JP2015188062A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】酸化物半導体を用いたオン電流が大きい半導体装置を提供する。【解決手段】駆動回路部に設けられた第１のトランジスタと、画素部に設けられた第２のトランジスタとを有する半導体装置であって、第１のトランジスタと第２のトランジスタは構造が異なる。また、第１のトランジスタ及び第２のトランジスタは、トップゲート構造のトランジスタであって、酸化物半導体膜において、ゲート電極と重ならない領域に不純物元素を有する。酸化物半導体膜において、不純物元素を有する領域は低抵抗領域としての機能を有する。また、酸化物半導体膜において、不純物元素を有する領域は、水素を含む膜と接している。また、水素を含む膜の開口部において不純物元素を有する領域と接する、ソース電極及びドレイン電極としての機能を有する導電膜を有してもよい。なお、駆動回路部に設けられた第１のトランジスタは、酸化物半導体膜を介して重なる２つのゲート電極を有する。【選択図】図２

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、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（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、酸化物半導体として、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｓｎなどを含む非晶質酸化物を用いてトランジスタを作製する技術が特許文献１で開示されている。
特開２００６−１６５５２９号公報
酸化物半導体膜を用いたトランジスタとしては、例えば、逆スタガ型（ボトムゲート構造ともいう）またはプレナー型（トップゲート構造ともいう）等が挙げられる。酸化物半導体膜を用いたトランジスタを表示装置に適用する場合、プレナー型のトランジスタよりも逆スタガ型のトランジスタの方が、作製工程が比較的簡単であり製造コストを抑えられるため、利用される場合が多い。しかしながら、表示装置の画面の大型化、または表示装置の画質の高精細化（例えば、４ｋ×２ｋ（水平方向画素数＝３８４０画素、垂直方向画素数＝２１６０画素）または８ｋ×４ｋ（水平方向画素数＝７６８０画素、垂直方向画素数＝４３２０画素）に代表される高精細な表示装置）が進むと、逆スタガ型のトランジスタでは、ゲート電極とソース電極及びドレイン電極との間の寄生容量があるため、該寄生容量によって信号遅延等が大きくなり、表示装置の画質が劣化するという問題があった。また、逆スタガ型のトランジスタの場合、プレナー型のトランジスタと比較して、トランジスタの占有面積が大きくなるといった問題がある。そこで、酸化物半導体膜を用いたプレナー型のトランジスタについて、安定した半導体特性及び高い信頼性を有する構造で、且つ簡単な作製工程で形成されるトランジスタの開発が望まれている。
上記問題に鑑み、本発明の一態様は、酸化物半導体を用いた新規な半導体装置を提供する。とくに、酸化物半導体を用いたプレナー型の半導体装置を提供する。または酸化物半導体を用いたオン電流が大きい半導体装置を提供する、または酸化物半導体を用いたオフ電流が小さい半導体装置を提供する、または酸化物半導体を用いた占有面積の小さい半導体装置を提供する、または酸化物半導体を用いた安定な電気特性をもつ半導体装置を提供する、または酸化物半導体を用いた信頼性の高い半導体装置を提供する、または新規な半導体装置を提供する、または新規な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、駆動回路部に設けられた第１のトランジスタと、画素部に設けられた第２のトランジスタとを有する半導体装置であって、第１のトランジスタと第２のトランジスタは構造が異なる。また、第１のトランジスタ及び第２のトランジスタは、トップゲート構造のトランジスタであって、酸化物半導体膜において、ゲート電極と重ならない領域に不純物元素を有する。酸化物半導体膜において、不純物元素を有する領域は低抵抗領域としての機能を有する。また、酸化物半導体膜において、不純物元素を有する領域は、水素を含む膜と接している。また、水素を含む膜の開口部において不純物元素を有する領域と接する、ソース電極及びドレイン電極としての機能を有する導電膜を有してもよい。
なお、駆動回路部に設けられた第１のトランジスタは、酸化物半導体膜を介して重なる２つのゲート電極を有する。
不純物元素として、水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、または希ガス元素がある。
酸化物半導体膜において、水素と、希ガス元素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、アルミニウム、シリコン、リン、及び塩素の少なくとも一の不純物元素を有することで、導電性が高まる。このため、酸化物半導体膜において、該不純物元素を有する領域を、ゲート電極と重ならない領域に有し、且つ不純物元素を有する領域がソース電極及びドレイン電極と接することで、トランジスタの寄生抵抗及び寄生容量を低減することが可能であり、オン電流の高いトランジスタとなる。
また、駆動回路部に設けられた第１のトランジスタ、及び画素部に設けられた第２のトランジスタは互いに金属元素の原子数比が異なる酸化物半導体膜を有してもよい。
また、駆動回路部に設けられた第１のトランジスタ及び画素部に設けられた第２のトランジスタはそれぞれ、酸化物半導体膜の代わりに、第１の膜及び第２の膜が積層された多層膜を有してもよい。
本発明の一態様により、酸化物半導体を用いた新規な半導体装置を提供することができる。とくに、酸化物半導体を用いたプレナー型の半導体装置を提供することができる。または、酸化物半導体を用いたオン電流が大きい半導体装置を提供することができる。または、酸化物半導体を用いたオフ電流が小さい半導体装置を提供することができる。または、酸化物半導体を用いた占有面積の小さい半導体装置を提供することができる。または、酸化物半導体を用いた安定な電気特性をもつ半導体装置を提供することができる。または、酸化物半導体を用いた信頼性の高い半導体装置を提供することができる。または、新規な半導体装置を提供することができる。または、新規な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。
半導体装置の一態様を説明する上面図。 半導体装置の一態様を説明する断面図。 半導体装置の一態様を説明する断面図。 半導体装置の一態様を説明する断面図。 半導体装置の作製方法の一態様を説明する断面図。 半導体装置の作製方法の一態様を説明する断面図。 半導体装置の作製方法の一態様を説明する断面図。 半導体装置の一態様を示す上面図。 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断面図。 半導体装置の作製方法の一態様を説明する断面図。 半導体装置の作製方法の一態様を説明する断面図。 半導体装置の作製方法の一態様を説明する断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタのバンド構造を説明する図。 本発明の一態様に係るトランジスタのバンド構造を説明する図。 トランジスタの構造を説明する断面図。 トランジスタの構造を説明する断面図。 トランジスタの構造を説明する断面図。 トランジスタの構造を説明する断面図。 トランジスタの構造を説明する断面図。 トランジスタの作製工程を説明する断面図。 トランジスタの構造を説明する断面図。 トランジスタの構造を説明する断面図。 トランジスタの構造を説明する断面図。 トランジスタの構造を説明する断面図。 トランジスタの構造を説明する断面図。 計算モデルを説明する図。 初期状態と最終状態を説明する図。 活性化障壁を説明する図。 初期状態と最終状態を説明する図。 活性化障壁を説明する図。 ＶＯＨの遷移レベルを説明する図。 表示装置を説明するブロック図及び回路図。 表示装置の一態様を説明する上面図。 表示装置の一態様を説明する断面図。 表示装置の一態様を説明する断面図。 発光装置の画素部の構成について説明する断面図。 表示モジュールを説明する図。 電子機器を説明する図。 抵抗率の温度依存性を説明する図。 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説明する図。 Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の電子照射による結晶部の変化を説明する図。
以下では、本明細書に開示する発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなく、その形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。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。
なお、図面等において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、理解の簡単のため、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。
なお、本明細書等における「第１」、「第２」、「第３」などの序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、数的に限定するものではないことを付記する。
なお、本明細書等において「上」や「下」の用語は、構成要素の位置関係が「直上」または「直下」であることを限定するものではない。例えば、「ゲート絶縁膜上のゲート電極」の表現であれば、ゲート絶縁膜とゲート電極との間に他の構成要素を含むものを除外しない。
また、本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合なども含む。
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。
なお、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。
（実施の形態１）
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を、図１乃至図７を用いて説明する。
＜半導体装置の構成１＞
図１及び図２に、半導体装置に含まれるトランジスタの一例として、トップゲート構造のトランジスタを示す。ここでは、半導体装置の一例として表示装置を用いて説明する。また、表示装置の駆動回路部及び画素部それぞれに設けられるトランジスタの構造を説明する。本実施の形態に示す表示装置は、駆動回路部と画素部において、トランジスタの構造が異なる。駆動回路部に含まれるトランジスタは、デュアルゲート構造であり、画素部に含まれるトランジスタはシングルゲート構造である。
図１に駆動回路部に設けられるトランジスタ１００ａ及び画素部に設けられるトランジスタ１００ｂの上面図を示し、図２にトランジスタ１００ａ、１００ｂの断面図を示す。図１（Ａ）はトランジスタ１００ａの上面図であり、図１（Ｂ）はトランジスタ１００ｂの上面図である。図２（Ａ）は、図１（Ａ）の一点鎖線Ａ−Ｂ間の断面図、及び図１（Ｂ）の一点鎖線Ｃ−Ｄ間の断面図である。図２（Ｂ）は、図１（Ａ）の一点鎖線Ｇ−Ｈ間の断面図、及び図１（Ｂ）の一点鎖線Ｉ−Ｊ間の断面図である。なお、図１では、明瞭化のため、基板１０１、絶縁膜１０４、絶縁膜１２６、絶縁膜１２７、などを省略している。また、図２（Ａ）は、トランジスタ１００ａ、１００ｂのチャネル長方向の断面図である。また、図２（Ｂ）は、トランジスタ１００ａ、１００ｂのチャネル幅方向の断面図である。
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トランジスタ１００ａ及びトランジスタ１００ｂ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。また、一点鎖線Ａ−Ｂ方向及び一点鎖線Ｃ−Ｄ方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｇ−Ｈ方向及び一点鎖線Ｉ−Ｊ方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
図２に示すトランジスタ１００ａは、基板１０１上の導電膜１０２と、基板１０１及び導電膜１０２上の絶縁膜１０４と、絶縁膜１０４上の酸化物半導体膜１０５と、酸化物半導体膜１０５に接する絶縁膜１１６と、絶縁膜１１６を介して酸化物半導体膜１０５と重なる導電膜１１９とを有する。
導電膜１０２及び導電膜１１９は、ゲート電極としての機能を有する。即ち、トランジスタ１００ａは、デュアルゲート構造のトランジスタである。また、絶縁膜１０４及び絶縁膜１１６は、ゲート絶縁膜としての機能を有する。
なお、図示しないが、導電膜１０２は、酸化物半導体膜１０５の全域と重なるようにしてもよい。
酸化物半導体膜１０５は、導電膜１０２及び導電膜１１９と重なるチャネル領域１０５ａと、チャネル領域１０５ａを挟む低抵抗領域１０５ｂ、１０５ｃとを有する。
また、トランジスタ１００ａにおいて、低抵抗領域１０５ｂ、１０５ｃに接する絶縁膜１２６が設けられる。また、絶縁膜１２６上に絶縁膜１２７を有してもよい。また、絶縁膜１２６及び絶縁膜１２７の開口部１２８、１２９において、酸化物半導体膜１０５の低抵抗領域１０５ｂ、１０５ｃに接する導電膜１３４、１３５が設けられる。
なお、基板１０１上に窒化物絶縁膜１６１を設けることが好ましい。窒化物絶縁膜１６１としては、窒化シリコン膜、窒化アルミニウム膜等がある。窒化物絶縁膜１６１で基板１０１を覆うことで基板１０１に含まれる元素の拡散を防ぐことが可能であり好ましい。
トランジスタ１００ｂは、基板１０１上に形成された絶縁膜１０４上の酸化物半導体膜１０８と、酸化物半導体膜１０８に接する絶縁膜１１７と、絶縁膜１１７を介して酸化物半導体膜１０８と重なる導電膜１２０とを有する。
導電膜１２０は、ゲート電極としての機能を有する。また、絶縁膜１１７は、ゲート絶縁膜としての機能を有する。
酸化物半導体膜１０８は、導電膜１２０と重なるチャネル領域１０８ａと、チャネル領域１０８ａを挟む低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃとを有する。
また、トランジスタ１００ｂにおいて、低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃに接する絶縁膜１２６が設けられる。また、絶縁膜１２６上に絶縁膜１２７を有してもよい。また、絶縁膜１２６及び絶縁膜１２７の開口部１３０、１３１において、酸化物半導体膜１０８の低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃに接する導電膜１３６、１３７が設けられる。
なお、導電膜１３４、１３５、１３６、１３７を覆うように窒化物絶縁膜１６２を設けることが好ましい。窒化物絶縁膜１６２を設けることで、外部からの不純物の拡散を防ぐことができる。
酸化物半導体膜１０５において、導電膜１１９と重ならない領域には、酸素欠損を形成する元素を有する。また、酸化物半導体膜１０８において、導電膜１２０と重ならない領域には、酸素欠損を形成する元素を有する。以下、酸化物半導体膜に添加することで、酸化物半導体膜に酸素欠損を形成する元素を、不純物元素と称して説明する。不純物元素の代表例としては、水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、希ガス元素等がある。希ガス元素の代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン及びキセノンがある。
また、絶縁膜１２６は水素を含む膜であり、代表的には窒化物絶縁膜がある。窒化物絶縁膜の例としては、窒化シリコン膜、窒化アルミニウム膜等がある。絶縁膜１２６が酸化物半導体膜１０５、１０８に接することで、絶縁膜１２６に含まれる水素が酸化物半導体膜１０５、１０８に拡散する。この結果、酸化物半導体膜１０５、１０８であって、絶縁膜１２６と接する領域においては、水素が多く含まれる。
不純物元素が酸化物半導体に添加されると、酸化物半導体中の金属元素及び酸素の結合が切断され、酸素欠損が形成される。不純物元素の添加により酸素欠損が形成された酸化物半導体に水素を添加すると、酸素欠損サイトに水素が入り、伝導帯近傍にドナー準位が形成され、酸化物半導体は導電率が高くなる。その結果、酸化物導電体を形成することができる。このため、酸化物導電体は透光性を有する。なお、ここでは、導電体化された酸化物半導体を酸化物導電体という。
酸化物導電体は、縮退半導体であり、伝導帯端とフェルミ準位とが一致または略一致していると推定される。このため、酸化物導電体膜とソース電極及びドレイン電極としての機能を有する導電膜との接触はオーミック接触であり、酸化物導電体膜とソース電極及びドレイン電極としての機能を有する導電膜との接触抵抗を低減できる。
即ち、低抵抗領域１０５ｂ、１０５ｃ、１０８ｂ、１０８ｃは、ソース領域及びドレイン領域としての機能を有する。
また、導電膜１３４、１３５、１３６、１３７がタングステン、チタン、アルミニウム、銅、モリブデン、クロム、又はタンタル単体若しくは合金等の酸素と結合しやすい導電材料を用いて形成される場合、酸化物半導体膜に含まれる酸素と導電膜１３４、１３５、１３６、１３７に含まれる導電材料とが結合し、酸化物半導体膜１０５、１０８において、酸素欠損が形成される。また、酸化物半導体膜１０５、１０８に導電膜１３４、１３５、１３６、１３７を形成する導電材料の構成元素の一部が混入する場合もある。これらの結果、導電膜１３４、１３５、１３６、１３７と接する低抵抗領域１０５ｂ、１０５ｃ、１０８ｂ、１０８ｃは、導電性が高まり、ソース領域及びドレイン領域としての機能を有する。
不純物元素が希ガス元素であって、酸化物半導体膜１０５、１０８がスパッタリング法で形成される場合、低抵抗領域１０５ｂ、１０５ｃ、１０８ｂ、１０８ｃはそれぞれ希ガス元素を含み、且つチャネル領域１０５ａ、１０８ａと比較して、低抵抗領域１０５ｂ、１０５ｃ、１０８ｂ、１０８ｃの方が希ガス元素の濃度が高い。これは、酸化物半導体膜１０５、１０８がスパッタリング法で形成される場合、スパッタリングガスとして希ガスを用いるため、酸化物半導体膜１０５、１０８に希ガスが含まれること、並びに低抵抗領域１０５ｂ、１０５ｃ、１０８ｂ、１０８ｃにおいて、酸素欠損を形成するために、意図的に希ガスが添加されることが原因である。なお低抵抗領域１０５ｂ、１０５ｃ、１０８ｂ、１０８ｃにおいて、チャネル領域１０５ａ、１０８ａと異なる希ガス元素が添加されていてもよい。
また、低抵抗領域１０５ｂ、１０５ｃは絶縁膜１２６と接するため、チャネル領域１０５ａと比較して、水素の濃度が高い。また、低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃは絶縁膜１２６と接するため、チャネル領域１０８ａと比較して、水素の濃度が高い。
低抵抗領域１０５ｂ、１０５ｃ、１０８ｂ、１０８ｃにおいて、二次イオン質量分析法により得られる水素の濃度は、８×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、又は１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、又は５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上とすることができる。なお、チャネル領域１０５ａ、１０８ａの二次イオン質量分析法により得られる水素濃度は、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、又は１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、又は５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、又は１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、又は５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、又は１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることができる。
チャネル領域１０５ａ、１０８ａと比較して、低抵抗領域１０５ｂ、１０５ｃ、１０８ｂ、１０８ｃは、水素濃度が高く、且つ希ガス元素の添加による酸素欠損量が多い。このため、導電性が高くなり、ソース領域及びドレイン領域としての機能を有する。代表的には、低抵抗領域１０５ｂ、１０５ｃ、１０８ｂ、１０８ｃの抵抗率として、１×１０−３Ωｃｍ以上１×１０４Ωｃｍ未満、又は１×１０−３Ωｃｍ以上１×１０−１Ωｃｍ未満とすることができる。
なお、低抵抗領域１０５ｂ、１０５ｃ、１０８ｂ、１０８ｃにおいて、水素の量は酸素欠損の量と同じ又は少ないと、水素が酸素欠損に捕獲されやすく、チャネル領域１０５ａ、１０８ａに拡散しにくい。この結果、ノーマリーオフ特性のトランジスタを作製することができる。
また、低抵抗領域１０５ｂ、１０５ｃ、１０８ｂ、１０８ｃにおいて、水素の量と比較して酸素欠損の量が多い場合、水素の量を制御することで、低抵抗領域１０５ｂ、１０５ｃ、１０８ｂ、１０８ｃのキャリア密度を制御することができる。又は、低抵抗領域１０５ｂ、１０５ｃ、１０８ｂ、１０８ｃにおいて、酸素欠損の量と比較して水素の量が多い場合、酸素欠損の量を制御することで、低抵抗領域１０５ｂ、１０５ｃ、１０８ｂ、１０８ｃのキャリア密度を制御することができる。なお、低抵抗領域１０５ｂ、１０５ｃ、１０８ｂ、１０８ｃのキャリア密度を５×１０１８個／ｃｍ３以上、又は１×１０１９個／ｃｍ３以上、又は１×１０２０個／ｃｍ３以上とすることで、チャネル領域とソース電極及びドレイン電極としての機能を有する導電膜１３４、１３５、１３６、１３７との間の抵抗が小さく、オン電流の大きいトランジスタを作製することが可能である。
本実施の形態に示すトランジスタ１００ａ、１００ｂは、チャネル領域と、ソース電極及びドレイン電極としての機能を有する導電膜１３４、１３５、１３６、１３７との間に、低抵抗領域１０５ｂ、１０５ｃ、１０８ｂ、１０８ｃを有するため寄生抵抗が小さい。
また、トランジスタ１００ａにおいて、導電膜１１９と、導電膜１３４、１３５とが重ならない。このため、導電膜１１９と、導電膜１３４、１３５との間の寄生容量を低減することが可能である。また、導電膜１２０と、導電膜１３６、１３７とが重ならない。このため、導電膜１２０と、導電膜１３６、１３７との間の寄生容量を低減することが可能である。
このため、トランジスタ１００ａ、１００ｂは、オン電流が大きく、電界効果移動度が高い。
また、トランジスタ１００ａにおいて、導電膜１１９をマスクとして、不純物元素が酸化物半導体膜１０５に添加される。また、トランジスタ１００ｂにおいて、導電膜１２０をマスクとして、不純物元素が酸化物半導体膜１０８に添加される。すなわち、セルフアラインで低抵抗領域を形成することができる。
また、トランジスタ１００ａにおいて、導電膜１０２及び導電膜１１９が接続せず、それぞれ異なる電位を印加することで、トランジスタ１００ａのしきい値電圧を制御することができる。又は、図１（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、導電膜１０２及び導電膜１１９が開口部１１３において接続され、同じ電位が印加されることで、初期特性バラつきの低減、−ＧＢＴ（−Ｇａｔｅ Ｂｉａｓ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）ストレス試験の劣化の抑制、及び異なるドレイン電圧におけるオン電流の立ち上がり電圧の変動の抑制が可能である。また、酸化物半導体膜１０５において、図２（Ｂ）に示すように導電膜１０２及び導電膜１１９が接続することで、導電膜１０２、１１９の電界が酸化物半導体膜１０５の上面及び側面に影響するため、酸化物半導体膜１０５全体においてキャリアが流れる。即ち、キャリアの流れる領域が膜厚方向においてより大きくなるため、キャリアの移動量が増加する。この結果、トランジスタ１００ａのオン電流が大きくなる共に、電界効果移動度が高くなる。トランジスタ１００ａは、オン電流が大きいため、平面における面積を小さくすることが可能である。この結果、駆動回路部の占有面積が小さい、狭額縁化された表示装置を作製することが可能である。
また、表示装置において、駆動回路部と画素部に含まれるトランジスタのチャネル長が異なってもよい。
代表的には、駆動回路部に含まれるトランジスタ１００ａのチャネル長を２．５μｍ未満、又は１．４５μｍ以上２．２μｍ以下とすることができる。一方、画素部に含まれるトランジスタ１００ｂのチャネル長を２．５μｍ以上、又は２．５μｍ以上２０μｍ以下とすることができる。
駆動回路部に含まれるトランジスタ１００ａのチャネル長を、２．５μｍ未満、好ましくは１．４５μｍ以上２．２μｍ以下とすることで、画素部に含まれるトランジスタ１００ｂと比較して、電界効果移動度を高めることが可能であり、オン電流を増大させることができる。この結果、高速動作が可能な駆動回路部を作製することができる。また、駆動回路部の占有面積の小さい表示装置を作製することができる。
また、電界効果移動度が高いトランジスタを用いることで、駆動回路部の一例である信号線駆動回路にデマルチプレクサ回路を形成することが可能である。デマルチプレクサ回路は、一つの入力信号を複数の出力のいずれかへ分配する回路であるため、入力信号用の入力端子数を削減することが可能である。例えば、一画素が、赤色用サブ画素、緑色用サブ画素、及び青色用サブ画素を有し、且つ各画素にデマルチプレクサ回路を設けることで、各サブ画素に入力する入力信号をデマルチプレクサ回路で分配することが可能であるため、入力端子を１／３に削減することが可能である。
また、オン電流の大きいトランジスタ１００ｂを画素部に設けることで、大型の表示装置や高精細な表示装置において配線数が増大しても、各配線における信号遅延を低減することが可能であり、表示むらを抑えることが可能である。
以上のことから、高速動作が可能なトランジスタを用いて駆動回路部を作製するとともに、寄生容量及び寄生抵抗の少ないトランジスタを用いて画素部を作製することで、高精細で、倍速駆動が可能な表示装置を作製することができる。
以下に、図２に示す構成の詳細について説明する。
基板１０１としては、様々な基板を用いることができ、特定のものに限定されることはない。基板の一例としては、半導体基板（例えば単結晶基板又はシリコン基板）、ＳＯＩ基板、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板、金属基板、ステンレス・スチル基板、ステンレス・スチル・ホイルを有する基板、タングステン基板、タングステン・ホイルを有する基板、可撓性基板、貼り合わせフィルム、繊維状の材料を含む紙、又は基材フィルムなどがある。ガラス基板の一例としては、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、又はソーダライムガラスなどがある。可撓性基板、貼り合わせフィルム、基材フィルムなどの一例としては、以下のものがあげられる。例えば、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）に代表されるプラスチックがある。又は、一例としては、アクリル等の合成樹脂などがある。又は、一例としては、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニル、又はポリ塩化ビニルなどがある。又は、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。特に、半導体基板、単結晶基板、又はＳＯＩ基板などを用いてトランジスタを製造することによって、特性、サイズ、又は形状などのばらつきが少なく、電流能力が高く、サイズの小さいトランジスタを製造することができる。このようなトランジスタによって回路を構成すると、回路の低消費電力化、又は回路の高集積化を図ることができる。
