JP2016224437A - 入出力装置及び電子機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】入出力装置の薄型化を図る。信頼性の高い入出力装置を提供する。
【解決手段】第１の画素電極、第２の画素電極、第１の共通電極、第２の共通電極、液晶、第１の絶縁膜、第２の絶縁膜、及びトランジスタを有する入出力装置である。第１の共通電極は、検知素子の一方の電極として機能する。第２の共通電極は、検知素子の他方の電極として機能する。トランジスタは、第１のゲート、第２のゲート、及び半導体層を有する。画素電極と、共通電極と、第２のゲートは、それぞれ異なる面上に位置する。第２のゲートは、半導体層に含まれる金属元素を１種類以上含む。好ましくは、第２のゲート、画素電極、及び共通電極が、半導体層に含まれる金属元素を１種類以上含む。
【選択図】図１

Description

本発明の一態様は、入出力装置及び電子機器に関する。
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としては、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、電子機器、照明装置、入力装置（例えば、タッチセンサなど）、出力装置、入出力装置（例えば、タッチパネルなど）、それらの駆動方法、又は、それらの製造方法、を一例として挙げることができる。
液晶表示装置や発光表示装置に代表されるフラットパネルディスプレイの多くに用いられているトランジスタは、ガラス基板上に形成されたアモルファスシリコン、単結晶シリコン又は多結晶シリコンなどのシリコン半導体によって構成されている。また、該シリコン半導体を用いたトランジスタは、集積回路（ＩＣ）などにも利用されている。
近年、シリコン半導体に代わって、半導体特性を示す金属酸化物をトランジスタに用いる技術が注目されている。なお、本明細書中では、半導体特性を示す金属酸化物を酸化物半導体と記すこととする。例えば、特許文献１及び特許文献２には、酸化物半導体として、酸化亜鉛、又はＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物を用いたトランジスタを作製し、該トランジスタを表示装置の画素のスイッチング素子などに用いる技術が開示されている。
また、表示装置に、ユーザインターフェイスとして画面に指などで触れることで入力する機能を付加した、タッチパネルが望まれている。
タッチセンサが搭載された表示装置又は表示モジュールは、タッチパネル又はタッチスクリーンなどと呼ばれている。また、タッチセンサを有し、表示素子を有していない装置をタッチパネルと呼ぶ場合もある。そのため、タッチセンサが搭載された表示装置又は表示モジュールを、タッチセンサ付き表示装置、タッチパネル付き表示装置、表示装置付きタッチセンサ、又は表示装置付きタッチパネルなどということがある。なお、以下では、タッチセンサが搭載された表示装置をタッチパネルと記すこととする。
例えば、特許文献３〜特許文献６には、液晶素子を表示素子として用いたタッチパネルが開示されている。
特開２００７−１２３８６１号公報 特開２００７−９６０５５号公報 特開２０１１−１９７６８５号公報 特開２０１４−４４５３７号公報 特開２０１４−１７８８４７号公報 米国特許出願公開第２００８／０１５８１８３号明細書
本発明の一態様は、入出力装置の薄型化を課題の一とする。または、本発明の一態様は、入出力装置の軽量化を課題の一とする。または、本発明の一態様は、部品点数の少ない入出力装置を提供することを課題の一とする。
または、本発明の一態様は、信頼性の高い入出力装置を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、検出感度の高い入出力装置を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、新規な入出力装置等を提供することを課題の一とする。
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、明細書、図面、請求項などの記載から、これら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、第１の画素電極、第２の画素電極、第１の共通電極、第２の共通電極、液晶、第１の絶縁膜、第２の絶縁膜、及びトランジスタを有する入出力装置である。第１の共通電極は、検知素子の一方の電極として機能することができる。第２の共通電極は、検知素子の他方の電極として機能することができる。トランジスタは、第１のゲート、第２のゲート、及び半導体層を有する。半導体層は、チャネル形成領域に酸化物半導体を有する。第２のゲートは、酸化物導電体を有する。酸化物導電体は、酸化物半導体に含まれる金属元素を一種類以上有する。本発明の一態様の入出力装置は、第１のゲート上に、半導体層を有し、半導体層上に、第２のゲートを有し、第２のゲート上に、第１の絶縁膜を有し、第１の絶縁膜上に、第１の画素電極、第２の画素電極、第１の共通電極、及び第２の共通電極を有する。第１の画素電極及び第１の共通電極は、第２の絶縁膜を介して互いに重なる部分を有する。第２の画素電極及び第２の共通電極は、第２の絶縁膜を介して互いに重なる部分を有する。第１の画素電極、第２の画素電極、第１の共通電極、及び第２の共通電極上に、液晶を有する。第１の画素電極と第２の画素電極とは、同一面上に離間して位置する。第１の共通電極と第２の共通電極とは、同一面上に離間して位置する。
表示部又は駆動回路部の少なくとも一方が、上記のトランジスタを有する。例えば、本発明の一態様の入出力装置は、上記のトランジスタを２つ有し、２つのトランジスタのうち、１つでは、ソース又はドレインが、第１の画素電極と電気的に接続され、もう１つでは、ソース又はドレインが、第２の画素電極と電気的に接続されていてもよい。または、上記のトランジスタは、駆動回路部に位置していてもよい。
または、上記各構成において、第２のゲートは、第１のゲートと電気的に接続されていてもよい。
または、上記各構成において、第１の画素電極及び第２の画素電極上に、第２の絶縁膜を有し、第２の絶縁膜上に、第１の共通電極及び第２の共通電極を有していてもよい。または、上記各構成において、第１の共通電極及び第２の共通電極上に、第２の絶縁膜を有し、第２の絶縁膜上に、第１の画素電極及び第２の画素電極を有していてもよい。
または、上記各構成において、第１の画素電極及び第２の画素電極は、それぞれ、酸化物半導体に含まれる金属元素を少なくとも一つ有していてもよい。さらに、第１の共通電極及び第２の共通電極は、それぞれ、酸化物半導体に含まれる金属元素を少なくとも一つ有していてもよい。
または、上記各構成において、酸化物半導体及び酸化物導電体は、それぞれ、インジウムを含む酸化物を有していてもよい。さらに、第１の画素電極及び第２の画素電極は、それぞれ、インジウムを含む酸化物を有していてもよい。さらに、第１の共通電極及び第２の共通電極は、それぞれ、インジウムを含む酸化物を有していてもよい。
または、上記各構成において、酸化物半導体及び酸化物導電体は、それぞれ、Ｉｎ−Ｍ１−Ｚｎ酸化物（Ｍ１はＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｎ又はＨｆ）を有していてもよい。さらに、第１の画素電極及び第２の画素電極は、それぞれ、上記Ｉｎ−Ｍ１−Ｚｎ酸化物を有していてもよい。さらに、第１の共通電極及び第２の共通電極は、それぞれ、上記Ｉｎ−Ｍ１−Ｚｎ酸化物を有していてもよい。
または、上記各構成において、第１の画素電極、第２の画素電極、第１の共通電極、及び第２の共通電極は、それぞれ、可視光を透過する機能を有していてもよい。
または、上記各構成において、第１の絶縁膜と第１の共通電極の間に、第１の導電膜を有し、第１の導電膜の抵抗率は、第１の共通電極の抵抗率よりも低く、第１の導電膜は、第１の共通電極と電気的に接続されてもよい。さらに、第１の絶縁膜と第２の共通電極の間に、第２の導電膜を有し、第２の導電膜の抵抗率は、第２の共通電極の抵抗率よりも低く、第２の導電膜は、第２の共通電極と電気的に接続され、第１の導電膜と第２の導電膜は、同一面上に離間して位置していてもよい。
または、上記各構成において、遮光膜を有し、遮光膜は、第１の導電膜又は第２の導電膜の少なくとも一方と、液晶を介して重なる部分を有していてもよい。
また、本発明の一態様は、上記の入出力装置に、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）もしくはＴＣＰ（Ｔａｐｅ Ｃａｒｒｉｅｒ Ｐａｃｋａｇｅ）などのコネクタが取り付けられたモジュール、又はＣＯＧ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）方式、ＣＯＦ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｆｉｌｍ）方式等によりＩＣが実装されたモジュール等のモジュールである。
または、本発明の一態様は、上記のモジュールと、アンテナ、バッテリ、筐体、スピーカ、マイク、操作スイッチ、又は操作ボタンの少なくともいずれか一と、を有する電子機器である。
本発明の一態様により、入出力装置の薄型化が可能となる。または、本発明の一態様により、入出力装置の軽量化が可能となる。または、本発明の一態様により、部品点数の少ない入出力装置を提供することができる。
または、本発明の一態様により、信頼性の高い入出力装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、検出感度の高い入出力装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、新規な入出力装置等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、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。
入出力装置の一例を示す上面図及び断面図。 入出力装置の一例を示す断面図。 入出力装置の一例を示す断面図。 入出力装置の一例を示す断面図。 入出力装置の一例を示す断面図。 入出力装置の一例を示す断面図。 検知素子と画素の一例を示す図。 検知素子と画素の動作の一例を示す図。 検知素子と画素の一例を示す上面図。 検知素子の一例を示す上面図。 検知素子の一例を示す上面図。 入出力装置の一例を示す上面図。 入出力装置の一例を示す上面図。 入出力装置の一例を示す上面図。 タッチパネルモジュールの一例を示すブロック図。 タッチパネルモジュールの一例を示す図。 トランジスタ等の作製方法の一例を示す断面図。 トランジスタ等の作製方法の一例を示す断面図。 トランジスタ等の作製方法の一例を示す断面図。 トランジスタ等の作製方法の一例を示す断面図。 トランジスタの一例を示す断面図。 トランジスタの一例を示す上面図及び断面図。 トランジスタの一例を示す断面図。 バンド構造を説明する図。 トランジスタの一例を示す断面図。 ＣＡＡＣ−ＯＳ及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、並びにＣＡＡＣ−ＯＳの制限視野電子回折パターンを示す図。 ＣＡＡＣ−ＯＳの断面ＴＥＭ像、並びに平面ＴＥＭ像及びその画像解析像。 ｎｃ−ＯＳの電子回折パターンを示す図、及びｎｃ−ＯＳの断面ＴＥＭ像。 ａ−ｌｉｋｅ ＯＳの断面ＴＥＭ像。 Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の電子照射による結晶部の変化を示す図。 タッチパネルモジュールの一例を示す図。 電子機器の一例を示す図。 電子機器の一例を示す図。 入出力装置の一例を示す断面図。 実施例の入出力装置を示す写真。 試料のＸＲＤスペクトルの測定結果を説明する図。 試料のＴＥＭ像、及び電子線回折パターンを説明する図。 試料のＥＤＸマッピングを説明する図。
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、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。また、同様の機能を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
また、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、「膜」という言葉と、「層」という言葉とは、場合によっては、又は、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電膜」という用語を、「導電層」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁層」という用語を、「絶縁膜」という用語に変更することが可能な場合がある。
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、結晶が三方晶又は菱面体晶である場合、六方晶系として表す。
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様の入出力装置について図１〜図１６を用いて説明する。
本発明の一態様の入出力装置は、画像を表示する機能と、タッチセンサとしての機能と、を有する、インセル型のタッチパネルである。
本発明の一態様の入出力装置が有する表示素子に限定は無い。液晶素子、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）を利用した光学素子、有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）素子や発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の発光素子、電気泳動素子など、様々な素子を、表示素子として適用することができる。
本実施の形態では、横電界方式の液晶素子を用いた透過型の液晶表示装置を例に挙げて説明する。
本発明の一態様の入出力装置が有する検知素子（センサ素子ともいう）に限定は無い。指やスタイラスなどの被検知体の近接又は接触を検知することのできる様々なセンサを、検知素子として適用することができる。
例えばセンサの方式としては、静電容量方式、抵抗膜方式、表面弾性波方式、赤外線方式、光学方式、感圧方式など様々な方式を用いることができる。
本実施の形態では、静電容量方式の検知素子を有する入出力装置を例に挙げて説明する。
静電容量方式としては、表面型静電容量方式、投影型静電容量方式等がある。また、投影型静電容量方式としては、自己容量方式、相互容量方式等がある。相互容量方式を用いると、同時多点検知が可能となるため好ましい。
本発明の一態様の入出力装置は、表示素子を支持する基板のみに、検知素子を構成する電極等を設けた構成である。本発明の一態様の入出力装置は、フルインセル型のタッチパネルということができる。インセル型のタッチパネルとしては、ほかに、表示素子を支持する基板と対向基板の両方又は対向基板のみに、検知素子を構成する電極等が設けられた構成がある。これらの構成に比べて、フルインセル型のタッチパネルは、対向基板の構成を簡略化できるため、好ましい。
本発明の一態様の入出力装置は、表示素子を構成する電極が、検知素子を構成する電極を兼ねるため、作製工程を簡略化でき、かつ、作製コストを低減でき、好ましい。
本発明の一態様を適用することで、別々に作製された表示パネルと検知素子とを貼り合わせる構成や、対向基板側に検知素子を作製する構成に比べて、入出力装置を薄型化もしくは軽量化することができる、又は、入出力装置の部品点数を少なくすることができる。
本発明の一態様の入出力装置は、画素を駆動する信号を供給するＦＰＣと、検知素子を駆動する信号を供給するＦＰＣの両方を、一方の基板側に配置する。これにより、電子機器に組み込みやすく、また、部品点数を削減することが可能となる。なお、一つのＦＰＣにより、画素を駆動する信号と検知素子を駆動する信号が供給されてもよい。
以下では、本発明の一態様の入出力装置の構成について説明する。
［入出力装置の断面構成例１］
図１（Ａ）に、入出力装置３００の上面図を示し、図１（Ｂ）に、図１（Ａ）における一点鎖線Ａ−Ｂ間及び一点鎖線Ｃ−Ｄ間の断面図を示す。
図１（Ａ）に示すように、入出力装置３００は、表示部３０１及び走査線駆動回路３０２を有する。表示部３０１は、複数の画素３０３、複数の信号線、及び複数の走査線を有し、画像を表示する機能を有する。また、表示部３０１は、入力部でもある。つまり、表示部３０１は、被検知体の入出力装置３００への接触又は近接を検知する複数の検知素子を有し、タッチセンサとしての機能を有する。走査線駆動回路３０２は、表示部３０１が有する走査線に、走査信号を出力する機能を有する。画素３０３は複数の副画素を有する。図１（Ａ）では、画素３０３が３つの副画素を有する例を示すが、本発明の一態様はこれに限られない。
図１（Ａ）では、入出力装置３００が、走査線駆動回路を有する例を示すが、本発明の一態様はこれに限られない。入出力装置３００は、走査線駆動回路、信号線駆動回路、及びセンサ駆動回路の全てを有していなくてもよいし、いずれか一以上を有していてもよい。
入出力装置３００では、ＩＣ２６８がＣＯＧ方式などの実装方式により、基板２１１に実装されている。ＩＣ２６８は、例えば、信号線駆動回路、走査線駆動回路、及びセンサ駆動回路のうち、いずれか一以上を有する。
また、入出力装置３００には、ＦＰＣ２６９が電気的に接続されている。ＦＰＣ２６９を介して、ＩＣ２６８及び走査線駆動回路には外部から信号が供給される。また、ＦＰＣ２６９を介して、ＩＣ２６８から外部に信号を出力することができる。
ＦＰＣ２６９には、ＩＣが実装されていてもよい。例えば、ＦＰＣ２６９には、信号線駆動回路、走査線駆動回路、及びセンサ駆動回路のうち、いずれか一以上を有するＩＣが実装されていてもよい。例えば、ＣＯＦ方式やＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）方式などの実装方式により、ＦＰＣ２６９にＩＣを実装することができる。
例えば、ＩＣ２６８が、信号線駆動回路及びセンサ駆動回路を有していてもよい。または、例えば、ＩＣ２６８が、信号線駆動回路を有し、ＦＰＣ２６９に実装されたＩＣが、センサ駆動回路を有していてもよい。
図１（Ｂ）に示すように、入出力装置３００は、基板２１１上に、トランジスタ２０１ａ、トランジスタ２０３ａ、接続部２０５ａ、及び液晶素子２０７ａ等を有する。
図１（Ｂ）では、表示部３０１の例として、１つの副画素の断面を示している。例えば、赤色を呈する副画素、緑色を呈する副画素、及び青色を呈する副画素によって１つの画素が構成されることで、表示部３０１ではフルカラーの表示を行うことができる。なお、副画素が呈する色は、赤、緑、及び青に限られない。画素には、例えば、白、黄、マゼンタ、又はシアン等の色を呈する副画素を用いてもよい。
トランジスタ２０１ａ、２０３ａは、ゲート電極２２１、絶縁膜２１３、酸化物半導体膜２２３、ソース電極２２５ａ、及びドレイン電極２２５ｂを有する。トランジスタ２０１ａは、さらに、導電膜２２６、絶縁膜２１５、及び酸化物導電膜２２７を有する。なお、絶縁膜２１５を、トランジスタ２０３ａの構成要素とみなすこともできる。
ゲート電極２２１及び酸化物導電膜２２７は、それぞれ、ゲートとして機能することができる。トランジスタ２０１ａは、チャネルが形成される酸化物半導体膜を２つのゲートで挟持する構成である。ゲート電極２２１と酸化物導電膜２２７は、導電膜２２６を介して電気的に接続されている。このように２つのゲートが電気的に接続されている構成のトランジスタは、他のトランジスタ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。その結果、高速動作が可能な回路を作製することができる。さらには回路部の占有面積を縮小することが可能となる。オン電流の大きなトランジスタを適用することで、入出力装置を大型化又は高精細化して配線数が増大したとしても、各配線における信号遅延を低減することが可能であり、表示ムラを抑制することが可能である。また、このような構成を適用することで、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。
トランジスタ２０１ａ、２０３ａは、同じ構造であっても、異なる構造であってもよい。つまり、駆動回路部が有するトランジスタと、表示部が有するトランジスタが、同じ構造であっても、異なる構造であってもよい。また、駆動回路部が、複数の構造のトランジスタを有していてもよいし、表示部が、複数の構造のトランジスタを有していてもよい。例えば、走査線駆動回路が有するシフトレジスタ回路、バッファ回路、及び保護回路のうち、一以上の回路に、２つのゲートが電気的に接続されている構成のトランジスタを用いることが好ましい。
トランジスタ２０１ａ、２０３ａは、絶縁膜２１７及び絶縁膜２１９に覆われている。なお、絶縁膜２１７、さらには絶縁膜２１９を、トランジスタ２０１ａ、２０３ａの構成要素とみなすこともできる。絶縁膜２１７は、トランジスタを構成する半導体への不純物の拡散を抑制する効果を奏することが好ましい。例えば、絶縁膜２１７には、水や水素等の不純物が拡散しにくい材料を用いることが好ましい。絶縁膜２１９には、トランジスタ起因の表面凹凸を低減するために平坦化機能を有する絶縁膜を選択することが好適である。
トランジスタ２０１ａは、半導体層として酸化物半導体膜２２３を用い、ゲートとして酸化物導電膜２２７を用いた構成である。このとき、酸化物半導体膜２２３と酸化物導電膜２２７を、酸化物半導体を用いて形成することが好ましい。
酸化物半導体は、入出力装置の作製工程において、抵抗率を容易に制御することができるため、半導体膜及び導電膜の材料として好適に用いることができる。特に、同一の金属元素を有する酸化物半導体を、入出力装置を構成する層のうち２層以上に用いることで、製造装置（例えば、成膜装置、加工装置等）を２以上の工程で共通で用いることが可能となるため、製造コストを抑制することができる。
また、酸化物半導体は、可視光を透過する材料であるため、可視光を透過する素子に好適に用いることができる。
また、酸化物半導体膜２２３と、酸化物導電膜２２７を同一の金属元素で形成することで、製造コストを低減させることができる。例えば、同一の金属組成の金属酸化物ターゲットを用いることで製造コストを低減させることができる。また、同一の金属組成の金属酸化物ターゲットを用いることによって、酸化物半導体膜を加工する際のエッチングガス又はエッチング液を共通して用いることができる。ただし、酸化物半導体膜２２３と、酸化物導電膜２２７は、同一の金属元素を有していても、組成が異なる場合がある。例えば、入出力装置の作製工程中に、膜中の金属元素が脱離し、異なる金属組成となる場合がある。
トランジスタ２０１ａ、２０３ａ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２２３を有することが好ましい。これにより、トランジスタの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、トランジスタ２０１ａ、２０３ａ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。このような高速駆動が可能なトランジスタを入出力装置に用いることで、表示部のトランジスタと、駆動回路部の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、駆動回路として、別途、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、入出力装置の部品点数を削減することができる。また、表示部においても、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。
液晶素子２０７ａは、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ Ｆｉｅｌｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モードが適用された液晶素子である。液晶素子２０７ａは、導電膜２５１、導電膜２５２、及び液晶２４９を有する。導電膜２５１と導電膜２５２との間に生じる電界により、液晶２４９の配向を制御することができる。導電膜２５１は、画素電極として機能することができる。導電膜２５２は、共通電極として機能することができる。
導電膜２５１及び導電膜２５２に、可視光を透過する導電性材料を用いることで、入出力装置３００を、透過型の液晶表示装置として機能させることができる。また、導電膜２５１に、可視光を反射する導電性材料を用い、導電膜２５２に可視光を透過する導電性材料を用いることで、入出力装置３００を、反射型の液晶表示装置として機能させることができる。
