(57)【要約】【課題】酸化物半導体膜を用いた半導体装置において、酸化物半導体膜の欠陥を低減させる。また、酸化物半導体膜を用いた半導体装置において、電気特性を向上させる。また、酸化物半導体膜を用いた半導体装置において、信頼性を向上させる。【解決手段】酸化物半導体層と、酸化物半導体層に接し、銅、アルミニウム、金または銀を含む一対の電極と、を有し、酸化物半導体層は、第１の酸化物半導体層と、第２の酸化物半導体層と、第１の酸化物半導体層と第２の酸化物半導体層の間に位置する第３の酸化物半導体層と、の積層構造を有し、第２の酸化物半導体層は、複数の結晶部を有し、複数の結晶部において、ｃ軸配向性を有し、かつｃ軸が第２の酸化物半導体層の上面の法線ベクトルに平行な方向を向いていることを特徴とする半導体装置を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層に接し、銅、アルミニウム、金または銀を含む一対の電極と、を有し、
前記酸化物半導体層は、第１の酸化物半導体層と、第２の酸化物半導体層と、前記第１の酸化物半導体層と前記第２の酸化物半導体層の間に位置する第３の酸化物半導体層と、の積層構造を有し、
前記第２の酸化物半導体層は、複数の結晶部を有し、前記複数の結晶部において、ｃ軸配向性を有し、かつｃ軸が前記第２の酸化物半導体層の上面の法線ベクトルに平行な方向を向いていること特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１の酸化物半導体層は、複数の結晶部を有し、前記複数の結晶部において、ｃ軸配向性を有し、かつｃ軸が前記第１の酸化物半導体層の上面の法線ベクトルに平行な方向を向いていること特徴とする半導体装置。
【請求項３】
酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層に接し、銅、アルミニウム、金または銀を含む一対の電極と、を有し、
前記酸化物半導体層は、第１の酸化物半導体層と、第２の酸化物半導体層と、前記第１の酸化物半導体層と前記第２の酸化物半導体層の間に位置する第３の酸化物半導体層と、の積層構造を有し、
前記第２の酸化物半導体層の電子親和力は、前記第１の酸化物半導体層の電子親和力よりも小さく、
前記第２の酸化物半導体層は、複数の結晶部を有し、前記複数の結晶部において、ｃ軸配向性を有し、かつｃ軸が前記第２の酸化物半導体層の上面の法線ベクトルに平行な方向を向いていること特徴とする半導体装置。
【請求項４】
第１のゲート電極と、
前記第１のゲート電極と接するゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層を介して前記第１のゲート電極と対向する酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層に接し、銅、アルミニウム、金または銀を含む一対の電極と、を有し、
前記酸化物半導体層は、第１の酸化物半導体層と、第２の酸化物半導体層と、前記第１の酸化物半導体層と前記第２の酸化物半導体層の間に位置する第３の酸化物半導体層と、の積層構造を有し、
前記第２の酸化物半導体層の電子親和力は、前記第１の酸化物半導体層の電子親和力よりも小さく、
前記第２の酸化物半導体層は、複数の結晶部を有し、前記複数の結晶部において、ｃ軸配向性を有し、かつｃ軸が前記第２の酸化物半導体層の上面の法線ベクトルに平行な方向を向いていること特徴とする半導体装置。
【請求項５】
第１のゲート電極と、
前記第１のゲート電極と接する第１のゲート絶縁層と、
前記第１のゲート絶縁層を介して前記第１のゲート電極と対向する酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層に接し、銅、アルミニウム、金または銀を含む一対の電極と、
前記一対の電極上に接する第２のゲート絶縁層と、
前記第２のゲート絶縁層を介して、前記酸化物半導体層と対向する第２のゲート電極と、を有し、
前記酸化物半導体層は、第１の酸化物半導体層と、第２の酸化物半導体層と、前記第１の酸化物半導体層と前記第２の酸化物半導体層の間に位置する第３の酸化物半導体層と、の積層構造を有し、
前記第２の酸化物半導体層の電子親和力は、前記第１の酸化物半導体層の電子親和力よりも小さく、
前記第２の酸化物半導体層は、複数の結晶部を有し、前記複数の結晶部において、ｃ軸配向性を有し、かつｃ軸が前記第２の酸化物半導体層の上面の法線ベクトルに平行な方向を向いていること特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項３または請求項４において、
前記第１の酸化物半導体層は、チャネルが形成されることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項３乃至請求項６のいずれか一において、
前記第１の酸化物半導体層は、複数の結晶部を有し、前記複数の結晶部において、ｃ軸配向性を有し、かつｃ軸が前記第１の酸化物半導体層の上面の法線ベクトルに平行な方向を向いていること特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項３乃至請求項７のいずれか一において、
前記第２の酸化物半導体層の電子親和力は、前記第３の酸化物半導体層の電子親和力よりも大きいことを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれか一において、
前記第２の酸化物半導体層および前記第３の酸化物半導体層は、前記第１の酸化物半導体層に含まれる金属元素を一種以上含む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９のいずれか一において
前記第２の酸化物半導体層は、透過電子回折測定装置によって、一次元的に３００ｎｍの範囲で観察箇所を変化させたとき、配向性を示す輝点を有する回折パターンが観察される割合が５０％以上１００％未満である領域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１０のいずれか一において
前記第１の酸化物半導体層は、透過電子回折測定装置によって、一次元的に３００ｎｍの範囲で観察箇所を変化させたとき、配向性を示す輝点を有する回折パターンが観察される割合が５０％以上１００％未満である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、記憶装置、それらの駆動方法、または、それらの作製方法に関する。
【０００２】
なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。電気光学装置、画像表示装置（単に表示装置とも表記する）、半導体回路、発光装置、蓄電装置、記憶装置および電子機器は半導体装置を有する場合がある。
【背景技術】
【０００３】
液晶表示装置や発光表示装置に代表される表示装置や集積回路（ＩＣ）の多くに用いられているトランジスタの半導体材料として、アモルファスシリコン、単結晶シリコン、または多結晶シリコンなどのシリコン半導体が知られている。また、その他の半導体材料として酸化物半導体が注目されている。例えば、酸化物半導体として、酸化亜鉛またはＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物をチャネルに用いたトランジスタを表示装置に適用する技術が開示されている（特許文献１）。
【０００４】
また、表示装置の大面積化および高精細化に伴う、配線抵抗の増大および寄生容量の増大に起因する配線遅延を抑制するため、銅、アルミニウム、金、銀等の低抵抗材料を用いて配線を形成する技術が検討されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−０９６０５５号公報
【特許文献２】特開２００４−１３３４２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
酸化物半導体を用いたトランジスタにおいて、酸化物半導体層中に含まれる不純物（代表的には、絶縁層の構成元素であるシリコンや、炭素、配線の構成材料である銅等）が多いと、トランジスタの電気特性（例えば、オン電流特性）の低下要因となる。
【０００７】
そこで、本発明の一態様は、酸化物半導体を用いたトランジスタ等の半導体装置において、酸化物半導体層に含まれる不純物濃度を低減することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、酸化物半導体を用いた半導体装置などにおいて、電気特性を向上させることを課題の一とする。または、本発明の一態様は、酸化物半導体を用いた半導体装置などにおいて、信頼性を向上させることを課題の一とする。または、本発明の一態様は、新規な半導体装置などを提供することを課題の一とする。
【０００８】
なお、これらの課題の記載は、他の課題の記載を妨げるものではない。また、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。また、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】
【０００９】
本発明の一態様は、酸化物半導体層と、酸化物半導体層に接し、銅、アルミニウム、金または銀を含む一対の電極と、を有し、酸化物半導体層は、第１の酸化物半導体層と、第２の酸化物半導体層と、第１の酸化物半導体層と第２の酸化物半導体層の間に位置する第３の酸化物半導体層と、の積層構造を有し、第２の酸化物半導体層は、複数の結晶部を有し、複数の結晶部において、ｃ軸配向性を有し、かつｃ軸が第２の酸化物半導体層の上面の法線ベクトルに平行な方向を向いていること特徴とする半導体装置である。
【００１０】
また、上記構成において、第１の酸化物半導体層は、複数の結晶部を有し、複数の結晶部において、ｃ軸配向性を有し、かつｃ軸が第１の酸化物半導体層の上面の法線ベクトルに平行な方向を向いていると好ましい。
【００１１】
また、本発明の他の一態様は、酸化物半導体層と、酸化物半導体層に接し、銅、アルミニウム、金または銀を含む一対の電極と、を有し、酸化物半導体層は、第１の酸化物半導体層と、第２の酸化物半導体層と、第１の酸化物半導体層と第２の酸化物半導体層の間に位置する第３の酸化物半導体層と、の積層構造を有し、第２の酸化物半導体層の電子親和力は、第１の酸化物半導体層の電子親和力よりも小さく、第２の酸化物半導体層は、複数の結晶部を有し、複数の結晶部において、ｃ軸配向性を有し、かつｃ軸が第２の酸化物半導体層の上面の法線ベクトルに平行な方向を向いていること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、第１のゲート電極と、第１のゲート電極と接するゲート絶縁層と、ゲート絶縁層を介して第１のゲート電極と対向する酸化物半導体層と、酸化物半導体層に接し、銅、アルミニウム、金または銀を含む一対の電極と、を有し、酸化物半導体層は、第１の酸化物半導体層と、第２の酸化物半導体層と、第１の酸化物半導体層と第２の酸化物半導体層の間に位置する第３の酸化物半導体層と、の積層構造を有し、第２の酸化物半導体層の電子親和力は、第１の酸化物半導体層の電子親和力よりも小さく、第２の酸化物半導体層は、複数の結晶部を有し、複数の結晶部において、ｃ軸配向性を有し、かつｃ軸が第２の酸化物半導体層の上面の法線ベクトルに平行な方向を向いていること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、第１のゲート電極と、第１のゲート電極と接する第１のゲート絶縁層と、第１のゲート絶縁層を介して第１のゲート電極と対向する酸化物半導体層と、酸化物半導体層に接し、銅、アルミニウム、金または銀を含む一対の電極と、一対の電極上に接する第２のゲート絶縁層と、第２のゲート絶縁層を介して、酸化物半導体層と対向する第２のゲート電極と、を有し、酸化物半導体層は、第１の酸化物半導体層と、第２の酸化物半導体層と、第１の酸化物半導体層と第２の酸化物半導体層の間に位置する第３の酸化物半導体層と、の積層構造を有し、第２の酸化物半導体層の電子親和力は、第１の酸化物半導体層の電子親和力よりも小さく、第２の酸化物半導体層は、複数の結晶部を有し、複数の結晶部において、ｃ軸配向性を有し、かつｃ軸が第２の酸化物半導体層の上面の法線ベクトルに平行な方向を向いていること特徴とする半導体装置である。
【００１４】
また、上記の構成において、第１の酸化物半導体層は、チャネルが形成される。
【００１５】
また、上記の構成において、第１の酸化物半導体層は、複数の結晶部を有し、複数の結晶部において、ｃ軸配向性を有し、かつｃ軸が第１の酸化物半導体層の上面の法線ベクトルに平行な方向を向いていると好ましい。
【００１６】
また、上記の構成において、第２の酸化物半導体層の電子親和力は、第３の酸化物半導体層の電子親和力よりも大きい。
【００１７】
また、上記の構成において、第２の酸化物半導体層および前記第３の酸化物半導体層は、前記第１の酸化物半導体層に含まれる金属元素を一種以上含んでいると好ましい。
【００１８】
また、上記の構成において、第２の酸化物半導体層は、透過電子回折測定装置によって、一次元的に３００ｎｍの範囲で観察箇所を変化させたとき、配向性を示す輝点を有する回折パターンが観察される割合が５０％以上１００％未満である領域を有する。
【００１９】
また、上記の構成において、第１の酸化物半導体層は、透過電子回折測定装置によって、一次元的に３００ｎｍの範囲で観察箇所を変化させたとき、配向性を示す輝点を有する回折パターンが観察される割合が５０％以上１００％未満である領域を有する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の一態様によって、酸化物半導体層に含まれる不純物濃度を低減することができる。または、本発明の一態様によって、酸化物半導体を用いた半導体装置などにおいて、電気特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って、酸化物半導体を用いた半導体装置などの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って、新規な半導体装置などを提供することができる。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】
【００２１】
【図１】本発明の一態様に係るトランジスタを示す平面図、断面図およびバンド図。
【図２】本発明の一態様に係るトランジスタを示す平面図および断面図。
【図３】本発明の一態様に係るトランジスタを示す平面図および断面図。
【図４】本発明の一態様に係るトランジスタを示す断面図。
【図５】本発明の一態様に係るトランジスタを示す断面図。
【図６】本発明の一態様に係るトランジスタを示す断面図。
【図７】本発明の一態様に係るトランジスタを示す断面図。
【図８】本発明の一態様に係るトランジスタを示す平面図および断面図。
【図９】本発明の一態様に係るトランジスタを示す平面図および断面図。
【図１０】本発明の一態様に係るトランジスタを示す平面図および断面図。
【図１１】本発明の一態様に係るトランジスタを示す平面図および断面図。
【図１２】本発明の一態様に係るトランジスタを示す断面図。
【図１３】本発明の一態様に係るトランジスタを示す平面図および断面図。
【図１４】本発明の一態様に係るトランジスタの作製工程を示す図。
【図１５】本発明の一態様に係るトランジスタの作製工程を示す図。
【図１６】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１７】ＣＡＡＣ−ＯＳの平面におけるＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像。
【図１８】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１９】ＣＡＡＣ−ＯＳの電子回折パターンを示す図。
【図２０】Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の電子照射による結晶部の変化を示す図。
【図２１】ＣＡＡＣ−ＯＳおよびｎｃ−ＯＳの成膜モデルを説明する模式図。
【図２２】ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶、およびペレットを説明する図。
【図２３】ＣＡＡＣ−ＯＳの成膜モデルを説明する模式図。
【図２４】本発明の一態様に係る表示装置の構成を示す図および回路図。
【図２５】本発明の一態様に係る表示モジュールを説明する図。
【図２６】本発明の一態様に係る電子機器を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。また、以下に説明する実施の形態において、同一部分または同様の機能を有する部分には、同一の符号または同一のハッチパターンを異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。
【００２３】
なお、本明細書で説明する各図において、各構成の大きさ、膜の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。
【００２４】
また、本明細書等にて用いる第１、第２等の序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではない。そのため、例えば「第１の」を「第２の」または「第３の」等と適宜置き換えて説明することができる。
【００２５】
また、「ソース」や「ドレイン」の機能は、回路動作において電流の方向が変化する場合などには適宜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」という用語は入れ替えて用いることができる。
【００２６】
また、本明細書等において、「上」や「下」という用語は、構成要素の位置関係が「直上」または「直下」であることを限定するものではない。例えば、「ゲート絶縁層上のゲート電極」という表現であれば、ゲート絶縁層とゲート電極との間に他の構成要素を含むものを除外しない。「下」についても同様である。
【００２７】
本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が−３０°以上３０°以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が６０°以上１２０°以下の角度で配置されている状態をいう。
【００２８】
また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。
【００２９】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様である半導体装置およびその作製方法について、図１乃至図１５を参照して説明する。
【００３０】
＜トランジスタの構成例１＞
図１（Ａ）および図１（Ｂ）に本実施の形態の半導体装置が有するトランジスタ２００の平面図および断面図を示す。図１に示すトランジスタは、チャネルエッチ型のトランジスタである。図１（Ａ）は、トランジスタ２００の平面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の一点鎖線Ａ１−Ａ２間およびＢ１−Ｂ２間の断面図である。なお、図１（Ａ）では明瞭化のため、基板１００、トランジスタ２００の構成要素の一部（例えば、ゲート絶縁層）等を省略して図示している。また、図１（Ｃ）に、トランジスタ２００に含まれる積層構造のバンド図を示す。
【００３１】
図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すトランジスタ２００は、基板１００上に形成されたゲート電極１０２と、ゲート電極１０２と接するゲート絶縁層１０４と、ゲート絶縁層１０４を介してゲート電極１０２と対向する酸化物半導体層１０６ａと、酸化物半導体層１０６ａ上の酸化物半導体層１０６ｂと、酸化物半導体層１０６ｂ上の酸化物半導体層１０６ｃと、酸化物半導体層１０６ｃに接する一対の電極（電極１１０ａ、電極１１０ｂ）と、を含んで構成される。また、一対の電極（電極１１０ａ、電極１１０ｂ）および酸化物半導体層１０６ｃ上に形成された酸化物絶縁層１１２、酸化物絶縁層１１４および窒化物絶縁層１１６をトランジスタ２００の構成要素に含めてもよい。
【００３２】
トランジスタ２００において、酸化物半導体層１０６ｂに接して設けられる酸化物半導体層１０６ｃは、一対の電極（電極１１０ａ、電極１１０ｂ）の構成元素が酸化物半導体層１０６ａに拡散することを抑制するバリア層として機能する。酸化物半導体層１０６ｃは、後述するＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）層であることを特徴とする。ＣＡＡＣ−ＯＳ層は、結晶粒界が確認されず、ｃ軸配向性を有し、かつｃ軸が被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向を向いている。つまり、ＣＡＡＣ−ＯＳ層を構成する原子が規則的に配列しているため、密度が高く、一対の電極（電極１１０ａ、電極１１０ｂ）の構成元素の拡散をブロックすることができる。
【００３３】
酸化物半導体層１０６ｃを設けることで、酸化物半導体層１０６ａの上層に設けられた酸化物絶縁層１１２等の構成元素が、酸化物半導体層１０６ａに混入することを抑制することもできる。チャネルが形成される酸化物半導体層１０６ａへの不純物の混入を抑制することで、トランジスタ２００の電気特性の低下を抑制することができる。
【００３４】
