(57)【要約】【課題】安定な電気特性をもつ半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は、酸化物半導体膜、ゲート電極、第１の導電膜、第２の導電膜及び第３の導電膜を有する。ゲート電極と第３の導電膜とは電気的に接続されている。第１、第２の導電膜は、ソース電極またはドレイン電極として機能する。酸化物半導体膜は、第１の導電膜と重なる第１の領域と、第２の導電膜と重なる第２の領域と、ゲート電極および第３の導電膜と重なる第３の領域とを有し、第１の領域は、第２の領域と対向している第１の端部を有し、第２の領域は、第１の領域と対向している第２の端部を有し、第１の端部の長さは、第２の端部の長さよりも短い。【選択図】図３
2020080410.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物半導体層と、
第１のゲート電極及び第２のゲート電極と、
ソースまたはドレインの一方としての機能を有する第１の導電層と、
ソースまたはドレインの他方としての機能を有する第２の導電層と、を有し、
前記第１のゲート電極は、前記酸化物半導体層を介して前記第２のゲート電極と重なる領域を有し、
前記第１のゲート電極は、開口部を有し、
前記第１の導電層は、前記酸化物半導体層上方に位置する領域を有し、
前記第２の導電層は、前記酸化物半導体層上方に位置する領域を有し、
前記第１のゲート電極は、前記第１の導電層と重なる領域を有し、
前記第１のゲート電極は、前記第２の導電層と重なる領域を有し、
前記第１の導電層は、前記酸化物半導体層と接する領域を有し、
前記酸化物半導体層と接する領域は、前記開口部と重なる領域を有する半導体装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記酸化物半導体層は、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の一態様は、半導体装置及び該半導体装置を用いた表示装置に関する。
【０００２】
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の
一態様の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本発明は、プロセ
ス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関
する。特に、本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置
、それらの駆動方法、またはそれらの製造方法に関する。
【０００３】
なお、本明細書等において、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
置全般を指す。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、半導体回路、演算装置、記憶装
置は、半導体装置の一態様である。撮像装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、電気
光学装置、発電装置（薄膜太陽電池、有機薄膜太陽電池等を含む）、及び電子機器は、半
導体装置を有している場合がある。
【背景技術】
【０００４】
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（電界効果トラン
ジスタ（ＦＥＴ）、または薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）ともいう）を構成する技術が注目
されている。該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（表示装置）のような電
子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン
を代表とする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（特許文献１）。
【０００５】
また、酸化物半導体でドレイン電極がソース電極を同心円状に取り囲むＣｏｒｂｉｎｏ  
ＴＦＴを作成し、該ＴＦＴを有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディ
スプレイの駆動ＴＦＴに用いることで、輝度ばらつきが少ない表示装置を作製できること
が報告されている（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１２３８６１号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｍ．Ｍａｔｉｖｅｎｇａ  ｅｔ  ａｌ．，”Ｃｏｒｂｉｎｏ  ＴＦＴｓ  ｆｏｒ  Ｌａｒｇｅ−Ａｒｅａ  ＡＭＯＬＥＤ  Ｄｉｓｐｌａｙｓ”，  ＳＩＤ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒｓ，４９．２（２０１４），ｐｐ．７０５‐７０８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の一態様は、飽和領域においてドレイン電流が一定となるトランジスタを提供する
ことを課題の一とする。また、本発明の一態様は、オン電流の高いトランジスタを提供す
ることを課題の一とする。また、本発明の一態様は、輝度のばらつきが少ない表示装置を
提供することを課題の一とする。また、本発明の一態様は、新規な半導体装置を提供する
ことを課題の一とする。また、本発明の一態様は、新規な表示装置を提供することを課題
の一とする。
【０００９】
なお、複数の課題の記載は、互いの課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一
態様は、これらの課題の全て解決する必要はない。また、列記した以外の課題が、明細書
、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、これらの課題も、本発
明の一形態の課題となり得る。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様は、酸化物半導体膜と、ゲート電極と、第１の絶縁膜と、第２の絶縁膜と
、第１の導電膜と、第２の導電膜と、第３の導電膜と、を有する半導体装置である。第１
の絶縁膜を介して、ゲート電極上に酸化物半導体膜が設けられる。第２の絶縁膜を介して
、酸化物半導体膜上に第３の導電膜が設けられる。第１の導電膜及び第２の導電膜は、そ
れぞれ、酸化物半導体膜の上面と接する。第３の導電膜はゲート電極に電気的に接続され
る。酸化物半導体膜は、第１の導電膜と重なる第１の領域と、第２の導電膜と重なる第２
の領域と、ゲート電極および第３の導電膜と重なる第３の領域とを有する。第１の領域は
、第２の領域と対向している第１の端部を有し、第２の領域は、第１の領域と対向してい
る第２の端部を有する。上面からみたときの第１の端部の輪郭の長さは、上面からみたと
きの第２の端部の輪郭の長さよりも短いことが好ましい。
【００１１】
上記態様において、第２の導電膜は、第１の導電膜を囲んでおり、上面から見た形状が環
状であることが好ましい。
【００１２】
上記態様において、酸化物半導体膜が、厚さが０ｎｍを超え２０ｎｍ以下の領域を有する
ことが好ましい。
【００１３】
上記態様において、酸化物半導体膜は、ｃ軸に配向する結晶部を有することが好ましい。
【００１４】
上記態様において、酸化物半導体膜は、Ｉｎ、Ｍ、Ｚｎを含み（Ｍは、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、
Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、またはＨｆ）、且つ、Ｉｎの含有量がＭの含有量よりも
多い領域を含むことが好ましい。
【００１５】
本発明の一態様は、トランジスタと、トランジスタと電気的に接続されている画素電極と
、を有する表示装置であって、上述のトランジスタは、上記態様に記載の半導体装置を有
することが好ましい。
【００１６】
本発明の一態様は、上記態様に記載の表示装置を有する電子機器である。
【００１７】
本発明の一態様は、上記態様に記載の表示装置と、マイクロフォン、スピーカ、および操
作キーの少なくとも１つを有する電子機器である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の一態様により、飽和領域においてドレイン電流が一定となるトランジスタを提供
することが可能になる。また、本発明の一態様により、オン電流の高いトランジスタを提
供することが可能になる。また、本発明の一態様により、輝度のばらつきが少ない表示装
置を提供することが可能になる。また、本発明の一態様により、新規な半導体装置を提供
することが可能になる。また、本発明の一態様により、新規な表示装置を提供することが
可能になる。
【００１９】
なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一
態様は、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、
図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項な
どの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】半導体装置の一態様を示す上面図及び断面図。
【図２】半導体装置の一態様を示す上面図及び断面図。
【図３】半導体装置の一態様を示す上面図及び断面図。
【図４】半導体装置の一態様を示す上面図及び断面図。
【図５】半導体装置の一態様を示す上面図及び断面図。
【図６】半導体装置の一態様を示す上面図及び断面図。
【図７】半導体装置の一態様を示す上面図及び断面図。
【図８】半導体装置の一態様を示す断面図。
【図９】バンド構造を説明する図。
【図１０】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図１１】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図１２】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図１３】ＣＡＡＣ−ＯＳの断面におけるＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像、およびＣＡＡＣ−ＯＳの断面模式図。
【図１４】ＣＡＡＣ−ＯＳの平面におけるＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像。
【図１５】ＣＡＡＣ−ＯＳおよび単結晶酸化物半導体のＸＲＤによる構造解析を説明する図。
【図１６】ＣＡＡＣ−ＯＳの電子回折パターンを示す図。
【図１７】Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の電子照射による結晶部の変化を示す図。
【図１８】ＣＡＡＣ−ＯＳおよびｎｃ−ＯＳの成膜モデルを説明する模式図。
【図１９】ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶、およびペレットを説明する図。
【図２０】ＣＡＡＣ−ＯＳの成膜モデルを説明する模式図。
【図２１】表示装置の一態様を示す上面図。
【図２２】表示装置の一態様を示す断面図。
【図２３】表示装置の一態様を示す断面図。
【図２４】表示装置の一形態の画素構成の一例を説明する図。
【図２５】表示装置の一形態の画素構成の一例を説明する図。
【図２６】表示装置を説明するブロック図及び回路図。
【図２７】表示装置の画素を説明する回路図。
【図２８】表示モジュールを説明する図。
【図２９】電子機器を説明する図。
【図３０】作製したトランジスタのＶｄ−Ｉｄ特性及びＶｇ−Ｉｄ特性を示す図。
【図３１】作製したトランジスタのＶｄ−Ｉｄ特性及びＶｇ−Ｉｄ特性を示す図。
【図３２】作製したトランジスタのＶｄ−Ｉｄ特性及びＶｇ−Ｉｄ特性を示す図。
【図３３】作製したトランジスタのＶｄ−Ｉｄ特性及びＶｇ−Ｉｄ特性を示す図。
【図３４】作製したトランジスタのＶｄ−Ｉｄ特性及びＶｇ−Ｉｄ特性を示す図。
【図３５】作製したトランジスタのＶｄ−Ｉｄ特性を示す図。
【図３６】作製したトランジスタのＶｄ−Ｉｄ特性を示す図。
【図３７】半導体が有する領域を説明するための上面図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異な
る態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及
び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、
以下の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。
【００２２】
また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、明瞭化のために誇張されている場
合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は、理想的な例を模
式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。
【００２３】
また、本明細書にて用いる「第１」、「第２」、「第３」という序数詞は、構成要素の混
同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではないことを付記する。
【００２４】
また、本明細書において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置
関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係
は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。従って、明細書で説明した
語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
【００２５】
また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む
少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン（ドレイン端子、ドレイン
領域またはドレイン電極）とソース（ソース端子、ソース領域またはソース電極）の間に
チャネル領域を有しており、ドレインとチャネル領域とソースとを介して電流を流すこと
ができるものである。なお、本明細書等において、チャネル領域とは、電流が主として流
れる領域をいう。
【００２６】
また、ソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動
作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細
書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする
。
【００２７】
また、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの
」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの
」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。
例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジスタ
などのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、キャパシタ、その他の各種機能を有す
る素子などが含まれる。
【００２８】
また、本明細書等において、酸化窒化シリコン膜とは、その組成として、窒素よりも酸素
の含有量が多い膜を指し、窒化酸化シリコン膜とは、その組成として、酸素よりも窒素の
含有量が多い膜を指す。
【００２９】
また、本明細書等において、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指
す符号は異なる図面間でも共通して用いる。
【００３０】
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。したがって、−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。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。
【００３１】
また、本明細書等において、「膜」という用語と、「層」という用語とは、場合によって
は、または、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」と
いう用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば
、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。
【００３２】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置及び半導体装置の作製方法について、図
１乃至図１２を参照して説明する。
【００３３】
＜半導体装置の構成例１＞
図１（Ａ）は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ１００の上面図であり、
図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し
、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当
する。なお、図１（Ａ）において、煩雑になることを避けるため、トランジスタ１００の
構成要素の一部（ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜等）を省略して図示している。また
、一点鎖線Ｘ１−Ｘ２方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｙ１−Ｙ２方向をチャネル幅方向
と呼称する場合がある。なお、トランジスタの上面図においては、以降の図面においても
図１（Ａ）と同様に、構成要素の一部を省略して図示する場合がある。
【００３４】
トランジスタ１００は、基板１０２上のゲート電極として機能する導電膜１０４と、基板
１０２及び導電膜１０４上の絶縁膜１０６と、絶縁膜１０６上の絶縁膜１０７と、絶縁膜
１０７上の酸化物半導体膜１０８と、酸化物半導体膜１０８に電気的に接続されソース電
極またはドレイン電極の一方として機能する導電膜１１２ａと、酸化物半導体膜１０８に
電気的に接続されソース電極またはドレイン電極の他方として機能する導電膜１１２ｂと
、酸化物半導体膜１０８、及び導電膜１１２ａ、１１２ｂ上の絶縁膜１１４と、絶縁膜１
１４上の絶縁膜１１６と、絶縁膜１１６上の絶縁膜１１８と、絶縁膜１１８上の導電膜１
２０ａ、１２０ｂと、を有する。また、導電膜１２０ａは、絶縁膜１１４、１１６、１１
８に設けられる開口部１４２ｃを介して、導電膜１１２ｂと電気的に接続される。
【００３５】
図１において、Ｌ１はトランジスタ１００のチャネル長である。ここでは、チャネル長Ｌ
１は、酸化物半導体膜１０８の上面における導電膜１１２ａの端部と導電膜１１２ｂの端
部との間の距離をいう。Ｌ１は、１μｍ以上１００μｍ以下であり、または１μｍ以上３
０μｍ以下である。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ
値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらな
い場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネルの形成される領域にお
ける、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
【００３６】
図１（Ａ）において、Ｗ１はトランジスタ１００のチャネル幅である。ここでは、チャネ
ル幅Ｗ１は、酸化物半導体膜１０８の上面において、導電膜１１２ａと導電膜１１２ｂが
向かいあっている部分の長さをいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅が
すべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル幅は、
一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネルの
形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
【００３７】
また、絶縁膜１０６及び絶縁膜１０７は、トランジスタ１００の第１のゲート絶縁膜とし
ての機能を有する。また、絶縁膜１１４及び絶縁膜１１６は、酸素を有し、酸化物半導体
膜１０８中に酸素を供給する機能を有する。また、絶縁膜１１４、１１６、１１８は、ト
ランジスタ１００の第２のゲート絶縁膜としての機能を有する。また、絶縁膜１１８は、
トランジスタ１００中に入り込む不純物を抑制する保護絶縁膜としての機能を有する。ま
た、導電膜１２０ａは、例えば、表示装置に用いる画素電極としての機能を有する。また
、導電膜１２０ｂは、第２のゲート電極（バックゲート電極ともいう）として機能する。
【００３８】
また、図１（Ｃ）に示すように導電膜１２０ｂは、絶縁膜１０６、１０７、１１４、１１
６、１１８に設けられる開口部１４２ａ、１４２ｂにおいて、第１のゲート電極として機
能する導電膜１０４と電気的に接続される。よって、導電膜１２０ｂと導電膜１０４には
、同じ電位が与えられる。
【００３９】
トランジスタ１００が有する酸化物半導体膜１０８は、酸素欠損が形成されるとキャリア
である電子が生じ、ノーマリーオン特性になりやすい。したがって、酸化物半導体膜１０
８中の酸素欠損を減らすことが、安定したトランジスタ特性を得る上でも重要となる。本
発明の一態様のトランジスタの構成においては、酸化物半導体膜１０８上の絶縁膜、ここ
では、酸化物半導体膜１０８上の絶縁膜１１４に過剰な酸素を導入することで、絶縁膜１
１４から酸化物半導体膜１０８中に酸素を移動させ、酸化物半導体膜１０８中の酸素欠損
を補填する。または、酸化物半導体膜１０８上の絶縁膜１１６に過剰な酸素を導入するこ
とで、絶縁膜１１６から絶縁膜１１４を介し、酸化物半導体膜１０８中に酸素を移動させ
、酸化物半導体膜１０８中の酸素欠損を補填する。または、酸化物半導体膜１０８上の絶
縁膜１１４及び絶縁膜１１６に過剰な酸素を導入することで、絶縁膜１１４及び絶縁膜１
１６の双方から酸化物半導体膜１０８中に酸素を移動させ、酸化物半導体膜１０８中の酸
素欠損を補填する。
【００４０】
なお、絶縁膜１１４、１１６としては、化学量論的組成よりも過剰に酸素を含有する領域
（酸素過剰領域）を有することがより好ましい。別言すると、絶縁膜１１４、１１６は、
酸素を放出することが可能な絶縁膜であることが好ましい。なお、絶縁膜１１４、１１６
に酸素過剰領域を設けるには、例えば、成膜後の絶縁膜１１４、１１６に酸素を導入して
、酸素過剰領域を形成する。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング
法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理等を用いることができる。
【００４１】
また、酸化物半導体膜１０８は、酸素と、Ｉｎと、Ｚｎと、Ｍ（Ｍは、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、
Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、またはＨｆ）とを有する。代表的には、酸化物半導体膜
１０８としては、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を用いる
ことができる。とくに、酸化物半導体膜１０８としては、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を用いる
と好ましい。
【００４２】
また、酸化物半導体膜１０８は、酸素と、Ｉｎと、Ｇａと、を有すると好ましい。この場
合、酸化物半導体膜１０８は、ホモロガス構造を有し、且つＩｎの含有量がＧａの含有量
よりも多いと好ましい。Ｉｎの含有量がＧａの含有量よりも多い酸化物半導体膜１０８と
することで、トランジスタ１００の電界効果移動度（単に移動度、またはμＦＥという場
合がある）が高くすることができる。具体的には、トランジスタ１００の電界効果移動度
が１０ｃｍ２／Ｖｓを超えることが可能となる。
【００４３】
例えば、上記の電界効果移動度が高いトランジスタを、ゲート信号を生成するゲートドラ
イバ（とくに、ゲートドライバが有するシフトレジスタの出力端子に接続されるデマルチ
プレクサ）に用いることで、額縁幅の狭い（狭額縁ともいう）半導体装置または表示装置
を提供することができる。
【００４４】
一方で、Ｉｎの含有量がＧａの含有量よりも多い酸化物半導体膜１０８とした場合、トラ
ンジスタ１００の電気特性が変動しやすい。具体的には、トランジスタ１００のチャネル
領域に、上述した酸化物半導体膜１０８を用いると、トランジスタ１００がチャネル長変
調効果を受けやすく、Ｖｄ（ドレイン電圧）−Ｉｄ（ドレイン電流）特性において、ドレ
イン電圧がピンチオフを達成する電圧以上になっても、ドレイン電流が一定にならない（
トランジスタが飽和領域で動作しない、またはトランジスタの飽和特性が得られない）場
合がある。
【００４５】
しかしながら、本発明の一態様の半導体装置においては、酸化物半導体膜１０８の膜厚は
３５ｎｍ以下、または２０ｎｍ以下、または１０ｎｍ以下とすることが可能である。酸化
物半導体膜１０８の厚さは、３ｎｍ以上３５ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上２０ｎｍ以
下、さらに好ましくは３ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。別言すると、酸化物半導体膜１０
８は、厚さが０ｎｍよりも大きくかつ３５ｎｍ以下の領域を有する。
【００４６】
または、別言すると、酸化物半導体膜１０８のチャネル形成領域は、厚さが０ｎｍを超え
かつ３５ｎｍ以下の領域、または厚さが０ｎｍを超え２０ｎｍ未満の領域を含んでいる。
チャネル形成領域は、厚さが３ｎｍ以上３５ｎｍ以下の領域を、または厚さが３ｎｍ以上
２０ｎｍ以下の領域を、または３ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域を含むことが好ましい。
【００４７】
または、別言すると、酸化物半導体膜１０８の、導電膜１１２ａおよび導電膜１１２ｂと
重ならず、かつ導電膜１０４と重なる部分が、厚さが０ｎｍを超えかつ３５ｎｍ以下の領
域を、または厚さが０ｎｍを超え２０ｎｍ未満の領域を有している。当該部分は、厚さが
３ｎｍ以上３５ｎｍ以下の領域を、または厚さが３ｎｍ以上２０ｎｍ以下の領域を、また
は厚さが３ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域を有することが好ましい。
【００４８】
酸化物半導体膜１０８が上記範囲膜厚の領域を有することで、Ｉｎの含有量がＧａの含有
量よりも多い酸化物半導体膜１０８を用いる場合でも、トランジスタ１００を飽和領域で
動作させることができる。
【００４９】
また、図１（Ｂ）に示すように、酸化物半導体膜１０８は、第１のゲート電極として機能
する導電膜１０４と、第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ｂのそれぞれと対向
するように位置し、２つのゲート電極として機能する導電膜に挟まれている。第２のゲー
ト電極として機能する導電膜１２０ｂのチャネル長方向の長さ及びチャネル幅方向の長さ
は、酸化物半導体膜１０８のチャネル長方向の長さ及びチャネル幅方向の長さよりもそれ
ぞれ長く、酸化物半導体膜１０８の全体は、絶縁膜１１４、１１６、１１８を介して導電
膜１２０ｂに覆われている。また、第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ｂと第
１のゲート電極として機能する導電膜１０４とは、絶縁膜１０６、１０７、１１４、１１
６、１１８に設けられる開口部１４２ａ、１４２ｂにおいて接続されるため、酸化物半導
体膜１０８のチャネル幅方向の側面は、絶縁膜１１４、１１６、１１８を介して第２のゲ
ート電極として機能する導電膜１２０ｂと対向している。
【００５０】
別言すると、トランジスタ１００のチャネル幅方向において、第１のゲート電極として機
能する導電膜１０４及び第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ｂは、第１のゲー
ト絶縁膜として機能する絶縁膜１０６、１０７及び第２のゲート絶縁膜として機能する絶
縁膜１１４、１１６、１１８に設けられる開口部において接続すると共に、第１のゲート
絶縁膜として機能する絶縁膜１０６、１０７及び第２のゲート絶縁膜として機能する絶縁
膜１１４、１１６、１１８を介して酸化物半導体膜１０８を囲む構成である。
【００５１】
このような構成を有することで、トランジスタ１００に含まれる酸化物半導体膜１０８を
、第１のゲート電極として機能する導電膜１０４及び第２のゲート電極として機能する導
電膜１２０ｂの電界によって電気的に囲むことができる。トランジスタ１００のように、
第１のゲート電極及び第２のゲート電極の電界によって、チャネル領域が形成される酸化
物半導体膜を電気的に囲むトランジスタのデバイス構造をｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ  ｃｈａ
ｎｎｅｌ（ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造と呼ぶことができる。
【００５２】
トランジスタ１００は、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有するため、第１のゲート電極として
機能する導電膜１０４によってチャネルを誘起させるための電界を効果的に酸化物半導体
膜１０８に印加することができるため、トランジスタ１００の電流駆動能力が向上し、高
いオン電流特性を得ることが可能となる。また、オン電流を高くすることが可能であるた
め、トランジスタ１００を微細化することが可能となる。また、トランジスタ１００は、
