(57)【要約】【課題】結晶部を含む金属酸化物膜を提供する。物性の安定性の高い金属酸化物膜を提供する。電気特性が向上した金属酸化物膜を提供する。電界効果移動度を高められる金属酸化物膜を提供する。金属酸化物膜を適用した、信頼性の高い半導体装置を提供する。【解決手段】金属酸化物膜は、インジウム、Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）、及び亜鉛を含む。また膜面に垂直な方向におけるＸ線回折において、結晶構造に起因した回折強度のピークが観測される領域を有する。また膜面に垂直な断面における透過電子顕微鏡像において複数の結晶部が観察される。当該結晶部以外の領域の割合は、２０％以上６０％以下である。【選択図】図１１
2018006728.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インジウム、Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）、及び亜鉛を含む金属酸化物膜であって、
膜面に垂直な方向におけるＸ線回折において、結晶構造に起因した回折強度のピークが観測される領域を有し、
膜面に垂直な断面における透過電子顕微鏡像において複数の結晶部が観察され、
前記結晶部以外の領域の割合が、２０％以上６０％以下であることを特徴とする、
金属酸化物膜。
【請求項２】
請求項１において、
前記複数の結晶部は、膜厚方向にｃ軸が配向する結晶部の割合が、他の方向に配向する結晶部の割合よりも高い、
金属酸化物膜。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
断面のＴＥＭ像に対して高速フーリエ変換した第１の像に対して、周期性を示す範囲を残すマスク処理を施した後に逆フーリエ変換した第２の像において、元の像から残存した像を差し引いた面積の割合が、２０％以上６０％未満である領域を有する、
金属酸化物膜。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一において、
１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚さに薄片化し、プローブ径を５０ｎｍ以上とした断面に垂直な方向における電子線回折において、リング状の回折パターンと、前記リング状の回折パターンと重なる位置に２つの第１のスポットと、を有する第１の電子線回折パターンが観測され、且つプローブ径を０．３ｎｍ以上５ｎｍ以下とした電子線回折において、前記第１のスポットと、円周方向に分布する複数の第２のスポットと、を有する第２の電子線回折パターンが観測される領域を有する、
金属酸化物膜。
【請求項５】
請求項４において、
２つの前記第１のスポットは、中心に対して対称に観測され、
前記第１のスポットの最も輝度の高い点と、中心とを通る第１の直線と、膜面の法線方向との間の角度が０度以上１０度以下である領域を有する、
金属酸化物膜。
【請求項６】
請求項５において、
前記第１の電子線回折パターンにおいて、前記第１の直線と直交する第２の直線と前記リング状の回折パターンとの交点における、前記リング状の回折パターンの輝度が、前記第１のスポットの輝度よりも小さい領域を有する、
金属酸化物膜。
【請求項７】
請求項６において、
前記第１のスポットの輝度は、前記第２の直線と前記リング状の回折パターンとの交点における前記リング状の回折パターンの輝度に対して、１倍よりも大きく、９倍以下である領域を有する、
金属酸化物膜。
【請求項８】
半導体層と、ゲート絶縁層と、ゲートと、を有する半導体装置であって、
前記半導体層は、請求項１乃至請求項７のうちいずれか一に記載の金属酸化物膜を含む、
半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の一態様は、金属酸化物膜及びその作製方法に関する。本発明の一態様は、金属酸化物膜を用いた半導体装置に関する。
【０００２】
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し、トランジスタ、半導体回路などは半導体装置の一態様である。また演算装置、記憶装置、撮像装置、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含む場合がある。
【背景技術】
【０００３】
トランジスタに適用可能な半導体材料として、酸化物半導体が注目されている。例えば、特許文献１では、複数の酸化物半導体層を積層し、当該複数の酸化物半導体層の中で、チャネルとなる酸化物半導体層の組成がインジウム及びガリウムを含み、且つインジウムの組成をガリウムの組成よりも大きくすることで、電界効果移動度（単に移動度、またはμＦＥという場合がある）を高めた半導体装置が開示されている。
【０００４】
また、非特許文献１では、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する酸化物半導体は、Ｉｎ１−ｘＧａ１＋ｘＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｘは−１≦ｘ≦１を満たす数、ｍは自然数）で表されるホモロガス相を有することについて開示されている。また、非特許文献１では、ホモロガス相の固溶域（ｓｏｌｉｄ  ｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｒａｎｇｅ）について開示されている。例えば、ｍ＝１の場合のホモロガス相の固溶域は、ｘが−０．３３から０．０８の範囲であり、ｍ＝２の場合のホモロガス相の固溶域は、ｘが−０．６８から０．３２の範囲である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−７３９９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｍ．  Ｎａｋａｍｕｒａ，  Ｎ．  Ｋｉｍｉｚｕｋａ，  ａｎｄ  Ｔ．  Ｍｏｈｒｉ、「Ｔｈｅ  Ｐｈａｓｅ  Ｒｅｌａｔｉｏｎｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｉｎ２Ｏ３−Ｇａ２ＺｎＯ４−ＺｎＯ  Ｓｙｓｔｅｍ  ａｔ  １３５０℃」、Ｊ．  Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｃｈｅｍ．、１９９１、Ｖｏｌ．９３，  ｐｐ．２９８−３１５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の一態様は、結晶部を含む金属酸化物膜を提供することを課題の一とする。または、物性の安定性の高い金属酸化物膜を提供することを課題の一とする。または、電気特性が向上した金属酸化物膜を提供することを課題の一とする。または、電界効果移動度を高められる金属酸化物膜を提供することを課題の一とする。または、新規な金属酸化物膜を提供することを課題の一とする。または、金属酸化物膜を適用した、信頼性の高い半導体装置を提供することを課題の一とする。
【０００８】
また、本発明の一態様は、低温で形成可能で且つ物性の安定性の高い金属酸化物膜を提供することを課題の一とする。または、低温で形成可能で且つ信頼性の高い半導体装置を提供することを課題の一とする。
【０００９】
または、本発明の一態様は、金属酸化物膜が適用され、可撓性を有する装置を提供することを課題の一とする。
【００１０】
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から抽出することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様は、インジウム、Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）、及び亜鉛を含む金属酸化物膜である。また膜面に垂直な方向におけるＸ線回折において、結晶構造に起因した回折強度のピークが観測される領域を有する。また膜面に垂直な断面における透過電子顕微鏡像において複数の結晶部が観察される。当該結晶部以外の領域の割合は、２０％以上６０％以下、または２５％以上１００％未満である。
【００１２】
また、上記複数の結晶部は、膜厚方向にｃ軸が配向する結晶部の割合が、他の方向に配向する結晶部の割合よりも高いことが好ましい。
【００１３】
また、断面のＴＥＭ像に対して高速フーリエ変換した第１の像に対して、周期性を示す範囲を残すマスク処理を施した後に逆フーリエ変換した第２の像において、元の像から残存した像を差し引いた面積の割合が、２０％以上６０％未満、または２５％以上１００％未満である領域を有することが好ましい。
【００１４】
また、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚さに薄片化し、プローブ径を５０ｎｍ以上とした断面に垂直な方向における電子線回折において、リング状の回折パターンと、リング状の回折パターンと重なる位置に２つの第１のスポットと、を有する第１の電子線回折パターンが観測され、且つプローブ径を０．３ｎｍ以上５ｎｍ以下とした電子線回折において、第１のスポットと、円周方向に分布する複数の第２のスポットと、を有する第２の電子線回折パターンが観測される領域を有することが好ましい。
【００１５】
また、２つの第１のスポットは、中心に対して対称に観測され、第１のスポットの最も輝度の高い点と、中心とを通る第１の直線と、膜面の法線方向との間の角度が０度以上１０度以下である領域を有することが好ましい。
【００１６】
また、第１の電子線回折パターンにおいて、第１の直線と直交する第２の直線とリング状の回折パターンとの交点における、リング状の回折パターンの輝度が、第１のスポットの輝度よりも小さい領域を有することが好ましい。
【００１７】
また、第１のスポットの輝度は、第２の直線とリング状の回折パターンとの交点におけるリング状の回折パターンの輝度に対して、１倍よりも大きく、９倍以下である領域を有することが好ましい。
【００１８】
本発明の一態様は、インジウム、Ｍ（Ｍは、Ａｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）、及び亜鉛を含む金属酸化物膜である。また膜面に垂直な方向におけるＸ線回折において、結晶構造に起因した回折強度のピークが観測される領域を有する。さらに１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚さに薄片化し、プローブ径を５０ｎｍ以上とした断面に垂直な方向における電子線回折において、リング状の回折パターンと、リング状の回折パターンと重なる位置に２つの第１のスポットと、を有する第１の電子線回折パターンが観測され、且つプローブ径を０．３ｎｍ以上５ｎｍ以下とした電子線回折において、第１のスポットと、円周方向に分布する複数の第２のスポットと、を有する第２の電子線回折パターンが観測される領域を有する。
【００１９】
また、上記第１のスポットは、円周方向に広がった形状を有し、第１のスポットの円周方向の２つの端部のそれぞれと、電子線回折パターンの中心とを通る２つの直線の角度が、４５度以内であることが好ましい。
【００２０】
また、本発明の他の一態様は、半導体層と、ゲート絶縁層と、ゲートと、を有する半導体装置であって、半導体層は、上記金属酸化物膜を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の一態様によれば、結晶部を含む金属酸化物膜を提供できる。または、物性の安定性の高い金属酸化物膜を提供できる。または、新規な金属酸化物膜を提供できる。または、金属酸化物膜を適用した、信頼性の高い半導体装置を提供できる。
【００２２】
また、本発明の一態様によれば、低温で形成可能で且つ物性の安定性の高い金属酸化物膜を提供できる。または、低温で形成可能で且つ信頼性の高い半導体装置を提供できる。
【００２３】
または、本発明の一態様によれば、金属酸化物膜が適用され、可撓性を有する装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】金属酸化物膜のＸＲＤ測定結果。
【図２】金属酸化物膜の断面観察像。
【図３】金属酸化物膜の電子線回折パターン。
【図４】金属酸化物膜の電子線回折パターン。
【図５】金属酸化物膜の電子線回折パターン。
【図６】金属酸化物膜の電子線回折パターン。
【図７】金属酸化物膜の電子線回折パターンと、輝度のプロファイル。
【図８】金属酸化物膜の電子線回折パターンから見積もった相対輝度。
【図９】金属酸化物膜の電子線回折パターン。
【図１０】金属酸化物膜の結晶部の配向の揺らぎの測定結果。
【図１１】金属酸化物膜の断面観察像及び画像解析後の断面観察像。
【図１２】トランジスタの電気特性。
【図１３】金属酸化物膜のＴＤＳ測定結果。
【図１４】金属酸化物膜のＳＩＭＳ測定結果。
【図１５】過剰酸素の移動の計算に用いたモデル図。
【図１６】過剰酸素の移動の計算に用いたモデル図。
【図１７】過剰酸素の移動の計算に用いたモデル図。
【図１８】過剰酸素の移動の計算に用いたモデル図。
【図１９】過剰酸素の移動のしやすさを説明する計算結果。
【図２０】酸素欠損の移動の計算に用いたモデル図。
【図２１】酸素欠損の移動の計算に用いたモデル図。
【図２２】酸素欠損の移動のしやすさを説明する計算結果。
【図２３】金属酸化物膜のＥＳＲ測定結果。
【図２４】金属酸化物膜のＣＰＭ測定結果。
【図２５】Ｉｄ−Ｖｇ特性を示す図。
【図２６】Ｉｄ−Ｖｇ特性を示す図。
【図２７】界面準位の密度を示す図。
【図２８】Ｉｄ−Ｖｇ特性を示す図。
【図２９】トランジスタの欠陥準位の計算結果と、トランジスタの電気特性。
【図３０】トランジスタの電気特性。
【図３１】酸化物半導体膜の原子数比の範囲を説明する図。
【図３２】ＩｎＭＺｎＯ４の結晶を説明する図。
【図３３】酸化物半導体膜をチャネル領域に用いるトランジスタにおけるエネルギーバンドを説明する図。
【図３４】半導体装置を説明する上面図及び断面図。
【図３５】半導体装置を説明する上面図及び断面図。
【図３６】半導体装置を説明する断面図。
【図３７】半導体装置を説明する断面図。
【図３８】半導体装置を説明する断面図。
【図３９】半導体装置を説明する断面図。
【図４０】半導体装置を説明する断面図。
【図４１】半導体装置を説明する断面図。
【図４２】半導体装置を説明する断面図。
【図４３】半導体装置を説明する断面図。
【図４４】半導体装置を説明する断面図。
【図４５】バンド構造を説明する図。
【図４６】半導体装置を説明する上面図及び断面図。
【図４７】半導体装置を説明する上面図及び断面図。
【図４８】半導体装置を説明する上面図及び断面図。
【図４９】半導体装置を説明する上面図及び断面図。
【図５０】半導体装置を説明する断面図。
【図５１】半導体装置を説明する断面図。
【図５２】半導体装置を説明する上面図及び断面図。
【図５３】半導体装置の断面を説明する図。
【図５４】半導体装置の断面を説明する図。
【図５５】半導体装置の断面を説明する図。
【図５６】表示装置の一態様を示す上面図。
【図５７】表示装置の一態様を示す断面図。
【図５８】表示装置の一態様を示す断面図。
【図５９】表示装置の一態様を示す断面図。
【図６０】ＥＬ層の作製方法を説明する断面図。
【図６１】液滴吐出装置を説明する概念図。
【図６２】表示装置の一態様を示す断面図。
【図６３】表示装置の一態様を示す断面図。
【図６４】半導体装置の上面図及び断面を説明する図。
【図６５】半導体装置の断面を説明する図。
【図６６】表示装置を説明するブロック図及び回路図。
【図６７】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６８】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６９】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７０】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７１】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７２】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７３】本発明の一態様を説明するための回路図。
【図７４】本発明の一態様を説明するための回路図。
【図７５】表示モジュールを説明する図。
【図７６】電子機器を説明する図。
【図７７】電子機器を説明する図。
【図７８】表示装置を説明する斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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、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は当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下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。
【００２６】
なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。また、同様の機能を指す場合には、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。
【００２７】
なお、本明細書で説明する各図において、各構成の大きさ、層の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。
【００２８】
なお、本明細書等における「第１」、「第２」等の序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、数的に限定するものではない。
【００２９】
トランジスタは半導体素子の一種であり、電流や電圧の増幅や、導通または非導通を制御するスイッチング動作などを実現することができる。本明細書におけるトランジスタは、ＩＧＦＥＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を含む。
【００３０】
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、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」の用語は、入れ替えて用いることができるものとする。
【００３１】
本明細書等において、金属酸化物（ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅ）とは、広い表現での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体（透明酸化物導電体を含む）、酸化物半導体（Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒまたは単にＯＳともいう）などに分類される。例えば、トランジスタの活性層に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、ＯＳ  ＦＥＴと記載する場合においては、金属酸化物または酸化物半導体を有するトランジスタと換言することができる。
【００３２】
また、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物（ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅ）と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物（ｍｅｔａｌ  ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。
【００３３】
また、本明細書等において、ＣＡＡＣ（ｃ−ａｘｉｓ  ａｌｉｇｎｅｄ  ｃｒｙｓｔａｌ）、及びＣＡＣ（ｃｌｏｕｄ  ａｌｉｇｎｅｄ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と記載する場合がある。なお、ＣＡＡＣは結晶構造の一例を表し、ＣＡＣは機能、または材料の構成の一例を表す。
【００３４】
また、本明細書等において、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅとは、材料の一部では導電体の機能と、材料の一部では誘電体（または絶縁体）の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅを、トランジスタの活性層に用いる場合、導電体は、キャリアとなる電子（またはホール）を流す機能を有し、誘電体は、キャリアとなる電子を流さない機能を有する。導電体としての機能と、誘電体としての機能とを、それぞれ相補的に作用させることで、スイッチングさせる機能（Ｏｎ／Ｏｆｆさせる機能）をＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅに付与することができる。ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅにおいて、それぞれの機能を分離させることで、双方の機能を最大限に高めることができる。
【００３５】
また、本明細書等において、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅは、導電体領域、及び誘電体領域を有する。導電体領域は、上述の導電体の機能を有し、誘電体領域は、上述の誘電体の機能を有する。また、材料中において、導電体領域と、誘電体領域とは、ナノ粒子レベルで分離している場合がある。また、導電体領域と、誘電体領域とは、それぞれ材料中に偏在する場合がある。また、導電体領域は、周辺がぼけてクラウド状に連結して観察される場合がある。
【００３６】
すなわち、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅは、マトリックス複合材（ｍａｔｒｉｘ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）、または金属マトリックス複合材（ｍｅｔａｌ  ｍａｔｒｉｘ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と呼称することもできる。
【００３７】
また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅにおいて、導電体領域と、誘電体領域とは、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下のサイズで材料中に分散している場合がある。
【００３８】
（実施の形態１）
本発明の一態様は、２種類の結晶部を含む金属酸化物膜である。結晶部の一（第１の結晶部ともいう）は、膜の厚さ方向（膜面方向、膜の被形成面、または膜の表面に垂直な方向ともいう）に配向性を有する結晶部である。結晶部の他の一（第２の結晶部ともいう）は、特定の配向性を有さずに様々な向きに配向する結晶部である。本発明の一態様の金属酸化物膜には、このような２種類の結晶部が混在して含まれている。
【００３９】
なおここでは説明を容易にするために、特定の配向性を有する結晶部を第１の結晶部、配向性を有さない結晶部を第２の結晶部と分けて説明しているが、これらは結晶性や結晶の大きさなどに違いがなく区別できない場合がある。そのため、本発明の一態様の金属酸化物膜はこれらを区別せずに表現することもできる。すなわち、本発明の一態様の金属酸化物膜は、複数の結晶部を有し、そのうち、膜の表面に垂直な方向に配向性を有する結晶部が、他の方向に配向する結晶部よりも多く存在する膜とも言い換えることができる。
【００４０】
第１の結晶部は、特定の結晶面が膜の厚さ方向に対して配向性を有する。そのため、このような第１の結晶部を含む金属酸化物膜について、膜の上面に概略垂直な方向に対するＸ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）測定を行うと、所定の回折角（２θ）に当該第１の結晶部に由来する回折ピークが確認される。なお回折ピークの高さ（強度）は、膜中に含まれる第１の結晶部の存在割合が高いほど大きくなり、膜の結晶性を推し量る指標にもなりえる。
【００４１】
本発明の一態様の金属酸化物膜は、その膜厚方向の断面における透過電子顕微鏡による観察像において、複数の結晶部が観察される。またその複数の結晶部のうち、ｃ軸に垂直な結晶面が膜の厚さ方向に配向する第１の結晶部が、他の向きに配向する結晶部よりも多く観察される。
【００４２】
また、金属酸化物膜における、透過電子顕微鏡により観察される結晶部を除く領域が、２０％以上１００％未満、好ましくは２０％以上８０％以下、より好ましくは２０％以上６０％以下であることが好ましい。または、透過電子顕微鏡により観察される、ｃ軸が膜の厚さ方向に配向する第１の結晶部を除く領域が、２０％以上６０％以下、好ましくは３０％以上５０％以下であることが好ましい。このような割合で金属酸化物膜中に明瞭な結晶部以外の領域が存在することで、金属酸化物膜の酸素透過性を向上させることができる。そのため、金属酸化物膜に酸素を供給する処理を施した際の、酸素欠損の低減効果を高めることができる。したがって、このような金属酸化物膜をトランジスタなどの半導体装置に適用することで、極めて信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００４３】
また、配向性を有する第１の結晶部と配向性を有さない第２の結晶部が混在した金属酸化物膜を適用したトランジスタは、配向性を有する第１の結晶部の存在割合が極めて高い（例えば７５％、または８０％より大きい）金属酸化物膜を適用したトランジスタと比較して、特にゲート電圧が低い条件での電界効果移動度を高くできる。そのためデバイスの駆動電圧を低電圧化できる、高周波駆動が容易となる、などの特徴がある。また、このような金属酸化物膜は、結晶性の極めて高い金属酸化物膜に比べて電流の流れやすさの異方性が低減されるため、半導体装置に適用した際に、電気特性のばらつきを低減することができる。
【００４４】
また、本発明の一態様の金属酸化物膜は、膜の断面に垂直な方向に対する電子線回折測定を行うと、第１の結晶部に起因する電子線回折パターンと、第２の結晶部に起因する電子線回折パターンとが混在した回折パターンが得られる。
【００４５】
第１の結晶部に起因する電子線回折パターンは、結晶性に由来する明確なスポットが確認される。また当該スポットは、膜の厚さ方向に対して配向性を有する。
【００４６】
一方、第２の結晶部は、あらゆる向きに無秩序に配向するように、膜中に存在する結晶部である。そのため電子線回折に用いる電子ビームの径（プローブ径）、すなわち観察する領域の面積によって、以下のように異なる像が確認される。
【００４７】
電子ビームの径（プローブ径）を十分に大きくした条件（例えば２５ｎｍΦ以上、または５０ｎｍΦ以上）の電子線回折（制限視野電子線回折（ＳＡＥＤ：Ｓｅｌｅｃｔｅｄ  Ａｒｅａ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）ともいう）像ではリング状のパターンが確認される。また当該リング状のパターンは、動径方向に輝度の分布を有する場合がある。制限視野電子線回折は、電子線回折の一つであり、照射領域を絞って微小領域に平行電子線を照射するものである。
【００４８】
一方、電子ビームの径（プローブ径）を十分に小さくした条件（例えば０．３ｎｍ以上且つ１０ｎｍΦ以下または５ｎｍ以下）の電子線回折（ナノビーム電子回折、ＮＢＥＤ：Ｎａｎｏ  Ｂｅａｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎともいう）像では、制限視野電子線回折パターンで見られたリング状のパターンの位置に、円周方向（θ方向ともいう）に分布した複数のスポットが確認される。すなわち、制限視野電子線回折パターンにおいてみられる上記リング状のパターンは、当該スポットの集合体により形成されていることが確認できる。ナノビーム電子回折は、電子線回折の中でも収束電子線回折の一つであり、電子ビームを収束させて試料に照射するものである。
【００４９】
本発明の一態様の金属酸化物膜は、断面の制限視野電子線回折パターンにおいて、第１の結晶部に由来する第１のスポットと、第２の結晶部に由来するリング状のパターンが混在した回折パターンが確認される。また金属酸化物膜は、断面のナノビーム電子回折パターンにおいて、第１の結晶部に由来する第１のスポットと、第２の結晶部に由来し、円周方向に沿って散在した複数の第２のスポットが混在した回折パターンが確認される。
【００５０】
また金属酸化物膜の制限視野電子線回折パターンにおいて、第１のスポットと、リングとは動径方向において重なって位置する。またナノビーム電子回折パターンにおいて、第１のスポットと、第２のスポットとは動径方向において重なって位置する。
【００５１】
また、第１の結晶部に由来する第１のスポットは、結晶のｃ軸に垂直な結晶面に由来する回折スポットである。結晶構造がｃ軸に垂直な方向に２回対称性を有する場合、第１のスポットは電子線回折パターンの中心に対して対称に２つ観測される。なお電子線回折パターンには、この第１のスポット以外にも、ｃ軸に垂直な結晶面に由来する他のスポット、及びｃ軸に垂直な結晶面以外の結晶面に由来する回折スポットが観察される場合もある。
【００５２】
また、リングと第１のスポットとが動径方向において重なる場合、リングを構成する複数の第２のスポットは、それぞれ異なる向きに配向する結晶部の、ｃ軸に垂直な結晶面に由来する回折スポットであると理解できる。
【００５３】
また、金属酸化物膜の制限視野電子線回折パターンにおいて、径の異なる２つのリング状のパターン（内側から第１のリング、第２のリングとする）が観察される場合がある。このとき、第１の結晶部に由来する第１のスポットは、内側に位置するリング（第１のリング）と重なって位置する。また、第２のリングと重なる位置に、第１の結晶部に由来する他のスポットが観察される場合もある。
【００５４】
ここで、金属酸化物膜中における、配向性を有する第１の結晶部の存在割合が高い場合、得られる電子線回折パターンはより異方性の高いパターンが支配的となる。例えば、制限視野電子線回折パターンにおいて、第１の結晶部に由来する第１のスポットの輝度に対して、第１のリング及び第２のリングの輝度が相対的に低くなる。またこのとき、外側に位置する第２のリングと重なる位置に、第１の結晶部に由来する異なるスポット（第３のスポット）が観察される場合もある。ここで第３のスポットと第２のリングとは、動径方向において重なるため、それぞれ同じ結晶面からの回折に由来すると推察できる。
【００５５】
ここで、ナノビーム電子回折パターンにおける第２の結晶部に起因した第２のスポットの輝度（回折強度）は、上記第１の結晶部に起因する第１のスポットの輝度よりも小さい。この輝度の差は、金属酸化物膜中の第１の結晶部の存在割合が高いほど大きくなり、金属酸化物膜の結晶性を推し量る指標にもなる。例えば第１のスポットの輝度が第２のスポットの輝度に対して、１倍よりも大きく以上１０倍以下、好ましくは１倍よりも大きく９倍以下、より好ましくは１倍よりも大きく８倍以下、さらに好ましくは１．５倍以上６倍未満、さらに好ましくは２倍以上４倍未満であることが好ましい。
【００５６】
本発明の一態様の金属酸化物膜は、インジウム、Ｍ（Ｍは、Ａｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）、及び亜鉛を含む酸化物膜である。このような酸化物膜はｃ軸に沿って層状構造を有する結晶構造を取るという特徴を有する。またこのような酸化物膜は、半導体特性を備える特徴を有する。
【００５７】
本発明の一態様の金属酸化物膜は、トランジスタのチャネルが形成される半導体に適用することができる。
【００５８】
配向性を有する第１の結晶部と配向性を有さない第２の結晶部が混在した金属酸化物膜を適用したトランジスタは、配向性を有さない第２の結晶部のみで構成される金属酸化物膜を適用したトランジスタと比較して、電気特性の安定性を高くできる、チャネル長を微細にすることが容易となる、などの特徴がある。
【００５９】
以下では、より具体的な例を示しながら本発明の一態様について説明する。
【００６０】
［金属酸化物］
本発明の一態様の金属酸化物膜は、インジウム（Ｉｎ）と、Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、亜鉛（Ｚｎ）と、を有する。特に、Ｍはガリウム（Ｇａ）であると好ましい。
【００６１】
金属酸化物膜がＩｎを有すると、例えばキャリア移動度（電子移動度）が高くなる。また、金属酸化物膜がＧａを有すると、例えば金属酸化物膜のエネルギーギャップ（Ｅｇ）が大きくなる。なお、Ｇａは、酸素との結合エネルギーが高い元素であり、酸素との結合エネルギーがＩｎよりも高い。また、金属酸化物膜がＺｎを有すると、金属酸化物膜の結晶化が起こり易い。
【００６２】
なお、本発明の一態様の金属酸化物膜としては、単一相、特にホモロガス相を示す結晶構造を有すると好適である。例えば、金属酸化物膜を、Ｉｎ１＋ｘＭ１−ｘＯ３（ＺｎＯ）ｙ（ｘは０＜ｘ＜０．５を満たす数、ｙは１近傍を表す。）構造の組成とし、ＭよりもＩｎの含有率を多くすることで、金属酸化物膜のキャリア移動度（電子移動度）を高くすることができる。
【００６３】
特に、本発明の一態様の金属酸化物膜は、Ｉｎ１＋ｘＭ１−ｘＯ３（ＺｎＯ）ｙ（ｘは０＜ｘ＜０．５を満たす数、ｙは１近傍を表す。）構造の中でも、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１．３３：０．６７：１（概ねＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：３）近傍の組成とすることが好ましい。このような組成の金属酸化物膜は、高いキャリア移動度と、高い膜の安定性を兼ね備えることができる。
【００６４】
なお、金属酸化物膜の組成はこれに限られず、層状の結晶構造を取り得る組成であればよい。
【００６５】
なお、本明細書等において、近傍とは、ある金属原子の原子数比に対して、プラス・マイナス１以内、さらに好ましくはプラス・マイナス０．５以内の範囲とすればよい。例えば、酸化物半導体膜の組成がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３であり、Ｉｎが４の場合、Ｇａが１以上３以下（１≦Ｇａ≦３）であり、且つＺｎが２以上４以下（２≦Ｚｎ≦４）、好ましくはＧａが１．５以上２．５以下（１．５≦Ｇａ≦２．５）であり、且つＺｎが２以上４以下（２≦Ｚｎ≦４）であればよい。
【００６６】
［金属酸化物膜の形成］
以下では、条件の異なる３つの金属酸化物膜が形成された試料を作製した。まず、試料１乃至試料４の作製方法について、説明する。
【００６７】
〔試料１〕
試料１は、ガラス基板上に厚さ約１００ｎｍのインジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する金属酸化物膜が成膜された試料である。試料１の金属酸化物膜は、基板を１３０℃に加熱し、流量１８０ｓｃｃｍのアルゴンガスと流量２０ｓｃｃｍの酸素ガスとをスパッタリング装置のチャンバー内に導入し、圧力を０．６Ｐａとし、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）に、２．５ｋｗの交流電力を印加することで形成した。上述のガス流量比は、全体のガス流量に対する酸素流量の割合から、酸素流量比と記載する場合がある。このとき、試料１の作製条件における酸素流量比は１０％である。
【００６８】
〔試料２〕
試料２は、ガラス基板上に厚さ約１００ｎｍの金属酸化物膜が成膜された試料である。試料２の金属酸化物膜は、基板を１７０℃に加熱し、基板温度以外の条件は試料１と同様の条件で形成した。試料２の作製条件における酸素流量比は１０％である。
【００６９】
〔試料３〕
試料３は、ガラス基板上に厚さ約１００ｎｍの金属酸化物膜が成膜された試料である。試料３の金属酸化物膜は、基板を１７０℃に加熱し、流量１４０ｓｃｃｍのアルゴンガスと、流量６０ｓｃｃｍの酸素ガスとをスパッタリング装置のチャンバー内に導入し、基板温度とガス流量比以外は試料１と同様の条件で形成した。試料３の作製条件における酸素流量比は３０％である。
【００７０】
〔試料４〕
試料４は、ガラス基板上に厚さ約１００ｎｍの金属酸化物が成膜された試料である。試料４の金属酸化物膜は、基板を加熱せずに、流量２０ｓｃｃｍのアルゴンガスと流量１０ｓｃｃｍの酸素ガスとをスパッタリング装置のチャンバー内に導入し、圧力を０．４Ｐａとし、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］）に、０．２ｋｗの交流電力を印加することで形成した。試料４の作製条件における酸素流量比は３３％である。
【００７１】
［Ｘ線回折測定］
図１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に、試料１乃至試料３についてＸＲＤ測定を行った結果を示す。ここでは、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法の一種である粉末法（θ−２θ法ともいう。）を用いて測定した。θー２θ法は、Ｘ線の入射角を変化させるとともに、Ｘ線源に対向して設けられる検出器の角度を入射角と同じにしてＸ線回折強度を測定する方法である。なお、Ｘ線を膜表面から約０．４０°の角度から入射し、検出器の角度を変化させてＸ線回折強度を測定するｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法の一種であるＧＩＸＲＤ（Ｇｒａｚｉｎｇ−Ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ  ＸＲＤ）法（薄膜法またはＳｅｅｍａｎｎ−Ｂｏｈｌｉｎ法ともいう。）を用いてもよい。図１の各図における横軸は角度２θであり、縦軸は回折強度を任意単位で示している。
【００７２】
図１の各図に示すように、いずれの試料においても２θ＝３１°付近に回折強度のピークが確認された。またピーク強度は試料３、試料２、試料１の順で高い結果となった。
【００７３】
