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JP2011243973A - 半導体装置の作製方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】酸化物半導体を用いた半導体装置に安定した電気的特性を付与し、高信頼性化することを目的の一とする。
【解決手段】酸化物半導体膜を有するボトムゲート構造のトランジスタの作製工程において、熱処理による脱水化または脱水素化処理、及び酸素ドープ処理を行う。酸素ドープ処理されたゲート絶縁膜、熱処理による脱水化または脱水素化処理された酸化物半導体膜を有するトランジスタは、バイアス−熱ストレス試験（ＢＴ試験）前後においてもトランジスタのしきい値電圧の変化量が低減できており、信頼性の高いトランジスタとすることができる。
【選択図】図１

Description

半導体装置及び半導体装置の作製方法に関する。
なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指し、電気光学装置、半導体回路および電子機器は全て半導体装置である。
絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（表示装置）のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。
例えば、トランジスタの活性層として、電子キャリア濃度が１０１８／ｃｍ３未満であるインジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び亜鉛（Ｚｎ）を含む非晶質酸化物を用いたトランジスタが開示されている（特許文献１参照。）。
特開２００６−１６５５２８号公報
しかし、酸化物半導体はデバイス作製工程において、電子供与体を形成する水素や水分の混入などが生じると、その電気伝導度が変化する恐れがある。このような現象は、酸化物半導体を用いたトランジスタにとって電気的特性の変動要因となる。
このような問題に鑑み、酸化物半導体を用いた半導体装置に安定した電気的特性を付与し、高信頼性化することを目的の一とする。
酸化物半導体膜を有するトランジスタの作製工程において、熱処理による脱水化または脱水素化処理、及び酸素ドープ処理を行う。本明細書に開示する発明においては、酸素ドープ処理を少なくともゲート絶縁膜に行う。
本明細書で開示する発明の構成の一形態は、ゲート電極層を形成し、ゲート電極層上にゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜に酸素ドープ処理を行って、ゲート絶縁膜に酸素原子を供給し、ゲート絶縁膜上のゲート電極層と重畳する領域に酸化物半導体膜を形成し、酸化物半導体膜に熱処理を行って、酸化物半導体膜中の水素原子を除去し、酸化物半導体膜と電気的に接続するソース電極層及びドレイン電極層を形成し、酸化物半導体膜、ソース電極層及びドレイン電極層上に酸化物半導体膜に接して絶縁膜を形成する半導体装置の作製方法である。
なお、上記の「酸素ドープ」とは、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）をバルクに添加することを言う。なお、当該「バルク」の用語は、酸素を、薄膜表面のみでなく薄膜内部に添加することを明確にする趣旨で用いている。また、「酸素ドープ」には、プラズマ化した酸素をバルクに添加する「酸素プラズマドープ」が含まれる。
酸化物半導体膜を有するトランジスタの作製工程において、酸素ドープ処理を行うことによって、積層するゲート絶縁膜の膜中（バルク中）、酸化物半導体膜の膜中（バルク中）、絶縁膜の膜中（バルク中）、ゲート絶縁膜と酸化物半導体膜の界面、酸化物半導体膜と絶縁膜との界面において、少なくとも１ヶ所以上、該膜の化学量論比をこえる酸素が存在する酸素過剰領域を設けることができる。酸素の量は好ましくは化学量論比の１倍を超えて４倍まで（４倍未満）、より好ましくは、１倍を超えて２倍まで（２倍未満）である。化学量論比を超える酸素過剰な酸化物とは、例えば、ＩｎａＧａｂＺｎｃＳｉｄＡｌｅＭｇｆＯｇ（ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ≧０（ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇは０以上））で表される酸化物の場合、２ｇ＞３ａ＋３ｂ＋２ｃ＋４ｄ＋３ｅ＋２ｆ（ｇは１．５ａ＋１．５ｂ＋ｃ＋２ｄ＋１．５ｅ＋ｆより大きい）、である。なお、酸素ドープ処理によって添加された酸素は、酸化物半導体の格子間に存在する場合もある。
また、上記酸素過剰領域を、積層するゲート絶縁膜、酸化物半導体膜、及び絶縁膜において２ヶ所以上に設けてもよい。例えば作製工程において、酸素ドープ処理を行うことによって、ゲート絶縁膜と酸化物半導体膜の界面、酸化物半導体膜の膜中（バルク中）、及び酸化物半導体膜と絶縁膜との界面にそれぞれ酸素過剰領域を設けることができる。
なお、欠陥（酸素欠損）のない酸化物半導体であれば、化学量論比に一致した量の酸素が含まれていれば良いが、トランジスタのしきい値電圧の変動を抑えるなどの信頼性を確保するためには、酸化物半導体には、化学量論比を超える量の酸素が含まれていることが好ましい。同様に、欠陥（酸素欠損）のない酸化物半導体であれば、下地膜を酸素過剰の絶縁膜とする必要はないが、トランジスタのしきい値電圧の変動を抑えるなどの信頼性を確保するためには、酸化物半導体層に酸素欠損の状態は生じ得ることを考慮して、下地膜を酸素過剰の絶縁膜とすることが好ましい。
また、酸化物半導体膜には熱処理による脱水化または脱水素化処理を行い、酸化物半導体膜中の水素原子または水などの水素原子を含む不純物を除去し、酸化物半導体膜を高純度化する。なお、酸素ドープ処理により添加される酸素の量は、脱水化または脱水素化処理により高純度化された酸化物半導体膜中の水素の量より多くなるようにする。上記積層するゲート絶縁膜、酸化物半導体膜、及び絶縁膜の少なくとも一部において酸素が多ければ、それが拡散し、他の不安定要素の原因の水素と反応することにより水素を固定（非可動イオン化）する。すなわち、信頼性上の不安定性を減らす（又は十分に低減する）ことができる。また、酸素を過剰とすることで酸素欠損に起因するしきい値電圧Ｖｔｈのばらつき、しきい値電圧のシフトΔＶｔｈを低減することができる。
ここで、上述の「酸素プラズマドープ」処理によって、バルク中に酸素が添加される様子を示す。なお、酸素を一成分として含む酸化物半導体膜中に酸素ドープ処理を行う場合、一般に、酸素濃度の増減を確認することは困難である。よって、ここでは、シリコンウエハを用いて、酸素ドープ処理の効果を確認した。
酸素ドープ処理は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）方式を用いて行った。その条件は、ＩＣＰ電力８００Ｗ、ＲＦバイアス電力３００Ｗまたは０Ｗ、圧力１．５Ｐａ、酸素ガス流量７５ｓｃｃｍ、基板温度７０℃である。図１５に、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）分析によるシリコンウエハの深さ方向の酸素濃度プロファイルを示す。図１５において、縦軸は酸素濃度を示し、横軸はシリコンウエハ表面からの深さを示す。
図１５より、ＲＦバイアス電力が０Ｗの場合および３００Ｗの場合のいずれにおいても、酸素が添加されていることが確認できる。また、ＲＦバイアス電力３００Ｗの場合は、ＲＦバイアス電力０Ｗの場合と比較して、酸素がより深く添加されることが確認できる。
次に、酸素ドープ処理を行う前と、酸素ドープを行った後のシリコンウエハの断面をＳＴＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）で観察した結果を図１６に示す。図１６（Ａ）は、酸素ドープ処理を行う前のＳＴＥＭ像であり、図１６（Ｂ）は、上述のＲＦバイアス電力３００Ｗの条件で酸素ドープ処理を行った後のＳＴＥＭ像である。図１６（Ｂ）に示すように、酸素ドープを行うことによって、シリコンウエハに酸素高ドープ領域が形成されていることが確認できる。
以上のように、シリコンウエハに対して酸素ドープを行うことで、シリコンウエハに酸素が添加されることが示された。この結果により、酸化物半導体膜に対して酸素ドープを行うことによっても、酸化物半導体膜に酸素を当然に添加できることが理解できる。
開示する発明の一態様である上述の構成の効果は、次のように考えると理解が容易である。ただし、以下の説明は、あくまでも一考察に過ぎないことを付記する。
ゲート電極にプラスの電圧を印加すると、酸化物半導体膜のゲート電極側からバックチャネル側（ゲート絶縁膜と反対側）へ電界が発生するため、酸化物半導体膜中に存在するプラスの電荷を有する水素イオンがバックチャネル側へ移動して、酸化物半導体膜と絶縁膜との界面のうち酸化物半導体膜側へと蓄積する。蓄積した水素イオンから絶縁膜中の電荷捕獲中心（水素原子、水、あるいは汚染物等）へプラスの電荷が移動することによって、酸化物半導体膜のバックチャネル側にはマイナスの電荷が蓄積される。すなわち、トランジスタのバックチャネル側に寄生チャネルが発生して、しきい値電圧がマイナス側にシフトし、トランジスタがノーマリーオンの傾向を示す。
上記の通り、絶縁膜中の水素または水等の電荷捕獲中心がプラスの電荷を捕獲し、絶縁膜中へプラスの電荷が移動することによってトランジスタの電気的特性が変動するため、トランジスタの電気的特性の変動を抑制するためには、絶縁膜中にこれらの電荷捕獲中心が存在しない、またはその含有量が少ないことが重要である。したがって、絶縁膜の成膜には、成膜時に水素含有量が少ないスパッタ法を用いるのが望ましい。スパッタ法により成膜された絶縁膜は、その膜中に電荷捕獲中心が存在しない、または少なく、ＣＶＤ法等によって成膜した場合と比較してプラスの電荷の移動がおきにくい。よって、トランジスタのしきい値電圧のシフトを抑制し、トランジスタをノーマリーオフとすることができる。
また、ゲート電極にマイナスの電圧を印加すると、バックチャネル側からゲート電極側へ電界が発生するため、酸化物半導体膜中に存在する水素イオンがゲート絶縁膜側へ移動して、酸化物半導体膜とゲート絶縁膜との界面のうち酸化物半導体膜側へと蓄積する。また、これによりトランジスタのしきい値電圧はマイナス側へシフトする。
なお、電圧を０として放置すると、電荷捕獲中心からプラスの電荷が解放され、トランジスタのしきい値電圧がプラス側へシフトして、初期状態に戻る、または、場合によっては初期状態よりもプラス側へシフトする。この現象は、酸化物半導体膜中に移動しやすいイオンが存在していることを示唆しており、最も小さい原子である水素が最も移動しやすいイオンとなると考察することができる。
なお、ボトムゲート型のトランジスタにおいては、ゲート絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成した後、熱処理を行うことで、酸化物半導体膜に含まれる水または水素を除去すると同時に、ゲート絶縁膜中に含まれる水または水素をも除去することができる。よって、ゲート絶縁膜中には、酸化物半導体膜中を移動してきたプラスの電荷を捕獲するための電荷捕獲中心が少ない。このように、酸化物半導体膜への脱水化または脱水素化のための熱処理は、酸化物半導体膜に加えて、酸化物半導体膜の下層に存在するゲート絶縁膜に対しても行われるため、ボトムゲート型のトランジスタにおいては、ゲート絶縁膜はプラズマＣＶＤ法等のＣＶＤ法を用いて成膜されていても構わない。
また、酸化物半導体膜が光を吸収することによって、光エネルギーによって酸化物半導体膜中の金属元素（Ｍ）と水素原子（Ｈ）との結合（Ｍ−Ｈ結合とも表記する）が切れる。なお、波長が４００ｎｍ前後の光エネルギーと、金属元素及び水素原子の結合エネルギーと、は概略一致している。酸化物半導体膜中の金属元素と水素原子との結合が切れたトランジスタに負のゲートバイアスを加えると、金属元素から脱離した水素イオンがゲート電極側に引き寄せられるため電荷の分布が変化し、トランジスタのしきい値電圧はマイナス側にシフトして、ノーマリーオンの傾向を示す。
なお、トランジスタへの光照射と負のゲートバイアスの印加によってゲート絶縁膜界面に移動した水素イオンは、電圧の印加を停止すると元に戻る。これは、酸化物半導体膜中のイオンの移動の代表的な例として理解できる。
このような、電圧印加による電気的特性の変動（ＢＴ劣化）または光照射による電気的特性の変動（光劣化）への対策は、酸化物半導体膜から水素原子または水などの水素原子を含む不純物を徹底的に排除し、酸化物半導体膜を高純度化することが最も重要である。電荷密度が１０１５ｃｍ−３、つまり、単位面積あたりの電荷が１０１０ｃｍ−２の場合、その電荷はトランジスタ特性に影響しないまたは影響するとしてもごく僅かである。よって、電荷密度は１０１５ｃｍ−３以下であることが望ましい。仮に、酸化物半導体膜に含まれる水素のうち、１０％の水素が酸化物半導体膜中を移動する場合、水素の濃度は１０１６ｃｍ−３以下であることが望ましい。さらに、デバイス完成後に水素が外部より侵入するのを防ぐために、スパッタ法によって成膜した窒化シリコン膜をパッシベーション膜として用い、トランジスタを覆うのが好ましい。
さらに、酸化物半導体膜中に含まれる水素に対して、過剰な酸素をドープする（（水素原子の数）＜＜（酸素ラジカルの数）または、（酸素イオンの数）とする）ことで、酸化物半導体膜から水素または水を排除することができる。具体的には、高周波（ＲＦ）を用いて酸素をプラズマ化し、基板バイアスを大きくして、酸素ラジカル、酸素イオンを基板上の酸化物半導体膜へドープまたは添加し、酸化物半導体膜中では残存する水素よりも酸素を多くする。酸素の電気陰性度は３．０と、電気陰性度が約２．０である酸化物半導体膜中の金属（Ｚｎ、Ｇａ、Ｉｎ）よりも大きいため、水素に対して酸素を過剰に含有させることで、Ｍ−Ｈ結合（Ｍ−Ｈ基）より水素原子を奪い、ＯＨ基を形成する。なお、このＯＨ基は、Ｍと結合してＭ−Ｏ−Ｈ基を形成しうる。
なお、酸化物半導体膜の酸素の含有量が、化学量論比よりも過剰となるように酸素をドープするのがより好ましい。例えば、酸化物半導体膜としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体膜を用いる場合、理想的な単結晶の比率はＩｎＧａＺｎＯ４であるから、酸素のドープなどによってＯの値を、化学量論比の１倍を超えて２倍まで（２倍未満）とするのがより好ましい。よって、酸化物半導体膜において酸素の含有量は水素の含有量より大きくなる。
例えば、酸化物半導体膜としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体膜を用いる場合、酸素のドープなどによって酸素の比率を化学量論比の１倍を超えて２倍まで（２倍未満）とするのがより好ましい。例えば、理想的なＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体の単結晶の化学量論比はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏ＝１：１：１：４であるから、組成がＩｎＧａＺｎＯｘで表される酸化物半導体薄膜において、Ｘは４を超えて８未満とするのがより好ましい。
光エネルギーやＢＴストレスによって、Ｍ−Ｈ結合から水素イオンが脱離して劣化の原因となるが、上述のドープによって酸素を注入する場合、注入された酸素が水素イオンと結合してＯＨ基となる。ＯＨ基は、結合エネルギーが大きいため、トランジスタに光照射やＢＴストレスが加えられても水素イオンを放出せず、また、水素イオンより質量も大きいため、酸化物半導体膜中を移動しにくい。よって、酸素のドープに起因して形成されるＯＨ基は、トランジスタの劣化の原因にならないか、または劣化の原因を減らすことができる。
なお、酸化物半導体膜の膜厚を大きくする程、トランジスタのしきい値電圧のばらつきが大きくなる傾向が確認されている。これは、酸化物半導体膜中の酸素欠陥がしきい値電圧の変動の一因であり、膜厚が大きくなるほど酸素欠陥が増加するためと推測できる。本発明の一態様に係るトランジスタにおいて酸化物半導体膜に酸素をドープする工程は、酸化物半導体膜からの水素または水の排除のみでなく、膜中の酸素欠陥の補填に対しても有効である。よって、本発明の一態様に係るトランジスタは、しきい値電圧のばらつきも制御することができる。
また、酸化物半導体膜を挟んで、酸化物半導体膜と同種の成分でなる金属酸化物膜を設ける構成も、電気的特性の変動防止に効果的である。酸化物半導体膜と同種の成分でなる金属酸化物膜として、具体的には、酸化物半導体膜の構成元素（成分元素）から選択される一または複数の金属元素の酸化物を含む膜を用いるのが好ましい。このような材料は酸化物半導体膜との相性が良く、酸化物半導体膜を挟んで該金属酸化物膜を設けることで、酸化物半導体膜との界面の状態を良好に保つことができる。つまり、上述の材料を用いた金属酸化物膜を、酸化物半導体膜と接する絶縁膜として設けることで、該金属酸化物膜と酸化物半導体膜との界面及びその近傍への水素イオンの蓄積を抑制または防止することができる。したがって、酸化物半導体膜を挟んで、例えば酸化シリコン膜等の酸化物半導体膜とは異なる成分でなる絶縁膜を設けた場合と比較して、トランジスタのしきい値電圧に影響を与える酸化物半導体膜界面の水素濃度を十分に低減することができる。
