JP6275294B2

JP6275294B2 - 半導体装置

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Publication number: JP6275294B2
Application number: JP2017003571A
Authority: JP
Inventors: 大吾伊藤; 耕生野田
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2012-05-11
Filing date: 2017-01-12
Publication date: 2018-02-07
Anticipated expiration: 2033-05-06
Also published as: JP2013254942A; JP6077382B2; JP2017063235A

Description

本発明は、半導体装置およ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、発光表示装置、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。

酸化物半導体を用いたトランジスタはオフ電流を極めて低くすることができる（特許文献
１）。さらに、酸化物半導体を用いたトランジスタでは、酸化物半導体と接する絶縁膜を
、加熱により酸素供給可能な絶縁膜とすることで、信頼性を向上させることができる（特
許文献２および特許文献３）。これは、加熱により酸素供給可能な絶縁膜から、酸化物半
導体に酸素を供給することで、酸化物半導体中の酸素欠損を補償できるためである。加熱
により酸素供給可能な絶縁膜としては、過剰酸素を有する酸化シリコン、酸化窒化シリコ
ン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム等が挙げられる。

このように酸化物半導体を用いたトランジスタは他の半導体材料にはない特徴を有する。

さらに酸化物半導体と、それ以外の半導体材料、たとえば単結晶シリコンと組み合わせる
ことができる。酸化物半導体を用いたトランジスタは薄膜で形成可能であるため、複数の
トランジスタを積層して形成することが可能であり、単結晶シリコンを用いたトランジス
タ等の上に形成することもできる。これにより、それぞれの半導体材料の利点を併せ持っ
た集積度の高い半導体装置とすることができる（たとえば、特許文献４）。

また、酸化物半導体を用いたトランジスタでは、酸化物半導体膜に酸素欠損が生じると、
キャリアが生成されてしきい値電圧が変動してしまう。そのため酸化物半導体を用いたト
ランジスタにおいて、しきい値電圧の制御は非常に重要である。そこで酸化物半導体を用
いたトランジスタにバックゲートを設けることで、しきい値電圧を制御する方法が特許文
献５に開示されている。

特開２０１１−２３７４１８号公報特開２０１２−００９８３６号公報特開２０１２−０４９５１３号公報特開２０１１−１５１３８４号公報特開２０１２−０６９９３２号公報

酸化物半導体膜への酸素の供給は、酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性と信頼
性の向上に極めて重要な要素である。そのため上述のように、酸化物半導体と接する絶縁
膜を、加熱により酸素供給可能な絶縁膜とすることで、酸化物半導体を用いたトランジス
タの信頼性を向上させることができる。

また、酸化物半導体を用いたトランジスタは他のトランジスタ等に積層して形成すること
ができる。積層することで集積度の高い半導体装置を得られ、より好ましい。また酸化物
半導体を用いたトランジスタにバックゲートを設けると、しきい値電圧の制御がより容易
となり、より好ましい。

トランジスタを積層した半導体装置やバックゲートを設けたトランジスタを有する半導体
装置等では、酸化物半導体を用いたトランジスタと、その下部に存在する導電層とを電気
的に接続する場合がある。

この場合、酸化物半導体に接して加熱により酸素供給可能な絶縁膜を適用すると、該絶縁
膜と、トランジスタの電極等の導電層とが接する箇所が生じる。

導電層が加熱により酸素供給可能な絶縁膜と接すると、該絶縁膜中の酸素により導電層が
酸化されてしまう。導電層が酸化されると、導電層の抵抗が上昇する恐れがある。また該
絶縁膜中の過剰酸素が減少し、酸化物半導体への酸素供給能力が十分に得られなくなる恐
れがある。

そこで本発明の一態様では、加熱により酸素供給可能な絶縁膜における酸素の減少を抑制
することを目的の一とする。また、導電層の酸化を抑制することを目的の一とする。また
、信頼性の高い酸化物半導体を用いた半導体装置を提供することを目的の一とする。

加熱により酸素供給可能な絶縁膜における酸素の減少、および導電層の酸化を抑制するた
めには、該絶縁膜に、該絶縁膜と導電層との界面を介しての酸素の授受が生じにくい領域
を設ければよい。

そこで本発明の一態様では、加熱により酸素供給可能な絶縁膜の導電層との界面近傍に、
内部よりも多くの窒素を含有させる。

加熱により酸素供給可能な絶縁膜の導電層との界面近傍に、内部よりも多くの窒素を含有
させるためには、該絶縁膜と導電層とが接する前に、該絶縁膜の表面に窒化処理を行えば
よい。

特に、該絶縁膜に、酸化物半導体を用いたトランジスタの下部に存在する導電層へのコン
タクトホールを形成した後、コンタクトホールの側壁を含めて窒化処理を行うことが好ま
しい。

本発明の一態様は、導電層と、導電層上の、コンタクトホールを有する加熱により酸素供
給可能な絶縁膜と、加熱により酸素供給可能な絶縁膜と接する酸化物半導体膜と、ゲート
絶縁膜と、酸化物半導体膜とゲート絶縁膜を介して重畳するゲート電極と、酸化物半導体
膜と電気的に接続されるソース電極およびドレイン電極と、を有し、加熱により酸素供給
可能な絶縁膜のコンタクトホールにおいて、導電層と、ソース電極およびドレイン電極の
一方は電気的に接続され、加熱により酸素供給可能な絶縁膜は、加熱により酸素供給可能
な絶縁膜と、ソース電極およびドレイン電極と、の界面近傍に、内部よりも窒素を多く含
む半導体装置である。

上記において、加熱により酸素供給可能な絶縁膜の界面近傍の窒素濃度は、界面近傍から
内部に向かって連続的に減少することが好ましい。

また上記において、加熱により酸素供給可能な絶縁膜のコンタクトホールの側壁は、側壁
と、導電層と電気的に接続されるソース電極およびドレイン電極の一方と、の界面近傍に
、内部よりも窒素を多く含むことが好ましい。

また上記において、導電層は、導電層と、導電層と電気的に接続されるソース電極および
ドレイン電極の一方と、の界面近傍に、内部よりも窒素を多く含むことが好ましい。

また、本発明の別の一態様は、第１の導電層上に、加熱により酸素供給可能な絶縁膜を形
成し、加熱により酸素供給可能な絶縁膜に接する酸化物半導体膜を形成し、加熱により酸
素供給可能な絶縁膜に、第１の導電層まで到達するコンタクトホールを形成し、コンタク
トホールを形成した加熱により酸素供給可能な絶縁膜および酸化物半導体膜に窒化処理を
行い、窒化処理により、表面に内部よりも窒素を多く含む加熱により酸素供給可能な絶縁
膜および導電層上に、第２の導電層を形成し、第２の導電層を加工して、双方が酸化物半
導体膜と電気的に接続され、かつ一方が第１の導電層と電気的に接続される、ソース電極
およびドレイン電極を形成し、酸化物半導体膜およびソース電極およびドレイン電極上に
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畳するゲート電極を形成す
る、半導体装置の作製方法である。

上記において、窒化処理は、窒素プラズマを用いた処理であることが好ましい。

本発明の一態様により、加熱により酸素供給可能な絶縁膜の酸素減少を抑制するができる
。また、導電層の酸化を抑制することができる。また、信頼性の高い酸化物半導体を用い
た半導体装置を提供することができる。

本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を説明する図。本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を説明する図。本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。本発明の一態様に係る半導体装置の平面図および断面図。本発明の一態様に係る半導体装置の回路図。本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。本発明の一態様に係る半導体装置の回路図および断面図。本発明の一態様に係る半導体装置のブロック図。本発明の一態様に係る半導体装置を有する電子機器。窒化処理を行った酸化シリコンのＸＰＳプロファイル。

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、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。

また、「ソース」および「ソース領域」ならびに「ドレイン」および「ドレイン領域」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、本明細書等においては、「ソース
」や「ドレイン」という用語は、入れ替えて用いることができるものとする。また本明細
書等において、チャネル領域とは、ソース領域（ソース電極）およびドレイン領域（ドレ
イン電極）の対向する領域をいう。

また、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度
で配置されている状態をいう。従って、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「
垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。
従って、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。

また、本明細書等において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表
す。

（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置の構成例について、図１および図２
を参照して説明する。

まず、図１（Ａ）に示すトランジスタ２０１を有する半導体装置の断面図を参照して説明
する。

＜＜半導体装置の構成＞＞
トランジスタ２０１は、加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５と接する酸化物半導体膜
１０７と、ゲート絶縁膜１１５と、酸化物半導体膜１０７とゲート絶縁膜１１５を介して
重畳するゲート電極１１７と、酸化物半導体膜１０７と電気的に接続されるソース電極１
１３ａおよびドレイン電極１１３ｂと、を有する。

トランジスタ２０１は導電層１０１および加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５上に設
けられている。酸素供給可能な絶縁膜１０５はコンタクトホール１０９を有する。コンタ
クトホール１０９において導電層１０１とソース電極１１３ａは電気的に接続されている
。

加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５は、ソース電極１１３ａおよびドレイン電極１１
３ｂとの界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域１１１を有する。また酸化物半導体
膜１０７は、ソース電極１１３ａおよびドレイン電極１１３ｂとの界面近傍に、内部より
も窒素を多く含む領域１１１を有する。また導電層１０１は、ソース電極１１３ａまたは
ソース電極１１３ａと電気的に接続されている界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領
域１１１を有する。

本明細書等において、膜の内部とは、膜の界面から遠い部分、たとえば界面から膜厚の１
／２程度の深さの部分をいう。また界面近傍に、内部よりも窒素を多く含むとは、ある膜
について、その膜の内部と比較して、界面近傍に窒素が多く含むことをいう。

なお上記において膜とは、絶縁膜や絶縁層の場合もあり、導電層の場合もある。そのため
、内部よりも窒素を多く含む領域の組成は、該領域を含む膜の組成によって異なる。たと
えば酸化シリコン膜が、他の膜との界面近傍に窒素を多く含む領域を有する場合、該領域
は酸化窒化シリコンとなる。またタングステン膜が、他の膜との界面近傍に窒素を多く含
む領域を有する場合、該領域は窒化タングステンとなる。

＜＜各構成要素＞＞
＜導電層＞
導電層１０１としては、タングステン、銅、モリブデン、チタン、タンタル、クロム、ネ
オジム、スカンジウム等の金属、窒化タンタル、窒化チタン、窒化ニオブ等の遷移金属の
窒化物を用いることができる。また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用いてもよい。さらにこれらを主
成分とする合金、これらを積層したもの等を用いてもよい。積層構造の例としては、銅の
周囲に窒化タンタル、窒化チタンおよび窒化ニオブ等の遷移金属の窒化物を設ける構造が
挙げられる。このような構造とすることで、抵抗を低減しつつ銅の拡散を抑制することが
でき、消費電力が低く信頼性の高い半導体装置とすることができる。

導電層１０１は、トランジスタ２０１のソース電極１１３ａと電気的に接続されている。
導電層１０１の窒素を多く含む領域１１１における窒素濃度は、ソース電極１１３ａおよ
びドレイン電極１１３ｂとの界面近傍から内部に向かって連続的に減少する。

