(57)【要約】【課題】酸化物半導体を用いた半導体装置に安定した電気的特性を付与し、信頼性を向上させる。【解決手段】酸化物半導体膜を含むトランジスタにおいて、第１３族元素および酸素を含む材料を用いて酸化物半導体膜と接する絶縁膜を形成することにより、酸化物半導体膜との界面の状態を良好に保つ。さらに該絶縁膜が、化学量論的組成比より酸素が多い領域を含むことにより、酸化物半導体膜に酸素を供給し、酸化物半導体膜中の酸素欠陥を低減する。また、酸化物半導体膜と接する絶縁膜を積層構造として、酸化物半導体膜の上下に、アルミニウムを含む膜を設けることで、酸化物半導体膜への水の侵入を防止する。【選択図】図１
2018186279.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のゲート電極と、
前記第１のゲート電極上の第１の金属酸化物膜と、
前記第１の金属酸化物膜上の酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上の導電膜と、
前記酸化物半導体膜上、及び前記導電膜上の第２の金属酸化物膜と、
前記第２の金属酸化物膜上の第３の金属酸化物膜と、を有し、
前記導電膜は、ソース電極又はドレイン電極としての機能を有し、
前記第１の金属酸化物膜乃至前記第３の金属酸化物膜は、絶縁膜としての機能を有し、
前記第１の金属酸化物膜と前記第２の金属酸化物膜とは、前記酸化物半導体膜と接する領域を有し、
前記酸化物半導体膜は、Ｇａ及び酸素を有し、
前記第１の金属酸化物膜乃至前記第３の金属酸化物膜は、Ｇａ及び酸素を有する半導体装置。
【請求項２】
第１のゲート電極と、
前記第１のゲート電極上の第１の金属酸化物膜と、
前記第１の金属酸化物膜上の酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上の導電膜と、
前記酸化物半導体膜上、及び前記導電膜上の第２の金属酸化物膜と、
前記第２の金属酸化物膜上の第３の金属酸化物膜と、
前記第３の金属酸化物膜上の第２のゲート電極と、を有し、
前記導電膜は、ソース電極又はドレイン電極としての機能を有し、
前記第１の金属酸化物膜乃至前記第３の金属酸化物膜は、絶縁膜としての機能を有し、
前記第１の金属酸化物膜と前記第２の金属酸化物膜とは、前記酸化物半導体膜と接する領域を有し、
前記酸化物半導体膜は、Ｇａ及び酸素を有し、
前記第１の金属酸化物膜乃至前記第３の金属酸化物膜は、Ｇａ及び酸素を有する半導体装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記第１の金属酸化物膜と前記第２の金属酸化物膜とは、互いに接する領域を有するこ半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一において、
前記第２の金属酸化物膜と前記第３の金属酸化物膜とは、互いに接する領域を有する半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
半導体装置およびその作製方法に関する。
【０００２】
なお、本明細書中において、半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装
置全般を指し、電気光学装置、半導体回路および電子機器は全て半導体装置である。
【背景技術】
【０００３】
絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が
注目されている。該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（表示装置）のよう
な電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリ
コン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されて
いる。
【０００４】
例えば、トランジスタの活性層として、電子キャリア濃度が１０１８／ｃｍ３未満である
インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、および亜鉛（Ｚｎ）を含む非晶質酸化物を用い
たトランジスタが開示されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１６５５２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、酸化物半導体は、酸素の不足などによる化学量論的組成からのずれや、デ
バイス作製工程において電子供与体を形成する水素や水の混入などが生じると、その電気
伝導度が変化する恐れがある。このような現象は、酸化物半導体を用いたトランジスタな
どの半導体装置にとって、電気的特性の変動要因となる。
【０００７】
このような問題に鑑み、酸化物半導体を用いた半導体装置に安定した電気的特性を付与し
、信頼性を向上させることを目的の一とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
開示する発明の一態様では、第１３族元素および酸素を含む材料を用いて酸化物半導体膜
と接する絶縁膜を形成することにより、酸化物半導体膜との界面の状態を良好に保つこと
ができる。さらに該絶縁膜が、化学量論的組成比より酸素が多い領域を含むことにより、
酸化物半導体膜に酸素を供給し、酸化物半導体膜中の酸素欠陥を低減することができる。
また、酸化物半導体膜と接する絶縁膜を積層構造として、酸化物半導体膜の上下に、アル
ミニウムを含む膜を設けることで、酸化物半導体膜への水の侵入を防止することができる
。より具体的には、例えば、次のような構成を採用することができる。
【０００９】
本発明の一態様は、ゲート電極と、ゲート電極を覆い、第１の金属酸化物膜および第２の
金属酸化物膜の積層構造を含むゲート絶縁膜と、第２の金属酸化物膜と接し、ゲート電極
と重畳する領域に設けられた酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜と電気的に接続するソー
ス電極およびドレイン電極と、酸化物半導体膜と接する第３の金属酸化物膜と、第３の金
属酸化物膜と接する第４の金属酸化物膜と、を有し、第１乃至第４の金属酸化物膜はそれ
ぞれ、第１３族元素および酸素を含む、半導体装置である。
【００１０】
また、上記の半導体装置において、第４の金属酸化物膜上であって、酸化物半導体膜と重
畳する領域に導電層を有していてもよい。
【００１１】
また、本発明の別の一態様は、第１の金属酸化物膜と、第１の金属酸化物膜上に接して設
けられた第２の金属酸化物膜と、第２の金属酸化物膜に接する酸化物半導体膜と、酸化物
半導体膜と電気的に接続するソース電極およびドレイン電極と、酸化物半導体膜と接する
第３の金属酸化物膜、および第３の金属酸化物膜上に接して設けられた第４の金属酸化物
膜の積層構造を含むゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上であって、酸化物半導体膜と重畳す
る領域に設けられたゲート電極と、を有し、第１乃至第４の金属酸化物膜はそれぞれ、第
１３族元素および酸素を含む、半導体装置である。
【００１２】
また、上記の半導体装置のいずれか一において、第２の金属酸化物膜と、第３の金属酸化
物膜と、は、少なくとも一部が接して設けられるのが好ましい。
【００１３】
また、上記の半導体装置のいずれか一において、第１乃至第４の金属酸化物膜には、化学
量論的組成比より酸素が多い領域がそれぞれ含まれるのが好ましい。
【００１４】
また、上記の半導体装置のいずれか一において、第１の金属酸化物膜および第４の金属酸
化物膜には、酸化アルミニウムまたは酸化アルミニウムガリウムのいずれか、または双方
がそれぞれ含まれるのが好ましい。
【００１５】
また、上記の半導体装置のいずれか一において、第２の金属酸化物膜および第３の金属酸
化物膜には、酸化ガリウムまたは酸化ガリウムアルミニウムのいずれか、または双方がそ
れぞれ含まれるのが好ましい。
【００１６】
なお、第１、第２として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順または積層順
を示すものではない。また、本明細書において発明を特定するための事項として固有の名
称を示すものではない。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の一態様により、安定した電気特性を有するトランジスタが提供される。
【００１８】
または、本発明の一態様により、電気特性が良好で信頼性の高いトランジスタを有する半
導体装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】半導体装置の一態様を示す平面図および断面図。
【図２】半導体装置の一態様を示す平面図および断面図。
【図３】半導体装置の一態様を示す平面図および断面図。
【図４】半導体装置の一態様を示す断面図。
【図５】半導体装置の作製工程の一例を示す図。
【図６】半導体装置の作製工程の一例を示す図。
【図７】半導体装置の一態様を説明する図。
【図８】半導体装置の一態様を説明する図。
【図９】半導体装置の一態様を説明する図。
【図１０】半導体装置の一態様を説明する図。
【図１１】電子機器を示す図。
【図１２】半導体装置の一態様を示す平面図および断面図。
【図１３】半導体装置の一態様を示す平面図および断面図。
【図１４】半導体装置の一態様を示す平面図および断面図。
【図１５】半導体装置の一態様を示す平面図および断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以
下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば
容易に理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈され
るものではない。
【００２１】
（実施の形態１）
本実施の形態では、半導体装置および半導体装置の作製方法の一態様を、図１乃至図６を
用いて説明する。
【００２２】
〈半導体装置の構成例〉
図１には、開示する発明の一態様に係る半導体装置の例として、トランジスタ３１０の平
面図及び断面図を示す。図１では、開示する発明の一態様に係るトランジスタとして、ボ
トムゲート型のトランジスタを示している。ここで、図１（Ａ）は、平面図であり、図１
（Ｂ）および図１（Ｃ）は、それぞれ、図１（Ａ）におけるＡ−Ｂ断面およびＣ−Ｄ断面
に係る断面図である。なお、図１（Ａ）では、煩雑になることを避けるため、トランジス
タ３１０の構成要素の一部（例えば、第３の金属酸化物膜４０７、第４の金属酸化物膜４
０９等）を省略している。
【００２３】
図１に示すトランジスタ３１０は、絶縁表面を有する基板４００上に、ゲート電極４０１
と、第１の金属酸化物膜４０２および第２の金属酸化物膜４０４でなるゲート絶縁膜と、
酸化物半導体膜４０３と、ソース電極４０５ａと、ドレイン電極４０５ｂと、第３の金属
酸化物膜４０７と、第４の金属酸化物膜４０９と、を含む。
【００２４】
図１に示すトランジスタ３１０において、第３の金属酸化物膜４０７は、ソース電極４０
５ａおよびドレイン電極４０５ｂを覆い、且つ第２の金属酸化物膜４０４および酸化物半
導体膜４０３と接して設けられている。また、図１に示すトランジスタ３１０において、
第３の金属酸化物膜４０７と、第２の金属酸化物膜４０４とは、酸化物半導体膜４０３が
存在しない領域において接している。つまり、酸化物半導体膜４０３は、第２の金属酸化
物膜４０４と第３の金属酸化物膜４０７とに囲まれて設けられている。
【００２５】
ここで、酸化物半導体膜４０３は水素や水などの不純物が十分に除去されることにより、
または、十分な酸素が供給されることにより、高純度化されたものであることが望ましい
。具体的には、例えば、酸化物半導体膜４０３の水素濃度は５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ３以下、望ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より望ましくは５×１０１
７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。なお、上述の酸化物半導体膜４０３中の水素濃度は、
二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔ
ｒｏｓｃｏｐｙ）で測定されるものである。このように、水素濃度が十分に低減されて高
純度化され、十分な酸素の供給により酸素欠乏に起因するエネルギーギャップ中の欠陥準
位が低減された酸化物半導体膜４０３では、キャリア濃度が１×１０１２／ｃｍ３未満、
望ましくは、１×１０１１／ｃｍ３未満、より望ましくは１．４５×１０１０／ｃｍ３未
満となる。このように、ｉ型化された酸化物半導体を用いることで、良好な電気特性のト
ランジスタを得ることができる。
【００２６】
酸化物半導体膜４０３と接する第２の金属酸化物膜４０４や第３の金属酸化物膜４０７に
は、酸素を含む絶縁膜を用いるのが望ましく、化学量論的組成比より酸素が多い領域（酸
素過剰領域とも表記する）が含まれる膜であるのがより望ましい。酸化物半導体膜４０３
と接する第２の金属酸化物膜４０４及び第３の金属酸化物膜４０７が酸素過剰領域を有す
ることにより、酸化物半導体膜４０３から第２の金属酸化物膜４０４または第３の金属酸
化物膜４０７への酸素の移動を防ぐことができる。また、第２の金属酸化物膜４０４また
は第３の金属酸化物膜４０７から酸化物半導体膜４０３への酸素の供給を行うこともでき
る。よって、第２の金属酸化物膜４０４および第３の金属酸化物膜４０７に挟持された酸
化物半導体膜４０３を、十分な量の酸素を含有する膜とすることができる。
【００２７】
なお、酸化物半導体膜４０３に用いられる酸化物半導体材料には、第１３族元素を含むも
のが多い。このため、第１３族元素および酸素を含む材料を用いて、酸化物半導体膜４０
３と接する第２の金属酸化物膜４０４または第３の金属酸化物膜４０７を形成することで
、酸化物半導体膜との界面の状態を良好に保つことができる。これは、第１３族元素およ
び酸素を含む材料と、酸化物半導体材料との相性が良いことによる。
【００２８】
例えば、ガリウムを含有する酸化物半導体膜を形成する場合には、酸化ガリウムを含む材
料を第２の金属酸化物膜４０４または第３の金属酸化物膜４０７に用いることで、酸化物
半導体膜と、該酸化物半導体膜に接する金属酸化物膜との界面特性を良好に保つことがで
きる。酸化物半導体膜と、酸化ガリウムを含む金属酸化物膜と、を接して設けることによ
り、酸化物半導体膜と金属酸化物膜の界面における水素のパイルアップを低減することが
できる。なお、酸化物半導体の成分元素と同じ族の元素を用いる場合には、同様の効果を
得ることが可能である。つまり、酸化アルミニウムなどを含む材料を用いて第２の金属酸
化物膜４０４または第３の金属酸化物膜４０７を形成することも有効である。なお、酸化
アルミニウムは、水を透過させにくいという特性を有しているため、当該材料を用いるこ
