JP6087668B2

JP6087668B2 - 半導体装置の作製方法

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Publication number: JP6087668B2
Application number: JP2013044499A
Authority: JP
Inventors: 秋元　健吾; 健吾秋元; 寛暢高橋; 肇徳永
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2033-03-06
Also published as: JP2014175360A

Description

本発明は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本発明は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関する。特に、本発明は、例えば、半導体層、半導体装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、それらの駆動方法、またはそれらを生産する方法に関する。特に、本発明は、例えば、トランジスタを有する半導体装置、表示装置、発光装置、またはそれらの駆動方法に関する。または、本発明は、例えば、当該半導体装置、当該表示装置、または当該発光装置を有する電子機器に関する。

なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能し得る装置全般をいい、電気光学装置、表示装置、記憶装置、半導体回路および電子機器などは、半導体装置に含まれる場合や半導体装置を有する場合がある。

絶縁表面を有する基板上に形成された半導体膜を用いて、トランジスタを構成する技術が注目されている。当該トランジスタは集積回路や表示装置のような半導体装置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膜としてシリコン膜が知られている。

トランジスタの半導体膜に用いられるシリコン膜は、用途によって非晶質シリコン膜と多結晶シリコン膜とが使い分けられている。例えば、大型の表示装置を構成するトランジスタに適用する場合、大面積基板への成膜技術が確立されている非晶質シリコン膜を用いると好適である。一方、駆動回路を一体形成した高機能の表示装置を構成するトランジスタに適用する場合、高い電界効果移動度を有するトランジスタを作製可能な多結晶シリコン膜を用いると好適である。多結晶シリコン膜は、非晶質シリコン膜に対し高温での熱処理、またはレーザ光処理を行うことで形成する方法が知られる。

近年は、酸化物半導体膜が注目されている。例えば、インジウム、ガリウムおよび亜鉛を有する非晶質酸化物半導体膜を用いたトランジスタが開示されている（特許文献１参照。）。

酸化物半導体膜は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、大型の表示装置を構成するトランジスタのチャネル形成領域に用いることができる。また、酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、高い電界効果移動度を有するため、駆動回路を一体形成した高機能の表示装置を実現できる。また、非晶質シリコン膜を用いたトランジスタの生産設備の一部を改良して利用することが可能であるため、設備投資を抑えられるメリットもある。

ところで、酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、オフ状態において極めてリーク電流が小さいことが知られている。例えば、酸化物半導体膜を用いたトランジスタの低いリーク特性を応用した低消費電力のＣＰＵなどが開示されている（特許文献２参照。）。

酸化物半導体膜を用いたトランジスタに安定した電気特性を与える方法として、酸化物半導体膜への酸素ドーピング技術が開示されている（特許文献３参照。）。特許文献３に開示された技術を用いることで、酸化物半導体膜中の不純物濃度および酸素欠損を低減することができる。その結果、酸化物半導体膜を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを低減し、信頼性を向上させることができる。

特開２００６−１６５５２８号公報特開２０１２−２５７１８７号公報特開２０１１−２４３９７６号公報

電気特性の安定したトランジスタなどを提供することを課題の一とする。

または、オフ時の電流の小さいトランジスタなどを提供することを課題の一とする。または、高い電界効果移動度を有するトランジスタなどを提供することを課題の一とする。

または、当該トランジスタなどを有する半導体装置などを提供することを課題の一とする。または、新規な半導体装置などを提供することを課題の一とする。

または、生産性の高い半導体装置などを提供することを課題の一とする。または、少ない費用で作製可能な半導体装置などを提供することを課題の一とする。または、歩留まりの高い半導体装置などを提供することを課題の一とする。

なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。

本発明の一態様は、例えば、酸化物を有する基板を準備し、基板に電磁波を照射し、基板上に酸化物半導体を用いたトランジスタを作製する半導体装置の作製方法である。

または、本発明の一態様は、例えば、基板を準備し、基板上に酸化物絶縁膜を形成し、基板および酸化物絶縁膜に電磁波を照射し、基板上に酸化物半導体を用いたトランジスタを作製する半導体装置の作製方法である。

または、本発明の一態様は、例えば、酸化物を有する基板を準備し、基板上に酸化物絶縁膜を形成し、基板および酸化物絶縁膜に電磁波を照射し、基板上に酸化物半導体を用いたトランジスタを作製する半導体装置の作製方法である。

または、本発明の一態様は、例えば、上述した電磁波として、Ｘ線を用いる半導体装置の作製方法である。

または、本発明の一態様は、例えば、上述した基板として、酸化シリコンを含む基板を用いる半導体装置の作製方法である。

または、本発明の一態様は、例えば、上述した酸化物絶縁膜として、酸化シリコンを含む絶縁膜を用いる半導体装置の作製方法である。

電気特性の安定したトランジスタなどを提供することができる。

または、オフ時の電流の小さいトランジスタなどを提供することができる。または、高い電界効果移動度を有するトランジスタなどを提供することができる。

または、当該トランジスタなどを有する半導体装置などを提供することができる。または、新規な半導体装置などを提供することができる。

または、生産性の高い半導体装置などを提供することができる。または、少ない費用で作製可能な半導体装置などを提供することができる。または、歩留まりの高い半導体装置などを提供することができる。

本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す上面図および断面図。本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法の一例を示す断面図。本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す上面図および断面図。本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法の一例を示す断面図。本発明の一態様に係るＥＬ表示装置の一例を示す回路図、上面図および断面図。本発明の一態様に係る液晶表示装置の一例を示す回路図および断面図。ＥＳＲ分析結果を示す図。ＥＳＲ分析結果を示す図。ＴＤＳ結果を示す図。

本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、その形態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、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる。なお、同様のものを指す際にはハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。

なお、ある一つの実施の形態の中で述べる内容（一部の内容でもよい）は、その実施の形態で述べる別の内容（一部の内容でもよい）、または／および、一つもしくは複数の別の実施の形態で述べる内容（一部の内容でもよい）に対して、適用、組み合わせ、または置き換えなどを行うことが出来る。

なお、図において、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。

なお、図は、理想的な例を模式的に示したものであり、図に示す形状または値などに限定されない。例えば、製造技術による形状のばらつき、誤差による形状のばらつき、ノイズによる信号、電圧、もしくは電流のばらつき、または、タイミングのずれによる信号、電圧、もしくは電流のばらつきなどを含むことが可能である。

また、電圧は、ある電位と、基準の電位（例えば接地電位（ＧＮＤ）またはソース電位）との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧を電位と言い換えることが可能である。

本明細書においては、「電気的に接続する」と表現される場合であっても、現実の回路においては、物理的な接続部分がなく、配線が延在しているだけの場合もある。

なお、第１、第２として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順または積層順を示すものではない。また、本明細書において発明を特定するための事項として固有の名称を示すものではない。

なお、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分低い場合は「絶縁体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「絶縁体」は境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。従って、本明細書に記載の「半導体」は、「絶縁体」と言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「絶縁体」は、「半導体」と言い換えることができる場合がある。

また、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分高い場合は「導電体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「導電体」は境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。従って、本明細書に記載の「半導体」は、「導電体」と言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「導電体」は、「半導体」と言い換えることができる場合がある。

なお、半導体層の不純物とは、例えば、半導体層を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が０．１ａｔｏｍｉｃ％未満の元素は不純物である。不純物が含まれることにより、例えば、半導体層にＤＯＳ（ＤｅｎｓｉｔｙｏｆＳｔａｔｅ）が形成されることや、キャリア移動度が低下することや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体層が酸化物半導体層である場合、半導体層の特性を変化させる不純物としては、例えば、第１族元素、第２族元素、第１４族元素、第１５族元素、主成分以外の遷移金属などがあり、特に、例えば、水素（水にも含まれる）、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体層がシリコン層である場合、半導体層の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１５族元素などがある。