なお、仮に加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５と、ソース電極１１３ａおよびドレイ
ン電極１１３ｂの間に窒化シリコン膜を設けると、窒素濃度の変化は非連続的となる。こ
れは本発明の一態様とは異なる状態である。さらにこの場合、導電層１０１と、ソース電
極１１３ａの間に窒化シリコン膜という絶縁層が設けられることとなり、両者を電気的に
接続することができない。

また後述するが、導電層１０１を介して、ソース電極１１３ａと、トランジスタ２０１の
下部に設けられた導電層、半導体装置等と電気的に接続してもよい。導電層１０１は、た
とえばトランジスタ２０１のバックゲートとして機能する導電層と電気的に接続されてい
てもよいし、他のトランジスタと電気的に接続されていてもよい。トランジスタ２０１を
他の導電層、半導体装置等に積層して設け、これらと電気的に接続することで、集積度の
高い半導体装置とすることができる。

＜加熱により酸素供給可能な絶縁膜＞
加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５としては、酸化物半導体膜１０７と接して酸化物
絶縁層を含む、単層又は積層構造とすることが好ましい。具体的には酸化シリコン、酸化
窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化
アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウム、またはこれらの混合材料を含む膜の単層
又は積層構造とすることができる。なお酸化物半導体膜１０７と接する層が酸化物絶縁層
であればよいため、積層構造とする場合は、酸化物半導体膜１０７と接さない層に窒化シ
リコン、窒化アルミニウム等を用いてもよい。

加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５は、ソース電極１１３ａおよびドレイン電極１１
３ｂとの界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域１１１を有する。加熱により酸素供
給可能な絶縁膜１０５が有するコンタクトホール１０９の側壁も、同様に窒素を多く含む
領域１１１を有する。

窒素を多く含む領域１１１は不純物の拡散を抑制しやすいため、加熱により酸素供給可能
な絶縁膜１０５と、ソース電極１１３ａおよびドレイン電極１１３ｂとの間に窒素を多く
含む領域１１１を設けることによって、酸素の授受が生じにくくなる。そのため、加熱に
より酸素供給可能な絶縁膜１０５中の酸素によりソース電極１１３ａおよびドレイン電極
１１３ｂが酸化されることを抑制できる。また加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５中
の過剰酸素が減少することを抑制できる。

窒素を多く含む領域１１１における窒素濃度は、１５ａｔｏｍｉｃ％以上６０ａｔｏｍｉ
ｃ％以下が好ましく、２５ａｔｏｍｉｃ％以上６０ａｔｏｍｉｃ％以下がより好ましく、
３５ａｔｏｍｉｃ％以上６０ａｔｏｍｉｃ％以下がさらに好ましい。

また窒素を多く含む領域１１１における窒素濃度は、ソース電極１１３ａおよびドレイン
電極１１３ｂとの界面近傍から内部に向かって連続的に減少する。例えば界面近傍から内
部に向かっての深さ２ｎｍにおいて３０ａｔｏｍｉｃ％以上であった窒素濃度が、深さ７
ｎｍで２ａｔｏｍｉｃ％以下に連続的に減少する。

また、加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５が有する窒素を多く含む領域１１１では、
窒素濃度と対照的に、酸素濃度が界面から内部に向かって連続的に増加していてもよい。
また加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５が有する窒素を多く含む領域１１１では、界
面近傍から内部に向かっての深さ１ｎｍ、好ましくは２ｎｍにおいて、酸素濃度より窒素
濃度が高くなっていてもよい。酸素濃度よりも窒素濃度が高くなることで、より不純物の
拡散を抑制することができる。

なお、加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５のＸＰＳ（Ｘ−ｒａｙＰｈｏｔｏｅｌｅ
ｃｔｒｏｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）、ＳＩＭＳ（ＳｅｃｏｎｄａｒｙＩｏｎＭ
ａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）等のプロファイルにおいて、自然酸化または測定誤
差等のため、最もソース電極１１３ａおよびドレイン電極１１３ｂと近い領域で窒素濃度
が低下、または横ばいとなる可能性がある。

また、仮に加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５と、ソース電極１１３ａおよびドレイ
ン電極１１３ｂの間に窒化シリコン膜を設けた場合は、窒素濃度の変化は非連続的となる
。これは本発明の一態様とは異なる状態である。

酸化物半導体膜１０７と接して、加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５を設けることで
、酸化物半導体を用いたトランジスタ２０１の信頼性を向上させることができる。酸化物
半導体膜への酸素の供給は、酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性と信頼性の向
上に極めて重要な要素である。これは、酸素がシリコンを用いたトランジスタにとって不
純物であり悪影響を与えるのと対照的な効果である。

なお本明細書等において「加熱処理により酸素を放出する」とは、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａ
ｌＤｅｓｏｒｐｔｉｏｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：昇温脱離ガス分光法）分析にて
放出される酸素が酸素原子に換算して１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、または
３．０×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であることをいう。

ここで、ＴＤＳ分析を用いた酸素の放出量の測定方法について、以下に説明する。

ＴＤＳ分析したときの気体の全放出量は、放出ガスのイオン強度の積分値に比例する。そ
してこの積分値と標準試料との比較により、気体の全放出量を計算することができる。

例えば、標準試料である所定の密度の水素を含むシリコンウェハのＴＤＳ分析結果、およ
び絶縁膜のＴＤＳ分析結果から、絶縁膜の酸素分子の放出量（Ｎ_Ｏ２）は、数式１で求め
ることができる。ここで、ＴＤＳ分析で得られる質量数３２で検出されるガスの全てが酸
素分子由来と仮定する。質量数３２のものとしてほかにＣＨ_３ＯＨがあるが、存在する可
能性が低いものとしてここでは考慮しない。また、酸素原子の同位体である質量数１７の
酸素原子および質量数１８の酸素原子を含む酸素分子についても、自然界における存在比
率が極微量であるため考慮しない。

Ｎ_Ｏ２＝Ｎ_Ｈ２／Ｓ_Ｈ２×Ｓ_Ｏ２×α （数式１）

Ｎ_Ｈ２は、標準試料から脱離した水素分子を密度で換算した値である。Ｓ_Ｈ２は、標準試
料をＴＤＳ分析したときのイオン強度の積分値である。ここで、標準試料の基準値を、Ｎ
_Ｈ２／Ｓ_Ｈ２とする。Ｓ_Ｏ２は、絶縁膜をＴＤＳ分析したときのイオン強度の積分値であ
る。αは、ＴＤＳ分析におけるイオン強度に影響する係数である。数式１の詳細に関して
は、特開平６−２７５６９７公報を参照する。なお、上記絶縁膜の酸素の放出量は、電子
科学株式会社製の昇温脱離分析装置ＥＭＤ−ＷＡ１０００Ｓ／Ｗを用い、標準試料として
１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２の水素原子を含むシリコンウェハを用いて測定した。

また、ＴＤＳ分析において、酸素の一部は酸素原子として検出される。酸素分子と酸素原
子の比率は、酸素分子のイオン化率から算出することができる。なお、上述のαは酸素分
子のイオン化率を含むため、酸素分子の放出量を評価することで、酸素原子の放出量につ
いても見積もることができる。

なお、Ｎ_Ｏ２は酸素分子の放出量である。酸素原子に換算したときの放出量は、酸素分子
の放出量の２倍となる。

「加熱により酸素を放出する」絶縁膜とするためには、絶縁膜が過剰酸素を有すればよい
。過剰な酸素によって、後に形成される酸化物半導体膜１０７の酸素欠損を補償すること
が可能である。そのため加熱により酸素を放出する絶縁膜は、「加熱により酸素が放出さ
れる酸素を含む」絶縁膜と言い換えることもできる。

加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５が積層構造の場合は、少なくとも酸化物半導体膜
１０７と接する層において過剰酸素を有することが好ましい。

また、過剰酸素を有する領域の下側に、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜又は酸化ア
ルミニウム膜を有することが好ましい。過剰酸素を有する領域の下側に窒化シリコン膜、
窒化酸化シリコン膜又は酸化アルミニウム膜を有することで、酸化物半導体膜１０７への
不純物の拡散を防止することができる。

＜酸化物半導体膜＞
トランジスタ２０１において、酸化物半導体膜１０７は、ソース電極１１３ａおよびドレ
イン電極１１３ｂとの界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域１１１を有している。

また酸化物半導体膜１０７の、ソース電極１１３ａおよびドレイン電極１１３ｂと重畳し
ない領域は、ソース電極１１３ａおよびドレイン電極１１３ｂの加工の際に窒素を多く含
む領域１１１が除去される。そのためチャネル形成領域においては窒素を多く含む領域１
１１を有さない構成とすることができる。

酸化物半導体膜１０７中の窒素はドナーとして振る舞うため、窒素を含んだ酸化物半導体
膜１０７はキャリア密度が高まり低抵抗化する。チャネル形成領域が低抵抗化すると、ト
ランジスタのオフ電流を低減することが難しくなる。そのため、ソース電極１１３ａおよ
びドレイン電極１１３ｂの加工の際、酸化物半導体膜１０７の窒素を多く含む領域１１１
を除去することで、オフ電流の低いトランジスタとすることが容易となる。

以下では、酸化物半導体膜の構造について説明する。

酸化物半導体膜は、非単結晶酸化物半導体膜と単結晶酸化物半導体膜とに大別される。非
単結晶酸化物半導体膜とは、ＣＡＡＣ−ＯＳ（ＣＡｘｉｓＡｌｉｇｎｅｄＣｒｙｓ
ｔａｌｌｉｎｅＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜、多結晶酸化物半導体膜
、微結晶酸化物半導体膜、非晶質酸化物半導体膜などをいう。

まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜について説明する。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、ｃ軸配向した複数の結晶部を有する酸化物半導体膜の一つである。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔ
ｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって観察すると、明確な結晶部同士の境界、即ち結
晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を確認することができない。そのため、ＣＡ
ＡＣ−ＯＳ膜は、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。

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

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

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

なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれるほとんどの結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体
内に収まる大きさである。従って、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部は、一辺が１０ｎ
ｍ未満、５ｎｍ未満または３ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさの場合も含まれる。ただ
し、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる複数の結晶部が連結することで、一つの大きな結晶領域
を形成する場合がある。例えば、平面ＴＥＭ像において、２５００ｎｍ^２以上、５μｍ^２
以上または１０００μｍ^２以上となる結晶領域が観察される場合がある。

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

一方、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、ｃ軸に概略垂直な方向からＸ線を入射させるｉｎ−ｐｌ
ａｎｅ法による解析では、２θが５６°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは
、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶の（１１０）面に帰属される。ＩｎＧａＺｎＯ_４の単結晶酸化
物半導体膜であれば、２θを５６°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸（φ軸）と
して試料を回転させながら分析（φスキャン）を行うと、（１１０）面と等価な結晶面に
帰属されるピークが６本観察される。これに対し、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の場合は、２θを５
６°近傍に固定してφスキャンした場合でも、明瞭なピークが現れない。