なお、該金属酸化物膜としては、酸化ガリウム膜を用いるのが好ましい。酸化ガリウムは、バンドギャップ（Ｅｇ）が大きいので、酸化ガリウム膜によって酸化物半導体膜を挟むことで、酸化物半導体膜と金属酸化物膜との界面において、エネルギー障壁が形成され、その界面においてキャリアの移動は妨げられる。したがって、キャリアは酸化物半導体から金属酸化物に移動することなく、酸化物半導体膜中を移動する。一方、水素イオンは、酸化物半導体と金属酸化物との界面を通過して、金属酸化物と絶縁膜との界面付近に蓄積する。仮に絶縁膜との界面近傍に水素イオンが蓄積されたとしても、金属酸化物膜としての酸化ガリウム膜にはキャリアが流れうる寄生チャネルが形成されないため、トランジスタのしきい値電圧への影響を与えない、またはその影響が極めて少ない。なお、酸化ガリウムとＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料を接触させた場合のエネルギー障壁は、伝導帯側で約０．８ｅＶとなり、価電子帯側で約０．９ｅＶとなる。
開示する発明の一態様に係るトランジスタは、酸素ドープ処理によって、酸化物半導体膜に接するゲート絶縁膜中、酸化物半導体膜中、またはこれらの界面近傍の少なくともいずれか一に酸素の含有量を増大させることを技術思想とするものである。
酸化物半導体膜としてインジウムを含む酸化物半導体材料を用いる場合、インジウムと酸素の結合力は比較的弱いため、酸化物半導体膜に接するゲート絶縁膜にシリコン等のより酸素との結合力が強い材料が含まれる場合に、熱処理によって酸化物半導体膜中の酸素が引き抜かれてしまい、酸化物半導体膜の界面近傍に酸素欠損が形成される恐れがある。しかしながら、開示する発明の一態様に係るトランジスタは、酸化物半導体膜と接するゲート絶縁膜に過剰な酸素を供給することで、酸化物半導体膜からの酸素の引き抜きによる酸素欠損の形成を抑制することができる。
ここで、トランジスタの作製工程において酸素ドープ処理を行った後では、酸化物半導体膜または酸化物半導体膜に接するゲート絶縁膜に含有される、化学量論比より過剰な酸素の量が各層において異なる場合がある。過剰な酸素の量が異なる状態では、各層の酸素の化学ポテンシャルが異なり、化学ポテンシャルの相違はトランジスタの作製工程における熱処理等で、平衡状態へ近づく、または平衡状態となると考えられる。したがって、ゲート絶縁膜への酸素ドープ処理後には、熱処理を行うことがより好ましい。酸素ドープ処理後の熱処理によって、ゲート絶縁膜に過剰に供給された酸素を拡散させ、十分な量の酸素を酸化物半導体膜に供給することが可能である。以下では、平衡状態における酸素の分布について検討する。
ある温度Ｔ、圧力Ｐでの平衡状態とは、全系のギブスの自由エネルギーＧが最小となる状態であり、以下の式（１）で表される。
式（１）において、Ｇ（１）、Ｇ（２）、Ｇ（３）は、各層のギブスの自由エネルギーを表す。また、Ｎａ、Ｎｂ、Ｎｃは粒子数を表し、ａ、ｂ、ｃは粒子の種類を表す。粒子ａがｉ層からｊ層へδＮａ （ｊ）だけ移動した場合、ギブスの自由エネルギーの変化は、以下の式（２）のようになる。
ここでδＧが０、すなわち以下の式（３）が成り立つとき、系が平衡状態となる。
ギブスの自由エネルギーの粒子数微分は、化学ポテンシャルに相当するので、平衡状態において、粒子の化学ポテンシャルが全ての層で等しくなる。
つまり、具体的には、酸化物半導体膜と比較して該酸化物半導体膜と接するゲート絶縁膜に酸素が過剰に含まれている場合、酸化物半導体膜では酸素の化学ポテンシャルが相対的に小さく、ゲート絶縁膜では化学ポテンシャルが相対的に大きい状態となっている。
そして、トランジスタの作製工程において熱処理を行うことにより、系全体（ここでは、酸化物半導体膜と、それに接するゲート絶縁膜）が十分高温になり、原子の層内及び層間の拡散が起こるようになると、化学ポテンシャルが同じになるように酸素の移動が起こる。すなわち、ゲート絶縁膜の酸素が酸化物半導体膜に移動することで、ゲート絶縁膜の化学ポテンシャルが小さくなり、酸化物半導体膜の化学ポテンシャルが大きくなる。
したがって、酸素ドープ処理によってゲート絶縁膜に過剰に供給された酸素は、その後の熱処理によって系全体を平衡状態とすることで、拡散し、酸化物半導体膜へ酸素が供給される。上述のように、酸化物半導体膜に供給された酸素は、水素イオンと結合してＯＨ基となり、トランジスタの劣化の原因にならないか、または劣化の原因を減らすことができる。また、酸化物半導体膜に酸素を供給することは、膜中の酸素欠陥の補填に対しても有効である。
熱処理による脱水化または脱水素化処理及び酸素ドープ処理された酸化物半導体膜を有するトランジスタは、バイアス−熱ストレス試験（ＢＴ試験）前後においてもトランジスタのしきい値電圧の変化量が低減できており、信頼性の高いトランジスタとすることができる。
よって、安定した電気特性を有するトランジスタを作製することができる。
また、本発明の一形態は、電気特性が良好で信頼性のよいトランジスタを有する半導体装置を作製することができる。
半導体装置の一形態を説明する図。 半導体装置の作製方法の一形態を説明する図。 半導体装置の一形態を説明する図。 半導体装置の作製方法の一形態を説明する図。 半導体装置の作製方法の一形態を説明する図。 半導体装置の一形態を説明する図。 半導体装置の一形態を説明する図。 半導体装置の一形態を説明する図。 半導体装置の一形態を説明する図。 電子機器を示す図。 電子機器を示す図。 半導体装置の一形態を説明する図。 半導体装置の一形態を説明する図。 本発明の一態様を示すプラズマ装置の上面図及び断面図である。 ＳＩＭＳの測定結果を示す図である。 断面ＳＴＥＭ像を説明する図である。
以下では、本明細書に開示する発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本明細書に開示する発明は以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。また、本明細書に開示する発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、第１、第２として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順又は積層順を示すものではない。また、本明細書において発明を特定するための事項として固有の名称を示すものではない。
（実施の形態１）
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を、図１乃至図３を用いて説明する。本実施の形態では、半導体装置の一例として酸化物半導体膜を有するトランジスタを示す。
図１に、半導体装置の例として、ボトムゲート型のトランジスタの断面図及び平面図を示す。図１（Ａ）は平面図であり、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）は、図１（Ａ）におけるＡ−Ｂ断面及びＣ−Ｄ断面に係る断面図である。なお、図１（Ａ）においては、ゲート絶縁膜４０２を省略している。
図１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ４１０は、絶縁表面を有する基板４００上に、ゲート電極層４０１、ゲート絶縁膜４０２、酸化物半導体膜４０３、ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂを含む。
トランジスタ４１０の作製工程において、ゲート絶縁膜４０２に酸素ドープ処理を行い、かつ酸化物半導体膜４０３に熱処理による脱水化または脱水素化処理を行う。
なお、酸素ドープ処理とは、酸素ラジカルまたは酸素原子、酸素イオンをゲート絶縁膜の表面及びバルクへ添加することである。特に、酸素をプラズマ化することにより、上記酸素ラジカルまたは酸素原子、酸素イオンをゲート絶縁膜の表面及びバルク膜中に添加することを酸素プラズマドープ処理ともいう。なお、酸素ドープ処理時にはゲート絶縁膜が形成される基板にバイアスを印加すると好ましい。
なお、トランジスタ４１０上には、さらに絶縁物が設けられていても良い。また、ソース電極層４０５ａやドレイン電極層４０５ｂと配線とを電気的に接続させるために、ゲート絶縁膜４０２などには開口が形成されていても良い。また、酸化物半導体膜４０３の上方に、さらに、第２のゲート電極を有していても良い。なお、酸化物半導体膜４０３は島状に加工されていることが望ましいが、島状に加工されていなくても良い。
図２（Ａ）乃至（Ｅ）にトランジスタ４１０の作製方法の一例を示す。
まず、絶縁表面を有する基板４００上に導電膜を形成した後、第１のフォトリソグラフィ工程によりゲート電極層４０１を形成する。なお、レジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
絶縁表面を有する基板４００に使用することができる基板に大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。また、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、ＳＯＩ基板などを適用することもでき、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板４００として用いてもよい。
また、基板４００として、可撓性基板を用いてもよい。可撓性基板を用いる場合、可撓性基板上に酸化物半導体膜を含むトランジスタを直接作製してもよいし、他の作製基板に酸化物半導体膜を含むトランジスタを作製し、その後作製基板から剥離して可撓性基板に転置してもよい。なお、作製基板から剥離して、可撓性基板に転置するために、作製基板と酸化物半導体膜を含むトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。
下地膜となる絶縁膜を基板４００とゲート電極層４０１との間に設けてもよい。下地膜は、基板４００からの不純物元素の拡散を防止する機能があり、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、又は酸化窒化シリコン膜から選ばれた一又は複数の膜による積層構造により形成することができる。
また、ゲート電極層４０１は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料又はこれらを主成分とする合金材料を用いて、単層で又は積層して形成することができる。
次いで、ゲート電極層４０１上にゲート絶縁膜４０２を形成する（図２（Ａ）参照。）。ゲート絶縁膜４０２は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、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、酸化ハフニウム、酸化ガリウム、又はこれらの混合材料を用いて単層で又は積層して形成することができる。
なお、ゲート絶縁膜４０２には、後に形成される酸化物半導体膜と同種の成分でなる絶縁材料を用いると特に好ましい。このような材料は酸化物半導体膜との相性が良く、これをゲート絶縁膜４０２に用いることで、酸化物半導体膜との界面の状態を良好に保つことができるからである。ここで、「酸化物半導体膜と同種の成分」とは、酸化物半導体膜の構成元素から選択される一または複数の元素を含むことを意味する。例えば、酸化物半導体膜がＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物半導体材料によって構成される場合、同種の成分でなる絶縁材料としては酸化ガリウムなどがある。
また、ゲート絶縁膜４０２を積層構造とする場合には、酸化物半導体膜と同種の成分でなる絶縁材料でなる膜（以下、膜ａ）と、膜ａの成分材料とは異なる材料を含む膜（以下、膜ｂ）との積層構造とするとなお良い。膜ａと膜ｂとを酸化物半導体膜側から順に積層した構造とすることで、電荷は膜ａと膜ｂとの界面の電荷捕獲中心に優先的に捕獲される（酸化物半導体膜と膜ａとの界面との比較）ため、酸化物半導体膜の界面での電荷捕獲を十分に抑制することができるようになり、半導体装置の信頼性が向上するためである。
図３（Ｂ）にゲート絶縁膜を積層構造としたトランジスタ４６０を示す。トランジスタ４６０はゲート電極層４０１上に第１のゲート絶縁膜４０２ａ、第２のゲート絶縁膜４０２ｂが積層され、第２のゲート絶縁膜４０２ｂ上に酸化物半導体膜４０３が形成されている。トランジスタ４６０において、酸化物半導体膜４０３と接する第２のゲート絶縁膜４０２ｂを酸化物半導体膜４０３と同種の成分でなる絶縁材料でなる膜（膜ａ）とし、第２のゲート絶縁膜４０２ｂの下方に形成される第１のゲート絶縁膜４０２ａを第２のゲート絶縁膜４０２ｂの成分材料とは異なる材料を含む膜（膜ｂ）で形成する。
例えば、酸化物半導体膜４０３としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物半導体膜を用いる場合、第２のゲート絶縁膜４０２ｂとして酸化ガリウム膜を用い、第１のゲート絶縁膜４０２ａとして酸化シリコン膜を用いることができる。また、酸化物半導体膜４０３と接して上方に形成される絶縁膜４０７にも酸化物半導体膜と同種の成分でなる絶縁材料でなる膜を用いることが好ましい。酸化物半導体膜４０３に接して下方及び上方に酸化物半導体膜と同種の成分でなる絶縁材料でなる膜を設けることによって、該膜で酸化物半導体膜４０３を囲うことができる。酸化物半導体膜４０３と接して下方及び上方に酸化物半導体膜と同種の成分でなる絶縁材料でなる膜（膜ａ）を設け、さらに該膜ａの外側に膜ａの成分材料とは異なる材料を含む膜（膜ｂ）を設けることによって、酸化物半導体膜４０３の下方及び上方において電荷が膜ａと膜ｂとの界面の電荷捕獲中心に優先的に捕獲され、より効果的に酸化物半導体膜の界面での電荷捕獲を十分に抑制することができるようになり、半導体装置の信頼性が向上する。
また、μ波（例えば周波数２．４５ＧＨｚ）を用いた高密度プラズマＣＶＤは、緻密で絶縁耐圧の高い高品質な絶縁層を形成できるので、ゲート絶縁膜４０２の形成に用いると好ましい。高純度化された酸化物半導体と高品質ゲート絶縁膜とが密接することにより、界面準位を低減して界面特性を良好なものとすることができるからである。
また、成膜後の熱処理によってゲート絶縁膜の膜質、酸化物半導体との界面特性が改質される絶縁層であっても良い。いずれにしても、ゲート絶縁膜としての膜質が良好であることは勿論のこと、酸化物半導体との界面準位密度を低減し、良好な界面を形成できるものであれば良い。
次に、ゲート絶縁膜４０２に酸素ドープ処理を行う。ゲート絶縁膜４０２に酸素ドープ処理を行うことにより、酸素４２１をゲート絶縁膜４０２に供給して、酸化物半導体膜４０３、酸化物半導体膜中、又はゲート絶縁膜４０２中及び該界面近傍に酸素を含有させることができる（図２（Ｂ）参照。）。この場合、酸素の含有量は、ゲート絶縁膜４０２の化学量論比を超える程度、好ましくは、化学量論比の１倍を超えて４倍まで（１倍より大きく４倍未満）、より好ましくは１倍を超えて２倍まで（１倍より大きく２倍未満）とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量をＹとして、Ｙを超える程度、好ましくは、Ｙを超えて４Ｙまで、より好ましくはＹを超えて２Ｙまでとすることもできる。あるいは、酸素の含有量は、酸素ドープ処理を行わない場合の絶縁膜中の酸素の量Ｚを基準として、Ｚを超える程度、好ましくは、Ｚを超えて４Ｚまで、より好ましくはＺを超えて２Ｚまでとすることもできる。ドープされる酸素４２１は、酸素ラジカル、酸素原子、及び／又は酸素イオンを含む。
例えば、組成がＧａＯｘ（ｘ＞０）で表現される酸化物絶縁膜を用いる場合、酸化ガリウムの化学量論比はＧａ：Ｏ＝１：１．５であるので、ｘが１．５を超えて６まで含まれる酸素過剰領域を有する酸化物絶縁膜を形成する。また、例えば、組成がＳｉＯｘ（ｘ＞０）で表現される酸化物絶縁膜を用いる場合、酸化シリコンの化学量論比はＳｉ：Ｏ＝１：２であるので、ｘが２を超えて８まで含まれる酸素過剰領域を有する酸化物絶縁膜を形成する。なお、このような酸素過剰領域は、ゲート絶縁膜の一部（界面も含む）に存在していればよい。よって、ゲート絶縁膜において酸素の含有量は水素の含有量より大きくなる。
なお、ゲート絶縁膜として用いることのできる酸化物絶縁膜において、酸素は主たる成分材料の一つである。このため、酸化物絶縁膜中の酸素濃度を、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）などの方法を用いて、正確に見積もることは難しい。つまり、酸化物絶縁膜に酸素が意図的に添加されたか否かを判別することは困難であるといえる。
ところで、酸素には１７Ｏや１８Ｏといった同位体が存在し、自然界におけるこれらの存在比率はそれぞれ酸素原子全体の０．０３７％、０．２０４％程度であることが知られている。つまり、酸化物絶縁膜中におけるこれら同位体の濃度は、ＳＩＭＳなどの方法によって見積もることができる程度になるから、これらの濃度を測定することで、酸化物絶縁膜中の酸素濃度をより正確に見積もることが可能な場合がある。よって、これらの濃度を測定することで、酸化物絶縁膜に意図的に酸素が添加されたか否かを判別しても良い。
例えば、１８Ｏの濃度を基準に用いると、酸素が添加された領域における酸素の同位体の濃度Ｄ１（１８Ｏ）と、酸素が添加されていない領域における酸素の同位体の濃度Ｄ２（１８Ｏ）との間には、Ｄ１（１８Ｏ）＞Ｄ２（１８Ｏ）が成立する。