また、本明細書において、過剰酸素とは、例えば、化学量論的組成を超えて含まれる酸素をいう。または、過剰酸素とは、例えば、加熱することで放出される酸素をいう。過剰酸素は、例えば、膜や層の内部を移動することができる。過剰酸素の移動は、膜や層の原子間を移動する場合と、膜や層を構成する酸素と置き換わりながら玉突き的に移動する場合とがある。また、過剰酸素を含む絶縁膜は、例えば、加熱処理によって酸素を放出する機能を有する絶縁膜である。

＜トランジスタの構造および作製方法について＞
以下では、トランジスタの構造および作製方法について説明する。

＜トランジスタ構造（１）＞
まず、トップゲートトップコンタクト型のトランジスタの一例について説明する。

図１は、トランジスタの上面図および断面図である。図１（Ａ）は、トランジスタの上面図を示す。図１（Ａ）において、一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図を図１（Ｂ）に示す。また、図１（Ａ）において、一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図を図１（Ｃ）に示す。

図１（Ｂ）に示すトランジスタは、基板１００上の下地絶縁膜１０２と、下地絶縁膜１０２上の酸化物半導体膜１０６と、酸化物半導体膜１０６と接するソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂと、酸化物半導体膜１０６、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂ上のゲート絶縁膜１１２と、ゲート絶縁膜１１２上のゲート電極１０４と、を有する。なお、基板１００および下地絶縁膜１０２は、損傷した領域である損傷領域１５２を有する。好ましくは、ゲート絶縁膜１１２およびゲート電極１０４上に、保護絶縁膜１１８を設ける。

なお、トランジスタは、下地絶縁膜１０２を有さなくても構わない。この場合、損傷領域１５２は基板１００のみに設けられる。

損傷領域１５２は、基板１００の全体に設けられていてもよいし、基板１００の一部に設けられていてもよい。また、損傷領域１５２は、下地絶縁膜１０２の全体に設けられていてもよいし、下地絶縁膜１０２の一部に設けられていてもよい。

損傷領域１５２では、原子間の結合が弱まっている場合や、歪んでいる場合や、切断されている場合などがある。従って、損傷領域１５２に含まれる元素の一部は、ガスとなり放出しやすい状態となっている。例えば、基板１００または／および下地絶縁膜１０２が酸化物を含む場合、酸化物を構成する酸素が、酸素原子を有するガスとなり、外部へ放出しやすくなる。

なお、酸素原子を有するガスとしては、酸素分子（Ｏ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）、酸化窒素（ＮＯ_Ｘ）、酸化炭素（ＣＯ_Ｘ）などが挙げられる。

酸化物半導体膜中で酸素欠損は欠陥準位となり、トランジスタの電気特性を劣化させる要因となる。酸素欠損は、酸素原子によって埋められることで消滅する。つまり、損傷領域１５２から放出された酸素原子を含むガスが酸素欠損を埋めることで、欠陥準位が消滅し、トランジスタに安定した電気特性を付与することができる。

なお、ゲート電極１０４は、図１（Ａ）に示すように、上面図においてチャネル形成領域が内側に含まれるように設けられる。こうすることで、ゲート電極１０４側から光が入射した際に、チャネル形成領域中で光によってキャリアが生成されることを抑制することができる。即ち、ゲート電極１０４は遮光膜としての機能を有する。ただし、ゲート電極１０４の外側までチャネル形成領域が設けられても構わない。

基板１００は、例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを、基板１００として用いればよい。また、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などを適用することも可能であり、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板１００として用いてもよい。

また、基板１００として、第５世代（１０００ｍｍ×１２００ｍｍまたは１３００ｍｍ×１５００ｍｍ）、第６世代（１５００ｍｍ×１８００ｍｍ）、第７世代（１８７０ｍｍ×２２００ｍｍ）、第８世代（２２００ｍｍ×２５００ｍｍ）、第９世代（２４００ｍｍ×２８００ｍｍ）、第１０世代（２８８０ｍｍ×３１３０ｍｍ）などの大型ガラス基板を用いる場合、半導体装置の作製工程における加熱処理などで生じる基板１００の縮みによって、微細な加工が困難になる場合ある。そのため、前述したような大型ガラス基板を基板１００として用いる場合、加熱処理による縮みの小さいものを用いることが好ましい。例えば、基板１００として、４００℃、好ましくは４５０℃、さらに好ましくは５００℃の温度で１時間加熱処理を行った後の縮み量が１０ｐｐｍ以下、好ましくは５ｐｐｍ以下、さらに好ましくは３ｐｐｍ以下である大型ガラス基板を用いればよい。

また、基板１００として、可とう性基板を用いてもよい。

下地絶縁膜１０２は、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を、単層で、または積層で用いればよい。

下地絶縁膜１０２は、例えば、過剰酸素を含む絶縁膜であっても構わない。

過剰酸素を含む絶縁膜とは、加熱処理などによって酸素を放出することができる絶縁膜をいう。また、過剰酸素を含む絶縁膜は、加熱処理によって酸素を放出する機能を有する絶縁膜である。

過剰酸素を含む絶縁膜は、酸化物半導体層中の酸素欠損量を低減することができる。例えば、下地絶縁膜１０２から放出された酸素により、酸化物半導体層１０６ａの酸素欠損量を低減することができる。

以下では、酸化物半導体膜１０６に適用可能な酸化物半導体について説明する。

酸化物半導体は、例えば、インジウムを含む。インジウムを含む酸化物半導体は、キャリア移動度（電子移動度）が高くなる。また、酸化物半導体は、元素Ｍを含むと好ましい。元素Ｍとして、例えば、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどがある。元素Ｍは、例えば、酸素との結合エネルギーが高い元素である。元素Ｍは、例えば、酸化物半導体のエネルギーギャップを大きくする機能を有する元素である。また、酸化物半導体は、亜鉛を含むと好ましい。酸化物半導体が亜鉛を含むと、結晶質の酸化物半導体となりやすい。また、酸化物半導体の価電子帯上端のエネルギー（Ｅｖ）は、例えば、亜鉛の原子数比によって制御できる場合がある。

ただし、酸化物半導体は、インジウムを含まなくてもよい。酸化物半導体は、例えば、Ｚｎ−Ｓｎ酸化物、Ｇａ−Ｓｎ酸化物であっても構わない。

なお、酸化物半導体は、ＩｎとＭの原子数比率をＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％以上、またはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％以上であるＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物としてもよい。また、酸化物半導体は、ＩｎとＭの原子数比率をＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％以上、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、またはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％以上、Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満であるＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物としてもよい。

また、酸化物半導体は、エネルギーギャップが大きい。酸化物半導体のエネルギーギャップは、２．７ｅＶ以上４．９ｅＶ以下、好ましくは３ｅＶ以上４．７ｅＶ以下、さらに好ましくは３．２ｅＶ以上４．４ｅＶ以下とする。

トランジスタの電気特性を安定にするためには、酸化物半導体中の不純物濃度を低減し、高純度真性化することが有効である。なお、酸化物半導体において、主成分以外（１ａｔｏｍｉｃ％未満）の軽元素、半金族元素、金族元素などは不純物となる。例えば、水素、リチウム、炭素、窒素、フッ素、ナトリウム、シリコン、塩素、カリウム、カルシウム、チタン、鉄、ニッケル、銅、ゲルマニウム、ストロンチウム、ジルコニウムおよびハフニウムは酸化物中で不純物となる場合がある。従って、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。

例えば、酸化物半導体中にシリコンが含まれることで不純物準位を形成する場合がある。また、酸化物半導体の表層にシリコンがあることで不純物準位を形成する場合がある。そのため、酸化物半導体の内部、表層におけるシリコン濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：ＳｅｃｏｎｄａｒｙＩｏｎＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）において、１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満とする。

