(57)【要約】      （修正有）【課題】安定した電気的特性を付与し、高信頼性化を達成するトランジスタを用いて、様々な高機能デバイスに適用できる半導体装置を提供する。【解決手段】酸化物半導体膜４０３をチャネル形成領域に用いたトランジスタ４４０を有する半導体装置において、順に積層された、導電層４９１、トンネル絶縁膜４９２、酸化物絶縁物によって周囲を囲まれている電荷蓄積層４９３、酸化物絶縁膜４３６、酸化物半導体膜４０３、ゲート絶縁膜４０２、及びゲート電極層４０１と、酸化物半導体膜４０３に電気的に接するソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂとを有する。【選択図】図１
2013247143.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
順に積層された、導電層、トンネル絶縁膜、電荷蓄積層、酸化物絶縁膜、酸化物半導体膜、ゲート絶縁膜、及びゲート電極層と、
前記酸化物半導体膜に電気的に接するソース電極層及びドレイン電極層とを有し、
前記電荷蓄積層は酸化物絶縁物によって周囲を囲まれていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１において、前記電荷蓄積層は前記トンネル絶縁膜及び前記酸化物絶縁膜によって周囲を囲まれていることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、前記導電層は絶縁表面上に接して設けられることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１又は請求項２において、前記ゲート電極層は絶縁表面上に接して設けられることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項において、前記電荷蓄積層は導電層であることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか一項において、前記電荷蓄積層は半導体層であることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項１乃至４のいずれか一項において、前記電荷蓄積層は窒化物絶縁層であることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一項において、前記トンネル絶縁膜の膜厚は、前記酸化物絶縁膜より薄い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】
半導体装置及び半導体装置の作製方法に関する。
【０００２】
なお、本明細書中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、半導体回路およ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（薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）ともいう）を構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（表示装置）のような電子デバイスに広く応用されている。
【０００４】
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。
【０００５】
例えば、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び亜鉛（Ｚｎ）を含むアモルファス酸化物（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物）からなる半導体層を用いたトランジスタが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、トランジスタは、ある特定の電圧（しきい値またはしきい値電圧と呼ばれる）がゲート電極に印加されるとオン状態となり、それ以下の電圧ではオフ状態となるスイッチング素子である。従って、しきい値電圧の精密な制御は回路の正確な動作を行う上で非常に重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−１８１８０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
半導体装置においてトランジスタは、用いられる用途によって要求される電気的特性や機能が様々に異なっている。よって、それぞれの必要とされる機能に応じたトランジスタの電気特性の制御をする必要がある。
【０００９】
また、不純物の影響などの不特定な要因によってトランジスタのしきい値電圧がマイナス側或いはプラス側へ移動（シフト）することがある。
【００１０】
酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタの電気的特性を精密に制御することを課題の一つとする。
【００１１】
所望の電気的特性を有する該トランジスタを用いて、様々な高機能デバイスに適用できる半導体装置を提供することを課題の一つとする。
【００１２】
酸化物半導体膜をチャネル形成領域に用いたトランジスタを有する半導体装置において、安定した電気的特性を付与し、高信頼性化を達成することを課題の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
酸化物半導体膜をチャネル形成領域に用いたトランジスタを有する半導体装置において、順に積層された、導電層、トンネル絶縁膜、酸化物絶縁物によって周囲を囲まれている電荷蓄積層、酸化物絶縁膜、酸化物半導体膜、ゲート絶縁膜、及びゲート電極層と、酸化物半導体膜に電気的に接するソース電極層及びドレイン電極層とを有する。
【００１４】
電荷蓄積層に蓄えられた電荷によって、トランジスタのしきい値電圧を精密に制御する。電荷蓄積層に蓄えられる電荷は、導電層に電位を供給（電圧を印加）し、導電層とゲート電極層、ソース電極層、又はドレイン電極層との間にバイアスをかける（電位差を生じさせる）ことで、トンネル絶縁膜を介して、導電層から供給（注入）される。
【００１５】
電荷蓄積層は周囲を酸化物絶縁物（例えば、トンネル絶縁膜及び酸化物絶縁膜）で覆われており、他の電極層や配線と電気的に接続がない状態（所謂浮遊（フローティング）状態）である。電荷蓄積層は、蓄えられた電荷を長時間保持することができるため、一度必要な電荷量を蓄積した後は、導電層への電力供給を停止することができる。その後、電荷蓄積層が蓄積する電荷量を変更したい場合は、再度導電層へ電力供給を行えばよい。
【００１６】
このように、トランジスタの電気的特性を制御するための電荷蓄積層は、常に連続した電力供給を必要とする電極層とは異なり、ごく短い電荷蓄積時に電荷を供給する導電層に電力供給を行うのみである。よって、半導体装置において大きな消費電力の増加は招かない。
【００１７】
また、電荷蓄積層は浮遊状態であり、周囲に囲まれた絶縁膜によって電気的に絶縁されるため、保持期間においては電位の変動が少なく、安定した電位を酸化物半導体膜に供給することができる。トンネル絶縁膜を介する電荷の供給頻度も少ないため、トンネル絶縁膜の劣化に起因する電荷蓄積層の電荷保持能力の低下も抑制することができる。
【００１８】
さらに、電荷蓄積層の電荷を制御することのできる導電層を、トンネル絶縁膜を介して配置しているので、電荷蓄積層の電位は、必要に応じて変更することができる。
【００１９】
従って、本明細書に開示する発明の一形態により、半導体装置において、トランジスタへの所望の電気特性の付与、保持、変更を、消費電力の増加は抑えながら正確に行うことが可能となる。
【００２０】
トランジスタの電気特性を、それぞれ個々に決定することができるため、半導体装置の回路設計やデバイス構造において自由度が広がる。
【００２１】
さらに、作製時における形状不良等に起因する、電気的特性ばらつきも、トランジスタ完成後に解消することができるため、歩留まり及び生産性が向上する。
【００２２】
使用中において、経時劣化によるトランジスタの電気特性の不良、又は半導体装置としての電気的な不具合、あるいは意図的な電気特性の変更要求があった場合、半導体装置のメンテナンスに応じることができる。
【００２３】
半導体装置の回路設計によって、上記トランジスタと、電荷蓄積層を含まないトランジスタとを混在させて有する半導体装置とすることも可能である。上記トランジスタと、酸化物半導体以外の半導体材料を半導体膜として用いたトランジスタと混在させてもよく、例えば、半導体素子が設けられたシリコンウエハ等の半導体基板上に、酸化物半導体膜を用いたトランジスタを積層した構造の半導体装置とすることもできる。
【００２４】
本明細書で開示する発明の構成の一形態は、順に積層された、導電層、トンネル絶縁膜、電荷蓄積層、酸化物絶縁膜、酸化物半導体膜、ゲート絶縁膜、及びゲート電極層と、酸化物半導体膜に電気的に接するソース電極層及びドレイン電極層とを有し、電荷蓄積層は酸化物絶縁物によって周囲を囲まれている半導体装置である。
【００２５】
本明細書で開示する発明の構成の他の一形態は、電荷蓄積層はトンネル絶縁膜及び酸化物絶縁膜によって周囲を囲まれている半導体装置である。トンネル酸化物膜及び酸化物絶縁膜で、電荷蓄積層を間に挟持し、トンネル絶縁膜及び酸化物絶縁膜も接するように設けることで、トンネル酸化物膜及び酸化物絶縁膜によって、電荷蓄積層の周囲を囲むことができる。
【００２６】
本明細書で開示する発明の構成の他の一形態は、上記構成において、導電層は絶縁表面上に接して設けられる半導体装置である。
【００２７】
本明細書で開示する発明の構成の他の一形態は、上記構成において、ゲート電極層は絶縁表面上に接して設けられる半導体装置である。
【００２８】
本明細書で開示する発明の構成の他の一形態は、上記構成において、トンネル絶縁膜を介して導電層から供給される電荷を蓄える半導体装置である。
【００２９】
供給される電荷をトラップする機能を有する電荷蓄積層には、導電層、半導体層、窒化物絶縁層を用いることができる。