可視光を透過する導電性材料としては、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。具体的には、酸化インジウム、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ：Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、インジウム亜鉛酸化物、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、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物、酸化亜鉛、ガリウムを添加した酸化亜鉛などが挙げられる。なお、グラフェンを含む膜を用いることもできる。グラフェンを含む膜は、例えば膜状に形成された酸化グラフェンを含む膜を還元して形成することができる。
導電膜２５１に酸化物導電膜を用いることが好ましい。また、導電膜２５２に酸化物導電膜を用いることが好ましい。酸化物導電膜は、酸化物半導体膜２２３に含まれる金属元素を一種類以上有することが好ましい。例えば、導電膜２５１は、インジウムを含むことが好ましく、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｎｄ、又はＨｆ）膜であることがさらに好ましい。同様に、導電膜２５２は、インジウムを含むことが好ましく、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物膜であることがさらに好ましい。
なお、導電膜２５１と導電膜２５２のうち、少なくとも一方を、酸化物半導体を用いて形成してもよい。上述の通り、同一の金属元素を有する酸化物半導体を、入出力装置を構成する層のうち２層以上に用いることで、製造装置（例えば、成膜装置、加工装置等）を２以上の工程で共通で用いることが可能となるため、製造コストを抑制することができる。
例えば、絶縁膜２５３に水素を含む窒化シリコン膜を用い、導電膜２５１に酸化物半導体を用いると、絶縁膜２５３から供給される水素によって、酸化物半導体の導電率を高めることができる。
可視光を反射する導電性材料としては、例えば、アルミニウム、銀、又はこれらの金属材料を含む合金等が挙げられる。
画素電極として機能する導電膜２５１は、トランジスタ２０３ａのソース又はドレインと電気的に接続される。ここでは、導電膜２５１がドレイン電極２２５ｂと電気的に接続されている例を示す。
導電膜２５２は、櫛歯状の上面形状（平面形状ともいう）、又はスリットが設けられた上面形状を有する。導電膜２５１と導電膜２５２の間には、絶縁膜２５３が設けられている。導電膜２５１は、絶縁膜２５３を介して導電膜２５２と重なる部分を有する。また、導電膜２５１と着色膜２４１とが重なる領域において、導電膜２５１上に導電膜２５２が配置されていない部分を有する。
絶縁膜２５３上には、導電膜２５５が設けられている。導電膜２５５は、導電膜２５２と電気的に接続されており、導電膜２５２の補助配線として機能することができる。共通電極と電気的に接続する補助配線を設けることで、共通電極の抵抗に起因する電圧降下を抑制することができる。また、このとき、金属酸化物を含む導電膜と、金属を含む導電膜の積層構造とする場合には、ハーフトーンマスクを用いたパターニング技術により形成すると、工程を簡略化できるため好ましい。
導電膜２５５は、導電膜２５２よりも抵抗値の低い膜である。導電膜２５５は、例えば、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、銀、ネオジム、スカンジウム等の金属材料又はこれらの元素を含む合金材料を用いて、単層で又は積層して形成することができる。
入出力装置の使用者から視認されないよう、導電膜２５５は、遮光膜２４３等と重なる位置に設けられることが好ましい。
接続部２０５ａは、走査線駆動回路３０２に外部からの信号（ビデオ信号、クロック信号、スタート信号、又はリセット信号等）や電位を伝達する外部入力端子と電気的に接続する。ここでは、外部入力端子としてＦＰＣ２６９を設ける例を示している。
接続部２０５ａは、絶縁膜２１３上に導電膜２３１を有し、導電膜２３１上に導電膜２３３を有し、導電膜２３３上に導電膜２３５を有する。導電膜２３１は導電膜２３３を介して導電膜２３５と電気的に接続されている。そして、導電膜２３５は、接続体２６７を介してＦＰＣ２６９と電気的に接続されている。
導電膜２３１は、トランジスタ２０１ａ、２０３ａが有するソース電極２２５ａ及びドレイン電極２２５ｂと同一の材料、同一の工程で形成することができる。導電膜２３３は、液晶素子２０７ａが有する導電膜２５１と同一の材料、同一の工程で形成することができる。導電膜２３５は、液晶素子２０７ａが有する導電膜２５２と同一の材料、同一の工程で形成することができる。このように、接続部２０５ａを構成する導電膜を、表示部や駆動回路部に用いる電極や配線と同一の材料、同一の工程で作製すると、工程数の増加を防ぐことができ好ましい。
基板２６１には、着色膜２４１、遮光膜２４３、及び絶縁膜２４５が設けられている。図１（Ｂ）では、基板２６１の厚さが基板２１１の厚さよりも薄い例を示すが、本発明の一態様はこれに限られない。基板２６１と基板２１１は、一方が他方よりも薄くてもよいし、同一の厚さであってもよい。表示面側（被検知体に近い側）の基板を薄くすると、検知素子の検出感度を上げることができ、好ましい。
着色膜２４１は、液晶素子２０７ａと重なる部分を有する。遮光膜２４３は、トランジスタ２０１ａ、２０３ａのうち、少なくとも一方と重なる部分を有する。
絶縁膜２４５は、着色膜２４１や遮光膜２４３等に含まれる不純物が液晶２４９に拡散することを防ぐオーバーコートとしての機能を有することが好ましい。絶縁膜２４５は、不要であれば設けなくてもよい。
なお、液晶２４９と接する配向膜が設けられていてもよい。配向膜は、液晶２４９の配向を制御することができる。例えば、図１（Ｂ）において、導電膜２５２を覆う配向膜を形成してもよい。また、図１（Ｂ）において、絶縁膜２４５と液晶２４９の間に、配向膜を有していてもよい。また、絶縁膜２４５が、配向膜としての機能と、オーバーコートとしての機能の双方を有していてもよい。
また、入出力装置３００は、スペーサ２４７を有する。スペーサ２４７は、基板２１１と基板２６１との距離が一定以上近づくことを防ぐ機能を有する。
図１（Ｂ）では、スペーサ２４７は、絶縁膜２５３上及び導電膜２５２上に設けられている例を示すが、本発明の一態様はこれに限られない。スペーサ２４７は、基板２１１側に設けられていてもよいし、基板２６１側に設けられていてもよい。例えば、絶縁膜２４５上にスペーサ２４７を形成してもよい。また、図１（Ｂ）では、スペーサ２４７が、絶縁膜２５３及び絶縁膜２４５と接する例を示すが、基板２１１側又は基板２６１側のいずれかに設けられた構造物と接していなくてもよい。
スペーサ２４７として粒状のスペーサを用いてもよい。粒状のスペーサとしては、シリカなどの材料を用いることもできるが、樹脂やゴムなどの弾性を有する材料を用いることが好ましい。このとき、粒状のスペーサは上下方向に潰れた形状となる場合がある。
基板２１１及び基板２６１は、接着層２６５によって貼り合わされている。基板２１１、基板２６１、及び接着層２６５に囲まれた領域に、液晶２４９が封止されている。
なお、入出力装置３００を、透過型の液晶表示装置として機能させる場合、偏光板を、表示部を挟むように２つ配置する。偏光板よりも外側に配置されたバックライトからの光は偏光板を介して入射される。このとき、導電膜２５１と導電膜２５２の間に与える電圧によって液晶２４９の配向を制御し、光の光学変調を制御することができる。すなわち、偏光板を介して射出される光の強度を制御することができる。また、入射光は着色膜２４１によって特定の波長領域以外の光が吸収されるため、射出される光は例えば赤色、青色、又は緑色を呈する光となる。
また、偏光板に加えて、例えば円偏光板を用いることができる。円偏光板としては、例えば直線偏光板と１／４波長位相差板を積層したものを用いることができる。円偏光板により、入出力装置の表示の視野角依存を低減することができる。
なお、ここでは液晶素子２０７ａとしてＦＦＳモードが適用された素子を用いたが、これに限られず様々なモードが適用された液晶素子を用いることができる。例えば、ＶＡ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ａｌｉｇｎｅｄ Ｍｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モード等が適用された液晶素子を用いることができる。
また、入出力装置３００にノーマリーブラック型の液晶表示装置、例えば垂直配向（ＶＡ）モードを採用した透過型の液晶表示装置を適用してもよい。垂直配向モードとしては、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。
なお、液晶素子は、液晶の光学変調作用によって光の透過又は非透過を制御する素子である。なお、液晶の光学的変調作用は、液晶にかかる電界（横方向の電界、縦方向の電界又は斜め方向の電界を含む）によって制御される。なお、液晶素子に用いる液晶としては、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（ＰＤＬＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）、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、液晶材料としては、ポジ型の液晶又はネガ型の液晶のいずれを用いてもよく、適用するモード及び設計に応じて最適な液晶材料を用いることができる。
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５重量％以上のカイラル剤を混合させた液晶組成物を液晶２４９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。また、ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、配向処理が不要であり、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又は破損を軽減することができる。
ここで、基板２６１よりも上部に、指又はスタイラスなどの被検知体が直接触れる基板を設けてもよい。またこのとき、基板２６１と当該基板との間に偏光板又は円偏光板を設けることが好ましい。その場合、当該基板上に保護層（セラミックコート等）を設けることが好ましい。保護層は、例えば酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などの無機絶縁材料を用いることができる。また、当該基板に強化ガラスを用いてもよい。強化ガラスは、イオン交換法や風冷強化法等により物理的又は化学的な処理が施され、その表面に圧縮応力を加えたものを用いることができる。
また、図２（Ａ）に、隣り合う２つの画素の断面図を示す。図２（Ａ）に示す２つの副画素はそれぞれ異なる画素が有する副画素である。
図２（Ａ）に示す入出力装置では、左の副画素が有する導電膜２５２と、右の副画素が有する導電膜２５２との間に形成される容量を利用して、被検知体の近接又は接触等を検知することができる。すなわち本発明の一態様の入出力装置において、導電膜２５２は、液晶素子の共通電極と、検知素子の電極と、の両方を兼ねる。
このように、本発明の一態様の入出力装置では、液晶素子を構成する電極が、検知素子を構成する電極を兼ねるため、作製工程を簡略化でき、かつ作製コストを低減できる。また、入出力装置の薄型化、軽量化を図ることができる。
導電膜２５２は、補助配線として機能する導電膜２５５と電気的に接続されている。導電膜２５５を設けることで、検知素子の電極の抵抗を低減させることができる。検知素子の電極の抵抗が低下することで、検知素子の電極の時定数を小さくすることができる。検知素子の電極の時定数が小さいほど、検出感度を高めることができ、さらには、検出の精度を高めることができる。
また、検知素子の電極と信号線との間の容量が大きすぎると、検知素子の電極の時定数が大きくなる場合がある。そのため、トランジスタと検知素子の電極との間に、平坦化機能を有する絶縁膜を設け、検知素子の電極と信号線との間の容量を削減することが好ましい。例えば、図２（Ａ）では、平坦化機能を有する絶縁膜として絶縁膜２１９を有する。絶縁膜２１９を設けることで、導電膜２５２と信号線との容量を小さくすることができる。これにより、検知素子の電極の時定数を小さくすることができる。前述の通り、検知素子の電極の時定数が小さいほど、検出感度を高めることができ、さらには、検出の精度を高めることができる。
例えば、検知素子の電極の時定数は、０秒より大きく１×１０−４秒以下、好ましくは０秒より大きく５×１０−５秒以下、より好ましくは０秒より大きく５×１０−６秒以下、より好ましくは０秒より大きく５×１０−７秒以下、より好ましくは０秒より大きく２×１０−７秒以下であるとよい。特に、時定数を１×１０−６秒以下とすることで、ノイズの影響を抑制しつつ高い検出感度を実現することができる。
［入出力装置の断面構成例２］
図２（Ｂ）に、図２（Ａ）とは異なる、隣り合う２つの画素の断面図を示す。図２（Ｂ）に示す２つの副画素はそれぞれ異なる画素が有する副画素である。また、この場合の図１（Ａ）における一点鎖線Ａ−Ｂ間及び一点鎖線Ｃ−Ｄ間の断面図を、図３（Ａ）に示す。
図２（Ｂ）及び図３（Ａ）に示す構成例２は、導電膜２５１、導電膜２５２、絶縁膜２５３、及び導電膜２５５の積層順が、図１（Ｂ）及び図２（Ａ）に示す構成例１と異なる。なお、構成例２において、構成例１と同様の部分に関しては、上記を参照することができる。
具体的には、構成例２は、絶縁膜２１９上に導電膜２５５を有し、導電膜２５５上に導電膜２５２を有し、導電膜２５２上に絶縁膜２５３を有し、絶縁膜２５３上に導電膜２５１を有する。
図２（Ｂ）に示す液晶素子２０７ｂのように、上層に設けられ、櫛歯状又はスリット状の上面形状を有する導電膜２５１を画素電極とし、下層に設けられる導電膜２５２を共通電極として用いることもできる。導電膜２５１は、トランジスタ２０３ａのソース又はドレインと電気的に接続される。
図２（Ｂ）では、左の副画素が有する導電膜２５２と、右の副画素が有する導電膜２５２との間に形成される容量を利用して、被検知体の近接又は接触等を検知することができる。すなわち本発明の一態様の入出力装置において、導電膜２５２は、液晶素子の共通電極と、検知素子の電極と、の両方を兼ねる。
なお、構成例１（図１（Ｂ）、図２（Ａ））では、検知素子の電極と共通電極を兼ねる導電膜２５２が、画素電極として機能する導電膜２５１よりも表示面側（被検知体に近い側）に位置する。これにより、導電膜２５１が導電膜２５２よりも表示面側に位置する構成例２よりも、構成例１では、検出感度が向上する場合がある。
また、構成例２は、導電膜２５１、導電膜２５２、絶縁膜２５３、及び導電膜２５５の積層順が、構成例１と異なることから、接続部の構成も構成例１とは異なる。
図３（Ａ）に示す接続部２０５ｂは、絶縁膜２１３上に導電膜２３１を有し、導電膜２３１上に導電膜２３３を有し、導電膜２３３上に導電膜２３５を有する。導電膜２３３は、液晶素子２０７ｂが有する導電膜２５２と同一の材料、同一の工程で形成することができる。導電膜２３５は、液晶素子２０７ｂが有する導電膜２５１と同一の材料、同一の工程で形成することができる。
また、本発明の一態様の入出力装置が有するトランジスタの他の構成例について、図３（Ｂ）、（Ｃ）に示す。図３（Ｂ）に示すように、２つのゲートを有するトランジスタにおいて、該２つのゲートは、電気的に接続されていなくてもよい。また、図３（Ｃ）に示すように、駆動回路部と表示部とのうち、少なくとも一方に、トップゲートのトランジスタを有していてもよい。
また、本発明の一態様の入出力装置が有する液晶素子の他の構成例について、図３（Ｄ）、〜（Ｆ）に示す。導電膜２５１及び導電膜２５２の双方が、櫛歯状の上面形状（平面形状ともいう）、又はスリットが設けられた上面形状を有していてもよい。
例えば、上面から見て、一方の導電膜のスリットの端部と、他方の導電膜のスリットの端部が重なる形状であってもよい。この場合の断面図を図３（Ｄ）に示す。
または、上面から見て、導電膜２５１及び導電膜２５２の双方が設けられていない部分を有していてもよい。この場合の断面図を図３（Ｅ）に示す。
または、上面から見て、導電膜２５１及び導電膜２５２が互いに重なる部分を有していてもよい。この場合の断面図を図３（Ｆ）に示す。
［入出力装置の断面構成例３］
図４に、図１（Ｂ）及び図３（Ａ）とは異なる、図１（Ａ）における一点鎖線Ａ−Ｂ間及び一点鎖線Ｃ−Ｄ間の断面図を示す。
図４に示す構成例３は、表示部３０１が有するトランジスタと、走査線駆動回路３０２が有するトランジスタの構成が、それぞれ、図１（Ｂ）及び図２（Ａ）に示す構成例１と異なる。なお、構成例３において、構成例１と同様の部分に関しては、上記を参照することができる。
トランジスタ２０１ｂは、チャネルが形成される酸化物半導体膜を２つのゲートで挟持する構成である。トランジスタ２０１ｂは、ゲート電極２２１と酸化物導電膜２２７が直接接している点で、トランジスタ２０１ａと異なる。このように、２つのゲートは、他の層を介さずに電気的に接続されていてもよい。
トランジスタ２０３ｂは、トランジスタ２０１ｂと同様に、チャネルが形成される酸化物半導体膜２２３を２つのゲートで挟持する構成である。このように、駆動回路部だけでなく、表示部にも、２つのゲートを有するトランジスタを適用することができる。なお、図示しないが、トランジスタ２０３ｂにおいても、ゲート電極２２１と酸化物導電膜２２７が電気的に接続されていることが好ましい。
なお、酸化物導電膜２２７と、検知素子の電極の距離が近いほど、酸化物導電膜２２７の影響を受けて、検知素子の電極の電位が変化する不具合が生じやすくなる。本発明の一態様では、酸化物導電膜２２７と検知素子の電極が別の層に設けられているため、検知素子の電極が、酸化物導電膜２２７の影響を受けにくく、好ましい。
［入出力装置の断面構成例４］
図５に、図１（Ｂ）、図３（Ａ）、及び図４とは異なる、図１（Ａ）における一点鎖線Ａ−Ｂ間及び一点鎖線Ｃ−Ｄ間の断面図を示す。
図５に示す構成例４は、走査線駆動回路３０２が有するトランジスタの構成と、スペーサ２４７が設けられている基板が、図１（Ｂ）及び図２（Ａ）に示す構成例１と異なる。なお、構成例４において、構成例１と同様の部分に関しては、上記を参照することができる。
トランジスタ２０１ｃは、チャネルが形成される酸化物半導体膜を２つのゲートで挟持する構成である。トランジスタ２０１ｃは、酸化物導電膜２２７の形成位置が、トランジスタ２０１ａと異なる。具体的には、絶縁膜２１５上に絶縁膜２１７を有し、絶縁膜２１７上に、平坦化機能を有する絶縁膜２１８を有し、絶縁膜２１８上に、酸化物導電膜２２７を有する。このように、酸化物導電膜２２７は、平坦化機能を有する絶縁膜上に設けられていてもよい。トランジスタ２０１ｃは、平坦化機能を有する絶縁膜２１９に覆われている。なお、図５では、酸化物導電膜２２７が導電膜２２６を介してゲート電極２２１と電気的に接続されている例を示すが、図４で示したように、酸化物導電膜２２７とゲート電極２２１が直接接続されていてもよい。
また、図５では、スペーサ２４７が、絶縁膜２４５上に設けられている例を示す。このように、基板２６１側にスペーサ２４７を配置してもよい。
［入出力装置の断面構成例５］
図６に、図１（Ｂ）、図３（Ａ）、図４、及び図５とは異なる、図１（Ａ）における一点鎖線Ａ−Ｂ間及び一点鎖線Ｃ−Ｄ間の断面図を示す。
図６に示す構成例５は、着色膜２４１の形成位置が、図１（Ｂ）及び図２（Ａ）に示す構成例１と異なる。なお、構成例５において、構成例１と同様の部分に関しては、上記を参照することができる。
着色膜２４１は対向基板（基板２６１）側に形成される構成に限られない。図６に示すように、トランジスタ等が形成される基板２１１上に形成されてもよい。これにより、入出力装置の表示の高精細化に伴う、基板２１１と基板２６１のアライメント精度の低下による、歩留まりの低下及び表示品位の低下を抑制することができる。
［入出力装置の断面構成例６］
図３４に、上記各構成例とは異なる入出力装置の断面図を示す。本発明の一態様の入出力装置は、表示素子を支持する基板のみに、検知素子を構成する電極等を設けた構成（フルインセル型）のタッチパネルに限られない。図３４に示す入出力装置のように、対向基板側に検知素子を構成する電極が設けられていてもよい。
図３４では、基板２６１の、着色膜２４１等が形成されている面と対向する面上に、導電膜２５４が形成されている例を示す。導電膜２５４には、接続体２５７を介してＦＰＣ２５９が電気的に接続されている。図３４に示す入出力装置３００では、導電膜２５２と、導電膜２５４との間に形成される容量を利用して、被検知体の近接又は接触等を検知することができる。すなわち本発明の一態様の入出力装置において、導電膜２５２は、液晶素子の共通電極と、検知素子の一方の電極と、の両方を兼ねる。このように、液晶素子の共通電極は、検知素子の一方の電極を兼ねていてもよいし、検知素子の一対の電極を兼ねていてもよい。
また、図３４では、導電膜２５２上に導電膜２５５を有する例を示す。液晶素子の電極と、該電極の補助配線として機能することができる導電膜は、どちらが上であっても構わない。
次に、本実施の形態の入出力装置の各構成要素に用いることができる材料等の詳細について、説明を行う。なお、既に説明した構成要素については説明を省略する場合がある。また、後の実施の形態で示す入出力装置及びその構成要素にも、以下の材料を適宜用いることができる。
≪基板≫
入出力装置３００が有する基板の材質などに大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有している必要がある。例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板等を用いてもよい。また、シリコンや炭化シリコンからなる単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム等の化合物半導体基板、ＳＯＩ基板等を適用することも可能であり、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板として用いてもよい。なお、基板として、ガラス基板を用いる場合、第６世代（１５００ｍｍ×１８５０ｍｍ）、第７世代（１８７０ｍｍ×２２００ｍｍ）、第８世代（２２００ｍｍ×２４００ｍｍ）、第９世代（２４００ｍｍ×２８００ｍｍ）、第１０世代（２９５０ｍｍ×３４００ｍｍ）等の大面積基板を用いることで、大型の表示装置を作製することができる。また、基板２１１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、容量素子等を形成してもよい。
厚さの薄い基板を用いることで、入出力装置の軽量化、薄型化を図ることができる。さらに、可撓性を有する程度の厚さの基板を用いることで、可撓性を有する入出力装置を実現できる。
これらの他にも、基板２１１、２６１として、様々な基板を用いて、トランジスタを形成することができる。基板の種類は、特定のものに限定されることはない。その基板の一例としては、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。可撓性基板の一例としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）に代表されるプラスチック、又はアクリル等の可撓性を有する合成樹脂などがある。貼り合わせフィルムの一例としては、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリフッ化ビニル、又はポリ塩化ビニルなどがある。基材フィルムの一例としては、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、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。
なお、ある基板を用いてトランジスタを形成し、その後、別の基板にトランジスタを転置し、別の基板上にトランジスタを配置してもよい。トランジスタが転置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、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）もしくは再生繊維（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。
≪トランジスタ≫