回折強度のピークがみられた回折角（２θ＝３１°付近）は、単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４の構造モデルにおける（００９）面の回折角と一致する。したがってこのピークが観測されることから、いずれの試料においてもｃ軸が膜厚方向に配向する結晶部（以下、配向性を有する結晶部、または第１の結晶部ともいう）が含まれていることが確認できる。また強度の比較から、配向性を有する結晶部の存在割合が、試料３、試料２、試料１の順で高いことがわかる。
【００７４】
この結果から、成膜時の基板温度が高いほど、また酸素流量比が大きいほど、配向性を有する結晶部の存在割合が高くなる傾向が確認できた。
【００７５】
［断面観察］
図２（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ試料１乃至試料３における、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）像である。
【００７６】
試料２及び試料３では、原子が膜厚方向に層状に配列している結晶部が観察される。また試料２よりも試料３の方が、より膜厚方向に配向している領域の割合が多いように見える。一方試料１では、原子が周期的に配列する領域はあるものの、膜厚方向へ配向している結晶部の割合は、試料２及び試料３に比べると多くない。
【００７７】
［電子線回折］
続いて、試料１乃至試料４について、電子線回折測定を行った結果について説明する。電子線回折測定は、試料の断面に対して電子線を垂直に入射したときの電子線回折パターンを取得した。また電子線はビーム径が１ｎｍから１００ｎｍまで変化させて測定した。また試料の厚さは約５０ｎｍとした。
【００７８】
以降で、各試料における電子線回折パターンを示すが、ここで示す電子線回折パターンは、明瞭化のために、回折パターンが明瞭になるようにコントラストを調整した画像データである。また、以降に示す回折パターンの輝度解析においては、図に示すコントラストを調整した画像データではなく、調整をしていない画像データを用いている。
【００７９】
ここで、電子線回折に用いる試料の厚さについて説明する。電子線回折において、入射する電子線の径だけでなく、試料の厚さが厚いほど、電子線回折パターンには、その奥行き方向の情報が現れることとなる。そのため、電子線の径（プローブ径）を小さくするだけでなく、試料を薄くすることで、より局所的な領域の情報を得ることができる。一方で、試料が薄すぎる場合、例えば５ｎｍ以下の厚さの場合には、極微細な領域の情報しか得られないため、その領域に極微細な結晶が存在していた場合には、得られる電子線回折パターンは、単結晶のものと同様のパターンとなる場合がある。極微細な領域を解析する目的でない場合には、試料の厚さは、例えば１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、代表的には１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００８０】
〔試料１〕
図３（Ａ）、（Ｂ）に試料１の電子線回折パターンを示す。図３（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、ビーム径を１００ｎｍ、１ｎｍとしたときの電子線回折パターンである。図３（Ａ）、（Ｂ）において、中央の最も明るい輝点は入射される電子線ビームによるものであり、電子線回折パターンの中心（ダイレクトスポットともいう）である。
【００８１】
図３（Ａ）において、半径の異なる２つのリング状の回折パターンが確認できる。ここで、径の小さいほうから第１のリング、第２のリングと呼ぶこととする。第２のリングに比べて、第１のリングの方が輝度が高いことが確認できる。また、第１のリングと重なる位置に、矢印で示す２つのスポット（第１のスポット）が確認される。
【００８２】
第１のリング及び２つの第１のスポットの中心からの動径方向の距離は、単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４の構造モデルにおける（００９）面の回折スポットの中心からの動径方向の距離とほぼ一致する。
【００８３】
リング状の回折パターンが見られていることから、金属酸化物膜中には、あらゆる向きに配向している結晶部（以下、配向性を有さない結晶部、または第２の結晶部ともいう）が存在することが確認できる。
【００８４】
また２つの第１のスポットは、電子線回折パターンの中心点に対して対称に配置され、輝度が同程度であることから、この第１のスポットに由来する結晶部は２回対称性を有することが推察される。また上述のように、２つの第１のスポットはｃ軸に垂直な結晶面による回折スポットであることから、２つの第１のスポットと中心を結ぶ直線（破線で示す直線）の方向が、結晶部のｃ軸の向きと一致する。図３（Ａ）において上下方向が膜厚方向であることから、金属酸化物膜中には、ｃ軸が膜厚方向に配向する結晶部が存在していることが分かる。
【００８５】
続いて図３（Ｂ）では、図３（Ａ）で見られていた第１のリングの位置に、円周状に分布した複数のスポット（第２のスポット）が確認できる。さらに、２つの第１のスポットも確認できる。
【００８６】
図３（Ｂ）に示すように、入射する電子ビームの径を極めて小さくした場合に、円周状に分布した複数の第２のスポットがみられることから、金属酸化物膜は、極めて微小で且つ面方位があらゆる向きに配向した複数の結晶部が混在していることが分かる。そして、図３（Ａ）で見られていた第１のリングは、観察領域が広くなることで、この微細な結晶部からの複数の回折スポットが連なり、輝度が平均化された結果であることが理解できる。
【００８７】
このように、試料１の金属酸化物膜は、配向性を有する結晶部と、配向性を持たない結晶部とが混在している膜であることが確認できる。また配向性を有する結晶部からの第１のスポットの輝度が、第２のスポットの輝度よりも高いことから、膜中に存在する結晶部のうち、配向性を有する結晶部の存在割合が高いことが確認できる。
【００８８】
〔試料２、３〕
図４（Ａ）、（Ｂ）に試料２の電子線回折パターンを、図４（Ｃ）、（Ｄ）に試料３の電子線回折パターンをそれぞれ示す。図４（Ａ）、（Ｃ）はそれぞれビーム径を１００ｎｍとしたものであり、図４（Ｂ）、（Ｄ）はそれぞれビーム径を１ｎｍとしたものである。
【００８９】
図４（Ａ）、（Ｃ）に示すように、試料２及び試料３において、試料１よりも明瞭に配向性を有する結晶部に由来する２つの第１のスポットが確認できる。当該スポットの輝度は、試料３、試料２、試料１の順で明るくなっており、配向性を有する結晶部の存在割合が、この順で高いことが示唆される。
【００９０】
また図４（Ａ）、（Ｃ）に示すように、試料２及び試料３では、第２のリングと重なる位置に、第１のスポットより暗い２つのスポット（第３のスポット）が確認される。なお図３（Ａ）に示すように試料１では、この第３のスポットは第２のリングと区別がつかない輝度である。２つの第３のスポットは、第１のスポットに対して９０度回転させた向きに位置している。この第３のスポットは、ｃ軸に垂直な結晶面以外の面に由来する回折スポットである。
【００９１】
また、図４（Ｃ）において、破線で囲った箇所では、第１のスポットに対して３０度回転させた位置、及び６０度回転させた位置にも、輝度の高い領域が確認されている。このように、試料３は第１のスポット以外の回折スポットが明瞭に観察されるほど、配向性を有する結晶部の存在割合が高い、すなわち結晶性が高い膜であることが確認できる。
【００９２】
図４（Ｂ）、（Ｄ）に示すように、ビーム径を極めて微小にした条件では、第１のリングが見られていた位置に第２のスポットが観測されていることが分かる。また試料２及び試料３では、試料１に見られなかった第３のスポットも確認されている。
【００９３】
〔試料４〕
図５に、試料４に対してビーム径を１００ｎｍとした条件で測定した電子線回折パターンを示す。
【００９４】
試料４では、第１のリングはみられるものの、試料１乃至試料３でみられていた第１のスポットは観測されなかった。このことから、試料４では第１のリングに由来する複数の結晶部を有し、且つ、配向性を有する結晶部の存在割合が、他の方向に配向している結晶部の存在割合と同等であることが示唆される。
【００９５】
〔電子線回折パターンのスポットの輝度について〕
上述のように、第１のリングの輝度と、第１のスポットの輝度の差は、配向性を有する結晶部の存在割合を推し量る点で重要な情報である。
【００９６】
図６（Ａ）には、図４（Ｃ）を拡大した図を示している。ここで理想的な単結晶のＩｎＧａＺｎＯ４の電子線回折パターンでは、動径方向において第１のリングと重なる位置において、第１のスポットを電子線回折パターンの中心を中心として３０度、９０度、１２０度それぞれ回転させた位置（図６（Ａ）中破線で囲った領域）には、回折スポットは観測されないことが分かっている。すなわち、この領域に現れる輝度は、金属酸化物膜中の、配向性を有する結晶部以外の結晶部から回折された電子、若しくは膜中の結晶部以外の領域または基板など領域からの散乱された電子に由来すると考えられる。なお、後者の散乱電子については、動径が等しい位置では同等の強度で観測されると考えられるため、ここでは無視することができる。したがって例えば、第１のスポットの輝度と、これと９０度回転した位置の輝度の差は、配向性を有する結晶部の存在割合を知るうえで重要なパラメータとなる。
【００９７】
ここで、第１のスポットの輝度と、ここから所定の角度で回転した位置の輝度の差は、電子線回折パターンの中心位置に現れるダイレクトスポットの輝度で規格化することにより求めることができる。またこれにより、各試料間での相対的な比較を行うことができる。
【００９８】
図７（Ａ１）には、試料１における電子線回折パターン（図３（Ａ）と同じもの）を示し、図７（Ａ２）には、図中の第１のスポットとダイレクトスポットを通るＡ−Ａ’及びこれと直交するＢ−Ｂ’の各線に沿った動径方向の位置に対する規格化した輝度のプロファイルを示す。図７（Ａ２）に示すように、ダイレクトスポットのピークを挟んで２つのピークが観測されている。また２つのピーク輝度は、Ａ−Ａ’とＢ−Ｂ’とで、明確な差が見られている。
【００９９】
図７（Ｂ１）及び図７（Ｂ２）は、それぞれ試料２における電子線回折パターンと規格化輝度のプロファイルである。また図７（Ｃ１）及び図７（Ｃ２）は、それぞれ試料３における電子線回折パターンと規格化輝度のプロファイルである。試料２は試料１よりも、第１のスポットのピーク輝度と、これと９０度回転させた位置のピーク輝度の差が大きくなっている。また、試料３では試料２よりも、この差がより大きいことがわかる。
【０１００】
また、試料２及び試料３におけるＢ−Ｂ’方向では、第２のリングに相当する位置に、試料１では見られなかったピークが確認できている。したがって、試料２及び試料３は、試料１に比べて明確に結晶性が高いことが確認できる。
【０１０１】
図７（Ｄ１）及び図７（Ｄ２）は、それぞれ試料４における電子線回折パターンと規格化輝度のプロファイルである。試料４では、２つの方向でプロファイルがほぼ一致していることが分かる。すなわち、試料４は配向性を有する結晶部がほとんど含まれておらず、結晶面が様々な方向を向いている複数の結晶部を含んでいることが確認できる。
【０１０２】
また、ビーム径が小さい条件で測定した場合、電子線回折パターンには第１のリングが離散的な輝点の集合として現れるため、ある位置に対して局所的な輝度を比較すると、第１のリングの輝度が正確に求められない場合がある。その場合には、図６（Ｂ）に破線で示すように、特定の幅を持ち、長辺方向が動径方向と一致する長方形の領域について、長方形の幅方向（図６（Ｂ）における長方形の短辺方向）に平均化した輝度の値を用いて、その動径方向の輝度のプロファイルから、所定の位置の輝度を算出してもよい。
【０１０３】
また、動径方向の輝度のプロファイルを算出する際に、試料からの非弾性散乱等に起因する輝度の成分を、バックグラウンドとして差し引くと、より精度の高い比較を行うことができる。ここで非弾性散乱に起因する輝度の成分は、動径方向において極めてブロードなプロファイルを取るため、バックグラウンドの輝度を直線近似で算出してもよい。例えば、対象となるピークの両側の裾に沿って直線を引き、その直線よりも低輝度側に位置する領域をバックグラウンドとして差し引くことができる。
【０１０４】
ここでは、上述の方法によりバックグラウンドを差し引いたデータから、第１のスポットの輝度、及び第１のスポットの位置から９０度回転させた位置の輝度を算出した。そして、第１のスポットの輝度を、第１のスポットから９０度回転させた位置の輝度で割った値を、相対輝度Ｒとして求めた。
【０１０５】
試料１乃至試料４のそれぞれについて、ビーム径を１００ｎｍとした条件で測定した電子線回折パターンから、相対輝度Ｒを見積もった結果を図８に示す。
【０１０６】
試料４では、２つの位置で輝度差が確認されず、相対輝度Ｒは１となっている。また相対輝度は試料１、試料２、及び試料３の順で高くなっている。
【０１０７】
例えば金属酸化物膜をトランジスタのチャネルが形成される半導体層に用いる場合には、相対輝度Ｒが１倍よりも大きく１０倍以下、好ましくは１倍よりも大きく９倍以下、より好ましくは１倍よりも大きく８倍以下、より好ましくは１．２倍以上８倍以下、さらに好ましくは１．５倍以上６倍以下、さらに好ましくは２倍以上６倍以下、さらに好ましくは、２倍以上４倍以下の範囲となる金属酸化物膜を用いることが好ましい。このような金属酸化物膜を半導体層に用いることで、電気特性の高い安定性と、ゲート電圧が低い領域での高い電界効果移動度を両立することができる。
【０１０８】
〔配向性の揺らぎについて〕
金属酸化物膜に含まれる結晶部のうち、配向性を有する結晶部は、各々の配向が完全に一致しているのではなく、配向方向に揺らぎが存在する。以下では、その配向方向の揺らぎについて説明する。
【０１０９】
配向方向の揺らぎは以下のようにして評価することができる。金属酸化物膜の断面に対する電子線回折パターンを複数の箇所で測定し、得られた各像に対して、電子線回折パターンの中心及び第１のスポットを通る直線と、金属酸化物膜の膜厚方向との傾きを測定することにより、各領域に存在する結晶部の配向方向のばらつきを見積もることができる。
【０１１０】
ここでは、電子線のビーム径を１ｎｍとした条件で、電子線を膜面方向に平行な方向にスキャンしながら電子線回折パターンを動画像として取得した。スキャンは約２５０ｎｍの距離を１００秒かけて行った。
【０１１１】
図９に、試料１、試料２及び試料３について、撮像した動画像の一部の電子線回折パターンを示す。図９では、それぞれ９枚の電子線回折パターンを示しており、それぞれの間隔は約１０秒である。
【０１１２】
図９では、第１のスポットと電子線回折パターンの中心とを通る直線を破線で示している。図９に示すように、観察する領域によって結晶部の配向方向にばらつきがあることが確認される。
【０１１３】
図１０には、図９に示した各電子線回折パターンから見積もった配向方向の分布図を示している。横軸は撮像開始位置を原点としたときの距離であり、縦軸は各位置で測定した配向方向の平均値を０度としたときの、それぞれの位置における配向方向の角度である。ここでは、時計回りの向きを正として示している。図１０に示すように、各試料で配向方向のばらつきの大きさにほとんど差はみられず、いずれの試料でも１０度未満の範囲に収まっている。
【０１１４】
金属酸化物膜中の、結晶部の配向方向は、電子線のビーム径を大きくした条件で測定した電子線回折パターン中における、スポットの円周方向の広がりによっても見積もることができる。電子線のビーム径を大きくし測定範囲を広げることにより、測定範囲に存在する結晶部の情報が平均化された電子線回折パターンが得られる。そのためスポットの円周方向の広がりは、結晶部の配向方向のばらつきが大きくなるほど広くなる。またその輝度の円周方向の分布は、特定の方向に配向している結晶部の存在割合を反映した分布となる。
【０１１５】
例えば図６（Ａ）に示すように、第１のスポットは完全な点（または円）形状ではなく、円周方向に広がった、楕円形状に近い形状となっている。このスポットの円周方向の２つの端部のそれぞれと、電子線回折パターンの中心点とを結んだ２つの直線の間の角度が、結晶部の配向方向のばらつきを表している。第１のスポットの端部が不明瞭な場合には、例えば第１のスポットの輝度の最も明るい点を基準として、１σまたは２σの位置を端部とすればよい。また、第１のリングと第１のスポットの輝度の差が小さい場合などでは、第１のスポットの輝度から第１のリングの輝度を差し引いた輝度分布をもとに見積もるとよい。なお、この方法では、電子線回折パターンの測定条件によっては、輝度が高いほどスポットの広がりが大きくなり、実際の配向のばらつきよりも大きく見積もられる場合がある。
【０１１６】
例えば、電子線回折パターンの中心を中心とした第１のスポットの両端の中心角は、０度以上４５度以下、好ましくは０度以上４０度以下、より好ましくは０度以上３５度以下、さらに好ましくは０度以上３０度以下であるとよい。配向性が高いほど、金属酸化物膜の電気特性の安定性が向上する。
【０１１７】
［結晶部の存在割合］
金属酸化物膜中の結晶部の存在割合は、断面観察像を解析することで見積もることができる。
【０１１８】
画像解析の方法について、説明する。画像処理は、高分解能で撮像されたＴＥＭ像に対して２次元高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理し、ＦＦＴ像を取得する。得られたＦＦＴ像に対し、周期性を有する範囲を残し、それ以外を除去するマスク処理を施す。そしてマスク処理したＦＦＴ像を、２次元逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ：Ｉｎｖｅｒｓｅ  Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理し、ＦＦＴフィルタリング像を取得する。
【０１１９】
これにより、結晶部のみを抽出した実空間像を得ることができる。ここで、残存した像の面積の割合から、結晶部の存在割合を見積もることができる。また、画像処理に用いた領域（元の像の面積ともいう）の面積から、残存した面積を差し引くことにより、結晶部以外の部分の存在割合を見積もることができる。
【０１２０】
図１１（Ａ）（Ｂ）に、それぞれ試料３と試料１における画像処理前の断面ＴＥＭ観察像を示し、図１１（Ｃ）、（Ｄ）に、それぞれ画像処理後に得られた像を示す。画像処理後の画像において、金属酸化物膜中の白く表示されている領域が、結晶部を含む領域に対応する。
【０１２１】
図１１（Ｃ）より、試料３における結晶部を含む領域を除く面積の割合は約２１．０％であった。また図１１（Ｄ）より見積もった、試料１における配向性を有する結晶部を含む領域を除く面積の割合は約３９．８％であった。
【０１２２】
このように見積もられた、金属酸化物膜中の結晶部を除く部分の割合が、５％以上２０％未満である場合、その金属酸化物膜は極めて結晶性の高い膜であり、電気特性の安定性が高いため好ましい。また、金属酸化物膜中の結晶部を除く部分の割合が、２０％以上１００％未満、好ましくは２０％以上９０％以下、より好ましくは２０％以上８０％以下、さらに好ましくは２０％以上６０％以下、さらに好ましくは３０％以上５０％以下である場合、その金属酸化物膜は配向性を有する結晶部と配向性を有さない結晶部が適度な割合で混在し、電気特性の安定性と高移動度化を両立させることができる。
【０１２３】
ここで、断面観察像、またはこの画像解析等により明瞭に確認できる結晶部を除く部分のことを、Ｌａｔｅｒａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ  Ｂｕｆｆｅｒ  Ｒｅｇｉｏｎ（ＬＧＢＲ）と呼称することもできる。また、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）による断面観察像において、ＬＧＢＲは密な部分と疎な部分とを有し、疎な部分は、横成長することで密な部分を互いに結合しているように観察される。特に、ＬＧＢＲは、面方位が不規則であって、極めて微細で且つ大きさの異なる結晶部が複数混在する領域である。当該結晶部の存在は、ビーム径（プローブ径）が大きい（例えば２５ｎｍΦ以上、または５０ｎｍΦ以上）電子線回折パターンにおいてはスポットが観察されず、且つビーム径（プローブ径）の極めて小さい（例えば０．３ｎｍ以上且つ１０ｎｍΦ以下または５ｎｍ以下）電子線回折パターンにおいてようやくスポットとして観察されることから理解でき、当該結晶部は極めて微細である。
【０１２４】
高分解能ＴＥＭ像の観察には、球面収差補正（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ  Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ  Ｃｏｒｒｅｃｔｏｒ）機能を用いることができる。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。
【０１２５】
［トランジスタの電気特性１］
以下では、上記試料１及び試料３の金属酸化物を用いて、トランジスタを作製し、その電気特性を測定した結果について説明する。
【０１２６】
トランジスタの構造は、実施の形態２で例示する図３６に示す構造を用いた。ここではそれぞれ、半導体層の形成条件の異なる試料Ａ１、試料Ａ２の２種類の試料を作製した。
【０１２７】
〔トランジスタの作製〕
まず、ガラス基板上に厚さ１０ｎｍのチタン膜と、厚さ１００ｎｍの銅膜とを、スパッタリング装置を用いて形成した。続いて当該導電膜をフォトリソグラフィ法により加工した。
【０１２８】
次に、基板及び導電膜上に絶縁膜を４層積層して形成した。絶縁膜は、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）装置を用いて、真空中で連続して形成した。絶縁膜は、下から厚さ５０ｎｍの窒化シリコン膜、厚さ３００ｎｍの窒化シリコン膜、厚さ５０ｎｍの窒化シリコン膜、厚さ５０ｎｍの酸化窒化シリコン膜をそれぞれ用いた。
【０１２９】
次に、絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成し、当該酸化物半導体膜を島状に加工することで、半導体層を形成した。酸化物半導体膜１０８としては、厚さ４０ｎｍの酸化物半導体膜を形成した。
【０１３０】
試料Ａ１において、酸化物半導体膜に用いた金属酸化物膜は、試料１と同様の条件である。すなわち、基板温度を１３０℃として、流量１８０ｓｃｃｍのアルゴンガスと、流量２０ｓｃｃｍの酸素ガスとをスパッタリング装置のチャンバー内に導入し、圧力を０．６Ｐａとし、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）に、２．５ｋｗの交流電力を印加することで形成した。なお、酸素流量比は１０％である。厚さは約４０ｎｍとした。
【０１３１】
試料Ａ２において、酸化物半導体膜に用いた金属酸化物膜は、試料３と同様の条件である。すなわち、基板温度を１７０℃として、流量１４０ｓｃｃｍのアルゴンガスと、流量６０ｓｃｃｍの酸素ガスとをスパッタリング装置のチャンバー内に導入し、圧力を０．６Ｐａとし、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）に、２．５ｋｗの交流電力を印加することで形成した。なお、酸素流量比は３０％である。厚さは約４０ｎｍとした。
【０１３２】
次に、絶縁膜及び酸化物半導体層上に、絶縁膜を形成した。絶縁膜としては、厚さ１５０ｎｍの酸化窒化シリコン膜を、ＰＥＣＶＤ装置を用いて形成した。
【０１３３】
次に、熱処理を行った。当該熱処理としては、窒素と酸素との混合ガス雰囲気下で、３５０℃  １時間の熱処理とした。
【０１３４】
次に、絶縁膜の所望の領域に開口部を形成した。開口部の形成方法としては、ドライエッチング法を用いた。
【０１３５】
次に、開口部を覆うように絶縁膜上に厚さ１００ｎｍの酸化物半導体膜を形成し、当該酸化物半導体膜を島状に加工することで、導電膜を形成した。また、導電膜を形成後、続けて、導電膜の下側に接する絶縁膜を加工することで、絶縁膜を形成した。
【０１３６】
導電膜としては、厚さ１００ｎｍの酸化物半導体膜を形成した。なお、当該酸化物半導体膜としては、２層の積層構造とした。１層目の酸化物半導体膜の成膜条件としては、基板温度を１７０℃として、流量２００ｓｃｃｍの酸素ガスをスパッタリング装置のチャンバー内に導入し、圧力を０．６Ｐａとし、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）に、２．５ｋｗの交流電力を印加することで、膜厚が１０ｎｍになるように形成した。２層目の酸化物半導体膜の成膜条件としては、基板温度を１７０℃として、流量１８０ｓｃｃｍのアルゴンガスと、流量２０ｓｃｃｍの酸素ガスとをスパッタリング装置のチャンバー内に導入し、圧力を０．６Ｐａとし、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）に、２．５ｋｗの交流電力を印加することで、膜厚が９０ｎｍになるように形成した。
【０１３７】
次に、酸化物半導体膜、絶縁膜、及び導電膜上からプラズマ処理を行った。当該プラズマ処理としては、ＰＥＣＶＤ装置を用い、基板温度を２２０℃とし、アルゴンガスと窒素ガスとの混合ガス雰囲気下で行った。
【０１３８】
次に、酸化物半導体膜、絶縁膜、及び導電膜上に絶縁膜を形成した。絶縁膜としては、厚さ１００ｎｍの窒化シリコン膜及び厚さ３００ｎｍの酸化窒化シリコン膜をＰＥＣＶＤ装置を用いて積層して形成した。
【０１３９】
次に、形成した絶縁膜上にマスクを形成し、当該マスクを用いて絶縁膜に開口部を形成した。
【０１４０】
次に、開口部を充填するように、導電膜を形成し、当該導電膜を島状に加工することで、ソース電極及びドレイン電極となる導電膜を形成した。当該導電膜としては、厚さ１０ｎｍのチタン膜と、厚さ１００ｎｍの銅膜とを、スパッタリング装置を用いて、それぞれ形成した。
【０１４１】
次に、絶縁膜、及び導電膜上に絶縁膜を形成した。絶縁膜としては、厚さ１．５μｍのアクリル系の感光性樹脂を用いた。
【０１４２】
以上のようにして、２種類のトランジスタを作製した。
【０１４３】
〔トランジスタの電気特性〕
次に、上記作製した試料Ａ１及び試料Ａ２のトランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性を測定した。
【０１４４】
なお、トランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性の測定条件としては、第１のゲート電極として機能する導電膜に印加する電圧（以下、ゲート電圧（Ｖｇ）ともいう）、及び第２のゲート電極として機能する導電膜に印加する電圧（Ｖｂｇ）ともいう）を、−１５Ｖから＋２０Ｖまで０．２５Ｖのステップで印加した。また、ソース電極として機能する導電膜に印加する電圧（以下、ソース電圧（Ｖｓ）ともいう）を０Ｖ（ｃｏｍｍ）とし、ドレイン電極として機能する導電膜に印加する電圧（以下、ドレイン電圧（Ｖｄ）ともいう）を、０．１Ｖ及び２０Ｖとした。
【０１４５】
図１２（Ａ）、（Ｂ）に、それぞれ試料Ａ１、試料Ａ２のＩｄ−Ｖｇ特性結果を示す。なお、図１２において、第１縦軸がＩｄ（Ａ）を、第２縦軸が電界効果移動度（μＦＥ（ｃｍ２／Ｖｓ））を、横軸がＶｇ（Ｖ）を、それぞれ表す。また、図１２において、合計５個のトランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性結果を、それぞれ重ねて示している。
【０１４６】
図１２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、試料Ａ１、試料Ａ２共に良好な電気特性を示すことが確認された。また、試料Ａ２と比べて試料Ａ１では、電界効果移動度が高いことが確認できた。また特に、低いＶｇ（例えばＶｇが１０Ｖ以下）の範囲において、その傾向が顕著である。
【０１４７】
すなわち、本発明の一態様である、配向性の結晶部と配向性を有さない結晶部が混在した金属酸化物膜を、チャネルが形成される半導体層に用いたトランジスタは、高い電界効果移動度を示すことが確認できた。特に、ゲート電圧が低い条件において、高い電界効果移動度、高いドレイン電流を示すことが確認できた。
【０１４８】
［酸素透過性の評価］
続いて、金属酸化物膜の酸素透過性の評価を行った結果について説明する。
【０１４９】
ここでは、以下に示す３つの試料（試料Ｒｅｆ、試料Ｂ１、及び試料Ｂ２）を作製した。なお試料Ｂ１は、上記試料１の金属酸化物膜を含む試料であり、試料Ｂ２は、上記試料３の金属酸化物膜を含む試料である。
【０１５０】
〔試料Ｒｅｆ〕
試料Ｒｅｆは、ガラス基板上に加熱により酸素を放出する酸化窒化シリコン膜を形成した試料である。
【０１５１】
まずガラス基板上に酸化窒化シリコン膜を成膜した。酸化窒化シリコン膜は、成膜ガスとして流量１６０ｓｃｃｍのＳｉＨ４と、流量４０００ｓｃｃｍのＮ２Ｏの混合ガスを用い、圧力２００Ｐａ、電力１５００Ｗ、基板温度２２０℃の条件で、プラズマＣＶＤ法により成膜した。酸化窒化シリコン膜の厚さは約４００ｎｍである。
【０１５２】
続いて、窒素雰囲気下で３５０℃、１時間の熱処理を行った。
【０１５３】
続いて、シリコンを含むインジウムスズ酸化物膜（ＩＴＳＯ膜）をスパッタリング法により成膜した。ＩＴＳＯ膜の厚さは、約５ｎｍである。
【０１５４】
続いて、酸化窒化シリコン膜中に酸素添加処理を行った。当該酸素添加条件としては、アッシング装置を用い、基板温度を１００℃とし、流量３００ｓｃｃｍの酸素ガスをチャンバー内に導入し、圧力を２５．０６Ｐａとし、基板側にバイアスが印加されるように、アッシング装置内に設置された平行平板の電極間に４７５０ＷのＲＦ電力を供給して行った。
【０１５５】
その後、インジウムスズ酸化物膜をウエットエッチング法により除去し、試料Ｒｅｆとした。
【０１５６】
〔試料Ｂ１〕
試料Ｂ１は、まず試料Ｒｅｆと同様の方法により、酸化窒化シリコン膜を成膜し、熱処理を行い、インジウムスズ酸化物膜を成膜した後に除去した。
【０１５７】
続いて、酸化窒化シリコン膜上に、上記試料１と同様の方法により厚さ約５ｎｍのＩＧＺＯ膜を成膜し、試料Ｂ１とした。
【０１５８】
〔試料Ｂ２〕
試料Ｂ２は、まず試料Ｒｅｆと同様の方法により、酸化窒化シリコン膜を成膜し、熱処理を行い、インジウムスズ酸化物膜を成膜した後に除去した。
【０１５９】
続いて、酸化窒化シリコン膜上に、上記試料３と同様の方法により厚さ約５ｎｍのＩＧＺＯ膜を成膜し、試料Ｂ２とした。
【０１６０】
〔ＴＤＳ測定〕
作製した３つの試料について、昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ：Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により、酸素分子（質量電荷比（Ｍ／ｚ）３２）の放出量を比較した。
【０１６１】
図１３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に、それぞれ試料Ｒｅｆ、試料Ｂ１、試料Ｂ２における測定結果を示す。各図において縦軸は検出強度であり、横軸は基板温度である。
【０１６２】
図１３（Ａ）に示すように、試料Ｒｅｆでは約１００℃から約３５０℃にかけて酸素分子が放出されることが確認された。また試料Ｒｅｆでは、２５０℃付近にピークを有する。
【０１６３】
図１３（Ｂ）に示すように、試料Ｂ１では、約１５０℃から酸素が放出され始め、約３５０℃付近にピークが観測され、さらに高温であっても酸素を放出し続けることが確認できた。すなわち、試料Ｂ１に用いた金属酸化物膜は、酸素を透過しやすい膜であると言える。
【０１６４】
一方、図１３（Ｃ）に示すように、試料Ｂ２では約２００℃付近にピークを有する酸素の放出プロファイルが認められるものの、試料Ｂ１と比較してその放出量は極めて低いことが確認できた。
【０１６５】
以上の結果から、配向性の結晶部と配向性を有さない結晶部が混在し、且つ配向性を有する結晶部の存在割合が低い金属酸化物膜は、酸素が透過しやすい膜、言い換えると酸素が拡散しやすい膜であることが確認できた。
【０１６６】
［酸素の拡散の評価］
以下では、金属酸化物膜への酸素の拡散のしやすさを評価した結果について説明する。
【０１６７】
ここでは、以下に示す２つの試料（試料Ｃ１、試料Ｃ２）を作製した。
【０１６８】
〔試料Ｃ１〕
まずガラス基板上に、上記試料１と同様の方法により、厚さ約５０ｎｍの金属酸化物膜を成膜した。
【０１６９】
続いて、金属酸化物膜上に、厚さ約３０ｎｍの酸化窒化シリコン膜、厚さ約１００ｎｍの酸化窒化シリコン膜、厚さ約２０ｎｍの酸化窒化シリコン膜を、プラズマＣＶＤ法により積層して形成した。
【０１７０】
その後、窒素雰囲気下で３５０℃、１時間の熱処理を行った。
【０１７１】
続いて、厚さ５ｎｍのインジウムスズ酸化物膜をスパッタリング法により成膜した。
【０１７２】
続いて、酸化窒化シリコン膜中に酸素添加処理を行った。当該酸素添加条件としては、アッシング装置を用い、基板温度を４０℃とし、流量１５０ｓｃｃｍの酸素ガス（１６Ｏ）と、流量１００ｓｃｃｍの酸素ガス（１８Ｏ）とをチャンバー内に導入し、圧力を１５Ｐａとし、基板側にバイアスが印加されるように、アッシング装置内に設置された平行平板の電極間に４５００ＷのＲＦ電力を６００ｓｅｃ供給して行った。なお、酸素ガス（１８Ｏ）を用いた理由としては、酸化窒化シリコン膜中に酸素（１６Ｏ）が主成分レベルで含有されているため、酸素添加処理によって、添加される酸素を正確に測定するためである。
【０１７３】
続いて、厚さ約１００ｎｍの窒化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法により成膜した。
【０１７４】
その後、窒素雰囲気下にて、４５０℃、１時間の熱処理を行い、試料Ｃ１とした。
【０１７５】
〔試料Ｃ２〕
試料Ｃ２は、試料Ｃ１の金属酸化物膜の成膜条件を異ならせた試料である。試料Ｃ２は、上記試料３と同様の方法により、厚さ約５０ｎｍの金属酸化物膜を成膜した。
【０１７６】
〔ＳＩＭＳ分析〕
試料Ｃ１及び試料Ｃ２について、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）分析により、１８Ｏの濃度を測定した。図１４に、その結果を示す。ここでは、ガラス基板（ｇｌａｓｓと表記）、金属酸化物膜（ＩＧＺＯと表記）、及び酸化窒化シリコン膜（ＳｉＯＮと表記）を含む領域の分析結果を示している。なお、ここで示す結果は、基板側から（ＳＳＤＰ（Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  Ｓｉｄｅ  Ｄｅｐｔｈ  Ｐｒｏｆｉｌｅ）−ＳＩＭＳともいう）分析した結果である。
【０１７７】
試料Ｃ１、試料Ｃ２共に酸化窒化シリコン膜中に１８Ｏが拡散していること、及び金属酸化物膜中にも１８Ｏが拡散していることが確認できた。試料Ｃ１と試料Ｃ２を比較すると、試料Ｃ２の方がより深い位置まで１８Ｏが拡散していることが確認できる。試料Ｃ１では約２５ｎｍの深さまで拡散している。
【０１７８】
以上の結果から、配向性の結晶部と配向性を有さない結晶部が混在し、且つ配向性を有する結晶部の存在割合が低い金属酸化物膜は、酸素が透過しやすい膜、言い換えると酸素が拡散しやすい膜であることが確認できた。
【０１７９】
［酸化物半導体膜に酸素を供給する概念について］
次に、図１５乃至図２２に示すモデル図及び計算結果をもとに、金属酸化物膜中に酸素を供給するための概念について、以下説明を行う。
【０１８０】
ここでは、金属酸化物膜の一例として、ＩＧＺＯ膜における、過剰酸素（化学量論比を満たす酸素よりも多くの酸素）及び酸素欠損の移動のしやすさについて説明する。
【０１８１】
また、本実施の形態においては、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２となるＩＧＺＯ膜の一つのＩｎ−Ｏ面に過剰酸素または酸素欠損が一つ存在するモデルを構造最適化によって作成し、ＮＥＢ（Ｎｕｄｇｅｄ  Ｅｌａｓｔｉｃ  Ｂａｎｄ）法を用いて最小エネルギー経路に沿った中間構造に対するエネルギーをそれぞれ計算した。
【０１８２】
また、計算としては、密度汎関数理論（ＤＦＴ）に基づく計算プログラムソフト「ＯｐｅｎＭＸ」を用いた。計算に用いたパラメータとしては、基底関数には、擬原子局在基底関数を用いた。なお、基底関数は、分極基底系ＳＴＯ（Ｓｌａｔｅｒ  Ｔｙｐｅ  Ｏｒｂｉｔａｌ）に分類される。汎関数には、ＧＧＡ／ＰＢＥ（Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ−Ｇｒａｄｉｅｎｔ−Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ／Ｐｅｒｄｅｗ−Ｂｕｒｋｅ−Ｅｒｎｚｅｒｈｏｆ）を用いた。また、カットオフエネルギーは、２００Ｒｙとした。また、サンプリングｋ点は、５×５×３とした。
【０１８３】
また、過剰酸素の移動のしやすさについての計算では、計算モデル内に存在する原子の数を８５個とし、酸素欠損の移動のしやすさについての計算では、計算モデル内に存在する原子の数を８３個とした。
【０１８４】
なお、過剰酸素の移動のしやすさ、または酸素欠損の移動のしやすさは、過剰酸素または酸素欠損が各々のサイトへ移動する際に越えることを要するエネルギーバリアの高さＥｂを計算することにより評価した。すなわち、移動に際して越えるエネルギーバリアの高さＥｂが高ければ移動しにくく、エネルギーバリアの高さＥｂが低ければ移動しやすい。
【０１８５】
（過剰酸素の移動について）
まず、過剰酸素の移動について説明する。原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２となるＩＧＺＯ膜の一つのＩｎ−Ｏ面に過剰酸素が一つ存在するモデルを、図１５乃至図１８に示す。
【０１８６】
〔（１）過剰酸素の第１の遷移〕
図１５（Ａ）は、ＩＧＺＯ膜のモデル図であり、図１５（Ｂ）は、図１５（Ａ）に示す領域ａ１の拡大図のモデル図であり、図１５（Ｃ）は、図１５（Ｂ）に示すモデル図から、過剰酸素が遷移する様子を表したモデル図である。なお、図１５（Ｂ）から図１５（Ｃ）への遷移を、過剰酸素の第１の遷移とする。また、過剰酸素の第１の遷移は、過剰酸素がＩｎＯ２層から（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ層へ拡散する遷移である。