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

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

また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜中において、ｃ軸配向した結晶部の分布が均一でなくてもよい。
例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶部が、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の上面近傍からの結晶成長によ
って形成される場合、上面近傍の領域は、被形成面近傍の領域よりもｃ軸配向した結晶部
の割合が高くなることがある。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に不純物を添加する場合、不純物
が添加された領域が変質し、部分的にｃ軸配向した結晶部の割合の異なる領域が形成され
ることもある。

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

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、不純物濃度の低い酸化物半導体膜である。不純物は、水素、炭素、
シリコン、遷移金属元素などの酸化物半導体膜の主成分以外の元素である。特に、シリコ
ンなどの、酸化物半導体膜を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化
物半導体膜から酸素を奪うことで酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる
要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径
（または分子半径）が大きいため、酸化物半導体膜内部に含まれると、酸化物半導体膜の
原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。なお、酸化物半導体膜に含まれる不純
物は、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。

また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜である。例えば、酸化物
半導体膜中の酸素欠損は、キャリアトラップとなることや、水素を捕獲することによって
キャリア発生源となることがある。

不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い（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膜
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。従って、当該
酸化物半導体膜を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。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膜は、キャリアトラップが少ない。そのため、当該酸化物半導体膜
を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。
なお、酸化物半導体膜のキャリアトラップに捕獲された電荷は、放出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、不純物濃度が高く
、欠陥準位密度が高い酸化物半導体膜を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、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性
の変動が小さい。

次に、微結晶酸化物半導体膜について説明する。

微結晶酸化物半導体膜は、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膜に含まれる結晶部は、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、１ｎｍ以上１０ｎｍ
以下、または１ｎｍ以上３ｎｍ以下の微結晶であるナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙｓｔ
ａｌ）を有する酸化物半導体膜を、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＯｘ
ｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜と呼ぶ。また、ｎｃ−ＯＳ膜は、例えば、ＴＥ
Ｍによる観察像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。

ｎｃ−ＯＳ膜は、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上
３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ−ＯＳ膜は、異なる
結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。従
って、ｎｃ−ＯＳ膜は、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体膜と区別が付かない場
合がある。例えば、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、結晶部よりも大きいプローブ径のＸ線を用いる
ＸＲＤ装置を用いて構造解析を行うと、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結
晶面を示すピークが検出されない。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、結晶部よりも大きいプロ
ーブ径（例えば５０ｎｍ以上）の電子線を用いる電子線回折（制限視野電子線回折ともい
う。）を行うと、ハローパターンのような回折像が観測される。一方、ｎｃ−ＯＳ膜に対
し、結晶部の大きさと近いか結晶部より小さいプローブ径（例えば１ｎｍ以上３０ｎｍ以
下）の電子線を用いる電子線回折（ナノビーム電子線回折ともいう。）を行うと、スポッ
トが観測される。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対しナノビーム電子線回折を行うと、円を描くよ
うに（リング状に）輝度の高い領域が観測される場合がある。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対し
ナノビーム電子線回折を行うと、リング状の領域内に複数のスポットが観測される場合が
ある。

ｎｃ−ＯＳ膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも規則性の高い酸化物半導体膜である。その
ため、ｎｃ−ＯＳ膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、
ｎｃ−ＯＳ膜は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、ｎｃ−Ｏ
Ｓ膜は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜と比べて欠陥準位密度が高くなる。

なお、酸化物半導体膜は、例えば、非晶質酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、ＣＡ
ＡＣ−ＯＳ膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。

酸化物半導体膜１０７は、少なくともインジウム（Ｉｎ）を含む。特に、インジウムと亜
鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。また、該酸化物を用いたトランジスタの電気特性のば
らつきを減らすためのスタビライザーとして、それらに加えてガリウム（Ｇａ）を有する
ことが好ましい。また、スタビライザーとしてスズ（Ｓｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、アル
ミニウム（Ａｌ）、ジルコニウム（Ｚｒ）のいずれか一種または複数種を有することが好
ましい。

また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム（
Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム
（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホル
ミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ル
テチウム（Ｌｕ）のいずれか一種または複数種を有してもよい。

例えば、酸化物半導体膜１０７として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金
属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、三元
系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯとも表記する）、Ｉｎ−Ａｌ
−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−
Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚ
ｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ
系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系
酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸
化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系
酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓ
ｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系
酸化物を用いることができる。

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

また、酸化物半導体膜１０７として、ＩｎＭＯ_３（ＺｎＯ）_ｍ（ｍ＞０、且つ、ｍは整数
でない）で表記される材料を用いてもよい。なお、Ｍは、Ｇａ、Ｆｅ、ＭｎおよびＣｏか
ら選ばれた一の金属元素または複数の金属元素を示す。また、酸化物半導体として、Ｉｎ
_２ＳｎＯ_５（ＺｎＯ）_ｎ（ｎ＞０、且つ、ｎは整数）で表記される材料を用いてもよい。

例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：２：１、あるいはＩｎ
：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸
化物を用いることができる。あるいは、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚ
ｎ＝２：１：３あるいはＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：５の原子数比のＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系
酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。

なお、例えば、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝ａ：ｂ：ｃ（ａ＋ｂ＋
ｃ＝１）である酸化物の組成が、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝Ａ：Ｂ：Ｃ（Ａ＋Ｂ＋Ｃ
＝１）の酸化物の組成の近傍であるとは、ａ、ｂ、ｃが、（ａ−Ａ）^２＋（ｂ−Ｂ）^２＋
（ｃ−Ｃ）^２≦ｒ^２を満たすことをいう。ｒとしては、例えば、０．０５とすればよい。
他の酸化物でも同様である。

しかし上記に限られず、必要とするトランジスタの電気的特性（電界効果移動度、しきい
値電圧、ばらつき等）に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とする電気
的特性を得るために、キャリア濃度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比
、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。

例えば、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物半導体を用いたトランジスタでは比較的容易に高い電
界効果移動度が得られる。しかしながら、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物半導体を用いたトラ
ンジスタでも、バルク内欠陥密度を低くすることにより電界効果移動度を上げることがで
きる。

さらに酸化物半導体膜１０７は、単層構造としてもよいし、複数の酸化物半導体膜が積層
された構造としてもよい。例えば、酸化物半導体膜１０７を、第１の酸化物半導体膜と第
２の酸化物半導体膜の積層として、第１の酸化物半導体膜と第２の酸化物半導体膜に、異
なる組成の金属酸化物を用いてもよい。例えば、第１の酸化物半導体膜に三元系金属の酸
化物を用い、第２の酸化物半導体膜に二元系金属の酸化物を用いてもよい。また、例えば
、第１の酸化物半導体膜と第２の酸化物半導体膜を、どちらも三元系金属の酸化物として
もよい。

また、第１の酸化物半導体膜と第２の酸化物半導体膜の構成元素を同一とし、両者の組成
を異ならせてもよい。例えば、第１の酸化物半導体膜の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１
：１：１またはその組成の近傍とし、第２の酸化物半導体膜の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚ
ｎ＝３：１：２またはその組成の近傍としてもよい。また、第１の酸化物半導体膜の原子
数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２またはその組成の近傍とし、第２の酸化物半導体膜
の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：１：３またはその組成の近傍としてもよい。

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

酸化物半導体では主として重金属のｓ軌道がキャリア伝導に寄与しており、Ｉｎの含有率
を多くすることによりｓ軌道のオーバーラップが多くなる傾向があるため、Ｉｎ＞Ｇａの
組成となる酸化物はＩｎ≦Ｇａの組成となる酸化物と比較して高い移動度を備える。また
、ＧａはＩｎと比較して酸素欠損の形成エネルギーが大きく酸素欠損が生じにくいため、
Ｉｎ≦Ｇａの組成となる酸化物はＩｎ＞Ｇａの組成となる酸化物と比較して安定した特性
を備える。

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

また、第１の酸化物半導体膜と第２の酸化物半導体膜に、結晶性の異なる酸化物半導体膜
を適用してもよい。すなわち、単結晶酸化物半導体膜、多結晶酸化物半導体膜、アモルフ
ァス酸化物半導体膜、またはＣＡＡＣ−ＯＳ膜を適宜組み合わせた構成としてもよい。ま
た、第１の酸化物半導体膜と第２の酸化物半導体膜の少なくともどちらか一方にアモルフ
ァス酸化物半導体膜を適用すると、酸化物半導体膜１０７の内部応力や外部からの応力を
緩和し、トランジスタの特性ばらつきが低減され、また、トランジスタの信頼性をさらに
高めることが可能となる。

一方で、アモルファス酸化物半導体膜は水素などのドナーとなる不純物を吸収しやすく、
また、酸素欠損が生じやすいためｎ型化されやすい。このため、チャネル側の酸化物半導
体膜は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜などの結晶性を有する酸化物半導体膜を適用することが好まし
い。

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

＜ソース電極およびドレイン電極＞
ソース電極１１３ａおよびドレイン電極１１３ｂには、導電層１０１と同様の材料を用い
ることができる。

ソース電極１１３ａは、加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５が有するコンタクトホー
ル１０９において、導電層１０１と電気的に接続されている。なお図１（Ａ）では、ソー
ス電極１１３ａが直接、導電層１０１と接しているが、これに限らない。他の導電層を介
してソース電極１１３ａと導電層１０１が電気的に接続されていてもよい。

ソース電極１１３ａおよびドレイン電極１１３ｂは、酸素供給可能な絶縁膜１０５の窒素
を多く含む領域１１１と接している。窒素を多く含む領域１１１を介して接することで酸
素の授受が生じにくくなり、上記構成とすることで、酸素供給可能な絶縁膜１０５中の酸
素によりソース電極１１３ａおよびドレイン電極１１３ｂが酸化されることを抑制できる
。

＜ゲート絶縁膜＞
ゲート絶縁膜１１５には、加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５と同様の材料を用いる
ことができる。また、窒化シリコン、窒化アルミニウム等を用いてもよい。

＜ゲート電極＞
ゲート電極１１７には、導電層１０１と同様の材料を用いることができる。またゲート電
極１１７としてリン等の不純物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１１７は、単層構
造としてもよいし、積層構造としてもよい。

また、ゲート絶縁膜１１５と接するゲート電極１１７の一層として、窒素を含む金属酸化
物、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トランジスタを実現できる。

＜＜他の半導体装置の構成＞＞
次に、図１（Ｂ）〜（Ｄ）、および図２（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、本発明の一態様に係
る半導体装置の他の構成例について説明する。

図１（Ｂ）に示すトランジスタ２０２を有する半導体装置は、ゲート電極１１７がソース
電極１１３ａおよびドレイン電極１１３ｂと重畳せず、酸化物半導体膜１０７がチャネル
形成領域１０７ａおよび一対の低抵抗領域１０７ｂを有する点がトランジスタ２０１と異
なる。ゲート電極１１７がソース電極１１３ａおよびドレイン電極１１３ｂと重畳しない
構造とすることで、寄生容量を低減することができる。低抵抗領域１０７ｂは、不純物を
有することで低抵抗化した領域である。チャネル形成領域１０７ａおよび低抵抗領域１０
７ｂは、ゲート電極１１７をマスクとして不純物をドーピングすることで形成することが
できる。不純物としては、例えばリン、窒素、炭素、ホウ素などを用いることができる。

