JP2018006734A - 半導体装置、当該半導体装置の作製方法、及び当該半導体装置を有する表示装置 - Google Patents

半導体装置、当該半導体装置の作製方法、及び当該半導体装置を有する表示装置 Download PDF

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純一 肥塚
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Abstract

【課題】酸化物半導体膜を有するトランジスタにおいて、電界効果移動度を向上させると共に信頼性を向上させる。
【解決手段】酸化物半導体膜を有する半導体装置であって、半導体装置は、第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜上の酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜上の第２の絶縁膜及び第３の絶縁膜と、第２絶縁膜上のゲート電極と、を有し、酸化物半導体膜は、第１の酸化物半導体膜と、第１の酸化物半導体膜上の第２の酸化物半導体膜と、第２の酸化物半導体膜上の第３の酸化物半導体膜と、を有し、第１乃至第３の酸化物半導体膜は、それぞれ、同じ元素を有し、第２の酸化物半導体膜は、第１の酸化物半導体膜及び第３の酸化物半導体膜のいずれか一方または双方よりも結晶性が低い領域を有する。
【選択図】図１

Description

本発明の一態様は、酸化物半導体膜を有する半導体装置及び当該半導体装置の作製方法に関する。または、本発明の一態様は、上記半導体装置を有する表示装置に関する。
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本発明の一態様は、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開示されている。
また、非特許文献１では、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する酸化物半導体は、Ｉｎ１−ｘＧａ１＋ｘＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｘは−１≦ｘ≦１を満たす数、ｍは自然数）で表されるホモロガス相を有することについて開示されている。また、非特許文献１では、ホモロガス相の固溶域（ｓｏｌｉｄ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｒａｎｇｅ）について開示されている。例えば、ｍ＝１の場合のホモロガス相の固溶域は、ｘが−０．３３から０．０８の範囲であり、ｍ＝２の場合のホモロガス相の固溶域は、ｘが−０．６８から０．３２の範囲である。
特開２０１４−７３９９号公報
Ｍ． Ｎａｋａｍｕｒａ， Ｎ． Ｋｉｍｉｚｕｋａ， ａｎｄ Ｔ． Ｍｏｈｒｉ、「Ｔｈｅ Ｐｈａｓｅ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｉｎ２Ｏ３−Ｇａ２ＺｎＯ４−ＺｎＯ Ｓｙｓｔｅｍ ａｔ １３５０℃」、Ｊ． Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｈｅｍ．、１９９１、Ｖｏｌ．９３， ｐｐ．２９８−３１５
酸化物半導体膜をチャネル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、酸化物半導体膜をチャネル領域に用いるトランジスタにおいて、酸化物半導体膜中に形成される酸素欠損は、トランジスタ特性に影響を与えるため問題となる。例えば、酸化物半導体膜中に酸素欠損が形成されると、該酸素欠損に水素がトラップされ、キャリア供給源となる。酸化物半導体膜中にキャリア供給源が生成されると、酸化物半導体膜を有するトランジスタの電気特性の変動、代表的にはしきい値電圧のシフトが生じる。
例えば、酸化物半導体膜中に酸素欠損が多すぎると、トランジスタのしきい値電圧がマイナス側にシフトしてしまい、ノーマリーオンの特性になる。よって、酸化物半導体膜中、特にチャネル領域においては、酸素欠損が少ない、あるいはノーマリーオンの特性にならない程度の酸素欠損量であることが好ましい。
上記問題に鑑み、本発明の一態様は、酸化物半導体膜を有するトランジスタにおいて、電界効果移動度を向上させると共に信頼性を向上させることを課題の１つとする。または、本発明の一態様は、酸化物半導体膜を有するトランジスタにおいて、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることを課題の１つとする。または、本発明の一態様は、消費電力が低減された半導体装置を提供することを課題の１つとする。または、本発明の一態様は、新規な半導体装置を提供することを課題の１つとする。または、本発明の一態様は、新規な表示装置を提供することを課題の１つとする。
なお、上記の課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、必ずしも、これらの課題の全てを解決する必要はない。上記以外の課題は、明細書等の記載から自ずと明らかになるものであり、明細書等の記載から上記以外の課題を抽出することが可能である。
本発明の一態様は、酸化物半導体膜を有する半導体装置であって、半導体装置は、第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜上の酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜上の第２の絶縁膜及び第３の絶縁膜と、第２絶縁膜上のゲート電極と、を有し、酸化物半導体膜は、第１の酸化物半導体膜と、第１の酸化物半導体膜上の第２の酸化物半導体膜と、第２の酸化物半導体膜上の第３の酸化物半導体膜と、を有し、第１乃至第３の酸化物半導体膜は、それぞれ、同じ元素を有し、第２の酸化物半導体膜は、第１の酸化物半導体膜及び第３の酸化物半導体膜のいずれか一方または双方よりも結晶性が低い領域を有する半導体装置である。
また、本発明の他の一態様は、酸化物半導体膜を有する半導体装置であって、半導体装置は、第１のゲート電極と、第１のゲート電極上の第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜上の酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜上の第２の絶縁膜及び第３の絶縁膜と、第２絶縁膜上の第２のゲート電極と、を有し、酸化物半導体膜は、第１の酸化物半導体膜と、第１の酸化物半導体膜上の第２の酸化物半導体膜と、第２の酸化物半導体膜上の第３の酸化物半導体膜と、を有し、第１乃至第３の酸化物半導体膜は、それぞれ、同じ元素を有し、第２の酸化物半導体膜は、第１の酸化物半導体膜及び第３の酸化物半導体膜のいずれか一方または双方よりも結晶性が低い領域を有する半導体装置である。
また、本発明の他の一態様は、酸化物半導体膜を有する半導体装置であって、半導体装置は、第１のゲート電極と、第１のゲート電極上の第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜上の酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜上の第２の絶縁膜及び第３の絶縁膜と、第２絶縁膜上の第２のゲート電極と、を有し、第１のゲート電極、及び第２のゲート電極は、第１の絶縁膜及び第２の絶縁膜に設けられる開口部において接続され、且つ、酸化物半導体膜の側端部よりも外側に位置する領域を有し、酸化物半導体膜は、第１の酸化物半導体膜と、第１の酸化物半導体膜上の第２の酸化物半導体膜と、第２の酸化物半導体膜上の第３の酸化物半導体膜と、を有し、第１乃至第３の酸化物半導体膜は、それぞれ、同じ元素を有し、第２の酸化物半導体膜は、第１の酸化物半導体膜及び第３の酸化物半導体膜のいずれか一方または双方よりも結晶性が低い領域を有する半導体装置である。
上記態様において、第１乃至第３の酸化物半導体膜は、それぞれ独立に、Ｉｎと、Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有すると好ましい。
また、上記態様において、Ｉｎ、Ｍ、及びＺｎの原子数比は、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：３またはその近傍であり、Ｉｎが４の場合、Ｍが１．５以上２．５以下であり、且つＺｎが２以上４以下であると好ましい。また、上記態様において、Ｉｎ、Ｍ、及びＺｎの原子数比は、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：１：６またはその近傍であり、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以下であると好ましい。
また、上記態様において、第２の酸化物半導体膜は、ＩｎａＭｂＺｎｃＯｄ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎを表し、ａ、ｂ、ｃ、及びｄは任意数を表す）を有する第１の領域と、ＩｎｘＺｎｙＯｚ（ｘ、ｙ、及びｚは任意数を表す）を有する第２の領域と、を有する複合酸化物半導体であると好ましい。また、上記態様において、第２の酸化物半導体膜は、第１の酸化物半導体膜及び第３の酸化物半導体膜のいずれか一方または双方よりも厚い領域を有すると好ましい。
また、上記態様において、第１の酸化物半導体膜及び第３の酸化物半導体膜のいずれか一方または双方は、結晶部を有し、結晶部は、ｃ軸配向性を有すると好ましい。
また、本発明の他の一態様は、上記各態様にいずれか一つに記載の半導体装置と、表示素子と、を有する表示装置である。また、本発明の他の一態様は、該表示装置とタッチセンサとを有する表示モジュールである。また、本発明の他の一態様は、上記態様にいずれか一つに記載の半導体装置、上記表示装置、または上記表示モジュールと、操作キーまたはバッテリとを有する電子機器である。
また、本発明の他の一態様は、酸化物半導体膜を有する半導体装置の作製方法であって、第１の絶縁膜を形成する工程と、第１の絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成する工程と、酸化物半導体膜上に第２の絶縁膜及び第３の絶縁膜を形成する工程と、第２の絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、を有し、酸化物半導体膜を形成する工程は、第１の酸化物半導体膜を形成する工程と、第１の酸化物半導体膜上に第２の酸化物半導体膜を形成する工程と、第２の酸化物半導体膜上に第３の酸化物半導体膜を形成する工程と、を有し、第１の酸化物半導体膜乃至第３の酸化物半導体膜は、スパッタリング装置を用いて、真空中で連続して形成される半導体装置の作製方法である。
上記態様において、第２の酸化物半導体膜は、第１の酸化物半導体膜及び第３の酸化物半導体膜のいずれか一方または双方よりも、低い酸素分圧で形成されると好ましい。
本発明の一態様により、酸化物半導体膜を有するトランジスタにおいて、電界効果移動度を向上させると共に信頼性を向上させることができる。または、本発明の一態様により、酸化物半導体膜を有するトランジスタにおいて、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、本発明の一態様により、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、新規な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、新規な表示装置を提供することができる。
なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
半導体装置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。 半導体装置を説明する断面図。 半導体装置を説明する断面図。 半導体装置を説明する断面図。 半導体装置を説明する断面図。 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。 酸化物半導体膜中に拡散する酸素または過剰酸素の拡散経路を表す概念図。 酸化物半導体膜の上面及び断面の構造を説明する概念図。 酸化物半導体膜の上面及び断面の構造を説明する概念図。 酸化物半導体膜の上面及び断面の構造を説明する概念図。 酸化物半導体膜の上面及び断面の構造を説明する概念図。 酸化物半導体膜の原子数比を説明する図。 スパッタリング装置を説明する図。 酸化物半導体をチャネル領域に用いるトランジスタにおけるエネルギーバンドを説明する図。 酸化物半導体膜の断面ＴＥＭ像、及び断面ＨＲ−ＴＥＭ像を説明する図。 酸化物半導体膜の断面ＴＥＭ像、及び断面ＨＲ−ＴＥＭ像を説明する図。 酸化物半導体膜の断面ＴＥＭ像、及び断面ＨＲ−ＴＥＭ像を説明する図。 酸化物半導体膜のＸＲＤ測定結果、及び電子線回折パターンを説明する図。 酸化物半導体膜のＸＲＤ測定結果、及び電子線回折パターンを説明する図。 酸化物半導体膜のＸＲＤ測定結果、及び電子線回折パターンを説明する図。 電子線回折パターンを説明する図。 電子線回折パターンのラインプロファイルを説明する図。 電子線回折パターンのラインプロファイル、ラインプロファイルの相対輝度Ｒ、及びラインプロファイルの半値幅を説明する図。 電子線回折パターン、及び輝度プロファイルを説明する図。 酸化物半導体膜の電子線回折パターンから見積もった相対輝度を説明する図。 酸化物半導体膜の断面ＴＥＭ像及び画像解析後の断面ＴＥＭ像を説明する図。 酸化物半導体膜のＳＩＭＳ測定結果を説明する図。 表示装置の一態様を示す上面図。 表示装置の一態様を示す断面図。 表示装置の一態様を示す断面図。 表示装置の一態様を示す断面図。 表示装置の一態様を示す断面図。 表示装置の一態様を示す断面図。 ＥＬ層の作製方法を説明する断面図。 液滴吐出装置を説明する概念図。 表示装置を説明するブロック図及び回路図。 表示モジュールを説明する図。 電子機器を説明する図。 電子機器を説明する図。 表示装置を説明する斜視図。 実施例に係る試料の断面のＥＤＸマッピングを説明する図。 実施例に係る試料の断面のＢＦ−ＳＴＥＭ像を説明する図。 実施例に係る試料のＸＲＤ測定結果とＸＲＤ分析位置を説明する図。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。ただし、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。
また、本明細書にて用いる「第１」、「第２」、「第３」という序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではないことを付記する。
また、本明細書において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。従って、明細書で説明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン（ドレイン端子、ドレイン領域またはドレイン電極）とソース（ソース端子、ソース領域またはソース電極）の間にチャネル領域を有しており、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、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。
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、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。
また、本明細書等において、特に断りがない場合、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態（非導通状態、遮断状態、ともいう）にあるときのドレイン電流をいう。オフ状態とは、特に断りがない場合、ｎチャネル型トランジスタでは、ゲートとソースの間の電圧Ｖｇｓがしきい値電圧Ｖｔｈよりも低い状態、ｐチャネル型トランジスタでは、ゲートとソースの間の電圧Ｖｇｓがしきい値電圧Ｖｔｈよりも高い状態をいう。例えば、ｎチャネル型のトランジスタのオフ電流とは、ゲートとソースの間の電圧Ｖｇｓがしきい値電圧Ｖｔｈよりも低いときのドレイン電流を言う場合がある。
トランジスタのオフ電流は、Ｖｇｓに依存する場合がある。従って、トランジスタのオフ電流がＩ以下である、とは、トランジスタのオフ電流がＩ以下となるＶｇｓの値が存在することを言う場合がある。トランジスタのオフ電流は、所定のＶｇｓにおけるオフ状態、所定の範囲内のＶｇｓにおけるオフ状態、または、十分に低減されたオフ電流が得られるＶｇｓにおけるオフ状態、等におけるオフ電流を指す場合がある。
一例として、しきい値電圧Ｖｔｈが０．５Ｖであり、Ｖｇｓが０．５Ｖにおけるドレイン電流が１×１０−９Ａであり、Ｖｇｓが０．１Ｖにおけるドレイン電流が１×１０−１３Ａであり、Ｖｇｓが−０．５Ｖにおけるドレイン電流が１×１０−１９Ａであり、Ｖｇｓが−０．８Ｖにおけるドレイン電流が１×１０−２２Ａであるようなｎチャネル型トランジスタを想定する。当該トランジスタのドレイン電流は、Ｖｇｓが−０．５Ｖにおいて、または、Ｖｇｓが−０．５Ｖ乃至−０．８Ｖの範囲において、１×１０−１９Ａ以下であるから、当該トランジスタのオフ電流は１×１０−１９Ａ以下である、と言う場合がある。当該トランジスタのドレイン電流が１×１０−２２Ａ以下となるＶｇｓが存在するため、当該トランジスタのオフ電流は１×１０−２２Ａ以下である、と言う場合がある。
また、本明細書等では、チャネル幅Ｗを有するトランジスタのオフ電流を、チャネル幅Ｗあたりを流れる電流値で表す場合がある。また、所定のチャネル幅（例えば１μｍ）あたりを流れる電流値で表す場合がある。後者の場合、オフ電流の単位は、電流／長さの次元を持つ単位（例えば、Ａ／μｍ）で表される場合がある。
トランジスタのオフ電流は、温度に依存する場合がある。本明細書において、オフ電流は、特に記載がない場合、室温、６０℃、８５℃、９５℃、または１２５℃におけるオフ電流を表す場合がある。または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等の信頼性が保証される温度、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等が使用される温度（例えば、５℃乃至３５℃のいずれか一の温度）におけるオフ電流、を表す場合がある。トランジスタのオフ電流がＩ以下である、とは、室温、６０℃、８５℃、９５℃、１２５℃、当該トランジスタが含まれる半導体装置の信頼性が保証される温度、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等が使用される温度（例えば、５℃乃至３５℃のいずれか一の温度）、におけるトランジスタのオフ電流がＩ以下となるＶｇｓの値が存在することを指す場合がある。
トランジスタのオフ電流は、ドレインとソースの間の電圧Ｖｄｓに依存する場合がある。本明細書において、オフ電流は、特に記載がない場合、Ｖｄｓが０．１Ｖ、０．８Ｖ、１Ｖ、１．２Ｖ、１．８Ｖ、２．５Ｖ，３Ｖ、３．３Ｖ、１０Ｖ、１２Ｖ、１６Ｖ、または２０Ｖにおけるオフ電流を表す場合がある。または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等の信頼性が保証されるＶｄｓ、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等において使用されるＶｄｓにおけるオフ電流、を表す場合がある。トランジスタのオフ電流がＩ以下である、とは、Ｖｄｓが０．１Ｖ、０．８Ｖ、１Ｖ、１．２Ｖ、１．８Ｖ、２．５Ｖ，３Ｖ、３．３Ｖ、１０Ｖ、１２Ｖ、１６Ｖ、２０Ｖ、当該トランジスタが含まれる半導体装置の信頼性が保証されるＶｄｓ、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等において使用されるＶｄｓ、におけるトランジスタのオフ電流がＩ以下となるＶｇｓの値が存在することを指す場合がある。
上記オフ電流の説明において、ドレインをソースと読み替えてもよい。つまり、オフ電流は、トランジスタがオフ状態にあるときのソースを流れる電流を言う場合もある。
また、本明細書等では、オフ電流と同じ意味で、リーク電流と記載する場合がある。また、本明細書等において、オフ電流とは、例えば、トランジスタがオフ状態にあるときに、ソースとドレインとの間に流れる電流を指す場合がある。
また、本明細書等において、トランジスタのしきい値電圧とは、トランジスタにチャネルが形成されたときのゲート電圧（Ｖｇ）を指す。具体的には、トランジスタのしきい値電圧とは、ゲート電圧（Ｖｇ）を横軸に、ドレイン電流（Ｉｄ）の平方根を縦軸にプロットした曲線（Ｖｇ−√Ｉｄ特性）において、最大傾きである接線を外挿したときの直線と、ドレイン電流（Ｉｄ）の平方根が０（Ｉｄが０Ａ）との交点におけるゲート電圧（Ｖｇ）を指す場合がある。あるいは、トランジスタのしきい値電圧とは、チャネル長をＬ、チャネル幅をＷとし、Ｉｄ［Ａ］×Ｌ［μｍ］／Ｗ［μｍ］の値が１×１０−９［Ａ］となるゲート電圧（Ｖｇ）を指す場合がある。
また、本明細書等において、「半導体」と表記した場合であっても、例えば、導電性が十分に低い場合は、「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」と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、本明細書等に記載の「半導体」は、「絶縁体」に言い換えることが可能な場合がある。同様に、本明細書等に記載の「絶縁体」は、「半導体」に言い換えることが可能な場合がある。または、本明細書等に記載の「絶縁体」を「半絶縁体」に言い換えることが可能な場合がある。