また、基板１０１として、可撓性基板を用い、可撓性基板上に直接、トランジスタを形成してもよい。又は、基板１０１とトランジスタ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１０１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、トランジスタは耐熱性の劣る基板や可撓性の基板にも転載できる。なお、上述の剥離層には、例えば、タングステン膜と酸化シリコン膜との無機膜の積層構造の構成や、基板上にポリイミド等の有機樹脂膜が形成された構成等を用いることができる。
トランジスタが転載される基板の一例としては、上述したトランジスタを形成することが可能な基板に加え、紙基板、セロファン基板、アラミドフィルム基板、ポリイミドフィルム基板、石材基板、木材基板、布基板（天然繊維（絹、綿、麻）、合成繊維（ナイロン、ポリウレタン、ポリエステル）若しくは再生繊維（アセテート、キュプラ、レーヨン、再生ポリエステル）などを含む）、皮革基板、又はゴム基板などがある。これらの基板を用いることにより、特性のよいトランジスタの形成、消費電力の小さいトランジスタの形成、壊れにくい装置の製造、耐熱性の付与、軽量化、又は薄型化を図ることができる。
絶縁膜１０４は、酸化物絶縁膜又は窒化物絶縁膜を単層又は積層して形成することができる。なお、酸化物半導体膜１０５、１０８との界面特性を向上させるため、絶縁膜１０４において少なくとも酸化物半導体膜１０５、１０８と接する領域は酸化物絶縁膜で形成することが好ましい。また、絶縁膜１０４として加熱により酸素を放出する酸化物絶縁膜を用いることで、加熱処理により絶縁膜１０４に含まれる酸素を、酸化物半導体膜１０５、１０８に移動させることが可能である。また、絶縁膜１０４として、導電膜１０２と接する領域を窒化物絶縁膜で形成することで、導電膜１０２に含まれる金属元素が酸化物半導体膜１０５、１０８に移動することを防ぐことが可能であり、好ましい。
絶縁膜１０４の厚さは、５０ｎｍ以上、又は１００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下、又は２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることができる。絶縁膜１０４を厚くすることで、絶縁膜１０４の酸素放出量を増加させることができると共に、絶縁膜１０４と酸化物半導体膜１０５、１０８との界面における界面準位密度、並びに酸化物半導体膜１０５に含まれるチャネル領域１０５ａ、酸化物半導体膜１０８に含まれるチャネル領域１０８ａに含まれる酸素欠損を低減することが可能である。
絶縁膜１０４として、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウム又はＧａ−Ｚｎ酸化物などを用いればよく、単層又は積層で設けることができる。
ここでは、絶縁膜１０４として、絶縁膜１０４ａ及び絶縁膜１０４ｂを積層して形成する。なお、絶縁膜１０４ａとして窒化物絶縁膜を用いることで、導電膜１０２に含まれる金属元素の拡散を防ぐことができる。また、絶縁膜１０４ｂとして酸化物絶縁膜を用いることで、酸化物半導体膜１０５、１０８との界面における界面準位密度等を低減することができる。
酸化物半導体膜１０５、１０８は、代表的には、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（Ｍは、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、又はＨｆ）等の金属酸化物で形成される。なお、酸化物半導体膜１０５、１０８は、透光性を有する。
なお、酸化物半導体膜１０５、１０８がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、ＩｎとＭの原子数比率は、Ｉｎ及びＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたときＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％以上、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、又はＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％以上、Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。
酸化物半導体膜１０５、１０８は、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、又は２．５ｅＶ以上、又は３ｅＶ以上である。
酸化物半導体膜１０５、１０８の厚さは、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、又は３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、又は３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることができる。
酸化物半導体膜１０５、１０８がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（Ｍは、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、又はＨｆ）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＝２：１：１．５、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：２．３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２等が好ましい。なお、成膜される酸化物半導体膜１０５、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。
また、酸化物半導体膜１０５、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１０５、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１０５、１０８であって、特にチャネル領域１０５ａ、１０８ａにおいて、シリコンや炭素の濃度（二次イオン質量分析法により得られる濃度）を、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、又は２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることができる。この結果、トランジスタは、しきい値電圧がプラスとなる電気特性（ノーマリーオフ特性ともいう。）を有する。
また、酸化物半導体膜１０５、１０８であって、特にチャネル領域１０５ａ、１０８ａにおいて、二次イオン質量分析法により得られるアルカリ金属又はアルカリ土類金属の濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、又は２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることができる。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、チャネル領域１０５ａ、１０８ａのアルカリ金属又はアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。この結果、トランジスタは、しきい値電圧がプラスとなる電気特性（ノーマリーオフ特性ともいう。）を有する。
また、酸化物半導体膜１０５、１０８であって、特にチャネル領域１０５ａ、１０８ａ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型化となる場合がある。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、当該酸化物半導体膜であって、特にチャネル領域１０５ａ、１０８ａにおいて、窒素はできる限り低減されていることが好ましい。例えば、二次イオン質量分析法により得られる窒素濃度を、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にすることができる。
酸化物半導体膜１０５、１０８であって、特にチャネル領域１０５ａ、１０８ａにおいて、不純物元素を低減することで、酸化物半導体膜のキャリア密度を低減することができる。このため、酸化物半導体膜１０５、１０８であって、特にチャネル領域１０５ａ、１０８ａにおいては、キャリア密度を１×１０１７個／ｃｍ３以下、又は１×１０１５個／ｃｍ３以下、又は１×１０１３個／ｃｍ３以下、又は８×１０１１個／ｃｍ３以下、又は１×１０１１個／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１０個／ｃｍ３未満であり、１×１０−９個／ｃｍ３以上とすることができる。
酸化物半導体膜１０５、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る。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）ことを高純度真性又は実質的に高純度真性とよぶ。高純度真性又は実質的に高純度真性である酸化物半導体は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる場合がある。従って、当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、しきい値電圧がプラスとなる電気特性（ノーマリーオフ特性ともいう。）になりやすい。また、高純度真性又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、高純度真性又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、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。従って、当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、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場合がある。
また、酸化物半導体膜１０５、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、後述する微結晶構造、又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。
なお、酸化物半導体膜１０５、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種以上が積層された構造の場合がある。
なお、酸化物半導体膜１０５において、チャネル領域１０５ａと、低抵抗領域１０５ｂ、１０５ｃとの結晶性が異なる場合がある。また、酸化物半導体膜１０８において、チャネル領域１０８ａと、低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃとの結晶性が異なる場合がある。これは、低抵抗領域１０５ｂ、１０５ｃ、１０８ｂ、１０８ｃに不純物元素が添加された際に、低抵抗領域１０５ｂ、１０５ｃ、１０８ｂ、１０８ｃにダメージが入ってしまい、結晶性が低下するためである。
絶縁膜１１６、１１７は、酸化物絶縁膜又は窒化物絶縁膜を単層又は積層して形成することができる。なお、酸化物半導体膜１０５、１０８との界面特性を向上させるため、絶縁膜１１６、１１７において少なくとも酸化物半導体膜１０５、１０８と接する領域は酸化物絶縁膜を用いて形成することが好ましい。絶縁膜１１６、１１７として、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウム又はＧａ−Ｚｎ酸化物などを用いればよく、単層又は積層で設けることができる。
また、絶縁膜１１６、１１７として、酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する絶縁膜を設けることで、酸化物半導体膜１０５、１０８からの酸素の外部への拡散と、外部から酸化物半導体膜１０５、１０８への水素、水等の侵入を防ぐことができる。酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する絶縁膜としては、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。
また、絶縁膜１１６、１１７として、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯｘ）、窒素が添加されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙＮｚ）、窒素が添加されたハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙＮｚ）、酸化ハフニウム、酸化イットリウムなどのｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることでトランジスタのゲートリークを低減できる。
また、絶縁膜１１６、１１７として、加熱により酸素を放出する酸化物絶縁膜を用いることで、加熱処理により絶縁膜１１６、１１７に含まれる酸素を、酸化物半導体膜１０５、１０８に移動させることが可能である。
絶縁膜１１６、１１７の厚さは、５ｎｍ以上４００ｎｍ以下、又は５ｎｍ以上３００ｎｍ以下、又は１０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下とすることができる。
導電膜１１９、１２０は、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、ニッケル、鉄、コバルト、タングステンから選ばれた金属元素、又は上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いて形成することができる。また、マンガン、ジルコニウムのいずれか一又は複数から選択された金属元素を用いてもよい。また、導電膜１１９、１２０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、マンガンを含む銅膜の単層構造、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、窒化タンタル膜又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、マンガンを含む銅膜上に銅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、マンガンを含む銅膜上に銅膜を積層し、さらにその上にマンガンを含む銅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元素の一又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１１９、１２０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、酸化シリコンを含むインジウム錫酸化物等の透光性を有する導電性材料を適用することもできる。また、上記透光性を有する導電性材料と、上記金属元素の積層構造とすることもできる。
導電膜１１９、１２０の厚さは、３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、又は１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下とすることができる。
導電膜１３４、１３５、１３６、１３７は、ソース電極及びドレイン電極としての機能を有する。導電膜１３４、１３５、１３６、１３７は、導電膜１１９、１２０に示す材料及び構造を適宜用いることができる。
絶縁膜１２７は、酸化物絶縁膜又は窒化物絶縁膜を単層又は積層して形成することができる。なお、絶縁膜１２７として加熱により酸素を放出する酸化物絶縁膜を用いることで、加熱処理により絶縁膜１２７に含まれる酸素を、酸化物半導体膜１０５、１０８に移動させることが可能である。
絶縁膜１２７として、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウム又はＧａ−Ｚｎ酸化物などを用いればよく、単層又は積層で設けることができる。
絶縁膜１２７の厚さは、３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、又は１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下とすることができる。
＜半導体装置の構成２＞
次に、半導体装置の別の構成について、図３を用いて説明する。ここでは、駆動回路部に形成されるトランジスタ１００ｃの酸化物半導体膜と、画素部に形成されるトランジスタ１００ｄの酸化物半導体膜との金属元素の原子数比が異なることを特徴とする。
トランジスタ１００ｃが有する酸化物半導体膜１０５は、Ｍ（Ｍは、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、又はＨｆ）に対するＩｎの原子数比が大きい。酸化物半導体膜１０５がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（Ｍは、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、又はＨｆ）の場合、酸化物半導体膜１０５を成膜するために用いるターゲットにおいて、金属元素の原子数比をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ１：ｚ１とすると、ｘ１／ｙ１は、１より大きく６以下であることが好ましい。ターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：１．５、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：２．３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：４等がある。
トランジスタ１００ｄが有する酸化物半導体膜１０８は、Ｍ（Ｍは、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、又はＨｆ）に対するＩｎの原子数比が同じ、又は小さい。酸化物半導体膜１０８がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（Ｍは、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、又はＨｆ）の場合、酸化物半導体膜１０８を成膜するために用いるターゲットにおいて、金属元素の原子数比をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ２：ｙ２：ｚ２とすると、ｘ２／ｙ２は、１／６以上１以下であることが好ましい。また、ｚ２／ｙ２は、１／３以上６以下、さらには１以上６以下であることが好ましい。なお、ｚ２／ｙ２を１以上６以下とすることで、酸化物半導体膜１０８としてＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されやすくなる。ターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：６、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：８、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：４、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：５、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：６、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：７、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：８、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：５：５、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：５：６、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：５：７、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：５：８、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：６：８等がある。
トランジスタ１００ｃに含まれる酸化物半導体膜１０５は、Ｍ（Ｍは、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、又はＨｆ）に対するＩｎの原子数比が大きいため、電界効果移動度が高い。代表的には、電界効果移動度が１０ｃｍ２／Ｖｓより大きく６０ｃｍ２／Ｖｓ未満、好ましくは１５ｃｍ２／Ｖｓ以上５０ｃｍ２／Ｖｓ未満のトランジスタである。しかしながら、光が照射されるとオフ状態における電流が増大してしまう。このため、導電膜１０２を遮光膜として機能させてもよい。または、導電膜１０２を設けず、駆動回路部に別途遮光膜を設けることで、電界効果移動度が高く、且つオフ状態における電流の低いトランジスタとなる。この結果、高速動作が可能な駆動回路部を作製することができる。
一方、トランジスタ１００ｂに含まれる酸化物半導体膜１０８は、Ｍ（Ｍは、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、又はＨｆ）に対するＩｎの原子数比が同じ、又は小さいため、酸化物半導体膜に光が照射されても、オフ電流の増大量が少ない。このため、画素部に、Ｍ（Ｍは、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、又はＨｆ）に対するＩｎの原子数比が同じ、又は小さい酸化物半導体膜を有するトランジスタを設けることで、光照射の劣化が少なく、表示品質に優れた画素部を作製することができる。
＜半導体装置の構成３＞
次に、半導体装置の別の構成について、図４を用いて説明する。ここでは、駆動回路部に形成されるトランジスタ１００ｅ、画素部に形成されるトランジスタ１００ｆ、それぞれにおいて、ゲート電極としての機能を有する導電膜１１９、１２０が積層構造であることを特徴とする。なお、図４（Ａ）は、チャネル長方向のトランジスタ１００ｅ、１００ｆの断面図を示し、図４（Ｂ）は、チャネル幅方向のトランジスタ１００ｅ、１００ｆの断面図を示す。
導電膜１１９は、絶縁膜１１６に接する導電膜１１９ａ、及び導電膜１１９ａに接する導電膜１１９ｂを有する。また、導電膜１１９ａの端部は、導電膜１１９ｂの端部より外側に位置する。即ち、導電膜１１９ａが、導電膜１１９ｂから迫り出した形状を有する。
また、絶縁膜１１６の端部が、導電膜１１９ａの端部より外側に位置している。即ち、絶縁膜１１６が、導電膜１１９ａから迫り出した形状を有する。さらには、絶縁膜１１６の側面は湾曲してしてもよい。
導電膜１２０は、絶縁膜１１７に接する導電膜１２０ａ、及び導電膜１２０ａに接する導電膜１２０ｂを有する。また、導電膜１２０ａの端部は、導電膜１２０ｂの端部より外側に位置する。即ち、導電膜１２０ａが、導電膜１２０ｂから迫り出した形状を有する。
また、絶縁膜１１７の端部が、導電膜１２０ａの端部より外側に位置している。即ち、絶縁膜１１７が、導電膜１２０ａから迫り出した形状を有する。さらには、絶縁膜１１７の側面は湾曲してしてもよい。
導電膜１１９ａ、１２０ａとして、チタン、タンタル、モリブデン、タングステンの単体若しくは合金、又は窒化チタン、窒化タンタル、窒化モリブデン、窒化タングステン等を用いて形成することができる。又は、導電膜１１９ａ、１２０ａは、Ｃｕ−Ｘ合金（Ｘは、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔａ、又はＴｉ）等を用いて形成することができる。
導電膜１１９ｂ、１２０ｂは、低抵抗材料を用いて形成する。導電膜１１９ｂ、１２０ｂとして、銅、アルミニウム、金、銀、タングステン等の単体若しくは合金、又はこれを主成分とする化合物等を用いて形成することができる。
なお、導電膜１１９ａ、１２０ａとしてＣｕ−Ｘ合金（Ｘは、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔａ、又はＴｉ）を用いた場合、加熱処理により絶縁膜と接する領域に被覆膜が形成される場合がある。被覆膜は、Ｘを含む化合物で形成される。Ｘを含む化合物の一例としては、Ｘの酸化物、Ｘの窒化物等がある。導電膜１１９ａ、１２０ａの表面に被覆膜が形成されることで、被覆膜がブロッキング膜となり、Ｃｕ−Ｘ合金膜中のＣｕが、酸化物半導体膜に入り込むことを抑制することができる。
なお、酸化物半導体膜１０５、１０８であってチャネル領域の銅の濃度を１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることで、ゲート絶縁膜としての機能を有する絶縁膜１１６、１１７と酸化物半導体膜１０５、１０８の界面における電子トラップ準位密度を低減することが可能である。この結果、サブスレッショルドスイング値（Ｓ値）の優れたトランジスタを作製することが可能である。
また、トランジスタ１００ｅ、１００ｆに示すように、図４に示す形状の導電膜１１９、１２０、及び絶縁膜１１６、１１７を有することで、トランジスタのドレイン領域の電界緩和が可能である。そのため、ドレイン領域の電界に起因したトランジスタのしきい値電圧の変動などの劣化を低減することが可能である。
＜バンド構造＞
次に、本実施の形態に示すトランジスタの代表例として、図２（Ａ）に示すトランジスタ１００ａの任意断面におけるバンド構造について説明する。
図１４（Ａ）に、図２（Ａ）に示すトランジスタ１００ａのチャネル領域を含むＯ−Ｐ断面におけるバンド構造を示す。また、絶縁膜１０４ａ、絶縁膜１０４ｂおよび絶縁膜１１６は、チャネル領域１０５ａよりも十分にエネルギーギャップが大きいとする。また、チャネル領域１０５ａ、絶縁膜１０４ａ、絶縁膜１０４ｂおよび絶縁膜１１６のフェルミ準位（Ｅｆと表記する。）は、それぞれの真性フェルミ準位（Ｅｉと表記する。）と同程度とする。また、導電膜１０２および導電膜１１９の仕事関数は、該フェルミ準位と同程度とする。
ゲート電圧をトランジスタのしきい値電圧以上としたとき、電子はチャネル領域１０５ａを流れる。なお、伝導帯下端のエネルギーをＥｃと表記し、価電子帯上端のエネルギーをＥｖと表記する。
次に、図１４（Ｂ）に、図２（Ａ）に示すトランジスタ１００ａのソース領域またはドレイン領域を含むＱ−Ｒ断面におけるバンド構造を示す。なお、低抵抗領域１０５ｂ、１０５ｃは、縮退状態とする。また、低抵抗領域１０５ｂにおいて、チャネル領域１０５ａのフェルミ準位は伝導帯下端のエネルギーと同程度とする。低抵抗領域１０５ｃも同様である。
このとき、導電膜１３４と、低抵抗領域１０５ｂとは、エネルギー障壁が十分小さいため、オーミック接触となる。同様に、導電膜１３５と、低抵抗領域１０５ｃと、はエネルギー障壁が十分小さいため、オーミック接触となる。したがって、導電膜１３４および導電膜１３５と、チャネル領域１０５ａとの間で、電子の授受がスムーズに行われることがわかる。
以上に示したように、本発明の一態様に係るトランジスタは、ソース電極およびドレイン電極と、チャネル領域と、の間の電子の授受がスムーズに行われ、かつチャネル抵抗の小さいトランジスタである。即ち、優れたスイッチング特性を有するトランジスタであることがわかる。
＜半導体装置の作製方法１＞