また導電層１１９を有する点がトランジスタ２０１を有する半導体装置と異なる。導電層
１１９は、トランジスタ２０２のバックゲートと呼ぶこともできる。

より具体的には、トランジスタ２０２は、加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５と接し
、チャネル形成領域１０７ａおよび一対の低抵抗領域１０７ｂを有する酸化物半導体膜１
０７と、ゲート絶縁膜１１５と、酸化物半導体膜１０７とゲート絶縁膜１１５を介して重
畳するゲート電極１１７と、酸化物半導体膜１０７と電気的に接続されるソース電極１１
３ａおよびドレイン電極１１３ｂと、絶縁膜１０５と、絶縁膜１０５を介して酸化物半導
体膜１０７と重畳する導電層１１９を有する。

トランジスタ２０２は導電層１０１および加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５上に形
成される。酸素供給可能な絶縁膜１０５は、コンタクトホール１０９を有し、コンタクト
ホール１０９において導電層１０１とソース電極１１３ａは電気的に接続されている。

加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５は、ソース電極１１３ａおよびドレイン電極１１
３ｂとの界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域１１１を有する。また酸化物半導体
膜１０７は、ソース電極１１３ａおよびドレイン電極１１３ｂとの界面近傍に、内部より
も窒素を多く含む領域１１１を有する。また導電層１０１は、ソース電極１１３ａと電気
的に接続されている界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域１１１を有する。

ここで導電層１１９はゲート電極１１７と同様の材料および作製方法を適用することがで
きる。導電層１１９は電気的に絶縁しているフローティングの状態であってもよいし、電
位が他から与えられている状態であってもよい。後者の場合、ゲート電極１１７と同じ高
さの電位が与えられていてもよいし、導電層１０１と同じ高さの電位が与えられていても
よいし、導電層１１９にのみ接地電位などの固定の電位が与えられていてもよい。導電層
１１９に与える電位の高さを制御することで、トランジスタ２０１のしきい値電圧を制御
が容易となる。なお導電層１１９に与える電位の高さを制御する場合、窒素を含む金属酸
化物を用いることで、トランジスタ２０４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することがより容易となる。

図１（Ｃ）に示すトランジスタ２０３を有する半導体装置は、トランジスタの構成要素の
積層順がトランジスタ２０１を有する半導体装置と異なる。

より具体的には、トランジスタ２０３は、ソース電極１１３ａおよびドレイン電極１１３
ｂと、ソース電極１１３ａおよびドレイン電極１１３ｂ上に設けられて電気的に接続され
る酸化物半導体膜１０７と、ゲート絶縁膜１１５と、酸化物半導体膜１０７とゲート絶縁
膜１１５を介して重畳するゲート電極１１７を有する。酸化物半導体膜１０７は加熱によ
り酸素供給可能な絶縁膜１０５と少なくとも一部が接する。

トランジスタ２０３は、導電層１０１および加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５上に
形成される。酸素供給可能な絶縁膜１０５は、コンタクトホール１０９を有し、コンタク
トホール１０９において導電層１０１とソース電極１１３ａは電気的に接続されている。

加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５は、ソース電極１１３ａおよびドレイン電極１１
３ｂとの界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域１１１を有する。また導電層１０１
は、ソース電極１１３ａと電気的に接続されている界面近傍に、内部よりも窒素を多く含
む領域１１１を有する。

なお、トランジスタ２０３は、酸化物半導体膜１０７は窒素を多く含む領域１１１は有さ
ない構成である。

図１（Ｄ）に示すトランジスタ２０４を有する半導体装置は、ボトムゲート構造のトラン
ジスタである点がトランジスタ２０１を有する半導体装置と異なる。

より具体的には、トランジスタ２０４は、ゲート電極１１７上に、加熱により酸素供給可
能な絶縁膜からなるゲート絶縁膜１１５と、ゲート絶縁膜１１５を介してゲート電極１１
７と重畳する酸化物半導体膜１０７と、酸化物半導体膜１０７と電気的に接続されるソー
ス電極１１３ａおよびドレイン電極１１３ｂを有する。

加熱により酸素供給可能な絶縁膜からなるゲート絶縁膜１１５は、コンタクトホール１０
９を有し、コンタクトホール１０９において導電層１０１とソース電極１１３ａは電気的
に接続されている。また酸化物半導体膜１０７は、ソース電極１１３ａおよびドレイン電
極１１３ｂとの界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域１１１を有する。また導電層
１０１は、ソース電極１１３ａと電気的に接続されている界面近傍に、内部よりも窒素を
多く含む領域１１１を有する。

トランジスタ２０４のゲート電極１１７は、導電層１０１と同一の導電層から形成されて
いてもよい。またゲート電極１１７と導電層１０１が電気的に接続されていてもよい。

図２（Ａ）に示すトランジスタ２０５を有する半導体装置は、加熱により酸素供給可能な
絶縁膜１０５における窒素を多く含む領域１１１が、トランジスタ２０１を有する半導体
装置と異なる。

より具体的には、図２（Ａ）における加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５は、コンタ
クトホール１０９の側壁に、内部よりも窒素を多く含む領域１１１を有する。図２（Ａ）
における加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５は、ドレイン電極１１３ｂとの界面近傍
には、窒素を多く含む領域１１１を有さない構成である。また酸化物半導体膜１０７も窒
素を多く含む領域１１１を有さない構成である。

図２（Ａ）のような構成としても、コンタクトホール１０９の側壁を介して酸素供給可能
な絶縁膜１０５中の過剰酸素が減少すること抑制することができる。また酸化物半導体膜
１０７が窒素を多く含む領域１１１を有さない構成であるため、低抵抗化がより生じにく
くなる。

図２（Ｂ）に示すトランジスタ２０６を有する半導体装置は、導電層１０１が、導電層１
２１を介してゲート電極１１７と電気的に接続されている点がトランジスタ２０１を有す
る半導体装置と異なる。

さらに、ゲート絶縁膜１１５およびトランジスタ２０６上に設けられている絶縁膜１２３
も、コンタクトホール１０９を有し、ゲート絶縁膜１１５および絶縁膜１２３と導電層１
２１との界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域１１１を有する。

また、酸化物半導体膜１０７がチャネル形成領域１０７ａおよび一対の低抵抗領域１０７
ｂを有する点もトランジスタ２０１を有する半導体装置と異なる。

より具体的には、トランジスタ２０６は、加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５と接し
チャネル形成領域１０７ａおよび一対の低抵抗領域１０７ｂを有する酸化物半導体膜１０
７と、ゲート絶縁膜１１５と、酸化物半導体膜１０７とゲート絶縁膜１１５を介して重畳
するゲート電極１１７と、酸化物半導体膜１０７と電気的に接続されるソース電極１１３
ａおよびドレイン電極１１３ｂと、絶縁膜１０５と、絶縁膜１０５を介して酸化物半導体
膜１０７と重畳する導電層１１９を有する。

トランジスタ２０６は導電層１０１および加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５上に形
成される。またトランジスタ２０６上に絶縁膜１２３が設けられる。酸素供給可能な絶縁
膜１０５、ゲート絶縁膜１１５および絶縁膜１２３は、コンタクトホール１０９を有し、
コンタクトホール１０９に設けられた導電層１２１を介して導電層１０１とゲート電極１
１７は電気的に接続されている。

加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５は、ソース電極１１３ａおよびドレイン電極１１
３ｂとの界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域１１１を有する。またゲート絶縁膜
１１５および絶縁膜１２３は、導電層１２１との界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む
領域１１１を有する。

酸化物半導体膜１０７は、ソース電極１１３ａおよびドレイン電極１１３ｂとの界面近傍
に、内部よりも窒素を多く含む領域１１１を有する。また導電層１０１は、導電層１２１
と電気的に接続されている界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域１１１を有する。

図２（Ｃ）に示すトランジスタ２０７を有する半導体装置は、容量素子２０８が設けられ
ている点がトランジスタ２０６を有する半導体装置と異なる。

ソース電極１１３ａ上に絶縁膜を介して導電層１２１を設けることで、容量素子２０８を
構成することができる。

より具体的には、加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５と接する酸化物半導体膜１０７
と、ゲート絶縁膜１１５と、酸化物半導体膜１０７とゲート絶縁膜１１５を介して重畳す
るゲート電極１１７と、酸化物半導体膜１０７と電気的に接続されるソース電極１１３ａ
およびドレイン電極１１３ｂと、絶縁膜１０５と、絶縁膜１０５を介して酸化物半導体膜
１０７と重畳する導電層１１９を有する。

トランジスタ２０７は導電層１０１および加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５上に形
成される。またトランジスタ２０７上に絶縁膜１２３が設けられる。酸素供給可能な絶縁
膜１０５、ゲート絶縁膜１１５および絶縁膜１２３は、コンタクトホール１０９を有する
。コンタクトホール１０９に設けられた導電層１２１は、ゲート絶縁膜１１５および絶縁
膜１２３を介してソース電極１１３ａ上に設けられている。

加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５は、ソース電極１１３ａおよびドレイン電極１１
３ｂとの界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域１１１を有する。また絶縁膜１２３
は、導電層１２１との界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域１１１を有する。

酸化物半導体膜１０７は、ソース電極１１３ａおよびドレイン電極１１３ｂとの界面近傍
に、内部よりも窒素を多く含む領域１１１を有する。また導電層１０１は、ソース電極１
１３ａと電気的に接続されている界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域１１１を有
する。

本実施の形態で示したそれぞれの半導体装置の特徴は、他の半導体装置の特徴と組み合わ
せて用いることができる。

（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法の一例について、図３お
よび図４を参照して説明する。

本実施の形態では、図１（Ａ）に示すトランジスタ２０１を有する半導体装置の作製方法
について述べる。他の半導体装置の作製方法は、トランジスタ２０１を有する半導体装置
の作製方法を参酌することができる。

まず、絶縁層１０３、導電層１０１および加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５を形成
する（図３（Ａ）参照）。

絶縁層１０３は、実施の形態１に記載の材料を用いて、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリ
ング法等により形成することができる。また導電層１０１も、実施の形態１に記載の材料
を用いて、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により形成した導電膜を加工するこ
とで形成することができる。

加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等に
より形成することができ、プラズマＣＶＤ法を適用する場合、原料のガスとしては金属お
よびシリコンの水素化合物、金属化合物、ハロゲン化物等を用いることができる。たとえ
ば酸化窒化シリコンを形成する場合、材料ガスとしてはシランおよび亜酸化窒素を用いる
ことができる。酸化ガリウムを形成する場合、トリメチルガリウム等を用いることができ
る。加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５を設けるには、例えば、酸素雰囲気下にて成
膜すればよい。又は、成膜後の加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５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、過剰酸素を
含有させてもよい。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注入法、プラズマ処理などを用いることができる。

