(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲート電極と重畳する領域を有する酸化物半導体層上にソース電極及びドレイン電極を形成した後、
少なくとも前記ソース電極及び前記ドレイン電極の間で露出する前記酸化物半導体層の一部に酸素過剰領域を形成し、
前記酸素過剰領域を被覆する絶縁層を形成し、
前記絶縁層が前記酸化物半導体層に接した状態で、前記酸化物半導体層から水素又は水素化合物が離脱する温度、又はその温度以上で熱処理を行い、
前記熱処理は、前記絶縁層の形成と同時に行われ、
前記酸化物半導体層から水素又は水素化合物を離脱させるための熱処理は一度のみ行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記酸素過剰領域を、前記酸化物半導体層に酸素ドープ処理を行うことで形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示する発明は、半導体装置及び半導体装置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し、電気光学装置、発光表示装置、半導体回路及び電子機器は全て半導体装置である。
【背景技術】
【０００３】
絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。該トランジスタは、集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（単に表示装置とも表記する）のような半導体電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。
【０００４】
例えば、酸化物半導体として、酸化亜鉛、又はＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物を用いてトランジスタを作製する技術が開示されている（特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００５】
ところで、酸化物半導体においては、水素が含まれることにより伝導帯から浅い準位にドナーが生成され低抵抗化（ｎ型化）してしまうことが指摘されている。そのため、酸化物半導体の形成時に水素が混入しないような措置を講じることが求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１２３８６１号公報
【特許文献２】特開２００７−９６０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
また、酸化物半導体において、キャリアの供給源は水素の他に、酸化物半導体中の酸素欠損が挙げられる。酸化物半導体における酸素欠損はドナーとなり、酸化物半導体中にキャリアである電子を生成する。トランジスタのチャネル形成領域を含む酸化物半導体に酸素欠損が多く存在すると、チャネル形成領域中に電子を生じさせてしまい、トランジスタのしきい値電圧をマイナス方向に変動させる要因となる。
【０００８】
上述した問題に鑑み、本発明の一態様では、酸化物半導体を用いた半導体装置であって、安定した電気的特性を付与し、高信頼性化を図ることが可能な半導体装置の作製方法を提供することを目的の一とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様は、ゲート電極と重畳する酸化物半導体層にソース電極及びドレイン電極を形成した後、少なくともソース電極及びドレイン電極の間で露出する酸化物半導体層に酸素過剰領域を設け、酸化物半導体層から水素又は水素化合物が離脱する温度、又はその温度以上で熱処理を行う半導体装置の作製方法である。
【００１０】
酸化物半導体層中の水素の一部は、酸化物半導体を構成する酸素と結合し、ＯＨ基となることで、酸化物半導体中に酸素欠損を形成する。酸化物半導体において酸素欠損は、酸化物半導体中にキャリアである電子の生成要因となるため、トランジスタのチャネル形成領域を含む酸化物半導体に酸素欠損が多く存在すると、チャネル形成領域中に電子を生じさせてしまい、トランジスタのしきい値電圧をマイナス方向に変動させる要因となる。よって、トランジスタの信頼性の向上を達成するためには、酸化物半導体層中の水素及び水素化合物を可能な限り低減させることが重要である。
【００１１】
本発明の一態様の半導体装置の作製方法においては、酸化物半導体層から水素又は水素化合物が離脱する温度、又はその温度以上で熱処理を行うことで、電気特性の変動要因となる水素及び水素化合物などの不純物を酸化物半導体層から離脱させることが可能となる。
【００１２】
また、上述の熱処理によって酸化物半導体層から離脱する水素又は水素化合物の一部は、酸化物半導体において金属元素と結合した酸素（例えば、Ｉｎ−Ｏ結合の酸素）と反応し、水素化合物（例えば、ＯＨや水）となって放出される。よって、酸化物半導体層において酸素を奪取された箇所では、酸素欠損が形成されてしまう。しかしながら、本発明の一態様の半導体装置の作製方法によれば、ソース電極及びドレイン電極の間で露出された酸化物半導体層に酸素過剰領域を設けた後に、該酸化物半導体層から水素又は水素化合物の離脱を目的とした熱処理（以下、脱水素化処理とも表記する）を行うため、離脱する水素又は水素化合物が過剰に含まれる酸素と結合する、又は、酸化物半導体層に形成された酸素欠損を過剰に含まれる酸素によって直ちに補填することによって、熱処理後の酸化物半導体層における酸素欠損の生成を抑制することが可能となる。
【００１３】
また、本発明の他の一態様は、ゲート電極と重畳する酸化物半導体層にソース電極及びドレイン電極を形成した後、少なくともソース電極及びドレイン電極の間で露出する酸化物半導体層に酸素過剰領域を設け、酸素過剰領域を被覆する絶縁層を形成し、絶縁層が酸化物半導体層に接した状態で、該酸化物半導体層から水素又は水素化合物が離脱する温度、又はその温度以上で熱処理を行う半導体装置の作製方法である。
【００１４】
上記の半導体装置の作製方法において、酸素過剰領域を被覆する絶縁層を、酸素過剰領域から酸素が離脱する温度未満で成膜することが好ましい。
【００１５】
また、上記の半導体装置の作製方法において、酸素過剰領域を、酸化物半導体層に酸素ドープ処理を行うことで形成してもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の一態様により、安定した電気特性を付与し、高信頼性化を図ることが可能な酸化物半導体を用いた半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】半導体装置の一態様を説明する平面図及び断面図。
【図２】半導体装置の作製方法の一態様を説明する断面図。
【図３】半導体装置の一形態を説明する平面図。
【図４】半導体装置の一形態を説明する平面図及び断面図。
【図５】半導体装置の一態様を示す断面図。
【図６】半導体装置の一形態を示す回路図及び断面図。
【図７】電子機器を示す図。
【図８】電子機器を示す図。
【図９】水素の移動の計算に用いたモデルを示す図。
【図１０】図９に示すモデルの計算結果を示すグラフ。
【図１１】過剰酸素の移動の計算に用いたモデルを示す図。
【図１２】図１１に示すモデルの計算結果を示すグラフ。
【図１３】酸素欠損の移動の計算に用いたモデルを示す図。
【図１４】図１３に示すモデルの計算結果を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下では、本明細書に開示する発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。但し、本明細書に開示する発明は以下の説明に限定されず、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。また、本明細書に開示する発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する本発明の構成において、同一部分又は同様の機能を有する部分には、同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。また、同様の機能を有する部分を指す場合には、ハッチパターンを同じく、特に符号を付さない場合がある。
【００１９】
なお、本明細書における「第１」、「第２」等の序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、数的に限定するものではない。
【００２０】
（実施の形態１）
本実施の形態では、半導体装置の作製方法の一態様を、図１及び図２を用いて説明する。本実施の形態では、半導体装置の一例として酸化物半導体層を有するトランジスタを示す。
【００２１】
図１にトランジスタ４２０の構成例を示す。図１（Ａ）は、トランジスタ４２０の平面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＸ１−Ｙ１における断面図であり、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）のＶ１−Ｗ１における断面図である。
【００２２】
図１に示すトランジスタ４２０は、基板４００上に設けられたゲート電極４０１と、ゲート電極４０１と重畳する島状の酸化物半導体層４０３と、酸化物半導体層４０３と電気的に接続するソース電極４０５ａ及びドレイン電極４０５ｂと、を含んで構成される。
【００２３】
また、図１に示すトランジスタ４２０は、ゲート電極４０１と酸化物半導体層４０３との間に、ゲート絶縁層４０２ａ及びゲート絶縁層４０２ｂが積層されたゲート絶縁層４０２を有する。また、ソース電極４０５ａ及びドレイン電極４０５ｂ上に絶縁層４０８が設けられている。
【００２４】
トランジスタ４２０に含まれる酸化物半導体層４０３は、例えば非単結晶を有してもよい。非単結晶は、例えば、ＣＡＡＣ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）、多結晶、微結晶、非晶質部を有する。非晶質部は、微結晶、ＣＡＡＣよりも欠陥準位密度が高い。また、微結晶は、ＣＡＡＣよりも欠陥準位密度が高い。なお、ＣＡＡＣを有する酸化物半導体を、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼ぶ。
【００２５】
酸化物半導体層４０３は、例えばＣＡＡＣ−ＯＳを有してもよい。ＣＡＡＣ−ＯＳは、例えば、ｃ軸配向し、ａ軸または／およびｂ軸はマクロに揃っていない。
【００２６】
酸化物半導体層４０３は、例えば微結晶を有してもよい。なお、微結晶を有する酸化物半導体を、微結晶酸化物半導体と呼ぶ。微結晶酸化物半導体層は、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ未満のサイズの微結晶（ナノ結晶ともいう。）を膜中に含む。
【００２７】
酸化物半導体層４０３は、例えば非晶質部を有してもよい。なお、非晶質部を有する酸化物半導体を、非晶質酸化物半導体と呼ぶ。非晶質酸化物半導体層は、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、非晶質酸化物半導体層は、例えば、完全な非晶質であり、結晶部を有さない。
【００２８】
なお、酸化物半導体層４０３が、ＣＡＡＣ−ＯＳ、微結晶酸化物半導体、非晶質酸化物半導体の混合膜であってもよい。混合膜は、例えば、非晶質酸化物半導体の領域と、微結晶酸化物半導体の領域と、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域と、を有する。また、混合膜は、例えば、非晶質酸化物半導体の領域と、微結晶酸化物半導体の領域と、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域と、の積層構造を有してもよい。
【００２９】
なお、酸化物半導体層４０３は、例えば、単結晶を有してもよい。
【００３０】
酸化物半導体層４０３は、複数の結晶部を有し、当該結晶部のｃ軸が被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃っていることが好ましい。なお、異なる結晶部間で、それぞれａ軸およびｂ軸の向きが異なっていてもよい。そのような酸化物半導体膜の一例としては、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜がある。
【００３１】
以下、図２を用いて図１に示すトランジスタ４２０の作製方法の一例を説明する。
【００３２】
まず、絶縁表面を有する基板４００上にゲート電極４０１を形成した後、ゲート電極４０１上にゲート絶縁層４０２ａ及びゲート絶縁層４０２ｂを順に積層してゲート絶縁層４０２を形成する。
【００３３】
絶縁表面を有する基板４００に使用することができる基板に大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板などの電子工業用に使われる各種ガラス基板を用いることが出来る。なお、基板としては、熱膨張係数が２５×１０−７／℃以上５０×１０−７／℃以下（好ましくは、３０×１０−７／℃以上４０×１０−７／℃以下）であり、歪み点が６５０℃以上７５０℃以下（好ましくは、７００℃以上７４０℃以下）である基板を用いることが好ましい。
【００３４】
第５世代（１０００ｍｍ×１２００ｍｍまたは１３００ｍｍ×１５００ｍｍ）、第６世代（１５００ｍｍ×１８００ｍｍ）、第７世代（１８７０ｍｍ×２２００ｍｍ）、第８世代（２２００ｍｍ×２５００ｍｍ）、第９世代（２４００ｍｍ×２８００ｍｍ）、第１０世代（２８８０×３１３０ｍｍ）などの大型ガラス基板を用いる場合、半導体装置の作製工程における加熱処理などで生じる基板の縮みによって、微細な加工が困難になる場合ある。そのため、前述したような大型ガラス基板を基板として用いる場合、縮みの少ないものを用いることが好ましい。例えば、基板として、好ましくは４５０℃、好ましくは５００℃の温度で１時間加熱処理を行った後の縮み量が２０ｐｐｍ以下、さらに好ましくは１０ｐｐｍ以下、さらに好ましくは５ｐｐｍ以下である大型ガラス基板を用いればよい。
【００３５】