酸素ドープは、酸素を含むガスを用いてラジカル発生装置により供給されてもよいし、又はオゾン発生装置により供給されてもよい。より具体的には、例えば、半導体装置に対してエッチング処理を行うための装置や、マスクに対してアッシングを行うための装置などを用いて酸素４２１を発生させ、ゲート絶縁膜４０２を処理することができる。
また、酸素ドープ処理を行ったゲート絶縁膜４０２に熱処理（温度１５０℃〜４７０℃）を行ってもよい。熱処理により、酸素４２１とゲート絶縁膜４０２との間で反応して生成された水、水酸化物をゲート絶縁膜４０２から除去することができる。熱処理は、窒素、酸素、超乾燥空気（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、好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）、または希ガス（アルゴン、ヘリウムなど）の雰囲気下で行えばよいが、上記窒素、酸素、超乾燥空気、または希ガス等の雰囲気は、水、水素などが含まれず高純度化されていることが好ましい。
また、ゲート絶縁膜４０２、ゲート絶縁膜４０２上に形成される酸化物半導体膜に水素、水酸基及び水分がなるべく含まれないようにするために、酸化物半導体膜の成膜の前処理として、スパッタリング装置の予備加熱室でゲート電極層４０１が形成された基板４００、又はゲート絶縁膜４０２までが形成された基板４００を予備加熱し、基板４００に吸着した水素、水分などの不純物を脱離し排気することが好ましい。なお、予備加熱室に設ける排気手段はクライオポンプが好ましい。なお、この予備加熱の処理は省略することもできる。またこの予備加熱は、絶縁膜４０７の成膜前に、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂまで形成した基板４００にも同様に行ってもよい。
次いで、ゲート絶縁膜４０２上に、膜厚２ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上３０ｎｍ以下の酸化物半導体膜を形成する。
酸化物半導体膜に用いる酸化物半導体としては、四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体や、三元系金属酸化物である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系酸化物半導体の材料、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ＳｉＯ２を含んでもよい。ここで、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）を有する酸化物膜、という意味であり、その化学量論比はとくに問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の元素を含んでもよい。
また、酸化物半導体膜は、化学式ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される薄膜を用いることができる。ここで、Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、Ｍｎおよび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。
酸化物半導体膜に用いる酸化物半導体としては、インジウムを含む酸化物半導体、インジウム及びガリウムを含む酸化物半導体などを好適に用いることができる。
本実施の形態では、酸化物半導体膜としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物ターゲットを用いてスパッタリング法により成膜する。また、酸化物半導体膜は、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、又は希ガスと酸素の混合雰囲気下においてスパッタ法により形成することができる。
酸化物半導体膜をスパッタリング法で作製するためのターゲットとしては、例えば、組成比として、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１［ｍｏｌ数比］の酸化物ターゲットを用い、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を成膜する。また、このターゲットの材料及び組成に限定されず、例えば、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ数比］の酸化物ターゲットを用いてもよい。
また、酸化物ターゲットの充填率は９０％以上１００％以下、好ましくは９５％以上９９．９％以下である。充填率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。
酸化物半導体膜を、成膜する際に用いるスパッタガスは水素、水、水酸基又は水素化物などの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。
減圧状態に保持された成膜室内に基板を保持し、基板温度を１００℃以上６００℃以下好ましくは２００℃以上４００℃以下とする。基板を加熱しながら成膜することにより、成膜した酸化物半導体膜に含まれる不純物濃度を低減することができる。また、スパッタリングによる損傷が軽減される。そして、成膜室内の残留水分を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入し、上記ターゲットを用いて基板４００上に酸化物半導体膜を成膜する。成膜室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプ、例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また、排気手段としては、ターボ分子ポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素原子、水など水素原子を含む化合物（より好ましくは炭素原子を含む化合物も）等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物半導体膜に含まれる不純物の濃度を低減できる。
成膜条件の一例としては、基板とターゲットの間との距離を１００ｍｍ、圧力０．６Ｐａ、直流（ＤＣ）電源０．５ｋＷ、酸素（酸素流量比率１００％）雰囲気下の条件が適用される。なお、パルス直流電源を用いると、成膜時に発生する粉状物質（パーティクル、ごみともいう）が軽減でき、膜厚分布も均一となるために好ましい。
次いで、酸化物半導体膜を第２のフォトリソグラフィ工程により島状の酸化物半導体膜４４１に加工する（図２（Ｃ）参照。）。また、島状の酸化物半導体膜４４１を形成するためのレジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
また、ゲート絶縁膜４０２にコンタクトホールを形成する場合、その工程は酸化物半導体膜の加工時に同時に行うことができる。
なお、ここでの酸化物半導体膜のエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよく、両方を用いてもよい。例えば、酸化物半導体膜のウェットエッチングに用いるエッチング液としては、燐酸と酢酸と硝酸を混ぜた溶液などを用いることができる。また、ＩＴＯ０７Ｎ（関東化学社製）を用いてもよい。
次いで、酸化物半導体膜４４１に熱処理を行う。この熱処理によって過剰な水素（水や水酸基を含む）を除去（脱水化または脱水素化）し、酸化物半導体膜の構造を整え、エネルギーギャップ中の欠陥準位を低減することができる。熱処理の温度は、２５０℃以上７５０℃以下、または４００℃以上基板の歪み点未満とする。ここでは、熱処理装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半導体膜に対して窒素雰囲気下４５０℃において１時間の熱処理を行った後、大気に触れることなく、酸化物半導体膜への水や水素の再混入を防ぎ、酸化物半導体膜４０３を得る（図２（Ｄ）参照。）。
なお、熱処理装置は電気炉に限られず、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を用いてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置を用いることができる。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置である。ＧＲＴＡ装置は、高温のガスを用いて熱処理を行う装置である。高温のガスには、アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられる。
例えば、熱処理として、６５０℃〜７００℃の高温に加熱した不活性ガス中に基板を移動させて入れ、数分間加熱した後、基板を移動させて高温に加熱した不活性ガス中から出すＧＲＴＡを行ってもよい。
なお、熱処理においては、窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、熱処理装置に導入する窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
また、熱処理で酸化物半導体膜を加熱した後、同じ炉に高純度の酸素ガス、高純度の二窒化酸素ガス、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、好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）を導入してもよい。酸素ガスまたは二窒化酸素ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、熱処理装置に導入する酸素ガスまたは二窒化酸素ガスの純度を、６Ｎ以上好ましくは７Ｎ以上（即ち、酸素ガスまたは二窒化酸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。酸素ガス又は二窒化酸素ガスの作用により、脱水化または脱水素化処理による不純物の排除工程によって同時に減少してしまった酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素を供給することによって、酸化物半導体膜を高純度化及び電気的にＩ型（真性）化する。
また、酸化物半導体膜の熱処理は、島状の酸化物半導体膜に加工する前の酸化物半導体膜に行うこともできる。その場合には、熱処理後に、加熱装置から基板を取り出し、酸化物半導体膜にフォトリソグラフィ工程を行う。また、熱処理は、酸化物半導体膜成膜後であれば、島状の酸化物半導体膜上にソース電極層及びドレイン電極層を積層させた後で行っても良い。
ゲート絶縁膜４０２が酸素ドープ処理されており、ゲート絶縁膜４０２に含まれる酸素は過剰であるので、接して積層される酸化物半導体膜４０３からの酸素の移動が抑制できる。また、酸素ドープ処理されたゲート絶縁膜４０２と接して酸化物半導体膜４０３を積層することで酸化物半導体膜４０３へゲート絶縁膜４０２（バルク又は／及び界面）から酸素を供給することができる。ゲート絶縁膜４０２からの酸化物半導体膜４０３への酸素の供給は、酸素ドープ処理されたゲート絶縁膜４０２と酸化物半導体膜４０３とを接して熱処理することによってより促進される。該熱処理は酸化物半導体膜４０３の脱水化または脱水素化のための熱処理と兼ねることができる。
また、ゲート絶縁膜４０２に添加され、酸化物半導体膜４０３へ供給される酸素４２１の少なくとも一部は酸素の未結合手を酸化物半導体中で有することが好ましい。未結合手を有することにより、膜中に残存しうる水素と結合して、水素を固定化（非可動イオン化）することができるためである。
以上の工程で高純度化し、電気的にＩ型（真性）化された酸化物半導体膜４０３を得る。
次いで、ゲート絶縁膜４０２、及び酸化物半導体膜４０３上に、ソース電極層及びドレイン電極層（これと同じ層で形成される配線を含む）となる導電膜を形成する。ソース電極層、及びドレイン電極層に用いる導電膜としては、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗからから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等を用いることができる。また、Ａｌ、Ｃｕなどの金属膜の下側又は上側の一方または双方にＴｉ、Ｍｏ、Ｗなどの高融点金属膜またはそれらの金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）を積層させた構成としても良い。また、ソース電極層、及びドレイン電極層に用いる導電膜としては、導電性の金属酸化物で形成しても良い。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム酸化スズ合金（Ｉｎ２Ｏ３―ＳｎＯ２、ＩＴＯと略記する）、酸化インジウム酸化亜鉛合金（Ｉｎ２Ｏ３―ＺｎＯ）またはこれらの金属酸化物材料に酸化シリコンを含ませたものを用いることができる。
第３のフォトリソグラフィ工程により導電膜上にレジストマスクを形成し、選択的にエッチングを行ってソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂを形成した後、レジストマスクを除去する。
また、フォトリソグラフィ工程で用いるフォトマスク数及び工程数を削減するため、透過した光が複数の強度となる露光マスクである多階調マスクによって形成されたレジストマスクを用いてエッチング工程を行ってもよい。多階調マスクを用いて形成したレジストマスクは複数の膜厚を有する形状となり、エッチングを行うことでさらに形状を変形することができるため、異なるパターンに加工する複数のエッチング工程に用いることができる。よって、一枚の多階調マスクによって、少なくとも二種類以上の異なるパターンに対応するレジストマスクを形成することができる。よって露光マスク数を削減することができ、対応するフォトリソグラフィ工程も削減できるため、工程の簡略化が可能となる。
なお、導電膜のエッチングの際に、酸化物半導体膜４０３がエッチングされ、分断することのないようエッチング条件を最適化することが望まれる。しかしながら、導電膜のみをエッチングし、酸化物半導体膜４０３を全くエッチングしないという条件を得ることは難しく、導電膜のエッチングの際に酸化物半導体膜４４１は一部のみがエッチングされ、溝部（凹部）を有する酸化物半導体膜となることもある。
本実施の形態では、導電膜としてＴｉ膜を用い、酸化物半導体膜４０３にはＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体を用いたので、エッチャントとしてアンモニア過水（アンモニア、水、過酸化水素水の混合液）を用いる。
高純度化された酸化物半導体膜４０３中にはキャリアが極めて少ない（ゼロに近い）。
以上の工程でトランジスタ４１０が形成される（図２（Ｅ）参照。）。トランジスタ４１０は、水素、水分、水酸基又は水素化物（水素化合物ともいう）などの不純物を酸化物半導体膜より意図的に排除し、高純度化された酸化物半導体膜４０３を含むトランジスタである。よって、トランジスタ４１０は、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。
また、図３（Ａ）のように酸化物半導体膜４０３、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂ上に絶縁膜４０７、絶縁膜４０９を形成されたトランジスタ４４０としてもよい。
絶縁膜４０７は、少なくとも１ｎｍ以上の膜厚とし、スパッタ法など、絶縁膜４０７に水、水素等の不純物を混入させない方法を適宜用いて形成することができる。絶縁膜４０７に水素が含まれると、その水素の酸化物半導体膜への侵入、又は水素による酸化物半導体膜中の酸素の引き抜き、が生じ酸化物半導体膜のバックチャネルが低抵抗化（Ｎ型化）してしまい、寄生チャネルが形成されるおそれがある。よって、絶縁膜４０７はできるだけ水素を含まない膜になるように、成膜方法に水素を用いないことが重要である。
絶縁膜４０７としては、代表的には酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、又は酸化ガリウム膜などの無機絶縁膜を用いることができる。
本実施の形態では、絶縁膜４０７として膜厚２００ｎｍの酸化ガリウム膜を、スパッタリング法を用いて成膜する。
なお、絶縁膜４０７には、ゲート絶縁膜４０２と同様に、酸化物半導体膜４０３と同種の成分でなる絶縁材料を用いると特に好ましい。このような材料は酸化物半導体膜との相性が良く、これを、絶縁膜４０７に用いることで、酸化物半導体膜との界面の状態を良好に保つことができるからである。例えば、酸化物半導体膜がＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体材料によって構成される場合、同種の成分でなる絶縁材料としては酸化ガリウムなどがある。