次に、加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５上に酸化物半導体膜を形成し、島状に加工
して酸化物半導体膜１０７を形成する（図３（Ｂ）参照）。酸化物半導体膜１０７の膜厚
は、例えば、１ｎｍ乃至３０ｎｍ、好ましくは５ｎｍ乃至１０ｎｍとする。酸化物半導体
膜１０７の膜厚を３０ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以下とすることで、トランジスタ２
０１のオフ電流を低くすることが容易となる。

酸化物半導体膜は、単層構造であってもよいし、積層構造であってもよい。また、アモル
ファス構造であってもよいし、結晶性を有していてもよい。酸化物半導体膜をアモルファ
ス構造とする場合には、後の作製工程において、酸化物半導体膜に熱処理を行うことによ
って、結晶性酸化物半導体膜としてもよい。アモルファス酸化物半導体膜を結晶化させる
熱処理の温度は、２５０℃以上７００℃以下、好ましくは、４００℃以上、より好ましく
は５００℃以上、さらに好ましくは５５０℃以上とする。なお、当該熱処理は、作製工程
における他の熱処理を兼ねることも可能である。

酸化物半導体膜の成膜方法は、スパッタリング法、ＭＢＥ（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａ
ｍＥｐｉｔａｘｙ）法、プラズマＣＶＤ法、パルスレーザ堆積法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉ
ｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ミストＣＶＤ法等を適宜用いることができ
る。

酸化物半導体膜を成膜する際、できる限り酸化物半導体膜に含まれる水素濃度を低減させ
ることが好ましい。水素濃度を低減させるために、例えばスパッタリング法を用いて成膜
を行う場合には、スパッタリング装置の処理室内に供給する雰囲気ガスとして、水素、水
、ヒドロキシ基又は水素化物などの不純物が除去された高純度の希ガス（代表的にはアル
ゴン）、酸素、及び希ガスと酸素との混合ガスを適宜用いることが好ましい。

また、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
て成膜を行うことで、成膜された酸化物半導体膜の水素濃度を低減させることができる。
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、ターボ
分子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。クライオポンプを用いて排
気した成膜室は、例えば、水素分子、水など水素原子を含む化合物、さらには炭素原子を
含む化合物等の排気能力が高いため、当該成膜室で成膜した酸化物半導体膜に含まれる不
純物の濃度を低減できる。

また、酸化物半導体膜をスパッタリング法で成膜する場合、成膜に用いる金属酸化物ター
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
％以下とする。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
物半導体膜を緻密な膜とすることができる。

また、基板を高温に保持した状態で酸化物半導体膜を形成することも、酸化物半導体膜中
に含まれうる不純物濃度を低減するのに有効である。基板を加熱する温度としては、１５
０℃以上４５０℃以下とすればよく、好ましくは基板温度が２００℃以上３５０℃以下と
すればよい。また、成膜時に基板を高温で加熱することで、酸化物半導体膜の結晶性高め
ることができる。

また、酸化物半導体膜１０７に、当該酸化物半導体膜１０７に含まれる過剰な水素（水や
ヒドロキシ基を含む）を除去（脱水化又は脱水素化）するための熱処理を行うことが好ま
しい。熱処理の温度は、３００℃以上７００℃以下、又は基板の歪み点未満とする。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。

この熱処理によって、例えば、脱水化又は脱水素化処理後の酸化物半導体膜１０７に含ま
れる水素濃度を、５×１０^１９／ｃｍ^３以下、好ましくは５×１０^１８／ｃｍ^３、より好
ましくは５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とすることができる。

なお、脱水化又は脱水素化のための熱処理は、酸化物半導体膜の成膜後であればトランジ
スタ２０１の作製工程においてどのタイミングで行ってもよい。また、脱水化又は脱水素
化のための熱処理は、複数回行ってもよく、他の熱処理と兼ねてもよい。

なお、脱水化又は脱水素化のための熱処理を、酸化物半導体膜を島状に加工する前に行う
と、加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５に含まれる酸素が熱処理によって外部へ放出
されるのを防止することができるため好ましい。

熱処理においては、窒素、又はヘリウム、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。又は、熱処理装置に導入する窒素、又はヘリウム、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、熱処理で酸化物半導体膜１０７を加熱した後、加熱温度を維持、又はその加熱温度
から徐冷しながら同じ炉に高純度の酸素ガス、高純度の亜酸化窒素ガス、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。酸素ガス又は亜酸化窒素ガスに、水
、水素などが含まれないことが好ましい。又は、熱処理装置に導入する酸素ガス又は亜酸
化窒素ガスの純度を、６Ｎ以上好ましくは７Ｎ以上（即ち、酸素ガス又は亜酸化窒素ガス
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。
酸素ガス又は亜酸化窒素ガスの作用により、脱水化又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
給するができる。酸素を供給することによって、酸化物半導体膜１０７を高純度化及びｉ
型（真性）化することができる。ｉ型（真性）化した酸化物半導体を有するトランジスタ
は、電気特性変動が抑制されており、電気的に安定である。

また、脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体膜に、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してもよ
い。

なお、酸化物半導体膜への酸素導入は、酸化物半導体膜に直接行ってもよいし、後に形成
されるゲート絶縁膜１１５などの他の膜を通過して酸化物半導体膜１０７に行ってもよい
。酸素を他の膜を通過して酸素を導入する場合は、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注入法などを用いればよい。露出された酸化物半導体膜１０
７へ直接酸素を導入する場合は、上記の方法に加えてプラズマ処理なども用いることがで
きる。

酸素の供給ガスとしては、Ｏを含有するガスを用いればよく、例えば、Ｏ_２ガス、Ｎ_２Ｏ
ガス、ＣＯ_２ガス、ＣＯガス、ＮＯ_２ガス等を用いることができる。なお、酸素の供給ガ
スに希ガス（例えばＡｒ）を含有させてもよい。

例えば、イオン注入法で酸化物半導体膜１０７へ酸素イオンの注入を行う場合、ドーズ量
を１×１０^１３ｉｏｎｓ／ｃｍ^２以上５×１０^１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２以下とすればよい。

酸化物半導体膜への酸素の供給は酸化物半導体膜の成膜後であれば、そのタイミングは特
に限定されない。また、酸化物半導体膜への酸素の導入は複数回行ってもよい。また、酸
化物半導体膜を複数層の積層構造とする場合には、脱水化又は脱水素化のための熱処理及
び／又は酸素の供給は、各酸化物半導体膜に対して別々に行ってもよいし、積層構造を形
成した後の酸化物半導体膜に対して行ってもよい。

加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５を形成する場合は、加熱により酸素供給可能な絶
縁膜１０５と酸化物半導体膜１０７とを大気に曝露せずに連続的に形成することが好まし
い。加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５と酸化物半導体膜１０７とを大気に曝露せず
に連続して形成すると、加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５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、加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５にコンタクトホール１０９を形成する（図
３（Ｃ）参照）。コンタクトホール１０９は、フォトレジスト等によりマスク１０８を形
成し、マスク１０８を用いて加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５の一部を選択的にエ
ッチングすることで形成することができる。

次に、酸素供給可能な絶縁膜１０５および酸化物半導体膜１０７に窒化処理を行い、窒素
を多く含む領域１１１を形成する（図３（Ｄ）参照）。

窒化処理としては、高密度プラズマ装置、高密度プラズマＣＶＤ等による窒素プラズマを
用いた処理、プラズマエッチング装置による窒素プラズマを用いた処理、イオン注入装置
による窒素イオン注入処理等を適用することができる。

高密度プラズマＣＶＤ装置による窒素プラズマを用いた処理を行う場合は、ガス流量比Ａ
ｒ：Ｎ_２＝５：１（体積比）、圧力４０Ｐａといった条件や、ガス流量比Ａｒ：Ｎ_２：Ｈ
_２＝５０：１０：１（体積比）、圧力４０Ｐａといった条件等を適用することができる。

窒化処理を行うことで、酸素供給可能な絶縁膜１０５および酸化物半導体膜１０７の露出
した表面から内部に向かって窒素濃度を連続的に減少させることができる。仮にこれらの
露出した表面に窒化シリコン膜を設けると、窒素濃度の変化は非連続的となる。これは本
発明の一態様とは異なる状態である。

なお図３（Ｄ）ではマスク１０８を除去した後に窒化処理を行う場合を示したが、これに
限らない。マスク１０８を除去する前に窒化処理を行い、窒素を多く含む領域１１１を形
成してもよい。この方法により、コンタクトホール１０９の側壁にのみ窒素を多く含む領
域１１１を形成することができる。

次に、窒化処理によって表面に内部よりも窒素を多く含んだ、加熱により酸素供給可能な
絶縁膜１０５および酸化物半導体膜１０７上に、導電層１１３を形成する（図４（Ａ）参
照）。

次に、導電層１１３を加工してソース電極１１３ａおよびドレイン電極１１３ｂを形成す
る（図４（Ｂ）参照）。

このとき、酸化物半導体膜１０７および加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５の、ソー
ス電極１１３ａおよびドレイン電極１１３ｂと重畳しない領域は、窒素を多く含む領域が
除去される。そのため酸化物半導体膜１０７のチャネル形成領域においては窒素を多く含
む領域１１１を有さない構成とすることができる。また酸素供給可能な絶縁膜１０５の、
ソース電極１１３ａおよびドレイン電極１１３ｂと重畳しない領域は、窒素を多く含む領
域１１１を有さない構成とすることができる。

次に、酸化物半導体膜１０７、ソース電極１１３ａおよびドレイン電極１１３ｂ上にゲー
ト絶縁膜１１５およびゲート電極１１７を形成する（図４（Ｃ）参照）。このようにして
、トランジスタ２０１を有する半導体装置を作製することができる。

（実施の形態３）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る実施の形態１と異なる半導体装置、より具体的
には酸化物半導体とそれ以外の半導体材料（たとえば単結晶シリコン）を組み合わせた半
導体装置の構成例について、図５および図６を参照して説明する。

まず、トランジスタ３０１およびトランジスタ３０２上にトランジスタ２０１を有する半
導体装置について、図５に示す断面図を参照して説明する。

トランジスタ３０１およびトランジスタ３０２は、酸化物半導体以外の半導体材料を用い
たトランジスタである。酸化物半導体以外の半導体材料としては、シリコン（非晶質シリ
コン、多結晶シリコン、微結晶シリコン等）、炭化シリコン、ゲルマニウムなどの単結晶
半導体、多結晶半導体、シリコンゲルマニウム、砒化ガリウム、リン化インジウムなどの
化合物半導体、有機半導体等を用いることができる。本実施の形態では、トランジスタ３
０１およびトランジスタ３０２について単結晶シリコンを用いたトランジスタとして説明
する。

トランジスタ３０１は、ｎチャネル型トランジスタであり、シリコン基板３１１上にｐウ
ェル３１５、ｐウェル３１５中に形成されたｎ^＋領域である一対のソース領域およびドレ
イン領域３２５、ゲート絶縁膜３１９、ゲート絶縁膜３１９上のゲート電極３２１を有す
る。ソース領域およびドレイン領域３２５の一方は電極３２９ｂと電気的に接続され、ソ
ース領域およびドレイン領域３２５の他方は電極３２９ａと電気的に接続されている。