ここで図１（Ｃ）に、ゲート絶縁層１０４、酸化物半導体層１０６ａ、酸化物半導体層１０６ｂ、酸化物半導体層１０６ｃおよび酸化物絶縁層１１２を有する積層構造の膜厚方向のバンド構造の一例で示す。バンド構造は、理解を容易にするためゲート絶縁層１０４、酸化物半導体層１０６ａ、酸化物半導体層１０６ｂ、酸化物半導体層１０６ｃおよび酸化物絶縁層１１２の伝導帯下端のエネルギー（Ｅｃ）を示す。
【００３５】
図１（Ｃ）に示すように、酸化物半導体層１０６ａ、酸化物半導体層１０６ｂおよび酸化物半導体層１０６ｃにおいて、伝導帯下端のエネルギーはなだらかに変化する（連続接合ともいう）。換言すると、連続的に変化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、酸化物半導体層１０６ａと酸化物半導体層１０６ｂとの界面および酸化物半導体層１０６ｂと酸化物半導体層１０６ｃとの界面において、トラップ中心や再結合中心のような欠陥準位を形成するような不純物が存在しないとする。
【００３６】
酸化物半導体層１０６ａ、酸化物半導体層１０６ｂおよび酸化物半導体層１０６ｃ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。
【００３７】
図１（Ｃ）の構成とすることで酸化物半導体層１０６ａがウェル（井戸）となり、当該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層１０６ａに形成されることがわかる。
【００３８】
なお、実施の形態２において後述するが、酸化物半導体層１０６ｃと、酸化物絶縁層１１２との界面近傍には、不純物や欠陥に起因したトラップ準位が形成され得るものの、酸化物半導体層１０６ｃが設けられることにより、酸化物半導体層１０６ａ、酸化物半導体層１０６ｂと該トラップ準位とを遠ざけることができる。
【００３９】
また、トランジスタ２００に電圧を印加すると、各構成の伝導帯下端のエネルギー（Ｅｃ）は変化する。この変化により、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層１０６ａの伝導帯下端のエネルギー（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、トランジスタ２００に電圧を印加した状態でもトラップ準位が酸化物半導体層１０６ａの伝導帯下端のエネルギー（Ｅｃ）より真空準位に近くなるような構成すると好ましい。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。
【００４０】
また、トランジスタ２００において、酸化物半導体層１０６ａおよび酸化物半導体層１０６ｂとしては、少なくともＩｎ若しくはＺｎを含む金属酸化物で形成され、代表的には、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（ＭはＴｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆ）である。また、酸化物半導体層１０６ｂは、酸化物半導体層１０６ａよりも伝導帯下端のエネルギーが真空準位に近く、代表的には、酸化物半導体層１０６ｂの伝導帯下端のエネルギーと、酸化物半導体層１０６ａの伝導帯下端のエネルギーとの差が、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。即ち、酸化物半導体層１０６ｂの電子親和力と、酸化物半導体層１０６ａ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。
【００４１】
このような構成を有することで、トランジスタ２００に電圧を印加した際に酸化物半導体層１０６ａ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、酸化物半導体層１０６ｂは、チャネルが形成される酸化物半導体層１０６ａ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層であるため、酸化物半導体層１０６ａと酸化物半導体層１０６ｂ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。
【００４２】
また、酸化物半導体層１０６ｃは、チャネル形成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、酸化物半導体層１０６ｃには、電子親和力（真空準位と伝導帯下端のエネルギー差）が酸化物半導体層１０６ａよりも小さく、伝導帯下端のエネルギーが酸化物半導体層１０６ａの伝導帯下端エネルギーと差分（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（ヒステリシス）が生じることを抑制するためには、酸化物半導体層１０６ｃの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物半導体層１０６ａの伝導帯下端のエネルギーよりも０．２ｅＶより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。
【００４３】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ層である酸化物半導体層１０６ｃとチャネルが形成される酸化物半導体層１０６ａが接すると、酸化物半導体層１０６ａと酸化物半導体層１０６ｃとのバンドオフセットが小さくなり、酸化物半導体層１０６ａと酸化物半導体層１０６ｃとの界面において、界面でキャリアがトラップされ、酸化物半導体層１０６ａに移動してしまう。
【００４４】
このため、酸化物半導体層１０６ａと酸化物半導体層１０６ｃとの間に酸化物半導体層１０６ｂを設けることで酸化物半導体層１０６ａと酸化物半導体層１０６ｂとのバンドオフセットを形成することが好ましい。
【００４５】
また、酸化物半導体層１０６ｃ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。酸化物半導体層１０６ｃの膜中にスピネル型の結晶構造を含む場合、当該スピネル型の結晶構造に起因して、一対の電極（電極１１０ａ、電極１１０ｂ）の構成元素が酸化物半導体層１０６ｂを介して酸化物半導体層１０６ａへ拡散してしまう場合があるためである。
【００４６】
酸化物半導体層１０６ｃの膜厚は、一対の電極（電極１１０ａ、電極１１０ｂ）の構成元素が酸化物半導体層１０６ｂを介して酸化物半導体層１０６ａ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、酸化物絶縁層１１２から酸化物半導体層１０６ａへの酸素の供給を抑制する膜厚未満とする。例えば、酸化物半導体層１０６ａの膜厚が１０ｎｍ以上であると、一対の電極（電極１１０ａ、電極１１０ｂ）の構成元素の酸化物半導体層１０６ａへの拡散を抑制することができる。また、酸化物半導体層１０６ｃの膜厚を１００ｎｍ以下とすると、酸化物絶縁層１１２、酸化物絶縁層１１４から酸化物半導体層１０６ａへ効果的に酸素を供給することができる。
【００４７】
また、トランジスタ２００において、チャネルが形成される酸化物半導体層１０６ａは、側面においてソース電極およびドレイン電極として機能する一対の電極（電極１１０ａ、電極１１０ｂ）と接し、当該接する領域においてソース領域およびドレイン領域が形成される。そのため、酸化物半導体層１０６ｃは、絶縁性を有していてもよい。
【００４８】
なお、図１（Ｃ）に示すように酸化物半導体層１０６ｂは、酸化物半導体層１０６ｃよりも伝導帯下端のエネルギーが真空準位に近いものとすることが好ましい。
【００４９】
酸化物半導体層１０６ｂ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、酸化物半導体層１０６ｂ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、酸化物半導体層１０６ａ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。
【００５０】
酸化物半導体層１０６ｂ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。
【００５１】
また、酸化物半導体層１０６ａおよび酸化物半導体層１０６ｂが、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（ＭはＴｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆ）の場合、酸化物半導体層１０６ａと比較して、酸化物半導体層１０６ｂに含まれるＭ（Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆ）の原子数比が大きく、代表的には、酸化物半導体層１０６ａ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。
【００５２】
また、酸化物半導体層１０６ａおよび酸化物半導体層１０６ｂが、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（ＭはＴｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆ）の場合、酸化物半導体層１０６ａをＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ１：ｚ１［原子数比］、酸化物半導体層１０６ｂ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、酸化物半導体層１０６ａにおいて、ｙ１がｘ１以上であると、当該酸化物半導体層を用いた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、当該酸化物半導体層を用いた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。
【００５３】
酸化物半導体層１０６ａがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（Ｍは、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆ）の場合、酸化物半導体層１０６ａ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、酸化物半導体層１０６ａとして後述するＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）層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。
【００５４】
なお、酸化物半導体層１０６ａを成膜するためのターゲットとして、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：ｚ１０であるターゲットを用いる場合、ｚ１０を１以上１．４以下とすることが好ましく、ｚ１０を１以上１．３以下とすることがより好ましい。例えば、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．５とすると、ターゲットが白濁し、ＤＣ電源またはＡＣ電源を用いたスパッタリング成膜が困難となる場合があるためである。このようなターゲットには、ＲＦ電源を用いた成膜を適用することが可能であるが、半導体装置の生産性を考慮した場合、ＤＣ電源またはＡＣ電源を用いたスパッタリング成膜が可能であるターゲットを用いることが望ましい。
【００５５】
酸化物半導体層１０６ｂがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（Ｍは、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆ）の場合、酸化物半導体層１０６ｂ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、酸化物半導体層１０６ｂ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等がある。
【００５６】
例えば、酸化物半導体層１０６ｂを成膜するためのターゲットとして、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：ｚ２０であるターゲットを用いる場合、ｚ２０を２以上５以下とすることが好ましい。または、酸化物半導体層１０６ｂを成膜するためのターゲットとして、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：ｚ３０であるターゲットを用いる場合、ｚ３０を２以上５以下とすることが好ましい。
【００５７】
なお、酸化物半導体層１０６ａおよび酸化物半導体層１０６ｂ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。
【００５８】
酸化物半導体層１０６ａと酸化物半導体層１０６ｂは、結晶部を有することが好ましく、同一の結晶構造を有していることがより好ましい。酸化物半導体層１０６ａと酸化物半導体層１０６ｂとが異なる結晶構造を有する場合、２層の界面がヘテロ結晶構造部となり欠陥が生じることがあるためである。ヘテロ結晶構造部は、例えばグレインバウンダリーとみなすこともできる。
【００５９】
酸化物半導体層１０６ａには、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い（酸素欠損の少ない）酸化物半導体層である、ＣＡＡＣ−ＯＳ層を用いることがより好ましい。なお、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低いことを、高純度真性または実質的に高純度真性と呼ぶ。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層は、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、当該酸化物半導体層をチャネルに用いたトランジスタは、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層は、キャリアトラップが少ない。そのため、当該酸化物半導体層をチャネルに用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ層を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。
【００６０】
なお、酸化物半導体層１０６ａを成膜するためのターゲットとしてＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２を用いると、成膜された酸化物半導体層１０６ａの膜中にスピネル構造が形成されにくく、ＣＡＡＣ−ＯＳ層の回折パターンが観測される領域の割合（ＣＡＡＣ化率ともいう）を高めることができるため好ましい。
【００６１】
また、酸化物半導体層１０６ａ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。
【００６２】
酸化物半導体層１０６ａとしては、キャリア密度の低い酸化物半導体層を用いる。例えば、酸化物半導体層１０６ａ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。
【００６３】
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および電気特性（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、酸化物半導体層１０６ａ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。
【００６４】
なお、酸化物半導体層１０６ａ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層を用いることで、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、当該酸化物半導体層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層は、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層は、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。
【００６５】
従って、当該高純度真性、または実質的に高純度真性の酸化物半導体層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、酸化物半導体層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層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。
【００６６】
酸化物半導体層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。当該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、水素が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物半導体層１０６ａ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、酸化物半導体層１０６ａにおいて、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）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未満、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。
【００６７】
酸化物半導体層１０６ａ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、酸化物半導体層１０６ａにおいて酸素欠損が増加し、ｎ型化してしまう。このため、酸化物半導体層１０６ａにおけるシリコンや炭素の濃度、または酸化物半導体層１０６ｂと、酸化物半導体層１０６ａとの界面近傍のシリコンや炭素の濃度（二次イオン質量分析法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。
【００６８】
また、酸化物半導体層１０６ａにおいて、二次イオン質量分析法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。アルカリ金属およ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、酸化物半導体層１０６ａ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。
【００６９】
また、酸化物半導体層１０６ａ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、当該酸化物半導体層において、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、二次イオン質量分析法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。
【００７０】
また、酸化物半導体層１０６ａは、例えば非単結晶構造でもよい。非単結晶構造は、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ、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。
【００７１】
酸化物半導体層１０６ａ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層は、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層は、例えば、完全な非晶質構造であり、結晶部を有さない。
【００７２】
なお、酸化物半導体層１０６ａ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の領域の積層構造を有する場合がある。なお、酸化物半導体層１０６ａに接する酸化物半導体層１０６ｂは、例えば非晶質構造、微結晶構造、多結晶構造等とすることができる。
【００７３】
また、酸化物半導体層１０６ａと接して酸化物半導体と異なる構成元素（例えばシリコン）を有する絶縁層を設けた場合、酸化物半導体層１０６ａと該絶縁層との界面には、異種接合、不純物の混入等に起因した界面準位が形成されることがある。本実施の形態のトランジスタ２００では、酸化物半導体層１０６ａと、酸化物半導体と異なる構成元素（例えばシリコン）を有しうる酸化物絶縁層１１２との間に、酸化物半導体と構成元素が同じである酸化物半導体層１０６ｂおよび酸化物半導体層１０６ｃが設けられている。このため、酸化物半導体層１０６ｃと酸化物絶縁層１１２の間において、不純物および欠陥によりトラップ準位が形成されても、当該トラップ準位と酸化物半導体層１０６ａとの間には隔たりがある。この結果、酸化物半導体層１０６ａを流れる電子がトラップ準位に捕獲されにくく、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。また、トラップ準位に電子が捕獲されると、該電子がマイナスの固定電荷となってしまう。この結果、トランジスタのしきい値電圧が変動してしまう。しかしながら、酸化物半導体層１０６ａとトラップ準位との間に隔たりがあるため、トラップ準位における電子の捕獲を低減することが可能であり、しきい値電圧の変動を低減することができる。
