JP6029291B2 - 半導体装置の作製方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置の作製方法に関する。
シリコンを半導体層として用いたトランジスタなどの半導体素子（以下、シリコン半導体素子と略記する）は、様々な半導体装置に用いられており、半導体装置を作製する上で必要不可欠な技術となっている。また、大型の半導体装置を作製するためには、基板としてガラスなどの大版化に適した材料を用い、半導体層として大面積への形成が可能な薄膜シリコンを用いる方法が広く採用されている。
このような薄膜シリコンを用いた半導体素子では、基板の耐熱温度以下で半導体層を形成する必要があるため、比較的低温で形成することのできるアモルファスシリコンやポリシリコンが広く用いられている。
アモルファスシリコンは大面積への成膜が可能であり、比較的安価に且つ簡単な加工で、均一な素子特性を有する半導体素子を形成できるといった長所を有するため、太陽電池などの大面積が必要な半導体装置にて広く用いられている。反面、非晶質構造であるが故に結晶粒界で電子が散乱されるため、電子の移動度が低いという短所を有している。
この短所を補うため、アモルファスシリコンにレーザ等を照射して局所的に溶解、再結晶化することで結晶化を行う、触媒元素を用いることで結晶化を行う、といった処理を施して移動度を向上させたものがポリシリコンであり、面積及びキャリア移動度を両立する必要がある液晶ディスプレイなどの半導体装置にて広く用いられている。
これに加え近年では、ポリシリコンの長所である高移動度と、アモルファスシリコンの長所である均一素子特性とを兼ね備えた新たな半導体層材料として、半導体特性を示す金属酸化物である酸化物半導体が注目されている。
酸化物半導体を半導体層に用いたトランジスタなどの半導体装置（以下、酸化物半導体装置と略記する）としては、例えば特許文献１のように、酸化錫、酸化インジウム、酸化亜鉛などを用いた薄膜型のトランジスタが提案されている。
このように、様々な長所を有する酸化物半導体装置ではあるが、一方で、電気的特性が変動しやすく信頼性が低いという問題点が知られている。例えば、バイアス−熱ストレス試験（ＢＴ試験）前後において、トランジスタのしきい値電圧が変動してしまう。なお、本明細書において、しきい値電圧とは、トランジスタを「オン状態」にするために必要なゲートの電圧をいう。
酸化物半導体装置の電気的特性が変動しやすい原因の一つとしては、酸化物半導体層中の酸素欠損や、酸化物半導体層とゲート絶縁膜界面の格子不整合に起因した界面準位（表面準位とも言われる）の影響がある。
酸化物半導体層中の酸素欠損や界面準位はキャリア（余剰電子）を生成するため、ゲート電極と重なる領域の酸化物半導体層中に酸素欠損や界面準位が多く存在するほど、しきい値電圧に変動が生じやすくなるといった課題がある。
本発明では、このような技術的背景のもとでなされたものである。したがって、本発明は、しきい値電圧変動が少なく信頼性の高い半導体装置の作製方法を提供することを目的とする。
上述の問題を解決するために、本発明は、酸化物半導体層に接して、加熱により酸素の放出が可能な絶縁膜を形成し、ゲート電極又はゲート電極と重なる領域に形成された金属層に光照射処理を行った。これにより、ゲート電極と重なる領域の絶縁層が加熱されるため、加熱された絶縁層から、ゲート電極と重なる領域の酸化物半導体層中に酸素が添加される。
すなわち、本発明の一態様は、絶縁表面を有する基板上にゲート電極を形成し、ゲート電極上に加熱により酸素の放出が可能な絶縁層を形成し、絶縁層に接して酸化物半導体層を形成し、ゲート電極に光照射処理を行い、ゲート電極と重なる領域の絶縁層から酸化物半導体層中に酸素を添加することでゲート電極と重なる領域の酸化物半導体層中の酸素欠損および界面準位を低減することを特徴とする半導体装置の作製方法である。
また、本発明の一態様は、絶縁表面を有する基板上に酸化物半導体層を形成し、酸化物半導体層上に加熱により酸素の放出が可能な絶縁層を形成し、絶縁層上にゲート電極を形成し、ゲート電極に光照射処理を行い、ゲート電極と重なる領域の絶縁層から酸化物半導体層中に酸素を添加することでゲート電極と重なる領域の酸化物半導体層中の酸素欠損および界面準位を低減することを特徴とする半導体装置の作製方法である。
上記本発明の一態様によれば、光照射処理によりゲート電極が選択的に加熱されると共にゲート電極と重なる領域の絶縁層も加熱されるため、該絶縁層中に含まれる酸素が脱離する。そして、絶縁層は酸化物半導体層と接して形成されているため、ゲート電極と重なる領域の酸化物半導体層中に脱離した酸素を添加することができ、その結果ゲート電極と重なる領域の酸化物半導体層中に存在する酸素欠損や界面準位を低減する効果を奏する。
したがって、上記本発明の一態様を用いることにより、しきい値電圧変動が少なく信頼性の高い半導体装置を作製することができる。
また、本発明の一態様は、ゲート電極の絶縁層と接する面に、窒化モリブデン、窒化タングステン、窒化チタン、窒化タンタル、窒化アルミニウムのいずれか一以上を有する酸化抑制層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法である。
上記本発明の一態様によれば、絶縁層と接する面のゲート電極において、光照射処理により絶縁層から放出された酸素によるゲート電極の酸化を抑制することができる。
半導体装置のサイズを縮小する場合、ゲート電極と半導体層の間の絶縁層厚さを薄くすることが重要であるが、ゲート電極が酸化して抵抗値の高い金属酸化膜が形成されると、絶縁層が厚くなってしまう場合がある。
このため、上記本発明の一態様によりゲート電極の酸化を抑制する酸化抑制層を形成することで、小型化された信頼性の高い半導体装置を作製することができる。
また、本発明の一態様は、絶縁表面を有する基板上にゲート電極を形成し、ゲート電極上にゲート絶縁層を形成し、ゲート絶縁層上に酸化物半導体層を形成し、酸化物半導体層に接して加熱により酸素の放出が可能な絶縁層をゲート電極と重なるように形成し、絶縁層上にゲート電極及び絶縁層と重なる金属層を形成し、金属層に光照射処理を行い金属層と重なる領域の絶縁層から前記酸化物半導体層中に酸素を添加することで前記ゲート電極と重なる領域の前記酸化物半導体層中の酸素欠損および界面準位を低減することを特徴とする半導体装置の作製方法である。
また、本発明の一態様は、絶縁表面を有する基板上に島状の金属層を形成し、金属層上に加熱により酸素の放出が可能な絶縁層を形成し、絶縁層に接して酸化物半導体層を形成し、酸化物半導体層上にゲート絶縁層を形成し、ゲート絶縁層上に金属層及び絶縁層と重なるゲート電極を形成し、金属層に光照射処理を行い、金属層と重なる領域の絶縁層から酸化物半導体層中に酸素を添加することでゲート電極と重なる領域の酸化物半導体層中の酸素欠損および界面準位を低減することを特徴とする半導体装置の作製方法である。
上記本発明の一態様によれば、光照射処理により金属層が選択的に加熱されると共に金属層と重なる領域の絶縁層も加熱されため、該絶縁層中に含まれる酸素が脱離する。そして、絶縁層は酸化物半導体層と接して設けられているため、金属層と重なる領域の酸化物半導体層中に脱離した酸素を添加することができ、その結果ゲート電極と重なる領域の酸化物半導体層中に存在する酸素欠損や界面準位を低減する効果を奏する。
なお、金属層はゲート電極のように半導体装置の動作に直接関与するものではないため、抵抗値や膜厚に制限を受けることなく、光照射処理により効率的に発熱する材料を用いることができる。これにより、しきい値電圧変動が少ない信頼性の高い半導体装置を、より低コストで作製することができる。
また、上記金属層は、絶縁層を加熱する機能以外に、ゲート電極と重なる領域の酸化物半導体層への外光の入射を抑制する役割（所謂、遮光膜）を果たす。これにより、外部からの光入射による特性変動の抑制された、信頼性の高い半導体装置を作製することができる。
また、本発明の一態様は、金属層として、４００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の波長領域において６０％以上の光吸収率を有する層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法である。
上記本発明の一態様によれば、金属層が照射光を効率良く吸収して発熱できるため、低エネルギーの光照射で、ゲート電極と重なる領域の酸化物半導体層中に効率良く酸素を添加することができる。これにより、光照射に用いる装置の消費電力低減が可能となり、またメンテナンスを少なくする事ができる。
したがって、しきい値電圧変動が少なく信頼性の高い半導体装置を、より低コストで作製することができる。
また、本発明の一態様は、絶縁層を、酸素又は酸素とアルゴンの混合ガスを用いたスパッタリング法により形成することを特徴とする半導体装置の作製方法である。
上記本発明の一態様によれば、絶縁層中に十分な酸素原子が含まれるため、光照射処理を行い絶縁層を加熱することで、ゲート電極と重なる領域の酸化物半導体層中の酸素欠損や界面準位を効果的に低減できる。
したがって、しきい値電圧変動が少なく信頼性の高い半導体装置を作製することができる。
なお、本明細書等において、「Ａの上にＢが形成されている」、あるいは、「Ａ上にＢが形成されている」、と明示的に記載する場合は、Ａの上にＢが直接接して形成されていることに限定されない。直接接してはいない場合、つまり、ＡとＢとの間に別の対象物が介在する場合も含むものとする。ここで、Ａ、Ｂは、対象物（例えば装置、素子、回路、配線、電極、端子、膜、又は層など）であるとする。
したがって、例えば、層Ａの上又は層Ａ上に層Ｂが形成されていると明示的に記載されている場合は、層Ａの上に直接接して層Ｂが形成されている場合と、層Ａの上に直接接して別の層（例えば層Ｃや層Ｄなど）が形成されていて、その上に直接接して層Ｂが形成されている場合とを含むものとする。なお、別の層（例えば層Ｃや層Ｄなど）は、単層でもよいし、複層でもよい。
また、本明細書における「第１」、「第２」、「第３」などの序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、数的に限定するものではないことを付記する。
また、本明細書におけるトランジスタの「ソース」や「ドレイン」の機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書においては、「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。
本発明によれば、ゲート電極と重なる領域の酸化物半導体層中の酸素欠損や界面準位が低減された、しきい値電圧変動が少なく信頼性の高い半導体装置を提供できる。
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、以下に説明する発明の構成において、同一部分又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。
（実施の形態１）
本実施の形態では、開示する発明の一態様に係る半導体装置の作製方法について、図１乃至図４を用いて説明する。
本実施の形態では、開示する発明の一態様に係る半導体装置の作製方法について、図１乃至図４を用いて説明する。
＜本実施の形態における半導体装置の構成＞