次に、図１および図２に示すトランジスタ１００ａ、１００ｂの作製方法について、図５乃至図７を用いて説明する。
トランジスタ１００ａ、１００ｂ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。
熱ＣＶＤ法は、チャンバー内を大気圧又は減圧下とし、原料ガスと酸化剤を同時にチャンバー内に送り、基板近傍又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う。このように、熱ＣＶＤ法は、プラズマを発生させない成膜方法であるため、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。
また、ＡＬＤ法は、チャンバー内を大気圧又は減圧下とし、反応のための原料ガスが順次にチャンバーに導入され、そのガス導入の順序を繰り返すことで成膜を行う。例えば、それぞれのスイッチングバルブ（高速バルブともよぶ。）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の原料ガスと同時又はその後に不活性ガス（アルゴン、或いは窒素など）などを導入し、第２の原料ガスを導入する。なお、同時に不活性ガスを導入する場合には、不活性ガスはキャリアガスとなり、また、第２の原料ガスの導入時にも同時に不活性ガスを導入してもよい。また、不活性ガスを導入する代わりに真空排気によって第１の原料ガスを排出した後、第２の原料ガスを導入してもよい。第１の原料ガスが基板の表面に吸着して第１の単原子層を成膜し、後から導入される第２の原料ガスと反応して、第２の単原子層が第１の単原子層上に積層されて薄膜が形成される。
このガス導入順序を制御しつつ所望の厚さになるまで複数回繰り返すことで、段差被覆性に優れた薄膜を形成することができる。薄膜の厚さは、ガス導入順序を繰り返す回数によって調節することができるため、精密な膜厚調節が可能であり、微細なトランジスタを作製する場合に適している。
図５（Ａ）に示すように、基板１０１上に絶縁膜１６１を形成し、絶縁膜１６１上に導電膜１０２を形成し、導電膜１０２上に絶縁膜１０４を形成する。次に、駆動回路部の絶縁膜１０４上に酸化物半導体膜１０５を形成し、画素部の絶縁膜１０４上に酸化物半導体膜１０８を形成する。
導電膜１０２は、スパッタリング法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法、熱ＣＶＤ法等を用いて導電膜を形成し、該導電膜上にリソグラフィ工程によりマスクを形成した後エッチング処理を行い、形成する。
また、ＡＬＤを利用する成膜装置により導電膜としてタングステン膜を成膜することができる。この場合には、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。
なお、導電膜１０２は、上記形成方法の代わりに、電解メッキ法、印刷法、インクジェット法等で形成してもよい。
ここでは、導電膜１０２として、厚さ１００ｎｍのタングステン膜をスパッタリング法を用いて形成する。
絶縁膜１０４は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法、印刷法、塗布法等を適宜用いて形成することができる。また、基板１０１上に絶縁膜を形成した後、該絶縁膜に酸素を添加して、絶縁膜１０４を形成することができる。絶縁膜に添加する酸素としては、酸素ラジカル、酸素原子、酸素原子イオン、酸素分子イオン等がある。また、添加方法としては、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、絶縁膜上に酸素の脱離を抑制する膜を形成した後、該膜を介して絶縁膜に酸素を添加してもよい。
また、プラズマＣＶＤ装置の真空排気された処理室内に載置された基板を１８０℃以上２８０℃以下、又は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、又は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、又は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、加熱処理により酸素を放出することが可能な酸化シリコン膜又は酸化窒化シリコン膜を絶縁膜１０４として形成することができる。
ここでは、絶縁膜１０４ａ及び絶縁膜１０４ｂを積層して絶縁膜１０４を形成する。また、絶縁膜１０４ａとして厚さ１００ｎｍの窒化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法を用いて形成し、絶縁膜１０４ｂとして厚さ３００ｎｍの酸化窒化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法を用いて形成する。
酸化物半導体膜１０５、１０８の形成方法について以下に説明する。絶縁膜１０４上にスパッタリング法、塗布法、パルスレーザー蒸着法、レーザーアブレーション法、熱ＣＶＤ法等により酸化物半導体膜を形成する。次に、加熱処理を行い、絶縁膜１０４に含まれる酸素を酸化物半導体膜に移動させる。次に、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た後、該マスクを用いて酸化物半導体膜の一部をエッチングすることで、図５（Ａ）に示すように、酸化物半導体膜１０５、１０８を形成することができる。この後、マスクを除去する。なお、酸化物半導体膜の一部をエッチングして酸化物半導体膜１０５、１０８を形成した後、加熱処理を行ってもよい。
または、酸化物半導体膜１０５、１０８として印刷法を用いることで、素子分離された酸化物半導体膜１０５、１０８を直接形成することができる。
スパッタリング法で酸化物半導体膜を形成する場合、プラズマを発生させるための電源装置は、ＲＦ電源装置、ＡＣ電源装置、ＤＣ電源装置等を適宜用いることができる。なお、ＡＣ電源装置又はＤＣ電源装置を用いることで、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を形成することが可能である。また、ＲＦ電源装置を用いたスパッタリング法で酸化物半導体膜を形成するよりも、ＡＣ電源装置又はＤＣ電源装置を用いたスパッタリング法で酸化物半導体膜を形成した方が、膜厚の分布、膜組成の分布、又は結晶性の分布が均一となるため好ましい。
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、希ガス及び酸素の混合ガスの場合、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、ターゲットは、形成する酸化物半導体膜の組成にあわせて、適宜選択すればよい。
なお、酸化物半導体膜を形成する際に、例えば、スパッタリング法を用いる場合、基板温度を１５０℃以上７５０℃以下、又は１５０℃以上４５０℃以下、又は２００℃以上３５０℃以下として、酸化物半導体膜を成膜することで、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を形成することができる。また、基板温度を２５℃以上１５０℃未満とすることで、微結晶酸化物半導体膜を形成することができる。
また、後述するＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜するために、以下の条件を適用することが好ましい。
成膜時の不純物混入を抑制することで、不純物によって結晶状態が崩れることを抑制できる。例えば、成膜室内に存在する不純物濃度（水素、水、二酸化炭素及び窒素など）を低減すればよい。また、成膜ガス中の不純物濃度を低減すればよい。具体的には、露点が−８０℃以下、又は−１００℃以下である成膜ガスを用いる。
また、成膜ガス中の酸素割合を高め、電力を最適化することで成膜時のプラズマダメージを軽減すると好ましい。成膜ガス中の酸素割合は、３０体積％以上、又は１００体積％とする。
また、酸化物半導体膜を形成した後、加熱処理を行い、酸化物半導体膜の脱水素化又は脱水化をしてもよい。加熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上基板歪み点未満、又は２５０℃以上４５０℃以下、又は３００℃以上４５０℃以下とする。
加熱処理は、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン、クリプトン等の希ガス、又は窒素を含む不活性ガス雰囲気で行う。又は、不活性ガス雰囲気で加熱した後、酸素雰囲気で加熱してもよい。なお、上記不活性雰囲気及び酸素雰囲気に水素、水などが含まれないことが好ましい。処理時間は３分以上２４時間以下とする。
該加熱処理は、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。そのため加熱処理時間を短縮することができる。
酸化物半導体膜を加熱しながら成膜することで、さらには酸化物半導体膜を形成した後、加熱処理を行うことで、酸化物半導体膜において、二次イオン質量分析法により得られる水素濃度を５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、又は１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、又は１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、又は５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、又は１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることができる。
ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化物半導体膜、例えばＩｎＧａＺｎＯＸ（Ｘ＞０）膜を成膜する場合には、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを順次繰り返し導入してＩｎＯ２層を形成し、その後、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを同時に導入してＧａＯ層を形成し、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ＩｎＧａＯ２層やＩｎＺｎＯ２層、ＧａＩｎＯ層、ＺｎＩｎＯ層、ＧａＺｎＯ層などの混合化合物層を形成してもよい。なお、Ｏ３ガスに変えてＡｒ等の不活性ガスでバブリングしたＨ２Ｏガスを用いてもよいが、Ｈを含まないＯ３ガスを用いる方が好ましい。また、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスにかえて、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ガスにかえてＺｎ（Ｃ２Ｈ５）２ガスを用いてもよい。
ここでは、スパッタリング法により、厚さ３５ｎｍの酸化物半導体膜を形成した後、加熱処理を行い、絶縁膜１０４に含まれる酸素を酸化物半導体膜に移動させる。次に、当該酸化物半導体膜上にマスクを形成し、酸化物半導体膜の一部を選択的にエッチングすることで、酸化物半導体膜１０５、１０８を形成する。なお、酸化物半導体膜として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物膜を形成する。
なお、加熱処理は、３５０℃より高く６５０℃以下、又は４５０℃以上６００℃以下で行うことで、後述するＣＡＡＣ化率が、６０％以上１００％未満、又は８０％以上１００％未満、又は９０％以上１００％未満、又は９５％以上９８％以下である酸化物半導体膜を得ることができる。また、水素、水等の含有量が低減された酸化物半導体膜を得ることが可能である。すなわち、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形成することができる。
次に、図５（Ｂ）に示すように、絶縁膜１０４、酸化物半導体膜１０５、１０８上に、絶縁膜１１５を形成する。次に、絶縁膜１１５上に導電膜１１９、１２０を形成する。
導電膜１１９、１２０として例えば低抵抗材料を用いる場合、酸化物半導体膜に低抵抗材料が混入すると、トランジスタの電気特性の不良が生じてしまう。本実施の形態では、導電膜１１９、１２０を形成する前に絶縁膜１１５を形成することで、酸化物半導体膜１０５、１０８のチャネル領域が導電膜１１９、１２０に接しないため、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を抑えることができる。
絶縁膜１１５として酸化シリコン膜又は酸化窒化シリコン膜をＣＶＤ法を用いて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、酸素、オゾン、一酸化二窒素、二酸化窒素等がある。
また、絶縁膜１１５として、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、又は４０倍以上８０倍以下とし、処理室内の圧力を１００Ｐａ未満、又は５０Ｐａ以下とするＣＶＤ法を用いることで、欠陥量の少ない酸化窒化シリコン膜を形成することができる。
また、プラズマＣＶＤ装置の真空排気された処理室内に載置された基板を２８０℃以上４００℃以下に保持し、処理室に原料ガスを導入して処理室内における圧力を２０Ｐａ以上２５０Ｐａ以下、さらに好ましくは１００Ｐａ以上２５０Ｐａ以下とし、処理室内に設けられる電極に高周波電力を供給する条件により、絶縁膜１１５として、緻密である酸化シリコン膜又は酸化窒化シリコン膜を形成することができる。
また、絶縁膜１１５を、マイクロ波を用いたプラズマＣＶＤ法を用いて形成することができる。マイクロ波とは３００ＭＨｚから３００ＧＨｚの周波数域を指す。マイクロ波は電子温度が低く、電子エネルギーが小さい。また、供給された電力において、電子の加速に用いられる割合が少なく、より多くの分子の解離及び電離に用いられることが可能であり、密度の高いプラズマ（高密度プラズマ）を励起することができる。このため、被成膜面及び堆積物へのプラズマダメージが少なく、欠陥の少ない絶縁膜１１５を形成することができる。
また、絶縁膜１１５を、有機シランガスを用いたＣＶＤ法を用いて形成することができる。有機シランガスとしては、珪酸エチル（ＴＥＯＳ：化学式Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）４）、テトラメチルシラン（ＴＭＳ：化学式Ｓｉ（ＣＨ３）４）、テトラメチルシクロテトラシロキサン（ＴＭＣＴＳ）、オクタメチルシクロテトラシロキサン（ＯＭＣＴＳ）、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）、トリエトキシシラン（ＳｉＨ（ＯＣ２Ｈ５）３）、トリスジメチルアミノシラン（ＳｉＨ（Ｎ（ＣＨ３）２）３）などのシリコン含有化合物を用いることができる。有機シランガスを用いたＣＶＤ法を用いることで、被覆性の高い絶縁膜１１５を形成することができる。
また、絶縁膜１１５として酸化ガリウム膜を形成する場合、ＭＯＣＶＤ法を用いて形成することができる。
また、絶縁膜１１５として、ＭＯＣＶＤ法やＡＬＤ法などの熱ＣＶＤ法を用いて、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。
また、絶縁膜１１５として、ＭＯＣＶＤ法やＡＬＤ法などの熱ＣＶＤ法を用いて、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。なお、ＡＬＤ法で形成することで、被覆性が高く、膜厚の薄い絶縁膜１１５を形成することが可能である。
また、絶縁膜１１５として、ＭＯＣＶＤ法やＡＬＤ法などの熱ＣＶＤ法を用いて、酸化シリコン膜を形成する場合には、ヘキサクロロジシランを被成膜面に吸着させ、吸着物に含まれる塩素を除去し、酸化性ガス（Ｏ２、一酸化二窒素）のラジカルを供給して吸着物と反応させる。
ここでは、絶縁膜１１５として、プラズマＣＶＤ法により厚さ１００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を形成する。
また、ここでは、後に導電膜１１９、１２０となる導電膜を形成し、該導電膜上にリソグラフィ工程によりマスク１２２、１２３を形成した後、該導電膜をエッチングして、導電膜１１９、１２０を形成する。
なお、導電膜１１９、１２０は、上記形成方法の代わりに、電解メッキ法、印刷法、インクジェット法等で形成してもよい。
次に、図６（Ａ）に示すように、マスク１２２、１２３を残したまま、絶縁膜１１５をエッチングして、絶縁膜１１６、１１７を形成する。
次に、図６（Ｂ）に示すように、マスク１２２、１２３を残したまま、酸化物半導体膜１０５、１０８に不純物元素１２５を添加する。この結果、酸化物半導体膜においてマスク１２２、１２３に覆われていない領域に不純物元素が添加される。なお、不純物元素１２５の添加により、酸化物半導体膜には酸素欠損が形成される。
なお、マスク１２２、１２３を除去した後、不純物元素１２５を酸化物半導体膜に添加することが可能な厚さの膜、代表的には窒化物絶縁膜、酸化物絶縁膜等を形成し、不純物元素１２５を酸化物半導体膜に添加してもよい。なお、不純物元素１２５を酸化物半導体膜に添加することが可能な厚さは、０．１ｎｍ以上５０ｎｍ以下、または１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。
不純物元素１２５の添加方法としては、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。プラズマ処理法の場合、添加する不純物元素を含むガス雰囲気にてプラズマを発生させて、プラズマ処理を行うことによって、不純物元素を添加することができる。上記プラズマを発生させる装置としては、ドライエッチング装置やプラズマＣＶＤ装置、高密度プラズマＣＶＤ装置等を用いることができる。また、プラズマ処理を行う場合は、平行平板電極のカソード側に基板を設置し、基板１０１側にバイアスが印加されるように、ＲＦ電力を供給すればよい。該ＲＦ電力としては、例えば、電力密度を０．１Ｗ／ｃｍ２以上２Ｗ／ｃｍ２以下とすればよい。この結果、酸化物半導体膜１０５、１０８へ不純物元素の添加量を増加させることが可能であり、酸化物半導体膜１０５、１０８により多くの酸素欠損を形成できる。
なお、不純物元素１２５の原料ガスとして、Ｂ２Ｈ６、ＰＨ３、ＣＨ４、Ｎ２、ＮＨ３、ＡｌＨ３、ＡｌＣｌ３、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、Ｆ２、ＨＦ、Ｈ２及び希ガスの一以上を用いることができる。又は、希ガスで希釈されたＢ２Ｈ６、ＰＨ３、Ｎ２、ＮＨ３、ＡｌＨ３、ＡｌＣｌ３、Ｆ２、ＨＦ及びＨ２の一以上を用いることができる。希ガスで希釈されたＢ２Ｈ６、ＰＨ３、Ｎ２、ＮＨ３、ＡｌＨ３、ＡｌＣｌ３、Ｆ２、ＨＦ及びＨ２の一以上を用いて不純物元素１２５を酸化物半導体膜１０５、１０８に添加することで、希ガスと、水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、アルミニウム、シリコン、リン及び塩素の一以上とを同時に酸化物半導体膜１０５、１０８に添加することができる。
又は、希ガスを酸化物半導体膜１０５、１０８に添加した後、Ｂ２Ｈ６、ＰＨ３、ＣＨ４、Ｎ２、ＮＨ３、ＡｌＨ３、ＡｌＣｌ３、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、Ｆ２、ＨＦ及びＨ２の一以上を酸化物半導体膜１０５、１０８に添加してもよい。
又は、Ｂ２Ｈ６、ＰＨ３、ＣＨ４、Ｎ２、ＮＨ３、ＡｌＨ３、ＡｌＣｌ３、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、Ｆ２、ＨＦ及びＨ２の一以上を酸化物半導体膜１０５、１０８に添加した後、希ガスを酸化物半導体膜１０５、１０８に添加してもよい。
不純物元素１２５の添加は、加速電圧、ドーズ量などの注入条件を適宜設定して制御すればよい。例えば、イオン注入法でアルゴンの添加を行う場合、加速電圧１０ｋＶ、ドーズ量は１×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上１×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下とすればよく、例えば、１×１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２とすればよい。また、イオン注入法でリンイオンの添加を行う場合、加速電圧３０ｋＶ、ドーズ量は１×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上５×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下とすればよく、例えば、１×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２とすればよい。
この結果、酸化物半導体膜１０５に低抵抗領域１０５ｂ、１０５ｃを形成することができる。また、酸化物半導体膜１０８に低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃを形成することができる。こののち、マスク１２２、１２３を取り除く。
なお、導電膜１１９、１２０が露出した状態で不純物元素１２５を添加すると、導電膜１１９、１２０の一部が剥離し、絶縁膜１１６、１１７の側面に付着してしまう。この結果、トランジスタのリーク電流が増大してしまう。このため、マスク１２２、１２３で導電膜１１９、１２０を覆った状態で、酸化物半導体膜１０５、１０８に不純物元素１２５を添加することで、導電膜１１９、１２０の一部が絶縁膜１１６、１１７の側面に付着することを防ぐことができる。なお、マスク１２２、１２３を除去した後、酸化物半導体膜１０５、１０８に不純物元素１２５を添加してもよい。
こののち、加熱処理を行い、不純物元素１２５が添加された領域の導電性をさらに高めてもよい。加熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上基板歪み点未満、又は２５０℃以上４５０℃以下、又は３００℃以上４５０℃以下とする。
次に、図６（Ｃ）に示すように、絶縁膜１０４、酸化物半導体膜１０５、１０８、絶縁膜１１６、１１７、導電膜１１９、１２０上に絶縁膜１２６を形成する。
絶縁膜１２６の形成方法としては、スパッタリング法、ＣＶＤ法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法等がある。なお、シラン及びアンモニア、又はシラン及び窒素を原料ガスに用いたプラズマＣＶＤ法により、水素を含む窒化シリコン膜を形成することができる。また、プラズマＣＶＤ法を用いることで、酸化物半導体膜１０５、１０８にダメージを与えることが可能であり、酸化物半導体膜１０５、１０８に酸素欠損を形成することができる。
絶縁膜１２６には水素が含まれているため、酸化物半導体膜１０５、１０８において、不純物元素が添加された領域と絶縁膜１２６とが接することで絶縁膜１２６に含まれる水素が、酸化物半導体膜１０５、１０８であって、且つ不純物元素が添加された領域に移動する。不純物元素が添加された領域には酸素欠損が含まれるため、酸化物半導体膜１０５、１０８に低抵抗領域を形成することができる。
又は、絶縁膜１２６の代わりに、アルミニウム膜若しくは酸化アルミニウム膜を形成した後、加熱処理を行うことで、酸化物半導体膜１０５、１０８に含まれる酸素がアルミニウム膜若しくは酸化アルミニウム膜と反応し、絶縁膜１２６として酸化アルミニウム膜が形成されるとともに、酸化物半導体膜１０５、１０８の低抵抗領域１０５ｂ、１０５ｃ、１０８ｂ、１０８ｃにおいて、酸素欠損が形成される。この結果、さらに低抵抗領域１０５ｂ、１０５ｃ、１０８ｂ、１０８ｃの導電性を高めることが可能である。
ここでは、絶縁膜１２６として厚さ１００ｎｍの窒化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法を用いて形成する。
こののち、加熱処理を行い、低抵抗領域１０５ｂ、１０５ｃ、１０８ｂ、１０８ｃの導電性をさらに高めてもよい。加熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上基板歪み点未満、又は２５０℃以上４５０℃以下、又は３００℃以上４５０℃以下とする。
次に、図７（Ａ）に示すように、絶縁膜１２７を形成してもよい。絶縁膜１２７を形成することで、のちに形成される導電膜１３４、１３５、１３６、１３７と、導電膜１１９、１２０との間における寄生容量を低減することができる。
次に、絶縁膜１２６、１２７に開口部１２８、１２９を形成し、低抵抗領域の一部を露出させた後、導電膜１３４、１３５、１３６、１３７を形成する。また、窒化物絶縁膜１６２を形成することが好ましい（図７（Ｂ）参照。）。
導電膜１３４、１３５、１３６、１３７は、導電膜１１９、１２０と同様の形成方法を適宜用いることができる。窒化物絶縁膜１６２は、スパッタリング法、ＣＶＤ法等を適宜用いて形成することができる。
以上の工程により、トランジスタ１００ａ、１００ｂを作製することができる。
＜半導体装置の作製方法２＞
次に、図３に示すトランジスタ１００ｃ、１００ｄの作製方法について、説明する。
図５（Ａ）に示す酸化物半導体膜の形成工程において、はじめに、駆動回路部の絶縁膜１０４上に、金属元素の原子数比をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ１：ｚ１とすると、ｘ１／ｙ１は、１より大きく６以下であるＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（Ｍは、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、又はＨｆ）ターゲットを用いて、酸化物半導体膜１０５を形成する。
次に、画素部の絶縁膜１０４上に、金属元素の原子数比をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ２：ｙ２：ｚ２とすると、ｘ２／ｙ２は、１／６以上１以下であるＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（Ｍは、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、又はＨｆ）ターゲットを用いて、酸化物半導体膜１０８を形成する。
こののち、図５（Ｂ）、図６、及び図７と同様の工程により、トランジスタ１００ｃ、１００ｄを作製することができる。
本実施の形態に示すトランジスタは、ソース電極及びドレイン電極としての機能を有する導電膜と、ゲート電極としての機能を有する導電膜とが重ならないため、寄生容量を低減することが可能であり、オン電流が大きい。また、本実施の形態に示すトランジスタは、安定して低抵抗領域を形成することが可能なため、従来と比べ、オン電流は向上し、トランジスタの電気特性のバラツキが低減する。
本実施の形態に示す構成および方法などは、他の実施の形態に示す構成および方法など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、半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を、図８乃至図１３を用いて説明する。
＜半導体装置の構成１＞
図８及び図９に、半導体装置に含まれるトランジスタの一例として、トップゲート構造のトランジスタを示す。ここでは、半導体装置の一例として表示装置を用いて説明する。また、表示装置の駆動回路部及び画素部それぞれに設けられるトランジスタの構造を説明する。本実施の形態に示す表示装置は、駆動回路部と画素部において、トランジスタの構造が異なる。駆動回路部に含まれるトランジスタは、デュアルゲート構造であり、画素部に含まれるトランジスタはシングルゲート構造である。