【０１８７】
〔（２）過剰酸素の第２の遷移〕
図１６（Ａ）は、ＩＧＺＯ膜のモデル図であり、図１６（Ｂ）は、図１６（Ａ）に示す領域ａ２の拡大図のモデル図であり、図１６（Ｃ）は、図１６（Ｂ）に示すモデル図から、過剰酸素が遷移する様子を表したモデル図である。なお、図１６（Ｂ）から図１６（Ｃ）への遷移を、過剰酸素の第２の遷移とする。また、過剰酸素の第２の遷移は、過剰酸素が第１の（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ層から第２の（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ層へ拡散する遷移である。
【０１８８】
〔（３）過剰酸素の第３の遷移〕
図１７（Ａ）は、ＩＧＺＯ膜のモデル図であり、図１７（Ｂ）は、図１７（Ａ）に示す領域ａ３の拡大図のモデル図であり、図１７（Ｃ）は、図１７（Ｂ）に示すモデル図から、過剰酸素が遷移する様子を表したモデル図である。なお、図１７（Ｂ）から図１７（Ｃ）への遷移を過剰酸素の第３の遷移とする。また、過剰酸素の第３の遷移は、過剰酸素がＩｎ層に沿って拡散する遷移である。
【０１８９】
〔（４）過剰酸素の第４の遷移〕
図１８（Ａ）は、ＩＧＺＯ膜のモデル図であり、図１８（Ｂ）は、図１８（Ａ）に示す領域ａ４の拡大図のモデル図であり、図１８（Ｃ）は、図１８（Ｂ）に示すモデル図から、過剰酸素が遷移する様子を表したモデル図である。なお、図１８（Ｂ）から図１８（Ｃ）への遷移を過剰酸素の第４の遷移とする。また、過剰酸素の第４の遷移は、過剰酸素がＩｎ層を乗り越えて拡散する遷移である。
【０１９０】
なお、図１５（Ｂ）（Ｃ）、図１７（Ｂ）（Ｃ）、及び図１８（Ｂ）（Ｃ）中の”１”と表記されている酸素原子を第１の酸素原子とよぶ。図１５（Ｂ）（Ｃ）、図１７（Ｂ）（Ｃ）、及び図１８（Ｂ）（Ｃ）中の”２”と表記されている酸素原子を第２の酸素原子とよぶ。図１６（Ｂ）（Ｃ）、図１７（Ｂ）（Ｃ）、及び図１８（Ｂ）（Ｃ）中の”３”と表記されている酸素原子を第３の酸素原子とよぶ。図１６（Ｂ）（Ｃ）中の”４”と表記されている酸素原子を第４の酸素原子とよぶ。
【０１９１】
過剰酸素の移動のしやすさの計算結果を図１９に示す。なお、図１９においては、上述の４つの遷移形態について計算し、横軸を過剰酸素の移動の経路長とし、縦軸を図１５乃至図１８の（Ｂ）に示す状態のエネルギーに対する、移動に要するエネルギーとしている。
【０１９２】
図１９に示すように、過剰酸素の第１の遷移のエネルギーバリアの高さＥｂの最大値（Ｅｂｍａｘ）は、０．６２ｅＶであり、過剰酸素の第２の遷移のエネルギーバリアの高さＥｂの最大値（Ｅｂｍａｘ）は、０．２９ｅＶであり、過剰酸素の第３の遷移のエネルギーバリアの高さＥｂの最大値（Ｅｂｍａｘ）は、０．５３ｅＶであり、過剰酸素の第４の遷移のエネルギーバリアの高さＥｂの最大値（Ｅｂｍａｘ）は、２．３８ｅＶである。そのため、過剰酸素の第１の遷移乃至第３の遷移では、過剰酸素の第４の遷移よりもエネルギーバリアの高さＥｂの最大値（Ｅｂｍａｘ）が低い。そのため、過剰酸素の第１の遷移乃至第３の遷移に要するエネルギーは、過剰酸素の第４の遷移に要するエネルギーよりも小さく、過剰酸素の第１の遷移乃至第３の遷移のほうが過剰酸素の第４の遷移よりも起こりやすいといえる。
【０１９３】
すなわち、図１５（Ｂ）、図１７（Ｂ）、及び図１８（Ｂ）のモデルに示す第１の酸素原子は、図１８（Ｂ）（Ｃ）に示ように、第３の酸素原子を押し出す方向よりも、図１５（Ｂ）（Ｃ）及び図１７（Ｂ）（Ｃ）に示すように、第２の酸素原子を押し出す方向に移動しやすい。
【０１９４】
また、図１６（Ｂ）のモデルに示す第３の酸素原子は、図１６（Ｃ）に示すように、第４の酸素原子を押し出す方向に移動しやすい。したがって、酸素原子は、インジウム原子の層を乗り越えて移動するよりもインジウム原子の層に沿って移動しやすいといえる。また、酸素原子は、インジウム原子の層を乗り越えて移動するよりも、ＩｎＯ２層から（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ層へ、及び第１の（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ層から第２の（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ層へ移動しやすいといえる。
【０１９５】
〔酸素欠損の移動について〕
次に、酸素欠損の移動について説明する。原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２となるＩＧＺＯ膜の一つのＩｎ−Ｏ面に酸素欠損が一つ存在するモデルを、図２０及び図２１に示す。
【０１９６】
〔（５）酸素欠損の第１の遷移〕
図２０（Ａ）は、ＩＧＺＯ膜のモデル図であり、図２０（Ｂ）は、図２０（Ａ）に示す領域ａ５の拡大図のモデル図であり、図２０（Ｃ）は、図２０（Ｂ）に示すモデル図から、酸素欠損が遷移する様子を表したモデル図である。なお、図２０（Ｂ）から図２０（Ｃ）への遷移を酸素欠損の第１の遷移とする。また、酸素欠損の第１の遷移は、酸素欠損がＩｎ層に沿って拡散する遷移である。
【０１９７】
〔（６）酸素欠損の第２の遷移〕
図２１（Ａ）は、ＩＧＺＯ膜のモデル図であり、図２１（Ｂ）は、図２１（Ａ）に示す領域ａ６の拡大図のモデル図であり、図２１（Ｃ）は、図２１（Ｂ）に示すモデル図から、酸素欠損が遷移する様子を表したモデル図である。なお、図２１（Ｂ）から図２１（Ｃ）への遷移を酸素欠損の第２の遷移とする。また、酸素欠損の第２の遷移は、酸素欠損がＩｎ層を乗り越えて拡散する遷移である。
【０１９８】
なお、図２０（Ｂ）（Ｃ）及び図２１（Ｂ）（Ｃ）中の点線の丸は、酸素欠損を表している。
【０１９９】
酸素欠損の移動のしやすさの計算結果を図２２に示す。なお、図２２においては、上述の２つの遷移形態について計算し、横軸を酸素欠損の移動の経路長とし、縦軸を図２０及び図２１の（Ｂ）に示す状態のエネルギーに対する、移動に要するエネルギーとしている。
【０２００】
図２２に示すように、酸素欠損の第１の遷移のエネルギーバリアの高さＥｂの最大値（Ｅｂｍａｘ）は、１．８１ｅＶであり、酸素欠損の第２の遷移のエネルギーバリアの高さＥｂの最大値（Ｅｂｍａｘ）は、４．１０ｅＶである。酸素欠損の第１の遷移では、酸素欠損の第２の遷移よりもエネルギーバリアの高さＥｂの最大値（Ｅｂｍａｘ）が低い。このため、酸素欠損の第１の遷移に要するエネルギーは、酸素欠損の第２の遷移に要するエネルギーよりも小さい。すなわち、酸素欠損の第１の遷移のほうが、酸素欠損の第２の遷移よりも起こりやすいといえる。
【０２０１】
したがって、先に説明する過剰酸素の移動と同様に、酸素欠損もインジウム原子の層を乗り越えて移動するよりもインジウム原子の層に沿って移動しやすいといえる。
【０２０２】
〔遷移の温度依存性について〕
次に、上述の６つの遷移形態の起こりやすさを別の側面から比較するために、これらの遷移の温度依存性について、以下説明する。
【０２０３】
これらの遷移の温度依存性としては、単位時間あたりの移動頻度により比較する。ここで、ある温度における移動頻度Ｚ（回／秒）は、化学的に安定な位置における酸素原子の振動数Ｚｏ（回／秒）を用いると、以下式で表される。
【０２０４】
【数１】
2018006728.tif 000003
【０２０５】
なお、数式（１）において、Ｅｂｍａｘは各遷移におけるエネルギーバリアの高さＥｂの最大値を、ｋはボルツマン定数を、Ｔは絶対温度を、Ｚｏは安定位置における原子の振動数を、それぞれ表す。なお、典型的なデバイ振動数では、Ｚｏ＝１．０×１０１３（回／秒）であるため、本実施の形態においては、Ｚｏ＝１．０×１０１３（回／秒）を計算に用いる。
【０２０６】
Ｔ＝３００Ｋ（２７℃）の場合のＺは、以下の通りである。
（１）過剰酸素の第１の遷移  Ｔ＝３００ＫにおいてＺ＝３．９×１０２（回／秒）
（２）過剰酸素の第２の遷移  Ｔ＝３００ＫにおいてＺ＝１．２×１０８（回／秒）
（３）過剰酸素の第３の遷移  Ｔ＝３００ＫにおいてＺ＝１．２×１０４（回／秒）
（４）過剰酸素の第４の遷移  Ｔ＝３００ＫにおいてＺ＝１．０×１０−２７（回／秒）
（５）酸素欠損の第１の遷移  Ｔ＝３００ＫにおいてＺ＝４．３×１０−１８（回／秒）
（６）酸素欠損の第２の遷移  Ｔ＝３００ＫにおいてＺ＝１．４×１０−５６（回／秒）
【０２０７】
また、Ｔ＝７２３Ｋ（４５０℃）の場合のＺは、以下の通りである。
（１）過剰酸素の第１の遷移  Ｔ＝７２３ＫにおいてＺ＝４．８×１０８（回／秒）
（２）過剰酸素の第２の遷移  Ｔ＝７２３ＫにおいてＺ＝９．２×１０１０（回／秒）
（３）過剰酸素の第３の遷移  Ｔ＝７２３ＫにおいてＺ＝２．０×１０９（回／秒）
（４）過剰酸素の第４の遷移  Ｔ＝７２３ＫにおいてＺ＝２．５×１０−４（回／秒）
（５）酸素欠損の第１の遷移  Ｔ＝７２３ＫにおいてＺ＝２．５（回／秒）
（６）酸素欠損の第２の遷移  Ｔ＝７２３ＫにおいてＺ＝２．５×１０−１６（回／秒）
【０２０８】
上記の通り、過剰酸素は、Ｔ＝３００ＫにおいてもＴ＝７２３Ｋにおいても、インジウム原子の層を乗り越えて移動するよりもインジウム原子の層に沿って移動しやすいといえる。また、酸素欠損も、Ｔ＝３００ＫにおいてもＴ＝７２３Ｋにおいても、インジウム原子の層を乗り越えて移動するよりもインジウム原子の層に沿って移動しやすいといえる。
【０２０９】
また、Ｔ＝３００Ｋにおいて、インジウム原子の層に沿った過剰酸素の移動、ＩｎＯ２層から（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ層への過剰酸素の移動、及び第１の（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ層から第２の（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ層への過剰酸素の移動は起こりやすいが、他の遷移形態は起こりにくい。Ｔ＝７２３Ｋにおいては、上記過剰酸素の移動のみならず、インジウム原子の層に沿う酸素欠損の移動も起こりやすいが、過剰酸素についても酸素欠損についてもインジウム原子の層を乗り越えての移動が困難である。
【０２１０】
なお、上記の説明においては、過剰酸素または酸素欠損がインジウム原子の層を乗り越える場合について説明したが、酸化物半導体膜に含まれるインジウム以外の他の金属についても同様である。
【０２１１】
以上のように、過剰酸素及び酸素欠損についてもインジウム原子の層を乗り越えての移動、別言すると、過剰酸素及び酸素欠損としては、ｃ軸方向での移動が困難である。
【０２１２】
［金属酸化物膜の酸素の拡散のしやすさ、及び膜中の不純物の低減方法について］
以上の結果は、配向性を有する結晶部の存在割合（密度）が高いほど、厚さ方向へ酸素が拡散しにくく、当該密度が低いほど厚さ方向へ酸素が拡散しやすいことを示している。この金属酸化物膜における酸素の拡散のしやすさについて、以下のように考察することができる。
【０２１３】
すなわち、配向性を有する結晶部と、配向性を有さない極微細な結晶部が混在している金属酸化物膜において、断面観察像で明瞭に観察できる結晶部以外の部分（ＬＧＢＲ）は、酸素が拡散しやすい部分、すなわち酸素の拡散経路になりうる。したがって、配向性を有する結晶部にも、ＬＧＢＲを介して酸素が供給されやすくなるため、膜中の酸素欠損量を低減することができると考えられる。
【０２１４】
例えば、金属酸化物膜に接して酸素を放出しやすい酸化物膜を設け、加熱処理を施すことにより、当該酸化物膜から放出される酸素は、ＬＧＢＲにより金属酸化物膜の膜厚方向に拡散する。そして、ＬＧＢＲを経由して、配向性を有する結晶部に横方向から酸素が供給されうる。これにより、金属酸化物膜の配向性を有する結晶部、及びこれ以外の領域に、十分に酸素が行き渡り、膜中の酸素欠損を効果的に低減することができる。
【０２１５】
ここで、金属酸化物膜中に、金属原子と結合していない水素原子が存在すると、これと酸素原子が結合し、ＯＨが形成され、固定化してしまうと考えられる。そこで、成膜時に低温で成膜することで金属酸化物膜中に酸素欠損（Ｖｏ）に水素原子がトラップされた状態（ＶｏＨと呼ぶ）を一定量（例えば１×１０１７ｃｍ−３程度）形成することで、ＯＨが生成されることを抑制する。またＶｏＨは、キャリアを生成するため、金属酸化物膜中にキャリアが一定量存在する状態となる。これにより、キャリア濃度が高められた金属酸化物膜を形成できる。また成膜時には、酸素欠損も同時に形成されるが、当該酸素欠損は、上述のようにＬＧＢＲを介して酸素を導入することにより低減することができる。このような方法により、キャリア濃度が比較的高く、且つ酸素欠損が十分に低減された金属酸化物膜を形成することができる。
【０２１６】
また、配向性を有する結晶部以外の領域は、成膜時に配向性を有さない極めて微細な結晶部を構成するため、金属酸化物膜には明瞭な結晶粒界は確認できない。また当該微細な結晶部は、配向性を有する複数の結晶部の間に位置する。当該微細な結晶部は、成膜時の熱により横方向に成長することで、隣接する配向性を有する結晶部と結合する。また当該微小な結晶部はキャリアを発生する領域としても機能する。これにより、このような構成を有する金属酸化物膜は、トランジスタに適用することでその電界効果移動度を著しく向上させることができると考えられる。
【０２１７】
また金属酸化物膜を形成し、その上に酸化シリコン膜などの酸化物絶縁膜を成膜した後に、酸素雰囲気でのプラズマ処理を行うことが好ましい。このような処理により、膜中に酸素を供給すること以外に、水素濃度を低減することができる。例えば、プラズマ処理中に、同時にチャンバー内に残存するフッ素も金属酸化物膜中にドープされる場合がある。フッ素はマイナスの電荷を帯びたフッ素原子として存在し、プラスの電荷を帯びた水素原子とクーロン力により結合し、ＨＦが生成される。ＨＦは当該プラズマ処理中に金属酸化物膜外へ放出され、その結果として、金属酸化物膜中の水素濃度を低減することができる。また、プラズマ処理において、酸素原子と水素とが結合してＨ２Ｏとして膜外へ放出される場合もある。
【０２１８】
また、金属酸化物膜に酸化シリコン膜（または酸化窒化シリコン膜）が積層された構成を考える。酸化シリコン膜中のフッ素などのハロゲン元素は、膜中の水素と結合し、電気的に中性であるＨＦとして存在しうるため、金属酸化物膜の電気特性に影響を与えない。なお、Ｓｉ−Ｆ結合が生じる場合もあるがこれも電気的に中性となる。また酸化シリコン膜中のＨＦは、酸素の拡散に対して影響しないと考えられる。
【０２１９】
以上のようなメカニズムにより、金属酸化物膜中の酸素欠損が低減され、且つ膜中の金属原子と結合していない水素が低減されることにより、信頼性を高めることができると考えられる。また金属酸化物膜のキャリア濃度が一定以上であることで、電気特性が向上すると考えられる。
【０２２０】
［ＥＳＲによる評価］
以下では、電子スピン共鳴法（ＥＳＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｉｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を用いて金属酸化物膜中の欠陥準位について調べた結果について説明する。
【０２２１】
金属酸化物膜の欠陥準位は、ＥＳＲにより評価することができる。ＥＳＲとは、試料の置かれた空間に磁場を発生させ、試料にマイクロ波を照射する分析手法である。磁束密度（Ｈ０）及び／又はマイクロ波の振動数（ｖ）を変化させていき、試料がマイクロ波を吸収したときの振動数（ｖ）及び磁束密度（Ｈ０）から式ｇ＝ｈｖ／μＢＨ０を用いてｇ値というパラメータが得られる。なお、ｈはプランク定数であり、μＢはボーア磁子であり、どちらも定数である。
【０２２２】
ＥＳＲによって計測されるシグナルにおいて、ｇ値が１．９３付近（１．８９以上１．９６以下の範囲）のシグナルに対応するスピン密度が酸素欠損（ＶＯ）の存在量に対応する。
【０２２３】
以下では、下記２つの試料（試料Ｄ１、Ｄ２）を作製して評価を行った。ＥＳＲ測定は、金属酸化物膜を成膜した後の工程で計３回実施した。
【０２２４】
〔試料の作製〕
まず、石英基板上に金属酸化物膜を成膜した。試料Ｄ１では、上記試料１と同様の方法により厚さ約４０ｎｍの金属酸化物膜を成膜した。試料Ｄ２では、上記試料２と同様の方法により、厚さ約４０ｎｍの金属酸化物膜を成膜した。
【０２２５】
この段階で１回目のＥＳＲ測定を行った。
【０２２６】
続いて、金属酸化物膜上に、厚さ約３０ｎｍの酸化窒化シリコン膜、厚さ約１００ｎｍの酸化窒化シリコン膜、厚さ約２０ｎｍの酸化窒化シリコン膜を、プラズマＣＶＤ法により積層して形成した。
【０２２７】
この段階で、２回目のＥＳＲ測定を行った。
【０２２８】
その後、窒素雰囲気下で３５０℃、１時間の熱処理を行った。
【０２２９】
続いて、厚さ１００ｎｍの酸化物半導体膜を形成した。なお、当該酸化物半導体膜としては、２層の積層構造とした。１層目の酸化物半導体膜の成膜条件としては、基板温度を１７０℃として、流量２００ｓｃｃｍの酸素ガスをスパッタリング装置のチャンバー内に導入し、圧力を０．６Ｐａとし、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）に、２．５ｋｗの交流電力を印加することで、膜厚が１０ｎｍになるように形成した。２層目の酸化物半導体膜の成膜条件としては、基板温度を１７０℃として、流量１８０ｓｃｃｍのアルゴンガスと、流量２０ｓｃｃｍの酸素ガスとをスパッタリング装置のチャンバー内に導入し、圧力を０．６Ｐａとし、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）に、２．５ｋｗの交流電力を印加することで、膜厚が９０ｎｍになるように形成した。
【０２３０】
続いて、厚さ約１００ｎｍの窒化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法により成膜した。
【０２３１】
その後、窒素雰囲気下で２５０℃、１時間の熱処理を行った。
【０２３２】
続いて、窒化シリコン膜と、その直下の２層の酸化物半導体膜をウエットエッチングにより除去した。
【０２３３】
この段階で、３回目のＥＳＲ測定を行った。
【０２３４】
〔ＥＳＲ測定結果〕
図２３に、ｇ値が１．９付近に現れるシグナルにおけるスピン密度の結果を示す。各試料において、左から順に１回目、２回目、３回目に測定した結果を示している。
【０２３５】
いずれの試料においても、金属酸化物膜を成膜した直後に測定した１回目の測定結果では、スピン密度は測定下限以下であった。また酸化窒化シリコン膜を成膜した直後の２回目の測定では、スピン密度が上昇した。これは、酸化窒化シリコン膜の成膜時の、金属酸化物膜へのダメージが金属酸化物膜中の酸素欠損を増大している結果であると推察される。一方、酸化物半導体膜の成膜、及び加熱処理によって、再びスピン密度が検出下限以下となっている。このことは、酸化物半導体膜の成膜、及びその後の加熱処理により、金属酸化物中の酸素欠損が低減されていることを示唆する。
【０２３６】
また、試料Ｄ１と試料Ｄ２を比較すると、酸化窒化シリコン膜の成膜直後のスピン密度は、試料Ｄ２よりも試料Ｄ１の方が高い傾向が確認された。しかしながら、試料Ｄ１でもその後の酸化物半導体膜の成膜や加熱処理によって十分に酸素欠損を低減できていることが分かる。
【０２３７】
［ＣＰＭによる評価］
以下では、一定電流測定法（ＣＰＭ：Ｃｏｎｓｔａｎｔ  Ｐｈｏｔｏｃｕｒｒｅｎｔ  Ｍｅｔｈｏｄ）により、金属酸化物膜中の欠陥準位について評価を行った。
【０２３８】
ＣＰＭ測定は、試料に設けられた２電極間に電圧を印加した状態で光電流値が一定となるように端子間の試料面に照射する光量を調整し、照射する光量から吸収係数を導出することを各波長にて行うものである。ＣＰＭ測定において、試料に欠陥があるとき、欠陥の存在する準位に応じたエネルギー（波長より換算）における吸収係数が増加する。この吸収係数の増加分に定数を掛けることにより、試料の深い欠陥準位密度（以下、ｄＤＯＳとも記す）を導出することができる。
【０２３９】
ＣＰＭ測定によって得られた吸収係数のカーブからバンドの裾に起因するアーバックテールと呼ばれる吸収係数分を取り除くことにより、欠陥準位による吸収係数を以下の式から算出することができる。なお、α（Ｅ）は、各エネルギーにおける吸収係数を表し、αｕは、アーバックテールによる吸収係数を表す。
【０２４０】
【数２】
2018006728.tif 000004
【０２４１】
〔試料の作製〕
以下では、下記２つの試料（試料Ｅ１、試料Ｅ２）を作製して評価を行った。
【０２４２】
まず、ガラス基板上に金属酸化物膜を成膜した。試料Ｅ１では、上記試料１と同様の方法により厚さ約１００ｎｍの金属酸化物膜を成膜した。試料Ｅ２では、上記試料２と同様の方法により、厚さ約１００ｎｍの金属酸化物膜を成膜した。
【０２４３】
続いて、金属酸化物膜上に、厚さ約３０ｎｍの酸化窒化シリコン膜、厚さ約１００ｎｍの酸化窒化シリコン膜、厚さ約２０ｎｍの酸化窒化シリコン膜を、プラズマＣＶＤ法により積層して形成した。
【０２４４】
その後、窒素雰囲気下で３５０℃、１時間の熱処理を行った。
【０２４５】
続いて、厚さ１００ｎｍの酸化物半導体膜を形成した。なお、当該酸化物半導体膜としては、２層の積層構造とした。１層目の酸化物半導体膜の成膜条件としては、基板温度を１７０℃として、流量２００ｓｃｃｍの酸素ガスをスパッタリング装置のチャンバー内に導入し、圧力を０．６Ｐａとし、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）に、２．５ｋｗの交流電力を印加することで、膜厚が１０ｎｍになるように形成した。２層目の酸化物半導体膜の成膜条件としては、基板温度を１７０℃として、流量１８０ｓｃｃｍのアルゴンガスと、流量２０ｓｃｃｍの酸素ガスとをスパッタリング装置のチャンバー内に導入し、圧力を０．６Ｐａとし、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）に、２．５ｋｗの交流電力を印加することで、膜厚が９０ｎｍになるように形成した。
【０２４６】
その後、窒素と酸素との混合ガス雰囲気下で、３５０℃  １時間の熱処理とした。
【０２４７】
その後、酸化物半導体膜をウエットエッチング法によりエッチングして除去した。
【０２４８】
続いて、酸化窒化シリコン膜を成膜した。酸化窒化シリコン膜は、成膜ガスとして流量１６０ｓｃｃｍのＳｉＨ４と、流量４０００ｓｃｃｍのＮ２Ｏの混合ガスを用い、圧力２００Ｐａ、電力１５００Ｗ、基板温度２２０℃の条件で、プラズマＣＶＤ法により成膜した。酸化窒化シリコン膜の厚さは約４００ｎｍである。
【０２４９】
続いて、酸化窒化シリコン膜にフォトリソグラフィ法により開口部を形成した。
【０２５０】
続いて、スパッタリング法により厚さ約５０ｎｍのＴｉ膜、厚さ約４００ｎｍのＡｌ膜、及び厚さ約１００ｎｍのＴｉ膜の積層膜を成膜した。その後、当該積層膜をフォトリソグラフィ法により加工し、電極を形成した。
【０２５１】
その後、窒素雰囲気下で２５０℃、１時間の熱処理を行った。
【０２５２】
以上の工程により試料Ｅ１及び試料Ｅ２とした。
【０２５３】
〔ＣＰＭ評価結果〕
図２４（Ａ）（Ｂ）に、それぞれ試料Ｅ１及び試料Ｅ２についてＣＰＭ測定を行った結果を示す。横軸は光エネルギーを表し、縦軸は吸収係数を表す。また各図に示す太線は、各試料の吸収係数のカーブを示し、点線は接線を示し、細線は光学的に測定した吸収係数を示す。
【０２５４】
図２４（Ａ）から見積もった試料Ｅ１のアーバックテールの値は、６８．６３ｍｅＶであり、吸収係数のカーブからアーバックテール起因の吸収係数を除いた吸収係数、すなわち欠陥に起因する吸収係数の値は、１．３６×１０−３ｃｍ−１であった。一方、図２４（Ｂ）から見積もった試料Ｅ２のアーバックテールの値は、６８．７０ｍｅＶであり、欠陥に起因する吸収係数の値は、１．２１×１０−３ｃｍ−１であった。
【０２５５】
以上の結果から、試料１の金属酸化物膜と試料２の金属酸化物膜で、欠陥準位に明確な差は見られていないことが分かった。
【０２５６】
［トランジスタ特性を用いた欠陥準位の評価］
金属酸化物の欠陥準位は、金属酸化物膜を半導体層として用いたトランジスタの電気特性からも見積もることができる。以下ではトランジスタの界面準位の密度を評価し、その界面準位の密度に加え、界面準位にトラップされる電子数Ｎｔｒａｐを考慮した場合において、サブスレッショルドリーク電流を予測する方法について説明する。
【０２５７】
界面準位にトラップされる電子数Ｎｔｒａｐは、例えば、トランジスタのドレイン電流−ゲート電圧（Ｉｄ−Ｖｇ）の実測と、ドレイン電流−ゲート電圧（Ｉｄ−Ｖｇ）特性の計算値とを比較することによって、評価することができる。
【０２５８】
図２５に、ソース電圧Ｖｓ＝０Ｖ、ドレイン電圧Ｖｄ＝０．１Ｖにおける、計算によって得られた理想的なＩｄ−Ｖｇ特性と、トランジスタにおける実測のＩｄ−Ｖｇ特性と、を示す。なお、トランジスタの測定結果のうち、ドレイン電流Ｉｄの測定が容易な１×１０−１３Ａ以上の値のみプロットした。
【０２５９】
計算で求めた理想的なＩｄ−Ｖｇ特性と比べて、実測のＩｄ−Ｖｇ特性はゲート電圧Ｖｇに対するドレイン電流Ｉｄの変化が緩やかとなる。これは、伝導帯下端のエネルギー（Ｅｃと表記する。）の近くに位置する浅い界面準位に電子がトラップされたためと考えられる。ここでは、フェルミ分布関数を用いて、浅い界面準位へトラップされる（単位面積、単位エネルギーあたりの）電子数Ｎｔｒａｐを考慮することで、より厳密に界面準位の密度Ｎｉｔを見積もることができる。
【０２６０】
まず、図２６に示す模式的なＩｄ−Ｖｇ特性を用いて界面トラップ準位にトラップされる電子数Ｎｔｒａｐの評価方法について説明する。破線は計算によって得られるトラップ準位のない理想的なＩｄ−Ｖｇ特性を示す。また、破線において、ドレイン電流がＩｄ１からＩｄ２に変化するときのゲート電圧Ｖｇの変化をΔＶｉｄとする。また、実線は、実測のＩｄ−Ｖｇ特性を示す。実線において、ドレイン電流がＩｄ１からＩｄ２に変化するときのゲート電圧Ｖｇの変化をΔＶｅｘとする。ドレイン電流がＩｄ１、Ｉｄ２のときの着目する界面における電位はそれぞれφｉｔ１、φｉｔ２とし、その変化量をΔφｉｔとする。
【０２６１】
図２６において、実測は計算よりも傾きが小さいため、ΔＶｅｘは常にΔＶｉｄよりも大きいことがわかる。このとき、ΔＶｅｘとΔＶｉｄの差が、浅い界面準位に電子をトラップすることに要した電位差を表す。したがって、トラップされた電子による電荷の変化量ΔＱｔｒａｐは以下の式（１）で表すことができる。
【０２６２】
【数３】
2018006728.tif 000005
【０２６３】
Ｃｔｇは面積当たりの絶縁体と半導体の合成容量となる。また、ΔＱｔｒａｐは、トラップされた（単位面積、単位エネルギーあたりの）電子数Ｎｔｒａｐを用いて、式（２）で表すこともできる。なお、ｑは電気素量である。
【０２６４】
【数４】
2018006728.tif 000006
【０２６５】
式（１）と式（２）とを連立させることで式（３）を得ることができる。
【０２６６】
【数５】
2018006728.tif 000007
【０２６７】
次に、式（３）のΔφｉｔについてゼロの極限を取ることで、式（４）を得ることができる。
【０２６８】
【数６】
2018006728.tif 000008
【０２６９】
即ち、理想的なＩｄ−Ｖｇ特性、実測のＩｄ−Ｖｇ特性および式（４）を用いて、界面においてトラップされた電子数Ｎｔｒａｐを見積もることができる。なお、ドレイン電流との界面における電位の関係については、上述のデバイスシミュレータを用いた計算によって求めることができる。
【０２７０】
また、単位面積、単位エネルギーあたりの電子数Ｎｔｒａｐと界面準位の密度Ｎｉｔは式（５）のような関係にある。
【０２７１】
【数７】
2018006728.tif 000009
【０２７２】
ここで、ｆ（Ｅ）はフェルミ分布関数である。式（４）から得られたＮｔｒａｐを式（５）でフィッティングすることで、Ｎｉｔは決定される。このＮｉｔを設定したデバイスシミュレータを用いた計算により、Ｉｄ＜０．１ｐＡを含む伝達特性を得ることができる。
【０２７３】
次に、図２５に示す実測のＩｄ−Ｖｇ特性に式（４）を適用し、Ｎｔｒａｐを抽出した結果を図２７に○印で示す。ここで、図２７の縦軸は半導体の伝導帯下端ＥｃからのフェルミエネルギーＥｆである。破線を見るとＥｃのすぐ下の位置に極大値となっている。式（５）のＮｉｔとして、式（６）のテール分布を仮定すると図２７の破線のように非常に良くＮｔｒａｐをフィッティングでき、フィッティングパラメータとして、ピーク値Ｎｔａ＝１．６７×１０１３ｃｍ−２／ｅＶ、特性幅Ｗｔａ＝０．１０５ｅＶが得られた。
【０２７４】
【数８】
2018006728.tif 000010
【０２７５】
次に、得られた界面準位のフィッティング曲線をデバイスシミュレータを用いた計算にフィードバッグすることにより、Ｉｄ−Ｖｇ特性を逆算した結果を図２８に示す。図２８（Ａ）に、ドレイン電圧Ｖｄが０．１Ｖおよび１．８Ｖの場合の計算によって得られたＩｄ−Ｖｇ特性と、ドレイン電圧Ｖｄが０．１Ｖの場合及び１．８Ｖの場合のトランジスタにおける実測のＩｄ−Ｖｇ特性とを示す。また、図２８（Ｂ）は、図２８（Ａ）のドレイン電流Ｉｄを対数としたグラフである。
【０２７６】
計算により得られた曲線と、実測値のプロットはほぼ一致しており、計算値と測定値とで高い再現性を有することが分かる。したがって、浅い欠陥準位密度を算出する方法として、上記の方法が十分に妥当であることが分かる。
【０２７７】
〔試料の作製〕
以下では、下記４つの試料（試料Ｆ１〜Ｆ４）を作製し、上述した方法で金属酸化物膜中の欠陥準位密度の評価を行った。
【０２７８】
各試料の作製工程は、金属酸化物膜（酸化物半導体膜）の成膜条件以外は、上記試料Ａ１の作製方法を援用できる。
【０２７９】
試料Ｆ１において、酸化物半導体膜に用いた金属酸化物膜は、試料１と同様の条件である。すなわち、基板温度を１３０℃として、流量１８０ｓｃｃｍのアルゴンガスと、流量２０ｓｃｃｍの酸素ガスとをスパッタリング装置のチャンバー内に導入し、圧力を０．６Ｐａとし、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）に、２．５ｋｗの交流電力を印加することで形成した。なお、酸素流量比は１０％である。厚さは約４０ｎｍとした。
【０２８０】
試料Ｆ２において、酸化物半導体膜に用いた金属酸化物膜は、基板温度を１３０℃として、流量１４０ｓｃｃｍのアルゴンガスと、流量６０ｓｃｃｍの酸素ガスとをスパッタリング装置のチャンバー内に導入し、圧力を０．６Ｐａとし、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）に、２．５ｋｗの交流電力を印加することで形成した。なお、酸素流量比は１０％である。厚さは約４０ｎｍとした。
【０２８１】
試料Ｆ３において、酸化物半導体膜に用いた金属酸化物膜は、試料２と同様の条件である。すなわち、基板温度を１７０℃として、流量１８０ｓｃｃｍのアルゴンガスと、流量２０ｓｃｃｍの酸素ガスとをスパッタリング装置のチャンバー内に導入し、圧力を０．６Ｐａとし、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）に、２．５ｋｗの交流電力を印加することで形成した。なお、酸素流量比は１０％である。厚さは約４０ｎｍとした。
【０２８２】
試料Ｆ４において、酸化物半導体膜に用いた金属酸化物膜は、試料３と同様の条件である。すなわち、基板温度を１７０℃として、流量１４０ｓｃｃｍのアルゴンガスと、流量６０ｓｃｃｍの酸素ガスとをスパッタリング装置のチャンバー内に導入し、圧力を０．６Ｐａとし、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）に、２．５ｋｗの交流電力を印加することで形成した。なお、酸素流量比は３０％である。厚さは約４０ｎｍとした。
【０２８３】
作製したトランジスタは、チャネル長が約６μｍ、チャネル幅が約５０μｍであった。
【０２８４】
〔欠陥準位密度〕
図２９（Ａ）に、試料Ｆ１乃至Ｆ４について、上述の方法に基づいて、測定した電気特性と理想的な計算値とを比較し、欠陥準位密度を算出した結果を示す。
【０２８５】
試料Ｆ２乃至試料Ｆ４に比べて、試料Ｆ１では、欠陥準位密度がおよそ半分にまで減少していることが確認できた。
【０２８６】
以上の結果から、低温かつ低酸素流量の条件で成膜した金属酸化物膜とすることで酸素透過性が向上し、トランジスタの作製工程中に拡散する酸素量が増大することにより、金属酸化物膜中、及び金属酸化物膜と絶縁膜との界面の酸素欠損等の欠陥が低減していることが推察される。
【０２８７】
［トランジスタの電気特性２］
以下では、大きな電流を流すことのできるトランジスタを作製し、そのオン電流を比較した。
【０２８８】
トランジスタの構造は、実施の形態２で例示する図３６に示す構造を用いた。ここではそれぞれ、半導体層の形成条件の異なる試料Ｇ１、試料Ｇ２、試料Ｇ３及び試料Ｇ４の４種類の試料を作製した。
【０２８９】
〔トランジスタの作製〕
試料Ｇ１のトランジスタは、上記試料Ｆ１と同様の方法により作製した。同様に、試料Ｇ２は上記試料Ｆ２と、試料Ｇ３は上記試料Ｆ３と、試料Ｇ４は上記試料Ｆ４と同様の方法により作製した。
【０２９０】
作製したトランジスタはチャネル長が２μｍであり、トランジスタのチャネル幅が２０μｍである。
【０２９１】
〔トランジスタのオン電流〕
図２９（Ｂ）に、各試料におけるトランジスタのオン電流を示す。ここではゲート電圧Ｖｇを１０Ｖとし、ドレイン電圧Ｖｄを５Ｖとしたときのドレイン電流を測定した。
【０２９２】
図２９（Ｂ）に示すように、試料Ｇ１では、他の試料よりもオン電流が極めて高いことが確認できた。
【０２９３】
以上の結果から、低温かつ低酸素流量の条件で成膜した金属酸化物膜とすることで酸素透過性が向上し、トランジスタの作製工程中に拡散する酸素量が増大することにより、金属酸化物膜中、及び金属酸化物膜と絶縁膜との界面の酸素欠損等の欠陥が低減する。そしてこのような効果により欠陥準位密度が低減された結果、トランジスタのオン電流が著しく上昇することが確認できた。
【０２９４】
このように、オン電流が向上したトランジスタは、高速で容量を充放電することのできるスイッチに好適に用いることができる。代表的には、デマルチプレクサ回路などに好適に用いることができる。
【０２９５】
デマルチプレクサ回路とは、１つの入力信号を、２以上の信号に分割して出力する回路である。このようなトランジスタを適用したデマルチプレクサ回路を、表示装置の信号線駆動回路と信号線との間に配置することで、信号線駆動回路をＩＣの形態で実装した時の端子数を削減することが可能となり、より高速動作が可能で、且つ狭額縁の表示装置を実現できる。
【０２９６】
［トランジスタの電気特性３］
以下では、微細なトランジスタを作製し、その電気特性を比較した。
【０２９７】
トランジスタの構造は、実施の形態２で例示する図３６に示す構造を用いた。ここではそれぞれ、半導体層の形成条件の異なる試料Ｈ１、試料Ｈ２、及び試料Ｈ３の３種類の試料を作製した。
【０２９８】
〔トランジスタの作製〕
試料Ｈ１、Ｈ２及びＨ３の作製工程は、金属酸化物膜（酸化物半導体膜）の成膜条件以外は、上記試料Ａ１の作製方法を援用できる。
【０２９９】
試料Ｈ１において、酸化物半導体膜に用いた金属酸化物膜は、試料１と同様の条件である。すなわち、基板温度を１３０℃として、流量１８０ｓｃｃｍのアルゴンガスと、流量２０ｓｃｃｍの酸素ガスとをスパッタリング装置のチャンバー内に導入し、圧力を０．６Ｐａとし、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）に、２．５ｋｗの交流電力を印加することで形成した。なお、酸素流量比は１０％である。厚さは約４０ｎｍとした。
【０３００】
試料Ｈ２において、酸化物半導体膜に用いた金属酸化物膜は、試料３と同様の条件である。すなわち、基板温度を１７０℃として、流量１４０ｓｃｃｍのアルゴンガスと、流量６０ｓｃｃｍの酸素ガスとをスパッタリング装置のチャンバー内に導入し、圧力を０．６Ｐａとし、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）に、２．５ｋｗの交流電力を印加することで形成した。なお、酸素流量比は３０％である。厚さは約４０ｎｍとした。
【０３０１】
試料Ｈ３において、酸化物半導体膜に用いた金属酸化物膜は、基板温度を１７０℃として、流量１００ｓｃｃｍのアルゴンガスと、流量１００ｓｃｃｍの酸素ガスとをスパッタリング装置のチャンバー内に導入し、圧力を０．６Ｐａとし、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２［原子数比］）に、２．５ｋｗの交流電力を印加することで形成した。なお、酸素流量比は５０％である。厚さは約４０ｎｍとした。
【０３０２】
各試料において、サイズの異なる２つのトランジスタを作製した。１つはチャネル長Ｌが２μｍ、チャネル幅Ｗが３μｍのトランジスタであり、もう１つはチャネル長Ｌが３μｍ、チャネル幅Ｗが３μｍのトランジスタである。
【０３０３】
〔トランジスタの電気特性〕
トランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性の測定条件としては、第１のゲート電極として機能する導電膜に印加する電圧（以下、ゲート電圧（Ｖｇ）ともいう）、及び第２のゲート電極として機能する導電膜に印加する電圧（Ｖｂｇ）ともいう）を、−１５Ｖから＋２０Ｖまで０．２５Ｖのステップで印加した。また、ソース電極として機能する導電膜に印加する電圧（以下、ソース電圧（Ｖｓ）ともいう）を０Ｖ（ｃｏｍｍ）とし、ドレイン電極として機能する導電膜に印加する電圧（以下、ドレイン電圧（Ｖｄ）ともいう）を、０．１Ｖ及び１０Ｖとした。
【０３０４】
図３０（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に、それぞれ試料Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３のチャネル長Ｌが２μｍ、チャネル幅Ｗが３μｍのトランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性を示す。また図３０（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）に、それぞれ試料Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３のチャネル長Ｌが３μｍ、チャネル幅Ｗが３μｍのトランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性を示す。測定数は、試料Ｈ１が２、試料Ｈ２及び試料Ｈ３がそれぞれ３である。