図１は、本実施の形態の方法にて作製された半導体装置の構成例である、ボトムゲート構造のトランジスタ１５０であり、図１（Ａ）はトランジスタ１５０の上面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の一点鎖線部Ａ−Ｂの断面概略図である。なお、図１（Ａ）の上面図については、構造を分かり易くするため、パターン形成が行われている膜及び層のみを記載する。本実施の形態では、トランジスタ１５０はキャリアが電子であるｎチャネル型のトランジスタであるものとして作製方法を説明するが、ｎチャネル型に限定されるものではない。
図１は、本実施の形態の方法にて作製された半導体装置の構成例である、ボトムゲート構造のトランジスタ１５０であり、図１（Ａ）はトランジスタ１５０の上面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の一点鎖線部Ａ−Ｂの断面概略図である。なお、図１（Ａ）の上面図については、構造を分かり易くするため、パターン形成が行われている膜及び層のみを記載する。本実施の形態では、トランジスタ１５０はキャリアが電子であるｎチャネル型のトランジスタであるものとして作製方法を説明するが、ｎチャネル型に限定されるものではない。
図１に示すトランジスタ１５０は、基板１００と、基板１００上に形成された下地層１０２と、下地層１０２上に形成されたゲート電極１０４と、ゲート電極１０４上に形成された酸化抑制層１０５と、下地層１０２、ゲート電極１０４及び酸化抑制層１０５上に形成された絶縁層１０６と、絶縁層１０６上に形成された、ソース領域（又はドレイン領域）として機能する低抵抗領域１０８ａ及びチャネル形成領域１０８ｂを有する酸化物半導体層１０８と、絶縁層１０６及び酸化物半導体層１０８上に形成された第１の層間絶縁層１１０と、第１の層間絶縁層１１０上に形成された第２の層間絶縁層１１２と、第１の層間絶縁層１１０及び第２の層間絶縁層１１２の開口部を介して低抵抗領域１０８ａに電気的に接続されたソース電極１１４ａ及びドレイン電極１１４ｂを有する構造である。
＜本実施の形態における半導体装置の作製方法＞
トランジスタ１５０の作製方法について図２乃至図４を用いて以下の文章にて説明する。
トランジスタ１５０の作製方法について図２乃至図４を用いて以下の文章にて説明する。
まず、基板１００を準備し、基板１００上に下地層１０２を形成する（図２（Ａ）参照）。
基板１００は、絶縁表面を有する基板であればよく、例えば、アルミノシリケートガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラス等の無アルカリガラス基板を用いればよい。これらのガラス基板は大面積化に適しており、Ｇ１０サイズ（２８５０ｍｍ×３０５０ｍｍ）やＧ１１サイズ（３０００ｍｍ×３３２０ｍｍ）なども作製されているため、本発明の一態様に係る半導体装置を低コストで大量生産することができる。他にも、基板１００として、石英基板、サファイア基板等の絶縁体でなる絶縁性基板、シリコン等の半導体材料でなる半導体基板の表面を絶縁材料で被覆したもの、金属やステンレス等の導電体でなる導電性基板の表面を絶縁材料で被覆したものを用いることができる。なお、基板１００の厚さについては特に限定は無いが、半導体装置の薄型化、軽量化の観点から考えると３ｍｍ以下が望ましく、より好ましくは１ｍｍ以下が望ましい。
なお、後の工程にて行う光照射処理の際に、基板１００を通して光照射処理を行う場合は、透光性を有する基板が望ましい。具体的には、４００ｎｍから７００ｎｍの波長領域における光透過率が７０％以上である基板を用いることが望ましい。より好ましくは、４００ｎｍから７００ｎｍの波長領域における光透過率が９０％以上である基板を用いることが望ましい。
一例として、厚さが０．７ｍｍ、４００ｎｍから７００ｎｍの波長領域における光透過率が８０％以上の無アルカリガラスを、基板１００として用いればよい。
下地層１０２は基板１００からの不純物拡散を防止するものであり、プラズマＣＶＤ法などのＣＶＤ法、ＰＶＤ法及びスパッタリング法などの既知の方法を用いて、酸化珪素（ＳｉＯ２）、窒化珪素（ＳｉＮ）、酸化窒化珪素（ＳｉＯＮ）、窒化酸化珪素（ＳｉＮＯ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯ２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）、窒化酸化アルミニウム（ＡｌＮＯ）などを形成すればよい。なお、下地層１０２は、単層構造、積層構造のどちらであってもよく、積層構造とする場合は、前述の膜を組み合わせて形成すればよい。
なお、上述の酸化窒化珪素とは、その組成において、窒素よりも酸素の含有量が多いものを示し、例えば、酸素が５０原子％以上７０原子％以下、窒素が０．５原子％以上１５原子％以下、珪素が２５原子％以上３５原子％以下、水素が０原子％以上１０原子％以下の範囲で含まれるものをいう。上記範囲は、ラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）や、水素前方散乱法（ＨＦＳ：Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｆｏｒｗａｒｄ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）を用いて測定した場合のものである。また、構成元素の含有比率は、その合計が１００原子％を超えない値をとる。
下地層１０２の厚さは特に限定されないが、例えば、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることが望ましい。１０ｎｍより薄い膜厚では、成膜装置に起因した基板面内の膜厚分布により、下地層１０２が形成されない領域が発生する可能性がある。また、５００ｎｍより厚い膜厚は、成膜時間や生産コストの増加に繋がる懸念がある。
一例として、プラズマＣＶＤ法を用いて１００ｎｍの酸化珪素や窒化珪素を形成して、下地層１０２として用いればよい。
なお、基板１００の表面に既に下地層１０２の持つ不純物拡散防止効果を有する層が形成されている場合は、下地層１０２を設けない構成としてもよい。また、後の工程にて形成する酸化物半導体層１０８と基板１００との間に、下地層１０２と同様の不純物拡散防止効果を持つ層が形成されている場合も、下地層１０２を設けない構成としてもよい。
次に、下地層１０２上に、ゲート電極１０４及び酸化抑制層１０５を形成する（図２（Ｂ）参照）。ゲート電極１０４及び酸化抑制層１０５は、下地層１０２上にゲート電極１０４として機能する層及び酸化抑制層１０５として機能する層を形成した後に、当該層をフォトレジストマスクを用いたドライエッチング法やウェットエッチング法などの既知の方法を用いて選択的に除去することによって形成することができる。なお、本明細書等では、ゲート電極１０４と酸化抑制層１０５を別々に記載しているが、これは説明を行いやすくするため便宜上分けたものであり、酸化抑制層１０５をゲート電極１０４の一部と捉えてもよい。
ゲート電極１０４としては、例えば、スパッタリング法や蒸着法などの既知の方法を用いて形成された、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、ネオジム（Ｎｄ）を主成分とする金属膜や合金膜、又はこれら金属や合金の窒化膜のいずれか一以上からなる層を用いればよい。
ゲート電極１０４の厚さは特に限定されないが、例えば、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることが望ましい。１０ｎｍより薄い膜厚では、成膜装置に起因した基板面内の膜厚分布により、ゲート電極１０４が形成されない領域が発生する可能性がある。また、５００ｎｍより厚い膜厚は、成膜時間や生産コストの増加に繋がる懸念がある。
一例として、スパッタリング法を用いてタングステンを３００ｎｍの厚さで形成して、ゲート電極１０４として用いればよい。
なお、アルミニウムや銅のように光反射率が高い元素をゲート電極１０４として用いる場合、後の工程にて行う光照射処理の際に照射光の反射を抑制するために、光吸収率が高い層を光照射面に形成する必要がある。具体的には、４００ｎｍから１０００ｎｍの波長領域における光反射率が５０％以上である層（以下、高反射率層と略記する）をゲート電極１０４の一部として用いる場合、高反射率層と下地層１０２の間及び高反射率層と酸化抑制層１０５の間の一方又は両方に、４００ｎｍから１０００ｎｍの波長領域における光吸収率が６０％以上である層（以下、高吸収率層と略記する）を形成する事が望ましい。
一例として、スパッタリング法を用いて、膜厚３００ｎｍのアルミニウムの上面及び下面に膜厚１００ｎｍのタングステンやチタンを形成した積層構造や、膜厚３００ｎｍのアルミニウムの一面（後の工程にて光照射処理を行う際の光入射面）に対して膜厚１００ｎｍのタングステンやチタンを形成した積層構造などをゲート電極１０４として用いればよい。なお、アルミニウムのように耐熱性の低い金属をゲート電極１０４の一部として用いる場合は、本明細書に記載の半導体装置はゲート電極１０４の耐熱温度以下で形成する必要がある。
酸化抑制層１０５としては、例えば、スパッタリング法や蒸着法などの既知の方法を用いて、窒化モリブデン、窒化タングステン、窒化チタン、窒化タンタルのいずれか一以上を有する層を用いることができる。
酸化抑制層１０５の厚さは特に限定されないが、例えば、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることが望ましい。５ｎｍより薄い膜厚では、成膜装置に起因した基板面内の膜厚分布により、酸化抑制層１０５が形成されない領域が発生する可能性がある。また、上述の酸化抑制層１０５がゲート電極１０４の材料と比較して抵抗値の高いものである場合、１００ｎｍ以下の膜厚として抵抗値増加を抑制することが望ましい。
一例として、スパッタリング法を用いて、窒化チタンを３０ｎｍの厚さで形成して、酸化抑制層１０５として用いればよい。
酸化抑制層１０５を形成することにより、後の工程にて行う光照射処理の際に、加熱された絶縁層１０６からの脱離酸素によるゲート電極１０４の酸化を抑制することができる。半導体装置のサイズを縮小する場合、ゲート電極と半導体層の間の絶縁層厚さを薄くすることが重要であるが、ゲート電極が酸化して抵抗値の高い金属酸化膜が形成されると、絶縁層が厚くなってしまい、電気特性に悪影響を及ぼす可能性があるが、酸化抑制層１０５を形成することにより、特に半導体装置を小型化する場合において、信頼性の高い半導体装置を作製できる。
なお、本明細書に記載された全ての実施の形態において酸化抑制層１０５が形成されているが、酸化抑制層は必ずしも必要なものではなく、ゲート電極１０４の材質や、ゲート電極１０４と酸化物半導体層１０８の間の絶縁層に許容される膜厚変化などを鑑みて、適宜選択すればよい。
次に、下地層１０２、ゲート電極１０４及び酸化抑制層１０５上に絶縁層１０６を形成する（図２（Ｃ）参照）。なお、絶縁層１０６としては、加熱により酸素の放出が可能な層を用いる必要がある。ここで言う「加熱により酸素の放出が可能」とは、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：昇温脱離ガス分光法）分析にて、３００℃以下の加熱において酸素原子に換算しての酸素の放出量が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることを指す。
