JP2017222563A

JP2017222563A - 金属酸化物

Info

Publication number: JP2017222563A
Application number: JP2017112212A
Authority: JP
Inventors: 山崎　舜平; Shunpei Yamazaki; 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2016-06-10
Filing date: 2017-06-07
Publication date: 2017-12-21

Abstract

【課題】新規な材料を提供する。【解決手段】第１の領域と、第２の領域と、を有する金属酸化物であって、第１の領域は、インジウム、および窒素を含み、第２の領域は、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｓｉ、Ｂ、Ｙ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｇ、Ｖ、Ｂｅ、またはＣｕのいずれか一つ、または複数）、および窒素を含み、第１の領域、及び第２の領域は、モザイク状に配置され、第１の領域は、第２の領域よりも導電性が高い。また、金属酸化物において、ＳＩＭＳにより得られる窒素濃度が、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である。【選択図】図１

Description

本発明の一態様は、金属酸化物に関する。

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、本発明の一態様は、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。

トランジスタに適用可能な半導体材料として、酸化物半導体が注目されている。例えば、特許文献１では、複数の酸化物半導体層を積層し、当該複数の酸化物半導体層の中で、チャネルとなる酸化物半導体層がインジウム及びガリウムを含み、且つインジウムの割合をガリウムの割合よりも大きくすることで、電界効果移動度（単に移動度、またはμＦＥという場合がある）を高めた半導体装置が検討されている。

また、非特許文献１では、トランジスタの活性層として、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物と、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物との２層積層の酸化物半導体を有する構造が検討されている。

また、非特許文献２では、トランジスタの活性層として、金属酸化物を用い、当該金属酸化物がＸ−Ｏ−Ｙ構造を有する構成について検討されている。

特開２０１４−７３９９号公報

ＪｏｈｎＦ．Ｗａｇｅｒ、「ＯｘｉｄｅＴＦＴｓ：ＡＰｒｏｇｒｅｓｓＲｅｐｏｒｔ」、ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＤｉｓｐｌａｙ１／１６、ＳＩＤ２０１６、Ｊａｎ／Ｆｅｂ２０１６、Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．１，ｐ．１６−２１Ｔ．Ｘｉａｏ、「ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＴＦＴＴｕｒｎｋｅｙＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＳｏｌｕｔｉｏｎｓｆｏｒａ−ＳｉＴＥＴＬｉｎｅｓ」、ＳＩＤ２０１６ＤＩＧＥＳＴ、ｐ．３１８

非特許文献１では、チャネル保護型のボトムゲート型のトランジスタにおいて、トランジスタの活性層として、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物と、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物との２層積層とし、チャネルが形成されるＩｎ−Ｚｎ酸化物の膜厚を１０ｎｍとすることで、高い電界効果移動度（μ＝６２ｃｍ^２Ｖ^−１ｓ^−１）を実現している。一方で、トランジスタ特性の一つであるＳ値（ＳｕｂｔｈｒｅｓｈｏｌｄＳｗｉｎｇ、ＳＳともいう）が０．４１Ｖ／ｄｅｃａｄｅと大きい。また、トランジスタ特性の一つである、しきい値電圧（Ｖｔｈともいう）が−２．９Ｖであり、所謂ノーマリーオンのトランジスタ特性である。

酸化物半導体膜をチャネル形成領域に用いるトランジスタとしては、電界効果移動度が高い方が好ましい。しかしながら、トランジスタの電界効果移動度を高めると、トランジスタの特性がノーマリーオンの特性になりやすいといった問題がある。なお、ノーマリーオンとは、ゲート電極に電圧を印加しなくてもチャネルが存在し、トランジスタに電流が流れてしまう状態のことである。

また、非特許文献２では、金属酸化物がＸ−Ｏ−Ｙ構造を有する構成について例示しており、イオン性結合を有するＸ−Ｏ（ＸはＩｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｃｄなど）と、共有結合を有するＹ−Ｏ（ＹはＢ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｌなど）とを一体化させている。なお、酸素（Ｏ）との結合性が弱いＸと、酸素（Ｏ）との結合性が強いＹとを一体化させることで、金属酸化物中の酸素欠損を抑制している。

一方で、非特許文献２においては、金属酸化物に含まれるＸ−Ｏと、Ｙ−Ｏとを機能的に分離させることは開示されていない。

上述の問題に鑑み、本発明の一態様は、新規な金属酸化物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、半導体装置に良好な電気特性を付与することを課題の一とする。または、信頼性の高い半導体装置を提供することを課題の一とする。または、新規な構成の半導体装置を提供することを課題の一とする。または、新規な構成の表示装置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、これら以外の課題は、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の領域と、第２の領域と、を有する金属酸化物であって、第１の領域は、インジウム、および窒素を含み、第２の領域は、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｓｉ、Ｂ、Ｙ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｇ、Ｖ、Ｂｅ、またはＣｕのいずれか一つ、または複数）を含み、第１の領域、及び第２の領域は、モザイク状に配置され、第１の領域は、第２の領域よりも導電性が高い。

本発明の一態様は、第１の領域と、第２の領域と、を有する金属酸化物であって、第１の領域は、インジウムを含み、第２の領域は、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｓｉ、Ｂ、Ｙ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｇ、Ｖ、Ｂｅ、またはＣｕのいずれか一つ、または複数）、および窒素を含み、第１の領域、及び第２の領域は、モザイク状に配置され、第１の領域は、第２の領域よりも導電性が高い。

本発明の一態様は、第１の領域と、第２の領域と、を有する金属酸化物であって、第１の領域は、インジウム、および窒素を含み、第２の領域は、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｓｉ、Ｂ、Ｙ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｇ、Ｖ、Ｂｅ、またはＣｕのいずれか一つ、または複数）、および窒素を含み、第１の領域、及び第２の領域は、モザイク状に配置され、第１の領域は、第２の領域よりも導電性が高い。

本発明の一態様は、第１の領域と、第２の領域と、を有する金属酸化物であって、第１の領域は、インジウムを含み、第２の領域は、ホウ素を含み、第１の領域、及び第２の領域は、モザイク状に配置され、第１の領域は、第２の領域よりも導電性が高い。

上記構成の金属酸化物は、さらに第３の領域を有し、第３の領域は、第１の領域よりも導電性が低く、かつ、第２の領域よりも導電性が高い。

上記構成の金属酸化物において、第１の領域、第２の領域、または第３の領域は、周辺部がボケており、クラウド状である。

上記構成の金属酸化物において、第１の領域は、キャリアとなる電子が流れる機能を有し、第２の領域は、リーク電流を抑制する機能を有する。

上記構成の金属酸化物において、第２の領域は、径が０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、またはその近傍である。

上記構成の金属酸化物において、ＳＩＭＳにより得られる窒素濃度が、１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上２×１０^２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である。

上記構成の金属酸化物において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度が、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上２×１０^２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である。

上記構成の金属酸化物において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度が、１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１×１０^２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である。

上記構成の金属酸化物を有するトランジスタである。

本発明の一態様により、新規な金属酸化物を提供することができる。または、本発明の一態様により、半導体装置に良好な電気特性を付与することができる。または、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、新規な構成の半導体装置を提供することができる。または、新規な構成の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。

金属酸化物の構成の概念図。金属酸化物の構成の概念図。金属酸化物の構成の概念図。金属酸化物の構成の概念図。半導体装置を説明する上面図及び断面図。半導体装置を説明する上面図及び断面図。半導体装置を説明する断面図。半導体装置の作製方法を説明する断面図。半導体装置の作製方法を説明する断面図。半導体装置の作製方法を説明する断面図。半導体装置を説明する上面図及び断面図。半導体装置を説明する上面図及び断面図。半導体装置を説明する上面図及び断面図。半導体装置を説明する上面図及び断面図。本発明に係る金属酸化物の原子数比の範囲を説明する図。表示パネルの構成例を説明する図。表示パネルの構成例を説明する図。

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

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

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

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

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

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

また、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジスタなどのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、キャパシタ、その他の各種機能を有する素子などが含まれる。

また、本明細書等において、酸化窒化シリコン膜とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多い膜を指し、窒化酸化シリコン膜とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い膜を指す。

また、本明細書等において、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる場合がある。

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

また、本明細書等において、「膜」という用語と、「層」という用語とは、場合によっては、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。

なお、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分低い場合は「絶縁体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「絶縁体」は境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。したがって、本明細書に記載の「半導体」は、「絶縁体」と言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「絶縁体」は、「半導体」と言い換えることができる場合がある。

なお、本明細書等について、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：３またはその近傍とは、原子数の総和に対して、Ｉｎが４の場合、Ｍが１以上３以下（１≦Ｍ≦３）であり、Ｚｎが２以上４以下（２≦Ｚｎ≦４）とする。また、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：１：６またはその近傍とは、原子数の総和に対して、Ｉｎが５の場合、Ｍが０．１より大きく２以下（０．１＜Ｍ≦２）であり、Ｚｎが５以上７以下（５≦Ｚｎ≦７）とする。また、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１またはその近傍とは、原子数の総和に対して、Ｉｎが１の場合、Ｍが０．１より大きく２以下（０．１＜Ｍ≦２）であり、Ｚｎが０．１より大きく２以下（０．１＜Ｚｎ≦２）とする。

（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様である金属酸化物について説明する。

本明細書等において、金属酸化物（ｍｅｔａｌｏｘｉｄｅ）とは、広い表現での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体（透明酸化物導電体を含む）、酸化物半導体（ＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ、または単にＯＳともいう）などに分類される。例えば、トランジスタの活性層に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、ＯＳＦＥＴと記載する場合においては、金属酸化物または酸化物半導体を有するトランジスタと換言することができる。

本発明の一態様の金属酸化物は、少なくともインジウムを含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、元素Ｍ（元素Ｍは、アルミニウム、シリコン、ホウ素、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種）が含まれていてもよい。

また、本発明の一態様の金属酸化物は、窒素を有すると好ましい。具体的には、本発明の一態様の金属酸化物において、ＳＩＭＳにより得られる窒素濃度が、１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、好ましくは１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上２×１０^２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とすればよい。なお、金属酸化物に窒素を添加すると、バンドギャップが狭くなり、導電性が向上する傾向がある。従って、本明細書等において、本発明の一態様である金属酸化物は、窒素などが添加された金属酸化物も含むものとする。また、窒素を有する金属酸化物を金属酸窒化物（ＭｅｔａｌＯｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。

＜金属酸化物の構成１＞
本発明の一態様における金属酸化物の概念図を図１に示す。本発明の一態様における金属酸化物は、例えば、図１に示すように、金属酸化物を構成する元素が偏在することで、各元素を主成分とする領域００１、および領域００２を形成し、各領域が、混合し、モザイク状に形成される。

つまり、金属酸化物を構成する元素が、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは、０．５ｎｍ以上３ｎｍ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、金属酸化物において、一つあるいはそれ以上の元素が偏在し、該元素を有する領域が、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは、０．５ｎｍ以上３ｎｍ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。

領域００１、および領域００２は、それぞれ偏在した元素により、物理特性が決定する。例えば、領域００１に偏在する元素と、領域００２に偏在する元素とを比較して、領域００１に偏在する元素が絶縁体となる傾向が強い場合、領域００１は誘電体（絶縁体）の機能を有し、誘電体領域となる。一方、領域００２に偏在する元素と、領域００１に偏在する元素とを比較して、領域００２に偏在する元素が導体となる傾向が強い場合、領域００２は導電体の機能を有し、導電体領域となる。導電体領域、および誘電体領域がモザイク状に混合することで、材料としては、半導体として機能する場合がある。

つまり、本発明の一態様における金属酸化物は、物理特性が異なる材料が混合した、マトリックス複合材（ｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）、または金属マトリックス複合材（ｍｅｔａｌｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）の一種である。

ここで、本明細書において、本発明の一態様である金属酸化物が、導電体の機能を有する領域と、誘電体の機能を有する領域とが混合し、材料の全体では半導体としての機能する場合、ＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ−Ａｌｉｇｎｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）−ＯＳ（ＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、またはＣＡＣ−ｍｅｔａｌｏｘｉｄｅと定義する。

ＣＡＣ−ＯＳ、またはＣＡＣ−ｍｅｔａｌｏｘｉｄｅにおいて、導電体領域と、誘電体領域とは、ナノ粒子レベルで分離している場合がある。また、材料中において、導電体領域と、誘電体領域とは、それぞれ偏在しており、導電体領域の周辺がぼけてクラウド状に観察される場合もある。なお、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌｏｘｉｄｅにおいて、導電体領域と、誘電体領域とは、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下のサイズで材料中に分散していることが好ましい。

誘電体領域、または導電体領域のサイズは、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ：ＥｎｅｒｇｙＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＸ−ｒａｙｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて取得したＥＤＸマッピングで評価することができる。

例えば、誘電体領域は、断面写真のＥＤＸマッピングにおいて、誘電体領域の径が、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、または１ｎｍ以上２ｎｍ以下で観察される場合がある。また、領域の中心部から周辺部にかけて、主成分である元素の密度は、徐々に小さくなる。例えば、ＥＤＸマッピングでカウントできる元素の個数（以下、存在量ともいう）が、中心部から周辺部に向けて傾斜すると、断面写真のＥＤＸマッピングにおいて、領域の周辺部が不明瞭な（ボケた）状態で観察される。

なお、ＣＡＣ−ＯＳ、またはＣＡＣ−ｍｅｔａｌｏｘｉｄｅとは、組成の異なる二種類以上の膜の積層構造は含まない。例えば、Ｉｎを主成分とする膜と、元素Ｍを主成分とする膜との２層からなる構造は、含まないものとする。

つまり、ＣＡＣとは、機能または材料の構成の一例であり、ＣＡＣ−ＯＳ、またはＣＡＣ−ｍｅｔａｌｏｘｉｄｅにおいて、結晶構造は副次的な要素である。一方、本明細書等において、ＣＡＡＣ（ｃ−ａｘｉｓａｌｉｇｎｅｄｃｒｙｓｔａｌ）と記載する場合、ＣＡＡＣは結晶構造の一例を表す。

ＣＡＡＣ構造とは、複数のＩＧＺＯのナノ結晶が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層状の結晶構造である。ここで、ＩＧＺＯは通称であり、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、およびＯによる１つの化合物をいう場合がある。代表例として、ＩｎＧａＯ_３（ＺｎＯ）_ｍ１（ｍ１は自然数）、またはＩｎ_{（１＋ｘ０）}Ｇａ_{（１−ｘ０）}Ｏ_３（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。当該結晶性の化合物は、単結晶構造、多結晶構造、またはＣＡＡＣ構造を有する。

