(57)【要約】【課題】酸化物半導体を有するトランジスタにおいて、電気特性の変動を抑制し信頼性を向上させる。【解決手段】トランジスタを有する半導体装置であって、トランジスタは、ゲート電極と、ゲート電極上の第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜上の第２の絶縁膜と、第２の絶縁膜上の酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜に電気的に接続されるソース電極と、酸化物半導体膜に電気的に接続されるドレイン電極と、ソース電極上の第３の絶縁膜と、ドレイン電極上の第４の絶縁膜と、を有し、トランジスタ上には、第５の絶縁膜が設けられ、第５の絶縁膜は、酸素を有し、第３の絶縁膜は、第１の部分を有し、第４の絶縁膜は、第２の部分を有し、第５の絶縁膜は、第３の部分を有し、昇温脱離ガス分析法において、第１の部分の酸素分子の放出量は、第３の部分の酸素分子の放出量よりも少なく、且つ、第２の部分の酸素分子の放出量は、第３の部分の酸素分子の放出量よりも少ない。【選択図】図１
2015179840.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランジスタを有する半導体装置であって、
前記トランジスタは、
ゲート電極と、
前記ゲート電極上の第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜上の第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜上の酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜に電気的に接続されるソース電極と、
前記酸化物半導体膜に電気的に接続されるドレイン電極と、
前記ソース電極上の第３の絶縁膜と、
前記ドレイン電極上の第４の絶縁膜と、を有し、
前記トランジスタ上には、第５の絶縁膜が設けられ、
前記第５の絶縁膜は、酸素を有し、
前記第３の絶縁膜は、第１の部分を有し、
前記第４の絶縁膜は、第２の部分を有し、
前記第５の絶縁膜は、第３の部分を有し、
昇温脱離ガス分析法において、
前記第１の部分の酸素分子の放出量は、前記第３の部分の酸素分子の放出量よりも少なく、且つ、
前記第２の部分の酸素分子の放出量は、前記第３の部分の酸素分子の放出量よりも少ない、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
トランジスタを有する半導体装置であって、
前記トランジスタは、
ゲート電極と、
前記ゲート電極上の第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜上の第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜上の酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜に電気的に接続されるソース電極と、
前記酸化物半導体膜に電気的に接続されるドレイン電極と、
前記ソース電極上の第３の絶縁膜と、
前記ドレイン電極上の第４の絶縁膜と、を有し、
前記トランジスタ上には、第５の絶縁膜が設けられ、
前記第５の絶縁膜上には、第６の絶縁膜が設けられ、
前記第５の絶縁膜は、酸素を有し、
前記第６の絶縁膜は、金属を有し、
前記第６の絶縁膜は、酸素と窒素の少なくともいずれか一つを有し、
前記第３の絶縁膜は、第１の部分を有し、
前記第４の絶縁膜は、第２の部分を有し、
前記第５の絶縁膜は、第３の部分を有し、
昇温脱離ガス分析法において、
前記第１の部分の酸素分子の放出量は、前記第３の部分の酸素分子の放出量よりも少なく、且つ、
前記第２の部分の酸素分子の放出量は、前記第３の部分の酸素分子の放出量よりも少ない、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
トランジスタを有する半導体装置であって、
前記トランジスタは、
ゲート電極と、
前記ゲート電極上の第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜上の第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜上の酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜に電気的に接続されるソース電極と、
前記酸化物半導体膜に電気的に接続されるドレイン電極と、
前記ソース電極上の第３の絶縁膜と、
前記ドレイン電極上の第４の絶縁膜と、
前記酸化物半導体膜上の第５の絶縁膜と、を有し、
前記第５の絶縁膜は、酸素を有し、
前記第３の絶縁膜は、第１の部分を有し、
前記第４の絶縁膜は、第２の部分を有し、
前記第５の絶縁膜は、第３の部分を有し、
昇温脱離ガス分析法において、
前記第１の部分の酸素分子の放出量は、前記第３の部分の酸素分子の放出量よりも少なく、且つ、
前記第２の部分の酸素分子の放出量は、前記第３の部分の酸素分子の放出量よりも少ない、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
トランジスタを有する半導体装置であって、
前記トランジスタは、
ゲート電極と、
前記ゲート電極上の第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜上の第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜上の酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜に電気的に接続されるソース電極と、
前記酸化物半導体膜に電気的に接続されるドレイン電極と、
前記ソース電極上の第３の絶縁膜と、
前記ドレイン電極上の第４の絶縁膜と、
前記酸化物半導体膜上の第５の絶縁膜と、を有し、
前記トランジスタ上には第６の絶縁膜が設けられ、
前記第６の絶縁膜は、金属を有し、
前記第６の絶縁膜は、酸素と窒素の少なくともいずれか一つを有し、
前記第５の絶縁膜は、酸素を有し、
前記第３の絶縁膜は、第１の部分を有し、
前記第４の絶縁膜は、第２の部分を有し、
前記第５の絶縁膜は、第３の部分を有し、
昇温脱離ガス分析法において、
前記第１の部分の酸素分子の放出量は、前記第３の部分の酸素分子の放出量よりも少なく、且つ、
前記第２の部分の酸素分子の放出量は、前記第３の部分の酸素分子の放出量よりも少ない、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１つにおいて、
前記第３の絶縁膜の端部は、
前記ソース電極の端部と揃う領域を有し、
前記第４の絶縁膜の端部は、
前記ドレイン電極の端部と揃う領域を有する、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項４のいずれか１つにおいて、
前記第１の部分は、
昇温脱離ガス分析法において、
酸素分子の放出量が１×１０１９個／ｃｍ３未満であり、
前記第２の部分は、
前記昇温脱離ガス分析法において、
酸素分子の放出量が１×１０１９個／ｃｍ３未満であり、
前記第３の部分は、
前記昇温脱離ガス分析法において、
酸素分子の放出量が１×１０１９個／ｃｍ３以上である、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項４のいずれか一つにおいて、
前記第５の絶縁膜は、
酸素、窒素、及びシリコンを有する、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項４のいずれか一つにおいて、
前記第３の絶縁膜及び前記第４の絶縁膜は、
窒素及びシリコンを有する、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項２または請求項４において、
前記金属は、
インジウム、亜鉛、チタン、アルミニウム、タングステン、タンタル、またはモリブデンの中から選ばれる少なくとも１以上を有する、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項４のいずれか一つにおいて、
前記酸化物半導体膜は、
酸素と、Ｉｎと、Ｚｎと、Ｍ（Ｍは、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、またはＨｆを表す）とを有する、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項４のいずれか一つにおいて、
前記酸化物半導体膜は、
結晶部を有し、
前記結晶部は、前記結晶部のｃ軸が前記酸化物半導体膜の被形成面の法線ベクトルに平行である部分を有する、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１１に記載のいずれか一つの半導体装置と、
表示素子と、
を有することを特徴とする表示装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の表示装置と、
タッチセンサと、
を有することを特徴とする表示モジュール。
【請求項１４】
請求項１乃至請求項１１に記載のいずれか一つの半導体装置、請求項１２に記載の表示装置、または請求項１３に記載の表示モジュールと、
操作キーまたはバッテリと、
を有することを特徴とする電子機器。
【請求項１５】
トランジスタを有する半導体装置であって、
前記トランジスタは、
ゲート電極と、
前記ゲート電極上の第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜上の第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜上の酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜に電気的に接続されるソース電極と、
前記酸化物半導体膜に電気的に接続されるドレイン電極と、
前記ソース電極上の第３の絶縁膜と、
前記ドレイン電極上の第４の絶縁膜と、を有し、
前記トランジスタ上には、第５の絶縁膜が設けられ、
前記第５の絶縁膜は、酸素を有し、
前記第３の絶縁膜は、熱による酸素の放出量が前記第５の絶縁膜よりも少ない領域を有し、
前記第４の絶縁膜は、熱による酸素の放出量が前記第５の絶縁膜よりも少ない領域を有する、
ことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の一態様は、酸化物半導体膜を用いた半導体装置及び該半導体装置を用いた表示装置に関する。
【０００２】
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本発明は、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。特に、本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、それらの駆動方法、またはそれらの製造方法に関する。
【０００３】
なお、本明細書等において、半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、半導体回路、演算装置、記憶装置は、半導体装置の一態様である。撮像装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、電気光学装置、発電装置（薄膜太陽電池、有機薄膜太陽電池等を含む）、及び電子機器は、半導体装置を有している場合がある。
【背景技術】
【０００４】
絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタ（電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、または薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）ともいう）を構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（表示装置）のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコンを代表とする半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている（例えば、特許文献１）。
【０００５】
また、チャネルを形成する酸化物半導体層の下地絶縁層に、加熱により酸素を放出する絶縁層を用い、該酸化物半導体層の酸素欠損を低減する半導体装置が開示されている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１６５５２９号公報
【特許文献２】特開２０１２−９８３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
酸化物半導体膜をチャネル領域に用いてトランジスタを作製する場合、酸化物半導体膜中に形成される酸素欠損は、トランジスタ特性に影響を与えるため問題となる。例えば、酸化物半導体膜中に酸素欠損が形成されると、該酸素欠損に水素が結合し、キャリア供給源となる。酸化物半導体膜中にキャリア供給源が生成されると、酸化物半導体膜を有するトランジスタの電気特性の変動、代表的にはしきい値電圧のシフトが生じる。また、トランジスタごとに電気特性がばらつくという問題がある。したがって、酸化物半導体膜のチャネル領域においては、酸素欠損が少ないほど好ましい。
【０００８】
上記問題に鑑み、本発明の一態様は、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることを課題の１つとする。または、本発明の一態様は、消費電力が低減された半導体装置を提供することを課題の１つとする。または、本発明の一態様は、新規な半導体装置を提供することを課題の１つとする。または、本発明の一態様は、新規な表示装置を提供することを課題の１つとする。
【０００９】
なお、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。なお、本発明の一態様は、必ずしも、これらの課題の全てを解決する必要はない。上記以外の課題は、明細書等の記載から自ずと明らかになるものであり、明細書等の記載から上記以外の課題を抽出することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様は、トランジスタを有する半導体装置であって、トランジスタは、ゲート電極と、ゲート電極上の第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜上の第２の絶縁膜と、第２の絶縁膜上の酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜に電気的に接続されるソース電極と、酸化物半導体膜に電気的に接続されるドレイン電極と、ソース電極上の第３の絶縁膜と、ドレイン電極上の第４の絶縁膜と、を有し、トランジスタ上には、第５の絶縁膜が設けられ、第５の絶縁膜は、酸素を有し、第３の絶縁膜は、第１の部分を有し、第４の絶縁膜は、第２の部分を有し、第５の絶縁膜は、第３の部分を有し、昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ））において、第１の部分の酸素分子の放出量は、第３の部分の酸素分子の放出量よりも少なく、且つ、第２の部分の酸素分子の放出量は、第３の部分の酸素分子の放出量よりも少ないことを特徴とする半導体装置である。
【００１１】
また、本発明の他の一態様は、トランジスタを有する半導体装置であって、トランジスタは、ゲート電極と、ゲート電極上の第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜上の第２の絶縁膜と、第２の絶縁膜上の酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜に電気的に接続されるソース電極と、酸化物半導体膜に電気的に接続されるドレイン電極と、ソース電極上の第３の絶縁膜と、ドレイン電極上の第４の絶縁膜と、を有し、トランジスタ上には、第５の絶縁膜が設けられ、第５の絶縁膜上には、第６の絶縁膜が設けられ、第５の絶縁膜は、酸素を有し、第６の絶縁膜は、金属を有し、第６の絶縁膜は、酸素と窒素の少なくともいずれか一つを有し、第３の絶縁膜は、第１の部分を有し、第４の絶縁膜は、第２の部分を有し、第５の絶縁膜は、第３の部分を有し、昇温脱離ガス分析法において、第１の部分の酸素分子の放出量は、第３の部分の酸素分子の放出量よりも少なく、且つ、第２の部分の酸素分子の放出量は、第３の部分の酸素分子の放出量よりも少ないことを特徴とする半導体装置である。
【００１２】
また、本発明の他の一態様は、トランジスタを有する半導体装置であって、トランジスタは、ゲート電極と、ゲート電極上の第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜上の第２の絶縁膜と、第２の絶縁膜上の酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜に電気的に接続されるソース電極と、酸化物半導体膜に電気的に接続されるドレイン電極と、ソース電極上の第３の絶縁膜と、ドレイン電極上の第４の絶縁膜と、酸化物半導体膜上の第５の絶縁膜と、を有し、第５の絶縁膜は、酸素を有し、第３の絶縁膜は、第１の部分を有し、第４の絶縁膜は、第２の部分を有し、第５の絶縁膜は、第３の部分を有し、昇温脱離ガス分析法において、第１の部分の酸素分子の放出量は、第３の部分の酸素分子の放出量よりも少なく、且つ、第２の部分の酸素分子の放出量は、第３の部分の酸素分子の放出量よりも少ないことを特徴とする半導体装置である。
【００１３】
また、本発明の他の一態様は、トランジスタを有する半導体装置であって、トランジスタは、ゲート電極と、ゲート電極上の第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜上の第２の絶縁膜と、第２の絶縁膜上の酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜に電気的に接続されるソース電極と、酸化物半導体膜に電気的に接続されるドレイン電極と、ソース電極上の第３の絶縁膜と、ドレイン電極上の第４の絶縁膜と、酸化物半導体膜上の第５の絶縁膜と、を有し、トランジスタ上には第６の絶縁膜が設けられ、第６の絶縁膜は、金属を有し、第６の絶縁膜は、酸素と窒素の少なくともいずれか一つを有し、第５の絶縁膜は、酸素を有し、第３の絶縁膜は、第１の部分を有し、第４の絶縁膜は、第２の部分を有し、第５の絶縁膜は、第３の部分を有し、昇温脱離ガス分析法において、第１の部分の酸素分子の放出量は、第３の部分の酸素分子の放出量よりも少なく、且つ、第２の部分の酸素分子の放出量は、第３の部分の酸素分子の放出量よりも少ないことを特徴とする半導体装置である。
【００１４】
また、本発明の他の一態様は、トランジスタを有する半導体装置であって、トランジスタは、ゲート電極と、ゲート電極上の第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜上の第２の絶縁膜と、第２の絶縁膜上の酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜に電気的に接続されるソース電極と、酸化物半導体膜に電気的に接続されるドレイン電極と、ソース電極上の第３の絶縁膜と、ドレイン電極上の第４の絶縁膜と、を有し、トランジスタ上には、第５の絶縁膜が設けられ、第５の絶縁膜は、酸素を有し、第３の絶縁膜は、熱による酸素の放出量が第５の絶縁膜よりも少ない領域を有し、第４の絶縁膜は、熱による酸素の放出量が第５の絶縁膜よりも少ない領域を有する、ことを特徴とする半導体装置である。
【００１５】
上記各構成において、第３の絶縁膜の端部は、ソース電極の端部と揃う領域を有し、第４の絶縁膜の端部は、ドレイン電極の端部と揃う領域を有すると好ましい。
【００１６】
また、上記各構成において、第１の部分は、昇温脱離ガス分析法において、酸素分子の放出量が１×１０１９個／ｃｍ３未満であり、第２の部分は、昇温脱離ガス分析法において、酸素分子の放出量が１×１０１９個／ｃｍ３未満であり、第３の部分は、昇温脱離ガス分析法において、酸素分子の放出量が１×１０１９個／ｃｍ３以上であると好ましい。
【００１７】
また、上記各構成において、第５の絶縁膜は、酸素、窒素、及びシリコンを有すると好ましい。また、上記各構成において、第３の絶縁膜及び第４の絶縁膜は、窒素及びシリコンを有すると好ましい。
【００１８】
また、上記各構成において、第６の絶縁膜が有する金属は、インジウム、亜鉛、チタン、アルミニウム、タングステン、タンタル、またはモリブデンの中から選ばれる少なくとも１以上を有すると好ましい。
【００１９】
また、上記各構成において、酸化物半導体膜は、酸素と、Ｉｎと、Ｚｎと、Ｍ（Ｍは、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、またはＨｆを表す）とを有すると好ましい。また、上記各構成において、酸化物半導体膜は、結晶部を有し、結晶部は、結晶部のｃ軸が酸化物半導体膜の被形成面の法線ベクトルに平行である部分を有すると好ましい。
【００２０】
また、本発明の他の一態様は、上記各構成にいずれか一つに記載の半導体装置と表示素子とを有する表示装置である。また、本発明の他の一態様は、該表示装置とタッチセンサとを有する表示モジュールである。また、本発明の他の一態様は、上記各構成にいずれか一つに記載の半導体装置、上記表示装置、または上記表示モジュールと、操作キーまたはバッテリとを有する電子機器である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の一態様により、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、本発明の一態様により、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、新規な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、新規な表示装置を提供することができる。
【００２２】
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】
【００２３】
【図１】半導体装置の一態様を示す上面図及び断面図。
【図２】半導体装置の一態様を示す断面図。
【図３】半導体装置の一態様を示す断面図。
【図４】半導体装置の一態様を示す上面図及び断面図。
【図５】半導体装置の一態様を示す断面図。
【図６】半導体装置の一態様を示す上面図及び断面図。
【図７】半導体装置の一態様を示す断面図。
【図８】半導体装置の一態様を示す上面図及び断面図。
【図９】半導体装置の一態様を示す断面図。
【図１０】半導体装置の一態様を示す断面図。
【図１１】バンド構造を説明する図。
【図１２】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図１３】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図１４】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図１５】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図１６】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図１７】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図１８】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図１９】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図２０】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図２１】ＣＡＡＣ−ＯＳの断面におけるＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像、およびＣＡＡＣ−ＯＳの断面模式図。
【図２２】ＣＡＡＣ−ＯＳの平面におけるＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像。
【図２３】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。
【図２４】Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物中の酸素の移動経路を説明する図。
【図２５】計算モデルを説明する図。
【図２６】初期状態と最終状態を説明する図。
【図２７】活性化障壁を説明する図。
【図２８】初期状態と最終状態を説明する図。
【図２９】活性化障壁を説明する図。
【図３０】ＶｏＨの遷移レベルを説明する図。
【図３１】表示装置の一態様を示す上面図。
【図３２】表示装置の一態様を示す断面図。
【図３３】表示装置の一態様を示す断面図。
【図３４】表示装置を説明するブロック図及び回路図。
【図３５】表示モジュールを説明する図。
【図３６】電子機器を説明する図。
【図３７】半導体装置の一態様を示す断面図。
【図３８】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図３９】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図４０】ＣＡＡＣ−ＯＳの成膜モデルを説明する模式図、ペレットおよびＣＡＡＣ−ＯＳの断面図。
【図４１】ｎｃ−ＯＳの成膜モデルを説明する模式図、およびペレットを示す図。
【図４２】ペレットを説明する図。
【図４３】被形成面においてペレットに加わる力を説明する図。
【図４４】被形成面におけるペレットの動きを説明する図。
【図４５】ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を説明する図。
【図４６】原子が衝突する前のＩｎＧａＺｎＯ４の構造などを説明する図。
【図４７】原子が衝突した後のＩｎＧａＺｎＯ４の構造などを説明する図。
【図４８】原子が衝突した後の原子の軌跡を説明する図。
【図４９】ＣＡＡＣ−ＯＳおよびターゲットの断面ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像。
【図５０】ＴＤＳ測定結果を説明する図。
【図５１】ＣＡＡＣ−ＯＳの電子回折パターンを示す図。
【図５２】Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の電子照射による結晶部の変化を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、以下の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。
【００２５】
また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。
【００２６】
また、本明細書にて用いる「第１」、「第２」、「第３」という序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではないことを付記する。
【００２７】
また、本明細書において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。従って、明細書で説明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
【００２８】
また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン（ドレイン端子、ドレイン領域またはドレイン電極）とソース（ソース端子、ソース領域またはソース電極）の間にチャネル領域を有しており、ドレインとチャネル領域とソースとを介して電流を流すことができるものである。なお、本明細書等において、チャネル領域とは、電流が主として流れる領域をいう。
【００２９】
また、ソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。
【００３０】
また、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジスタなどのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、キャパシタ、その他の各種機能を有する素子などが含まれる。
