JP2016006867A - 半導体装置、該半導体装置を有する表示装置 - Google Patents

Abstract

【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、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させる。
【解決手段】トランジスタを有する半導体装置であって、トランジスタは、チャネル領域に酸化物半導体膜を有し、トランジスタのドレイン電流−ゲート電圧特性における、対数で表されるドレイン電流の最大の傾きの接線と１×１０^−１２Ａの軸との交点のゲート電圧をシフト値とした場合、酸化物半導体膜に対して、酸化物半導体膜のバンドギャップ以上のエネルギーで光照射した際に、光照射時のシフト値から光照射前のシフト値の差分が、−１Ｖ以上０．５Ｖ以下である。
【選択図】図１

Description

本発明の一態様は、酸化物半導体膜を用いた半導体装置及び該半導体装置を用いた表示装置に関する。

なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、発光装置、それらの駆動方法、またはそれらの製造方法に関する。

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。

絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタ（電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、または薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）ともいう）を構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（表示装置）のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコンを代表とする半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている（例えば、特許文献１）。

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）。

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、水酸基を有する化合物、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）

特開２００６−１６５５２９号公報 特開２０１２−００９８３６号公報 特開２０１１−１９９２７２号公報

酸化物半導体膜をチャネル領域に用いてトランジスタを作製する場合、酸化物半導体膜中のチャネル領域に形成される酸素欠損は、トランジスタ特性に影響を与えるため問題となる。例えば、酸化物半導体膜中のチャネル領域に酸素欠損が形成されると、該酸素欠損に水素が結合し、キャリア供給源となる。酸化物半導体膜中のチャネル領域にキャリア供給源が生成されると、酸化物半導体膜を有するトランジスタの電気特性の変動、代表的にはしきい値電圧のシフトが生じる。また、トランジスタごとに電気特性がばらつくという問題がある。したがって、酸化物半導体膜のチャネル領域においては、酸素欠損が少ないほど好ましい。

上記問題に鑑み、本発明の一態様は、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることを課題の１つとする。または、本発明の一態様は、消費電力が低減された半導体装置を提供することを課題の１つとする。または、本発明の一態様は、前記半導体装置を有する表示装置を提供することを課題の１つとする。

なお、上記の課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、必ずしも、これらの課題の全てを解決する必要はない。上記以外の課題は、明細書等の記載から自ずと明らかになるものであり、明細書等の記載から上記以外の課題を抽出することが可能である。

本発明の一態様はトランジスタを有する半導体装置であって、トランジスタはチャネル領域に酸化物半導体膜を有し、トランジスタのドレイン電流−ゲート電圧特性における、対数で表されるドレイン電流の最大の傾きの接線と１×１０^−１２Ａの軸との交点のゲート電圧をシフト値（Ｓｈｉｆｔ値ともいう）とした場合、酸化物半導体膜に対して、酸化物半導体膜のバンドギャップ以上のエネルギーで光照射した際に、光照射時のシフト値から光照射前のシフト値の差分が、−１Ｖ以上０．５Ｖ以下であることを特徴とする半導体装置である。

また、本発明の他の一態様は、トランジスタを有する半導体装置であって、トランジスタは、チャネル領域に酸化物半導体膜を有し、トランジスタのドレイン電流−ゲート電圧特性における、対数で表されるドレイン電流の最大の傾きの接線と１×１０^−１２Ａの軸との交点のゲート電圧をシフト値とした場合、酸化物半導体膜に対して、２．８ｅＶ以上３．０ｅＶ以下のエネルギーで光照射した際に、光照射時のシフト値から光照射前のシフト値の差分が、−１Ｖ以上０．５Ｖ以下であることを特徴とする半導体装置である。

上記各構成において、酸化物半導体膜は、Ｉｎと、Ｚｎと、Ｍ（Ｍは、Ｔｉ、Ｇａ、Ｓｎ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、またはＨｆ）と、を有すると好ましい。また、上記各構成において、酸化物半導体膜は、Ｉｎと、Ｚｎと、Ｇａと、を有すると好ましい。また、上記各構成において、酸化物半導体膜は、結晶部を有し、結晶部は、ｃ軸配向性を有すると好ましい。また、上記各構成において、酸化物半導体膜は、ホモロガス構造を有し、且つＩｎの含有量がＧａの含有量よりも多いと好ましい。また、上記各構成において、酸化物半導体膜は、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の膜厚を有する領域を有すると好ましい。

また、上記各構成において、トランジスタは、第１のゲート電極と、第１のゲート電極上の第１のゲート絶縁膜と、第１のゲート絶縁膜上の酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜に電気的に接続されるソース電極と、酸化物半導体膜に電気的に接続されるドレイン電極と、酸化物半導体膜、ソース電極、及びドレイン電極上の第２のゲート絶縁膜と、第２のゲート絶縁膜上の第２のゲート電極と、を有すると好ましい。

また、本発明の他の一態様は、上記各構成にいずれか一つに記載の半導体装置と表示素子とを有する表示装置である。また、本発明の他の一態様は、該表示装置とタッチセンサとを有する表示モジュールである。また、本発明の他の一態様は、上記各構成にいずれか一つに記載の半導体装置、上記表示装置、または上記表示モジュールと、操作キーまたはバッテリとを有する電子機器である。

本発明の一態様により、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、本発明の一態様により、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、前記半導体装置を有する表示装置を提供することができる。

なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。

光照射によるトランジスタのシフト値の変動を説明する図。 半導体装置の一態様を示す上面図及び断面図。 半導体装置の一態様を示す上面図及び断面図。 半導体装置の一態様を示す上面図及び断面図。 半導体装置の一態様を示す断面図。 半導体装置の一態様を示す上面図及び断面図。 半導体装置の一態様を示す上面図及び断面図。 半導体装置の一態様を示す上面図及び断面図。 半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。 半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。 半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。 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。 ＣＡＡＣ−ＯＳの平面におけるＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像。 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。 ＣＡＡＣ−ＯＳの電子回折パターンを示す図。 Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の電子照射による結晶部の変化を示す図。 表示装置の一態様を示す上面図。 表示装置の一態様を示す断面図。 表示装置の一態様を示す断面図。 表示装置を説明するブロック図及び回路図。 表示モジュールを説明する図。 電子機器を説明する図。 光照射における、トランジスタのＩＤ−ＶＧ特性を説明する図。 光照射における、トランジスタのＩＤ−ＶＧ特性を説明する図。 光照射における、トランジスタのＩＤ−ＶＧ特性を説明する図。 光照射における、トランジスタのＩＤ−ＶＧ特性を説明する図。 光照射による、トランジスタのシフト値の変動を説明する図。

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。

また、本明細書にて用いる「第１」、「第２」、「第３」という序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではないことを付記する。

また、本明細書において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。従って、明細書で説明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。

また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン（ドレイン端子、ドレイン領域またはドレイン電極）とソース（ソース端子、ソース領域またはソース電極）の間にチャネル領域を有しており、ドレインとチャネル領域とソースとを介して電流を流すことができるものである。なお、本明細書等において、チャネル領域とは、電流が主として流れる領域をいう。

また、ソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。

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。

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。

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。

また、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が−３０°以上３０°以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が６０°以上１２０°以下の角度で配置されている状態をいう。

また、本明細書等において、「膜」という用語と、「層」という用語とは、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。

（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及び半導体装置の作製方法について、図１乃至図１１を参照して説明する。

＜半導体装置の構成例１＞
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１００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。なお、図２（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２（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。

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、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に設けられる開口部１４２ｃを介して、導電膜１１２ｂと電気的に接続される。

また、絶縁膜１０６及び絶縁膜１０７は、トランジスタ１００の第１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１１４、１１６、１１８は、トランジスタ１００の第２のゲート絶縁膜としての機能を有する。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。また、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、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。

また、図２（Ｃ）に示すように導電膜１２０ｂは、絶縁膜１０６、１０７、１１４、１１６、１１８に設けられる開口部１４２ａ、１４２ｂにおいて、第１のゲート電極として機能する導電膜１０４と電気的に接続される。よって、導電膜１２０ｂと導電膜１０４には、同じ電位が与えられる。

トランジスタ１００が有する酸化物半導体膜１０８は、酸素欠損が形成されるとキャリアである電子が生じ、ノーマリーオン特性になりやすい。したがって、酸化物半導体膜１０８中の酸素欠損を減らすことが、安定したトランジスタ特性を得る上で好ましい。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。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。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。

なお、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ことが好ましい。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。

また、酸化物半導体膜１０８は、ＩｎとＺｎとを有する。金属Ｍ（Ｍは、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、またはＨｆ）をさらに有していても良い。代表的には、酸化物半導体膜１０８としては、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。

また、酸化物半導体膜１０８は、Ｉｎと、Ｇａと、を有すると好ましい。この場合、酸化物半導体膜１０８は、ホモロガス構造を有し、且つＩｎの含有量がＧａの含有量よりも多いと好ましい。Ｉｎの含有量がＧａの含有量よりも多い酸化物半導体膜１０８とすることで、トランジスタ１００の電界効果移動度（単に移動度、またはμＦＥという場合がある）が高くすることができる。具体的には、トランジスタ１００の電界効果移動度が１０ｃｍ^２／Ｖｓを超えることが可能となる。

例えば、上記の電界効果移動度が高いトランジスタを、ゲート信号を生成するゲートドライバ（とくに、ゲートドライバが有するシフトレジスタの出力端子に接続されるデマルチプレクサ）に用いることで、額縁幅の狭い（狭額縁ともいう）半導体装置または表示装置を提供することができる。