とは、酸化物半導体膜への水の侵入防止という点においても好ましい。
【００２９】
また、第２の金属酸化物膜４０４または第３の金属酸化物膜４０７に含まれる第１３族元
素は、二種類以上であっても良い。例えば、上述のガリウムとアルミニウムを含有する酸
化ガリウムアルミニウム（または酸化アルミニウムガリウム）などの材料を、第２の金属
酸化物膜４０４または第３の金属酸化物膜４０７に用いても良い。この場合、ガリウムを
含有することに起因する効果と、アルミニウムを含有することに起因する効果を合わせて
得ることができるため、好適である。例えば、酸化物半導体膜と、ガリウムとアルミニウ
ムを含む金属酸化物膜とを接して設けることにより、酸化物半導体膜への水の侵入を防ぎ
、且つ、酸化物半導体膜と金属酸化物膜の界面における水素（水素イオンを含む）のパイ
ルアップを十分に低減することができる。
【００３０】
ここで、酸化アルミニウムガリウムとは、ガリウムの含有量（原子％）よりアルミニウム
の含有量（原子％）が多いものを示し、酸化ガリウムアルミニウムとは、アルミニウムの
含有量（原子％）よりガリウムの含有量（原子％）が多いものを示す。
【００３１】
なお、アルミニウムはガリウムと比較して電気陰性度が小さいため、アルミニウムの方が
ガリウムよりも水素を吸着しやすいことがある。したがって、酸化物半導体膜との界面に
おける水素のパイルアップを抑制するためには、酸化物半導体膜に接する金属酸化物膜と
しては、ガリウムの含有量の多い膜である、酸化ガリウム膜または酸化ガリウムアルミニ
ウム膜を用いるのがより好ましい。
【００３２】
また、第２の金属酸化物膜４０４および第３の金属酸化物膜４０７を同じ材料を用いて成
膜することで、酸化物半導体膜４０３が存在しない領域において、第２の金属酸化物膜４
０４と第３の金属酸化物膜４０７とが接する構成とする場合に、その密着性を向上させる
ことができるため好ましい。また、第２の金属酸化物膜４０４の構成元素の比率と第３の
金属酸化物膜４０７の構成元素の比率を等しくするのがより好ましい。例えば、第２また
は第３の金属酸化物膜として酸化ガリウム膜または酸化ガリウムアルミニウム膜を用いた
場合、ＧａｘＡｌ２−ｘＯ３＋α（１＜ｘ≦２、０＜α＜１）とすることが好ましい。
【００３３】
トランジスタ３１０において、第１の金属酸化物膜４０２は、第２の金属酸化物膜４０４
と積層され、ゲート絶縁膜として機能する膜である。また、トランジスタ３１０において
、第４の金属酸化物膜４０９は、第３の金属酸化物膜４０７と積層され、保護膜として機
能する膜である。第１の金属酸化物膜４０２および第４の金属酸化物膜４０９を、第１３
族元素および酸素を含む材料を用いて形成することで、第２の金属酸化物膜４０４または
第３の金属酸化物膜４０７との界面の状態をそれぞれ良好に保つことができるため好まし
い。なお、上述したように、酸化アルミニウムは、水を透過させにくいという特性を有し
ているため、トランジスタ３１０の上下を覆う第１または第４の金属酸化物膜として、ア
ルミニウムの含有量の多い酸化アルミニウムガリウム膜を適用することは、酸化物半導体
膜への水の侵入防止という点においても好ましい。
【００３４】
また、第１の金属酸化物膜４０２および第４の金属酸化物膜４０９は、化学量論的組成比
より酸素が多い領域を含むことが好ましい。これにより、酸化物半導体膜４０３と接する
金属酸化物膜または酸化物半導体膜４０３に酸素を供給し、酸化物半導体膜４０３中、ま
たは酸化物半導体膜４０３とそれに接する金属酸化物膜との界面における酸素欠陥を低減
することができる。例えば、第１または第４の金属酸化物膜として酸化アルミニウムガリ
ウム膜を用いた場合、ＧａｘＡｌ２−ｘＯ３＋α（０＜ｘ＜１、０＜α＜１）とすること
が好ましい。
【００３５】
なお、欠陥（酸素欠陥）のない酸化物半導体膜を用いる場合であれば、第１乃至第４の金
属酸化物膜等には、化学量論的組成に一致した量の酸素が含まれていれば良いが、トラン
ジスタのしきい値電圧の変動を抑えるなどの信頼性を確保するためには、酸化物半導体膜
に酸素欠損の状態が生じ得ることを考慮して、金属酸化物膜には化学量論的組成比より多
く酸素を含有させておくのが好ましい。
【００３６】
また、トランジスタ３１０上には、さらに絶縁物が設けられていても良い。また、酸化物
半導体膜４０３と電気的に接続しているソース電極４０５ａやドレイン電極４０５ｂと、
配線とを電気的に接続させるために、第１乃至第４の金属酸化物膜などには開口が形成さ
れていても良い。なお、酸化物半導体膜４０３は島状に加工されていることが望ましいが
、島状に加工されていなくても良い。
【００３７】
また、図２にトランジスタ３１０とは異なる構成のトランジスタ３２０の断面図及び平面
図を示す。図２では、開示する発明の一態様に係るトランジスタとして、トップゲート型
のトランジスタを示している。図２（Ａ）は平面図であり、図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）は
、図２（Ａ）におけるＥ−Ｆ断面およびＧ−Ｈ断面に係る断面図である。なお、図２（Ａ
）では、煩雑になることを避けるため、トランジスタ３２０の構成要素の一部（例えば、
第３の金属酸化物膜４０７および第４の金属酸化物膜４０９など）を省略している。
【００３８】
図２に示すトランジスタ３２０は、絶縁表面を有する基板４００上に、第１の金属酸化物
膜４０２と、第２の金属酸化物膜４０４と、酸化物半導体膜４０３と、ソース電極４０５
ａと、ドレイン電極４０５ｂと、第３の金属酸化物膜４０７および第４の金属酸化物膜４
０９でなるゲート絶縁膜と、ゲート電極４１４と、を含む。
【００３９】
図２に示すトランジスタ３２０において、第３の金属酸化物膜４０７は、ソース電極４０
５ａおよびドレイン電極４０５ｂを覆い、且つ第２の金属酸化物膜４０４および酸化物半
導体膜４０３の一部と接して設けられている。また、図１に示すトランジスタ３１０と同
様に、図２に示すトランジスタ３２０において、第３の金属酸化物膜４０７と、第２の金
属酸化物膜４０４とは、酸化物半導体膜４０３が存在しない領域において接している。つ
まり、酸化物半導体膜４０３は、第２の金属酸化物膜４０４と第３の金属酸化物膜４０７
とに囲まれて設けられている。その他の構成要素については、図１のトランジスタ３１０
と同様である。詳細は、図１に関する記載を参酌することができる。
【００４０】
また、図３にトランジスタ３１０、トランジスタ３２０とは異なる構成のトランジスタ３
３０の断面図及び平面図を示す。ここで、図３（Ａ）は、平面図であり、図３（Ｂ）およ
び図３（Ｃ）は、それぞれ、図３（Ａ）におけるＩ−Ｊ断面およびＫ−Ｌ断面に係る断面
図である。なお、図３（Ａ）では、煩雑になることを避けるため、トランジスタ３３０の
構成要素の一部（例えば、第３の金属酸化物膜４０７、第４の金属酸化物膜４０９等）を
省略している。
【００４１】
図３に示すトランジスタ３３０は、絶縁表面を有する基板４００上に、ゲート電極４０１
と、第１の金属酸化物膜４０２および第２の金属酸化物膜４０４でなるゲート絶縁膜と、
酸化物半導体膜４０３と、ソース電極４０５ａと、ドレイン電極４０５ｂと、第３の金属
酸化物膜４０７と、第４の金属酸化物膜４０９と、酸化物半導体膜４０３と重畳する領域
に設けられた導電層４１０と、を含む。
【００４２】
図３に示すトランジスタ３３０において、第３の金属酸化物膜４０７は、ソース電極４０
５ａおよびドレイン電極４０５ｂを覆い、且つ第２の金属酸化物膜４０４および酸化物半
導体膜４０３と接して設けられている。また、図１に示すトランジスタ３１０と同様に、
図３に示すトランジスタ３３０において、第３の金属酸化物膜４０７と、第２の金属酸化
物膜４０４とは、酸化物半導体膜４０３が存在しない領域において接している。つまり、
酸化物半導体膜４０３は、第２の金属酸化物膜４０４と第３の金属酸化物膜４０７とに囲
まれて設けられている。
【００４３】
また、トランジスタ３３０において導電層４１０は、第２のゲート電極として機能させる
こともできる。その場合において、第３の金属酸化物膜４０７および第４の金属酸化物膜
４０９は、ゲート絶縁膜として機能する。その他の構成要素については、図１のトランジ
スタ３１０と同様である。詳細は、図１に関する記載を参酌することができる。
【００４４】
また、図４（Ａ）乃至図４（Ｆ）に、上述のトランジスタとは異なる構成のトランジスタ
の断面図を示す。なお、図４の構成は、図１乃至図３の構成と適宜組み合わることができ
るものとする。
【００４５】
図４（Ａ）に示すトランジスタ３４０は、絶縁表面を有する基板４００上に、ゲート電極
４０１と、第１の金属酸化物膜４０２および第２の金属酸化物膜４０４でなるゲート絶縁
膜と、酸化物半導体膜４０３と、ソース電極４０５ａと、ドレイン電極４０５ｂと、第３
の金属酸化物膜４０７と、第４の金属酸化物膜４０９と、を含む点で、トランジスタ３１
０と共通している。トランジスタ３４０とトランジスタ３１０との相違は、酸化物半導体
膜４０３と、ソース電極４０５ａやドレイン電極４０５ｂが接続する位置である。すなわ
ち、トランジスタ３４０では、酸化物半導体膜４０３の下部において、酸化物半導体膜４
０３と、ソース電極４０５ａやドレイン電極４０５ｂとが接している。その他の構成要素
については、図１のトランジスタ３１０と同様である。詳細は、図１に関する記載を参酌
することができる。
【００４６】
図４（Ｂ）に示すトランジスタ３５０は、絶縁表面を有する基板４００上に、第１の金属
酸化物膜４０２と、第２の金属酸化物膜４０４と、酸化物半導体膜４０３と、ソース電極
４０５ａと、ドレイン電極４０５ｂと、第３の金属酸化物膜４０７および第４の金属酸化
物膜４０９でなるゲート絶縁膜と、ゲート電極４１４と、を含む点で、トランジスタ３２
０と共通している。トランジスタ３５０とトランジスタ３２０との相違は、酸化物半導体
膜４０３と、ソース電極４０５ａやドレイン電極４０５ｂが接続する位置である。すなわ
ち、トランジスタ３５０では、酸化物半導体膜４０３の下部において、酸化物半導体膜４
０３と、ソース電極４０５ａやドレイン電極４０５ｂとが接している。その他の構成要素
については、図２のトランジスタ３２０と同様である。詳細は、図２に関する記載を参酌
することができる。
【００４７】
図４（Ｃ）に示すトランジスタ３６０は、絶縁表面を有する基板４００上に、ゲート電極
４０１と、第１の金属酸化物膜４０２および第２の金属酸化物膜４０４でなるゲート絶縁
膜と、酸化物半導体膜４０３と、ソース電極４０５ａと、ドレイン電極４０５ｂと、第３
の金属酸化物膜４０７と、第４の金属酸化物膜４０９と、酸化物半導体膜４０３と重畳す
る領域に設けられた導電層４１０と、を含む点で、トランジスタ３３０と共通している。
トランジスタ３６０とトランジスタ３３０との相違は、酸化物半導体膜４０３と、ソース
電極４０５ａやドレイン電極４０５ｂが接続する位置である。すなわち、トランジスタ３
６０では、酸化物半導体膜４０３の下部において、酸化物半導体膜４０３と、ソース電極
４０５ａやドレイン電極４０５ｂとが接している。その他の構成要素については、図３の
トランジスタ３３０と同様である。詳細は、図３に関する記載を参酌することができる。
【００４８】
図４（Ｄ）に示すトランジスタ３７０は、絶縁表面を有する基板４００上に、ゲート電極
４０１と、第１の金属酸化物膜４０２および第２の金属酸化物膜４０４でなるゲート絶縁
膜と、酸化物半導体膜４０３と、ソース電極４０５ａと、ドレイン電極４０５ｂと、第３
の金属酸化物膜４０７と、第４の金属酸化物膜４０９と、を含む点で、トランジスタ３１
０と共通している。トランジスタ３７０とトランジスタ３１０との相違は、トランジスタ
３７０において、第３の金属酸化物膜４０７および第２の金属酸化物膜４０４、ならびに
、第１の金属酸化物膜４０２および第４の金属酸化物膜４０９が、酸化物半導体膜４０３
の存在しない領域において接している点である。トランジスタ３７０においては、第２の
金属酸化物膜４０４および第３の金属酸化物膜４０７に加えて、第１の金属酸化物膜４０
２および第４の金属酸化物膜４０９によっても酸化物半導体膜４０３が囲まれた構成とな
るため、より水素または水分等の不純物の混入を防止することができる。なお、図４（Ｄ
）に示すトランジスタ３７０の構成は、例えば、第３の金属酸化物膜４０７成膜後に、該
第３の金属酸化物膜４０７および第２の金属酸化物膜４０４をパターニングすることで形
成することができる。また、第１の金属酸化物膜４０２と第２の金属酸化物膜４０４とは
、エッチングの選択比がとれる材料を選択するのが好ましい。その他の構成要素について
は、図１のトランジスタ３１０と同様である。詳細は、図１に関する記載を参酌すること
ができる。
【００４９】
なお、金属酸化物膜は、必ずしも酸化物半導体膜４０３の上層および下層に２層ずつ設け
なくともよい。例えば、図４（Ｅ）に示すトランジスタ３８０は、トランジスタ３１０に
おける第３の金属酸化物膜４０７および第４の金属酸化物膜４０９の積層構造を、金属酸
化物膜４１３の単層構造とした例であり、図４（Ｆ）に示すトランジスタ３９０は、トラ
ンジスタ３１０における第１の金属酸化物膜４０２および第２の金属酸化物膜４０４の積
層構造を、金属酸化物膜４１１の単層構造とした例である。金属酸化物膜４１３または金
属酸化物膜４１１としては、第１３族元素および酸素を含む材料を用いて形成することが
でき、例えば、酸化ガリウム、酸化アルミニウム、酸化アルミニウムガリウム、酸化ガリ
ウムアルミニウムのいずれか一または複数を含む材料などを用いることができる。また、
金属酸化物膜４１３または金属酸化物膜４１１は、上述の第１乃至第４の金属酸化物膜と
同様に酸素過剰領域を有しているのが好ましい。その他の構成要素については、図１のト
ランジスタ３１０と同様である。詳細は、図１に関する記載を参酌することができる。
【００５０】
〈トランジスタの作製工程の例〉
以下、図５および図６を用いて、本実施の形態に係るトランジスタの作製工程の例につい
て説明する。
【００５１】
〈トランジスタ３３０の作製工程〉
図５（Ａ）乃至図５（Ｅ）を用いて、図３に示すトランジスタ３３０の作製工程の一例に
ついて説明する。なお、図１に示すトランジスタ３１０は、トランジスタ３３０の構成か
ら導電層４１０を省略した構成を有し、導電層４１０を設ける点を除きトランジスタ３３
０の作製工程と同様に作製することができる。
【００５２】
まず、絶縁表面を有する基板４００上に導電膜を形成した後、第１のフォトリソグラフィ
工程によりゲート電極４０１を形成する。なお、レジストマスクをインクジェット法で形
成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しな
いため、製造コストを低減できる。
【００５３】
絶縁表面を有する基板４００に使用することができる基板に大きな制限はないが、少なく
とも、後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、ガ
ラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などの基板を用いることができる
。また、絶縁表面を有していれば、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多