絶縁層１０６としては、例えば、プラズマＣＶＤ法などのＣＶＤ法、ＰＶＤ法及びスパッタリング法などの既知の方法を用いることができ、酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、ハフニウムシリケート、ハフニウムアルミネート、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化セリウムを主成分とする単膜又は積層膜を形成して用いればよい。
加熱により酸素の放出が可能な絶縁層１０６を形成する方法としては、成膜雰囲気中の酸素濃度を高く保つことができるスパッタリング法を用いることが望ましい。スパッタリング法を用い、酸素または、酸素と希ガス（アルゴンなど）の混合ガスを成膜ガスとして用いて成膜する事により、加熱により酸素の放出が可能な絶縁層１０６を形成できる。なお、酸素と希ガスの混合ガスを用いる場合、酸素と希ガスの混合割合を、酸素の割合を高めて形成することが望ましく、好ましくは、全ガス中の酸素の濃度を６％以上１００％未満にする事が望ましい。これにより、酸素が十分に含まれた絶縁層１０６を形成できるため、光照射処理を行い絶縁層１０６を加熱した際に、ゲート電極１０４と重なる領域の酸化物半導体層１０８中の酸素欠損や界面準位をより効果的に低減できる。
なお、ここでいう「酸素が十分に含まれている」とは、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：昇温脱離ガス分光法）分析にて、３００℃以下の加熱において、酸素原子に換算しての酸素の放出量が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは３×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることを指す。
また、加熱により酸素の放出が可能な絶縁層１０６として、酸素が過剰な酸化珪素（ＳｉＯＸ（Ｘ＞２））をターゲット材料として用い、スパッタリング法により形成してもよい。酸素が過剰な酸化珪素（ＳｉＯＸ（Ｘ＞２））とは、珪素原子数の２倍より多い酸素原子を単位体積当たりに含むものである。なお、単位体積当たりの珪素原子数及び酸素原子数は、ラザフォード後方散乱法により測定した値である。このようなターゲット材料を用いた場合、全ガス中の酸素濃度は上述の酸素濃度に限定されることはない。
絶縁層１０６の厚さは、例えば、０．１ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることが望ましい。０．１ｎｍより薄い膜厚では、絶縁層１０６がゲート電極１０４と酸化物半導体層１０８間の絶縁性を維持することが困難となる。また、絶縁層１０６が厚いほど短チャネル効果が顕著となり、しきい値電圧がマイナス側へシフトしやすい傾向となる。
加熱により酸素の放出が可能な絶縁層１０６を形成することにより、後の工程にて行う光照射処理によりゲート電極１０４が加熱され、これに伴いゲート電極１０４と重なる領域の絶縁層１０６が加熱され酸素が放出される。このため、ゲート電極１０４と重なる領域の酸化物半導体層１０８中の酸素欠損や界面準位を低減できる。したがって、しきい値電圧変動が少なく信頼性の高い半導体装置を作製することができる。
一例として、成膜雰囲気中に酸素とアルゴンの混合ガスを導入し、全ガス中の酸素濃度を６％以上に保った状態でスパッタリング法により酸化珪素を３０ｎｍの厚さで形成して、絶縁層１０６として用いればよい。スパッタリング法により形成された層には、水素や窒素などの元素が少なく望ましい。
次に、絶縁層１０６に接して酸化物半導体層１０８を形成する（図２（Ｄ）参照）。酸化物半導体層１０８は、絶縁層１０６上に酸化物半導体層１０８として機能する層を形成した後に、当該層をフォトレジストマスクを用いたドライエッチング法やウェットエッチング法などの既知の方法を用いて選択的に除去することにより形成することができる。
酸化物半導体層１０８として機能する層としては、例えば、スパッタリング法などを用いて形成された、少なくともＩｎ、Ｇａ、Ｓｎ及びＺｎから選ばれた一種以上の元素を含有する層を用いればよい。例えば、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体や、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体や、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体や、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ系の材料、一元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体などを用いることができる。また、上記酸化物半導体にＩｎとＧａとＳｎとＺｎ以外の元素、例えばＳｉＯ２を含ませてもよい。
例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体とは、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）を有する酸化物半導体、という意味であり、その組成比は問わない。
なお、一例として、酸化物半導体層１０８としてＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系の層を形成する場合、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。
また、酸化物半導体層１０８として機能する層として、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。
酸化物半導体層１０８として機能する層の形成に用いるターゲットとしては、例えば、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１［ｍｏｌ数比］やＩｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ数比］の組成比を有する金属酸化物ターゲットを用いればよい。
酸化物半導体層１０８として機能する層の成膜に用いる金属酸化物ターゲットは、ターゲット中の酸化物半導体の相対密度が８０％以上、好ましくは９５％以上、さらに好ましくは９９．９％以上とすることが望ましい。相対密度の高い酸化物半導体ターゲットを用いることにより、緻密な酸化物半導体層１０８を形成できる。
なお、スパッタガスとしては、希ガス（代表的にはアルゴン）、酸素、または、希ガスと酸素との混合ガスを用いればよい。また、水素、水、水酸基、水素化物などの不純物が、濃度ｐｐｍ程度（望ましくは濃度ｐｐｂ程度）にまで除去された高純度ガスを用いることが望ましい。
酸化物半導体層１０８として機能する層を形成する際に用いるスパッタガスとしては、例えば、酸素を用いて４０ｓｃｃｍの流量（酸素流量比率１００％）でスパッタ装置に供給を行いながら成膜を行えばよい。
酸化物半導体層１０８として機能する層を形成する際には、例えば、減圧状態に保持された処理室内に基板を保持し、基板温度を１００℃以上６００℃以下、好ましくは２００℃以上４００℃以下にする。そして、処理室内の残留水分を除去しつつ水素、水、水酸基、水素化物などの不純物が除去された高純度ガスを導入し、上述の金属酸化物ターゲットを用いて形成する。基板を熱しながら形成することにより、膜中に含まれる不純物を低減することができる。また、スパッタリングによる膜への損傷も軽減される。なお、基板加熱処理は、ゲート電極１０４及び酸化抑制層１０５の耐熱温度以下で行う必要がある。
酸化物半導体層１０８として機能する層の成膜を行う前に、スパッタ装置に残存している水分などを除去するためにプリヒート処理を行うと良い。プリヒート処理としては処理室内を減圧下で２００℃以上６００℃以下に加熱する方法や、加熱しながら窒素や不活性ガスの導入と排気を繰り返す方法などがある。プリヒート処理を終えたら、基板またはスパッタ装置を冷却した後、大気に触れさせることなく成膜を行う。この場合のターゲット冷却液は、水ではなく油脂等を用いるとよい。加熱せずに窒素の導入と排気を繰り返しても一定の効果が得られるが、加熱しながら行うとなお良い。
更に、成膜を行う前、または成膜中、または成膜後に、スパッタ装置に残存している水分などを除去する方法としては、処理室に設置する真空ポンプに吸着型の真空ポンプを用いることが望ましい。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などを用いればよい。また、ターボポンプにコールドトラップを加えたものを用いてもよい。前述のポンプを用いて排気した処理室は、水素や水などが除去されているため、酸化物半導体層１０８の不純物濃度を低減できる。
酸化物半導体層１０８として機能する層の成膜条件としては、例えば、基板とターゲットの間との距離が１７０ｍｍ、圧力が０．４Ｐａ、直流（ＤＣ）電力が０．５ｋＷ、雰囲気が酸素（酸素流量比率１００％）雰囲気、といった条件を適用することができる。なお、直流（ＤＣ）パルス電源を用いると、パーティクルが軽減でき、膜厚分布も均一となるため望ましい。ただし、適用する酸化物半導体材料や用途などにより適切な厚さは異なるため、その厚さは、用いる材料や用途などに応じて適宜選択すればよい。
なお、酸化物半導体層１０８として機能する層の厚さは、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが望ましい。酸化物半導体層１０８を厚くしすぎると（例えば、厚さを１００ｎｍ以上）、短チャネル効果の影響が大きくなり、サイズの小さなトランジスタでノーマリーオンになるおそれがあるためである。ここで、「ノーマリーオン」とは、ゲート電極に電圧を印加しなくてもチャネル部が存在し、トランジスタに電流が流れてしまう状態のことである。
上述工程にて形成した、酸化物半導体層１０８として機能する層を、フォトレジストマスクを用いたドライエッチング法やウェットエッチング法などの既知の方法を用いて選択的に除去してパターン形成することで、酸化物半導体層１０８を形成できる。ドライエッチングに用いることができるエッチングガスには、例えば、塩素を含むガス（塩素系ガス、例えば塩素（Ｃｌ２）、三塩化硼素（ＢＣｌ３）、四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）、四塩化炭素（ＣＣｌ４）など）などがある。また、フッ素を含むガス（フッ素系ガス、例えば四弗化炭素（ＣＦ４）、六弗化硫黄（ＳＦ６）、三弗化窒素（ＮＦ３）、トリフルオロメタン（ＣＨＦ３）など）、臭化水素（ＨＢｒ）、酸素（Ｏ２）や、これらのガスにヘリウム（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）などの希ガスを添加したガス、などを用いても良い。
また、ウェットエッチングに用いることができるエッチング液としては、例えば、燐酸と酢酸と硝酸を混ぜた溶液、アンモニア過水（３１重量％過酸化水素水：２８重量％アンモニア水：水＝５：２：２）などがある。また、ＩＴＯ−０７Ｎ（関東化学社製）などのエッチング液を用いてもよい。