または、基板４００として、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。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などの化合物半導体基板、ＳＯＩ基板などを適用することもできる。これらの基板に半導体素子が設けられたものを用いてもよい。
【００３６】
また、基板４００として、可撓性基板を用いて半導体装置を作製してもよい。なお、可撓性を有する半導体装置を作製するには、可撓性基板上に酸化物半導体層４０３を含むトランジスタ４２０を直接作製してもよいし、他の作製基板に酸化物半導体層４０３を含むトランジスタ４２０を作製し、その後可撓性基板に剥離、転置してもよい。なお、作製基板から可撓性基板に剥離、転置するために、作製基板と酸化物半導体層を含むトランジスタ４２０との間に剥離層を設けるとよい。
【００３７】
基板４００上に下地絶縁層を設けてもよい。下地絶縁層としては、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムなどの酸化物絶縁膜、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などの窒化物絶縁膜、又はこれらの混合材料を用いて形成することができる。
【００３８】
ゲート電極４０１の材料は、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウム等の金属材料またはこれらを主成分とする合金材料を用いて形成することができる。また、ゲート電極４０１としてリン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコン膜に代表される半導体膜、ニッケルシリサイドなどのシリサイド膜を用いてもよい。ゲート電極４０１は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。
【００３９】
また、ゲート電極４０１の材料は、酸化インジウム酸化スズ、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、酸化インジウム酸化亜鉛、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。また、上記導電性材料と、上記金属材料の積層構造とすることもできる。
【００４０】
また、ゲート電極４０１として、窒素を含む金属酸化物、具体的には、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｓｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＳｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｏ膜や、金属窒化膜（ＩｎＮ、ＳｎＮなど）を用いることができる。これらの膜は５ｅＶ（電子ボルト）、好ましくは５．５ｅＶ（電子ボルト）以上の仕事関数を有し、ゲート電極として用いた場合、トランジスタの電気特性のしきい値電圧をプラスにすることができ、所謂ノーマリオフのスイッチング素子を実現できる。
【００４１】
ゲート絶縁層４０２ａには、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により形成する、膜厚１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、代表的には膜厚２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の窒化物絶縁層を好ましく用いることができる。例えば、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜などが挙げられる。ゲート電極４０１及び基板４００と接するゲート絶縁層４０２ａとして窒化物絶縁層を適用することで、ゲート電極４０１又は基板４００からの不純物拡散を防止する効果を奏する。
【００４２】
または、ゲート絶縁層４０２ａとして、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、ランタン（Ｌａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、又はバリウム（Ｂａ）の金属元素のいずれかから選択される一以上を含む金属酸化物絶縁膜（例えば、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化マグネシウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ランタン膜、酸化バリウム膜）、又は金属窒化物絶縁膜（窒化アルミニウム膜、窒化酸化アルミニウム膜）を用いることができる。また、ゲート絶縁層４０２ａには、酸化ガリウム膜、Ｉｎ−Ｚｒ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｆｅ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物膜なども用いることができる。
【００４３】
ゲート絶縁層４０２ｂの材料としては、酸化シリコン膜、酸化ガリウム膜、酸化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜、または窒化酸化シリコン膜を用いて形成することができる。また、ゲート絶縁層４０２ｂの膜厚は、例えば、１００ｎｍ以上３５０ｎｍ以下とすることができる。
【００４４】
また、ゲート絶縁層４０２ｂの材料として酸化ハフニウム、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯｘＮｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、ハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、酸化ランタンなどのｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることでゲートリーク電流を低減できる。
【００４５】
本実施の形態で示すゲート絶縁層４０２は、ゲート電極４０１側から順に、ゲート絶縁層４０２ａ及びゲート絶縁層４０２ｂが積層された構造を有する。但し、本発明の実施の形態はこれに限られず、ゲート絶縁層を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。
【００４６】
次いで、ゲート絶縁層４０２上に、酸化物半導体層を成膜し、フォトリソグラフィ工程を用いて酸化物半導体層の一部を選択的にエッチングして、島状の酸化物半導体層４０３を形成する。
【００４７】
酸化物半導体層４０３は、単層構造であってもよいし、積層構造であってもよい。
【００４８】
酸化物半導体層の成膜方法は、スパッタリング法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＣＶＤ法、パルスレーザ堆積法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等を適宜用いることができる。
【００４９】
酸化物半導体層４０３に用いる酸化物半導体としては、少なくともインジウム（Ｉｎ）あるいは亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。特にＩｎとＺｎの双方を含むことが好ましい。また、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすためのスタビライザーとして、それらに加えてガリウム（Ｇａ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてスズ（Ｓｎ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてハフニウム（Ｈｆ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてアルミニウム（Ａｌ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてジルコニウム（Ｚｒ）を有することが好ましい。
【００５０】
また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）のいずれか一種あるいは複数種を有してもよい。
【００５１】
例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を用いることができる。
【００５２】
なお、ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分として有する酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素が入っていてもよい。
【００５３】
また、酸化物半導体として、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０、且つ、ｍは整数でない）で表記される材料を用いてもよい。なお、Ｍは、Ｇａ、Ｆｅ、Ｍｎ及びＣｏから選ばれた一の金属元素または複数の金属元素を示す。また、酸化物半導体として、Ｉｎ２ＳｎＯ５（ＺｎＯ）ｎ（ｎ＞０、且つ、ｎは整数）で表記される材料を用いてもよい。
【００５４】
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：２：１（＝２／５：２／５：１／５）、あるいはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２（＝１／２：１／６：１／３）の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。あるいは、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：３（＝１／３：１／６：１／２）あるいはＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：５（＝１／４：１／８：５／８）の原子数比のＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。
【００５５】
しかし、これらに限られず、必要とする半導体特性（移動度、しきい値、ばらつき等）に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とする半導体特性を得るために、キャリア濃度や不純物濃度、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。
【００５６】
例えば、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物では比較的容易に高い移動度が得られる。しかしながら、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物でも、バルク内欠陥密度を低くすることにより移動度を上げることができる。
【００５７】
なお、例えば、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝ａ：ｂ：ｃ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１）である酸化物の組成が、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝Ａ：Ｂ：Ｃ（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＝１）の酸化物の組成の近傍であるとは、ａ、ｂ、ｃが、（ａ−Ａ）２＋（ｂ−Ｂ）２＋（ｃ−Ｃ）２≦ｒ２を満たすことをいう。ｒとしては、例えば、０．０５とすればよい。他の酸化物でも同様である。
【００５８】
次いで、ゲート電極４０１、ゲート絶縁層４０２及び酸化物半導体層４０３上に、ソース電極及びドレイン電極（これと同じ層で形成される配線を含む）となる導電膜を形成し、選択的にエッチングを行ってソース電極４０５ａ、ドレイン電極４０５ｂを形成する（図２（Ａ）参照）。導電膜の膜厚は、例えば２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることができる。
【００５９】
導電膜は、後の熱処理に耐えられる材料を用い、単層又は積層構造とすることができる。ソース電極及びドレイン電極に用いる導電膜としては、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等を用いることができる。また、Ａｌ、Ｃｕなどの金属膜の下側又は上側の一方または双方にＴｉ、Ｍｏ、Ｗなどの高融点金属膜またはそれらの金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）を積層させた構成としても良い。また、ソース電極、及びドレイン電極に用いる導電膜としては、導電性の金属酸化物で形成しても良い。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム酸化スズ（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２、ＩＴＯと略記する）、酸化インジウム酸化亜鉛（Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ）またはこれらの金属酸化物材料に酸化シリコンを含ませたものを用いることができる。
【００６０】
ソース電極４０５ａ及びドレイン電極４０５ｂを形成後、酸化物半導体層４０３に含まれる過剰な水素又は水素化合物を、低減又は除去（脱水素化）するための熱処理を行ってもよい。熱処理は減圧下で行えばよく、熱処理の温度は、酸化物半導体層４０３から水素又は水素化合物が離脱する温度、又はそれ以上の温度とする。例えば、熱処理の温度が１００℃以上であれば、酸化物半導体層４０３に含まれる水素含有量を低減させることができ、好ましくは３００℃〜４００℃でこの熱処理を行えばよい。もちろん、より高温で熱処理しても酸化物半導体層４０３の水素含有量を低減させる効果を得ることができ、熱処理温度の上限は基板の歪み点以下の温度であればよい。