一方で、Ｉｎの含有量がＧａの含有量よりも多い酸化物半導体膜１０８とした場合、光照射時にトランジスタ１００の電気特性が変動しやすい。具体的には、トランジスタ１００のチャネル領域に、酸化物半導体膜１０８を用いると、可視光または紫外光が酸化物半導体膜１０８に照射されることで、トランジスタ１００の電気特性が変動する場合がある。

しかしながら、本発明の一態様の半導体装置においては、酸化物半導体膜１０８の膜厚が、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上３５ｎｍ以下、さらに好ましくは５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。別言すると、酸化物半導体膜１０８は、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の膜厚を有する領域を有する。

酸化物半導体膜１０８の膜厚を上記範囲とすることで、光照射時における酸化物半導体膜１０８の光吸収量を低減することができる。したがって、光照射におけるトランジスタ１００の電気特性の変動を抑制することができる。また、本発明の一態様の半導体装置においては、絶縁膜１１４または絶縁膜１１６中に過剰の酸素を含有する構成のため、光照射におけるトランジスタ１００の電気特性の変動をさらに、抑制することができる。

ここで、光照射によるトランジスタ１００の電気特性の変動について、図１を用いて説明する。

図１は、トランジスタ１００の電気特性の１つであるシフト値の光照射による変動を説明する図である。なお、図１において、縦軸がΔＳｈｉｆｔ（Ｖ）を、横軸が照射エネルギー（ｅＶ）を、それぞれ表す。

なお、シフト値とは、トランジスタ１００のドレイン電流（ＩＤ）−ゲート電圧（ＶＧ）特性における、対数で表されるドレイン電流（ＩＤ）の最大の傾きの接線と１×１０^−１２Ａの軸との交点のゲート電圧（ＶＧ）である。また、ΔＳｈｉｆｔとは、シフト値の変動量を示しており、光照射時のシフト値から光照射前のシフト値（すなわち、初期のシフト値）を差分した数値である。

図１に示した結果は、トランジスタ１００の酸化物半導体膜１０８としては、厚さ２０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いた時のΔＳｈｉｆｔである。該Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物としては、多結晶金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２［原子％］）を用いてスパッタリング装置にて形成した。なお、酸化物半導体膜１０８のバンドギャップは２．８ｅＶである。また、トランジスタ１００のチャネル長（Ｌ長）、及びトランジスタのチャネル幅（Ｗ長）は、それぞれ６μｍ、５０μｍとした。

また、トランジスタ１００の導電膜１０４及び導電膜１２０ｂに印加する電圧（ＶＢＧ）としては、−１５Ｖから＋２０Ｖまで０．２５Ｖのステップで印加した。また、ソース電極として機能する導電膜１１２ａに印加する電圧（ＶＳ）は、０Ｖ（ｃｏｍｍ）とし、ドレイン電極として機能する導電膜１１２ｂに印加する電圧（ＶＤ）は、１０Ｖとした。

また、光照射条件としては、分光感度測定器を用い、５０μＷ／ｃｍ^２の光強度で、４００ｎｍ以上４９５ｎｍ以下の波長、すなわち２．５ｅＶ以上３．１ｅＶ以下で、酸化物半導体膜１０８の上方、ここでは、絶縁膜１１４側から光を照射した。

図１に示すように、酸化物半導体膜１０８のバンドギャップ以上の照射エネルギー、具体的には２．８ｅＶ以上で、トランジスタ１００のΔＳｈｉｆｔの値が、−１Ｖ以上０．５ｅＶ以下であることが確認された。なお、酸化物半導体膜１０８のバンドギャップ以上の照射エネルギーとは、２．８ｅＶ以上、あるいは２．８ｅＶ以上３．１ｅＶ以下、あるいは２．８ｅＶ以上３．０ｅＶ以下である。

このように、本発明の一態様の半導体装置においては、酸化物半導体膜１０８の膜厚が、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、且つ絶縁膜１１４または絶縁膜１１６中に過剰の酸素を含有する構成のため、光照射におけるトランジスタ１００の電気特性の変動を抑制することができる。したがって、光照射における電気特性の変動が抑制された、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

なお、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。

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。したがって、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

また、図２（Ｂ）に示すように、酸化物半導体膜１０８は、第１の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、これらの導電膜に挟まれている。導電膜１２０ｂのチャネル長方向の長さ及びチャネル幅方向の長さは、酸化物半導体膜１０８のチャネル長方向の長さ及びチャネル幅方向の長さよりもそれぞれ長く、酸化物半導体膜１０８の全体は、絶縁膜１１４、１１６、１１８を介して導電膜１２０ｂに覆われている。また、導電膜１２０ｂと１０４とは、絶縁膜１０６、１０７、１１４、１１６、１１８に設けられる開口部１４２ａ、１４２ｂにおいて接続されるため、酸化物半導体膜１０８のチャネル幅方向に伸延する側面は、導電膜１２０ｂと対向している。

別言すると、導電膜１０４及び１２０ｂは、絶縁膜１０６、１０７、１１４、１１６、１１８に設けられる開口部において接続すると共に、絶縁膜１０６、１０７、１１４、１１６、１１８を介して酸化物半導体膜１０８を取り囲む構成である。

このような構成を有することで、トランジスタ１００に含まれる酸化物半導体膜１０８を、導電膜１０４及び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１００のように、第１のゲート電極及び第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。

トランジスタ１００は、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有するため、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１００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１００を微細化することが可能となる。また、トランジスタ１００は、導電膜１０４及び１２０ｂによって囲まれた構造を有するため、トランジスタ１００の機械的強度を高めることができる。

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。

＜基板＞
基板１０２の材質などに大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有している必要がある。例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板等を、基板１０２として用いてもよい。また、シリコンや炭化シリコンを材料とした単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム等の化合物半導体基板、ＳＯＩ基板等を適用することも可能であり、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板１０２として用いてもよい。なお、基板１０２として、ガラス基板を用いる場合、第６世代（１５００ｍｍ×１８５０ｍｍ）、第７世代（１８７０ｍｍ×２２００ｍｍ）、第８世代（２２００ｍｍ×２４００ｍｍ）、第９世代（２４００ｍｍ×２８００ｍｍ）、第１０世代（２９５０ｍｍ×３４００ｍｍ）等の大面積基板を用いることで、大型の表示装置を作製することができる。

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。

＜第１のゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極＞
第１の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。

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。

また、導電膜１０４、１１２ａ、１１２ｂには、インジウム錫酸化物（以下ＩＴＯともいう）、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、酸化シリコンを添加したインジウム錫酸化物等の透光性を有する導電性材料を適用することもできる。

また、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。

＜第１のゲート絶縁膜＞
トランジスタ１００の第１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。

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。

なお、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。

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、酸化シリコンを用いた場合と比べて、絶縁膜１０７の膜厚を大きくできるため、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。

なお、本実施の形態では、絶縁膜１０６として窒化シリコン膜を形成し、絶縁膜１０７として酸化シリコン膜を形成する。窒化シリコン膜は、酸化シリコン膜と比較して比誘電率が高く、酸化シリコン膜と同等の静電容量を得るのに必要な膜厚が大きいため、トランジスタ１００のゲート絶縁膜として、窒化シリコン膜を含むことで絶縁膜を物理的に厚膜化することができる。よって、トランジスタ１００の絶縁耐圧の低下を抑制、さらには絶縁耐圧を向上させて、トランジスタ１００の静電破壊を抑制することができる。

＜酸化物半導体膜＞
酸化物半導体膜１０８としては、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。

酸化物半導体膜１０８がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を成膜するために用いるスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比は、Ｉｎ≧Ｍ、Ｚｎ≧Ｍを満たすことが好ましい。このようなスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比として、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：３、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、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％程度変動することがある。例えば、スパッタリングターゲットとして、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１を用いる場合、成膜される酸化物半導体膜１０８の原子数比は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３近傍となる場合がある。

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。

また、酸化物半導体膜１０８は、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上、より好ましくは３ｅＶ以上である。このように、エネルギーギャップの広い酸化物半導体を用いることで、トランジスタ１００のオフ電流を低減することができる。

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８×１０^１１／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１１／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１０／ｃｍ^３未満であり、１×１０^−９／ｃｍ^３以上とする。

なお、これらに限られず、必要とするトランジスタの半導体特性及び電気特性（電界効果移動度、しきい値電圧等）に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とするトランジスタの半導体特性を得るために、酸化物半導体膜１０８のキャリア密度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。

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呼ぶ。あるいは、真性、または実質的に真性と呼ぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、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１×１０^６μｍ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。

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。

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、２×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする。

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、あるいは他の膜との界面におけるシリコンや炭素の濃度（ＳＩＭＳ分析により得られる濃度）を、２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする。

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、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは２×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３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。

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、５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下にすることが好ましい。

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。

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。

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単層膜、あるいはこの膜が積層された構造であってもよい。

＜第２のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜＞
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。

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。

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に現れる信号に対応するスピンの密度が３×１０^１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３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。

なお、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に含まれていた酸素が絶縁膜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。

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（Ｅ_ｖ＿ｏｓ）と伝導帯の下端のエネルギー（Ｅ_ｃ＿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。Ｅ_ｖ＿ｏｓとＥ_ｃ＿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。

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、５０℃以上６５０℃以下、あるいは５０℃以上５５０℃以下におけるアンモニアの放出量が１×１０^１８個／ｃｍ^３以上５×１０^１９個／ｃｍ^３以下である。