本発明の一態様の入出力装置が有するトランジスタの構造は特に限定されない。例えば、プレーナ型のトランジスタとしてもよいし、スタガ型のトランジスタとしてもよいし、逆スタガ型のトランジスタとしてもよい。また、トップゲート型又はボトムゲート型のいずれのトランジスタ構造としてもよい。または、チャネルの上下にゲート電極が設けられていてもよい。トランジスタに用いる半導体材料は特に限定されず、例えば、酸化物半導体、シリコン、ゲルマニウム等が挙げられる。
トランジスタに用いる半導体材料の結晶性についても特に限定されず、非晶質半導体、結晶性を有する半導体（微結晶半導体、多結晶半導体、単結晶半導体、又は一部に結晶領域を有する半導体）のいずれを用いてもよい。結晶性を有する半導体を用いると、トランジスタ特性の劣化を抑制できるため好ましい。
また、トランジスタに用いる半導体材料としては、例えば、第１４族の元素、化合物半導体又は酸化物半導体を半導体層に用いることができる。代表的には、シリコンを含む半導体、ガリウムヒ素を含む半導体又はインジウムを含む酸化物半導体などを適用できる。
特に、トランジスタのチャネルが形成される半導体に、酸化物半導体を適用することが好ましい。特にシリコンよりもバンドギャップの大きな酸化物半導体を適用することが好ましい。シリコンよりもバンドギャップが広く、且つキャリア密度の小さい半導体材料を用いると、トランジスタのオフ状態における電流を低減できるため好ましい。
例えば、上記酸化物半導体として、少なくともインジウム（Ｉｎ）もしくは亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。より好ましくは、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｎｄ、又はＨｆ等の金属）で表記される酸化物を含む。
特に、半導体層として、複数の結晶部を有し、当該結晶部はｃ軸が半導体層の被形成面、又は半導体層の上面に対し概略垂直に配向し、且つ隣接する結晶部間には粒界を有さない酸化物半導体膜を用いることが好ましい。
このような酸化物半導体は、結晶粒界を有さないために表示パネルを湾曲させたときの応力によって酸化物半導体膜にクラックが生じてしまうことが抑制される。したがって、可撓性を有し、湾曲させて用いる入出力装置などに、このような酸化物半導体を好適に用いることができる。
また半導体層としてこのような酸化物半導体を用いることで、電気特性の変動が抑制され、信頼性の高いトランジスタを実現できる。
また、その低いオフ電流により、トランジスタを介して容量に蓄積した電荷を長期間に亘って保持することが可能である。このようなトランジスタを画素に適用することで、各表示領域に表示した画像の階調を維持しつつ、駆動回路を停止することも可能となる。その結果、極めて消費電力の低減された表示装置を実現できる。
≪酸化物半導体膜≫
酸化物半導体膜２２３は、少なくともインジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）及びＭ（Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｎｄ、又はＨｆ等の金属）を含むＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物で表記される膜を含むことが好ましい。また、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすため、それらと共に、スタビライザーを含むことが好ましい。
スタビライザーとしては、上記Ｍで記載の金属を含め、例えば、ガリウム（Ｇａ）、スズ（Ｓｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、アルミニウム（Ａｌ）、又はジルコニウム（Ｚｒ）等がある。また、他のスタビライザーとしては、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）等がある。
酸化物半導体膜２２３を構成する酸化物半導体として、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を用いることができる。
なお、ここで、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分として有する酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素が入っていてもよい。
なお、酸化物半導体膜２２３がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物である場合、Ｉｎ及びＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％より高く、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％より高く、Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。
酸化物半導体膜２２３は、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上、より好ましくは３ｅＶ以上である。このように、エネルギーギャップの広い酸化物半導体を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。
酸化物半導体膜２２３の厚さは、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。
酸化物半導体膜２２３がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｓｎ、Ｍｇ、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＝３：１：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：６等が挙げられる。なお、成膜される酸化物半導体膜２２３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。
酸化物半導体膜２２３としては、キャリア密度の低い酸化物半導体膜を用いる。例えば、酸化物半導体膜２２３は、キャリア密度が１×１０１７個／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１５個／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１３個／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１１個／ｃｍ３以下の酸化物半導体膜を用いる。
なお、これらに限られず、必要とするトランジスタの半導体特性及び電気特性（電界効果移動度、しきい値電圧等）に応じて適切な組成のものを用いることができる。また、必要とするトランジスタの半導体特性を得るために、酸化物半導体膜２２３のキャリア密度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。
酸化物半導体膜２２３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２２３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２２３におけるシリコンや炭素の濃度（二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる濃度）を、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
また、酸化物半導体膜２２３において、ＳＩＭＳ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、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。アルカリ金属及びアルカリ土類金属は、酸化物半導体と結合するとキャリアを生成する場合があり、トランジスタのオフ電流が増大してしまうことがある。このため、酸化物半導体膜２２３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。
また、酸化物半導体膜２２３に窒素が含まれていると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体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において、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、ＳＩＭＳにより得られる窒素濃度は、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にすることが好ましい。
また、酸化物半導体膜２２３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。
酸化物半導体膜２２３は、例えば非晶質構造でもよい。非晶質構造の酸化物半導体膜は、例えば、原子配列が無秩序であり、結晶成分を有さない。または、非晶質構造の酸化物膜は、例えば、完全な非晶質構造であり、結晶部を有さない。
なお、酸化物半導体膜２２３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の領域の積層構造を有する場合がある。
または、トランジスタのチャネルが形成される半導体に、シリコンを用いることが好ましい。シリコンとしてアモルファスシリコンを用いてもよいが、特に結晶性を有するシリコンを用いることが好ましい。例えば、微結晶シリコン、多結晶シリコン、単結晶シリコンなどを用いることが好ましい。特に、多結晶シリコンは、単結晶シリコンに比べて低温で形成でき、且つアモルファスシリコンに比べて高い電界効果移動度と高い信頼性を備える。このような多結晶半導体を画素に適用することで画素の開口率を向上させることができる。極めて高精細な入出力装置を作製する場合であっても、ゲート駆動回路とソース駆動回路を画素と同一基板上に形成することが可能となり、電子機器を構成する部品数を低減することができる。
≪酸化物半導体の抵抗率の制御方法≫
酸化物半導体は、膜中の酸素欠損又は／及び膜中の水素、水等の不純物濃度によって、抵抗を制御することができる半導体材料である。そのため、酸化物半導体膜へ酸素欠損又は／及び不純物濃度が増加する処理、又は酸素欠損又は／及び不純物濃度が低減する処理を選択することによって、酸化物導電膜の有する抵抗率を制御することができる。
なお、このように、酸化物半導体膜を用いて形成された酸化物導電膜は、キャリア密度が高く低抵抗な酸化物半導体膜、導電性を有する酸化物半導体膜、又は導電性の高い酸化物半導体膜ということもできる。
具体的には、ゲートとして機能する酸化物導電膜２２７となる酸化物半導体膜にプラズマ処理を行い、酸化物半導体膜中の酸素欠損を増加させる、又は／及び酸化物半導体膜中の水素、水等の不純物を増加させることによって、キャリア密度が高く、低抵抗な酸化物半導体膜とすることができる。また、酸化物半導体膜に水素を含む絶縁膜２１７を接して形成し、該水素を含む絶縁膜２１７から酸化物半導体膜に水素を拡散させることによって、キャリア密度が高く、低抵抗な酸化物半導体膜とすることができる。
一方、酸化物半導体膜２２３上には、酸化物半導体膜２２３が上記プラズマ処理に曝されないように、絶縁膜２１５を設ける。また、絶縁膜２１５を設けることによって、酸化物半導体膜２２３が水素を含む絶縁膜２１７と接しない構成とする。絶縁膜２１５として、酸素を放出することが可能な絶縁膜を用いることで、酸化物半導体膜２２３に酸素を供給することができる。酸素が供給された酸化物半導体膜２２３は、膜中又は界面の酸素欠損が低減され高抵抗な酸化物半導体となる。なお、酸素を放出することが可能な絶縁膜として、例えば、酸化シリコン膜、又は酸化窒化シリコン膜を用いることができる。
また、抵抗率が低い酸化物半導体膜を得るために、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いて、水素、ボロン、リン、又は窒素を酸化物半導体膜に注入してもよい。
また、酸化物導電膜２２７に行うプラズマ処理としては、代表的には、希ガス（Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ）、リン、ボロン、水素、及び窒素の中から選ばれた一種を含むガスを用いたプラズマ処理が挙げられる。より具体的には、Ａｒ雰囲気下でのプラズマ処理、Ａｒと水素の混合ガス雰囲気下でのプラズマ処理、アンモニア雰囲気下でのプラズマ処理、Ａｒとアンモニアの混合ガス雰囲気下でのプラズマ処理、又は窒素雰囲気下でのプラズマ処理などが挙げられる。
上記プラズマ処理によって、酸化物導電膜２２７は、酸素が脱離した格子（又は酸素が脱離した部分）に酸素欠損が形成される。当該酸素欠損は、キャリアを発生する要因になり得る場合がある。また、酸化物導電膜２２７の近傍、より具体的には、酸化物導電膜２２７の下側又は上側に接する絶縁膜から水素が供給され、上記酸素欠損に水素が入ると、キャリアである電子を生成する場合がある。したがって、プラズマ処理によって酸素欠損が増加された酸化物導電膜２２７は、酸化物半導体膜２２３よりもキャリア密度が高い。
一方、酸素欠損が低減され、水素濃度が低減された酸化物半導体膜２２３は、高純度真性化、又は実質的に高純度真性化された酸化物半導体膜といえる。ここで、実質的に真性とは、酸化物半導体のキャリア密度が、１×１０１７／ｃｍ３未満であること、好ましくは１×１０１５／ｃｍ３未満であること、さらに好ましくは１×１０１３／ｃｍ３未満であることを指す。または、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。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２２３は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度を低減することができる。
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２２３は、オフ電流が著しく小さく、チャネル幅が１×１０６μｍでチャネル長が１０μｍの素子であっても、ソース電極とドレイン電極間の電圧（ドレイン電圧）が１Ｖから１０Ｖの範囲において、オフ電流が、半導体パラメータアナライザの測定限界以下、すなわち１×１０−１３Ａ以下という特性を得ることができる。したがって、酸化物半導体膜２２３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。
絶縁膜２１７として、例えば、水素を含む絶縁膜、換言すると水素を放出することが可能な絶縁膜、代表的には窒化シリコン膜を用いることで、酸化物導電膜２２７に水素を供給することができる。水素を放出することが可能な絶縁膜は、膜中の含有水素濃度が１×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であると好ましい。このような絶縁膜を酸化物導電膜２２７に接して形成することで、酸化物導電膜２２７に効果的に水素を含有させることができる。このように、上述したプラズマ処理と合わせて、酸化物半導体膜（又は酸化物導電膜）に接する絶縁膜の構成を変えることによって、酸化物半導体膜（又は酸化物導電膜）の抵抗を任意に調整することができる。
酸化物導電膜２２７に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になると共に、酸素が脱離した格子（又は酸素が脱離した部分）に酸素欠損を形成する。当該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合することで、キャリアである電子を生成する場合がある。したがって、水素が含まれている酸化物導電膜２２７は、酸化物半導体膜２２３よりもキャリア密度が高い。
トランジスタのチャネル領域が形成される酸化物半導体膜２２３は水素ができる限り低減されていることが好ましい。具体的には、酸化物半導体膜２２３において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
一方、ゲートとして機能する酸化物導電膜２２７は、酸化物半導体膜２２３よりも水素濃度又は／及び酸素欠損量が多く、低抵抗化されている。
酸化物導電膜２２７には、酸化物半導体膜２２３に用いることができる材料及び酸化物半導体膜２２３の形成方法を適用することができる。なお、酸化物半導体膜２２３及び酸化物導電膜２２７は、透光性を有する。
なお、酸化物導電膜２２７に用いることができる材料、及び酸化物導電膜２２７の形成方法は、導電膜２５１及び導電膜２５２にもそれぞれ適用することができる。
≪絶縁膜≫
入出力装置が有する各絶縁膜、オーバーコート、スペーサ等に用いることのできる絶縁材料としては、有機絶縁材料又は無機絶縁材料を用いることができる。樹脂としては、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、シロキサン樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、フェノール樹脂等が挙げられる。無機絶縁膜としては、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化イットリウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ガリウム膜、酸化タンタル膜、酸化マグネシウム膜、酸化ランタン膜、酸化セリウム膜、及び酸化ネオジム膜等が挙げられる。
≪導電膜≫
トランジスタのゲート、ソース、ドレインのほか、入出力装置が有する各種配線及び電極等の導電膜には、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、又はタングステンなどの金属、又はこれを主成分とする合金を単層構造又は積層構造として用いることができる。例えば、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、タングステン膜上にチタン膜を積層する二層構造、モリブデン膜上に銅膜を積層した二層構造、モリブデンとタングステンを含む合金膜上に銅膜を積層した二層構造、銅−マグネシウム−アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜又は窒化チタン膜と、そのチタン膜又は窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜又は銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜又は窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜又は窒化モリブデン膜と、そのモリブデン膜又は窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜又は銅膜を積層し、さらにその上にモリブデン膜又は窒化モリブデン膜を形成する三層構造等がある。例えば、ソース電極２２５ａ及びドレイン電極２２５ｂを三層構造とする場合、一層目及び三層目には、チタン、窒化チタン、モリブデン、タングステン、モリブデンとタングステンを含む合金、モリブデンとジルコニウムを含む合金、又は窒化モリブデンでなる膜を形成し、２層目には、銅、アルミニウム、金又は銀、或いは銅とマンガンの合金等の低抵抗材料でなる膜を形成することが好ましい。なお、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化シリコンを添加したインジウム錫酸化物等の透光性を有する導電性材料を用いてもよい。
なお、上述の酸化物半導体の抵抗率の制御方法を用いて、導電膜を形成してもよい。
≪接着層≫
接着層２６５としては、熱硬化樹脂、光硬化樹脂、２液混合型の硬化性樹脂などの硬化性樹脂を用いることができる。例えば、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、又はシロキサン結合を有する樹脂などを用いることができる。
≪接続体≫
接続体としては、例えば、異方性導電フィルム（ＡＣＦ：Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｆｉｌｍ）又は異方性導電ペースト（ＡＣＰ：Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｐａｓｔｅ）などを用いることができる。
≪着色膜≫
着色膜は特定の波長帯域の光を透過する有色層である。着色膜に用いることのできる材料としては、金属材料、樹脂材料、顔料又は染料が含まれた樹脂材料などが挙げられる。
≪遮光膜≫
遮光膜は、隣接する着色膜の間に設けられている。遮光膜としては、例えば、金属材料、顔料又は染料を含む樹脂材料を用いてブラックマトリクスを形成することができる。なお、遮光膜は、駆動回路部など、表示部以外の領域にも設けると、導波光などによる意図しない光漏れを抑制できるため好ましい。
［入出力装置の動作方法の例］
次に、本発明の一態様の入出力装置の動作方法の例などを示す。
図７（Ａ）は、本発明の一態様の入出力装置の表示部に設けられる画素回路の一部における等価回路図である。
一つの画素は少なくともトランジスタ３５０３と液晶素子３５０４を有する。トランジスタ３５０３のゲートには、配線３５０１が電気的に接続されている。また、トランジスタ３５０３のソース又はドレインの一方には、配線３５０２が電気的に接続されている。
画素回路は、Ｘ方向に延在する複数の配線（例えば、配線３５１０＿１、配線３５１０＿２）と、Ｙ方向に延在する複数の配線（例えば、配線３５１１＿１）を有し、これらは互いに交差して設けられ、その間に容量が形成される。
また、画素回路に設けられる画素のうち、一部の隣接する複数の画素は、それぞれに設けられる液晶素子の一方の電極が電気的に接続され、一つのブロックを形成する。当該ブロックは、島状のブロック（例えば、ブロック３５１５＿１、ブロック３５１５＿２）と、Ｘ方向又はＹ方向に延在するライン状のブロック（例えば、Ｙ方向に延在するブロック３５１６）の、２種類に分類される。なお、図７（Ａ）では、画素回路の一部のみを示しているが、実際にはこれら２種類のブロックがＸ方向及びＹ方向に繰り返し配置される。ここで、液晶素子の一方の電極としては、例えば共通電極などが挙げられる。一方、液晶素子の他方の電極としては、例えば画素電極などが挙げられる。
Ｘ方向に延在する配線３５１０＿１（又は３５１０＿２）は、島状のブロック３５１５＿１（又はブロック３５１５＿２）と電気的に接続される。なお、図示しないが、Ｘ方向に延在する配線３５１０＿１は、ライン状のブロックを介してＸ方向に沿って不連続に配置される複数の島状のブロック３５１５＿１を電気的に接続する。また、Ｙ方向に延在する配線３５１１＿１は、ライン状のブロック３５１６と電気的に接続される。
図７（Ｂ）は、Ｘ方向に延在する複数の配線（配線３５１０＿１乃至配線３５１０＿６、まとめて配線３５１０とも記す）と、Ｙ方向に延在する複数の配線（配線３５１１＿１乃至配線３５１１＿６、まとめて配線３５１１とも記す）の接続構成を示した等価回路図である。Ｘ方向に延在する配線３５１０の各々、及びＹ方向に延在する配線３５１１の各々には、共通電位を入力することができる。また、Ｘ方向に延在する配線３５１０の各々には、パルス電圧出力回路からパルス電圧を入力することができる。また、Ｙ方向に延在する配線３５１１の各々は、検出回路と電気的に接続することができる。なお、配線３５１０と配線３５１１とは入れ替えることができる。
図８（Ａ）、（Ｂ）を用いて、本発明の一態様の入出力装置の動作方法の一例について説明する。
ここでは１フレーム期間を、書き込み期間と検知期間とに分ける。書き込み期間は画素への画像データの書き込みを行う期間であり、配線３５０１（ゲート線、又は走査線ともいう）が順次選択される。一方、検知期間は、検知素子によるセンシングを行う期間である。
図８（Ａ）は、書き込み期間における等価回路図である。書き込み期間では、Ｘ方向に延在する配線３５１０と、Ｙ方向に延在する配線３５１１の両方に、共通電位が入力される。
図８（Ｂ）は、検知期間における等価回路図である。検知期間では、Ｙ方向に延在する配線３５１１の各々は、検出回路と電気的に接続する。また、Ｘ方向に延在する配線３５１０には、パルス電圧出力回路からパルス電圧が入力される。
図８（Ｃ）は、相互容量方式の検知素子における入出力波形のタイミングチャートの一例である。
図８（Ｃ）では、１フレーム期間で各行列での被検知体の検知を行うものとする。また、図８（Ｃ）では、検知期間における、被検知体を検知しない場合（非タッチ）と被検知体を検知する場合（タッチ）との２つの場合について示している。