次に、ゲート電極１０４に対して光照射処理１３０を行う（図３（Ａ）参照）。入射光はゲート電極１０４に吸収され、ゲート電極１０４が選択的に加熱される。これに伴い、ゲート電極と重なる領域の絶縁層１０６も加熱されるため、該絶縁層中に含まれる酸素が放出される。放出された酸素の一部は、ゲート電極１０４と重なる領域を中心として、酸化物半導体層１０８中に添加される。なお、本実施の形態ではゲート電極１０４部分に対して光照射処理１３０を行っているが、基板全面に対して光照射処理１３０を行ってもよい。また、本実施の形態では図３（Ａ）のように下面側から光照射処理１３０を行っているが、これに限定されることはなく、上面側（つまり、図３（Ａ）の酸化物半導体層１０８側）や、両面側から光照射処理１３０を行ってもよい。なお、ゲート電極１０４を加熱する方法として、磁性を有する金属を用いてゲート電極１０４を形成し、マイクロ波等の電磁波を照射して、誘導加熱によりゲート電極１０４を加熱してもよい。磁性を有する金属としては、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、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）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）を主成分とする金属膜や合金膜のいずれか一以上からなる層を用いればよい。
酸化物半導体層１０８はイオン結合性が強いため、自己補償効果によって酸素欠損が生じやすい。なお酸素欠損は、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。このため、ゲート電極１０４と重なる領域の、絶縁層１０６との界面近傍（所謂、チャネル形成領域）に酸素欠損が生じると、トランジスタのしきい値電圧がマイナス方向にシフトしてしまう（所謂、ノーマリーＯＮ状態）。
そこで、上述の光照射処理１３０を行い、ゲート電極１０４と重なる領域の酸化物半導体層１０８中に酸素を添加することにより、該領域の酸素欠損を低減できるため、しきい値電圧のマイナスシフトを抑制できる。
また、上述の光照射処理１３０により、ゲート電極１０４と重なる領域の酸化物半導体層１０８中の酸素欠損や界面準位を低減できるため、半導体装置の動作などに起因して生じうる電荷などが、絶縁層１０６とチャネル形成領域との界面に捕獲されることを十分に抑制できる。
なお、絶縁層１０６中の酸素の一部はゲート電極１０４側にも放出されるため、ゲート電極１０４の表面が酸化することによる絶縁層膜厚の増加が懸念されるが、本実施の形態のように酸化抑制層１０５を形成しておくことにより、ゲート電極１０４の表面酸化を抑制できる。
なお、本実施の形態では酸化抑制層１０５は、図３（Ａ）のようにゲート電極１０４の上面に形成されているが、これに限定されることはない。例えば、ゲート電極１０４の上面だけでなくゲート電極１０４の側面に設けられていてもよい。
光照射処理１３０としては、例えば、レーザ発振装置を用いることができる。レーザ光としては、Ａｒレーザ、Ｋｒレーザ、エキシマレーザなどの気体レーザ、単結晶のＹＡＧ、ＹＶＯ４、フォルステライト（Ｍｇ２ＳｉＯ４）、ＹＡｌＯ３、ＧｄＶＯ４、若しくは多結晶（セラミック）のＹＡＧ、Ｙ２Ｏ３、ＹＶＯ４、ＹＡｌＯ３、ＧｄＶＯ４に、ドーパントとしてＮｄ、Ｙｂ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｔａのうち１種または複数種添加されているものを媒質とするレーザ、ガラスレーザ、ルビーレーザ、アレキサンドライトレーザ、Ｔｉ：サファイアレーザ、銅蒸気レーザまたは金蒸気レーザのうち一種または複数種から発振されるものを用いることができる。また、レーザ媒体が固体である固体レーザを用いると、メンテナンスフリーの状態を長く保てるという利点や、出力が比較的に安定している利点を有している。
また、レーザー発振装置以外として、フラッシュランプ（キセノンフラッシュランプ、クリプトンフラッシュランプ等）、キセノンランプ、メタルハライドランプに代表される放電灯、ハロゲンランプ、タングステンランプに代表される発熱灯を用いることができる。フラッシュランプは短時間（０．１ミリ秒以上１０ミリ秒以下）で非常に強度の高い光を繰り返し、大面積に照射することができるため、基板１００の面積にかかわらず、効率よく加熱することができる。また、発光させる時間の間隔を変えることによってゲート電極１０４の加熱の制御もできる。また、フラッシュランプは、発光待機時の消費電力が低く、長寿命であるため、ランニングコストを低く抑えることができる。
一例として、光照射処理１３０として、発光時間が１ミリ秒のキセノンフラッシュランプを用いてゲート電極１０４を加熱すればよい。
次に、酸化物半導体層１０８上のゲート電極１０４と重なる領域にマスク１２０を形成した後に、酸化物半導体層１０８を含む領域に対して不純物添加処理１３１を行う。これにより、酸化物半導体層１０８のうち、上部にマスク１２０が形成されていない領域に対しては不純物が添加され、ソース領域（又はドレイン領域）として機能する低抵抗領域１０８ａが形成されると共に、チャネル形成領域１０８ｂが自己整合的に形成される（図３（Ｂ）参照）。マスク１２０は、低抵抗領域１０８ａを形成した後に適宜除去すればよい。
マスク１２０としては、例えば、酸化物半導体層１０８上に既知のレジスト材料を形成してフォトマスクを用いて露光処理を行った後に、ドライエッチング法やウェットエッチング法などの既知の方法を用いて不要部分を選択的に除去することによって形成できる。なお、マスク１２０の厚さについては特に限定はないが、例えば、０．３μｍ以上５μｍ以下とすることが望ましい。０．３μｍより薄い膜厚では、不純物添加処理の際に不純物が半導体層１０８に添加される懸念がある。また、５μｍより厚い膜厚は、成膜時間や生産コストの観点から好ましくない。
不純物添加処理１３１として添加する不純物は、例えば、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）などの希ガス、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）などの第１５族元素から選択される元素のうち少なくとも一種類以上を用い、イオンドーピング装置やイオン注入装置を用いて行うことができる。イオンドーピング装置の代表例としては、プロセスガスをプラズマ励起して生成された全てのイオン種を被処理体に照射する非質量分離型の装置がある。当該装置では、プラズマ中のイオン種を質量分離しないで被処理体に照射することになる。これに対して、イオン注入装置は質量分離型の装置である。イオン注入装置では、プラズマ中のイオン種を質量分離し、ある特定の質量のイオン種を被処理体に照射する。
一例として、不純物添加処理１３１として、イオンドーピング装置を用いてアルゴン（Ａｒ）ガスを、酸化物半導体層１０８の形成部分を含む領域に対して照射すればよい。アルゴンを原料ガスにする場合、一例として、加速電圧を０．１ｋＶ〜１００ｋＶの範囲で、ドーズ量を１×１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２〜１×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ２の範囲で照射してソース領域（又はドレイン領域）として機能する低抵抗領域１０８ａを形成すればよい。低抵抗領域１０８ａの抵抗率は、１×１０−４Ω・ｃｍ以上３Ω・ｃｍ以下、好ましくは１×１０−３Ω・ｃｍ以上３×１０−１Ω・ｃｍ以下が望ましい。これにより、ＯＮ電流値の低下を抑制してＯＮ／ＯＦＦ比を高くすることができる。アルゴンは不活性ガスであるため、イオン添加時の気体雰囲気制御や温度制御が容易であり、作業効率や安全性を向上させることができる。
なお、前述の光照射処理１３０を行うと、ゲート電極１０４は全体が加熱されるため、本実施の形態に示すボトムゲート構造の半導体装置では、ゲート電極１０４の側面部分に形成された絶縁層１０６からも酸素が放出されるため、酸化物半導体層１０８のうち、低抵抗領域１０８ａが形成される領域にも酸素が添加され、該領域の抵抗値が増加する懸念がある。しかし、該領域に対しても不純物添加処理１３１を行い抵抗値を十分に下げるため、電気特性への悪影響（例えば、低抵抗領域１０８ａの高抵抗に起因したオン電流の低下等）は防止できる。
なお、本実施の形態では、酸化物半導体層１０８に対して不純物添加処理１３１を行ったが、これは必ずしも必要とされるものではない。後の工程にて形成するソース電極１１４ａ及びドレイン電極１１４ｂを酸化物半導体層１０８に電気的に接続した際に、オーミック接触が形成されるようであれば、不純物添加処理１３１を行わなくてもよい。
次に、絶縁層１０６及び酸化物半導体層１０８上に、第１の層間絶縁層１１０及び第２の層間絶縁層１１２を形成する（図３（Ｃ）参照）。
第１の層間絶縁層１１０としては、例えば、プラズマＣＶＤ法などのＣＶＤ法、ＰＶＤ法及びスパッタリング法などを用いて、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素、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等の絶縁膜を単層または積層に形成して用いればよい。
第２の層間絶縁層１１２としては、例えば、スピンコート法などの塗布法、スクリーン印刷法などの印刷法及びディスペンス法などの塗布法などを用いて、ポリイミド、アクリル、ポリアミド、ポリイミドアミド等の有機絶縁性材料や、シロキサン樹脂を形成して用いればよい。なお、シロキサン樹脂とは、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む樹脂に相当する。シロキサンは、シリコン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）との結合で骨格構造が構成される。置換基として、有機基（例えばアルキル基、アリール基）やフルオロ基を用いてもよい。
なお、第２の層間絶縁層１１２は、第１の層間絶縁層１１０上に形成されている凹凸を平坦化する事を目的とした層であり、第２の層間絶縁層１１２により平坦化処理を行うことで、トランジスタ１５０上に電極や配線などを好適に形成することができる。
なお、第２の層間絶縁層１１２は必ずしも必要ではなく、第１の層間絶縁層１１０形成後の表面凹凸状態に応じて形成するか否かを判断すればよい。また、本実施の形態では第１の層間絶縁層１１０及び第２の層間絶縁層１１２は単層で形成されているが、２層以上の積層構造であってもよい。
一例として、プラズマＣＶＤ法により酸化アルミニウムを３００ｎｍの厚さで形成して第１の層間絶縁層として用い、その後、スピンコート法によりポリイミドを１．５μｍの厚さで形成し、加熱処理を行いポリイミドを硬化させて第２の層間絶縁層１１２として用いればよい。
次に、第１の層間絶縁層１１０及び第２の層間絶縁層１１２の一部に開口部を形成した後に、開口部を介して低抵抗領域１０８ａと電気的に接続されたソース電極１１４ａ及び、ドレイン電極１１４ｂを形成する（図４）。
第１の層間絶縁層１１０及び第２の層間絶縁層１１２への開口部形成は、フォトレジストマスクを用いたドライエッチング法やウェットエッチング法などの既知の方法を用いて、第１の層間絶縁層１１０及び第２の層間絶縁層１１２を選択的に除去すればよい。
ソース電極１１４ａ及びドレイン電極１１４ｂは、スパッタリング法や蒸着法などにより導電層を成膜した後、フォトレジストマスクを用いたドライエッチング法やウェットエッチング法などの既知の方法を用いて、所望の形状にエッチングして形成することができる。また、液滴吐出法、印刷法、電解メッキ法などにより、所定の場所に選択的に導電層を形成し、ソース電極１１４ａおよびドレイン電極１１４ｂとしてもよい。更にはリフロー法、ダマシン法を用いてもよい。ソース電極１１４ａおよびドレイン電極１１４ｂを形成する導電層は、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）等の金属、及びＳｉ、Ｇｅ、又はその合金、若しくはその窒化物を用いて形成する。また、これらの積層構造としても良い。