窒素酸化物（ＮＯ_ｘ、ｘは１または２）、代表的にはＮＯ_２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。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。

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。

絶縁膜１１４として、Ｅ_ｖ＿ｏｓとＥ_ｃ＿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。

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のシグナルを与える。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、第１のシグナル、第２のシグナル、及び第３のシグナルを与えるスピンの密度の合計が１×１０^１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３未満であり、代表的には１×１０^１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以上１×１０^１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３未満である。

上述した第１シグナル、第２のシグナル、及び第３のシグナルは、窒素酸化物起因のシグナルに相当する。即ち、第１のシグナル、第２のシグナル、及び第３のシグナルを与える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。

また、Ｅ_ｖ＿ｏｓとＥ_ｃ＿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６×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である。

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、Ｅ_ｖ＿ｏｓとＥ_ｃ＿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。

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、１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下におけるＴＤＳ分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、あるいは３．０×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である酸化物絶縁膜である。

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。

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に現れる信号に対応するスピンの密度が１．５×１０^１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３未満、さらには１×１０^１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３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。

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１１６を設けず、絶縁膜１１４の単層構造としてもよい。

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、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。このような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。

なお、上記記載の、導電膜、絶縁膜、酸化物半導体膜などの膜は、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、またはＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成してもよい。熱ＣＶＤ法の例としてＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が挙げられる。

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。

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。

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をチャンバーに導入・反応させ、これを繰り返すことで成膜を行う。原料ガスと一緒に不活性ガス（アルゴン、或いは窒素など）をキャリアガスとして導入しても良い。例えば２種類以上の原料ガスを順番にチャンバーに供給してもよい。その際、複数種の原料ガスが混ざらないように第１の原料ガスの反応後、不活性ガスを導入し、第２の原料ガスを導入する。あるいは、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・反応して第１の層を成膜し、後から導入される第２の原料ガスが吸着・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、ガス導入を繰り返す回数によって調節することができるため、精密な膜厚調節が可能であり、微細なＦＥＴを作製する場合に適している。

ＭＯＣＶＤ法などの熱ＣＶＤ法は、上記記載の導電膜、絶縁膜、酸化物半導体膜、金属酸化膜などの膜を形成することができ、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を成膜する場合には、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ_３）_３）、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ_３）_３）、及びジメチル亜鉛を用いる（Ｚｎ（ＣＨ_３）_２）。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（Ｇａ（Ｃ_２Ｈ_５）_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（Ｚｎ（Ｃ_２Ｈ_５）_２）を用いることもできる。

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を含む液体（ハフニウムアルコキシドや、テトラキスジメチルアミドハフニウム（ＴＤＭＡＨ、Ｈｆ［Ｎ（ＣＨ_３）_２］_４）やテトラキス（エチルメチルアミド）ハフニウムなどのハフニウムアミド）を気化させた原料ガスと、酸化剤としてオゾン（Ｏ_３）の２種類のガスを用いる。

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を含む液体（トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ、Ａｌ（ＣＨ_３）_３）など）を気化させた原料ガスと、酸化剤としてＨ_２Ｏの２種類のガスを用いる。他の材料としては、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。

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、酸化性ガス（Ｏ_２、一酸化二窒素）のラジカルを供給して吸着物と反応させる。

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、ＷＦ_６ガスとＢ_２Ｈ_６ガスを順次導入して初期タングステン膜を形成し、その後、ＷＦ_６ガスとＨ_２ガスとを用いてタングステン膜を形成する。なお、Ｂ_２Ｈ_６ガスに代えてＳｉＨ_４ガスを用いてもよい。

例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化物半導体膜、例えばＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を成膜する場合には、Ｉｎ（ＣＨ_３）_３ガスとＯ_３ガスを用いてＩｎ−Ｏ層を形成し、その後、Ｇａ（ＣＨ_３）_３ガスとＯ_３ガスとを用いてＧａＯ層を形成し、更にその後Ｚｎ（ＣＨ_３）_２とＯ_３ガスとを用いて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、これらのガスを用いてＩｎ−Ｇａ−Ｏ層やＩｎ−Ｚｎ−Ｏ層、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層などの混合化合物層を形成しても良い。なお、Ｏ_３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Ｈ_２Ｏガスを用いても良いが、Ｈを含まないＯ_３ガスを用いる方が好ましい。

＜半導体装置の構成例２＞
次に、図２（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。

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１４０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。

トランジスタ１４０は、先に示すトランジスタ１００と比較し、開口部１４２ｂが設けられていない点が異なる。それ以外の構成については、トランジスタ１００と同様であり、詳細な説明は省略する。

図３（Ａ）（Ｃ）に示すように、開口部１４２ａを設けて、第１の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と、を電気的に接続してもよい。

＜半導体装置の構成例３＞
次に、図２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００と異なる構成例について、図４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）を用いて説明する。なお、先に説明した機能と同様の機能を有する場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。

図４（Ａ）は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ１６０の上面図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し、図４（Ｃ）は、図４（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当する。

トランジスタ１６０は、先に示すトランジスタ１００と比較し、開口部１４２ａ、１４２ｂが設けられていない点が異なる。それ以外の構成については、トランジスタ１００と同様であり、詳細な説明は省略する。

図４（Ａ）（Ｃ）に示す構成とする場合、導電膜１０４と導電膜１２０ｂには、それぞれ異なる電位を与えることができる。

＜半導体装置の構成例４＞
次に、図２（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５（Ａ）乃至（Ｆ）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。

図５（Ａ）は、トランジスタ１００Ａのチャネル長方向の断面図であり、図５（Ｂ）は、トランジスタ１００Ａのチャネル幅方向の断面図である。また、図５（Ｃ）は、トランジスタ１４０Ａのチャネル長方向の断面図であり、図５（Ｄ）は、トランジスタ１４０Ａのチャネル幅方向の断面図である。また、図５（Ｅ）は、トランジスタ１６０Ａのチャネル長方向の断面図であり、図５（Ｆ）は、トランジスタ１６０Ａのチャネル幅方向の断面図である。なお、トランジスタ１００Ａ、１４０Ａ、１６０Ａの上面図については、それぞれ、図２（Ａ）に示す上面図、図３（Ａ）に示す上面図、及び図４（Ａ）に示す上面図と同様のため、ここでの記載は省略する。

トランジスタ１００Ａ、１４０Ａ、１６０Ａは、それぞれ、先に示すトランジスタ１００、１４０、１６０の変形例であり、トランジスタ１００、１４０、１６０上、具体的には、絶縁膜１１８、及び導電膜１２０ａ、１２０ｂ上に絶縁膜１２２が設けられている点が異なる。それ以外の構成については、先に示すトランジスタ１００、１４０、１６０と同様であり、詳細な説明は省略する。

絶縁膜１２２としては、絶縁膜１１８に用いることのできる材料と同様の材料を用いて形成することができる。また、絶縁膜１２２としては、導電膜１２０ｂを覆い、導電膜１２０ａの一部が露出するように設ければよい。絶縁膜１２２を設ける構成とすることで、導電膜１２０ｂを保護することが可能となり、信頼性の高い半導体装置とすることができる。

また、本発明の一態様の半導体装置は、図６乃至図８に示すトランジスタ１００Ｂ、トランジスタ１００Ｃ、及びトランジスタ１００Ｄとしてもよい。図６に示すトランジスタ１００Ｂは、チャネルエッチ型であり、図７に示すトランジスタ１００Ｃ、及び図８に示すトランジスタ１００Ｄは、チャネル保護型のトランジスタである。トランジスタ１００Ｃ及びトランジスタ１００Ｄにおいては、絶縁膜１１４、１１６に開口部１４１ａ、１４１ｂを設け、絶縁膜１１８に開口部１４３を設ける構成とすればよい。

また、本実施の形態に係るトランジスタは、上記の構造のそれぞれを自由に組み合わせることが可能である。

＜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９乃至図１１を用いて以下詳細に説明する。なお、図９乃至図１１は、半導体装置の作製方法を説明する断面図である。また、図９（Ａ）（Ｃ）（Ｅ）（Ｇ）、図１０（Ａ）（Ｃ）（Ｅ）、及び図１１（Ａ）（Ｃ）（Ｅ）（Ｇ）は、トランジスタ１００の作製途中のチャネル長方向の断面図であり、図９（Ｂ）（Ｄ）（Ｆ）（Ｈ）、図１０（Ｂ）（Ｄ）（Ｆ）、及び図１１（Ｂ）（Ｄ）（Ｆ）（Ｈ）は、トランジスタ１００の作製途中のチャネル幅方向の断面図である。

上述したように、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、ＣＶＤ法、真空蒸着法、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、またはＡＬＤ法でもよい。熱ＣＶＤ法の例として、ＭＯＣＶＤ法が挙げられる。

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、第１の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上に第１のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜１０６、１０７を形成する（図９（Ａ）（Ｂ）参照）。

本実施の形態では、基板１０２としてガラス基板を用い、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

次に、絶縁膜１０７上に酸化物半導体膜１０８を形成する（図９（Ｃ）（Ｄ）参照）。

本実施の形態では、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２（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。

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、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。

酸化物半導体膜１０８への加熱処理は、電気炉、ＲＴＡ（ラピッド・サーマル・アニール）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。

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。

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、希ガスよりも酸素が多くても良い。また、スパッタリングガスの高純度化が好ましい。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。

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（５×１０^−７Ｐａから１×１０^−４Ｐａ程度まで）排気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。

