(57)【要約】【課題】特性の変化が少ないトランジスタを提供する。または、トランジスタの特性の変化が少ない回路、半導体装置、表示装置または電子機器を提供する。【解決手段】酸化物半導体を有し、酸化物半導体にはチャネル領域が形成され、チャネル領域はインジウムと元素Ｍと亜鉛を有し、元素Ｍはアルミニウム、ガリウム、イットリウム、スズ、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、マグネシウムから一以上選ばれ、ゲート絶縁体はシリコンと、シリコンの原子数比の１．５以上の酸素とを有し、チャネル領域のキャリア密度は、１×１０９ｃｍ−３以上５×１０１６ｃｍ−３であり、チャネル領域のエネルギーギャップは、２．７ｅＶ以上３．１ｅＶ以下であるトランジスタ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物半導体と、ゲート絶縁体と、ゲート電極と、を有するトランジスタであり、
前記酸化物半導体には、チャネル領域が形成され、
前記チャネル領域は、インジウムと、元素Ｍと、亜鉛と、を有し、
前記元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、スズ、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、マグネシウムから一以上選ばれ、
前記ゲート絶縁体は、シリコンと、酸素と、を有し、
前記ゲート絶縁体において、前記酸素の原子数は、前記シリコンの原子数の１．５倍以上であり、
前記チャネル領域のキャリア密度は、１×１０９ｃｍ−３以上５×１０１６ｃｍ−３以下であり、
前記チャネル領域のエネルギーギャップは、２．７ｅＶ以上３．１ｅＶ以下であり、
前記ゲート絶縁体は、欠陥準位を有し、
前記欠陥準位と、前記チャネル領域の伝導帯の下端のエネルギーとの差は、０．２ｅＶ以上１．０ｅＶ以下であるトランジスタ。
【請求項２】
請求項１において、
前記ゲート絶縁体は、前記第１の領域の上面または下面のいずれか一方に接し、
前記インジウム、元素Ｍおよび亜鉛の原子数比はそれぞれｘ、ｙおよびｚで表され、
ｘ／（ｘ＋ｙ＋ｚ）は、０．３３以上０．７以下を満たし、
ｙ／（ｘ＋ｙ＋ｚ）は、０．０８以上０．３３以下を満たすトランジスタ。
【請求項３】
第１の酸化物半導体と、第２の酸化物半導体と、ゲート絶縁体と、ゲート電極と、を有するトランジスタであり、
前記第１の酸化物半導体は、第１の領域を有し、
前記第２の酸化物半導体は、前記第１の酸化物半導体と接する第２の領域を有し、
前記ゲート絶縁体は、前記第２の領域と接する領域を有し、
前記第１の領域には、チャネル領域が形成され、
前記第１の領域および前記第２の領域は、インジウムと、元素Ｍと、亜鉛と、を有し、
前記元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、スズ、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、マグネシウムから一以上選ばれ、
前記ゲート絶縁体は、シリコンと、酸素と、を有し、
前記ゲート絶縁体において、前記酸素の原子数は、前記シリコンの原子数の１．５倍以上であり、
前記第１の領域のキャリア密度は、１×１０９ｃｍ−３以上５×１０１６ｃｍ−３以下であり、
前記第１の領域のエネルギーギャップは、２．７ｅＶ以上３．１ｅＶ以下であり、
前記第２の領域のエネルギーギャップは、前記第１の領域のエネルギーギャップよりも０．１５ｅＶ以上２ｅＶ以下大きいトランジスタ。
【請求項４】
請求項３において、
前記第１の領域が有する前記インジウム、元素Ｍおよび亜鉛の原子数比はそれぞれｘ１、ｙ１およびｚ１で表され、
ｘ１／（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１）は、０．３３以上０．７以下を満たし、
ｙ１／（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１）は、０．０８以上０．３３以下を満たすトランジスタ。
【請求項５】
請求項３または請求項４において、
前記ゲート絶縁体は、トラップ準位を有し、
前記トラップ準位と、前記第１の領域の伝導帯の下端のエネルギーとの差は、０．２ｅＶ以上１．０ｅＶ以下であり、
前記トラップ準位と、前記第２の領域の伝導帯の下端のエネルギーとの差は、−０．２ｅＶ以上０．８ｅＶ以下であるトランジスタ。
【請求項６】
請求項３乃至請求項５のいずれか一において、
前記第２の領域の厚さは、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であるトランジスタ。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一において、
前記トランジスタのチャネル長は、０．０１μｍ以上１５μｍ以下である領域を有し、
前記トランジスタのドレインとソースとの間に０．１Ｖ以上３０Ｖ以下の電位差が印加される場合のしきい値は−０．５Ｖ以上２Ｖ以下であるトランジスタ。
【請求項８】
請求項７において、
前記ゲート絶縁体は、厚さが５ｎｍ以上２００ｎｍ以下である領域を有するトランジスタ。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれか一に記載のトランジスタを有する回路であり、
前記トランジスタのソースとゲート電極との間に−１Ｖ以上２０Ｖ以下の電圧が印加される回路。
【請求項１０】
請求項９に記載の回路を有する半導体装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の半導体装置を有する電子機器。
【請求項１２】
請求項１１に記載の電子機器を有する表示装置。
【請求項１３】
請求項９に記載の回路を有する表示装置であり、
前記回路は、前記表示装置のゲートドライバである表示装置。
【請求項１４】
請求項１２または請求項１３に記載の表示装置であり、
タッチセンサ、スピーカー、および撮像装置のうちいずれか一以上を有する表示装置。
【請求項１５】
請求項１２乃至請求項１４に記載の表示装置を有する電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、半導体、トランジスタ、回路および半導体装置に関する。または、本発明は、例えば、半導体、トランジスタ、回路および半導体装置の製造方法に関する。または、本発明は、例えば、表示装置、発光装置、照明装置、蓄電装置、記憶装置、プロセッサ、電子機器に関する。または、表示装置、液晶表示装置、発光装置、記憶装置、電子機器の製造方法に関する。または、トランジスタ、回路、半導体装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、記憶装置、電子機器の駆動方法に関する。
【０００２】
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関するものである。
【０００３】
なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。表示装置、発光装置、照明装置、電気光学装置、半導体回路および電子機器は、半導体装置を有する場合がある。
【背景技術】
【０００４】
酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいことが知られている。例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタの、極めてリーク電流が低いという特性を応用した低消費電力のＣＰＵなどが開示されている（特許文献１参照。）。
【０００５】
トランジスタのゲート絶縁体として酸化シリコンが用いられる場合がある。ゲート絶縁体に酸化シリコンを用いる場合に、トランジスタの半導体とゲート絶縁体との界面におけるゲート絶縁体の欠陥準位として、非特許文献１に記載があるＥ’ｃｅｎｔｅｒや、ｈｙｄｒｏｇｅｎ−ｃｏｍｐｌｅｘｅｄ  ｏｘｙｇｅｎ  ｖａｃａｎｃｙ（水素原子が酸素欠損に配置し、二つのシリコンの間をブリッジする欠陥；ｈｙｄｒｏｇｅｎ  ｂｒｉｄｇｅ  ｄｅｆｅｃｔともいう）、非特許文献２に記載があるｎｏｎｂｒｉｄｇｉｎｇ  ｏｘｙｇｅｎ  ｈｏｌｅ  ｃｅｎｔｅｒ（ＮＢＯＨＣ）、等の欠陥が知られている。
【０００６】
また、非特許文献３には、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ：Ｘ−ｒａｙ  Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いてＳｉＯ２とＩｎＧａＺｎＯ４のエネルギーバンドダイアグラムを見積もる手法について述べられている。
【０００７】
また、非特許文献４には、ＰＭＯＳトランジスタにおけるｎｅｇａｔｉｖｅ  ｂｉａｓ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ（ＮＢＴＩ）と呼ばれる信頼性試験の劣化モデルとして、ｒｅａｃｔｉｏｎ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ（Ｒ−Ｄ）  ｍｏｄｅｌについて述べられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２−２５７１８７号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｆａｂｉｅｎ  Ｄｅｖｙｎｃｋ  ｅｔ  ａｌ．，”Ｃｈａｒｇｅ  ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ  ｌｅｖｅｌｓ  ｏｆ  ｃａｒｂｏｎ−，  ｏｘｙｇｅｎ−，  ａｎｄ  ｈｙｄｒｏｇｅｎ−ｒｅｌａｔｅｄ  ｄｅｆｅｃｔｓ  ａｔ  ｔｈｅ  ＳｉＣ／ＳｉＯ２  ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  ｔｈｒｏｕｇｈ  ｈｙｂｒｉｄ  ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｓ”，Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ，２０１１，Ｖｏｌ．８４，ｐ．２３５３２０．
【非特許文献２】Ｓｈｕｊｉ  Ｍｕｎｅｋｕｎｉ  ｅｔ  ａｌ．，”Ｖａｒｉｏｕｓ  ｔｙｐｅｓ  ｏｆ  ｎｏｎｂｒｉｄｇｉｎｇ  ｏｘｙｇｅｎ  ｈｏｌｅ  ｃｅｎｔｅｒ  ｉｎ  ｈｉｇｈ−ｐｕｒｉｔｙ  ｓｉｌｉｃａ  ｇｌａｓｓ”，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，１９９０，Ｖｏｌ．６８，Ｎｏ．３，ｐｐ．１２１２−１２１７．
【非特許文献３】Ｅ．  Ａ．  Ｄｏｕｇｌａｓ  ｅｔ  ａｌ．，”Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ＳｉＯ２／ＩｎＺｎＧａＯ４  ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ  ｂａｎｄ  ｏｆｆｓｅｔｓ  ｂｙ  ｘ−ｒａｙ  ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ”，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，２０１１，Ｖｏｌ．９８，ｐ．２４２１１０．
【非特許文献４】Ｍ．  Ａ．  Ａｌａｍ  ｅｔ  ａｌ．，“Ａ  ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ  ｍｏｄｅｌ  ｏｆ  ＰＭＯＳ  ＮＢＴＩ  ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ”，ＭＩＣＲＯＥＬＥＴＲＯＮＩＣＳ  ＲＥＬＩＡＢＩＬＩＴＹ，２００５，Ｖｏｌ．４５，ｐｐ．７１−８１．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の一態様は、特性の変化が少ないトランジスタを提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、しきい値の変化が少ないトランジスタを提供することを課題の一とする。
【００１１】
本発明の一態様の回路は、トランジスタを有する。本発明の一態様は、該回路が有するトランジスタの特性の変化が少ない回路を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、該回路が有するトランジスタのしきい値の変化が少ない回路を提供することを課題の一とする。
【００１２】
または、本発明の一態様は、トランジスタの特性の変化が少ない半導体装置を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、トランジスタの特性の変化が少ない表示装置を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、トランジスタの特性の変化が少ない電子機器を提供することを課題の一とする。
【００１３】
または、本発明の一態様は、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。または、本発明の一態様は、信頼性の高い表示装置を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、信頼性の高い電子機器を提供することを課題の一とする。
【００１４】
または、本発明の一態様は、新規な回路を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、新規な装置を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、新規な電子機器を提供することを課題の一とする。
【００１５】
なお、本発明の一態様は、必ずしも上記の課題の全てを解決する必要はなく、少なくとも一の課題を解決できるものであればよい。また、上記の課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一態様は、酸化物半導体と、ゲート絶縁体と、ゲート電極と、を有するトランジスタであり、酸化物半導体には、チャネル領域が形成され、チャネル領域は、インジウムと、元素Ｍと、亜鉛と、を有し、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、スズ、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、マグネシウムから一以上選ばれ、ゲート絶縁体は、シリコンと、酸素と、を有し、ゲート絶縁体において、酸素の原子数は、シリコンの原子数の１．５倍以上であり、チャネル領域のキャリア密度は、１×１０９ｃｍ−３以上５×１０１６ｃｍ−３以下であり、チャネル領域のエネルギーギャップは、２．７ｅＶ以上３．１ｅＶ以下であるトランジスタである。また、上記構成において、ゲート絶縁体は、欠陥準位を有し、欠陥準位と、チャネル領域の伝導帯の下端のエネルギーとの差は、０．２ｅＶ以上１．０ｅＶ以下であることが好ましい。
【００１７】
また、上記構成において、ゲート絶縁体は、第１の領域の上面または下面のいずれか一方に接し、インジウム、元素Ｍおよび亜鉛の原子数比はそれぞれｘ、ｙおよびｚで表され、ｘ／（ｘ＋ｙ＋ｚ）は、０．３３以上０．７以下を満たし、ｙ／（ｘ＋ｙ＋ｚ）は、０．０８以上０．３３以下を満たすことが好ましい。
【００１８】
または、本発明の一態様は、第１の酸化物半導体と、第２の酸化物半導体と、ゲート絶縁体と、ゲート電極と、を有するトランジスタであり、第１の酸化物半導体は、第１の領域を有し、第２の酸化物半導体は、第１の酸化物半導体と接する第２の領域を有し、ゲート絶縁体は、第２の領域と接する領域を有し、第１の領域には、チャネル領域が形成され、第１の領域および第２の領域は、インジウムと、元素Ｍと、亜鉛と、を有し、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、スズ、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、マグネシウムから一以上選ばれ、ゲート絶縁体は、シリコンと、酸素と、を有し、ゲート絶縁体において、酸素の原子数は、シリコンの原子数の１．５倍以上であり、第１の領域のキャリア密度は、１×１０９ｃｍ−３以上５×１０１６ｃｍ−３以下であり、第１の領域のエネルギーギャップは、２．７ｅＶ以上３．１ｅＶ以下であり、第２の領域のエネルギーギャップは、第１の領域のエネルギーギャップよりも０．１５ｅＶ以上２ｅＶ以下大きいトランジスタである。
【００１９】
また、上記構成において、第１の領域が有するインジウム、元素Ｍおよび亜鉛の原子数比はそれぞれｘ１、ｙ１およびｚ１で表され、ｘ１／（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１）は、０．３３以上０．７以下を満たし、ｙ１／（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１）は、０．０８以上０．３３以下を満たすことが好ましい。
【００２０】
また、上記構成において、ゲート絶縁体は、トラップ準位を有し、トラップ準位と、第１の領域の伝導帯の下端のエネルギーとの差は、０．２ｅＶ以上１．０ｅＶ以下であり、トラップ準位と、第２の領域の伝導帯の下端のエネルギーとの差は、−０．２ｅＶ以上０．８ｅＶ以下であることが好ましい。
【００２１】
また、上記構成において、第２の領域の厚さは、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることが好ましい。また、上記構成において、トランジスタのチャネル長は、０．０１μｍ以上１５μｍ以下である領域を有し、トランジスタのドレインとソースとの間に０．１Ｖ以上３０Ｖ以下の電位差が印加される場合のしきい値は−０．５Ｖ以上２Ｖ以下であることが好ましい。また、上記構成において、ゲート絶縁体は、厚さが５ｎｍ以上２００ｎｍ以下である領域を有することが好ましい。
【００２２】
または、本発明の一態様は、上記のいずれか一に記載のトランジスタを有する回路であり、トランジスタのソースとゲート電極との間に−１Ｖ以上２０Ｖ以下の電圧が印加される回路である。
【００２３】
または、本発明の一態様は、上記に記載の回路を有する半導体装置である。
【００２４】
または、本発明の一態様は、上記に記載の半導体装置を有する電子機器である。
【００２５】
または、本発明の一態様は、上記に記載の電子機器を有する表示装置である。
【００２６】
または、本発明の一態様は、上記に記載の回路を有する表示装置であり、前記回路は、前記表示装置のゲートドライバである表示装置である。
【００２７】
または、本発明の一態様は、上記に記載の表示装置であり、タッチセンサ、スピーカー、および撮像装置のうちいずれか一以上を有する表示装置である。
【００２８】
または、本発明の一態様は、上記に記載の表示装置を有する電子機器である。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の一態様により、特性の変化が少ないトランジスタを提供することができる。また、本発明の一態様により、しきい値の変化が少ないトランジスタを提供することができる。
【００３０】
本発明の一態様の回路は、トランジスタを有する。本発明の一態様により、該回路が有するトランジスタの特性の変化が少ない回路を提供することができる。また、本発明の一態様により、該回路が有するトランジスタのしきい値の変化が少ない回路を提供することができる。
【００３１】
また、本発明の一態様により、トランジスタの特性の変化が少ない半導体装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、トランジスタの特性の変化が少ない表示装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、トランジスタの特性の変化が少ない電子機器を提供することができる。
【００３２】
また、本発明の一態様により、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、信頼性の高い表示装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、信頼性の高い電子機器を提供することができる。
【００３３】
また、本発明の一態様により、新規な回路を提供することができる。また、本発明の一態様により、新規な装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、新規な電子機器を提供することができる。
【００３４】
なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一態様のトランジスタ。
【図２】トランジスタのＩｄｓ−Ｖｇｓ特性。
【図３】トランジスタのしきい値の時間変化。
【図４】トランジスタのしきい値変動に要する時間。
【図５】酸化物半導体およびゲート絶縁体のバンド構造を示す図。
【図６】酸化物半導体およびゲート絶縁体の伝導帯。
【図７】酸化物半導体の電子密度と、ゲート絶縁体の伝導帯。
【図８】酸化シリコン中の欠陥準位。
【図９】欠陥の荷電状態の変化を示す図。
【図１０】電子の遷移を示す図。
【図１１】酸化物半導体およびゲート絶縁体のバンド構造を示す図。
【図１２】バンド構造を示す図。
【図１３】トランジスタのＩｄｓ−Ｖｇｓ特性。
【図１４】バンド構造を示す図。
【図１５】トランジスタの上面図および断面図。
【図１６】トランジスタの上面図および断面図。
【図１７】トランジスタの断面図。
【図１８】バンド構造を示す図。
【図１９】トランジスタの作製方法を説明する図。
【図２０】トランジスタの作製方法を説明する図。
【図２１】トランジスタの作製方法を説明する図。
【図２２】ＣＡＡＣ−ＯＳおよび単結晶酸化物半導体のＸＲＤによる構造解析を説明する図、ならびにＣＡＡＣ−ＯＳの制限視野電子回折パターンを示す図。
【図２３】ＣＡＡＣ−ＯＳの断面ＴＥＭ像、ならびに平面ＴＥＭ像およびその画像解析像。
【図２４】ｎｃ−ＯＳの電子回折パターンを示す図、およびｎｃ−ＯＳの断面ＴＥＭ像。
【図２５】ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの断面ＴＥＭ像。
【図２６】Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の電子照射による結晶部の変化を示す図。
【図２７】本発明に係る酸化物の原子数比の範囲を説明する図。
【図２８】ＩｎＭＺｎＯ４の結晶を説明する図。
【図２９】表示装置の一態様を示す上面図。
【図３０】表示装置の一態様を示す断面図。
【図３１】表示装置の一態様を示す断面図。
【図３２】表示装置を説明するブロック図及び回路図。
【図３３】表示モジュールを説明する図。
【図３４】電子機器を説明する図。
【図３５】半導体装置の回路図および断面図。
【図３６】トランジスタの上面図および断面図。
【図３７】トランジスタの上面図および断面図。
【図３８】トランジスタのＩｄｓ−Ｖｇｓ特性。
【図３９】ストレス時間としきい値変化の関係を説明する図。
【図４０】ストレス温度としきい値変化の関係を説明する図。
【図４１】トランジスタの上面図および断面図。
【図４２】トランジスタの断面図。
【図４３】トランジスタの上面図および断面図。
【図４４】モデルを示す図。
【図４５】トランジスタのＩｄｓ−Ｖｇｓ特性。
【図４６】ストレス時間としきい値変化の関係を説明する図。
【図４７】Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の状態密度の計算結果。
【図４８】Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のインジウム、およびガリウムの射影状態密度の計算結果。
【図４９】Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の亜鉛、および酸素の射影状態密度の計算結果。
【図５０】酸化物半導体の電子移動度の温度依存性。
【図５１】Ｘ線回折による評価結果。
【図５２】ＸＰＳ分析の結果。
【図５３】ＸＰＳ分析の結果。
【図５４】ＸＰＳ分析の結果。
【図５５】ＳＩＭＳ分析の結果。
【図５６】断面ＴＥＭの観察結果。
【図５７】平面ＴＥＭの観察結果。
【図５８】電子線回折の観察結果。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる。なお、同様のものを指す際にはハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
【００３７】
なお、図において、大きさ、膜（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。
【００３８】
なお、本明細書において、「膜」という表記と、「層」という表記と、を互いに入れ替えることが可能である。
【００３９】
また、電圧は、ある電位と、基準の電位（例えば接地電位（ＧＮＤ）またはソース電位）との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧を電位と言い換えることが可能である。
【００４０】
なお、第１、第２として付される序数詞は便宜的に用いるものであり、工程順または積層順を示すものではない。そのため、例えば、「第１の」を「第２の」または「第３の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書などに記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。
【００４１】
なお、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分低い場合は「絶縁体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「絶縁体」は境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。したがって、本明細書に記載の「半導体」は、「絶縁体」と言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「絶縁体」は、「半導体」と言い換えることができる場合がある。
【００４２】
また、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分高い場合は「導電体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「導電体」は境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。したがって、本明細書に記載の「半導体」は、「導電体」と言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「導電体」は、「半導体」と言い換えることができる場合がある。
【００４３】
なお、半導体の不純物とは、例えば、半導体を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が０．１原子％未満の元素は不純物である。不純物が含まれることにより、例えば、半導体にＤＯＳ（Ｄｅｎｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｓｔａｔｅｓ）が形成されることや、キャリア移動度が低下することや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第１族元素、第２族元素、第１３元素、第１４族元素、第１５族元素、主成分以外の遷移金属などがあり、特に、例えば、水素（水にも含まれる）、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、例えば水素などの不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコンである場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１５族元素などがある。
【００４４】
なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース（ソース領域またはソース電極）とドレイン（ドレイン領域またはドレイン電極）との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
【００４５】
チャネル幅とは、例えば、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
【００４６】
なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅（以下、実効的なチャネル幅と呼ぶ。）と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅（以下、見かけ上のチャネル幅と呼ぶ。）と、が異なる場合がある。例えば、立体的な構造を有するトランジスタでは、実効的なチャネル幅が、トランジスタの上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつ立体的な構造を有するトランジスタでは、半導体の側面に形成されるチャネル領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも、実際にチャネルの形成される実効的なチャネル幅の方が大きくなる。
【００４７】
ところで、立体的な構造を有するトランジスタにおいては、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。
【００４８】
そこで、本明細書では、トランジスタの上面図において、半導体とゲート電極とが互いに重なる領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さである見かけ上のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅（ＳＣＷ：Ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ  Ｃｈａｎｎｅｌ  Ｗｉｄｔｈ）」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込みチャネル幅などは、断面ＴＥＭ像などを取得して、その画像を解析することなどによって、値を決定することができる。
【００４９】
なお、トランジスタの電界効果移動度や、チャネル幅当たりの電流値などを計算して求める場合、囲い込みチャネル幅を用いて計算する場合がある。その場合には、実効的なチャネル幅を用いて計算する場合とは異なる値をとる場合がある。
【００５０】
なお、本明細書において、ＡがＢより迫り出した形状を有すると記載する場合、上面図または断面図において、Ａの少なくとも一端が、Ｂの少なくとも一端よりも外側にある形状を有することを示す場合がある。したがって、ＡがＢより迫り出した形状を有すると記載されている場合、例えば上面図において、Ａの一端が、Ｂの一端よりも外側にある形状を有すると読み替えることができる。
【００５１】
本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が−３０°以上３０°以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が６０°以上１２０°以下の角度で配置されている状態をいう。
【００５２】
また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。
【００５３】
また、本明細書は、以下の実施の形態および実施例を適宜組み合わせることが可能である。また、１つの実施の形態や実施例の中に、複数の構成例が示される場合は、互い構成例を適宜組み合わせることが可能である。
【００５４】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様のトランジスタ等について説明する。
【００５５】
本発明の一態様トランジスタは、本発明の一態様の回路および表示素子等に適用することができる。本発明の一態様の半導体装置は、該回路および表示素子等を有する。本発明の一態様の電子機器は、該半導体装置を有する。また、本発明の一態様の電子機器は、表示装置を有することが好ましい。また、該表示装置は、本発明の一態様の半導体装置を有することが好ましい。
【００５６】
本発明の一態様のトランジスタは、酸化物半導体を有することが好ましい。また、本発明の一態様のトランジスタは、チャネル領域に酸化物半導体を有することが好ましい。
【００５７】
トランジスタが有する酸化物半導体は、インジウムおよび亜鉛を有することが好ましい。また、該酸化物半導体は、元素Ｍを有することが好ましい。元素Ｍはアルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。
【００５８】
酸化物半導体が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、酸化物半導体がＺｎを有すると、酸化物半導体の結晶化が起こり易い。また、酸化物半導体がスタビライザーとしての機能を有する元素Ｍを有すると、例えば酸化物半導体のエネルギーギャップが大きくなる。
【００５９】
本発明の一態様の回路、半導体装置、表示装置および電子機器は、酸化物半導体を有するトランジスタを有することが好ましい。
【００６０】
本発明の一態様の、酸化物半導体を有するトランジスタは、オフ状態における電流値（オフ電流値）を低くすることができる。酸化物半導体を有するトランジスタを用いることにより、データを長時間に渡って保持することができる。よって、データの書き込み間隔を長くすることができる。よって、回路、半導体装置、表示装置、電子機器等の消費電力を低減することができる。
【００６１】
酸化物半導体をチャネル領域に有するトランジスタのオフ電流は例えば、１０−２１Ａ未満である。例えばチャネル幅Ｗが１×１０６μｍでチャネル長Ｌが１０μｍの素子であっても、ソース電極とドレイン電極間の電圧（ドレイン電圧）が１Ｖから１０Ｖの範囲において、オフ電流が、半導体パラメータアナライザの測定限界以下、すなわち１×１０−１３Ａ以下という特性を得ることができる。
【００６２】
例えば表示装置において、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。また、酸化物半導体を有するトランジスタを用いることにより、高精細な表示装置を実現することができる場合がある。また、酸化物半導体を有するトランジスタを用いることにより、表示装置の表示品位を高めることができる場合がある。このように、酸化物半導体をチャネル領域に有するトランジスタは、優れた特徴を有する。
【００６３】
ここで、トランジスタを回路に適用する場合において、回路の動作に伴いトランジスタのソースとドレインの間、およびソースとゲートの間に電圧が印加される。トランジスの特性の変化は、回路の動作不良の要因となる場合がある。また、トランジスタ特性の変化により、回路の消費電力が高くなってしまう場合がある。また、トランジスタ特性の変化により、回路を有する半導体装置、表示装置、および電子機器、の性能が低下する場合がある。よって、回路の動作に伴うトランジスタの特性の変化は小さいほど好ましい。