一例として、スパッタリング法により、チタン５０ｎｍ、アルミニウム５００ｎｍ、チタン５０ｎｍを順に積層した後にフォトレジストマスクを用いたドライエッチング法によりパターン形成を行い、ソース電極１１４ａ及びドレイン電極１１４ｂとして用いればよい。
以上の工程により、図１（Ｂ）に示すように、基板１００上に形成された下地層１０２と、下地層１０２上に形成されたゲート電極１０４と、ゲート電極１０４上に形成された酸化抑制層１０５と、下地層１０２、ゲート電極１０４及び酸化抑制層１０５上に形成された絶縁層１０６と、絶縁層１０６上に形成された、ソース領域（又はドレイン領域）として機能する低抵抗領域１０８ａおよびチャネル形成領域１０８ｂを有する酸化物半導体層１０８と、絶縁層１０６及び酸化物半導体層１０８上に形成された第１の層間絶縁層１１０と、第１の層間絶縁層１１０上に形成された第２の層間絶縁層１１２と、第１の層間絶縁層１１０及び第２の層間絶縁層１１２の開口部を介して低抵抗領域１０８ａに電気的に接続されたソース電極１１４ａ及びドレイン電極１１４ｂを有するボトムゲート型のトランジスタ１５０である半導体装置を作製できる。
なお、図示されていないが、ゲート電極１０４は、第１の層間絶縁層１１０及び第２の層間絶縁層１１２の一部を開口して形成されたコンタクトホールを用い、導電性を有する配線を介して第２の層間絶縁層上に電気的に取り出されている。
また、酸化物半導体層１０８は、一般的なシリコンウェハにおけるキャリア濃度（１×１０１４／ｃｍ３程度）と比較して、十分に小さいキャリア濃度の値（例えば、１×１０１２／ｃｍ３未満、より好ましくは、１．４５×１０１０／ｃｍ３未満）をとる。また、ドレイン電圧が１Ｖから１０Ｖの範囲のいずれかの電圧において、オフ電流（ゲートソース間の電圧を０Ｖ以下としたときのソースドレイン間に流れる電流）が、チャネル長１０μｍであり、酸化物半導体層の合計膜厚３０ｎｍの場合において、１×１０−１３Ａ以下、またはオフ電流密度（オフ電流をトランジスタのチャネル幅で除した数値）は１０ａＡ（ａ（アト）は１０−１８倍を示す）／μｍ以下、好ましくは１ａＡ／μｍ以下、更に好ましくは１００ｚＡ（ｚ（ゼプト）は１０−２１倍を示す）／μｍ以下にすることができる。なお、オフ電流とドレイン電圧との値が分かればオームの法則からトランジスタがオフのときの抵抗値（オフ抵抗Ｒ）を算出することができ、チャネル形成領域の断面積Ａとチャネル長Ｌが分かればρ＝ＲＡ／Ｌの式（Ｒはオフ抵抗）からオフ抵抗率ρを算出することもできる。オフ抵抗率は１×１０９Ω・ｍ以上（又は１×１０１０Ω・ｍ以上）が好ましい。ここで、断面積Ａは、チャネル形成領域の膜厚をｄとし、チャネル幅をＷとするとき、Ａ＝ｄＷから算出することができる。
アモルファスシリコンのトランジスタのオフ電流が１０−１２Ａ程度であるのに対し、酸化物半導体を用いたトランジスタのオフ電流は、その１００００分の１以下である。このため、極めて優れたオフ電流特性のトランジスタ１５０を得ることができる。
＜本実施の形態により作製される半導体装置の効果＞
以上の工程により作製された図１に示すトランジスタ１５０は、光照射処理によりゲート電極１０４が選択的に加熱されると共にゲート電極と重なる領域の絶縁層１０６も加熱されるため、該絶縁層中に含まれる酸素が脱離する。そして、絶縁層１０６は酸化物半導体層１０８と接して設けられているため、ゲート電極１０４と重なる領域の酸化物半導体層中に、絶縁層１０６から脱離した酸素を添加することができる。その結果ゲート電極１０４と重なる領域の酸化物半導体層中に存在する酸素欠損や界面準位を低減することができる。
以上の工程により作製された図１に示すトランジスタ１５０は、光照射処理によりゲート電極１０４が選択的に加熱されると共にゲート電極と重なる領域の絶縁層１０６も加熱されるため、該絶縁層中に含まれる酸素が脱離する。そして、絶縁層１０６は酸化物半導体層１０８と接して設けられているため、ゲート電極１０４と重なる領域の酸化物半導体層中に、絶縁層１０６から脱離した酸素を添加することができる。その結果ゲート電極１０４と重なる領域の酸化物半導体層中に存在する酸素欠損や界面準位を低減することができる。
したがって、本実施の形態に示す方法を用いることにより、しきい値電圧変動が少なく信頼性の高い半導体装置を作製することができる。
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１とは異なる構成についての半導体装置について、図５乃至図７を用いて説明する。なお、以下に説明する発明の構成において、実施の形態１と同一部分又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。
本実施の形態では、実施の形態１とは異なる構成についての半導体装置について、図５乃至図７を用いて説明する。なお、以下に説明する発明の構成において、実施の形態１と同一部分又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。
＜本実施の形態における半導体装置の構成＞
図５は、本実施の形態の方法にて作製された半導体装置の構成例である、トップゲート構造のトランジスタ５５０であり、図５（Ａ）はトランジスタ５５０の上面図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）の一点鎖線部Ｃ−Ｄの断面概略図である。なお、図５（Ａ）の上面図については、構造を分かり易くするため、パターン形成が行われている膜及び層のみを記載する。本実施の形態では、トランジスタ５５０はキャリアが電子であるｎチャネル型のトランジスタであるものとして作製方法を説明するが、ｎチャネル型に限定されるものではない。
図５は、本実施の形態の方法にて作製された半導体装置の構成例である、トップゲート構造のトランジスタ５５０であり、図５（Ａ）はトランジスタ５５０の上面図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）の一点鎖線部Ｃ−Ｄの断面概略図である。なお、図５（Ａ）の上面図については、構造を分かり易くするため、パターン形成が行われている膜及び層のみを記載する。本実施の形態では、トランジスタ５５０はキャリアが電子であるｎチャネル型のトランジスタであるものとして作製方法を説明するが、ｎチャネル型に限定されるものではない。
図５に示すトランジスタ５５０は、基板１００と、基板１００上に形成された下地層１０２と、下地層１０２上に形成された、ソース領域（又はドレイン領域）として機能する低抵抗領域１０８ａ及びチャネル形成領域１０８ｂを有する酸化物半導体層１０８と、酸化物半導体層１０８上に形成された絶縁層１０６と、絶縁層１０６上に形成された酸化抑制層１０５及びゲート電極１０４と、絶縁層１０６、酸化抑制層１０５及びゲート電極１０４上に形成された第１の層間絶縁層１１０と、第１の層間絶縁層１１０上に形成された第２の層間絶縁層１１２と、第１の層間絶縁層１１０、第２の層間絶縁層１１２及び絶縁層１０６の開口部を介して低抵抗領域１０８ａに電気的に接続されたソース電極１１４ａ及びドレイン電極１１４ｂを有する構造である。
＜本実施の形態における半導体装置の作製方法＞
トランジスタ５５０の作製方法について図６及び図７を用いて以下の文章にて説明する。
トランジスタ５５０の作製方法について図６及び図７を用いて以下の文章にて説明する。
まず、基板１００を準備し、基板１００上に下地層１０２を形成した後に、下地層１０２上に酸化物半導体層１０８を形成し、下地層１０２及び酸化物半導体層１０８上に加熱により酸素の放出が可能な絶縁層１０６を形成する（図６（Ａ）参照）。基板１００、下地層１０２、絶縁層１０６及び酸化物半導体層１０８の材質、特性、形成方法などについては実施の形態１と同様であるため、ここでは詳細説明を省略する。
次に、絶縁層１０６上に、酸化抑制層１０５及びゲート電極１０４を形成する（図６（Ｂ）参照）。酸化抑制層１０５及びゲート電極１０４の材質、特性、形成方法などについては実施の形態１と同様であるため、ここでは詳細説明を略する。
次に、ゲート電極１０４に対して光照射処理１３０を行う（図６（Ｃ）参照）。これにより、実施の形態１と同様に、ゲート電極１０４と重なる領域の酸化物半導体層１０８中に酸素が添加される。なお、本実施の形態ではゲート電極１０４部分に対して光照射処理１３０を行っているが、基板全面に対して光照射処理１３０を行ってもよい。また、本実施の形態では図６（Ｃ）のように上面側から光照射処理１３０を行っているが、これに限定されることはなく、下面側（つまり、図６（Ｃ）の基板１００面側）や両面側から光照射処理１３０を行ってもよい。光照射処理１３０の使用装置や照射方法などについては実施の形態１と同様であるため、ここでは詳細説明を省略する。
次に、酸化物半導体層１０８を含む領域に対して不純物添加処理１３１を行い、酸化物半導体層１０８中にソース領域（又はドレイン領域）として機能する低抵抗領域１０８ａおよびチャネル形成領域１０８ｂを形成する（図７（Ａ）参照）。不純物添加処理１３１の使用装置や添加方法などについては実施の形態１と同様であるため、ここでは詳細説明を省略する。
本実施の形態では、酸化物半導体層１０８上にゲート電極１０４が形成されているため、ゲート電極１０４を不純物添加処理１３１を行う際のマスクとして用いることができるため、酸化物半導体層１０８のうち、上部にゲート電極１０４が形成されていない領域にのみ不純物が添加され、ソース領域（又はドレイン領域）として機能する低抵抗領域１０８ａが形成されると共に、チャネル形成領域１０８ｂが自己整合的に形成できる（図７（Ａ）参照）。このため、作製工程を簡略化できる。したがって、より低コストで半導体装置を作製することができる。
次に、ゲート電極１０４、酸化抑制層１０５及び絶縁層１０６上に、第１の層間絶縁層１１０及び第２の層間絶縁層１１２を形成する（図７（Ｂ）参照）。なお、第１の層間絶縁層１１０及び第２の層間絶縁層１１２の材質、特性、形成方法などについては実施の形態１と同様であるため、ここでは詳細説明を省略する。
なお、本実施の形態では、絶縁層１０６、酸化抑制層１０５及びゲート電極１０４上に第１の層間絶縁層１１０を形成したが、必ずしも必要なものではない。また、本実施の形態では第１の層間絶縁層１１０及び第２の層間絶縁層１１２は単層で形成されているが、２層以上の積層構造であってもよい。層間絶縁層をどのような材質及び構造にするかについては、トランジスタ５５０の使用用途や必要特性を鑑みて、作製者が適宜選択すればよい。
以上の工程により、図５（Ｂ）に示すように、基板１００上に形成された下地層１０２と、下地層１０２上に形成された、ソース領域（又はドレイン領域）として機能する低抵抗領域１０８ａ及びチャネル形成領域１０８ｂを有する酸化物半導体層１０８と、下地層１０２及び酸化物半導体層１０８上に形成された絶縁層１０６と、絶縁層１０６上に形成された酸化抑制層１０５及びゲート電極１０４と、絶縁層１０６、酸化抑制層１０５及びゲート電極１０４上に形成された第１の層間絶縁層１１０と、第１の層間絶縁層１１０上に形成された第２の層間絶縁層１１２と、第１の層間絶縁層１１０、第２の層間絶縁層１１２及び絶縁層１０６の開口部を介して低抵抗領域１０８ａに電気的に接続されたソース電極１１４ａ及びドレイン電極１１４ｂを有するトップゲート型のトランジスタ５５０である半導体装置を作製できる。