【０３０５】
図３０に示すように、いずれの試料でも、チャネル長が２μｍと微細なトランジスタであっても、良好なトランジスタ特性が得られていることが確認できた。
【０３０６】
電界効果移動度に着目すると、試料Ｈ３、試料Ｈ２、試料Ｈ１の順に、向上していることが確認できた。チャネル長Ｌが２μｍのトランジスタで比較すると、電界効果移動度の最大値は、試料Ｈ１と試料Ｈ２で約２倍、試料Ｈ１と試料Ｈ３で約６倍程度の差があった。
【０３０７】
また、電界効果移動度のプロファイルに着目すると、ゲート電圧が低い（例えば５Ｖ以下）領域における立ち上がりが、試料Ｈ１では極めて急峻となっていることが確認できる。
【０３０８】
以上の結果から、金属酸化物膜の組成に関して、インジウムの割合を高くすることで電界効果移動度が向上すること、またこれを低温、低酸素流量条件で成膜することで、格段に電界効果移動度が向上することが確認できる。例えば図３０（Ａ）に示す、電界効果移動度が３０ｃｍ２／Ｖｓ以上という値は、半導体層に低温ポリシリコンを用いて作製したｐチャネル型のトランジスタの値に匹敵するものであり、酸化物半導体を用いて作製したトランジスタとしては、従来にないほど極めて高い値である。
【０３０９】
［金属酸化物膜の成膜方法］
以下では、本発明の一態様の金属酸化物膜の成膜方法について説明する。
【０３１０】
本発明の一態様の金属酸化物膜は、酸素を含む雰囲気下にて基板を加熱した状態で、スパッタリング法によって成膜することができる。
【０３１１】
成膜時の基板温度は８０℃以上１５０℃以下、好ましくは１００℃以上１５０℃以下、代表的には１３０℃の温度とすることが好ましい。基板の温度を高めることにより、配向性を有する結晶部をより多く形成することができる。
【０３１２】
また、成膜時の酸素の流量比（酸素分圧）を、１％以上３３％未満、好ましくは５％以上３０％以下、より好ましくは５％以上２０％以下、さらに好ましくは５％以上１５％以下、代表的には１０％とすることが好ましい。酸素流量を低減することにより、配向性を有さない結晶部をより多く膜中に含ませることができる。
【０３１３】
したがって、成膜時の基板温度と、成膜時の酸素流量を上述の範囲とすることで、配向性を有する結晶部と、配向性を有さない結晶部とが混在した金属酸化物膜を得ることができる。また、基板温度と酸素流量を上述の範囲内で最適化することにより、配向性を有する結晶部と配向性を有さない結晶部の存在割合を制御することが可能となる。
【０３１４】
金属酸化物膜の成膜に用いることの可能な酸化物ターゲットとしては、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物に限られず、例えば、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ系酸化物（Ｍは、Ａｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）を適用することができる。
【０３１５】
また、複数の結晶粒を有する多結晶酸化物を含むスパッタリングターゲットを用いて、金属酸化物膜である結晶部を含む金属酸化物膜を成膜すると、多結晶酸化物を含まないスパッタリングターゲットを用いた場合に比べて、結晶性を有する金属酸化物膜が得られやすい。
【０３１６】
以下に、金属酸化物膜の成膜メカニズムにおける一考察について説明する。スパッタリング用ターゲットが複数の結晶粒を有し、且つ、その結晶粒が層状構造を有しており、当該結晶粒に劈開しやすい界面が存在する場合、当該スパッタリング用ターゲットにイオンを衝突させることで、結晶粒が劈開して、平板状又はペレット状のスパッタリング粒子が得られることがある。該得られた平板状又はペレット状のスパッタリング粒子が、基板上に堆積することでナノ結晶を含む金属酸化物膜が成膜されると考えられる。また、基板を加熱することにより、基板表面において当該ナノ結晶同士の結合、または再配列が進むことにより、配向性を有する結晶部を含む金属酸化物膜が形成されやすくなると考えられる。
【０３１７】
なお、ここではスパッタリング法により形成する方法について説明したが、特にスパッタリング法を用いることで、結晶性の制御が容易であるため好ましい。なお、スパッタリング法以外に、例えばパルスレーザ堆積（ＰＬＤ）法、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）法、熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、真空蒸着法などを用いてもよい。熱ＣＶＤ法の例としては、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が挙げられる。
【０３１８】
［金属酸化物膜の組成及び構造について］
本発明の一態様の金属酸化物膜をトランジスタなどの半導体装置に適用することができる。以下では、特に半導体特性を有する金属酸化物膜（以降、酸化物半導体膜と呼ぶ）について説明する。
【０３１９】
〔組成について〕
まず、酸化物半導体膜の組成について説明する。
【０３２０】
酸化物半導体膜は、先の記載のように、インジウム（Ｉｎ）と、Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎを表す。）と、Ｚｎ（亜鉛）と、を有する。
【０３２１】
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とするが、元素Ｍに適用可能な元素としては、上記以外にも、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、マグネシウムなどを用いてもよい。また、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。
【０３２２】
次に、本発明の一態様に係る酸化物半導体膜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、図３１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）を用いて説明する。なお、図３１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）には、酸素の原子数比については記載しない。また、酸化物半導体膜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］、及び［Ｚｎ］とする。
【０３２３】
図３１（Ａ）、（Ｂ）、（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、及び［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：５の原子数比となるラインを表す。
【０３２４】
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。
【０３２５】
また、図３１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）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。
【０３２６】
図３１（Ａ）、（Ｂ）では、本発明の一態様の酸化物半導体膜が有する、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。
【０３２７】
一例として、図３２に、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：１である、ＩｎＭＺｎＯ４の結晶構造を示す。また、図３２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３２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。
【０３２８】
ＩｎＭＺｎＯ４は、層状の結晶構造（層状構造ともいう）をとり、図３２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。
【０３２９】
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。
【０３３０】
［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：２となる原子数比の酸化物は、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。
【０３３１】
ただし、酸化物中において、Ｉｎ層が１層に対し、（Ｍ，Ｚｎ）の層数が非整数である場合、Ｉｎ層が１層に対し、（Ｍ，Ｚｎ）層の層数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。
【０３３２】
例えば、酸化物半導体膜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。
【０３３３】
また、酸化物半導体膜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。酸化物半導体膜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。
【０３３４】
一方、酸化物半導体膜中のインジウム及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、及びその近傍値である原子数比（例えば図３１（Ｃ）に示す領域Ｃ）では、絶縁性が高くなる。
【０３３５】
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３１（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。
【０３３６】
また、図３１（Ｂ）に示す領域Ｂは、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝４：２：３から４．１、及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膜は、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膜である。
【０３３７】
なお、酸化物半導体膜が、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、酸化物半導体膜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。
【０３３８】
〔酸化物半導体膜をトランジスタに用いる構成〕
続いて、酸化物半導体膜をトランジスタに用いる構成について説明する。
【０３３９】
なお、酸化物半導体膜をトランジスタに用いることで、例えば、多結晶シリコンをチャネル領域に用いたトランジスタと比較し、結晶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。
【０３４０】
本発明の一態様の酸化物半導体膜は、配向性を有する結晶部と、配向性を有さない結晶部とが混在している膜である。このような結晶性を有する酸化物半導体膜を用いることで、高い電界効果移動度と、高い信頼性を両立したトランジスタを実現することができる。
【０３４１】
〔酸化物半導体のキャリア密度〕
酸化物半導体膜のキャリア密度について、以下に説明を行う。
【０３４２】
酸化物半導体膜のキャリア密度に影響を与える因子としては、酸化物半導体膜中の酸素欠損（Ｖｏ）、または酸化物半導体膜中の不純物などが挙げられる。
【０３４３】
酸化物半導体膜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、酸化物半導体膜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、酸化物半導体膜中の欠陥準位密度を制御することで、酸化物半導体膜のキャリア密度を制御することができる。
【０３４４】
ここで、酸化物半導体膜をチャネル領域に用いるトランジスタを考える。
【０３４５】
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、酸化物半導体膜のキャリア密度を低くする方が好ましい。酸化物半導体膜のキャリア密度を低くする場合においては、酸化物半導体膜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膜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。
【０３４６】
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、酸化物半導体膜のキャリア密度を高くする方が好ましい。酸化物半導体膜のキャリア密度を高くする場合においては、酸化物半導体膜の不純物濃度をわずかに高める、または酸化物半導体膜の欠陥準位密度をわずかに高めればよい。あるいは、酸化物半導体膜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膜は、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膜は、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膜を用いた場合には、トランジスタのしきい値電圧がより低くなる。
【０３４７】
上述のキャリア密度が高められた酸化物半導体膜は、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膜を、「Ｓｌｉｇｈｔｌｙ−ｎ」と呼称してもよい。
【０３４８】
実質的に真性の酸化物半導体膜のキャリア密度は、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。
【０３４９】
また、上述の実質的に真性の酸化物半導体膜を用いることで、トランジスタの信頼性が向上する場合がある。ここで、図３３を用いて、酸化物半導体膜をチャネル領域に用いるトランジスタの信頼性が向上する理由について説明する。図３３は、酸化物半導体膜をチャネル領域に用いるトランジスタにおけるエネルギーバンドを説明する図である。
【０３５０】
図３３において、ＧＥはゲート電極を、ＧＩはゲート絶縁膜を、ＯＳは酸化物半導体膜を、ＳＤはソース電極またはドレイン電極を、それぞれ表す。すなわち、図３３は、ゲート電極と、ゲート絶縁膜と、酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜に接するソース電極またはドレイン電極のエネルギーバンドの一例である。
【０３５１】
また、図３３において、ゲート絶縁膜としては、酸化シリコン膜を用い、酸化物半導体膜にＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いる構成である。また、酸化シリコン膜中に形成されうる欠陥の遷移レベル（εｆ）はゲート絶縁膜の伝導帯下端から約３．１ｅＶ離れた位置に形成されるものとし、ゲート電圧（Ｖｇ）が３０Ｖの場合の酸化物半導体膜と酸化シリコン膜との界面における酸化シリコン膜のフェルミ準位（Ｅｆ）はゲート絶縁膜の伝導帯下端から約３．６ｅＶ離れた位置に形成されるものとする。なお、酸化シリコン膜のフェルミ準位は、ゲート電圧に依存し変動する。例えば、ゲート電圧を大きくすることで、酸化物半導体膜と、酸化シリコン膜との界面における酸化シリコン膜のフェルミ準位（Ｅｆ）は低くなる。また、図３３中の白丸は電子（キャリア）を表し、図３３中のＸは酸化シリコン膜中の欠陥準位を表す。
【０３５２】
図３３に示すように、ゲート電圧が印加された状態で、例えばキャリアが熱励起されると、欠陥準位（図中Ｘ）にキャリアがトラップされ、プラス（“＋”）からニュートラル（“０”）に欠陥準位の荷電状態が変化する。すなわち、酸化シリコン膜のフェルミ準位（Ｅｆ）に上述の熱励起のエネルギーを足した値が欠陥の遷移レベル（εｆ）よりも高くなる場合、酸化シリコン膜中の欠陥準位の荷電状態は正の状態から中性となり、トランジスタのしきい値電圧がプラス方向に変動することになる。
【０３５３】
また、電子親和力が異なる酸化物半導体膜を用いると、ゲート絶縁膜と酸化物半導体膜との界面のフェルミ準位が形成される深さが異なることがある。電子親和力の大きな酸化物半導体膜を用いると、ゲート絶縁膜と酸化物半導体膜との界面近傍において、ゲート絶縁膜の伝導帯下端が相対的に高くなる。この場合、ゲート絶縁膜中に形成されうる欠陥準位（図３３中Ｘ）も相対的に高くなるため、ゲート絶縁膜のフェルミ準位と、酸化物半導体膜のフェルミ準位とのエネルギー差が大きくなる。該エネルギー差が大きくなることにより、ゲート絶縁膜中にトラップされる電荷が少なくなる。例えば、上述の酸化シリコン膜中に形成されうる欠陥準位の荷電状態の変化が少なくなり、ゲートバイアス熱（Ｇａｔｅ  Ｂｉａｓ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ：ＧＢＴともいう）ストレスにおける、トランジスタのしきい値電圧の変動を小さくできる。
【０３５４】
また、酸化物半導体膜の欠陥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、欠陥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。
【０３５５】
従って、トランジスタの電気特性を安定にするためには、酸化物半導体膜中の不純物濃度を低減することが有効である。また、酸化物半導体膜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。
【０３５６】
ここで、酸化物半導体膜中における各不純物の影響について説明する。
【０３５７】
酸化物半導体膜において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物半導体膜において欠陥準位が形成される。このため、酸化物半導体膜におけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物半導体膜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。
【０３５８】
また、酸化物半導体膜にアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、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膜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。
【０３５９】
また、酸化物半導体膜において、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型になりやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体膜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。例えば、酸化物半導体膜中の窒素濃度は、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。
【０３６０】
また、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、酸化物半導体膜において、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。
【０３６１】
不純物が十分に低減された酸化物半導体膜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。
【０３６２】
また、酸化物半導体膜は、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、または２．５ｅＶ以上であると好ましい。
【０３６３】
また、酸化物半導体膜の厚さは、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以上６０ｎｍ以下である。
【０３６４】
また、酸化物半導体膜が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として、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：０．５、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：１．５、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：２．３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：４．１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：１：７等が好ましい。
【０３６５】
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。
【０３６６】
（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置に用いることのできるトランジスタについて、詳細に説明する。
【０３６７】
なお、本実施の形態では、トップゲート構造のトランジスタについて、図３４乃至図４５を用いて説明する。
【０３６８】
［トランジスタの構成例１］
図３４（Ａ）は、トランジスタ１００の上面図であり、図３４（Ｂ）は図３４（Ａ）の一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間の断面図であり、図３４（Ｃ）は図３４（Ａ）の一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間の断面図である。なお、図３４（Ａ）では、明瞭化のため、絶縁膜１１０などの構成要素を省略して図示している。なお、トランジスタの上面図においては、以降の図面においても図３４（Ａ）と同様に、構成要素の一部を省略して図示する場合がある。また、一点鎖線Ｘ１−Ｘ２方向をチャネル長（Ｌ）方向、一点鎖線Ｙ１−Ｙ２方向をチャネル幅（Ｗ）方向と呼称する場合がある。
【０３６９】
図３４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００は、基板１０２上の絶縁膜１０４と、絶縁膜１０４上の酸化物半導体膜１０８と、酸化物半導体膜１０８上の絶縁膜１１０と、絶縁膜１１０上の導電膜１１２と、絶縁膜１０４、酸化物半導体膜１０８、及び導電膜１１２上の絶縁膜１１６と、を有する。なお、酸化物半導体膜１０８は、導電膜１１２と重なるチャネル領域１０８ｉと、絶縁膜１１６と接するソース領域１０８ｓと、絶縁膜１１６と接するドレイン領域１０８ｄと、を有する。
【０３７０】
また、絶縁膜１１６は、窒素または水素を有する。絶縁膜１１６と、ソース領域１０８ｓ及びドレイン領域１０８ｄと、が接することで、絶縁膜１１６中の窒素または水素がソース領域１０８ｓ及びドレイン領域１０８ｄ中に添加される。ソース領域１０８ｓ及びドレイン領域１０８ｄは、窒素または水素が添加されることで、キャリア密度が高くなる。
【０３７１】
また、トランジスタ１００は、絶縁膜１１６上の絶縁膜１１８と、絶縁膜１１６、１１８に設けられた開口部１４１ａを介して、ソース領域１０８ｓに電気的に接続される導電膜１２０ａと、絶縁膜１１６、１１８に設けられた開口部１４１ｂを介して、ドレイン領域１０８ｄに電気的に接続される導電膜１２０ｂと、を有していてもよい。
【０３７２】
なお、本明細書等において、絶縁膜１０４を第１の絶縁膜と、絶縁膜１１０を第２の絶縁膜と、絶縁膜１１６を第３の絶縁膜と、絶縁膜１１８を第４の絶縁膜と、それぞれ呼称する場合がある。また、導電膜１１２は、ゲート電極としての機能を有し、導電膜１２０ａは、ソース電極としての機能を有し、導電膜１２０ｂは、ドレイン電極としての機能を有する。
【０３７３】
また、絶縁膜１１０は、ゲート絶縁膜としての機能を有する。また、絶縁膜１１０は、過剰酸素領域を有する。絶縁膜１１０が過剰酸素領域を有することで、酸化物半導体膜１０８が有するチャネル領域１０８ｉ中に過剰酸素を供給することができる。よって、チャネル領域１０８ｉに形成されうる酸素欠損を過剰酸素により補填することができるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０３７４】
なお、酸化物半導体膜１０８中に過剰酸素を供給させるためには、酸化物半導体膜１０８の下方に形成される絶縁膜１０４に過剰酸素を供給してもよい。この場合、絶縁膜１０４中に含まれる過剰酸素は、酸化物半導体膜１０８が有するソース領域１０８ｓ、及びドレイン領域１０８ｄにも供給されうる。ソース領域１０８ｓ、及びドレイン領域１０８ｄ中に過剰酸素が供給されると、ソース領域１０８ｓ、及びドレイン領域１０８ｄの抵抗が高くなる場合がある。
【０３７５】
一方で、酸化物半導体膜１０８の上方に形成される絶縁膜１１０に過剰酸素を有する構成とすることで、チャネル領域１０８ｉにのみ選択的に過剰酸素を供給させることが可能となる。あるいは、チャネル領域１０８ｉ、ソース領域１０８ｓ、及びドレイン領域１０８ｄに過剰酸素を供給させたのち、ソース領域１０８ｓ及びドレイン領域１０８ｄのキャリア密度を選択的に高めることで、ソース領域１０８ｓ、及びドレイン領域１０８ｄの抵抗が高くなることを抑制することができる。
【０３７６】
また、酸化物半導体膜１０８が有するソース領域１０８ｓ及びドレイン領域１０８ｄは、それぞれ、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損と結合する元素を有すると好ましい。当該酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損と結合する元素としては、代表的には水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、チタン、希ガス等が挙げられる。また、希ガス元素の代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及びキセノン等がある。上記酸素欠損を形成する元素が、絶縁膜１１６中に１つまたは複数含まれる場合、絶縁膜１１６からソース領域１０８ｓ、及びドレイン領域１０８ｄに拡散する。または、上記酸素欠損を形成する元素は、不純物添加処理によりソース領域１０８ｓ、及びドレイン領域１０８ｄ中に添加される。
【０３７７】
不純物元素が酸化物半導体膜に添加されると、酸化物半導体膜中の金属元素と酸素の結合が切断され、酸素欠損が形成される。または、不純物元素が酸化物半導体膜に添加されると、酸化物半導体膜中の金属元素と結合していた酸素が不純物元素と結合し、金属元素から酸素が脱離され、酸素欠損が形成される。これらの結果、酸化物半導体膜においてキャリア密度が増加し、導電性が高くなる。
【０３７８】
次に、図３４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示す半導体装置の構成要素の詳細について説明する。
【０３７９】
〔基板〕
基板１０２としては、作製工程中の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有する材料を用いることができる。
【０３８０】
具体的には、無アルカリガラス、ソーダ石灰ガラス、アルカリガラス、クリスタルガラス、石英またはサファイア等を用いることができる。また、無機絶縁膜を用いてもよい。当該無機絶縁膜としては、例えば、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜等が挙げられる。
【０３８１】
また、上記無アルカリガラスとしては、例えば、０．２ｍｍ以上０．７ｍｍ以下の厚さとすればよい。または、無アルカリガラスを研磨することで、上記の厚さとしてもよい。
【０３８２】
また、無アルカリガラスとして、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）等の面積が大きなガラス基板を用いることができる。これにより、大型の表示装置を作製することができる。
【０３８３】
また、基板１０２として、シリコンや炭化シリコンからなる単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム等の化合物半導体基板、ＳＯＩ基板等を用いてもよい。
【０３８４】
また、基板１０２として、金属等の無機材料を用いてもよい。金属等の無機材料としては、ステンレススチールまたはアルミニウム等が挙げられる。
【０３８５】
また、基板１０２として、樹脂、樹脂フィルムまたはプラスチック等の有機材料を用いてもよい。当該樹脂フィルムとしては、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミド等）、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリウレタン、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、またはシロキサン結合を有する樹脂等が挙げられる。
【０３８６】
また、基板１０２として、無機材料と有機材料とを組み合わせた複合材料を用いてもよい。当該複合材料としては、金属板または薄板状のガラス板と、樹脂フィルムとを貼り合わせた材料、繊維状の金属、粒子状の金属、繊維状のガラス、または粒子状のガラスを樹脂フィルムに分散した材料、もしくは繊維状の樹脂、粒子状の樹脂を無機材料に分散した材料等が挙げられる。
【０３８７】
なお、基板１０２としては、少なくとも上または下に形成される膜または層を支持できるものであればよく、絶縁膜、半導体膜、導電膜のいずれか一つまたは複数であってもよい。
【０３８８】
〔第１の絶縁膜〕
絶縁膜１０４としては、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法、印刷法、塗布法等を適宜用いて形成することができる。また、絶縁膜１０４としては、例えば、酸化物絶縁膜または窒化物絶縁膜を単層または積層して形成することができる。なお、酸化物半導体膜１０８との界面特性を向上させるため、絶縁膜１０４において少なくとも酸化物半導体膜１０８と接する領域は酸化物絶縁膜で形成することが好ましい。また、絶縁膜１０４として加熱により酸素を放出する酸化物絶縁膜を用いることで、加熱処理により絶縁膜１０４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である。
【０３８９】
絶縁膜１０４の厚さは、５０ｎｍ以上、または１００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下、または２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることができる。絶縁膜１０４を厚くすることで、絶縁膜１０４の酸素放出量を増加させることができると共に、絶縁膜１０４と酸化物半導体膜１０８との界面における界面準位、並びに酸化物半導体膜１０８のチャネル領域１０８ｉに含まれる酸素欠損を低減することが可能である。
【０３９０】
絶縁膜１０４として、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムまたはＧａ−Ｚｎ酸化物などを用いればよく、単層または積層で設けることができる。本実施の形態では、絶縁膜１０４として、窒化シリコン膜と、酸化窒化シリコン膜との積層構造を用いる。このように、絶縁膜１０４を積層構造として、下層側に窒化シリコン膜を用い、上層側に酸化窒化シリコン膜を用いることで、酸化物半導体膜１０８中に効率よく酸素を導入することができる。
【０３９１】
〔酸化物半導体膜〕
酸化物半導体膜１０８としては、実施の形態１で説明した金属酸化物膜を用いることができる。
【０３９２】
また、酸化物半導体膜１０８としては、スパッタリング法で形成すると膜密度を高められるため、好適である。スパッタリング法で酸化物半導体膜１０８を形成する場合、スパッタリングガスには、希ガス（代表的にはアルゴン）、酸素、または希ガス及び酸素の混合ガスが適宜用いられる。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−６０℃以下、好ましくは−１００℃以下にまで高純度化したガスを用いることで酸化物半導体膜１０８に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。
【０３９３】
また、スパッタリング法で酸化物半導体膜１０８を形成する場合、スパッタリング装置におけるチャンバーを、酸化物半導体膜１０８にとって不純物となる水等を可能な限り除去すべくクライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて、高真空（５×１０−７Ｐａから１×１０−４Ｐａ程度まで）に排気することが好ましい。特に、スパッタリング装置の待機時における、チャンバー内のＨ２Ｏに相当するガス分子（ｍ／ｚ＝１８に相当するガス分子）の分圧を１×１０−４Ｐａ以下、好ましく５×１０−５Ｐａ以下とすることが好ましい。
【０３９４】
〔第２の絶縁膜〕
絶縁膜１１０は、トランジスタ１００のゲート絶縁膜として機能する。また、絶縁膜１１０は、酸化物半導体膜１０８、特にチャネル領域１０８ｉに酸素を供給する機能を有する。例えば、絶縁膜１１０としては、酸化物絶縁膜または窒化物絶縁膜を単層または積層して形成することができる。なお、酸化物半導体膜１０８との界面特性を向上させるため、絶縁膜１１０において、酸化物半導体膜１０８と接する領域は、少なくとも酸化物絶縁膜を用いて形成することが好ましい。絶縁膜１１０として、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコンなどを用いればよい。
【０３９５】
また、絶縁膜１１０の厚さは、５ｎｍ以上４００ｎｍ以下、または５ｎｍ以上３００ｎｍ以下、または１０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下とすることができる。
【０３９６】
また、絶縁膜１１０は、欠陥が少ないことが好ましく、代表的には、電子スピン共鳴法（ＥＳＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｉｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）で観察されるシグナルが少ない方が好ましい。例えば、上述のシグナルとしては、ｇ値が２．００１に観察されるＥ’センターが挙げられる。なお、Ｅ’センターは、シリコンのダングリングボンドに起因する。絶縁膜１１０としては、Ｅ’センター起因のスピン密度が、３×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１６ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下である酸化シリコン膜、または酸化窒化シリコン膜を用いればよい。
【０３９７】
また、絶縁膜１１０には、上述のシグナル以外に二酸化窒素（ＮＯ２）に起因するシグナルが観察される場合がある。当該シグナルは、Ｎの核スピンにより３つのシグナルに分裂しており、それぞれのｇ値が２．０３７以上２．０３９以下（第１のシグナルとする）、ｇ値が２．００１以上２．００３以下（第２のシグナルとする）、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下（第３のシグナルとする）に観察される。
【０３９８】
例えば、絶縁膜１１０として、二酸化窒素（ＮＯ２）起因のスピン密度が、１×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以上１×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満である絶縁膜を用いると好適である。
【０３９９】
なお、二酸化窒素（ＮＯ２）を含む窒素酸化物（ＮＯｘ）は、絶縁膜１１０中に準位を形成する。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（ＮＯｘ）が、絶縁膜１１０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１１０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１１０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。したがって、絶縁膜１１０としては、窒素酸化物の含有量が少ない膜を用いると、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できる。
【０４００】
窒素酸化物（ＮＯｘ）の放出量が少ない絶縁膜としては、例えば、酸化窒化シリコン膜を用いることができる。当該酸化窒化シリコン膜は、昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ：Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）において、窒素酸化物（ＮＯｘ）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分子／ｃｍ３以上５×１０１９分子／ｃｍ３以下である。なお、上記のアンモニアの放出量は、ＴＤＳにおける加熱処理の温度が５０℃以上６５０℃以下、または５０℃以上５５０℃以下の範囲での総量である。
【０４０１】
窒素酸化物（ＮＯｘ）は、加熱処理においてアンモニア及び酸素と反応するため、アンモニアの放出量が多い絶縁膜を用いることで窒素酸化物（ＮＯｘ）が低減される。
【０４０２】
