(57)【要約】【課題】酸化物半導体層を用いたトランジスタに安定した電気特性を付与する。また、当該トランジスタを有する信頼性の高い表示装置を提供する。【解決手段】酸化物層および酸化物半導体層を含む多層膜と、多層膜と接して設けられたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜を介して多層膜と重ねて設けられたゲート電極と、を有し、酸化物半導体層はインジウムを含み、酸化物半導体層は、酸化物層と接して設けられ、酸化物層は、酸化物半導体層よりもエネルギーギャップが大きく、かつインジウムを含む表示装置である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物層および酸化物半導体層を含む多層膜と、
前記多層膜と接して設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記多層膜と重ねて設けられたゲート電極と、を有し、
前記酸化物半導体層はインジウムを含み、
前記酸化物半導体層は、前記酸化物層と接して設けられ、
前記酸化物層は、前記酸化物半導体層よりもエネルギーギャップが大きく、かつインジウムを含むことを特徴とする表示装置。
【請求項２】
酸化物層および酸化物半導体層を含む多層膜と、
前記多層膜と接して設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記多層膜と重ねて設けられたゲート電極と、を有し、
前記酸化物半導体層はインジウムを含み、
前記酸化物半導体層は、前記酸化物層と接して設けられ、
前記酸化物層は、前記酸化物半導体層よりも伝導帯下端のエネルギーが真空準位に近く、かつインジウムを含むことを特徴とする表示装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記酸化物層は、伝導帯下端のエネルギーが前記酸化物半導体層よりも０．０５ｅＶ以上２ｅＶ以下真空準位に近いことを特徴とする表示装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一において、
前記酸化物半導体層にチャネルが形成されることを特徴とする表示装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
前記酸化物半導体層の側端部に接して設けられたソース電極およびドレイン電極を有することを特徴とする表示装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一において、
前記酸化物層は結晶質であり、
前記酸化物層に含まれる結晶部のｃ軸は、前記酸化物層の表面の法線ベクトルに平行であることを特徴とする表示装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一において、
前記酸化物半導体層および前記酸化物層は、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆ）であり、
前記酸化物層は、前記酸化物半導体層よりもＭに対するＩｎの原子数比が小さく、Ｉｎに対するＭの原子数比が大きいことを特徴とする表示装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項６のいずれか一において、
前記酸化物半導体層は、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｇａ酸化物またはＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物であることを特徴とする表示装置。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれか一において、
前記酸化物半導体層の厚さが３ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、前記酸化物層の厚さが３ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることを特徴とする表示装置。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のいずれか一において、
前記酸化物層の厚さが３ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることを特徴とする表示装置。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項１０のいずれか一において、
前記酸化物半導体層のシリコン濃度が、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であることを特徴とする表示装置。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１１のいずれか一において、
前記酸化物半導体層の炭素濃度が、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であることを特徴とする表示装置。
【請求項１３】
第１の酸化物層、第２の酸化物層および酸化物半導体層を含む多層膜と、
前記多層膜と接して設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記多層膜と重ねて設けられたゲート電極と、を有し、
前記酸化物半導体層はインジウムを含み、
前記酸化物半導体層は、前記第１の酸化物層と接して設けられ、
前記第１の酸化物層は、前記酸化物半導体層よりもエネルギーギャップが大きく、かつインジウムを含み、
前記酸化物半導体層は、前記第１の酸化物層と対向して前記第２の酸化物層と接して設けられ、
前記第２の酸化物層は、前記酸化物半導体層よりもエネルギーギャップが大きく、かつインジウムを含むことを特徴とする表示装置。
【請求項１４】
第１の酸化物層、第２の酸化物層および酸化物半導体層を含む多層膜と、
前記多層膜と接して設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記多層膜と重ねて設けられたゲート電極と、を有し、
前記酸化物半導体層はインジウムを含み、
前記酸化物半導体層は、前記第１の酸化物層と接して設けられ、
前記第１の酸化物層は、前記酸化物半導体層よりも伝導帯下端のエネルギーが真空準位に近く、かつインジウムを含み、
前記酸化物半導体層は、前記第１の酸化物層と対向して前記第２の酸化物層と接して設けられ、
前記第２の酸化物層は、前記酸化物半導体層よりも伝導帯下端のエネルギーが真空準位に近く、かつインジウムを含むことを特徴とする表示装置。
【請求項１５】
請求項１４において、
前記第１の酸化物層および前記第２の酸化物層は、伝導帯下端のエネルギーが前記酸化物半導体層よりも０．０５ｅＶ以上２ｅＶ以下真空準位に近いことを特徴とする表示装置。
【請求項１６】
請求項１３乃至請求項１５のいずれか一において、
前記第１の酸化物層は結晶質であり、
前記第１の酸化物層に含まれる結晶部のｃ軸は、前記第１の酸化物層の表面の法線ベクトルに平行であることを特徴とする表示装置。
【請求項１７】
請求項１３乃至請求項１６のいずれか一において、
前記酸化物半導体層、前記第１の酸化物層および前記第２の酸化物層は、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆ）であり、
前記第１の酸化物層および前記第２の酸化物層は、前記酸化物半導体層よりもＭに対するＩｎの原子数比が小さく、Ｉｎに対するＭの原子数比が大きいことを特徴とする表示装置。
【請求項１８】
請求項１３乃至請求項１７のいずれか一において、
前記酸化物半導体層の厚さが３ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、前記第１の酸化物層および前記第２の酸化物層の厚さが３ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることを特徴とする表示装置。
【請求項１９】
請求項１３乃至請求項１８のいずれか一において、
前記第１の酸化物層および前記第２の酸化物層の厚さが３ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることを特徴とする表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示装置、および半導体装置およびそれらの作製方法に関する。
【０００２】
なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能し得る装置全般をいい、電気光学装置、半導体回路および電子機器などは全て半導体装置である。
【背景技術】
【０００３】
絶縁表面を有する基板上に形成された半導体膜を用いて、トランジスタを構成する技術が注目されている。当該トランジスタは集積回路や表示装置のような半導体装置に広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体膜としてシリコン膜が知られている。
【０００４】
トランジスタの半導体膜に用いられるシリコン膜は、用途によって非晶質シリコン膜と多結晶シリコン膜とが使い分けられている。例えば、大型の表示装置を構成するトランジスタに適用する場合、大面積基板への成膜技術が確立されている非晶質シリコン膜を用いると好適である。一方、駆動回路を表示領域と同一基板上に形成した高機能の表示装置を構成するトランジスタに適用する場合、高い電界効果移動度を有するトランジスタを作製可能な多結晶シリコン膜を用いると好適である。多結晶シリコン膜は、非晶質シリコン膜に対し高温での熱処理、またはレーザ光処理を行うことで形成する方法が知られる。
【０００５】
さらに、近年では酸化物半導体層が注目されている。例えば、キャリア密度が１０１８／ｃｍ３未満であるインジウム、ガリウムおよび亜鉛を含む酸化物半導体層を用いたトランジスタが開示されている（特許文献１参照。）。
【０００６】
酸化物半導体層は、スパッタリング法を用いて成膜できるため、大型の表示装置を構成するトランジスタに適用することができる。また、酸化物半導体層を用いたトランジスタは、高い電界効果移動度を有するため、駆動回路を一体形成した高機能の表示装置を実現できる。また、非晶質シリコン膜を用いたトランジスタの生産設備の一部を改良して利用することが可能であるため、設備投資を抑えられるメリットもある。
【０００７】
ところで、酸化物半導体層を用いたトランジスタは、オフ状態において極めてリーク電流が小さいことが知られている。例えば、酸化物半導体層を用いたトランジスタの低いリーク特性を応用した低消費電力のＣＰＵなどが開示されている（特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−１６５５２８号公報
【特許文献２】米国特許公開２０１２／００３２７３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
酸化物半導体層を用いたトランジスタの応用が広がるにつれ、信頼性の要求が多様化している。そこで、本発明の一態様は、酸化物半導体層を用いたトランジスタに安定した電気特性を付与することを課題の一とする。また、当該トランジスタを有する信頼性の高い表示装置を提供することを課題の一とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様は、酸化物層および酸化物半導体層を含む多層膜と、多層膜と接して設けられたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜を介して多層膜と重ねて設けられたゲート電極と、を有し、酸化物半導体層はインジウムを含み、酸化物半導体層は、酸化物層と接して設けられ、酸化物層は、酸化物半導体層よりもエネルギーギャップが大きく、かつインジウムを含む表示装置である。
【００１１】
なお、インジウムを含む酸化物半導体層または酸化物層の代表例として、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆ）が挙げられる。
【００１２】
または、本発明の一態様は、酸化物層および酸化物半導体層を含む多層膜と、多層膜と接して設けられたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜を介して多層膜と重ねて設けられたゲート電極と、を有し、酸化物半導体層はインジウムを含み、酸化物半導体層は、酸化物層と接して設けられ、酸化物層は、酸化物半導体層よりも伝導帯下端のエネルギーが真空準位に近く、かつインジウムを含む表示装置である。なお、真空準位と伝導帯下端のエネルギー差を電子親和力ともいう。
【００１３】
または、本発明の一態様は、第１の酸化物層、第２の酸化物層および酸化物半導体層を含む多層膜と、多層膜と接して設けられたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜を介して多層膜と重ねて設けられたゲート電極と、を有し、酸化物半導体層はインジウムを含み、酸化物半導体層は、第１の酸化物層と接して設けられ、第１の酸化物層は、酸化物半導体層よりもエネルギーギャップが大きく、かつインジウムを含み、酸化物半導体層は、第１の酸化物層と対向して第２の酸化物層と接して設けられ、第２の酸化物層は、酸化物半導体層よりもエネルギーギャップが大きく、かつインジウムを含む表示装置である。
【００１４】
または、本発明の一態様は、第１の酸化物層、第２の酸化物層および酸化物半導体層を含む多層膜と、多層膜と接して設けられたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜を介して多層膜と重ねて設けられたゲート電極と、を有し、酸化物半導体層はインジウムを含み、酸化物半導体層は、第１の酸化物層と接して設けられ、第１の酸化物層は、酸化物半導体層よりも伝導帯下端のエネルギーが真空準位に近く、かつインジウムを含み、酸化物半導体層は、第１の酸化物層と対向して第２の酸化物層と接して設けられ、第２の酸化物層は、酸化物半導体層よりも伝導帯下端のエネルギーが真空準位に近く、かつインジウムを含む表示装置である。
【００１５】
酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジスタに安定した電気特性を付与するためには、酸化物半導体層中の不純物濃度を低減することが有効である。例えば、酸化物半導体層中でシリコンは、不純物準位を形成する。また、該不純物準位がトラップとなり、トランジスタの電気特性を劣化させることがある。具体的には、酸化物半導体層のシリコン濃度を１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする。なお、トランジスタのゲート絶縁膜としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、窒化酸化シリコンなど、シリコンを含む絶縁膜が多く用いられるため、酸化物半導体層をゲート絶縁膜と接しないことが好ましい。
【００１６】
また、ゲート絶縁膜と酸化物半導体層との界面にチャネルが形成される場合、該界面で界面散乱が起こり、トランジスタの電界効果移動度が低くなる。このような観点からも、酸化物半導体層をゲート絶縁膜と接しないように形成し、チャネルをゲート絶縁膜から離すことが好ましい。
【００１７】
従って、トランジスタのチャネルを、ゲート絶縁膜と離すことで、安定した電気特性を有し、高い電界効果移動度を有するトランジスタとすることができる。該トランジスタを表示装置のスイッチング素子として用いることで、該トランジスタは安定な電気特性を有するため、信頼性の高い表示装置とすることができる。
【００１８】
トランジスタのチャネルをゲート絶縁膜から離すためには、例えば、酸化物半導体層を含む多層膜を以下のような構成とすればよい。
【００１９】
酸化物半導体層を含む多層膜は、少なくとも酸化物半導体層（便宜上、第２の酸化物層と呼ぶ。）と、第２の酸化物層およびゲート絶縁膜の間に設けられた第１の酸化物層（バリア層とも呼ぶ。）と、を有する。第１の酸化物層は、第２の酸化物層を構成する金属元素一種以上から構成され、伝導帯下端のエネルギーが第２の酸化物層よりも０．０５ｅＶ以上、０．０７ｅＶ以上、０．１ｅＶ以上または０．１５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、１ｅＶ以下、０．５ｅＶ以下または０．４ｅＶ以下真空準位に近い酸化物層である。なお、第２の酸化物層は少なくともインジウムを含むと、キャリア移動度が高くなるため好ましい。このとき、ゲート電極に電界を印加すると、酸化物半導体層を含む多層膜のうち、伝導帯下端のエネルギーが小さい第２の酸化物層にチャネルが形成される。即ち、第２の酸化物層とゲート絶縁膜との間に第１の酸化物層を有することによって、トランジスタのチャネルをゲート絶縁膜と接しない層（ここでは第２の酸化物層）に形成することができる。また、第２の酸化物層を構成する金属元素一種以上から第１の酸化物層が構成されるため、第２の酸化物層と第１の酸化物層との界面において、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を高くすることができる。
【００２０】
第１の酸化物層は、例えば、アルミニウム、チタン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、スズ、ランタン、セリウムまたはハフニウムを第２の酸化物層よりも高い原子数比で含む酸化物層とすればよい。具体的には、第１の酸化物層として、第２の酸化物層よりも前述の元素を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含む酸化物層を用いる。前述の元素は酸素と強く結合するため、酸素欠損が第１の酸化物層に生じることを抑制する機能を有する。即ち、第１の酸化物層は第２の酸化物層よりも酸素欠損が生じにくい酸化物層である。
【００２１】
または、第２の酸化物層がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であり、第１の酸化物層もＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、第１の酸化物層をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ１：ｚ１［原子数比］、第２の酸化物層をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ２：ｙ２：ｚ２［原子数比］とすると、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２よりも大きくなる第１の酸化物層および第２の酸化物層を選択する。なお、元素ＭはＩｎよりも酸素との結合力が強い金属元素であり、例えばＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆなどが挙げられる。好ましくは、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２よりも１．５倍以上大きくなる第１の酸化物層および第２の酸化物層を選択する。さらに好ましくは、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２よりも２倍以上大きくなる第１の酸化物層および第２の酸化物層を選択する。より好ましくは、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２よりも３倍以上大きくなる第１の酸化物層および第２の酸化物層を選択する。このとき、第２の酸化物層において、ｙ１がｘ１以上であると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、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と同じ以上３倍未満であると好ましい。