なお、図示されていないが、ゲート電極１０４は、第１の層間絶縁層１１０及び第２の層間絶縁層１１２の一部を開口して形成されたコンタクトホールを用い、導電性を有する配線を介して第２の層間絶縁層上に電気的に取り出されている。
＜本実施の形態により作製される半導体装置の効果＞
以上の工程により作製された図５に示すトランジスタ５５０は、光照射処理１３０によりゲート電極１０４が選択的に加熱されると共にゲート電極１０４と重なる領域の絶縁層１０６も加熱されるため、該絶縁層中に含まれる酸素が脱離する。そして、絶縁層１０６は酸化物半導体層１０８と接して設けられているため、ゲート電極１０４と重なる領域の酸化物半導体層中に、絶縁層１０６から脱離した酸素を添加することができる。その結果ゲート電極１０４と重なる領域の酸化物半導体層中に存在する酸素欠損や界面準位を低減することができる。
以上の工程により作製された図５に示すトランジスタ５５０は、光照射処理１３０によりゲート電極１０４が選択的に加熱されると共にゲート電極１０４と重なる領域の絶縁層１０６も加熱されるため、該絶縁層中に含まれる酸素が脱離する。そして、絶縁層１０６は酸化物半導体層１０８と接して設けられているため、ゲート電極１０４と重なる領域の酸化物半導体層中に、絶縁層１０６から脱離した酸素を添加することができる。その結果ゲート電極１０４と重なる領域の酸化物半導体層中に存在する酸素欠損や界面準位を低減することができる。
したがって、本実施の形態に示す方法を用いることにより、しきい値電圧変動が少なく信頼性の高い半導体装置を作製することができる。
また、酸化物半導体層１０８に対して不純物添加処理１３１を行う場合において、ゲート電極１０４は絶縁層１０６を加熱するためだけでなく、酸化物半導体層１０８に低抵抗領域１０８ａ及びチャネル形成領域１０８ｂを形成するためのマスクとしての役割を併持できるため、半導体装置の作製工程を簡略化できる。
したがって、本実施の形態に示す方法を用いることにより、しきい値電圧変動が少なく信頼性の高い半導体装置を、より低コストで作製することができる。
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態１とは異なる構成についての半導体装置について、図８乃至図１０を用いて説明する。なお、以下に説明する発明の構成において、実施の形態１と同一部分又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。
本実施の形態では、実施の形態１とは異なる構成についての半導体装置について、図８乃至図１０を用いて説明する。なお、以下に説明する発明の構成において、実施の形態１と同一部分又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。
＜本実施の形態における半導体装置の構成＞
図８は、本実施の形態の方法にて作製された半導体装置の構成例である、ボトムゲート構造のトランジスタ８５０であり、図８（Ａ）はトランジスタ８５０の上面図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）の一点鎖線部Ｅ−Ｆの断面概略図である。なお、図８（Ａ）の上面図については、構造を分かり易くするため、パターン形成が行われている膜及び層のみを記載する。本実施の形態では、トランジスタ８５０はキャリアが電子であるｎチャネル型のトランジスタであるものとして作製方法を説明するが、ｎチャネル型に限定されるものではない。
図８は、本実施の形態の方法にて作製された半導体装置の構成例である、ボトムゲート構造のトランジスタ８５０であり、図８（Ａ）はトランジスタ８５０の上面図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）の一点鎖線部Ｅ−Ｆの断面概略図である。なお、図８（Ａ）の上面図については、構造を分かり易くするため、パターン形成が行われている膜及び層のみを記載する。本実施の形態では、トランジスタ８５０はキャリアが電子であるｎチャネル型のトランジスタであるものとして作製方法を説明するが、ｎチャネル型に限定されるものではない。
図８に示すトランジスタ８５０は、基板１００と、基板１００上に形成された下地層１０２と、下地層１０２上に形成されたゲート電極１０４と、ゲート電極１０４上に形成された酸化抑制層１０５と、下地層１０２、ゲート電極１０４及び酸化抑制層１０５上に形成されたゲート絶縁層８０２と、ゲート絶縁層８０２上に形成された、ソース領域（又はドレイン領域）として機能する低抵抗領域１０８ａ及びチャネル形成領域１０８ｂを有する酸化物半導体層１０８と、酸化物半導体層１０８及びゲート絶縁層８０２上に形成された絶縁層１０６と、絶縁層１０６上に形成された金属層８０４と、絶縁層１０６及び金属層８０４上に形成された第１の層間絶縁層１１０と、第１の層間絶縁層１１０上に形成された第２の層間絶縁層１１２と、絶縁層１０６、第１の層間絶縁層１１０及び第２の層間絶縁層１１２の開口部を介して低抵抗領域１０８ａに電気的に接続されたソース電極１１４ａ及びドレイン電極１１４ｂを有する構造である。
＜本実施の形態における半導体装置の作製方法＞
トランジスタ８５０の作製方法について図９及び図１０を用いて以下の文章にて説明する。
トランジスタ８５０の作製方法について図９及び図１０を用いて以下の文章にて説明する。
まず、基板１００を準備し、基板１００上に下地層１０２を形成した後に、下地層１０２上にゲート電極１０４及び酸化抑制層１０５を形成し、下地層１０２、ゲート電極１０４及び酸化抑制層１０５上にゲート絶縁層８０２を形成する（図９（Ａ）参照）。
基板１００、下地層１０２、ゲート電極１０４及び酸化抑制層１０５の材質、特性、形成方法などについては実施の形態１と同様であるため、ここでは詳細説明を省略する。
ゲート絶縁層８０２としては、例えば、プラズマＣＶＤ法などのＣＶＤ法、ＰＶＤ法及びスパッタリング法などの既知の方法を用いて、酸化珪素（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯ２）、ハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌＯ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）を主成分とする単膜又は積層膜を形成して用いればよい。
また、プラズマＣＶＤ法などのＣＶＤ法、ＰＶＤ法及びスパッタリング法などの既知の方法を用いて、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、窒化酸化シリコン（ＳｉＮＯ）、窒化ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯＮ）、窒化ハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌＯＮ）を主成分とする単膜又は積層膜を形成して用いてもよい。ゲート絶縁層８０２は、加熱により酸素の放出が可能な膜に限らず、様々な膜種を用いることができるため、様々な高誘電率材料を用いることができる。
一例として、スパッタリング法を用いて窒化ハフニウムシリケートを１０ｎｍの厚さで成膜して、ゲート絶縁層８０２として用いればよい。スパッタリング法により形成された層には、水素や窒素などの元素が少なく望ましい。
次に、ゲート絶縁層８０２上に、酸化物半導体層１０８を形成し、ゲート絶縁層８０２及び酸化物半導体層１０８上に絶縁層１０６を形成し、絶縁層１０６上に金属層８０４をゲート電極１０４と重なる状態に形成する（図９（Ｂ）参照）。絶縁層１０６及び酸化物半導体層１０８の材質、特性、形成方法などについては実施の形態１と同様であるため、ここでは詳細説明を略する。
金属層８０４としては、例えば、スパッタリング法や蒸着法などの既知の方法を用いて形成された、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、ネオジム（Ｎｄ）を主成分とする金属膜や合金膜、又はこれら金属や合金の窒化膜のいずれか一以上からなる層を用いればよい。なお、金属層８０４は、後の工程にて行う光照射処理１３０により、ゲート電極１０４と重なる領域に酸素を添加する機能を担うため、ゲート電極１０４と重なる状態に形成する必要がある。
また、上記材料以外にも、４００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の波長領域において６０％以上の光吸収率を有する材料を用いることができる。例えば、プラズマＣＶＤ法などのＣＶＤ法、ＰＶＤ法及びスパッタリング法などの既知の方法を用いて、酸化チタン、酸化モリブデン、酸化クロム、酸化コバルト、酸化銅、酸化ニッケル、酸化マグネシウムなどの金属酸化膜を用いてもよい。金属層８０４はトランジスタ８５０の動作に直接寄与するものではないため、抵抗値などの電気特性を考慮することなく、上述の光吸収特性を有する様々な材料を用いることができるため、光照射処理１３０による照射光を効率良く熱に変換することができる。したがって、低エネルギーの光照射で、ゲート電極１０４と重なる領域の酸化物半導体層中に効率良く酸素を添加することができるため、光照射に用いる装置の消費電力低減が可能となり、またメンテナンスを少なくする事ができる。なお、金属層８０４を第２のゲート電極として用い、デュアルゲート構造の半導体装置としてもよい。
一例として、スパッタリング法を用いて、酸化モリブデンを２００ｎｍの厚さで形成して、金属層８０４として用いればよい。
次に、金属層８０４に対して光照射処理１３０を行う（図９（Ｃ）参照）。入射光は金属層８０４に吸収され、金属層８０４が選択的に加熱される。これに伴い、金属層８０４と重なる領域の絶縁層１０６も加熱されるため、該絶縁層中に含まれる酸素が放出される。金属層８０４はゲート電極１０４と重なり酸化物半導体層１０８と接して形成されているため、放出された酸素の一部はゲート電極１０４と重なる領域を中心として、酸化物半導体層１０８中に添加される。なお、本実施の形態では金属層８０４部分に対して光照射処理１３０を行っているが、基板全面に対して光照射処理１３０を行ってもよい。光照射処理１３０の使用装置や照射方法などについては実施の形態１と同様であるため、ここでは詳細説明を省略する。
次に、金属層８０４をマスクとして不純物添加処理１３１を行い、酸化物半導体層１０８中にソース領域（又はドレイン領域）として機能する低抵抗領域１０８ａ及びチャネル形成領域１０８ｂを形成する（図１０（Ａ）参照）。不純物添加処理１３１の使用装置や添加方法などについては実施の形態１と同様であるため、ここでは詳細説明を省略する。
次に、絶縁層１０６及び金属層８０４上に、第１の層間絶縁層１１０及び第２の層間絶縁層１１２を形成し、絶縁層１０６、第１の層間絶縁層１１０及び第２の層間絶縁層１１２の一部に開口部を形成した後、開口部を介して低抵抗領域１０８ａと電気的に接続されたソース電極１１４ａ及びドレイン電極１１４ｂを形成する（図１０（Ｂ）参照）。なお、第１の層間絶縁層１１０、第２の層間絶縁層１１２、ソース電極１１４ａ及びドレイン電極１１４ｂの材質、特性、形成方法等ならびに、開口部の形成方法等については実施の形態１と同様であるため、ここでは詳細説明を省略する。