【００３１】
なお、本明細書等において、酸化窒化シリコン膜とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多い膜を指し、窒化酸化シリコン膜とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い膜を指す。
【００３２】
また、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が−３０°以上３０°以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が６０°以上１２０°以下の角度で配置されている状態をいう。
【００３３】
（実施の形態１）
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、図１乃至図２０を参照して説明する。
【００３４】
＜半導体装置の構成例１＞
図１（Ａ）は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ１００の上面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当する。なお、図１（Ａ）において、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（ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜等）を省略して図示している。また、一点鎖線Ｘ１−Ｘ２方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｙ１−Ｙ２方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。なお、トランジスタの上面図においては、以降の図面においても図１（Ａ）と同様に、構成要素の一部を省略して図示する場合がある。
【００３５】
トランジスタ１００は、基板１０２上のゲート電極として機能する導電膜１０４と、基板１０２及び導電膜１０４上の絶縁膜１０６（第１の絶縁膜ともいう）と、絶縁膜１０６上の絶縁膜１０７（第２の絶縁膜ともいう）と、絶縁膜１０７上の酸化物半導体膜１０８と、酸化物半導体膜１０８に電気的に接続されるソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜１１２ａ、１１２ｂと、導電膜１１２ａ上の絶縁膜１１３ａ（第３の絶縁膜ともいう）と、導電膜１１２ｂ上の絶縁膜１１３ｂ（第４の絶縁膜ともいう）と、を有する。また、トランジスタ１００上、より詳しくは、絶縁膜１１３ａ、１１３ｂ及び酸化物半導体膜１０８上には絶縁膜１１４、１１６（第５の絶縁膜ともいう）、及び絶縁膜１１８が設けられる。絶縁膜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。また、絶縁膜１０６及び絶縁膜１０７は、トランジスタ１００のゲート絶縁膜としての機能を有する。
【００３６】
トランジスタ１００が有する酸化物半導体膜１０８は、酸素欠損が形成されるとキャリアである電子が生じ、ノーマリーオン特性になりやすい。したがって、酸化物半導体膜１０８中の酸素欠損を減らすことが、安定したトランジスタ特性を得る上でも重要となる。本発明の一態様のトランジスタの構成においては、酸化物半導体膜１０８上の絶縁膜、ここでは、酸化物半導体膜１０８上の絶縁膜１１４に過剰な酸素を導入することで、絶縁膜１１４から酸化物半導体膜１０８中に酸素を移動させ、酸化物半導体膜１０８中の酸素欠損を補填することを特徴とする。または、酸化物半導体膜１０８上の絶縁膜１１６に過剰な酸素を導入することで、絶縁膜１１６から絶縁膜１１４を介し、酸化物半導体膜１０８中に酸素を移動させ、酸化物半導体膜１０８中の酸素欠損を補填することを特徴とする。または、酸化物半導体膜１０８上の絶縁膜１１４及び絶縁膜１１６に過剰な酸素を導入することで、絶縁膜１１４及び絶縁膜１１６の双方から酸化物半導体膜１０８中に酸素を移動させ、酸化物半導体膜１０８中の酸素欠損を補填することを特徴とする。
【００３７】
したがって、絶縁膜１１４、１１６は、酸素を有する。より具体的には、絶縁膜１１４、１１６は、酸化物半導体膜１０８中に移動しやすい状態で酸素を有する。該酸素の一例としては、Ｏ、Ｏ２がある。また、絶縁膜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、絶縁膜１１４、１１６は、酸素を放出することが可能な絶縁膜である。なお、絶縁膜１１４、１１６に酸素過剰領域を設けるには、例えば、成膜後の絶縁膜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。
【００３８】
しかしながら、絶縁膜１１４、１１６に酸素を導入する際に、該酸素が導電膜１１２ａ、１１２ｂに達し、導電膜１１２ａ、１１２ｂが酸化する場合がある。または、絶縁膜１１４、１１６に酸素過剰領域を設けた後に、酸化物半導体膜１０８に酸素を移動させる際に、導電膜１１２ａ、１１２ｂが酸素吸着源となり、酸化物半導体膜１０８に十分な酸素を供給できない場合がある。
【００３９】
したがって、本発明の一態様の半導体装置の構成においては、導電膜１１２ａ、１１２ｂ上に絶縁膜１１３ａ、１１３ｂが設けられている点を特徴とする。絶縁膜１１４、１１６に酸素を導入する際に、絶縁膜１１３ａ、１１３ｂは、導電膜１１２ａ、１１２ｂの保護絶縁膜としての機能を有する。また、導電膜１１２ａ、１１２ｂと絶縁膜１１３ａ、１１３ｂを同一工程で加工することにより、上面形状において、概略同一形状となる場合がある。
【００４０】
導電膜１１２ａ、１１２ｂと絶縁膜１１３ａ、１１３ｂを同一工程で加工することにより、マスク枚数を増加させずにトランジスタ１００を作製することが可能となるため、製造コストを抑制することができる。
【００４１】
なお、本明細書等において、上面形状において、概略同一形状となる場合とは、別言すると、導電膜１１２ａ、１１２ｂの面積に対し、絶縁膜１１３ａ、１１３ｂの面積が８０％以上１２０％以下である場合も、概略同一形状の範疇に含めるものとする。
【００４２】
ここで、図１（Ｂ）に示すトランジスタ１００の拡大図を、図２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示す。図２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、図１（Ｂ）に示すトランジスタ１００が有する、導電膜１１２ａ、１１２ｂ及び絶縁膜１１３ａ、１１３ｂ近傍の断面図である。
【００４３】
図２（Ａ）に示す断面図においては、絶縁膜１１３ａの端部は、導電膜１１２ａの端部と揃う領域を有し、絶縁膜１１３ｂの端部は、導電膜１１２ｂの端部と揃う領域を有する。図２（Ｂ）に示す断面図においては、絶縁膜１１３ａの端部は、導電膜１１２ａの端部よりも内側にある領域を有し、絶縁膜１１３ｂの端部は、導電膜１１２ｂの端部よりも内側にある領域を有する。図２（Ｃ）に示す断面図においては、絶縁膜１１３ａの端部は、導電膜１１２ａの端部よりも外側にある領域を有し、絶縁膜１１３ｂの端部は、導電膜１１２ｂの外側にある領域を有する。
【００４４】
図２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すように、導電膜１１２ａ、１１２ｂと絶縁膜１１３ａ、１１３ｂを同一工程で加工した場合において、導電膜１１２ａ、１１２ｂと絶縁膜１１３ａ、１１３ｂのエッチングレート等の差で、導電膜１１２ａ、１１２ｂの面積の方が、絶縁膜１１３ａ、１１３ｂの面積よりも小さくなる場合がある。または、導電膜１１２ａ、１１２ｂの面積の方が、絶縁膜１１３ａ、１１３ｂの面積よりも大きくなる場合がある。
【００４５】
また、絶縁膜１１３ａ、１１３ｂは、酸素の透過を抑制できる機能を有する。また、絶縁膜１１３ａ、１１３ｂは、昇温脱離ガス分析法において、酸素の放出量が少ない。別言すると、絶縁膜１１３ａ、１１３ｂは、絶縁膜１１４、１１６よりも酸素分子の放出量が少ない領域を有する。絶縁膜１１３ａ、１１３ｂを昇温脱離ガス分析法において測定した場合、酸素分子の放出量が１×１０１９個／ｃｍ３未満である。なお、絶縁膜１１３ａ、１１３ｂは、少なくとも絶縁膜１１４、１１６よりも酸素分子の放出量が少ない部分を有していればよい。とくに、酸化物半導体膜１０８のチャネル領域近傍の絶縁膜１１３ａ、１１３ｂは、酸化物半導体膜１０８のチャネル領域近傍の絶縁膜１１４、１１６よりも酸素分子の放出量が少ないと好ましい。上記少ない部分としては、例えば、１０ｍｍ２、好ましくは５ｍｍ２、さらに好ましくは１ｍｍ２の大きさの面積で絶縁膜１１３ａ、１１３ｂと、絶縁膜１１４、１１６をＴＤＳ分析することにより、測定することができる。別言すると、絶縁膜１１３ａ、１１３ｂは、熱による酸素の放出量が絶縁膜１１４、１１６よりも少ない領域を有する。
【００４６】
また、絶縁膜１１４、１１６を昇温脱離ガス分析法において測定した場合、酸素分子の放出量が１×１０１９個／ｃｍ３以上である。また、絶縁膜１１４、１１６中の酸素は、絶縁膜１１４、１１６中に平均的若しくはほぼ平均的に格子間に存在する場合がある。また、絶縁膜１１４、１１６中の酸素は、熱処理によって、酸化物半導体膜１０８へ拡散される。
【００４７】
酸化物半導体膜１０８上に絶縁膜１１４、１１６を設けることによって、絶縁膜１１４、１１６中の酸素を酸化物半導体膜１０８へ移動させ、酸化物半導体膜１０８中に形成される酸素欠損を補填することが可能となる。酸化物半導体膜１０８中の酸素欠損を補填することによって、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。また、導電膜１１２ａ、１１２ｂ上に絶縁膜１１３ａ、１１３ｂを設けることによって、導電膜１１２ａ、１１２ｂの酸化を抑制することが可能となる。
【００４８】
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、以下詳細に説明する。
【００４９】
＜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（１５００ｍｍ×１８５０ｍｍ）、第７世代（１８７０ｍｍ×２２００ｍｍ）、第８世代（２２００ｍｍ×２４００ｍｍ）、第９世代（２４００ｍｍ×２８００ｍｍ）、第１０世代（２９５０ｍｍ×３４００ｍｍ）等の大面積基板を用いることで、大型の表示装置を作製することができる。
【００５０】
また、基板１０２として、可撓性基板を用い、可撓性基板上に直接、トランジスタ１００を形成してもよい。または、基板１０２とトランジスタ１００の間に剥離層を設けてもよい。剥離層は、その上に半導体装置を一部あるいは全部完成させた後、基板１０２より分離し、他の基板に転載するのに用いることができる。その際、トランジスタ１００は耐熱性の劣る基板や可撓性の基板にも転載できる。
【００５１】
＜導電膜＞
ゲート電極として機能する導電膜１０４、及びソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜１１２ａ、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。
【００５２】
また、導電膜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。
【００５３】
また、導電膜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。
【００５４】
また、導電膜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、ウェ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。
【００５５】
＜ゲート絶縁膜＞
トランジスタ１００のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜１０６、１０７としては、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ：（Ｐｌａｓｍａ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ））法、スパッタリング法等により、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化イットリウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ガリウム膜、酸化タンタル膜、酸化マグネシウム膜、酸化ランタン膜、酸化セリウム膜および酸化ネオジム膜を一種以上含む絶縁層を、それぞれ用いることができる。なお、絶縁膜１０６、１０７の積層構造とせずに、上述の材料から選択された単層の絶縁膜、または３層以上の絶縁膜を用いてもよい。
【００５６】
また、絶縁膜１０６は、酸素の透過を抑制するブロッキング膜としての機能を有する。例えば、絶縁膜１０７、１１４、１１６及び／または酸化物半導体膜１０８中に過剰の酸素を供給する場合において、絶縁膜１０６は酸素の透過を抑制することができる。
【００５７】
なお、トランジスタ１００のチャネル領域として機能する酸化物半導体膜１０８と接する絶縁膜１０７は、酸化物絶縁膜であることが好ましく、化学量論的組成よりも過剰に酸素を含有する領域（酸素過剰領域）を有することがより好ましい。別言すると、絶縁膜１０７は、酸素を放出することが可能な絶縁膜である。なお、絶縁膜１０７に酸素過剰領域を設けるには、例えば、酸素雰囲気下にて絶縁膜１０７を形成すればよい。または、成膜後の絶縁膜１０７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。
【００５８】
また、絶縁膜１０７として、酸化ハフニウムを用いる場合、以下の効果を奏する。酸化ハフニウムは、酸化シリコンや酸化窒化シリコンと比べて比誘電率が高い。したがって、等価酸化膜厚に対して物理的な膜厚を大きくできるため、等価酸化膜厚を１０ｎｍ以下または５ｎｍ以下とした場合でも、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。
【００５９】
なお、本実施の形態では、絶縁膜１０６として窒化シリコン膜を形成し、絶縁膜１０７として酸化シリコン膜を形成する。窒化シリコン膜は、酸化シリコン膜と比較して比誘電率が高く、酸化シリコン膜と同等の静電容量を得るのに必要な膜厚が大きいため、トランジスタ１００のゲート絶縁膜として、窒化シリコン膜を含むことで絶縁膜を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。
【００６０】
＜酸化物半導体膜＞
酸化物半導体膜１０８は、酸素と、Ｉｎと、Ｚｎと、Ｍ（Ｍは、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、またはＨｆを表す）とを有する。代表的には、酸化物半導体膜１０８は、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を用いることができる。とくに、酸化物半導体膜１０８としては、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を用いると好ましい。
【００６１】
酸化物半導体膜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＝３：１：２が好ましい。なお、成膜される酸化物半導体膜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。
【００６２】
なお、酸化物半導体膜１０８がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、Ｚｎ及びＯを除いてのＩｎとＭの原子数比率は、好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％以上、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％以上、Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。
【００６３】
また、酸化物半導体膜１０８は、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上、より好ましくは３ｅＶ以上である。このように、エネルギーギャップの広い酸化物半導体を用いることで、トランジスタ１５０のオフ電流を低減することができる。
【００６４】
また、酸化物半導体膜１０８の厚さは、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。
【００６５】
また、酸化物半導体膜１０８としては、キャリア密度の低い酸化物半導体膜を用いる。例えば、酸化物半導体膜１０８は、キャリア密度が１×１０１７個／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１５個／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１３個／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１１個／ｃｍ３以下とする。
【００６６】
なお、これらに限られず、必要とするトランジスタの半導体特性及び電気特性（電界効果移動度、しきい値電圧等）に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とするトランジスタの半導体特性を得るために、酸化物半導体膜１０８のキャリア密度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。
【００６７】
なお、酸化物半導体膜１０８として、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜を用いることで、さらに優れた電気特性を有するトランジスタを作製することができ好ましい。ここでは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い（酸素欠損の少ない）ことを高純度真性または実質的に高純度真性とよぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。従って、該酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性（ノーマリーオンともいう。）になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、オフ電流が著しく小さく、チャネル幅が１×１０６μｍでチャネル長Ｌが１０μｍの素子であっても、ソース電極とドレイン電極間の電圧（ドレイン電圧）が１Ｖから１０Ｖの範囲において、オフ電流が、半導体パラメータアナライザの測定限界以下、すなわち１×１０−１３Ａ以下という特性を得ることができる。
【００６８】
したがって、上記高純度真性、または実質的に高純度真性の酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとすることができる。なお、酸化物半導体膜のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、またはアルカリ土類金属等がある。
【００６９】
酸化物半導体膜に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になると共に、酸素が脱離した格子（または酸素が脱離した部分）に酸素欠損を形成する。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、水素が含まれている酸化物半導体膜を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物半導体膜１０８は水素ができる限り低減されていることが好ましい。具体的には、酸化物半導体膜１０８において、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ、二次イオン質量分析法）分析により得られる水素濃度を、２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【００７０】
酸化物半導体膜１０８において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物半導体膜１０８において酸素欠損が増加し、ｎ型化してしまう。このため、酸化物半導体膜１０８におけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物半導体膜１０８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。
【００７１】
また、酸化物半導体膜１０８において、ＳＩＭＳ分析により得られるアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。アルカリ金属及びアルカリ土類金属は、酸化物半導体と結合するとキャリアを生成する場合があり、トランジスタのオフ電流が増大してしまうことがある。このため、酸化物半導体膜１０８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。
【００７２】
また、酸化物半導体膜１０８に窒素が含まれていると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体膜を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、該酸化物半導体膜において、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、ＳＩＭＳ分析により得られる窒素濃度は、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にすることが好ましい。
【００７３】
また、酸化物半導体膜１０８は、例えば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、後述する微結晶構造、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。
【００７４】
酸化物半導体膜１０８は、例えば非晶質構造でもよい。非晶質構造の酸化物半導体膜は、例えば、原子配列が無秩序であり、結晶成分を有さない。または、非晶質構造の酸化物膜は、例えば、完全な非晶質構造であり、結晶部を有さない。
【００７５】
なお、酸化物半導体膜１０８が、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域、単結晶構造の領域の二種以上を有する混合膜であってもよい。混合膜は、例えば、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域、単結晶構造の領域のいずれか二種以上の領域を有する単層構造の場合がある。また、混合膜は、例えば、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域、単結晶構造の領域のいずれか二種以上を有する積層構造を有する場合がある。
【００７６】
＜保護絶縁膜＞
絶縁膜１１３ａ、１１３ｂ、１１４、１１６、１１８は、保護絶縁膜としての機能を有する。
【００７７】
また、絶縁膜１１３ａ、１１３ｂは、窒素を有する。また、絶縁膜１１３ａ、１１３ｂは、窒素及びシリコンを有する。また、絶縁膜１１３ａ、１１３ｂは、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキングできる機能を有する。絶縁膜１１３ａ、１１３ｂ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。また、絶縁膜１１３ａ、１１３ｂとして、上記窒素を有する絶縁膜の他に、例えば酸化アルミニウムを用いてもよい。
【００７８】
絶縁膜１１３ａ、１１３ｂとしては、厚さが５ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上２００ｎｍ以下の窒化シリコン、窒化酸化シリコン等を用いることができる。
【００７９】
絶縁膜１１４、１１６は、酸素を有する。また、絶縁膜１１４は、酸素を透過することのできる絶縁膜である。なお、絶縁膜１１４は、後に形成する絶縁膜１１６を形成する際の、酸化物半導体膜１０８へのダメージ緩和膜としても機能する。
【００８０】
絶縁膜１１４としては、厚さが５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の酸化シリコン、酸化窒化シリコン等を用いることができる。
【００８１】
また、絶縁膜１１４は、欠陥量が少ないことが好ましく、代表的には、ＥＳＲ測定により、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝２．００１に現れる信号のスピン密度が３×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。これは、絶縁膜１１４に含まれる欠陥密度が多いと、該欠陥に酸素が結合してしまい、絶縁膜１１４における酸素の透過量が減少してしまう。
【００８２】
なお、絶縁膜１１４においては、外部から絶縁膜１１４に入った酸素が全て絶縁膜１１４の外部に移動せず、絶縁膜１１４にとどまる酸素もある。また、絶縁膜１１４に酸素が入ると共に、絶縁膜１１４に含まれる酸素が絶縁膜１１４の外部へ移動することで、絶縁膜１１４において酸素の移動が生じる場合もある。絶縁膜１１４として酸素を透過することができる酸化物絶縁膜を形成すると、絶縁膜１１４上に設けられる、絶縁膜１１６から脱離する酸素を、絶縁膜１１４を介して酸化物半導体膜１０８に移動させることができる。
【００８３】
絶縁膜１１４、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、酸素分子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１９／ｃｍ３以上、好ましくは３．０×１０２０／ｃｍ３以上である酸化物絶縁膜である。なお、上記ＴＤＳ分析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。
【００８４】
絶縁膜１１６としては、厚さが３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下の、酸化シリコン、酸化窒化シリコン等を用いることができる。
【００８５】
また、絶縁膜１１６は、欠陥量が少ないことが好ましく、代表的には、ＥＳＲ測定により、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝２．００１に現れる信号のスピン密度が１．５×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満、さらには１×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。なお、絶縁膜１１６は、絶縁膜１１４と比較して酸化物半導体膜１０８から離れているため、絶縁膜１１４より、欠陥密度が多くともよい。
【００８６】
また、絶縁膜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。Ｅｖ＿ｏｓとＥｃ＿ｏｓの間に窒素酸化物の準位密度が低い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。
【００８７】
なお、窒素酸化物の放出量の少ない酸化窒化シリコン膜は、昇温脱離ガス分析法において、窒素酸化物の放出量よりアンモニアの放出量が多い膜であり、代表的にはアンモニアの放出量が１×１０１８個／ｃｍ３以上５×１０１９個／ｃｍ３以下である。なお、アンモニアの放出量は、膜の表面温度が５０℃以上６５０℃以下、好ましくは５０℃以上５５０℃以下の加熱処理による放出量とする。
【００８８】
窒素酸化物（ＮＯｘ、ｘは０以上２以下、好ましくは１以上２以下）、代表的にはＮＯ２またはＮＯは、絶縁膜１１４などに準位を形成する。当該準位は、酸化物半導体膜１０８のエネルギーギャップ内に位置する。そのため、窒素酸化物が、絶縁膜１１４及び酸化物半導体膜１０８の界面に拡散すると、当該準位が絶縁膜１１４側において電子をトラップする場合がある。この結果、トラップされた電子が、絶縁膜１１４及び酸化物半導体膜１０８界面近傍に留まるため、トランジスタのしきい値電圧をプラス方向にシフトさせてしまう。