なお、絶縁膜１１０をＳＩＭＳで分析した場合、膜中の窒素濃度が６×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であると好ましい。
【０４０３】
また、絶縁膜１１０として、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯｘ）、窒素が添加されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙＮｚ）、窒素が添加されたハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙＮｚ）、酸化ハフニウムなどのｈｉｇｈ−ｋ材料を用いてもよい。当該ｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることでトランジスタのゲートリークを低減できる。
【０４０４】
〔第３の絶縁膜〕
絶縁膜１１６は、窒素または水素を有する。また、絶縁膜１１６は、フッ素を有していてもよい。絶縁膜１１６としては、例えば、窒化物絶縁膜が挙げられる。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、酸化窒化シリコン、窒化フッ化シリコン、フッ化窒化シリコン等を用いて形成することができる。絶縁膜１１６に含まれる水素濃度は、１×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であると好ましい。また、絶縁膜１１６は、酸化物半導体膜１０８のソース領域１０８ｓ、及びドレイン領域１０８ｄと接する。したがって、絶縁膜１１６と接するソース領域１０８ｓ、及びドレイン領域１０８ｄ中の不純物（窒素または水素）濃度が高くなり、ソース領域１０８ｓ、及びドレイン領域１０８ｄのキャリア密度を高めることができる。
【０４０５】
〔第４の絶縁膜〕
絶縁膜１１８としては、酸化物絶縁膜を用いることができる。また、絶縁膜１１８としては、酸化物絶縁膜と、窒化物絶縁膜との積層膜を用いることができる。絶縁膜１１８として、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムまたはＧａ−Ｚｎ酸化物などを用いればよい。
【０４０６】
また、絶縁膜１１８としては、外部からの水素、水等のバリア膜として機能する膜であることが好ましい。
【０４０７】
絶縁膜１１８の厚さは、３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、または１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下とすることができる。
【０４０８】
〔導電膜〕
導電膜１１２、１２０ａ、１２０ｂとしては、スパッタリング法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法、熱ＣＶＤ法等を用いて形成することができる。また、導電膜１１２、１２０ａ、１２０ｂとしては、導電性を有する金属膜、可視光を反射する機能を有する導電膜、または可視光を透過する機能を有する導電膜を用いればよい。
【０４０９】
導電性を有する金属膜として、アルミニウム、金、白金、銀、銅、クロム、タンタル、チタン、モリブデン、タングステン、ニッケル、鉄、コバルト、パラジウムまたはマンガンから選ばれた金属元素を含む材料を用いることができる。または、上述した金属元素を含む合金を用いてもよい。
【０４１０】
上述の導電性を有する金属膜として、具体的には、チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜上に銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造等を用いればよい。特に、銅元素を含む導電膜を用いることで、抵抗を低くすることが出来るため好適である。また、銅元素を含む導電膜としては、または、銅とマンガンとを含む合金膜が挙げられる。当該合金膜は、ウエットエッチング法を用いて加工できるため好適である。
【０４１１】
なお、導電膜１１２、１２０ａ、１２０ｂとしては、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と接する金属膜、または酸化物半導体膜１０８の近傍の金属膜として、最も好適に用いることができる。
【０４１２】
また、上述の導電性を有する導電膜として、導電性高分子または導電性ポリマーを用いてもよい。
【０４１３】
また、上述の可視光を反射する機能を有する導電膜としては、金、銀、銅、またはパラジウムから選ばれた金属元素を含む材料を用いることができる。特に、銀元素を含む導電膜を用いることで、可視光における反射率を高めることができるため好適である。
【０４１４】
また、上述の可視光を透過する機能を有する導電膜としては、インジウム、錫、亜鉛、ガリウム、またはシリコンから選ばれた元素を含む材料を用いることができる。具体的には、Ｉｎ酸化物、Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ酸化物（ＩＴＯともいう）、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｓｉ酸化物（ＩＴＳＯともいう）、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物等が挙げられる。
【０４１５】
また、上述の可視光を透過する機能を有する導電膜としては、グラフェンまたはグラファイトを含む膜を用いてもよい。グラフェンを含む膜としては、酸化グラフェンを含む膜を形成し、酸化グラフェンを含む膜を還元することにより、グラフェンを含む膜を形成することができる。還元する方法としては、熱を加える方法や還元剤を用いる方法等が挙げられる。
【０４１６】
また、導電膜１１２、１２０ａ、１２０ｂを、無電解めっき法により形成することができる。当該無電解めっき法により形成できる材料としては、例えば、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｃｏ、Ａｇ、及びＰｄの中から選ばれるいずれか一つまたは複数を用いることが可能である。特に、ＣｕまたはＡｇを用いると、導電膜の抵抗を低くすることができるため、好適である。
【０４１７】
また、無電解めっき法により導電膜を形成した場合、当該導電膜の構成元素が外部に拡散しないように、当該導電膜の下に、拡散防止膜を形成してもよい。また、当該拡散防止膜と、当該導電膜との間に、導電膜を成長させることが出来るシード層を形成してもよい。上記拡散防止膜としては、例えば、スパッタリング法を用いて形成することができる。また、当該拡散防止膜としては、例えば、窒化タンタル膜または窒化チタン膜を用いることができる。また、上記シード層としては、無電解めっき法により形成することができる。また、当該シード層としては、無電解めっき法により形成することができる導電膜の材料と同様の材料を用いることができる。
【０４１８】
なお、導電膜１１２として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物に代表される酸化物半導体を用いてよい。当該酸化物半導体は、絶縁膜１１６から窒素または水素が供給されることで、キャリア密度が高くなる。別言すると、酸化物半導体は、酸化物導電体（ＯＣ：Ｏｘｉｄｅ  Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）として機能する。したがって、酸化物半導体は、ゲート電極として用いることができる。
【０４１９】
例えば、導電膜１１２としては、酸化物導電体（ＯＣ）の単層構造、金属膜の単層構造、または酸化物導電体（ＯＣ）と、金属膜との積層構造等が挙げられる。
【０４２０】
なお、導電膜１１２として、遮光性を有する金属膜の単層構造、または酸化物導電体（ＯＣ）と遮光性を有する金属膜との積層構造を用いる場合、導電膜１１２の下方に形成されるチャネル領域１０８ｉを遮光することができるため、好適である。また、導電膜１１２として、酸化物半導体または酸化物導電体（ＯＣ）と、遮光性を有する金属膜との積層構造を用いる場合、酸化物半導体または酸化物導電体（ＯＣ）上に、金属膜（例えば、チタン膜、タングステン膜など）を形成することで、金属膜中の構成元素が酸化物半導体または酸化物導電体（ＯＣ）側に拡散し低抵抗化する、金属膜の成膜時のダメージ（例えば、スパッタリングダメージなど）により低抵抗化する、あるいは金属膜中に酸化物半導体または酸化物導電体（ＯＣ）中の酸素が拡散することで、酸素欠損が形成され低抵抗化する。
【０４２１】
導電膜１１２、１２０ａ、１２０ｂの厚さとしては、３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、または１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下とすることができる。
【０４２２】
［トランジスタの構成例２］
次に、図３４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタと異なる構成について、図３５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）を用いて説明する。
【０４２３】
図３５（Ａ）は、トランジスタ１００Ａの上面図であり、図３５（Ｂ）は図３５（Ａ）の一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間の断面図であり、図３５（Ｃ）は図３５（Ａ）の一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間の断面図である。
【０４２４】
図３５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ａは、基板１０２上の導電膜１０６と、導電膜１０６上の絶縁膜１０４と、絶縁膜１０４上の酸化物半導体膜１０８と、酸化物半導体膜１０８上の絶縁膜１１０と、絶縁膜１１０上の導電膜１１２と、絶縁膜１０４、酸化物半導体膜１０８、及び導電膜１１２上の絶縁膜１１６と、を有する。なお、酸化物半導体膜１０８は、導電膜１１２と重なるチャネル領域１０８ｉと、絶縁膜１１６と接するソース領域１０８ｓと、絶縁膜１１６と接するドレイン領域１０８ｄと、を有する。
【０４２５】
トランジスタ１００Ａは、先に示すトランジスタ１００の構成に加え、導電膜１０６と、開口部１４３と、を有する。
【０４２６】
なお、開口部１４３は、絶縁膜１０４、１１０に設けられる。また、導電膜１０６は、開口部１４３を介して、導電膜１１２と、電気的に接続される。よって、導電膜１０６と導電膜１１２には、同じ電位が与えられる。なお、開口部１４３を設けずに、導電膜１０６と、導電膜１１２と、に異なる電位を与えてもよい。または、開口部１４３を設けずに、導電膜１０６を遮光膜として用いてもよい。例えば、導電膜１０６を遮光性の材料により形成することで、チャネル領域１０８ｉに照射される下方からの光を抑制することができる。
【０４２７】
また、トランジスタ１００Ａの構成とする場合、導電膜１０６は、第１のゲート電極（ボトムゲート電極ともいう）としての機能を有し、導電膜１１２は、第２のゲート電極（トップゲート電極ともいう）としての機能を有する。また、絶縁膜１０４は、第１のゲート絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜１１０は、第２のゲート絶縁膜としての機能を有する。
【０４２８】
導電膜１０６としては、先に記載の導電膜１１２、１２０ａ、１２０ｂと同様の材料を用いることができる。特に導電膜１０６として、銅を含む材料により形成することで抵抗を低くすることができるため好適である。例えば、導電膜１０６を窒化チタン膜、窒化タンタル膜、またはタングステン膜上に銅膜を設ける積層構造とし、導電膜１２０ａ、１２０ｂを窒化チタン膜、窒化タンタル膜、またはタングステン膜上に銅膜を設ける積層構造とすると好適である。この場合、トランジスタ１００Ａを表示装置の画素トランジスタ及び駆動トランジスタのいずれか一方または双方に用いることで、導電膜１０６と導電膜１２０ａとの間に生じる寄生容量、及び導電膜１０６と導電膜１２０ｂとの間に生じる寄生容量を低くすることができる。したがって、導電膜１０６、導電膜１２０ａ、及び導電膜１２０ｂを、トランジスタ１００Ａの第１のゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極として用いるのみならず、表示装置の電源供給用の配線、信号供給用の配線、または接続用の配線等に用いる事も可能となる。
【０４２９】
このように、図３５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ａは、先に説明したトランジスタ１００と異なり、酸化物半導体膜１０８の上下にゲート電極として機能する導電膜を有する構造である。トランジスタ１００Ａに示すように、本発明の一態様の半導体装置には、複数のゲート電極を設けてもよい。
【０４３０】
また、図３５（Ｂ）（Ｃ）に示すように、酸化物半導体膜１０８は、第１のゲート電極として機能する導電膜１０６と、第２のゲート電極として機能する導電膜１１２のそれぞれと対向するように位置し、２つのゲート電極として機能する導電膜に挟まれている。
【０４３１】
また、導電膜１１２のチャネル幅方向の長さは、酸化物半導体膜１０８のチャネル幅方向の長さよりも長く、酸化物半導体膜１０８のチャネル幅方向全体は、絶縁膜１１０を間に挟んで導電膜１１２に覆われている。また、導電膜１１２と導電膜１０６とは、絶縁膜１０４、及び絶縁膜１１０に設けられる開口部１４３において接続されるため、酸化物半導体膜１０８のチャネル幅方向の側面の一方は、絶縁膜１１０を間に挟んで導電膜１１２と対向している。
【０４３２】
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１０６及び導電膜１１２は、絶縁膜１０４、及び絶縁膜１１０に設けられる開口部１４３において接続すると共に、絶縁膜１０４、及び絶縁膜１１０を間に挟んで酸化物半導体膜１０８を取り囲む構成である。
【０４３３】
このような構成を有することで、トランジスタ１００Ａに含まれる酸化物半導体膜１０８を、第１のゲート電極として機能する導電膜１０６及び第２のゲート電極として機能する導電膜１１２の電界によって電気的に取り囲むことができる。トランジスタ１００Ａのように、第１のゲート電極及び第２のゲート電極の電界によって、チャネル領域が形成される酸化物半導体膜１０８を電気的に取り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。
【０４３４】
トランジスタ１００Ａは、Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有するため、導電膜１０６または導電膜１１２によってチャネルを誘起させるための電界を効果的に酸化物半導体膜１０８に印加することができるため、トランジスタ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１０６、及び導電膜１１２によって取り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。
【０４３５】
なお、トランジスタ１００Ａのチャネル幅方向において、酸化物半導体膜１０８の開口部１４３が形成されていない側に、開口部１４３と異なる開口部を形成してもよい。
【０４３６】
また、トランジスタ１００Ａに示すように、トランジスタが、半導体膜を間に挟んで存在する一対のゲート電極を有している場合、一方のゲート電極には信号Ａが、他方のゲート電極には固定電位Ｖｂが与えられてもよい。また、一方のゲート電極には信号Ａが、他方のゲート電極には信号Ｂが与えられてもよい。また、一方のゲート電極には固定電位Ｖａが、他方のゲート電極には固定電位Ｖｂが与えられてもよい。
【０４３７】
信号Ａは、例えば、導通状態または非導通状態を制御するための信号である。信号Ａは、電位Ｖ１、または電位Ｖ２（Ｖ１＞Ｖ２とする）の２種類の電位をとるデジタル信号であってもよい。例えば、電位Ｖ１を高電源電位とし、電位Ｖ２を低電源電位とすることができる。信号Ａは、アナログ信号であってもよい。
【０４３８】
固定電位Ｖｂは、例えば、トランジスタのしきい値電圧ＶｔｈＡを制御するための電位である。固定電位Ｖｂは、電位Ｖ１、または電位Ｖ２であってもよい。この場合、固定電位Ｖｂを生成するための電位発生回路を、別途設ける必要がなく好ましい。固定電位Ｖｂは、電位Ｖ１、または電位Ｖ２と異なる電位であってもよい。固定電位Ｖｂを低くすることで、しきい値電圧ＶｔｈＡを高くできる場合がある。その結果、ゲートーソース間電圧Ｖｇｓが０Ｖのときのドレイン電流を低減し、トランジスタを有する回路のリーク電流を低減できる場合がある。例えば、固定電位Ｖｂを低電源電位よりも低くしてもよい。一方で、固定電位Ｖｂを高くすることで、しきい値電圧ＶｔｈＡを低くできる場合がある。その結果、ゲート−ソース間電圧Ｖｇｓが高電源電位のときのドレイン電流を向上させ、トランジスタを有する回路の動作速度を向上できる場合がある。例えば、固定電位Ｖｂを低電源電位よりも高くしてもよい。
【０４３９】
信号Ｂは、例えば、導通状態または非導通状態を制御するための信号である。信号Ｂは、電位Ｖ３、または電位Ｖ４（Ｖ３＞Ｖ４とする）の２種類の電位をとるデジタル信号であってもよい。例えば、電位Ｖ３を高電源電位とし、電位Ｖ４を低電源電位とすることができる。信号Ｂは、アナログ信号であってもよい。
【０４４０】
信号Ａと信号Ｂが共にデジタル信号である場合、信号Ｂは、信号Ａと同じデジタル値を持つ信号であってもよい。この場合、トランジスタのオン電流を向上し、トランジスタを有する回路の動作速度を向上できる場合がある。このとき、信号Ａにおける電位Ｖ１及び電位Ｖ２は、信号Ｂにおける電位Ｖ３及び電位Ｖ４と、異なっていても良い。例えば、信号Ｂが入力されるゲートに対応するゲート絶縁膜が、信号Ａが入力されるゲートに対応するゲート絶縁膜よりも厚い場合、信号Ｂの電位振幅（Ｖ３−Ｖ４）を、信号Ａの電位振幅（Ｖ１−Ｖ２）より大きくしても良い。そうすることで、トランジスタの導通状態または非導通状態に対して、信号Ａが与える影響と、信号Ｂが与える影響と、を同程度とすることができる場合がある。
【０４４１】
信号Ａと信号Ｂが共にデジタル信号である場合、信号Ｂは、信号Ａと異なるデジタル値を持つ信号であってもよい。この場合、トランジスタの制御を信号Ａと信号Ｂによって別々に行うことができ、より高い機能を実現できる場合がある。例えば、トランジスタがｎチャネル型である場合、信号Ａが電位Ｖ１であり、かつ、信号Ｂが電位Ｖ３である場合のみ導通状態となる場合や、信号Ａが電位Ｖ２であり、かつ、信号Ｂが電位Ｖ４である場合のみ非導通状態となる場合には、一つのトランジスタでＮＡＮＤ回路やＮＯＲ回路等の機能を実現できる場合がある。また、信号Ｂは、しきい値電圧ＶｔｈＡを制御するための信号であってもよい。例えば、信号Ｂは、トランジスタを有する回路が動作している期間と、当該回路が動作していない期間と、で電位が異なる信号であっても良い。信号Ｂは、回路の動作モードに合わせて電位が異なる信号であってもよい。この場合、信号Ｂは信号Ａほど頻繁には電位が切り替わらない場合がある。
【０４４２】
信号Ａと信号Ｂが共にアナログ信号である場合、信号Ｂは、信号Ａと同じ電位のアナログ信号、信号Ａの電位を定数倍したアナログ信号、または、信号Ａの電位を定数だけ加算もしくは減算したアナログ信号等であってもよい。この場合、トランジスタのオン電流が向上し、トランジスタを有する回路の動作速度を向上できる場合がある。信号Ｂは、信号Ａと異なるアナログ信号であってもよい。この場合、トランジスタの制御を信号Ａと信号Ｂによって別々に行うことができ、より高い機能を実現できる場合がある。
【０４４３】
信号Ａがデジタル信号であり、信号Ｂがアナログ信号であってもよい。または信号Ａがアナログ信号であり、信号Ｂがデジタル信号であってもよい。
【０４４４】
トランジスタの両方のゲート電極に固定電位を与える場合、トランジスタを、抵抗素子と同等の素子として機能させることができる場合がある。例えば、トランジスタがｎチャネル型である場合、固定電位Ｖａまたは固定電位Ｖｂを高く（低く）することで、トランジスタの実効抵抗を低く（高く）することができる場合がある。固定電位Ｖａ及び固定電位Ｖｂを共に高く（低く）することで、一つのゲートしか有さないトランジスタによって得られる実効抵抗よりも低い（高い）実効抵抗が得られる場合がある。
【０４４５】
なお、トランジスタ１００Ａのその他の構成は、先に示すトランジスタ１００と同様であり、同様の効果を奏する。
【０４４６】
また、トランジスタ１００Ａ上にさらに、絶縁膜を形成してもよい。その場合の一例を図３６（Ａ）（Ｂ）に示す。図３６（Ａ）（Ｂ）は、トランジスタ１００Ｂの断面図である。トランジスタ１００Ｂの上面図としては、図３５（Ａ）に示すトランジスタ１００Ａと同様であるため、ここでの説明は省略する。
【０４４７】
図３６（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタ１００Ｂは、導電膜１２０ａ、１２０ｂ、絶縁膜１１８上に絶縁膜１２２を有する。それ以外の構成については、トランジスタ１００Ａと同様であり、同様の効果を奏する。
【０４４８】
絶縁膜１２２は、トランジスタ等に起因する凹凸等を平坦化させる機能を有する。絶縁膜１２２としては、絶縁性であればよく、無機材料または有機材料を用いて形成される。該無機材料としては、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、窒化アルミニウム膜等が挙げられる。該有機材料としては、例えば、アクリル樹脂、またはポリイミド樹脂等の感光性の樹脂材料が挙げられる。
【０４４９】
［トランジスタの構成例３］
次に、図３５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタと異なる構成について、図３７乃至図３９を用いて説明する。
【０４５０】
図３７（Ａ）（Ｂ）は、トランジスタ１００Ｃの断面図であり、図３８（Ａ）（Ｂ）は、トランジスタ１００Ｄの断面図であり、図３９（Ａ）（Ｂ）は、トランジスタ１００Ｅの断面図である。なお、トランジスタ１００Ｃ、トランジスタ１００Ｄ、及びトランジスタ１００Ｅの上面図としては、図３５（Ａ）に示すトランジスタ１００Ａと同様であるため、ここでの説明は省略する。
【０４５１】
図３７（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタ１００Ｃは、導電膜１１２の積層構造、導電膜１１２の形状、及び絶縁膜１１０の形状がトランジスタ１００Ａと異なる。
【０４５２】
トランジスタ１００Ｃの導電膜１１２は、絶縁膜１１０上の導電膜１１２＿１と、導電膜１１２＿１上の導電膜１１２＿２と、を有する。例えば、導電膜１１２＿１として、酸化物導電膜を用いることにより、絶縁膜１１０に過剰酸素を添加することができる。上記酸化物導電膜としては、スパッタリング法を用い、酸素ガスを含む雰囲気にて形成することができる。また、上記酸化物導電膜としては、例えば、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が挙げられる。
【０４５３】
また、図３７（Ｂ）に示すように、開口部１４３において、導電膜１１２＿２と、導電膜１０６とが接続される。開口部１４３を形成する際に、導電膜１１２＿１となる導電膜を形成した後、開口部１４３を形成することで、図３７（Ｂ）に示す形状とすることができる。導電膜１１２＿１に酸化物導電膜を適用した場合、導電膜１１２＿２と、導電膜１０６とが接続される構成とすることで、導電膜１１２と導電膜１０６との接続抵抗を低くすることができる。
【０４５４】
また、トランジスタ１００Ｃの導電膜１１２及び絶縁膜１１０は、テーパー形状である。より具体的には、導電膜１１２の下端部は、導電膜１１２の上端部よりも外側に形成される。また、絶縁膜１１０の下端部は、絶縁膜１１０の上端部よりも外側に形成される。また、導電膜１１２の下端部は、絶縁膜１１０の上端部と概略同じ位置に形成される。
【０４５５】
トランジスタ１００Ｃの導電膜１１２及び絶縁膜１１０をテーパー形状とすることで、トランジスタ１００Ａの導電膜１１２及び絶縁膜１１０が矩形の場合と比較し、絶縁膜１１６の被覆性を高めることができるため好適である。
【０４５６】
なお、トランジスタ１００Ｃのその他の構成は、先に示すトランジスタ１００Ａと同様であり、同様の効果を奏する。
【０４５７】
図３８（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタ１００Ｄは、導電膜１１２の積層構造、導電膜１１２の形状、及び絶縁膜１１０の形状がトランジスタ１００Ａと異なる。
【０４５８】
トランジスタ１００Ｄの導電膜１１２は、絶縁膜１１０上の導電膜１１２＿１と、導電膜１１２＿１上の導電膜１１２＿２と、を有する。また、導電膜１１２＿１の下端部は、導電膜１１２＿２の上端部よりも外側に形成される。例えば、導電膜１１２＿１と、導電膜１１２＿２と、絶縁膜１１０と、を同じマスクで加工し、導電膜１１２＿２をウエットエッチング法で、導電膜１１２＿１及び絶縁膜１１０をドライエッチング法で、それぞれ加工することで、上記の構造とすることができる。
【０４５９】
また、トランジスタ１００Ｄの構造とすることで、酸化物半導体膜１０８中に、領域１０８ｆが形成される場合がある。領域１０８ｆは、チャネル領域１０８ｉとソース領域１０８ｓとの間、及びチャネル領域１０８ｉとドレイン領域１０８ｄとの間に形成される。
【０４６０】
領域１０８ｆは、高抵抗領域あるいは低抵抗領域のいずれか一方として機能する。高抵抗領域とは、チャネル領域１０８ｉと同等の抵抗を有し、ゲート電極として機能する導電膜１１２が重畳しない領域である。領域１０８ｆが高抵抗領域の場合、領域１０８ｆは、所謂オフセット領域として機能する。領域１０８ｆがオフセット領域として機能する場合においては、トランジスタ１００Ｄのオン電流の低下を抑制するために、チャネル長（Ｌ）方向において、領域１０８ｆを１μｍ以下とすればよい。
【０４６１】
また、低抵抗領域とは、チャネル領域１０８ｉよりも抵抗が低く、且つソース領域１０８ｓ及びドレイン領域１０８ｄよりも抵抗が高い領域である。領域１０８ｆが低抵抗領域の場合、領域１０８ｆは、所謂、ＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ  Ｄｏｐｅｄ  Ｄｒａｉｎ）領域として機能する。領域１０８ｆがＬＤＤ領域として機能する場合においては、ドレイン領域の電界緩和が可能となるため、ドレイン領域の電界に起因したトランジスタのしきい値電圧の変動を低減することができる。
【０４６２】
なお、領域１０８ｆをＬＤＤ領域とする場合には、例えば、絶縁膜１１６から領域１０８ｆに窒素、水素、フッ素の１以上を供給する、あるいは、絶縁膜１１０及び導電膜１１２＿１をマスクとして、導電膜１１２＿１の上方から不純物元素を添加することで、当該不純物が導電膜１１２＿１及び絶縁膜１１０を通過して酸化物半導体膜１０８に添加されることで形成することができる。
【０４６３】
また、図３８（Ｂ）に示すように、開口部１４３において、導電膜１１２＿２と、導電膜１０６とが接続される。
【０４６４】
なお、トランジスタ１００Ｄのその他の構成は、先に示すトランジスタ１００Ａと同様であり、同様の効果を奏する。
【０４６５】
図３９（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタ１００Ｅは、導電膜１１２の積層構造、導電膜１１２の形状、及び絶縁膜１１０の形状がトランジスタ１００Ａと異なる。
【０４６６】
トランジスタ１００Ｅの導電膜１１２は、絶縁膜１１０上の導電膜１１２＿１と、導電膜１１２＿１上の導電膜１１２＿２と、を有する。また、導電膜１１２＿１の下端部は、導電膜１１２＿２の下端部よりも外側に形成される。また、絶縁膜１１０の下端部は、導電膜１１２＿１の下端部よりも外側に形成される。例えば、導電膜１１２＿１と、導電膜１１２＿２と、絶縁膜１１０と、を同じマスクで加工し、導電膜１１２＿２及び導電膜１１２＿１をウエットエッチング法で、絶縁膜１１０をドライエッチング法で、それぞれ加工することで、上記の構造とすることができる。
【０４６７】
また、トランジスタ１００Ｄと同様に、トランジスタ１００Ｅには、酸化物半導体膜１０８中に領域１０８ｆが形成される場合がある。領域１０８ｆは、チャネル領域１０８ｉとソース領域１０８ｓとの間、及びチャネル領域１０８ｉとドレイン領域１０８ｄとの間に形成される。
【０４６８】
また、図３９（Ｂ）に示すように、開口部１４３において、導電膜１１２＿２と、導電膜１０６とが接続される。
【０４６９】
なお、トランジスタ１００Ｅのその他の構成は、先に示すトランジスタ１００Ａと同様であり、同様の効果を奏する。
【０４７０】
［トランジスタの構成例４］
次に、図３５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ａと異なる構成について、図４０乃至図４４を用いて説明する。
【０４７１】
図４０（Ａ）（Ｂ）は、トランジスタ１００Ｆの断面図であり、図４１（Ａ）（Ｂ）は、トランジスタ１００Ｇの断面図であり、図４２（Ａ）（Ｂ）は、トランジスタ１００Ｈの断面図であり、図４３（Ａ）（Ｂ）は、トランジスタ１００Ｊの断面図であり、図４４（Ａ）（Ｂ）は、トランジスタ１００Ｋの断面図である。なお、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、及びトランジスタ１００Ｋの上面図としては、図３５（Ａ）に示すトランジスタ１００Ａと同様であるため、ここでの説明は省略する。
【０４７２】
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、及びトランジスタ１００Ｋは、先に示すトランジスタ１００Ａと酸化物半導体膜１０８の構造が異なる。それ以外の構成については、先に示すトランジスタ１００Ａと同様の構成であり、同様の効果を奏する。
【０４７３】
図４０（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタ１００Ｆが有する酸化物半導体膜１０８は、絶縁膜１０４上の酸化物半導体膜１０８＿１と、酸化物半導体膜１０８＿１上の酸化物半導体膜１０８＿２と、酸化物半導体膜１０８＿２上の酸化物半導体膜１０８＿３と、を有する。また、チャネル領域１０８ｉ、ソース領域１０８ｓ、及びドレイン領域１０８ｄは、それぞれ、酸化物半導体膜１０８＿１、酸化物半導体膜１０８＿２、及び酸化物半導体膜１０８＿３の３層の積層構造である。
【０４７４】
図４１（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタ１００Ｇが有する酸化物半導体膜１０８は、絶縁膜１０４上の酸化物半導体膜１０８＿２と、酸化物半導体膜１０８＿２上の酸化物半導体膜１０８＿３と、を有する。また、チャネル領域１０８ｉ、ソース領域１０８ｓ、及びドレイン領域１０８ｄは、それぞれ、酸化物半導体膜１０８＿２、及び酸化物半導体膜１０８＿３の２層の積層構造である。
【０４７５】
図４２（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタ１００Ｈが有する酸化物半導体膜１０８は、絶縁膜１０４上の酸化物半導体膜１０８＿１と、酸化物半導体膜１０８＿１上の酸化物半導体膜１０８＿２と、を有する。また、チャネル領域１０８ｉ、ソース領域１０８ｓ、及びドレイン領域１０８ｄは、それぞれ、酸化物半導体膜１０８＿１、及び酸化物半導体膜１０８＿２の２層の積層構造である。
【０４７６】
図４３（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタ１００Ｊが有する酸化物半導体膜１０８は、絶縁膜１０４上の酸化物半導体膜１０８＿１と、酸化物半導体膜１０８＿１上の酸化物半導体膜１０８＿２と、酸化物半導体膜１０８＿２上の酸化物半導体膜１０８＿３と、を有する。また、チャネル領域１０８ｉは、酸化物半導体膜１０８＿１、酸化物半導体膜１０８＿２、及び酸化物半導体膜１０８＿３の３層の積層構造であり、ソース領域１０８ｓ、及びドレイン領域１０８ｄは、それぞれ、酸化物半導体膜１０８＿１、及び酸化物半導体膜１０８＿２の２層の積層構造である。なお、トランジスタ１００Ｊのチャネル幅（Ｗ）方向の断面において、酸化物半導体膜１０８＿３が、酸化物半導体膜１０８＿１及び酸化物半導体膜１０８＿２の側面を覆う。
【０４７７】
図４４（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタ１００Ｋが有する酸化物半導体膜１０８は、絶縁膜１０４上の酸化物半導体膜１０８＿２と、酸化物半導体膜１０８＿２上の酸化物半導体膜１０８＿３と、を有する。また、チャネル領域１０８ｉは、酸化物半導体膜１０８＿２、及び酸化物半導体膜１０８＿３の２層の積層構造であり、ソース領域１０８ｓ、及びドレイン領域１０８ｄは、それぞれ、酸化物半導体膜１０８＿２の単層構造である。なお、トランジスタ１００Ｋのチャネル幅（Ｗ）方向の断面において、酸化物半導体膜１０８＿３が、酸化物半導体膜１０８＿２の側面を覆う。
【０４７８】
チャネル領域１０８ｉのチャネル幅（Ｗ）方向の側面またはその近傍においては、加工におけるダメージにより欠陥（例えば、酸素欠損）が形成されやすい、あるいは不純物の付着により汚染されやすい。そのため、チャネル領域１０８ｉが実質的に真性であっても、電界などのストレスが印加されることによって、チャネル領域１０８ｉのチャネル幅（Ｗ）方向の側面またはその近傍が活性化され、低抵抗（ｎ型）領域となりやすい。また、チャネル領域１０８ｉのチャネル幅（Ｗ）方向の側面またはその近傍がｎ型領域の場合、当該ｎ型領域がキャリアのパスとなるため、寄生チャネルが形成される場合がある。
【０４７９】
そこで、トランジスタ１００Ｊ、及びトランジスタ１００Ｋにおいては、チャネル領域１０８ｉを積層構造とし、チャネル領域１０８ｉのチャネル幅（Ｗ）方向の側面を、積層構造の一方の層で覆う構成とする。当該構成とすることで、チャネル領域１０８ｉの側面またはその近傍の欠陥を抑制する、あるいはチャネル領域１０８ｉの側面またはその近傍への不純物の付着を低減することが可能となる。
【０４８０】
［バンド構造］
ここで、絶縁膜１０４、酸化物半導体膜１０８＿１、１０８＿２、１０８＿３、及び絶縁膜１１０のバンド構造、絶縁膜１０４、酸化物半導体膜１０８＿２、１０８＿３、及び絶縁膜１１０のバンド構造、並びに絶縁膜１０４、酸化物半導体膜１０８＿１、１０８＿２のバンド構造について、図４５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）を用いて説明する。なお、図４５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、チャネル領域１０８ｉにおけるバンド構造である。
【０４８１】
図４５（Ａ）は、絶縁膜１０４、酸化物半導体膜１０８＿１、１０８＿２、１０８＿３、及び絶縁膜１１０を有する積層構造の膜厚方向のバンド構造の一例である。また、図４５（Ｂ）は、絶縁膜１０４、酸化物半導体膜１０８＿２、１０８＿３、及び絶縁膜１１０を有する積層構造の膜厚方向のバンド構造の一例である。また、図４５（Ｃ）は、絶縁膜１０４、酸化物半導体膜１０８＿１、１０８＿２、及び絶縁膜１１０を有する積層構造の膜厚方向のバンド構造の一例である。なお、バンド構造は、理解を容易にするため絶縁膜１０４、酸化物半導体膜１０８＿１、１０８＿２、１０８＿３、及び絶縁膜１１０の伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ）を示す。
【０４８２】
また、図４５（Ａ）は、絶縁膜１０４、１１０として酸化シリコン膜を用い、酸化物半導体膜１０８＿１として金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用い、酸化物半導体膜１０８＿２として金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用い、酸化物半導体膜１０８＿３として金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用いる構成のバンド図である。
【０４８３】
また、図４５（Ｂ）は、絶縁膜１０４、１１０として酸化シリコン膜を用い、酸化物半導体膜１０８＿２として金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用い、酸化物半導体膜１０８＿３として金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用いる構成のバンド図である。
【０４８４】
また、図４５（Ｃ）は、絶縁膜１０４、１１０として酸化シリコン膜を用い、酸化物半導体膜１０８＿１として金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用い、酸化物半導体膜１０８＿２として金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用いて形成される酸化物半導体膜を用いる構成のバンド図である。
【０４８５】
図４５（Ａ）に示すように、酸化物半導体膜１０８＿１、１０８＿２、１０８＿３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。また、図４５（Ｂ）に示すように、酸化物半導体膜１０８＿２、１０８＿３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。また、図４５（Ｃ）に示すように、酸化物半導体膜１０８＿１、１０８＿２において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようなバンド構造を有するためには、酸化物半導体膜１０８＿１と酸化物半導体膜１０８＿２との界面、または酸化物半導体膜１０８＿２と酸化物半導体膜１０８＿３との界面において、トラップ中心や再結合中心のような欠陥準位を形成するような不純物が存在しないとする。
【０４８６】
酸化物半導体膜１０８＿１、１０８＿２、１０８＿３に連続接合を形成するためには、ロードロック室を備えたマルチチャンバー方式の成膜装置（スパッタリング装置）を用いて各膜を大気に触れさせることなく連続して積層することが必要となる。