なお、ＣＡＣ−ＯＳ、またはＣＡＣ−ｍｅｔａｌｏｘｉｄｅにおける結晶性は、電子線回折で評価することができる。例えば、電子線回折パターン像において、リング状に輝度の高い領域が観察される。また、リング状の領域に複数のスポットが観察される場合がある。

ＣＡＣ−ＯＳ、またはＣＡＣ−ｍｅｔａｌｏｘｉｄｅを、トランジスタの活性層に用いる場合、導電体領域は、キャリアとなる電子（またはホール）を流す機能を有し、絶縁体（または誘電体）領域は、キャリアとなる電子を流さない機能を有する。

導電体としての機能と、誘電体としての機能とを、それぞれ相補的に作用させることでスイッチングさせる機能（Ｏｎ／Ｏｆｆさせる機能）をＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌｏｘｉｄｅに付与することができる。ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌｏｘｉｄｅにおいて、それぞれの機能を分離させることで、双方の機能を最大限に高めることができる。

以下では、一例として、ＣＡＣ−ＯＳ、またはＣＡＣ−ｍｅｔａｌｏｘｉｄｅである、インジウム、元素Ｍ及び亜鉛を有する金属酸化物（以下、単に金属酸化物とする）について説明する。なお、金属酸化物が有するインジウム、元素Ｍ、及び亜鉛の原子数比のそれぞれの項を［Ｉｎ］、［Ｍ］、および［Ｚｎ］とする。

例えば、金属酸化物は、インジウム酸化物（以下、ＩｎＯ_Ｘ１（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、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２（Ｘ２、Ｙ２、およびＺ２は０よりも大きい実数）とする。）と、元素Ｍの酸化物（以下、ＭＯ_Ｘ３（Ｘ３は０よりも大きい実数）とする。）、または元素Ｍの亜鉛酸化物（以下、Ｍ_Ｘ４Ｚｎ_Ｙ４Ｏ_Ｚ４（Ｘ４、Ｙ４、および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ＩｎＯ_Ｘ１、またはＩｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２が、膜中に分布した構成（以下、クラウド状ともいう。）を有する。

ここで、図１に示す概念が、本発明の一態様の金属酸化物であると仮定する。その場合、領域００１がＭＯ_Ｘ３を主成分とする領域、領域００２がＩｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１を主成分とする領域である。このとき、ＭＯ_Ｘ３が主成分である領域と、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１が主成分である領域とは、周辺部が不明瞭である（ボケている）ため、それぞれ明確な境界が観察できない場合がある。例えば、ＭＯ_Ｘ３が主成分である領域において、元素Ｍの原子数は、中心部から周辺部にかけて徐々に減少し、代わりに、Ｚｎ原子数が増加することで、Ｍ_Ｘ４Ｚｎ_Ｙ４Ｏ_Ｚ４が主成分である領域へと段階的に変化する。従って、ＥＤＸマッピングにおいて、ＭＯ_Ｘ３が主成分である領域の周辺部は不明瞭な（ボケた）状態で観察される。

つまり、本発明の一態様の金属酸化物は、ＭＯ_Ｘ３が主成分である領域と、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１が主成分である領域とが、混合している金属酸化物である。なお、本明細書等において、例えば、領域００２の元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、領域００１の元素Ｍに対するＩｎの原子数比よりも大きいことを、領域００２は、領域００１と比較して、Ｉｎの濃度が高いとする。

ここで、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１が主成分である領域は、ＭＯ_Ｘ３などが主成分である領域と比較して、導電性が高い領域である。つまり、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１が主成分である領域を、キャリアが流れることにより、酸化物半導体としての導電性が発現する。従って、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１が主成分である領域が、酸化物半導体中にクラウド状に分布することで、高い電界効果移動度（μ）が実現できる。

一方、ＭＯ_Ｘ３などが主成分である領域は、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１が主成分である領域と比較して、絶縁性が高い領域である。つまり、ＭＯ_Ｘ３などが主成分である領域が、酸化物半導体中に分布することで、リーク電流を抑制し、良好なスイッチング動作を実現できる。

従って、本発明の一態様の金属酸化物を半導体素子に用いた場合、ＭＯ_Ｘ３などに起因する絶縁性と、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１に起因する導電性とが、相補的に作用することにより、高いオン電流（Ｉ_ｏｎ）、高い電界効果移動度（μ）、および、低いオフ電流（Ｉ_ｏｆｆ）を実現することができる。

また、本発明の一態様の金属酸化物に窒素を添加することにより、当該金属酸化物は、バンドギャップが狭くなる傾向がある。従って、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１が主成分である領域の導電性をさらに増加させることができる。つまり、窒素を添加した金属酸化物をトランジスタに用いる場合、さらに高いオン電流（Ｉ_ｏｎ）、および高い電界効果移動度（μ）を有するトランジスタにすることができる。

具体的には、本発明の一態様の金属酸化物において、ＳＩＭＳにより得られる窒素濃度を先に記載の数値とすればよい。

また、高いオン電流（Ｉ_ｏｎ）、および高い電界効果移動度（μ）を実現するには、金属酸化物において、キャリア密度が高いことが好ましい。金属酸化物に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、本発明の一態様の金属酸化物に水素を添加してもよい。具体的には、本発明の一態様の金属酸化物において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、好ましくは１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上２×１０^２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする。

一方、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１が主成分である領域と同様に、ＭＯ_Ｘ３などが主成分である領域においても、酸化物が形成される。ここで、元素Ｍとしてアルミニウムまたはシリコンなどのバンドギャップが大きい元素（例えば、ガリウムよりバンドギャップが大きい元素）を用いることで、酸化物が形成されても十分な絶縁性を有する領域にすることができる。

例えば、Ａｌ_２Ｏ_３のバンドギャップは８．６ｅＶであり、Ｇａ_２Ｏ_３のバンドギャップ４．８ｅＶより大きい。また、ＡｌＮのバンドギャップは６．３ｅＶであり、ＧａＮのバンドギャップ３．５ｅＶより大きい。つまり、元素Ｍにアルミニウムを用いた場合の領域００２は、元素Ｍにガリウムを用いた場合の領域００２よりも、高い絶縁性を有すると考えられる。従って、元素Ｍとしてアルミニウムまたはシリコンなどのバンドギャップが大きい元素を用いる場合、よりリーク電流を抑制し、良好なスイッチング動作を実現できる。

従って、元素Ｍとして、アルミニウムまたはシリコンなどの酸素と結合力の強い元素を用いることにより、金属酸化物の酸素欠損に相当するサイトを、当該元素Ｍによって補填することができる。また、金属酸化物に添加した窒素も酸素欠損に相当するサイトを補填することができる。

なお、酸素欠損（Ｖｏともいう）とは、金属酸化物中に存在した酸素が、拡散または消失した状態をいう。金属酸化物中に酸素欠損が生じると、金属酸化物の電気伝導度を変化させてしまうことがある。なお、酸素欠損は、酸素または、異なる元素でその欠陥の一部が修復（補填）することで、低減することができる。酸素欠損を低減することで、電気的バイアスストレスや熱ストレスに起因する劣化、および光による劣化を抑制することができる。

また、本発明の一態様の金属酸化物に窒素を添加する、および元素Ｍに酸素と結合力の強い元素を用いることで、成膜ガス中の酸素を低減、または成膜ガスに酸素を含まない構成としても、金属酸化物の酸素欠損の低減を図ることができる。このように酸素欠損の低減された金属酸化物をトランジスタに用いることにより、信頼性が高いトランジスタにすることができる。従って、本発明の一態様の金属酸化物を用いたトランジスタは、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。

また、元素Ｍとしてアルミニウムを用いることにより、金属酸化物中にＡｌＮｘが形成される場合がある。ＡｌＮｘは熱伝導率が高いので、ＡｌＮｘを有する金属酸化物をトランジスタに用いることで、高温環境での使用に耐えられるパワーデバイスを作製することができる。

以上より、元素Ｍとしては、例えば、アルミニウムを用いることが好ましい。元素Ｍとしてアルミニウムを用いたＩｎ−Ａｌ−Ｚｎ酸化物では、上記に加えて、アルミニウム酸化物、またはアルミニウム亜鉛酸化物などが含まれる。

また、元素Ｍとしては、例えば、シリコンを用いることが好ましい。元素Ｍとしてシリコンを用いたＩｎ−Ｓｉ−Ｚｎ酸化物では、上記に加えて、シリコン酸化物、またはシリコン亜鉛酸化物などが含まれる。また、Ｉｎ−Ｓｉ−Ｚｎ酸化物では、ＳＩＭＳにより得られるＳｉの濃度が５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であることが好ましい。

なお、本発明の一態様の金属酸化物を半導体素子に用いた場合に、高いオン電流（Ｉ_ｏｎ）、高い電界効果移動度（μ）、および、低いオフ電流（Ｉ_ｏｆｆ）を実現する伝導メカニズムは、パーコレーション理論の１つであるランダム抵抗網モデルにより、推定することができる。

つまり、本発明の一態様の酸化物における電気伝導は、基本的に、キャリアである電子が、導電性が高いＩｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１が主成分である領域を自由に動くことにより生じると考えられる。

また、絶縁性が高いＭＯ_Ｘ３などが主成分である領域およびその近傍では、電子が局在状態となる。従って、キャリアである電子が、絶縁性が高いＭＯ_Ｘ３などが主成分である領域を、飛躍（ホッピング）することによって電気伝導が担われる場合がある。なお、飛躍過程は原子の熱振動などに起因して生じると推測され、電気伝導率は温度の上昇とともに増大する傾向がある。また、飛躍過程は外部から与えられる作用（例えば、電気的な作用など）に起因して生じる場合がある。具体的には、本発明の一態様の金属酸化物に電界を加えることによって飛躍過程が生じる場合がある。

また、本発明の一態様の金属酸化物を用いた半導体素子は、信頼性が高い。従って、本発明の一態様の金属酸化物は、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。

＜金属酸化物の構成２＞
図２は、図１に示す概念図の変形例である。図２に示すように、領域００１、および領域００２の他に、領域００３を有していてもよい。

領域００３は、金属酸化物の形成条件によって、形成される場合がある。例えば、領域００３として、Ｉｎ、元素Ｍ、Ｚｎ、およびＯによる１つの化合物が形成される場合がある。また、領域００１よりも元素Ｍの濃度が低く、かつ領域００１よりも元素Ｍの濃度が高い領域、および領域００２よりもＩｎの濃度が低く、かつ領域００２よりもＩｎの濃度が高い領域などが、領域００３として形成される場合がある。

従って、領域００３は、領域００１よりも導電性が高く、領域００２よりも絶縁性が高い領域である。従って、基本的に、領域００３は、キャリアが流れることなく、またスイッチング動作にも寄与しない。つまり、基本的に機能を有しない領域である。

＜金属酸化物の成膜方法＞
以下では、金属酸化物の一例について説明する。

金属酸化物を成膜する際の温度としては、室温以上１４０℃未満とすることが好ましい。なお、室温とは、温度調節を行わない場合だけでなく、基板を冷却するなど温度調節を行う場合も含むものとする。

また、スパッタリングガスは、希ガス（代表的にはアルゴン）、酸素、および窒素、または混合ガスを適宜用いる。混合ガスの場合、成膜ガス全体に占める酸素ガスの割合が、０％以上３０％以下、好ましくは５％以上２０％以下とする。

また、成膜ガスに窒素ガスを含めて成膜することにより、窒素を有する金属酸化物を成膜することができる。窒素ガスを添加して金属酸化物を成膜する場合、窒素流量比を大きくし、金属酸化物に十分な量の窒素を含ませることで、キャリア移動度を高めることができる。金属酸化物に十分な量の窒素を含ませることで、金属酸化物を有するトランジスタにおいて、低いゲート電圧（例えば０Ｖより大きく２Ｖ以下の範囲）における電界効果移動度の向上が顕著となる。

窒素流量比は、窒素を有する金属酸化物の用途に応じた好ましい特性を得るために、１０％以上１００％以下の範囲で適宜設定することができる。

また、スパッタリングガスの高純度化も必要である。例えば、スパッタリングガスとして用いる酸素ガス、窒素ガス、及びアルゴンガスは、露点が−４０℃以下、好ましくは−８０℃以下、より好ましくは−１００℃以下、より好ましくは−１２０℃以下にまで高純度化したガスを用いることで金属酸化物に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。

また、スパッタリング法で金属酸化物を成膜する場合、スパッタリング装置におけるチャンバーは、クライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて高真空（５×１０^−７Ｐａから１×１０^−４Ｐａ程度まで）排気することが好ましい。または、ターボ分子ポンプとコールドトラップを組み合わせて排気系からチャンバー内に気体が逆流しないようにしておくことが好ましい。

また、スパッタリングターゲットとして、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ金属酸化物ターゲットを用いることができる。また、スパッタリングターゲットとして、元素Ｍの化合物などの絶縁性材料（誘電性材料ということもできる。）を含む領域と、酸化インジウムなどの導電性材料を含む領域と、を有し、それぞれの領域が互いに分離している複合ターゲットを用いることができる。また、絶縁性材料を含む領域、または導電性材料を含む領域のどちらか一方、または双方に窒素元素が含まれる材料を有することで、成膜される金属酸化物に窒素を添加することができる。

なお、複合ターゲットにおいて、導電性材料を含む領域及び絶縁性材料を含む領域は、それぞれ粒子状であることが好ましい。ここで、複合ターゲットでは、導電性材料を含む領域及び絶縁性材料を含む領域は、機能が分離しているため、導電性材料を含む領域に含まれる元素と絶縁性材料を含む領域に含まれる元素とは、互いに結合しないことが好ましい。また、導電性材料を含む領域及び絶縁性材料を含む領域は、それぞれ径が１０μｍ未満であることが好ましい。また、複合ターゲットは、結晶構造を有してもよい。例えば、微結晶構造（ｎｃ（ｎａｎｏ−ｃｒｙｓｔａｌ）構造という場合もある。）または多結晶構造を有してもよい。

例えば、複合ターゲットに含まれる導電性材料の原子数比を絶縁性材料の原子数比より多くすることが好ましい。当該複合ターゲットを用いて製膜することで、金属酸化物中に、絶縁性材料より多く導電性材料が含まれるため、よりキャリア移動度を高くすることができる。