【００６４】
トランジスタの特性を評価するパラメータの一つとして、しきい値がある。ここで、本明細書中において、しきい値とは、チャネルが形成されたときのゲート電圧をいう。しきい値は例えば、ゲート電圧（Ｖｇ）を横軸に、ドレイン電流Ｉｄの平方根を縦軸にプロットした曲線（Ｖｇ−√Ｉｄ特性）において、最大傾きである接線を外挿したときの直線とドレイン電流（ゲートとソースとの間の電流）であるＩｄｓの平方根が０（Ｉｄが０Ａ）との交点におけるゲート電圧（Ｖｇ）として算出することができる。あるいは、チャネル長をＬ、チャネル幅をＷとし、Ｉｄｓ［Ａ］×Ｌ［μｍ］÷Ｗ［μｍ］の値が１×１０−９［Ａ］となるＶｇｓを、しきい値と定義する場合がある。
【００６５】
回路動作等に伴うトランジスタ特性の変動をより小さくするため、発明者らは、チャネル領域に酸化物半導体を有するトランジスタにおいて、ゲート絶縁体と酸化物半導体との界面およびゲート絶縁体中のトラップの準位と、トランジスタのしきい値変化との関係について考察を行った。その結果、酸化物半導体のバンドオフセットを変化させることにより、トランジスタ特性の変動を抑制できることを見出した。
【００６６】
＜ストレス試験の一例＞
まず、トランジスタにストレスを印加する前後における、しきい値の変化量を評価した。
【００６７】
以下、ゲートとソースの間に印加される電圧をＶｇｓと呼び、ドレインとソースの間の電圧をＶｄｓと呼ぶ。ストレスとしてＶｇｓ＝Ｖ１［Ｖ］、Ｖｄｓ＝０Ｖとした。Ｖ１として１０Ｖ、３０Ｖおよび４０Ｖの３条件について評価を行った。また、測定温度は８０℃、１００℃および１２５℃の３条件とした。
【００６８】
トランジスタ構造として、図１（Ａ）に示すトランジスタ１００を用いた。図１（Ａ）の詳細については後述する。トランジスタ１００は、酸化物半導体１０８ａと、ソース電極として機能する導電体１１２ａと、ドレイン電極として機能する導電体１１２ｂと、ゲート電極として機能する導電体１０４と、ゲート絶縁体として機能する絶縁体１０６ａおよび絶縁体１０６ｂと、を有する。
【００６９】
ストレス試験を行うトランジスタは、絶縁体１０６ａとして厚さ４００ｎｍの窒化シリコン膜を用い、絶縁体１０６ｂとして厚さ５０ｎｍの酸化窒化シリコン膜を用いた。ここで酸化窒化シリコン膜においては、窒素よりも酸素の原子数比が高い。
【００７０】
また、酸化物半導体１０８ａとして、厚さ３５ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いた。Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物は、多結晶の金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］）を用いて、スパッタリング法により成膜した。
【００７１】
ここでは一例として絶縁体１０６ａは、シラン、窒素およびアンモニアを用いてＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により成膜した。また、絶縁体１０６ｂは、シランおよび一酸化二窒素を用い（ガス流量はそれぞれ、２０ｓｃｃｍおよび３０００ｓｃｃｍ）、圧力を４０Ｐａ、電力を１００ＷとしてＰＥＣＶＤ法により成膜した。また、酸化物半導体１０８は、多結晶の金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］）を用いて、基板温度を３００℃とし、アルゴンおよび酸素を用い（ガス流量はそれぞれ、２０ｓｃｃｍおよび１０ｓｃｃｍ）、圧力を０．４Ｐａ、電力をＤＣ電源１００Ｗとし、スパッタリング法により成膜した。
【００７２】
また、導電体１０４としてタングステンを用いた。また、導電体１１２ａおよび導電体１１２ｂとして、３層の金属層を用いた。金属層は、最下層から順に、タングステン、アルミおよびチタンの順で積層される。
【００７３】
チャネル長Ｌが６μｍ、チャネル幅Ｗが５０μｍのトランジスタのＩｄｓ−Ｖｇｓ特性を図２に示す。
【００７４】
図３はＶ１＝３０Ｖにおいて、横軸にストレス印加時間、縦軸にしきい値変動（以下、ΔＶｔｈという）をプロットしたグラフである。しきい値（以下、Ｖｔｈという）は、Ｖｄｓ＝１０ＶにおけるＩｄｓ−Ｖｇｓ特性から算出した。ここでＩｄｓは、ゲートとソースとの間の電流である。
【００７５】
ΔＶｔｈが１Ｖとなる時間をＴｉｍｅ  ｔｏ  Ｆａｉｌ（以下、ＴＴＦという）として見積もった。図４は、Ｖｇｓ＝３０Ｖにおいて縦軸にＴＴＦ、横軸に測定温度の絶対温度の逆数（１／Ｔ）をプロットしたグラフである。
【００７６】
図４のデータを数式（１）により近似し、活性化エネルギーＥａを求めることができる。ここで数式（１）において、Ａは定数、ｋはボルツマン定数である。
【００７７】
【数１】
2018032839.tif 000003
【００７８】
Ｖ１が１０Ｖ、３０Ｖおよび４０Ｖにおける活性化エネルギーＥａはそれぞれ０．５１ｅＶ、０．４５ｅＶおよび０．３９ｅＶと求めることができた。
【００７９】
次に、しきい値変化を引き起こす現象について考察を行った。
【００８０】
＜バンド構造１＞
非特許文献３に記載の方法を参照し、ＸＰＳ測定からエネルギーギャップのエネルギー、価電子帯の深さおよび伝導帯の深さを見積もった。ゲート絶縁体として酸化窒化シリコンを用いた。また、酸化物半導体として、多結晶の金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］）を用いて、スパッタリング法によりＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を成膜した。
【００８１】
図５に、酸化物半導体とゲート絶縁体の、それぞれの価電子帯および伝導帯を示す。ここで、ゲート絶縁体については、酸化物半導体との界面領域と、バルク領域について示す。
【００８２】
＜伝導帯＞
次に、図５において述べた、実測から算出された電子親和力およびイオン化ポテンシャルを用いて、Ｖｇｓを変化させた場合のゲート絶縁体と、酸化物半導体の伝導帯を計算により求める。計算には、シルバコ社製のＡＴＬＡＳを用いた。ゲート電極の仕事関数を４．７ｅＶ、ゲート絶縁体および酸化物半導体の電子親和力を０．９ｅＶおよび４．６ｅＶとした。また、ゲート絶縁体および酸化物半導体のイオン化ポテンシャルを９．５ｅＶおよび７．８ｅＶ、ゲート絶縁体および酸化物半導体のエネルギーギャップを８．６ｅＶおよび３．２ｅＶとした。また、ゲート絶縁体および酸化物半導体の比誘電率を４．１および１５とした。
【００８３】
計算により得られた酸化物半導体とゲート絶縁体の伝導帯を図６に示す。伝導帯のエネルギーは、フェルミ準位を基準として示している。図６にはＶｇｓを０Ｖ、５Ｖ、１０Ｖ、１５Ｖ、２０Ｖ、３０Ｖ、４０Ｖ、６０Ｖおよび８０Ｖとした場合に、計算により得られる結果を示している。図６より、酸化物半導体との界面における、ゲート絶縁体の伝導帯は、Ｖｇｓの増加に伴い、フェルミ準位に対して徐々に低くなることがわかる。また図６から、ゲート絶縁体との界面における酸化物半導体のキャリアの蓄積、すなわち電子密度を見積もった。これらの結果を図７に示す。
【００８４】
図７には、横軸をＶｇｓとし、縦軸を酸化物半導体、および、酸化物半導体との界面におけるゲート絶縁体のフェルミ準位とし、白い四角としてプロットした。また、縦軸をゲート絶縁体との界面における酸化物半導体の電子密度とし、黒い四角としてプロットした。
【００８５】
＜トランジスタ特性の見積もり＞
次に、酸化物半導体のエネルギーギャップを変化させる場合のゲート絶縁体のフェルミ準位の変化と、トランジスタのＩｄｓ−Ｖｇｓ特性と、を計算により求める。計算には、シルバコ社製のＡＴＬＡＳを用いた。各パラメータには、表１に示す条件を用いた。
【００８６】
【表１】
2018032839.tif 000004
【００８７】
エネルギーギャップは、１．５ｅＶから３．５ｅＶまで変化させた。ここで、電子親和力およびドナー密度（キャリア密度）は、エネルギーギャップの異なる条件間において、接合前に、酸化物半導体の単層の物性として、価電子帯が同じ位置にくるように値を調整した。エネルギーギャップが３．２ｅＶの条件で、ドナー密度を６．６×１０−９［ｃｍ−３］とした。結果を図１１に示す。図１１において、フェルミ準位が０ｅＶに位置する。
【００８８】
次に、Ｖｇｓを３０Ｖとした場合に、酸化物半導体との界面における、ゲート絶縁体の伝導帯を図１２に示す。図１２において、フェルミ準位が０ｅＶに位置する。
【００８９】
次に、酸化物半導体のエネルギーギャップを変化させる場合のトランジスタのＩｄｓ−Ｖｇｓ特性を図１３に示す。エネルギーギャップが小さくなるほど、Ｉｄｓ−Ｖｇｓ特性はマイナスシフトし、しきい値がマイナスシフトすることがわかる。
【００９０】
＜欠陥準位＞
非特許文献１および非特許文献２に示されるように、ゲート絶縁体中の欠陥としてＥ’ｃｅｎｔｅｒ、ｈｙｄｒｏｇｅｎ−ｃｏｍｐｌｅｘｅｄ  ｏｘｙｇｅｎ  ｖａｃａｎｃｙ、ＮＢＯＨＣ、等が知られている。
【００９１】
本実施の形態においては、第一原理計算を用いてアモルファスの酸化シリコン中の、欠陥準位の遷移レベルを求めた。計算には、平面波基底第一原理計算ソフトＶＡＳＰ（Ｖｉｅｎｎａ  ａｂ−ｉｎｉｔｉｏ  ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ  ｐａｃｋａｇｅ）を用いた。ハイブリッド汎関数にはＨＳＥ０６を、交換相関項にはＧＧＡ−ＰＢＥを用いた。厳密項の混合比は０．４、擬ポテンシャルにはＰＡＷを適用した。平面波のカットオフエネルギーは８００ｅＶとした。アモルファスの酸化シリコンのモデルを計算により求めた。計算手法として分子動力学法を用い、メルトクエンチ法により構造の最適化を行った。計算に用いるパラメーターとして、原子数を９６とし、酸素の擬ポテンシャルをＯ＿ｈとし、メッシュは１×１×１のｋ点メッシュとした（１×１×１のｋ点メッシュを用いた）。
【００９２】
図８には計算により求められた酸化シリコン中の欠陥準位の遷移レベルを示す。ここで、Ｅ’ｃｅｎｔｅｒ、ｈｙｄｒｏｇｅｎ−ｃｏｍｐｌｅｘｅｄ  ｏｘｙｇｅｎ  ｖａｃａｎｃｙ（Ｓｉ−Ｈ−Ｓｉ）、およびＮＢＯＨＣに対応する欠陥準位をそれぞれ、Ｅ’、ＥＳｉ−Ｈ−ＳｉおよびＥＮＢＯＨＣとする。ここで、図中に（０／−）と示す準位は荷電状態が中性からマイナスに、（＋／０）と示す準位は荷電状態がプラスから中性に、それぞれ変化するフェルミエネルギーを示す。ここで例えば、ｈｙｄｒｏｇｅｎ−ｃｏｍｐｌｅｘｅｄ  ｏｘｙｇｅｎ  ｖａｃａｎｃｙについて、荷電状態がプラスから中性に変化するエネルギーをＥＳｉ−Ｈ−Ｓｉ（＋／０）と表す。
【００９３】
図４に示す通り、Ｖ１＝３０Ｖにおいて、活性化エネルギーＥａは０．４５ｅＶと求められた。また図７に示す通り、Ｖｇｓ＝３０Ｖにおいて、ゲート絶縁体のフェルミ準位をＥｆｇとする。伝導帯からＥｆｇまでのエネルギーは３．６５ｅＶと見積もられた。また、図８より、ゲート絶縁体の伝導帯から欠陥準位ＥＳｉ−Ｈ−Ｓｉ（＋／０）までのエネルギーは約３．１ｅＶである。これらの関係を、図１０のバンド図に示す。
【００９４】
以上より、荷電状態がプラスから中性に変化する場合において、欠陥準位ＥＳｉ−Ｈ−Ｓｉから伝導帯までのエネルギーは、ＥｆｇとＥａの差に相当するエネルギーとの対応がみられることがわかった。よって、欠陥準位ＥＳｉ−Ｈ−Ｓｉ（＋／０）に対応する反応が、しきい値変化の主たる要因の一つであることが示唆される。ここで、ｈｙｄｒｏｇｅｎ−ｃｏｍｐｌｅｘｅｄ  ｏｘｙｇｅｎ  ｖａｃａｎｃｙにおいて、荷電状態がプラスから中性に変化する場合、すなわち該欠陥に電子が与えられる場合の反応を、図９のモデル図に示す。
【００９５】
活性化エネルギーをより大きくすることにより、ゲート絶縁体と酸化物半導体との界面、およびゲート絶縁体中へ捕獲される電荷の量をより少なくできる場合があり、より好ましい。活性化エネルギーを大きくするには、トランジスタのチャネル領域と欠陥準位とのエネルギー差を大きくすればよい。活性化エネルギーを大きくするためには例えば、酸化物半導体の伝導帯の下端のエネルギーをより低くすればよい。例えば電子親和力を大きくすればよい。
【００９６】
また、上述したゲート絶縁体中のトラップへ電荷が捕獲されることによるΔＶｔｈの増大に加えて、ゲート絶縁体から、例えば水素などの拡散しやすい元素が脱離することにより、ゲート絶縁体中、およびゲート絶縁体と酸化物半導体との界面に固定電荷が発生し、ΔＶｔｈの増大へと繋がる場合がある。例えば、下記の一般式（Ｇ１）、一般式（Ｇ２）、等の反応が考えられる。
【００９７】
【化１】
2018032839.tif 000005
【００９８】
【化２】
2018032839.tif 000006
【００９９】
ゲート絶縁体の固定電荷の発生は、次のように説明することができる。まず上記の一般式（Ｇ１）または一般式（Ｇ２）の少なくともいずれかで表される反応が生じる。これらの反応により、Ｈ２ＯやＳｉＯＨにおいて結合が切れ、固定電荷および水素が生じる。ここで、水素は非常に拡散しやすい元素である。生じた水素が拡散することにより、反応式における両辺の平衡が崩れる。平衡を回復するために、固定電荷が生じる方向（右方向）にさらに反応が進行する。よって、時間の経過に伴い固定電荷が増加し、しきい値変動が増大する。
【０１００】
ここで、ΔＶｔｈは、α、βおよびストレス時間ｔを用いて以下の数式（２）で表すことができる。
【０１０１】
【数２】
2018032839.tif 000007
【０１０２】
ここで、数式（２）は、非特許文献４に述べられるｒｅａｃｔｉｏｎ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ（Ｒ−Ｄ）ｍｏｄｅｌを記述する式であり、αはキャリアのトラップや、反応による初期の劣化、すなわち一般式（Ｇ１）および一般式（Ｇ２）における初期反応の量に起因するパラメータであり、βは拡散に起因するパラメータである。
【０１０３】
αは反応しやすさを表すと考えられ、例えば、活性化エネルギーをより大きくすることによりゲート絶縁膜へのトラップを生じさせにくくすることにより、αを小さくすることができると考えられる。また、一般式（Ｇ１）、一般式（Ｇ２）、等で表される反応を抑制することにより、αを小さくすることができると考えられる。
【０１０４】
βは拡散に起因し、例えば水素の拡散のしやすさなどに依存すると考えられる。
【０１０５】
ここで、Ｒ−Ｄ  ｍｏｄｅｌを図４４および以下の一般式（Ｇ３）を用いて説明する。
【０１０６】
【化３】
2018032839.tif 000008
【０１０７】
図４４（Ａ）は、元素Ａおよび元素Ｂを有する化合物がゲート絶縁体の、酸化物半導体との界面近傍に存在する様子を示す。該化合物において、元素Ａと元素Ｂは結合している。
【０１０８】
図４４（Ｂ）は初期の反応過程を示す。図４４（Ｂ）に示すように、電子（ｅ−）が与えられることにより元素Ａと元素Ｂの結合が切れる（一般式（Ｇ３））。電子の授受は例えば、ゲート絶縁膜および酸化物半導体に電界が印加されることにより生じやすくなる。初期反応のしやすさはパラメータαにより表すことができる。
【０１０９】
その後、図４４（Ｃ）に示すように、元素Ｂがゲート絶縁膜中を拡散する。拡散のしやすさはパラメータβにより表すことができる。
【０１１０】
＜酸化物半導体＞
本発明の一態様のトランジスタのチャネル領域が有する酸化物半導体のエネルギーギャップは、好ましくは２．６ｅＶ以上３．３ｅＶ以下、より好ましくは２．７ｅＶ以上３．１ｅＶ以下、さらに好ましくは２．９ｅＶ以上３．１ｅＶ以下である。
【０１１１】
本発明の一態様のトランジスタのチャネル領域が有する酸化物半導体は、インジウムおよび亜鉛を有することが好ましい。また、該酸化物半導体は、元素Ｍを有することが好ましい。インジウム、元素Ｍおよび亜鉛の原子数比をそれぞれｘ、ｙおよびｚと表す。
【０１１２】
また、インジウムの原子数比をより大きくすることにより、エネルギーギャップをより小さくできる場合がある。また、元素Ｍの原子数比をより小さくすることにより、エネルギーギャップをより小さくできる場合がある。また、元素Ｍの原子数比をより小さくすることにより、電子親和力をより大きくできる場合がある。
【０１１３】
ｘ／（ｘ＋ｙ＋ｚ）は、０．３３以上０．７未満を満たすことが好ましい。また、ｙ／（ｘ＋ｙ＋ｚ）は、０．０８以上０．３３未満を満たすことが好ましい。ここで、元素Ｍはガリウムであることが好ましい。
【０１１４】
また、例えば本発明の一態様の酸化物半導体のキャリア密度を高めることにより、電子親和力が大きくなる。本発明の一態様のトランジスタのチャネル領域が有する酸化物半導体のキャリア密度は、１×１０５ｃｍ−３以上５×１０１７ｃｍ−３以下が好ましく、１×１０７ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３未満がより好ましく、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。
【０１１５】
ここで酸化物半導体の酸素欠損（ＶＯと呼ぶ）に水素が結合してＶｏＨが形成されるとキャリア密度が増加する場合がある。
【０１１６】
キャリア密度が増加しすぎると、トランジスタのＩｄｓ−Ｖｇｓ特性は大きくマイナスシフトする。すなわち、しきい値が大きくマイナスシフトする。マイナスシフトが過剰に生じると、トランジスタはノーマリーオン特性になりやすい。なお、トランジスタにおける、ノーマリーオンの特性とは、ゲート電圧Ｖｇ＝０Ｖの時に電流（例えば、ドレインーソース間の電流（Ｉｄｓ））が流れる特性をいう。
【０１１７】
本発明の一態様のトランジスタのチャネル領域が有する酸化物半導体の水素濃度は、好ましくは２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。
【０１１８】
＜トランジスタのしきい値＞
以上で述べた通り、エネルギーギャップが小さくなりすぎる場合、および、キャリア密度が増加しすぎる場合には、しきい値が過剰にマイナスシフトしてしまう場合がある。
【０１１９】
ここで例えば、トランジスタのチャネル長が１０ｎｍ以上１００００ｎｍ以下において、トランジスタのドレインとソースとの間に０．１Ｖ以上１５Ｖ以下の電位差が印加される場合のしきい値は好ましくは−０．５Ｖ以上２Ｖ以下、より好ましくは−０．３Ｖ以上１Ｖ以下である。
【０１２０】
＜射影状態密度＞
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物において、全体の状態密度（Ｔｏｔａｌ  Ｄｅｎｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｓｔａｔｅｓ）と、インジウム、ガリウム、亜鉛、および酸素の射影状態密度（Ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ  Ｄｅｎｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｓｔａｔｅｓ：ＰＤＯＳ）と、を計算により求めた。計算に用いた条件を表２に示す。
【０１２１】
【表２】
2018032839.tif 000009
【０１２２】
図４７にＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の全体の状態密度を示す。図４８（Ａ）にインジウムの、図４８（Ｂ）にガリウムの、図４９（Ａ）に亜鉛の、図４９（Ｂ）に酸素の、射影状態密度をそれぞれ示す。
【０１２３】
図４８および図４９より、伝導帯下端（Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ  Ｂａｎｄ  Ｍｉｎｉｍｕｍ：ＣＢＭ）には４つ全ての元素の軌道が寄与するのに対し、価電子帯上端（Ｖａｌｅｎｃｅ  Ｂａｎｄ  Ｍａｘｉｍｕｍ：ＶＢＭ）には主に酸素の２ｐ軌道が寄与することが示唆される。
【０１２４】
（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様のトランジスタについて説明する。
【０１２５】
＜トランジスタの構造の例１＞
以下に、本発明の一態様のトランジスタの構造の一例を示す。
【０１２６】
図１（Ｃ）は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ１００の上面図であり、図１（Ａ）（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図、及び一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当する。
【０１２７】
また、図１（Ｃ）において、煩雑になることを避けるため、トランジスタ１００の構成要素の一部（ゲート絶縁体として機能する絶縁膜等）を省略して図示している。また、一点鎖線Ｘ１−Ｘ２方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｙ１−Ｙ２方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。なお、トランジスタの上面図においては、以降の図面においても図１（Ｃ）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。
【０１２８】
トランジスタ１００は、基板１０２上のゲート電極として機能する導電体１０４と、基板１０２及び導電体１０４上の絶縁体１０６ａと、絶縁体１０６ａ上の絶縁体１０６ｂと、絶縁体１０６ｂ上の酸化物半導体１０８ａと、酸化物半導体１０８ａに電気的に接続されるソース電極として機能する導電体１１２ａと、酸化物半導体１０８ａに電気的に接続されるドレイン電極として機能する導電体１１２ｂと、を有する。絶縁体１０６ａ及び絶縁体１０６ｂは、トランジスタ１００のゲート絶縁体としての機能を有する。また、トランジスタ１００上、より詳しくは、導電体１１２ａ、１１２ｂ及び酸化物半導体１０８ａ上には絶縁体１１４、１１６、及び絶縁体１１８が設けられる。絶縁体１１４、１１６、１１８は、トランジスタ１００の保護絶縁膜としての機能を有する。なお、絶縁体１１４を第１の保護絶縁膜、絶縁体１１６を第２の保護絶縁膜と呼称する場合がある。
【０１２９】
ここで、トランジスタ１００は、図１（Ｂ）に示すように、ゲート電極として機能する導電体１０４側の酸化物半導体１０８ａと、酸化物半導体１０８ａ上の酸化物半導体１０８ｂと、の２層の酸化物半導体を積層した構造であってもよい。
【０１３０】
酸化物半導体１０８ａには、実施の形態１に述べた酸化物半導体１０８ａを用いることができる。
【０１３１】
酸化物半導体１０８ａとしては、Ｉｎ−Ｍ（Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズ）酸化物、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を用いることができる。とくに、酸化物半導体１０８としては、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を用いると好ましい。
【０１３２】
酸化物半導体１０８ａは、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：α１（１．５≦α１≦２．５）：α２（２．５≦α２≦３．５）［原子数比］であることが好ましく、の酸化物半導体１０８ｂは、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：β１（０．８≦β１≦１．２）：β２（０．８≦β２≦１．２）［原子数比］であることが好ましい。
【０１３３】
酸化物半導体１０８ａに、上述の原子数比、すなわちＩｎの原子数比がＭの原子数比より多い組成とすることで、酸化物半導体の伝導帯を真空準位に対してより深くすることができる場合がある。また、トランジスタ１００の電界効果移動度（単に移動度、またはμＦＥという場合がある）を高くすることができる。具体的には、トランジスタ１００の電界効果移動度が１０ｃｍ２／Ｖｓを超える、さらに好ましくはトランジスタ１００の電界効果移動度が３０ｃｍ２／Ｖｓを超えることが可能となる。
【０１３４】
例えば、上記の電界効果移動度が高いトランジスタを、ゲート信号を生成するゲートドライバ（とくに、ゲートドライバが有するシフトレジスタの出力端子に接続されるデマルチプレクサ）に用いることで、額縁幅の狭い（狭額縁ともいう）半導体装置または表示装置を提供することができる。
【０１３５】
また、トランジスタ１００が酸化物半導体１０８ｂを有することで、光照射時にトランジスタ１００の電気特性の変動を抑制できる。酸化物半導体１０８ｂは、酸化物半導体１０８ａよりもＩｎの原子数比が少ない組成であるため、酸化物半導体１０８ａよりもＥｇが大きくなる。したがって、光照射時における酸化物半導体への光吸収量を低減させることができる。したがって、酸化物半導体を、酸化物半導体１０８ａと、酸化物半導体１０８ｂとの積層構造とすることにより、光負バイアスストレス試験による耐性がより高くなる。
【０１３６】
絶縁体１１４、１１６としては、化学量論的組成よりも過剰に酸素を含有する領域（酸素過剰領域）を有することがより好ましい。別言すると、絶縁体１１４、１１６は、酸素を放出することが可能な絶縁膜である。なお、絶縁体１１４、１１６に酸素過剰領域を設けるには、例えば、成膜後の絶縁体１１４、１１６に酸素を導入して、酸素過剰領域を形成する。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理等を用いることができる。絶縁体１１４、１１６から放出される酸素が酸化物半導体１０８ａに拡散し、酸化物半導体１０８ａの酸素欠損を補填することができる。
【０１３７】
また、酸化物半導体１０８ａ中の酸素欠損を補填するためには、酸化物半導体１０８ｂのチャネル領域近傍の膜厚を薄くした方が好適である。例えば、酸化物半導体１０８ｂのチャネル領域近傍の膜厚としては、好ましくは１ｎｍ以上２０ｎｍ以下、さらに好ましくは、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。
【０１３８】
また、酸化物半導体１０８ａ中の酸素欠損を補填するためには、酸化物半導体１０８ｂは、酸素の透過性が高いと好適である。酸素の透過性が高い酸化物半導体１０８ｂとすることで、絶縁体１１４、１１６に含まれる過剰酸素を酸化物半導体１０８ａ中に好適に透過させることができる。
【０１３９】
このように、本発明の一態様の半導体装置においては、酸化物半導体を積層構造とし、且つ該酸化物半導体に接する絶縁体中に過剰の酸素を含有させる構造とすることで、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。さらに、本発明の一態様では、上述の構造を有する半導体装置の作製工程中の温度を低く（代表的には４００℃未満または３７５℃未満（好ましくは、３４０℃以上３６０℃以下））とすることができる。
【０１４０】
以下に、本実施の形態の半導体装置に含まれるその他の構成要素について、詳細に説明する。
【０１４１】
＜基板＞
基板１０２の材質などに大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有している必要がある。例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板等を、基板１０２として用いてもよい。また、シリコンや炭化シリコンを材料とした単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム等の化合物半導体基板、ＳＯＩ基板等を適用することも可能であり、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板１０２として用いてもよい。なお、基板１０２として、ガラス基板を用いる場合、第６世代、第７世代、第８世代、第９世代、第１０世代等の大面積基板を用いることで、大型の表示装置を作製することができる。このような大面積基板を用いることで製造コストを低減させることができるため好ましい。
【０１４２】
また、基板１０２として、可撓性基板を用い、可撓性基板上に直接、トランジスタ１００を形成してもよい。または、基板１０２とトランジスタ１００の間に剥離層を設けてもよい。剥離層は、その上に半導体装置を一部あるいは全部完成させた後、基板１０２より分離し、他の基板に転載するのに用いることができる。その際、トランジスタ１００を耐熱性の劣る基板や可撓性の基板にも転載できる。
【０１４３】
＜ゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極として機能する導電体＞
ゲート電極として機能する導電体１０４、及びソース電極として機能する導電体１１２ａ、及びドレイン電極として機能する導電体１１２ｂとしては、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）から選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いてそれぞれ形成することができる。
【０１４４】
また、導電体１０４、１１２ａ、１１２ｂは、単層構造でも、二層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜または窒化タングステン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造等がある。また、アルミニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた一または複数を組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
【０１４５】
また、導電体１０４、１１２ａ、１１２ｂには、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化シリコンを添加したインジウム錫酸化物等の透光性を有する導電性材料を適用することもできる。
【０１４６】
また、導電体１０４、１１２ａ、１１２ｂには、Ｃｕ−Ｘ合金膜（Ｘは、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔａ、またはＴｉ）を適用してもよい。Ｃｕ−Ｘ合金膜を用いることで、ウエットエッチングプロセスで加工できるため、製造コストを抑制することが可能となる。
【０１４７】
＜ゲート絶縁体として機能する絶縁体＞
トランジスタ１００のゲート絶縁体として機能する絶縁体１０６ａ、１０６ｂとしては、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ：（Ｐｌａｓｍａ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ））法、スパッタリング法等により、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化イットリウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ガリウム膜、酸化タンタル膜、酸化マグネシウム膜、酸化ランタン膜、酸化セリウム膜および酸化ネオジム膜を一種以上含む絶縁層を、それぞれ用いることができる。なお、絶縁体１０６ａ、１０６ｂの積層構造とせずに、上述の材料から選択された単層の絶縁膜、または３層以上の絶縁膜を用いてもよい。
【０１４８】
また、絶縁体１０６ａは、酸素の透過を抑制するブロッキング膜としての機能を有する。例えば、絶縁体１０６ｂ、１１４、１１６及び／または酸化物半導体１０８中に過剰の酸素を供給する場合において、絶縁体１０６ａは酸素の透過を抑制することができる。
【０１４９】
なお、トランジスタ１００のチャネル領域として機能する酸化物半導体１０８と接する絶縁体１０６ｂは、酸化物絶縁膜であることが好ましく、化学量論的組成よりも過剰に酸素を含有する領域（酸素過剰領域）を有することがより好ましい。別言すると、絶縁体１０６ｂは、酸素を放出することが可能な絶縁膜である。なお、絶縁体１０６ｂに酸素過剰領域を設けるには、例えば、酸素雰囲気下にて絶縁体１０６ｂを形成すればよい。または、成膜後の絶縁体１０６ｂに酸素を導入して、酸素過剰領域を形成してもよい。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理等を用いることができる。
【０１５０】
また、絶縁体１０６ｂとして、酸化ハフニウムを用いる場合、以下の効果を奏する。酸化ハフニウムは、酸化シリコンや酸化窒化シリコンと比べて比誘電率が高い。したがって、酸化シリコンを用いた場合と比べて、絶縁体１０６ｂの膜厚を大きくできるため、トンネル電流によるリーク電流を小さくすることができる。すなわち、オフ電流の小さいトランジスタを実現することができる。さらに、結晶構造を有する酸化ハフニウムは、非晶質構造を有する酸化ハフニウムと比べて高い比誘電率を備える。したがって、オフ電流の小さいトランジスタとするためには、結晶構造を有する酸化ハフニウムを用いることが好ましい。結晶構造の例としては、単斜晶系や立方晶系などが挙げられる。ただし、本発明の一態様は、これらに限定されない。
【０１５１】
なお、本実施の形態では、絶縁体１０６ａとして窒化シリコン膜を形成し、絶縁体１０６ｂとして酸化シリコン膜を形成する。窒化シリコン膜は、酸化シリコン膜と比較して比誘電率が高く、酸化シリコン膜と同等の静電容量を得るのに必要な膜厚が大きいため、トランジスタ１００のゲート絶縁体として、窒化シリコン膜を含むことでゲート絶縁体を物理的に厚膜化することができる。よって、トランジスタ１００の絶縁耐圧の低下を抑制、さらには絶縁耐圧を向上させて、トランジスタ１００の静電破壊を抑制することができる。
【０１５２】
＜酸化物半導体＞
酸化物半導体１０８ａおよび酸化物半導体１０８ｂとしては例えば、先に示したインジウム、元素Ｍおよび亜鉛を有する材料を用いることができる。酸化物半導体１０８がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を成膜するために用いるスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比は、Ｉｎ≧Ｍ、Ｚｎ≧Ｍを満たすことが好ましい。このようなスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比として、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：４．１が好ましい。また、酸化物半導体１０８がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、スパッタリングターゲットとしては、多結晶のＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を含むターゲットを用いると好ましい。多結晶のＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を含むターゲットを用いることで、結晶性を有する酸化物半導体１０８を形成しやすくなる。なお、成膜される酸化物半導体１０８の原子数比はそれぞれ、誤差として上記のスパッタリングターゲットに含まれる金属元素の原子数比のプラスマイナス４０％の変動を含む。例えば、スパッタリングターゲットとして、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１を用いる場合、成膜される酸化物半導体１０８の原子数比は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３近傍となる場合がある。