【００８９】
また、窒素酸化物は、加熱処理においてアンモニア及び酸素と反応する。絶縁膜１１４に含まれる窒素酸化物は、加熱処理において、絶縁膜１１６に含まれるアンモニアと反応するため、絶縁膜１１４に含まれる窒素酸化物が低減される。このため、絶縁膜１１４及び酸化物半導体膜１０８の界面において、電子がトラップされにくい。
【００９０】
絶縁膜１１４として、Ｅｖ＿ｏｓとＥｃ＿ｏｓの間に窒素酸化物の準位密度が低い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。
【００９１】
なお、トランジスタの作製工程の加熱処理、代表的には３００℃以上基板歪み点未満の加熱処理により、絶縁膜１１４は、１００Ｋ以下のＥＳＲで測定して得られたスペクトルにおいてｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１のシグナル、ｇ値が２．００１以上２．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下の第３のシグナルが観測される。なお、第１のシグナル及び第２のシグナルのスプリット幅、並びに第２のシグナル及び第３のシグナルのスプリット幅は、ＸバンドのＥＳＲ測定において約５ｍＴである。また、ｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１のシグナル、ｇ値が２．００１以上２．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下である第３のシグナルのスピンの密度の合計が１×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満であり、代表的には１×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以上１×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満である。
【００９２】
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以上２以下、好ましくは１以上２以下）起因のシグナルに相当する。窒素酸化物の代表例としては、一酸化窒素、二酸化窒素等がある。即ち、ｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１のシグナル、ｇ値が２．００１以上２．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下である第３のシグナルのスピンの密度の合計が少ないほど、酸化物絶縁膜に含まれる窒素酸化物の含有量が少ないといえる。
【００９３】
また、Ｅｖ＿ｏｓとＥｃ＿ｏｓの間に窒素酸化物の準位密度が低い酸化物絶縁膜は、ＳＩＭＳで測定される窒素濃度が６×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。
【００９４】
基板温度が２２０℃以上、または２８０℃以上、または３５０℃以上であり、シラン及び一酸化二窒素を用いたＰＥＣＶＤ法を用いて、Ｅｖ＿ｏｓとＥｃ＿ｏｓの間に窒素酸化物の準位密度が低い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。
【００９５】
また、絶縁膜１１４、１１６は、同種の材料の絶縁膜を用いることができるため、絶縁膜１１４と絶縁膜１１６の界面が明確に確認できない場合がある。したがって、本実施の形態においては、絶縁膜１１４と絶縁膜１１６の界面を、破線で図示している。なお、本実施の形態においては、絶縁膜１１４と絶縁膜１１６の２層構造について説明したが、これに限定されず、例えば、絶縁膜１１４の単層構造としてもよい。
【００９６】
絶縁膜１１８は、窒素を有する。また、絶縁膜１１８は、窒素及びシリコンを有する。また、絶縁膜１１８は、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキングできる機能を有する。絶縁膜１１８を設けることで、酸化物半導体膜１０８からの酸素の外部への拡散と、絶縁膜１１４、１１６に含まれる酸素の外部への拡散と、外部から酸化物半導体膜１０８への水素、水等の入り込みを防ぐことができる。絶縁膜１１８としては、例えば、窒化物絶縁膜を用いることができる。該窒化物絶縁膜としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム等がある。なお、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。
【００９７】
また、絶縁膜１１８は、酸素の放出量が少ない、及び／または酸素の透過を抑制できるブロッキング膜であると好ましい。絶縁膜１１４、１１６上に絶縁膜１１８を設けることによって、絶縁膜１１４及び／または絶縁膜１１６中に含まれる過剰な酸素を外部へ拡散するのを抑制することができる。
【００９８】
なお、上記記載の、導電膜、絶縁膜、酸化物半導体膜などの様々な膜は、スパッタリング法やＰＥＣＶＤ法により形成することができるが、他の方法、例えば、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法または熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成してもよい。熱ＣＶＤ法の例としてＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が挙げられる。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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に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。
【０１０２】
ＭＯＣＶＤ法などの熱ＣＶＤ法は、上記実施形態の導電膜、絶縁膜、酸化物半導体膜、金属酸化膜などの様々な膜を形成することができ、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−ＺｎＯ膜を成膜する場合には、トリメチルインジウム、トリメチルガリウム、及びジメチル亜鉛を用いる。なお、トリメチルインジウムの化学式は、Ｉｎ（ＣＨ３）３である。また、トリメチルガリウムの化学式は、Ｇａ（ＣＨ３）３である。また、ジメチル亜鉛の化学式は、Ｚｎ（ＣＨ３）２である。また、これらの組み合わせに限定されず、トリメチルガリウムに代えてトリエチルガリウム（化学式Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３）を用いることもでき、ジメチル亜鉛に代えてジエチル亜鉛（化学式Ｚｎ（Ｃ２Ｈ５）２）を用いることもできる。
【０１０３】
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溶液、代表的にはテトラキスジメチルアミドハフニウム（ＴＤＭＡＨ））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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置によりタングステン膜を成膜する場合には、ＷＦ６ガスとＢ２Ｈ６ガスを順次繰り返し導入して初期タングステン膜を形成し、その後、ＷＦ６ガスとＨ２ガスを同時に導入し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。
【０１０７】
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ガスを順次繰り返し導入してＩｎ−Ｏ層を形成し、その後、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを同時に導入してＧａＯ層を形成し、更にその後Ｚｎ（ＣＨ３）２とＯ３ガスを同時に導入してＺｎＯ層を形成する。なお、これらの層の順番はこの例に限らない。また、これらのガスを混ぜてＩｎ−Ｇａ−Ｏ層やＩｎ−Ｚｎ−Ｏ層、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層などの混合化合物層を形成しても良い。なお、Ｏ３ガスに変えてＡｒ等の不活性ガスでバブリングして得られたＨ２Ｏガスを用いても良いが、Ｈを含まないＯ３ガスを用いる方が好ましい。また、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスにかえて、Ｉｎ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いても良い。また、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスにかえて、Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いても良い。また、Ｚｎ（ＣＨ３）２ガスを用いても良い。
【０１０８】
次に、図１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００と異なる構成例について、図３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）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。
【０１０９】
＜半導体装置の構成例２＞
図３（Ａ）は、トランジスタ１００Ａのチャネル長方向の断面図であり、図３（Ｂ）は、トランジスタ１００Ａのチャネル幅方向の断面図である。また、図３（Ｃ）は、トランジスタ１００Ｂのチャネル長方向の断面図であり、図３（Ｄ）は、トランジスタ１００Ｂのチャネル幅方向の断面図である。なお、トランジスタ１００Ａ及びトランジスタ１００Ｂの上面図については、それぞれ図１（Ａ）に示す上面図と同様のため、ここでの記載は省略する。
【０１１０】
図３（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタ１００Ａは、基板１０２上のゲート電極として機能する導電膜１０４と、基板１０２及び導電膜１０４上の絶縁膜１０６と、絶縁膜１０６上の絶縁膜１０７と、絶縁膜１０７上の酸化物半導体膜１０８と、酸化物半導体膜１０８に電気的に接続されるソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜１１２ａ、１１２ｂと、導電膜１１２ａ上の絶縁膜１１３ａと、導電膜１１２ｂ上の絶縁膜１１３ｂと、を有する。また、トランジスタ１００Ａ上、より詳しくは、絶縁膜１１３ａ、１１３ｂ、及び酸化物半導体膜１０８上には絶縁膜１３１（第６の絶縁膜ともいう）、及び絶縁膜１１４、１１６、１１８が設けられる。絶縁膜１１４、１１６、１１８、１３１は、トランジスタ１００Ａの保護絶縁膜としての機能を有する。
【０１１１】
トランジスタ１００Ａは、図１（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００と絶縁膜１３１が設けられる点が相違する。具体的には、絶縁膜１３１は、酸化物半導体膜１０８、絶縁膜１１３ａ、及び絶縁膜１１３ｂ上に設けられる。
【０１１２】
図３（Ｃ）（Ｄ）に示すトランジスタ１００Ｂは、基板１０２上のゲート電極として機能する導電膜１０４と、基板１０２及び導電膜１０４上の絶縁膜１０６と、絶縁膜１０６上の絶縁膜１０７と、絶縁膜１０７上の酸化物半導体膜１０８と、酸化物半導体膜１０８に電気的に接続されるソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜１１２ａ、１１２ｂと、導電膜１１２ａ上の絶縁膜１１３ａと、導電膜１１２ｂ上の絶縁膜１１３ｂと、を有する。また、トランジスタ１００Ｂ上、より詳しくは、絶縁膜１１３ａ、１１３ｂ、及び酸化物半導体膜１０８上には絶縁膜１１４、１１６、１１８、１３１が設けられる。絶縁膜１１４、１１６、１１８、１３１は、トランジスタ１００Ｂの保護絶縁膜としての機能を有する。
【０１１３】
トランジスタ１００Ｂは、図１（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００と絶縁膜１３１が設けられる点が相違する。具体的には、絶縁膜１３１は、絶縁膜１１６と絶縁膜１１８との間に設けられる。
【０１１４】
絶縁膜１３１は、酸素を透過できる機能、または酸素を透過し、且つ酸素の放出を抑制できる機能を有する。また、絶縁膜１３１は、金属の酸化物、金属の窒化物、金属の窒化酸化物、または金属の酸化窒化物であり、該金属は、インジウム、亜鉛、チタン、アルミニウム、タングステン、タンタル、またはモリブデンの中から選ばれる少なくとも１以上を有する。
【０１１５】
絶縁膜１３１を設けることによって、絶縁膜１１４及び／または絶縁膜１１６中に含まれる酸素を酸化物半導体膜１０８へ好適に移動させることが可能となる。したがって、酸化物半導体膜１０８の酸素欠損が補填され、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０１１６】
次に、図１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００と異なる構成例について、図４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）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。
【０１１７】
＜半導体装置の構成例３＞
図４（Ａ）は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ１５０の上面図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し、図４（Ｃ）は、図４（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当する。
【０１１８】
トランジスタ１５０は、基板１０２上のゲート電極として機能する導電膜１０４と、基板１０２及び導電膜１０４上の絶縁膜１０６と、絶縁膜１０６上の絶縁膜１０７と、絶縁膜１０７上の酸化物半導体膜１０８と、酸化物半導体膜１０８上の絶縁膜１１４と、絶縁膜１１４上の絶縁膜１１６と、絶縁膜１１４及び絶縁膜１１６に設けられる開口部１４１ａ、１４１ｂを介して酸化物半導体膜１０８に電気的に接続されるソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜１１２ａ、１１２ｂと、導電膜１１２ａ上の絶縁膜１１３ａと、導電膜１１２ｂ上の絶縁膜１１３ｂと、を有する。また、トランジスタ１５０上、より詳しくは、絶縁膜１１３ａ、１１３ｂ、及び絶縁膜１１６上には絶縁膜１１８が設けられる。絶縁膜１１３ａ、１１３ｂは、導電膜１１２ａ、１１２ｂの保護絶縁膜としての機能を有する。絶縁膜１１４及び絶縁膜１１６は、酸化物半導体膜１０８の保護絶縁膜としての機能を有する。絶縁膜１１８は、トランジスタ１５０の保護絶縁膜としての機能を有する。
【０１１９】
先に示すトランジスタ１００、１００Ａ、１００Ｂにおいては、チャネルエッチ型の構造であったのに対し、図４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１５０は、チャネル保護型の構造である。このように、本発明の一態様の半導体装置は、チャネルエッチ型及びチャネル保護型の双方のトランジスタ構造に適用することができる。
【０１２０】
トランジスタ１５０としては、先に示すトランジスタ１００と同様に、酸化物半導体膜１０８上に、絶縁膜１１４、１１６が設けられる構成のため、絶縁膜１１４、１１６に含まれる酸素が酸化物半導体膜１０８中の酸素欠損を補填することができる。また、導電膜１１２ａ、１１２ｂ上に、絶縁膜１１３ａ、１１３ｂが設けられる構成のため、絶縁膜１１４、１１６に過剰酸素領域を形成する際に、導電膜１１２ａ、１１２ｂが酸化されるのを抑制することができる。
【０１２１】
次に、図４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１５０と異なる構成例について、図５（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。
【０１２２】
＜半導体装置の構成例４＞
図５（Ａ）は、トランジスタ１５０Ａのチャネル長方向の断面図であり、図５（Ｂ）は、トランジスタ１５０Ａのチャネル幅方向の断面図である。なお、トランジスタ１５０Ａの上面図については、図４（Ａ）に示す上面図と同様のため、ここでの記載は省略する。
【０１２３】
図５（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタ１５０Ａは、基板１０２上のゲート電極として機能する導電膜１０４と、基板１０２及び導電膜１０４上の絶縁膜１０６と、絶縁膜１０６上の絶縁膜１０７と、絶縁膜１０７上の酸化物半導体膜１０８と、酸化物半導体膜１０８上の絶縁膜１１４と、絶縁膜１１４上の絶縁膜１１６と、絶縁膜１１４、１１６に設けられる開口部１４１ａ、１４１ｂを介して酸化物半導体膜１０８に電気的に接続されるソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜１１２ａ、１１２ｂと、導電膜１１２ａ上の絶縁膜１１３ａと、導電膜１１２ｂ上の絶縁膜１１３ｂと、を有する。また、トランジスタ１５０Ａ上、より詳しくは、絶縁膜１１３ａ、１１３ｂ及び絶縁膜１１６上には、絶縁膜１３１と、絶縁膜１３１上の絶縁膜１１８が設けられる。絶縁膜１１３ａ、１１３ｂは、導電膜１１２ａ、１１２ｂの保護絶縁膜としての機能を有する。絶縁膜１１４、及び絶縁膜１１６は、酸化物半導体膜１０８の保護絶縁膜としての機能を有する。絶縁膜１１８、１３１は、トランジスタ１５０Ａの保護絶縁膜としての機能を有する。
【０１２４】
トランジスタ１５０Ａは、図４（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１５０と絶縁膜１３１が設けられる点が相違する。具体的には、絶縁膜１３１は、絶縁膜１１６と絶縁膜１１８との間に設けられる。その他の構成は、トランジスタ１５０と同様であり、同様の効果を奏する。
【０１２５】
次に、図４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１５０と異なる構成例について、図６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）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。
【０１２６】
＜半導体装置の構成例５＞
図６（Ａ）は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ１６０の上面図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し、図６（Ｃ）は、図６（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当する。
【０１２７】
トランジスタ１６０は、基板１０２上のゲート電極として機能する導電膜１０４と、基板１０２及び導電膜１０４上の絶縁膜１０６と、絶縁膜１０６上の絶縁膜１０７と、絶縁膜１０７上の酸化物半導体膜１０８と、酸化物半導体膜１０８上の絶縁膜１１４と、絶縁膜１１４上の絶縁膜１１６と、酸化物半導体膜１０８に電気的に接続されるソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜１１２ａ、１１２ｂと、導電膜１１２ａ上の絶縁膜１１３ａと、導電膜１１２ｂ上の絶縁膜１１３ｂと、を有する。また、トランジスタ１６０上、より詳しくは、絶縁膜１１３ａ、１１３ｂ、及び絶縁膜１１６上には絶縁膜１１８が設けられる。絶縁膜１１３ａ、１１３ｂは、導電膜１１２ａ、１１２ｂの保護絶縁膜としての機能を有する。絶縁膜１１４及び絶縁膜１１６は、酸化物半導体膜１０８の保護絶縁膜としての機能を有する。絶縁膜１１８は、トランジスタ１６０の保護絶縁膜としての機能を有する。
【０１２８】
トランジスタ１６０は、図４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１５０と絶縁膜１１４、１１６の形状が相違する。具体的には、トランジスタ１６０の絶縁膜１１４、１１６は、酸化物半導体膜１０８のチャネル領域上に島状に設けられる。その他の構成は、トランジスタ１５０と同様であり、同様の効果を奏する。
【０１２９】
次に、図６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１６０と異なる構成例について、図７（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。
【０１３０】
＜半導体装置の構成例６＞
図７（Ａ）は、トランジスタ１６０Ａのチャネル長方向の断面図であり、図７（Ｂ）は、トランジスタ１６０Ａのチャネル幅方向の断面図である。なお、トランジスタ１６０Ａの上面図については、図６（Ａ）に示す上面図と同様のため、ここでの記載は省略する。
【０１３１】
トランジスタ１６０Ａは、基板１０２上のゲート電極として機能する導電膜１０４と、基板１０２及び導電膜１０４上の絶縁膜１０６と、絶縁膜１０６上の絶縁膜１０７と、絶縁膜１０７上の酸化物半導体膜１０８と、酸化物半導体膜１０８上の絶縁膜１１４と、絶縁膜１１４上の絶縁膜１１６と、絶縁膜１１６上の絶縁膜１３１と、酸化物半導体膜１０８に電気的に接続されるソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜１１２ａ、１１２ｂと、導電膜１１２ａ上の絶縁膜１１３ａと、導電膜１１２ｂ上の絶縁膜１１３ｂと、を有する。また、トランジスタ１６０Ａ上、より詳しくは、絶縁膜１１３ａ、１１３ｂ、及び絶縁膜１１６上には絶縁膜１３１と、絶縁膜１３１上の絶縁膜１１８が設けられる。絶縁膜１１３ａ、１１３ｂは、導電膜１１２ａ、１１２ｂの保護絶縁膜としての機能を有する。絶縁膜１１４、１１６は、酸化物半導体膜１０８の保護絶縁膜としての機能を有する。絶縁膜１１８、１３１はトランジスタ１６０Ａの保護絶縁膜としての機能を有する。
【０１３２】
トランジスタ１６０Ａは、図６（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１６０と絶縁膜１３１が設けられる点が相違する。具体的には、トランジスタ１６０Ａの絶縁膜１３１は、絶縁膜１１６と絶縁膜１１８との間に設けられる。その他の構成は、トランジスタ１６０と同様であり、同様の効果を奏する。
【０１３３】
次に、図１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００と異なる構成例について、図８（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）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。
【０１３４】
＜半導体装置の構成例７＞
図８（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８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し、図８（Ｃ）は、図８（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。
【０１３５】
トランジスタ１７０は、基板１０２上のゲート電極として機能する導電膜１０４と、基板１０２及び導電膜１０４上の絶縁膜１０６と、絶縁膜１０６上の絶縁膜１０７と、絶縁膜１０７上の酸化物半導体膜１０８と、酸化物半導体膜１０８上の絶縁膜１１４と、絶縁膜１１４上の絶縁膜１１６と、酸化物半導体膜１０８に電気的に接続されるソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜１１２ａ、１１２ｂと、導電膜１１２ａ上の絶縁膜１１３ａと、導電膜１１２ｂ上の絶縁膜１１３ｂと、を有する。また、トランジスタ１７０上、より詳しくは、絶縁膜１１３ａ、１１３ｂ及び酸化物半導体膜１０８上には絶縁膜１１４と、絶縁膜１１４上の絶縁膜１１６と、絶縁膜１１６上の絶縁膜１１８と、絶縁膜１１８上の導電膜１２０ａ、１２０ｂと、が設けられる。絶縁膜１１３ａ、１１３ｂは、導電膜１１２ａ、１１２ｂの保護絶縁膜としての機能を有する。絶縁膜１１４、１１６、１１８は、酸化物半導体膜１０８の保護絶縁膜としての機能を有する。また、導電膜１２０ａは、絶縁膜１１３ｂ、１１４、１１６、１１８に設けられる開口部１４２ｃを介して、導電膜１１２ｂと電気的に接続される。また、導電膜１２０ｂは、酸化物半導体膜１０８と重畳する位置に形成される。
【０１３６】
また、トランジスタ１７０において、絶縁膜１１４、１１６、１１８は、トランジスタ１７０の第２のゲート絶縁膜としての機能を有する。また、トランジスタ１７０において、導電膜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、導電膜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。
【０１３７】
また、図８（Ｃ）に示すように導電膜１２０ｂは、絶縁膜１０６、１０７、１１４、１１６、１１８に設けられる開口部１４２ａ、１４２ｂにおいて、ゲート電極として機能する導電膜１０４に接続される。よって、導電膜１２０ｂと導電膜１０４とは、同じ電位が与えられる。
【０１３８】
なお、本実施の形態においては、開口部１４２ａ、１４２ｂを設け、導電膜１２０ｂと導電膜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、導電膜１２０ｂと導電膜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、導電膜１２０ｂと導電膜１０４を接続しない構成としてもよい。なお、導電膜１２０ｂと導電膜１０４を接続しない構成の場合、導電膜１２０ｂと導電膜１０４には、それぞれ異なる電位を与えることができる。
【０１３９】
また、図８（Ｂ）に示すように、酸化物半導体膜１０８は、ゲート電極として機能する導電膜１０４と、第２のゲート電極として機能する導電膜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膜に挟まれている。第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ｂのチャネル長方向の長さ及びチャネル幅方向の長さは、酸化物半導体膜１０８のチャネル長方向の長さ及びチャネル幅方向の長さよりもそれぞれ長く、酸化物半導体膜１０８の全体は、絶縁膜１１４、１１６、１１８を介して導電膜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膜１２０ｂとゲート電極として機能する導電膜１０４とは、絶縁膜１０６、１０７、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、酸化物半導体膜１０８のチャネル幅方向の側面は、絶縁膜１１４、１１６、１１８を介して第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ｂと対向している。
【０１４０】
別言すると、トランジスタ１７０のチャネル幅方向において、ゲート電極として機能する導電膜１０４及び第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ｂは、ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜１０６、１０７及び第２のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜１１４、１１６、１１８に設けられる開口部において接続すると共に、ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜１０６、１０７及び第２のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜１１４、１１６、１１８を介して酸化物半導体膜１０８を囲む構成である。