トランジスタ３０２は、ｐチャネル型トランジスタであり、シリコン基板３１１上にｎウ
ェル３１７、ｎウェル３１７中に形成されたｐ^＋領域である一対のソース領域およびドレ
イン領域３２７、ゲート絶縁膜３１９、ゲート絶縁膜３１９上のゲート電極３２３を有す
る。ソース領域およびドレイン領域３２７の他方は電極３２９ｂと電気的に接続され、ソ
ース領域およびドレイン領域３２５の一方は電極３２９ｃと電気的に接続されている。

トランジスタ２０２は、図１（Ｂ）で説明した酸化物半導体を用いたトランジスタである
。導電層１０１は、電極３２９ｂと電気的に接続されている。

トランジスタ３０１のソース領域およびドレイン領域３２５の一方、トランジスタ３０２
のソース領域およびドレイン領域３２７の他方、並びに導電層１０１は電気的に接続され
ている。

トランジスタ３０１とトランジスタ３０２は１つのＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒ
ｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）として機能させることがで
きる。すなわち、シリコンを用いたＣＭＯＳのゲートに、酸化物半導体を用いたトランジ
スタのソース電極１１３ａが電気的に接続されているということができる。そのため、た
とえば単結晶シリコンを用いたトランジスタの移動度が高いという特徴と、酸化物半導体
を用いたトランジスタのオフ電流が極めて低いという特徴を併せ持った半導体装置とする
ことができる。

酸素は、酸化物半導体を用いたトランジスタに好影響を与えるのに対し、シリコンを用い
たトランジスタには悪影響を与える。また水素は、酸化物半導体を用いたトランジスタに
はドナーとして振る舞いオフ電流を増大させる等の悪影響を与えるのに対して、シリコン
を用いたトランジスタには好影響を与える。

そのためシリコンを用いたトランジスタ３０１およびトランジスタ３０２を有する層では
、トランジスタの周囲の絶縁膜３２８として水素を含む絶縁膜を用いることが好ましい。
しかし絶縁膜３２８に含まれる水素がトランジスタ２０２に達すると、トランジスタ２０
２に悪影響を与える恐れがある。

また酸化物半導体を用いたトランジスタを有する層では、加熱により酸素供給可能な絶縁
膜１０５を用いる。しかし加熱により酸素供給可能な絶縁膜１０５に含まれる酸素がトラ
ンジスタ３０１およびトランジスタ３０２に達すると、上記のような悪影響を与える恐れ
がある。

そこでシリコンを用いたトランジスタを有する層と、酸化物半導体を用いたトランジスタ
を有する層の間に、酸素および水素の拡散を抑制できる材料を含む絶縁膜１０４を設ける
ことが好ましい。酸素および水素の拡散を抑制できる材料としては、例えば酸化アルミニ
ウムが挙げられる。

絶縁膜１０４を設けることで、水素および酸素の拡散を防止することができる。これによ
り、トランジスタ３０１およびトランジスタ３０２、並びにトランジスタ２０１の信頼性
を向上させることができる。

また、酸化物半導体を用いたトランジスタを有する層の上にも、酸素および水素の拡散を
抑制できる材料を含む絶縁膜１２４を設けることが好ましい。絶縁膜１２４を設けること
で、外部からの水素、水等の不純物の侵入を防止することができる。これによりトランジ
スタ３０１およびトランジスタ３０２、並びにトランジスタ２０１の信頼性を向上させる
ことができる。

次に、トランジスタ５０１上に積層された複数のトランジスタ２０１を有する半導体装置
について、図６（Ａ）に示す上面図および図６（Ｂ）に示す断面図を参照して説明する。

トランジスタ５０１は、酸化物半導体以外の半導体材料を用いたトランジスタである。酸
化物半導体以外の半導体材料としては、トランジスタ３０１およびトランジスタ３０２と
同様の材料を用いることができる。本実施の形態では、トランジスタ５０１についてＳＯ
Ｉ（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いて形成された、単結晶シリ
コンを用いたトランジスタとして説明する。

複数のトランジスタ２０１（トランジスタ２０１＿１、トランジスタ２０１＿２、トラン
ジスタ２０１＿３）は、図１（Ａ）で説明した酸化物半導体を用いたトランジスタである
。

図６に示す半導体装置は、トランジスタ５０１を有する層４０１の上に、トランジスタ２
０１＿１を有する層４０３＿１、トランジスタ２０１＿２を有する層４０３＿２、トラン
ジスタ２０１＿３を有する層４０３＿３を有する。

図６（Ａ）は、トランジスタ２０１＿１を有する層４０３＿１の上面図である。トランジ
スタ２０１＿１は、絶縁膜４１３上に、ソース電極４１５ａ、ドレイン電極４１５ｂ、酸
化物半導体膜、ゲート絶縁膜、ゲート電極４０９を有する。

トランジスタ５０１、トランジスタ２０１＿１、トランジスタ２０１＿２およびトランジ
スタ２０１＿３は電気的に接続されている。

より具体的には、トランジスタ５０１のゲート電極は、トランジスタ２０１＿１のドレイ
ン電極４１５ｂ、トランジスタ２０１＿２のドレイン電極およびトランジスタ２０１＿３
のドレイン電極と電気的に接続されている。

ここで、トランジスタ２０１の酸化物半導体膜に接する絶縁膜４１３を、加熱により酸素
供給可能な絶縁膜とする。また絶縁膜４１３の、トランジスタ２０１のソース電極および
ドレイン電極との界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域を設ける。

また、トランジスタ５０１とトランジスタ２０１＿１の間に設けられる絶縁膜１０４は、
酸素および水素の拡散を抑制できる材料を含むことが好ましい。酸素および水素の拡散を
抑制できる材料を含む絶縁膜１０４を設けることで、トランジスタ５０１およびトランジ
スタ２０１の信頼性を向上させることができる。

図５および図６のように、酸化物半導体と、それ以外の半導体材料を組み合わせて用いる
ことで、それぞれの半導体材料の利点を併せ持った半導体装置とすることができる。また
複数のトランジスタを積層して用いることで、集積度の高い半導体装置とすることができ
る。

本実施の形態で示した半導体装置は、他の実施の形態で示した半導体装置と組み合わせて
用いることができる。

（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態１で説明した半導体装置を有する回路の例について、図７
を用いて説明する。

実施の形態１で説明した半導体装置、たとえば図２（Ｃ）で示した、ソース電極上に絶縁
膜を介して配線を設けることで容量素子を構成した半導体装置を用いて、記憶素子を構成
することが可能である。

図７（Ａ）に示す半導体装置は、トランジスタ６０１、トランジスタ６０２および容量素
子６０３を有する。

トランジスタ６０１のゲート電極は、トランジスタ６０２のソース電極またはドレイン電
極の一方および容量素子の電極の一方と電気的に接続されている。図７（Ａ）に示す半導
体装置は、トランジスタ６０１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
、記憶素子として用いることができる。

トランジスタ６０１は、酸化物半導体以外の半導体材料を用いたトランジスタである。酸
化物半導体以外の半導体材料としては、トランジスタ３０１およびトランジスタ３０２と
同様の材料を用いることができる。本実施の形態では、トランジスタ５０１についてＳＯ
Ｉ（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いて形成された、単結晶シリ
コンを用いたトランジスタとして説明する。

トランジスタ６０２および容量素子６０３としては、実施の形態１の図２（Ｃ）で示した
トランジスタ２０７および容量素子２０８を用いることができる。

なお図７（Ａ）ではトランジスタ６０１としてｐチャネル型のトランジスタを適用してい
るが、ｎチャネル型トランジスタとｐチャネル型トランジスタのどちらを用いても構わな
い。単結晶シリコンを用いたトランジスタ６０１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６０２は酸化物半導体を用いたトランジスタであり、オフ電流を極めて小さ
くすることができるため、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。

また実施の形態１で説明した半導体装置、たとえば図１（Ｂ）で示したバックゲートを有
する酸化物半導体を用いたトランジスタ２０２を用いて、論理回路を構成することが可能
である。

図７（Ｂ−１）、（Ｂ−２）、（Ｃ−１）および（Ｃ−２）において、入力信号Ａ、入力
信号Ｂ、出力信号Ｘについて”０”を低電位、”１”を高電位とし、バックゲート電位Ｖ
ｂｇをたとえば接地電位とする。各信号および電位の入出力端子は、各信号および電位と
同じ符号で示す。

このとき、図７（Ｂ−１）はＯＲ回路、図７（Ｂ−２）はＮＯＲ回路、図７（Ｃ−１）は
ＡＮＤ回路、図７（Ｃ−２）は、ＮＡＮＤ回路として機能させることができる。

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５）
本実施の形態では、実施の形態１で説明した半導体装置を有する表示装置について説明す
る。
＜ＥＬ素子を用いた表示装置の例＞
まず図８および図９を用いて、ＥＬ素子を用いた表示装置の例について説明する。

図８（Ａ）に、トランジスタ７１６および容量素子７１８を有する、ＥＬ素子を用いた画
素の断面図を示す。トランジスタ７１６には、たとえば図１（Ｂ）で説明したトランジス
タを用いることができる。

トランジスタ７１６および容量素子７１８上には、トランジスタ７１６のソース電極また
はドレイン電極に達する開口部を有する平坦化絶縁膜７８０が設けられる。

平坦化絶縁膜７８０上には、アノード７８１が設けられる。アノード７８１は、平坦化絶
縁膜７８０の有する開口部でトランジスタ７１６のソース電極と接する。

アノード７８１上には、アノード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アノード７８１と接する発光層７８
２が設けられる。

発光層７８２上には、カソード７８３が設けられる。

アノード７８１、発光層７８２およびカソード７８３の重畳する領域が、有機ＥＬ素子７
１９となる。

発光層７８２は、一層に限定されず、複数種の発光材料などを積層して設けてもよい。例
えば、図８（Ｂ）に示すような構造とすればよい。図８（Ｂ）は、中間層７８５ａ、発光
層７８６ａ、中間層７８５ｂ、発光層７８６ｂ、中間層７８５ｃ、発光層７８６ｃおよび
中間層７８５ｄの順番で積層した構造である。このとき、第１の発光層７８６ａ、発光層
７８６ｂおよび発光層７８６ｃに適切な発光色の材料を用いると演色性の高い、または発
光効率の高い、有機ＥＬ素子７１９を形成することができる。

発光材料を複数種積層して設けることで、白色光を得てもよい。図８（Ａ）には示さない
が、白色光を、着色層を介して取り出す構造としても構わない。

ここでは発光層７８２を３層および中間層を４層設けた構造を示しているが、これに限定
されるものではなく、適宜発光層の数および中間層の数を変更することができる。例えば
、中間層７８５ａ、発光層７８６ａ、中間層７８５ｂ、発光層７８６ｂおよび中間層７８
５ｃのみで構成することもできる。また、中間層７８５ａ、発光層７８６ａ、中間層７８
５ｂ、発光層７８６ｂ、発光層７８６ｃおよび中間層７８５ｄで構成し、中間層７８５ｃ
を省いた構造としても構わない。