第１のゲート電極として機能する導電膜１０４及び第２のゲート電極として機能する導電
膜１２０ｂによって囲まれた構造を有するため、トランジスタ１００の機械的強度を高め
ることができる。
【００５３】
以下に、本実施の形態の半導体装置に含まれるその他の構成要素について、詳細に説明す
る。
【００５４】
＜基板＞
基板１０２の材質など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必要がある。例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サフ
ァイア基板等を、基板１０２として用いてもよい。また、シリコンや炭化シリコンからな
る単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム等の化合物半導体基板、
ＳＯＩ基板等を適用することも可能であり、これらの基板上に半導体素子が設けられたも
のを、基板１０２として用いてもよい。なお、基板１０２として、ガラス基板を用いる場
合、第６世代（１５００ｍｍ×１８５０ｍｍ）、第７世代（１８７０ｍｍ×２２００ｍｍ
）、第８世代（２２００ｍｍ×２４００ｍｍ）、第９世代（２４００ｍｍ×２８００ｍｍ
）、第１０世代（２９５０ｍｍ×３４００ｍｍ）等の大面積基板を用いることで、大型の
表示装置を作製することができる。
【００５５】
また、基板１０２として、可撓性基板を用い、可撓性基板上に直接、トランジスタ１００
を形成してもよい。または、基板１０２とトランジスタ１００の間に剥離層を設けてもよ
い。剥離層は、その上に半導体装置を一部あるいは全部完成させた後、基板１０２より分
離し、他の基板に転載するのに用いることができる。その際、トランジスタ１００は耐熱
性の劣る基板や可撓性の基板にも転載できる。
【００５６】
＜第１のゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極＞
第１のゲート電極として機能する導電膜１０４、及びソース電極及びドレイン電極として
機能する導電膜１１２ａ、１１２ｂとしては、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウ
ム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（
Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、
鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）から選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分と
する合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いてそれぞれ形成することがで
きる。
【００５７】
また、導電膜１０４、１１２ａ、１１２ｂは、単層構造でも、二層以上の積層構造として
もよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン
膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上
にタングステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜または窒化タングステン膜上にタ
ングステン膜を積層する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を積層
し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造等がある。また、アルミニウムに、チタ
ン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれ
た一または複数を組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
【００５８】
また、導電膜１０４、１１２ａ、１１２ｂには、インジウム錫酸化物、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、インジウム亜鉛酸化物、
酸化シリコンを添加したインジウム錫酸化物等の透光性を有する導電性材料を適用するこ
ともできる。
【００５９】
また、導電膜１０４、１１２ａ、１１２ｂには、Ｃｕ−Ｘ合金膜（Ｘは、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃ
ｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔａ、またはＴｉ）を適用してもよい。Ｃｕ−Ｘ合金膜を用いる
ことで、ウエットエッチングプロセスで加工できるため、製造コストを抑制することが可
能となる。
【００６０】
＜第１のゲート絶縁膜＞
トランジスタ１００の第１のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜１０６、１０７としては
、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ：（Ｐｌａｓｍａ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｃｈｅｍｉ
ｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ））法、スパッタリング法等により、酸化シ
リコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウ
ム膜、酸化ハフニウム膜、酸化イットリウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ガリウム膜、
酸化タンタル膜、酸化マグネシウム膜、酸化ランタン膜、酸化セリウム膜および酸化ネオ
ジム膜を一種以上含む絶縁層を、それぞれ用いることができる。なお、絶縁膜１０６、１
０７の積層構造とせずに、上述の材料から選択された単層の絶縁膜、または３層以上の絶
縁膜を用いてもよい。
【００６１】
また、絶縁膜１０６は、酸素の透過を抑制するブロッキング膜としての機能を有する。例
えば、絶縁膜１０７、１１４、１１６及び／または酸化物半導体膜１０８中に過剰の酸素
を供給する場合において、絶縁膜１０６は酸素の透過を抑制することができる。
【００６２】
なお、トランジスタ１００のチャネル領域として機能する酸化物半導体膜１０８と接する
絶縁膜１０７は、酸化物絶縁膜であることが好ましく、化学量論的組成よりも過剰に酸素
を含有する領域（酸素過剰領域）を有することがより好ましい。別言すると、絶縁膜１０
７は、酸素を放出することが可能な絶縁膜である。なお、絶縁膜１０７に酸素過剰領域を
設けるには、例えば、酸素雰囲気下にて絶縁膜１０７を形成すればよい。または、成膜後
の絶縁膜１０７に酸素を導入して、酸素過剰領域を形成してもよい。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
マ処理等を用いることができる。
【００６３】
また、絶縁膜１０７として、酸化ハフニウムを用いる場合、以下の効果を奏する。酸化ハ
フニウムは、酸化シリコンや酸化窒化シリコンと比べて比誘電率が高い。したがって、酸
化シリコンを用いた場合と比べて、絶縁膜１０７の膜厚を大きくできるため、トンネル電
流によるリーク電流を小さくすることができる。すなわち、オフ電流の小さいトランジス
タを実現することができる。さらに、結晶構造を有する酸化ハフニウムは、非晶質構造を
有する酸化ハフニウムと比べて高い比誘電率を備える。したがって、オフ電流の小さいト
ランジスタとするためには、結晶構造を有する酸化ハフニウムを用いることが好ましい。
結晶構造の例としては、単斜晶系や立方晶系などが挙げられる。ただし、本発明の一態様
は、これらに限定されない。
【００６４】
なお、本実施の形態では、絶縁膜１０６として窒化シリコン膜を形成し、絶縁膜１０７と
して酸化シリコン膜を形成する。窒化シリコン膜は、酸化シリコン膜と比較して比誘電率
が高く、酸化シリコン膜と同等の静電容量を得るのに必要な膜厚が大きいため、トランジ
スタ１００のゲート絶縁膜として、窒化シリコン膜を含むことで絶縁膜を物理的に厚膜化
することができる。よって、トランジスタ１００の絶縁耐圧の低下を抑制、さらには絶縁
耐圧を向上させて、トランジスタ１００の静電破壊を抑制することができる。
【００６５】
＜酸化物半導体膜＞
酸化物半導体膜１０８としては、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ
酸化物を用いることができる。とくに、酸化物半導体膜１０８としては、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ
酸化物を用いると好ましい。
【００６６】
酸化物半導体膜１０８がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を成膜する
ために用いるスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比は、Ｉｎ≧Ｍ、Ｚｎ≧Ｍを
満たすことが好ましい。このようなスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比とし
て、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝
２：１：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：４．１が好ましい
。また、酸化物半導体膜１０８がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、スパッタリングターゲッ
トとしては、多結晶のＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を含むターゲットを用いると好ましい。多結
晶のＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を含むターゲットを用いることで、結晶性を有する酸化物半導
体膜１０８を形成しやすくなる。なお、成膜される酸化物半導体膜１０８の原子数比はそ
れぞれ、誤差として上記のスパッタリングターゲットに含まれる金属元素の原子数比のプ
ラスマイナス４０％の変動を含む。例えば、スパッタリングターゲットとして、原子数比
がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１を用いる場合、成膜される酸化物半導体膜１０８の
原子数比は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３近傍となる場合がある。
【００６７】
なお、酸化物半導体膜１０８がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物膜であるとき、Ｚｎ及びＯを除いて
のＩｎとＭの原子数比率は、好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％より高く、Ｍが７５ａ
ｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％より高く、Ｍが６６ａｔ
ｏｍｉｃ％未満とする。
【００６８】
また、酸化物半導体膜１０８は、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅ
Ｖ以上、より好ましくは３ｅＶ以上である。このように、エネルギーギャップの広い酸化
物半導体を用いることで、トランジスタ１００のオフ電流を低減することができる。
【００６９】
また、酸化物半導体膜１０８の厚さは、３ｎｍ以上３５ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上
２０ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以上１０ｎｍ以下とする。
【００７０】
また、酸化物半導体膜１０８としては、キャリア密度の低い酸化物半導体膜を用いる。例
えば、酸化物半導体膜１０８は、キャリア密度が１×１０１７個／ｃｍ３以下、好ましく
は１×１０１５個／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１３個／ｃｍ３以下、より好
ましくは１×１０１１個／ｃｍ３以下とする。
【００７１】
なお、これらに限られず、必要とするトランジスタの半導体特性及び電気特性（電界効果
移動度、しきい値電圧等）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
トランジスタの半導体特性を得るために、酸化物半導体膜１０８のキャリア密度や不純物
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。
【００７２】
なお、酸化物半導体膜１０８として、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い酸化物半導
体膜を用いることで、さらに優れ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
好ましい。ここでは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い（酸素欠損の少ない）こと
を高純度真性または実質的に高純度真性とよぶ。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、該酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、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、欠陥準位密度が低いた
め、トラップ準位密度も低くなる場合がある。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、オフ電流が著しく小さく、チャネル幅が１×１０６μｍでチ
ャネル長が１０μｍの素子であっても、ソース電極とドレイン電極間の電圧（ドレイン電
圧）が１Ｖから１０Ｖの範囲において、オフ電流が、半導体パラメータアナライザの測定
限界以下、すなわち１×１０−１３Ａ以下という特性を得ることができる。
【００７３】
したがって、上記高純度真性、または実質的に高純度真性の酸化物半導体膜にチャネル領
域が形成されるトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタと
することができる。なお、酸化物半導体膜のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失する
までに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、ト
ラップ準位密度の高い酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気
特性が不安定となる場合がある。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、またはア
ルカリ土類金属等がある。
【００７４】
酸化物半導体膜に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になると共に、
酸素が脱離した格子（または酸素が脱離した部分）に酸素欠損を形成する。該酸素欠損に
水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金
属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、
水素が含まれている酸化物半導体膜を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりや
すい。このため、酸化物半導体膜１０８は水素ができる限り低減されていることが好まし
い。具体的には、酸化物半導体膜１０８において、ＳＩＭＳ分析により得られる水素濃度
を、２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３
以下、より好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、５×１０１８ａｔｏｍｓ／
ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは５×１０
１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下と
する。
【００７５】
酸化物半導体膜１０８において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると
、酸化物半導体膜１０８において酸素欠損が増加し、ｎ型化してしまう。このため、酸化
物半導体膜１０８におけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物半導体膜１０８との界面近傍
のシリコンや炭素の濃度（ＳＩＭＳ分析により得られる濃度）を、２×１０１８ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【００７６】
また、酸化物半導体膜１０８において、ＳＩＭＳ分析により得られるアルカリ金属または
アルカリ土類金属の濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０
１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。アルカリ金属及びアルカリ土類金属は、酸化物半導
体と結合するとキャリアを生成する場合があり、トランジスタのオフ電流が増大してしま
うことがある。このため、酸化物半導体膜１０８のアルカリ金属またはアルカリ土類金属
の濃度を低減することが好ましい。
【００７７】
また、酸化物半導体膜１０８に窒素が含まれていると、キャリアである電子が生じ、キャ
リア密度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体膜を用
いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、該酸化物半導体膜におい
て、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、ＳＩＭＳ分析により得ら
れる窒素濃度は、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にすることが好ましい。
【００７８】
また、酸化物半導体膜１０８は、例えば非単結晶構造でもよい。非単結晶構造は、例えば
、後述するＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  
Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶構造、微結晶構造、または非晶質構
造を含む。非単結晶構造において、非晶質構造は最も欠陥準位密度が高く、ＣＡＡＣ−Ｏ
Ｓは最も欠陥準位密度が低い。
【００７９】
酸化物半導体膜１０８は、例えば非晶質構造でもよい。非晶質構造の酸化物半導体膜は、
例えば、原子配列が無秩序であり、結晶成分を有さない。または、非晶質構造の酸化物膜
は、例えば、完全な非晶質構造であり、結晶部を有さない。
【００８０】
なお、酸化物半導体膜１０８が、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領
域、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域、単結晶構造の領域の二種以上を有する混合膜であってもよい
。混合膜は、例えば、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、ＣＡＡ
Ｃ−ＯＳの領域、単結晶構造の領域のいずれか二種以上の領域を有する単層構造の場合が
ある。また、混合膜は、例えば、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領
域、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域、単結晶構造の領域のいずれか二層以上を有する積層構造を有
する場合がある。
【００８１】
＜第２のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜＞
絶縁膜１１４、１１６は、酸化物半導体膜１０８に酸素を供給する機能を有する。また、
絶縁膜１１８は、トランジスタ１００の保護絶縁膜としての機能を有する。また、絶縁膜
１１４、１１６は、酸素を有する。また、絶縁膜１１４は、酸素を透過することのできる
絶縁膜である。なお、絶縁膜１１４は、後に形成する絶縁膜１１６を形成する際の、酸化
物半導体膜１０８へのダメージ緩和膜としても機能する。
【００８２】
絶縁膜１１４としては、厚さが５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上５０ｎ
ｍ以下の酸化シリコン、酸化窒化シリコン等を用いることができる。
【００８３】
また、絶縁膜１１４は、欠陥量が少ないことが好ましく、代表的には、ＥＳＲ測定により
、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝２．００１に現れる信号のスピン密度が
３×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。これは、絶縁膜１１４に含
まれる欠陥密度が多いと、該欠陥に酸素が結合してしまい、絶縁膜１１４における酸素の
透過量が減少してしまう。
【００８４】
なお、絶縁膜１１４においては、外部から絶縁膜１１４に入った酸素が全て絶縁膜１１４
の外部に移動せず、絶縁膜１１４にとどまる酸素もある。また、絶縁膜１１４に酸素が入
ると共に、絶縁膜１１４に含まれる酸素が絶縁膜１１４の外部へ移動することで、絶縁膜
１１４において酸素の移動が生じる場合もある。絶縁膜１１４として酸素を透過すること
ができる酸化物絶縁膜を形成すると、絶縁膜１１４上に設けられる、絶縁膜１１６から脱
離する酸素を、絶縁膜１１４を介して酸化物半導体膜１０８に移動させることができる。
【００８５】
また、絶縁膜１１４は、窒素酸化物に起因する準位密度が低い酸化物絶縁膜を用いて形成
することができる。なお、当該窒素酸化物に起因する準位密度は、酸化物半導体膜の価電
子帯の上端のエネルギー（Ｅｖ＿ｏｓ）と酸化物半導体膜の伝導帯の下端のエネルギー（
Ｅｃ＿ｏｓ）の間に形成され得る場合がある。上記酸化物絶縁膜として、窒素酸化物の放
出量が少ない酸化窒化シリコン膜、または窒素酸化物の放出量が少ない酸化窒化アルミニ
ウム膜等を用いることができる。
【００８６】
なお、窒素酸化物の放出量の少ない酸化窒化シリコン膜は、昇温脱離ガス分析法において
、窒素酸化物の放出量よりアンモニアの放出量が多い膜であり、代表的にはアンモニアの
放出量が１×１０１８個／ｃｍ３以上５×１０１９個／ｃｍ３以下である。なお、アンモ
ニアの放出量は、膜の表面温度が５０℃以上６５０℃以下、好ましくは５０℃以上５５０
℃以下の加熱処理による放出量とする。
【００８７】
窒素酸化物（ＮＯｘ、ｘは０以上２以下、好ましくは１以上２以下）、代表的にはＮＯ２
またはＮＯは、絶縁膜１１４などに準位を形成する。当該準位は、酸化物半導体膜１０８
のエネルギーギャップ内に位置する。そのため、窒素酸化物が、絶縁膜１１４及び酸化物
半導体膜１０８の界面に拡散すると、当該準位が絶縁膜１１４側において電子をトラップ
する場合がある。この結果、トラップされた電子が、絶縁膜１１４及び酸化物半導体膜１
０８界面近傍に留まるため、トランジスタのしきい値電圧をプラス方向にシフトさせてし
まう。
【００８８】
また、窒素酸化物は、加熱処理においてアンモニア及び酸素と反応する。絶縁膜１１４に
含まれる窒素酸化物は、加熱処理において、絶縁膜１１６に含まれるアンモニアと反応す
るため、絶縁膜１１４に含まれる窒素酸化物が低減される。このため、絶縁膜１１４及び
酸化物半導体膜１０８の界面において、電子がトラップされにくい。
【００８９】
絶縁膜１１４として、上記酸化物絶縁膜を用いることで、トランジスタのしきい値電圧の
シフトを低減することが可能になる。
【００９０】
なお、トランジスタの作製工程の加熱処理、代表的には３００℃以上基板歪み点未満の加
熱処理により、絶縁膜１１４は、１００Ｋ以下のＥＳＲで測定して得られたスペクトルに
おいてｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１のシグナル、ｇ値が２．００１以上２
．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下の第３のシグ
ナルが観測される。なお、第１のシグナル及び第２のシグナルのスプリット幅、並びに第
２のシグナル及び第３のシグナルのスプリット幅は、ＸバンドのＥＳＲ測定において約５
ｍＴである。また、ｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１のシグナル、ｇ値が２．
００１以上２．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下
である第３のシグナルのスピン密度の合計が１×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満であり
、代表的には１×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以上１×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満
である。
【００９１】
なお、１００Ｋ以下のＥＳＲスペクトルにおいてｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の
第１シグナル、ｇ値が２．００１以上２．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．
９６４以上１．９６６以下の第３のシグナルは、窒素酸化物（ＮＯｘ、ｘは０以上２以下
、好ましくは１以上２以下）起因のシグナルに相当する。窒素酸化物の代表例としては、
一酸化窒素、二酸化窒素等がある。即ち、ｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１の
シグナル、ｇ値が２．００１以上２．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．９６
４以上１．９６６以下である第３のシグナルのスピン密度の合計が少ないほど、酸化物絶
縁膜に含まれる窒素酸化物の含有量が少ないといえる。
【００９２】
また、上記酸化物絶縁膜は、ＳＩＭＳで測定される窒素濃度が６×１０２０ａｔｏｍｓ／
ｃｍ３以下である。
【００９３】
基板温度が２２０℃以上、または２８０℃以上、または３５０℃以上であり、シラン及び
一酸化二窒素を用いたＰＥＣＶＤ法を用いて、上記酸化物絶縁膜を形成することで、緻密
であり、且つ硬度の高い膜を形成することができる。
【００９４】
絶縁膜１１６は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を用
いて形成する。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜は、加
熱により酸素の一部が脱離する。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸
化物絶縁膜は、ＴＤＳ分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１９
ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である酸
化物絶縁膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上
７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲が好ましい。
【００９５】
絶縁膜１１６としては、厚さが３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上４
００ｎｍ以下の、酸化シリコン、酸化窒化シリコン等を用いることができる。
【００９６】
また、絶縁膜１１６は、欠陥量が少ないことが好ましく、代表的には、ＥＳＲ測定により
、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝２．００１に現れる信号のスピン密度が
１．５×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満、さらには１×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以
下であることが好ましい。なお、絶縁膜１１６は、絶縁膜１１４と比較して酸化物半導体
膜１０８から離れているため、絶縁膜１１４より、欠陥密度が多くともよい。
【００９７】
また、絶縁膜１１４、１１６は、同種の材料の絶縁膜を用いることができるため、絶縁膜
１１４と絶縁膜１１６の界面が明確に確認できない場合がある。したがって、本実施の形
態においては、絶縁膜１１４と絶縁膜１１６の界面は、破線で図示している。なお、本実
施の形態においては、絶縁膜１１４と絶縁膜１１６の２層構造について説明したが、これ
に限定されず、例えば、絶縁膜１１４の単層構造としてもよい。
【００９８】
絶縁膜１１８は、窒素を有する。また、絶縁膜１１８は、窒素及びシリコンを有する。ま
た、絶縁膜１１８は、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキン
グできる機能を有する。絶縁膜１１８を設けることで、酸化物半導体膜１０８からの酸素
の外部への拡散と、絶縁膜１１４、１１６に含まれる酸素の外部への拡散と、外部から酸
化物半導体膜１０８への水素、水等の入り込みを防ぐことができる。絶縁膜１１８として
は、例えば、窒化物絶縁膜を用いることができる。該窒化物絶縁膜としては、窒化シリコ
ン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム等がある。なお、酸素
、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキング効果を有する窒化物絶縁
膜の代わりに、酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜を設けてもよ