また、酸化物半導体中で水素は、不純物準位を形成し、キャリア密度を増大させてしまう場合がある。そのため、酸化物半導体膜の水素濃度はＳＩＭＳにおいて、２×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする。また、酸化物半導体中で窒素は、不純物準位を形成し、キャリア密度を増大させてしまう場合がある。そのため、酸化物半導体中の窒素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする。

酸化物半導体は、例えば非単結晶を有してもよい。非単結晶は、例えば、ＣＡＡＣ（ＣＡｘｉｓＡｌｉｇｎｅｄＣｒｙｓｔａｌ）、多結晶、微結晶、非晶質部を有する。

酸化物半導体は、例えばＣＡＡＣを有してもよい。なお、ＣＡＡＣを有する酸化物半導体を、ＣＡＡＣ−ＯＳ（ＣＡｘｉｓＡｌｉｇｎｅｄＣｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼ぶ。

ＣＡＡＣ−ＯＳは、例えば、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による観察像で、結晶部を確認することができる場合がある。ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれる結晶部は、例えば、ＴＥＭによる観察像で、一辺１００ｎｍの立方体内に収まる大きさであることが多い。また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ＴＥＭによる観察像で、結晶部と結晶部との境界を明確に確認できない場合がある。また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ＴＥＭによる観察像で、粒界（グレインバウンダリーともいう。）を明確に確認できない場合がある。ＣＡＡＣ−ＯＳは、例えば、明確な粒界を有さないため、不純物が偏析することが少ない。また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、例えば、明確な粒界を有さないため、欠陥準位密度が高くなることが少ない。また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、例えば、明確な粒界を有さないため、電子移動度の低下が小さい。

ＣＡＡＣ−ＯＳは、例えば、複数の結晶部を有し、当該複数の結晶部においてｃ軸が被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃っている場合がある。また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、例えば、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−ＲａｙＤｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）装置を用い、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による分析を行うと、配向を示す２θが３１°近傍のピークが現れる場合がある。また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、例えば、電子線回折像で、スポット（輝点）が観測される場合がある。なお、特に、ビーム径が１０ｎｍφ以下、または５ｎｍφ以下の電子線を用いて得られる電子線回折像を、極微電子線回折像と呼ぶ。また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、例えば、異なる結晶部間で、それぞれａ軸およびｂ軸の向きが揃っていない場合がある。ＣＡＡＣ−ＯＳは、例えば、ｃ軸配向し、ａ軸または／およびｂ軸はマクロに揃っていない場合がある。

ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれる結晶部は、例えば、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向になるように揃い、かつａｂ面に垂直な方向から見て金属原子が三角形状または六角形状に配列し、ｃ軸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とが層状に配列している。なお、異なる結晶部間で、それぞれａ軸およびｂ軸の向きが異なっていてもよい。本明細書において、単に垂直と記載する場合、８０°以上１００°以下、好ましくは８５°以上９５°以下の範囲も含まれることとする。また、単に平行と記載する場合、−１０°以上１０°以下、好ましくは−５°以上５°以下の範囲も含まれることとする。

また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、例えば、欠陥準位密度を低減することで形成することができる。ＣＡＡＣ−ＯＳを形成するためには、例えば、酸化物半導体に酸素欠損を生じさせないことが重要となる。従って、ＣＡＡＣ−ＯＳは、欠陥準位密度の低い酸化物半導体である。または、ＣＡＡＣ−ＯＳは、酸素欠損の少ない酸化物半導体である。

不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い（酸素欠損の少ない）ことを高純度真性または実質的に高純度真性と呼ぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる場合がある。従って、当該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は、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性（ノーマリーオンともいう。）になることが少ない場合がある。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。従って、当該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は、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる場合がある。なお、酸化物半導体のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い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は、電気特性が不安定となる場合がある。

また、高純度真性または実質的に高純度真性であるＣＡＡＣ−ＯＳを用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。

酸化物半導体は、例えば多結晶を有してもよい。なお、多結晶を有する酸化物半導体を、多結晶酸化物半導体と呼ぶ。多結晶酸化物半導体は複数の結晶粒を含む。

酸化物半導体は、例えば微結晶を有してもよい。なお、微結晶を有する酸化物半導体を、微結晶酸化物半導体と呼ぶ。

微結晶酸化物半導体は、例えば、ＴＥＭによる観察像では、明確に結晶部を確認することができない場合がある。微結晶酸化物半導体に含まれる結晶部は、例えば、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、または１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の大きさであることが多い。特に、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の微結晶をナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）と呼ぶ。ナノ結晶を有する酸化物半導体を、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼ぶ。また、ｎｃ−ＯＳは、例えば、ＴＥＭによる観察像では、結晶部と結晶部との境界を明確に確認できない場合がある。また、ｎｃ−ＯＳは、例えば、ＴＥＭによる観察像では、明確な粒界を有さないため、不純物が偏析することが少ない。また、ｎｃ−ＯＳは、例えば、明確な粒界を有さないため、欠陥準位密度が高くなることが少ない。また、ｎｃ−ＯＳは、例えば、明確な粒界を有さないため、電子移動度の低下が小さい。

ｎｃ−ＯＳは、例えば、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する場合がある。また、ｎｃ−ＯＳは、例えば、結晶部と結晶部との間で規則性がないため、巨視的には原子配列に周期性が見られない場合、または長距離秩序が見られない場合がある。従って、ｎｃ−ＯＳは、例えば、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。ｎｃ−ＯＳは、例えば、ＸＲＤ装置を用い、結晶部よりも大きいビーム径のＸ線でｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による分析を行うと、配向を示すピークが検出されない場合がある。また、ｎｃ−ＯＳは、例えば、結晶部よりも大きいビーム径（例えば、２０ｎｍφ以上、または５０ｎｍφ以上）の電子線を用いる電子線回折像では、ハローパターンが観測される場合がある。また、ｎｃ−ＯＳは、例えば、結晶部と同じか結晶部より小さいビーム径（例えば、１０ｎｍφ以下、または５ｎｍφ以下）の電子線を用いる極微電子線回折像では、スポットが観測される場合がある。また、ｎｃ−ＯＳの極微電子線回折像は、例えば、円を描くように輝度の高い領域が観測される場合がある。また、ｎｃ−ＯＳの極微電子線回折像は、例えば、当該領域内に複数のスポットが観測される場合がある。

ｎｃ−ＯＳは、微小な領域において原子配列に周期性を有する場合があるため、非晶質酸化物半導体よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、ｎｃ−ＯＳは、結晶部と結晶部との間で規則性がないため、ＣＡＡＣ−ＯＳと比べて欠陥準位密度が高くなる。

なお、酸化物半導体が、ＣＡＡＣ−ＯＳ、多結晶酸化物半導体、微結晶酸化物半導体、非晶質酸化物半導体の二種以上を有する混合膜であってもよい。混合膜は、例えば、非晶質酸化物半導体の領域、微結晶酸化物半導体の領域、多結晶酸化物半導体の領域、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域、のいずれか二種以上の領域を有する場合がある。また、混合膜は、例えば、非晶質酸化物半導体の領域、微結晶酸化物半導体の領域、多結晶酸化物半導体の領域、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域、のいずれか二種以上の領域の積層構造を有する場合がある。

酸化物半導体は、多層膜で構成されていてもよい。例えば、酸化物半導体層（Ｓ１）と、酸化物半導体層（Ｓ２）とが、この順番で形成された多層膜であってもよい。

このとき、例えば、酸化物半導体層（Ｓ２）の伝導帯下端のエネルギー（Ｅｃ）を、酸化物半導体層（Ｓ１）よりも低くする。具体的には、酸化物半導体層（Ｓ２）として、酸化物半導体層（Ｓ１）よりも電子親和力の０．０７ｅＶ以上１．３ｅＶ以下、好ましくは０．１ｅＶ以上０．７ｅＶ以下、さらに好ましくは０．１５ｅＶ以上０．４ｅＶ以下大きい酸化物半導体を用いる。なお、電子親和力は、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差である。