また、絶縁膜４０７を積層構造とする場合には、酸化物半導体膜と同種の成分でなる絶縁材料でなる膜（以下、膜ａ）と、膜ａの成分材料とは異なる材料を含む膜（以下、膜ｂ）との積層構造とするとなお良い。膜ａと膜ｂとを酸化物半導体膜側から順に積層した構造とすることで、電荷は膜ａと膜ｂとの界面の電荷捕獲中心に優先的に捕獲される（酸化物半導体膜と膜ａとの界面との比較）ため、酸化物半導体膜の界面での電荷捕獲を十分に抑制することができるようになり、半導体装置の信頼性が向上するためである。
例えば、絶縁膜４０７として酸化物半導体膜４０３側から酸化ガリウム膜と酸化シリコン膜との積層、又は酸化ガリウム膜と窒化シリコン膜との積層などを好適に用いることができる。
酸化シリコン膜としては、成膜時の基板温度は、室温以上３００℃以下とすればよく、本実施の形態では１００℃とする。酸化シリコン膜のスパッタ法による成膜は、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、または希ガスと酸素の混合雰囲気下において行うことができる。また、ターゲットとして酸化シリコンターゲットまたはシリコンターゲットを用いることができる。例えば、シリコンターゲットを用いて、酸素を含む雰囲気下でスパッタ法により酸化シリコンを形成することができる。
酸化物半導体膜の成膜時と同様に、絶縁膜４０７の成膜室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプ（クライオポンプなど）を用いることが好ましい。クライオポンプを用いて排気した成膜室で成膜した絶縁膜４０７に含まれる不純物の濃度を低減できる。また、絶縁膜４０７の成膜室内の残留水分を除去するための排気手段としては、ターボ分子ポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。
絶縁膜４０７を、成膜する際に用いるスパッタガスは水素、水、水酸基又は水素化物などの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。
上述の絶縁膜４０７の形成後には、熱処理を行うのが望ましい。熱処理の温度は、２５０℃以上７００℃以下、好ましくは４５０℃以上６００℃以下、または基板の歪み点未満とする。
熱処理は、窒素、酸素、超乾燥空気（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、好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）、または希ガス（アルゴン、ヘリウムなど）の雰囲気下で行えばよいが、上記窒素、酸素、超乾燥空気、または希ガス等の雰囲気には、水、水素などが含まれないことが好ましい。また、熱処理装置に導入する窒素、酸素、または希ガスの純度は、６Ｎ（９９．９９９９％）以上（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下）とするのが好ましく、７Ｎ（９９．９９９９９％）以上（即ち不純物濃度を０．１ｐｐｍ以下）とすると、より好ましい。
また、酸化物半導体膜と酸素を含む絶縁膜４０７とを接した状態で熱処理を行うと、酸素を含む絶縁膜４０７より酸素をさらに酸化物半導体膜へ供給することができる。
絶縁膜４０７上にさらに水分や水素などの不純物が酸化物半導体膜４０３に再混入しないように、またゲート絶縁膜４０２、酸化物半導体膜４０３、絶縁膜４０７及び該界面より酸素が放出されないようにブロックする保護絶縁層として絶縁膜４０９を形成することが好ましい。絶縁膜４０９としては、無機絶縁膜を用い、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜などを用いればよい。例えば、ＲＦスパッタ法を用いて窒化シリコン膜を形成する。ＲＦスパッタ法は、量産性がよいため、絶縁膜４０９の成膜方法として好ましい。
絶縁膜４０９の形成後、熱処理を行ってもよい。例えば、大気中、１００℃以上２００℃以下、１時間以上３０時間以下での熱処理を行ってもよい。この熱処理は一定の加熱温度を保持して加熱してもよいし、室温から、１００℃以上２００℃以下の加熱温度への昇温と、加熱温度から室温までの降温を複数回くりかえして行ってもよい。
また、図３（Ｃ）（Ｄ）に酸素ドープ処理により酸素過剰領域を有するトランジスタの他の構成を示す。
図３（Ｃ）に示すトランジスタ４２０は、チャネル保護型（チャネルストップ型ともいう）と呼ばれるボトムゲート構造の一つであり逆スタガ型トランジスタともいう。
トランジスタ４２０は、絶縁表面を有する基板４００上に、ゲート電極層４０１、ゲート絶縁膜４０２、酸化物半導体膜４０３、酸化物半導体膜４０３のチャネル形成領域を覆うチャネル保護層として機能する絶縁層４２７、ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂを含む。また、トランジスタ４２０を覆い、絶縁膜４０９が形成されている。
図３（Ｄ）に示すトランジスタ４３０はボトムゲート型のトランジスタであり、絶縁表面を有する基板である基板４００上に、ゲート電極層４０１、ゲート絶縁膜４０２、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ、及び酸化物半導体膜４０３を含む。また、トランジスタ４３０を覆い、酸化物半導体膜４０３に接する絶縁膜４０７が設けられている。絶縁膜４０７上にはさらに絶縁膜４０９が形成されている。
トランジスタ４３０においては、ゲート絶縁膜４０２は基板４００及びゲート電極層４０１上に接して設けられ、ゲート絶縁膜４０２上にソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂが接して設けられている。そして、ゲート絶縁膜４０２、及びソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ上に酸化物半導体膜４０３が設けられている。
本実施の形態を用いて作製した、高純度化された酸化物半導体膜４０３を用いたトランジスタ４１０、４２０、４３０、４４０は、オフ状態における電流値（オフ電流値）を低くすることができる。
また、酸素ドープ処理され、酸素過剰領域を有するトランジスタは、バイアス−熱ストレス試験（ＢＴ試験）前後においてもトランジスタのしきい値電圧の変化量が低減できており、信頼性の高いトランジスタとすることができる。
また、酸化物半導体膜４０３を用いたトランジスタ４１０、４２０、４３０、４４０は、比較的高い電界効果移動度が得られるため、高速駆動が可能である。よって、表示機能を有する半導体装置の画素部に上記トランジスタを用いることで、高画質な画像を提供することができる。また、高純度化された酸化物半導体膜を含むトランジスタによって、同一基板上に駆動回路部または画素部を作り分けて作製することができるため、半導体装置の部品点数を削減することができる。
以上のように、安定した電気的特性を有する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。よって、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
（実施の形態２）
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の他の一形態を、図４及び図５を用いて説明する。本実施の形態では、半導体装置の一例として酸化物半導体膜を有するトランジスタを示す。実施の形態１と同一部分又は同様な機能を有する部分、及び工程は、実施の形態１と同様に行うことができ、繰り返しの説明は省略する。また同じ箇所の詳細な説明は省略する。
図４（Ａ）乃至（Ｆ）及び図５（Ａ）乃至（Ｃ）にトランジスタ４５０の作製方法の一例を示す。本実施の形態では、トランジスタ４５０の作製工程において酸素ドープ処理を複数回行う。
まず、絶縁表面を有する基板４００上に導電膜を形成した後、第１のフォトリソグラフィ工程によりゲート電極層４０１を形成する。
次いで、ゲート電極層４０１上にゲート絶縁膜４０２を形成する（図４（Ａ）参照。）。
次に、ゲート絶縁膜４０２に酸素ドープ処理を行う。ゲート絶縁膜４０２に酸素ドープ処理を行うことにより、酸素４２１ａをゲート絶縁膜４０２に供給して、ゲート絶縁膜４０２中及び該界面近傍に酸素を含有させることができる（図４（Ｂ）参照。）。この場合、酸素の含有量は、ゲート絶縁膜４０２の化学量論比を超える程度、好ましくは、化学量論比の１倍を超えて４倍まで（１倍より大きく４倍未満）、より好ましくは１倍を超えて２倍まで（１倍より大きく２倍未満）とする。あるいは、酸素の含有量は、ゲート絶縁膜４０２を構成する材料が単結晶の場合の酸素の量をＹとして、Ｙを超える程度、好ましくは、Ｙを超えて４Ｙまで、より好ましくはＹを超えて２Ｙまでとすることもできる。あるいは、酸素の含有量は、酸素ドープ処理を行わない場合のゲート絶縁膜中の酸素の量Ｚを基準として、Ｚを超える程度、好ましくは、Ｚを超えて４Ｚまで、より好ましくはＺを超えて２Ｚまでとすることもできる。ドープされる酸素４２１ａは、酸素ラジカル、酸素原子、及び／又は酸素イオンを含む。
例えば、組成がＧａＯｘ（ｘ＞０）で表現される酸化物絶縁膜を用いる場合、酸化ガリウムの化学量論比はＧａ：Ｏ＝１：１．５であるので、ｘが１．５を超えて６まで含まれる酸素過剰領域を有する酸化物絶縁膜を形成する。また、例えば、組成がＳｉＯｘ（ｘ＞０）で表現される酸化物絶縁膜を用いる場合、酸化シリコンの化学量論比はＳｉ：Ｏ＝１：２であるので、ｘが２を超えて８まで含まれる酸素過剰領域を有する酸化物絶縁膜を形成する。なお、このような酸素過剰領域は、ゲート絶縁膜の一部（界面も含む）に存在していればよい。よって、ゲート絶縁膜において酸素の含有量は水素の含有量より大きくなる。
酸素ドープは、酸素を含むガスを用いてラジカル発生装置により供給されてもよいし、又はオゾン発生装置により供給されてもよい。より具体的には、例えば、半導体装置に対してエッチング処理を行うための装置や、マスクに対してアッシングを行うための装置などを用いて酸素４２１ａを発生させ、ゲート絶縁膜４０２を処理することができる。
また、酸素ドープ処理を行ったゲート絶縁膜４０２に熱処理（温度１５０℃〜４７０℃）を行ってもよい。熱処理により、酸素４２１ａとゲート絶縁膜４０２との間で反応して生成された水、水酸化物をゲート絶縁膜４０２から除去することができる。熱処理は、窒素、酸素、超乾燥空気（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、好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）、または希ガス（アルゴン、ヘリウムなど）の雰囲気下で行えばよいが、上記窒素、酸素、超乾燥空気、または希ガス等の雰囲気は、水、水素などが含まれず高純度化されていることが好ましい。
また、ゲート絶縁膜４０２、ゲート絶縁膜４０２上に形成される酸化物半導体膜に水素、水酸基及び水分がなるべく含まれないようにするために、酸化物半導体膜の成膜の前処理として、スパッタリング装置の予備加熱室でゲート電極層４０１が形成された基板４００、又はゲート絶縁膜４０２までが形成された基板４００を予備加熱し、基板４００に吸着した水素、水分などの不純物を脱離し排気することが好ましい。なお、予備加熱室に設ける排気手段はクライオポンプが好ましい。なお、この予備加熱の処理は省略することもできる。またこの予備加熱は、絶縁膜４０７の成膜前に、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂまで形成した基板４００にも同様に行ってもよい。
次いで、ゲート絶縁膜４０２上に、膜厚２ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上３０ｎｍ以下の酸化物半導体膜を形成する。
本実施の形態では、酸化物半導体膜としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物ターゲットを用いてスパッタリング法により成膜する。また、酸化物半導体膜は、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、又は希ガスと酸素の混合雰囲気下においてスパッタ法により形成することができる。
酸化物半導体膜をスパッタリング法で作製するためのターゲットとしては、例えば、組成比として、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１［ｍｏｌ数比］の酸化物ターゲットを用い、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を成膜することができる。
酸化物半導体膜を、成膜する際に用いるスパッタガスは水素、水、水酸基又は水素化物などの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。
成膜条件の一例としては、基板とターゲットの間との距離を１００ｍｍ、圧力０．６Ｐａ、直流（ＤＣ）電源０．５ｋＷ、酸素（酸素流量比率１００％）雰囲気下の条件が適用される。なお、パルス直流電源を用いると、成膜時に発生する粉状物質（パーティクル、ごみともいう）が軽減でき、膜厚分布も均一となるために好ましい。
次いで、酸化物半導体膜を第２のフォトリソグラフィ工程により島状の酸化物半導体膜４４１に加工する（図４（Ｃ）参照。）。
次いで、酸化物半導体膜４４１に熱処理を行う。この熱処理によって過剰な水素（水や水酸基を含む）を除去（脱水化または脱水素化）し、酸化物半導体膜の構造を整え、エネルギーギャップ中の欠陥準位を低減することができる。熱処理の温度は、２５０℃以上７５０℃以下、または４００℃以上基板の歪み点未満とする。ここでは、熱処理装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半導体膜に対して窒素雰囲気下４５０℃において１時間の熱処理を行った後、大気に触れることなく、酸化物半導体膜への水や水素の再混入を防ぎ、酸化物半導体膜４０３を得る（図４（Ｄ）参照。）。
なお、熱処理装置は電気炉に限られず、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を用いてもよい。
例えば、熱処理として、６５０℃〜７００℃の高温に加熱した不活性ガス中に基板を移動させて入れ、数分間加熱した後、基板を移動させて高温に加熱した不活性ガス中から出すＧＲＴＡを行ってもよい。
また、酸化物半導体膜の熱処理は、島状の酸化物半導体膜に加工する前の酸化物半導体膜に行うこともできる。その場合には、熱処理後に、加熱装置から基板を取り出し、酸化物半導体膜にフォトリソグラフィ工程を行う。また、熱処理は、酸化物半導体膜成膜後であれば、島状の酸化物半導体膜上にソース電極層及びドレイン電極層を積層させた後で行っても良い。
次に、脱水化または脱水素化された酸化物半導体膜４０３に酸素ドープ処理を行う。酸化物半導体膜４０３に酸素ドープ処理を行うことにより、酸素４２１ｂを酸化物半導体膜４０３に供給して、酸化物半導体膜４０３中、又は酸化物半導体膜中４０３及び該界面近傍に酸素を含有させる（図４（Ｅ）参照。）。この場合、酸素の含有量は、酸化物半導体膜４０３の化学量論比を超える程度、好ましくは、化学量論比の１倍を超えて２倍まで（１倍より大きく２倍未満）とする。あるいは、酸素の含有量は、酸化物半導体膜４０３を構成する材料が単結晶の場合の酸素の量をＹとして、Ｙを超える程度、好ましくは、Ｙを超えて２Ｙまでとすることもできる。あるいは、酸素の含有量は、酸素ドープ処理を行わない場合の酸化物半導体膜中の酸素の量Ｚを基準として、Ｚを超える程度、好ましくはＺを超えて２Ｚまでとすることもできる。酸素の含有量を多くしすぎると、水素吸蔵合金（水素貯蔵合金）のように、かえって酸化物半導体膜４０３が水素を取り込んでしまう恐れがあるためである。ドープされる酸素４２１ｂは、酸素ラジカル、酸素原子、及び／又は酸素イオンを含む。
例えば、単結晶構造がＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表現される材料の場合、酸化物半導体膜４０３の組成はＩｎＧａＺｎＯｍで表されるから、例えば、ｍ＝１（ＩｎＧａＺｎＯ４）であれば、ｘは４を超えて８まで、また、ｍ＝２（ＩｎＧａＺｎ２Ｏ５）であれば、ｘは５を超えて１０まで、が許容される。なお、このような酸素過剰領域は、酸化物半導体膜の一部（界面も含む）に存在していればよい。よって、酸化物半導体膜において酸素の含有量は水素の含有量より大きくなる。
なお、酸化物半導体膜において、酸素は主たる成分材料の一つである。このため、酸化物半導体膜中の酸素濃度を、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ））などの方法を用いて、正確に見積もることは難しい。つまり、酸化物半導体膜に酸素が意図的に添加されたか否かを判別することは困難であるといえる。
ところで、酸素には１７Ｏや１８Ｏといった同位体が存在し、自然界におけるこれらの存在比率はそれぞれ酸素原子全体の０．０３７％、０．２０４％程度であることが知られている。つまり、酸化物半導体膜中におけるこれら同位体の濃度は、ＳＩＭＳなどの方法によって見積もることができる程度になるから、これらの濃度を測定することで、酸化物半導体膜中の酸素濃度をより正確に見積もることが可能な場合がある。よって、これらの濃度を測定することで、酸化物半導体膜に意図的に酸素が添加されたか否かを判別しても良い。
例えば、１８Ｏの濃度を基準に用いると、酸素が添加された領域における酸素の同位体の濃度Ｄ１（１８Ｏ）と、酸素が添加されていない領域における酸素の同位体の濃度Ｄ２（Ｏ１８）との間には、Ｄ１（１８Ｏ）＞Ｄ２（１８Ｏ）が成立する。