【００２２】
第１の酸化物層の厚さは、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。また、第２の酸化物層の厚さは、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。
【００２３】
また、酸化物半導体層を含む多層膜は、ゲート絶縁膜の対向側に、絶縁膜および第２の酸化物層と接し、第２の酸化物層を構成する金属元素一種以上から構成され、伝導帯下端のエネルギーが第２の酸化物層よりも０．０５ｅＶ以上、０．０７ｅＶ以上、０．１ｅＶ以上または０．１５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、１ｅＶ以下、０．５ｅＶ以下または０．４ｅＶ以下真空準位に近い第３の酸化物層（バリア層とも呼ぶ。）を含んでもよい。なお、第２の酸化物層は少なくともインジウムを含むと、キャリア移動度が高くなるため好ましい。このとき、ゲート電極に電界を印加しても、第３の酸化物層にはチャネルが形成されない。また、第２の酸化物層を構成する金属元素一種以上から第３の酸化物層が構成されるため、第２の酸化物層と第３の酸化物層との界面に界面準位を形成しにくい。該界面が界面準位を有すると、該界面をチャネルとしたしきい値電圧の異なる第２のトランジスタが形成され、トランジスタの見かけ上のしきい値電圧が変動することがある。従って、第３の酸化物層を設けることにより、トランジスタのしきい値電圧などの電気特性のばらつきを低減することができる。
【００２４】
例えば、第３の酸化物層は、アルミニウム、チタン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、スズ、ランタン、セリウムまたはハフニウムを第２の酸化物層よりも高い原子数比で含む酸化物層とすればよい。具体的には、第３の酸化物層として、第２の酸化物層よりも前述の元素を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含む酸化物層を用いる。前述の元素は酸素と強く結合するため、酸素欠損が第３の酸化物層に生じることを抑制する機能を有する。即ち、第３の酸化物層は第２の酸化物層よりも酸素欠損が生じにくい酸化物層である。
【００２５】
または、第２の酸化物層がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であり、第３の酸化物層もＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、第２の酸化物層をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ２：ｙ２：ｚ２［原子数比］、第３の酸化物層をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ３：ｙ３：ｚ３［原子数比］とすると、ｙ３／ｘ３がｙ２／ｘ２よりも大きくなる第２の酸化物層および第３の酸化物層を選択する。なお、元素ＭはＩｎよりも酸素との結合力が強い金属元素であり、例えばＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆなどが挙げられる。好ましくは、ｙ３／ｘ３がｙ２／ｘ２よりも１．５倍以上大きくなる第２の酸化物層および第３の酸化物層を選択する。さらに好ましくは、ｙ３／ｘ３がｙ２／ｘ２よりも２倍以上大きくなる第２の酸化物層および第３の酸化物層を選択する。より好ましくは、ｙ３／ｘ３がｙ２／ｘ２よりも３倍以上大きくなる第２の酸化物層および第３の酸化物層を選択する。このとき、第２の酸化物層において、ｙ２がｘ２以上であると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、ｙ２がｘ２の３倍以上になると、トランジスタの電界効果移動度が低下してしまうため、ｙ２はｘ２と同じか３倍未満であると好ましい。
【００２６】
第３の酸化物層の厚さは、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。
【００２７】
なお、第１の酸化物層または第３の酸化物層は、トランジスタのソース電極（ソース領域）およびドレイン電極（ドレイン領域）と接して設けられる。
【００２８】
また、トランジスタのソース電極（ソース領域）およびドレイン電極（ドレイン領域）を、少なくとも酸化物半導体層の側端部と接して設けられると、ソース電極（ソース領域）およびドレイン電極（ドレイン領域）がチャネルと接するため好ましい。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の一態様により、酸化物半導体層を含む多層膜を用いることで、トランジスタに安定した電気特性を付与することができる。また、当該トランジスタを有する信頼性の高い表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一態様に係る多層膜の断面図。
【図２】本発明の一態様に係る多層膜のＴｏＦ−ＳＩＭＳの結果を示す図。
【図３】本発明の一態様に係る多層膜における酸素の拡散を示す図。
【図４】本発明の一態様に係る酸化物層、酸化物半導体層のパーティクル数を示す図。
【図５】本発明の一態様に係る多層膜のバンド構造を説明する図。
【図６】本発明の一態様に係る多層膜のバンド構造を説明する図。
【図７】本発明の一態様に係る多層膜のバンド構造を説明する図。
【図８】本発明の一態様に係る多層膜のＴＥＭによる透過電子像。
【図９】本発明の一態様に係る多層膜のＴＥＭによる透過電子像。
【図１０】Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の結晶構造の一例を示す図。
【図１１】本発明の一態様に係る多層膜のＣＰＭ測定結果を示す図。
【図１２】成膜装置の一例を示す上面図。
【図１３】成膜室の一例を示す図。
【図１４】成膜室の一例を示す図。
【図１５】加熱処理室の一例を示す図。
【図１６】本発明の一態様に係る半導体装置を説明する上面図および断面図。
【図１７】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を説明する断面図。
【図１８】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を説明する断面図。
【図１９】本発明の一態様に係る半導体装置を説明する上面図および断面図。
【図２０】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を説明する断面図。
【図２１】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を説明する断面図。
【図２２】本発明の一態様である表示装置を説明する図、および画素を説明する回路図。
【図２３】本発明の一態様である表示装置の画素を説明する上面図。
【図２４】本発明の一態様である表示装置を説明する断面図。
【図２５】本発明の一態様である表示装置を説明する断面図。
【図２６】本発明の一態様である表示装置の画素を説明する上面図。
【図２７】本発明の一態様である表示装置を説明する断面図。
【図２８】本発明の一態様である表示装置の画素を説明する回路図。
【図２９】本発明の一態様である表示装置を説明する断面図。
【図３０】電子機器を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる。なお、同様のものを指す際にはハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
【００３２】
第１、第２として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順または積層順を示すものではない。また、本明細書において発明を特定するための事項として固有の名称を示すものではない。
【００３３】
また、電圧は、ある電位と、基準の電位（例えば接地電位（ＧＮＤ）またはソース電位）との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧を電位と言い換えることが可能である。
【００３４】
また、「電気的に接続する」と表現される場合であっても、現実の回路においては、物理的な接続部分がなく、配線が延在しているだけの場合もある。
【００３５】
また、ソースおよびドレインの機能は、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書においては、ソースおよびドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。
【００３６】
なお、本実施の形態に記載の内容は、適宜組み合わせて用いることができる。
【００３７】
以下では、トランジスタに用いる酸化物半導体層を含む多層膜について図１を用いて説明する。
【００３８】
本項では、多層膜の構造について説明する。
【００３９】
図１に示す多層膜１０６は、酸化物層１０６ａと、酸化物層１０６ａ上に設けられた酸化物半導体層１０６ｂと、酸化物半導体層１０６ｂ上に設けられた酸化物層１０６ｃと、を有する。なお、以下では多層膜１０６が三層である場合について説明するが、多層膜１０６が二層または四層以上であっても構わない。例えば、多層膜１０６は、酸化物層１０６ａと、酸化物層１０６ａ上に設けられた酸化物半導体層１０６ｂと、を有する。または、多層膜１０６は、酸化物半導体層１０６ｂと、酸化物半導体層１０６ｂ上に設けられた酸化物層１０６ｃと、を有する。
【００４０】
本項では、多層膜１０６を構成する各層におけるシリコン濃度について、図２を用いて説明する。
【００４１】
ここで、酸化物層１０６ａは、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子数比］）であるターゲットを用いて、スパッタリング法にて成膜した酸化物層である。なお、成膜ガスとしてアルゴンガスを３０ｓｃｃｍ、酸素ガスを１５ｓｃｃｍ用い、圧力を０．４Ｐａとし、基板の温度を２００℃とし、ＤＣ電力を０．５ｋＷ印加することで成膜した。
【００４２】
また、酸化物半導体層１０６ｂは、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］）であるターゲットを用いて、スパッタリング法にて成膜した酸化物半導体層である。なお、成膜ガスとしてアルゴンガスを３０ｓｃｃｍ、酸素ガスを１５ｓｃｃｍ用い、圧力を０．４Ｐａとし、基板の温度を３００℃とし、ＤＣ電力を０．５ｋＷ印加することで成膜した。
【００４３】
また、酸化物層１０６ｃは、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子数比］）であるターゲットを用いて、スパッタリング法にて成膜した酸化物層である。なお、成膜ガスとしてアルゴンガスを３０ｓｃｃｍ、酸素ガスを１５ｓｃｃｍ用い、圧力を０．４Ｐａとし、基板の温度を２００℃とし、ＤＣ電力を０．５ｋＷ印加することで成膜した。
【００４４】
図２に、シリコンウェハ上に多層膜１０６を設け、加熱処理なしの試料と４５０℃にて２時間加熱処理を行った試料を準備し、飛行時間二次イオン質量分析（ＴｏＦ−ＳＩＭＳ：Ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ  ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  ｉｏｎ  ｍａｓｓ  ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）によって、深さ方向のＩｎを示す二次イオン強度、Ｇａを示す二次イオン強度、Ｚｎを示す二次イオン強度およびＳｉＯ３濃度［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］を示す。多層膜１０６は、厚さが１０ｎｍの酸化物層１０６ａと、酸化物層１０６ａ上に設けられた厚さが１０ｎｍの酸化物半導体層１０６ｂと、酸化物半導体層１０６ｂ上に設けられた厚さが１０ｎｍの酸化物層１０６ｃと、を有する。
【００４５】
図２より、多層膜１０６を構成する各層の組成は、成膜時のターゲットの組成によって変化することがわかる。ただし、各層の組成について、図２を用いて単純な比較を行うことはできない。
【００４６】
図２より、多層膜１０６のシリコンウェハと酸化物層１０６ａとの界面、および酸化物層１０６ｃの上面において、ＳｉＯ３濃度が高くなることがわかる。また、酸化物半導体層１０６ｂのＳｉＯ３濃度がＴｏＦ−ＳＩＭＳの検出下限である１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度であることがわかる。これは、酸化物層１０６ａおよび酸化物層１０６ｃがあることにより、シリコンウェハや表面汚染などに起因したシリコンが酸化物半導体層１０６ｂにまで影響することがなくなったと考えられる。
【００４７】
また、図２に示すａｓ−ｄｅｐｏ（加熱処理なしの試料）と加熱処理後の試料との比較により、加熱処理によってシリコンの拡散は起こりにくく、成膜時の混合が主であることがわかる。
【００４８】
多層膜１０６を用いたトランジスタに安定した電気特性を付与するためには、酸化物半導体層１０６ｂを高純度真性化することが有効である。具体的には、酸化物半導体層１０６ｂのキャリア密度を、１×１０１７／ｃｍ３未満、１×１０１５／ｃｍ３未満、または１×１０１３／ｃｍ３未満とすればよい。酸化物半導体層１０６ｂにおいて、水素、窒素、炭素、シリコン、および主成分以外の金属元素は不純物となる。酸化物半導体層１０６ｂ中の不純物濃度を低減するためには、近接する酸化物層１０６ａ中および酸化物層１０６ｃ中の不純物濃度も酸化物半導体層１０６ｂと同程度まで低減することが好ましい。
【００４９】
特に、酸化物半導体層１０６ｂにシリコンが高い濃度で含まれることにより、酸化物半導体層１０６ｂにシリコンに起因する不純物準位が形成される。該不純物準位は、トラップとなり、トランジスタの電気特性を劣化させることがある。トランジスタの電気特性の劣化を小さくするためには、酸化物半導体層１０６ｂのシリコン濃度を１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とすればよい。また、酸化物層１０６ａと酸化物半導体層１０６ｂとの界面、および酸化物半導体層１０６ｂと酸化物層１０６ｃとの界面のシリコン濃度についても、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする。
【００５０】
また、酸化物半導体層１０６ｂ中で水素および窒素は、ドナー準位を形成し、キャリア密度を増大させてしまう。酸化物半導体層１０６ｂを真性または実質的に真性とするためには、酸化物半導体層１０６ｂ中の水素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、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、さらに好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。また、窒素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【００５１】
なお、酸化物半導体層１０６ｂにシリコンおよび炭素が高い濃度で含まれることにより、酸化物半導体層１０６ｂの結晶性を低下させることがある。酸化物半導体層１０６ｂの結晶性を低下させないためには、酸化物半導体層１０６ｂのシリコン濃度を１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とすればよい。また、酸化物半導体層１０６ｂの結晶性を低下させないためには、酸化物半導体層１０６ｂの炭素濃度を１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とすればよい。多層膜１０６の結晶性については、後述する。
【００５２】
ここで、多層膜１０６中の酸素が、３５０℃または４５０℃の加熱処理後に拡散する様子を図３を用いて説明する。
【００５３】
図３に、多層膜１０６のうち、いずれかの層を１８Ｏ２ガスを用いて成膜した試料について、ＳＩＭＳを行い、深さ方向における１８Ｏの濃度分布を測定した結果を示す。
【００５４】
ここで、酸化物層１０６ａは、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］）であるターゲットを用いて、スパッタリング法にて成膜した酸化物層である。
【００５５】
また、酸化物半導体層１０６ｂは、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２［原子数比］）であるターゲットを用いて、スパッタリング法にて成膜した酸化物半導体層である。
【００５６】
また、酸化物層１０６ｃは、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］）であるターゲットを用いて、スパッタリング法にて成膜した酸化物層である。
【００５７】
ここで、図３（Ａ）は、酸化物層１０６ａの成膜に１８Ｏ２ガスを用い、そのほかの層の成膜には１８Ｏ２ガスを用いていない試料の酸化物層１０６ａおよび酸化物半導体層１０６ｂの界面を含む深さ方向における１８Ｏの濃度分布である。加熱処理なし（ａｓ−ｄｅｐｏと表記、細実線）と比べ、３５０℃加熱処理後（３５０℃加熱後と表記、中実線）および４５０℃加熱処理後（４５０℃加熱後と表記、太実線）では、１８Ｏが酸化物層１０６ａから酸化物半導体層１０６ｂまで拡散していることがわかった。
【００５８】
また、図３（Ｂ）は、酸化物半導体層１０６ｂの成膜に１８Ｏ２ガスを用い、そのほかの層の成膜には１８Ｏ２ガスを用いていない試料の酸化物半導体層１０６ｂおよび酸化物層１０６ｃの界面を含む深さ方向における１８Ｏの濃度分布である。加熱処理なし（ａｓ−ｄｅｐｏと表記、細実線）と比べ、３５０℃加熱処理後（３５０℃加熱後と表記、中実線）および４５０℃加熱処理後（４５０℃加熱後と表記、太実線）では、１８Ｏが酸化物半導体層１０６ｂから酸化物層１０６ｃまで拡散していることがわかった。
【００５９】
また、図３（Ｃ）は、酸化物半導体層１０６ｂの成膜に１８Ｏ２ガスを用い、そのほかの層の成膜には１８Ｏ２ガスを用いていない試料の酸化物層１０６ａおよび酸化物半導体層１０６ｂの界面を含む深さ方向における１８Ｏの濃度分布である。加熱処理なし（ａｓ−ｄｅｐｏと表記、細実線）および３５０℃加熱処理後（３５０℃加熱後と表記、中実線）と比べ、４５０℃加熱処理後（４５０℃加熱後と表記、太実線）では、１８Ｏが酸化物半導体層１０６ｂから酸化物層１０６ａまで拡散していることがわかった。
【００６０】
図３に示すように、多層膜１０６中で酸素は相互に拡散し合うことがわかる。
【００６１】
次に、多層膜１０６に用いる酸化物層１０６ａおよび酸化物層１０６ｃに適用可能な酸化物層について、スパッタリング法で成膜し、１μｍ以上のパーティクル数を測定した。