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９（Ｅ）（Ｆ）参照）。

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。

次に、絶縁膜１０７、酸化物半導体膜１０８、及び導電膜１１２ａ、１１２ｂに、エッチャント１３１を塗布し、酸化物半導体膜１０８の表面（バックチャネル側）を洗浄する（図９（Ｇ）（Ｈ）参照）。

上記洗浄方法としては、例えば、リン酸水溶液等のエッチャントを用いた洗浄が挙げられる。これにより、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。なお、図９（Ｇ）（Ｈ）に示す洗浄工程は、必ずしも行う必要はなく、場合によっては、洗浄工程を行わなくてもよい。

なお、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。

次に、絶縁膜１０７、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１０（Ａ）（Ｂ）参照）。

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。

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。

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／ｃｍ^２）とするＰＥＣＶＤ法を用いて、酸化窒化シリコン膜を形成する。

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／ｃｍ^２以上０．５Ｗ／ｃｍ^２以下、さらに好ましくは０．２５Ｗ／ｃｍ^２以上０．３５Ｗ／ｃｍ^２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。

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。

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。

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６×１０^１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３未満、あるいは３×１０^１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下、あるいは１．５×１０^１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３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。

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。

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。

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。

次に、絶縁膜１１６上に保護膜１１７を形成する（図１０（Ｃ）（Ｄ）参照）。

保護膜１１７は、インジウム、亜鉛、チタン、アルミニウム、タングステン、タンタル、またはモリブデンの中から選ばれる少なくとも１以上を有する。例えば、上述した金属元素を成分とする合金、上述した金属元素を組み合わせた合金、上述した金属元素を有する金属酸化物、上述した金属元素を有する金属窒化物、または上述した金属元素を有する金属窒化酸化物等の導電性を有する材料を用いて形成する。

保護膜１１７の一例としては、窒化タンタル膜、チタン膜、インジウム錫酸化物膜、アルミニウム膜、酸化物半導体膜（例えば、ＩＧＺＯ膜（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：４：５（原子数比））等）を用いることができる。また、保護膜１１７としては、スパッタリング法を用いて形成することができる。また、保護膜１１７の厚さとしては、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下、または２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすると好ましい。本実施の形態では、保護膜１１７として、厚さ５ｎｍの酸化シリコンを添加したインジウム錫酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ ＳｉＯ_２ Ｄｏｐｅｄ Ｏｘｉｄｅ：以下ＩＴＳＯと呼ぶ）を用いる。

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１３３を添加する（図１０（Ｅ）（Ｆ）参照）。

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１３３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１３３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１３３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／ｃｍ^２以上５Ｗ／ｃｍ^２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。

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。

次に、保護膜１１７を除去する（図１１（Ａ）（Ｂ）参照）。

保護膜１１７の除去方法としては、ドライエッチング法、ウエットエッチング法、またはドライエッチング法とウエットエッチング法を組み合わせる方法等が挙げられる。本実施の形態においては、ウエットエッチング法を用いて、保護膜１１７を除去する。なお、本実施の形態においては、保護膜１１７を除去する方法を例示したが、これに限定されない。例えば、保護膜１１７を除去せずに保護膜１１７上に絶縁膜１１８を形成してもよい。

次に、絶縁膜１１６上に絶縁膜１１８を形成する（図１１（Ｃ）（Ｄ）参照）。

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。

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。

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。

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６０００ｃｍ^２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／ｃｍ^２である。

次に、絶縁膜１１８上にリソグラフィ工程によりマスクを形成し、絶縁膜１１４、１１６、１１８の所望の領域に開口部１４２ｃを形成する。また、絶縁膜１１８上にリソグラフィ工程によりマスクを形成し、絶縁膜１０６、１０７、１１４、１１６、１１８の所望の領域に開口部１４２ａ、１４２ｂを形成する。なお、開口部１４２ｃは、導電膜１１２ｂに達するように形成される。また、開口部１４２ａ、１４２ｂは、それぞれ導電膜１０４に達するように形成される（図１１（Ｅ）（Ｆ）参照）

なお、開口部１４２ａ、１４２ｂと開口部１４２ｃは、同じ工程で形成してもよく、異なる工程で形成してもよい。開口部１４２ａ、１４２ｂと開口部１４２ｃを同じ工程で形成する場合、例えば、グレートーンマスクまたはハーフトーンマスクを用いて形成することができる。また、開口部１４２ａ、１４２ｂを複数回に分けて形成してもよい。例えば、絶縁膜１０６、１０７を加工し、その後、絶縁膜１１４、１１６、１１８を形成・加工する。

次に、開口部１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃを覆うように絶縁膜１１８上に導電膜を形成し、該導電膜を所望の形状に加工することで、導電膜１２０ａ、１２０ｂを形成する（図１１（Ｇ）（Ｈ）参照）。

導電膜１２０ａ、１２０ｂとしては、例えば、インジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、錫（Ｓｎ）の中から選ばれた一種を含む材料を用いることができる。とくに、導電膜１２０ａ、１２０ｂとしては、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、ＩＴＯ、インジウム亜鉛酸化物、ＩＴＳＯなどの透光性を有する導電性材料を用いることができる。本実施の形態においては、膜厚１１０ｎｍのＩＴＳＯ膜をスパッタリング法で形成する。

以上の工程で図２に示すトランジスタ１００を作製することができる。

なお、図３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１４０、及び図４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１６０としては、図１１（Ｆ）に示す開口部１４２ａ、１４２ｂの形成時に開口マスクの形状を変えることで作製することができる。また、図５（Ａ）乃至（Ｆ）に示すトランジスタ１００Ａ、１４０Ａ、１６０Ａとしては、図１１（Ｇ）（Ｈ）に示す工程の後に、さらに、導電膜１２０ａ、１２０ｂ及び絶縁膜１１８上に絶縁膜１２２を形成することで作製することができる。

以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。

（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置に含まれる酸化物半導体の構造と性質について、詳細に説明を行う。

＜酸化物半導体の構造＞
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体とに分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｌｉｋｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、非晶質酸化物半導体（ａ−ＯＳ）などがある。

また別の観点では、酸化物半導体は、ａ−ＯＳと、それ以外の結晶性酸化物半導体とに分けられる。結晶性酸化物半導体としては、単結晶酸化物半導体、ＣＡＡＣ−ＯＳ、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳなどがある。

非晶質構造の定義としては、一般に、準安定状態で固定化していないこと、等方的であって不均質構造を持たないことなどが知られている。また、結合角度が固定されておらず、短距離秩序性は有するが、長距離秩序性を有さない構造と言い換えることもできる。

逆の見方をすると、本質的に安定な酸化物半導体の場合、完全な非晶質（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）酸化物半導体と呼ぶことはできない。また、等方的でない（例えば、微小な領域において周期構造を有する）酸化物半導体を、完全な非晶質酸化物半導体と呼ぶことはできない。ただし、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、微小な領域において周期構造を有するものの、鬆（ボイドともいう。）を有し、不安定な構造である。そのため、物性的には非晶質酸化物半導体に近いといえる。

＜ＣＡＡＣ−ＯＳ＞
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。

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。

以下では、ＴＥＭによって観察したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。図１２（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。

図１２（Ａ）の領域（１）を拡大したＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を図１２（Ｂ）に示す。図１２（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。

図１２（Ｂ）に示すように、ＣＡＡＣ−ＯＳは特徴的な原子配列を有する。図１２（Ｃ）は、特徴的な原子配列を、補助線で示したものである。図１２（Ｂ）および図１２（Ｃ）より、ペレット一つの大きさは１ｎｍ以上のものや、３ｎｍ以上のものがあり、ペレットとペレットとの傾きにより生じる隙間の大きさは０．８ｎｍ程度であることがわかる。したがって、ペレットを、ナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）と呼ぶこともできる。また、ＣＡＡＣ−ＯＳを、ＣＡＮＣ（Ｃ−Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。

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１２（Ｄ）参照。）。図１２（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１２（Ｄ）に示す領域５１６１に相当する。

また、図１３（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１３（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１３（Ｂ）、図１３（Ｃ）および図１３（Ｄ）に示す。図１３（Ｂ）、図１３（Ｃ）および図１３（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。

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、ＩｎＧａＺｎＯ_４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１４（Ａ）に示すように回折角（２θ）が３１°にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ_４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。

なお、ＣＡＡＣ−ＯＳのｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析では、２θが３１°のピークの他に、２θが３６°にもピークが現れる場合がある。２θが３６°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。ｃ軸配向性が非常に高い場合には、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析では、２θが３１°にピークを示し、２θが３６°にピークを示さない。

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°にピークが現れる。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶の（１１０）面に帰属される。ＣＡＡＣ−ＯＳの場合は、２θを５６°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１４（Ｂ）に示すように明瞭なピークは現れない。これに対し、ＩｎＧａＺｎＯ_４の単結晶酸化物半導体であれば、２θを５６°に固定してφスキャンした場合、図１４（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。

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、ＩｎＧａＺｎＯ_４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１５（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、ＩｎＧａＺｎＯ_４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１５（Ｂ）に示す。図１５（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１５（Ｂ）における第１リングは、ＩｎＧａＺｎＯ_４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１５（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。

上述したように、ＣＡＡＣ−ＯＳは結晶性の高い酸化物半導体である。酸化物半導体の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、逆の見方をするとＣＡＡＣ−ＯＳは不純物や欠陥（酸素欠損など）の少ない酸化物半導体ともいえる。