【０１５３】
例えば、酸化物半導体１０８ａとしては、上述のＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：４．１等のスパッタリングターゲットを用いて形成すればよい。好ましくは、酸化物半導体１０８ａは、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：α１（１．５≦α１≦２．５）：α２（２．５≦α２≦３．５）［原子数比］であると好ましい。
【０１５４】
また、酸化物半導体１０８ｂとしては、上述のＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２等のスパッタリングターゲットを用いて形成すればよい。好ましくは、酸化物半導体１０８ｂは、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：β１（０．８≦β１≦１．２）：β２（０．８≦β２≦１．２）［原子数比］である。なお、酸化物半導体１０８ｂ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は、Ｉｎ≧Ｍ、Ｚｎ≧Ｍを満たす必要はなく、Ｉｎ≧Ｍ、Ｚｎ＜Ｍを満たす組成でもよい。具体的には、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：６等が挙げられる。
【０１５５】
また、酸化物半導体１０８ａおよび酸化物半導体１０８ｂとして、エネルギーギャップの広い酸化物半導体を用いることで、トランジスタ１００のオフ電流を低減することができる。また、酸化物半導体１０８ａよりも酸化物半導体１０８ｂのエネルギーギャップが大きい方が好ましい。酸化物半導体１０８ｂは、エネルギーギャップが酸化物半導体１０８ａよりも０．１５ｅＶ以上、または０．５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、または１ｅＶ以下大きいことが好ましい。以下の酸化物半導体膜を用いると、好適である。
【０１５６】
また、酸化物半導体１０８ａ、及び酸化物半導体１０８ｂの厚さは、それぞれ３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。
【０１５７】
酸化物半導体１０８ｂとしては、キャリア密度の低い酸化物半導体膜を用いる。例えば、酸化物半導体１０８ｂは、キャリア密度が好ましくは１×１０１５／ｃｍ３未満、より好ましくは１×１０１３／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０９／ｃｍ３未満とすればよい。
【０１５８】
なお、酸化物半導体１０８ａ、及び酸化物半導体１０８ｂとしては、それぞれ不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜を用いることで、さらに優れた電気特性を有するトランジスタを作製することができ好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、またはアルカリ土類金属等がある。
【０１５９】
酸化物半導体膜は、オフ電流が著しく小さく、チャネル幅Ｗが１×１０６μｍでチャネル長Ｌが１０μｍの素子であっても、ソース電極とドレイン電極間の電圧（ドレイン電圧）が１Ｖから１０Ｖの範囲において、オフ電流が、半導体パラメータアナライザの測定限界以下、すなわち１×１０−１３Ａ以下という特性を得ることができる。
【０１６０】
また、酸化物半導体１０８ａは、酸化物半導体１０８ｂよりも水素濃度が少ない部分を有してもよい。酸化物半導体１０８ａの方が、酸化物半導体１０８ｂよりも水素濃度が少ない部分を有すことにより、信頼性の高い半導体装置を実現できる場合がある。
【０１６１】
また、酸化物半導体１０８ａ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１０８ａにおいて酸素欠損が増加し、ｎ型化してしまう。このため、酸化物半導体１０８ａにおけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物半導体１０８ａとの界面近傍のシリコンや炭素の濃度（ＳＩＭＳ分析により得られる濃度）を、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【０１６２】
また、酸化物半導体１０８ａにおいて、ＳＩＭＳ分析により得られるアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。アルカリ金属及びアルカリ土類金属は、酸化物半導体と結合するとキャリアを生成する場合があり、トランジスタのオフ電流が増大してしまうことがある。このため、酸化物半導体１０８ａ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。
【０１６３】
また、酸化物半導体１０８ａに窒素が含まれていると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素の含有量が多すぎると、酸化物半導体膜を用いたトランジスタは過剰にマイナスシフトしてしまう場合がある。該酸化物半導体膜において、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、ＳＩＭＳ分析により得られる窒素濃度は、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。
【０１６４】
また、酸化物半導体１０８ａ、及び酸化物半導体１０８ｂは、それぞれ非単結晶構造でもよい。非単結晶構造は、例えば、後述するＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶構造、微結晶構造、または非晶質構造を含む。非単結晶構造において、非晶質構造は最も欠陥準位密度が高く、ＣＡＡＣ−ＯＳは最も欠陥準位密度が低い。
【０１６５】
＜バンド構造２＞
図１４（Ａ）には、積層構造の酸化物半導体として、酸化物半導体１０８ａおよび酸化物半導体１０８ｂを用いる場合のバンド構造を示す。なお、図１４（Ａ）においては、導電体１０４の記載は省略する。
【０１６６】
図１４（Ａ）は、絶縁体１０６ｂ、酸化物半導体１０８ａ、酸化物半導体１０８ｂ、及び絶縁体１１４を有する積層構造の膜厚方向のバンド構造の一例である。なお、バンド構造は、理解を容易にするため絶縁体１０６ｂ、酸化物半導体１０８ａ、酸化物半導体１０８ｂ、及び絶縁体１１４の伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ）を示す。
【０１６７】
また、図１４（Ａ）に示すバンド構造においては、絶縁体１０６ｂ、１１４として酸化シリコン膜を用い、酸化物半導体１０８ａ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１０８ｂとして金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２の金属酸化物ターゲットを用いて形成される金属酸化膜を用いる構成のバンド図である。
【０１６８】
図１４（Ａ）に示すように、酸化物半導体１０８ａ、及び酸化物半導体１０８ｂ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１０８ａと酸化物半導体１０８ｂ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。
【０１６９】
酸化物半導体１０８ａ、及び酸化物半導体１０８ｂ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ればよい。スパッタリング装置における各チャンバーは、酸化物半導体にとって、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ポンプを用いて高真空（５×１０−７Ｐａ乃至１×１０−４Ｐａ程度まで）排気することが好ましい。または、ターボ分子ポンプとコールドトラップを組み合わせて排気系統からチャンバー内に気体、特に炭素または水素を有する気体が逆流しないようにしておくことが好ましい。
【０１７０】
図１４（Ａ）に示す構成とすることで酸化物半導体１０８ａ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１０８ａに形成されることがわかる。
【０１７１】
なお、酸化物半導体１０８ｂを形成しない場合、酸化物半導体１０８ａには、欠陥準位が形成されうる。一方で、上記積層構造とすることで、当該欠陥準位は、酸化物半導体１０８ｂに形成されうる。したがって、酸化物半導体１０８ａから欠陥準位を離すことができる。
【０１７２】
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１０８ａの伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ）より真空準位に遠くなることがあり、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１０８ａ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。
【０１７３】
また、図１４（Ａ）において、酸化物半導体１０８ｂは、酸化物半導体１０８ａ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１０８ａの伝導帯下端のエネルギー準位と、酸化物半導体１０８ｂ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１０８ｂの電子親和力と、酸化物半導体１０８ａ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。
【０１７４】
このような構成を有することで、酸化物半導体１０８ａが電流の主な経路となり、チャネル領域として機能する。また、酸化物半導体１０８ｂは、チャネル領域が形成される酸化物半導体１０８ａを構成する金属元素の一種以上から構成される酸化物半導体膜であるため、酸化物半導体１０８ａと酸化物半導体１０８ｂ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。
【０１７５】
また、酸化物半導体１０８ｂは、チャネル領域の一部として機能することを防止するため、導電率が十分に低い材料を用いるものとする。または、酸化物半導体１０８ｂ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１０８ａ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１０８ａ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１０８ｂの伝導帯下端のエネルギー準位が、酸化物半導体１０８ａ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１０８ｂの伝導帯下端のエネルギー準位と、酸化物半導体１０８ａ、１０８ｃ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。
【０１７６】
図１４（Ｂ）には、絶縁体１０６ｂがエネルギーＥ０１に位置する欠陥準位を有する場合のバンド図を示す。エネルギーＥ０１と酸化物半導体１０８ａの伝導帯の下端の差をエネルギーＥｘとする。ここでエネルギーＥｘは、Ｅ０１が酸化物半導体１０８ａの伝導帯の下端に対してより高い、すなわち真空準位により近い場合に、正の値を取る。エネルギーＥｘは、０．０１ｅＶ以上１．２ｅＶ以下が好ましく、０．２ｅＶ以上１．０ｅＶ以下がより好ましく、０．３ｅＶ以上０．８ｅＶ以下がさらに好ましく、０．５ｅＶ以上０．８ｅＶ以下がさらに好ましい。
【０１７７】
ここで絶縁体１０６ｂとして、酸化シリコン膜、または酸化窒化シリコン膜を用いた場合には、Ｅ０１として例えば図８に示す欠陥準位が考えられる。ＥＳｉ−Ｈ−Ｓｉ（＋／０）は、絶縁体１０６ｂの伝導帯からおよそ３．１ｅＶ、真空準位からおよそ４．０ｅＶである。よって、酸化物半導体１０８ａの電子親和力は、４．０１ｅＶ以上５．２ｅＶ以下が好ましく、４．２ｅＶ以上５．０ｅＶ以下がより好ましく、４．４ｅＶ以上４．８ｅＶ以下がさらに好ましく、４．５ｅＶ以上４．８ｅＶ以下がさらに好ましい。
【０１７８】
酸化物半導体１０８ｂ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１０８ｂ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、導電体１１２ａ、１１２ｂの構成元素が酸化物半導体１０８ａへ拡散してしまう場合がある。なお、酸化物半導体１０８ｂが後述するＣＡＡＣ−ＯＳである場合、導電体１１２ａ、１１２ｂ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。
【０１７９】
酸化物半導体１０８ｂの膜厚は、導電体１１２ａ、１１２ｂの構成元素が酸化物半導体１０８ａに拡散することを抑制することのできる膜厚以上であって、絶縁体１１４から酸化物半導体１０８ａへの酸素の供給を抑制する膜厚未満とする。例えば、酸化物半導体１０８ｂの膜厚が１０ｎｍ以上であると、導電体１１２ａ、１１２ｂの構成元素が酸化物半導体１０８ａへ拡散するのを抑制することができる。また、酸化物半導体１０８ｂの膜厚を１００ｎｍ以下とすると、絶縁体１１４、１１６から酸化物半導体１０８ａへ効果的に酸素を供給することができる。
【０１８０】
＜トランジスタの保護絶縁膜として機能する絶縁体＞
絶縁体１１４、１１６は、酸化物半導体１０８に酸素を供給する機能を有する。また、絶縁体１１８は、トランジスタ１００の保護絶縁膜としての機能を有する。また、絶縁体１１４、１１６は、酸素を有する。また、絶縁体１１４は、酸素を透過することのできる絶縁膜である。なお、絶縁体１１４は、後に形成する絶縁体１１６を形成する際の、酸化物半導体１０８へのダメージ緩和膜としても機能する。
【０１８１】
絶縁体１１４としては、厚さが５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の酸化シリコン、酸化窒化シリコン等を用いることができる。
【０１８２】
また、絶縁体１１４は、欠陥量が少ないことが好ましく、代表的には、ＥＳＲ測定により、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝２．００１に現れる信号のスピン密度が３×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。これは、絶縁体１１４に含まれる欠陥密度が多いと、該欠陥に酸素が結合してしまい、絶縁体１１４における酸素の透過量が減少してしまう。
【０１８３】
なお、絶縁体１１４においては、外部から絶縁体１１４に入った酸素が全て絶縁体１１４の外部に移動せず、絶縁体１１４にとどまる酸素もある。また、絶縁体１１４に酸素が入ると共に、絶縁体１１４に含まれる酸素が絶縁体１１４の外部へ移動することで、絶縁体１１４において酸素の移動が生じる場合もある。絶縁体１１４として酸素を透過することができる酸化物絶縁膜を形成すると、絶縁体１１４上に設けられる、絶縁体１１６から脱離する酸素を、絶縁体１１４を介して酸化物半導体１０８に移動させることができる。
【０１８４】
また、絶縁体１１４は、窒素酸化物の準位密度が低い酸化物絶縁膜を用いて形成することができる。なお、当該窒素酸化物の準位密度は、酸化物半導体膜の価電子帯の上端のエネルギー（ＥＶ＿ＯＳ）と、酸化物半導体膜の伝導帯下端のエネルギー（ＥＣ＿ＯＳ）との間に形成され得る場合がある。上記酸化物絶縁膜として、窒素酸化物の放出量が少ない酸化窒化シリコン膜、または窒素酸化物の放出量が少ない酸化窒化アルミニウム膜等を用いることができる。
【０１８５】
なお、窒素酸化物の放出量の少ない酸化窒化シリコン膜は、昇温脱離ガス分析法において、窒素酸化物の放出量よりアンモニアの放出量が多い膜であり、代表的にはアンモニア分子の放出量が１×１０１８分子／ｃｍ３以上５×１０１９分子／ｃｍ３以下である。なお、アンモニアの放出量は、膜の表面温度が５０℃以上６５０℃以下、好ましくは５０℃以上５５０℃以下の加熱処理による放出量とする。
【０１８６】
窒素酸化物（ＮＯｘ、ｘは０より大きく２以下、好ましくは１以上２以下）、代表的にはＮＯ２またはＮＯは、絶縁体１１４などに準位を形成する。当該準位は、酸化物半導体１０８のエネルギーギャップ内に位置する。そのため、窒素酸化物が、絶縁体１１４及び酸化物半導体１０８の界面に拡散すると、当該準位が絶縁体１１４側において電子をトラップする場合がある。この結果、トラップされた電子が、絶縁体１１４及び酸化物半導体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。
【０１８７】
また、窒素酸化物は、加熱処理においてアンモニア及び酸素と反応する。絶縁体１１４に含まれる窒素酸化物は、加熱処理において、絶縁体１１６に含まれるアンモニアと反応するため、絶縁体１１４に含まれる窒素酸化物が低減される。このため、絶縁体１１４及び酸化物半導体１０８の界面において、電子がトラップされにくい。
【０１８８】
絶縁体１１４として、窒素酸化物に起因する準位密度が低い酸化物絶縁膜を用いて形成することができる。なお、当該窒素酸化物に起因する準位密度は、酸化物半導体の価電子帯の上端のエネルギー（Ｅｖ＿ｏｓ）と酸化物半導体の伝導帯の下端のエネルギー（Ｅｃ＿ｏｓ）の間に形成され得る場合がある。当該酸化物絶縁膜を用いることで、トランジスタのしきい値電圧のシフトを低減することが可能であり、トランジスタの電気特性の変動を低減することができる。
【０１８９】
なお、トランジスタの作製工程の加熱処理、代表的には４００℃未満または３７５℃未満（好ましくは、３４０℃以上３６０℃以下）の加熱処理により、絶縁体１１４は、１００Ｋ以下のＥＳＲで測定して得られたスペクトルにおいてｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１のシグナル、ｇ値が２．００１以上２．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下の第３のシグナルが観測される。なお、第１のシグナル及び第２のシグナルのスプリット幅、並びに第２のシグナル及び第３のシグナルのスプリット幅は、ＸバンドのＥＳＲ測定において約５ｍＴである。また、ｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１のシグナル、ｇ値が２．００１以上２．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下の第３のシグナルのスピンの密度の合計が１×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満であり、代表的には１×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以上１×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満である。
【０１９０】
なお、１００Ｋ以下のＥＳＲスペクトルにおいてｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１シグナル、ｇ値が２．００１以上２．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下の第３のシグナルは、窒素酸化物（ＮＯｘ、ｘは０より大きく２以下、好ましくは１以上２以下）起因のシグナルに相当する。窒素酸化物の代表例としては、一酸化窒素、二酸化窒素等がある。即ち、ｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１のシグナル、ｇ値が２．００１以上２．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下の第３のシグナルのスピンの密度の合計が少ないほど、酸化物絶縁膜に含まれる窒素酸化物の含有量が少ないといえる。
【０１９１】
また、当該酸化物絶縁膜は、ＳＩＭＳで測定される窒素濃度が６×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。
【０１９２】
基板温度が２２０℃以上３５０℃以下であり、シラン及び一酸化二窒素を用いたＰＥＣＶＤ法を用いて、当該酸化物絶縁膜を形成することで、緻密であり、且つ硬度の高い膜を形成することができる。
【０１９３】
絶縁体１１６は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を用いて形成する。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜は、加熱により酸素の一部が脱離する。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜は、ＴＤＳ分析にて、酸素原子に換算しての酸素の放出量が１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である酸化物絶縁膜である。なお、上記ＴＤＳ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。
【０１９４】
絶縁体１１６としては、厚さが３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下の、酸化シリコン、酸化窒化シリコン等を用いることができる。
【０１９５】
また、絶縁体１１６は、欠陥量が少ないことが好ましく、代表的には、ＥＳＲ測定により、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝２．００１に現れる信号のスピン密度が１．５×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満、さらには１×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。なお、絶縁体１１６は、絶縁体１１４と比較して酸化物半導体１０８から離れているため、絶縁体１１４より、欠陥密度が多くともよい。
【０１９６】
また、絶縁体１１４、１１６は、同種の材料の絶縁膜を用いることができるため、絶縁体１１４と絶縁体１１６の界面が明確に確認できない場合がある。したがって、本実施の形態においては、絶縁体１１４と絶縁体１１６の界面は、破線で図示している。なお、本実施の形態においては、絶縁体１１４と絶縁体１１６の２層構造について説明したが、これに限定されず、例えば、絶縁体１１４または絶縁体１１６の単層構造としてもよい。
【０１９７】
絶縁体１１８は、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキングできる機能を有する。絶縁体１１８を設けることで、酸化物半導体１０８からの酸素の外部への拡散と、絶縁体１１４、１１６に含まれる酸素の外部への拡散と、外部から酸化物半導体１０８への水素、水等の入り込みを防ぐことができる。絶縁体１１８としては、例えば、窒化物絶縁膜を用いることができる。該窒化物絶縁膜としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム等がある。特に、絶縁体１１８としては、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコン膜を用いると、酸素の外部への拡散を抑制できるため好適である。
【０１９８】
また、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキング効果を有する窒化物絶縁膜の代わりに、酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜を絶縁体１１８として設けてもよい。酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜としては、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等がある。なお、酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜としては、特に酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、または酸化イットリウムであると好ましい。
【０１９９】
なお、上記記載の、導電体、絶縁体、酸化物半導体などの様々な膜は、スパッタリング法やＰＥＣＶＤ法により形成することができるが、他の方法、例えば、熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、またはＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成してもよい。熱ＣＶＤ法の例としてＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が挙げられる。
【０２００】
熱ＣＶＤ法は、プラズマを使わない成膜方法のため、プラズマダメージにより欠陥が生成されることが無いという利点を有する。
【０２０１】
熱ＣＶＤ法は、原料ガスと酸化剤を同時にチャンバー内に送り、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで成膜を行ってもよい。
【０２０２】
また、ＡＬＤ法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、反応のための原料ガスが順次チャンバーに導入され、そのガス導入の順序を繰り返すことで成膜を行ってもよい。例えば、それぞれのスイッチングバルブ（高速バルブとも呼ぶ）を切り替えて２種類以上の原料ガスを順番にチャンバーに供給し、複数種の原料ガスが混ざらないように第１の原料ガスと同時またはその後に不活性ガス（アルゴン、或いは窒素など）などを導入し、第２の原料ガスを導入する。なお、同時に不活性ガスを導入する場合には、不活性ガスはキャリアガスとなり、また、第２の原料ガスの導入時にも同時に不活性ガスを導入してもよい。また、不活性ガスを導入する代わりに真空排気によって第１の原料ガスを排出した後、第２の原料ガスを導入してもよい。第１の原料ガスが基板の表面に吸着して第１の層を成膜し、後から導入される第２の原料ガスと反応して、第２の層が第１の層上に積層されて薄膜が形成される。このガス導入順序を制御しつつ所望の厚さになるまで複数回繰り返すことで、段差被覆性に優れた薄膜を形成することができる。薄膜の厚さは、ガス導入順序を繰り返す回数によって調節することができるため、精密な膜厚調節が可能であり、微細なＦＥＴを作製する場合に適している。
【０２０３】
ＭＯＣＶＤ法などの熱ＣＶＤ法は、上記実施形態の導電体、絶縁体、酸化物半導体、金属酸化膜などの様々な膜を形成することができ、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−ＺｎＯ膜を成膜する場合には、トリメチルインジウム、トリメチルガリウム、及びジメチル亜鉛を用いる。なお、トリメチルインジウムの化学式は、Ｉｎ（ＣＨ３）３である。また、トリメチルガリウムの化学式は、Ｇａ（ＣＨ３）３である。また、ジメチル亜鉛の化学式は、Ｚｎ（ＣＨ３）２である。また、これらの組み合わせに限定されず、トリメチルガリウムに代えてトリエチルガリウム（化学式Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３）を用いることもでき、ジメチル亜鉛に代えてジエチル亜鉛（化学式Ｚｎ（Ｃ２Ｈ５）２）を用いることもできる。
【０２０４】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化ハフニウム膜を形成する場合には、溶媒とハフニウム前駆体化合物を含む液体（ハフニウムアルコキシド、テトラキスジメチルアミドハフニウム（ＴＤＭＡＨ）などのハフニウムアミド）を気化させた原料ガスと、酸化剤としてオゾン（Ｏ３）の２種類のガスを用いる。なお、テトラキスジメチルアミドハフニウムの化学式はＨｆ［Ｎ（ＣＨ３）２］４である。また、他の材料液としては、テトラキス（エチルメチルアミド）ハフニウムなどがある。
【０２０５】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化アルミニウム膜を形成する場合には、溶媒とアルミニウム前駆体化合物を含む液体（トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）など）を気化させた原料ガスと、酸化剤としてＨ２Ｏの２種類のガスを用いる。なお、トリメチルアルミニウムの化学式はＡｌ（ＣＨ３）３である。また、他の材料液としては、トリス（ジメチルアミド）アルミニウム、トリイソブチルアルミニウム、アルミニウムトリス（２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオナート）などがある。
【０２０６】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化シリコン膜を形成する場合には、ヘキサクロロジシランを被成膜面に吸着させ、吸着物に含まれる塩素を除去し、酸化性ガス（Ｏ２、一酸化二窒素）のラジカルを供給して吸着物と反応させる。
【０２０７】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置によりタングステン膜を成膜する場合には、ＷＦ６ガスとＢ２Ｈ６ガスを用いて初期タングステン膜を形成し、その後、ＷＦ６ガスとＨ２ガスを用いてタングステン膜を形成する。なお、Ｂ２Ｈ６ガスに代えてＳｉＨ４ガスを用いてもよい。
【０２０８】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化物半導体膜、例えばＩｎ−Ｇａ−ＺｎＯ膜を成膜する場合には、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを用いてＩｎ−Ｏ層を形成し、その後、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを用いてＧａ−Ｏ層を形成し、更にその後Ｚｎ（ＣＨ３）２ガスとＯ３ガスを用いてＺｎ−Ｏ層を形成する。なお、これらの層の順番はこの例に限らない。また、これらのガスを用いてＩｎ−Ｇａ−Ｏ層やＩｎ−Ｚｎ−Ｏ層、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層などの混合化合物層を形成しても良い。なお、Ｏ３ガスに変えてＡｒ等の不活性ガスで水をバブリングして得られたＨ２Ｏガスを用いても良いが、Ｈを含まないＯ３ガスを用いる方が好ましい。また、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスの代わりに、Ｉｎ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いても良い。また、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスの代わりに、Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いても良い。また、Ｚｎ（ＣＨ３）２ガスを用いても良い。
【０２０９】
次に、図１（Ａ）乃至（Ｃ）に示すトランジスタ１００と異なる構成例について、図１５（Ａ）（Ｂ）を用いて説明する。なお、先に説明した機能と同様の機能を有する場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
【０２１０】
図１５（Ａ）は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ１７０の上面図であり、図１５（Ｂ）は、図１５（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面、及び図１５（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。
【０２１１】
トランジスタ１７０は、基板１０２上の第１のゲート電極として機能する導電体１０４と、基板１０２及び導電体１０４上の絶縁体１０６ａと、絶縁体１０６ａ上の絶縁体１０６ｂと、絶縁体１０６ｂ上の酸化物半導体１０８と、酸化物半導体１０８上の絶縁体１１４と、絶縁体１１４上の絶縁体１１６と、酸化物半導体１０８に電気的に接続されるソース電極として機能する導電体１１２ａと、酸化物半導体１０８に電気的に接続されるドレイン電極として機能する導電体１１２ｂと、絶縁体１１６上の絶縁体１１８と、絶縁体１１８上の導電体１２０ａと、絶縁体１１８上の導電体１２０ｂと、を有する。絶縁体１１４、１１６、１１８は、トランジスタ１７０の第２のゲート絶縁体としての機能を有する。また、導電体１２０ａは、絶縁体１１４、１１６、１１８に設けられる開口部１４２ｃを介して、導電体１１２ｂと電気的に接続される。また、トランジスタ１７０において、導電体１２０ａは、例えば、表示装置に用いる画素電極としての機能を有する。また、トランジスタ１７０において、導電体１２０ｂは、第２のゲート電極（バックゲート電極ともいう）として機能する。
【０２１２】
また、図１５（Ｂ）に示すように導電体１２０ｂは、絶縁体１０６ａ、１０６ｂ、１１４、１１６、１１８に設けられる開口部１４２ａ、１４２ｂにおいて、第１のゲート電極として機能する導電体１０４に接続される。よって、導電体１２０ｂと導電体１０４とは、同じ電位が与えられる。
【０２１３】
なお、本実施の形態においては、開口部１４２ａ、１４２ｂを設け、導電体１２０ｂと導電体１０４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１４２ａまたは開口部１４２ｂのいずれか一方の開口部のみを形成し、導電体１２０ｂと導電体１０４を接続する構成、または開口部１４２ａ及び開口部１４２ｂを設けずに、導電体１２０ｂと導電体１０４を接続しない構成としてもよい。なお、導電体１２０ｂと導電体１０４を接続しない構成の場合、導電体１２０ｂと導電体１０４には、それぞれ異なる電位を与えることができる。
【０２１４】
また、図１５（Ｂ）に示すように、酸化物半導体１０８は、第１のゲート電極として機能する導電体１０４と、第２のゲート電極として機能する導電体１２０ｂのそれぞれと対向するように位置し、２つのゲート電極として機能する導電体に挟まれている。第２のゲート電極として機能する導電体１２０ｂのチャネル長方向の長さ及びチャネル幅方向の長さは、酸化物半導体１０８のチャネル長方向の長さ及びチャネル幅方向の長さよりもそれぞれ長く、酸化物半導体１０８の全体は、絶縁体１１４、１１６、１１８を介して導電体１２０ｂに覆われている。また、第２のゲート電極として機能する導電体１２０ｂと第１のゲート電極として機能する導電体１０４とは、絶縁体１０６ａ、１０６ｂ、１１４、１１６、１１８に設けられる開口部１４２ａ、１４２ｂにおいて接続されるため、酸化物半導体１０８のチャネル幅方向の側面は、絶縁体１１４、１１６、１１８を介して第２のゲート電極として機能する導電体１２０ｂと対向している。