なお、本実施の形態では、絶縁層１０６及び金属層８０４上に第１の層間絶縁層１１０を形成したが、必ずしも必要なものではない。また、本実施の形態では第１の層間絶縁層１１０及び第２の層間絶縁層１１２は単層で形成されているが、２層以上の積層構造であってもよい。層間絶縁層をどのような材質及び構造にするかについては、トランジスタ８５０の使用用途や必要特性を鑑みて、作製者が適宜選択すればよい。
以上の工程により、図８（Ｂ）に示すように、基板１００と、基板１００上に形成された下地層１０２と、下地層１０２上に形成されたゲート電極１０４と、ゲート電極１０４上に形成された酸化抑制層１０５と、下地層１０２、ゲート電極１０４及び酸化抑制層１０５上に形成されたゲート絶縁層８０２と、ゲート絶縁層８０２上に形成された、ソース領域（又はドレイン領域）として機能する低抵抗領域１０８ａ及びチャネル形成領域１０８ｂを有する酸化物半導体層１０８と、酸化物半導体層１０８及びゲート絶縁層８０２上に形成された絶縁層１０６と、絶縁層１０６上に形成された金属層８０４と、絶縁層１０６及び金属層８０４上に形成された第１の層間絶縁層１１０と、第１の層間絶縁層１１０上に形成された第２の層間絶縁層１１２と、絶縁層１０６、第１の層間絶縁層１１０及び第２の層間絶縁層１１２の開口部を介して低抵抗領域１０８ａに電気的に接続されたソース電極１１４ａ及びドレイン電極１１４ｂを有するボトムゲート型のトランジスタ８５０である半導体装置を作製できる。
なお、図示されていないが、ゲート電極１０４は、ゲート絶縁層８０２、絶縁層１０６、第１の層間絶縁層１１０及び第２の層間絶縁層１１２の一部を開口して形成されたコンタクトホールを用い、導電性を有する配線を介して第２の層間絶縁層上に電気的に取り出されている。
＜本実施の形態により作製される半導体装置の効果＞
以上の工程により作製された図８に示すトランジスタ８５０は、光照射処理１３０により金属層８０４が選択的に加熱されると共に金属層８０４と重なる領域の絶縁層１０６も加熱されるため、該絶縁層中に含まれる酸素が脱離する。そして、絶縁層１０６は酸化物半導体層と接して設けられており、また、ゲート電極１０４は金属層８０４と重なる状態に形成されているため、絶縁層１０６から脱離した酸素は、ゲート電極１０４と重なる領域の酸化物半導体層中に添加される。その結果ゲート電極１０４と重なる領域の酸化物半導体層中に存在する酸素欠損や界面準位を低減することができる。
以上の工程により作製された図８に示すトランジスタ８５０は、光照射処理１３０により金属層８０４が選択的に加熱されると共に金属層８０４と重なる領域の絶縁層１０６も加熱されるため、該絶縁層中に含まれる酸素が脱離する。そして、絶縁層１０６は酸化物半導体層と接して設けられており、また、ゲート電極１０４は金属層８０４と重なる状態に形成されているため、絶縁層１０６から脱離した酸素は、ゲート電極１０４と重なる領域の酸化物半導体層中に添加される。その結果ゲート電極１０４と重なる領域の酸化物半導体層中に存在する酸素欠損や界面準位を低減することができる。
したがって、本実施の形態に示す方法を用いることにより、しきい値電圧変動が少なく信頼性の高い半導体装置を作製することができる。
なお、金属層８０４はゲート電極１０４のように半導体装置の動作に直接関与するものではないため、抵抗値や膜厚に制限を受けることなく、光照射処理１３０により効率的に発熱する材料を金属層８０４に用いることができるため、光照射処理１３０を低エネルギー化できる。これにより、しきい値電圧変動が少なく信頼性の高い半導体装置を、より低コストで作製することができる。
また、酸化物半導体層１０８に対して不純物添加処理１３１を行う場合において、金属層８０４は絶縁層１０６を加熱するためだけでなく、酸化物半導体層１０８にソース領域（又はドレイン領域）として機能する低抵抗領域１０８ａ及びチャネル形成領域１０８ｂを形成するためのマスクとしての役割を併持できるため、半導体装置の作製工程を簡略化できる。
したがって、本実施の形態に示す方法を用いることにより、しきい値電圧変動が少なく信頼性の高い半導体装置を、より低コストで作製することができる。
更に、金属層８０４は、ゲート電極１０４と重なる領域の酸化物半導体への外光の入射を抑制する役割（所謂、遮光膜）を果たすため、外部からの光入射による特性変動の抑制された、信頼性の高い半導体装置を作製することができる。
（実施の形態４）
本実施の形態では、金属層８０４が実施の形態３とは異なる位置に構成された半導体装置について、図１１乃至図１３を用いて説明する。なお、以下に説明する発明の構成において、実施の形態１や実施の形態３と同一部分又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。
本実施の形態では、金属層８０４が実施の形態３とは異なる位置に構成された半導体装置について、図１１乃至図１３を用いて説明する。なお、以下に説明する発明の構成において、実施の形態１や実施の形態３と同一部分又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。
＜本実施の形態における半導体装置の構成＞
図１１は、本実施の形態の方法にて作製された半導体装置の構成例である、トップゲート構造のトランジスタ１１５０であり、図１１（Ａ）はトランジスタ１１５０の上面図、図１１（Ｂ）は図１１（Ａ）の一点鎖線部Ｇ−Ｈの断面概略図である。なお、図１１（Ａ）の上面図については、構造を分かり易くするため、パターン形成が行われている膜及び層のみを記載する。本実施の形態では、トランジスタ１１５０はキャリアが電子であるｎチャネル型のトランジスタであるものとして作製方法を説明するが、ｎチャネル型に限定されるものではない。
図１１は、本実施の形態の方法にて作製された半導体装置の構成例である、トップゲート構造のトランジスタ１１５０であり、図１１（Ａ）はトランジスタ１１５０の上面図、図１１（Ｂ）は図１１（Ａ）の一点鎖線部Ｇ−Ｈの断面概略図である。なお、図１１（Ａ）の上面図については、構造を分かり易くするため、パターン形成が行われている膜及び層のみを記載する。本実施の形態では、トランジスタ１１５０はキャリアが電子であるｎチャネル型のトランジスタであるものとして作製方法を説明するが、ｎチャネル型に限定されるものではない。
図１１に示すトランジスタ１１５０は、基板１００と、基板１００上に形成された下地層１０２と、下地層１０２上に形成された金属層８０４と、下地層１０２及び金属層８０４上に形成された絶縁層１０６と、絶縁層１０６上に形成された、ソース領域（又はドレイン領域）として機能する低抵抗領域１０８ａ及びチャネル形成領域１０８ｂを有する酸化物半導体層１０８と、絶縁層１０６及び酸化物半導体層１０８上に形成されたゲート絶縁層８０２と、ゲート絶縁層８０２上に形成された酸化抑制層１０５と、酸化抑制層１０５上に形成されたゲート電極１０４と、ゲート絶縁層８０２、酸化抑制層１０５及びゲート電極１０４上に設けられた第１の層間絶縁層１１０と、第１の層間絶縁層１１０上に形成された第２の層間絶縁層１１２と、第１の層間絶縁層１１０、第２の層間絶縁層１１２及びゲート絶縁層８０２の開口部を介して低抵抗領域１０８ａに電気的に接続されたソース電極１１４ａ及びドレイン電極１１４ｂを有する構造である。
＜本実施の形態における半導体装置の作製方法＞
トランジスタ１１５０の作製方法について図１２及び図１３を用いて以下の文章にて説明する。
トランジスタ１１５０の作製方法について図１２及び図１３を用いて以下の文章にて説明する。
まず、基板１００を準備し、基板１００上に下地層１０２を形成し、下地層１０２上に金属層８０４を形成し、下地層１０２及び金属層８０４上に絶縁層１０６を形成し、絶縁層１０６上に酸化物半導体層１０８を形成し、絶縁層１０６及び酸化物半導体層１０８上にゲート絶縁層８０２を形成し、ゲート絶縁層８０２上に酸化抑制層１０５及びゲート電極１０４を形成する（図１２（Ａ）参照）。基板１００、下地層１０２、金属層８０４、絶縁層１０６、酸化物半導体層１０８、ゲート絶縁層８０２、酸化抑制層１０５及びゲート電極１０４の材質、特性、形成方法などについては実施の形態３と同様であるため、ここでは詳細説明を省略する。
次に、金属層８０４に対して光照射処理１３０を行う（図１２（Ｂ）参照）。これにより、実施の形態３と同様に、ゲート電極１０４と重なる領域の酸化物半導体層１０８中に酸素が添加される。なお、本実施の形態では金属層８０４部分に対して光照射処理１３０を行っているが、基板全面に対して光照射処理１３０を行ってもよい。光照射処理１３０の使用装置や照射方法などについては実施の形態１と同様であるため、ここでは詳細説明を省略する。
次に、ゲート電極１０４をマスクとして不純物添加処理１３１を行い、酸化物半導体層１０８中にソース領域（又はドレイン領域）として機能する低抵抗領域１０８ａ及びチャネル形成領域１０８ｂを形成する（図１２（Ｃ）参照）。不純物添加処理１３１の使用装置や添加方法などについては実施の形態１と同様であるため、ここでは詳細説明を省略する。
次に、ゲート絶縁層８０２、酸化抑制層１０５及びゲート電極１０４上に、第１の層間絶縁層１１０及び第２の層間絶縁層１１２を形成し、第１の層間絶縁層１１０、第２の層間絶縁層１１２及びゲート絶縁層８０２の一部に開口部を形成した後、開口部を介して低抵抗領域１０８ａと電気的に接続されたソース電極１１４ａ及びドレイン電極１１４ｂを形成する（図１３参照）。なお、第１の層間絶縁層１１０、第２の層間絶縁層１１２、ソース電極１１４ａ及びドレイン電極１１４ｂの材質、特性、形成方法等ならびに、開口部の形成方法等については実施の形態１と同様であるため、ここでは詳細説明を省略する。
なお、本実施の形態では、ゲート絶縁層８０２、酸化抑制層１０５及びゲート電極１０４上に第１の層間絶縁層１１０を形成したが、必ずしも必要なものではない。また、本実施の形態では第１の層間絶縁層１１０及び第２の層間絶縁層１１２は単層で形成されているが、２層以上の積層構造であってもよい。層間絶縁層をどのような材質及び構造にするかについては、トランジスタ１１５０の使用用途や必要特性を鑑みて、作製者が適宜選択すればよい。
以上の工程により、図１１（Ｂ）に示すように、基板１００と、基板１００上に形成された下地層１０２と、下地層１０２上に形成された金属層８０４と、下地層１０２及び金属層８０４上に形成された絶縁層１０６と、絶縁層１０６上に形成された、ソース領域（又はドレイン領域）として機能する低抵抗領域１０８ａ及びチャネル形成領域１０８ｂを有する酸化物半導体層１０８と、絶縁層１０６及び酸化物半導体層１０８上に形成されたゲート絶縁層８０２と、ゲート絶縁層８０２上に形成された酸化抑制層１０５と、酸化抑制層１０５上に形成されたゲート電極１０４と、ゲート絶縁層８０２、酸化抑制層１０５及びゲート電極１０４上に設けられた第１の層間絶縁層１１０と、第１の層間絶縁層１１０上に形成された第２の層間絶縁層１１２と、第１の層間絶縁層１１０及び第２の層間絶縁層１１２の開口部を介して低抵抗領域１０８ａに電気的に接続されたソース電極１１４ａ及びドレイン電極１１４ｂを有するトップゲート型のトランジスタ１１５０である半導体装置を作製できる。
＜本実施の形態により作製される半導体装置の効果＞
以上の工程により作製された図１１に示すトランジスタ１１５０は、光照射処理１３０により金属層８０４が選択的に加熱されると共に金属層８０４と重なる領域の絶縁層１０６も加熱されるため、該絶縁層中に含まれる酸素が脱離する。そして、絶縁層１０６は酸化物半導体層と接して設けられており、また、ゲート電極１０４は金属層８０４と重なる状態に形成されているため、絶縁層１０６から脱離した酸素は、ゲート電極１０４と重なる領域の酸化物半導体層中に添加される。その結果ゲート電極１０４と重なる領域の酸化物半導体層中に存在する酸素欠損や界面準位を低減することができる。