【００７４】
また、本実施の形態に示すトランジスタ２００において、ソース電極およびドレイン電極として機能する一対の電極（電極１１０ａ、電極１１０ｂ）としては、銅、アルミニウム、金、または銀等の低抵抗材料からなる単体金属、若しくは合金、またはこれらを主成分とする化合物を含む、単層構造または積層構造とすることが好ましい。一対の電極（電極１１０ａ、電極１１０ｂ）は配線としても機能するため、当該電極を銅、アルミニウム、金または銀等の低抵抗材料を含んで形成することで、基板１００として大面積基板を用いた場合においても配線遅延を抑制した半導体装置を作製することが可能となる。
【００７５】
一対の電極（電極１１０ａ、電極１１０ｂ）を２層構造とする場合、２層目の導電層の膜厚を厚くし、かつ銅、アルミニウム、金、または銀等の低抵抗材料からなる単体金属、若しくは合金、またはこれらを主成分とする化合物を含む導電層とし、酸化物半導体層１０６ａ、酸化物半導体層１０６ｂの側面および酸化物半導体層１０６ｃの側面および上面に接する１層目の導電層には、上述の２層目の導電体に対するバリア層として機能する導電体を用いて形成することが好ましい。例えば、チタン、タンタル、モリブデン、タングステンの単体若しくは合金、または窒化チタン、窒化タンタル、窒化モリブデン、窒化タングステン等を含む導電層をバリア層として用いることができる。また、一対の電極（電極１１０ａ、電極１１０ｂ）を３層構造とする場合、上述の１層目および２層目上に接して、２層目の導電体に対するバリア層として機能する導電体を用いて３層目の導電層を形成することが好ましい。
【００７６】
例えば、一対の電極（電極１１０ａ、電極１１０ｂ）を２層構造とする場合、チタン膜上にアルミニウム膜を積層した構造、タングステン膜上に銅膜を積層した構造、タングステン膜上にアルミニウム膜を積層した構造、銅−マグネシウム−アルミニウム合金膜上に銅膜を積層した構造、チタン膜上に銅膜を積層した構造、タングステン膜上に銅膜を積層した構造等を用いることが好ましい。また、一対の電極（電極１１０ａ、電極１１０ｂ）を３層構造とする場合、１層目および３層目には、チタン、窒化チタン、モリブデン、または窒化モリブデンでなる膜を形成し、２層目には、銅、アルミニウム、金または銀等の低抵抗材料でなる膜を形成することが好ましい。
【００７７】
本実施の形態で示すトランジスタ２００は、ソース電極およびドレイン電極として機能する一対の電極として、銅、アルミニウム、金、または銀等の低抵抗材料を含む電極を用いることで、配線遅延を抑制した半導体装置を作製することができる。さらに、一対の電極と接して、バリア層として機能する酸化物半導体層１０６ｃを設けることで、電気特性の低下を抑制し、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することが可能となる。
【００７８】
なお、電極１１０ａおよび電極１１０ｂの形成と、酸化物半導体層１０６ａ、酸化物半導体層１０６ｂおよび酸化物半導体層１０６ｃの形成とを、ハーフトーンマスク（または、グレートーンマスク、位相差マスクなど）を用いて形成することによって、マスク数を減らして、プロセス工程数を減らすようにしてもよい。この場合、レジストをアッシングすることなどにより、パターンを形成する。したがって、電極１１０ａおよび電極１１０ｂの下には、必ず、酸化物半導体層１０６ａ、酸化物半導体層１０６ｂおよび酸化物半導体層１０６ｃが設けられることとなる。図１において、ハーフトーンを用いたプロセスで作製した場合の平面図と断面図とを、図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）に示す。
【００７９】
以下に、本実施の形態の半導体装置に含まれるその他の構成要素について、詳細に説明する。
【００８０】
（基板）
基板１００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１００として用いてもよい。また、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム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１００として用いてもよい。なお、基板１００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。
【００８１】
また、基板１００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２００を形成してもよい。または、基板１００とトランジスタ２００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１００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２００は耐熱性の劣る基板や可撓性の基板にも転載できる。
【００８２】
（ゲート電極）
ゲート電極１０２は、クロム、銅、アルミニウム、金、銀、亜鉛、モリブデン、タンタル、チタン、タングステン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形成することができる。また、マンガン、ジルコニウムのいずれか一または複数から選択された金属元素を用いてもよい。また、ゲート電極１０２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。
【００８３】
また、ゲート電極１０２は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化シリコンを添加したインジウム錫酸化物等の透光性を有する導電性材料を適用することもできる。また、上記透光性を有する導電性材料と、上記金属元素の積層構造とすることもできる。
【００８４】
また、ゲート電極１０２とゲート絶縁層１０４との間に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸窒化物半導体膜、Ｉｎ−Ｓｎ系酸窒化物半導体膜、Ｉｎ−Ｇａ系酸窒化物半導体膜、Ｉｎ−Ｚｎ系酸窒化物半導体膜、Ｓｎ系酸窒化物半導体膜、Ｉｎ系酸窒化物半導体膜、金属窒化物膜（ＩｎＮ、ＺｎＮ等）等を設けてもよい。これらの膜は５ｅＶ以上、好ましくは５．５ｅＶ以上の仕事関数を有し、酸化物半導体の電子親和力よりも大きい値であるため、酸化物半導体を用いたトランジスタのしきい値電圧をプラスにシフトすることができ、所謂ノーマリーオフ特性のスイッチング素子を実現できる。例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸窒化物半導体膜を用いる場合、少なくとも酸化物半導体層１０６ａより高い窒素濃度、具体的には７原子％以上のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸窒化物半導体膜を用いる。
【００８５】
（ゲート絶縁層）
ゲート絶縁層１０４は、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムまたはＧａ−Ｚｎ系金属酸化物などを用いればよく、積層または単層で設ける。
【００８６】
また、ゲート絶縁層１０４として、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯｘ）、窒素が添加されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙ）、窒素が添加されたハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙ）、酸化ハフニウム、酸化イットリウムなどのｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることでトランジスタのゲートリークを低減できる。
【００８７】
ゲート絶縁層１０４の厚さは、５ｎｍ以上４００ｎｍ以下、より好ましくは１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下、より好ましくは５０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下とするとよい。
【００８８】
また、ゲート絶縁層１０４の積層構造の一例について説明する。ゲート絶縁層１０４は、例えば、酸素、窒素、シリコン、ハフニウムなどを有する。具体的には、酸化ハフニウム、および酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含むと好ましい。
【００８９】
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。即ち、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。
【００９０】
ところで、結晶構造を有する酸化ハフニウムは、欠陥に起因した界面準位を有する場合がある。該界面準位はトラップセンターとして機能する場合がある。そのため、酸化ハフニウムがトランジスタのチャネル領域に近接して配置されるとき、該界面準位によってトランジスタの電気特性が劣化する場合がある。そこで、該界面準位の影響を低減するために、トランジスタのチャネル領域と酸化ハフニウムとの間に、別の層を配置することによって互いに離間させることが好ましい場合がある。この層は、緩衝機能を有する。緩衝機能を有する層は、ゲート絶縁層１０４に含まれる層であってもよいし、酸化物半導体層に含まれる層であってもよい。即ち、緩衝機能を有する層としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化物半導体などを用いることができる。なお、緩衝機能を有する層には、たとえば、チャネル領域となる半導体よりもエネルギーギャップの大きい半導体または絶縁体を用いる。または、緩衝機能を有する層には、たとえば、チャネル領域となる半導体よりも電子親和力の小さい半導体または絶縁体を用いる。または、緩衝機能を有する層には、たとえば、チャネル領域となる半導体よりもイオン化エネルギーの大きい半導体または絶縁体を用いる。
【００９１】
一方、上述した結晶構造を有する酸化ハフニウムにおける界面準位（トラップセンター）に電荷をトラップさせることで、トランジスタのしきい値電圧を制御できる場合がある。該電荷を安定して存在させるためには、たとえば、チャネル領域と酸化ハフニウムとの間に、緩衝層として酸化ハフニウムよりもエネルギーギャップの大きい絶縁体を配置すればよい。または、酸化ハフニウムよりも電子親和力の小さい半導体または絶縁体を配置すればよい。または、緩衝層には、酸化ハフニウムよりもイオン化エネルギーの大きい半導体または絶縁体を配置すればよい。このような半導体または絶縁体を用いることで、界面準位にトラップされた電荷の放出が起こりにくくなり、長期間に渡って電荷を保持することができる。
【００９２】
そのような絶縁体として、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコンが挙げられる。ゲート絶縁層１０４内の界面準位に電荷を捕獲させるためには、酸化物半導体層からゲート電極１０２に向かって電子を移動させればよい。具体的な例としては、高い温度（例えば、１２５℃以上４５０℃以下、代表的には１５０℃以上３００℃以下）の下で、ゲート電極１０２の電位をソース電極やドレイン電極として機能する一対の電極（電極１１０ａ、電極１１０ｂ）の電位より高い状態にて１秒以上、代表的には１分以上維持すればよい。
【００９３】
このようにゲート絶縁層１０４などの界面準位に所望の量の電子を捕獲させたトランジスタは、しきい値電圧がプラス側にシフトする。ゲート電極１０２の電圧や、電圧を印加する時間を調整することによって、電子を捕獲させる量（しきい値電圧の変動量）を制御することができる。なお、電荷を捕獲させることができれば、電荷を捕獲させる膜はゲート絶縁層１０４内でなくても構わない。同様の構造を有する積層膜を、他の絶縁層に用いても構わない。
【００９４】
（酸化物絶縁層）
酸化物絶縁層１１２は、酸素を透過する酸化物絶縁膜である。なお、酸化物絶縁層１１２は、後に形成する酸化物絶縁層１１４を形成する際の、酸化物半導体層１０６ａ、酸化物半導体層１０６ｂおよび酸化物半導体層１０６ｃへのダメージ緩和膜としても機能する。
【００９５】
酸化物絶縁層１１２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。なお、本明細書中において、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。
【００９６】
また、酸化物絶縁層１１２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、酸化物絶縁層１１２に含まれる欠陥密度が多いと、当該欠陥に酸素が結合してしまい、酸化物絶縁層１１２における酸素の透過量が減少してしまうためである。
【００９７】
また、酸化物絶縁層１１２と酸化物半導体層１０６ｃとの界面における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、酸化物半導体層１０６ｃの欠陥に由来するｇ＝１．８９以上１．９６以下に現れる信号のスピン密度が１×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下、さらには検出下限以下であることが好ましい。
【００９８】
なお、酸化物絶縁層１１２においては、外部から酸化物絶縁層１１２に入った酸素が全て酸化物絶縁層１１２の外部に移動せず、酸化物絶縁層１１２にとどまる酸素もある。また、酸化物絶縁層１１２に酸素が入ると共に、酸化物絶縁層１１２に含まれる酸素が酸化物絶縁層１１２の外部へ移動することで、酸化物絶縁層１１２において酸素の移動が生じる場合もある。酸化物絶縁層１１２として酸素を透過する酸化物絶縁膜を形成すると、酸化物絶縁層１１２上に設けられる、酸化物絶縁層１１４から脱離する酸素を、酸化物絶縁層１１２を介して酸化物半導体層１０６ａに移動させることができる。
【００９９】
酸化物絶縁層１１２に接するように酸化物絶縁層１１４が形成されている。酸化物絶縁層１１４は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を用いて形成する。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜は、加熱により酸素の一部が脱離する。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜は、ＴＤＳ分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である酸化物絶縁層である。なお、ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲が好ましい。
【０１００】
酸化物絶縁層１１４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。
【０１０１】
また、酸化物絶縁層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、酸化物絶縁層１１４は、酸化物絶縁層１１２と比較して酸化物半導体層１０６ａから離れているため、酸化物絶縁層１１２より、欠陥密度が多くともよい。
【０１０２】
（窒化物絶縁層）
酸化物絶縁層１１４上に、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層１１６を設けることで、酸化物半導体層１０６ａからの酸素の外部への拡散と、外部から酸化物半導体層１０６ａへの水素、水等の侵入を防ぐことができる。窒化物絶縁層としては、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層の代わりに、酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁層を設けてもよい。酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁層としては、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。
【０１０３】
なお、窒化物絶縁層１１６の上に、表示素子、絶縁層（無機絶縁層、有機絶縁層）、画素電極、共通電極、対向基板、配向膜、などの様々な膜や素子などを配置することができる。
【０１０４】
例えば、図１において、窒化物絶縁層１１６の上に画素電極が設けられた場合の例を図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）に示す。図３（Ｃ）では、窒化物絶縁層１１６と画素電極１２０との間に、絶縁層１２４が設けられている。絶縁層１２４は、一例としては、有機樹脂を含む膜を有している。そのため、画素電極１２０の表面を平坦にすることができる機能を有している。なお、絶縁層１２４は、単層、または、積層で構成することができる。有機樹脂は、一例としては、アクリル、ポリイミド、ポリアミドなどを有している。
【０１０５】
画素電極１２０の上には、配向膜、液晶層、共通電極、対向基板などを設けることによって、表示装置を構成することができる。
【０１０６】
例えば、本明細書等において、表示素子、表示素子を有する装置である表示装置、発光素子、および発光素子を有する装置である発光装置は、様々な形態を用いること、または様々な素子を有することが出来る。表示素子、表示装置、発光素子または発光装置の一例としては、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子（有機物および無機物を含む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、液晶素子、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）、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、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、など、電気磁気的作用により、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するものがある。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）または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。電子インクまた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。
【０１０７】
一例として、図３（Ｂ）において、発光素子が設けられている場合の例を図４（Ａ）に示す。同様に、図３（Ｃ）において、発光素子が設けられている場合の例を図４（Ｂ）に示す。絶縁層１２４は、有機樹脂を含む膜を有している。そのため、画素電極１２０の表面を平坦にすることができる機能を有している。なお、絶縁層１２４は、単層、または、積層で構成することが出来る。画素電極１２０の上には、絶縁層１２１が設けられている。絶縁層１２１は、例えば、有機樹脂を含み、その有機樹脂は、例えば、アクリル、ポリイミド、ポリアミドなどを有している。絶縁層１２１は、一例としては、土手（バンク）としての機能を有している。発光層１２２は、有機ＥＬ層などを有している。共通電極１２３は、光を反射する機能を有し、画素電極１２０は光の一部を透過させる機能を有している。これにより、基板１００の方に向かって発光させる（ボトムエミッション）ことが出来る。または、共通電極１２３は、光の一部を透過させる機能を有し、画素電極１２０は光を反射する機能を有している。これにより、基板１００とは反対の方に向かって発光させる（トップエミッション）ことが出来る。発光素子は、画素電極１２０、発光層１２２、ＥＬ素子、共通電極１２３を用いて構成される。発光層１２２が有機材料を有する場合には、発光素子は、有機ＥＬ素子を有しているといえる。なお、画素電極１２０や発光素子は、これら以外の図においても、同様に設けることができる。
【０１０８】
なお、ゲート電極１０２の他に、さらにゲート電極を設けてもよい。一例として、図３（Ｂ）および図４（Ａ）において、ゲート電極１２０Ａが設けられている例を図５（Ａ）、図６に示す。なお、ゲート電極１２０Ａは、画素電極１２０と同時に成膜し、同時にエッチングして、同時にパターニングすることによって形成された膜であってもよい。よって、ゲート電極１２０Ａは、画素電極１２０と同じ材料を有していてもよい。同様に、図３（Ｃ）および図４（Ｂ）において、ゲート電極１２０Ａが設けられている例を図５（Ｂ）および図７（Ａ）に示す。なお、画素電極１２０とは別の製造工程でゲート電極１２６を形成してもよい。その場合の例を、図５（Ｃ）、図７（Ｂ）に示す。なお、ゲート電極１２０Ａやゲート電極１２６は、これら以外の図においても、同様に設けることが出来る。
【０１０９】
なお、ゲート電極１０２と、ゲート電極１２０Ａ、または、ゲート電極１２６とは、互いに接続されていてもよい。その結果、同じ信号や同じ電位が供給されていてもよい。ただし、本発明の実施形態の一態様は、これに限定されない。例えば、それぞれ、異なる信号や異なる電位が供給されていてもよい。
【０１１０】