【００３０】
本発明の一形態は、トランジスタ若しくはトランジスタを含んで構成される回路を有する半導体装置に関する。例えば、酸化物半導体でチャネル形成領域が形成される、トランジスタ若しくはトランジスタを含んで構成される回路を有する半導体装置に関する。例えば、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、カスタムＬＳＩ、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）等のＬＳＩや、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）や、電源回路に搭載されるパワーデバイスや、メモリ、サイリスタ、コンバータ、イメージセンサなどを含む半導体集積回路、液晶表示パネルに代表される電気光学装置や発光素子を有する発光表示装置を部品として搭載した電子機器に関する。
【発明の効果】
【００３１】
酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタの電気的特性を精密に制御することができる。
【００３２】
所望の電気的特性を有する該トランジスタを用いて、様々な高機能デバイスに適用できる半導体装置を提供することができる。
【００３３】
酸化物半導体膜をチャネル形成領域に用いたトランジスタを有する半導体装置において、安定した電気的特性を付与し、高信頼性化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】半導体装置の一形態を説明する模式図及び回路図。
【図２】半導体装置の一形態を説明する断面図。
【図３】半導体装置の一形態を説明する断面図。
【図４】半導体装置の一形態を説明する平面図。
【図５】半導体装置の一形態を説明する断面図。
【図６】電子機器を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
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。ただし、本明細書に開示する発明は以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。また、本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、第１、第２として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順又は積層順を示すものではない。また、本明細書において発明を特定するための事項として固有の名称を示すものではない。
【００３６】
（実施の形態１）
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を、図１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膜を有するトランジスタを示す。
【００３７】
図１（Ａ）（Ｂ）に本実施の形態における半導体装置の例を示す。図１（Ａ）は、トランジスタ４４０の模式図、図２（Ｂ）はトランジスタ４４０の等価回路図である。
【００３８】
図１（Ａ）に示すように、トランジスタ４４０を含む半導体装置は、順に積層される導電層４９１、トンネル絶縁膜４９２、電荷蓄積層４９３、酸化物絶縁膜４３６、チャネル形成領域を含む酸化物半導体膜４０３、ゲート絶縁膜４０２、及びゲート電極層４０１と、酸化物半導体膜４０３に電気的に接するソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂとを有する。
【００３９】
トランジスタ４４０は、設けられる面に対して、酸化物半導体膜４０３よりゲート電極層４０１の方が上に設けられるトップゲート型構造（図１（Ａ）において導電層４９１を下側）でもよく、酸化物半導体膜４０３よりゲート電極層４０１の方が下に設けられるボトムゲート型構造（図１（Ａ）においてゲート電極層４０１を下側）でもよい。
【００４０】
ゲート電極層４０１は、酸化物半導体膜４０３のチャネル形成領域と重なり、導電層４９１及び電荷蓄積層４９３は、該チャネル形成領域の少なくとも一部重なる構成とする。
【００４１】
上記構成を満たせば、ゲート電極層４０１と重なるチャネル形成領域と、導電層４９１及び電荷蓄積層４９３との大小関係（チャネル長方向の幅、及びチャネル幅方向の幅）は特に限定されない。
【００４２】
図２（Ａ）乃至（Ｃ）にトランジスタ４４０の具体例を示す。
【００４３】
図２（Ａ）に示すトランジスタ４４０ａを含む半導体装置、及び図２（Ｂ）に示すトランジスタ４４０ｂを含む半導体装置は、絶縁表面を有する基板４００上に、順に積層して、導電層４９１、トンネル絶縁膜４９２、電荷蓄積層４９３、酸化物絶縁膜４３６、酸化物半導体膜４０３、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ、ゲート絶縁膜４０２、ゲート電極層４０１、及び絶縁膜４０７を有する。
【００４４】
トランジスタ４４０ａは、トップゲート型構造のトランジスタであり、チャネル長方向において、チャネル形成領域の幅（チャネル長）より、導電層４９１、電荷蓄積層４９３、及びゲート電極層４０１の幅が大きい例である。導電層４９１、電荷蓄積層４９３、及びゲート電極層４０１の幅はほぼ同じである。
【００４５】
トランジスタ４４０ａのように、導電層４９１と電荷蓄積層４９３とが同形状である場合、電荷蓄積層４９３を形成する際に用いるレジストマスクを、導電層４９１をマスクとして基板４００側からの光照射（所謂、裏面露光）を行うことにより作製することができるため、フォトマスク数を削減することができる。
【００４６】
トランジスタ４４０ｂは、トップゲート型構造のトランジスタであり、チャネル長方向において、電荷蓄積層４９３の幅はチャネル形成領域の幅とほぼ同じであり、電荷蓄積層４９３及びチャネル形成領域の幅より、導電層４９１及びゲート電極層４０１の幅が大きい例である。
【００４７】
図２（Ｃ）に示すトランジスタ４４０ｃを含む半導体装置は、絶縁表面を有する基板４００上に、順に積層して、ゲート電極層４０１、ゲート絶縁膜４０２、酸化物半導体膜４０３、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ、酸化物絶縁膜４３６、電荷蓄積層４９３、トンネル絶縁膜４９２、導電層４９１、及び絶縁膜４０７を有する。
【００４８】
トランジスタ４４０ｃは、ボトムゲート型構造のトランジスタであり、チャネル長方向において、チャネル形成領域の幅より、導電層４９１、電荷蓄積層４９３、及びゲート電極層４０１の幅が大きい例である。導電層４９１、及び電荷蓄積層４９３の幅はほぼ同じであり、ゲート電極層４０１の幅は導電層４９１、及び電荷蓄積層４９３の幅より大きい。
【００４９】
遮光性を有するゲート電極層４０１、又は遮光性を有する導電層４９１が、基板４００側から酸化物半導体膜４０３へ入射する光を遮断する構成であると、光によるトランジスタの電気的特性の変動を防止することができる。
【００５０】
トランジスタ４４０ａ、４４０ｂ、４４０ｃにおいては、ゲート電極層４０１と、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂとは一部重なる構造を示すが、これに限定されず、ゲート電極層４０１と、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂとが重ならない構造であってもよい。また酸化物半導体膜４０３においてソース電極層４０５ａ、又はドレイン電極層４０５ｂと接する領域に、ソース領域又はドレイン領域として機能する低抵抗領域を設けてもよい。低抵抗領域は、酸化物半導体膜４０３の導電率を変化させる不純物元素（例えばリン、ホウ素、アルミニウム、窒素、アルゴン、チタンなど）を酸化物半導体膜４０３に選択的に導入することで形成することができる。
【００５１】
また、該導電層４９１は外部の電場を遮蔽する、すなわち外部の電場がトランジスタ４４０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４９１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４４０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。
【００５２】
電荷蓄積層４９３に蓄えられた電荷によって、トランジスタ４４０のしきい値電圧を精密に制御する。電荷蓄積層４９３に蓄えられる電荷は、導電層４９１に電位を供給（電圧を印加）し、導電層４９１とゲート電極層４０１、ソース電極層４０５ａ、又はドレイン電極層４０５ｂとの間にバイアスをかける（電位差を生じさせる）ことで、トンネル絶縁膜４９２を介して、導電層４９１から供給（注入）される。
【００５３】
電荷蓄積層４９３は周囲を酸化物絶縁物（例えば、トンネル絶縁膜４９２及び酸化物絶縁膜４３６）で覆われており、他の電極層や配線と電気的に接続がない状態（所謂浮遊（フローティング）状態）である。電荷蓄積層４９３は、蓄えられた電荷を長時間保持することができるため、一度必要な電荷量を供給した後は、導電層４９１への電力供給を停止することができる。その後、電荷蓄積層４９３が蓄積する電荷量を変更したい場合は、再度導電層４９１へ電力供給を行えばよい。
【００５４】
このように、トランジスタ４４０の電気的特性を制御するための電荷蓄積層４９３は、常に連続した電力供給を必要とする電極層とは異なり、ごく短い電荷供給時に電荷を供給する導電層４９１に電力供給を行うのみである。よって、半導体装置において大きな消費電力の増加は招かない。
【００５５】
また、電荷蓄積層４９３は浮遊状態であり、周囲に囲まれた酸化物絶縁物によって電気的に絶縁されるため、保持期間においては電位の変動が少なく、安定した電位を酸化物半導体膜４０３に供給することができる。トンネル絶縁膜４９２を介する電荷の供給頻度も少ないため、トンネル絶縁膜４９２の劣化に起因する電荷蓄積層４９３の電荷保持能力の低下も抑制することができる。
【００５６】
