(57)【要約】【課題】酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の優れたトランジスタを有すると共に、信頼性に優れたトランジスタを有する半導体装置を提供する。【解決手段】ゲート電極と、ゲート絶縁体と、酸化物半導体と、パッシベーション酸化物絶縁体と、を有し、ゲート絶縁体は、ゲート電極上に配置され、酸化物半導体は、ゲート絶縁体上に配置され、パッシベーション酸化物絶縁体は、酸化物半導体上に配置された半導体装置であって、昇温脱離ガス分析において、膜の表面温度が１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲で、酸素分子に換算しての酸素の脱離量が８．０×１０１４ｍｏｌｅｃｕｌｅ／ｃｍ２以上である半導体装置である。【選択図】図１
2016086170.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲート電極と、ゲート絶縁体と、酸化物半導体と、パッシベーション酸化物絶縁体と、を有し、
前記ゲート絶縁体は、前記ゲート電極上に配置され、
前記酸化物半導体は、前記ゲート絶縁体上に配置され、
前記パッシベーション酸化物絶縁体は、前記酸化物半導体上に配置された半導体装置であって、
昇温脱離ガス分析において、膜の表面温度が１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲で、酸素分子に換算しての酸素の脱離量が８．０×１０１４ｍｏｌｅｃｕｌｅ／ｃｍ２以上であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
基板と、前記基板上の酸化物絶縁体と、前記酸化物絶縁体上の酸化物半導体と、前記酸化物半導体上の酸化物絶縁体と、前記酸化物絶縁体上の無機物と、有機絶縁体と、表示層と、対向基板と、を有する、半導体装置において、
前記酸化物半導体上の前記酸化物絶縁体より上方の全ての層を除去し、
１ｃｍ角の大きさに分断した後、酸素の脱離量を昇温脱離ガス分析法により、膜の表面温度が１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲で測定し、測定する評価方法。
【請求項３】
基板と、前記基板上の酸化物絶縁体と、前記酸化物絶縁体上の酸化物半導体と、前記酸化物半導体上の酸化物絶縁体と、前記酸化物絶縁体上の無機物と、有機絶縁体と、液晶層と、対向基板と、を有する、半導体装置において、
前記酸化物半導体上の前記酸化物絶縁体より上方の全ての層を除去し、
１ｃｍ角の大きさに分断した後、酸素の脱離量を、昇温脱離ガス分析法により、
膜の表面温度が１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲で測定し、酸素分子に換算しての前記酸素の脱離量が１．０×１０１４ｍｏｌｅｃｕｌｅ／ｃｍ２以上であることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
基板と、前記基板上の酸化物絶縁体と、前記酸化物絶縁体上の酸化物半導体と、前記酸化物半導体上の酸化物絶縁体と、前記酸化物絶縁体上の無機物と、有機絶縁体と、発光素子層と、対向基板と、を有する、半導体装置において、
前記酸化物半導体上の前記酸化物絶縁体より上方の全ての層を除去し、
１ｃｍ角の大きさに分断した後、酸素の脱離量を、昇温脱離ガス分析法により、
膜の表面温度が１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲で測定し、酸素分子に換算しての前記酸素の脱離量が１．０×１０１４ｍｏｌｅｃｕｌｅ／ｃｍ２以上であることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の一態様は、酸化物半導体を有するトランジスタを備えた半導体装置及びその評価方法に関する。
【０００２】
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本発明は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関する。特に、本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、撮像装置、それらの駆動方法、またはそれらの製造方法、またはそれらの製造装置に関する。
【０００３】
なお、本明細書等において、半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、半導体回路、演算装置、記憶装置は、半導体装置の一態様である。撮像装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、電気光学装置、発電装置（薄膜太陽電池、有機薄膜太陽電池等を含む）、及び電子機器は、半導体装置を有している場合がある。
【背景技術】
【０００４】
絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタ、または薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）ともいう）を構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（表示装置）のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコンを代表とする半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている（例えば、特許文献１）。
【０００５】
また、チャネルを形成する酸化物半導体層の下地絶縁層に、加熱により酸素を放出する絶縁層を用い、該酸化物半導体層の酸素欠損を低減する半導体装置が開示されている（例えば、特許文献２）。
【０００６】
また、酸化物半導体層上に酸化物絶縁層を形成し、酸化物絶縁層を通過して酸素を導入（添加）し、加熱処理を行い、該酸素導入及び該加熱処理によって、水素、水分、水酸基または水素化物などの不純物を酸化物半導体層より排除し、酸化物半導体層を高純度化する半導体装置の作製方法が開示されている（例えば、特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表平１１−５０５３７７
【特許文献２】特開２０１２−００９８３６
【特許文献３】特開２０１１−１９９２７２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
酸化物半導体膜に含まれる欠陥として、酸素欠損がある。例えば、酸化物半導体膜中に酸素欠損が含まれている酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナス方向に変動しやすく、ノーマリーオン特性となりやすい。これは、酸化物半導体膜に含まれる酸素欠損に起因して電荷が生じ、低抵抗化するためである。トランジスタがノーマリーオン特性を有すると、動作時に動作不良が発生しやすくなる、または非動作時の消費電力が高くなるなどの、様々な問題が生じる。また、経時変化やストレス試験による、トランジスタの電気特性、代表的にはしきい値電圧の変動量が増大するという問題がある。
【０００９】
そこで、本発明の一態様は、電気特性の優れたトランジスタを有する半導体装置を提供することを課題の一とする。または、信頼性に優れたトランジスタを有する半導体装置を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、消費電力が低減された半導体装置を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、新規な半導体装置を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、新規な表示装置を提供することを課題の一とする。
【００１０】
なお、上記の課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はない。上記以外の課題は、明細書等の記載から自ずと明らかになるものであり、明細書等の記載から上記以外の課題を抽出することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（１）本発明の一態様は、ゲート電極と、ゲート絶縁体と、酸化物半導体と、パッシベーション酸化物絶縁体と、を有し、ゲート絶縁体は、ゲート電極上に配置され、酸化物半導体は、ゲート絶縁体上に配置され、パッシベーション酸化物絶縁体は、酸化物半導体上に配置された半導体装置であって、昇温脱離ガス分析において、膜の表面温度が１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲で測定し、酸素分子に換算しての酸素の脱離量が８．０×１０１４ｍｏｌｅｃｕｌｅ／ｃｍ２以上であることを特徴とする半導体装置である。
（２）または、本発明の一態様は、基板と、基板上の酸化物絶縁体と、酸化物絶縁体上の酸化物半導体と、酸化物半導体上の酸化物絶縁体と、酸化物絶縁体上の無機物と、有機絶縁体と、表示層と、対向基板と、を有する、半導体装置において、酸化物半導体上の酸化物絶縁体より上方の全ての層を除去し、１ｃｍ角の大きさに分断した後、酸素の脱離量を昇温脱離ガス分析法により、膜の表面温度が１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲で測定し、測定する評価方法である。
（３）または、本発明の一態様は、基板と、基板上の酸化物絶縁体と、酸化物絶縁体上の酸化物半導体と、酸化物半導体上の酸化物絶縁体と、酸化物絶縁体上の無機物と、有機絶縁体と、液晶層と、対向基板と、を有する、半導体装置において、酸化物半導体上の酸化物絶縁体より上方の全ての層を除去し、１ｃｍ角の大きさに分断した後、酸素の脱離量を、昇温脱離ガス分析法により、膜の表面温度が１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲で測定し、酸素分子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１４ｍｏｌｅｃｕｌｅ／ｃｍ２以上であることを特徴とする半導体装置である。
（４）または、本発明の一態様は、基板と、基板上の酸化物絶縁体と、酸化物絶縁体上の酸化物半導体と、酸化物半導体上の酸化物絶縁体と、酸化物絶縁体上の無機物と、有機絶縁体と、発光素子層と、対向基板と、を有する、半導体装置において、酸化物半導体上の酸化物絶縁体より上方の全ての層を除去し、１ｃｍ角の大きさに分断した後、酸素の脱離量を、昇温脱離ガス分析法により、膜の表面温度が１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲で測定し、酸素分子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１４ｍｏｌｅｃｕｌｅ／ｃｍ２以上であることを特徴とする半導体装置である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の一態様により、電気特性の優れたトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、信頼性に優れたトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、新規な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、新規な表示装置を提供することができる。
【００１３】
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】
【００１４】
【図１】半導体装置の一形態を説明する上面図及び断面図。
【図２】半導体装置の一形態を説明する上面図及び断面図。
【図３】半導体装置の一形態を説明する上面図及び断面図。
【図４】半導体装置の作製方法の一形態を説明する断面図。
【図５】半導体装置の作製方法の一形態を説明する断面図。
【図６】半導体装置の作製方法の一形態を説明する断面図。
【図７】半導体装置の一態様を説明する上面図と断面図。
【図８】評価サンプル作製方法の一形態を説明する断面図。
【図９】評価サンプル作製方法の一形態を説明する断面図。
【図１０】評価サンプル作製方法の一形態を説明する断面図。
【図１１】評価サンプル作製方法の一形態を説明する断面図。
【図１２】評価サンプル作製方法の一形態を説明する断面図。
【図１３】評価サンプル作製方法の一形態を説明する断面図。
【図１４】半導体装置の一形態を説明する断面図。
【図１５】半導体装置の一形態を説明する断面図と評価サンプル作製方法の一形態を説明する断面図。
【図１６】半導体装置の一形態を説明する断面図。
【図１７】評価サンプル作製方法の一形態を説明する断面図。
【図１８】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１９】ＣＡＡＣ−ＯＳの平面におけるＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像。
【図２０】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２１】ＣＡＡＣ−ＯＳの電子回折パターンを示す図。
【図２２】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２３】表示装置を説明するブロック図及び回路図。
【図２４】撮像装置を説明する断面図。
【図２５】撮像装置形状を説明する斜視図と断面図。
【図２６】表示モジュールを説明する図。
【図２７】電子機器の一例を示す図。
【図２８】記憶装置の回路を説明する図。
【図２９】ＣＰＵの一例を示すブロック図。
【図３０】ＲＦタグの一例を示す図。
【図３１】実施例のＴＤＳ分析結果のグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、以下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。
【００１６】
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。
【００１７】
また、本明細書にて用いる第１、第２、第３などの用語は、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」などと適宜置き換えて説明することができる。
【００１８】
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入れ替わることがある。このため、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」の用語は、入れ替えて用いることができるものとする。
【００１９】
また、電圧とは２点間における電位差のことをいい、電位とはある一点における静電場の中にある単位電荷が持つ静電エネルギー（電気的な位置エネルギー）のことをいう。ただし、一般的に、ある一点における電位と基準となる電位（例えば接地電位）との電位差のことを、単に電位もしくは電圧と呼び、電位と電圧が同義語として用いられることが多い。このため、本明細書では特に指定する場合を除き、電位を電圧と読み替えてもよいし、電圧を電位と読み替えてもよいこととする。
【００２０】
また、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジスタなどのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、キャパシタ、その他の各種機能を有する素子などが含まれる。
【００２１】
また、本明細書等において、酸化窒化シリコン膜とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多い膜を指し、窒化酸化シリコン膜とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い膜を指す。
【００２２】
また、本明細書等において、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる。
【００２３】
また、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「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。
【００２４】
なお、「膜」という言葉と、「層」という言葉とは、場合によっては、または、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。
【００２５】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置について、図１乃至図４を参照して説明する。
【００２６】
＜半導体装置の構成例１＞
図１（Ａ）は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ１００の上面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当する。なお、図１（Ａ）において、煩雑になることを避けるため、トランジスタ１００の構成要素の一部（ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜等）を省略して図示している。また、一点鎖線Ｘ１−Ｘ２方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｙ１−Ｙ２方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。なお、トランジスタの上面図においては、以降の図面においても図１（Ａ）と同様に、構成要素の一部を省略して図示する場合がある。
【００２７】
トランジスタ１００は、基板１０２上のゲート電極として機能する導電膜１０４と、基板１０２及び導電膜１０４上の絶縁膜１０６と、絶縁膜１０６上の絶縁膜１０７と、絶縁膜１０７上の酸化物半導体膜１０８と、酸化物半導体膜１０８に電気的に接続されるソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜１１２ａ、１１２ｂと、を有する。また、トランジスタ１００上、より詳しくは、導電膜１１２ａ、１１２ｂ及び酸化物半導体膜１０８上には絶縁膜１１４、１１６が設けられ、絶縁膜１１６上には保護膜１１７が設けられる。また、図１（Ｂ）（Ｃ）に示すように、保護膜１１７上に絶縁膜１１８を設ける構成としてもよい。
【００２８】
また、絶縁膜１０６及び絶縁膜１０７を第１の絶縁膜と呼称する場合があり、該第１の絶縁膜は、トランジスタ１００のゲート絶縁膜としての機能を有する。また、絶縁膜１１４及び絶縁膜１１６を第２の絶縁膜と呼称する場合があり、該第２の絶縁膜は、酸素を有し、酸化物半導体膜１０８中に酸素を供給する機能を有する。また、絶縁膜１１８は、トランジスタ１００中に入り込む不純物を抑制する保護絶縁膜としての機能を有する。
【００２９】
トランジスタ１００が有する酸化物半導体膜１０８は、例えば、酸素欠損の場所に水素が入るとキャリアを発生させるなど、ノーマリーオン特性になりやすい。したがって、酸化物半導体膜１０８中の酸素欠損を減らすことが、安定したトランジスタ特性を得る上でも重要となる。本発明の一態様のトランジスタの構成においては、酸化物半導体膜１０８上の絶縁膜、ここでは、酸化物半導体膜１０８上の絶縁膜１１４に過剰な酸素を導入することで、絶縁膜１１４から酸化物半導体膜１０８中に酸素を移動させ、酸化物半導体膜１０８中の酸素欠損を補填することを特徴とする。または、酸化物半導体膜１０８上の絶縁膜１１６に過剰な酸素を導入することで、絶縁膜１１６から絶縁膜１１４を介し、酸化物半導体膜１０８中に酸素を移動させ、酸化物半導体膜１０８中の酸素欠損を補填することを特徴とする。または、酸化物半導体膜１０８上の絶縁膜１１４及び絶縁膜１１６に過剰な酸素を導入することで、絶縁膜１１４及び絶縁膜１１６の双方から酸化物半導体膜１０８中に酸素を移動させ、酸化物半導体膜１０８中の酸素欠損を補填することを特徴とする。
【００３０】
また、絶縁膜１１４、１１６としては、化学量論的組成よりも過剰に酸素を含有する領域（酸素過剰領域）を有することがより好ましい。別言すると、絶縁膜１１４、１１６は、酸素を放出することが可能な絶縁膜である。なお、絶縁膜１１４、１１６に酸素過剰領域を設けるには、例えば、成膜後の絶縁膜１１４、１１６に酸素を導入して、酸素過剰領域を形成する。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理等を用いることができる。
【００３１】
また、絶縁膜１１４、１１６が有する酸素は、熱処理によって、酸化物半導体膜１０８へ拡散される。例えば、昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ））にて、絶縁膜１１４、１１６中の酸素分子の放出量を測定することができる。
【００３２】
一方で、絶縁膜１１４、１１６が有する酸素は、トランジスタ１００の作製工程中の加熱処理時に外部に拡散してしまい、酸化物半導体膜１０８中に好適に移動できない場合がある。しかしながら、本発明の一態様の半導体装置においては、トランジスタ１００の上方、具体的には、絶縁膜１１６上に保護膜１１７を有する構成である。保護膜１１７は、酸素導入時においては、酸素を通過する機能を有し、熱処理時においては、酸素の放出を抑制する機能を有する。具体的には、保護膜１１７は、酸化物半導体膜１０８と同一の金属元素を少なくとも一つ有する。
【００３３】
以上のように、酸化物半導体膜１０８上に絶縁膜１１４、１１６を設けることによって、絶縁膜１１４、１１６中の酸素を酸化物半導体膜１０８へ移動させ、酸化物半導体膜１０８中に形成される酸素欠損を補填することが可能となる。ただし、絶縁膜１１４、１１６がなくても構わない。また、絶縁膜１１６上に酸素の放出を抑制する機能を有する保護膜１１７を設けることによって、トランジスタ１００の作製工程中の加熱処理時に絶縁膜１１４、１１６中の酸素を外部に拡散するのを抑制することができる。したがって、酸化物半導体膜１０８中の酸素欠損を好適に補填することが可能となり、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【００３４】
＜半導体装置の構成例２＞
次に、図１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００と異なる構成例について、図２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）を用いて説明する。なお、先に説明した機能と同様の機能を有する場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
【００３５】
図２（Ａ）は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ１５０の上面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し、図２（Ｃ）は、図２（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当する。
【００３６】
トランジスタ１５０は、基板１０２上のゲート電極として機能する導電膜１０４と、基板１０２及び導電膜１０４上の絶縁膜１０６と、絶縁膜１０６上の絶縁膜１０７と、絶縁膜１０７上の酸化物半導体膜１０８と、酸化物半導体膜１０８上の絶縁膜１１４と、絶縁膜１１４上の絶縁膜１１６と、絶縁膜１１４及び絶縁膜１１６に設けられる開口部１４１ａ、１４１ｂを介して酸化物半導体膜１０８に電気的に接続されるソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜１１２ａ、１１２ｂと、を有する。また、トランジスタ１５０上、より詳しくは、導電膜１１２ａ、１１２ｂ、及び絶縁膜１１６上には保護膜１１７が設けられる。また、図２（Ｂ）（Ｃ）に示すように保護膜１１７上に絶縁膜１１８を設ける構成としてもよい。