なお、図８に示すように、電極１１０ａおよび電極１１０ｂと、酸化物半導体層１０６ａ、酸化物半導体層１０６ｂおよび酸化物半導体層１０６ｃとの間に、絶縁層１２７が設けられていてもよい。その場合、電極１１０ａ（または電極１１０ｂ）と酸化物半導体層１０６ｃとは、コンタクトホールを介して接続される。なお、絶縁層１２７は、ゲート絶縁層１０４、酸化物絶縁層１１４、酸化物絶縁層１１２で述べた材料と同様な材料を用いて構成できる。また、絶縁層１２７は、単層、または、積層で構成することが出来る。なお、ゲート電極１２０Ａやゲート電極１２６は、これら以外の図においても、同様に設けることが出来る。
【０１１１】
＜トランジスタの構成例２＞
図９（Ａ）および図９（Ｂ）に本実施の形態の半導体装置が有するトランジスタ２１０の平面図および断面図を示す。図９（Ａ）は、トランジスタ２１０の平面図であり、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）の一点鎖線Ａ３−Ａ４間およびＢ３−Ｂ４間の断面図である。なお、図９（Ａ）では明瞭化のため、基板１００、トランジスタ２１０の構成要素の一部（例えば、ゲート絶縁層）等を省略して図示している。
【０１１２】
図９（Ａ）および図９（Ｂ）に示すトランジスタ２１０は、基板１００上に形成されたゲート電極１０２と、ゲート電極１０２と接するゲート絶縁層１０４と、ゲート絶縁層１０４を介してゲート電極１０２と対向する酸化物半導体層２０６ａと、酸化物半導体層２０６ａ上の酸化物半導体層２０６ｂと、酸化物半導体層２０６ｂ上の酸化物半導体層２０６ｃと、酸化物半導体層２０６ｃに接する一対の電極（電極１１０ａ、電極１１０ｂ）と、一対の電極（電極１１０ａ、電極１１０ｂ）および酸化物半導体層２０６ｃ上に形成された酸化物絶縁層１１２、酸化物絶縁層１１４および窒化物絶縁層１１６と、窒化物絶縁層１１６を上に設けられた電極１１８と、を有する。
【０１１３】
トランジスタ２１０において、電極１１８はバックゲート電極として機能する。また、電極１１８と酸化物半導体層２０６ａとの間に設けられた酸化物絶縁層１１２、酸化物絶縁層１１４および窒化物絶縁層１１６を含む積層構造は、バックゲート電極に対するゲート絶縁層として機能する。また、電極１１８は、ゲート絶縁層１０４、酸化物絶縁層１１２、酸化物絶縁層１１４および窒化物絶縁層１１６に設けられた開口部１１７ａ、開口部１１７ｂにおいて、ゲート電極１０２に接続される。よって、電極１１８とゲート電極１０２とは、同じ電位が与えられる。
【０１１４】
図９に示すトランジスタ２１０は、窒化物絶縁層１１６上にバックゲート電極として機能する電極１１８を有する点において、図１のトランジスタ２００と相違する。その他の構成は、トランジスタ２００と同様であり、同様の効果を奏することができる。すなわち、トランジスタ２１０は、低抵抗材料を含む一対の電極（電極１１０ａ、電極１１０ｂ）と、チャネルが形成される酸化物半導体層２０６ａとの間にバリア層として機能する酸化物半導体層２０６ｃを有する。これによって、酸化物半導体層２０６ａへの不純物の混入および拡散を抑制することができる。したがって、トランジスタ２１０は電気特性の低下が抑制されたトランジスタである。トランジスタ２１０の各構成要素の詳細は、トランジスタ２００についての説明を参酌することができる。
【０１１５】
また、図９に示すトランジスタ２１０に含まれる酸化物半導体層２０６ａは、トランジスタ２００に含まれる酸化物半導体層１０６ａと同様の材料を用いて構成され、膜厚が１００ｎｍ以上、例えば１００ｎｍ以上１０００ｎｍ、好ましくは２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。また、酸化物半導体層２０６ｂは、トランジスタ２００に含まれる酸化物半導体層１０６ｂと同様の材料を用いて構成され、酸化物半導体層２０６ｃは、トランジスタ２００に含まれる酸化物半導体層１０６ｃと同様の材料を用いて構成される。また、トランジスタ２１０のチャネル長（電極１１０ａ、電極１１０ｂ間の距離）は、０．５μｍ以上２μｍ以下とすることが好ましく、０．５μｍ以上１μｍ以下とすることがより好ましい。
【０１１６】
図９（Ｂ）の断面図に示すように、酸化物半導体層２０６ａは、ゲート電極１０２と、電極１１８（バックゲート電極）のそれぞれと対向するように位置し、２つのゲート電極に挟まれている。バックゲート電極として機能する電極１１８のチャネル長方向の長さおよびチャネル幅方向の長さは、酸化物半導体層２０６ａのチャネル長方向の長さおよびチャネル幅方向の長さよりもそれぞれ長く、酸化物半導体層２０６ａの全体は、絶縁層（酸化物絶縁層１１２、酸化物絶縁層１１４および窒化物絶縁層１１６）を介して電極１１８に覆われている。また、電極１１８とゲート電極１０２とは、ゲート絶縁層１０４、酸化物絶縁層１１２、酸化物絶縁層１１４および窒化物絶縁層１１６に設けられた開口部１１７ａ、開口部１１７ｂにおいて接続されるため、酸化物半導体層２０６ａのチャネル幅方向の側面は、絶縁層（酸化物絶縁層１１２、酸化物絶縁層１１４および窒化物絶縁層１１６）を介してバックゲート電極（電極１１８）と対向している。
【０１１７】
このような構成を有することで、トランジスタ２１０に含まれる酸化物半導体層２０６ａを、ゲート電極１０２および電極１１８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２１０のように、ゲート電極およびバックゲート電極の電界によって、チャネルが形成される酸化物半導体層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。
【０１１８】
トランジスタ２１０は、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有するため、ゲート電極１０２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層２０６ａに印加することができるため、トランジスタ２１０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２１０を微細化することが可能となる。また、トランジスタ２１０は、ゲート電極１０２および電極１１８によって囲まれた構造を有するため、トランジスタ２１０の機械的強度を高めることができる。
【０１１９】
なお、トランジスタ２１０の構造において、開口部１１７ａ、開口部１１７ｂのいずれか一方を形成して、該開口部において電極１１８およびゲート電極１０２を接続する構成としてもよい。
【０１２０】
なお、トランジスタ２１０に含まれる一対の電極（電極１１０ａ、電極１１０ｂ）は、第１の導電層１０９ａ、第１の導電層１０９ｂと、第２の導電層１１１ａ、第２の導電層１１１ｂとの積層構造を有する。第１の導電層１０９ａ、第１の導電層１０９ｂには、先の電極１１０ａ、電極１１０ｂの説明において１層目として例示した材料を適宜用いることができる。また、第２の導電層１１１ａ、第２の導電層１１１ｂには、先の電極１１０ａ、電極１１０ｂの説明において２層目として例示した材料を適宜用いることができる。なお、トランジスタ２１０に含まれる一対の電極（電極１１０ａ、電極１１０ｂ）は銅、アルミニウム、金または銀を含んで構成される限り、図９の構成に限定されるものではなく、単層構造としてもよいし、３層以上の積層構造としてもよい。
【０１２１】
＜トランジスタの構成例３＞
図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）に本実施の形態の半導体装置が有するトランジスタ２２０の平面図および断面図を示す。トランジスタ２２０は、図９のトランジスタ２１０の変形例である。図１０（Ａ）は、トランジスタ２２０の平面図であり、図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）の一点鎖線Ａ５−Ａ６間およびＢ５−Ｂ６間の断面図である。なお、図１０（Ａ）では明瞭化のため、基板１００、トランジスタ２２０の構成要素の一部（例えば、ゲート絶縁層）等を省略して図示している。
【０１２２】
図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）に示すトランジスタ２２０は、基板１００上に形成されたゲート電極１０２と、ゲート電極１０２と接するゲート絶縁層１０４と、ゲート絶縁層１０４を介してゲート電極１０２と対向する酸化物半導体層２０６ａと、酸化物半導体層２０６ａ上の酸化物半導体層２０６ｂと、酸化物半導体層２０６ｂ上のバリア層として機能する酸化物半導体層２０６ｃと、酸化物半導体層２０６ｃに接する一対の電極（電極１１０ａ、電極１１０ｂ）と、一対の電極（電極１１０ａ、電極１１０ｂ）および酸化物半導体層２０６ｃ上に形成された酸化物絶縁層１１２、酸化物絶縁層１１４および窒化物絶縁層１１６と、窒化物絶縁層１１６を上に設けられた電極１１９ａ、電極１１９ｂ、電極１１９ｃと、を有する。
【０１２３】
トランジスタ２２０において、酸化物半導体層２０６ｂ、酸化物半導体層２０６ｃおよび絶縁層（酸化物絶縁層１１２、酸化物絶縁層１１４および窒化物絶縁層１１６）を介して酸化物半導体層２０６ａと重なる電極１１９ｂは、バックゲート電極として機能する。また、電極１１９ｂと同じ層で形成される電極１１９ａ、電極１１９ｃは、ゲート絶縁層１０４、酸化物絶縁層１１２、酸化物絶縁層１１４、および窒化物絶縁層１１６に設けられた開口部１１７ａ、開口部１１７ｂにおいてそれぞれゲート電極１０２と接続する。すなわち、電極１１９ａ、電極１１９ｃはゲート電極１０２の一部として機能する。
【０１２４】
トランジスタ２２０は、トランジスタ２１０において、バックゲート電極として機能する電極１１８が分離した構成を有する点において相違する。その他の構成はトランジスタ２１０と同様とすることができる。トランジスタ２２０の構成の詳細は、先のトランジスタ２１０についての説明を参酌することが可能である。
【０１２５】
トランジスタ２２０に含まれる電極１１９ａ、電極１１９ｃは、上面形状において酸化物半導体層２０６ａと重なる領域を有し、開口部１１７ａ、開口部１１７ｂにおいて酸化物半導体層２０６ａの側面と対向する。よって、トランジスタ２２０もトランジスタ２１０と同様に、酸化物半導体層２０６ａがゲート電極１０２、電極１１９ａ、電極１１９ｂ、電極１１９ｃによって電気的に囲まれたｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有するため、ゲート電極１０２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層２０６ａに印加することができる。よって、トランジスタ２２０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。
【０１２６】
また、トランジスタ２２０では、バックゲート電極として機能する電極１１９ｂが、ゲート電極１０２と電気的に接続されていないため、ゲート電極１０２と電極１１９ｂに異なる電位や信号を入力することができる。よって、バックゲート電極として機能する電極１１９ｂへの入力信号や入力電位によりトランジスタ２２０のしきい値電圧をプラス方向またはマイナス方向へシフトさせることが可能となる。トランジスタ２２０のしきい値電圧を適宜制御することにより、半導体装置の動作時にトランジスタ２２０をエンハンスメント型またはデプレッション型に適宜変更することが可能である。
【０１２７】
＜トランジスタの構成例４＞
図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）に本実施の形態の半導体装置が有するトランジスタ２３０の平面図および断面図を示す。トランジスタ２３０は、図９のトランジスタ２１０、図１０のトランジスタ２２０の変形例である。図１１（Ａ）は、トランジスタ２３０の平面図であり、図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）の一点鎖線Ａ７−Ａ８間およびＢ７−Ｂ８間の断面図である。なお、図１１（Ａ）では明瞭化のため、基板１００、トランジスタ２３０の構成要素の一部（例えば、ゲート絶縁層）等を省略して図示している。
【０１２８】
図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）に示すトランジスタ２３０は、基板１００上に形成されたゲート電極１０２と、ゲート電極１０２と接するゲート絶縁層１０４と、ゲート絶縁層１０４を介してゲート電極１０２と対向する酸化物半導体層２０６ａと、酸化物半導体層２０６ａ上の酸化物半導体層２０６ｂと、酸化物半導体層２０６ｂ上のバリア層として機能する酸化物半導体層２０６ｃと、酸化物半導体層２０６ｃに接する一対の電極（電極１１０ａ、電極１１０ｂ）と、一対の電極（電極１１０ａ、電極１１０ｂ）および酸化物半導体層２０６ｃ上に形成された酸化物絶縁層１１２、酸化物絶縁層１１４および窒化物絶縁層１１６と、窒化物絶縁層１１６を上に設けられた電極１１９ａ、電極１１９ｃと、を有する。
【０１２９】
トランジスタ２３０は、酸化物半導体層２０６ｂ、酸化物半導体層２０６ｃおよび絶縁層（酸化物絶縁層１１２、酸化物絶縁層１１４および窒化物絶縁層１１６）を介して酸化物半導体層２０６ａと重なる領域を有する電極１１９ａ、電極１１９ｃを有する。また、電極１１９ａ、電極１１９ｃは、ゲート絶縁層１０４、酸化物絶縁層１１２、酸化物絶縁層１１４、および窒化物絶縁層１１６に設けられた開口部１１７ａ、開口部１１７ｂにおいてそれぞれゲート電極１０２と接続し、ゲート電極１０２の一部として機能する。すなわち、トランジスタ２３０は、トランジスタ２２０からバックゲート電極として機能する電極１１９ｂを省略した構成を有する。なお、トランジスタ２２０またはトランジスタ２３０において、電極１１９ａ、電極１１９ｃのいずれか一方のみを有する構成としてもよい。
【０１３０】
トランジスタ２１０およびトランジスタ２２０と同様に、トランジスタ２３０においても酸化物半導体層２０６ａの下面、対向する２つの側面に対向するゲート電極（ゲート電極１０２、電極１１９ａ、電極１１９ｃ）を有するため、酸化物半導体層２０６ａを電気的に囲むｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造とすることができる。よって、トランジスタ２３０は、電流駆動能力が向上し、高いオン電流特性を有するトランジスタとすることが可能となる。トランジスタ２３０の各構成要素の詳細は、先のトランジスタ２１０、トランジスタ２２０についての説明を参酌することができる。
【０１３１】
＜トランジスタの構成例５＞
図１２に本実施の形態の半導体装置が有するトランジスタ３００の断面図を示す。なお、図１２では、トランジスタ３００のチャネル長方向の断面と、ゲート電極２０２ａと同じ層に形成された電極２０２ｂと、一対の電極（電極１１０ａ、電極１１０ｂ）と同じ層に形成された電極１１０ｃとの接続部の断面を図示している。
【０１３２】
また、図１２に示すトランジスタ３００では、ゲート電極２０２ａおよびゲート電極２０２ａと同じ層に形成された電極２０２ｂとして、第１の導電層１０１ａ、第１の導電層１０１ｂと、第２の導電層１０３ａ、第２の導電層１０３ｂの積層構造を有する。第１の導電層１０１ａ、第１の導電層１０１ｂとしては、一対の電極（電極１１０ａ、電極１１０ｂ）の第１の導電層１０９ａ、第１の導電層１０９ｂと同様の材料を適用することができる。また、第２の導電層１０３ａ、第２の導電層１０３ｂとしては、一対の電極（電極１１０ａ、電極１１０ｂ）の第２の導電層１１１ａ、第２の導電層１１１ｂと同様の材料を適用することができる。
【０１３３】
ゲート電極２０２ａ、電極２０２ｂとして、銅、アルミニウム、金または銀等の低抵抗材料を含んで形成することで、基板１００として大面積基板を用いた場合においても配線遅延を抑制した半導体装置を作製することが可能となる。なお、ゲート電極２０２ａ、電極２０２ｂとして、上述の低抵抗材料を含む電極を形成した場合、ゲート絶縁層１０４として、窒化物絶縁層１０４ａおよび酸化物絶縁層１０４ｂの積層構造を含み、酸化物絶縁層１０４ｂにおいて酸化物半導体層３１６ａと接する構造とすることが好ましい。ゲート絶縁層１０４に含まれる窒化物絶縁層１０４ａは、上述の低抵抗材料の拡散を防ぐためのバリア層として用いることができる。また、酸化物絶縁層１０４ｂは、窒化物絶縁層１０４ａから酸化物半導体層３１６ａ、酸化物半導体層３１６ｂへの窒素の拡散を防止するとともに、酸化物半導体層３１６ａ、酸化物半導体層３１６ｂへの酸素の供給源として機能しうる。
【０１３４】
トランジスタ３００に含まれる酸化物半導体層３１６ａの構成は、上述のトランジスタ２００の酸化物半導体層１０６ａと同様とすることができ、先の記載を参酌することが可能である。また、酸化物半導体層３１６ｂの構成は、上述のトランジスタ２００の酸化物半導体層１０６ｂと同様とすることができ、先の記載を参酌することが可能である。また、酸化物半導体層３１６ｃの構成は、上述のトランジスタ２００の酸化物半導体層１０６ｃと同様とすることができ、先の記載を参酌することが可能である。よって、トランジスタ３００に含まれるゲート絶縁層１０４、酸化物半導体層３１６ａ、酸化物半導体層３１６ｂ、酸化物半導体層３１６ｃおよび酸化物絶縁層１１２を有する積層構造の膜厚方向のバンド構造は、酸化物半導体層３１６ａがウェル（井戸）となり、当該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層３１６ａに形成される。
【０１３５】
なお、トランジスタ３００において、電極２０２ｂと、電極１１０ｃとの接続は、金属酸化物膜、および酸化物半導体膜を島状に加工した後、ゲート絶縁層１０４に開口部を形成し、電極２０２ｂを露出させる。その後、一対の電極（電極１１０ａ、電極１１０ｂ）および電極１１０ｃを形成するための導電膜を形成し、該導電膜を加工することで、電極２０２ｂと電極１１０ｃとを接続することができる。
【０１３６】
＜トランジスタの構成例６＞
先のトランジスタ構造はすべてボトムゲート構造であったが、トップゲート構造でも構わない。図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）に本実施の形態の半導体装置が有するトランジスタ３５０の平面図および断面図を示す。図１３（Ａ）は、トランジスタ３５０の平面図であり、図１３（Ｂ）は、図１３（Ａ）の一点鎖線Ｃ１−Ｃ２間およびＤ１−Ｄ２間の断面図である。なお、図１３（Ａ）では明瞭化のため、基板１００、トランジスタ３５０の構成要素の一部（例えば、ゲート絶縁層）等を省略して図示している。
【０１３７】
図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）に示すトランジスタ３５０は、基板１００上の凸部を有する下地絶縁層３２２と、下地絶縁層３２２の凸部上の酸化物半導体層１０６ａと、酸化物半導体層１０６ａ上の酸化物半導体層１０６ｂと、酸化物半導体層１０６ｂ上のバリア層として機能する酸化物半導体層１０６ｃと、酸化物半導体層１０６ｃに接する一対の電極（電極１１０ａ、電極１１０ｂ）と、一対の電極（電極１１０ａ、電極１１０ｂ）および酸化物半導体層１０６ｃ上に形成されたゲート絶縁層１０４、ゲート電極１０２と、一対の電極（電極１１０ａ、電極１１０ｂ）およびゲート電極１０２上の酸化物絶縁層３２４と、を有する。
【０１３８】
下地絶縁層３２２の構成は、上述のトランジスタ２００のゲート絶縁層１０４と同様とすることができ、また、酸化物絶縁層３２４の構成は、上述のトランジスタ２００の酸化物絶縁層１１２および酸化物絶縁層１１４と同様とすることができ、トランジスタ３５０の各構成要素の詳細は、先のトランジスタ２１０、トランジスタ２２０等についての説明を参酌することができる。
【０１３９】
また、トランジスタのチャネル長およびチャネル幅を微細化するとき、レジストマスクを後退させながら電極や半導体膜等を加工すると図１３に示すように電極や半導体膜等の端部が丸みを帯びる（曲面を有する）場合がある。このような構成になることで、端部が丸みを帯びた電極や半導体膜上に成膜される膜の被覆性を向上させることができる。
【０１４０】
なお、トップゲート構造においても先に示したボトムゲート構造のトランジスタの構成例を参酌することも可能である。
【０１４１】
本実施の形態で示す構成とすることで、チャネル形成領域を含む酸化物半導体層の不純物濃度が低減された信頼性の高いトランジスタとすることが可能である。さらに、チャネルが界面準位の影響を受けにくい構造とすることができ、界面準位に起因したオン電流の低下が起こりにくい。したがって、オン電流が高く、Ｓ値の低いトランジスタとすることができる。また、界面準位に起因した電気特性の変動が起こりにくく、信頼性の高いトランジスタとなる。
【０１４２】
なお、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。
【０１４３】
＜トランジスタの作製方法＞
以下に、本実施の形態のトランジスタの作製方法を図１４および図１５を用いて説明する。以下では、代表的にトランジスタ２１０の作製方法を例に説明する。
【０１４４】
まず、基板１００上に導電膜を形成し、該導電膜を、フォトリソグラフィ工程を用いて加工してゲート電極１０２を形成する。次いで、ゲート電極１０２上にゲート絶縁層１０４を形成する（図１４（Ａ）参照）。
【０１４５】
ゲート電極１０２を構成する導電膜は、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、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）法等の熱ＣＶＤ法、または原子層堆積（ＡＬＤ）法を用いてもよい。
【０１４６】