結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、ＳＯＩ基板などを適用
することも可能であり、これらの基板上に半導体素子が設けられていてもよい。また、基
板４００として、可撓性基板を用いてもよい。
【００５４】
下地膜となる絶縁膜を基板４００とゲート電極４０１との間に設けてもよい。下地膜は、
基板４００からの不純物元素の拡散を防止する機能があり、窒化シリコン膜、酸化シリコ
ン膜、窒化酸化シリコン膜、又は酸化窒化シリコン膜から選ばれた一又は複数の膜による
積層構造により形成することができる。
【００５５】
また、ゲート電極４０１は、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウ
ム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料又はこれらを主成分とする合金材料を用い
て、単層で又は積層して形成することができる。
【００５６】
次いで、ゲート電極４０１上に第１の金属酸化物膜４０２を形成する。第１の金属酸化物
膜４０２は、第１３族元素および酸素を含む材料を用いて形成することができ、例えば、
酸化ガリウム、酸化アルミニウム、酸化アルミニウムガリウム、酸化ガリウムアルミニウ
ムのいずれか一または複数を含む材料などを用いることができる。なお、後に成膜する第
２の金属酸化物膜４０４との界面の状態を良好に保ち、且つ、酸化物半導体膜への水の侵
入を防止するために、第１の金属酸化物膜４０２として酸化アルミニウムガリウム膜を適
用するのがより好ましい。
【００５７】
または、第１の金属酸化物膜４０２には、第１３族元素の他に、イットリウムなどの第３
族元素、ハフニウムなどの第４族元素、シリコンなどの第１４族元素、または、窒素など
の水素以外の不純物元素を含ませることができる。このような不純物元素を、例えば０を
超えて２０原子％以下程度含ませることで、第１の金属酸化物膜４０２のエネルギーギャ
ップを、該元素の添加量により制御することができる。
【００５８】
第１の金属酸化物膜４０２は、水素、水などの不純物を混入させない方法を用いて成膜す
ることが好ましい。第１の金属酸化物膜４０２に水素、水などの不純物が含まれると、後
に形成される酸化物半導体膜に水素、水などの不純物の侵入や、水素、水などの不純物に
よる酸化物半導体膜中の酸素の引き抜き、などによって酸化物半導体膜が低抵抗化（ｎ型
化）してしまい、寄生チャネルが形成されるおそれがあるためである。第１の金属酸化物
膜４０２は、例えば、スパッタリング法によって成膜するのが好ましい。成膜する際に用
いるスパッタガスとしては、水素、水などの不純物が除去された高純度ガスを用いること
が好ましい。
【００５９】
スパッタリング法としては、直流電源を用いるＤＣスパッタリング法、パルス的に直流バ
イアスを加えるパルスＤＣスパッタリング法、又はＡＣスパッタリング法などを用いるこ
とができる。
【００６０】
なお、第１の金属酸化物膜４０２として、酸化アルミニウムガリウム膜または酸化ガリウ
ムアルミニウム膜を形成する際には、スパッタリング法に用いるターゲットとして、アル
ミニウムパーティクルが添加された酸化ガリウムターゲットを適用してもよい。アルミニ
ウムパーティクルが添加された酸化ガリウムターゲットを用いることにより、ターゲット
の導電性を高めることができるため、スパッタリング時の放電を容易なものとすることが
できる。このようなターゲットを用いることで、量産化に適した金属酸化物膜を作製する
ことができる。
【００６１】
次いで、第１の金属酸化物膜４０２に酸素を供給する処理を行うことが望ましい。酸素を
供給する処理としては、酸素雰囲気における熱処理、酸素ドープ処理等がある。または、
電界で加速した酸素イオンを照射して、酸素を添加しても良い。なお、本明細書等におい
て、酸素ドープ処理とは、酸素をバルクに添加することをいい、当該バルクの用語は、酸
素を薄膜表面のみでなく薄膜内部に添加することを明確にする趣旨で用いている。また、
酸素ドープには、プラズマ化した酸素をバルクに添加する酸素プラズマドープが含まれる
。
【００６２】
第１の金属酸化物膜４０２に対して、酸素ドープ処理等の酸素を供給する処理を行うこと
により、第１の金属酸化物膜４０２には化学量論的組成比より酸素が多い領域が形成され
る。このような領域を備えることにより、後に成膜される第２の金属酸化物膜または酸化
物半導体膜に酸素を供給し、酸化物半導体膜中または界面の酸素欠陥を低減することがで
きる。
【００６３】
または、スパッタリング法を用いて第１の金属酸化物膜４０２を成膜する際に、酸素ガス
または、不活性気体（例えば、アルゴン等の希ガス、または、窒素）と酸素の混合ガスを
導入することで、第１の金属酸化物膜４０２に酸素過剰領域を形成することもできる。な
お、スパッタリング法による成膜後、熱処理を加えても良い。
【００６４】
例えば、第１の金属酸化物膜４０２として酸化アルミニウムガリウム膜を用いた場合、酸
素ドープ処理等の酸素を供給する処理を行うことにより、ＧａｘＡｌ２−ｘＯ３＋α（０
＜ｘ＜１、０＜α＜１）とすることができる。
【００６５】
次いで、第１の金属酸化物膜４０２上に第２の金属酸化物膜４０４を形成する（図５（Ａ
））。これにより、第１の金属酸化物膜４０２および第２の金属酸化物膜４０４よりなる
ゲート絶縁膜（第１のゲート絶縁膜）が形成される。第２の金属酸化物膜４０４は、第１
３族元素および酸素を含む材料を用いて形成することができ、例えば、酸化ガリウム、酸
化アルミニウム、酸化アルミニウムガリウム、酸化ガリウムアルミニウムのいずれか一ま
たは複数を含む材料などを用いることができる。なお、上述のように、後に成膜する酸化
物半導体膜との界面の状態を良好に保ち、且つ、酸化物半導体膜との界面における水素の
パイルアップを抑制するために、第２の金属酸化物膜４０４として酸化ガリウムアルミニ
ウム膜を適用するのがより好ましい。
【００６６】
なお、第１の金属酸化物膜４０２と同様に、第２の金属酸化物膜４０４には、第１３族元
素の他に、イットリウムなどの第３族元素、ハフニウムなどの第４族元素、シリコンなど
の第１４族元素、または窒素などの水素以外の不純物元素を含ませてもよい。
【００６７】
また、第２の金属酸化物膜４０４の成膜は、水素、水などの不純物を混入させない方法を
用いることが好ましく、例えばスパッタリング法を適用することができる。詳細は、第１
の金属酸化物膜４０２と同様であり、第１の金属酸化物膜４０２の形成方法を参酌するこ
とができる。
【００６８】
次いで、第２の金属酸化物膜４０４に酸素を供給する処理を行うことが望ましい。酸素を
供給する処理としては、酸素雰囲気における熱処理、酸素ドープ処理等がある。または、
電界で加速した酸素イオンを照射して、酸素を添加しても良い。
【００６９】
または、スパッタリング法を用いて第２の金属酸化物膜４０４を成膜する際に、酸素ガス
、または、不活性気体（例えば、アルゴン等の希ガス、または、窒素）と酸素の混合ガス
を導入することで、第２の金属酸化物膜４０４に酸素を供給してもよい。例えば、酸化ガ
リウム膜を成膜する際に、基板とターゲットの間の距離を６０ｍｍとし、圧力を０．４Ｐ
ａとし、ＲＦ電源を１ｋＷとし、成膜温度を室温とし、アルゴンガスの流量を２５ｓｃｃ
ｍとし、酸素ガスの流量を２５ｓｃｃｍとすることができる。なお、成膜温度は室温に限
られず、例えば４００℃としてもよい。また、アルゴンガスを導入せずに、酸素ガスの流
量を５０ｓｃｃｍとしてもよい。または、スパッタリング法による成膜後に、熱処理（例
えば、超乾燥空気中において、４５０℃以上６５０℃以下で１時間）を行っても良い。こ
れらの成膜方法によって、化学量論的組成比より酸素が多い酸化ガリウム膜を成膜するこ
とができ、Ｇａ２Ｏ３＋α（０＜α＜１、例えば、０．３２≦α≦０．４８）とすること
できる。
【００７０】
第２の金属酸化物膜４０４に対して、酸素ドープ処理等の酸素を供給する処理（以下、酸
素供給処理とも表記する）を行うことにより、第２の金属酸化物膜４０４には化学量論的
組成比より酸素が多い領域が形成される。このような領域を備えることにより、後に成膜
される酸化物半導体膜に酸素を供給し、酸化物半導体膜中または界面の酸素欠陥を低減す
ることができる。なお、第２の金属酸化物膜４０４への酸素供給処理を、先に示した第１
の金属酸化物膜４０２への酸素供給処理と兼ねさせても良い。
【００７１】
第２の金属酸化物膜４０４として酸化ガリウム膜または酸化ガリウムアルミニウム膜を用
いた場合、酸素ドープ処理等の酸素供給処理を行うことにより、ＧａｘＡｌ２−ｘＯ３＋
α（１＜ｘ≦２、０＜α＜１）とすることが好ましい。
【００７２】
次いで、第２の金属酸化物膜４０４上に、膜厚３ｎｍ以上３０ｎｍ以下の酸化物半導体膜
４０３をスパッタリング法で形成する。酸化物半導体膜４０３の膜厚を大きくしすぎると
（例えば、膜厚を５０ｎｍ以上とすると）、トランジスタがノーマリーオンとなってしま
うおそれがあるため、上述の膜厚とするのが好ましい。なお、第１の金属酸化物膜４０２
、第２の金属酸化物膜４０４および酸化物半導体膜４０３は、大気に触れさせることなく
連続して成膜するのが好ましい。
【００７３】
酸化物半導体膜４０３に用いる酸化物半導体としては、四元系金属の酸化物であるＩｎ−
Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体や、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−
Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化
物半導体、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体
、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体や、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系
酸化物半導体、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｚｎ−
Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導
体、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ系酸化物半導体や、Ｉｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｏ系酸化物半導
体、Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体などを用いることができる。また、上記酸化物半導体にＳｉ
Ｏ２を含んでもよい。ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体とは、イン
ジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）を有する酸化物膜、という意味であり
、その組成比はとくに問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の元素を含んでもよい。
【００７４】
また、酸化物半導体膜４０３は、化学式ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される
薄膜を用いることができる。ここで、Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、ＭｎおよびＣｏから選ばれた一
または複数の金属元素を示す。例えばＭとして、Ｇａ、Ｇａ及びＡｌ、Ｇａ及びＭｎ、ま
たはＧａ及びＣｏなどがある。
【００７５】
また、酸化物半導体膜４０３として、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料を用いる場合、用いるター
ゲットの組成比は、原子数比で、Ｉｎ：Ｚｎ＝５０：１〜１：２（モル数比に換算すると
Ｉｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝２５：１〜１：４）、好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝２０：１〜１：１（
モル数比に換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１０：１〜１：２）、さらに好ましくはＩｎ
：Ｚｎ＝１５：１〜１．５：１（モル数比に換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１５：２〜
３：４）とする。例えば、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体の形成に用いるターゲットは、
原子数比がＩｎ：Ｚｎ：Ｏ＝Ｘ：Ｙ：Ｚのとき、Ｚ＞１．５Ｘ＋Ｙとする。
【００７６】
本実施の形態では、酸化物半導体膜４０３としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系ターゲットを用
いてスパッタリング法により成膜する。また、酸化物半導体膜４０３は、希ガス（代表的
にはアルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、又は希ガスと酸素の混合雰囲気下においてスパ
ッタリング法により形成することができる。
【００７７】
酸化物半導体膜４０３としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜をスパッタリング法で作製するため
のターゲットとしては、例えば、組成比として、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：
１：１［ｍｏｌ数比］のターゲットを用いることができる。また、このターゲットの材料
及び組成に限定されず、例えば、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ
数比］のターゲットを用いてもよい。
【００７８】
また、ターゲットの充填率は９０％以上１００％以下、好ましくは９５％以上９９．９％
以下である。充填率の高いターゲットを用いることにより、成膜した酸化物半導体膜４０
３は緻密な膜とすることができる。
【００７９】
酸化物半導体膜４０３を成膜する際に用いるスパッタガスとしては、水素、水、水酸基又
は水素化物などの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。
【００８０】
酸化物半導体膜４０３の成膜は、減圧状態に保持された成膜室内に基板４００を保持し、
基板温度を１００℃以上６００℃以下好ましくは２００℃以上４００℃以下として行う。
基板４００を加熱しながら成膜することにより、成膜した酸化物半導体膜４０３に含まれ
る不純物濃度を低減することができる。また、スパッタリングによる損傷が軽減される。