【００６１】
例えば、加熱処理装置の一つである電気炉に基板４００を導入し、酸化物半導体層４０３に対して減圧下３５０℃において熱処理を行う。
【００６２】
なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を用いてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ  Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ  Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置を用いることができる。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置である。ＧＲＴＡ装置は、高温のガスを用いて熱処理を行う装置である。高温のガスには、アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられる。
【００６３】
なお、酸化物半導体層４０３と接するゲート絶縁層４０２に水素が含まれると、その水素が酸化物半導体層４０３へ侵入する恐れ、又は、その水素が酸化物半導体層４０３中の酸素を引き抜く恐れがある。よって、ゲート絶縁層４０２は可能な限り水及び水素化合物などの不純物が含まれないことが好ましい。ここで、島状の酸化物半導体層４０３に対して、水素又は水素化合物が離脱する温度、又はそれ以上の温度で熱処理を行うと、酸化物半導体層４０３から露出した領域のゲート絶縁層４０２からも効果的に水素及び水素化合物を離脱させることが可能となるため好ましい。
【００６４】
熱処理においては、窒素、又はヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。又は、熱処理装置に導入する窒素、又はヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
【００６５】
次いで、酸化物半導体層４０３に酸素４２１を導入して、少なくともソース電極４０５ａ及びドレイン電極４０５ｂの間で露出する酸化物半導体層４０３に化学量論的組成よりも過剰に酸素が含まれる領域（酸素過剰領域）を設ける（図２（Ｂ）参照）。
【００６６】
酸素４２１の導入は、例えば酸素ドープ処理によって行うことができる。
【００６７】
なお、本明細書等において、「酸素ドープ」とは、酸素（少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素分子、オゾン、酸素イオン（酸素分子イオン）、及び／又は酸素クラスタイオンのいずれかを含む）をバルクに添加することを言う。なお、当該「バルク」の用語は、酸素を、薄膜表面のみでなく薄膜内部に添加することを明確にする趣旨で用いている。また、「酸素ドープ」には、プラズマ化した酸素をバルクに添加する「酸素プラズマドープ」が含まれる。
【００６８】
酸素の供給ガスとしては、Ｏを含有するガスを用いればよく、例えば、Ｏ２ガス、Ｎ２Ｏガス、ＣＯ２ガス、ＣＯガス、ＮＯ２ガス等を用いることができる。なお、酸素の供給ガスに希ガス（例えばＡｒ）を添加してもよい。
【００６９】
また、例えば、イオン注入法で酸素の導入を行う場合、酸素のドーズ量は１×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上５×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下とするのが好ましく、酸素ドープ処理後の酸化物半導体層４０３中の酸素の含有量は、少なくともソース電極４０５ａ及びドレイン電極４０５ｂの間で露出する領域において酸化物半導体層４０３の化学量論的組成を超える程度とするのが好ましい。なお、酸素の注入深さは、注入条件により適宜制御すればよい。
【００７０】
なお、酸化物半導体において、酸素は主たる成分材料の一つである。このため、酸化物半導体層４０３中の酸素濃度を、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）などの方法を用いて、正確に見積もることは難しい。つまり、酸化物半導体層４０３に酸素が意図的に添加されたか否かを判別することは困難であるといえる。
【００７１】
ところで、酸素には１７Ｏや１８Ｏといった同位体が存在し、自然界におけるこれらの存在比率はそれぞれ酸素原子全体の０．０３８％、０．２％程度であることが知られている。つまり、酸化物半導体層４０３中におけるこれら同位体の濃度は、ＳＩＭＳなどの方法によって見積もることができる程度になるから、これらの濃度を測定することで、酸化物半導体層４０３中の酸素濃度をより正確に見積もることが可能な場合がある。よって、これらの濃度を測定することで、酸化物半導体層４０３に意図的に酸素が添加されたか否かを判別してもよい。
【００７２】
なお、酸素ドープ処理の条件によっては、ソース電極４０５ａ及びドレイン電極４０５ｂの上面も酸化されることがある。
【００７３】
次いで、酸素過剰領域を含む酸化物半導体層４０３から、水素又は水素化合物が離脱する温度、又はその温度以上で熱処理を行う。この熱処理によって、ｎ型の導電性を付与する不純物である水素を酸化物半導体から低減より好ましくは除去することができる。
【００７４】
なお、この熱処理によって酸化物半導体層４０３から離脱する水素又は水素化合物の一部は、酸化物半導体において金属元素と結合した酸素（例えば、Ｉｎ−Ｏ結合の酸素）と反応し、水素化合物（例えば、ＯＨや水）となって放出される。しかしながら、本実施の形態の作製方法によれば、ソース電極４０５ａ及びドレイン電極４０５ｂの間で露出された酸化物半導体層４０３に酸素過剰領域を設けた後に、脱水素化処理を行うため、離脱する水素又は水素化合物が過剰に含まれる酸素と結合する、又は、酸化物半導体層４０３に形成された酸素欠損を過剰に含まれる酸素によって直ちに補填することによって、脱水素化処理後の酸化物半導体層における酸素欠損の生成を抑制することが可能となる。
【００７５】
以上の工程で、脱水素化処理により水素が除去、低減された酸化物半導体層４０３を含むトランジスタ４２０が作製される。酸化物半導体層４０３をできるだけ水素を含まない膜とすることで、トランジスタ４２０の特性変動を抑制し、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【００７６】
ソース電極４０５ａ及びドレイン電極４０５ｂ上に、酸化物半導体層４０３の一部（酸素過剰領域を含む）と接する絶縁層４０８を形成してもよい（図２（Ｃ）参照）。絶縁層４０８は、ゲート絶縁層４０２と同様の材料を用いて単層又は積層構造とすることができる。例えば、酸化シリコンや、酸化窒化シリコンなどをスパッタリング法やＣＶＤ法で形成し、絶縁層４０８とすることができる。
【００７７】
絶縁層４０８は、低圧真空下において高電力を供給して成膜することで、緻密な膜とすることが好ましい。絶縁層４０８を緻密な膜とすることで、酸化物半導体層４０３及びそれに接する絶縁層４０８からの酸素の離脱を防止するとともに、酸化物半導体層４０３への水素及び水素化合物の混入を防止することができる。
【００７８】
また、絶縁層４０８の形成後、熱処理を行ってもよい。熱処理の温度は、酸素過剰領域を含む酸化物半導体層４０３から、水素又は水素化合物が離脱する温度、又はその温度以上とすればよい。なお、絶縁層４０８の膜厚が大きい場合（例えば、絶縁層４０８の膜厚が２００ｎｍ以上の場合）、酸化物半導体層４０３からの水素又は水素化合物の離脱を目的とした熱処理の温度は、２００℃以上とすることが好ましい。
【００７９】
酸化物半導体層から水素又は水素化合物が離脱する温度、又はその温度以上での熱処理は、酸化物半導体層４０３に酸素過剰領域を形成した後、少なくとも一度行えばよい。即ち、絶縁層４０８を成膜後に該熱処理を行う場合には、先に示した酸素４２１を導入後の脱水素化処理を省略することも可能である。また、絶縁層４０８の成膜温度を、酸化物半導体層から水素又は水素化合物が離脱する温度、又はその温度以上とする場合には、絶縁層４０８の形成と脱水素化処理とを兼ねることもできる。
【００８０】
また、トランジスタ４２０上に、平坦化絶縁層を形成してもよい。平坦化絶縁層としては、ポリイミド、アクリル、ポリイミドアミド、ジンゾシクロブテン、ポリアミド、エポキシ等の耐熱性を有する有機材料を用いることができる。また、上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁層を複数積層させることで平坦化絶縁層を形成してもよい。
【００８１】
本実施の形態で示す半導体装置の作製方法は、酸素過剰領域を含む酸化物半導体層４０３に対して、水素又は水素化合物が離脱する温度、又はそれ以上の温度で、実質的に一度熱処理を行うことで、酸素欠損の生成を抑制しつつ、電気特性の変動要因となる水素及び水素化合物などの不純物を酸化物半導体層４０３から離脱させることが可能となる。よって、該熱処理を施した酸化物半導体層４０３を適用した半導体装置の信頼性を向上させることができる。
【００８２】
なお、上記の酸化物半導体層４０３おいて化学量論的組成よりも過剰に酸素が含まれる領域（酸素過剰領域）は、酸化物半導体層４０３と、該酸化物半導体層４０３に接して化学量論的組成よりも過剰に酸素が含まれる酸化物半導体層を成膜することで設けてもよい。
【００８３】
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【００８４】
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１に示す半導体装置において、酸化物半導体層４０３にＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜を用いた半導体装置について説明する。
【００８５】
酸化物半導体層４０３に用いるＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、結晶部を有する酸化物半導体膜である。なお、当該結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による観察像では、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部と結晶部との境界は明確ではない。また、ＴＥＭによってＣＡＡＣ−ＯＳ膜には明確な粒界（グレインバウンダリーともいう。）は確認できない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、粒界に起因する電子移動度の低下が抑制される。
【００８６】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部は、例えば、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向になるように揃い、かつａｂ面に垂直な方向から見て金属原子が三角形状または六角形状に配列し、ｃ軸に垂直な方向から見て金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に配列している。なお、異なる結晶部間で、それぞれａ軸およびｂ軸の向きが異なっていてもよい。本明細書において、単に垂直と記載する場合、８０°以上１００°以下、好ましくは８５°以上９５°以下の範囲も含まれることとする。また、単に平行と記載する場合、−１０°以上１０°以下、好ましくは−５°以上５°以下の範囲も含まれることとする。
【００８７】
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜において、結晶部の分布が一様でなくてもよい。例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形成過程において、酸化物半導体膜の表面側から結晶成長させる場合、被形成面の近傍に対し表面の近傍では結晶部の占める割合が高くなることがある。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜へ不純物を添加することにより、当該不純物添加領域において結晶部の結晶性が低下することもある。
【００８８】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃うため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形状（被形成面の断面形状または表面の断面形状）によっては互いに異なる方向を向くことがある。また、結晶部は、成膜したとき、または成膜後に加熱処理などの結晶化処理を行ったときに形成される。従って、結晶部のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されたときの被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向になるように揃う。
【００８９】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜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。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。
【００９０】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳのように結晶部を有する酸化物半導体では、よりバルク内欠陥を低減することができ、表面の平坦性を高めればアモルファス状態の酸化物半導体以上の移動度を得ることができる。表面の平坦性を高めるためには、平坦な表面上に酸化物半導体を形成することが好ましく、具体的には、平均面粗さ（Ｒａ）が１ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下、より好ましくは０．１ｎｍ以下の表面上に形成するとよい。