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ってもよい成膜方法である。熱ＣＶＤ法は、プラズマを用いない成膜方法のため、プラズマダメージによる欠陥が生成されることがないという利点を有する。
【０１４７】
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。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。
【０１４８】
本実施の形態では、基板１００としてガラス基板を用い、ゲート電極１０２として厚さ１００ｎｍのタングステン層をスパッタリング法で形成する。
【０１４９】
なお、例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置によりタングステン層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層を形成し、その後、ＷＦ６ガスとＨ２ガスを同時に導入してタングステン層を形成する。なお、Ｂ２Ｈ６ガスに代えてＳｉＨ４ガスを用いてもよい。
【０１５０】
ゲート絶縁層１０４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。ここでは、ＰＥＣＶＤ法により、ゲート絶縁層１０４として厚さ４００ｎｍの窒化シリコン膜と厚さ５０ｎｍの酸化窒化シリコン膜を積層して形成する。
【０１５１】
また、熱ＣＶＤ法でゲート絶縁層１０４を構成する膜を形成してもよい。例えば、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。
【０１５２】
例えば、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（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。
【０１５３】
例えば、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。
【０１５４】
次いで、ゲート絶縁層１０４上に酸化物半導体層１０６ａとなる酸化物半導体膜１０５ａと、酸化物半導体層１０６ｂとなる酸化物半導体膜１０５ｂと、酸化物半導体層１０６ｃとなる酸化物半導体膜１０５ｃの積層膜を形成する（図１４（Ｂ）参照）。
【０１５５】
本実施の形態では、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１）を用いたスパッタリング法により、酸化物半導体膜１０５ａとしてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物膜を形成する。また、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２）を用いたスパッタリング法により、酸化物半導体膜１０５ｂとしてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物膜を形成する。また、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：６）を用いたスパッタリング法により、酸化物半導体膜１０５ｃとしてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物膜を形成する。なお、酸化物半導体膜１０５ａ、酸化物半導体膜１０５ｂおよび酸化物半導体膜１０５ｃに適用可能な構成元素および組成はこれに限られるものではない。
【０１５６】
スパッタリング法で酸化物半導体膜１０５ａ、酸化物半導体膜１０５ｂ、酸化物半導体膜１０５ｃを形成する場合、プラズマを発生させるための電源装置は、ＲＦ電源装置、ＡＣ電源装置、ＤＣ電源装置等を適宜用いることができる。ただし、大面積基板への対応が可能なＤＣ放電を用いて成膜を行うと、半導体装置の生産性を高めることができるため好ましい。
【０１５７】
スパッタリングガスは、希ガス（代表的にはアルゴン）、酸素、希ガスおよ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。
【０１５８】
なお、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１０５ａ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〜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。また、酸化物半導体膜１０５ａに接する酸化物半導体膜１０５ｂ、および酸化物半導体膜１０５ｃに含まれる水等の不純物も可能な限り除去することが好ましいため、酸化物半導体膜１０５ｂおよび酸化物半導体膜１０５ｃを成膜するためのチャンバーも高真空排気されていることが望ましい。
【０１５９】
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を得るためには、チャンバー内を高真空排気するのみならずスパッタガスの高純度化も必要である。スパッタ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１０５ａ、酸化物半導体膜１０５ｂ、酸化物半導体膜１０５ｃ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。
【０１６０】
なお、スパッタリング法に代えて、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化物半導体膜１０５ａおよび／または酸化物半導体膜１０５ｂおよび／または酸化物半導体膜１０５ｃを形成することができる。例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物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ＩｎＯ２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、さらにその後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ＩｎＧａＯ２層やＩｎＺｎＯ２層、ＧａＩｎＯ層、ＺｎＩｎＯ層、ＧａＺｎＯ層などの混合化合物層を形成してもよい。なお、Ｏ３ガスに変えてＡｒ等の不活性ガスでバブリングしたＨ２Ｏガスを用いてもよいが、Ｈを含まないＯ３ガスを用いる方が好ましい。また、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスに代えて、Ｉｎ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いてもよい。また、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスに代えて、Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いてもよい。また、Ｚｎ（ＣＨ３）２ガスを用いてもよい。
【０１６１】
次いで、酸化物半導体膜１０５ｃ上にフォトレジストマスクを用いたフォトリソグラフィ工程によりレジストマスクを形成した後、該レジストマスクを用いて酸化物半導体膜１０５ｃ、酸化物半導体膜１０５ｂおよび酸化物半導体膜１０５ａをエッチングして素子分離し、酸化物半導体層１０６ａ、酸化物半導体層１０６ｂおよび酸化物半導体層１０６ｃを形成する（図１４（Ｃ）参照）。ここでのエッチングには、ウェットエッチング法を好ましく適用することができる。ただし、ドライエッチング法を用いてもよいし、双方を組み合わせて用いてもよい。
【０１６２】
酸化物半導体層１０６ａ、酸化物半導体層１０６ｂおよび酸化物半導体層１０６ｃ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、酸化物半導体層１０６ａ、酸化物半導体層１０６ｂおよび酸化物半導体層１０６ｃの高純度化処理の一つであり、酸化物半導体層１０６ａ、酸化物半導体層１０６ｂおよび酸化物半導体層１０６ｃ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、酸化物半導体層１０６ａ、酸化物半導体層１０６ｂおよび酸化物半導体層１０６ｃを島状に加工する前に行ってもよい。例えば、酸化物半導体膜１０５ａおよび酸化物半導体膜１０５ｂの成膜後であって、酸化物半導体膜１０５ｃの成膜前に加熱処理を行うことも可能である。
【０１６３】
酸化物半導体層１０６ａ、酸化物半導体層１０６ｂおよび酸化物半導体層１０６ｃ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。
【０１６４】
なお、酸化物半導体層１０６ａ、酸化物半導体層１０６ｂおよび酸化物半導体層１０６ｃ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、酸化物半導体層中に含まれる水素、水等を脱離させると共に、酸化物半導体層中に酸素を供給することができる。この結果、酸化物半導体層中に含まれる酸素欠損量を低減することができる。
【０１６５】
次いで、酸化物半導体層１０６ａ、酸化物半導体層１０６ｂの側面、および酸化物半導体層１０６ｃの側面および上面に接する一対の電極（電極１１０ａ、電極１１０ｂ）を形成する（図１４（Ｄ）参照）。
【０１６６】
ここでは、スパッタリング法により、第１の導電層１０９ａ、第１の導電層１０９ｂとなる厚さ５０ｎｍのタングステン膜と、第２の導電層１１１ａ、第２の導電層１１１ｂとなる厚さ３００ｎｍの銅膜を形成する。そして銅膜上にフォトレジストマスクを用いたフォトリソグラフィ工程によりレジストマスクを形成した後、該レジストマスクを用いてタングステン膜および銅膜を加工することで、一対の電極（電極１１０ａ、電極１１０ｂ）とする。なお、上述したように、タングステン膜、銅膜等の導電膜をＡＬＤ法、熱ＣＶＤ法で形成してもよい。この場合、酸化物半導体層１０６ａ、酸化物半導体層１０６ｂおよび酸化物半導体層１０６ｃにプラズマダメージを与えずに導電膜を形成することができる。
【０１６７】
例えば、銅膜のエッチングには、ウェットエッチング法を用い、タングステン膜のエッチングにはＳＦ６を用いたドライエッチング法を適用すると、銅膜の表面にフッ化物が形成され、該フッ化物により銅膜からの銅が酸化物半導体層１０６ａに拡散することを抑制することができる。また、酸化物半導体層１０６ｃは酸化物半導体層１０６ａに対するエッチング保護膜としても機能することができる。
【０１６８】
次いで、一対の電極（電極１１０ａ、電極１１０ｂ）上に酸化物絶縁層１１２を形成する。その後、酸化物絶縁層１１２上に酸化物絶縁層１１４を形成する。
【０１６９】
なお、酸化物絶縁層１１２を形成した後、大気に曝すことなく、連続的に酸化物絶縁層１１４を形成することが好ましい。酸化物絶縁層１１２を形成後、大気開放せず、原料ガスの流量、圧力、高周波電力および基板温度の一以上を調整して、酸化物絶縁層１１４を連続的に形成することで、酸化物絶縁層１１２と酸化物絶縁層１１４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、酸化物絶縁層１１４に含まれる酸素を酸化物半導体層１０６ａに移動させることが可能なり、酸化物半導体層１０６ａの酸素欠損量を低減することが可能となる。
【０１７０】
例えば、プラズマＣＶＤ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４００℃以下、さらに好ましくは２００℃以上３７０℃以下に保持し、処理室に原料ガスを導入して処理室内における圧力を２０Ｐａ以上２５０Ｐａ以下、さらに好ましくは１００Ｐａ以上２５０Ｐａ以下とし、処理室内に設けられる電極に高周波電力を供給する条件により、酸化物絶縁層１１２として酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形成することができる。
【０１７１】
上記成膜条件を用いることで、酸化物絶縁層１１２として酸素を透過する酸化物絶縁層を形成することができる。また、酸化物半導体層１０６ｃおよび酸化物絶縁層１１２を設けることで、後に形成する酸化物絶縁層１１４の形成工程において、酸化物半導体層１０６ａへのダメージ低減が可能である。
【０１７２】
なお、上記成膜条件において、基板温度を３００℃以上４００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上３７０℃以下とすることで、シリコンおよび酸素の結合力が強くなる。この結果、酸化物絶縁層１１２として、酸素が透過し、緻密であり、かつ硬い酸化物絶縁層、代表的には、２５℃において０．５重量％のフッ酸に対するエッチング速度が１０ｎｍ／分以下、好ましくは８ｎｍ／分以下である酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形成することができる。
【０１７３】
また、酸化物絶縁層１１２の成膜工程において、加熱をしながら酸化物絶縁層１１２を形成することは、酸化物半導体層１０６ａ、酸化物半導体層１０６ｂおよび酸化物半導体層１０６ｃに含まれる水素、水等の脱離に対しても有効である。酸化物半導体層１０６ａに含まれる水素は、プラズマ中で発生した酸素ラジカルと結合し、水となる。酸化物絶縁層１１２の成膜工程に基板が加熱されているため、酸素および水素の結合により生成された水は酸化物半導体層１０６ａから脱離する。すなわち、酸化物絶縁層１１２をプラズマＣＶＤ法によって形成することで、酸化物半導体層１０６ａに含まれる水、水素等の含有量を低減することができる。
【０１７４】
さらには、処理室の圧力を１００Ｐａ以上２５０Ｐａ以下とすることで、酸化物絶縁層１１２に含まれる水の含有量が少なくなるため、トランジスタ２１０の電気特性のばらつきを低減すると共に、しきい値電圧の変動を抑制することができる。
【０１７５】
なお、酸化物絶縁層１１２の成膜時には、酸化物半導体層１０６ａへのダメージをできるだけ抑えることが好ましい。トランジスタの信頼性を向上させるために後に形成される酸化物絶縁層１１４を、膜中の欠陥が低減されるような条件下で形成する場合、該酸化物絶縁層１１４の酸素脱離量が低減しやすく、酸化物半導体層１０６ａの欠陥を十分に低減することが困難な場合があるからである。そこで、酸化物絶縁層１１２の成膜時には、処理室の圧力を１００Ｐａ以上２５０Ｐａ以下とすることが好ましい。このような条件で成膜を行うことで、酸化物半導体層１０６ａへのダメージを低減することができる。
【０１７６】
なお、シリコンを含む堆積性気体に対する酸化性気体量を１００倍以上とすることで、酸化物絶縁層１１２に含まれる水素含有量を低減することが可能である。この結果、酸化物半導体層１０６ａに混入する水素量を低減できるため、トランジスタのしきい値電圧のマイナスシフトを抑制することができる。
【０１７７】
酸化物絶縁層１１４としては、プラズマＣＶＤ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。
【０１７８】
酸化物絶縁層１１４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、酸化物絶縁層１１４中における酸素含有量が化学量論比よりも多くなる。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層を形成することができる。
【０１７９】
なお、酸化物絶縁層１１４の形成工程において、酸化物絶縁層１１２が酸化物半導体層１０６ｃの保護膜となる。また、酸化物半導体層１０６ｃが酸化物半導体層１０６ａの保護膜となる。これらの結果、酸化物半導体層１０６ａ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酸化物絶縁層１１４を形成することができる。
【０１８０】
なお、酸化物絶縁層１１４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、酸化物絶縁層１１４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。
【０１８１】
酸化物絶縁層１１２、酸化物絶縁層１１４を形成した後、加熱処理を行う。当該加熱処理により、酸化物絶縁層１１４に含まれる酸素の一部を酸化物半導体層１０６ａに移動させ、酸化物半導体層１０６ａに含まれる酸素欠損量をさらに低減することができる。加熱処理後に、窒化物絶縁層１１６を形成する。
【０１８２】
酸化物絶縁層１１２、酸化物絶縁層１１４に水、水素等が含まれる場合、水、水素等をブロッキングする機能を有する窒化物絶縁層１１６を形成後に加熱処理を行うと、酸化物絶縁層１１２、酸化物絶縁層１１４に含まれる水、水素等が酸化物半導体層１０６ａに移動し、酸化物半導体層１０６ａに欠陥が生じてしまう。よって、窒化物絶縁層１１６の形成前に加熱処理を行うことで、酸化物絶縁層１１２、酸化物絶縁層１１４に含まれる水、水素を効果的に低減させることができる。
【０１８３】
なお、酸化物絶縁層１１４を、加熱しながら酸化物絶縁層１１２上に形成することで、酸化物半導体層１０６ａに酸素を移動させ、酸化物半導体層１０６ａに含まれる酸素欠損を低減することが可能であるため、この加熱処理を行わなくともよい場合がある。
【０１８４】
酸化物絶縁層１１２、酸化物絶縁層１１４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。
【０１８５】
ここでは、窒素および酸素雰囲気で、３５０℃、１時間の加熱処理を行う。その後、窒化物絶縁層１１６を形成する（図１５（Ａ）参照）。
【０１８６】
窒化物絶縁層１１６をプラズマＣＶＤ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。
【０１８７】
例えば、窒化物絶縁層１１６としてプラズマＣＶＤ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、およびアンモニアを原料ガスとして用いことが好ましい。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。当該活性種が、シリコンを含む堆積性気体に含まれるシリコンおよび水素の結合、および窒素の三重結合を切断する。この結果、シリコンおよび窒素の結合が促進され、シリコンおよ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および窒素の分解が進まず、シリコンおよび水素結合が残存してしまい、欠陥が増大した、か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。
【０１８８】
ここでは、窒化物絶縁層１１６として、プラズマＣＶＤ装置を用いて、シラン、窒素、およ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プラズマＣＶＤ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。
【０１８９】
窒化物絶縁層１１６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、さらに好ましくは３２０℃以上３７０℃以下とする。この加熱処理を行う際には、酸化物絶縁層１１２、１１４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層１０６ａの欠陥の発生は抑えられている。
【０１９０】
次に、窒化物絶縁層１１６上にフォトレジストマスクを用いたフォトリソグラフィ工程によりレジストマスクを形成する。該レジストマスクを用いて、窒化物絶縁層１１６、酸化物絶縁層１１２、酸化物絶縁層１１４、およびゲート絶縁層１０４をエッチングして、開口部１１７ａ、開口部１１７ｂを形成する（図１５（Ｂ）参照）。
【０１９１】
レジストマスクを除去した後、窒化物絶縁層１１６上に導電膜を形成し、該導電膜を加工してバックゲート電極として機能する電極１１８を形成する（図１５（Ｃ）参照）。
【０１９２】
以上の工程により、本実施の形態に係るトランジスタ２１０を形成することができる。なお、本実施の形態に係る他のトランジスタも、トランジスタ２１０と同様に作製することが可能である。
【０１９３】
上述したように、本実施の形態で示すトランジスタは、ソース電極およびドレイン電極として機能する一対の電極として、銅、アルミニウム、金、または銀等の低抵抗材料を含む電極を用いることで、配線遅延を抑制した半導体装置を作製することができる。さらに、一対の電極と接して、バリア層として機能する酸化物半導体層を設けることで、電気特性の低下を抑制し、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することが可能となる。
【０１９４】
また、本実施の形態に係る作製工程によって、チャネル形成領域を含む酸化物半導体層の酸素欠陥が低減され、不純物の濃度が低減された信頼性の高いトランジスタを作製することが可能である。
【０１９５】
さらに、本実施の形態に係るトランジスタは、チャネルエッチ型のトランジスタであって、不純物混入を抑制するためのバリア層として機能する酸化物半導体層１０６ｃを、酸化物半導体層１０６ａと同じマスクを用いて加工するため、チャネル保護型のトランジスタを形成する場合と比較してマスク枚数を削減することが可能である。よって、半導体装置の作製コストを低減させることができる。
【０１９６】
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。
【０１９７】
