子２５４の第１の端子の電位が保持される（保持）。

トランジスタ１６２のオフ電流は極めて小さいから、容量素子２５４の第１の端子の電位（あるいは容量素子に蓄積された電荷）は長時間にわたって保持することができる。

次に、情報の読み出しについて説明する。トランジスタ１６２がオン状態となると、浮遊状態であるビット線ＢＬと容量素子２５４とが導通し、ビット線ＢＬと容量素子２５４の間で電荷が再分配される。その結果、ビット線ＢＬの電位が変化する。ビット線ＢＬの電位の変化量は、容量素子２５４の第１の端子の電位（あるいは容量素子２５４に蓄積された電荷）によって、異なる値をとる。

例えば、容量素子２５４の第１の端子の電位をＶ、容量素子２５４の容量をＣ、ビット線ＢＬが有する容量成分（以下、ビット線容量とも呼ぶ）をＣＢ、電荷が再分配される前のビット線ＢＬの電位をＶＢ０とすると、電荷が再分配された後のビット線ＢＬの電位は、（ＣＢ＊ＶＢ０＋Ｃ＊Ｖ）／（ＣＢ＋Ｃ）となる。従って、メモリセル２５０の状態として、容量素子２５４の第１の端子の電位がＶ１とＶ０（Ｖ１＞Ｖ０）の２状態をとるとすると、電位Ｖ１を保持している場合のビット線ＢＬの電位（＝（ＣＢ＊ＶＢ０＋Ｃ＊Ｖ１）／（ＣＢ＋Ｃ））は、電位Ｖ０を保持している場合のビット線ＢＬの電位（＝（ＣＢ＊ＶＢ０＋Ｃ＊Ｖ０）／（ＣＢ＋Ｃ））よりも高くなることがわかる。

そして、ビット線ＢＬの電位を所定の電位と比較することで、情報を読み出すことができる。

このように、図５（Ａ）に示す半導体装置は、トランジスタ１６２のオフ電流が極めて小さいという特徴から、容量素子２５４に蓄積された電荷は長時間にわたって保持することができる。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。

次に、図５（Ｂ）に示す半導体装置について、説明を行う。

図５（Ｂ）に示す半導体装置は、上部に記憶回路として図５（Ａ）に示したメモリセル２５０を複数有するメモリセルアレイ２５１ａ及び２５１ｂを有し、下部に、メモリセルアレイ２５１（メモリセルアレイ２５１ａ及び２５１ｂ）を動作させるために必要な周辺回路２５３を有する。なお、周辺回路２５３は、メモリセルアレイ２５１と電気的に接続されている。

図５（Ｂ）に示した構成とすることにより、周辺回路２５３をメモリセルアレイ２５１（メモリセルアレイ２５１ａ及び２５１ｂ）の直下に設けることができるため半導体装置の小型化を図ることができる。

周辺回路２５３に設けられるトランジスタは、トランジスタ１６２とは異なる半導体材料を用いるのがより好ましい。例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、またはガリウムヒ素等を用いることができ、単結晶半導体を用いることが好ましい。他に、有機半導体材料などを用いてもよい。このような半導体材料を用いたトランジスタは、十分な高速動作が可能である。したがって、該トランジスタにより、高速動作が要求される各種回路（論理回路、駆動回路など）を好適に実現することが可能である。

なお、図５（Ｂ）に示した半導体装置では、２つのメモリセルアレイ２５１（メモリセルアレイ２５１ａと、メモリセルアレイ２５１ｂ）が積層された構成を例示したが、積層するメモリセルの数はこれに限定されない。３つ以上のメモリセルを積層する構成としても良い。

次に、図５（Ａ）に示したメモリセル２５０の具体的な構成について図６を用いて説明を行う。

図６は、メモリセル２５０の構成の一例である。図６（Ａ）に、メモリセル２５０の平面図を、図６（Ｂ）に図６（Ａ）の線分Ａ−Ｂにおける断面図をそれぞれ示す。

図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示すメモリセルは、図５（Ａ）で示すトランジスタ１６２を含む。トランジスタ１６２は、実施の形態１又は実施の形態２で示した構成と同一の構成とすることができる。