【０１４１】
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膜１０８を、ゲート電極として機能する導電膜１０４及び第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ｂの電界によって電気的に囲むことができる。トランジスタ１７０のように、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。
【０１４２】
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膜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膜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膜１０４及び第２のゲート電極として機能する導電膜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。
【０１４３】
次に、図８（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１７０と異なる構成例について、図９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）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。
【０１４４】
＜半導体装置の構成例８＞
図９（Ａ）は、トランジスタ１７０Ａのチャネル長方向の断面図であり、図９（Ｂ）は、トランジスタ１７０Ａのチャネル幅方向の断面図である。また、図９（Ｃ）は、トランジスタ１７０Ｂのチャネル長方向の断面図であり、図９（Ｄ）は、トランジスタ１７０Ｂのチャネル幅方向の断面図である。なお、トランジスタ１７０Ａ、１７０Ｂの上面図については、図８（Ａ）に示す上面図と同様のため、ここでの記載は省略する。
【０１４５】
トランジスタ１７０Ａは、図８（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１７０と絶縁膜１３１が設けられる点が相違する。具体的には、トランジスタ１７０Ａの絶縁膜１３１は、絶縁膜１１３ａ、１１３ｂ及び酸化物半導体膜１０８と、絶縁膜１１４との間に設けられる。その他の構成は、トランジスタ１７０と同様であり、同様の効果を奏する。
【０１４６】
トランジスタ１７０Ｂは、図８（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１７０と絶縁膜１３１が設けられる点が相違する。具体的には、トランジスタ１７０Ｂの絶縁膜１３１は、絶縁膜１１６と絶縁膜１１８との間に設けられる。その他の構成は、トランジスタ１７０と同様であり、同様の効果を奏する。
【０１４７】
次に、図１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００と異なる構成例について、図１０（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）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。
【０１４８】
＜半導体装置の構成例９＞
図１０（Ａ）（Ｂ）は、図１（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００の変形例の断面図である。また、図１０（Ｃ）（Ｄ）は、図１（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００の変形例の断面図である。
【０１４９】
図１０（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタ１００Ｃは、図１（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００が有する酸化物半導体膜１０８を３層の積層構造としている。より具体的には、トランジスタ１００Ｃが有する酸化物半導体膜１０８は、酸化物半導体膜１０８ａと、酸化物半導体膜１０８ｂと、酸化物半導体膜１０８ｃと、を有する。
【０１５０】
図１０（Ｃ）（Ｄ）に示すトランジスタ１００Ｄは、図１（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００が有する酸化物半導体膜１０８を２層の積層構造としている。より具体的には、トランジスタ１００Ｄが有する酸化物半導体膜１０８は、酸化物半導体膜１０８ａと、酸化物半導体膜１０８ｂと、を有する。
【０１５１】
ここで、酸化物半導体膜１０８及び酸化物半導体膜１０８に接する絶縁膜のバンド構造について、図１１を用いて説明する。
【０１５２】
図１１（Ａ）は、絶縁膜１０７、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、及び絶縁膜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。また、図１１（Ｂ）は、絶縁膜１０７、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｂ、及び絶縁膜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膜１０７、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、及び絶縁膜１１４の伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ）を示す。
【０１５３】
また、図１１（Ａ）は、絶縁膜１０７、１１４として酸化シリコン膜を用い、酸化物半導体膜１０８ａとして金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用い、酸化物半導体膜１０８ｂとして金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：４：５の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用い、酸化物半導体膜１０８ｃとして金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：６の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用いる構成のバンド図である。
【０１５４】
また、図１１（Ｂ）は、絶縁膜１０７、１１４として酸化シリコン膜を用い、酸化物半導体膜１０８ａとして金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用い、酸化物半導体膜１０８ｂとして金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：６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。
【０１５５】
図１１（Ａ）（Ｂ）に示すように、酸化物半導体膜１０８ａ、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、酸化物半導体膜１０８ａと酸化物半導体膜１０８ｂとの界面において、酸化物半導体膜にとっ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ことが好ましい。
【０１５６】
酸化物半導体膜１０８ａ及び酸化物半導体膜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ることが必要となる。
【０１５７】
図１１（Ａ）、（Ｂ）に示す構成とすることで酸化物半導体膜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膜１０８ａに形成されることがわかる。
【０１５８】
なお、酸化物半導体膜１０８ｂ、１０８ｃを設けることにより、酸化物半導体膜１０８ａとトラップ準位を遠ざけることができる。
【０１５９】
また、トラップ準位がチャネル領域として機能する酸化物半導体膜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、トラップ準位に電子が蓄積しやすくなってしまう。トラップ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、トラップ準位が酸化物半導体膜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とすると好ましい。このようにすることで、トラップ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。
【０１６０】
また、図１１（Ａ）（Ｂ）において、酸化物半導体膜１０８ｂ、１０８ｃは、酸化物半導体膜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、酸化物半導体膜１０８ａの伝導帯下端のエネルギー準位と、酸化物半導体膜１０８ｂ、１０８ｃの伝導帯下端のエネルギー準位との差が、０．１５ｅＶ以上、または０．５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、または１ｅＶ以下である。すなわち、酸化物半導体膜１０８ｂ、１０８ｃの電子親和力と、酸化物半導体膜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。
【０１６１】
このような構成を有することで、酸化物半導体膜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、酸化物半導体膜１０８ｂ、１０８ｃは、チャネル領域が形成される酸化物半導体膜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、酸化物半導体膜１０８ａと酸化物半導体膜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。
【０１６２】
また、酸化物半導体膜１０８ｂ、１０８ｃ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、酸化物半導体膜１０８ｂ、１０８ｃには、電子親和力（真空準位と伝導帯下端のエネルギー準位との差）が酸化物半導体膜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膜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、酸化物半導体膜１０８ｂ、１０８ｃの伝導帯下端のエネルギー準位が、酸化物半導体膜１０８ａの伝導帯下端のエネルギー準位よりも０．２ｅＶ以上真空準位に近い材料、好ましくは０．５ｅＶ以上真空準位に近い材料を適用することが好ましい。
【０１６３】
また、酸化物半導体膜１０８ｂ、１０８ｃは、膜中にスピネル型の結晶構造が含まれないことが好ましい。酸化物半導体膜１０８ｂ、１０８ｃの膜中にスピネル型の結晶構造を含む場合、該スピネル型の結晶構造と他の領域との界面において、導電膜１１２ａ、１１２ｂの構成元素が酸化物半導体膜１０８ａへ拡散してしまう場合がある。なお、酸化物半導体膜１０８ｂ、１０８ｃが後述するＣＡＡＣ−ＯＳである場合、導電膜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。
【０１６４】
酸化物半導体膜１０８ｂ、１０８ｃの膜厚は、導電膜１１２ａ、１１２ｂの構成元素が酸化物半導体膜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、絶縁膜１１４から酸化物半導体膜１０８ａへの酸素の供給を抑制する膜厚未満とする。例えば、酸化物半導体膜１０８ｂ、１０８ｃの膜厚が１０ｎｍ以上であると、導電膜１１２ａ、１１２ｂの構成元素が酸化物半導体膜１０８ａへ拡散するのを抑制することができる。また、酸化物半導体膜１０８ｂ、１０８ｃの膜厚を１００ｎｍ以下とすると、絶縁膜１１４、１１６から酸化物半導体膜１０８ａへ効果的に酸素を供給することができる。
【０１６５】
酸化物半導体膜１０８ｂ、１０８ｃがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、元素ＭとしてＴｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、ＳｎまたはＨｆをＩｎより高い原子数比で有することで、酸化物半導体膜１０８ｂ、１０８ｃのエネルギーギャップを大きく、電子親和力を小さくしうる。よって、酸化物半導体膜１０８ａとの電子親和力の差を元素Ｍの組成によって制御することが可能となる場合がある。また、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、ＳｎまたはＨｆは、酸素との結合力が強い金属元素であるため、これらの元素をＩｎより高い原子数比で有することで、酸素欠損が生じにくくなる。
【０１６６】
また、酸化物半導体膜１０８ｂ、１０８ｃがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、ＺｎおよびＯを除いてのＩｎおよびＭの原子数比率は、好ましくは、Ｉｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％以上、さらに好ましくは、Ｉｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％以上とする。また、酸化物半導体膜１０８ｂ、１０８ｃとして、酸化ガリウム膜を用いてもよい。
【０１６７】
また、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃが、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物半導体膜１０８ａと比較して、酸化物半導体膜１０８ｂ、１０８ｃに含まれるＭの原子数比が大きく、代表的には、酸化物半導体膜１０８ａに含まれる上記原子と比較して、１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上高い原子数比である。
【０１６８】
また、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃが、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物半導体膜１０８ａをＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ１：ｚ１［原子数比］、酸化物半導体膜１０８ｂ、１０８ｃをＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ２：ｙ２：ｚ２［原子数比］とすると、ｙ２／ｘ２がｙ１／ｘ１よりも大きく、好ましくは、ｙ２／ｘ２がｙ１／ｘ１よりも１．５倍以上である。より好ましくは、ｙ２／ｘ２がｙ１／ｘ１よりも２倍以上大きく、さらに好ましくは、ｙ２／ｘ２がｙ１／ｘ１よりも３倍以上または４倍以上大きい。このとき、酸化物半導体膜１０８ａにおいて、ｙ１がｘ１以上であると、酸化物半導体膜１０８ａを用いるトランジスタに安定した電気特性を付与できるため好ましい。ただし、ｙ１がｘ１の３倍以上になると、酸化物半導体膜１０８ａを用いるトランジスタの電界効果移動度が低下してしまうため、ｙ１はｘ１の３倍未満であると好ましい。
【０１６９】
酸化物半導体膜１０８ａがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物半導体膜１０８ａを成膜するために用いるターゲットにおいて、金属元素の原子数比をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ１：ｚ１とすると、ｘ１／ｙ１は、１／３以上６以下、さらには１以上６以下であって、ｚ１／ｙ１は、１／３以上６以下、さらには１以上６以下であることが好ましい。なお、ｚ１／ｙ１を１以上６以下とすることで、酸化物半導体膜１０８ａとして後述のＣＡＡＣ−ＯＳが形成されやすくなる。ターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２等がある。
【０１７０】
また、酸化物半導体膜１０８ｂ、１０８ｃがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物半導体膜１０８ｂ、１０８ｃを成膜するために用いるターゲットにおいて、金属元素の原子数比をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ２：ｙ２：ｚ２とすると、ｘ２／ｙ２＜ｘ１／ｙ１であって、ｚ２／ｙ２は、１／３以上６以下、さらには１以上６以下であることが好ましい。また、インジウムに対するＭの原子数比率を大きくすることで、酸化物半導体膜１０８ｂ、１０８ｃのエネルギーギャップを大きく、電子親和力を小さくすることが可能であるため、ｙ２／ｘ２を３以上、または４以上とすることが好ましい。ターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：５、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：６、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：４、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：５、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：５：５等がある。
【０１７１】
また、酸化物半導体膜１０８ｂ、１０８ｃがＩｎ−Ｍ酸化物の場合、Ｍとして２価の金属原子（例えば、亜鉛など）を含まない構成とすることで、スピネル型の結晶構造を含有しない酸化物半導体膜１０８ｂ、１０８ｃを形成することができる。また、酸化物半導体膜１０８ｂ、１０８ｃとしては、例えば、Ｉｎ−Ｇａ酸化物膜を用いることができる。該Ｉｎ−Ｇａ酸化物膜としては、例えば、Ｉｎ−Ｇａ金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ＝７：９３）を用いて、スパッタリング法により形成することができる。また、酸化物半導体膜１０８ｂ、１０８ｃを、ＤＣ放電を用いたスパッタリング法で成膜するためには、Ｉｎ：Ｍ＝ｘ：ｙ［原子数比］としたときに、ｙ／（ｘ＋ｙ）を０．９６以下、好ましくは０．９５以下、例えば０．９３とするとよい。
【０１７２】
なお、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃの原子数比はそれぞれ、誤差として上記の原子数比のプラスマイナス４０％の変動を含む。
【０１７３】
次に、図１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００と異なる構成例について、図３７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。
【０１７４】
＜半導体装置の構成例１０＞
図３７は、図１（Ｂ）に示すトランジスタ１００の変形例の断面図である。
【０１７５】
図３７に示すトランジスタ１００Ｅは、図１（Ｂ）に示すトランジスタ１００が有する絶縁膜１１３ａ、１１３ｂと形状が異なる。より具体的には、トランジスタ１００Ｅが有する絶縁膜１１３ａ、１１３ｂは、導電膜１１２ａ、１１２ｂの上面及び側面を覆う。
【０１７６】
トランジスタ１００においては、絶縁膜１１３ａ、１１３ｂは、導電膜１１２ａ、１１２ｂと同一工程で加工することによりマスク枚数を増加させずに形成される。トランジスタ１００Ｅにおいては、絶縁膜１１３ａ、１１３ｂは、導電膜１１２ａ、１１２ｂと異なる工程で加工することにより形成される。導電膜１１２ａ、１１２ｂと異なる工程で加工することにより、マスク枚数は増加する。一方で、導電膜１１２ａ、１１２ｂの上面及び側面を絶縁膜１１３ａ、１１３ｂで覆う構成とすることが可能となるため、導電膜１１２ａ、１１２ｂに吸着しうる酸素を、さらに低減することが可能となる。
【０１７７】
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。
【０１７８】
＜半導体装置の作製方法１＞
次に、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ１００の作製方法について、図１２乃至図１４を用いて以下詳細に説明する。
【０１７９】
なお、トランジスタ１００を構成する膜（絶縁膜、酸化物半導体膜、導電膜等）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（有機金属化学堆積）法やＡＬＤ（原子層成膜）法を使ってもよい。
【０１８０】
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。
【０１８１】
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に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う。例えば、それぞれのスイッチングバルブ（高速バルブともよぶ。）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の単原子層を成膜し、後から導入される第２の原料ガスと反応して、第２の単原子層が第１の単原子層上に積層されて薄膜が形成される。
【０１８２】
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、微細なトランジスタを作製する場合に適している。
【０１８３】
まず、基板１０２上に導電膜を形成し、該導電膜をリソグラフィ工程及びエッチング工程を行い加工して、ゲート電極として機能する導電膜１０４を形成する。次に、導電膜１０４上にゲート絶縁膜として機能する絶縁膜１０６、１０７を形成する（図１２（Ａ）参照）。
【０１８４】
ゲート電極として機能する導電膜１０４は、スパッタリング法、化学気相堆積（ＣＶＤ）法、真空蒸着法、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ）法、を用いて形成することができる。または、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、先に説明した有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）法等の熱ＣＶＤ法、又は原子層堆積（ＡＬＤ）法を用いてもよい。
【０１８５】
本実施の形態では、基板１０２としてガラス基板を用い、ゲート電極として機能する導電膜１０４として厚さ１００ｎｍのタングステン膜をスパッタリング法で形成する。
【０１８６】
ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜１０６、１０７は、スパッタリング法、ＰＥＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、真空蒸着法、ＰＬＤ法等を用いて形成することができる。本実施の形態では、ＰＥＣＶＤ法により、絶縁膜１０６として厚さ４００ｎｍの窒化シリコン膜を形成し、絶縁膜１０７として厚さ５０ｎｍの酸化窒化シリコン膜を形成する。
【０１８７】
なお、絶縁膜１０６としては、窒化シリコン膜の積層構造とすることができる。具体的には、絶縁膜１０６を、第１の窒化シリコン膜と、第２の窒化シリコン膜と、第３の窒化シリコン膜との３層積層構造とすることができる。該３層積層構造の一例としては、以下のように形成することができる。
【０１８８】
第１の窒化シリコン膜としては、例えば、流量２００ｓｃｃｍのシラン、流量２０００ｓｃｃｍの窒素、及び流量１００ｓｃｃｍのアンモニアガスを原料ガスとしてＰＥＣＶＤ装置の反応室に供給し、反応室内の圧力を１００Ｐａに制御し、２７．１２ＭＨｚの高周波電源を用いて２０００Ｗの電力を供給して、厚さが５０ｎｍとなるように形成すればよい。
【０１８９】
第２の窒化シリコン膜としては、流量２００ｓｃｃｍのシラン、流量２０００ｓｃｃｍの窒素、及び流量２０００ｓｃｃｍのアンモニアガスを原料ガスとしてＰＥＣＶＤ装置の反応室に供給し、反応室内の圧力を１００Ｐａに制御し、２７．１２ＭＨｚの高周波電源を用いて２０００Ｗの電力を供給して、厚さが３００ｎｍとなるように形成すればよい。
【０１９０】
第３の窒化シリコン膜としては、流量２００ｓｃｃｍのシラン、及び流量５０００ｓｃｃｍの窒素を原料ガスとしてＰＥＣＶＤ装置の反応室に供給し、反応室内の圧力を１００Ｐａに制御し、２７．１２ＭＨｚの高周波電源を用いて２０００Ｗの電力を供給して、厚さが５０ｎｍとなるように形成すればよい。
【０１９１】
なお、上記第１の窒化シリコン膜、第２の窒化シリコン膜、及び第３の窒化シリコン膜形成時の基板温度は３５０℃とすることができる。
【０１９２】
絶縁膜１０６を、窒化シリコン膜の３層の積層構造とすることで、例えば、導電膜１０４に銅（Ｃｕ）を含む導電膜を用いる場合において、以下の効果を奏する。
【０１９３】
第１の窒化シリコン膜は、導電膜１０４からの銅（Ｃｕ）元素の拡散を抑制することができる。第２の窒化シリコン膜は、水素を放出する機能を有し、ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜の耐圧を向上させることができる。第３の窒化シリコン膜は、第３の窒化シリコン膜からの水素放出が少なく、且つ第２の窒化シリコン膜からの放出される水素の拡散を抑制することができる。
【０１９４】
絶縁膜１０７としては、後に形成される酸化物半導体膜１０８との界面特性を向上させるため、酸素を含む絶縁膜で形成されると好ましい。
【０１９５】
次に、絶縁膜１０７上に酸化物半導体膜１０８を形成する（図１２（Ｂ）参照）。
【０１９６】
本実施の形態では、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２（原子数比））を用いて、スパッタリング法により酸化物半導体膜を成膜し、該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、該酸化物半導体膜を所望の領域に加工することで島状の酸化物半導体膜１０８を形成する。
【０１９７】
酸化物半導体膜１０８の形成後、１５０℃以上基板の歪み点未満、好ましくは２００℃以上４５０℃以下、さらに好ましくは３００℃以上４５０℃以下の加熱処理を行ってもよい。ここでの加熱処理は、酸化物半導体膜の高純度化処理の一つであり、酸化物半導体膜１０８に含まれる水素、水等を低減することができる。なお、水素、水等の低減を目的とした加熱処理は、酸化物半導体膜１０８を島状に加工する前に行ってもよい。
【０１９８】
酸化物半導体膜１０８への加熱処理は、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、加熱時間を短縮することが可能となる。
【０１９９】
なお、酸化物半導体膜１０８への加熱処理は、窒素、酸素、超乾燥空気（水の含有量が２０ｐｐｍ以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）、または希ガス（アルゴン、ヘリウム等）の雰囲気下で行えばよい。なお、上記窒素、酸素、超乾燥空気、または希ガスに水素、水等が含まれないことが好ましい。また、窒素または希ガス雰囲気で加熱処理した後、酸素または超乾燥空気雰囲気で加熱してもよい。この結果、酸化物半導体膜中に含まれる水素、水等を脱離させると共に、酸化物半導体膜中に酸素を供給することができる。この結果、酸化物半導体膜中に含まれる酸素欠損量を低減することができる。
【０２００】
なお、スパッタリング法で酸化物半導体膜１０８を形成する場合、スパッタリングガスは、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、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。また、スパッタリングガスの高純度化も必要である。例えば、スパッタリングガスとして用いる酸素ガスやアルゴンガスは、露点が−４０℃以下、好ましくは−８０℃以下、より好ましくは−１００℃以下、より好ましくは−１２０℃以下にまで高純度化したガスを用いることで酸化物半導体膜１０８に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。