【００６２】
測定は、酸化ガリウムターゲットを用いて成膜した試料、Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｇａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］）ターゲットを用いて成膜した試料、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２［原子数比］）ターゲットを用いて成膜した試料、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］）ターゲットを用いて成膜した試料、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子数比］）ターゲットを用いて成膜した試料について行った。
【００６３】
図４より、酸化ガリウムターゲット用いて成膜した試料およびＧａ−Ｚｎ酸化物ターゲットを用いて成膜した場合、酸化物層が厚くなるほど１μｍ以上のパーティクル数が急増していくことがわかった。一方、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲットを用いて成膜した場合、酸化物層が厚くなっても比較的１μｍ以上のパーティクル数が増大しにくいことがわかった。
【００６４】
従って、スパッタリング法で成膜する場合、パーティクル数増大の観点から、インジウムを含むターゲットを用いると好ましい。また、インジウム、ガリウムおよび亜鉛の原子数比におけるガリウムの比が比較的小さい酸化物ターゲットを用いることが好ましいとわかる。特に、インジウムを含むターゲットを用いる場合、ターゲットの導電率を高めることができ、ＤＣ放電およびＡＣ放電が容易となるため、大面積の基板へ対応しやすくなる。従って、半導体装置の生産性を高めることができる。
【００６５】
本項では、多層膜１０６のバンド構造について、図５および図６を用いて説明する。
【００６６】
なお、酸化物層１０６ａとしてエネルギーギャップが３．１５ｅＶであるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用い、酸化物半導体層１０６ｂとしてエネルギーギャップが２．８ｅＶであるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用い、酸化物層１０６ｃとして酸化物層１０６ａと同様の物性を有する酸化物層を用いた。また、酸化物層１０６ａと酸化物半導体層１０６ｂとの界面近傍のエネルギーギャップを３ｅＶとし、酸化物層１０６ｃと酸化物半導体層１０６ｂとの界面近傍のエネルギーギャップを３ｅＶとした。エネルギーギャップは、分光エリプソメータ（ＨＯＲＩＢＡ  ＪＯＢＩＮ  ＹＶＯＮ社  ＵＴ−３００）を用いて測定した。また、酸化物層１０６ａの厚さを１０ｎｍ、酸化物半導体層１０６ｂの厚さを１０ｎｍ、酸化物層１０６ｃの厚さを１０ｎｍとした。
【００６７】
図５（Ａ）は、多層膜１０６を酸化物層１０６ｃからエッチングしつつ、各層の真空準位と価電子帯上端のエネルギー差を測定し、その値をプロットした図である。真空準位と価電子帯上端のエネルギー差は、紫外線光電子分光分析（ＵＰＳ：Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）装置（ＰＨＩ社  ＶｅｒｓａＰｒｏｂｅ）を用いて測定した。
【００６８】
図５（Ｂ）は、真空準位と価電子帯上端のエネルギー差から、各層のエネルギーギャップを引くことで、真空準位と伝導帯下端のエネルギー差を算出し、プロットした図である。
【００６９】
図５（Ｂ）を模式的に示したバンド構造の一部が、図６（Ａ）である。図６（Ａ）では、酸化物層１０６ａおよび酸化物層１０６ｃと接して酸化シリコン膜を設けた場合について説明する。ここで、ＥｃＩ１は酸化シリコン膜の伝導帯下端のエネルギーを示し、ＥｃＳ１は酸化物層１０６ａの伝導帯下端のエネルギーを示し、ＥｃＳ２は酸化物半導体層１０６ｂの伝導帯下端のエネルギーを示し、ＥｃＳ３は酸化物層１０６ｃの伝導帯下端のエネルギーを示し、ＥｃＩ２は酸化シリコン膜の伝導帯下端のエネルギーを示す。
【００７０】
図６（Ａ）に示すように、酸化物層１０６ａ、酸化物半導体層１０６ｂおよび酸化物層１０６ｃにおいて、伝導帯下端のエネルギーが連続的に変化する。これは、酸化物層１０６ａ、酸化物半導体層１０６ｂおよび酸化物層１０６ｃ間で、酸素が相互に拡散するという図３に示す結果からも理解される。
【００７１】
なお、図６（Ａ）では酸化物層１０６ａおよび酸化物層１０６ｃが同様の物性を有する酸化物層である場合について示したが、酸化物層１０６ａおよび酸化物層１０６ｃが異なる物性を有する酸化物層であっても構わない。例えば、ＥｃＳ３よりもＥｃＳ１が高いエネルギーを有する場合、バンド構造の一部は、図６（Ｂ）のように示される。また、図６に示さないが、ＥｃＳ１よりもＥｃＳ３が高いエネルギーを有しても構わない。
【００７２】
図５および図６より、多層膜１０６の酸化物半導体層１０６ｂがウェル（井戸）となり、多層膜１０６を用いたトランジスタにおいて、チャネルが酸化物半導体層１０６ｂに形成されることがわかる。なお、多層膜１０６は伝導帯下端のエネルギーが連続的に変化しているため、Ｕ字型井戸（Ｕ  Ｓｈａｐｅ  Ｗｅｌｌ）とも呼べる。
【００７３】
なお、図７に示すように、酸化物層１０６ａおよび酸化物層１０６ｃと、酸化シリコン膜などの絶縁膜との界面近傍には、不純物や欠陥に起因したトラップ準位が形成され得る。酸化物層１０６ａおよび酸化物層１０６ｃがあることにより、酸化物半導体層１０６ｂと当該トラップ準位とを遠ざけることができる。ただし、ＥｃＳ１またはＥｃＳ３と、ＥｃＳ２とのエネルギー差が小さい場合、電子が該エネルギー差を超えてトラップ準位に達することがある。トラップ準位に電子が捕獲されることで、絶縁膜界面にマイナスの固定電荷が生じ、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。
【００７４】
従って、ＥｃＳ１およびＥｃＳ３と、ＥｃＳ２とのエネルギー差を、それぞれ０．１ｅＶ以上、好ましくは０．１５ｅＶ以上とすると、トランジスタのしきい値電圧の変動が低減され、安定した電気特性となるため、好ましい。
【００７５】
多層膜１０６のうち、少なくとも酸化物半導体層１０６ｂは結晶性を有することが好ましい。酸化物半導体層１０６ｂが結晶性を有することにより、酸化物半導体層１０６ｂが結晶性を有さない場合と比べ、多層膜１０６を用いたトランジスタに安定した電気特性を付与することができる。本項では、多層膜１０６のうち、酸化物半導体層１０６ｂが結晶性を有する一例について説明する。
【００７６】
ここでは、多層膜１０６の結晶性について、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって原子配列を評価した。以下に、図８および図９を用いて説明する。
【００７７】
ここで、酸化物層１０６ａは、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子数比］）であるターゲットを用いて、スパッタリング法にて成膜した酸化物層である。なお、成膜ガスとしてアルゴンガスを３０ｓｃｃｍ、酸素ガスを１５ｓｃｃｍ用い、圧力を０．４Ｐａとし、基板の温度を２００℃とし、ＤＣ電力を０．５ｋＷ印加することで成膜した。
【００７８】
また、酸化物半導体層１０６ｂは、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］）であるターゲットを用いて、スパッタリング法にて成膜した酸化物半導体層である。なお、成膜ガスとしてアルゴンガスを３０ｓｃｃｍ、酸素ガスを１５ｓｃｃｍ用い、圧力を０．４Ｐａとし、基板の温度を３００℃または４００℃とし、ＤＣ電力を０．５ｋＷ印加することで成膜した。
【００７９】
また、酸化物層１０６ｃは、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子数比］）であるターゲットを用いて、スパッタリング法にて成膜した酸化物層である。なお、成膜ガスとしてアルゴンガスを３０ｓｃｃｍ、酸素ガスを１５ｓｃｃｍ用い、圧力を０．４Ｐａとし、基板の温度を２００℃とし、ＤＣ電力を０．５ｋＷ印加することで成膜した。
【００８０】
図８および図９は、基板であるシリコンウェハ上に設けられた酸化シリコン膜上に設けられた多層膜１０６を含む各試料の透過電子像である。なお、図８と図９で評価した各試料の違いは、酸化物半導体層１０６ｂの成膜時の基板の温度が３００℃（図８）と４００℃（図９）で異なるのみである。なお、各試料に対し、加熱処理は行っていない。透過電子像は、日立透過電子顕微鏡Ｈ−９５００を用いて測定した。
【００８１】
ここで、多層膜１０６は、酸化物層１０６ａを厚さが２０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物とし、酸化物半導体層１０６ｂを厚さが１５ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物とし、酸化物層１０６ｃを厚さが５ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物とした。図８（Ａ）に酸化物層１０６ａ、酸化物半導体層１０６ｂおよび酸化物層１０６ｃを含む透過電子像を示す。図８（Ｂ）は、酸化物半導体層１０６ｂと酸化物層１０６ｃとの界面近傍の拡大図であり、図８（Ｃ）は酸化物層１０６ａと酸化物半導体層１０６ｂとの界面近傍の拡大図であり、図８（Ｄ）は酸化シリコン膜と酸化物層１０６ａとの界面近傍の拡大図である。同様に、図９（Ａ）に酸化物層１０６ａ、酸化物半導体層１０６ｂおよび酸化物層１０６ｃを含む透過電子像を示す。図９（Ｂ）は、酸化物半導体層１０６ｂと酸化物層１０６ｃとの界面近傍の拡大図であり、図９（Ｃ）は酸化物層１０６ａと酸化物半導体層１０６ｂとの界面近傍の拡大図であり、図９（Ｄ）は酸化シリコン膜と酸化物層１０６ａとの界面近傍の拡大図である。
【００８２】
図８および図９より、酸化物層１０６ａおよび酸化物層１０６ｃは結晶性が低いことがわかった。また、酸化物半導体層１０６ｂは、酸化物層１０６ａとの界面から酸化物層１０６ｃとの界面まで全領域に渡って高い結晶性を有する結晶質であることがわかった。なお、酸化物半導体層１０６ｂの結晶部の原子配列は、酸化物半導体層１０６ｂの上面と平行な面に並んだ層状の配列を形成することがわかった。また、酸化物半導体層１０６ｂの結晶部と結晶部の間に明確な結晶粒界は見られなかった。また、図９の酸化物半導体層１０６ｂは、図８の酸化物半導体層１０６ｂと比べて結晶性が高いことがわかった。
【００８３】
酸化物半導体層１０６ｂが結晶質であったことは、図２に示したＴｏＦ−ＳＩＭＳの結果とも適合する。即ち、酸化物層１０６ａおよび酸化物層１０６ｃによって酸化物半導体層１０６ｂへのシリコンの混入が少なくなり、酸化物半導体層１０６ｂの結晶性の低下が起こらなかったと考えられる。
【００８４】
このように、チャネルが形成される酸化物半導体層１０６ｂが高い結晶性を有し、かつ不純物や欠陥などに起因する準位が少ないと考えられるため、多層膜１０６を用いたトランジスタは安定した電気特性を有することがわかる。
【００８５】
ここでは、高い結晶性を有する酸化物半導体層１０６ｂの結晶成長のモデルについて、図１０を用いて説明する。
【００８６】
結晶粒の一部が劈開面から粒子として剥離し、プラズマに曝されることで原子間の結合の弱い部分から結合が切れ、複数のスパッタリング粒子が生成される。
【００８７】
イオンとして酸素の陽イオンを用いることで、成膜時のプラズマダメージを軽減することができる。従って、イオンがターゲットの表面に衝突した際に、ターゲットの結晶性が低下することを抑制できる。
【００８８】
ここで、高い配向性を有する多結晶酸化物半導体を含むターゲットの一例として、図１０（Ａ）に、結晶のａ−ｂ面と平行に見たときのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の結晶構造を示す。また、図１０（Ａ）において、破線で囲った部分を拡大し図１０（Ｂ）に示す。
【００８９】
例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物に含まれる結晶粒において、図１０（Ｂ）に示すガリウム原子または／および亜鉛原子ならびに酸素原子を有する第１の層と、ガリウム原子または／および亜鉛原子ならびに酸素原子を有する第２の層と、の間の面が劈開面である。これは、第１の層および第２の層の有するマイナスの電荷を有する酸素原子同士が近距離にあるためである（図１０（Ｂ）の囲み部参照。）。このように、劈開面はａ−ｂ面に平行な面である。また、図１０に示したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の結晶は六方晶であるため、前述の平板状の結晶粒は内角が１２０°である正六角形の面を有する六角柱状となりやすい。
【００９０】
スパッタリング粒子は、プラスに帯電させることが好ましい。スパッタリング粒子が、プラスに帯電するタイミングは特に問わないが、具体的にはイオンの衝突時に電荷を受け取ることでプラスに帯電させればよい。または、プラズマが生じている場合、スパッタリング粒子をプラズマに曝すことでプラスに帯電させればよい。または、酸素の陽イオンであるイオンをスパッタリング粒子の側面、上面または下面に結合させることでプラスに帯電させればよい。
【００９１】
スパッタリング粒子は、被成膜面に垂直な方向に結晶のｃ軸が揃っており、酸化物半導体層１０６ｂは、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）となる。
【００９２】
以上のような方法で高い配向性を有する多結晶酸化物半導体を含むターゲットを使用することで、厚さが均一であり、結晶の配向の揃った酸化物半導体層１０６ｂを成膜することができる。また、スパッタリング装置の詳細については、後述する。
【００９３】
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳは、完全な単結晶ではなく、完全な非晶質でもない。ＣＡＡＣ−ＯＳは、結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。
【００９４】
ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれる結晶部は、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳの被成膜面の法線ベクトルまたは上面の法線ベクトルに平行な方向に揃い、かつａ−ｂ面に垂直な方向から見て三角形状または六角形状の原子配列を有し、ｃ軸に垂直な方向から見て金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に配列している。なお、異なる結晶部間で、それぞれａ軸およびｂ軸の向きが異なっていてもよい。本明細書において、単に垂直と記載する場合、８５°以上９５°以下の範囲も含まれることとする。また、単に平行と記載する場合、−５°以上５°以下の範囲も含まれることとする。
【００９５】
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳにおいて、結晶部の分布が一様でなくてもよい。例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳの結晶部は、被成膜面の近傍に対し上面の近傍では結晶部の占める割合が高くなることがある。また、ＣＡＡＣ−ＯＳへ不純物を添加することにより、当該不純物添加領域において結晶性が低下することもある。
【００９６】
ＣＡＡＣ−ＯＳを用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。よって、当該トランジスタは、安定した電気特性を有する。
【００９７】
多層膜１０６中の局在準位密度を低減することで、多層膜１０６を用いたトランジスタに安定した電気特性を付与することができる。本項では、多層膜１０６の局在準位密度について、一定光電流測定法（ＣＰＭ：Ｃｏｎｓｔａｎｔ  Ｐｈｏｔｏｃｕｒｒｅｎｔ  Ｍｅｔｈｏｄ）によって評価した。
【００９８】
なお、トランジスタに安定した電気特性を付与するためには、多層膜１０６中のＣＰＭ測定で得られる局在準位密度による吸収係数は、１×１０−３ｃｍ−１未満、好ましくは３×１０−４ｃｍ−１未満とすればよい。
【００９９】
ＣＰＭ測定を行った試料について以下に説明する。
【０１００】
酸化物層１０６ａは、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子数比］）であるターゲットを用いて、スパッタリング法にて成膜した酸化物層である。なお、成膜ガスとしてアルゴンガスを３０ｓｃｃｍ、酸素ガスを１５ｓｃｃｍ用い、圧力を０．４Ｐａとし、基板の温度を２００℃とし、ＤＣ電力を０．５ｋＷ印加することで成膜した。
【０１０１】
また、酸化物半導体層１０６ｂは、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］）であるターゲットを用いて、スパッタリング法にて成膜した酸化物半導体層である。なお、成膜ガスとしてアルゴンガスを３０ｓｃｃｍ、酸素ガスを１５ｓｃｃｍ用い、圧力を０．４Ｐａとし、基板の温度を２００℃とし、ＤＣ電力を０．５ｋＷ印加することで成膜した。
【０１０２】
また、酸化物層１０６ｃは、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子数比］）であるターゲットを用いて、スパッタリング法にて成膜した酸化物層である。なお、成膜ガスとしてアルゴンガスを３０ｓｃｃｍ、酸素ガスを１５ｓｃｃｍ用い、圧力を０．４Ｐａとし、基板の温度を２００℃とし、ＤＣ電力を０．５ｋＷ印加することで成膜した。
【０１０３】
ここで、ＣＰＭ測定の精度を高めるため、多層膜１０６はある程度の厚さが必要となる。具体的には、多層膜１０６に含まれる酸化物層１０６ａの厚さを３０ｎｍ、酸化物半導体層１０６ｂの厚さを１００ｎｍ、酸化物層１０６ｃの厚さを３０ｎｍとした。
【０１０４】
ＣＰＭ測定では、試料である多層膜１０６に接して設けられた第１の電極および第２の電極間に電圧を印加した状態で光電流値が一定となるように端子間の試料面に照射する光量を調整し、照射光量から吸収係数を導出することを各波長にて行うものである。ＣＰＭ測定において、試料に欠陥があるとき、欠陥の存在する準位に応じたエネルギー（波長より換算）における吸収係数が増加する。この吸収係数の増加分に定数を掛けることにより、試料の欠陥密度を導出することができる。
【０１０５】
図１１（Ａ）に、分光光度計によって測定した吸収係数（破線）と、ＣＰＭによって測定した吸収係数（実線）とを多層膜１０６の各層のエネルギーギャップ以上のエネルギー範囲において、フィッティングした結果を示す。なお、ＣＰＭによって測定した吸収係数より得られたアーバックエネルギーは７８．７ｍｅＶであった。図１１（Ａ）の破線丸で囲んだエネルギー範囲においてＣＰＭによって測定した吸収係数からバックグラウンド（点線）を差し引き、当該エネルギー範囲における吸収係数の積分値を導出した（図１１（Ｂ）参照。）。その結果、本試料の局在準位密度による吸収係数は、２．０２×１０−４ｃｍ−１であることがわかった。
【０１０６】
ここで得られた局在準位密度は、不純物や欠陥に起因する準位と考えられる。従って、多層膜１０６は、不純物や欠陥に起因する準位が極めて少ないことがわかった。即ち、多層膜１０６を用いたトランジスタは安定した電気特性を有することがわかる。