【０４８７】
図４５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示す構成とすることで酸化物半導体膜１０８＿２がウェル（井戸）となり、上記積層構造を用いたトランジスタにおいて、チャネル領域が酸化物半導体膜１０８＿２に形成されることがわかる。
【０４８８】
なお、酸化物半導体膜１０８＿１、１０８＿３を設けることにより、酸化物半導体膜１０８＿２に形成されうる欠陥準位を酸化物半導体膜１０８＿２より遠ざけることができる。
【０４８９】
また、欠陥準位がチャネル領域として機能する酸化物半導体膜１０８＿２の伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ）より真空準位から遠くなることがあり、欠陥準位に電子が蓄積しやすくなってしまう。欠陥準位に電子が蓄積されることで、マイナスの固定電荷となり、トランジスタのしきい値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。したがって、欠陥準位が酸化物半導体膜１０８＿２の伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ）より真空準位に近くなるような構成にすると好ましい。このようにすることで、欠陥準位に電子が蓄積しにくくなり、トランジスタのオン電流を増大させることが可能であると共に、電界効果移動度を高めることができる。
【０４９０】
また、酸化物半導体膜１０８＿１、１０８＿３は、酸化物半導体膜１０８＿２よりも伝導帯下端のエネルギー準位が真空準位に近く、代表的には、酸化物半導体膜１０８＿２の伝導帯下端のエネルギー準位と、酸化物半導体膜１０８＿１、１０８＿３の伝導帯下端のエネルギー準位との差が、０．１５ｅＶ以上、または０．５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、または１ｅＶ以下である。すなわち、酸化物半導体膜１０８＿１、１０８＿３の電子親和力と、酸化物半導体膜１０８＿２の電子親和力との差が、０．１５ｅＶ以上、または０．５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、または１ｅＶ以下である。
【０４９１】
このような構成を有することで、酸化物半導体膜１０８＿２が主な電流経路となる。すなわち、酸化物半導体膜１０８＿２は、チャネル領域としての機能を有し、酸化物半導体膜１０８＿１、１０８＿３は、酸化物絶縁膜としての機能を有する。また、酸化物半導体膜１０８＿１、１０８＿３は、チャネル領域が形成される酸化物半導体膜１０８＿２を構成する金属元素の一種以上から構成される酸化物半導体膜を用いると好ましい。このような構成とすることで、酸化物半導体膜１０８＿１と酸化物半導体膜１０８＿２との界面、または酸化物半導体膜１０８＿２と酸化物半導体膜１０８＿３との界面において、界面散乱が起こりにくい。従って、該界面においてはキャリアの動きが阻害されないため、トランジスタの電界効果移動度が高くなる。
【０４９２】
また、酸化物半導体膜１０８＿１、１０８＿３は、チャネル領域の一部として機能することを防止するため、導電率が十分に低い材料を用いるものとする。そのため、酸化物半導体膜１０８＿１、１０８＿３を、その物性及び／または機能から、それぞれ酸化物絶縁膜とも呼べる。または、酸化物半導体膜１０８＿１、１０８＿３には、電子親和力（真空準位と伝導帯下端のエネルギー準位との差）が酸化物半導体膜１０８＿２よりも小さく、伝導帯下端のエネルギー準位が酸化物半導体膜１０８＿２の伝導帯下端エネルギー準位と差分（バンドオフセット）を有する材料を用いるものとする。また、ドレイン電圧の大きさに依存したしきい値電圧の差が生じることを抑制するためには、酸化物半導体膜１０８＿１、１０８＿３の伝導帯下端のエネルギー準位が、酸化物半導体膜１０８＿２の伝導帯下端のエネルギー準位よりも真空準位に近い材料を用いると好適である。例えば、酸化物半導体膜１０８＿２の伝導帯下端のエネルギー準位と、酸化物半導体膜１０８＿１、１０８＿３の伝導帯下端のエネルギー準位との差が、０．２ｅＶ以上、好ましくは０．５ｅＶ以上とすることが好ましい。
【０４９３】
また、酸化物半導体膜１０８＿１、１０８＿３は、膜中にスピネル型の結晶構造が含まれないことが好ましい。酸化物半導体膜１０８＿１、１０８＿３の膜中にスピネル型の結晶構造を含む場合、該スピネル型の結晶構造と他の領域との界面において、導電膜１２０ａ、１２０ｂの構成元素が酸化物半導体膜１０８＿２へ拡散してしまう場合がある。なお、酸化物半導体膜１０８＿１、１０８＿３が後述するＣＡＡＣ−ＯＳである場合、導電膜１２０ａ、１２０ｂの構成元素、例えば、銅元素のブロッキング性が高くなり好ましい。
【０４９４】
また、本実施の形態においては、酸化物半導体膜１０８＿１、１０８＿３として、金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用いる構成について例示したが、これに限定されない。例えば、酸化物半導体膜１０８＿１、１０８＿３として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２［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＝１：４：５［原子数比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：５：６［原子数比］、またはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１０：１［原子数比］の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用いてもよい。あるいは、酸化物半導体膜１０８＿１、１０８＿３として、金属元素の原子数比をＧａ：Ｚｎ＝１０：１の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用いてもよい。この場合、酸化物半導体膜１０８＿２として金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用い、酸化物半導体膜１０８＿１、１０８＿３として金属元素の原子数比をＧａ：Ｚｎ＝１０：１の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用いると、酸化物半導体膜１０８＿２の伝導帯下端のエネルギー準位と、酸化物半導体膜１０８＿１、１０８＿３の伝導帯下端のエネルギー準位との差を０．６ｅＶ以上とすることができるため好適である。
【０４９５】
なお、酸化物半導体膜１０８＿１、１０８＿３として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］の金属酸化物ターゲットを用いる場合、酸化物半導体膜１０８＿１、１０８＿３は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：β１（０＜β１≦２）：β２（０＜β２≦２）となる場合がある。また、酸化物半導体膜１０８＿１、１０８＿３として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］の金属酸化物ターゲットを用いる場合、酸化物半導体膜１０８＿１、１０８＿３は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：β３（１≦β３≦５）：β４（２≦β４≦６）となる場合がある。また、酸化物半導体膜１０８＿１、１０８＿３として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：６［原子数比］の金属酸化物ターゲットを用いる場合、酸化物半導体膜１０８＿１、１０８＿３は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：β５（１≦β５≦５）：β６（４≦β６≦８）となる場合がある。
【０４９６】
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。
【０４９７】
（実施の形態３）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置に用いることのできるトランジスタについて、詳細に説明する。
【０４９８】
なお、本実施の形態では、ボトムゲート型のトランジスタについて、図４６乃至図５２を用いて説明する。
【０４９９】
［トランジスタの構成例１］
図４６（Ａ）は、トランジスタ３００Ａの上面図であり、図４６（Ｂ）は、図４６（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４６（Ｃ）は、図４６（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４６（Ａ）において、煩雑になることを避けるため、トランジスタ３００Ａの構成要素の一部（ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜等）を省略して図示している。また、一点鎖線Ｘ１−Ｘ２方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｙ１−Ｙ２方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。なお、トランジスタの上面図においては、以降の図面においても図４６（Ａ）と同様に、構成要素の一部を省略して図示する場合がある。
【０５００】
図４６に示すトランジスタ３００Ａは、基板３０２上の導電膜３０４と、基板３０２及び導電膜３０４上の絶縁膜３０６と、絶縁膜３０６上の絶縁膜３０７と、絶縁膜３０７上の酸化物半導体膜３０８と、酸化物半導体膜３０８上の導電膜３１２ａと、酸化物半導体膜３０８上の導電膜３１２ｂと、を有する。また、トランジスタ３００Ａ上、より詳しくは、導電膜３１２ａ、３１２ｂ及び酸化物半導体膜３０８上には絶縁膜３１４、３１６、及び絶縁膜３１８が設けられる。
【０５０１】
なお、トランジスタ３００Ａにおいて、絶縁膜３０６、３０７は、トランジスタ３００Ａのゲート絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜３１４、３１６、３１８は、トランジスタ３００Ａの保護絶縁膜としての機能を有する。また、トランジスタ３００Ａにおいて、導電膜３０４は、ゲート電極としての機能を有し、導電膜３１２ａは、ソース電極としての機能を有し、導電膜３１２ｂは、ドレイン電極としての機能を有する。
【０５０２】
なお、本明細書等において、絶縁膜３０６、３０７を第１の絶縁膜と、絶縁膜３１４、３１６を第２の絶縁膜と、絶縁膜３１８を第３の絶縁膜と、それぞれ呼称する場合がある。
【０５０３】
図４６に示すトランジスタ３００Ａは、チャネルエッチ型のトランジスタ構造である。本発明の一態様の酸化物半導体膜は、チャネルエッチ型のトランジスタに好適に用いることができる。
【０５０４】
［トランジスタの構成例２］
図４７（Ａ）は、トランジスタ３００Ｂの上面図であり、図４７（Ｂ）は、図４７（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４７（Ｃ）は、図４７（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。
【０５０５】
図４７に示すトランジスタ３００Ｂは、基板３０２上の導電膜３０４と、基板３０２及び導電膜３０４上の絶縁膜３０６と、絶縁膜３０６上の絶縁膜３０７と、絶縁膜３０７上の酸化物半導体膜３０８と、酸化物半導体膜３０８上の絶縁膜３１４と、絶縁膜３１４上の絶縁膜３１６と、絶縁膜３１４及び絶縁膜３１６に設けられる開口部３４１ａを介して酸化物半導体膜３０８に電気的に接続される導電膜３１２ａと、絶縁膜３１４及び絶縁膜３１６に設けられる開口部３４１ｂを介して酸化物半導体膜３０８に電気的に接続される導電膜３１２ｂとを有する。また、トランジスタ３００Ｂ上、より詳しくは、導電膜３１２ａ、３１２ｂ、及び絶縁膜３１６上には絶縁膜３１８が設けられる。
【０５０６】
なお、トランジスタ３００Ｂにおいて、絶縁膜３０６、３０７は、トランジスタ３００Ｂのゲート絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜３１４、３１６は、酸化物半導体膜３０８の保護絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜３１８は、トランジスタ３００Ｂの保護絶縁膜としての機能を有する。また、トランジスタ３００Ｂにおいて、導電膜３０４は、ゲート電極としての機能を有し、導電膜３１２ａは、ソース電極としての機能を有し、導電膜３１２ｂは、ドレイン電極としての機能を有する。
【０５０７】
図４６に示すトランジスタ３００Ａ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４７（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ３００Ｂは、チャネル保護型の構造である。本発明の一態様の酸化物半導体膜は、チャネル保護型のトランジスタにも好適に用いることができる。
【０５０８】
［トランジスタの構成例３］
図４８（Ａ）は、トランジスタ３００Ｃの上面図であり、図４８（Ｂ）は、図４８（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４８（Ｃ）は、図４８（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。
【０５０９】
図４８に示すトランジスタ３００Ｃは、図４７（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ３００Ｂと絶縁膜３１４、３１６の形状が相違する。具体的には、トランジスタ３００Ｃの絶縁膜３１４、３１６は、酸化物半導体膜３０８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３００Ｂと同様である。
【０５１０】
［トランジスタの構成例４］
図４９（Ａ）は、トランジスタ３００Ｄの上面図であり、図４９（Ｂ）は、図４９（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４９（Ｃ）は、図４９（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。
【０５１１】
図４９に示すトランジスタ３００Ｄは、基板３０２上の導電膜３０４と、基板３０２及び導電膜３０４上の絶縁膜３０６と、絶縁膜３０６上の絶縁膜３０７と、絶縁膜３０７上の酸化物半導体膜３０８と、酸化物半導体膜３０８上の導電膜３１２ａと、酸化物半導体膜３０８上の導電膜３１２ｂと、酸化物半導体膜３０８、及び導電膜３１２ａ、３１２ｂ上の絶縁膜３１４と、絶縁膜３１４上の絶縁膜３１６と、絶縁膜３１６上の絶縁膜３１８と、絶縁膜３１８上の導電膜３２０ａ、３２０ｂと、を有する。
【０５１２】
なお、トランジスタ３００Ｄにおいて、絶縁膜３０６、３０７は、トランジスタ３００Ｄの第１のゲート絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜３１４、３１６、３１８は、トランジスタ３００Ｄの第２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３００Ｄにおいて、導電膜３０４は、第１のゲート電極としての機能を有し、導電膜３２０ａは、第２のゲート電極としての機能を有し、導電膜３２０ｂは、表示装置に用いる画素電極としての機能を有する。また、導電膜３１２ａは、ソース電極としての機能を有し、導電膜３１２ｂは、ドレイン電極としての機能を有する。
【０５１３】
また、図４９（Ｃ）に示すように導電膜３２０ａは、絶縁膜３０６、３０７、３１４、３１６、３１８に設けられる開口部３４２ｂ、３４２ｃにおいて、導電膜３０４に接続される。よって、導電膜３２０ａと導電膜３０４とは、同じ電位が与えられる。
【０５１４】
なお、トランジスタ３００Ｄにおいては、開口部３４２ｂ、３４２ｃを設け、導電膜３２０ａと導電膜３０４を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、開口部３４２ｂまたは開口部３４２ｃのいずれか一方の開口部のみを形成し、導電膜３２０ａと導電膜３０４を接続する構成、または開口部３４２ｂ及び開口部３４２ｃを設けずに、導電膜３２０ａと導電膜３０４を接続しない構成としてもよい。なお、導電膜３２０ａと導電膜３０４とを接続しない構成の場合、導電膜３２０ａと導電膜３０４には、それぞれ異なる電位を与えることができる。
【０５１５】
また、導電膜３２０ｂは、絶縁膜３１４、３１６、３１８に設けられる開口部３４２ａを介して、導電膜３１２ｂと接続される。
【０５１６】
なお、トランジスタ３００Ｄは、先に説明のＳ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有する。
【０５１７】
［トランジスタの構成例５］
また、図４６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ３００Ａが有する酸化物半導体膜３０８を複数の積層構造としてもよい。その場合の一例を図５０（Ａ）（Ｂ）及び図５１（Ａ）（Ｂ）に示す。
【０５１８】
図５０（Ａ）（Ｂ）は、トランジスタ３００Ｅの断面図であり、図５１（Ａ）（Ｂ）は、トランジスタ３００Ｆの断面図である。なお、トランジスタ３００Ｅ、３００Ｆの上面図としては、図４６（Ａ）に示すトランジスタ３００Ａと同様である。
【０５１９】
図５０（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタ３００Ｅが有する酸化物半導体膜３０８は、酸化物半導体膜３０８＿１と、酸化物半導体膜３０８＿２と、酸化物半導体膜３０８＿３と、を有する。また、図５１（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタ３００Ｆが有する酸化物半導体膜３０８は、酸化物半導体膜３０８＿２と、酸化物半導体膜３０８＿３と、を有する。
【０５２０】
なお、導電膜３０４、絶縁膜３０６、絶縁膜３０７、酸化物半導体膜３０８、酸化物半導体膜３０８＿１、酸化物半導体膜３０８＿２、酸化物半導体膜３０８＿３、導電膜３１２ａ、３１２ｂ、絶縁膜３１４、絶縁膜３１６、絶縁膜３１８、及び導電膜３２０ａ、３２０ｂとしては、それぞれ先に記載の導電膜１０６、絶縁膜１１６、絶縁膜１１４、酸化物半導体膜１０８、酸化物半導体膜１０８＿１、酸化物半導体膜１０８＿２、酸化物半導体膜１０８＿３、導電膜１２０ａ、１２０ｂ、絶縁膜１０４、絶縁膜１１８、絶縁膜１１６、及び導電膜１１２と同様な材料を用いることができる。
【０５２１】
［トランジスタの構成例６］
図５２（Ａ）は、トランジスタ３００Ｇの上面図であり、図５２（Ｂ）は、図５２（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５２（Ｃ）は、図５２（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。
【０５２２】
図５２に示すトランジスタ３００Ｇは、基板３０２上の導電膜３０４と、基板３０２及び導電膜３０４上の絶縁膜３０６と、絶縁膜３０６上の絶縁膜３０７と、絶縁膜３０７上の酸化物半導体膜３０８と、酸化物半導体膜３０８上の導電膜３１２ａと、酸化物半導体膜３０８上の導電膜３１２ｂと、酸化物半導体膜３０８、導電膜３１２ａ、及び導電膜３１２ｂ上の絶縁膜３１４と、絶縁膜３１４上の絶縁膜３１６と、絶縁膜３１６上の導電膜３２０ａと、絶縁膜３１６上の導電膜３２０ｂと、を有する。
【０５２３】
また、絶縁膜３０６及び絶縁膜３０７は、開口部３５１を有し、絶縁膜３０６及び絶縁膜３０７上には、開口部３５１を介して導電膜３０４と電気的に接続される導電膜３１２ｃが形成される。また、絶縁膜３１４及び絶縁膜３１６は、導電膜３１２ｂに達する開口部３５２ａと、導電膜３１２ｃに達する開口部３５２ｂとを有する。
【０５２４】
また、酸化物半導体膜３０８は、導電膜３０４側の酸化物半導体膜３０８＿２と、酸化物半導体膜３０８＿２上の酸化物半導体膜３０８＿３と、を有する。
【０５２５】
また、トランジスタ３００Ｇの上には、絶縁膜３１８が設けられる。絶縁膜３１８は、絶縁膜３１６、導電膜３２０ａ、及び導電膜３２０ｂを覆うように形成される。
【０５２６】
なお、トランジスタ３００Ｇにおいて、絶縁膜３０６、３０７は、トランジスタ３００Ｇの第１のゲート絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜３１４、３１６は、トランジスタ３００Ｇの第２のゲート絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜３１８は、トランジスタ３００Ｇの保護絶縁膜としての機能を有する。また、トランジスタ３００Ｇにおいて、導電膜３０４は、第１のゲート電極としての機能を有し、導電膜３２０ａは、第２のゲート電極としての機能を有し、導電膜３２０ｂは、表示装置に用いる画素電極としての機能を有する。また、トランジスタ３００Ｇにおいて、導電膜３１２ａは、ソース電極としての機能を有し、導電膜３１２ｂは、ドレイン電極としての機能を有する。また、トランジスタ３００Ｇにおいて、導電膜３１２ｃは接続電極としての機能を有する。
【０５２７】
なお、トランジスタ３００Ｇは、先に説明のＳ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有する。
【０５２８】
また、トランジスタ３００Ａ乃至トランジスタ３００Ｇの構造を、それぞれ自由に組み合わせて用いてもよい。
【０５２９】
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。
【０５３０】
（実施の形態４）
本実施の形態では、本発明の一態様の金属酸化物膜を有する半導体装置について、図５３乃至図５５を参照して説明する。
【０５３１】
＜半導体装置の構成例１＞
図５３は、実施の形態３に示すトランジスタ３００Ｄと、実施の形態２に示すトランジスタ１００Ｂとを積層構造とする場合の一例のチャネル長（Ｌ）方向の断面図である。
【０５３２】
トランジスタ３００Ｄと、トランジスタ１００Ｂと、を積層構造とすることで、トランジスタの配置面積を縮小させることができる。
【０５３３】
例えば、図５３の構成を、表示装置の画素部に用いることで、当該表示装置の画素密度を高めることが可能となる。例えば、表示装置の画素密度が１０００ｐｐｉ（ｐｉｘｅｌ  ｐｅｒ  ｉｎｃｈ）を超える、または表示装置の画素密度が２０００ｐｐｉを超える場合においても、図５３に示すような配置とすることで、画素の開口率を高めることができる。なお、ｐｐｉは、１インチあたりの画素数を表す単位である。
【０５３４】
また、トランジスタ３００Ｄとトランジスタ１００Ｂとを積層構造とすることで、先に示す構成と一部異なる構成となる。
【０５３５】
例えば、図５３において、トランジスタ３００Ｄは、先に示す構成と以下の構成が異なる。
【０５３６】
図５３に示すトランジスタ３００Ｄは、絶縁膜３１８と、導電膜３２０ａとの間に絶縁膜３１９と、絶縁膜１１０ａとを有する。
【０５３７】
絶縁膜３１９としては、絶縁膜３１４または絶縁膜３１６に示す材料を用いることができる。絶縁膜３１９は、酸化物半導体膜１０８と、絶縁膜３１８とが接しないように設けられる。また、絶縁膜１１０ａとしては、絶縁膜１１０と同じ絶縁膜を加工することで形成される。なお、トランジスタ３３０Ｄが有する導電膜３２０ａと、トランジスタ１００Ｂが有する導電膜１１２とは、同じ導電膜を加工することで形成される。
【０５３８】
また、図５３に示すトランジスタ１００Ｂは、導電膜１０６の代わりに導電膜３１２ｃを有する。また、図５３に示すトランジスタ１００Ｂは、絶縁膜１０４の代わりに絶縁膜３１４、３１６、３１８、３１９を有する。絶縁膜１０４を、トランジスタ３００Ｄが有する絶縁膜３１４、３１６、３１８、３１９とすることで、トランジスタの作製工程を短くすることができる。
【０５３９】
また、図５３においては、トランジスタ３００Ｄの導電膜１２０ｂに導電膜３４４が接続されている。なお、導電膜３４４は、絶縁膜１２２に設けられた開口部３４２を介して、導電膜１２０ｂに電気的に接続される。また、導電膜３４４としては、導電膜３２０ａに用いることができる材料を適用すればよい。なお、導電膜３４４は、表示装置の画素電極としての機能を有する。
【０５４０】
また、図５３においては、トランジスタ３００Ｄと、トランジスタ１００Ｂとが積層構造とする場合について説明したがこれに限定されない。例えば、図５４及び図５５に示す構成としてもよい。
【０５４１】
＜半導体装置の構成例２＞
図５４は、トランジスタ９５０と、実施の形態２に示すトランジスタ１００Ａとを積層構造とする場合の一例のチャネル長（Ｌ）方向の断面図である。
【０５４２】
図５４に示すトランジスタ９５０は、基板９５２と、基板９５２上の絶縁膜９５４と、絶縁膜９５４上の半導体膜９５６と、半導体膜９５６上の絶縁膜９５８と、絶縁膜９５８上の導電膜９６０と、絶縁膜９５４、半導体膜９５６、及び導電膜９６０上の絶縁膜９６２と、絶縁膜９６２上の絶縁膜９６４と、半導体膜９５６に電気的に接続される導電膜９６６ａ、９６６ｂと、を有する。また、トランジスタ９５０上には絶縁膜９６８が設けられる。
【０５４３】
半導体膜９５６は、シリコンを有する。特に、半導体膜９５６は、結晶性のシリコンを有すると好ましい。トランジスタ９５０は、所謂低温ポリシリコンを用いたトランジスタである。例えば、表示装置の駆動回路部に、低温ポリシリコンを用いたトランジスタを用いることで、高い電界効果移動度を得ることができるため好適である。また、トランジスタ３００Ａを、例えば、表示装置の画素部に用いると消費電力を抑制できるため好適である。
【０５４４】
また、基板９５２には、ガラス基板またはプラスティック基板等を用いることができる。また、絶縁膜９５４は、トランジスタ９５０の下地絶縁膜としての機能を有する。絶縁膜９５４には、例えば酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜等を用いることができる。絶縁膜９５８は、トランジスタ９５０のゲート絶縁膜としての機能を有する。絶縁膜９５８には、絶縁膜９５４に列挙した材料を用いることができる。導電膜９６０は、トランジスタ９５０のゲート電極としての機能を有する。導電膜９６０には、先の実施の形態で示す導電膜３１２ａ、３１２ｂ、１２０ａ、１２０ｂ等と同じ材料を用いることができる。絶縁膜９６２、９６４、９６８は、トランジスタ９５０の保護絶縁膜としての機能を有する。また、導電膜９６６ａ、９６６ｂは、トランジスタ９５０のソース電極またはドレイン電極としての機能を有する。導電膜９６６ａ、９６６ｂには、先の実施の形態で示す導電膜３１２ａ、３１２ｂ、１２０ａ、１２０ｂ等と同じ材料を用いることができる。
【０５４５】
また、トランジスタ９５０と、トランジスタ３００Ａとの間には、絶縁膜９７０と、絶縁膜９７２とが設けられる。絶縁膜９７０は、バリア膜としての機能を有する。具体的には、絶縁膜９７０は、トランジスタ９５０が有する不純物、例えば、水素などをトランジスタ３００Ａ側に入り込まないように形成される。また、絶縁膜９７２は、トランジスタ３００Ａの下地絶縁膜としての機能を有する。
【０５４６】
絶縁膜９７０としては、例えば、水素の放出が少なく、水素の拡散を抑制できる材料が好ましい。当該材料としては、窒化シリコン、酸化アルミニウムなどが挙げられる。また、絶縁膜９７２としては、例えば、過剰酸素を有すると好ましい。絶縁膜９７２には、絶縁膜３１４、３１６に示す材料を用いることができる。
【０５４７】
また、図５４においては、トランジスタ９５０と、トランジスタ３００Ａとが重ならない構造としたがこれに限定されず、例えば、トランジスタ９５０のチャネル領域と、トランジスタ３００Ａのチャネル領域とを重なるように配置してもよい。この場合の一例を図５５に示す。図５５は、トランジスタ９５０と、トランジスタ３００Ａとを積層構造とする場合の一例のチャネル長（Ｌ）方向の断面図である。図５５に示すような構成とすることで、トランジスタの配置面積をさらに縮小させることができる。
【０５４８】
なお、図示しないが、トランジスタ９５０と、実施の形態２及び３に示すその他のトランジスタ（例えば、トランジスタ１００Ａ乃至トランジスタ１００Ｋ、及びトランジスタ３００Ａ乃至トランジスタ３００Ｇ）とを積層構造としてもよい。
【０５４９】
このように、本発明の一態様の金属酸化物膜は、様々な形状のトランジスタが積層された構造にも好適に用いることができる。
【０５５０】
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。
【０５５１】
（実施の形態５）
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５６乃至図６３を用いて以下説明を行う。
【０５５２】
図５６は、表示装置の一例を示す上面図である。図５６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５６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。
【０５５３】
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。
【０５５４】
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。
【０５５５】
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いる。
【０５５６】
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パネル（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。
【０５５７】
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。
【０５５８】
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。
【０５５９】
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。
【０５６０】
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。
【０５６１】
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５７乃至図５９を用いて説明する。なお、図５７及び図５８は、図５６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５９は、図５６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。
【０５６２】
まず、図５７乃至図５９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。
【０５６３】
［表示装置の共通部分に関する説明］
図５７乃至図５９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。
【０５６４】
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１００Ｂ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。
【０５６５】
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。
【０５６６】
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。
【０５６７】
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と、トランジスタ７５０の保護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とが設けられる。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。
【０５６８】
また、図５７乃至図５９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。
【０５６９】
また、図５７乃至図５９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にトップゲート型のトランジスタを用い、ソースドライバ回路部７０４にボトムゲート型のトランジスタを用いる構成、あるいは画素部７０２にボトムゲート型のトランジスタを用い、ソースドライバ回路部７０４にトップゲート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。
【０５７０】
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。
【０５７１】
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。
【０５７２】
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。
【０５７３】
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。
【０５７４】
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。
【０５７５】
［液晶素子を用いる表示装置の構成例］
図５７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５７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。
【０５７６】
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。
【０５７７】
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。
【０５７８】
導電膜７７２に可視光において反射性のある導電膜を用いる場合、表示装置７００は、反射型の液晶表示装置となる。また、導電膜７７２に可視光において透光性のある導電膜を用いる場合、表示装置７００は、透過型の液晶表示装置となる。
【０５７９】
また、導電膜７７２上の構成を変えることで、液晶素子の駆動方式を変えることができる。この場合の一例を図５８に示す。また、図５８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５８に示す構成の場合、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。
【０５８０】
また、図５７及び図５８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５７及び図５８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。
【０５８１】
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。
【０５８２】
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。
【０５８３】
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。
【０５８４】
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。
【０５８５】
［発光素子を用いる表示装置］
図５９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５９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。
【０５８６】
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。
【０５８７】
また、上述の有機化合物、及び無機化合物としては、例えば、蒸着法（真空蒸着法を含む）、液滴吐出法（インクジェット法ともいう）、塗布法、グラビア印刷法等の方法を用いて形成することができる。また、ＥＬ層７８６としては、低分子材料、中分子材料（オリゴマー、デンドリマーを含む）、または高分子材料を含んでも良い。
【０５８８】
ここで、液滴吐出法を用いてＥＬ層７８６を形成する方法について、図６０を用いて説明する。図６０（Ａ）乃至図６０（Ｄ）は、ＥＬ層７８６の作製方法を説明する断面図である。
【０５８９】
まず、平坦化絶縁膜７７０上に導電膜７７２が形成され、導電膜７７２の一部を覆うように絶縁膜７３０が形成される（図６０（Ａ）参照）。
【０５９０】
次に、絶縁膜７３０の開口である導電膜７７２の露出部に、液滴吐出装置７８３より液滴７８４を吐出し、組成物を含む層７８５を形成する。液滴７８４は、溶媒を含む組成物であり、導電膜７７２上に付着する（図６０（Ｂ）参照）。
【０５９１】
なお、液滴７８４を吐出する工程を減圧下で行ってもよい。
【０５９２】
次に、組成物を含む層７８５より溶媒を除去し、固化することによってＥＬ層７８６を形成する（図６０（Ｃ）参照）。
【０５９３】
なお、溶媒の除去方法としては、乾燥工程または加熱工程を行えばよい。
【０５９４】
次に、ＥＬ層７８６上に導電膜７８８を形成し、発光素子７８２を形成する（図６０（Ｄ）参照）。
【０５９５】
このようにＥＬ層７８６を液滴吐出法で行うと、選択的に組成物を吐出することができるため、材料のロスを削減することができる。また、形状を加工するためのリソグラフィ工程なども必要ないために工程も簡略化することができ、低コスト化が達成できる。
【０５９６】
なお、上記説明した液滴吐出法とは、組成物の吐出口を有するノズル、あるいは１つ又は複数のノズルを有するヘッド等の液滴を吐出する手段を有するものの総称とする。
【０５９７】