さらに、電荷蓄積層４９３の電荷を制御することのできる導電層４９１を、トンネル絶縁膜４９２を介して配置しているので、電荷蓄積層４９３の電位は、必要に応じて変更することができる。
【００５７】
従って、半導体装置において、トランジスタ４４０への所望の電気特性の付与、保持、変更を、消費電力の増加は抑えながら正確に行うことが可能となる。
【００５８】
トランジスタ４４０の電気特性を、それぞれ個々に決定することができるため、半導体装置の回路設計やデバイス構造において自由度が広がる。
【００５９】
さらに、作製時における形状不良等に起因する、電気的特性ばらつきも、トランジスタ４４０完成後に解消することができるため、歩留まり及び生産性が向上する。
【００６０】
使用中において、経時劣化によるトランジスタ４４０の電気特性の不良、又は半導体装置としての電気的な不具合、あるいは意図的な電気特性の変更要求があった場合、半導体装置のメンテナンスに応じることができる。
【００６１】
半導体装置の回路設計によって、上記トランジスタ４４０と、電荷蓄積層を含まないトランジスタとを混在させて有する半導体装置とすることも可能である。上記トランジスタ４４０と、酸化物半導体以外の半導体材料を半導体膜として用いたトランジスタと混在させてもよく、例えば、半導体素子が設けられたシリコンウエハ等の半導体基板上に、酸化物半導体膜を用いたトランジスタ４４０を積層した構造の半導体装置とすることもできる。
【００６２】
以下、トランジスタ４４０を有する半導体装置に用いることのできる材料や作製方法を例示する。
【００６３】
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、セラミック基板、石英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、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板４００として用いてもよい。
【００６４】
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。可撓性を有する半導体装置を作製するには、可撓性基板上にトランジスタ４４０を直接作製してもよいし、他の作製基板にトランジスタ４４０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膜を含むトランジスタ４４０との間に剥離層を設けるとよい。
【００６５】
導電層４９１、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ、及びゲート電極層４０１としては、例えば、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステン、ネオジム、及びスカンジウムのいずれかから選択される一以上の元素を含む金属膜、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、導電層４９１、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ、及びゲート電極層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。
【００６６】
また、導電層４９１、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ、及びゲート電極層４０１としては、導電性の金属酸化物膜で形成しても良い。導電性の金属酸化物膜としては酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化インジウム酸化スズ、及び酸化インジウム酸化亜鉛のいずれかから選択される一以上の元素を含む金属酸化物膜、又はこれらの金属酸化物材料に酸化シリコンを含ませた金属酸化物膜を用いることができる。
【００６７】
導電層４９１、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ、及びゲート電極層４０１は、上記導電膜の単層構造でも積層構造でもよく、例えば、アルミニウム、銅などの金属膜の下側又は上側の一方または双方にチタン、モリブデン、タングステン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）を積層させた構成などを用いることができる。
【００６８】
導電層４９１、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ、及びゲート電極層４０１は、スパッタリング法、ＣＶＤ法（プラズマＣＶＤ法など）、蒸着法等を用いて形成することができる。
【００６９】
トンネル絶縁膜４９２としては、例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ法（プラズマＣＶＤ法など）等を用いて形成する、酸化シリコン膜、酸化ガリウム膜、酸化ガリウム亜鉛膜、酸化亜鉛膜、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、又は酸化窒化アルミニウム膜などの酸化物絶縁膜を用いることができる。
【００７０】
トンネル絶縁膜４９２は、膜厚が薄い方が好ましく、例えば、１ｎｍ〜２０ｎｍ、より好ましくは３ｎｍ〜６ｎｍの厚さに形成することが好ましい。
【００７１】
酸化物絶縁膜４３６及びゲート絶縁膜４０２の材料としては、酸化シリコン膜、酸化ガリウム膜、酸化ガリウム亜鉛膜、酸化亜鉛膜、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。
【００７２】
また、酸化物絶縁膜４３６及びゲート絶縁膜４０２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材料を用いることもできる。さらに、酸化物絶縁膜４３６及びゲート絶縁膜４０２は、単層構造としても良いし、積層構造としても良い。
【００７３】
酸化物絶縁膜４３６及びゲート絶縁膜４０２は、スパッタリング法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法（プラズマＣＶＤ法等）、パルスレーザ堆積法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等を適宜用いて形成することができる。また、酸化物絶縁膜４３６及びゲート絶縁膜４０２は、スパッタリングターゲット表面に対し、概略垂直に複数の基板表面がセットされた状態で成膜を行うスパッタ装置、所謂ＣＰスパッタ装置を用いて成膜してもよい。また、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いてもよい。例えば、ＭＯＣＶＤ法を用いて成膜した酸化ガリウム膜を、酸化物絶縁膜４３６及びゲート絶縁膜４０２として用いることができる。
【００７４】
酸化物絶縁膜４３６及びゲート絶縁膜４０２は、酸化物半導体膜４０３と接する部分において酸素を多く含むことが好ましい。酸化物絶縁膜４３６及びゲート絶縁膜４０２は、膜中（バルク中）に少なくとも化学量論的組成比を超える量の酸素が存在することが好ましく、酸素を多く含む絶縁膜を酸化物絶縁膜４３６及びゲート絶縁膜４０２として用いると、酸化物半導体膜４０３に酸素を供給することができ、特性を良好にすることができる。酸化物絶縁膜４３６及びゲート絶縁膜４０２は、作製するトランジスタのサイズや酸化物絶縁膜４３６及びゲート絶縁膜４０２の段差被覆性を考慮して形成することが好ましい。
【００７５】
電荷蓄積層４９３としては、半導体材料又は導電性材料の層又は粒子で形成することができる。半導体材料としては、シリコン、シリコンゲルマニウム等がある。シリコンを用いる場合、非晶質シリコンや多結晶シリコンを用いることができる。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、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。
【００７６】
導電性材料としては、例えば、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステン、ネオジム、スカンジウム、若しくは上述した元素を成分とする金属窒化物（窒化チタン、窒化モリブデン、窒化タングステン）のいずれかから選択される一以上を含む導電性材料を用いることができる。また、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化インジウム酸化スズ、及び酸化インジウム酸化亜鉛のいずれかから選択される一以上を含む導電性の金属酸化物材料、又はこれらの金属酸化物材料に酸化シリコンを含ませた導電性の金属酸化物材料を用いることができる。
【００７７】
また、電荷蓄積層４９３として、電荷を保持するトラップを有する窒化物絶縁膜を用いることができる。例えば、窒化シリコン膜、窒化ゲルマニウム膜、窒化アルミニウム膜などを用いることができる。なお、上記窒化物絶縁膜は酸素を含んでもよい。
【００７８】
電荷蓄積層４９３は、スパッタリング法、ＣＶＤ法（プラズマＣＶＤ法など）、蒸着法等を用いて形成することができる。
【００７９】
酸化物半導体膜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）を含むことが好ましい。特にＩｎと亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。また、該酸化物を用いたトランジスタの電気的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。
【００８０】
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。
【００８１】
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、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（ＩＧＺＯとも表記する）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−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。