また、スパッタリング装置において、ターゲットを回転または移動させても構わない。成膜条件、例えば、成膜中にマグネットユニットを上下または／及び左右に揺動させることによって、本発明の複合金属酸化物を形成することができる。例えば、ターゲットを、０．１Ｈｚ以上１ｋＨｚ以下のビート（リズム、拍子、パルス、周波、周期またはサイクルなどと言い換えてもよい。）で回転または揺動させればよい。または、マグネットユニットを、０．１Ｈｚ以上１ｋＨｚ以下のビートで揺動させればよい。

以上、本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態または他の実施例に示す構成と適宜、組み合わせて用いることができる。

（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様である金属酸化物について説明する。

本発明の一態様の金属酸化物（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅ）は、少なくともインジウムを含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、ホウ素が含まれていてもよい。ここで、金属酸化物が、インジウム、ホウ素及び亜鉛を有する場合を考える。

＜金属酸化物の構成１＞
本発明の一態様における金属酸化物の概念図を図３に示す。本発明の一態様における金属酸化物は、例えば、図３に示すように、金属酸化物を構成する元素が偏在することで、各元素を主成分とする領域００１、および領域００２を形成し、各領域が、混合し、モザイク状に形成される。

領域００１、および領域００２は、それぞれ異なる物理特性を有する。例えば、領域００１が、誘電体（絶縁体）の機能を有する場合、誘電体領域となる。一方、領域００２が導電体の機能を有する場合、導電体領域となる。導電体領域、および誘電体領域がモザイク状に混合することで、材料としては、半導体として機能する場合がある。

なお、ＣＡＣ−ＯＳ、またはＣＡＣ−ｍｅｔａｌｏｘｉｄｅとは、組成の異なる二種類以上の膜の積層構造は含まない。例えば、Ｉｎを主成分とする膜と、Ｂを主成分とする膜との２層からなる構造は、含まないものとする。

以下では、ＣＡＣ−ＯＳ、またはＣＡＣ−ｍｅｔａｌｏｘｉｄｅである、インジウム、ホウ素及び亜鉛を有する金属酸化物（以下、単に金属酸化物とする）について説明する。

本発明の一態様における金属酸化物は、インジウム酸化物（以下、ＩｎＯ_Ｘ１（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、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２（Ｘ２、Ｙ２、およびＺ２は０よりも大きい実数）とする。）と、酸化ホウ素（以下、ＢＯ_Ｘ３（Ｘ３は０よりも大きい実数）とする。）、または亜鉛酸化ホウ化物（以下、Ｚｎ_Ｙ４Ｏ_Ｚ４Ｂ_Ｘ４（Ｘ４、Ｙ４、および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ＩｎＯ_Ｘ１、またはＩｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２が、膜中に分布した構成（以下、クラウド状ともいう。）を有する。

ここで、図３に示す概念が、本発明の一態様の金属酸化物であると仮定する。その場合、領域００１がＢＯ_Ｘ３を主成分とする領域、領域００２がＩｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１を主成分とする領域である。

金属酸化物において、領域００１と、領域００２とは、ナノ粒子レベルで分離している場合がある。また、金属酸化物中において、領域００１と、領域００２とは、それぞれ偏在しており、領域００１の周辺がぼけてクラウド状に観察される場合もある。なお、領域００１と、領域００２とは、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下のサイズで材料中に分散していることが好ましい。

なお、領域００１、または領域００２のサイズは、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ：ＥｎｅｒｇｙＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＸ−ｒａｙｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて取得したＥＤＸマッピングで評価することができる。例えば、領域００１は、断面写真のＥＤＸマッピングにおいて、誘電体領域の径が、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、または１ｎｍ以上２ｎｍ以下で観察される場合がある。

このとき、ＢＯ_Ｘ３が主成分である領域００１と、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１が主成分である領域００２とは、周辺部が不明瞭である（ボケている）ため、それぞれ明確な境界が観察できない場合がある。例えば、領域００２において、Ｂ原子は、中心部から周辺部にかけて徐々に減少し、代わりに、Ｚｎ原子が増加することで、Ｂ_Ｘ６Ｚｎ_Ｙ６Ｏ_Ｚ６が主成分である領域へと段階的に変化する。つまり、領域００２の中心部から周辺部にかけて、Ｂ原子の密度は、徐々に小さくなる。従って、ＥＤＸマッピングでカウントできるＢ原子の個数（以下、存在量ともいう）が、中心部から周辺部に向けて傾斜するため、断面写真のＥＤＸマッピングにおいて、領域の周辺部が不明瞭な（ボケた）状態で観察される。

つまり、本発明の一態様の金属酸化物は、ＢＯ_Ｘ３が主成分である領域と、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１が主成分である領域とが、混合している金属酸化物である。なお、本明細書等において、例えば、領域００２のＢに対するＩｎの原子数比が、領域００１のＢに対するＩｎの原子数比よりも大きいことを、領域００２は、領域００１と比較して、Ｉｎの濃度が高いとする。

ここで、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１が主成分である領域は、ＢＯ_Ｘ３などが主成分である領域と比較して、導電性が高い領域である。つまり、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１が主成分である領域を、キャリアが流れることにより、酸化物半導体としての導電性が発現する。従って、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１が主成分である領域が、酸化物半導体中にクラウド状に分布することで、高い電界効果移動度（μ）が実現できる。

一方、ＢＯ_Ｘ３などが主成分である領域は、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１が主成分である領域と比較して、絶縁性が高い領域である。つまり、ＢＯ_Ｘ３などが主成分である領域が、酸化物半導体中に分布することで、リーク電流を抑制し、良好なスイッチング動作を実現できる。

従って、本発明の一態様の金属酸化物を半導体素子に用いた場合、ＢＯ_Ｘ３などに起因する絶縁性と、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１に起因する導電性とが、相補的に作用することにより、高いオン電流（Ｉ_ｏｎ）、高い電界効果移動度（μ）、および、低いオフ電流（Ｉ_ｏｆｆ）を実現することができる。

また、高いオン電流（Ｉ_ｏｎ）、および高い電界効果移動度（μ）を実現するには、金属酸化物において、キャリア密度が高いことが好ましい。金属酸化物に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、具体的には、金属酸化物において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上２×１０^２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１×１０^２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする。この結果、導電性が高い領域のキャリア密度が高まり、本発明の一態様の金属酸化物の移動度を高めることができる。

一方、ホウ素は、インジウム及び亜鉛と比較して酸素との結合エネルギーが大きい。

例えば、Ｂ−Ｏの結合エネルギーは、８０９ｋＪ／ｍｏｌであり、Ｉｎ−Ｏの結合エネルギー３４６ｋＪ／ｍｏｌ及びＺｎ−Ｏの結合エネルギー２５０ｋＪ／ｍｏｌより大きい。また、Ｂ−Ｏの結合エネルギーは、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の金属酸化物に含まれるＺｎ−Ｏの結合エネルギー３７４ｋＪ／ｍｏｌより大きい。つまり、酸化ホウ素を用いた場合の領域００２は、酸化ガリウムを用いた場合の領域００２よりも、膜中の酸素の結合を安定させることが可能であり、高い絶縁性を有すると考えられる。従って、金属酸化物において、導電性が高い領域のキャリア密度が高くても、絶縁性が高い領域として結合エネルギーの高い酸化ホウ素を用いることで、リーク電流を抑制することが可能である。この結果、本発明の一態様の金属酸化物は良好なスイッチング動作を実現できる。

上記のように、ホウ素は酸素との結合力が高いため、金属酸化物の酸素欠損に相当するサイトを、当該ホウ素によって補填することができる。

なお、酸素欠損（Ｖ_ｏともいう）とは、金属酸化物中に存在した酸素が、拡散または消失した状態をいう。金属酸化物中に酸素欠損が生じると、金属酸化物の電気伝導度を変化させてしまうことがある。なお、酸素欠損は、酸素または、異なる元素でその欠陥の一部が修復（補填）することで、低減することができる。酸素欠損を低減することで、電気的バイアスストレスや熱ストレスに起因する劣化、および光による劣化を抑制することができる。

また、金属酸化物に、酸素と結合力の強いホウ素を用いることで、成膜ガス中の酸素を低減、または成膜ガスに酸素を含まない構成としても、金属酸化物の酸素欠損の低減を図ることができる。このように酸素欠損の低減された金属酸化物をトランジスタに用いることにより、信頼性が高いトランジスタにすることができる。従って、本発明の一態様の金属酸化物を用いたトランジスタは、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。

また、絶縁性が高いＢＯ_Ｘ３などが主成分である領域およびその近傍では、電子が局在状態となる。従って、キャリアである電子が、絶縁性が高いＢＯ_Ｘ３などが主成分である領域を、飛躍（ホッピング）することによって電気伝導が担われる場合がある。なお、飛躍過程は原子の熱振動などに起因して生じると推測され、電気伝導率は温度の上昇とともに増大する傾向がある。また、飛躍過程は外部から与えられる作用（例えば、電気的な作用など）に起因して生じる場合がある。具体的には、本発明の一態様の金属酸化物に電界を加えることによって飛躍過程が生じる場合がある。

＜金属酸化物の構成２＞
図４は、図３に示す概念図の変形例である。図４に示すように、領域００１、および領域００２の他に、領域００３を有していてもよい。

領域００３は、金属酸化物の形成条件によって、形成される場合がある。例えば、領域００３として、Ｉｎ、Ｂ、Ｚｎ、およびＯによる１つの化合物が形成される場合がある。また、領域００１よりもＢの濃度が低く、かつ領域００１よりもＢの濃度が高い領域、および領域００２よりもＩｎの濃度が低く、かつ領域００２よりもＩｎの濃度が高い領域などが、領域００３として形成される場合がある。

また、スパッタリングターゲットとして、Ｉｎ−Ｂ−Ｚｎ金属酸化物ターゲットを用いることができる。また、スパッタリングターゲットとして、酸化ホウ素の化合物などの絶縁性材料（誘電性材料ということもできる。）を含む領域と、酸化インジウムなどの導電性材料を含む領域と、を有し、それぞれの領域が互いに分離している複合ターゲットを用いることができる。

（実施の形態３）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置及び半導体装置の作製方法について、図５乃至図１２を参照して説明する。

＜２−１．半導体装置の構成例１＞
図５（Ａ）は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ１００の上面図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し、図５（Ｃ）は、図５（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当する。なお、図５（Ａ）において、煩雑になることを避けるため、トランジスタ１００の構成要素の一部（ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜等）を省略して図示している。また、一点鎖線Ｘ１−Ｘ２方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｙ１−Ｙ２方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。なお、トランジスタの上面図においては、以降の図面においても図５（Ａ）と同様に、構成要素の一部を省略して図示する場合がある。

図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００は、所謂トップゲート構造のトランジスタである。

トランジスタ１００は、基板１０２上の絶縁膜１０４と、絶縁膜１０４上の金属酸化物１０８と、金属酸化物１０８上の絶縁膜１１０と、絶縁膜１１０上の導電膜１１２と、絶縁膜１０４、金属酸化物１０８、及び導電膜１１２上の絶縁膜１１６と、を有する。

また、金属酸化物１０８は、導電膜１１２が重畳する領域において、絶縁膜１０４上の金属酸化物１０８を有する。例えば、金属酸化物１０８は、本発明の一態様である金属酸化物を用いることができる。

また、金属酸化物１０８は、導電膜１１２が重畳せずに、且つ絶縁膜１１６が接する領域において、領域１０８ｎを有する。領域１０８ｎは、先に説明した金属酸化物１０８が、ｎ型化した領域である。なお、領域１０８ｎは、絶縁膜１１６と接し、絶縁膜１１６は、窒素または水素を有する。そのため、絶縁膜１１６中の窒素または水素が領域１０８ｎに添加されることで、キャリア密度が高くなりｎ型となる。

また、金属酸化物１０８は、Ｉｎの原子数比がＭの原子数比より多い領域を有すると好ましい。一例としては、金属酸化物１０８のＩｎ、Ｍ、及びＺｎの原子数の比を、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：３近傍とすると好ましい。

なお、金属酸化物１０８は、上記の組成に限定されない。例えば、金属酸化物１０８のＩｎ、Ｍ、及びＺｎの原子数の比を、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：１：６近傍としてもよい。ここで近傍とは、Ｉｎが５の場合、Ｍが０．５以上１．５以下であり、且つＺｎが５以上７以下を含む。

金属酸化物１０８が、Ｉｎの原子数比がＭの原子数比より多い領域を有することで、トランジスタ１００の電界効果移動度を高くすることができる。具体的には、トランジスタ１００の電界効果移動度が５０ｃｍ^２／Ｖ_ｓを超える、さらに好ましくはトランジスタ１００の電界効果移動度が１００ｃｍ^２／Ｖ_ｓを超えることが可能となる。

例えば、上記の電界効果移動度が高いトランジスタを、ゲート信号を生成するゲートドライバに用いることで、額縁幅の狭い（狭額縁ともいう）表示装置を提供することができる。また、上記の電界効果移動度が高いトランジスタを、表示装置が有する信号線からの信号の供給を行うソースドライバ（とくに、ソースドライバが有するシフトレジスタの出力端子に接続されるデマルチプレクサ）に用いることで、表示装置に接続される配線数が少ない表示装置を提供することができる。

一方で、金属酸化物１０８が、Ｉｎの原子数比がＭの原子数比より多い領域を有していても、金属酸化物１０８の結晶性が高い場合、電界効果移動度が低くなる場合がある。

なお、金属酸化物１０８の結晶性としては、例えば、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−ＲａｙＤｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）を用いて分析する、あるいは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いて分析することで解析できる。

また、図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すように、トランジスタ１００は、絶縁膜１１６上の絶縁膜１１８と、絶縁膜１１６、１１８に設けられた開口部１４１ａを介して、領域１０８ｎに電気的に接続される導電膜１２０ａと、絶縁膜１１６、１１８に設けられた開口部１４１ｂを介して、領域１０８ｎに電気的に接続される導電膜１２０ｂと、を有していてもよい。

なお、本明細書等において、絶縁膜１０４を第１の絶縁膜と、絶縁膜１１０を第２の絶縁膜と、絶縁膜１１６を第３の絶縁膜と、絶縁膜１１８を第４の絶縁膜と、それぞれ呼称する場合がある。また、導電膜１１２は、ゲート電極としての機能を有し、導電膜１２０ａは、ソース電極としての機能を有し、導電膜１２０ｂは、ドレイン電極としての機能を有する。

また、絶縁膜１１０は、ゲート絶縁膜としての機能を有する。

＜２−２．半導体装置の構成要素＞
次に、本実施の形態の半導体装置に含まれる構成要素について、詳細に説明する。

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

また、基板１０２として、可撓性基板を用い、可撓性基板上に直接、トランジスタ１００を形成してもよい。または、基板１０２とトランジスタ１００の間に剥離層を設けてもよい。剥離層は、その上に半導体装置を一部あるいは全部完成させた後、基板１０２より分離し、他の基板に転載するのに用いることができる。その際、トランジスタ１００は耐熱性の劣る基板や可撓性の基板にも転載できる。