図６（Ｂ）に示すように、電極５０２及び電極５０４上にトランジスタ１６２が設けられている。電極５０２は、図５（Ａ）におけるビット線ＢＬとして機能する配線であり、トランジスタ１６２の低抵抗領域と接して設けられている。また、電極５０４は、図５（Ａ）における容量素子２５４の一方の電極として機能し、トランジスタ１６２の低抵抗領域と接して設けられている。トランジスタ１６２上において、電極５０４と重畳する領域に設けられた電極５０６は、容量素子２５４の他方の電極として機能する。

また、図６（Ａ）に示すように、容量素子２５４の他方の電極５０６は、容量線５０８と電気的に接続する。ゲート絶縁膜１４６を介して酸化物半導体膜１４４上に設けられたゲート電極１４８ａは、ワード線５０９と電気的に接続する。

また、図６（Ｃ）に、メモリセルアレイ２５１と、周辺回路との接続部における断面図を示す。周辺回路は、例えばｎチャネル型トランジスタ５１０及びｐチャネル型トランジスタ５１２を含む構成とすることができる。ｎチャネル型トランジスタ５１０及びｐチャネル型トランジスタ５１２に用いる半導体材料としては、酸化物半導体以外の半導体材料（シリコンなど）を用いるのが好ましい。このような材料を用いることで、周辺回路に含まれるトランジスタの高速動作を図ることができる。

図６（Ａ）に示す平面レイアウトを採用することにより、半導体装置の占有面積の低減を図ることができるため、高集積化を図ることができる。

以上のように、上部に多層に形成された複数のメモリセルは、酸化物半導体を用いたトランジスタにより形成されている。インジウム、ガリウム、亜鉛、及び酸素の４元素を少なくとも含み、該４元素の組成を原子百分率で表したとき、インジウムの割合が、ガリウムの割合及び亜鉛の割合の２倍以上である酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流が小さいため、これを用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。また、容量素子２５４は、図６（Ｂ）で示すように電極５０４、酸化物半導体膜１４４、ゲート絶縁膜１４６、電極５０６が積層されることによって形成される。上記のような組成を有する酸化物半導体膜の比誘電率は非常に高いため（比誘電率で６６）、これを誘電体膜として用いることにより容量素子２５４が必要とする面積を縮小することができる。

このように、酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタ（換言すると、十分な高速動作が可能なトランジスタ）を用いた周辺回路と、酸化物半導体を用いたトランジスタ（より広義には、十分にオフ電流が小さいトランジスタ）を用いた記憶回路とを一体に備えることで、これまでにない特徴を有する半導体装置を実現することができる。また、周辺回路と記憶回路を積層構造とすることにより、半導体装置の集積化を図ることができる。

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４）
本実施の形態では、先の実施の形態で示した半導体装置を携帯電話、スマートフォン、電子書籍などの携帯機器に応用した場合の例を図７乃至図１０を用いて説明する。

携帯電話、スマートフォン、電子書籍などの携帯機器においては、画像データの一時記憶などにＳＲＡＭまたはＤＲＡＭが使用されている。ＳＲＡＭまたはＤＲＡＭが使用される理由としてはフラッシュメモリでは応答が遅く、画像処理では不向きであるためである。一方で、ＳＲＡＭまたはＤＲＡＭを画像データの一時記憶に用いた場合、以下の特徴がある。

通常のＳＲＡＭは、図７（Ａ）に示すように１つのメモリセルがトランジスタ８０１〜８０６の６個のトランジスタで構成されており、それをＸデコーダー８０７、Ｙデコーダー８０８にて駆動している。トランジスタ８０３とトランジスタ８０５、トランジスタ８０４とトランジスタ８０６はインバータを構成し、高速駆動を可能としている。しかし１つのメモリセルが６トランジスタで構成されているため、セル面積が大きいという欠点がある。デザインルールの最小寸法をＦとしたときにＳＲＡＭのメモリセル面積は通常１００〜１５０Ｆ^２である。このためＳＲＡＭはビットあたりの単価が各種メモリの中で最も高い。