い。酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜としては、酸化アルミニ
ウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸
化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等がある。
【００９９】
なお、上記記載の、導電膜、絶縁膜、酸化物半導体膜などの様々な膜は、スパッタリング
法やＰＥＣＶＤ法により形成することができるが、他の方法、例えば、熱ＣＶＤ（Ｃｈｅ
ｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成してもよい。熱ＣＶＤ法
の例としてＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  
Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ
）法を用いても良い。
【０１００】
熱ＣＶＤ法は、プラズマを使わない成膜方法のため、プラズマダメージにより欠陥が生成
されることが無いという利点を有する。
【０１０１】
熱ＣＶＤ法は、原料ガスと酸化剤を同時にチャンバー内に送り、チャンバー内を大気圧ま
たは減圧下とし、基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで成膜を行
ってもよい。
【０１０２】
また、ＡＬＤ法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、反応のための原料ガスが順
次チャンバーに導入され、そのガス導入の順序を繰り返すことで成膜を行ってもよい。例
えば、それぞれのスイッチングバルブ（高速バルブとも呼ぶ）を切り替えて２種類以上の
原料ガスを順番にチャンバーに供給し、複数種の原料ガスが混ざらないように第１の原料
ガスと同時またはその後に不活性ガス（アルゴン、或いは窒素など）などを導入し、第２
の原料ガスを導入する。なお、同時に不活性ガスを導入する場合には、不活性ガスはキャ
リアガスとなり、また、第２の原料ガスの導入時にも同時に不活性ガスを導入してもよい
。また、不活性ガスを導入する代わりに真空排気によって第１の原料ガスを排出した後、
第２の原料ガスを導入してもよい。第１の原料ガスが基板の表面に吸着して第１の層を成
膜し、後から導入される第２の原料ガスと反応して、第２の層が第１の層上に積層されて
薄膜が形成される。このガス導入順序を制御しつつ所望の厚さになるまで複数回繰り返す
ことで、段差被覆性に優れた薄膜を形成することができる。薄膜の厚さは、ガス導入順序
を繰り返す回数によって調節することができるため、精密な膜厚調節が可能であり、微細
なＦＥＴを作製する場合に適している。
【０１０３】
ＭＯＣＶＤ法やＡＬＤ法などの熱ＣＶＤ法は、上記記載の導電膜、絶縁膜、酸化物半導体
膜、金属酸化膜などの様々な膜を形成することができ、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜
を成膜する場合には、トリメチルインジウム、トリメチルガリウム、及びジメチル亜鉛を
用いる。なお、トリメチルインジウムの化学式は、Ｉｎ（ＣＨ３）３である。また、トリ
メチルガリウムの化学式は、Ｇａ（ＣＨ３）３である。また、ジメチル亜鉛の化学式は、
Ｚｎ（ＣＨ３）２である。また、これらの組み合わせに限定されず、トリメチルガリウム
に代えてトリエチルガリウム（化学式Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３）を用いることもでき、ジメチ
ル亜鉛に代えてジエチル亜鉛（化学式Ｚｎ（Ｃ２Ｈ５）２）を用いることもできる。
【０１０４】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化ハフニウム膜を形成する場合には、溶媒と
ハフニウム前駆体化合物を含む液体（ハフニウムアルコキシドや、テトラキスジメチルア
ミドハフニウム（ＴＤＭＡＨ）などのハフニウムアミド）を気化させた原料ガスと、酸化
剤としてオゾン（Ｏ３）の２種類のガスを用いる。なお、テトラキスジメチルアミドハフ
ニウムの化学式はＨｆ［Ｎ（ＣＨ３）２］４である。また、他の材料液としては、テトラ
キス（エチルメチルアミド）ハフニウムなどがある。
【０１０５】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化アルミニウム膜を形成する場合には、溶媒
とアルミニウム前駆体化合物を含む液体（トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）など）を気
化させた原料ガスと、酸化剤としてＨ２Ｏの２種類のガスを用いる。なお、トリメチルア
ルミニウムの化学式はＡｌ（ＣＨ３）３である。また、他の材料液としては、トリス（ジ
メチルアミド）アルミニウム、トリイソブチルアルミニウム、アルミニウムトリス（２，
２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオナート）などがある。
【０１０６】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化シリコン膜を形成する場合には、ヘキサク
ロロジシランを被成膜面に吸着させ、吸着物に含まれる塩素を除去し、酸化性ガス（Ｏ２
、一酸化二窒素）のラジカルを供給して吸着物と反応させる。
【０１０７】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置によりタングステン膜を成膜する場合には、ＷＦ６ガ
スとＢ２Ｈ６ガスを順次繰り返し導入して初期タングステン膜を形成し、その後、ＷＦ６
ガスとＨ２ガスを用いてタングステン膜を形成する。なお、Ｂ２Ｈ６ガスに代えてＳｉＨ
４ガスを用いてもよい。
【０１０８】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化物半導体膜、例えばＩｎ−Ｇａ−ＺｎＯ膜
を成膜する場合には、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを順次繰り返し導入してＩｎ−Ｏ
層を形成し、その後、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを用いてＧａＯ層を形成し、更に
その後Ｚｎ（ＣＨ３）２ガスとＯ３ガスを用いてＺｎＯ層を形成する。なお、これらの層
の順番はこの例に限らない。また、これらのガスを混ぜてＩｎ−Ｇａ−Ｏ層やＩｎ−Ｚｎ
−Ｏ層、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層などの混合化合物層を形成しても良い。なお、Ｏ３ガスに変え
てＡｒ等の不活性ガスでバブリングして得られたＨ２Ｏガスを用いても良いが、Ｈを含ま
ないＯ３ガスを用いる方が好ましい。また、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスにかえて、Ｉｎ（Ｃ２
Ｈ５）３ガスを用いても良い。また、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスにかえて、Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）
３ガスを用いても良い。
【０１０９】
＜半導体装置の構成例２＞
次に、図１（Ａ）乃至（Ｃ）に示すトランジスタ１００と異なる構成例について、図２（
Ａ）乃至（Ｃ）を用いて説明する。なお、先に説明した機能と同様の機能を有する場合に
は、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
【０１１０】
図２（Ａ）は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ１６０の上面図であり、
図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し
、図２（Ｃ）は、図２（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当
する。
【０１１１】
トランジスタ１６０は、先に示すトランジスタ１００と比較し、開口部１４２ｂが設けら
れていない点が異なる。それ以外の構成については、トランジスタ１００と同様であり、
詳細な説明は省略する。
【０１１２】
図２（Ａ）、（Ｃ）に示すように、開口部１４２ａを設けて、第１のゲート電極として機
能する導電膜１０４と、第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ｂと、を電気的に
接続してもよい。
【０１１３】
＜半導体装置の構成例３＞
次に、図１（Ａ）乃至（Ｃ）に示すトランジスタ１００と異なる構成例について、図３（
Ａ）乃至（Ｃ）を用いて説明する。なお、先に説明した機能と同様の機能を有する場合に
は、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
【０１１４】
図３（Ａ）は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ１３０の上面図であり、
図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し
、図３（Ｃ）は、図３（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当
する。
【０１１５】
図３に示すトランジスタ１３０は、その上面図において、ソースまたはドレインの一方と
して機能する導電膜１１２ａが、ソースまたはドレインの他方として機能する導電膜１１
２ｂを同心円状に取り囲んでいる点で、トランジスタ１００と異なる。
【０１１６】
図３７（Ａ）はトランジスタ１３０が有する酸化物半導体膜１０８の上面図である。図３
７（Ａ）に示すように、酸化物半導体膜１０８は導電膜１１２ａと重なる領域１８５ａお
よび導電膜１１２ｂと重なる領域１８５ｂを有する。領域１８５ａと領域１８５ｂとは、
それぞれ、他方の領域と対向する端部を有する。上面からみたときに、領域１８５ｂの端
部の長さは領域１８５ａの端部の長さよりも短い。
【０１１７】
また、導電膜１１２ｂを外部の端子と電気的に接続するために、絶縁膜１２１および導電
膜１２２が設けられ、導電膜１２２は、開口部１４２ｄを介して、導電膜１１２ｂと電気
的に接続されている。また、第１のゲート電極として機能する導電膜１０４と、第２のゲ
ート電極として機能する導電膜１２０ｂとは、開口部１４２ａを介して、互いに電気的に
接続されている。
【０１１８】
図示されていないが、導電膜１１２ａは、画素電極として機能する導電膜と電気的に接続
されていてもよい。
【０１１９】
図示されていないが、導電膜１２２は、画素電極として機能する導電膜と電気的に接続さ
れていてもよい。
【０１２０】
導電膜１２２の詳細は、導電膜１０４、１１２ａ、１１２ｂの説明を参照すればよい。
【０１２１】
絶縁膜１２１は、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シ
リコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲル
マニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハ
フニウム、酸化タンタルなどから選ばれた一種以上含む絶縁体を用いることができる。ま
た、絶縁膜１２１は、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、シロキサン樹脂
、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の有機樹脂を用いることもできる。
【０１２２】
トランジスタ１３０は、上記以外の構成については、トランジスタ１００と同様であり、
詳細な説明は省略する。
【０１２３】
導電膜１１２ａは、ドレイン電極として機能し、導電膜１１２ｂは、ソース電極として機
能することが好ましい。このように、ドレイン電極がソース電極を取り囲む構成にするこ
とで、トランジスタ１３０は、チャネル長変調効果の影響を受けにくく、Ｖｄ−Ｉｄ特性
において、良好な飽和特性を示すことができる。
【０１２４】
図３（Ａ）において、Ｌ３はトランジスタ１３０のチャネル長である。トランジスタ１３
０のチャネル長Ｌ３も、図１に示すトランジスタ１００と同様、酸化物半導体膜１０８の
上面における導電膜１１２ａの端部と導電膜１１２ｂの端部との間の距離をいう。別言す
ると、チャネル長Ｌ３は、導電膜１１２ａの端部と導電膜１１２ｂの端部との間の距離で
ある。Ｌ３は、１μｍ以上１００μｍ以下であり、または１μｍ以上３０μｍ以下である
。
【０１２５】
また、図３において、一点鎖線で示すＷ３はトランジスタ１３０のチャネル幅である。ト
ランジスタ１３０のチャネル幅Ｗ３は、酸化物半導体膜１０８上にあって、導電膜１１２
ａの端部と導電膜１１２ｂの端部から等距離に位置する同心円の円周のことをいう。
【０１２６】
＜半導体装置の構成例４＞
次に、図１（Ａ）乃至（Ｃ）に示すトランジスタ１００と異なる構成例について、図４（
Ａ）乃至（Ｃ）を用いて説明する。なお、先に説明した機能と同様の機能を有する場合に
は、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
【０１２７】
図４（Ａ）は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ１４０の上面図であり、
図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し
、図４（Ｃ）は、図４（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当
する。
【０１２８】
図４に示すトランジスタ１４０は、その上面図において、ソース及びドレインの一方とし
て機能する導電膜１１２ａが、ソース及びドレインの他方として機能する導電膜１１２ｂ
を四角形状に取り囲んでいる点で、図３のトランジスタ１３０と異なる。それ以外の構成
については、トランジスタ１３０と同様であり、詳細な説明は省略する。
【０１２９】
図３７（Ｂ）はトランジスタ１４０が有する酸化物半導体膜１０８の上面図である。図３
７（Ｂ）に示すように、酸化物半導体膜１０８は導電膜１１２ａと重なる領域１８５ａお
よび導電膜１１２ｂと重なる領域１８５ｂを有する。領域１８５ａと領域１８５ｂとは、
それぞれ、他方の領域と対向する端部を有する。上面からみたときに、領域１８５ｂの端
部の長さは領域１８５ａの端部の長さよりも短い。
【０１３０】
トランジスタ１３０と同様に、トランジスタ１４０の導電膜１１２ａは、ドレイン電極と
して機能し、トランジスタ１４０の導電膜１１２ｂは、ソース電極として機能することが
好ましい。このように、ドレイン電極がソース電極を取り囲む構成にすることで、トラン
ジスタ１４０は、チャネル長変調効果の影響を受けにくく、Ｖｄ−Ｉｄ特性において、良
好な飽和特性を示すことができる。
【０１３１】
図４において、Ｌ４はトランジスタ１４０のチャネル長である。トランジスタ１４０のチ
ャネル長Ｌ４は、酸化物半導体膜１０８の上面における導電膜１１２ａの端部と導電膜１
１２ｂの端部との間の距離である。別言すると、チャネル長Ｌ４は、導電膜１１２ａの端
部と導電膜１１２ｂの端部との間の距離である。Ｌ４は、１μｍ以上１００μｍ以下であ
り、または１μｍ以上３０μｍ以下である。
【０１３２】
また、図４（Ａ）において、一点鎖線で示すＷ４はトランジスタ１４０のチャネル幅であ
る。トランジスタ１４０のチャネル幅Ｗ４は、酸化物半導体膜１０８上にあって、導電膜
１１２ａの端部と導電膜１１２ｂの端部から等距離に位置する四角形の外周のことをいう
。
【０１３３】
＜半導体装置の構成例５＞
次に、図１（Ａ）乃至（Ｃ）に示すトランジスタ１００と異なる構成例について、図５（
Ａ）乃至（Ｃ）を用いて説明する。なお、先に説明した機能と同様の機能を有する場合に
は、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
【０１３４】
図５（Ａ）は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ１５０の上面図であり、
図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し
、図５（Ｃ）は、図５（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当
する。
【０１３５】
図５に示すトランジスタ１５０は、その上面図において、ソース及びドレインの一方とし
て機能する導電膜１１２ａの端部と、ソース及びドレインの他方として機能する導電膜１
１２ｂの端部とが、互いに向かい合い、扇形を形成している点で、図１に示すトランジス
タ１００と異なる。
【０１３６】
図５（Ｄ）はトランジスタ１５０が有する酸化物半導体膜１０８の上面図である。図５（
Ｄ）に示すように、酸化物半導体膜１０８は、導電膜１１２ａと重なる領域１８５ａ、お
よび導電膜１１２ｂと重なる領域１８５ｂを有する。領域１８５ａと領域１８５ｂとは、
それぞれ、他方の領域と対向する端部を有する。上面から見たときに、領域１８５ａの端
部の長さが領域１８５ｂの端部の長さよりも短い。この点が、図１に示すトランジスタ１
００と異なる。
【０１３７】
図５（Ａ）、（Ｂ）、（Ｄ）において、Ｌ５はトランジスタ１５０のチャネル長である。
トランジスタ１５０のチャネル長Ｌ５も、図１に示すトランジスタ１００と同様、酸化物
半導体膜１０８の上面における導電膜１１２ａの端部と導電膜１１２ｂの端部との間の距
離をいう。Ｌ５は、１μｍ以上１００μｍ以下であり、または１μｍ以上３０μｍ以下で
ある。
【０１３８】
トランジスタ１５０は、上記以外の構成については、トランジスタ１００と同様であり、
詳細な説明は省略する。
【０１３９】
トランジスタ１５０の導電膜１１２ａは、ソース電極として機能し、トランジスタ１５０
の導電膜１１２ｂは、ドレイン電極として機能することが好ましい。上記構成にすること
で、トランジスタ１５０は、チャネル長変調効果の影響を受けにくく、Ｖｄ−Ｉｄ特性に
おいて、良好な飽和特性を示すことができる。
【０１４０】
＜半導体装置の構成例６＞
次に、図１（Ａ）乃至（Ｃ）に示すトランジスタ１００と異なる構成例について、図６（
Ａ）乃至（Ｃ）を用いて説明する。なお、先に説明した機能と同様の機能を有する場合に
は、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
【０１４１】
図６（Ａ）は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ１７０の上面図であり、
図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し
、図６（Ｃ）は、図６（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当
する。
【０１４２】
図６に示すトランジスタ１７０は、その上面図において、導電膜１１２ａ、１１２ｂの形
状に合わせて、導電膜１２０ｂ及び導電膜１０４の形状がある曲率をもって曲がっている
点で、図５に示すトランジスタ１５０と異なる。また、図５（Ａ）に示す開口部１４２ｂ
が省略されている点で、トランジスタ１７０は、トランジスタ１５０と異なる。
【０１４３】
トランジスタ１７０は、上記以外の構成については、トランジスタ１５０と同様であり、
詳細な説明は省略する。
【０１４４】
図６（Ａ）、（Ｂ）において、Ｌ７はトランジスタ１７０のチャネル長である。トランジ
スタ１７０のチャネル長Ｌ７も、図１に示すトランジスタ１００と同様、酸化物半導体膜
１０８の上面における導電膜１１２ａの端部と導電膜１１２ｂの端部との間の距離をいう
。Ｌ７は、１μｍ以上１００μｍ以下であり、または１μｍ以上３０μｍ以下である。
【０１４５】
トランジスタ１７０の導電膜１１２ａは、ソース電極として機能し、トランジスタ１７０
の導電膜１１２ｂは、ドレイン電極として機能することが好ましい。上記構成にすること
で、トランジスタ１７０は、チャネル長変調効果の影響を受けにくく、Ｖｄ−Ｉｄ特性に
おいて、良好な飽和特性を示すことができる。
【０１４６】
＜半導体装置の構成例７＞
次に、図１（Ａ）乃至（Ｃ）に示すトランジスタ１００と異なる構成例について、図７（
Ａ）乃至（Ｃ）を用いて説明する。なお、先に説明した機能と同様の機能を有する場合に
は、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
【０１４７】
図７（Ａ）は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ１８０の上面図であり、
図７（Ｂ）は、図７（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し
、図７（Ｃ）は、図７（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当
する。
【０１４８】
図７に示すトランジスタ１８０は、その上面図において、ソース及びドレインの一方とし
て機能する導電膜１１２ａの端部と、ソース及びドレインの他方として機能する導電膜１
１２ｂの端部とが、互いに向かい合い、台形を形成している点で、図１に示すトランジス
タ１００と異なる。
【０１４９】
図７において、Ｌ８はトランジスタ１８０のチャネル長である。トランジスタ１８０のチ
ャネル長Ｌ８も、図１に示すトランジスタ１００と同様、酸化物半導体膜１０８の上面に
おける導電膜１１２ａの端部と導電膜１１２ｂの端部との間の距離をいう。Ｌ８は、１μ
ｍ以上１００μｍ以下であり、または１μｍ以上３０μｍ以下である。
【０１５０】
図７（Ｄ）はトランジスタ１８０が有する酸化物半導体膜１０８の上面図である。図７（
Ｄ）に示すように、酸化物半導体膜１０８は、導電膜１１２ａと重なる領域１８５ａ、お
よび導電膜１１２ｂと重なる領域１８５ｂを有する。領域１８５ａと領域１８５ｂとは、
それぞれ、他方の領域と対向する端部を有する。上面から見たときに、領域１８５ａの端
部の長さが領域１８５ｂの端部の長さよりも短い。
【０１５１】
トランジスタ１８０は、上記以外の構成については、トランジスタ１００と同様であり、
詳細な説明は省略する。
【０１５２】
トランジスタ１８０の導電膜１１２ａは、ソース電極として機能し、トランジスタ１５０
の導電膜１１２ｂは、ドレイン電極として機能することが好ましい。上記構成にすること
で、トランジスタ１８０は、チャネル長変調効果の影響を受けにくく、Ｖｄ−Ｉｄ特性に
おいて、良好な飽和特性を示すことができる。
【０１５３】
＜半導体装置の構成例８＞
次に、図１（Ａ）乃至（Ｃ）に示すトランジスタ１００と異なる構成例について、図８（
Ａ）乃至（Ｄ）を用いて説明する。なお、先に説明した機能と同様の機能を有する場合に
は、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
【０１５４】
図８（Ａ）、（Ｂ）は、図１（Ｂ）、（Ｃ）に示すトランジスタ１００の変形例の断面図
である。また、図８（Ｃ）、（Ｄ）は、図１（Ｂ）、（Ｃ）に示すトランジスタ１００の
変形例の断面図である。
【０１５５】
図８（Ａ）、（Ｂ）に示すトランジスタ１００Ａは、図１（Ｂ）、（Ｃ）に示すトランジ
スタ１００が有する酸化物半導体膜１０８を３層の積層構造としている。より具体的には
、トランジスタ１００Ａが有する酸化物半導体膜１０８は、酸化物半導体膜１０８ａと、
酸化物半導体膜１０８ｂと、酸化物半導体膜１０８ｃと、を有する。
【０１５６】
図８（Ｃ）、（Ｄ）に示すトランジスタ１００Ｂは、図１（Ｂ）、（Ｃ）に示すトランジ
スタ１００が有する酸化物半導体膜１０８を２層の積層構造としている。より具体的には
、トランジスタ１００Ｂが有する酸化物半導体膜１０８は、酸化物半導体膜１０８ａと、
酸化物半導体膜１０８ｂと、を有する。
【０１５７】
ここで、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、及び酸化物半導体膜１０８ｂ、
１０８ｃに接する絶縁膜のバンド構造について、図９を用いて説明する。
【０１５８】
図９（Ａ）は、絶縁膜１０７、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、及び絶縁
膜１１４を有する積層構造の膜厚方向のバンド構造の一例である。また、図９（Ｂ）は、
絶縁膜１０７、酸化物半導体膜１０８ｂ、１０８ｃ、及び絶縁膜１１４を有する積層構造
の膜厚方向のバンド構造の一例である。なお、バンド構造は、理解を容易にするため絶縁
膜１０７、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、及び絶縁膜１１４の伝導帯下
端のエネルギー準位（Ｅｃ）を示す。
【０１５９】
また、図９（Ａ）は、絶縁膜１０７、１１４として酸化シリコン膜を用い、酸化物半導体
膜１０８ａとして金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２の金属酸化物ター
ゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用い、酸化物半導体膜１０８ｂとして金属元
素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の金属酸化物ターゲットを用いて形成され
る酸化物半導体膜を用い、酸化物半導体膜１０８ｃとして金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇ
ａ：Ｚｎ＝１：３：２の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用い
る構成のバンド図である。
【０１６０】
また、図９（Ｂ）は、絶縁膜１０７、１１４として酸化シリコン膜を用い、酸化物半導体
膜１０８ｂとして金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の金属酸化物ター
ゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用い、酸化物半導体膜１０８ｃとして金属元
素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２の金属酸化物ターゲットを用いて形成され
る金属酸化膜を用いる構成のバンド図である。
【０１６１】
図９（Ａ）、（Ｂ）に示すように、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃにおい
て、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、連続的に変化また
は連続接合するともいうことができる。このようなバンド構造を有するためには、酸化物
半導体膜１０８ａと酸化物半導体膜１０８ｂとの界面、または酸化物半導体膜１０８ｂと
酸化物半導体膜１０８ｃとの界面において、トラップ中心や再結合中心のような欠陥準位
、を形成するような不純物が存在しないとする。
【０１６２】
酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃに連続接合を形成するためには、ロードロ
ック室を備えたマルチチャンバー方式の成膜装置（スパッタリング装置）を用いて各膜を
大気に触れさせることなく連続して積層することが必要となる。
【０１６３】
図９（Ａ）（Ｂ）に示す構成とすることで酸化物半導体膜１０８ｂがウェル（井戸）とな
り、上記積層構造を用いたトランジスタにおいて、チャネル領域が酸化物半導体膜１０８
ｂに形成されることがわかる。
【０１６４】
なお、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃを設けることにより、酸化物半導体膜１０８ｂ
に形成されうるトラップ準位を遠ざけることができる。
【０１６５】
また、トラップ準位がチャネル領域として機能する酸化物半導体膜１０８ｂの伝導帯下端
のエネルギー準位（Ｅｃ）より真空準位に遠くなることがあり、トラップ準位に電子が蓄
積しやすくなってしまう。トラップ準位に電子が蓄積されることで、マイナスの固定電荷
となり、トランジスタのしきい値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。したがって、ト
ラップ準位が酸化物半導体膜１０８ｂの伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ）より真空準
位となるような構成すると好ましい。このようにすることで、トラップ準位に電子が蓄積
しにくくなり、トランジスタのオン電流を増大させることが可能であると共に、電界効果
移動度を高めることができる。
【０１６６】
また、図９（Ａ）、（Ｂ）において、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃは、酸化物半導
体膜１０８ｂよりも伝導帯下端のエネルギー準位が真空準位に近く、代表的には、酸化物
半導体膜１０８ｂの伝導帯下端のエネルギー準位と、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃ
の伝導帯下端のエネルギー準位との差が、０．１５ｅＶ以上、または０．５ｅＶ以上、か
つ２ｅＶ以下、または１ｅＶ以下である。すなわち、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃ
の電子親和力と、酸化物半導体膜１０８ｂの電子親和力との差が、０．１５ｅＶ以上、ま
たは０．５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、または１ｅＶ以下である。
【０１６７】
このような構成を有することで、酸化物半導体膜１０８ｂが電流の主な経路となり、チャ
ネル領域として機能する。また、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃは、チャネル領域が
形成される酸化物半導体膜１０８ｂを構成する金属元素の一種以上から構成される酸化物
半導体膜であるため、酸化物半導体膜１０８ａと酸化物半導体膜１０８ｂとの界面、また
は酸化物半導体膜１０８ｂと酸化物半導体膜１０８ｃとの界面において、界面散乱が起こ
りにくい。従って、該界面においてはキャリアの動きが阻害されないため、トランジスタ
の電界効果移動度が高くなる。
【０１６８】
また、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃは、チャネル領域の一部として機能することを
防止するため、導電率が十分に低い材料を用いるものとする。または、酸化物半導体膜１