または、例えば、酸化物半導体層（Ｓ２）のエネルギーギャップを、酸化物半導体層（Ｓ１）よりも小さくする。なお、エネルギーギャップは、例えば、光学的な手法により導出することができる。具体的には、酸化物半導体層（Ｓ２）として、酸化物半導体層（Ｓ１）よりもエネルギーギャップの０．１ｅＶ以上１．２ｅＶ以下、好ましくは０．２ｅＶ以上０．８ｅＶ以下小さい酸化物半導体を用いる。

または、酸化物半導体は、例えば、酸化物半導体層（Ｓ１）と、酸化物半導体層（Ｓ２）と、酸化物半導体層（Ｓ３）とが、この順番で形成された多層膜であってもよい。

または、例えば、酸化物半導体層（Ｓ２）の伝導帯下端のエネルギー（Ｅｃ）を、酸化物半導体層（Ｓ１）および酸化物半導体層（Ｓ３）よりも低くする。具体的には、酸化物半導体層（Ｓ２）として、酸化物半導体層（Ｓ１）および酸化物半導体層（Ｓ３）よりも電子親和力の０．０７ｅＶ以上１．３ｅＶ以下、好ましくは０．１ｅＶ以上０．７ｅＶ以下、さらに好ましくは０．１５ｅＶ以上０．４ｅＶ以下大きい酸化物半導体を用いる。

または、例えば、酸化物半導体層（Ｓ２）のエネルギーギャップを、酸化物半導体層（Ｓ１）および酸化物半導体層（Ｓ３）よりも小さくする。具体的には、酸化物半導体層（Ｓ２）として、酸化物半導体層（Ｓ１）および酸化物半導体層（Ｓ３）よりもエネルギーギャップの０．１ｅＶ以上１．２ｅＶ以下、好ましくは０．２ｅＶ以上０．８ｅＶ以下小さい酸化物半導体を用いる。

または、例えば、トランジスタのオン電流を高くするためには、酸化物半導体層（Ｓ３）の厚さは小さいほど好ましい。例えば、酸化物半導体層（Ｓ３）は、１０ｎｍ未満、好ましくは５ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以下とする。一方、酸化物半導体層（Ｓ３）は、電流密度の高い酸化物半導体層（Ｓ２）へ、ゲート絶縁膜１１２を構成する元素（シリコンなど）が入り込まないようブロックする機能も有する。そのため、酸化物半導体層（Ｓ３）は、ある程度の厚さを有することが好ましい。例えば、酸化物半導体層（Ｓ３）の厚さは、０．３ｎｍ以上、好ましくは１ｎｍ以上、さらに好ましくは２ｎｍ以上とする。

また、酸化物半導体層（Ｓ１）は厚く、酸化物半導体層（Ｓ２）は薄く、酸化物半導体層（Ｓ３）は薄く設けられることが好ましい。具体的には、酸化物半導体層（Ｓ１）の厚さは、２０ｎｍ以上、好ましくは３０ｎｍ以上、さらに好ましくは４０ｎｍ以上、より好ましくは６０ｎｍ以上とする。酸化物半導体層（Ｓ１）の厚さを、２０ｎｍ以上、好ましくは３０ｎｍ以上、さらに好ましくは４０ｎｍ以上、より好ましくは６０ｎｍ以上とすることで、絶縁膜と酸化物半導体層（Ｓ１）との界面から電流密度の高い酸化物半導体層（Ｓ２）までを２０ｎｍ以上、好ましくは３０ｎｍ以上、さらに好ましくは４０ｎｍ以上、より好ましくは６０ｎｍ以上離すことができる。ただし、半導体装置の生産性が低下する場合があるため、酸化物半導体層（Ｓ１）の厚さは、２００ｎｍ以下、好ましくは１２０ｎｍ以下、さらに好ましくは８０ｎｍ以下とする。また、酸化物半導体層（Ｓ２）の厚さは、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上８０ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。

例えば、酸化物半導体層（Ｓ１）の厚さは酸化物半導体層（Ｓ２）の厚さより厚く、酸化物半導体層（Ｓ２）の厚さは酸化物半導体層（Ｓ３）の厚さより厚くすればよい。

酸化物半導体膜１０６には、以上に示したような酸化物半導体を適用することができる。

図１に示すソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂは、例えば、アルミニウム、チタン、クロム、コバルト、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電膜を、単層で、または積層で用いればよい。好ましくは、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂは、銅を含む層を有する多層膜とする。ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂを銅を含む層を有する多層膜とすることで、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂと同一層で配線を形成する場合、配線抵抗を低くすることができる。なお、ソース電極１１６ａとドレイン電極１１６ｂは同一組成であってもよいし、異なる組成であってもよい。

ゲート絶縁膜１１２は、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を、単層で、または積層で用いればよい。

ゲート電極１０４は、例えば、アルミニウム、チタン、クロム、コバルト、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電膜を、単層で、または積層で用いればよい。

保護絶縁膜１１８は、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を、単層で、または積層で用いればよい。

＜トランジスタ構造（１）の作製方法＞
以下では、トランジスタ構造（１）の作製方法の一例について説明する。

図２は、図１（Ｂ）に対応する断面図である。

まず、基板１００を準備する。

次に、下地絶縁膜１０２を形成する。下地絶縁膜１０２は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ：ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）法、原子層堆積（ＡＬＤ：ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法またはパルスレーザ堆積（ＰＬＤ：ＰｕｌｓｅｄＬａｓｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成すればよい。

次に、下地絶縁膜１０２側から電磁波１５０を照射する（図２（Ａ）参照）。電磁波１５０としては、紫外線、好ましくはＸ線を用いる。紫外線としては、例えば、１０ｎｍ以上２８０ｎｍ以下の紫外線を用いればよい。Ｘ線は、超軟Ｘ線、軟Ｘ線、Ｘ線および硬Ｘ線に分類される。電磁波１５０としては、硬Ｘ線を用いると、特に好ましい。また、Ｘ線の照射は、例えば、８０ｋｅＶなどのＸ線管を用いて行えばよい。このとき、電力、時間を調整し、Ｘ線量を１０Ｇｙ以上２０００Ｇｙ以下とすると好ましい。

下地絶縁膜１０２側から電磁波１５０を照射すると、基板１００および下地絶縁膜１０２において、原子間の結合を弱める場合や、歪ませる場合や、切断する場合がある。そのため、基板１００および下地絶縁膜１０２には、損傷領域１５２が形成される（図２（Ｂ）参照。）。損傷領域１５２に含まれる元素の一部は、ガスとなり放出しやすい状態となっている。例えば、基板１００または／および下地絶縁膜１０２が酸化物を含む場合、酸化物を構成する酸素が、酸素原子を有するガスとなり、外部へ放出しやすくなる。

損傷領域１５２は、低エネルギーでも酸素原子を有するガスを放出することができる。例えば、１００℃以上３００℃以下、または１５０℃以上２５０℃以下の、比較的低い温度でも酸素原子を有するガスを放出することができる。そのため、当該トランジスタは、３００℃以下または２５０℃以下程度の低温プロセスによっても、安定した電気特性を有するトランジスタが作製できる。

なお、図２では、下地絶縁膜１０２を形成した後で、電磁波１５０を照射しているが、この順番に限定されるものではない。例えば、下地絶縁膜１０２を形成する前に、基板１００の表面側から電磁波１５０を照射しても構わない。また、電磁波１５０を複数回照射しても構わない。例えば、下地絶縁膜１０２を形成する前に、基板１００の表面側から電磁波１５０を照射し、その後、下地絶縁膜１０２を形成した後で、再び下地絶縁膜１０２側から電磁波１５０を照射しても構わない。