次に、液滴吐出法に用いる液滴吐出装置について、図６１を用いて説明する。図６１は、液滴吐出装置１４００を説明する概念図である。
【０５９８】
液滴吐出装置１４００は、液滴吐出手段１４０３を有する。また、液滴吐出手段１４０３は、ヘッド１４０５と、ヘッド１４１２とを有する。
【０５９９】
ヘッド１４０５、及びヘッド１４１２は制御手段１４０７に接続され、それがコンピュータ１４１０で制御することにより予めプログラミングされたパターンに描画することができる。
【０６００】
また、描画するタイミングとしては、例えば、基板１４０２上に形成されたマーカー１４１１を基準に行えば良い。あるいは、基板１４０２の外縁を基準にして基準点を確定させても良い。ここでは、マーカー１４１１を撮像手段１４０４で検出し、画像処理手段１４０９にてデジタル信号に変換したものをコンピュータ１４１０で認識して制御信号を発生させて制御手段１４０７に送る。
【０６０１】
撮像手段１４０４としては、電荷結合素子（ＣＣＤ）や相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）を利用したイメージセンサなどを用いることができる。なお、基板１４０２上に形成されるべきパターンの情報は記憶媒体１４０８に格納されたものであり、この情報を基にして制御手段１４０７に制御信号を送り、液滴吐出手段１４０３の個々のヘッド１４０５、ヘッド１４１２を個別に制御することができる。吐出する材料は、材料供給源１４１３、材料供給源１４１４より配管を通してヘッド１４０５、ヘッド１４１２にそれぞれ供給される。
【０６０２】
ヘッド１４０５の内部は、点線１４０６が示すように液状の材料を充填する空間と、吐出口であるノズルを有する構造となっている。図示しないが、ヘッド１４１２もヘッド１４０５と同様な内部構造を有する。ヘッド１４０５とヘッド１４１２のノズルを異なるサイズで設けると、異なる材料を異なる幅で同時に描画することができる。一つのヘッドで、複数種の発光材料などをそれぞれ吐出し、描画することができ、広領域に描画する場合は、スループットを向上させるため複数のノズルより同材料を同時に吐出し、描画することができる。大型基板を用いる場合、ヘッド１４０５、ヘッド１４１２は基板上を、図６１中に示すＸ、Ｙ、Ｚの矢印の方向に自在に走査し、描画する領域を自由に設定することができ、同じパターンを一枚の基板に複数描画することができる。
【０６０３】
また、組成物を吐出する工程は、減圧下で行ってもよい。吐出時に基板を加熱しておいてもよい。組成物を吐出後、乾燥と焼成の一方又は両方の工程を行う。乾燥と焼成の工程は、両工程とも加熱処理の工程であるが、その目的、温度と時間が異なるものである。乾燥の工程、焼成の工程は、常圧下又は減圧下で、レーザ光の照射や瞬間熱アニール、加熱炉などにより行う。なお、この加熱処理を行うタイミング、加熱処理の回数は特に限定されない。乾燥と焼成の工程を良好に行うためには、そのときの温度は、基板の材質及び組成物の性質に依存する。
【０６０４】
以上のように、液滴吐出装置を用いてＥＬ層７８６を作製することができる。
【０６０５】
再び、図５９に示す表示装置７００の説明に戻る。
【０６０６】
また、図５９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。
【０６０７】
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５９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。
【０６０８】
［表示装置に入出力装置を設ける構成例］
また、図５８及び図５９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。
【０６０９】
図５８に示す表示装置７００にタッチパネル７９１を設ける構成を図６２に、図５９に示す表示装置７００にタッチパネル７９１を設ける構成を図６３に、それぞれ示す。
【０６１０】
図６２は図５８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６３は図５９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。
【０６１１】
まず、図６２及び図６３に示すタッチパネル７９１について、以下説明を行う。
【０６１２】
図６２及び図６３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。
【０６１３】
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。
【０６１４】
また、図６２及び図６３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６２及び図６３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。
【０６１５】
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６２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６３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。
【０６１６】
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。
【０６１７】
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。
【０６１８】
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６６４、６６５、６６７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。
【０６１９】
また、図６２及び図６３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。
【０６２０】
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。
【０６２１】
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。
【０６２２】
（実施の形態６）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置の一例について説明する。ここで示すトランジスタは、微細化に適したトランジスタである。
【０６２３】
図６４には、トランジスタ２００の一例を示す。図６４（Ａ）はトランジスタ２００の上面を示す。なお、図の明瞭化のため、図６４（Ａ）において一部の膜は省略されている。また、図６４（Ｂ）は、図６４（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２に対応する断面図であり、図６４（Ｃ）はＹ１−Ｙ２に対応する断面図である。
【０６２４】
トランジスタ２００は、ゲート電極として機能する導電体２０５（導電体２０５ａ、および導電体２０５ｂ）、および導電体２６０（導電体２６０ａおよび導電体２６０ｂ）と、ゲート絶縁層として機能する絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および絶縁体２５０と、チャネルが形成される領域を有する酸化物半導体２３０（酸化物半導体２３０ａ、酸化物半導体２３０ｂ、および酸化物半導体２３０ｃ）と、ソースまたはドレインの一方として機能する導電体２４０ａと、ソースまたはドレインの他方として機能する導電体２４０ｂと、過剰酸素を有する絶縁体２８０と、を有する。
【０６２５】
また、酸化物半導体２３０は、酸化物半導体２３０ａと、酸化物半導体２３０ａ上の酸化物半導体２３０ｂと、酸化物半導体２３０ｂ上の酸化物半導体２３０ｃと、を有する。なお、トランジスタ２００をオンさせると、主として酸化物半導体２３０ｂに電流が流れる（チャネルが形成される）。一方、酸化物半導体２３０ａおよび酸化物半導体２３０ｃは、酸化物半導体２３０ｂとの界面近傍（混合領域となっている場合もある）は電流が流れる場合があるものの、そのほかの領域は絶縁体として機能する場合がある。
【０６２６】
図６４に示す構造は、ゲート電極として機能する導電体２６０が、導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂを有する積層構造である。また、ゲート電極として機能する導電体２６０上に絶縁体２７０を有する。
【０６２７】
導電体２０５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、クロム、ネオジム、スカンジウム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）等である。又は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。
【０６２８】
例えば、導電体２０５ａとして、水素に対するバリア性を有する導電体として、窒化タンタル等を用い、導電体２０５ｂとして、導電性が高いタングステンを積層するとよい。当該組み合わせを用いることで、配線としての導電性を保持したまま、酸化物半導体２３０への水素の拡散を抑制することができる。なお、図６４では、導電体２０５ａ、および導電体２０５ｂの２層構造を示したが、当該構成に限定されず、単層でも３層以上の積層構造でもよい。
【０６２９】
絶縁体２２０、および絶縁体２２４は、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などの、酸素を含む絶縁体であることが好ましい。特に、絶縁体２２４として過剰酸素を含む（化学量論的組成よりも過剰に酸素を含む）絶縁体を用いることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶縁体を、トランジスタ２００を構成する酸化物に接して設けることにより、酸化物中の酸素欠損を補償することができる。なお、絶縁体２２０と絶縁体２２４とは、必ずしも同じ材料を用いて形成しなくともよい。
【０６３０】
絶縁体２２２は、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などのいわゆるｈｉｇｈ−ｋ材料を含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。またはこれらの絶縁体に例えば酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理しても良い。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。
【０６３１】
なお、絶縁体２２２が、２層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。
【０６３２】
絶縁体２２０及び絶縁体２２４の間に、ｈｉｇｈ−ｋ材料を含む絶縁体２２２を有することで、特定の条件で絶縁体２２２が電子を捕獲し、しきい値電圧を増大させることができる。つまり、絶縁体２２２が負に帯電する場合がある。
【０６３３】
例えば、絶縁体２２０、および絶縁体２２４に、酸化シリコンを用い、絶縁体２２２に、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化タンタルのような電子捕獲準位の多い材料を用いた場合、半導体装置の使用温度、あるいは保管温度よりも高い温度（例えば、１２５℃以上４５０℃以下、代表的には１５０℃以上３００℃以下）の下で、導電体２０５の電位をソース電極やドレイン電極の電位より高い状態を、１０ミリ秒以上、代表的には１分以上維持することで、トランジスタ２００を構成する酸化物から導電体２０５に向かって、電子が移動する。この時、移動する電子の一部が、絶縁体２２２の電子捕獲準位に捕獲される。
【０６３４】
絶縁体２２２の電子捕獲準位に必要な量の電子を捕獲させたトランジスタは、しきい値電圧がプラス側にシフトする。なお、導電体２０５の電圧の制御によって電子の捕獲する量を制御することができ、それに伴ってしきい値電圧を制御することができる。当該構成を有することで、トランジスタ２００は、ゲート電圧が０Ｖであっても非導通状態（オフ状態ともいう）であるノーマリーオフ型のトランジスタとなる。
【０６３５】
また、電子を捕獲する処理は、トランジスタの作製過程におこなえばよい。例えば、トランジスタのソース導電体あるいはドレイン導電体に接続する導電体の形成後、あるいは、前工程（ウェハー処理）の終了後、あるいは、ウェハーダイシング工程後、パッケージ後等、工場出荷前のいずれかの段階で行うとよい。
【０６３６】
また、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４の膜厚を適宜調整することで、しきい値電圧を制御することができる。または、非導通時のリーク電流の小さいトランジスタを提供することができる。また、安定した電気特性を有するトランジスタを提供することができる。または、オン電流の大きいトランジスタを提供することができる。または、サブスレッショルドスイング値の小さいトランジスタを提供することができる。または、信頼性の高いトランジスタを提供することができる。
【０６３７】
酸化物半導体２３０ａ、酸化物半導体２３０ｂ、および酸化物半導体２３０ｃは、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）等の金属酸化物で形成される。また、酸化物半導体２３０として、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物を用いてもよい。
【０６３８】
絶縁体２５０は、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などのいわゆるｈｉｇｈ−ｋ材料を含む絶縁体を単層または積層で用いることができる。またはこれらの絶縁体に例えば酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理しても良い。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。
【０６３９】
また、絶縁体２５０として、絶縁体２２４と同様に、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体を用いることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶縁体を酸化物半導体２３０に接して設けることにより、酸化物半導体２３０中の酸素欠損を低減することができる。
【０６４０】
また、絶縁体２５０は、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化シリコンなどの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることができる。このような材料を用いて形成した場合、酸化物半導体２３０からの酸素の放出や、外部からの水素等の不純物の混入を防ぐ層として機能する。
【０６４１】
なお、絶縁体２５０は、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４と同様の積層構造を有していてもよい。絶縁体２５０が、電子捕獲準位に必要な量の電子を捕獲させた絶縁体を有することで、トランジスタ２００は、しきい値電圧をプラス側にシフトすることができる。当該構成を有することで、トランジスタ２００は、ゲート電圧が０Ｖであっても非導通状態（オフ状態ともいう）であるノーマリーオフ型のトランジスタとなる。
【０６４２】
また、図６４に示す半導体装置において、酸化物半導体２３０と導電体２６０の間に、絶縁体２５０の他にバリア膜を設けてもよい。もしくは、酸化物半導体２３０ｃにバリア性があるものを用いてもよい。
【０６４３】
例えば、過剰酸素を含む絶縁膜を酸化物半導体２３０に接して設け、さらにバリア膜で包み込むことで、酸化物を化学量論比組成とほぼ一致するような状態、または化学量論的組成より酸素が多い過飽和の状態とすることができる。また、酸化物半導体２３０への水素等の不純物の侵入を防ぐことができる。
【０６４４】
導電体２４０ａと、および導電体２４０ｂは、一方がソース電極として機能し、他方がドレイン電極として機能する。
【０６４５】
導電体２４０ａと、導電体２４０ｂとは、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタングステンなどの金属、またはこれを主成分とする合金を用いることができる。また、図では単層構造を示したが、２層以上の積層構造としてもよい。
【０６４６】
例えば、チタン膜とアルミニウム膜を積層するとよい。また、タングステン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、銅−マグネシウム−アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、タングステン膜上に銅膜を積層する二層構造としてもよい。
【０６４７】
また、チタン膜または窒化チタン膜と、そのチタン膜または窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜または窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と、そのモリブデン膜または窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構造等がある。なお、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。
【０６４８】
また、ゲート電極として機能を有する導電体２６０は、例えばアルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた金属、または上述した金属を成分とする合金か、上述した金属を組み合わせた合金等を用いて形成することができる。また、マンガン、ジルコニウムのいずれか一または複数から選択された金属を用いてもよい。また、リン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコンに代表される半導体、ニッケルシリサイド等のシリサイドを用いてもよい。
【０６４９】
例えば、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造とするとよい。また、窒化チタン膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜または窒化タングステン膜上にタングステン膜を積層する二層構造としてもよい。
【０６５０】
また、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造等がある。また、アルミニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた一または複数の金属を組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
【０６５１】
また、導電体２６０は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化シリコンを添加したインジウム錫酸化物等の透光性を有する導電性材料を適用することもできる。また、上記透光性を有する導電性材料と、上記金属の積層構造とすることもできる。
【０６５２】
導電体２６０ａは、熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法またはＡＬＤ法を用いて形成する。特に、原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成することが好ましい。ＡＬＤ法等により形成することで、絶縁体２５０に対するプラズマによるダメージを減らすことができる。また、被覆性を向上させることができるため好ましい。従って、信頼性が高いトランジスタ２００を提供することができる。
【０６５３】
また、導電体２６０ｂは、タンタル、タングステン、銅、アルミニウムなどの導電性が高い材料を用いて形成する。
【０６５４】
また、導電体２６０を覆うように、絶縁体２７０を設ける。絶縁体２８０に酸素が脱離する酸化物材料を用いる場合、導電体２６０が、脱離した酸素により酸化することを防止するため、絶縁体２７０は、酸素に対してバリア性を有する物質を用いる。
【０６５５】
例えば、絶縁体２７０には、酸化アルミニウムなどの金属酸化物を用いることができる。また絶縁体２７０は、導電体２６０の酸化を防止する程度に設けられていればよい。例えば、絶縁体２７０の膜厚は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上７ｎｍ以下として設ける。
【０６５６】
従って、導電体２６０の酸化を抑制し、絶縁体２８０から、脱離した酸素を効率的に酸化物半導体２３０へと供給することができる。
【０６５７】
トランジスタ２００の上方には、絶縁体２８０を設ける。絶縁体２８０には、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を用いることが好ましい。つまり、絶縁体２８０には、化学量論的組成よりも酸素が過剰に存在する領域（以下、過剰酸素領域ともいう）が形成されていることが好ましい。特に、トランジスタ２００に酸化物半導体を用いる場合、トランジスタ２００近傍の層間膜などに、酸素過剰領域を有する絶縁体を設けることで、トランジスタ２００の酸素欠損を低減することで、信頼性を向上させることができる。
【０６５８】
過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、ＴＤＳ分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲が好ましい。
【０６５９】
例えばこのような材料として、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含む材料を用いることが好ましい。または、金属酸化物を用いることもできる。なお、本明細書中において、酸化窒化シリコンとは、その組成として窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を示す。
【０６６０】
また、トランジスタ２００を覆う絶縁体２８０は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。
【０６６１】
〔応用例〕
以下では、異なる組成のトランジスタを積層して用いる場合の例について説明する。
【０６６２】
図６５に示す半導体装置は、トランジスタ４００と、トランジスタ２００、および容量素子４１０を有している。
【０６６３】
トランジスタ２００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２００は、オフ電流が小さいため、これを半導体装置（記憶装置）に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、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ない半導体装置（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。
【０６６４】
半導体装置は、図６５に示すようにトランジスタ４００、トランジスタ２００、容量素子４１０を有する。トランジスタ２００はトランジスタ４００の上方に設けられ、容量素子４１０はトランジスタ４００、およびトランジスタ２００の上方に設けられている。
【０６６５】
トランジスタ４００は、基板４０１上に設けられ、導電体４０６、絶縁体４０４、基板４０１の一部からなる半導体領域４０２、およびソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗領域４０８ａ、および低抵抗領域４０８ｂを有する。
【０６６６】
トランジスタ４００は、ｐチャネル型、あるいはｎチャネル型のいずれでもよい。
【０６６７】
半導体領域４０２のチャネルが形成される領域、その近傍の領域、ソース領域、またはドレイン領域となる低抵抗領域４０８ａ、および低抵抗領域４０８ｂなどにおいて、シリコン系半導体などの半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい。または、Ｇｅ（ゲルマニウム）、ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）、ＧａＡｌＡｓ（ガリウムアルミニウムヒ素）などを有する材料で形成してもよい。結晶格子に応力を与え、格子間隔を変化させることで有効質量を制御したシリコンを用いた構成としてもよい。またはＧａＡｓとＧａＡｌＡｓ等を用いることで、トランジスタ４００をＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）としてもよい。
【０６６８】
低抵抗領域４０８ａ、および低抵抗領域４０８ｂは、半導体領域４０２に適用される半導体材料に加え、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含む。
【０６６９】
ゲート電極として機能する導電体４０６は、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、もしくはホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含むシリコンなどの半導体材料、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。
【０６７０】
なお、導電体の材料により、仕事関数を定めることで、しきい値電圧を調整することができる。具体的には、導電体に窒化チタンや窒化タンタルなどの材料を用いることが好ましい。さらに導電性と埋め込み性を両立するために導電体にタングステンやアルミニウムなどの金属材料を積層として用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが耐熱性の点で好ましい。
【０６７１】
なお、図６５に示すトランジスタ４００は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
【０６７２】
トランジスタ４００を覆って、絶縁体４２０、絶縁体４２２、絶縁体４２４、および絶縁体４２６が順に積層して設けられている。
【０６７３】
絶縁体４２０、絶縁体４２２、絶縁体４２４、および絶縁体４２６として、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよい。
【０６７４】
絶縁体４２２は、その下方に設けられるトランジスタ４００などによって生じる段差を平坦化する平坦化膜として機能する。絶縁体４２２の上面は、平坦性を高めるために化学機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法等を用いた平坦化処理により平坦化されていてもよい。
【０６７５】
絶縁体４２４には、例えば、基板４０１、またはトランジスタ４００などから、トランジスタ２００が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。
【０６７６】
例えば、水素に対するバリア性を有する膜の一例として、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ２００等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ２００と、トランジスタ４００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
【０６７７】
水素の脱離量は、例えば、昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ））などを用いて分析することができる。例えば、絶縁体４２４の水素の脱離量は、ＴＤＳ分析において、５０℃から５００℃の範囲において、水素原子に換算した脱離量が、絶縁体４２４の面積当たりに換算して、１０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下、好ましくは５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下であればよい。
【０６７８】
なお、絶縁体４２６は、絶縁体４２４よりも誘電率が低いことが好ましい。例えば、絶縁体４２６の比誘電率は４未満が好ましく、３未満がより好ましい。また例えば、絶縁体４２４の比誘電率は、絶縁体４２６の比誘電率の０．７倍以下が好ましく、０．６倍以下がより好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。
【０６７９】
また、絶縁体４２０、絶縁体４２２、絶縁体４２４、および絶縁体４２６には容量素子４１０、またはトランジスタ２００と電気的に接続する導電体４２８、および導電体４３０等が埋め込まれている。なお、導電体４２８、および導電体４３０はプラグ、または配線として機能を有する。なお、後述するが、プラグまたは配線として機能を有する導電体は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と電気的に接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機能する場合、および導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。
【０６８０】
各プラグ、および配線（導電体４２８、および導電体４３０等）の材料としては、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層または積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。または、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。
【０６８１】
また、導電体４２８、および導電体４３０は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体４２４が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ４００とトランジスタ２００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ４００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。
【０６８２】
なお、水素に対するバリア性を有する導電体としては、例えば、窒化タンタル等を用いるとよい。また、窒化タンタルと導電性が高いタングステンを積層することで、配線としての導電性を保持したまま、トランジスタ４００からの水素の拡散を抑制することができる。この場合、水素に対するバリア性を有する窒化タンタル層が、水素に対するバリア性を有する絶縁体４２４と接する構造であることが好ましい。
【０６８３】
また、絶縁体４２６、および導電体４３０上に、配線層を設けてもよい。例えば、図６５において、絶縁体４５０、絶縁体４５２、及び絶縁体４５４が順に積層して設けられている。また、絶縁体４５０、絶縁体４５２、及び絶縁体４５４には、導電体４５６が形成されている。導電体４５６は、プラグ、または配線として機能を有する。なお導電体４５６は、導電体４２８、および導電体４３０と同様の材料を用いて設けることができる。
【０６８４】
また、導電体４５６は、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。なお、導電体４５６に銅を用いる場合、銅の拡散を抑制する導電体と積層して設けることが好ましい。銅の拡散を抑制する導電体として、例えばタンタル、窒化タンタル等のタンタルを含む合金、ルテニウム、およびルテニウムを含む合金等を用いるとよい。
【０６８５】
また、例えば、絶縁体４５０は、銅の拡散を抑制する、または、酸素、および水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。例えば、銅の拡散を抑制する膜の一例として、窒化シリコンを用いることができる。従って、絶縁体４２４と同様の材料を用いることができる。
【０６８６】
特に、銅の拡散を抑制する絶縁体４５０が有する開口部に接して銅の拡散を抑制する導電体を設け、銅の拡散を抑制する導電体上に銅を積層して設けることが好ましい。当該構成により、配線の周辺に銅が拡散することを抑制することができる。
【０６８７】
絶縁体４５４上には、絶縁体４５８、絶縁体２１０、絶縁体２１２、および絶縁体２１４が、順に積層して設けられている。絶縁体４５８、絶縁体２１０、絶縁体２１２、および絶縁体２１４のいずれかまたは全部を、銅の拡散を抑制する、または酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。
【０６８８】
絶縁体４５８、および絶縁体２１２には、例えば、基板４０１、またはトランジスタ４００を設ける領域などから、トランジスタ２００を設ける領域に、銅の拡散を抑制する、または、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。従って、絶縁体４２４と同様の材料を用いることができる。
【０６８９】
また、絶縁体２１０は、絶縁体４２０と同様の材料を用いることができる。例えば、絶縁体２１０として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。
【０６９０】
また、例えば、絶縁体２１４には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。
【０６９１】
特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ２００への混入を防止することができる。また、トランジスタ２００を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ２００に対する保護膜として用いることに適している。
【０６９２】
絶縁体２１４上には、絶縁体２１６を設ける。絶縁体２１６は、絶縁体４２０と同様の材料を用いることができる。例えば、絶縁体２１６として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。
【０６９３】
また、絶縁体４５８、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、及び絶縁体２１６には、導電体２１８、及びトランジスタ２００を構成する導電体２０５等が埋め込まれている。なお、導電体２１８は、容量素子４１０、またはトランジスタ４００と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体２１８は、導電体４２８、および導電体４３０と同様の材料を用いて設けることができる。
【０６９４】
特に、絶縁体４５８、絶縁体２１２、および絶縁体２１４と接する領域の導電体２１８は、銅の拡散を抑制する、または、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する導電体であることが好ましい。当該構成により、トランジスタ４００とトランジスタ２００とは、銅の拡散を抑制する、または、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する層で、完全により分離することができる。つまり、導電体４５６からの銅の拡散を抑制し、トランジスタ４００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。
【０６９５】
絶縁体２１４の上方には、トランジスタ２００、および絶縁体２８０が設けられている。また、図６５に示すトランジスタ２００は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
【０６９６】
絶縁体２８０上には、絶縁体２８２、絶縁体２８４、および絶縁体４７０が順に積層して設けられている。また、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、絶縁体２８０、絶縁体２８２、絶縁体２８４、および絶縁体４７０には、導電体２４４等が埋め込まれている。また、トランジスタ２００が有する導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂ等の導電体上に、上層の導電体と接続する導電体２４５等が設けられる。なお、導電体２４４は、容量素子４１０、トランジスタ２００、またはトランジスタ４００と電気的に接続するプラグ、または配線として機能を有する。導電体２４４は、導電体４２８、および導電体４３０と同様の材料を用いて設けることができる。
【０６９７】
なお、絶縁体２８２、および絶縁体２８４のいずれか、または両方に、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。従って、絶縁体２８２には、絶縁体２１４と同様の材料を用いることができる。また、絶縁体２８４には、絶縁体２１２と同様の材料を用いることができる。
【０６９８】
例えば、絶縁体２８２には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。
【０６９９】
特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ２００への混入を防止することができる。また、トランジスタ２００を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ２００に対する保護膜として用いることに適している。
【０７００】
絶縁体２８４には、容量素子４１０を設ける領域から、トランジスタ２００が設ける領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。従って、絶縁体４２４と同様の材料を用いることができる。