配線３５１０＿１乃至配線３５１０＿６は、パルス電圧出力回路からパルス電圧が与えられる配線である。配線３５１０＿１乃至配線３５１０＿６にパルス電圧が印加されることで、容量を形成する一対の電極間には電界が生じ、容量に電流が流れる。この電極間に生じる電界が、指やペンなどのタッチによる遮蔽等により変化する。つまり、タッチなどにより、容量の容量値に変化が生じる。このことを利用して、被検知体の近接又は接触を検知することができる。
配線３５１１＿１乃至配線３５１１＿６は、容量の容量値の変化による、配線３５１１＿１乃至配線３５１１＿６での電流の変化を検出するための検出回路と接続されている。配線３５１１＿１乃至配線３５１１＿６では、被検知体の近接又は接触がないと検出される電流値に変化はないが、検出する被検知体の近接又は接触により容量値が減少する場合には電流値が減少する。なお、電流の検出は、電流量の総和を検出してもよい。その場合には、積分回路等を用いて検出を行えばよい。または、電流のピーク値を検出してもよい。その場合には、電流を電圧に変換して、電圧値のピーク値を検出してもよい。
なお、図８（Ｃ）において、配線３５１１＿１乃至配線３５１１＿６については、検出される電流値に対応する電圧値とした波形を示している。なお、図８（Ｃ）のように、表示動作のタイミングと、検知動作のタイミングとは、同期させて動作することが望ましい。
配線３５１０＿１乃至配線３５１０＿６に与えられたパルス電圧にしたがって、配線３５１１＿１乃至配線３５１１＿６での波形が変化する。被検知体の近接又は接触がない場合には、配線３５１０＿１乃至配線３５１０＿６の電圧の変化に応じて配線３５１１＿１乃至配線３５１１＿６の波形が一様に変化する。一方、被検知体が近接又は接触する箇所では、電流値が減少するため、これに対応する電圧値の波形も変化する。
このように、容量値の変化を検出することにより、被検知体の近接又は接触を検知することができる。なお、指やペンなどの被検知体は、入出力装置に接触せず、近接した場合でも、信号が検出される場合がある。
なお、図８（Ｃ）では、配線３５１０において、書き込み期間に与えられる共通電位と、検知期間に与えられる低電位が等しい例を示すが、本発明の一態様はこれに限られず、共通電位と低電位は異なる電位であってよい。
またパルス電圧出力回路及び検出回路は、例えば１個のＩＣの中に形成されていることが好ましい。当該ＩＣは、例えば入出力装置に実装されること、もしくは電子機器の筐体内の基板に実装されることが好ましい。また可撓性を有する入出力装置とする場合には、曲げた部分では寄生容量が増大し、ノイズの影響が大きくなってしまう恐れがあるため、ノイズの影響を受けにくい駆動方法が適用されたＩＣを用いることが好ましい。例えばシグナル−ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）を高める駆動方法が適用されたＩＣを用いることが好ましい。
このように、画像の書き込み期間と検知素子によるセンシングを行う期間とを、独立して設けることが好ましい。これにより、画素の書き込み時のノイズに起因する検知素子の感度の低下を抑制することができる。
本発明の一態様では、図８（Ｄ）に示すように、１フレーム期間に書き込み期間と検知期間をそれぞれ１つ有する。または、図８（Ｅ）に示すように、１フレーム期間に検知期間を２つ有していてもよい。１フレーム期間に検知期間を複数設けることで、検出感度をより高めることができる。例えば、１フレーム期間に検知期間を２つ以上４つ以下有していてもよい。
［検知素子の上面構成例］
次に、本発明の一態様の入出力装置が有する検知素子の上面構成例について、図９〜図１１を用いて説明する。
図９（Ａ）に、検知素子の上面図を示す。検知素子は、導電膜５６ａ及び導電膜５６ｂを有する。導電膜５６ａは、検知素子の一方の電極として機能し、導電膜５６ｂは、検知素子の他方の電極として機能する。検知素子は、導電膜５６ａと、導電膜５６ｂとの間に形成される容量を利用して、被検知体の近接又は接触等を検知することができる。なお、導電膜５６ａ及び導電膜５６ｂは、櫛歯状の上面形状、又はスリットが設けられた上面形状を有している場合があるが、ここでは省略する。
本発明の一態様において、導電膜５６ａ及び導電膜５６ｂは、液晶素子の共通電極としての機能も有する。
Ｙ方向に複数配設された導電膜５６ａは、それぞれＸ方向に延在して設けられている。また、Ｙ方向に複数配設された導電膜５６ｂは、Ｙ方向に延在して設けられた導電膜５８によって、電気的に接続されている。図９（Ａ）では、ｍ本の導電膜５６ａと、ｎ本の導電膜５８を有する例を示す。
なお、導電膜５６ａは、Ｘ方向に複数配設されていてもよく、その場合、Ｙ方向に延在して設けられていてもよい。また、Ｘ方向に延在して設けられた導電膜５８によって、Ｘ方向に複数配設された導電膜５６ｂが電気的に接続されていてもよい。
図９（Ｂ）に示すように、検知素子の電極として機能する導電膜５６は、複数の画素６０にわたって設けられる。導電膜５６は、図９（Ａ）の導電膜５６ａ、５６ｂのそれぞれに相当する。画素６０は、それぞれ異なる色を呈する複数の副画素からなる。図９（Ｂ）では、３つの副画素６０ａ、６０ｂ、６０ｃにより、画素６０が構成されている例を示す。
また、検知素子が有する一対の電極は、それぞれ、補助配線と電気的に接続されていることが好ましい。図１０では、導電膜５６ａが補助配線５７ａと電気的に接続されており、かつ、導電膜５６ｂが補助配線５７ｂと電気的に接続されている例を示す。なお、図１０では、導電膜上に補助配線が重ねて設けられている例を示すが、補助配線上に導電膜が重ねて設けられていてもよい。
可視光を透過する導電膜の抵抗値は比較的高い場合がある。そのため、補助配線と電気的に接続させることで、検知素子が有する一対の電極の抵抗をそれぞれ低減することが好ましい。
検知素子が有する一対の電極の抵抗を低減することで、一対の電極の時定数をそれぞれ小さくすることができる。これにより、検知素子の検出感度を向上させ、さらには、検知素子の検出精度を向上させることができる。
書き込み期間では、図１１（Ａ）に示すように、Ｘ方向に延在する導電膜５６ａと、Ｙ方向に延在する導電膜５８（及び導電膜５８と電気的に接続される導電膜５６ｂ）の両方に、共通電位ＶＣＯＭが入力される。一方、検知期間では、図１１（Ｂ）に示すように、Ｙ方向に延在する導電膜５８（及び導電膜５８と電気的に接続される導電膜５６ｂ）の各々は、検出回路と電気的に接続される。また、Ｘ方向に延在する導電膜５６ａはパルス電圧出力回路と電気的に接続され、パルス電圧が入力される。
［画素の上面構成例］
次に、本発明の一態様の入出力装置が有する画素の上面構成例について、図１２〜図１４を用いて説明する。
図１２は、画素の上面図であり、図１３は、図１２における導電膜２５２を点線で示した場合の図である。なお、各層の積層順は、断面構成例１（図１（Ａ）及び図２（Ａ））も参照することができる。
複数の導電膜２５１は、それぞれ島状の上面形状を有し、マトリクス状に配置されている。導電膜２５１は、トランジスタ２０３ａが有するソース又はドレインと電気的に接続されている。
導電膜２５２は、複数の導電膜２５１と重なるように配置されている。導電膜２５２には、スリットが設けられている。また、導電膜２５２は、トランジスタ２０３ａと重なる位置に開口を有する。
ここで、導電膜２５１は、液晶素子の画素電極として機能し、導電膜２５２は、液晶素子の共通電極として機能する。なお、図１２及び図１３では、上側の導電膜２５２が共通電極であり、下側の導電膜２５１が画素電極である例を示すが、上側の導電膜が画素電極であり、下側の導電膜が共通電極であってもよい。
導電膜２５２は、検知素子の電極として機能する。
破線で示す領域２７７では、導電膜２７５と導電膜２５５が電気的に接続されている。導電膜２５５は、導電膜２５２の補助配線としての機能を有し、導電膜２５２と電気的に接続している。導電膜２７５は、トランジスタ２０３ａのソース及びドレインと同一の材料、同一の工程で形成することができる。
Ｙ方向に複数配設された導電膜２５２は、図９（Ａ）等における導電膜５６ｂに相当する。また、Ｙ方向に延在して設けられた導電膜２７５は、図９（Ａ）等における導電膜５８に相当する。Ｙ方向に複数配設された導電膜２５２は、Ｙ方向に延在して設けられた導電膜２５５を介して、導電膜２７５と電気的に接続されている。このとき、導電膜２５２に酸化物導電膜を用いる場合は、導電膜２５２と導電膜２７５を直接接続させるよりも、金属や合金等で形成された導電膜２５５と導電膜２７５を接続し、導電膜２５５を介して、導電膜２５２と導電膜２７５を電気的に接続させる方が、接触抵抗を低減することができ、好ましい。
図１２及び図１３では、画素２７３が３つの副画素を有する例を示すが、本発明の一態様はこれに限られない。
また、図１４（Ａ）、（Ｂ）に、液晶素子の電極の上面形状の例を示す。
液晶素子２０７が有する画素電極と共通電極とは、それぞれ、平板状に限られず、様々な開口パターン（スリットともいう）を有していてもよいし、屈曲部や枝分かれした櫛歯状を含む形状であってもよい。
図１４（Ａ）、（Ｂ）に示す液晶素子２０７は、画素電極として機能することができる導電膜２５１と、共通電極として機能することができる導電膜２５２と、を有する。
図１４（Ａ）、（Ｂ）に示すトランジスタ２０３は、ゲート電極２２１、酸化物半導体膜２２３、ソース電極２２５ａ、及びドレイン電極２２５ｂを有する。導電膜２５１は、ドレイン電極２２５ｂと電気的に接続されている。
図１４（Ａ）では、導電膜２５１がスリットを有する例を示し、図１４（Ｂ）では、導電膜２５１が櫛歯状を含む形状である例を示す。なお、図１４（Ａ）、（Ｂ）では、導電膜２５１が導電膜２５２よりも上側に位置する例を示したが、導電膜２５２が導電膜２５１よりも上側に位置していてもよい。
［タッチパネルモジュール］
次に、本発明の一態様の入出力装置と、ＩＣと、を有するタッチパネルモジュールについて、図１５及び図１６を用いて説明する。
図１５に、タッチパネルモジュール６５００のブロック図を示す。タッチパネルモジュール６５００は、タッチパネル６５１０と、ＩＣ６５２０を有する。タッチパネル６５１０には、本発明の一態様の入出力装置を適用することができる。
タッチパネル６５１０は、表示部６５１１と、入力部６５１２と、走査線駆動回路６５１３を有する。表示部６５１１は、複数の画素、複数の信号線、及び複数の走査線を有し、画像を表示する機能を有する。入力部６５１２は、被検知体のタッチパネル６５１０への接触又は近接を検知する複数の検知素子を有し、タッチセンサとしての機能を有する。走査線駆動回路６５１３は、表示部６５１１が有する走査線に、走査信号を出力する機能を有する。
ここでは説明を容易にするため、タッチパネル６５１０の構成として、表示部６５１１と入力部６５１２を分けて明示しているが、画像を表示する機能と、タッチセンサとしての機能の両方の機能を有する、いわゆるインセル型のタッチパネルとすることが好ましい。本発明の一態様の入出力装置は、インセル型のタッチパネルであるため、好適である。
表示部６５１１は、ＨＤ（画素数１２８０×７２０）、ＦＨＤ（画素数１９２０×１０８０）、ＷＱＨＤ（画素数２５６０×１４４０）、ＷＱＸＧＡ（画素数２５６０×１６００）、４Ｋ（画素数３８４０×２１６０）、８Ｋ（画素数７６８０×４３２０）といった極めて高い解像度を有していることが好ましい。特に４Ｋ、８Ｋ、又はそれ以上の解像度とすることが好ましい。また、表示部６５１１に設けられる画素の画素密度（精細度）が、３００ｐｐｉ以上、好ましくは５００ｐｐｉ以上、より好ましくは８００ｐｐｉ以上、より好ましくは１０００ｐｐｉ以上、より好ましくは１２００ｐｐｉ以上であることが好ましい。このように高い解像度で且つ高い精細度を有する表示部６５１１により、携帯型や家庭用途などのパーソナルユースにおいては、より臨場感や奥行き感などを高めることが可能となる。
ＩＣ６５２０は、回路ユニット６５０１、信号線駆動回路６５０２、センサ駆動回路６５０３、及び検出回路６５０４を有する。回路ユニット６５０１は、タイミングコントローラ６５０５と、画像処理回路６５０６等を有する。
信号線駆動回路６５０２は、表示部６５１１が有する信号線に、アナログ信号である映像信号（ビデオ信号ともいう）を出力する機能を有する。例えば信号線駆動回路６５０２として、シフトレジスタ回路とバッファ回路を組み合わせた構成を有することができる。また、タッチパネル６５１０は、信号線に接続するデマルチプレクサ回路を有していてもよい。
センサ駆動回路６５０３は、入力部６５１２が有する検知素子を駆動する信号を出力する機能を有する。センサ駆動回路６５０３としては、例えばシフトレジスタ回路とバッファ回路を組み合わせた構成を用いることができる。
検出回路６５０４は、入力部６５１２が有する検知素子からの出力信号を回路ユニット６５０１に出力する機能を有する。例えば検出回路６５０４として、増幅回路と、アナログデジタル変換回路（ＡＤＣ：Ａｎａｌｏｇ−Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｏｒ）を有する構成を用いることができる。このとき検出回路６５０４は、入力部６５１２から出力されるアナログ信号を、デジタル信号に変換して回路ユニット６５０１に出力される。
回路ユニット６５０１が有する画像処理回路６５０６は、タッチパネル６５１０の表示部６５１１を駆動する信号を生成して出力する機能と、入力部６５１２を駆動する信号を生成して出力する機能と、入力部６５１２から出力された信号を解析して、ＣＰＵ６５４０に出力する機能と、を有する。
より具体的な例としては、画像処理回路６５０６は、ＣＰＵ６５４０からの命令に従い、映像信号を生成する機能を有する。また画像処理回路６５０６は、表示部６５１１の仕様に合わせて映像信号に信号処理を施し、アナログ映像信号に変換し、信号線駆動回路６５０２に供給する機能を有する。また画像処理回路６５０６は、ＣＰＵ６５４０からの命令に従い、センサ駆動回路６５０３に出力する駆動信号を生成する機能を有する。また、画像処理回路６５０６は、検出回路６５０４から入力された信号を解析し、位置情報としてＣＰＵ６５４０に出力する機能を有する。
またタイミングコントローラ６５０５は、画像処理回路６５０６が処理を施した映像信号等に含まれる同期信号を基に、クロック信号、スタートパルス信号などの信号を生成し、走査線駆動回路６５１３及びセンサ駆動回路６５０３に出力する機能を有する。またタイミングコントローラ６５０５は、検出回路６５０４が信号を出力するタイミングを規定する信号を生成し、出力する機能を有していてもよい。ここで、タイミングコントローラ６５０５は、走査線駆動回路６５１３に出力する信号と、センサ駆動回路６５０３に出力する信号とに、それぞれ同期させた信号を出力することが好ましい。特に、表示部６５１１の画素のデータを書き換える期間と、入力部６５１２でセンシングする期間を、それぞれ分けることが好ましい。例えば、１フレーム期間を、画素のデータを書き換える期間と、センシングする期間とに分けてタッチパネル６５１０を駆動することができる。また、例えば１フレーム期間中に２以上のセンシングの期間を設けることで、検出感度及び検出精度を高めることができる。
画像処理回路６５０６としては、例えばプロセッサを有する構成とすることができる。例えばＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等のマイクロプロセッサを用いることができる。またこれらマイクロプロセッサをＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）やＦＰＡＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ａｎａｌｏｇ Ａｒｒａｙ）といったＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）によって実現した構成としてもよい。プロセッサにより種々のプログラムからの命令を解釈し実行することで、各種のデータ処理やプログラム制御を行う。プロセッサにより実行しうるプログラムは、プロセッサが有するメモリ領域に格納されていてもよいし、別途設けられる記憶装置に格納されていてもよい。
なお、タッチパネル６５１０が有する表示部６５１１もしくは走査線駆動回路６５１３、ＩＣ６５２０が有する回路ユニット６５０１、信号線駆動回路６５０２、センサ駆動回路６５０３、もしくは検出回路６５０４、又は外部に設けられるＣＰＵ６５４０等に、チャネル形成領域に酸化物半導体を用い、極めて低いオフ電流が実現されたトランジスタを利用することもできる。当該トランジスタは、オフ電流が極めて低いため、当該トランジスタを記憶素子として機能する容量素子に流入した電荷（データ）を保持するためのスイッチとして用いることで、データの保持期間を長期にわたり確保することができる。例えばこの特性を画像処理回路６５０６のレジスタ及びキャッシュメモリの少なくとも一方に用いることで、必要なときだけ画像処理回路６５０６を動作させ、他の場合には直前の処理の情報を当該記憶素子に待避させることにより、ノーマリーオフコンピューティングが可能となり、タッチパネルモジュール６５００、及びこれが実装される電子機器の低消費電力化を図ることができる。
なお、ここでは回路ユニット６５０１がタイミングコントローラ６５０５と画像処理回路６５０６を有する構成としたが、画像処理回路６５０６自体、又は画像処理回路６５０６の一部の機能を有する回路を、外部に設けてもよい。または、画像処理回路６５０６の機能、又は一部の機能をＣＰＵ６５４０が担ってもよい。例えば回路ユニット６５０１が信号線駆動回路６５０２、センサ駆動回路６５０３、検出回路６５０４、及びタイミングコントローラ６５０５を有する構成とすることもできる。
なお、ここではＩＣ６５２０が回路ユニット６５０１を含む例を示したが、回路ユニット６５０１はＩＣ６５２０に含まれない構成とすることもできる。この時、ＩＣ６５２０は信号線駆動回路６５０２、センサ駆動回路６５０３、及び検出回路６５０４を有する構成とすることができる。例えばタッチパネルモジュール６５００にＩＣを複数実装する場合には、回路ユニット６５０１をタッチパネルモジュール６５００の外部に設け、回路ユニット６５０１を有さないＩＣ６５２０を複数配置することもできるし、ＩＣ６５２０と、信号線駆動回路６５０２のみを有するＩＣを組み合わせて配置することもできる。
このように、タッチパネル６５１０の表示部６５１１を駆動する機能と、入力部６５１２を駆動する機能と、を１つのＩＣに組み込んだ構成とすることで、タッチパネルモジュール６５００に実装するＩＣの数を減らすことができるため、コストを低減することができる。
図１６（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、ＩＣ６５２０を実装したタッチパネルモジュール６５００の概略図である。
図１６（Ａ）では、タッチパネルモジュール６５００は、基板６５３１、対向基板６５３２、複数のＦＰＣ６５３３、ＩＣ６５２０、ＩＣ６５３０等を有する。また基板６５３１と対向基板６５３２との間に表示部６５１１、入力部６５１２、及び走査線駆動回路６５１３を有している。ＩＣ６５２０及びＩＣ６５３０は、ＣＯＧ方式などの実装方式により基板６５３１に実装されている。
ＩＣ６５３０は、上述したＩＣ６５２０において、信号線駆動回路６５０２のみ、又は信号線駆動回路６５０２及び回路ユニット６５０１を有するＩＣである。ＩＣ６５２０及びＩＣ６５３０には、ＦＰＣ６５３３を介して外部から信号が供給される。またＦＰＣ６５３３を介してＩＣ６５２０及びＩＣ６５３０の少なくとも一方から外部に信号を出力することができる。
図１６（Ａ）では表示部６５１１を挟むように走査線駆動回路６５１３を２つ設ける構成の例を示している。またＩＣ６５２０に加えてＩＣ６５３０を有する構成を示している。このような構成は、表示部６５１１として極めて高解像度の場合に、好適に用いることができる。
図１６（Ｂ）は、１つのＩＣ６５２０と１つのＦＰＣ６５３３を実装した例を示している。このように、機能を１つのＩＣ６５２０に集約させることで、部品点数を減らすことができるため好ましい。また図１６（Ｂ）では、走査線駆動回路６５１３を表示部６５１１の２つの短辺のうち、ＦＰＣ６５３３に近い側の辺に沿って配置した例を示している。
図１６（Ｃ）は、画像処理回路６５０６等が実装されたＰＣＢ（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）６５３４を有する構成の例を示している。基板６５３１上のＩＣ６５２０及びＩＣ６５３０と、ＰＣＢ６５３４とは、ＦＰＣ６５３３によって電気的に接続されている。ここで、ＩＣ６５２０には、上述の画像処理回路６５０６を有さない構成を適用することができる。
なお図１６の各図において、ＩＣ６５２０及びＩＣ６５３０は、それぞれ、基板６５３１ではなくＦＰＣ６５３３に実装されていてもよい。例えばＩＣ６５２０及びＩＣ６５３０をＣＯＦ方式またはＴＡＢ方式などの実装方式によりＦＰＣ６５３３に実装することができる。
図１６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、表示部６５１１の短辺側にＦＰＣ６５３３及びＩＣ６５２０（及びＩＣ６５３０）等を配置する構成は狭額縁化が可能であるため、例えばスマートフォン、携帯電話、又はタブレット端末などの電子機器に好適に用いることができる。また、図１６（Ｃ）に示すようなＰＣＢ６５３４を用いる構成は、例えばテレビジョン装置、モニタ装置、タブレット端末、又はノート型のパーソナルコンピュータなどに好適に用いることができる。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様の入出力装置の作製方法について図１７〜図２１を用いて説明する。本実施の形態では、トランジスタの作製方法を主に説明する。なお、各層の材料については、実施の形態１の記載を参照することができる。
まず、基板２１１上にゲート電極２２１を形成する。その後、基板２１１及びゲート電極２２１上に絶縁膜１０６、１０７を含む絶縁膜２１３を形成する（図１７（Ａ））。
本実施の形態では、基板２１１としてガラス基板を用い、ゲート電極２２１としてタングステン膜を用い、絶縁膜１０６として、水素を放出することが可能な窒化シリコン膜を用い、絶縁膜１０７として、酸素を放出することが可能な酸化シリコン膜を用いる。
絶縁膜１０６は、酸素の透過を抑制するブロッキング膜としての機能を有する。例えば、絶縁膜１０７、絶縁膜２１５、絶縁膜２１７、及び酸化物半導体膜２２３の少なくともいずれか一層に過剰の酸素を供給する場合において、絶縁膜１０６は酸素の透過を抑制することができる。
なお、トランジスタのチャネル領域として機能する酸化物半導体膜２２３と接する絶縁膜１０７は、酸化物絶縁膜であることが好ましく、化学量論的組成よりも過剰に酸素を含有する領域（酸素過剰領域）を有することがより好ましい。別言すると、絶縁膜１０７は、酸素を放出することが可能な絶縁膜である。なお、絶縁膜１０７に酸素過剰領域を設けるには、例えば、酸素雰囲気下にて絶縁膜１０７を形成することができる。または、成膜後の絶縁膜１０７に酸素を導入して、酸素過剰領域を形成してもよい。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理等を用いることができる。
また、絶縁膜１０６及び絶縁膜１０７の一方又は双方に、酸化ハフニウムを用いる場合、以下の効果を奏する。酸化ハフニウムは、酸化シリコンや酸化窒化シリコンと比べて比誘電率が高い。したがって、酸化シリコンを用いた場合と比べて、絶縁膜１０６及び絶縁膜１０７の一方又は双方の膜厚を大きくできるため、トンネル電流によるリーク電流を小さくすることができる。すなわち、オフ電流の小さいトランジスタを実現することができる。さらに、結晶構造を有する酸化ハフニウムは、非晶質構造を有する酸化ハフニウムと比べて高い比誘電率を備える。したがって、オフ電流の小さいトランジスタとするためには、結晶構造を有する酸化ハフニウムを用いることが好ましい。結晶構造の例としては、単斜晶系や立方晶系などが挙げられる。ただし、本発明の一態様は、これらに限定されない。
なお、本実施の形態では、絶縁膜１０６として窒化シリコン膜を形成し、絶縁膜１０７として酸化シリコン膜を形成する。窒化シリコン膜は、酸化シリコン膜と比較して比誘電率が高く、酸化シリコン膜と同等の静電容量を得るのに必要な膜厚が大きい。トランジスタのゲート絶縁膜として機能する絶縁膜２１３として、窒化シリコン膜を含むことで絶縁膜を物理的に厚膜化することができる。よって、トランジスタの絶縁耐圧の低下を抑制、さらには絶縁耐圧を向上させて、トランジスタの静電破壊を抑制することができる。
ゲート電極２２１は、基板２１１上に導電膜を成膜後、該導電膜の所望の領域が残るようにパターニングし、その後不要な領域をエッチングすることで形成できる。
次に、絶縁膜２１３上のゲート電極２２１と重畳する位置に酸化物半導体膜２２３を形成する（図１７（Ｂ））。