また、図２では、下地絶縁膜１０２を設けた例について説明しているが、下地絶縁膜１０２を設けなくても構わない場合がある。

次に、酸化物半導体膜１０６となる酸化物半導体膜を形成する。酸化物半導体膜１０６となる酸化物半導体膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて形成すればよい。

酸化物半導体膜１０６となる酸化物半導体膜として、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物をスパッタリング法で成膜する場合、ターゲットの原子数比は、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎが３：１：１、３：１：２、３：１：４、１：１：０．５、１：１：１、１：１：２、１：３：１、１：３：２、１：３：４、１：３：６、１：６：２、１：６：４、１：６：６、１：６：８、１：６：１０、１：９：２、１：９：４、１：９：６、１：９：８、１：９：１０などとすればよい。元素Ｍは、例えば、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどである。

酸化物半導体膜１０６となる酸化物半導体膜をスパッタリング法で成膜する場合、酸素を含む雰囲気で成膜する。例えば、雰囲気全体に占める酸素の割合を、１０ｖｏｌｕｍｅ％以上、好ましくは２０ｖｏｌｕｍｅ％以上、さらに好ましくは５０ｖｏｌｕｍｅ％以上、より好ましくは８０ｖｏｌｕｍｅ％以上とする。特に、雰囲気全体に占める酸素の割合を、１００ｖｏｌｕｍｅ％とすると好ましい。雰囲気全体に占める酸素の割合を、１００ｖｏｌｕｍｅ％とすると、酸化物半導体膜１０６となる酸化物半導体膜に含まれる、希ガスなどの不純物濃度を低減することができる。

酸化物半導体膜１０６となる酸化物半導体膜をスパッタリング法で成膜する場合、ターゲットの原子数比からずれた原子数比の膜が形成される場合がある。例えば、亜鉛は、酸素を含む雰囲気で成膜すると、ターゲットの原子数比よりも膜の原子数比が小さくなりやすい場合がある。具体的には、ターゲットに含まれる亜鉛の原子数比の４０ａｔｏｍｉｃ％以上９０ａｔｏｍｉｃ％程度以下となる場合がある。また、例えば、インジウムは、酸素を含む雰囲気で成膜すると、ターゲットの原子数比よりも膜の原子数比が小さくなりやすい場合がある。

酸化物半導体膜１０６となる酸化物半導体膜を形成した後で、第１の加熱処理を行うと好ましい。第１の加熱処理は、７０℃以上４５０℃以下、好ましくは１００℃以上３００℃以下、さらに好ましくは１５０℃以上２５０℃以下で行えばよい。第１の加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１ｖｏｌｕｍｅ％以上もしくは１０ｖｏｌｕｍｅ％以上含む雰囲気で行う。第１の加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、第１の加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを０．００１ｖｏｌｕｍｅ％以上、１％以上または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。第１の加熱処理によって、酸化物半導体膜１０６となる酸化物半導体膜から水素や水などの不純物を除去することができる。また、第１の加熱処理によって、酸化物半導体膜１０６となる酸化物半導体膜の高純度真性化ができる。

次に、酸化物半導体膜１０６となる酸化物半導体膜の一部をエッチングし、酸化物半導体膜１０６を形成する（図２（Ｃ）参照。）。

次に、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂとなる導電膜を形成する。ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂとなる導電膜は、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂとして示した導電膜から選択して形成すればよい。ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂとなる導電膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて形成すればよい。

次に、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂとなる導電膜の一部をエッチングし、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂを形成する（図２（Ｄ）参照。）。

次に、第２の加熱処理を行うと好ましい。第２の加熱処理は、第１の加熱処理で示した条件から選択して行えばよい。第２の加熱処理を行うことで、第１の加熱処理を行わなくてもよい場合がある。

次に、ゲート絶縁膜１１２を形成する。ゲート絶縁膜１１２は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて形成すればよい。

次に、ゲート電極１０４となる導電膜を形成する。ゲート電極１０４となる導電膜は、ゲート電極１０４として示した導電膜から選択して形成すればよい。ゲート電極１０４となる導電膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて形成すればよい。

次に、ゲート電極１０４となる導電膜の一部をエッチングし、ゲート電極１０４を形成する（図２（Ｅ）参照。）。

次に、保護絶縁膜１１８を形成する。保護絶縁膜１１８は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて形成すればよい。

次に、第３の加熱処理を行うと好ましい。第３の加熱処理は、第１の加熱処理で示した条件から選択して行うか、第１の加熱処理および第２の加熱処理よりも低温で行えばよい。

以上のようにして、図１に示したトランジスタを作製することができる。

＜トランジスタ構造（２）＞
次に、ボトムゲートトップコンタクト型のトランジスタの一例について説明する。

図３は、トランジスタの上面図および断面図である。図３（Ａ）は、トランジスタの上面図を示す。図３（Ａ）において、一点鎖線Ｂ１−Ｂ２に対応する断面図を図３（Ｂ）に示す。また、図３（Ａ）において、一点鎖線Ｂ３−Ｂ４に対応する断面図を図３（Ｃ）に示す。

図３（Ｂ）に示すトランジスタは、基板２００上のゲート電極２０４と、ゲート電極２０４上のゲート絶縁膜２１２と、ゲート絶縁膜２１２上の酸化物半導体膜２０６と、酸化物半導体膜２０６と接するソース電極２１６ａおよびドレイン電極２１６ｂと、を有する。なお、好ましくは、酸化物半導体膜２０６上、ソース電極２１６ａ上およびドレイン電極２１６ｂ上の保護絶縁膜２１８を設ける。なお、基板２００上には下地絶縁膜を設けてもよい。基板２００または／および下地絶縁膜は、損傷した領域である損傷領域２５２を有する。

なお、ゲート電極２０４は、図３（Ａ）に示すように、上面図においてチャネル形成領域が内側に含まれるように設けられる。こうすることで、ゲート電極２０４側から光が入射した際に、チャネル形成領域中で光によってキャリアが生成されることを抑制することができる。即ち、ゲート電極２０４は遮光膜としての機能を有する。ただし、ゲート電極２０４の外側までチャネル形成領域が設けられても構わない。

基板２００は、基板１００の記載を参照する。

酸化物半導体膜２０６は、酸化物半導体膜１０６の記載を参照する。ただし、酸化物半導体膜２０６に多層膜を適用する場合、酸化物半導体膜１０６で例示した多層膜とは上下を入れ替えると好ましい。

保護絶縁膜２１８は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を、単層で、または積層で用いればよい。

保護絶縁膜２１８は、例えば、１層目を酸化シリコン層とし、２層目を窒化シリコン層とした多層膜とすればよい。この場合、酸化シリコン層は酸化窒化シリコン層でも構わない。また、窒化シリコン層は窒化酸化シリコン層でも構わない。酸化シリコン層は、欠陥密度の小さい酸化シリコン層を用いると好ましい。具体的には、電子スピン共鳴（ＥＳＲ：ＥｌｅｃｔｒｏｎＳｐｉｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ）分析にてｇ値が２．００１の信号に由来するスピンの密度が３×１０^１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは５×１０^１６ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下である酸化シリコン層を用いる。窒化シリコン層は水素ガスおよびアンモニアガスの放出量が少ない窒化シリコン層を用いる。水素ガス、アンモニアガスの放出量は、昇温脱離ガス分析（ＴＤＳ：ＴｈｅｒｍａｌＤｅｓｏｒｐｔｉｏｎＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）にて測定すればよい。また、窒化シリコン層は、水素、水および酸素を透過しない、またはほとんど透過しない窒化シリコン層を用いる。