【００３７】
先に示すトランジスタ１００においては、チャネルエッチ型の構造であったのに対し、図２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１５０は、チャネル保護型の構造である。このように、本発明の一態様の半導体装置は、チャネルエッチ型及びチャネル保護型の双方のトランジスタ構造とすることができる。
【００３８】
トランジスタ１５０としては、先に示すトランジスタ１００と同様に、酸化物半導体膜１０８上に、絶縁膜１１４、１１６が設けられる構成のため、絶縁膜１１４、１１６に含まれる酸素が酸化物半導体膜１０８中の酸素欠損を補填することができる。また、絶縁膜１１６上に酸素の放出を抑制する機能を有する保護膜１１７を設けることによって、トランジスタ１５０の作製工程中の加熱処理時に絶縁膜１１４、１１６中の酸素を外部に拡散するのを抑制することができる。したがって、酸化物半導体膜１０８中の酸素欠損を好適に補填することが可能となり、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【００３９】
＜半導体装置の構成例３＞
次に、図１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００と異なる構成例について、図３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）を用いて説明する。なお、先に説明した機能と同様の機能を有する場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
【００４０】
図３（Ａ）は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ１７０の上面図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し、図３（Ｃ）は、図３（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当する。
【００４１】
トランジスタ１７０は、基板１０２上のゲート電極として機能する導電膜１０４と、基板１０２及び導電膜１０４上の絶縁膜１０６と、絶縁膜１０６上の絶縁膜１０７と、絶縁膜１０７上の酸化物半導体膜１０８と、酸化物半導体膜１０８に電気的に接続されるソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜１１２ａ、１１２ｂと、酸化物半導体膜１０８、及び導電膜１１２ａ、１１２ｂ上の絶縁膜１１４と、絶縁膜１１４上の絶縁膜１１６と、絶縁膜１１６上の保護膜１１７と、保護膜１１７上の絶縁膜１１８と、絶縁膜１１８上の導電膜１２０ａ、１２０ｂと、を有する。また、導電膜１２０ａは、絶縁膜１１４、１１６、１１８、及び保護膜１１７に設けられる開口部１４２ｃを介して、導電膜１１２ｂと接続される。また、導電膜１２０ｂは、酸化物半導体膜１０８と重畳する位置に形成される。
【００４２】
また、トランジスタ１７０において、絶縁膜１１４、１１６、１１８、及び保護膜１１７は、トランジスタ１７０の第２のゲート絶縁膜としての機能を有する。また、トランジスタ１７０において、導電膜１２０ａは、例えば、表示装置に用いる画素電極としての機能を有する。また、トランジスタ１７０において、導電膜１２０ｂは、第２のゲート電極（バックゲート電極ともいう）として機能する。
【００４３】
また、図３（Ｃ）に示すように導電膜１２０ｂは、絶縁膜１０６、１０７、１１４、１１６、１１８、及び保護膜１１７に設けられる開口部１４２ａ、１４２ｂにおいて、ゲート電極として機能する導電膜１０４に接続される。よって、導電膜１２０ｂと導電膜１０４には、同じ電位が与えられる。
【００４４】
なお、本実施の形態においては、開口部１４２ａ、１４２ｂを設け、導電膜１２０ｂと導電膜１０４を接続する構成について例示したが、これに限定されない。例えば、開口部１４２ａまたは開口部１４２ｂのいずれか一方の開口部のみを形成し、導電膜１２０ｂと導電膜１０４を接続する構成、または開口部１４２ａ及び開口部１４２ｂを設けずに、導電膜１２０ｂと導電膜１０４を接続しない構成としてもよい。なお、導電膜１２０ｂと導電膜１０４を接続しない構成の場合、導電膜１２０ｂと導電膜１０４には、それぞれ異なる電位を与えることができる。
【００４５】
また、図３（Ｂ）に示すように、酸化物半導体膜１０８は、ゲート電極として機能する導電膜１０４と、第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ｂのそれぞれと対向するように位置し、２つのゲート電極として機能する導電膜に挟まれている。第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ｂのチャネル長方向の長さ及びチャネル幅方向の長さは、酸化物半導体膜１０８のチャネル長方向の長さ及びチャネル幅方向の長さよりもそれぞれ長く、酸化物半導体膜１０８の全体は、絶縁膜１１４、１１６、１１８、及び保護膜１１７を介して導電膜１２０ｂに覆われている。また、第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ｂとゲート電極として機能する導電膜１０４とは、絶縁膜１０６、１０７、１１４、１１６、１１８、及び保護膜１１７に設けられる開口部１４２ａ、１４２ｂにおいて接続されるため、酸化物半導体膜１０８のチャネル幅方向の側面は、絶縁膜１１４、１１６、１１８、及び保護膜１１７を介して第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ｂと対向している。
【００４６】
別言すると、トランジスタ１７０のチャネル幅方向において、ゲート電極として機能する導電膜１０４及び第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ｂは、ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜１０６、１０７及び第２のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜１１４、１１６、１１８、及び保護膜１１７に設けられる開口部において接続すると共に、ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜１０６、１０７及び第２のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜１１４、１１６、１１８、及び保護膜１１７を介して酸化物半導体膜１０８を囲む構成である。
【００４７】
このような構成を有することで、トランジスタ１７０に含まれる酸化物半導体膜１０８を、ゲート電極として機能する導電膜１０４及び第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ｂの電界によって電気的に囲むことができる。トランジスタ１７０のように、ゲート電極及び第２のゲート電極の電界によって、チャネル領域が形成される酸化物半導体膜を電気的に囲むトランジスタのデバイス構造をｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ  ｃｈａｎｎｅｌ（ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造と呼ぶことができる。
【００４８】
トランジスタ１７０は、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有するため、ゲート電極として機能する導電膜１０４によってチャネルを誘起させるための電界を効果的に酸化物半導体膜１０８に印加することができるため、トランジスタ１７０の電流駆動能力が向上し、高いオン電流特性を得ることが可能となる。また、オン電流を高くすることが可能であるため、トランジスタ１７０を微細化することが可能となる。また、トランジスタ１７０は、ゲート電極として機能する導電膜１０４及び第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ｂによって囲まれた構造を有するため、トランジスタ１７０の機械的強度を高めることができる。
【００４９】
その他の構成は、図１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示す、トランジスタ１００と同様であり、同様の効果を奏する。
【００５０】
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。
【００５１】
＜基板＞
基板１０２の材質などに大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有している必要がある。例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板等を、基板１０２として用いてもよい。また、シリコンや炭化シリコンなどからなる単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム等の化合物半導体基板、ＳＯＩ基板等を適用することも可能であり、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板１０２として用いてもよい。なお、基板１０２として、ガラス基板を用いる場合、第６世代（１５００ｍｍ×１８５０ｍｍ）、第７世代（１８７０ｍｍ×２２００ｍｍ）、第８世代（２２００ｍｍ×２４００ｍｍ）、第９世代（２４００ｍｍ×２８００ｍｍ）、第１０世代（２９５０ｍｍ×３４００ｍｍ）等の大面積基板を用いることで、大型の表示装置を作製することができる。
【００５２】
また、基板１０２として、可撓性基板を用い、可撓性基板上に直接、トランジスタ１００を形成してもよい。または、基板１０２とトランジスタ１００の間に剥離層を設けてもよい。剥離層は、その上に半導体装置を一部あるいは全部完成させた後、基板１０２より分離し、他の基板に転載するのに用いることができる。その際、トランジスタ１００は耐熱性の劣る基板や可撓性の基板にも転載できる。
【００５３】
＜導電膜＞
ゲート電極として機能する導電膜１０４、及びソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜１１２ａ、１１２ｂとしては、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）から選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いてそれぞれ形成することができる。
【００５４】
また、導電膜１０４、１１２ａ、１１２ｂは、単層構造でも、二層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜または窒化タングステン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造等がある。また、アルミニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた一または複数を組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
【００５５】
また、導電膜１０４、１１２ａ、１１２ｂには、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化シリコンを添加したインジウム錫酸化物等の透光性を有する導電性材料を適用することもできる。
【００５６】
また、導電膜１０４、１１２ａ、１１２ｂには、Ｃｕ−Ｘ合金膜（Ｘは、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔａ、またはＴｉ）を適用してもよい。Ｃｕ−Ｘ合金膜を用いることで、ウエットエッチングプロセスで加工できるため、製造コストを抑制することが可能となる。
【００５７】
＜ゲート絶縁膜＞
トランジスタ１００のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜１０６、１０７としては、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ：（Ｐｌａｓｍａ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ））法、スパッタリング法等により、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化イットリウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ガリウム膜、酸化タンタル膜、酸化マグネシウム膜、酸化ランタン膜、酸化セリウム膜および酸化ネオジム膜を一種以上含む絶縁層を、それぞれ用いることができる。なお、絶縁膜１０６、１０７の積層構造とせずに、上述の材料から選択された単層の絶縁膜、または３層以上の絶縁膜を用いてもよい。
【００５８】
また、絶縁膜１０６は、酸素の透過を抑制するブロッキング膜としての機能を有する。例えば、絶縁膜１０７、１１４、１１６及び／または酸化物半導体膜１０８中に過剰の酸素を供給する場合において、絶縁膜１０６は酸素の透過を抑制することができる。
【００５９】
なお、トランジスタ１００のチャネル領域として機能する酸化物半導体膜１０８と接する絶縁膜１０７は、酸化物絶縁膜であることが好ましく、化学量論的組成よりも過剰に酸素を含有する領域（酸素過剰領域）を有することがより好ましい。別言すると、絶縁膜１０７は、酸素を放出することが可能な絶縁膜である。なお、絶縁膜１０７に酸素過剰領域を設けるには、例えば、酸素雰囲気下にて絶縁膜１０７を形成すればよい。または、成膜後の絶縁膜１０７に酸素を導入して、酸素過剰領域を形成してもよい。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理等を用いることができる。
【００６０】
また、絶縁膜１０７として、酸化ハフニウムを用いる場合、以下の効果を奏する。酸化ハフニウムは、酸化シリコンや酸化窒化シリコンと比べて比誘電率が高い。したがって、等価酸化膜厚に対して物理的な膜厚を大きくできるため、等価酸化膜厚を１０ｎｍ以下または５ｎｍ以下とした場合でも、トンネル電流によるリーク電流を小さくすることができる。すなわち、オフ電流の小さいトランジスタを実現することができる。さらに、結晶構造を有する酸化ハフニウムは、非晶質構造を有する酸化ハフニウムと比べて高い比誘電率を備える。したがって、オフ電流の小さいトランジスタとするためには、結晶構造を有する酸化ハフニウムを用いることが好ましい。結晶構造の例としては、単斜晶系や立方晶系などが挙げられる。ただし、本発明の一態様は、これらに限定されない。
【００６１】
なお、本実施の形態では、絶縁膜１０６として窒化シリコン膜を形成し、絶縁膜１０７として酸化シリコン膜を形成する。窒化シリコン膜は、酸化シリコン膜と比較して比誘電率が高く、酸化シリコン膜と同等の静電容量を得るのに必要な膜厚が大きいため、トランジスタ１５０のゲート絶縁膜として、窒化シリコン膜を含むことで絶縁膜を物理的に厚膜化することができる。よって、トランジスタ１００の絶縁耐圧の低下を抑制、さらには絶縁耐圧を向上させて、トランジスタ１００の静電破壊を抑制することができる。
【００６２】
＜酸化物半導体膜＞
酸化物半導体膜１０８は、酸素と、Ｉｎと、Ｚｎと、Ｍ（Ｍは、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、またはＨｆ）とを有する。代表的には、酸化物半導体膜１０８は、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を用いることができる。とくに、酸化物半導体膜１０８としては、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を用いると好ましい。
【００６３】
酸化物半導体膜１０８がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を成膜するために用いるスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比は、ＩｎはＭ以上、ＺｎはＭ以上を満たすことが好ましい。このようなスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比として、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：４．１が好ましい。また、酸化物半導体膜１０８がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、スパッタリングターゲットとしては、多結晶のＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を含むターゲットを用いると好ましい。多結晶のＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を含むターゲットを用いることで、結晶性を有する酸化物半導体膜１０８を形成しやすくなる。なお、成膜される酸化物半導体膜１０８の原子数比はそれぞれ、誤差として上記のスパッタリングターゲットに含まれる金属元素の原子数比のプラスマイナス４０％の変動を含む。
【００６４】
なお、酸化物半導体膜１０８がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物膜であるとき、Ｚｎ及びＯを除いてのＩｎとＭの原子数比率は、好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％より高く、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％より高く、Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。
【００６５】
また、酸化物半導体膜１０８は、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上、より好ましくは３ｅＶ以上である。このように、エネルギーギャップの広い酸化物半導体膜を用いることで、トランジスタ１００のオフ電流を低減することができる。
【００６６】
また、酸化物半導体膜１０８の厚さは、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。
【００６７】
また、酸化物半導体膜１０８としては、キャリア密度の低い酸化物半導体膜を用いる。例えば、酸化物半導体膜１０８は、キャリア密度が、１×１０−９個／ｃｍ３以上、８×１０１１個／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１個／ｃｍ３未満とする。
【００６８】
なお、酸化物半導体膜１０８として、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜を用いることで、さらに優れた電気特性を有するトランジスタを作製することができ好ましい。ここでは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い（酸素欠損の少ない）ことを高純度真性または実質的に高純度真性とよぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。従って、該酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性（ノーマリーオンともいう。）になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、オフ電流が著しく小さく、チャネル幅が１×１０６μｍでチャネル長Ｌが１０μｍの素子であっても、ソース電極とドレイン電極間の電圧（ドレイン電圧）が１Ｖから１０Ｖの範囲において、オフ電流が、半導体パラメータアナライザの測定限界以下、すなわち１×１０−１３Ａ以下という特性を得ることができる。
【００６９】
したがって、上記高純度真性、または実質的に高純度真性の酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとすることができる。なお、酸化物半導体膜のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、またはアルカリ土類金属等がある。
【００７０】
酸化物半導体膜に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になると共に、酸素が脱離した格子（または酸素が脱離した部分）に酸素欠損を形成する。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、水素が含まれている酸化物半導体膜を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物半導体膜１０８は水素ができる限り低減されていることが好ましい。具体的には、酸化物半導体膜１０８において、ＳＩＭＳ分析により得られる水素濃度を、２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【００７１】
酸化物半導体膜１０８において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物半導体膜１０８において酸素欠損が増加し、ｎ型化してしまう。このため、酸化物半導体膜１０８におけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物半導体膜１０８との界面近傍のシリコンや炭素の濃度（ＳＩＭＳ分析により得られる濃度）を、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【００７２】
また、酸化物半導体膜１０８において、ＳＩＭＳ分析により得られるアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。アルカリ金属及びアルカリ土類金属は、酸化物半導体と結合するとキャリアを生成する場合があり、トランジスタのオフ電流が増大してしまうことがある。このため、酸化物半導体膜１０８のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。
【００７３】
また、酸化物半導体膜１０８に窒素が含まれていると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体膜を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、該酸化物半導体膜において、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、ＳＩＭＳ分析により得られる窒素濃度は、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にすることが好ましい。
【００７４】
また、酸化物半導体膜１０８は、例えば非単結晶構造でもよい。非単結晶構造は、例えば、後述するＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶構造、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。
【００７５】
酸化物半導体膜１０８は、例えば非晶質構造でもよい。非晶質構造の酸化物半導体膜は、例えば、原子配列が無秩序であり、結晶成分を有さない。または、非晶質構造の酸化物膜は、例えば、完全な非晶質構造であり、結晶部を有さない。
【００７６】