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。

酸化物半導体が不純物や欠陥を有する場合、光や熱などによって特性が変動する場合がある。例えば、酸化物半導体に含まれる不純物は、キャリアトラップとなる場合や、キャリア発生源となる場合がある。また、酸化物半導体中の酸素欠損は、キャリアトラップとなる場合や、水素を捕獲することによってキャリア発生源となる場合がある。

このため、不純物および酸素欠損の少ないＣＡＡＣ−ＯＳは、キャリア密度が非常に低い。具体的には、８×１０^１１／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１１／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１０／ｃｍ^３未満であり、１×１０^−９／ｃｍ^３以上のキャリア密度の酸化物半導体とすることができる。そのような酸化物半導体を、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶ。ＣＡＡＣ−ＯＳは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い。即ち、安定な特性を有する酸化物半導体であるといえる。

＜ｎｃ−ＯＳ＞
ｎｃ−ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において、結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。ｎｃ−ＯＳに含まれる結晶部は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、または１ｎｍ以上３ｎｍ以下の大きさであることが多い。なお、結晶部の大きさが１０ｎｍより大きく１００ｎｍ以下である酸化物半導体を微結晶酸化物半導体と呼ぶことがある。ｎｃ−ＯＳは、例えば、高分解能ＴＥＭ像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。なお、ナノ結晶は、ＣＡＡＣ−ＯＳにおけるペレットに相当するとも言える。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。

ｎｃ−ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ−ＯＳは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、ｎｃ−ＯＳは、分析方法によっては、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳやａ−ＯＳと区別が付かない場合がある。例えば、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットよりも大きい径のＸ線を用いた場合、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークは検出されない。また、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットよりも大きいプローブ径（例えば５０ｎｍ以上）の電子線を用いる電子回折を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットの大きさと近いかペレットより小さいプローブ径の電子線を用いるナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測される。また、ｎｃ−ＯＳに対しナノビーム電子回折を行うと、円周状に分布した複数のスポット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。

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。

ｎｃ−ＯＳは、ａ−ＯＳよりも規則性の高い酸化物半導体である。そのため、ｎｃ−ＯＳは、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳやａ−ＯＳ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。

＜ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ＞
ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳとａ−ＯＳとの間の構造を有する酸化物半導体である。

ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において鬆（ボイド）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。

鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳやＣＡＡＣ−ＯＳと比較して不安定な構造である。例えばａ−ｌｉｋｅ ＯＳは電子照射によってモルフォロジーが変化する。具体的には図１６に示すように、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のａ−ｌｉｋｅ ＯＳ（試料Ａ）に対して電子線を照射すると、そのドーズ量の増加とともに、高分解能断面ＴＥＭによって見積もられた結晶部の平均サイズが大きくなる。これに対し、同じ酸化物のｎｃ−ＯＳ（試料Ｂ）やＣＡＡＣ−ＯＳ（試料Ｃ）では電子線を照射しても目立った変化は観測されない。

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。

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ＩｎＧａＺｎＯ_４の密度は６．３５７ｇ／ｃｍ^３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／ｃｍ^３以上５．９ｇ／ｃｍ^３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／ｃｍ^３以上６．３ｇ／ｃｍ^３未満となる。

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。

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、ａ−ＯＳ、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ、ｎｃ−ＯＳ、ＣＡＡＣ−ＯＳのうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。

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３）
本実施の形態においては、先の実施の形態で例示したトランジスタを有する表示装置の一例について、図１７乃至図１９を用いて以下説明を行う。

図１７は、表示装置の一例を示す上面図である。図１７示す表示装置７００は、第１の基板７０１上に設けられた画素部７０２と、第１の基板７０１に設けられたソースドライバ回路部７０４及びゲートドライバ回路部７０６と、画素部７０２、ソースドライバ回路部７０４、及びゲートドライバ回路部７０６を囲むように配置されるシール材７１２と、第１の基板７０１に対向するように設けられる第２の基板７０５と、を有する。なお、第１の基板７０１と第２の基板７０５は、シール材７１２によって封止されている。すなわち、画素部７０２、ソースドライバ回路部７０４、及びゲートドライバ回路部７０６は、第１の基板７０１とシール材７１２と第２の基板７０５によって封止されている。なお、図１７には図示しないが、第１の基板７０１と第２の基板７０５の間には表示素子が設けられる。

また、表示装置７００は、第１の基板７０１上のシール材７１２によって囲まれている領域とは異なる領域に、画素部７０２、ソースドライバ回路部７０４、ゲートドライバ回路部７０６とそれぞれ電気的に接続されるＦＰＣ端子部７０８（ＦＰＣ：Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）が設けられる。また、ＦＰＣ端子部７０８には、ＦＰＣ７１６が接続され、ＦＰＣ７１６によって画素部７０２、ソースドライバ回路部７０４、及びゲートドライバ回路部７０６に各種信号等が供給される。また、画素部７０２、ソースドライバ回路部７０４、ゲートドライバ回路部７０６、及びＦＰＣ端子部７０８には、信号線７１０が各々接続されている。ＦＰＣ７１６により供給される各種信号等は、信号線７１０を介して、画素部７０２、ソースドライバ回路部７０４、及びゲートドライバ回路部７０６、に与えられる。

また、表示装置７００にゲートドライバ回路部７０６を複数設けてもよい。また、表示装置７００としては、ソースドライバ回路部７０４、及びゲートドライバ回路部７０６を画素部７０２と同じ第１の基板７０１に形成している例を示しているが、この構成に限定されない。例えば、ゲートドライバ回路部７０６のみを第１の基板７０１に形成しても良い、またはソースドライバ回路部７０４のみを第１の基板７０１に形成しても良い。この場合、ソースドライバ回路またはゲートドライバ回路等が形成された基板（例えば、単結晶半導体膜、多結晶半導体膜で形成された駆動回路基板）を、第１の基板７０１に実装する構成としても良い。なお、別途形成した駆動回路基板の接続方法は、特に限定されるものではなく、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）方法、ワイヤボンディング方法などを用いることができる。

また、表示装置７００が有する画素部７０２、ソースドライバ回路部７０４及びゲートドライバ回路部７０６は、複数のトランジスタを有しており、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタを適用することができる。

また、表示装置７００は、様々な素子を有することが出来る。該素子の一例としては、例えば、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）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など）、発光トランジスタ素子（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、電子インク素子、電気泳動素子、エレクトロウェッティング素子、プラズマディスプレイ（ＰＤＰ）、ＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）ディスプレイ（例えば、グレーティングライトバルブ（ＧＬＶ）、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、デジタル・マイクロ・シャッター（ＤＭＳ）素子、インターフェアレンス・モジュレーション（ＩＭＯＤ）素子など）、圧電セラミックディスプレイなど、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。電子インク素子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。

なお、表示装置７００における表示方式は、プログレッシブ方式やインターレース方式等を用いることができる。また、カラー表示する際に画素で制御する色要素としては、ＲＧＢ（Ｒは赤、Ｇは緑、Ｂは青を表す）の三色に限定されない。例えば、Ｒの画素とＧの画素とＢの画素とＷ（白）の画素の四画素から構成されてもよい。または、ペンタイル配列のように、ＲＧＢのうちの２色分で一つの色要素を構成し、色要素よって、異なる２色を選択して構成してもよい。またはＲＧＢに、イエロー、シアン、マゼンタ等を一色以上追加してもよい。なお、色要素のドット毎にその表示領域の大きさが異なっていてもよい。ただし、開示する発明はカラー表示の表示装置に限定されるものではなく、モノクロ表示の表示装置に適用することもできる。

また、バックライト（有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子、ＬＥＤ、蛍光灯など）に白色光（Ｗ）を用いて表示装置をフルカラー表示させるために、着色層（カラーフィルタともいう。）を用いてもよい。着色層は、例えば、レッド（Ｒ）、グリーン（Ｇ）、ブルー（Ｂ）、イエロー（Ｙ）などを適宜組み合わせて用いることができる。着色層を用いることで、着色層を用いない場合と比べて色の再現性を高くすることができる。このとき、着色層を有する領域と、着色層を有さない領域と、を配置することによって、着色層を有さない領域における白色光を直接表示に利用しても構わない。一部に着色層を有さない領域を配置することで、明るい表示の際に、着色層による輝度の低下を少なくでき、消費電力を２割から３割程度低減できる場合がある。ただし、有機ＥＬ素子や無機ＥＬ素子などの自発光素子を用いてフルカラー表示する場合、Ｒ、Ｇ、Ｂ、Ｙ、ホワイト（Ｗ）を、それぞれの発光色を有する素子から発光させても構わない。自発光素子を用いることで、着色層を用いた場合よりも、さらに消費電力を低減できる場合がある。

本実施の形態においては、表示素子として液晶素子及びＥＬ素子を用いる構成について、図１８及び図１９を用いて説明する。なお、図１８は、図１７に示す一点鎖線Ｑ−Ｒにおける断面図であり、表示素子として液晶素子を用いた構成である。また、図１９は、図１７に示す一点鎖線Ｑ−Ｒにおける断面図であり、表示素子としてＥＬ素子を用いた構成である。

まず、図１８及び図１９に示す共通部分について最初に説明し、次に異なる部分について以下説明する。

＜表示装置の共通部分に関する説明＞
図１８及び図１９に示す表示装置７００は、引き回し配線部７１１と、画素部７０２と、ソースドライバ回路部７０４と、ＦＰＣ端子部７０８と、を有する。また、引き回し配線部７１１は、信号線７１０を有する。また、画素部７０２は、トランジスタ７５０及び容量素子７９０を有する。また、ソースドライバ回路部７０４は、トランジスタ７５２を有する。