または、保護絶縁膜２１８は、例えば、１層目を第１の酸化シリコン層３１８ａとし、２層目を第２の酸化シリコン層とし、３層目を窒化シリコン層とした多層膜とすればよい。この場合、第１の酸化シリコン層または／および第２の酸化シリコン層は酸化窒化シリコン層でも構わない。また、窒化シリコン層は窒化酸化シリコン層でも構わない。第１の酸化シリコン層は、欠陥密度の小さい酸化シリコン層を用いると好ましい。具体的には、ＥＳＲ分析にてｇ値が２．００１の信号に由来するスピンの密度が３×１０^１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは５×１０^１６ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下である酸化シリコン層を用いる。第２の酸化シリコン層は、過剰酸素を含む酸化シリコン層を用いる。窒化シリコン層は水素ガスおよびアンモニアガスの放出量が少ない窒化シリコン層を用いる。また、窒化シリコン層は、水素、水および酸素を透過しない、またはほとんど透過しない窒化シリコン層を用いる。

過剰酸素を含む絶縁膜は、酸化物半導体膜２０６中の酸素欠損量を低減することができる。

また、ゲート電極２０４は、ゲート電極１０４の記載を参照する。ゲート絶縁膜２１２は、ゲート絶縁膜１１２の記載を参照する。ソース電極２１６ａおよびドレイン電極２１６ｂは、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂの記載を参照する。

＜トランジスタ構造（２）の作製方法＞
以下では、トランジスタ構造（２）の作製方法の一例について説明する。

図４は、図３（Ｂ）に対応する断面図である。

まず、基板２００を準備する。

次に、基板２００の表面側から電磁波２５０を照射する（図４（Ａ）参照）。電磁波２５０については、電磁波１５０の記載を参照する。

基板２００の表面側から電磁波２５０を照射すると、基板２００において、原子間の結合を弱める場合や、歪ませる場合や、切断する場合がある。そのため、基板２００には、損傷領域２５２が形成される（図４（Ｂ）参照。）。損傷領域２５２については、損傷領域１５２の記載を参照する。

なお、図４では、基板２００の表面側から電磁波２５０を照射しているが、この順番に限定されるものではない。例えば、下地絶縁膜を形成し、下地絶縁膜側から電磁波２５０を照射しても構わない。また、電磁波２５０を複数回照射しても構わない。例えば、下地絶縁膜を形成する前に、基板２００の表面側から電磁波２５０を照射し、その後、下地絶縁膜を形成した後で、再び下地絶縁膜側から電磁波２５０を照射しても構わない。

次に、ゲート電極２０４となる導電膜を形成する。ゲート電極２０４となる導電膜の形成方法は、ゲート電極１０４となる導電膜の記載を参照する。

次に、ゲート電極２０４となる導電膜の一部をエッチングし、ゲート電極２０４を形成する。

次に、ゲート絶縁膜２１２を形成する。ゲート絶縁膜２１２の形成方法は、ゲート絶縁膜１１２の形成方法を参照する。

ゲート絶縁膜２１２は、例えば、プラズマを用いたＣＶＤ法により形成すればよい。ＣＶＤ法では、基板温度を高くするほど、緻密で欠陥密度の低い絶縁膜が得られる。ゲート絶縁膜２１２が緻密で欠陥密度が低いほどトランジスタの電気特性は安定となる。

次に、酸化物半導体膜２０６となる酸化物半導体膜を形成する。酸化物半導体膜２０６となる酸化物半導体膜の形成方法は、酸化物半導体膜１０６となる酸化物半導体膜の形成方法を参照する。

次に、第１の加熱処理を行うと好ましい。第１の加熱処理は、トランジスタ構造（１）の作製方法の記載を参照する。

次に、酸化物半導体膜２０６となる酸化物半導体膜の一部をエッチングし、酸化物半導体膜２０６を形成する（図４（Ｃ）参照。）。

次に、ソース電極２１６ａおよびドレイン電極２１６ｂとなる導電膜を形成する。ソース電極２１６ａおよびドレイン電極２１６ｂとなる導電膜の形成方法は、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂとなる導電膜の記載を参照する。

次に、ソース電極２１６ａおよびドレイン電極２１６ｂとなる導電膜の一部をエッチングし、ソース電極２１６ａおよびドレイン電極２１６ｂを形成する（図４（Ｄ）参照。）。

次に、第２の加熱処理を行うと好ましい。第２の加熱処理は、トランジスタ構造（１）の作製方法の記載を参照する。

次に、保護絶縁膜２１８を形成する。保護絶縁膜２１８の形成方法は、保護絶縁膜１１８の形成方法の記載を参照する。

次に、第３の加熱処理を行うと好ましい。第３の加熱処理は、トランジスタ構造（１）の作製方法の記載を参照する。

以上のようにして、図３に示したトランジスタを作製することができる。

＜表示装置＞
本項では、上述したトランジスタを適用した表示装置について説明する。

表示装置に設けられる表示素子としては液晶素子（液晶表示素子ともいう。）、発光素子（発光表示素子ともいう。）など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（ＥｌｅｃｔｒｏＬｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）、有機ＥＬなどを含む。また、電子インク、電気泳動素子など、電気的作用によりコントラストが変化する表示媒体も表示素子として適用することができる。以下では、表示装置の一例としてＥＬ素子を用いた表示装置および液晶素子を用いた表示装置について説明する。

なお、以下に示す表示装置は、表示素子が封止された状態にあるパネルと、該パネルにコントローラを含むＩＣなどを実装した状態にあるモジュールとを含む。

また、以下に示す表示装置は画像表示デバイス、表示デバイス、または光源（照明装置含む）を指す。また、コネクター、例えばＦＰＣ、ＴＣＰが取り付けられたモジュール、ＴＣＰの先にプリント配線板が設けられたモジュールまたは表示素子にＣＯＧ方式によりＩＣ（集積回路）が直接実装されたモジュールも全て表示装置に含むものとする。

＜ＥＬ表示装置＞
まずはＥＬ素子を用いた表示装置（ＥＬ表示装置ともいう。）について説明する。

図５は、ＥＬ表示装置の画素の回路図の一例である。

なお、本明細書等においては、能動素子（トランジスタ、ダイオードなど）、受動素子（容量素子、抵抗素子など）などが有するすべての端子について、その接続先を特定しなくても、当業者であれば、発明の一態様を構成することは可能な場合がある。つまり、接続先を特定しなくても、発明の一態様が明確であり、本明細書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。特に、端子の接続先が複数のケースが考えられる場合には、その端子の接続先を特定の箇所に限定する必要はない。従って、能動素子（トランジスタ、ダイオードなど）、受動素子（容量素子、抵抗素子など）などが有する一部の端子についてのみ、その接続先を特定することによって、発明の一態様を構成することが可能な場合がある。

なお、本明細書等においては、ある回路について、少なくとも接続先を特定すれば、当業者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。または、ある回路について、少なくとも機能を特定すれば、当業者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。つまり、機能を特定すれば、発明の一態様が明確であり、本明細書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。従って、ある回路について、機能を特定しなくても、接続先を特定すれば、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。または、ある回路について、接続先を特定しなくても、機能を特定すれば、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。

図５に示すＥＬ表示装置は、スイッチ素子７４３と、トランジスタ７４１と、キャパシタ７４２と、発光素子７１９と、を有する。

なお、図５などは、回路構成の一例であるため、さらに、トランジスタを追加して設けることが可能である。逆に、図５の各ノードにおいて、追加してトランジスタ、スイッチ、受動素子などを設けないようにすることも可能である。例えば、ｎｏｄｅＡ、ｎｏｄｅＢ、ｎｏｄｅＣ、ｎｏｄｅＤ、ｎｏｄｅＥ、ｎｏｄｅＦ、または／および、ｎｏｄｅＧにおいて、直接的に接続されたトランジスタを、これ以上は設けないようにすることが可能である。従って、例えば、ｎｏｄｅＣにおいて、直接的に接続されているトランジスタはトランジスタ７４１のみであり、他のトランジスタはｎｏｄｅＣと直接的に接続されていない、というような構成にすることが可能である。

