(57)【要約】酸化物半導体膜を有する半導体装置において、電気特性の優れたトランジスタを有する半導体装置を提供する。トランジスタを有する半導体装置である。トランジスタは、ゲート電極と、第１の絶縁膜と、酸化物半導体膜と、ソース電極と、ドレイン電極と、第２の絶縁膜と、を有する。ソース電極及びドレイン電極は、それぞれ第１の導電膜と、第１の導電膜上に接する第２の導電膜と、第２の導電膜上に接する第３の導電膜と、を有する。第２の導電膜は、銅を有し、第１の導電膜及び第３の導電膜は、銅の拡散を抑制する材料を有し、第２の導電膜の端部は、銅とシリコンとを含む領域を有する。
2017130073.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランジスタを有する半導体装置であって、
前記トランジスタは、
ゲート電極と、
前記ゲート電極上の第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜を間に挟んで前記ゲート電極と重なる領域を有する酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜と電気的に接続されるソース電極と、
前記酸化物半導体膜と電気的に接続されるドレイン電極と、
前記酸化物半導体膜上、前記ソース電極上、及び前記ドレイン電極上の第２の絶縁膜と、を有し、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、それぞれ銅を有し、
前記ソース電極の端部及び前記ドレイン電極の端部は、それぞれ銅とシリコンとを含む領域を有する、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
トランジスタを有する半導体装置であって、
前記トランジスタは、
ゲート電極と、
前記ゲート電極上の第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜を間に挟んで前記ゲート電極と重なる領域を有する酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜と電気的に接続されるソース電極と、
前記酸化物半導体膜と電気的に接続されるドレイン電極と、
前記酸化物半導体膜上、前記ソース電極上、及び前記ドレイン電極上の第２の絶縁膜と、を有し、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、それぞれ銅を有し、
前記ソース電極の端部及び前記ドレイン電極の端部は、それぞれ銅とシリコンとを含む化合物を有する領域を有する、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記ソース電極の端部及び前記ドレイン電極の端部は、それぞれ前記第２の絶縁膜と接する領域を有する、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
トランジスタを有する半導体装置であって、
前記トランジスタは、
ゲート電極と、
前記ゲート電極上の第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜を間に挟んで前記ゲート電極と重なる領域を有する酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜と電気的に接続されるソース電極と、
前記酸化物半導体膜と電気的に接続されるドレイン電極と、
前記酸化物半導体膜上、前記ソース電極上、及び前記ドレイン電極上の第２の絶縁膜と、を有し、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、それぞれ第１の導電膜と、前記第１の導電膜上に接する第２の導電膜と、前記第２の導電膜上に接する第３の導電膜と、を有し、
前記第２の導電膜は、銅を有し、
前記第１の導電膜及び前記第３の導電膜は、銅の拡散を抑制する材料を有し、
前記第２の導電膜の端部は、銅とシリコンとを含む領域を有する、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
トランジスタを有する半導体装置であって、
前記トランジスタは、
ゲート電極と、
前記ゲート電極上の第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜を間に挟んで前記ゲート電極と重なる領域を有する酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜と電気的に接続されるソース電極と、
前記酸化物半導体膜と電気的に接続されるドレイン電極と、
前記酸化物半導体膜上、前記ソース電極上、及び前記ドレイン電極上の第２の絶縁膜と、を有し、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、それぞれ第１の導電膜と、前記第１の導電膜上に接する第２の導電膜と、前記第２の導電膜上に接する第３の導電膜と、を有し、
前記第２の導電膜は、銅を有し、
前記第１の導電膜及び前記第３の導電膜は、銅の拡散を抑制する材料を有し、
前記第２の導電膜の端部は、銅とシリコンとを含む化合物を有する領域を有する、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項４または請求項５において、
前記第２の導電膜の端部は、前記第２の絶縁膜と接する領域を有する、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項４または請求項５において、
前記第１の導電膜及び前記第３の導電膜は、チタン、タングステン、タンタル、及びモリブデンの少なくとも一を有する、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項４または請求項５において、
前記第１の導電膜及び前記第３の導電膜は、酸化物を有し、
前記酸化物は、ＩｎまたはＺｎのうち少なくとも一を有する、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項１、請求項２、請求項４、または請求項５において、
前記酸化物半導体膜は、Ｉｎと、Ｚｎと、Ｍ（Ｍは、Ａｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎを表す）と、を有する、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
請求項９において、
前記酸化物半導体膜は、結晶部を有し、
前記結晶部は、ｃ軸配向性を有する、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
請求項１、請求項２、請求項４、または請求項５に記載の半導体装置と、
表示素子と、を有する、
ことを特徴とする表示装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の表示装置と、
タッチセンサと、を有する、
ことを特徴とする表示モジュール。
【請求項１３】
請求項１、請求項２、請求項４、または請求項５に記載の半導体装置と、
操作キーまたはバッテリの少なくとも一と、を有する、
ことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明の一態様は、酸化物半導体膜を有する半導体装置、及び該当半導体装置を有する表示装置に関する。【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、本発明の一態様は、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。そのため、より具体的に本明細書で開示する本発明の一態様の技術分野としては、半導体装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、照明装置、蓄電装置、記憶装置、撮像装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法、を一例として挙げることができる。【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】  基板上に形成された半導体膜を用いてトランジスタ（薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）または電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）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膜として、シリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。【０００５】  例えば、酸化物半導体として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物を用いてトランジスタを作製する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。【０００６】  また、配線や信号線などに用いる材料として、従来アルミニウムが広く用いられていたが、さらなる低抵抗化のために銅（Ｃｕ）を用いる開発が盛んに行われている。しかしながら、銅（Ｃｕ）は、下地に用いられる膜との密着性が悪いことや、トランジスタの半導体膜に拡散してトランジスタ特性を悪化させやすいといった欠点を有する。【０００７】  また、インジウムを含む酸化物半導体膜上に形成されるオーミック電極の材料として、Ｃｕ−Ｍｎ合金が開示されている（例えば、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２００７−９６０５５号公報
【特許文献２】国際公開第２０１２／００２５７３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】  特許文献２に記載の構成によると、酸化物半導体膜上にＣｕ−Ｍｎ合金膜を被着させた後、該Ｃｕ−Ｍｎ合金膜に対し熱処理を行い、酸化物半導体膜とＣｕ−Ｍｎ合金膜との接合界面にＭｎ酸化物を形成する。該Ｍｎ酸化物は、Ｃｕ−Ｍｎ合金膜中のＭｎが酸化物半導体膜に向けて拡散し、酸化物半導体膜を構成する酸素と優先的に結合することで形成される。また、Ｍｎによって還元された酸化物半導体膜中の領域は酸素欠損となり、キャリア濃度が増加して高導電性を有する。また、酸化物半導体膜に向けてＭｎが拡散しＣｕ−Ｍｎ合金が純Ｃｕとなることで、電気抵抗の小さいオーミック電極を得ている。【００１０】  しかしながら、上述の構成においては、オーミック電極を形成した後、オーミック電極からのＣｕの拡散の影響が考慮されていない。例えば、酸化物半導体膜上にＣｕ−Ｍｎ合金膜を含む電極を形成したあとに、熱処理を行うことで、酸化物半導体膜とＣｕ−Ｍｎ合金膜との接合界面にＭｎ酸化物を形成する。該Ｍｎ酸化物が形成されることによって、酸化物半導体膜に接するＣｕ−Ｍｎ合金膜から酸化物半導体膜中へ拡散しうるＣｕが抑制できたとしても、Ｃｕ−Ｍｎ合金膜の側面、並びにＣｕ−Ｍｎ合金膜中のＭｎが脱離して純Ｃｕ膜となった膜の側面または表面から酸化物半導体膜の表面にＣｕが再付着してしまう。【００１１】  酸化物半導体膜を用いるトランジスタとして、例えば、ボトムゲート構造を用いる場合、酸化物半導体膜の表面の一部は、所謂バックチャネル側となり、該バックチャネル側にＣｕが再付着した場合、トランジスタの電気特性（例えば、オン電流、電界効果移動度、周波数特性等）が劣化するという問題や、トランジスタの信頼性試験の一つであるゲートＢＴストレス試験において、トランジスタ特性が劣化するといった問題があった。【００１２】  上述課題に鑑み、本発明の一態様では、酸化物半導体膜を用いるトランジスタに、銅を有する導電膜を用いる新規な半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様では、酸化物半導体膜を用いるトランジスタに、銅を有する導電膜を用いて、電気特性（例えば、オン電流、電界効果移動度、周波数特性等）の優れたトランジスタを有する半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様では、酸化物半導体膜を用いるトランジスタに、銅を有する導電膜を用いて、電気特性の変動が抑制されたトランジスタを有する半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様では、酸化物半導体膜を用いるトランジスタに、銅を有する導電膜を用いて、信頼性の高いトランジスタを有する半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様では、酸化物半導体膜を用いるトランジスタに、銅を有する導電膜を用いて、製造コストが抑制された半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様では、酸化物半導体膜を用いるトランジスタに、銅を有する導電膜を用いて、生産性が高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様では、新規な半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様では、新規な半導体装置の作製方法を提供することを���題の一つとする。【００１３】  なお、上記の課題の記載は、他の課題の存在を妨げない。なお、本発明の一態様は、必ずしも、これらの課題の全てを解決する必要はない。上記以外の課題は、明細書等の記載から自ずと明らかであり、明細書等の記載から上記以外の課題を抽出することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】  本発明の一態様は、トランジスタを有する半導体装置であって、トランジスタは、ゲート電極と、ゲート電極上の第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜を間に挟んでゲート電極と重なる領域を有する酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜と電気的に接続されるソース電極と、酸化物半導体膜と電気的に接続されるドレイン電極と、酸化物半導体膜上、ソース電極上、及びドレイン電極上の第２の絶縁膜と、を有し、ソース電極及びドレイン電極は、それぞれ銅を有し、ソース電極の端部及びドレイン電極の端部は、それぞれ銅とシリコンとを含む領域を有する半導体装置である。【００１５】  また、本発明の他の一態様は、トランジスタを有する半導体装置であって、トランジスタは、ゲート電極と、ゲート電極上の第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜を間に挟んでゲート電極と重なる領域を有する酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜と電気的に接続されるソース電極と、酸化物半導体膜と電気的に接続されるドレイン電極と、酸化物半導体膜上、ソース電極上、及びドレイン電極上の第２の絶縁膜と、を有し、ソース電極及びドレイン電極は、それぞれ銅を有し、ソース電極の端部及びドレイン電極の端部は、それぞれ銅とシリコンとを含む化合物を有する領域を有する半導体装置である。【００１６】  上記各構成において、ソース電極の端部及びドレイン電極の端部は、それぞれ第２の絶縁膜と接する領域を有すると好ましい。【００１７】  また、本発明の他の一態様は、トランジスタを有する半導体装置であって、トランジスタは、ゲート電極と、ゲート電極上の第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜を間に挟んでゲート電極と重なる領域を有する酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜と電気的に接続されるソース電極と、酸化物半導体膜と電気的に接続されるドレイン電極と、酸化物半導体膜上、ソース電極上、及びドレイン電極上の第２の絶縁膜と、を有し、ソース電極及びドレイン電極は、それぞれ第１の導電膜と、第１の導電膜上に接する第２の導電膜と、第２の導電膜上に接する第３の導電膜と、を有し、第２の導電膜は、銅を有し、第１の導電膜及び第３の導電膜は、銅の拡散を抑制する材料を有し、第２の導電膜の端部は、銅とシリコンとを含む領域を有する半導体装置である。【００１８】  また、本発明の他の一態様は、トランジスタを有する半導体装置であって、トランジスタは、ゲート電極と、ゲート電極上の第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜を間に挟んでゲート電極と重なる領域を有する酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜と電気的に接続されるソース電極と、酸化物半導体膜と電気的に接続されるドレイン電極と、酸化物半導体膜上、ソース電極上、及びドレイン電極上の第２の絶縁膜と、を有し、ソース電極及びドレイン電極は、それぞれ第１の導電膜と、第１の導電膜上に接する第２の導電膜と、第２の導電膜上に接する第３の導電膜と、を有し、第２の導電膜は、銅を有し、第１の導電膜及び第３の導電膜は、銅の拡散を抑制する材料を有し、第２の導電膜の端部は、銅とシリコンとを含む化合物を有する領域を有する半導体装置である。【００１９】  上記各構成において、第２の導電膜の端部は、第２の絶縁膜と接する領域を有すると好ましい。【００２０】  また、上記各構成において、第１���導電膜及び第３の導電膜は、チタン、タングステン、タンタル、及びモリブデンの少なくとも一を有すると好ましい。また、第１の導電膜及び第３の導電膜は、酸化物を有し、酸化物は、ＩｎまたはＺｎのうち少なくとも一を有すると好ましい。【００２１】  また、上記各構成において、酸化物半導体膜は、Ｉｎと、Ｚｎと、Ｍ（Ｍは、Ａｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎを表す）と、を有すると好ましい。また、酸化物半導体膜は、結晶部を有し、結晶部は、ｃ軸配向性を有すると好ましい。【００２２】  また、本発明の他の一態様は、上記各態様の半導体装置と、表示素子とを有する表示装置である。また、本発明の他の一態様は、上記態様の表示装置とタッチセンサとを有する表示モジュールである。また、本発明の他の一態様は、上記各態様の半導体装置、上記態様の表示装置、または上記態様の表示モジュールと、操作キーまたはバッテリの少なくとも一とを有する電子機器である。
【発明の効果】
【００２３】  本発明の一態様により、酸化物半導体膜を用いるトランジスタに、銅を有する導電膜を用いる新規な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、酸化物半導体膜を用いるトランジスタに、銅を有する導電膜を用いて、電気特性（例えば、オン電流、電界効果移動度、周波数特性等）の優れたトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、酸化物半導体膜を用いるトランジスタに、銅を有する導電膜を用いて、電気特性の変動が抑制されたトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、酸化物半導体膜を用いるトランジスタに、銅を有する導電膜を用いて、信頼性の高いトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、酸化物半導体膜を用いるトランジスタに、銅を有する導電膜を用いて、製造コストが抑制された半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、酸化物半導体膜を用いるトランジスタに、銅を有する導電膜を用いて、生産性が高い半導体装置を提供することができる。または、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できる。または、本発明の一態様により、新規な半導体装置の作製方法を提供することができる。【００２４】  なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げない。なお、本発明の一態様は、必ずしも、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】
【００２５】
【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断面図。
【図８】半導体装置の一態様を示す断面図。
【図９】半導体装置の一態様を示す断面図。
【図１０】半導体装置の一態様を示す断面図。
【図１１】半導体装置の一態様を示す断面図。
【図１２】半導体装置の一態様を示す上面図及び断面図。
【図１３】半導体装置の一態様を示す上面図及び断面図。
【図１４】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図１５】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図１６】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図１７】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図１８】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図１９】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図２０】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図２１】本発明の一態様に係る酸化物半導体の原子数比の範囲を説明する図。
【図２２】ＩｎＭＺｎＯ４の結晶を説明する図。
【図２３】酸化物半導体の積層構造におけるバンド図。
【図２４】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、ならびにＣＡＡＣ−ＯＳの制限視野電子回折パターンを示す図。
【図２５】ＣＡＡＣ−ＯＳの断面ＴＥＭ像、ならびに平面ＴＥＭ像およびその画像解析像。
【図２６】ｎｃ−ＯＳの電子回折パターンを示す図、およびｎｃ−ＯＳの断面ＴＥＭ像。
【図２７】ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの断面ＴＥＭ像。
【図２８】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２９】表示装置の一態様を示す上面図。
【図３０】表示装置の一態様を示す断面図。
【図３１】表示装置の一態様を示す断面図。
【図３２】表示装置の一態様を示す断面図。
【図３３】表示装置の一態様を示す断面図。
【図３４】表示装置の一態様を示す断面図。
【図３５】表示装置の一態様を示す断面図。
【図３６】表示装置を説明するブロック図及び回路図。
【図３７】本発明の一態様を説明するための回路図およびタイミングチャート。
【図３８】本発明の一態様を説明するためのグラフおよび回路図。
【図３９】本発明の一態様を説明するための回路図およびタイミングチャート。
【図４０】本発明の一態様を説明するための回路図およびタイミングチャート。
【図４１】本発明の一態様を説明するためのブロック図、回路図および波形図。
【図４２】本発明の一態様を説明するための回路図およびタイミングチャート。
【図４３】本発明の一態様を説明するための回路図。
【図４４】本発明の一態様を説明するための回路図。
【図４５】表示モジュールを説明する図。
【図４６】電子機器を説明する図。
【図４７】電子機器を説明する図。
【図４８】表示装置を説明する斜視図。
【図４９】本発明の一態様に係る半導体装置の構成を説明する断面図および回路図。
【図５０】本発明の一態様に係るＣＰＵの構成を説明するブロック図。
【図５１】本発明の一態様に係る記憶素子の構成を説明する回路図。
【図５２】撮像装置の一例を示す回路図。
【図５３】撮像装置の構成例を示す図。
【図５４】実施例に係る、試料のＳＴＥＭ写真を説明する図。
【図５５】実施例に係る、試料のＸＰＳ分析結果を説明する図。
【図５６】実施例に係る、試料のＸＰＳ分析結果を説明する図。
【図５７】実施例に係る、トランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性。
【図５８】実施例に係る、トランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性。
【図５９】実施例に係る、試料のＳＴＥＭ写真を説明する図。
【図６０】実施例に係る、試料のＥＤＸ分析結果を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】  以下、本発明の実施の態様について図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の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が可能である。従って、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ない。
【００２７】  なお、図面等において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、理解の簡単のため、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。
【００２８】  また、本明細書等において、第１、第２等として付される序数詞は便宜上用いており、工程順又は積層順を示さない場合がある。そのため、例えば、「第１の」を「第２の」又は「第３の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書等に記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。
【００２９】  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。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。
【００３０】  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。
【００３１】  また、本明細書等において、「半導体」と表記した場合であっても、例えば、導電性が十分に低い場合は、「絶縁体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「絶縁体」とは境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。したがって、本明細書等に記載の「半導体」は、「絶縁体」に言い換えることが可能な場合がある。同様に、本明細書等に記載の「絶縁体」は、「半導体」に言い換えることが可能な場合がある。または、本明細書等に記載の「絶縁体」を「半絶縁体」に言い換えることが可能な場合がある。
【００３２】  また、本明細書等において、「半導体」と表記した場合であっても、例えば、導電性が十分に高い場合は、「導電体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「導電体」とは境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。したがって、本明細書等に記載の「半導体」は、「導電体」に言い換えることが可能な場合がある。同様に、本明細書等に記載の「導電体」は、「半導体」に言い換えることが可能な場合がある。
【００３３】  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。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。
【００３４】  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。
【００３５】  なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース（ソース領域またはソース電極）とドレイン（ドレイン領域またはドレイン電極）との間の距離をいう。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、本明細書等では、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】  チャネル幅とは、例えば、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとが向かい合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、本明細書等では、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、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。
【００３８】  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。そのため、電圧を電位と言い換えることが可能である。
【００３９】  なお、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、好ましくは酸素が５５原子％以上６５原子％以下、窒素が１原子％以上２０原子％以下、シリコンが２５原子％以上３５原子％以下、水素が０．１原子％以上１０原子％以下の範囲で含まれる膜をいう。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し、好ましくは窒素が５５原子％以上６５原子％以下、酸素が１原子％以上２０原子％以下、シリコンが２５原子％以上３５原子％以下、水素が０．１原子％以上１０原子％以下の濃度範囲で含まれる膜をいう。
【００４０】  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、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。
【００４１】  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、「略平行」とは、二つの直線が−３０°以上３０°以下の角度で配置されている状態をいう。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。また、「略垂直」とは、二つの直線が６０°以上１２０°以下の角度で配置されている状態をいう。
【００４２】  また、本明細書等において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。
【００４３】（実施の形態１）
本実施の形態においては、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２０を用いて以下説明する。
【００４４】＜１−１．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の上面図である。また、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）においては明瞭化のため、トランジスタ１００の構成要素の一部（基板１０２及び絶縁膜等）を省略して図示している。
【００４５】  また、図１（Ａ）における一点鎖線Ｘ１−Ｘ２方向をトランジスタ１００のチャネル長方向、一点鎖線Ｙ１−Ｙ２方向をトランジスタ１００のチャネル幅方向と呼称する場合がある。
【００４６】  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る一対の電極として機能する導電膜１１２ａ、１１２ｂと、酸化物半導体膜１０８上及び導電膜１１２ａ、１１２ｂ上の絶縁膜１１４及び絶縁膜１１６と、絶縁膜１１６上の絶縁膜１１８と、を有する。
【００４７】  酸化物半導体膜１０８は、インジウム（Ｉｎ）と、亜鉛（Ｚｎ）と、Ｍ（Ｍは、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、イットリウム（Ｙ）、またはスズ（Ｓｎ）を表す）と、を有すると好ましい。
【００４８】  また、トランジスタ１００において、絶縁膜１０６、１０７は、トランジスタ１００のゲート絶縁膜としての機能を有する。また、トランジスタ１００において、一対の電極として機能する導電膜１１２ａ、１１２ｂは、一方がソース電極としての機能を有し、他方がドレイン電極としての機能を有する。
【００４９】  また、導電膜１１２ａは、導電膜１１２ａ＿１と、導電膜１１２ａ＿１上に接する導電膜１１２ａ＿２と、導電膜１１２ａ＿２上に接する導電膜１１２ａ＿３と、を有し、導電膜１１２ｂは、導電膜１１２ｂ＿１と、導電膜１１２ｂ＿１上に接する導電膜１１２ｂ＿２と、導電膜１１２ｂ＿２上に接する導電膜１１２ｂ＿３と、を有する。また、導電膜１１２ａ＿２は、領域１１２ａ＿２ａと、領域１１２ａ＿２ｂとを有る。また、導電膜１１２ｂ＿２は、領域１１２ｂ＿２ａと、領域１１２ｂ＿２ｂとを有する。
【００５０】  導電膜１１２ａ＿２及び導電膜１１２ｂ＿２は、それぞれ銅を含み、領域１１２ａ＿２ｂ及び領域１１２ｂ＿２ｂは、それぞれ銅とシリコンとを含み、導電膜１１２ａ＿１、導電膜１１２ａ＿３、導電膜１１２ｂ＿１、及び導電膜１１２ｂ＿３は、それぞれ銅の拡散を抑制する材料を含む。また、領域１１２ａ＿２ｂは、導電膜１１２ａ＿２の端部に位置し、絶縁膜１１４と接する領域を有し、領域１１２ｂ＿２ｂは、導電膜１１２ｂ＿２の端部に位置し、絶縁膜１１４と接する領域を有する。また、導電膜１１２ａ＿１の端部は、導電膜１１２ａ＿２の端部より外側に位置する領域を有し、導電膜１１２ｂ＿１の端部は、導電膜１１２ｂ＿２の端部より外側に位置する領域を有する。また、導電膜１１２ａ＿３は、導電膜１１２ａ＿２の上面を覆い、導電膜１１２ｂ＿３は、導電膜１１２ｂ＿２の上面を覆う。したがって、導電膜１１２ａ＿２ａは、導電膜１１２ａ＿１、領域１１２ａ＿２ｂ、及び導電膜１１２ａ＿３に覆われる構造を有し、導電膜１１２ｂ＿２ａは、導電膜１１２ｂ＿１、領域１１２ｂ＿２ｂ、及び導電膜１１２ｂ＿３に覆われる構造を有する。
【００５１】  また、領域１１２ａ＿２ｂ、及び領域１１２ｂ＿２ｂは、銅シリサイド（銅ケイ化物）を形成すると好ましい。銅シリサイドは、銅とシリコンとの結合を有するため、銅と比較して安定であり、銅が外部に拡散することを抑制する機能を有する。また、絶縁膜１１４がシリコンを有する場合、領域１１２ａ＿２ｂ、１１２ｂ＿２ｂが銅とシリコンとを有することで、導電膜１１２ａ＿２、１１２ｂ＿２と、絶縁膜１１４との密着性が高まる効果を奏する。