トランジスタ７５０及びトランジスタ７５２には、先に示すトランジスタを用いることができる。

本実施の形態で用いるトランジスタは、高純度化し、酸素欠損の形成を抑制した酸化物半導体膜を有する。該トランジスタは、オフ状態における電流値（オフ電流値）を低くすることができる。よって、画像信号等の電気信号の保持時間を長くすることができ、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。

また、本実施の形態で用いるトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られるため、高速駆動が可能である。例えば、このような高速駆動が可能なトランジスタを液晶表示装置に用いることで、画素部のスイッチングトランジスタと、駆動回路部に使用するドライバトランジスタを同一基板上に形成することができる。すなわち、別途駆動回路として、シリコンウェハ等により形成された半導体装置を用いる必要がないため、半導体装置の部品点数を削減することができる。また、画素部においても、高速駆動が可能なトランジスタを用いることで、高画質な画像を提供することができる。

容量素子７９０は、一対の電極間に誘電体を有する構造である。より詳しくは、容量素子７９０の一方の電極としては、トランジスタ７５０のゲート電極として機能する導電膜と同一工程で形成された導電膜を用い、容量素子７９０の他方の電極としては、トランジスタ７５０のソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜を用いる。また、一対の電極間に挟持される誘電体としては、トランジスタ７５０のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜を用いる。

また、図１８及び図１９において、トランジスタ７５０、トランジスタ７５２、及び容量素子７９０上に、絶縁膜７６４、７６６、７６８、及び平坦化絶縁膜７７０が設けられている。

絶縁膜７６４、７６６、７６８としては、それぞれ先の実施の形態に示す絶縁膜１１４、１１６、１１８と、同様の材料及び作製方法により形成することができる。また、平坦化絶縁膜７７０としては、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、ポリイミドアミド樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂等の耐熱性を有する有機材料を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、平坦化絶縁膜７７０を形成してもよい。また、平坦化絶縁膜７７０を設けない構成としてもよい。

また、信号線７１０は、トランジスタ７５０、７５２のソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜と同じ工程で形成される。なお、信号線７１０は、トランジスタ７５０、７５２のソース電極及びドレイン電極と異なる工程で形成された導電膜、例えばゲート電極として機能する導電膜としてもよい。信号線７１０として、例えば、銅元素を含む材料を用いた場合、配線抵抗に起因する信号遅延等が少なく、大画面での表示が可能となる。

また、ＦＰＣ端子部７０８は、接続電極７６０、異方性導電膜７８０、及びＦＰＣ７１６を有する。なお、接続電極７６０は、トランジスタ７５０、７５２のソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜と同じ工程で形成される。また、接続電極７６０は、ＦＰＣ７１６が有する端子と異方性導電膜７８０を介して、電気的に接続される。

また、第１の基板７０１及び第２の基板７０５としては、例えばガラス基板を用いることができる。また、第１の基板７０１及び第２の基板７０５として、可撓性を有する基板を用いてもよい。該可撓性を有する基板としては、例えばプラスチック基板等が挙げられる。

また、第１の基板７０１と第２の基板７０５の間には、構造体７７８が設けられる。構造体７７８は、絶縁膜を選択的にエッチングすることで得られる柱状のスペーサであり、第１の基板７０１と第２の基板７０５の間の距離（セルギャップ）を制御するために設けられる。なお、構造体７７８として、球状のスペーサを用いていても良い。また、本実施の形態においては、構造体７７８を第１の基板７０１側に設ける構成について例示したが、これに限定されない。例えば、第２の基板７０５側に構造体７７８を設ける構成、または第１の基板７０１及び第２の基板７０５双方に構造体７７８を設ける構成としてもよい。

また、第２の基板７０５側には、ブラックマトリクスとして機能する遮光膜７３８と、カラーフィルタとして機能する着色膜７３６と、遮光膜７３８及び着色膜７３６に接する絶縁膜７３４が設けられる。

＜表示素子として液晶素子を用いる表示装置の構成例＞
図１８に示す表示装置７００は、液晶素子７７５を有する。液晶素子７７５は、導電膜７７２、導電膜７７４、及び液晶層７７６を有する。導電膜７７４は、第２の基板７０５側に設けられ、対向電極としての機能を有する。図１８に示す表示装置７００は、導電膜７７２と導電膜７７４に印加される電圧によって、液晶層７７６の配向状態が変わることによって光の透過、非透過が制御され画像を表示することができる。

また、導電膜７７２は、トランジスタ７５０が有するソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜に接続される。導電膜７７２は、平坦化絶縁膜７７０上に形成され画素電極、すなわち表示素子の一方の電極として機能する。また、導電膜７７２は、反射電極としての機能を有する。図１８に示す表示装置７００は、外光を利用し導電膜７７２で光を反射して着色膜７３６を介して表示する、所謂反射型のカラー液晶表示装置である。

導電膜７７２としては、可視光において透光性のある導電膜、または可視光において反射性のある導電膜を用いることができる。可視光において透光性のある導電膜としては、例えば、インジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、錫（Ｓｎ）の中から選ばれた一種を含む材料を用いるとよい。可視光において反射性のある導電膜としては、例えば、アルミニウム、または銀を含む材料を用いるとよい。本実施の形態においては、導電膜７７２として、可視光において、反射性のある導電膜を用いる。

また、導電膜７７２として、可視光において反射性のある導電膜を用いる場合、該導電膜を積層構造としてもよい。例えば、下層に膜厚１００ｎｍのアルミニウム膜を形成し、上層に厚さ３０ｎｍの銀合金膜（例えば、銀、パラジウム、及び銅を含む合金膜）を形成する。上述の構造とすることで、以下の優れた効果を奏する。

（１）下地膜（ここでは、平坦化絶縁膜７７０）と導電膜７７２との密着性を向上させることができる。（２）エッチャントによってアルミニウム膜と、銀合金膜とを一括してエッチングすることが可能である。（３）導電膜７７２の断面形状を良好な形状（例えば、テーパー形状）とすることができる。（３）の理由としては、アルミニウム膜は、銀合金膜よりもエッチャントによるエッチング速度が遅い、または銀合金膜のエッチング後、アルミニウム膜が露出した場合に、銀合金膜よりも卑な金属、別言するとイオン化傾向の高い金属であるアルミニウムから電子を引き抜くため、銀合金膜のエッチングが抑制され、アルミニウム膜のエッチングの進行が速くなるためである。

また、図１８に示す表示装置７００においては、画素部７０２の平坦化絶縁膜７７０の一部に凹凸が設けられている。平坦化絶縁膜７７０は樹脂等で形成することができる。また、反射電極として機能する導電膜７７２は、上記凹凸に沿って形成される。したがって、外光が導電膜７７２に入射した場合において、導電膜７７２の表面で光を乱反射することが可能となり、視認性を向上させることができる。

なお、図１８に示す表示装置７００は、反射型のカラー液晶表示装置について例示したが、これに限定されない、例えば、導電膜７７２を可視光において、透光性のある導電膜を用いることで透過型のカラー液晶表示装置としてもよい。透過型のカラー液晶表示装置の場合、平坦化絶縁膜７７０に設けられる凹凸については、設けない構成としてもよい。

なお、図１８において図示しないが、導電膜７７２、７７４の液晶層７７６と接する側に、それぞれ配向膜を設ける構成としてもよい。また、図１８において図示しないが、偏光部材、位相差部材、反射防止部材などの光学部材（光学基板）などは適宜設けてもよい。例えば、偏光基板及び位相差基板による円偏光を用いてもよい。また、光源としてバックライト、サイドライトなどを用いてもよい。

液晶層７７６にはサーモトロピック液晶、強誘電性液晶、反強誘電性液晶等を用いることができる。液晶は低分子液晶、高分子液晶、あるいは高分子分散型液晶でも良い。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。

また、横電界方式を採用する場合、配向膜を用いないブルー相を示す液晶を用いてもよい。ブルー相は液晶相の一つであり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリック相から等方相へ転移する直前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発現しないため、温度範囲を改善するために数重量％のカイラル剤を混合させた液晶組成物を用いて液晶層に用いる。ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、応答速度が短い。また、ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、配向処理が不要である。また、ブルー相を示す液晶を用いた場合、液晶素子の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。

また、表示素子として液晶素子を用いる場合、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ Ｆｉｅｌｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ａｌｉｇｎｅｄ Ｍｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モードなどを用いることができる。

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。

＜表示素子として発光素子を用いる表示装置＞
図１９に示す表示装置７００は、発光素子７８２を有する。発光素子７８２は、導電膜７８４、ＥＬ層７８６、及び導電膜７８８を有する。図１９に示す表示装置７００は、発光素子７８２が有するＥＬ層７８６が発光することによって、画像を表示することができる。

また、導電膜７８４は、トランジスタ７５０が有するソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜に接続される。導電膜７８４は、平坦化絶縁膜７７０上に形成され画素電極、すなわち表示素子の一方の電極として機能する。導電膜７８４としては、可視光において透光性のある導電膜、または可視光において反射性のある導電膜を用いることができる。可視光において透光性のある導電膜としては、例えば、インジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、錫（Ｓｎ）の中から選ばれた一種を含む材料を用いるとよい。可視光において反射性のある導電膜としては、例えば、アルミニウム、または銀を含む材料を用いるとよい。