また、酸化物半導体膜に添加される（含まれる）酸素４２１ｂの少なくとも一部は酸素の未結合手を酸化物半導体中で有することが好ましい。未結合手を有することにより、膜中に残存しうる水素と結合して、水素を固定化（非可動イオン化）することができるためである。
ドープされる酸素（酸素ラジカル、酸素原子、及び／又は酸素イオン）は、酸素を含むガスを用いてラジカル発生装置により供給されてもよいし、又はオゾン発生装置により供給されてもよい。より具体的には、例えば、半導体装置に対してエッチング処理を行うための装置や、レジストマスクに対してアッシングを行うための装置などを用いて酸素４２１ｂを発生させ、酸化物半導体膜４０３を処理することができる。
なお、酸素の添加をより好適に行うためには、基板には電気的なバイアスを加えておくことが望ましい。
また、酸素ドープ処理を行った酸化物半導体膜４０３に熱処理（温度１５０℃〜４７０℃）を行ってもよい。熱処理により、酸素４２１ｂと酸化物半導体膜４０３との間で反応して生成された水、水酸化物を酸化物半導体膜４０３から除去することができる。熱処理は、窒素、酸素、超乾燥空気（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、好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）、または希ガス（アルゴン、ヘリウムなど）の雰囲気下で行えばよいが、上記窒素、酸素、超乾燥空気、または希ガス等の雰囲気は、水、水素などが含まれず高純度化されていることが好ましい。
以上の工程で高純度化し、電気的にＩ型（真性）化された酸化物半導体膜４０３を得る。
ゲート絶縁膜４０２が酸素ドープ処理されており、ゲート絶縁膜４０２に含まれる酸素は過剰であるので、積層する酸化物半導体膜４０３からの酸素の移動が抑制できる。また、酸素ドープ処理されたゲート絶縁膜４０２と接して酸化物半導体膜４０３を積層することで酸化物半導体膜４０３へゲート絶縁膜４０２（バルク又は／及び界面）から酸素を供給することができる。ゲート絶縁膜４０２からの酸化物半導体膜４０３への酸素の供給は、酸素ドープ処理されたゲート絶縁膜４０２と酸化物半導体膜４０３とを接して熱処理することによってより促進される。
また、ゲート絶縁膜４０２に添加され、酸化物半導体膜４０３へ供給される酸素４２１ａの少なくとも一部は酸素の未結合手を酸化物半導体中で有することが好ましい。未結合手を有することにより、膜中に残存しうる水素と結合して、水素を固定化（非可動イオン化）することができるためである。
また、酸化物半導体膜への酸素ドープ処理は、熱処理後であれば、島状の酸化物半導体膜への加工前の酸化物半導体膜に行ってもよいし、島状の酸化物半導体膜上にソース電極層及びドレイン電極層を積層させた後で行ってもよい。
次いで、ゲート絶縁膜４０２、及び酸化物半導体膜４０３上に、ソース電極層及びドレイン電極層（これと同じ層で形成される配線を含む）となる導電膜を形成する。
第３のフォトリソグラフィ工程により導電膜上にレジストマスクを形成し、選択的にエッチングを行ってソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂを形成した後、レジストマスクを除去する（図４（Ｆ）参照。）。
なお、導電膜のエッチングの際に、酸化物半導体膜４０３がエッチングされ、分断することのないようエッチング条件を最適化することが望まれる。しかしながら、導電膜のみをエッチングし、酸化物半導体膜４０３を全くエッチングしないという条件を得ることは難しく、導電膜のエッチングの際に酸化物半導体膜４４１は一部のみがエッチングされ、溝部（凹部）を有する酸化物半導体膜となることもある。
本実施の形態では、導電膜としてＴｉ膜を用い、酸化物半導体膜４０３にはＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体を用いたので、エッチャントとしてアンモニア過水（アンモニア、水、過酸化水素水の混合液）を用いる。
高純度化された酸化物半導体膜４０３中にはキャリアが極めて少ない（ゼロに近い）。
次に酸化物半導体膜４０３、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂ上に絶縁膜４０７を形成する（図５（Ａ）参照。）。
絶縁膜４０７は、少なくとも１ｎｍ以上の膜厚とし、スパッタ法など、絶縁膜４０７に水、水素等の不純物を混入させない方法を適宜用いて形成することができる。
絶縁膜４０７としては、代表的には酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、又は酸化ガリウム膜などの無機絶縁膜を用いることができる。
なお、絶縁膜４０７には、ゲート絶縁膜４０２と同様に、酸化物半導体膜４０３と同種の成分でなる絶縁材料を用いると特に好ましい。このような材料は酸化物半導体膜との相性が良く、これを、絶縁膜４０７に用いることで、酸化物半導体膜との界面の状態を良好に保つことができるからである。例えば、酸化物半導体膜がＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体材料によって構成される場合、同種の成分でなる絶縁材料としては酸化ガリウムなどがある。
上述の絶縁膜４０７の形成後には、熱処理を行うのが望ましい。熱処理の温度は、２５０℃以上７００℃以下、好ましくは４５０℃以上６００℃以下、または基板の歪み点未満とする。
熱処理は、窒素、酸素、超乾燥空気（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、好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）、または希ガス（アルゴン、ヘリウムなど）の雰囲気下で行えばよいが、上記窒素、酸素、超乾燥空気、または希ガス等の雰囲気には、水、水素などが含まれないことが好ましい。また、熱処理装置に導入する窒素、酸素、または希ガスの純度は、６Ｎ（９９．９９９９％）以上（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下）とするのが好ましく、７Ｎ（９９．９９９９９％）以上（即ち不純物濃度を０．１ｐｐｍ以下）とすると、より好ましい。
また、酸化物半導体膜と酸素を含む絶縁膜４０７とを接した状態で熱処理を行うと、酸素を含む絶縁膜４０７より酸素をさらに酸化物半導体膜へ供給することができる。
次に、絶縁膜４０７に酸素ドープ処理を行う。絶縁膜４０７に酸素ドープ処理を行うことにより、酸素４２１ｃを絶縁膜４０７に供給して、酸化物半導体膜４０３中、又はゲート絶縁膜４０２中及び該界面近傍に酸素を含有させる（図５（Ｂ）参照。）。この場合、酸素の含有量は、絶縁膜４０７の化学量論比を超える程度、好ましくは、化学量論比の１倍を超えて４倍まで（１倍より大きく４倍未満）、より好ましくは１倍を超えて２倍まで（１倍より大きく２倍未満）とする。あるいは、酸素の含有量は、絶縁膜４０７を構成する材料が単結晶の場合の酸素の量をＹとして、Ｙを超える程度、好ましくは、Ｙを超えて４Ｙまで、より好ましくはＹを超えて２Ｙまでとすることもできる。あるいは、酸素の含有量は、酸素ドープ処理を行わない場合の絶縁膜中の酸素の量Ｚを基準として、Ｚを超える程度、好ましくは、Ｚを超えて４Ｚまで、より好ましくはＺを超えて２Ｚまでとすることもできる。ドープされる酸素４２１ｃは、酸素ラジカル、酸素原子、及び／又は酸素イオンを含む。
例えば、組成がＧａＯｘ（ｘ＞０）で表現される酸化物絶縁膜を用いる場合、酸化ガリウムの化学量論比はＧａ：Ｏ＝１：１．５であるので、ｘが１．５を超えて６まで含まれる酸素過剰領域を有する絶縁膜を形成する。また、例えば、組成がＳｉＯｘ（ｘ＞０）で表現される酸化物絶縁膜を用いる場合、酸化シリコンの化学量論比はＳｉ：Ｏ＝１：２であるので、ｘが２を超えて８まで含まれる酸素過剰領域を有する絶縁膜を形成する。なお、このような酸素過剰領域は、絶縁膜の一部（界面も含む）に存在していればよい。よって、絶縁膜において酸素の含有量は水素の含有量より大きくなる。
また、絶縁膜４０７に添加される（含まれる）酸素４２１ｃの少なくとも一部は酸素の未結合手を酸化物半導体中で有することが好ましい。未結合手を有することにより、膜中に残存しうる水素と結合して、水素を固定化（非可動イオン化）することができるためである。
ドープされる酸素（酸素ラジカル、酸素原子、及び／又は酸素イオン）は、酸素を含むガスを用いてラジカル発生装置により供給されてもよいし、又はオゾン発生装置により供給されてもよい。より具体的には、例えば、半導体装置に対してエッチング処理を行うための装置や、レジストマスクに対してアッシングを行うための装置などを用いて酸素４２１ｃを発生させ、絶縁膜４０７を処理することができる。
また、酸素ドープ処理を行った絶縁膜４０７に熱処理（温度１５０℃〜４７０℃）を行ってもよい。熱処理により、酸素４２１ｃと絶縁膜４０７との間で反応して生成された水、水酸化物を絶縁膜４０７から除去することができる。熱処理は、窒素、酸素、超乾燥空気（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、好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）、または希ガス（アルゴン、ヘリウムなど）の雰囲気下で行えばよいが、上記窒素、酸素、超乾燥空気、または希ガス等の雰囲気は、水、水素などが含まれず高純度化されていることが好ましい。
絶縁膜４０７上にさらに水分や水素などの不純物が酸化物半導体膜４０３に再混入しないように、これらが外部から侵入することをブロックする保護絶縁層として絶縁膜４０９を形成することが好ましい。絶縁膜４０９としては、無機絶縁膜を用い、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜などを用いればよい。例えば、ＲＦスパッタリング法を用いて窒化シリコン膜を形成する。ＲＦスパッタリング法は、量産性がよいため、絶縁膜４０９の成膜方法として好ましい。
絶縁膜の形成後、熱処理を行ってもよい。例えば、大気中、１００℃以上２００℃以下、１時間以上３０時間以下での熱処理を行ってもよい。この熱処理は一定の加熱温度を保持して加熱してもよいし、室温から、１００℃以上２００℃以下の加熱温度への昇温と、加熱温度から室温までの降温を複数回くりかえして行ってもよい。
以上の工程でトランジスタ４５０が形成される（図５（Ｃ）参照。）。トランジスタ４５０は、水素、水分、水酸基又は水素化物（水素化合物ともいう）などの不純物を酸化物半導体膜より意図的に排除し、高純度化された酸化物半導体膜４０３を含むトランジスタである。よって、トランジスタ４５０は、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。
本実施の形態を用いて作製した、高純度化された酸化物半導体膜４０３を用いたトランジスタ４５０は、オフ状態における電流値（オフ電流値）を、低くすることができる。
このように酸素ドープ処理は、ゲート絶縁膜４０２の他、酸化物半導体膜４０３、絶縁膜４０７に対しても行うことができる。酸素ドープ処理は、酸化物半導体膜４０３及び絶縁膜４０７両方に対してそれぞれ行ってもよいし、どちらか一方に対してのみ行ってもよい。
また、酸素ドープ処理を行った後、熱処理（温度１５０℃〜４７０℃）を行ってもよい。熱処理は、窒素、酸素、超乾燥空気（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露点が−６０℃以下、好ましくは−８０℃以下）、または希ガス（アルゴン、ヘリウムなど）の雰囲気下で行えばよいが、上記窒素、酸素、超乾燥空気、または希ガス等の雰囲気は、水、水素などが含まれず高純度化されていることが好ましい。
該熱処理によって、酸素ドープ処理を行ったゲート絶縁膜４０２から酸化物半導体膜４０３へ酸素をより効果的に供給することができる。
また、酸素ドープ処理された酸化物半導体膜を有するトランジスタは、バイアス−熱ストレス試験（ＢＴ試験）前後においてもトランジスタのしきい値電圧の変化量が低減できており、信頼性の高いトランジスタとすることができる。
また、酸化物半導体膜４０３を用いたトランジスタ４５０は、比較的高い電界効果移動度が得られるため、高速駆動が可能である。よって、表示機能を有する半導体装置の画素部に上記トランジスタを用いることで、高画質な画像を提供することができる。また、高純度化された酸化物半導体膜を含むトランジスタによって、同一基板上に駆動回路部または画素部を作り分けて作製することができるため、半導体装置の部品点数を削減することができる。
以上のように、安定した電気的特性を有する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。よって、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
（実施の形態３）
本実施の形態では、半導体装置の他の一形態を図１３を用いて説明する。上記実施の形態と同一部分又は同様な機能を有する部分、及び工程は、上記実施の形態と同様に行うことができ、繰り返しの説明は省略する。また同じ箇所の詳細な説明は省略する。
本実施の形態では、トランジスタのソース電極層又は／及びドレイン電極層に導電層（配線層や画素電極層など）を接続する構成の一例を示す。なお、本実施の形態は、実施の形態１又は実施の形態２で示したトランジスタにも適用できる。
図１３（Ａ）に示すように、トランジスタ４７０は、絶縁表面を有する基板４００上に、ゲート電極層４０１、ゲート絶縁膜４０２、酸化物半導体膜４０３、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂを含む。
実施の形態２で示したように、トランジスタ４７０の作製工程においても、ゲート絶縁膜４０２の他に、脱水化または脱水素化処理として熱処理を行った酸化物半導体膜４０３にも酸素ドープ処理を行う。本実施の形態のトランジスタ４７０は脱水素化処理として熱処理を行った酸化物半導体膜４０３上にソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂを形成した後、酸素ドープ処理を行う例である。
この酸素ドープ処理において、酸素ラジカルまたは酸素原子、酸素イオンは酸化物半導体膜４０３の他、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂへも到達し、照射（表面付近に導入）される。よって、図１３（Ａ）に示すように酸素ラジカルまたは酸素原子、酸素イオンが照射されたソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ表面は酸化され、絶縁膜４０７の間に酸化金属領域４０４ａ、４０４ｂが形成される場合がある。酸化金属領域４０４ａ、４０４ｂは膜の形状となる場合もある。
次に、トランジスタ４７０上に、絶縁膜４０７、及び絶縁膜４０９を順に積層する（図１３（Ｂ）参照。）。
図１３（Ｂ）のような場合、絶縁膜４０９上に、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂに接続する導電層を形成するための開口４５５ａ、４５５ｂは、抵抗の高い酸化金属領域４０４ａ、４０４ｂも除去し、抵抗の低いソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂが露出するまで形成することが好ましい（図１３（Ｃ）参照。）。開口４５５ａ、４５５ｂは絶縁膜４０９、絶縁膜４０７、酸化金属領域４０４ａ、４０４ｂの一部を除去して形成する。ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂは一部を除去されることによって凹部を有する形状となる。ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂにおいて、該凹部の底面に露出する領域の酸素濃度は、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂ表面の酸化金属領域４０４ａ、４０４ｂの酸素濃度より低い。
例えば、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ表面に形成された酸化金属領域４０４ａ、４０４ｂを除去するために、開口４５５ａ、４５５ｂにおいて、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂは表面より該膜厚の２分の１以下（好ましくは３分の１以下）の膜厚分を除去すればよい。
次に、開口４５５ａ、４５５ｂにおいて露出されたソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂに接するように導電層４５６ａ、４５６ｂを形成する（図１３（Ｄ）参照。）導電層４５６ａ、４５６ｂは抵抗の高い酸化金属領域４０４ａ、４０４ｂを介さずに、直接抵抗の低いソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂと接して設けられるために、良好な電気的接続（コンタクト）を行うことができる。