【００８２】
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。
【００８３】
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又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。
【００８４】
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。
【００８５】
しかし、インジウムを含む酸化物半導体は、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、原子間結合距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。
【００８６】
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ｒだけ近傍であるとは、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。
【００８７】
酸化物半導体膜４０３は、単結晶、多結晶（ポリクリスタルともいう。）または非晶質などの状態をとる。
【００８８】
好ましくは、酸化物半導体膜４０３は、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜とする。
【００８９】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、完全な単結晶ではなく、完全な非晶質でもない。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、非晶質相に結晶部を有する結晶−非晶質混相構造の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膜に含まれる非晶質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。
【００９０】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部は、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揃い、かつａｂ面に垂直な方向から見て三角形状または六角形状の原子配列を有し、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、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、−５°以上５°以下の範囲も含まれることとする。
【００９１】
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が非晶質化することもある。
【００９２】
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。なお、結晶部のｃ軸の方向は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されたときの被形成面の法線方向または表面の法線方向に平行な方向となる。結晶部は、成膜することにより、または成膜後に熱処理などの結晶化処理を行うことにより形成される。
【００９３】
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的特性の変動を低減することが可能である。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。
【００９４】
なお、酸化物半導体膜を構成する酸素の一部は窒素で置換されてもよい。
【００９５】
酸化物半導体膜４０３の膜厚は、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下（好ましくは５ｎｍ以上１０ｎｍ以下）とし、スパッタリング法、ＭＢＥ法、ＣＶＤ法、パルスレーザ堆積法、ＡＬＤ法等を適宜用いることができる。また、酸化物半導体膜４０３は、ＣＰスパッタ装置を用いて成膜してもよい。
【００９６】
酸化物半導体膜４０３は、複数の酸化物半導体膜が積層された構造でもよい。例えば、酸化物半導体膜４０３を、第１の酸化物半導体膜と第２の酸化物半導体膜の積層として、第１の酸化物半導体膜と第２の酸化物半導体膜に、異なる組成の金属酸化物を用いてもよい。例えば、第１の酸化物半導体膜に三元系金属の酸化物を用い、第２の酸化物半導体膜に二元系金属の酸化物を用いてもよい。また、例えば、第１の酸化物半導体膜と第２の酸化物半導体膜を、どちらも三元系金属の酸化物としてもよい。
【００９７】
また、第１の酸化物半導体膜と第２の酸化物半導体膜の構成元素を同一とし、両者の組成比を異ならせてもよい。例えば、第１の酸化物半導体膜の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１とし、第２の酸化物半導体膜の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２としてもよい。また、第１の酸化物半導体膜の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２とし、第２の酸化物半導体膜の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：１：３としてもよい。
【００９８】
また、第１の酸化物半導体膜と第２の酸化物半導体膜に、結晶性の異なる酸化物半導体を適用してもよい。すなわち、単結晶酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、非晶質酸化物半導体、またはＣＡＡＣ−ＯＳを適宜組み合わせた構成としてもよい。また、第１の酸化物半導体膜と第２の酸化物半導体膜の少なくともどちらか一方に非晶質酸化物半導体を適用すると、酸化物半導体膜４０３の内部応力や外部からの応力を緩和し、トランジスタの特性ばらつきが低減され、また、トランジスタの信頼性をさらに高めることが可能となる。
【００９９】
一方で、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膜は、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。
【０１００】
また、酸化物半導体膜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膜で非晶質酸化物半導体膜を挟む構造としてもよい。また、結晶性を有する酸化物半導体膜と非晶質酸化物半導体膜を交互に積層する構造としてもよい。
【０１０１】
また、酸化物半導体膜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。
【０１０２】
酸化物半導体膜４０３の形成面に平坦化処理を施し、平坦性を向上させておくと、酸化物半導体膜４０３の形状不良が生じにくく好ましい。平坦化処理としては、特に限定されないが、研磨処理（例えば、化学的機械研磨法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ））、ドライエッチング処理、プラズマ処理を用いることができる。トランジスタ４４０ａ、４４０ｂ、４４０ｃは酸化物半導体膜４０３の形成領域の凹凸を研磨処理によって平坦化した例である。
【０１０３】
また、酸化物半導体膜４０３に、過剰な水素（水や水酸基を含む）を除去（脱水化または脱水素化）するための加熱処理を行ってもよい。加熱処理の温度は、３００℃以上７００℃以下、または基板の歪み点未満とする。加熱処理は減圧下又は窒素雰囲気下などで行うことができる。例えば、加熱処理装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半導体膜４０３に対して窒素雰囲気下４５０℃において１時間の加熱処理を行う。
【０１０４】
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加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、加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。
【０１０５】
例えば、加熱処理として、６５０℃〜７００℃の高温に加熱した不活性ガス中に基板を入れ、数分間加熱した後、基板を不活性ガス中から出すＧＲＴＡを行ってもよい。
【０１０６】
なお、加熱処理においては、窒素、またはヘリウム、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。または、熱処理装置に導入する窒素、またはヘリウム、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。
【０１０７】
また、加熱処理で酸化物半導体膜４０３を加熱した後、同じ炉に高純度の酸素ガス、高純度の一酸化二窒素ガス、又は超乾燥エア（ＣＲＤＳ（キャビティリングダウンレーザー分光法）方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が２０ｐｐｍ（露点換算で−５５℃）以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、より好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）を導入してもよい。酸素ガスまたは一酸化二窒素ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、熱処理装置に導入する酸素ガスまたは一酸化二窒素ガスの純度を、６Ｎ以上好ましくは７Ｎ以上（即ち、酸素ガスまたは一酸化二窒素ガス中の不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。酸素ガス又は一酸化二窒素ガスの作用により、脱水化または脱水素化処理による不純物の排除工程によって同時に減少してしまった酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素を供給することによって、酸化物半導体膜４０３を高純度化することができる。