０８ａ、１０８ｃには、電子親和力（真空準位と伝導帯下端のエネルギー準位との差）が
酸化物半導体膜１０８ｂよりも小さく、伝導帯下端のエネルギー準位が酸化物半導体膜１
０８ｂの伝導帯下端エネルギー準位と差分（バンドオフセット）を有する材料を用いるも
のとする。また、ドレイン電圧の大きさに依存したしきい値電圧の差が生じることを抑制
するためには、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃの伝導帯下端のエネルギー準位が、酸
化物半導体膜１０８ｂの伝導帯下端のエネルギー準位よりも０．２ｅＶより真空準位に近
い材料、好ましくは０．５ｅＶ以上真空準位に近い材料を適用することが好ましい。
【０１６９】
また、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃは、膜中にスピネル型の結晶構造が含まれない
ことが好ましい。酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃの膜中にスピネル型の結晶構造を含
む場合、該スピネル型の結晶構造と他の領域との界面において、導電膜１１２ａ、１１２
ｂの構成元素が酸化物半導体膜１０８ｂへ拡散してしまう場合がある。なお、酸化物半導
体膜１０８ａ、１０８ｃが後述するＣＡＡＣ−ＯＳである場合、導電膜１１２ａ、１１２
ｂの構成元素、例えば、銅元素のブロッキング性が高くなり好ましい。
【０１７０】
酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃの膜厚は、導電膜１１２ａ、１１２ｂの構成元素が酸
化物半導体膜１０８ｂに拡散することを抑制することのできる膜厚以上であって、絶縁膜
１１４から酸化物半導体膜１０８ｂへの酸素の供給を抑制する膜厚未満とする。例えば、
酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃの膜厚が１０ｎｍ以上であると、導電膜１１２ａ、１
１２ｂの構成元素が酸化物半導体膜１０８ｂへ拡散するのを抑制することができる。また
、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃの膜厚を１００ｎｍ以下とすると、絶縁膜１１４、
１１６から酸化物半導体膜１０８ｂへ効果的に酸素を供給することができる。
【０１７１】
酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、ＭとしてＴｉ、
Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、またはＨｆをＩｎより高い原子数比で有することで
、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃのエネルギーギャップを大きく、電子親和力を小さ
くしうる。よって、酸化物半導体膜１０８ｂとの電子親和力の差を元素Ｍの組成によって
制御することが可能となる場合がある。また、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ
またはＨｆは、酸素との結合力が強い金属元素であるため、これらの元素をＩｎより高い
原子数比で有することで、酸素欠損が生じにくくなる。
【０１７２】
また、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、Ｚｎおよ
びＯを除いてのＩｎおよびＭの原子数比率は、好ましくは、Ｉｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未
満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％より高く、さらに好ましくは、Ｉｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未
満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％より高くする。また、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃと
して、酸化ガリウム膜を用いてもよい。
【０１７３】
また、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃが、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、
酸化物半導体膜１０８ｂと比較して、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃに含まれるＭの
原子数比が大きく、代表的には、酸化物半導体膜１０８ｂに含まれる上記原子と比較して
、１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上高い原子数比である。
【０１７４】
また、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃが、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、
酸化物半導体膜１０８ｂをＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ１：ｚ１［原子数比］、酸化物半導
体膜１０８ａ、１０８ｃをＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ２：ｙ２：ｚ２［原子数比］とすると、ｙ
２／ｘ２がｙ１／ｘ１よりも大きく、好ましくは、ｙ２／ｘ２がｙ１／ｘ１よりも１．５
倍以上である。より好ましくは、ｙ２／ｘ２がｙ１／ｘ１よりも２倍以上大きく、さらに
好ましくは、ｙ２／ｘ２がｙ１／ｘ１よりも３倍以上または４倍以上大きい。このとき、
酸化物半導体膜１０８ｂにおいて、ｙ１がｘ１以上であると、酸化物半導体膜１０８ｂを
用いるトランジスタに安定した電気特性を付与できるため好ましい。ただし、ｙ１がｘ１
の３倍以上になると、酸化物半導体膜１０８ｂを用いるトランジスタの電界効果移動度が
低下してしまうため、ｙ１はｘ１の３倍未満であると好ましい。
【０１７５】
酸化物半導体膜１０８ｂがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物半導体膜１０８ｂを成膜
するために用いるターゲットにおいて、金属元素の原子数比をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ
１：ｚ１とすると、ｘ１／ｙ１は、１／３以上６以下、さらには１以上６以下であって、
ｚ１／ｙ１は、１／３以上６以下、さらには１以上６以下であることが好ましい。なお、
ｚ１／ｙ１を１以上６以下とすることで、酸化物半導体膜１０８ｂとして後述のＣＡＡＣ
−ＯＳが形成されやすくなる。ターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、Ｉｎ
：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：
２等がある。
【０１７６】
また、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物半導体
膜１０８ａ、１０８ｃを成膜するために用いるターゲットにおいて、金属元素の原子数比
をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ２：ｙ２：ｚ２とすると、ｘ２／ｙ２＜ｘ１／ｙ１であって、ｚ２
／ｙ２は、１／３以上６以下、さらには１以上６以下であることが好ましい。また、イン
ジウムに対するＭの原子数比率を大きくすることで、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃ
のエネルギーギャップを大きく、電子親和力を小さくすることが可能であるため、ｙ２／
ｘ２を３以上、または４以上とすることが好ましい。ターゲットの金属元素の原子数比の
代表例としては、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４、Ｉｎ：Ｍ
：Ｚｎ＝１：３：５、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：６、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：２、Ｉｎ
：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：４、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：５、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：５：５等
がある。
【０１７７】
また、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃがＩｎ−Ｍ酸化物の場合、Ｍとして２価の金属
原子（例えば、亜鉛など）を含まない構成とすることで、スピネル型の結晶構造を含有し
ない酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃを形成することができる。また、酸化物半導体膜
１０８ａ、１０８ｃとしては、例えば、Ｉｎ−Ｇａ酸化物膜を用いることができる。該Ｉ
ｎ−Ｇａ酸化物膜としては、例えば、Ｉｎ−Ｇａ金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ＝７
：９３）を用いて、スパッタリング法により形成することができる。また、酸化物半導体
膜１０８ａ、１０８ｃを、ＤＣ放電を用いたスパッタリング法で成膜するためには、Ｉｎ
：Ｍ＝ｘ：ｙ［原子数比］としたときに、ｙ／（ｘ＋ｙ）を０．９６以下、好ましくは０
．９５以下、例えば０．９３とするとよい。
【０１７８】
なお、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃの原子数比はそれぞれ、誤差として
上記の原子数比のプラスマイナス４０％の変動を含む。
【０１７９】
また、本実施の形態に係るトランジスタは、上記の構造のそれぞれを自由に組み合わせる
ことが可能である。
【０１８０】
＜半導体装置の作製方法＞
次に、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ１００の作製方法について、図１
０乃至図１２を用いて以下詳細に説明する。なお、図１０乃至図１２は、半導体装置の作
製方法を説明する断面図である。また、図１０（Ａ）、（Ｃ）、（Ｅ）、（Ｇ）、図１１
（Ａ）、（Ｃ）、（Ｅ）、及び図１２（Ａ）、（Ｃ）、（Ｅ）、（Ｇ）は、トランジスタ
１００の作製途中のチャネル長方向の断面図であり、図１０（Ｂ）、（Ｄ）、（Ｆ）、（
Ｈ）、図１１（Ｂ）、（Ｄ）、（Ｆ）、及び図１２（Ｂ）、（Ｄ）、（Ｆ）、（Ｈ）は、
トランジスタ１００の作製途中のチャネル幅方向の断面図である。
【０１８１】
なお、トランジスタ１００を構成する膜（絶縁膜、酸化物半導体膜、導電膜等）は、スパ
ッタリング法、ＣＶＤ法、真空蒸着法、ＰＬＤ法を用いて形成することができる。あるい
は、塗布法や印刷法で形成することができる。成膜方法としては、スパッタリング法、Ｐ
ＥＣＶＤ法が代表的であるが、熱ＣＶＤ法でもよい。熱ＣＶＤ法の例として、ＭＯＣＶＤ
法やＡＬＤ法を使ってもよい。
【０１８２】
熱ＣＶＤ法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、原料ガスと酸化剤を同時にチャ
ンバー内に送り、基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで成膜を行
う。このように、熱ＣＶＤ法は、プラズマを発生させない成膜方法であるため、プラズマ
ダメージにより欠陥が生成されることが無いという利点を有する。
【０１８３】
また、ＡＬＤ法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、反応のための原料ガスが順
次にチャンバーに導入され、そのガス導入の順序を繰り返すことで成膜を行う。例えば、
それぞれのスイッチングバルブ（高速バルブともよぶ。）を切り替えて２種類以上の原料
ガスを順番にチャンバーに供給し、複数種の原料ガスが混ざらないように第１の原料ガス
と同時またはその後に不活性ガス（アルゴン、或いは窒素など）などを導入し、第２の原
料ガスを導入する。なお、同時に不活性ガスを導入する場合には、不活性ガスはキャリア
ガスとなり、また、第２の原料ガスの導入時にも同時に不活性ガスを導入してもよい。ま
た、不活性ガスを導入する代わりに真空排気によって第１の原料ガスを排出した後、第２
の原料ガスを導入してもよい。第１の原料ガスが基板の表面に吸着して第１の単原子層を
成膜し、後から導入される第２の原料ガスと反応して、第２の単原子層が第１の単原子層
上に積層されて薄膜が形成される。
【０１８４】
このガス導入順序を制御しつつ所望の厚さになるまで複数回繰り返すことで、段差被覆性
に優れた薄膜を形成することができる。薄膜の厚さは、ガス導入順序を繰り返す回数によ
って調節することができるため、精密な膜厚調節が可能であり、微細なトランジスタを作
製する場合に適している。
【０１８５】
まず、基板１０２上に導電膜を形成し、該導電膜をリソグラフィ工程及びエッチング工程
を行い加工して、第１のゲート電極として機能する導電膜１０４を形成する。次に、導電
膜１０４上に第１のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜１０６、１０７を形成する（図１
０（Ａ）、（Ｂ）参照）。
【０１８６】
第１のゲート電極として機能する導電膜１０４は、スパッタリング法、化学気相堆積（Ｃ
ＶＤ）法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法、を用いて形成することができ
る。または、塗布法や印刷法で形成することができる。成膜方法としては、スパッタリン
グ法、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）法が代表的であるが、先に説明した有機金属
化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）法等の熱ＣＶＤ法、又は原子層堆積（ＡＬＤ）法を用いても
よい。
【０１８７】
本実施の形態では、基板１０２としてガラス基板を用い、第１のゲート電極として機能す
る導電膜１０４として厚さ１００ｎｍのタングステン膜をスパッタリング法で形成する。
【０１８８】
第１のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜１０６、１０７は、スパッタリング法、ＰＥＣ
ＶＤ法、熱ＣＶＤ法、真空蒸着法、ＰＬＤ法等を用いて形成することができる。本実施の
形態では、ＰＥＣＶＤ法により、絶縁膜１０６として厚さ４００ｎｍの窒化シリコン膜を
形成し、絶縁膜１０７として厚さ５０ｎｍの酸化窒化シリコン膜を形成する。
【０１８９】
なお、絶縁膜１０６としては、窒化シリコン膜の積層構造とすることができる。具体的に
は、絶縁膜１０６を、第１の窒化シリコン膜と、第２の窒化シリコン膜と、第３の窒化シ
リコン膜との３層積層構造とすることができる。該３層積層構造の一例としては、以下の
ように形成することができる。
【０１９０】
第１の窒化シリコン膜としては、例えば、流量２００ｓｃｃｍのシラン、流量２０００ｓ
ｃｃｍの窒素、及び流量１００ｓｃｃｍのアンモニアガスを原料ガスとしてＰＥ−ＣＶＤ
装置の反応室に供給し、反応室内の圧力を１００Ｐａに制御し、２７．１２ＭＨｚの高周
波電源を用いて２０００Ｗの電力を供給して、厚さが５０ｎｍとなるように形成すればよ
い。
【０１９１】
第２の窒化シリコン膜としては、流量２００ｓｃｃｍのシラン、流量２０００ｓｃｃｍの
窒素、及び流量２０００ｓｃｃｍのアンモニアガスを原料ガスとしてＰＥＣＶＤ装置の反
応室に供給し、反応室内の圧力を１００Ｐａに制御し、２７．１２ＭＨｚの高周波電源を
用いて２０００Ｗの電力を供給して、厚さが３００ｎｍとなるように形成すればよい。
【０１９２】
第３の窒化シリコン膜としては、流量２００ｓｃｃｍのシラン、及び流量５０００ｓｃｃ
ｍの窒素を原料ガスとしてＰＥＣＶＤ装置の反応室に供給し、反応室内の圧力を１００Ｐ
ａに制御し、２７．１２ＭＨｚの高周波電源を用いて２０００Ｗの電力を供給して、厚さ
が５０ｎｍとなるように形成すればよい。
【０１９３】
なお、上記第１の窒化シリコン膜、第２の窒化シリコン膜、及び第３の窒化シリコン膜形
成時の基板温度は３５０℃とすることができる。
【０１９４】
絶縁膜１０６を、窒化シリコン膜の３層の積層構造とすることで、例えば、導電膜１０４
に銅（Ｃｕ）を含む導電膜を用いる場合において、以下の効果を奏する。
【０１９５】
第１の窒化シリコン膜は、導電膜１０４からの銅（Ｃｕ）元素の拡散を抑制することがで
きる。第２の窒化シリコン膜は、水素を放出する機能を有し、ゲート絶縁膜として機能す
る絶縁膜の耐圧を向上させることができる。第３の窒化シリコン膜は、第３の窒化シリコ
ン膜からの水素放出が少なく、且つ第２の窒化シリコン膜からの放出される水素の拡散を
抑制することができる。
【０１９６】
絶縁膜１０７としては、後に形成される酸化物半導体膜１０８との界面特性を向上させる
ため、酸素を含む絶縁膜で形成されると好ましい。
【０１９７】
次に、絶縁膜１０７上に酸化物半導体膜１０８を形成する（図１０（Ｃ）、（Ｄ）参照）
。
【０１９８】
本実施の形態では、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１
：２（原子数比））を用いて、スパッタリング法により酸化物半導体膜を成膜し、該酸化
物半導体膜上にリソグラフィ工程によりマスクを形成し、該酸化物半導体膜を所望の領域
に加工することで島状の酸化物半導体膜１０８を形成する。
【０１９９】
酸化物半導体膜１０８の形成後、１５０℃以上基板の歪み点未満、好ましくは２００℃以
上４５０℃以下、さらに好ましくは３００℃以上４５０℃以下の加熱処理を行ってもよい
。ここでの加熱処理は、酸化物半導体膜の高純度化処理の一つであり、酸化物半導体膜１
０８に含まれる水素、水等を低減することができる。なお、水素、水等の低減を目的とし
た加熱処理は、酸化物半導体膜１０８を島状に加工する前に行ってもよい。
【０２００】
酸化物半導体膜１０８への加熱処理は、電気炉、ＲＴＡ装置等を用いることができる。Ｒ
ＴＡ装置を用いることで、短時間に限り基板の歪み点以上の温度で熱処理を行うことがで
きる。そのため、加熱時間を短縮することが可能となる。
【０２０１】
なお、酸化物半導体膜１０８への加熱処理は、窒素、酸素、超乾燥空気（水の含有量が２
０ｐｐｍ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、ヘリウム等）の雰囲気下で行えばよい。なお、上記窒素、酸素、超乾燥
空気、または希ガスに水素、水等が含まれないことが好ましい。また、窒素または希ガス
雰囲気で加熱処理した後、酸素または超乾燥空気雰囲気で加熱してもよい。この結果、酸
化物半導体膜中に含まれる水素、水等を脱離させると共に、酸化物半導体膜中に酸素を供
給することができる。この結果、酸化物半導体膜中に含まれる酸素欠損量を低減すること
ができる。
【０２０２】
なお、スパッタリング法で酸化物半導体膜１０８を形成する場合、スパッタリングガスは
、希ガス（代表的にはアルゴン）、酸素、希ガス及び酸素の混合ガスを適宜用いる。なお
、混合ガスの場合、希ガスに対して酸素のガス比を高めることが好ましい。また、スパッ
タリングガスの高純度化も必要である。例えば、スパッタリングガスとして用いる酸素ガ
スやアルゴンガスは、露点が−４０℃以下、好ましくは−８０℃以下、より好ましくは−
１００℃以下、より好ましくは−１２０℃以下にまで高純度化したガスを用いることで酸
化物半導体膜１０８に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。
【０２０３】
また、スパッタリング法で酸化物半導体膜１０８を形成する場合、スパッタリング装置に
おけるチャンバーは、酸化物半導体膜１０８にとって不純物となる水等を可能な限り除去
すべくクライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて高真空排気（５×１０−
７Ｐａから１×１０−４Ｐａ程度まで）することが好ましい。または、ターボ分子ポンプ
とコールドトラップを組み合わせて排気系からチャンバー内に気体、特に炭素または水素
を含む気体が逆流しないようにしておくことが好ましい。
【０２０４】
次に、絶縁膜１０７及び酸化物半導体膜１０８上にソース電極及びドレイン電極として機
能する導電膜１１２ａ、１１２ｂを形成する（図１０（Ｅ）、（Ｆ）参照）。
【０２０５】
本実施の形態では、導電膜１１２ａ、１１２ｂとして、厚さ５０ｎｍのタングステン膜と
、厚さ４００ｎｍのアルミニウム膜との積層膜をスパッタリング法により成膜し、該積層
膜上にリソグラフィ工程によりマスクを形成し、該積層膜を所望の領域に加工することで
、導電膜１１２ａ、１１２ｂを形成する。なお、本実施の形態においては、導電膜１１２
ａ、１１２ｂの２層の積層構造としたが、これに限定されない。例えば、導電膜１１２ａ
、１１２ｂとして、厚さ５０ｎｍのタングステン膜と、厚さ４００ｎｍのアルミニウム膜
と、厚さ１００ｎｍのチタン膜との３層の積層構造としてもよい。
【０２０６】
次に、絶縁膜１０７、酸化物半導体膜１０８、及び導電膜１１２ａ、１１２ｂに、薬液１
３１を塗布し、酸化物半導体膜１０８の表面（バックチャネル側）を洗浄する（図１０（
Ｇ）、（Ｈ）参照）。
【０２０７】
上記洗浄方法としては、例えば、リン酸等の薬液を用いた洗浄が挙げられる。リン酸等の
薬液を用いて洗浄を行うことで、酸化物半導体膜１０８の表面に付着した不純物（例えば
、導電膜１１２ａ、１１２ｂに含まれる元素等）を除去することができる。なお、図１０
（Ｇ）、（Ｈ）に示す洗浄工程は、必ずしも行う必要はなく、場合によっては、洗浄工程
を行わなくてもよい。
【０２０８】
なお、導電膜１１２ａ、１１２ｂの形成時、及び／または上記洗浄工程において、酸化物
半導体膜１０８の一部に凹部が形成される場合がある。
【０２０９】
次に、絶縁膜１０７、酸化物半導体膜１０８、及び導電膜１１２ａ、１１２ｂ上に絶縁膜
１１４、１１６を形成する（図１１（Ａ）、（Ｂ）参照）。
【０２１０】
なお、絶縁膜１１４を形成した後、大気に曝すことなく、連続的に絶縁膜１１６を形成す
ることが好ましい。絶縁膜１１４を形成後、大気開放せず、原料ガスの流量、圧力、高周
波電力及び基板温度の一以上を調整して、絶縁膜１１６を連続的に形成することで、絶縁
膜１１４と絶縁膜１１６の界面において大気成分由来の不純物濃度を低減することができ
るとともに、絶縁膜１１４、１１６に含まれる酸素を酸化物半導体膜１０８に移動させる
ことが可能となり、酸化物半導体膜１０８の酸素欠損量を低減することが可能となる。
【０２１１】
例えば、絶縁膜１１４として、ＰＥＣＶＤ法を用いて、酸化窒化シリコン膜を形成するこ
とができる。この場合、原料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体及び酸化性気体を
用いることが好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例としては、シラン、ジシラン
、トリシラン、フッ化シラン等がある。酸化性気体としては、一酸化二窒素、二酸化窒素
等がある。また、上記の堆積性気体に対する酸化性気体を２０倍より大きく１００倍未満
、好ましくは４０倍以上８０倍以下とし、処理室内の圧力を１００Ｐａ未満、好ましくは
５０Ｐａ以下とするＰＥＣＶＤ法を用いることで、絶縁膜１１４が、窒素を含み、且つ欠
陥量の少ない絶縁膜となる。
【０２１２】
本実施の形態においては、絶縁膜１１４として、基板１０２を保持する温度を２２０℃と
し、流量５０ｓｃｃｍのシラン及び流量２０００ｓｃｃｍの一酸化二窒素を原料ガスとし
、処理室内の圧力を２０Ｐａとし、平行平板電極に供給する高周波電力を１３．５６ＭＨ
ｚ、１００Ｗ（電力密度としては１．６×１０−２Ｗ／ｃｍ２）とするＰＥＣＶＤ法を用
いて、酸化窒化シリコン膜を形成する。
【０２１３】
絶縁膜１１６としては、ＰＥＣＶＤ装置の真空排気された処理室内に載置された基板を１
８０℃以上２８０℃以下、さらに好ましくは２００℃以上２４０℃以下に保持し、処理室
に原料ガスを導入して処理室内における圧力を１００Ｐａ以上２５０Ｐａ以下、さらに好
ましくは１００Ｐａ以上２００Ｐａ以下とし、処理室内に設けられる電極に０．１７Ｗ／
ｃｍ２以上０．５Ｗ／ｃｍ２以下、さらに好ましくは０．２５Ｗ／ｃｍ２以上０．３５Ｗ
／ｃｍ２以下の高周波電力を供給する条件により、酸化シリコン膜または酸化窒化シリコ
ン膜を形成する。
【０２１４】
絶縁膜１１６の成膜条件として、上記圧力の反応室において上記パワー密度の高周波電力
を供給することで、プラズマ中で原料ガスの分解効率が高まり、酸素ラジカルが増加し、
原料ガスの酸化が進むため、絶縁膜１１６中における酸素含有量が化学量論的組成よりも
多くなる。一方、基板温度が、上記温度で形成された膜では、シリコンと酸素の結合力が
弱いため、後の工程の加熱処理により膜中の酸素の一部が脱離する。この結果、化学量論
的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含み、加熱により酸素の一部が脱離する酸化物絶
縁膜を形成することができる。
【０２１５】
なお、絶縁膜１１６の形成工程において、絶縁膜１１４が酸化物半導体膜１０８の保護膜
となる。したがって、酸化物半導体膜１０８へのダメージを低減しつつ、パワー密度の高
い高周波電力を用いて絶縁膜１１６を形成することができる。
【０２１６】
なお、絶縁膜１１６の成膜条件において、酸化性気体に対するシリコンを含む堆積性気体
の流量を増加することで、絶縁膜１１６の欠陥量を低減することが可能である。代表的に
は、ＥＳＲ測定により、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝２．００１に現れ
る信号のスピン密度が６×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満、好ましくは３×１０１７ｓ
ｐｉｎｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１．５×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下である欠陥
量の少ない酸化物絶縁層を形成することができる。この結果トランジスタの信頼性を高め
ることができる。
【０２１７】
また、絶縁膜１１４、１１６を形成した後、加熱処理を行ってもよい。該加熱処理により
、絶縁膜１１４、１１６に含まれる窒素酸化物を低減することができる。また、上記加熱
処理により、絶縁膜１１４、１１６に含まれる酸素の一部を酸化物半導体膜１０８に移動
させ、酸化物半導体膜１０８に含まれる酸素欠損量を低減することができる。
【０２１８】
絶縁膜１１４、１１６への加熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上４００℃以下、
好ましくは３００℃以上４００℃以下、好ましくは３２０℃以上３７０℃以下とする。加
熱処理は、窒素、酸素、超乾燥空気（水の含有量が２０ｐｐｍ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、ヘリウム等）の雰
囲気下で行えばよい。なお、上記窒素、酸素、超乾燥空気、または希ガスに水素、水等が
含まれないことが好ましい。該加熱処理には、電気炉、ＲＴＡ装置等を用いることができ
る。
【０２１９】
本実施の形態では、窒素雰囲気で、３５０℃、１時間の加熱処理を行う。
【０２２０】
次に、絶縁膜１１６上に保護膜１１７を形成する（図１１（Ｃ）、（Ｄ）参照）。
【０２２１】
保護膜１１７は、インジウム、亜鉛、チタン、アルミニウム、タングステン、タンタル、
またはモリブデンの中から選ばれる少なくとも１以上を有する。例えば、上述した金属元
素を成分とする合金、上述した金属元素を組み合わせた合金、上述した金属元素を有する
金属酸化物、上述した金属元素を有する金属窒化物、または上述した金属元素を有する金
属窒化酸化物等の導電性を有する材料を用いて形成する。
【０２２２】
保護膜１１７の一例としては、窒化タンタル膜、チタン膜、インジウム錫酸化物（以下Ｉ
ＴＯともいう）膜、アルミニウム膜、酸化物半導体膜（例えば、ＩＧＺＯ膜（Ｉｎ：Ｇａ
：Ｚｎ＝１：４：５（原子数比））等）を用いることができる。また、保護膜１１７とし
ては、スパッタリング法を用いて形成することができる。また、保護膜１１７の厚さとし
ては、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下、または２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすると好ましい。本実
施の形態では、保護膜１１７として、厚さ５ｎｍの酸化シリコンを添加したインジウム錫
酸化物（以下ＩＴＳＯと呼ぶ）を用いる。
【０２２３】
次に、保護膜１１７を介して絶縁膜１１４、１１６及び酸化物半導体膜１０８に酸素１３
３を添加する（図１１（Ｅ）、（Ｆ）参照）。
【０２２４】
保護膜１１７を介して絶縁膜１１４、１１６及び酸化物半導体膜１０８に酸素１３３を添
加する方法としては、イオンドーピング法、イオン注入法、プラズマ処理法等がある。ま
た、酸素１３３を添加する際に、基板側にバイアスを印加することで効果的に酸素１３３
を絶縁膜１１４、１１６及び酸化物半導体膜１０８に添加することができる。上記バイア
スとしては、例えば、電力密度を１Ｗ／ｃｍ２以上５Ｗ／ｃｍ２以下とすればよい。絶縁
膜１１６上に保護膜１１７を設けて酸素を添加することで、保護膜１１７が絶縁膜１１６
から酸素が脱離することを抑制する保護膜として機能する。このため、絶縁膜１１４、１
１６及び酸化物半導体膜１０８により多くの酸素を添加することができる。
【０２２５】
また、プラズマ処理で酸素の導入を行う場合、マイクロ波で酸素を励起し、高密度な酸素
プラズマを発生させることで、絶縁膜１１４、１１６への酸素導入量を増加させることが
できる。
【０２２６】
次に、保護膜１１７を除去する（図１２（Ａ）、（Ｂ）参照）。
【０２２７】
保護膜１１７の除去方法としては、ドライエッチング法、ウエットエッチング法、または
ドライエッチング法とウエットエッチング法を組み合わせる方法等が挙げられる。本実施
の形態においては、ウエットエッチング法を用いて、保護膜１１７を除去する。なお、本
実施の形態においては、保護膜１１７を除去する方法を例示したが、これに限定されない