【００９１】
なお、Ｒａは、ＪＩＳ  Ｂ０６０１で定義されている中心線平均粗さを面に対して適用できるよう三次元に拡張したものであり、「基準面から指定面までの偏差の絶対値を平均した値」と表現でき、以下の式にて定義される。
【００９２】
【数１】
0006259575.tif 000002
【００９３】
なお、上記において、Ｓ０は、測定面（座標（ｘ１，ｙ１）（ｘ１，ｙ２）（ｘ２，ｙ１）（ｘ２，ｙ２）で表される４点によって囲まれる長方形の領域）の面積を指し、Ｚ０は測定面の平均高さを指す。Ｒａは原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）にて評価可能である。
【００９４】
上記のようなＣＡＡＣ−ＯＳ膜を得る方法としては、例えば、基板を加熱して（例えば、基板温度を１７０℃として）酸化物半導体層の成膜を行い、表面に概略垂直にｃ軸配向させる方法がある。
【００９５】
なお、酸化物半導体層４０３は、複数の酸化物半導体層が積層された構造でもよく、第１の酸化物半導体層と第２の酸化物半導体層に、ＣＡＡＣ−ＯＳとは異なる結晶性の酸化物半導体を適用してもよい。すなわち、ＣＡＡＣ−ＯＳと、単結晶酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、または非晶質酸化物半導体を適宜組み合わせた構成としてもよい。但し、非晶質酸化物半導体は水素などのドナーとなる不純物を吸収しやすく、また、酸素欠損が生じやすいためｎ型化されやすい。このため、チャネル側の酸化物半導体層は、ＣＡＡＣ−ＯＳなどの結晶性を有する酸化物半導体を適用することが好ましい。
【００９６】
また、酸化物半導体層４０３を３層以上の積層構造とし、複数層の結晶性を有する酸化物半導体層又は非晶質酸化物半導体層を含む構造としてもよい。また、結晶性を有する酸化物半導体層と非晶質酸化物半導体層を交互に積層する構造としてもよい。また、酸化物半導体層４０３を複数層の積層構造とする場合の上記構成は、それぞれを適宜組み合わせて用いることができる。
【００９７】
以上のように、酸化物半導体層４０３としてＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いることにより、実施の形態１に示す熱処理（脱水素化処理）において、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の上面から容易に水素を離脱させることができる。また、当該熱処理において、酸素の離脱を低減して選択的に水素を多く離脱させることができる。
【００９８】
ここで、実施の形態１に示す熱処理（脱水素化処理）でＣＡＡＣ−ＯＳ膜の上面から比較的水素が離脱しやすいことを、モデルを用いて計算した結果について図９乃至図１４を用いて説明する。
【００９９】
本計算においては、ＣＡＡＣ−ＯＳの一例として、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物のｃ軸方向に配向した結晶構造を用い、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物において不純物として水素原子を導入したモデル（以下、モデルＡと呼ぶ）を作製し、当該モデルにおいて水素がｃ軸方向に拡散しやすいか計算機シミュレーションを用いて検証した。また、比較例としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物において不純物として過剰酸素（化学量論比を越えて存在している酸素原子）を導入したモデル（以下、モデルＢと呼ぶ）、およびＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物において不純物として酸素欠損を導入したモデル（以下、モデルＣと呼ぶ）を作製し、これらのモデルにおいて過剰酸素または酸素欠損がｃ軸方向に拡散しやすいか計算機シミュレーションを用いて検証した。
【０１００】
まず、モデルＡの構造を図９に示す。図９に示すモデルＡでは、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物において、酸素原子と結合するように水素原子を導入している。モデルＡ中の原子数は８５原子である。ここで、図９中の黒い大きい球はインジウム原子を、白い大きい球はガリウム原子を、白い中程度の大きさの球は亜鉛原子を、黒い小さい球は水素原子が結合しない酸素原子を、灰色の小さい球は水素原子が結合する酸素原子を、白い小さい球は水素原子を表している。また、図９中の矢印はＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物の結晶のｃ軸方向を表している。
【０１０１】
図９に示す１番乃至８番のサイトは、水素原子と結合可能な酸素原子の結合サイトを示している。モデルＡでは、図９に示すように初期状態では水素原子が１番のサイトで酸素と結合しており、当該水素原子は最小エネルギー経路に沿った中間構造を介して２番のサイトに移動し、３番乃至７番のサイトを経て最終的に８番のサイトまで移動するものとする。
【０１０２】
このようにＣＡＡＣ−ＯＳ膜でｃ軸方向に拡散する水素原子を評価する指標として、本計算においては単位時間当たりの拡散頻度Γを用いた。ある温度Ｔ（Ｋ）における拡散頻度Γ（／ｓ）は、安定位置における不純物原子の振動数ΓＯ（／ｓ）を用いて以下の式（１）で表される。
【０１０３】
【数２】
0006259575.tif 000003
【０１０４】
なお、式（１）において、Ｅｂｍａｘは各サイト間の水素原子の移動におけるエネルギーＥｂ（ｅＶ）の最大値であり、各サイト間の水素原子の移動に伴う活性化エネルギーに対応している。また、ｋはボルツマン定数である。また式（１）において、ΓＯ＝１．０×１０１３（／ｓ）とする。また、実施の形態１に示す熱処理の温度と対応させてＴ＝６２３Ｋ（３５０℃）を用いる。
【０１０５】
このように、水素原子の拡散頻度Γは、水素原子が各サイト間で移動する際に必要な活性化エネルギーＥｂｍａｘを計算することで評価できる。すなわち、活性化エネルギーＥｂｍａｘが高ければ水素原子はサイト間を移動しにくく、活性化エネルギーＥｂｍａｘが低ければ水素原子はサイト間を移動しやすい。
【０１０６】
ここで、水素原子の１番のサイトから８番のサイトの移動におけるＥｂｍａｘを求めるため、各サイト間において、ＮＥＢ（Ｎｕｄｇｅｄ  Ｅｌａｓｔｉｃ  Ｂａｎｄ）法を用いて最小エネルギー経路に沿った中間構造に対するエネルギーをそれぞれ算出した。なお、図９に示すモデルＡは予め構造最適化されており、構造最適化されたモデルＡに対してＮＥＢ法による計算を行った。
【０１０７】
ＮＥＢ法の計算には密度汎関数法を用いたプログラムパッケージであるＶＡＳＰ（Ｖｉｅｎｎａ  Ａｂ−ｉｎｉｔｉｏ  Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ  Ｐａｃｋａｇｅ）を用いた。基底関数には平面波基底関数を用い、汎関数はＰＡＷ（Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ  Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ  Ｗａｖｅ）法によるＧＧＡ／ＰＢＥ（Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ−Ｇｒａｄｉｅｎｔ−Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ／Ｐｅｒｄｅｗ−Ｂｕｒｋｅ−Ｅｒｎｚｅｒｈｏｆ）を用いた。また、カットオフエネルギーは４００ｅＶを用い、サンプリングｋ点は２×２×１のグリッドを用いた。
【０１０８】
モデルＡについてＮＥＢ法を用いて計算した結果を図１０に示す。図１０において、縦軸は水素原子の移動に要するエネルギーＥｂ（ｅＶ）を示し、横軸は水素移動経路（ａｒｂｉｔｒａｒｙ  ｕｎｉｔ）を示しており、上記１番乃至８番のサイトを水素移動経路に対応させて記載している。
【０１０９】
図１０より、水素原子の１番のサイトから８番のサイトの移動において、もっともエネルギーＥｂが高いのは、７番のサイトから８番のサイトの移動であることが分かる。ここで、水素移動経路全体のエネルギー最小点を原点とした活性化エネルギーＥｂｍａｘは、１．５０ｅＶである。また、上記式（１）より、温度３５０℃における水素原子の拡散頻度Γは７．３／ｓとなる。
【０１１０】
ここで７番のサイトと８番のサイトは、インジウム原子を挟むように設けられているので、上記の水素原子の移動は、水素原子がインジウム原子の層を越えてｃ軸方向に拡散することに対応する。よって、上記活性化エネルギーＥｂｍａｘと拡散頻度Γは、水素原子がインジウム原子の層を越えてｃ軸方向に拡散する際の活性化エネルギーと拡散頻度に対応する。
【０１１１】
次に、モデルＢの構造を図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）に示す。図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）に示すモデルＢでは、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物において、インジウム原子と結合するように過剰酸素を導入している。モデルＢ中の原子数は８５原子である。ここで、図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）中の黒い大きい球はインジウム原子を、白い大きい球はガリウム原子を、灰色の中程度の大きさの球は亜鉛原子を、黒い小さい球は酸素原子を表している。なお、図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）に示す１番乃至３番の酸素原子は、過剰酸素が結合したインジウム原子近傍の酸素原子である。また、図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）中の矢印はＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物の結晶のｃ軸方向を表している。
【０１１２】
ここで、図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）は、過剰酸素がインジウム原子の層を越えてｃ軸方向に移動するモデルＢの初期状態と終状態を示している。よって、図１１（Ａ）から図１１（Ｂ）にかけて、１番の酸素原子は３番の酸素原子を押し出す方向に移動している。また、このとき２番の酸素原子も移動している。
【０１１３】
モデルＢにおいてもモデルＡと同様に拡散頻度Γを用いて、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜でｃ軸方向に拡散する過剰酸素を評価する。モデルＢの初期状態から終状態にかけての過剰酸素の移動におけるＥｂｍａｘもＮＥＢ法を用いて算出した。なお、図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）に示すモデルＢは予め構造最適化されており、構造最適化されたモデルＢに対してＮＥＢ法による計算を行った。
【０１１４】
ＮＥＢ法の計算には密度汎関数法を用いたプログラムパッケージであるＯｐｅｎＭＸを用いた。基底関数には局在基底関数（擬原子軌道関数）を用い、汎関数はノルム保存型擬ポテンシャルによるＧＧＡ／ＰＢＥ（Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ−Ｇｒａｄｉｅｎｔ−Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ／Ｐｅｒｄｅｗ−Ｂｕｒｋｅ−Ｅｒｎｚｅｒｈｏｆ）を用いた。また、カットオフエネルギーは２７２１．１６ｅＶを用い、サンプリングｋ点は５×５×３のグリッドを用いた。
【０１１５】
モデルＢについてＮＥＢ法を用いて計算した結果を図１２に示す。図１２において、縦軸は過剰酸素の移動に要するエネルギーＥｂ（ｅＶ）を示し、横軸は過剰酸素の移動の経路長（オングストローム）を示す。
【０１１６】
図１２より、過剰酸素がインジウム原子の層を越えてｃ軸方向に拡散する際の活性化エネルギーＥｂｍａｘは、２．３８ｅＶである。また、上記式（１）より、温度３５０℃における過剰酸素の拡散頻度Γは５．６×１０−７／ｓとなる。
【０１１７】
次に、モデルＣの構造を図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）に示す。図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）に示すモデルＣでは、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物において、インジウム原子と結合する酸素原子を一つ欠損させて酸素欠損を導入している。モデルＣ中の原子数は８３原子である。ここで、図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）中の黒い大きい球はインジウム原子を、白い大きい球はガリウム原子を、灰色の中程度の大きさの球は亜鉛原子を、黒い小さい球は酸素原子を表している。また、図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）中の矢印はＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物の結晶のｃ軸方向を表している。なお、図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）に示す点線で示される球は酸素欠損を表す。
【０１１８】