【００５２】  また、領域１１２ａ＿２ｂ、１１２ｂ＿２ｂは、銅とシリコンと窒素とを含んでいても良く、銅シリサイドナイトライド（銅ケイ化窒化物）を形成してもよい。領域１１２ａ＿２ｂ、１１２ｂ＿２ｂが銅シリサイドナイトライドを有することで、銅が外部に拡散することを抑制することができる。
【００５３】  導電膜１１２ａ及び導電膜１１２ｂが、それぞれ銅を含む導電膜１１２ａ＿２及び導電膜１１２ｂ＿２を有することで、導電膜１１２ａ、１１２ｂの抵抗を低くすることが可能となる。また、導電膜１１２ａ、１１２ｂを上記構成とすることで、銅元素を導電膜１１２ａ、１１２ｂの外部に拡散すること、特に酸化物半導体膜１０８に拡散することを抑制することができる。したがって、電気特性の優れたトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。
【００５４】＜１−２．半導体装置の構成例２＞
次に、図１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００と異なる構成例について、図２乃至図１１を用いて説明する。なお、以下の図２乃至図１１において、トランジスタ１００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。
【００５５】  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１００Ａ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。
【００５６】  トランジスタ１００Ａは、基板１０２上の第１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る一対の電極として機能する導電膜１１２ａ、１１２ｂと、酸化物半導体膜１０８上及び導電膜１１２ａ、１１２ｂ上の絶縁膜１１４及び絶縁膜１１６と、絶縁膜１１６上に設けられ、且つ絶縁膜１１４、１１６に設けられた開口部１５２ｃにおいて導電膜１１２ａ、１１２ｂの一方（図２（Ｂ）においては導電膜１１２ｂ）と電気的に接続される導電膜１２０ａと、絶縁膜１１６上に設けられ、第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ｂと、絶縁膜１１６及び導電膜１２０ａ、１２０ｂ上の絶縁膜１１８と、を有する。
【００５７】  トランジスタ１００Ａにおいて、絶縁膜１０６、１０７は、トランジスタ１００Ａの第１のゲート絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜１１４、１１６は、トランジスタ１００Ａの第２のゲート絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜１１８は、トランジスタ１００Ａの保護絶縁膜としての機能を有する。なお、本明細書等において、絶縁膜１０６、１０７を第１のゲート絶縁膜と、絶縁膜１１４、１１６を第２のゲート絶縁膜と、呼称する場合がある。また、トランジスタ１００Ａにおいて、一対の電極として機能する導電膜１１２ａ、１１２ｂは、一方がソース電極としての機能を有し、他方がドレイン電極としての機能を有する。また、導電膜１２０ａは、表示装置に用いる画素電極としての機能を有する。
【００５８】≪ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造≫
図２に示すトランジスタ１００Ａにおける酸化物半導体膜１０８は、第１のゲート絶縁膜と、第２のゲート絶縁膜とを間に挟んで、導電膜１０４と、導電膜１２０ｂとに挟持される。導電膜１０４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い。また、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い。そのため、酸化物半導体膜１０８の全体は、第１のゲート絶縁膜及び第２のゲート絶縁膜を間に挟んで導電膜１０４及び導電膜１２０ｂに覆われている。
【００５９】  別言すると、トランジスタ１００Ａのチャネル幅方向において、導電膜１０４及び導電膜１２０ｂは、第１のゲート絶縁膜及び第２のゲート絶縁膜を間に挟んで酸化物半導体膜１０８を囲む構成である。
【００６０】  このような構成を有することで、トランジスタ１００Ａが有する酸化物半導体膜１０８を、導電膜１０４及び導電膜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１００Ａのように、導電膜１０４及び導電膜１２０ｂ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  ｃｈａｎｎｅｌ（ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造と呼ぶことができる。
【００６１】  トランジスタ１００Ａは、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有するため、導電膜１０４及び導電膜１２０ｂ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。したがって、トランジスタ１００Ａ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１００Ａを微細化することが可能となる。また、トランジスタ１００Ａは、導電膜１０４及び導電膜１２０ｂによって酸化物半導体膜１０８が囲まれた構造を有するため、トランジスタ１００Ａの機械的強度を高めることができる。
【００６２】  また、上記構成とすることによって、酸化物半導体膜１０８においてキャリアの流れる領域が、酸化物半導体膜１０８の第１のゲート絶縁膜側と、及び酸化物半導体膜１０８の第２のゲート絶縁膜側と、さらに酸化物半導体膜１０８の膜中の広い範囲となるため、トランジスタ１００Ａはキャリアの移動量が増加する。その結果、トランジスタ１００Ａのオン電流が大きくなると共に、電界効果移動度が大きくなり、具体的には電界効果移動度が１０ｃｍ２／Ｖ・ｓ以上となる。なお、ここでの電界効果移動度は、酸化物半導体膜の物性値としての移動度の近似値ではなく、トランジスタの飽和領域における電流駆動力の指標であり、見かけの電界効果移動度である。
【００６３】  また、図３（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタ１００Ｂのように、導電膜１２０ａ、１２０ｂが、絶縁膜１１８上に設けられてもよい。この場合、絶縁膜１１４、１１６、１１８に設けられた開口部１５２ｃにおいて、導電膜１２０ａと、導電膜１１２ａ、１１２ｂの一方とが電気的に接続される。なお、トランジスタ１００Ｂの上面図は、図２（Ａ）に示すトランジスタ１００Ａと同様であり、図３（Ａ）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３（Ｂ）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。また、トランジスタ１００Ｂの他の構成としては、トランジスタ１００Ａと同様であるため、トランジスタ１００Ａの構成を参酌すればよい。
【００６４】  また、図３（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ｃのように、導電膜１１２ａ、１１２ｂにおいて、導電膜１１２ａ＿１の端部と、導電膜１１２ａ＿２の端部とが揃う領域があっても良く、導電膜１１２ｂ＿１の端部と、導電膜１１２ｂ＿２の端部とが揃う領域があっても良い。
【００６５】  また、図４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ｄのように、第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ｂが、第１のゲート絶縁膜（絶縁膜１０６、１０７）、及び第２のゲート絶縁膜（絶縁膜１１４、１１６）に設けられた開口部１５２ａ、１５２ｂにおいて、第１のゲート電極として機能する導電膜１０４と接続する構成としてもよい。なお、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１００Ｄの上面図である。また、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。また、トランジスタ１００Ｄの他の構成としては、トランジスタ１００Ａと同様であるため、トランジスタ１００Ａの構成を参酌すればよい。
【００６６】  トランジスタ１００Ｄにおいては、導電膜１０４と導電膜１２０ｂとが第１のゲート絶縁膜、及び第２のゲート絶縁膜に設けられる開口部１５２ａ、１５２ｂにおいて接続するため、酸化物半導体膜１０８のチャネル幅方向の側面は、第１のゲート絶縁膜及び第２のゲート絶縁膜を間に挟んで導電膜１２０ｂと対向している。また、導電膜１０４と、導電膜１２０ｂとが、同じ電位が与えられる。そのため、効果的にトランジスタ１００Ｄが有する酸化物半導体膜１０８を、導電膜１０４及び導電膜１２０ｂの電界によって電気的に囲むことができる。なお、開口部１５２ａ及び開口部１５２ｂについては、いずれか一方のみを設ける構成であってもよい。
【００６７】  また、図５（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタ１００Ｅのように、導電膜１２０ａ、１２０ｂが、絶縁膜１１８上に設けられてもよい。この場合、絶縁膜１１４、１１６、１１８に設けられた開口部１５２ｃにおいて、導電膜１２０ａと、導電膜１１２ａ、１１２ｂの一方とが電気的に接続され、絶縁膜１０６、１０７、１１４、１１６、１１８に設けられた開口部１５２ａ、１５２ｂにおいて、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とが電気的に接続される。なお、トランジスタ１００Ｅの上面図は、図４（Ａ）に示すトランジスタ１００Ｄと同様であり、図５（Ａ）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５（Ｂ）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。また、トランジスタ１００Ｅの他の構成としては、トランジスタ１００Ｄと同様であるため、トランジスタ１００Ｄの構成を参酌すればよい。
【００６８】  また、図６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ｆのように、第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ｂが、接続電極として機能する導電膜１１２ｃを介して、第１のゲート電極として機能する導電膜１０４と接続する構成としてもよい。なお、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１００Ｆの上面図である。また、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。
【００６９】  図６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ｆは、絶縁膜１０７上に設けられ、且つ第１のゲート絶縁膜（絶縁膜１０６、１０７）に設けられた開口部１５１において導電膜１０４と電気的に接続される導電膜１１２ｃを有し、導電膜１２０ｂが、絶縁膜１１６上に設けられ、且つ第２のゲート絶縁膜（絶縁膜１１４、１１６）に設けられた開口部１５２ｄにおいて導電膜１１２ｃと電気的に接続される点が、トランジスタ１００Ａと異なる。
【００７０】  トランジスタ１００Ｆにおいては、導電膜１０４と導電膜１２０ｂとが導電膜１１２ｃを介して電気的に接続し、酸化物半導体膜１０８のチャネル幅方向の側面の一方は、第１のゲート絶縁膜及び第２のゲート絶縁膜を間に挟んで導電膜１１２ｃと対向している。また、導電膜１０４と、導電膜１２０ｂとが、同じ電位が与えられる。そのため、効果的にトランジスタ１００Ｆが有する酸化物半導体膜１０８を、導電膜１０４及び導電膜１２０ｂの電界によって電気的に囲むことができる。
【００７１】  一方、例えば、トランジスタ１００Ａやトランジスタ１００Ｂのように、導電膜１０４と導電膜１２０ｂとを接続しない構成の場合、導電膜１０４と、導電膜１２０ｂには、それぞれ異なる電位を与えることができる。
【００７２】  また、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の一方または双方は、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なくてもよい。
【００７３】  導電膜１１２ｃは、導電膜１１２ａ、１１２ｂと同じ工程によって、形成することができる。この場合、導電膜１１２ｃは、導電膜１１２ｃ＿１と、導電膜１１２ｃ＿１上に接する導電膜１１２ｃ＿２と、導電膜１１２ｃ＿２上に接する導電膜１１２ｃ＿３と、を有する。また、導電膜１１２ｃ＿２は、領域１１２ｃ＿２ａと、領域１１２ｃ＿２ｂとを有する。
【００７４】  導電膜１１２ｃ＿２は、銅を含み、領域１１２ｃ＿２ｂは、銅とシリコンとを含み、導電膜１１２ｃ＿１及び導電膜１１２ｃ＿３は、それぞれ銅の拡散を抑制する材料を含む。また、領域１１２ｃ＿２ｂは、導電膜１１２ｃ＿２の端部に位置し、絶縁膜１１４と接する領域を有する。また、導電膜１１２ｃ＿１の端部は、導電膜１１２ｃ＿２の端部より外側に位置する領域を有する。また、導電膜１１２ｃ＿３は、導電膜１１２ｃ＿２の上面を覆う。したがって、導電膜１１２ｃ＿２ａは、導電膜１１２ｃ＿１、領域１１２ｃ＿２ｂ、及び導電膜１１２ｃ＿３に覆われる構造を有する。
【００７５】  また、領域１１２ｃ＿２ｂは、領域１１２ａ＿２ｂ、１１２ｂ＿２ｂと同様の材料及び工程により形成することができる。
【００７６】  上記構成とすることで、導電膜１１２ｃの抵抗を低くすることが可能となる。また、銅元素を導電膜１１２ｃの外部に拡散すること、特に酸化物半導体膜１０８に拡散することを抑制することができる。
【００７７】  なお、トランジスタ１００Ｆの他の構成としては、トランジスタ１００Ａと同様であるため、トランジスタ１００Ａの構成を参酌すればよい。
【００７８】＜１−３．半導体装置の構成例３＞
図７（Ａ）（Ｂ）は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ１００Ｇの断面図であり、トランジスタ１００Ｇの上面図は、図１（Ａ）に示すトランジスタ１００と同様であり、図７（Ａ）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７（Ｂ）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。
【００７９】  トランジスタ１００Ｇは、酸化物半導体膜１０８が、導電膜１０４側の酸化物半導体膜１０８ａと、酸化物半導体膜１０８ａ上の酸化物半導体膜１０８ｂと、酸化物半導体膜１０８ｂ上の酸化物半導体膜１０８ｃを有する点でトランジスタ１００と異なる。すなわち、酸化物半導体膜１０８は、３層構造を有する。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、同様の効果を奏する。以下では、トランジスタ１００と異なる構成について説明する。
【００８０】  酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃは、それぞれ、Ｉｎと、Ｚｎと、Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、を有する。
【００８１】  例えば、酸化物半導体膜１０８ｂとしては、Ｉｎの原子数比がＭの原子数比より多い領域を有すると好ましい。また、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃとしては、酸化物半導体膜１０８ｂよりもＩｎの原子数が少ない領域を有すると好ましい。
【００８２】  酸化物半導体膜１０８ｂが、Ｉｎの原子数比がＭの原子数比より多い領域を有することで、トランジスタ１００Ｇの電界効果移動度を高くすることができる。具体的には、トランジスタ１００Ｇの電界効果移動度が１０ｃｍ２／Ｖｓを超える、さらに好ましくはトランジスタ１００Ｇの電界効果移動度が３０ｃｍ２／Ｖｓを超えることが可能となる。
【００８３】  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。
【００８４】  一方で、酸化物半導体膜１０８ｂが、Ｉｎの原子数比がＭの原子数比より多い領域を有する場合、光照射時にトランジスタ１００Ｇの電気特性が変動しやすくなる。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１０８ｂ上に酸化物半導体膜１０８ｃが形成されている。酸化物半導体膜１０８ｃは、酸化物半導体膜１０８ｂよりもＩｎの原子数比が少ない領域を有するため、酸化物半導体膜１０８ｂよりもＥｇが大きくなる。したがって、酸化物半導体膜１０８ｂと、酸化物半導体膜１０８ｃとの積層構造である酸化物半導体膜１０８は、光負バイアスストレス試験による耐性を高めることが可能となる。
【００８５】  また、酸化物半導体膜１０８中、特に酸化物半導体膜１０８ｂのチャネル領域に混入する水素または水分などの不純物は、トランジスタ特性に影響を与えるため問題となる。したがって、酸化物半導体膜１０８ｂ中のチャネル領域においては、水素または水分などの不純物が少ないほど好ましい。また、酸化物半導体膜１０８ｂ中のチャネル領域に形成される酸素欠損は、トランジスタ特性に影響を与えるため問題となる。例えば、酸化物半導体膜１０８ｂのチャネル領域中に酸素欠損が形成されると、該酸素欠損に水素が結合し、キャリア供給源となる。酸化物半導体膜１０８ｂのチャネル領域中にキャリア供給源が生成されると、酸化物半導体膜１０８ｂを有するトランジスタ１００Ｇの電気特性の変動、代表的にはしきい値電圧のシフトが生じる。したがって、酸化物半導体膜１０８ｂのチャネル領域においては、酸素欠損が少ないほど好ましい。
【００８６】  そこで、本発明の一態様においては、酸化物半導体膜１０８に接する絶縁膜、具体的には、酸化物半導体膜１０８の上方に形成される絶縁膜１１４、１１６が過剰酸素を含有する構成である。絶縁膜１１４、１１６から酸化物半導体膜１０８へ酸素または過剰酸素を移動させることで、酸化物半導体膜中の酸素欠損を低減することが可能となる。
【００８７】  また、図８（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタ１００Ｈのように、酸化物半導体膜１０８が、酸化物半導体膜１０８ｂ及び酸化物半導体膜１０８ｃを有する２層構造を有する構成としてもよい。なお、トランジスタ１００Ｈの上面図は、図１（Ａ）に示すトランジスタ１００と同様であり、図８（Ａ）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８（Ｂ）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。また、トランジスタ１００Ｈの他の構成としては、トランジスタ１００Ｇと同様であるため、トランジスタ１００Ｇの構成を参酌すればよい。
【００８８】  また、図９（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタ１００Ｊのように、第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ｂを有し、酸化物半導体膜１０８が、酸化物半導体膜１０８ｂ及び酸化物半導体膜１０８ｃを有する構成としてもよい。なお、トランジスタ１００Ｊの上面図は、図２（Ａ）に示すトランジスタ１００Ａと同様であり、図９（Ａ）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９（Ｂ）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。また、トランジスタ１００Ｊの他の構成としては、トランジスタ１００Ａと同様であるため、トランジスタ１００Ａの構成を参酌すればよい。
【００８９】  また、図９（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ｋのように、導電膜１１２ａ、１１２ｂにおいて、導電膜１１２ａ＿１の端部と、導電膜１１２ａ＿２の端部とが揃う領域があっても良く、導電膜１１２ｂ＿１の端部と、導電膜１１２ｂ＿２の端部とが揃う領域があっても良い。
【００９０】  また、図１０（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタ１００Ｌのように、導電膜１２０ａ、１２０ｂが、絶縁膜１１８上に設けられてもよい。また、図１０（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ｍのように、導電膜１１２ａ、１１２ｂにおいて、導電膜１１２ａ＿１の端部と、導電膜１１２ａ＿２の端部とが揃う領域があっても良く、導電膜１１２ｂ＿１の端部と、導電膜１１２ｂ＿２の端部とが揃う領域があっても良い。
【００９１】  トランジスタ１００Ｊ、１００Ｋ、１００Ｌ、１００Ｍのように、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有することによって、酸化物半導体膜１０８においてキャリアの流れる領域が、酸化物半導体膜１０８ｂの第１のゲート絶縁膜側と、及び酸化物半導体膜１０８ｂの第２のゲート絶縁膜側と、さらに酸化物半導体膜１０８の膜中の広い範囲となるため、これらのトランジスタはキャリアの移動量が増加する。その結果、トランジスタのオン電流が大きくなると共に、電界効果移動度が大きくなる。
【００９２】  また、トランジスタ１００が有する酸化物半導体膜１０８は図面において、導電膜１１２ａ、１１２ｂから露出した領域の酸化物半導体膜が薄くなる、別言すると酸化物半導体膜の一部が凹部を有する形状について例示している。ただし、本発明の一態様はこれに限定されず、導電膜１１２ａ、１１２ｂから露出した領域の酸化物半導体膜が薄くならず、凹部を有さなくてもよい。この場合の一例を図１１（Ａ）（Ｂ）に示す。図１１（Ａ）（Ｂ）は、半導体装置の一例を示す断面図である。なお、図１１（Ａ）（Ｂ）は、先に示すトランジスタ１００の酸化物半導体膜１０８が凹部を有さない構造を有するトランジスタ１００Ｎの断面図である。
【００９３】＜１−４．半導体装置の構成例４＞
図１２（Ａ）は、トランジスタ１００Ｐの上面図であり、図１２（Ｂ）は、図１２（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１２（Ｃ）は、図１２（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。
【００９４】  図１２に示すトランジスタ１００Ｐは、基板１０２上の導電膜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上の絶縁膜１１４と、絶縁膜１１４上の絶縁膜１１６と、絶縁膜１１４及び絶縁膜１１６に設けられる開口部１５１ａを介して酸化物半導体膜１０８に電気的に接続される導電膜１１２ａと、絶縁膜１１４及び絶縁膜１１６に設けられる開口部１５１ｂを介して酸化物半導体膜１０８に電気的に接続される導電膜１１２ｂとを有する。また、トランジスタ１００Ｐ上、より詳しくは、導電膜１１２ａ、１１２ｂ、及び絶縁膜１１６上には絶縁膜１１８が設けられる。
【００９５】  なお、トランジスタ１００Ｐにおいて、絶縁膜１０６、１０７は、トランジスタ１００Ｐのゲート絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜１１４、１１６は、酸化物半導体膜１０８の保護絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜１１８は、トランジスタ１００Ｐの保護絶縁膜としての機能を有する。また、トランジスタ１００Ｐにおいて、導電膜１０４は、ゲート電極としての機能を有し、導電膜１１２ａは、ソース電極としての機能を有し、導電膜１１２ｂは、ドレイン電極としての機能を有する。
【００９６】  図１に示すトランジスタ１００においては、チャネルエッチ型の構造であったのに対し、図１２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ｐは、チャネル保護型の構造である。本発明の一態様の半導体装置には、チャネル保護型のトランジスタも好適に用いることができる。なお、トランジスタ１００Ｐの他の構成としては、トランジスタ１００と同様であるため、トランジスタ１００の構成を参酌すればよい。
【００９７】  また、図１３（Ａ）は、トランジスタ１００Ｑの上面図であり、図１３（Ｂ）は、図１３（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１３（Ｃ）は、図１３（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。
【００９８】  図１３に示すトランジスタ１００Ｑは、図１２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ｐと絶縁膜１１４、１１６の形状が相違する。具体的には、トランジスタ１００Ｑの絶縁膜１１４、１１６は、酸化物半導体膜１０８のチャネル領域上に島状に設けられる。その他の構成は、トランジスタ１００Ｐと同様である。
【００９９】  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。
【０１００】＜１−５．半導体装置の構成要素＞
以下に本実施の形態の半導体装置に含まれる構成要素について、詳細に説明する。
【０１０１】≪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を材料とした単結晶半導体基板、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。
【０１０２】  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。
【０１０３】  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。
【０１０４】≪導電膜≫
第１のゲート電極として機能する導電膜１０４、ソース電極として機能する導電膜１１２ａ、ドレイン電極として機能する導電膜１１２ｂ、接続電極として機能する導電膜１１２ｃ、第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ｂ、及び画素電極として機能する導電膜１２０ａ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。
【０１０５】  また、導電膜１０４、１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１２０ａ、１２０ｂには、Ｃｕを用いることが好ましい。また、Ｃｕ−Ｘ合金膜（Ｘは、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、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。
【０１０６】  また、導電膜１１２ａが有する導電膜１１２ａ＿２、導電膜１１２ｂが有する導電膜１１２ｂ＿２、及び導電膜１１２ｃが有する導電膜１１２ｃ＿２には、Ｃｕまたは上述のＣｕ−Ｘ合金膜を好適に用いることができる。Ｃｕ−Ｘ合金膜としては、Ｃｕ−Ｍｎ合金膜が特に好ましい。ただし、本発明の一態様において、これに限定されず、導電膜１１２ａ＿２、１１２ｂ＿２、及び導電膜１１２ｃ＿２は、少なくとも銅を有していればよい。
【０１０７】  また、領域１１２ａ＿２ｂ、１１２ｂ＿２ｂ、１１２ｃ＿２ｂは、ＣｕとＳｉとを含むことが好ましく、銅シリサイドを有することが好ましい。領域１１２ａ＿２ｂ、１１２ｂ＿２ｂ、１１２ｃ＿２ｂが銅シリサイドナイトライドを有することで、銅が外部に拡散することを抑制することができる。銅シリサイドは、ＣｕまたはＣｕを有する合金を成膜後に、例えばシランガスと反応させることで形成する。また、シランガスと反応後に、例えば窒素を含むプラズマと反応させることでＣｕとＳｉとＮとを有する銅シリサイドナイトライドを形成してもよい。なお、銅または銅を有する合金の表面が酸化膜によって被覆されている場合は、上記反応前に水素またはアンモニア等を用いて酸化膜を除去する還元処理を行うことが好ましい。
【０１０８】  また、導電膜１１２ａが有する導電膜１１２ａ＿１、１１２ａ＿３、導電膜１１２ｂが有する導電膜１１２ｂ＿１、１１２ｂ＿３、及び導電膜１１２ｃが有する導電膜１１２ｃ＿１、１１２ｃ＿３には、上述の金属元素の中でも、特にチタン、タングステン、タンタル、及びモリブデンの中から選ばれるいずれか一つまたは複数を有すると好適である。導電膜１１２ａ＿１、１１２ａ＿３、１１２ｂ＿１、１１２ｂ＿３、１１２ｃ＿１、１１２ｃ＿３がチタン、タングステン、タンタル、及びモリブデンの中から選ばれるいずれか一つまたは複数を有すると、導電膜１１２ａ＿２、１１２ｂ＿２、１１２ｃ＿２が有する銅の外部への拡散を抑制することができる。すなわち、導電膜１１２ａ＿１、１１２ａ＿３、１１２ｂ＿１、１１２ｂ＿３、１１２ｃ＿１、１１２ｃ＿３は、所謂バリアメタルとしての機能を有する。
【０１０９】  また、導電膜１１２ａ＿１、１１２ａ＿３、１１２ｂ＿１、１１２ｂ＿３、１１２ｃ＿１、１１２ｃ＿３には、窒素とタンタルを含む、所謂窒化タンタル膜を用いると好適である。当該窒化タンタル膜は、導電性を有し、且つ、銅または水素に対して、高いバリア性を有する。また、窒化タンタル膜は、さらに自身からの水素の放出が少ないため、酸化物半導体膜１０８と接する導電膜として、最も好適に用いることができる。
【０１１０】  また、導電膜１０４、１１２ａ＿１、１１２ａ＿３、１１２ｂ＿１、１１２ｂ＿３、１１２ｃ＿１、１１２ｃ＿３、１２０ａ、１２０ｂには、インジウムと錫とを有する酸化物、タングステンとインジウムとを有する酸化物、タングステンとインジウムと亜鉛とを有する酸化物、チタンとインジウムとを有する酸化物、チタンとインジウムと錫とを有する酸化物、インジウムと亜鉛とを有する酸化物、シリコンとインジウムと錫とを有する酸化物、インジウムとガリウムと亜鉛とを有する酸化物等の酸化物導電体を適用することもできる。導電膜１１２ａ＿１、１１２ａ＿３、１１２ｂ＿１、１１２ｂ＿３、１１２ｃ＿１、及び１１２ｃ＿３は、ＩｎまたはＺｎのうち少なくとも一を含む酸化物を有することで、導電膜１１２ａ＿２、１１２ｂ＿２、１１２ｃ＿２が有する銅の外部への拡散を抑制することができる。
【０１１１】  特に、導電膜１２０ａには、上述の酸化物導電体を好適に用いることができる。また、導電膜１２０ａと、酸化物半導体膜１０８（酸化物半導体膜１０８ｂ及び酸化物半導体膜１０８ｃ）と、が同一の金属元素を有する構成とすると好適である。当該構成とすることで、製造コストを抑制することが可能となる。
【０１１２】  ここで、酸化物導電体について説明を行う。本明細書等において、酸化物導電体をＯＣ（Ｏｘｉｄｅ  Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼称してもよい。酸化物導電体としては、例えば、酸化物半導体に酸素欠損を形成し、該酸素欠損に水素を添加すると、伝導帯近傍にドナー準位が形成される。この結果、酸化物半導体は、導電性が高くなり導電体化する。導電体化された酸化物半導体を、酸化物導電体ということができる。一般に、酸化物半導体は、エネルギーギャップが大きいため、可視光に対して透光性を有する。一方、酸化物導電体は、伝導帯近傍にドナー準位を有する酸化物半導体である。したがって、酸化物導電体は、ドナー準位による吸収の影響は小さく、可視光に対して酸化物半導体と同程度の透光性を有する。
【０１１３】≪第１のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜≫
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  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  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、１０７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。
【０１１４】  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。
【０１１５】  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１０７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を酸素雰囲気下で熱処理すればよい。
【０１１６】  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。
【０１１７】  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。
【０１１８】≪酸化物半導体膜≫
酸化物半導体膜１０８としては、先に示す材料を用いることができる。
【０１１９】  酸化物半導体膜１０８ｂ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＝２：１：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：４．１等が挙げられる。
【０１２０】  また、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃ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＝１：３：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：６、等が挙げられる。
【０１２１】  また、酸化物半導体膜１０８（１０８ａ、１０８ｂ、及び１０８ｃ）が、それぞれ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１０８ａ、１０８ｂ、及び１０８ｃを形成しやすくなる。なお、成膜される酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｂ、及び１０８ｃの原子数比はそれぞれ、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、酸化物半導体膜１０８ｂの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１０８ｂの原子数比は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３近傍となる場合がある。