本実施の形態では、酸化物半導体膜２２３として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物膜（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２［原子数比］の金属酸化物ターゲットを使用。）を用いる。
また、酸化物半導体膜２２３は、絶縁膜２１３上に酸化物半導体膜を成膜後、該酸化物半導体膜の所望の領域が残るようにパターニングし、その後不要な領域をエッチングすることで形成できる。
酸化物半導体膜２２３を形成後、熱処理を行うと好ましい。該熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、より好ましくは３５０℃以上４５０℃以下の温度で、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上含む雰囲気、又は減圧雰囲気で行えばよい。また、熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気で熱処理を行った後に、酸化物半導体膜２２３から脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上含む雰囲気で行ってもよい。ここでの熱処理によって、絶縁膜１０６、１０７、及び酸化物半導体膜２２３の少なくとも１つから水素や水などの不純物を除去することができる。なお、該熱処理は、酸化物半導体膜２２３を島状に加工する前に行ってもよい。
なお、酸化物半導体膜２２３をチャネル領域とするトランジスタに安定した電気特性を付与するためには、酸化物半導体膜２２３中の不純物を低減し、酸化物半導体膜２２３を真性又は実質的に真性にすることが有効である。
次に、絶縁膜２１３及び酸化物半導体膜２２３上に導電膜を成膜し、該導電膜の所望の領域が残るようにパターニングし、その後不要な領域をエッチングすることで、絶縁膜２１３及び酸化物半導体膜２２３上にソース電極２２５ａ及びドレイン電極２２５ｂを形成する（図１７（Ｃ））。
本実施の形態では、ソース電極２２５ａ及びドレイン電極２２５ｂとしては、タングステン膜と、アルミニウム膜と、チタン膜との３層の積層構造を用いる。
また、ソース電極２２５ａ及びドレイン電極２２５ｂの形成後に、酸化物半導体膜２２３の表面を洗浄してもよい。当該洗浄方法としては、例えば、リン酸等の薬液を用いた洗浄が挙げられる。リン酸等の薬液を用いて洗浄を行うことで、酸化物半導体膜２２３の表面に付着した不純物（例えば、ソース電極２２５ａ及びドレイン電極２２５ｂに含まれる元素等）を除去することができる。なお、当該洗浄を必ずしも行う必要はなく、場合によっては、洗浄を行わなくてもよい。
また、ソース電極２２５ａ及びドレイン電極２２５ｂを形成する工程及び上記洗浄工程のいずれか一方又は双方において、酸化物半導体膜２２３のソース電極２２５ａ及びドレイン電極２２５ｂから露出した領域が、薄くなる場合がある。
次に、絶縁膜２１３、酸化物半導体膜２２３、ソース電極２２５ａ、及びドレイン電極２２５ｂ上に絶縁膜１１４、１１６を含む絶縁膜２１５を形成する。そして、絶縁膜２１５の所望の領域が残るようにパターニングし、その後不要な領域をエッチングすることで開口１４１を形成する（図１７（Ｄ））。
なお、絶縁膜１１４を形成した後、大気に曝すことなく、連続的に絶縁膜１１６を形成することが好ましい。絶縁膜１１４を形成後、大気開放せず、原料ガスの流量、圧力、高周波電力及び基板温度の一以上を調整して、絶縁膜１１６を連続的に形成することで、絶縁膜１１４と絶縁膜１１６との界面において大気成分由来の不純物濃度を低減することができるとともに、絶縁膜１１４、１１６に含まれる酸素を酸化物半導体膜２２３に移動させることが可能となり、酸化物半導体膜２２３の酸素欠損量を低減することが可能となる。
また、絶縁膜１１６の形成工程において、絶縁膜１１４が酸化物半導体膜２２３の保護膜となる。したがって、酸化物半導体膜２２３へのダメージを低減しつつ、パワー密度の高い高周波電力を用いて絶縁膜１１６を形成することができる。
本実施の形態では、絶縁膜１１４、１１６として、酸素を放出することが可能な酸化窒化シリコン膜を用いる。
トランジスタのチャネル領域として機能する酸化物半導体膜２２３と接する絶縁膜１１４は、酸化物絶縁膜であることが好ましく、酸素を放出することが可能な絶縁膜を用いる。酸素を放出することが可能な絶縁膜を別言すると、化学量論的組成よりも過剰に酸素を含有する領域（酸素過剰領域）を有する絶縁膜である。なお、絶縁膜１１４に酸素過剰領域を設けるには、例えば、酸素雰囲気下にて絶縁膜１１４を形成することができる。または、成膜後の絶縁膜１１４に酸素を導入して、酸素過剰領域を形成してもよい。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理等を用いることができる。
絶縁膜１１４として、酸素を放出することが可能な絶縁膜を用いることで、トランジスタのチャネル領域として機能する酸化物半導体膜２２３に酸素を移動させ、酸化物半導体膜２２３の酸素欠損量を低減することが可能となる。例えば、昇温脱離ガス分析（以下、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析とする。）によって測定される、膜の表面温度が１００℃以上７００℃以下、又は１００℃以上５００℃以下の範囲における酸素分子の放出量が、１．０×１０１８分子／ｃｍ３以上である絶縁膜を用いることで、酸化物半導体膜２２３に含まれる酸素欠損量を低減することができる。
また、絶縁膜１１４は、欠陥量が少ないことが好ましく、代表的には、ＥＳＲ測定により、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝２．００１に現れる信号のスピン密度が３×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。これは、絶縁膜１１４に含まれる欠陥密度が多いと、当該欠陥に酸素が結合してしまい、絶縁膜１１４における酸素の透過量が減少してしまうためである。また、絶縁膜１１４と酸化物半導体膜２２３との界面における欠陥量が少ないことが好ましく、代表的には、ＥＳＲ測定により、酸化物半導体膜２２３の欠陥に由来するｇ値が１．８９以上１．９６以下に現れる信号のスピン密度が１×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下、さらには検出下限以下であることが好ましい。
なお、絶縁膜１１４においては、外部から絶縁膜１１４に入った酸素が全て絶縁膜１１４の外部に移動する場合がある。または、外部から絶縁膜１１４に入った酸素の一部が、絶縁膜１１４にとどまる場合もある。また、外部から絶縁膜１１４に酸素が入ると共に、絶縁膜１１４に含まれる酸素が絶縁膜１１４の外部へ移動することで、絶縁膜１１４において酸素の移動が生じる場合もある。絶縁膜１１４として酸素を透過することができる酸化物絶縁膜を形成すると、絶縁膜１１４上に設けられる、絶縁膜１１６から脱離する酸素を、絶縁膜１１４を介して酸化物半導体膜２２３に移動させることができる。
また、絶縁膜１１４は、窒素酸化物に起因する準位密度が低い酸化物絶縁膜を用いて形成することができる。なお、当該窒素酸化物に起因する準位密度は、酸化物半導体膜の価電子帯の上端のエネルギー（ＥＶ＿ＯＳ）と酸化物半導体膜の伝導帯の下端のエネルギー（ＥＣ＿ＯＳ）の間に形成され得る場合がある。上記酸化物絶縁膜として、窒素酸化物の放出量が少ない酸化窒化シリコン膜、又は窒素酸化物の放出量が少ない酸化窒化アルミニウム膜等を用いることができる。
なお、窒素酸化物の放出量の少ない酸化窒化シリコン膜は、ＴＤＳ分析において、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分子の放出量が１×１０１８分子／ｃｍ３以上５×１０１９分子／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。
窒素酸化物（ＮＯｘ、ｘは０より大きく２以下、好ましくは１以上２以下）、代表的にはＮＯ２又はＮＯは、絶縁膜１１４などに準位を形成する。当該準位は、酸化物半導体膜２２３のエネルギーギャップ内に位置する。そのため、窒素酸化物が、絶縁膜１１４及び酸化物半導体膜２２３の界面に拡散すると、当該準位が絶縁膜１１４側において電子をトラップする場合がある。この結果、トラップされた電子が、絶縁膜１１４及び酸化物半導体膜２２３界面近傍に留まるため、トランジスタのしきい値電圧をプラス方向にシフトさせてしまう。
また、窒素酸化物は、加熱処理においてアンモニア及び酸素と反応する。絶縁膜１１４に含まれる窒素酸化物は、加熱処理において、絶縁膜１１６に含まれるアンモニアと反応するため、絶縁膜１１４に含まれる窒素酸化物が低減される。このため、絶縁膜１１４及び酸化物半導体膜２２３の界面において、電子がトラップされにくい。
絶縁膜１１４として、上記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４００℃未満又は３７５℃未満（好ましくは、３４０℃以上３６０℃以下）の加熱処理により、絶縁膜１１４は、１００Ｋ以下のＥＳＲで測定して得られたスペクトルにおいてｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１のシグナル、ｇ値が２．００１以上２．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下の第３のシグナルが観測される。なお、第１のシグナル及び第２のシグナルのスプリット幅、並びに第２のシグナル及び第３のシグナルのスプリット幅は、ＸバンドのＥＳＲ測定において約５ｍＴである。また、ｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１のシグナル、ｇ値が２．００１以上２．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下の第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、窒素酸化物（ＮＯｘ、ｘは０より大きく２以下、好ましくは１以上２以下）起因のシグナルに相当する。窒素酸化物の代表例としては、一酸化窒素、二酸化窒素等がある。即ち、ｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１のシグナル、ｇ値が２．００１以上２．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下の第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、上記酸化物絶縁膜は、ＳＩＭＳで測定される窒素濃度が６×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。
基板温度が２２０℃以上３５０℃以下であり、シラン及び一酸化二窒素を用いたＰＥＣＶＤ法を用いて、上記酸化物絶縁膜を形成することで、緻密であり、且つ硬度の高い膜を形成することができる。
絶縁膜１１４に接するように形成される絶縁膜１１６は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を用いて形成する。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜は、加熱により酸素の一部が脱離する。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜は、ＴＤＳ分析にて、酸素原子に換算しての酸素の放出量が１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である酸化物絶縁膜である。なお、上記ＴＤＳ分析における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、又は１００℃以上５００℃以下の範囲が好ましい。
また、絶縁膜１１６は、欠陥量が少ないことが好ましく、代表的には、ＥＳＲ測定により、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝２．００１に現れる信号のスピン密度が１．５×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満、更には１×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。なお、絶縁膜１１６は、絶縁膜１１４と比較して酸化物半導体膜２２３から離れているため、絶縁膜１１４より、欠陥密度が多くともよい。
絶縁膜１１４の厚さは、５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下とすることができる。絶縁膜１１６の厚さは、３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは１５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下とすることができる。
また、絶縁膜１１４及び絶縁膜１１６は、同種の材料の絶縁膜を用いることができるため、絶縁膜１１４と絶縁膜１１６の界面が明確に確認できない場合がある。したがって、本実施の形態においては、絶縁膜１１４と絶縁膜１１６の界面は、破線で図示している。なお、本実施の形態においては、絶縁膜１１４と絶縁膜１１６の２層構造について説明したが、これに限定されず、例えば、絶縁膜１１４の単層構造、絶縁膜１１６の単層構造、又は３層以上の積層構造としてもよい。
また、絶縁膜１１４、１１６を成膜した後に、加熱処理（以下、第１の加熱処理とする）を行うと好適である。第１の加熱処理により、絶縁膜１１４、１１６に含まれる窒素酸化物を低減することができる。または、第１の加熱処理により、絶縁膜１１４、１１６に含まれる酸素の一部を酸化物半導体膜２２３に移動させ、酸化物半導体膜２２３に含まれる酸素欠損量を低減することができる。
第１の加熱処理の温度は、代表的には、４００℃未満、好ましくは３７５℃未満、さらに好ましくは、１５０℃以上３５０℃以下とする。第１の加熱処理は、窒素、酸素、超乾燥空気（水の含有量が２０ｐｐｍ以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、さらに好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）、又は希ガス（アルゴン、ヘリウム等）の雰囲気下で行えばよい。なお、上記窒素、酸素、超乾燥空気、又は希ガスに水素、水等が含まれないことが好ましい。該加熱処理には、電気炉、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）等を用いることができる。
開口１４１としては、ドレイン電極２２５ｂが露出するように形成する。開口１４１の形成方法としては、例えば、ドライエッチング法を用いることができる。ただし、開口１４１の形成方法としては、これに限定されず、ウエットエッチング法、又はドライエッチング法とウエットエッチング法を組み合わせた形成方法としてもよい。なお、開口１４１を形成するためのエッチング工程によって、ドレイン電極２２５ｂの膜厚が減少する場合がある。
次に、開口１４１を覆うように、絶縁膜１１６上に、後に酸化物導電膜２２７となる酸化物半導体膜を形成する（図１８（Ａ）、（Ｂ））。
なお、図１８（Ａ）は、絶縁膜１１６上に酸化物半導体膜を形成する際の、成膜装置内部の断面模式図である。図１８（Ａ）では、成膜装置としてスパッタリング装置を用い、当該スパッタリング装置内部に設置されたターゲット１９３と、ターゲット１９３の下方に形成されたプラズマ１９４とが、模式的に表されている。
まず、酸化物半導体膜を形成する際に、第３の酸素ガスを含む雰囲気にてプラズマを放電させる。その際に、酸化物半導体膜の被形成面となる絶縁膜１１６中に、酸素が添加される。また、酸化物半導体膜を形成する際に、第３の酸素ガスの他に、不活性ガス（例えば、ヘリウムガス、アルゴンガス、キセノンガスなど）を混合させてもよい。例えば、アルゴンガスと、第３の酸素ガスと、を用い、アルゴンガスの流量よりも第３の酸素ガスの流量を多くするのが好ましい。第３の酸素ガスの流量を多くすることで、好適に絶縁膜１１６に酸素を添加することができる。一例としては、酸化物半導体膜の形成条件としては、成膜ガス全体に占める第３の酸素ガスの割合を、５０％以上１００％以下、好ましくは、８０％以上１００％以下とすることができる。
なお、図１８（Ａ）において、絶縁膜１１６に添加される酸素又は過剰酸素を模式的に破線の矢印で表している。
また、酸化物半導体膜を成膜する際の基板温度としては、室温以上３４０℃未満、好ましくは室温以上３００℃以下、より好ましくは１００℃以上２５０℃以下、さらに好ましくは１００℃以上２００℃以下である。酸化物半導体膜を加熱して成膜することで、酸化物半導体膜の結晶性を高めることができる。一方で、基板２１１として、大型のガラス基板（例えば、第６世代〜第１０世代）を用いる場合、酸化物半導体膜を成膜する際の基板温度を１５０℃以上３４０℃未満とした場合、基板２１１が変形する（歪む又は反る）場合がある。よって、大型のガラス基板を用いる場合においては、酸化物半導体膜の成膜する際の基板温度を１００℃以上１５０℃未満とすることで、ガラス基板の変形を抑制することができる。
本実施の形態では、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：６［原子数比］）を用いて、スパッタリング法により酸化物半導体膜を形成する。
次に、該酸化物半導体膜を所望の形状に加工することで、島状の酸化物半導体膜２２７ａを形成する（図１８（Ｃ））。
酸化物半導体膜２２７ａは、絶縁膜１１６上に酸化物半導体膜を成膜後、該酸化物半導体膜の所望の領域が残るようにパターニングし、その後不要な領域をエッチングすることで形成できる。
次に、絶縁膜１１６及び酸化物半導体膜２２７ａ上に絶縁膜２１７を形成する（図１９（Ａ））。
絶縁膜２１７は、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等をブロッキングできる機能を有する。絶縁膜２１７を設けることで、酸化物半導体膜２２３からの酸素の外部への拡散と、絶縁膜２１５に含まれる酸素の外部への拡散と、外部から酸化物半導体膜２２３への水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等の入り込みを防ぐことができる。
絶縁膜２１７は、水素及び窒素のいずれか一方又は双方を有することが好ましい。絶縁膜２１７としては、例えば、窒化シリコン膜を用いると好適である。また、絶縁膜２１７としては、例えば、スパッタリング法又はＰＥＣＶＤ法を用いて形成することができる。例えば、絶縁膜２１７をＰＥＣＶＤ法で成膜する場合、基板温度は４００℃未満、好ましくは３７５℃未満、さらに好ましくは１８０℃以上３５０℃以下である。絶縁膜２１７を成膜する場合の基板温度を、上述の範囲にすることで、緻密な膜を形成できるため好ましい。また、絶縁膜２１７を成膜する場合の基板温度を、上述の範囲にすることで、絶縁膜１１４、１１６中の酸素又は過剰酸素を、酸化物半導体膜２２３に移動させることが可能となる。
なお、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキング効果を有する窒化物絶縁膜の代わりに、酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜を設けてもよい。酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜としては、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等がある。
また、絶縁膜２１７の形成後に、先に記載の第１の加熱処理と同等の加熱処理（以下、第２の加熱処理とする）を行ってもよい。このように、酸化物導電膜２２７となる酸化物半導体膜の成膜の際に絶縁膜１１６に酸素を添加した後に、４００℃未満、好ましくは３７５℃未満、さらに好ましくは１８０℃以上３５０℃以下の温度で、加熱処理を行うことで、絶縁膜１１６中の酸素又は過剰酸素を酸化物半導体膜２２３中に移動させ、酸化物半導体膜２２３中の酸素欠損を補填することができる。
ここで、酸化物半導体膜２２３中に移動する酸素について、図２０を用いて説明を行う。図２０は、絶縁膜２１７成膜時の基板温度（代表的には３７５℃未満）、又は絶縁膜２１７の形成後の第２の加熱処理（代表的には３７５℃未満）によって、酸化物半導体膜２２３中に移動する酸素を表すモデル図である。図２０中において、酸化物半導体膜２２３中に移動する酸素（酸素ラジカル、酸素原子、又は酸素分子）を破線の矢印で表している。なお、図２０は絶縁膜２１７成膜後の、トランジスタ近傍の断面図である。
図２０に示す酸化物半導体膜２２３は、酸化物半導体膜２２３に接する膜（ここでは、絶縁膜１０７及び絶縁膜１１４）から酸素が移動することで、酸素欠損が補填される。特に、本発明の一態様の入出力装置において、酸化物半導体膜２２３となる酸化物半導体膜のスパッタリング成膜時に、酸素ガスを用い、絶縁膜１０７中に酸素を添加する場合、絶縁膜１０７は過剰酸素領域を有する。また、酸化物導電膜２２７となる酸化物半導体膜のスパッタリング成膜時に、酸素ガスを用い、絶縁膜１１６中に酸素を添加するため、絶縁膜１１６は過剰酸素領域を有する。よって、該過剰酸素領域を有する絶縁膜に挟まれた酸化物半導体膜２２３は、酸素欠損が好適に補填される。
また、絶縁膜１０７の下方には、絶縁膜１０６が設けられており、絶縁膜１１４、１１６の上方には、絶縁膜２１７が設けられている。絶縁膜１０６、２１７を酸素透過性が低い材料、例えば、窒化シリコン等により形成することで、絶縁膜１０７、１１４、１１６中に含まれる酸素を酸化物半導体膜２２３側に閉じ込めることができるため、好適に酸化物半導体膜２２３に酸素を移動させることが可能となる。
また、絶縁膜２１７は、酸化物導電膜２２７の抵抗率を低下させる機能を有することが好ましい。
水素及び窒素のいずれか一方又は双方を有する絶縁膜２１７を形成することで、絶縁膜２１７に接する酸化物半導体膜２２７ａは、水素及び窒素のいずれか一方又は双方が添加される。これにより、酸化物半導体膜２２７ａは、キャリア密度が高くなり、酸化物導電膜として機能することができる。
なお、酸化物半導体膜２２７ａの抵抗率の低下に伴い、図１９（Ａ）以降は、酸化物導電膜２２７として図示している。
酸化物導電膜２２７の抵抗率は、少なくとも酸化物半導体膜２２３よりも低く、好ましくは、１×１０−３Ωｃｍ以上１×１０４Ωｃｍ未満、さらに好ましくは、１×１０−３Ωｃｍ以上１×１０−１Ωｃｍ未満であるとよい。
次に、絶縁膜２１７上に絶縁膜２１９を形成し、絶縁膜２１７、２１９の所望の領域が残るようにパターニングし、その後不要な領域をエッチングすることで開口１４２を形成する（図１９（Ｂ））。
本実施の形態では、絶縁膜２１９としてアクリル樹脂を用いる。
開口１４２としては、ドレイン電極２２５ｂが露出するように形成する。開口１４２の形成方法としては、例えば、ドライエッチング法を用いることができる。ただし、開口１４２の形成方法としては、これに限定されず、ウエットエッチング法、又はドライエッチング法とウエットエッチング法を組み合わせた形成方法としてもよい。なお、開口１４２を形成するためのエッチング工程によって、ドレイン電極２２５ｂの膜厚が減少する場合がある。
なお、前述の開口１４１を形成する工程を行わずに、開口１４２の形成する工程において絶縁膜１１４、１１６、２１７、２１９に開口を連続して形成してもよい。このような工程とすることで、本発明の一態様の入出力装置の作製工程を減らすことが可能となるため、製造コストを抑制することができる。
次に、開口１４２を覆うように、絶縁膜２１９上に導電膜を成膜し、該導電膜の所望の領域が残るようにパターニングし、その後不要な領域をエッチングすることで、導電膜２５１を形成する。さらに、導電膜２５１上に絶縁膜２５３を形成する。次に、絶縁膜２５３上に導電膜を成膜し、該導電膜の所望の領域が残るようにパターニングし、その後不要な領域をエッチングすることで、導電膜２５５を形成する。そして、絶縁膜２５３及び導電膜２５５上に導電膜を成膜し、該導電膜の所望の領域が残るようにパターニングし、その後不要な領域をエッチングすることで、導電膜２５２を形成する（図１９（Ｃ））。
本実施の形態では、導電膜２５１及び導電膜２５２としてＩＴＯ膜を用い、絶縁膜２５３として窒化シリコン膜を用い、導電膜２５５として銀とパラジウムと銅の合金（Ａｇ−Ｐｄ−Ｃｕ、ＡＰＣとも記す）膜を用いる。
導電膜２５２と導電膜２５５との形成順序は問わないが、導電膜２５５を、導電膜２５２よりも先に形成することが好ましい。導電膜２５５のエッチングにより、導電膜２５２がダメージを受けること等を抑制することができる。