【０２０１】
また、スパッタリング法で酸化物半導体膜１０８を形成する場合、スパッタリング装置におけるチャンバーは、酸化物半導体膜１０８にとって不純物となる水等を可能な限り除去すべくクライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて高真空排気（５×１０−７Ｐａから１×１０−４Ｐａ程度まで）することが好ましい。または、ターボ分子ポンプとコールドトラップを組み合わせて排気系からチャンバー内に気体、特に炭素または水素を含む気体が逆流しないようにしておくことが好ましい。
【０２０２】
次に、絶縁膜１０７及び酸化物半導体膜１０８上に導電膜１１２を形成する。次に、導電膜１１２上に絶縁膜１１３を形成する（図１２（Ｃ）参照）。
【０２０３】
導電膜１１２としては、先に示す導電膜１１２ａ、１１２ｂに用いることのできる材料を用いて形成することができる。また、絶縁膜１１３としては、先に示す絶縁膜１１３ａ、１１３ｂに用いることのできる材料を用いて形成することができる。本実施の形態では、導電膜１１２として、スパッタリング装置を用いて、厚さ５０ｎｍのタングステン膜と、厚さ４００ｎｍのアルミニウム膜と、厚さ１００ｎｍのチタン膜との３層の積層構造を形成する。また、絶縁膜１１３として、ＰＥＣＶＤ装置を用いて、厚さ１００ｎｍの窒化シリコン膜を形成する。
【０２０４】
次に、絶縁膜１１３上にマスク１４０ａ、１４０ｂを形成する（図１２（Ｄ）参照）。
【０２０５】
マスク１４０ａ、１４０ｂとしては、スピンコーター装置を用いて、感光性の樹脂を塗布し、リソグラフィ工程により所望の領域に露光及び現像することで形成する。なお、感光性の樹脂は、ポジ型、ネガ型のいずれの樹脂を用いてもよい。また、マスク１４０ａ、１４０ｂをインクジェット法で形成してもよい。マスク１４０ａ、１４０ｂをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる
【０２０６】
次に、マスク１４０ａ、１４０ｂ上からエッチングガス１４１を用いて、導電膜１１２及び絶縁膜１１３をエッチングする（図１３（Ａ）参照）。
【０２０７】
なお、本実施の形態においては、ドライエッチング法により、エッチングガス１４１を発生させて導電膜１１２及び絶縁膜１１３をエッチングする。ただし、導電膜１１２及び絶縁膜１１３のエッチング方法については、これに限定されない。例えば、エッチングガス１４１を薬液とすることで、ウェットエッチング法により、導電膜１１２及び絶縁膜１１３をエッチングしてもよい。または、ドライエッチング法とウェットエッチング法を組み合わせることで、導電膜１１２及び絶縁膜１１３をエッチングしてもよい。
【０２０８】
次に、マスク１４０ａ、１４０ｂを除去することで、ソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜１１２ａ、１１２ｂと、導電膜１１２ａ上の絶縁膜１１３ａと、導電膜１１２ｂ上の絶縁膜１１３ｂと、を形成する（図１３（Ｂ）参照）。
【０２０９】
また、導電膜１１２ａ、１１２ｂ及び絶縁膜１１３ａ、１１３ｂを形成後に、酸化物半導体膜１０８の表面（バックチャネル側）を洗浄してもよい。該洗浄方法としては、例えば、リン酸等の薬液を用いた洗浄が挙げられる。リン酸等の薬液を用いた洗浄を行うことで、酸化物半導体膜１０８の表面に付着した不純物（例えば、導電膜１１２ａ、１１２ｂに含まれる元素等）を除去することができる。
【０２１０】
なお、導電膜１１２ａ、１１２ｂ及び絶縁膜１１３ａ、１１３ｂの形成時、及び／または上記洗浄工程において、酸化物半導体膜１０８の一部に凹部が形成される場合がある。
【０２１１】
以上の工程でトランジスタ１００が形成される。
【０２１２】
次に、トランジスタ１００上、具体的にはトランジスタ１００の酸化物半導体膜１０８、及び絶縁膜１１３ａ、１１３ｂ上に酸素の脱離を抑制する膜１３０を形成する（図１３（Ｃ）参照）。
【０２１３】
酸素の脱離を抑制する膜１３０は、インジウム、亜鉛、チタン、アルミニウム、タングステン、タンタル、またはモリブデンの中から選ばれる少なくとも１以上を有する。例えば、上述した金属元素を有する合金、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物、または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。
【０２１４】
酸素の脱離を抑制する膜１３０としては、例えば、窒化タンタル膜、チタン膜、インジウム錫酸化物（以下ＩＴＯともいう）膜、アルミニウム膜、酸化物半導体膜（例えば、ＩＧＺＯ膜（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：４：５（原子数比））等）を用いることができる。
【０２１５】
酸素の脱離を抑制する膜１３０の厚さは、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下、または２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることができる。本実施の形態では、膜１３０としては、厚さ５ｎｍの窒化タンタル膜を用いる。
【０２１６】
次に、膜１３０を介して酸化物半導体膜１０８に酸素１４２を添加する（図１３（Ｄ）参照）。
【０２１７】
膜１３０を介して酸化物半導体膜１０８に酸素１４２を添加する方法としては、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。該プラズマ処理としては、例えば、ドライエッチング装置またはアッシング装置を用いて、平行平板のカソード側に基板を設置し、基板側にバイアスが印加されるようにＲＦ電力を供給すればよい。基板側にバイアスを印加することによって、酸素１４２を酸化物半導体膜１０８に効率よく導入することができるため好適である。酸化物半導体膜１０８上に膜１３０を設けることで、酸素１４２を添加する際に、酸化物半導体膜１０８に与えられるダメージを緩和することができる。また、膜１３０が酸化物半導体膜１０８から酸素が脱離することを抑制する保護膜として機能する。このため、酸化物半導体膜１０８により多くの酸素を添加することができる。または、酸化物半導体膜１０８と膜１３０との界面近傍に酸素を添加することができる。
【０２１８】
また、プラズマ処理で酸素の導入を行う場合、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、酸化物半導体膜１０８への酸素導入量を増加させることができる。
【０２１９】
なお、膜１３０は、酸素１４２が添加されることにより、金属（インジウム、亜鉛、チタン、アルミニウム、タングステン、タンタル、またはモリブデン）の酸化物または窒化物の絶縁膜１３１となる（図１４（Ａ）参照）。
【０２２０】
なお、絶縁膜１３１としては、酸素１４２の添加処理が不十分な場合、または膜１３０に用いる金属の材料によっては、絶縁体とならずに、導電体または半導体となる場合がある。ただし、絶縁膜１３１としては、トランジスタ１００のバックチャネル側に位置するため、キャリアとなる電子を絶縁膜１３１にトラップさせないために、導電体及び半導体よりも絶縁体とするのが好ましい。
【０２２１】
こののち、絶縁膜１３１を除去する（図１４（Ｂ）参照）。
【０２２２】
次に、酸化物半導体膜１０８、及び絶縁膜１１３ａ、１１３ｂ上にトランジスタ１００の保護絶縁膜として機能する絶縁膜１１４、１１６、１１８を形成する（図１４（Ｃ）参照）。
【０２２３】
なお、絶縁膜１１４を形成した後、大気に曝すことなく、連続的に絶縁膜１１６を形成することが好ましい。絶縁膜１１４を形成後、大気開放せず、原料ガスの流量、圧力、高周波電力及び基板温度の一以上を調整して、絶縁膜１１６を連続的に形成することで、絶縁膜１１４と絶縁膜１１６の界面において大気成分由来の不純物濃度を低減することができるとともに、絶縁膜１１４、１１６に含まれる酸素を酸化物半導体膜１０８に移動させることが可能となり、酸化物半導体膜１０８の酸素欠損量を低減することが可能となる。
【０２２４】
例えば、絶縁膜１１４として、ＰＥＣＶＤ法を用いて、酸化窒化シリコン膜を形成することができる。この場合、原料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体及び酸化性気体を用いることが好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例としては、シラン、ジシラン、トリシラン、フッ化シラン等がある。酸化性気体としては、一酸化二窒素、二酸化窒素等がある。また、上記の堆積性気体に対する酸化性気体を２０倍より大きく１００倍未満、好ましくは４０倍以上８０倍以下とし、処理室内の圧力を１００Ｐａ未満、好ましくは５０Ｐａ以下とするＰＥＣＶＤ法を用いることで、絶縁膜１１４が、窒素を含み、且つ欠陥量の少ない絶縁膜となる。
【０２２５】
本実施の形態においては、絶縁膜１１４として、基板１０２を保持する温度を２２０℃とし、流量５０ｓｃｃｍのシラン及び流量２０００ｓｃｃｍの一酸化二窒素を原料ガスとし、処理室内の圧力を２０Ｐａとし、平行平板電極に供給する高周波電力を１３．５６ＭＨｚ、１００Ｗ（電力密度としては１．６×１０−２Ｗ／ｃｍ２）とするＰＥＣＶＤ法を用いて、酸化窒化シリコン膜を形成する。
【０２２６】
絶縁膜１１６としては、ＰＥＣＶＤ装置の真空排気された処理室内に載置された基板を１８０℃以上２８０℃以下、さらに好ましくは２００℃以上２４０℃以下に保持し、処理室に原料ガスを導入して処理室内における圧力を１００Ｐａ以上２５０Ｐａ以下、さらに好ましくは１００Ｐａ以上２００Ｐａ以下とし、処理室内に設けられる電極に０．１７Ｗ／ｃｍ２以上０．５Ｗ／ｃｍ２以下、さらに好ましくは０．２５Ｗ／ｃｍ２以上０．３５Ｗ／ｃｍ２以下の高周波電力を供給する条件により、酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形成する。
【０２２７】
絶縁膜１１６の成膜条件として、上記圧力の反応室において上記パワー密度の高周波電力を供給することで、プラズマ中で原料ガスの分解効率が高まり、酸素ラジカルが増加し、原料ガスの酸化が進むため、絶縁膜１１６中における酸素含有量が化学量論的組成よりも多くなる。一方、基板温度が、上記温度で形成された膜では、シリコンと酸素の結合力が弱いため、後の工程の加熱処理により膜中の酸素の一部が脱離する。この結果、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含み、加熱により酸素の一部が脱離する酸化物絶縁膜を形成することができる。
【０２２８】
なお、絶縁膜１１６の形成工程において、絶縁膜１１４が酸化物半導体膜１０８の保護膜となる。したがって、酸化物半導体膜１０８へのダメージを低減しつつ、パワー密度の高い高周波電力を用いて絶縁膜１１６を形成することができる。
【０２２９】
なお、絶縁膜１１６の成膜条件において、酸化性気体に対するシリコンを含む堆積性気体の流量を増加することで、絶縁膜１１６の欠陥量を低減することが可能である。代表的には、ＥＳＲ測定により、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝２．００１に現れる信号のスピン密度が６×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満、好ましくは３×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１．５×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下である欠陥量の少ない酸化物絶縁層を形成することができる。この結果トランジスタの信頼性を高めることができる。
【０２３０】
絶縁膜１１４、１１６を形成した後、加熱処理を行ってもよい。該加熱処理により、絶縁膜１１４、１１６に含まれる窒素酸化物を低減することができる。または、絶縁膜１１４、１１６に含まれる酸素の一部を酸化物半導体膜１０８に移動させ、酸化物半導体膜１０８に含まれる酸素欠損量を低減することができる。
【０２３１】
絶縁膜１１４、１１６への加熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上４００℃以下、好ましくは３００℃以上４００℃以下、好ましくは３２０℃以上３７０℃以下とする。加熱処理は、窒素、酸素、超乾燥空気（水の含有量が２０ｐｐｍ以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）、または希ガス（アルゴン、ヘリウム等）の雰囲気下で行えばよい。なお、上記窒素、酸素、超乾燥空気、または希ガスに水素、水等が含まれないことが好ましい。該加熱処理には、電気炉、ＲＴＡ装置等を用いることができる。
【０２３２】
本実施の形態では、窒素及び酸素雰囲気で、３５０℃、１時間の加熱処理を行う。
【０２３３】
絶縁膜１１８をＰＥＣＶＤ法で形成する場合、基板温度は３００℃以上４００℃以下に、好ましくは３２０℃以上３７０℃以下にすることで、緻密な膜を形成できるため好ましい。
【０２３４】
例えば、絶縁膜１１８としてＰＥＣＶＤ法により窒化シリコン膜を形成する場合、シリコンを含む堆積性気体、窒素、及びアンモニアを原料ガスとして用いることが好ましい。窒素と比較して少量のアンモニアを用いることで、プラズマ中でアンモニアが解離し、活性種が発生する。該活性種が、シリコンを含む堆積性気体に含まれるシリコン及び水素の結合、及び窒素の三重結合を切断する。この結果、シリコン及び窒素の結合が促進され、シリコン及び水素の結合が少なく、欠陥が少なく、緻密な窒化シリコン膜を形成することができる。一方、窒素に対するアンモニアの量が多いと、シリコンを含む堆積性気体及び窒素の分解が進まず、シリコン及び水素結合が残存してしまい、欠陥が増大した、且つ粗な窒化シリコン膜が形成されてしまう。これらのため、原料ガスにおいて、アンモニアに対する窒素の流量比を５以上５０以下、１０以上５０以下とすることが好ましい。
【０２３５】
本実施の形態においては、絶縁膜１１８として、ＰＥＣＶＤ装置を用いて、シラン、窒素、及びアンモニアの原料ガスから、厚さ５０ｎｍの窒化シリコン膜を形成する。流量は、シランが５０ｓｃｃｍ、窒素が５０００ｓｃｃｍであり、アンモニアが１００ｓｃｃｍである。処理室の圧力を１００Ｐａ、基板温度を３５０℃とし、２７．１２ＭＨｚの高周波電源を用いて１０００Ｗの高周波電力を平行平板電極に供給する。ＰＥＣＶＤ装置は電極面積が６０００ｃｍ２である平行平板型のＰＥＣＶＤ装置であり、供給した電力を単位面積あたりの電力（電力密度）に換算すると１．７×１０−１Ｗ／ｃｍ２である。
【０２３６】
また、絶縁膜１１８の形成後に、加熱処理を行ってもよい。該加熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上４００℃以下、好ましくは３００℃以上４００℃以下、好ましくは３２０℃以上３７０℃以下とする。上記加熱処理を行う際には、絶縁膜１１４、１１６の水素および水が低減されているため、上述したような酸化物半導体膜１０８の欠陥の発生は抑えられている。
【０２３７】
以上の工程により、図１に示す半導体装置を作製することができる。
【０２３８】
なお、図３（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタ１００Ａとしては、絶縁膜１３１を除去せずに、絶縁膜１１４を形成することで作製することができる。
【０２３９】
＜半導体装置の作製方法２＞
次に、先に示す＜半導体装置の作製方法１＞と異なるトランジスタ１００の作製方法について、図１５を用いて、以下詳細に説明する。
【０２４０】
まず、１３（Ｂ）に示す工程まで行い、その後、酸化物半導体膜１０８及び絶縁膜１１３ａ、１１３ｂ上に絶縁膜１１４、１１６を形成する。その後、絶縁膜１１６上に酸素の透過を抑制する膜１３０を形成する（図１５（Ａ）参照）。
【０２４１】
次に、膜１３０を介して絶縁膜１１４、１１６、及び酸化物半導体膜１０８に酸素１４２を添加する（図１５（Ｂ）参照）。
【０２４２】
なお、膜１３０は、酸素１４２が添加されることにより、金属（インジウム、亜鉛、チタン、アルミニウム、タングステン、タンタル、またはモリブデン）の酸化物または窒化物の絶縁膜１３１となる（図１５（Ｃ）参照）。
【０２４３】
こののち、絶縁膜１３１を除去し、絶縁膜１１６上に絶縁膜１１８を形成する（図１５（Ｄ）参照）。
【０２４４】
以上の工程により、図１に示す半導体装置を作製することができる。
【０２４５】
なお、図３（Ｃ）（Ｄ）に示すトランジスタ１００Ｂとしては、絶縁膜１３１を除去せずに、絶縁膜１１８を形成することで作製することができる。
【０２４６】
＜半導体装置の作製方法３＞
次に、本発明の一態様の半導体装置である図４に示すトランジスタ１５０の作製方法について、図１６乃至図１８を用いて、以下詳細に説明する。
【０２４７】
まず、図１２（Ｂ）に示す工程まで行い、その後、酸化物半導体膜１０８上に絶縁膜１１４、１１６を形成する（図１６（Ａ）参照）。
【０２４８】
次に、絶縁膜１１６上にリソグラフィ工程によりマスクを形成し、絶縁膜１１４及び絶縁膜１１６の所望の領域に開口部１４１ａ、１４１ｂを形成する。なお、開口部１４１ａ、１４１ｂは、酸化物半導体膜１０８に達する（図１６（Ｂ）参照）。
【０２４９】
次に、開口部１４１ａ、１４１ｂを覆うように、酸化物半導体膜１０８及び絶縁膜１１６上に導電膜１１２を形成する。その後、導電膜１１２上に絶縁膜１１３を形成する（図１６（Ｃ）参照）。
【０２５０】
次に、絶縁膜１１３上にマスク１４０ａ、１４０ｂを形成する（図１６（Ｄ）参照）。
【０２５１】
次に、マスク１４０ａ、１４０ｂ上からエッチングガス１４１を用いて、導電膜１１２及び絶縁膜１１３をエッチングする（図１７（Ａ）参照）。
【０２５２】
次に、マスク１４０ａ、１４０ｂを除去することで、ソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜１１２ａ、１１２ｂと、導電膜１１２ａ上の絶縁膜１１３ａと、導電膜１１２ｂ上の絶縁膜１１３ｂと、を形成する（図１７（Ｂ）参照）。
【０２５３】
次に、絶縁膜１１３ａ、１１３ｂ、１１６上に酸素の脱離を抑制する膜１３０を形成する（図１７（Ｃ）参照）。
【０２５４】
次に、膜１３０を介して絶縁膜１１４、１１６、及び酸化物半導体膜１０８に酸素１４２を添加する（図１８（Ａ）参照）。
【０２５５】
なお、膜１３０は、酸素１４２が添加されることにより、金属（インジウム、亜鉛、チタン、アルミニウム、タングステン、タンタル、またはモリブデン）の酸化物または窒化物の絶縁膜１３１となる（図１８（Ｂ）参照）。
【０２５６】
次に、絶縁膜１３１を除去した後、絶縁膜１１３ａ、１１３ｂ、１１６上に絶縁膜１１８を形成する（図１８（Ｃ）参照）。
【０２５７】
以上の工程で図４に示す半導体装置を作製することができる。
【０２５８】
なお、図５（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタ１５０Ａとしては、絶縁膜１３１を除去せずに、絶縁膜１１８を形成することで作製することができる。
【０２５９】
＜半導体装置の作製方法４＞
次に、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ１７０の作製方法について、図１９及び図２０を用いて、以下詳細に説明する。
【０２６０】
なお、図１９（Ａ）（Ｃ）及び図２０（Ａ）（Ｃ）は、トランジスタ１７０のチャネル長方向の断面図を表し、図１９（Ｂ）（Ｄ）及び図２０（Ｂ）（Ｄ）は、トランジスタ１７０のチャネル幅方向の断面図を表す。
【０２６１】
まず、図１４（Ｃ）に示す工程まで行う（図１９（Ａ）（Ｂ）参照）。
【０２６２】
次に、絶縁膜１１８上にリソグラフィ工程によりマスクを形成し、絶縁膜１１４、１１６、１１８の所望の領域に開口部１４２ｃを形成する。また、絶縁膜１１８上にリソグラフィ工程によりマスクを形成し、絶縁膜１０６、１０７、１１４、１１６、１１８の所望の領域に開口部１４２ａ、１４２ｂを形成する。なお、開口部１４２ｃは、導電膜１１２ｂに達するように形成される。また、開口部１４２ａ、１４２ｂは、それぞれ導電膜１０４に達するように形成される（図１９（Ｃ）（Ｄ）参照）。
【０２６３】
なお、開口部１４２ａ、１４２ｂと開口部１４２ｃは、同時に形成してもよく、異なる工程で形成してもよい。開口部１４２ａ、１４２ｂと開口部１４２ｃを同時に形成する場合、例えば、グレートーンマスクまたはハーフトーンマスクを用いて形成することができる。
【０２６４】
次に、開口部１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃを覆うように絶縁膜１１８上に導電膜１２０を形成する（図２０（Ａ）（Ｂ）参照）。
【０２６５】
導電膜１２０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ことができる。とくに、導電膜１２０としては、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物、酸化シリコンを添加したインジウム錫酸化物（ＩＴＳＯ）などの透光性を有する導電性材料を用いることができる。また、導電膜１２０としては、例えば、スパッタリング法を用いて形成することができる。本実施の形態においては、膜厚１１０ｎｍのＩＴＳＯ膜をスパッタリング法で形成する。
【０２６６】
次に、導電膜１２０上にリソグラフィ工程によりマスクを形成し、導電膜１２０を所望の領域に加工し、導電膜１２０ａ、１２０ｂを形成する（図２０（Ｃ）（Ｄ）参照）。
【０２６７】
以上の工程で図８に示すトランジスタ１７０を作製することができる。
【０２６８】
＜半導体装置の作製方法５＞
次に、本発明の一態様の半導体装置である図１０（Ｃ）（Ｄ）に示すトランジスタ１００Ｄの作製方法について、図３８及び図３９を用いて、以下詳細に説明する。
【０２６９】
まず、図１２（Ａ）に示す工程まで行う。
【０２７０】
次に、絶縁膜１０７上に酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｂを形成する（図３８（Ａ）参照）。
【０２７１】
本実施の形態では、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２（原子数比））を用いて、スパッタリング法により酸化物半導体膜を成膜する。その後、真空中で連続してＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：４：５（原子数比））を用いて、酸化物半導体膜を成膜し、酸化物積層膜を形成する。次に、該酸化物積層膜上にリソグラフィ工程によりマスクを形成し、該酸化物積層膜を所望の領域に加工することで島状の酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｂを形成する。
【０２７２】
酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｂの形成後、１５０℃以上基板の歪み点未満、好ましくは２００℃以上４５０℃以下、さらに好ましくは３００℃以上４５０℃以下の加熱処理を行ってもよい。ここでの加熱処理は、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｂの高純度化処理の一つであり、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｂに含まれる水素、水等を低減することができる。なお、水素、水等の低減を目的とした加熱処理は、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｂを島状に加工する前に行ってもよい。
【０２７３】
次に、絶縁膜１０７及び酸化物半導体膜１０８ｂ上に導電膜１１２を形成する。次に、導電膜１１２上に絶縁膜１１３を形成する（図３８（Ｂ）参照）。
【０２７４】
次に、絶縁膜１１３上にマスク１４０ａ、１４０ｂを形成する（図３８（Ｃ）参照）。
【０２７５】
次に、マスク１４０ａ、１４０ｂ上からエッチングガス１４１を用いて、導電膜１１２及び絶縁膜１１３をエッチングする（図３８（Ｄ）参照）。
【０２７６】
なお、酸化物半導体膜１０８ｂは、導電膜１１２及び絶縁膜１１３をエッチングする際の、酸化物半導体膜１０８ａの保護絶縁膜としての機能も有する。
【０２７７】
次に、マスク１４０ａ、１４０ｂを除去することで、ソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜１１２ａ、１１２ｂと、導電膜１１２ａ上の絶縁膜１１３ａと、導電膜１１２ｂ上の絶縁膜１１３ｂと、を形成する（図３９（Ａ）参照）。
【０２７８】
また、導電膜１１２ａ、１１２ｂ及び絶縁膜１１３ａ、１１３ｂを形成後に、酸化物半導体膜１０８ｂの表面を洗浄してもよい。該洗浄方法としては、例えば、リン酸等の薬液を用いた洗浄が挙げられる。リン酸等の薬液を用いた洗浄を行うことで、酸化物半導体膜１０８ｂの表面に付着した不純物（例えば、導電膜１１２ａ、１１２ｂに含まれる元素等）を除去することができる。
【０２７９】
なお、導電膜１１２ａ、１１２ｂ及び絶縁膜１１３ａ、１１３ｂの形成時、及び／または上記洗浄工程において、酸化物半導体膜１０８ｂの一部に凹部が形成される場合がある。
【０２８０】
以上の工程でトランジスタ１００Ｄが形成される。
【０２８１】
次に、トランジスタ１００Ｄ上、具体的にはトランジスタ１００Ｄの酸化物半導体膜１０８ｂ、及び絶縁膜１１３ａ、１１３ｂ上にトランジスタ１００Ｄの保護絶縁膜として機能する絶縁膜１１４、１１６を形成する（図３９（Ｂ）参照）。
【０２８２】
なお、絶縁膜１１４、１１６を形成した後、加熱処理を行ってもよい。該加熱処理により、絶縁膜１１４、１１６に含まれる窒素酸化物を低減することができる。または、絶縁膜１１４、１１６に含まれる酸素の一部を酸化物半導体膜１０８に移動させ、酸化物半導体膜１０８に含まれる酸素欠損量を低減することができる。本実施の形態では、窒素及び酸素雰囲気で、３５０℃、１時間の加熱処理を行う。
【０２８３】
次に、絶縁膜１１４、１１６、及び酸化物半導体膜１０８ｂを介して、酸化物半導体膜１０８ａに酸素１４２を添加する（図３９（Ｃ）参照）。
【０２８４】
酸化物半導体膜１０８ｂは、先に説明した酸素の脱離を抑制する膜１３０と同様の機能を有する。また、酸化物半導体膜１０８ｂを形成することにより、酸化物半導体膜１０８ａと酸化物半導体膜１０８ｂの界面近傍に酸素が導入される場合がある。
【０２８５】
次に、絶縁膜１１６上にトランジスタ１００Ｄの保護絶縁膜として機能する絶縁膜１１８を形成する（図３９（Ｄ）参照）。
【０２８６】
以上の工程により、図１０（Ｃ）（Ｄ）に示す半導体装置を作製することができる。
【０２８７】
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。
【０２８８】
（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置に含まれる酸化物半導体の構成について以下詳細に説明を行う。
【０２８９】
まず、以下に酸化物半導体の有しうる構造について説明する。
【０２９０】
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）、非晶質酸化物半導体などがある。
【０２９１】
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、ｎｃ−ＯＳなどがある。
【０２９２】
非晶質構造の定義としては、一般に、準安定状態で固定化していないこと、等方的であって不均質構造を持たないことなどが知られている。また、結合角度が柔軟であり、短距離秩序性は有するが、長距離秩序性を有さない構造と言い換えることもできる。
【０２９３】
逆の見方をすると、本質的に安定な酸化物半導体の場合、完全な非晶質（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ  ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）酸化物半導体と呼ぶことはできない。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呼ぶことはできない。ただし、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、微小な領域において周期構造を有するものの、鬆（ボイドともいう。）を有し、不安定な構造である。そのため、物性的には非晶質酸化物半導体に近いといえる。