【０１０７】
以下に、結晶性の高い酸化物半導体層１０６ｂを成膜するための成膜装置について説明する。
【０１０８】
まずは、成膜時に不純物の入り込みが少ない成膜装置の構成について図１２を用いて説明する。
【０１０９】
図１２（Ａ）は、マルチチャンバーの成膜装置である。該成膜装置は、基板を収容するカセットポート１４を３つ有する基板供給室１１と、ロードロック室１２ａおよびロードロック室１２ｂと、搬送室１３と、基板加熱室１５と、成膜室１０ａと、成膜室１０ｂと、成膜室１０ｃと、を有する。基板供給室１１は、ロードロック室１２ａおよびロードロック室１２ｂと接続する。ロードロック室１２ａおよびロードロック室１２ｂは、搬送室１３と接続する。基板加熱室１５、成膜室１０ａ、成膜室１０ｂおよび成膜室１０ｃは、搬送室１３とのみ接続する。各室の接続部にはゲートバルブが設けられており、各室を独立して真空状態に保持することができる。図示しないが、搬送室１３は一以上の基板搬送ロボットを有する。ここで、基板加熱室１５は、プラズマ処理室を兼ねると好ましい。マルチチャンバーの成膜装置は、処理と処理の間で基板を大気暴露することなく搬送可能なため、基板に不純物が吸着することを抑制できる。また、成膜や熱処理などの順番を自由に構築することができる。なお、成膜室、ロードロック室および基板加熱室の数は、上述の数に限定されるわけではなく、設置スペースやプロセスに併せて適宜決めればよい。
【０１１０】
図１３を用いて図１２（Ａ）に示す成膜室（スパッタリング室）の排気について説明する。成膜室１０は、ターゲット３２と、ターゲットを支持するターゲットホルダ３４と、を有する。
【０１１１】
図１３に示す成膜室１０はゲートバルブを介して、搬送室１３と接続しており、搬送室１３はゲートバルブを介してカセットポート１４と接続されている。
【０１１２】
図１３に示す成膜室１０は、マスフローコントローラ６０を介して精製機５４と接続される。なお、精製機５４およびマスフローコントローラ６０は、ガス種の数だけ設けられるが、簡単のため一つのみを示し、残りを省略する。成膜室１０などに導入されるガスは、露点が−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下であるガスを用いる。露点の低い酸素ガス、希ガス（アルゴンガスなど）などを用いることで、成膜時に混入する水分を低減することができる。
【０１１３】
図１３に示す成膜室１０は、バルブを介してクライオポンプ５８ａと接続される。
【０１１４】
図１３に示す搬送室１３は、バルブを介してクライオポンプ５８ｂと接続される。
【０１１５】
図１３に示すカセットポート１４は、バルブを介して真空ポンプ５９と接続される。
【０１１６】
なお、真空ポンプ５９は、例えば、ドライポンプおよびメカニカルブースターポンプが直列に接続されたものとすればよい。この場合、真空ポンプ５９のメカニカルブースターポンプが、成膜室１０および搬送室１３とそれぞれバルブを介して接続されている。このような構成とすることで、大気圧から低真空（０．１Ｐａ〜１０Ｐａ程度）までは真空ポンプ５９を用いて排気し、バルブを切り替えて低真空から高真空（１×１０−４Ｐａ〜１×１０−７Ｐａ）まではクライオポンプ５８ａまたはクライオポンプ５８ｂを用いて排気することができる。
【０１１７】
同様に、図１４を用いて図１２（Ａ）に示す成膜室の一例の排気について説明する。
【０１１８】
図１４に示す成膜室１０はゲートバルブを介して、搬送室１３と接続しており、搬送室１３はゲートバルブを介してカセットポート１４と接続されている。
【０１１９】
図１４に示す成膜室１０は、ガス加熱機構６２を介してマスフローコントローラ６０と接続され、ガス加熱機構６２はマスフローコントローラ６０を介して精製機５４と接続される。ガス加熱機構６２により、成膜室１０に導入されるガスを４０℃以上４００℃以下、好ましくは５０℃以上２００℃以下に加熱することができる。なお、ガス加熱機構６２、精製機５４およびマスフローコントローラ６０は、ガス種の数だけ設けられるが、簡単のため一つのみを示し、残りを省略する。
【０１２０】
図１４に示す成膜室１０は、バルブを介してターボ分子ポンプ５８ｃと接続される。なお、ターボ分子ポンプ５８ｃは、補助ポンプとしてバルブを介して真空ポンプ５９ａが設けられる。真空ポンプ５９ａは真空ポンプ５９と同様の構成とすればよい。
【０１２１】
また、図１４に示す成膜室１０は、クライオトラップ６６が設けられる。
【０１２２】
ターボ分子ポンプ５８ｃは大きいサイズの分子を安定して排気し、かつメンテナンスの頻度が低いため、生産性に優れる一方、水素や水の排気能力が低いことが知られる。そこで、水などの比較的融点の高い分子に対する排気能力が高い、クライオトラップ６６が成膜室１０に接続された構成としている。クライオトラップ６６の冷凍機の温度は１００Ｋ以下、好ましくは８０Ｋ以下とする。また、クライオトラップ６６が複数の冷凍機を有する場合、冷凍機ごとに温度を変えると、効率的に排気することが可能となるため好ましい。例えば、１段目の冷凍機の温度を１００Ｋ以下とし、２段目の冷凍機の温度を２０Ｋ以下とすればよい。
【０１２３】
図１４に示す搬送室１３は、クライオポンプ５８ｄおよびクライオポンプ５８ｅとそれぞれバルブを介して接続される。クライオポンプが１台の場合、クライオポンプをリジェネしている間は排気することができないが、クライオポンプを２台以上並列に接続することで、１台がリジェネ中であっても残りのクライオポンプを使って排気することが可能となる。なお、クライオポンプのリジェネとは、クライオポンプ内にため込まれた分子を放出する処理をいう。クライオポンプは、分子をため込みすぎると排気能力が低下してくるため、定期的にリジェネが行われる。
【０１２４】
図１４に示すカセットポート１４は、クライオポンプ５８ｆおよび真空ポンプ５９ｃとそれぞれバルブを介して接続される。
【０１２５】
真空ポンプ５９ｂは、成膜室１０および搬送室１３とそれぞれバルブを介して接続されている。なお、真空ポンプ５９ｂは真空ポンプ５９と同様の構成とすればよい。
【０１２６】
成膜室１０に、対向ターゲット式スパッタリング装置を適用してもよい。具体的なターゲット、マグネットおよび基板ホルダの位置関係を図１３、１４を用いて説明する。
【０１２７】
なお、成膜室１０に、平行平板型スパッタリング装置、イオンビームスパッタリング装置を適用しても構わない。
【０１２８】
次に、図１５を用いて図１２（Ａ）に示す基板加熱室の一例の排気について説明する。
【０１２９】
図１５に示す基板加熱室１５はゲートバルブを介して、搬送室１３と接続している。なお、搬送室１３はゲートバルブを介してロードロック室と接続されているが、省略する。また、ロードロック室の排気は図１４と同様である。
【０１３０】
図１５に示す基板加熱室１５は、マスフローコントローラ６０を介して精製機５４と接続される。なお、精製機５４およびマスフローコントローラ６０は、ガス種の数だけ設けられるが、簡単のため一つのみを示し、残りを省略する。
【０１３１】
図１５に示す基板加熱室１５は、バルブを介して真空ポンプ５９ｂと接続される。
【０１３２】
基板加熱室１５は、複数の基板を設置可能なステージを有しても構わない。また、基板加熱室１５は、例えば、抵抗発熱体などを用いて加熱してもよい。または、加熱されたガスなどの媒体からの熱伝導または熱輻射によって、加熱しても用いてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ  Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ  Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）などのＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）を用いることができる。ＬＲＴＡは、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する。ＧＲＴＡは、高温のガスを用いて熱処理を行う。ガスとしては、不活性ガスが用いられる。
【０１３３】
なお、成膜室１０および基板加熱室１５の背圧は、１×１０−４Ｐａ以下、好ましくは３×１０−５Ｐａ以下、さらに好ましくは１×１０−５Ｐａ以下である。
【０１３４】
また、成膜室１０および基板加熱室１５は、質量電荷比（ｍ／ｚ）が１８である気体分子（原子）の分圧が３×１０−５Ｐａ以下、好ましくは１×１０−５Ｐａ以下、さらに好ましくは３×１０−６Ｐａ以下である。
【０１３５】
また、成膜室１０および基板加熱室１５は、ｍ／ｚが２８である気体分子（原子）の分圧が３×１０−５Ｐａ以下、好ましくは１×１０−５Ｐａ以下、さらに好ましくは３×１０−６Ｐａ以下である。
【０１３６】
また、成膜室１０および基板加熱室１５は、ｍ／ｚが４４である気体分子（原子）の分圧が３×１０−５Ｐａ以下、好ましくは１×１０−５Ｐａ以下、さらに好ましくは３×１０−６Ｐａ以下である。
【０１３７】
なお、成膜室１０および基板加熱室１５は、リークレートが３×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下、好ましくは１×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下である。
【０１３８】
また、成膜室１０および基板加熱室１５は、ｍ／ｚが１８である気体分子（原子）のリークレートが１×１０−７Ｐａ・ｍ３／ｓ以下、好ましくは３×１０−８Ｐａ・ｍ３／ｓ以下である。
【０１３９】
また、成膜室１０および基板加熱室１５は、ｍ／ｚが２８である気体分子（原子）のリークレートが１×１０−５Ｐａ・ｍ３／ｓ以下、好ましくは１×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下である。
【０１４０】
また、成膜室１０および基板加熱室１５は、ｍ／ｚが４４である気体分子（原子）のリークレートが３×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下、好ましくは１×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下である。
【０１４１】
なお、全圧および分圧は質量分析計を用いて測定することができる。例えば、株式会社アルバック製四重極型質量分析計（Ｑ−ｍａｓｓともいう。）Ｑｕｌｅｅ  ＣＧＭ−０５１を用いればよい。なお、リークレートに関しては、前述の質量分析計を用いて測定した全圧および分圧から導出すればよい。
【０１４２】
リークレートは、外部リークおよび内部リークに依存する。外部リークは、微小な穴やシール不良などによって真空系外から気体が流入することである。内部リークは、真空系内のバルブなどの仕切りからの漏れや内部の部材からの放出ガスに起因する。リークレートを上述の数値以下とするために、外部リークおよび内部リークの両面から対策をとる必要がある。
【０１４３】
例えば、成膜室の開閉部分はメタルガスケットでシールするとよい。メタルガスケットは、フッ化鉄、酸化アルミニウム、または酸化クロムによって被覆された金属を用いると好ましい。メタルガスケットはＯリングと比べ密着性が高く、外部リークを低減できる。また、フッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどによって被覆された金属の不動態を用いることで、メタルガスケットから放出される不純物を含む放出ガスが抑制され、内部リークを低減することができる。
【０１４４】
成膜装置を構成する部材として、不純物を含む放出ガスの少ないアルミニウム、クロム、チタン、ジルコニウム、ニッケルまたはバナジウムを用いる。また、前述の部材を鉄、クロムおよびニッケルなどを含む合金に被覆して用いてもよい。鉄、クロムおよびニッケルなどを含む合金は、剛性があり、熱に強く、また加工に適している。ここで、表面積を小さくするために部材の表面凹凸を研磨などによって低減しておくと、放出ガスを低減できる。
【０１４５】
または、前述の成膜装置の部材をフッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどで被覆してもよい。
【０１４６】
成膜装置の部材は、極力金属のみで構成することが好ましく、例えば石英などで構成される覗き窓などを設置する場合も、放出ガスを抑制するために表面をフッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどで薄く被覆するとよい。
【０１４７】
なお、成膜ガスを導入する直前に精製機を設ける場合、精製機から成膜室までの配管の長さを１０ｍ以下、好ましくは５ｍ以下、さらに好ましくは１ｍ以下とする。配管の長さを１０ｍ以下、５ｍ以下または１ｍ以下とすることで、配管からの放出ガスの影響を長さに応じて低減できる。
【０１４８】
さらに、成膜ガスの配管には、フッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどで内部が被覆された金属配管を用いるとよい。前述の配管は、例えばＳＵＳ３１６Ｌ−ＥＰ配管と比べ、不純物を含むガスの放出量が少なく、成膜ガスへの不純物の入り込みを低減できる。また、配管の継手には、高性能超小型メタルガスケット継手（ＵＰＧ継手）を用いるとよい。また、配管を全て金属で構成することで、樹脂等を用いた場合と比べ、生じる放出ガスおよび外部リークの影響を低減できて好ましい。
【０１４９】
成膜室に存在する吸着物は、内壁などに吸着しているために成膜室の圧力に影響しないが、成膜室を排気した際のガス放出の原因となる。そのため、リークレートと排気速度に相関はないものの、排気能力の高いポンプを用いて、成膜室に存在する吸着物をできる限り脱離し、あらかじめ排気しておくことは重要である。なお、吸着物の脱離を促すために、成膜室をベーキングしてもよい。ベーキングすることで吸着物の脱離速度を１０倍程度大きくすることができる。ベーキングは１００℃以上４５０℃以下で行えばよい。このとき、不活性ガスを成膜室に導入しながら吸着物の除去を行うと、排気するだけでは脱離しにくい水などの脱離速度をさらに大きくすることができる。なお、導入する不活性ガスをベーキングの温度と同程度に加熱することで、吸着物の脱離速度をさらに高めることができる。ここで不活性ガスとして希ガスを用いると好ましい。また、成膜する膜種によっては不活性ガスの代わりに酸素などを用いても構わない。例えば、酸化物半導体層を成膜する場合は、主成分である酸素を用いた方が好ましい場合もある。
【０１５０】
または、加熱した希ガスなどの不活性ガスまたは酸素などを導入することで成膜室内の圧力を高め、一定時間経過後に再び成膜室を排気する処理を行うと好ましい。加熱したガスの導入により成膜室内の吸着物を脱離させることができ、成膜室内に存在する不純物を低減することができる。なお、この処理は２回以上３０回以下、好ましくは５回以上１５回以下の範囲で繰り返し行うと効果的である。具体的には、温度が４０℃以上４００℃以下、好ましくは５０℃以上２００℃以下である不活性ガスまたは酸素などを導入することで成膜室内の圧力を０．１Ｐａ以上１０ｋＰａ以下、好ましくは１Ｐａ以上１ｋＰａ以下、さらに好ましくは５Ｐａ以上１００Ｐａ以下とし、圧力を保つ期間を１分以上３００分以下、好ましくは５分以上１２０分以下とすればよい。その後、成膜室を５分以上３００分以下、好ましくは１０分以上１２０分以下の期間排気する。
【０１５１】
また、ダミー成膜を行うことでも吸着物の脱離速度をさらに高めることができる。ダミー成膜とは、ダミー基板に対してスパッタリング法などによる成膜を行うことで、ダミー基板および成膜室内壁に膜を堆積させ、成膜室内の不純物および成膜室内壁の吸着物を膜中に閉じこめることをいう。ダミー基板は、放出ガスの少ない基板が好ましく、例えば後述する基板１００と同様の基板を用いてもよい。ダミー成膜を行うことで、後に成膜される膜中の不純物濃度を低減することができる。なお、ダミー成膜はベーキングと同時に行ってもよい。
【０１５２】
図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）と構成の異なるマルチチャンバーの成膜装置である。該成膜装置は、カセットポート２４を有する基板供給室２１と、搬送室２３と、基板加熱室２５と、成膜室２０ａと、成膜室２０ｂと、成膜室２０ｃと、成膜室２０ｄと、を有する。基板供給室２１、基板加熱室２５、成膜室２０ａ、成膜室２０ｂ、成膜室２０ｃおよび成膜室２０ｄは、搬送室２３を介してそれぞれ接続される。各室の接続部にはゲートバルブが設けられており、各室を独立して真空状態に保持することができる。なお、成膜室２０ａ、成膜室２０ｂ、成膜室２０ｃおよび成膜室２０ｄは、図１２（Ａ）の成膜室１０ａ、成膜室１０ｂおよび成膜室１０ｃと同様の構成とする。また、基板加熱室２５は、図１２（Ａ）の基板加熱室１５と同様の構成とする。基板は図１２（Ｂ）に示す矢印の一方向にのみ搬送され、基板の搬入口と搬出口が異なる。
【０１５３】
以上の成膜装置を用いて、酸化物半導体層を成膜することで、酸化物半導体層への不純物の入り込みを抑制できる。さらには、以上の成膜装置を用いて、酸化物半導体層に接する膜を成膜することで、酸化物半導体層に接する膜から酸化物半導体層へ不純物の入り込みを抑制できる。
【０１５４】
次に、上述した成膜装置を用いたＣＡＡＣ−ＯＳの成膜方法について説明する。
【０１５５】
ターゲットは、表面温度が１００℃以下、好ましくは５０℃以下、さらに好ましくは室温程度（代表的には２０℃または２５℃）とする。大面積の基板に対応するスパッタリング装置では大面積のターゲットを用いることが多い。ところが、大面積に対応した大きさのターゲットをつなぎ目なく作製することは困難である。現実には複数のターゲットをなるべく隙間のないように並べて大きな形状としているが、どうしても僅かな隙間が生じてしまう。こうした僅かな隙間から、ターゲットの表面温度が高まることでＺｎなどが揮発し、徐々に隙間が広がっていくことがある。隙間が広がると、バッキングプレートや接着に用いている金属がスパッタリングされることがあり、不純物濃度を高める要因となる。従って、ターゲットは、十分に冷却されていることが好ましい。
【０１５６】
具体的には、バッキングプレートとして、高い導電性および高い放熱性を有する金属（具体的にはＣｕ）を用いる。また、バッキングプレート内に水路を形成し、水路に十分な量の冷却水を流すことで、効率的にターゲットを冷却できる。ここで、十分な量の冷却水は、ターゲットの大きさにもよるが、例えば直径が３００ｍｍである正円形のターゲットの場合、３Ｌ／ｍｉｎ以上、５Ｌ／ｍｉｎ以上または１０Ｌ／ｍｉｎ以上とすればよい。
【０１５７】
ＣＡＡＣ−ＯＳは、基板加熱温度を１００℃以上６００℃以下、好ましくは１５０℃以上５５０℃以下、さらに好ましくは２００℃以上５００℃以下とし、酸素ガス雰囲気で成膜する。ＣＡＡＣ−ＯＳの厚さは、１ｎｍ以上４０ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上２０ｎｍ以下とする。成膜時の基板加熱温度が高いほど、得られるＣＡＡＣ−ＯＳの不純物濃度は低くなる。また、被成膜面でスパッタリング粒子のマイグレーションが起こりやすくなるため、原子配列が整い、高密度化され、結晶性の高いＣＡＡＣ−ＯＳが成膜されやすくなる。さらに、酸素ガス雰囲気で成膜することで、プラズマダメージが軽減され、また希ガスなどの余分な原子が含まれないため、結晶性の高いＣＡＡＣ−ＯＳが成膜されやすくなる。ただし、酸素ガスと希ガスの混合雰囲気としてもよく、その場合は酸素ガスの割合は３０体積％以上、好ましくは５０体積％以上、より好ましくは８０体積％以上、さらに好ましくは１００体積％とする。