また、本明細書等において、「半導体」と表記した場合であっても、例えば、導電性が十分に高い場合は、「導電体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「導電体」と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、本明細書等に記載の「半導体」は、「導電体」に言い換えることが可能な場合がある。同様に、本明細書等に記載の「導電体」は、「半導体」に言い換えることが可能な場合がある。
また、本明細書等において、半導体の不純物とは、半導体膜を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が０．１原子％未満の元素は不純物である。不純物が含まれることにより、半導体にＤＯＳ（Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｔａｔｅｓ）が形成されることや、キャリア移動度が低下することや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体を有する場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第１５族元素、主成分以外の遷移金属などがあり、特に、水素（水にも含まれる）、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、例えば水素などの不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコンを有する場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１５族元素などがある。
本明細書等において、金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）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（Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ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、ＯＳ ＦＥＴ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。
また、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。
また、本明細書等において、ＣＡＡＣ（ｃ−ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ）、及びＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ−Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と記載する場合がある。なお、ＣＡＡＣは結晶構造の一例を表し、ＣＡＣは機能、または材料の構成の一例を表す。
酸化物半導体または金属酸化物の結晶構造の一例について説明する。なお、以下では、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）を用いて、スパッタリング法にて成膜された酸化物半導体を一例として説明する。上記ターゲットを用いて、基板温度を１００℃以上１３０℃以下として、スパッタリング法により形成した酸化物半導体をｓＩＧＺＯと呼称し、上記ターゲットを用いて、基板温度を室温（Ｒ．Ｔ．）として、スパッタリング法により形成した酸化物半導体をｔＩＧＺＯと呼称する。例えば、ｓＩＧＺＯは、ｎｃ（ｎａｎｏ ｃｒｙｓｔａｌ）及びＣＡＡＣのいずれか一方または双方の結晶構造を有する。また、ｔＩＧＺＯは、ｎｃの結晶構造を有する。なお、ここでいう室温（Ｒ．Ｔ．）とは、基板を意図的に加熱しない場合の温度を含む。
また、本明細書等において、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅとは、材料の一部では導電体の機能と、材料の一部では誘電体（または絶縁体）の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅを、トランジスタの活性層に用いる場合、導電体は、キャリアとなる電子（またはホール）を流す機能を有し、誘電体は、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−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅに付与することができる。ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ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。
また、本明細書等において、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、導電体領域、及び誘電体領域を有する。導電体領域は、上述の導電体の機能を有し、誘電体領域は、上述の誘電体の機能を有する。また、材料中において、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、導電体領域と、誘電体領域とは、それぞれ材料中に偏在する場合がある。また、導電体領域は、周辺がぼけてクラウド状に連結して観察される場合がある。
すなわち、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、マトリックス複合材（ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）、または金属マトリックス複合材（ｍｅｔａｌ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と呼称することもできる。
また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ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場合がある。
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置及び半導体装置の作製方法について、図１乃至図１２を参照して説明する。
＜１−１．半導体装置の構成例１＞
図１（Ａ）は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ１００の上面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当する。なお、図１（Ａ）において、煩雑になることを避けるため、トランジスタ１００の構成要素の一部（ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜等）を省略して図示している。また、一点鎖線Ｘ１−Ｘ２方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｙ１−Ｙ２方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。なお、トランジスタの上面図においては、以降の図面においても図１（Ａ）と同様に、構成要素の一部を省略して図示する場合がある。
図１（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上の酸化物半導体膜１０８と、酸化物半導体膜１０８上の絶縁膜１１０と、絶縁膜１１０上の導電膜１１２と、絶縁膜１０４、酸化物半導体膜１０８、及び導電膜１１２上の絶縁膜１１６と、を有する。
また、酸化物半導体膜１０８は、導電膜１１２が重畳する領域において、絶縁膜１０４上の酸化物半導体膜１０８＿１と、酸化物半導体膜１０８＿１上の酸化物半導体膜１０８＿２と、酸化物半導体膜１０８＿２上の酸化物半導体膜１０８＿３と、を有する。なお、酸化物半導体膜１０８＿１、酸化物半導体膜１０８＿２、及び酸化物半導体膜１０８＿３は、それぞれ同じ元素を有する。例えば、酸化物半導体膜１０８＿１、酸化物半導体膜１０８＿２、及び酸化物半導体膜１０８＿３は、それぞれ独立に、Ｉｎと、Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有すると好ましい。
また、酸化物半導体膜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、先に説明した酸化物半導体膜１０８＿１、酸化物半導体膜１０８＿２、及び酸化物半導体膜１０８＿３が、それぞれ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、酸化物半導体膜１０８＿１、酸化物半導体膜１０８＿２、及び酸化物半導体膜１０８＿３は、それぞれ独立に、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、酸化物半導体膜１０８＿１のＩｎ、Ｍ、及びＺｎの原子数の比を、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：３またはその近傍とすると好ましい。また、酸化物半導体膜１０８＿２のＩｎ、Ｍ、及びＺｎの原子数の比を、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：３またはその近傍とすると好ましい。また、酸化物半導体膜１０８＿３のＩｎ、Ｍ、及びＺｎの原子数の比を、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：３またはその近傍とすると好ましい。ここで近傍とは、Ｉｎが４の場合、Ｍが１．５以上２．５以下であり、且つＺｎが２以上４以下を含む。このように、酸化物半導体膜１０８＿１、酸化物半導体膜１０８＿２、及び酸化物半導体膜１０８＿３を概略同じ組成とすることで、同じスパッタリングターゲットを用いて形成できるため、製造コストを抑制することが可能である。
なお、酸化物半導体膜１０８＿１、酸化物半導体膜１０８＿２、及び酸化物半導体膜１０８＿３は、上記の組成に限定されない。例えば、酸化物半導体膜１０８＿１、酸化物半導体膜１０８＿２、及び酸化物半導体膜１０８＿３のＩｎ、Ｍ、及びＺｎの原子数の比を、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：１：６またはその近傍としてもよい。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。
酸化物半導体膜１０８＿１、酸化物半導体膜１０８＿２、及び酸化物半導体膜１０８＿３が、それぞれ独立に、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１０ｃｍ２／Ｖｓ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３０ｃｍ２／Ｖｓを超えることが可能となる。
例えば、上記の電界効果移動度が高いトランジスタを、ゲート信号を生成するゲートドライバに用いることで、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、酸化物半導体膜１０８＿１、酸化物半導体膜１０８＿２、及び酸化物半導体膜１０８＿３が、それぞれ独立に、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、酸化物半導体膜１０８＿１、酸化物半導体膜１０８＿２、及び酸化物半導体膜１０８＿３それぞれ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。
しかしながら、本発明の一態様の半導体装置においては、酸化物半導体膜１０８＿２は、酸化物半導体膜１０８＿１、及び酸化物半導体膜１０８＿３のいずれか一方または双方よりも結晶性が低い領域を有する。なお、酸化物半導体膜１０８の結晶性としては、例えば、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）を用いて分析する、あるいは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いて分析することで解析できる。
酸化物半導体膜１０８＿２が結晶性の低い領域を有する場合、以下の優れた効果を有する。
まず、酸化物半導体膜１０８中に形成されうる酸素欠損について説明を行う。
酸化物半導体膜１０８に形成される酸素欠損は、トランジスタ特性に影響を与えるため問題となる。例えば、酸化物半導体膜１０８中に酸素欠損が形成されると、該酸素欠損に水素がトラップされ、キャリア供給源となる。酸化物半導体膜１０８中にキャリア供給源が生成されると、酸化物半導体膜１０８を有するトランジスタ１００の電気特性の変動、代表的にはしきい値電圧のシフトが生じる。したがって、酸化物半導体膜１０８においては、酸素欠損が少ないほど好ましい。
そこで、本発明の一態様においては、酸化物半導体膜１０８近傍の絶縁膜、具体的には、酸化物半導体膜１０８の上方に形成される絶縁膜１１０及び酸化物半導体膜１０８の下方に形成される絶縁膜１０４のいずれか一方または双方が、過剰酸素を含有する構成である。絶縁膜１０４及び絶縁膜１１０のいずれか一方または双方から酸化物半導体膜１０８へ酸素または過剰酸素を移動させることで、酸化物半導体膜中の酸素欠損を低減することが可能となる。
ここで、図１２（Ａ）（Ｂ）を用いて、酸化物半導体膜１０８中に拡散する酸素または過剰酸素の経路について説明する。図１２（Ａ）（Ｂ）は、酸化物半導体膜１０８中に拡散する酸素または過剰酸素の拡散経路を表す概念図であり、図１２（Ａ）はチャネル長方向の概念図であり、図１２（Ｂ）はチャネル幅方向の概念図である。
絶縁膜１１０が有する酸素または過剰酸素は、上方側から、すなわち酸化物半導体膜１０８＿３を通過して、酸化物半導体膜１０８＿２と、酸化物半導体膜１０８＿１とに拡散する（図１２（Ａ）（Ｂ）に示すＲｏｕｔｅ １）。
あるいは、絶縁膜１１０が有する酸素または過剰酸素は、酸化物半導体膜１０８＿１、酸化物半導体膜１０８＿２、及び酸化物半導体膜１０８＿３それぞれの側面から酸化物半導体膜１０８中に拡散する（図１２（Ｂ）に示すＲｏｕｔｅ ２）。
例えば、図１２（Ａ）（Ｂ）に示すＲｏｕｔｅ １の場合、酸化物半導体膜１０８＿３の結晶性が高い場合、酸素または過剰酸素の拡散を阻害する場合がある。一方で、図１２（Ｂ）に示すＲｏｕｔｅ ２の場合、酸化物半導体膜１０８＿１、酸化物半導体膜１０８＿２、及び酸化物半導体膜１０８＿３それぞれの側面から、酸化物半導体膜１０８＿１、酸化物半導体膜１０８＿２、及び酸化物半導体膜１０８＿３に酸素または過剰酸素を拡散させることが可能となる。
また、図１２（Ｂ）に示すＲｏｕｔｅ ２の場合、酸化物半導体膜１０８＿２の結晶性が、酸化物半導体膜１０８＿１及び酸化物半導体膜１０８＿３の結晶性よりも低い領域を有するため、当該領域が過剰酸素の拡散経路となり、酸化物半導体膜１０８＿２よりも結晶性の高い酸化物半導体膜１０８＿１及び酸化物半導体膜１０８＿３にも過剰酸素を拡散させることができる。よって、酸化物半導体膜１０８＿２の厚さは、酸化物半導体膜１０８＿１及び酸化物半導体膜１０８＿３よりも厚い方が、酸素の拡散経路が大きくなるため好ましい。なお、図１２（Ａ）（Ｂ）中には、図示しないが、絶縁膜１０４が酸素または過剰酸素を有する場合、絶縁膜１０４からも酸化物半導体膜１０８中に酸素または過剰酸素が拡散しうる。
このように、本発明の一態様の半導体装置においては、結晶構造が異なる酸化物半導体膜の積層構造とし、結晶性の低い領域を過剰酸素の拡散経路とすることで、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
なお、酸化物半導体膜１０８を結晶性が低い酸化物半導体膜のみで構成すると、酸化物半導体膜１０８中に不純物（例えば、水素または水分など）が混入する、または酸化物半導体膜１０８にダメージが入る場合がある。酸化物半導体膜１０８に混入する水素または水分などの不純物は、トランジスタ特性に影響を与えるため問題となる。したがって、酸化物半導体膜１０８においては、水素または水分などの不純物が少ないほど好ましい。
そこで、本発明の一態様において、酸化物半導体膜の下層（ここでは、酸化物半導体膜１０８＿１）及び上層の酸化物半導体膜（ここでは、酸化物半導体膜１０８＿３）の結晶性を高めることで、酸化物半導体膜１０８＿２に混入しうる不純物を抑制することができる。特に、酸化物半導体膜１０８＿３の結晶性を高めることで、絶縁膜１１０を形成する際のダメージを抑制することができる。酸化物半導体膜１０８の表面、すなわち酸化物半導体膜１０８＿３の表面は、絶縁膜１１０を形成する際の被形成面となるため、ダメージが入りやすい。しかしながら、酸化物半導体膜１０８＿３は、結晶性が高い領域を有するため、絶縁膜１１０を形成する際のダメージを抑制することができる。
なお、酸化物半導体膜１０８としては、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜を用いることで、優れた電気特性を有するトランジスタを作製することができ好ましい。ここでは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い（酸素欠損の少ない）ことを高純度真性または実質的に高純度真性とよぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。従って、該酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性（ノーマリーオンともいう。）になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、オフ電流が著しく小さく、チャネル幅が１×１０６μｍでチャネル長が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。
また、酸化物半導体膜１０８＿２は、酸化物半導体膜１０８＿１及び酸化物半導体膜１０８＿３よりも結晶性が低い領域を有することで、キャリア密度が高くなる場合がある。
また、酸化物半導体膜１０８＿２のキャリア密度が高くなると、酸化物半導体膜１０８＿２の伝導帯に対してフェルミ準位が相対的に高くなる場合がある。これにより、酸化物半導体膜１０８＿２の伝導帯の下端が低くなり、酸化物半導体膜１０８＿２の伝導帯下端と、ゲート絶縁膜（ここでは、絶縁膜１１０）中に形成されうるトラップ準位とのエネルギー差が大きくなる場合がある。該エネルギー差が大きくなることにより、ゲート絶縁膜中にトラップされる電荷が少なくなり、トランジスタのしきい値電圧の変動を小さくできる場合がある。また、酸化物半導体膜１０８＿２のキャリア密度が高くなると、酸化物半導体膜１０８の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１０８＿２は、ＩｎａＭｂＺｎｃＯｄ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎを表し、ａ、ｂ、ｃ、及びｄは任意数を表す）を有する第１の領域と、ＩｎｘＺｎｙＯｚ（ｘ、ｙ、及びｚは任意数を表す）を有する第２の領域とを有する、複合酸化物半導体であると好適である。当該複合酸化物半導体膜については、実施の形態２にて詳細に説明する。
また、図１（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。また、絶縁膜１１０は、過剰酸素領域を有する。絶縁膜１１０が過剰酸素領域を有することで、酸化物半導体膜１０８中に過剰酸素を供給することができる。よって、酸化物半導体膜１０８中に形成されうる酸素欠損を過剰酸素により補填することができるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
なお、酸化物半導体膜１０８中に過剰酸素を供給させるためには、酸化物半導体膜１０８の下方に形成される絶縁膜１０４に過剰酸素を供給してもよい。この場合、絶縁膜１０４中に含まれる過剰酸素は、領域１０８ｎにも供給されうる。領域１０８ｎ中に過剰酸素が供給されると、領域１０８ｎ中の抵抗が高くなり、好ましくない。一方で、酸化物半導体膜１０８の上方に形成される絶縁膜１１０に過剰酸素を有する構成とすることで、導電膜１１２と重畳する領域にのみ選択的に過剰酸素を供給させることが可能となる。
＜１−２．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、酸化物半導体膜１０８との界面特性を向上させるため、絶縁膜１０４において少なくとも酸化物半導体膜１０８と接する領域は酸化物絶縁膜で形成することが好ましい。また、絶縁膜１０４として加熱により酸素を放出する酸化物絶縁膜を用いることで、加熱処理により絶縁膜１０４に含まれる酸素を、酸化物半導体膜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と酸化物半導体膜１０８との界面における界面準位、並びに酸化物半導体膜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、酸化物半導体膜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酸化物半導体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（Ｏｘｉｄｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼称してもよい。例えば、酸化物半導体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、酸化物半導体は、導電性が高くなり導電体化する。導電体化された酸化物半導体を、酸化物導電体ということができる。一般に、酸化物半導体は、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酸化物半導体である。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、可視光に対して酸化物半導体と同程度の透光性を有する。