図８に駆動回路部に設けられるトランジスタ１００ｏ及び画素部に設けられるトランジスタ１００ｐの上面図を示し、図９にトランジスタ１００ｏ、１００ｐの断面図を示す。図８（Ａ）はトランジスタ１００ｏの上面図であり、図８（Ｂ）はトランジスタ１００ｐの上面図である。図９（Ａ）は、図８（Ａ）の一点鎖線Ａ−Ｂ間の断面図、及び図８（Ｂ）の一点鎖線Ｃ−Ｄ間の断面図である。図９（Ｂ）は、図８（Ａ）の一点鎖線Ｇ−Ｈ間の断面図、及び図８（Ｂ）の一点鎖線Ｉ−Ｊ間の断面図である。
図９に示すトランジスタ１００ｏは、基板１０１上の導電膜１０２と、基板１０１及び導電膜１０２上の絶縁膜１０４と、絶縁膜１０４上の多層膜１０７と、多層膜１０７に接する絶縁膜１１６と、絶縁膜１１６を介して多層膜１０７と重なる導電膜１１９とを有する。トランジスタ１００ｏは、実施の形態１に示すトランジスタ１００ａの酸化物半導体膜１０５を多層膜１０７にした構造である。ここでは、多層膜１０７に関し詳細に説明する。また、実施の形態１に示す構成と同じ構成の詳細な説明は、実施の形態１のトランジスタ１００ａの説明を援用することができる。
多層膜１０７は、導電膜１０２及び導電膜１１９と重なるチャネル領域１０７ａと、チャネル領域１０７ａを挟む低抵抗領域１０７ｂ、１０７ｃとを有する。また、チャネル領域１０７ａは、絶縁膜１０４に接するチャネル領域１０５ａと、チャネル領域１０５ａに接するチャネル領域１０６ａを有する。低抵抗領域１０７ｂは、絶縁膜１０４に接する低抵抗領域１０５ｂと、低抵抗領域１０５ｂに接する低抵抗領域１０６ｂを有する。低抵抗領域１０７ｃは、絶縁膜１０４に接する低抵抗領域１０５ｃと、低抵抗領域１０５ｃに接する低抵抗領域１０６ｃを有する。なお、図９に図示しないが、チャネル領域１０５ａ、低抵抗領域１０５ｂ、及び低抵抗領域１０５ｃを有する酸化物半導体膜を酸化物半導体膜１０５といい、チャネル領域１０６ａ、低抵抗領域１０６ｂ、及び低抵抗領域１０６ｃを有する酸化物半導体膜を酸化物半導体膜１０６という。すなわち、多層膜１０７は、酸化物半導体膜１０５及び酸化物半導体膜１０６が積層されている。
なお、上面形状において、酸化物半導体膜１０５の端部の外側に酸化物半導体膜１０６の端部が位置する。すなわち、酸化物半導体膜１０６は、酸化物半導体膜１０５の上面及び側面を覆う。
また、トランジスタ１００ｏにおいて、低抵抗領域１０７ｂ、１０７ｃに接する絶縁膜１２６が設けられる。また、絶縁膜１２６上に絶縁膜１２７を有してもよい。また、絶縁膜１２６及び絶縁膜１２７の開口部１２８、１２９において、多層膜１０７の低抵抗領域１０７ｂ、１０７ｃに接する導電膜１３４、１３５が設けられる。
トランジスタ１００ｐは、基板１０１上に形成された絶縁膜１０４上の多層膜１１０と、多層膜１１０に接する絶縁膜１１７と、絶縁膜１１７を介して多層膜１１０と重なる導電膜１２０とを有する。トランジスタ１００ｐは、実施の形態１に示すトランジスタ１００ｂの酸化物半導体膜１０８を多層膜１１０にした構造である。ここでは、多層膜１１０に関し詳細に説明する。また、実施の形態１に示す構成と同じ構成の詳細な説明は、実施の形態１のトランジスタ１００ｂの説明を援用することができる。
多層膜１１０は、導電膜１２０と重なるチャネル領域１１０ａと、チャネル領域１１０ａを挟む低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃとを有する。また、チャネル領域１１０ａは、絶縁膜１０４に接するチャネル領域１０８ａと、チャネル領域１０８ａに接するチャネル領域１０９ａを有する。低抵抗領域１１０ｂは、絶縁膜１０４に接する低抵抗領域１０８ｂと、低抵抗領域１０８ｂに接する低抵抗領域１０９ｂを有する。低抵抗領域１１０ｃは、絶縁膜１０４に接する低抵抗領域１０８ｃと、低抵抗領域１０８ｃに接する低抵抗領域１０９ｃを有する。なお、図９に図示しないが、チャネル領域１０８ａ、低抵抗領域１０８ｂ、及び低抵抗領域１０８ｃを有する酸化物半導体膜を酸化物半導体膜１０８といい、チャネル領域１０９ａ、低抵抗領域１０９ｂ、及び低抵抗領域１０９ｃを有する酸化物半導体膜を酸化物半導体膜１０９という。すなわち、多層膜１１０は、酸化物半導体膜１０８及び酸化物半導体膜１０９が積層されている。
なお、上面形状において、酸化物半導体膜１０８の端部の外側に酸化物半導体膜１０９の端部が位置する。すなわち、酸化物半導体膜１０９は、酸化物半導体膜１０８の上面及び側面を覆う。
また、トランジスタ１００ｐにおいて、低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃに接する絶縁膜１２６が設けられる。また、絶縁膜１２６上に絶縁膜１２７を有してもよい。また、絶縁膜１２６及び絶縁膜１２７の開口部１３０、１３１において、多層膜１１０の低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃに接する導電膜１３６、１３７が設けられる。
多層膜１０７において、導電膜１１９と重ならない領域には、酸素欠損を形成する元素を有する。また、多層膜１１０において、導電膜１２０と重ならない領域には、酸素欠損を形成する元素を有する。酸素欠損を形成する元素としては、実施の形態１に示す不純物元素を用いることができる。
また、絶縁膜１２６は水素を含む膜であり、代表的には窒化物絶縁膜がある。窒化物絶縁膜の例としては、窒化シリコン膜、窒化アルミニウム膜等がある。絶縁膜１２６が多層膜１０７、１１０に接することで、絶縁膜１２６に含まれる水素が多層膜１０７、１１０に拡散する。この結果、多層膜１０７、１１０であって、絶縁膜１２６と接する領域においては、水素が多く含まれる。
不純物元素が酸化物半導体に添加されると、酸化物半導体中の金属元素及び酸素の結合が切断され、酸素欠損が形成される。不純物元素の添加により酸素欠損が形成された酸化物半導体に水素を添加すると、酸素欠損サイトに水素が入り、伝導帯近傍にドナー準位が形成され、酸化物半導体は導電率が高くなる。その結果、酸化物導電体を形成することができる。このため、酸化物導電体は透光性を有する。
酸化物導電体は、縮退半導体であり、伝導帯端とフェルミ準位とが一致または略一致していると推定される。このため、酸化物導電体膜とソース電極及びドレイン電極としての機能を有する導電膜との接触はオーミック接触であり、酸化物導電体膜とソース電極及びドレイン電極としての機能を有する導電膜との接触抵抗を低減できる。
即ち、低抵抗領域１０７ｂ、１０７ｃ、１１０ｂ、１１０ｃは、ソース領域及びドレイン領域としての機能を有する。
また、導電膜１３４、１３５、１３６、１３７がタングステン、チタン、アルミニウム、銅、モリブデン、クロム、又はタンタル単体若しくは合金等の酸素と結合しやすい導電材料を用いて形成される場合、酸化物半導体膜に含まれる酸素と導電膜１３４、１３５、１３６、１３７に含まれる導電材料とが結合し、多層膜１０７、１１０において、酸素欠損が形成される。また、多層膜１０７、１１０に導電膜１３４、１３５、１３６、１３７を形成する導電材料の構成元素の一部が混入する場合もある。これらの結果、導電膜１３４、１３５、１３６、１３７と接する低抵抗領域１０７ｂ、１０７ｃ、１１０ｂ、１１０ｃは、導電性が高まり、ソース領域及びドレイン領域としての機能を有する。
不純物元素が希ガス元素であって、多層膜１０７、１１０がスパッタリング法で形成される場合、低抵抗領域１０７ｂ、１０７ｃ、１１０ｂ、１１０ｃはそれぞれ希ガス元素を含み、且つチャネル領域１０７ａ、１１０ａと比較して、低抵抗領域１０７ｂ、１０７ｃ、１１０ｂ、１１０ｃの方が希ガス元素の濃度が高い。これは、多層膜１０７、１１０がスパッタリング法で形成される場合、スパッタリングガスとして希ガスを用いるため、多層膜１０７、１１０に希ガスが含まれること、並びに低抵抗領域１０７ｂ、１０７ｃ、１１０ｂ、１１０ｃにおいて、酸素欠損を形成するために、意図的に希ガスが添加されることが原因である。なお低抵抗領域１０７ｂ、１０７ｃ、１１０ｂ、１１０ｃにおいて、チャネル領域１０７ａ、１１０ａと異なる希ガス元素が添加されていてもよい。
また、低抵抗領域１０７ｂ、１０７ｃは絶縁膜１２６と接するため、チャネル領域１０７ａと比較して、水素の濃度が高い。また、低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃは絶縁膜１２６と接するため、チャネル領域１１０ａと比較して、水素の濃度が高い。
低抵抗領域１０７ｂ、１０７ｃ、１１０ｂ、１１０ｃにおいて、二次イオン質量分析法により得られる水素の濃度は、８×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、又は１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、又は５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上とすることができる。なお、チャネル領域１０７ａ、１１０ａの二次イオン質量分析法により得られる水素濃度は、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、又は１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、又は５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、又は１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、又は５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、又は１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることができる。
チャネル領域１０７ａ、１１０ａと比較して、低抵抗領域１０７ｂ、１０７ｃ、１１０ｂ、１１０ｃは、水素濃度が高く、且つ希ガス元素の添加による酸素欠損量が多い。このため、導電性が高くなり、ソース領域及びドレイン領域としての機能を有する。代表的には、低抵抗領域１０７ｂ、１０７ｃ、１１０ｂ、１１０ｃの抵抗率として、１×１０−３Ωｃｍ以上１×１０４Ωｃｍ未満、又は１×１０−３Ωｃｍ以上１×１０−１Ωｃｍ未満とすることができる。
なお、低抵抗領域１０７ｂ、１０７ｃ、１１０ｂ、１１０ｃにおいて、水素の量は酸素欠損の量と同じ又は少ないと、水素が酸素欠損に捕獲されやすく、チャネル領域１０７ａ、１１０ａに拡散しにくい。この結果、ノーマリーオフ特性のトランジスタを作製することができる。
また、低抵抗領域１０７ｂ、１０７ｃ、１１０ｂ、１１０ｃにおいて、水素の量と比較して酸素欠損の量が多い場合、水素の量を制御することで、低抵抗領域１０７ｂ、１０７ｃ、１１０ｂ、１１０ｃのキャリア密度を制御することができる。又は、低抵抗領域１０７ｂ、１０７ｃ、１１０ｂ、１１０ｃにおいて、酸素欠損の量と比較して水素の量が多い場合、酸素欠損の量を制御することで、低抵抗領域１０７ｂ、１０７ｃ、１１０ｂ、１１０ｃのキャリア密度を制御することができる。なお、低抵抗領域１０７ｂ、１０７ｃ、１１０ｂ、１１０ｃのキャリア密度を５×１０１８個／ｃｍ３以上、又は１×１０１９個／ｃｍ３以上、又は１×１０２０個／ｃｍ３以上とすることで、チャネル領域とソース電極及びドレイン電極としての機能を有する導電膜１３４、１３５、１３６、１３７との間の抵抗が小さく、オン電流の大きいトランジスタを作製することが可能である。
本実施の形態に示すトランジスタ１００ｏ、１００ｐは、チャネル領域と、ソース電極及びドレイン電極としての機能を有する導電膜１３４、１３５、１３６、１３７との間に、低抵抗領域１０７ｂ、１０７ｃ、１１０ｂ、１１０ｃを有するため寄生抵抗が小さい。
また、トランジスタ１００ｏ、１００ｐにおいて、導電膜１１９と、導電膜１３４、１３５とが重ならない。このため、導電膜１１９と、導電膜１３４、１３５との間の寄生容量を低減することが可能である。また、導電膜１２０と、導電膜１３６、１３７とが重ならない。このため、導電膜１２０と、導電膜１３６、１３７との間の寄生容量を低減することが可能である。この結果、基板１０１として大面積基板を用いた場合、導電膜１１９、１２０、１３４、１３５、１３６、１３７における信号遅延を低減することが可能である。
このため、トランジスタ１００ｏ、１００ｐは、オン電流が大きく、電界効果移動度が高い。
また、トランジスタ１００ｏにおいて、導電膜１１９をマスクとして、不純物元素が多層膜１０７に添加される。また、トランジスタ１００ｐにおいて、導電膜１２０をマスクとして、不純物元素が多層膜１１０に添加される。すなわち、セルフアラインで低抵抗領域を形成することができる。
また、トランジスタ１００ｏにおいて、導電膜１０２及び導電膜１１９が接続せず、それぞれ異なる電位を印加することで、トランジスタ１００ｏのしきい値電圧を制御することができる。又は、図９（Ｂ）に示すように、導電膜１０２及び導電膜１１９が接続し、同じ電位を印加することで、初期特性バラつきの低減、−ＧＢＴ（−Ｇａｔｅ Ｂｉａｓ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）ストレス試験の劣化の抑制、及び異なるドレイン電圧におけるオン電流の立ち上がり電圧の変動の抑制が可能である。また、多層膜１０７において、図９（Ｂ）に示すように導電膜１０２及び導電膜１１９が接続することで、導電膜１０２、１１９の電界が多層膜１０７の上面及び側面に影響するため、多層膜１０７全体においてキャリアが流れる。即ち、キャリアの流れる領域が膜厚方向においてより大きくなるため、キャリアの移動量が増加する。この結果、トランジスタ１００ｏのオン電流が大きくなる共に、電界効果移動度が高くなる。トランジスタ１００ｏは、オン電流が大きいため、平面における面積を小さくすることが可能である。この結果、駆動回路部の占有面積が小さい、狭額縁化された表示装置を作製することが可能である。
また、表示装置において、駆動回路部と画素部に含まれるトランジスタのチャネル長が異なってもよい。
代表的には、駆動回路部に含まれるトランジスタ１００ｏのチャネル長を２．５μｍ未満、又は１．４５μｍ以上２．２μｍ以下とすることができる。一方、画素部に含まれるトランジスタ１００ｐのチャネル長を２．５μｍ以上、又は２．５μｍ以上２０μｍ以下とすることができる。
駆動回路部に含まれるトランジスタ１００ｏのチャネル長を、２．５μｍ未満、好ましくは１．４５μｍ以上２．２μｍ以下とすることで、画素部に含まれるトランジスタ１００ｐと比較して、電界効果移動度を高めることが可能であり、オン電流を増大させることができる。この結果、高速動作が可能な駆動回路部を作製することができる。また、駆動回路部の占有面積の小さい表示装置を作製することができる。
また、電界効果移動度が高いトランジスタを用いることで、駆動回路部の一例である信号線駆動回路にデマルチプレクサ回路を形成することが可能である。デマルチプレクサ回路は、一つの入力信号を複数の出力のいずれかへ分配する回路であるため、入力信号用の入力端子数を削減することが可能である。例えば、一画素が、赤色用サブ画素、緑色用サブ画素、及び青色用サブ画素を有し、且つ各画素にデマルチプレクサ回路を設けることで、各サブ画素に入力する入力信号をデマルチプレクサ回路で分配することが可能であるため、入力端子を１／３に削減することが可能である。
また、オン電流の大きいトランジスタ１００ｐを画素部に設けることで、大型の表示装置や高精細な表示装置において配線数が増大しても、各配線における信号遅延を低減することが可能であり、表示むらを抑えることが可能である。
以上のことから、高速動作が可能なトランジスタを用いて駆動回路部を作製するとともに、寄生容量及び寄生抵抗の少ないトランジスタを用いて画素部を作製することで、高精細で、倍速駆動が可能な表示装置を作製することができる。
以下に、図９に示す構成の詳細について説明する。
トランジスタ１００ｏにおいて、多層膜１０７に含まれる酸化物半導体膜１０５と酸化物半導体膜１０６は、組成が異なる。また、トランジスタ１００ｐにおいて、多層膜１１０に含まれる酸化物半導体膜１０８と酸化物半導体膜１０９は、組成が異なる。一方、多層膜１０７に含まれる酸化物半導体膜１０５と多層膜１１０に含まれる酸化物半導体膜１０８は組成が同じである。また、多層膜１０７に含まれる酸化物半導体膜１０６と多層膜１１０に含まれる酸化物半導体膜１０９は組成が同じである。すなわち、酸化物半導体膜１０５及び酸化物半導体膜１０８は同時に形成される。また、酸化物半導体膜１０６及び酸化物半導体膜１０９は同時に形成される。
トランジスタ１００ｏは、酸化物半導体膜１０５にチャネルが形成される。トランジスタ１００ｐは、酸化物半導体膜１０８にチャネルが形成される。このため、酸化物半導体膜１０５、１０８は、酸化物半導体膜１０６、１０９より膜厚が大きい。
酸化物半導体膜１０５、１０８の膜厚は、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、または１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下、または２０ｎｍ以上３５ｎｍ以下である。酸化物半導体膜１０６、１０９の膜厚は、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、または３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、または１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、または３０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。
酸化物半導体膜１０５、１０６、１０８、１０９は、少なくともＩｎを含む金属酸化物で形成され、代表的には、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（Ｍは、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、又はＨｆ）等で形成される。なお、酸化物半導体膜１０６、１０９より、酸化物半導体膜１０５、１０８のインジウムの含有量が多いことで、トランジスタ１００ｏ、１００ｐはそれぞれ、埋め込みチャネルを形成することが可能である。後述する＜バンド構造＞において、詳細を説明するが、このため、トランジスタ１００ｏ、トランジスタ１００ｐそれぞれのしきい値電圧の変動を低減することが可能であり、チャネル抵抗を低減できる。
酸化物半導体膜１０５、１０８は、Ｍ（Ｍは、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、又はＨｆ）に対するＩｎの原子数比が大きい。酸化物半導体膜１０５、１０８がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（Ｍは、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、又はＨｆ）の場合、酸化物半導体膜１０５、１０８を成膜するために用いるターゲットにおいて、金属元素の原子数比をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ１：ｚ１とすると、ｘ１／ｙ１は、１より大きく６以下であることが好ましい。ターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：１．５、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：２．３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：４等がある。
酸化物半導体膜１０６、１０９は、Ｍ（Ｍは、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、又はＨｆ）に対するＩｎの原子数比が同じ、又は小さい。酸化物半導体膜１０６、１０９がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（Ｍは、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、又はＨｆ）の場合、酸化物半導体膜１０６、１０９を成膜するために用いるターゲットにおいて、金属元素の原子数比をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ２：ｙ２：ｚ２とすると、ｘ２／ｙ２は、１／６以上１以下であることが好ましい。また、ｚ２／ｙ２は、１／３以上６以下、さらには１以上６以下であることが好ましい。なお、ｚ２／ｙ２を１以上６以下とすることで、酸化物半導体膜１０６、１０９としてＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されやすくなる。ターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：６、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：８、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：４、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：５、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：６、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：７、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：８、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：５：５、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：５：６、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：５：７、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：５：８、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：６：８等がある。
トランジスタ１００ｏ、１００ｐは、Ｍ（Ｍは、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、又はＨｆ）に対するＩｎの原子数比が大きい酸化物半導体膜１０５、１０８にチャネルが形成されるため、電界効果移動度が高い。代表的には、電界効果移動度が１０ｃｍ２／Ｖｓより大きく６０ｃｍ２／Ｖｓ未満、好ましくは１５ｃｍ２／Ｖｓ以上５０ｃｍ２／Ｖｓ未満のトランジスタである。しかしながら、光が照射されるとオフ状態における電流が増大してしまう。このため、トランジスタ１００ｏのように、導電膜１０２及び導電膜１１９で多層膜１０７のチャネル領域１０７ａを囲むことで、電界効果移動度が高く、且つオフ状態における電流の低いトランジスタとなる。また、トランジスタ１００ｐと重なるように遮光膜を設けることで、電界効果移動度が高く、且つオフ状態における電流の低いトランジスタとなる。この結果、高速動作が可能なトランジスタを作製することができる。
また、多層膜１０７、１１０において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素、アルカリ金属又はアルカリ土類金属、窒素、不純物元素等の濃度を低減することが好ましい。代表的には、酸化物半導体膜１０５、１０８に示す第１４族元素の一つであるシリコンや炭素、アルカリ金属又はアルカリ土類金属、窒素、不純物元素等の濃度と同様の濃度とすることで、トランジスタ１００ｏ、１００ｐは、しきい値電圧がプラスとなる電気特性（ノーマリーオフ特性ともいう。）を有する。
多層膜１０７、１１０であって、特にチャネル領域１０７ａ、１１０ａにおいて、チャネル領域１０５ａ、１０８ａと同様に、不純物元素を低減することで、酸化物半導体膜のキャリア密度を低減することができる。
多層膜１０７、１１０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る。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）ことを高純度真性又は実質的に高純度真性とよぶ。高純度真性又は実質的に高純度真性である酸化物半導体は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる場合がある。従って、当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、しきい値電圧がプラスとなる電気特性（ノーマリーオフ特性ともいう。）になりやすい。また、高純度真性又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、高純度真性又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、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。従って、当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、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場合がある。
また、酸化物半導体膜１０６、１０９は、酸化物半導体膜１０５、１０８に示す結晶構造を適宜用いることができる。
なお、多層膜１０７において、チャネル領域１０７ａと、低抵抗領域１０７ｂ、１０７ｃとの結晶性が異なる場合がある。また、多層膜１１０において、チャネル領域１１０ａと、低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃとの結晶性が異なる場合がある。これは、低抵抗領域１０７ｂ、１０７ｃ、１１０ｂ、１１０ｃに不純物元素が添加された際に、低抵抗領域１０７ｂ、１０７ｃ、１１０ｂ、１１０ｃにダメージが入ってしまい、結晶性が低下するためである。
＜半導体装置の構成２＞
次に、半導体装置の別の構成について、図１０を用いて説明する。ここでは、駆動回路部に形成されるトランジスタ１００ｑ、画素部に形成されるトランジスタ１００ｒ、それぞれにおいて、ゲート電極としての機能を有する導電膜１１９、１２０が積層構造であることを特徴とする。なお、図１０（Ａ）は、チャネル長方向のトランジスタ１００ｑ、１００ｒの断面図を示し、図１０（Ｂ）は、チャネル幅方向のトランジスタ１００ｑ、１００ｒの断面図を示す。トランジスタ１００ｑは、実施の形態１に示すトランジスタ１００ｅの酸化物半導体膜１０５を多層膜１０７にした構造である。実施の形態１に示す構成と同じ構成の詳細な説明は、実施の形態１のトランジスタ１００ｅの説明を援用することができる。トランジスタ１００ｒは、実施の形態１に示すトランジスタ１００ｆの酸化物半導体膜１０８を多層膜１１０にした構造である。実施の形態１に示す構成と同じ構成の詳細な説明は、実施の形態１のトランジスタ１００ｆの説明を援用することができる。
導電膜１１９は、絶縁膜１１６に接する導電膜１１９ａ、及び導電膜１１９ａに接する導電膜１１９ｂを有する。また、導電膜１１９ａの端部は、導電膜１１９ｂの端部より外側に位置する。即ち、導電膜１１９ａが、導電膜１１９ｂから迫り出した形状を有する。
また、絶縁膜１１６の端部が、導電膜１１９ａの端部より外側に位置している。即ち、絶縁膜１１６が、導電膜１１９ａから迫り出した形状を有する。さらには、絶縁膜１１６の側面は湾曲してしてもよい。
導電膜１２０は、絶縁膜１１７に接する導電膜１２０ａ、及び導電膜１２０ａに接する導電膜１２０ｂを有する。また、導電膜１２０ａの端部は、導電膜１２０ｂの端部より外側に位置する。即ち、導電膜１２０ａが、導電膜１２０ｂから迫り出した形状を有する。
また、絶縁膜１１７の端部が、導電膜１２０ａの端部より外側に位置している。即ち、絶縁膜１１７が、導電膜１２０ａから迫り出した形状を有する。さらには、絶縁膜１１７の側面は湾曲してしてもよい。
また、トランジスタ１００ｑ、１００ｒに示すように、図１０に示す形状の導電膜１１９、１２０、及び絶縁膜１１６、１１７を有することで、トランジスタのドレイン領域の電界緩和が可能である。そのため、ドレイン領域の電界に起因したトランジスタのしきい値電圧の変動などの劣化を低減することが可能である。