【０２１５】
別言すると、トランジスタ１７０のチャネル幅方向において、第１のゲート電極として機能する導電体１０４及び第２のゲート電極として機能する導電体１２０ｂは、第１のゲート絶縁体として機能する絶縁体１０６ａ、１０６ｂ及び第２のゲート絶縁体として機能する絶縁体１１４、１１６、１１８に設けられる開口部において接続すると共に、第１のゲート絶縁体として機能する絶縁体１０６ａ、１０６ｂ及び第２のゲート絶縁体として機能する絶縁体１１４、１１６、１１８を介して酸化物半導体１０８を囲む構成である。
【０２１６】
このような構成を有することで、トランジスタ１７０に含まれる酸化物半導体１０８を、第１のゲート電極として機能する導電体１０４及び第２のゲート電極として機能する導電体１２０ｂの電界によって電気的に囲むことができる。トランジスタ１７０のように、第１のゲート電極及び第２のゲート電極の電界によって、チャネル領域が形成される酸化物半導体膜を電気的に囲むトランジスタのデバイス構造をｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ  ｃｈａｎｎｅｌ（ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造と呼ぶことができる。
【０２１７】
トランジスタ１７０は、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有するため、ゲート電極として機能する導電体１０４によってチャネルを誘起させるための電界を効果的に酸化物半導体１０８に印加することができるため、トランジスタ１７０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１７０を微細化することが可能となる。また、トランジスタ１７０は、ゲート電極として機能する導電体１０４及び第２のゲート電極として機能する導電体１２０ｂによって囲まれた構造を有するため、トランジスタ１７０の機械的強度を高めることができる。
【０２１８】
なお、トランジスタ１７０のその他の構成については、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。
【０２１９】
ここで、図１５（Ｃ）に示すように、トランジスタ１７０は酸化物半導体１０８ｂを有さなくてもよい。
【０２２０】
また、本実施の形態に係るトランジスタは、上記の構造のそれぞれを自由に組み合わせることが可能である。
【０２２１】
＜トランジスタ構造の例２＞
図１６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００は、基板１０２上に形成された絶縁体１０１と、絶縁体１０１上の酸化物半導体１０８と、酸化物半導体１０８上の絶縁体１０６ｂと、絶縁体１０６ｂ上の導電体１０４と、絶縁体１０１、酸化物半導体１０８、及び導電体１０４上の絶縁体１２２と、を有する。また、酸化物半導体１０８は、導電体１０４と重畳するチャネル領域１０８ｉと、絶縁体１２２と接するソース領域１０８ｓと、絶縁体１２２が接するドレイン領域１０８ｄと、を有し、チャネル領域１０８ｉは、層１０８＿２と、層１０８＿２の上面と接し、且つ層１０８＿２のチャネル幅方向の側面を覆う層１０８＿３と、を有する。ここで、チャネル領域１０８ｉが有する層１０８＿２には、前述の酸化物半導体１０８ａを適用することができる。絶縁体１０６ｂはゲート絶縁体として機能する。また、トランジスタ１００は、絶縁体１２２上の絶縁体１２４と、絶縁体１２２、１２４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体１１２ａと、絶縁体１２２、１２４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体１１２ｂと、を有していてもよい。
【０２２２】
ここで、導電体１０４として電極として機能する酸化物半導体を用いてもよい。ゲート電極として機能する酸化物半導体は、絶縁体１０６ｂに酸素を供給する機能を有する。酸化物半導体が、絶縁体１０６ｂに酸素を供給する機能を有することで、絶縁体１０６ｂ中に過剰酸素を含ませることが可能となる。絶縁体１１０が過剰酸素領域を有することで、酸化物半導体１０８、より具体的にはチャネル領域１０８ｉ中に当該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の酸素欠損が過剰酸素により補填されることで、信頼性の高い半導体装置とすることができる。
【０２２３】
なお、酸化物半導体１０８中に過剰酸素を供給させるためには、酸化物半導体１０８の下方に形成される絶縁体１０１に過剰酸素を供給してもよい。ただし、絶縁体１０１中に含まれる過剰酸素は、酸化物半導体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中の抵抗が高くなる場合がある。
【０２２４】
一方で、酸化物半導体１０８の上方に形成される絶縁体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ればよい。
【０２２５】
また、絶縁体１２２は、窒素または水素のいずれか一方または双方を有する。絶縁体１２２が窒素または水素のいずれか一方または双方を有する構成とすることで、酸化物半導体１０８、及びゲート電極として機能する酸化物半導体に窒素または水素のいずれか一方または双方を供給することができる。
【０２２６】
なお、ゲート電極として機能する酸化物半導体は、絶縁体１０６ｂに酸素を供給したのち、絶縁体１２２から窒素または水素のいずれか一方または双方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、ゲート電極として機能する酸化物半導体は、酸化物導電体（ＯＣ：Ｏｘｉｄｅ  Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）としての機能も有する。したがって、ゲート電極として機能する酸化物半導体は、酸化物半導体１０８よりもキャリア密度が高くなり、ゲート電極として機能することができる。
【０２２７】
また、酸化物半導体１０８が有するソース領域１０８ｓ、及びドレイン領域１０８ｄ、並びにゲート電極として機能する酸化物半導体は、それぞれ、酸素欠損を形成する元素を有していてもよい。上記酸素欠損を形成する元素としては、代表的には水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、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。
【０２２８】
不純物元素が酸化物半導体に添加されると、酸化物半導体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に添加されると、酸化物半導体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、酸化物半導体においてキャリア密度が増加し、導電性が高くなる。
【０２２９】
また、トランジスタ１００において、絶縁体１０６ｂの側端部と、ゲート電極として機能する酸化物半導体の側端部とが、揃う領域を有すると好ましい。別言すると、トランジスタ１００において、絶縁体１０６ｂの上端部と、ゲート電極として機能する酸化物半導体の下端部が概略揃う構成である。例えば、ゲート電極として機能する酸化物半導体をマスクとして絶縁体１０６ｂを加工することで、上記構造とすることができる。
【０２３０】
以上のように、本発明の一態様の半導体装置においては、チャネル領域となる酸化物半導体の側面を覆い、且つチャネル領域の上方に形成される絶縁体に、ゲート電極として機能する酸化物半導体により、過剰酸素を含有させる。このような構成とすることで、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０２３１】
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。
【０２３２】
そこで、本発明の一態様の半導体装置においては、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、あるいは不純物の付着を低減することが可能となる。
【０２３３】
チャネル領域１０８ｉが有する層１０８＿３は例えば、酸化物半導体１０８ｂの記載を参照することができる。
【０２３４】
絶縁体１２２は、窒素または水素のいずれか一方または双方を有する。絶縁体１２２が窒素または水素のいずれか一方または双方を有する構成とすることで、酸化物半導体１０８に窒素または水素のいずれか一方または双方を供給することができる。
【０２３５】
また、酸化物半導体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を有していてもよい。上記酸素欠損を形成する元素としては、代表的には水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、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。
【０２３６】
不純物元素が酸化物半導体に添加されると、酸化物半導体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に添加されると、酸化物半導体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、酸化物半導体においてキャリア密度が増加し、導電性が高くなる。
【０２３７】
一方で、ソース領域１０８ｓおよびドレイン領域１０８ｄは、絶縁体１２２と接する。ソース領域１０８ｓおよびドレイン領域１０８ｄが絶縁体１２２と接することで、絶縁体１２２からソース領域１０８ｓおよびドレイン領域１０８ｄに水素及び窒素のいずれか一方または双方が添加されるため、キャリア密度が高くなる。
【０２３８】
なお、酸化物半導体１０８において、チャネル領域１０８ｉと、ソース領域１０８ｓ及びドレイン領域１０８ｄとの結晶性が異なる場合がある。具体的には、酸化物半導体１０８において、チャネル領域１０８ｉよりもソース領域１０８ｓ及びドレイン領域１０８ｄの方が、結晶性が低い場合がある。これは、ソース領域１０８ｓ及びドレイン領域１０８ｄに不純物元素が添加された際に、ソース領域１０８ｓ及びドレイン領域１０８ｄにダメージが入ってしまい、結晶性が低下するためである。
【０２３９】
絶縁体１０１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、絶縁体１０１としては、例えば、酸化物絶縁体または窒化物絶縁体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１０８との界面特性を向上させるため、絶縁体１０１において少なくとも酸化物半導体１０８と接する領域は酸化物絶縁体で形成することが好ましい。また、絶縁体１０１として加熱により酸素を放出する酸化物絶縁体を用いることで、加熱処理により絶縁体１０１に含まれる酸素を、酸化物半導体１０８に移動させることが可能である。絶縁体１０１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、絶縁体１０１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、絶縁体１０１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１０８中に効率よく酸素を導入することができる。
【０２４０】
絶縁体１０１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。絶縁体１０１を厚くすることで、絶縁体１０１の酸素放出量を増加させることができると共に、絶縁体１０１と酸化物半導体１０８との界面における界面準位、並びに酸化物半導体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。
【０２４１】
絶縁体１２４としては、酸化物絶縁体または窒化物絶縁体を単層または積層して形成することができる。絶縁体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、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。また、絶縁体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。
【０２４２】
なお、図１６（Ｂ）（Ｃ）においては、チャネル領域１０８ｉの積層構造が、層１０８＿２と、層１０８＿３との２層構造としたがこれに限定されない。例えば、図１７（Ａ）（Ｂ）に示すような積層構造としてもよい。
【０２４３】
図１７（Ａ）（Ｂ）は、トランジスタ１００Ａの断面図である。トランジスタ１００Ａの上面図としては、図１６（Ａ）に示すトランジスタ１００と同様であるため、図１６（Ａ）を援用して説明する。図１７（Ａ）は図１６（Ａ）の一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間の断面図であり、図１７（Ｂ）は図１６（Ａ）の一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間の断面図である。
【０２４４】
トランジスタ１００Ａが有する酸化物半導体１０８は、導電体１０４と重畳するチャネル領域１０８ｉと、絶縁体１２２と接するソース領域１０８ｓと、絶縁体１２２と接するドレイン領域１０８ｄと、を有する。また、チャネル領域１０８ｉは、層１０８＿２と、層１０８＿２の上面と接し、且つ層１０８＿２のチャネル幅方向の側面を覆う層１０８＿３と、層１０８＿２の下面と接する層１０８＿１と、を有する。
【０２４５】
このように、トランジスタ１００Ａは、先に示すトランジスタ１００が有する酸化物半導体１０８の構成が異なる。トランジスタ１００Ａは、それ以外の構成については、トランジスタ１００と同様の構成であり、同様の効果を奏する。
【０２４６】
チャネル領域１０８ｉが有する層１０８＿１は例えば、酸化物半導体１０８ｂの記載を参照することができる。
【０２４７】
＜バンド構造３＞
図１７に示すトランジスタ１００Ａにおける酸化物半導体、及び当該酸化物半導体に接する絶縁体のバンド構造について、図１８（Ａ）に示す。
【０２４８】
図１８（Ａ）は、絶縁体１０１、層１０８＿１、層１０８＿２、層１０８＿３、及び絶縁体１０６の膜厚方向のバンド構造である。なお、バンド構造は、理解を容易にするため絶縁体１０１、層１０８＿１、１０８＿２、１０８＿３、及び絶縁体１０６の伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ）を示す。
【０２４９】
また、ここでは、絶縁体１０１及び絶縁体１０６として酸化シリコン膜を用い、層１０８＿１として金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２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、層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、層１０８＿３として金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２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。
【０２５０】
図１８（Ａ）に示すように、層１０８＿１、層１０８＿２、及び層１０８＿３において、伝導帯下端のエネルギーは障壁がなく、なだらかに変化する。このようなエネルギーバンドを埋め込みチャネル構造ともいう。
【０２５１】
図１８（Ａ）に示す構成とすることで、層１０８＿２がウェル（井戸）となり、並びに層１０８＿１、層１０８＿２、及び層１０８＿３を有するトランジスタ１００Ａにおいて、チャネル領域が層１０８＿２に形成されることが分かる。
【０２５２】
ここでトランジスタ１００は、層１０８＿２及び層１０８＿３を有し、層１０８＿１を有さない。
この場合において、層１０８＿２の伝導帯下端のエネルギーは層１０８＿３の伝導帯下端のエネルギーよりも低いため、チャネル領域は層１０８＿２に形成される。
【０２５３】
図１８（Ｂ）には、絶縁体１０６がエネルギーＥ０１に位置する欠陥準位を有する場合のバンド図を示す。エネルギーＥ０１と層１０８＿２の伝導帯の下端の差をエネルギーＥｙとする。ここでエネルギーＥｙは、Ｅ０１が層１０８＿２の伝導帯の下端に対してより高い、すなわち真空準位により近い場合に、正の値を取る。エネルギーＥｙは、０．０１ｅＶ以上１．２ｅＶ以下が好ましく、０．２ｅＶ以上１．０ｅＶ以下が好ましく、０．４ｅＶ以上０．８ｅＶ以下が好ましい。また、エネルギーＥ０１と層１０８＿３の伝導帯の下端の差をエネルギーＥｗとする。ここで、図１８（Ｃ）は、エネルギーＥｗが負の値を有する例を示す。
【０２５４】
エネルギーＥｗは、−０．２ｅＶ以上０．８ｅＶ未満が好ましく、０ｅＶ以上０．７ｅＶ未満がより好ましく、０．１ｅＶ以上０．５ｅＶ未満がさらに好ましい。
【０２５５】
ここで絶縁体１０６として、酸化シリコン膜、および酸化窒化シリコン膜を用いた場合には、Ｅ０１として例えば図８に示す欠陥準位が考えられる。ＥＳｉ−Ｈ−Ｓｉ（＋／０）は、絶縁体１０６ｂの伝導帯からおよそ３．１ｅＶ、真空準位からおよそ４．０ｅＶである。よって、酸化物半導体１０８ａの電子親和力は、４．０１ｅＶ以上５．２ｅＶ以下が好ましく、４．２ｅＶ以上５．０ｅＶ以下がより好ましく、４．４ｅＶ以上４．８ｅＶ以下がさらに好ましく、４．５ｅＶ以上４．８ｅＶ以下がさらに好ましい。また、酸化物半導体１０８ｂの電子親和力は、３．８ｅＶ以上４．８ｅＶ未満が好ましく、４ｅＶ以上４．７ｅＶ未満がより好ましく、４．１ｅＶ以上４．５ｅＶ未満がさらに好ましい。
【０２５６】
トランジスタ１００においては、層１０８＿３と絶縁体１０６との界面近傍に、不純物または欠陥に起因した欠陥準位が形成されても、層１０８＿３が設けられることによって、層１０８＿２と欠陥準位が形成される領域とを遠ざけることができる。また、トランジスタ１００Ａにおいては、層１０８＿１と絶縁体１０１との界面近傍、及び層１０８＿３と絶縁体１０６との界面近傍に、不純物または欠陥に起因した欠陥準位が形成されても、層１０８＿１、１０８＿３が設けられることによって、層１０８＿２と欠陥準位が形成される領域とを遠ざけることができる。よって、トランジスタ１００およびトランジスタ１００Ａが層１０８＿３を有することにより、ゲート絶縁体として機能する絶縁体１０６の欠陥準位へのキャリアの捕獲確率を、より小さくすることができる。
【０２５７】
また、図４１に示すように、トランジスタ１００は層１０８＿１および層１０８＿３を有さなくてもよい。
【０２５８】
また、導電体１０４として、２層以上の導電体を積層してもよい。例えば図４２（Ａ）に示すように、導電体１０４ａおよび導電体１０４ｂの２層の積層としてもよい。
【０２５９】
ここで、導電体１０４ａとして酸化物半導体を用いてもよい。その場合には、導電体１０４ｂとして例えば、金属元素、または二以上の金属元素を成分とする合金、または、窒化タンタルおよび窒化チタン等の金属元素の窒化物等を用いればよい。また、導電体１０４ｂとして例えば、金属元素、合金および金属元素の窒化物から二以上を積層して用いてもよい。
【０２６０】
また、図４２（Ｂ）に示すように、導電体１０４ａの端部が、導電体１０４ｂの端部の外側に位置してもよい。また、図４２（Ｃ）に示すように、絶縁体１０６の端部が、導電体１０４ａの端部の外側に位置してもよい。
【０２６１】
図４３には、トランジスタ１００の一例を示す。図４３（Ａ）にはトランジスタ１００の上面図を示し、図４３（Ｂ）には図４３（Ａ）の一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間の断面図を、図４３（Ｃ）には図４３（Ａ）の一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間の断面図を、示す。図４３（Ｂ）に示す断面は、図４１（Ａ）と比べて、第２のゲート電極として機能する導電体１０５を有する点が異なる。また、図４３（Ｃ）に示す断面は、図４１（Ｂ）と比べて、導電体１０５を有する点と、導電体１０４が絶縁体１０６および絶縁体１０１の開口部１４３に埋め込まれ、導電体１０５と接する点が異なる。導電体１０５は、絶縁体１０１を介して層１０８＿２と面する。
【０２６２】
＜トランジスタの作製方法＞
次に、図１６に示すトランジスタ１００の作製方法の一例について、図１９乃至図２１を用いて説明する。なお、図１９乃至図２１は、トランジスタ１００の作製方法を説明するチャネル長（Ｌ）方向、及びチャネル幅（Ｗ）方向の断面図である。
【０２６３】
まず、基板１０２上に絶縁体１０１を形成し、絶縁体１０１上に酸化物半導体膜を形成する。その後、当該酸化物半導体膜を島状に加工することで、層１０８＿２を形成する（図１９（Ａ）参照）。
【０２６４】
絶縁体１０１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。本実施の形態においては、絶縁体１０１として、ＰＥＣＶＤ装置を用い、厚さ４００ｎｍの窒化シリコン膜と、厚さ５０ｎｍの酸化窒化シリコン膜とを形成する。
【０２６５】
また、絶縁体１０１を形成した後、絶縁体１０１に酸素を添加してもよい。絶縁体１０１に添加する酸素としては、酸素ラジカル、酸素原子、酸素原子イオン、酸素分子イオン等がある。また、添加方法としては、イオンドーピング法、イオン注入法、プラズマ処理法等がある。また、絶縁体１０１上に酸素の脱離を抑制する膜を形成した後、該膜を介して絶縁体１０１に酸素を添加してもよい。
【０２６６】
上述の酸素の脱離を抑制する膜として、インジウム、亜鉛、ガリウム、錫、アルミニウム、クロム、タンタル、チタン、モリブデン、ニッケル、鉄、コバルト、タングステンから選ばれた金属元素、上述した金属元素を成分とする合金、上述した金属元素を組み合わせた合金、上述した金属元素を有する金属窒化物、上述した金属元素を有する金属酸化物、上述した金属元素を有する金属窒化酸化物等の導電性を有する材料を用いて形成することができる。
【０２６７】
また、プラズマ処理で酸素の添加を行う場合、マイクロ波で酸素を励起し、高密度な酸素プラズマを発生させることで、絶縁体１０１への酸素添加量を増加させることができる。
【０２６８】
層１０８＿２としては、スパッタリング法、塗布法、パルスレーザー蒸着法、レーザーアブレーション法、熱ＣＶＤ法等により形成することができる。なお、層１０８＿２への加工には、酸化物半導体膜上にリソグラフィ工程によりマスクを形成した後、該マスクを用いて酸化物半導体膜の一部をエッチングすることでできる。また、印刷法を用いて、島状の層１０８＿２を、絶縁体１０１上に直接形成してもよい。
【０２６９】
スパッタリング法で酸化物半導体膜を形成する場合、プラズマを発生させるための電源装置は、ＲＦ電源装置、ＡＣ電源装置、ＤＣ電源装置等を適宜用いることができる。また、酸化物半導体膜を形成する場合のスパッタリングガスは、希ガス（代表的にはアルゴン）、酸素、希ガス及び酸素の混合ガスを適宜用いる。なお、希ガス及び酸素の混合ガスの場合、希ガスに対して酸素のガス比を高めることが好ましい。
【０２７０】
なお、酸化物半導体膜を形成する際に、例えば、スパッタリング法を用いる場合、基板温度を１５０℃以上７５０℃以下、または１５０℃以上４５０℃以下、または２００℃以上３５０℃以下として、酸化物半導体膜を成膜することで、結晶性を高めることができるため好ましい。
【０２７１】
なお、本実施の形態においては、層１０８＿２として、スパッタリング装置を用い、スパッタリングターゲットとしてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ金属酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）を用いて、膜厚３０ｎｍの酸化物半導体膜を成膜する。
【０２７２】
また、層１０８＿２を形成した後、加熱処理を行い、層１０８＿２の脱水素化または脱水化をしてもよい。加熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上基板歪み点未満、または２５０℃以上４５０℃以下、または３００℃以上４５０℃以下である。
【０２７３】
加熱処理は、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン、クリプトン等の希ガス、または窒素を含む不活性ガス雰囲気で行うことができる。または、不活性ガス雰囲気で加熱した後、酸素雰囲気で加熱してもよい。なお、上記不活性雰囲気及び酸素雰囲気に水素、水などが含まれないことが好ましい。処理時間は３分以上２４時間以下とすればよい。
【０２７４】
該加熱処理は、電気炉、ＲＴＡ装置等を用いることができる。ＲＴＡ装置を用いることで、短時間に限り、基板の歪み点以上の温度で熱処理を行うことができる。そのため加熱処理時間を短縮することができる。
【０２７５】
酸化物半導体膜を加熱しながら成膜する、または酸化物半導体膜を形成した後、加熱処理を行うことで、酸化物半導体膜において、二次イオン質量分析法により得られる水素濃度を５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、または１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、または１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、または５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、または１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることができる。
【０２７６】
なお、層１０８＿２を形成する工程において、積層構造の酸化物半導体膜を形成し、当該積層構造の酸化物半導体膜を島状に加工し、層１０８＿１と、層１０８＿２と、を形成することで、先に説明したトランジスタ１００Ａを形成することができる。
【０２７７】
次に、絶縁体１０１、層１０８＿２上に層１０８＿３となる酸化物半導体１０７＿３、及び絶縁体１０６＿０を形成する（図１９（Ｂ）参照）。
【０２７８】
酸化物半導体１０７＿３としては、層１０８＿２の側面を覆うように形成する。なお、酸化物半導体１０７＿３としては、先に記載の層１０８＿２と、同様の材料及び同様の手法にて形成することができる。
【０２７９】
本実施の形態においては、酸化物半導体１０７＿３として、スパッタリング装置を用い、スパッタリングターゲットとしてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ金属酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２［原子数比］）を用いて、膜厚５ｎｍの酸化物半導体膜を成膜する。
【０２８０】
また、絶縁体１０６としては、酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を、ＰＥＣＶＤ法を用いて形成することができる。この場合、原料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体及び酸化性気体を用いることが好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例としては、シラン、ジシラン、トリシラン、フッ化シラン等がある。酸化性気体としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素、二酸化窒素等がある。
【０２８１】
また、絶縁体１０６として、堆積性気体の流量に対して酸化性気体の流量を２０倍より大きく１００倍未満、または４０倍以上８０倍以下とし、処理室内の圧力を１００Ｐａ未満、または５０Ｐａ以下とするＰＥＣＶＤ法を用いることで、欠陥量の少ない酸化窒化シリコン膜を形成することができる。
【０２８２】
また、絶縁体１０６として、ＰＥＣＶＤ装置の真空排気された処理室内に載置された基板を２８０℃以上４００℃以下に保持し、処理室に原料ガスを導入して処理室内における圧力を２０Ｐａ以上２５０Ｐａ以下、さらに好ましくは１００Ｐａ以上２５０Ｐａ以下とし、処理室内に設けられる電極に高周波電力を供給する条件により、絶縁体１０６として、緻密である酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形成することができる。
【０２８３】
また、絶縁体１０６を、マイクロ波を用いたＰＥＣＶＤ法を用いて形成してもよい。マイクロ波とは３００ＭＨｚから３００ＧＨｚの周波数域を指す。マイクロ波は、電子温度が低く、電子エネルギーが小さい。また、マイクロ波を用いたＰＥＣＶＤ装置を用いると、供給された電力のうちプラズマを生成する、すなわち分子の電離に用いられる電力の割合が高く、電子の加速に用いられる電力の割合が少ない。したがって、密度の高いプラズマ（高密度プラズマ）を生成することができる。このため、被成膜面及び堆積物へのプラズマダメージが少なく、欠陥の少ない絶縁体１０６を形成することができる。
【０２８４】
また、絶縁体１０６を、有機シランガスを用いたＣＶＤ法を用いて形成することができる。有機シランガスとしては、珪酸エチル（ＴＥＯＳ：化学式Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）４）、テトラメチルシラン（ＴＭＳ：化学式Ｓｉ（ＣＨ３）４）、テトラメチルシクロテトラシロキサン（ＴＭＣＴＳ）、オクタメチルシクロテトラシロキサン（ＯＭＣＴＳ）、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）、トリエトキシシラン（ＳｉＨ（ＯＣ２Ｈ５）３）、トリスジメチルアミノシラン（ＳｉＨ（Ｎ（ＣＨ３）２）３）などのシリコン含有化合物を用いることができる。有機シランガスを用いたＣＶＤ法を用いることで、被覆性の高い絶縁体１０６を形成することができる。
【０２８５】
本実施の形態では絶縁体１０６として、ＰＥＣＶＤ装置を用い、厚さ１００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を形成する。
【０２８６】
次に、絶縁体１０６上に導電体１０４＿０を形成する。なお、導電体１０４＿０として酸化物半導体膜を用いた場合には、導電体１０４＿０の形成時において、導電体１０４＿０から絶縁体１０６中に酸素が添加される（図１９（Ｃ）参照）。
【０２８７】
導電体１０４＿０の形成方法としては、スパッタリング法などを用いることができる。
【０２８８】
導電体１０４＿０として酸化物半導体膜を用いた場合には、酸素ガスを含む雰囲気で形成すると好ましい。形成時に酸素ガスを含む雰囲気で導電体１０４＿０を形成することで、絶縁体１０６中に酸素を好適に添加することができる。なお、図１９（Ｃ）において、絶縁体１０６中に添加される酸素を矢印で模式的に表している。また、導電体１０４＿０としては、先に記載の層１０８＿２と同様の材料を用いることができる。
【０２８９】
次に、導電体１０４＿０上の所望の位置に、リソグラフィ工程によりマスク１４０を形成する（図１９（Ｄ）参照）。
【０２９０】
次に、マスク１４０上から、エッチングを行うことで、導電体１０４＿０と、絶縁体１０６と、酸化物半導体１０７＿３を加工したのち、マスク１４０を除去することで、島状の導電体１０４と、島状の絶縁体１０６と、島状の層１０８＿３と、を形成する（図２０（Ａ）参照）。
【０２９１】
なお、層１０８＿３を形成する際に、層１０８＿２の表面の一部が露出する。層１０８＿２の表面の一部が露出した領域は、後にソース領域１０８ｓ、及びドレイン領域１０８ｄとなる。
【０２９２】
本実施の形態においては、導電体１０４＿０、絶縁体１０６、及び層１０８＿３の加工としては、ドライエッチング法を用いて行う。
【０２９３】
なお、導電体１０４と、絶縁体１０６と、層１０８＿３との加工の際に、導電体１０４が重畳しない領域の層１０８＿２の膜厚が薄くなる場合がある。または導電体１０４と、絶縁体１０６と、層１０８＿３との加工の際に、層１０８＿２が重畳しない領域の絶縁体１０１の膜厚が薄くなる場合がある。
【０２９４】
次に、絶縁体１０１、層１０８＿２、及び導電体１０４上から、不純物元素１４５の添加を行う（図２０（Ｂ）参照）。
【０２９５】
不純物元素１４５の添加方法としては、イオンドーピング法、イオン注入法、プラズマ処理法等がある。プラズマ処理法の場合、添加する不純物元素を含むガス雰囲気にてプラズマを発生させて、プラズマ処理を行うことによって、不純物元素を添加することができる。上記プラズマを発生させる装置としては、ドライエッチング装置、アッシング装置、ＰＥＣＶＤ装置、高密度ＰＥＣＶＤ装置等を用いることができる。
【０２９６】
なお、不純物元素１４５の原料ガスとして、Ｂ２Ｈ６、ＰＨ３、ＣＨ４、Ｎ２、ＮＨ３、ＡｌＨ３、ＡｌＣｌ３、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、Ｆ２、ＨＦ、Ｈ２及び希ガスの一以上を用いることができる。または、希ガス（例えば、アルゴン）で希釈されたＢ２Ｈ６、ＰＨ３、Ｎ２、ＮＨ３、ＡｌＨ３、ＡｌＣｌ３、Ｆ２、ＨＦ、及びＨ２の一以上を用いることができる。希ガスで希釈されたＢ２Ｈ６、ＰＨ３、Ｎ２、ＮＨ３、ＡｌＨ３、ＡｌＣｌ３、Ｆ２、ＨＦ、及びＨ２の一以上を用いて不純物元素１４５を層１０８＿２及び導電体１０４に添加することで、希ガス、水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、及び塩素の一以上を層１０８＿２及び導電体１０４に添加することができる。
【０２９７】
または、不純物元素１４５は、希ガスを原料ガスとして添加した後、Ｂ２Ｈ６、ＰＨ３、ＣＨ４、Ｎ２、ＮＨ３、ＡｌＨ３、ＡｌＣｌ３、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、Ｆ２、ＨＦ、及びＨ２の一以上を原料ガスとして層１０８＿２及び導電体１０４に添加してもよい。
【０２９８】
または、不純物元素１４５は、Ｂ２Ｈ６、ＰＨ３、ＣＨ４、Ｎ２、ＮＨ３、ＡｌＨ３、ＡｌＣｌ３、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、Ｆ２、ＨＦ、及びＨ２の一以上を原料ガスとして添加した後、希ガスを原料ガスとして層１０８＿２及び導電体１０４に添加してもよい。
【０２９９】
不純物元素１４５の添加は、加速電圧、ドーズ量などの注入条件を適宜設定して制御すればよい。例えば、イオン注入法でアルゴンの添加を行う場合、加速電圧１０ｋＶ以上１００ｋＶ以下、ドーズ量は１×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上１×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下とすればよく、例えば、１×１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２とすればよい。また、イオン注入法でリンイオンの添加を行う場合、加速電圧３０ｋＶ、ドーズ量は１×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上５×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下とすればよく、例えば、１×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２とすればよい。