そして、成膜室内の残留水分を除去しつつ水素及び水が除去されたスパッタガスを導入し
、上記ターゲットを用いて基板４００上に酸化物半導体膜４０３を成膜する。成膜室内の
残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプ、例えば、クライオポンプ、イオンポ
ンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また、排気手段は、ター
ボポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて排気
した成膜室は、例えば、水素原子、水（Ｈ２Ｏ）など水素原子を含む化合物（より好まし
くは炭素原子を含む化合物も）等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物半導体
膜４０３に含まれる不純物の濃度を低減できる。
【００８１】
成膜条件の一例としては、基板とターゲットの間との距離を１００ｍｍ、圧力０．６Ｐａ
、直流（ＤＣ）電源０．５ｋＷ、酸素（酸素流量比率１００％）雰囲気下の条件が適用さ
れる。なお、パルス直流電源を用いると、成膜時に発生する粉状物質（パーティクル、ご
みともいう）が軽減でき、膜厚分布も均一となるために好ましい。
【００８２】
その後、酸化物半導体膜４０３に対して、熱処理（第１の熱処理）を行うことが望ましい
。この第１の熱処理によって酸化物半導体膜４０３中の、過剰な水素（水や水酸基を含む
）を除去することができる。さらに、この第１の熱処理によって、第１の金属酸化物膜４
０２または第２の金属酸化物膜４０４中の過剰な水素（水や水酸基を含む）を除去するこ
とも可能である。第１の熱処理の温度は、２５０℃以上７００℃以下、好ましくは４５０
℃以上６００℃以下、または基板の歪み点未満とする。
【００８３】
熱処理は、例えば、抵抗発熱体などを用いた電気炉に被処理物を導入し、窒素雰囲気下、
４５０℃、１時間の条件で行うことができる。この間、酸化物半導体膜４０３は大気に触
れさせず、水や水素の混入が生じないようにする。
【００８４】
熱処理装置は電気炉に限られず、加熱されたガスなどの媒体からの熱伝導、または熱輻射
によって、被処理物を加熱する装置を用いても良い。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ  Ｒａｐ
ｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ  Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅ
ｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ
）装置を用いることができる。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ
、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ラン
プなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置である。
ＧＲＴＡ装置は、高温のガスを用いて熱処理を行う装置である。ガスとしては、アルゴン
などの希ガス、または窒素のような、熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が
用いられる。
【００８５】
例えば、第１の熱処理として、熱せられた不活性ガス雰囲気中に被処理物を投入し、数分
間熱した後、当該不活性ガス雰囲気から被処理物を取り出すＧＲＴＡ処理を行ってもよい
。ＧＲＴＡ処理を用いると短時間での高温熱処理が可能となる。また、被処理物の耐熱温
度を超える温度条件であっても適用が可能となる。なお、処理中に、不活性ガスを、酸素
を含むガスに切り替えても良い。酸素を含む雰囲気において第１の熱処理を行うことで、
酸素欠損に起因するエネルギーギャップ中の欠陥準位を低減することができるためである
。
【００８６】
なお、不活性ガス雰囲気としては、窒素、または希ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン等
）を主成分とする雰囲気であって、水、水素などが含まれない雰囲気を適用するのが望ま
しい。例えば、熱処理装置に導入する窒素や、ヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの
純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上（
すなわち、不純物濃度が１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とする。
【００８７】
ところで、上述の熱処理（第１の熱処理）には水素や水などを除去する効果があるから、
当該熱処理を、脱水化処理や、脱水素化処理などと呼ぶこともできる。当該脱水化処理や
、脱水素化処理は、例えば、酸化物半導体膜４０３を島状に加工した後などのタイミング
において行うことも可能である。また、このような脱水化処理、脱水素化処理は、一回に
限らず複数回行っても良い。
【００８８】
また、酸化物半導体膜４０３に接するゲート絶縁膜（第１の金属酸化物膜４０２および第
２の金属酸化物膜４０４の積層）は、酸素ドープ処理等によって酸素を供給されており、
酸素過剰領域を有する。したがって、酸化物半導体膜４０３から、ゲート絶縁膜への酸素
の移動を抑制することができる。また、酸素を供給されたゲート絶縁膜と接して酸化物半
導体膜４０３を積層することで、ゲート絶縁膜から酸化物半導体膜４０３へ酸素を供給す
ることができる。また、酸化物半導体膜４０３と接する第２の金属酸化物膜４０４として
、酸素過剰領域を有する酸化ガリウムアルミニウム膜を設けることで、酸化物半導体膜４
０３との界面の状態を良好に保ち、且つ、該界面における水素のパイルアップを低減する
ことができる。さらに、第１の金属酸化物膜４０２として、酸素過剰領域を有する酸化ア
ルミニウムガリウム膜を設けることで、酸化物半導体膜４０３への水の侵入を防止するこ
とができる。
【００８９】
なお、酸素過剰領域を有するゲート絶縁膜からの酸化物半導体膜４０３への酸素の供給は
、ゲート絶縁膜と、酸化物半導体膜４０３とが接した状態で熱処理を行うことにより、よ
り促進される。また、ゲート絶縁膜に添加され、酸化物半導体膜４０３へ供給される酸素
の少なくとも一部は、酸素の未結合手を酸化物半導体中で有することが好ましい。未結合
手を有することにより、酸化物半導体膜中に残存しうる水素と結合して、水素を固定化（
非可動イオン化）することができるためである。
【００９０】
次いで、酸化物半導体膜４０３を第２のフォトリソグラフィ工程により島状の酸化物半導
体膜４０３に加工するのが好ましい（図５（Ｂ））。また、島状の酸化物半導体膜４０３
を形成するためのレジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスク
をインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減でき
る。ここでの酸化物半導体膜４０３のエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッ
チングでもよく、両方を用いてもよい。
【００９１】
次いで、第２の金属酸化物膜４０４及び酸化物半導体膜４０３上に、ソース電極及びドレ
イン電極（これと同じ層で形成される配線を含む）を形成するための導電膜を形成する。
ソース電極及びドレイン電極に用いる導電膜としては、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ
、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属
窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等を用いることがで
きる。また、Ａｌ、Ｃｕなどの金属膜の下側又は上側の一方または双方にＴｉ、Ｍｏ、Ｗ
などの高融点金属膜またはそれらの金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒
化タングステン膜）を積層させた構成としても良い。また、ソース電極及びドレイン電極
に用いる導電膜は、導電性の金属酸化物で形成しても良い。導電性の金属酸化物としては
酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化イン
ジウム酸化スズ合金（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２、ＩＴＯと略記する）、酸化インジウム酸化
亜鉛合金（Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ）またはこれらの金属酸化物材料に酸化シリコンを含ませ
たものを用いることができる。
【００９２】
第３のフォトリソグラフィ工程により導電膜上にレジストマスクを形成し、選択的にエッ
チングを行ってソース電極４０５ａ、ドレイン電極４０５ｂを形成した後、レジストマス
クを除去する（図５（Ｃ））。第３のフォトリソグラフィ工程でのレジストマスク形成時
の露光には、紫外線やＫｒＦレーザ光やＡｒＦレーザ光を用いるとよい。酸化物半導体膜
４０３上で隣り合うソース電極４０５ａの下端部とドレイン電極４０５ｂの下端部との間
隔幅によって後に形成されるトランジスタのチャネル長Ｌが決定される。なお、チャネル
長Ｌ＝２５ｎｍ未満の露光を行う場合には、例えば、数ｎｍ〜数１０ｎｍと極めて波長が
短い超紫外線（Ｅｘｔｒｅｍｅ  Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）を用いて第３のフォトリソグ
ラフィ工程でのレジストマスク形成時の露光を行うとよい。超紫外線による露光は、解像
度が高く焦点深度も大きい。従って、後に形成されるトランジスタのチャネル長Ｌを微細
化することが可能であり、回路の動作速度を高速化できる。
【００９３】
また、フォトリソグラフィ工程で用いるフォトマスク数及び工程数を削減するため、透過
した光が複数の強度となる露光マスクである多階調マスクによって形成されたレジストマ
スクを用いてエッチング工程を行ってもよい。多階調マスクを用いて形成したレジストマ
スクは複数の膜厚を有する形状となり、エッチングを行うことでさらに形状を変形するこ
とができるため、異なるパターンに加工する複数のエッチング工程に用いることができる
。よって、一枚の多階調マスクによって、少なくとも二種類以上の異なるパターンに対応
するレジストマスクを形成することができる。よって露光マスク数を削減することができ
、対応するフォトリソグラフィ工程も削減できるため、工程の簡略化が可能となる。
【００９４】
なお、導電膜のエッチングの際に、酸化物半導体膜４０３がエッチングされ、分断するこ
とのないようエッチング条件を最適化することが望まれる。しかしながら、導電膜のみを
エッチングし、酸化物半導体膜４０３を全くエッチングしないという条件を得ることは難
しく、導電膜のエッチングの際に酸化物半導体膜４０３は一部のみがエッチングされ、例
えば、酸化物半導体膜４０３の膜厚の５％乃至５０％がエッチングされ、溝部（凹部）を
有する酸化物半導体膜４０３となることもある。
【００９５】
次いで、Ｎ２Ｏ、Ｎ２、またはＡｒなどのガスを用いたプラズマ処理を行い、露出してい
る酸化物半導体膜４０３の表面に付着した吸着水などを除去してもよい。プラズマ処理を
行った場合、当該プラズマ処理に続けて大気に触れることなく、酸化物半導体膜４０３に
接する第３の金属酸化物膜４０７を形成することが望ましい。
【００９６】
第３の金属酸化物膜４０７は、第２の金属酸化物膜４０４と同様の材料、同様の工程で形
成することができる。なお、酸化物半導体膜との界面の状態を良好に保ち、且つ、酸化物
半導体膜との界面における水素のパイルアップを抑制するために、第２の金属酸化物膜４
０４と同様に、第３の金属酸化物膜４０７として酸化ガリウムアルミニウム膜を適用する
のがより好ましい。
【００９７】
次いで、第３の金属酸化物膜４０７に酸素ドープ処理等の酸素を供給する処理を行うこと
が望ましい。なお、スパッタリング法を用いて第３の金属酸化物膜４０７を成膜する際に
、酸素ガス、または、不活性気体（例えば、アルゴン等の希ガス、または、窒素）と酸素
の混合ガスを導入することで、第３の金属酸化物膜４０７に酸素を供給してもよい。
【００９８】
次に、第３の金属酸化物膜４０７上に、第４の金属酸化物膜４０９を成膜する（図５（Ｄ
））。トランジスタ３３０において、第３の金属酸化物膜４０７および第４の金属酸化物
膜４０９は、ゲート絶縁膜（第２のゲート絶縁膜）として機能する。第４の金属酸化物膜
４０９は、第１の金属酸化物膜４０２と同様の材料、同様の工程で形成することができる
。なお、第３の金属酸化物膜４０７との界面の状態を良好に保ち、且つ、酸化物半導体膜
への水の侵入を防止するために、第４の金属酸化物膜４０９として酸化アルミニウムガリ
ウム膜を適用するのがより好ましい。
【００９９】
次いで、第４の金属酸化物膜４０９に対して、酸素ドープ処理等の酸素を供給する処理を
行うことが望ましい。なお、スパッタリング法を用いて第４の金属酸化物膜４０９を成膜
する際に、酸素ガス、または、不活性気体（例えば、アルゴン等の希ガス、または、窒素
）と酸素の混合ガスを導入することで、第４の金属酸化物膜４０９に酸素を供給してもよ
い。なお、第４の金属酸化物膜４０９へ酸素を供給する処理を、第３の金属酸化物膜４０
７へ酸素を供給する処理と兼ねさせても良い。
【０１００】
次に酸化物半導体膜４０３が、第３の金属酸化物膜４０７と一部（チャネル形成領域）が
接した状態で第２の熱処理を行うのが好ましい。第２の熱処理の温度は、２５０℃以上７
００℃以下、好ましくは４５０℃以上６００℃以下、または基板の歪み点未満とする。
【０１０１】
第２の熱処理は、窒素、酸素、超乾燥空気（水の含有量が２０ｐｐｍ以下、好ましくは１
ｐｐｍ以下、より好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）、または希ガス（アルゴン、ヘリウ
ムなど）の雰囲気下で行えばよいが、上記窒素、酸素、超乾燥空気、または希ガス等の雰
囲気に水、水素などが含まれないことが好ましい。また、加熱処理装置に導入する窒素、
酸素、または希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上好ましくは７Ｎ（９９．９
９９９９％）以上（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とす
ることが好ましい。
【０１０２】
第２の熱処理においては、酸化物半導体膜４０３と、酸素過剰領域を有する第２の金属酸
化物膜４０４および第３の金属酸化物膜４０７と、が接した状態で加熱される。したがっ
て、上述の脱水化（または脱水素化）処理によって同時に減少してしまう可能性のある酸
化物半導体を構成する主成分材料の一つである酸素を、酸素を含む第２の金属酸化物膜４