。例えば、保護膜１１７を除去せずに保護膜１１７上に絶縁膜１１８を形成してもよい。
【０２２８】
次に、絶縁膜１１６上に絶縁膜１１８を形成する（図１２（Ｃ）、（Ｄ）参照）。
【０２２９】
なお、絶縁膜１１８の形成前、または絶縁膜１１８の形成後に加熱処理を行って、絶縁膜
１１４、１１６に含まれる過剰酸素を酸化物半導体膜１０８中に拡散させ、酸化物半導体
膜１０８中の酸素欠損を補填することができる。あるいは、絶縁膜１１８を加熱成膜とす
ることで、絶縁膜１１４、１１６に含まれる過剰酸素を酸化物半導体膜１０８中に拡散さ
せ、酸化物半導体膜１０８中の酸素欠損を補填することができる。
【０２３０】
絶縁膜１１８をＰＥＣＶＤ法で形成する場合、基板温度は３００℃以上４００℃以下に、
好ましくは３２０℃以上３７０℃以下にすることで、緻密な膜を形成できるため好ましい
。
【０２３１】
例えば、絶縁膜１１８としてＰＥＣＶＤ法により窒化シリコン膜を形成する場合、シリコ
ンを含む堆積性気体、窒素、及びアンモニアを原料ガスとして用いることが好ましい。窒
素と比較して少量のアンモニアを用いることで、プラズマ中でアンモニアが解離し、活性
種が発生する。該活性種が、シリコンを含む堆積性気体に含まれるシリコン及び水素の結
合、及び窒素の三重結合を切断する。この結果、シリコン及び窒素の結合が促進され、シ
リコン及び水素の結合が少なく、欠陥が少なく、緻密な窒化シリコン膜を形成することが
できる。一方、窒素に対するアンモニアの量が多いと、シリコンを含む堆積性気体及び窒
素の分解が進まず、シリコン及び水素結合が残存してしまい、欠陥が増大した、且つ粗な
窒化シリコン膜が形成されてしまう。これらのため、原料ガスにおいて、アンモニアに対
する窒素の流量比を５以上５０以下、１０以上５０以下とすることが好ましい。
【０２３２】
本実施の形態においては、絶縁膜１１８として、ＰＥＣＶＤ装置を用いて、シラン、窒素
、及びアンモニアの原料ガスから、厚さ５０ｎｍの窒化シリコン膜を形成する。流量は、
シランが５０ｓｃｃｍ、窒素が５０００ｓｃｃｍであり、アンモニアが１００ｓｃｃｍで
ある。処理室の圧力を１００Ｐａ、基板温度を３５０℃とし、２７．１２ＭＨｚの高周波
電源を用いて１０００Ｗの高周波電力を平行平板電極に供給する。ＰＥＣＶＤ装置は電極
面積が６０００ｃｍ２である平行平板型のＰＥＣＶＤ装置であり、供給した電力を単位面
積あたりの電力（電力密度）に換算すると１．７×１０−１Ｗ／ｃｍ２である。
【０２３３】
次に、絶縁膜１１８上にリソグラフィ工程によりマスクを形成し、絶縁膜１１４、１１６
、１１８の所望の領域に開口部１４２ｃを形成する。また、絶縁膜１１８上にリソグラフ
ィ工程によりマスクを形成し、絶縁膜１０６、１０７、１１４、１１６、１１８の所望の
領域に開口部１４２ａ、１４２ｂを形成する。なお、開口部１４２ｃは、導電膜１１２ｂ
に達するように形成される。また、開口部１４２ａ、１４２ｂは、それぞれ導電膜１０４
に達するように形成される（図１２（Ｅ）、（Ｆ）参照）
【０２３４】
なお、開口部１４２ａ、１４２ｂと開口部１４２ｃは、同じ工程で形成してもよく、異な
る工程で形成してもよい。開口部１４２ａ、１４２ｂと開口部１４２ｃを同じ工程で形成
する場合、例えば、グレートーンマスクまたはハーフトーンマスクを用いて形成すること
ができる。また、開口部１４２ａ、１４２ｂを複数回に分けて形成してもよい。例えば、
絶縁膜１０６、１０７を加工し、その後、絶縁膜１１４、１１６、１１８を加工する。
【０２３５】
次に、開口部１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃを覆うように絶縁膜１１８上に導電膜を形成
し、該導電膜を所望の形状に加工することで、導電膜１２０ａ、１２０ｂを形成する（図
１２（Ｇ）、（Ｈ）参照）。
【０２３６】
導電膜１２０ａ、１２０ｂとしては、例えば、インジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、錫（
Ｓｎ）の中から選ばれた一種を含む材料を用いることができる。とくに、導電膜１２０ａ
、１２０ｂとしては、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（ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物、酸化シリコンを
添加したインジウム錫酸化物（ＩＴＳＯ）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、導電膜１２０ａ、１２０ｂとしては、例えば、スパッタリング法を用い
て形成することができる。本実施の形態においては、膜厚１１０ｎｍのＩＴＳＯ膜をスパ
ッタリング法で形成する。
【０２３７】
以上の工程で図１に示すトランジスタ１００を作製することができる。
【０２３８】
なお、図３に示すトランジスタ１３０及び、図４に示すトランジスタ１４０は、上述した
工程の後に、絶縁膜１２１を成膜し、開口部１４２ｄを設け、導電膜１２２を形成するこ
とで、作成することができる。
【０２３９】
絶縁膜１２１としては、例えば、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、シロ
キサン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の有機樹脂を用いればよい。本実施の形態
では、膜厚１．５μｍのアクリル樹脂を、塗布法で形成する。
【０２４０】
導電膜１２２としては、例えば、インジウム、亜鉛、錫の中から選ばれた一種を含む材料
を用いることができる。本実施の形態においては、膜厚１１０ｎｍのＩＴＳＯ膜をスパッ
タリング法で形成する。
【０２４１】
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合
わせて用いることができる。
【０２４２】
（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置に含まれる酸化物半導体膜について以下
詳細に説明を行う。
【０２４３】
なお、本明細書において、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
。
【０２４４】
＜酸化物半導体の構造＞
以下では、酸化物半導体の構造について説明する。
【０２４５】
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体とに分けられ
る。非単結晶酸化物半導体としては、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  
Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半
導体、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕ
ｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｌｉ
ｋｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、非晶質酸化物半導体などがある。
【０２４６】
また別の観点では、酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体と、それ以外の結晶性酸化物半
導体とに分けられる。結晶性酸化物半導体としては、単結晶酸化物半導体、ＣＡＡＣ−Ｏ
Ｓ、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳなどがある。
【０２４７】
非晶質構造の定義としては、一般に、準安定状態で固定化していないこと、等方的であっ
て不均質構造を持たないことなどが知られている。また、結合角度が柔軟であり、短距離
秩序性は有するが、長距離秩序性を有さない構造と言い換えることもできる。
【０２４８】
逆の見方をすると、本質的に安定な酸化物半導体の場合、完全な非晶質（ｃｏｍｐｌｅｔ
ｅｌｙ  ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）酸化物半導体と呼ぶことはできない。また、等方的でない
（例えば、微小な領域において周期構造を有する）酸化物半導体を、完全な非晶質酸化物
半導体と呼ぶことはできない。ただし、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、微小な領域において周期
構造を有するものの、鬆（ボイドともいう。）を有し、不安定な構造である。そのため、
物性的には非晶質酸化物半導体に近いといえる。
【０２４９】
＜ＣＡＡＣ−ＯＳ＞
まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。
【０２５０】
ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向した複数の結晶部（ペレットともいう。）を有する酸化物半
導体の一つである。
【０２５１】
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏ
ｓｃｏｐｅ）によって、ＣＡＡＣ−ＯＳの明視野像と回折パターンとの複合解析像（高分
解能ＴＥＭ像ともいう。）を観察すると、複数のペレットを確認することができる。一方
、高分解能ＴＥＭ像ではペレット同士の境界、即ち結晶粒界（グレインバウンダリーとも
いう。）を明確に確認することができない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ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。
【０２５２】
以下では、ＴＥＭによって観察したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。図１３（Ａ）に、
試料面と略平行な方向から観察したＣＡＡＣ−ＯＳの断面の高分解能ＴＥＭ像を示す。高
分解能ＴＥＭ像の観察には、球面収差補正（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ  Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ
Ｃｏｒｒｅｃｔｏｒ）機能を用いた。球面収差補正機能を用いた高分解能ＴＥＭ像を、
特にＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像と呼ぶ。Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像の取得は、例えば、日
本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡ＪＥＭ−ＡＲＭ２００Ｆなどによって行うこ
とができる。
【０２５３】
図１３（Ａ）の領域（１）を拡大したＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を図１３（Ｂ）に示す。
図１３（Ｂ）より、ペレットにおいて、金属原子が層状に配列していることを確認できる
。金属原子の各層の配列は、ＣＡＡＣ−ＯＳ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ており、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面または上面と平行となる。
【０２５４】
図１３（Ｂ）に示すように、ＣＡＡＣ−ＯＳは特徴的な原子配列を有する。図１３（Ｃ）
は、特徴的な原子配列を、補助線で示したものである。図１３（Ｂ）および図１３（Ｃ）
より、ペレット一つの大きさは１ｎｍ以上のものや、３ｎｍ以上のものがあり、ペレット
とペレットとの傾きにより生じる隙間の大きさは０．８ｎｍ程度であることがわかる。し
たがって、ペレットを、ナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）と呼ぶこともできる
。また、ＣＡＡＣ−ＯＳを、ＣＡＮＣ（Ｃ−Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  ｎａｎｏｃｒｙ
ｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
【０２５５】
ここで、Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像をもとに、基板５１２０上のＣＡＡＣ−ＯＳのペレッ
ト５１００の配置を模式的に示すと、レンガまたはブロックが積み重なったような構造と
なる（図１３（Ｄ）参照。）。図１３（Ｃ）で観察されたペレットとペレットとの間で傾
きが生じている箇所は、図１３（Ｄ）に示す領域５１６１に相当する。
【０２５６】
また、図１４（Ａ）に、試料面と略垂直な方向から観察したＣＡＡＣ−ＯＳの平面のＣｓ
補正高分解能ＴＥＭ像を示す。図１４（Ａ）の領域（１）、領域（２）および領域（３）
を拡大したＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を、それぞれ図１４（Ｂ）、図１４（Ｃ）および図
１４（Ｄ）に示す。図１４（Ｂ）、図１４（Ｃ）および図１４（Ｄ）より、ペレットは、
金属原子が三角形状、四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、異なるペレット間で、金属原子の配列に規則性は見られない。
【０２５７】
次に、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって解析したＣＡ
ＡＣ−ＯＳについて説明する。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ
に対し、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、図１５（Ａ）に示すよう
に回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺ
ｎＯ４の結晶の（００９）面に帰属されることから、ＣＡＡＣ−ＯＳ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略垂直な方向を向いていることが確認できる。
【０２５８】
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳのｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析では、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。より好ましいＣＡＡＣ−ＯＳは、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解
析では、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。
【０２５９】
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳに対し、ｃ軸に略垂直な方向からＸ線を入射させるｉｎ−ｐｌａｎ
ｅ法による構造解析を行うと、２θが５６°近傍にピークが現れる。このピークは、Ｉｎ
ＧａＺｎＯ４の結晶の（１１０）面に帰属される。ＣＡＡＣ−ＯＳの場合は、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）を行っても、図１５（Ｂ）に示すように明瞭なピークは現れない。これに対
し、ＩｎＧａＺｎＯ４の単結晶酸化物半導体であれば、２θを５６°近傍に固定してφス
キャンした場合、図１５（Ｃ）に示すように（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。したがって、ＸＲＤを用いた構造解析から、ＣＡＡＣ−ＯＳは、
ａ軸およびｂ軸の配向が不規則であることが確認できる。
【０２６０】
次に、電子回折によって解析したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。例えば、ＩｎＧａＺ
ｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、試料面に平行にプローブ径が３００ｎｍの
電子線を入射させると、図１６（Ａ）に示すような回折パターン（制限視野透過電子回折
パターンともいう。）が現れる場合がある。この回折パターンには、ＩｎＧａＺｎＯ４の
結晶の（００９）面に起因するスポットが含まれる。したがって、電子回折によっても、
ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれるペレットがｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略
垂直な方向を向いていることがわかる。一方、同じ試料に対し、試料面に垂直にプローブ
径が３００ｎｍの電子線を入射させたときの回折パターンを図１６（Ｂ）に示す。図１６
（Ｂ）より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、電子回折によっても、
ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれるペレットのａ軸およびｂ軸は配向性を有さないことがわかる。
なお、図１６（Ｂ）における第１リングは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（０１０）面およ
び（１００）面などに起因すると考えられる。また、図１６（Ｂ）における第２リングは
（１１０）面などに起因すると考えられる。
【０２６１】
上述したように、ＣＡＡＣ−ＯＳは結晶性の高い酸化物半導体である。酸化物半導体の結
晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、逆の見方をする
とＣＡＡＣ−ＯＳは不純物や欠陥（酸素欠損など）の少ない酸化物半導体ともいえる。
【０２６２】
なお、不純物は、酸化物半導体の主成分以外の元素で、水素、炭素、シリコン、遷移金属
元素などがある。例えば、シリコンなどの、酸化物半導体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、酸化物半導体から酸素を奪うことで酸化物半導体の原子配列を
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、酸化物半導体の原子配列を
乱し、結晶性を低下させる要因となる。
【０２６３】
酸化物半導体が不純物や欠陥を有する場合、光や熱などによって特性が変動する場合があ
る。例えば、酸化物半導体に含まれる不純物は、キャリアトラップとなる場合や、キャリ
ア発生源となる場合がある。また、酸化物半導体中の酸素欠損は、キャリアトラップとな
る場合や、水素を捕獲することによってキャリア発生源となる場合がある。
【０２６４】
不純物および酸素欠損の少ないＣＡＡＣ−ＯＳは、キャリア密度の低い酸化物半導体であ
る。そのような酸化物半導体を、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体と
呼ぶ。ＣＡＡＣ−ＯＳは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い。即ち、安定な特性を
有する酸化物半導体であるといえる。
【０２６５】
＜ｎｃ−ＯＳ＞
次に、ｎｃ−ＯＳについて説明する。
【０２６６】
ｎｃ−ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において、結晶部を確認することのできる領域と、明確
な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。ｎｃ−ＯＳに含まれる結晶部は、
１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、または１ｎｍ以上３ｎｍ以下の大きさであることが多い。なお
、結晶部の大きさが１０ｎｍより大きく１００ｎｍ以下である酸化物半導体を微結晶酸化
物半導体と呼ぶことがある。ｎｃ−ＯＳは、例えば、高分解能ＴＥＭ像では、結晶粒界を
明確に確認できない場合がある。なお、ナノ結晶は、ＣＡＡＣ−ＯＳにおけるペレットと
起源を同じくする可能性がある。そのため、以下ではｎｃ−ＯＳの結晶部をペレットと呼
ぶ場合がある。
【０２６７】
ｎｃ−ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３
ｎｍ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は、異なるペレ
ット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。した
がって、ｎｃ−ＯＳは、分析方法によっては、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳや非晶質酸化物半導体
と区別が付かない場合がある。例えば、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットよりも大きい径のＸ
線を用いた場合、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークは検
出されない。また、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットよりも大きいプローブ径（例えば５０ｎ
ｍ以上）の電子線を用いる電子回折を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観
測される。一方、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットの大きさと近いかペレットより小さいプロ
ーブ径の電子線を用いるナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測される。また、ｎ
ｃ−ＯＳに対しナノビーム電子回折を行うと、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。さらに、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。
【０２６８】
このように、ペレット（ナノ結晶）間では結晶方位が規則性を有さないことから、ｎｃ−
ＯＳを、ＲＡＮＣ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｌｉｇｎｅｄ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有す
る酸化物半導体、またはＮＡＮＣ（Ｎｏｎ−Ａｌｉｇｎｅｄ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ
）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
【０２６９】
ｎｃ−ＯＳは、非晶質酸化物半導体よりも規則性の高い酸化物半導体である。そのため、
ｎｃ−ＯＳは、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳや非晶質酸化物半導体よりも欠陥準位密度が低くなる
。ただし、ｎｃ−ＯＳは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため
、ｎｃ−ＯＳは、ＣＡＡＣ−ＯＳと比べて欠陥準位密度が高くなる。
【０２７０】
＜ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ＞
ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ｎｃ−ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半
導体である。
【０２７１】
ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において鬆が観察される場合がある。また、高
分解能ＴＥＭ像において、明確に結晶部を確認することのできる領域と、結晶部を確認す
ることのできない領域と、を有する。
【０２７２】
鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、不安定な構造である。以下では、ａ−ｌｉｋｅ
ＯＳが、ＣＡＡＣ−ＯＳおよびｎｃ−ＯＳと比べて不安定な構造であることを示すため
、電子照射による構造の変化を示す。
【０２７３】
電子照射を行う試料として、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ（試料Ａと表記する。）、ｎｃ−ＯＳ（
試料Ｂと表記する。）およびＣＡＡＣ−ＯＳ（試料Ｃと表記する。）を準備する。いずれ
の試料もＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である。
【０２７４】
まず、各試料の高分解能断面ＴＥＭ像を取得する。高分解能断面ＴＥＭ像により、各試料
は、いずれも結晶部を有することがわかる。
【０２７５】
なお、どの部分を一つの結晶部と見なすかの判定は、以下のように行えばよい。例えば、
ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の単位格子は、Ｉｎ−Ｏ層を３層有し、またＧａ−Ｚｎ−Ｏ層を
６層有する、計９層がｃ軸方向に層状に重なった構造を有することが知られている。これ
らの近接する層同士の間隔は、（００９）面の格子面間隔（ｄ値ともいう。）と同程度で
あり、結晶構造解析からその値は０．２９ｎｍと求められている。したがって、格子縞の
間隔が０．２８ｎｍ以上０．３０ｎｍ以下である箇所を、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶部と見
なすことができる。なお、格子縞は、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶のａ−ｂ面に対応する。
【０２７６】
図１７は、各試料の結晶部（２２箇所から４５箇所）の平均の大きさを調査した例である
。ただし、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図１７より、ａ−ｌｉｋ
ｅ  ＯＳは、電子の累積照射量に応じて結晶部が大きくなっていくことがわかる。具体的
には、図１７中に（１）で示すように、ＴＥＭによる観察初期においては１．２ｎｍ程度
の大きさだった結晶部（初期核ともいう。）が、累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ
２においては２．６ｎｍ程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、ｎｃ−ＯＳ
およびＣＡＡＣ−ＯＳは、電子照射開始時から電子の累積照射量が４．２×１０８ｅ−／
ｎｍ２までの範囲で、結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。具体的には、図
１７中の（２）および（３）で示すように、電子の累積照射量によらず、ｎｃ−ＯＳおよ
びＣＡＡＣ−ＯＳの結晶部の大きさは、それぞれ１．４ｎｍ程度および２．１ｎｍ程度で
あることがわかる。
【０２７７】
このように、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、電子照射によって結晶部の成長が見られる場合があ
る。一方、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳは、電子照射による結晶部の成長がほとんど
見られないことがわかる。即ち、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−Ｏ
Ｓと比べて、不安定な構造であることがわかる。
【０２７８】
また、鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べ
て密度の低い構造である。具体的には、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶
の密度の７８．６％以上９２．３％未満となる。また、ｎｃ−ＯＳの密度およびＣＡＡＣ
−ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の９２．３％以上１００％未満となる。単結晶
の密度の７８％未満となる酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。
【０２７９】
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、菱
面体晶構造を有する単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４の密度は６．３５７ｇ／ｃｍ３となる。よっ
て、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において
、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの密度は５．０ｇ／ｃｍ３以上５．９ｇ／ｃｍ３未満となる。また
、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、
ｎｃ−ＯＳの密度およびＣＡＡＣ−ＯＳの密度は５．９ｇ／ｃｍ３以上６．３ｇ／ｃｍ３
未満となる。
【０２８０】
なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合がある。その場合、任意の割合で組成の異なる
単結晶を組み合わせることにより、所望の組成における単結晶に相当する密度を見積もる
ことができる。所望の組成の単結晶に相当する密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせ
る割合に対して、加重平均を用いて見積もればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない
種類の単結晶を組み合わせて見積もることが好ましい。
【０２８１】
以上のように、酸化物半導体は、様々な構造をとり、それぞれが様々な特性を有する。な
お、酸化物半導体は、例えば、非晶質酸化物半導体、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ、ｎｃ−ＯＳ、
ＣＡＡＣ−ＯＳのうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
【０２８２】
＜成膜モデル＞
以下では、ＣＡＡＣ−ＯＳの成膜モデルの一例について説明する。
【０２８３】
図１８（Ａ）は、スパッタリング法によりＣＡＡＣ−ＯＳが成膜される様子を示した成膜