なお、酸化物半導体膜１０８が、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域、単結晶構造の領域の二種以上を有する混合膜であってもよい。混合膜は、例えば、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域、単結晶構造の領域のいずれか二種以上の領域を有する単層構造の場合がある。また、混合膜は、例えば、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域、単結晶構造の領域のいずれか二層以上を有する積層構造を有する場合がある。
【００７７】
＜絶縁膜＞
絶縁膜１１４、１１６は、酸化物半導体膜１０８に酸素を供給する機能を有する。また、絶縁膜１１８は、トランジスタ１００の保護絶縁膜としての機能を有する。また、絶縁膜１１４、１１６は、酸素を有する。また、絶縁膜１１４は、酸素を透過することのできる絶縁膜である。なお、絶縁膜１１４は、後に形成する絶縁膜１１６を形成する際の、酸化物半導体膜１０８へのダメージ緩和膜としても機能する。
【００７８】
絶縁膜１１４としては、厚さが５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の酸化シリコン、酸化窒化シリコン等を用いることができる。
【００７９】
また、絶縁膜１１４は、欠陥量が少ないことが好ましく、代表的には、ＥＳＲ測定により、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝２．００１に現れる信号のスピン密度が３×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。これは、絶縁膜１１４に含まれる欠陥密度が多いと、該欠陥に酸素が結合してしまい、絶縁膜１１４における酸素の透過量が減少してしまう。
【００８０】
なお、絶縁膜１１４においては、外部から絶縁膜１１４に入った酸素が全て絶縁膜１１４の外部に移動せず、絶縁膜１１４にとどまる酸素もある。また、絶縁膜１１４に酸素が入ると共に、絶縁膜１１４に含まれる酸素が絶縁膜１１４の外部へ移動することで、絶縁膜１１４において酸素の移動が生じる場合もある。絶縁膜１１４として酸素を透過することができる酸化物絶縁膜を形成すると、絶縁膜１１４上に設けられる、絶縁膜１１６から脱離する酸素を、絶縁膜１１４を介して酸化物半導体膜１０８に移動させることができる。
【００８１】
また、絶縁膜１１４は、酸化物半導体膜の価電子帯の上端のエネルギー（Ｅｖ＿ｏｓ）と伝導帯の下端のエネルギー（Ｅｃ＿ｏｓ）の間に窒素酸化物の準位密度が低い酸化物絶縁膜を用いて形成することができる。Ｅｖ＿ｏｓとＥｃ＿ｏｓの間に窒素酸化物の準位密度が低い酸化物絶縁膜として、窒素酸化物の放出量が少ない酸化窒化シリコン膜、または窒素酸化物の放出量が少ない酸化窒化アルミニウム膜等を用いることができる。
【００８２】
なお、窒素酸化物の放出量の少ない酸化窒化シリコン膜は、昇温脱離ガス分析法において、窒素酸化物の放出量よりアンモニアの放出量が多い膜であり、代表的にはアンモニアの放出量が１×１０１８個／ｃｍ３以上５×１０１９個／ｃｍ３以下である。なお、アンモニアの放出量は、膜の表面温度が５０℃以上６５０℃以下、好ましくは５０℃以上５５０℃以下の加熱処理による放出量とする。
【００８３】
窒素酸化物（ＮＯｘ、ｘは０以上２以下、好ましくは１以上２以下）、代表的にはＮＯ２またはＮＯは、絶縁膜１１４などに準位を形成する。当該準位は、酸化物半導体膜１０８のエネルギーギャップ内に位置する。そのため、窒素酸化物が、絶縁膜１１４及び酸化物半導体膜１０８の界面に拡散すると、当該準位が絶縁膜１１４側において電子をトラップする場合がある。この結果、トラップされた電子が、絶縁膜１１４及び酸化物半導体膜１０８界面近傍に留まるため、トランジスタのしきい値電圧をプラス方向にシフトさせてしまう。
【００８４】
また、窒素酸化物は、加熱処理においてアンモニア及び酸素と反応する。絶縁膜１１４に含まれる窒素酸化物は、加熱処理において、絶縁膜１１６に含まれるアンモニアと反応するため、絶縁膜１１４に含まれる窒素酸化物が低減される。このため、絶縁膜１１４及び酸化物半導体膜１０８の界面において、電子がトラップされにくい。
【００８５】
絶縁膜１１４として、Ｅｖ＿ｏｓとＥｃ＿ｏｓの間に窒素酸化物の準位密度が低い酸化物絶縁膜を用いることで、トランジスタのしきい値電圧のシフトを低減することが可能であり、トランジスタの電気特性の変動を低減することができる。
【００８６】
なお、トランジスタの作製工程の加熱処理、代表的には３００℃以上基板歪み点未満の加熱処理により、絶縁膜１１４は、１００Ｋ以下のＥＳＲで測定して得られたスペクトルにおいてｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１のシグナル、ｇ値が２．００１以上２．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下の第３のシグナルが観測される。なお、第１のシグナル及び第２のシグナルのスプリット幅、並びに第２のシグナル及び第３のシグナルのスプリット幅は、ＸバンドのＥＳＲ測定において約５ｍＴである。また、ｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１のシグナル、ｇ値が２．００１以上２．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下である第３のシグナルのスピンの密度の合計が１×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満であり、代表的には１×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以上１×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満である。
【００８７】
なお、１００Ｋ以下のＥＳＲスペクトルにおいてｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１シグナル、ｇ値が２．００１以上２．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下の第３のシグナルは、窒素酸化物（ＮＯｘ、ｘは０以上２以下、好ましくは１以上２以下）起因のシグナルに相当する。窒素酸化物の代表例としては、一酸化窒素、二酸化窒素等がある。即ち、ｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１のシグナル、ｇ値が２．００１以上２．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下である第３のシグナルのスピンの密度の合計が少ないほど、酸化物絶縁膜に含まれる窒素酸化物の含有量が少ないといえる。
【００８８】
また、Ｅｖ＿ｏｓとＥｃ＿ｏｓの間に窒素酸化物の準位密度が低い酸化物絶縁膜は、ＳＩＭＳで測定される窒素濃度が６×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。
【００８９】
基板温度が２２０℃以上、または２８０℃以上、または３５０℃以上であり、シラン及び一酸化二窒素を用いたＰＥＣＶＤ法を用いて、Ｅｖ＿ｏｓとＥｃ＿ｏｓの間に窒素酸化物の準位密度が低い酸化物絶縁膜を形成することで、緻密であり、且つ硬度の高い膜を形成することができる。
【００９０】
絶縁膜１１６は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を用いて形成する。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜は、加熱により酸素の一部が脱離する。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜は、ＴＤＳ分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である酸化物絶縁膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面基板温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲が好ましい。
【００９１】
絶縁膜１１６としては、厚さが３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下の、酸化シリコン、酸化窒化シリコン等を用いることができる。
【００９２】
また、絶縁膜１１６は、欠陥量が少ないことが好ましく、代表的には、ＥＳＲ測定により、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝２．００１に現れる信号のスピン密度が１．５×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満、さらには１×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。なお、絶縁膜１１６は、絶縁膜１１４と比較して酸化物半導体膜１０８から離れているため、絶縁膜１１４より、欠陥密度が多くともよい。
【００９３】
また、絶縁膜１１４、１１６は、同種の材料の絶縁膜を用いることができるため、絶縁膜１１４と絶縁膜１１６の界面が明確に確認できない場合がある。したがって、本実施の形態においては、絶縁膜１１４と絶縁膜１１６の界面は、破線で図示している。なお、本実施の形態においては、絶縁膜１１４と絶縁膜１１６の２層構造について説明したが、これに限定されず、例えば、絶縁膜１１４の単層構造としてもよい。
【００９４】
絶縁膜１１８は、窒素を有する。また、絶縁膜１１８は、窒素及びシリコンを有する。また、絶縁膜１１８は、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキングできる機能を有する。絶縁膜１１８を設けることで、酸化物半導体膜１０８からの酸素の外部への拡散と、絶縁膜１１４、１１６に含まれる酸素の外部への拡散と、外部から酸化物半導体膜１０８への水素、水等の入り込みを防ぐことができる。絶縁膜１１８としては、例えば、窒化物絶縁膜を用いることができる。該窒化物絶縁膜としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム等がある。なお、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキング効果を有する窒化物絶縁膜の代わりに、酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜を設けてもよい。酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜としては、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等がある。
【００９５】
＜保護膜＞
保護膜１１７は、酸化物半導体膜１０８と同一の金属元素を少なくとも一つ有する。例えば、酸化物半導体膜１０８が、酸素と、Ｉｎと、Ｚｎと、Ｍ（Ｍは、Ｔｉ、Ｇａ、Ｓｎ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、またはＨｆ）とを有する場合、保護膜１１７は、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｓｎ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、またはＨｆから選ばれる元素の少なくとも一つを有する。とくに、保護膜１１７としては、Ｉｎ−Ｓｎ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｚｎ酸化物、Ａｌ−Ｚｎ酸化物、またはＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いると好ましい。
【００９６】
また、酸化物半導体膜１０８として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いる場合、保護膜１１７は、Ｇａを少なくとも有すると好ましい。また、酸化物半導体膜１０８として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いる場合、保護膜１１７は、Ｚｎを少なくとも有すると好ましい。また、また、酸化物半導体膜１０８として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いる場合、保護膜１１７は、ＧａとＺｎを少なくとも有すると好ましい。
【００９７】
また、保護膜１１７が薄い場合、酸素の放出を抑制する機能が低下してしまう。一方で、保護膜１１７が厚い場合、酸素添加処理時に酸素が保護膜１１７を通過しづらくなる。したがって、保護膜１１７の厚さは、３ｎｍ以上３０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上１５ｎｍ以下である。また、保護膜１１７としては、結晶性を有していると好ましい。例えば、保護膜１１７としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用い、該Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物が後述するＣＡＡＣ−ＯＳ膜である場合、絶縁膜１１６に添加した酸素の放出を好適に抑制することができる。また、保護膜１１７としては、抵抗率が高いほうが好ましい。保護膜１１７の抵抗率が低い場合、導電膜１１２ａ、１１２ｂとの間に寄生容量が形成される場合がある。保護膜１１７の抵抗率としては、例えば１０１０Ωｃｍ以上１０１８Ωｃｍ未満とすればよい。
【００９８】
なお、上記記載の、導電膜、絶縁膜、保護膜、酸化物半導体膜などの様々な膜は、スパッタリング法やＰＥＣＶＤ法により形成することができるが、他の方法、例えば、熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成してもよい。熱ＣＶＤ法の例としてＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いてもよい。
【００９９】
熱ＣＶＤ法は、プラズマを使わない成膜方法のため、プラズマダメージにより欠陥が生成されることが無いという利点を有する。
【０１００】
熱ＣＶＤ法は、原料ガスと酸化剤を同時にチャンバー内に送り、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで成膜を行ってもよい。
【０１０１】
また、ＡＬＤ法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、反応のための原料ガスが順次チャンバーに導入され、そのガス導入の順序を繰り返すことで成膜を行ってもよい。例えば、それぞれのスイッチングバルブ（高速バルブとも呼ぶ）を切り替えて２種類以上の原料ガスを順番にチャンバーに供給し、複数種の原料ガスが混ざらないように第１の原料ガスと同時またはその後に不活性ガス（アルゴン、或いは窒素など）などを導入し、第２の原料ガスを導入する。なお、同時に不活性ガスを導入する場合には、不活性ガスはキャリアガスとなり、また、第２の原料ガスの導入時にも同時に不活性ガスを導入してもよい。また、不活性ガスを導入する代わりに真空排気によって第１の原料ガスを排出した後、第２の原料ガスを導入してもよい。第１の原料ガスが基板の表面に吸着して第１の層を成膜し、後から導入される第２の原料ガスと反応して、第２の層が第１の層上に積層されて薄膜が形成される。このガス導入順序を制御しつつ所望の厚さになるまで複数回繰り返すことで、段差被覆性に優れた薄膜を形成することができる。薄膜の厚さは、ガス導入順序を繰り返す回数によって調節することができるため、精密な膜厚調節が可能であり、微細なトランジスタを作製する場合に適している。
【０１０２】
ＭＯＣＶＤ法やＡＬＤ法などの熱ＣＶＤ法は、上記実施形態の導電膜、絶縁膜、酸化物半導体膜、金属酸化膜などの様々な膜を形成することができ、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−ＺｎＯ膜を成膜する場合には、トリメチルインジウム、トリメチルガリウム、及びジメチル亜鉛を用いる。なお、トリメチルインジウムの化学式は、Ｉｎ（ＣＨ３）３である。また、トリメチルガリウムの化学式は、Ｇａ（ＣＨ３）３である。また、ジメチル亜鉛の化学式は、Ｚｎ（ＣＨ３）２である。また、これらの組み合わせに限定されず、トリメチルガリウムに代えてトリエチルガリウム（化学式Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３）を用いることもでき、ジメチル亜鉛に代えてジエチル亜鉛（化学式Ｚｎ（Ｃ２Ｈ５）２）を用いることもできる。
【０１０３】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化ハフニウム膜を形成する場合には、溶媒とハフニウム前駆体化合物を含む液体（ハフニウムアルコキシド溶液、代表的にはテトラキスジメチルアミドハフニウム（ＴＤＭＡＨ））を気化させた原料ガスと、酸化剤としてオゾン（Ｏ３）の２種類のガスを用いる。なお、テトラキスジメチルアミドハフニウムの化学式はＨｆ［Ｎ（ＣＨ３）２］４である。また、他の材料液としては、テトラキス（エチルメチルアミド）ハフニウムなどがある。
【０１０４】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化アルミニウム膜を形成する場合には、溶媒とアルミニウム前駆体化合物を含む液体（トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）など）を気化させた原料ガスと、酸化剤としてＨ２Ｏの２種類のガスを用いる。なお、トリメチルアルミニウムの化学式はＡｌ（ＣＨ３）３である。また、他の材料液としては、トリス（ジメチルアミド）アルミニウム、トリイソブチルアルミニウム、アルミニウムトリス（２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオナート）などがある。
【０１０５】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化シリコン膜を形成する場合には、ヘキサクロロジシランを被成膜面に吸着させ、吸着物に含まれる塩素を除去し、酸化性ガス（Ｏ２、Ｎ２Ｏ）のラジカルを供給して吸着物と反応させる。
【０１０６】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置によりタングステン膜を成膜する場合には、ＷＦ６ガスとＢ２Ｈ６ガスを順次繰り返し導入して初期タングステン膜を形成し、その後、ＷＦ６ガスとＨ２ガスを同時に導入してタングステン膜を形成する。なお、Ｂ２Ｈ６ガスに代えてＳｉＨ４ガスを用いてもよい。
【０１０７】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化物半導体膜、例えばＩｎ−Ｇａ−ＺｎＯ膜を成膜する場合には、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを順次繰り返し導入してＩｎ−Ｏ層を形成し、その後、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを同時に導入してＧａＯ層を形成し、更にその後Ｚｎ（ＣＨ３）２とＯ３ガスを同時に導入してＺｎＯ層を形成する。なお、これらの層の順番はこの例に限らない。また、これらのガスを混ぜてＩｎ−Ｇａ−Ｏ層やＩｎ−Ｚｎ−Ｏ層、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層などの混合化合物層を形成してもよい。なお、Ｏ３ガスに変えてＡｒ等の不活性ガスでバブリングして得られた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ガスにかえて、Ｉｎ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いてもよい。また、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスにかえて、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。
【０１０８】
＜半導体装置の作製方法１＞
次に、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ１００の作製方法について、図４乃至図６を用いて以下詳細に説明する。なお、図４乃至図６は、半導体装置の作製方法を説明する断面図である。
【０１０９】
なお、トランジスタ１００を構成する膜（絶縁膜、酸化物半導体膜、導電膜等）は、スパッタリング法、化学気相堆積（ＣＶＤ）法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法を用いて形成することができる。あるいは、塗布法や印刷法で形成することができる。成膜方法としては、スパッタリング法、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）法が代表的であるが、熱ＣＶＤ法でもよい。熱ＣＶＤ法の例として、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学堆積）法やＡＬＤ（原子層成膜）法を使ってもよい。
【０１１０】
まず、基板１０２上に導電膜を形成し、該導電膜をリソグラフィ工程及びエッチング工程を行い加工して、ゲート電極として機能する導電膜１０４を形成する。次に、導電膜１０４上にゲート絶縁膜として機能する絶縁膜１０６、１０７を形成する（図４（Ａ）参照）。
【０１１１】
ゲート電極として機能する導電膜１０４は、スパッタリング法、化学気相堆積（ＣＶＤ）法、真空蒸着法、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ）法、を用いて形成することができる。または、塗布法や印刷法で形成することができる。成膜方法としては、スパッタリング法、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）法が代表的であるが、先に説明した有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）法等の熱ＣＶＤ法、又は原子層堆積（ＡＬＤ）法を用いてもよい。
【０１１２】
本実施の形態では、基板１０２としてガラス基板を用い、ゲート電極として機能する導電膜１０４として厚さ１００ｎｍのタングステン膜をスパッタリング法で形成する。
【０１１３】
ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜１０６、１０７は、スパッタリング法、ＰＥＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、真空蒸着法、ＰＬＤ法等を用いて形成することができる。本実施の形態では、ＰＥＣＶＤ法により、絶縁膜１０６として厚さ４００ｎｍの窒化シリコン膜を形成し、絶縁膜１０７として厚さ５０ｎｍの酸化窒化シリコン膜を形成する。
【０１１４】
なお、絶縁膜１０６としては、窒化シリコン膜の積層構造とすることができる。具体的には、絶縁膜１０６を、第１の窒化シリコン膜と、第２の窒化シリコン膜と、第３の窒化シリコン膜との３層積層構造とすることができる。該３層積層構造の一例としては、以下のように形成することができる。
【０１１５】
第１の窒化シリコン膜としては、例えば、流量２００ｓｃｃｍのシラン、流量２０００ｓｃｃｍの窒素、及び流量１００ｓｃｃｍのアンモニアガスを原料ガスとしてＰＥ−ＣＶＤ装置の反応室に供給し、反応室内の圧力を１００Ｐａに制御し、２７．１２ＭＨｚの高周波電源を用いて２０００Ｗの電力を供給して、厚さが５０ｎｍとなるように形成すればよい。
【０１１６】