【０１２２】  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２．５ｅＶ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。特に、酸化物半導体膜１０８ｂには、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２ｅＶ以上３．０ｅＶ以下の酸化物半導体膜を用い、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃには、エネルギーギャップが２．５ｅＶ以上３．５ｅＶ以下の酸化物半導体膜を用いると、好適である。また、酸化物半導体膜１０８ｂよりも酸化物半導体膜１０８ａ及び１０８ｃのエネルギーギャップが大きい方が好ましい。
【０１２３】  また、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｂ、及び１０８ｃの厚さは、それぞれ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。
【０１２４】  また、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃ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１０８ａ、１０８ｃは、キャリア密度が１×１０１７ｃｍ−３以下、好ましくは１×１０１５ｃｍ−３以下、さらに好ましくは１×１０１３ｃｍ−３以下、より好ましくは１×１０１１ｃｍ−３以下とする。
【０１２５】  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。
【０１２６】  なお、酸化物半導体膜１０８としては、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Ｌ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。
【０１２７】  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。
【０１２８】  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５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【０１２９】  また、酸化物半導体膜１０８ｂは、酸化物半導体膜１０８ｃよりも水素濃度が少ない領域を有すると好ましい。酸化物半導体膜１０８ｂの方が、酸化物半導体膜１０８ｃよりも水素濃度が少ない領域を有すことにより、信頼性の高い半導体装置とすることができる。
【０１３０】  また、酸化物半導体膜１０８ｂ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１０８ｂ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１０８ｂにおけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物半導体膜１０８ｂ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、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【０１３１】  また、酸化物半導体膜１０８ｂ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２×１０１６ａｔｏｍｓ／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１０８ｂ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。
【０１３２】  また、酸化物半導体膜１０８ｂ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。
【０１３３】  また、酸化物半導体膜１０８ｂ、及び酸化物半導体膜１０８ｃは、それぞれ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−ＯＳは最も欠陥準位密度が低い。
【０１３４】≪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、トランジスタ１００の第２のゲート絶縁膜として機能する。また、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。すなわち、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。
【０１３５】  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５０ｎｍ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。
【０１３６】  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。
【０１３７】  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。
【０１３８】  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。
【０１３９】  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。
【０１４０】  窒素酸化物（ＮＯｘ、ｘは０を越えて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１０８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。
【０１４１】  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。
【０１４２】  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であり、トランジスタの電気特性の変動を低減することができる。
【０１４３】  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３５０℃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５ｍＴ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の密度の合計が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。
【０１４４】  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の密度の合計は、窒素酸化物（ＮＯｘ、ｘは０より大きく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１．９６４以上１．９６６以下である第３のシグナルのスピンの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。
【０１４５】  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。
【０１４６】  基板温度が２２０℃以上３５０℃以下であり、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。
【０１４７】  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１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／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。
【０１４８】  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４００ｎｍ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。
【０１４９】  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。
【０１５０】  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、あるいは３層以上の積層構造としてもよい。
【０１５１】≪保護絶縁膜として機能する絶縁膜≫
絶縁膜１１８は、トランジスタ１００の保護絶縁膜として機能する。
【０１５２】  絶縁膜１１８は、水素及び窒素のいずれか一方または双方を有する。または、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。
【０１５３】  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。
【０１５４】  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（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  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、またはＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などが挙げられる。
【０１５５】  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。
【０１５６】  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。
【０１５７】  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。
【０１５８】  ＭＯＣＶＤ法、ＡＬＤ法などの熱ＣＶＤ法は、上記実施形態の導電膜、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−ＺｎＯ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。
【０１５９】  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。
【０１６０】  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。
【０１６１】  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。
【０１６２】  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ガスと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ＳｉＨ４ガスを用いてもよい。
【０１６３】  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ガスとを用いてＧａＯ層を形成し、更にその後Ｚｎ（ＣＨ３）２ガスとＯ３ガスとを用いて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、これらのガスを用いて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ガスに変えて、Ｉｎ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いても良い。また、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスに変えて、Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いても良い。また、Ｚｎ（ＣＨ３）２ガスを用いても良い。
【０１６４】＜１−６．トランジスタの作製方法１＞
次に、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ１００Ｊの作製方法について、図１４乃至図１７を用いて説明する。なお、図１４乃至図１７は、半導体装置の作製方法を説明する断面図であり、図１４（Ａ）（Ｃ）（Ｅ）、図１５（Ａ）（Ｃ）（Ｅ）、図１６（Ａ）（Ｃ）（Ｅ）、図１７（Ａ）（Ｃ）（Ｅ）は、Ｘ１−Ｘ２に示すチャネル長方向であり、図１４（Ｂ）（Ｄ）（Ｆ）、図１５（Ｂ）（Ｄ）（Ｆ）、図１６（Ｂ）（Ｄ）（Ｆ）、図１７（Ｂ）（Ｄ）（Ｆ）は、Ｙ１−Ｙ２に示すチャネル幅方向の断面図である。
【０１６５】≪第１のゲート電極及び第１のゲート絶縁膜の形成工程≫
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１４（Ａ）（Ｂ）参照）。
【０１６６】  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１０ｎｍのチタン膜と、厚さ１００ｎｍの銅膜と、厚さ５０ｎｍの窒化タンタル膜とを、それぞれスパッタリング法により形成する。
【０１６７】  また、絶縁膜１０６として厚さ４００ｎｍの窒化シリコン膜をＰＥＣＶＤ法により形成し、絶縁膜１０７として厚さ１５ｎｍの酸化窒化シリコン膜をＰＥＣＶＤ法により形成する。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。
【０１６８】  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２０００ｓｃｃｍの窒素、及び流量１００ｓｃｃｍ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５０ｎｍとなるように形成すればよい。
【０１６９】  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。
【０１７０】  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５０００ｓｃｃｍ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。
【０１７１】  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℃以下とすることができる。
【０１７２】  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。
【０１７３】  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。
【０１７４】  絶縁膜１０７としては、後に形成される酸化物半導体膜１０８（より具体的には、酸化物半導体膜１０８ｂ）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。また、絶縁膜１０７の形成後に、絶縁膜１０７に酸素を添加してもよい。絶縁膜１０７に添加する酸素としては、酸素ラジカル、酸素原子、酸素原子イオン、酸素分子イオン等がある。また、添加方法としては、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。
【０１７５】≪酸化物半導体膜の形成工程≫
次に、絶縁膜１０７上に酸化物半導体膜１０８ｂ及び酸化物半導体膜１０８ｃを形成する（図１４（Ｃ）（Ｄ）参照）。
【０１７６】  図１４（Ｃ）（Ｄ）は、絶縁膜１０７上に後に酸化物半導体膜１０８となる酸化物半導体膜を形成する際の成膜装置内部の断面模式図である。図１４（Ｃ）（Ｄ）では、成膜装置としてスパッタリング装置を用い、当該スパッタリング装置内部に設置されたターゲット１９１と、ターゲット１９１の下方に形成されたプラズマ１９２とが、模式的に表されている。
【０１７７】  まず、酸化物半導体膜を形成する際に、第１の酸素ガスを含む雰囲気にてプラズマを放電させる。その際に、酸化物半導体膜の被形成面となる絶縁膜１０７中に、酸素が添加される。また、酸化物半導体膜を形成する際に、第１の酸素ガスの他に、不活性ガス（例えば、ヘリウムガス、アルゴンガス、キセノンガスなど）を混合させてもよい。
【０１７８】  第１の酸素ガスとしては、少なくとも酸化物半導体膜を形成する際に含まれていればよく、酸化物半導体膜を形成する際の成膜ガス全体に占める第１の酸素ガスの割合としては、０％より大きく１００％以下、好ましくは１０％以上１００％以下、さらに好ましくは３０％以上１００％以下である。
【０１７９】  なお、図１４（Ｃ）（Ｄ）において、絶縁膜１０７に添加される酸素または過剰酸素を模式的に破線の矢印で表している。
【０１８０】  なお、酸化物半導体膜１０８ｂと、酸化物半導体膜１０８ｃの形成時の基板温度は、同じでも異なっていてもよい。ただし、酸化物半導体膜１０８ｂと、酸化物半導体膜１０８ｃとの、基板温度を同じとすることで、製造コストを低減することができるため好適である。
【０１８１】  例えば、酸化物半導体膜１０８を成膜する際の基板温度としては、室温以上３４０℃未満、好ましくは室温以上３００℃以下、より好ましくは１００℃以上２５０℃以下、さらに好ましくは１００℃以上２００℃以下である。酸化物半導体膜１０８を加熱して成膜することで、酸化物半導体膜１０８の結晶性を高めることができる。一方で、基板１０２として、大型のガラス基板（例えば、第６世代乃至第１０世代）を用いる場合、酸化物半導体膜１０８を成膜する際の基板温度を１５０℃以上３４０℃未満とした場合、基板１０２が変形する（歪むまたは反る）場合がある。よって、大型のガラス基板を用いる場合においては、酸化物半導体膜１０８の成膜する際の基板温度を１００℃以上１５０℃未満とすることで、ガラス基板の変形を抑制することができる。
【０１８２】  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。
【０１８３】  また、スパッタリング法で酸化物半導体膜を成膜する場合、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（５×１０−７Ｐａから１×１０−４Ｐａ程度まで）排気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。
【０１８４】  また、後に酸化物半導体膜１０８ｂとなる酸化物半導体膜が形成した後、続けて、後に酸化物半導体膜１０８ｃとなる酸化物半導体膜が形成する。なお、これらの酸化物半導体膜の形成時においては、第２の酸素ガスを含む雰囲気にてプラズマを放電させればよい。
【０１８５】  なお、後に酸化物半導体膜１０８ｂとなる酸化物半導体膜を形成する際の第１の酸素ガスの割合と、後に酸化物半導体膜１０８ｃとなる酸化物半導体膜を形成する際の第２の酸素ガスの割合とは同じでも異なっていてもよい。
【０１８６】  本実施の形態では、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ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後に酸化物半導体膜１０８ｂとなる酸化物半導体膜を形成し、その後真空中で連続して、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２［原子数比］）を用いて、スパッタリング法により後に酸化物半導体膜１０８ｃとなる酸化物半導体膜を形成する。また、これらの酸化物半導体膜の形成時の基板温度を１７０℃とする。また、後に酸化物半導体膜１０８ｂとなる酸化物半導体膜の形成時の成膜ガスとしては、流量１５ｓｃｃｍの酸素ガスと、流量３５ｓｃｃｍのアルゴンガスと、を用いる。また、後に酸化物半導体膜１０８ｃとなる酸化物半導体膜の形成時の成膜ガスとしては、流量２５ｓｃｃｍの酸素ガスと、流量２５ｓｃｃｍのアルゴンガスと、を用いる。
【０１８７】  次に、成膜した酸化物半導体膜を所望の形状に加工することで、島状の酸化物半導体膜１０８ｂ及び島状の酸化物半導体膜１０８ｃを形成する（図１４（Ｅ）（Ｆ）参照）。なお、本実施の形態においては、酸化物半導体膜１０８ｂ、及び酸化物半導体膜１０８ｃで酸化物半導体膜１０８を構成する（図１４（Ｅ）（Ｆ）参照）。
【０１８８】  また、酸化物半導体膜１０８を形成した後に、加熱処理（以下、第１の加熱処理とする）を行うと好適である。第１の加熱処理により、酸化物半導体膜１０８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。なお、第１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る。
【０１８９】  第１の加熱処理としては、例えば、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２５０℃以上３５０℃以下とすることができる。
【０１９０】  また、第１の加熱処理は、電気炉、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置等を用いることができる。ＲＴＡ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。また、第１の加熱処理は、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。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を低減することができる。
【０１９１】≪ソース電極及びドレイン電極の形成工程≫
次に、絶縁膜１０７及び酸化物半導体膜１０８上に、後にソース電極及びドレイン電極となる、導電膜１１２をスパッタリング法によって形成する（図１５（Ａ）（Ｂ）参照）。
【０１９２】  本実施の形態では、導電膜１１２として、導電膜１１２＿１、１１２＿２、及び１１２＿３を積層する。導電膜１１２＿１として厚さ５０ｎｍのタングステン膜と、導電膜１１２＿２として厚さ２００ｎｍの銅膜と、導電膜１１２＿３として厚さ５ｎｍのタングステン膜とを、順に積層した積層膜をスパッタリング法により成膜する。なお、本実施の形態においては、導電膜１１２＿１と導電膜１１２＿３とが同じ材料を用いて成膜するが、これに限定されない。例えば、導電膜１１２＿１として厚さ５０ｎｍのタングステン膜と、導電膜１１２＿２として厚さ２００ｎｍの銅膜と、導電膜１１２＿３として厚さ５０ｎｍのチタン膜とを、順に成膜した積層膜を用いても良い。また、導電膜１１２の３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１１２として、２層の積層構造としてもよく、４層以上の積層構造としてもよい。
【０１９３】  次に、導電膜１１２＿３上の所望の領域にマスク１４１ａ、１４１ｂを形成する。続けて、マスク１４１ａ、１４１ｂを用いて、導電膜１１２＿２、１１２＿３を加工することで、それぞれ互いに分離された島状の導電膜１１２ａ＿２、１１２ｂ＿２、１１２ａ＿３、１１２ｂ＿３を形成する（図１５（Ｃ）（Ｄ）参照）。
【０１９４】  なお、本実施の形態においては、ウエットエッチング装置を用い、導電膜１１２＿２、１１２＿３を加工する。ただし、導電膜１１２の加工方法としては、これに限定されず、例えば、ドライエッチング装置を用いてもよい。なお、ドライエッチング装置を用いて、導電膜１１２を加工するよりも、ウエットエッチング装置を用いて導電膜１１２を加工した方が、製造コストを低減することができる。
【０１９５】  次に、導電膜１１２ａ＿２、１１２ｂ＿２の端部をシリサイド化させることで、銅を有する領域１１２ａ＿２ａ、１１２ｂ＿２ａと、銅シリサイドを有する領域１１２ａ＿２ｂ、１１２ｂ＿２ｂとを形成する。
【０１９６】  図１５（Ｅ）（Ｆ）は、導電膜１１２ａ＿２、１１２ｂ＿２の端部をシリサイド化させる際のプラズマ装置内部の断面模式図である。図１５（Ｅ）（Ｆ）では、プラズマ装置としてＰＥＣＶＤ装置を用い、当該ＰＥＣＶＤ装置内部に発生したプラズマ１９５が、模式的に表されている。
【０１９７】  導電膜１１２ａ＿２、１１２ｂ＿２の端部で露出した銅は、表面に容易に酸化膜を形成する。したがって、銅をシリサイド化する前処理として、銅の表面を被覆している酸化膜を除去するために還元性を有するガス（例えば、水素ガス、アンモニアガスなど）を含む雰囲気にてプラズマを放電させる。その際、銅表面を覆う酸化膜が還元され、導電膜１１２ａ＿２、１１２ｂ＿２の端部に銅が露出する。なお、当該酸化膜を除去するための還元方法としては、プラズマ処理に限定されない。例えば、還元性を有するガス（例えば、水素ガス、アンモニアガスなど）を含む雰囲気に銅の表面を曝し、加熱処理をすることで還元してもよい。また、上記プラズマ処理および加熱処理を行う際の基板温度としては、好ましくは３００℃以上、より好ましくは３５０℃以上である。本実施の形態において、銅表面を覆う酸化膜を除去する際の基板温度としては３５０℃とする。
【０１９８】  続いて、シランガスを含む雰囲気に曝し、銅とシランガスとを反応させることで、導電膜１１２ａ＿２、１１２ｂ＿２の端部に銅とシリコンとを有する銅シリサイドを形成し、領域１１２ａ＿２ｂ、１１２ｂ＿２ｂを形成する。また、導電膜１１２ａ＿２、１１２ｂ＿２において銅シリサイドを形成しない領域を領域１１２ａ＿２ａ、１１２ｂ＿２ａとする。銅シリサイドを形成する際の基板温度としては、好ましくは２００℃以上４００℃以下、より好ましくは２２０℃以上３５０℃以下である。本実施の形態において、銅シリサイドを形成する際の基板温度としては２２０℃とし、流量３００ｓｃｃｍのシランガスと、流量５００ｓｃｃｍの窒素ガスと、を用いる。
【０１９９】  また、銅表面の酸化膜を除去する際の基板温度と、銅シリサイドを形成する際の基板温度を揃えることは、酸化膜除去と銅シリサイド形成を同一装置内あるいは同一チャンバー内で行えるため好ましい。この場合、銅シリサイドを形成する際の基板温度を３５０℃にすることが好ましい。
【０２００】  なお、銅シリサイドを形成する際のガスとしては、少なくともシリコンが含まれていればよく、銅シリサイドを形成する際のガス全体に占めるシリコンを含むガスの割合としては、０％より大きく１００％以下、好ましくは１０％以上１００％以下、さらに好ましくは３０％以上１００％以下である。
【０２０１】  なお、図１５（Ｅ）（Ｆ）において、導電膜１１２ａ＿２、１１２ｂ＿２に添加されるシリコンまたはシランを模式的に破線の矢印で表している。
【０２０２】  なお、銅シリサイドを形成した後、窒素を含むガスの雰囲気にてプラズマを放電させて、導電膜１１２ａ＿２、１１２ｂ＿２に、銅とシリコンと窒素とを含む銅シリサイドナイトライドを形成してもよい。また、窒素を含むガスの雰囲気に基板を曝し、加熱処理を行うことで、導電膜１１２ａ＿２、１１２ｂ＿２に銅とシリコンと窒素とを含む銅シリサイドナイトライドを形成してもよい。
【０２０３】  次に、導電膜１１２＿１上の一部、及び導電膜１１２ａ＿２、１１２ｂ＿２、１１２ａ＿３、１１２ｂ＿３上の所望の領域にマスク１４２ａ、１４２ｂを形成する。続けて、マスク１４２ａ、１４２ｂを用いて、導電膜１１２＿１を加工することで、それぞれ互いに分離された島状の導電膜１１２ａ＿１、１１２ｂ＿１を形成する。この工程を行うことで、導電膜１１２ａ＿１と、領域１１２ａ＿２ａ及び領域１１２ａ＿２ｂを有する導電膜１１２ａ＿２と、導電膜１１２＿３とを有する導電膜１１２ａ、及び導電膜１１２ｂ＿１と、領域１１２ｂ＿２ａ及び領域１１２ｂ＿２ｂを有する導電膜１１２ｂ＿２と、導電膜１１２ｂ＿３とを有する導電膜１１２ｂ、が形成される（図１６（Ａ）（Ｂ）参照）。
【０２０４】  なお、本実施の形態においては、ドライエッチング装置を用い、導電膜１１２＿１を加工する。ただし、導電膜１１２＿１の加工方法としては、これに限定されず、例えば、ウエットエッチング装置を用いてもよい。なお、ウエットエッチング装置を用いて、導電膜１１２＿１を加工するよりも、ドライエッチング装置を用いて導電膜１１２＿１を加工した方が、より微細なパターンを形成することができる。
【０２０５】  また、導電膜１１２ａ、１１２ｂの形成後に、酸化物半導体膜１０８（より具体的には酸化物半導体膜１０８ｂ）の表面（バックチャネル側）を洗浄してもよい。当該洗浄方法としては、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１０８ｂ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、当該洗浄を必ずしも行う必要はなく、場合によっては、洗浄を行わなくてもよい。
【０２０６】  また、導電膜１１２ａ、１１２ｂを形成する工程、及び上記洗浄工程のいずれか一方または双方において、酸化物半導体膜１０８の導電膜１１２ａ、１１２ｂから露出した領域が、薄くなる場合がある。
【０２０７】≪第２のゲート絶縁膜の形成工程≫
次に、酸化物半導体膜１０８、及び導電膜１１２ａ、１１２ｂ上に絶縁膜１１４、及び絶縁膜１１６を形成する（図１６（Ｃ）（Ｄ）参照）。
【０２０８】  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と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。
【０２０９】  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、上記の堆積性気体の流量に対して酸化性気体の流量を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。
【０２１０】  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１３．５６ＭＨｚ、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。
【０２１１】  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１８０℃以上３５０℃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。
【０２１２】  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。
【０２１３】  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。
【０２１４】  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３×１０１７ｓｐｉｎｓ／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膜を形成することができる。この結果、トランジスタ１００の信頼性を高めることができる。
【０２１５】  また、絶縁膜１１４、１１６を成膜した後に、加熱処理（以下、第２の加熱処理とする）を行うと好適である。第２の加熱処理により、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。または、第２の加熱処理により、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。
【０２１６】  第２の加熱処理の温度は、代表的には、４００℃未満、好ましくは３７５℃未満、さらに好ましくは、１５０℃以上３５０℃以下とする。第２の加熱処理は、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。
【０２１７】  次に、絶縁膜１１６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の所望の領域に開口部１５２ｃを形成する。なお、開口部１５２ｃは、導電膜１１２ｂに達するように形成される（図１６（Ｅ）（Ｆ）参照）。
【０２１８】≪第２のゲート電極の形成工程≫
次に、開口部１５２ｃを覆うように、絶縁膜１１６上に導電膜１２０ａ、１２０ｂを形成する（図１７（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）参照）。
【０２１９】  なお、図１７（Ａ）（Ｂ）は、絶縁膜１１６上に導電膜１２０ａ、１２０ｂを形成する際の、成膜装置内部の断面模式図である。図１７（Ａ）（Ｂ）では、成膜装置としてスパッタリング装置を用い、当該スパッタリング装置内部に設置されたターゲット１９３と、ターゲット１９３の下方に形成されたプラズマ１９４とが、模式的に表されている。
【０２２０】  まず、導電膜１２０ａ、１２０ｂを形成する際に、第３の酸素ガスを含む雰囲気にてプラズマを放電させる。その際に、導電膜１２０ａ、１２０ｂの被形成面となる絶縁膜１１６中に、酸素が添加される。また、導電膜１２０ａ、１２０ｂを形成する際に、第３の酸素ガスの他に、不活性ガス（例えば、ヘリウムガス、アルゴンガス、キセノンガスなど）を混合させてもよい。例えば、アルゴンガスと、第３の酸素ガスと、を用い、アルゴンガスの流量よりも第３の酸素ガスの流量を多くするのが好ましい。第３の酸素ガスの流量を多くすることで、好適に絶縁膜１１６に酸素を添加することができる。一例としては、導電膜１２０ａ、１２０ｂの形成条件としては、成膜ガス全体に占める第４の酸素ガスの割合を、５０％以上１００％以下、好ましくは、８０％以上１００％以下とすればよい。
【０２２１】  なお、図１７（Ａ）（Ｂ）において、絶縁膜１１６に添加される酸素または過剰酸素を模式的に破線の矢印で表している。
【０２２２】  また、導電膜１２０ａ、１２０ｂを成膜する際の基板温度としては、室温以上３４０℃未満、好ましくは室温以上３００℃以下、より好ましくは１００℃以上２５０℃以下、さらに好ましくは１００℃以上２００℃以下である。導電膜１２０ａ、１２０ｂを加熱して成膜することで、導電膜１２０ａ、１２０ｂの結晶性を高めることができる。一方で、基板１０２として、大型のガラス基板（例えば、第６世代乃至第１０世代）を用いる場合、導電膜１２０ａ、１２０ｂを成膜する際の基板温度を１５０℃以上３４０℃未満とした場合、基板１０２が変形する（歪むまたは反る）場合がある。よって、大型のガラス基板を用いる場合においては、導電膜１２０ａ、１２０ｂの成膜する際の基板温度を１００℃以上１５０℃未満とすることで、ガラス基板の変形を抑制することができる。