なお、酸化物導電膜２２７と同様の方法で、酸化物半導体膜を用いて導電膜２５１を形成してもよい。このとき、導電膜２５１上に形成する絶縁膜２５３としては、絶縁膜２１７に用いることができる材料を適用することができる。また、酸化物半導体膜を形成し、該酸化物半導体膜の抵抗率を低下させる処理を施すことで、導電膜２５２を形成してもよい。
以上の工程によって、図４に示すトランジスタ２０３ｂと、液晶素子の一対の電極と、を作製することができる。
なお、図１９（Ｃ）には絶縁膜２１９を設ける構成を示したが、絶縁膜２１９を設けない構成としてもよい（図２１）。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態３）
本実施の形態では、本発明の一態様の入出力装置に用いることができるトランジスタについて図２２〜図２５を用いて説明する。なお、各層の材料については、実施の形態１の記載を参照することができる。
＜トランジスタの構成例１＞
図２２（Ａ）は、トランジスタ２７０の上面図であり、図２２（Ｂ）は、図２２（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２間の断面図であり、図２２（Ｃ）は、一点鎖線Ｂ１−Ｂ２間の断面図である。なお、一点鎖線Ａ１−Ａ２方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｂ１−Ｂ２方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
トランジスタ２７０は、基板５０２上の第１のゲート電極として機能する導電膜５０４と、基板５０２及び導電膜５０４上の絶縁膜５０６と、絶縁膜５０６上の絶縁膜５０７と、絶縁膜５０７上の酸化物半導体膜５０８と、酸化物半導体膜５０８に電気的に接続されるソース電極として機能する導電膜５１２ａと、酸化物半導体膜５０８に電気的に接続されるドレイン電極として機能する導電膜５１２ｂと、酸化物半導体膜５０８、導電膜５１２ａ及び導電膜５１２ｂ上の絶縁膜５１４、５１６と、絶縁膜５１６上の酸化物導電膜５１１ｂと、を有する。また、酸化物導電膜５１１ｂ上に絶縁膜５１８が設けられる。
トランジスタ２７０において、絶縁膜５１４及び絶縁膜５１６は、トランジスタ２７０の第２のゲート絶縁膜としての機能を有する。また、酸化物半導体膜５１１ａは、絶縁膜５１４及び絶縁膜５１６に設けられる開口部５５２ｃを介して、導電膜５１２ｂと接続される。酸化物半導体膜５１１ａは、例えば、表示素子の画素電極としての機能を有する。また、トランジスタ２７０において、酸化物導電膜５１１ｂは、第２のゲート電極（バックゲート電極ともいう）として機能する。
また、図２２（Ｃ）に示すように酸化物導電膜５１１ｂは、絶縁膜５０６、５０７、絶縁膜５１４及び絶縁膜５１６に設けられる開口部５５２ａ、５５２ｂにおいて、第１のゲート電極として機能する導電膜５０４に接続される。よって、導電膜５０４と酸化物導電膜５１１ｂとは、同じ電位が与えられる。
なお、本実施の形態においては、開口部５５２ａ、５５２ｂを設け、酸化物導電膜５１１ｂと導電膜５０４を接続する構成について例示したが、これに限定されない。例えば、開口部５５２ａ又は開口部５５２ｂのいずれか一方の開口部のみを形成し、酸化物導電膜５１１ｂと導電膜５０４を接続する構成、又は開口部５５２ａ及び開口部５５２ｂを設けずに、酸化物導電膜５１１ｂと導電膜５０４を接続しない構成としてもよい。なお、酸化物導電膜５１１ｂと導電膜５０４を接続しない構成の場合、酸化物導電膜５１１ｂと導電膜５０４には、それぞれ異なる電位を与えることができる。
また、図２２（Ｂ）に示すように、酸化物半導体膜５０８は、第１のゲート電極として機能する導電膜５０４と、第２のゲート電極として機能する酸化物導電膜５１１ｂのそれぞれと対向するように位置し、２つのゲート電極として機能する導電膜に挟まれている。第２のゲート電極として機能する酸化物導電膜５１１ｂのチャネル長方向の長さ及びチャネル幅方向の長さは、酸化物半導体膜５０８のチャネル長方向の長さ及びチャネル幅方向の長さよりもそれぞれ長く、酸化物半導体膜５０８の全体は、絶縁膜５１４及び絶縁膜５１６を介して酸化物導電膜５１１ｂに覆われている。また、第２のゲート電極として機能する酸化物導電膜５１１ｂと第１のゲート電極として機能する導電膜５０４とは、絶縁膜５０６、５０７、絶縁膜５１４及び絶縁膜５１６に設けられる開口部５５２ａ、５５２ｂにおいて接続されるため、酸化物半導体膜５０８のチャネル幅方向の側面は、絶縁膜５１４及び絶縁膜５１６を介して第２のゲート電極として機能する酸化物導電膜５１１ｂと対向している。
別言すると、トランジスタ２７０のチャネル幅方向において、第１のゲート電極として機能する導電膜５０４及び第２のゲート電極として機能する酸化物導電膜５１１ｂは、ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜５０６、５０７及び第２のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜５１４及び絶縁膜５１６に設けられる開口部において接続すると共に、ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜５０６、５０７並びに第２のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜５１４及び絶縁膜５１６を介して酸化物半導体膜５０８を囲む構成である。
このような構成を有することで、トランジスタ２７０に含まれる酸化物半導体膜５０８を、第１のゲート電極として機能する導電膜５０４及び第２のゲート電極として機能する酸化物導電膜５１１ｂの電界によって電気的に囲むことができる。トランジスタ２７０のように、第１のゲート電極及び第２のゲート電極の電界によって、チャネル領域が形成される酸化物半導体膜を電気的に囲むトランジスタのデバイス構造をｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ（ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造と呼ぶことができる。
トランジスタ２７０は、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有するため、第１のゲート電極として機能する導電膜５０４によってチャネルを誘起させるための電界を効果的に酸化物半導体膜５０８に印加することができるため、トランジスタ２７０の電流駆動能力が向上し、高いオン電流特性を得ることが可能となる。また、オン電流を高くすることが可能であるため、トランジスタ２７０を微細化することが可能となる。また、トランジスタ２７０は、第１のゲート電極として機能する導電膜５０４及び第２のゲート電極として機能する酸化物導電膜５１１ｂによって囲まれた構造を有するため、トランジスタ２７０の機械的強度を高めることができる。
＜トランジスタの構成例２＞
図２３（Ａ）、（Ｂ）は、図２２（Ｂ）、（Ｃ）に示すトランジスタ２７０の変形例の断面図である。また、図２３（Ｃ）、（Ｄ）は、図２２（Ｂ）、（Ｃ）に示すトランジスタ２７０の変形例の断面図である。
図２３（Ａ）、（Ｂ）に示すトランジスタ２７０Ａは、図２２（Ｂ）、（Ｃ）に示すトランジスタ２７０が有する酸化物半導体膜５０８を３層の積層構造としている。より具体的には、トランジスタ２７０Ａが有する酸化物半導体膜５０８は、酸化物半導体膜５０８ａと、酸化物半導体膜５０８ｂと、酸化物半導体膜５０８ｃと、を有する。
図２３（Ｃ）、（Ｄ）に示すトランジスタ２７０Ｂは、図２２（Ｂ）、（Ｃ）に示すトランジスタ２７０が有する酸化物半導体膜５０８を２層の積層構造としている。より具体的には、トランジスタ２７０Ｂが有する酸化物半導体膜５０８は、酸化物半導体膜５０８ｂと、酸化物半導体膜５０８ｃと、を有する。
ここで、酸化物半導体膜５０８、及び酸化物半導体膜５０８に接する絶縁膜のバンド構造について、図２４を用いて説明する。
図２４（Ａ）は、絶縁膜５０７、酸化物半導体膜５０８ａ、５０８ｂ、５０８ｃ、及び絶縁膜５１４を有する積層構造の膜厚方向のバンド構造の一例である。また、図２４（Ｂ）は、絶縁膜５０７、酸化物半導体膜５０８ｂ、５０８ｃ、及び絶縁膜５１４を有する積層構造の膜厚方向のバンド構造の一例である。なお、バンド構造は、理解を容易にするため絶縁膜５０７、酸化物半導体膜５０８ａ、５０８ｂ、５０８ｃ、及び絶縁膜５１４の伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ）を示す。
また、図２４（Ａ）は、絶縁膜５０７、５１４として酸化シリコン膜を用い、酸化物半導体膜５０８ａとして金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用い、酸化物半導体膜５０８ｂとして金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用い、酸化物半導体膜５０８ｃとして金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用いる構成のバンド図である。
また、図２４（Ｂ）は、絶縁膜５０７、５１４として酸化シリコン膜を用い、酸化物半導体膜５０８ｂとして金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用い、酸化物半導体膜５０８ｃとして金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用いる構成のバンド図である。
図２４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、酸化物半導体膜５０８ａ、５０８ｂ、５０８ｃにおいて、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、連続的に変化又は連続接合するともいうことができる。このようなバンド構造を有するためには、酸化物半導体膜５０８ａと酸化物半導体膜５０８ｂとの界面、又は酸化物半導体膜５０８ｂと酸化物半導体膜５０８ｃとの界面において、トラップ中心や再結合中心のような欠陥準位を形成するような不純物が存在しないとする。
酸化物半導体膜５０８ａ、５０８ｂ、５０８ｃに連続接合を形成するためには、ロードロック室を備えたマルチチャンバー方式の成膜装置（スパッタリング装置）を用いて各膜を大気に触れさせることなく連続して積層することが必要となる。
図２４（Ａ）、（Ｂ）に示す構成とすることで酸化物半導体膜５０８ｂがウェル（井戸）となり、上記積層構造を用いたトランジスタにおいて、チャネル領域が酸化物半導体膜５０８ｂに形成されることがわかる。
なお、酸化物半導体膜５０８ａ、５０８ｃを設けることにより、酸化物半導体膜５０８ｂに形成されうるトラップ準位を酸化物半導体膜５０８ｂより遠ざけることができる。
また、トラップ準位がチャネル領域として機能する酸化物半導体膜５０８ｂの伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ）より真空準位から遠くなり、トラップ準位に電子が蓄積しやすくなってしまうことがある。トラップ準位に電子が蓄積されることで、マイナスの固定電荷となり、トランジスタのしきい値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。したがって、トラップ準位が酸化物半導体膜５０８ｂの伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ）より真空準位に近くなるような構成にすると好ましい。このようにすることで、トラップ準位に電子が蓄積しにくくなり、トランジスタのオン電流を増大させることが可能であると共に、電界効果移動度を高めることができる。
また、酸化物半導体膜５０８ａ、５０８ｃは、酸化物半導体膜５０８ｂよりも伝導帯下端のエネルギー準位が真空準位に近く、代表的には、酸化物半導体膜５０８ｂの伝導帯下端のエネルギー準位と、酸化物半導体膜５０８ａ、５０８ｃの伝導帯下端のエネルギー準位との差が、０．１５ｅＶ以上、又は０．５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、又は１ｅＶ以下である。すなわち、酸化物半導体膜５０８ａ、５０８ｃの電子親和力と、酸化物半導体膜５０８ｂの電子親和力との差が、０．１５ｅＶ以上、又は０．５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、又は１ｅＶ以下である。
このような構成を有することで、酸化物半導体膜５０８ｂが主な電流経路となる。すなわち、酸化物半導体膜５０８ｂは、チャネル領域としての機能を有し、酸化物半導体膜５０８ａ、５０８ｃは、酸化物絶縁膜としての機能を有する。また、酸化物半導体膜５０８ａ、５０８ｃは、チャネル領域が形成される酸化物半導体膜５０８ｂを構成する金属元素の一種以上から構成される酸化物半導体膜であるため、酸化物半導体膜５０８ａと酸化物半導体膜５０８ｂとの界面、又は酸化物半導体膜５０８ｂと酸化物半導体膜５０８ｃとの界面において、界面散乱が起こりにくい。従って、該界面においてはキャリアの動きが阻害されないため、トランジスタの電界効果移動度が高くなる。
また、酸化物半導体膜５０８ａ、５０８ｃは、チャネル領域の一部として機能することを防止するため、導電率が十分に低い材料を用いるものとする。そのため、酸化物半導体膜５０８ａ、５０８ｃを、その物性及び／又は機能から、それぞれ酸化物絶縁膜とも呼ぶことができる。また、酸化物半導体膜５０８ａ、５０８ｃには、電子親和力（真空準位と伝導帯下端のエネルギー準位との差）が酸化物半導体膜５０８ｂよりも小さく、伝導帯下端のエネルギー準位が酸化物半導体膜５０８ｂの伝導帯下端のエネルギー準位と差分（バンドオフセット）を有する材料を用いるものとする。また、ドレイン電圧の大きさに依存したしきい値電圧の差が生じることを抑制するためには、酸化物半導体膜５０８ａ、５０８ｃの伝導帯下端のエネルギー準位が、酸化物半導体膜５０８ｂの伝導帯下端のエネルギー準位よりも真空準位に近いことが好ましい。例えば、酸化物半導体膜５０８ｂの伝導帯下端のエネルギー準位と、酸化物半導体膜５０８ａ、５０８ｃの伝導帯下端のエネルギー準位との差は、０．２ｅＶ以上、好ましくは０．５ｅＶ以上であることが好ましい。
また、酸化物半導体膜５０８ａ、５０８ｃは、膜中にスピネル型の結晶構造が含まれないことが好ましい。酸化物半導体膜５０８ａ、５０８ｃの膜中にスピネル型の結晶構造を含む場合、該スピネル型の結晶構造と他の領域との界面において、導電膜５１２ａ、５１２ｂの構成元素が酸化物半導体膜５０８ｂへ拡散してしまう場合がある。なお、酸化物半導体膜５０８ａ、５０８ｃがＣＡＡＣ−ＯＳである場合、導電膜５１２ａ、５１２ｂの構成元素、例えば、銅元素のブロッキング性が高くなり好ましい。
酸化物半導体膜５０８ａ、５０８ｃの膜厚は、導電膜５１２ａ、５１２ｂの構成元素が酸化物半導体膜５０８ｂに拡散することを抑制することのできる膜厚以上であって、絶縁膜５１４から酸化物半導体膜５０８ｂへの酸素の供給を抑制する膜厚未満とする。例えば、酸化物半導体膜５０８ａ、５０８ｃの膜厚が１０ｎｍ以上であると、導電膜５１２ａ、５１２ｂの構成元素が酸化物半導体膜５０８ｂへ拡散するのを抑制することができる。また、酸化物半導体膜５０８ａ、５０８ｃの膜厚を１００ｎｍ以下とすると、絶縁膜５１４から酸化物半導体膜５０８ｂへ効果的に酸素を供給することができる。
また、本実施の形態においては、酸化物半導体膜５０８ａ、５０８ｃとして、金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用いる構成について例示したが、これに限定されない。例えば、酸化物半導体膜５０８ａ、５０８ｃとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子数比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、又はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：６［原子数比］の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用いてもよい。
なお、酸化物半導体膜５０８ａ、５０８ｃとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］の金属酸化物ターゲットを用いる場合、酸化物半導体膜５０８ａ、５０８ｃは、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：β１（０＜β１≦２）：β２（０＜β２≦３）となる場合がある。また、酸化物半導体膜５０８ａ、５０８ｃとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］の金属酸化物ターゲットを用いる場合、酸化物半導体膜５０８ａ、５０８ｃは、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：β３（１≦β３≦５）：β４（２≦β４≦６）となる場合がある。また、酸化物半導体膜５０８ａ、５０８ｃとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：６［原子数比］の金属酸化物ターゲットを用いる場合、酸化物半導体膜５０８ａ、５０８ｃは、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：β５（１≦β５≦５）：β６（４≦β６≦８）となる場合がある。
また、トランジスタ２７０が有する酸化物半導体膜５０８と、トランジスタ２７０Ａ、２７０Ｂが有する酸化物半導体膜５０８ｃと、は図面において、導電膜５１２ａ、５１２ｂと重畳しない領域の酸化物半導体膜が薄くなる、別言すると酸化物半導体膜の一部が凹部を有する形状について例示している。ただし、本発明の一態様はこれに限定されず、導電膜５１２ａ、５１２ｂと重畳しない領域の酸化物半導体膜が凹部を有さなくてもよい。この場合の一例を図２５（Ａ）、（Ｂ）に示す。図２５（Ａ）、（Ｂ）は、トランジスタの一例を示す断面図である。なお、図２５（Ａ）、（Ｂ）は、先に示すトランジスタ２７０Ｂの酸化物半導体膜５０８が凹部を有さない構造である。
また、図２５（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、酸化物半導体膜５０８ｃの膜厚を、予め酸化物半導体膜５０８ｂよりも薄く形成し、さらに酸化物半導体膜５０８ｃ及び絶縁膜５０７上に絶縁膜５１９を形成してもよい。この場合、絶縁膜５１９には酸化物半導体膜５０８ｃと導電膜５１２ａ及び導電膜５１２ｂとが接するための開口を形成する。絶縁膜５１９は、絶縁膜５１４と同様の材料及び形成方法によって形成できる。
また、本実施の形態に係るトランジスタは、上記の構造のそれぞれを自由に組み合わせることが可能である。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態４）
本実施の形態では、酸化物半導体について図２６〜３０を用いて説明する。
＜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（ｃ−ａｘｉｓ−ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）及び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及びｎｃ−ＯＳなどがある。
非晶質構造は、一般に、等方的であって不均質構造を持たない、準安定状態で原子の配置が固定化していない、結合角度が柔軟である、短距離秩序は有するが長距離秩序を有さない、などといわれている。
即ち、安定な酸化物半導体を完全な非晶質（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）酸化物半導体とは呼べない。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は呼べない。一方、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、等方的でないが、鬆（ボイドともいう。）を有する不安定な構造である。不安定であるという点では、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、物性的に非晶質酸化物半導体に近い。
＜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種である。
ＣＡＡＣ−ＯＳをＸ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって解析した場合について説明する。例えば、空間群Ｒ−３ｍに分類される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２６（Ａ）に示すように回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる。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では、結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳの膜を形成する面（被形成面ともいう。）、又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、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、空間群Ｆｄ−３ｍに分類される結晶構造に起因する。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳは、該ピークを示さないことが好ましい。
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳに対し、被形成面に平行な方向から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。そして、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２６（Ｂ）に示すように明瞭なピークは現れない。一方、単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４に対し、２θを５６°近傍に固定してφスキャンした場合、図２６（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軸及び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、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面に平行にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させると、図２６（Ｄ）に示すような回折パターン（制限視野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軸が被形成面又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２６（Ｅ）に示す。図２６（Ｅ）より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、プローブ径が３００ｎｍの電子線を用いた電子回折によっても、ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれるペレットのａ軸及びｂ軸は配向性を有さないことがわかる。なお、図２６（Ｅ）における第１リングは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（０１０）面及び（１００）面などに起因すると考えられる。また、図２６（Ｅ）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。
また、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像であっても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場合がある。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。
図２７（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などによって観察することができる。