それに対して、ＤＲＡＭはメモリセルが図７（Ｂ）に示すようにトランジスタ８１１、保持容量８１２によって構成され、それをＸデコーダー８１３、Ｙデコーダー８１４にて駆動している。１つのセルが１トランジスタ１容量の構成になっており、面積が小さい。ＤＲＡＭのメモリセル面積は通常１０Ｆ^２以下である。ただし、ＤＲＡＭは常にリフレッシュが必要であり、書き換えをおこなわない場合でも電力を消費する。

しかし、先の実施の形態で説明した半導体装置のメモリセル面積は、１０Ｆ^２前後であり、且つ頻繁なリフレッシュは不要である。したがって、メモリセル面積が縮小され、且つ消費電力が低減することができる。

図８に携帯機器のブロック図を示す。図８に示す携帯機器はＲＦ回路９０１、アナログベースバンド回路９０２、デジタルベースバンド回路９０３、バッテリー９０４、電源回路９０５、アプリケーションプロセッサ９０６、フラッシュメモリ９１０、ディスプレイコントローラ９１１、メモリ回路９１２、ディスプレイ９１３、タッチセンサ９１９、音声回路９１７、キーボード９１８などより構成されている。ディスプレイ９１３は表示部９１４、ソースドライバ９１５、ゲートドライバ９１６によって構成されている。アプリケーションプロセッサ９０６はＣＰＵ９０７、ＤＳＰ９０８、インターフェイス９０９（ＩＦ９０９）を有している。一般にメモリ回路９１２はＳＲＡＭまたはＤＲＡＭで構成されており、この部分に先の実施の形態で説明した半導体装置を採用することによって、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減することができる。

図９に、ディスプレイのメモリ回路９５０に先の実施の形態で説明した半導体装置を使用した例を示す。図９に示すメモリ回路９５０は、メモリ９５２、メモリ９５３、スイッチ９５４、スイッチ９５５およびメモリコントローラ９５１により構成されている。また、メモリ回路は、信号線から入力された画像データ（入力画像データ）、メモリ９５２、及びメモリ９５３に記憶されたデータ（記憶画像データ）を読み出し、及び制御を行うディスプレイコントローラ９５６と、ディスプレイコントローラ９５６からの信号により表示するディスプレイ９５７が接続されている。

まず、ある画像データがアプリケーションプロセッサ（図示しない）によって、形成される（入力画像データＡ）。入力画像データＡは、スイッチ９５４を介してメモリ９５２に記憶される。そしてメモリ９５２に記憶された画像データ（記憶画像データＡ）は、スイッチ９５５、及びディスプレイコントローラ９５６を介してディスプレイ９５７に送られ、表示される。

入力画像データＡに変更が無い場合、記憶画像データＡは、通常３０〜６０Ｈｚ程度の周期でメモリ９５２からスイッチ９５５を介して、ディスプレイコントローラ９５６から読み出される。

次に、例えばユーザーが画面を書き換える操作をしたとき（すなわち、入力画像データＡに変更が有る場合）、アプリケーションプロセッサは新たな画像データ（入力画像データＢ）を形成する。入力画像データＢはスイッチ９５４を介してメモリ９５３に記憶される。この間も定期的にメモリ９５２からスイッチ９５５を介して記憶画像データＡは読み出されている。メモリ９５３に新たな画像データ（記憶画像データＢ）が記憶し終わると、ディスプレイ９５７の次のフレームより、記憶画像データＢは読み出され、スイッチ９５５、及びディスプレイコントローラ９５６を介して、ディスプレイ９５７に記憶画像データＢが送られ、表示がおこなわれる。この読み出しはさらに次に新たな画像データがメモリ９５２に記憶されるまで継続される。

このようにメモリ９５２及びメモリ９５３は交互に画像データの書き込みと、画像データの読み出しを行うことによって、ディスプレイ９５７の表示をおこなう。なお、メモリ９５２及びメモリ９５３はそれぞれ別のメモリには限定されず、１つのメモリを分割して使用してもよい。先の実施の形態で説明した半導体装置をメモリ９５２及びメモリ９５３に採用することによって、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減することができる。