ここで、図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）は、酸素欠損がインジウム原子の層を越えてｃ軸方向に移動するモデルＣの初期状態と終状態を示している。モデルＣにおいてもモデルＡおよびモデルＢと同様に拡散頻度Γを用いて、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜でｃ軸方向に拡散する酸素欠損を評価する。モデルＣの初期状態から終状態にかけての酸素欠損の移動におけるＥｂｍａｘもＮＥＢ法を用いて算出した。なお、モデルＣのＮＥＢ法を用いた計算の各種条件はモデルＢと同様とした。なお、図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）に示すモデルＣは予め構造最適化されており、構造最適化されたモデルＣに対してＮＥＢ法による計算を行った。
【０１１９】
モデルＣについてＮＥＢ法を用いて計算した結果を図１４に示す。図１４において、縦軸は酸素欠損の移動に要するエネルギーＥｂ（ｅＶ）を示し、横軸は酸素欠損の移動の経路長（オングストローム）を示す。
【０１２０】
図１４より、酸素欠損がインジウム原子の層を越えてｃ軸方向に拡散する際の活性化エネルギーＥｂｍａｘは、４．１０ｅＶである。また、上記式（１）より、温度３５０℃における酸素欠損の拡散頻度Γは６．８×１０−２１となる。
【０１２１】
以上、図１０、図１２、図１４から得られた、水素原子、過剰酸素または酸素欠損がインジウム原子の層を越えてｃ軸方向に拡散する際の活性化エネルギーＥｂｍａｘと、３５０℃における拡散頻度Γを表１に示す。
【０１２２】
【表１】
0006259575.tif 000004
【０１２３】
表１より、モデルＢおよびモデルＣと比較してモデルＡは、活性化エネルギーＥｂｍａｘが大きいことが分かる。つまり、水素原子は過剰酸素または酸素欠損と比較して、インジウム原子の層を越えてｃ軸方向に拡散しやすいということができる。特に、３５０℃におけるモデルＡの拡散頻度Γは、モデルＢおよびモデルＣと比較して極めて大きい。よって、実施の形態１に示すような熱処理を行うことにより、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜中水素原子は過剰酸素または酸素欠損と比較して、インジウム原子の層を越えてｃ軸方向に拡散しやすいということができる。
【０１２４】
なお、上述の説明では水素原子、過剰酸素または酸素欠損がインジウム原子の層を越えてｃ軸方向に拡散する場合について説明したが、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれるインジウム以外の金属原子についても同様のことが考えられる。
【０１２５】
よって、先の実施の形態に示す酸化物半導体層４０３としてＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用い、実施の形態１に示す脱水素化処理を行うことにより、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜中の水素原子をｃ軸方向に拡散させて、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の上面から離脱させることができる。このとき、水素の拡散頻度は過剰酸素や酸素欠損と比較して極めて大きいので、選択的に多くの水素を離脱させることができる。
【０１２６】
また、実施の形態１に示すように、酸化物半導体層４０３に酸素過剰領域が形成を設けることにより、水素が離脱する際にＣＡＡＣ−ＯＳ膜中の酸素を引き抜くことを抑制することができる。
【０１２７】
このように、酸化物半導体層としてＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いることによって、トランジスタの電気特性の変動要因となる水素及び水素化合物などの不純物を酸化物半導体層から離脱させることができるので、半導体装置の信頼性の向上を図ることができる。
【０１２８】
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【０１２９】
（実施の形態３）
実施の形態１に示したトランジスタを用いて表示機能を有する半導体装置（表示装置ともいう）を作製することができる。また、トランジスタを含む駆動回路の一部又は全体を、画素部と同じ基板上に一体形成し、システムオンパネルを形成することができる。
【０１３０】
図３（Ａ）において、基板４００１上に設けられた画素部４００２を囲むようにして、シール材４００５が設けられ、基板４００６によって封止されている。図３（Ａ）においては、基板４００１上のシール材４００５によって囲まれている領域とは異なる領域に、ＩＣチップ、又は別途用意された基板上に単結晶半導体膜又は多結晶半導体膜で形成された走査線駆動回路４００４、信号線駆動回路４００３が実装されている。また別途形成された信号線駆動回路４００３と、走査線駆動回路４００４又は画素部４００２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  ｐｒｉｎｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）４０１８ａ、４０１８ｂから供給されている。
【０１３１】
図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）において、基板４００１上に設けられた画素部４００２と、走査線駆動回路４００４とを囲むようにして、シール材４００５が設けられている。また画素部４００２と、走査線駆動回路４００４の上に基板４００６が設けられている。よって画素部４００２と、走査線駆動回路４００４とは、基板４００１とシール材４００５と基板４００６とによって、表示素子と共に封止されている。図３（Ｂ）及び（Ｃ）においては、基板４００１上のシール材４００５によって囲まれている領域とは異なる領域に、ＩＣチップ、又は別途用意された基板上に単結晶半導体膜又は多結晶半導体膜で形成された信号線駆動回路４００３が実装されている。図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）においては、別途形成された信号線駆動回路４００３と、走査線駆動回路４００４又は画素部４００２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ４０１８から供給されている。
【０１３２】
また図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）においては、信号線駆動回路４００３を別途形成し、基板４００１に実装している例を示しているが、この構成に限定されない。走査線駆動回路を別途形成して実装してもよいし、信号線駆動回路の一部又は走査線駆動回路の一部のみを別途形成して実装してもよい。
【０１３３】
なお、別途形成した駆動回路の接続方法は、特に限定されるものではなく、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ  Ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）方法、ワイヤボンディング方法、或いはＴＡＢ（Ｔａｐｅ  Ａｕｔｏｍａｔｅｄ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）方法などを用いることができる。図３（Ａ）は、ＣＯＧ方法により信号線駆動回路４００３、走査線駆動回路４００４を実装する例であり、図３（Ｂ）は、ＣＯＧ方法により信号線駆動回路４００３を実装する例であり、図３（Ｃ）は、ＴＡＢ方法により信号線駆動回路４００３を実装する例である。
【０１３４】
また、表示装置は、表示素子が封止された状態にあるパネルと、該パネルにコントローラを含むＩＣ等を実装した状態にあるモジュールとを含む。
【０１３５】
なお、本明細書中における表示装置とは、画像表示デバイス、表示デバイス、もしくは光源（照明装置含む）を指す。また、コネクター、例えばＦＰＣもしくはＴＣＰが取り付けられたモジュール、ＴＣＰの先にプリント配線板が設けられたモジュール、又は表示素子にＣＯＧ方式によりＩＣ（集積回路）が直接実装されたモジュールも全て表示装置に含むものとする。
【０１３６】
また基板上に設けられた画素部及び走査線駆動回路は、トランジスタを複数有しており、実施の形態１に示したトランジスタを適用することができる。
【０１３７】
表示装置に設けられる表示素子としては液晶素子（液晶表示素子ともいう）、発光素子（発光表示素子ともいう）を用いることができる。発光素子は、電流又は電圧によって輝度が制御される素子をその範疇に含んでおり、具体的には無機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）、有機ＥＬ等が含まれる。また、電子インクなど、電気的作用によりコントラストが変化する表示媒体も適用することができる。
【０１３８】
また、半導体装置の一形態について、図３乃至図５を用いて説明する。図５は、図３（Ｂ）のＭ−Ｎにおける断面図に相当する。
【０１３９】
図３及び図５で示すように、半導体装置は接続端子電極４０１５及び端子電極４０１６を有しており、接続端子電極４０１５及び端子電極４０１６はＦＰＣ４０１８（４０１８ａ、４０１８ｂ）が有する端子と異方性導電層４０１９を介して、電気的に接続されている。
【０１４０】
接続端子電極４０１５は、第１の電極層４０３４と同じ導電層から形成され、端子電極４０１６は、トランジスタ４０４０、４０１１のソース電極及びドレイン電極と同じ導電層で形成されている。
【０１４１】
また基板４００１上に設けられた画素部４００２と、走査線駆動回路４００４は、トランジスタを複数有しており、図３及び図５では、画素部４００２に含まれるトランジスタ４０４０と、走査線駆動回路４００４に含まれるトランジスタ４０１１とを例示している。図５（Ａ）では、トランジスタ４０４０、４０１１上には絶縁層４０３０、４０３２が設けられ、図５（Ｂ）では、さらに、絶縁層４０２１が設けられている。
【０１４２】
トランジスタ４０１０、４０１１としては、実施の形態１に示したトランジスタを適用することができる。トランジスタ４０１０、４０１１は、ボトムゲート構造のトランジスタである。
【０１４３】
トランジスタ４０１０、４０１１は、作製工程において、酸素過剰領域を含む酸化物半導体層に対して、水素又は水素化合物が離脱する温度、又はそれ以上の温度で熱処理を行う。よって、トランジスタ４０１０、４０１１に含まれる酸化物半導体層は、酸素欠損が抑制され、且つ電気特性の変動要因となる水素及び水素化合物などの不純物が低減された酸化物半導体層であり、トランジスタ４０１０、４０１１は、電気特性変動が抑制されている。
【０１４４】
従って、図３及び図５で示す本実施の形態の酸化物半導体層を用いた安定した電気特性を有するトランジスタ４０１０、４０１１を含む半導体装置として信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０１４５】
また、駆動回路用のトランジスタ４０１１の酸化物半導体層のチャネル形成領域と重なる位置にさらに導電層を設けてもよい。導電層を酸化物半導体層のチャネル形成領域と重なる位置に設けることによって、バイアス−熱ストレス試験（ＢＴ試験）前後におけるトランジスタ４０１１のしきい値電圧の変化量をさらに低減することができる。また、導電層は、電位がトランジスタ４０１１のゲート電極と同じでもよいし、異なっていても良く、第２のゲート電極として機能させることもできる。また、導電層の電位が、例えばフローティング状態であってもよい。
【０１４６】
また、該導電層は外部の電場を遮蔽する、すなわち外部の電場が内部（トランジスタを含む回路部）に作用しないようにする機能（特に静電気に対する静電遮蔽機能）も有する。導電層の遮蔽機能により、静電気などの外部の電場の影響によりトランジスタの電気的な特性が変動することを防止することができる。
【０１４７】
画素部４００２に設けられたトランジスタ４０１０は表示素子と電気的に接続し、表示パネルを構成する。表示素子は表示を行うことができれば特に限定されず、様々な表示素子を用いることができる。
【０１４８】
図５（Ａ）に表示素子として液晶素子を用いた液晶表示装置の例を示す。図５（Ａ）において、表示素子である液晶素子４０１３は、第１の電極層４０３４、第２の電極層４０３１、及び液晶層４００８を含む。なお、液晶層４００８を挟持するように配向膜として機能する絶縁層４０３８、４０３３が設けられている。第２の電極層４０３１は基板４００６側に設けられ、第１の電極層４０３４と第２の電極層４０３１とは液晶層４００８を介して積層する構成となっている。
【０１４９】
またスペーサ４０３５は絶縁層を選択的にエッチングすることで得られる柱状のスペーサであり、液晶層４００８の膜厚（セルギャップ）を制御するために設けられている。なお球状のスペーサを用いていてもよい。
【０１５０】
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（液晶組成物）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。
【０１５１】
また、液晶層４００８に、配向膜を用いないブルー相を発現する液晶組成物を用いてもよい。この場合、液晶層４００８と、第１の電極層４０３４及び第２の電極層４０３１とは接する構造となる。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、液晶及びカイラル剤を混合させた液晶組成物を用いて発現させることができる。また、ブルー相が発現する温度範囲を広げるために、ブルー相を発現する液晶組成物に重合性モノマー及び重合開始剤などを添加し、高分子安定化させる処理を行って液晶層を形成することもできる。ブルー相を発現する液晶組成物は、応答速度が短く、光学的等方性であるため配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい。また配向膜を設けなくてもよいのでラビング処理も不要となるため、ラビング処理によって引き起こされる静電破壊を防止することができ、作製工程中の液晶表示装置の不良や破損を軽減することができる。よって液晶表示装置の生産性を向上させることが可能となる。酸化物半導体層を用いるトランジスタは、静電気の影響によりトランジスタの電気的な特性が著しく変動して設計範囲を逸脱する恐れがある。よって酸化物半導体層を用いるトランジスタを有する液晶表示装置にブルー相を発現する液晶組成物を用いることはより効果的である。