特に、導電膜１１２に上述の酸化物導電体を用いると、絶縁膜１１０中に過剰酸素を添加することができるので好適である。
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、酸化物半導体膜１０８と接する導電膜、または酸化物半導体膜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：（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ））法、スパッタリング法等により、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化イットリウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ガリウム膜、酸化タンタル膜、酸化マグネシウム膜、酸化ランタン膜、酸化セリウム膜および酸化ネオジム膜を一種以上含む絶縁層を用いることができる。なお、絶縁膜１１０を、２層以上の積層構造としてもよい。
また、トランジスタ１００のチャネル領域として機能する酸化物半導体膜１０８と接する絶縁膜１１０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（過剰酸素領域）を有することがより好ましい。別言すると、絶縁膜１１０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１１０に過剰酸素領域を設けるには、例えば、酸素雰囲気下にて絶縁膜１１０を形成する、もしくは成膜後の絶縁膜１１０を酸素雰囲気下で熱処理すればよい。
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：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｉｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）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、３×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１６ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３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。
また、絶縁膜１１０には、上述のシグナル以外に二酸化窒素（ＮＯ２）に起因するシグナルが観察される場合がある。当該シグナルは、Ｎの核スピンにより３つのシグナルに分裂しており、それぞれのｇ値が２．０３７以上２．０３９以下（第１のシグナルとする）、ｇ値が２．００１以上２．００３以下（第２のシグナルとする）、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下（第３のシグナルとする）に観察される。
例えば、絶縁膜１１０として、二酸化窒素（ＮＯ２）起因のスピン密度が、１×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以上１×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満である絶縁膜を用いると好適である。
なお、二酸化窒素（ＮＯ２）を含む窒素酸化物（ＮＯｘ）は、絶縁膜１１０中に準位を形成する。当該準位は、酸化物半導体膜１０８のエネルギーギャップ内に位置する。そのため、窒素酸化物（ＮＯｘ）が、絶縁膜１１０及び酸化物半導体膜１０８の界面に拡散すると、当該準位が絶縁膜１１０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１１０及び酸化物半導体膜１０８界面近傍に留まるため、トランジスタのしきい値電圧をプラス方向にシフトさせてしまう。したがって、絶縁膜１１０としては、窒素酸化物の含有量が少ない膜を用いると、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できる。
窒素酸化物（ＮＯｘ）の放出量が少ない絶縁膜としては、例えば、酸化窒化シリコン膜を用いることができる。当該酸化窒化シリコン膜は、昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ：Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）において、窒素酸化物（ＮＯｘ）の放出量よりアンモニアの放出量が多い膜であり、代表的にはアンモニアの放出量が１×１０１８ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下である。なお、上記のアンモニアの放出量は、ＴＤＳにおける加熱処理の温度が５０℃以上６５０℃以下、または５０℃以上５５０℃以下の範囲での総量である。
窒素酸化物（ＮＯｘ）は、加熱処理においてアンモニア及び酸素と反応するため、アンモニアの放出量が多い絶縁膜を用いることで窒素酸化物（ＮＯｘ）が低減される。
なお、絶縁膜１１０をＳＩＭＳで分析した場合、膜中の窒素濃度が６×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であると好ましい。
［酸化物半導体膜］
酸化物半導体膜１０８としては、先に示す材料を用いることができる。
酸化物半導体膜１０８がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を成膜するために用いるスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比は、Ｉｎ＞Ｍ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＝２：１：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：４．１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：１：７等が挙げられる。
また、酸化物半導体膜１０８が、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、スパッタリングターゲットとしては、多結晶のＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を含むターゲットを用いると好ましい。多結晶のＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を含むターゲットを用いることで、結晶性を有する酸化物半導体膜１０８を形成しやすくなる。なお、成膜される酸化物半導体膜１０８の原子数比は、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。例えば、酸化物半導体膜１０８に用いるスパッタリングターゲットの組成がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］の場合、成膜される酸化物半導体膜１０８の組成は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］またはその近傍となる場合がある。また、酸化物半導体膜１０８に用いるスパッタリングターゲットの組成がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：１：７［原子数比］の場合、成膜される酸化物半導体膜１０８の組成は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：１：６［原子数比］またはその近傍となる場合がある。
また、酸化物半導体膜１０８は、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上である。このように、エネルギーギャップの広い酸化物半導体を用いることで、トランジスタ１００のオフ電流を低減することができる。
また、酸化物半導体膜１０８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、後述するＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶構造、微結晶構造、または非晶質構造を含む。非単結晶構造において、非晶質構造は最も欠陥準位密度が高く、ＣＡＡＣ−ＯＳは最も欠陥準位密度が低い。
［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、１×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であると好ましい。また、絶縁膜１１６は、酸化物半導体膜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中の不純物（窒素または水素）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。
［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。
＜１−３．トランジスタの構成例２＞
次に、図１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタと異なる構成について、図２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）を用いて説明する。
図２（Ａ）は、トランジスタ１５０の上面図であり、図２（Ｂ）は図２（Ａ）の一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間の断面図であり、図２（Ｃ）は図２（Ａ）の一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間の断面図である。
図２（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上の酸化物半導体膜１０８と、酸化物半導体膜１０８上の絶縁膜１１０と、絶縁膜１１０上の導電膜１１２と、絶縁膜１０４、酸化物半導体膜１０８、及び導電膜１１２上の絶縁膜１１６と、を有する。
なお、酸化物半導体膜１０８は、図１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００と同様の構成である。図２（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、チャネル領域が形成される酸化物半導体膜１０８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２（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、酸化物半導体膜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２（Ｂ）（Ｃ）に示すように、酸化物半導体膜１０８は、第１のゲート電極として機能する導電膜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、酸化物半導体膜１０８のチャネル幅方向の長さよりも長く、酸化物半導体膜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、酸化物半導体膜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、且つ酸化物半導体膜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に含まれる酸化物半導体膜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、チャネル領域が形成される酸化物半導体膜１０８を電気的に取り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酸化物半導体膜１０８に印加することができるため、トランジスタ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。その場合の一例を図３（Ａ）（Ｂ）に示す。図３（Ａ）（Ｂ）は、トランジスタ１６０の断面図である。トランジスタ１６０の上面図としては、図２（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３（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタ１６０は、導電膜１２０ａ、１２０ｂ、及び絶縁膜１１８上に絶縁膜１２２を有する。それ以外の構成については、トランジスタ１５０と同様であり、同様の効果を奏する。
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。
＜１−４．トランジスタの構成例３＞
次に、図２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１５０と異なる構成について、図４を用いて説明する。
図４（Ａ）（Ｂ）は、トランジスタ１７０の断面図である。なお、トランジスタ１７０の上面図としては、図２（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４（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタ１７０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１７０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により、絶縁膜１１０に過剰酸素を添加することができる。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４（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４（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との接触抵抗を低くすることができる。
また、トランジスタ１７０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１７０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１７０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１７０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。
＜１−５．トランジスタの構成例４＞
次に、図１乃至図４に示す各トランジスタの変形例について説明する。
図１乃至図４に示すトランジスタ１００、トランジスタ１５０、トランジスタ１６０、及びトランジスタ１７０においては、酸化物半導体膜１０８が酸化物半導体膜１０８＿１、酸化物半導体膜１０８＿２、及び酸化物半導体膜１０８＿３を有する３層の積層構造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１０８を酸化物半導体膜１０８＿２と、酸化物半導体膜１０８＿３との２層の積層構造としてもよい。その場合の一例を図５乃至図８に示す。
図５（Ａ）（Ｂ）は、トランジスタ１００Ａの断面図である。図５（Ａ）は、チャネル長方向の断面図であり、図５（Ｂ）はチャネル幅方向の断面図である。なお、トランジスタ１００Ａは、トランジスタ１００が有する酸化物半導体膜１０８を２層の積層構造とし、それ以外の構成については同じである。
図６（Ａ）（Ｂ）は、トランジスタ１５０Ａの断面図である。図６（Ａ）は、チャネル長方向の断面図であり、図６（Ｂ）はチャネル幅方向の断面図である。なお、トランジスタ１５０Ａは、トランジスタ１５０が有する酸化物半導体膜１０８を２層の積層構造とし、それ以外の構成については同じである。
図７（Ａ）（Ｂ）は、トランジスタ１６０Ａの断面図である。図７（Ａ）は、チャネル長方向の断面図であり、図７（Ｂ）はチャネル幅方向の断面図である。なお、トランジスタ１６０Ａは、トランジスタ１６０が有する酸化物半導体膜１０８を２層の積層構造とし、それ以外の構成については同じである。
図８（Ａ）（Ｂ）は、トランジスタ１７０Ａの断面図である。図８（Ａ）は、チャネル長方向の断面図であり、図８（Ｂ）はチャネル幅方向の断面図である。なお、トランジスタ１７０Ａは、トランジスタ１７０が有する酸化物半導体膜１０８を２層の積層構造とし、それ以外の構成については同じである。
このように、本発明の一態様の半導体装置においては、結晶性が異なる酸化物半導体膜の２層の積層構造としても、図１乃至図４に示す半導体装置と同等の特性を得ることができる。したがって、本発明の一態様の半導体装置においては、トランジスタの電界効果移動度を向上させると共に信頼性を向上させることが実現できる。
＜１−６．半導体装置の作製方法＞
次に、図２（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９乃至図１１を用いて説明する。なお、図９乃至図１１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上に第１の酸化物半導体膜と、第２の酸化物半導体膜と、第３の酸化物半導体膜とを形成する。その後、第１の酸化物半導体膜、第２の酸化物半導体膜、及び第３の酸化物半導体膜を島状に加工することで、酸化物半導体膜１０８＿１ａ、酸化物半導体膜１０８＿２ａ、及び酸化物半導体膜１０８＿３ａを形成する（図９（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、絶縁膜１０４を形成した後、絶縁膜１０４に酸素を添加してもよい。絶縁膜１０４に添加する酸素としては、酸素ラジカル、酸素原子、酸素原子イオン、酸素分子イオン等がある。また、添加方法としては、イオンドーピング法、イオン注入法、プラズマ処理法等がある。また、絶縁膜上に酸素の脱離を抑制する膜を形成した後、該膜を介して絶縁膜１０４に酸素を添加してもよい。
上述の酸素の脱離を抑制する膜として、インジウム、亜鉛、ガリウム、錫、アルミニウム、クロム、タンタル、チタン、モリブデン、ニッケル、鉄、コバルト、またはタングステンの１以上を有する導電膜あるいは半導体膜を用いて形成することができる。
また、プラズマ処理で酸素の添加を行う場合、マイクロ波で酸素を励起し、高密度な酸素プラズマを発生させることで、絶縁膜１０４への酸素添加量を増加させることができる。
酸化物半導体膜１０８＿１ａ、酸化物半導体膜１０８＿２ａ、及び酸化物半導体膜１０８＿３ａは、スパッタリング装置を用いて真空中で連続して形成されると好ましい。酸化物半導体膜１０８＿１ａ、酸化物半導体膜１０８＿２ａ、及び酸化物半導体膜１０８＿３ａを、スパッタリング装置を用いて真空中で連続して形成することで、各界面に付着しうる不純物（例えば、水素、水など）を抑制することができる。
また、酸化物半導体膜１０８＿２ａの形成条件としては、酸化物半導体膜１０８＿１ａ及び酸化物半導体膜１０８＿３ａのいずれか一方または双方よりも、低い酸素分圧で形成されると好ましい。
また、酸化物半導体膜１０８＿１ａ、酸化物半導体膜１０８＿２ａ、及び酸化物半導体膜１０８＿３ａ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、酸化物半導体膜１０８＿１ａ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、７０％以上１００％以下、好ましくは８０％以上１００％以下、さらに好ましくは９０％以上１００％以下である。また、酸化物半導体膜１０８＿２ａを形成する際の酸素流量比としては、０％より大きく２０％以下、好ましくは５％以上１５％以下である。また、酸化物半導体膜１０８＿３ａを形成する際の酸素流量比としては、７０％以上１００％以下、好ましくは８０％以上１００％以下、さらに好ましくは９０％以上１００％以下である。
なお、酸化物半導体膜１０８＿２ａの形成条件としては、酸化物半導体膜１０８＿１ａ及び酸化物半導体膜１０８＿３ａのいずれか一方または双方よりも、低い基板温度で形成してもよい。
具体的には、酸化物半導体膜１０８＿２ａの形成条件としては、基板温度を室温以上１５０℃未満、好ましくは室温以上１４０℃以下とすればよい。また、酸化物半導体膜１０８＿１ａ及び酸化物半導体膜１０８＿３ａの形成条件としては、基板温度を室温以上３００℃以下、好ましくは基板温度を室温以上２００℃以下とすればよい。ただし、酸化物半導体膜１０８＿１ａ、酸化物半導体膜１０８＿２ａ、及び酸化物半導体膜１０８＿３ａの形成時の基板温度を同一（例えば、室温以上１５０℃未満）とした方が、生産性が高くなり好ましい。
上記のような形成条件とすることで、酸化物半導体膜１０８＿２ａを、酸化物半導体膜１０８＿１ａ及び酸化物半導体膜１０８＿３ａよりも結晶性が低い領域を有する構成とすることができる。
また、酸化物半導体膜１０８＿１ａの厚さとしては、１ｎｍ以上２０ｎｍ未満、好ましくは５ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすればよい。また、酸化物半導体膜１０８＿２ａの厚さとしては、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすればよい。また、酸化物半導体膜１０８＿３ａの厚さとしては、１ｎｍ以上２０ｎｍ未満、好ましくは５ｎｍ以上１５ｎｍ以下とすればよい。