［第１の絶縁膜］
絶縁膜１０４としては、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、絶縁膜１０４としては、例えば、酸化物絶縁膜または窒化物絶縁膜を単層または積層して形成することができる。なお、金属酸化物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金属酸化物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、金属酸化物１０８に移動させることが可能である。

絶縁膜１０４の厚さは、５０ｎｍ以上、または１００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下、または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と金属酸化物１０８との界面における界面準位、並びに金属酸化物１０８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、酸化ガリウムまたはＧａ−Ｚｎ酸化物などを用いればよく、単層または積層で設けることができる。本実施の形態では、絶縁膜１０４として、窒化シリコン膜と、酸化窒化シリコン膜との積層構造を用いる。このように、絶縁膜１０４を積層構造として、下層側に窒化シリコン膜を用い、上層側に酸化窒化シリコン膜を用いることで、金属酸化物１０８中に効率よく酸素を導入することができる。

［導電膜］
ゲート電極として機能する導電膜１１２、ソース電極として機能する導電膜１２０ａ、ドレイン電極として機能する導電膜１２０ｂとしては、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）から選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いてそれぞれ形成することができる。

また、導電膜１１２、１２０ａ、１２０ｂには、インジウムと錫とを有する酸化物（Ｉｎ−Ｓｎ酸化物）、インジウムとタングステンとを有する酸化物（Ｉｎ−Ｗ酸化物）、インジウムとタングステンと亜鉛とを有する酸化物（Ｉｎ−Ｗ−Ｚｎ酸化物）、インジウムとチタンとを有する酸化物（Ｉｎ−Ｔｉ酸化物）、インジウムとチタンと錫とを有する酸化物（Ｉｎ−Ｔｉ−Ｓｎ酸化物）、インジウムと亜鉛とを有する酸化物（Ｉｎ−Ｚｎ酸化物）、インジウムと錫とシリコンとを有する酸化物（Ｉｎ−Ｓｎ−Ｓｉ酸化物）、インジウムとガリウムと亜鉛とを有する酸化物（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物）等の酸化物導電体または金属酸化物を適用することもできる。

ここで、酸化物導電体について説明を行う。本明細書等において、酸化物導電体をＯＣ（ＯｘｉｄｅＣｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼称してもよい。酸化物導電体としては、例えば、金属酸化物に酸素欠損を形成し、該酸素欠損に水素を添加すると、伝導帯近傍にドナー準位が形成される。この結果、金属酸化物は、導電性が高くなり導電体化する。導電体化された金属酸化物を、酸化物導電体ということができる。一般に、金属酸化物は、エネルギーギャップが大きいため、可視光に対して透光性を有する。一方、酸化物導電体は、伝導帯近傍にドナー準位を有する金属酸化物である。したがって、酸化物導電体は、ドナー準位による吸収の影響は小さく、可視光に対して金属酸化物と同程度の透光性を有する。

また、導電膜１１２、１２０ａ、１２０ｂには、Ｃｕ−Ｘ合金膜（Ｘは、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔａ、またはＴｉ）を適用してもよい。Ｃｕ−Ｘ合金膜を用いることで、ウエットエッチングプロセスで加工できるため、製造コストを抑制することが可能となる。

また、導電膜１１２、１２０ａ、１２０ｂには、上述の金属元素の中でも、特にチタン、タングステン、タンタル、及びモリブデンの中から選ばれるいずれか一つまたは複数を有すると好適である。特に、導電膜１１２、１２０ａ、１２０ｂとしては、窒化タンタル膜を用いると好適である。当該窒化タンタル膜は、導電性を有し、且つ、銅または水素に対して、高いバリア性を有する。また、窒化タンタル膜は、さらに自身からの水素の放出が少ないため、金属酸化物１０８と接する導電膜、または金属酸化物１０８の近傍の導電膜として、好適に用いることができる。

また、導電膜１１２、１２０ａ、１２０ｂを、無電解めっき法により形成することができる。当該無電解めっき法により形成できる材料としては、例えば、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｃｏ、Ａｇ、及びＰｄの中から選ばれるいずれか一つまたは複数を用いることが可能である。特に、ＣｕまたはＡｇを用いると、導電膜の抵抗を低くすることができるため、好適である。

［第２の絶縁膜］
トランジスタ１００のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜１１０としては、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ：（ＰｌａｓｍａＥｎｈａｎｃｅｄＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ））法、スパッタリング法等により、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化イットリウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ガリウム膜、酸化タンタル膜、酸化マグネシウム膜、酸化ランタン膜、酸化セリウム膜および酸化ネオジム膜を一種以上含む絶縁層を用いることができる。なお、絶縁膜１１０を、２層の積層構造または３層以上の積層構造としてもよい。

また、絶縁膜１１０として、酸化ハフニウムを用いる場合、以下の効果を奏する。酸化ハフニウムは、酸化シリコンや酸化窒化シリコンと比べて比誘電率が高い。したがって、酸化シリコンを用いた場合と比べて、絶縁膜１１０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。

また、絶縁膜１１０は、欠陥が少ないことが好ましく、代表的には、電子スピン共鳴法（ＥＳＲ：ＥｌｅｃｔｒｏｎＳｐｉｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ）で観察されるシグナルが少ない方が好ましい。例えば、上述のシグナルとしては、ｇ値が２．００１に観察されるＥ’センターが挙げられる。なお、Ｅ’センターは、シリコンのダングリングボンドに起因する。絶縁膜１１０としては、Ｅ’センター起因のスピン密度が、３×１０^１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは５×１０^１６ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下である酸化シリコン膜、または酸化窒化シリコン膜を用いればよい。

［金属酸化物］
金属酸化物１０８としては、先に示す金属酸化物を用いることができる。

＜原子数比＞
以下に、図１５（Ａ）、図１５（Ｂ）、および図１５（Ｃ）を用いて、本発明に係る金属酸化物が有するインジウム、元素Ｍおよび亜鉛の原子数比の好ましい範囲について説明する。なお、図１５（Ａ）、図１５（Ｂ）、および図１５（Ｃ）には、酸素及び窒素の原子数比については記載しない。また、金属酸化物が有するインジウム、元素Ｍ、および亜鉛の原子数比のそれぞれの項を［Ｉｎ］、［Ｍ］、および［Ｚｎ］とする。

図１５（Ａ）、図１５（Ｂ）、および図１５（Ｃ）において、破線は、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：１の原子数比（−１≦α≦１）となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：２の原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：３の原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：４の原子数比となるライン、および［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：５の原子数比となるラインを表す。

また、一点鎖線は、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：１：βの原子数比（β≧０）となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝２：１：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：２：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：３：βの原子数比となるライン、および［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：４：βの原子数比となるラインを表す。

また、図１５（Ａ）、図１５（Ｂ）、および図１５（Ｃ）に示す、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：２：１の原子数比、およびその近傍値の金属酸化物は、スピネル型の結晶構造をとりやすい。

また、金属酸化物中に複数の相が共存する場合がある（二相共存、三相共存など）。例えば、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：２：１の近傍値である場合、スピネル型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。また、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：０：０の近傍値である場合、ビックスバイト型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。金属酸化物中に複数の相が共存する場合、異なる結晶構造の間において、結晶粒界が形成される場合がある。

図１５（Ａ）に示す領域Ａは、金属酸化物が有する、インジウム、元素Ｍ、および亜鉛の原子数比の好ましい範囲の一例について示している。

金属酸化物は、インジウムの含有率を高くすることで、金属酸化物のキャリア移動度（電子移動度）を高くすることができる。従って、インジウムの含有率が高い金属酸化物はインジウムの含有率が低い金属酸化物と比較してキャリア移動度が高くなる。

一方、金属酸化物中のインジウムおよび亜鉛の含有率が低くなると、キャリア移動度が低くなる。従って、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：１：０、およびその近傍値である場合（例えば図１５（Ｃ）に示す領域Ｃ）は、絶縁性が高くなる。

従って、本発明の一態様の金属酸化物は、キャリア移動度が高い、図１５（Ａ）の領域Ａで示される原子数比を有することが好ましい。

特に、図１５（Ｂ）に示す領域Ｂは、領域Ａの中でも、キャリア移動度が高く、信頼性が高い優れた金属酸化物を得ることができる。なお、領域Ｂは、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝４：２：３から４．１、およびその近傍値を含む。近傍値には、例えば、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：３：４が含まれる。また、領域Ｂは、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：１：６、およびその近傍値、および［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：１：７、およびその近傍値を含む。

なお、金属酸化物が有する性質は、原子数比によって一義的に定まらない。同じ原子数比であっても、形成条件により、金属酸化物の性質が異なる場合がある。例えば、金属酸化物をスパッタリング装置にて成膜する場合、ターゲットの原子数比からずれた原子数比の膜が形成される。また、成膜時の基板温度によっては、ターゲットの［Ｚｎ］よりも、膜の［Ｚｎ］が小さくなる場合がある。従って、図示する領域は、金属酸化物が特定の特性を有する傾向がある原子数比を示す領域であり、領域Ａ乃至領域Ｃの境界は厳密ではない。

また、金属酸化物１０８が、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、スパッタリングターゲットとしては、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を含むターゲットを用いることができる。また、スパッタリングターゲットとして、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ金属酸化物ターゲットを用いることができる。また、スパッタリングターゲットとして、元素Ｍの化合物などの絶縁性材料（誘電性材料ということもできる。）を含む領域と、酸化インジウムなどの導電性材料を含む領域と、を有し、それぞれの領域が互いに分離している複合ターゲットを用いることができる。また、絶縁性材料を含む領域、または導電性材料を含む領域のどちらか一方、または双方に窒素元素が含まれる材料を有することで、成膜される金属酸化物に窒素を添加することができる。

また、金属酸化物１０８が、Ｉｎ−Ｂ−Ｚｎ酸化物の場合、スパッタリングターゲットとしては、Ｉｎ−Ｂ−Ｚｎ酸化物を含むターゲットを用いることができる。また、スパッタリングターゲットとして、Ｉｎ−Ｂ−Ｚｎ金属酸化物ターゲットを用いることができる。また、スパッタリングターゲットとして、酸化ホウ素の化合物などの絶縁性材料（誘電性材料ということもできる。）を含む領域と、酸化インジウムなどの導電性材料を含む領域と、を有し、それぞれの領域が互いに分離している複合ターゲットを用いることができる。

なお、成膜される金属酸化物１０８の原子数比は、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、金属酸化物１０８は、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上、さらに好ましくは３．０ｅＶ以上である。このように、エネルギーギャップの広い金属酸化物を用いることで、トランジスタ１００のオフ電流を低減することができる。

また、金属酸化物１０８は、非単結晶構造であると好ましい。非単結晶構造は、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ、多結晶構造、微結晶構造、または非晶質構造を含む。非単結晶構造において、非晶質構造は最も欠陥準位密度が高い。

［第３の絶縁膜］
絶縁膜１１６は、窒素または水素を有する。絶縁膜１１６としては、例えば、窒化物絶縁膜が挙げられる。該窒化物絶縁膜としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコン等を用いて形成することができる。絶縁膜１１６に含まれる水素濃度は、１×１０^２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であると好ましい。また、絶縁膜１１６は、金属酸化物１０８の領域１０８ｎと接する。したがって、絶縁膜１１６と接する領域１０８ｎ中の窒素または水素の濃度が高くなり、領域１０８ｎのキャリア密度を高めることができる。また、金属酸化物１０８も窒素を有する構成であるため、絶縁膜１１６と金属酸化物１０８との密着性を高めることができる。

［第４の絶縁膜］
絶縁膜１１８としては、酸化物絶縁膜を用いることができる。また、絶縁膜１１８としては、酸化物絶縁膜と、窒化物絶縁膜との積層膜を用いることができる。絶縁膜１１８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、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムまたはＧａ−Ｚｎ酸化物などを用いればよい。

また、絶縁膜１１８としては、外部からの水素、水等のバリア膜として機能する膜であることが好ましい。

絶縁膜１１８の厚さは、３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、または１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下とすることができる。

＜２−３．トランジスタの構成例２＞
次に、図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタと異なる構成について、図６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）を用いて説明する。

図６（Ａ）は、トランジスタ１５０の上面図であり、図６（Ｂ）は図６（Ａ）の一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間の断面図であり、図６（Ｃ）は図６（Ａ）の一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間の断面図である。

図６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１５０は、基板１０２上の導電膜１０６と、導電膜１０６上の絶縁膜１０４と、絶縁膜１０４上の金属酸化物１０８と、金属酸化物１０８上の絶縁膜１１０と、絶縁膜１１０上の導電膜１１２と、絶縁膜１０４、金属酸化物１０８、及び導電膜１１２上の絶縁膜１１６と、を有する。

なお、金属酸化物１０８は、図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００と同様の構成である。図６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示す、トランジスタ１５０は、先に示すトランジスタ１００の構成に加え、導電膜１０６と、開口部１４３と、を有する。

開口部１４３は、絶縁膜１０４、１１０に設けられる。また、導電膜１０６は、開口部１４３を介して、導電膜１１２と、電気的に接続される。よって、導電膜１０６と導電膜１１２には、同じ電位が与えられる。なお、開口部１４３を設けずに、導電膜１０６と、導電膜１１２と、に異なる電位を与えてもよい。または、開口部１４３を設けずに、導電膜１０６を遮光膜として用いてもよい。例えば、導電膜１０６を遮光性の材料により形成することで、第２の領域１０８ｉに照射される下方からの光を抑制することができる。

また、トランジスタ１５０の構成とする場合、導電膜１０６は、第１のゲート電極（ボトムゲート電極ともいう）としての機能を有し、導電膜１１２は、第２のゲート電極（トップゲート電極ともいう）としての機能を有する。また、絶縁膜１０４は、第１のゲート絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜１１０は、第２のゲート絶縁膜としての機能を有する。