トランジスタ７４１のゲートはスイッチ素子７４３の一端およびキャパシタ７４２の一端と電気的に接続される。トランジスタ７４１のソースは発光素子７１９の一端と電気的に接続される。トランジスタ７４１のドレインはキャパシタ７４２の他端と電気的に接続され、電源電位ＶＤＤが与えられる。スイッチ素子７４３の他端は信号線７４４と電気的に接続される。発光素子７１９の他端は定電位が与えられる。なお、定電位は接地電位ＧＮＤまたはそれより小さい電位とする。

なお、トランジスタ７４１は、上述したトランジスタを用いる。当該トランジスタは、安定した電気特性を有する。そのため、表示品位の高いＥＬ表示装置とすることができる。

スイッチ素子７４３としては、トランジスタを用いると好ましい。トランジスタを用いることで、画素の面積を小さくでき、解像度の高いＥＬ表示装置とすることができる。また、スイッチ素子７４３として、上述したトランジスタを用いてもよい。スイッチ素子７４３として当該トランジスタを用いることで、トランジスタ７４１と同一工程によってスイッチ素子７４３を作製することができ、ＥＬ表示装置の生産性を高めることができる。

図５（Ｂ）は、ＥＬ表示装置の上面図である。ＥＬ表示装置は、基板２００と、基板７００と、シール材７３４と、駆動回路７３５と、駆動回路７３６と、画素７３７と、ＦＰＣ７３２と、を有する。シール材７３４は、画素７３７、駆動回路７３５および駆動回路７３６を囲むように基板２００と基板７００との間に設けられる。なお、駆動回路７３５または／および駆動回路７３６をシール材７３４の外側に設けても構わない。

図５（Ｃ）は、図５（Ｂ）の一点鎖線Ｍ−Ｎに対応するＥＬ表示装置の断面図である。ＦＰＣ７３２は、端子７３１を介して配線７３３ａと接続される。なお、配線７３３ａは、ゲート電極２０４と同一層である。

なお、図５（Ｃ）は、トランジスタ７４１とキャパシタ７４２とが、同一平面に設けられた例を示す。このような構造とすることで、キャパシタ７４２をトランジスタ７４１のゲート電極、ゲート絶縁膜およびソース電極（ドレイン電極）と同一平面に作製することができる。このように、トランジスタ７４１とキャパシタ７４２とを同一平面に設けることにより、ＥＬ表示装置の作製工程を短縮化し、生産性を高めることができる。

図５（Ｃ）では、トランジスタ７４１として、図３に示したトランジスタと同様の構造のトランジスタを適用した例を示す。

図３（Ｃ）に示したトランジスタは、しきい値電圧の変化の小さいトランジスタである。従って、僅かなしきい値電圧の変化によっても階調ずれの生じる場合がある、ＥＬ表示装置に好適なトランジスタである。

トランジスタ７４１およびキャパシタ７４２上には、絶縁膜７２０が設けられる。ここで、絶縁膜７２０および保護絶縁膜２１８には、トランジスタ７４１のソース電極２１６ａに達する開口部が設けられる。

絶縁膜７２０上には、電極７８１が設けられる。電極７８１は、絶縁膜７２０および保護絶縁膜２１８に設けられた開口部を介してトランジスタ７４１のソース電極２１６ａと接する。

電極７８１上には、電極７８１に達する開口部を有する隔壁７８４が設けられる。隔壁７８４上には、隔壁７８４に設けられた開口部で電極７８１と接する発光層７８２が設けられる。発光層７８２上には、電極７８３が設けられる。電極７８１、発光層７８２および電極７８３の重なる領域が、発光素子７１９となる。

＜液晶表示装置＞
次に、液晶素子を用いた表示装置（液晶表示装置ともいう。）について説明する。

図６は、液晶表示装置の画素の構成例を示す回路図である。図６に示す画素７５０は、トランジスタ７５１と、キャパシタ７５２と、一対の電極間に液晶の充填された素子（以下液晶素子ともいう）７５３とを有する。

トランジスタ７５１では、ソースおよびドレインの一方が信号線７５５に電気的に接続され、ゲートが走査線７５４に電気的に接続されている。

キャパシタ７５２では、一方の電極がトランジスタ７５１のソースおよびドレインの他方に電気的に接続され、他方の電極が共通電位を供給する配線に電気的に接続されている。

液晶素子７５３では、一方の電極がトランジスタ７５１のソースおよびドレインの他方に電気的に接続され、他方の電極が共通電位を供給する配線に電気的に接続されている。なお、上述のキャパシタ７５２の他方の電極が電気的に接続する配線に与えられる共通電位と、液晶素子７５３の他方の電極に与えられる共通電位とが異なる電位であってもよい。

なお、液晶表示装置も、上面図はＥＬ表示装置と概略同様である。図５（Ｂ）の一点鎖線Ｍ−Ｎに対応する液晶表示装置の断面図を図６（Ｂ）に示す。図６（Ｂ）において、ＦＰＣ７３２は、端子７３１を介して配線７３３ａと接続される。なお、配線７３３ａは、ゲート電極２０４と同一層である。

図６（Ｂ）には、トランジスタ７５１とキャパシタ７５２とが、同一平面に設けられた例を示す。このような構造とすることで、キャパシタ７５２をトランジスタ７５１のゲート電極、ゲート絶縁膜およびソース電極（ドレイン電極）と同一平面に作製することができる。このように、トランジスタ７５１とキャパシタ７５２とを同一平面に設けることにより、液晶表示装置の作製工程を短縮化し、生産性を高めることができる。

トランジスタ７５１としては、上述したトランジスタを適用することができる。図６（Ａ）においては、図３に示したトランジスタと同様の構造のトランジスタを適用した例を示す。

なお、トランジスタ７５１は極めてオフ電流の小さいトランジスタとすることができる。従って、キャパシタ７５２に保持された電荷がリークしにくく、長期間に渡って液晶素子７５３に印加される電圧を維持することができる。そのため、動きの少ない動画や静止画の表示の際に、トランジスタ７５１をオフ状態とすることで、トランジスタ７５１の動作のための電力が不要となり、消費電力の小さい液晶表示装置とすることができる。

トランジスタ７５１およびキャパシタ７５２上には、絶縁膜７２１が設けられる。ここで、絶縁膜７２１および保護絶縁膜２１８には、トランジスタ７５１のドレイン電極２１６ｂに達する開口部が設けられる。

絶縁膜７２１上には、電極７９１が設けられる。電極７９１は、絶縁膜７２１および保護絶縁膜２１８に設けられた開口部を介してトランジスタ７５１のドレイン電極２１６ｂと接する。

電極７９１上には、配向膜として機能する絶縁膜７９２が設けられる。絶縁膜７９２上には、液晶層７９３が設けられる。液晶層７９３上には、配向膜として機能する絶縁膜７９４が設けられる。絶縁膜７９４上には、スペーサ７９５が設けられる。スペーサ７９５および絶縁膜７９４上には、電極７９６が設けられる。電極７９６上には、基板７９７が設けられる。

本実施例では、石英基板にＸ線を照射し、ＥＳＲ分析を行った例を示す。

本実施例では、Ｘ線照射による条件を変えた計４試料に対し、ＥＳＲ分析によるスピン状態の評価を行った。試料としては、厚さが０．５ｍｍの石英基板を準備し、Ｘ線量が０Ｇｙ（比較例試料１、Ｘ線照射なし）、１００Ｇｙ（実施例試料１）、５００Ｇｙ（実施例試料２）または１０００Ｇｙ（実施例試料３）となるようＸ線照射したものを準備した。