なお、酸化物半導体膜１０８を加熱して成膜することで、酸化物半導体膜１０８の結晶性を高めることができる。一方で、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、酸化物半導体膜１０８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、酸化物半導体膜１０８の成膜する際の基板温度を１００℃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やアルゴンガスは、露点が−４０℃以下、好ましくは−８０℃以下、より好ましくは−１００℃以下、より好ましくは−１２０℃以下にまで高純度化したガスを用いることで酸化物半導体膜に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。
また、スパッタリング法で酸化物半導体膜を成膜する場合、スパッタリング装置におけるチャンバーは、酸化物半導体膜にとって不純物となる水等を可能な限り除去すべくクライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて、高真空（５×１０−７Ｐａから１×１０−４Ｐａ程度まで）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Ｈ２Ｏ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、酸化物半導体膜１０８＿１ａ、酸化物半導体膜１０８＿２ａ、及び酸化物半導体膜１０８＿３ａの形成条件を以下とする。
酸化物半導体膜１０８＿１ａの形成条件を、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）を用いて、スパッタリング法により形成する。また、酸化物半導体膜１０８＿１ａの形成時の基板温度を室温とし、成膜ガスとして流量２００ｓｃｃｍの酸素ガスを用いる（酸素流量比１００％）。
酸化物半導体膜１０８＿２ａの形成条件を、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）を用いて、スパッタリング法により形成する。また、酸化物半導体膜１０８＿２ａの形成時の基板温度を室温とし、成膜ガスとして流量２０ｓｃｃｍの酸素ガスと、流量１８０ｓｃｃｍのアルゴンガスとを用いる（酸素流量比１０％）。
酸化物半導体膜１０８＿３ａの形成条件を、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）を用いて、スパッタリング法により形成する。また、酸化物半導体膜１０８＿３ａの形成時の基板温度を室温とし、成膜ガスとして流量２００ｓｃｃｍの酸素ガスを用いる（酸素流量比１００％）。
なお、第１の酸化物半導体膜、第２の酸化物半導体膜、及び第３の酸化物半導体膜を、酸化物半導体膜１０８＿１ａ、酸化物半導体膜１０８＿２ａ、及び酸化物半導体膜１０８＿３ａ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、酸化物半導体膜１０８＿１ａ、酸化物半導体膜１０８＿２ａ、及び酸化物半導体膜１０８＿３ａを形成した後、加熱処理を行い、酸化物半導体膜１０８＿１ａ、酸化物半導体膜１０８＿２ａ、及び酸化物半導体膜１０８＿３ａの脱水素化または脱水化をしてもよい。加熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上基板の歪み点未満、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ガス雰囲気で行うことができる。または、不活性ガス雰囲気で加熱した後、酸素雰囲気で加熱してもよい。なお、上記不活性雰囲気及び酸素雰囲気に水素、水などが含まれないことが好ましい。処理時間は３分以上２４時間以下とすればよい。
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。
酸化物半導体膜を加熱しながら成膜する、または酸化物半導体膜を形成した後、加熱処理を行うことで、酸化物半導体膜において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、または１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、または１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、または５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、または１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることができる。
次に、絶縁膜１０４及び酸化物半導体膜１０８上に絶縁膜１１０＿０を形成する。（図９（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（ＯＣ２Ｈ５）４）、テトラメチルシラン（ＴＭＳ：化学式Ｓｉ（ＣＨ３）４）、テトラメチルシクロテトラシロキサン（ＴＭＣＴＳ）、オクタメチルシクロテトラシロキサン（ＯＭＣＴＳ）、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）、トリエトキシシラン（ＳｉＨ（ＯＣ２Ｈ５）３）、トリスジメチルアミノシラン（ＳｉＨ（Ｎ（ＣＨ３）２）３）などのシリコン含有化合物を用いることができる。有機シランガスを用いたＣＶＤ法を用いることで、被覆性の高い絶縁膜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９（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。また、導電膜１１２＿０として、例えば金属酸化膜を用いる場合、導電膜１１２＿０の形成時に絶縁膜１１０＿０中に酸素が添加される場合がある（図９（Ｄ）参照）。
なお、図９（Ｄ）において、絶縁膜１１０＿０中に添加される酸素を矢印で模式的に表している。また、開口部１４３を覆うように、導電膜１１２＿０を形成することで、導電膜１０６と、導電膜１１２＿０とが電気的に接続される。
導電膜１１２＿０として、金属酸化膜を用いる場合、導電膜１１２＿０の形成方法としては、スパッタリング法を用い、形成時に酸素ガスを含む雰囲気で形成することが好ましい。形成時に酸素ガスを含む雰囲気で導電膜１１２＿０を形成することで、絶縁膜１１０＿０中に酸素を好適に添加することができる。なお、導電膜１１２＿０の形成方法としては、スパッタリング法に限定されず、その他の方法、例えば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。また、導電膜１１２＿０の形成前、または導電膜１１２＿０の形成後に、絶縁膜１１０＿０中に酸素添加処理を行ってもよい。当該酸素添加処理の方法としては、絶縁膜１０４の形成後に行うことのできる酸素の添加処理と同様とすればよい。
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１０（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１０（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酸化物半導体膜１０８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、酸化物半導体膜１０８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）が酸化物半導体膜１０８中に添加される、あるいは導電膜１１２＿０、または絶縁膜１１０＿０の構成元素が酸化物半導体膜１０８中に添加される場合がある。
次に、絶縁膜１０４、酸化物半導体膜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と接する酸化物半導体膜１０８は、領域１０８ｎとなる。また、導電膜１１２と重畳する酸化物半導体膜１０８中には、酸化物半導体膜１０８＿１、酸化物半導体膜１０８＿２、及び酸化物半導体膜１０８＿３となる。（図１０（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。また、絶縁膜１１６の形成時の温度を上述の温度とすることで、絶縁膜１１０に含まれる過剰酸素が外部に放出されるのを抑制することができる。
次に、絶縁膜１１６上に絶縁膜１１８を形成する（図１１（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１１（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１１（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。
以上の工程により、図２（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、金属酸化膜、酸化物半導体膜、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、酸化物半導体膜、金属酸化膜などの膜を形成することができ、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を成膜する場合には、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ３）３）、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ３）３）、及びジメチル亜鉛を用いる（Ｚｎ（ＣＨ３）２）。これらの組み合わせに限定されず、トリメチルガリウムに代えてトリエチルガリウム（Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３）を用いることもでき、ジメチル亜鉛に代えてジエチル亜鉛（Ｚｎ（Ｃ２Ｈ５）２）を用いることもできる。
また、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（ＣＨ３）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（Ｏ３）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（ＣＨ３）３）など）を気化させた原料ガスと、酸化剤としてＨ２Ｏの２種類のガスを用いる。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（Ｏ２、一酸化二窒素）のラジカルを供給して吸着物と反応させる。
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、ＷＦ６ガスとＢ２Ｈ６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、ＷＦ６ガスとＨ２ガスとを用いてタングステン膜を形成する。なお、Ｂ２Ｈ６ガスに代えてＳｉＨ４ガスを用いてもよい。
また、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化物半導体膜、例えばＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を成膜する場合には、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを用いてＩｎ−Ｏ層を形成し、その後、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスとを用いてＧａＯ層を形成し、更にその後Ｚｎ（ＣＨ３）２ガスとＯ３ガスとを用いてＺｎＯ層を形成する。なお、これらの層の順番はこの例に限らない。また、これらのガスを用いてＩｎ−Ｇａ−Ｏ層やＩｎ−Ｚｎ−Ｏ層、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層などの混合化合物層を形成しても良い。なお、Ｏ３ガスに代えてＡｒ等の不活性ガスで水をバブリングして得られたＨ２Ｏガスを用いても良いが、Ｈを含まないＯ３ガスを用いる方が好ましい。
また、本実施の形態において、トランジスタが酸化物半導体膜を有する場合の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない。本発明の一態様では、トランジスタが酸化物半導体膜を有さなくてもよい。一例としては、トランジスタのチャネル領域、チャネル領域の近傍、ソース領域、またはドレイン領域において、Ｓｉ（シリコン）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）、などを有する材料で形成してもよい。
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２）
本実施の形態では、本発明の一態様である酸化物半導体膜について、図１３乃至図３２を用いて説明を行う。
本発明の一態様の酸化物半導体膜は、少なくともインジウム及び亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、シリコン、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。
ここで、酸化物半導体膜が、インジウム、元素Ｍ及び亜鉛を有する場合を考える。なお、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素、シリコン、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、マグネシウムなどがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。
＜２−１．酸化物半導体膜の上面及び断面を表す概念図＞
本発明の一態様の酸化物半導体膜の概念図を図１３乃至図１６に示す。なお、図１３（Ａ）、図１４（Ａ）、図１５（Ａ）、及び図１６（Ａ）は、酸化物半導体膜の上面（ａ−ｂ面方向）の概念図であり、図１３（Ｂ）、図１４（Ｂ）、図１５（Ｂ）、及び図１６（Ｂ）は、基板（Ｓｕｂ．）上に酸化物半導体膜が形成された断面（ｃ軸方向）の概念図である。
まず、図１３（Ａ）（Ｂ）を用いて説明を行う。
図１３（Ａ）（Ｂ）に示すように、本発明の一態様の酸化物半導体膜は、領域Ａと、領域Ｂと、を有する。すなわち、本発明の一態様の酸化物半導体膜は、領域Ａと、領域Ｂとが混合している複合酸化物半導体である。なお、領域Ａは、ＩｎｘＺｎｙＯｚ（ｘ、ｙ、及びｚは任意数を表す）で表され、領域Ｂは、ＩｎａＭｂＺｎｃＯｄ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎを表し、ａ、ｂ、ｃ、及びｄは任意数を表す）で表される。ただし、領域ＡがＭを含んでいても良い。
なお、領域Ａは、領域ＢよりもＩｎが高濃度に存在する。別言すると、領域Ａは、Ｉｎ−ｒｉｃｈであり、領域ＢはＩｎ−ｐｏｏｒであるとも言える。例えば、領域Ａは、領域ＢよりもＩｎの濃度が１．１倍以上、好ましくは２倍以上１０倍以下であると良い。
なお、図１３（Ａ）に示すように、領域Ａは、ａ−ｂ面方向において、基本的には、円に近い形状で形成される。また、図１３（Ｂ）に示すように、領域Ａは、ｃ軸方向において、基本的には楕円に近い形状で形成される。つまり、領域Ａは、アイランド状であり、領域Ｂに囲まれている。また、図１３（Ａ）（Ｂ）に示すように、領域Ａは、領域Ｂ中に不規則に偏在している。そのため、領域Ａは複数が連結し、円または楕円がつながった形状となる場合がある。ただし、全ての領域Ａがｃ軸方向に連結した場合、トランジスタのスイッチング特性が悪くなる、例えばトランジスタのオフ電流が上昇するため、図１３（Ａ）（Ｂ）に示すように、領域Ａは点在していた方が好ましい。
なお、領域Ａが点在する割合は、複合酸化物半導体の作製条件、または組成等により調整することができる。例えば、図１４（Ａ）（Ｂ）に示すように、領域Ａの割合が少ない複合酸化物半導体、または図１５（Ａ）（Ｂ）に示す様に、領域Ａの割合が多い複合酸化物半導体を形成することができる。また、複合酸化物半導体は、領域Ｂに対し、領域Ａの割合が小さいとは限らない。領域Ａの割合が非常に大きい複合酸化物半導体では、観察する範囲により、領域Ａ内に領域Ｂが形成されている場合もある。
また、例えば、領域Ａが形成するアイランド状のサイズは、複合酸化物半導体の作製条件、または組成等により、調整することができる。図１３（Ａ）（Ｂ）、図１４（Ａ）（Ｂ）、及び図１５（Ａ）（Ｂ）では、様々なサイズのアイランド状の領域が形成されている概念図を示したが、図１６（Ａ）（Ｂ）に示すように、概略大きさが等しい領域Ａが点在する場合もある。
また、図１３（Ａ）（Ｂ）に示すように、領域Ａと領域Ｂとの境界は明確ではない、または領域Ａと領域Ｂとの境界は観察できない場合がある。また、領域Ａ及び領域Ｂの厚さは、断面写真のＥＤＸマッピングで評価することができる。なお、領域Ａは、断面写真のＥＤＸマッピングにおいて、０．１ｎｍ以上５ｎｍ以下または０．３ｎｍ以上３ｎｍ以下で観察される場合がある。
領域Ａは、Ｉｎ−ｒｉｃｈであるため、キャリア移動度を高める機能を有する。したがって、領域Ａを有する酸化物半導体膜を用いたトランジスタのオン電流及び電界効果移動度を高めることができる。一方で、領域Ｂは、Ｉｎ−ｐｏｏｒであるため、キャリア移動度を低くする機能を有する。したがって、領域Ｂを有する酸化物半導体膜を用いたトランジスタのオフ電流を低くすることができる。すなわち、領域Ａがトランジスタのオン電流及び電界効果移動度に寄与し、領域Ｂがトランジスタのスイッチング特性に寄与する。
このように、本発明の一態様の酸化物半導体膜は、領域Ａと領域Ｂとが混合している複合酸化物半導体であり、且つ領域Ａの機能と領域Ｂの機能とがそれぞれ異なり、領域Ａと領域Ｂとが、相補的に機能している。例えば、元素ＭをＧａとしたＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（以下、ＩＧＺＯとする）の場合、本発明の一態様の酸化物半導体膜を、Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ＩＧＺＯ（略称：Ｃ／ＩＧＺＯ）と呼称することができる。
一方で、例えば、領域Ａと領域Ｂとが層状で積層された構成の場合、領域Ａと領域Ｂとの間には相互作用がない、または相互作用が起きにくいため、領域Ａの機能と領域Ｂの機能とが、それぞれ独立に機能する場合がある。この場合、領域Ａによって、電界効果移動度を高くすることが出来たとしても、トランジスタのオフ電流が高くなる場合がある。したがって、本発明の一態様の酸化物半導体膜を、上述した複合酸化物半導体、またはＣ／ＩＧＺＯとすることで、電界効果移動度が高い機能と、スイッチング特性が良好である機能と、を同時に兼ね備えることが出来る。これは、本発明の一態様の酸化物半導体膜で得られる優れた効果である。
なお、図１３（Ａ）（Ｂ）においては、基板上に酸化物半導体膜が形成される場合について例示したが、これに限定されず、基板と酸化物半導体膜との間に下地膜または層間膜などの絶縁膜、あるいは酸化物半導体膜などの他の半導体膜が形成されていてもよい。
＜２−２．酸化物半導体膜の原子数比＞
次に、本発明の一態様の酸化物半導体膜の原子数比について、図１７を用いて説明する。
ある物質が元素Ｘ、元素Ｙ、および元素Ｚを有する場合に、各元素の原子数比は図１７に示す相図を用いて示すことができる。元素Ｘ、元素Ｙ、および元素Ｚの原子数比を、ｘ、ｙ、およびｚを用いて、ｘ：ｙ：ｚと表す。ここで原子数比は座標（ｘ：ｙ：ｚ）として図中に表すことができる。なお、図１７には、酸素の原子数比については記載しない。
図１７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］＝１：１：βの原子数比（β≧０）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、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：４：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝２：１：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：１：βの原子数比となるライン、及び［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：７：βの原子数比となるラインを表す。
また、図１７に示す、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：２：１の原子数比またはその近傍値の酸化物半導体膜は、スピネル型の結晶構造となる傾向がある。
また、図１７に示す領域Ａは、Ｉｎが多い領域（［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝ｘ：ｙ：ｚ（ｘ＞０、ｙ≧０、ｚ≧０）となる領域）が有するＩｎ、Ｍ、及びＺｎの原子数比の好ましい範囲の一例について示している。なお、領域Ａは、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋γ）：０：（１−γ）の原子数比（−１＜γ≦１）となるライン上も含むものとする。
また、図１７に示す領域Ｂは、領域ＡよりもＩｎが少ない領域（［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝ｍ：ｎ：ｌ（ｍ＞０、ｎ≧０、ｌ≧０））が有する、Ｉｎ、Ｍ、及びＺｎの原子数比の好ましい範囲の一例について示している。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、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：３：４が含まれる。また、領域Ｂは、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：１：６、およびその近傍値を含む。領域Ｂで示される原子数比を有する酸化物半導体膜は、特に、結晶性が良好な酸化物半導体膜である。