【０１５８】
なお、ターゲットがＺｎを含む場合、酸素ガス雰囲気で成膜することにより、プラズマダメージが軽減され、Ｚｎの揮発が起こりにくいＣＡＡＣ−ＯＳを得ることができる。
【０１５９】
ＣＡＡＣ−ＯＳは、成膜圧力を０．８Ｐａ以下、好ましくは０．４Ｐａ以下とし、ターゲットと基板との距離を４０ｍｍ以下、好ましくは２５ｍｍ以下として成膜する。このような条件でＣＡＡＣ−ＯＳを成膜することで、スパッタリング粒子と、別のスパッタリング粒子、ガス分子またはイオンとが衝突する頻度を下げることができる。即ち、成膜圧力に応じてターゲットと基板との距離をスパッタリング粒子、ガス分子またはイオンの平均自由行程よりも小さくすることで膜中に取り込まれる不純物濃度を低減できる。
【０１６０】
例えば、圧力を０．４Ｐａ、温度を２５℃（絶対温度を２９８Ｋ）とした場合における平均自由行程は、水素分子（Ｈ２）が４８．７ｍｍ、ヘリウム原子（Ｈｅ）が５７．９ｍｍ、水分子（Ｈ２Ｏ）が３１．３ｍｍ、メタン分子（ＣＨ４）が１３．２ｍｍ、ネオン原子（Ｎｅ）が４２．３ｍｍ、窒素分子（Ｎ２）が２３．２ｍｍ、一酸化炭素分子（ＣＯ）が１６．０ｍｍ、酸素分子（Ｏ２）が２６．４ｍｍ、アルゴン原子（Ａｒ）が２８．３ｍｍ、二酸化炭素分子（ＣＯ２）が１０．９ｍｍ、クリプトン原子（Ｋｒ）が１３．４ｍｍ、キセノン原子（Ｘｅ）が９．６ｍｍである。なお、圧力が２倍になれば平均自由行程は２分の１になり、絶対温度が２倍になれば平均自由行程は２倍になる。
【０１６１】
平均自由行程は、圧力、温度および分子（原子）の直径から決まる。圧力および温度を一定とした場合は、分子（原子）の直径が大きいほど平均自由行程は短くなる。なお、各分子（原子）の直径は、Ｈ２が０．２１８ｎｍ、Ｈｅが０．２００ｎｍ、Ｈ２Ｏが０．２７２ｎｍ、ＣＨ４が０．４１９ｎｍ、Ｎｅが０．２３４ｎｍ、Ｎ２が０．３１６ｎｍ、ＣＯが０．３８０ｎｍ、Ｏ２が０．２９６ｎｍ、Ａｒが０．２８６ｎｍ、ＣＯ２が０．４６０ｎｍ、Ｋｒが０．４１５ｎｍ、Ｘｅが０．４９１ｎｍである。
【０１６２】
従って、分子（原子）の直径が大きいほど、平均自由行程が短くなり、かつ膜中に取り込まれた際には、分子（原子）の直径が大きいために結晶化度を低下させる。そのため、例えば、Ａｒ以上の直径を有する分子（原子）は不純物になりやすいといえる。
【０１６３】
次に、加熱処理を行う。加熱処理は、減圧下、不活性雰囲気または酸化性雰囲気で行う。加熱処理により、ＣＡＡＣ−ＯＳ中の不純物濃度を低減することができる。
【０１６４】
加熱処理は、減圧下または不活性雰囲気で加熱処理を行った後、温度を保持しつつ酸化性雰囲気に切り替えてさらに加熱処理を行うと好ましい。これは、減圧下または不活性雰囲気にて加熱処理を行うと、ＣＡＡＣ−ＯＳ中の不純物濃度を低減することができるが、同時に酸素欠損も生じてしまうためであり、このとき生じた酸素欠損を、酸化性雰囲気での加熱処理により低減することができる。
【０１６５】
ＣＡＡＣ−ＯＳは、成膜時の基板加熱に加え、加熱処理を行うことで、膜中の不純物濃度を低減することが可能となる。
【０１６６】
具体的には、ＣＡＡＣ−ＯＳ中の水素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、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、さらに好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることができる。
【０１６７】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ中の窒素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることができる。
【０１６８】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ中の炭素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることができる。
【０１６９】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ＴＤＳ分析によるｍ／ｚが２（水素分子など）である気体分子（原子）、ｍ／ｚが１８である気体分子（原子）、ｍ／ｚが２８である気体分子（原子）およびｍ／ｚが４４である気体分子（原子）の放出量が、それぞれ１×１０１９個／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１８個／ｃｍ３以下とすることができる。
【０１７０】
なお、ＴＤＳ分析にて放出量を測定する方法については、後述の酸素原子の放出量の測定方法についての記載を参照する。
【０１７１】
以上のようにして、結晶性の高いＣＡＡＣ−ＯＳを成膜することができる。
【０１７２】
以下では、多層膜１０６を用いたトランジスタについて説明する。
【０１７３】
ここでは、ボトムゲート型トランジスタの一種であるボトムゲートトップコンタクト構造（ＢＧＴＣ構造）のトランジスタについて図１６を用いて説明する。
【０１７４】
図１６に、ＢＧＴＣ構造であるトランジスタの上面図および断面図を示す。図１６（Ａ）は、トランジスタの上面図を示す。図１６（Ａ）において、一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図を図１６（Ｂ）に示す。また、図１６（Ａ）において、一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図を図１６（Ｃ）に示す。
【０１７５】
図１６（Ｂ）に示すトランジスタは、基板１００上に設けられたゲート電極１０４と、ゲート電極１０４上に設けられたゲート絶縁膜１１２と、ゲート絶縁膜１１２上に設けられた酸化物層１０６ａ、酸化物層１０６ａ上に設けられた酸化物半導体層１０６ｂ、および酸化物半導体層１０６ｂ上に設けられた酸化物層１０６ｃを含む多層膜１０６と、ゲート絶縁膜１１２および多層膜１０６上に設けられたソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂと、多層膜１０６、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂ上に設けられた保護絶縁膜１１８と、を有する。
【０１７６】
なお、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂは、酸化物半導体層１０６ｂの側端部と接して設けられる。
【０１７７】
また、図１６（Ｂ）に示すように、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂに用いる導電膜の種類によっては、酸化物層１０６ｃの一部から酸素を奪い、ソース領域１０６ｄおよびドレイン領域１０６ｅを形成することがある。
【０１７８】
図１６（Ａ）において、ゲート電極１０４と重なる領域において、ソース電極１１６ａとドレイン電極１１６ｂとの間隔をチャネル長という。ただし、トランジスタが、ソース領域１０６ｄおよびドレイン領域１０６ｅを含む場合、ゲート電極１０４と重なる領域において、ソース領域１０６ｄとドレイン領域１０６ｅとの間隔をチャネル長といってもよい。
【０１７９】
なお、チャネル形成領域とは、多層膜１０６において、ゲート電極１０４と重なり、かつソース電極１１６ａとドレイン電極１１６ｂとに挟まれる領域をいう（図１６（Ｂ）参照。）。また、チャネルとは、チャネル形成領域において、電流が主として流れる領域をいう。ここでは、チャネルは、チャネル形成領域中の酸化物半導体層１０６ｂ部分である。
【０１８０】
以下では、多層膜１０６、ならびに多層膜１０６を構成する酸化物層１０６ａ、酸化物半導体層１０６ｂおよび酸化物層１０６ｃについて説明する。なお、多層膜１０６については、他の項における記載も参照する。
【０１８１】
酸化物層１０６ａは、酸化物半導体層１０６ｂを構成する金属元素一種以上から構成され、伝導帯下端のエネルギーが酸化物半導体層１０６ｂよりも０．０５ｅＶ以上、０．０７ｅＶ以上、０．１ｅＶ以上または０．１５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、１ｅＶ以下、０．５ｅＶ以下または０．４ｅＶ以下真空準位に近い酸化物層である。なお、酸化物半導体層１０６ｂは少なくともインジウムを含むと、キャリア移動度が高くなるため好ましい。このとき、ゲート電極１０４に電界を印加すると、多層膜１０６のうち、伝導帯下端のエネルギーが小さい酸化物半導体層１０６ｂにチャネルが形成される。即ち、酸化物半導体層１０６ｂとゲート絶縁膜１１２との間に酸化物層１０６ａを有することによって、トランジスタのチャネルをゲート絶縁膜１１２と接しない酸化物半導体層１０６ｂに形成することができる。また、酸化物半導体層１０６ｂを構成する元素一種以上から酸化物層１０６ａが構成されるため、酸化物半導体層１０６ｂと酸化物層１０６ａ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。
【０１８２】
酸化物層１０６ａは、例えば、アルミニウム、シリコン、チタン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、スズ、ランタン、セリウムまたはハフニウムを酸化物半導体層１０６ｂよりも高い原子数比で含む酸化物層とすればよい。具体的には、酸化物層１０６ａとして、酸化物半導体層１０６ｂよりも前述の元素を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含む酸化物層を用いる。前述の元素は酸素と強く結合するため、酸素欠損が酸化物層１０６ａに生じることを抑制する機能を有する。即ち、酸化物層１０６ａは酸化物半導体層１０６ｂよりも酸素欠損が生じにくい酸化物層である。
【０１８３】
または、酸化物半導体層１０６ｂがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であり、酸化物層１０６ａもＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、酸化物層１０６ａをＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ１：ｚ１［原子数比］、酸化物半導体層１０６ｂをＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ２：ｙ２：ｚ２［原子数比］とすると、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２よりも大きくなる酸化物層１０６ａおよび酸化物半導体層１０６ｂを選択する。なお、元素ＭはＩｎよりも酸素との結合力が強い金属元素であり、例えばＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆなどが挙げられる。好ましくは、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２よりも１．５倍以上大きくなる酸化物層１０６ａおよび酸化物半導体層１０６ｂを選択する。さらに好ましくは、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２よりも２倍以上大きくなる酸化物層１０６ａおよび酸化物半導体層１０６ｂを選択する。より好ましくは、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２よりも３倍以上大きくなる酸化物層１０６ａおよび酸化物半導体層１０６ｂを選択する。このとき、酸化物半導体層１０６ｂにおいて、ｙ１がｘ１以上であると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、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と同じか３倍未満であると好ましい。
【０１８４】
酸化物層１０６ａの厚さは、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。また、酸化物半導体層１０６ｂの厚さは、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。
【０１８５】
また、酸化物層１０６ｃは、酸化物半導体層１０６ｂを構成する金属元素一種以上から構成され、伝導帯下端のエネルギーが酸化物半導体層１０６ｂよりも０．０５ｅＶ以上、０．０７ｅＶ以上、０．１ｅＶ以上または０．１５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、１ｅＶ以下、０．５ｅＶ以下または０．４ｅＶ以下真空準位に近い酸化物層である。酸化物半導体層１０６ｂを構成する元素一種以上から酸化物層１０６ｃが構成されるため、酸化物半導体層１０６ｂと酸化物層１０６ｃとの界面に界面準位を形成しにくい。該界面が界面準位を有すると、該界面をチャネルとしたしきい値電圧の異なる第２のトランジスタが形成され、トランジスタの見かけ上のしきい値電圧が変動することがある。従って、酸化物層１０６ｃを設けることにより、トランジスタのしきい値電圧などの電気特性のばらつきを低減することができる。
【０１８６】
例えば、酸化物層１０６ｃは、アルミニウム、シリコン、チタン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、スズ、ランタン、セリウムまたはハフニウムを酸化物半導体層１０６ｂよりも高い原子数比で含む酸化物層とすればよい。具体的には、酸化物層１０６ｃとして、酸化物半導体層１０６ｂよりも前述の元素を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含む酸化物層を用いる。前述の元素は酸素と強く結合するため、酸素欠損が酸化物層１０６ｃに生じることを抑制する機能を有する。即ち、酸化物層１０６ｃは酸化物半導体層１０６ｂよりも酸素欠損が生じにくい酸化物層である。
【０１８７】
または、酸化物半導体層１０６ｂがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であり、酸化物層１０６ｃもＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、酸化物半導体層１０６ｂをＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ２：ｙ２：ｚ２［原子数比］、酸化物層１０６ｃをＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ３：ｙ３：ｚ３［原子数比］とすると、ｙ３／ｘ３がｙ２／ｘ２よりも大きくなる酸化物半導体層１０６ｂおよび酸化物層１０６ｃを選択する。なお、元素ＭはＩｎよりも酸素との結合力が強い金属元素であり、例えばＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆなどが挙げられる。好ましくは、ｙ３／ｘ３がｙ２／ｘ２よりも１．５倍以上大きくなる酸化物半導体層１０６ｂおよび酸化物層１０６ｃを選択する。さらに好ましくは、ｙ３／ｘ３がｙ２／ｘ２よりも２倍以上大きくなる酸化物半導体層１０６ｂおよび酸化物層１０６ｃを選択する。より好ましくは、ｙ３／ｘ３がｙ２／ｘ２よりも３倍以上大きくなる酸化物半導体層１０６ｂおよび酸化物層１０６ｃを選択する。このとき、酸化物半導体層１０６ｂにおいて、ｙ２がｘ２以上であると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、ｙ２がｘ２の３倍以上になると、トランジスタの電界効果移動度が低下してしまうため、ｙ２はｘ２と同じか３倍未満であると好ましい。
【０１８８】
酸化物層１０６ｃの厚さは、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。
【０１８９】
なお、酸化物層１０６ａ、酸化物半導体層１０６ｂおよび酸化物層１０６ｃは、結晶性の膜とする。好ましくは、酸化物層１０６ａは低い結晶性の膜とし、酸化物半導体層１０６ｂは高い結晶性の膜とし、酸化物層１０６ｃは結晶性の低い膜或いは結晶性の高い膜とする。チャネルが形成される酸化物半導体層１０６ｂを結晶性の高い膜とすることにより、トランジスタに安定した電気特性を付与することができる。
【０１９０】
以下では、トランジスタのその他の構成について説明する。
【０１９１】
基板１００に大きな制限はない。例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを、基板１００として用いてもよい。また、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などを適用することも可能であり、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板１００として用いてもよい。
【０１９２】
また、基板１００として、第５世代（１０００ｍｍ×１２００ｍｍまたは１３００ｍｍ×１５００ｍｍ）、第６世代（１５００ｍｍ×１８００ｍｍ）、第７世代（１８７０ｍｍ×２２００ｍｍ）、第８世代（２２００ｍｍ×２５００ｍｍ）、第９世代（２４００ｍｍ×２８００ｍｍ）、第１０世代（２８８０ｍｍ×３１３０ｍｍ）などの大型ガラス基板を用いる場合、半導体装置の作製工程における加熱処理などで生じる基板１００の縮みによって、微細な加工が困難になる場合ある。そのため、前述したような大型ガラス基板を基板１００として用いる場合、加熱処理による縮みの小さいものを用いることが好ましい。例えば、基板１００として、４００℃、好ましくは４５０℃、さらに好ましくは５００℃の温度で１時間加熱処理を行った後の縮み量が１０ｐｐｍ以下、好ましくは５ｐｐｍ以下、さらに好ましくは３ｐｐｍ以下である大型ガラス基板を用いればよい。
【０１９３】
また、基板１００として、可とう性基板を用いてもよい。なお、可とう性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可とう性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可とう性基板である基板１００に転置する方法もある。その場合には、非可とう性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。
【０１９４】
ゲート電極１０４は、アルミニウム、チタン、クロム、コバルト、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電膜を、単層で、または積層で用いればよい。
【０１９５】
なお、ゲート電極１０４は、図１６（Ａ）に示すように、多層膜１０６が内側に含まれるように設けられる。こうすることで、基板１００側から光が入射した際に、多層膜１０６中で光によってキャリアが生成されることを抑制することができる。ただし、ゲート電極１０４の外側まで多層膜１０６が形成されていても構わない。
【０１９６】
ゲート絶縁膜１１２は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を、単層で、または積層で用いればよい。
【０１９７】