０４および第３の金属酸化物膜４０７の少なくとも一方より酸化物半導体膜４０３へ供給
することができる。これによって、酸化物半導体膜４０３中の電荷捕獲中心を低減するこ
とができる。以上の工程で高純度化し、電気的にｉ型（真性）化された酸化物半導体膜４
０３を形成することができる。また、この加熱処理によって、第１乃至第４の金属酸化物
膜も同時に不純物が除去され、高純度化されうる。
【０１０３】
なお、本実施の形態では、第４の金属酸化物膜４０９の形成後に第２の熱処理を行ってい
るが、第２の熱処理のタイミングは第３の金属酸化物膜４０７の形成後であればこれに特
に限定されない。例えば、第３の金属酸化物膜４０７の形成後に第２の熱処理を行っても
良い。
【０１０４】
上述のように、第１の熱処理及び第２の熱処理を適用することで、酸化物半導体膜４０３
を、その主成分以外の不純物が極力含まれないように高純度化することができる。高純度
化された酸化物半導体膜４０３中にはドナーに由来するキャリアが極めて少なく（ゼロに
近い）、キャリア濃度は１×１０１４／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１２／ｃｍ３未
満、さらに好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満である。
【０１０５】
次いで、第４の金属酸化物膜４０９上であって、酸化物半導体膜４０３のチャネル形成領
域と重畳する領域に導電層４１０を設けることで、図５（Ｅ）に示すトランジスタ３３０
を形成することができる。導電層４１０は、第２のゲート電極として機能させることがで
き、ゲート電極４０１と同様の材料、同様の工程で形成することができる。なお、導電層
４１０を第２のゲート電極として用いる場合には、第３の金属酸化物膜４０７および第４
の金属酸化物膜４０９よりなる積層膜が第２のゲート絶縁膜として機能する。
【０１０６】
導電層４１０を第２のゲート電極として機能させ、該導電層４１０を酸化物半導体膜４０
３のチャネル形成領域と重なる位置に設けることによって、トランジスタ３３０の信頼性
を調べるためのバイアス−熱ストレス試験（以下、ＢＴ試験という）において、ＢＴ試験
前後におけるトランジスタ３３０のしきい値電圧の変化量をより低減することができる。
なお、第２のゲート電極は、電位がゲート電極４０１（第１のゲート電極）と同じでもよ
いし、異なっていても良い。また、第２のゲート電極の電位は、ＧＮＤ、０Ｖ、或いはフ
ローティング状態であってもよい。
【０１０７】
以上の工程でトランジスタ３３０が形成される。トランジスタ３３０は、水素、水、水酸
基又は水素化物（水素化合物ともいう）などの不純物を酸化物半導体膜４０３より意図的
に排除し、高純度化された酸化物半導体膜４０３を含むトランジスタである。さらに、第
１乃至第４の金属酸化物膜を設けることによって、水や水素などの不純物の酸化物半導体
膜４０３への再混入、または、酸化物半導体膜４０３及び該界面からの酸素の放出を低減
または防止することが可能となる。よって、トランジスタ３３０は、電気的特性変動が抑
制されており、電気的に安定である。
【０１０８】
なお、図示しないが、トランジスタ３３０を覆うようにさらに保護絶縁膜を形成しても良
い。保護絶縁膜としては、窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、または窒化アルミニウム膜など
を用いることができる。
【０１０９】
また、トランジスタ３３０上に平坦化絶縁膜を設けても良い。平坦化絶縁膜としては、ア
クリル、ポリイミド、ベンゾシクロブテン、ポリアミド、エポキシ等の、耐熱性を有する
有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材
料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用
いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させてもよい。
【０１１０】
〈トランジスタ３２０の作製工程〉
図６（Ａ）乃至図６（Ｅ）を用いて、図２に示すトランジスタ３２０の作製工程の一例に
ついて説明する。なお、トランジスタ３２０の作製工程は、多くの部分でトランジスタ３
３０と共通している。したがって、以下においては、重複する部分の説明は省略すること
がある。
【０１１１】
まず、絶縁表面を有する基板４００上に第１の金属酸化物膜４０２を形成する。その後、
第１の金属酸化物膜４０２に酸素ドープ処理等の酸素を供給する処理を行うのが好ましい
。
【０１１２】
なお、下地膜となる絶縁膜を基板４００と第１の金属酸化物膜４０２との間に設けてもよ
い。下地膜は、基板４００からの不純物元素の拡散を防止する機能があり、窒化シリコン
膜、酸化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、又は酸化窒化シリコン膜から選ばれた一又は
複数の膜による積層構造により形成することができる。
【０１１３】
次いで、第１の金属酸化物膜４０２上に第２の金属酸化物膜４０４を成膜する（図６（Ａ
））。第２の金属酸化物膜４０４の成膜後には、酸素ドープ処理等の酸素を供給する処理
を行うのが好ましい。なお、第１の金属酸化物膜４０２への酸素供給処理を、第２の金属
酸化物膜４０４への酸素供給処理と兼ねさせてもよい。
【０１１４】
次に、第２の金属酸化物膜４０４上に、酸化物半導体膜４０３を形成し、当該酸化物半導
体膜４０３を島状に加工する（図６（Ｂ））。
【０１１５】
なお、酸化物半導体膜４０３の形成後、または、酸化物半導体膜４０３を島状に加工した
後には、熱処理（脱水化処理、脱水素化処理）を行うことが好ましい。詳細は、トランジ
スタ３３０と同様である。
【０１１６】
次いで、酸化物半導体膜４０３上に、ソース電極およびドレイン電極（これと同じ層で形
成される配線を含む）を形成するための導電膜を形成し、当該導電膜を加工して、ソース
電極４０５ａおよびドレイン電極４０５ｂを形成する（図６（Ｃ））。
【０１１７】
次に、ソース電極４０５ａおよびドレイン電極４０５ｂを覆い、且つ、酸化物半導体膜４
０３の一部と接するように、第３の金属酸化物膜４０７を形成する。その後、第３の金属
酸化物膜４０７に酸素ドープ処理等の酸素を供給する処理を行うのが好ましい。
【０１１８】
次いで、第３の金属酸化物膜４０７上に、第４の金属酸化物膜４０９を成膜し、第３の金
属酸化物膜４０７と第４の金属酸化物膜４０９との積層よりなるゲート絶縁膜を形成する
（図６（Ｄ））。なお、第４の金属酸化物膜４０９の成膜後には、酸素ドープ等の酸素を
供給する処理を行うのが好ましい。また、第３の金属酸化物膜４０７への酸素供給処理を
、第４の金属酸化物膜４０９への酸素供給処理と兼ねさせてもよい。
【０１１９】
また、第３の金属酸化物膜４０７へ酸素供給処理を行った後に、熱処理を行うのが好まし
い。当該熱処理によって、酸素を含む第２の金属酸化物膜４０４および第３の金属酸化物
膜４０７の少なくとも一方から、酸化物半導体膜４０３へ酸素を供給することができる。
【０１２０】
次いで、第４の金属酸化物膜４０９上に導電膜を形成し、当該導電膜を加工して、ゲート
電極４１４を形成する。ゲート電極４１４は、トランジスタ３３０におけるゲート電極４
０１と同様の材料、同様の工程で形成することができる。
【０１２１】
以上の工程で、トランジスタ３２０を形成することができる（図６（Ｅ））。
【０１２２】
以上、本実施の形態において示すように、第１３族元素および酸素を含む材料を用いて、
酸化物半導体膜と接する絶縁膜を形成することにより、酸化物半導体膜と該絶縁膜との界
面の状態を良好に保つことができる。
【０１２３】
特に、酸化物半導体膜と接する絶縁膜を、ガリウムの含有量の多い膜である、酸化ガリウ
ム膜または酸化ガリウムアルミニウム膜とすることで、絶縁膜と酸化物半導体膜との界面
における水素のパイルアップを効果的に抑制することができる。さらに、酸化物半導体膜
と接する絶縁膜を積層構造として、酸化ガリウム膜または酸化ガリウムアルミニウム膜に
接して（すなわち、酸化物半導体膜の外側に）、アルミニウムの含有量の多い膜である酸
化アルミニウムガリウム膜等を設けることで、酸化物半導体膜への水の侵入を防止するこ
とができる。また、酸化物半導体膜の上下に、アルミニウムを含む膜を設け、さらに、当
該アルミニウムを含む膜同士を密着させる構造とすることで、水の侵入の防止効果をより
向上させることができる。
【０１２４】
また、酸化物半導体膜と接する絶縁膜が化学量論的組成比より酸素が多い領域を含むこと
により、酸化物半導体膜の脱水化（または脱水素化）処理によって同時に減少してしまう
可能性のある酸素を、酸化物半導体膜へ供給することができる。これによって、酸化物半
導体膜中の酸素欠陥を低減することができるため、酸化物半導体膜中の電荷捕獲中心を低
減することができる。以上の工程で高純度化し、電気的にｉ型（真性）化された酸化物半
導体膜を形成することができる。
【０１２５】
本発明の一態様に係る半導体装置では、高純度化された酸化物半導体膜を活性層として用
いることで、トランジスタのオフ電流密度を、ソース電極とドレイン電極間の電圧によっ
ては、１０ｚＡ／μｍ以下、好ましくは１ｚＡ／μｍ以下、更に好ましくは１ｙＡ／μｍ
以下にすることができる。従って、高純度化された酸化物半導体膜を活性層として用いた
トランジスタは、オフ電流が、結晶性を有するシリコンを用いたトランジスタに比べて著
しく低い。
【０１２６】
また、高純度化された酸化物半導体を用いることで、トランジスタのオフ電流の温度依存
性を著しく低減することができる。これは、酸化物半導体中で電子供与体（ドナー）とな
る不純物を除去して、酸化物半導体が高純度化することによって、導電型が限りなく真性
型に近づき、フェルミ準位が禁制帯の中央に位置するためと言える。また、これは、酸化
物半導体のエネルギーギャップが３ｅＶ以上であり、熱励起キャリアが極めて少ないこと
にも起因する。また、ソース電極及びドレイン電極が縮退した状態にあることも、温度依
存性を低減する要因となっている。トランジスタの動作は、縮退したソース電極から酸化
物半導体に注入されたキャリアによるものがほとんどであり、キャリア密度には温度依存
性がないことから、オフ電流の温度依存性を著しく低減可能であることを説明することが
できる。
【０１２７】
また、水素濃度が十分に低減されて高純度化され、十分な酸素の供給により酸素欠乏に起
因するエネルギーギャップ中の欠陥準位が低減された酸化物半導体膜では、キャリア濃度
が十分に少なく、このような酸化物半導体膜を活性層として用いることで、しきい値電圧
のシフトを抑制し、トランジスタをノーマリーオフとすることができる。
【０１２８】
以上示したように、本発明の一態様によって、安定した電気的特性を有する酸化物半導体
を用いた半導体装置を提供することができる。よって、信頼性の高い半導体装置を提供す
ることができる。
【０１２９】
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適
宜組み合わせて用いることができる。
【０１３０】
（実施の形態２）
実施の形態１で例示したトランジスタを用いて表示機能を有する半導体装置（表示装置と
もいう）を作製することができる。また、トランジスタを含む駆動回路の一部または全体
を、画素部と同じ基板上に一体形成し、システムオンパネルを形成することができる。
【０１３１】
図７（Ａ）において、第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２を囲むようにし
て、シール材４００５が設けられ、第２の基板４００６によって封止されている。図７（
Ａ）においては、第１の基板４００１上のシール材４００５によって囲まれている領域と
は異なる領域に、別途用意された基板上に単結晶半導体膜又は多結晶半導体膜で形成され
た走査線駆動回路４００４、信号線駆動回路４００３が実装されている。また別途形成さ
れた信号線駆動回路４００３と、走査線駆動回路４００４または画素部４００２に与えら
れる各種信号及び電位は、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  ｐｒｉｎｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ
）４０１８ａ、４０１８ｂから供給されている。
【０１３２】
図７（Ｂ）及び図７（Ｃ）において、第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２
と、走査線駆動回路４００４とを囲むようにして、シール材４００５が設けられている。
また画素部４００２と、走査線駆動回路４００４の上に第２の基板４００６が設けられて
いる。よって画素部４００２と、走査線駆動回路４００４とは、第１の基板４００１とシ
ール材４００５と第２の基板４００６とによって、表示素子と共に封止されている。図７
（Ｂ）及び図７（Ｃ）においては、第１の基板４００１上のシール材４００５によって囲
まれている領域とは異なる領域に、別途用意された基板上に単結晶半導体膜又は多結晶半
導体膜で形成された信号線駆動回路４００３が実装されている。図７（Ｂ）及び図７（Ｃ
）においては、別途形成された信号線駆動回路４００３と、走査線駆動回路４００４また
は画素部４００２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ４０１８から供給されている
。
【０１３３】
また図７（Ｂ）及び図７（Ｃ）においては、信号線駆動回路４００３を別途形成し、第１
の基板４００１に実装している例を示しているが、この構成に限定されない。走査線駆動
回路を別途形成して実装しても良いし、信号線駆動回路の一部または走査線駆動回路の一
部のみを別途形成して実装しても良い。
【０１３４】
なお、別途形成した駆動回路の接続方法は、特に限定されるものではなく、ＣＯＧ（Ｃｈ
ｉｐ  Ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）方法、ワイヤボンディング方法、或いはＴＡＢ（Ｔａｐｅ  Ａ
ｕｔｏｍａｔｅｄ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）方法などを用いることができる。図７（Ａ）は、Ｃ
ＯＧ方法により信号線駆動回路４００３、走査線駆動回路４００４を実装する例であり、
図７（Ｂ）は、ＣＯＧ方法により信号線駆動回路４００３を実装する例であり、図７（Ｃ
）は、ＴＡＢ方法により信号線駆動回路４００３を実装する例である。
【０１３５】
また、表示装置は、表示素子が封止された状態にあるパネルと、該パネルにコントローラ
を含むＩＣ等を実装した状態にあるモジュールとを含む。
【０１３６】
なお、本明細書中における表示装置とは、画像表示デバイス、表示デバイス、もしくは光
源（照明装置含む）を指す。また、コネクター、例えばＦＰＣもしくはＴＡＢテープもし
くはＴＣＰが取り付けられたモジュール、ＴＡＢテープやＴＣＰの先にプリント配線板が
設けられたモジュール、または表示素子にＣＯＧ方式によりＩＣ（集積回路）が直接実装