【０２９４】
＜ＣＡＡＣ−ＯＳ＞
まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。
【０２９５】
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つである。
【０２９６】
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像では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。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。
【０２９７】
以下では、ＴＥＭによって観察したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。図２１（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像の取得は、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などによって行うことができる。
【０２９８】
図２１（Ａ）の領域（１）を拡大したＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を図２１（Ｂ）に示す。図２１（Ｂ）より、ペレットにおいて、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層の配列は、ＣＡＡＣ−ＯＳの膜を形成する面（被形成面ともいう。）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。
【０２９９】
図２１（Ｂ）に示すように、ＣＡＡＣ−ＯＳは特徴的な原子配列を有する。図２１（Ｃ）は、特徴的な原子配列を、補助線で示したものである。図２１（Ｂ）および図２１（Ｃ）より、ペレット一つの大きさは１ｎｍ以上３ｎｍ以下程度であり、ペレットとペレットとの傾きにより生じる隙間の大きさは０．８ｎｍ程度であることがわかる。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。
【０３００】
ここで、Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像をもとに、基板５１２０上のＣＡＡＣ−ＯＳのペレット５１００の配置を模式的に示すと、レンガまたはブロックが積み重なったような構造となる（図２１（Ｄ）参照。）。図２１（Ｃ）で観察されたペレットとペレットとの間で傾きが生じている箇所は、図２１（Ｄ）に示す領域５１６１に相当する。
【０３０１】
また、図２２（Ａ）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２２（Ａ）の領域（１）、領域（２）および領域（３）を拡大したＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を、それぞれ図２２（Ｂ）、図２２（Ｃ）および図２２（Ｄ）に示す。図２２（Ｂ）、図２２（Ｃ）および図２２（Ｄ）より、ペレットは、金属原子が三角形状、四角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかしながら、異なるペレット間で、金属原子の配列に規則性は見られない。
【０３０２】
次に、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）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、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、図２３（Ａ）に示すように回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる場合がある。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の結晶が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確認できる。
【０３０３】
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳのｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析では、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、ＣＡＡＣ−ＯＳ中の一部に、ｃ軸配向性を有さない結晶が含まれることを示している。より好ましいＣＡＡＣ−ＯＳは、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析では、２θが３１°近傍にピークを示し、２θが３６°近傍にピークを示さない。
【０３０４】
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳに対し、ｃ軸に略垂直な方向から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。ＣＡＡＣ−ＯＳの場合は、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２３（Ｂ）に示すように明瞭なピークは現れない。これに対し、ＩｎＧａＺｎＯ４の単結晶酸化物半導体であれば、２θを５６°近傍に固定してφスキャンした場合、図２３（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。
【０３０５】
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、試料面に平行にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させると、図５１（Ａ）に示すような回折パターン（制限視野透過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５１（Ｂ）に示す。図５１（Ｂ）より、リング状の回折パターンが確認される。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５１（Ｂ）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５１（Ｂ）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。
【０３０６】
上述したように、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、逆の見方をすると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。
【０３０７】
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。
【０３０８】
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。また、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。
【０３０９】
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。具体的には、８×１０１１／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１０／ｃｍ３未満であり、１×１０−９／ｃｍ３以上のキャリア密度の酸化物半導体とすることができる。そのような酸化物半導体を、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶ。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。
【０３１０】
＜ｎｃ−ＯＳ＞
次に、ｎｃ−ＯＳについて説明する。
【０３１１】
ｎｃ−ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において、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、または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。
【０３１２】
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。例えば、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットよりも大きい径のＸ線を用いた場合、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークは検出されない。また、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットよりも大きいプローブ径（例えば５０ｎｍ以上）の電子線を用いる電子回折を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットの大きさと近いかペレットより小さいプローブ径の電子線を用いるナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測される。また、ｎｃ−ＯＳに対しナノビーム電子回折を行うと、円を描くように（リング状に）輝度の高い領域が観測される場合がある。さらに、リング状の領域内に複数のスポットが観測される場合がある。
【０３１３】
このように、ペレット（ナノ結晶）間では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。
【０３１４】
ｎｃ−ＯＳは、非晶質酸化物半導体よりも規則性の高い酸化物半導体である。そのため、ｎｃ−ＯＳは、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳや非晶質酸化物半導体よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、ｎｃ−ＯＳは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、ｎｃ−ＯＳは、ＣＡＡＣ−ＯＳと比べて欠陥準位密度が高くなる。
【０３１５】
＜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。
【０３１６】
ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において鬆が観察される場合がある。また、高分解能ＴＥＭ像において、明確に結晶部を確認することのできる領域と、結晶部を確認することのできない領域と、を有する。
【０３１７】
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。
【０３１８】
電子照射を行う試料として、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ（試料Ａと表記する。）、ｎｃ−ＯＳ（試料Ｂと表記する。）およびＣＡＡＣ−ＯＳ（試料Ｃと表記する。）を準備する。いずれの試料もＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である。
【０３１９】
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ことがわかる。
【０３２０】
なお、どの部分を一つの結晶部と見なすかの判定は、以下のように行えばよい。例えば、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、格子縞の間隔が０．２８ｎｍ以上０．３０ｎｍ以下である箇所を、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶部と見なすことができる。なお、格子縞は、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶のａ−ｂ面に対応する。
【０３２１】
図５２は、各試料の結晶部（２２箇所から４５箇所）の平均の大きさを調査した例である。ただし、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図５２より、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、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。具体的には、図５２中に（１）で示すように、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、累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２においては２．６ｎｍ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。具体的には、図５２中の（２）および（３）で示すように、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１．４ｎｍ程度および２．１ｎｍ程度であることがわかる。
【０３２２】
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ことがわかる。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。
【０３２３】
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％未満となる。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％未満となる。単結晶の密度の７８％未満となる酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。
【０３２４】
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となる。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未満となる。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未満となる。
【０３２５】
なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合がある。その場合、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。
【０３２６】
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。
【０３２７】
＜成膜モデル＞
以下では、ＣＡＡＣ−ＯＳおよびｎｃ−ＯＳの成膜モデルについて説明する。
【０３２８】
図４０（Ａ）は、スパッタリング法によりＣＡＡＣ−ＯＳが成膜される様子を示した成膜室内の模式図である。
【０３２９】
ターゲット１１３０は、バッキングプレート上に接着されている。ターゲット１１３０およびバッキングプレート下には、複数のマグネットが配置される。該複数のマグネットによって、ターゲット１１３０上には磁場が生じている。マグネットの磁場を利用して成膜速度を高めるスパッタリング法は、マグネトロンスパッタリング法と呼ばれる。
【０３３０】
ターゲット１１３０は、多結晶構造を有し、いずれかの結晶粒には劈開面が含まれる。なお、劈開面の詳細については後述する。
【０３３１】
基板１１２０は、ターゲット１１３０と向かい合うように配置しており、その距離ｄ（ターゲット−基板間距離（Ｔ−Ｓ間距離）ともいう。）は０．０１ｍ以上１ｍ以下、好ましくは０．０２ｍ以上０．５ｍ以下とする。成膜室内は、ほとんどが成膜ガス（例えば、酸素、アルゴン、または酸素を５０体積％以上の割合で含む混合ガス）で満たされ、０．０１Ｐａ以上１００Ｐａ以下、好ましくは０．１Ｐａ以上１０Ｐａ以下に制御される。ここで、ターゲット１１３０に一定以上の電圧を印加することで、放電が始まり、プラズマが確認される。なお、ターゲット１１３０上の磁場によって、高密度プラズマ領域が形成される。高密度プラズマ領域では、成膜ガスがイオン化することで、イオン１１０１が生じる。イオン１１０１は、例えば、酸素の陽イオン（Ｏ＋）やアルゴンの陽イオン（Ａｒ＋）などである。
【０３３２】
イオン１１０１は、電界によってターゲット１１３０側に加速され、やがてターゲット１１３０と衝突する。このとき、劈開面から平板状またはペレット状のスパッタ粒子であるペレット１１００ａおよびペレット１１００ｂが剥離し、叩き出される。なお、ペレット１１００ａおよびペレット１１００ｂは、イオン１１０１の衝突の衝撃によって、構造に歪みが生じる場合がある。
【０３３３】
ペレット１１００ａは、三角形、例えば正三角形の平面を有する平板状またはペレット状のスパッタ粒子である。また、ペレット１１００ｂは、六角形、例えば正六角形の平面を有する平板状またはペレット状のスパッタ粒子である。なお、ペレット１１００ａおよびペレット１１００ｂなどの平板状またはペレット状のスパッタ粒子を総称してペレット１１００と呼ぶ。ペレット１１００の平面の形状は、三角形、六角形に限定されない、例えば、三角形が２個以上６個以下合わさった形状となる場合がある。例えば、三角形（正三角形）が２個合わさった四角形（ひし形）となる場合もある。
【０３３４】
ペレット１１００は、成膜ガスの種類などに応じて厚さが決定する。理由は後述するが、ペレット１１００の厚さは、均一にすることが好ましい。また、スパッタ粒子は厚みのないペレット状である方が、厚みのあるサイコロ状であるよりも好ましい。
【０３３５】
ペレット１１００は、プラズマを通過する際に電荷を受け取ることで、側面が負または正に帯電する場合がある。ペレット１１００は、側面に酸素原子を有し、当該酸素原子が負に帯電する可能性がある。例えば、ペレット１１００ａが、側面に負に帯電した酸素原子を有する例を図４２に示す。このように、側面が同じ極性の電荷を帯びることにより、電荷同士の反発が起こり、平板状の形状を維持することが可能となる。なお、ＣＡＡＣ−ＯＳが、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である場合、インジウム原子と結合した酸素原子が負に帯電する可能性がある。または、インジウム原子、ガリウム原子および亜鉛原子と結合した酸素原子が負に帯電する可能性がある。
【０３３６】
図４０（Ａ）に示すように、例えば、ペレット１１００は、プラズマ中を凧のように飛翔し、ひらひらと基板１１２０上まで舞い上がっていく。ペレット１１００は電荷を帯びているため、ほかのペレット１１００が既に堆積している領域が近づくと、斥力が生じる。ここで、基板１１２０の上面では、基板１１２０の上面に平行な向きの磁場が生じている。また、基板１１２０およびターゲット１１３０間には、電位差が与えられているため、基板１１２０からターゲット１１３０に向けて電流が流れている。したがって、ペレット１１００は、基板１１２０の上面において、磁場および電流の作用によって、力（ローレンツ力）を受ける（図４３参照。）。このことは、フレミングの左手の法則によって理解できる。なお、ペレット１１００に与える力を大きくするためには、基板１１２０の上面において、基板１１２０の上面に平行な向きの磁場が１０Ｇ以上、好ましくは２０Ｇ以上、さらに好ましくは３０Ｇ以上、より好ましくは５０Ｇ以上となる領域を設けるとよい。または、基板１１２０の上面において、基板１１２０の上面に平行な向きの磁場が、基板１１２０の上面に垂直な向きの磁場の１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上、より好ましくは５倍以上となる領域を設けるとよい。
【０３３７】
また、基板１１２０は加熱されており、ペレット１１００と基板１１２０との間で摩擦などの抵抗が小さい状態となっている。その結果、図４４（Ａ）に示すように、ペレット１１００は、基板１１２０の上面を滑空するように移動する。ペレット１１００の移動は、平板面を基板１１２０に向けた状態で起こる。その後、図４４（Ｂ）に示すように、既に堆積しているほかのペレット１１００の側面まで到達すると、側面同士が結合する。このとき、ペレット１１００の側面にある酸素原子が脱離する。脱離した酸素原子によって、ＣＡＡＣ−ＯＳ中の酸素欠損が埋まる場合があるため、欠陥準位密度の低いＣＡＡＣ−ＯＳとなる。
【０３３８】
また、ペレット１１００が基板１１２０上で加熱されることにより、原子が再配列し、イオン１１０１の衝突で生じた構造の歪みが緩和される。歪みの緩和されたペレット１１００は、ほぼ単結晶となる。ペレット１１００がほぼ単結晶となることにより、ペレット１１００同士が結合した後に加熱されたとしても、ペレット１１００自体の伸縮はほとんど起こり得ない。したがって、ペレット１１００間の隙間が広がることで結晶粒界などの欠陥を形成し、クレバス化することがない。また、隙間には、伸縮性のある金属原子などが敷き詰められ、向きのずれたペレット１１００同士の側面を高速道路のように繋いでいると考えられる。
【０３３９】
以上のようなモデルにより、ペレット１１００が基板１１２０上に堆積していくと考えられる。したがって、エピタキシャル成長とは異なり、被形成面が結晶構造を有さない場合においても、ＣＡＡＣ−ＯＳの成膜が可能であることがわかる。例えば、基板１１２０の上面（被形成面）の構造が非晶質構造であっても、ＣＡＡＣ−ＯＳを成膜することは可能である。
【０３４０】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、平坦面に対してだけでなく、被形成面である基板１１２０の上面に凹凸がある場合でも、その形状に沿ってペレット１１００が配列することがわかる。例えば、基板１１２０の上面が原子レベルで平坦な場合、ペレット１１００はａｂ面と平行な平面である平板面を下に向けて並置するため、厚さが均一で平坦、かつ高い結晶性を有する層が形成される。そして、当該層がｎ段（ｎは自然数。）積み重なることで、ＣＡＡＣ−ＯＳを得ることができる（図４０（Ｂ）参照。）。
【０３４１】
一方、基板１１２０の上面が凹凸を有する場合でも、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ペレット１１００が凸面に沿って並置した層がｎ段（ｎは自然数。）積み重なった構造となる。基板１１２０が凹凸を有するため、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ペレット１１００間に隙間が生じやすい場合がある。ただし、ペレット１１００間で分子間力が働き、凹凸があってもペレット間の隙間はなるべく小さくなるように配列する。したがって、凹凸があっても高い結晶性を有するＣＡＡＣ−ＯＳとすることができる（図４０（Ｃ）参照。）。
【０３４２】
したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳは、レーザ結晶化が不要であり、大面積のガラス基板などであっても均一な成膜が可能である。
【０３４３】
このようなモデルによってＣＡＡＣ−ＯＳが成膜されるため、スパッタ粒子が厚みのないペレット状である方が好ましい。なお、スパッタ粒子が厚みのあるサイコロ状である場合、基板１１２０上に向ける面が一定とならず、厚さや結晶の配向を均一にできない場合がある。
【０３４４】
以上に示した成膜モデルにより、非晶質構造を有する被形成面上であっても、高い結晶性を有するＣＡＡＣ−ＯＳを得ることができる。
【０３４５】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ペレット１１００のほかに酸化亜鉛粒子を有する成膜モデルによっても説明することができる。
【０３４６】
酸化亜鉛粒子は、ペレット１１００よりも質量が小さいため、先に基板１１２０に到達する。基板１１２０の上面において、酸化亜鉛粒子は、水平方向に優先的に結晶成長することで薄い酸化亜鉛層を形成する。該酸化亜鉛層は、ｃ軸配向性を有する。なお、該酸化亜鉛層の結晶のｃ軸は、基板１１２０の法線ベクトルに平行な方向を向く。該酸化亜鉛層は、ＣＡＡＣ−ＯＳを成長させるためのシード層の役割を果たすため、ＣＡＡＣ−ＯＳの結晶性を高める機能を有する。なお、該酸化亜鉛層は、厚さが０．１ｎｍ以上５ｎｍ以下、ほとんどが１ｎｍ以上３ｎｍ以下となる。該酸化亜鉛層は十分薄いため、結晶粒界をほとんど確認することができない。
【０３４７】
したがって、結晶性の高いＣＡＡＣ−ＯＳを成膜するためには、化学量論的組成よりも高い割合で亜鉛を含むターゲットを用いることが好ましい。
【０３４８】
同様に、ｎｃ−ＯＳは、図４１に示す成膜モデルによって理解することができる。なお、図４１と図４０（Ａ）との違いは、基板１１２０の加熱の有無のみである。
【０３４９】
したがって、基板１１２０は加熱されておらず、ペレット１１００と基板１１２０との間で摩擦などの抵抗が大きい状態となっている。その結果、ペレット１１００は、基板１１２０の上面を滑空するように移動することができないため、不規則に降り積もっていくことでｎｃ−ＯＳを得ることができる。
【０３５０】
＜劈開面＞
以下では、ＣＡＡＣ−ＯＳの成膜モデルにおいて記載のターゲットの劈開面について説明する。
【０３５１】
まずは、ターゲットの劈開面について図４５を用いて説明する。図４５に、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の構造を示す。なお、図４５（Ａ）は、ｃ軸を上向きとし、ｂ軸に平行な方向からＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を観察した場合の構造を示す。また、図４５（Ｂ）は、ｃ軸に平行な方向からＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を観察した場合の構造を示す。
【０３５２】
ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の各結晶面における劈開に必要なエネルギーを、第一原理計算により算出する。なお、計算には、擬ポテンシャルと、平面波基底を用いた密度汎関数プログラム（ＣＡＳＴＥＰ）を用いる。なお、擬ポテンシャルには、ウルトラソフト型の擬ポテンシャルを用いる。また、汎関数には、ＧＧＡ  ＰＢＥを用いる。また、カットオフエネルギーは４００ｅＶとする。
【０３５３】
初期状態における構造のエネルギーは、セルサイズを含めた構造最適化を行った後に導出する。また、各面で劈開後の構造のエネルギーは、セルサイズを固定した状態で、原子配置の構造最適化を行った後に導出する。
【０３５４】
図４５に示したＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の構造をもとに、第１の面、第２の面、第３の面、第４の面のいずれかで劈開した構造を作製し、セルサイズを固定した構造最適化計算を行う。ここで、第１の面は、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層とＩｎ−Ｏ層との間の結晶面であり、（００１）面（またはａｂ面）に平行な結晶面である（図４５（Ａ）参照。）。第２の面は、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層とＧａ−Ｚｎ−Ｏ層との間の結晶面であり、（００１）面（またはａｂ面）に平行な結晶面である（図４５（Ａ）参照。）。第３の面は、（１１０）面に平行な結晶面である（図４５（Ｂ）参照。）。第４の面は、（１００）面（またはｂｃ面）に平行な結晶面である（図４５（Ｂ）参照。）。
【０３５５】
以上のような条件で、各面で劈開後の構造のエネルギーを算出する。次に、劈開後の構造のエネルギーと初期状態における構造のエネルギーとの差を、劈開面の面積で除すことで、各面における劈開しやすさの尺度である劈開エネルギーを算出する。なお、構造のエネルギーは、構造に含まれる原子と電子に対して、電子の運動エネルギーと、原子間、原子−電子間、および電子間の相互作用と、を考慮したエネルギーである。
【０３５６】
計算の結果、第１の面の劈開エネルギーは２．６０Ｊ／ｍ２、第２の面の劈開エネルギーは０．６８Ｊ／ｍ２、第３の面の劈開エネルギーは２．１８Ｊ／ｍ２、第４の面の劈開エネルギーは２．１２Ｊ／ｍ２であることがわかった（表１参照。）。
【０３５７】
【表１】
2015179840.tif 000003
【０３５８】