導電層４５６ａ、４５６ｂの上に保護層としてトランジスタ４７０を覆う絶縁膜を形成してもよい。さらに絶縁膜を覆うことで、開口４５５ａ、４５５ｂ部分より水素、水分などの不純物が酸化物半導体膜４０３へ侵入することを防止することができる。
以上のように、トランジスタの良好な電気的接続及び安定した電気的特性を有する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。よって、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
（実施の形態４）
本実施の形態では、酸素ドープ処理に用いることができるプラズマ装置（アッシング装置とも呼ぶ）の例を説明する。なお、この装置は、例えば第５世代以降の大型のガラス基板などに対応することができる点で、イオン注入装置などよりも工業的に適している。
図１４（Ａ）は、枚葉式マルチチャンバー設備の上面図の一例を示す。図１４（Ｂ）は、酸素ドープを行うプラズマ装置（アッシング装置とも呼ぶ）の断面図の一例を示す。
図１４（Ａ）に示す枚葉式マルチチャンバー設備は、図１４（Ｂ）に示すプラズマ装置１０を３つ有し、被処理基板を収容するカセットポート１４を３つ有する基板供給室１１や、ロードロック室１２や、搬送室１３などを有している。基板供給室１１に供給された基板は、ロードロック室１２と搬送室１３を介してプラズマ装置１０内の真空チャンバー１５に搬送されて酸素ドープが行われる。酸素ドープが終了した基板は、プラズマ装置１０からロードロック室１２と搬送室１３を介して基板供給室に搬送される。なお、基板供給室１１及び搬送室１３には、被処理基板を搬送するための搬送ロボットがそれぞれ配置されている。
図１４（Ｂ）を参照すると、プラズマ装置１０は、真空チャンバー１５を備える。真空チャンバー１５の上部には、複数のガス吹き出し口と、プラズマ発生源であるＩＣＰコイル１６（誘導結合プラズマコイル）が配置されている。
ガス吹き出し口は、プラズマ装置１０の上面から見て中央部分に１２個配置されている。それぞれのガス吹き出し口は、酸素ガスを供給するためのガス供給源とガス流路１７を介して接続されており、ガス供給源は、マスフローコントローラ等を備え、所望の流量（０より多く１０００ｓｃｃｍ以下）でガス流路１７に対して酸素ガスを供給することができる。ガス供給源から供給される酸素ガスは、ガス流路１７から１２個のガス吹き出し口を介して真空チャンバー１５内に供給される。
ＩＣＰコイル１６は、複数本の帯状の導体を螺旋状に配置してなる。各導体の一端は、インピーダンス調整のためのマッチング回路を介して第１の高周波電源１８（１３．５６ＭＨｚ）に電気的に接続され、他端は接地されている。
真空チャンバーの下部には、下部電極として機能する基板ステージ１９が配置されている。基板ステージ１９に設けられた静電チャックなどにより、基板ステージ上に被処理基板２０が着脱可能に保持される。基板ステージ１９には、加熱機構としてヒータ、冷却機構としてＨｅガス流路を備えている。基板ステージは、基板バイアス電圧印加用の第２の高周波電源２１（３．２ＭＨｚ）に接続されている。
また、真空チャンバー１５には、排気口が設けられ、自動圧力制御弁２２（ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｖａｌｖｅ、ＡＰＣとも呼ぶ。）が備えられる。ＡＰＣはターボ分子ポンプ２３に接続され、さらにターボ分子ポンプ２３を介してドライポンプ２４に接続される。ＡＰＣは真空チャンバー内の圧力制御を行い、ターボ分子ポンプ２３及びドライポンプ２４は、真空チャンバー１５内を減圧する。
次に、図１４（Ｂ）に示す真空チャンバー１５内にプラズマを発生させ、被処理基板２０に設けられている酸化物半導体膜またはゲート絶縁膜に酸素ドープを行う一例を示す。
まず、ターボ分子ポンプ２３及びドライポンプ２４などを作動させて、真空チャンバー１５内を所望の圧力に保持した後、被処理基板２０を真空チャンバー１５内の基板ステージに設置する。なお、基板ステージに保持する被処理基板２０には少なくとも酸化物半導体膜またはゲート絶縁膜を備えるものとする。本実施の形態では、真空チャンバー１５内の圧力を１．３３Ｐａに保持する。なお、酸素ガスをガス吹き出し口から真空チャンバー１５内に供給する流量を２５０ｓｃｃｍに設定する。
次いで、第１の高周波電源１８からＩＣＰコイル１６に高周波電力を印加し、プラズマを発生させる。そして、プラズマを発生させた状態を一定時間（３０秒以上６００秒以下）維持する。なお、ＩＣＰコイル１６に印加する高周波電力は、１ｋＷ以上１０ｋＷ以下とする。本実施の形態では、６０００Ｗとする。この際、第２の高周波電源２１から基板ステージに基板バイアス電力を印加してもよい。本実施の形態では１０００Ｗとする。
本実施の形態では、プラズマを発生させた状態を６０秒維持した後、被処理基板２０を真空チャンバー１５から搬出する。こうして、被処理基板２０に設けられている酸化物半導体膜またはゲート絶縁膜に酸素ドープを行うことができる。
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）
実施の形態１乃至３のいずれかで一例を示したトランジスタを用いて表示機能を有する半導体装置（表示装置ともいう）を作製することができる。また、トランジスタを含む駆動回路の一部または全体を、画素部と同じ基板上に一体形成し、システムオンパネルを形成することができる。
図１２（Ａ）において、第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２を囲むようにして、シール材４００５が設けられ、第２の基板４００６によって封止されている。図１２（Ａ）においては、第１の基板４００１上のシール材４００５によって囲まれている領域とは異なる領域に、別途用意された基板上に単結晶半導体膜又は多結晶半導体膜で形成された走査線駆動回路４００４、信号線駆動回路４００３が実装されている。また別途形成された信号線駆動回路４００３と、走査線駆動回路４００４または画素部４００２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）４０１８ａ、４０１８ｂから供給されている。
図１２（Ｂ）（Ｃ）において、第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２と、走査線駆動回路４００４とを囲むようにして、シール材４００５が設けられている。また画素部４００２と、走査線駆動回路４００４の上に第２の基板４００６が設けられている。よって画素部４００２と、走査線駆動回路４００４とは、第１の基板４００１とシール材４００５と第２の基板４００６とによって、表示素子と共に封止されている。図１２（Ｂ）（Ｃ）においては、第１の基板４００１上のシール材４００５によって囲まれている領域とは異なる領域に、別途用意された基板上に単結晶半導体膜又は多結晶半導体膜で形成された信号線駆動回路４００３が実装されている。図１２（Ｂ）（Ｃ）においては、別途形成された信号線駆動回路４００３と、走査線駆動回路４００４または画素部４００２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ４０１８から供給されている。
また図１２（Ｂ）（Ｃ）においては、信号線駆動回路４００３を別途形成し、第１の基板４００１に実装している例を示しているが、この構成に限定されない。走査線駆動回路を別途形成して実装しても良いし、信号線駆動回路の一部または走査線駆動回路の一部のみを別途形成して実装しても良い。
なお、別途形成した駆動回路の接続方法は、特に限定されるものではなく、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）方法、ワイヤボンディング方法、或いはＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）方法などを用いることができる。図１２（Ａ）は、ＣＯＧ方法により信号線駆動回路４００３、走査線駆動回路４００４を実装する例であり、図１２（Ｂ）は、ＣＯＧ方法により信号線駆動回路４００３を実装する例であり、図１２（Ｃ）は、ＴＡＢ方法により信号線駆動回路４００３を実装する例である。
また、表示装置は、表示素子が封止された状態にあるパネルと、該パネルにコントローラを含むＩＣ等を実装した状態にあるモジュールとを含む。
なお、本明細書中における表示装置とは、画像表示デバイス、表示デバイス、もしくは光源（照明装置含む）を指す。また、コネクター、例えばＦＰＣもしくはＴＡＢテープもしくはＴＣＰが取り付けられたモジュール、ＴＡＢテープやＴＣＰの先にプリント配線板が設けられたモジュール、または表示素子にＣＯＧ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。
また第１の基板上に設けられた画素部及び走査線駆動回路は、トランジスタを複数有しており、実施の形態１乃至３のいずれかで一例を示したトランジスタを適用することができる。
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）、を用いることができる。発光素子は、電流または電圧によって輝度が制御される素子をその範疇に含んでおり、具体的には無機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）素子、有機ＥＬ素子等が含まれる。また、電子インクなど、電気的作用によりコントラストが変化する表示媒体も適用することができる。
半導体装置の一形態について、図６乃至図８を用いて説明する。図６乃至図８は、図１２（Ｂ）のＭ−Ｎにおける断面図に相当する。
図６乃至図８で示すように、半導体装置は接続端子電極４０１５及び端子電極４０１６を有しており、接続端子電極４０１５及び端子電極４０１６はＦＰＣ４０１８が有する端子と異方性導電膜４０１９を介して、電気的に接続されている。
接続端子電極４０１５は、第１の電極層４０３０と同じ導電膜から形成され、端子電極４０１６は、トランジスタ４０１０、４０１１のソース電極及びドレイン電極と同じ導電膜で形成されている。
また第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２と、走査線駆動回路４００４は、トランジスタを複数有しており、図６乃至図８では、画素部４００２に含まれるトランジスタ４０１０と、走査線駆動回路４００４に含まれるトランジスタ４０１１とを例示している。図６では、トランジスタ４０１０、４０１１上には絶縁膜４０２０、絶縁膜４０２４が設けられ、図７及び図８ではさらに、絶縁層４０２１が設けられている。なお、絶縁膜４０２３は下地膜として機能する絶縁膜である。
本実施の形態では、トランジスタ４０１０、トランジスタ４０１１として、実施の形態１乃至３のいずれかで示したトランジスタを適用することができる。トランジスタ４０１０、トランジスタ４０１１は、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。よって、図６乃至図８で示す本実施の形態の半導体装置として信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
また、本実施の形態では、絶縁層上において駆動回路用のトランジスタ４０１１の酸化物半導体膜のチャネル形成領域と重なる位置には導電層が設けられている。導電層を酸化物半導体膜のチャネル形成領域と重なる位置に設けることによって、ＢＴ試験前後におけるトランジスタ４０１１のしきい値電圧の変化量をさらに低減することができる。また、導電層は、電位がトランジスタ４０１１のゲート電極と同じでもよいし、異なっていても良く、第２のゲート電極として機能させることもできる。また、導電層の電位がＧＮＤ、０Ｖ、或いはフローティング状態であってもよい。
また、該導電層は外部の電場を遮蔽する、すなわち外部の電場が内部（トランジスタを含む回路部）に作用しないようにする機能（特に静電気に対する静電遮蔽機能）も有する。導電層の遮蔽機能により、静電気などの外部の電場の影響によりトランジスタの電気的な特性が変動することを防止することができる。
画素部４００２に設けられたトランジスタ４０１０は表示素子と電気的に接続し、表示パネルを構成する。表示素子は表示を行うことができれば特に限定されず、様々な表示素子を用いることができる。
図６に表示素子として液晶素子を用いた液晶表示装置の例を示す。図６において、表示素子である液晶素子４０１３は、第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１、及び液晶層４００８を含む。なお、液晶層４００８を挟持するように配向膜として機能する絶縁膜４０３２、４０３３が設けられている。第２の電極層４０３１は第２の基板４００６側に設けられ、第１の電極層４０３０と第２の電極層４０３１とは液晶層４００８を介して積層する構成となっている。
また４０３５は絶縁膜を選択的にエッチングすることで得られる柱状のスペーサであり、液晶層４００８の膜厚（セルギャップ）を制御するために設けられている。なおスペーサの形状は、柱状に限定されるものではなく、例えば、球状のスペーサを用いていても良い。
表示素子として、液晶素子を用いる場合、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、反強誘電性液晶等を用いることができる。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、等方相等を示す。
また、配向膜を用いないブルー相を示す液晶を用いてもよい。ブルー相は液晶相の一つであり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリック相から等方相へ転移する直前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発現しないため、温度範囲を改善するために５重量％以上のカイラル剤を混合させた液晶組成物を液晶層に用いる。ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、応答速度が１ｍｓｅｃ以下と短く、光学的等方性であるため配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい。また配向膜を設けなくてもよいのでラビング処理も不要となるため、ラビング処理によって引き起こされる静電破壊を防止することができ、作製工程中の液晶表示装置の不良や破損を軽減することができる。よって液晶表示装置の生産性を向上させることが可能となる。
また、液晶材料の固有抵抗率は、１×１０９Ω・ｃｍ以上であり、好ましくは１×１０１１Ω・ｃｍ以上であり、さらに好ましくは１×１０１２Ω・ｃｍ以上である。なお、本明細書における固有抵抗率の値は、２０℃で測定した値とする。
液晶表示装置に設けられる保持容量の大きさは、画素部に配置されるトランジスタのリーク電流等を考慮して、所定の期間の間電荷を保持できるように設定される。高純度の酸化物半導体膜を有するトランジスタを用いることにより、各画素における液晶容量に対して１／３以下、好ましくは１／５以下の容量の大きさを有する保持容量を設ければ充分である。
本実施の形態で用いる高純度化された酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、オフ状態における電流値（オフ電流値）を低くすることができる。よって、画像信号等の電気信号の保持時間を長くすることができ、電源オン状態では書き込み間隔も長く設定できる。よって、リフレッシュ動作の頻度を少なくすることができるため、消費電力を抑制する効果を奏する。
また、本実施の形態で用いる高純度化された酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られるため、高速駆動が可能である。よって、液晶表示装置の画素部に上記トランジスタを用いることで、高画質な画像を提供することができる。また、上記トランジスタは、同一基板上に駆動回路部または画素部に作り分けて作製することができるため、液晶表示装置の部品点数を削減することができる。
液晶表示装置には、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ Ｆｉｅｌｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ａｌｉｇｎｅｄ Ｍｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モードなどを用いることができる。
また、ノーマリーブラック型の液晶表示装置、例えば垂直配向（ＶＡ）モードを採用した透過型の液晶表示装置としてもよい。ここで、垂直配向モードとは、液晶表示パネルの液晶分子の配列を制御する方式の一種であり、電圧が印加されていないときにパネル面に対して液晶分子が垂直方向を向く方式である。垂直配向モードとしては、いくつか挙げられるが、例えば、ＭＶＡ（Ｍｕｌｔｉ−Ｄｏｍａｉｎ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＡＳＶモードなどを用いることができる。また、画素（ピクセル）をいくつかの領域（サブピクセル）に分け、それぞれ別の方向に分子を倒すよう工夫されているマルチドメイン化あるいはマルチドメイン設計といわれる方法を用いることができる。