【０２２３】  本実施の形態では、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ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導電膜１２０ａ、１２０ｂを形成する。また、導電膜１２０ａ、１２０ｂの形成時の基板温度を１７０℃とする。また、導電膜１２０ａ、１２０ｂの形成時の成膜ガスとしては、流量１００ｓｃｃｍの酸素ガスを用いる。
【０２２４】  なお、導電膜１２０ａ、１２０ｂとしては、例えば、先に記載の酸化物半導体膜（例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子数比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：６［原子数比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２［原子数比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：１：６［原子数比］など）を用いればよい。
【０２２５】  本実施の形態では、導電膜１２０ａ、１２０ｂを成膜する際に、絶縁膜１１６に酸素を添加する方法について例示したがこれに限定されない。例えば、導電膜１２０ａ、１２０ｂを形成後に、さらに絶縁膜１１６に酸素を添加してもよい。
【０２２６】  絶縁膜１１６に酸素を添加する方法としては、例えば、インジウムと、錫と、シリコンとを有する酸化物（ＩＴＳＯともいう）ターゲット（Ｉｎ２Ｏ３：ＳｎＯ２：ＳｉＯ２＝８５：１０：５［重量％］）を用いて、膜厚５ｎｍのＩＴＳＯ膜を酸化物導電膜として形成する。
【０２２７】  この場合、酸化物導電膜の膜厚としては、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下、または２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすると好適に酸素を透過し、且つ酸素の放出を抑制できるため好ましい。その後、酸化物導電膜を通過させて、絶縁膜１１６に酸素を添加する。酸素の添加方法としては、イオンドーピング法、イオン注入法、プラズマ処理法等が挙げられる。また、酸素を添加する際に、基板側にバイアス電圧を印加することで効果的に酸素を絶縁膜１１６に添加することができる。上記バイアス電圧としては、例えば、アッシング装置を用い、該アッシング装置の基板側に印加するバイアス電圧の電力密度を１Ｗ／ｃｍ２以上５Ｗ／ｃｍ２以下とすればよい。また、酸素を添加する際の基板温度としては、室温以上３００℃以下、好ましくは、１００℃以上２５０℃以下とすることで、絶縁膜１１６に効率よく酸素を添加することができる。
【０２２８】  次に、成膜した導電膜を所望の形状に加工することで、島状の導電膜１２０ａ、及び島状の導電膜１２０ｂを形成する（図１７（Ｃ）（Ｄ）参照）。
【０２２９】≪保護絶縁膜の形成工程≫
次に、絶縁膜１１６、及び導電膜１２０ａ、１２０ｂ上に絶縁膜１１８を形成する（図１７（Ｅ）（Ｆ）参照）。
【０２３０】  絶縁膜１１８は、水素及び窒素のいずれか一方または双方を有する。絶縁膜１１８としては、例えば、窒化シリコン膜を用いると好適である。また、絶縁膜１１８としては、例えば、スパッタリング法またはＰＥＣＶＤ法を用いて形成することができる。例えば、絶縁膜１１８をＰＥＣＶＤ法で成膜する場合、基板温度は４００℃未満、好ましくは３７５℃未満、さらに好ましくは１８０℃以上３５０℃以下である。絶縁膜１１８を成膜する場合の基板温度を、上述の範囲にすることで、緻密な膜を形成できるため好ましい。また、絶縁膜１１８を成膜する場合の基板温度を、上述の範囲にすることで、絶縁膜１１４、１１６中の酸素または過剰酸素を、酸化物半導体膜１０８に移動させることが可能となる。
【０２３１】  また、絶縁膜１１８形成後に、先に記載の第１の加熱処理または第２の加熱処理と同等の加熱処理（以下、第３の加熱処理とする）を行ってもよい。このように、絶縁膜１１８の成膜の際に、絶縁膜１１６に酸素を添加した後に、４００℃未満、好ましくは３７５℃未満、さらに好ましくは１８０℃以上３５０℃以下の温度で、加熱処理を行うことで、絶縁膜１１６中の酸素または過剰酸素を酸化物半導体膜１０８（特に酸化物半導体膜１０８ｂ）中に移動させ、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。
【０２３２】  また、絶縁膜１０７の下方には、絶縁膜１０６が設けられており、絶縁膜１１４、１１６の上方には、絶縁膜１１８が設けられている。絶縁膜１０６、１１８を酸素透過性が低い材料、例えば、窒化シリコン等により形成することで、絶縁膜１０７、１１４、１１６中に含まれる酸素を酸化物半導体膜１０８側に閉じ込めることができるため、好適に酸化物半導体膜１０８に酸素を移動させることが可能となる。
【０２３３】  また、絶縁膜１１８は、を水素及び窒素のいずれか一方または双方を有する。そのため、絶縁膜１１８を形成することで、絶縁膜１１８に接する導電膜１２０ａ、１２０ｂは、水素及び窒素のいずれか一方または双方が添加されることで、キャリア密度が高くなり、酸化物導電膜として機能することができる。
【０２３４】  また、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倍以上５０倍以下、１０倍以上５０倍以下とすることが好ましい。
【０２３５】  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、及びアンモニアを原料ガスして用いて、厚さ１００ｎｍ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。
【０２３６】  以上の工程で図９（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタ１００Ｊを作製することができる。
【０２３７】  また、トランジスタ１００Ｊの全ての作製工程において、基板温度を４００℃未満、好ましくは３７５℃未満、さらに好ましくは１８０℃以上３５０℃以下とすることで、大面積の基板を用いても基板の変形（歪みまたは反り）を極めて少なくすることができるため好適である。なお、トランジスタ１００Ｊの作製工程において、基板温度が高くなる工程としては、代表的には、絶縁膜１０６、１０７の成膜時の基板温度（４００℃未満、好ましくは２５０℃以上３５０℃以下）、酸化物半導体膜１０８の成膜時の基板温度（室温以上３４０℃未満、好ましくは１００℃以上２００℃以下、さらに好ましくは１００℃以上１５０℃未満）、絶縁膜１１６、１１８の成膜時の基板温度（４００℃未満、好ましくは３７５℃未満、さらに好ましくは１８０℃以上３５０℃以下）、酸素を添加後の第１の加熱処理または第２の加熱処理（４００℃未満、好ましくは３７５℃未満、さらに好ましくは１８０℃以上３５０℃以下）などが挙げられる。
【０２３８】＜１−７．トランジスタの作製方法２＞
次に、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ１００Ｍの作製方法について、図１８乃至図２０を用いて説明する。なお、図１８乃至図２０は、半導体装置の作製方法を説明する断面図であり、図１８（Ａ）（Ｃ）（Ｅ）、図１９（Ａ）（Ｃ）、図２０（Ａ）は、Ｘ１−Ｘ２に示すチャネル長方向であり、図１８（Ｂ）（Ｄ）（Ｆ）、図１９（Ｂ）（Ｄ）、図２０（Ｂ）は、Ｙ１−Ｙ２に示すチャネル幅方向の断面図である。
【０２３９】  導電膜１０４、絶縁膜１０６、１０７、酸化物半導体膜１０８、導電膜１１２＿１、導電膜１１２ａ＿２（領域１１２ａ＿２ａ、１１２ａ＿２ｂ）、導電膜１１２ｂ＿２（領域１１２ｂ＿２ａ、１１２ｂ＿２ｂ）、導電膜１１２ａ＿３、及び導電膜１１２ｂ＿３の形成方法としては、先のトランジスタ１００Ｊの形成方法と同じであるため、図１４及び図１５を参酌すればよい。
【０２４０】  なお、本実施の形態では、導電膜１１２に用いる導電膜１１２＿１として厚さ５０ｎｍのタングステン膜と、導電膜１１２＿２として厚さ２００ｎｍの銅膜と、導電膜１１２＿３として厚さ５０ｎｍのチタン膜とを、順に積層した積層膜を用いる。
【０２４１】  次に、導電膜１１２ａ＿２、１１２ｂ＿２、１１２＿３をマスクとして、導電膜１１２＿１を加工することで、それぞれ互いに分離された島状の導電膜１１２ａ＿１、１１２ｂ＿１を形成する。この工程を行うことで、導電膜１１２ａ＿１、導電膜１１２ａ＿２（領域１１２ａ＿２ａ、１１２ａ＿２ｂ）、及び導電膜１１２ａ＿３を有する導電膜１１２ａと、導電膜１１２ｂ＿１、導電膜１１２ｂ＿２（領域１１２ｂ＿２ａ、１１２ｂ＿２ｂ）、及び導電膜１１２ｂ＿３を有する導電膜１１２ｂと、が形成される（図１８（Ａ）（Ｂ）参照）。
【０２４２】  導電膜１１２ａ、１１２ｂの形成方法としては、トランジスタ１００Ｊと同様の方法を用いることができる。
【０２４３】  次に、酸化物半導体膜１０８、及び導電膜１１２ａ、１１２ｂ上に絶縁膜１１４、１１６、及び絶縁膜１１８を形成する（図１８（Ｃ）（Ｄ）（Ｅ）（Ｆ）参照）。絶縁膜１１４、１１６、１１８の形成方法としては、トランジスタ１００Ｊと同様の方法を用いることができる。
【０２４４】  また、絶縁膜１１８形成後に、先に記載の第１の加熱処理または第２の加熱処理と同等の加熱処理（以下、第３の加熱処理とする）を行ってもよい。このように、絶縁膜１１８の成膜の際に、絶縁膜１１６に酸素を添加した後に、４００℃未満、好ましくは３７５℃未満、さらに好ましくは１８０℃以上３５０℃以下の温度で、加熱処理を行うことで、絶縁膜１１６中の酸素または過剰酸素を酸化物半導体膜１０８（特に酸化物半導体膜１０８ｂ）中に移動させ、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。
【０２４５】  ここで、酸化物半導体膜１０８中に移動する酸素について、図２０を用いて説明を行う。図２０は、絶縁膜１１８成膜時の基板温度（代表的には３７５℃未満）、または絶縁膜１１８の形成後の第２の加熱処理（代表的には３７５℃未満）によって、酸化物半導体膜１０８中に移動する酸素を表すモデル図である。なお、図２０中において、酸化物半導体膜１０８中に示す酸素（酸素ラジカル、酸素原子、または酸素分子）を破線の矢印で表している。
【０２４６】  図２０に示す酸化物半導体膜１０８は、酸化物半導体膜１０８に近接する絶縁膜（ここでは、絶縁膜１０７、及び絶縁膜１１４）から酸素が移動することで、酸素欠損が補填される。特に、本発明の一態様の半導体装置において、酸化物半導体膜１０８ｂのスパッタリング成膜時に、酸素ガスを用い、絶縁膜１０７中に酸素を添加するため、絶縁膜１０７は過剰酸素領域を有する。また、酸化物導電膜のスパッタリング成膜時に、酸素ガスを用い、絶縁膜１１６中に酸素を添加するため、絶縁膜１１６は過剰酸素領域を有する。よって、該過剰酸素領域を有する絶縁膜に挟まれた酸化物半導体膜１０８は、酸素欠損が好適に補填される。
【０２４７】  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１５２ｃを形成する。なお、開口部１５２ｃは、導電膜１１２ｂに達するように形成される（図１９（Ａ）（Ｂ）参照）。
【０２４８】  次に、開口部１５２ｃを覆うように、絶縁膜１１６上に導電膜１２０ａ、１２０ｂを形成する（図１９（Ｃ）（Ｄ）参照）。導電膜１２０ａ、１２０ｂとしては、トランジスタ１００Ｊと同様の方法を用いることができる。
【０２４９】  以上の工程で図１０（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ｍを作製することができる。
【０２５０】  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。
【０２５１】（実施の形態２）
本実施の形態においては、本発明の一態様に用いることのできる、酸化物半導体の組成、及び酸化物半導体の構造等について、図２１乃至図２８を参照して説明する。
【０２５２】＜２−１．酸化物半導体の組成＞
まず、酸化物半導体の組成について説明する。
【０２５３】  酸化物半導体は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
【０２５４】  ここで、酸化物半導体が、インジウム、元素Ｍ及び亜鉛を有する場合を考える。なお、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。
【０２５５】  まず、図２１（Ａ）、図２１（Ｂ）、および図２１（Ｃ）を用いて、本発明の一態様に係る酸化物半導体が有するインジウム、元素Ｍ及び亜鉛の原子数比の好ましい範囲について説明する。なお、図２１には、酸素の原子数比については記載しない。また、酸化物半導体が有するインジウム、元素Ｍ、及び亜鉛の原子数比のそれぞれの項を［Ｉｎ］、［Ｍ］、および［Ｚｎ］とする。
【０２５６】  図２１（Ａ）、図２１（Ｂ）、および図２１（Ｃ）において、破線は、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：１の原子数比（−１≦α≦１）となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：２の原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：３の原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：４の原子数比となるライン、および［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：５の原子数比となるラインを表す。
【０２５７】  また、一点鎖線は、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：βの原子数比（β≧０）となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：２：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：３：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：４：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝２：１：βの原子数比となるライン、及び［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：１：βの原子数比となるラインを表す。
【０２５８】  また、二点鎖線は、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋γ）：２：（１−γ）の原子数比（−１≦γ≦１）となるラインを表す。また、図２１に示す、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：２：１の原子数比またはその近傍値の酸化物半導体は、スピネル型の結晶構造をとりやすい。
【０２５９】図２１（Ａ）および図２１（Ｂ）では、本発明の一態様の酸化物半導体が有する、インジウム、元素Ｍ、及び亜鉛の原子数比の好ましい範囲の一例について示している。
【０２６０】  一例として、図２２に、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：１である、ＩｎＭＺｎＯ４の結晶構造を示す。また、図２２は、ｂ軸に平行な方向から観察した場合のＩｎＭＺｎＯ４の結晶構造である。なお、図２２に示すＭ、Ｚｎ、酸素を有する層（以下、（Ｍ，Ｚｎ）層）における金属元素は、元素Ｍまたは亜鉛を表している。この場合、元素Ｍと亜鉛の割合が等しいものとする。元素Ｍと亜鉛とは、置換が可能であり、配列は不規則である。
【０２６１】  ＩｎＭＺｎＯ４は、層状の結晶構造（層状構造ともいう）をとり、図２２に示すように、インジウム、および酸素を有する層（以下、Ｉｎ層）が１に対し、元素Ｍ、亜鉛、および酸素を有する（Ｍ，Ｚｎ）層が２となる。
【０２６２】  また、インジウムと元素Ｍは、互いに置換可能である。そのため、（Ｍ，Ｚｎ）層の元素Ｍがインジウムと置換し、（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層と表すこともできる。その場合、Ｉｎ層が１に対し、（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層が２である層状構造をとる。
【０２６３】  ［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：２となる原子数比の酸化物半導体は、Ｉｎ層が１に対し、（Ｍ，Ｚｎ）層が３である層状構造をとる。つまり、［Ｉｎ］および［Ｍ］に対し［Ｚｎ］が大きくなると、酸化物半導体が結晶化した場合、Ｉｎ層に対する（Ｍ，Ｚｎ）層の割合が増加する。
【０２６４】  ただし、酸化物半導体中において、Ｉｎ層が１に対し、（Ｍ，Ｚｎ）層が非整数である場合、Ｉｎ層が１に対し、（Ｍ，Ｚｎ）層が整数である層状構造を複数種有する場合がある。例えば、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：１．５である場合、Ｉｎ層が１に対し、（Ｍ，Ｚｎ）層が２である層状構造と、（Ｍ，Ｚｎ）層が３である層状構造とが混在する層状構造となる場合がある。
【０２６５】  例えば、酸化物半導体をスパッタリング装置にて成膜する場合、ターゲットの原子数比からずれた原子数比の膜が形成される。特に、成膜時の基板温度によっては、ターゲットの［Ｚｎ］よりも、膜の［Ｚｎ］が小さくなる場合がある。
【０２６６】  また、酸化物半導体中に複数の相が共存する場合がある（二相共存、三相共存など）。例えば、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：２：１の原子数比の近傍値である原子数比では、スピネル型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。また、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：０：０を示す原子数比の近傍値である原子数比では、ビックスバイト型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。酸化物半導体中に複数の相が共存する場合、異なる結晶構造の間において、粒界（グレインバウンダリーともいう）が形成される場合がある。
【０２６７】  また、インジウムの含有率を高くすることで、酸化物半導体のキャリア移動度（電子移動度）を高くすることができる。これは、インジウム、元素Ｍ及び亜鉛を有する酸化物半導体では、主として重金属のｓ軌道がキャリア伝導に寄与しており、インジウムの含有率を高くすることにより、ｓ軌道が重なる領域がより大きくなるため、インジウムの含有率が高い酸化物半導体はインジウムの含有率が低い酸化物半導体と比較してキャリア移動度が高くなるためである。
【０２６８】  一方、酸化物半導体中のインジウムおよび亜鉛の含有率が低くなると、キャリア移動度が低くなる。従って、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：１：０を示す原子数比、およびその近傍値である原子数比（例えば図２１（Ｃ）に示す領域Ｃ）では、絶縁性が高くなる。
【０２６９】  従って、本発明の一態様の酸化物半導体は、キャリア移動度が高く、かつ、粒界が少ない層状構造となりやすい、図２１（Ａ）の領域Ａで示される原子数比を有することが好ましい。
【０２７０】  また、図２１（Ｂ）に示す領域Ｂは、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝４：２：３から４．１、およびその近傍値を示している。近傍値には、例えば、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：３：４が含まれる。領域Ｂで示される原子数比を有する酸化物半導体は、特に、結晶性が高く、キャリア移動度も高い優れた酸化物半導体である。
【０２７１】  なお、酸化物半導体が、層状構造を形成する条件は、原子数比によって一義的に定まらない。原子数比により、層状構造を形成するための難易の差はある。一方、同じ原子数比であっても、形成条件により、層状構造になる場合も層状構造にならない場合もある。従って、図示する領域は、酸化物半導体が層状構造を有する原子数比を示す領域であり、領域Ａ乃至領域Ｃの境界は厳密ではない。
【０２７２】＜２−２．酸化物半導体をトランジスタに用いる構成＞
続いて、上記酸化物半導体をトランジスタに用いる場合について説明する。
【０２７３】  なお、上記酸化物半導体をトランジスタに用いることで、粒界におけるキャリア散乱等を減少させることができるため、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。
【０２７４】  また、トランジスタには、キャリア密度の低い酸化物半導体を用いることが好ましい。例えば、酸化物半導体は、キャリア密度が８×１０１１／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１０／ｃｍ３未満であり、１×１０−９／ｃｍ３以上とすればよい。
【０２７５】  なお、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。
【０２７６】  また、酸化物半導体のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い酸化物半導体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。
【０２７７】  従って、トランジスタの電気特性を安定にするためには、酸化物半導体中の不純物濃度を低減することが有効である。また、酸化物半導体中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。
【０２７８】  ここで、酸化物半導体中における各不純物の影響について説明する。
【０２７９】  酸化物半導体において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物半導体において欠陥準位が形成される。このため、酸化物半導体におけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物半導体との界面近傍のシリコンや炭素の濃度（二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる濃度）を、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【０２８０】  また、酸化物半導体にアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成、キャリアを生成する場合がある。従って、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている酸化物半導体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、酸化物半導体中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。具体的には、ＳＩＭＳにより得られる酸化物半導体中の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２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。
【０２８１】  また、酸化物半導体において、窒素が含まれると、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を半導体に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、酸化物半導体中の窒素濃度は、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。
【０２８２】  また、酸化物半導体に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。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、酸化物半導体中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、酸化物半導体において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、より好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする。
【０２８３】  不純物が十分に低減された酸化物半導体をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。
【０２８４】＜２−３．酸化物半導体の積層構造＞
続いて、該酸化物半導体を２層構造、または３層構造とした場合について述べる。酸化物半導体Ｓ１、酸化物半導体Ｓ２、および酸化物半導体Ｓ３の積層構造に接する絶縁体のバンド図と、酸化物半導体Ｓ２および酸化物半導体Ｓ３の積層構造に接する絶縁体のバンド図と、について、図２３を用いて説明する。
【０２８５】  図２３（Ａ）は、絶縁体Ｉ１、酸化物半導体Ｓ１、酸化物半導体Ｓ２、酸化物半導体Ｓ３、及び絶縁体Ｉ２を有する積層構造の膜厚方向のバンド図の一例である。また、図２３（Ｂ）は、絶縁体Ｉ１、酸化物半導体Ｓ２、酸化物半導体Ｓ３、及び絶縁体Ｉ２を有する積層構造の膜厚方向のバンド図の一例である。なお、バンド図は、理解を容易にするため絶縁体Ｉ１、酸化物半導体Ｓ１、酸化物半導体Ｓ２、酸化物半導体Ｓ３、及び絶縁体Ｉ２の伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ）を示す。
【０２８６】  酸化物半導体Ｓ１、酸化物半導体Ｓ３は、酸化物半導体Ｓ２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Ｓ２の伝導帯下端のエネルギー準位と、酸化物半導体Ｓ１、酸化物半導体Ｓ３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以下であることが好ましい。すなわち、酸化物半導体Ｓ１、酸化物半導体Ｓ３の電子親和力よりも、酸化物半導体Ｓ２の電子親和力が大きく、酸化物半導体Ｓ１、酸化物半導体Ｓ３の電子親和力と、酸化物半導体Ｓ２の電子親和力との差は、０．１５ｅＶ以上、または０．５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、または１ｅＶ以下であることが好ましい。
【０２８７】  図２３（Ａ）、および図２３（Ｂ）に示すように、酸化物半導体Ｓ１、酸化物半導体Ｓ２、酸化物半導体Ｓ３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。このようなバンド図を有するためには、酸化物半導体Ｓ１と酸化物半導体Ｓ２との界面、または酸化物半導体Ｓ２と酸化物半導体Ｓ３との界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。
【０２８８】  具体的には、酸化物半導体Ｓ１と酸化物半導体Ｓ２、酸化物半導体Ｓ２と酸化物半導体Ｓ３が、酸素以外に共通の元素を有する（主成分とする）ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物半導体Ｓ２がＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物半導体の場合、酸化物半導体Ｓ１、酸化物半導体Ｓ３として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物半導体、Ｇａ−Ｚｎ酸化物半導体、酸化ガリウムなどを用いるとよい。
【０２８９】  このとき、キャリアの主たる経路は酸化物半導体Ｓ２となる。酸化物半導体Ｓ１と酸化物半導体Ｓ２との界面、および酸化物半導体Ｓ２と酸化物半導体Ｓ３との界面における欠陥準位密度を低くすることができるため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さく、高いオン電流が得られる。
【０２９０】  トラップ準位に電子が捕獲されることで、捕獲された電子は固定電荷のように振る舞うため、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。酸化物半導体Ｓ１、酸化物半導体Ｓ３を設けることにより、トラップ準位を酸化物半導体Ｓ２より遠ざけることができる。当該構成とすることで、トランジスタのしきい値電圧がプラス方向にシフトすることを防止することができる。
【０２９１】  酸化物半導体Ｓ１、酸化物半導体Ｓ３は、酸化物半導体Ｓ２と比較して、導電率が十分に低い材料を用いる。このとき、酸化物半導体Ｓ２、酸化物半導体Ｓ２と酸化物半導体Ｓ１との界面、および酸化物半導体Ｓ２と酸化物半導体Ｓ３との界面が、主にチャネル領域として機能する。例えば、酸化物半導体Ｓ１、酸化物半導体Ｓ３には、図２１（Ｃ）において、絶縁性が高くなる領域Ｃで示す原子数比の酸化物半導体を用いればよい。なお、図２１（Ｃ）に示す領域Ｃは、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：１：０、またはその近傍値である原子数比を示している。
【０２９２】  特に、酸化物半導体Ｓ２に領域Ａで示される原子数比の酸化物半導体を用いる場合、酸化物半導体Ｓ１および酸化物半導体Ｓ３には、［Ｍ］／［Ｉｎ］が１以上、好ましくは２以上である酸化物半導体を用いることが好ましい。また、酸化物半導体Ｓ３として、十分に高い絶縁性を得ることができる［Ｍ］／（［Ｚｎ］＋［Ｉｎ］）が１以上である酸化物半導体を用いることが好適である。
【０２９３】＜２−４．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。
【０２９４】  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  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ  ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）および非晶質酸化物半導体などがある。
【０２９５】  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−ＯＳ、多結晶酸化物半導体およびｎｃ−ＯＳなどがある。
【０２９６】  非晶質構造は、一般に、等方的であって不均質構造を持たない、準安定状態で原子の配置が固定化していない、結合角度が柔軟である、短距離秩序は有するが長距離秩序を有さない、などといわれている。
【０２９７】  即ち、安定な酸化物半導体を完全な非晶質（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ  ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）酸化物半導体とは呼べない。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は呼べない。一方、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、等方的でないが、鬆（ボイドともいう。）を有する不安定な構造である。不安定であるという点では、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、物性的に非晶質酸化物半導体に近い。
【０２９８】≪ＣＡＡＣ−ＯＳ≫
まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。
【０２９９】  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種である。
【０３００】  ＣＡＡＣ−ＯＳをＸ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって解析した場合について説明する。例えば、空間群Ｒ−３ｍに分類される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２４（Ａ）に示すように回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に帰属されることから、ＣＡＡＣ−ＯＳでは、結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳの膜を形成する面（被形成面ともいう。）、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。なお、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、空間群Ｆｄ−３ｍに分類される結晶構造に起因する。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳは、該ピークを示さないことが好ましい。
【０３０１】  一方、ＣＡＡＣ−ＯＳに対し、被形成面に平行な方向からＸ線を入射させるｉｎ−ｐｌａｎｅ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、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（１１０）面に帰属される。そして、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２４（Ｂ）に示すように明暸なピークは現れない。一方、単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４に対し、２θを５６°近傍に固定してφスキャンした場合、図２４（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。
【０３０２】  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、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面に平行にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させると、図２４（Ｄ）に示すような回折パターン（制限視野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２４（Ｅ）に示す。図２４（Ｅ）より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、プローブ径が３００ｎｍの電子線を用いた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２４（Ｅ）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２４（Ｅ）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。