第２の窒化シリコン膜としては、流量２００ｓｃｃｍのシラン、流量２０００ｓｃｃｍの窒素、及び流量２０００ｓｃｃｍのアンモニアガスを原料ガスとしてＰＥＣＶＤ装置の反応室に供給し、反応室内の圧力を１００Ｐａに制御し、２７．１２ＭＨｚの高周波電源を用いて２０００Ｗの電力を供給して、厚さが３００ｎｍとなるように形成すればよい。
【０１１７】
第３の窒化シリコン膜としては、流量２００ｓｃｃｍのシラン、及び流量５０００ｓｃｃｍの窒素を原料ガスとしてＰＥＣＶＤ装置の反応室に供給し、反応室内の圧力を１００Ｐａに制御し、２７．１２ＭＨｚの高周波電源を用いて２０００Ｗの電力を供給して、厚さが５０ｎｍとなるように形成すればよい。
【０１１８】
なお、上記第１の窒化シリコン膜、第２の窒化シリコン膜、及び第３の窒化シリコン膜形成時の基板温度は３５０℃とすることができる。
【０１１９】
絶縁膜１０６を、窒化シリコン膜の３層の積層構造とすることで、例えば、導電膜１０４に銅（Ｃｕ）を含む導電膜を用いる場合において、以下の効果を奏する。
【０１２０】
第１の窒化シリコン膜は、導電膜１０４からの銅（Ｃｕ）元素の拡散を抑制することができる。第２の窒化シリコン膜は、水素を放出する機能を有し、ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜の耐圧を向上させることができる。第３の窒化シリコン膜は、第３の窒化シリコン膜からの水素放出が少なく、且つ第２の窒化シリコン膜からの放出される水素の拡散を抑制することができる。
【０１２１】
絶縁膜１０７としては、後に形成される酸化物半導体膜１０８との界面特性を向上させるため、酸素を含む絶縁膜で形成されると好ましい。
【０１２２】
次に、絶縁膜１０７上に酸化物半導体膜１０８を形成する（図４（Ｂ）参照）。
【０１２３】
本実施の形態では、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２（原子数比））を用いて、スパッタリング法により酸化物半導体膜を成膜し、該酸化物半導体膜上にリソグラフィ工程によりマスクを形成し、該酸化物半導体膜を所望の領域に加工することで島状の酸化物半導体膜１０８を形成する。
【０１２４】
酸化物半導体膜１０８の形成後、１５０℃以上基板の歪み点未満、好ましくは２００℃以上４５０℃以下、さらに好ましくは３００℃以上４５０℃以下の加熱処理を行ってもよい。ここでの加熱処理は、酸化物半導体膜の高純度化処理の一つであり、酸化物半導体膜１０８に含まれる水素、水等を低減することができる。なお、水素、水等の低減を目的とした加熱処理は、酸化物半導体膜１０８を島状に加工する前に行ってもよい。
【０１２５】
酸化物半導体膜１０８への加熱処理は、電気炉、ＲＴＡ装置等を用いることができる。ＲＴＡ装置を用いることで、短時間に限り基板の歪み点以上の温度で熱処理を行うことができる。そのため、加熱時間を短縮することが可能となる。
【０１２６】
なお、酸化物半導体膜１０８への加熱処理は、窒素、酸素、超乾燥空気（水の含有量が２０ｐｐｍ以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）、または希ガス（アルゴン、ヘリウム等）の雰囲気下で行えばよい。なお、上記窒素、酸素、超乾燥空気、または希ガスに水素、水等が含まれないことが好ましい。また、窒素または希ガス雰囲気で加熱処理した後、酸素または超乾燥空気雰囲気で加熱してもよい。この結果、酸化物半導体膜中に含まれる水素、水等を脱離させると共に、酸化物半導体膜中に酸素を供給することができる。この結果、酸化物半導体膜中に含まれる酸素欠損量を低減することができる。
【０１２７】
なお、スパッタリング法で酸化物半導体膜１０８を形成する場合、スパッタリングガスは、希ガス（代表的にはアルゴン）、酸素、希ガス及び酸素の混合ガスを適宜用いる。なお、混合ガスの場合、希ガスに対して酸素のガス比を高めることが好ましい。また、スパッタリングガスの高純度化も必要である。例えば、スパッタリングガスとして用いる酸素ガスやアルゴンガスは、露点が−４０℃以下、好ましくは−８０℃以下、より好ましくは−１００℃以下、より好ましくは−１２０℃以下にまで高純度化したガスを用いることで酸化物半導体膜１０８に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。
【０１２８】
また、スパッタリング法で酸化物半導体膜１０８を形成する場合、スパッタリング装置におけるチャンバーは、酸化物半導体膜１０８にとって不純物となる水等を可能な限り除去すべくクライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて高真空排気（５×１０−７Ｐａから１×１０−４Ｐａ程度まで）することが好ましい。または、ターボ分子ポンプとコールドトラップを組み合わせて排気系からチャンバー内に気体、特に炭素または水素を含む気体が逆流しないようにしておくことが好ましい。
【０１２９】
次に、絶縁膜１０７及び酸化物半導体膜１０８上にソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜１１２ａ、１１２ｂを形成する（図４（Ｃ）参照）。
【０１３０】
本実施の形態では、導電膜１１２ａ、１１２ｂとして、厚さ５０ｎｍのタングステン膜と、厚さ４００ｎｍのアルミニウム膜との積層膜をスパッタリング法により成膜し、該積層膜上にリソグラフィ工程によりマスクを形成し、該積層膜を所望の領域に加工することで、導電膜１１２ａ、１１２ｂを形成する。なお、本実施の形態においては、導電膜１１２ａ、１１２ｂの２層の積層構造としたが、これに限定されない。例えば、導電膜１１２ａ、１１２ｂとして、厚さ５０ｎｍのタングステン膜と、厚さ４００ｎｍのアルミニウム膜と、厚さ１００ｎｍのチタン膜との３層の積層構造としてもよい。
【０１３１】
また、導電膜１１２ａ、１１２ｂを形成後に、酸化物半導体膜１０８の表面（バックチャネル側）を洗浄してもよい。該洗浄方法としては、例えば、リン酸等の薬液を用いた洗浄が挙げられる。リン酸等の薬液を用いた洗浄を行うことで、酸化物半導体膜１０８の表面に付着した不純物（例えば、導電膜１１２ａ、１１２ｂに含まれる元素等）を除去することができる。
【０１３２】
なお、図示していないが、導電膜１１２ａ、１１２ｂの形成時、及び／または上記洗浄工程において、酸化物半導体膜１０８の一部に凹部が形成される場合がある。
【０１３３】
以上の工程でトランジスタ１００が形成される。
【０１３４】
次に、トランジスタ１００上、具体的にはトランジスタ１００の酸化物半導体膜１０８、及び導電膜１１２ａ、１１２ｂ上に絶縁膜１１４、１１６を形成する（図４（Ｄ）参照）。
【０１３５】
なお、絶縁膜１１４を形成した後、大気に曝すことなく、連続的に絶縁膜１１６を形成することが好ましい。絶縁膜１１４を形成後、大気開放せず、原料ガスの流量、圧力、高周波電力及び基板温度の一以上を調整して、絶縁膜１１６を連続的に形成することで、絶縁膜１１４と絶縁膜１１６の界面において大気成分由来の不純物濃度を低減することができるとともに、絶縁膜１１４、１１６に含まれる酸素を酸化物半導体膜１０８に移動させることが可能となり、酸化物半導体膜１０８の酸素欠損量を低減することが可能となる。
【０１３６】
例えば、絶縁膜１１４として、ＰＥＣＶＤ法を用いて、酸化窒化シリコン膜を形成することができる。この場合、原料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体及び酸化性気体を用いることが好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例としては、シラン、ジシラン、トリシラン、フッ化シラン等がある。酸化性気体としては、一酸化二窒素、二酸化窒素等がある。また、上記の堆積性気体に対する酸化性気体を２０倍より大きく１００倍未満、好ましくは４０倍以上８０倍以下とし、処理室内の圧力を１００Ｐａ未満、好ましくは５０Ｐａ以下とするＰＥＣＶＤ法を用いることで、絶縁膜１１４が、窒素を含み、且つ欠陥量の少ない絶縁膜となる。
【０１３７】
本実施の形態においては、絶縁膜１１４として、基板１０２を保持する温度を２２０℃とし、流量５０ｓｃｃｍのシラン及び流量２０００ｓｃｃｍの一酸化二窒素を原料ガスとし、処理室内の圧力を２０Ｐａとし、平行平板電極に供給する高周波電力を１３．５６ＭＨｚ、１００Ｗ（電力密度としては１．６×１０−２Ｗ／ｃｍ２）とするＰＥＣＶＤ法を用いて、酸化窒化シリコン膜を形成する。
【０１３８】
絶縁膜１１６としては、ＰＥＣＶＤ装置の真空排気された処理室内に載置された基板を１８０℃以上２８０℃以下、さらに好ましくは２００℃以上２４０℃以下に保持し、処理室に原料ガスを導入して処理室内における圧力を１００Ｐａ以上２５０Ｐａ以下、さらに好ましくは１００Ｐａ以上２００Ｐａ以下とし、処理室内に設けられる電極に０．１７Ｗ／ｃｍ２以上０．５Ｗ／ｃｍ２以下、さらに好ましくは０．２５Ｗ／ｃｍ２以上０．３５Ｗ／ｃｍ２以下の高周波電力を供給する条件により、酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形成する。
【０１３９】
絶縁膜１１６の成膜条件として、上記圧力の反応室において上記パワー密度の高周波電力を供給することで、プラズマ中で原料ガスの分解効率が高まり、酸素ラジカルが増加し、原料ガスの酸化が進むため、絶縁膜１１６中における酸素含有量が化学量論的組成よりも多くなる。一方、基板温度が、上記温度で形成された膜では、シリコンと酸素の結合力が弱いため、後の工程の加熱処理により膜中の酸素の一部が脱離する。この結果、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含み、加熱により酸素の一部が脱離する酸化物絶縁膜を形成することができる。
【０１４０】
なお、絶縁膜１１６の形成工程において、絶縁膜１１４が酸化物半導体膜１０８の保護膜となる。したがって、酸化物半導体膜１０８へのダメージを低減しつつ、パワー密度の高い高周波電力を用いて絶縁膜１１６を形成することができる。
【０１４１】
なお、絶縁膜１１６の成膜条件において、酸化性気体に対するシリコンを含む堆積性気体の流量を増加することで、絶縁膜１１６の欠陥量を低減することが可能である。代表的には、ＥＳＲ測定により、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝２．００１に現れる信号のスピン密度が６×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満、好ましくは３×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１．５×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下である欠陥量の少ない酸化物絶縁層を形成することができる。この結果トランジスタの信頼性を高めることができる。
【０１４２】
また、絶縁膜１１４、１１６は、導電膜１１２ａ、１１２ｂの側面等に沿って形成されるため、その表面に凹凸が形成される。
【０１４３】
また、絶縁膜１１４、１１６を形成した後、加熱処理を行ってもよい。該加熱処理により、絶縁膜１１４、１１６に含まれる窒素酸化物を低減することができる。また、上記加熱処理により、絶縁膜１１４、１１６に含まれる酸素の一部を酸化物半導体膜１０８に移動させ、酸化物半導体膜１０８に含まれる酸素欠損量を低減することができる。
【０１４４】
絶縁膜１１４、１１６への加熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上４００℃以下、好ましくは３００℃以上４００℃以下、好ましくは３２０℃以上３７０℃以下とする。加熱処理は、窒素、酸素、超乾燥空気（水の含有量が２０ｐｐｍ以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）、または希ガス（アルゴン、ヘリウム等）の雰囲気下で行えばよい。なお、上記窒素、酸素、超乾燥空気、または希ガスに水素、水等が含まれないことが好ましい該加熱処理には、電気炉、ＲＴＡ装置等を用いることができる。
【０１４５】
本実施の形態では、窒素雰囲気で、３５０℃、１時間の加熱処理を行う。
【０１４６】
次に、絶縁膜１１６上に保護膜１１７を形成する。保護膜１１７としては、絶縁膜１１４、１１６が有する凹凸表面を覆うように形成する。（図５（Ａ）参照）。
【０１４７】
本実施の形態では、保護膜１１７として、スパッタリング法にて、厚さ５ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子％］）を形成する。また、スパッタリング法にて、保護膜１１７を形成する場合、成膜ガスとして酸素を用い、成膜ガス中の酸素割合を多くすると好ましい。例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子％］）を成膜する場合、成膜ガスとして酸素を用い、酸素１００％の雰囲気下でスパッタリングすることができる。成膜ガス中の酸素割合を多くすることによって、保護膜１１７は、過剰酸素を有する。保護膜１１７が過剰酸素を有すると、後に酸素を添加する際に、保護膜１１７に結合される酸素が減少するため、効果的に絶縁膜１１４、１１６に酸素を通過させることが可能となる。
【０１４８】
次に、保護膜１１７を介して絶縁膜１１４、１１６及び酸化物半導体膜１０８に酸素１４１を添加する（図５（Ｂ）参照）。
【０１４９】
保護膜１１７を介して絶縁膜１１４、１１６及び酸化物半導体膜１０８に酸素１４１を添加する方法としては、イオンドーピング法、イオン注入法、プラズマ処理法等がある。また、酸素１４１を添加する際に、基板側にバイアスを印加することで効果的に酸素１４１を絶縁膜１１４、１１６及び酸化物半導体膜１０８に添加することができる。上記バイアスとしては、例えば、電力密度を１Ｗ／ｃｍ２以上５Ｗ／ｃｍ２以下とすればよい。絶縁膜１１６上に保護膜１１７を設けて酸素を添加することで、保護膜１１７が絶縁膜１１６から酸素が脱離することを抑制する保護膜として機能する。このため、絶縁膜１１４、１１６及び酸化物半導体膜１０８により多くの酸素を添加することができる。
【０１５０】
また、プラズマ処理で酸素の導入を行う場合、マイクロ波で酸素を励起し、高密度な酸素プラズマを発生させることで、絶縁膜１１４、１１６への酸素導入量を増加させることができる。
【０１５１】
ここで、酸素１４１添加する際の、図５（Ｂ）に示す断面図と異なる断面図を図６（Ａ）（Ｂ）に示す。
【０１５２】
図６（Ａ）（Ｂ）は、トランジスタ１００と同一の製造工程を経て形成される半導体装置の一部を表している。図６（Ａ）（Ｂ）に示す半導体装置は、基板１０２上の絶縁膜１０６と、絶縁膜１０６上の絶縁膜１０７と、絶縁膜１０７上の導電膜１１２ｃと、絶縁膜１０７及び導電膜１１２ｃ上の絶縁膜１１４と、絶縁膜１１４上の絶縁膜１１６と、絶縁膜１１６上の保護膜１１７と、を有する。
【０１５３】
図６（Ａ）は、保護膜１１７が絶縁膜１１４、１１６に形成される凹凸表面を覆うように形成された場合を例示しており、図６（Ｂ）は、保護膜１１７が絶縁膜１１４、１１６に形成される凹凸表面を覆っていない場合を例示している。
【０１５４】
より具体的には、図６（Ａ）においては、保護膜１１７が導電膜１１２ｃによって形成された絶縁膜１１４、１１６の表面凹凸に沿って形成された構成であるため、酸素１４１を添加した際に、絶縁膜１１４、１１６からの酸素の脱離を抑制することができる。一方で、図６（Ｂ）においては、保護膜１１７が導電膜１１２ｃによって形成された絶縁膜１１４、１１６の表面凹凸に沿って形成されていない構成であるため、図６（Ｂ）に示す領域１４４から、酸素が脱離してしまう。
【０１５５】
なお、図６（Ｂ）に示す構成としては、保護膜１１７の被覆性が悪い場合、または酸素１４１の添加の際に、保護膜１１７、及び絶縁膜１１６の端部の一部が削られてしまい、領域１４４が形成される場合がある。例えば、保護膜１１７として、導電性の高い金属膜（銀、銅、アルミニウム、チタン、タンタル、モリブデンなど）を用いる場合、酸素１４１の添加の際に、基板１０２側に印加されるバイアスによって、保護膜１１７の端部に電界集中が発生し、絶縁膜１１４、１１６及び保護膜１１７の一部が除去される場合がある。したがって、本発明の一態様のように、保護膜１１７を酸化物半導体膜１０８と同一の金属元素を少なくとも一つ有する構成とすることで、上記電界集中を緩和することが可能となる。
【０１５６】
よって、図６（Ａ）に示すように、保護膜１１７は、絶縁膜１１４、１１６が有する凹凸表面を覆うにように形成される構成とした方が好ましい。
【０１５７】
次に、保護膜１１７上に絶縁膜１１８を形成する（図５（Ｃ）参照）。
【０１５８】
なお、絶縁膜１１８の形成前、または絶縁膜１１８の形成後に加熱処理を行って、絶縁膜１１４、１１６に含まれる過剰酸素を酸化物半導体膜１０８中に拡散させ、酸化物半導体膜１０８中の酸素欠損を補填することができる。あるいは、絶縁膜１１８を加熱成膜とすることで、絶縁膜１１４、１１６に含まれる過剰酸素を酸化物半導体膜１０８中に拡散させ、酸化物半導体膜１０８中の酸素欠損を補填することができる。このとき、保護膜１１７は、絶縁膜１１４、１１６に含まれる酸素が外部に拡散するのを抑制する。
【０１５９】
絶縁膜１１８をＰＥＣＶＤ法で形成する場合、基板温度は３００℃以上４００℃以下に、好ましくは３２０℃以上３７０℃以下にすることで、緻密な膜を形成できるため好ましい。
【０１６０】
例えば、絶縁膜１１８としてＰＥＣＶＤ法により窒化シリコン膜を形成する場合、シリコンを含む堆積性気体、窒素、及びアンモニアを原料ガスとして用いることが好ましい。窒素と比較して少量のアンモニアを用いることで、プラズマ中でアンモニアが解離し、活性種が発生する。該活性種が、シリコンを含む堆積性気体に含まれるシリコン及び水素の結合、及び窒素の三重結合を切断する。この結果、シリコン及び窒素の結合が促進され、シリコン及び水素の結合が少なく、欠陥が少なく、緻密な窒化シリコン膜を形成することができる。一方、窒素に対するアンモニアの量が多いと、シリコンを含む堆積性気体及び窒素の分解が進まず、シリコン及び水素結合が残存してしまい、欠陥が増大した、且つ粗な窒化シリコン膜が形成されてしまう。これらのため、原料ガスにおいて、アンモニアに対する窒素の流量比を５以上５０以下、１０以上５０以下とすることが好ましい。
【０１６１】
本実施の形態においては、絶縁膜１１８として、ＰＥＣＶＤ装置を用いて、シラン、窒素、及びアンモニアの原料ガスから、厚さ５０ｎｍの窒化シリコン膜を形成する。流量は、シランが５０ｓｃｃｍ、窒素が５０００ｓｃｃｍであり、アンモニアが１００ｓｃｃｍである。処理室の圧力を１００Ｐａ、基板温度を３５０℃とし、２７．１２ＭＨｚの高周波電源を用いて１０００Ｗの高周波電力を平行平板電極に供給する。ＰＥＣＶＤ装置は電極面積が６０００ｃｍ２である平行平板型のＰＥＣＶＤ装置であり、供給した電力を単位面積あたりの電力（電力密度）に換算すると１．７×１０−１Ｗ／ｃｍ２である。
【０１６２】
また、絶縁膜１１８の形成後に、加熱処理を行ってもよい。該加熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上４００℃以下、好ましくは３００℃以上４００℃以下、好ましくは３２０℃以上３７０℃以下とする。上記加熱処理を行う際には、絶縁膜１１４、１１６の水素および水が低減されているため、上述したような酸化物半導体膜１０８の欠陥の発生は抑えられている。
【０１６３】
以上の工程により、図１に示す半導体装置を作製することができる。
【０１６４】
なお、本実施の形態に示す構成及び方法などは、他の実施の形態に示す構成及び方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【０１６５】
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１で一例を示したトランジスタを用いて作製された、表示機能を有する半導体装置（表示装置ともいう。）を分解し、残存する過剰酸素を測定する方法を説明する。
【０１６６】
まず、分解する表示装置の構成について図７（Ａ）、（Ｂ）を用いて説明する。図７（Ａ）は表示装置の平面図を示す。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）中でＭ−Ｎの一点鎖線で示した部位の断面構成を示す断面図である。
【０１６７】
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、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、または表示素子に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。
【０１６８】
また第１の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、上記実施の形態で示したトランジスタを適用することができる。
【０１６９】
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、電流また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）素子、有機ＥＬ素子等が含まれる。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。
【０１７０】
図７（Ｂ）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７（Ｂ）は、縦電界方式を採用する例である。
【０１７１】
図７（Ｂ）に示す表示装置は、接続端子電極９１５及び端子電極９１６を有しており、接続端子電極９１５及び端子電極９１６はＦＰＣ９１８が有する端子と異方性導電剤９１９を介して、電気的に接続されている。
【０１７２】
接続端子電極９１５は、第１の電極９３０と同じ導電膜から形成され、端子電極９１６は、トランジスタ９１０、９１１の一対の電極と同じ導電膜で形成されている。
【０１７３】
また、第１の基板９０１上に設けられた画素部９０２と、走査線駆動回路９０４は、トランジスタを複数有しており、図７（Ｂ）では、画素部９０２に含まれるトランジスタ９１０と、走査線駆動回路９０４に含まれるトランジスタ９１１とを例示している。図７（Ｂ）では、トランジスタ９１０及びトランジスタ９１１上には過剰酸素を有する絶縁膜９２４と保護膜として機能する絶縁膜９２６が設けられている。絶縁膜９２４としては、実施の形態１の半導体装置の作製方法で述べたように２層とすることができる。絶縁膜９２６も同様である。なお、絶縁膜９２３は下地膜として機能する絶縁膜である。
【０１７４】
本実施の形態では、トランジスタ９１０、トランジスタ９１１として、上記実施の形態で示したトランジスタを適用することができる。
【０１７５】
画素部９０２に設けられたトランジスタ９１０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。
【０１７６】
表示素子に電圧を印加する第１の電極及び第２の電極（画素電極、共通電極、対向電極などともいう）においては、取り出す光の方向、電極が設けられる場所、及び電極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。
【０１７７】
第１の電極９３０、第２の電極９３１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。
【０１７８】
また、第１の電極９３０、第２の電極９３１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、またはその合金、若しくはその金属窒化物から一つ、または複数種を用いて形成することができる。
【０１７９】
また、第１の電極９３０、第２の電極９３１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を用いることができる。例えば、ポリアニリンまたはその誘導体、ポリピロールまたはその誘導体、ポリチオフェンまたはその誘導体、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。