＜バンド構造＞
次に、本実施の形態に示すトランジスタの代表例として、図８及び図９に示すトランジスタ１００ｏの任意断面におけるバンド構造について説明する。
図１５（Ａ）に、図９（Ａ）に示すトランジスタ１００ｏのチャネル領域を含むＯ−Ｐ断面におけるバンド構造を示す。なお、チャネル領域１０６ａはチャネル領域１０５ａよりもエネルギーギャップが少し大きいとする。また、絶縁膜１０４ａ、絶縁膜１０４ｂおよび絶縁膜１１６は、チャネル領域１０６ａおよびチャネル領域１０５ａよりも十分にエネルギーギャップが大きいとする。また、チャネル領域１０６ａ、チャネル領域１０５ａ、絶縁膜１０４ａ、絶縁膜１０４ｂおよび絶縁膜１１６のフェルミ準位（Ｅｆと表記する。）は、それぞれの真性フェルミ準位（Ｅｉと表記する。）と同程度とする。また、導電膜１０２および導電膜１１９の仕事関数は、該フェルミ準位と同程度とする。
ゲート電圧をトランジスタのしきい値電圧以上としたとき、チャネル領域１０６ａとチャネル領域１０５ａとの間の伝導帯下端のエネルギーの差により、電子はチャネル領域１０５ａを優先的に流れる。即ち、チャネル領域１０５ａに電子が埋め込まれると推定することができる。なお、伝導帯下端のエネルギーをＥｃと表記し、価電子帯上端のエネルギーをＥｖと表記する。
したがって、本発明の一態様に係るトランジスタは、電子の埋め込みによって界面散乱の影響が低減されている。そのため、本発明の一態様に係るトランジスタは、チャネル抵抗が小さい。
次に、図１５（Ｂ）に、図９（Ａ）に示すトランジスタ１００ｏのソース領域またはドレイン領域を含むＱ−Ｒ断面におけるバンド構造を示す。なお、低抵抗領域１０５ｂ、１０５ｃ、１０６ｂ、１０６ｃは、縮退状態とする。即ち、低抵抗領域１０５ｂ、１０５ｃ、１０６ｂ、１０６ｃにおいて、フェルミ準位Ｅｆは伝導帯下端のエネルギーＥｃと同程度とする。また、低抵抗領域１０５ｂにおいて、伝導帯下端のエネルギーはチャネル領域１０５ａのフェルミ準位と同程度とする。また、低抵抗領域１０６ｂにおいて、伝導帯下端のエネルギーはチャネル領域１０６ａのフェルミ準位と同程度とする。低抵抗領域１０５ｃおよび低抵抗領域１０６ｃも同様である。
このとき、導電膜１３４と、低抵抗領域１０６ｂと、はエネルギー障壁が十分小さいため、オーミック接触となる。また、低抵抗領域１０６ｂと、低抵抗領域１０５ｂと、はオーミック接触となる。同様に、導電膜１３５と、低抵抗領域１０６ｃと、はエネルギー障壁が十分小さいため、オーミック接触となる。また、低抵抗領域１０６ｃと、低抵抗領域１０５ｃと、はオーミック接触となる。したがって、導電膜１３４および導電膜１３５と、チャネル領域１０６ａおよびチャネル領域１０５ａと、の間で、電子の授受がスムーズに行われることがわかる。
以上に示したように、本発明の一態様に係るトランジスタは、ソース電極およびドレイン電極と、チャネル領域と、の間の電子の授受がスムーズに行われ、かつチャネル抵抗の小さいトランジスタである。即ち、優れたスイッチング特性を有するトランジスタであることがわかる。
＜半導体装置の作製方法１＞
次に、図８および図９に示すトランジスタ１００ｏ、１００ｐの作製方法について、図１１乃至図１３を用いて説明する。
トランジスタ１００ｏ、１００ｐを構成する膜（絶縁膜、酸化物半導体膜、導電膜等）は、実施の形態１に示すトランジスタを構成する膜の作製方法を適宜用いることができる。
図１１（Ａ）に示すように、実施の形態１と同様に、基板１０１上に絶縁膜１６１を形成し、絶縁膜１６１上に導電膜１０２を形成し、導電膜１０２上に絶縁膜１０４を形成する。次に、駆動回路部の絶縁膜１０４上に酸化物半導体膜１０５を形成し、画素部の絶縁膜１０４上に酸化物半導体膜１０８を形成する。次に、駆動回路部の絶縁膜１０４及び酸化物半導体膜１０５上に酸化物半導体膜１０６を形成し、画素部の絶縁膜１０４及び酸化物半導体膜１０８上に酸化物半導体膜１０９を形成する。
ここでは、導電膜１０２として、厚さ１００ｎｍのタングステン膜をスパッタリング法を用いて形成する。
ここでは、絶縁膜１０４ａ及び絶縁膜１０４ｂを積層して絶縁膜１０４を形成する。また、絶縁膜１０４ａとして厚さ１００ｎｍの窒化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法を用いて形成し、絶縁膜１０４ｂとして厚さ３００ｎｍの酸化窒化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法を用いて形成する。
酸化物半導体膜１０５、１０６、１０８、１０９は、実施の形態１に示す酸化物半導体膜１０５、１０８と同様に形成することができる。
また、実施の形態１と同様に、酸化物半導体膜を形成した後、加熱処理を行い、酸化物半導体膜の脱水素化又は脱水化をしてもよい。
ここでは、スパッタリング法により、厚さ３５ｎｍの酸化物半導体膜を形成する。次に、当該酸化物半導体膜上にマスクを形成し、酸化物半導体膜の一部を選択的にエッチングすることで、酸化物半導体膜１０５、１０８を形成する。なお、酸化物半導体膜として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物膜を形成する。
次に、駆動回路部において、酸化物半導体膜１０５上に酸化物半導体膜１０６を形成し、画素部において、酸化物半導体膜１０８上に酸化物半導体膜１０９を形成する。即ち、酸化物半導体膜１０５及び酸化物半導体膜１０６が順に積層した多層膜１０７を形成する。また、酸化物半導体膜１０８及び酸化物半導体膜１０９が順に積層した多層膜１１０を形成する。
なお、当該工程において、酸化物半導体膜１０５の上面及び側面を覆うように酸化物半導体膜１０６を形成することで、後のソース電極及びドレイン電極としての機能を有する導電膜の形成工程において、酸化物半導体膜１０５をエッチングしない。また、酸化物半導体膜１０８の上面及び側面を覆うように酸化物半導体膜１０９を形成することで、後のソース電極及びドレイン電極としての機能を有する導電膜の形成工程において、酸化物半導体膜１０８をエッチングしない。これらの結果、トランジスタのチャネル幅方向における酸化物半導体膜１０５、１０８の長さの変動を低減できるため好ましい。
ここでは、スパッタリング法により、厚さ２０ｎｍの酸化物半導体膜を形成する。次に、当該酸化物半導体膜上にマスクを形成し、酸化物半導体膜の一部を選択的にエッチングすることで、酸化物半導体膜１０６、１０９を形成する。なお、酸化物半導体膜１０６、１０９として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物膜を形成する。
次に、加熱処理を行い、絶縁膜１０４に含まれる酸素を酸化物半導体膜に移動させる。なお、当該加熱処理は、酸化物半導体膜１０６、１０９となる酸化物半導体膜を形成した後であって、該酸化物半導体膜をエッチングして酸化物半導体膜１０６、１０９を形成する前に行ってもよい。
なお、加熱処理は、３５０℃より高く６５０℃以下、又は４５０℃以上６００℃以下で行うことで、後述するＣＡＡＣ化率が、６０％以上１００％未満、又は８０％以上１００％未満、又は９０％以上１００％未満、又は９５％以上９８％以下である酸化物半導体膜を得ることができる。また、水素、水等の含有量が低減された酸化物半導体膜を得ることが可能である。すなわち、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形成することができる。
次に、図１１（Ｂ）に示すように、絶縁膜１０４、多層膜１０７、１１０上に、実施の形態１と同様に、絶縁膜１１５を形成する。次に、実施の形態１と同様に、絶縁膜１１５上に導電膜１１９、１２０を形成する。
ここでは、絶縁膜１１５として、プラズマＣＶＤ法により厚さ１００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を形成する。
また、ここでは、導電膜上にリソグラフィ工程によりマスク１２２、１２３を形成した後、該導電膜をエッチングして、導電膜１１９、１２０を形成する。
次に、図１２（Ａ）に示すように、実施の形態１と同様に、マスク１２２、１２３を残したまま、絶縁膜１１５をエッチングして、絶縁膜１１６、１１７を形成する。
次に、図１２（Ｂ）に示すように、実施の形態１と同様に、マスク１２２、１２３を残したまま、多層膜１０７、１１０に不純物元素１２５を添加する。この結果、多層膜１０７、１１０においてマスク１２２、１２３に覆われていない領域に不純物元素が添加される。なお、不純物元素１２５の添加により、多層膜１０７、１１０には酸素欠損が形成される。
この結果、多層膜１０７に低抵抗領域１０７ｂ、１０７ｃを形成することができる。また、多層膜１１０に低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃを形成することができる。こののち、マスク１２２、１２３を取り除く。
なお、導電膜１１９、１２０が露出した状態で不純物元素１２５を添加すると、導電膜１１９、１２０の一部が剥離し、絶縁膜１１６、１１７の側面に付着してしまう。この結果、トランジスタのリーク電流が増大してしまう。このため、マスク１２２、１２３で導電膜１１９、１２０を覆った状態で、多層膜１０７、１１０に不純物元素１２５を添加することで、導電膜１１９、１２０の一部が絶縁膜１１６、１１７の側面に付着することを防ぐことができる。なお、マスク１２２、１２３を除去した後、多層膜１０７、１１０に不純物元素１２５を添加してもよい。
こののち、実施の形態１と同様に、加熱処理を行い、不純物元素１２５が添加された領域の導電性をさらに高めてもよい。
次に、図１２（Ｃ）に示すように、実施の形態１と同様に、絶縁膜１０４、多層膜１０７、１１０、絶縁膜１１６、１１７、導電膜１１９、１２０上に絶縁膜１２６を形成する。
ここでは、絶縁膜１２６として厚さ１００ｎｍの窒化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法を用いて形成する。
こののち、実施の形態１と同様に、加熱処理を行い、低抵抗領域１０７ｂ、１０７ｃ、１１０ｂ、１１０ｃの導電性をさらに高めてもよい。加熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上基板歪み点未満、又は２５０℃以上４５０℃以下、又は３００℃以上４５０℃以下とする。
次に、図１３（Ａ）に示すように、実施の形態１と同様に、絶縁膜１２７を形成してもよい。絶縁膜１２７を形成することで、のちに形成される導電膜１３４、１３５、１３６、１３７と、導電膜１１９、１２０との間における寄生容量を低減することができる。
次に、実施の形態１と同様に、絶縁膜１２６、１２７に開口部を形成し、低抵抗領域の一部を露出させた後、導電膜１３４、１３５、１３６、１３７を形成する。また、窒化物絶縁膜１６２を形成することが好ましい（図１３（Ｂ）参照。）。
導電膜１３４、１３５、１３６、１３７は、導電膜１１９、１２０と同様の形成方法を適宜用いることができる。窒化物絶縁膜１６２は、スパッタリング法、ＣＶＤ法等を適宜用いて形成することができる。
以上の工程により、トランジスタ１００ｏ、１００ｐを作製することができる。
本実施の形態に示すトランジスタは、ソース電極及びドレイン電極としての機能を有する導電膜と、ゲート電極としての機能を有する導電膜とが重ならないため、寄生容量を低減することが可能であり、オン電流が大きい。また、本実施の形態に示すトランジスタは、安定して低抵抗領域を形成することが可能なため、従来と比べ、オン電流は向上し、トランジスタの電気特性のバラツキが低減する。
本実施の形態に示す構成および方法などは、他の実施の形態に示す構成および方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態３）
ここでは、先の実施の形態に示すトランジスタの変形例について、図１６乃至図２０、及び図２２乃至図２６を用いて説明する。はじめに、実施の形態１に示すトランジスタの変形例について説明する。トランジスタとして、画素部に形成されるトランジスタを代表例として用いて説明する。図１６に示すトランジスタは、基板１０１上の絶縁膜１０４上に形成された酸化物半導体膜１０８と、酸化物半導体膜１０８に接する絶縁膜１１７と、絶縁膜１１７と接し且つ酸化物半導体膜１０８と重畳する導電膜１２０と、を有する。
また、酸化物半導体膜１０８に接する絶縁膜１２６、及び絶縁膜１２６に接する絶縁膜１２７が、トランジスタに設けられている。また、絶縁膜１２６及び絶縁膜１２７の開口部１３０、１３１において、酸化物半導体膜１０８と接する導電膜１３６、１３７が、トランジスタに設けられている。なお、導電膜１３６、１３７は、ソース電極及びドレイン電極としての機能を有する。
図１６（Ａ）に示すトランジスタにおいて、酸化物半導体膜１０８は、導電膜１２０と重なる領域に形成されるチャネル領域１０８ａと、チャネル領域１０８ａを挟み、且つ不純物元素を含む領域、即ち低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃとを有する。また、導電膜１３６、１３７は、低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃと接する。
または、図１６（Ｂ）に示すトランジスタのように、酸化物半導体膜１０８において、導電膜１３６、１３７と接する領域１０８ｄ、１０８ｅに、不純物元素が添加されていなくともよい。この場合、導電膜１３６、１３７と接する領域１０８ｄ、１０８ｅとチャネル領域１０８ａとの間に、不純物元素を有する領域、即ち低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃを有する。なお、領域１０８ｄ、１０８ｅは、導電膜１３６、１３７に電圧が印加されると導電性を有するため、ソース領域及びドレイン領域としての機能を有する。
なお、図１６（Ｂ）に示すトランジスタは、導電膜１３６、１３７を形成した後、導電膜１２０及び導電膜１３６、１３７をマスクとして、不純物元素を酸化物半導体膜に添加することで、形成できる。
導電膜１２０において、導電膜１２０の端部がテーパ形状であってもよい。即ち、絶縁膜１１７及び導電膜１２０が接する面と、導電膜１２０の側面となす角度θ１が、９０°未満、または１０°以上８５°以下、または１５°以上８５°以下、または３０°以上８５°以下、または４５°以上８５°以下、または６０°以上８５°以下であってもよい。角度θ１を、９０°未満、または１０°以上８５°以下、または１５°以上８５°以下、または３０°以上８５°以下、または４５°以上８５°以下、または６０°以上８５°以下とすることで、絶縁膜１１７及び導電膜１２０の側面における絶縁膜１２６の被覆性を高めることが可能である。
次に、低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃの変形例について説明する。なお、図１６（Ｃ）乃至図１６（Ｆ）は、図１６（Ａ）に示す酸化物半導体膜１０８の近傍の拡大図である。ここでは、チャネル長Ｌは、一対の低抵抗領域の間隔である。
図１６（Ｃ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、チャネル領域１０８ａ及び低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃの境界が、絶縁膜１１７を介して、導電膜１２０の端部と、一致または略一致している。即ち、上面形状において、チャネル領域１０８ａ及び低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃの境界が、導電膜１２０の端部と、一致または概略一致している。
または、図１６（Ｄ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、チャネル領域１０８ａが、導電膜１２０の端部と重ならない領域を有する。該領域はオフセット領域としての機能を有する。チャネル長方向におけるオフセット領域の長さをＬｏｆｆと示す。なお、オフセット領域が複数ある場合は、一つのオフセット領域の長さをＬｏｆｆという。Ｌｏｆｆは、チャネル長Ｌに含まれる。また、Ｌｏｆｆは、チャネル長Ｌの２０％未満、または１０％未満、または５％未満、または２％未満である。
または、図１６（Ｅ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃが、絶縁膜１１７を介して、導電膜１２０と重なる領域を有する。該領域はオーバーラップ領域としての機能を有する。チャネル長方向におけるオーバーラップ領域の長さをＬｏｖと示す。Ｌｏｖは、チャネル長Ｌの２０％未満、または１０％未満、または５％未満、または２％未満である。
または、図１６（Ｆ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、チャネル領域１０８ａと低抵抗領域１０８ｂの間に低抵抗領域１０８ｆを有し、チャネル領域１０８ａと低抵抗領域１０８ｃの間に低抵抗領域１０８ｇを有する。低抵抗領域１０８ｆ、１０８ｇは、低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃより不純物元素の濃度が低く、抵抗率が高い。ここでは、低抵抗領域１０８ｆ、１０８ｇは、絶縁膜１１７と重なるが、絶縁膜１１７及び導電膜１２０と重なってもよい。
なお、図１６（Ｃ）乃至図１６（Ｆ）においては、図１６（Ａ）に示すトランジスタの説明をしたが、図１６（Ｂ）に示すトランジスタにおいても、図１６（Ｃ）乃至図１６（Ｆ）の構造を適宜適用することができる。
図１７（Ａ）に示すトランジスタは、絶縁膜１１７の端部が、導電膜１２０の端部より外側に位置する。即ち、絶縁膜１１７が、導電膜１２０から迫り出した形状を有する。チャネル領域１０８ａから絶縁膜１２６を遠ざけることが可能であるため、絶縁膜１２６に含まれる窒素、水素等が、チャネル領域１０８ａに入り込むのを抑制することができる。
図１７（Ｂ）に示すトランジスタは、絶縁膜１１７及び導電膜１２０がテーパ形状であり、且つそれぞれのテーパ部の角度が異なる。即ち、絶縁膜１１７及び導電膜１２０が接する面と、導電膜１２０の側面のなす角度θ１と、酸化物半導体膜１０８及び絶縁膜１１７が接する面と、絶縁膜１１７の側面のなす角度θ２との角度が異なる。角度θ２は、９０°未満、または３０°以上８５°以下、または４５°以上７０°以下であってもよい。例えば、角度θ２が角度θ１より小さいと、絶縁膜１２６の被覆性が高まる。また、角度θ２が角度θ１より大きいと、トランジスタの微細化が可能である。
次に、低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃの変形例について、図１７（Ｃ）乃至図１７（Ｆ）を用いて説明する。なお、図１７（Ｃ）乃至図１７（Ｆ）は、図１７（Ａ）に示す酸化物半導体膜１０８の近傍の拡大図である。
図１７（Ｃ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、チャネル領域１０８ａ及び低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃの境界が、導電膜１２０の端部と、絶縁膜１１７を介して、一致または概略一致している。即ち、上面形状において、チャネル領域１０８ａ及び低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃの境界が、導電膜１２０の端部と、一致若しくは略一致している。
または、図１７（Ｄ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、チャネル領域１０８ａが、導電膜１２０と重ならない領域を有する。該領域はオフセット領域としての機能を有する。即ち、上面形状において、低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃの端部が、絶縁膜１１７の端部と、一致または略一致しており、導電膜１２０の端部と重ならない。
または、図１７（Ｅ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃが、絶縁膜１１７を介して、導電膜１２０と重なる領域を有する。該領域をオーバーラップ領域という。即ち、上面形状において、低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃの端部が、導電膜１２０と重なる。
または、図１７（Ｆ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、チャネル領域１０８ａと低抵抗領域１０８ｂの間に低抵抗領域１０８ｆを有し、チャネル領域１０８ａと低抵抗領域１０８ｃの間に低抵抗領域１０８ｇを有する。低抵抗領域１０８ｆ、１０８ｇは、低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃより不純物元素の濃度が低く、抵抗率が高い。ここでは、低抵抗領域１０８ｆ、１０８ｇは、絶縁膜１１７と重なるが、絶縁膜１１７及び導電膜１２０と重なってもよい。
なお、図１７（Ｃ）乃至図１７（Ｆ）においては、図１７（Ａ）に示すトランジスタの説明をしたが、図１７（Ｂ）に示すトランジスタにおいても、図１７（Ｃ）乃至図１７（Ｆ）の構造を適宜適用することが可能である。
図１８（Ａ）に示すトランジスタは、導電膜１２０が積層構造であり、絶縁膜１１７と接する導電膜１２０ａ、及び導電膜１２０ａに接する導電膜１２０ｂとを有する。また、導電膜１２０ａの端部は、導電膜１２０ｂの端部より外側に位置する。即ち、導電膜１２０ａが、導電膜１２０ｂから迫り出した形状を有する。
次に、低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃの変形例について説明する。なお、図１８（Ｂ）乃至図１８（Ｅ）、図１９（Ａ）、及び図１９（Ｂ）は、図１８（Ａ）に示す酸化物半導体膜１０８の近傍の拡大図である。
図１８（Ｂ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、チャネル領域１０８ａ及び低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃの境界が、導電膜１２０に含まれる導電膜１２０ａの端部と、絶縁膜１１７を介して、一致または略一致している。即ち、上面形状において、チャネル領域１０８ａ及び低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃの境界が、導電膜１２０の端部と、一致または略一致している。
または、図１８（Ｃ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、チャネル領域１０８ａが、導電膜１２０と重ならない領域を有する。該領域はオフセット領域としての機能を有する。即ち、上面形状において、低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃの端部が、導電膜１２０の端部と重ならない。
または、図１８（Ｄ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃが、導電膜１２０、ここでは導電膜１２０ａと重なる領域を有する。該領域をオーバーラップ領域という。即ち、上面形状において、低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃの端部が、導電膜１２０ａと重なる。
または、図１８（Ｅ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、チャネル領域１０８ａと低抵抗領域１０８ｂの間に低抵抗領域１０８ｆを有し、チャネル領域１０８ａと低抵抗領域１０８ｃの間に低抵抗領域１０８ｇを有する。不純物元素は、導電膜１２０ａを通過して低抵抗領域１０８ｆ、１０８ｇに添加されるため、低抵抗領域１０８ｆ、１０８ｇは、低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃより不純物元素の濃度が低く、抵抗率が高い。なお、ここでは、低抵抗領域１０８ｆ、１０８ｇは、導電膜１２０ａと重なるが、導電膜１２０ａ及び導電膜１２０ｂと重なってもよい。
または、図１９（Ａ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、導電膜１２０ａの端部は、導電膜１２０ｂの端部より外側に位置し、且つ導電膜１２０ａがテーパ形状であってもよい。即ち、絶縁膜１１７及び導電膜１２０ａが接する面と、導電膜１２０ａの側面のなす角度が９０°未満、または５°以上４５°以下、または５°以上３０°以下であってもよい。
さらには、絶縁膜１１７の端部が、導電膜１２０ａの端部より外側に位置してもよい。
さらには、絶縁膜１１７の側面は湾曲してしてもよい。
さらには、絶縁膜１１７がテーパ形状であってもよい。即ち、酸化物半導体膜１０８及び絶縁膜１１７が接する面と、絶縁膜１１７の側面のなす角度が９０°未満、好ましくは３０°以上９０°未満であってもよい。
図１９（Ａ）に示す酸化物半導体膜１０８は、チャネル領域１０８ａと、チャネル領域１０８ａを挟む低抵抗領域１０８ｆ、１０８ｇと、低抵抗領域１０８ｆ、１０８ｇを挟む低抵抗領域１０８ｈ、１０８ｉと、低抵抗領域１０８ｈ、１０８ｉを挟む低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃとを有する。不純物元素は、絶縁膜１１７及び導電膜１２０ａを通過して低抵抗領域１０８ｆ、１０８ｇ、１０８ｈ、１０８ｉに添加されるため、低抵抗領域１０８ｆ、１０８ｇ、１０８ｈ、１０８ｉは、低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃより不純物元素の濃度が低く、抵抗率が高い。
図１９（Ｂ）に示す酸化物半導体膜１０８は、チャネル領域１０８ａと、チャネル領域１０８ａを挟む低抵抗領域１０８ｈ、１０８ｉと、低抵抗領域１０８ｈ、１０８ｉを挟む低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃとを有する。不純物元素は、絶縁膜１１７を通過して低抵抗領域１０８ｈ、１０８ｉに添加されるため、低抵抗領域１０８ｈ、１０８ｉは、低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃより不純物元素の濃度が低く、抵抗率が高い。
なお、チャネル長方向において、チャネル領域１０８ａは導電膜１２０ｂと重なり、低抵抗領域１０８ｆ、１０８ｇは、導電膜１２０ｂの外側に突出している導電膜１２０ａと重なり、低抵抗領域１０８ｈ、１０８ｉは、導電膜１２０ａの外側に突出している絶縁膜１１７と重なり、低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃは絶縁膜１１７の外側に設けられる。
図１８（Ｅ）及び図１９に示すように、酸化物半導体膜１０８が低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃより、不純物元素の濃度が低く、抵抗率が高い低抵抗領域１０８ｆ、１０８ｇ、１０８ｈ、１０８ｉを有することで、ドレイン領域の電界緩和が可能である。そのため、ドレイン領域の電界に起因したトランジスタのしきい値電圧の変動などの劣化を低減することが可能である。
図２０（Ａ）に示すトランジスタは、チャネル領域１０８ａ及び低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃを含む酸化物半導体膜１０８を有し、低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃは、チャネル領域１０８ａより膜厚の小さい領域を有する。代表的には、低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃは、チャネル領域１０８ａより厚さが０．１ｎｍ以上５ｎｍ以下小さい領域を有する。
図２０（Ｂ）に示すトランジスタは、酸化物半導体膜１０８に接する絶縁膜１０４、１１７の少なくとも一方が多層構造である。例えば、絶縁膜１０４は、絶縁膜１０４ａ、及び絶縁膜１０４ａ及び酸化物半導体膜１０８に接する絶縁膜１０４ｂを有する。また、絶縁膜１１７は、酸化物半導体膜１０８に接する絶縁膜１１７ａ、及び絶縁膜１１７ａに接する絶縁膜１１７ｂを有する。