なお、酸化物半導体膜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と異なる原子数比の膜が形成される場合がある。特に、成膜時の基板温度によっては、ターゲットの原子数比よりも膜の［Ｚｎ］の原子数比が小さくなる場合がある。
＜２−３．スパッタリング装置＞
ここで、スパッタリング装置の一例について、図１８（Ａ）（Ｂ）を用いて説明を行う。
図１８（Ａ）は、スパッタリング装置が有する成膜室２５０１を説明する断面図であり、図１８（Ｂ）は、スパッタリング装置が有するマグネットユニット２５３０ａ、及びマグネットユニット２５３０ｂの平面図である。
図１８（Ａ）に示す成膜室２５０１は、ターゲットホルダ２５２０ａと、ターゲットホルダ２５２０ｂと、バッキングプレート２５１０ａと、バッキングプレート２５１０ｂと、ターゲット２５００ａと、ターゲット２５００ｂと、部材２５４２と、基板ホルダ２５７０と、を有する。なお、ターゲット２５００ａは、バッキングプレート２５１０ａ上に配置される。また、バッキングプレート２５１０ａは、ターゲットホルダ２５２０ａ上に配置される。また、マグネットユニット２５３０ａは、バッキングプレート２５１０ａを介してターゲット２５００ａ下に配置される。また、ターゲット２５００ｂは、バッキングプレート２５１０ｂ上に配置される。また、バッキングプレート２５１０ｂは、ターゲットホルダ２５２０ｂ上に配置される。また、マグネットユニット２５３０ｂは、バッキングプレート２５１０ｂを介してターゲット２５００ｂ下に配置される。
図１８（Ａ）（Ｂ）に示すように、マグネットユニット２５３０ａは、マグネット２５３０Ｎ１と、マグネット２５３０Ｎ２と、マグネット２５３０Ｓと、マグネットホルダ２５３２と、を有する。なお、マグネットユニット２５３０ａにおいて、マグネット２５３０Ｎ１、マグネット２５３０Ｎ２及びマグネット２５３０Ｓは、マグネットホルダ２５３２上に配置される。また、マグネット２５３０Ｎ１及びマグネット２５３０Ｎ２は、マグネット２５３０Ｓと間隔を空けて配置される。なお、マグネットユニット２５３０ｂは、マグネットユニット２５３０ａと同様の構造を有する。なお、成膜室２５０１に基板２５６０を搬入する場合、基板２５６０は基板ホルダ２５７０に接して配置される。
ターゲット２５００ａ、バッキングプレート２５１０ａ及びターゲットホルダ２５２０ａと、ターゲット２５００ｂ、バッキングプレート２５１０ｂ及びターゲットホルダ２５２０ｂと、は部材２５４２によって離間されている。なお、部材２５４２は絶縁体であることが好ましい。ただし、部材２５４２が導電体または半導体であっても構わない。また、部材２５４２が、導電体または半導体の表面を絶縁体で覆ったものであっても構わない。
ターゲットホルダ２５２０ａとバッキングプレート２５１０ａとは、ネジ（ボルトなど）を用いて固定されており、等電位となる。また、ターゲットホルダ２５２０ａは、バッキングプレート２５１０ａを介してターゲット２５００ａを支持する機能を有する。また、ターゲットホルダ２５２０ｂとバッキングプレート２５１０ｂとは、ネジ（ボルトなど）を用いて固定されており、等電位となる。また、ターゲットホルダ２５２０ｂは、バッキングプレート２５１０ｂを介してターゲット２５００ｂを支持する機能を有する。
バッキングプレート２５１０ａは、ターゲット２５００ａを固定する機能を有する。また、バッキングプレート２５１０ｂは、ターゲット２５００ｂを固定する機能を有する。
なお、図１８（Ａ）には、マグネットユニット２５３０ａによって形成される磁力線２５８０ａ、２５８０ｂが明示されている。
また、図１８（Ｂ）に示すように、マグネットユニット２５３０ａは、長方形または略長方形のマグネット２５３０Ｎ１と、長方形または略長方形のマグネット２５３０Ｎ２と、長方形または略長方形のマグネット２５３０Ｓと、がマグネットホルダ２５３２に固定されている構成を有する。そして、マグネットユニット２５３０ａを、図１８（Ｂ）に示す矢印のように左右に揺動させることができる。例えば、マグネットユニット２５３０ａを、０．１Ｈｚ以上１ｋＨｚ以下のビートで揺動させればよい。
ターゲット２５００ａ上の磁場は、マグネットユニット２５３０ａの揺動とともに変化する。磁場の強い領域は高密度プラズマ領域となるため、その近傍においてターゲット２５００ａのスパッタリング現象が起こりやすい。これは、マグネットユニット２５３０ｂについても同様である。
ここで、ターゲット２５００ａ及びターゲット２５００ｂが、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲットである場合を考える。例えば、ターゲット２５００ａ及びターゲット２５００ｂが、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］の組成とする。上記ターゲットを有するスパッタリング装置の場合、本発明の一態様の酸化物半導体膜の成膜モデルを以下のように考えることができる。
なお、スパッタリング装置に導入されるガスとしては、アルゴンガスと、酸素ガスとを用いることとする。また、ターゲットホルダ２５２０ａに接続する端子Ｖ１に印加される電位は、基板ホルダ２５７０に接続する端子Ｖ２に印加される電位よりも低い電位とする。また、ターゲットホルダ２５２０ｂに接続する端子Ｖ４に印加される電位は、基板ホルダ２５７０に接続する端子Ｖ２よりも低い電位とする。また、基板ホルダ２５７０に接続する端子Ｖ２に印加される電位は、接地電位とする。また、マグネットホルダ２５３２に接続する端子Ｖ３に印加される電位は、接地電位とする。
なお、端子Ｖ１、端子Ｖ２、端子Ｖ３、及び端子Ｖ４に印加される電位は上記の電位に限定されない。また、ターゲットホルダ２５２０、基板ホルダ２５７０、マグネットホルダ２５３２の全てに電位が印加されなくても構わない。例えば、基板ホルダ２５７０が電気的にフローティング状態であってもよい。なお、端子Ｖ１には、印加する電位の制御が可能な電源が電気的に接続されているものとする。電源には、ＤＣ電源、ＡＣ電源、またはＲＦ電源を用いればよい。
まず、アルゴンガスまたは酸素ガスが成膜室２５０１中で電離し、陽イオンと電子とに分かれてプラズマを形成する。プラズマ中の陽イオンは、ターゲットホルダ２５２０ａに印加された電位Ｖ１、及びターゲットホルダ２５２０ｂに印加された電位Ｖ４によって、ターゲット２５００ａ、２５００ｂに向けて加速される。陽イオンがターゲット２５００ａ、２５００ｂに衝突することで、スパッタ粒子が生成され、基板２５６０にスパッタ粒子が堆積する。
なお、ターゲット２５００ａ、２５００ｂがＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲットである場合、陽イオンがターゲット２５００ａ、２５００ｂに衝突することで、相対原子質量がＩｎよりも軽いＧａ及びＺｎがターゲット２５００ａ、２５００ｂから優先的に弾き出され基板２５６０に堆積する。この時、ターゲット２５００ａ、２５００ｂの表面には、Ｇａ及びＺｎが脱離したためＩｎが偏析した状態となる。その後、ターゲット２５００ａ、２５００ｂの表面に偏析したＩｎがターゲット２５００ａ、２５００ｂから弾き出され基板２５６０に堆積する。
上記のようの成膜モデルを経ることによって、図１３乃至図１６に示すような、領域Ａと領域Ｂとが混合している複合酸化物半導体が形成されると考えられる。
＜２−４．酸化物半導体膜のキャリア密度＞
次に、酸化物半導体膜のキャリア密度について、以下に説明を行う。
酸化物半導体膜のキャリア密度に影響を与える因子としては、酸化物半導体膜中の酸素欠損（Ｖｏ）、または酸化物半導体膜中の不純物などが挙げられる。
酸化物半導体膜中の酸素欠損が多くなると、該酸素欠損に水素が結合（この状態をＶｏＨともいう）した際に、欠陥準位密度が高くなる。または、酸化物半導体膜中の不純物が多くなると、該不純物に起因し欠陥準位密度が高くなる。したがって、酸化物半導体膜中の欠陥準位密度を制御することで、酸化物半導体膜のキャリア密度を制御することができる。
ここで、酸化物半導体膜をチャネル領域に用いるトランジスタを考える。
トランジスタのしきい値電圧のマイナスシフトの抑制、またはトランジスタのオフ電流の低減を目的とする場合においては、酸化物半導体膜のキャリア密度を低くする方が好ましい。酸化物半導体膜のキャリア密度を低くする場合においては、酸化物半導体膜中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性と言う。高純度真性の酸化物半導体膜のキャリア密度としては、８×１０１５ｃｍ−３未満、好ましくは１×１０１１ｃｍ−３未満、さらに好ましくは１×１０１０ｃｍ−３未満であり、１×１０−９ｃｍ−３以上とすればよい。
一方で、トランジスタのオン電流の向上、またはトランジスタの電界効果移動度の向上を目的とする場合においては、酸化物半導体膜のキャリア密度を高くする方が好ましい。酸化物半導体膜のキャリア密度を高くする場合においては、酸化物半導体膜の不純物濃度をわずかに高める、または酸化物半導体膜の欠陥準位密度をわずかに高めればよい。あるいは、酸化物半導体膜のバンドギャップをより小さくするとよい。例えば、トランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性のオン／オフ比が取れる範囲において、不純物濃度がわずかに高い、または欠陥準位密度がわずかに高い酸化物半導体膜は、実質的に真性とみなせる。また、電子親和力が大きく、それにともなってバンドギャップが小さくなり、その結果、熱励起された電子（キャリア）の密度が増加した酸化物半導体膜は、実質的に真性とみなせる。なお、より電子親和力が大きな酸化物半導体膜を用いた場合には、トランジスタのしきい値電圧がより低くなる。
実質的に真性の酸化物半導体膜のキャリア密度は、１×１０５ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３未満が好ましく、１×１０７ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３以下がより好ましく、１×１０９ｃｍ−３以上５×１０１６ｃｍ−３以下がさらに好ましく、１×１０１０ｃｍ−３以上１×１０１６ｃｍ−３以下がさらに好ましく、１×１０１１ｃｍ−３以上１×１０１５ｃｍ−３以下がさらに好ましい。
また、上述の実質的に真性の酸化物半導体膜を用いることで、トランジスタの信頼性が向上する場合がある。ここで、図１９を用いて、酸化物半導体膜をチャネル領域に用いるトランジスタの信頼性が向上する理由について説明する。図１９は、酸化物半導体膜をチャネル領域に用いるトランジスタにおけるエネルギーバンドを説明する図である。
図１９において、ＧＥはゲート電極を、ＧＩはゲート絶縁膜を、ＯＳは酸化物半導体膜を、ＳＤはソース電極またはドレイン電極を、それぞれ表す。すなわち、図１９は、ゲート電極と、ゲート絶縁膜と、酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜に接するソース電極またはドレイン電極のエネルギーバンドの一例である。
また、図１９において、ゲート絶縁膜としては、酸化シリコン膜を用い、酸化物半導体膜にＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いる構成である。また、酸化シリコン膜中に形成されうる欠陥の遷移レベル（εｆ）はゲート絶縁膜の伝導帯下端から約３．１ｅＶ離れた位置に形成されるものとし、ゲート電圧（Ｖｇ）が３０Ｖの場合の酸化物半導体膜と酸化シリコン膜との界面における酸化シリコン膜のフェルミ準位（Ｅｆ）はゲート絶縁膜の伝導帯下端から約３．６ｅＶ離れた位置に形成されるものとする。なお、酸化シリコン膜のフェルミ準位は、ゲート電圧に依存し変動する。例えば、ゲート電圧を大きくすることで、酸化物半導体膜と、酸化シリコン膜との界面における酸化シリコン膜のフェルミ準位（Ｅｆ）は低くなる。また、図１９中の白丸は電子（キャリア）を表し、図１９中のＸは酸化シリコン膜中の欠陥準位を表す。
図１９に示すように、ゲート電圧が印加された状態で、例えばキャリアが熱励起されると、欠陥準位（図中Ｘ）にキャリアがトラップされ、プラス（“＋”）からニュートラル（“０”）に欠陥準位の荷電状態が変化する。すなわち、酸化シリコン膜のフェルミ準位（Ｅｆ）に上述の熱励起のエネルギーを足した値が欠陥の遷移レベル（εｆ）よりも高くなる場合、酸化シリコン膜中の欠陥準位の荷電状態は正の状態から中性となり、トランジスタのしきい値電圧がプラス方向に変動することになる。
また、電子親和力が異なる酸化物半導体膜を用いると、ゲート絶縁膜と酸化物半導体膜との界面のフェルミ準位が形成される深さが異なることがある。電子親和力の大きな酸化物半導体膜を用いると、ゲート絶縁膜と酸化物半導体膜との界面近傍において、ゲート絶縁膜の伝導帯下端が相対的に高くなる。この場合、ゲート絶縁膜中に形成されうる欠陥準位（図１９中Ｘ）も相対的に高くなるため、ゲート絶縁膜のフェルミ準位と酸化物半導体膜との界面のフェルミ準位とのエネルギー差が大きくなる。該エネルギー差が大きくなることにより、ゲート絶縁膜中にトラップされる電荷が少なくなる、例えば、上述の酸化シリコン膜中に形成されうる欠陥準位の荷電状態の変化が少なくなり、ゲートバイアス熱（Ｇａｔｅ Ｂｉａｓ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ：ＧＢＴともいう）ストレスにおける、トランジスタのしきい値電圧の変動を小さくできる。
また、酸化物半導体膜をチャネル領域に用いるトランジスタは、粒界におけるキャリア散乱等を減少させることができるため、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。
また、酸化物半導体膜の欠陥準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、欠陥準位密度の高い酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
従って、トランジスタの電気特性を安定にするためには、酸化物半導体膜中の不純物濃度を低減することが有効である。また、酸化物半導体膜中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。
ここで、酸化物半導体膜中における各不純物の影響について説明する。
酸化物半導体膜において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物半導体膜において欠陥準位が形成される。このため、酸化物半導体膜におけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物半導体膜との界面近傍の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、酸化物半導体膜にアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。従って、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている酸化物半導体膜を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物半導体膜中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、ＳＩＭＳにより得られる酸化物半導体膜中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。
また、酸化物半導体膜に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、水素が含まれている酸化物半導体膜を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物半導体膜中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、酸化物半導体膜において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、より好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする。
不純物が十分に低減された酸化物半導体膜をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。
また、酸化物半導体膜は、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、または２．５ｅＶ以上であると好ましい。
＜２−５．酸化物半導体膜の構造＞
次に、酸化物半導体膜の構造について説明する。
酸化物半導体膜は、単結晶酸化物半導体膜と、それ以外の非単結晶酸化物半導体膜と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体膜としては、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、酸化物半導体膜は、非晶質酸化物半導体膜と、それ以外の結晶性酸化物半導体膜と、に分けられる。結晶性酸化物半導体膜としては、単結晶酸化物半導体膜、ＣＡＡＣ−ＯＳ、多結晶酸化物半導体膜、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。
すなわち、安定な酸化物半導体膜を完全な非晶質（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）酸化物半導体膜とは呼べない。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）酸化物半導体膜を、完全な非晶質酸化物半導体膜とは呼べない。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膜に近い。
［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膜の一種である。
ＣＡＡＣ−ＯＳは結晶性の高い酸化物半導体膜である。酸化物半導体膜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膜ともいえる。
なお、不純物は、酸化物半導体膜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、酸化物半導体膜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、酸化物半導体膜から酸素を奪うことで酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径（または分子半径）が大きいため、酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。
［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。
ｎｃ−ＯＳは、非晶質酸化物半導体膜よりも規則性の高い酸化物半導体膜である。そのため、ｎｃ−ＯＳは、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳや非晶質酸化物半導体膜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場合がある。
［ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ］
ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳと非晶質酸化物半導体膜との間の構造を有する酸化物半導体膜である。
ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、鬆または低密度領域を有する。ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、鬆を有するため、不安定な構造である。
また、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、鬆を有するため、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膜において、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膜において、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膜において、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、酸化物半導体膜は、様々な構造をとり、それぞれが様々な特性を有する。なお、本発明の一態様の酸化物半導体膜は、非晶質酸化物半導体膜、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ、ｎｃ−ＯＳ、ＣＡＡＣ−ＯＳのうち、二種以上が混在していてもよい。その場合の一例を以下に示す。
本発明の一態様の酸化物半導体膜を、２種類の結晶部を含む酸化物半導体膜とすることができる。すなわち、２種類の結晶部が混在している酸化物半導体膜である。結晶部の一（第１の結晶部ともいう）は、膜の厚さ方向（膜面方向、膜の被形成面、または膜の表面に垂直な方向ともいう）に配向性を有する、すなわちｃ軸配向性を有する結晶部である。結晶部の他の一（第２の結晶部ともいう）は、ｃ軸配向性を有さずに様々な向きに配向する結晶部である。
なお、以下では説明を容易にするために、ｃ軸配向性を有する結晶部を第１の結晶部、ｃ軸配向性を有さない結晶部を第２の結晶部と分けて説明しているが、これらは結晶性や結晶の大きさなどに違いがなく区別できない場合がある。すなわち、本発明の一態様の酸化物半導体膜はこれらを区別せずに表現することもできる。
例えば、本発明の一態様の酸化物半導体膜は、複数の結晶部を有し、膜中に存在する結晶部のうち、少なくとも一の結晶部がｃ軸配向性を有していればよい。また、膜中に存在する結晶部のうち、ｃ軸配向性を有さない結晶部が、ｃ軸配向性を有する結晶部よりも存在割合を多くしてもよい。一例としては、本発明の一態様の酸化物半導体膜は、その膜厚方向の断面における透過型電子顕微鏡による観察像において、複数の結晶部が観察され、当該複数の結晶部のうちｃ軸配向性を有さない第２の結晶部が、ｃ軸配向性を有する第１の結晶部よりも多く観察される場合がある。別言すると、本発明の一態様の酸化物半導体膜は、ｃ軸配向性を有さない第２の結晶部の存在割合が多い。