【０３００】
また、本実施の形態においては、マスク１４０を除去してから、不純物元素１４５を添加する構成について例示したが、これに限定されず、例えば、マスク１４０を残したままの状態で不純物元素１４５の添加を行ってもよい。
【０３０１】
また、本実施の形態においては、不純物元素１４５として、ドーピング装置を用いて、アルゴンを層１０８＿２に添加する。ただし、これに限定されず、例えば、不純物元素１４５を添加する工程を行わなくてもよい。
【０３０２】
次に、絶縁体１０１、層１０８＿２、及び導電体１０４上に絶縁体１２２を形成する。なお、絶縁体１２２を形成することで、絶縁体１２２と接する層１０８＿２には、ソース領域１０８ｓ及びドレイン領域１０８ｄとなる。また、絶縁体１２２と接しない層１０８＿２と、層１０８＿３とが、チャネル領域１０８ｉとなる。これにより、本発明の一態様の酸化物半導体１０８が形成される（図２０（Ｃ）参照）。
【０３０３】
このように、酸化物半導体１０８は、導電体１０４と重畳するチャネル領域１０８ｉと、絶縁体１２２と接するソース領域１０８ｓと、絶縁体１２２と接するドレイン領域１０８ｄと、を有し、チャネル領域１０８ｉは、層１０８＿２と、層１０８＿２の上面と接し、且つ層１０８＿２のチャネル幅方向の側面を覆う層１０８＿３と、を有する構造となる。
【０３０４】
なお、絶縁体１２２としては、先に記載の材料を選択することで形成できる。本実施の形態においては、絶縁体１２２として、ＰＥＣＶＤ装置を用い、厚さ１００ｎｍの窒化シリコン膜を形成する。
【０３０５】
絶縁体１２２として、窒化シリコン膜を用いることで、絶縁体１２２に接する導電体１０４、ソース領域１０８ｓ、及びドレイン領域１０８ｄに窒化シリコン膜中の水素が入り込み、導電体１０４、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。
【０３０６】
次に、絶縁体１２２上に絶縁体１２４を形成する（図２０（Ｄ）参照）。
【０３０７】
絶縁体１２４としては、先に記載の材料を選択することで形成できる。本実施の形態においては、絶縁体１２４として、ＰＥＣＶＤ装置を用い、厚さ３００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を形成する。
【０３０８】
次に、絶縁体１２４の所望の位置に、リソグラフィによりマスクを形成した後、絶縁体１２４及び絶縁体１２２の一部をエッチングすることで、ソース領域１０８ｓに達する開口部１４１ａと、ドレイン領域１０８ｄに達する開口部１４１ｂと、を形成する（図２１（Ａ）参照）。
【０３０９】
絶縁体１２４及び絶縁体１２２をエッチングする方法としては、ウエットエッチング法及び／またはドライエッチング法を適宜用いることができる。本実施の形態においては、ドライエッチング法を用い、絶縁体１２４、及び絶縁体１２２を加工する。
【０３１０】
次に、開口部１４１ａ、１４１ｂを覆うように、絶縁体１２４上に導電体１１２を形成する（図２１（Ｂ）参照）。
【０３１１】
導電体１１２としては、導電体１１２ａ、１１２ｂに用いることのできる材料を選択することで形成できる。本実施の形態においては、導電体１１２として、スパッタリング装置を用い、厚さ５０ｎｍのチタン膜と、厚さ４００ｎｍのアルミニウム膜と、厚さ１００ｎｍのチタン膜の積層膜を形成する。
【０３１２】
次に、導電体１１２上の所望の位置に、リソグラフィ工程によりマスクを形成した後、導電体１１２の一部をエッチングすることで、導電体１１２ａ、１１２ｂを形成する（図２１（Ｃ）参照）。
【０３１３】
導電体１１２の加工方法としては、ウエットエッチング法及び／またはドライエッチング法を適宜用いることができる。本実施の形態では、ドライエッチング法を用い、導電体１１２を加工し、導電体１１２ａ、１１２ｂを形成する。
【０３１４】
以上の工程により、図１６に示すトランジスタ１００を作製することができる。
【０３１５】
なお、トランジスタ１００を構成する膜（絶縁体、酸化物半導体、導電体等）または層は、スパッタリング法、化学気相堆積（ＣＶＤ）法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法、ＡＬＤ（原子層成膜）法を用いて形成することができる。あるいは、塗布法や印刷法で形成することができる。成膜方法としては、スパッタリング法、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）法が代表的であるが、熱ＣＶＤ法でもよい。熱ＣＶＤ法の例として、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積）法が挙げられる。
【０３１６】
熱ＣＶＤ法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、原料ガスと酸化剤を同時にチャンバー内に送り、基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで成膜を行う。このように、熱ＣＶＤ法は、プラズマを発生させない成膜方法であるため、プラズマダメージにより欠陥が生成されることが無いという利点を有する。
【０３１７】
また、ＡＬＤ法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、反応のための原料ガスをチャンバーに導入・反応させ、これを繰り返すことで成膜を行う。原料ガスと一緒に不活性ガス（アルゴン、或いは窒素など）をキャリアガスとして導入しても良い。例えば２種類以上の原料ガスを順番にチャンバーに供給してもよい。その際、複数種の原料ガスが混ざらないように第１の原料ガスの反応後、不活性ガスを導入し、第２の原料ガスを導入する。あるいは、不活性ガスを導入する代わりに真空排気によって第１の原料ガスを排出した後、第２の原料ガスを導入してもよい。第１の原料ガスが基板の表面に吸着・反応して第１の層を成膜し、後から導入される第２の原料ガスが吸着・反応して、第２の層が第１の層上に積層されて薄膜が形成される。このガス導入順序を制御しつつ所望の厚さになるまで複数回繰り返すことで、段差被覆性に優れた薄膜を形成することができる。薄膜の厚さは、ガス導入順序を繰り返す回数によって調節することができるため、精密な膜厚調節が可能であり、微細なＦＥＴを作製する場合に適している。
【０３１８】
ＭＯＣＶＤ法などの熱ＣＶＤ法は、上記記載の導電体、絶縁体、酸化物半導体、などの膜を形成することができ、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を成膜する場合には、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ３）３）、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ３）３）、及びジメチル亜鉛（Ｚｎ（ＣＨ３）２）を用いる。これらの組み合わせに限定されず、トリメチルガリウムに代えてトリエチルガリウム（化学式Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３）を用いることもでき、ジメチル亜鉛に代えてジエチル亜鉛（化学式Ｚｎ（Ｃ２Ｈ５）２）を用いることもできる。
【０３１９】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化ハフニウム膜を形成する場合には、溶媒とハフニウム前駆体化合物を含む液体（ハフニウムアルコキシドや、テトラキスジメチルアミドハフニウム（ＴＤＭＡＨ、Ｈｆ［Ｎ（ＣＨ３）２］４）やテトラキス（エチルメチルアミド）ハフニウムなどのハフニウムアミド）を気化させた原料ガスと、酸化剤としてオゾン（Ｏ３）の２種類のガスを用いる。
【０３２０】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化アルミニウム膜を形成する場合には、溶媒とアルミニウム前駆体化合物を含む液体（トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ、Ａｌ（ＣＨ３）３）など）を気化させた原料ガスと、酸化剤としてＨ２Ｏの２種類のガスを用いる。他の材料液としては、トリス（ジメチルアミド）アルミニウム、トリイソブチルアルミニウム、アルミニウムトリス（２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオナート）などがある。
【０３２１】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化シリコン膜を形成する場合には、ヘキサクロロジシランを被成膜面に吸着させ、酸化性ガス（Ｏ２、一酸化二窒素）のラジカルを供給して吸着物と反応させる。
【０３２２】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置によりタングステン膜を成膜する場合には、ＷＦ６ガスとＢ２Ｈ６ガスを用いて初期タングステン膜を形成し、その後、ＷＦ６ガスとＨ２ガスとを用いてタングステン膜を形成する。なお、Ｂ２Ｈ６ガスに代えてＳｉＨ４ガスを用いてもよい。
【０３２３】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化物半導体膜、例えばＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を成膜する場合には、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを用いてＩｎ−Ｏ層を形成し、その後、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスとを用いてＧａ−Ｏ層を形成し、更にその後Ｚｎ（ＣＨ３）２ガスとＯ３ガスとを用いてＺｎ−Ｏ層を形成する。なお、これらの層の順番はこの例に限らない。また、これらのガスを用いてＩｎ−Ｇａ−Ｏ層やＩｎ−Ｚｎ−Ｏ層、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層などの混合化合物層を形成しても良い。なお、Ｏ３ガスに変えてＡｒ等の不活性ガスで水をバブリングして得られたＨ２Ｏガスを用いても良いが、Ｈを含まないＯ３ガスを用いる方が好ましい。
【０３２４】
（実施の形態３）
本実施の形態では、本発明の一態様の酸化物半導体について述べる。
【０３２５】
＜酸化物半導体の構造＞
以下では、酸化物半導体の構造について説明する。
【０３２６】
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、ＣＡＡＣ−ＯＳ（ｃ−ａｘｉｓ−ａｌｉｇｎｅｄ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ  ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）および非晶質酸化物半導体などがある。
【０３２７】
また別の観点では、酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体と、それ以外の結晶性酸化物半導体と、に分けられる。結晶性酸化物半導体としては、単結晶酸化物半導体、ＣＡＡＣ−ＯＳ、多結晶酸化物半導体およびｎｃ−ＯＳなどがある。
【０３２８】
非晶質構造は、一般に、等方的であって不均質構造を持たない、準安定状態で原子の配置が固定化していない、結合角度が柔軟である、短距離秩序は有するが長距離秩序を有さない、などといわれている。
【０３２９】
即ち、安定な酸化物半導体を完全な非晶質（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ  ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）酸化物半導体とは呼べない。また、等方的でない（例えば、微小な領域において周期構造を有する）酸化物半導体を、完全な非晶質酸化物半導体とは呼べない。一方、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、等方的でないが、鬆（ボイドともいう。）を有する不安定な構造である。不安定であるという点では、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、物性的に非晶質酸化物半導体に近い。
【０３３０】
＜ＣＡＡＣ−ＯＳ＞
まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。
【０３３１】
ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向した複数の結晶部（ペレットともいう。）を有する酸化物半導体の一種である。
【０３３２】
ＣＡＡＣ−ＯＳをＸ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって解析した場合について説明する。例えば、空間群Ｒ−３ｍに分類されるＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、図２２（Ａ）に示すように回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に帰属されることから、ＣＡＡＣ−ＯＳでは、結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳの膜を形成する面（被形成面ともいう。）、または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。なお、２θが３１°近傍のピークの他に、２θが３６°近傍にもピークが現れる場合がある。２θが３６°近傍のピークは、空間群Ｆｄ−３ｍに分類される結晶構造に起因する。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳは、該ピークを示さないことが好ましい。
【０３３３】
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳに対し、被形成面に平行な方向からＸ線を入射させるｉｎ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、２θが５６°近傍にピークが現れる。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（１１０）面に帰属される。そして、２θを５６°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸（φ軸）として試料を回転させながら分析（φスキャン）を行っても、図２２（Ｂ）に示すように明瞭なピークは現れない。一方、単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４に対し、２θを５６°近傍に固定してφスキャンした場合、図２２（Ｃ）に示すように（１１０）面と等価な結晶面に帰属されるピークが６本観察される。したがって、ＸＲＤを用いた構造解析から、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ａ軸およびｂ軸の配向が不規則であることが確認できる。
【０３３４】
次に、電子回折によって解析したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面に平行にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させると、図２２（Ｄ）に示すような回折パターン（制限視野電子回折パターンともいう。）が現れる場合がある。この回折パターンには、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に起因するスポットが含まれる。したがって、電子回折によっても、ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれるペレットがｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることがわかる。一方、同じ試料に対し、試料面に垂直にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させたときの回折パターンを図２２（Ｅ）に示す。図２２（Ｅ）より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、プローブ径が３００ｎｍの電子線を用いた電子回折によっても、ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれるペレットのａ軸およびｂ軸は配向性を有さないことがわかる。なお、図２２（Ｅ）における第１リングは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（０１０）面および（１００）面などに起因すると考えられる。また、図２２（Ｅ）における第２リングは（１１０）面などに起因すると考えられる。
【０３３５】
また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって、ＣＡＡＣ−ＯＳの明視野像と回折パターンとの複合解析像（高分解能ＴＥＭ像ともいう。）を観察すると、複数のペレットを確認することができる。一方、高分解能ＴＥＭ像であってもペレット同士の境界、即ち結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を明確に確認することができない場合がある。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳは、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。
【０３３６】
図２３（Ａ）に、試料面と略平行な方向から観察したＣＡＡＣ−ＯＳの断面の高分解能ＴＥＭ像を示す。高分解能ＴＥＭ像の観察には、球面収差補正（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ  Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ  Ｃｏｒｒｅｃｔｏｒ）機能を用いた。球面収差補正機能を用いた高分解能ＴＥＭ像を、特にＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像と呼ぶ。Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像は、例えば、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡ＪＥＭ−ＡＲＭ２００Ｆなどによって観察することができる。
【０３３７】
図２３（Ａ）より、金属原子が層状に配列している領域であるペレットを確認することができる。ペレット一つの大きさは１ｎｍ以上のものや、３ｎｍ以上のものがあることがわかる。したがって、ペレットを、ナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）と呼ぶこともできる。また、ＣＡＡＣ−ＯＳを、ＣＡＮＣ（Ｃ−Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。ペレットは、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面または上面の凹凸を反映しており、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面または上面と平行となる。
【０３３８】
また、図２３（Ｂ）および図２３（Ｃ）に、試料面と略垂直な方向から観察したＣＡＡＣ−ＯＳの平面のＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を示す。図２３（Ｄ）および図２３（Ｅ）は、それぞれ図２３（Ｂ）および図２３（Ｃ）を画像処理した像である。以下では、画像処理の方法について説明する。まず、図２３（Ｂ）を高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理することでＦＦＴ像を取得する。次に、取得したＦＦＴ像において原点を基準に、２．８ｎｍ−１から５．０ｎｍ−１の間の範囲を残すマスク処理する。次に、マスク処理したＦＦＴ像を、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ：Ｉｎｖｅｒｓｅ  Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理することで画像処理した像を取得する。こうして取得した像をＦＦＴフィルタリング像と呼ぶ。ＦＦＴフィルタリング像は、Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像から周期成分を抜き出した像であり、格子配列を示している。
【０３３９】
図２３（Ｄ）では、格子配列の乱れた箇所を破線で示している。破線で囲まれた領域が、一つのペレットである。そして、破線で示した箇所がペレットとペレットとの連結部である。破線は、六角形状であるため、ペレットが六角形状であることがわかる。なお、ペレットの形状は、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合が多い。
【０３４０】
図２３（Ｅ）では、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を点線で示し、格子配列の向きの変化を破線で示している。点線近傍においても、明確な結晶粒界を確認することはできない。点線近傍の格子点を中心に周囲の格子点を繋ぐと、歪んだ六角形や、五角形または／および七角形などが形成できる。即ち、格子配列を歪ませることによって結晶粒界の形成を抑制していることがわかる。これは、ＣＡＡＣ−ＯＳが、ａ−ｂ面方向において原子配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。
【０３４１】
以上に示すように、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向性を有し、かつａ−ｂ面方向において複数のペレット（ナノ結晶）が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。よって、ＣＡＡＣ−ＯＳを、ＣＡＡ  ｃｒｙｓｔａｌ（ｃ−ａｘｉｓ−ａｌｉｇｎｅｄ  ａ−ｂ−ｐｌａｎｅ−ａｎｃｈｏｒｅｄ  ｃｒｙｓｔａｌ）を有する酸化物半導体と称することもできる。
【０３４２】
ＣＡＡＣ−ＯＳは結晶性の高い酸化物半導体である。酸化物半導体の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、ＣＡＡＣ−ＯＳは不純物や欠陥（酸素欠損など）の少ない酸化物半導体ともいえる。
【０３４３】
なお、不純物は、酸化物半導体の主成分以外の元素で、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などがある。例えば、シリコンなどの、酸化物半導体を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体から酸素を奪うことで酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径（または分子半径）が大きいため、酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。
【０３４４】
酸化物半導体が不純物や欠陥を有する場合、光や熱などによって特性が変動する場合がある。例えば、酸化物半導体に含まれる不純物は、キャリアトラップとなる場合や、キャリア発生源となる場合がある。例えば、酸化物半導体中の酸素欠損は、キャリアトラップとなる場合や、水素を捕獲することによってキャリア発生源となる場合がある。
【０３４５】
不純物および酸素欠損の少ないＣＡＡＣ−ＯＳは、キャリア密度の低い酸化物半導体である。ＣＡＡＣ−ＯＳは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い。即ち、安定な特性を有する酸化物半導体であるといえる。
【０３４６】
＜ｎｃ−ＯＳ＞
次に、ｎｃ−ＯＳについて説明する。
【０３４７】
ｎｃ−ＯＳをＸＲＤによって解析した場合について説明する。例えば、ｎｃ−ＯＳに対し、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、配向性を示すピークが現れない。即ち、ｎｃ−ＯＳの結晶は配向性を有さない。
【０３４８】
また、例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するｎｃ−ＯＳを薄片化し、厚さが３４ｎｍの領域に対し、被形成面に平行にプローブ径が５０ｎｍの電子線を入射させると、図２４（Ａ）に示すようなリング状の回折パターン（ナノビーム電子回折パターン）が観測される。また、同じ試料にプローブ径が１ｎｍの電子線を入射させたときの回折パターン（ナノビーム電子回折パターン）を図２４（Ｂ）に示す。図２４（Ｂ）より、リング状の領域内に複数のスポットが観測される。したがって、ｎｃ−ＯＳは、プローブ径が５０ｎｍの電子線を入射させることでは秩序性が確認されないが、プローブ径が１ｎｍの電子線を入射させることでは秩序性が確認される。
【０３４９】
また、厚さが１０ｎｍ未満の領域に対し、プローブ径が１ｎｍの電子線を入射させると、図２４（Ｃ）に示すように、スポットが略正六角状に配置された電子回折パターンを観測される場合がある。したがって、厚さが１０ｎｍ未満の範囲において、ｎｃ−ＯＳが秩序性の高い領域、即ち結晶を有することがわかる。なお、結晶が様々な方向を向いているため、規則的な電子回折パターンが観測されない領域もある。
【０３５０】
図２４（Ｄ）に、被形成面と略平行な方向から観察したｎｃ−ＯＳの断面のＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を示す。ｎｃ−ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において、補助線で示す箇所などのように結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。ｎｃ−ＯＳに含まれる結晶部は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の大きさであり、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の大きさであることが多い。なお、結晶部の大きさが１０ｎｍより大きく１００ｎｍ以下である酸化物半導体を微結晶酸化物半導体（ｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼ぶことがある。ｎｃ−ＯＳは、例えば、高分解能ＴＥＭ像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。なお、ナノ結晶は、ＣＡＡＣ−ＯＳにおけるペレットと起源を同じくする可能性がある。そのため、以下ではｎｃ−ＯＳの結晶部をペレットと呼ぶ場合がある。
【０３５１】
このように、ｎｃ−ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ−ＯＳは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、ｎｃ−ＯＳは、分析方法によっては、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。
【０３５２】
なお、ペレット（ナノ結晶）間で結晶方位が規則性を有さないことから、ｎｃ−ＯＳを、ＲＡＮＣ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｌｉｇｎｅｄ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体、またはＮＡＮＣ（Ｎｏｎ−Ａｌｉｇｎｅｄ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
【０３５３】
ｎｃ−ＯＳは、非晶質酸化物半導体よりも規則性の高い酸化物半導体である。そのため、ｎｃ−ＯＳは、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳや非晶質酸化物半導体よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、ｎｃ−ＯＳは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、ｎｃ−ＯＳは、ＣＡＡＣ−ＯＳと比べて欠陥準位密度が高い場合がある。
【０３５４】
＜ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ＞
ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ｎｃ−ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。
【０３５５】
図２５に、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの高分解能断面ＴＥＭ像を示す。ここで、図２５（Ａ）は電子照射開始時におけるａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの高分解能断面ＴＥＭ像である。図２５（Ｂ）は４．３×１０８ｅ−／ｎｍ２の電子（ｅ−）照射後におけるａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの高分解能断面ＴＥＭ像である。図２５（Ａ）および図２５（Ｂ）より、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは電子照射開始時から、縦方向に延伸する縞状の明領域が観察されることがわかる。また、明領域は、電子照射後に形状が変化することがわかる。なお、明領域は、鬆または低密度領域と推測される。
【０３５６】
鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、不安定な構造である。以下では、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳが、ＣＡＡＣ−ＯＳおよびｎｃ−ＯＳと比べて不安定な構造であることを示すため、電子照射による構造の変化を示す。
【０３５７】
試料として、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳを準備する。いずれの試料もＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である。
【０３５８】
まず、各試料の高分解能断面ＴＥＭ像を取得する。高分解能断面ＴＥＭ像により、各試料は、いずれも結晶部を有する。
【０３５９】
なお、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の単位格子は、Ｉｎ−Ｏ層を３層有し、またＧａ−Ｚｎ−Ｏ層を６層有する、計９層がｃ軸方向に層状に重なった構造を有することが知られている。これらの近接する層同士の間隔は、（００９）面の格子面間隔（ｄ値ともいう。）と同程度であり、結晶構造解析からその値は０．２９ｎｍと求められている。したがって、以下では、格子縞の間隔が０．２８ｎｍ以上０．３０ｎｍ以下である箇所を、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶部と見なした。なお、格子縞は、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶のａ−ｂ面に対応する。
【０３６０】
図２６は、各試料の結晶部（２２箇所から３０箇所）の平均の大きさを調査した例である。なお、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図２６より、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ＴＥＭ像の取得などに係る電子の累積照射量に応じて結晶部が大きくなっていくことがわかる。図２６より、ＴＥＭによる観察初期においては１．２ｎｍ程度の大きさだった結晶部（初期核ともいう。）が、電子（ｅ−）の累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２においては１．９ｎｍ程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳは、電子照射開始時から電子の累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２までの範囲で、結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。図２６より、電子の累積照射量によらず、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳの結晶部の大きさは、それぞれ１．３ｎｍ程度および１．８ｎｍ程度であることがわかる。なお、電子線照射およびＴＥＭの観察は、日立透過電子顕微鏡Ｈ−９０００ＮＡＲを用いた。電子線照射条件は、加速電圧を３００ｋＶ、電流密度を６．７×１０５ｅ−／（ｎｍ２・ｓ）、照射領域の直径を２３０ｎｍとした。
【０３６１】
このように、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、電子照射によって結晶部の成長が見られる場合がある。一方、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳは、電子照射による結晶部の成長がほとんど見られない。即ち、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて、不安定な構造であることがわかる。
【０３６２】
また、鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて密度の低い構造である。具体的には、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の７８．６％以上９２．３％未満である。また、ｎｃ−ＯＳの密度およびＣＡＡＣ−ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の９２．３％以上１００％未満である。単結晶の密度の７８％未満である酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。
【０３６３】