導電膜１０６としては、先に記載の導電膜１１２、１２０ａ、１２０ｂと同様の材料を用いることができる。特に導電膜１０６として、銅を含む材料により形成することで抵抗を低くすることができるため好適である。例えば、導電膜１０６を窒化チタン膜、窒化タンタル膜、またはタングステン膜上に銅膜を設ける積層構造とし、導電膜１２０ａ、１２０ｂを窒化チタン膜、窒化タンタル膜、またはタングステン膜上に銅膜を設ける積層構造とすると好適である。この場合、トランジスタ１５０を表示装置の画素トランジスタ及び駆動トランジスタのいずれか一方または双方に用いることで、導電膜１０６と導電膜１２０ａとの間に生じる寄生容量、及び導電膜１０６と導電膜１２０ｂとの間に生じる寄生容量を低くすることができる。したがって、導電膜１０６、導電膜１２０ａ、及び導電膜１２０ｂを、トランジスタ１５０の第１のゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極として用いるのみならず、表示装置の電源供給用の配線、信号供給用の配線、または接続用の配線等に用いる事も可能となる。

このように、図６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１５０は、先に説明したトランジスタ１００と異なり、金属酸化物１０８の上下にゲート電極として機能する導電膜を有する構造である。トランジスタ１５０に示すように、本発明の一態様の半導体装置には、複数のゲート電極を設けてもよい。

また、図６（Ｂ）（Ｃ）に示すように、金属酸化物１０８は、第１のゲート電極として機能する導電膜１０６と、第２のゲート電極として機能する導電膜１１２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。

また、導電膜１１２のチャネル幅方向の長さは、金属酸化物１０８のチャネル幅方向の長さよりも長く、金属酸化物１０８のチャネル幅方向全体は、絶縁膜１１０を間に挟んで導電膜１１２に覆われている。また、導電膜１１２と導電膜１０６とは、絶縁膜１０４、及び絶縁膜１１０に設けられる開口部１４３において接続されるため、金属酸化物１０８のチャネル幅方向の側面の一方は、絶縁膜１１０を間に挟んで導電膜１１２と対向している。

別言すると、導電膜１０６及び導電膜１１２は、絶縁膜１０４、１１０に設けられる開口部１４３において接続され、且つ金属酸化物１０８の側端部よりも外側に位置する領域を有する。

このような構成を有することで、トランジスタ１５０に含まれる金属酸化物１０８を、第１のゲート電極として機能する導電膜１０６及び第２のゲート電極として機能する導電膜１１２の電界によって電気的に取り囲むことができる。トランジスタ１５０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、チャネル形成領域が形成される金属酸化物１０８を電気的に取り囲むトランジスタのデバイス構造をＳｕｒｒｏｕｎｄｅｄｃｈａｎｎｅｌ（Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造と呼ぶことができる。

トランジスタ１５０は、Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有するため、導電膜１０６または導電膜１１２によってチャネルを誘起させるための電界を効果的に金属酸化物１０８に印加することができるため、トランジスタ１５０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１５０を微細化することが可能となる。また、トランジスタ１５０は、酸化物半導体膜１０８が、導電膜１０６、及び導電膜１１２によって取り囲まれた構造を有するため、トランジスタ１５０の機械的強度を高めることができる。

なお、トランジスタ１５０のチャネル幅方向において、酸化物半導体膜１０８の開口部１４３が形成されていない側に、開口部１４３と異なる開口部を形成してもよい。

また、トランジスタ１５０に示すように、トランジスタが、半導体膜を間に挟んで存在する一対のゲート電極を有している場合、一方のゲート電極には信号Ａが、他方のゲート電極には固定電位Ｖｂが与えられてもよい。また、一方のゲート電極には信号Ａが、他方のゲート電極には信号Ｂが与えられてもよい。また、一方のゲート電極には固定電位Ｖａが、他方のゲート電極には固定電位Ｖｂが与えられてもよい。

信号Ａは、例えば、導通状態または非導通状態を制御するための信号である。信号Ａは、電位Ｖ１、または電位Ｖ２（Ｖ１＞Ｖ２とする）の２種類の電位をとるデジタル信号であってもよい。例えば、電位Ｖ１を高電源電位とし、電位Ｖ２を低電源電位とすることができる。信号Ａは、アナログ信号であってもよい。

固定電位Ｖｂは、例えば、トランジスタのしきい値電圧ＶｔｈＡを制御するための電位である。固定電位Ｖｂは、電位Ｖ１、または電位Ｖ２であってもよい。この場合、固定電位Ｖｂを生成するための電位発生回路を、別途設ける必要がなく好ましい。固定電位Ｖｂは、電位Ｖ１、または電位Ｖ２と異なる電位であってもよい。固定電位Ｖｂを低くすることで、しきい値電圧ＶｔｈＡを高くできる場合がある。その結果、ゲートーソース間電圧Ｖｇｓが０Ｖのときのドレイン電流を低減し、トランジスタを有する回路のリーク電流を低減できる場合がある。例えば、固定電位Ｖｂを低電源電位よりも低くしてもよい。一方で、固定電位Ｖｂを高くすることで、しきい値電圧ＶｔｈＡを低くできる場合がある。その結果、ゲート−ソース間電圧Ｖｇｓが高電源電位のときのドレイン電流を向上させ、トランジスタを有する回路の動作速度を向上できる場合がある。例えば、固定電位Ｖｂを低電源電位よりも高くしてもよい。

信号Ｂは、例えば、導通状態または非導通状態を制御するための信号である。信号Ｂは、電位Ｖ３、または電位Ｖ４（Ｖ３＞Ｖ４とする）の２種類の電位をとるデジタル信号であってもよい。例えば、電位Ｖ３を高電源電位とし、電位Ｖ４を低電源電位とすることができる。信号Ｂは、アナログ信号であってもよい。

信号Ａと信号Ｂが共にデジタル信号である場合、信号Ｂは、信号Ａと同じデジタル値を持つ信号であってもよい。この場合、トランジスタのオン電流を向上し、トランジスタを有する回路の動作速度を向上できる場合がある。このとき、信号Ａにおける電位Ｖ１及び電位Ｖ２は、信号Ｂにおける電位Ｖ３及び電位Ｖ４と、異なっていても良い。例えば、信号Ｂが入力されるゲートに対応するゲート絶縁膜が、信号Ａが入力されるゲートに対応するゲート絶縁膜よりも厚い場合、信号Ｂの電位振幅（Ｖ３−Ｖ４）を、信号Ａの電位振幅（Ｖ１−Ｖ２）より大きくしても良い。そうすることで、トランジスタの導通状態または非導通状態に対して、信号Ａが与える影響と、信号Ｂが与える影響と、を同程度とすることができる場合がある。

信号Ａと信号Ｂが共にデジタル信号である場合、信号Ｂは、信号Ａと異なるデジタル値を持つ信号であってもよい。この場合、トランジスタの制御を信号Ａと信号Ｂによって別々に行うことができ、より高い機能を実現できる場合がある。例えば、トランジスタがｎチャネル型である場合、信号Ａが電位Ｖ１であり、かつ、信号Ｂが電位Ｖ３である場合のみ導通状態となる場合や、信号Ａが電位Ｖ２であり、かつ、信号Ｂが電位Ｖ４である場合のみ非導通状態となる場合には、一つのトランジスタでＮＡＮＤ回路やＮＯＲ回路等の機能を実現できる場合がある。また、信号Ｂは、しきい値電圧ＶｔｈＡを制御するための信号であってもよい。例えば、信号Ｂは、トランジスタを有する回路が動作している期間と、当該回路が動作していない期間と、で電位が異なる信号であっても良い。信号Ｂは、回路の動作モードに合わせて電位が異なる信号であってもよい。この場合、信号Ｂは信号Ａほど頻繁には電位が切り替わらない場合がある。

信号Ａと信号Ｂが共にアナログ信号である場合、信号Ｂは、信号Ａと同じ電位のアナログ信号、信号Ａの電位を定数倍したアナログ信号、または、信号Ａの電位を定数だけ加算もしくは減算したアナログ信号等であってもよい。この場合、トランジスタのオン電流が向上し、トランジスタを有する回路の動作速度を向上できる場合がある。信号Ｂは、信号Ａと異なるアナログ信号であってもよい。この場合、トランジスタの制御を信号Ａと信号Ｂによって別々に行うことができ、より高い機能を実現できる場合がある。

信号Ａがデジタル信号であり、信号Ｂがアナログ信号であってもよい。または信号Ａがアナログ信号であり、信号Ｂがデジタル信号であってもよい。

トランジスタの両方のゲート電極に固定電位を与える場合、トランジスタを、抵抗素子と同等の素子として機能させることができる場合がある。例えば、トランジスタがｎチャネル型である場合、固定電位Ｖａまたは固定電位Ｖｂを高く（低く）することで、トランジスタの実効抵抗を低く（高く）することができる場合がある。固定電位Ｖａ及び固定電位Ｖｂを共に高く（低く）することで、一つのゲートしか有さないトランジスタによって得られる実効抵抗よりも低い（高い）実効抵抗が得られる場合がある。

なお、トランジスタ１５０のその他の構成は、先に示すトランジスタ１００と同様であり、同様の効果を奏する。

また、トランジスタ１５０上にさらに、絶縁膜を形成してもよい。図６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１５０は、導電膜１２０ａ、１２０ｂ、及び絶縁膜１１８上に絶縁膜１２２を有する。

絶縁膜１２２は、トランジスタ等に起因する凹凸等を平坦化させる機能を有する。絶縁膜１２２としては、絶縁性であればよく、無機材料または有機材料を用いて形成される。該無機材料としては、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、窒化アルミニウム膜等が挙げられる。該有機材料としては、例えば、アクリル樹脂、またはポリイミド樹脂等の感光性の樹脂材料が挙げられる。

＜２−４．トランジスタの構成例３＞
次に、図６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１５０と異なる構成について、図７を用いて説明する。

図７（Ａ）（Ｂ）は、トランジスタ１６０の断面図である。なお、トランジスタ１６０の上面図としては、図６（Ａ）に示すトランジスタ１５０と同様であるため、ここでの説明は省略する。

図７（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタ１６０は、導電膜１１２の積層構造、導電膜１１２の形状、及び絶縁膜１１０の形状がトランジスタ１５０と異なる。

トランジスタ１６０の導電膜１１２は、絶縁膜１１０上の導電膜１１２＿１と、導電膜１１２＿１上の導電膜１１２＿２と、を有する。例えば、導電膜１１２＿１として、酸化物導電膜を用いることができる。上記酸化物導電膜としては、スパッタリング法を用い、酸素ガスを含む雰囲気にて形成すればよい。また、上記酸化物導電膜としては、例えば、インジウムと錫とを有する酸化物、タングステンとインジウムとを有する酸化物、タングステンとインジウムと亜鉛とを有する酸化物、チタンとインジウムとを有する酸化物、チタンとインジウムと錫とを有する酸化物、インジウムと亜鉛とを有する酸化物、シリコンとインジウムと錫とを有する酸化物、インジウムとガリウムと亜鉛とを有する酸化物等が挙げられる。

また、図７（Ｂ）に示すように、開口部１４３において、導電膜１１２＿２と、導電膜１０６とが接続される。開口部１４３を形成する際に、導電膜１１２＿１となる導電膜を形成した後、開口部１４３を形成することで、図７（Ｂ）に示す形状とすることができる。導電膜１１２＿１に酸化物導電膜を適用した場合、導電膜１１２＿２と、導電膜１０６とが接続される構成とすることで、導電膜１１２と導電膜１０６との接続抵抗を低くすることができる。

また、トランジスタ１６０の導電膜１１２及び絶縁膜１１０は、テーパー形状である。より具体的には、導電膜１１２の下端部は、導電膜１１２の上端部よりも外側に形成される。また、絶縁膜１１０の下端部は、絶縁膜１１０の上端部よりも外側に形成される。また、導電膜１１２の下端部は、絶縁膜１１０の上端部と概略同じ位置に形成される。

トランジスタ１６０の導電膜１１２及び絶縁膜１１０をテーパー形状とすることで、トランジスタ１６０の導電膜１１２及び絶縁膜１１０が矩形の場合と比較し、絶縁膜１１６の被覆性を高めることができるため好適である。

なお、トランジスタ１６０のその他の構成は、先に示すトランジスタ１５０と同様であり、同様の効果を奏する。

＜２−５．半導体装置の作製方法＞
次に、図６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１５０の作製方法の一例について、図８乃至図１０を用いて説明する。なお、図８乃至図１０は、トランジスタ１５０の作製方法を説明するチャネル長方向、及びチャネル幅方向の断面図である。

まず、基板１０２上に導電膜１０６を形成する。次に、基板１０２、及び導電膜１０６上に絶縁膜１０４を形成し、絶縁膜１０４上に金属酸化物膜を形成する。その後、金属酸化物膜を島状に加工することで、金属酸化物１０８ａを形成する（図８（Ａ）参照）。

導電膜１０６としては、先に記載の材料を選択することで形成できる。本実施の形態においては、導電膜１０６として、スパッタリング装置を用い、厚さ５０ｎｍのタングステン膜と、厚さ４００ｎｍの銅膜との積層膜を形成する。

なお、導電膜１０６となる導電膜の加工方法としては、ウエットエッチング法及びドライエッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。本実施の形態では、ウエットエッチング法にて銅膜をエッチングしたのち、ドライエッチング法にてタングステン膜をエッチングすることで導電膜を加工し、導電膜１０６を形成する。

絶縁膜１０４としては、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。本実施の形態においては、絶縁膜１０４として、ＰＥＣＶＤ装置を用い、厚さ４００ｎｍの窒化シリコン膜と、厚さ５０ｎｍの酸化窒化シリコン膜とを形成する。

また、金属酸化物１０８ａを形成する際に、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。なお、金属酸化物１０８ａを形成する際の成膜ガス全体に占める酸素ガスの割合（以下、酸素流量比ともいう）としては、０％以上３０％以下、好ましくは５％以上２０％以下である。また、成膜ガス全体に占める窒素ガスの割合が、成膜ガス全体に占める窒素ガスが１０％以上１００％以下とする。

なお、スパッタリングガスとして窒素を含むと、金属酸化物の成膜と同時に、金属酸化物中に窒素を添加することができる。

また、金属酸化物１０８ａの形成条件としては、基板温度を室温以上１８０℃以下、好ましくは基板温度を室温以上１４０℃以下とすればよい。金属酸化物１０８ａの形成時の基板温度を、例えば、室温以上１４０℃未満とすると、生産性が高くなり好ましい。

また、金属酸化物１０８ａの厚さとしては、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６０ｎｍ以下とすればよい。

なお、基板１０２として、大型のガラス基板（例えば、第６世代乃至第１０世代）を用いる場合、金属酸化物１０８ａを成膜する際の基板温度を２００℃以上３００℃以下とした場合、基板１０２が変形する（歪むまたは反る）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、金属酸化物１０８ａの成膜する際の基板温度を室温以上２００℃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。