以上の工程により作製された図１１に示すトランジスタ１１５０は、光照射処理１３０により金属層８０４が選択的に加熱されると共に金属層８０４と重なる領域の絶縁層１０６も加熱されるため、該絶縁層中に含まれる酸素が脱離する。そして、絶縁層１０６は酸化物半導体層と接して設けられており、また、ゲート電極１０４は金属層８０４と重なる状態に形成されているため、絶縁層１０６から脱離した酸素は、ゲート電極１０４と重なる領域の酸化物半導体層中に添加される。その結果ゲート電極１０４と重なる領域の酸化物半導体層中に存在する酸素欠損や界面準位を低減することができる。
したがって、本実施の形態に示す方法を用いることにより、しきい値電圧変動が少なく信頼性の高い半導体装置を作製することができる。
なお、金属層８０４はゲート電極１０４のように半導体装置の動作に直接関与するものではないため、抵抗値や膜厚に制限を受けることなく、光照射処理１３０により効率的に発熱する材料を金属層８０４に用いることができるため、光照射処理１３０を低エネルギー化できる。これにより、しきい値電圧変動が少なく信頼性の高い半導体装置を、より低コストで作製することができる。
また、酸化物半導体層１０８に対して不純物添加処理１３１を行う場合において、ゲート電極１０４は絶縁層１０６を加熱するためだけでなく、酸化物半導体層１０８にソース領域（又はドレイン領域）として機能する低抵抗領域１０８ａ及びチャネル形成領域１０８ｂを形成するためのマスクとしての役割を併持できるため、半導体装置の作製工程を簡略化できる。
したがって、本実施の形態に示す方法を用いることにより、しきい値電圧変動が少なく信頼性の高い半導体装置を、より低コストで作製することができる。
更に、金属層８０４は、絶縁層１０６を加熱する機能以外に、ゲート電極１０４と重なる領域の酸化物半導体への外光の入射を抑制する役割（所謂、遮光膜）を果たすため、外部からの光入射による特性変動の抑制された、信頼性の高い半導体装置を作製することができる。
（実施の形態５）
本明細書に開示する酸化物半導体素子は、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、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等のカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などが挙げられる。前述の実施の形態で説明した酸化物半導体素子を具備する電子機器の一例を図１４を用いて説明する。
本明細書に開示する酸化物半導体素子は、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、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等のカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などが挙げられる。前述の実施の形態で説明した酸化物半導体素子を具備する電子機器の一例を図１４を用いて説明する。
図１４（Ａ）は、携帯型の情報端末であり、本体１４０１、筐体１４０２、第１の表示部１４０３ａ、第２の表示部１４０３ｂなどによって構成されている。第１の表示部１４０３ａはタッチ入力機能を有するパネルとなっており、例えば図１４（Ａ）の左図のように、第１の表示部１４０３ａに表示される選択ボタン１４０４により「音声入力」を行うか、「キー入力」を行うかを選択できる。選択ボタンは様々な大きさで表示できるため、幅広い世代の人が使いやすさを実感できる。ここで、例えば「キー入力」を選択した場合、図１４（Ａ）の右図のように第１の表示部１４０３ａにはキーボード１４０５が表示される。これにより、従来の情報端末と同様に、キー入力による素早い文字入力などが可能となる。
また、図１４（Ａ）に示す携帯型の情報端末は、図１４（Ａ）の右図のように、第１の表示部１４０３ａ及び第２の表示部１４０３ｂのうち、一方を取り外すことができる。第２の表示部１４０３ｂもタッチ入力機能を有するパネルとし、持ち運びの際、さらなる軽量化を図ることができ、一方の手で筐体１４０２を持ち、他方の手で操作することができるため非常に便利である。
図１４（Ａ）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操作又は編集する機能、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。また、筐体の裏面や側面に、外部接続用端子（イヤホン端子、ＵＳＢ端子など）、記録媒体挿入部などを備える構成としてもよい。
また、図１４（Ａ）に示す携帯型の情報端末は、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。
さらに、図１４（Ａ）に示す筐体１４０２にアンテナやマイク機能や無線機能を持たせ、携帯電話として用いてもよい。
図１４（Ｂ）は、画像表示装置の一形態を示している。図１４（Ｂ）に示す画像表示装置は、タッチ入力機能を備えた表示部１４１１を有しおり、表示部１４１１は窓ガラスとして機能している。本明細書に開示する半導体装置の作製方法において用いた酸化物半導体層１０８は透光性を有しているため、基板１００に透光性を有する基板（例えば、無アルカリガラス等）を用い、また配線を微細化することにより、外部の光景が目視可能となるだけの十分な可視光透過率（例えば、５０％以上の可視光透過率）を有して形成できる。このため、例えば図１４（Ｂ）の左図のように、表示部１４１１は通常状態では窓ガラスとして機能しているが、表示部１４１１の表面に触れることにより、図１４（Ｂ）の右図のように、必要な情報を表示部１４１１に表示することができる。
また、表示部１４１１の内部回路の一部に無線で情報を送受信できる機構（以下、無線機構と略記する）を設けてもよい。これにより、例えば、無線機構を備えた圧電振動子１４１２を画像表示装置の一部に設置し、表示部１４１１の内部回路の一部に設けられた無線機構から送信された音信号を圧電振動子１４１２に備えられた無線機構により受信して圧電振動子１４１２を振動させることにより、表示部１４１１を振動させて安定した大きさの音を周囲にまんべんなく放射することができる。
図１４（Ｃ）は、ゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）の一形態を示している。図１４（Ｃ）に示す画像表示装置は、本体１４２１に左目用パネル１４２２ａ、右目用パネル１４２２ｂ及び画像表示ボタン１４２３が設けられている。本明細書に開示する半導体装置の作製方法において用いた酸化物半導体層１０８は透光性を有しているため、基板１００に透光性を有する基板（例えば、無アルカリガラス等）を用い、また配線を微細化することにより、十分な可視光透過率（例えば、５０％以上の可視光透過率）を有して形成できる。このため、左目用パネル１４２２ａ及び右目用パネル１４２２ｂは、外部の光景が目視可能であるため、通常時は図１４（Ｃ）の左下図のように、使用者は通常の眼鏡と同様に周囲の風景を見ることができる。また、使用者が必要な情報を得たい場合に画像表示ボタン１４２３を押すことにより、図１４（Ｃ）の右下図のように、左目用パネル１４２２ａ、右目用パネル１４２２ｂの一方又は両方に画像が表示される。
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。
１００ 基板
１０２ 下地層
１０４ ゲート電極
１０５ 酸化抑制層
１０６ 絶縁層
１０８ 酸化物半導体層
１０８ａ 低抵抗領域
１０８ｂ チャネル形成領域
１１０ 第１の層間絶縁層
１１２ 第２の層間絶縁層
１１４ａ ソース電極
１１４ｂ ドレイン電極
１２０ マスク
１３０ 光照射処理
１３１ 不純物添加処理
１５０ トランジスタ
５５０ トランジスタ
８０２ ゲート絶縁層
８０４ 金属層
８５０ トランジスタ
１１５０ トランジスタ
１４０１ 本体
１４０２ 筐体
１４０３ａ 第１の表示部
１４０３ｂ 第２の表示部
１４０４ 選択ボタン
１４０５ キーボード
１４１１ 表示部
１４１２ 圧電振動子
１４２１ 本体
１４２２ａ 左目用パネル
１４２２ｂ 右目用パネル
１４２３ 画像表示ボタン
１０２ 下地層
１０４ ゲート電極
１０５ 酸化抑制層
１０６ 絶縁層
１０８ 酸化物半導体層
１０８ａ 低抵抗領域
１０８ｂ チャネル形成領域
１１０ 第１の層間絶縁層
１１２ 第２の層間絶縁層
１１４ａ ソース電極
１１４ｂ ドレイン電極
１２０ マスク
１３０ 光照射処理
１３１ 不純物添加処理
１５０ トランジスタ
５５０ トランジスタ
８０２ ゲート絶縁層
８０４ 金属層
８５０ トランジスタ
１１５０ トランジスタ
１４０１ 本体
１４０２ 筐体
１４０３ａ 第１の表示部
１４０３ｂ 第２の表示部
１４０４ 選択ボタン
１４０５ キーボード
１４１１ 表示部
１４１２ 圧電振動子
１４２１ 本体
１４２２ａ 左目用パネル
１４２２ｂ 右目用パネル
１４２３ 画像表示ボタン
Claims (4)
- 絶縁表面を有する基板上にゲート電極を形成し、
前記ゲート電極上にゲート絶縁層を形成し、
前記ゲート絶縁層上に酸化物半導体層を形成し、
前記酸化物半導体層に接し、且つ前記酸化物半導体層を介して前記ゲート電極と重なる領域を有する絶縁層を形成し、
前記絶縁層上に前記ゲート電極と重なる金属層を形成し、
前記金属層に光を照射し、
前記絶縁層は、加熱により酸素を放出することが可能であり、
前記金属層と重なる領域の前記絶縁層から前記酸化物半導体層中に酸素が添加され、前記ゲート電極と重なる領域の前記酸化物半導体層中の酸素欠損および界面準位が低減されることを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 絶縁表面を有する基板上に金属層を形成し、
前記金属層上に絶縁層を形成し、
前記絶縁層に接して酸化物半導体層を形成し、
前記酸化物半導体層上にゲート絶縁層を形成し、
前記ゲート絶縁層上に、前記金属層及び前記酸化物半導体層と重なるようにゲート電極を形成し、
前記金属層に光を照射処理し、
前記絶縁層は、加熱により酸素を放出することが可能であり、
前記金属層と重なる領域の前記絶縁層から前記酸化物半導体層中に酸素が添加され、前記ゲート電極と重なる領域の前記酸化物半導体層中の酸素欠損および界面準位が低減されることを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 請求項１又は２において、
前記金属層として、４００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の波長領域において６０％以上の光吸収率を有する層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 請求項１乃至３のいずれか一において、
前記絶縁層を、酸素又は酸素とアルゴンの混合ガスを用いたスパッタリング法により形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
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