ゲート絶縁膜１１２は、例えば、１層目を窒化シリコン層とし、２層目を酸化シリコン層とした多層膜とすればよい。この場合、酸化シリコン層は酸化窒化シリコン層でも構わない。また、窒化シリコン層は窒化酸化シリコン層でも構わない。酸化シリコン層は、欠陥密度の小さい酸化シリコン層を用いると好ましい。具体的には、電子スピン共鳴（ＥＳＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｉｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）にてｇ値が２．００１の信号に由来するスピンのスピン密度が３×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１６ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下である酸化シリコン層を用いる。酸化シリコン層は、過剰酸素を有する酸化シリコン層を用いると好ましい。窒化シリコン層は水素およびアンモニアの放出量が少ない窒化シリコン層を用いる。水素、アンモニアの放出量は、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：昇温脱離ガス分光法）分析にて測定すればよい。
【０１９８】
ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂは、アルミニウム、チタン、クロム、コバルト、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電膜を、単層で、または積層で用いればよい。なお、ソース電極１１６ａとドレイン電極１１６ｂは同一組成であってもよいし、異なる組成であってもよい。
【０１９９】
保護絶縁膜１１８は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を、単層で、または積層で用いればよい。
【０２００】
保護絶縁膜１１８は、例えば、１層目を酸化シリコン層とし、２層目を窒化シリコン層とした多層膜とすればよい。この場合、酸化シリコン層は酸化窒化シリコン層でも構わない。また、窒化シリコン層は窒化酸化シリコン層でも構わない。酸化シリコン層は、欠陥密度の小さい酸化シリコン層を用いると好ましい。具体的には、ＥＳＲにてｇ値が２．００１の信号に由来するスピンのスピン密度が３×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１６ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下である酸化シリコン層を用いる。窒化シリコン層は水素およびアンモニアの放出量が少ない窒化シリコン層を用いる。水素、アンモニアの放出量は、ＴＤＳ分析にて測定すればよい。また、窒化シリコン層は、酸素を透過しない、またはほとんど透過しない窒化シリコン層を用いる。
【０２０１】
または、保護絶縁膜１１８は、例えば、１層目を第１の酸化シリコン層１１８ａとし、２層目を第２の酸化シリコン層１１８ｂとし、３層目を窒化シリコン層１１８ｃとした多層膜とすればよい（図１６（Ｄ）参照。）。この場合、第１の酸化シリコン層１１８ａまたは／および第２の酸化シリコン層１１８ｂは酸化窒化シリコン層でも構わない。また、窒化シリコン層は窒化酸化シリコン層でも構わない。第１の酸化シリコン層１１８ａは、欠陥密度の小さい酸化シリコン層を用いると好ましい。具体的には、ＥＳＲにてｇ値が２．００１の信号に由来するスピンのスピン密度が３×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１６ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下である酸化シリコン層を用いる。第２の酸化シリコン層１１８ｂは、過剰酸素を有する酸化シリコン層を用いる。窒化シリコン層１１８ｃは水素およびアンモニアの放出量が少ない窒化シリコン層を用いる。また、窒化シリコン層は、酸素を透過しない、またはほとんど透過しない窒化シリコン層を用いる。
【０２０２】
過剰酸素を含む酸化シリコン層とは、加熱処理などによって酸素を放出することができる酸化シリコン層をいう。酸化シリコン層を絶縁膜に拡張すると、過剰酸素を有する絶縁膜は、加熱処理によって酸素を放出する機能を有する絶縁膜である。
【０２０３】
ここで、加熱処理によって酸素を放出する膜は、ＴＤＳ分析によって１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上または１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上の酸素（酸素原子数に換算）を放出することもある。
【０２０４】
ここで、ＴＤＳ分析を用いた酸素の放出量の測定方法について、以下に説明する。
【０２０５】
測定試料をＴＤＳ分析したときの気体の全放出量は、放出ガスのイオン強度の積分値に比例する。そして標準試料との比較により、気体の全放出量を計算することができる。
【０２０６】
例えば、標準試料である所定の密度の水素を含むシリコンウェハのＴＤＳ分析結果、および測定試料のＴＤＳ分析結果から、測定試料の酸素分子の放出量（ＮＯ２）は、数式（１）で求めることができる。ここで、ＴＤＳ分析で得られる質量数３２で検出されるガスの全てが酸素分子由来と仮定する。質量数３２のものとしてほかにＣＨ３ＯＨがあるが、存在する可能性が低いものとしてここでは考慮しない。また、酸素原子の同位体である質量数１７の酸素原子および質量数１８の酸素原子を含む酸素分子についても、自然界における存在比率が極微量であるため考慮しない。
【０２０７】
【数１】
2014078704.tif 000003
【０２０８】
ＮＨ２は、標準試料から脱離した水素分子を密度で換算した値である。ＳＨ２は、標準試料をＴＤＳ分析したときのイオン強度の積分値である。ここで、標準試料の基準値を、ＮＨ２／ＳＨ２とする。ＳＯ２は、測定試料をＴＤＳ分析したときのイオン強度の積分値である。αは、ＴＤＳ分析におけるイオン強度に影響する係数である。数式（１）の詳細に関しては、特開平６−２７５６９７公報を参照する。なお、上記酸素の放出量は、電子科学株式会社製の昇温脱離分析装置ＥＭＤ−ＷＡ１０００Ｓ／Ｗを用い、標準試料として１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２の水素原子を含むシリコンウェハを用いて測定した。
【０２０９】
また、ＴＤＳ分析において、酸素の一部は酸素原子として検出される。酸素分子と酸素原子の比率は、酸素分子のイオン化率から算出することができる。なお、上述のαは酸素分子のイオン化率を含むため、酸素分子の放出量を評価することで、酸素原子の放出量についても見積もることができる。
【０２１０】
なお、ＮＯ２は酸素分子の放出量である。酸素原子に換算したときの放出量は、酸素分子の放出量の２倍となる。
【０２１１】
または、加熱処理によって酸素を放出する膜は、過酸化ラジカルを含むこともある。具体的には、過酸化ラジカルに起因するスピン密度が、５×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以上であることをいう。なお、過酸化ラジカルを含む膜は、ＥＳＲにて、ｇ値が２．０１近傍に非対称の信号を有することもある。
【０２１２】
または、過剰酸素を含む絶縁膜は、酸素が過剰な酸化シリコン（ＳｉＯＸ（Ｘ＞２））であってもよい。酸素が過剰な酸化シリコン（ＳｉＯＸ（Ｘ＞２））は、シリコン原子数の２倍より多い酸素原子を単位体積当たりに含むものである。単位体積当たりのシリコン原子数および酸素原子数は、ラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ  Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により測定した値である。
【０２１３】
ゲート絶縁膜１１２および保護絶縁膜１１８の少なくとも一方が過剰酸素を含む絶縁膜である場合、酸化物半導体層１０６ｂの酸素欠損を低減することができる。
【０２１４】
以上のようにして構成されたトランジスタは、多層膜１０６の酸化物半導体層１０６ｂにチャネルが形成されることにより、安定した電気特性を有し、高い電界効果移動度を有する。
【０２１５】
ここで、トランジスタの作製方法について図１７および図１８を用いて説明する。
【０２１６】
まずは、基板１００を準備する。
【０２１７】
次に、ゲート電極１０４となる導電膜を成膜する。ゲート電極１０４となる導電膜の成膜は、ゲート電極１０４として示した導電膜を用いてスパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法、原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法またはパルスレーザ堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって行えばよい。
【０２１８】
次に、ゲート電極１０４となる導電膜の一部をエッチングし、ゲート電極１０４を形成する（図１７（Ａ）参照。）。
【０２１９】
次に、ゲート絶縁膜１１２を成膜する（図１７（Ｂ）参照。）。ゲート絶縁膜１１２の成膜は、ゲート絶縁膜１１２として示した絶縁膜を用いてスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法によって行えばよい。
【０２２０】
次に、酸化物層１０６ａとなる酸化物層を成膜する。酸化物層１０６ａとなる酸化物層の成膜は、酸化物層１０６ａとして示した酸化物層を用いてスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法によって行えばよい。
【０２２１】
次に、酸化物半導体層１０６ｂとなる酸化物半導体層を成膜する。酸化物半導体層１０６ｂの成膜方法については前項の記載を参照する。
【０２２２】
次に、酸化物層１０６ｃとなる酸化物層を成膜する。酸化物層１０６ｃとなる酸化物層の成膜は、酸化物層１０６ｃとして示した酸化物層を用いてスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法によって行えばよい。
【０２２３】
なお、酸化物層１０６ａとなる酸化物層、酸化物半導体層１０６ｂとなる酸化物半導体層および酸化物層１０６ｃとなる酸化物層は、大気曝露することなく連続で成膜すると、各界面に不純物が取り込まれることが少なくなり好ましい。
【０２２４】
次に、酸化物層１０６ａとなる酸化物層、酸化物半導体層１０６ｂとなる酸化物半導体層および酸化物層１０６ｃとなる酸化物層の一部をエッチングし、酸化物層１０６ａ、酸化物半導体層１０６ｂおよび酸化物層１０６ｃを含む多層膜１０６を形成する（図１７（Ｃ）参照。）。
【０２２５】
次に、第１の加熱処理を行うと好ましい。第１の加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下で行えばよい。第１の加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上もしくは１０％以上含む雰囲気、または減圧状態で行う。または、第１の加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。第１の加熱処理によって、酸化物半導体層１０６ｂの結晶性を高め、さらにゲート絶縁膜１１２または／および多層膜１０６から水素や水などの不純物を除去することができる。
【０２２６】
次に、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂとなる導電膜を成膜する。ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂとなる導電膜の成膜は、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂとして示した導電膜を用いてスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法によって行えばよい。
【０２２７】
次に、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂとなる導電膜の一部をエッチングし、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂを形成する（図１８（Ａ）参照。）。
【０２２８】
次に、第２の加熱処理を行うと好ましい。第２の加熱処理は、第１の加熱処理の記載を参照して行えばよい。第２の加熱処理により、多層膜１０６から水素や水などの不純物を除去することができる。なお、水も水素を含む化合物であるため、酸化物半導体層１０６ｂ中で不純物となり得る。
【０２２９】
次に、保護絶縁膜１１８を成膜する（図１８（Ｂ）参照。）。保護絶縁膜１１８の成膜は、保護絶縁膜１１８として示した絶縁膜を用いてスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法によって行えばよい。
【０２３０】
ここで、保護絶縁膜１１８を図１６（Ｄ）に示すような３層構造とする場合について説明する。まず、第１の酸化シリコン層１１８ａを成膜する。次に、第２の酸化シリコン層１１８ｂを成膜する。次に、第２の酸化シリコン層１１８ｂに酸素イオンを添加する処理を行うと好ましい。酸素イオンを添加する処理は、イオンドーピング装置またはプラズマ処理装置を用いればよい。イオンドーピング装置として、質量分離機能を有するイオンドーピング装置を用いてもよい。酸素イオンの原料として、１６Ｏ２もしくは１８Ｏ２などの酸素ガス、亜酸化窒素ガスまたはオゾンガスなどを用いればよい。次に、窒化シリコン層１１８ｃを成膜することで、保護絶縁膜１１８を形成すればよい。
【０２３１】
次に、第３の加熱処理を行うと好ましい。第３の加熱処理は、第１の加熱処理の記載を参照して行えばよい。第３の加熱処理により、ゲート絶縁膜１１２または／および保護絶縁膜１１８から過剰酸素が放出され、多層膜１０６の酸素欠損を低減することができる。なお、多層膜１０６中では、酸素欠損が隣接する酸素原子を捕獲していくことで、酸素欠損が見かけ上移動する。従って、過剰酸素は、酸化物層１０６ａまたは酸化物層１０６ｃを介して酸化物半導体層１０６ｂに達することができる。
【０２３２】
以上のようにして、ＢＧＴＣ構造のトランジスタを作製することができる。
【０２３３】
当該トランジスタは、多層膜１０６の酸化物半導体層１０６ｂの酸素欠損が低減されているため、安定した電気特性を有する。
【０２３４】
本項では、トップゲート型トランジスタについて説明する。
【０２３５】
ここでは、トップゲート型トランジスタの一種であるトップゲートトップコンタクト構造（ＴＧＴＣ構造）のトランジスタについて図１９を用いて説明する。
【０２３６】
図１９に、ＴＧＴＣ構造であるトランジスタの上面図および断面図を示す。図１９（Ａ）は、トランジスタの上面図を示す。図１９（Ａ）において、一点鎖線Ｂ１−Ｂ２に対応する断面図を図１９（Ｂ）に示す。また、図１９（Ａ）において、一点鎖線Ｂ３−Ｂ４に対応する断面図を図１９（Ｃ）に示す。
【０２３７】
図１９（Ｂ）に示すトランジスタは、基板２００上に設けられた下地絶縁膜２０２と、下地絶縁膜２０２上に設けられた酸化物層２０６ａ、酸化物層２０６ａ上に設けられた酸化物半導体層２０６ｂ、および酸化物半導体層２０６ｂ上に設けられた酸化物層２０６ｃを含む多層膜２０６と、下地絶縁膜２０２および多層膜２０６上に設けられたソース電極２１６ａおよびドレイン電極２１６ｂと、多層膜２０６、ソース電極２１６ａおよびドレイン電極２１６ｂ上に設けられたゲート絶縁膜２１２と、ゲート絶縁膜２１２上に設けられたゲート電極２０４と、ゲート絶縁膜２１２およびゲート電極２０４上に設けられた保護絶縁膜２１８と、を有する。なお、トランジスタは、下地絶縁膜２０２または／および保護絶縁膜２１８を有さなくても構わない。
【０２３８】
なお、ソース電極２１６ａおよびドレイン電極２１６ｂは、酸化物半導体層２０６ｂの側端部と接して設けられる。
【０２３９】
また、図１９（Ｂ）に示すように、ソース電極２１６ａおよびドレイン電極２１６ｂに用いる導電膜の種類によっては、酸化物層２０６ｃの一部から酸素を奪い、ソース領域およびドレイン領域を形成することがある。
【０２４０】
図１９（Ａ）において、ゲート電極２０４と重なる領域において、ソース電極２１６ａとドレイン電極２１６ｂとの間隔をチャネル長という。ただし、トランジスタが、ソース領域およびドレイン領域を含む場合、ゲート電極２０４と重なる領域において、ソース領域とドレイン領域との間隔をチャネル長といってもよい。
【０２４１】
なお、チャネル形成領域とは、多層膜２０６において、ゲート電極２０４と重なり、かつソース電極２１６ａとドレイン電極２１６ｂとに挟まれる領域をいう。また、チャネルとは、チャネル形成領域において、電流が主として流れる領域をいう。ここでは、チャネルは、チャネル形成領域中の酸化物半導体層２０６ｂ部分である。
【０２４２】
多層膜２０６は多層膜１０６についての記載を参照する。具体的には、酸化物層２０６ａは酸化物層１０６ｃについての記載を参照し、酸化物半導体層２０６ｂは酸化物半導体層１０６ｂについての記載を参照し、酸化物層２０６ｃは酸化物層１０６ａについての記載を参照する。
【０２４３】
基板２００は、基板１００についての記載を参照する。また、ソース電極２１６ａおよびドレイン電極２１６ｂは、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂについての記載を参照する。また、ゲート絶縁膜２１２は、ゲート絶縁膜１１２についての記載を参照する。また、ゲート電極２０４は、ゲート電極１０４についての記載を参照する。また、保護絶縁膜２１８は、保護絶縁膜１１８についての記載を参照する。
【０２４４】
なお、図１９（Ａ）では、多層膜２０６がゲート電極２０４よりも外側まで形成されているが、多層膜２０６中で光によってキャリアが生成されることを抑制するために、ゲート電極２０４の内側に多層膜２０６が形成されていても構わない。
【０２４５】
下地絶縁膜２０２は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を、単層で、または積層で用いればよい。
【０２４６】
下地絶縁膜２０２は、例えば、１層目を窒化シリコン層とし、２層目を酸化シリコン層とした多層膜とすればよい。この場合、酸化シリコン層は酸化窒化シリコン層でも構わない。また、窒化シリコン層は窒化酸化シリコン層でも構わない。酸化シリコン層は、欠陥密度の小さい酸化シリコン層を用いると好ましい。具体的には、ＥＳＲにてｇ値が２．００１の信号に由来するスピンのスピン密度が３×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１６ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下である酸化シリコン層を用いる。窒化シリコン層は水素およびアンモニアの放出量が少ない窒化シリコン層を用いる。水素、アンモニアの放出量は、ＴＤＳ分析にて測定すればよい。また、窒化シリコン層は、酸素を透過しない、またはほとんど透過しない窒化シリコン層を用いる。
【０２４７】