絶縁膜１０４ｂ、１１７ａは、窒素酸化物が少なく、欠陥準位の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。窒素酸化物が少なく、欠陥準位の密度が低い酸化物絶縁膜とは、具体的には、真空準位から４．６ｅＶ以上８ｅＶ以下にある欠陥準位の密度が少ない酸化物絶縁膜であり、言い換えると、窒素酸化物に起因する欠陥準位の密度が少ない酸化物絶縁膜である。窒素酸化物が少なく、欠陥準位の密度が低い酸化物絶縁膜として、窒素酸化物の放出量の少ない酸化窒化シリコン膜、または窒素酸化物の放出量の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、絶縁膜１０４ｂ、１１７ａは、平均膜厚が、０．１ｎｍ以上５０ｎｍ以下、または０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。
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（ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ））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。
絶縁膜１０４ａ、１１７ｂは、加熱により酸素を放出する酸化物絶縁膜を用いて形成することができる。なお、絶縁膜１０４ａ、１１７ｂは、平均膜厚が５ｎｍ以上１０００ｎｍ以下、または１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。
加熱により酸素を放出する酸化物絶縁膜の代表例としては、酸化窒化シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜等がある。
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１０４および絶縁膜１１７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形成される。そのため、窒素酸化物が、絶縁膜１０４、１１７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１０４、１１７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１０４、１１７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１０４ａ、１１７ｂに含まれる窒素酸化物は、加熱処理において、絶縁膜１０４ｂ、１１７ａに含まれるアンモニアと反応するため、絶縁膜１０４ａ、１１７ｂに含まれる窒素酸化物が低減される。このため、絶縁膜１０４、１１７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１０４ｂ、１１７ａとして、窒素酸化物が少なく、欠陥準位の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１０４ｂ、１１７ａ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。
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、二酸化窒素起因のシグナルに相当する。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。
また、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後において、窒素酸化物が少なく、欠陥準位の密度が低い酸化物絶縁膜は、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）で測定される窒素濃度が６×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３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プラズマＣＶＤ法を用いて、窒素酸化物が少なく、欠陥準位の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。
図２０（Ｃ）に示すトランジスタは、酸化物半導体膜１０８、絶縁膜１１７、及び導電膜１２０と、絶縁膜１２６との間に、絶縁膜１４１を有する。絶縁膜１４１は、図２０（Ｂ）の絶縁膜１０４ｂ、１１７ａに示す、窒素酸化物が少なく、欠陥準位の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。
また、チャネル長方向の断面形状において、チャネル領域１０８ａ及び低抵抗領域１０８ｂの間に低抵抗領域１０８ｆを有し、チャネル領域１０８ａ及び低抵抗領域１０８ｃの間に低抵抗領域１０８ｇを有する。低抵抗領域１０８ｆ、１０８ｇは、低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃより不純物元素の濃度が低く、抵抗率が高い。なお、ここでは、低抵抗領域１０８ｆ、１０８ｇは、絶縁膜１１７及び導電膜１２０の側面に接する絶縁膜１４１と重なる領域である。なお、低抵抗領域１０８ｆ、１０８ｇは、絶縁膜１２６及び導電膜１２０と重なってもよい。
図２０（Ｄ）に示すトランジスタは、絶縁膜１１７が、酸化物半導体膜１０８のチャネル領域１０８ａに接するとともに、低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃに接する。また、絶縁膜１１７は、チャネル領域１０８ａと接する領域と比較して、低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃと接する領域の膜厚が薄く、代表的には、平均膜厚が、０．１ｎｍ以上５０ｎｍ以下、または０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。この結果、絶縁膜１１７を介して、酸化物半導体膜１０８に不純物元素を添加することが可能であると共に、絶縁膜１２６に含まれる水素を絶縁膜１１７を介して、酸化物半導体膜１０８へ移動させることができる。この結果、低抵抗領域１０８ｂ、１０８ｃを形成することができる。
さらに、絶縁膜１０４を絶縁膜１０４ａ、１０４ｂの多層構造とし、加熱により酸素を放出する酸化物絶縁膜を用いて絶縁膜１０４ａを形成し、窒素酸化物が少なく、欠陥準位の密度が低い酸化物絶縁膜を用いて絶縁膜１０４ｂを形成する。さらに、窒素酸化物が少なく、欠陥準位の密度が低い酸化物絶縁膜を用いて絶縁膜１１７を形成する。即ち、窒素酸化物が少なく、欠陥準位の密度が低い酸化物絶縁膜で、酸化物半導体膜１０８を覆うことができる。この結果、絶縁膜１０４ａに含まれる酸素を、加熱処理により酸化物半導体膜１０８に移動させ、酸化物半導体膜１０８のチャネル領域１０８ａに含まれる酸素欠損を低減しつつ、絶縁膜１０４ｂ、１１７と、酸化物半導体膜１０８との界面におけるキャリアのトラップを低減することが可能である。この結果、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。
次に、実施の形態２に示すトランジスタの変形例について、図２２乃至図２６を用いて説明する。ここでは、トランジスタとして、画素部に形成されるトランジスタを代表例として用いて説明する。図２２に示すトランジスタは、基板１０１上の絶縁膜１０４上に形成された多層膜１１０と、多層膜１１０に接する絶縁膜１１７と、絶縁膜１１７と接し且つ多層膜１１０と重畳する導電膜１２０と、を有する。
また、多層膜１１０に接する絶縁膜１２６、及び絶縁膜１２６に接する絶縁膜１２７が、トランジスタに設けられている。また、絶縁膜１２６及び絶縁膜１２７の開口部１３０、１３１において、多層膜１１０と接する導電膜１３６、１３７が、トランジスタに設けられている。
図２２（Ａ）に示すトランジスタにおいて、多層膜１１０は、導電膜１２０と重なる領域に形成されるチャネル領域１１０ａと、チャネル領域１１０ａを挟み、且つ不純物元素を含む領域、即ち低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃとを有する。また、導電膜１３６、１３７は、低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃと接する。
または、図２２（Ｂ）に示すトランジスタのように、多層膜１１０において、導電膜１３６、１３７と接する領域１１０ｄ、１１０ｅに、不純物元素が添加されていなくともよい。この場合、導電膜１３６、１３７と接する領域１１０ｄ、１１０ｅとチャネル領域１１０ａとの間に、不純物元素を有する領域、即ち低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃを有する。なお、領域１１０ｄ、１１０ｅは、導電膜１３６、１３７に電圧が印加されると導電性を有するため、ソース領域及びドレイン領域としての機能を有する。
なお、図２２（Ｂ）に示すトランジスタは、導電膜１３６、１３７を形成した後、導電膜１２０及び導電膜１３６、１３７をマスクとして、不純物元素を酸化物半導体膜に添加することで、形成できる。
導電膜１２０において、導電膜１２０の端部がテーパ形状であってもよい。即ち、絶縁膜１１７及び導電膜１２０が接する面と、導電膜１２０の側面となす角度θ１が、９０°未満、または１０°以上８５°以下、または１５°以上８５°以下、または３０°以上８５°以下、または４５°以上８５°以下、または６０°以上８５°以下であってもよい。角度θ１を、９０°未満、または１０°以上８５°以下、または１５°以上８５°以下、または３０°以上８５°以下、または４５°以上８５°以下、または６０°以上８５°以下とすることで、絶縁膜１１７及び導電膜１２０の側面における絶縁膜１２６の被覆性を高めることが可能である。
次に、低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃの変形例について説明する。なお、図２２（Ｃ）乃至図２２（Ｆ）は、図２２（Ａ）に示す多層膜１１０の近傍の拡大図である。ここでは、チャネル長Ｌは、一対の低抵抗領域の間隔である。
図２２（Ｃ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、チャネル領域１１０ａ及び低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃの境界が、絶縁膜１１７を介して、導電膜１２０の端部と、一致または略一致している。即ち、上面形状において、チャネル領域１１０ａ及び低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃの境界が、導電膜１２０の端部と、一致または概略一致している。
または、図２２（Ｄ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、チャネル領域１１０ａが、導電膜１２０の端部と重ならない領域を有する。該領域はオフセット領域として機能する。チャネル長方向におけるオフセット領域の長さをＬｏｆｆと示す。なお、オフセット領域が複数ある場合は、一つのオフセット領域の長さをＬｏｆｆという。Ｌｏｆｆは、チャネル長Ｌに含まれる。また、Ｌｏｆｆは、チャネル長Ｌの２０％未満、または１０％未満、または５％未満、または２％未満である。
または、図２２（Ｅ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃが、絶縁膜１１７を介して、導電膜１２０と重なる領域を有する。該領域はオーバーラップ領域として機能する。チャネル長方向におけるオーバーラップ領域の長さをＬｏｖと示す。Ｌｏｖは、チャネル長Ｌの２０％未満、または１０％未満、または５％未満、または２％未満である。
または、図２２（Ｆ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、チャネル領域１１０ａと低抵抗領域１１０ｂの間に低抵抗領域１１０ｆを有し、チャネル領域１１０ａと低抵抗領域１１０ｃの間に低抵抗領域１１０ｇを有する。低抵抗領域１１０ｆ、１１０ｇは、低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃより不純物元素の濃度が低く、抵抗率が高い。ここでは、低抵抗領域１１０ｆ、１１０ｇは、絶縁膜１１７と重なるが、絶縁膜１１７及び導電膜１２０と重なってもよい。
なお、図２２（Ｃ）乃至図２２（Ｆ）においては、図２２（Ａ）に示すトランジスタの説明をしたが、図２２（Ｂ）に示すトランジスタにおいても、図２２（Ｃ）乃至図２２（Ｆ）の構造を適宜適用することができる。
図２３（Ａ）に示すトランジスタは、絶縁膜１１７の端部が、導電膜１２０の端部より外側に位置する。即ち、絶縁膜１１７が、導電膜１２０から迫り出した形状を有する。チャネル領域１１０ａから絶縁膜１２６を遠ざけることが可能であるため、絶縁膜１２６に含まれる窒素、水素等が、チャネル領域１１０ａに入り込むのを抑制することができる。
図２３（Ｂ）に示すトランジスタは、絶縁膜１１７及び導電膜１２０がテーパ形状であり、且つそれぞれのテーパ部の角度が異なる。即ち、絶縁膜１１７及び導電膜１２０が接する面と、導電膜１２０の側面のなす角度θ１と、多層膜１１０及び絶縁膜１１７が接する面と、絶縁膜１１７の側面のなす角度θ２との角度が異なる。角度θ２は、９０°未満、または３０°以上８５°以下、または４５°以上７０°以下であってもよい。例えば、角度θ２が角度θ１より小さいと、絶縁膜１２６の被覆性が高まる。また、角度θ２が角度θ１より大きいと、トランジスタの微細化が可能である。
次に、低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃの変形例について、図２３（Ｃ）乃至図２３（Ｆ）を用いて説明する。なお、図２３（Ｃ）乃至図２３（Ｆ）は、図２３（Ａ）に示す多層膜１１０の近傍の拡大図である。
図２３（Ｃ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、チャネル領域１１０ａ及び低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃの境界が、導電膜１２０の端部と、絶縁膜１１７を介して、一致または概略一致している。即ち、上面形状において、チャネル領域１１０ａ及び低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃの境界が、導電膜１２０の端部と、一致若しくは略一致している。
または、図２３（Ｄ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、チャネル領域１１０ａが、導電膜１２０と重ならない領域を有する。該領域はオフセット領域として機能する。即ち、上面形状において、低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃの端部が、絶縁膜１１７の端部と、一致または略一致しており、導電膜１２０の端部と重ならない。
または、図２３（Ｅ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃが、絶縁膜１１７を介して、導電膜１２０と重なる領域を有する。該領域をオーバーラップ領域という。即ち、上面形状において、低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃの端部が、導電膜１２０と重なる。
または、図２３（Ｆ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、チャネル領域１１０ａと低抵抗領域１１０ｂの間に低抵抗領域１１０ｆを有し、チャネル領域１１０ａと低抵抗領域１１０ｃの間に低抵抗領域１１０ｇを有する。低抵抗領域１１０ｆ、１１０ｇは、低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃより不純物元素の濃度が低く、抵抗率が高い。ここでは、低抵抗領域１１０ｆ、１１０ｇは、絶縁膜１１７と重なるが、絶縁膜１１７及び導電膜１２０と重なってもよい。
なお、図２３（Ｃ）乃至図２３（Ｆ）においては、図２３（Ａ）に示すトランジスタの説明をしたが、図２３（Ｂ）に示すトランジスタにおいても、図２３（Ｃ）乃至図２３（Ｆ）の構造を適宜適用することが可能である。
図２４（Ａ）に示すトランジスタは、導電膜１２０が積層構造であり、絶縁膜１１７と接する導電膜１２０ａ、及び導電膜１２０ａに接する導電膜１２０ｂとを有する。また、導電膜１２０ａの端部は、導電膜１２０ｂの端部より外側に位置する。即ち、導電膜１２０ａが、導電膜１２０ｂから迫り出した形状を有する。
次に、低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃの変形例について説明する。なお、図２４（Ｂ）乃至図２４（Ｅ）、図２５（Ａ）、及び図２５（Ｂ）は、図２４（Ａ）に示す多層膜１１０の近傍の拡大図である。
図２４（Ｂ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、チャネル領域１１０ａ及び低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃの境界が、導電膜１２０に含まれる導電膜１２０ａの端部と、絶縁膜１１７を介して、一致または略一致している。即ち、上面形状において、チャネル領域１１０ａ及び低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃの境界が、導電膜１２０の端部と、一致または略一致している。
または、図２４（Ｃ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、チャネル領域１１０ａが、導電膜１２０と重ならない領域を有する。該領域はオフセット領域として機能する。即ち、上面形状において、低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃの端部が、導電膜１２０の端部と重ならない。
または、図２４（Ｄ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃが、導電膜１２０、ここでは導電膜１２０ａと重なる領域を有する。該領域をオーバーラップ領域という。即ち、上面形状において、低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃの端部が、導電膜１２０ａと重なる。
または、図２４（Ｅ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、チャネル領域１１０ａと低抵抗領域１１０ｂの間に低抵抗領域１１０ｆを有し、チャネル領域１１０ａと低抵抗領域１１０ｃの間に低抵抗領域１１０ｇを有する。不純物元素は、導電膜１２０ａを通過して低抵抗領域１１０ｆ、１１０ｇに添加されるため、低抵抗領域１１０ｆ、１１０ｇは、低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃより不純物元素の濃度が低く、抵抗率が高い。なお、ここでは、低抵抗領域１１０ｆ、１１０ｇは、導電膜１２０ａと重なるが、導電膜１２０ａ及び導電膜１２０ｂと重なってもよい。
または、図２５（Ａ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、導電膜１２０ａの端部は、導電膜１２０ｂの端部より外側に位置し、且つ導電膜１２０ａがテーパ形状であってもよい。即ち、絶縁膜１１７及び導電膜１２０ａが接する面と、導電膜１２０ａの側面のなす角度が９０°未満、または５°以上４５°以下、または５°以上３０°以下であってもよい。
さらには、絶縁膜１１７の端部が、導電膜１２０ａの端部より外側に位置してもよい。
さらには、絶縁膜１１７の側面は湾曲してしてもよい。
さらには、絶縁膜１１７がテーパ形状であってもよい。即ち、多層膜１１０及び絶縁膜１１７が接する面と、絶縁膜１１７の側面のなす角度が９０°未満、好ましくは３０°以上９０°未満であってもよい。
図２５（Ａ）に示す多層膜１１０は、チャネル領域１１０ａと、チャネル領域１１０ａを挟む低抵抗領域１１０ｆ、１１０ｇと、低抵抗領域１１０ｆ、１１０ｇを挟む低抵抗領域１１０ｈ、１１０ｉと、低抵抗領域１１０ｈ、１１０ｉを挟む低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃとを有する。不純物元素は、絶縁膜１１７及び導電膜１２０ａを通過して低抵抗領域１１０ｆ、１１０ｇ、１１０ｈ、１１０ｉに添加されるため、低抵抗領域１１０ｆ、１１０ｇ、１１０ｈ、１１０ｉは、低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃより不純物元素の濃度が低く、抵抗率が高い。
図２５（Ｂ）に示す多層膜１１０は、チャネル領域１１０ａと、チャネル領域１１０ａを挟む低抵抗領域１１０ｈ、１１０ｉと、低抵抗領域１１０ｈ、１１０ｉを挟む低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃとを有する。不純物元素は、絶縁膜１１７を通過して低抵抗領域１１０ｈ、１１０ｉに添加されるため、低抵抗領域１１０ｈ、１１０ｉは、低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃより不純物元素の濃度が低く、抵抗率が高い。
なお、チャネル長方向において、チャネル領域１１０ａは導電膜１２０ｂと重なり、低抵抗領域１１０ｆ、１１０ｇは、導電膜１２０ｂの外側に突出している導電膜１２０ａと重なり、低抵抗領域１１０ｈ、１１０ｉは、導電膜１２０ａの外側に突出している絶縁膜１１７と重なり、低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃは絶縁膜１１７の外側に設けられる。
図２４（Ｅ）及び図２５に示すように、多層膜１１０が低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃより、不純物元素の濃度が低く、抵抗率が高い低抵抗領域１１０ｆ、１１０ｇ、１１０ｈ、１１０ｉを有することで、ドレイン領域の電界緩和が可能である。そのため、ドレイン領域の電界に起因したトランジスタのしきい値電圧の変動などの劣化を低減することが可能である。
図２６（Ａ）に示すトランジスタは、チャネル領域１１０ａ及び低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃを含む多層膜１１０を有し、低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃは、チャネル領域１１０ａより膜厚の小さい領域を有する。代表的には、低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃは、チャネル領域１１０ａより厚さが０．１ｎｍ以上５ｎｍ以下小さい領域を有する。
図２６（Ｂ）に示すトランジスタは、多層膜１１０に接する絶縁膜１０４、１１７の少なくとも一方が多層構造である。例えば、絶縁膜１０４は、絶縁膜１０４ａ、及び絶縁膜１０４ａ及び多層膜１１０に接する絶縁膜１０４ｂを有する。また、絶縁膜１１７は、多層膜１１０に接する絶縁膜１１７ａ、及び絶縁膜１１７ａに接する絶縁膜１１７ｂを有する。
絶縁膜１０４ｂ、１１７ａは、窒素酸化物が少なく、欠陥準位の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。
図２６（Ｃ）に示すトランジスタは、多層膜１１０、絶縁膜１１７、及び導電膜１２０と、絶縁膜１２６との間に、絶縁膜１４１を有する。絶縁膜１４１は、図２６（Ｂ）の絶縁膜１０４ｂ、１１７ａに示す、窒素酸化物が少なく、欠陥準位の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。
また、チャネル長方向の断面形状において、チャネル領域１１０ａ及び低抵抗領域１１０ｂの間に低抵抗領域１１０ｆを有し、チャネル領域１１０ａ及び低抵抗領域１１０ｃの間に低抵抗領域１１０ｇを有する。低抵抗領域１１０ｆ、１１０ｇは、低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃより不純物元素の濃度が低く、抵抗率が高い。なお、ここでは、低抵抗領域１１０ｆ、１１０ｇは、絶縁膜１１７及び導電膜１２０の側面に接する絶縁膜１４１と重なる領域である。なお、低抵抗領域１１０ｆ、１１０ｇは、絶縁膜１２６及び絶縁膜１４１と重なってもよい。
図２６（Ｄ）に示すトランジスタは、絶縁膜１１７が、多層膜１１０のチャネル領域１１０ａに接するとともに、低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃに接する。また、絶縁膜１１７は、チャネル領域１１０ａと接する領域と比較して、低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃと接する領域の膜厚が薄く、代表的には、平均膜厚が、０．１ｎｍ以上５０ｎｍ以下、または０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。この結果、絶縁膜１１７を介して、多層膜１１０に不純物元素を添加することが可能であると共に、絶縁膜１２６に含まれる水素を絶縁膜１１７を介して、多層膜１１０へ移動させることができる。この結果、低抵抗領域１１０ｂ、１１０ｃを形成することができる。
さらに、絶縁膜１０４を絶縁膜１０４ａ、１０４ｂの多層構造とし、加熱により酸素を放出する酸化物絶縁膜を用いて絶縁膜１０４ａを形成し、窒素酸化物が少なく、欠陥準位の密度が低い酸化物絶縁膜を用いて絶縁膜１０４ｂを形成する。さらに、窒素酸化物が少なく、欠陥準位の密度が低い酸化物絶縁膜を用いて絶縁膜１１７を形成する。即ち、窒素酸化物が少なく、欠陥準位の密度が低い酸化物絶縁膜で、多層膜１１０を覆うことができる。この結果、絶縁膜１０４ａに含まれる酸素を、加熱処理により多層膜１１０に移動させ、多層膜１１０のチャネル領域１１０ａに含まれる酸素欠損を低減しつつ、絶縁膜１０４ｂ、１１７と、多層膜１１０との界面におけるキャリアのトラップを低減することが可能である。この結果、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。
（実施の形態４）
ここでは、絶縁膜上に酸素の脱離を抑制する膜を形成した後、該膜を介して絶縁膜に酸素を添加する方法を図２１（Ａ）及び図２１（Ｂ）を用いて説明する。
図２１（Ａ）に示すように、基板１０１上に絶縁膜１０４を形成する。
次に、絶縁膜１０４上に、酸素の脱離を抑制する膜１４５を形成する。次に、膜１４５を介して絶縁膜１０４に酸素１４６を添加する。
酸素の脱離を抑制する膜１４５として、アルミニウム、クロム、タンタル、チタン、モリブデン、ニッケル、鉄、コバルト、タングステンから選ばれた金属元素、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窒化物、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酸化物等の導電性を有する材料を用いて形成する。
酸素の脱離を抑制する膜１４５の厚さは、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下、又は２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることができる。
膜１４５を介して絶縁膜１０４に酸素１４６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。なお、基板１０１側にバイアスを印加した状態で発生したプラズマに膜１４５を曝すことで、絶縁膜１０４への酸素添加量を増加させることが可能であり好ましい。このようなプラズマ処理を行う装置の一例として、アッシング装置がある。