【０７０１】
例えば、水素に対するバリア性を有する膜の一例として、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ２００等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ２００と、トランジスタ４００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
【０７０２】
従って、トランジスタ２００、および過剰酸素領域を含む絶縁体２８０を、絶縁体２１０、絶縁体２１２、および絶縁体２１４の積層構造と、絶縁体２８２、及び絶縁体２８４の積層構造により挟む構成とすることができる。また、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２８２、及び絶縁体２８４は、酸素、または、水素、および水などの不純物の拡散を抑制するバリア性を有する。
【０７０３】
絶縁体２８０、およびトランジスタ２００から放出された酸素が、容量素子４１０、またはトランジスタ４００が形成されている層へ拡散することを抑制することができる。または、絶縁体２８２よりも上方の層、および絶縁体２１４よりも下方の層から、水素、および水等の不純物が、トランジスタ２００へ、拡散することを抑制することができる。
【０７０４】
つまり、絶縁体２８０の過剰酸素領域から酸素を、効率的にトランジスタ２００におけるチャネルが形成される酸化物に供給でき、酸素欠損を低減することができる。また、トランジスタ２００におけるチャネルが形成される酸化物が不純物により、酸素欠損が形成されることを防止することができる。よって、トランジスタ２００におけるチャネルが形成される酸化物を、欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ２００の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。
【０７０５】
絶縁体４７０の上方には、容量素子４１０、および導電体４７４が設けられている。容量素子４１０は、絶縁体４７０上に設けられ、導電体４６２と、絶縁体４８０、絶縁体４８２、および絶縁体４８４と、導電体４６６とを有する。なお、導電体４７４は、容量素子４１０、トランジスタ２００、またはトランジスタ４００と電気的に接続するプラグ、または配線として機能を有する。
【０７０６】
導電体４６２は、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体などの他の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料である銅やアルミニウム等を用いればよい。
【０７０７】
なお、導電体４７４は、容量素子の電極として機能する導電体４６２と同様の材料を用いて設けることができる。
【０７０８】
導電体４７４、および導電体４６２上に、絶縁体４８０、絶縁体４８２、および絶縁体４８４を設ける。絶縁体４８０、絶縁体４８２、および絶縁体４８４には例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化酸化ハフニウム、窒化ハフニウムなどを用いればよい。なお、図では３層構造としたが、単層、２層、または４層以上の積層構造としてもよい。
【０７０９】
例えば、絶縁体４８０、および絶縁体４８４には、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料を用い、絶縁体４８４には、酸化アルミニウムなどの高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料と、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料を用いて、積層構造を設けることが好ましい。当該構成により、容量素子４１０は、高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）の絶縁体を有することで、十分な容量を確保でき、絶縁耐力が大きい絶縁体を有することで、絶縁耐力が向上し、容量素子４１０の静電破壊を抑制することができる。
【０７１０】
導電体４６２上に、絶縁体４８０、絶縁体４８２、および絶縁体４８４を介して、導電体４６６を設ける。なお、導電体４６６は、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体などの他の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料である銅やアルミニウム等を用いればよい。
【０７１１】
例えば、図６５に示すように、絶縁体４８０、絶縁体４８２、および絶縁体４８４を、導電体４６２の上面および側面を覆うように設ける。さらに、導電体４６６を、絶縁体４８０、絶縁体４８２、および絶縁体４８４を介して、導電体４６２の上面および側面を覆うように設ける。
【０７１２】
つまり、導電体４６２の側面においても、容量として機能するため、容量素子の投影面積当たりの容量を増加させることができる。従って、半導体装置の小面積化、高集積化、微細化が可能となる。
【０７１３】
導電体４６６、および絶縁体４８４上には、絶縁体４６０が設けられている。絶縁体４６０は、絶縁体４２０と同様の材料を用いて設けることができる。また、容量素子４１０を覆う絶縁体４６０は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。
【０７１４】
以上が応用例についての説明である。
【０７１５】
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。
【０７１６】
（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装置について、図６６を用いて説明を行う。
【０７１７】
［表示装置の回路構成］
図６６（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。
【０７１８】
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。
【０７１９】
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。
【０７２０】
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。
【０７２１】
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。
【０７２２】
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。
【０７２３】
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。
【０７２４】
図６６（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。
【０７２５】
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。
【０７２６】
図６６（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。
【０７２７】
また、図６６（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。
【０７２８】
また、図６６（Ａ）に示す複数の画素回路５０１は、例えば、図６６（Ｂ）に示す構成とすることができる。
【０７２９】
図６６（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。
【０７３０】
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。
【０７３１】
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。
【０７３２】
ｍ行ｎ列目の画素回路５０１において、トランジスタ５５０のソース電極またはドレイン電極の一方は、データ線ＤＬ＿ｎに電気的に接続され、他方は液晶素子５７０の一対の電極の他方に電気的に接続される。また、トランジスタ５５０のゲート電極は、走査線ＧＬ＿ｍに電気的に接続される。トランジスタ５５０は、オン状態またはオフ状態になることにより、データ信号のデータの書き込みを制御する機能を有する。
【０７３３】
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。
【０７３４】
例えば、図６６（Ｂ）の画素回路５０１を有する表示装置では、例えば、図６６（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。
【０７３５】
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。
【０７３６】
また、図６６（Ａ）に示す複数の画素回路５０１は、例えば、図６６（Ｃ）に示す構成とすることができる。
【０７３７】
また、図６６（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。
【０７３８】
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。
【０７３９】
トランジスタ５５２は、オン状態またはオフ状態になることにより、データ信号のデータの書き込みを制御する機能を有する。
【０７４０】
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。
【０７４１】
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。
【０７４２】
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。
【０７４３】
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。
【０７４４】
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。
【０７４５】
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。
【０７４６】
図６６（Ｃ）の画素回路５０１を有する表示装置では、例えば、図６６（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。
【０７４７】
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。
【０７４８】
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。
【０７４９】
（実施の形態８）
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６７乃至図７０を用いて説明する。
【０７５０】
［インバータ回路の構成例］
図６７（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に与える信号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。
【０７５１】
図６７（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。
【０７５２】
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。
【０７５３】
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。
【０７５４】
ＯＳトランジスタ８１０の第１ゲートは、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。
【０７５５】
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。
【０７５６】
図６７（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６７（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。
【０７５７】
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。
【０７５８】
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。
【０７５９】
前述の説明を可視化するために、図６８（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。
【０７６０】
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６８（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６８（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６８（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。
【０７６１】
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６８（Ｂ）には、この状態を可視化して示す。
【０７６２】
図６８（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。
【０７６３】
図６８（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６７（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。
【０７６４】
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６８（Ｃ）には、この状態を可視化して示す。図６８（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６８（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６７（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。
【０７６５】
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６７（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６７（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。
【０７６６】
なお、図６７（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６９（Ａ）に示す。
【０７６７】
図６９（Ａ）では、図６７（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。
【０７６８】
図６９（Ａ）の動作について、図６９（Ｂ）のタイミングチャートを用いて説明する。
【０７６９】
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をハイレベルとして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。
【０７７０】
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。
【０７７１】
なお、図６７（Ｂ）及び図６９（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７０（Ａ）に示す。
【０７７２】
図７０（Ａ）では、図６７（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。
【０７７３】
図７０（Ａ）の動作について、図７０（Ｂ）のタイミングチャートを用いて説明する。図７０（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。
【０７７４】
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６８（Ａ）乃至図６８（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７０（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。
【０７７５】
また、図７０（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。
【０７７６】
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。
【０７７７】
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。
【０７７８】
（実施の形態９）
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７１乃至図７４を用いて説明する。
【０７７９】
［半導体装置の回路構成例］
図７１（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。
【０７８０】
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。
【０７８１】
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）とを基に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）とを基に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ＶＳＳと電圧ＶＮＥＧ（ＶＯＲＧ＞ＶＳＳ＞ＶＮＥＧ）とを基に印加される電圧である。なお電圧ＶＳＳは、グラウンド電位（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。
【０７８２】
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。
【０７８３】
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。
【０７８４】
図７１（Ｂ）は電圧ＶＰＯＧで動作する回路９０４の一例、図７１（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。
【０７８５】
図７１（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７１（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）との間をより確実に導通状態にできる。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。
【０７８６】
図７１（Ｄ）は電圧ＶＮＥＧで動作する回路９０６の一例、図７１（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。
【０７８７】
図７１（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９１２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とを基に生成される。また、トランジスタ９１２のバックゲートに与える信号は、電圧ＶＮＥＧを基に生成される。電圧ＶＮＥＧは、図７１（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。
【０７８８】
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。
【０７８９】
また図７２（Ａ）（Ｂ）には、図７１（Ｄ）（Ｅ）の変形例を示す。
【０７９０】
図７２（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。
【０７９１】
図７２（Ｂ）のタイミングチャートには、制御信号ＳＢＧの電位の変化を示し、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。
【０７９２】
また、図７３（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７３（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とを基に印加される電圧とすると、クロック信号ＣＬＫを与えることによって、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。
【０７９３】
また、図７３（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７３（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とを基に印加される電圧とすると、クロック信号ＣＬＫを与えることによって、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。
【０７９４】
なお、上述した電圧生成回路９０３の回路構成は、図７３（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７４（Ａ）乃至図７４（Ｃ）に示す。なお、電圧生成回路９０３の変形例は、図７４（Ａ）乃至図７４（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。
【０７９５】
図７４（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を与えることによって、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７４（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。
【０７９６】
また、図７４（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を与えることによって、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７４（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。
【０７９７】
また、図７４（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７４（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。
【０７９８】
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。
【０７９９】
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。
【０８００】
（実施の形態１０）
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７５乃至図７８を用いて説明を行う。
【０８０１】
［表示モジュール］
図７５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。
【０８０２】
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。
【０８０３】
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。
【０８０４】
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。
【０８０５】
バックライト７００７は、光源７００８を有する。なお、図７５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。
【０８０６】
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。
【０８０７】
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。
【０８０８】
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。
【０８０９】
［電子機器１］
次に、図７６（Ａ）乃至図７６（Ｅ）に電子機器の一例を示す。
【０８１０】
図７６（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。
【０８１１】
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。
【０８１２】
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。
【０８１３】
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。
【０８１４】
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。
【０８１５】
ファインダー８１００は、筐体８１０１、表示部８１０２、ボタン８１０３等を有する。
【０８１６】
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。
【０８１７】
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。
【０８１８】
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。
【０８１９】
なお、図７６（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。
【０８２０】
図７６（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。
【０８２１】
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。
【０８２２】
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。
【０８２３】
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。
【０８２４】
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。
【０８２５】
図７６（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。
【０８２６】
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と好適である。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。なお、本実施の形態においては、表示部８３０２を１つ設ける構成について例示したが、これに限定されず、例えば、表示部８３０２を２つ設ける構成としてもよい。この場合、使用者の片方の目に１つの表示部が配置されるような構成とすると、視差を用いた３次元表示等を行うことも可能となる。
【０８２７】
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７６（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。
【０８２８】
［電子機器２］
次に、図７６（Ａ）乃至図７６（Ｅ）に示す電子機器と、異なる電子機器の一例を図７７（Ａ）乃至図７７（Ｇ）に示す。
【０８２９】
図７７（Ａ）乃至図７７（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。
【０８３０】
図７７（Ａ）乃至図７７（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７７（Ａ）乃至図７７（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７７（Ａ）乃至図７７（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。
【０８３１】
図７７（Ａ）乃至図７７（Ｇ）に示す電子機器の詳細について、以下説明を行う。
【０８３２】
図７７（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。
【０８３３】
図７７（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。
【０８３４】
図７７（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。
【０８３５】
図７７（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。
【０８３６】
図７７（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７７（Ｅ）が携帯情報端末９２０１を展開した状態の斜視図であり、図７７（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７７（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。
【０８３７】
次に、図７６（Ａ）乃至図７６（Ｅ）に示す電子機器、及び図７７（Ａ）乃至図７７（Ｇ）に示す電子機器と異なる電子機器の一例を図７８（Ａ）（Ｂ）に示す。図７８（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７８（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７８（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。
【０８３８】
図７８（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。
【０８３９】
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。
【０８４０】
また、図７８（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。
【０８４１】
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。
【０８４２】
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。
【符号の説明】
【０８４３】
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
１０２    基板
１０４    絶縁膜
１０６    導電膜
１０８    酸化物半導体膜
１０８＿１    酸化物半導体膜
１０８＿２    酸化物半導体膜
１０８＿３    酸化物半導体膜
１０８ｄ    ドレイン領域
１０８ｆ    領域
１０８ｉ    チャネル領域
１０８ｓ    ソース領域
１１０    絶縁膜
１１０ａ  絶縁膜
１１２    導電膜
１１２＿１    導電膜
１１２＿２    導電膜
１１４    絶縁膜
１１６    絶縁膜
１１８    絶縁膜
１２０ａ    導電膜
１２０ｂ    導電膜
１２２    絶縁膜
１４１ａ    開口部
１４１ｂ    開口部
１４３    開口部
２００    トランジスタ
２０５    導電体
２０５ａ    導電体
２０５ｂ    導電体
２１０    絶縁体
２１２    絶縁体
２１４    絶縁体
２１６    絶縁体
２１８    導電体
２２０    絶縁体
２２２    絶縁体
２２４    絶縁体
２３０    酸化物半導体
２３０ａ    酸化物半導体
２３０ｂ    酸化物半導体
２３０ｃ    酸化物半導体
２４０ａ    導電体
２４０ｂ    導電体
２４４    導電体
２４５    導電体
２５０    絶縁体
２６０    導電体
２６０ａ    導電体
２６０ｂ    導電体
２７０    絶縁体
２８０    絶縁体
２８２    絶縁体
２８４    絶縁体
３００Ａ    トランジスタ
３００Ｂ    トランジスタ
３００Ｃ    トランジスタ
３００Ｄ    トランジスタ
３００Ｅ    トランジスタ
３００Ｆ    トランジスタ
３００Ｇ    トランジスタ
３０２    基板
３０４    導電膜
３０６    絶縁膜
３０７    絶縁膜
３０８    酸化物半導体膜
３０８＿１    酸化物半導体膜
３０８＿２    酸化物半導体膜
３０８＿３    酸化物半導体膜
３１２ａ    導電膜
３１２ｂ    導電膜
３１２ｃ    導電膜
３１４    絶縁膜
３１６    絶縁膜
３１８    絶縁膜
３１９    絶縁膜
３２０ａ    導電膜
３２０ｂ    導電膜
３３０Ｄ    トランジスタ
３４１ａ    開口部
３４１ｂ    開口部
３４２    開口部
３４２ａ    開口部
３４２ｂ    開口部
３４２ｃ    開口部
３４４    導電膜
３５１    開口部
３５２ａ    開口部
３５２ｂ    開口部
４００    トランジスタ
４０１    基板
４０２    半導体領域
４０４    絶縁体
４０６    導電体
４０８ａ    低抵抗領域
４０８ｂ    低抵抗領域
４１０    容量素子
４２０    絶縁体
４２２    絶縁体
４２４    絶縁体
４２６    絶縁体
４２８    導電体
４３０    導電体
４５０    絶縁体
４５２    絶縁体
４５４    絶縁体
４５６    導電体
４５８    絶縁体
４６０    絶縁体
４６２    導電体
４６６    導電体
４７０    絶縁体
４７４    導電体
４８０    絶縁体
４８２    絶縁体
４８４    絶縁体
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
６６４    電極
６６５    電極
６６７    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
７７８    構造体
７８０    異方性導電膜
７８２    発光素子
７８３    液滴吐出装置
７８４    液滴
７８５    層
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
９５０    トランジスタ
９５２    基板
９５４    絶縁膜
９５６    半導体膜
９５８    絶縁膜
９６０    導電膜
９６２    絶縁膜
９６４    絶縁膜
９６６ａ    導電膜
９６６ｂ    導電膜
９６８    絶縁膜
９７０    絶縁膜
９７２    絶縁膜
１４００    液滴吐出装置
１４０２    基板
１４０３    液滴吐出手段
１４０４    撮像手段
１４０５    ヘッド
１４０６    点線
１４０７    制御手段
１４０８    記憶媒体
１４０９    画像処理手段
１４１０    コンピュータ
１４１１    マーカー
１４１２    ヘッド
１４１３    材料供給源
１４１４    材料供給源
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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【図６１】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６４】
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【図６５】
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【図６６】
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【図６７】
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【図６８】
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【図６９】
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【図７０】
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【図７１】
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【図７２】
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【図７３】
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【図７４】
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【図７５】
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【図７６】
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【図７７】
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【図７８】
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