（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様のトランジスタに含まれる酸化物半導体層の構成について詳述する。
【０１９８】
＜酸化物半導体層の構造について＞
以下に酸化物半導体層の構造について説明する。
【０１９９】
酸化物半導体層は、単結晶酸化物半導体層と、それ以外の非単結晶酸化物半導体層とに分けられる。非単結晶酸化物半導体層としては、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）層、多結晶酸化物半導体層、微結晶酸化物半導体層、非晶質酸化物半導体層などがある。
【０２００】
また、別の観点では、酸化物半導体層は、非晶質酸化物半導体層と、それ以外の結晶性酸化物半導体層とに分けられる。結晶性酸化物半導体層としては、単結晶酸化物半導体層、ＣＡＡＣ−ＯＳ層、多結晶酸化物半導体層、微結晶酸化物半導体層などがある。
【０２０１】
＜ＣＡＡＣ−ＯＳ層＞
まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳ層について説明する。なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ層を、ＣＡＮＣ（Ｃ−Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体層と呼ぶこともできる。
【０２０２】
ＣＡＡＣ−ＯＳ層は、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層の一つである。
【０２０３】
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって、ＣＡＡＣ−ＯＳ層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層は、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。
【０２０４】
以下では、ＴＥＭによって観察したＣＡＡＣ−ＯＳ層について説明する。図１６（Ａ）に、試料面と略平行な方向から観察したＣＡＡＣ−ＯＳ層の断面の高分解能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。
【０２０５】
図１６（Ａ）の領域（１）を拡大したＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を図１６（Ｂ）に示す。図１６（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層を形成する面（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層の被形成面または上面と平行となる。
【０２０６】
図１６（Ｂ）に示すように、ＣＡＡＣ−ＯＳ層は特徴的な原子配列を有する。図１６（Ｃ）は、特徴的な原子配列を、補助線で示したものである。図１６（Ｂ）および図１６（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。
【０２０７】
ここで、Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像をもとに、基板５１２０上のＣＡＡＣ−ＯＳ層のペレット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１６（Ｄ）参照。）。図１６（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１６（Ｄ）に示す領域５１６１に相当する。
【０２０８】
また、図１７（Ａ）に、試料面と略垂直な方向から観察したＣＡＡＣ−ＯＳ層の平面のＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を示す。図１７（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１７（Ｂ）、図１７（Ｃ）および図１７（Ｄ）に示す。図１７（Ｂ）、図１７（Ｃ）および図１７（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。
【０２０９】
次に、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって解析したＣＡＡＣ−ＯＳ層について説明する。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ層に対し、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、図１８（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層の結晶が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。
【０２１０】
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ層の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層中の一部に、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層は、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。
【０２１１】
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳ層に対し、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層の場合は、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１８（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層であれば、２θを５６°近傍に固定してφスキャンした場合、図１８（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層は、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。
【０２１２】
次に、電子回折によって解析したＣＡＡＣ−ＯＳ層について説明する。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ層に対し、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１９（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層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１９（Ｂ）に示す。図１９（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層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１９（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１９（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。
【０２１３】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ層は、欠陥準位密度の低い酸化物半導体層である。酸化物半導体層の欠陥としては、例えば、不純物に起因する欠陥や、酸素欠損などがある。したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳ層は、不純物濃度の低い酸化物半導体層ということもできる。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ層は、酸素欠損の少ない酸化物半導体層ということもできる。
【０２１４】
酸化物半導体層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、酸化物半導体層中の酸素欠損は、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。
【０２１５】
なお、不純物は、酸化物半導体層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、酸化物半導体層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、酸化物半導体層から酸素を奪うことで酸化物半導体層の原子配列を乱し、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、酸化物半導体層の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。
【０２１６】
また、欠陥準位密度の低い（酸素欠損が少ない）酸化物半導体層は、キャリア密度を低くすることができる。そのような酸化物半導体層を、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体層と呼ぶ。ＣＡＡＣ−ＯＳ層は、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い。即ち、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体層となりやすい。したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳ層を用いたトランジスタは、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な酸化物半導体層は、キャリアトラップが少ない。酸化物半導体層のキャリアトラップに捕獲された電荷は、放出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、不純物濃度が高く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体層を用いたトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。一方、ＣＡＡＣ−ＯＳ層を用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。
【０２１７】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ層は欠陥準位密度が低いため、光の照射などによって生成されたキャリアが、欠陥準位に捕獲されることが少ない。したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳ層を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。
【０２１８】
＜微結晶酸化物半導体層＞
次に、微結晶酸化物半導体層について説明する。
【０２１９】
微結晶酸化物半導体層は、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。微結晶酸化物半導体層に含まれる結晶部は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、または１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の大きさであることが多い。特に、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、または１ｎｍ以上３ｎｍ以下の微結晶であるナノ結晶を有する酸化物半導体層を、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）層と呼ぶ。ｎｃ−ＯＳ層は、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層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層の結晶部をペレットと呼ぶ場合がある。
【０２２０】
ｎｃ−ＯＳ層は、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層は、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層は、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体層と区別が付かない場合がある。例えば、ｎｃ−ＯＳ層に対し、ペレットよりも大きい径のＸ線を用いるＸＲＤ装置を用いて構造解析を行うと、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、ｎｃ−ＯＳ層に対し、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（制限視野電子回折ともいう。）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層に対し、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層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。
【０２２１】
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層を、ＲＡＮＣ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｌｉｇｎｅｄ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体層、またはＮＡＮＣ（Ｎｏｎ−Ａｌｉｇｎｅｄ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体層と呼ぶこともできる。
【０２２２】
ｎｃ−ＯＳ層は、非晶質酸化物半導体層よりも規則性の高い酸化物半導体層である。そのため、ｎｃ−ＯＳ層は、非晶質酸化物半導体層よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、ｎｃ−ＯＳ層は、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層は、ＣＡＡＣ−ＯＳ層と比べて欠陥準位密度が高くなる。
【０２２３】
＜非晶質酸化物半導体層＞
次に、非晶質酸化物半導体層について説明する。
【０２２４】
非晶質酸化物半導体層は、膜中における原子配列が不規則であり、結晶部を有さない酸化物半導体層である。石英のような無定形状態を有する酸化物半導体層が一例である。
【０２２５】
非晶質酸化物半導体層は、高分解能ＴＥＭ像において結晶部を確認することができない。
【０２２６】
非晶質酸化物半導体層に対し、ＸＲＤ装置を用いた構造解析を行うと、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、非晶質酸化物半導体層に対し、電子回折を行うと、ハローパターンが観測される。また、非晶質酸化物半導体層に対し、ナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測されず、ハローパターンが観測される。
【０２２７】
非晶質構造については、様々な見解が示されている。例えば、原子配列に全く秩序性を有さない構造を完全な非晶質構造（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ  ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）と呼ぶ場合がある。また、最近接原子間距離または第２近接原子間距離まで秩序性を有し、かつ長距離秩序性を有さない構造を非晶質構造と呼ぶ場合もある。したがって、最も厳格な定義によれば、僅かでも原子配列に秩序性を有する酸化物半導体を非晶質酸化物半導体と呼ぶことはできない。また、少なくとも、長距離秩序性を有する酸化物半導体を非晶質酸化物半導体と呼ぶことはできない。よって、結晶部を有することから、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ層およびｎｃ−ＯＳ層を、非晶質酸化物半導体層または完全な非晶質酸化物半導体層と呼ぶことはできない。
【０２２８】
＜非晶質ライク酸化物半導体層＞
なお、酸化物半導体層は、ｎｃ−ＯＳ層と非晶質酸化物半導体層との間の構造を有する場合がある。そのような構造を有する酸化物半導体層を、特に非晶質ライク酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）層と呼ぶ。
【０２２９】
ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ層は、高分解能ＴＥＭ像において鬆（ボイドともいう。）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。
【０２３０】
鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ層は、不安定な構造である。以下では、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ層が、ＣＡＡＣ−ＯＳ層およびｎｃ−ＯＳ層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。
【０２３１】
電子照射を行う試料として、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ層、ｎｃ−ＯＳ層およびＣＡＡＣ−ＯＳ層を準備する。いずれの試料もＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である。
【０２３２】
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。
【０２３３】
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。
【０２３４】
図２０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２０より、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ層は、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２０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層およびＣＡＡＣ−ＯＳ層は、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２０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層およびＣＡＡＣ−ＯＳ層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。
【０２３５】
このように、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ層は、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層およびＣＡＡＣ−ＯＳ層は、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層は、ｎｃ−ＯＳ層およびＣＡＡＣ−ＯＳ層と比べて、不安定な構造であることがわかる。
【０２３６】
また、鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ層は、ｎｃ−ＯＳ層およびＣＡＡＣ−ＯＳ層と比べて密度の低い構造である。具体的には、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ層の密度は、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層の密度は、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。
【０２３７】
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体層において、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層の密度は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層の密度およびＣＡＡＣ−ＯＳ層の密度は５．９ｇ／ｃｍ３以上６．３ｇ／ｃｍ３未満となる。
【０２３８】
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、任意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。任意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。
【０２３９】
以上のように、酸化物半導体層は、様々な構造をとり、それぞれが様々な特性を有する。なお、酸化物半導体層は、例えば、非晶質酸化物半導体層、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ層、微結晶酸化物半導体層、ＣＡＡＣ−ＯＳ層のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