また、中間層は、正孔注入層、正孔輸送層、電子輸送層および電子注入層などを積層構造
で用いることができる。なお、中間層は、これらの層を全て備えなくてもよい。これらの
層は適宜選択して設ければよい。なお、同様の機能を有する層を重複して設けてもよい。
また、中間層としてキャリア発生層のほか、電子リレー層などを適宜加えてもよい。

アノード７８１は、可視光透過性を有する導電膜を用いればよい。可視光透過性を有する
とは、可視光領域（例えば４００ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲）における平均の透過率が
７０％以上、特に８０％以上であることをいう。

アノード７８１としては、例えば、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｗ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｓｎ系酸化物膜、
Ｉｎ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ系酸化物膜、Ｚｎ系酸化物膜およびＳｎ系酸化物膜などの酸
化物膜を用いればよい。また、前述の酸化物膜は、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｂ、Ｆなどが微量添加
されてもよい。また、光を透過する程度の金属薄膜（好ましくは、５ｎｍ〜３０ｎｍ程度
）を用いることもできる。例えば５ｎｍの膜厚を有するＡｇ膜、Ｍｇ膜またはＡｇ−Ｍｇ
合金膜を用いてもよい。

または、アノード７８１は、可視光を効率よく反射する膜が好ましい。アノード７８１は
、例えば、リチウム、アルミニウム、チタン、マグネシウム、ランタン、銀、シリコンま
たはニッケルを含む膜を用いればよい。

カソード７８３は、アノード７８１として示した膜から選択して用いることができる。た
だし、アノード７８１が可視光透過性を有する場合は、カソード７８３が可視光を効率よ
く反射すると好ましい。また、アノード７８１が可視光を効率よく反射する場合は、カソ
ード７８３が可視光透過性を有すると好ましい。

なお、アノード７８１およびカソード７８３を図８（Ａ）に示す構造で設けているが、ア
ノード７８１とカソード７８３を入れ替えても構わない。アノードとして機能する電極に
は、仕事関数の大きい材料を用いることが好ましく、カソードとして機能する電極には仕
事関数の小さい材料を用いることが好ましい。ただし、アノードと接してキャリア発生層
を設ける場合には、仕事関数を考慮せずに様々な導電性材料を陽極に用いることができる
。

有機ＥＬ素子７１９と接続するトランジスタ７１６は、電気的特性のばらつきが小さいた
め、表示装置の表示品質を高めることができる。

＜液晶素子を用いた表示装置の例＞
図８では、表示素子として有機ＥＬ素子を用いた表示装置について詳細に示したが、これ
に限らない。例えば、表示素子として、液晶素子を用いた表示装置に本実施の形態を適用
することは、当業者であれば容易に想到しうるものである。

具体的な例として、液晶素子を用いた表示装置に適用可能な画素の構成について、図９を
用いて以下に説明する。

図９（Ａ）は、液晶素子を用いた表示装置の画素の構成例を示す回路図である。図９（Ａ
）に示す画素７５０は、トランジスタ７５１と、容量素子７５２と、一対の電極間に液晶
材料の充填された素子（以下液晶素子ともいう）７５３とを有する。

ここで、トランジスタ７５１に、たとえば図１（Ｂ）で説明したトランジスタを適用する
ことができる。先の実施の形態で示したトランジスタを適用することで、画素７５０が有
する回路の消費電力を低減し、集積度を向上させることができる。

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。

容量素子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、上述の容量素子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。

図９（Ｂ）に、画素７５０の断面のうちトランジスタ７５１および容量素子７５２を含む
部分を示す。

トランジスタ７５１および容量素子７５２上には、トランジスタ７５１のソース電極また
はドレイン電極に達する開口部を有する平坦化絶縁膜７９０が設けられる。

平坦化絶縁膜７９０上には、電極７９１が設けられる。電極７９１は、平坦化絶縁膜７９
０の有する開口部でトランジスタ７５１のソース電極と接する。

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。

液晶層７９３は、サーモトロピック液晶、低分子液晶、高分子液晶、高分子分散型液晶、
強誘電性液晶、反強誘電性液晶などを用いればよい。これらの液晶材料は、条件により、
コレステリック相、スメクチック相、キュービック相、カイラルネマチック相、等方相な
どを示す。

なお、液晶層７９３として、ブルー相を示す液晶材料を用いてもよい。その場合、配向膜
として機能する絶縁膜７９２、７９４を設けない構成とすることができる。

電極７９１は、可視光透過性を有する導電膜を用いればよい。

電極７９１としては、例えば、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｗ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｓｎ系酸化物膜、Ｉｎ
−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ系酸化物膜、Ｚｎ系酸化物膜およびＳｎ系酸化物膜などの酸化物
膜を用いればよい。また、前述の酸化物膜は、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｂ、Ｆなどが微量添加され
てもよい。また、光を透過する程度の金属薄膜（好ましくは、５ｎｍ〜３０ｎｍ程度）を
用いることもできる。

または、電極７９１は、可視光を効率よく反射する膜が好ましい。電極７９１は、例えば
、アルミニウム、チタン、クロム、銅、モリブデン、銀、タンタルまたはタングステンを
含む膜を用いればよい。

電極７９６は、電極７９１として示した膜から選択して用いることができる。ただし、電
極７９１が可視光透過性を有する場合は、電極７９６が可視光を効率よく反射すると好ま
しい。また、電極７９１が可視光を効率よく反射する場合は、電極７９６が可視光透過性
を有すると好ましい。

なお、電極７９１および電極７９６を図９（Ｂ）に示す構造で設けているが、電極７９１
と電極７９６を入れ替えても構わない。

絶縁膜７９２、７９４は、有機化合物材料または無機化合物材料から選択して用いればよ
い。

スペーサ７９５は、有機化合物材料または無機化合物材料から選択して用いればよい。な
お、スペーサ７９５の形状は、柱状、球状など様々にとることができる。

液晶素子７５３と接続するトランジスタ７５１は、電気的特性のばらつきが小さいため、
表示装置の表示品質を高めることができる。

電極７９１、絶縁膜７９２、液晶層７９３、絶縁膜７９４および電極７９６の重畳する領
域が、液晶素子７５３となる。

基板７９７は、ガラス材料、樹脂材料または金属材料などを用いればよい。基板７９７は
可撓性を有してもよい。

トランジスタ７５１は、電気的特性のばらつきが小さいため、表示装置の表示品質を高め
ることができる。

本実施の形態に示したように、先の実施の形態で示したトランジスタを表示装置の一部に
適用することができる。当該トランジスタは電気的特性のばらつきが小さいため、表示装
置の表示品質を高めることができる。

（実施の形態６）
本実施の形態では、実施の形態１で説明した半導体装置を有するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ
ＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ（中央処理装置、又は中央演算処理装置））の構成に
ついて説明する。

図１０に、本実施の形態のＣＰＵの構成を示す。図１０に示すＣＰＵは、基板８００上に
、ＡＬＵ８０１、ＡＬＵ・Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ８０２、Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ・Ｄｅ
ｃｏｄｅｒ８０３、Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ・Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ８０４、Ｔｉｍｉｎｇ・
Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ８０５、Ｒｅｇｉｓｔｅｒ８０６、Ｒｅｇｉｓｔｅｒ・Ｃｏｎｔｒ
ｏｌｌｅｒ８０７、Ｂｕｓ・Ｉ／Ｆ８０８、書き換え可能なＲＯＭ８０９、ＲＯＭ・Ｉ／
Ｆ８２０と、を主に有している。なお、ＡＬＵはＡｒｉｔｈｍｅｔｉｃｌｏｇｉｃｕ
ｎｉｔであり、Ｂｕｓ・Ｉ／Ｆはバスインターフェースであり、ＲＯＭ・Ｉ／ＦはＲＯＭ
インターフェースである。ＲＯＭ８０９及びＲＯＭ・Ｉ／Ｆ８２０は、別チップに設けて
も良い。勿論、図１０に示すＣＰＵは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際
のＣＰＵはその用途によって多種多様な構成を有している。

Ｂｕｓ・Ｉ／Ｆ８０８を介してＣＰＵに入力された命令は、Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ・Ｄ
ｅｃｏｄｅｒ８０３に入力され、デコードされた後、ＡＬＵ・Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ８０
２、Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ・Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ８０４、Ｒｅｇｉｓｔｅｒ・Ｃｏｎｔｒ
ｏｌｌｅｒ８０７、Ｔｉｍｉｎｇ・Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ８０５に入力される。

ＡＬＵ・Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ８０２、Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ・Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ８０
４、Ｒｅｇｉｓｔｅｒ・Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ８０７、Ｔｉｍｉｎｇ・Ｃｏｎｔｒｏｌｌ
ｅｒ８０５は、デコードされた命令に基づき、各種制御を行なう。具体的にＡＬＵ・Ｃｏ
ｎｔｒｏｌｌｅｒ８０２は、ＡＬＵ８０１の動作を制御するための信号を生成する。また
、Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ・Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ８０４は、ＣＰＵのプログラム実行中に、
外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク状態から判断
し、処理する。Ｒｅｇｉｓｔｅｒ・Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ８０７は、Ｒｅｇｉｓｔｅｒ８
０６のアドレスを生成し、ＣＰＵの状態に応じてＲｅｇｉｓｔｅｒ８０６の読み出しや書
き込みを行なう。

またＴｉｍｉｎｇ・Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ８０５は、ＡＬＵ８０１、ＡＬＵ・Ｃｏｎｔｒ
ｏｌｌｅｒ８０２、Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ・Ｄｅｃｏｄｅｒ８０３、Ｉｎｔｅｒｒｕｐ
ｔ・Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ８０４、Ｒｅｇｉｓｔｅｒ・Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ８０７の動
作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばＴｉｍｉｎｇ・Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
８０５は、基準クロック信号ＣＬＫ１を元に、内部クロック信号ＣＬＫ２を生成する内部
クロック生成部を備えており、クロック信号ＣＬＫ２を上記各種回路に供給する。

本実施の形態のＣＰＵでは、Ｒｅｇｉｓｔｅｒ８０６に、上記実施の形態で示した構成を
有する記憶装置が設けられている。実施の形態で示した構成を有する記憶装置は不揮発性
記憶装置であるため、ＣＰＵの動作を停止し、電源電圧の供給を停止した場合においても
データを保持することが可能であり、消費電力の低減を行うことができる。具体的には、
例えば、パーソナルコンピュータのユーザーが、キーボードなどの入力装置への情報の入
力を停止している間でも、ＣＰＵを停止することができ、それにより消費電力を低減する
ことができる。

本実施の形態では、ＣＰＵを例に挙げて説明したが、本発明の信号処理回路はＣＰＵに限
定されず、マイクロプロセッサ、画像処理回路、ＤＳＰ、ＦＰＧＡ等のＬＳＩにも応用可
能である。

本実施の形態は、他の実施の形態と組み合わせて実施することが可能である。

（実施の形態７）
本実施の形態では、上述の実施の形態で説明した半導体装置を電子機器に適用する場合に
ついて、図１１を用いて説明する。本実施の形態では、コンピュータ、携帯電話機（携帯
電話、携帯電話装置ともいう）、携帯情報端末（携帯型ゲーム機、音響再生装置なども含
む）、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、電子ペーパー、テレビジョン装置（テレ
ビ、またはテレビジョン受信機ともいう）などの電子機器に、上述の半導体装置を適用す
る場合について説明する。