この計算により、図４５に示したＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の構造において、第２の面における劈開エネルギーが最も低くなる。即ち、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層とＧａ−Ｚｎ−Ｏ層との間が最も劈開しやすい面（劈開面）であることがわかる。したがって、本明細書において、劈開面と記載する場合、最も劈開しやすい面である第２の面のことを示す。
【０３５９】
Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層とＧａ−Ｚｎ−Ｏ層との間である第２の面に劈開面を有するため、図４５（Ａ）に示すＩｎＧａＺｎＯ４の結晶は、二つの第２の面と等価な面で分離することができる。したがって、ターゲットにイオンなどを衝突させる場合、もっとも劈開エネルギーの低い面で劈開したウェハース状のユニット（我々はこれをペレットと呼ぶ。）が最小単位となって飛び出してくると考えられる。その場合、ＩｎＧａＺｎＯ４のペレットは、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層、Ｉｎ−Ｏ層およびＧａ−Ｚｎ−Ｏ層の３層となる。
【０３６０】
また、第１の面（Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層とＩｎ−Ｏ層との間の結晶面であり、（００１）面（またはａｂ面）に平行な結晶面）よりも、第３の面（１１０）面に平行な結晶面）、第４の面（（１００）面（またはｂｃ面）に平行な結晶面）の劈開エネルギーが低いことから、ペレットの平面形状は三角形状または六角形状が多いことが示唆される。
【０３６１】
次に、古典分子動力学計算により、ターゲットとしてホモロガス構造を有するＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を仮定し、当該ターゲットをアルゴン（Ａｒ）または酸素（Ｏ）によりスパッタした場合の劈開面について評価する。計算に用いたＩｎＧａＺｎＯ４の結晶（２６８８原子）の断面構造を図４６（Ａ）に、上面構造を図４６（Ｂ）に示す。なお、図４６（Ａ）に示す固定層は、位置が変動しないよう原子の配置を固定した層である。また、図４６（Ａ）に示す温度制御層は、常に一定の温度（３００Ｋ）とした層である。
【０３６２】
古典分子動力学計算には、富士通株式会社製Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｅｘｐｌｏｒｅｒ５．０を用いる。なお、初期温度を３００Ｋ、セルサイズを一定、時間刻み幅を０．０１フェムト秒、ステップ数を１０００万回とする。計算では、当該条件のもと、原子に３００ｅＶのエネルギーを与え、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶のａｂ面に垂直な方向からセルに原子を入射させる。
【０３６３】
図４７（Ａ）は、図４６に示したＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するセルにアルゴンが入射してから９９．９ピコ秒（ｐｓｅｃ）後の原子配列を示す。また、図４７（Ｂ）は、セルに酸素が入射してから９９．９ピコ秒後の原子配列を示す。なお、図４７では、図４６（Ａ）に示した固定層の一部を省略して示す。
【０３６４】
図４７（Ａ）より、アルゴンがセルに入射してから９９．９ピコ秒までに、図４５（Ａ）に示した第２の面に対応する劈開面から亀裂が生じる。したがって、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶に、アルゴンが衝突した場合、最上面を第２の面（０番目）とすると、第２の面（２番目）に大きな亀裂が生じることがわかる。
【０３６５】
一方、図４７（Ｂ）より、酸素がセルに入射してから９９．９ピコ秒までに、図４５（Ａ）に示した第２の面に対応する劈開面から亀裂が生じることがわかる。ただし、酸素が衝突した場合は、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の第２の面（１番目）において大きな亀裂が生じることがわかる。
【０３６６】
したがって、ホモロガス構造を有するＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を含むターゲットの上面から原子（イオン）が衝突すると、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶は第２の面に沿って劈開し、平板状の粒子（ペレット）が剥離することがわかる。また、このとき、ペレットの大きさは、アルゴンを衝突させた場合よりも、酸素を衝突させた場合の方が小さくなることがわかる。
【０３６７】
なお、上述の計算から、剥離したペレットは損傷領域を含むことが示唆される。ペレットに含まれる損傷領域は、損傷によって生じた欠陥に酸素を反応させることで修復できる場合がある。
【０３６８】
そこで、衝突させる原子の違いによって、ペレットの大きさが異なることについて調査する。
【０３６９】
図４８（Ａ）に、図４６に示したＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するセルにアルゴンが入射した後、０ピコ秒から０．３ピコ秒までにおける各原子の軌跡を示す。したがって、図４８（Ａ）は、図４６から図４７（Ａ）の間の期間に対応する。
【０３７０】
図４８（Ａ）より、アルゴンが第１層（Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層）のガリウム（Ｇａ）と衝突すると、当該ガリウムが第３層（Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層）の亜鉛（Ｚｎ）と衝突した後、当該亜鉛が第６層（Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層）の近傍まで到達することがわかる。なお、ガリウムと衝突したアルゴンは、外に弾き飛ばされる。したがって、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を含むターゲットにアルゴンを衝突させた場合、図４６（Ａ）における第２の面（２番目）に亀裂が入ると考えられる。
【０３７１】
また、図４８（Ｂ）に、図４６に示したＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するセルに酸素が入射した後、０ピコ秒から０．３ピコ秒までにおける各原子の軌跡を示す。したがって、図４８（Ｂ）は、図４６から図４７（Ａ）の間の期間に対応する。
【０３７２】
一方、図４８（Ｂ）より、酸素が第１層（Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層）のガリウム（Ｇａ）と衝突すると、当該ガリウムが第３層（Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層）の亜鉛（Ｚｎ）と衝突した後、当該亜鉛が第５層（Ｉｎ−Ｏ層）まで到達しないことがわかる。なお、ガリウムと衝突した酸素は、外に弾き飛ばされる。したがって、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を含むターゲットに酸素を衝突させた場合、図４６（Ａ）における第２の面（１番目）に亀裂が入ると考えられる。
【０３７３】
本計算からも、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶は、原子（イオン）が衝突した場合、劈開面から剥離することが示唆される。
【０３７４】
また、亀裂の深さの違いを保存則の観点から検討する。エネルギー保存則および運動量保存則は、式（１）および式（２）のように示すことができる。ここで、Ｅは衝突前のアルゴンまたは酸素の持つエネルギー（３００ｅＶ）、ｍＡはアルゴンまたは酸素の質量、ｖＡは衝突前のアルゴンまたは酸素の速度、ｖ’Ａは衝突後のアルゴンまたは酸素の速度、ｍＧａはガリウムの質量、ｖＧａは衝突前のガリウムの速度、ｖ’Ｇａは衝突後のガリウムの速度である。
【０３７５】
【数１】
2015179840.tif 000004
【０３７６】
【数２】
2015179840.tif 000005
【０３７７】
アルゴンまたは酸素の衝突が弾性衝突であると仮定すると、ｖＡ、ｖ’Ａ、ｖＧａおよびｖ’Ｇａの関係は式（３）のように表すことができる。
【０３７８】
【数３】
2015179840.tif 000006
【０３７９】
式（１）、式（２）および式（３）より、ｖＧａを０とすると、アルゴンまたは酸素が衝突した後のガリウムの速度ｖ’Ｇａは、式（４）のように表すことができる。
【０３８０】
【数４】
2015179840.tif 000007
【０３８１】
式（４）において、ｍＡにアルゴンの質量または酸素の質量を代入し、それぞれの原子が衝突した後のガリウムの速度を比較する。アルゴンおよび酸素の衝突前に持つエネルギーが同じである場合、アルゴンが衝突した場合の方が、酸素が衝突した場合よりも１．２４倍ガリウムの速度が高いことがわかる。したがって、ガリウムの持つエネルギーもアルゴンが衝突した場合の方が、酸素が衝突した場合よりも速度の二乗分だけ高くなる。
【０３８２】
アルゴンを衝突させた場合の方が、酸素を衝突させた場合よりも、衝突後のガリウムの速度（エネルギー）が高くなることがわかる。したがって、アルゴンを衝突させた場合の方が、酸素を衝突させた場合よりも深い位置に亀裂が生じたと考えられる。
【０３８３】
以上の計算により、ホモロガス構造を有するＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を含むターゲットをスパッタすると、劈開面から剥離し、ペレットが形成されることがわかる。一方、劈開面を有さないターゲットの他の構造の領域をスパッタしてもペレットは形成されず、ペレットよりも微細な原子レベルの大きさのスパッタ粒子が形成される。該スパッタ粒子は、ペレットと比べて小さいため、スパッタリング装置に接続されている真空ポンプを介して排気されると考えられる。したがって、ホモロガス構造を有するＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を含むターゲットをスパッタした場合、様々な大きさ、形状の粒子が基板まで飛翔し、堆積することで成膜されるモデルは考えにくい。スパッタされたペレットが堆積してＣＡＡＣ−ＯＳを成膜する図４０（Ａ）などに記載のモデルが道理に適っている。
【０３８４】
このようにして成膜されたＣＡＡＣ−ＯＳの密度は、単結晶ＯＳと同程度の密度を有する。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４のホモロガス構造を有する単結晶ＯＳの密度は６．３６ｇ／ｃｍ３であるのに対し、同程度の原子数比であるＣＡＡＣ−ＯＳの密度は６．３ｇ／ｃｍ３程度となる。
【０３８５】
図４９に、スパッタリング法で成膜したＣＡＡＣ−ＯＳであるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（図４９（Ａ）参照。）、およびそのターゲット（図４９（Ｂ）参照。）の断面における原子配列を示す。原子配列の観察には、高角散乱環状暗視野走査透過電子顕微鏡法（ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ：Ｈｉｇｈ−Ａｎｇｌｅ  Ａｎｎｕｌａｒ  Ｄａｒｋ  Ｆｉｅｌｄ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）を用いる。なお、ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭでは、各原子の像強度は原子番号の二乗に比例する。したがって、原子番号の近いＺｎ（原子番号３０）とＧａ（原子番号３１）とは、ほとんど区別できない。ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭには、日立走査透過電子顕微鏡ＨＤ−２７００を用いる。
【０３８６】
図４９（Ａ）および図４９（Ｂ）を比較すると、ＣＡＡＣ−ＯＳと、ターゲットは、ともにホモロガス構造を有しており、それぞれの原子の配置が対応していることがわかる。したがって、図４０（Ａ）などの成膜モデルに示したように、ターゲットの結晶構造が転写されることでＣＡＡＣ−ＯＳが成膜されることがわかる。
【０３８７】
次に、酸化物半導体膜がＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である場合の結晶性と、酸素透過性との関係を説明する。
【０３８８】
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の結晶における、過剰酸素（酸素）の移動に係るエネルギー障壁について計算により求める。計算には、密度汎関数理論に基づく平面波基底第一原理計算ソフトＶＡＳＰ（Ｖｉｅｎｎａ  ａｂ−ｉｎｉｔｉｏ  ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ  ｐａｃｋａｇｅ）を用いる。なお、汎関数としてはＧＧＡ−ＰＢＥを用いる。また、平面波のカットオフエネルギーを４００ｅＶとする。また、ＰＡＷ（Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ  Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ  Ｗａｖｅ）法により内殻電子の効果を取り入れる。
【０３８９】
ここでは、図２４に示すＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の結晶において、過剰酸素（酸素）の移動経路１、移動経路２、移動経路３および移動経路４の移動しやすさを計算する。
【０３９０】
なお、移動経路１は、三つのインジウム原子および一つの亜鉛原子と結合した酸素に結合した過剰酸素（酸素）が、隣接する三つのインジウム原子および一つの亜鉛原子と結合した酸素に結合する経路である。また、移動経路２は、三つのインジウム原子および一つのガリウム原子と結合した酸素に結合した過剰酸素（酸素）が、インジウムおよび酸素を含む層を横切って、隣接する三つのインジウム原子および一つの亜鉛原子と結合した酸素に結合する経路である。また、移動経路３は、二つのガリウム原子および一つの亜鉛原子と結合した酸素に結合した過剰酸素（酸素）が、隣接する二つの亜鉛原子および一つのガリウム原子と結合した酸素に結合する経路である。また、移動経路４は、二つのガリウム原子および一つの亜鉛原子と結合した酸素に結合した過剰酸素（酸素）が、ガリウム、亜鉛および酸素を含む層を横切って、隣接する三つのインジウム原子および一つのガリウム原子と結合した酸素に結合する経路である。
【０３９１】
単位時間当たりに拡散のエネルギー障壁Ｅａを越える頻度を拡散頻度Ｒとすると、Ｒは下に示す式で表すことができる。
【０３９２】
【数５】
2015179840.tif 000008
【０３９３】
なお、νは拡散原子の熱振動の振動数、ｋＢはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。νにデバイ振動数として１０１３［１／ｓｅｃ］を与えた場合の、３５０℃および４５０℃における拡散頻度Ｒは表２のようになる。
【０３９４】
【表２】
2015179840.tif 000009
【０３９５】
表２に示すように、インジウムおよび酸素を含む層を横切る移動経路２において、他の移動経路よりも高いエネルギー障壁を有することがわかる。これは、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の結晶は、ｃ軸方向における過剰酸素（酸素）の移動が起こりにくいことを示している。即ち、ＣＡＡＣ−ＯＳなどのように、ｃ軸配向性を有し、被形成面または上面に概略垂直な方向を向いている構造を有する場合、被形成面または上面に概略垂直な方向における過剰酸素（酸素）の移動が起こりにくいことを示している。
【０３９６】
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。
【０３９７】
（実施の形態３）
本実施の形態においては、酸化物半導体膜の酸素欠損について、以下詳細に説明を行う。
【０３９８】
＜（１）ＶｏＨの形成しやすさ及び安定性＞
酸化物半導体膜（以下、ＩＧＺＯと示す。）が完全な結晶の場合、室温では、Ｈは、優先的にａｂ面に沿って拡散する。また、４５０℃の加熱処理の際には、Ｈは、ａｂ面及びｃ軸方向それぞれに拡散する。そこで、ここでは、ＩＧＺＯに酸素欠損Ｖｏが存在する場合、Ｈは酸素欠損Ｖｏ中に入りやすいか否かについて説明する。ここで、酸素欠損Ｖｏ中にＨがある状態をＶｏＨと表記する。
【０３９９】
計算には、図２５に示すＩｎＧａＺｎＯ４結晶モデルを用いた。ここで、ＶｏＨ中のＨがＶｏから出ていき、酸素と結合する反応経路の活性化障壁（Ｅａ）を、ＮＥＢ（Ｎｕｄｇｅｄ  Ｅｌａｓｔｉｃ  Ｂａｎｄ）法を用いて計算した。計算条件を表３に示す。
【０４００】
【表３】
2015179840.tif 000010
【０４０１】
また、ＩｎＧａＺｎＯ４結晶モデルにおいて、酸素が結合する金属元素及びその数の違いから、図２５に示すように酸素サイト１乃至酸素サイト４がある。ここでは、酸素欠損Ｖｏを形成しやすい酸素サイト１及び酸素サイト２について計算を行った。
【０４０２】
はじめに、酸素欠損Ｖｏを形成しやすい酸素サイト１として、３個のＩｎと１個のＺｎと結合した酸素サイトについて計算を行った。
【０４０３】
初期状態のモデルを図２６（Ａ）に示し、最終状態のモデルを図２６（Ｂ）に示す。また、初期状態及び最終状態において、算出した活性化障壁（Ｅａ）を図２７に示す。なお、ここでの初期状態とは、酸素欠損Ｖｏ中にＨがある状態（ＶｏＨ）であり、最終状態とは、酸素欠損Ｖｏと、１個のＧａ及び２個のＺｎと結合した酸素とＨとが結合した状態（Ｈ−Ｏ）を有する構造である。
【０４０４】
計算の結果、酸素欠損Ｖｏ中のＨが他のＯと結合するには約１．５２ｅＶのエネルギーが必要であるのに対して、Ｏと結合したＨが酸素欠損Ｖｏ中に入るには約０．４６ｅＶのエネルギーが必要であった。
【０４０５】
ここで、計算により得られた活性化障壁（Ｅａ）と数式６より、反応頻度（Γ）を算出した。なお、数式６において、ｋＢはボルツマン定数であり、Ｔは絶対温度である。
【０４０６】
【数６】
2015179840.tif 000011
【０４０７】
頻度因子ν＝１０１３［１／ｓｅｃ］と仮定して３５０℃における反応頻度を算出した。図２６（Ａ）に示すモデルから図２６（Ｂ）に示すモデルへＨが移動する頻度は５．５２×１００［１／ｓｅｃ］であった。また、図２６（Ｂ）に示すモデルから図２６（Ａ）に示すモデルへＨが移動する頻度は１．８２×１０９［１／ｓｅｃ］であった。このことから、ＩＧＺＯ中を拡散するＨは、近くに酸素欠損ＶｏがあるとＶｏＨを形成しやすく、一旦ＶｏＨを形成すると酸素欠損Ｖｏから放出されにくいと考えられる。
【０４０８】
次に、酸素欠損Ｖｏを形成しやすい酸素サイト２として、１個のＧａと２個のＺｎと結合した酸素サイトについて計算を行った。
【０４０９】
初期状態のモデルを図２８（Ａ）に示し、最終状態のモデルを図２８（Ｂ）に示す。また、初期状態及び最終状態において、算出した活性化障壁（Ｅａ）を図２９に示す。なお、ここでの初期状態とは、酸素欠損Ｖｏ中にＨがある状態（ＶｏＨ）であり、最終状態とは、酸素欠損Ｖｏと、１個のＧａ及び２個のＺｎと結合した酸素とＨとが結合した状態（Ｈ−Ｏ）を有する構造である。
【０４１０】
計算の結果、酸素欠損Ｖｏ中のＨが他のＯと結合するには約１．７５ｅＶのエネルギーが必要であるのに対して、Ｏと結合したＨが酸素欠損Ｖｏ中に入るには約０．３５ｅＶのエネルギーが必要であった。
【０４１１】
また、計算により得られた活性化障壁（Ｅａ）と上記の数式６より、反応頻度（Γ）を算出した。
【０４１２】
頻度因子ν＝１０１３［１／ｓｅｃ］と仮定して３５０℃における反応頻度を算出した。図２８（Ａ）に示すモデルから図２８（Ｂ）に示すモデルへＨが移動する頻度は７．５３×１０−２［１／ｓｅｃ］であった。また、図２８（Ｂ）に示すモデルから図２８（Ａ）に示すモデルへＨが移動する頻度は１．４４×１０１０［１／ｓｅｃ］であった。このことから、一旦ＶｏＨを形成すると酸素欠損ＶｏからＨは放出されにくいと考えられる。
【０４１３】
以上のことから、アニール時にＩＧＺＯ中のＨは拡散し易く、酸素欠損Ｖｏがある場合は酸素欠損Ｖｏの中に入ってＶｏＨとなりやすいことが分かった。
【０４１４】
＜（２）ＶｏＨの遷移レベル＞
ＩＧＺＯ中において酸素欠損ＶｏとＨが存在する場合、＜（１）ＶｏＨの形成しやすさ及び安定性＞で示した、ＮＥＢ法を用いた計算より、酸素欠損ＶｏとＨはＶｏＨを形成しやすく、さらにＶｏＨは安定であると考えられる。そこで、ＶｏＨがキャリアトラップに関与するかを調べるため、ＶｏＨの遷移レベルの算出を行った。
【０４１５】
計算にはＩｎＧａＺｎＯ４結晶モデル（１１２原子）を用いた。図２５に示す酸素サイト１及び酸素サイト２に対してＶｏＨモデルを作成し、遷移レベルの算出を行った。計算条件を表４に示す。
【０４１６】
【表４】
2015179840.tif 000012
【０４１７】
実験値に近いバンドギャップが出るよう、交換項の混合比を調整したことで、欠陥のないＩｎＧａＺｎＯ４結晶モデルのバンドギャップは３．０８ｅＶとなり、実験値の３．１５ｅＶと近い結果となった。
【０４１８】
欠陥Ｄをもつモデルの遷移レベル（ε（ｑ／ｑ’））は、以下の数式７により算出される。なお、ΔＥ（Ｄｑ）は欠陥Ｄの電荷ｑにおける形成エネルギーであり、数式８より算出される。
【０４１９】
【数７】
2015179840.tif 000013
【０４２０】
【数８】
2015179840.tif 000014
【０４２１】
数式７及び数式８において、Ｅｔｏｔ（Ｄｑ）は欠陥Ｄを含むモデルの電荷ｑにおける全エネルギー、Ｅｔｏｔ（ｂｕｌｋ）は欠陥のないモデル（完全結晶）の全エネルギー、Δｎｉは欠陥に関する原子ｉの増減数、μｉは原子ｉの化学ポテンシャル、εＶＢＭは欠陥のないモデルにおける価電子帯上端のエネルギー、ΔＶｑは静電ポテンシャルに関する補正項、ＥＦはフェルミエネルギーである。
【０４２２】
算出したＶｏＨの遷移レベルを図３０に示す。図３０中の数値は伝導帯下端からの深さである。図３０より、酸素サイト１に対するＶｏＨの遷移レベルは伝導帯下端の下０．０５ｅＶに存在し、酸素サイト２に対するＶｏＨの遷移レベルは伝導帯下端の下０．１１ｅＶに存在するため、それぞれのＶｏＨは電子トラップに関与すると考えられる。すなわち、ＶｏＨはドナーとして振る舞うことが明らかになった。また、ＶｏＨを有するＩＧＺＯは導電性を有することが明らかになった。
【０４２３】
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。
【０４２４】
（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３１乃至図３３を用いて以下説明を行う。
【０４２５】
図３１は、表示装置の一例を示す上面図である。図３１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３１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。
【０４２６】
また、表示装置７００は、第１の基板７０１上のシール材７１２によって囲まれている領域とは異なる領域に、画素部７０２、ソースドライバ回路部７０４、ゲートドライバ回路部７０６、及びゲートドライバ回路部７０６と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。
【０４２７】
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。
【０４２８】
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。
【０４２９】
また、表示装置７００は、様々な素子を有することが出来る。該素子は、例えば、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（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（インターフェアレンス・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。これらの他にも、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良い。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。
【０４３０】
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。
【０４３１】
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。
【０４３２】
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３２及び図３３を用いて説明する。なお、図３２は、図３１に示す一点鎖線Ｑ−Ｒにおける断面図であり、表示素子として液晶素子を用いた構成である。また、図３３は、図３１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。
【０４３３】
まず、図３２及び図３３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。
【０４３４】
＜表示装置の共通部分に関する説明＞
図３２及び図３３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。
【０４３５】
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。
【０４３６】
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。
【０４３７】
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。
【０４３８】
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のソース電極又は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。
【０４３９】
また、図３２及び図３３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及び平坦化絶縁膜７７０が設けられている。
【０４４０】
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膜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、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。
【０４４１】
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。
【０４４２】
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。
【０４４３】
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。
【０４４４】
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。
【０４４５】
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。
【０４４６】
＜表示素子として液晶素子を用いる表示装置の構成例＞
図３２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３２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。
【０４４７】
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３２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。
【０４４８】