図１０に電子書籍のブロック図を示す。図１０はバッテリー１００１、電源回路１００２、マイクロプロセッサ１００３、フラッシュメモリ１００４、音声回路１００５、キーボード１００６、メモリ回路１００７、タッチパネル１００８、ディスプレイ１００９、ディスプレイコントローラ１０１０によって構成される。

ここでは、図１０のメモリ回路１００７に先の実施の形態で説明した半導体装置を使用することができる。メモリ回路１００７の役割は書籍の内容を一時的に保持する機能を持つ。機能の例としては、ユーザーがハイライト機能を使用する場合などがある。ユーザーが電子書籍を読んでいるときに、特定の箇所にマーキングをしたい場合がある。このマーキング機能をハイライト機能と言い、表示の色を変える、アンダーラインを引く、文字を太くする、文字の書体を変えるなどによって、周囲との違いを示すことである。ユーザーが指定した箇所の情報を記憶し、保持する機能である。この情報を長期に保存する場合にはフラッシュメモリ１００４にコピーしても良い。このような場合においても、先の実施の形態で説明した半導体装置を採用することによって、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減することができる。

以上のように、本実施の形態に示す携帯機器には、先の実施の形態に係る半導体装置が搭載されている。このため、読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力を低減した携帯機器が実現される。

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。

本実施例では、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２［原子数比］の酸化物ターゲットを用いて成膜されたＩＧＺＯ膜を有するトランジスタを作製し、電気特性の評価を行った。

トランジスタとして、図１に示すトランジスタ４４０の構造の実施例トランジスタ１及び実施例トランジスタ２を作製した。以下に実施例トランジスタ１及び実施例トランジスタ２の作製方法を示す。

ガラス基板上に絶縁層としてスパッタリング法を用いて、膜厚３００ｎｍの酸化シリコン膜を形成した（成膜条件：酸素（酸素５０ｓｃｃｍ）雰囲気下、圧力０．４Ｐａ、電源電力（電源出力）１．５ｋＷ、ガラス基板とターゲットとの間の距離を６０ｍｍ、基板温度１００℃）。

次に酸化シリコン膜表面に化学的機械研磨（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）法により研磨処理（研磨圧０．００１ＭＰａ、研磨時間０．５分）を行い、酸化シリコン膜表面における平均面粗さ（Ｒａ）を約０．１５ｎｍとした。

酸化シリコン膜表面を研磨処理後、酸化物半導体膜としてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２［原子数比］の酸化物ターゲットを用いたスパッタリング法により、膜厚２０ｎｍのＩＧＺＯ膜を形成した。成膜条件は、アルゴン及び酸素（アルゴン：酸素＝３０ｓｃｃｍ：１５ｓｃｃｍ）雰囲気下、圧力０．４Ｐａ、電源電力０．５ｋＷ、基板温度２００℃とした。

イオン注入法によりＩＧＺＯ膜に、酸素イオンを注入した。なお、酸素イオンの注入条件は加速電圧５ｋＶ、ドーズ量を５．０×１０^１５ｉｏｎｓ／ｃｍ^２とした。

酸素イオンを注入したＩＧＺＯ膜をＩＣＰ（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ：誘導結合型プラズマ）エッチング法により、エッチング（エッチング条件：エッチングガス（ＢＣｌ_３：Ｃｌ_２＝６０ｓｃｃｍ：２０ｓｃｃｍ）、電源電力４５０Ｗ、バイアス電力１００Ｗ、圧力１．９Ｐａ）し、島状に加工した。