【０１８０】
図７（Ｂ）において、表示素子である液晶素子９１３は、第１の電極９３０、第２の電極９３１、及び液晶層９０８を含む。なお、液晶層９０８を挟持するように配向膜として機能する絶縁膜９３２、絶縁膜９３３が設けられている。また、第２の電極９３１は第２の基板９０６側に設けられ、第１の電極９３０と第２の電極９３１とは液晶層９０８を介して重なる構成となっている。
【０１８１】
また、スペーサ９３５は絶縁膜を選択的にエッチングすることで得られる柱状のスペーサであり、第１の電極９３０と第２の電極９３１との間隔（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。
【０１８２】
表示素子として、液晶素子を用いる場合、サーモトロピック液晶、低分子液晶、高分子液晶、高分子分散型液晶、強誘電性液晶、反強誘電性液晶等を用いることができる。これらの液晶材料は、条件により、コレステリック相、スメクチック相、キュービック相、カイラルネマチック相、等方相等を示す。
【０１８３】
また、配向膜を用いないブルー相を示す液晶を用いてもよい。ブルー相は液晶相の一つであり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリック相から等方相へ転位する直前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発現しないため、温度範囲を改善するためにカイラル剤を混合させた液晶組成物を用いて液晶層に用いる。光学的等方性であるため配向処理が不要であり、かつ、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。
【０１８４】
第１の基板９０１及び第２の基板９０６はシール材９２５によって固定されている。シール材９２５は、熱硬化樹脂、光硬化樹脂などの有機樹脂を用いることができる。
【０１８５】
なお、図７（Ｂ）に示す液晶表示装置においては、シール材９２５は、ゲート絶縁膜９２２と接し、平坦化膜９２１がシール材９２５の内側に設けられている。なお、ゲート絶縁膜９２２は、窒化シリコン膜及び酸化窒化シリコン膜を積層して形成する。また、絶縁膜９２４を選択的にエッチングする際に、ゲート絶縁膜９２２の上層の酸化窒化シリコン膜をエッチングして、窒化シリコン膜を露出させることが好ましい。この結果、シール材９２５とゲート絶縁膜９２２に形成される窒化シリコン膜が接する構造となり、外部からの水がシール材９２５の内部に侵入することを抑制することが可能である。
【０１８６】
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。高純度の酸化物半導体膜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ため、画素における開口率を高めることができる。
【０１８７】
また、表示装置において、ブラックマトリクス（遮光膜）、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。
【０１８８】
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。）、またはＲＧＢに、イエロー、シアン、マゼンタ等を一色以上追加したものがある。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、本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。
【０１８９】
ここからは、本発明の一態様である、上記構成の表示装置を分解してＴＤＳ分析サンプルを作製する手順について、図８から図１３を用いて説明する。
【０１９０】
まず、基板９０１と基板９０６を貼り合わせている、シール材９２５付近に、薄い金属の板、例えばカッターナイフの先端など差し入れてこじ開けるようにして、第１の基板９０１と、第２の基板９０６を剥がす。他の方法としては、薬液やプラズマを用いてシール材をエッチングする方法もある。第２の基板９０６は、第２の電極９３１と、一方の配向膜として機能していた絶縁膜９３３と、液晶素子９１３などを有する（図８参照。）。
【０１９１】
剥がした第１の基板９０１の画素部９０２の最表面は、一方の配向膜として機能していた絶縁膜９３２を有している。絶縁膜９３２として例えば、有機樹脂を含む絶縁膜であれば、酸素ガスを用いたプラズマエッチング法により容易に除去することができる。絶縁膜の成分により適宜、酸素ガスに他のガス、例えば四フッ化炭素ガスなどを添加してもよい（図９参照。）。
【０１９２】
絶縁膜９３２を除去後、第１の基板９０１の画素部９０２の最表面は、第１の電極９３０となる。第１の電極９３０として、例えばＩＴＯ、ＧＺＯなどの透明導電膜であれば、シュウ酸を主成分とする薬液を用いてウエットエッチング法により除去することができる。第１の電極９３０として、タンタル、タングステン、アルミニウム、チタンなどの金属、または、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタンなどの窒化金属などの場合は、塩素ガス、三塩化ホウ素ガス、四フッ化炭素ガスなどを用いて、または、これらのガスの中から適宜、２以上を混合したガスを用いてプラズマエッチング法を用いて除去してもよい（図１０参照。）。
【０１９３】
第１の電極９３０を除去後、第１の基板９０１の画素部最表面は、図示していないが、容量素子の絶縁膜となる。容量素子の絶縁膜として、例えば、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜であれば、六フッ化硫黄ガスを用いたドライエッチング法により除去できる。容量素子の絶縁膜が酸化シリコン膜であれば、例えば、三フッ化メタンガスにアルゴンガスを用いたドライエッチング法により除去できる。
【０１９４】
容量素子の絶縁膜を除去後、第１の基板９０１の画素部最表面は、図示していないが、容量素子の電極となる。容量素子の電極は、上述した、第１の電極９３０と同様の方法を用いて除去することができる。
【０１９５】
容量素子の電極を除去後、第１の基板９０１の画素部最表面は、平坦化膜９２１となる。平坦化膜９２１として、例えば、有機樹脂を含む絶縁膜であれば、上述の絶縁膜９３２と同様の方法で容易に除去できるが、基板が酸素ガスを用いたプラズマに長時間晒されることになり、平坦化膜の下層の絶縁膜に過剰酸素が注入されてしまう可能性がある。そのため、表示装置に残存する酸素の測定が適切に行えなくなる場合がある。
【０１９６】
以上の理由により、平坦化膜９２１は、例えば、発煙硝酸を用いたウエットエッチング法により除去すればよい。ただし、平坦化膜９２１の最表面に変質層を有している場合は、発煙硝酸を用いたウエットエッチング法では、平坦化膜９２１が完全に除去できない場合がある。
【０１９７】
このような時には、平坦化膜９２１の最表面の変質層を酸素ガスを用いたプラズマエッチング法を用いて除去し、次に発煙硝酸を用いてウエットエッチング法により除去するとよい。この時、酸素ガスを用いたプラズマエッチング法による処理時間は極力短時間であることが望ましい（図１１参照。）。
【０１９８】
平坦化膜９２１を除去後、第１の基板９０１の画素部９０２の最表面は、保護膜としての絶縁膜９２６となる。絶縁膜９２６の下には、過剰酸素を有する絶縁膜９２４があるので、絶縁膜９２６の除去方法としては、絶縁膜９２４を極力除去しない方法が望ましい。
【０１９９】
絶縁膜９２６として、例えば、窒化シリコン膜または、窒化酸化シリコン膜を用い、絶縁膜９２４として、酸化シリコン膜、または酸化窒化シリコン膜を用いた場合、例えば六フッ化硫黄ガスを用いたプラズマエッチング法を用いて除去することができる。六フッ化硫黄ガスを用いたプラズマエッチング法では、絶縁膜９２４を極力除去しないで絶縁膜９２６を除去することができる。その他のガスとして三フッ化窒素ガスなどを用いてもよい（図１２参照。）。
【０２００】
これで、酸化物半導体膜上の過剰酸素を有する絶縁膜９２４を基板の最表面に出すことができる。次に、ＴＤＳ分析評価するために、上記基板の画素部分を分割する。分割する大きさは、ＴＤＳ分析評価装置の試料室の大きさに適宜合わせればよい。上記の方法で評価サンプル９７０を作製することができる（図１３参照。）。
【０２０１】
次に、上記評価サンプル９７０のＴＤＳ分析を行う。ＴＤＳ分析条件は、昇温ヒーター温度は、測定開始時は、５０℃、測定終了時は１０００℃に設定し、昇温速度は３２℃／ｍｉｎとする。評価サンプルの膜の表面温度は、サンプル表面近傍に設置されている熱電対によって測定できるが、測定開始時は約５０℃で、測定終了時は約５００℃となる。分析開始時の試料室の圧力は、概ね１．２ｘ１０−７Ｐａとなる。昇温ヒーター温度と、昇温速度は、評価サンプルの物質の種類や評価目的により適宜設定すればよい。以上のＴＤＳ分析条件にて、評価サンプル９７０から放出される、酸素分子に相当する質量電荷比Ｍ／ｚ＝３２の放出量を測定することができる。
【０２０２】
以上の方法を用いれば、表示装置の作製後においても酸化物絶縁体の過剰酸素の残存量を確認することができる。本実施例では、図７（Ｂ）に示した縦電解方式の液晶表示装置の一例を示したが、図１４（Ａ）に示した横電解方式の液晶表示装置においても本発明を実施することが可能である。
【０２０３】
また、実施の形態１の半導体の構成例２で説明した、チャネル保護型トランジスタを用いた、表示装置であっても本発明の実施が可能である。図１５（Ａ）にチャネル保護型トランジスタを用いた表示装置の断面図一例を示す。図１５（Ｂ）は、本発明を実施して、チャネル保護膜９２８が最表面になった状態を示す。
【０２０４】
また、図１４（Ｂ）に示した発光素子を用いた表示装置にも、本発明を実施することが可能である。
【０２０５】
図１４（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。表示素子である発光素子９６３は、画素部９０２に設けられたトランジスタ９１０と電気的に接続している。なお発光素子９６３の構成は、第１の電極９３０、発光層９６１、第２の電極９３１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９６３から取り出す光の方向などに合わせて、発光素子９６３の構成は適宜変えることができる。
【０２０６】
平坦化膜９２１と第１の電極９３０の間に、窒化シリコン膜９５０を有する。窒化シリコン膜９５０は、平坦化膜９２１及び絶縁膜９２４の側面と接する。窒化シリコン膜９５０及び第１の電極９３０の端部上に隔壁９６０を有する。隔壁９６０は、有機絶縁材料、また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９３０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。
【０２０７】
発光層９６１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。
【０２０８】
発光素子９６３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９３１及び隔壁９６０上に保護層を形成してもよい。保護層としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、ＤＬＣ膜等を形成することができる。また、第１の基板９０１、第２の基板９０６、及びシール材９３６によって封止された空間には充填材９６４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。
【０２０９】
シール材９３６は熱硬化樹脂、光硬化樹脂などの有機樹脂や、低融点ガラスを含むフリットガラスなどを用いることができる。フリットガラスは、水や酸素などの不純物に対してバリア性が高いため好ましい。また、シール材９３６としてフリットガラスを用いる場合、図１４（Ｂ）に示すように、窒化シリコン膜９５０上にフリットガラスを設けることで、窒化シリコン膜９５０及びフリットガラスの密着性を高めると共に、外部からシール材９３６内部への水の侵入を妨げることができる。
【０２１０】
充填材９６４としては窒素やアルゴンなどの不活性な気体の他に、紫外線硬化樹脂また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）、アクリル樹脂、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）または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。
【０２１１】
また、必要であれば、発光素子の射出面に偏光板、または円偏光板（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、偏光板また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。
【０２１２】
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）とも呼ばれており、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。
【０２１３】
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。
【０２１４】
以上のような構成の発光素子についても、上述した同様の方法にて、表示装置を分解してＴＤＳ分析サンプルを作製することができる。
【０２１５】
まずは、シール材９３６から、第２の基板９０６を剥がすことにより、発光素子９６３を取り除き、第１の基板に残存する膜を順次ウエットエッチング法、エッチング法を用いて除去すればよい。この手順については、上述の手順を参酌することができる。
【０２１６】
また、上記発光素子を有する表示装置の第１の基板、第２の基板として、可撓性基板、貼り合わせフィルム、基材フィルムなどを用いることができる。一例としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）に代表されるプラスチックがある。または、一例としては、アクリル等の合成樹脂などがある。または、一例としては、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリフッ化ビニル、又はポリ塩化ビニルなどがある。または、一例としては、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、アラミド、エポキシ、無機蒸着フィルム、又は紙類などがある。このような可撓性基板を用いる場合でも、同様の方法を用いることができるが、可撓性基板を剥がすと、第２の電極９５１上、または、発光素子９６３の途中、または、第２の電極と隔壁９６０との界面で剥がれることがあるので、第１の基板に残存する膜を確認し、ウエットエッチング法やドライエッチング法を適宜選択すればよい。
【０２１７】
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。
【０２１８】
（実施の形態３）
本実施の形態では、本実施の形態では、記憶回路を有する半導体装置を分解し、残存する過剰酸素を測定する方法を説明する。
【０２１９】
図１６（Ａ）に、記憶装置の回路の一例を示し、図１６（Ｂ）には、断面図を示す。
【０２２０】
本半導体装置は、トランジスタ１６０と、トランジスタ１１０と、容量素子１３０と、を有する。また、トランジスタ１００と、トランジスタ１１０と、容量素子１３０は、互いにコンタクトホールに埋め込まれた導電体により電気的に接続されている。トランジスタ１６０は、本実施の形態では、チャネル形成領域にシリコン単結晶を用いているが、チャネル形成領域に、たとえば、酸化物半導体膜を用いてもよく、シリコン単結晶に限定されるものではない。トランジスタ１１０は、酸化物半導体膜をチャネル形成領域とするトランジスタを用いることができる。酸化物半導体膜３２０の下地膜としての絶縁膜３０５は、過剰酸素を有する絶縁膜を用いることが好ましく、絶縁膜３０５に過剰な酸素を導入することで、絶縁膜３０５から酸化物半導体膜３２０中に酸素を移動させ、酸化物半導体膜３２０中の酸素欠損を補填することできるので好適である。
【０２２１】
本半導体装置も、実施の形態２と同様の方法を用いて、上層から導電体、絶縁体などを除去し、酸化物半導体膜３２０と、過剰酸素を有する絶縁膜３０５と、を最表面とする評価サンプルを作製することができる（図１７参照。）。
【０２２２】
以上のように作製した評価サンプルを、ＴＤＳ分析することにより、記憶機能を有する半導体装置の作成後においても分解し、過剰酸素の残存量を確認することができる。ＴＤＳ分析条件は、実施の形態２を参酌する。
【０２２３】
なお、本実施の形態に示す構成及び方法などは、他の実施の形態に示す構成及び方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【０２２４】
（実施の形態４）
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した半導体装置に含まれているトランジスタにおいて、酸化物半導体膜に適用可能な一態様について説明する。
【０２２５】
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体とに分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、微結晶酸化物半導体、非晶質酸化物半導体などがある。
【０２２６】
また別の観点では、酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体と、それ以外の結晶性酸化物半導体とに分けられる。結晶性酸化物半導体としては、単結晶酸化物半導体、ＣＡＡＣ−ＯＳ、多結晶酸化物半導体、微結晶酸化物半導体などがある。
【０２２７】
まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。なお、ＣＡＡＣ−ＯＳを、ＣＡＮＣ（Ｃ−Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
【０２２８】
ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向した複数の結晶部（ペレットともいう。）を有する酸化物半導体の一つである。
【０２２９】
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって、ＣＡＡＣ−ＯＳの明視野像と回折パターンとの複合解析像（高分解能ＴＥＭ像ともいう。）を観察すると、複数のペレットを確認することができる。一方、高分解能ＴＥＭ像ではペレット同士の境界、即ち結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を明確に確認することができない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳは、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。
【０２３０】
以下では、ＴＥＭによって観察したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。図１８（Ａ）に、試料面と略平行な方向から観察したＣＡＡＣ−ＯＳの断面の高分解能ＴＥＭ像を示す。高分解能ＴＥＭ像の観察には、球面収差補正（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ  Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ  Ｃｏｒｒｅｃｔｏｒ）機能を用いた。球面収差補正機能を用いた高分解能ＴＥＭ像を、特にＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像と呼ぶ。Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像の取得は、例えば、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡ＪＥＭ−ＡＲＭ２００Ｆなどによって行うことができる。
【０２３１】
図１８（Ａ）の領域（１）を拡大したＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を図１８（Ｂ）に示す。図１８（Ｂ）より、ペレットにおいて、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層の配列は、ＣＡＡＣ−ＯＳの膜を形成する面（被形成面ともいう。）または上面の凹凸を反映しており、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面または上面と平行となる。
【０２３２】
図１８（Ｂ）に示すように、ＣＡＡＣ−ＯＳは特徴的な原子配列を有する。図１８（Ｃ）は、特徴的な原子配列を、補助線で示したものである。図１８（Ｂ）および図１８（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。
【０２３３】
ここで、Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像をもとに、基板５１２０上のＣＡＡＣ−ＯＳのペレット５１００の配置を模式的に示すと、レンガまたはブロックが積み重なったような構造となる（図１８（Ｄ）参照。）。図１８（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１８（Ｄ）に示す領域５１６１に相当する。
【０２３４】
また、図１９（Ａ）に、試料面と略垂直な方向から観察したＣＡＡＣ−ＯＳの平面のＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を示す。図１９（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１９（Ｂ）、図１９（Ｃ）および図１９（Ｄ）に示す。図１９（Ｂ）、図１９（Ｃ）および図１９（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。
【０２３５】
次に、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって解析したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、図２０（Ａ）に示すように回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に帰属されることから、ＣＡＡＣ−ＯＳの結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。
【０２３６】
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳのｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析では、２θが３１°近傍のピークの他に、２θが３６°近傍にもピークが現れる場合がある。２θが３６°近傍のピークは、ＣＡＡＣ−ＯＳ中の一部に、ｃ軸配向性を有さない結晶が含まれることを示している。より好ましいＣＡＡＣ−ＯＳは、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析では、２θが３１°近傍にピークを示し、２θが３６°近傍にピークを示さない。
【０２３７】