また、表示装置において、ブラックマトリクス（遮光層）、偏光部材、位相差部材、反射防止部材などの光学部材（光学基板）などは適宜設ける。例えば、偏光基板及び位相差基板による円偏光を用いてもよい。また、光源としてバックライト、サイドライトなどを用いてもよい。
また、バックライトとして複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いて、時間分割表示方式（フィールドシーケンシャル駆動方式）を行うことも可能である。フィールドシーケンシャル駆動方式を適用することで、カラーフィルタを用いることなく、カラー表示を行うことができる。
また、画素部における表示方式は、プログレッシブ方式やインターレース方式等を用いることができる。また、カラー表示する際に画素で制御する色要素としては、ＲＧＢ（Ｒは赤、Ｇは緑、Ｂは青を表す）の三色に限定されない。例えば、ＲＧＢＷ（Ｗは白を表す）、又はＲＧＢに、イエロー、シアン、マゼンタ等を一色以上追加したものがある。なお、色要素のドット毎にその表示領域の大きさが異なっていてもよい。ただし、本発明はカラー表示の表示装置に限定されるものではなく、モノクロ表示の表示装置に適用することもできる。
また、表示装置に含まれる表示素子として、エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子を適用することができる。エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子は、発光材料が有機化合物であるか、無機化合物であるかによって区別され、一般的に、前者は有機ＥＬ素子、後者は無機ＥＬ素子と呼ばれている。
有機ＥＬ素子は、発光素子に電圧を印加することにより、一対の電極から電子および正孔がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして、それらキャリア（電子および正孔）が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このような発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。
無機ＥＬ素子は、その素子構成により、分散型無機ＥＬ素子と薄膜型無機ＥＬ素子とに分類される。分散型無機ＥＬ素子は、発光材料の粒子をバインダ中に分散させた発光層を有するものであり、発光メカニズムはドナー準位とアクセプター準位を利用するドナー−アクセプター再結合型発光である。薄膜型無機ＥＬ素子は、発光層を誘電体層で挟み込み、さらにそれを電極で挟んだ構造であり、発光メカニズムは金属イオンの内殻電子遷移を利用する局在型発光である。なお、ここでは、発光素子として有機ＥＬ素子を用いて説明する。
発光素子は発光を取り出すために少なくとも一対の電極の一方が透明であればよい。そして、基板上にトランジスタ及び発光素子を形成し、基板とは逆側の面から発光を取り出す上面射出や、基板側の面から発光を取り出す下面射出や、基板側及び基板とは反対側の面から発光を取り出す両面射出構造の発光素子があり、どの射出構造の発光素子も適用することができる。
図７に表示素子として発光素子を用いた発光装置の例を示す。表示素子である発光素子４５１３は、画素部４００２に設けられたトランジスタ４０１０と電気的に接続している。なお発光素子４５１３の構成は、第１の電極層４０３０、電界発光層４５１１、第２の電極層４０３１の積層構造であるが、示した構成に限定されない。発光素子４５１３から取り出す光の方向などに合わせて、発光素子４５１３の構成は適宜変えることができる。
隔壁４５１０は、有機絶縁材料、又は無機絶縁材料を用いて形成する。特に感光性の樹脂材料を用い、第１の電極層４０３０上に開口部を形成し、その開口部の側壁が連続した曲率を持って形成される傾斜面となるように形成することが好ましい。
電界発光層４５１１は、単数の層で構成されていても、複数の層が積層されるように構成されていてもどちらでも良い。
発光素子４５１３に酸素、水素、水分、二酸化炭素等が侵入しないように、第２の電極層４０３１及び隔壁４５１０上に保護膜を形成してもよい。保護膜としては、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、ＤＬＣ膜等を形成することができる。また、第１の基板４００１、第２の基板４００６、及びシール材４００５によって封止された空間には充填材４５１４が設けられ密封されている。このように外気に曝されないように気密性が高く、脱ガスの少ない保護フィルム（貼り合わせフィルム、紫外線硬化樹脂フィルム等）やカバー材でパッケージング（封入）することが好ましい。
充填材４５１４としては窒素やアルゴンなどの不活性な気体の他に、紫外線硬化樹脂または熱硬化樹脂を用いることができ、ＰＶＣ（ポリビニルクロライド）、アクリル、ポリイミド、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ＰＶＢ（ポリビニルブチラル）またはＥＶＡ（エチレンビニルアセテート）を用いることができる。例えば充填材として窒素を用いればよい。
また、必要であれば、発光素子の射出面に偏光板、又は円偏光板（楕円偏光板を含む）、位相差板（λ／４板、λ／２板）、カラーフィルタなどの光学フィルムを適宜設けてもよい。また、偏光板又は円偏光板に反射防止膜を設けてもよい。例えば、表面の凹凸により反射光を拡散し、映り込みを低減できるアンチグレア処理を施すことができる。
また、表示装置として、電子インクを駆動させる電子ペーパーを提供することも可能である。電子ペーパーは、電気泳動表示装置（電気泳動ディスプレイ）とも呼ばれており、紙と同じ読みやすさ、他の表示装置に比べ低消費電力、薄くて軽い形状とすることが可能という利点を有している。
電気泳動表示装置は、様々な形態が考えられ得るが、プラスの電荷を有する第１の粒子と、マイナスの電荷を有する第２の粒子とを含むマイクロカプセルが溶媒または溶質に複数分散されたものであり、マイクロカプセルに電界を印加することによって、マイクロカプセル中の粒子を互いに反対方向に移動させて一方側に集合した粒子の色のみを表示するものである。なお、第１の粒子または第２の粒子は染料を含み、電界がない場合において移動しないものである。また、第１の粒子の色と第２の粒子の色は異なるもの（無色を含む）とする。
このように、電気泳動表示装置は、誘電定数の高い物質が高い電界領域に移動する、いわゆる誘電泳動的効果を利用したディスプレイである。
上記マイクロカプセルを溶媒中に分散させたものが電子インクと呼ばれるものであり、この電子インクはガラス、プラスチック、布、紙などの表面に印刷することができる。また、カラーフィルタや色素を有する粒子を用いることによってカラー表示も可能である。
なお、マイクロカプセル中の第１の粒子および第２の粒子は、導電体材料、絶縁体材料、半導体材料、磁性材料、液晶材料、強誘電性材料、エレクトロルミネセント材料、エレクトロクロミック材料、磁気泳動材料から選ばれた一種の材料、またはこれらの複合材料を用いればよい。
また、電子ペーパーとして、ツイストボール表示方式を用いる表示装置も適用することができる。ツイストボール表示方式とは、白と黒に塗り分けられた球形粒子を表示素子に用いる電極層である第１の電極層及び第２の電極層の間に配置し、第１の電極層及び第２の電極層に電位差を生じさせて球形粒子の向きを制御することにより、表示を行う方法である。
図８に、半導体装置の一形態としてアクティブマトリクス型の電子ペーパーを示す。図８の電子ペーパーは、ツイストボール表示方式を用いた表示装置の例である。
トランジスタ４０１０と接続する第１の電極層４０３０と、第２の基板４００６に設けられた第２の電極層４０３１との間には黒色領域４６１５ａ及び白色領域４６１５ｂを有し、周りに液体で満たされているキャビティ４６１２を含む球形粒子４６１３が設けられており、球形粒子４６１３の周囲は樹脂等の充填材４６１４で充填されている。第２の電極層４０３１が共通電極（対向電極）に相当する。第２の電極層４０３１は、共通電位線と電気的に接続される。
なお、図６乃至図８において、第１の基板４００１、第２の基板４００６としては、ガラス基板の他、可撓性を有する基板も用いることができ、例えば透光性を有するプラスチック基板などを用いることができる。プラスチックとしては、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒｇｌａｓｓ−Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）板、ＰＶＦ（ポリビニルフルオライド）フィルム、ポリエステルフィルムまたはアクリル樹脂フィルムを用いることができる。また、アルミニウムホイルをＰＶＦフィルムやポリエステルフィルムで挟んだ構造のシートを用いることもできる。
絶縁膜４０２０は、酸化シリコン、酸窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化ガリウム等の無機絶縁材料を含む材料を用いて形成することができる。絶縁膜４０２０の作製方法に特に限定はなく、例えば、プラズマＣＶＤ法やスパッタリング法などの成膜方法を用いて作製することができる。なお、水素や水などが混入しにくいという点では、スパッタリング法が好適である。
絶縁膜４０２４は、スパッタ法を用いて、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、又は窒化酸化アルミニウム膜の単層、又は積層で形成すればよく、トランジスタの保護膜として機能する。
絶縁層４０２１は、無機絶縁材料又は有機絶縁材料を用いて形成することができる。なお、アクリル樹脂、ポリイミド、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂等の、耐熱性を有する有機絶縁材料を用いると、平坦化絶縁膜として好適である。また上記有機絶縁材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、絶縁層を形成してもよい。
絶縁層４０２１の形成法は、特に限定されず、その材料に応じて、スパッタリング法、スピンコート法、ディッピング法、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法、スクリーン印刷、オフセット印刷等）、ロールコーティング、カーテンコーティング、ナイフコーティング等を用いることができる。
表示装置は光源又は表示素子からの光を透過させて表示を行う。よって光が透過する画素部に設けられる基板、絶縁膜、導電膜などの薄膜はすべて可視光の波長領域の光に対して透光性とする。
表示素子に電圧を印加する第１の電極層及び第２の電極層（画素電極層、共通電極層、対向電極層などともいう）においては、取り出す光の方向、電極層が設けられる場所、及び電極層のパターン構造によって透光性、反射性を選択すればよい。
第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１は、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物（以下、ＩＴＯと示す。）、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有する導電性材料を用いることができる。
また、第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１はタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）等の金属、又はその合金、若しくはその窒化物から一つ、又は複数種を用いて形成することができる。
また、トランジスタは静電気などにより破壊されやすいため、駆動回路保護用の保護回路を設けることが好ましい。保護回路は、非線形素子を用いて構成することが好ましい。
以上のように実施の形態１乃至３のいずれかで示したトランジスタを適用することで、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
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６）
実施の形態１乃至３のいずれかで一例を示したトランジスタを用いて、対象物の情報を読み取るイメージセンサ機能を有する半導体装置を作製することができる。
図９（Ａ）に、イメージセンサ機能を有する半導体装置の一例を示す。図９（Ａ）はフォトセンサの等価回路であり、図９（Ｂ）はフォトセンサの一部を示す断面図である。
フォトダイオード６０２は、一方の電極がフォトダイオードリセット信号線６５８に、他方の電極がトランジスタ６４０のゲートに電気的に接続されている。トランジスタ６４０は、ソース又はドレインの一方がフォトセンサ基準信号線６７２に、ソース又はドレインの他方がトランジスタ６５６のソース又はドレインの一方に電気的に接続されている。トランジスタ６５６は、ゲートがゲート信号線６５９に、ソース又はドレインの他方がフォトセンサ出力信号線６７１に電気的に接続されている。
なお、本明細書における回路図において、酸化物半導体膜を用いるトランジスタと明確に判明できるように、酸化物半導体膜を用いるトランジスタの記号には「ＯＳ」と記載している。図９（Ａ）において、トランジスタ６４０、トランジスタ６５６は酸化物半導体膜を用いるトランジスタである。
図９（Ｂ）は、フォトセンサにおけるフォトダイオード６０２及びトランジスタ６４０に示す断面図であり、絶縁表面を有する基板６０１（ＴＦＴ基板）上に、センサとして機能するフォトダイオード６０２及びトランジスタ６４０が設けられている。フォトダイオード６０２、トランジスタ６４０の上には接着層６０８を用いて基板６１３が設けられている。
トランジスタ６４０上には絶縁膜６３１、保護絶縁膜６３２、第１の層間絶縁層６３３、第２の層間絶縁層６３４が設けられている。フォトダイオード６０２は、第１の層間絶縁層６３３上に設けられ、第１の層間絶縁層６３３上に形成した電極層６４１と、第２の層間絶縁層６３４上に設けられた電極層６４２との間に、第１の層間絶縁層６３３側から順に第１半導体層６０６ａ、第２半導体層６０６ｂ、及び第３半導体層６０６ｃを積層した構造を有している。
本実施の形態では、トランジスタ６４０として、実施の形態１乃至３のいずれかで示したトランジスタを適用することができる。トランジスタ６４０、トランジスタ６５６は、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定であるため、図９で示す本実施の形態の半導体装置として信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
電極層６４１は、第２の層間絶縁層６３４上に形成された導電層６４３と電気的に接続し、電極層６４２は電極層６４４を介してゲート電極６４５と電気的に接続している。ゲート電極６４５は、トランジスタ６４０のゲート電極と電気的に接続しており、フォトダイオード６０２はトランジスタ６４０と電気的に接続している。
ここでは、第１半導体層６０６ａとしてｐ型の導電型を有する半導体層と、第２半導体層６０６ｂとして高抵抗な半導体層（Ｉ型半導体層）、第３半導体層６０６ｃとしてｎ型の導電型を有する半導体層を積層するｐｉｎ型のフォトダイオードを例示している。
第１半導体層６０６ａはｐ型半導体層であり、ｐ型を付与する不純物元素を含むアモルファスシリコン膜により形成することができる。第１半導体層６０６ａの形成には１３族の不純物元素（例えばボロン（Ｂ））を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。また、不純物元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入法を用いて該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合にアモルファスシリコン膜を形成する方法としては、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、又はスパッタリング法等を用いればよい。第１半導体層６０６ａの膜厚は１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下となるよう形成することが好ましい。
第２半導体層６０６ｂは、Ｉ型半導体層（真性半導体層）であり、アモルファスシリコン膜により形成する。第２半導体層６０６ｂの形成には、半導体材料ガスを用いて、アモルファスシリコン膜をプラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしては、シラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。第２半導体層６０６ｂの形成は、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、スパッタリング法等により行っても良い。第２半導体層６０６ｂの膜厚は２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下となるように形成することが好ましい。