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、菱面体晶構造を有する単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４の密度は６．３５７ｇ／ｃｍ３である。よって、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの密度は５．０ｇ／ｃｍ３以上５．９ｇ／ｃｍ３未満である。また、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、ｎｃ−ＯＳの密度およびＣＡＡＣ−ＯＳの密度は５．９ｇ／ｃｍ３以上６．３ｇ／ｃｍ３未満である。
【０３６４】
なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合、任意の割合で組成の異なる単結晶を組み合わせることにより、所望の組成における単結晶に相当する密度を見積もることができる。所望の組成の単結晶に相当する密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して、加重平均を用いて見積もればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない種類の単結晶を組み合わせて見積もることが好ましい。
【０３６５】
以上のように、酸化物半導体は、様々な構造をとり、それぞれが様々な特性を有する。なお、酸化物半導体は、例えば、非晶質酸化物半導体、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ、ｎｃ−ＯＳ、ＣＡＡＣ−ＯＳのうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
【０３６６】
以下に、インジウム、元素Ｍ及び亜鉛を有する酸化物の原子数比について説明する。
【０３６７】
まず、図２７（Ａ）、図２７（Ｂ）、および図２７（Ｃ）を用いて、インジウム、元素Ｍ及び亜鉛の原子数比の範囲について説明する。なお、図２７には、酸素の原子数比については記載しない。
【０３６８】
図２７（Ａ）、図２７（Ｂ）、および図２７（Ｃ）において、破線は、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝（１＋α）：（１−α）：１の原子数比（−１≦α≦１）となるライン、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝（１＋α）：（１−α）：２の原子数比となるライン、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝（１＋α）：（１−α）：３の原子数比となるライン、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝（１＋α）：（１−α）：４の原子数比となるライン、およびＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝（１＋α）：（１−α）：５の原子数比となるラインを表す。
【０３６９】
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。
【０３７０】
図２７（Ａ）および図２７（Ｂ）では、本発明の一態様の酸化物が有する、インジウム、元素Ｍ、及び亜鉛の原子数比の範囲の一例を示す。
【０３７１】
一例として、図２８に、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１である、ＩｎＭＺｎＯ４の結晶構造を示す。また、図２８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２８に示すＭ、Ｚｎ、および酸素を有する層（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。
【０３７２】
ＩｎＭＺｎＯ４は、層状の結晶構造（層状構造ともいう）をとり、図２８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、（Ｍ，Ｚｎ）層が２となる。
【０３７３】
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。
【０３７４】
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。
【０３７５】
ただし、酸化物中において、Ｉｎ層が１に対し、（Ｍ，Ｚｎ）層が非整数である場合、Ｉｎ層が１に対し、（Ｍ，Ｚｎ）層が整数である層状構造を複数種有する場合がある。例えば、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．５である場合、Ｉｎ層が１に対し、（Ｍ，Ｚｎ）層が２である層状構造と、（Ｍ，Ｚｎ）層が３である層状構造とが混在する層状構造となる場合がある。
【０３７６】
例えば、酸化物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。
【０３７７】
また、酸化物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。
【０３７８】
また、インジウムの含有率を高くすることで、酸化物のキャリア移動度（電子移動度）を高くすることができる。これは、インジウム、元素Ｍ及び亜鉛を有する酸化物では、主として重金属のｓ軌道がキャリア伝導に寄与しており、インジウムの含有率を高くすることにより、ｓ軌道が重なる領域がより大きくなるため、インジウムの含有率が高い酸化物はインジウムの含有率が低い酸化物と比較してキャリア移動度が高くなるためである。
【０３７９】
一方、酸化物中のインジウムおよび亜鉛の含有率が低くなると、キャリア移動度が低くなる。従って、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝０：１：０を示す原子数比、およびその近傍値である原子数比（例えば図２７（Ｃ）に示す領域Ｃ）では、絶縁性が高くなる。
【０３８０】
本発明の一態様の酸化物をトランジスタのチャネル領域に用いる場合において、例えば、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２７（Ａ）の領域Ａで示される原子数比を有する。
【０３８１】
また、図２７（Ｂ）に示す領域Ｂは、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：３から４．１、およびその近傍値を示している。近傍値には、例えば、原子数比がＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：３：４が含まれる。領域Ｂで示される原子数比を有する酸化物は、特に、結晶性が高く、キャリア移動度も高い優れた酸化物である。
【０３８２】
なお、酸化物が、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。
【０３８３】
続いて、該酸化物を２層構造、または３層構造とした場合について述べる。例えば、酸化物Ｓ１、酸化物Ｓ２、および酸化物Ｓ３の３層が順に積層する場合を考える。酸化物Ｓ２には例えば、図２７（Ａ）の領域Ａに示す原子数比の酸化物を用いることが好ましく、図２７（Ｂ）の領域Ｂに示す原子数比の酸化物を用いることがより好ましい。また、酸化物Ｓ１、酸化物Ｓ３には例えば、図２７（Ｃ）において、絶縁性が高くなる領域Ｃで示す原子数比の酸化物を用いればよい。なお、図２７（Ｃ）に示す領域Ｃは、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝０：１：０、またはその近傍値である原子数比を示している。ここで、前述の実施の形態に示す酸化物半導体１０８ａ、およびチャネル領域１０８ｉが有する層１０８＿２として、酸化物Ｓ２を用いることができる。また、前述の実施の形態に示す酸化物半導体１０８ｂ、および、チャネル領域１０８ｉが有する層１０８＿１、層１０８＿３は、例えば領域Ｃに示す原子数比を有することが好ましい。
【０３８４】
（実施の形態４）
本実施の形態においては、先の実施の形態で例示したトランジスタを有する表示装置の一例について、図２９乃至図３１を用いて以下説明を行う。
【０３８５】
図２９は、表示装置の一例を示す上面図である。図２９示す表示装置７００は、第１の基板７０１上に設けられた画素部７０２と、第１の基板７０１に設けられたソースドライバ回路部７０４及びゲートドライバ回路部７０６と、画素部７０２、ソースドライバ回路部７０４、及びゲートドライバ回路部７０６を囲むように配置されるシール材７１２と、第１の基板７０１に対向するように設けられる第２の基板７０５と、を有する。なお、第１の基板７０１と第２の基板７０５は、シール材７１２によって封止されている。すなわち、画素部７０２、ソースドライバ回路部７０４、及びゲートドライバ回路部７０６は、第１の基板７０１とシール材７１２と第２の基板７０５によって封止されている。なお、図２９には図示しないが、第１の基板７０１と第２の基板７０５の間には表示素子が設けられる。
【０３８６】
また、表示装置７００は、第１の基板７０１上のシール材７１２によって囲まれている領域とは異なる領域に、画素部７０２、ソースドライバ回路部７０４、及びゲートドライバ回路部７０６とそれぞれ電気的に接続されるＦＰＣ端子部７０８（ＦＰＣ：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。
【０３８７】
また、表示装置７００にゲートドライバ回路部７０６を複数設けてもよい。また、表示装置７００としては、ソースドライバ回路部７０４、及びゲートドライバ回路部７０６を画素部７０２と同じ第１の基板７０１に形成している例を示しているが、この構成に限定されない。例えば、ゲートドライバ回路部７０６のみを第１の基板７０１に形成しても良い、またはソースドライバ回路部７０４のみを第１の基板７０１に形成しても良い。この場合、ソースドライバ回路またはゲートドライバ回路等が形成された基板（例えば、単結晶半導体膜、多結晶半導体膜で形成された駆動回路基板）を、第１の基板７０１に実装する構成としても良い。なお、別途形成した駆動回路基板の接続方法は、特に限定されるものではなく、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ  Ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）方法、ワイヤボンディング方法などを用いることができる。
【０３８８】
また、表示装置７００が有する画素部７０２、ソースドライバ回路部７０４及びゲートドライバ回路部７０６は、複数のトランジスタを有しており、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタを適用することができる。ここで例えば、ゲートドライバ回路部が有するトランジスタは、ソースとゲートとの間に−４０Ｖ以上４０Ｖ以下、より好ましくは−５Ｖ以上３０Ｖ以下、さらに好ましくは−１Ｖ以上２０Ｖ以下の電圧が印加される。
【０３８９】
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、液晶素子、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子（有機物及び無機物を含むＥＬ素子、有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子）、ＬＥＤ（白色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤなど）、トランジスタ（電流に応じて発光するトランジスタ）、電子放出素子、電子インク、電気泳動素子、グレーティングライトバルブ（ＧＬＶ）、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）、ＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）を用いた表示素子、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、ＤＭＳ（デジタル・マイクロ・シャッター）、ＭＩＲＡＳＯＬ（登録商標）、ＩＭＯＤ（インターフェロメトリック・モジュレーション）素子、シャッター方式のＭＥＭＳ表示素子、光干渉方式のＭＥＭＳ表示素子、エレクトロウェッティング素子、圧電セラミックディスプレイ、カーボンナノチューブを用いた表示素子などの少なくとも一つを有している。これらの電気的または磁気的作用により、コントラスト、輝度、反射率、透過率などが変化する表示媒体を有していてもよい。ＥＬ素子を用いた表示装置の一例としては、ＥＬディスプレイなどがある。電子放出素子を用いた表示装置の一例としては、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）又はＳＥＤ方式平面型ディスプレイ（ＳＥＤ：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。
【０３９０】
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、色要素によって、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。
【０３９１】
また、バックライト（有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子、ＬＥＤ、蛍光灯など）に白色光（Ｗ）を用いて表示装置をフルカラー表示させるために、着色層（カラーフィルタともいう。）を用いてもよい。着色層は、例えば、レッド（Ｒ）、グリーン（Ｇ）、ブルー（Ｂ）、イエロー（Ｙ）などを適宜組み合わせて用いることができる。着色層を用いることで、着色層を用いない場合と比べて色の再現性を高くすることができる。このとき、着色層を有する領域と、着色層を有さない領域と、を配置することによって、着色層を有さない領域における白色光を直接表示に利用しても構わない。一部に着色層を有さない領域を配置することで、明るい表示の際に、着色層による輝度の低下を少なくでき、消費電力を２割から３割程度低減できる場合がある。ただし、有機ＥＬ素子や無機ＥＬ素子などの自発光素子を用いてフルカラー表示する場合、Ｒ、Ｇ、Ｂ、Ｙ、ホワイト（Ｗ）を、それぞれの発光色を有する素子から発光させても構わない。自発光素子を用いることで、着色層を用いた場合よりも、さらに消費電力を低減できる場合がある。
【０３９２】
本実施の形態においては、表示素子として液晶素子及びＥＬ素子を用いる構成について、図３０及び図３１を用いて説明する。なお、図３０は、図２９に示す一点鎖線Ｑ−Ｒにおける断面図であり、表示素子として液晶素子を用いた構成である。また、図３１は、図２９に示す一点鎖線Ｑ−Ｒにおける断面図であり、表示素子としてＥＬ素子を用いた構成である。
【０３９３】
まず、図３０及び図３１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。
【０３９４】
＜表示装置の共通部分に関する説明＞
図３０及び図３１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。
【０３９５】
トランジスタ７５０及びトランジスタ７５２は、先に示すトランジスタを用いることができる。
【０３９６】
本実施の形態で用いるトランジスタは、高純度化し、酸素欠損の形成を抑制した酸化物半導体膜を有する。該トランジスタは、オフ状態における電流値（オフ電流値）を低くすることができる。よって、画像信号等の電気信号の保持時間を長くすることができ、電源オン状態では書き込み間隔も長く設定できる。よって、リフレッシュ動作の頻度を少なくすることができるため、消費電力を抑制する効果を奏する。
【０３９７】
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。
【０３９８】
容量素子７９０は、一対の電極間に誘電体を有する構造である。より詳しくは、容量素子７９０の一方の電極としては、トランジスタ７５０のゲート電極として機能する導電膜と同一工程で形成された導電膜を用い、容量素子７９０の他方の電極としては、トランジスタ７５０のソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜を用いる。また、一対の電極間に挟持される誘電体としては、トランジスタ７５０のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜を用いる。
【０３９９】
また、図３０及び図３１において、トランジスタ７５０、トランジスタ７５２、及び容量素子７９０上に、絶縁膜７６４、７６６、７６８、酸化物半導体膜７６７、及び平坦化絶縁膜７７０が設けられている。
【０４００】
絶縁膜７６４、７６６、７６８としては、それぞれ先の実施の形態に示す絶縁体１１４、１１６、１１８と、同様の材料及び作製方法により形成することができる。また、酸化物半導体膜７６７としては、先の実施の形態に示す酸化物半導体１０８と同様の材料及び作製方法により形成することができる。また、平坦化絶縁膜７７０としては、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、ポリイミドアミド樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂等の耐熱性を有する有機材料を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、平坦化絶縁膜７７０を形成してもよい。また、平坦化絶縁膜７７０を設けない構成としてもよい。
【０４０１】
また、信号線７１０は、トランジスタ７５０、７５２のソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜と同じ工程で形成される。なお、信号線７１０は、トランジスタ７５０、７５２のソース電極及びドレイン電極と異なる工程で形成された導電膜、例えばゲート電極として機能する導電膜としてもよい。信号線７１０として、例えば、銅元素を含む材料を用いた場合、配線抵抗に起因する信号遅延等が少なく、大画面での表示が可能となる。
【０４０２】
また、ＦＰＣ端子部７０８は、接続電極７６０、異方性導電膜７８０、及びＦＰＣ７１６を有する。なお、接続電極７６０は、トランジスタ７５０、７５２のソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜と同じ工程で形成される。また、接続電極７６０は、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。
【０４０３】
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。
【０４０４】
また、第１の基板７０１と第２の基板７０５の間には、構造体７７８が設けられる。構造体７７８は、絶縁膜を選択的にエッチングすることで得られる柱状のスペーサであり、第１の基板７０１と第２の基板７０５の間の距離（セルギャップ）を制御するために設けられる。なお、構造体７７８として、球状のスペーサを用いていても良い。また、本実施の形態においては、構造体７７８を第１の基板７０１側に設ける構成について例示したが、これに限定されない。例えば、第２の基板７０５側に構造体７７８を設ける構成、または第１の基板７０１及び第２の基板７０５双方に構造体７７８を設ける構成としてもよい。
【０４０５】
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。
【０４０６】
＜表示素子として液晶素子を用いる表示装置の構成例＞
図３０に示す表示装置７００は、液晶素子７７５を有する。液晶素子７７５は、導電膜７７２、導電膜７７４、及び液晶層７７６を有する。導電膜７７４は、第２の基板７０５側に設けられ、対向電極としての機能を有する。図３０に示す表示装置７００は、導電膜７７２と導電膜７７４に印加される電圧によって、液晶層７７６の配向状態が変わることによって光の透過、非透過が制御され画像を表示することができる。
【０４０７】
また、導電膜７７２は、トランジスタ７５０が有するソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜に接続される。導電膜７７２は、平坦化絶縁膜７７０上に形成され画素電極、すなわち表示素子の一方の電極として機能する。また、導電膜７７２は、反射電極としての機能を有する。図３０に示す表示装置７００は、外光を利用し導電膜７７２で光を反射して着色膜７３６を介して表示する、所謂反射型のカラー液晶表示装置である。
【０４０８】
導電膜７７２としては、可視光において透光性のある導電膜、または可視光において反射性のある導電膜を用いることができる。可視光において透光性のある導電膜としては、例えば、インジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、錫（Ｓｎ）の中から選ばれた一種を含む材料を用いるとよい。可視光において反射性のある導電膜としては、例えば、アルミニウム、または銀を含む材料を用いるとよい。本実施の形態においては、導電膜７７２として、可視光において、反射性のある導電膜を用いる。
【０４０９】
また、導電膜７７２として、可視光において反射性のある導電膜を用いる場合、該導電膜を積層構造としてもよい。例えば、下層に膜厚１００ｎｍのアルミニウム膜を形成し、上層に厚さ３０ｎｍの銀合金膜（例えば、銀、パラジウム、及び銅を含む合金膜）を形成する。上述の構造とすることで、以下の優れた効果を奏する。
【０４１０】
（１）下地膜と導電膜７７２との密着性を向上させることができる。（２）薬液によってアルミニウム膜と、銀合金膜とを一括してエッチングすることが可能である。（３）導電膜７７２の断面形状を良好な形状（例えば、テーパー形状）とすることができる。（３）の理由としては、アルミニウム膜は、銀合金膜よりも薬液によるエッチング速度が遅い、または上層の銀合金膜のエッチング後、下層のアルミニウム膜が露出した場合に、銀合金膜よりも卑な金属、別言するとイオン化傾向の高い金属であるアルミニウムから電子を引き抜くため、銀合金膜のエッチングが抑制され、下層のアルミニウム膜のエッチングの進行が速くなるためである。
【０４１１】
また、図３０に示す表示装置７００においては、画素部７０２の平坦化絶縁膜７７０の一部に凹凸が設けられている。該凹凸は、例えば、平坦化絶縁膜７７０を有機樹脂膜等で形成し、該有機樹脂膜の表面に凹凸を設けることで形成することができる。また、反射電極として機能する導電膜７７２は、上記凹凸に沿って形成される。したがって、外光が導電膜７７２に入射した場合において、導電膜７７２の表面で光を乱反射することが可能となり、視認性を向上させることができる。
【０４１２】
なお、図３０に示す表示装置７００は、反射型のカラー液晶表示装置について例示したが、これに限定されない、例えば、導電膜７７２を可視光において、透光性のある導電膜を用いることで透過型のカラー液晶表示装置としてもよい。透過型のカラー液晶表示装置の場合、平坦化絶縁膜７７０に設けられる凹凸については、設けない構成としてもよい。
【０４１３】
なお、図３０において図示しないが、導電膜７７２、７７４の液晶層７７６と接する側に、それぞれ配向膜を設ける構成としてもよい。また、図３０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。
【０４１４】
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。
【０４１５】
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。また、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、配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい。また配向膜を設けなくてもよいのでラビング処理も不要となるため、ラビング処理によって引き起こされる静電破壊を防止することができ、作製工程中の液晶表示装置の不良や破損を軽減することができる。
【０４１６】
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。
【０４１７】
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。
【０４１８】
＜表示素子として発光素子を用いる表示装置＞
図３１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７８４、ＥＬ層７８６、及び導電膜７８８を有する。図３１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。
【０４１９】
また、導電膜７８４は、トランジスタ７５０が有するソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜に接続される。導電膜７８４は、平坦化絶縁膜７７０上に形成され画素電極、すなわち表示素子の一方の電極として機能する。導電膜７８４としては、可視光において透光性のある導電膜、または可視光において反射性のある導電膜を用いることができる。可視光において透光性のある導電膜としては、例えば、インジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、錫（Ｓｎ）の中から選ばれた一種を含む材料を用いるとよい。可視光において反射性のある導電膜としては、例えば、アルミニウム、または銀を含む材料を用いるとよい。
【０４２０】
また、図３１に示す表示装置７００には、平坦化絶縁膜７７０及び導電膜７８４上に絶縁膜７３０が設けられる。絶縁膜７３０は、導電膜７８４の一部を覆う。なお、発光素子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７８４側に光を射出するボトムエミッション構造や、導電膜７８４及び導電膜７８８の双方に光を射出するデュアルエミッション構造にも適用することができる。
【０４２１】
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３１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。
【０４２２】
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
【０４２３】
（実施の形態５）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を有する表示装置について、図３２を用いて説明を行う。
【０４２４】
図３２（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。
【０４２５】
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。
【０４２６】
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。
【０４２７】
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。
【０４２８】
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。
【０４２９】
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。
【０４３０】
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。
【０４３１】
図３２（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。
【０４３２】
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。
【０４３３】
図３２（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。
【０４３４】
また、図３２（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。
【０４３５】
また、図３２（Ａ）に示す複数の画素回路５０１は、例えば、図３２（Ｂ）に示す構成とすることができる。
【０４３６】
図３２（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。
【０４３７】
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。
【０４３８】
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。
【０４３９】
ｍ行ｎ列目の画素回路５０１において、トランジスタ５５０のソース電極またはドレイン電極の一方は、データ線ＤＬ＿ｎに電気的に接続され、他方は液晶素子５７０の一対の電極の他方に電気的に接続される。また、トランジスタ５５０のゲート電極は、走査線ＧＬ＿ｍに電気的に接続される。トランジスタ５５０は、データ信号のデータの書き込みを制御する機能を有する。
【０４４０】
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。
【０４４１】
例えば、図３２（Ｂ）の画素回路５０１を有する表示装置では、例えば、図３２（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。
【０４４２】
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。
【０４４３】
また、図３２（Ａ）に示す複数の画素回路５０１は、例えば、図３２（Ｃ）に示す構成とすることができる。
【０４４４】
また、図３２（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５６８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。
【０４４５】
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。
【０４４６】
トランジスタ５５２は、データ信号のデータの書き込みを制御する機能を有する。
【０４４７】
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。
【０４４８】
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。
【０４４９】
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。
【０４５０】
発光素子５６８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。
【０４５１】
発光素子５６８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５６８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。
【０４５２】
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。
【０４５３】
図３２（Ｃ）の画素回路５０１を有する表示装置では、例えば、図３２（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。
【０４５４】
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５６８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。
【０４５５】
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
【０４５６】
（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を有する表示モジュール及び電子機器について、図３３及び図３４を用いて説明を行う。
【０４５７】
図３３に示す表示モジュール８０００は、上部カバー８００１と下部カバー８００２との間に、タッチセンサとして、ＦＰＣ８００３に接続されたタッチパネル８００４を有する。また、ＦＰＣ８００５に接続された表示パネル８００６、バックライト８００７、フレーム８００９、プリント基板８０１０、バッテリ８０１１を有する。
【０４５８】
本発明の一態様の半導体装置は、例えば、表示パネル８００６に用いることができる。
【０４５９】
上部カバー８００１及び下部カバー８００２は、タッチパネル８００４及び表示パネル８００６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。
【０４６０】
タッチパネル８００４は、抵抗膜方式または静電容量方式のタッチパネルを表示パネル８００６に重畳して用いることができる。また、表示パネル８００６の対向基板（封止基板）に、タッチパネル機能を持たせるようにすることも可能である。また、表示パネル８００６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。
【０４６１】
バックライト８００７は、光源８００８を有する。なお、図３３において、バックライト８００７上に光源８００８を配置する構成について例示したが、これに限定さない。例えば、バックライト８００７の端部に光源８００８を配置し、さらに光拡散板を用いる構成としてもよい。なお、有機ＥＬ素子等の自発光型の発光素子を用いる場合、または反射型パネル等の場合においては、バックライト８００７を設けない構成としてもよい。
【０４６２】
フレーム８００９は、表示パネル８００６の保護機能の他、プリント基板８０１０の動作により発生する電磁波を遮断するための電磁シールドとしての機能を有する。またフレーム８００９は、放熱板としての機能を有していてもよい。
【０４６３】
プリント基板８０１０は、電源回路、ビデオ信号及びクロック信号を出力するための信号処理回路を有する。電源回路に電力を供給する電源としては、外部の商用電源であっても良いし、別途設けたバッテリ８０１１による電源であってもよい。バッテリ８０１１は、商用電源を用いる場合には、省略可能である。
【０４６４】
また、表示モジュール８０００は、偏光板、位相差板、プリズムシートなどの部材を追加して設けてもよい。
【０４６５】
図３４（Ａ）乃至図３４（Ｇ）は、電子機器を示す図である。これらの電子機器は、筐体９０００、表示部９００１、スピーカ９００３、操作キー９００５（電源スイッチ、又は操作スイッチを含む）、接続端子９００６、センサ９００７（力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、におい又は赤外線を測定する機能を含むもの）、マイクロフォン９００８、等を有することができる。
【０４６６】