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳに対し、ｃ軸に略垂直な方向からＸ線を入射させるｉｎ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、２θが５６°近傍にピークが現れる。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（１１０）面に帰属される。ＣＡＡＣ−ＯＳの場合は、２θを５６°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸（φ軸）として試料を回転させながら分析（φスキャン）を行っても、図２０（Ｂ）に示すように明瞭なピークは現れない。これに対し、ＩｎＧａＺｎＯ４の単結晶酸化物半導体であれば、２θを５６°近傍に固定してφスキャンした場合、図２０（Ｃ）に示すように（１１０）面と等価な結晶面に帰属されるピークが６本観察される。したがって、ＸＲＤを用いた構造解析から、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ａ軸およびｂ軸の配向が不規則であることが確認できる。
【０２３８】
次に、電子回折によって解析したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、試料面に平行にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させると、図２１（Ａ）に示すような回折パターン（制限視野透過電子回折パターンともいう。）が現れる場合がある。この回折パターンには、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に起因するスポットが含まれる。したがって、電子回折によっても、ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれるペレットがｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることがわかる。一方、同じ試料に対し、試料面に垂直にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させたときの回折パターンを図２１（Ｂ）に示す。図２１（Ｂ）より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、電子回折によっても、ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれるペレットのａ軸およびｂ軸は配向性を有さないことがわかる。なお、図２１（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２１（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。
【０２３９】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、欠陥準位密度の低い酸化物半導体である。酸化物半導体の欠陥としては、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は、不純物濃度の低い酸化物半導体ということもできる。また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、酸素欠損の少ない酸化物半導体ということもできる。
【０２４０】
酸化物半導体に含まれる不純物は、キャリアトラップとなる場合や、キャリア発生源となる場合がある。また、酸化物半導体中の酸素欠損は、キャリアトラップとなる場合や、水素を捕獲することによってキャリア発生源となる場合がある。
【０２４１】
なお、不純物は、酸化物半導体の主成分以外の元素で、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などがある。例えば、シリコンなどの、酸化物半導体を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体から酸素を奪うことで酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径（または分子半径）が大きいため、酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。
【０２４２】
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を、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶ。ＣＡＡＣ−ＯＳは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い。即ち、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体となりやすい。したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳ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は、キャリアトラップが少ない。酸化物半導体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。
【０２４３】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ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。
【０２４４】
次に、微結晶酸化物半導体について説明する。
【０２４５】
微結晶酸化物半導体は、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を、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼ぶ。ｎｃ−ＯＳは、例えば、高分解能ＴＥＭ像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。なお、ナノ結晶は、ＣＡＡＣ−ＯＳにおけるペレットと起源を同じくする可能性がある。そのため、以下ではｎｃ−ＯＳの結晶部をペレットと呼ぶ場合がある。
【０２４６】
ｎｃ−ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ−ＯＳは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、ｎｃ−ＯＳは、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。例えば、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットよりも大きい径のＸ線を用いる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に対し、ペレットよりも大きいプローブ径（例えば５０ｎｍ以上）の電子線を用いる電子回折を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットの大きさと近いかペレットより小さいプローブ径の電子線を用いるナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測される。また、ｎｃ−ＯＳに対しナノビーム電子回折を行うと、円を描くように（リング状に）輝度の高い領域が観測される場合がある。さらに、リング状の領域内に複数のスポットが観測される場合がある。
【０２４７】
このように、ペレット（ナノ結晶）間では結晶方位が規則性を有さないことから、ｎｃ−ＯＳを、ＲＡＮＣ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｌｉｇｎｅｄ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体、またはＮＡＮＣ（Ｎｏｎ−Ａｌｉｇｎｅｄ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
【０２４８】
ｎｃ−ＯＳは、非晶質酸化物半導体よりも規則性の高い酸化物半導体である。そのため、ｎｃ−ＯＳは、非晶質酸化物半導体よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、ｎｃ−ＯＳは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、ｎｃ−ＯＳは、ＣＡＡＣ−ＯＳと比べて欠陥準位密度が高くなる。
【０２４９】
次に、非晶質酸化物半導体について説明する。
【０２５０】
非晶質酸化物半導体は、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である。石英のような無定形状態を有する酸化物半導体が一例である。
【０２５１】
非晶質酸化物半導体は、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。
【０２５２】
非晶質酸化物半導体に対し、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、ハローパターンのみが観測される。
【０２５３】
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およびｎｃ−ＯＳを、非晶質酸化物半導体または完全な非晶質酸化物半導体と呼ぶことはできない。
【０２５４】
なお、酸化物半導体は、ｎｃ−ＯＳと非晶質酸化物半導体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を、特に非晶質ライク酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼ぶ。
【０２５５】
ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ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。
【０２５６】
鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、不安定な構造である。以下では、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳが、ＣＡＡＣ−ＯＳおよびｎｃ−ＯＳと比べて不安定な構造であることを示すため、電子照射による構造の変化を示す。
【０２５７】
電子照射を行う試料として、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ（試料Ａと表記する。）、ｎｃ−ＯＳ（試料Ｂと表記する。）およびＣＡＡＣ−ＯＳ（試料Ｃと表記する。）を準備する。いずれの試料もＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である。
【０２５８】
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。
【０２５９】
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。
【０２６０】
図２２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２２より、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、電子の累積照射量に応じて結晶部が大きくなっていくことがわかる。具体的には、図２２中に（１）で示すように、ＴＥＭによる観察初期においては１．２ｎｍ程度の大きさだった結晶部（初期核ともいう。）が、累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２においては２．６ｎｍ程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳは、電子照射開始時から電子の累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２までの範囲で、結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。具体的には、図２２中の（２）および（３）で示すように、電子の累積照射量によらず、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳの結晶部の大きさは、それぞれ１．４ｎｍ程度および２．１ｎｍ程度であることがわかる。
【０２６１】
このように、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、電子照射によって結晶部の成長が見られる場合がある。一方、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳは、電子照射による結晶部の成長がほとんど見られないことがわかる。即ち、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて、不安定な構造であることがわかる。
【０２６２】
また、鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて密度の低い構造である。具体的には、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の７８．６％以上９２．３％未満となる。また、ｎｃ−ＯＳの密度およびＣＡＡＣ−ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の９２．３％以上１００％未満となる。単結晶の密度の７８％未満となる酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。
【０２６３】
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、菱面体晶構造を有する単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４の密度は６．３５７ｇ／ｃｍ３となる。よって、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの密度は５．０ｇ／ｃｍ３以上５．９ｇ／ｃｍ３未満となる。また、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、ｎｃ−ＯＳの密度およびＣＡＡＣ−ＯＳの密度は５．９ｇ／ｃｍ３以上６．３ｇ／ｃｍ３未満となる。
【０２６４】
なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合がある。その場合、任意の割合で組成の異なる単結晶を組み合わせることにより、所望の組成における単結晶に相当する密度を見積もることができる。所望の組成の単結晶に相当する密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して、加重平均を用いて見積もればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない種類の単結晶を組み合わせて見積もることが好ましい。
【０２６５】
以上のように、酸化物半導体は、様々な構造をとり、それぞれが様々な特性を有する。なお、酸化物半導体は、例えば、非晶質酸化物半導体、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ、微結晶酸化物半導体、ＣＡＡＣ−ＯＳのうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
【０２６６】
なお、本実施の形態に示す構成及び方法などは、他の実施の形態に示す構成及び方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【０２６７】
（実施の形態５）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を有する表示装置について、図２３を用いて説明を行う。
【０２６８】
図２３（Ａ）に示す表示装置は、表示素子の画素を有する領域（以下、画素部５０２という）と、画素部５０２の外側に配置され、画素を駆動するための回路を有する回路部（以下、駆動回路部５０４という）と、素子の保護機能を有する回路（以下、保護回路５０６という）と、端子部５０７と、を有する。なお、保護回路５０６は、設けない構成としてもよい。
【０２６９】
駆動回路部５０４の一部、または全部は、画素部５０２と同一基板上に形成されていることが望ましい。これにより、部品数や端子数を減らすことができる。駆動回路部５０４の一部、または全部が、画素部５０２と同一基板上に形成されていない場合には、駆動回路部５０４の一部、または全部は、ＣＯＧやＴＡＢ（Ｔａｐｅ  Ａｕｔｏｍａｔｅｄ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって、実装することができる。
【０２７０】
画素部５０２は、Ｘ行（Ｘは２以上の自然数）Ｙ列（Ｙは２以上の自然数）に配置された複数の表示素子を駆動するための回路（以下、画素回路５０１という）を有し、駆動回路部５０４は、画素を選択する信号（走査信号）を出力する回路（以下、ゲートドライバ５０４ａという）、画素の表示素子を駆動するための信号（データ信号）を供給するための回路（以下、ソースドライバ５０４ｂ）などの駆動回路を有する。
【０２７１】
ゲートドライバ５０４ａは、シフトレジスタ等を有する。ゲートドライバ５０４ａは、端子部５０７を介して、シフトレジスタを駆動するための信号が入力され、信号を出力する。例えば、ゲートドライバ５０４ａは、スタートパルス信号、クロック信号等が入力され、パルス信号を出力する。ゲートドライバ５０４ａは、走査信号が与えられる配線（以下、走査線ＧＬ＿１乃至ＧＬ＿Ｘという）の電位を制御する機能を有する。なお、ゲートドライバ５０４ａを複数設け、複数のゲートドライバ５０４ａにより、走査線ＧＬ＿１乃至ＧＬ＿Ｘを分割して制御してもよい。または、ゲートドライバ５０４ａは、初期化信号を供給することができる機能を有する。ただし、これに限定されず、ゲートドライバ５０４ａは、別の信号を供給することも可能である。
【０２７２】
ソースドライバ５０４ｂは、シフトレジスタ等を有する。ソースドライバ５０４ｂは、端子部５０７を介して、シフトレジスタを駆動するための信号の他、データ信号の元となる信号（画像信号）が入力される。ソースドライバ５０４ｂは、画像信号を元に画素回路５０１に書き込むデータ信号を生成する機能を有する。また、ソースドライバ５０４ｂは、スタートパルス、クロック信号等が入力されて得られるパルス信号に従って、データ信号の出力を制御する機能を有する。また、ソースドライバ５０４ｂは、データ信号が与えられる配線（以下、データ線ＤＬ＿１乃至ＤＬ＿Ｙという）の電位を制御する機能を有する。または、ソースドライバ５０４ｂは、初期化信号を供給することができる機能を有する。ただし、これに限定されず、ソースドライバ５０４ｂは、別の信号を供給することも可能である。
【０２７３】
ソースドライバ５０４ｂは、例えば複数のアナログスイッチなどを用いて構成される。ソースドライバ５０４ｂは、複数のアナログスイッチを順次オン状態にすることにより、画像信号を時分割した信号をデータ信号として出力できる。また、シフトレジスタなどを用いてソースドライバ５０４ｂを構成してもよい。
【０２７４】
複数の画素回路５０１のそれぞれは、走査信号が与えられる複数の走査線ＧＬの一つを介してパルス信号が入力され、データ信号が与えられる複数のデータ線ＤＬの一つを介してデータ信号が入力される。また。複数の画素回路５０１のそれぞれは、ゲートドライバ５０４ａによりデータ信号のデータの書き込み及び保持が制御される。例えば、ｍ行ｎ列目の画素回路５０１は、走査線ＧＬ＿ｍ（ｍはＸ以下の自然数）を介してゲートドライバ５０４ａからパルス信号が入力され、走査線ＧＬ＿ｍの電位に応じてデータ線ＤＬ＿ｎ（ｎはＹ以下の自然数）を介してソースドライバ５０４ｂからデータ信号が入力される。
【０２７５】
図２３（Ａ）に示す保護回路５０６は、例えば、ゲートドライバ５０４ａと画素回路５０１の間の配線である走査線ＧＬに接続される。または、保護回路５０６は、ソースドライバ５０４ｂと画素回路５０１の間の配線であるデータ線ＤＬに接続される。または、保護回路５０６は、ゲートドライバ５０４ａと端子部５０７との間の配線に接続することができる。または、保護回路５０６は、ソースドライバ５０４ｂと端子部５０７との間の配線に接続することができる。なお、端子部５０７は、外部の回路から表示装置に電源及び制御信号、及び画像信号を入力するための端子が設けられた部分をいう。
【０２７６】
保護回路５０６は、自身が接続する配線に一定の範囲外の電位が与えられたときに、該配線と別の配線とを導通状態にする回路である。
【０２７７】
図２３（Ａ）に示すように、画素部５０２と駆動回路部５０４にそれぞれ保護回路５０６を設けることにより、ＥＳＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｓｔａｔｉｃ  Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ：静電気放電）などにより発生する過電流に対する表示装置の耐性を高めることができる。ただし、保護回路５０６の構成はこれに限定されず、例えば、ゲートドライバ５０４ａに保護回路５０６を接続した構成、またはソースドライバ５０４ｂに保護回路５０６を接続した構成とすることもできる。あるいは、端子部５０７に保護回路５０６を接続した構成とすることもできる。
【０２７８】
また、図２３（Ａ）においては、ゲートドライバ５０４ａとソースドライバ５０４ｂによって駆動回路部５０４を形成している例を示しているが、この構成に限定されない。例えば、ゲートドライバ５０４ａのみを形成し、別途用意されたソースドライバ回路が形成された基板（例えば、単結晶半導体膜、多結晶半導体膜で形成された駆動回路基板）を実装する構成としてもよい。
【０２７９】
また、図２３（Ａ）に示す複数の画素回路５０１は、例えば、図２３（Ｂ）に示す構成とすることができる。
【０２８０】
図２３（Ｂ）に示す画素回路５０１は、液晶素子５７０と、トランジスタ５５０と、容量素子５６０と、を有する。トランジスタ５５０に先の実施の形態に示すトランジスタを適用することができる。
【０２８１】
液晶素子５７０の一対の電極の一方の電位は、画素回路５０１の仕様に応じて適宜設定される。液晶素子５７０は、書き込まれるデータにより配向状態が設定される。なお、複数の画素回路５０１のそれぞれが有する液晶素子５７０の一対の電極の一方に共通の電位（コモン電位）を与えてもよい。また、各行の画素回路５０１の液晶素子５７０の一対の電極の一方に異なる電位を与えてもよい。
【０２８２】
例えば、液晶素子５７０を備える表示装置の駆動方法としては、ＴＮモード、ＳＴＮモード、ＶＡモード、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ  Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｍｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ  Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ  Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＭＶＡモード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ  Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＩＰＳモード、ＦＦＳモード、又はＴＢＡ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｂｅｎｄ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モードなどを用いてもよい。また、表示装置の駆動方法としては、上述した駆動方法の他、ＥＣＢ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＰＤＬＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＰＮＬＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ゲストホストモードなどがある。ただし、これに限定されず、液晶素子及びその駆動方式として様々なものを用いることができる。