また、スパッタリングガスの高純度化も必要である。例えば、スパッタリングガスとして用いる酸素ガス、窒素ガス、およびアルゴンガスは、露点が−４０℃以下、好ましくは−８０℃以下、より好ましくは−１００℃以下、より好ましくは−１２０℃以下にまで高純度化したガスを用いることで金属酸化物に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。

また、スパッタリング法で金属酸化物を成膜する場合、スパッタリング装置におけるチャンバーは、クライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて、高真空（５×１０^−７Ｐａから１×１０^−４Ｐａ程度まで）に排気することが好ましい。特に、スパッタリング装置の待機時における、チャンバー内のＨ_２Ｏに相当するガス分子（ｍ／ｚ＝１８に相当するガス分子）の分圧を１×１０^−４Ｐａ以下、好ましく５×１０^−５Ｐａ以下とすることが好ましい。

本実施の形態においては、金属酸化物１０８ａの形成条件を以下とする。

金属酸化物１０８ａの形成条件を、金属酸化物ターゲット、または複合ターゲットを用いて、スパッタリング法により形成する。また、金属酸化物１０８ａの形成時の基板温度と、酸素流量比、および窒素流量比は、適宜、設定することができる。また、チャンバー内の圧力を０．６Ｐａとし、スパッタリング装置内に設置された金属酸化物ターゲットに２５００ＷのＡＣ電力を供給することで、酸化物を成膜する。

なお、成膜した金属酸化物を、金属酸化物１０８ａに加工するには、ウエットエッチング法及びドライエッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。

また、金属酸化物１０８ａを形成した後、加熱処理を行なってもよい。加熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上基板の歪み点未満、または２５０℃以上４５０℃以下、または３００℃以上４５０℃以下である。

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、または窒素を含む不活性雰囲気で行うことができる。または、不活性雰囲気で加熱した後、酸素雰囲気で加熱してもよい。処理時間は３分以上２４時間以下とすればよい。

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。

次に、絶縁膜１０４及び金属酸化物１０８ａ上に絶縁膜１１０＿０を形成する。（図８（Ｂ）参照）。

絶縁膜１１０＿０としては、酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を、プラズマ化学気相堆積装置（ＰＥＣＶＤ装置、または単にプラズマＣＶＤ装置という）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１１０＿０として、堆積性気体の流量に対する酸化性気体の流量を２０倍より大きく１００倍未満、または４０倍以上８０倍以下とし、処理室内の圧力を１００Ｐａ未満、または５０Ｐａ以下とするＰＥＣＶＤ装置を用いることで、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、絶縁膜１１０＿０として、ＰＥＣＶＤ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１１０＿０として、緻密である酸化シリコン膜また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１１０＿０を、マイクロ波を用いたＰＥＣＶＤ法を用いて形成してもよい。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１１０＿０を形成することができる。

また、絶縁膜１１０＿０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（ＯＣ_２Ｈ_５）_４）、テトラメチルシラン（ＴＭＳ：化学式Ｓｉ（ＣＨ_３）_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（ＯＣ_２Ｈ_５）_３）、トリスジメチルアミノシラン（ＳｉＨ（Ｎ（ＣＨ_３）_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１１０＿０を形成することができる。

本実施の形態では絶縁膜１１０＿０として、ＰＥＣＶＤ装置を用い、厚さ１００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を形成する。

次に、絶縁膜１１０＿０上の所望の位置に、リソグラフィによりマスクを形成した後、絶縁膜１１０＿０、及び絶縁膜１０４の一部をエッチングすることで、導電膜１０６に達する開口部１４３を形成する（図８（Ｃ）参照）。

開口部１４３の形成方法としては、ウエットエッチング法及びドライエッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。本実施の形態においては、ドライエッチング法を用い、開口部１４３を形成する。

次に、開口部１４３を覆うように、導電膜１０６及び絶縁膜１１０＿０上に導電膜１１２＿０を形成する。（図８（Ｄ））。なお、導電膜１１２＿０の形成方法としては、スパッタリング法、及びＡＬＤ法を用いてもよい。

本実施の形態においては、導電膜１１２＿０として、スパッタリング法を用いて、膜厚が１００ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物であるＩＧＺＯ膜（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１（原子数比）を成膜する。

次に、導電膜１１２＿０上の所望の位置に、リソグラフィ工程によりマスク１４０を形成する（図９（Ａ）参照）。

次に、マスク１４０上から、エッチングを行い、導電膜１１２＿０、及び絶縁膜１１０＿０を加工する。また、導電膜１１２＿０及び絶縁膜１１０＿０の加工後に、マスク１４０を除去する。導電膜１１２＿０、及び絶縁膜１１０＿０を加工することで、島状の導電膜１１２、及び島状の絶縁膜１１０が形成される（図９（Ｂ）参照）。

本実施の形態においては、ドライエッチング法を用い、導電膜１１２＿０、及び絶縁膜１１０＿０を加工する。

なお、導電膜１１２、及び絶縁膜１１０の加工の際に、導電膜１１２が重畳しない領域の金属酸化物１０８ａの膜厚が薄くなる場合がある。または、導電膜１１２、及び絶縁膜１１０の加工の際に、金属酸化物１０８ａが重畳しない領域の絶縁膜１０４の膜厚が薄くなる場合がある。また、導電膜１１２＿０、及び絶縁膜１１０＿０の加工の際に、エッチャントまたはエッチングガス（例えば、塩素など）が金属酸化物１０８ａ中に添加される、あるいは導電膜１１２＿０、または絶縁膜１１０＿０の構成元素が金属酸化物１０８中に添加される場合がある。

次に、絶縁膜１０４、金属酸化物１０８、及び導電膜１１２上に絶縁膜１１６を形成する。なお、絶縁膜１１６を形成することで、絶縁膜１１６と接する金属酸化物１０８ａの一部は、領域１０８ｎとなる。ここで、導電膜１１２と重畳する金属酸化物１０８ａは、金属酸化物１０８とする。（図９（Ｃ）参照）。

絶縁膜１１６としては、先に記載の材料を選択することで形成できる。本実施の形態においては、絶縁膜１１６として、ＰＥＣＶＤ装置を用い、厚さ１００ｎｍの窒化酸化シリコン膜を形成する。また、当該窒化酸化シリコン膜の形成時において、プラズマ処理と、成膜処理との２つのステップを２２０℃の温度で行う。当該プラズマ処理としては、成膜前に流量１００ｓｃｃｍのアルゴンガスと、流量１０００ｓｃｃｍの窒素ガスとを、チャンバー内に導入し、チャンバー内の圧力を４０Ｐａとし、ＲＦ電源（２７．１２ＭＨｚ）に１０００Ｗの電力を供給する。また、成膜処理としては、流量５０ｓｃｃｍのシランガスと、流量５０００ｓｃｃｍの窒素ガスと、流量１００ｓｃｃｍのアンモニアガスとを、チャンバー内に導入し、チャンバー内の圧力を１００Ｐａとし、ＲＦ電源（２７．１２ＭＨｚ）に１０００Ｗの電力を供給する。

絶縁膜１１６として、窒化酸化シリコン膜を用いることで、絶縁膜１１６に接する領域１０８ｎに窒化酸化シリコン膜中の窒素または水素を供給することができる。

次に、絶縁膜１１６上に絶縁膜１１８を形成する（図１０（Ａ）参照）。

絶縁膜１１８としては、先に記載の材料を選択することで形成できる。本実施の形態においては、絶縁膜１１８として、ＰＥＣＶＤ装置を用い、厚さ３００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を形成する。

次に、絶縁膜１１８の所望の位置に、リソグラフィによりマスクを形成した後、絶縁膜１１８及び絶縁膜１１６の一部をエッチングすることで、領域１０８ｎに達する開口部１４１ａ、１４１ｂを形成する（図１０（Ｂ）参照）。

絶縁膜１１８及び絶縁膜１１６をエッチングする方法としては、ウエットエッチング法及びドライエッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。本実施の形態においては、ドライエッチング法を用い、絶縁膜１１８、及び絶縁膜１１６を加工する。

次に、開口部１４１ａ、１４１ｂを覆うように、領域１０８ｎ及び絶縁膜１１８上に導電膜を形成し、当該導電膜を所望の形状に加工することで導電膜１２０ａ、１２０ｂを形成する（図１０（Ｃ）参照）。

導電膜１２０ａ、１２０ｂとしては、先に記載の材料を選択することで形成できる。本実施の形態においては、導電膜１２０ａ、１２０ｂとして、スパッタリング装置を用い、厚さ５０ｎｍのタングステン膜と、厚さ４００ｎｍの銅膜との積層膜を形成する。

なお、導電膜１２０ａ、１２０ｂとなる導電膜の加工方法としては、ウエットエッチング法及びドライエッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。本実施の形態では、ウエットエッチング法にて銅膜をエッチングしたのち、ドライエッチング法にてタングステン膜をエッチングすることで導電膜を加工し、導電膜１２０ａ、１２０ｂを形成する。

続いて、導電膜１２０ａ、１２０ｂ、及び絶縁膜１１８を覆って絶縁膜１２２を形成する。

以上の工程により、図６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１５０を作製することができる。

なお、トランジスタ１５０を構成する膜（絶縁膜、金属酸化物膜、導電膜等）としては、上述の形成方法の他、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、ＡＬＤ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、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）法が挙げられる。

熱ＣＶＤ法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、原料ガスと酸化剤を同時にチャンバー内に送り、基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで成膜を行う。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。

ＭＯＣＶＤ法などの熱ＣＶＤ法は、上記記載の導電膜、絶縁膜、金属酸化物などの膜を形成することができる。

例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化ハフニウム膜を形成する場合には、溶媒とハフニウム前駆体を含む液体（ハフニウムアルコキシドや、テトラキスジメチルアミドハフニウム（ＴＤＭＡＨ、Ｈｆ［Ｎ（ＣＨ_３）_２］_４）やテトラキス（エチルメチルアミド）ハフニウムなどのハフニウムアミド）を気化させた原料ガスと、酸化剤としてオゾン（Ｏ_３）の２種類のガスを用いる。

また、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化アルミニウム膜を形成する場合には、溶媒とアルミニウム前駆体を含む液体（トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ、Ａｌ（ＣＨ_３）_３）など）を気化させた原料ガスと、酸化剤としてＨ_２Ｏの２種類のガスを用いる。他の材料としては、トリス（ジメチルアミド）アルミニウム、トリイソブチルアルミニウム、アルミニウムトリス（２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオナート）などがある。

また、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化シリコン膜を形成する場合には、ヘキサクロロジシランを被成膜面に吸着させ、酸化性ガス（Ｏ_２、一酸化二窒素）のラジカルを供給して吸着物と反応させる。

また、ＡＬＤを利用する成膜装置によりタングステン膜を成膜する場合には、ＷＦ_６ガスとＢ_２Ｈ_６ガスを順次導入して初期タングステン膜を形成し、その後、ＷＦ_６ガスとＨ_２ガスとを用いてタングステン膜を形成する。なお、Ｂ_２Ｈ_６ガスに代えてＳｉＨ_４ガスを用いてもよい。

＜２−５．トランジスタの構成例４＞
図１１（Ａ）は、トランジスタ３００Ａの上面図であり、図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し、図１１（Ｃ）は、図１１（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当する。なお、図１１（Ａ）において、煩雑になることを避けるため、トランジスタ３００Ａの構成要素の一部（ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜等）を省略して図示している。また、一点鎖線Ｘ１−Ｘ２方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｙ１−Ｙ２方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。なお、トランジスタの上面図においては、以降の図面においても図１１（Ａ）と同様に、構成要素の一部を省略して図示する場合がある。

図１１に示すトランジスタ３００Ａは、基板３０２上の導電膜３０４と、基板３０２及び導電膜３０４上の絶縁膜３０６と、絶縁膜３０６上の絶縁膜３０７と、絶縁膜３０７上の金属酸化物３０８と、金属酸化物３０８上の導電膜３１２ａと、金属酸化物３０８上の導電膜３１２ｂと、を有する。また、トランジスタ３００Ａ上、より詳しくは、導電膜３１２ａ、３１２ｂ及び金属酸化物３０８上には絶縁膜３１４、３１６、及び絶縁膜３１８が設けられる。

なお、トランジスタ３００Ａにおいて、絶縁膜３０６、３０７は、トランジスタ３００Ａのゲート絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜３１４、３１６、３１８は、トランジスタ３００Ａの保護絶縁膜としての機能を有する。また、トランジスタ３００Ａにおいて、導電膜３０４は、ゲート電極としての機能を有し、導電膜３１２ａは、ソース電極としての機能を有し、導電膜３１２ｂは、ドレイン電極としての機能を有する。

なお、本明細書等において、絶縁膜３０６、３０７を第１の絶縁膜と、絶縁膜３１４、３１６を第２の絶縁膜と、絶縁膜３１８を第３の絶縁膜と、それぞれ呼称する場合がある。

図１１に示すトランジスタ３００Ａは、チャネルエッチ型のトランジスタ構造である。本発明の一態様の金属酸化物は、チャネルエッチ型のトランジスタに好適に用いることができる。

＜２−６．トランジスタの構成例５＞
図１２（Ａ）は、トランジスタ３００Ｂの上面図であり、図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し、図１２（Ｃ）は、図１２（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当する。

図１２に示すトランジスタ３００Ｂは、基板３０２上の導電膜３０４と、基板３０２及び導電膜３０４上の絶縁膜３０６と、絶縁膜３０６上の絶縁膜３０７と、絶縁膜３０７上の金属酸化物３０８と、金属酸化物３０８上の絶縁膜３１４と、絶縁膜３１４上の絶縁膜３１６と、絶縁膜３１４及び絶縁膜３１６に設けられる開口部３４１ａを介して金属酸化物３０８に電気的に接続される導電膜３１２ａと、絶縁膜３１４及び絶縁膜３１６に設けられる開口部３４１ｂを介して金属酸化物３０８に電気的に接続される導電膜３１２ｂとを有する。また、トランジスタ３００Ｂ上、より詳しくは、導電膜３１２ａ、３１２ｂ、及び絶縁膜３１６上には絶縁膜３１８が設けられる。

なお、トランジスタ３００Ｂにおいて、絶縁膜３０６、３０７は、トランジスタ３００Ｂのゲート絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜３１４、３１６は、金属酸化物３０８の保護絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜３１８は、トランジスタ３００Ｂの保護絶縁膜としての機能を有する。また、トランジスタ３００Ｂにおいて、導電膜３０４は、ゲート電極としての機能を有し、導電膜３１２ａは、ソース電極としての機能を有し、導電膜３１２ｂは、ドレイン電極としての機能を有する。