絶縁膜１０４上に膜１４５を設けて酸素を添加することで、膜１４５が絶縁膜１０４から酸素が脱離することを抑制する保護膜としての機能を有する。このため、絶縁膜１０４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１０４への酸素導入量を増加させることができる。
こののち、膜１４５を除去することで、図２１（Ｂ）に示すように、基板１０１上に酸素が添加された絶縁膜１０４を形成することができる。
（実施の形態５）
本実施の形態では、酸化物半導体膜の低抵抗領域に形成されるＶＯＨについて説明する。
＜（１）． ＶＯＨの形成しやすさ及び安定性＞
酸化物半導体膜（以下、ＩＧＺＯと示す。）が完全な結晶の場合、室温では、Ｈは、優先的にａｂ面に沿って拡散する。また、４５０℃の加熱処理の際には、Ｈは、ａｂ面及びｃ軸方向それぞれに拡散する。そこで、ここでは、ＩＧＺＯに酸素欠損ＶＯが存在する場合、Ｈは酸素欠損ＶＯ中に入りやすいか否かについて計算を行った。ここで、酸素欠損ＶＯ中にＨがある状態をＶＯＨと表記する。
計算には、図２７に示すＩｎＧａＺｎＯ４結晶モデルを用いた。ここで、ＶＯＨ中のＨがＶＯから出ていき、酸素と結合する反応経路の活性化障壁（Ｅａ）を、ＮＥＢ（Ｎｕｄｇｅｄ Ｅｌａｓｔｉｃ Ｂａｎｄ）法を用いて計算した。計算条件を表１に示す。
また、ＩｎＧａＺｎＯ４結晶モデルにおいて、酸素が結合する金属元素及びその数の違いから、図２７に示すように酸素サイト１乃至酸素サイト４がある。ここでは、酸素欠損ＶＯを形成しやすい酸素サイト１及び酸素サイト２について計算を行った。
はじめに、酸素欠損ＶＯを形成しやすい酸素サイト１として、３個のＩｎと１個のＺｎと結合した酸素サイトについて計算を行った。
初期状態のモデルを図２８（Ａ）に示し、最終状態のモデルを図２８（Ｂ）に示す。また、初期状態及び最終状態において、算出した活性化障壁（Ｅａ）を図２９に示す。なお、ここでの初期状態とは、酸素欠損ＶＯ中にＨがある状態（ＶＯＨ）であり、最終状態とは、酸素欠損ＶＯと、１個のＧａ及び２個のＺｎと結合した酸素とＨとが結合した状態（Ｈ−Ｏ）を有する構造である。
計算の結果、酸素欠損ＶＯ中のＨが他のＯと結合するには約１．５２ｅＶのエネルギーが必要であるのに対して、Ｏと結合したＨが酸素欠損ＶＯ中に入るには約０．４６ｅＶのエネルギーが必要であった。
ここで、計算により得られた活性化障壁（Ｅａ）と数式１より、反応頻度（Γ）を算出した。なお、数式１において、ｋＢはボルツマン定数であり、Ｔは絶対温度である。
頻度因子ν＝１０１３［１／ｓｅｃ］と仮定して３５０℃における反応頻度を算出した。図２８（Ａ）に示すモデルから図２８（Ｂ）に示すモデルへＨが移動する頻度は５．５２×１００［１／ｓｅｃ］であった。また、図２８（Ｂ）に示すモデルから図２８（Ａ）に示すモデルへＨが移動する頻度は１．８２×１０９［１／ｓｅｃ］であった。このことから、ＩＧＺＯ中を拡散するＨは、近くに酸素欠損ＶＯがあるとＶＯＨを形成しやすく、一旦ＶＯＨを形成すると酸素欠損ＶＯから放出されにくいと考えられる。
次に、酸素欠損ＶＯを形成しやすい酸素サイト２として、１個のＧａと２個のＺｎと結合した酸素サイトについて計算を行った。
初期状態のモデルを図３０（Ａ）に示し、最終状態のモデルを図３０（Ｂ）に示す。また、初期状態及び最終状態において、算出した活性化障壁（Ｅａ）を図３１に示す。なお、ここでの初期状態とは、酸素欠損ＶＯ中にＨがある状態（ＶＯＨ）であり、最終状態とは、酸素欠損ＶＯと、１個のＧａ及び２個のＺｎと結合した酸素とＨとが結合した状態（Ｈ−Ｏ）を有する構造である。
計算の結果、酸素欠損ＶＯ中のＨが他のＯと結合するには約１．７５ｅＶのエネルギーが必要であるのに対して、Ｏと結合したＨが酸素欠損ＶＯ中に入るには約０．３５ｅＶのエネルギーが必要であった。
また、計算により得られた活性化障壁（Ｅａ）と上記の数式１より、反応頻度（Γ）を算出した。
頻度因子ν＝１０１３［１／ｓｅｃ］と仮定して３５０℃における反応頻度を算出した。図３０に示すモデルから図３０（Ｂ）に示すモデルへＨが移動する頻度は７．５３×１０−２［１／ｓｅｃ］であった。また、図３０（Ｂ）に示すモデルから図３０（Ａ）に示すモデルへＨが移動する頻度は１．４４×１０１０［１／ｓｅｃ］であった。このことから、一旦ＶＯＨを形成すると酸素欠損ＶＯからＨは放出されにくいと考えられる。
以上のことから、加熱処理の際にＩＧＺＯ中のＨは拡散し易く、酸素欠損ＶＯがある場合は酸素欠損ＶＯの中に入ってＶＯＨとなりやすいことが分かった。
＜（２）． ＶＯＨの遷移レベル＞
ＩＧＺＯ中において酸素欠損ＶＯとＨが存在する場合、＜（１）． ＶＯＨの形成しやすさ及び安定性＞で示した、ＮＥＢ法を用いた計算より、酸素欠損ＶＯとＨはＶＯＨを形成しやすく、さらにＶＯＨは安定であると考えられる。そこで、ＶＯＨがキャリアトラップに関与するかを調べるため、ＶＯＨの遷移レベルの算出を行った。
計算にはＩｎＧａＺｎＯ４結晶モデル（１１２原子）を用いた。図２７に示す酸素サイト１および酸素サイト２に対してＶＯＨモデルを作成し、遷移レベルの算出を行った。計算条件を表２に示す。
実験値に近いバンドギャップが出るよう、交換項の混合比を調整したことで、欠陥のないＩｎＧａＺｎＯ４結晶モデルのバンドギャップは３．０８ｅＶとなり、実験値の３．１５ｅＶと近い結果となった。
欠陥Ｄをもつモデルの遷移レベル（ε（ｑ／ｑ’））は、以下の数式２により算出される。なお、ΔＥ（Ｄｑ）は欠陥Ｄの電荷ｑにおける形成エネルギーであり、数式３より算出される。
数式２及び数式３において、Ｅｔｏｔ（Ｄｑ）は欠陥Ｄを含むモデルの電荷ｑにおける全エネルギー、Ｅｔｏｔ（ｂｕｌｋ）は欠陥のないモデル（完全結晶）の全エネルギー、Δｎｉは欠陥に関する原子ｉの増減数、μｉは原子ｉの化学ポテンシャル、εＶＢＭは欠陥のないモデルにおける価電子帯上端のエネルギー、ΔＶｑは静電ポテンシャルに関する補正項、ＥＦはフェルミエネルギーである。
算出したＶＯＨの遷移レベルを図３２に示す。図３２中の数値は伝導帯下端からの深さである。図３２より、酸素サイト１に対するＶＯＨの遷移レベルは伝導帯下端の下０．０５ｅＶに存在し、酸素サイト２に対するＶＯＨの遷移レベルは伝導帯下端の下０．１１ｅＶに存在するため、それぞれのＶＯＨは電子トラップに関与すると考えられる。すなわち、ＶＯＨはドナーとして振る舞うことが明らかになった。また、ＶＯＨを有するＩＧＺＯは導電性を有することが明らかになった。
＜酸化物導電体膜＞
ＶＯＨを有する酸化物導電体膜における、抵抗率の温度依存性について、図４０を用いて説明する。
ここでは、酸化物導電体膜を有する試料を作製した。酸化物導電体膜としては、酸化物半導体膜が窒化シリコン膜に接することで形成された酸化物導電体膜（ＯＣ＿ＳｉＮｘ）、ドーピング装置において酸化物半導体膜にアルゴンが添加され、且つ窒化シリコン膜と接することで形成された酸化物導電体膜（ＯＣ＿Ａｒ ｄｏｐｅ＋ＳｉＮｘ）、またはプラズマ処理装置において酸化物半導体膜がアルゴンプラズマに曝され、且つ窒化シリコン膜と接することで形成された酸化物導電体膜（ＯＣ＿Ａｒ ｐｌａｓｍａ＋ＳｉＮｘ）を作製した。なお、窒化シリコン膜は、水素を含む。
酸化物導電体膜（ＯＣ＿ＳｉＮｘ）を含む試料の作製方法を以下に示す。ガラス基板上に、厚さ４００ｎｍの酸化窒化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法により形成した後、酸素プラズマに曝し、酸素イオンを酸化窒化シリコン膜に添加することで、加熱により酸素を放出する酸化窒化シリコン膜を形成した。次に、加熱により酸素を放出する酸化窒化シリコン膜上に、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２のスパッタリングターゲットを用いたスパッタリング法により、厚さ１００ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物膜を形成し、４５０℃の窒素雰囲気で加熱処理した後、４５０℃の窒素及び酸素の混合ガス雰囲気で加熱処理した。次に、プラズマＣＶＤ法で、厚さ１００ｎｍの窒化シリコン膜を形成した。次に、３５０℃の窒素及び酸素の混合ガス雰囲気で加熱処理した。
酸化物導電体膜（ＯＣ＿Ａｒ ｄｏｐｅ＋ＳｉＮｘ）を含む試料の作製方法を以下に示す。ガラス基板上に、厚さ４００ｎｍの酸化窒化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法により形成した後、酸素プラズマに曝し、酸素イオンを酸化窒化シリコン膜に添加することで、加熱により酸素を放出する酸化窒化シリコン膜を形成した。次に、加熱により酸素を放出する酸化窒化シリコン膜上に、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２のスパッタリングターゲットを用いたスパッタリング法により、厚さ１００ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物膜を形成し、４５０℃の窒素雰囲気で加熱処理した後、４５０℃の窒素及び酸素の混合ガス雰囲気で加熱処理した。次に、ドーピング装置を用いて、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物膜に、加速電圧を１０ｋＶとし、ドーズ量が５×１０１４／ｃｍ２のアルゴンを添加して、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物膜に酸素欠損を形成した。次に、プラズマＣＶＤ法で、厚さ１００ｎｍの窒化シリコン膜を形成した。次に、３５０℃の窒素及び酸素の混合ガス雰囲気で加熱処理した。
酸化物導電体膜（ＯＣ＿Ａｒ ｐｌａｓｍａ＋ＳｉＮｘ）を含む試料の作製方法を以下に示す。ガラス基板上に、厚さ４００ｎｍの酸化窒化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法により形成した後、酸素プラズマに曝すことで、加熱により酸素を放出する酸化窒化シリコン膜を形成した。次に、加熱により酸素を放出する酸化窒化シリコン膜上に、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２のスパッタリングターゲットを用いたスパッタリング法により、厚さ１００ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物膜を形成し、４５０℃の窒素雰囲気で加熱処理した後、４５０℃の窒素及び酸素の混合ガス雰囲気で加熱処理した。次に、プラズマ処理装置において、アルゴンプラズマを発生させ、加速させたアルゴンイオンをＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物膜に衝突させることで酸素欠損を形成した。次に、プラズマＣＶＤ法で、厚さ１００ｎｍの窒化シリコン膜を形成した。次に、３５０℃の窒素及び酸素の混合ガス雰囲気で加熱処理した。
次に、各試料の抵抗率を測定した結果を図４０に示す。ここで、抵抗率の測定は４端子のｖａｎ−ｄｅｒ−Ｐａｕｗ法で行った。図４０において、横軸は測定温度を示し、縦軸は抵抗率を示す。また、酸化物導電体膜（ＯＣ＿ＳｉＮｘ）の測定結果を四角印で示し、酸化物導電体膜（ＯＣ＿Ａｒ ｄｏｐｅ＋ＳｉＮｘ）の測定結果を丸印で示し、酸化物導電体膜（ＯＣ＿Ａｒ ｐｌａｓｍａ＋ＳｉＮｘ）の測定結果を三角印で示す。
なお、図示しないが、窒化シリコン膜と接しない酸化物半導体膜は、抵抗率が高く、抵抗率の測定が困難であった。このため、酸化物導電体膜は、酸化物半導体膜より抵抗率が低いことがわかる。
図４０からわかるように、酸化物導電体膜（ＯＣ＿Ａｒ ｄｏｐｅ＋ＳｉＮｘ）及び酸化物導電体膜（ＯＣ＿Ａｒ ｐｌａｓｍａ＋ＳｉＮｘ）が、酸素欠損及び水素を含む場合、抵抗率の変動が小さい。代表的には、８０Ｋ以上２９０Ｋ以下において、抵抗率の変動率は、±２０％未満である。または、１５０Ｋ以上２５０Ｋ以下において、抵抗率の変動率は、±１０％未満である。即ち、酸化物導電体は、縮退半導体であり、伝導帯端とフェルミ準位とが一致または略一致していると推定される。このため、酸化物導電体膜をトランジスタのソース領域及びドレイン領域として用いることで、酸化物導電体膜とソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜との接触がオーミック接触となり、酸化物導電体膜とソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜との接触抵抗を低減できる。また、酸化物導電体の抵抗率は温度依存性が低いため、酸化物導電体膜とソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜との接触抵抗の変動量が少なく、信頼性の高いトランジスタを作製することが可能である。
（実施の形態６）
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膜の構成について以下詳細に説明を行う。
本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が−３０°以上３０°以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が６０°以上１２０°以下の角度で配置されている状態をいう。
また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。
＜酸化物半導体の構造＞
以下では、酸化物半導体の構造について説明する。
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、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などがある。
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、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、結合角度が柔軟であり、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＞
まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。
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４１（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４１（Ａ）の領域（１）を拡大したＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を図４１（Ｂ）に示す。図４１（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４１（Ｂ）に示すように、ＣＡＡＣ−ＯＳは特徴的な原子配列を有する。図４１（Ｃ）は、特徴的な原子配列を、補助線で示したものである。図４１（Ｂ）および図４１（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。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４１（Ｄ）参照。）。図４１（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４１（Ｄ）に示す領域５１６１に相当する。
また、図４２（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４２（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４２（Ｂ）、図４２（Ｃ）および図４２（Ｄ）に示す。図４２（Ｂ）、図４２（Ｃ）および図４２（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、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４３（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。
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。
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４３（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４３（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、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４４（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４４（Ｂ）に示す。図４４（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４４（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４４（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。
不純物および酸素欠損の少ないＣＡＡＣ−ＯＳは、キャリア密度の低い酸化物半導体である。具体的には、キャリア密度を８×１０１１／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１０／ｃｍ３未満であり、１×１０−９／ｃｍ３以上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＞
次に、ｎｃ−ＯＳについて説明する。
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。
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。
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、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、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳや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。
＜ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ＞
ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳと非晶質酸化物半導体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、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。
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。
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。
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。
図４５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４５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４５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４５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。
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。
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。
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、非晶質酸化物半導体、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。
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７）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を用いることができる表示装置について、図３３を用いて説明を行う。
図３３（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５４２という）と、画素部５４２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５４４という）と、素子の保護機能を有する回路（以下、保護回路５４６という）と、端子部５４７と、を有する。なお、保護回路５４６は、設けない構成としてもよい。
駆動回路部５４４の一部、または全部は、画素部５４２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５４４の一部、または全部が、画素部５４２と同一基板上に形成されていない場合には、駆動回路部５４４の一部、または全部は、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）やＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって、実装することができる。
画素部５４２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５４１という）を有し、駆動回路部５４４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５４４ａ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５４４ｂ）などの駆動回路を有する。
ゲートドライバ５４４ａは、シフトレジスタ等を有する。ゲートドライバ５４４ａは、端子部５４７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５４４ａ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５４４ａ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５４４ａを複数設け、複数のゲートドライバ５４４ａ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５４４ａ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５４４ａ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５４４ｂは、シフトレジスタ等を有する。ソースドライバ５４４ｂは、端子部５４７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５４４ｂは、画像信号を元に画素回路５４１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５４４ｂ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５４４ｂは、データ信号が与えられる配線（以下、信号線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５４４ｂ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５４４ｂ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５４４ｂ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５４４ｂ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５４４ｂを構成してもよい。
複数の画素回路５４１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信号線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５４１のそれぞれは、ゲートドライバ５４４ａ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５４１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５４４ａからパルス信号が入力され、走査線ＧＬ＿ｍの電位に応じて信号線ＤＬ＿ｎ（ｎはＹ以下の自然数）を介してソースドライバ５４４ｂからデータ信号が入力される。
図３３（Ａ）に示す保護回路５４６は、例えば、ゲートドライバ５４４ａと画素回路５４１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５４６は、ソースドライバ５４４ｂと画素回路５４１の間の配線である信号線ＤＬに接続される。または、保護回路５４６は、ゲートドライバ５４４ａと端子部５４７との間の配線に接続することができる。または、保護回路５４６は、ソースドライバ５４４ｂと端子部５４７との間の配線に接続することができる。なお、端子部５４７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５４６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３３（Ａ）に示すように、画素部５４２と駆動回路部５４４にそれぞれ保護回路５４６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５４６の構成はこれに限定されず、例えば、ゲートドライバ５４４ａに保護回路５４６を接続した構成、またはソースドライバ５４４ｂに保護回路５４６を接続した構成とすることもできる。あるいは、端子部５４７に保護回路５４６を接続した構成とすることもできる。
また、図３３（Ａ）においては、ゲートドライバ５４４ａとソースドライバ５４４ｂによって駆動回路部５４４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５４４ａ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３３（Ａ）に示す複数の画素回路５４１は、例えば、図３３（Ｂ）に示す構成とすることができる。
図３３（Ｂ）に示す画素回路５４１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として、先の実施の形態に示すトランジスタを適宜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５４１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５４１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５４１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。
ｍ行ｎ列目の画素回路５４１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、信号線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５４１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。