酸化物半導体膜中にｃ軸配向性を有さない第２の結晶部の存在割合を多くすることで、以下の優れた効果を奏する。
酸化物半導体膜の近傍に十分な酸素供給源がある場合において、ｃ軸配向性を有さない第２の結晶部は、酸素の拡散経路になりうる。よって、酸化物半導体膜の近傍に十分な酸素供給源がある場合に、ｃ軸配向性を有さない第２の結晶部を介して、ｃ軸配向性を有する第１の結晶部に酸素を供給することができる。よって、酸化物半導体膜の膜中の酸素欠損量を低減することができる。このような酸化物半導体膜をトランジスタの半導体膜に適用することで、高い信頼性を有し、且つ高い電界効果移動度を得ることが可能となる。
また、第１の結晶部は、特定の結晶面が膜の厚さ方向に対して配向性を有する。そのため、第１の結晶部を含む酸化物半導体膜について、膜の上面に概略垂直な方向に対するＸ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）測定を行うと、所定の回折角（２θ）に当該第１の結晶部に由来する回折ピークが確認される。一方で酸化物半導体膜が第１の結晶部を有していても、支持基板によるＸ線の散乱、またはバックグラウンドの上昇により、回折ピークが十分に確認されないこともある。なお、回折ピークの高さ（強度）は、酸化物半導体膜中に含まれる第１の結晶部の存在割合に応じてして大きくなり、酸化物半導体膜の結晶性を推し量る指標にもなりえる。
また、酸化物半導体膜の結晶性の評価方法の一つとして、電子線回折が挙げられる。例えば、断面に対する電子線回折測定を行い、本発明の一態様の酸化物半導体膜の電子線回折パターンを観測した場合、第１の結晶部に起因する回折スポットを有する第１の領域と、第２の結晶部に起因する回折スポットを有する第２の領域とが観測される。
第１の結晶部に起因する回折スポットを有する第１の領域は、ｃ軸配向性を有する結晶部に由来する。一方で第２の結晶部に起因する回折スポットを有する第２の領域は、配向性を有さない結晶部、または、あらゆる向きに無秩序に配向する結晶部に由来する。そのため電子線回折に用いる電子線のビーム径、すなわち観察する領域の面積によって、異なるパターンが確認される場合がある。なお、本明細書等において、電子線のビーム径を１ｎｍΦ以上１００ｎｍΦ以下で測定する電子線回折を、ナノビーム電子線回折（ＮＢＥＤ：Ｎａｎｏ Ｂｅａｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）と呼ぶ。
ただし、本発明の一態様の酸化物半導体膜の結晶性を、ＮＢＥＤと異なる方法で評価してもよい。酸化物半導体膜の結晶性の評価方法の一例としては、電子回折、Ｘ線回折、中性子回折などが挙げられる。電子回折の中でも、先に示すＮＢＥＤの他に、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）、収束電子回折（ＣＢＥＤ：Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｔ Ｂｅａｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）、制限視野電子回折（ＳＡＥＤ：Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ａｒｅａ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）などを好適に用いることができる。
また、ＮＢＥＤにおいて、電子線のビーム径を大きくした条件（例えば、２５ｎｍΦ以上１００ｎｍΦ以下、または５０ｎｍΦ以上１００ｎｍΦ以下）のナノビーム電子線回折パターンでは、リング状のパターンが確認される。また当該リング状のパターンは、動径方向に輝度の分布を有する場合がある。一方、ＮＢＥＤにおいて、電子線のビーム径を十分に小さくした条件（例えば１ｎｍΦ以上１０ｎｍΦ以下）の電子線回折パターンでは、上記リング状のパターンの位置に、円周方向（θ方向ともいう）に分布した複数のスポットが確認される場合がある。すなわち、電子線のビーム径を大きくした条件でみられるリング状のパターンは、上記の複数のスポットの集合体により形成される。
＜２−６．酸化物半導体膜の結晶性の評価＞
以下では、条件の異なる３つの酸化物半導体膜が形成された試料（試料Ｘ１乃至試料Ｘ３）を作製し結晶性の評価を行った。まず、試料Ｘ１乃至試料Ｘ３の作製方法について、説明する。
［試料Ｘ１］
試料Ｘ１は、ガラス基板上に厚さ約１００ｎｍの酸化物半導体膜が形成された試料である。当該酸化物半導体膜は、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する。試料Ｘ１の酸化物半導体膜の形成条件としては、基板を１７０℃に加熱し、流量１４０ｓｃｃｍのアルゴンガスと流量６０ｓｃｃｍの酸素ガスとをスパッタリング装置のチャンバー内に導入し、圧力を０．６Ｐａとし、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）に、２．５ｋｗの交流電力を印加することで形成した。なお、試料Ｘ１の作製条件における酸素流量比は３０％である。
［試料Ｘ２］
試料Ｘ２は、ガラス基板上に厚さ約１００ｎｍの酸化物半導体膜が成膜された試料である。試料Ｘ２の酸化物半導体膜の形成条件としては、基板を１３０℃に加熱し、流量１８０ｓｃｃｍのアルゴンガスと、流量２０ｓｃｃｍの酸素ガスとをスパッタリング装置のチャンバー内に導入して形成した。試料Ｘ２の作製条件における酸素流量比は１０％である。なお、基板温度、及び酸素流量比以外の条件としては、先に示す試料Ｘ１と同様の条件とした。
［試料Ｘ３］
試料Ｘ３は、ガラス基板上に厚さ約１００ｎｍの酸化物半導体膜が成膜された試料である。試料Ｘ３の酸化物半導体膜の形成条件としては、基板を室温とし、流量１８０ｓｃｃｍのアルゴンガスと、流量２０ｓｃｃｍの酸素ガスとをスパッタリング装置のチャンバー内に導入して形成した。試料Ｘ３の作製条件における酸素流量比は１０％である。なお、基板温度、及び酸素流量比以外の条件としては、先に示す試料Ｘ１と同様の条件とした。
試料Ｘ１乃至試料Ｘ３の形成条件を表１に示す。
次に、上記作製した試料Ｘ１乃至試料Ｘ３の結晶性の評価を行った。本実施の形態においては、結晶性の評価として、断面ＴＥＭ観察、ＸＲＤ測定、及び電子線回折を行った。
［断面ＴＥＭ観察］
図２０乃至図２２に、試料Ｘ１乃至試料Ｘ３の断面ＴＥＭ観察結果を示す。なお、図２０（Ａ）（Ｂ）は試料Ｘ１の断面ＴＥＭ像であり、図２１（Ａ）（Ｂ）は試料Ｘ２の断面ＴＥＭ像であり、図２２（Ａ）（Ｂ）は試料Ｘ３の断面ＴＥＭ像である。
また、図２０（Ｃ）は試料Ｘ１の断面の高分解能透過型電子顕微鏡（ＨＲ−ＴＥＭ：Ｈｉｇｈ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ−ＴＥＭ）像であり、図２１（Ｃ）は試料Ｘ２の断面ＨＲ−ＴＥＭ像であり、図２２（Ｃ）は試料Ｘ３の断面ＨＲ−ＴＥＭ像である。なお、断面ＨＲ−ＴＥＭ像の観察には、球面収差補正（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ Ｃｏｒｒｅｃｔｏｒ）機能を用いてもよい。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２０及び図２１に示すように、試料Ｘ１及び試料Ｘ２では、原子が膜厚方向に層状に配列している結晶部が観察される。特に、ＨＲ−ＴＥＭ像において、層状に配列している結晶部が観察されやすい。また、図２２に示すように、試料Ｘ３では原子が膜厚方向に層状に配列している様子が確認され難い。
［ＸＲＤ測定］
次に、各試料のＸＲＤ測定結果について説明する。
図２３（Ａ）に試料Ｘ１のＸＲＤ測定結果を、図２４（Ａ）に試料Ｘ２のＸＲＤ測定結果を、図２５（Ａ）に試料Ｘ３のＸＲＤ測定結果を、それぞれ示す。
ＸＲＤ測定では、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法の一種である粉末法（θ−２θ法ともいう。）を用いた。θ−２θ法は、Ｘ線の入射角を変化させるとともに、Ｘ線源に対向して設けられる検出器の角度を入射角と同じにしてＸ線回折強度を測定する方法である。なお、Ｘ線を膜表面から約０．４０°の角度から入射し、検出器の角度を変化させてＸ線回折強度を測定するｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法の一種であるＧＩＸＲＤ（Ｇｒａｚｉｎｇ−Ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ ＸＲＤ）法（薄膜法またはＳｅｅｍａｎｎ−Ｂｏｈｌｉｎ法ともいう。）を用いてもよい。図２３（Ａ）、図２４（Ａ）、及び図２５（Ａ）における縦軸は回折強度を任意単位で示し、横軸は角度２θを示している。
図２３（Ａ）及び図２４（Ａ）に示すように、試料Ｘ１及び試料Ｘ２においては、２θ＝３１°付近に回折強度のピークが確認される。一方で、図２５（Ａ）に示すように、試料Ｘ３においては、２θ＝３１°付近の回折強度のピークが確認され難い、または２θ＝３１°付近の回折強度のピークが極めて小さい、あるいは２θ＝３１°付近の回折強度のピークが無い。
なお、回折強度のピークがみられた回折角（２θ＝３１°付近）は、単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４の構造モデルにおける（００９）面の回折角と一致する。したがって、試料Ｘ１及び試料Ｘ２において、上記ピークが観測されることから、ｃ軸が膜厚方向に配向する結晶部（以下、ｃ軸配向性を有する結晶部、または第１の結晶部ともいう）が含まれていることが確認できる。なお、試料Ｘ３については、ＸＲＤ測定からでは、ｃ軸配向性を有する結晶部が含まれているかを判断するのが困難である。
［電子線回折］
次に、試料Ｘ１乃至試料Ｘ３について、電子線回折測定を行った結果について説明する。電子線回折測定では、各試料の断面に対して電子線を垂直に入射したときの電子線回折パターンを取得する。また電子線のビーム径を、１ｎｍΦ及び１００ｎｍΦの２つとした。
なお、電子線回折において、入射する電子線のビーム径だけでなく、試料の厚さが厚いほど、電子線回折パターンには、その奥行き方向の情報が現れることとなる。そのため、電子線のビーム径を小さくするだけでなく、試料の奥行方向の厚さを薄くすることで、より局所的な領域の情報を得ることができる。一方で、試料の奥行き方向の厚さが薄すぎる場合（例えば試料の奥行き方向の厚さが５ｎｍ以下の場合）、極微細な領域の情報しか得られない。そのため、極微細な領域に結晶が存在していた場合には、得られる電子線回折パターンは、単結晶のものと同様のパターンとなる場合がある。極微細な領域を解析する目的でない場合には、試料の奥行き方向の厚さを、例えば１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、代表的には１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好ましい。
図２３（Ｂ）（Ｃ）に試料Ｘ１の電子線回折パターンを、図２４（Ｂ）（Ｃ）に試料Ｘ２の電子線回折パターンを、図２５（Ｂ）（Ｃ）に試料Ｘ３の電子線回折パターンを、それぞれ示す。
なお、図２３（Ｂ）（Ｃ）、図２４（Ｂ）（Ｃ）、及び図２５（Ｂ）（Ｃ）に示す電子線回折パターンは、電子線回折パターンが明瞭になるようにコントラストが調整された画像データである。また、図２３（Ｂ）（Ｃ）、図２４（Ｂ）（Ｃ）、及び図２５（Ｂ）（Ｃ）において、中央の最も明るい輝点は入射される電子線ビームによるものであり、電子線回折パターンの中心（ダイレクトスポットまたは透過波ともいう）である。
また、図２３（Ｂ）に示すように、入射する電子線のビーム径を１ｎｍΦとした場合に、円周状に分布した複数のスポットがみられることから、酸化物半導体膜は、極めて微小で且つ面方位があらゆる向きに配向した複数の結晶部が混在していることが分かる。また、図２３（Ｃ）に示すように、入射する電子線のビーム径を１００ｎｍΦとした場合に、この複数の結晶部からの回折スポットが連なり、輝度が平均化されてリング状の回折パターンとなることが確認できる。また、図２３（Ｃ）では、半径の異なる２つのリング状の回折パターンが確認できる。ここで、径の小さいほうから第１のリング、第２のリングと呼ぶこととする。第２のリングに比べて、第１のリングの方が輝度が高いことが確認できる。また、第１のリングと重なる位置に、輝度の高い２つのスポット（第１の領域）が確認される。
第１のリングの中心からの動径方向の距離は、単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４の構造モデルにおける（００９）面の回折スポットの中心からの動径方向の距離とほぼ一致する。また、第１の領域は、ｃ軸配向性に起因する回折スポットである。
また、図２３（Ｃ）に示すように、リング状の回折パターンが見られていることから、酸化物半導体膜中には、あらゆる向きに配向している結晶部（以下、ｃ軸配向性を有さない結晶部、または第２の結晶部ともいう）が存在するとも言い換えることもできる。
また、２つの第１の領域は、電子線回折パターンの中心点に対して対称に配置され、輝度が同程度であることから、２回対称性を有することが推察される。また上述のように、２つの第１の領域はｃ軸配向性に起因する回折スポットであることから、２つの第１の領域と中心を通る線を結ぶ直線の方向が、結晶部のｃ軸の向きと一致する。図２３（Ｃ）において上下方向が膜厚方向であることから、酸化物半導体膜中には、ｃ軸が膜厚方向に配向する結晶部が存在していることが分かる。
このように、試料Ｘ１の酸化物半導体膜は、ｃ軸配向性を有する結晶部と、ｃ軸配向性を有さない結晶部とが混在している膜であることが確認できる。
図２４（Ｂ）（Ｃ）及び図２５（Ｂ）（Ｃ）に示す電子線回折パターンにおいても、図２３（Ｂ）（Ｃ）に示す電子線回折パターンと概ね同じ結果である。ただし、ｃ軸配向性に起因する２つのスポット（第１の領域）の輝度は、試料Ｘ１、試料Ｘ２、試料Ｘ３の順で明るく、ｃ軸配向性を有する結晶部の存在割合が、この順で高いことが示唆される。
［酸化物半導体膜の結晶性の定量化方法］
次に、図２６乃至図２８を用いて、酸化物半導体膜の結晶性の定量化方法の一例について説明する。
まず、電子線回折パターンを用意する（図２６（Ａ）参照）。
なお、図２６（Ａ）は、膜厚１００ｎｍの酸化物半導体膜に対して、ビーム径１００ｎｍで測定した電子線回折パターンであり、図２６（Ｂ）は、図２６（Ａ）に示す電子線回折パターンを、コントラスト調整した後の電子線回折パターンである。
図２６（Ｂ）において、ダイレクトスポットの上下に２つの明瞭なスポット（第１の領域）が観察されている。この２つのスポット（第１の領域）はＩｎＧａＺｎＯ４の構造モデルにおける（００ｌ）に対応する回折スポット、すなわちｃ軸配向性を有する結晶部に起因する。一方で、上記第１の領域とは別に、第１の領域とおおよそ同心円上に輝度の低いリング状のパターン（第２の領域）が重なって見える。これは電子ビーム径を１００ｎｍΦとしたことによって、ｃ軸配向性を有さない結晶部（第２の結晶部）の構造に起因したスポットの輝度が平均化され、リング状になったものである。
ここで、電子線回折パターンは、ｃ軸配向性を有する結晶部に起因する回折スポットを有する第１の領域と、第２の結晶部に起因する回折スポットを有する第２の領域とが、重なって観察される。よって、第１の領域を含むラインプロファイルと、第２の領域を含むラインプロファイルとを取得し比較することで、酸化物半導体膜の結晶性の定量化が可能となる。
まず、第１の領域を含むラインプロファイル及び第２の領域を含むラインプロファイルについて、図２７を用いて説明する。
図２７は、ＩｎＧａＺｎＯ４の構造モデルに対して、（１００）面より電子ビームを照射した際に得られる電子線回折のシミュレーションパターンに、領域Ａ−Ａ’、領域Ｂ−Ｂ’、及び領域Ｃ−Ｃ’の補助線を付した図である。
図２７に示す領域Ａ−Ａ’は、ｃ軸配向性を有する第１の結晶部に起因する２つの回折スポットと、ダイレクトスポットとを通る直線を含む。また、図２７に示す領域Ｂ−Ｂ’及び領域Ｃ−Ｃ’は、ｃ軸配向性を有する第１の結晶部に起因する回折スポットが観察されない領域と、ダイレクトスポットとを通る直線を含む。なお、領域Ａ−Ａ’と領域Ｂ−Ｂ’または領域Ｃ−Ｃ’とが交わる角度は、３４°近傍、具体的には、３０°以上３８°以下、好ましくは３２°以上３６°以下、さらに好ましくは３３°以上３５°以下とすればよい。
なお、ラインプロファイルは、酸化物半導体膜の構造に応じて、図２８に示すような傾向を有する。図２８は、各構造に対するラインプロファイルの図、相対輝度Ｒ、及びラインプロファイルの半値幅（ＦＷＨＭ：Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ ａｔ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ）を説明する図である。
なお、図２８に示す相対輝度Ｒとは、領域Ａ−Ａ’における輝度の積分強度を、領域Ｂ−Ｂ’における輝度の積分強度または領域Ｃ−Ｃ’における輝度の積分強度で割った値である。なお、領域Ａ−Ａ’、領域Ｂ−Ｂ’、及び領域Ｃ−Ｃ’における輝度の積分強度としては、中央に位置に現れるダイレクトスポットに起因するバックグラウンドとを除去したものである。
相対輝度Ｒを計算することによって、ｃ軸配向性の強さを定量的に規定することができる。例えば、図２８に示すように、単結晶の酸化物半導体膜では、領域Ａ−Ａ’のｃ軸配向性を有する第１の結晶部に起因する回折スポットのピーク強度が高く、領域Ｂ−Ｂ’及び領域Ｃ−Ｃ’にはｃ軸配向性を有する第１の結晶部に起因する回折スポットが見られないため、相対輝度Ｒは、１を超えて極めて大きくなる。また、相対輝度Ｒは、単結晶、ＣＡＡＣ（ＣＡＡＣの詳細については後述する）のみ、ＣＡＡＣ＋Ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ、Ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ、Ａｍｏｒｐｈｏｕｓの順で低くなる。特に、特定の配向性を有さないＮａｎｏｃｒｙｓｔａｌ、及びａｍｏｒｐｈｏｕｓでは、相対輝度Ｒは１となる。
また、結晶の周期性の高い構造ほど、ｃ軸配向性を有する第１の結晶部に起因するスペクトルの強度は高くなり、当該スペクトルの半値幅も小さくなる。そのため、単結晶の半値幅が最も小さく、ＣＡＡＣのみ、ＣＡＡＣ＋Ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ、Ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌの順に半値幅が大きくなり、ａｍｏｒｐｈｏｕｓでは、半値幅が非常に大きく、ハローと呼ばれるプロファイルになる。
［ラインプロファイルによる解析］
上述のように、第１の領域における輝度の積分強度と、第２の領域における輝度の積分強度との強度比は、配向性を有する結晶部の存在割合を推し量る点で重要な情報である。
そこで、先に示す試料Ｘ１乃至試料Ｘ３の電子線回折パターンから、ラインプロファイルによる解析を行った。
試料Ｘ１のラインプロファイルによる解析結果を図２９（Ａ１）（Ａ２）に、試料Ｘ２のラインプロファイルによる解析結果を図２９（Ｂ１）（Ｂ２）に、試料Ｘ３のラインプロファイルによる解析結果を図２９（Ｃ１）（Ｃ２）に、それぞれ示す。
なお、図２９（Ａ１）は、図２３（Ｃ）に示す電子線回折パターンに領域Ａ−Ａ’、領域Ｂ−Ｂ’、及び領域Ｃ−Ｃ’を記載した電子線回折パターンであり、図２９（Ｂ１）は、図２４（Ｃ）に示す電子線回折パターンに領域Ａ−Ａ’、領域Ｂ−Ｂ’、及び領域Ｃ−Ｃ’を記載した電子線回折パターンであり、図２９（Ｃ１）は、図２５（Ｃ）に示す電子線回折パターンに領域Ａ−Ａ’、領域Ｂ−Ｂ’、及び領域Ｃ−Ｃ’を記載した電子線回折パターンである。
また、領域Ａ−Ａ’、領域Ｂ−Ｂ’、及び領域Ｃ−Ｃ’としては、電子線回折パターンの中心位置に現れるダイレクトスポットの輝度で規格化することにより求めることができる。またこれにより、各試料間での相対的な比較を行うことができる。
また、輝度のプロファイルを算出する際に、試料からの非弾性散乱等に起因する輝度の成分を、バックグラウンドとして差し引くと、より精度の高い比較を行うことができる。ここで非弾性散乱に起因する輝度の成分は、動径方向において極めてブロードなプロファイルを取るため、バックグラウンドの輝度を直線近似で算出してもよい。例えば、対象となるピークの両側の裾に沿って直線を引き、その直線よりも低輝度側に位置する領域をバックグラウンドとして差し引くことができる。
ここでは、上述の方法によりバックグラウンドを差し引いたデータから、領域Ａ−Ａ’、領域Ｂ−Ｂ’、及び領域Ｃ−Ｃ’における輝度の積分強度を算出した。そして、領域Ａ−Ａ’における輝度の積分強度を、領域Ｂ−Ｂ’における輝度の積分強度、または領域Ｃ−Ｃ’における輝度の積分強度で割った値を、相対輝度Ｒとして求めた。
図３０に試料Ｘ１乃至試料Ｘ３の相対輝度Ｒを示す。なお、図３０においては、図２９（Ａ２）、図２９（Ｂ２）、及び図２９（Ｃ２）に示す輝度のプロファイル中のダイレクトスポットの左右に位置するスペクトルにおいて、領域Ａ−Ａ’における輝度の積分強度を領域Ｂ−Ｂ’における輝度の積分強度で割った値、及び領域Ａ−Ａ’における輝度の積分強度を領域Ｃ−Ｃ’における輝度の積分強度で割った値をそれぞれ求めた。
図３０に示すように、試料Ｘ１乃至試料Ｘ３の相対輝度は以下に示す通りである。
・試料Ｘ１の相対輝度Ｒ＝２５．００
・試料Ｘ２の相対輝度Ｒ＝３．０４
・試料Ｘ３の相対輝度Ｒ＝１．０５
なお、上述の相対輝度Ｒは、４つの位置での平均値とした。このように、相対輝度Ｒは、試料Ｘ１、試料Ｘ２、試料Ｘ３の順で高い。