されたモジュールも全て表示装置に含むものとする。
【０１３７】
また第１の基板上に設けられた画素部及び走査線駆動回路は、トランジスタを複数有して
おり、実施の形態１で一例を示したトランジスタを適用することができる。
【０１３８】
表示装置に設けられる表示素子としては液晶素子（液晶表示素子ともいう）、発光素子（
発光表示素子ともいう）、を用いることができる。発光素子は、電流または電圧によって
輝度が制御される素子をその範疇に含んでおり、具体的には無機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ  
Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）、有機ＥＬ等が含まれる。また、電子インクなど、電気的作
用によりコントラストが変化する表示媒体も適用することができる。
【０１３９】
半導体装置の一形態について、図８乃至図１０を用いて説明する。図８乃至図１０は、図
７（Ｂ）のＭ−Ｎにおける断面図に相当する。
【０１４０】
図８乃至図１０で示すように、半導体装置は接続端子電極４０１５及び端子電極４０１６
を有しており、接続端子電極４０１５及び端子電極４０１６はＦＰＣ４０１８が有する端
子と異方性導電膜４０１９を介して、電気的に接続されている。
【０１４１】
接続端子電極４０１５は、第１の電極層（第１の電極）４０３０と同じ導電膜から形成さ
れ、端子電極４０１６は、トランジスタ４０１０、トランジスタ４０１１のソース電極及
びドレイン電極と同じ導電膜で形成されている。
【０１４２】
また第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２と、走査線駆動回路４００４は、
トランジスタを複数有しており、図８乃至図１０では、画素部４００２に含まれるトラン
ジスタ４０１０と、走査線駆動回路４００４に含まれるトランジスタ４０１１とを例示し
ている。
【０１４３】
本実施の形態では、トランジスタ４０１０、トランジスタ４０１１として、実施の形態１
で示したトランジスタを適用することができる。なお、図８乃至図１０においては、実施
の形態１で示したトランジスタ３３０を用いる例を示しているが、本実施の形態はこれに
限られるものではなく、トランジスタ３１０、３２０、３４０、３５０、３６０、３７０
、３８０または３９０等を適宜用いることが可能である。また、トランジスタ４０１０と
トランジスタ４０１１とを必ずしも同じ構造のトランジスタとしなくともよい。トランジ
スタ４０１０、トランジスタ４０１１は、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安
定である。よって、図８乃至図１０で示す本実施の形態の半導体装置として信頼性の高い
半導体装置を提供することができる。
【０１４４】
画素部４００２に設けられたトランジスタ４０１０は表示素子と電気的に接続し、表示パ
ネルを構成する。表示素子は表示を行うことができれば特に限定されず、様々な表示素子
を用いることができる。
【０１４５】
図８に表示素子として液晶素子を用いた液晶表示装置の例を示す。図８において、表示素
子である液晶素子４０１３は、第１の電極層４０３０、第２の電極層（第２の電極）４０
３１、及び液晶層４００８を含む。なお、液晶層４００８を挟持するように配向膜として
機能する絶縁膜４０３２、４０３３が設けられている。第２の電極層４０３１は第２の基
板４００６側に設けられ、第１の電極層４０３０と第２の電極層４０３１とは液晶層４０
０８を介して積層する構成となっている。
【０１４６】
また４０３５は絶縁膜を選択的にエッチングすることで得られる柱状のスペーサであり、
液晶層４００８の膜厚（セルギャップ）を制御するために設けられている。なお球状のス
ペーサを用いていても良い。
【０１４７】
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。
【０１４８】
また、配向膜を用いないブルー相を示す液晶を用いてもよい。ブルー相は液晶相の一つで
あり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリック相から等方相へ転移する直
前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発現しないため、温度範囲を改善
するために５重量％以上のカイラル剤を混合させた液晶組成物を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１ｍｓｅｃ以下と短
く、光学的等方性であるため配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい。また配向膜
を設けなくてもよいのでラビング処理も不要となるため、ラビング処理によって引き起こ
される静電破壊を防止することができ、作製工程中の液晶表示装置の不良や破損を軽減す
ることができる。よって液晶表示装置の生産性を向上させることが可能となる。
【０１４９】
また、液晶材料の固有抵抗率は、１×１０９Ω・ｃｍ以上であり、好ましくは１×１０１
１Ω・ｃｍ以上であり、さらに好ましくは１×１０１２Ω・ｃｍ以上である。なお、本明
細書における固有抵抗率の値は、２０℃で測定した値とする。
【０１５０】
液晶表示装置に設けられる保持容量の大きさは、画素部に配置されるトランジスタのリー
ク電流等を考慮して、所定の期間の間電荷を保持できるように設定される。高純度の酸化
物半導体膜を有するトランジスタを用いることにより、各画素における液晶容量に対して
１／３以下、好ましくは１／５以下の容量の大きさを有する保持容量を設ければ充分であ
る。
【０１５１】
本実施の形態で用いる高純度化された酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、オフ状態
における電流値（オフ電流値）を低くすることができる。よって、画像信号等の電気信号
の保持時間を長くすることができ、電源オン状態では書き込み間隔も長く設定できる。よ
って、リフレッシュ動作の頻度を少なくすることができるため、消費電力を抑制する効果
を奏する。
【０１５２】
また、本実施の形態で用いる高純度化された酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、比
較的高い電界効果移動度が得られるため、高速駆動が可能である。よって、液晶表示装置
の画素部に上記トランジスタを用いることで、高画質な画像を提供することができる。ま
た、上記トランジスタは、同一基板上に駆動回路部または画素部に作り分けて作製するこ
とができるため、液晶表示装置の部品点数を削減することができる。
【０１５３】
液晶表示装置には、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ  Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐ
ｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ  Ｆｉｅｌｄ  Ｓｗｉｔ
ｃｈｉｎｇ）モード、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ  Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  ａｌｉｇｎｅｄ  
Ｍｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ  Ｂ
ｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｌｉｑｕｉ
ｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｌｉｑ
ｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モードなどを用いることができる。
【０１５４】
また、ノーマリーブラック型の液晶表示装置、例えば垂直配向（ＶＡ）モードを採用した
透過型の液晶表示装置としてもよい。ここで、垂直配向モードとは、液晶表示パネルの液
晶分子の配列を制御する方式の一種であり、電圧が印加されていないときにパネル面に対
して液晶分子が垂直方向を向く方式である。垂直配向モードとしては、いくつか挙げられ
るが、例えば、ＭＶＡ（Ｍｕｌｔｉ−Ｄｏｍａｉｎ  Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ａｌｉｇｎｍｅ
ｎｔ）モード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ  Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）
モード、ＡＳＶモードなどを用いることができる。また、画素（ピクセル）をいくつかの
領域（サブピクセル）に分け、それぞれ別の方向に分子を倒すよう工夫されているマルチ
ドメイン化あるいはマルチドメイン設計といわれる方法を用いることができる。
【０１５５】
また、表示装置において、ブラックマトリクス（遮光層）、偏光部材、位相差部材、反射
防止部材などの光学部材（光学基板）などは適宜設ける。例えば、偏光基板及び位相差基
板による円偏光を用いてもよい。また、光源としてバックライト、サイドライトなどを用
いてもよい。
【０１５６】
また、バックライトとして複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いて、時間分割表示方式
（フィールドシーケンシャル駆動方式）を行うことも可能である。フィールドシーケンシ
ャル駆動方式を適用することで、カラーフィルタを用いることなく、カラー表示を行うこ
とができる。
【０１５７】
また、画素部における表示方式は、プログレッシブ方式やインターレース方式等を用いる
ことができる。また、カラー表示する際に画素で制御する色要素としては、ＲＧＢ（Ｒは
赤、Ｇは緑、Ｂは青を表す）の三色に限定されない。例えば、ＲＧＢＷ（Ｗは白を表す）
、又はＲＧＢに、イエロー、シアン、マゼンタ等を一色以上追加したものがある。なお、
色要素のドット毎にその表示領域の大きさが異なっていてもよい。ただし、本発明はカラ
ー表示の表示装置に限定されるものではなく、モノクロ表示の表示装置に適用することも
できる。
【０１５８】
また、図１２（Ａ）に、実施の形態１で示したトランジスタ３１０を適用した液晶表示装
置における一画素の平面図を示す。また、図１２（Ｂ）は図１２（Ａ）の線Ｘ１−Ｘ２に
おける断面図である。
【０１５９】
図１２（Ａ）において、複数のソース配線（ソース電極４０５ａを含む）が互いに平行（
図中上下方向に延伸）かつ互いに離間した状態で配置されている。複数のゲート配線（ゲ
ート電極４０１を含む）は、ソース配線に略直交する方向（図中左右方向）に延伸し、か
つ互いに離間するように配置されている。容量配線４０８は、複数のゲート配線それぞれ
に隣接する位置に配置されており、ゲート配線に概略平行な方向、つまり、ソース配線に
概略直交する方向（図中左右方向）に延伸している。ソース配線と、容量配線４０８及び
ゲート配線とによって、略長方形の空間が囲まれているが、この空間に液晶表示装置の画
素電極、共通電極が液晶層４４４を介して配置されている。画素電極を駆動するトランジ
スタ３１０は、図中左上の角に配置されている。画素電極及びトランジスタは、マトリク
ス状に複数配置されている。
【０１６０】
図１２の液晶表示装置において、トランジスタ３１０に電気的に接続する第１の電極４４
６が画素電極として機能し、第２の電極４４７が共通電極として機能する。また、第１の
電極４４６と液晶層４４４との間、または、第２の電極４４７と液晶層４４４との間には
、配向膜が設けられていてもよい。また、図１２に示す画素は、第１の電極４４６と第２
の電極４４７が重畳しない領域では、対向基板である第２の基板４４２側に遮光層４５０
（ブラックマトリクス）が設けられている。また、第２の基板４４２は、遮光層４５０上
に、絶縁層４５５が設けられている。
【０１６１】
なお、遮光層４５０は、液晶層４４４を挟持して固着される一対の基板の内側（液晶層４
４４側）に設けてもよいし、基板の外側（液晶層４４４と反対側）に設けてもよい。
【０１６２】
トランジスタ３１０は、ゲート電極４０１と、第１の金属酸化物膜４０２および第２の金
属酸化物膜４０４の積層構造からなるゲート絶縁膜と、酸化物半導体膜４０３と、ソース
電極４０５ａと、ドレイン電極４０５ｂと、第３の金属酸化物膜４０７と、第４の金属酸
化物膜４０９と、を含む。また、トランジスタ３１０上には、層間膜４１７が形成されて
いる。
【０１６３】
また、図示しないが、光源としてバックライト、サイドライトなどを用いることができる
。光源からの光は素子基板である第１の基板４４１側から、視認側である第２の基板４４
２へと透過するように照射される。
【０１６４】
また、図１２においては、第１の基板４４１の外側（液晶層４４４と反対側）に偏光板４
４３ａを、第２の基板４４２の外側（液晶層４４４と反対側）に偏光板４４３ｂを設ける
。
【０１６５】
図１２に示す構成においては、ゲート電極４０１が酸化物半導体膜４０３の下側を覆う形
で配置されており、また、遮光層４５０が酸化物半導体膜４０３の上側を覆う形で配置さ
れる。従って、トランジスタ３１０は上側及び下側で光の遮光ができる構造とすることが
できる。当該遮光により、トランジスタ特性の劣化を低減することができる。
【０１６６】
また、図１３（Ａ）に、実施の形態１で示したトランジスタ３１０を適用した別の液晶表
示装置における一画素の一部を拡大した平面図を示す。また、図１３（Ｂ）は図１３（Ａ
）の線Ｙ１−Ｙ２における断面図である。
【０１６７】
図１３の液晶表示装置の形態は、複数の画素がマトリクス状に設けられ、画素に実施の形
態１で示した酸化物半導体膜を含むトランジスタ３１０と、遮光層４５１と、平坦化膜と
して設けられた層間膜４１７と、画素電極として用いる第１の電極４４６と、画素電極上
に液晶層４４４とを有している。なお、図１３においては、実施の形態１で示したボトム
ゲート型のトランジスタ３１０を適用する例を示すが、本実施の形態はこれに限られるも
のではない。
【０１６８】
図１３においては、トランジスタ３１０を覆うように、少なくとも、酸化物半導体膜４０
３と重畳する領域に遮光層４５１（ブラックマトリクス）が設けられている。遮光層４５
１はトランジスタ３１０の酸化物半導体膜４０３への光の入射を遮断することができるた
め、酸化物半導体膜４０３の光感度によるトランジスタ３１０の電気特性の変動を防止し
安定化する効果がある。また、遮光層４５１は隣り合う画素への光漏れを防止することも
できるため、より高コントラスト及び高精細な表示を行うことが可能になる。よって、液
晶表示装置の高精細、高信頼性を達成することができる。
【０１６９】
液晶表示装置の対向基板側にさらに遮光層を形成してもよい。その場合、よりコントラス
ト向上やトランジスタの安定化の効果を高めることができる。遮光層を対向基板側に形成
する場合、液晶層を介してトランジスタと対応する領域（少なくともトランジスタの半導