【０２４０】
＜成膜モデル＞
以下では、ＣＡＡＣ−ＯＳ層およびｎｃ−ＯＳ層の成膜モデルの一例について説明する。
【０２４１】
図２１（Ａ）は、スパッタリング法によりＣＡＡＣ−ＯＳ層が成膜される様子を示した成膜室内の模式図である。
【０２４２】
ターゲット５１３０は、バッキングプレートに接着されている。バッキングプレートを介してターゲット５１３０と向かい合う位置には、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。
【０２４３】
基板５１２０は、ターゲット５１３０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５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５１３０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５１３０の近傍には磁場によって、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５１０１が生じる。イオン５１０１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。
【０２４４】
ここで、ターゲット５１３０は、複数の結晶粒を有する多結晶構造を有し、いずれかの結晶粒には劈開面が含まれる。図２２（Ａ）に、一例として、ターゲット５１３０に含まれるＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の構造を示す。なお、図２２（Ａ）は、、ｂ軸に平行な方向からＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を観察した場合の構造である。図２２（Ａ）より、近接する二つのＧａ−Ｚｎ−Ｏ層において、それぞれの層における酸素原子同士が近距離に配置されていることがわかる。そして、酸素原子が負の電荷を有することにより、近接する二つのＧａ−Ｚｎ−Ｏ層の間には斥力が生じる。その結果、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶は、近接する二つのＧａ−Ｚｎ−Ｏ層の間に劈開面を有する。
【０２４５】
高密度プラズマ領域で生じたイオン５１０１は、電界によってターゲット５１３０側に加速され、やがてターゲット５１３０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５１００ａおよびペレット５１００ｂが剥離し、叩き出される。なお、ペレット５１００ａおよびペレット５１００ｂは、イオン５１０１の衝突の衝撃によって、構造に歪みが生じる場合がある。
【０２４６】
ペレット５１００ａ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５１００ｂ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５１００ａおよびペレット５１００ｂ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５１００と呼ぶ。ペレット５１００の平面の形状は、三角形、六角形に限定されない、例えば、三角形が複数個合わさった形状となる場合がある。例えば、三角形（例えば、正三角形）が２個合わさった四角形（例えば、ひし形）となる場合もある。
【０２４７】
ペレット５１００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５１００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。例えば、ペレット５１００は、厚さを０．４ｎｍ以上１ｎｍ以下、好ましくは０．６ｎｍ以上０．８ｎｍ以下とする。また、例えば、ペレット５１００は、幅を１ｎｍ以上３ｎｍ以下、好ましくは１．２ｎｍ以上２．５ｎｍ以下とする。ペレット５１００は、上述の図２０中の（１）で説明した初期核に相当する。例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を有するターゲット５１３０にイオン５１０１を衝突させると、図２２（Ｂ）に示すように、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層、Ｉｎ−Ｏ層およびＧａ−Ｚｎ−Ｏ層の３層を有するペレット５１００が剥離する。図２２（Ｃ）に、剥離したペレット５１００をｃ軸に平行な方向から観察した構造を示す。、ペレット５１００は、二つのＧａ−Ｚｎ−Ｏ層（パン）と、Ｉｎ−Ｏ層（具）と、を有するナノサイズのサンドイッチ構造と呼ぶこともできる。
【０２４８】
ペレット５１００は、プラズマを通過する際に、側面が負または正に帯電する場合がある。ペレット５１００は、例えば、側面に位置する酸素原子が負に帯電する可能性がある。側面が同じ極性の電荷を有することにより、電荷同士の反発が起こり、平板状またはペレット状の形状を維持することが可能となる。なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ層が、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、ガリウム原子または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。また、ペレット５１００は、プラズマを通過する際に、プラズマ中のインジウム原子、ガリウム原子、亜鉛原子および酸素原子などと結合することで成長する場合がある。上述の図２０中の（２）と（１）の大きさの違いが、プラズマ中での成長分に相当する。ここで、基板５１２０が室温程度である場合、基板５１２０上におけるペレット５１００の成長が起こりにくいためｎｃ−ＯＳ層となる（図２１（Ｂ）参照。）。室温程度で成膜できることから、基板５１２０が大面積である場合でもｎｃ−ＯＳ層の成膜が可能である。なお、ペレット５１００をプラズマ中で成長させるためには、スパッタリング法における成膜電力を高くすることが有効である。成膜電力を高くすることで、ペレット５１００の構造を安定にすることができる。
【０２４９】
図２１（Ａ）および図２１（Ｂ）に示すように、例えば、ペレット５１００は、プラズマ中を凧のように飛翔し、ひらひらと基板５１２０上まで舞い上がっていく。ペレット５１００は電荷を帯びているため、ほかのペレット５１００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５１２０の上面では、基板５１２０の上面に平行な向きの磁場（水平磁場ともいう。）が生じている。また、基板５１２０およびターゲット５１３０間には、電位差が与えられるため、基板５１２０からターゲット５１３０に向かう方向に電流が流れる。したがって、ペレット５１００は、基板５１２０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。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。
【０２５０】
ペレット５１００は、原子一つと比べると質量が大きい。そのため、基板５１２０の上面を移動するためには何らかの力を外部から印加することが重要となる。その力の一つが磁場および電流の作用で生じる力である可能性がある。なお、ペレット５１００に、基板５１２０の上面を移動するために十分な力を与えるには、基板５１２０の上面において、基板５１２０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５１２０の上面において、基板５１２０の上面に平行な向きの磁場が、基板５１２０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。
【０２５１】
このとき、マグネットと基板５１２０とが相対的に移動すること、または回転することによって、基板５１２０の上面における水平磁場の向きは変化し続ける。したがって、基板５１２０の上面において、ペレット５１００は、様々な方向から力を受け、様々な方向へ移動することができる。
【０２５２】
また、図２１（Ａ）に示すように基板５１２０が加熱されている場合、ペレット５１００と基板５１２０との間で摩擦などによる抵抗が小さい状態となっている。その結果、ペレット５１００は、基板５１２０の上面を滑空するように移動する。ペレット５１００の移動は、平板面を基板５１２０に向けた状態で起こる。その後、既に堆積しているほかのペレット５１００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５１００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層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層となる。なお、基板５１２０の上面の温度は、例えば、１００℃以上５００℃未満、１５０℃以上４５０℃未満、または１７０℃以上４００℃未満とすればよい。したがって、基板５１２０が大面積である場合でもＣＡＡＣ−ＯＳ層の成膜は可能である。
【０２５３】
また、ペレット５１００は、基板５１２０上で加熱されることにより、原子が再配列し、イオン５１０１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５１００は、ほとんど単結晶となる。ペレット５１００がほとんど単結晶となることにより、ペレット５１００同士が結合した後に加熱されたとしても、ペレット５１００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５１００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。
【０２５４】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ層は、単結晶酸化物半導体層が一枚板のようになっているのではなく、ペレット５１００（ナノ結晶）の集合体がレンガまたはブロックが積み重なったような配列をしている。また、ペレット５１００同士の間には結晶粒界を有さない。そのため、成膜時の加熱、成膜後の加熱または曲げなどで、ＣＡＡＣ−ＯＳ層に縮みなどの変形が生じた場合でも、局部応力を緩和する、または歪みを逃がすことが可能である。したがって、可とう性を有する半導体装置に用いることに適した構造である。なお、ｎｃ−ＯＳ層は、ペレット５１００（ナノ結晶）が無秩序に積み重なったような配列となる。
【０２５５】
ターゲット５１３０をイオン５１０１でスパッタした際に、ペレット５１００だけでなく、酸化亜鉛などが剥離する場合がある。酸化亜鉛はペレット５１００よりも軽量であるため、先に基板５１２０の上面に到達する。そして、０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、０．２ｎｍ以上５ｎｍ以下、または０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下の酸化亜鉛層５１０２を形成する。図２３に断面模式図を示す。
【０２５６】
図２３（Ａ）に示すように、酸化亜鉛層５１０２上にはペレット５１０５ａと、ペレット５１０５ｂと、が堆積する。ここで、ペレット５１０５ａとペレット５１０５ｂとは、互いに側面が接するように配置している。また、ペレット５１０５ｃは、ペレット５１０５ｂ上に堆積した後、ペレット５１０５ｂ上を滑るように移動する。また、ペレット５１０５ａの別の側面において、酸化亜鉛とともにターゲットから剥離した複数の粒子５１０３が基板５１２０からの加熱により結晶化し、領域５１０５ａ１を形成する。なお、複数の粒子５１０３は、酸素、亜鉛、インジウムおよびガリウムなどを含む可能性がある。
【０２５７】
そして、図２３（Ｂ）に示すように、領域５１０５ａ１は、ペレット５１０５ａと一体化し、ペレット５１０５ａ２となる。また、ペレット５１０５ｃは、その側面がペレット５１０５ｂの別の側面と接するように配置する。
【０２５８】
次に、図２３（Ｃ）に示すように、さらにペレット５１０５ｄがペレット５１０５ａ２上およびペレット５１０５ｂ上に堆積した後、ペレット５１０５ａ２上およびペレット５１０５ｂ上を滑るように移動する。また、ペレット５１０５ｃの別の側面に向けて、さらにペレット５１０５ｅが酸化亜鉛層５１０２上を滑るように移動する。
【０２５９】
そして、図２３（Ｄ）に示すように、ペレット５１０５ｄは、その側面がペレット５１０５ａ２の側面と接するように配置する。また、ペレット５１０５ｅは、その側面がペレット５１０５ｃの別の側面と接するように配置する。また、ペレット５１０５ｄの別の側面において、酸化亜鉛とともにターゲット５１３０から剥離した複数の粒子５１０３が基板５１２０からの加熱により結晶化し、領域５１０５ｄ１を形成する。
【０２６０】
以上のように、堆積したペレット同士が接するように配置し、ペレットの側面において結晶成長が起こることで、基板５１２０上にＣＡＡＣ−ＯＳ層が形成される。したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳ層は、ｎｃ−ＯＳ層よりも一つ一つのペレットが大きくなる。上述の図２０中の（３）と（２）の大きさの違いが、堆積後の成長分に相当する。
【０２６１】
また、ペレット同士の隙間が極めて小さくなることで、一つの大きなペレットが形成される場合がある。一つの大きなペレットは、単結晶構造を有する。例えば、ペレットの大きさが、上面から見て１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下、１５ｎｍ以上１００ｎｍ以下、または２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下となる場合がある。このとき、微細なトランジスタに用いる酸化物半導体層においてチャネル形成領域が一つの大きなペレットに収まる場合がある。即ち、単結晶構造を有する領域をチャネル形成領域として用いることができる。また、ペレットが大きくなることで、単結晶構造を有する領域をトランジスタのチャネル形成領域、ソース領域およびドレイン領域として用いることができる場合がある。
【０２６２】
このように、トランジスタのチャネル形成領域などが、単結晶構造を有する領域に形成されることによって、トランジスタの周波数特性を高くすることができる場合がある。
【０２６３】
以上のようなモデルにより、ペレット５１００が基板５１２０上に堆積していくと考えられる。被形成面が結晶構造を有さない場合においても、ＣＡＡＣ−ＯＳ層の成膜が可能であることから、エピタキシャル成長とは異なる成長機構であることがわかる。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ層は、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。例えば、基板５１２０の上面（被形成面）の構造が非晶質構造（例えば非晶質酸化シリコン）であっても、ＣＡＡＣ−ＯＳ層を成膜することは可能である。
【０２６４】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ層は、被形成面である基板５１２０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５１００が配列することがわかる。例えば、基板５１２０の上面が原子レベルで平坦な場合、ペレット５１００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。ペレット５１００の厚さが均一である場合、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層を得ることができる。
【０２６５】
一方、基板５１２０の上面が凹凸を有する場合でも、ＣＡＡＣ−ＯＳ層は、ペレット５１００が凹凸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５１２０が凹凸を有するため、ＣＡＡＣ−ＯＳ層は、ペレット５１００間に隙間が生じやすい場合がある。ただし、この場合でも、ペレット５１００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層とすることができる。
【０２６６】
このようなモデルによってＣＡＡＣ−ＯＳ層が成膜されるため、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５１２０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。
【０２６７】
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層を得ることができる。
【０２６８】
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。
【０２６９】
（実施の形態３）
【０２７０】
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置として表示パネルの構成例について説明する。
【０２７１】
＜表示パネル＞
以下では、上述したトランジスタなどの半導体装置を含む表示パネルについて説明する。
【０２７２】
図２４（Ａ）は、本発明の一態様の表示パネルの上面図であり、図２４（Ｂ）は、本発明の一態様の表示パネルの画素に液晶素子を適用する場合に用いることができる画素回路を説明するための回路図である。また、図２４（Ｃ）は、本発明の一態様の表示パネルの画素に有機ＥＬ素子を適用する場合に用いることができる画素回路を説明するための回路図である。
【０２７３】
画素部に配置するトランジスタは、実施の形態１に示す構成を有するトランジスタを適用することができる。また、当該トランジスタはｎチャネル型とすることが容易なので、駆動回路のうち、ｎチャネル型トランジスタで構成することができる駆動回路の一部を画素部のトランジスタと同一基板上に形成する。このように、画素部や駆動回路に実施の形態１に示すトランジスタを用いることにより、信頼性の高い表示装置を提供することができる。
【０２７４】
アクティブマトリクス型表示装置のブロック図の一例を図２４（Ａ）に示す。表示装置の基板７００上には、画素部７０１、第１の走査線駆動回路７０２、第２の走査線駆動回路７０３、信号線駆動回路７０４を有する。画素部７０１には、複数の信号線が信号線駆動回路７０４から延伸して配置され、複数の走査線が第１の走査線駆動回路７０２、および第２の走査線駆動回路７０３から延伸して配置されている。なお、走査線と信号線との交差領域には、各々、表示素子を有する画素がマトリクス状に設けられている。また、表示装置の基板７００はＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  Ｐｒｉｎｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）等の接続部を介して、タイミング制御回路（コントローラ、制御ＩＣともいう）に接続されている。
【０２７５】
図２４（Ａ）では、第１の走査線駆動回路７０２、第２の走査線駆動回路７０３、信号線駆動回路７０４は、画素部７０１と同じ基板７００上に形成される。そのため、外部に設ける駆動回路等の部品の数が減るので、コストの低減を図ることができる。また、基板７００外部に駆動回路を設けた場合、配線を延伸させる必要が生じ、配線間の接続数が増える。同じ基板７００上に駆動回路を設けた場合、その配線間の接続数を減らすことができ、信頼性の向上、または歩留まりの向上を図ることができる。
【０２７６】
〔液晶パネル〕
表示パネルの一態様として、液晶パネルの画素の回路構成の一例を図２４（Ｂ）に示す。ここでは、ＶＡ型液晶表示パネルの画素に適用することができる画素回路を示す。
【０２７７】
この画素回路は、一つの画素に複数の画素電極層を有する構成に適用できる。それぞれの画素電極層は異なるトランジスタに接続され、各トランジスタは異なるゲート信号で駆動できるように構成されている。これにより、マルチドメイン設計された画素の個々の画素電極層に印加する信号を、独立して制御できる。
【０２７８】
トランジスタ７１６のゲート配線７１２と、トランジスタ７１７のゲート配線７１３には、異なるゲート信号を与えることができるように分離されている。一方、データ線として機能するソース電極またはドレイン電極７１４は、トランジスタ７１６とトランジスタ７１７で共通に用いられている。トランジスタ７１６とトランジスタ７１７は実施の形態１で説明するトランジスタを適宜用いることができる。これにより、信頼性の高い液晶表示パネルを提供することができる。
【０２７９】
トランジスタ７１６と電気的に接続する第１の画素電極層と、トランジスタ７１７と電気的に接続する第２の画素電極層の形状について説明する。第１の画素電極層と第２の画素電極層の形状は、スリットによって分離されている。第１の画素電極層はＶ字型に広がる形状を有し、第２の画素電極層は第１の画素電極層の外側を囲むように形成される。
【０２８０】
トランジスタ７１６のゲート電極はゲート配線７１２と接続され、トランジスタ７１７のゲート電極はゲート配線７１３と接続されている。ゲート配線７１２とゲート配線７１３に異なるゲート信号を与えてトランジスタ７１６とトランジスタ７１７の動作タイミングを異ならせ、液晶の配向を制御できる。
【０２８１】