【０３０３】  また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）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像であっても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場合がある。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。
【０３０４】  図２５（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などによって観察することができる。
【０３０５】  図２５（Ａ）より、金属原子が層状に配列している領域であるペレットを確認することができる。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  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。ペレットは、ＣＡＡＣ−ＯＳの膜を被形成面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。
【０３０６】  また、図２５（Ｂ）および図２５（Ｃ）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２５（Ｄ）および図２５（Ｅ）は、それぞれ図２５（Ｂ）および図２５（Ｃ）を画像処理した像である。以下では、画像処理の方法について説明する。まず、図２５（Ｂ）を高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理することでＦＦＴ像を取得する。次に、取得したＦＦＴ像において原点を基準に、２．８ｎｍ−１から５．０ｎｍ−１の間の範囲を残すマスク処理する。次に、マスク処理したＦＦＴ像を、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ：Ｉｎｖｅｒｓｅ  Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理することで画像処理した像を取得する。こうして取得した像をＦＦＴフィルタリング像と呼ぶ。ＦＦＴフィルタリング像は、Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像から周期成分を抜き出した像であり、格子配列を示している。
【０３０７】  図２５（Ｄ）では、格子配列の乱れた箇所を破線で示している。破線で囲まれた領域が、一つのペレットである。そして、破線で示した箇所がペレットとペレットとの連結部である。破線は、六角形状であるため、ペレットが六角形状であることがわかる。なお、ペレットの形状は、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合が多い。
【０３０８】  図２５（Ｅ）では、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間を点線で示している。点線近傍においても、明確な結晶粒界を確認することはできない。点線近傍の格子点を中心に周囲の格子点を繋ぐと、歪んだ六角形や、五角形または／および七角形などが形成できる。即ち、格子配列を歪ませることによって結晶粒界の形成を抑制していることがわかる。これは、ＣＡＡＣ−ＯＳが、ａ−ｂ面方向において原子配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。
【０３０９】  以上に示すように、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向性を有し、かつａ−ｂ面方向において複数のペレット（ナノ結晶）が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。よって、ＣＡＡＣ−ＯＳを、ＣＡＡ  ｃｒｙｓｔａｌ（ｃ−ａｘｉｓ−ａｌｉｇｎｅｄ  ａ−ｂ−ｐｌａｎｅ−ａｎｃｈｏｒｅｄ  ｃｒｙｓｔａｌ）と称することもできる。
【０３１０】  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、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。
【０３１１】  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。
【０３１２】≪ｎｃ−ＯＳ≫
次に、ｎｃ−ＯＳについて説明する。
【０３１３】  ｎｃ−ＯＳをＸＲＤによって解析した場合について説明する。例えば、ｎｃ−ＯＳに対し、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、配向性を示すピークが現れない。即ち、ｎｃ−ＯＳの結晶は配向性を有さない。
【０３１４】  また、例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するｎｃ−ＯＳを薄片化し、厚さが３４ｎｍの領域に対し、被形成面に平行にプローブ径が５０ｎｍの電子線を入射させると、図２６（Ａ）に示すようなリング状の回折パターン（ナノビーム電子回折パターン）が観測される。また、同じ試料にプローブ径が１ｎｍの電子線を入射させたときの回折パターン（ナノビーム電子回折パターン）を図２６（Ｂ）に示す。図２６（Ｂ）より、リング状の領域内に複数のスポットが観測される。したがって、ｎｃ−ＯＳは、プローブ径が５０ｎｍの電子線を入射させることでは秩序性が確認されないが、プローブ径が１ｎｍの電子線を入射させることでは秩序性が確認される。
【０３１５】  また、厚さが１０ｎｍ未満の領域に対し、プローブ径が１ｎｍの電子線を入射させると、図２６（Ｃ）に示すように、スポットが略正六角状に配置された電子回折パターンを観測される場合がある。したがって、厚さが１０ｎｍ未満の範囲において、ｎｃ−ＯＳが秩序性の高い領域、即ち結晶を有することがわかる。なお、結晶が様々な方向を向いているため、規則的な電子回折パターンが観測されない領域もある。
【０３１６】  図２６（Ｄ）に、被形成面と略平行な方向から観察したｎｃ−ＯＳの断面のＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を示す。ｎｃ−ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において、補助線で示す箇所などのように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以下の大きさであり、特に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（ｍｉｃｒｏ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）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。
【０３１７】  このように、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３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ−ＯＳ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。
【０３１８】  なお、ペレット（ナノ結晶）間で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。
【０３１９】  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。
【０３２０】≪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。
【０３２１】  図２７に、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの高分解能断面ＴＥＭ像を示す。ここで、図２７（Ａ）は電子照射開始時におけるａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの高分解能断面ＴＥＭ像である。図２７（Ｂ）は４．３×１０８ｅ−／ｎｍ２の電子（ｅ−）照射後におけるａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの高分解能断面ＴＥＭ像である。図２７（Ａ）および図２７（Ｂ）より、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは電子照射開始時から、縦方向に延伸する縞状の明領域が観察されることがわかる。また、明領域は、電子照射後に形状が変化することがわかる。なお、明領域は、鬆または低密度領域と推測される。
【０３２２】  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。
【０３２３】  試料として、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳを準備する。いずれの試料もＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である。
【０３２４】  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。
【０３２５】  なお、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、以下では、格子縞の間隔が０．２８ｎｍ以上０．３０ｎｍ以下である箇所を、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶部と見なした。なお、格子縞は、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶のａ−ｂ面に対応する。
【０３２６】  図２８は、各試料の結晶部（２２箇所から３０箇所）の平均の大きさを調査した例である。なお、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図２８より、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ＴＥＭ像の取得などに係る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。図２８より、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、電子（ｅ−）の累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２においては１．９ｎｍ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。図２８より、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１．３ｎｍ程度および１．８ｎｍ程度であることがわかる。なお、電子線照射およびＴＥＭの観察は、日立透過電子顕微鏡Ｈ−９０００ＮＡＲを用いた。電子線照射条件は、加速電圧を３００ｋＶ、電流密度を６．７×１０５ｅ−／（ｎｍ２・ｓ）、照射領域の直径を２３０ｎｍとした。
【０３２７】  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。即ち、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて、不安定な構造であることがわかる。
【０３２８】  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％未満である。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％未満である。単結晶の密度の７８％未満である酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。
【０３２９】  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である。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未満である。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未満である。
【０３３０】  なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合、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。
【０３３１】  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。
【０３３２】＜２−５．酸化物半導体のキャリア密度＞
次に、酸化物半導体のキャリア密度について、以下に説明を行う。
【０３３３】  酸化物半導体のキャリア密度に影響を与える因子としては、酸化物半導体中の酸素欠損（Ｖｏ）、または酸化物半導体中の不純物などが挙げられる。
【０３３４】  酸化物半導体中の酸素欠損が多くなると、該酸素欠損に水素が結合（この状態をＶｏＨともいう）した際に、欠陥準位密度が高くなる。または、酸化物半導体中の不純物が多くなると、該不純物に起因し欠陥準位密度が高くなる。したがって、酸化物半導体中の欠陥準位密度を制御することで、酸化物半導体のキャリア密度を制御することができる。
【０３３５】  ここで、酸化物半導体をチャネル領域に用いるトランジスタを考える。
【０３３６】  トランジスタのしきい値電圧のマイナスシフトの抑制、またはトランジスタのオフ電流の低減を目的とする場合においては、酸化物半導体のキャリア密度を低くする方が好ましい。酸化物半導体のキャリア密度を低くする場合においては、酸化物半導体中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性と言う。高純度真性の酸化物半導体のキャリア密度としては、８×１０１５ｃｍ−３未満、好ましくは１×１０１１ｃｍ−３未満、さらに好ましくは１×１０１０ｃｍ−３未満であり、１×１０−９ｃｍ−３以上とすればよい。
【０３３７】  一方で、トランジスタのオン電流の向上、またはトランジスタの電界効果移動度の向上を目的とする場合においては、酸化物半導体のキャリア密度を高くする方が好ましい。酸化物半導体のキャリア密度を高くする場合においては、酸化物半導体の不純物濃度をわずかに高める、または酸化物半導体の欠陥準位密度をわずかに高めればよい。あるいは、酸化物半導体のバンドギャップをより小さくするとよい。例えば、トランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性のオン／オフ比が取れる範囲において、不純物濃度がわずかに高い、または欠陥準位密度がわずかに高い酸化物半導体は、実質的に真性とみなせる。また、電子親和力が大きく、それにともなってバンドギャップが小さくなり、その結果、熱励起された電子（キャリア）の密度が増加した酸化物半導体は、実質的に真性とみなせる。なお、より電子親和力が大きな酸化物半導体を用いた場合には、トランジスタのしきい値電圧がより低くなる。
【０３３８】  上述のキャリア密度が高められた酸化物半導体は、わずかにｎ型化している。したがって、キャリア密度が高められた酸化物半導体を、「Ｓｌｉｇｈｔｌｙ−ｎ」と呼称してもよい。
【０３３９】  実質的に真性の酸化物半導体のキャリア密度は、１×１０５ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３未満が好ましく、１×１０７ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３以下がより好ましく、１×１０９ｃｍ−３以上５×１０１６ｃｍ−３以下がさらに好ましく、１×１０１０ｃｍ−３以上１×１０１６ｃｍ−３以下がさらに好ましく、１×１０１１ｃｍ−３以上１×１０１５ｃｍ−３以下がさらに好ましい。
【０３４０】  なお、本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態または他の実施例に示す構成と適宜、組み合わせて用いることができる。
【０３４１】（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２９乃至図３５を用いて以下説明を行う。
【０３４２】  図２９は、表示装置の一例を示す上面図である。図２９に示す表示装置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２９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。
【０３４３】  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、ゲートドライバ回路部７０６、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：Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  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。
【０３４４】  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に形成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。
【０３４５】  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。
【０３４６】  また、表示装置７００は、様々な素子を有することが出来る。該素子の一例としては、例えば、エレクトロルミネッセンス（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など）、発光トランジスタ素子（電流に応じて発光するトランジスタ）、電子放出素子、液晶素子、電子インク素子、電気泳動素子、エレクトロウェッティング素子、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）ディスプレイ（例えば、グレーティングライトバルブ（ＧＬＶ）、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、デジタル・マイクロ・シャッター（ＤＭＳ）素子、インターフェロメトリック・モジュレーション（ＩＭＯＤ）素子など）、圧電セラミックディスプレイなどが挙げられる。
【０３４７】  また、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：Ｓｕｒｆａｃｅ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｅｍｉｔｔｅｒ  Ｄｉｓｐｌａｙ）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。電子インク素子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。
【０３４８】  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、ＲＧＢ（Ｒは赤、Ｇは緑、Ｂは青を表す）の三色に限定されない。例えば、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。
【０３４９】  また、バックライト（有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子、ＬＥＤ、蛍光灯など）に白色発光（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、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。
【０３５０】  また、カラー化方式としては、上述の白色発光からの発光の一部をカラーフィルタを通すことで赤色、緑色、青色に変換する方式（カラーフィルタ方式）の他、赤色、緑色、青色の発光をそれぞれ用いる方式（３色方式）、または青色発光からの発光の一部を赤色や緑色に変換する方式（色変換方式、量子ドット方式）を適用してもよい。
【０３５１】  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３０及び図３２を用いて説明する。なお、図３０は、図２９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３２は、図２９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。
【０３５２】  まず、図３０及び図３２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。
【０３５３】＜３−１．表示装置の共通部分に関する説明＞
図３０及び図３２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。
【０３５４】  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１００と同様の構成である。なお、トランジスタ７５０及びトランジスタ７５２の構成については、先の実施の形態に示す、その他のトランジスタを用いてもよい。
【０３５５】  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、オフ電流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。
【０３５６】  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。
【０３５７】  容量素子７９０は、トランジスタ７５０が有する第１のゲート電極と機能する導電膜と同一の導電膜を加工する工程を経て形成される下部電極と、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と同一の導電膜を加工する工程を経て形成される上部電極と、を有する。また、下部電極と上部電極との間には、トランジスタ７５０が有する第１のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜と同一の絶縁膜を形成する工程を経て形成される絶縁膜が設けられる。すなわち、容量素子７９０は、一対の電極間に誘電体膜として機能する絶縁膜が挟持された積層型の構造である。
【０３５８】  また、図３０及び図３２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上に平坦化絶縁膜７７０が設けられている。
【０３５９】  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。
【０３６０】  また、図３０及び図３２においては、画素部７０２が有するトランジスタ７５０と、ソースドライバ回路部７０４が有するトランジスタ７５２と、を同じ構造のトランジスタを用いる構成について例示したが、これに限定されない。例えば、画素部７０２と、ソースドライバ回路部７０４とは、異なるトランジスタを用いてもよい。具体的には、画素部７０２にスタガ型のトランジスタを用い、ソースドライバ回路部７０４に実施の形態１に示す逆スタガ型のトランジスタを用いる構成、あるいは画素部７０２に実施の形態１に示す逆スタガ型のトランジスタを用い、ソースドライバ回路部７０４にスタガ型のトランジスタを用いる構成などが挙げられる。なお、上記のソースドライバ回路部７０４を、ゲートドライバ回路部と読み替えてもよい。
【０３６１】  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を経て形成される。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。
【０３６２】  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を経て形成される。また、接続電極７６０は、ＦＰＣ７１６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。
【０３６３】  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。
【０３６４】  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。
【０３６５】  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。
【０３６６】＜３−２．液晶素子を用いる表示装置の構成例＞
図３０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７７２、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３０に示す表示装置７００は、導電膜７７２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。
【０３６７】  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と電気的に接続される。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３０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。
【０３６８】  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。
【０３６９】  なお、図３０においては、導電膜７７２をトランジスタ７５０のドレイン電極として機能する導電膜に接続する構成について例示したが、これに限定されない。例えば、図３１に示すように、導電膜７７２を接続電極として機能する導電膜７７７を間に挟んでトランジスタ７５０のドレイン電極として機能する導電膜と電気的に接続させる構成としてもよい。なお、導電膜７７７としては、トランジスタ７５０の第２のゲート電極として機能する導電膜と同じ導電膜を加工する工程を経て形成されるため、製造工程を増やすことなく形成することができる。
【０３７０】  また、図３０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。あるいは、反射型のカラー液晶表示装置と、透過型のカラー液晶表示装置と、を組み合わせた所謂半透過型のカラー液晶表示装置としてもよい。
【０３７１】  ここで、透過型のカラー液晶表示装置の一例を図３３に示す。図３３は、図２９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３３に示す表示装置７００は、液晶素子の駆動方式として横電界方式（例えば、ＦＦＳモード）を用いる構成の一例である。図３３に示す構成の場合、画素電極として機能する導電膜７７２上に絶縁膜７７３が設けられ、絶縁膜７７３上に導電膜７７４が設けられる。この場合、導電膜７７４は、共通電極（コモン電極ともいう）としての機能を有し、絶縁膜７７３を介して、導電膜７７２と導電膜７７４との間に生じる電界によって、液晶層７７６の配向状態を制御することができる。
【０３７２】  また、図３０及び図３３において図示しないが、導電膜７７２または導電膜７７４のいずれか一方または双方に、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３０及び図３３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。
【０３７３】  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。
【０３７４】  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、応答速度が短く、光学的等方性であるため配向処理が不要である。また配向膜を設けなくてもよいのでラビング処理も不要となるため、ラビング処理によって引き起こされる静電破壊を防止することができ、作製工程中の液晶表示装置の不良や破損を軽減することができる。また、ブルー相を示す液晶材料は、視野角依存性が小さい。
【０３７５】  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（Ｆｒｉｎｇｅ  Ｆｉｅｌｄ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ  Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  ａｌｉｇｎｅｄ  Ｍｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ  Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モードなどを用いることができる。
【０３７６】  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モードなどを用いることができる。
【０３７７】＜３−３．発光素子を用いる表示装置＞
図３２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７７２、ＥＬ層７８６、及び導電膜７８８を有する。図３２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。なお、ＥＬ層７８６は、有機化合物、または量子ドットなどの無機化合物を有する。
【０３７８】  有機化合物に用いることのできる材料としては、蛍光性材料または燐光性材料などが挙げられる。また、量子ドットに用いることのできる材料としては、コロイド状量子ドット材料、合金型量子ドット材料、コア・シェル型量子ドット材料、コア型量子ドット材料、などが挙げられる。また、１２族と１６族、１３族と１５族、または１４族と１６族の元素グループを含む材料を用いてもよい。または、カドミウム（Ｃｄ）、セレン（Ｓｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、硫黄（Ｓ）、リン（Ｐ）、インジウム（Ｉｎ）、テルル（Ｔｅ）、鉛（Ｐｂ）、ガリウム（Ｇａ）、ヒ素（Ａｓ）、アルミニウム（Ａｌ）、等の元素を有する量子ドット材料を用いてもよい。
【０３７９】  また、図３２に示す表示装置７００には、平坦化絶縁膜７７０及び導電膜７７２上に絶縁膜７３０が設けられる。絶縁膜７３０は、導電膜７７２の一部を覆う。なお、発光素子７８２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７７２側に光を射出するボトムエミッション構造や、導電膜７７２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。
【０３８０】  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３２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。
【０３８１】＜３−４．表示装置に入出力装置を設ける構成例＞
また、図３２及び図３３に示す表示装置７００に入出力装置を設けてもよい。当該入出力装置としては、例えば、タッチパネル等が挙げられる。
【０３８２】  図３２及び図３３に示す表示装置７００にタッチパネル７９１を設ける構成を図３４及び図３５に示す。
【０３８３】  図３４は図３２に示す表示装置７００にタッチパネル７９１を設ける構成の断面図であり、図３５は図３３に示す表示装置７００にタッチパネル７９１を設ける構成の断面図である。
【０３８４】  まず、図３４及び図３５に示すタッチパネル７９１について、以下説明を行う。
【０３８５】  図３４及び図３５に示すタッチパネル７９１は、基板７０５と着色膜７３６との間に設けられる、所謂インセル型のタッチパネルである。タッチパネル７９１は、遮光膜７３８、及び着色膜７３６を形成する前に、基板７０５側に形成すればよい。
【０３８６】  なお、タッチパネル７９１は、遮光膜７３８と、絶縁膜７９２と、電極７９３と、電極７９４と、絶縁膜７９５と、電極７９６と、絶縁膜７９７と、を有する。例えば、指やスタイラスなどの被検知体が近接することで、電極７９３と、電極７９４との相互容量の変化を検知することができる。
【０３８７】  また、図３４及び図３５に示すトランジスタ７５０の上方においては、電極７９３と、電極７９４との交差部を明示している。電極７９６は、絶縁膜７９５に設けられた開口部を介して、電極７９４を挟む２つの電極７９３と電気的に接続されている。なお、図３４及び図３５においては、電極７９６が設けられる領域を画素部７０２に設ける構成を例示したが、これに限定されず、例えば、ソースドライバ回路部７０４に形成してもよい。
【０３８８】  電極７９３及び電極７９４は、遮光膜７３８と重なる領域に設けられる。また、図３４に示すように、電極７９３は、発光素子７８２と重ならないように設けられると好ましい。また、図３５に示すように、電極７９３は、液晶素子７７５と重ならないように設けられると好ましい。別言すると、電極７９３は、発光素子７８２及び液晶素子７７５と重なる領域に開口部を有する。すなわち、電極７９３はメッシュ形状を有する。このような構成とすることで、電極７９３は、発光素子７８２が射出する光を遮らない構成とすることができる。または、電極７９３は、液晶素子７７５を透過する光を遮らない構成とすることができる。したがって、タッチパネル７９１を配置することによる輝度の低下が極めて少ないため、視認性が高く、且つ消費電力が低減された表示装置を実現できる。なお、電極７９４も同様の構成とすればよい。
【０３８９】  また、電極７９３及び電極７９４が発光素子７８２と重ならないため、電極７９３及び電極７９４には、可視光の透過率が低い金属材料を用いることができる。または、電極７９３及び電極７９４が液晶素子７７５と重ならないため、電極７９３及び電極７９４には、可視光の透過率が低い金属材料を用いることができる。