また、図１９に示す表示装置７００には、平坦化絶縁膜７７０及び導電膜７８４上に絶縁膜７３０が設けられる。絶縁膜７３０は、導電膜７８４の一部を覆う。なお、発光素子７８２はトップエミッション構造である。したがって、導電膜７８８は透光性を有し、ＥＬ層７８６が発する光を透過する。なお、本実施の形態においては、トップエミッション構造について、例示するが、これに限定されない。例えば、導電膜７８４側に光を射出するボトムエミッション構造や、導電膜７８４及び導電膜７８８の双方に光を射出するデュアルエミッション構造にも適用することができる。

また、発光素子７８２と重なる位置に、着色膜７３６が設けられ、絶縁膜７３０と重なる位置、引き回し配線部７１１、及びソースドライバ回路部７０４に遮光膜７３８が設けられている。また、着色膜７３６及び遮光膜７３８は、絶縁膜７３４で覆われている。また、発光素子７８２と絶縁膜７３４の間は封止膜７３２で充填されている。なお、図１９に示す表示装置７００においては、着色膜７３６を設ける構成について例示したが、これに限定されない。例えば、ＥＬ層７８６を塗り分けにより形成する場合においては、着色膜７３６を設けない構成としてもよい。

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４）
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２０を用いて説明を行う。

図２０（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。

駆動回路部５０４の一部、または全部は、画素部５０２と同一基板上に形成されていることが望ましい。これにより、部品数や端子数を減らすことが出来る。駆動回路部５０４の一部、または全部が、画素部５０２と同一基板上に形成されていない場合には、駆動回路部５０４の一部、または全部は、ＣＯＧやＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって、実装することができる。

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。

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。

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。

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。

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。

図２０（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。

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。

図２０（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。

また、図２０（Ａ）においては、ゲートドライバ５０４ａとソースドライバ５０４ｂによって駆動回路部５０４を形成している例を示しているが、この構成に限定されない。例えば、ゲートドライバ５０４ａのみを形成し、別途用意されたソースドライバ回路が形成された基板（例えば、単結晶半導体膜、多結晶半導体膜で形成された駆動回路基板）を実装する構成としても良い。

また、図２０（Ａ）に示す複数の画素回路５０１は、例えば、図２０（Ｂ）に示す構成とすることができる。

図２０（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。

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。

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（Ｓｕｐｅｒ−ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＶＡモード、ＡＳＭモード、ＯＣＢモード、ＦＬＣモード、ＡＦＬＣモード、ＭＶＡモード、ＰＶＡ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。

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。

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。

図２０（Ｂ）の画素回路５０１を有する表示装置では、図２０（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。

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。

また、図２０（Ａ）に示す複数の画素回路５０１は、例えば、図２０（Ｃ）に示す構成とすることができる。

また、図２０（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

発光素子５７２としては、例えば有機エレクトロルミネセンス素子（有機ＥＬ素子ともいう）などを用いることができる。ただし、発光素子５７２としては、これに限定されず、無機材料からなる無機ＥＬ素子を用いても良い。

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。

図２０（Ｃ）の画素回路５０１を有する表示装置では、例えば、図２０（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。

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。

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モジュール及び電子機器について、図２１及び図２２を用いて説明を行う。

図２１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。

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。

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。

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。

バックライト８００７は、光源８００８を有する。なお、図２１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。

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。

プリント基板８０１０は、電源回路、ビデオ信号及びクロック信号を出力するための信号処理回路を有する。電源回路に電力を供給する電源としては、外部の商用電源であっても良いし、別途設けたバッテリ８０１１による電源であってもよい。バッテリ８０１１は、商用電源を用いる場合には、省略可能である。

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。

図２２（Ａ）乃至図２２（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。

図２２（Ａ）乃至図２２（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２２（Ａ）乃至図２２（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２２（Ａ）乃至図２２（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。

図２２（Ａ）乃至図２２（Ｇ）に示す電子機器の詳細について、以下説明を行う。

図２２（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。

図２２（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２２（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。

図２２（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。

図２２（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。

図２２（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２２（Ｅ）が携帯情報端末９２０１を展開した状態の斜視図であり、図２２（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２２（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。

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。

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。

本実施例においては、図２に示すトランジスタ１００に相当するトランジスタを作製し、該トランジスタの光照射によるＩＤ−ＶＧ特性の変動を評価した。本実施例においては、以下に示す試料Ａ１乃至Ａ３、及び試料Ｂ１を作製し評価を行った。なお、試料Ａ１乃至試料Ａ３、及び試料Ｂ１は、それぞれチャネル長Ｌ＝６μｍ、チャネル幅Ｗ＝５０μｍのトランジスタのサイズとした。

本実施例で作製した試料について、以下説明を行う。なお、以下の説明において、図２に示すトランジスタ１００に付記した符号を用いて説明する。

＜試料Ａ１乃至試料Ａ３の作製方法＞
まず、基板１０２上に導電膜１０４を形成した。基板１０２としては、ガラス基板を用いた。また、導電膜１０４としては、厚さ１００ｎｍのタングステン膜を、スパッタリング装置を用いて形成した。

次に、基板１０２及び導電膜１０４上に絶縁膜１０６、１０７を形成した。絶縁膜１０６としては、厚さ４００ｎｍの窒化シリコン膜を、ＰＥＣＶＤ装置を用いて形成した。また、絶縁膜１０７としては、厚さ５０ｎｍの酸化窒化シリコン膜を、ＰＥＣＶＤ装置を用いて形成した。

次に、絶縁膜１０７上に酸化物半導体膜１０８を形成した。酸化物半導体膜１０８としては、スパッタリング装置を用いてＩＧＺＯ膜を形成した。なお、酸化物半導体膜１０８の成膜条件としては、基板温度を１７０℃とし、流量１００ｓｃｃｍのアルゴンガスと、流量１００ｓｃｃｍの酸素ガスをチャンバー内に導入し、圧力を０．６Ｐａとし、多結晶の金属酸化物スパッタリングターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２［原子数比］）に２５００ＷのＡＣ電力を投入して成膜した。

なお、試料Ａ１、試料Ａ２、及び試料Ａ３は、酸化物半導体膜１０８の膜厚がそれぞれ異なる。具体的には、試料Ａ１、試料Ａ２、及び試料Ａ３の酸化物半導体膜１０８の膜厚は、それぞれ、２０ｎｍ、３５ｎｍ、５０ｎｍとした。

次に、窒素雰囲気下で４５０℃ １時間、続けて窒素と酸素の混合ガス雰囲気下で４５０℃ １時間加熱することにより第１の熱処理を行った。

次に、絶縁膜１０７及び酸化物半導体膜１０８上に導電膜１１２ａ、１１２ｂを形成した。導電膜１１２ａ、１１２ｂとしては、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のチタン膜とを、スパッタリング装置を用いて真空中で連続して形成した。

次に、絶縁膜１０７、酸化物半導体膜１０８、及び導電膜１１２ａ、１１２ｂ上に絶縁膜１１４及び絶縁膜１１６を形成した。絶縁膜１１４としては、厚さ３０ｎｍの酸化窒化シリコン膜を、ＰＥＣＶＤ装置を用いて形成した。また、絶縁膜１１６としては、厚さ４００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を、ＰＥＣＶＤ装置を用いて形成した。なお、絶縁膜１１４及び絶縁膜１１６としては、ＰＥＣＶＤ装置により真空中で連続して形成した。

絶縁膜１１４の成膜条件としては、基板温度を２２０℃とし、流量５０ｓｃｃｍのシランガスと、流量２０００ｓｃｃｍの一酸化二窒素ガスをチャンバー内に導入し、圧力を２０Ｐａとし、ＰＥＣＶＤ装置内に設置された平行平板の電極間に１００ＷのＲＦ電力を供給して成膜した。また、絶縁膜１１６の成膜条件としては、基板温度を２２０℃とし、流量１６０ｓｃｃｍのシランガスと、流量４０００ｓｃｃｍの一酸化二窒素ガスをチャンバー内に導入し、圧力を２００Ｐａとし、ＰＥＣＶＤ装置内に設置された平行平板の電極間に１５００ＷのＲＦ電力を供給して成膜した。

次に、窒素ガス雰囲気下、３５０℃ １時間で第２の熱処理を行った。

次に、絶縁膜１１６上に保護膜１１７を形成した。保護膜１１７としては、厚さ５ｎｍのＩＴＳＯ膜を、スパッタリング装置を用いて形成した。該ＩＴＳＯ膜の成膜条件としては、基板温度を室温とし、流量７２ｓｃｃｍのアルゴンガスと、流量５ｓｃｃｍの酸素ガスをチャンバー内に導入し、圧力を０．１５Ｐａとし、スパッタリング装置内に設置された金属酸化物ターゲット（Ｉｎ_２Ｏ_３：ＳｎＯ_２：ＳｉＯ_２＝８５：１０：５［重量％］）に１０００ＷのＤＣ電力を供給して成膜した。

次に、保護膜１１７を介して、酸化物半導体膜１０８、及び絶縁膜１１４、１１６に酸素添加処理を行った。該酸素添加処理としては、アッシング装置を用い、基板温度を４０℃とし、流量２５０ｓｃｃｍの酸素ガスをチャンバー内に導入し、圧力を１５Ｐａとし、基板側にバイアスが印加されるように、アッシング装置内に設置された平行平板の電極間に４５００ＷのＲＦ電力を６００ｓｅｃ供給して行った。