または、下地絶縁膜２０２は、例えば、１層目を窒化シリコン層とし、２層目を第１の酸化シリコン層とし、３層目を第２の酸化シリコン層とした多層膜とすればよい。この場合、第１の酸化シリコン層または／および第２の酸化シリコン層は酸化窒化シリコン層でも構わない。また、窒化シリコン層は窒化酸化シリコン層でも構わない。第１の酸化シリコン層は、欠陥密度の小さい酸化シリコン層を用いると好ましい。具体的には、ＥＳＲにてｇ値が２．００１の信号に由来するスピンのスピン密度が３×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１６ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下である酸化シリコン層を用いる。第２の酸化シリコン層は、過剰酸素を有する酸化シリコン層を用いる。窒化シリコン層は水素およびアンモニアの放出量が少ない窒化シリコン層を用いる。また、窒化シリコン層は、酸素を透過しない、またはほとんど透過しない窒化シリコン層を用いる。
【０２４８】
ゲート絶縁膜２１２および下地絶縁膜２０２の少なくとも一方が過剰酸素を含む絶縁膜である場合、酸化物半導体層２０６ｂの酸素欠損を低減することができる。
【０２４９】
以上のようにして構成されたトランジスタは、多層膜２０６の酸化物半導体層２０６ｂにチャネルが形成されることにより、安定した電気特性を有し、高い電界効果移動度を有する。
【０２５０】
ここで、トランジスタの作製方法について図２０および図２１を用いて説明する。
【０２５１】
まずは、基板２００を準備する。
【０２５２】
次に、酸化物層２０６ａとなる酸化物層を成膜する。酸化物層２０６ａとなる酸化物層の成膜方法は、酸化物層１０６ｃについての記載を参照する。
【０２５３】
次に、酸化物半導体層２０６ｂとなる酸化物半導体層を成膜する。酸化物半導体層２０６ｂとなる酸化物半導体層の成膜方法は、酸化物半導体層１０６ｂについての記載を参照する。
【０２５４】
次に、酸化物層２０６ｃとなる酸化物層を成膜する。酸化物層２０６ｃとなる酸化物層の成膜方法は、酸化物層１０６ａについての記載を参照する。
【０２５５】
次に、第１の加熱処理を行うと好ましい。第１の加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下で行えばよい。第１の加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上もしくは１０％以上含む雰囲気、または減圧状態で行う。または、第１の加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。第１の加熱処理によって、酸化物半導体層２０６ｂとなる酸化物半導体層の結晶性を高め、さらに下地絶縁膜２０２、酸化物層２０６ａとなる酸化物層、酸化物半導体層２０６ｂとなる酸化物半導体層または／および酸化物層２０６ｃとなる酸化物層から水素や水などの不純物を除去することができる。
【０２５６】
次に、酸化物層２０６ａとなる酸化物層、酸化物半導体層２０６ｂとなる酸化物半導体層および酸化物層２０６ｃとなる酸化物層の一部をエッチングし、酸化物層２０６ａ、酸化物半導体層２０６ｂおよび酸化物層２０６ｃを含む多層膜２０６を形成する（図２０（Ａ）参照。）。
【０２５７】
次に、ソース電極２１６ａおよびドレイン電極２１６ｂとなる導電膜を成膜する。ソース電極２１６ａおよびドレイン電極２１６ｂとなる導電膜の成膜方法は、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂについての記載を参照する。
【０２５８】
次に、ソース電極２１６ａおよびドレイン電極２１６ｂとなる導電膜の一部をエッチングし、ソース電極２１６ａおよびドレイン電極２１６ｂを形成する（図２０（Ｂ）参照。）。
【０２５９】
次に、第２の加熱処理を行うと好ましい。第２の加熱処理は、第１の加熱処理の記載を参照して行えばよい。第２の加熱処理により、多層膜２０６から水素や水などの不純物を除去することができる。
【０２６０】
次に、ゲート絶縁膜２１２を成膜する（図２０（Ｃ）参照。）。ゲート絶縁膜２１２の成膜方法は、ゲート絶縁膜１１２についての記載を参照する。
【０２６１】
次に、ゲート電極２０４となる導電膜を成膜する。ゲート電極２０４となる導電膜の成膜方法は、ゲート電極１０４となる導電膜についての記載を参照する。
【０２６２】
次に、ゲート電極２０４となる導電膜の一部をエッチングし、ゲート電極２０４を形成する（図２１（Ａ）参照。）。
【０２６３】
次に、保護絶縁膜２１８を成膜する（図２１（Ｂ）参照。）。保護絶縁膜２１８の成膜方法は、保護絶縁膜１１８についての記載を参照する。
【０２６４】
以上のようにして、トランジスタを作製することができる。
【０２６５】
当該トランジスタは、多層膜２０６の酸化物半導体層２０６ｂの酸素欠損が低減されているため、安定した電気特性を有する。
【０２６６】
本明細書に開示するトランジスタは、さまざまな電子機器（遊技機も含む）に適用することができる。電子機器としては、テレビ、モニタ等の表示装置、照明装置、デスクトップ型またはノート型のパーソナルコンピュータ、ワードプロセッサ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ）などの記録媒体に記憶された静止画または動画を再生する画像再生装置、ポータブルＣＤプレーヤ、ラジオ、テープレコーダ、ヘッドホンステレオ、ステレオ、コードレス電話子機、トランシーバ、携帯電話、自動車電話、携帯型ゲーム機、電卓、携帯情報端末、電子手帳、電子書籍、電子翻訳機、音声入力機器、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、電気シェーバ、ＩＣチップ、電子レンジ等の高周波加熱装置、電気炊飯器、電気洗濯機、電気掃除機、エアコンディショナーなどの空調設備、食器洗い器、食器乾燥器、衣類乾燥器、布団乾燥器、電気冷蔵庫、電気冷凍庫、電気冷凍冷蔵庫、ＤＮＡ保存用冷凍庫、放射線測定器、透析装置等の医療機器、などが挙げられる。また、煙感知器、ガス警報装置、防犯警報装置などの警報装置も挙げられる。さらに、誘導灯、信号機、ベルトコンベア、エレベータ、エスカレータ、産業用ロボット、電力貯蔵システム等の産業機器も挙げられる。また、石油を用いたエンジンや、非水系二次電池からの電力を用いて電動機により推進する移動体なども、電子機器の範疇に含まれるものとする。上記移動体として、例えば、電気自動車（ＥＶ）、内燃機関と電動機を併せ持ったハイブリッド車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ）、これらのタイヤ車輪を無限軌道に変えた装軌車両、電動アシスト自転車を含む原動機付自転車、自動二輪車、電動車椅子、ゴルフ用カート、小型または大型船舶、潜水艦、ヘリコプター、航空機、ロケット、人工衛星、宇宙探査機や惑星探査機、宇宙船が挙げられる。これらの電子機器の具体例を図２２、図２３、図２４、図２５、図２６、図２７、図２８、図２９、図３０に示す。
【０２６７】
本項では、液晶表示装置の構成について説明する。
【０２６８】
図２２（Ａ）に、液晶表示装置の一例を示す。図２２（Ａ）に示す表示装置は、画素部７００と、走査線駆動回路７０４と、信号線駆動回路７０６と、各々が平行または略平行に配設され、かつ走査線駆動回路７０４によって電位が制御されるｍ本の走査線７０７と、各々が平行または略平行に配設され、かつ信号線駆動回路７０６によって電位が制御されるｎ本の信号線７０９と、を有する。さらに、画素部７００はマトリクス状に設けられた複数の画素７０１を有する。また、走査線７０７に沿って、各々が平行または略平行に配設された容量線７１５を有する。なお、容量線７１５は、信号線７０９に沿って、各々が平行または略平行に配設されていてもよい。
【０２６９】
各走査線７０７は、画素部７００においてｍ行ｎ列に配設された画素７０１のうち、いずれかの行に配設されたｎ個の画素７０１と電気的に接続される。また、各信号線７０９は、ｍ行ｎ列に配設された画素７０１のうち、いずれかの列に配設されたｍ個の画素７０１に電気的と接続される。ｍ、ｎは、ともに１以上の整数である。なお、容量線７１５が、信号線７０９に沿って、各々が平行または略平行に配設されている場合は、ｍ行ｎ列に配設された画素７０１のうち、いずれかの列に配設されたｍ個の画素７０１に電気的と接続される。
【０２７０】
また、トランジスタは静電気などにより破壊されやすいため、走査線駆動回路７０４と、信号線駆動回路７０６などの駆動回路を保護するための保護回路を設けることが好ましい。保護回路は、ＦＰＣなどと接続する外部入力端子と走査線駆動回路７０４との間や、外部入力端子と信号線駆動回路７０６との間に設ける。保護回路は、非線形素子を用いて構成することが好ましい。
【０２７１】
図２２（Ｂ）は、図２２（Ａ）に示す表示装置が有する画素７０１の回路図の一例である。図２２（Ｂ）に示す画素７０１は、トランジスタ７０３と、容量素子７０５と、液晶素子７０８と、を有する。
【０２７２】
容量素子７０５は、一方の電極がトランジスタ７０３のドレイン電極および画素電極７２１と電気的に接続され、他方の電極が一定の電位を供給する容量線７１５と電気的に接続される。なお、容量素子７０５は、他方の電極の導電率が高い場合において、図２２（Ｂ）に示す回路図として示すことができる。一方、該他方の電極の導電率が低い場合は、図２２（Ｃ）に示す回路図として示すことができる。
【０２７３】
図２２（Ｃ）に示す容量素子７０５において、多層膜７１９は、トランジスタ７０３に用いる多層膜１０６と同じ積層構造である。多層膜７１９は、加える電位を制御し、導通状態とさせることで電極として機能する。画素電極７２１は、容量素子７０５の他方の電極として機能する。従って、容量素子７０５は、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）キャパシタ構造であるといえる。
【０２７４】
なお、液晶素子７０８は、トランジスタ７０３および画素電極７２１が形成される基板と、対向電極が形成される基板とで挟持される液晶の光学的変調作用によって、光の透過または非透過を制御する素子である。また、対向電極は、配線７５５と電気的に接続される。なお、液晶の光学的変調作用は、液晶にかかる電界（横方向の電界、縦方向の電界または斜め方向の電界を含む。）によって制御される。
【０２７５】
次に、液晶表示装置の画素７０１の具体的な例について説明する。画素７０１の上面図を図２３に示す。なお、図２３においては、対向電極および液晶素子を省略する。
【０２７６】
トランジスタ７０３は、走査線７０７および信号線７０９が交差する領域に設けられている。トランジスタ７０３は、ゲート電極と、該ゲート電極上に設けられたゲート絶縁膜（図２３に図示せず。）と、該ゲート絶縁膜上に設けられ酸化物半導体層を含む多層膜１０６と、を有する。なお、走査線７０７において、多層膜１０６と重畳する領域はトランジスタ７０３のゲート電極として機能する。また、図２３において、走査線７０７は、上面形状において端部が多層膜１０６の端部周縁より外側に位置する。このため、走査線７０７はバックライトからの光を遮る遮光膜として機能する。この結果、トランジスタ７０３に含まれる酸化物半導体層を含む多層膜１０６に光が照射されず、電気特性の変動を抑制することができる。
【０２７７】
また、ドレイン電極１１６ｂは、開口７１７を介して透光性を有する画素電極７２１と電気的に接続される。従って、透光性を有する画素電極７２１とトランジスタ７０３が電気的に接続される。
【０２７８】
また、容量素子７０５は、画素７０１内の容量線７１５および信号線７０９で囲まれる領域に設けられている。容量素子７０５は、開口７２３に設けられた導電膜７２５を介して容量線７１５と電気的に接続されている。なお、容量素子７０５は、透光性を有する構成である。従って、容量素子７０５を画素７０１内に大きく（大面積に）形成することができるため、開口率を高めつつ、電荷容量を増大させた表示装置を得ることができる。
【０２７９】
例えば、高精細の表示装置、例えば液晶表示装置においては、画素の面積が小さくなり、容量素子の面積も小さくなる。このため、高精細の表示装置において、容量素子７０５に蓄積される電荷容量が小さくなる。しかしながら、容量素子７０５は透光性を有する構成であるため、該容量素子７０５を各画素に設けることで、画素密度が２００ｐｐｉ以上、さらには３００ｐｐｉ以上である高精細の表示装置であっても各画素において十分な電荷容量を得つつ、開口率を高めることができる。
【０２８０】
次いで、図２３の一点鎖線Ａ１−Ａ２間及び一点鎖線Ｂ１−Ｂ２間における断面図を図２４（Ａ）に示す。
【０２８１】
基板１００上に、トランジスタ７０３のゲート電極１０４を有する走査線７０７と、走査線７０７と同一表面上に設けられている容量線７１５とが設けられている。
【０２８２】
基板１００としては、ガラス基板、プラスチック基板などの透光性を有する基板を用いる。
【０２８３】
走査線７０７および容量線７１５上にゲート絶縁膜１１２が設けられている。ゲート絶縁膜１１２を介してゲート電極１０４と重畳する領域上に多層膜１０６が設けられており、容量素子７０５が形成される領域のゲート絶縁膜１１２上に多層膜１１９が設けられている。また、ゲート絶縁膜１１２上にトランジスタ７０３のソース電極１１６ａを含む信号線７０９と、トランジスタ７０３のドレイン電極１１６ｂとが設けられている。なお、液晶表示装置においては、駆動方法によってトランジスタ７０３のソース電極１１６ａがドレイン電極として機能し、ドレイン電極１１６ｂがソース電極として機能する場合もあるが、ここでは便宜上画素電極と電気的に接続している電極をドレイン電極１１６ｂと呼んでいる。
【０２８４】
また、容量素子７０５が形成される領域のゲート絶縁膜１１２には容量線７１５に達する開口７２３が設けられており、開口７２３、ゲート絶縁膜１１２、および多層膜１１９上に導電膜７２５が設けられている。
【０２８５】
また、ゲート絶縁膜１１２、ソース電極１１６ａ、多層膜１０６、ドレイン電極１１６ｂ、導電膜７２５、および多層膜１１９上にトランジスタ７０３の保護絶縁膜および容量素子７０５の誘電体として機能する第１の酸化シリコン層１１８ａ、第２の酸化シリコン層１１８ｂ、および窒化シリコン層１１８ｃが設けられている。なお、第１の酸化シリコン層１１８ａ、第２の酸化シリコン層１１８ｂ、および窒化シリコン層１１８ｃにはドレイン電極１１６ｂに達する開口７１７が設けられており、開口７１７および窒化シリコン層１１８ｃ上に画素電極７２１が設けられている。
【０２８６】
また、図２４（Ａ）に示す表示装置のα領域（ゲート絶縁膜１１２と、多層膜１０６と、ソース電極１１６ａと、保護絶縁膜１１８）の拡大図を図２４（Ｂ）に示す。また、β領域（ゲート絶縁膜１１２と、多層膜１１９と、導電膜７２５と、保護絶縁膜１１８）の拡大図を図２４（Ｃ）に、それぞれ示す。
【０２８７】
また、図２４（Ｃ）において、多層膜１１９は、ゲート絶縁膜１１２と接する第１の酸化物層１１９ａと、第１の酸化物層１１９ａ上に接する酸化物半導体膜である第２の酸化物層１１９ｂと、第２の酸化物層１１９ｂ上に接する第３の酸化物層１１９ｃと、を含む。なお、第３の酸化物層１１９ｃ上に導電膜７２５および保護絶縁膜１１８が形成されている。
【０２８８】
容量素子７０５の他方の電極として機能する多層膜１１９は、多層膜１０６と同じ積層構造を有する。すなわち、多層膜１１９は、多層膜１０６に適用可能な酸化物膜を用いることができる。また多層膜１０６を形成するとともに多層膜１１９を形成することができることから、多層膜１１９は多層膜１０６を構成する酸化物半導体の金属元素を含む。
【０２８９】
また、少なくとも多層膜１０６を覆うマスクを形成し、多層膜１１９に導電率を増大させる元素（ドーパント）を選択的に添加することが好ましい。ドーパントとして、水素、ホウ素、窒素、フッ素、アルミニウム、リン、ヒ素、インジウム、スズ、アンチモン及び希ガス元素から選ばれた一種以上を用いることができる。多層膜１１９に含まれるドーパント濃度は１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。このようにすることで、多層膜１１９の導電率を１０Ｓ／ｃｍ以上１０００Ｓ／ｃｍ以下、好ましくは１００Ｓ／ｃｍ以上１０００Ｓ／ｃｍ以下とすることができ、多層膜１１９を容量素子７０５の一方の電極として十分に機能させることができる。
【０２９０】
また、基板１００は対向基板７５０とシール材などによって固定し、一対の基板間に液晶層７６０を保持させる。なお、対向基板７５０としては、ガラス基板、プラスチック基板などの透光性を有する基板を用いる。
【０２９１】
また、対向基板７５０には、金属や、顔料を含む有機樹脂などの材料を用いて形成される遮光膜７５２や、画素電極７２１に用いられている透光性を有する導電性材料を用いて形成される対向電極７５４や、配向膜として機能する絶縁膜７５６が設けられる。また、対向基板７５０に所定の波長の光を透過させる機能を有する着色膜（カラーフィルターともいう。）を設けてもよい。
【０２９２】
液晶素子７０８は、画素電極７２１、対向電極７５４、および液晶層７６０を含む。なお、基板１００の画素電極７２１上に設けられた配向膜として機能する絶縁膜７５８、および対向基板７５０の素子部に設けられた配向膜として機能する絶縁膜７５６によって、液晶層７６０が挟持されている。
【０２９３】
また、図２４に示す断面構造は一例であり、特に限定されない。例えば、図２４と一部異なる画素の断面構成を図２５に示す。なお、容量素子７０５の構成以外は同一であるため、詳細な説明は省略する。
【０２９４】
図２５は図２４で説明した保護絶縁膜１１８の一部を除去する構成についてのみ説明する。
【０２９５】
また、多層膜１１９に導電率を増大させる元素（ドーパント）を選択的に添加するのではなく、多層膜１１９の最上層を窒化絶縁膜と接して設けてもよい。多層膜１１９の最上層が窒化絶縁膜と接することで、窒化絶縁膜である窒化シリコン層１１８ｃと多層膜１１９の界面に欠陥準位（界面準位）が形成される、又は窒化絶縁膜に含まれる窒素又は／及び水素が多層膜１１９に移動し、多層膜１１９の導電率が増大し、導体特性を有する金属酸化物膜となる。
【０２９６】
また、図２５に示す構成は、誘電体膜の厚さを薄くすることが可能であるため、容量素子の電荷容量を増大させることができる。
【０２９７】
本実施の形態においては、酸化物半導体層を含む多層膜１０６は、第１の酸化物層と、該第１の酸化物層上に接する酸化物半導体である第２の酸化物層と、該第２の酸化物層上に接する第３の酸化物層と、を含む。ゲート絶縁膜と接しない層にチャネルが形成されるため、安定した電気特性のトランジスタと形成することができ、信頼性の高い液晶表示装置を作製することができる。
【０２９８】
図２３に示した画素構成１とは一部異なる画素の上面構成を図２６に示す。なお、ここでは、図２３で説明した容量線７１５を設けない構成についてのみ説明する。本項では前項に示した容量素子７０５に代えて容量素子７９７を設ける。
【０２９９】
図２６は、画素７９６の上面図であり、画素７９６において、容量素子７９７の電極及び容量線を兼ねる多層膜７９８が設けられている。多層膜７９８は、信号線７０９と平行方向に延伸した領域を有し、当該領域は容量線として機能する。多層膜７９８において、画素電極７１３と重畳する領域は容量素子７９７の電極として機能する。なお、多層膜７９８は多層膜１１９と同様に形成することができる。
【０３００】
図２６に示す構成とすることにより、図２３よりも開口率の高い液晶表示装置を実現できる。
【０３０１】
本項では、有機ＥＬ表示装置の構成について説明する。
【０３０２】
図２７は、有機ＥＬ表示装置の画素の具体的な構成を示す断面図である。発光素子８３０と電気的に接続されるトランジスタ８５０は、図１６に示したトランジスタを用いる。なお、図２７において、図１６に示した符号と同じ箇所には同じ符号を用いる。
【０３０３】