【０１０８】
なお、脱水化又は脱水素化のための加熱処理を行うタイミングは、膜状であっても、エッチングにより加工した後でもよい。また、脱水化又は脱水素化のための加熱処理は、複数回行ってもよく、他の加熱処理と兼ねてもよい。
【０１０９】
また、脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体膜４０３に、酸素（少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオン、のいずれかを含む）を導入して膜中に酸素を供給してもよい。
【０１１０】
脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体膜４０３に、酸素を導入して膜中に酸素を供給することによって、酸化物半導体膜４０３を高純度化、及び電気的にＩ型（真性）化することができる。高純度化し、電気的にＩ型（真性）化した酸化物半導体膜４０３を有するトランジスタは、電気特性変動が抑制されており、電気的に安定である。
【０１１１】
酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法、プラズマ処理などを用いることができる。
【０１１２】
酸化物半導体膜４０３への酸素の導入は、脱水化又は脱水素化処理を行った後が好ましいが、特に限定されない。また、上記脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体膜４０３への酸素の導入は複数回行ってもよい。
【０１１３】
絶縁膜４０７は、酸化物半導体膜４０３からの酸素放出、及び水素、水分などの不純物侵入が防止できる緻密な膜が好ましい。
【０１１４】
絶縁膜４０７としては、例えば、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、窒化酸化シリコン膜、窒化酸化アルミニウム膜、酸化ガリウム亜鉛膜、酸化亜鉛膜などの無機絶縁膜を用いることができ、単層でも積層でもよい。絶縁膜４０７は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法、又は成膜ガスを用いたＣＶＤ法を用いることができる。
【０１１５】
以上のように、酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタ４４０の電気的特性を精密に制御することができる。
【０１１６】
所望の電気的特性を有する該トランジスタ４４０を用いて、様々な高機能デバイスに適用できる半導体装置を提供することができる。
【０１１７】
該トランジスタ４４０を有する半導体装置において、安定した電気的特性を付与し、高信頼性化を達成することができる。
【０１１８】
（実施の形態２）
本実施の形態では、本明細書に示すトランジスタを使用した半導体装置の例を、図３を用いて説明する。
【０１１９】
図３に示す半導体装置は、下部に第１の半導体材料を用いたトランジスタ７１０を有し、上部に第２の半導体材料を用いたトランジスタ７５０を有するものである。トランジスタ７５０は、実施の形態１で示すトランジスタ４４０（４４０ａ乃至４４０ｃ）と同様な構造を有する例である。
【０１２０】
ここで、第１の半導体材料と第２の半導体材料は異なるバンドギャップを持つ材料とすることが望ましい。例えば、第１の半導体材料を酸化物半導体以外の半導体材料（シリコンなど）とし、第２の半導体材料を酸化物半導体とすることができる。シリコンなどの材料を用いたトランジスタは、高速動作が容易である。一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、その特性により長時間の電荷保持を可能とする。
【０１２１】
半導体装置に用いることのできる基板は、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（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などを用いることができ、トランジスタのチャネル形成領域は、これらの基板中、又は基板上に形成することができる。図３に示す半導体装置は、基板中にチャネル形成領域を形成して下部のトランジスタを作製する例である。
【０１２２】
図３に示す半導体装置においては、基板７００に単結晶シリコン基板を用いて、該単結晶シリコン基板にトランジスタ７１０を形成しており、第１の半導体材料として単結晶シリコンを用いている。トランジスタ７１０はｎチャネル型トランジスタ又はｐチャネル型トランジスタの一導電型を有するトランジスタを例として示しており、下部の素子構成には、半導体素子が複数電気的に接続された様々な回路（例えば、ＮＭＯＳ回路、ＰＭＯＳ回路、ＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体：Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）回路など）を設けることができる。
【０１２３】
トランジスタ７１０及び基板７００の導電型に応じて、基板７００におけるトランジスタ７１０の形成領域に一導電型を付与する不純物元素を添加し、ｎウェル又はｐウェルを形成してもよい。例えば、基板７００としてｐ型の導電型を有する単結晶シリコン基板を用い、トランジスタ７１０としてｐチャネル型トランジスタを形成する場合、トランジスタ７１０の形成領域に、ｎ型を付与する不純物元素を添加し、ｎウェルを形成する。この場合トランジスタ７１０のチャネル形成領域７０３はｎウェルに形成される。ｎ型を付与する不純物元素としては、リン（Ｐ）やヒ素（Ａｓ）等を用いることができる。
【０１２４】
同様に、ｐ型を付与する不純物元素を添加することによりｐウェルを形成してもよい。ｐ型を付与する不純物元素としては、ボロン（Ｂ）やアルミニウム（Ａｌ）やガリウム（Ｇａ）等を用いることができる。
【０１２５】
トランジスタ７１０は、チャネル形成領域７０３、ソース領域又はドレイン領域として機能する一導電型を有する不純物領域７０４ａ、７０４ｂ、ゲート絶縁膜７０２、ゲート電極層７０１を有している。
【０１２６】
ゲート電極層７０１の側面に側壁絶縁層を設けてもよい。この場合、ゲート電極層７０１及び側壁絶縁層をマスクとして用いて、ソース領域又はドレイン領域として機能する一導電型を有する不純物領域７０４ａ、７０４ｂと、不純物濃度が異なるＬＤＤ（ＬｉｇｈｔｌｙＤｏｐｅｄ  Ｄｒａｉｎ）領域として機能する異なる一導電型を有する不純物領域とを、自己整合的に形成することができる。
【０１２７】
基板７００において、トランジスタ７１０は素子分離領域７０６により他の半導体素子（図示せず）と分離されており、トランジスタ７１０上に絶縁膜７３０、及び絶縁膜７３１が積層されている。絶縁膜７３０に形成された開口に一導電型を有する不純物領域７０４ａ、７０４ｂにそれぞれ電気的に接続する配線層７１１、配線層７１２が形成され、絶縁膜７３１の開口に配線層７１１、又は配線層７１２にそれぞれ電気的に接続する配線層７１３、配線層７１４が形成されている。
【０１２８】
絶縁膜７３１、配線層７１３、７１４上には、絶縁膜７３２、及び絶縁膜７３３が積層されている。半導体装置において下部と上部の間（本実施の形態では、絶縁膜７３１と絶縁膜７３３の間）に、上部のトランジスタ７５０の電気的特性の劣化や変動を招く水素等の不純物が、下部から上部へ侵入しないように、バリア膜として機能する絶縁膜７３２を設ける構成とすると好ましい。絶縁膜７３２には、例えば、上記不純物等の遮断機能の高い、緻密な無機絶縁膜（例えば、酸化アルミニウム膜、窒化シリコン膜など）を用いるとよい。
【０１２９】
絶縁膜７３２及び絶縁膜７３３に形成された開口に、配線層７１４に電気的に接続する配線層７１５が形成されている。配線層７１５は、絶縁膜７３２及び絶縁膜７３３中に、該上面だけ露出して埋め込まれるように設けられている。
【０１３０】
しかし本実施の形態の半導体装置はこれに限定されず、基板上に島状のチャネル形成領域を含む半導体膜を形成して、下部のトランジスタを作製してもよい。この場合、ＳＯＩ基板を用いてもよいし、基板上に成膜法による半導体膜を成膜し、島状に加工してもよい。また、他の作製基板に設けられた半導体膜を、基板上に転置させて、基板上に半導体膜を形成してもよい。
【０１３１】
また、トランジスタ７１０としてシリサイド（サリサイド）を有するトランジスタを用いてもよい。シリサイド（サリサイド）を有する構造であると、ソース領域及びドレイン領域がより低抵抗化でき、半導体装置の高速化が可能である。また、低電圧で動作できるため、半導体装置の消費電力を低減することが可能である。
【０１３２】
次に、図３の半導体装置における下部のトランジスタ７１０上に設けられる上部の素子構成を説明する。
【０１３３】
トランジスタ７５０はトランジスタ４４０（４４０ａ乃至４４０ｃ）と同様に作製することができる。トランジスタ７５０の作製方法を簡略に説明する。
【０１３４】
次に、図３の半導体装置における下部のトランジスタ上に設けられる上部の素子構成を説明する。
【０１３５】
絶縁膜７３３及び配線層７１６上に、絶縁膜７３４、導電層７５１、及び配線層７１６を形成する。配線層７１６は配線層７１５と電気的に接続する。なお、形成順序における前後は、絶縁膜７３４と、導電層７５１及び配線層７１６とは、特に限定されない。本実施の形態の半導体装置において、配線層が絶縁膜中に埋め込まれている構成においては、他も同様である。
【０１３６】
また、本実施の形態において、積層する絶縁膜及び配線層は、上面にＣＭＰ法による平坦化処理が施されており、平坦化された絶縁膜及び配線層上に上層の絶縁膜及び配線層形成する例である。