室内の模式図である。
【０２８４】
ターゲット５１３０は、バッキングプレートに接着されている。バッキングプレートを介
してターゲット５１３０と向かい合う位置には、複数のマグネットが配置される。該複数
のマグネットによって磁場が生じている。マグネットの磁場を利用して成膜速度を高める
スパッタリング法は、マグネトロンスパッタリング法と呼ばれる。
【０２８５】
基板５１２０は、ターゲット５１３０と向かい合うように配置しており、その距離ｄ（タ
ーゲット−基板間距離（Ｔ−Ｓ間距離）ともいう。）は０．０１ｍ以上１ｍ以下、好まし
くは０．０２ｍ以上０．５ｍ以下とする。成膜室内は、ほとんどが成膜ガス（例えば、酸
素、アルゴン、または酸素を５体積％以上の割合で含む混合ガス）で満たされ、０．０１
Ｐａ以上１００Ｐａ以下、好ましくは０．１Ｐａ以上１０Ｐａ以下に制御される。ここで
、ターゲット５１３０に一定以上の電圧を印加することで、放電が始まり、プラズマが確
認される。なお、ターゲット５１３０の近傍には磁場によって、高密度プラズマ領域が形
成される。高密度プラズマ領域では、成膜ガスがイオン化することで、イオン５１０１が
生じる。イオン５１０１は、例えば、酸素の陽イオン（Ｏ＋）やアルゴンの陽イオン（Ａ
ｒ＋）などである。
【０２８６】
ここで、ターゲット５１３０は、複数の結晶粒を有する多結晶構造を有し、いずれかの結
晶粒には劈開面が含まれる。図１９（Ａ）に、一例として、ターゲット５１３０に含まれ
るＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の構造を示す。なお、図１９（Ａ）は、ｂ軸に平行な方向から
ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を観察した場合の構造である。図１９（Ａ）より、近接する二つ
のＧａ−Ｚｎ−Ｏ層において、それぞれの層における酸素原子同士が近距離に配置されて
いることがわかる。そして、酸素原子が負の電荷を有することにより、近接する二つのＧ
ａ−Ｚｎ−Ｏ層の間には斥力が生じる。その結果、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶は、近接する
二つのＧａ−Ｚｎ−Ｏ層の間に劈開面を有する。
【０２８７】
高密度プラズマ領域で生じたイオン５１０１は、電界によってターゲット５１３０側に加
速され、やがてターゲット５１３０と衝突する。このとき、劈開面から平板状またはペレ
ット状のスパッタ粒子であるペレット５１００ａおよびペレット５１００ｂが剥離し、叩
き出される。なお、ペレット５１００ａおよびペレット５１００ｂは、イオン５１０１の
衝突の衝撃によって、構造に歪みが生じる場合がある。
【０２８８】
ペレット５１００ａは、三角形、例えば正三角形の平面を有する平板状またはペレット状
のスパッタ粒子である。また、ペレット５１００ｂは、六角形、例えば正六角形の平面を
有する平板状またはペレット状のスパッタ粒子である。なお、ペレット５１００ａおよび
ペレット５１００ｂなどの平板状またはペレット状のスパッタ粒子を総称してペレット５
１００と呼ぶ。ペレット５１００の平面の形状は、三角形、六角形に限定されない、例え
ば、三角形が複数個合わさった形状となる場合がある。例えば、三角形（例えば、正三角
形）が２個合わさった四角形（例えば、ひし形）となる場合もある。
【０２８９】
ペレット５１００は、成膜ガスの種類などに応じて厚さが決定する。理由は後述するが、
ペレット５１００の厚さは、均一にすることが好ましい。また、スパッタ粒子は厚みのな
いペレット状である方が、厚みのあるサイコロ状であるよりも好ましい。例えば、ペレッ
ト５１００は、厚さを０．４ｎｍ以上１ｎｍ以下、好ましくは０．６ｎｍ以上０．８ｎｍ
以下とする。また、例えば、ペレット５１００は、幅を１ｎｍ以上３ｎｍ以下、好ましく
は１．２ｎｍ以上２．５ｎｍ以下とする。ペレット５１００は、上述の図１７中の（１）
で説明した初期核に相当する。例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を有するターゲット５１
３０にイオン５１０１を衝突させると、図１９（Ｂ）に示すように、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層、
Ｉｎ−Ｏ層およびＧａ−Ｚｎ−Ｏ層の３層を有するペレット５１００が剥離する。図１９
（Ｃ）に、剥離したペレット５１００をｃ軸に平行な方向から観察した構造を示す。ペレ
ット５１００は、二つのＧａ−Ｚｎ−Ｏ層（パン）と、Ｉｎ−Ｏ層（具）と、を有するナ
ノサイズのサンドイッチ構造と呼ぶこともできる。
【０２９０】
ペレット５１００は、プラズマを通過する際に、側面が負または正に帯電する場合がある
。ペレット５１００は、例えば、側面に位置する酸素原子が負に帯電する可能性がある。
側面が同じ極性の電荷を有することにより、電荷同士の反発が起こり、平板状またはペレ
ット状の形状を維持することが可能となる。なお、ＣＡＡＣ−ＯＳが、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ
酸化物である場合、インジウム原子と結合した酸素原子が負に帯電する可能性がある。ま
たは、インジウム原子、ガリウム原子または亜鉛原子と結合した酸素原子が負に帯電する
可能性がある。また、ペレット５１００は、プラズマを通過する際に、プラズマ中のイン
ジウム原子、ガリウム原子、亜鉛原子および酸素原子などと結合することで成長する場合
がある。上述の図１７中の（２）と（１）の大きさの違いが、プラズマ中での成長分に相
当する。ここで、基板５１２０が室温程度である場合、基板５１２０上におけるペレット
５１００の成長が起こりにくいためｎｃ−ＯＳとなる（図１８（Ｂ）参照。）。室温程度
で成膜できることから、基板５１２０が大面積である場合でもｎｃ−ＯＳの成膜が可能で
ある。なお、ペレット５１００をプラズマ中で成長させるためには、スパッタリング法に
おける成膜電力を高くすることが有効である。成膜電力を高くすることで、ペレット５１
００の構造を安定にすることができる。
【０２９１】
図１８（Ａ）および図１８（Ｂ）に示すように、例えば、ペレット５１００は、プラズマ
中を凧のように飛翔し、ひらひらと基板５１２０上まで舞い上がっていく。ペレット５１
００は電荷を帯びているため、ほかのペレット５１００が既に堆積している領域が近づく
と、斥力が生じる。ここで、基板５１２０の上面では、基板５１２０の上面に平行な向き
の磁場（水平磁場ともいう。）が生じている。また、基板５１２０およびターゲット５１
３０間には、電位差が与えられるため、基板５１２０からターゲット５１３０に向かう方
向に電流が流れる。したがって、ペレット５１００は、基板５１２０の上面において、磁
場および電流の作用によって、力（ローレンツ力）を受ける。このことは、フレミングの
左手の法則によって理解できる。
【０２９２】
ペレット５１００は、原子一つと比べると質量が大きい。そのため、基板５１２０の上面
を移動するためには何らかの力を外部から印加することが重要となる。その力の一つが磁
場および電流の作用で生じる力である可能性がある。なお、ペレット５１００に、基板５
１２０の上面を移動するために十分な力を与えるには、基板５１２０の上面において、基
板５１２０の上面に平行な向きの磁場が１０Ｇ以上、好ましくは２０Ｇ以上、さらに好ま
しくは３０Ｇ以上、より好ましくは５０Ｇ以上となる領域を設けるとよい。または、基板
５１２０の上面において、基板５１２０の上面に平行な向きの磁場が、基板５１２０の上
面に垂直な向きの磁場の１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上
、より好ましくは５倍以上となる領域を設けるとよい。
【０２９３】
このとき、マグネットと基板５１２０とが相対的に移動すること、または回転することに
よって、基板５１２０の上面における水平磁場の向きは変化し続ける。したがって、基板
５１２０の上面において、ペレット５１００は、様々な方向から力を受け、様々な方向へ
移動することができる。
【０２９４】
また、図１８（Ａ）に示すように基板５１２０が加熱されている場合、ペレット５１００
と基板５１２０との間で摩擦などによる抵抗が小さい状態となっている。その結果、ペレ
ット５１００は、基板５１２０の上面を滑空するように移動する。ペレット５１００の移
動は、平板面を基板５１２０に向けた状態で起こる。その後、既に堆積しているほかのペ
レット５１００の側面まで到達すると、側面同士が結合する。このとき、ペレット５１０
０の側面にある酸素原子が脱離する。脱離した酸素原子によって、ＣＡＡＣ−ＯＳ中の酸
素欠損が埋まる場合があるため、欠陥準位密度の低いＣＡＡＣ−ＯＳとなる。なお、基板
５１２０の上面の温度は、例えば、１００℃以上５００℃未満、１５０℃以上４５０℃未
満、または１７０℃以上４００℃未満とすればよい。したがって、基板５１２０が大面積
である場合でもＣＡＡＣ−ＯＳの成膜は可能である。
【０２９５】
また、ペレット５１００は、基板５１２０上で加熱されることにより、原子が再配列し、
イオン５１０１の衝突で生じた構造の歪みが緩和される。歪みの緩和されたペレット５１
００は、ほとんど単結晶となる。ペレット５１００がほとんど単結晶となることにより、
ペレット５１００同士が結合した後に加熱されたとしても、ペレット５１００自体の伸縮
はほとんど起こり得ない。したがって、ペレット５１００間の隙間が広がることで結晶粒
界などの欠陥を形成し、クレバス化することがない。
【０２９６】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、単結晶酸化物半導体が一枚板のようになっているのではなく、
ペレット５１００（ナノ結晶）の集合体がレンガまたはブロックが積み重なったような配
列をしている。また、ペレット５１００同士の間には結晶粒界を有さない。そのため、成
膜時の加熱、成膜後の加熱または曲げなどで、ＣＡＡＣ−ＯＳに縮みなどの変形が生じた
場合でも、局部応力を緩和する、または歪みを逃がすことが可能である。したがって、可
とう性を有する半導体装置に用いることに適した構造である。なお、ｎｃ−ＯＳは、ペレ
ット５１００（ナノ結晶）が無秩序に積み重なったような配列となる。
【０２９７】
ターゲット５１３０をイオン５１０１でスパッタした際に、ペレット５１００だけでなく
、酸化亜鉛などが剥離する場合がある。酸化亜鉛はペレット５１００よりも軽量であるた
め、先に基板５１２０の上面に到達する。そして、０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、０．２
ｎｍ以上５ｎｍ以下、または０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下の酸化亜鉛層５１０２を形成する
。図２０に断面模式図を示す。
【０２９８】
図２０（Ａ）に示すように、酸化亜鉛層５１０２上にはペレット５１０５ａと、ペレット
５１０５ｂと、が堆積する。ここで、ペレット５１０５ａとペレット５１０５ｂとは、互
いに側面が接するように配置している。また、ペレット５１０５ｃは、ペレット５１０５
ｂ上に堆積した後、ペレット５１０５ｂ上を滑るように移動する。また、ペレット５１０
５ａの別の側面において、酸化亜鉛とともにターゲットから剥離した複数の粒子５１０３
が、基板５１２０からの加熱により結晶化し、領域５１０５ａ１を形成する。なお、複数
の粒子５１０３は、酸素、亜鉛、インジウムおよびガリウムなどを含む可能性がある。
【０２９９】
そして、図２０（Ｂ）に示すように、領域５１０５ａ１は、ペレット５１０５ａと一体化
し、ペレット５１０５ａ２となる。また、ペレット５１０５ｃは、その側面がペレット５
１０５ｂの別の側面と接するように配置する。
【０３００】
次に、図２０（Ｃ）に示すように、さらにペレット５１０５ｄがペレット５１０５ａ２上
およびペレット５１０５ｂ上に堆積した後、ペレット５１０５ａ２上およびペレット５１
０５ｂ上を滑るように移動する。また、ペレット５１０５ｃの別の側面に向けて、さらに
ペレット５１０５ｅが酸化亜鉛層５１０２上を滑るように移動する。
【０３０１】
そして、図２０（Ｄ）に示すように、ペレット５１０５ｄは、その側面がペレット５１０
５ａ２の側面と接するように配置する。また、ペレット５１０５ｅは、その側面がペレッ
ト５１０５ｃの別の側面と接するように配置する。また、ペレット５１０５ｄの別の側面
において、酸化亜鉛とともにターゲット５１３０から剥離した複数の粒子５１０３が基板
５１２０からの加熱により結晶化し、領域５１０５ｄ１を形成する。
【０３０２】
以上のように、堆積したペレット同士が接するように配置し、ペレットの側面において成
長が起こることで、基板５１２０上にＣＡＡＣ−ＯＳが形成される。したがって、ＣＡＡ
Ｃ−ＯＳは、ｎｃ−ＯＳよりも一つ一つのペレットが大きくなる。上述の図１７中の（３
）と（２）の大きさの違いが、堆積後の成長分に相当する。
【０３０３】
また、ペレット同士の隙間が極めて小さくなることで、一つの大きなペレットが形成され
る場合がある。一つの大きなペレットは、単結晶構造を有する。例えば、ペレットの大き
さが、上面から見て１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下、１５ｎｍ以上１００ｎｍ以下、または
２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下となる場合がある。このとき、微細なトランジスタに用いる酸
化物半導体において、チャネル形成領域が一つの大きなペレットに収まる場合がある。即
ち、単結晶構造を有する領域をチャネル形成領域として用いることができる。また、ペレ
ットが大きくなることで、単結晶構造を有する領域をトランジスタのチャネル形成領域、
ソース領域およびドレイン領域として用いることができる場合がある。
【０３０４】
このように、トランジスタのチャネル形成領域などが、単結晶構造を有する領域に形成さ
れることによって、トランジスタの周波数特性を高くすることができる場合がある。
【０３０５】
以上のようなモデルにより、ペレット５１００が基板５１２０上に堆積していくと考えら
れる。被形成面が結晶構造を有さない場合においても、ＣＡＡＣ−ＯＳの成膜が可能であ
ることから、エピタキシャル成長とは異なる成長機構であることがわかる。また、ＣＡＡ
Ｃ−ＯＳは、レーザ結晶化が不要であり、大面積のガラス基板などであっても均一な成膜
が可能である。例えば、基板５１２０の上面（被形成面）の構造が非晶質構造（例えば非
晶質酸化シリコン）であっても、ＣＡＡＣ−ＯＳを成膜することは可能である。
【０３０６】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、被形成面である基板５１２０の上面に凹凸がある場合でも、そ
の形状に沿ってペレット５１００が配列することがわかる。例えば、基板５１２０の上面
が原子レベルで平坦な場合、ペレット５１００はａ−ｂ面と平行な平面である平板面を下
に向けて並置する。ペレット５１００の厚さが均一である場合、厚さが均一で平坦、かつ
高い結晶性を有する層が形成される。そして、当該層がｎ段（ｎは自然数。）積み重なる
ことで、ＣＡＡＣ−ＯＳを得ることができる。
【０３０７】
一方、基板５１２０の上面が凹凸を有する場合でも、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ペレット５１０
０が凹凸に沿って並置した層がｎ段（ｎは自然数。）積み重なった構造となる。基板５１
２０が凹凸を有するため、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ペレット５１００間に隙間が生じやすい場
合がある。ただし、この場合でも、ペレット５１００間で分子間力が働き、凹凸があって
もペレット間の隙間はなるべく小さくなるように配列する。したがって、凹凸があっても
高い結晶性を有するＣＡＡＣ−ＯＳとすることができる。
【０３０８】
このようなモデルによってＣＡＡＣ−ＯＳが成膜されるため、スパッタ粒子が厚みのない
ペレット状である方が好ましい。なお、スパッタ粒子が厚みのあるサイコロ状である場合
、基板５１２０上に向ける面が一定とならず、厚さや結晶の配向を均一にできない場合が
ある。
【０３０９】
以上に示した成膜モデルにより、非晶質構造を有する被形成面上であっても、高い結晶性
を有するＣＡＡＣ−ＯＳを得ることができる。
【０３１０】
（実施の形態３）
本実施の形態においては、先の実施の形態で例示したトランジスタを有する表示装置の一
例について、図２１乃至図２５を用いて以下説明を行う。
【０３１１】
図２１は、表示装置の一例を示す上面図である。図２１示す表示装置７００は、第１の基
板７０１上に設けられた画素部７０２と、第１の基板７０１に設けられたソースドライバ
回路部７０４及びゲートドライバ回路部７０６と、画素部７０２、ソースドライバ回路部
７０４、及びゲートドライバ回路部７０６を囲むように配置されるシール材７１２と、第
１の基板７０１に対向するように設けられる第２の基板７０５と、を有する。なお、第１
の基板７０１と第２の基板７０５は、シール材７１２によって封止されている。すなわち
、画素部７０２、ソースドライバ回路部７０４、及びゲートドライバ回路部７０６は、第
１の基板７０１とシール材７１２と第２の基板７０５によって封止されている。なお、図
２１には図示しないが、第１の基板７０１と第２の基板７０５の間には表示素子が設けら
れる。
【０３１２】
また、表示装置７００は、第１の基板７０１上のシール材７１２によって囲まれている領
域とは異なる領域に、画素部７０２、ソースドライバ回路部７０４、及びゲートドライバ
回路部７０６とそれぞれ電気的に接続されるＦＰＣ端子部７０８（ＦＰＣ：Ｆｌｅｘｉｂ
ｌｅ  ｐｒｉｎｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）が設けられる。また、ＦＰＣ端子部７０８には
、ＦＰＣ７１６が接続され、ＦＰＣ７１６によって画素部７０２、ソースドライバ回路部
７０４、及びゲートドライバ回路部７０６に各種信号等が供給される。また、画素部７０
２、ソースドライバ回路部７０４、ゲートドライバ回路部７０６、及びＦＰＣ端子部７０
８には、信号線７１０が各々接続されている。ＦＰＣ７１６により供給される各種信号等
は、信号線７１０を介して、画素部７０２、ソースドライバ回路部７０４、ゲートドライ
バ回路部７０６、及びＦＰＣ端子部７０８に与えられる。
【０３１３】
また、表示装置７００にゲートドライバ回路部７０６を複数設けてもよい。また、表示装
置７００としては、ソースドライバ回路部７０４、及びゲートドライバ回路部７０６を画
素部７０２と同じ第１の基板７０１に形成している例を示しているが、この構成に限定さ
れない。例えば、ゲートドライバ回路部７０６のみを第１の基板７０１に形成しても良い
、またはソースドライバ回路部７０４のみを第１の基板７０１に形成しても良い。この場
合、ソースドライバ回路またはゲートドライバ回路等が形成された基板（例えば、単結晶
半導体膜、多結晶半導体膜で形成された駆動回路基板）を、第１の基板７０１に実装する
構成としても良い。なお、別途形成した駆動回路基板の接続方法は、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などを
用いることができる。
【０３１４】
また、表示装置７００が有する画素部７０２、ソースドライバ回路部７０４及びゲートド
ライバ回路部７０６は、複数のトランジスタを有しており、本発明の一態様の半導体装置
であるトランジスタを適用することができる。
【０３１５】
また、表示装置７００は、様々な表示素子を有することが出来る。表示素子の一例として
は、液晶素子、ＥＬ素子（有機物及び無機物を含むＥＬ素子、有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素
子）、ＬＥＤ（白色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤなど）、トランジスタ
（電流に応じて発光するトランジスタ）、電子放出素子、電子インク、電気泳動素子、グ
レーティングライトバルブ（ＧＬＶ）、プラズマディスプレイ（ＰＤＰ）、ＭＥＭＳ（マ
イクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）を用いた表示素子、デジタルマイクロミラ
ーデバイス（ＤＭＤ）、ＤＭＳ（デジタル・マイクロ・シャッター）、ＭＩＲＡＳＯＬ（
登録商標）、ＩＭＯＤ（インターフェアレンス・モジュレーション）素子、シャッター方
式のＭＥＭＳ表示素子、光干渉方式のＭＥＭＳ表示素子、エレクトロウェッティング素子
、圧電セラミックディスプレイ、カーボンナノチューブを用いた表示素子などがある。こ
れらの他にも、電気的または磁気的作用により、コントラスト、輝度、反射率、透過率な
どが変化する表示媒体を有していても良い。ＥＬ素子を用いた表示装置の一例としては、
ＥＬディスプレイなどがある。電子放出素子を用いた表示装置の一例としては、フィール
ドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）又はＳＥＤ方式平面型ディスプレイ（ＳＥＤ：Ｓ
ｕｒｆａｃｅ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｅｍｉｔｔｅｒ  Ｄｉｓｐｌ
ａｙ）などがある。液晶素子を用いた表示装置の一例としては、液晶ディスプレイ（透過
型液晶ディスプレイ、半透過型液晶ディスプレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶
ディスプレイ、投射型液晶ディスプレイ）などがある。電子インク又は電気泳動素子を用
いた表示装置の一例としては、電子ペーパーなどがある。なお、半透過型液晶ディスプレ
イや反射型液晶ディスプレイを実現する場合には、画素電極の一部、または、全部が、反
射電極としての機能を有するようにすればよい。例えば、画素電極の一部、または、全部
が、アルミニウム、銀、などを有するようにすればよい。さらに、その場合、反射電極の
下に、ＳＲＡＭなどの記憶回路を設けることも可能である。これにより、さらに、消費電
力を低減することができる。
【０３１６】
なお、表示装置７００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、ＲＧ
Ｂ（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、Ｒの画素とＧの画
素とＢの画素とＷ（白）の画素の四画素から構成されてもよい。または、ペンタイル配列
のように、ＲＧＢのうちの２色分で一つの色要素を構成し、色要素よって、異なる２色を
選択して構成してもよい。またはＲＧＢに、イエロー、シアン、マゼンタ等を一色以上追
加してもよい。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、開示する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。
【０３１７】
また、バックライト（有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子、ＬＥＤ、蛍光灯など）に白色光（Ｗ
）を用いて表示装置をフルカラー表示させるために、着色層（カラーフィルタともいう。
）を用いてもよい。着色層は、例えば、レッド（Ｒ）、グリーン（Ｇ）、ブルー（Ｂ）、
イエロー（Ｙ）などを適宜組み合わせて用いることができる。着色層を用いることで、着
色層を用いない場合と比べて色の再現性を高くすることができる。このとき、着色層を有
する領域と、着色層を有さない領域と、を配置することによって、着色層を有さない領域
における白色光を直接表示に利用しても構わない。一部に着色層を有さない領域を配置す
ることで、明るい表示の際に、着色層による輝度の低下を少なくでき、消費電力を２割か
ら３割程度低減できる場合がある。ただし、有機ＥＬ素子や無機ＥＬ素子などの自発光素
子を用いてフルカラー表示する場合、Ｒ、Ｇ、Ｂ、Ｙ、ホワイト（Ｗ）を、それぞれの発
光色を有する素子から発光させても構わない。自発光素子を用いることで、着色層を用い
た場合よりも、さらに消費電力を低減できる場合がある。
【０３１８】
本実施の形態においては、表示素子として液晶素子及びＥＬ素子を用いる構成について、
図２２及び図２３を用いて説明する。なお、図２２は、図２１に示す一点鎖線Ｑ−Ｒにお
ける断面図であり、表示素子として液晶素子を用いた構成である。また、図２３は、図２
１に示す一点鎖線Ｑ−Ｒにおける断面図であり、表示素子としてＥＬ素子を用いた構成で
ある。
【０３１９】
まず、図２２及び図２３に示す共通部分について最初に説明し、次に異なる部分について
以下説明する。
【０３２０】
＜表示装置の共通部分に関する説明＞
図２２及び図２３に示す表示装置７００は、引き回し配線部７１１と、画素部７０２と、
ソースドライバ回路部７０４と、ＦＰＣ端子部７０８と、を有する。また、引き回し配線
部７１１は、信号線７１０を有する。また、画素部７０２は、トランジスタ７５０及び容
量素子７９０を有する。また、ソースドライバ回路部７０４は、トランジスタ７５２を有
する。
【０３２１】
トランジスタ７５０及びトランジスタ７５２は、先に示すトランジスタを用いることがで
きる。
【０３２２】
本実施の形態で用いるトランジスタは、高純度化し、酸素欠損の形成を抑制した酸化物半
導体膜を有する。該トランジスタは、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。
【０３２３】
また、本実施の形態で用いるトランジスタは、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。例えば、このような高速駆動が可能なトランジスタを液晶表示
装置に用いることで、画素部のスイッチングトランジスタと、駆動回路部に使用するドラ
イバトランジスタを同一基板上に形成することができる。すなわち、別途駆動回路として
、シリコンウェハ等により形成された半導体装置を用いる必要がないため、半導体装置の
部品点数を削減することができる。また、画素部においても、高速駆動が可能なトランジ
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。
【０３２４】
容量素子７９０は、一対の電極間に誘電体を有する構造である。より詳しくは、容量素子
７９０の一方の電極としては、トランジスタ７５０のゲート電極として機能する導電膜と
同一工程で形成された導電膜を用い、容量素子７９０の他方の電極としては、トランジス
タ７５０のソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜を用いる。また、一対の電
極間に挟持される誘電体としては、トランジスタ７５０のゲート絶縁膜として機能する絶
縁膜を用いる。
【０３２５】
また、図２２及び図２３において、トランジスタ７５０、トランジスタ７５２、及び容量
素子７９０上に、絶縁膜７６４、７６６、７６８、保護膜７６７、及び平坦化絶縁膜７７
０が設けられている。
【０３２６】
絶縁膜７６４、７６６、７６８としては、それぞれ先の実施の形態に示す絶縁膜１１４、
１１６、１１８と、同様の材料及び作製方法により形成することができる。また、保護膜
７６７としては、先の実施の形態に示す保護膜１１７と同様の材料及び作製方法により形
成することができる。また、平坦化絶縁膜７７０としては、ポリイミド樹脂、アクリル樹
脂、ポリイミドアミド樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂等
の耐熱性を有する有機材料を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁
膜を複数積層させることで、平坦化絶縁膜７７０を形成してもよい。また、平坦化絶縁膜
７７０を設けない構成としてもよい。
【０３２７】
また、信号線７１０は、トランジスタ７５０、７５２のソース電極及びドレイン電極とし
て機能する導電膜と同じ工程で形成される。なお、信号線７１０は、トランジスタ７５０
、７５２のソース電極及びドレイン電極と異なる工程で形成された導電膜、例えばゲート
電極として機能する導電膜としてもよい。信号線７１０として、例えば、銅元素を含む材
料を用いた場合、配線抵抗に起因する信号遅延等が少なく、大画面での表示が可能となる
。
【０３２８】
また、ＦＰＣ端子部７０８は、接続電極７６０、異方性導電膜７８０、及びＦＰＣ７１６
を有する。なお、接続電極７６０は、トランジスタ７５０、７５２のソース電極及びドレ
イン電極として機能する導電膜と同じ工程で形成される。また、接続電極７６０は、ＦＰ
Ｃ７１６が有する端子と異方性導電膜７８０を介して、電気的に接続される。
【０３２９】
また、第１の基板７０１及び第２の基板７０５としては、例えばガラス基板を用いること
ができる。また、第１の基板７０１及び第２の基板７０５として、可撓性を有する基板を
用いてもよい。該可撓性を有する基板としては、例えばプラスチック基板等が挙げられる
。
【０３３０】
また、第１の基板７０１と第２の基板７０５の間には、構造体７７８が設けられる。構造
体７７８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、第
１の基板７０１と第２の基板７０５の間の距離（セルギャップ）を制御するために設けら
れる。なお、構造体７７８として、球状のスペーサを用いていても良い。また、本実施の
形態においては、構造体７７８を第１の基板７０１側に設ける構成について例示したが、
これに限定されない。例えば、第２の基板７０５側に構造体７７８を設ける構成、または
第１の基板７０１及び第２の基板７０５双方に構造体７７８を設ける構成としてもよい。
【０３３１】
また、第２の基板７０５側には、ブラックマトリクスとして機能する遮光膜７３８と、カ
ラーフィルタとして機能する着色膜７３６と、遮光膜７３８及び着色膜７３６に接する絶
縁膜７３４が設けられる。
【０３３２】
＜表示素子として液晶素子を用いる表示装置の構成例＞
図２２に示す表示装置７００は、液晶素子７７５を有する。液晶素子７７５は、導電膜７
７２、導電膜７７４、及び液晶層７７６を有する。導電膜７７４は、第２の基板７０５側
に設けられ、対向電極としての機能を有する。図２２に示す表示装置７００は、導電膜７
７２と導電膜７７４に印加される電圧によって、液晶層７７６の配向状態が変わることに
よって光の透過、非透過が制御され画像を表示することができる。
【０３３３】
また、導電膜７７２は、トランジスタ７５０が有するソース電極及びドレイン電極として
機能する導電膜に接続される。導電膜７７２は、平坦化絶縁膜７７０上に形成され画素電
極、すなわち表示素子の一方の電極として機能する。また、導電膜７７２は、反射電極と
しての機能を有する。図２２に示す表示装置７００は、外光を利用し導電膜７７２で光を