【０１５２】
また、液晶材料の固有抵抗は、１×１０９Ω・ｃｍ以上であり、好ましくは１×１０１１Ω・ｃｍ以上であり、さらに好ましくは１×１０１２Ω・ｃｍ以上である。なお、本明細書における固有抵抗の値は、２０℃で測定した値とする。
【０１５３】
液晶表示装置に設けられる保持容量の大きさは、画素部に配置されるトランジスタのリーク電流等を考慮して、所定の期間の間電荷を保持できるように設定される。保持容量の大きさは、トランジスタのオフ電流等を考慮して設定すればよい。本明細書に開示する酸化物半導体層を有するトランジスタを用いることにより、各画素における液晶容量に対して１／３以下、好ましくは１／５以下の容量の大きさを有する保持容量を設ければ充分である。
【０１５４】
本明細書に開示する酸化物半導体層を用いたトランジスタは、オフ状態における電流値（オフ電流値）を低く制御することができる。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。
【０１５５】
また、本明細書に開示する酸化物半導体層を用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られるため、高速駆動が可能である。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ー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。
【０１５６】
液晶表示装置には、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。
【０１５７】
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（Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｓｕｐｅｒ  Ｖｉｅｗ）モードなどを用いることができる。また、ＶＡ型の液晶表示装置にも適用することができる。ＶＡ型の液晶表示装置とは、液晶表示パネルの液晶分子の配列を制御する方式の一種である。ＶＡ型の液晶表示装置は、電圧が印加されていないときにパネル面に対して液晶分子が垂直方向を向く方式である。また、画素（ピクセル）をいくつかの領域（サブピクセル）に分け、それぞれ別の方向に分子を倒すよう工夫されているマルチドメイン化あるいはマルチドメイン設計といわれる方法を用いることができる。
【０１５８】
また、表示装置において、ブラックマトリクス（遮光層）、偏光部材、位相差部材、反射防止部材などの光学部材（光学基板）などは適宜設ける。例えば、偏光基板及び位相差基板による円偏光を用いてもよい。また、光源としてバックライト、サイドライトなどを用いてもよい。
【０１５９】
また、画素部における表示方式は、プログレッシブ方式やインターレース方式等を用いることができる。また、カラー表示する際に画素で制御する色要素としては、ＲＧＢ（Ｒは赤、Ｇは緑、Ｂは青を表す）の三色に限定されない。例えば、ＲＧＢＷ（Ｗは白を表す）、又はＲＧＢに、イエロー、シアン、マゼンタ等を一色以上追加したものがある。なお、色要素のドット毎にその表示領域の大きさが異なっていてもよい。ただし、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。
【０１６０】
また、表示装置に含まれる表示素子として、エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子を適用することができる。エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子は、発光材料が有機化合物であるか、無機化合物であるかによって区別され、一般的に、前者は有機ＥＬ素子、後者は無機ＥＬ素子と呼ばれている。
【０１６１】
有機ＥＬ素子は、発光素子に電圧を印加することにより、一対の電極から電子および正孔がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして、それらキャリア（電子および正孔）が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このような発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。本実施の形態では、発光素子として有機ＥＬ素子を用いる例を示す。
【０１６２】
無機ＥＬ素子は、その素子構成により、分散型無機ＥＬ素子と薄膜型無機ＥＬ素子とに分類される。分散型無機ＥＬ素子は、発光材料の粒子をバインダ中に分散させた発光層を有するものであり、発光メカニズムはドナー準位とアクセプター準位を利用するドナー−アクセプター再結合型発光である。薄膜型無機ＥＬ素子は、発光層を誘電体層で挟み込み、さらにそれを電極で挟んだ構造であり、発光メカニズムは金属イオンの内殻電子遷移を利用する局在型発光である。なお、ここでは、発光素子として有機ＥＬ素子を用いて説明する。
【０１６３】
発光素子は発光を取り出すために少なくとも一対の電極の一方が透光性であればよい。そして、基板上にトランジスタ及び発光素子を形成し、基板とは逆側の面から発光を取り出す上面射出や、基板側の面から発光を取り出す下面射出や、基板側及び基板とは反対側の面から発光を取り出す両面射出構造の発光素子があり、どの射出構造の発光素子も適用することができる。
【０１６４】
図４（Ａ）（Ｂ）及び図５（Ｂ）に表示素子として発光素子を用いた発光装置の例を示す。
【０１６５】
図４（Ａ）は発光装置の平面図であり、図４（Ａ）中の一点鎖線Ｓ１−Ｔ１、Ｓ２−Ｔ２、及びＳ３−Ｔ３で切断した断面が図４（Ｂ）に相当する。なお、図４（Ａ）の平面図においては、電界発光層５４２及び第２の電極層５４３は省略してあり図示していない。
【０１６６】
図４に示す発光装置は、基板５００上に、トランジスタ５１０、容量素子５２０、配線層交差部５３０を有しており、トランジスタ５１０は発光素子５４０と電気的に接続している。なお、図４は基板５００を通過して発光素子５４０からの光を取り出す、下面射出型構造の発光装置である。
【０１６７】
トランジスタ５１０としては、実施の形態１に示したトランジスタを適用することができる。本実施の形態では、実施の形態１で示したトランジスタ４２０と同様な構造を有するトランジスタを適用する例を示す。トランジスタ５１０は、ボトムゲート構造のトランジスタである。
【０１６８】
トランジスタ５１０はゲート電極５１１ａ、５１１ｂ、ゲート絶縁層５０２、酸化物半導体層５１２、ソース電極又はドレイン電極として機能する導電層５１３ａ、５１３ｂを含む。
【０１６９】
トランジスタ５１０は、作製工程において、酸素過剰領域を含む酸化物半導体層５１２に対して、水素又は水素化合物が離脱する温度、又はそれ以上の温度で熱処理を行う。よって、酸化物半導体層５１２は、酸素欠損が抑制され、且つ電気特性の変動要因となる水素及び水素化合物などの不純物が低減された酸化物半導体層である。
【０１７０】
従って、図４で示す本実施の形態の酸化物半導体層５１２を用いた安定した電気特性を有するトランジスタ５１０を含む半導体装置として信頼性の高い半導体装置を提供することができる。また、そのような信頼性の高い半導体装置を歩留まりよく作製し、高生産化を達成することができる。
【０１７１】
容量素子５２０は、導電層５２１ａ、５２１ｂ、ゲート絶縁層５０２、酸化物半導体層５２２、導電層５２３を含み、導電層５２１ａ、５２１ｂと導電層５２３とで、ゲート絶縁層５０２及び酸化物半導体層５２２を挟む構成とすることで容量を形成する。
【０１７２】
配線層交差部５３０は、ゲート電極５１１ａ、５１１ｂと、導電層５３３との交差部であり、ゲート電極５１１ａ、５１１ｂと、導電層５３３とは、間にゲート絶縁層５０２を介して交差する。
【０１７３】
本実施の形態においては、ゲート電極５１１ａ及び導電層５２１ａとして膜厚３０ｎｍのチタン膜を用い、ゲート電極５１１ｂ及び導電層５２１ｂとして膜厚２００ｎｍの銅薄膜を用いる。よって、ゲート電極はチタン膜と銅薄膜との積層構造となる。
【０１７４】
酸化物半導体層５１２、５２２としては膜厚２５ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物膜を用いる。
【０１７５】
トランジスタ５１０、容量素子５２０、及び配線層交差部５３０上には層間絶縁層５０４が形成され、層間絶縁層５０４上において発光素子５４０と重畳する領域にカラーフィルタ層５０５が設けられている。層間絶縁層５０４及びカラーフィルタ層５０５上には平坦化絶縁層として機能する絶縁層５０６が設けられている。
【０１７６】
絶縁層５０６上に第１の電極層５４１、電界発光層５４２、第２の電極層５４３の順に積層した積層構造を含む発光素子５４０が設けられている。発光素子５４０とトランジスタ５１０とは、導電層５１３ａに達する絶縁層５０６及び層間絶縁層５０４に形成された開口において、第１の電極層５４１及び導電層５１３ａが接することによって電気的に接続されている。なお、第１の電極層５４１の一部及び該開口を覆うように隔壁５０７が設けられている。
【０１７７】
絶縁層５０６には膜厚１５００ｎｍの感光性のアクリル膜、隔壁５０７には膜厚１５００ｎｍの感光性のポリイミド膜を用いることができる。
【０１７８】
カラーフィルタ層５０５としては、例えば有彩色の透光性樹脂を用いることができる。有彩色の透光性樹脂としては、感光性、非感光性の有機樹脂を用いることができるが、感光性の有機樹脂層を用いるとレジストマスク数を削減することができるため、工程が簡略化し好ましい。
【０１７９】
有彩色は、黒、灰、白などの無彩色を除く色であり、カラーフィルタ層は、着色された有彩色の光のみを透過する材料で形成される。有彩色としては、赤色、緑色、青色などを用いることができる。また、シアン、マゼンダ、イエロー（黄）などを用いてもよい。着色された有彩色の光のみを透過するとは、カラーフィルタ層における透過光は、その有彩色の光の波長にピークを有するということである。カラーフィルタ層は、含ませる着色材料の濃度と光の透過率の関係に考慮して、最適な膜厚を適宜制御するとよい。例えば、カラーフィルタ層５０５の膜厚は１５００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下とすればよい。
【０１８０】
図５（Ｂ）に示す発光装置においては、表示素子である発光素子４５１３は、画素部４００２に設けられたトランジスタ４０１０と電気的に接続している。なお発光素子４５１３の構成は、第１の電極層４０３４、電界発光層４５１１、第２の電極層４０３１の積層構造であるが、示した構成に限定されない。発光素子４５１３から取り出す光の方向などに合わせて、発光素子４５１３の構成は適宜変えることができる。
【０１８１】
隔壁４５１０、５０７は、有機絶縁材料、又は無機絶縁材料を用いて形成する。特に感光性の樹脂材料を用い、第１の電極層４０３４、５４１上に開口部を形成し、その開口部の側壁が連続した曲率を持って形成される傾斜面となるように形成することが好ましい。
【０１８２】
電界発光層４５１１、５４２は、単数の層で構成されていても、複数の層が積層されるように構成されていてもどちらでもよい。
【０１８３】
発光素子４５１３、５４０に酸素、水素、水分、二酸化炭素等が侵入しないように、第２の電極層４０３１、５４３及び隔壁４５１０、５０７上に保護膜を形成してもよい。保護膜としては、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、ＤＬＣ膜等を形成することができる。
【０１８４】
また、発光素子４５１３、５４０に酸素、水素、水分、二酸化炭素等が侵入しないように、発光素子４５１３を覆う有機化合物を含む層を蒸着法により形成してもよい。
【０１８５】
また、基板４００１、基板４００６、及びシール材４００５によって封止された空間には充填材４５１４が設けられ密封されている。このように外気に曝されないように気密性が高く、脱ガスの少ない保護フィルム（貼り合わせフィルム、紫外線硬化樹脂フィルム等）やカバー材でパッケージング（封入）することが好ましい。
【０１８６】
充填材４５１４としては窒素やアルゴンなどの不活性な気体の他に、紫外線硬化樹脂又は熱硬化樹脂を用いることができ、ＰＶＣ（ポリビニルクロライド）、アクリル、ポリイミド、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ＰＶＢ（ポリビニルブチラル）又はＥＶＡ（エチレンビニルアセテート）を用いることができる。例えば充填材として窒素を用いればよい。
【０１８７】
また、必要であれば、発光素子の射出面に偏光板、又は円偏光板（楕円偏光板を含む）、位相差板（λ／４板、λ／２板）、カラーフィルタなどの光学フィルムを適宜設けてもよい。また、偏光板又は円偏光板に反射防止膜を設けてもよい。例えば、表面の凹凸により反射光を拡散し、映り込みを低減できるアンチグレア処理を施すことができる。
【０１８８】
また、表示装置として、電子インクを駆動させる電子ペーパーを提供することも可能である。電子ペーパーは、電気泳動表示装置（電気泳動ディスプレイ）も呼ばれており、紙と同じ読みやすさ、他の表示装置に比べ低消費電力、薄くて軽い形状とすることが可能という利点を有している。
【０１８９】
電気泳動表示装置は、様々な形態が考えられ得るが、プラスの電荷を有する第１の粒子と、マイナスの電荷を有する第２の粒子とを含むマイクロカプセルが溶媒又は溶質に複数分散されたものであり、マイクロカプセルに電界を印加することによって、マイクロカプセル中の粒子を互いに反対方向に移動させて一方側に集合した粒子の色のみを表示するものである。なお、第１の粒子又は第２の粒子は染料を含み、電界がない場合において移動しないものである。また、第１の粒子の色と第２の粒子の色は異なるもの（無色を含む）とする。
【０１９０】
このように、電気泳動表示装置は、誘電定数の高い物質が高い電界領域に移動する、いわゆる誘電泳動的効果を利用したディスプレイである。
【０１９１】
上記マイクロカプセルを溶媒中に分散させたものが電子インクと呼ばれるものであり、この電子インクはガラス、プラスチック、布、紙などの表面に印刷することができる。また、カラーフィルタや色素を有する粒子を用いることによってカラー表示も可能である。