【０１３７】
絶縁膜７３４、導電層７５１、及び配線層７１６上にトンネル絶縁膜７５２を形成し、該トンネル絶縁膜７５２上に導電層７５１と重なる電荷蓄積層７５３を形成する。
【０１３８】
電荷蓄積層７５３上に酸化物絶縁膜７５４を形成し、平坦化処理された酸化物絶縁膜７５４上に酸化物半導体膜７５５を形成する。酸化物半導体膜７５５上に、電荷蓄積層７５３と重なるゲート絶縁膜７５６、ゲート電極層７５７を形成する。本実施の形態では、ゲート絶縁膜７５６はゲート電極層７５７をマスクとしてエッチングされた島状の形状である例を示す。
【０１３９】
酸化物絶縁膜７５４、酸化物半導体膜７５５、ゲート絶縁膜７５６、ゲート電極層７５７を覆う絶縁膜７５８を形成し、絶縁膜７５８上に絶縁膜７３５を積層する。
【０１４０】
絶縁膜７５８及び絶縁膜７３５に酸化物半導体膜７５５に達する開口を形成し、該開口にソース電極層又はドレイン電極層として機能する配線層７６０、７６１を形成する。
【０１４１】
また、トンネル絶縁膜７５２、酸化物絶縁膜７５４、絶縁膜７５８、及び絶縁膜７３５に配線層７１４酸に達する開口を形成し、該開口に配線層７１７を形成する。
【０１４２】
絶縁膜７３５、配線層７６０、配線層７６１、及び配線層７１７上に絶縁膜７３６を形成し、絶縁膜７３６に形成された開口に、配線層７６０、配線層７６１、配線層７１７それぞれに電気的に接続する配線層７６２、配線層７６３、配線層７１８を形成する。
【０１４３】
以上の工程で、トランジスタ７１０上にトランジスタ７５０が設けられた、半導体素子の積層構造を有する半導体装置を作製することができる。半導体素子を積層することによって、半導体装置の高集積化が可能となり、本実施の形態で示すように異なる半導体材料を含む半導体素子を組み合わせることにより、様々な機能を有する高機能デバイスを作製することが可能となる。
【０１４４】
本実施の形態における半導体装置においては、電荷蓄積層７５３に蓄えられた電荷によって、トランジスタ７５０のしきい値電圧を精密に制御することができる。電荷蓄積層７５３に蓄えられる電荷は、導電層７５１に電位を供給する（電圧を印加する）ことで、トンネル絶縁膜７５２を介して、導電層７５１から供給される。
【０１４５】
電荷蓄積層７５３は周囲を酸化物絶縁物（例えば、トンネル絶縁膜７５２及び酸化物絶縁膜７５４）で覆われており、他の電極層や配線と電気的に接続がない状態（所謂浮遊（フローティング）状態）である。電荷蓄積層７５３は、蓄えられた電荷を長時間保持することができるため、一度必要な電荷量を供給した後は、導電層７５１への電力供給を停止することができる。その後、電荷蓄積層７５３が蓄積する電荷量を変更したい場合は、再度導電層７５１へ電力供給を行えばよい。
【０１４６】
このように、トランジスタ７５０の電気的特性を制御するための電荷蓄積層７５３は、常に連続した電力供給を必要とする電極層とは異なり、ごく短い電荷供給時に電荷を供給する導電層７５１に電力供給を行うのみである。よって、半導体装置において大きな消費電力の増加は招かない。
【０１４７】
また、電荷蓄積層７５３は浮遊状態であり、周囲に囲まれた酸化物絶縁物によって電気的に絶縁されるため、保持期間においては電位の変動が少なく、安定した電位を酸化物半導体膜７５５に供給することができる。トンネル絶縁膜７５２を介する電荷の供給頻度も少ないため、トンネル絶縁膜７５２の劣化に起因する電荷蓄積層７５３の電荷保持能力の低下も抑制することができる。
【０１４８】
さらに、電荷蓄積層７５３の電荷を制御することのできる導電層７５１を、トンネル絶縁膜７５２を介して配置しているので、電荷蓄積層７５３の電位は、必要に応じて変更することができる。
【０１４９】
従って、半導体装置において、トランジスタ７５０への所望の電気特性の付与、保持、変更を、消費電力の増加は抑えながら正確に行うことが可能となる。
【０１５０】
トランジスタ７５０の電気特性を、それぞれ個々に決定することができるため、半導体装置の回路設計やデバイス構造において自由度が広がる。
【０１５１】
さらに、作製時における形状不良等に起因する、電気的特性ばらつきも、トランジスタ７５０完成後に解消することができるため、歩留まり及び生産性が向上する。
【０１５２】
使用中において、経時劣化によるトランジスタ７５０の電気特性の不良、又は半導体装置としての電気的な不具合、あるいは意図的な電気特性の変更要求があった場合、半導体装置のメンテナンスに応じることができる。
【０１５３】
また、本実施の形態に示す半導体装置では、異なる半導体材料を用いた半導体素子を積層することにより、微細化及び高集積化を実現し、かつ安定で高い電気的特性を付与された半導体装置、及び該半導体装置の作製方法を提供することができる。
【０１５４】
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。
【０１５５】
（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。
【０１５６】
図４（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４（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。
【０１５７】
図４（Ｂ）、及び図４（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４（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４（Ｂ）、及び図４（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。
【０１５８】
また図４（Ｂ）、及び図４（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。
【０１５９】
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４（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４（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４（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。
【０１６０】
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。
【０１６１】
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ＴＡＢテープもしくはＴＣＰが取り付けられたモジュール、ＴＡＢテープや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。
【０１６２】
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又は実施の形態２に示したに示したトランジスタを適用することができる。
【０１６３】
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。
【０１６４】
また、半導体装置の一形態について、図５を用いて説明する。図５は、図４（Ｂ）のＭ−Ｎにおける断面図に相当する。
【０１６５】
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が有する端子と異方性導電膜４０１９を介して、電気的に接続されている。
【０１６６】
接続端子電極４０１５は、第１の電極層４０３０と同じ導電膜から形成され、端子電極４０１６は、トランジスタ４０１０、４０１１のソース電極層及びドレイン電極層と同じ導電膜で形成されている。
【０１６７】
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５では、画素部４００２に含まれるトランジスタ４０１０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６（Ａ）では、トランジスタ４０１０、４０１１上には絶縁膜４０２４が設けられ、図６（Ｂ）では、さらに、絶縁膜４０２１が設けられている。
【０１６８】
トランジスタ４０１０、４０１１としては、実施の形態１又は実施の形態２に示したトランジスタ４４０（４４０ａ乃至４４０ｃ）、７５０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４４０ａ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４０１０、４０１１は、トップゲート構造のトランジスタである。
【０１６９】
本実施の形態では、酸化物半導体膜をチャネル形成領域に用いたトランジスタ４０１０、４０１１を有する半導体装置において、順に積層された、導電層、トンネル絶縁膜、酸化物絶縁物によって周囲を囲まれている電荷蓄積層、酸化物絶縁膜、酸化物半導体膜、ゲート絶縁膜、及びゲート電極層と、酸化物半導体膜に電気的に接するソース電極層及びドレイン電極層とを有する。
【０１７０】
電荷蓄積層に蓄えられた電荷によって、トランジスタ４０１０、４０１１のしきい値電圧を精密に制御する。電荷蓄積層に蓄えられる電荷は、導電層に電位を供給する（電圧を印加する）ことで、トンネル絶縁膜を介して、導電層から供給される。
【０１７１】
電荷蓄積層は周囲を酸化物絶縁物（本実施の形態では、トンネル絶縁膜及び酸化物絶縁膜）で覆われており、他の電極層や配線と電気的に接続がない状態（所謂浮遊（フローティング）状態）である。電荷蓄積層は、蓄えられた電荷を長時間保持することができるため、一度必要な電荷量を供給した後は、導電層への電力供給を停止することができる。その後、電荷蓄積層が蓄積する電荷量を変更したい場合は、再度導電層へ電力供給を行えばよい。
【０１７２】
このように、トランジスタ４０１０、４０１１の電気的特性を制御するための電荷蓄積層は、常に連続した電力供給を必要とする電極層とは異なり、ごく短い電荷供給時に電荷を供給する導電層に電力供給を行うのみである。よって、半導体装置において大きな消費電力の増加は招かない。