反射して着色膜７３６を介して表示する、所謂反射型のカラー液晶表示装置である。
【０３３４】
導電膜７７２としては、可視光において透光性のある導電膜、または可視光において反射
性のある導電膜を用いることができる。可視光において透光性のある導電膜としては、例
えば、インジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、錫（Ｓｎ）の中から選ばれた一種を含む材料
を用いるとよい。可視光において反射性のある導電膜としては、例えば、アルミニウム、
または銀を含む材料を用いるとよい。本実施の形態においては、導電膜７７２として、可
視光において、反射性のある導電膜を用いる。
【０３３５】
また、導電膜７７２として、可視光において反射性のある導電膜を用いる場合、該導電膜
を積層構造としてもよい。例えば、下層に膜厚１００ｎｍのアルミニウム膜を形成し、上
層に厚さ３０ｎｍの銀合金膜（例えば、銀、パラジウム、及び銅を含む合金膜）を形成す
る。上述の構造とすることで、以下の優れた効果を奏する。
【０３３６】
（１）下地膜と導電膜７７２との密着性を向上させることができる。（２）薬液によって
アルミニウム膜と、銀合金膜とを一括してエッチングすることが可能である。（３）導電
膜７７２の断面形状を良好な形状（例えば、テーパー形状）とすることができる。（３）
の理由としては、アルミニウム膜は、銀合金膜よりも薬液によるエッチング速度が遅い、
または上層の銀合金膜のエッチング後、下層のアルミニウム膜が露出した場合に、銀合金
膜よりも卑な金属、別言するとイオン化傾向の高い金属であるアルミニウムから電子を引
き抜くため、銀合金膜のエッチングが抑制され、下層のアルミニウム膜のエッチングの進
行が速くなるためである。
【０３３７】
また、図２２に示す表示装置７００においては、画素部７０２の平坦化絶縁膜７７０の一
部に凹凸が設けられている。該凹凸は、例えば、平坦化絶縁膜７７０を有機樹脂膜等で形
成し、該有機樹脂膜の表面に凹凸を設けることで形成することができる。また、反射電極
として機能する導電膜７７２は、上記凹凸に沿って形成される。したがって、外光が導電
膜７７２に入射した場合において、導電膜７７２の表面で光を乱反射することが可能とな
り、視認性を向上させることができる。
【０３３８】
なお、図２２に示す表示装置７００は、反射型のカラー液晶表示装置について例示したが
、これに限定されない、例えば、導電膜７７２を可視光において、透光性のある導電膜を
用いることで透過型のカラー液晶表示装置としてもよい。透過型のカラー液晶表示装置の
場合、平坦化絶縁膜７７０に設けられる凹凸については、設けない構成としてもよい。
【０３３９】
なお、図２２において図示しないが、導電膜７７２、７７４の液晶層７７６と接する側に
、それぞれ配向膜を設ける構成としてもよい。また、図２２において図示しないが、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）などは適宜設けてもよい。
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。
【０３４０】
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。
【０３４１】
また、横電界方式を採用する場合、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数重量％以上のカイラル剤を混合させた液晶組成
物を用いて液晶層に用いる。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
答速度が速い。また、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が不要になり、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る。
【０３４２】
また、表示素子として液晶素子を用いる場合、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ  Ｎｅｍａｔｉｃ）
モード、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇ
ｅ  Ｆｉｅｌｄ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ  Ｓｙｍｍｅｔ
ｒｉｃ  ａｌｉｇｎｅｄ  Ｍｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃ
ｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ  Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌ
ｅｃｔｒｉｃ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏ
ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モードなどを用いることができる。
【０３４３】
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。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（Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｓｕｐｅｒ  Ｖｉｅｗ）モードなどを用いることができる
。
【０３４４】
＜表示素子として発光素子を用いる表示装置＞
図２３に示す表示装置７００は、発光素子７８２を有する。発光素子７８２は、導電膜７
８４、ＥＬ層７８６、及び導電膜７８８を有する。図２３に示す表示装置７００は、発光
素子７８２が有するＥＬ層７８６が発光することによって、画像を表示することができる
。
【０３４５】
また、導電膜７８４は、トランジスタ７５０が有するソース電極及びドレイン電極として
機能する導電膜に接続される。導電膜７８４は、平坦化絶縁膜７７０上に形成され画素電
極、すなわち表示素子の一方の電極として機能する。導電膜７８４としては、可視光にお
いて透光性のある導電膜、または可視光において反射性のある導電膜を用いることができ
る。可視光において透光性のある導電膜としては、例えば、インジウム（Ｉｎ）、亜鉛（
Ｚｎ）、錫（Ｓｎ）の中から選ばれた一種を含む材料を用いるとよい。可視光において反
射性のある導電膜としては、例えば、アルミニウム、または銀を含む材料を用いるとよい
。
【０３４６】
また、図２３に示す表示装置７００には、平坦化絶縁膜７７０及び導電膜７８４上に絶縁
膜７３０が設けられる。絶縁膜７３０は、導電膜７８４の一部を覆う。なお、発光素子７
８２はトップエミッション構造である。したがって、導電膜７８８は透光性を有し、ＥＬ
層７８６が発する光を透過する。なお、本実施の形態においては、トップエミッション構
造について、例示するが、これに限定されない。例えば、導電膜７８４側に光を射出する
ボトムエミッション構造や、導電膜７８４及び導電膜７８８の双方に光を射出するデュア
ルエミッション構造にも適用することができる。
【０３４７】
また、発光素子７８２と重なる位置に、着色膜７３６が設けられ、絶縁膜７３０と重なる
位置、引き回し配線部７１１、及びソースドライバ回路部７０４に遮光膜７３８が設けら
れている。また、着色膜７３６及び遮光膜７３８は、絶縁膜７３４で覆われている。また
、発光素子７８２と絶縁膜７３４の間は封止膜７３２で充填されている。なお、図２３に
示す表示装置７００においては、着色膜７３６を設ける構成について例示したが、これに
限定されない。例えば、ＥＬ層７８６を塗り分けにより形成する場合においては、着色膜
７３６を設けない構成としてもよい。
【０３４８】
＜カラー表示を実現するための画素構成例＞
ここで、カラー表示を実現するための画素構成の一例を、図２４及び図２５を用いて説明
しておく。なお、以下では白色光を発光する発光素子を光源に用いた場合について説明を
行う。図２４（Ａ）、図２４（Ｂ）、図２５（Ａ）、および図２５（Ｂ）は、図２１の画
素部７０２に示した領域８７０を拡大した平面図である。例えば、図２４（Ａ）に示すよ
うに、３つの画素８３０を副画素として機能させて、まとめて１つの画素８４０として用
いる。３つの画素８３０それぞれに対応する着色層を、赤、緑、青、とすることで、フル
カラー表示を実現することができる。なお、図２４（Ａ）では、赤色の光を発する画素８
３０を画素８３０Ｒと示し、緑色の光を発する画素８３０を画素８３０Ｇと示し、青色の
光を発する画素８３０を画素８３０Ｂと示している。また、着色層の色は、赤、緑、青、
以外であってもよく、例えば、着色層に黄、シアン、マゼンダなどを用いてもよい。
【０３４９】
また、図２４（Ｂ）に示すように、４つの画素８３０を副画素として機能させて、まとめ
て１つの画素８４０として用いてもよい。例えば、４つの画素８３０それぞれに対応する
着色層を、赤、緑、青、黄としてもよい。なお、図２４（Ｂ）では、赤色の光を発する画
素８３０を画素８３０Ｒと示し、緑色の光を発する画素８３０を画素８３０Ｇと示し、青
色の光を発する画素８３０を画素８３０Ｂと示し、黄色の光を発する画素８３０を画素８
３０Ｙと示している。１つの画素８４０として用いる画素８３０の数を増やすことで、色
の再現性を高めることができる。よって、表示装置の表示品位を高めることができる。
【０３５０】
また、４つの画素８３０それぞれに対応する着色層を、赤、緑、青、白としてもよい（図
２４（Ｂ）参照）。白の光を発する画素８３０（画素８３０Ｗ）を設けることで、表示領
域の発光輝度を高めることができる。なお、白の光を発する画素８３０Ｗを設ける場合は
、画素８３０Ｗに対応する着色層は設けなくてもよい。画素８３０Ｗに対応する着色層を
設けないことで、着色層透過時の輝度低下がなくなるため、表示領域の発光輝度をより高
めることができる。また、表示装置の消費電力を低減することができる。一方で、画素８
３０Ｗに対応する白の着色層を設けることにより、白色光の色温度を制御することができ
る。よって、表示装置の表示品位を高めることができる。また、表示装置の用途によって
は、２つの画素８３０を副画素として機能させて、まとめて１つの画素８４０として用い
てもよい。
【０３５１】
また、４つの画素８３０をまとめて一つの画素８４０を構成する場合は、図２５（Ｂ）に
示すように、４つの画素８３０をマトリクス状に配置してもよい。また、４つの画素８３
０をまとめて一つの画素８４０を構成する場合は、画素８３０Ｙや画素８３０Ｗに代えて
シアン、マゼンダなどの光を発する画素を用いてもよい。また、画素８４０内に、同じ色
を発する画素８３０を複数設けてもよい。
【０３５２】
なお、画素８４０に含まれる画素８３０それぞれの占有面積や形状などは、それぞれ同じ
でもよいし、それぞれ異なっていてもよい。また、配列方法として、ストライプ配列やマ
トリクス配列以外の方法でもよい。例えば、デルタ配列、ベイヤー配列、ペンタイル配列
などに適用することもできる。ペンタイル配列に適用した場合の一例を、図２５（Ａ）に
示す。
【０３５３】
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることが
できる。
【０３５４】
（実施の形態４）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を有する表示装置について、図２６を用
いて説明を行う。
【０３５５】
図２６（Ａ）に示す表示装置は、表示素子の画素を有する領域（以下、画素部５０２とい
う）と、画素部５０２の外側に配置され、画素を駆動するための回路を有する回路部（以
下、駆動回路部５０４という）と、素子の保護機能を有する回路（以下、保護回路５０６
という）と、端子部５０７と、を有する。なお、保護回路５０６は、設けない構成として
もよい。
【０３５６】
駆動回路部５０４の一部、または全部は、画素部５０２と同一基板上に形成されているこ
とが望ましい。これにより、部品数や端子数を減らすことが出来る。駆動回路部５０４の
一部、または全部が、画素部５０２と同一基板上に形成されていない場合には、駆動回路
部５０４の一部、または全部は、ＣＯＧやＴＡＢ（Ｔａｐｅ  Ａｕｔｏｍａｔｅｄ  Ｂｏ
ｎｄｉｎｇ）によって、実装することができる。
【０３５７】
画素部５０２は、Ｘ行（Ｘは２以上の自然数）Ｙ列（Ｙは２以上の自然数）に配置された
複数の表示素子を駆動するための回路（以下、画素回路５０１という）を有し、駆動回路
部５０４は、画素を選択する信号（走査信号）を出力する回路（以下、ゲートドライバ５
０４ａという）、画素の表示素子を駆動するための信号（データ信号）を供給するための
回路（以下、ソースドライバ５０４ｂ）などの駆動回路を有する。
【０３５８】
ゲートドライバ５０４ａは、シフトレジスタ等を有する。ゲートドライバ５０４ａは、端
子部５０７を介して、シフトレジスタを駆動するための信号が入力され、信号を出力する
。例えば、ゲートドライバ５０４ａは、スタートパルス信号、クロック信号等が入力され
、パルス信号を出力する。ゲートドライバ５０４ａは、走査信号が与えられる配線（以下
、走査線ＧＬ＿１乃至ＧＬ＿Ｘという）の電位を制御する機能を有する。なお、ゲートド
ライバ５０４ａを複数設け、複数のゲートドライバ５０４ａにより、走査線ＧＬ＿１乃至
ＧＬ＿Ｘを分割して制御してもよい。または、ゲートドライバ５０４ａは、初期化信号を
供給することができる機能を有する。ただし、これに限定されず、ゲートドライバ５０４
ａは、別の信号を供給することも可能である。
【０３５９】
ソースドライバ５０４ｂは、シフトレジスタ等を有する。ソースドライバ５０４ｂは、端
子部５０７を介して、シフトレジスタを駆動するための信号の他、データ信号の元となる
信号（画像信号）が入力される。ソースドライバ５０４ｂは、画像信号を元に画素回路５
０１に書き込むデータ信号を生成する機能を有する。また、ソースドライバ５０４ｂは、
スタートパルス、クロック信号等が入力されて得られるパルス信号に従って、データ信号
の出力を制御する機能を有する。また、ソースドライバ５０４ｂは、データ信号が与えら
れる配線（以下、データ線ＤＬ＿１乃至ＤＬ＿Ｙという）の電位を制御する機能を有する
。または、ソースドライバ５０４ｂは、初期化信号を供給することができる機能を有する
。ただし、これに限定されず、ソースドライバ５０４ｂは、別の信号を供給することも可
能である。
【０３６０】
ソースドライバ５０４ｂは、例えば複数のアナログスイッチなどを用いて構成される。ソ
ースドライバ５０４ｂは、複数のアナログスイッチを順次オン状態にすることにより、画
像信号を時分割した信号をデータ信号として出力できる。また、シフトレジスタなどを用
いてソースドライバ５０４ｂを構成してもよい。
【０３６１】
複数の画素回路５０１のそれぞれは、走査信号が与えられる複数の走査線ＧＬの一つを介
してパルス信号が入力され、データ信号が与えられる複数のデータ線ＤＬの一つを介して
データ信号が入力される。また、複数の画素回路５０１のそれぞれは、ゲートドライバ５
０４ａによりデータ信号のデータの書き込み及び保持が制御される。例えば、ｍ行ｎ列目
の画素回路５０１は、走査線ＧＬ＿ｍ（ｍはＸ以下の自然数）を介してゲートドライバ５
０４ａからパルス信号が入力され、走査線ＧＬ＿ｍの電位に応じてデータ線ＤＬ＿ｎ（ｎ
はＹ以下の自然数）を介してソースドライバ５０４ｂからデータ信号が入力される。
【０３６２】
図２６（Ａ）に示す保護回路５０６は、例えば、ゲートドライバ５０４ａと画素回路５０
１の間の配線である走査線ＧＬに接続される。または、保護回路５０６は、ソースドライ
バ５０４ｂと画素回路５０１の間の配線であるデータ線ＤＬに接続される。または、保護
回路５０６は、ゲートドライバ５０４ａと端子部５０７との間の配線に接続することがで
きる。または、保護回路５０６は、ソースドライバ５０４ｂと端子部５０７との間の配線
に接続することができる。なお、端子部５０７は、外部の回路から表示装置に電源及び制
御信号、及び画像信号を入力するための端子が設けられた部分をいう。
【０３６３】
保護回路５０６は、自身が接続する配線に一定の範囲外の電位が与えられたときに、該配
線と別の配線とを導通状態にする回路である。
【０３６４】
図２６（Ａ）に示すように、画素部５０２と駆動回路部５０４にそれぞれ保護回路５０６
を設けることにより、ＥＳＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｓｔａｔｉｃ  Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ：静
電気放電）などにより発生する過電流に対する表示装置の耐性を高めることができる。た
だし、保護回路５０６の構成はこれに限定されず、例えば、ゲートドライバ５０４ａに保
護回路５０６を接続した構成、またはソースドライバ５０４ｂに保護回路５０６を接続し
た構成とすることもできる。あるいは、端子部５０７に保護回路５０６を接続した構成と
することもできる。
【０３６５】
また、図２６（Ａ）においては、ゲートドライバ５０４ａとソースドライバ５０４ｂによ
って駆動回路部５０４を形成している例を示しているが、この構成に限定されない。例え
ば、ゲートドライバ５０４ａのみを形成し、別途用意されたソースドライバ回路が形成さ
れた基板（例えば、単結晶半導体膜、多結晶半導体膜で形成された駆動回路基板）を実装
する構成としても良い。
【０３６６】
また、図２６（Ａ）に示す複数の画素回路５０１は、例えば、図２６（Ｂ）に示す構成と
することができる。
【０３６７】
図２６（Ｂ）に示す画素回路５０１は、液晶素子５７０と、トランジスタ５５０と、容量
素子５６０と、を有する。トランジスタ５５０に先の実施の形態に示すトランジスタを適
用することができる。
【０３６８】
液晶素子５７０の一対の電極の一方の電位は、画素回路５０１の仕様に応じて適宜設定さ
れる。液晶素子５７０は、書き込まれるデータにより配向状態が設定される。なお、複数
の画素回路５０１のそれぞれが有する液晶素子５７０の一対の電極の一方に共通の電位（
コモン電位）を与えてもよい。また、各行の画素回路５０１の液晶素子５７０の一対の電
極の一方に異なる電位を与えてもよい。
【０３６９】
例えば、液晶素子５７０を備える表示装置の駆動方法としては、ＴＮモード、ＳＴＮモー
ド、ＶＡモード、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ  Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｍｉ
ｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ  Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ  Ｂ
ｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｌｉｑｕｉ
ｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｌｉｑ
ｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＭＶＡモード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ  Ｖｅｒ
ｔｉｃａｌ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＩＰＳモード、ＦＦＳモード、又はＴＢＡ（
Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｂｅｎｄ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モードなどを用いてもよい。ま
た、表示装置の駆動方法としては、上述した駆動方法の他、ＥＣＢ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａ
ｌｌｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＰＤＬＣ（Ｐｏ
ｌｙｍｅｒ  Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＰＮＬＣ（
Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ゲストホス
トモードなどがある。ただし、これに限定されず、液晶素子及びその駆動方式として様々
なものを用いることができる。
【０３７０】
ｍ行ｎ列目の画素回路５０１において、トランジスタ５５０のソース電極またはドレイン
電極の一方は、データ線ＤＬ＿ｎに電気的に接続され、他方は液晶素子５７０の一対の電
極の他方に電気的に接続される。また、トランジスタ５５０のゲート電極は、走査線ＧＬ
＿ｍに電気的に接続される。トランジスタ５５０は、オン状態またはオフ状態になること
により、データ信号のデータの書き込みを制御する機能を有する。
【０３７１】
容量素子５６０の一対の電極の一方は、電位が供給される配線（以下、電位供給線ＶＬ）
に電気的に接続され、他方は、液晶素子５７０の一対の電極の他方に電気的に接続される
。なお、電位供給線ＶＬの電位の値は、画素回路５０１の仕様に応じて適宜設定される。
容量素子５６０は、書き込まれたデータを保持する保持容量としての機能を有する。
【０３７２】
例えば、図２６（Ｂ）の画素回路５０１を有する表示装置では、例えば、図２６（Ａ）に
示すゲートドライバ５０４ａにより各行の画素回路５０１を順次選択し、トランジスタ５
５０をオン状態にしてデータ信号のデータを書き込む。
【０３７３】
データが書き込まれた画素回路５０１は、トランジスタ５５０がオフ状態になることで保
持状態になる。これを行毎に順次行うことにより、画像を表示できる。
【０３７４】
また、図２６（Ａ）に示す複数の画素回路５０１は、例えば、図２６（Ｃ）に示す構成と
することができる。
【０３７５】
また、図２６（Ｃ）に示す画素回路５０１は、トランジスタ５５２、５５４と、容量素子
５６２と、発光素子５７２と、を有する。トランジスタ５５２及びトランジスタ５５４の
いずれか一方または双方に先の実施の形態に示すトランジスタを適用することができる。
【０３７６】
トランジスタ５５２のソース電極及びドレイン電極の一方は、データ信号が与えられる配
線（以下、データ線ＤＬ＿ｎという）に電気的に接続される。さらに、トランジスタ５５
２のゲート電極は、ゲート信号が与えられる配線（以下、走査線ＧＬ＿ｍという）に電気
的に接続される。
【０３７７】
トランジスタ５５２は、オン状態またはオフ状態になることにより、データ信号のデータ
の書き込みを制御する機能を有する。
【０３７８】
容量素子５６２の一対の電極の一方は、電位が与えられる配線（以下、電位供給線ＶＬ＿
ａという）に電気的に接続され、他方は、トランジスタ５５２のソース電極及びドレイン
電極の他方に電気的に接続される。
【０３７９】
容量素子５６２は、書き込まれたデータを保持する保持容量としての機能を有する。
【０３８０】
トランジスタ５５４のソース電極及びドレイン電極の一方は、電位供給線ＶＬ＿ａに電気
的に接続される。さらに、トランジスタ５５４のゲート電極は、トランジスタ５５２のソ
ース電極及びドレイン電極の他方に電気的に接続される。
【０３８１】
発光素子５７２のアノード及びカソードの一方は、電位供給線ＶＬ＿ｂに電気的に接続さ
れ、他方は、トランジスタ５５４のソース電極及びドレイン電極の他方に電気的に接続さ
れる。
【０３８２】
発光素子５７２としては、例えば有機エレクトロルミネセンス素子（有機ＥＬ素子ともい
う）などを用いることができる。ただし、発光素子５７２としては、これに限定されず、
無機材料からなる無機ＥＬ素子を用いても良い。
【０３８３】
なお、電位供給線ＶＬ＿ａ及び電位供給線ＶＬ＿ｂの一方には、高電源電位ＶＤＤが与え
られ、他方には、低電源電位ＶＳＳが与えられる。
【０３８４】
図２６（Ｃ）の画素回路５０１を有する表示装置では、例えば、図２６（Ａ）に示すゲー
トドライバ５０４ａにより各行の画素回路５０１を順次選択し、トランジスタ５５２をオ
ン状態にしてデータ信号のデータを書き込む。
【０３８５】
データが書き込まれた画素回路５０１は、トランジスタ５５２がオフ状態になることで保
持状態になる。さらに、書き込まれたデータ信号の電位に応じてトランジスタ５５４のソ
ース電極とドレイン電極の間に流れる電流量が制御され、発光素子５７２は、流れる電流
量に応じた輝度で発光する。これを行毎に順次行うことにより、画像を表示できる。
【０３８６】
画素回路５０１は、発光素子に接続されたトランジスタの閾値を補正する目的で、二つ以
上のトランジスタで構成されていてもよい。例えば、図２７（Ａ）、（Ｂ）は、五つのト
ランジスタで画素回路５０１を構成した例を示している。
【０３８７】
図２７（Ａ）及び図２７（Ｂ）に示す画素回路５０１は、トランジスタ６５０乃至トラン
ジスタ６５４と、容量素子６５５と、発光素子６５６とを有する。なお、トランジスタ６
５０乃至トランジスタ６５４がｎチャネル型である場合を例示している。
【０３８８】
図２７（Ａ）及び図２７（Ｂ）において、配線ＧＬａ、配線ＧＬｂ及び配線ＧＬｃは、ゲ
ートドライバ５０４ａに電気的に接続され、配線ＳＬは、ソースドライバ５０４ｂに電気
的に接続されている。
【０３８９】
まず、図２７（Ａ）について説明を行う。
【０３９０】
図２７（Ａ）において、トランジスタ６５１は、配線ＳＬと、容量素子６５５の一対の電
極のうちの一方との間の導通状態または非導通状態を選択する機能を有する。容量素子６
５５の一対の電極のうちの他方は、トランジスタ６５０のソース及びドレインの一方に接
続される。トランジスタ６５２は、配線ＩＬと、トランジスタ６５０のゲートとの間の導
通状態または非導通状態を選択する機能を有する。トランジスタ６５３は、容量素子６５
５の一対の電極のうちの一方と、トランジスタ６５０のゲートとの間の導通状態または非
導通状態を選択する機能を有する。トランジスタ６５４は、トランジスタ６５０のソース
及びドレインの一方と、発光素子６５６の陽極との間の導通状態または非導通状態を選択
する機能を有する。発光素子６５６の陰極は、配線ＣＬに電気的に接続されている。
【０３９１】
さらに、図２７（Ａ）では、トランジスタ６５０のソース及びドレインの他方は配線ＶＬ
に接続されている。
【０３９２】
また、図２７（Ａ）において、トランジスタ６５１における導通状態または非導通状態の
選択は、トランジスタ６５１のゲートに接続された配線ＧＬａの電位により定まる。トラ
ンジスタ６５２における導通状態または非導通状態の選択は、トランジスタ６５２のゲー
トに接続された配線ＧＬａの電位により定まる。トランジスタ６５３における導通状態ま
たは非導通状態の選択は、トランジスタ６５３のゲートに接続された配線ＧＬｂの電位に
より定まる。トランジスタ６５４における導通状態または非導通状態の選択は、トランジ
スタ６５４のゲートに接続された配線ＧＬｃの電位により定まる。
【０３９３】
次いで、図２７（Ｂ）について説明を行う。
【０３９４】
図２７（Ｂ）において、トランジスタ６５１は、配線ＳＬと、容量素子６５５の一対の電
極のうちの一方との間の導通状態または非導通状態を選択する機能を有する。容量素子６
５５の一対の電極のうちの他方は、トランジスタ６５０のソース及びドレインの一方及び
発光素子６５６の陽極に接続される。トランジスタ６５２は、配線ＩＬと、トランジスタ
６５０のゲートとの間の導通状態または非導通状態を選択する機能を有する。トランジス
タ６５３は、容量素子６５５の一対の電極のうちの一方と、トランジスタ６５０のゲート
との間の導通状態または非導通状態を選択する機能を有する。トランジスタ６５４は、ト
ランジスタ６５０のソース及びドレインの一方及び発光素子６５６の陽極と、配線ＲＬと
の間の導通状態または非導通状態を選択する機能を有する。また、トランジスタ６５０の
ソース及びドレインの他方は配線ＶＬに接続されている。
【０３９５】
また、図２７（Ｂ）において、トランジスタ６５１における導通状態または非導通状態の
選択は、トランジスタ６５１のゲートに接続された配線ＧＬａの電位により定まる。トラ
ンジスタ６５２における導通状態または非導通状態の選択は、トランジスタ６５２のゲー
トに接続された配線ＧＬａの電位により定まる。トランジスタ６５３における導通状態ま
たは非導通状態の選択は、トランジスタ６５３のゲートに接続された配線ＧＬｂの電位に
より定まる。トランジスタ６５４における導通状態または非導通状態の選択は、トランジ
スタ６５４のゲートに接続された配線ＧＬｃの電位により定まる。
【０３９６】
図２６（Ｃ）、図２７（Ａ）及び図２７（Ｂ）に示す画素回路５０１を構成するトランジ
スタに、実施の形態１で示したトランジスタを用いることが好ましい。上記トランジスタ
のうち、特に発光素子に接続されたトランジスタに、実施の形態１で示したトランジスタ
を用いることが好ましい。実施の形態１で示したトランジスタは、Ｉｄ−Ｖｄ特性におい
て、良好な飽和特性を示すため、トランジスタに印加されるドレイン電圧がばらついても
、発光素子に一定の電流を供給することができる。そのため、実施の形態１で示したトラ
ンジスタは、発光素子の輝度ばらつきが少ない表示装置を提供することができる。
【０３９７】
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることが
できる。
【０３９８】
（実施の形態５）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を有する表示モジュール及び電子機器に
ついて、図２８及び図２９を用いて説明を行う。
【０３９９】
図２８に示す表示モジュール８０００は、上部カバー８００１と下部カバー８００２との
間に、ＦＰＣ８００３に接続されたタッチパネル８００４、ＦＰＣ８００５に接続された
表示パネル８００６、バックライト８００７、フレーム８００９、プリント基板８０１０
、バッテリ８０１１を有する。
【０４００】
本発明の一態様の半導体装置は、例えば、表示パネル８００６に用いることができる。
【０４０１】
上部カバー８００１及び下部カバー８００２は、タッチパネル８００４及び表示パネル８
００６のサイズに合わせて、形状や寸法を適宜変更することができる。
【０４０２】
タッチパネル８００４は、抵抗膜方式または静電容量方式のタッチパネルを表示パネル８
００６に重畳して用いることができる。また、表示パネル８００６の対向基板（封止基板
）に、タッチパネル機能を持たせるようにすることも可能である。また、表示パネル８０
０６の各画素内に光センサを設け、光学式のタッチパネルとすることも可能である。
【０４０３】
バックライト８００７は、光源８００８を有する。なお、図２８において、バックライト
８００７上に光源８００８を配置する構成について例示したが、これに限定さない。例え