第３半導体層６０６ｃは、ｎ型半導体層であり、ｎ型を付与する不純物元素を含むアモルファスシリコン膜により形成する。第３半導体層６０６ｃの形成には、１５族の不純物元素（例えばリン（Ｐ））を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。また、不純物元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入法を用いて該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合にアモルファスシリコン膜を形成する方法としては、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、又はスパッタリング法等を用いればよい。第３半導体層６０６ｃの膜厚は２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下となるよう形成することが好ましい。
また、第１半導体層６０６ａ、第２半導体層６０６ｂ、及び第３半導体層６０６ｃは、アモルファス半導体ではなく、多結晶半導体を用いて形成してもよいし、微結晶（セミアモルファス（Ｓｅｍｉ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：ＳＡＳ）半導体を用いて形成してもよい。
微結晶半導体は、ギブスの自由エネルギーを考慮すれば非晶質と単結晶の中間的な準安定状態に属するものである。すなわち、自由エネルギー的に安定な第３の状態を有する半導体であって、短距離秩序を持ち格子歪みを有する。柱状または針状結晶が基板表面に対して法線方向に成長している。微結晶半導体の代表例である微結晶シリコンは、そのラマンスペクトルが単結晶シリコンを示す５２０ｃｍ−１よりも低波数側に、シフトしている。即ち、単結晶シリコンを示す５２０ｃｍ−１とアモルファスシリコンを示す４８０ｃｍ−１の間に微結晶シリコンのラマンスペクトルのピークがある。また、ダングリングボンドを終端するため水素またはハロゲンを少なくとも１原子％またはそれ以上含ませている。さらに、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、ネオンなどの希ガス元素を含ませて格子歪みをさらに助長させることで、安定性が増し良好な微結晶半導体膜が得られる。
この微結晶半導体膜は、周波数が数十ＭＨｚ〜数百ＭＨｚの高周波プラズマＣＶＤ法、または周波数が１ＧＨｚ以上のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置により形成することができる。代表的には、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４などを水素で希釈して形成することができる。また、水素化珪素及び水素に加え、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、ネオンから選ばれた一種または複数種の希ガス元素で希釈して微結晶半導体膜を形成することができる。これらのときの水素化珪素に対して水素の流量比を５倍以上２００倍以下、好ましくは５０倍以上１５０倍以下、更に好ましくは１００倍とする。さらには、シリコンを含む気体中に、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ６等の炭化物気体、ＧｅＨ４、ＧｅＦ４等のゲルマニウム化気体、Ｆ２等を混入させてもよい。
また、光電効果で発生した正孔の移動度は電子の移動度に比べて小さいため、ｐｉｎ型のフォトダイオードはｐ型の半導体層側を受光面とする方がよい特性を示す。ここでは、ｐｉｎ型のフォトダイオードが形成されている基板６０１の面からフォトダイオード６０２が受ける光６２２を電気信号に変換する例を示す。また、受光面とした半導体層側とは逆の導電型を有する半導体層側からの光は外乱光となるため、電極層６４２は遮光性を有する導電膜を用いるとよい。また、ｎ型の半導体層側を受光面として用いることもできる。
第１の層間絶縁層６３３、第２の層間絶縁層６３４としては、表面凹凸を低減するため平坦化絶縁膜として機能する絶縁層が好ましい。第１の層間絶縁層６３３、第２の層間絶縁層６３４としては、例えばポリイミド、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂等の有機絶縁材料を用いることができる。また上記有機絶縁材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等の単層、又は積層を用いることができる。
絶縁膜６３１、保護絶縁膜６３２、第１の層間絶縁層６３３、第２の層間絶縁層６３４としては、絶縁性材料を用いて、その材料に応じて、スパッタリング法、スピンコート法、ディッピング法、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法、スクリーン印刷、オフセット印刷等）、ロールコーティング、カーテンコーティング、ナイフコーティング等を用いて形成することができる。
フォトダイオード６０２に入射する光を検出することによって、被検出物の情報を読み取ることができる。なお、被検出物の情報を読み取る際にバックライトなどの光源を用いることができる。
トランジスタ６４０として、実施の形態１乃至３のいずれかで一例を示したトランジスタを用いることができる。水素、水分、水酸基又は水素化物（水素化合物ともいう）などの不純物を意図的に排除することで高純度化され、また、酸素ドープ処理により酸素を過剰に含有する酸化物半導体膜を含むトランジスタは、トランジスタの電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。よって、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
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７）
本明細書に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器（遊技機も含む）に適用することができる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置（テレビ、またはテレビジョン受信機ともいう）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ等のカメラ、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。上記実施の形態で説明した液晶表示装置を具備する電子機器の例について説明する。
図１０（Ａ）は電子書籍（Ｅ−ｂｏｏｋともいう）であり、筐体９６３０、表示部９６３１、操作キー９６３２、太陽電池９６３３、充放電制御回路９６３４を有することができる。図１０（Ａ）に示した電子書籍は、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。なお、図１０（Ａ）では充放電制御回路９６３４の一例としてバッテリー９６３５、ＤＣＤＣコンバータ（以下、コンバータと略記）９６３６を有する構成について示している。上記他の実施の形態のいずれかで示した半導体装置を表示部９６３１に適用することにより、信頼性の高い電子書籍とすることができる。
図１０（Ａ）に示す構成とすることにより、表示部９６３１として半透過型、又は反射型の液晶表示装置を用いる場合、比較的明るい状況下での使用も予想され、太陽電池９６３３による発電、及びバッテリー９６３５での充電を効率よく行うことができ、好適である。なお太陽電池９６３３は、筐体９６３０の空きスペース（表面や裏面）に適宜設けることができるため、効率的なバッテリー９６３５の充電を行う構成とすることができるため好適である。なおバッテリー９６３５としては、リチウムイオン電池を用いると、小型化を図れる等の利点がある。
また図１０（Ａ）に示す充放電制御回路９６３４の構成、及び動作について図１０（Ｂ）にブロック図を示し説明する。図１０（Ｂ）には、太陽電池９６３３、バッテリー９６３５、コンバータ９６３６、コンバータ９６３７、スイッチＳＷ１乃至ＳＷ３、表示部９６３１について示しており、バッテリー９６３５、コンバータ９６３６、コンバータ９６３７、スイッチＳＷ１乃至ＳＷ３が充放電制御回路９６３４に対応する箇所となる。
まず外光により太陽電池９６３３により発電がされる場合の動作の例について説明する。太陽電池で発電した電力は、バッテリー９６３５を充電するための電圧となるようコンバータ９６３６で昇圧または降圧がなされる。そして、表示部９６３１の動作に太陽電池９６３３からの電力が用いられる際にはスイッチＳＷ１をオンにし、コンバータ９６３７で表示部９６３１に必要な電圧に昇圧または降圧をすることとなる。また、表示部９６３１での表示を行わない際には、ＳＷ１をオフにし、ＳＷ２をオンにしてバッテリー９６３５の充電を行う構成とすればよい。
次いで外光により太陽電池９６３３により発電がされない場合の動作の例について説明する。バッテリー９６３５に蓄電された電力は、スイッチＳＷ３をオンにすることでコンバータ９６３７により昇圧または降圧がなされる。そして、表示部９６３１の動作にバッテリー９６３５からの電力が用いられることとなる。
なお太陽電池９６３３については、充電手段の一例として示したが、他の手段によるバッテリー９６３５の充電を行う構成であってもよい。また他の充電手段を組み合わせて行う構成としてもよい。
図１１（Ａ）は、ノート型のパーソナルコンピュータであり、本体３００１、筐体３００２、表示部３００３、キーボード３００４などによって構成されている。上記他の実施の形態のいずれかで示した半導体装置を表示部３００３に適用することにより、信頼性の高いノート型のパーソナルコンピュータとすることができる。
図１１（Ｂ）は、携帯情報端末（ＰＤＡ）であり、本体３０２１には表示部３０２３と、外部インターフェイス３０２５と、操作ボタン３０２４等が設けられている。また操作用の付属品としてスタイラス３０２２がある。上記他の実施の形態のいずれかで示した半導体装置を表示部３０２３に適用することにより、より信頼性の高い携帯情報端末（ＰＤＡ）とすることができる。
図１１（Ｃ）は、電子書籍の一例を示している。例えば、電子書籍２７００は、筐体２７０１および筐体２７０３の２つの筐体で構成されている。筐体２７０１および筐体２７０３は、軸部２７１１により一体とされており、該軸部２７１１を軸として開閉動作を行うことができる。このような構成により、紙の書籍のような動作を行うことが可能となる。
筐体２７０１には表示部２７０５が組み込まれ、筐体２７０３には表示部２７０７が組み込まれている。表示部２７０５および表示部２７０７は、続き画面を表示する構成としてもよいし、異なる画面を表示する構成としてもよい。異なる画面を表示する構成とすることで、例えば右側の表示部（図１１（Ｃ）では表示部２７０５）に文章を表示し、左側の表示部（図１１（Ｃ）では表示部２７０７）に画像を表示することができる。上記他の実施の形態のいずれかで示した半導体装置を表示部２７０５、表示部２７０７に適用することにより、信頼性の高い電子書籍２７００とすることができる。
また、図１１（Ｃ）では、筐体２７０１に操作部などを備えた例を示している。例えば、筐体２７０１において、電源２７２１、操作キー２７２３、スピーカー２７２５などを備えている。操作キー２７２３により、頁を送ることができる。なお、筐体の表示部と同一面にキーボードやポインティングデバイスなどを備える構成としてもよい。また、筐体の裏面や側面に、外部接続用端子（イヤホン端子、ＵＳＢ端子など）、記録媒体挿入部などを備える構成としてもよい。さらに、電子書籍２７００は、電子辞書としての機能を持たせた構成としてもよい。
また、電子書籍２７００は、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。無線により、電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とすることも可能である。
図１１（Ｄ）は、携帯電話であり、筐体２８００及び筐体２８０１の二つの筐体で構成されている。筐体２８０１には、表示パネル２８０２、スピーカー２８０３、マイクロフォン２８０４、ポインティングデバイス２８０６、カメラ用レンズ２８０７、外部接続端子２８０８などを備えている。また、筐体２８００には、携帯電話の充電を行う太陽電池セル２８１０、外部メモリスロット２８１１などを備えている。また、アンテナは筐体２８０１内部に内蔵されている。上記他の実施の形態のいずれかで示した半導体装置を表示パネル２８０２に適用することにより、信頼性の高い携帯電話とすることができる。
また、表示パネル２８０２はタッチパネルを備えており、図１１（Ｄ）には映像表示されている複数の操作キー２８０５を点線で示している。なお、太陽電池セル２８１０で出力される電圧を各回路に必要な電圧に昇圧するための昇圧回路も実装している。
表示パネル２８０２は、使用形態に応じて表示の方向が適宜変化する。また、表示パネル２８０２と同一面上にカメラ用レンズ２８０７を備えているため、テレビ電話が可能である。スピーカー２８０３及びマイクロフォン２８０４は音声通話に限らず、テレビ電話、録音、再生などが可能である。さらに、筐体２８００と筐体２８０１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。
外部接続端子２８０８はＡＣアダプタ及びＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能であり、充電及びパーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能である。また、外部メモリスロット２８１１に記録媒体を挿入し、より大量のデータ保存及び移動に対応できる。
また、上記機能に加えて、赤外線通信機能、テレビ受信機能などを備えたものであってもよい。
図１１（Ｅ）は、デジタルビデオカメラであり、本体３０５１、表示部（Ａ）３０５７、接眼部３０５３、操作スイッチ３０５４、表示部（Ｂ）３０５５、バッテリー３０５６などによって構成されている。上記他の実施の形態のいずれかで示した半導体装置を表示部（Ａ）３０５７、表示部（Ｂ）３０５５に適用することにより、信頼性の高いデジタルビデオカメラとすることができる。
図１１（Ｆ）は、テレビジョン装置の一例を示している。テレビジョン装置９６００は、筐体９６０１に表示部９６０３が組み込まれている。表示部９６０３により、映像を表示することが可能である。また、ここでは、スタンド９６０５により筐体９６０１を支持した構成を示している。上記他の実施の形態のいずれかで示した半導体装置を表示部９６０３に適用することにより、信頼性の高いテレビジョン装置９６００とすることができる。
テレビジョン装置９６００の操作は、筐体９６０１が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機により行うことができる。また、リモコン操作機に、当該リモコン操作機から出力する情報を表示する表示部を設ける構成としてもよい。
なお、テレビジョン装置９６００は、受信機やモデムなどを備えた構成とする。受信機により一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線または無線による通信ネットワークに接続することにより、一方向（送信者から受信者）または双方向（送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など）の情報通信を行うことも可能である。
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。

Claims (7)

  1. ゲート電極層を形成し、
    前記ゲート電極層上にゲート絶縁膜を形成し、
    前記ゲート絶縁膜に酸素ドープ処理を行って、前記ゲート絶縁膜に酸素原子を供給し、
    前記ゲート絶縁膜上の前記ゲート電極層と重畳する領域に酸化物半導体膜を形成し、
    前記酸化物半導体膜に熱処理を行って、前記酸化物半導体膜中の水素原子を除去し、
    前記酸化物半導体膜と電気的に接続するソース電極層及びドレイン電極層を形成し、
    前記酸化物半導体膜、前記ソース電極層及び前記ドレイン電極層上に前記酸化物半導体膜に接して絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
  2. 化学量論比の１倍を超えて４倍までの比率の酸素原子が含まれるように、前記ゲート絶縁膜に酸素ドープ処理を行う請求項１に記載の半導体装置の作製方法。
  3. 前記ゲート絶縁膜または前記絶縁膜として、前記酸化物半導体膜の成分元素を含む絶縁膜を形成する請求項１又は請求項２に記載の半導体装置の作製方法。
  4. 前記ゲート絶縁膜または前記絶縁膜として、前記酸化物半導体膜の成分元素を含む絶縁膜と、当該絶縁膜の成分元素とは異なる元素を含む膜を形成する請求項１乃至３のいずれか一に記載の半導体装置の作製方法。
  5. 前記ゲート絶縁膜または前記絶縁膜として、酸化ガリウムを含む絶縁膜を形成する請求項１乃至４のいずれか一に記載の半導体装置の作製方法。
  6. 前記ゲート絶縁膜または前記絶縁膜として、酸化ガリウムを含む絶縁膜と、酸化ガリウムとは異なる材料を含む膜を形成する請求項１乃至５のいずれか一に記載の半導体装置の作製方法。
  7. 前記絶縁膜を覆うように、窒素を含有する絶縁膜を形成する請求項１乃至６のいずれか一に記載の半導体装置の作製方法。
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