体層と重畳する領域）に形成すれば、対向基板から入射する光によるトランジスタの電気
特性の変動をより防止することができる。
【０１７０】
遮光層４５１は、光を反射、又は吸収し、遮光性を有する材料を用いる。例えば、黒色の
有機樹脂を用いることができ、感光性又は非感光性のポリイミドなどの樹脂材料に、顔料
系の黒色樹脂やカーボンブラック、チタンブラック等を混合させて形成すればよい。また
、遮光性の金属膜を用いることもでき、例えばクロム、モリブデン、ニッケル、チタン、
コバルト、銅、タングステン、又はアルミニウムなどを用いればよい。
【０１７１】
遮光層４５１の形成方法は特に限定されず、材料に応じて、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ
法などの乾式法、又はスピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェ
ット法、スクリーン印刷、オフセット印刷等）などの湿式法を用い、必要に応じてエッチ
ング法（ドライエッチング又はウエットエッチング）により所望のパターンに加工すれば
よい。
【０１７２】
なお、図１３に示すように、層間膜４１７の一部として遮光層を形成する場合、遮光層と
画素領域の位置あわせの誤差問題が生じず、より精密な形成領域の制御ができ、微細なパ
ターンの画素にも対応することができる。また、遮光層４５１を第１の基板４４１側に設
けることで、液晶層４４４への高分子安定化のための光照射時に、遮光層４５１によって
対向基板側から照射される光が吸収、遮断されることがないために、液晶層４４４全体に
均一に照射することができる。よって、光重合の不均一による液晶の配向乱れやそれに伴
う表示ムラなどを防止することができる。
【０１７３】
また、図１４（Ａ）および図１４（Ｂ）に示すように、遮光層４５１および層間膜４１７
上であって、酸化物半導体膜４０３のチャネル形成領域と重畳する領域に、第１の電極４
４６と同じ層で形成される導電層４２０を形成してもよい。導電層４２０は、第２のゲー
ト電極として機能させることができる。なお、図１４（Ｂ）は図１４（Ａ）の線Ｚ１−Ｚ
２における断面図である。
【０１７４】
図１３および図１４に示す構成では、ゲート電極４０１が酸化物半導体膜４０３の下側を
覆う形で配置されており、また、遮光層４５１が酸化物半導体膜４０３の上側を覆う形で
配置される。従って、トランジスタは上側及び下側で光の遮光ができる構造とすることが
できる。これによって、酸化物半導体膜４０３への迷光の照射を、遮光層を設けない場合
の１０分の一程度、好ましくは１００分の一程度にまで低減することができる。また、当
該遮光により、トランジスタ特性の劣化を低減することができる。
【０１７５】
また、図１４に示す構成においては、導電層４２０を酸化物半導体膜４０３のチャネル形
成領域と重なる位置に設けることによって、トランジスタの信頼性を調べるためのＢＴ試
験において、ＢＴ試験前後におけるトランジスタのしきい値電圧の変化量をより低減する
ことができる。
【０１７６】
また、層間膜に有彩色の透光性樹脂層を用いることもできる。図１５（Ａ）および図１５
（Ｂ）に、実施の形態１で示したトランジスタ３１０を適用し、層間膜に有彩色の透光性
樹脂層を用いた液晶表示装置を示す。なお、図１５（Ｂ）は図１５（Ａ）の線Ｗ１−Ｗ２
における断面図である。
【０１７７】
図１５の液晶表示装置の形態は、複数の画素がマトリクス状に設けられ、画素に酸化物半
導体膜を含むトランジスタ３１０と、トランジスタ上に層間膜４５２と、層間膜４５２上
に絶縁層４５３と、絶縁層４５３上に画素電極として機能する第１の電極４４６と、画素
電極上に液晶層４４４とを有し、層間膜４５２は有彩色の透光性樹脂層である。
【０１７８】
トランジスタ３１０は、ゲート電極４０１と、第１の金属酸化物膜４０２および第２の金
属酸化物膜４０４でなるゲート絶縁膜と、酸化物半導体膜４０３と、ソース電極４０５ａ
と、ドレイン電極４０５ｂと、第３の金属酸化物膜４０７と、第４の金属酸化物膜４０９
と、を含む。
【０１７９】
図１５の液晶表示装置は、層間膜４５２に、透過する可視光の光強度を減衰させる機能を
有する膜として、有彩色の透光性樹脂層を用いる。有彩色の透光性樹脂層の可視光の光透
過率は、酸化物半導体膜４０３の可視光の光透過率より低い。
【０１８０】
トランジスタ３１０上に設ける層間膜４５２として、有彩色の透光性樹脂層の着色層を用
いると、画素の開口率を低下させることなくトランジスタ３１０の酸化物半導体膜４０３
へ入射する光の強度を減衰させることができ、酸化物半導体の光感度によるトランジスタ
３１０の電気特性の変動を防止し安定化する効果を得られる。また、有彩色の透光性樹脂
層は、カラーフィルタ層として機能させることができる。カラーフィルタ層を対向基板側
に設ける場合、トランジスタが形成される素子基板との、正確な画素領域の位置合わせが
難しく画質を損なう恐れがあるが、層間膜をカラーフィルタ層として直接素子基板側に形
成するのでより精密な形成領域の制御ができ、微細なパターンの画素にも対応することが
できる。また、層間膜とカラーフィルタ層を同一の絶縁層で兼ねるので、工程が簡略化し
より低コストで液晶表示装置を作製可能となる。
【０１８１】
有彩色は、黒、灰、白などの無彩色を除く色であり、着色層はカラーフィルタとして機能
させるため、その着色された有彩色の光のみを透過する材料で形成される。有彩色として
は、赤色、緑色、青色などを用いることができる。また、シアン、マゼンダ、イエロー（
黄）などを用いてもよい。着色された有彩色の光のみを透過するとは、着色層において透
過する光は、その有彩色の光の波長にピークを有するということである。
【０１８２】
有彩色の透光性樹脂層は、着色層（カラーフィルタ）として機能させるため、含ませる着
色材料の濃度と光の透過率の関係に考慮して、最適な膜厚を適宜制御するとよい。層間膜
４５２を複数の薄膜で積層する場合、少なくとも一層が有彩色の透光性樹脂層であれば、
カラーフィルタとして機能させることができる。
【０１８３】
有彩色の色によって有彩色の透光性樹脂層の膜厚が異なる場合や、遮光層、トランジスタ
に起因する凹凸を有する場合は、可視光領域の波長の光を透過する（いわゆる無色透明）
絶縁層を積層し、層間膜表面を平坦化してもよい。層間膜の平坦性を高めるとその上に形
成される画素電極や共通電極の被覆性もよく、かつ液晶層のギャップ（膜厚）を均一にす
ることができるため、より液晶表示装置の視認性を向上させ、高画質化が可能になる。
【０１８４】
なお、図１２乃至図１５おいて、図示しないが、配向膜や、位相差板または反射防止膜な
どの光学フィルムなどを適宜設けるものとする。例えば、偏光板及び位相差板による円偏
光を用いてもよい。
【０１８５】
また、表示装置に含まれる表示素子として、エレクトロルミネッセンスを利用する発光素
子を適用することができる。エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子は、発光材料
が有機化合物であるか、無機化合物であるかによって区別され、一般的に、前者は有機Ｅ
Ｌ素子、後者は無機ＥＬ素子と呼ばれている。
【０１８６】
有機ＥＬ素子は、発光素子に電圧を印加することにより、一対の電極から電子および正孔
がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして、それらキャ
リア（電子および正孔）が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成
し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このよう
な発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。
【０１８７】
無機ＥＬ素子は、その素子構成により、分散型無機ＥＬ素子と薄膜型無機ＥＬ素子とに分
類される。分散型無機ＥＬ素子は、発光材料の粒子をバインダ中に分散させた発光層を有
するものであり、発光メカニズムはドナー準位とアクセプター準位を利用するドナー−ア
クセプター再結合型発光である。薄膜型無機ＥＬ素子は、発光層を誘電体層で挟み込み、
さらにそれを電極で挟んだ構造であり、発光メカニズムは金属イオンの内殻電子遷移を利
用する局在型発光である。なお、ここでは、発光素子として有機ＥＬ素子を用いて説明す
る。
【０１８８】
発光素子は発光を取り出すために少なくとも一対の電極の一方が透明であればよい。そし
て、基板上にトランジスタ及び発光素子を形成し、基板とは逆側の面から発光を取り出す
上面射出や、基板側の面から発光を取り出す下面射出や、基板側及び基板とは反対側の面
から発光を取り出す両面射出構造の発光素子があり、どの射出構造の発光素子も適用する
ことができる。
【０１８９】
図９に表示素子として発光素子を用いた発光装置の例を示す。表示素子である発光素子４
５１３は、画素部４００２に設けられたトランジスタ４０１０と電気的に接続している。
なお発光素子４５１３の構成は、第１の電極層４０３０、電界発光層４５１１、第２の電
極層４０３１の積層構造であるが、示した構成に限定されない。発光素子４５１３から取
り出す光の方向などに合わせて、発光素子４５１３の構成は適宜変えることができる。
【０１９０】
隔壁４５１０は、有機絶縁材料、又は無機絶縁材料を用いて形成する。特に感光性の樹脂
材料を用い、第１の電極層４０３０上に開口部を形成し、その開口部の側壁が連続した曲
率を持って形成される傾斜面となるように形成することが好ましい。
【０１９１】
電界発光層４５１１は、単数の層で構成されていても、複数の層が積層されるように構成
されていてもどちらでも良い。
【０１９２】
発光素子４５１３に酸素、水素、水、二酸化炭素等が侵入しないように、第２の電極層４
０３１及び隔壁４５１０上に保護膜を形成してもよい。保護膜としては、窒化シリコン膜
、窒化酸化シリコン膜、ＤＬＣ膜等を形成することができる。また、第１の基板４００１
、第２の基板４００６、及びシール材４００５によって封止された空間には充填材４５１
４が設けられ密封されている。このように外気に曝されないように気密性が高く、脱ガス
の少ない保護フィルム（貼り合わせフィルム、紫外線硬化樹脂フィルム等）やカバー材で
パッケージング（封入）することが好ましい。
【０１９３】
充填材４５１４としては窒素やアルゴンなどの不活性な気体の他に、紫外線硬化樹脂また
は熱硬化樹脂を用いることができ、ＰＶＣ（ポリビニルクロライド）、アクリル樹脂、ポ
リイミド、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ＰＶＢ（ポリビニルブチラル）またはＥＶＡ
（エチレンビニルアセテート）を用いることができる。例えば充填材として窒素を用いれ
ばよい。
【０１９４】
また、必要であれば、発光素子の射出面に偏光板、又は円偏光板（楕円偏光板を含む）、
位相差板（λ／４板、λ／２板）、カラーフィルタなどの光学フィルムを適宜設けてもよ
い。また、偏光板又は円偏光板に反射防止膜を設けてもよい。例えば、表面の凹凸により
反射光を拡散し、映り込みを低減できるアンチグレア処理を施すことができる。
【０１９５】
また、表示装置として、電子インクを駆動させる電子ペーパーを提供することも可能であ
る。電子ペーパーは、電気泳動表示装置（電気泳動ディスプレイ）とも呼ばれており、紙
と同じ読みやすさ、他の表示装置に比べ低消費電力、薄くて軽い形状とすることが可能と
いう利点を有している。
【０１９６】
電気泳動表示装置は、様々な形態が考えられ得るが、プラスの電荷を有する第１の粒子と
、マイナスの電荷を有する第２の粒子とを含むマイクロカプセルが溶媒または溶質に複数
分散されたものであり、マイクロカプセルに電界を印加することによって、マイクロカプ
セル中の粒子を互いに反対方向に移動させて一方側に集合した粒子の色のみを表示するも
のである。なお、第１の粒子または第２の粒子は染料を含み、電界がない場合において移
動しないものである。また、第１の粒子の色と第２の粒子の色は異なるもの（無色を含む
）とする。
【０１９７】
このように、電気泳動表示装置は、誘電定数の高い物質が高い電界領域に移動する、いわ
ゆる誘電泳動的効果を利用したディスプレイである。
【０１９８】
上記マイクロカプセルを溶媒中に分散させたものが電子インクと呼ばれるものであり、こ
の電子インクはガラス、プラスチック、布、紙などの表面に印刷することができる。また
、カラーフィルタや色素を有する粒子を用いることによってカラー表示も可能である。
【０１９９】
なお、マイクロカプセル中の第１の粒子および第２の粒子は、導電体材料、絶縁体材料、
半導体材料、磁性材料、液晶材料、強誘電性材料、エレクトロルミネセント材料、エレク
トロクロミック材料、磁気泳動材料から選ばれた一種の材料、またはこれらの複合材料を
用いればよい。
【０２００】
また、電子ペーパーとして、ツイストボール表示方式を用いる表示装置も適用することが
できる。ツイストボール表示方式とは、白と黒に塗り分けられた球形粒子を表示素子に用
いる電極層である第１の電極層及び第２の電極層の間に配置し、第１の電極層及び第２の
電極層に電位差を生じさせて球形粒子の向きを制御することにより、表示を行う方法であ
る。
【０２０１】
図１０に、半導体装置の一形態としてアクティブマトリクス型の電子ペーパーを示す。図
１０の電子ペーパーは、ツイストボール表示方式を用いた表示装置の例である。
【０２０２】
トランジスタ４０１０と接続する第１の電極層４０３０と、第２の基板４００６に設けら
れた第２の電極層４０３１との間には黒色領域４６１５ａ及び白色領域４６１５ｂを有し
、周りに液体で満たされているキャビティ４６１２を含む球形粒子４６１３が設けられて
おり、球形粒子４６１３の周囲は樹脂等の充填材４６１４で充填されている。第２の電極
層４０３１が共通電極（対向電極）に相当する。第２の電極層４０３１は、共通電位線と
電気的に接続される。
【０２０３】
なお、図８乃至図１０において、第１の基板４００１、第２の基板４００６としては、ガ
ラス基板の他、可撓性を有する基板も用いることができ、例えば透光性を有するプラスチ
ック基板などを用いることができる。プラスチックとしては、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒｇｌａ
ｓｓ−Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ）板、ＰＶＦ（ポリビニルフルオライド
）フィルム、ポリエステルフィルムまたはアクリル樹脂フィルムを用いることができる。
また、アルミニウムホイルをＰＶＦフィルムやポリエステルフィルムで挟んだ構造のシー
トを用いることもできる。
【０２０４】
絶縁層４０２１は、無機絶縁材料又は有機絶縁材料を用いて形成することができる。なお
、アクリル樹脂、ポリイミド、ベンゾシクロブテン樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂等の
、耐熱性を有する有機絶縁材料を用いると、平坦化絶縁膜として好適である。また上記有
機絶縁材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リン
ガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用いることができる。なお、これらの材料
で形成される絶縁膜を複数積層させることで、絶縁層を形成してもよい。
【０２０５】
絶縁層４０２１の形成法は、特に限定されず、その材料に応じて、スパッタリング法、ス
ピンコート法、ディッピング法、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法、スクリ
ーン印刷、オフセット印刷等）、ロールコーティング、カーテンコーティング、ナイフコ
ーティング等を用いることができる。
【０２０６】
表示装置は光源又は表示素子からの光を透過させて表示を行う。よって光が透過する画素
部に設けられる基板、絶縁膜、導電膜などの薄膜はすべて可視光の波長領域の光に対して
透光性とする。
【０２０７】
表示素子に電圧を印加する第１の電極層４０３０及び第２の電極層４０３１（画素電極層
、共通電極層、対向電極層などともいう）においては、取り出す光の方向、電極層が設け
られる場所、及び電極層のパターン構造によって透光性、反射性を選択すればよい。
【０２０８】
第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１は、酸化タングステンを含むインジウム酸
化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化
物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、インジウム
亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有する導電性材料
を用いることができる。
【０２０９】
また、第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１はタングステン（Ｗ）、モリブデン
（Ｍｏ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎ
ｂ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタ
ン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）等の金属、
又はその合金、若しくはその窒化物から一つ、又は複数種を用いて形成することができる
。
【０２１０】
また、第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１として、導電性高分子（導電性ポリ
マーともいう）を含む導電性組成物を用いて形成することができる。導電性高分子として
は、いわゆるπ電子共役系導電性高分子を用いることができる。例えば、ポリアニリンま
たはその誘導体、ポリピロールまたはその誘導体、ポリチオフェンまたはその誘導体、若
しくはアニリン、ピロールおよびチオフェンの２種以上からなる共重合体若しくはその誘
導体等が挙げられる。
【０２１１】
また、トランジスタは静電気などにより破壊されやすいため、駆動回路保護用の保護回路
を設けることが好ましい。保護回路は、非線形素子を用いて構成することが好ましい。
【０２１２】
以上のように実施の形態１で例示したトランジスタを適用することで、信頼性の高い半導
体装置を提供することができる。なお、実施の形態１で例示したトランジスタは上述の表
示機能を有する半導体装置のみでなく、電源回路に搭載されるパワーデバイス、ＬＳＩ等
の半導体集積回路、対象物の情報を読み取るイメージセンサ機能を有する半導体装置など
様々な機能を有する半導体装置に適用することが可能である。
【０２１３】
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能
である。
【０２１４】
（実施の形態３）
本明細書に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器（遊技機も含む）に適用すること
ができる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置（テレビ、またはテレビジョン
受信機ともいう）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメ
ラ等のカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう
）、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機など
が挙げられる。上記実施の形態で説明した液晶表示装置を具備する電子機器の例について
説明する。
【０２１５】
図１１（Ａ）は、ノート型のパーソナルコンピュータであり、本体３００１、筐体３００
２、表示部３００３、キーボード３００４などによって構成されている。実施の形態１ま
たは２で示した半導体装置を適用することにより、信頼性の高いノート型のパーソナルコ
ンピュータとすることができる。
【０２１６】
図１１（Ｂ）は、携帯情報端末（ＰＤＡ）であり、本体３０２１には表示部３０２３と、
外部インターフェイス３０２５と、操作ボタン３０２４等が設けられている。また操作用
の付属品としてスタイラス３０２２がある。実施の形態１または２で示した半導体装置を
適用することにより、より信頼性の高い携帯情報端末（ＰＤＡ）とすることができる。
【０２１７】
図１１（Ｃ）は、電子書籍の一例を示している。例えば、電子書籍２７００は、筐体２７
０１および筐体２７０３の２つの筐体で構成されている。筐体２７０１および筐体２７０
３は、軸部２７１１により一体とされており、該軸部２７１１を軸として開閉動作を行う
ことができる。このような構成により、紙の書籍のような動作を行うことが可能となる。
【０２１８】
筐体２７０１には表示部２７０５が組み込まれ、筐体２７０３には表示部２７０７が組み
込まれている。表示部２７０５および表示部２７０７は、続き画面を表示する構成として
もよいし、異なる画面を表示する構成としてもよい。異なる画面を表示する構成とするこ
とで、例えば右側の表示部（図１１（Ｃ）では表示部２７０５）に文章を表示し、左側の
表示部（図１１（Ｃ）では表示部２７０７）に画像を表示することができる。実施の形態
１または２で示した半導体装置を適用することにより、信頼性の高い電子書籍２７００と
することができる。
【０２１９】
また、図１１（Ｃ）では、筐体２７０１に操作部などを備えた例を示している。例えば、
筐体２７０１において、電源２７２１、操作キー２７２３、スピーカー２７２５などを備
えている。操作キー２７２３により、頁を送ることができる。なお、筐体の表示部と同一
面にキーボードやポインティングデバイスなどを備える構成としてもよい。また、筐体の
裏面や側面に、外部接続用端子（イヤホン端子、ＵＳＢ端子など）、記録媒体挿入部など
を備える構成としてもよい。さらに、電子書籍２７００は、電子辞書としての機能を持た
せた構成としてもよい。
【０２２０】
また、電子書籍２７００は、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。無線により、
電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とすること
も可能である。
【０２２１】
図１１（Ｄ）は、携帯電話であり、筐体２８００及び筐体２８０１の二つの筐体で構成さ
れている。筐体２８０１には、表示パネル２８０２、スピーカー２８０３、マイクロフォ
ン２８０４、ポインティングデバイス２８０６、カメラ用レンズ２８０７、外部接続端子
２８０８などを備えている。また、筐体２８００には、携帯型情報端末の充電を行う太陽
電池セル２８１０、外部メモリスロット２８１１などを備えている。また、アンテナは筐
体２８０１内部に内蔵されている。実施の形態１または２で示した半導体装置を適用する
ことにより、信頼性の高い携帯電話とすることができる。
【０２２２】
また、表示パネル２８０２はタッチパネルを備えており、図１１（Ｄ）には映像表示され
ている複数の操作キー２８０５を点線で示している。なお、太陽電池セル２８１０で出力
される電圧を各回路に必要な電圧に昇圧するための昇圧回路も実装している。
【０２２３】
表示パネル２８０２は、使用形態に応じて表示の方向が適宜変化する。また、表示パネル
２８０２と同一面上にカメラ用レンズ２８０７を備えているため、テレビ電話が可能であ
る。スピーカー２８０３及びマイクロフォン２８０４は音声通話に限らず、テレビ電話、
録音、再生などが可能である。さらに、筐体２８００と筐体２８０１は、スライドし、図
１１（Ｄ）のように展開している状態から重なり合った状態とすることができ、携帯に適
した小型化が可能である。
【０２２４】
外部接続端子２８０８はＡＣアダプタ及びＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能
であり、充電及びパーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能である。また、外部
メモリスロット２８１１に記録媒体を挿入し、より大量のデータ保存及び移動に対応でき
る。
【０２２５】
また、上記機能に加えて、赤外線通信機能、テレビ受信機能などを備えたものであっても
よい。
【０２２６】
図１１（Ｅ）は、デジタルビデオカメラであり、本体３０５１、表示部（Ａ）３０５７、
接眼部３０５３、操作スイッチ３０５４、表示部（Ｂ）３０５５、バッテリー３０５６な
どによって構成されている。実施の形態１または２で示した半導体装置を適用することに
より、信頼性の高いデジタルビデオカメラとすることができる。
【０２２７】
図１１（Ｆ）は、テレビジョン装置の一例を示している。テレビジョン装置９６００は、
筐体９６０１に表示部９６０３が組み込まれている。表示部９６０３により、映像を表示
することが可能である。また、ここでは、スタンド９６０５により筐体９６０１を支持し
た構成を示している。実施の形態１または２で示した半導体装置を適用することにより、
信頼性の高いテレビジョン装置９６００とすることができる。
【０２２８】
テレビジョン装置９６００の操作は、筐体９６０１が備える操作スイッチや、別体のリモ
コン操作機により行うことができる。また、リモコン操作機に、当該リモコン操作機から
出力する情報を表示する表示部を設ける構成としてもよい。
【０２２９】
なお、テレビジョン装置９６００は、受信機やモデムなどを備えた構成とする。受信機に
より一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線または無線に
よる通信ネットワークに接続することにより、一方向（送信者から受信者）または双方向
（送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など）の情報通信を行うことも可能である。
【０２３０】
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能
である。
【符号の説明】
【０２３１】
３１０    トランジスタ
３２０    トランジスタ
３３０    トランジスタ
３４０    トランジスタ
３５０    トランジスタ
３６０    トランジスタ
３７０    トランジスタ
３８０    トランジスタ
３９０    トランジスタ
４００    基板
４０１    ゲート電極
４０２    第１の金属酸化物膜
４０３    酸化物半導体膜
４０４    第２の金属酸化物膜
４０５ａ    ソース電極
４０５ｂ    ドレイン電極
４０７    第３の金属酸化物膜
４０８    容量配線
４０９    第４の金属酸化物膜
４１０    導電層
４１１    金属酸化物膜
４１３    金属酸化物膜
４１４    ゲート電極
４１７    層間膜
４２０    導電層
４４１    基板
４４２    基板
４４３ａ    偏光板
４４３ｂ    偏光板
４４４    液晶層
４４６    電極
４４７    電極
４５０    遮光層
４５１    遮光層
４５２    層間膜
４５３    絶縁層
４５５    絶縁層
２７００    電子書籍
２７０１    筐体
２７０３    筐体
２７０５    表示部
２７０７    表示部
２７１１    軸部
２７２１    電源
２７２３    操作キー
２７２５    スピーカー
２８００    筐体
２８０１    筐体
２８０２    表示パネル
２８０３    スピーカー
２８０４    マイクロフォン
２８０５    操作キー
２８０６    ポインティングデバイス
２８０７    カメラ用レンズ
２８０８    外部接続端子
２８１０    太陽電池セル
２８１１    外部メモリスロット
３００１    本体
３００２    筐体
３００３    表示部
３００４    キーボード
３０２１    本体
３０２２    スタイラス
３０２３    表示部
３０２４    操作ボタン
３０２５    外部インターフェイス
３０５１    本体
３０５３    接眼部
３０５４    操作スイッチ
３０５５    表示部（Ｂ）
３０５６    バッテリー
３０５７    表示部（Ａ）
４００１    基板
４００２    画素部
４００３    信号線駆動回路
４００４    走査線駆動回路
４００５    シール材
４００６    基板
４００８    液晶層
４０１０    トランジスタ
４０１１    トランジスタ
４０１３    液晶素子
４０１５    接続端子電極
４０１６    端子電極
４０１８    ＦＰＣ
４０１９    異方性導電膜
４０２１    絶縁層
４０３０    電極層
４０３１    電極層
４０３２    絶縁膜
４５１０    隔壁
４５１１    電界発光層
４５１３    発光素子
４５１４    充填材
４６１２    キャビティ
４６１３    球形粒子
４６１４    充填材
４６１５ａ    黒色領域
４６１５ｂ    白色領域
９６００    テレビジョン装置
９６０１    筐体
９６０３    表示部
９６０５    スタンド
【図１】
2018186279.tif 000003
【図２】
2018186279.tif 000004
【図３】
2018186279.tif 000005
【図４】
2018186279.tif 000006
【図５】
2018186279.tif 000007
【図６】
2018186279.tif 000008
【図７】
2018186279.tif 000009
【図８】
2018186279.tif 000010
【図９】
2018186279.tif 000011
【図１０】
2018186279.tif 000012
【図１１】
2018186279.tif 000013
【図１２】
2018186279.tif 000014
【図１３】
2018186279.tif 000015
【図１４】
2018186279.tif 000016
【図１５】
2018186279.tif 000017