例えば、図３３（Ｂ）の画素回路５４１を有する表示装置では、例えば、図３３（Ａ）に示すゲートドライバ５４４ａにより各行の画素回路５４１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５４１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３３（Ａ）に示す複数の画素回路５４１は、例えば、図３３（Ｃ）に示す構成とすることができる。
また、図３３（Ｃ）に示す画素回路５４１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。ここでは、トランジスタ５５２及びトランジスタ５５４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宜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（信号線ＤＬ＿ｎ）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（走査線ＧＬ＿ｍ）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３３（Ｃ）の画素回路５４１を有する表示装置では、例えば、図３３（Ａ）に示すゲートドライバ５４４ａにより各行の画素回路５４１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５４１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８）
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用いた表示装置の一例について、図３４乃至図３６を用いて以下説明を行う。
図３４は、表示装置の一例を示す上面図である。図３４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３４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、及びゲートドライバ回路部７０６と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、ゲートドライバ回路部７０６、及びＦＰＣ端子部７０８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。該素子は、例えば、液晶素子、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、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を用いた表示素子などの少なくとも一つを有している。これらの他にも、電気的または磁気的作用により、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していても良い。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。
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。
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３５及び図３６を用いて説明する。なお、図３５は、図３４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３６は、図３４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。
図３５（Ａ）及び図３６（Ａ）は、第１の基板７０１、第２の基板７０５としてガラス等を用いた表示装置７００であり、機械的強度が高い。また、図３５（Ｂ）及び図３６（Ｂ）は、第１の基板７０１、第２の基板７０５としてプラスチック等を用いた表示装置７００ａであり、可撓性を有する。なお、第１の基板７０１は、トランジスタ７５０、７５２、容量素子７９０が形成された絶縁膜７１９と接着剤７２０を介して固定されている。また、第２の基板７０５は、着色膜７３６、遮光膜７３８等が形成された絶縁膜７３９と接着剤７４０を介して固定されている。
まず、図３５及び図３６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３５及び図３６に示す表示装置７００、７００ａ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は、先の実施の形態に示すトランジスタの構造を適宜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、電源オン状態では書き込み間隔も長く設定できる。よって、リフレッシュ動作の頻度を少なくすることができるため、消費電力を抑制する効果を奏する。
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。
また、図３５及び図３６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７６６及び平坦化絶縁膜７７０が設けられている。
絶縁膜７６６としては、先の実施の形態に示す絶縁膜１２６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の機能を有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のゲート電極としての機能を有する導電膜を用いてもよい。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の機能を有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、第２の基板７０５側には、ブラックマトリクスとしての機能を有する遮光膜７３８と、カラーフィルタとしての機能を有する着色膜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３５に示す表示装置７００、７００ａ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３５に示す表示装置７００、７００ａ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の機能を有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の機能を有する。また、導電膜７７２は、反射電極としての機能を有する。図３５に示す表示装置７００、７００ａ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、図３５に示す表示装置７００、７００ａ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。該凹凸は、例えば、平坦化絶縁膜７７０を有機樹脂膜等で形成し、該有機樹脂膜の表面に凹部または凸部を設けることで形成することができる。また、反射電極としての機能を有する導電膜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３５に示す表示装置７００、７００ａ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３５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３５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。
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。
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％以上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、応答速度が短く、光学的等方性であるため配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい。また配向膜を設けなくてもよいのでラビング処理も不要となるため、ラビング処理によって引き起こされる静電破壊を防止することができ、作製工程中の液晶表示装置の不良や破損を軽減することができる。
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３６に示す表示装置７００、７００ａ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３６に示す表示装置７００、７００ａ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の機能を有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の機能を有する。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３６に示す表示装置７００、７００ａ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３６に示す表示装置７００、７００ａ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９）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を用いる発光装置の一態様について説明する。なお、本実施の形態では、発光装置の画素部の構成について、図３７を用いて説明する。
図３７では、第１の基板５０２上に複数のＦＥＴ５００が形成されており、各ＦＥＴ５００は、各発光素子（５０４Ｒ、５０４Ｇ、５０４Ｂ、５０４Ｗ）と電気的に接続されている。具体的には、各ＦＥＴ５００は発光素子が有する第１の導電膜５０６と電気的に接続されている。なお、各発光素子（５０４Ｒ、５０４Ｇ、５０４Ｂ、５０４Ｗ）は、第１の導電膜５０６、第２の導電膜５０７、ＥＬ層５１０、及び第３の導電膜５１２によって構成される。
また、各発光素子（５０４Ｒ、５０４Ｇ、５０４Ｂ、５０４Ｗ）に対向する位置に、着色層（５１４Ｒ、５１４Ｇ、５１４Ｂ、５１４Ｗ）がそれぞれ設けられている。なお、着色層（５１４Ｒ、５１４Ｇ、５１４Ｂ、５１４Ｗ）としては、第２の基板５１６に接して設けられている。また、第１の基板５０２と第２の基板５１６との間には封止膜５１８が設けられている。封止膜５１８としては、例えば、ガラスフリットなどのガラス材料や、二液混合型の樹脂などの常温で硬化する硬化樹脂、光硬化性の樹脂、熱硬化性の樹脂などの樹脂材料を用いることができる。
また、隣り合う第１の導電膜５０６及び第２の導電膜５０７の端部を覆うように隔壁５０８が設けられている。また、隔壁５０８上には、構造体５０９が設けられている。なお、第１の導電膜５０６は、反射電極としての機能と、発光素子の陽極としての機能を有する。また、第２の導電膜５０７は、各発光素子の光路長を調整する機能を有する。また、第２の導電膜５０７上には、ＥＬ層５１０が形成されており、ＥＬ層５１０上には、第３の導電膜５１２が形成されている。また、第３の導電膜５１２は、半透過・半反射電極として機能と、発光素子の陰極としての機能を有する。また、構造体５０９は、発光素子と着色層の間に設けられ、スペーサとしての機能を有する。
また、ＥＬ層５１０については、各発光素子（５０４Ｒ、５０４Ｇ、５０４Ｂ、５０４Ｗ）で共通して用いることができる。なお、各発光素子（５０４Ｒ、５０４Ｇ、５０４Ｂ、５０４Ｗ）は、第１の導電膜５０６と第３の導電膜５１２によってＥＬ層５１０からの発光を共振させる微小光共振器（マイクロキャビティともいう）構造を有しており、同じＥＬ層５１０を有していても異なる波長の光のスペクトルを狭線化して取り出すことができる。具体的には、各発光素子（５０４Ｒ、５０４Ｇ、５０４Ｂ、５０４Ｗ）は、ＥＬ層５１０の下方に設けられる第２の導電膜５０７の膜厚をそれぞれ調整することによって、ＥＬ層５１０から得られるスペクトルを所望の発光スペクトルとし、色純度の良い発光を得ることができる。したがって、図３７に示す構成とすることにより、ＥＬ層の塗り分けの工程が不要となり、高精細化を実現することが容易となる。
また、図３７に示す発光装置は、着色層（カラーフィルタともいう）によって、さらに所望の発光スペクトルの光が射出される構成である。したがって、マイクロキャビティ構造とカラーフィルタとを組み合わせることで、さらに色純度の良い発光を得ることができる。具体的には、発光素子５０４Ｒは、赤色発光が得られるように発光素子の光路長が調整されており、着色層５１４Ｒを通って矢印の方向に赤色の光が射出される。また、発光素子５０４Ｇは、緑色発光が得られるように発光素子の光路長が調整されており、着色層５１４Ｇを通って矢印の方向に緑色の光が射出される。また、発光素子５０４Ｂは、青色発光が得られるように発光素子の光路長が調整されており、着色層５１４Ｂを通って矢印の方向に青色の光が射出される。また、発光素子５０４Ｗは、白色発光が得られるように発光素子の光路長が調整されており、着色層５１４Ｗを通って矢印の方向に白色の光が射出される。
なお、各発光素子の光路長の調整方法については、これに限定されない。例えば、各発光素子において、ＥＬ層５１０の膜厚を調整して光路長を調整してもよい。
また、着色層（５１４Ｒ、５１４Ｇ、５１４Ｂ）としては、特定の波長帯域の光を透過する機能を有していればよく、例えば、赤色の波長帯域の光を透過する赤色（Ｒ）のカラーフィルタ、緑色の波長帯域の光を透過する緑色（Ｇ）のカラーフィルタ、青色の波長帯域の光を透過する青色（Ｂ）のカラーフィルタなどを用いることができる。また、着色層５１４Ｗとしては、例えば、顔料等を含まないアクリル系の樹脂材料等を用いればよい。着色層（５１４Ｒ、５１４Ｇ、５１４Ｂ、５１４Ｗ）としては、様々な材料を用いて、印刷法、インクジェット法、フォトリソグラフィ技術を用いたエッチング方法などで形成することができる。
第１の導電膜５０６としては、例えば、反射率が高い（可視光の反射率が４０％以上１００％以下、好ましくは７０％以上１００％以下）金属膜を用いることができる。第１の導電膜５０６としては、アルミニウム、銀、または、これらの金属材料を含む合金（例えば、銀とパラジウムと銅の合金）を、単層または積層して形成することができる。
また、第２の導電膜５０７としては、例えば、導電性の金属酸化物を用いて形成することができる。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、インジウムスズ酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ、ＩＴＯともいう）、インジウム亜鉛酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、またはこれらの金属酸化物材料に酸化シリコン、酸化タングステンを含ませたものを用いることができる。第２の導電膜５０７を設けることによって、後に形成されるＥＬ層５１０と第１の導電膜５０６との間に形成される絶縁膜の生成を抑制することができるので好適である。また、第１の導電膜５０６の下層に、第２の導電膜５０７として用いる導電性の金属酸化物を形成してもよい。
また、第３の導電膜５１２としては、反射性を有する導電性材料と透光性を有する導電性材料とにより形成され、可視光の反射率が２０％以上８０％以下、好ましくは４０％以上７０％以下であると好ましい。第３の導電膜５１２としては、例えば、銀、マグネシウム、またはこれらの金属材料を含む合金等を薄く（例えば、１０ｎｍ以下）形成し、その後、第２の導電膜５０７に用いることのできる導電性の金属酸化物を形成すればよい。
以上に説明した構成においては、第２の基板５１６側に発光を取り出す構造（トップエミッション構造）の発光装置となるが、ＦＥＴ５００が形成されている第１の基板５０１側に光を取り出す構造（ボトムエミッション構造）、または第１の基板５０１側及び第２の基板５１６側の双方に光を取り出す構造（デュアルエミッション構造）の発光装置としても良い。ボトムエミッション構造の場合、例えば、着色層（５１４Ｒ、５１４Ｇ、５１４Ｂ、５１４Ｗ）を第１の導電膜５０６の下方に形成する構成とすればよい。なお、光を射出する側の基板には、透光性の基板を用いればよく、光を射出しない側の基板には、透光性の基板及び遮光性の基板を用いることができる。
また、図３７においては、発光素子が４色（赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）、白（Ｗ））の構成について例示したが、これに限定されない。例えば、発光素子が３色（赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ））の構成としてもよい。
（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用いることができる表示モジュール及び電子機器について、図３８及び図３９を用いて説明を行う。
図３８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、バッテリー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３８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ー８０１１による電源であってもよい。バッテリー８０１１は、商用電源を用いる場合には、省略可能である。
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３９（Ａ）乃至図３９（Ｄ）は、電子機器を示す図である。これらの電子機器は、筐体６００、表示部６０１、スピーカ６０３、ＬＥＤランプ６０４、操作キー６０５（電源スイッチ、又は操作スイッチを含む）、接続端子６０６、センサ６０７（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６０８、等を有することができる。
図３９（Ａ）はモバイルコンピュータであり、上述したものの他に、スイッチ６０９、赤外線ポート６２０、等を有することができる。図３９（Ｂ）は記録媒体を備えた携帯型の画像再生装置（たとえば、ＤＶＤ再生装置）であり、上述したものの他に、第２表示部６０２、記録媒体読込部６２１、等を有することができる。図３９（Ｃ）はテレビ受像器であり、上述したものの他に、チューナ、画像処理部、等を有することができる。図３９（Ｄ）は持ち運び型テレビ受像器であり、上述したものの他に、信号の送受信が可能な充電器６２７等を有することができる。
図３９（Ｅ）乃至図３９（Ｇ）に、折りたたみ可能な携帯情報端末６１０を示す。図３９（Ｅ）に展開した状態の携帯情報端末６１０を示す。図３９（Ｆ）に展開した状態又は折りたたんだ状態の一方から他方に変化する途中の状態の携帯情報端末６１０を示す。図３９（Ｇ）に折りたたんだ状態の携帯情報端末６１０を示す。携帯情報端末６１０は、折りたた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。
表示部６１２はヒンジ６１３によって連結された３つの筐体６１５に支持されている。ヒンジ６１３を介して２つの筐体６１５間を屈曲させることにより、携帯情報端末６１０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。本発明の一態様を適用して作製された表示装置を表示部６１２に用いることができる。例えば、曲率半径１ｍｍ以上１５０ｍｍ以下で曲げることができる表示装置を適用できる。
図３９（Ａ）乃至図３９（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、日付又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又は受信を行う機能、記録媒体に記録されているプログラム又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。さらに、複数の表示部を有する電子機器においては、一つの表示部を主として画像情報を表示し、別の一つの表示部を主として文字情報を表示する機能、または、複数の表示部に視差を考慮した画像を表示することで立体的な画像を表示する機能、等を有することができる。さらに、受像部を有する電子機器においては、静止画を撮影する機能、動画を撮影する機能、撮影した画像を自動または手動で補正する機能、撮影した画像を記録媒体（外部又はカメラに内蔵）に保存する機能、撮影した画像を表示部に表示する機能、等を有することができる。なお、図３９（Ａ）乃至図３９（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。
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。なお、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。
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。

Claims (14)

  1. 絶縁表面上に第１のトランジスタ及び第２のトランジスタを有し、
    前記第１のトランジスタは、絶縁表面上の第１のゲート電極と、
    前記第１のゲート電極上の第１の絶縁膜と、
    前記第１の絶縁膜上の第１の酸化物半導体膜と、
    前記第１の酸化物半導体膜上の第２の絶縁膜と、
    前記第２の絶縁膜を介して、前記第１の酸化物半導体膜と重なる第２のゲート電極と、を有し、
    前記第１の酸化物半導体膜は、前記第１のゲート電極と重なる第１の領域と、窒化物絶縁膜と接する第２の領域とを有し、
    前記第１の酸化物半導体膜の第２の領域は、前記窒化物絶縁膜の開口部において第１の導電膜と接し、
    前記第１のトランジスタのチャネル幅方向において、前記第１のゲート電極及び前記第２のゲート電極は、前記第１の絶縁膜及び前記第２の絶縁膜に設けられる開口部において接続し、
    前記第２のトランジスタは、前記第１の絶縁膜上の第２の酸化物半導体膜と、
    前記第２の酸化物半導体膜上の第３の絶縁膜と、
    前記第３の絶縁膜を介して、前記第２の酸化物半導体膜と重なる第３のゲート電極と、を有し、
    前記第２の酸化物半導体膜は、前記第３のゲート電極と重なる第１の領域と、前記窒化物絶縁膜と接する第２の領域とを有し、
    前記第２の酸化物半導体膜の第２の領域は、前記窒化物絶縁膜の開口部において第２の導電膜と接し、
    前記第１の酸化物半導体膜及び前記第２の酸化物半導体膜それぞれにおいて、前記第１の領域と前記第２の領域の不純物元素濃度が異なることを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項１において、
    前記第２の酸化物半導体膜に含まれる金属元素の原子数比は、前記第１の酸化物半導体膜に含まれる金属元素の原子数比と異なることを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項１または２において、
    前記不純物元素は、水素と、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、及び希ガス元素の１以上であることを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項１乃至３のいずれか一項において、
    前記第１の酸化物半導体膜において、前記第１の領域と比較して、前記第２の領域の不純物元素の濃度が高く、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、
    前記第２の酸化物半導体膜において、前記第１の領域と比較して、前記第２の領域の不純物元素の濃度が高く、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項１乃至４のいずれか一項において、
    前記第１の絶縁膜は、加熱により酸素を放出する酸化物絶縁膜を有することを特徴とする半導体装置。
  6. 請求項１乃至５のいずれか一項において、
    前記第１のトランジスタのチャネル長は１．４５μｍ以上２．２μｍ以下である半導体装置。
  7. 請求項１乃至６のいずれか一項において、
    前記第１のトランジスタは駆動回路部に設けられ、前記第２のトランジスタは画素部に設けられることを特徴とする半導体装置。
  8. 絶縁表面上に第１のトランジスタ及び第２のトランジスタを有し、
    前記第１のトランジスタは、前記絶縁表面上の第１のゲート電極と、
    前記第１のゲート電極上の第１の絶縁膜と、
    前記第１の絶縁膜上の第１の酸化物半導体膜と、
    前記第１の酸化物半導体膜上の第２の絶縁膜と、
    前記第２の絶縁膜を介して、前記第１の酸化物半導体膜と重なる第２のゲート電極と、を有し、
    前記第１の酸化物半導体膜は、前記第１のゲート電極と重なる第１の領域と、窒化物絶縁膜と接する第２の領域とを有し、
    前記第１の酸化物半導体膜の第２の領域は、前記窒化物絶縁膜の開口部において第１の導電膜と接し、
    前記第１のトランジスタのチャネル幅方向において、前記第１のゲート電極及び前記第２のゲート電極は、前記第１の絶縁膜及び前記第２の絶縁膜に設けられる開口部において接続され、
    前記第２のトランジスタは、前記第１の絶縁膜上の第２の酸化物半導体膜と、
    前記第２の酸化物半導体膜上の第３の絶縁膜と、
    前記第３の絶縁膜を介して、前記第２の酸化物半導体膜と重なる第３のゲート電極と、を有し、
    前記第２の酸化物半導体膜は、前記第３のゲート電極と重なる第１の領域と、前記窒化物絶縁膜と接する第２の領域とを有し、
    前記第２の酸化物半導体膜の第２の領域は、前記窒化物絶縁膜の開口部において第２の導電膜と接し、
    前記第１の酸化物半導体膜及び前記第２の酸化物半導体膜それぞれにおいて、前記第１の領域と前記第２の領域の不純物元素の濃度が異なり、
    前記第１の酸化物半導体膜は、第１の膜及び第２の膜を少なくとも含む多層構造であり、
    前記第１の膜及び前記第２の膜は、金属元素の原子数比が異なり、
    前記第２の酸化物半導体膜は、第３の膜及び第４の膜を少なくとも含む多層構造であり、
    前記第３の膜は、前記第１の膜と同じ金属元素の原子数比を有し、前記第４の膜は、前記第２の膜と同じ金属元素の原子数比を有することを特徴とする半導体装置。
  9. 請求項８において、
    前記第１の酸化物半導体膜において、前記第２の膜は、前記第１の膜の上面及び側面を覆い、
    前記第２の酸化物半導体膜において、前記第４の膜は、前記第３の膜の上面及び側面を覆うことを特徴とする半導体装置。
  10. 請求項８または９において、
    前記不純物元素は、水素と、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、及び希ガス元素の１以上であることを特徴とする半導体装置。
  11. 請求項８乃至１０のいずれか一項において、
    前記第１の酸化物半導体膜において、前記第１の領域と比較して、前記第２の領域の不純物元素の濃度が高く、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、
    前記第２の酸化物半導体膜において、前記第１の領域と比較して、前記第２の領域の不純物元素の濃度が高く、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする半導体装置。
  12. 請求項８乃至１１のいずれか一項において、
    前記第１の絶縁膜は、加熱により酸素を放出する酸化物絶縁膜を有することを特徴とする半導体装置。
  13. 請求項８乃至１２のいずれか一項において、
    前記第１のトランジスタのチャネル長は１．４５μｍ以上２．２μｍ以下である半導体装置。
  14. 請求項８乃至１３のいずれか一項において、
    前記第１のトランジスタは駆動回路部に設けられ、前記第２のトランジスタは画素部に設けられることを特徴とする半導体装置。
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