図１１に示すトランジスタ３００Ａにおいては、チャネルエッチ型の構造であったのに対し、図１２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ３００Ｂは、チャネル保護型の構造である。本発明の一態様の金属酸化物は、チャネル保護型のトランジスタにも好適に用いることができる。

＜２−７．トランジスタの構成例６＞
図１３（Ａ）は、トランジスタ３００Ｃの上面図であり、図１３（Ｂ）は、図１３（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し、図１３（Ｃ）は、図１３（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当する。

図１３に示すトランジスタ３００Ｃは、図１２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ３００Ｂと絶縁膜３１４、３１６の形状が相違する。具体的には、トランジスタ３００Ｃの絶縁膜３１４、３１６は、金属酸化物３０８のチャネル形成領域上に島状に設けられる。その他の構成は、トランジスタ３００Ｂと同様である。

＜２−８．トランジスタの構成例７＞
図１４（Ａ）は、トランジスタ３００Ｄの上面図であり、図１４（Ｂ）は、図１４（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し、図１４（Ｃ）は、図１４（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当する。

図１４に示すトランジスタ３００Ｄは、基板３０２上の導電膜３０４と、基板３０２及び導電膜３０４上の絶縁膜３０６と、絶縁膜３０６上の絶縁膜３０７と、絶縁膜３０７上の金属酸化物３０８と、金属酸化物３０８上の導電膜３１２ａと、金属酸化物３０８上の導電膜３１２ｂと、金属酸化物３０８、及び導電膜３１２ａ、３１２ｂ上の絶縁膜３１４と、絶縁膜３１４上の絶縁膜３１６と、絶縁膜３１６上の絶縁膜３１８と、絶縁膜３１８上の導電膜３２０ａ、３２０ｂと、を有する。

なお、トランジスタ３００Ｄにおいて、絶縁膜３０６、３０７は、トランジスタ３００Ｄの第１のゲート絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜３１４、３１６、３１８は、トランジスタ３００Ｄの第２のゲート絶縁膜としての機能を有する。また、トランジスタ３００Ｄにおいて、導電膜３０４は、第１のゲート電極としての機能を有し、導電膜３２０ａは、第２のゲート電極としての機能を有し、導電膜３２０ｂは、表示装置に用いる画素電極としての機能を有する。また、導電膜３１２ａは、ソース電極としての機能を有し、導電膜３１２ｂは、ドレイン電極としての機能を有する。

また、図１４（Ｃ）に示すように導電膜３２０ａは、絶縁膜３０６、３０７、３１４、３１６、３１８に設けられる開口部３４２ｂ、３４２ｃにおいて、導電膜３０４に接続される。よって、導電膜３２０ａと導電膜３０４とは、同じ電位が与えられる。

なお、トランジスタ３００Ｄにおいては、開口部３４２ｂ、３４２ｃを設け、導電膜３２０ａと導電膜３０４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３４２ｂまたは開口部３４２ｃのいずれか一方の開口部のみを形成し、導電膜３２０ａと導電膜３０４を接続する構成、または開口部３４２ｂ及び開口部３４２ｃを設けずに、導電膜３２０ａと導電膜３０４を接続しない構成としてもよい。なお、導電膜３２０ａと導電膜３０４とを接続しない構成の場合、導電膜３２０ａと導電膜３０４には、それぞれ異なる電位を与えることができる。

また、導電膜３２０ｂは、絶縁膜３１４、３１６、３１８に設けられる開口部３４２ａを介して、導電膜３１２ｂと接続される。

なお、トランジスタ３００Ｄは、先に説明のＳ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有する。

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。

（実施の形態４）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を用いた表示装置の表示部等に用いることのできる表示パネルの一例について、図１６及び図１７を用いて説明する。以下で例示する表示パネルは、反射型の液晶素子と、発光素子との双方を有し、透過モードと反射モードの両方の表示を行うことのできる、表示パネルである。

＜表示パネルの構成例＞
図１６は、本発明の一態様の表示パネル６００の斜視概略図である。表示パネル６００は、基板６５１と基板６６１とが貼り合わされた構成を有する。図１６では、基板６６１を破線で明示している。

表示パネル６００は、表示部６６２、回路６５９、配線６６６等を有する。基板６５１には、例えば回路６５９、配線６６６、及び画素電極として機能する導電膜６６３等が設けられる。また図１６では基板６５１上にＩＣ６７３とＦＰＣ６７２が実装されている例を示している。そのため、図１６に示す構成は、表示パネル６００とＦＰＣ６７２及びＩＣ６７３を有する表示モジュールと言うこともできる。

回路６５９は、例えば走査線駆動回路として機能する回路を用いることができる。

配線６６６は、表示部や回路６５９に信号や電力を供給する機能を有する。当該信号や電力は、ＦＰＣ６７２を介して外部、またはＩＣ６７３から配線６６６に入力される。

また、図１６では、ＣＯＧ（ＣｈｉｐＯｎＧｌａｓｓ）方式等により、基板６５１にＩＣ６７３が設けられている例を示している。ＩＣ６７３は、例えば走査線駆動回路、または信号線駆動回路などとしての機能を有するＩＣを適用できる。なお表示パネル６００が走査線駆動回路及び信号線駆動回路として機能する回路を備える場合や、走査線駆動回路や信号線駆動回路として機能する回路を外部に設け、ＦＰＣ６７２を介して表示パネル６００を駆動するための信号を入力する場合などでは、ＩＣ６７３を設けない構成としてもよい。また、ＩＣ６７３を、ＣＯＦ（ＣｈｉｐＯｎＦｉｌｍ）方式等により、ＦＰＣ６７２に実装してもよい。

図１６には、表示部６６２の一部の拡大図を示している。表示部６６２には、複数の表示素子が有する導電膜６６３がマトリクス状に配置されている。導電膜６６３は、可視光を反射する機能を有し、後述する液晶素子６４０の反射電極として機能する。

また、図１６に示すように、導電膜６６３は開口を有する。さらに導電膜６６３よりも基板６５１側に、発光素子６６０を有する。発光素子６６０からの光は、導電膜６６３の開口を介して基板６６１側に射出される。

＜断面構成例＞
図１７に、図１６で例示した表示パネルの、ＦＰＣ６７２を含む領域の一部、回路６５９を含む領域の一部、及び表示部６６２を含む領域の一部をそれぞれ切断したときの断面の一例を示す。

表示パネルは、基板６５１と基板６６１の間に、絶縁膜６２０を有する。また基板６５１と絶縁膜６２０の間に、発光素子６６０、トランジスタ６０１、トランジスタ６０５、トランジスタ６０６、着色層６３４等を有する。また絶縁膜６２０と基板６６１の間に、液晶素子６４０、着色層６３１等を有する。また基板６６１と絶縁膜６２０は接着層６４１を介して接着され、基板６５１と絶縁膜６２０は接着層６４２を介して接着されている。

トランジスタ６０６は、液晶素子６４０と電気的に接続し、トランジスタ６０５は、発光素子６６０と電気的に接続する。トランジスタ６０５とトランジスタ６０６は、いずれも絶縁膜６２０の基板６５１側の面上に形成されているため、これらを同一の工程を用いて作製することができる。

基板６６１には、着色層６３１、遮光膜６３２、絶縁膜６２１、及び液晶素子６４０の共通電極として機能する導電膜６１３、配向膜６３３ｂ、絶縁膜６１７等が設けられている。絶縁膜６１７は、液晶素子６４０のセルギャップを保持するためのスペーサとして機能する。

絶縁膜６２０の基板６５１側には、絶縁膜６８１、絶縁膜６８２、絶縁膜６８３、絶縁膜６８４、絶縁膜６８５等の絶縁層が設けられている。絶縁膜６８１は、その一部が各トランジスタのゲート絶縁層として機能する。絶縁膜６８２、絶縁膜６８３、及び絶縁膜６８４は、各トランジスタを覆って設けられている。また絶縁膜６８４を覆って絶縁膜６８５が設けられている。絶縁膜６８４及び絶縁膜６８５は、平坦化層としての機能を有する。なお、ここではトランジスタ等を覆う絶縁層として、絶縁膜６８２、絶縁膜６８３、絶縁膜６８４の３層を有する場合について示しているが、これに限られず４層以上であってもよいし、単層、または２層であってもよい。また平坦化層として機能する絶縁膜６８４は、不要であれば設けなくてもよい。

また、トランジスタ６０１、トランジスタ６０５、及びトランジスタ６０６は、一部がゲートとして機能する導電膜６５４、一部がソース又はドレインとして機能する導電膜６５２、半導体膜６５３を有する。ここでは、同一の導電膜を加工して得られる複数の層に、同じハッチングパターンを付している。

液晶素子６４０は反射型の液晶素子である。液晶素子６４０は、導電膜６３５、液晶層６１２、導電膜６１３が積層された積層構造を有する。また導電膜６３５の基板６５１側に接して、可視光を反射する導電膜６６３が設けられている。導電膜６６３は開口６５５を有する。また導電膜６３５及び導電膜６１３は可視光を透過する材料を含む。また液晶層６１２と導電膜６３５の間に配向膜６３３ａが設けられ、液晶層６１２と導電膜６１３の間に配向膜６３３ｂが設けられている。また、基板６６１の外側の面には、偏光板６５６を有する。

液晶素子６４０において、導電膜６６３は可視光を反射する機能を有し、導電膜６１３は可視光を透過する機能を有する。基板６６１側から入射した光は、偏光板６５６により偏光され、導電膜６１３、液晶層６１２を透過し、導電膜６６３で反射する。そして液晶層６１２及び導電膜６１３を再度透過して、偏光板６５６に達する。このとき、導電膜６６３と導電膜６１３の間に与える電圧によって液晶の配向を制御し、光の光学変調を制御することができる。すなわち、偏光板６５６を介して射出される光の強度を制御することができる。また光は着色層６３１によって特定の波長領域以外の光が吸収されることにより、取り出される光は、例えば赤色を呈する光となる。

発光素子６６０は、ボトムエミッション型の発光素子である。発光素子６６０は、絶縁膜６２０側から導電膜６４３、ＥＬ層６４４、及び導電膜６４５ｂの順に積層された積層構造を有する。また導電膜６４５ｂを覆って導電膜６４５ａが設けられている。導電膜６４５ｂは可視光を反射する材料を含み、導電膜６４３及び導電膜６４５ａは可視光を透過する材料を含む。発光素子６６０が発する光は、着色層６３４、絶縁膜６２０、開口６５５、導電膜６１３等を介して、基板６６１側に射出される。

ここで、図１７に示すように、開口６５５には可視光を透過する導電膜６３５が設けられていることが好ましい。これにより、開口６５５と重なる領域においてもそれ以外の領域と同様に液晶層６１２が配向するため、これらの領域の境界部で液晶の配向不良が生じ、意図しない光が漏れてしまうことを抑制できる。

ここで、基板６６１の外側の面に配置する偏光板６５６として直線偏光板を用いてもよいが、円偏光板を用いることもできる。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。これにより、外光反射を抑制することができる。また、偏光板の種類に応じて、液晶素子６４０に用いる液晶素子のセルギャップ、配向、駆動電圧等を調整することで、所望のコントラストが実現されるようにすればよい。

また導電膜６４３の端部を覆う絶縁膜６４６上には、絶縁膜６４７が設けられている。絶縁膜６４７は、絶縁膜６２０と基板６５１が必要以上に接近することを抑制するスペーサとしての機能を有する。またＥＬ層６４４や導電膜６４５ａを遮蔽マスク（メタルマスク）を用いて形成する場合には、当該遮蔽マスクが被形成面に接触することを抑制するためのスペーサとしての機能を有していてもよい。なお、絶縁膜６４７は不要であれば設けなくてもよい。

トランジスタ６０５のソース又はドレインの一方は、導電膜６４８を介して発光素子６６０の導電膜６４３と電気的に接続されている。

トランジスタ６０６のソース又はドレインの一方は、接続部６０７を介して導電膜６６３と電気的に接続されている。導電膜６６３と導電膜６３５は接して設けられ、これらは電気的に接続されている。ここで、接続部６０７は、絶縁膜６２０に設けられた開口を介して、絶縁膜６２０の両面に設けられる導電層同士を接続する部分である。

基板６５１と基板６６１が重ならない領域には、接続部６０４が設けられている。接続部６０４は、接続層６４９を介してＦＰＣ６７２と電気的に接続されている。接続部６０４は接続部６０７と同様の構成を有している。接続部６０４の上面は、導電膜６３５と同一の導電膜を加工して得られた導電層が露出している。これにより、接続部６０４とＦＰＣ６７２とを接続層６４９を介して電気的に接続することができる。

接着層６４１が設けられる一部の領域には、接続部６８７が設けられている。接続部６８７において、導電膜６３５と同一の導電膜を加工して得られた導電層と、導電膜６１３の一部が、接続体６８６により電気的に接続されている。したがって、基板６６１側に形成された導電膜６１３に、基板６５１側に接続されたＦＰＣ６７２から入力される信号または電位を、接続部６８７を介して供給することができる。

接続体６８６としては、例えば導電性の粒子を用いることができる。導電性の粒子としては、有機樹脂またはシリカなどの粒子の表面を金属材料で被覆したものを用いることができる。金属材料としてニッケルや金を用いると接触抵抗を低減できるため好ましい。またニッケルをさらに金で被覆するなど、２種類以上の金属材料を層状に被覆させた粒子を用いることが好ましい。また接続体６８６として、弾性変形、または塑性変形する材料を用いることが好ましい。このとき導電性の粒子である接続体６８６は、図１７に示すように上下方向に潰れた形状となる場合がある。こうすることで、接続体６８６と、これと電気的に接続する導電層との接触面積が増大し、接触抵抗を低減できるほか、接続不良などの不具合の発生を抑制することができる。

接続体６８６は、接着層６４１に覆われるように配置することが好ましい。例えば、硬化前の接着層６４１に接続体６８６を分散させておけばよい。

図１７では、回路６５９の例としてトランジスタ６０１が設けられている例を示している。

図１７では、トランジスタ６０１及びトランジスタ６０５の例として、チャネルが形成される半導体膜６５３を２つのゲートで挟持する構成が適用されている。一方のゲートは導電膜６５４により、他方のゲートは絶縁膜６８２を介して半導体膜６５３と重なる導電膜６２３により構成されている。このような構成とすることで、トランジスタのしきい値電圧を制御することができる。このとき、２つのゲートを接続し、これらに同一の信号を供給することによりトランジスタを駆動してもよい。このような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、高速駆動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、表示パネルを大型化、または高精細化したときに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できる。