次に、保護膜１１７上に絶縁膜１１８を形成した。絶縁膜１１８としては、厚さ１００ｎｍの窒化シリコン膜を、ＰＥＣＶＤ装置を用いて形成した。

次に、第３の熱処理を窒素ガス雰囲気下で２５０℃ １時間で行った。

＜試料Ｂ１の作製方法＞
試料Ｂ１としては、先に示す試料Ａ１と比較し、以下の工程が異なる。それ以外の工程については、試料Ａ１と同様に作製した。

試料Ｂ１としては、第２の熱処理終了後に、保護膜１１７の形成、及び酸素添加処理を行わずに、絶縁膜１１６上に絶縁膜１１８を形成した。

以上の工程で本実施例の試料Ａ１乃至Ａ３、及び試料Ｂ１を作製した。

次に、上記作製した試料Ａ１乃至Ａ３、及び試料Ｂ１の光照射におけるＩＤ−ＶＧ特性結果を図２３乃至図２６に示す。なお、図２３は、試料Ａ１のＩＤ−ＶＧ特性結果であり、図２４は、試料Ａ２のＩＤ−ＶＧ特性結果であり、図２５は、試料Ａ３のＩＤ−ＶＧ特性結果であり、図２６は、試料Ｂ１のＩＤ−ＶＧ特性結果である。また、図２３乃至図２６において、縦軸がＩＤ（Ａ）を、横軸がＶＧ（Ｖ）を、それぞれ表す。

光照射におけるＩＤ−ＶＧ特性は、５０μＷ／ｃｍ^２の強度の光を４００ｎｍ以上４９５ｎｍ以下、すなわち、２．５ｅＶ以上３．１ｅＶ以下の範囲の光を照射しながら測定した。具体的には、以下の波長の光を順に照射した。４９５ｎｍ（２．５１ｅＶ）、４７５ｎｍ（２．６１ｅＶ）、４６０ｎｍ（２．７０ｅＶ）、４５５ｎｍ（２．７３ｅＶ）、４５０ｎｍ（２．７６ｅＶ）、４４５ｎｍ（２．７９ｅＶ）、４４０ｎｍ（２．８２ｅＶ）、４３０ｎｍ（２．８８ｅＶ）、４２０ｎｍ（２．９５ｅＶ）、４１５ｎｍ（２．９９ｅＶ）、４００ｎｍ（３．１０ｅＶ）。したがって、試料Ａ１乃至Ａ３、及び試料Ｂ１のＩＤ−ＶＧ特性は、上記１１ポイントの測定データと、暗状態での測定データの合計１２ポイントのデータとなる。また、図２３乃至図２６に示すＩＤ−ＶＧ特性結果は、上記１２ポイントのデータを重ねて表示している。

また、トランジスタ１００の第１のゲート電極として機能する導電膜１０４に印加する電圧（ＶＧ）、及び第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ｂに印加する電圧（ＶＢＧ）としては、−１５Ｖから＋２０Ｖまで０．２５Ｖのステップで印加した。また、ソース電極として機能する導電膜１１２ａに印加する電圧（ＶＳ）は、０Ｖ（ｃｏｍｍｏｎ）とし、ドレイン電極として機能する導電膜１１２ｂに印加する電圧（ＶＤ）は、１０Ｖとした。

また、上記試料Ａ１乃至Ａ３のΔＳｈｉｆｔの測定結果を図２７（Ａ）に示す。また、上記試料Ａ１と試料Ｂ１のΔＳｈｉｆｔの測定結果を図２７（Ｂ）に示す。なお、図２７（Ａ）（Ｂ）において、縦軸がΔＳｈｉｆｔ（Ｖ）を、横軸が照射エネルギー（ｅＶ）を、それぞれ表す。

図２３乃至図２７に示す結果から、酸化物半導体膜１０８の膜厚を薄くした試料Ａ１のΔＳｈｉｆｔの変動量が少ないことが確認できた。また、試料Ａ１と試料Ｂ１を比較した場合、酸素添加処理を行った試料Ａ１の方がΔＳｈｉｆｔの変動量が少ないことが確認できた。また、本実施例で作製した試料Ａ１乃至試料Ａ３、及び試料Ｂ１は、高い電界効果移動度を有することが確認できた。

以上に示す結果より、本発明の一態様のトランジスタは、光照射による特性変動が少なく、且つ電界効果移動度度が高い半導体装置であることが確認できた。

以上、本実施例に示す構成は、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。

１００ トランジスタ
１００Ａ トランジスタ
１００Ｂ トランジスタ
１００Ｃ トランジスタ
１００Ｄ トランジスタ
１０２ 基板
１０４ 導電膜
１０６ 絶縁膜
１０７ 絶縁膜
１０８ 酸化物半導体膜
１１２ａ 導電膜
１１２ｂ 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
１２２ 絶縁膜
１３１ エッチャント
１３３ 酸素
１４０ トランジスタ
１４０Ａ トランジスタ
１４１ａ 開口部
１４１ｂ 開口部
１４２ａ 開口部
１４２ｂ 開口部
１４２ｃ 開口部
１４３ 開口部
１６０ トランジスタ
１６０Ａ トランジスタ
５０１ 画素回路
５０２ 画素部
５０４ 駆動回路部
５０４ａ ゲートドライバ
５０４ｂ ソースドライバ
５０６ 保護回路
５０７ 端子部
５５０ トランジスタ
５５２ トランジスタ
５５４ トランジスタ
５６０ 容量素子
５６２ 容量素子
５７０ 液晶素子
５７２ 発光素子
７００ 表示装置
７０１ 基板
７０２ 画素部
７０４ ソースドライバ回路部
７０５ 基板
７０６ ゲートドライバ回路部
７０８ ＦＰＣ端子部
７１０ 信号線
７１１ 配線部
７１２ シール材
７１６ ＦＰＣ
７３０ 絶縁膜
７３２ 封止膜
７３４ 絶縁膜
７３６ 着色膜
７３８ 遮光膜
７５０ トランジスタ
７５２ トランジスタ
７６０ 接続電極
７６４ 絶縁膜
７６６ 絶縁膜
７６８ 絶縁膜
７７０ 平坦化絶縁膜
７７２ 導電膜
７７４ 導電膜
７７５ 液晶素子
７７６ 液晶層
７７８ 構造体
７８０ 異方性導電膜
７８２ 発光素子
７８４ 導電膜
７８６ ＥＬ層
７８８ 導電膜
７９０ 容量素子
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

Claims (11)

1. トランジスタを有する半導体装置であって、
   前記トランジスタは、チャネル領域に酸化物半導体膜を有し、
   前記トランジスタのドレイン電流−ゲート電圧特性における、対数で表される前記ドレイン電流の最大の傾きの接線と１×１０^−１２Ａの軸との交点のゲート電圧をシフト値とした場合、
   前記酸化物半導体膜に対して、
   前記酸化物半導体膜のバンドギャップ以上のエネルギーで光照射した際に、
   前記光照射後の前記シフト値から前記光照射前の前記シフト値の差分が、
   −１Ｖ以上０．５Ｖ以下である、
   ことを特徴とする半導体装置。
2. トランジスタを有する半導体装置であって、
   前記トランジスタは、チャネル領域に酸化物半導体膜を有し、
   前記トランジスタのドレイン電流−ゲート電圧特性における、対数で表される前記ドレイン電流の最大の傾きの接線と１×１０^−１２Ａの軸との交点のゲート電圧をシフト値とした場合、
   前記酸化物半導体膜に対して、
   ２．８ｅＶ以上３．０ｅＶ以下のエネルギーで光照射した際に、
   前記光照射後の前記シフト値から前記光照射前の前記シフト値の差分が、
   −１Ｖ以上０．５Ｖ以下である、
   ことを特徴とする半導体装置。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記酸化物半導体膜は、
   Ｉｎと、Ｚｎと、Ｍ（Ｍは、Ｔｉ、Ｇａ、Ｓｎ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、またはＨｆ）と、を有する、
   ことを特徴とする半導体装置。
4. 請求項１乃至請求項２のいずれか一つにおいて、
   前記酸化物半導体膜は、
   Ｉｎと、Ｚｎと、Ｇａと、を有する、
   ことを特徴とする半導体装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一つにおいて、
   前記酸化物半導体膜は、
   結晶部を有し、
   前記結晶部は、ｃ軸配向性を有する、
   ことを特徴とする半導体装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一つにおいて、
   前記酸化物半導体膜は、
   ホモロガス構造を有し、且つＩｎの含有量がＧａの含有量よりも多い、
   ことを特徴とする半導体装置。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか一つにおいて、
   前記酸化物半導体膜は、
   ５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の領域を有する、
   ことを特徴とする半導体装置。
8. 請求項１または請求項２において、
   前記トランジスタは、
   第１のゲート電極と、
   前記第１のゲート電極上の第１のゲート絶縁膜と、
   前記第１のゲート絶縁膜上の前記酸化物半導体膜と、
   前記酸化物半導体膜に電気的に接続されるソース電極と、
   前記酸化物半導体膜に電気的に接続されるドレイン電極と、
   前記酸化物半導体膜、前記ソース電極、及び前記ドレイン電極上の第２のゲート絶縁膜と、
   前記第２のゲート絶縁膜上の第２のゲート電極と、を有する、
   ことを特徴とする半導体装置。
9. 請求項１乃至請求項８に記載のいずれか一つの半導体装置と、
   表示素子と、を有することを特徴とする表示装置。
10. 請求項９に記載の表示装置と、
    タッチセンサと、
    を有することを特徴とする表示モジュール。
11. 請求項１乃至請求項８に記載のいずれか一つの半導体装置、請求項９に記載の表示装置、または請求項１０に記載の表示モジュールと、
    操作キーまたはバッテリと、
    を有することを特徴とする電子機器。