次にＣＶＤ法により酸化窒化シリコン膜を２０ｎｍ成膜し、ゲート絶縁膜を形成した。

ゲート絶縁膜上に、スパッタリング法により膜厚３０ｎｍの窒化タンタル膜（成膜条件：アルゴン及び窒素（Ａｒ：Ｎ_２＝５０ｓｃｃｍ：１０ｓｃｃｍ）雰囲気下、圧力０．６Ｐａ、電源電力１ｋＷ）及び膜厚１３５ｎｍのタングステン膜（成膜条件：アルゴン（１００ｓｃｃｍ）雰囲気下、圧力２．０Ｐａ、電源電力４ｋＷ）の積層を成膜し、エッチング法により、エッチング（（第１エッチング条件：エッチングガス（ＣＦ_４：Ｃｌ_２：Ｏ_２＝５５ｓｃｃｍ：４５ｓｃｃｍ：５５ｓｃｃｍ、電源電力３ｋＷ、バイアス電力１１０Ｗ、圧力０．６７Ｐａ）（第２エッチング条件：エッチングガス（Ｃｌ_２＝１００ｓｃｃｍ、電源電力２ｋＷ、バイアス電力５０Ｗ）（第３エッチング条件：エッチングガス（Ｃｌ_２＝１００ｓｃｃｍ、電源電力１ｋＷ、バイアス電力２５Ｗ））してゲート電極層を形成した。

ゲート電極層、ソース電極層及びドレイン電極層をマスクとしてイオン注入法によりＩＧＺＯ膜に、リン（Ｐ）イオンを注入した。なお、リン（Ｐ）イオンの注入条件は加速電圧３０ｋＶ、ドーズ量を１．０×１０^１５ｉｏｎｓ／ｃｍ^２とした。

絶縁膜としてゲート電極層上に、スパッタリング法により酸化アルミニウム膜（成膜条件：アルゴン及び酸素（アルゴン：酸素＝２５ｓｃｃｍ：２５ｓｃｃｍ）雰囲気下、圧力０．４Ｐａ、電源電力２．５ｋＷ、ガラス基板とターゲットとの間の距離を６０ｍｍ、基板温度２５０℃）を５０ｎｍ成膜し、ＣＶＤ法により酸化窒化シリコン膜を３００ｎｍ積層した。

なお、本実施例の酸化アルミニウム膜は高密度の酸化アルミニウム膜であり、膜密度はラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：ＲｕｔｈｅｒｆｏｒｄＢａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）によると３．３ｇ／ｃｍ^３、Ｘ線反射率測定法（ＸＲＲ：Ｘ−ＲａｙＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）によると３．６２ｇ／ｃｍ^３であった。なお、本実施例においては、ＸＲＲ法で用いる理論式解析のモデルとして、酸化アルミニウム膜の組成を、理想的な組成であるＡｌ_２Ｏ_３（Ｚ／Ａ＝０．４８８２、（Ｚ＝原子番号、Ａ＝質量数））として用い、解析した。

ゲート絶縁膜及び絶縁膜にＩＧＺＯ膜に達する開口を形成し、該開口にスパッタリング法により膜厚３００ｎｍのモリブデン膜（成膜条件：アルゴン（Ａｒ＝５０ｓｃｃｍ）雰囲気下、圧力０．３Ｐａ、電源電力２ｋＷ）を成膜し、エッチング（エッチング条件：エッチングガス（Ｃｌ_２：ＣＦ_４：Ｏ_２＝４５ｓｃｃｍ：５５ｓｃｃｍ：５５ｓｃｃｍ）、電源電力３ｋＷ、バイアス電力１４０Ｗ、圧力０．６７Ｐａ）して、ソース電極層又はドレイン電極層として機能する配線層を形成した。

次に、温度３００℃、大気雰囲気下１時間の熱処理を行った。

以上の工程で実施例トランジスタ１及び実施例トランジスタ２を作製した。

また、比較例として、トランジスタ１及びトランジスタ２の構造及び作製方法において、酸素注入工程を行わず、トランジスタを覆う絶縁膜をＣＶＤ法により酸化窒化シリコン膜を３００ｎｍの単層とし酸化アルミニウム膜を形成しないトランジスタ（比較例トランジスタ１及び比較例トランジスタ２）を作製した。

なお、実施例トランジスタ１及び比較例トランジスタ１においては、チャネル長（Ｌ）は０．２５μｍ、チャネル幅（Ｗ）は１０μｍ、ゲート電極層と配線層が酸化物半導体膜と接する開口との距離は０．２μｍとした。一方、実施例トランジスタ２及び比較例トランジスタ２においては、チャネル長（Ｌ）は０．４５μｍ、チャネル幅（Ｗ）は１０μｍ、ゲート電極層と配線層が酸化物半導体膜と接する開口との距離は０．２μｍとした。