図２７に示す有機ＥＬ表示装置は、基板１００と、基板１００上に形成されたトランジスタ８５０と、保護絶縁膜１１８と、保護絶縁膜１１８上に形成された絶縁膜８１６と、トランジスタ８５０と電気的に接続する発光素子８３０と、発光素子８３０を隔離する第１の隔壁８２４及び第２の隔壁８２６と、を有する。更に、基板１００とシール材などで固定される封止基板８６０を有する。封止基板８６０には、下地層８６２、ブラックマトリクス８６４、赤色カラーフィルター８６７、緑色カラーフィルター８６６、及び青色カラーフィルター８６５と、が形成されている。トランジスタ８５０は、ゲート電極１０４と、多層膜１０６と、ソース電極１１６ａ、ドレイン電極１１６ｂ、ゲート絶縁膜１１２と、を有する。発光素子８３０は、陽極として機能する反射電極８１８と、第１のマイクロキャビティ層８３３と、第２のマイクロキャビティ層８３４と、発光層８２０と、陰極８２２と、を有する。
【０３０４】
第１の隔壁８２４は、上面が曲面で構成されることが好ましい。第２の隔壁８２６は上面が平坦であり、断面が逆テーパーとなるような形状で構成されることが好ましい。
【０３０５】
第１の隔壁８２４は、有機絶縁材料、又は無機絶縁材料を用いて形成することができる。特に感光性の樹脂材料を用いることが好ましい。また、第１の隔壁は、有色の有機絶縁材料を用いて形成することも可能である。
【０３０６】
第２の隔壁８２６は、無機絶縁材料、又は有機絶縁材料を用いて形成することができる。例えば、有機絶縁材料としては、ネガ型やポジ型の感光性を有する樹脂材料、非感光性の樹脂材料などを用いることができる。また、第２の隔壁は、有色の有機絶縁材料を用いて形成することも可能である。また、有機ＥＬ表示装置の光透過性を高めるために透光性を有する材料を用いても良い。
【０３０７】
第１のマイクロキャビティ層８３３と、第２のマイクロキャビティ層８３４は、反射電極８１８上に接して形成されている。第１のマイクロキャビティ層８３３と、第２のマイクロキャビティ層８３４は、透光性を有する導電性材料で形成されることが好ましい。第１のマイクロキャビティ層８３３は、複数の透明導電層の積層構造であってもよいし、単層構造であっても良い。また、第２のマイクロキャビティ層８３４は、複数の透明導電層の積層構造であってもよいし、単層構造であっても良い。
【０３０８】
第１のマイクロキャビティ層８３３と、第２のマイクロキャビティ層８３４を、反射電極８１８上に接して形成することで、ＲＧＢ３色の光の波長に合わせて、赤色を発光する画素、緑色を発光する画素、青色を発光する画素の反射電極８１８から陰極８２２までの光路長を最適化することができる。図２７では、赤色を発光する画素に第１のマイクロキャビティ層８３３及び第２のマイクロキャビティ層８３４を形成し、緑色を発光する画素に第２のマイクロキャビティ層８３４を形成している。従って、赤色を発光する画素において電極間距離を長く、青色を発光する画素において電極間距離を短くすることができる。従って、ＲＧＢ３色の光の波長に合わせて、各発光層８２０から強い光を取り出すことができる。
【０３０９】
ブラックマトリクス８６４は、チタン、クロムなどの反射率の低い金属材料、または、黒色顔料や黒色染料が含浸された有機絶縁材料などを用いて形成することができる。
【０３１０】
絶縁膜８１６としては、トランジスタ起因の表面凹凸を低減するために平坦化機能を有する絶縁膜を選択するのが好適である。絶縁膜８１６の材料は、例えば、ポリイミド、ベンゾシクロブテン系樹脂、等の有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）等を用いることができる。
【０３１１】
発光層８２０は、蒸着法（真空蒸着法を含む）等により形成することができる。発光層８２０は、複数の発光ユニット及び複数の中間層ユニットを含むものとする。例えば、青の発光層を含むＢユニット、赤及び緑の発光層を含むＲ及びＧユニット、これらのユニットを繋ぐ中間層ユニット等を含むことができる。また、発光層８２０から発生する光の発光は、白色であることが好ましい。
【０３１２】
第１の隔壁８２４、及び第２の隔壁８２６により発光層８２０は、隔離される。第２の隔壁８２６の上面及び側面の一部には、発光層８２０が残存してもよい。
【０３１３】
陰極８２２の材料は、透光性の金属酸化物等を用いることができる。透光性の金属酸化物としては酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３等）、酸化スズ（ＳｎＯ２等）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム酸化スズ（Ｉｎ２Ｏ３―ＳｎＯ２、ＩＴＯと略記する）、酸化インジウム酸化亜鉛（Ｉｎ２Ｏ３―ＺｎＯ等）、またはこれらの金属酸化物材料に酸化シリコンを含ませたもの等が挙げられる。
【０３１４】
発光素子８３０は、陽極と陰極の間に流れる電流量に応じて発光する機能を有する。
【０３１５】
また、図２７の断面構造ではトランジスタのドレイン電極１１６ｂに反射電極８１８が接して形成された例を示したが特に限定されず、例えば、反射電極８１８とトランジスタのドレイン電極１１６ｂとの間に配線及び層間絶縁膜を形成し、その配線を介してドレイン電極１１６ｂと反射電極８１８を電気的に接続させてもよい。
【０３１６】
以上のように、本項に示す表示装置は、図１６に示したトランジスタの半導体層として酸化物半導体材料の多層膜１０６を用い、そのトランジスタを発光素子８３０と電気的に接続させ、信頼性の高い有機ＥＬ表示装置を実現する。
【０３１７】
本項では、センサを備えた有機ＥＬ表示装置の構成について説明する。
【０３１８】
有機ＥＬ表示装置にタッチ入力機能を設ける。アナログ抵抗膜方式のタッチパネルを用いる場合、タッチパネルを有機ＥＬ表示装置に貼り合わせられた構成とすればよい。
【０３１９】
また、表面型静電容量方式のタッチパネルを用いる場合も、タッチパネルを有機ＥＬ表示装置に貼り合わせられた構成とすればよい。また、投影型静電容量方式（相互容量型）のタッチパネルを用いる場合も、タッチパネルを有機ＥＬ表示装置に貼り合わせられた構成とすればよい。
【０３２０】
本項では、フォトセンサを用いるタッチ入力機能を例に説明する。フォトセンサは、トランジスタと同一基板上に形成することができ、部品点数を削減することができる。
【０３２１】
ここでは、画素９０３と、フォトセンサ９０６と、隣の画素９０４の回路図について、図２８を用いて説明する。発光素子８３０を有する画素９０３は、走査線９０７（「ゲート信号線」ともいう）を介して表示素子駆動回路、信号線９１０（「ソース信号線」ともいう）を介して、表示素子駆動回路に電気的に接続されている。
【０３２２】
隣の発光素子８３１を有する画素９０４は、走査線９２７（「ゲート信号線」ともいう）を介して表示素子駆動回路、信号線９１０（「ソース信号線」ともいう）を介して、表示素子駆動回路に電気的に接続されている。また、発光素子８３０と、隣の発光素子８３１はどちらも発光色は白色であり、共通の電源供給線９２８に接続されている。そして、隣の発光素子８３１に重なるカラーフィルターの着色層（赤色、青色、或いは緑色）を通過させることによって人の眼に赤色や、青色や、緑色のいずれか一を認識させる。
【０３２３】
画素９０３及び隣の画素９０４に挟まれたフォトセンサ９０６は、センサ素子９６４、トランジスタ９６５、トランジスタ９６６、トランジスタ９６７、及び、トランジスタ９６８を有する。トランジスタ９６５、トランジスタ９６６、トランジスタ９６７、及び、トランジスタ９６８それぞれは、チャネル形成領域に酸化物半導体層を有するトランジスタであり、オフ状態でのリーク電流（「オフ電流」ともいう）が極めて小さいという利点を有する。これにより、オフ状態においてノードに蓄積された電荷（電位）を長時間保持可能であるという利点を有する。
【０３２４】
センサ素子９６４は、一方の端子が電源線９６２（ＶＤＤ）に、他方の端子がトランジスタ９６７のソース又はドレインの一方に電気的に接続されている。
【０３２５】
また、図２９にフォトセンサを用いる表示装置の断面図の一例を示す。図２９に示すように、同一基板上に発光素子８３０と、発光素子を駆動するための酸化物半導体の多層膜１０６を用いたトランジスタ８５０と、センサ素子９６４を駆動するための酸化物半導体の多層膜１０６を用いたトランジスタ９６７と、アモルファスシリコン層９５１を用いたセンサ素子９６４を設けている。
【０３２６】
センサ素子９６４は、図２９に示すように、一対の電極９５２、９５４に接して接続された一層のアモルファスシリコン層９５１により構成されている。なお、図２９において図１６及び図２７と同一の箇所には同一の符号を用いて示す。
【０３２７】
また、図２９においては、反射電極８１８は、配線９５５を介してトランジスタ８５０のドレイン電極１１６ｂと電気的に接続している。配線９５５、及び一対の電極９５２、９５４は、層間絶縁膜９５３で覆われ、層間絶縁膜９５３上に反射電極８１８が設けられている。
【０３２８】
トランジスタ９６７は、ゲートが信号線９０８（ＴＸ）、ソース又はドレインの一方がセンサ素子９６４の他方の端子、ソース又はドレインの他方がトランジスタ９６８のソース又はドレインの一方及びトランジスタ９６５のゲートに電気的に接続されている。なお、トランジスタ９６７のソース又はドレインの他方、トランジスタ９６８のソース又はドレインの一方、及びトランジスタ９６５のゲートをノードＦＤとする。
【０３２９】
トランジスタ９６８は、ゲートがリセット線９２５（ＲＳ）、ソース又はドレインの一方がトランジスタ９６７のソース又はドレインの他方、及びトランジスタ９６５のゲートに電気的に接続されている。またトランジスタ９６８は、ソース又はドレインの他方がグランド線９２６（ＧＮＤ）に電気的に接続されている。
【０３３０】
トランジスタ９６５は、ソース又はドレインの一方が電源線９６２（ＶＤＤ）に、ソース又はドレインの他方がトランジスタ９６６のソース又はドレインの一方に電気的に接続されている。
【０３３１】
トランジスタ９６６は、ゲートが選択線９０９（ＳＥ）に、ソース又はドレインの他方がフォトセンサ出力信号線９１１（ＯＵＴ）に電気的に接続されている。フォトセンサ出力信号線９１１（ＯＵＴ）は、フォトセンサ読み出し回路に電気的に接続されている。
【０３３２】
なお電源線９６２（ＶＤＤ）及びグランド線ＧＮＤには、それぞれ、高レベル電源電位ＶＤＤ、及び、低レベル電源電位ＶＳＳとして接地電位ＧＮＤ（０Ｖ）が入力される。なお本明細書では、低レベル電源電位ＶＳＳとして接地電位ＧＮＤ（０Ｖ）が用いられるが、これに限定されない。高レベル電源電位ＶＤＤより低い電位であれば、低レベル電源電位ＶＳＳとして用いることができる。なお、本明細書において、高レベル電源電位ＶＤＤは高レベル電位ＶＨ以上であり、低レベル電位ＶＬは接地電位ＧＮＤ以上であり、高レベル電位ＶＨは低レベル電位ＶＬよりも高いものとする。
【０３３３】
また、本項では、有機ＥＬ表示装置にタッチ入力機能を設ける例を示したが、液晶表示装置にタッチ入力機能を設けることもできる。
【０３３４】
図３０（Ａ）は携帯型情報端末である。図３０（Ａ）に示す携帯型情報端末は、筐体９３００と、ボタン９３０１と、マイクロフォン９３０２と、表示部９３０３と、スピーカ９３０４と、カメラ９３０５と、を具備し、携帯型電話機としての機能を有する。本発明の一形態は、表示部９３０３に適用することができる。または、本発明の一態様は本体内部にある演算装置、無線回路または記憶回路に本発明の一形態を適用することができる。
【０３３５】
なお、表示部９３０３は、一部または全部をタッチパネルとすることができ、表示された操作キーに触れることでゲームや、通話の設定などを行うことができる。本発明の一態様はタッチパネルとした場合にも表示部９３０３に適用することができる。
【０３３６】
図３０（Ｂ）は、ディスプレイである。図３０（Ｂ）に示すディスプレイは、筐体９３１０と、表示部９３１１と、を具備する。本発明の一態様は表示部９３１１に適用することができる。または、発明の一形態は、本体内部にある演算装置、無線回路または記憶回路に適用することができる。
【０３３７】
図３０（Ｃ）は、デジタルスチルカメラである。図３０（Ｃ）に示すデジタルスチルカメラは、筐体９３２０と、ボタン９３２１と、マイクロフォン９３２２と、表示部９３２３と、を具備する。本発明の一態様は表示部９３２３に適用することができる。または、本発明の一形態は、本体内部にある演算装置、無線回路または記憶回路に適用することができる。
【０３３８】
なお、表示部９３２３は、一部または全部をタッチパネルとすることができ、表示された操作キーに触れることで静止画撮影または動画撮影などの撮影の設定などを行うことができる。本発明の一態様はタッチパネルとした場合にも表示部９３２３に適用することができる。
【０３３９】
図３０（Ｄ）は２つ折り可能な携帯情報端末である。図３０（Ｄ）に示す２つ折り可能な携帯情報端末は、筐体９６３０、表示部９６３１ａ、表示部９６３１ｂ、留め具９６３３、操作スイッチ９６３８、を有する。本発明の一態様は表示部９６３１ａおよび表示部９６３１ｂに適用することができる。または、本発明の一形態は、本体内部にある演算装置、無線回路または記憶回路に適用することができる。
【０３４０】
なお、表示部９６３１ａまたは／および表示部９６３１ｂは、一部または全部をタッチパネルとすることができ、表示された操作キーに触れることでデータ入力などを行うことができる。本発明の一態様はタッチパネルとした場合にも表示部９６３１ａおよび表示部９６３１ｂに適用することができる。
【０３４１】
本発明の一態様に係る半導体装置を用いることで、信頼性の高い電子機器を提供することができる。
【符号の説明】
【０３４２】
１０    成膜室
１０ａ    成膜室
１０ｂ    成膜室
１０ｃ    成膜室
１１    基板供給室
１２ａ    ロードロック室
１２ｂ    ロードロック室
１３    搬送室
１４    カセットポート
１５    基板加熱室
２０ａ    成膜室
２０ｂ    成膜室
２０ｃ    成膜室
２０ｄ    成膜室
２１    基板供給室
２３    搬送室
２４    カセットポート
２５    基板加熱室
３２    ターゲット
３４    ターゲットホルダ
５４    精製機
５８ａ    クライオポンプ
５８ｂ    クライオポンプ
５８ｃ    ターボ分子ポンプ
５８ｄ    クライオポンプ
５８ｅ    クライオポンプ
５８ｆ    クライオポンプ
５９    真空ポンプ
５９ａ    真空ポンプ
５９ｂ    真空ポンプ
５９ｃ    真空ポンプ
６０    マスフローコントローラ
６２    ガス加熱機構
６６    クライオトラップ
１００    基板
１０４    ゲート電極
１０６    多層膜
１０６ａ    酸化物層
１０６ｂ    酸化物半導体層
１０６ｃ    酸化物層
１０６ｄ    ソース領域
１０６ｅ    ドレイン領域
１１２    ゲート絶縁膜
１１６ａ    ソース電極
１１６ｂ    ドレイン電極
１１８    保護絶縁膜
１１８ａ    第１の酸化シリコン層
１１８ｂ    第２の酸化シリコン層
１１８ｃ    窒化シリコン層
１１９    多層膜
１１９ａ    酸化物層
１１９ｂ    酸化物層
１１９ｃ    酸化物層
２００    基板
２０２    下地絶縁膜
２０４    ゲート電極
２０６    多層膜
２０６ａ    酸化物層
２０６ｂ    酸化物半導体層
２０６ｃ    酸化物層
２１２    ゲート絶縁膜
２１６ａ    ソース電極
２１６ｂ    ドレイン電極
２１８    保護絶縁膜
７００    画素部
７０１    画素
７０３    トランジスタ
７０４    走査線駆動回路
７０５    容量素子
７０６    信号線駆動回路
７０７    走査線
７０８    液晶素子
７０９    信号線
７１３    画素電極
７１５    容量線
７１７    開口
７１９    多層膜
７２１    画素電極
７２３    開口
７２５    導電膜
７５０    対向基板
７５２    遮光膜
７５４    対向電極
７５５    配線
７５６    絶縁膜
７５８    絶縁膜
７６０    液晶層
７９６    画素
７９７    容量素子
７９８    多層膜
８１６    絶縁膜
８１８    反射電極
８２０    発光層
８２２    陰極
８２４    隔壁
８２６    隔壁
８３０    発光素子
８３１    発光素子
８３３    マイクロキャビティ層
８３４    マイクロキャビティ層
８５０    トランジスタ
８６０    封止基板
８６２    下地層
８６４    ブラックマトリクス
８６５    青色カラーフィルター
８６６    緑色カラーフィルター
８６７    赤色カラーフィルター
９０３    画素
９０４    画素
９０６    フォトセンサ
９０７    走査線
９０８    信号線
９０９    選択線
９１０    信号線
９１１    フォトセンサ出力信号線
９２５    リセット線
９２６    グランド線
９２７    走査線
９２８    電源供給線
９５１    アモルファスシリコン層
９５２    電極
９５３    層間絶縁膜
９５４    電極
９５５    配線
９６２    電源線
９６４    センサ素子
９６５    トランジスタ
９６６    トランジスタ
９６７    トランジスタ
９６８    トランジスタ
９３００    筐体
９３０１    ボタン
９３０２    マイクロフォン
９３０３    表示部
９３０４    スピーカ
９３０５    カメラ
９３１０    筐体
９３１１    表示部
９３２０    筐体
９３２１    ボタン
９３２２    マイクロフォン
９３２３    表示部
９６３０    筐体
９６３１ａ    表示部
９６３１ｂ    表示部
９６３３    留め具
９６３８    操作スイッチ
【図１】
2014078704.tif 000004
【図２】
2014078704.tif 000005
【図３】
2014078704.tif 000006
【図４】
2014078704.tif 000007
【図５】
2014078704.tif 000008
【図６】
2014078704.tif 000009
【図７】
2014078704.tif 000010
【図８】
2014078704.tif 000011
【図９】
2014078704.tif 000012
【図１０】
2014078704.tif 000013
【図１１】
2014078704.tif 000014
【図１２】
2014078704.tif 000015
【図１３】
2014078704.tif 000016
【図１４】
2014078704.tif 000017
【図１５】
2014078704.tif 000018
【図１６】
2014078704.tif 000019
【図１７】
2014078704.tif 000020
【図１８】
2014078704.tif 000021
【図１９】
2014078704.tif 000022
【図２０】
2014078704.tif 000023
【図２１】
2014078704.tif 000024
【図２２】
2014078704.tif 000025
【図２３】
2014078704.tif 000026
【図２４】
2014078704.tif 000027
【図２５】
2014078704.tif 000028
【図２６】
2014078704.tif 000029
【図２７】
2014078704.tif 000030
【図２８】
2014078704.tif 000031
【図２９】
2014078704.tif 000032
【図３０】
2014078704.tif 000033