【０２８３】
ｍ行ｎ列目の画素回路５０１において、トランジスタ５５０のソース電極またはドレイン電極の一方は、データ線ＤＬ＿ｎに電気的に接続され、他方は液晶素子５７０の一対の電極の他方に電気的に接続される。また、トランジスタ５５０のゲート電極は、走査線ＧＬ＿ｍに電気的に接続される。トランジスタ５５０は、オン状態またはオフ状態になることにより、データ信号のデータの書き込みを制御する機能を有する。
【０２８４】
容量素子５６０の一対の電極の一方は、電位が供給される配線（以下、電位供給線ＶＬ）に電気的に接続され、他方は、液晶素子５７０の一対の電極の他方に電気的に接続される。なお、電位供給線ＶＬの電位の値は、画素回路５０１の仕様に応じて適宜設定される。容量素子５６０は、書き込まれたデータを保持する保持容量としての機能を有する。
【０２８５】
例えば、図２３（Ｂ）の画素回路５０１を有する表示装置では、例えば、図２３（Ａ）に示すゲートドライバ５０４ａにより各行の画素回路５０１を順次選択し、トランジスタ５５０をオン状態にしてデータ信号のデータを書き込む。
【０２８６】
データが書き込まれた画素回路５０１は、トランジスタ５５０がオフ状態になることで保持状態になる。これを行毎に順次行うことにより、画像を表示できる。
【０２８７】
また、図２３（Ａ）に示す複数の画素回路５０１は、例えば、図２３（Ｃ）に示す構成とすることができる。
【０２８８】
また、図２３（Ｃ）に示す画素回路５０１は、トランジスタ５５２、５５４と、容量素子５６２と、発光素子５７２と、を有する。トランジスタ５５２及びトランジスタ５５４のいずれか一方または双方に先の実施の形態に示すトランジスタを適用することができる。
【０２８９】
トランジスタ５５２のソース電極及びドレイン電極の一方は、データ信号が与えられる配線（以下、信号線ＤＬ＿ｎという）に電気的に接続される。さらに、トランジスタ５５２のゲート電極は、ゲート信号が与えられる配線（以下、走査線ＧＬ＿ｍという）に電気的に接続される。
【０２９０】
トランジスタ５５２は、オン状態またはオフ状態になることにより、データ信号のデータの書き込みを制御する機能を有する。
【０２９１】
容量素子５６２の一対の電極の一方は、電位が与えられる配線（以下、電位供給線ＶＬ＿ａという）に電気的に接続され、他方は、トランジスタ５５２のソース電極及びドレイン電極の他方に電気的に接続される。
【０２９２】
容量素子５６２は、書き込まれたデータを保持する保持容量としての機能を有する。
【０２９３】
トランジスタ５５４のソース電極及びドレイン電極の一方は、電位供給線ＶＬ＿ａに電気的に接続される。さらに、トランジスタ５５４のゲート電極は、トランジスタ５５２のソース電極及びドレイン電極の他方に電気的に接続される。
【０２９４】
発光素子５７２のアノード及びカソードの一方は、電位供給線ＶＬ＿ｂに電気的に接続され、他方は、トランジスタ５５４のソース電極及びドレイン電極の他方に電気的に接続される。
【０２９５】
発光素子５７２としては、例えば有機エレクトロルミネセンス素子（有機ＥＬ素子ともいう）などを用いることができる。ただし、発光素子５７２としては、これに限定されず、無機材料からなる無機ＥＬ素子を用いてもよい。
【０２９６】
なお、電位供給線ＶＬ＿ａ及び電位供給線ＶＬ＿ｂの一方には、高電源電位ＶＤＤが与えられ、他方には、低電源電位ＶＳＳが与えられる。
【０２９７】
図２３（Ｃ）の画素回路５０１を有する表示装置では、例えば、図２３（Ａ）に示すゲートドライバ５０４ａにより各行の画素回路５０１を順次選択し、トランジスタ５５２をオン状態にしてデータ信号のデータを書き込む。
【０２９８】
データが書き込まれた画素回路５０１は、トランジスタ５５２がオフ状態になることで保持状態になる。さらに、書き込まれたデータ信号の電位に応じてトランジスタ５５４のソース電極とドレイン電極の間に流れる電流量が制御され、発光素子５７２は、流れる電流量に応じた輝度で発光する。これを行毎に順次行うことにより、画像を表示できる。
【０２９９】
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態６）
本実施の形態では、撮像装置を構成する素子の断面構造について、図面を参照して説明する。本実施の形態では一例として、Ｓｉトランジスタ及びＯＳトランジスタを用いて画素を構成する断面構造について説明する。
【０３００】
図２４（Ａ）、（Ｂ）は、撮像装置を構成する素子の断面図である。図２４（Ａ）に示す撮像装置は、シリコン基板４０に設けられたＳｉトランジスタ５１、Ｓｉトランジスタ５１上に積層して設けられたトランジスタ５２およびトランジスタ５３、ならびにシリコン基板４０に設けられたフォトダイオード６０を含む。各トランジスタおよびフォトダイオード６０は、種々のコンタクトプラグ７０および配線層７１と電気的な接続を有する。また、フォトダイオード６０のアノード６１は、低抵抗領域６３を介してコンタクトプラグ７０と電気的な接続を有する。
【０３０１】
また撮像装置は、シリコン基板４０に設けられたＳｉトランジスタ５１およびフォトダイオード６０を有する層１１００と、層１１００と接して設けられ、配線層７１を有する層１２００と、層１２００と接して設けられ、トランジスタ５２およびトランジスタ５３を有する層１３００と、層１３００と接して設けられ、配線層７２および配線層７３を有する層１４００を備えている。
【０３０２】
なお図２４（Ａ）の断面図の一例では、シリコン基板４０において、Ｓｉトランジスタ５１が形成された面とは逆側の面にフォトダイオード６０の受光面を有する構成とする。該構成とすることで、各種トランジスタや配線などの影響を受けずに光路を確保することができる。そのため、高開口率の画素を形成することができる。なお、フォトダイオード６０の受光面をＳｉトランジスタ５１が形成された面と同じとすることもできる。
【０３０３】
なお酸化物半導体をチャネル形成領域とするトランジスタを用いて画素を構成する場合には、層１１００を省略し、酸化物半導体をチャネル形成領域とするトランジスタのみで画素を構成してもよい。
【０３０４】
なおＳｉトランジスタを用いて画素を構成する場合には、層１３００を省略すればよい。層１３００を省略した断面図の一例を図２４（Ｂ）に示す。
【０３０５】
なお、シリコン基板４０はバルクのシリコン基板に限らず、ＳＯＩ基板であってもよい。また、シリコン基板４０に替えて、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウム、有機半導体を材料とする基板を用いることもできる。
【０３０６】
ここで、位置は限定されないが、Ｓｉトランジスタ５１およびフォトダイオード６０を有する層１１００と、酸化物半導体をチャネル形成領域とするトランジスタ５２および酸化物半導体をチャネル形成領域とするトランジスタ５３を有する層１３００との間には絶縁層８０が設けられる。
【０３０７】
Ｓｉトランジスタ５１の活性領域近傍に設けられる絶縁層中の水素はシリコンのダングリングボンドを終端し、Ｓｉトランジスタ５１の信頼性を向上させる効果がある。一方、上層に設けられる酸化物半導体をチャネル形成領域とするトランジスタ５２および酸化物半導体をチャネル形成領域とするトランジスタ５３等の活性層である酸化物半導体層の近傍に設けられる絶縁層中の水素は、酸化物半導体膜中にキャリアを生成する要因の一つとなるため、酸化物半導体をチャネル形成領域とするトランジスタ５２および酸化物半導体をチャネル形成領域とするトランジスタ５３等の信頼性を低下させる要因となる場合がある。したがって、シリコン系半導体材料を用いたトランジスタの上層に酸化物半導体を用いたトランジスタを積層して設ける場合、これらの間に水素の拡散を防止する機能を有する絶縁層８０を設けることが好ましい。絶縁層８０により、下層に水素を閉じ込めることでＳｉトランジスタ５１の信頼性が向上することに加え、下層から上層に水素が拡散することが抑制されることで酸化物半導体をチャネル形成領域とするトランジスタ５２および酸化物半導体をチャネル形成領域とするトランジスタ５３等の信頼性も同時に向上させることができる。
【０３０８】
絶縁層８０としては、例えば酸化アルミニウム、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、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等を用いることができる。
【０３０９】
また、図２４（Ａ）の断面図において、層１１００に設けるフォトダイオード６０と、層１３００に設けるトランジスタとを重なるように形成することができる。そうすると、画素の集積度を高めることができる。すなわち、撮像装置の解像度を高めることができる。
【０３１０】
また、図２５（Ａ１）及び図２５（Ｂ１）に示すように、撮像装置を湾曲させてもよい。図２５（Ａ１）は、撮像装置を同図中の二点鎖線Ｘ１−Ｘ２の方向に湾曲させた状態を示している。図２５（Ａ２）は、図２５（Ａ１）中の二点鎖線Ｘ１−Ｘ２で示した部位の断面図である。図２５（Ａ３）は、図２５（Ａ１）中の二点鎖線Ｙ１−Ｙ２で示した部位の断面図である。
【０３１１】
図２５（Ｂ１）は、撮像装置を同図中の二点鎖線Ｘ３−Ｘ４の方向に湾曲させ、かつ、同図中の二点鎖線Ｙ３−Ｙ４の方向に湾曲させた状態を示している。図２５（Ｂ２）は、図２５（Ｂ１）中の二点鎖線Ｘ３−Ｘ４で示した部位の断面図である。図２５（Ｂ３）は、図２５（Ｂ１）中の二点鎖線Ｙ３−Ｙ４で示した部位の断面図である。
【０３１２】
撮像装置を湾曲させることで、像面湾曲や非点収差を低減することができる。よって、撮像装置と組み合わせて用いるレンズなどの光学設計を容易とすることができる。例えば、収差補正のためのレンズ枚数を低減できるため、撮像装置の小型化や軽量化を容易とすることができる。また、撮像された画像の品質を向上させる事ができる。
【０３１３】
なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。
【０３１４】
（実施の形態７）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を有する表示モジュール及び電子機器について、図２６及び図２７を用いて説明を行う。
【０３１５】
図２６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８００７、フレーム８００９、プリント基板８０１０、バッテリ８０１１を有する。
【０３１６】
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。
【０３１７】
上部カバー８００１及び下部カバー８００２は、タッチパネル８００４及び表示パネル８００６のサイズに合わせて、形状や寸法を適宜変更することができる。
【０３１８】
タッチパネル８００４は、抵抗膜方式または静電容量方式のタッチパネルを表示パネル８００６に重畳して用いることができる。また、表示パネル８００６の対向基板（封止基板）に、タッチパネル機能を持たせるようにすることも可能である。また、表示パネル８００６の各画素内に光センサを設け、光学式のタッチパネルとすることも可能である。
【０３１９】
バックライト８００７は、光源８００８を有する。なお、図２６において、バックライト８００７上に光源８００８を配置する構成について例示したが、これに限定さない。例えば、バックライト８００７の端部に光源８００８を配置し、さらに光拡散板を用いる構成としてもよい。なお、有機ＥＬ素子等の自発光型の発光素子を用いる場合、または反射型パネル等の場合においては、バックライト８００７を設けない構成としてもよい。
【０３２０】
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。
【０３２１】
プリント基板８０１０は、電源回路、ビデオ信号及びクロック信号を出力するための信号処理回路を有する。電源回路に電力を供給する電源としては、外部の商用電源であってもよいし、別途設けたバッテリ８０１１による電源であってもよい。バッテリ８０１１は、商用電源を用いる場合には、省略可能である。
【０３２２】
また、表示モジュール８０００は、偏光板、位相差板、プリズムシートなどの部材を追加して設けてもよい。
【０３２３】
図２７（Ａ）乃至図２７（Ｇ）は、電子機器を示す図である。これらの電子機器は、筐体９０００、表示部９００１、スピーカ９００３、操作キー９００５（電源スイッチ、又は操作スイッチを含む）、接続端子９００６、センサ９００７（力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、におい又は赤外線を測定する機能を含むもの）、マイクロフォン９００８、等を有することができる。
【０３２４】
図２７（Ａ）乃至図２７（Ｇ）に示す電子機器は、様々な機能を有することができる。例えば、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示部に表示する機能、タッチパネル機能、カレンダー、日付または時刻などを表示する機能、様々なソフトウェア（プログラム）によって処理を制御する機能、無線通信機能、無線通信機能を用いて様々なコンピュータネットワークに接続する機能、無線通信機能を用いて様々なデータの送信または受信を行う機能、記録媒体に記録されているプログラムまたはデータを読み出して表示部に表示する機能、等を有することができる。なお、図２７（Ａ）乃至図２７（Ｇ）に示す電子機器が有することのできる機能はこれらに限定されず、様々な機能を有することができる。また、図２７（Ａ）乃至図２７（Ｇ）には図示していないが、電子機器には、複数の表示部を有する構成としてもよい。また、該電子機器にカメラ等を設け、静止画を撮影する機能、動画を撮影する機能、撮影した画像を記録媒体（外部またはカメラに内蔵）に保存する機能、撮影した画像を表示部に表示する機能、等を有していてもよい。
【０３２５】
図２７（Ａ）乃至図２７（Ｇ）に示す電子機器の詳細について、以下説明を行う。
【０３２６】
図２７（Ａ）は、携帯情報端末９１００を示す斜視図である。携帯情報端末９１００が有する表示部９００１は、可撓性を有する。そのため、湾曲した筐体９０００の湾曲面に沿って表示部９００１を組み込むことが可能である。また、表示部９００１はタッチセンサを備え、指やスタイラスなどで画面に触れることで操作することができる。例えば、表示部９００１に表示されたアイコンに触れることで、アプリケーションを起動することができる。
【０３２７】
図２７（Ｂ）は、携帯情報端末９１０１を示す斜視図である。携帯情報端末９１０１は、例えば電話機、手帳又は情報閲覧装置等から選ばれた一つ又は複数の機能を有する。具体的には、スマートフォンとして用いることができる。なお、携帯情報端末９１０１は、スピーカ９００３、接続端子９００６、センサ９００７等を省略して図示しているが、図２７（Ａ）に示す携帯情報端末９１００と同様の位置に設けることができる。また、携帯情報端末９１０１は、文字や画像情報をその複数の面に表示することができる。例えば、３つの操作ボタン９０５０（操作アイコンまたは単にアイコンともいう）を表示部９００１の一の面に表示することができる。また、破線の矩形で示す情報９０５１を表示部９００１の他の面に表示することができる。なお、情報９０５１の一例としては、電子メールやＳＮＳ（ソーシャル・ネットワーキング・サービス）や電話などの着信を知らせる表示、電子メールやＳＮＳなどの題名、電子メールやＳＮＳなどの送信者名、日時、時刻、バッテリの残量、アンテナ受信の強度などがある。または、情報９０５１が表示されている位置に、情報９０５１の代わりに、操作ボタン９０５０などを表示してもよい。
【０３２８】
図２７（Ｃ）は、携帯情報端末９１０２を示す斜視図である。携帯情報端末９１０２は、表示部９００１の３面以上に情報を表示する機能を有する。ここでは、情報９０５２、情報９０５３、情報９０５４がそれぞれ異なる面に表示されている例を示す。例えば、携帯情報端末９１０２の使用者は、洋服の胸ポケットに携帯情報端末９１０２を収納した状態で、その表示（ここでは情報９０５３）を確認することができる。具体的には、着信した電話の発信者の電話番号又は氏名等を、携帯情報端末９１０２の上方から観察できる位置に表示する。使用者は、携帯情報端末９１０２をポケットから取り出すことなく、表示を確認し、電話を受けるか否かを判断できる。
【０３２９】
図２７（Ｄ）は、腕時計型の携帯情報端末９２００を示す斜視図である。携帯情報端末９２００は、移動電話、電子メール、文章閲覧及び作成、音楽再生、インターネット通信、コンピュータゲームなどの種々のアプリケーションを実行することができる。また、表示部９００１はその表示面が湾曲して設けられ、湾曲した表示面に沿って表示を行うことができる。また、携帯情報端末９２００は、通信規格された近距離無線通信を実行することが可能である。例えば無線通信可能なヘッドセットと相互通信することによって、ハンズフリーで通話することもできる。また、携帯情報端末９２００は、接続端子９００６を有し、他の情報端末とコネクターを介して直接データのやりとりを行うことができる。また接続端子９００６を介して充電を行うこともできる。なお、充電動作は接続端子９００６を介さずに無線給電により行ってもよい。
【０３３０】
図２７（Ｅ）（Ｆ）（Ｇ）は、折り畳み可能な携帯情報端末９２０１を示す斜視図である。また、図２７（Ｅ）が携帯情報端末９２０１を展開した状態の斜視図であり、図２７（Ｆ）が携帯情報端末９２０１を展開した状態または折り畳んだ状態の一方から他方に変化する途中の状態の斜視図であり、図２７（Ｇ）が携帯情報端末９２０１を折り畳んだ状態の斜視図である。携帯情報端末９２０１は、折り畳んだ状態では可搬性に優れ、展開した状態では、継ぎ目のない広い表示領域により表示の一覧性に優れる。携帯情報端末９２０１が有する表示部９００１は、ヒンジ９０５５によって連結された３つの筐体９０００に支持されている。ヒンジ９０５５を介して２つの筐体９０００間を屈曲させることにより、携帯情報端末９２０１を展開した状態から折りたたんだ状態に可逆的に変形させることができる。例えば、携帯情報端末９２０１は、曲率半径１ｍｍ以上１５０ｍｍ以下で曲げることができる。
【０３３１】
本実施の形態において述べた電子機器は、何らかの情報を表示するための表示部を有することを特徴とする。ただし、本発明の一態様の半導体装置は、表示部を有さない電子機器にも適用することができる。また、本実施の形態において述べた電子機器の表示部においては、可撓性を有し、湾曲した表示面に沿って表示を行うことができる構成、または折り畳み可能な表示部の構成について例示したが、これに限定されず、可撓性を有さず、平面部に表示を行う構成としてもよい。
【０３３２】
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
【０３３３】
（実施の形態８）
本実施の形態では、実施の形態１及び実施の形態２で示した、トランジスタＭ０が適用可能な記憶装置の一例について説明する。
【０３３４】
図２８（Ａ）に示す半導体装置は、トランジスタＭ１と、トランジスタＭ０と、容量素子３４００と、を有している。
【０３３５】
トランジスタＭ０は、チャネル領域に酸化物半導体を有するトランジスタであることが好ましい。トランジスタＭ０は、オフ電流が小さいため、これを用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、或いは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ない半導体記憶装置とすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。
【０３３６】
図２８（Ａ）において、第１の配線３００１はトランジスタＭ１のソース電極と電気的に接続され、第２の配線３００２はトランジスタＭ１のドレイン電極と電気的に接続されている。また、第３の配線３００３はトランジスタＭ０のソース電極及びドレイン電極の一方と電気的に接続され、第４の配線３００４はトランジスタＭ０のゲート電極と電気的に接続されている。そして、トランジスタＭ１のゲート電極、およびトランジスタＭ０のソース電極及びドレイン電極の他方は、容量素子３４００の第１の端子に電気的に接続され、第５の配線３００５は容量素子３４００の第２の端子に電気的に接続されている。
【０３３７】
図２８（Ａ）に示す半導体装置では、トランジスタＭ１のゲート電極の電位が保持可能という特徴を活かすことで、次のように、データの書き込み、保持、読み出しが可能である。
【０３３８】
データの書き込みおよび保持について説明する。まず、第４の配線３００４の電位を、トランジスタＭ０がオン状態となる電位にして、トランジスタＭ０をオン状態とする。これにより、第３の配線３００３の電位が、トランジスタＭ１のゲート電極、および容量素子３４００に与えられる。すなわち、トランジスタＭ１のゲートには、所定の電荷が与えられる（書き込み）。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷（以下Ｌｏｗレベル電荷、Ｈｉｇｈレベル電荷という）のいずれかが与えられるものとする。その後、第４の配線３００４の電位を、トランジスタＭ０がオフ状態となる電位にして、トランジスタＭ０をオフ状態とすることにより、トランジスタＭ１のゲートに与えられた電荷が保持される（保持）。
【０３３９】
トランジスタＭ０のオフ電流は極めて小さいため、トランジスタＭ１のゲートの電荷は長時間にわたって保持される。
【０３４０】
次にデータの読み出しについて説明する。第１の配線３００１に所定の電位（定電位）を与えた状態で、第５の配線３００５に適切な電位（読み出し電位）を与えると、トランジスタＭ１のゲートに保持された電荷量に応じて、第２の配線３００２は異なる電位をとる。一般に、トランジスタＭ１をｎチャネル型とすると、トランジスタＭ１のゲート電極にＨｉｇｈレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Ｖｔｈ＿Ｈは、トランジスタＭ１のゲート電極にＬｏｗレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Ｖｔｈ＿Ｌより低くなるためである。ここで、見かけのしきい値電圧とは、トランジスタＭ１を「オン状態」とするために必要な第５の配線３００５の電位をいうものとする。したがって、第５の配線３００５の電位をＶｔｈ＿ＨとＶｔｈ＿Ｌの間の電位Ｖ０とすることにより、トランジスタＭ１のゲートに与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、Ｈｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線３００５の電位がＶ０（＞Ｖｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタＭ１は「オン状態」となる。Ｌｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線３００５の電位がＶ０（＜Ｖｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタＭ１は「オフ状態」のままである。このため、第２の配線３００２の電位を判別することで、保持されているデータを読み出すことができる。
【０３４１】
なお、メモリセルをアレイ状に配置して用いる場合、所望のメモリセルのデータのみを読み出せることが必要になる。このようにデータを読み出さない場合には、ゲートの状態にかかわらずトランジスタＭ１が「オフ状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｈより小さい電位を第５の配線３００５に与えればよい。または、ゲートの状態にかかわらずトランジスタＭ１が「オン状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｌより大きい電位を第５の配線３００５に与えればよい。