【０１９２】
なお、マイクロカプセル中の第１の粒子および第２の粒子は、導電体材料、絶縁体材料、半導体材料、磁性材料、液晶材料、強誘電性材料、エレクトロルミネセント材料、エレクトロクロミック材料、磁気泳動材料から選ばれた一種の材料、又はこれらの複合材料を用いればよい。
【０１９３】
また、電子ペーパーとして、ツイストボール表示方式を用いる表示装置も適用することができる。ツイストボール表示方式とは、白と黒に塗り分けられた球形粒子を、表示素子に用いる電極層である第１の電極層及び第２の電極層の間に配置し、第１の電極層及び第２の電極層に電位差を生じさせて球形粒子の向きを制御することにより、表示を行う方法である。
【０１９４】
なお、図３乃至図５において、基板４００１、５００、基板４００６としては、ガラス基板の他、可撓性を有する基板も用いることができ、例えば透光性を有するプラスチック基板などを用いることができる。プラスチックとしては、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒｇｌａｓｓ−Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ）板、ＰＶＦ（ポリビニルフルオライド）フィルム、ポリエステルフィルム又はアクリル樹脂フィルムを用いることができる。また、透光性が必要でなければ、アルミニウムやステンレスなどの金属基板（金属フィルム）を用いてもよい。例えば、アルミニウムホイルをＰＶＦフィルムやポリエステルフィルムで挟んだ構造のシートを用いることもできる。
【０１９５】
また、平坦化絶縁層として機能する絶縁層４０２１、５０６は、アクリル、ポリイミド、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド、エポキシ等の、耐熱性を有する有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁層を複数積層させることで、絶縁層を形成してもよい。
【０１９６】
絶縁層４０２１、５０６の形成法は、特に限定されず、その材料に応じて、スパッタリング法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法）、スクリーン印刷、オフセット印刷、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイフコーター等を用いることができる。
【０１９７】
表示装置は光源又は表示素子からの光を透過させて表示を行う。よって光が透過する画素部に設けられる基板、絶縁層、導電層などの薄膜はすべて可視光の波長領域の光に対して透光性とする。
【０１９８】
表示素子に電圧を印加する第１の電極層及び第２の電極層（画素電極層、共通電極層、対向電極層などともいう）においては、取り出す光の方向、電極層が設けられる場所、及び電極層のパターン構造によって透光性、反射性を選択すればよい。
【０１９９】
第１の電極層４０３４、５４１、第２の電極層４０３１、５４３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（以下、ＩＴＯと示す。）、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物、グラフェン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。
【０２００】
また、第１の電極層４０３４、５４１、第２の電極層４０３１、５４３はタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）等の金属、又はその合金、若しくはその金属窒化物から一つ、又は複数種を用いて形成することができる。
【０２０１】
本実施の形態においては、図４に示す発光装置は下面射出型なので、第１の電極層５４１は透光性、第２の電極層５４３は反射性を有する。よって、第１の電極層５４１に金属膜を用いる場合は透光性を保てる程度膜厚を薄く、第２の電極層５４３に透光性を有する導電層を用いる場合は、反射性を有する導電層を積層するとよい。
【０２０２】
また、第１の電極層４０３４、５４１、第２の電極層４０３１、５４３として、導電性高分子（導電性ポリマーともいう）を含む導電性組成物を用いて形成することができる。導電性高分子としては、いわゆるπ電子共役系導電性高分子が用いることができる。例えば、ポリアニリン又はその誘導体、ポリピロール又はその誘導体、ポリチオフェン又はその誘導体、若しくはアニリン、ピロールおよびチオフェンの２種以上からなる共重合体若しくはその誘導体などがあげられる。
【０２０３】
また、トランジスタは静電気などにより破壊されやすいため、駆動回路保護用の保護回路を設けることが好ましい。保護回路は、非線形素子を用いて構成することが好ましい。
【０２０４】
以上のように実施の形態１で示したトランジスタを適用することで、様々な機能を有する半導体装置を提供することができる。
【０２０５】
本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【０２０６】
（実施の形態４）
実施の形態１に示したトランジスタを用いて、対象物の情報を読み取るイメージセンサ機能を有する半導体装置を作製することができる。
【０２０７】
図６（Ａ）に、イメージセンサ機能を有する半導体装置の一例を示す。図６（Ａ）はフォトセンサの等価回路であり、図６（Ｂ）はフォトセンサの一部を示す断面図である。
【０２０８】
フォトダイオード６０２は、一方の電極がフォトダイオードリセット信号線６５８に、他方の電極がトランジスタ６４０のゲートに電気的に接続されている。トランジスタ６４０は、ソース又はドレインの一方がフォトセンサ基準信号線６７２に、ソース又はドレインの他方がトランジスタ６５６のソース又はドレインの一方に電気的に接続されている。トランジスタ６５６は、ゲートがゲート信号線６５９に、ソース又はドレインの他方がフォトセンサ出力信号線６７１に電気的に接続されている。
【０２０９】
なお、本明細書における回路図において、酸化物半導体層を用いるトランジスタと明確に判明できるように、酸化物半導体層を用いるトランジスタの記号には「ＯＳ」と記載している。図６（Ａ）において、トランジスタ６４０、トランジスタ６５６は実施の形態１に示したトランジスタが適用でき、酸化物半導体層を用いるトランジスタである。本実施の形態では、実施の形態１で示したトランジスタ４２０と同様な構造を有するトランジスタを適用する例を示す。トランジスタ６４０は、ボトムゲート構造のトランジスタである。
【０２１０】
図６（Ｂ）は、フォトセンサにおけるフォトダイオード６０２及びトランジスタ６４０に示す断面図であり、絶縁表面を有する基板６０１（素子基板）上に、センサとして機能するフォトダイオード６０２及びトランジスタ６４０が設けられている。フォトダイオード６０２、トランジスタ６４０の上には接着層６０８を用いて基板６１３が設けられている。
【０２１１】
トランジスタ６４０上には絶縁層６３１、層間絶縁層６３３、層間絶縁層６３４が設けられている。フォトダイオード６０２は、層間絶縁層６３３上に形成された電極層６４１ｂと、電極層６４１ｂ上に順に積層された第１半導体膜６０６ａ、第２半導体膜６０６ｂ、及び第３半導体膜６０６ｃと、層間絶縁層６３４上に設けられ、第１乃至第３の半導体膜を介して電極層６４１ｂと電気的に接続する電極層６４２と、電極層６４１ｂと同じ層に設けられ、電極層６４２と電気的に接続する電極層６４１ａと、を有している。
【０２１２】
電極層６４１ｂは、層間絶縁層６３４に形成された導電層６４３と電気的に接続し、電極層６４２は電極層６４１ａを介して導電層６４５と電気的に接続している。導電層６４５は、トランジスタ６４０のゲート電極と電気的に接続しており、フォトダイオード６０２はトランジスタ６４０と電気的に接続している。
【０２１３】
ここでは、第１半導体膜６０６ａとしてｐ型の導電型を有する半導体膜と、第２半導体膜６０６ｂとして高抵抗な半導体膜（ｉ型半導体膜）、第３半導体膜６０６ｃとしてｎ型の導電型を有する半導体膜を積層するｐｉｎ型のフォトダイオードを例示している。
【０２１４】
第１半導体膜６０６ａはｐ型半導体膜であり、ｐ型を付与する不純物元素を含むアモルファスシリコン膜により形成することができる。第１半導体膜６０６ａの形成には１３族の不純物元素（例えばボロン（Ｂ））を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。また、不純物元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入法を用いて該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合にアモルファスシリコン膜を形成する方法としては、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、又はスパッタリング法等を用いればよい。第１半導体膜６０６ａの膜厚は１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下となるよう形成することが好ましい。
【０２１５】
第２半導体膜６０６ｂは、ｉ型半導体膜（真性半導体膜）であり、アモルファスシリコン膜により形成する。第２半導体膜６０６ｂの形成には、半導体材料ガスを用いて、アモルファスシリコン膜をプラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしては、シラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。第２半導体膜６０６ｂの形成は、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、スパッタリング法等により行ってもよい。第２半導体膜６０６ｂの膜厚は２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下となるように形成することが好ましい。
【０２１６】
第３半導体膜６０６ｃは、ｎ型半導体膜であり、ｎ型を付与する不純物元素を含むアモルファスシリコン膜により形成する。第３半導体膜６０６ｃの形成には、１５族の不純物元素（例えばリン（Ｐ））を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。また、不純物元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入法を用いて該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合にアモルファスシリコン膜を形成する方法としては、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、又はスパッタリング法等を用いればよい。第３半導体膜６０６ｃの膜厚は２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下となるよう形成することが好ましい。
【０２１７】
また、第１半導体膜６０６ａ、第２半導体膜６０６ｂ、及び第３半導体膜６０６ｃは、アモルファス半導体ではなく、多結晶半導体を用いて形成してもよいし、微結晶（セミアモルファス（Ｓｅｍｉ  Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：ＳＡＳ））半導体を用いて形成してもよい。
【０２１８】
また、光電効果で発生した正孔の移動度は電子の移動度に比べて小さいため、ｐｉｎ型のフォトダイオードはｐ型の半導体膜側を受光面とする方がよい特性を示す。ここでは、ｐｉｎ型のフォトダイオードが形成されている基板６０１の面からフォトダイオード６０２が受ける光を電気信号に変換する例を示す。また、受光面とした半導体膜側とは逆の導電型を有する半導体膜側からの光は外乱光となるため、電極層は遮光性を有する導電層を用いるとよい。また、ｎ型の半導体膜側を受光面として用いることもできる。
【０２１９】
絶縁層６３１、層間絶縁層６３３、層間絶縁層６３４としては、絶縁性材料を用いて、その材料に応じて、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法）、スクリーン印刷、オフセット印刷等を用いて形成することができる。
【０２２０】
絶縁層６３１としては、無機絶縁材料としては、例えば、酸化窒化シリコン層、又は酸化窒化シリコン層等の単層、又は積層を用いることができる。
【０２２１】
層間絶縁層６３３、６３４としては、表面凹凸を低減するため平坦化絶縁層として機能する絶縁層が好ましい。層間絶縁層６３３、６３４としては、例えばポリイミド、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂等の、耐熱性を有する有機絶縁材料を用いることができる。また上記有機絶縁材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等の単層、又は積層を用いることができる。
【０２２２】
フォトダイオード６０２に入射する光を検出することによって、被検出物の情報を読み取ることができる。なお、被検出物の情報を読み取る際にバックライトなどの光源を用いることができる。
【０２２３】
トランジスタ６４０は、作製工程において、酸素過剰領域を含む酸化物半導体層に対して、水素又は水素化合物が離脱する温度、又はそれ以上の温度で熱処理を行う。よって、トランジスタ６４０に含まれる酸化物半導体層は、酸素欠損が抑制され、且つ電気特性の変動要因となる水素及び水素化合物などの不純物が低減された酸化物半導体層であり、トランジスタ６４０は、電気特性変動が抑制されている。
【０２２４】
従って、本実施の形態の酸化物半導体層を用いた安定した電気特性を有するトランジスタ６４０を含む信頼性の高い半導体装置を提供することができる。また、信頼性の高い半導体装置を歩留まりよく作製し、高生産化を達成することができる。
【０２２５】
本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【０２２６】