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。
【０４４９】
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。
【０４５０】
（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。
【０４５１】
また、図３２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。
【０４５２】
なお、図３２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。
【０４５３】
なお、図３２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３２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。
【０４５４】
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。
【０４５５】
また、横電界方式を採用する場合、配向膜を用いないブルー相を示す液晶を用いてもよい。ブルー相は液晶相の一つであり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリック相から等方相へ転移する直前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発現しないため、温度範囲を改善するために数重量％以上のカイラル剤を混合させた液晶組成物を用いて液晶層に用いる。ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、応答速度が短く、光学的等方性である。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。
【０４５６】
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。
【０４５７】
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。
【０４５８】
＜表示素子として発光素子を用いる表示装置＞
図３３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３３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。
【０４５９】
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。
【０４６０】
また、図３３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側及び導電膜７８８側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。
【０４６１】
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３３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。
【０４６２】
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。
【０４６３】
（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３４を用いて説明を行う。
【０４６４】
図３４（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。
【０４６５】
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。
【０４６６】
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。
【０４６７】
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。
【０４６８】
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。
【０４６９】
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。
【０４７０】
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。
【０４７１】
図３４（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。
【０４７２】
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。
【０４７３】
図３４（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。
【０４７４】
また、図３４（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。
【０４７５】
また、図３４（Ａ）に示す複数の画素回路５０１は、例えば、図３４（Ｂ）に示す構成とすることができる。
【０４７６】
図３４（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。
【０４７７】
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。
【０４７８】
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。
【０４７９】
ｍ行ｎ列目の画素回路５０１において、トランジスタ５５０のソース電極またはドレイン電極の一方は、データ線ＤＬ＿ｎに電気的に接続され、他方は液晶素子５７０の一対の電極の他方に電気的に接続される。また、トランジスタ５５０のゲート電極は、走査線ＧＬ＿ｍに電気的に接続される。トランジスタ５５０は、オン状態またはオフ状態になることにより、データ信号のデータの書き込みを制御する機能を有する。
【０４８０】
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。
【０４８１】
例えば、図３４（Ｂ）の画素回路５０１を有する表示装置では、例えば、図３４（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。
【０４８２】
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。
【０４８３】
また、図３４（Ａ）に示す複数の画素回路５０１は、例えば、図３４（Ｃ）に示す構成とすることができる。
【０４８４】
また、図３４（Ｃ）に示す画素回路５０１は、トランジスタ５５２、５５４と、容量素子５６２と、発光素子５７２と、を有する。トランジスタ５５２及びトランジスタ５５４のいずれか一方または双方に先の実施の形態に示すトランジスタを適用することができる。
【０４８５】
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。
【０４８６】
トランジスタ５５２は、オン状態またはオフ状態になることにより、データ信号のデータの書き込みを制御する機能を有する。
【０４８７】
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。
【０４８８】
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。
【０４８９】
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。
【０４９０】
発光素子５７２のアノード及びカソードの一方は、電位供給線ＶＬ＿ｂに電気的に接続され、他方は、トランジスタ５５４のソース電極及びドレイン電極の他方に電気的に接続される。
【０４９１】
発光素子５７２としては、例えば有機エレクトロルミネセンス素子（有機ＥＬ素子ともいう）などを用いることができる。ただし、発光素子５７２としては、これに限定されず、無機材料からなる無機ＥＬ素子を用いても良い。
【０４９２】
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。
【０４９３】
図３４（Ｃ）の画素回路５０１を有する表示装置では、例えば、図３４（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。
【０４９４】
データが書き込まれた画素回路５０１は、トランジスタ５５２がオフ状態になることで保持状態になる。さらに、書き込まれたデータ信号の電位に応じてトランジスタ５５４のソース電極とドレイン電極の間に流れる電流量が制御され、発光素子５７２は、流れる電流量に応じた輝度で発光する。これを行毎に順次行うことにより、画像を表示できる。
【０４９５】
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。
【０４９６】
（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３５及び図３６を用いて説明を行う。
【０４９７】
図３５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、ＦＰＣ８００３に接続されたタッチパネル８００４、ＦＰＣ８００５に接続された表示パネル８００６、バックライトユニット８００７、フレーム８００９、プリント基板８０１０、バッテリ８０１１を有する。
【０４９８】
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。
【０４９９】
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。
【０５００】
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。
【０５０１】
バックライトユニット８００７は、光源８００８を有する。なお、図３５において、バックライトユニット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、バックライトユニット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、バックライトユニット８００７を設けない構成としてもよい。
【０５０２】
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。
【０５０３】
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。
【０５０４】
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。
【０５０５】
図３６（Ａ）乃至図３６（Ｈ）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、ＬＥＤランプ９００４、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。
【０５０６】
図３６（Ａ）はモバイルコンピュータであり、上述したものの他に、スイッチ９００９、赤外線ポート９０１０、等を有することができる。図３６（Ｂ）は記録媒体を備えた携帯型の画像再生装置（たとえば、ＤＶＤ再生装置）であり、上述したものの他に、第２表示部９００２、記録媒体読込部９０１１、等を有することができる。図３６（Ｃ）はゴーグル型ディスプレイであり、上述したものの他に、第２表示部９００２、支持部９０１２、イヤホン９０１３、等を有することができる。図３６（Ｄ）は携帯型遊技機であり、上述したものの他に、記録媒体読込部９０１１、等を有することができる。図３６（Ｅ）はテレビ受像機能付きデジタルカメラであり、上述したものの他に、アンテナ９０１４、シャッターボタン９０１５、受像部９０１６、等を有することができる。図３６（Ｆ）は携帯型遊技機であり、上述したものの他に、第２表示部９００２、記録媒体読込部９０１１、等を有することができる。図３６（Ｇ）はテレビ受像器であり、上述したものの他に、チューナ、画像処理部、等を有することができる。図３６（Ｈ）は持ち運び型テレビ受像器であり、上述したものの他に、信号の送受信が可能な充電器９０１７、等を有することができる。
【０５０７】
図３６（Ａ）乃至図３６（Ｈ）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、日付又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又は受信を行う機能、記録媒体に記録されているプログラム又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。さらに、複数の表示部を有する電子機器においては、一つの表示部を主として画像情報を表示し、別の一つの表示部を主として文字情報を表示する機能、または、複数の表示部に視差を考慮した画像を表示することで立体的な画像を表示する機能、等を有することができる。さらに、受像部を有する電子機器においては、静止画を撮影する機能、動画を撮影する機能、撮影した画像を自動または手動で補正する機能、撮影した画像を記録媒体（外部又はカメラに内蔵）に保存する機能、撮影した画像を表示部に表示する機能、等を有することができる。なお、図３６（Ａ）乃至図３６（Ｈ）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。
【０５０８】
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。なお、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。
【０５０９】
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。
【実施例】
【０５１０】
本実施例においては、本発明の一態様の半導体装置が有する、絶縁膜について酸素の放出量の測定を行った。本実施例においては、以下に示す試料１乃至試料１０を作製し評価を行った。
【０５１１】
（試料１）
試料１としては、ガラス基板上に厚さ１００ｎｍの酸化シリコン膜を、スパッタリング装置を用いて形成した。なお、酸化シリコン膜の成膜条件としては、基板温度を１００℃とし、流量５０ｓｃｃｍの酸素ガスをチャンバー内に導入し、圧力を０．５Ｐａとし、スパッタリングターゲットとして用いたシリコンターゲットにＤＣ電力を６０００Ｗ供給して成膜した。
【０５１２】
（試料２）
試料２としては、ガラス基板上に厚さ１００ｎｍの窒化シリコン膜と、該窒化シリコン膜上に厚さ４００ｎｍの酸化窒化シリコン膜とを、ＰＥＣＶＤ装置を用いて形成し、その後熱処理を行った。
【０５１３】
（試料３）
試料３としては、ガラス基板上に厚さ１００ｎｍの窒化シリコン膜と、該窒化シリコン膜上に厚さ４００ｎｍの酸化窒化シリコン膜とを、ＰＥＣＶＤ装置を用いて形成し、その後熱処理を行った。次に、酸化窒化シリコン膜上から酸素添加処理を行った。
【０５１４】
（試料４）
試料４としては、ガラス基板上に厚さ１００ｎｍの窒化シリコン膜と、該窒化シリコン膜上に厚さ４００ｎｍの酸化窒化シリコン膜とを、ＰＥＣＶＤ装置を用いて形成し、その後熱処理を行った。次に、厚さ５ｎｍの酸化物半導体膜（ＩＧＺＯ膜、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１）を、スパッタリング装置を用いて形成した。次に、酸化物半導体膜上から酸素添加処理を行った。次に、上記酸化物半導体膜を除去し、酸化窒化シリコン膜を露出させた。
【０５１５】
（試料５）
試料５としては、ガラス基板上に厚さ１００ｎｍの窒化シリコン膜と、該窒化シリコン膜上に厚さ４００ｎｍの酸化窒化シリコン膜とを、ＰＥＣＶＤ装置を用いて形成し、その後熱処理を行った。次に、厚さ５ｎｍのタングステン膜を、スパッタリング装置を用いて形成した。次に、タングステン膜上から酸素添加処理を行った。次に、上記タングステン膜を除去し、酸化窒化シリコン膜を露出させた。
【０５１６】
（試料６）
試料６としては、ガラス基板上に厚さ１００ｎｍの窒化シリコン膜と、該窒化シリコン膜上に厚さ４００ｎｍの酸化窒化シリコン膜とを、ＰＥＣＶＤ装置を用いて形成し、その後熱処理を行った。次に、厚さ５ｎｍの窒化タンタル膜を、スパッタリング装置を用いて形成した。次に、窒化タンタル膜上から酸素添加処理を行った。次に、上記窒化タンタル膜を除去し、酸化窒化シリコン膜を露出させた。
【０５１７】
（試料７）
試料７としては、ガラス基板上に厚さ１００ｎｍの窒化シリコン膜と、該窒化シリコン膜上に厚さ４００ｎｍの酸化窒化シリコン膜とを、ＰＥＣＶＤ装置を用いて形成し、その後熱処理を行った。次に、厚さ５ｎｍのチタン膜を、スパッタリング装置を用いて形成した。次に、チタン膜上から酸素添加処理を行った。次に、上記チタン膜を除去し、酸化窒化シリコン膜を露出させた。
【０５１８】
（試料８）
試料８としては、ガラス基板上に厚さ１００ｎｍの窒化シリコン膜と、該窒化シリコン膜上に厚さ４００ｎｍの酸化窒化シリコン膜とを、ＰＥＣＶＤ装置を用いて形成し、その後熱処理を行った。次に、厚さ５ｎｍのアルミニウム膜を、スパッタリング装置を用いて形成した。次に、アルミニウム膜上から酸素添加処理を行った。次に、上記アルミニウム膜を除去し、酸化窒化シリコン膜を露出させた。
【０５１９】
（試料９）
試料９としては、ガラス基板上に厚さ１００ｎｍの窒化シリコン膜と、該窒化シリコン膜上に厚さ４００ｎｍの酸化窒化シリコン膜とを、ＰＥＣＶＤ装置を用いて形成し、その後熱処理を行った。次に、厚さ５ｎｍのＩＴＳＯ膜を、スパッタリング装置を用いて形成した。次に、ＩＴＳＯ膜上から酸素添加処理を行った。次に、上記ＩＴＳＯ膜を除去し、酸化窒化シリコン膜を露出させた。なお、ＩＴＳＯ膜に用いたターゲットの組成としては、
Ｉｎ２Ｏ３：ＳｎＯ２：ＳｉＯ２＝８５：１０：５［重量％］とした。
【０５２０】
（試料１０）
試料１０としては、ガラス基板上に厚さ１００ｎｍの窒化シリコン膜を、ＰＥＣＶＤ装置を用いて形成した。
【０５２１】
また、試料２乃至試料９で実施した熱処理としては、ＲＴＡ装置を用い、窒素雰囲気下で６５０℃  ６ｍｉｎの処理を行った。該熱処理によって、成膜時に酸化窒化シリコン膜中に含まれる酸素が酸化窒化シリコン膜中より脱離される。
【０５２２】
また、試料２乃至試料１０に用いた窒化シリコン膜の成膜条件としては、基板温度を３５０℃とし、流量２００ｓｃｃｍのシランガスと、流量２０００ｓｃｃｍの窒素ガスと、流量２０００ｓｃｃｍのアンモニアガスをチャンバーに導入し、圧力を１００Ｐａとし、ＰＥＣＶＤ装置内に設置された平行平板の電極間に２０００ＷのＲＦ電力を供給して成膜した。
【０５２３】
また、試料２乃至試料９の酸化窒化シリコン膜の成膜条件としては、基板温度を２２０℃とし、流量１６０ｓｃｃｍのシランガスと、流量４０００ｓｃｃｍの一酸化二窒素ガスをチャンバー内に導入し、圧力を２００Ｐａとし、ＰＥＣＶＤ装置内に設置された平行平板の電極間に１５００ＷのＲＦ電力を供給して成膜した。
【０５２４】
また、試料３乃至試料９の酸素添加処理としては、エッチング装置を用い、基板温度を４０℃とし、流量２５０ｓｃｃｍの酸素ガス（１６Ｏ）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、エッチング装置内に設置された平行平板の電極間に４５００ＷのＲＦ電力を供給して行った。
【０５２５】
上記作製した試料１乃至試料１０から放出される質量電荷比（Ｍ／ｚ）が３２、すなわち、酸素（Ｏ２）に相当するガスの放出量の測定を行った。なお、ガスの放出量の測定には、ＴＤＳ分析装置を用いた。なお、本実施例のＴＤＳ分析としては、膜の表面温度を５０℃以上５５０℃以下の範囲で行った。
【０５２６】
試料１乃至試料１０のＴＤＳ測定結果を図５０に示す。図５０において、横軸が試料名を、縦軸がＭ／ｚ＝３２  放出量をそれぞれ示す。
【０５２７】
図５０の結果より、試料１はＭ／ｚ＝３２の放出量が５×１０２０［／ｃｍ３］であった。また、試料２はＭ／ｚ＝３２の放出量が３×１０１８［／ｃｍ３］であった。また、試料３はＭ／ｚ＝３２の放出量が２×１０１９［／ｃｍ３］であった。また、試料４はＭ／ｚ＝３２の放出量が３×１０２０［／ｃｍ３］であった。また、試料５はＭ／ｚ＝３２の放出量が５×１０１９［／ｃｍ３］であった。また、試料６はＭ／ｚ＝３２の放出量が２×１０２１［／ｃｍ３］であった。また、試料７はＭ／ｚ＝３２の放出量が１×１０２１［／ｃｍ３］であった。また、試料８はＭ／ｚ＝３２の放出量が５×１０２０［／ｃｍ３］であった。また、試料９はＭ／ｚ＝３２の放出量が８×１０２０［／ｃｍ３］であった。また、試料１０はＭ／ｚ＝３２の放出量が３×１０１８［／ｃｍ３］であった。
【０５２８】
試料１としては、スパッタリング装置により酸化シリコン膜を成膜したため、該酸化シリコン膜中に過剰の酸素を有し、且つ熱処理を行っていないため、上述の酸素の放出量が確認されたと示唆される。また、試料２としては、酸化窒化シリコン膜の形成後に熱処理を行い、該熱処理によって酸化窒化シリコン膜中から酸素を脱離させたため、酸素の放出量が他の試料と比較し、少ない結果になったと示唆される。また、試料３乃至試料９としては、熱処理後に酸素添加処理を行っているため、試料２と比較し酸素の放出量が多い結果になったと示唆される。また、試料４乃至試料９としては、酸化窒化シリコン膜上に金属膜、金属窒化膜、または金属酸化膜を形成し、該金属膜、該金属窒化膜、または該金属酸化膜を介して、酸化窒化シリコン膜に酸素添加しているため、試料３と比較し酸素の放出量が多い結果になったと示唆される。とくに、試料６、すなわち酸化窒化シリコン膜上に窒化タンタル膜を形成し酸素添加処理を行った構造については、他の試料と比べ酸素の放出量が最も多い。また、試料１０は、成膜ガスに酸素を含むガスを用いていないため、酸素の放出量が少ない。
【０５２９】
以上のように、試料１及び試料３乃至試料９としては、加熱により酸素を放出することが可能な絶縁膜であり、酸素分子に換算して１×１０１９個／ｃｍ３以上の放出量があることが確認できた。したがって、本発明の一態様の半導体装置の第５の絶縁膜として用いることができる。また、試料２及び試料１０としては、ソース電極上の第３の絶縁膜またはドレイン電極上の第４の絶縁膜として用いることができる。
【０５３０】
以上、本実施例に示す構成は、他の実施の形態、または実施例と適宜組み合わせて用いることができる。
【符号の説明】
【０５３１】
１００    トランジスタ
１００Ａ    トランジスタ
１００Ｂ    トランジスタ
１００Ｃ    トランジスタ
１００Ｄ    トランジスタ
１００Ｅ    トランジスタ
１０２    基板
１０４    導電膜
１０６    絶縁膜
１０７    絶縁膜
１０８    酸化物半導体膜
１０８ａ    酸化物半導体膜
１０８ｂ    酸化物半導体膜
１０８ｃ    酸化物半導体膜
１１２    導電膜
１１２ａ    導電膜
１１２ｂ    導電膜
１１３    絶縁膜
１１３ａ    絶縁膜
１１３ｂ    絶縁膜
１１４    絶縁膜
１１６    絶縁膜
１１８    絶縁膜
１２０    導電膜
１２０ａ    導電膜
１２０ｂ    導電膜
１３０    膜
１３１    絶縁膜
１４０ａ    マスク
１４０ｂ    マスク
１４１    エッチングガス
１４１ａ    開口部
１４１ｂ    開口部
１４２    酸素
１４２ａ    開口部
１４２ｂ    開口部
１４２ｃ    開口部
１５０    トランジスタ
１５０Ａ    トランジスタ
１６０    トランジスタ
１６０Ａ    トランジスタ
１７０    トランジスタ
１７０Ａ    トランジスタ
１７０Ｂ    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
５５０    トランジスタ
５５２    トランジスタ
５５４    トランジスタ
５６０    容量素子
５６２    容量素子
５７０    液晶素子
５７２    発光素子
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
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
１１００    ペレット
１１００ａ    ペレット
１１００ｂ    ペレット
１１０１    イオン
１１２０    基板
１１３０    ターゲット
５１００    ペレット
５１２０    基板
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    バックライトユニット
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
９００２    表示部
９００３    スピーカ
９００４    ＬＥＤランプ
９００５    操作キー
９００６    接続端子
９００７    センサ
９００８    マイクロフォン
９００９    スイッチ
９０１０    赤外線ポート
９０１１    記録媒体読込部
９０１２    支持部
９０１３    イヤホン
９０１４    アンテナ
９０１５    シャッターボタン
９０１６    受像部
９０１７    充電器
【図１】
2015179840.tif 000015
【図２】
2015179840.tif 000016
【図３】
2015179840.tif 000017
【図４】
2015179840.tif 000018
【図５】
2015179840.tif 000019
【図６】
2015179840.tif 000020
【図７】
2015179840.tif 000021
【図８】
2015179840.tif 000022
【図９】
2015179840.tif 000023
【図１０】
2015179840.tif 000024
【図１１】
2015179840.tif 000025
【図１２】
2015179840.tif 000026
【図１３】
2015179840.tif 000027
【図１４】
2015179840.tif 000028
【図１５】
2015179840.tif 000029
【図１６】
2015179840.tif 000030
【図１７】
2015179840.tif 000031
【図１８】
2015179840.tif 000032
【図１９】
2015179840.tif 000033
【図２０】
2015179840.tif 000034
【図２７】
2015179840.tif 000035
【図２９】
2015179840.tif 000036
【図３１】
2015179840.tif 000037
【図３２】
2015179840.tif 000038
【図３３】
2015179840.tif 000039
【図３４】
2015179840.tif 000040
【図３５】
2015179840.tif 000041
【図３６】
2015179840.tif 000042
【図３７】
2015179840.tif 000043
【図３８】
2015179840.tif 000044
【図３９】
2015179840.tif 000045
【図４０】
2015179840.tif 000046
【図４１】
2015179840.tif 000047
【図４２】
2015179840.tif 000048
【図４３】
2015179840.tif 000049
【図４４】
2015179840.tif 000050
【図５０】
2015179840.tif 000051
【図２１】
2015179840.tif 000052
【図２２】
2015179840.tif 000053
【図２３】
2015179840.tif 000054
【図２４】
2015179840.tif 000055
【図２５】
2015179840.tif 000056
【図２６】
2015179840.tif 000057
【図２８】
2015179840.tif 000058
【図３０】
2015179840.tif 000059
【図４５】
2015179840.tif 000060
【図４６】
2015179840.tif 000061
【図４７】
2015179840.tif 000062
【図４８】
2015179840.tif 000063
【図４９】
2015179840.tif 000064
【図５１】
2015179840.tif 000065
【図５２】
2015179840.tif 000066