図３４（Ａ）乃至図３４（Ｇ）に示す電子機器は、様々な機能を有することができる。例えば、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示部に表示する機能、タッチパネル機能、カレンダー、日付または時刻などを表示する機能、様々なソフトウェア（プログラム）によって処理を制御する機能、無線通信機能、無線通信機能を用いて様々なコンピュータネットワークに接続する機能、無線通信機能を用いて様々なデータの送信または受信を行う機能、記録媒体に記録されているプログラムまたはデータを読み出して表示部に表示する機能、等を有することができる。なお、図３４（Ａ）乃至図３４（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３４（Ａ）乃至図３４（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、該電子機器は撮像装置を有することが好ましい。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。
【０４６７】
撮像装置は、例えば酸化物半導体をチャネル領域に有するトランジスタを用いた回路を有してもよい。撮像装置が有する回路に該トランジスタを用いることにより、例えば高速での撮像において、歪みの小さい、優れた画像を得ることができる。
【０４６８】
図３４（Ａ）乃至図３４（Ｇ）に示す電子機器の詳細について、以下説明を行う。
【０４６９】
図３４（Ａ）は、携帯情報端末９１００を示す斜視図である。携帯情報端末９１００が有する表示部９００１は、可撓性を有する。そのため、湾曲した筐体９０００の湾曲面に沿って表示部９００１を組み込むことが可能である。また、表示部９００１はタッチセンサを備え、指やスタイラスなどで画面に触れることで操作することができる。例えば、表示部９００１に表示されたアイコンに触れることで、アプリケーションを起動することができる。
【０４７０】
図３４（Ｂ）は、携帯情報端末９１０１を示す斜視図である。携帯情報端末９１０１は、例えば電話機、手帳又は情報閲覧装置等から選ばれた一つ又は複数の機能を有する。具体的には、スマートフォンとして用いることができる。なお、携帯情報端末９１０１は、スピーカ９００３、接続端子９００６、センサ９００７等を省略して図示しているが、図３４（Ａ）に示す携帯情報端末９１００と同様の位置に設けることができる。また、携帯情報端末９１０１は、文字や画像情報をその複数の面に表示することができる。例えば、３つの操作ボタン９０５０（操作アイコンまたは単にアイコンともいう）を表示部９００１の一の面に表示することができる。また、破線の矩形で示す情報９０５１を表示部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。
【０４７１】
図３４（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。
【０４７２】
図３４（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。
【０４７３】
図３４（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３４（Ｅ）が携帯情報端末９２０１を展開した状態の斜視図であり、図３４（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３４（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。
【０４７４】
本実施の形態において述べた電子機器は、何らかの情報を表示するための表示部を有することを特徴とする。ただし、本発明の一態様の半導体装置は、表示部を有さない電子機器にも適用することができる。また、本実施の形態において述べた電子機器の表示部においては、可撓性を有し、湾曲した表示面に沿って表示を行うことができる構成、または折り畳み可能な表示部の構成について例示したが、これに限定されず、可撓性を有さず、平面部に表示を行う構成としてもよい。
【０４７５】
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
【０４７６】
（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について説明する。
【０４７７】
［半導体装置］
図３５（Ａ）には、半導体装置１０が有する回路の一例を示す。また、図３５（Ｂ）には、図３５（Ａ）に示す回路を有する半導体装置１０の断面図の一例を示す。
【０４７８】
図３５（Ｂ）に示す半導体装置１０は、層６２７乃至層６３１の５つの層を有する。層６２７はトランジスタ４９３、トランジスタ４９４等を有する。層６２９はトランジスタ４９０等を有する。層６３１は容量素子Ｃ１等を有する。
【０４７９】
＜層６２７＞
層６２７は、基板４００と、基板４００上のトランジスタ４９３、トランジスタ４９４等と、トランジスタ４９３等の上の絶縁体４６４と、プラグ５４１等のプラグを有する。プラグ５４１等は例えばトランジスタ４９３等のゲート電極、ソース電極またはドレイン電極に接続する。トランジスタ４９３およびトランジスタ４９４の詳細については、後述する。
【０４８０】
絶縁体４６４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。
【０４８１】
また、絶縁体４６４として、炭化窒化シリコン（ｓｉｌｉｃｏｎ  ｃａｒｂｏｎｉｔｒｉｄｅ）、酸化炭化シリコン（ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｘｙｃａｒｂｉｄｅ）などを用いることができる。また、ＵＳＧ（Ｕｎｄｏｐｅｄ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ  Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）、ＢＳＧ（Ｂｏｒｏｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）等を用いることができる。ＵＳＧ、ＢＰＳＧ等は、常圧ＣＶＤ法を用いて形成すればよい。また、例えば、ＨＳＱ（水素シルセスキオキサン）等を塗布法を用いて形成してもよい。ここで絶縁体４６４は水素を有すると好ましい場合がある。絶縁体４６４が水素を有することにより、基板４００が欠陥等を低減し、トランジスタ４９３等の特性を向上させる場合がある。
【０４８２】
絶縁体４６４は単層でもよく、複数の材料を積層して用いてもよい。例えば図３５（Ｂ）に示すように、絶縁体４６４ａと絶縁体４６４ｂの２層であってもよい。一例としてここでは、絶縁体４６４ａに窒化シリコンを、絶縁体４６４ｂにＵＳＧを用いる。
【０４８３】
層６２７は、本発明の一態様の半導体装置１０が有する周辺回路、例えば層６２７にセンスアンプ回路、駆動回路、メインアンプ、入出力回路等の回路を構成するためのトランジスタが設けられることが好ましい。また、層６２９には酸化物半導体を有するトランジスタが設けられる。本発明の一態様のメモリセルは、層６２９に設けられることが好ましい。半導体装置１０が有する周辺回路を層６２７に設け、層６２９をその上に積層し、トランジスタ４９０を層６２９に設けることにより、半導体装置１０の面積を縮小することができる。
【０４８４】
＜層６２８＞
層６２８は、絶縁体５８１と、絶縁体５８１上の絶縁体５８４と、絶縁体５８４上の絶縁体５７１と、絶縁体５７１上の絶縁体５８５と、を有する。また、絶縁体４６４上の導電体５１１等と、導電体５１１等に接続し、絶縁体５８４、絶縁体５７１および絶縁体５８５の開口部を埋めるように形成される導電体５１３と、を有する。導電体５１１は絶縁体５８１に埋め込まれるように形成されることが好ましい。
【０４８５】
また、層６２８は、導電体１２６を有することが好ましい。導電体１２６は、絶縁体５８５に埋め込まれるように形成されることが好ましい。導電体１２６は、トランジスタ４９０の第２のゲート電極として機能することが好ましい。
【０４８６】
絶縁体５８１は、絶縁体４６４の記載を参照することができる。また、絶縁体５８１は複数の層を積層して形成してもよい。例えば図３５（Ｂ）に示すように、絶縁体５８１は絶縁体５８１ａと、絶縁体５８１ａ上の絶縁体５８１ｂの２層としてもよい。絶縁体５８１ａおよび絶縁体５８１ｂはそれぞれ絶縁体４６４ａおよび絶縁体４６４ｂの記載を参照することができる。
【０４８７】
絶縁体５８４および絶縁体５８５として例えば、絶縁体４６４において説明した材料を用いることができる。絶縁体５８４および絶縁体５８５は単層でもよく、複数の材料を積層して用いてもよい。
【０４８８】
導電体５１１、導電体５１３、導電体１２６等として、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。例えば、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、ニオブ、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単層構造または積層構造として用いることができる。また、窒化タングステン、窒化モリブデン、窒化チタンなどの金属窒化物を用いることができる。
【０４８９】
ここで本発明の一態様の半導体装置において、層６２８が有する導電体５１１、導電体５１３、導電体１２６等は２層以上の積層構造としてもよい。
【０４９０】
一例として、導電体の上層として銅を用いることができる。銅は抵抗が小さく、プラグや配線等の導電体として用いることが好ましい。一方、銅は拡散しやすく、半導体素子へ拡散することにより半導体素子の特性を低下させる場合がある。よって、導電体やプラグの下層には、銅の透過性が低い材料を用いることが好ましい。また、導電体やプラグの下層は、水素や酸素の透過性が低いことが好ましい。導電体やプラグの下層として例えばタンタル、窒化タンタル、窒化チタン等を用いることができる。また、導電体やプラグの上層としてタングステンを用いてもよい。
【０４９１】
絶縁体５８１ａ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。絶縁体５８１ａとして水素の脱離量が少ない膜を用いることが好ましい。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。絶縁体５８１ａ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例えば５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。または、絶縁体５８１ａは、水素原子に換算した脱離量は、絶縁膜の面積あたりで例えば５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下、好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下であればよい。絶縁体５８１ｂは、絶縁体５８１ａよりも誘電率が低いことが好ましい。
【０４９２】
絶縁体５７１は不純物の透過性が低い絶縁性材料を用いて形成することが好ましい。例えば、絶縁体５７１は酸素の透過性が低いことが好ましい。また例えば、絶縁体５７１は水素の透過性が低いことが好ましい。また例えば、絶縁体５７１は水の透過性が低いことが好ましい。
【０４９３】
絶縁体５７１として例えば、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）、窒化シリコン等を含む絶縁膜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膜に例えば酸化ビスマス、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、酸化ガリウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁膜を窒化処理して酸化窒化膜としてもよい。上記の絶縁膜に酸化シリコン、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。特に、酸化アルミニウムは水や水素に対するバリア性に優れているため好ましい。また、絶縁体５７１として例えば、炭化シリコン、炭化窒化シリコン、酸化炭化シリコンなどを用いてもよい。
【０４９４】
絶縁体５７１は水や水素の透過性が低い材料の層に、他の絶縁材料を含む層を積層させてもよい。例えば、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含む層、金属酸化物を含む層などを積層させて用いてもよい。
【０４９５】
ここで例えば、半導体装置１０が絶縁体５７１を有することにより、導電体５１３、導電体１２６等が有する元素が、絶縁体５７１およびその下層（絶縁体５８４、絶縁体５８１、層６２７等）へ拡散することを抑制できる。
【０４９６】
＜層６２９＞
層６２９は、トランジスタ４９０等のトランジスタと、プラグ５４４およびプラグ５４４ｂ等のプラグと、を有する。プラグ５４４およびプラグ５４４ｂ等のプラグは、導電体５１３や、トランジスタ４９０等が有するゲート電極、ソース電極またはドレイン電極と接続する。
【０４９７】
トランジスタ４９０は、酸化物半導体１０８を有する。トランジスタ４９０において、酸化物半導体１０８は酸化物半導体１０８ｈ、酸化物半導体１０８ｊ、および酸化物半導体１０８ｋの３層で形成されている。トランジスタ４９０は、酸化物半導体１０８ｈと、酸化物半導体１０８ｈ上の酸化物半導体１０８ｊと、酸化物半導体１０８ｊ上の導電体１１２ａおよび導電体１１２ｂと、酸化物半導体１０８ｊの上面および側面と、導電体１１２ａの上面と、導電体１１２ｂの上面とに接する酸化物半導体１０８ｋと、酸化物半導体１０８ｋ上の絶縁体１０６と、絶縁体１０６上の導電体１０４を有する。また、導電体１０４は、導電体１１２ａと導電体１１２ｂとの間の領域（離間する領域）上に、絶縁体１０６を介して形成されることが好ましい。また、図３５（Ｂ）に示す半導体装置１０は、導電体１０４上の絶縁体５９１と、絶縁体５９１上の絶縁体４０８とを有する。
【０４９８】
酸化物半導体１０８ｊには、例えば実施の形態１に述べた酸化物半導体１０８ａを用いることができる。
【０４９９】
酸化物半導体１０８ｈには例えば、実施の形態１に述べた層１０８＿１を、酸化物半導体１０８ｋには例えば、実施の形態１に述べた層１０８＿３を、それぞれ用いることができる。
【０５００】
導電体１１２ａおよび導電体１１２ｂは、トランジスタ４９０のソース電極またはドレイン電極として機能することが好ましい。導電体１０４は、トランジスタ４９０のゲート電極として機能することが好ましい。トランジスタ４９０において導電体１０４が第１のゲート電極、導電体１２６が第２のゲート電極として機能することが好ましい。
【０５０１】
本発明の一態様のトランジスタ４９０は、酸化物半導体１０８と導電体１２６との間に電荷捕獲層を有することが好ましい。図３５（Ｂ）に示すトランジスタ４９０は、酸化物半導体１０８と導電体１２６の間に絶縁体４０２ｂ、絶縁体４０２ｂ上の絶縁体５７１ａ、および絶縁体５７１ａ上の絶縁体４０２を有する。
【０５０２】
絶縁体４０２および絶縁体４０２ｂは例えば、絶縁体５８４の記載を参照することができる。また、半導体装置１０は絶縁体４０２ｂを有さなくともよい。絶縁体４０２として例えば、酸化シリコンや窒化酸化シリコン（ここで窒化酸化シリコンは窒素の含有量が酸素の含有量より多いことが好ましい）を用いればよい。また、絶縁体４０２ｂとして例えば酸化シリコンを用いればよい。
【０５０３】
絶縁体５７１ａは例えば、絶縁体５７１の記載を参照することができる。
【０５０４】
また、絶縁体５７１ａは電荷捕獲層として機能することが好ましい。絶縁体５７１ａに電荷を捕獲することによりトランジスタ４９０のしきい値を制御することができる。ここで、本明細書中においてしきい値とは例えば、チャネルが形成されたときのゲート電圧をいう。しきい値は例えば、ゲート電圧（Ｖｇ）を横軸に、ドレイン電流Ｉｄの平方根を縦軸にプロットした曲線（Ｖｇ−√Ｉｄ特性）において、最大傾きである接線を外挿したときの直線とドレイン電流Ｉｄの平方根が０（Ｉｄが０Ａ）との交点におけるゲート電圧（Ｖｇ）として算出することができる。
【０５０５】
ここでトランジスタ４９０は、絶縁体１０６を挟んで酸化物半導体１０８と重なる導電体１０４と、絶縁体５７１ａ、絶縁体４０２および絶縁体４０２ｂを挟んで酸化物半導体１０８と重なる導電体１２６とを有する。
【０５０６】
前述の実施の形態に示したように、トランジスタ４９０が有する導電体１２６と、トランジスタ４９０のソースとの間に電位差を設けることにより絶縁体５７１ａ、絶縁体４０２および絶縁体４０２ｂのうち少なくともいずれかの絶縁体に電荷を捕獲させ、データを記憶される。また、絶縁体５７１ａ、絶縁体４０２および絶縁体４０２ｂのうち接する２つの絶縁体の界面に電荷を捕獲させてもよい。
【０５０７】
電荷捕獲層として、絶縁体、半導体および導電体を用いることができる。絶縁体としては、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、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化タンタル、アルミニウムシリケートなどを用いることができる。半導体としては、多結晶シリコン、微結晶シリコン、非結晶シリコン、酸化物半導体などを用いることができる。導電体としては、タンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデンタングステン合金などを用いることができる。また、酸素を透過し難い機能を有する、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタンなどと適宜組み合わせて多層膜としてもよい。
【０５０８】
電荷捕獲層は例えば、酸素と、金属と、を有することが好ましい。また例えば電荷捕獲層において、ＥＤＸ分析により検出される金属の割合は、２０ａｔｏｍｉｃ％以上５０ａｔｏｍｉｃ％以下が好ましく、酸素の割合は３０ａｔｏｍｉｃ％以上７０ａｔｏｍｉｃ％以下が好ましい。該金属としてはハフニウム、アルミニウム、タンタル、タングステン、モリブデン、等があげられる。
【０５０９】
あるいは電荷捕獲層は窒化シリコンを有することが好ましい。また例えば電荷捕獲層において、窒素の割合は、４５ａｔｏｍｉｃ％以上６０ａｔｏｍｉｃ％未満が好ましく、シリコンの割合は４０ａｔｏｍｉｃ％以上５５ａｔｏｍｉｃ％未満が好ましい。
【０５１０】
また、絶縁体５７１ａを、電荷を捕獲しやすい層と、不純物を透過しにくい層と、を積層して用いてもよい。例えば、電荷を捕獲しやすい層として酸化ハフニウムを形成し、その上に不純物をより透過しにくい層として酸化アルミニウムを積層してもよい。あるいは、酸化アルミニウム上に酸化ハフニウムを形成してもよい。あるいは、酸化ハフニウム、酸化アルミニウムに加えて、酸化シリコンを用いて３層の積層としてもよい。ここで３つの層の積層の順番は問わない。
【０５１１】
ここで、半導体装置１０が絶縁体５７１や絶縁体５７１ａを有することにより、層６２７が有する水素や水等がトランジスタ４９０等へ拡散することを抑制できる。また、半導体装置１０が絶縁体４０８を有することにより、絶縁体４０８より上方からの不純物、例えば水素や水の拡散を抑制することができる。例えば、トランジスタ４９０等が酸化物半導体を有する場合、該酸化物半導体への水素の拡散を抑制することによりトランジスタの特性低下を抑制できる場合がある。
【０５１２】
導電体１１２ａおよび導電体１１２ｂとして例えば、導電体５１１等に示す材料を用いることができる。また導電体１１２ａおよび導電体１１２ｂとして、例えばタングステンやチタンなどの酸素と結合しやすい材料で形成すると、該材料の酸化物が形成されることにより、導電体１１２ａおよび導電体１１２ｂと酸化物半導体１０８とが接する領域およびその近傍において酸化物半導体１０８中の酸素欠損が増加する場合がある。なお、酸素欠損に水素が結合すると当該領域のキャリア密度が増加し、抵抗率が小さくなる。また、導電体１１２ａおよび導電体１１２ｂを積層膜としてもよい。
【０５１３】
絶縁体４０８として、絶縁体５７１に示す材料を用いることができる。また絶縁体４０８の成膜時に、絶縁体４０８と下層の膜との界面、およびその近傍に過剰酸素が供給されることが好ましい。
【０５１４】
また、絶縁体５７１、絶縁体５７１ａおよび絶縁体４０８として酸素の透過性が低い材料を用いることにより、トランジスタ４９０等から酸素が外方へ拡散すること（例えば絶縁体５７１より下層や絶縁体４０８より上層へ拡散すること）を抑制することができる。よって、トランジスタ４９０等へ効率的に酸素を供給できる場合がある。例えば、トランジスタ４９０等が酸化物半導体を有する場合、該酸化物半導体に酸素を供給しやすくすることによりトランジスタの特性を向上できる場合がある。
【０５１５】
＜層６３０＞
層６３０は、絶縁体５９２と、導電体５１４等の導電体と、プラグ５４５等のプラグと、を有する。プラグ５４５等は、導電体５１４等の導電体と接続する。
【０５１６】
＜層６３１＞
層６３１は、容量素子Ｃ１を有する。容量素子Ｃ１は、導電体５１６と、導電体５１７と、絶縁体５７２と、を有する。絶縁体５７２は、導電体５１６と導電体５１７で挟まれる領域を有する。また、層６３１は、絶縁体５９４と、導電体５１７上のプラグ５４７を有することが好ましい。プラグ５４７は絶縁体５９３に埋め込まれるように形成されることが好ましい。また、層６３１は、層６３０が有するプラグ（図示しない）に接続する導電体５１６ｂと、導電体５１６ｂ上のプラグ５４７ｂを有することが好ましい。絶縁体５７２は、絶縁体５７１の記載を参照することができる。
【０５１７】
また層６３１は、プラグ５４７やプラグ５４７ｂに接続する、配線層を有してもよい。図３５（Ｂ）に示す例では、配線層はプラグ５４７やプラグ５４７ｂに接続する導電体５１８等と、導電体５１８上のプラグ５４８と、絶縁体５９５と、プラグ５４８上の導電体５１９と、導電体５１９上の絶縁体５９９とを有する。プラグ５４８は絶縁体５９５に埋め込まれるように形成されることが好ましい。また、絶縁体５９９は、導電体５１９上に開口部を有する。
【０５１８】
絶縁体、導電体および半導体の成膜方法として、はスパッタリング法、ＣＶＤ法（熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法等を含む）、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法、またはＰＬＤ法などを用いることができる。特に、当該絶縁体をＣＶＤ法、好ましくはプラズマＣＶＤ法によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。またプラズマによるダメージを減らすには、熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法あるいはＡＬＤ法が好ましい。
【０５１９】
＜トランジスタ４９３およびトランジスタ４９４＞
以下に、トランジスタ４９３およびトランジスタ４９４について、説明する。
【０５２０】
トランジスタ４９３は、チャネル形成領域４０７と、基板４００上の絶縁体４６２と、絶縁体４６２上の導電体４５４と、導電体４５４の側面に接する絶縁体４７０と、基板４００中に位置し、導電体４５４および絶縁体４７０と重ならない領域である領域４７６と、絶縁体４７０と重なる領域である領域４７４と、を有する。領域４７６は低抵抗層であり、トランジスタ４９３のソース領域またはドレイン領域として機能することが好ましい。また、領域４７４はＬＤＤ（ライトドープドレイン）領域として機能することが好ましい。
【０５２１】
トランジスタ４９３は、ｐチャネル型、ｎチャネル型のいずれでもよいが、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。また、ここでは一例としてトランジスタ４９４が例えば、トランジスタ４９３と逆の極性のトランジスタであるとする。
【０５２２】
基板４００は、例えばシリコン系半導体などの半導体を有することが好ましく、単結晶シリコンを有することが好ましい。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）などを有してもよい。また、結晶格子に歪みを有する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４９３をＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）としてもよい。
【０５２３】
領域４７６は、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ことが好ましい。
【０５２４】
導電体４５４は、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。特に、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。
【０５２５】
図３５（Ｂ）に示すトランジスタ４９３およびトランジスタ４９４は、トレンチ分離法（ＳＴＩ法：Ｓｈａｌｌｏｗ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）等を用いて素子分離する例を示す。具体的には、エッチング等により基板４００に形成されたトレンチに、酸化珪素などが含まれる絶縁物を埋め込んだ後、当該絶縁物をエッチング等により部分的に除去することで形成される素子分離領域４６０により、トランジスタを素子分離させる場合を例示している。
【０５２６】
また、トレンチ以外の領域に存在する基板４００の凸部には、領域４７６及び領域４７４と、チャネル形成領域４０７とが設けられている。チャネル形成領域４０７上には、チャネル形成領域４０７を覆う絶縁体４６２と、絶縁体４６２を間に挟んでチャネル形成領域４０７と重なる導電体４５４が設けられる。
【０５２７】
トランジスタ４９３およびトランジスタ４９４は基板４００に凸部を設けなくともよい。また、例えばトランジスタ４９３およびトランジスタ４９４はＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いて形成してもよい。
【０５２８】
＜トランジスタ４９０＞
図３５に示したトランジスタ４９０の上面図を図３６（Ａ）に示す。また図３６（Ａ）に示す一点鎖線Ｅ１−Ｅ２と、一点鎖線Ｅ３−Ｅ４に対応する断面図を図３６（Ｂ）に示す。
【０５２９】
図３６（Ｂ）に示すように、導電体１０４の電界によって、酸化物半導体１０８ｊを電気的に取り囲むことができる（導電体の電界によって、半導体を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ  ｃｈａｎｎｅｌ（ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。）。そのため、酸化物半導体１０８ｊの全体（バルク）にチャネルが形成される場合がある。ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造では、トランジスタのソース−ドレイン間に大電流を流すことができ、導通時の電流（オン電流）を高くすることができる。
【０５３０】
高いオン電流が得られるため、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造は、微細化されたトランジスタに適した構造といえる。トランジスタを微細化できるため、該トランジスタを有する装置は、集積度の高い、高密度化された装置とすることが可能となる。例えば、トランジスタは、チャネル長が好ましくは４０ｎｍ以下、より好ましくは３０ｎｍ以下、さらに好ましくは２０ｎｍ以下の領域を有し、かつ、トランジスタは、チャネル幅が好ましくは４０ｎｍ以下、より好ましくは３０ｎｍ以下、さらに好ましくは２０ｎｍ以下の領域を有する。
【０５３１】
図３７には、図３６と異なるトランジスタ４９０の構造を示す。図３７（Ａ）はトランジスタの上面図を示す。また、図３７（Ａ）に示す一点鎖線Ｅ１−Ｅ２と、一点鎖線Ｅ３−Ｅ４に対応する断面図を図３７（Ｂ）に示す。図３７（Ｂ）において、絶縁体１０６は酸化物半導体１０８ｋ上に積層される。導電体１０４は、酸化物半導体１０８ｋおよび絶縁体１０６に覆われた開口部を埋めるように形成される。また、酸化物半導体１０８ｋおよび絶縁体１０６は絶縁体５９１の開口部の側面に形成される。
【０５３２】
＜回路動作＞
図３５（Ａ）に示す回路の動作について説明する。図３５（Ａ）に示す回路は、トランジスタ４９４のゲートの電位が保持可能という特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
【０５３３】
情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、端子ＷＬの電位を、トランジスタ４９０が導通状態となる電位にして、トランジスタ４９０を導通状態とする。これにより、端子ＢＬの電位が、トランジスタ４９４のゲート、および容量素子Ｃ１の電極の一方と電気的に接続するノードＦＮに与えられる。すなわち、トランジスタ４９４のゲートには、所定の電荷が与えられる（書き込み）。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷（以下Ｌｏｗレベル電荷、Ｈｉｇｈレベル電荷という。）のどちらかが与えられるものとする。その後、端子ＷＬの電位を、トランジスタ４９０が非導通状態となる電位とすることで、ノードＦＮに電荷が保持される（保持）。
【０５３４】
トランジスタ４９０の半導体層として酸化物半導体を用いることにより、オフ電流を極めて小さくすることができるため、ノードＦＮの電荷は長期間にわたって保持される。
【０５３５】
次に情報の読み出しについて説明する。端子ＢＬに所定の電位（定電位）を与えた状態で、端子ＣＬに適切な電位（読み出し電位）を与えると、端子ＳＬは、ノードＦＮに保持された電荷量に応じた電位をとる。これは、トランジスタ４９４をｎチャネル型とすると、トランジスタ４９４のゲートにＨｉｇｈレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｈは、トランジスタ４９４のゲートにＬｏｗレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｌより低くなるためである。ここで、見かけ上のしきい値電圧とは、トランジスタ４９４を「導通状態」とするために必要な端子ＣＬの電位をいうものとする。したがって、端子ＣＬの電位をＶｔｈ＿ＨとＶｔｈ＿Ｌの間の電位Ｖ０とすることにより、ノードＦＮに与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、ノードＦＮにＨｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、端子ＣＬの電位がＶ０（＞Ｖｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ４９４は「導通状態」となる。一方、ノードＦＮにＬｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、端子ＣＬの電位がＶ０（＜Ｖｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ４９４は「非導通状態」のままである。このため、端子ＳＬの電位を判別することで、ノードＦＮに保持されている情報を読み出すことができる。
【０５３６】
なお、メモリセルをアレイ状に配置する場合、読み出し時には、所望のメモリセルの情報を読み出さなくてはならない。ほかのメモリセルの情報を読み出さないためには、例えば、情報を読み出さないメモリセルにおいては、ノードＦＮに与えられた電荷によらずトランジスタ４９４が「非導通状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｈより低い電位を端子ＣＬに与えることで所望のメモリセルの情報のみを読み出せる構成とすればよい。または、情報を読み出さないメモリセルにおいては、ノードＦＮに与えられた電荷によらずトランジスタ４９４が「導通状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｌより高い電位を端子ＣＬに与えることで所望のメモリセルの情報のみを読み出せる構成とすればよい。
【０５３７】
以上に示した半導体装置は、酸化物半導体を用いたオフ電流の極めて小さいトランジスタを適用することで、長期にわたって記憶内容を保持することが可能となる。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、またはリフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力の低い半導体装置を実現することができる。また、電力の供給がない場合（ただし、電位は固定されていることが好ましい）であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。
【０５３８】
また、該半導体装置は、情報の書き込みに高い電圧が不要であるため、素子の劣化が起こりにくい。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行わないため、絶縁体の劣化といった問題が生じない。すなわち、本発明の一態様に係る半導体装置は、従来の不揮発性メモリで問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上した半導体装置である。さらに、トランジスタの導通状態、非導通状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作が可能となる。
【実施例１】
【０５３９】
本実施例では、面内に図１（Ａ）に示す構造を有するトランジスタ（以下、トランジスタｓとする）と、図１５（Ｃ）に示す構造を有するトランジスタ（以下、トランジスタｄとする）、とを有する試料を作製し、その特性を評価した。
【０５４０】
＜トランジスタの作製＞
試料Ａ−１およびＡ−２の２つの試料を作製した。各試料が有するトランジスタの作製方法について説明する。試料Ａ−２の作製方法において、試料Ａ−１の作製方法と同一の点は説明を省略して、異なる点のみを説明する。
【０５４１】
まず、ガラス基板上に、導電体１０４となる導電膜として、厚さ１００ｎｍのタングステンを成膜した。その後、マスクを形成し、エッチングにより導電体１０４を形成した。
【０５４２】
次に、絶縁体１０６ａとして、厚さ４００ｎｍの窒化シリコン膜を成膜した。窒化シリコン膜はＰＥＣＶＤ法を用いて形成し、成膜ガスとして、シラン、窒素およびアンモニアを用いた。その後、絶縁体１０６ｂとして、厚さ５０ｎｍの酸化窒化シリコン膜を成膜した。酸化窒化シリコン膜はＰＥＣＶＤ法を用いて形成し、圧力を４０Ｐａ、ＲＦ電力を１００Ｗ、基板温度を３５０℃とし、シランおよび一酸化二窒素のガス流量をそれぞれ２０ｓｃｃｍおよび３０００ｓｃｃｍとした。
【０５４３】
次に、酸化物半導体１０８ａとなる酸化物半導体膜を成膜した。酸化物半導体膜として、多結晶の金属酸化物ターゲットを用いて、スパッタリング法により厚さ５０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を成膜した。試料Ａ−１は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用い、ガスとして酸素およびアルゴンを用い、酸素とアルゴンのガス流量の和に対する酸素の割合を３０％とし、ＡＣ電力を２．５ｋＷとし、圧力を０．６Ｐａとし、基板温度を１７０℃とした。試料Ａ−２は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２［原子数比］のターゲットを用い、ガスとして酸素およびアルゴンを用い、酸素とアルゴンのガス流量の和に対する酸素の割合を５０％とし、ＡＣ電力を２．５ｋＷとし、圧力を０．６Ｐａとし、基板温度を１７０℃とした。