（実施の形態５）
本明細書に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器（遊技機も含む）に適用することができる。電子機器としては、テレビジョン装置（テレビ、又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、デジタルフォトフレーム、携帯電話機、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、遊技機（パチンコ機、スロットマシン等）、ゲーム筐体が挙げられる。これらの電子機器の具体例を図７に示す。
【０２２７】
図７（Ａ）は、表示部を有するテーブル９０００を示している。テーブル９０００は、筐体９００１に表示部９００３が組み込まれており、表示部９００３により映像を表示することが可能である。なお、４本の脚部９００２により筐体９００１を支持した構成を示している。また、電力供給のための電源コード９００５を筐体９００１に有している。
【０２２８】
上記実施の形態のいずれかに示す半導体装置は、表示部９００３に用いることが可能であり、電子機器に高い信頼性を付与することができる。
【０２２９】
表示部９００３は、タッチ入力機能を有しており、テーブル９０００の表示部９００３に表示された表示ボタン９００４を指などで触れることで、画面操作や、情報を入力することができ、また他の家電製品との通信を可能とする、又は制御を可能とすることで、画面操作により他の家電製品をコントロールする制御装置としてもよい。例えば、実施の形態３に示したイメージセンサ機能を有する半導体装置を用いれば、表示部９００３にタッチ入力機能を持たせることができる。
【０２３０】
また、筐体９００１に設けられたヒンジによって、表示部９００３の画面を床に対して垂直に立てることもでき、テレビジョン装置としても利用できる。狭い部屋においては、大きな画面のテレビジョン装置は設置すると自由な空間が狭くなってしまうが、テーブルに表示部が内蔵されていれば、部屋の空間を有効に利用することができる。
【０２３１】
図７（Ｂ）は、テレビジョン装置９１００を示している。テレビジョン装置９１００は、筐体９１０１に表示部９１０３が組み込まれており、表示部９１０３により映像を表示することが可能である。なお、ここではスタンド９１０５により筐体９１０１を支持した構成を示している。
【０２３２】
テレビジョン装置９１００の操作は、筐体９１０１が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機９１１０により行うことができる。リモコン操作機９１１０が備える操作キー９１０９により、チャンネルや音量の操作を行うことができ、表示部９１０３に表示される映像を操作することができる。また、リモコン操作機９１１０に、当該リモコン操作機９１１０から出力する情報を表示する表示部９１０７を設ける構成としてもよい。
【０２３３】
図７（Ｂ）に示すテレビジョン装置９１００は、受信機やモデムなどを備えている。テレビジョン装置９１００は、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又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）又は双方向（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。
【０２３４】
上記実施の形態のいずれかに示す半導体装置は、表示部９１０３、９１０７に用いることが可能であり、テレビジョン装置、及びリモコン操作機に高い信頼性を付与することができる。
【０２３５】
図７（Ｃ）はコンピュータであり、本体９２０１、筐体９２０２、表示部９２０３、キーボード９２０４、外部接続ポート９２０５、ポインティングデバイス９２０６等を含む。
【０２３６】
上記実施の形態のいずれかに示す半導体装置は、表示部９２０３に用いることが可能であり、コンピュータに高い信頼性を付与することができる。
【０２３７】
図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は２つ折り可能なタブレット型端末である。図８（Ａ）は、開いた状態であり、タブレット型端末は、筐体９６３０、表示部９６３１ａ、表示部９６３１ｂ、表示モード切り替えスイッチ９０３４、電源スイッチ９０３５、省電力モード切り替えスイッチ９０３６、留め具９０３３、操作スイッチ９０３８、を有する。
【０２３８】
上記実施の形態のいずれかに示す半導体装置は、表示部９６３１ａ、表示部９６３１ｂに用いることが可能であり、信頼性の高いタブレット型端末とすることが可能となる。
【０２３９】
表示部９６３１ａは、一部をタッチパネルの領域９６３２ａとすることができ、表示された操作キー９６３８にふれることでデータ入力をすることができる。なお、表示部９６３１ａにおいては、一例として半分の領域が表示のみの機能を有する構成、もう半分の領域がタッチパネルの機能を有する構成を示しているが該構成に限定されない。表示部９６３１ａの全ての領域がタッチパネルの機能を有する構成としても良い。例えば、表示部９６３１ａの全面をキーボードボタン表示させてタッチパネルとし、表示部９６３１ｂを表示画面として用いることができる。
【０２４０】
また、表示部９６３１ｂにおいても表示部９６３１ａと同様に、表示部９６３１ｂの一部をタッチパネルの領域９６３２ｂとすることができる。また、タッチパネルのキーボード表示切り替えボタン９６３９が表示されている位置に指やスタイラスなどでふれることで表示部９６３１ｂにキーボードボタン表示することができる。
【０２４１】
また、タッチパネルの領域９６３２ａとタッチパネルの領域９６３２ｂに対して同時にタッチ入力することもできる。
【０２４２】
また、表示モード切り替えスイッチ９０３４は、縦表示又は横表示などの表示の向きを切り替え、白黒表示やカラー表示の切り替えなどを選択できる。省電力モード切り替えスイッチ９０３６は、タブレット型端末に内蔵している光センサで検出される使用時の外光の光量に応じて表示の輝度を最適なものとすることができる。タブレット型端末は光センサだけでなく、ジャイロ、加速度センサ等の傾きを検出するセンサなどの他の検出装置を内蔵させてもよい。
【０２４３】
また、図８（Ａ）では表示部９６３１ｂと表示部９６３１ａの表示面積が同じ例を示しているが特に限定されず、一方のサイズともう一方のサイズが異なっていてもよく、表示の品質も異なっていてもよい。例えば一方が他方よりも高精細な表示を行える表示パネルとしてもよい。
【０２４４】
図８（Ｂ）は、閉じた状態であり、タブレット型端末は、筐体９６３０、太陽電池９６３３、充放電制御回路９６３４を有する。なお、図８（Ｂ）では充放電制御回路９６３４の一例としてバッテリー９６３５、ＤＣＤＣコンバータ９６３６を有する構成について示している。
【０２４５】
なお、タブレット型端末は２つ折り可能なため、未使用時に筐体９６３０を閉じた状態にすることができる。従って、表示部９６３１ａ、表示部９６３１ｂを保護できるため、耐久性に優れ、長期使用の観点からも信頼性の優れたタブレット型端末を提供できる。
【０２４６】
また、この他にも図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示したタブレット型端末は、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、日付又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タッチ入力操作又は編集するタッチ入力機能、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。
【０２４７】
タブレット型端末の表面に装着された太陽電池９６３３によって、電力をタッチパネル、表示部、又は映像信号処理部等に供給することができる。なお、太陽電池９６３３は、筐体９６３０の一面又は二面に効率的なバッテリー９６３５の充電を行う構成とすることができるため好適である。なおバッテリー９６３５としては、リチウムイオン電池を用いると、小型化を図れる等の利点がある。
【０２４８】
また、図８（Ｂ）に示す充放電制御回路９６３４の構成、及び動作について図８（Ｃ）にブロック図を示し説明する。図８（Ｃ）には、太陽電池９６３３、バッテリー９６３５、ＤＣＤＣコンバータ９６３６、コンバータ９６３７、スイッチＳＷ１乃至ＳＷ３、表示部９６３１について示しており、バッテリー９６３５、ＤＣＤＣコンバータ９６３６、コンバータ９６３７、スイッチＳＷ１乃至ＳＷ３が、図８（Ｂ）に示す充放電制御回路９６３４に対応する箇所となる。
【０２４９】
まず外光により太陽電池９６３３により発電がされる場合の動作の例について説明する。太陽電池で発電した電力は、バッテリー９６３５を充電するための電圧となるようＤＣＤＣコンバータ９６３６で昇圧又は降圧がなされる。そして、表示部９６３１の動作に太陽電池９６３３からの電力が用いられる際にはスイッチＳＷ１をオンにし、コンバータ９６３７で表示部９６３１に必要な電圧に昇圧又は降圧をすることとなる。また、表示部９６３１での表示を行わない際には、ＳＷ１をオフにし、ＳＷ２をオンにしてバッテリー９６３５の充電を行う構成とすればよい。
【０２５０】
なお太陽電池９６３３については、発電手段の一例として示したが、特に限定されず、圧電素子（ピエゾ素子）や熱電変換素子（ペルティエ素子）などの他の発電手段によるバッテリー９６３５の充電を行う構成であってもよい。例えば、無線（非接触）で電力を送受信して充電する無接点電力電送モジュールや、また他の充電手段を組み合わせて行う構成としてもよい。
【０２５１】
本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【符号の説明】
【０２５２】
４００    基板
４０１    ゲート電極
４０２    ゲート絶縁層
４０２ａ    ゲート絶縁層
４０２ｂ    ゲート絶縁層
４０３    酸化物半導体層
４０５ａ    ソース電極
４０５ｂ    ドレイン電極
４０８    絶縁層
４２０    トランジスタ
４２１    酸素
５００    基板
５０２    ゲート絶縁層
５０４    層間絶縁層
５０５    カラーフィルタ層
５０６    絶縁層
５０７    隔壁
５１０    トランジスタ
５１１ａ    ゲート電極
５１１ｂ    ゲート電極
５１２    酸化物半導体層
５１３ａ    導電層
５１３ｂ    導電層
５２０    容量素子
５２１ａ    導電層
５２１ｂ    導電層
５２２    酸化物半導体層
５２３    導電層
５３０    配線層交差部
５３３    導電層
５４０    発光素子
５４１    電極層
５４２    電界発光層
５４３    電極層
６０１    基板
６０２    フォトダイオード
６０６ａ    半導体膜
６０６ｂ    半導体膜
６０６ｃ    半導体膜
６０８    接着層
６１３    基板
６３１    絶縁層
６３３    層間絶縁層
６３４    層間絶縁層
６４０    トランジスタ
６４１ａ    電極層
６４１ｂ    電極層
６４２    電極層
６４３    導電層
６４５    導電層
６５６    トランジスタ
６５８    フォトダイオードリセット信号線
６５９    ゲート信号線
６７１    フォトセンサ出力信号線
６７２    フォトセンサ基準信号線
４００１    基板
４００２    画素部
４００３    信号線駆動回路
４００４    走査線駆動回路
４００５    シール材
４００６    基板
４００８    液晶層
４０１０    トランジスタ
４０１１    トランジスタ
４０１３    液晶素子
４０１５    接続端子電極
４０１６    端子電極
４０１８    ＦＰＣ
４０１９    異方性導電層
４０２１    絶縁層
４０３０    絶縁層
４０３１    電極層
４０３２    絶縁層
４０３３    絶縁層
４０３４    電極層
４０３５    スペーサ
４０３８    絶縁層
４０４０    トランジスタ
４５１０    隔壁
４５１１    電界発光層
４５１３    発光素子
４５１４    充填材
９０００    テーブル
９００１    筐体
９００２    脚部
９００３    表示部
９００４    表示ボタン
９００５    電源コード
９０３３    留め具
９０３４    スイッチ
９０３５    電源スイッチ
９０３６    スイッチ
９０３８    操作スイッチ
９１００    テレビジョン装置
９１０１    筐体
９１０３    表示部
９１０５    スタンド
９１０７    表示部
９１０９    操作キー
９１１０    リモコン操作機
９２０１    本体
９２０２    筐体
９２０３    表示部
９２０４    キーボード
９２０５    外部接続ポート
９２０６    ポインティングデバイス
９６３０    筐体
９６３１    表示部
９６３１ａ    表示部
９６３１ｂ    表示部
９６３２ａ    領域
９６３２ｂ    領域
９６３３    太陽電池
９６３４    充放電制御回路
９６３５    バッテリー
９６３６    ＤＣＤＣコンバータ
９６３７    コンバータ
９６３８    操作キー
９６３９    ボタン
【図１】
0006259575.tif 000005
【図２】
0006259575.tif 000006
【図３】
0006259575.tif 000007
【図４】
0006259575.tif 000008
【図５】
0006259575.tif 000009
【図６】
0006259575.tif 000010
【図７】
0006259575.tif 000011
【図８】
0006259575.tif 000012
【図９】
0006259575.tif 000013
【図１０】
0006259575.tif 000014
【図１１】
0006259575.tif 000015
【図１２】
0006259575.tif 000016
【図１３】
0006259575.tif 000017
【図１４】
0006259575.tif 000018