図２７（Ａ）より、金属原子が層状に配列している領域であるペレットを確認することができる。ペレット一つの大きさは１ｎｍ以上のものや、３ｎｍ以上のものがあることがわかる。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。ペレットは、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面又は上面の凹凸を反映しており、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面又は上面と平行となる。
また、図２７（Ｂ）及び図２７（Ｃ）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２７（Ｄ）及び図２７（Ｅ）は、それぞれ図２７（Ｂ）及び図２７（Ｃ）を画像処理した像である。以下では、画像処理の方法について説明する。まず、図２７（Ｂ）を高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理することでＦＦＴ像を取得する。次に、取得したＦＦＴ像において原点を基準に、２．８ｎｍ−１から５．０ｎｍ−１の間の範囲を残すマスク処理する。次に、マスク処理したＦＦＴ像を、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ：Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理することで画像処理した像を取得する。こうして取得した像をＦＦＴフィルタリング像と呼ぶ。ＦＦＴフィルタリング像は、Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像から周期成分を抜き出した像であり、格子配列を示している。
図２７（Ｄ）では、格子配列の乱れた箇所を破線で示している。破線で囲まれた領域が、一つのペレットである。そして、破線で示した箇所がペレットとペレットとの連結部である。破線は、六角形状であるため、ペレットが六角形状であることがわかる。なお、ペレットの形状は、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合が多い。
図２７（Ｅ）では、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間を点線で示している。点線近傍においても、明確な結晶粒界を確認することはできない。点線近傍の格子点を中心に周囲の格子点を繋ぐと、歪んだ六角形や、五角形又は＼及び七角形などが形成できる。即ち、格子配列を歪ませることによって結晶粒界の形成を抑制していることがわかる。これは、ＣＡＡＣ−ＯＳが、ａ−ｂ面方向において原子配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。
以上に示すように、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向性を有し、かつａ−ｂ面方向において複数のペレット（ナノ結晶）が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。よって、ＣＡＡＣ−ＯＳを、ＣＡＡ ｃｒｙｓｔａｌ（ｃ−ａｘｉｓ−ａｌｉｇｎｅｄ ａ−ｂ−ｐｌａｎｅ−ａｎｃｈｏｒｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ）を有する酸化物半導体と称することもできる。
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、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（又は分子半径）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。例えば、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。
不純物及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、８×１０１１個／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１個／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１０個／ｃｍ３未満であり、１×１０−９個／ｃｍ３以上のキャリア密度の酸化物半導体とすることができる。そのような酸化物半導体を、高純度真性又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をＸＲＤによって解析した場合について説明する。例えば、ｎｃ−ＯＳに対し、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、配向性を示すピークが現れない。即ち、ｎｃ−ＯＳの結晶は配向性を有さない。
また、例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するｎｃ−ＯＳを薄片化し、厚さが３４ｎｍの領域に対し、被形成面に平行にプローブ径が５０ｎｍの電子線を入射させると、図２８（Ａ）に示すようなリング状の回折パターン（ナノビーム電子回折パターン）が観測される。また、同じ試料にプローブ径が１ｎｍの電子線を入射させたときの回折パターン（ナノビーム電子回折パターン）を図２８（Ｂ）に示す。図２８（Ｂ）より、リング状の領域内に複数のスポットが観測される。したがって、ｎｃ−ＯＳは、プローブ径が５０ｎｍの電子線を入射させることでは秩序性が確認されないが、プローブ径が１ｎｍの電子線を入射させることでは秩序性が確認される。
また、厚さが１０ｎｍ未満の領域に対し、プローブ径が１ｎｍの電子線を入射させると、図２８（Ｃ）に示すように、スポットが略正六角状に配置された電子回折パターンが観測される場合がある。したがって、厚さが１０ｎｍ未満の範囲において、ｎｃ−ＯＳが秩序性の高い領域、即ち結晶を有することがわかる。なお、結晶が様々な方向を向いているため、規則的な電子回折パターンが観測されない領域もある。
図２８（Ｄ）に、被形成面と略平行な方向から観察したｎｃ−ＯＳの断面のＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を示す。ｎｃ−ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において、補助線で示す箇所などのように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以下の大きさであり、特に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（ｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）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。
このように、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。
なお、ペレット（ナノ結晶）間で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、又は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。
図２９に、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳの高分解能断面ＴＥＭ像を示す。ここで、図２９（Ａ）は電子照射開始時におけるａ−ｌｉｋｅ ＯＳの高分解能断面ＴＥＭ像である。図２９（Ｂ）は４．３×１０８ｅ−／ｎｍ２の電子（ｅ−）照射後におけるａ−ｌｉｋｅ ＯＳの高分解能断面ＴＥＭ像である。図２９（Ａ）及び図２９（Ｂ）より、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは電子照射開始時から、縦方向に延伸する縞状の明領域が観察されることがわかる。また、明領域は、電子照射後に形状が変化することがわかる。なお、明領域は、鬆又は低密度領域と推測される。
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及び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。
試料として、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ、ｎｃ−ＯＳ及びＣＡＡＣ−ＯＳ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。
なお、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、以下では、格子縞の間隔が０．２８ｎｍ以上０．３０ｎｍ以下である箇所を、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶部と見なした。なお、格子縞は、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶のａ−ｂ面に対応する。
図３０は、各試料の結晶部（２２箇所から３０箇所）の平均の大きさを調査した例である。なお、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図３０より、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ＴＥＭ像の取得などに係る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。図３０より、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、電子（ｅ−）の累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２においては１．９ｎｍ程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、ｎｃ−ＯＳ及び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。図３０より、電子の累積照射量によらず、ｎｃ−ＯＳ及びＣＡＡＣ−ＯＳの結晶部の大きさは、それぞれ１．３ｎｍ程度及び１．８ｎｍ程度であることがわかる。なお、電子線照射及びＴＥＭの観察は、日立透過電子顕微鏡Ｈ−９０００ＮＡＲを用いた。電子線照射条件は、加速電圧を３００ｋＶ、電流密度を６．７×１０５ｅ−／（ｎｍ２・ｓ）、照射領域の直径を２３０ｎｍとした。
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及び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。即ち、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳ及び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及び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％未満である。また、ｎｃ−ＯＳの密度及びＣＡＡＣ−ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の９２．３％以上１００％未満である。単結晶の密度の７８％未満である酸化物半導体は、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である。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未満である。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の密度及びＣＡＡＣ−ＯＳの密度は５．９ｇ／ｃｍ３以上６．３ｇ／ｃｍ３未満である。
なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合、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。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態５）
＜ＣＡＣの構成＞
以下では、本発明の一態様に用いることができるＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ）−ＯＳの構成について説明する。
ＣＡＣとは、例えば、酸化物半導体を構成する元素が０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以上２ｎｍ以下、またはその近傍のサイズで偏在した材料の一構成である。なお、以下では、酸化物半導体において、一つあるいはそれ以上の金属元素が偏在し、該金属元素を有する領域が０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以上２ｎｍ以下、またはその近傍のサイズで混合した状態をモザイク状またはパッチ状ともいう。
例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（以下、ＩＧＺＯともいう。）におけるＣＡＣ−ＩＧＺＯとは、インジウム酸化物（以下、ＩｎＯＸ１（Ｘ１は０よりも大きい実数）とする。）またはインジウム亜鉛酸化物（以下、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２（Ｘ２、Ｙ２、及びＺ２は０よりも大きい実数）とする。）と、ガリウム酸化物（以下、ＧａＯＸ３（Ｘ３は０よりも大きい実数）とする。）またはガリウム亜鉛酸化物（以下、ＧａＸ４ＺｎＹ４ＯＺ４（Ｘ４、Ｙ４、及びＺ４は０よりも大きい実数）とする。）などと、に材料が分離することでモザイク状となり、モザイク状のＩｎＯＸ１またはＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２が、膜中に均一に分布した構成（以下、クラウド状ともいう。）である。
つまり、ＣＡＣ−ＩＧＺＯは、ＧａＯＸ３が主成分である領域と、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２またはＩｎＯＸ１が主成分である領域とが、混合している構成を有する複合酸化物半導体である。なお、本明細書において、例えば、第１の領域の元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、第２の領域の元素Ｍに対するＩｎの原子数比よりも大きいことを、第１の領域は、第２の領域と比較して、Ｉｎの濃度が高いとする。
なお、ＩＧＺＯは通称であり、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、及びＯによる１つの化合物をいう場合がある。代表例として、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ１（ｍ１は自然数）またはＩｎ（１＋ｘ０）Ｇａ（１−ｘ０）Ｏ３（ＺｎＯ）ｍ０（−１≦ｘ０≦１、ｍ０は任意数）で表される結晶性の化合物が挙げられる。
上記結晶性の化合物は、単結晶構造、多結晶構造、またはＣＡＡＣ構造を有する。なお、ＣＡＡＣ構造とは、複数のＩＧＺＯナノ結晶がｃ軸配向を有し、かつａ−ｂ面においては配向せずに連結した結晶構造である。
一方、ＣＡＣは、材料構成に関する。ＣＡＣとは、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、及びＯを含む材料構成において、一部にＧａを主成分とするナノ粒子状に観察される領域と、一部にＩｎを主成分とするナノ粒子状に観察される領域とが、それぞれモザイク状にランダムに分散している構成をいう。従って、ＣＡＣにおいて、結晶構造は副次的な要素である。
なお、ＣＡＣは、組成の異なる二種類以上の膜の積層構造は含まないものとする。例えば、Ｉｎを主成分とする膜と、Ｇａを主成分とする膜との２層からなる構造は、含まない。
なお、ＧａＯＸ３が主成分である領域と、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２またはＩｎＯＸ１が主成分である領域とは、明確な境界が観察できない場合がある。
＜ＣＡＣ−ＩＧＺＯの解析＞
続いて、各種測定方法を用い、基板上に成膜した酸化物半導体について測定を行った結果について説明する。
≪試料の構成と作製方法≫
以下では、本発明の一態様に係る９個の試料について説明する。各試料は、酸化物半導体を成膜する際の基板温度、及び酸素ガス流量比が異なる条件で作製する。なお、試料は、それぞれ、基板と、基板上の酸化物半導体と、を有する構造である。
各試料の作製方法について、説明する。
まず、基板として、ガラス基板を用いる。続いて、スパッタリング装置を用いて、ガラス基板上に酸化物半導体として、厚さ１００ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を形成する。成膜条件は、チャンバー内の圧力を０．６Ｐａとし、ターゲットには、酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）を用いる。また、スパッタリング装置内に設置された酸化物ターゲットに２５００ＷのＡＣ電力を供給する。
なお、酸化物を成膜する際の条件として、基板温度を、意図的に加熱しない温度（以下、Ｒ．Ｔ．ともいう。）、１３０℃、または１７０℃とした。また、Ａｒと酸素の混合ガスに対する酸素ガスの流量比（以下、酸素ガス流量比ともいう。）を、１０％、３０％、または１００％とすることで、９個の試料を作製する。
≪Ｘ線回折による解析≫
本項目では、９個の試料に対し、ＸＲＤ測定を行った結果について説明する。なお、ＸＲＤ装置として、Ｂｒｕｋｅｒ社製Ｄ８ ＡＤＶＡＮＣＥを用いた。また、条件は、Ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法によるθ／２θスキャンにて、走査範囲を１５ｄｅｇ．乃至５０ｄｅｇ．、ステップ幅を０．０２ｄｅｇ．、走査速度を３．０ｄｅｇ．／分とした。
図３６にＯｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法を用いてＸＲＤスペクトルを測定した結果を示す。なお、図３６において、上段には成膜時の基板温度条件が１７０℃の試料における測定結果、中段には成膜時の基板温度条件が１３０℃の試料における測定結果、下段には成膜時の基板温度条件がＲ．Ｔ．の試料における測定結果を示す。また、左側の列には酸素ガス流量比の条件が１０％の試料における測定結果、中央の列には酸素ガス流量比の条件が３０％の試料における測定結果、右側の列には酸素ガス流量比の条件が１００％の試料における測定結果を示す。
図３６に示すＸＲＤスペクトルは、成膜時の基板温度を高くする、または、成膜時の酸素ガス流量比の割合を大きくすることで、２θ＝３１°付近のピーク強度が高くなる。なお、２θ＝３１°付近のピークは、被形成面または上面に略垂直方向に対してｃ軸に配向した結晶性ＩＧＺＯ化合物（ＣＡＡＣ（ｃ−ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）−ＩＧＺＯともいう。）であることに由来することが分かっている。
また、図３６に示すＸＲＤスペクトルは、成膜時の基板温度が低い、または、酸素ガス流量比が小さいほど、明確なピークが現れなかった。従って、成膜時の基板温度が低い、または、酸素ガス流量比が小さい試料は、測定領域のａ−ｂ面方向、及びｃ軸方向の配向は見られないことが分かる。
≪電子顕微鏡による解析≫
本項目では、成膜時の基板温度Ｒ．Ｔ．、及び酸素ガス流量比１０％で作製した試料を、ＨＡＡＤＦ（Ｈｉｇｈ−Ａｎｇｌｅ Ａｎｎｕｌａｒ Ｄａｒｋ Ｆｉｅｌｄ）−ＳＴＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって観察、及び解析した結果について説明する（以下、ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭによって取得した像は、ＴＥＭ像ともいう。）。
ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭによって取得した平面像（以下、平面ＴＥＭ像ともいう。）、及び断面像（以下、断面ＴＥＭ像ともいう。）の画像解析を行った結果について説明する。なお、ＴＥＭ像は、球面収差補正機能を用いて観察した。なお、ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像の撮影には、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡ＪＥＭ−ＡＲＭ２００Ｆを用いて、加速電圧２００ｋＶ、ビーム径約０．１ｎｍφの電子線を照射して行った。
図３７（Ａ）は、成膜時の基板温度Ｒ．Ｔ．、及び酸素ガス流量比１０％で作製した試料の平面ＴＥＭ像である。図３７（Ｂ）は、成膜時の基板温度Ｒ．Ｔ．、及び酸素ガス流量比１０％で作製した試料の断面ＴＥＭ像である。
≪電子線回折パターンの解析≫
本項目では、成膜時の基板温度Ｒ．Ｔ．、及び酸素ガス流量比１０％で作製した試料に、プローブ径が１ｎｍの電子線（ナノビーム電子線ともいう。）を照射することで、電子線回折パターンを取得した結果について説明する。
図３７（Ａ）に示す、成膜時の基板温度Ｒ．Ｔ．、及び酸素ガス流量比１０％で作製した試料の平面ＴＥＭ像において、黒点ａ１、黒点ａ２、黒点ａ３、黒点ａ４、及び黒点ａ５で示す電子線回折パターンを観察する。なお、電子線回折パターンの観察は、電子線を照射しながら０秒の位置から３５秒の位置まで一定の速度で移動させながら行う。黒点ａ１の結果を図３７（Ｃ）、黒点ａ２の結果を図３７（Ｄ）、黒点ａ３の結果を図３７（Ｅ）、黒点ａ４の結果を図３７（Ｆ）、及び黒点ａ５の結果を図３７（Ｇ）に示す。
図３７（Ｃ）、図３７（Ｄ）、図３７（Ｅ）、図３７（Ｆ）、及び図３７（Ｇ）より、円を描くように（リング状に）輝度の高い領域が観測できる。また、リング状の領域に複数のスポットが観測できる。
また、図３７（Ｂ）に示す、成膜時の基板温度Ｒ．Ｔ．、及び酸素ガス流量比１０％で作製した試料の断面ＴＥＭ像において、黒点ｂ１、黒点ｂ２、黒点ｂ３、黒点ｂ４、及び黒点ｂ５で示す電子線回折パターンを観察する。黒点ｂ１の結果を図３７（Ｈ）、黒点ｂ２の結果を図３７（Ｉ）、黒点ｂ３の結果を図３７（Ｊ）、黒点ｂ４の結果を図３７（Ｋ）、及び黒点ｂ５の結果を図３７（Ｌ）に示す。
図３７（Ｈ）、図３７（Ｉ）、図３７（Ｊ）、図３７（Ｋ）、及び図３７（Ｌ）より、リング状に輝度の高い領域が観測できる。また、リング状の領域に複数のスポットが観測できる。
ここで、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、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に起因するスポットが含まれる回折パターンが見られる。つまり、ＣＡＡＣ−ＯＳは、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ると、リング状の回折パターンが確認される。つまり、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ａ軸及びｂ軸は配向性を有さないことがわかる。
また、微結晶を有する酸化物半導体（ｎａｎｏ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ。以下、ｎｃ−ＯＳという。）に対し、大きいプローブ径（例えば５０ｎｍ以上）の電子線を用いる電子線回折を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。また、ｎｃ−ＯＳに対し、小さいプローブ径の電子線（例えば５０ｎｍ未満）を用いるナノビーム電子線回折を行うと、輝点（スポット）が観測される。また、ｎｃ−ＯＳに対しナノビーム電子線回折を行うと、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、リング状の領域に複数の輝点が観測される場合がある。
成膜時の基板温度Ｒ．Ｔ．、及び酸素ガス流量比１０％で作製した試料の電子線回折パターンは、リング状に輝度の高い領域と、該リング領域に複数の輝点を有する。従って、成膜時の基板温度Ｒ．Ｔ．、及び酸素ガス流量比１０％で作製した試料は、電子線回折パターンが、ｎｃ−ＯＳになり、平面方向、及び断面方向において、配向性は有さない。
以上より、成膜時の基板温度が低い、または、酸素ガス流量比が小さい酸化物半導体は、アモルファス構造の酸化物半導体膜とも、単結晶構造の酸化物半導体膜とも明確に異なる性質を有すると推定できる。
≪元素分析≫