【０３９０】  そのため、可視光の透過率が高い酸化物材料を用いた電極と比較して、電極７９３及び電極７９４の抵抗を低くすることが可能となり、タッチパネルのセンサ感度を向上させることができる。
【０３９１】  例えば、電極７９３、７９４、７９６には、導電性のナノワイヤを用いてもよい。当該ナノワイヤは、直径の平均値が１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下、より好ましくは５ｎｍ以上２５ｎｍ以下の大きさとすればよい。また、上記ナノワイヤとしては、Ａｇナノワイヤ、Ｃｕナノワイヤ、またはＡｌナノワイヤ等の金属ナノワイヤ、あるいは、カーボンナノチューブなどを用いればよい。例えば、電極７９３、７９４、７９６のいずれか一つあるいは全部にＡｇナノワイヤを用いる場合、可視光における光透過率を８９％以上、シート抵抗値を４０Ω／□以上１００Ω／□以下とすることができる。
【０３９２】  また、図３４及び図３５においては、インセル型のタッチパネルの構成について例示したが、これに限定されない。例えば、表示装置７００上に形成する、所謂オンセル型のタッチパネルや、表示装置７００に貼り合わせて用いる、所謂アウトセル型のタッチパネルとしてもよい。
【０３９３】  このように、本発明の一態様の表示装置は、様々な形態のタッチパネルと組み合わせて用いることができる。
【０３９４】  なお、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。
【０３９５】（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３６を用いて説明を行う。
【０３９６】＜４．表示装置の回路構成＞
図３６（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。
【０３９７】  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  Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって、実装することができる。
【０３９８】  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５０４ａ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。
【０３９９】  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５０４ａは、別の信号を供給することも可能である。
【０４００】  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５０１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。
【０４０１】  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。
【０４０２】  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５０４ａ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５０４ａ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。
【０４０３】  図３６（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５０１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。
【０４０４】  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。
【０４０５】  図３６（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。
【０４０６】  また、図３６（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。
【０４０７】  また、図３６（Ａ）に示す複数の画素回路５０１は、例えば、図３６（Ｂ）に示す構成とすることができる。
【０４０８】  図３６（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。
【０４０９】  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。
【０４１０】  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  Ｍｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ  Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ  Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＭＶＡモード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ  Ｖｅｒｔｉｃａｌ  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（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＰＤＬＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ  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。
【０４１１】  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、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。
【０４１２】  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。
【０４１３】  例えば、図３６（Ｂ）の画素回路５０１を有する表示装置では、例えば、図３６（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５５０をオン状態にしてデータ信号のデータを書き込む。
【０４１４】  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。
【０４１５】  また、図３６（Ａ）に示す複数の画素回路５０１は、例えば、図３６（Ｃ）に示す構成とすることができる。
【０４１６】  また、図３６（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。
【０４１７】  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、信号線ＤＬ＿ｎという）に電気的に接続される。さらに、トランジスタ５５２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。
【０４１８】  トランジスタ５５２は、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。
【０４１９】  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。
【０４２０】  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。
【０４２１】  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。
【０４２２】  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。
【０４２３】  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。
【０４２４】  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。
【０４２５】  図３６（Ｃ）の画素回路５０１を有する表示装置では、例えば、図３６（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。
【０４２６】  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。
【０４２７】  なお、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。
【０４２８】（実施の形態５）
本実施の形態では、上述の実施の形態で説明したトランジスタの適用可能な回路構成の一例について、図３７乃至図４０を用いて説明する。
【０４２９】  なお、本実施の形態においては、先の実施の形態で説明した酸化物半導体を有するトランジスタを、ＯＳトランジスタと呼称して以下説明を行う。
【０４３０】＜５．インバータ回路の構成例＞
図３７（Ａ）には、駆動回路が有するシフトレジスタやバッファ等に適用することができるインバータの回路図を示す。インバータ８００は、入力端子ＩＮの論理を反転した信号を出力端子ＯＵＴに出力する。インバータ８００は、複数のＯＳトランジスタを有する。信号ＳＢＧは、ＯＳトランジスタの電気特性を切り替えることができる信号である。
【０４３１】  図３７（Ｂ）は、インバータ８００の一例である。インバータ８００は、ＯＳトランジスタ８１０、およびＯＳトランジスタ８２０を有する。インバータ８００は、ｎチャネル型トランジスタのみで作製することができるため、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）でインバータ（ＣＭＯＳインバータ）を作製する場合と比較して、低コストで作製することが可能である。
【０４３２】  なお、ＯＳトランジスタを有するインバータ８００は、Ｓｉトランジスタで構成されるＣＭＯＳ上に配置することもできる。インバータ８００は、ＣＭＯＳの回路に重ねて配置できるため、インバータ８００を追加する分の回路面積の増加を抑えることができる。
【０４３３】  ＯＳトランジスタ８１０、８２０は、フロントゲートとして機能する第１ゲートと、バックゲートとして機能する第２ゲートと、ソースまたはドレインの一方として機能する第１端子と、ソースまたはドレインの他方として機能する第２端子とを有する。
【０４３４】  ＯＳトランジスタ８１０の第１ゲートは、ＯＳトランジスタ８１０の第２端子に接続される。ＯＳトランジスタ８１０の第２ゲートは、信号ＳＢＧを供給する配線に接続される。ＯＳトランジスタ８１０の第１端子は、電圧ＶＤＤを与える配線に接続される。ＯＳトランジスタ８１０の第２端子は、出力端子ＯＵＴに接続される。
【０４３５】  ＯＳトランジスタ８２０の第１ゲートは、入力端子ＩＮに接続される。ＯＳトランジスタ８２０の第２ゲートは、入力端子ＩＮに接続される。ＯＳトランジスタ８２０の第１端子は、出力端子ＯＵＴに接続される。ＯＳトランジスタ８２０の第２端子は、電圧ＶＳＳを与える配線に接続される。
【０４３６】  図３７（Ｃ）は、インバータ８００の動作を説明するためのタイミングチャートである。図３７（Ｃ）のタイミングチャートでは、入力端子ＩＮの信号波形、出力端子ＯＵＴの信号波形、信号ＳＢＧの信号波形、およびＯＳトランジスタ８１０のしきい値電圧の変化について示している。
【０４３７】  信号ＳＢＧをＯＳトランジスタ８１０の第２ゲートに与えることで、ＯＳトランジスタ８１０のしきい値電圧を制御することができる。
【０４３８】  信号ＳＢＧは、しきい値電圧をマイナスシフトさせるための電圧ＶＢＧ＿Ａ、しきい値電圧をプラスシフトさせるための電圧ＶＢＧ＿Ｂを有する。第２ゲートに電圧ＶＢＧ＿Ａを与えることで、ＯＳトランジスタ８１０はしきい値電圧ＶＴＨ＿Ａにマイナスシフトさせることができる。また、第２ゲートに電圧ＶＢＧ＿Ｂを与えることで、ＯＳトランジスタ８１０は、しきい値電圧ＶＴＨ＿Ｂにプラスシフトさせることができる。
【０４３９】  前述の説明を可視化するために、図３８（Ａ）には、トランジスタの電気特性の一つである、Ｉｄ−Ｖｇカーブを示す。
【０４４０】  上述したＯＳトランジスタ８１０の電気特性は、第２ゲートの電圧を電圧ＶＢＧ＿Ａのように大きくすることで、図３８（Ａ）中の破線８４０で表される曲線にシフトさせることができる。また、上述したＯＳトランジスタ８１０の電気特性は、第２ゲートの電圧を電圧ＶＢＧ＿Ｂのように小さくすることで、図３８（Ａ）中の実線８４１で表される曲線にシフトさせることができる。図３８（Ａ）に示すように、ＯＳトランジスタ８１０は、信号ＳＢＧを電圧ＶＢＧ＿Ａあるいは電圧ＶＢＧ＿Ｂというように切り替えることで、しきい値電圧をプラスシフトあるいはマイナスシフトさせることができる。
【０４４１】  しきい値電圧をしきい値電圧ＶＴＨ＿Ｂにプラスシフトさせることで、ＯＳトランジスタ８１０は電流が流れにくい状態とすることができる。図３８（Ｂ）には、この状態を可視化して示す。
【０４４２】  図３８（Ｂ）に図示するように、ＯＳトランジスタ８１０に流れる電流ＩＢを極めて小さくすることができる。そのため、入力端子ＩＮに与える信号がハイレベルでＯＳトランジスタ８２０はオン状態（ＯＮ）のとき、出力端子ＯＵＴの電圧を急峻に下降させることができる。
【０４４３】  図３８（Ｂ）に図示したように、ＯＳトランジスタ８１０に流れる電流が流れにくい状態とすることができるため、図３７（Ｃ）に示すタイミングチャートにおける出力端子の信号波形８３１を急峻に変化させることができる。電圧ＶＤＤを与える配線と、電圧ＶＳＳを与える配線との間に流れる貫通電流を少なくすることができるため、低消費電力での動作を行うことができる。
【０４４４】  また、しきい値電圧をしきい値電圧ＶＴＨ＿Ａにマイナスシフトさせることで、ＯＳトランジスタ８１０は電流が流れやすい状態とすることができる。図３８（Ｃ）には、この状態を可視化して示す。図３８（Ｃ）に図示するように、このとき流れる電流ＩＡを少なくとも電流ＩＢよりも大きくすることができる。そのため、入力端子ＩＮに与える信号がローレベルでＯＳトランジスタ８２０はオフ状態（ＯＦＦ）のとき、出力端子ＯＵＴの電圧を急峻に上昇させることができる。図３８（Ｃ）に図示したように、ＯＳトランジスタ８１０に流れる電流が流れやすい状態とすることができるため、図３７（Ｃ）に示すタイミングチャートにおける出力端子の信号波形８３２を急峻に変化させることができる。
【０４４５】  なお、信号ＳＢＧによるＯＳトランジスタ８１０のしきい値電圧の制御は、ＯＳトランジスタ８２０の状態が切り替わる以前、すなわち時刻Ｔ１やＴ２よりも前に行うことが好ましい。例えば、図３７（Ｃ）に図示するように、入力端子ＩＮに与える信号がハイレベルに切り替わる時刻Ｔ１よりも前に、しきい値電圧ＶＴＨ＿Ａから、しきい値電圧ＶＴＨ＿ＢにＯＳトランジスタ８１０のしきい値電圧を切り替えることが好ましい。また、図３７（Ｃ）に図示するように、入力端子ＩＮに与える信号がローレベルに切り替わる時刻Ｔ２よりも前に、しきい値電圧ＶＴＨ＿Ｂからしきい値電圧ＶＴＨ＿ＡにＯＳトランジスタ８１０のしきい値電圧を切り替えることが好ましい。
【０４４６】  なお、図３７（Ｃ）のタイミングチャートでは、入力端子ＩＮに与える信号に応じて信号ＳＢＧを切り替える構成を示したが、別の構成としてもよい。例えば、しきい値電圧を制御するための電圧は、フローティング状態としたＯＳトランジスタ８１０の第２ゲートに保持させる構成としてもよい。当該構成を実現可能な回路構成の一例について、図３９（Ａ）に示す。
【０４４７】  図３９（Ａ）では、図３７（Ｂ）で示した回路構成に加えて、ＯＳトランジスタ８５０を有する。ＯＳトランジスタ８５０の第１端子は、ＯＳトランジスタ８１０の第２ゲートに接続される。またＯＳトランジスタ８５０の第２端子は、電圧ＶＢＧ＿Ｂ（あるいは電圧ＶＢＧ＿Ａ）を与える配線に接続される。ＯＳトランジスタ８５０の第１ゲートは、信号ＳＦを与える配線に接続される。ＯＳトランジスタ８５０の第２ゲートは、電圧ＶＢＧ＿Ｂ（あるいは電圧ＶＢＧ＿Ａ）を与える配線に接続される。
【０４４８】  図３９（Ａ）の動作について、図３９（Ｂ）のタイミングチャートを用いて説明する。
【０４４９】  ＯＳトランジスタ８１０のしきい値電圧を制御するための電圧は、入力端子ＩＮに与える信号がハイレベルに切り替わる時刻Ｔ３よりも前に、ＯＳトランジスタ８１０の第２ゲートに与える構成とする。信号ＳＦハイレベルとしてＯＳトランジスタ８５０をオン状態とし、ノードＮＢＧにしきい値電圧を制御するための電圧ＶＢＧ＿Ｂを与える。
【０４５０】  ノードＮＢＧが電圧ＶＢＧ＿Ｂとなった後は、ＯＳトランジスタ８５０をオフ状態とする。ＯＳトランジスタ８５０は、オフ電流が極めて小さいため、オフ状態にし続けることで、一旦ノードＮＢＧに保持させたしきい値電圧ＶＢＧ＿Ｂを保持することができる。そのため、ＯＳトランジスタ８５０の第２ゲートに電圧ＶＢＧ＿Ｂを与える動作の回数が減るため、電圧ＶＢＧ＿Ｂの書き換えに要する分の消費電力を小さくすることができる。
【０４５１】  なお、図３７（Ｂ）及び図３９（Ａ）の回路構成では、ＯＳトランジスタ８１０の第２ゲートに与える電圧を外部からの制御によって与える構成について示したが、別の構成としてもよい。例えば、しきい値電圧を制御するための電圧を、入力端子ＩＮに与える信号を基に生成し、ＯＳトランジスタ８１０の第２ゲートに与える構成としてもよい。当該構成を実現可能な回路構成の一例について、図４０（Ａ）に示す。
【０４５２】  図４０（Ａ）では、図３７（Ｂ）で示した回路構成において、入力端子ＩＮとＯＳトランジスタ８１０の第２ゲートとの間にＣＭＯＳインバータ８６０を有する。ＣＭＯＳインバータ８６０の入力端子は、入力端子ＩＮに接続される。ＣＭＯＳインバータ８６０の出力端子は、ＯＳトランジスタ８１０の第２ゲートに接続される。
【０４５３】  図４０（Ａ）の動作について、図４０（Ｂ）のタイミングチャートを用いて説明する。図４０（Ｂ）のタイミングチャートでは、入力端子ＩＮの信号波形、出力端子ＯＵＴの信号波形、ＣＭＯＳインバータ８６０の出力波形ＩＮ＿Ｂ、及びＯＳトランジスタ８１０のしきい値電圧の変化について示している。
【０４５４】  入力端子ＩＮに与える信号の論理を反転した信号である出力波形ＩＮ＿Ｂは、ＯＳトランジスタ８１０のしきい値電圧を制御する信号とすることができる。したがって、図３８（Ａ）乃至図３８（Ｃ）で説明したように、ＯＳトランジスタ８１０のしきい値電圧を制御できる。例えば、図４０（Ｂ）における時刻Ｔ４となるとき、入力端子ＩＮに与える信号がハイレベルでＯＳトランジスタ８２０はオン状態となる。このとき、出力波形ＩＮ＿Ｂはローレベルとなる。そのため、ＯＳトランジスタ８１０は電流が流れにくい状態とすることができ、出力端子ＯＵＴの電圧の上昇を急峻に下降させることができる。
【０４５５】  また、図４０（Ｂ）における時刻Ｔ５となるとき、入力端子ＩＮに与える信号がローレベルでＯＳトランジスタ８２０はオフ状態となる。このとき、出力波形ＩＮ＿Ｂはハイレベルとなる。そのため、ＯＳトランジスタ８１０は電流が流れやすい状態とすることができ、出力端子ＯＵＴの電圧を急峻に上昇させることができる。
【０４５６】  以上説明したように本実施の形態の構成では、ＯＳトランジスタを有するインバータにおける、バックゲートの電圧を入力端子ＩＮの信号の論理にしたがって切り替える。当該構成とすることで、ＯＳトランジスタのしきい値電圧を制御することができる。入力端子ＩＮに与える信号によってＯＳトランジスタのしきい値電圧を制御することで、出力端子ＯＵＴの電圧を急峻に変化させることができる。また、電源電圧を与える配線間の貫通電流を小さくすることができる。そのため、低消費電力化を図ることができる。
【０４５７】  なお、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。
【０４５８】（実施の形態６）
本実施の形態では、上述の実施の形態で説明した酸化物半導体を有するトランジスタ（ＯＳトランジスタ）を、複数の回路に用いる半導体装置の一例について、図４１乃至図４４を用いて説明する。
【０４５９】＜６．半導体装置の回路構成例＞
図４１（Ａ）は、半導体装置９００のブロック図である。半導体装置９００は、電源回路９０１、回路９０２、電圧生成回路９０３、回路９０４、電圧生成回路９０５および回路９０６を有する。
【０４６０】  電源回路９０１は、基準となる電圧ＶＯＲＧを生成する回路である。電圧ＶＯＲＧは、単一の電圧ではなく、複数の電圧でもよい。電圧ＶＯＲＧは、半導体装置９００の外部から与えられる電圧Ｖ０を基に生成することができる。半導体装置９００は、外部から与えられる単一の電源電圧を基に電圧ＶＯＲＧを生成できる。そのため半導体装置９００は、外部から電源電圧を複数与えることなく動作することができる。
【０４６１】  回路９０２、９０４および９０６は、異なる電源電圧で動作する回路である。例えば回路９０２の電源電圧は、電圧ＶＯＲＧと電圧ＶＳＳ（ＶＯＲＧ＞ＶＳＳ）とによって印加される電圧である。また、例えば回路９０４の電源電圧は、電圧ＶＰＯＧと電圧ＶＳＳ（ＶＰＯＧ＞ＶＯＲＧ）とによって印加される電圧である。また、例えば回路９０６の電源電圧は、電圧ＶＯＲＧと電圧ＶＮＥＧ（ＶＯＲＧ＞ＶＳＳ＞ＶＮＥＧ）とによって印加される電圧である。なお電圧ＶＳＳは、グラウンド（ＧＮＤ）と等電位とすれば、電源回路９０１で生成する電圧の種類を削減できる。
【０４６２】  電圧生成回路９０３は、電圧ＶＰＯＧを生成する回路である。電圧生成回路９０３は、電源回路９０１から与えられる電圧ＶＯＲＧを基に電圧ＶＰＯＧを生成できる。そのため、回路９０４を有する半導体装置９００は、外部から与えられる単一の電源電圧を基に動作することができる。
【０４６３】  電圧生成回路９０５は、電圧ＶＮＥＧを生成する回路である。電圧生成回路９０５は、電源回路９０１から与えられる電圧ＶＯＲＧを基に電圧ＶＮＥＧを生成できる。そのため、回路９０６を有する半導体装置９００は、外部から与えられる単一の電源電圧を基に動作することができる。
【０４６４】  図４１（Ｂ）は電圧ＶＰＯＧで動作する回路９０４の一例、図４１（Ｃ）は回路９０４を動作させるための信号の波形の一例である。
【０４６５】  図４１（Ｂ）では、トランジスタ９１１を示している。トランジスタ９１１のゲートに与える信号は、例えば、電圧ＶＰＯＧと電圧ＶＳＳを基に生成される。当該信号は、トランジスタ９１１を導通状態とする動作時に電圧ＶＰＯＧ、非導通状態とする動作時に電圧ＶＳＳとする。電圧ＶＰＯＧは、図４１（Ｃ）に図示するように、電圧ＶＯＲＧより大きい。そのため、トランジスタ９１１は、ソース（Ｓ）とドレイン（Ｄ）との間を導通状態とする動作を、より確実に行うことができる。その結果、回路９０４は、誤動作が低減された回路とすることができる。
【０４６６】  図４１（Ｄ）は電圧ＶＮＥＧで動作する回路９０６の一例、図４１（Ｅ）は回路９０６を動作させるための信号の波形の一例である。
【０４６７】  図４１（Ｄ）では、バックゲートを有するトランジスタ９１２を示している。トランジスタ９１２のゲートに与える信号は、例えば、電圧ＶＯＲＧと電圧ＶＳＳを基にして生成される。当該信号は、トランジスタ９１１を導通状態とする動作時に電圧ＶＯＲＧ、非導通状態とする動作時に電圧ＶＳＳとする。また、トランジスタ９１２のバックゲートに与える電圧は、電圧ＶＮＥＧを基に生成される。電圧ＶＮＥＧは、図４１（Ｅ）に図示するように、電圧ＶＳＳ（ＧＮＤ）より小さい。そのため、トランジスタ９１２の閾値電圧は、プラスシフトするように制御することができる。そのため、トランジスタ９１２をより確実に非導通状態とすることができ、ソース（Ｓ）とドレイン（Ｄ）との間を流れる電流を小さくできる。その結果、回路９０６は、誤動作が低減され、且つ低消費電力化が図られた回路とすることができる。
【０４６８】  なお、電圧ＶＮＥＧは、トランジスタ９１２のバックゲートに直接与える構成としてもよい。あるいは、電圧ＶＯＲＧと電圧ＶＮＥＧを基に、トランジスタ９１２のゲートに与える信号を生成し、当該信号をトランジスタ９１２のバックゲートに与える構成としてもよい。
【０４６９】  また図４２（Ａ）（Ｂ）には、図４１（Ｄ）（Ｅ）の変形例を示す。
【０４７０】  図４２（Ａ）に示す回路図では、電圧生成回路９０５と、回路９０６と、の間に制御回路９２１によって導通状態が制御できるトランジスタ９２２を示す。トランジスタ９２２は、ｎチャネル型のＯＳトランジスタとする。制御回路９２１が出力する制御信号ＳＢＧは、トランジスタ９２２の導通状態を制御する信号である。また回路９０６が有するトランジスタ９１２Ａ、９１２Ｂは、トランジスタ９２２と同じＯＳトランジスタである。
【０４７１】  図４２（Ｂ）のタイミングチャートには、制御信号ＳＢＧと、トランジスタ９１２Ａ、９１２Ｂのバックゲートの電位の状態をノードＮＢＧの電位の変化で示す。制御信号ＳＢＧがハイレベルのときにトランジスタ９２２が導通状態となり、ノードＮＢＧが電圧ＶＮＥＧとなる。その後、制御信号ＳＢＧがローレベルのときにノードＮＢＧが電気的にフローティングとなる。トランジスタ９２２は、ＯＳトランジスタであるため、オフ電流が小さい。そのため、ノードＮＢＧが電気的にフローティングであっても、一旦与えた電圧ＶＮＥＧを保持することができる。
【０４７２】  また、図４３（Ａ）には、上述した電圧生成回路９０３に適用可能な回路構成の一例を示す。図４３（Ａ）に示す電圧生成回路９０３は、ダイオードＤ１乃至Ｄ５、キャパシタＣ１乃至Ｃ５、およびインバータＩＮＶを有する５段のチャージポンプである。クロック信号ＣＬＫは、キャパシタＣ１乃至Ｃ５に直接、あるいはインバータＩＮＶを介して与えられる。インバータＩＮＶの電源電圧を、電圧ＶＯＲＧと電圧ＶＳＳとによって印加される電圧とすると、クロック信号ＣＬＫによって、電圧ＶＯＲＧの５倍の正電圧に昇圧された電圧ＶＰＯＧを得ることができる。なお、ダイオードＤ１乃至Ｄ５の順方向電圧は０Ｖとしている。また、チャージポンプの段数を変更することで、所望の電圧ＶＰＯＧを得ることができる。
【０４７３】  また、図４３（Ｂ）には、上述した電圧生成回路９０５に適用可能な回路構成の一例を示す。図４３（Ｂ）に示す電圧生成回路９０５は、ダイオードＤ１乃至Ｄ５、キャパシタＣ１乃至Ｃ５、およびインバータＩＮＶを有する４段のチャージポンプである。クロック信号ＣＬＫは、キャパシタＣ１乃至Ｃ５に直接、あるいはインバータＩＮＶを介して与えられる。インバータＩＮＶの電源電圧を、電圧ＶＯＲＧと電圧ＶＳＳとによって印加される電圧とすると、クロック信号ＣＬＫによって、グラウンド、すなわち電圧ＶＳＳから電圧ＶＯＲＧの４倍の負電圧に降圧された電圧ＶＮＥＧを得ることができる。なお、ダイオードＤ１乃至Ｄ５の順方向電圧は０Ｖとしている。また、チャージポンプの段数を変更することで、所望の電圧ＶＮＥＧを得ることができる。
【０４７４】  なお、上述した電圧生成回路９０３の回路構成は、図４３（Ａ）で示す回路図の構成に限らない。例えば、電圧生成回路９０３の変形例を図４４（Ａ）乃至図４４（Ｃ）に示す。なお、電圧生成回路９０３の変形例は、図４４（Ａ）乃至図４４（Ｃ）に示す電圧生成回路９０３Ａ乃至９０３Ｃにおいて、各配線に与える電圧を変更すること、あるいは素子の配置を変更することで実現可能である。
【０４７５】  図４４（Ａ）に示す電圧生成回路９０３Ａは、トランジスタＭ１乃至Ｍ１０、キャパシタＣ１１乃至Ｃ１４、およびインバータＩＮＶ１を有する。クロック信号ＣＬＫは、トランジスタＭ１乃至Ｍ１０のゲートに直接、あるいはインバータＩＮＶ１を介して与えられる。クロック信号ＣＬＫによって、電圧ＶＯＲＧの４倍の正電圧に昇圧された電圧ＶＰＯＧを得ることができる。なお、段数を変更することで、所望の電圧ＶＰＯＧを得ることができる。図４４（Ａ）に示す電圧生成回路９０３Ａは、トランジスタＭ１乃至Ｍ１０をＯＳトランジスタとすることでオフ電流を小さくでき、キャパシタＣ１１乃至Ｃ１４に保持した電荷の漏れを抑制できる。そのため、効率的に電圧ＶＯＲＧから電圧ＶＰＯＧへの昇圧を図ることができる。
【０４７６】  また、図４４（Ｂ）に示す電圧生成回路９０３Ｂは、トランジスタＭ１１乃至Ｍ１４、キャパシタＣ１５、Ｃ１６、およびインバータＩＮＶ２を有する。クロック信号ＣＬＫは、トランジスタＭ１１乃至Ｍ１４のゲートに直接、あるいはインバータＩＮＶ２を介して与えられる。クロック信号ＣＬＫによって、電圧ＶＯＲＧの２倍の正電圧に昇圧された電圧ＶＰＯＧを得ることができる。図４４（Ｂ）に示す電圧生成回路９０３Ｂは、トランジスタＭ１１乃至Ｍ１４をＯＳトランジスタとすることでオフ電流を小さくでき、キャパシタＣ１５、Ｃ１６に保持した電荷の漏れを抑制できる。そのため、効率的に電圧ＶＯＲＧから電圧ＶＰＯＧへの昇圧を図ることができる。
【０４７７】  また、図４４（Ｃ）に示す電圧生成回路９０３Ｃは、インダクタＩｎｄ１、トランジスタＭ１５、ダイオードＤ６、およびキャパシタＣ１７を有する。トランジスタＭ１５は、制御信号ＥＮによって、導通状態が制御される。制御信号ＥＮによって、電圧ＶＯＲＧが昇圧された電圧ＶＰＯＧを得ることができる。図４４（Ｃ）に示す電圧生成回路９０３Ｃは、インダクタＩｎｄ１を用いて電圧の昇圧を行うため、変換効率の高い電圧の昇圧を行うことができる。
【０４７８】  以上説明したように本実施の形態の構成では、半導体装置が有する回路に必要な電圧を内部で生成することができる。そのため半導体装置は、外部から与える電源電圧の数を削減できる。
【０４７９】  なお、本実施の形態で示す構成等は、他の実施の形態で示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
【０４８０】（実施の形態７）
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４５乃至図４８を用いて説明を行う。
【０４８１】＜７−１．表示モジュール＞
図４５に示す表示モジュール７０００は、上部カバー７００１と下部カバー７００２との間に、ＦＰＣ７００３に接続されたタッチパネル７００４、ＦＰＣ７００５に接続された表示パネル７００６、バックライト７００７、フレーム７００９、プリント基板７０１０、バッテリ７０１１を有する。
【０４８２】  本発明の一態様の半導体装置は、例えば、表示パネル７００６に用いることができる。
【０４８３】  上部カバー７００１及び下部カバー７００２は、タッチパネル７００４及び表示パネル７００６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。
【０４８４】  タッチパネル７００４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７００６に重畳して用いることができる。また、表示パネル７００６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７００６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。
【０４８５】  バックライト７００７は、光源７００８を有する。なお、図４５において、バックライト７００７上に光源７００８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７００７の端部に光源７００８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７００７を設けない構成としてもよい。
【０４８６】  フレーム７００９は、表示パネル７００６の保護機能の他、プリント基板７０１０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７００９は、放熱板としての機能を有していてもよい。
【０４８７】  プリント基板７０１０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７０１１による電源であってもよい。バッテリ７０１１は、商用電源を用いる場合には、省略可能である。
【０４８８】  また、表示モジュール７０００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。
【０４８９】＜７−２．電子機器１＞
次に、図４６（Ａ）乃至図４６（Ｅ）に電子機器の一例を示す。
【０４９０】  図４６（Ａ）は、ファインダー８１００を取り付けた状態のカメラ８０００の外観を示す図である。
【０４９１】  カメラ８０００は、筐体８００１、表示部８００２、操作ボタン８００３、シャッターボタン８００４等を有する。またカメラ８０００には、着脱可能なレンズ８００６が取り付けられている。
【０４９２】  ここではカメラ８０００として、レンズ８００６を筐体８００１から取り外して交換することが可能な構成としたが、レンズ８００６と筐体が一体となっていてもよい。
【０４９３】  カメラ８０００は、シャッターボタン８００４を押すことにより、撮像することができる。また、表示部８００２はタッチパネルとしての機能を有し、表示部８００２をタッチすることにより撮像することも可能である。
【０４９４】  カメラ８０００の筐体８００１は、電極を有するマウントを有し、ファインダー８１００のほか、ストロボ装置等を接続することができる。
【０４９５】  ファインダー８１００は、筐体８１０１、表示部８１０２、ボタン８１０３等を有する。
【０４９６】  筐体８１０１は、カメラ８０００のマウントと係合するマウントを有しており、ファインダー８１００をカメラ８０００に取り付けることができる。また当該マウントには電極を有し、当該電極を介してカメラ８０００から受信した映像等を表示部８１０２に表示させることができる。
【０４９７】  ボタン８１０３は、電源ボタンとしての機能を有する。ボタン８１０３により、表示部８１０２の表示のオン・オフを切り替えることができる。
【０４９８】  カメラ８０００の表示部８００２、及びファインダー８１００の表示部８１０２に、本発明の一態様の表示装置を適用することができる。
【０４９９】  なお、図４６（Ａ）では、カメラ８０００とファインダー８１００とを別の電子機器とし、これらを脱着可能な構成としたが、カメラ８０００の筐体８００１に、表示装置を備えるファインダーが内蔵されていてもよい。
【０５００】  図４６（Ｂ）は、ヘッドマウントディスプレイ８２００の外観を示す図である。
【０５０１】  ヘッドマウントディスプレイ８２００は、装着部８２０１、レンズ８２０２、本体８２０３、表示部８２０４、ケーブル８２０５等を有している。また装着部８２０１には、バッテリ８２０６が内蔵されている。
【０５０２】  ケーブル８２０５は、バッテリ８２０６から本体８２０３に電力を供給する。本体８２０３は無線受信機等を備え、受信した画像データ等の映像情報を表示部８２０４に表示させることができる。また、本体８２０３に設けられたカメラで使用者の眼球やまぶたの動きを捉え、その情報をもとに使用者の視点の座標を算出することにより、使用者の視点を入力手段として用いることができる。