なお、回路６５９が有するトランジスタと、表示部６６２が有するトランジスタは、同じ構造であってもよい。また回路６５９が有する複数のトランジスタは、全て同じ構造であってもよいし、異なる構造のトランジスタを組み合わせて用いてもよい。また、表示部６６２が有する複数のトランジスタは、全て同じ構造であってもよいし、異なる構造のトランジスタを組み合わせて用いてもよい。

各トランジスタを覆う絶縁膜６８２、絶縁膜６８３のうち少なくとも一方は、水などの不純物が拡散しにくい材料を用いることが好ましい。すなわち、絶縁膜６８２または絶縁膜６８３はバリア膜として機能させることができる。このような構成とすることで、トランジスタに対して外部から不純物が拡散することを効果的に抑制することが可能となり、信頼性の高い表示パネルを実現できる。

基板６６１側において、着色層６３１、遮光膜６３２を覆って絶縁膜６２１が設けられている。絶縁膜６２１は、平坦化層としての機能を有していてもよい。絶縁膜６２１により、導電膜６１３の表面を概略平坦にできるため、液晶層６１２の配向状態を均一にできる。

表示パネル６００を作製する方法の一例について説明する。例えば剥離層を有する支持基板上に、導電膜６３５、導電膜６６３、絶縁膜６２０を順に形成し、その後、トランジスタ６０５、トランジスタ６０６、発光素子６６０等を形成した後、接着層６４２を用いて基板６５１と支持基板を貼り合せる。その後、剥離層と絶縁膜６２０、及び剥離層と導電膜６３５のそれぞれの界面で剥離することにより、支持基板及び剥離層を除去する。またこれとは別に、着色層６３１、遮光膜６３２、導電膜６１３等をあらかじめ形成した基板６６１を準備する。そして基板６５１または基板６６１に液晶を滴下し、接着層６４１により基板６５１と基板６６１を貼り合せることで、表示パネル６００を作製することができる。

剥離層としては、絶縁膜６２０及び導電膜６３５との界面で剥離が生じる材料を適宜選択することができる。特に、剥離層としてタングステンなどの高融点金属材料を含む層と当該金属材料の酸化物を含む層を積層して用い、剥離層上の絶縁膜６２０として、窒化シリコンや酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン等を複数積層した層を用いることが好ましい。剥離層に高融点金属材料を用いると、これよりも後に形成する層の形成温度を高めることが可能で、不純物の濃度が低減され、信頼性の高い表示パネルを実現できる。

導電膜６３５としては、金属酸化物、または金属窒化物等の酸化物または窒化物を用いることが好ましい。

＜各構成要素について＞
以下では、上記に示す各構成要素について説明する。なお、先の実施の形態に示す機能と同様の機能を有する構成についての説明は省略する。

〔接着層〕
接着層としては、紫外線硬化型等の光硬化型接着剤、反応硬化型接着剤、熱硬化型接着剤、嫌気型接着剤などの各種硬化型接着剤を用いることができる。これら接着剤としてはエポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、イミド樹脂、ＰＶＣ（ポリビニルクロライド）樹脂、ＰＶＢ（ポリビニルブチラル）樹脂、ＥＶＡ（エチレンビニルアセテート）樹脂等が挙げられる。特に、エポキシ樹脂等の透湿性が低い材料が好ましい。また、二液混合型の樹脂を用いてもよい。また、接着シート等を用いてもよい。

また、上記樹脂に乾燥剤を含んでいてもよい。例えば、アルカリ土類金属の酸化物（酸化カルシウムや酸化バリウム等）のように、化学吸着によって水分を吸着する物質を用いることができる。または、ゼオライトやシリカゲル等のように、物理吸着によって水分を吸着する物質を用いてもよい。乾燥剤が含まれていると、水分などの不純物が素子に侵入することを抑制でき、表示パネルの信頼性が向上するため好ましい。

また、上記樹脂に屈折率の高いフィラーや光散乱部材を混合することにより、光取り出し効率を向上させることができる。例えば、酸化チタン、酸化バリウム、ゼオライト、ジルコニウム等を用いることができる。

〔接続層〕
接続層としては、異方性導電フィルム（ＡＣＦ：ＡｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃＣｏｎｄｕｃｔｉｖｅＦｉｌｍ）や、異方性導電ペースト（ＡＣＰ：ＡｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃＣｏｎｄｕｃｔｉｖｅＰａｓｔｅ）などを用いることができる。

〔着色層〕
着色層に用いることのできる材料としては、金属材料、樹脂材料、顔料または染料が含まれた樹脂材料などが挙げられる。

〔遮光層〕
遮光層として用いることのできる材料としては、カーボンブラック、チタンブラック、金属、金属酸化物、複数の金属酸化物の固溶体を含む複合酸化物等が挙げられる。遮光層は、樹脂材料を含む膜であってもよいし、金属などの無機材料の薄膜であってもよい。また、遮光層に、着色層の材料を含む膜の積層膜を用いることもできる。例えば、ある色の光を透過する着色層に用いる材料を含む膜と、他の色の光を透過する着色層に用いる材料を含む膜との積層構造を用いることができる。着色層と遮光層の材料を共通化することで、装置を共通化できるほか工程を簡略化できるため好ましい。

以上が各構成要素についての説明である。

＜作製方法例＞
ここでは、可撓性を有する基板を用いた表示パネルの作製方法の例について説明する。

ここでは、表示素子、回路、配線、電極、着色層や遮光層などの光学部材、及び絶縁層等が含まれる層をまとめて素子層と呼ぶこととする。例えば、素子層は表示素子を含み、表示素子の他に表示素子と電気的に接続する配線、画素や回路に用いるトランジスタなどの素子を備えていてもよい。

また、ここでは、表示素子が完成した（作製工程が終了した）段階において、素子層を支持し、可撓性を有する部材のことを、基板と呼ぶこととする。例えば、基板には、厚さが１０ｎｍ以上３００μｍ以下の、極めて薄いフィルム等も含まれる。

可撓性を有し、絶縁表面を備える基板上に素子層を形成する方法としては、代表的には以下に挙げる２つの方法がある。一つは、基板上に直接、素子層を形成する方法である。もう一つは、基板とは異なる支持基板上に素子層を形成した後、素子層と支持基材を剥離し、素子層を基板に転置する方法である。なお、ここでは詳細に説明しないが、上記２つの方法に加え、可撓性を有さない基板上に素子層を形成し、当該基板を研磨等により薄くすることで可撓性を持たせる方法もある。

基板を構成する材料が、素子層の形成工程にかかる熱に対して耐熱性を有する場合には、基板上に直接、素子層を形成すると、工程が簡略化されるため好ましい。このとき、基板を支持基材に固定した状態で素子層を形成すると、装置内、及び装置間における搬送が容易になるため好ましい。

また、素子層を支持基材上に形成した後に、基板に転置する方法を用いる場合、まず支持基材上に剥離層と絶縁層を積層し、当該絶縁層上に素子層を形成する。続いて、支持基材と素子層の間で剥離し、素子層を基板に転置する。このとき、支持基材と剥離層の界面、剥離層と絶縁層の界面、または剥離層中で剥離が生じるような材料を選択すればよい。この方法では、支持基材や剥離層に耐熱性の高い材料を用いることで、素子層を形成する際にかかる温度の上限を高めることができ、より信頼性の高い素子を有する素子層を形成できるため、好ましい。

例えば剥離層として、タングステンなどの高融点金属材料を含む層と、当該金属材料の酸化物を含む層を積層して用い、剥離層上の絶縁層として、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコンなどを複数積層した層を用いることが好ましい。

素子層と支持基材とを剥離する方法としては、機械的な力を加えることや、剥離層をエッチングすること、または剥離界面に液体を浸透させることなどが、一例として挙げられる。または、剥離界面を形成する２層の熱膨張の違いを利用し、加熱または冷却することにより剥離を行ってもよい。

また、支持基材と絶縁層の界面で剥離が可能な場合には、剥離層を設けなくてもよい。

例えば、支持基材としてガラスを用い、絶縁層としてポリイミドなどの有機樹脂を用いることができる。このとき、レーザ光等を用いて有機樹脂の一部を局所的に加熱する、または鋭利な部材により物理的に有機樹脂の一部を切断、または貫通すること等により剥離の起点を形成し、ガラスと有機樹脂の界面で剥離を行ってもよい。また、上記の有機樹脂としては、感光性の材料を用いると、開口部などの形状を容易に作製しやすいため好適である。また、上記のレーザ光としては、例えば、可視光線から紫外線の波長領域の光であることが好ましい。例えば波長が２００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の光、好ましくは波長が２５０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下の光を用いることができる。特に、波長３０８ｎｍのエキシマレーザを用いると、生産性に優れるため好ましい。また、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第三高調波である波長３５５ｎｍのＵＶレーザなどの固体ＵＶレーザ（半導体ＵＶレーザともいう）を用いてもよい。

または、支持基材と有機樹脂からなる絶縁層の間に発熱層を設け、当該発熱層を加熱することにより、当該発熱層と絶縁層の界面で剥離を行ってもよい。発熱層としては、電流を流すことにより発熱する材料、光を吸収することにより発熱する材料、磁場を印加することにより発熱する材料など、様々な材料を用いることができる。例えば発熱層としては、半導体、金属、絶縁体から選択して用いることができる。

なお、上述した方法において、有機樹脂からなる絶縁層は、剥離後に基板として用いることができる。

以上が可撓性を有する表示パネルを作製する方法についての説明である。

００１領域
００２領域
００３領域
１００トランジスタ
１０２基板
１０４絶縁膜
１０６導電膜
１０８金属酸化物
１０８ａ金属酸化物
１０８ｉ領域
１０８ｎ領域
１１０絶縁膜
１１０＿０絶縁膜
１１２導電膜
１１２＿０導電膜
１１２＿１導電膜
１１２＿２導電膜
１１６絶縁膜
１１８絶縁膜
１２０ａ導電膜
１２０ｂ導電膜
１２２絶縁膜
１４０マスク
１４１ａ開口部
１４１ｂ開口部
１４３開口部
１５０トランジスタ
１６０トランジスタ
３００Ａトランジスタ
３００Ｂトランジスタ
３００Ｃトランジスタ
３００Ｄトランジスタ
３０２基板
３０４導電膜
３０６絶縁膜
３０７絶縁膜
３０８金属酸化物
３１２ａ導電膜
３１２ｂ導電膜
３１４絶縁膜
３１６絶縁膜
３１８絶縁膜
３２０ａ導電膜
３２０ｂ導電膜
３４１ａ開口部
３４１ｂ開口部
３４２ａ開口部
３４２ｂ開口部
３４２ｃ開口部
６００表示パネル
６０１トランジスタ
６０４接続部
６０５トランジスタ
６０６トランジスタ
６０７接続部
６１２液晶層
６１３導電膜
６１７絶縁膜
６２０絶縁膜
６２１絶縁膜
６２３導電膜
６３１着色層
６３２遮光膜
６３３ａ配向膜
６３３ｂ配向膜
６３４着色層
６３５導電膜
６４０液晶素子
６４１接着層
６４２接着層
６４３導電膜
６４４ＥＬ層
６４５ａ導電膜
６４５ｂ導電膜
６４６絶縁膜
６４７絶縁膜
６４８導電膜
６４９接続層
６５１基板
６５２導電膜
６５３半導体膜
６５４導電膜
６５５開口
６５６偏光板
６５９回路
６６０発光素子
６６１基板
６６２表示部
６６３導電膜
６６６配線
６７２ＦＰＣ
６７３ＩＣ
６８１絶縁膜
６８２絶縁膜
６８３絶縁膜
６８４絶縁膜
６８５絶縁膜
６８６接続体
６８７接続部

Claims

第１の領域と、第２の領域と、を有する金属酸化物であって、
前記第１の領域は、インジウム、および窒素を含み、
前記第２の領域は、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｓｉ、Ｂ、Ｙ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｇ、Ｖ、Ｂｅ、またはＣｕのいずれか一つ、または複数）を含み、
前記第１の領域、及び前記第２の領域は、モザイク状に配置され、
前記第１の領域は、前記第２の領域よりも導電性が高いことを特徴とする金属酸化物。
第１の領域と、第２の領域と、を有する金属酸化物であって、
前記第１の領域は、インジウムを含み、
前記第２の領域は、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｓｉ、Ｂ、Ｙ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｇ、Ｖ、Ｂｅ、またはＣｕのいずれか一つ、または複数）、および窒素を含み、
前記第１の領域、及び前記第２の領域は、モザイク状に配置され、
前記第１の領域は、前記第２の領域よりも導電性が高いことを特徴とする金属酸化物。
第１の領域と、第２の領域と、を有する金属酸化物であって、
前記第１の領域は、インジウム、および窒素を含み、
前記第２の領域は、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｓｉ、Ｂ、Ｙ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｇ、Ｖ、Ｂｅ、またはＣｕのいずれか一つ、または複数）、および窒素を含み、
前記第１の領域、及び前記第２の領域は、モザイク状に配置され、
前記第１の領域は、前記第２の領域よりも導電性が高いことを特徴とする金属酸化物。
請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の金属酸化物において、ＳＩＭＳにより得られる窒素濃度が、１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上２×１０^２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることを特徴とする金属酸化物。
第１の領域と、第２の領域と、を有する金属酸化物であって、
前記第１の領域は、インジウムを含み、
前記第２の領域は、ホウ素を含み、
前記第１の領域、及び前記第２の領域は、モザイク状に配置され、
前記第１の領域は、前記第２の領域よりも導電性が高いことを特徴とする金属酸化物。
請求項１乃至５のいずれか一において、
前記金属酸化物は、さらに第３の領域を有し、
前記第３の領域は、前記第１の領域よりも導電性が低く、かつ、前記第２の領域よりも導電性が高いことを特徴とする金属酸化物。
請求項６において、
前記第１の領域、前記第２の領域、または前記第３の領域は、周辺部がボケており、クラウド状であることを特徴とする金属酸化物。
請求項１乃至請求項７のいずれか一において、
前記第１の領域は、キャリアとなる電子が流れる機能を有し、
前記第２の領域は、リーク電流を抑制する機能を有することを特徴とする金属酸化物。
請求項１乃至請求項８のいずれか一において、
前記第２の領域は、径が０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、またはその近傍であることを特徴とする金属酸化物。
請求項１乃至請求項９のいずれか一に記載の金属酸化物において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度が、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上２×１０^２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることを特徴とする金属酸化物。
請求項１０のいずれか一に記載の金属酸化物において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度が、１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１×１０^２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることを特徴とする金属酸化物。
請求項１乃至請求項１１のいずれか一に記載の前記金属酸化物を有することを特徴とするトランジスタ。