また、容量配線７１０と、誘電体として機能するゲート絶縁層と、第１の画素電極層または第２の画素電極層と電気的に接続する容量電極とで保持容量を形成してもよい。
【０２８２】
マルチドメイン構造は、一画素に第１の液晶素子７１８と第２の液晶素子７１９を備える。第１の液晶素子７１８は第１の画素電極層と対向電極層とその間の液晶層とで構成され、第２の液晶素子７１９は第２の画素電極層と対向電極層とその間の液晶層とで構成される。
【０２８３】
なお、図２４（Ｂ）に示す画素回路は、これに限定されない。例えば、図２４（Ｂ）に示す画素に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、トランジスタ、センサ、または論理回路などを追加してもよい。
【０２８４】
〔有機ＥＬパネル〕
表示パネルの他の一態様として、有機ＥＬパネルの画素の回路構成の一例を図２４（Ｃ）に示す。
【０２８５】
有機ＥＬ素子は、発光素子に電圧を印加することにより、一対の電極の一方から電子が、他方から正孔がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして、電子および正孔が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このような発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。
【０２８６】
図２４（Ｃ）は、適用可能な画素回路の一例を示す図である。ここではｎチャネル型のトランジスタを１つの画素に２つ用いる例を示す。なお、本発明の一態様の金属酸化物膜は、ｎチャネル型のトランジスタのチャネル形成領域に用いることができる。また、当該画素回路は、デジタル時間階調駆動を適用することができる。
【０２８７】
適用可能な画素回路の構成およびデジタル時間階調駆動を適用した場合の画素の動作について説明する。
【０２８８】
画素７２０は、スイッチング用トランジスタ７２１、駆動用トランジスタ７２２、発光素子７２４および容量素子７２３を有している。スイッチング用トランジスタ７２１は、ゲート電極が走査線７２６に接続され、第１電極（ソース電極およびドレイン電極の一方）が信号線７２５に接続され、第２電極（ソース電極およびドレイン電極の他方）が駆動用トランジスタ７２２のゲート電極に接続されている。駆動用トランジスタ７２２は、ゲート電極が容量素子７２３を介して電源線７２７に接続され、第１電極が電源線７２７に接続され、第２電極が発光素子７２４の第１電極（画素電極）に接続されている。発光素子７２４の第２電極は共通電極７２８に相当する。共通電極７２８は、同一基板上に形成される共通電位線と電気的に接続される。
【０２８９】
スイッチング用トランジスタ７２１および駆動用トランジスタ７２２は実施の形態１で説明したトランジスタを適宜用いることができる。これにより、信頼性の高い有機ＥＬ表示パネルを提供することができる。
【０２９０】
発光素子７２４の第２電極（共通電極７２８）の電位は低電源電位に設定する。なお、低電源電位とは、電源線７２７に設定される高電源電位より低い電位であり、例えばＧＮＤ、０Ｖなどを低電源電位として設定することができる。発光素子７２４の順方向のしきい値電圧以上となるように高電源電位と低電源電位を設定し、その電位差を発光素子７２４に印加することにより、発光素子７２４に電流を流して発光させる。なお、発光素子７２４の順方向電圧とは、所望の輝度とする場合の電圧を指しており、少なくとも順方向しきい値電圧を含む。
【０２９１】
なお、容量素子７２３は駆動用トランジスタ７２２のゲート容量を代用することにより省略できる。駆動用トランジスタ７２２のゲート容量については、チャネル形成領域とゲート電極との間で容量が形成されていてもよい。
【０２９２】
次に、駆動用トランジスタ７２２に入力する信号について説明する。電圧入力電圧駆動方式の場合、駆動用トランジスタ７２２が十分にオンするか、オフするかの二つの状態となるようなビデオ信号を、駆動用トランジスタ７２２に入力する。なお、駆動用トランジスタ７２２を線形領域で動作させるために、電源線７２７の電圧よりも高い電圧を駆動用トランジスタ７２２のゲート電極にかける。また、信号線７２５には、電源線電圧に駆動用トランジスタ７２２のしきい値電圧Ｖｔｈを加えた値以上の電圧をかける。
【０２９３】
アナログ階調駆動を行う場合、駆動用トランジスタ７２２のゲート電極に発光素子７２４の順方向電圧に駆動用トランジスタ７２２のしきい値電圧Ｖｔｈを加えた値以上の電圧をかける。なお、駆動用トランジスタ７２２が飽和領域で動作するようにビデオ信号を入力し、発光素子７２４に電流を流す。また、駆動用トランジスタ７２２を飽和領域で動作させるために、電源線７２７の電位を、駆動用トランジスタ７２２のゲート電位より高くする。ビデオ信号をアナログとすることで、発光素子７２４にビデオ信号に応じた電流を流し、アナログ階調駆動を行うことができる。
【０２９４】
なお、画素回路の構成は、図２４（Ｃ）に示す画素構成に限定されない。例えば、図２４（Ｃ）に示す画素回路にスイッチ、抵抗素子、容量素子、センサ、トランジスタまたは論理回路などを追加してもよい。
【０２９５】
図２４で例示した回路に実施の形態１で例示したトランジスタを適用する場合、低電位側にソース電極、高電位側にドレイン電極がそれぞれ電気的に接続される構成とする。
【０２９６】
例えば、本明細書等において、表示素子、表示素子を有する装置である表示装置、発光素子、および発光素子を有する装置である発光装置は、様々な形態を用いること、または様々な素子を有することができる。表示素子、表示装置、発光素子または発光装置の一例としては、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子（有機物および無機物を含む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、液晶素子、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）、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）、ＩＭＯＤ（インターフェアレンス・モジュレーション）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、など、電気磁気的作用により、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するものがある。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）または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。電子インクまた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。
【０２９７】
本実施の形態は、本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【０２９８】
（実施の形態４）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を適用した表示モジュールについて、説明する。また、本発明の一態様の半導体装置が適用された電子機器の構成例について説明する。
【０２９９】
図２５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、バッテリー８０１１を有する。なお、バックライトユニット８００７、バッテリー８０１１、タッチパネル８００４などは、設けられない場合もある。
【０３００】
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。
【０３０１】
上部カバー８００１および下部カバー８００２は、タッチパネル８００４および表示パネル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。
【０３０２】
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。または、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。または、表示パネル８００６の各画素内にタッチセンサ用電極を設け、静電容量方式のタッチパネルとすることも可能である。
【０３０３】
バックライトユニット８００７は、光源８００８を有する。光源８００８をバックライトユニット８００７の端部に設け、光拡散板を用いる構成としてもよい。
【０３０４】
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。
【０３０５】
プリント基板８０１０は、電源回路、ビデオ信号およ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よいし、別途設けたバッテリー８０１１による電源であってもよい。バッテリー８０１１は、商用電源を用いる場合には、省略可能である。
【０３０６】
また、表示モジュール８０００には、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。
【０３０７】
図２６は、本発明の一態様の半導体装置を含む電子機器の外観図である。
【０３０８】
電子機器としては、例えば、テレビジョン装置（テレビ、またはテレビジョン受信機ともいう）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ等のカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などが挙げられる。
【０３０９】
図２６（Ａ）は、携帯型の情報端末であり、本体１００１、筐体１００２、表示部１００３ａ、表示部１００３ｂなどによって構成されている。表示部１００３ｂはタッチパネルとなっており、表示部１００３ｂに表示されるキーボードボタン１００４を触れることで画面操作や、文字入力を行うことができる。勿論、表示部１００３ａをタッチパネルとして構成してもよい。上記実施の形態で示したトランジスタをスイッチング素子として液晶パネルや有機発光パネルを作製して表示部１００３ａ、表示部１００３ｂに適用することにより、信頼性の高い携帯型の情報端末とすることができる。
【０３１０】
図２６（Ａ）に示す携帯型の情報端末は、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示する機能、カレンダー、日付または時刻などを表示部に表示する機能、表示部に表示した情報を操作または編集する機能、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、等を有することができる。また、筐体の裏面や側面に、外部接続用端子（イヤホン端子、ＵＳＢ端子など）、記録媒体挿入部などを備える構成としてもよい。
【０３１１】
また、図２６（Ａ）に示す携帯型の情報端末は、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。無線により、電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とすることも可能である。
【０３１２】
図２６（Ｂ）は、携帯音楽プレイヤーであり、本体１０２１には表示部１０２３と、耳に装着するための固定部１０２２と、スピーカー、操作ボタン１０２４、外部メモリスロット１０２５等が設けられている。上記実施の形態で示したトランジスタをスイッチング素子として液晶パネルや有機発光パネルを作製して表示部１０２３に適用することにより、より信頼性の高い携帯音楽プレイヤーとすることができる。
【０３１３】
さらに、図２６（Ｂ）に示す携帯音楽プレイヤーにアンテナやマイク機能や無線機能を持たせ、携帯電話と連携させれば、乗用車などを運転しながらワイヤレスによるハンズフリーでの会話も可能である。
【０３１４】
図２６（Ｃ）は、携帯電話であり、筐体１０３０および筐体１０３１の二つの筐体で構成されている。筐体１０３１には、表示パネル１０３２、スピーカー１０３３、マイクロフォン１０３４、ポインティングデバイス１０３６、カメラ１０３７、外部接続端子１０３８などを備えている。また、筐体１０３０には、携帯電話の充電を行う太陽電池１０４０、外部メモリスロット１０４１などを備えている。また、アンテナは筐体１０３１内部に内蔵されている。上記実施の形態で説明するトランジスタを表示パネル１０３２に適用することにより、信頼性の高い携帯電話とすることができる。
【０３１５】
また、表示パネル１０３２はタッチパネルを備えており、図２６（Ｃ）には映像表示されている複数の操作キー１０３５を点線で示している。なお、太陽電池１０４０で出力される電圧を各回路に必要な電圧に昇圧するための昇圧回路も実装している。
【０３１６】
表示パネル１０３２は、使用形態に応じて表示の方向が適宜変化する。また、表示パネル１０３２と同一面上にカメラ１０３７を備えているため、テレビ電話が可能である。スピーカー１０３３およびマイクロフォン１０３４は音声通話に限らず、テレビ電話、録音、再生などが可能である。さらに、筐体１０３０と筐体１０３１は、スライドし、図２６（Ｃ）のように展開している状態から重なり合った状態とすることができ、携帯に適した小型化が可能である。
【０３１７】
外部接続端子１０３８はＡＣアダプタおよびＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能であり、充電およびパーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能である。また、外部メモリスロット１０４１に記録媒体を挿入し、より大量のデータ保存および移動に対応できる。
【０３１８】
また、上記機能に加えて、赤外線通信機能、テレビ受信機能などを備えたものであってもよい。
【０３１９】
図２６（Ｄ）は、テレビジョン装置の一例を示している。テレビジョン装置１０５０は、筐体１０５１に表示部１０５３が組み込まれている。表示部１０５３により、映像を表示することが可能である。また、筐体１０５１を支持するスタンド１０５５にＣＰＵが内蔵されている。上記実施の形態で説明するトランジスタを表示部１０５３およびＣＰＵに適用することにより、信頼性の高いテレビジョン装置１０５０とすることができる。
【０３２０】
テレビジョン装置１０５０の操作は、筐体１０５１が備える操作スイッチや、別体のリモートコントローラにより行うことができる。また、リモコン操作機に、当該リモコン操作機から出力する情報を表示する表示部を設ける構成としてもよい。
【０３２１】
なお、テレビジョン装置１０５０は、受信機やモデムなどを備えた構成とする。受信機により一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線または無線による通信ネットワークに接続することにより、一方向（送信者から受信者）または双方向（送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など）の情報通信を行うことも可能である。
【０３２２】
また、テレビジョン装置１０５０は、外部接続端子１０５４や、記憶媒体再生録画部１０５２、外部メモリスロットを備えている。外部接続端子１０５４は、ＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能であり、パーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能である。記憶媒体再生録画部１０５２では、ディスク状の記録媒体を挿入し、記録媒体に記憶されているデータの読み出し、記録媒体への書き込みが可能である。また、外部メモリスロットに差し込まれた外部メモリ１０５６にデータ保存されている画像や映像などを表示部１０５３に映し出すことも可能である。
【０３２３】
また、上記実施の形態で説明するトランジスタのオフリーク電流が極めて小さい場合は、当該トランジスタを外部メモリ１０５６やＣＰＵに適用することにより、消費電力が十分に低減された信頼性の高いテレビジョン装置１０５０とすることができる。
【０３２４】
本実施の形態は、本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【０３２５】
１００    基板
１０１ａ    第１の導電層
１０１ｂ    第１の導電層
１０２    ゲート電極
１０３ａ    第２の導電層
１０３ｂ    第２の導電層
１０４    ゲート絶縁層
１０４ａ    窒化物絶縁層
１０４ｂ    酸化物絶縁層
１０５ａ    酸化物半導体膜
１０５ｂ    酸化物半導体膜
１０５ｃ    酸化物半導体膜
１０６ａ    酸化物半導体層
１０６ｂ    酸化物半導体層
１０６ｃ    酸化物半導体層
１０９ａ    第１の導電層
１０９ｂ    第１の導電層
１１０ａ    電極
１１０ｂ    電極
１１０ｃ    電極
１１１ａ    第２の導電層
１１１ｂ    第２の導電層
１１２    酸化物絶縁層
１１４    酸化物絶縁層
１１６    窒化物絶縁層
１１７ａ    開口部
１１７ｂ    開口部
１１８    電極
１１９ａ    電極
１１９ｂ    電極
１１９ｃ    電極
１２０    画素電極
１２０Ａ    ゲート電極
１２３    共通電極
１２６    ゲート電極
２００    トランジスタ
２０２ａ    ゲート電極
２０２ｂ    電極
２０６ａ    酸化物半導体層
２０６ｂ    酸化物半導体層
２０６ｃ    酸化物半導体層
２１０    トランジスタ
２２０    トランジスタ
２３０    トランジスタ
３００    トランジスタ
３１６ａ    酸化物半導体層
３１６ｂ    酸化物半導体層
３１６ｃ    酸化物半導体層
３２２    下地絶縁層
３２４    酸化物絶縁層
３５０    トランジスタ
７００    基板
７０１    画素部
７０２    走査線駆動回路
７０３    走査線駆動回路
７０４    信号線駆動回路
７１０    容量配線
７１２    ゲート配線
７１３    ゲート配線
７１４    ドレイン電極
７１６    トランジスタ
７１７    トランジスタ
７１８    液晶素子
７１９    液晶素子
７２０    画素
７２１    スイッチング用トランジスタ
７２２    駆動用トランジスタ
７２３    容量素子
７２４    発光素子
７２５    信号線
７２６    走査線
７２７    電源線
７２８    共通電極
１００１    本体
１００２    筐体
１００３ａ    表示部
１００３ｂ    表示部
１００４    キーボードボタン
１０２１    本体
１０２２    固定部
１０２３    表示部
１０２４    操作ボタン
１０２５    外部メモリスロット
１０３０    筐体
１０３１    筐体
１０３２    表示パネル
１０３３    スピーカー
１０３４    マイクロフォン
１０３５    操作キー
１０３６    ポインティングデバイス
１０３７    カメラ
１０３８    外部接続端子
１０４０    太陽電池
１０４１    外部メモリスロット
１０５０    テレビジョン装置
１０５１    筐体
１０５２    記憶媒体再生録画部
１０５３    表示部
１０５４    外部接続端子
１０５５    スタンド
１０５６    外部メモリ
５１００    ペレット
５１００ａ    ペレット
５１００ｂ    ペレット
５１０１    イオン
５１０２    酸化亜鉛層
５１０３    粒子
５１０５ａ    ペレット
５１０５ａ１    領域
５１０５ａ２    ペレット
５１０５ｂ    ペレット
５１０５ｃ    ペレット
５１０５ｄ    ペレット
５１０５ｄ１    領域
５１０５ｅ    ペレット
５１２０    基板
５１３０    ターゲット
５１６１    領域
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    バッテリー
【図１】
2015092556.tif 000003
【図２】
2015092556.tif 000004
【図３】
2015092556.tif 000005
【図４】
2015092556.tif 000006
【図５】
2015092556.tif 000007
【図６】
2015092556.tif 000008
【図７】
2015092556.tif 000009
【図８】
2015092556.tif 000010
【図９】
2015092556.tif 000011
【図１０】
2015092556.tif 000012
【図１１】
2015092556.tif 000013
【図１２】
2015092556.tif 000014
【図１３】
2015092556.tif 000015
【図１４】
2015092556.tif 000016
【図１５】
2015092556.tif 000017
【図２０】
2015092556.tif 000018
【図２１】
2015092556.tif 000019
【図２３】
2015092556.tif 000020
【図２４】
2015092556.tif 000021
【図２５】
2015092556.tif 000022
【図２６】
2015092556.tif 000023
【図１６】
2015092556.tif 000024
【図１７】
2015092556.tif 000025
【図１８】
2015092556.tif 000026
【図１９】
2015092556.tif 000027
【図２２】
2015092556.tif 000028