【０３４２】
図２８（Ｂ）に示す半導体装置は、トランジスタＭ１を設けていない点で図２８（Ａ）と相違している。この場合も上記と同様の動作によりデータの書き込み及び保持動作が可能である。
【０３４３】
次に、図２８（Ｂ）に示す半導体装置のデータの読み出しについて説明する。トランジスタＭ０がオン状態となると、浮遊状態である第３の配線３００３と容量素子３４００とが導通し、第３の配線３００３と容量素子３４００の間で電荷が再分配される。その結果、第３の配線３００３の電位が変化する。第３の配線３００３の電位の変化量は、容量素子３４００の第１の端子の電位（または容量素子３４００に蓄積された電荷）によって、異なる値をとる。
【０３４４】
例えば、容量素子３４００の第１の端子の電位をＶ、容量素子３４００の容量をＣ、第３の配線３００３が有する容量成分をＣＢ、電荷が再分配される前の第３の配線３００３の電位をＶＢ０とすると、電荷が再分配された後の第３の配線３００３の電位は、（ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ）／（ＣＢ＋Ｃ）となる。したがって、メモリセルの状態として、容量素子３４００の第１の端子の電位がＶ１とＶ０（Ｖ１＞Ｖ０）の２状態をとるとすると、電位Ｖ１を保持している場合の第３の配線３００３の電位（＝（ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ１）／（ＣＢ＋Ｃ））は、電位Ｖ０を保持している場合の第３の配線３００３の電位（＝ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ０）／（ＣＢ＋Ｃ））よりも高くなることがわかる。
【０３４５】
そして、第３の配線３００３の電位を所定の電位と比較することで、データを読み出すことができる。
【０３４６】
本実施の形態に示す半導体装置では、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたオフ電流の極めて小さいトランジスタを適用することで、極めて長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合（ただし、電位は固定されていることが望ましい）であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。
【０３４７】
また、本実施の形態に示す半導体装置では、データの書き込みに高い電圧を必要とせず、素子の劣化の問題もない。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行う必要がないため、ゲート絶縁膜の劣化といった問題がほとんど生じない。すなわち、開示する発明に係る半導体装置では、従来の不揮発性メモリで問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上する。さらに、トランジスタのオン状態、オフ状態によって、データの書き込みが行われるため、高速な動作も容易に実現しうる。
【０３４８】
本実施の形態に示す記憶装置は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、カスタムＬＳＩ、ＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｌｏｇｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅ）等のＬＳＩ、ＲＦ−Ｔａｇ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｔａｇ）にも応用可能である。
【０３４９】
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。
【０３５０】
（実施の形態９）
本実施の形態では、実施の形態４で説明した記憶装置を含むＣＰＵ（中央演算処理装置）について説明する。
【０３５１】
図２９は、先の実施の形態で説明したトランジスタを少なくとも一部に用いたＣＰＵの一例の構成を示すブロック図である。
【０３５２】
図２９に示すＣＰＵは、基板１１９０上に、ＡＬＵ１１９１（ＡＬＵ：Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ  ｌｏｇｉｃ  ｕｎｉｔ、演算回路）、ＡＬＵコントローラ１１９２、インストラクションデコーダ１１９３、インタラプトコントローラ１１９４、タイミングコントローラ１１９５、レジスタ１１９６、レジスタコントローラ１１９７、バスインターフェース１１９８（Ｂｕｓ  Ｉ／Ｆ）、書き換え可能なＲＯＭ１１９９、およびＲＯＭインターフェース１１８９（ＲＯＭ  Ｉ／Ｆ）を有している。基板１１９０は、半導体基板、ＳＯＩ基板、ガラス基板などを用いる。ＲＯＭ１１９９およびＲＯＭインターフェース１１８９は、別チップに設けてもよい。もちろん、図２９に示すＣＰＵは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際のＣＰＵはその用途によって多種多様な構成を有している。例えば、図２９に示すＣＰＵまたは演算回路を含む構成を一つのコアとし、当該コアを複数含み、それぞれのコアが並列で動作するような構成としてもよい。また、ＣＰＵが内部演算回路やデータバスで扱えるビット数は、例えば８ビット、１６ビット、３２ビット、６４ビットなどとすることができる。
【０３５３】
バスインターフェース１１９８を介してＣＰＵに入力された命令は、インストラクションデコーダ１１９３に入力され、デコードされた後、ＡＬＵコントローラ１１９２、インタラプトコントローラ１１９４、レジスタコントローラ１１９７、タイミングコントローラ１１９５に入力される。
【０３５４】
ＡＬＵコントローラ１１９２、インタラプトコントローラ１１９４、レジスタコントローラ１１９７、タイミングコントローラ１１９５は、デコードされた命令に基づき、各種制御を行なう。具体的にＡＬＵコントローラ１１９２は、ＡＬＵ１１９１の動作を制御するための信号を生成する。また、インタラプトコントローラ１１９４は、ＣＰＵのプログラム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク状態から判断し、処理する。レジスタコントローラ１１９７は、レジスタ１１９６のアドレスを生成し、ＣＰＵの状態に応じてレジスタ１１９６の読み出しや書き込みを行なう。
【０３５５】
また、タイミングコントローラ１１９５は、ＡＬＵ１１９１、ＡＬＵコントローラ１１９２、インストラクションデコーダ１１９３、インタラプトコントローラ１１９４、およびレジスタコントローラ１１９７の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタイミングコントローラ１１９５は、基準クロック信号を元に、内部クロック信号を生成する内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号を上記各種回路に供給する。
【０３５６】
図２９に示すＣＰＵでは、レジスタ１１９６に、メモリセルが設けられている。レジスタ１１９６のメモリセルとして、実施の形態１に示したトランジスタ、または、実施の形態２に示した記憶装置を用いることができる。
【０３５７】
図２９に示すＣＰＵにおいて、レジスタコントローラ１１９７は、ＡＬＵ１１９１からの指示に従い、レジスタ１１９６における保持動作の選択を行う。すなわち、レジスタ１１９６が有するメモリセルにおいて、フリップフロップによるデータの保持を行うか、容量素子によるデータの保持を行うかを、選択する。フリップフロップによるデータの保持が選択されている場合、レジスタ１１９６内のメモリセルへの、電源電圧の供給が行われる。容量素子におけるデータの保持が選択されている場合、容量素子へのデータの書き換えが行われ、レジスタ１１９６内のメモリセルへの電源電圧の供給を停止することができる。
【０３５８】
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。
【０３５９】
（実施の形態１０）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を備えることができるＲＦタグの使用例について図３０を用いながら説明する。ＲＦタグの用途は広範にわたるが、例えば、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、証書類（運転免許証や住民票等、図３０（Ａ）参照）、記録媒体（ＤＶＤやビデオテープ等、図３０（Ｂ）参照）、包装用容器類（包装紙やボトル等、図３０（Ｃ）参照）、乗り物類（自転車等、図３０（Ｄ）参照）、身の回り品（鞄や眼鏡等）、食品類、植物類、動物類、人体、衣類、生活用品類、薬品や薬剤を含む医療品、または電子機器（液晶表示装置、ＥＬ表示装置、テレビジョン装置、または携帯電話）等の物品、若しくは各物品に取り付ける荷札（図３０（Ｅ）、図３０（Ｆ）参照）等に設けて使用することができる。
【０３６０】
本発明の一態様に係るＲＦタグ４０００は、プリント基板に表面に貼る、または埋め込むことにより、物品に固定される。例えば、本であれば紙に埋め込み、有機樹脂からなるパッケージであれば当該有機樹脂の内部に埋め込み、各物品に固定される。本発明の一態様に係るＲＦタグ４０００は、小型、薄型、軽量を実現するため、物品に固定した後もその物品自体のデザイン性を損なうことがない。また、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、または証書類等に本発明の一態様に係るＲＦタグ４０００を設けることにより、認証機能を設けることができ、この認証機能を活用すれば、偽造を防止することができる。また、包装用容器類、記録媒体、身の回り品、食品類、衣類、生活用品類、または電子機器等に本発明の一態様に係るＲＦタグを取り付けることにより、検品システム等のシステムの効率化を図ることができる。また、乗り物類であっても、本発明の一態様に係るＲＦタグを取り付けることにより、盗難などに対するセキュリティ性を高めることができる。
【０３６１】
以上のように、本発明の一態様に係わるＲＦタグを本実施の形態に挙げた各用途に用いることにより、情報の書込みや読み出しを含む動作電力を低減できるため、最大通信距離を長くとることが可能となる。また、電力が遮断された状態であっても情報を極めて長い期間保持可能であるため、書き込みや読み出しの頻度が低い用途にも好適に用いることができる。
【０３６２】
次に、本発明の一態様の半導体装置を備えることができる表示装置の使用例について説明する。一例としては、表示装置は、画素を有する。画素は、例えば、トランジスタや表示素子を有する。または、表示装置は、画素を駆動する駆動回路を有する。駆動回路は、例えば、トランジスタを有する。例えば、これらのｃｖトランジスタとして、他の実施の形態で述べたトランジスタを採用することができる。
【０３６３】
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、及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、又は様々な素子を有することができる。表示素子、表示装置、発光素子又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（有機物及び無機物を含むＥＬ素子、有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子）、ＬＥＤ（白色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤなど）、トランジスタ（電流に応じて発光するトランジスタ）、電子放出素子、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）を用いた表示素子、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、ＤＭＳ（デジタル・マイクロ・シャッター）、ＭＩＲＡＳＯＬ（登録商標）、ＩＭＯＤ（インターフェアレンス・モジュレーション）素子、シャッター方式のＭＥＭＳ表示素子、光干渉方式のＭＥＭＳ表示素子、エレクトロウェッティング素子、圧電セラミックディスプレイ、カーボンナノチューブ、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）又はＳＥＤ方式平面型ディスプレイ（ＳＥＤ：Ｓｕｒｆａｃｅ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｅｍｉｔｔｅｒ  Ｄｉｓｐｌａｙ）などがある。液晶素子を用いた表示装置の一例としては、液晶ディスプレイ（透過型液晶ディスプレイ、半透過型液晶ディスプレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶ディスプレイ、投射型液晶ディスプレイ）などがある。電子インク、又は電気泳動素子を用いた表示装置の一例としては、電子ペーパーなどがある。なお、半透過型液晶ディスプレイや反射型液晶ディスプレイを実現する場合には、画素電極の一部、または、全部が、反射電極としての機能を有するようにすればよい。例えば、画素電極の一部、または、全部が、アルミニウム、銀、などを有するようにすればよい。さらに、その場合、反射電極の下に、ＳＲＡＭなどの記憶回路を設けることも可能である。これにより、さらに、消費電力を低減することができる。
【０３６４】
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態および実施例と適宜組み合わせることができる。
【実施例１】
【０３６５】
実施例１では、本発明の一態様に係る表示装置を分解し、過剰酸素が残存することを確認した。
【０３６６】
ここでは、異なる製造工程で作成された表示装置Ａ、表示装置Ｂおよび表示装置Ｃ、を評価した。表示装置は、先の実施の形態で示した図７（Ｂ）と同様の構造を有する。よって、特に断りがない場合、以下では図７（Ｂ）に示した符号を用いて説明する。
【０３６７】
表示装置Ａは、第１の基板９０１上の導電膜と、基板および導電膜上のゲート絶縁膜９２２と、ゲート絶縁膜９２２上の酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜上の絶縁膜９２４と、絶縁膜９２４上の絶縁膜９２６と、を有し、絶縁膜９２４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窒化シリコン膜を用いた。表示装置Ｂは、酸化物半導体膜上の絶縁膜９２４として、表示装置Ａと同様の酸化窒化シリコン膜上から、酸素プラズマ処理を１２０ｓｅｃ行った酸化窒化シリコン膜を用いた。表示装置Ｃは、酸化物半導体膜上の絶縁膜９２４として、表示装置Ａと同様の酸化窒化シリコン膜上から、酸素プラズマ処理を６００ｓｅｃ行った酸化窒化シリコン膜を用いた。
【０３６８】
酸素プラズマ処理条件は、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置を用いた。ＩＣＰ高周波電力０Ｗ、Ｂｉａｓ高周波電力４５００Ｗ、圧力１５Ｐａ、酸素ガス流量２５０ｓｃｃｍ、基板温度４０℃、処理時間は、表示装置Ｂは１２０ｓｅｃ、表示装置Ｃは６００ｓｅｃ行った。
【０３６９】
次に表示装置を分解および分断して、評価サンプルの作製を行った。まず、第２の電極９３１と、スペーサ９３５と、絶縁膜９３３と、液晶層９０８などを有する第２の基板９０６を第１の基板９０１から剥離した。剥離は、本表示装置の端部の、第２の基板９０６と第１の基板９０１が貼り合わされているシール材９２５の部分に、カッターナイフの先端などの薄い金属の板を挿入し、物理的に剥離した。
【０３７０】
次に、第１の基板９０１上の配向膜としての機能を持つ絶縁膜９３２を酸素ガスを用いたドライエッチング法にて除去した。エッチング条件は、ＩＣＰ高周波電力６０００Ｗ、Ｂｉａｓ高周波電力２０００Ｗ、圧力６０Ｐａ、酸素ガス流量９００ｓｃｃｍ、エッチング時間１２０ｓｅｃ、下部電極温度４０℃で行った。次に、透明導電膜ＩＴＯで形成されている第１の電極９３０をシュウ酸を主成分とする薬液を６０℃にてウエットエッチング法により除去した。
【０３７１】
次に、容量素子の窒化シリコン膜からなる絶縁膜を六フッ化硫黄ガスを用いたドライエッチング法にて除去した。エッチング条件は、ＩＣＰ高周波電力２０００Ｗ、Ｂｉａｓ高周波電力１０００Ｗ、圧力２．５Ｐａ、六フッ化硫黄ガス９００ｓｃｃｍ、エッチング時間１２０ｓｅｃ、下部電極温度８０℃で行った。
【０３７２】
次に容量素子の電極として機能している、透明導電膜ＩＴＯをシュウ酸を主成分とする薬液を６０℃にてウエットエッチング法により除去した。次に有機樹脂から形成されている平坦化膜９２１の上層部分のみを酸素ガスを用いたドライエッチング法にて除去し、続いて発煙硝酸を液温７０℃にて、残存する平坦化膜９２１を除去した。ドライエッチング条件は、上述の絶縁膜９３２を除去した条件と同様の条件を用いた。
【０３７３】
次に、過剰酸素を有する、酸化窒化シリコン膜からなる絶縁膜９２４上に接する窒化シリコン膜からなる絶縁膜９２６を六フッ化硫黄ガスを用いたドライエッチング法にて除去した。エッチング条件は、上述の容量素子の絶縁膜と同様の条件を用いた。
【０３７４】
次に、過剰酸素を有する、酸化窒化シリコン膜が最上層となった上記評価基板の画素領域を分断し、評価サンプルを作製した。評価サンプルの大きさは、ここでは、１ｃｍ角とした。
【０３７５】
次にそれぞれの評価サンプルについてＴＤＳ分析を行った。ＴＤＳ分析条件は、昇温ヒーター温度を、測定開始時は５０℃、測定終了時は９００℃に設定し、昇温速度は３２℃／ｍｉｎとした。サンプルの膜の表面温度は、測定開始時は約５０℃で、測定終了時は約５００℃であった。分析開始時の試料室の圧力は、１．２×１０−７Ｐａであった。
【０３７６】
図３１（Ａ）（Ｂ）に、各評価サンプルのＴＤＳ分析結果を示す。図３１（Ａ）は、酸素分子に相当する質量電荷比Ｍ／ｚ＝３２の放出量の温度依存性のグラフを、図３１（Ｂ）は、図３１（Ａ）のデータを基に、酸素分子に相当する質量電荷比Ｍ／ｚ＝３２の放出量を定量した結果を示す。
【０３７７】
図３１（Ａ）の各評価サンプルの酸素分子放出量の温度依存性のグラフを見ると、表示装置Ａ、Ｂ、Ｃ間で異なることを確認した。また、表示装置Ａの評価サンプルの酸素分子の放出量は、５．１×１０１４ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ２であった。表示装置Ｂの評価サンプルの酸素分子の放出量は、１．８×１０１５ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ２であった。表示装置Ｃの評価サンプルの酸素分子の放出量は、２．５×１０１５ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ２であった。
【０３７８】
この結果から、表示装置の作製後においても酸化物絶縁体に過剰酸素が残存することがわかった。また、酸素プラズマ処理の処理時間が長い方が多くの酸素分子を放出することが確認された。
【０３７９】
以上により、本発明の一態様に係る評価方法によって、表示装置を作製した後でも過剰酸素が残存することを確認することができた。また、表示装置に残存する酸素分子の放出量を見積もることができた。
【符号の説明】
【０３８０】
４０    シリコン基板
５１    Ｓｉトランジスタ
５２    トランジスタ
５３    トランジスタ
６０    フォトダイオード
６１    アノード
６３    低抵抗領域
７０    コンタクトプラグ
７１    配線層
７２    配線層
７３    配線層
８０    絶縁層
１００    トランジスタ
１０２    基板
１０４    導電膜
１０６    絶縁膜
１０７    絶縁膜
１０８    酸化物半導体膜
１１０    トランジスタ
１１２ａ    導電膜
１１２ｂ    導電膜
１１２ｃ    導電膜
１１４    絶縁膜
１１６    絶縁膜
１１７    保護膜
１１８    絶縁膜
１２０ａ    導電膜
１２０ｂ    導電膜
１２０ｓｅｃ    エッチング時間
１３０    容量素子
１４１    酸素
１４１ａ    開口部
１４１ｂ    開口部
１４２ａ    開口部
１４２ｂ    開口部
１４２ｃ    開口部
１４４    領域
１５０    トランジスタ
１６０    トランジスタ
１７０    トランジスタ
３０５    絶縁膜
３２０    酸化物半導体膜
５０１    画素回路
５０２    画素部
５０４    駆動回路部
５０４ａ    ゲートドライバ
５０４ｂ    ソースドライバ
５０６    保護回路
５０７    端子部
５５０    トランジスタ
５５２    トランジスタ
５５４    トランジスタ
５６０    容量素子
５６２    容量素子
５７０    液晶素子
５７２    発光素子
９０１    基板
９０２    画素部
９０４    走査線駆動回路
９０６    基板
９０８    液晶層
９１０    トランジスタ
９１１    トランジスタ
９１３    液晶素子
９１５    接続端子電極
９１６    端子電極
９１８    ＦＰＣ
９１９    異方性導電剤
９２１    平坦化膜
９２２    ゲート絶縁膜
９２３    絶縁膜
９２４    絶縁膜
９２５    シール材
９２６    絶縁膜
９２８    チャネル保護膜
９３０    電極
９３１    電極
９３２    絶縁膜
９３３    絶縁膜
９３５    スペーサ
９３６    シール材
９５０    窒化シリコン膜
９５１    電極
９６０    隔壁
９６１    発光層
９６３    発光素子
９６４    充填材
９７０    評価サンプル
１１００    層
１１８９    ＲＯＭインターフェース
１１９０    基板
１１９１    ＡＬＵ
１１９２    ＡＬＵコントローラ
１１９３    インストラクションデコーダ
１１９４    インタラプトコントローラ
１１９５    タイミングコントローラ
１１９６    レジスタ
１１９７    レジスタコントローラ
１１９８    バスインターフェース
１１９９    ＲＯＭ
１２００    層
１３００    層
１４００    層
３００１    配線
３００２    配線
３００３    配線
３００４    配線
３００５    配線
３４００    容量素子
４０００    ＲＦタグ
５１００    ペレット
５１２０    基板
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
８００８    光源
８００９    フレーム
８０１０    プリント基板
８０１１    バッテリ
９０００    筐体
９００１    表示部
９００３    スピーカ
９００５    操作キー
９００６    接続端子
９００７    センサ
９００８    マイクロフォン
９０５０    操作ボタン
９０５１    情報
９０５２    情報
９０５３    情報
９０５４    情報
９０５５    ヒンジ
９１００    携帯情報端末
９１０１    携帯情報端末
９１０２    携帯情報端末
９２００    携帯情報端末
９２０１    携帯情報端末
【図１】
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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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図３１】
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