ば、バックライト８００７の端部に光源８００８を配置し、さらに光拡散板を用いる構成
としてもよい。なお、有機ＥＬ素子等の自発光型の発光素子を用いる場合、または反射型
パネル等の場合においては、バックライト８００７を設けない構成としてもよい。
【０４０４】
フレーム８００９は、表示パネル８００６の保護機能の他、プリント基板８０１０の動作
により発生する電磁波を遮断するための電磁シールドとしての機能を有する。またフレー
ム８００９は、放熱板としての機能を有していてもよい。
【０４０５】
プリント基板８０１０は、電源回路、ビデオ信号及びクロック信号を出力するための信号
処理回路を有する。電源回路に電力を供給する電源としては、外部の商用電源であっても
良いし、別途設けたバッテリ８０１１による電源であってもよい。バッテリ８０１１は、
商用電源を用いる場合には、省略可能である。
【０４０６】
また、表示モジュール８０００は、偏光板、位相差板、プリズムシートなどの部材を追加
して設けてもよい。
【０４０７】
図２９（Ａ）乃至図２９（Ｇ）は、電子機器を示す図である。これらの電子機器は、筐体
９０００、表示部９００１、スピーカ９００３、操作キー９００５（電源スイッチ、又は
操作スイッチを含む）、接続端子９００６、センサ９００７（力、変位、位置、速度、加
速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場
、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、におい又は赤外線を測定する機
能を含むもの）、マイクロフォン９００８、等を有することができる。
【０４０８】
図２９（Ａ）乃至図２９（Ｇ）に示す電子機器は、様々な機能を有することができる。例
えば、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示部に表示する機能、タッチ
パネル機能、カレンダー、日付または時刻などを表示する機能、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、無線通信機能、無線通信機能を用いて様々なコ
ンピュータネットワークに接続する機能、無線通信機能を用いて様々なデータの送信また
は受信を行う機能、記録媒体に記録されているプログラムまたはデータを読み出して表示
部に表示する機能、等を有することができる。なお、図２９（Ａ）乃至図２９（Ｇ）に示
す電子機器が有することのできる機能はこれらに限定されず、様々な機能を有することが
できる。また、図２９（Ａ）乃至図２９（Ｇ）には図示していないが、電子機器には、複
数の表示部を有する構成としてもよい。また、該電子機器にカメラ等を設け、静止画を撮
影する機能、動画を撮影する機能、撮影した画像を記録媒体（外部またはカメラに内蔵）
に保存する機能、撮影した画像を表示部に表示する機能、等を有していてもよい。
【０４０９】
図２９（Ａ）乃至図２９（Ｇ）に示す電子機器の詳細について、以下説明を行う。
【０４１０】
図２９（Ａ）は、携帯情報端末９１００を示す斜視図である。携帯情報端末９１００が有
する表示部９００１は、可撓性を有する。そのため、湾曲した筐体９０００の湾曲面に沿
って表示部９００１を組み込むことが可能である。また、表示部９００１はタッチセンサ
を備え、指やスタイラスなどで画面に触れることで操作することができる。例えば、表示
部９００１に表示されたアイコンに触れることで、アプリケーションを起動することがで
きる。
【０４１１】
図２９（Ｂ）は、携帯情報端末９１０１を示す斜視図である。携帯情報端末９１０１は、
例えば電話機、手帳又は情報閲覧装置等から選ばれた一つ又は複数の機能を有する。具体
的には、スマートフォンとして用いることができる。なお、携帯情報端末９１０１は、ス
ピーカ９００３、接続端子９００６、センサ９００７等を省略して図示しているが、図２
９（Ａ）に示す携帯情報端末９１００と同様の位置に設けることができる。また、携帯情
報端末９１０１は、文字や画像情報をその複数の面に表示することができる。例えば、３
つの操作ボタン９０５０（操作アイコンまたは単にアイコンともいう）を表示部９００１
の一の面に表示することができる。また、破線の矩形で示す情報９０５１を表示部９００
１の他の面に表示することができる。なお、情報９０５１の一例としては、電子メールや
ＳＮＳ（ソーシャル・ネットワーキング・サービス）や電話などの着信を知らせる表示、
電子メールやＳＮＳなどの題名、電子メールやＳＮＳなどの送信者名、日時、時刻、バッ
テリの残量、アンテナ受信の強度などがある。または、情報９０５１が表示されている位
置に、情報９０５１の代わりに、操作ボタン９０５０などを表示してもよい。
【０４１２】
図２９（Ｃ）は、携帯情報端末９１０２を示す斜視図である。携帯情報端末９１０２は、
表示部９００１の３面以上に情報を表示する機能を有する。ここでは、情報９０５２、情
報９０５３、情報９０５４がそれぞれ異なる面に表示されている例を示す。例えば、携帯
情報端末９１０２の使用者は、洋服の胸ポケットに携帯情報端末９１０２を収納した状態
で、その表示（ここでは情報９０５３）を確認することができる。具体的には、着信した
電話の発信者の電話番号又は氏名等を、携帯情報端末９１０２の上方から観察できる位置
に表示する。使用者は、携帯情報端末９１０２をポケットから取り出すことなく、表示を
確認し、電話を受けるか否かを判断できる。
【０４１３】
図２９（Ｄ）は、腕時計型の携帯情報端末９２００を示す斜視図である。携帯情報端末９
２００は、移動電話、電子メール、文章閲覧及び作成、音楽再生、インターネット通信、
コンピュータゲームなどの種々のアプリケーションを実行することができる。また、表示
部９００１はその表示面が湾曲して設けられ、湾曲した表示面に沿って表示を行うことが
できる。また、携帯情報端末９２００は、通信規格された近距離無線通信を実行すること
が可能である。例えば無線通信可能なヘッドセットと相互通信することによって、ハンズ
フリーで通話することもできる。また、携帯情報端末９２００は、接続端子９００６を有
し、他の情報端末とコネクターを介して直接データのやりとりを行うことができる。また
接続端子９００６を介して充電を行うこともできる。なお、充電動作は接続端子９００６
を介さずに無線給電により行ってもよい。
【０４１４】
図２９（Ｅ）、（Ｆ）、（Ｇ）は、折り畳み可能な携帯情報端末９２０１を示す斜視図で
ある。また、図２９（Ｅ）が携帯情報端末９２０１を展開した状態の斜視図であり、図２
９（Ｆ）が携帯情報端末９２０１を展開した状態または折り畳んだ状態の一方から他方に
変化する途中の状態の斜視図であり、図２９（Ｇ）が携帯情報端末９２０１を折り畳んだ
状態の斜視図である。携帯情報端末９２０１は、折り畳んだ状態では可搬性に優れ、展開
した状態では、継ぎ目のない広い表示領域により表示の一覧性に優れる。携帯情報端末９
２０１が有する表示部９００１は、ヒンジ９０５５によって連結された３つの筐体９００
０に支持されている。ヒンジ９０５５を介して２つの筐体９０００間を屈曲させることに
より、携帯情報端末９２０１を展開した状態から折りたたんだ状態に可逆的に変形させる
ことができる。例えば、携帯情報端末９２０１は、曲率半径１ｍｍ以上１５０ｍｍ以下で
曲げることができる。
【０４１５】
本実施の形態において述べた電子機器は、何らかの情報を表示するための表示部を有する
ことを特徴とする。ただし、本発明の一態様の半導体装置は、表示部を有さない電子機器
にも適用することができる。また、本実施の形態において述べた電子機器の表示部におい
ては、可撓性を有し、湾曲した表示面に沿って表示を行うことができる構成、または折り
畳み可能な表示部の構成について例示したが、これに限定されず、可撓性を有さず、平面
部に表示を行う構成としてもよい。
【０４１６】
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることが
できる。
【実施例１】
【０４１７】
本実施例では、実施の形態１に示したトランジスタを試作し、トランジスタ特性を測定し
た。
【０４１８】
図３０は、本実施例で試作したトランジスタＡのトランジスタ特性を示す。トランジスタ
Ａは、図３のトランジスタ１３０において、導電膜１２０ｂ及び開口部１４２ａが省略さ
れたものである。トランジスタＡのチャネル長（Ｌ３）は１０μｍ、チャネル幅（Ｗ３）
は５９．７μｍである。また酸化物半導体膜１０８は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ金属酸化物ター
ゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（原子数比））を用いて、スパッタリング法によ
り膜厚３５ｎｍの酸化物半導体膜を成膜した。その他、トランジスタＡの作製方法につい
ては、実施の形態１に示した半導体装置の作製方法を参照すればよい。
【０４１９】
図３０は、トランジスタＡのソース及びドレインのうち、内側の電極（図３の導電膜１１
２ｂ）をドレインとした場合（Ｉｎｎｅｒ−Ｄｒａｉｎ）と、外側の電極（図３の導電膜
１１２ａ）をドレインとした場合（Ｏｕｔｅｒ−Ｄｒａｉｎ）の、Ｉｄ−Ｖｄ特性、およ
び、Ｉｄ−Ｖｇ（ゲート電圧）特性をそれぞれ示している。
【０４２０】
図３０に示すＩｄ−Ｖｄ特性は、ゲート電圧を２Ｖ、４Ｖ、６Ｖ、８Ｖ、１０Ｖとし、ド
レイン電圧を０Ｖから２０Ｖまで掃引したときのドレイン電流を測定した。
【０４２１】
図３０に示すＩｄ−Ｖｇ特性は、ドレイン電圧を０．１Ｖ、１０Ｖとし、ゲート電圧を−
１５Ｖから１５Ｖまで掃引したときのドレイン電流を測定した。また、Ｉｄ−Ｖｇ特性の
グラフには、同時に掲載した電界効果移動度（μＦＥ）を掲載している（図中点線）。
【０４２２】
図３０より、トランジスタＡのソース及びドレインのうち、外側の電極をドレインとした
方が、ドレイン電圧によるしきい値のマイナスシフト（チャネル長変調効果）が少なく、
Ｉｄ−Ｖｄ特性において、ドレイン電流が一定となる良好な飽和特性が得られることが確
認された。
【０４２３】
図３１は、本実施例で試作したトランジスタＢのトランジスタ特性を示す。トランジスタ
Ｂは、図４のトランジスタ１４０において、導電膜１２０ｂ及び開口部１４２ａが省略さ
れたものである。トランジスタＢのチャネル長（Ｌ４）は１０μｍ、チャネル幅（Ｗ４）
は７６μｍである。また酸化物半導体膜１０８は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ金属酸化物ターゲッ
ト（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（原子数比））を用いて、スパッタリング法により膜
厚３５ｎｍの酸化物半導体膜を成膜した。その他、トランジスタＢの作製方法については
、実施の形態１に示した半導体装置の作製方法を参照すればよい。
【０４２４】
図３０と同様に、図３１は、トランジスタＢのソース及びドレインのうち、内側の電極（
図４の導電膜１１２ｂ）をドレインとした場合（Ｉｎｎｅｒ−Ｄｒａｉｎ）と、外側の電
極（図４の導電膜１１２ａ）をドレインとした場合（Ｏｕｔｅｒ−Ｄｒａｉｎ）の、Ｉｄ
−Ｖｄ特性、および、Ｉｄ−Ｖｇ特性をそれぞれ示している。それぞれの測定条件に関し
ては、図３０の記載を参照すればよい。
【０４２５】
図３１より、トランジスタＢのソース及びドレインのうち、外側の電極をドレインとした
方が、ドレイン電圧によるしきい値のマイナスシフト（チャネル長変調効果）が少なく、
Ｉｄ−Ｖｄ特性において、ドレイン電流が一定となる良好な飽和特性が得られることが確
認された。
【０４２６】
図３２は、本実施例で試作したトランジスタＣ及びトランジスタＤのトランジスタ特性を
示す。
【０４２７】
トランジスタＣは、図１のトランジスタ１００において、導電膜１２０ｂ、開口部１４２
ａ及び開口部１４２ｂが省略されたものである。トランジスタＣのチャネル長（Ｌ１）は
１０μｍ、チャネル幅（Ｗ１）は５０μｍである。また酸化物半導体膜１０８は、Ｉｎ−
Ｇａ−Ｚｎ金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（原子数比））を用い
て、スパッタリング法により膜厚３５ｎｍの酸化物半導体膜を成膜した。その他、トラン
ジスタＣの作製方法については、実施の形態１に示した半導体装置の作製方法を参照すれ
ばよい。
【０４２８】
トランジスタＤは、図１のトランジスタ１００と同じものである。トランジスタＤのチャ
ネル長（Ｌ１）は１０μｍ、チャネル幅（Ｗ１）は５０μｍである。また酸化物半導体膜
１０８は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（原
子数比））を用いて、スパッタリング法により膜厚３５ｎｍの酸化物半導体膜を成膜した
。その他、トランジスタＤの作製方法については、実施の形態１に示した半導体装置の作
製方法を参照すればよい。
【０４２９】
図３２に示すＩｄ−Ｖｇ特性、およびＩｄ−Ｖｇ特性の測定条件に関しては、図３０の記
載を参照すればよい。
【０４３０】
図３２より、第２のゲート電極（導電膜１２０ｂ）が形成されたトランジスタＤの方が、
トランジスタＣに比べてオン電流が高く、また、Ｉｄ−Ｖｄ特性において、ドレイン電流
が一定となる良好な飽和特性が得られることが確認された。
【０４３１】
図３３は、本実施例で試作したトランジスタＥのトランジスタ特性を示す。
【０４３２】
トランジスタＥは、図１のトランジスタ１００と同じものである。トランジスタＥのチャ
ネル長（Ｌ１）は１０μｍ、チャネル幅（Ｗ１）は５０μｍである。また酸化物半導体膜
１０８は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２（原
子数比））を用いて、スパッタリング法により成膜した。なお、本実施例では、トランジ
スタＥの酸化物半導体膜１０８の膜厚（ＯＳ膜厚）を、１０ｎｍ、２５ｎｍ、４０ｎｍの
３種類を用意した。その他、トランジスタＥの作製方法については、実施の形態１に示し
た半導体装置の作製方法を参照すればよい。
【０４３３】
なお、図３３に示す酸化物半導体の膜厚（ＯＳ膜厚）とは、トランジスタＥのチャネル領
域における膜厚のことを指す。つまり、図１（Ｂ）の断面図において、酸化物半導体膜１
０８が、導電膜１１２ａ及び導電膜１１２ｂと接しない部分の膜厚である。
【０４３４】
図３３に示すＩｄ−Ｖｇ特性、およびＩｄ−Ｖｇ特性の測定条件に関しては、図３０の記
載を参照すればよい。
【０４３５】
図３３に示す結果より、トランジスタＥは、酸化物半導体の膜厚を薄くするほどオン電流
と電界効果移動度が向上する様子がわかる。酸化物半導体の膜厚が４０ｎｍの場合は、お
よそ１１ｃｍ２／Ｖｓの電界効果移動度が得られ、酸化物半導体の膜厚が２５ｎｍの場合
は、およそ１５ｃｍ２／Ｖｓの電界効果移動度が得られ、酸化物半導体の膜厚が１０ｎｍ
の場合は、およそ１９ｃｍ２／Ｖｓの電界効果移動度が得られた。
【０４３６】
図３４は、本実施例で試作したトランジスタＦのトランジスタ特性を示す。
【０４３７】
トランジスタＦは、トランジスタＥのチャネル長（Ｌ１）を２μｍとしたものである。そ
の他の条件は、トランジスタＥと同一である。トランジスタＦについても、トランジスタ
Ｅと同様に、酸化物半導体膜１０８の膜厚（ＯＳ膜厚）を、１０ｎｍ、２５ｎｍ、４０ｎ
ｍの３種類を用意した。
【０４３８】
なお、図３４に示す酸化物半導体の膜厚（ＯＳ膜厚）とは、トランジスタＦのチャネル領
域における膜厚のことを指す。つまり、図１（Ｂ）の断面図において、酸化物半導体膜１
０８が、導電膜１１２ａ及び導電膜１１２ｂと接しない部分の膜厚である。
【０４３９】
図３４に示すＩｄ−Ｖｇ特性、およびＩｄ−Ｖｇ特性の測定条件に関しては、図３０の記
載を参照すればよい。
【０４４０】
図３４の測定結果をみると、酸化物半導体の膜厚を薄くすほど、Ｉｄ−Ｖｄ特性において
、ドレイン電圧が一定になる良好な飽和特性が得られた。特に、酸化物半導体膜厚が１０
ｎｍの場合において、良好な飽和特性が得られることが確認された。
【０４４１】
図３３及び図３４の結果より、チャネル領域に用いられる酸化物半導体の膜厚は好ましく
は２５ｎｍ以下、さらに好ましくは１０ｎｍ以下であることが確認された。
【実施例２】
【０４４２】
本実施例では、実施の形態１に示したトランジスタを試作し、トランジスタ特性を測定し
てチャネル長変調係数を算出した。
【０４４３】
図３５は、本実施例で試作したトランジスタＧ及びトランジスタＨのトランジスタ特性を
示す。
【０４４４】
トランジスタＧは、図３のトランジスタ１３０において、導電膜１２０ｂ及び開口部１４
２ａが省略されたものである。すなわち、トランジスタＧは、第２のゲート電極を持たな
いトランジスタである。トランジスタＧのチャネル長（Ｌ３）は６μｍ、チャネル幅（Ｗ
３）は５９．７μｍである。また酸化物半導体膜１０８は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ金属酸化物
ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（原子数比））を用いて、スパッタリング法
により成膜した。酸化物半導体膜１０８の膜厚は２０ｎｍを選んだ。その他、トランジス
タＧの作製方法については、実施の形態１に示した半導体装置の作製方法を参照すればよ
い。
【０４４５】
トランジスタＨとして、図３のトランジスタ１３０を試作した。すなわち、トランジスタ
Ｈは、第１のゲート電極として機能する導電膜１０４と、第２のゲート電極として機能す
る導電膜１２０ｂを有するｓ‐ｃｈａｎｎｅｌ構造である。トランジスタＨのその他の詳
細は、トランジスタＧの記載を参照すればよい。
【０４４６】
図３５に、トランジスタＧ及びトランジスタＨのＩｄ‐Ｖｄ特性を示す。図３０と同様に
、Ｉｎｎｅｒ−Ｄｒａｉｎ及びＯｕｔｅｒ−Ｄｒａｉｎの場合のＩｄ−Ｖｄ特性について
それぞれ測定を行った。ゲート電圧を２Ｖ、４Ｖ、６Ｖ、８Ｖ、１０Ｖとし、ドレイン電
圧を０Ｖから２０Ｖまで掃引したときのドレイン電流を測定した。
【０４４７】
また、図中には、チャネル長変調係数（λ）の値を記載した。なお、チャネル長変調係数
は以下の式（１）に従って算出した。具体的には、Ｖｇ＝６ＶにおけるＶｄ＝１０ＶとＶ
ｄ＝１６Ｖでのドレイン電流の変化量からδＩｄ／δＶｄを算出し、Ｖｄ＝１６Ｖにおけ
るドレイン電流の逆数（１／Ｉｄ）を前述の値に乗じて、λを算出した。λの値が小さい
ほど、チャネル長変調効果の影響が小さく、Ｉｄ−Ｖｄ特性において、良好な飽和特性を
示す。
【０４４８】
λ＝δＩｄ／δＶｄ×１／Ｉｄ          （１）
【０４４９】
図３５の結果より、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を採用したトランジスタＨの方が、ｓ−ｃｈ
ａｎｎｅｌ構造を採用していないトランジスタＧよりも飽和特性が改善されているようす
がわかる。また、Ｉｎｎｅｒ‐ＤｒａｉｎとＯｕｔｅｒ−Ｄｒａｉｎを比較した場合、実
施例１と同様に、Ｏｕｔｅｒ−Ｄｒａｉｎの方が飽和特性の改善が確認されたが、トラン
ジスタＨはＩｎｎｅｒ−Ｄｒａｉｎの場合でも、チャネル長変調係数が小さく、良好な飽
和特性を示すことが確認された。
【０４５０】
図３６は、本実施例で試作したトランジスタＩ及びトランジスタＪのトランジスタ特性を
示す。
【０４５１】
トランジスタＩは、トランジスタＧにおいて、酸化物半導体膜１０８を、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚ
ｎ金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１（原子数比））を用いて、
スパッタリング法により成膜した場合のトランジスタである。その他、トランジスタＩの
作製方法については、トランジスタＧの記載を参照すればよい。
【０４５２】
トランジスタＪは、トランジスタＨにおいて、酸化物半導体膜１０８を、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚ
ｎ金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１（原子数比））を用いて、
スパッタリング法により成膜した場合のトランジスタである。その他、トランジスタＪの
作製方法については、トランジスタＨの記載を参照すればよい。
【０４５３】
図３６に、トランジスタＩ及びトランジスタＪのＩｄ‐Ｖｄ特性を示す。測定条件の詳細
はトランジスタＧ、トランジスタＨと同一である。
【０４５４】
図３５と同様に、図３６の結果より、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を採用したトランジスタＪ
の方が、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を採用していないトランジスタＩよりも飽和特性が改善
されているようすが確認された。また、トランジスタＪはＩｎｎｅｒ−Ｄｒａｉｎの場合
でも、チャネル長変調係数が小さく、良好な飽和特性を示すことが確認された。
【０４５５】
ＧａよりもＩｎの比率が大きいＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ金属酸化物ターゲットを用いて、酸化物
半導体膜１０８を成膜した場合、トランジスタの飽和特性が悪化することが確認されてい
るが、実施の形態１に示すｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を採用することで、トランジスタの飽
和特性が改善されることが確認された。
【符号の説明】
【０４５６】
ＤＬ    データ線
ＤＬ＿ｎ    データ線
ＤＬ＿Ｙ    データ線
ＤＬ＿１    データ線
ＧＬ    走査線
ＧＬ＿ｍ    走査線
ＧＬ＿Ｘ    走査線
ＧＬ＿１    走査線
Ｌ１    チャネル長
Ｌ３    チャネル長
Ｌ４    チャネル長
Ｌ５    チャネル長
Ｌ７    チャネル長
Ｌ８    チャネル長
Ｗ１    チャネル幅
Ｗ３    チャネル幅
Ｗ４    チャネル幅
１００    トランジスタ
１００Ａ    トランジスタ
１００Ｂ    トランジスタ
１０２    基板
１０４    導電膜
１０６    絶縁膜
１０７    絶縁膜
１０８    酸化物半導体膜
１０８ａ    酸化物半導体膜
１０８ｂ    酸化物半導体膜
１０８ｃ    酸化物半導体膜
１１２ａ    導電膜
１１２ｂ    導電膜
１１４    絶縁膜
１１６    絶縁膜
１１７    保護膜
１１８    絶縁膜
１２０ａ    導電膜
１２０ｂ    導電膜
１２１    絶縁膜
１２２    導電膜
１３０    トランジスタ
１３１    薬液
１３３    酸素
１４０    トランジスタ
１４２ａ    開口部
１４２ｂ    開口部
１４２ｃ    開口部
１４２ｄ    開口部
１５０    トランジスタ
１６０    トランジスタ
１７０    トランジスタ
１８０    トランジスタ
１８５ａ    領域
１８５ｂ    領域
５０１    画素回路
５０２    画素部
５０４    駆動回路部
５０４ａ    ゲートドライバ
５０４ｂ    ソースドライバ
５０６    保護回路
５０７    端子部
５５０    トランジスタ
５５２    トランジスタ
５５４    トランジスタ
５６０    容量素子
５６２    容量素子
５７０    液晶素子
５７２    発光素子
６５０    トランジスタ
６５１    トランジスタ
６５２    トランジスタ
６５３    トランジスタ
６５４    トランジスタ
６５５    容量素子
６５６    発光素子
７００    表示装置
７０１    基板
７０２    画素部
７０４    ソースドライバ回路部
７０５    基板
７０６    ゲートドライバ回路部
７０８    ＦＰＣ端子部
７１０    信号線
７１１    配線部
７１２    シール材
７１６    ＦＰＣ
７３０    絶縁膜
７３２    封止膜
７３４    絶縁膜
７３６    着色膜
７３８    遮光膜
７５０    トランジスタ
７５２    トランジスタ
７６０    接続電極
７６４    絶縁膜
７６６    絶縁膜
７６７    保護膜
７６８    絶縁膜
７７０    平坦化絶縁膜
７７２    導電膜
７７４    導電膜
７７５    液晶素子
７７６    液晶層
７７８    構造体
７８０    異方性導電膜
７８２    発光素子
７８４    導電膜
７８６    ＥＬ層
７８８    導電膜
７９０    容量素子
８３０    画素
８３０Ｂ    画素
８３０Ｇ    画素
８３０Ｒ    画素
８３０Ｗ    画素
８３０Ｙ    画素
８４０    画素
８７０    領域
５１００    ペレット
５１００ａ    ペレット
５１００ｂ    ペレット
５１０１    イオン
５１０２    酸化亜鉛層
５１０３    粒子
５１０５ａ    ペレット
５１０５ａ１    領域
５１０５ａ２    ペレット
５１０５ｂ    ペレット
５１０５ｃ    ペレット
５１０５ｄ    ペレット
５１０５ｄ１    領域
５１０５ｅ    ペレット
５１２０    基板
５１３０    ターゲット
５１６１    領域
８０００    表示モジュール
８００１    上部カバー
８００２    下部カバー
８００３    ＦＰＣ
８００４    タッチパネル
８００５    ＦＰＣ
８００６    表示パネル
８００７    バックライト
８００８    光源
８００９    フレーム
８０１０    プリント基板
８０１１    バッテリ
９０００    筐体
９００１    表示部
９００３    スピーカ
９００５    操作キー
９００６    接続端子
９００７    センサ
９００８    マイクロフォン
９０５０    操作ボタン
９０５１    情報
９０５２    情報
９０５３    情報
９０５４    情報
９０５５    ヒンジ
９１００    携帯情報端末
９１０１    携帯情報端末
９１０２    携帯情報端末
９２００    携帯情報端末
９２０１    携帯情報端末
【図１】
2020080410.tif 000003
【図２】
2020080410.tif 000004
【図３】
2020080410.tif 000005
【図４】
2020080410.tif 000006
【図５】
2020080410.tif 000007
【図６】
2020080410.tif 000008
【図７】
2020080410.tif 000009
【図８】
2020080410.tif 000010
【図９】
2020080410.tif 000011
【図１０】
2020080410.tif 000012
【図１１】
2020080410.tif 000013
【図１２】
2020080410.tif 000014
【図１３】
2020080410.tif 000015
【図１４】
2020080410.tif 000016
【図１５】
2020080410.tif 000017
【図１６】
2020080410.tif 000018
【図１７】
2020080410.tif 000019
【図１８】
2020080410.tif 000020
【図１９】
2020080410.tif 000021
【図２０】
2020080410.tif 000022
【図２１】
2020080410.tif 000023
【図２２】
2020080410.tif 000024
【図２３】
2020080410.tif 000025
【図２４】
2020080410.tif 000026
【図２５】
2020080410.tif 000027
【図２６】
2020080410.tif 000028
【図２７】
2020080410.tif 000029
【図２８】
2020080410.tif 000030
【図２９】
2020080410.tif 000031
【図３０】
2020080410.tif 000032
【図３１】
2020080410.tif 000033
【図３２】
2020080410.tif 000034
【図３３】
2020080410.tif 000035
【図３４】
2020080410.tif 000036
【図３５】
2020080410.tif 000037
【図３６】
2020080410.tif 000038
【図３７】
2020080410.tif 000039
【手続補正書】
【提出日】令和2年2月26日(2020.2.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物半導体層と、
第１のゲート電極及び第２のゲート電極と、
ソースまたはドレインの一方としての機能を有する第１の導電層と、
ソースまたはドレインの他方としての機能を有する第２の導電層と、を有し、
前記第１のゲート電極は、前記酸化物半導体層を介して前記第２のゲート電極と重なる領域を有し、
前記第１のゲート電極は、開口部を有し、
前記第１の導電層は、前記酸化物半導体層上方に位置する領域を有し、
前記第２の導電層は、前記酸化物半導体層上方に位置する領域を有し、
前記第１のゲート電極は、前記第１の導電層と重なる領域を有し、
前記第１のゲート電極は、前記第２の導電層と重なる領域を有し、
前記酸化物半導体層の周縁部は、前記第１のゲート電極と重なり、かつ、前記第２のゲート電極と重なる領域を有し、
前記第１の導電層は、前記酸化物半導体層と接する領域を有し、
前記酸化物半導体層と接する領域は、前記開口部と重なる領域を有する半導体装置。
【請求項２】
酸化物半導体層と、
第１のゲート電極及び第２のゲート電極と、
ソースまたはドレインの一方としての機能を有する第１の導電層と、
ソースまたはドレインの他方としての機能を有する第２の導電層と、を有し、
前記第１のゲート電極は、前記酸化物半導体層を介して前記第２のゲート電極と重なる領域を有し、
前記第１のゲート電極は、開口部を有し、
前記第１の導電層は、前記酸化物半導体層上方に位置する領域を有し、
前記第２の導電層は、前記酸化物半導体層上方に位置する領域を有し、
前記第１のゲート電極は、前記第１の導電層と重なる領域を有し、
前記第１のゲート電極は、前記第２の導電層と重なる領域を有し、
前記酸化物半導体層の周縁部は、前記第１のゲート電極と重なり、かつ、前記第２のゲート電極と重なる領域を有し、
前記酸化物半導体層の周縁部は、前記第２のゲート電極と重なり、かつ、前記第２の導電層と重なる領域を有し、
前記第１の導電層は、前記酸化物半導体層と接する領域を有し、
前記酸化物半導体層と接する領域は、前記開口部と重なる領域を有する半導体装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記酸化物半導体層は、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む半導体装置。