本発明の一態様の酸化物半導体膜をトランジスタのチャネルが形成される半導体膜に用いる場合には、相対輝度Ｒが１を超えて４０以下、好ましくは１を超えて１０以下、さらに好ましくは１を超えて３以下の強度比となる酸化物半導体膜を用いると好適である。このような酸化物半導体膜を半導体膜に用いることで、電気特性の高い安定性と、ゲート電圧が低い領域での高い電界効果移動度を両立することができる。
＜２−７．結晶部の存在割合＞
酸化物半導体膜中の結晶部の存在割合は、断面ＴＥＭ像を解析することで見積もることができる。
まず、画像解析の方法について説明する。画像解析の方法としては、高分解能で撮像されたＴＥＭ像に対して２次元高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理し、ＦＦＴ像を取得する。得られたＦＦＴ像に対し、周期性を有する範囲を残し、それ以外を除去するマスク処理を施す。そしてマスク処理したＦＦＴ像を、２次元逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ：Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理し、ＦＦＴフィルタリング像を取得する。
これにより、結晶部のみを抽出した実空間像を得ることができる。ここで、残存した像の面積の割合から、結晶部の存在割合を見積もることができる。また、計算に用いた領域（元の像の面積ともいう）の面積から、残存した面積を差し引くことにより、結晶部以外の部分の存在割合を見積もることができる。
図３１（Ａ１）に試料Ｘ１の断面ＴＥＭ像を、図３１（Ａ２）に試料Ｘ１の断面ＴＥＭ像を画像解析した後に得られた像を、それぞれ示す。また、図３１（Ｂ１）に試料Ｘ２の断面ＴＥＭ像を、図３１（Ｂ２）に試料Ｘ２の断面ＴＥＭ像を画像解析した後に得られた像を、それぞれ示す。また、図３１（Ｃ１）に試料Ｘ３の断面ＴＥＭ像を、図３１（Ｃ２）に試料Ｘ３の断面ＴＥＭ像を画像解析した後に得られた像を、それぞれ示す。
画像解析後に得られた像において、酸化物半導体膜中の白く表示されている領域が、配向性を有する結晶部を含む領域に対応し、黒く表示されている領域が、配向性を有さない結晶部、または様々な向きに配向する結晶部を含む領域に対応する。
図３１（Ａ２）に示す結果より、試料Ｘ１における配向性を有する結晶部を含む領域を除く面積の割合は約４３．１％であった。また、図３１（Ｂ２）に示す結果より、試料Ｘ２における配向性を有する結晶部を含む領域を除く面積の割合は約６１．７％であった。また、図３１（Ｃ２）に示す結果より、試料Ｘ３における配向性を有する結晶部を含む領域を除く面積の割合は約８９．５％であった。
このように見積もられた、酸化物半導体膜中の配向性を有する結晶部を除く部分の割合が、５％以上４０％未満である場合、その酸化物半導体膜は極めて結晶性の高い膜であり、酸素欠損を作り難く、電気特性が非常に安定であるため好ましい。一方で、酸化物半導体膜中の配向性を有する結晶部を除く部分の割合が、４０％以上１００％未満、好ましくは６０％以上９０％以下である場合、その酸化物半導体膜は配向性を有する結晶部と配向性を有さない結晶部が適度な割合で混在し、電気特性の安定性と高移動度化を両立させることができる。
ここで、断面ＴＥＭ像により、または断面ＴＥＭ像の画像解析等により明瞭に確認できる結晶部を除く領域のことを、Ｌａｔｅｒａｌ Ｇｒｏｗｔｈ Ｂｕｆｆｅｒ Ｒｅｇｉｏｎ（ＬＧＢＲ）と呼称することもできる。
＜２−８．酸化物半導体膜への酸素拡散について＞
次に、酸化物半導体膜への酸素の拡散のしやすさを評価した結果について説明する。
ここでは、以下に示す３つの試料（試料Ｙ１乃至試料Ｙ３）を作製した。
［試料Ｙ１］
まず、ガラス基板上に、先に示す試料Ｘ１と同様の方法により、厚さ約５０ｎｍの酸化物半導体膜を成膜した。続いて、酸化物半導体膜上に、厚さ約３０ｎｍの酸化窒化シリコン膜、厚さ約１００ｎｍの酸化窒化シリコン膜、厚さ約２０ｎｍの酸化窒化シリコン膜を、ＰＥＣＶＤ法により積層して形成した。なお、以下の説明において、酸化物半導体膜をＯＳと、酸化窒化シリコン膜をＧＩとしてそれぞれ記載する場合がある。
次に、窒素雰囲気下で３５０℃、１時間の熱処理を行った。
続いて、厚さ５ｎｍのＩｎ−Ｓｎ−Ｓｉ酸化物膜をスパッタリング法により成膜した。
続いて、酸化窒化シリコン膜中に酸素添加処理を行った。当該酸素添加条件としては、アッシング装置を用い、基板温度を４０℃とし、流量１５０ｓｃｃｍの酸素ガス（１６Ｏ）と、流量１００ｓｃｃｍの酸素ガス（１８Ｏ）とをチャンバー内に導入し、圧力を１５Ｐａとし、基板側にバイアスが印加されるように、アッシング装置内に設置された平行平板の電極間に４５００ＷのＲＦ電力を６００ｓｅｃ供給して行った。なお、酸素ガス（１８Ｏ）を用いた理由としては、酸化窒化シリコン膜中に酸素（１６Ｏ）が主成分レベルで含有されているため、酸素添加処理によって、添加される酸素を正確に測定するためである。
続いて、厚さ約１００ｎｍの窒化シリコン膜をＰＥＣＶＤ法により成膜した。
［試料Ｙ２］
試料Ｙ２は、試料Ｙ１の酸化物半導体膜の成膜条件を異ならせた試料である。試料Ｙ２は、先に示す試料Ｘ２と同様の方法により、厚さ約５０ｎｍの酸化物半導体膜を成膜した。
［試料Ｙ３］
試料Ｙ３は、試料Ｙ１の酸化物半導体膜の成膜条件を異ならせた試料である。試料Ｙ３は、先に示す試料Ｘ３と同様の方法により、厚さ約５０ｎｍの酸化物半導体膜を成膜した。
以上の工程により試料Ｙ１乃至試料Ｙ３を作製した。
［ＳＩＭＳ分析］
試料Ｙ１乃至試料Ｙ３について、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）分析により、１８Ｏの濃度を測定した。なお、ＳＩＭＳ分析においては、上記作製した試料Ｙ１乃至試料Ｙ３を、熱処理を行わず評価する条件と、試料Ｙ１乃至試料Ｙ３を窒素雰囲気下にて３５０℃ １時間の熱処理を行う条件と、試料Ｙ１乃至試料Ｙ３を窒素雰囲気下にて４５０℃、１時間の熱処理を行う条件と、の３つの条件とした。
図３２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に、ＳＩＭＳ測定結果を示す。なお、図３２（Ａ）が試料Ｙ１のＳＩＭＳ測定結果であり、図３２（Ｂ）が試料Ｙ２のＳＩＭＳ測定結果であり、図３２（Ｃ）が試料Ｙ３のＳＩＭＳ測定結果である。
また、図３２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）においては、ＧＩ及びＯＳを含む領域の分析結果を示している。なお、図３２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、基板側からＳＩＭＳ分析（ＳＳＤＰ（Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ Ｓｉｄｅ Ｄｅｐｔｈ Ｐｒｏｆｉｌｅ）−ＳＩＭＳともいう）した結果である。
また、図３２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）において、灰色の破線が熱処理を行っていない試料のプロファイルであり、黒色の破線が３５０℃の熱処理を行った試料のプロファイルであり、黒色の実線が４５０℃の熱処理を行った試料のプロファイルである。
試料Ｙ１乃至試料Ｙ３のそれぞれにおいて、ＧＩ中に１８Ｏが拡散していること、及びＯＳ中に１８Ｏが拡散していることが確認できる。また、試料Ｙ１、試料Ｙ２、試料Ｙ３の順に、より深い位置まで１８Ｏが拡散していることが確認できる。また、３５０℃及び４５０℃の熱処理を行うことで、さらに深い位置まで１８Ｏが拡散していることが確認できる。
以上の結果から、配向性を有する結晶部と配向性を有さない結晶部が混在し、且つ配向性を有する結晶部の存在割合が低い酸化物半導体膜は、酸素が透過しやすい膜、言い換えると酸素が拡散しやすい膜であることが確認できる。また、３５０℃及び４５０℃の熱処理を行うことで、ＧＩ膜中の酸素がＯＳ中に拡散することが確認できる。
以上の結果は、配向性を有する結晶部の存在割合（密度）が高いほど、厚さ方向へ酸素が拡散しにくく、当該密度が低いほど厚さ方向へ酸素が拡散しやすいことを示している。酸化物半導体膜における酸素の拡散のしやすさについて、以下のように考察することができる。
配向性を有する結晶部と、配向性を有さない極微細な結晶部が混在している酸化物半導体膜において、断面観察像で明瞭に観察できる結晶部以外の領域（ＬＧＢＲ）は、酸素が拡散しやすい領域、すなわち酸素の拡散経路になりうる。したがって、酸化物半導体膜の近傍に十分な酸素供給源がある場合において、ＬＧＢＲを介して配向性を有する結晶部にも、酸素が供給されやすくなるため、膜中の酸素欠損量を低減することができると考えられる。
例えば、酸化物半導体膜に接して酸素を放出しやすい酸化膜を設け、加熱処理を施すことにより、当該酸化膜から放出される酸素は、ＬＧＢＲにより酸化物半導体膜の膜厚方向に拡散する。そして、ＬＧＢＲを経由して、配向性を有する結晶部に横方向から酸素が供給されうる。これにより、酸化物半導体膜の配向性を有する結晶部、及びこれ以外の領域に、十分に酸素が行き渡り、膜中の酸素欠損を効果的に低減することができる。
例えば、酸化物半導体膜中に、金属原子と結合していない水素原子が存在すると、これと酸素原子が結合し、ＯＨが形成され、固定化してしまう場合がある。そこで、成膜時に低温で成膜することで酸化物半導体膜中に酸素欠損（Ｖｏ）に水素原子がトラップされた状態（ＶｏＨと呼ぶ）を一定量（例えば１×１０１７ｃｍ−３程度）形成することで、ＯＨが生成されることを抑制する。またＶｏＨは、キャリアを生成するため、酸化物半導体膜中にキャリアが一定量存在する状態となる。これにより、キャリア密度が高められた酸化物半導体膜を形成できる。また成膜時には、酸素欠損も同時に形成されるが、当該酸素欠損は、上述のようにＬＧＢＲを介して酸素を導入することにより低減することができる。このような方法により、キャリア密度が比較的高く、且つ酸素欠損が十分に低減された酸化物半導体膜を形成することができる。
また、配向性を有する結晶部以外の領域は、成膜時に配向性を有さない極めて微細な結晶部を構成するため、酸化物半導体膜には明瞭な結晶粒界は確認できない。また当該微細な結晶部は、配向性を有する複数の結晶部の間に位置する。当該微細な結晶部は、成膜時の熱により横方向に成長することで、隣接する配向性を有する結晶部と結合する。また当該微細な結晶部はキャリアを発生する領域としても機能する。これにより、このような構成を有する酸化物半導体膜は、トランジスタに適用することでその電界効果移動度を著しく向上させることができると考えられる。
また酸化物半導体膜を形成し、その上に酸化シリコン膜などの酸化物絶縁膜を成膜した後に、酸素雰囲気でのプラズマ処理を行うことが好ましい。このような処理により、膜中に酸素を供給すること以外に、水素濃度を低減することができる。例えば、プラズマ処理中に、同時にチャンバー内に残存するフッ素も酸化物半導体膜中にドープされる場合がある。フッ素はマイナスの電荷を帯びたフッ素原子として存在し、プラスの電荷を帯びた水素原子とクーロン力により結合し、ＨＦが生成される。ＨＦは当該プラズマ処理中に酸化物半導体膜外へ放出され、その結果として、酸化物半導体膜中の水素濃度を低減することができる。また、プラズマ処理において、酸素原子と水素原子とが結合してＨ２Ｏとして膜外へ放出される場合もある。
また、酸化物半導体膜に酸化シリコン膜（または酸化窒化シリコン膜）が積層された構成を考える。酸化シリコン膜中のフッ素は、膜中の水素と結合し、電気的に中性であるＨＦとして存在しうるため、酸化物半導体膜の電気特性に影響を与えない。なお、Ｓｉ−Ｆ結合が生じる場合もあるがこれも電気的に中性となる。また酸化シリコン膜中のＨＦは、酸素の拡散に対して影響しないと考えられる。
以上のようなメカニズムにより、酸化物半導体膜中の酸素欠損が低減され、且つ膜中の金属原子と結合していない水素が低減されることにより、信頼性を高めることができると考えられる。また酸化物半導体膜のキャリア密度が一定以上であることで、電気特性が向上すると考えられる。
＜２−９．酸化物半導体膜の成膜方法＞
次に、本発明の一態様の酸化物半導体膜の成膜方法について説明する。
本発明の一態様の酸化物半導体膜は、酸素を含む雰囲気下にてスパッタリング法によって成膜することができる。
酸化物半導体膜の成膜に用いることの可能な酸化物ターゲットとしては、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物に限られず、例えば、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ系酸化物（Ｍは、Ａｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）を適用することができる。
また、複数の結晶粒を有する多結晶酸化物を含むスパッタリングターゲットを用いて、酸化物半導体膜である結晶部を含む酸化物半導体膜を成膜すると、多結晶酸化物を含まないスパッタリングターゲットを用いた場合に比べて、結晶性を有する酸化物半導体膜が得られやすい。
以下に、酸化物半導体膜の成膜メカニズムにおける一考察について説明する。
スパッタリング用ターゲットが複数の結晶粒を有し、且つ、その結晶粒が層状構造を有しており、当該結晶粒に劈開しやすい界面が存在する場合、当該スパッタリング用ターゲットにイオンを衝突させることで、結晶粒が劈開して、平板状又はペレット状のスパッタリング粒子が得られることがある。該得られた平板状又はペレット状のスパッタリング粒子が、基板上に堆積することでナノ結晶を含む酸化物半導体膜が成膜されると考えられる。また、基板を加熱することにより、基板表面において当該ナノ結晶同士の結合、または再配列が進むことにより、配向性を有する結晶部を含む酸化物半導体膜が形成されやすくなると考えられる。
なお、ここではスパッタリング法により形成する方法について説明したが、特にスパッタリング法を用いることで、結晶性の制御が容易であるため好ましい。なお、スパッタリング法以外に、例えばパルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）法、熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、真空蒸着法などを用いてもよい。熱ＣＶＤ法の例としては、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が挙げられる。
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３）
本実施の形態においては、先の実施の形態で例示した半導体装置を有する表示装置の一例について、図３３乃至図４０を用いて以下説明を行う。
図３３は、表示装置の一例を示す上面図である。図３３に示す表示装置７００は、第１の基板７０１上に設けられた画素部７０２と、第１の基板７０１に設けられたソースドライバ回路部７０４及びゲートドライバ回路部７０６と、画素部７０２、ソースドライバ回路部７０４、及びゲートドライバ回路部７０６を囲むように配置されるシール材７１２と、第１の基板７０１に対向するように設けられる第２の基板７０５と、を有する。なお、第１の基板７０１と第２の基板７０５は、シール材７１２によって封止されている。すなわち、画素部７０２、ソースドライバ回路部７０４、及びゲートドライバ回路部７０６は、第１の基板７０１とシール材７１２と第２の基板７０５によって封止されている。なお、図３３には図示しないが、第１の基板７０１と第２の基板７０５の間には表示素子が設けられる。
また、表示装置７００は、第１の基板７０１上のシール材７１２によって囲まれている領域とは異なる領域に、画素部７０２、ソースドライバ回路部７０４、及びゲートドライバ回路部７０６と、それぞれ電気的に接続されるＦＰＣ端子部７０８（ＦＰＣ：Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）が設けられる。また、ＦＰＣ端子部７０８には、ＦＰＣ７１６が接続され、ＦＰＣ７１６によって画素部７０２、ソースドライバ回路部７０４、及びゲートドライバ回路部７０６に各種信号等が供給される。また、画素部７０２、ソースドライバ回路部７０４、ゲートドライバ回路部７０６、及びＦＰＣ端子部７０８には、信号線７１０が各々接続されている。ＦＰＣ７１６により供給される各種信号等は、信号線７１０を介して、画素部７０２、ソースドライバ回路部７０４、ゲートドライバ回路部７０６、及びＦＰＣ端子部７０８に与えられる。
また、表示装置７００にゲートドライバ回路部７０６を複数設けてもよい。また、表示装置７００としては、ソースドライバ回路部７０４、及びゲートドライバ回路部７０６を画素部７０２と同じ第１の基板７０１に形成している例を示しているが、この構成に限定されない。例えば、ゲートドライバ回路部７０６のみを第１の基板７０１に形成しても良い、またはソースドライバ回路部７０４のみを第１の基板７０１に形成しても良い。この場合、ソースドライバ回路またはゲートドライバ回路等が形成された基板（例えば、単結晶半導体膜、多結晶半導体膜で形成された駆動回路基板）を、第１の基板７０１に形成する構成としても良い。なお、別途形成した駆動回路基板の接続方法は、特に限定されるものではなく、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）方法、ワイヤボンディング方法などを用いることができる。
また、表示装置７００が有する画素部７０２、ソースドライバ回路部７０４及びゲートドライバ回路部７０６は、複数のトランジスタを有している。
また、表示装置７００は、様々な素子を有することが出来る。該素子の一例としては、例えば、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子（有機物及び無機物を含むＥＬ素子、有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子、ＬＥＤなど）、発光トランジスタ素子（電流に応じて発光するトランジスタ）、電子放出素子、液晶素子、電子インク素子、電気泳動素子、エレクトロウェッティング素子、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）、ＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）ディスプレイ（例えば、グレーティングライトバルブ（ＧＬＶ）、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、デジタル・マイクロ・シャッター（ＤＭＳ）素子、インターフェロメトリック・モジュレーション（ＩＭＯＤ）素子など）、圧電セラミックディスプレイなどが挙げられる。
また、ＥＬ素子を用いた表示装置の一例としては、ＥＬディスプレイなどがある。電子放出素子を用いた表示装置の一例としては、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）又はＳＥＤ方式平面型ディスプレイ（ＳＥＤ：Ｓｕｒｆａｃｅ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｅｍｉｔｔｅｒ Ｄｉｓｐｌａｙ）などがある。液晶素子を用いた表示装置の一例としては、液晶ディスプレイ（透過型液晶ディスプレイ、半透過型液晶ディスプレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶ディスプレイ、投射型液晶ディスプレイ）などがある。電子インク素子又は電気泳動素子を用いた表示装置の一例としては、電子ペーパーなどがある。なお、半透過型液晶ディスプレイや反射型液晶ディスプレイを実現する場合には、画素電極の一部、または、全部が、反射電極としての機能を有するようにすればよい。例えば、画素電極の一部、または、全部が、アルミニウム、銀、などを有するようにすればよい。さらに、その場合、反射電極の下に、ＳＲＡＭなどの記憶回路を設けることも可能である。これにより、さらに、消費電力を低減することができる。
なお、表示装置７００における表示方式は、プログレッシブ方式やインターレース方式等を用いることができる。また、カラー表示する際に画素で制御する色要素としては、ＲＧＢ（Ｒは赤、Ｇは緑、Ｂは青を表す）の三色に限定されない。例えば、Ｒの画素とＧの画素とＢの画素とＷ（白）の画素の四画素から構成されてもよい。または、ペンタイル配列のように、ＲＧＢのうちの２色分で一つの色要素を構成し、色要素によって、異なる２色を選択して構成してもよい。またはＲＧＢに、イエロー、シアン、マゼンタ等を一色以上追加してもよい。なお、色要素のドット毎にその表示領域の大きさが異なっていてもよい。ただし、開示する発明はカラー表示の表示装置に限定されるものではなく、モノクロ表示の表示装置に適用することもできる。
また、バックライト（有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子、ＬＥＤ、蛍光灯など）に白色発光（Ｗ）を用いて表示装置をフルカラー表示させるために、着色層（カラーフィルタともいう。）を用いてもよい。着色層は、例えば、レッド（Ｒ）、グリーン（Ｇ）、ブルー（Ｂ）、イエロー（Ｙ）などを適宜組み合わせて用いることができる。着色層を用いることで、着色層を用いない場合と比べて色の再現性を高くすることができる。このとき、着色層を有する領域と、着色層を有さない領域と、を配置することによって、着色層を有さない領域における白色光を直接表示に利用しても構わない。一部に着色層を有さない領域を配置することで、明るい表示の際に、着色層による輝度の低下を少なくでき、消費電力を２割から３割程度低減できる場合がある。ただし、有機ＥＬ素子や無機ＥＬ素子などの自発光素子を用いてフルカラー表示する場合、Ｒ、Ｇ、Ｂ、Ｙ、Ｗを、それぞれの発光色を有する素子から発光させても構わない。自発光素子を用いることで、着色層を用いた場合よりも、さらに消費電力を低減できる場合がある。
また、カラー化方式としては、上述の白色発光からの発光の一部をカラーフィルタを通すことで赤色、緑色、青色に変換する方式（カラーフィルタ方式）の他、赤色、緑色、青色の発光をそれぞれ用いる方式（３色方式）、または青色発光からの発光の一部を赤色や緑色に変換する方式（色変換方式、量子ドット方式）を適用してもよい。