【０５０３】  また、装着部８２０１には、使用者に触れる位置に複数の電極が設けられていてもよい。本体８２０３は使用者の眼球の動きに伴って電極に流れる電流を検知することにより、使用者の視点を認識する機能を有していてもよい。また、当該電極に流れる電流を検知することにより、使用者の脈拍をモニタする機能を有していてもよい。また、装着部８２０１には、温度センサ、圧力センサ、加速度センサ等の各種センサを有していてもよく、使用者の生体情報を表示部８２０４に表示する機能を有していてもよい。また、使用者の頭部の動きなどを検出し、表示部８２０４に表示する映像をその動きに合わせて変化させてもよい。
【０５０４】  表示部８２０４に、本発明の一態様の表示装置を適用することができる。
【０５０５】  図４６（Ｃ）（Ｄ）（Ｅ）は、ヘッドマウントディスプレイ８３００の外観を示す図である。ヘッドマウントディスプレイ８３００は、筐体８３０１と、表示部８３０２と、バンド状の固定具８３０４と、一対のレンズ８３０５と、を有する。
【０５０６】  使用者は、レンズ８３０５を通して、表示部８３０２の表示を視認することができる。なお、表示部８３０２を湾曲して配置させる好適である。表示部８３０２を湾曲して配置することで、使用者が高い臨場感を感じることができる。
【０５０７】  なお、表示部８３０２に、本発明の一態様の表示装置を適用することができる。本発明の一態様の半導体装置を有する表示装置は、極めて精細度が高いため、図４６（Ｅ）のようにレンズ８３０５を用いて拡大したとしても、使用者に画素が視認されることなく、より現実感の高い映像を表示することができる。
【０５０８】＜７−３．電子機器２＞
次に、図４６（Ａ）乃至図４６（Ｅ）に示す電子機器と、異なる電子機器の一例を図４７（Ａ）乃至図４７（Ｇ）に示す。
【０５０９】  図４７（Ａ）乃至図４７（Ｇ）に示す電子機器は、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。
【０５１０】  図４７（Ａ）乃至図４７（Ｇ）に示す電子機器は、様々な機能を有する。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４７（Ａ）乃至図４７（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４７（Ａ）乃至図４７（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。
【０５１１】  図４７（Ａ）乃至図４７（Ｇ）に示す電子機器の詳細について、以下説明を行う。
【０５１２】  図４７（Ａ）は、テレビジョン装置９１００を示す斜視図である。テレビジョン装置９１００は、表示部９００１を大画面、例えば、５０インチ以上、または１００インチ以上の表示部９００１を組み込むことが可能である。
【０５１３】  図４７（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等を設けてもよい。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９００１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。
【０５１４】  図４７（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。
【０５１５】  図４７（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９２００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。
【０５１６】  図４７（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４７（Ｅ）が携帯情報端末９２０１を展開した状態の斜視図であり、図４７（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４７（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９２０１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９０００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。
【０５１７】  また、図４８（Ａ）（Ｂ）は、複数の表示パネルを有する表示装置の斜視図である。なお、図４８（Ａ）は、複数の表示パネルが巻き取られた形態の斜視図であり、図４８（Ｂ）は、複数の表示パネルが展開された状態の斜視図である。
【０５１８】  図４８（Ａ）（Ｂ）に示す表示装置９５００は、複数の表示パネル９５０１と、軸部９５１１と、軸受部９５１２と、を有する。また、複数の表示パネル９５０１は、表示領域９５０２と、透光性を有する領域９５０３と、を有する。
【０５１９】  また、複数の表示パネル９５０１は、可撓性を有する。また、隣接する２つの表示パネル９５０１は、それらの一部が互いに重なるように設けられる。例えば、隣接する２つの表示パネル９５０１の透光性を有する領域９５０３を重ね合わせることができる。複数の表示パネル９５０１を用いることで、大画面の表示装置とすることができる。また、使用状況に応じて、表示パネル９５０１を巻き取ることが可能であるため、汎用性に優れた表示装置とすることができる。
【０５２０】  また、図４８（Ａ）（Ｂ）においては、表示領域９５０２が隣接する表示パネル９５０１で離間する状態を図示しているが、これに限定されず、例えば、隣接する表示パネル９５０１の表示領域９５０２を隙間なく重ねあわせることで、連続した表示領域９５０２としてもよい。
【０５２１】  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。
【０５２２】  なお、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。
【０５２３】（実施の形態８）
本実施の形態では、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置（記憶装置）、およびそれを含むＣＰＵについて図４９乃至図５１を用いて説明する。本実施の形態で説明するＣＰＵは、例えば、先の実施の形態で説明する電子機器に用いる事が出来る。
【０５２４】＜８−１．記憶装置＞
電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置（記憶装置）の一例を図４９に示す。なお、図４９（Ｂ）は図４９（Ａ）を回路図で表した図である。
【０５２５】  図４９（Ａ）及び（Ｂ）に示す半導体装置は、第１の半導体材料を用いたトランジスタ３２００と第２の半導体材料を用いたトランジスタ３３００、および容量素子３４００を有している。
【０５２６】  第１の半導体材料と第２の半導体材料は異なるエネルギーギャップを持つ材料とすることが好ましい。例えば、第１の半導体材料を酸化物半導体以外の半導体材料（シリコン（歪シリコン含む）、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウム、有機半導体など）とし、第２の半導体材料を酸化物半導体とすることができる。酸化物半導体以外の材料として単結晶シリコンなどを用いたトランジスタは、高速動作が容易である。一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流が低い。
【０５２７】  トランジスタ３３００は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタである。トランジスタ３３００は、オフ電流が小さいため、これを用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、或いは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ない半導体記憶装置とすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。
【０５２８】  図４９（Ｂ）において、第１の配線３１０１はトランジスタ３２００のソース電極と電気的に接続され、第２の配線３１０２はトランジスタ３２００のドレイン電極と電気的に接続されている。また、第３の配線３１０３はトランジスタ３３００のソース電極またはドレイン電極の一方と電気的に接続され、第４の配線３１０４はトランジスタ３３００のゲート電極と電気的に接続されている。そして、トランジスタ３２００のゲート電極、およびトランジスタ３３００のソース電極またはドレイン電極の他方は、容量素子３４００の電極の一方と電気的に接続され、第５の配線３１０５は容量素子３４００の電極の他方と電気的に接続されている。
【０５２９】  図４９（Ａ）に示す半導体装置では、トランジスタ３２００のゲート電極の電位が保持可能という特徴を活かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
【０５３０】  情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第４の配線３１０４の電位を、トランジスタ３３００がオン状態となる電位にして、トランジスタ３３００をオン状態とする。これにより、第３の配線３１０３の電位が、トランジスタ３２００のゲート電極、および容量素子３４００に与えられる。すなわち、トランジスタ３２００のゲートには、所定の電荷が与えられる（書き込み）。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷（以下Ｌｏｗレベル電荷、Ｈｉｇｈレベル電荷という）のいずれかが与えられるとする。その後、第４の配線３１０４の電位を、トランジスタ３３００がオフ状態となる電位にして、トランジスタ３３００をオフ状態とすることにより、トランジスタ３２００のゲートに与えられた電荷が保持される（保持）。
【０５３１】  トランジスタ３３００のオフ電流は極めて小さいため、トランジスタ３２００のゲートの電荷は長時間にわたって保持される。
【０５３２】  次に情報の読み出しについて説明する。第１の配線３１０１に所定の電位（定電位）を与えた状態で、第５の配線３１０５に適切な電位（読み出し電位）を与えると、トランジスタ３２００のゲートに保持された電荷量に応じて、第２の配線３１０２は異なる電位をとる。一般に、トランジスタ３２００をｎチャネル型とすると、トランジスタ３２００のゲート電極にＨｉｇｈレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Ｖｔｈ＿Ｈは、トランジスタ３２００のゲート電極にＬｏｗレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Ｖｔｈ＿Ｌより低くなるためである。ここで、見かけのしきい値電圧とは、トランジスタ３２００を「オン状態」とするために必要な第５の配線３１０５の電位をいう。したがって、第５の配線３１０５の電位をＶｔｈ＿ＨとＶｔｈ＿Ｌの間の電位Ｖ０とすることにより、トランジスタ３２００のゲートに与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、Ｈｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線３１０５の電位がＶ０（＞Ｖｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ３２００は「オン状態亅となる。Ｌｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線３１０５の電位がＶ０（＜Ｖｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ３２００は「オフ状態」のままである。このため、第２の配線３１０２の電位を判別することで、保持されている情報を読み出すことができる。
【０５３３】  図４９（Ｃ）に示す半導体装置は、トランジスタ３２００を設けていない点で図４９（Ａ）と相違している。この場合も上記と同様の動作により情報の書き込みおよび保持動作が可能である。
【０５３４】  次に、図４９（Ｃ）に示す半導体装置の情報の読み出しについて説明する。トランジスタ３３００がオン状態となると、浮遊状態である第３の配線３１０３と容量素子３４００とが導通し、第３の配線３１０３と容量素子３４００の間で電荷が再分配される。その結果、第３の配線３１０３の電位が変化する。第３の配線３１０３の電位の変化量は、容量素子３４００の電極の一方の電位（または容量素子３４００に蓄積された電荷）によって、異なる値をとる。
【０５３５】  例えば、容量素子３４００の電極の一方の電位をＶ、容量素子３４００の容量をＣ、第３の配線３１０３が有する容量成分をＣＢ、電荷が再分配される前の第３の配線３１０３の電位をＶＢ０とすると、電荷が再分配された後の第３の配線３１０３の電位は、（ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ）／（ＣＢ＋Ｃ）となる。従って、メモリセルの状態として、容量素子３４００の電極の一方の電位がＶ１とＶ０（Ｖ１＞Ｖ０）の２状態をとるとすると、電位Ｖ１を保持している場合のビット線ＢＬの電位（＝（ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ１）／（ＣＢ＋Ｃ））は、電位Ｖ０を保持している場合のビット線ＢＬの電位（＝（ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ０）／（ＣＢ＋Ｃ））よりも高くなることがわかる。
【０５３６】  そして、第３の配線３１０３の電位を所定の電位と比較することで、情報を読み出すことができる。
【０５３７】  この場合、メモリセルを駆動させるための駆動回路に上記第１の半導体材料が適用されたトランジスタを用い、トランジスタ３３００として第２の半導体材料が適用されたトランジスタを駆動回路上に積層して設ける構成とすればよい。
【０５３８】  本実施の形態に示す半導体装置では、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたオフ電流の極めて小さいトランジスタを適用することで、極めて長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合（ただし、電位は固定されていることが望ましい）であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。
【０５３９】  また、本実施の形態に示す半導体装置では、情報の書き込みに高い電圧を必要とせず、素子の劣化の問題もない。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行う必要がないため、ゲート絶縁膜の劣化といった問題が全く生じない。すなわち、本実施の形態に示す半導体装置では、従来の不揮発性メモリで問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上する。さらに、トランジスタのオン状態、オフ状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作も容易に実現しうる。
【０５４０】  なお、上記の記憶装置は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）の他に、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、カスタムＬＳＩ、ＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｌｏｇｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅ）等のＬＳＩ、ＲＦ−ＩＤ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）にも応用可能である。
【０５４１】＜８−２．ＣＰＵ＞
以下で、上記の記憶装置を含むＣＰＵについて説明する。
【０５４２】  図５０は、上記の記憶装置を含むＣＰＵの一例の構成を示すブロック図である。
【０５４３】  図５０に示すＣＰＵは、基板２１９０上に、ＡＬＵ２１９１（ＡＬＵ：Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ  ｌｏｇｉｃ  ｕｎｉｔ、演算回路）、ＡＬＵコントローラ２１９２、インストラクションデコーダ２１９３、インタラプトコントローラ２１９４、タイミングコントローラ２１９５、レジスタ２１９６、レジスタコントローラ２１９７、バスインターフェース２１９８（Ｂｕｓ  Ｉ／Ｆ）、書き換え可能なＲＯＭ２１９９、及びＲＯＭインターフェース２１８９（ＲＯＭ  Ｉ／Ｆ）を有している。基板２１９０は、半導体基板、ＳＯＩ基板、ガラス基板などを用いる。ＲＯＭ２１９９及びＲＯＭインターフェース２１８９は、別チップに設けてもよい。もちろん、図５０に示すＣＰＵは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際のＣＰＵはその用途によって多種多様な構成を有している。例えば、図５０に示すＣＰＵまたは演算回路を含む構成を一つのコアとし、当該コアを複数含み、それぞれのコアが並列で動作するような構成としてもよい。また、ＣＰＵが内部演算回路やデータバスで扱えるビット数は、例えば８ビット、１６ビット、３２ビット、６４ビットなどとすることができる。
【０５４４】  バスインターフェース２１９８を介してＣＰＵに入力された命令は、インストラクションデコーダ２１９３に入力され、デコードされた後、ＡＬＵコントローラ２１９２、インタラプトコントローラ２１９４、レジスタコントローラ２１９７、タイミングコントローラ２１９５に入力される。
【０５４５】  ＡＬＵコントローラ２１９２、インタラプトコントローラ２１９４、レジスタコントローラ２１９７、タイミングコントローラ２１９５は、デコードされた命令に基づき、各種制御を行なう。具体的にＡＬＵコントローラ２１９２は、ＡＬＵ２１９１の動作を制御するための信号を生成する。また、インタラプトコントローラ２１９４は、ＣＰＵのプログラム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク状態から判断し、処理する。レジスタコントローラ２１９７は、レジスタ２１９６のアドレスを生成し、ＣＰＵの状態に応じてレジスタ２１９６の読み出しや書き込みを行なう。
【０５４６】  また、タイミングコントローラ２１９５は、ＡＬＵ２１９１、ＡＬＵコントローラ２１９２、インストラクションデコーダ２１９３、インタラプトコントローラ２１９４、及びレジスタコントローラ２１９７の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタイミングコントローラ２１９５は、基準クロック信号を元に、内部クロック信号を生成する内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号を上記各種回路に供給する。
【０５４７】  図５０に示すＣＰＵでは、レジスタ２１９６に、記憶装置が設けられている。
【０５４８】  図５０に示すＣＰＵにおいて、レジスタコントローラ２１９７は、ＡＬＵ２１９１からの指示に従い、レジスタ２１９６における保持動作の選択を行う。すなわち、レジスタ２１９６が有する記憶装置において、フリップフロップによるデータの保持を行うか、容量素子によるデータの保持を行うかを、選択する。フリップフロップによるデータの保持が選択されている場合、レジスタ２１９６内の記憶装置への、電源電圧の供給が行われる。容量素子におけるデータの保持が選択されている場合、容量素子へのデータの書き換えが行われ、レジスタ２１９６内の記憶装置への電源電圧の供給を停止することができる。
【０５４９】  図５１は、レジスタ２１９６として用いることのできる記憶素子の回路図の一例である。記憶素子２２００は、電源遮断で記憶データが揮発する回路２２０１と、電源遮断で記憶データが揮発しない回路２２０２と、スイッチ２２０３と、スイッチ２２０４と、論理素子２２０６と、容量素子２２０７と、選択機能を有する回路２２２０と、を有する。回路２２０２は、容量素子２２０８と、トランジスタ２２０９と、トランジスタ２２１０と、を有する。なお、記憶素子２２００は、必要に応じて、ダイオード、抵抗素子、インダクタなどのその他の素子をさらに有していても良い。
【０５５０】  ここで、回路２２０２には、上述した記憶装置を用いることができる。記憶素子２２００への電源電圧の供給が停止した際、回路２２０２のトランジスタ２２０９のゲートには接地電位（０Ｖ）、またはトランジスタ２２０９がオフする電位が入力され続ける構成とする。例えば、トランジスタ２２０９のゲートが抵抗等の負荷を介して接地される構成とする。
【０５５１】  スイッチ２２０３は、一導電型（例えば、ｎチャネル型）のトランジスタ２２１３を用いて構成され、スイッチ２２０４は、一導電型とは逆の導電型（例えば、ｐチャネル型）のトランジスタ２２１４を用いて構成した例を示す。ここで、スイッチ２２０３の第１の端子はトランジスタ２２１３のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ２２０３の第２の端子はトランジスタ２２１３のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ２２０３はトランジスタ２２１３のゲートに入力される制御信号ＲＤによって、第１の端子と第２の端子の間の導通または非導通（つまり、トランジスタ２２１３のオン状態またはオフ状態）が選択される。スイッチ２２０４の第１の端子はトランジスタ２２１４のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ２２０４の第２の端子はトランジスタ２２１４のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ２２０４はトランジスタ２２１４のゲートに入力される制御信号ＲＤによって、第１の端子と第２の端子の間の導通または非導通（つまり、トランジスタ２２１４のオン状態またはオフ状態）が選択される。
【０５５２】  トランジスタ２２０９のソースとドレインの一方は、容量素子２２０８の一対の電極のうちの一方、及びトランジスタ２２１０のゲートと電気的に接続される。ここで、接続部分をノードＭ２とする。トランジスタ２２１０のソースとドレインの一方は、低電源電位を供給することのできる配線（例えばＧＮＤ線）に電気的に接続され、他方は、スイッチ２２０３の第１の端子（トランジスタ２２１３のソースとドレインの一方）と電気的に接続される。スイッチ２２０３の第２の端子（トランジスタ２２１３のソースとドレインの他方）はスイッチ２２０４の第１の端子（トランジスタ２２１４のソースとドレインの一方）と電気的に接続される。スイッチ２２０４の第２の端子（トランジスタ２２１４のソースとドレインの他方）は電源電位ＶＤＤを供給することのできる配線と電気的に接続される。スイッチ２２０３の第２の端子（トランジスタ２２１３のソースとドレインの他方）と、スイッチ２２０４の第１の端子（トランジスタ２２１４のソースとドレインの一方）と、論理素子２２０６の入力端子と、容量素子２２０７の一対の電極のうちの一方と、は電気的に接続される。ここで、接続部分をノードＭ１とする。容量素子２２０７の一対の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位（ＧＮＤ等）または高電源電位（ＶＤＤ等）が入力される構成とすることができる。容量素子２２０７の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線（例えばＧＮＤ線）と電気的に接続される。容量素子２２０８の一対の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位（ＧＮＤ等）または高電源電位（ＶＤＤ等）が入力される構成とすることができる。容量素子２２０８の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線（例えばＧＮＤ線）と電気的に接続される。
【０５５３】  なお、容量素子２２０７及び容量素子２２０８は、トランジスタや配線の寄生容量等を積極的に利用することによって省略することも可能である。
【０５５４】トランジスタ２２０９の第１ゲート（第１のゲート電極）には、制御信号ＷＥが入力される。スイッチ２２０３及びスイッチ２２０４は、制御信号ＷＥとは異なる制御信号ＲＤによって第１の端子と第２の端子の間の導通状態または非導通状態を選択され、一方のスイッチの第１の端子と第２の端子の間が導通状態のとき他方のスイッチの第１の端子と第２の端子の間は非導通状態となる。
【０５５５】  トランジスタ２２０９のソースとドレインの他方には、回路２２０１に保持されたデータに対応する信号が入力される。図５１では、回路２２０１から出力された信号が、トランジスタ２２０９のソースとドレインの他方に入力される例を示した。スイッチ２２０３の第２の端子（トランジスタ２２１３のソースとドレインの他方）から出力される信号は、論理素子２２０６によってその論理値が反転された反転信号となり、回路２２２０を介して回路２２０１に入力される。
【０５５６】  なお、図５１では、スイッチ２２０３の第２の端子（トランジスタ２２１３のソースとドレインの他方）から出力される信号は、論理素子２２０６及び回路２２２０を介して回路２２０１に入力する例を示したがこれに限定されない。スイッチ２２０３の第２の端子（トランジスタ２２１３のソースとドレインの他方）から出力される信号が、論理値を反転させられることなく、回路２２０１に入力されてもよい。例えば、回路２２０１内に、入力端子から入力された信号の論理値が反転した信号が保持されるノードが存在する場合に、スイッチ２２０３の第２の端子（トランジスタ２２１３のソースとドレインの他方）から出力される信号を当該ノードに入力することができる。
【０５５７】  また、図５１において、記憶素子２２００に用いられるトランジスタのうち、トランジスタ２２０９以外のトランジスタは、酸化物半導体以外の半導体でなる層または基板２１９０にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。例えば、シリコン層またはシリコン基板にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。また、記憶素子２２００に用いられるトランジスタ全てを、チャネルが酸化物半導体膜で形成されるトランジスタとすることもできる。または、記憶素子２２００は、トランジスタ２２０９以外にも、チャネルが酸化物半導体膜で形成されるトランジスタを含んでいてもよく、残りのトランジスタは酸化物半導体以外の半導体でなる層または基板２１９０にチャネルが形成されるトランジスタとすることもできる。
【０５５８】  図５１における回路２２０１には、例えばフリップフロップを用いることができる。また、論理素子２２０６としては、例えばインバータやクロックドインバータ等を用いることができる。
【０５５９】  本実施の形態に示す半導体装置では、記憶素子２２００に電源電圧が供給されない間は、回路２２０１に記憶されていたデータを、回路２２０２に設けられた容量素子２２０８によって保持することができる。
【０５６０】  また、酸化物半導体膜にチャネルが形成されるトランジスタはオフ電流が極めて小さい。例えば、酸化物半導体膜にチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流は、結晶性を有するシリコンにチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流に比べて著しく低い。そのため、酸化物半導体膜にチャネルが形成されるトランジスタをトランジスタ２２０９として用いることによって、記憶素子２２００に電源電圧が供給されない間も容量素子２２０８に保持された信号は長期間にわたり保たれる。こうして、記憶素子２２００は電源電圧の供給が停止した間も記憶内容（データ）を保持することが可能である。
【０５６１】  また、スイッチ２２０３及びスイッチ２２０４を設けることによって、プリチャージ動作を行うことを特徴とする記憶素子であるため、電源電圧供給再開後に、回路２２０１が元のデータを保持しなおすまでの時間を短くすることができる。
【０５６２】  また、回路２２０２において、容量素子２２０８によって保持された信号はトランジスタ２２１０のゲートに入力される。そのため、記憶素子２２００への電源電圧の供給が再開された後、容量素子２２０８によって保持された信号を、トランジスタ２２１０の状態（オン状態、またはオフ状態）に変換して、回路２２０２から読み出すことができる。それ故、容量素子２２０８に保持された信号に対応する電位が多少変動していても、元の信号を正確に読み出すことが可能である。
【０５６３】  このような記憶素子２２００を、プロセッサが有するレジスタやキャッシュメモリなどの記憶装置に用いることで、電源電圧の供給停止による記憶装置内のデータの消失を防ぐことができる。また、電源電圧の供給を再開した後、短時間で電源供給停止前の状態に復帰することができる。よって、プロセッサ全体、もしくはプロセッサを構成する一つ、または複数の論理回路において、短い時間でも電源停止を行うことができるため、消費電力を抑えることができる。
【０５６４】  なお、本実施の形態では、記憶素子２２００をＣＰＵに用いる例として説明したが、記憶素子２２００は、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、カスタムＬＳＩ、ＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｌｏｇｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅ）等のＬＳＩ、ＲＦ−ＩＤ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）にも応用可能である。
【０５６５】  本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【０５６６】（実施の形態９）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を用いることができる撮像装置について図５２及び図５３を用いて説明する。
【０５６７】  図５２（Ａ）乃至図５２（Ｃ）に、撮像装置の回路構成例を示す。
【０５６８】＜９．撮像装置＞
図５２（Ａ）に示す回路を有する撮像装置６１０は、光電変換素子６０１、トランジスタ６０２、トランジスタ６０４、および容量素子６０６を有する。トランジスタ６０２のソースまたはドレインの一方は光電変換素子６０１と電気的に接続される。トランジスタ６０２のソースまたはドレインの他方はノード６０７（電荷蓄積部）を介してトランジスタ６０４のゲートと電気的に接続されている。
【０５６９】  トランジスタ６０２として、ＯＳトランジスタを用いることが好ましい。ＯＳトランジスタは、オフ電流を極めて小さくすることができるため、容量素子６０６を小さくすることができる。または、図５２（Ｂ）に示すように、容量素子６０６を省略することができる。また、トランジスタ６０２としてＯＳトランジスタを用いると、ノード６０７の電位が変動しにくい。よって、ノイズの影響を受けにくい撮像装置を実現することができる。
トランジスタ６０２として、例えば先の実施の形態に例示したトランジスタなどを用いることができる。なお、トランジスタ６０４にＯＳトランジスタを用いてもよい。
【０５７０】  光電変換素子６０１には、シリコン基板においてｐｎ型やｐｉｎ型の接合が形成されたダイオード素子を用いることができる。または非晶質シリコン膜や微結晶シリコン膜などを用いたｐｉｎ型のダイオード素子などを用いてもよい。または、ダイオード接続のトランジスタを用いてもよい。また、光電効果を利用した可変抵抗などをシリコン、ゲルマニウム、セレンなど用いて形成してもよい。
【０５７１】  また、光電変換素子として、放射線を吸収して電荷を発生させることが可能な材料を用いて形成してもよい。放射線を吸収して電荷を発生させることが可能な材料としては、ヨウ化鉛、ヨウ化水銀、ガリウムヒ素、ＣｄＴｅ、ＣｄＺｎなどがある。
【０５７２】  図５２（Ｃ）に示す回路を有する撮像装置６１０は、光電変換素子６０１としてフォトダイオードを用いる場合を示している。図５２（Ｃ）に示す撮像装置６１０は、光電変換素子６０１、トランジスタ６０２、トランジスタ６０３、トランジスタ６０４、トランジスタ６０５、および容量素子６０６を有する。トランジスタ６０２のソースまたはドレインの一方は光電変換素子６０１のカソードと電気的に接続され、他方はノード６０７と電気的に接続されている。光電変換素子６０１のアノードは、配線６１１と電気的に接続されている。トランジスタ６０３のソースまたはドレインの一方はノード６０７と電気的に接続され、他方は配線６０８と電気的に接続されている。トランジスタ６０４のゲートはノード６０７と電気的に接続され、ソースまたはドレインの一方は配線６０９と電気的に接続され、他方はトランジスタ６０５のソースまたはドレインの一方と電気的に接続されている。トランジスタ６０５のソースまたはドレインの他方は配線６０８と電気的に接続されている。容量素子６０６の一方の電極はノード６０７と電気的に接続され、他方の電極は配線６１１と電気的に接続される。
【０５７３】  トランジスタ６０２は転送トランジスタとして機能できる。トランジスタ６０２のゲートには、転送信号ＴＸが供給される。トランジスタ６０３はリセットトランジスタとして機能できる。トランジスタ６０３のゲートには、リセット信号ＲＳＴが供給される。トランジスタ６０４は増幅トランジスタとして機能できる。トランジスタ６０５は選択トランジスタとして機能できる。トランジスタ６０５のゲートには、選択信号ＳＥＬが供給される。また、配線６０８にＶＤＤが供給され、配線６１１にはＶＳＳが供給される。
【０５７４】  次に、図５２（Ｃ）に示す回路を有する撮像装置６１０の動作について説明する。まず、トランジスタ６０３をオン状態にして、ノード６０７にＶＤＤを供給する（リセット動作）。その後、トランジスタ６０３をオフ状態にすると、ノード６０７にＶＤＤが保持される。次に、トランジスタ６０２をオン状態とすると、光電変換素子６０１の受光量に応じて、ノード６０７の電位が変化する（蓄積動作）。その後、トランジスタ６０２をオフ状態にすると、ノード６０７の電位が保持される。次に、トランジスタ６０５をオン状態とすると、ノード６０７の電位に応じた電位が配線６０９から出力される（選択動作）。配線６０９の電位を検出することで、光電変換素子６０１の受光量を知ることができる。