図１１（Ａ）は、ノート型のパーソナルコンピュータであり、筐体９０１、筐体９０２、
表示部９０３、キーボード９０４などによって構成されている。筐体９０１と筐体９０２
の内部には、電子回路が設けられており、電子回路には、先の実施の形態に示す半導体装
置が設けられている。そのため小型でコストが低く、信頼性の高いノート型のパーソナル
コンピュータが実現される。

図１１（Ｂ）は、タブレット型端末９１０である。タブレット型端末９１０は、表示部９
１２を有する筐体９１１と、表示部９１４を有する筐体９１３と、操作ボタン９１５を有
する。また、タブレット型端末９１０を操作するスタイラス９１７などを備えている。筐
体９１１と筐体９１３の内部には、電子回路が設けられており、電子回路には、先の実施
の形態に示す半導体装置が設けられている。そのため小型でコストが低く、信頼性の高い
携帯情報端末が実現される。

図１１（Ｃ）は、電子ペーパーを実装した電子書籍９２０であり、筐体９２１と筐体９２
３の２つの筐体で構成されている。筐体９２１および筐体９２３には、それぞれ表示部９
２５および表示部９２７が設けられている。筐体９２１と筐体９２３は、軸部９３７によ
り接続されており、該軸部９３７を軸として開閉動作を行うことができる。また、筐体９
２１は、電源９３１、操作キー９３３、スピーカー９３５などを備えている。筐体９２１
、筐体９２３の少なくとも一つの内部には、メモリ回路が設けられており、メモリ回路に
は、先の実施の形態に示す半導体装置が設けられている。そのため小型でコストが低く、
信頼性の高い電子書籍が実現される。

図１１（Ｄ）は、携帯電話機であり、筐体９４０と筐体９４１の２つの筐体で構成されて
いる。さらに、筐体９４０と筐体９４１は、スライドし、図１１（Ｄ）のように展開して
いる状態から重なり合った状態とすることができ、携帯に適した小型化が可能である。ま
た、筐体９４１は、表示パネル９４２、スピーカー９４３、マイクロフォン９４４、操作
キー９４５、ポインティングデバイス９４６、カメラ用レンズ９４７、外部接続端子９４
８などを備えている。また、筐体９４０は、携帯電話機の充電を行う太陽電池セル９４９
、外部メモリスロット９５０などを備えている。また、アンテナは、筐体９４１に内蔵さ
れている。筐体９４０と筐体９４１の少なくとも一つの内部には、電子回路が設けられて
おり、電子回路には、先の実施の形態に示す半導体装置が設けられている。そのため小型
でコストが低く、信頼性の高い携帯電話機が実現される。

図１１（Ｅ）は、デジタルカメラであり、本体９６１、表示部９６７、接眼部９６３、操
作スイッチ９６４、表示部９６５、バッテリー９６６などによって構成されている。本体
９６１内部には、電子回路が設けられており、電子回路には、先の実施の形態に示す半導
体装置が設けられている。そのため小型でコストが低く、信頼性の高いデジタルカメラが
実現される。

図１１（Ｆ）は、テレビジョン装置９７０であり、筐体９７１、表示部９７３、スタンド
９７５などで構成されている。テレビジョン装置９７０の操作は、筐体９７１が備えるス
イッチや、リモコン操作機９８０により行うことができる。筐体９７１およびリモコン操
作機９８０の内部には、電子回路が設けられており、電子回路には、先の実施の形態に示
す半導体装置が搭載されている。そのため小型でコストが低く、信頼性の高いテレビジョ
ン装置が実現される。

以上のように、本実施の形態に示す電子機器には、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、小型でコストが低、信頼性の高い電子機器が実現される。

本実施例では、酸化シリコン膜に窒化処理を行い、該酸化シリコン膜中の窒素、酸素およ
びシリコンの濃度を測定した。

＜サンプル作製条件＞
まず１２６．６ｍｍ角のｎ型のシリコン基板上に、酸化シリコン膜を形成した。酸化シリ
コン膜はシリコン基板を、高密度プラズマ装置を用いて酸化することで形成した。

次に酸化シリコン膜に窒化処理を行った。窒化処理としては、高密度プラズマ装置による
窒素プラズマを用いた処理を適用した。

ガス流量比Ａｒ：Ｎ_２＝５：１（体積比）、圧力４０Ｐａの条件で窒化処理を行ったサン
プルを、サンプルＡとした。ガス流量比Ａｒ：Ｎ_２：Ｈ_２＝５０：１０：１（体積比）、
圧力４０Ｐａの条件で窒化処理を行ったサンプルを、サンプルＢとした。

＜測定結果＞
サンプルＡおよびサンプルＢについて、ＸＰＳを用いて該酸化シリコン膜中の窒素、酸素
およびシリコンの差分デプスプロファイルを得た。サンプルＡのプロファイルを図１２（
Ａ）、サンプルＢのプロファイルを図１２（Ｂ）に示す。

図１２（Ａ）に示すように、サンプルＡでは最表面の窒素濃度は３０ａｔｏｍｉｃ％程度
であり、最表面から表面近傍１ｎｍ程度にかけて４３ａｔｏｍｉｃ％程度まで上昇してい
た。１ｎｍ以降は表面近傍から内部に向かって連続的に窒素濃度が減少し、深さ７ｎｍで
は１ａｔｏｍｉｃ％程度となった。

サンプルＡの酸素濃度は窒素とほぼ対照的なプロファイルを示した。最表面の酸素濃度は
４０ａｔｏｍｉｃ％程度であり、最表面から表面近傍１ｎｍ程度にかけて２０ａｔｏｍｉ
ｃ％程度まで減少していた。１ｎｍ以降は表面近傍から内部に向かって連続的に酸素濃度
が増加し、深さ７ｎｍでは７０ａｔｏｍｉｃ％以上となった。最表面の酸素濃度が高くな
ったのは、自然酸化または測定誤差等によるものと考えられる。

図１２（Ｂ）に示すように、サンプルＢでは最表面の窒素濃度は４８ａｔｏｍｉｃ％程度
であり、最表面から内部に向かって連続的に窒素濃度が減少し、深さ７ｎｍでは１ａｔｏ
ｍｉｃ％以下となった。

サンプルＢでも酸素濃度は窒素とほぼ対照的なプロファイルを示した。最表面の酸素濃度
は２５ａｔｏｍｉｃ％程度であり、表面近傍から内部に向かって連続的に酸素濃度が増加
し、深さ７ｎｍでは７０ａｔｏｍｉｃ％以上となった。

本実施例より、窒化処理を行った酸化シリコンは、表面近傍から内部に向かって窒素が連
続的に減少することが明らかとなった。

１０１導電層
１０３絶縁層
１０４絶縁膜
１０５絶縁膜
１０７酸化物半導体膜
１０７ａチャネル形成領域
１０７ｂ低抵抗領域
１０８マスク
１０９コンタクトホール
１１１領域
１１３導電層
１１３ａソース電極
１１３ｂドレイン電極
１１５ゲート絶縁膜
１１７ゲート電極
１１９導電層
１２１導電層
１２３絶縁膜
１２４絶縁膜
２０１トランジスタ
２０１＿１トランジスタ
２０１＿２トランジスタ
２０１＿３トランジスタ
２０２トランジスタ
２０３トランジスタ
２０４トランジスタ
２０５トランジスタ
２０６トランジスタ
２０７トランジスタ
２０８容量素子
３０１トランジスタ
３０２トランジスタ
３１１シリコン基板
３１５ｐウェル
３１７ｎウェル
３１９ゲート絶縁膜
３２１ゲート電極
３２３ゲート電極
３２５ソース領域およびドレイン領域
３２７ソース領域およびドレイン領域
３２８絶縁膜
３２９ａ電極
３２９ｂ電極
３２９ｃ電極
４１５ａソース電極
４１５ｂドレイン電極
４０９ゲート電極
４１３絶縁膜
５０１トランジスタ
６０１トランジスタ
６０２トランジスタ
６０３容量素子
７１６トランジスタ
７１８容量素子
７１９有機ＥＬ素子
７５０画素
７５１トランジスタ
７５２容量素子
７５３液晶素子
７５４走査線
７５５信号線
７８０平坦化絶縁膜
７８１アノード
７８２発光層
７８３カソード
７８４隔壁
７８５ａ中間層
７８５ｂ中間層
７８５ｃ中間層
７８５ｄ中間層
７８６ａ発光層
７８６ｂ発光層
７８６ｃ発光層
７９０平坦化絶縁膜
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
８００基板
８０１ＡＬＵ
８０２ＡＬＵ・Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
８０３Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ・Ｄｅｃｏｄｅｒ
８０４Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ・Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
８０５Ｔｉｍｉｎｇ・Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
８０６Ｒｅｇｉｓｔｅｒ
８０７Ｒｅｇｉｓｔｅｒ・Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
８０８Ｂｕｓ・Ｉ／Ｆ
８２０ＲＯＭ・Ｉ／Ｆ
８０９ＲＯＭ
９０１筐体
９０２筐体
９０３表示部
９０４キーボード
９１０タブレット型端末
９１１筐体
９１２表示部
９１３筐体
９１４表示部
９１５操作ボタン
９１７スタイラス
９２０電子書籍
９２１筐体
９２３筐体
９２５表示部
９２７表示部
９３１電源
９３３操作キー
９３５スピーカー
９３７軸部
９４０筐体
９４１筐体
９４２表示パネル
９４３スピーカー
９４４マイクロフォン
９４５操作キー
９４６ポインティングデバイス
９４７カメラ用レンズ
９４８外部接続端子
９４９太陽電池セル
９５０外部メモリスロット
９６１本体
９６３接眼部
９６４操作スイッチ
９６５表示部
９６６バッテリー
９６７表示部
９７０テレビジョン装置
９７１筐体
９７３表示部
９７５スタンド
９８０リモコン操作機

Claims

絶縁膜と、
前記絶縁膜に接する酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜に電気的に接続される導電層と、を有し、
前記絶縁膜は、昇温脱離ガス分光法の分析において、酸素の脱離量が、酸素原子に換算して１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である膜であり、
前記導電層は、前記絶縁膜が有するコンタクトホールの側面と接する領域を有し、
前記絶縁膜は、前記コンタクトホールの側面近傍に、窒素を含む領域を有する半導体装置。
絶縁膜と、
前記絶縁膜に接する酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜に電気的に接続される導電層と、を有し、
前記絶縁膜は、昇温脱離ガス分光法の分析において、酸素の脱離量が、酸素原子に換算して１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である膜であり、
前記導電層は、前記絶縁膜が有するコンタクトホールの側面と接する領域を有し、
前記絶縁膜は、前記コンタクトホールの側面近傍に、窒素を含む領域を有し、
前記窒素を含む領域は、前記コンタクトホールの側面から離れるに従い、窒素濃度が連続的に減少する半導体装置。