Ｘ線量が１００Ｇｙとなる実施例試料１では、５０ｍｍ離れた位置から、８０ｋｅＶのＸ線管を用い、１ｍＷにて、４１００秒間、Ｘ線照射を行った。また、Ｘ線量が５００Ｇｙとなる実施例試料２では、５０ｍｍ離れた位置から、８０ｋｅＶのＸ線管を用い、１ｍＷにて、２０５００秒間、Ｘ線照射を行った。また、Ｘ線量が１０００Ｇｙとなる実施例試料３では、５０ｍｍ離れた位置から、Ｘ線管電圧８０ｋｅＶ、１ｍＷにて、４１０００秒間、Ｘ線照射を行った。

次に、準備した試料のＥＳＲ分析によるスピン状態の評価を行った。ＥＳＲ分析は、室温（２５℃）にて、磁場の向きを試料面と平行とし、マイクロ波パワーを０．００５ｍＷとして行った。なお、この条件におけるスピン数の検出下限は４．４×１０^１１個である。

次に、各試料に対して熱処理を行った後、再び、ＥＳＲ分析によるスピン状態の評価を行った。熱処理は、窒素雰囲気において、２５０℃で１時間行った。

結果を図７に示す。図７の上段はＥＳＲ分析によって得られる信号を示す。ここで、ｇ値が２．０００に現れる対称性を有する信号は、Ｅ´センターと呼ばれる欠陥を示す。Ｅ´センターを示す信号のフィッティングカーブを太線で示す。当該フィッティングカーブから、Ｅ´センターのスピン数を見積もった結果を図７の下段に示す。なお、図７の左列は熱処理前の試料の結果を示し、右列は熱処理後の試料の結果を示す。

図７より、Ｅ´センターのスピン数は、Ｘ線量とともに増加していくことがわかった。即ち、Ｘ線を照射することにより、石英基板に含まれるＳｉ−Ｏ結合が切れ、Ｅ´センターが形成されたことがわかる。

また、図７より、Ｅ´センターのスピン数は、熱処理によって低減することがわかった。

本実施例では、石英基板と、石英基板上に設けられた絶縁膜を有する試料にＸ線を照射し、ＥＳＲ分析を行った例を示す。

本実施例では、Ｘ線照射による条件を変えた計４試料に対し、ＥＳＲ分析によるスピン状態の評価を行った。試料としては、厚さが０．５ｍｍの石英基板上に厚さが４００ｎｍの窒化シリコン膜と、その上に設けられた厚さが５０ｎｍの酸化窒化シリコン膜を形成し、Ｘ線量が０Ｇｙ（比較例試料２、Ｘ線照射なし）、１００Ｇｙ（実施例試料４）、５００Ｇｙ（実施例試料５）または１０００Ｇｙ（実施例試料６）となるようＸ線照射したものを準備した。

Ｘ線量が１００Ｇｙとなる実施例試料４では、５０ｍｍ離れた位置から、８０ｋｅＶのＸ線管を用い、１ｍＷにて、４１００秒間、Ｘ線照射を行った。また、Ｘ線量が５００Ｇｙとなる実施例試料５では、５０ｍｍ離れた位置から、８０ｋｅＶのＸ線管を用い、１ｍＷにて、２０５００秒間、Ｘ線照射を行った。また、Ｘ線量が１０００Ｇｙとなる実施例試料６では、５０ｍｍ離れた位置から、８０ｋｅＶのＸ線管を用い、１ｍＷにて、４１０００秒間、Ｘ線照射を行った。

結果を図８に示す。図８の上段はＥＳＲ分析によって得られる信号を示す。ここで、ｇ値が２．０００に現れる対称性を有する信号は、Ｅ´センターと呼ばれる欠陥を示す。Ｅ´センターを示す信号のフィッティングカーブを太線で示す。当該フィッティングカーブから、Ｅ´センターのスピン数を見積もった結果を図８の下段に示す。

図８より、Ｅ´センターのスピン数は、Ｘ線量とともに増加していくことがわかった。即ち、Ｘ線を照射することにより、石英基板や絶縁膜に含まれるＳｉ−Ｏ結合が切れ、Ｅ´センターが形成されたことがわかる。

本実施例では、石英基板と、石英基板上に設けられた酸化窒化シリコン膜を有する試料にＸ線を照射し、ＴＤＳを行った例を示す。

本実施例では、Ｘ線照射による条件を変えた試料に対し、ＴＤＳを行った。試料としては、厚さが０．５ｍｍの石英基板上に厚さが４００ｎｍの窒化シリコン膜と、その上に設けられた厚さが５０ｎｍの酸化窒化シリコン膜を形成し、Ｘ線量が０Ｇｙ（比較例試料３、Ｘ線照射なし）または１０００Ｇｙ（実施例試料７）となるようＸ線照射したものを準備した。

Ｘ線量が１０００Ｇｙとなる実施例試料７では、５０ｍｍ離れた位置から、８０ｋｅＶのＸ線管を用い、１ｍＷにて、４１０００秒間、Ｘ線照射を行った。

次に、準備した試料のＴＤＳを行った。ＴＤＳでは、質量電荷比（Ｍ／ｚ）が２（Ｈ_２に相当）、１６（Ｏに相当）、１７（ＯＨまたはＮＨ_３に相当）、１８（Ｈ_２Ｏに相当）、３２（Ｏ_２に相当）、４４（Ｎ_２ＯまたはＣＯ_２に相当）の測定を行った。結果を図９に示す。

比較例試料３（ｉｎｉｔｉａｌ）と比べて、実施例試料７（１０００Ｇｙ）は、酸素原子を有するガスの放出量が増加することがわかった。実施例１および実施例２のＥＳＲ分析結果を勘案すると、Ｘ線によりＳｉ−Ｏの結合が切れることにより、酸素原子を有するガスの放出量が増加した可能性がある。また、比較例試料３（ｉｎｉｔｉａｌ）と比べて、実施例試料７（１０００Ｇｙ）は、水素ガスの放出量が少ないことがわかった。

従って、実施例試料７上に（または実施例試料７を一部に含んで）酸化物半導体を用いたトランジスタを作製することで、酸化物半導体の酸素欠損量の低減されたトランジスタとすることができることが示唆された。

１００基板
１０２下地絶縁膜
１０４ゲート電極
１０６酸化物半導体膜
１１２ゲート絶縁膜
１１６ａソース電極
１１６ｂドレイン電極
１１８保護絶縁膜
２００基板
２０４ゲート電極
２０６酸化物半導体膜
２１２ゲート絶縁膜
２１６ａソース電極
２１６ｂドレイン電極
２１８保護絶縁膜
７００基板
７１９発光素子
７２０絶縁膜
７２１絶縁膜
７３１端子
７３２ＦＰＣ
７３３ａ配線
７３４シール材
７３５駆動回路
７３６駆動回路
７３７画素
７４１トランジスタ
７４２キャパシタ
７４３スイッチ素子
７４４信号線
７５０画素
７５１トランジスタ
７５２キャパシタ
７５３液晶素子
７５４走査線
７５５信号線
７８１電極
７８２発光層
７８３電極
７８４隔壁
７９１電極
７９２絶縁膜
７９３液晶層
７９４絶縁膜
７９５スペーサ
７９６電極
７９７基板

Claims

酸化物を有する基板を準備し、
前記基板にＸ線を照射し、
前記基板上に酸化物半導体を用いたトランジスタを作製することを特徴とする半導体装置の作製方法。
基板を準備し、
前記基板上に酸化物絶縁膜を形成し、
前記基板および前記酸化物絶縁膜にＸ線を照射し、
前記基板上に酸化物半導体を用いたトランジスタを作製することを特徴とする半導体装置の作製方法。
酸化物を有する基板を準備し、
前記基板上に酸化物絶縁膜を形成し、
前記基板および前記酸化物絶縁膜にＸ線を照射し、
前記基板上に酸化物半導体を用いたトランジスタを作製することを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項２又は請求項３において、
前記酸化物絶縁膜として、酸化シリコンを含む絶縁膜を用いることを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
前記基板として、酸化シリコンを含む基板を用いることを特徴とする半導体装置の作製方法。