【０５７５】  トランジスタ６０２およびトランジスタ６０３には、ＯＳトランジスタを用いることが好ましい。前述した通り、ＯＳトランジスタはオフ電流を極めて小さくすることができるため、容量素子６０６を小さくすることができる。または、容量素子６０６を省略することができる。また、トランジスタ６０２およびトランジスタ６０３としてＯＳトランジスタを用いると、ノード６０７の電位が変動しにくい。よって、ノイズの影響を受けにくい撮像装置を実現することができる。
【０５７６】  図５２（Ａ）乃至図５２（Ｃ）に示したいずれかの回路を有する撮像装置６１０をマトリクス状に配置することで、解像度の高い撮像装置が実現できる。
【０５７７】  例えば、撮像装置６１０を１９２０×１０８０のマトリクス状に配置すると、いわゆるフルハイビジョン（「２Ｋ解像度」、「２Ｋ１Ｋ」、「２Ｋ」などとも言われる。）の解像度で撮像可能な撮像装置を実現することができる。また、例えば、撮像装置６１０を４０９６×２１６０のマトリクス状に配置すると、いわゆるウルトラハイビジョン（「４Ｋ解像度」、「４Ｋ２Ｋ」、「４Ｋ」などとも言われる。）の解像度で撮像可能な撮像装置を実現することができる。また、例えば、撮像装置６１０を８１９２×４３２０のマトリクス状に配置すると、いわゆるスーパーハイビジョン（「８Ｋ解像度」、「８Ｋ４Ｋ」、「８Ｋ」などとも言われる。）の解像度で撮像可能な撮像装置を実現することができる。表示素子を増やすことで、１６Ｋや３２Ｋの解像度で撮像可能な撮像装置を実現することも可能である。
【０５７８】  上述したトランジスタを用いた撮像装置６１０の構造例を図５３（Ａ）（Ｂ）に示す。図５３（Ａ）（Ｂ）は撮像装置６１０の断面図である。
【０５７９】  図５３（Ａ）に示す撮像装置６１０は、基板６４１としてｎ型半導体を用いている。また、基板６４１中に光電変換素子６０１のｐ型半導体１２２１が設けられている。また、基板６４１の一部が、光電変換素子６０１のｎ型半導体１２２３として機能する。
【０５８０】  また、トランジスタ６０４は基板６４１上に設けられている。トランジスタ６０４はｎチャネル型のトランジスタとして機能できる。また、基板６４１の一部にｐ型半導体のウェル１２２０が設けられている。ウェル１２２０はｐ型半導体１２２１の形成と同様の方法で設けることができる。また、ウェル１２２０とｐ型半導体１２２１は同時に形成することができる。
【０５８１】  図５３（Ｂ）に示す撮像装置６１０は、基板６４１上にトランジスタ６０４とトランジスタ６０５が設けられている。トランジスタ６０４はｎチャネル型のトランジスタとして機能できる。トランジスタ６０５はｐチャネル型のトランジスタとして機能できる。
【０５８２】  また、図５３（Ｂ）に示す撮像装置６１０は、基板６４１上に光電変換素子６０１が設けられている。
【０５８３】  図５３（Ｂ）に示す光電変換素子６０１は、金属材料などで形成された電極６８６と透光性導電層６８２との間に光電変換層６８１を有する。図５３（Ｂ）では、セレン系材料を光電変換層６８１に用いた形態を示している。セレン系材料を用いた光電変換素子６０１は、可視光に対する外部量子効率が高い特性を有する。当該光電変換素子では、アバランシェ現象により入射される光量に対する電子の増幅が大きい高感度のセンサとすることができる。また、セレン系材料は光吸収係数が高いため、光電変換層６８１を薄くしやすい利点を有する。
【０５８４】  セレン系材料としては、非晶質セレンまたは結晶セレンを用いることができる。結晶セレンは、一例として、非晶質セレンを成膜後、熱処理することで得ることができる。なお、結晶セレンの結晶粒径を画素ピッチより小さくすることで、画素ごとの特性ばらつきを低減させることができる。また、結晶セレンは、非晶質セレンよりも可視光に対する分光感度や光吸収係数が高い特性を有する。
【０５８５】  なお、光電変換層６８１は単層として図示しているが、セレン系材料の受光面側に正孔注入阻止層として酸化ガリウムまたは酸化セリウムなどを設け、電極６８６側に電子注入阻止層として酸化ニッケルまたは硫化アンチモンなどを設ける構成とすることもできる。
【０５８６】  また、光電変換層６８１は、銅、インジウム、セレンの化合物（ＣＩＳ）を含む層であってもよい。または、銅、インジウム、ガリウム、セレンの化合物（ＣＩＧＳ）を含む層であってもよい。ＣＩＳおよびＣＩＧＳでは、セレンの単層と同様にアバランシェ現象が利用できる光電変換素子を形成することができる。
【０５８７】  また、ＣＩＳおよびＣＩＧＳはｐ型半導体であり、接合を形成するためにｎ型半導体の硫化カドミウムや硫化亜鉛等を接して設けてもよい。
【０５８８】  アバランシェ現象を発生させるためには、光電変換素子に比較的高い電圧（例えば、１０Ｖ以上）を印加することが好ましい。ＯＳトランジスタは、Ｓｉトランジスタよりもドレイン耐圧の高い特性を有するため、光電変換素子に比較的高い電圧を印加することが容易である。したがって、ドレイン耐圧の高いＯＳトランジスタと、セレン系材料を光電変換層とした光電変換素子とを組み合わせることで、高感度、かつ信頼性の高い撮像装置とすることができる。
【０５８９】  透光性導電層６８２には、例えば、インジウム錫酸化物、シリコンを含むインジウム錫酸化物、亜鉛を含む酸化インジウム、酸化亜鉛、ガリウムを含む酸化亜鉛、アルミニウムを含む酸化亜鉛、酸化錫、フッ素を含む酸化錫、アンチモンを含む酸化錫、またはグラフェン等を用いることができる。また、透光性導電層６８２は単層に限らず、異なる膜の積層であっても良い。
【０５９０】  また、光電変換素子６０１には、非晶質シリコン膜や微結晶シリコン膜などを用いたｐｉｎ型のダイオード素子などを用いてもよい。当該フォトダイオードは、ｎ型の半導体層、ｉ型の半導体層、およびｐ型の半導体層が順に積層された構成を有している。ｉ型の半導体層には非晶質シリコンを用いることが好ましい。また、ｐ型の半導体層およびｎ型の半導体層には、それぞれの導電型を付与するドーパントを含む非晶質シリコンまたは微結晶シリコンなどを用いることができる。非晶質シリコンを光電変換層とするフォトダイオードは可視光の波長領域における感度が高く、微弱な可視光を検知しやすい。
【０５９１】  なお、ｐｎ型やｐｉｎ型のダイオード素子は、ｐ型の半導体層が受光面となるように設けることが好ましい。ｐ型の半導体層を受光面とすることで、光電変換素子６０１の出力電流を高めることができる。
【０５９２】  上述したセレン系材料や非晶質シリコンなどを用いて形成した光電変換素子６０１は、成膜工程、リソグラフィ工程、エッチング工程などの一般的な半導体作製工程を用いて作製するこができる。
【０５９３】  本実施の形態は、他の実施の形態などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【実施例１】
【０５９４】  本実施例においては、本発明の一態様の半導体装置に用いることができる導電膜を有する試料を作製し、当該試料の断面形状を走査透過型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＴＥＭ）により観察を行った。また、当該試料のＸＰＳ（Ｘ線光電子分光法）分析を行った。【０５９５】＜試料の作製＞
試料Ａ１としては、７２０ｍｍ×６００ｍｍサイズのガラス基板上に、厚さが３５ｎｍの窒化タンタルと、厚さが２００ｎｍの銅とを、スパッタリング装置を用いて順に成膜した。【０５９６】  試料Ａ２としては、７２０ｍｍ×６００ｍｍサイズのガラス基板上に、厚さが３５ｎｍの窒化タンタルと、厚さが２００ｎｍの銅とを、スパッタリング装置を用いて順に成膜した。次に、銅表面のシリサイド化を行った。シリサイド化処理の条件としては、まず銅表面に形成される酸化膜を除去するため、ＰＥＣＶＤ装置を用いてアンモニアガスを含む雰囲気にてプラズマを放電させた。続いて、シランガスをＰＥＣＶＤ装置内に導入し、シランガスを銅表面に曝すことで、銅シリサイドを形成させた。なお、銅表面の酸化膜を除去する際の基板温度としては３５０℃とした。また、銅シリサイドを形成する際の基板温度としては、２２０℃とし、流量３００ｓｃｃｍのシランガスと、流量５００ｓｃｃｍの窒素ガスとを用いた。【０５９７】＜断面観察＞
上記作製した試料Ａ１及び試料Ａ２を、ＳＴＥＭにより断面形状の観察を行った。図５４（Ａ）は、試料Ａ１の断面ＳＴＥＭ写真であり、図５４（Ｂ）は、試料Ａ２の断面ＳＴＥＭ写真である。【０５９８】  図５４（Ａ）（Ｂ）の断面ＳＴＥＭ写真により、試料Ａ２においては膜の最表面に銅と異なる膜（銅シリサイド層）が形成されていることを確認した。【０５９９】＜ＸＰＳ分析＞
次に、試料Ａ２の表面のＸＰＳ分析を行った。表１に、ＸＰＳで求めた組成を示す。なお、表面のＸＰＳにおける検出深さは、５ｎｍ程度である。【０６００】
【表１】
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【０６０１】  試料Ａ２の表面では、銅とシリコンとが検出され、銅に対するシリコンの比（Ｓｉ／Ｃｕ）は０．４７であった。【０６０２】  次に、試料Ａ２の深さ方向のＸＰＳ分析を行った結果を図５５に示す。図５５は、試料Ａ２の膜表面からガラス基板までの深さ方向の銅（Ｃｕ）、シリコン（Ｓｉ）、タンタル（Ｔａ）、酸素（Ｏ）、及び窒素（Ｎ）のプロファイルを示している。【０６０３】  図５５に示すように、膜の表面付近において、銅（Ｃｕ）とシリコン（Ｓｉ）とが検出された。【０６０４】  次に、試料Ａ２の深さ方向のＸＰＳ分析で求められたＣｕ２ｐ３／２のスペクトル、及びＳｉ２ｐのスペクトルを図５６（Ａ）（Ｂ）にそれぞれ示す。なお、横軸は、束縛エネルギー（Ｂｉｎｄｉｎｇ  Ｅｎｅｒｇｙ）を表す。【０６０５】  図５６（Ａ）において、９３１ｅＶ以上９３４ｅＶ以下の範囲のピークは、Ｃｕ−Ｓｉ基に帰属される。また、図５６（Ｂ）において、９８ｅＶ以上１００ｅＶ以下の範囲のピークは、金属−Ｓｉ基に帰属される。【０６０６】  以上より、試料Ａ２において、膜の表面にＣｕとＳｉとの結合を有する銅シリサイド（銅ケイ化物）が形成されていることを確認した。【０６０７】  以上、本実施例に示す構成は、他の実施の形態、または実施例と適宜組み合わせて用いることができる。
【実施例２】
【０６０８】  本実施例においては、本発明の一態様のトランジスタを作製し、電気特性の評価を行った。【０６０９】  電気特性を評価するトランジスタとして、図１０（Ａ）（Ｂ）で示すトランジスタ１００Ｌに相当する試料Ｂ１及びＢ２を作製した。なお、試料Ｂ１が本発明の一態様のトランジスタであり、試料Ｂ２が比較用のトランジスタである。【０６１０】  トランジスタ１００Ｌ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上の第１のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜１０６、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るソース電極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るドレイン電極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上の第２のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜１１４、１１６と、絶縁膜１１６上の保護絶縁膜として機能する絶縁膜１１８と、絶縁膜１１８上の第２のゲート電極として機能する１２０ｂと、を有する。また、酸化物半導体膜１０８は、酸化物半導体膜１０８ｂ、１０８ｃを有する。【０６１１】  また、導電膜１１２ａは、導電膜１１２ａ＿１、導電膜１１２ａ＿２、及び１１２ａ＿３を有し、導電膜１１２ｂは、導電膜１１２ｂ＿１、１１２ｂ＿２、及び１１２ｂ＿３を有する。また、導電膜１１２ａ＿２は、端部で絶縁膜１１４と接する領域１１２ａ＿２ｂを有し、導電膜１１２ｂ＿２は、端部で絶縁膜１１４と接する領域１１２ｂ＿２ｂを有する。【０６１２】＜トランジスタの作製方法＞
次に、試料Ｂ１及び試料Ｂ２に相当するトランジスタの作製方法について説明する。なお、トランジスタの作製方法は、実施の形態１を参酌すればよい。【０６１３】≪試料Ｂ１の作製≫
基板１０２上に導電膜１０４を形成した。基板１０２としては、ガラス基板を用いた。また、導電膜１０４としては、厚さが１０ｎｍのチタン膜と、厚さが１００ｎｍの銅膜と、厚さが５０ｎｍの窒化タンタル膜とを、スパッタリング装置を用いて順に形成した。【０６１４】  次に、基板１０２及び導電膜１０４上に、絶縁膜１０６、１０７を形成した。絶縁膜１０６としては、厚さが４００ｎｍの窒化シリコン膜を、ＰＥＣＶＤ装置を用いて形成した。また、絶縁膜１０７としては、厚さが１５ｎｍの酸化窒化シリコン膜を、ＰＥＣＶＤ装置を用いて形成した。【０６１５】  次に、絶縁膜１０７上に酸化物半導体膜１０８を形成した。【０６１６】  酸化物半導体膜１０８として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（ＩＧＺＯともいう）を用いた。酸化物半導体膜１０８が有する酸化物半導体膜１０８ｂとしては、厚さが１０ｎｍのＩＧＺＯ膜を、スパッタリング装置を用いて形成した。なお、ＩＧＺＯ膜の成膜条件としては、基板温度を１７０℃とし、アルゴンガスと酸素ガスとの流量比における酸素ガスの比率が３０％になるようチャンバー内に導入し、圧力を０．２Ｐａとし、金属酸化物スパッタリングターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）に１５００ＷのＡＣ電力を投入して成膜した。続いて、酸化物半導体膜１０８ｃとしては、厚さが２０ｎｍのＩＧＺＯ膜を、スパッタリング装置を用いて形成した。なお、ＩＧＺＯ膜の成膜条件としては、基板温度を１７０℃とし、アルゴンガスと酸素ガスとの流量比における酸素ガスの比率が５０％になるようチャンバー内に導入し、圧力を０．２Ｐａとし、金属酸化物スパッタリングターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２［原子数比］）に５００ＷのＡＣ電力を投入して成膜した。また、酸化物半導体膜１０８の形成後、３５０℃で１時間の熱処理を行った。【０６１７】  次に、絶縁膜１０７、酸化物半導体膜１０８上に後に導電膜１１２ａ、１１２ｂとなる導電膜を形成した。該導電膜としては、厚さが５０ｎｍのタングステン膜と、厚さが２００ｎｍの銅膜と、厚さが５ｎｍのタングステン膜を、スパッタリング装置を用いて真空中で連続して形成した。次に、該導電膜上にレジストマスクを形成し、厚さが５ｎｍのタングステン膜と、厚さが２００ｎｍの銅膜との所望の領域をエッチングした。レジストマスクの除去後、露出した銅表面のシリサイド処理を行った。シリサイド化処理の条件としては、まず銅表面に形成される酸化膜を除去するため、ＰＥＣＶＤ装置を用いてアンモニアガスを含む雰囲気にてプラズマを放電させた。続いて、シランガスをＰＥＣＶＤ装置内に導入し、シランガスを銅表面に曝すことで、銅シリサイドを形成させた。なお、銅表面の酸化膜を除去する際の基板温度としては３５０℃とした。また、銅シリサイドを形成する際の基板温度としては、２２０℃とし、流量３００ｓｃｃｍのシランガスと、流量５００ｓｃｃｍの窒素ガスとを用いた。ま次に、シリサイド処理を行った導電膜上にレジストマスクを形成し、厚さが５０ｎｍのタングステン膜の所望の領域をエッチングすることで、導電膜１１２ａ、１１２ｂを形成した。なお、導電膜１１２ａ、１１２ｂの形成後レジストマスクを除去した。【０６１８���  次に、絶縁膜１０７、酸化物半導体膜１０８、及び導電膜１１２ａ、１１２ｂ上から、リン酸水溶液（リン酸の濃度が８５％の水溶液を、さらに純水で１００倍に希釈した水溶液）を塗布し、導電膜１１２ａ、１１２ｂから露出した酸化物半導体膜１０８の表面の一部を除去した。【０６１９】  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及び絶縁膜１１６を形成した。絶縁膜１１４としては、厚さが４０ｎｍの酸化窒化シリコン膜を、ＰＥＣＶＤ装置を用いて形成した。また、絶縁膜１１６としては、厚さが４００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を、ＰＥＣＶＤ装置を用いて形成した。なお、絶縁膜１１４及び絶縁膜１１６としては、ＰＥＣＶＤ装置により真空中で連続して形成した。【０６２０】  絶縁膜１１４の成膜条件としては、基板温度を２２０℃とし、流量５０ｓｃｃｍのシランガスと、流量２０００ｓｃｃｍの一酸化二窒素ガスをチャンバー内に導入し、圧力を２０Ｐａとし、ＰＥＣＶＤ装置内に設置された平行平板の電極間に１００ＷのＲＦ電力を供給して成膜した。また、絶縁膜１１６の成膜条件としては、基板温度を２２０℃とし、流量１６０ｓｃｃｍのシランガスと、流量４０００ｓｃｃｍの一酸化二窒素ガスをチャンバー内に導入し、圧力を２００Ｐａとし、ＰＥＣＶＤ装置内に設置された平行平板の電極間に１５００ＷのＲＦ電力を供給して成膜した。【０６２１】  次に、窒素を含む雰囲気下で３００℃、１時間の熱処理を行った。【０６２２】  次に、絶縁膜１１６上に絶縁膜１１８を形成した。絶縁膜１１８としては、厚さが１００ｎｍの窒化シリコン膜を、ＰＥＣＶＤ装置を用いて形成した。絶縁膜１１８の成膜条件としては、基板温度を２２０℃とし、流量５０ｓｃｃｍのシランガスと、流量５０００ｓｃｃｍの窒素ガスと、流量１００ｓｃｃｍのアンモニアガスをチャンバー内に導入し、圧力を１００Ｐａとし、ＰＥＣＶＤ装置内に設置された平行平板の電極間に１０００ＷのＲＦ電力を供給して成膜した。【０６２３】  次に、絶縁膜１１８上に導電膜として、厚さが１００ｎｍのＩＴＳＯ膜を、スパッタリング装置を用いて形成した。該ＩＴＳＯ膜の成膜条件としては、基板温度を室温とし、流量７２ｓｃｃｍのアルゴンガスと、流量５ｓｃｃｍの酸素ガスをチャンバー内に導入し、圧力を０．１５Ｐａとした。なお、ＩＴＳＯ膜に用いた金属酸化物ターゲットの組成は、Ｉｎ２Ｏ３：ＳｎＯ２：ＳｉＯ２＝８５：１０：５［重量％］とした。【０６２４】  以上の工程で試料Ｂ１に相当するトランジスタを作製した。【０６２５】≪試料Ｂ２の作製≫
基板１０２上に導電膜１０４を形成した。基板１０２としては、ガラス基板を用いた。また、導電膜１０４としては、厚さが１００ｎｍのタングステン膜を、スパッタリング装置を用いて形成した。【０６２６】  次に、基板１０２及び導電膜１０４上に、絶縁膜１０６、１０７を形成した。絶縁膜１０６としては、厚さが４００ｎｍの窒化シリコン膜を、ＰＥＣＶＤ装置を用いて形成した。また、絶縁膜１０７としては、厚さが５０ｎｍの酸化窒化シリコン膜を、ＰＥＣＶＤ装置を用いて形成した。【０６２７】  次に、絶縁膜１０７上に酸化物半導体膜１０８を形成した。【０６２８】  酸化物半導体膜１０８が有する酸化物半導体膜１０８ｂとしては、厚さが２０ｎｍのＩＧＺＯ膜を、スパッタリング装置を用いて形成した。なお、ＩＧＺＯ膜の成膜条件としては、基板温度を１７０℃とし、アルゴンガスと酸素ガスとの流量比における酸素ガスの比率が３０％になるようチャンバー内に導入し、圧力を０．２Ｐａとし、金属酸化物スパッタリングターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）に１５００ＷのＡＣ電力を投入して成膜した。続いて、酸化物半導体膜１０８ｃとしては、厚さが３０ｎｍのＩＧＺＯ膜を、スパッタリング装置を用いて形成した。なお、ＩＧＺＯ膜の成膜条件としては、基板温度を１７０℃とし、アルゴンガスと酸素ガスとの流量比における酸素ガスの比率が５０％になるようチャンバー内に導入し、圧力を０．２Ｐａとし、金属酸化物スパッタリングターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２［原子数比］）に５００ＷのＡＣ電力を投入して成膜した。また、酸化物半導体膜１０８の形成後、３５０℃で１時間の熱処理を行った。【０６２９】  次に、絶縁膜１０７、酸化物半導体膜１０８上に導電膜を形成し、該導電膜上にレジストマスクを形成し、所望の領域をエッチングすることで、導電膜１１２ａ、１１２ｂを形成した。導電膜１１２ａ、１１２ｂとしては、厚さ５０ｎｍのタングステン膜と、厚さ２００ｎｍの銅膜とを、スパッタリング装置を用いて真空中で連続して形成した。なお、導電膜１１２ａ、１１２ｂの形成後レジストマスクを除去した。【０６３０】  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及び絶縁膜１１６を形成した。絶縁膜１１４としては、厚さが４０ｎｍの酸化窒化シリコン膜を、ＰＥＣＶＤ装置を用いて形成した。また、絶縁膜１１６としては、厚さが４００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を、ＰＥＣＶＤ装置を用いて形成した。なお、絶縁膜１１４及び絶縁膜１１６としては、ＰＥＣＶＤ装置により真空中で連続して形成した。【０６３１】  絶縁膜１１４の成膜条件としては、基板温度を２２０℃とし、流量５０ｓｃｃｍのシランガスと、流量２０００ｓｃｃｍの一酸化二窒素ガスをチャンバー内に導入し、圧力を２０Ｐａとし、ＰＥＣＶＤ装置内に設置された平行平板の電極間に１００ＷのＲＦ電力を供給して成膜した。また、絶縁膜１１６の成膜条件としては、基板温度を２２０℃とし、流量１６０ｓｃｃｍのシランガスと、流量４０００ｓｃｃｍの一酸化二窒素ガスをチャンバー内に導入し、圧力を２００Ｐａとし、ＰＥＣＶＤ装置内に設置された平行平板の電極間に１５００ＷのＲＦ電力を供給して成膜した。【０６３２】  次に、窒素を含む雰囲気下で３００℃、１時間の熱処理を行った。【０６３３】  次に、絶縁膜１１６上に絶縁膜１１８を形成した。絶縁膜１１８としては、厚さが１００ｎｍの窒化シリコン膜を、ＰＥＣＶＤ装置を用いて形成した。絶縁膜１１８の成膜条件としては、基板温度を２２０℃とし、流量５０ｓｃｃｍのシランガスと、流量５０００ｓｃｃｍの窒素ガスと、流量１００ｓｃｃｍのアンモニアガスをチャンバー内に導入し、圧力を１００Ｐａとし、ＰＥＣＶＤ装置内に設置された平行平板の電極間に１０００ＷのＲＦ電力を供給して成膜した。【０６３４】  次に、絶縁膜１１８上に導電膜として、厚さが１００ｎｍのＩＴＳＯ膜を、スパッタリング装置を用いて形成した。該ＩＴＳＯ膜の成膜条件としては、基板温度を室温とし、流量７２ｓｃｃｍのアルゴンガスと、流量５ｓｃｃｍの酸素ガスをチャンバー内に導入し、圧力を０．１５Ｐａとした。なお、ＩＴＳＯ膜に用いた金属酸化物ターゲットの組成は、Ｉｎ２Ｏ３：ＳｎＯ２：ＳｉＯ２＝８５：１０：５［重量％］とした。【０６３５】  以上の工程で試料Ｂ２に相当するトランジスタを作製した。【０６３６】  なお、当該トランジスタのサイズとしてはそれぞれ、チャネル長が２μｍ且つチャネル幅が５０μｍ、チャネル長が３μｍ且つチャネル幅が５０μｍ、及びチャネル長が６μｍ且つチャネル幅が５０μｍ、という３種類のサイズを有するトランジスタを作製した。以下では、チャネル長が２μｍの試料Ｂ１を試料Ｂ１−１と、チャネル長が３μｍの試料Ｂ１を試料Ｂ１−２と、チャネル長６μｍの試料Ｂ１を試料Ｂ１−３と呼称する。試料Ｂ２についても同様である。【０６３７】＜トランジスタの電気特性評価＞
上記作製した試料Ｂ１及び試料Ｂ２に相当するトランジスタの電気特性の評価を行った。トランジスタの電気特性としては、ドレイン電流（Ｉｄ）−ゲート電圧（Ｖｇ）特性、およびＩｄ−Ｖｇ特性における電界効果移動度（μＦＥ）とした。試料Ｂ１及び試料Ｂ２のトランジスタの電気特性を図５７及び図５８に示す。また、図５７（Ａ）及び図５８（Ａ）はチャネル長が２μｍ且つチャネル幅が５０μｍのトランジスタ特性を、図５７（Ｂ）及び図５８（Ｂ）はチャネル長が３μｍ且つチャネル幅が５０μｍのトランジスタ特性を、図５７（Ｃ）乃至図５８（Ｃ）はチャネル長が６μｍ且つチャネル幅が５０μｍのトランジスタ特性を、それぞれ示す。【０６３８】  また、図５７及び図５８において、ソース電極とドレイン電極間の電圧（Ｖｄ）を０．１Ｖ及び２０Ｖとし、−１５Ｖから２０Ｖまで０．２５Ｖ間隔でＶｇを印加した結果を示している。また、図５７及び図５８において、第１縦軸がドレイン電流（Ｉｄ）を、第２縦軸がＶｄ＝２０Ｖにおける電界効果移動度（μＦＥ）を、横軸がゲート電圧（Ｖｇ）を、それぞれ表している。また、１０個のトランジスタのデータを各々重ねて示している。いずれのトランジスタについても、バラツキが少なくノーマリーオフ特性を示すトランジスタ特性が得られている。【０６３９】  また、図５７及び図５８に示すように、試料Ｂ２は、Ｖｄが０．１ＶとＶｄが２０Ｖでしきい値電圧が異なる結果となった。また、試料Ｂ２より試料Ｂ１の方がトランジスタの電界効果移動度（μＦＥ）が高い結果となった。このことから、ソース電極及びドレイン電極に銅を有するトランジスタにおいて、ソース電極及びドレイン電極の端部にシリサイド処理を行うことで、優れた電気特性を有するトランジスタを提供できることが示された。【０６４０】  以上、本実施例に示す構成は、他の実施の形態、または実施例と適宜組み合わせて用いることができる。
【実施例３】
【０６４１】  本実施例においては、本発明の一態様の半導体装置に用いることができる導電膜を有する試料を作製し、当該試料の断面形状を走査透過型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＴＥＭ）により観察を行った。また、当該試料のＸＰＳ（Ｘ線光電子分光法）分析を行った。【０６４２】＜試料の作製＞
試料Ｃ１としては、７２０ｍｍ×６００ｍｍサイズのガラス基板上に、厚さが１００ｎｍの酸化窒化シリコン（ＳｉＯＮ）膜を、ＰＥＣＶＤ装置を用いて成膜した。次に、酸化窒化シリコン膜上に導電膜を形成し、該導電膜上にレジストマスクを形成し、所望の領域をエッチングした。該導電膜としては、厚さ５ｎｍのタングステン（Ｗ）膜と、厚さ２００ｎｍの銅（Ｃｕ）膜と、厚さ５ｎｍのタングステン（Ｗ）膜とを、スパッタリング装置を用いて真空中で連続して形成した。なお、該導電膜の形成後レジストマスクを除去した。【０６４３】  試料Ｃ２としては、７２０ｍｍ×６００ｍｍサイズのガラス基板上に、厚さが１００ｎｍの酸化窒化シリコン（ＳｉＯＮ）膜を、ＰＥＣＶＤ装置を用いて成膜した。次に、酸化窒化シリコン膜上に酸化物半導体膜として厚さが５０ｎｍのＩＧＺＯ膜を、スパッタリング装置を用いて形成した。次に、酸化物半導体膜上に導電膜を形成し、該導電膜上にレジストマスクを形成し、所望の領域をエッチングした。該導電膜としては、厚さが５ｎｍのタングステン膜と、厚さが２００ｎｍの銅膜と、厚さが５ｎｍのタングステン膜を、スパッタリング装置を用いて真空中で連続して形成した。なお、該導電膜の形成後レジストマスクを除去した。次に、銅表面のシリサイド化を行った。シリサイド化処理の条件としては、まず銅表面に形成される酸化膜を除去するため、ＰＥＣＶＤ装置を用いてアンモニアガスを含む雰囲気にてプラズマを放電させた。続いて、シランガスをＰＥＣＶＤ装置内に導入し、シランガスを銅表面に曝すことで、銅シリサイドを形成させた。なお、銅表面の酸化膜を除去する際の基板温度としては３５０℃とした。また、銅シリサイドを形成する際の基板温度としては、３５０℃とし、流量１０ｓｃｃｍのシランガスと、流量１０００ｓｃｃｍの窒素ガスとを用いた。【０６４４】＜断面観察及びＥＤＸ分析結果＞
上記作製した試料Ｃ１及び試料Ｃ２を、ＳＴＥＭにより断面形状の観察を行った。図５９（Ａ）は、試料Ｃ１の断面ＳＴＥＭ写真であり、図５９（Ｂ）は、試料Ｃ２の断面ＳＴＥＭ写真である。【０６４５】  図５９（Ｂ）の断面ＳＴＥＭ写真により、試料Ｃ２においては導電膜の端部に銅と異なる層（銅シリサイド層）が形成されていることを確認した。【０６４６】  また、試料Ｃ２の導電膜端部のＥＤＸ（Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  Ｓｐｅｃｔｏｒｏｓｃｏｐｙ、エネルギー分散型Ｘ線分析法）を用いて元素分析を行った。ＥＤＸ分析結果を図６０に示す。【０６４７】  図６０に示すように、試料Ｃ２の導電膜端部からは、銅（Ｃｕ）とシリコン（Ｓｉ）とが検出された。すなわち、試料Ｃ２において、導電膜端部にＣｕとＳｉとを有する銅シリサイドが形成されていることを確認した。【０６４８】  以上、本実施例に示す構成は、他の実施の形態、または実施例と適宜組み合わせて用いることができる。
【符号の説明】
【０６４９】Ｉ１    絶縁体
Ｉ２    絶縁体
Ｓ１    酸化物半導体
Ｓ２    酸化物半導体
Ｓ３    酸化物半導体
１００    トランジスタ
１００Ａ    トランジスタ
１００Ｂ    トランジスタ
１００Ｃ    トランジスタ
１００Ｄ    トランジスタ
１００Ｅ    トランジスタ
１００Ｆ    トランジスタ
１００Ｇ    トランジスタ
１００Ｈ    トランジスタ
１００Ｊ    トランジスタ
１００Ｋ    トランジスタ
１００Ｌ    トランジスタ
１００Ｍ    トランジスタ
１００Ｎ    トランジスタ
１００Ｐ    トランジスタ
１００Ｑ    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
１１２    導電膜
１１２＿１    導電膜
１１２＿２    導電膜
１１２＿３    導電膜
１１２ａ    導電膜
１１２ａ＿１    導電膜
１１２ａ＿２    導電膜
１１２ａ＿２ａ    領域
１１２ａ＿２ｂ    領域
１１２ａ＿３    導電膜
１１２ｂ    導電膜
１１２ｂ＿１    導電膜
１１２ｂ＿２    導電膜
１１２ｂ＿２ａ    領域
１１２ｂ＿２ｂ    領域
１１２ｂ＿３    導電膜
１１２ｃ    導電膜
１１２ｃ＿１    導電膜
１１２ｃ＿２    導電膜
１１２ｃ＿２ａ    領域
１１２ｃ＿２ｂ    領域
１１２ｃ＿３    導電膜
１１４    絶縁膜
１１６    絶縁膜
１１８    絶縁膜
１２０ａ    導電膜
１２０ｂ    導電膜
１４１ａ    マスク
１４１ｂ    マスク
１４２ａ    マスク
１４２ｂ    マスク
１５１    開口部
１５１ａ    開口部
１５１ｂ    開口部
１５２ａ    開口部
１５２ｂ    開口部
１５２ｃ    開口部
１５２ｄ    開口部
１９１    ターゲット
１９２    プラズマ
１９３    ターゲット
１９４    プラズマ
１９５    プラズマ
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
６０１    光電変換素子
６０２    トランジスタ
６０３    トランジスタ
６０４    トランジスタ
６０５    トランジスタ
６０６    容量素子
６０７    ノード
６０８    配線
６０９    配線
６１０    撮像装置
６１１    配線
６４１    基板
６８１    光電変換層
６８２    透光性導電層
６８６    電極
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
７７０    平坦化絶縁膜
７７２    導電膜
７７３    絶縁膜
７７４    導電膜
７７５    液晶素子
７７６    液晶層
７７７    導電膜
７７８    構造体
７８０    異方性導電膜
７８２    発光素子
７８６    ＥＬ層
７８８    導電膜
７９０    容量素子
７９１    タッチパネル
７９２    絶縁膜
７９３    電極
７９４    電極
７９５    絶縁膜
７９６    電極
７９７    絶縁膜
８００    インバータ
８１０    ＯＳトランジスタ
８２０    ＯＳトランジスタ
８３１    信号波形
８３２    信号波形
８４０    破線
８４１    実線
８５０    ＯＳトランジスタ
８６０    ＣＭＯＳインバータ
９００    半導体装置
９０１    電源回路
９０２    回路
９０３    電圧生成回路
９０３Ａ    電圧生成回路
９０３Ｂ    電圧生成回路
９０３Ｃ    電圧生成回路
９０４    回路
９０５    電圧生成回路
９０６    回路
９１１    トランジスタ
９１２    トランジスタ
９１２Ａ    トランジスタ
９１２Ｂ    トランジスタ
９２１    制御回路
９２２    トランジスタ
１２２０    ウェル
１２２１    ｐ型半導体
１２２３    ｎ型半導体
２１８９    ＲＯＭインターフェース
２１９０    基板
２１９１    ＡＬＵ
２１９２    ＡＬＵコントローラ
２１９３    インストラクションデコーダ
２１９４    インタラプトコントローラ
２１９５    タイミングコントローラ
２１９６    レジスタ
２１９７    レジスタコントローラ
２１９８    バスインターフェース
２１９９    ＲＯＭ
２２００    記憶素子
２２０１    回路
２２０２    回路
２２０３    スイッチ
２２０４    スイッチ
２２０６    論理素子
２２０７    容量素子
２２０８    容量素子
２２０９    トランジスタ
２２１０    トランジスタ
２２１３    トランジスタ
２２１４    トランジスタ
２２２０    回路
３１０１    配線
３１０２    配線
３１０３    配線
３１０４    配線
３１０５    配線
３２００    トランジスタ
３３００    トランジスタ
３４００    容量素子
７０００    表示モジュール
７００１    上部カバー
７００２    下部カバー
７００３    ＦＰＣ
７００４    タッチパネル
７００５    ＦＰＣ
７００６    表示パネル
７００７    バックライト
７００８    光源
７００９    フレーム
７０１０    プリント基板
７０１１    バッテリ
８０００    カメラ
８００１    筐体
８００２    表示部
８００３    操作ボタン
８００４    シャッターボタン
８００６    レンズ
８１００    ファインダー
８１０１    筐体
８１０２    表示部
８１０３    ボタン
８２００    ヘッドマウントディスプレイ
８２０１    装着部
８２０２    レンズ
８２０３    本体
８２０４    表示部
８２０５    ケーブル
８２０６    バッテリ
８３００    ヘッドマウントディスプレイ
８３０１    筐体
８３０２    表示部
８３０４    固定具
８３０５    レンズ
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    テレビジョン装置
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
９５００    表示装置
９５０１    表示パネル
９５０２    表示領域
９５０３    領域
９５１１    軸部
９５１２    軸受部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【国際調査報告】
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