【０５４４】
次に、窒素雰囲気において４５０℃１時間の加熱処理を行った後、酸素雰囲気において４５０℃１時間の加熱処理を行った。
【０５４５】
次に、導電体１１２ａおよび１１２ｂとなる導電膜として、厚さ５０ｎｍのタングステン、４００ｎｍのアルミニウム、１００ｎｍのチタンを順に成膜した。その後、マスクを形成し、エッチングにより、導電体１１２ａおよび１１２ｂを形成した。その後、濃度８５％のリン酸を１００分の１に希釈した溶液により、１５秒間処理を行った。
【０５４６】
次に、絶縁体１１４としてＰＥＣＶＤ法により、厚さ４０ｎｍの酸化窒化シリコンを成膜した。圧力を２００Ｐａ、ＲＦ電力を１００Ｗ、基板温度を２２０℃とし、シランおよび一酸化二窒素のガス流量をそれぞれ５０ｓｃｃｍおよび２０００ｓｃｃｍとした。その後、絶縁体１１６としてＰＥＣＶＤ法により、厚さ４００ｎｍの酸化窒化シリコンを成膜した。圧力を２００Ｐａ、電力を１５００Ｗ、基板温度を２２０℃とし、シランおよび一酸化二窒素のガス流量をそれぞれ１６０ｓｃｃｍおよび４０００ｓｃｃｍとした。
【０５４７】
次に、窒素雰囲気において３５０℃１時間の第１の加熱処理を行った。その後、厚さ５ｎｍの酸化珪素を含むインジウム錫酸化物膜（以下、ＩＴＳＯ膜）をスパッタリング法により成膜した。Ｉｎ２Ｏ３：ＳｎＯ２：ＳｉＯ２＝８５：１０：５［重量％］のターゲットを用い、成膜ガスとしてアルゴンおよび酸素を用いた。
【０５４８】
次に、ＩＴＳＯ膜を介して、絶縁体１１６に酸素添加処理を行った。該酸素添加処理としては、アッシング装置を用い、基板温度を４０℃とし、流量２５０ｓｃｃｍの酸素ガス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１２０ｓｅｃ供給して行った。
【０５４９】
次に、ＩＴＳＯ膜を除去し、絶縁体１１６を露出させた。また、ＩＴＳＯ膜の除去方法としては、ウエットエッチングを用いた。
【０５５０】
次に、絶縁体１１８として、ＰＥＣＶＤ法を用い、厚さ１００ｎｍの窒化シリコン膜を成膜した。成膜ガスとしてシラン、窒素およびアンモニアを用い、基板温度を３５０℃とした。
【０５５１】
次に、導電体１１２ｂに達する開口部１４２ｃ及び、導電体１０４に達する開口部１４２ａ、１４２ｂを形成した。開口部１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃとしては、ドライエッチング装置を用いて形成した。
【０５５２】
次に、開口部１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃを覆うように絶縁体１１８上に導電膜を形成し、該導電膜を加工することで導電体１２０ａ、１２０ｂを形成した。ここで図１（Ａ）に示すトランジスタ構造については、導電体１２０ｂを設けなかった。導電体１２０ａ、１２０ｂとしては、厚さ１００ｎｍのＩＴＳＯ膜を、スパッタリング装置を用いて形成した。ＩＴＳＯ膜に用いたターゲットの組成としては、先に示すＩＴＳＯ膜の組成と同様とした。
【０５５３】
次に、第２の熱処理を行った。該第２の熱処理としては、窒素ガス雰囲気下で２５０℃１時間とした。
【０５５４】
以上の工程により、トランジスタを有する試料Ａ−１およびＡ−２を作製した。
【０５５５】
＜トランジスタの評価＞
次に、作製した試料Ａ−１およびＡ−２が有するそれぞれのトランジスタについて、温度６０℃、Ｖｇｓ＝３０Ｖ、１時間のストレスを印加した。チャネル長Ｌが６μｍ、チャネル幅Ｗが５０μｍのトランジスタを評価した。図３８には、ストレス前、１００秒後、５００秒後、１５００秒後、２０００秒後、および１時間後（３６００秒後）のＩｄｓ−Ｖｇｓ特性を示す。Ｉｄｓ−Ｖｇｓ特性は、Ｖｄｓが０．１Ｖおよび１０Ｖの２条件で測定した。ここで、トランジスタｓについては導電体１０４にＶｇｓを印加した。また、トランジスタｄについては導電体１０４および導電体１２０ｂを同電位とし、導電体１０４および導電体１２０ｂにＶｇｓを印加した。
【０５５６】
図３８（Ａ）には、試料Ａ−１が有するトランジスタｄのＩｄｓ−Ｖｄｓ特性を示す。また、図３８（Ｂ）には、試料Ａ−２が有するトランジスタｓのＩｄｓ−Ｖｄｓ特性を示す。１時間後のしきい値の変化量（ΔＶｔｈ）は試料Ａ−１のトランジスタｓにおいて０．１７Ｖ、トランジスタｄにおいて０．１８Ｖであった。また、試料Ａ−２のトランジスタｓにおいて０．７９Ｖ、トランジスタｄにおいて１．２６Ｖであった。以上より、試料Ａ−１においてより優れる特性が得られた。この要因として、試料Ａ−２と比較して、試料Ａ−１に用いた酸化物半導体１０８ａの伝導帯の下端がより低い、酸化物半導体１０８ａのエネルギーギャップがより小さい、等が推測される。
【実施例２】
【０５５７】
本実施例では、図１５（Ｃ）に示す構造を有するトランジスタを作製し、その特性を評価した。
【０５５８】
＜トランジスタの作製＞
試料Ｂ−１およびＢ−２の２つの試料を作製した。各試料が有するトランジスタの作製方法について説明する。試料Ｂ−２の作製方法において、試料Ｂ−１の作製方法と同一の点は説明を省略して、異なる点のみを説明する。
【０５５９】
まず、ガラス基板上に、導電体１０４となる導電膜として、厚さ１００ｎｍのタングステンを成膜した。その後、マスクを形成し、エッチングにより導電体１０４を形成した。
【０５６０】
次に、絶縁体１０６ａとして、厚さ４００ｎｍの窒化シリコン膜を成膜した。窒化シリコン膜はＰＥＣＶＤ法を用いて形成し、成膜ガスとして、シラン、窒素およびアンモニアを用いた。その後、絶縁体１０６ｂとして、厚さ５０ｎｍの酸化窒化シリコン膜を成膜した。酸化窒化シリコン膜はＰＥＣＶＤ法を用いて形成し、圧力を４０Ｐａ、ＲＦ電力を１００Ｗ、基板温度を３５０℃とし、シランおよび一酸化二窒素のガス流量をそれぞれ２０ｓｃｃｍおよび３０００ｓｃｃｍとした。
【０５６１】
次に、酸化物半導体１０８ａとなる酸化物半導体膜を成膜した。酸化物半導体膜として、多結晶の金属酸化物ターゲットを用いて、スパッタリング法により厚さ２５ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を成膜した。試料Ｂ−１は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用い、ガスとして酸素およびアルゴンを用い、酸素とアルゴンのガス流量の和に対する酸素の割合を３０％とし、ＡＣ電力を２．５ｋＷとし、圧力を０．６Ｐａとし、基板温度を１７０℃とした。試料Ｂ−２は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２［原子数比］のターゲットを用い、ガスとして酸素およびアルゴンを用い、酸素とアルゴンのガス流量の和に対する酸素の割合を５０％とし、ＡＣ電力を２．５ｋＷとし、圧力を０．６Ｐａとし、基板温度を１７０℃とした。
【０５６２】
次に、窒素雰囲気において４５０℃１時間の加熱処理を行った後、酸素雰囲気において４５０℃１時間の加熱処理を行った。
【０５６３】
次に、導電体１１２ａおよび１１２ｂとなる導電膜として、厚さ５０ｎｍのタングステン、４００ｎｍのアルミニウム、１００ｎｍのチタンを順に成膜した。その後、マスクを形成し、エッチングにより、導電体１１２ａおよび１１２ｂを形成した。その後、濃度８５％のリン酸を１００分の１に希釈した溶液により、１５秒間処理を行った。
【０５６４】
次に、絶縁体１１４としてＰＥＣＶＤ法により酸化窒化シリコンを成膜した。圧力を２０Ｐａ、ＲＦ電力を１００Ｗ、基板温度を２２０℃とし、シランおよび一酸化二窒素のガス流量をそれぞれ５０ｓｃｃｍおよび２０００ｓｃｃｍとした。その後、絶縁体１１６としてＰＥＣＶＤ法により酸化窒化シリコンを成膜した。圧力を２００Ｐａ、電力を１５００Ｗ、基板温度を２２０℃とし、シランおよび一酸化二窒素のガス流量をそれぞれ１６０ｓｃｃｍおよび４０００ｓｃｃｍとした。
【０５６５】
次に、窒素雰囲気において３５０℃１時間の第１の加熱処理を行った。その後、厚さ５ｎｍのＩＴＳＯ膜をスパッタリング法により成膜した。Ｉｎ２Ｏ３：ＳｎＯ２：ＳｉＯ２＝８５：１０：５［重量％］のターゲットを用い、成膜ガスとしてアルゴンおよび酸素を用いた。
【０５６６】
次に、ＩＴＳＯ膜を介して、絶縁体１１６に酸素添加処理を行った。該酸素添加処理としては、アッシング装置を用い、基板温度を４０℃とし、流量２５０ｓｃｃｍの酸素ガス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１２０ｓｅｃ供給して行った。
【０５６７】
次に、ＩＴＳＯ膜を除去し、絶縁体１１６を露出させた。また、ＩＴＳＯ膜の除去方法としては、ウエットエッチングを用いた。
【０５６８】
次に、絶縁体１１８として、ＰＥＣＶＤ法を用い、厚さ１００ｎｍの窒化シリコン膜を成膜した。成膜ガスとしてシラン、窒素およびアンモニアを用い、基板温度を３５０℃とした。
【０５６９】
次に、導電体１１２ｂに達する開口部１４２ｃ及び、導電体１０４に達する開口部１４２ａ、１４２ｂを形成した。開口部１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃとしては、ドライエッチング装置を用いて形成した。
【０５７０】
次に、開口部１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃを覆うように絶縁体１１８上に導電膜を形成し、該導電膜を加工することで導電体１２０ａ、１２０ｂを形成した。導電体１２０ａ、１２０ｂとしては、厚さ１００ｎｍのＩＴＳＯ膜を、スパッタリング装置を用いて形成した。ＩＴＳＯ膜に用いたターゲットの組成としては、先に示すＩＴＳＯ膜の組成と同様とした。
【０５７１】
次に、第２の熱処理を行った。該第２の熱処理としては、窒素ガス雰囲気下で２５０℃１時間とした。
【０５７２】
以上の工程により、トランジスタを有する試料Ｂ−１およびＢ−２を作製した。
【０５７３】
＜トランジスタの評価＞
次に、作製した試料Ｂ−１および試料Ｂ−２が有するそれぞれのトランジスタｄについて、Ｖｇｓ＝３０Ｖ、１時間のストレスを印加した。トランジスタｄについては導電体１０４および導電体１２０ｂを同電位とし、導電体１０４および導電体１２０ｂにＶｇｓを印加した。測定温度は、４０℃、６０℃、７０℃、８０℃、１００℃および１１０℃とした（７０℃および１１０℃は試料Ｂ−１のみ）。
【０５７４】
チャネル長Ｌが６μｍ、チャネル幅Ｗが５０μｍのトランジスタを評価した。ストレス前、１００秒後、５００秒後、１５００秒後、２０００秒後、および１時間後（３６００秒後）において、Ｖｄｓが０．１Ｖおよび１０ＶでＩｄｓ−Ｖｇｓ特性を測定し、Ｖｄｓ＝１０Ｖの特性からしきい値を算出した。測定温度４０℃において、ストレス印加前のしきい値は、試料Ｂ−１において０．８Ｖ、試料Ｂ−２において１．０Ｖであった。ここでしきい値はＩｄｓ［Ａ］×Ｌ［μｍ］÷Ｗ［μｍ］の値が１×１０−９［Ａ］となるＶｇｓとして求めた。
【０５７５】
試料Ｂ−１およびＢ−２において、ストレス時間としきい値の変化量（ΔＶｔｈ）との関係をそれぞれ図３９（Ａ）および（Ｂ）に示す。また、横軸に１０００／Ｔを、縦軸にΔＶｔｈが１Ｖとなる時間をプロットした結果を図４０に示す。ここで図４０（Ａ）および（Ｂ）には試料Ｂ−１および試料Ｂ−２の結果を示す。これらの結果を元に、数式（１）を用いて活性化エネルギーＥａを求めた。活性化エネルギーＥａは試料Ｂ−１において０．５３ｅＶ、試料Ｂ−２において０．４５ｅＶであった。活性化エネルギーが大きいほど、絶縁体１０６ａが有する欠陥準位へのキャリアの捕獲が抑えられると考えられる。酸化物半導体１０８ａの伝導帯の下端がより低い、酸化物半導体１０８ａのエネルギーギャップがより小さい、等の場合において活性化エネルギーがより大きくなったと推測される。
【実施例３】
【０５７６】
本実施例では、図４３に示す構造を有するトランジスタを作製し、その特性を評価した。
【０５７７】
＜トランジスタの作製＞
試料Ｃ−１およびＣ−２の２つの試料を作製した。各試料が有するトランジスタの作製方法について説明する。試料Ｃ−２の作製方法において、試料Ｃ−１の作製方法と同一の点は説明を省略して、異なる点のみを説明する。
【０５７８】
まず、ガラス基板上に、導電体１０５を形成した。試料Ｃ−１においては、導電体１０５となる導電膜として、厚さ１００ｎｍのタングステンを成膜した。その後、マスクを形成し、エッチングにより導電体１０５を形成した。試料Ｃ−２においては、導電体１０５となる導電膜として、厚さ１０ｎｍのチタンを成膜し、その上に厚さ１００ｎｍの銅を成膜した。その後、マスクを形成し、エッチングにより導電体１０５を形成した。
【０５７９】
次に、絶縁体１０１として、厚さ４００ｎｍの窒化シリコン膜と、厚さ５０ｎｍの酸化窒化シリコン膜との積層膜を用いた。まず、窒化シリコン膜をＰＥＣＶＤ法を用いて形成し、成膜ガスとして、シラン、窒素およびアンモニアを用いた。その後、酸化窒化シリコン膜を、ＰＥＣＶＤ法を用いて形成した。圧力を４０Ｐａ、ＲＦ電力を１００Ｗ、基板温度を３５０℃とし、シランおよび一酸化二窒素のガス流量をそれぞれ２０ｓｃｃｍおよび３０００ｓｃｃｍとした。
【０５８０】
次に、層１０８＿２となる酸化物半導体膜を成膜した。酸化物半導体膜として、多結晶の金属酸化物ターゲットを用いて、スパッタリング法によりＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を成膜した。試料Ｃ−１は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用い、ガスとして酸素およびアルゴンを用い、酸素とアルゴンのガス流量の和に対する酸素の割合を１０％とし、ＡＣ電力を２．５ｋＷとし、圧力を０．６Ｐａとし、基板温度を１３０℃とし、厚さ４０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を成膜した。試料Ｃ−２は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２［原子数比］のターゲットを用い、ガスとして酸素およびアルゴンを用い、酸素とアルゴンのガス流量の和に対する酸素の割合を５０％とし、ＡＣ電力を２．５ｋＷとし、圧力を０．６Ｐａとし、基板温度を１７０℃とし、厚さ４０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を成膜した。
【０５８１】
次に、絶縁体１０６として、ＰＥＣＶＤ法により３層の酸化窒化シリコンの積層膜を成膜した。第１の層として圧力を２００Ｐａ、ＲＦ電力を１００Ｗ、基板温度を３５０℃とし、シランおよび一酸化二窒素のガス流量をそれぞれ２０ｓｃｃｍおよび３０００ｓｃｃｍとし、酸化窒化シリコンを３０ｎｍ成膜した。第２の層として圧力を２００Ｐａ、ＲＦ電力を１５００Ｗ、基板温度を２２０℃とし、シランおよび一酸化二窒素のガス流量をそれぞれ１６０ｓｃｃｍおよび４０００ｓｃｃｍとし、酸化窒化シリコンを１００ｎｍ成膜した。第３の層は第１の層と同じ条件を用い、酸化窒化シリコンを２０ｎｍ成膜した。
【０５８２】
次に、窒素雰囲気において、３５０℃１時間の熱処理を行った。
【０５８３】
次に、導電体１０４の形成を行った。まず、スパッタリング法によりＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を１００ｎｍ成膜した。その後、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物と、絶縁体１０６をアイランド状に加工した。マスクを用いてガスとしてアルゴンおよび窒素を用い、減圧雰囲気下でプラズマ処理を行った。その後、絶縁体１２２として窒化シリコン膜の形成を行い、続いて、絶縁体１２４として酸化窒化シリコン膜の形成を行い、窒化シリコン膜からＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物に水素を供給することにより、導電体１０４を形成した。窒化シリコン膜は、ＰＥＣＶＤ法を用いて、圧力を１００Ｐａ、ＲＦ電力を１０００Ｗ、基板温度を２２０℃とし、シラン、窒素およびアンモニアのガス流量をそれぞれ５０ｓｃｃｍ、５０００ｓｃｃｍおよび１００ｓｃｃｍとし、１００ｎｍ成膜した。酸化窒化シリコン膜は、ＰＥＣＶＤ法を用いて、圧力を２００Ｐａ、ＲＦ電力を１５００Ｗ、基板温度を２２０℃とし、シランおよび亜酸化窒素のガス流量をそれぞれ１６０ｓｃｃｍおよび４０００ｓｃｃｍとし、３００ｎｍ成膜した。
【０５８４】
その後、試料Ｃ−１については、ＰＥＣＶＤ法を用いて厚さ３００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を形成し、その後、窒素雰囲気下で３５０℃１時間の熱処理を行った。
【０５８５】
次に、試料Ｃ−１および試料Ｃ−２について、絶縁体１２２および絶縁体１２４に、開口部１４１ａ等を設け、その後、導電体１１２ａおよび導電体１１２ｂを形成し、その後、１．５μｍのアクリル樹脂膜を形成し、その後、窒素雰囲気下で２５０℃１時間の熱処理を行った。
【０５８６】
以上の工程により、図４３に示す構造を有するトランジスタを、試料Ｃ−１および試料Ｃ−２に形成した。
【０５８７】
＜トランジスタの評価＞
次に、作製した試料Ｃ−１およびＣ−２が有するそれぞれのトランジスタについて、温度６０℃、Ｖｇｓ＝３０Ｖ、１時間のストレスを印加した。チャネル長Ｌが３μｍ、チャネル幅Ｗが５０μｍのトランジスタを評価した。図４５には、ストレス前、１００秒後、５００秒後、１５００秒後、２０００秒後、および１時間後（３６００秒後）のＩｄｓ−Ｖｇｓ特性を示す。図４５（Ａ）は試料Ｃ−１の、図４５（Ｂ）は試料Ｃ−２のトランジスタの結果をそれぞれ示す。Ｉｄｓ−Ｖｇｓ特性は、試料Ｃ−１についてはＶｄｓが０．１Ｖおよび１０Ｖの２条件で、試料Ｃ−２についてはＶｄｓが０．１Ｖおよび５Ｖの２条件で測定した。ここで、導電体１０４および導電体１０５を同電位とし、導電体１０４および導電体１０５にＶｇｓを印加した。１時間後のしきい値の変化量（ΔＶｔｈ）は試料Ｃ−１のトランジスタにおいて０．７９Ｖ、試料Ｃ−２のトランジスタにおいて４．２３Ｖであった。
【０５８８】
また図４６には、横軸にストレス印加時間、縦軸にΔＶｔｈをプロットした図を示す。ここで図４６で得られた結果を、実施の形態１に示した数式（２）で近似し、αおよびβを求めた。試料Ｃ−１においてはαが０．０４、βが０．３５、試料Ｃ−２においてはαが０．６１、βが０．２６であった。
【０５８９】
試料Ｃ−１においてαが小さいという結果が得られた。この要因として、試料Ｃ−２と比較して、試料Ｃ−１に用いた層１０８＿２の伝導帯の下端がより低い、層１０８＿２のエネルギーギャップがより小さい、等が推測される。
【実施例４】
【０５９０】
本実施例では、酸化物半導体のホール移動度の温度依存性の評価結果を示す。
【０５９１】
＜試料の作製＞
評価を行う試料を作製した。まずガラス基板上に窒化シリコンを１００ｎｍ成膜し、その上に酸化窒化シリコンを１５０ｎｍ成膜した。酸化窒化シリコンはシランガスと亜酸化窒素ガスとを用い、ＰＥＣＶＤ法により成膜した。
【０５９２】
次に、タングステン膜を成膜し、パターニングを用いて、第１のゲート電極として機能する導電体１０４を形成した。なお、ホール移動度の測定には導電体１０４の形成されていない領域を用いた。その後、絶縁体１０６ｂとして酸化窒化シリコンをＰＥＣＶＤ法により２００ｎｍ成膜した。酸化窒化シリコンの成膜条件として、シランおよび亜酸化窒素のガス流量をそれぞれ２０ｓｃｃｍおよび３０００ｓｃｃｍとし、基板温度を３５０℃、電力を１００Ｗ、圧力を４０Ｐａとした。
【０５９３】
次に、酸化物半導体１０８ａを形成した。酸化物半導体１０８ａの形成には、スパッタリング法を用いてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を１００ｎｍ成膜した。ターゲットとして原子数比Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いた。成膜条件として、ガスはアルゴンと酸素を用い、ガス全体に対する酸素の割合を１０％とした。また圧力を０．７Ｐａに制御し、基板温度を１００℃、ＤＣ電源により出力５ｋＷ印加して行った。
【０５９４】
次に、窒素雰囲気で３５０℃において１時間の熱処理を行い、続けて酸素ガスで３５０℃において１時間の熱処理を行った。
【０５９５】
次に、タングステンを５０ｎｍ、アルミニウムを４００ｎｍ、チタンを１００ｎｍの順に成膜し、パターニングにより導電体１１２ａ、導電体１１２ｂ、等の電極を形成した。
【０５９６】
次に、酸素雰囲気で３００℃において１時間の熱処理を行った。その後、スパッタリング法により酸化シリコン膜を４００ｎｍ成膜した。
【０５９７】
次に、酸素雰囲気で３５０℃において１時間の熱処理を行った。その後、窒素雰囲気で２５０℃において１時間の熱処理を行った。
【０５９８】
以上の工程により、ホール効果測定を行う試料を作製した。
【０５９９】
＜試料の評価＞
作製した試料のホール効果測定を行い、ホール（Ｈａｌｌ）移動度を評価した。なお、ホール効果測定は、株式会社東陽テクニカ製ＲｅｓｉＴｅｓｔ８３００シリーズを用いて行った。
【０６００】
ホール効果測定により得られた電子のホール移動度の温度依存性を図５０に示す。横軸に測定温度、縦軸にホール移動度を示す。ホール移動度は温度と共に上昇する傾向がみられ、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物中では、電子の移動へのフォノン散乱の影響は支配的ではないことが示唆される。
【実施例５】
【０６０１】
酸化物半導体にレーザを照射することにより、組成、不純物濃度および結晶性が変化する場合がある。以下にその一例を示す。
【０６０２】
評価を行った試料は、石英基板上に金属酸化物膜として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のターゲットを用いて、試料Ａを３５ｎｍ成膜し、その後、レーザ光を照射したものである。
【０６０３】
試料Ａは、スパッタリングターゲットとして、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１のターゲットを用い、スパッタリングガスとして、３０ｓｃｃｍのアルゴンと、１５ｓｃｃｍの酸素をスパッタリング装置の処理室内に供給し、処理室内の圧力を０．４Ｐａに制御して、０．５ｋＷの直流電力を供給して成膜した。なお、当該Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物膜を成膜する際の基板温度は、室温（２５℃）とした。
【０６０４】
また、レーザ処理には、ＸｅＣｌエキシマレーザ（Ｌａｍｂｄａ  ＳＴＥＥＬ２０００）を用い、レーザの波長はλ＝３０８ｎｍ、パルス幅は２５ｎｓｅｃ（半値全幅）とした。線状に成型したレーザビームを、室温（２５℃）、Ｎ２吹きつけの環境下で線状ビームの長軸と垂直方向に基板スキャンしながら照射した。線状ビームのビーム幅は約３２０μｍ、３０Ｈｚ発振で１ｍｍ／ｓｅｃでスキャンしたため、同一箇所に照射されるレーザショット数は約１０ｓｈｏｔとなった。レーザエネルギー密度は、照射なし、２００ｍＪ／ｃｍ２、２９０ｍＪ／ｃｍ２、３９２ｍＪ／ｃｍ２、および４４５ｍＪ／ｃｍ２とした。
【０６０５】
ＸＲＤを用いて、Ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法により、試料の結晶性評価を行った。
【０６０６】
図５０に、Ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法によるＸＲＤパターンのレーザエネルギー密度依存性を示す。
【０６０７】
図５１より試料Ａは、レーザエネルギー密度が２９０ｍＪ／ｃｍ２以上で２θが３１°近傍のピークおよび２θが３６°近傍のピークが現れた。４４５ｍＪ／ｃｍ２では、３９２ｍＪ／ｃｍ２に比べて３１°近傍のピークが弱くなる傾向がみられ、３６°近傍のピークはほぼみられなくなった。
【０６０８】
Ｘ線光電子分光分析法（ＸＰＳ：Ｘ−ｒａｙ  Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により試料の測定を行った。試料Ａの深さ方向に対するインジウム、ガリウム、亜鉛、酸素、およびシリコンの組成比を求めた。
【０６０９】
ＸＰＳ分析結果を図５２乃至図５４に示す。図５２乃至図５４において、横軸はスパッタ時間（ｍｉｎ）を、縦軸は組成比（ａｔｏｍｉｃ％）を、それぞれ表す。図５２（Ａ）にインジウム、（Ｂ）にガリウム、図５３（Ａ）に亜鉛、（Ｂ）に酸素、図５４にシリコンの結果をそれぞれ示す。
【０６１０】
４４５ｍＪ／ｃｍ２では組成の変化が緩やかになる傾向がみられる。例えば膜表面がより粗くなり、その影響を受けている可能性がある。あるいは、基板と金属酸化物との混在が生じている可能性もある。
【０６１１】
次に、試料Ａについて、ＳＩＭＳによる深さ方向の分析をおこなった。
【０６１２】
図５５には、照射なし、２９０ｍＪ／ｃｍ２、３９２ｍＪ／ｃｍ２、および４４５ｍＪ／ｃｍ２の各条件において、シリコン濃度の深さ方向分布をＳＩＭＳで評価した結果を示す。
【０６１３】
シリコン濃度は、３９２ｍＪ／ｃｍ２では１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、４４５ｍＪ／ｃｍ２では１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であった。照射なし、および２９０ｍＪ／ｃｍ２においては、おおよその領域において、シリコン濃度は１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下に抑えられることがわかった。
【０６１４】
ＴＥＭ観察、および電子線回折により試料の評価を行った。
【０６１５】
図５６には、断面ＴＥＭの結果を示す。観察には日立ハイテクノロジーズ製のＨ−９０００ＮＡＲを用いた。図５６（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）および（Ｄ）はそれぞれ、レーザ照射なし、レーザエネルギー密度が２９０ｍＪ／ｃｍ２、３９２ｍＪ／ｃｍ２、および４４５ｍＪ／ｃｍ２を示す。レーザエネルギー密度が高くなるのに伴い格子縞が観測されるようになり、レーザ照射による結晶化が示唆される。但し、４４５ｍＪ／ｃｍ２においては、ＸＲＤの結果からも示唆される通り、３９２ｍＪ／ｃｍ２と比較して格子縞が弱くなる傾向がみられる。
【０６１６】
次に、図５７に平面ＴＥＭの結果を示す。図５７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）および（Ｄ）はそれぞれ、レーザ照射なし、レーザエネルギー密度が２９０ｍＪ／ｃｍ２、３９２ｍＪ／ｃｍ２、および４４５ｍＪ／ｃｍ２を示す。レーザエネルギー密度が高くなるのに伴い結晶粒が顕著に観測されるようになり、レーザ照射による結晶化が示唆される。但し、４４５ｍＪ／ｃｍ２においては、ＸＲＤの結果、および断面ＴＥＭの結果からも示唆される通り、３９２ｍＪ／ｃｍ２などと比較して結晶粒がはっきりと観測されなくなる。
【０６１７】
図５８には、レーザエネルギー密度が３９２ｍＪ／ｃｍ２において、金属酸化物膜の断面における電子線回折の結果を示す。観察には、日立ハイテクノロジーズ製のＨＦ−２０００を用いた。電子線のビーム径は約１ｎｍφとした。格子縞が観測される領域（１）においては、ＪＣＰＤＳカードのＮｏ．３８−１１１４との対応がみられた。膜厚方向の中央近傍の領域（２）においては、リング状に並ぶ複数の輝点が観測され、ｎｃ（ｎａｎｏ  ｃｒｙｓｔａｌ）の結晶構造を有することが示唆される。
【符号の説明】
【０６１８】
１０    半導体装置
１００    トランジスタ
１００Ａ    トランジスタ
１０１    絶縁体
１０２    基板
１０４    導電体
１０４＿０    導電体
１０４ａ    導電体
１０４ｂ    導電体
１０５    導電体
１０６    絶縁体
１０６ａ    絶縁体
１０６ｂ    絶縁体
１０７＿３    酸化物半導体
１０８    酸化物半導体
１０８＿１    層
１０８＿２    層
１０８＿３    層
１０８ａ    酸化物半導体
１０８ｂ    酸化物半導体
１０８ｄ    ドレイン領域
１０８ｈ    酸化物半導体
１０８ｉ    チャネル領域
１０８ｊ    酸化物半導体
１０８ｋ    酸化物半導体
１０８ｓ    ソース領域
１１０    絶縁体
１１２    導電体
１１２ａ    導電体
１１２ｂ    導電体
１１４    絶縁体
１１６    絶縁体
１１７    酸化物半導体膜
１１８    絶縁体
１２０ａ    導電体
１２０ｂ    導電体
１２２    絶縁体
１２４    絶縁体
１２６    導電体
１４１ａ    開口部
１４１ｂ    開口部
１４２ａ    開口部
１４２ｂ    開口部
１４２ｃ    開口部
１４３    開口部
１７０    トランジスタ
４００    基板
４０２    絶縁体
４０２ｂ    絶縁体
４０７    チャネル形成領域
４０８    絶縁体
４５４    導電体
４６０    素子分離領域
４６２    絶縁体
４６４    絶縁体
４６４ａ    絶縁体
４６４ｂ    絶縁体
４７０    絶縁体
４７４    領域
４７６    領域
４９０    トランジスタ
４９３    トランジスタ
４９４    トランジスタ
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
５１１    導電体
５１３    導電体
５１４    導電体
５１６    導電体
５１６ｂ    導電体
５１７    導電体
５１８    導電体
５１９    導電体
５４１    プラグ
５４４    プラグ
５４４ｂ    プラグ
５４５    プラグ
５４７    プラグ
５４７ｂ    プラグ
５４８    プラグ
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
５６８    発光素子
５７０    液晶素子
５７１    絶縁体
５７１ａ    絶縁体
５７２    絶縁体
５８１    絶縁体
５８１ａ    絶縁体
５８１ｂ    絶縁体
５８４    絶縁体
５８５    絶縁体
５９１    絶縁体
５９１ｂ    絶縁体
５９２    絶縁体
５９３    絶縁体
５９４    絶縁体
５９９    絶縁体
６２７    層
６２８    層
６２９    層
６３０    層
６３１    層
７００    表示装置
７０１    基板
７０２    画素部
７０４    ソースドライバ回路部
７０５    基板
７０６    ゲートドライバ回路部
７０８    ＦＰＣ端子部
７１０    信号線
７１１    配線部
７１２    シール材
７１６    ＦＰＣ
７３０    絶縁膜
７３２    封止膜
７３４    絶縁膜
７３６    着色膜
７３８    遮光膜
７５０    トランジスタ
７５２    トランジスタ
７６０    接続電極
７６４    絶縁膜
７６６    絶縁膜
７６７    酸化物半導体膜
７６８    絶縁膜
７７０    平坦化絶縁膜
７７２    導電膜
７７４    導電膜
７７５    液晶素子
７７６    液晶層
７７８    構造体
７８０    異方性導電膜
７８２    発光素子
７８４    導電膜
７８６    ＥＬ層
７８８    導電膜
７９０    容量素子
８０００    表示モジュール
８００１    上部カバー
８００２    下部カバー
８００３    ＦＰＣ
８００４    タッチパネル
８００５    ＦＰＣ
８００６    表示パネル
８００７    バックライト
８００８    光源
８００９    フレーム
８０１０    プリント基板
８０１１    バッテリ
９０００    筐体
９００１    表示部
９００３    スピーカ
９００５    操作キー
９００６    接続端子
９００７    センサ
９００８    マイクロフォン
９０５０    操作ボタン
９０５１    情報
９０５２    情報
９０５３    情報
９０５４    情報
９０５５    ヒンジ
９１００    携帯情報端末
９１０１    携帯情報端末
９１０２    携帯情報端末
９２００    携帯情報端末
９２０１    携帯情報端末
【図１】
2018032839.tif 000010
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2018032839.tif 000014
【図６】
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【図７】
2018032839.tif 000016
【図８】
2018032839.tif 000017
【図９】
2018032839.tif 000018
【図１０】
2018032839.tif 000019
【図１１】
2018032839.tif 000020
【図１２】
2018032839.tif 000021
【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】
2018032839.tif 000027
【図１９】
2018032839.tif 000028
【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】
2018032839.tif 000033
【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
2018032839.tif 000036
【図２８】
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【図２９】
2018032839.tif 000038
【図３０】
2018032839.tif 000039
【図３１】
2018032839.tif 000040
【図３２】
2018032839.tif 000041
【図３３】
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【図３４】
2018032839.tif 000043
【図３５】
2018032839.tif 000044
【図３６】
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【図３７】
2018032839.tif 000046
【図３８】
2018032839.tif 000047
【図３９】
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【図４０】
2018032839.tif 000049
【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】
2018032839.tif 000054
【図４６】
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【図４７】
2018032839.tif 000056
【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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