実施例トランジスタ１、実施例トランジスタ２、比較例トランジスタ１、及び比較例トランジスタ２の電気特性の評価を行った。

実施例トランジスタ１のドレイン電圧（Ｖｄ）が１Ｖにおけるゲート電圧（Ｖｇ）−ドレイン電流（Ｉｄ）特性（図２（Ａ）中太線）及び電界効果移動度（図２（Ａ）中太線）、及びドレイン電圧（Ｖｄ）が０．１Ｖにおけるゲート電圧（Ｖｇ）−ドレイン電流（Ｉｄ）特性（図２（Ａ）中細線）及び電界効果移動度（図２（Ａ）中細線）を図２（Ａ）に示す。

実施例トランジスタ２のドレイン電圧（Ｖｄ）が１Ｖにおけるゲート電圧（Ｖｇ）−ドレイン電流（Ｉｄ）特性（図２（Ｂ）中太線）及び電界効果移動度（図２（Ｂ）中太線）、及びドレイン電圧（Ｖｄ）が０．１Ｖにおけるゲート電圧（Ｖｇ）−ドレイン電流（Ｉｄ）特性（図２（Ｂ）中細線）及び電界効果移動度（図２（Ｂ）中細線）を図２（Ｂ）に示す。

比較例トランジスタ１のドレイン電圧（Ｖｄ）が１Ｖにおけるゲート電圧（Ｖｇ）−ドレイン電流（Ｉｄ）特性（図３（Ａ）中太線）、及びドレイン電圧（Ｖｄ）が０．１Ｖにおけるゲート電圧（Ｖｇ）−ドレイン電流（Ｉｄ）特性（図３（Ａ）中細線）で示す。

比較例トランジスタ２のドレイン電圧（Ｖｄ）が１Ｖにおけるゲート電圧（Ｖｇ）−ドレイン電流（Ｉｄ）特性（図３（Ｂ）中太線）、及びドレイン電圧（Ｖｄ）が０．１Ｖにおけるゲート電圧（Ｖｇ）−ドレイン電流（Ｉｄ）特性（図３（Ｂ）中細線）で示す。

図２（Ａ）（Ｂ）に示すように実施例トランジスタ１及び実施例トランジスタ２においては、スイッチング素子としての電気特性を示し、ドレイン電圧（Ｖｄ）が１Ｖにおいて、実施例トランジスタ１は−０．７９Ｖ、実施例トランジスタ２は−０．８０Ｖと０Ｖからのシフト値は小さく、ドレイン電圧（Ｖｄ）が０．１Ｖにおいて、実施例トランジスタ１は２．６ｃｍ^２／Ｖｓ、実施例トランジスタ２は４ｃｍ^２／Ｖｓという電界効果移動度が得られた。

一方、図３（Ａ）（Ｂ）に示すように比較例トランジスタ１及び比較例トランジスタ２は、スイッチング素子としての電気特性を示さなかった。

以上より、本実施例のトランジスタは、チャネル長０．２５μｍ、０．４５μｍという微細な構造であっても、スイッチング素子としての十分な電気特性を示すことが確認できた。

Claims

酸化物絶縁層上に設けられたチャネル形成領域を含む酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上にゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に前記酸化物半導体膜と重なるゲート電極層と、
前記酸化物半導体層及び前記ゲート電極層上に酸化アルミニウム膜を含む絶縁層を有し、
前記酸化物絶縁層表面の平均面粗さは０．１５ｎｍ以下であり、
前記酸化物半導体膜はインジウム、ガリウム、亜鉛、及び酸素の４元素を少なくとも含み、該４元素の組成を原子百分率で表したとき、インジウムの割合が、ガリウムの割合及び亜鉛の割合の２倍以上であり、
前記酸化物半導体膜において、前記ゲート電極層と重畳しない領域は、ドーパントを含むことを特徴とする半導体装置。
請求項１において、前記絶縁層は、前記ゲート電極層側から前記酸化アルミニウム膜と酸化シリコン膜との積層であることを特徴とする半導体装置。
請求項１又は請求項２において、前記酸化物半導体膜は、ｃ軸配向した結晶領域を含むことを特徴とする半導体装置。