【０１７３】
また、電荷蓄積層は浮遊状態であり、周囲に囲まれた絶縁膜によって電気的に絶縁されるため、保持期間においては電位の変動が少なく、安定した電位を酸化物半導体膜に供給することができる。トンネル絶縁膜を介する電荷の供給頻度も少ないため、トンネル絶縁膜の劣化に起因する電荷蓄積層の電荷保持能力の低下も抑制することができる。
【０１７４】
さらに、電荷蓄積層の電荷を制御することのできる導電層を、トンネル絶縁膜を介して配置しているので、電荷蓄積層の電位は、必要に応じて変更することができる。
【０１７５】
従って、本実施の形態の半導体装置においては、トランジスタ４０１０、４０１１への所望の電気特性の付与、保持、変更を、消費電力の増加は抑えながら正確に行うことが可能となる。
【０１７６】
トランジスタ４０１０、４０１１の電気特性を、それぞれ個々に決定することができるため、半導体装置の回路設計やデバイス構造において自由度が広がる。
【０１７７】
さらに、作製時における形状不良等に起因する、電気的特性ばらつきも、トランジスタ４０１０、４０１１完成後に解消することができるため、歩留まり及び生産性が向上する。
【０１７８】
使用中において、経時劣化によるトランジスタ４０１０、４０１１の電気特性の不良、又は半導体装置としての電気的な不具合、あるいは意図的な電気特性の変更要求があった場合、半導体装置のメンテナンスに応じることができる。
【０１７９】
半導体装置の回路設計によって、上記トランジスタ４０１０、４０１１と、電荷蓄積層を含まないトランジスタとを混在させて有する半導体装置とすることも可能である。上記トランジスタと、酸化物半導体以外の半導体材料を半導体膜として用いたトランジスタと混在させてもよい。
【０１８０】
従って、本実施の形態の図５で示す、トランジスタ４０１０、４０１１を含む半導体装置は、高機能及び高信頼性の半導体装置とすることができる。
【０１８１】
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。
【０１８２】
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４０３０、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膜４０３２、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４０３０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。
【０１８３】
またスペーサ４０３５は絶縁膜を選択的にエッチングすることで得られる柱状のスペーサであり、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。
【０１８４】
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。
【０１８５】
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４０３０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。静電気の影響により酸化物半導体膜を用いる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膜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。
【０１８６】
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。
【０１８７】
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。
【０１８８】
本明細書に開示する酸化物半導体膜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。
【０１８９】
また、本明細書に開示する酸化物半導体膜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。
【０１９０】
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。
【０１９１】
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。
【０１９２】
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。
【０１９３】
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。
【０１９４】
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。
【０１９５】
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。
【０１９６】
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。
【０１９７】
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。
【０１９８】
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。
【０１９９】
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４０３０、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。
【０２００】
隔壁４５１０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４０３０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。
【０２０１】
電界発光層４５１１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。
【０２０２】
発光素子４５１３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及び隔壁４５１０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。
【０２０３】
また、発光素子４５１３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。
【０２０４】
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。
【０２０５】
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。
【０２０６】
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。
【０２０７】
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。
【０２０８】
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。
【０２０９】
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。
【０２１０】
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。
【０２１１】
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。
【０２１２】
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。
【０２１３】
なお、基板４００１、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、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。また複合材料を用いてもよく、例えば、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒｇｌａｓｓ−Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ）板、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等を用いることもできる。
【０２１４】
絶縁膜４０２４としては、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、又は酸化窒化アルミニウム膜などの酸化物絶縁膜、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、又は窒化酸化アルミニウム膜などの窒化物絶縁膜の単層、又は積層を用いることができる。
【０２１５】
また、平坦化絶縁膜として機能する絶縁膜４０２１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膜を複数積層させることで、絶縁膜を形成してもよい。
【０２１６】
絶縁膜４０２１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、オフセット印刷等、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。
【０２１７】
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、絶縁膜、導電膜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。
【０２１８】
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。