本項目では、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ：Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用い、ＥＤＸマッピングを取得し、評価することによって、成膜時の基板温度Ｒ．Ｔ．、及び酸素ガス流量比１０％で作製した試料の元素分析を行った結果について説明する。なお、ＥＤＸ測定には、元素分析装置として日本電子株式会社製エネルギー分散型Ｘ線分析装置ＪＥＤ−２３００Ｔを用いる。なお、試料から放出されたＸ線の検出にはＳｉドリフト検出器を用いる。
ＥＤＸ測定では、試料の分析対象領域の各点に電子線照射を行い、これにより発生する試料の特性Ｘ線のエネルギーと発生回数を測定し、各点に対応するＥＤＸスペクトルを得る。本実施の形態では、各点のＥＤＸスペクトルのピークを、Ｉｎ原子のＬ殻への電子遷移、Ｇａ原子のＫ殻への電子遷移、Ｚｎ原子のＫ殻への電子遷移及びＯ原子のＫ殻への電子遷移に帰属させ、各点におけるそれぞれの原子の比率を算出する。これを試料の分析対象領域について行うことにより、各原子の比率の分布が示されたＥＤＸマッピングを得ることができる。
図３８には、成膜時の基板温度Ｒ．Ｔ．、及び酸素ガス流量比１０％で作製した試料の断面におけるＥＤＸマッピングを示す。図３８（Ａ）は、Ｇａ原子のＥＤＸマッピング（全原子に対するＧａ原子の比率は１．１８乃至１８．６４［ａｔｏｍｉｃ％］の範囲とする。）である。図３８（Ｂ）は、Ｉｎ原子のＥＤＸマッピング（全原子に対するＩｎ原子の比率は９．２８乃至３３．７４［ａｔｏｍｉｃ％］の範囲とする。）である。図３８（Ｃ）は、Ｚｎ原子のＥＤＸマッピング（全原子に対するＺｎ原子の比率は６．６９乃至２４．９９［ａｔｏｍｉｃ％］の範囲とする。）である。また、図３８（Ａ）、図３８（Ｂ）、及び図３８（Ｃ）は、成膜時の基板温度Ｒ．Ｔ．、及び酸素ガス流量比１０％で作製した試料の断面において、同範囲の領域を示している。なお、ＥＤＸマッピングは、範囲における、測定元素が多いほど明るくなり、測定元素が少ないほど暗くなるように、明暗で元素の割合を示している。また、図３８に示すＥＤＸマッピングの倍率は７２０万倍である。
図３８（Ａ）、図３８（Ｂ）、及び図３８（Ｃ）に示すＥＤＸマッピングでは、画像に相対的な明暗の分布が見られ、成膜時の基板温度Ｒ．Ｔ．、及び酸素ガス流量比１０％で作製した試料において、各原子が分布を持って存在している様子が確認できる。ここで、図３８（Ａ）、図３８（Ｂ）、及び図３８（Ｃ）に示す実線で囲む範囲と破線で囲む範囲に注目する。
図３８（Ａ）では、実線で囲む範囲は、相対的に暗い領域を多く含み、破線で囲む範囲は、相対的に明るい領域を多く含む。また、図３８（Ｂ）では実線で囲む範囲は、相対的に明るい領域を多く含み、破線で囲む範囲は、相対的に暗い領域を多く含む。
つまり、実線で囲む範囲はＩｎ原子が相対的に多い領域であり、破線で囲む範囲はＩｎ原子が相対的に少ない領域である。ここで、図３８（Ｃ）では、実線で囲む範囲において、右側は相対的に明るい領域であり、左側は相対的に暗い領域である。従って、実線で囲む範囲は、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１などが主成分である領域である。
また、実線で囲む範囲はＧａ原子が相対的に少ない領域であり、破線で囲む範囲はＧａ原子が相対的に多い領域である。図３８（Ｃ）では、破線で囲む範囲において、左上側の領域は、相対的に明るい領域であり、右下側の領域は、相対的に暗い領域である。従って、破線で囲む範囲は、ＧａＯＸ３、またはＧａＸ４ＺｎＹ４ＯＺ４などが主成分である領域である。
また、図３８（Ａ）、図３８（Ｂ）、及び図３８（Ｃ）より、Ｉｎ原子の分布は、Ｇａ原子よりも、比較的、均一に分布しており、ＩｎＯＸ１が主成分である領域は、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２が主成分となる領域を介して、互いに繋がって形成されているように見える。このように、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１が主成分である領域は、クラウド状に広がって形成されている。
このように、ＧａＯＸ３が主成分である領域と、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１が主成分である領域とが、偏在し、混合している構造を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を、ＣＡＣ−ＩＧＺＯと呼称することができる。
また、ＣＡＣにおける結晶構造は、ｎｃ構造を有する。ＣＡＣが有するｎｃ構造は、電子線回折像において、単結晶、多結晶、またはＣＡＡＣ構造を含むＩＧＺＯに起因する輝点（スポット）以外にも、数か所以上の輝点（スポット）を有する。または、数か所以上の輝点（スポット）に加え、リング状に輝度の高い領域が現れるとして結晶構造が定義される。
また、図３８（Ａ）、図３８（Ｂ）、及び図３８（Ｃ）より、ＧａＯＸ３が主成分である領域、及びＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１が主成分である領域のサイズは、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、または１ｎｍ以上３ｎｍ以下で観察される。なお、好ましくは、ＥＤＸマッピングにおいて、各金属元素が主成分である領域の径は、１ｎｍ以上２ｎｍ以下とする。
以上より、ＣＡＣ−ＩＧＺＯは、金属元素が均一に分布したＩＧＺＯ化合物とは異なる構造であり、ＩＧＺＯ化合物と異なる性質を有する。つまり、ＣＡＣ−ＩＧＺＯは、ＧａＯＸ３などが主成分である領域と、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１が主成分である領域と、に互いに相分離し、各元素を主成分とする領域がモザイク状である構造を有する。従って、ＣＡＣ−ＩＧＺＯを半導体素子に用いた場合、ＧａＯＸ３などに起因する性質と、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１に起因する性質とが、相補的に作用することにより、高いオン電流（Ｉｏｎ）、及び高い電界効果移動度（μ）を実現することができる。
また、ＣＡＣ−ＩＧＺＯを用いた半導体素子は、信頼性が高い。従って、ＣＡＣ−ＩＧＺＯは、ディスプレイをはじめとするさまざまな半導体装置に最適である。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態６）
本実施の形態では、本発明の一態様の入出力装置を有するタッチパネルモジュール及び電子機器について、図３１〜図３３を用いて説明する。
図３１に示すタッチパネルモジュール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、フレーム８００９、プリント基板８０１０、及びバッテリ８０１１を有する。
本発明の一態様の入出力装置は、例えば、タッチパネル８００４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。
また、透過型の液晶素子を用いた場合には、図３１に示すようにバックライト８００７を設けてもよい。バックライト８００７は、光源８００８を有する。なお、図３１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、これに限定されない。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、又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、タッチパネル８００４の保護機能の他、プリント基板８０１０の動作により発生する電磁波を遮断するための電磁シールドとしての機能を有する。またフレーム８００９は、放熱板としての機能を有していてもよい。
プリント基板８０１０は、電源回路、ビデオ信号及びクロック信号を出力するための信号処理回路を有する。電源回路に電力を供給する電源としては、外部の商用電源であっても良いし、別途設けたバッテリ８０１１による電源であってもよい。バッテリ８０１１は、商用電源を用いる場合には、省略可能である。
また、タッチパネル８００４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３２（Ａ）〜（Ｈ）及び図３３は、電子機器を示す図である。これらの電子機器は、筐体５０００、表示部５００１、スピーカ５００３、ＬＥＤランプ５００４、操作キー５００５（電源スイッチ、又は操作スイッチを含む）、接続端子５００６、センサ５００７（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５００８、等を有することができる。
図３２（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５００９、赤外線ポート５０１０、等を有することができる。図３２（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５００２、記録媒体読込部５０１１、等を有することができる。図３２（Ｃ）はテレビジョン装置であり、上述したものの他に、スタンド５０１２等を有することができる。また、テレビジョン装置の操作は、筐体５０００が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機５０１３により行うことができる。リモコン操作機５０１３が備える操作キーにより、チャンネルや音量の操作を行うことができ、表示部５００１に表示される映像を操作することができる。また、リモコン操作機５０１３に、当該リモコン操作機５０１３から出力する情報を表示する表示部を設ける構成としてもよい。図３２（Ｄ）は携帯型遊技機であり、上述したものの他に、記録媒体読込部５０１１、等を有することができる。図３２（Ｅ）はテレビ受像機能付きデジタルカメラであり、上述したものの他に、アンテナ５０１４、シャッターボタン５０１５、受像部５０１６、等を有することができる。図３２（Ｆ）は携帯型遊技機であり、上述したものの他に、第２表示部５００２、記録媒体読込部５０１１、等を有することができる。図３２（Ｇ）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５０１７、等を有することができる。図３２（Ｈ）は腕時計型情報端末であり、上述したもののほかに、バンド５０１８、留め金５０１９、等を有することができる。ベゼル部分を兼ねる筐体５０００に搭載された表示部５００１は、非矩形状の表示領域を有している。表示部５００１は、時刻を表すアイコン５０２０、その他のアイコン５０２１等を表示することができる。図３３（Ａ）はデジタルサイネージ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｇｅ：電子看板）である。図３３（Ｂ）は円柱状の柱に取り付けられたデジタルサイネージである。
図３２（Ａ）〜（Ｈ）及び図３３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、又は、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又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３２（Ａ）〜（Ｈ）及び図３３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。
本実施の形態の電子機器は、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。該表示部に、本発明の一態様の入出力装置を適用することができる。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
本実施例では、本発明の一態様の入出力装置について説明する。
まず、本実施例の入出力装置の仕様を説明する。サイズは、対角４．３インチとした。有効画素数は、１０８０（Ｈ）×１９２０（Ｖ）のＦＨＤ（Ｆｕｌｌ Ｈｉｇｈ Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ）とした。画素サイズは、４９．５μｍ（Ｈ）×４９．５μｍ（Ｖ）とした。パネル外寸は、６９．７６ｍｍ（Ｈ）×１４１．４ｍｍ（Ｖ）とした。表示領域及びセンサ領域は、それぞれ、５３．４６ｍｍ（Ｈ）×９５．０４ｍｍ（Ｖ）とした。解像度は５１３ｐｐｉとした。トランジスタには、チャネル形成領域に酸化物半導体を有する、ＣＥ（チャネルエッチ）型のトランジスタを用いた。
本実施例の入出力装置は、透過型の液晶表示装置として機能させることができる。表示素子としては、ＦＦＳモードの液晶素子を用いた。カラー化方式としては、ＣＦ（カラーフィルタ）方式を用いた。また、開口率は４８．０％とした。また、駆動周波数は６０Ｈｚとした。また、映像信号形式としては、アナログ線順次を用いた。
また、ゲートドライバは内蔵とした。また、ソースドライバは、ＣＯＦを用いた。
また、検知素子は、投影型静電容量方式（相互容量方式）とした。液晶素子の共通電極は検知素子の電極を兼ねる構成とした。センサユニット数は、１８（Ｈ）×３２（Ｖ）とした。具体的には、図９（Ａ）における導電膜５６ａを３２本有し、導電膜５８を１８本有する。１つのセンサユニットのサイズは、２．９７０ｍｍ×２．９７０ｍｍとした。図９（Ａ）における１つの導電膜５６ｂは、３０×６０個の画素分の大きさであり、１つの導電膜５６ａは、３０×１０８０個の画素分の大きさである。
図８（Ｅ）に示す１フレーム期間は、１６．６６７ｍｓであり、書き込み期間は８．３３３ｍｓ、２つの検知期間はそれぞれ４．１６７ｍｓである。
本実施例の入出力装置の断面模式図は、図１（Ｂ）に相当し、詳細は実施の形態１を参照できる。
基板２１１には、厚さ約０．７ｍｍのガラス基板を用いた。基板２６１には、厚さ約０．１ｍｍ、約０．２ｍｍ、又は約０．３ｍｍのガラス基板を用いた。ゲート電極２２１は、窒化タングステン膜と銅膜の積層構造とした。絶縁膜２１３は、窒化シリコン膜と酸化窒化シリコン膜の積層構造とした。酸化物半導体膜２２３には、ＣＡＡＣ−ＯＳの一つである、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯを用いた。酸化物半導体膜２２３は、金属元素の原子数比が異なるスパッタリングターゲットをそれぞれ用いて形成された２層構造とし、２層を合計した厚さは、約２５ｎｍとした。酸化物半導体膜２２３及び酸化物導電膜２２７は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いて形成した。酸化物導電膜２２７は、単層構造とし、その厚さは約１００ｎｍとした。ソース電極２２５ａ及びドレイン電極２２５ｂは、タングステン膜、アルミニウム膜、及びチタン膜の積層構造とした。絶縁膜２１５には、酸化窒化シリコン膜を用いた。絶縁膜２１７には、窒化シリコン膜を用いた。絶縁膜２１９には、アクリル膜を用いた。導電膜２５１及び導電膜２５２には、それぞれ、厚さ約１００ｎｍの珪素を含むインジウム錫酸化物膜を用いた。絶縁膜２５３には、窒化シリコン膜を用いた。液晶２４９には、ネガ型液晶を用いた。また、基板２６１の表面には、厚さ約２００μｍの偏光フィルムを貼り付けた。本実施例では、導電膜２５５に厚さ約１００ｎｍのＡＰＣを用いた入出力装置と、厚さ約２００ｎｍのＴｉを用いた入出力装置の２種類を作製した。
図３５は、本実施例の入出力装置の表示状態を示す写真である。図３５における表示領域の右側及び上側（図示しない）にはそれぞれＦＰＣが接続されている。図３５に示す入出力装置では、基板２６１に、厚さ約０．３ｍｍのガラス基板を用いた。また、導電膜２５５には、厚さ約１００ｎｍのＡＰＣを用いた。図３５に示すように、本発明の一態様を適用することで、良好な表示が可能な入出力装置を作製することができた。また、図３５に示す入出力装置は、タッチセンサの検出感度も良好であり、同時多点検知も可能であった。
導電膜５６ａの幅（図９（Ａ）におけるＹ方向の長さ）とほぼ同じ間隔で、縞状の表示ムラが確認されることがあった。そこで、導電膜５６ａと導電膜５６ｂの寄生容量が揃うように、導電膜５６ａと導電膜５６ｂの幅を変更した。変更後、１つの導電膜５６ｂは、２１×６０個の画素分の大きさであり、１つの導電膜５６ａは、３９×１０８０個の画素分の大きさである。これにより、導電膜５６ｂの抵抗値は、１．６６ｋΩから１．１９ｋΩとなり、導電膜５６ｂの容量は５３４ｐＦから６７４ｐＦとなった。導電膜５６ａの抵抗値は、０．８６ｋΩから１．３５ｋΩとなり、導電膜５６ａの容量は９３０ｐＦから６８４ｐＦとなった。導電膜５６ａと導電膜５６ｂの寄生容量を揃えることで、表示ムラを低減し、より良好な表示を行うことができた。また、タッチセンシングの信号を導電膜５６ｂに入力する場合に比べて、導電膜５６ａと導電膜５６ｂに交互に入力する場合の方が、表示ムラが低減され、より良好な表示を行うことができた。
５６ 導電膜
５６ａ 導電膜
５６ｂ 導電膜
５７ａ 補助配線
５７ｂ 補助配線
５８ 導電膜
６０ 画素
６０ａ 副画素
６０ｂ 副画素
６０ｃ 副画素
１０６ 絶縁膜
１０７ 絶縁膜
１１４ 絶縁膜
１１６ 絶縁膜
１４１ 開口
１４２ 開口
１９３ ターゲット
１９４ プラズマ
２０１ａ トランジスタ
２０１ｂ トランジスタ
２０１ｃ トランジスタ
２０３ トランジスタ
２０３ａ トランジスタ
２０３ｂ トランジスタ
２０５ａ 接続部
２０５ｂ 接続部
２０７ 液晶素子
２０７ａ 液晶素子
２０７ｂ 液晶素子
２１１ 基板
２１３ 絶縁膜
２１５ 絶縁膜
２１７ 絶縁膜
２１８ 絶縁膜
２１９ 絶縁膜
２２１ ゲート電極
２２３ 酸化物半導体膜
２２５ａ ソース電極
２２５ｂ ドレイン電極
２２６ 導電膜
２２７ 酸化物導電膜
２２７ａ 酸化物半導体膜
２３１ 導電膜
２３３ 導電膜
２３５ 導電膜
２４１ 着色膜
２４３ 遮光膜
２４５ 絶縁膜
２４７ スペーサ
２４９ 液晶
２５１ 導電膜
２５２ 導電膜
２５３ 絶縁膜
２５４ 導電膜
２５５ 導電膜
２５７ 接続体
２５９ ＦＰＣ
２６１ 基板
２６５ 接着層
２６７ 接続体
２６８ ＩＣ
２６９ ＦＰＣ
２７０ トランジスタ
２７０Ａ トランジスタ
２７０Ｂ トランジスタ
２７３ 画素
２７５ 導電膜
２７７ 領域
３００ 入出力装置
３０１ 表示部
３０２ 走査線駆動回路
３０３ 画素
５０２ 基板
５０４ 導電膜
５０６ 絶縁膜
５０７ 絶縁膜
５０８ 酸化物半導体膜
５０８ａ 酸化物半導体膜
５０８ｂ 酸化物半導体膜
５０８ｃ 酸化物半導体膜
５１１ａ 酸化物半導体膜
５１１ｂ 酸化物導電膜
５１２ａ 導電膜
５１２ｂ 導電膜
５１４ 絶縁膜
５１６ 絶縁膜
５１８ 絶縁膜
５１９ 絶縁膜
５５２ａ 開口部
５５２ｂ 開口部
５５２ｃ 開口部
３５０１ 配線
３５０２ 配線
３５０３ トランジスタ
３５０４ 液晶素子
３５１０ 配線
３５１０＿１ 配線
３５１０＿２ 配線
３５１１ 配線
３５１５＿１ ブロック
３５１５＿２ ブロック
３５１６ ブロック
５０００ 筐体
５００１ 表示部
５００２ 表示部
５００３ スピーカ
５００４ ＬＥＤランプ
５００５ 操作キー
５００６ 接続端子
５００７ センサ
５００８ マイクロフォン
５００９ スイッチ
５０１０ 赤外線ポート
５０１１ 記録媒体読込部
５０１２ スタンド
５０１３ リモコン操作機
５０１４ アンテナ
５０１５ シャッターボタン
５０１６ 受像部
５０１７ 充電器
５０１８ バンド
５０１９ 留め金
５０２０ アイコン
５０２１ アイコン
６５００ タッチパネルモジュール
６５０１ 回路ユニット
６５０２ 信号線駆動回路
６５０３ センサ駆動回路
６５０４ 検出回路
６５０５ タイミングコントローラ
６５０６ 画像処理回路
６５１０ タッチパネル
６５１１ 表示部
６５１２ 入力部
６５１３ 走査線駆動回路
６５２０ ＩＣ
６５３０ ＩＣ
６５３１ 基板
６５３２ 対向基板
６５３３ ＦＰＣ
６５３４ ＰＣＢ
６５４０ ＣＰＵ
８０００ タッチパネルモジュール
８００１ 上部カバー
８００２ 下部カバー
８００３ ＦＰＣ
８００４ タッチパネル
８００７ バックライト
８００８ 光源
８００９ フレーム
８０１０ プリント基板
８０１１ バッテリ

Claims (13)

  1. 第１の画素電極、第２の画素電極、第１の共通電極、第２の共通電極、液晶、第１の絶縁膜、第２の絶縁膜、及びトランジスタを有し、
    前記第１の共通電極は、検知素子の一方の電極として機能し、
    前記第２の共通電極は、前記検知素子の他方の電極として機能し、
    前記トランジスタは、第１のゲート、第２のゲート、及び半導体層を有し、
    前記半導体層は、チャネル形成領域に酸化物半導体を有し、
    前記第２のゲートは、酸化物導電体を有し、
    前記酸化物導電体は、前記酸化物半導体に含まれる金属元素を一種類以上有し、
    前記第１のゲート上に、前記半導体層を有し、
    前記半導体層上に、前記第２のゲートを有し、
    前記第２のゲート上に、前記第１の絶縁膜を有し、
    前記第１の絶縁膜上に、前記第１の画素電極、前記第２の画素電極、前記第１の共通電極、及び前記第２の共通電極を有し、
    前記第１の画素電極及び前記第１の共通電極は、前記第２の絶縁膜を介して互いに重なる部分を有し、
    前記第２の画素電極及び前記第２の共通電極は、前記第２の絶縁膜を介して互いに重なる部分を有し、
    前記第１の画素電極、前記第２の画素電極、前記第１の共通電極、及び前記第２の共通電極上に、前記液晶を有し、
    前記第１の画素電極と前記第２の画素電極とは、同一面上に離間して位置し、
    前記第１の共通電極と前記第２の共通電極とは、同一面上に離間して位置する、入出力装置。
  2. 請求項１において、
    前記トランジスタを２つ有し、
    ２つの前記トランジスタのうち、１つでは、ソース又はドレインが、前記第１の画素電極と電気的に接続され、もう１つでは、ソース又はドレインが、前記第２の画素電極と電気的に接続される、入出力装置。
  3. 請求項１において、
    前記トランジスタは、駆動回路部に位置する、入出力装置。
  4. 請求項１乃至３のいずれか一項において、
    前記第２のゲートは、前記第１のゲートと電気的に接続される、入出力装置。
  5. 請求項１乃至４のいずれか一項において、
    前記第１の画素電極及び前記第２の画素電極上に、前記第２の絶縁膜を有し、
    前記第２の絶縁膜上に、前記第１の共通電極及び前記第２の共通電極を有する、入出力装置。
  6. 請求項１乃至５のいずれか一項において、
    前記第１の画素電極、前記第２の画素電極、前記第１の共通電極、及び前記第２の共通電極は、それぞれ、前記酸化物半導体に含まれる金属元素を一種類以上有する、入出力装置。
  7. 請求項１乃至６のいずれか一項において、
    前記酸化物半導体、前記酸化物導電体、前記第１の画素電極、前記第２の画素電極、前記第１の共通電極、及び前記第２の共通電極は、それぞれ、インジウムを含む酸化物を有する、入出力装置。
  8. 請求項１乃至７のいずれか一項において、
    前記第１の画素電極、前記第２の画素電極、前記第１の共通電極、及び前記第２の共通電極は、それぞれ、可視光を透過する機能を有する、入出力装置。
  9. 請求項１乃至８のいずれか一項において、
    前記酸化物半導体及び前記酸化物導電体は、それぞれ、Ｉｎ−Ｍ１−Ｚｎ酸化物（Ｍ１はＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｎ又はＨｆ）を有する、入出力装置。
  10. 請求項１乃至９のいずれか一項において、
    前記第１の絶縁膜と前記第１の共通電極の間に、第１の導電膜を有し、
    前記第１の導電膜の抵抗率は、前記第１の共通電極の抵抗率よりも低く、
    前記第１の導電膜は、前記第１の共通電極と電気的に接続される、入出力装置。
  11. 請求項１０において、
    前記第１の絶縁膜と前記第２の共通電極の間に、第２の導電膜を有し、
    前記第２の導電膜の抵抗率は、前記第２の共通電極の抵抗率よりも低く、
    前記第２の導電膜は、前記第２の共通電極と電気的に接続され、
    前記第１の導電膜と前記第２の導電膜は、同一面上に離間して位置する、入出力装置。
  12. 請求項１１において、
    遮光膜を有し、
    前記遮光膜は、前記第１の導電膜又は前記第２の導電膜と、前記液晶を介して重なる部分を有する、入出力装置。
  13. 請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の入出力装置と、
    アンテナ、バッテリ、筐体、スピーカ、マイク、操作スイッチ、又は操作ボタンと、を有する、電子機器。
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