【０２１９】
第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１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、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。
【０２２０】
また、第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１はタングステン、モリブデン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、コバルト、ニッケル、チタン、白金、アルミニウム、銅、銀等の金属、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。
【０２２１】
また、第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１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。
【０２２２】
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。
【０２２３】
以上のように実施の形態１又は実施の形態２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。
【０２２４】
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。
【０２２５】
（実施の形態４）
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、モニタ等の表示装置、照明装置、デスクトップ型或いはノート型のパーソナルコンピュータ、ワードプロセッサ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ）などの記録媒体に記憶された静止画又は動画を再生する画像再生装置、ポータブルＣＤプレーヤ、ラジオ、テープレコーダ、ヘッドホンステレオ、ステレオ、コードレス電話子機、トランシーバ、携帯無線機、携帯電話、自動車電話、携帯型ゲーム機、電卓、携帯情報端末、電子手帳、電子書籍、電子翻訳機、音声入力機器、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、電気シェーバ、電子レンジ等の高周波加熱装置、電気炊飯器、電気洗濯機、電気掃除機、エアコンディショナーなどの空調設備、食器洗い器、食器乾燥器、衣類乾燥器、布団乾燥器、電気冷蔵庫、電気冷凍庫、電気冷凍冷蔵庫、ＤＮＡ保存用冷凍庫、煙感知器、放射線測定器、透析装置等の医療機器、などが挙げられる。さらに、誘導灯、信号機、ベルトコンベア、エレベータ、エスカレータ、産業用ロボット、電力貯蔵システム等の産業機器も挙げられる。また、石油を用いたエンジンや、非水系二次電池からの電力を用いて電動機により推進する移動体なども、電気機器の範疇に含まれるものとする。上記移動体として、例えば、電気自動車（ＥＶ）、内燃機関と電動機を併せ持ったハイブリッド車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ）、これらのタイヤ車輪を無限軌道に変えた装軌車両、電動アシスト自転車を含む原動機付自転車、自動二輪車、電動車椅子、ゴルフ用カート、小型又は大型船舶、潜水艦、ヘリコプター、航空機、ロケット、人工衛星、宇宙探査機、惑星探査機、宇宙船が挙げられる。
【０２２６】
上記実施の形態で説明した半導体装置を具備する電子機器の例について説明する。例えば、電子機器のＣＰＵ、メモリ等の回路部には実施の形態１で示すトランジスタ、実施の形態２で示す半導体装置が適用でき、表示部には実施の形態３で示す表示装置が適用することができる。
【０２２７】
図６（Ａ）は、ノート型のパーソナルコンピュータであり、本体３００１、筐体３００２、表示部３００３、キーボード３００４などによって構成されている。実施の形態１乃至３のいずれかで示した半導体装置を適用することにより、高性能及び高信頼性のノート型のパーソナルコンピュータとすることができる。
【０２２８】
図６（Ｂ）は、携帯音楽プレーヤであり、本体３０２１には表示部３０２３と、耳に装着するための固定部３０２２と、スピーカ、操作ボタン３０２４、外部メモリスロット３０２５等が設けられている。実施の形態１乃至３のいずれかで示した半導体装置を適用することにより、高性能及び高信頼性な携帯音楽プレイヤー（ＰＤＡ）とすることができる。
【０２２９】
さらに、図６（Ｂ）に示す携帯音楽プレーヤ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。
【０２３０】
図６（Ｃ）は、電子書籍の一例を示している。例えば、電子書籍は、筐体２７０１および筐体２７０３の２つの筐体で構成されている。筐体２７０１および筐体２７０３は、軸部２７１１により一体とされており、該軸部２７１１を軸として開閉動作を行うことができる。このような構成により、紙の書籍のような動作を行うことが可能となる。
【０２３１】
筐体２７０１には表示部２７０５が組み込まれ、筐体２７０３には表示部２７０７が組み込まれている。表示部２７０５および表示部２７０７は、続き画面を表示する構成としてもよいし、異なる画面を表示する構成としてもよい。異なる画面を表示する構成とすることで、例えば右側の表示部（図６（Ｃ）では表示部２７０５）に文章を表示し、左側の表示部（図６（Ｃ）では表示部２７０７）に画像を表示することができる。実施の形態１乃至３のいずれかで示した半導体装置を適用することにより、高性能及び高信頼性な電子書籍とすることができる。表示部２７０５として半透過型、又は反射型の液晶表示装置を用いる場合、比較的明るい状況下での使用も予想されるため、太陽電池を設け、太陽電池による発電、及びバッテリーでの充電を行えるようにしてもよい。なおバッテリーとしては、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。
【０２３２】
また、図６（Ｃ）では、筐体２７０１に操作部などを備えた例を示している。例えば、筐体２７０１において、電源２７２１、操作キー２７２３、スピーカ２７２５などを備えている。操作キー２７２３により、頁を送ることができる。なお、筐体の表示部と同一面にキーボードやポインティングデバイスなどを備える構成としてもよい。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。さらに、電子書籍は、電子辞書としての機能を持たせた構成としてもよい。
【０２３３】
また、電子書籍は、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。
【０２３４】
図６（Ｄ）は、携帯電話であり、筐体２８０１には、表示パネル２８０２、スピーカ２８０３、マイクロフォン２８０４、ポインティングデバイス２８０６、カメラ用レンズ２８０７、外部接続端子２８０８などを備えている。また、アンテナは筐体２８０１内部に内蔵されている。実施の形態１乃至３のいずれかで示した半導体装置を適用することにより、高性能及び高信頼性な携帯電話とすることができる。
【０２３５】
また、表示パネル２８０２はタッチパネルを備えており、図６（Ｄ）には映像表示されている複数の操作キー２８０５を点線で示している。なお、太陽電池セル２８１０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。
【０２３６】
表示パネル２８０２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２８０２と同一面上にカメラ用レンズ２８０７を備えているため、テレビ電話が可能である。スピーカ２８０３及びマイクロフォン２８０４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。
【０２３７】
外部接続端子２８０８はＡＣアダプタ及びＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能であり、充電及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２８１１に記録媒体を挿入し、より大量のデータ保存及び移動に対応できる。
【０２３８】
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。
【０２３９】
図６（Ｅ）は、デジタルビデオカメラであり、本体３０５１、表示部（Ａ）３０５７、接眼部３０５３、操作スイッチ３０５４、表示部（Ｂ）３０５５、バッテリー３０５６などによって構成されている。実施の形態１乃至３のいずれかで示した半導体装置を適用することにより、高性能及び高信頼性なデジタルビデオカメラとすることができる。
【０２４０】
図６（Ｆ）は、テレビジョン装置の一例を示している。テレビジョン装置は、筐体９６０１に表示部９６０３が組み込まれている。表示部９６０３により、映像を表示することが可能である。また、ここでは、スタンド９６０５により筐体９６０１を支持した構成を示している。実施の形態１乃至３のいずれかで示した半導体装置を適用することにより、高性能及び高信頼性なテレビジョン装置とすることができる。
【０２４１】
テレビジョン装置の操作は、筐体９６０１が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機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。
【０２４２】
なお、テレビジョン装置は、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。
【０２４３】
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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