本実施の形態においては、表示素子として液晶素子及びＥＬ素子を用いる構成について、図３４乃至図３６を用いて説明する。なお、図３４及び図３５は、図３３に示す一点鎖線Ｑ−Ｒにおける断面図であり、表示素子として液晶素子を用いた構成である。また、図３６は、図３３に示す一点鎖線Ｑ−Ｒにおける断面図であり、表示素子としてＥＬ素子を用いた構成である。
まず、図３４乃至図３６に示す共通部分について最初に説明し、次に異なる部分について以下説明する。
＜３−１．表示装置の共通部分に関する説明＞
図３４乃至図３６に示す表示装置７００は、引き回し配線部７１１と、画素部７０２と、ソースドライバ回路部７０４と、ＦＰＣ端子部７０８と、を有する。また、引き回し配線部７１１は、信号線７１０を有する。また、画素部７０２は、トランジスタ７５０及び容量素子７９０を有する。また、ソースドライバ回路部７０４は、トランジスタ７５２を有する。
トランジスタ７５０及びトランジスタ７５２は、先に示すトランジスタ１５０Ａと同様の構成である。なお、トランジスタ７５０及びトランジスタ７５２の構成については、先の実施の形態に示す、その他のトランジスタを用いてもよい。
本実施の形態で用いるトランジスタは、高純度化し、酸素欠損の形成を抑制した酸化物半導体膜を有する。該トランジスタは、オフ電流を低くすることができる。よって、画像信号等の電気信号の保持時間を長くすることができ、電源オン状態では書き込み間隔も長く設定できる。よって、リフレッシュ動作の頻度を少なくすることができるため、消費電力を抑制する効果を奏する。
また、本実施の形態で用いるトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られるため、高速駆動が可能である。例えば、このような高速駆動が可能なトランジスタを液晶表示装置に用いることで、画素部のスイッチングトランジスタと、駆動回路部に使用するドライバトランジスタを同一基板上に形成することができる。すなわち、別途駆動回路として、シリコンウェハ等により形成された半導体装置を用いる必要がないため、半導体装置の部品点数を削減することができる。また、画素部においても、高速駆動が可能なトランジスタを用いることで、高画質な画像を提供することができる。
容量素子７９０は、トランジスタ７５０が有する第１のゲート電極として機能する導電膜と同一の導電膜を加工する工程を経て形成される下部電極と、トランジスタ７５０が有するソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜、または第２のゲート電極として機能する導電膜と同一の導電膜を加工する工程を経て形成される上部電極と、を有する。また、下部電極と上部電極との間には、トランジスタ７５０が有する第１のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜と同一の絶縁膜を形成する工程を経て形成される絶縁膜、及びトランジスタ７５０上の保護絶縁膜として機能する絶縁膜と同一の絶縁膜を形成する工程を経て形成される絶縁膜が設けられる。すなわち、容量素子７９０は、一対の電極間に誘電体膜として機能する絶縁膜が挟持された積層型の構造である。
また、図３４乃至図３６において、トランジスタ７５０、トランジスタ７５２、及び容量素子７９０上に平坦化絶縁膜７７０が設けられている。
また、図３４乃至図３６においては、画素部７０２が有するトランジスタ７５０と、ソースドライバ回路部７０４が有するトランジスタ７５２と、を同じ構造のトランジスタ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、画素部７０２と、ソースドライバ回路部７０４とは、異なるトランジスタを用いてもよい。具体的には、画素部７０２にトップゲート型のトランジスタを用い、ソースドライバ回路部７０４にボトムゲート型のトランジスタを用いる構成、あるいは画素部７０２にボトムゲート型のトランジスタを用い、ソースドライバ回路部７０４にトップゲート型のトランジスタを用いる構成などが挙げられる。なお、上記のソースドライバ回路部７０４を、ゲートドライバ回路部と読み替えてもよい。
また、信号線７１０は、トランジスタ７５０、７５２のソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜と同じ工程を経て形成される。信号線７１０として、例えば、銅元素を含む材料を用いた場合、配線抵抗に起因する信号遅延等が少なく、大画面での表示が可能となる。
また、ＦＰＣ端子部７０８は、接続電極７６０、異方性導電膜７８０、及びＦＰＣ７１６を有する。なお、接続電極７６０は、トランジスタ７５０、７５２のソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜と同じ工程を経て形成される。また、接続電極７６０は、ＦＰＣ７１６が有する端子と異方性導電膜７８０を介して、電気的に接続される。
また、第１の基板７０１及び第２の基板７０５としては、例えばガラス基板を用いることができる。また、第１の基板７０１及び第２の基板７０５として、可撓性を有する基板を用いてもよい。該可撓性を有する基板としては、例えばプラスチック基板等が挙げられる。
また、第１の基板７０１と第２の基板７０５の間には、構造体７７８が設けられる。構造体７７８は、絶縁膜を選択的にエッチングすることで得られる柱状のスペーサであり、第１の基板７０１と第２の基板７０５の間の距離（セルギャップ）を制御するために設けられる。なお、構造体７７８として、球状のスペーサを用いていても良い。
また、第２の基板７０５側には、ブラックマトリクスとして機能する遮光膜７３８と、カラーフィルタとして機能する着色膜７３６と、遮光膜７３８及び着色膜７３６に接する絶縁膜７３４が設けられる。
＜３−２．液晶素子を用いる表示装置の構成例＞
図３４に示す表示装置７００は、液晶素子７７５を有する。液晶素子７７５は、導電膜７７２、導電膜７７４、及び液晶層７７６を有する。導電膜７７４は、第２の基板７０５側に設けられ、対向電極としての機能を有する。図３４に示す表示装置７００は、導電膜７７２と導電膜７７４に印加される電圧によって、液晶層７７６の配向状態が変わることによって光の透過、非透過が制御され画像を表示することができる。
また、導電膜７７２は、トランジスタ７５０が有するソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜と電気的に接続される。導電膜７７２は、平坦化絶縁膜７７０上に形成され画素電極、すなわち表示素子の一方の電極として機能する。
導電膜７７２としては、可視光において透光性のある導電膜、または可視光において反射性のある導電膜を用いることができる。可視光において透光性のある導電膜としては、例えば、インジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、錫（Ｓｎ）の中から選ばれた一種を含む材料を用いるとよい。可視光において反射性のある導電膜としては、例えば、アルミニウム、または銀を含む材料を用いるとよい。
導電膜７７２に可視光において反射性のある導電膜を用いる場合、表示装置７００は、反射型の液晶表示装置となる。また、導電膜７７２に可視光において透光性のある導電膜を用いる場合、表示装置７００は、透過型の液晶表示装置となる。
また、導電膜７７２上の構成を変えることで、液晶素子の駆動方式を変えることができる。この場合の一例を図３５に示す。また、図３５に示す表示装置７００は、液晶素子の駆動方式として横電界方式（例えば、ＦＦＳモード）を用いる構成の一例である。図３５に示す構成の場合、導電膜７７２上に絶縁膜７７３が設けられ、絶縁膜７７３上に導電膜７７４が設けられる。この場合、導電膜７７４は、共通電極（コモン電極ともいう）としての機能を有し、絶縁膜７７３を介して、導電膜７７２と導電膜７７４との間に生じる電界によって、液晶層７７６の配向状態を制御することができる。
また、図３４及び図３５において図示しないが、導電膜７７２または導電膜７７４のいずれか一方または双方に、液晶層７７６と接する側に、それぞれ配向膜を設ける構成としてもよい。また、図３４及び図３５において図示しないが、偏光部材、位相差部材、反射防止部材などの光学部材（光学基板）などは適宜設けてもよい。例えば、偏光基板及び位相差基板による円偏光を用いてもよい。また、光源としてバックライト、サイドライトなどを用いてもよい。
表示素子として液晶素子を用いる場合、サーモトロピック液晶、低分子液晶、高分子液晶、高分子分散型液晶、強誘電性液晶、反強誘電性液晶等を用いることができる。これらの液晶材料は、条件により、コレステリック相、スメクチック相、キュービック相、カイラルネマチック相、等方相等を示す。
また、横電界方式を採用する場合、配向膜を用いないブルー相を示す液晶を用いてもよい。ブルー相は液晶相の一つであり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリック相から等方相へ転移する直前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発現しないため、温度範囲を改善するために数重量％以上のカイラル剤を混合させた液晶組成物を液晶層に用いる。ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、応答速度が短く、光学的等方性であるため配向処理が不要である。また配向膜を設けなくてもよいのでラビング処理も不要となるため、ラビング処理によって引き起こされる静電破壊を防止することができ、作製工程中の液晶表示装置の不良や破損を軽減することができる。また、ブルー相を示す液晶材料は、視野角依存性が小さい。
また、表示素子として液晶素子を用いる場合、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ Ｆｉｅｌｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ａｌｉｇｎｅｄ Ｍｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モードなどを用いることができる。
また、ノーマリーブラック型の液晶表示装置、例えば垂直配向（ＶＡ）モードを採用した透過型の液晶表示装置としてもよい。垂直配向モードとしては、いくつか挙げられるが、例えば、ＭＶＡ（Ｍｕｌｔｉ−Ｄｏｍａｉｎ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＡＳＶモードなどを用いることができる。
＜３−３．発光素子を用いる表示装置＞
図３６に示す表示装置７００は、発光素子７８２を有する。発光素子７８２は、導電膜７７２、ＥＬ層７８６、及び導電膜７８８を有する。図３６に示す表示装置７００は、発光素子７８２が有するＥＬ層７８６が発光することによって、画像を表示することができる。なお、ＥＬ層７８６は、有機化合物、または量子ドットなどの無機化合物を有する。
有機化合物に用いることのできる材料としては、蛍光性材料または燐光性材料などが挙げられる。また、量子ドットに用いることのできる材料としては、コロイド状量子ドット材料、合金型量子ドット材料、コア・シェル型量子ドット材料、コア型量子ドット材料、などが挙げられる。また、１２族と１６族、１３族と１５族、または１４族と１６族の元素グループを含む材料を用いてもよい。または、カドミウム（Ｃｄ）、セレン（Ｓｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、硫黄（Ｓ）、リン（Ｐ）、インジウム（Ｉｎ）、テルル（Ｔｅ）、鉛（Ｐｂ）、ガリウム（Ｇａ）、ヒ素（Ａｓ）、アルミニウム（Ａｌ）、等の元素を有する量子ドット材料を用いてもよい。
また、上述の有機化合物、及び無機化合物としては、例えば、蒸着法（真空蒸着法を含む）、液滴吐出法（インクジェット法ともいう）、塗布法、グラビア印刷法等の方法を用いて形成することができる。また、ＥＬ層７８６としては、低分子材料、中分子材料（オリゴマー、デンドリマーを含む）、または高分子材料を含んでも良い。
ここで、液滴吐出法を用いてＥＬ層７８６を形成する方法について、図３９を用いて説明する。図３９（Ａ）乃至図３９（Ｄ）は、ＥＬ層７８６の作製方法を説明する断面図である。
まず、平坦化絶縁膜７７０上に導電膜７７２が形成され、導電膜７７２の一部を覆うように絶縁膜７３０が形成される（図３９（Ａ）参照）。
次に、絶縁膜７３０の開口である導電膜７７２の露出部に、液滴吐出装置７８３より液滴７８４を吐出し、組成物を含む層７８５を形成する。液滴７８４は、溶媒を含む組成物であり、導電膜７７２上に付着する（図３９（Ｂ）参照）。
なお、液滴７８４を吐出する工程を減圧下で行ってもよい。
次に、組成物を含む層７８５より溶媒を除去し、固化することによってＥＬ層７８６を形成する（図３９（Ｃ）参照）。
なお、溶媒の除去方法としては、乾燥工程または加熱工程を行えばよい。
次に、ＥＬ層７８６上に導電膜７８８を形成し、発光素子７８２を形成する（図３９（Ｄ）参照）。
このようにＥＬ層７８６を液滴吐出法で行うと、選択的に組成物を吐出することができるため、材料のロスを削減することができる。また、形状を加工するためのリソグラフィ工程なども必要ないために工程も簡略化することができ、低コスト化が達成できる。
なお、上記説明した液滴吐出法とは、組成物の吐出口を有するノズル、あるいは１つ又は複数のノズルを有するヘッド等の液滴を吐出する手段を有するものの総称とする。
次に、液滴吐出法に用いる液滴吐出装置について、図４０を用いて説明する。図４０は、液滴吐出装置１４００を説明する概念図である。
液滴吐出装置１４００は、液滴吐出手段１４０３を有する。また、液滴吐出手段１４０３は、ヘッド１４０５と、ヘッド１４１２とを有する。
ヘッド１４０５、及びヘッド１４１２は制御手段１４０７に接続され、それがコンピュータ１４１０で制御することにより予めプログラミングされたパターンに描画することができる。
また、描画するタイミングとしては、例えば、基板１４０２上に形成されたマーカー１４１１を基準に行えば良い。あるいは、基板１４０２の外縁を基準にして基準点を確定させても良い。ここでは、マーカー１４１１を撮像手段１４０４で検出し、画像処理手段１４０９にてデジタル信号に変換したものをコンピュータ１４１０で認識して制御信号を発生させて制御手段１４０７に送る。
撮像手段１４０４としては、電荷結合素子（ＣＣＤ）や相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）を利用したイメージセンサなどを用いることができる。なお、基板１４０２上に形成されるべきパターンの情報は記憶媒体１４０８に格納されたものであり、この情報を基にして制御手段１４０７に制御信号を送り、液滴吐出手段１４０３の個々のヘッド１４０５、ヘッド１４１２を個別に制御することができる。吐出する材料は、材料供給源１４１３、材料供給源１４１４より配管を通してヘッド１４０５、ヘッド１４１２にそれぞれ供給される。
ヘッド１４０５の内部は、点線１４０６が示すように液状の材料を充填する空間と、吐出口であるノズルを有する構造となっている。図示しないが、ヘッド１４１２もヘッド１４０５と同様な内部構造を有する。ヘッド１４０５とヘッド１４１２のノズルを異なるサイズで設けると、異なる材料を異なる幅で同時に描画することができる。一つのヘッドで、複数種の発光材料などをそれぞれ吐出し、描画することができ、広領域に描画する場合は、スループットを向上させるため複数のノズルより同材料を同時に吐出し、描画することができる。大型基板を用いる場合、ヘッド１４０５、ヘッド１４１２は基板上を、図４０中に示すＸ、Ｙ、Ｚの矢印の方向に自在に走査し、描画する領域を自由に設定することができ、同じパターンを一枚の基板に複数描画することができる。
また、組成物を吐出する工程は、減圧下で行ってもよい。吐出時に基板を加熱しておいてもよい。組成物を吐出後、乾燥と焼成の一方又は両方の工程を行う。乾燥と焼成の工程は、両工程とも加熱処理の工程であるが、その目的、温度と時間が異なるものである。乾燥の工程、焼成の工程は、常圧下又は減圧下で、レーザ光の照射や瞬間熱アニール、加熱炉などにより行う。なお、この加熱処理を行うタイミング、加熱処理の回数は特に限定されない。乾燥と焼成の工程を良好に行うためには、そのときの温度は、基板の材質及び組成物の性質に依存する。
以上のように、液滴吐出装置を用いてＥＬ層７８６を作製することができる。
再び、図３６に示す表示装置７００の説明に戻る。
図３６に示す表示装置７００には、平坦化絶縁膜７７０及び導電膜７７２上に絶縁膜７３０が設けられる。絶縁膜７３０は、導電膜７７２の一部を覆う。なお、発光素子７８２はトップエミッション構造である。したがって、導電膜７８８は透光性を有し、ＥＬ層７８６が発する光を透過する。なお、本実施の形態においては、トップエミッション構造について、例示するが、これに限定されない。例えば、導電膜７７２側に光を射出するボトムエミッション構造や、導電膜７７２及び導電膜７８８の双方に光を射出するデュアルエミッション構造にも適用することができる。
また、発光素子７８２と重なる位置に、着色膜７３６が設けられ、絶縁膜７３０と重なる位置、引き回し配線部７１１、及びソースドライバ回路部７０４に遮光膜７３８が設けられている。また、着色膜７３６及び遮光膜７３８は、絶縁膜７３４で覆われている。また、発光素子７８２と絶縁膜７３４の間は封止膜７３２で充填されている。なお、図３６に示す表示装置７００においては、着色膜７３６を設ける構成について例示したが、これに限定されない。例えば、ＥＬ層７８６を塗り分けにより形成する場合においては、着色膜７３６を設けない構成としてもよい。
＜３−４．表示装置に入出力装置を設ける構成例＞
また、図３５及び図３６に示す表示装置７００に入出力装置を設けてもよい。当該入出力装置としては、例えば、タッチパネル等が挙げられる。
図３５に示す表示装置７００にタッチパネル７９１を設ける構成を図３７に、図３６に示す表示装置７００にタッチパネル７９１を設ける構成を図３８に、それぞれ示す。
図３７は図３５に示す表示装置７００にタッチパネル７９１を設ける構成の断面図であり、図３８は図３６に示す表示装置７００にタッチパネル７９１を設ける構成の断面図である。
まず、図３７及び図３８に示すタッチパネル７９１について、以下説明を行う。
図３７及び図３８に示すタッチパネル７９１は、第２の基板７０５と着色膜７３６との間に設けられる、所謂インセル型のタッチパネルである。タッチパネル７９１は、着色膜７３６を形成する前に、第２の基板７０５側に形成すればよい。
なお、タッチパネル７９１は、遮光膜７３８と、絶縁膜７９２と、電極７９３と、電極７９４と、絶縁膜７９５と、電極７９６と、絶縁膜７９７と、を有する。例えば、指やスタイラスなどの被検知体が近接することで、電極７９３と、電極７９４との相互容量の変化を検知することができる。
また、図３７及び図３８に示すトランジスタ７５０の上方においては、電極７９３と、電極７９４との交差部を明示している。電極７９６は、絶縁膜７９５に設けられた開口部を介して、電極７９４を挟む２つの電極７９３と電気的に接続されている。なお、図３７及び図３８においては、電極７９６が設けられる領域を画素部７０２に設ける構成を例示したが、これに限定されず、例えば、ソースドライバ回路部７０４に形成してもよい。
電極７９３及び電極７９４は、遮光膜７３８と重なる領域に設けられる。また、図３７に示すように、電極７９３は、発光素子７８２と重ならないように設けられると好ましい。また、図３８に示すように、電極７９３は、液晶素子７７５と重ならないように設けられると好ましい。別言すると、電極７９３は、発光素子７８２及び液晶素子７７５と重なる領域に開口部を有する。すなわち、電極７９３はメッシュ形状を有する。このような構成とすることで、電極７９３は、発光素子７８２が射出する光を遮らない構成とすることができる。または、電極７９３は、液晶素子７７５を透過する光を遮らない構成とすることができる。したがって、タッチパネル７９１を配置することによる輝度の低下が極めて少ないため、視認性が高く、且つ消費電力が低減された表示装置を実現できる。なお、電極７９４も同様の構成とすればよい。
また、電極７９３及び電極７９４が発光素子７８２と重ならないため、電極７９３及び電極７９４には、可視光の透過率が低い金属材料を用いることができる。または、電極７９３及び電極７９４が液晶素子７７５と重ならないため、電極７９３及び電極７９４には、可視光の透過率が低い金属材料を用いることができる。
そのため、可視光の透過率が高い酸化物材料を用いた電極と比較して、電極７９３及び電極７９４の抵抗を低くすることが可能となり、タッチパネルのセンサ感度を向上させることができる。
例えば、電極７９３、７９４、７９６には、導電性のナノワイヤを用いてもよい。当該ナノワイヤは、直径の平均値が１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下、より好ましくは５ｎｍ以上２５ｎｍ以下の大きさとすればよい。また、上記ナノワイヤとしては、Ａｇナノワイヤ、Ｃｕナノワイヤ、またはＡｌナノワイヤ等の金属ナノワイヤ、あるいは、カーボンナノチューブなどを用いればよい。例えば、電極６６４、６６５、６６７のいずれか一つあるいは全部にＡｇナノワイヤを用いる場合、可視光における光透過率を８９％以上、シート抵抗値を４０Ω／□以上１００Ω／□以下とすることができる。
また、図３７及び図３８においては、インセル型のタッチパネルの構成について例示したが、これに限定されない。例えば、表示装置７００上に形成する、所謂オンセル型のタッチパネルや、表示装置７００に貼り合わせて用いる、所謂アウトセル型のタッチパネルとしてもよい。
このように、本発明の一態様の表示装置は、様々な形態のタッチパネルと組み合わせて用いることができる。
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有する表示装置について、図４１を用いて説明を行う。
＜４．表示装置の回路構成＞
図４１（Ａ）に示す表示装置は、表示素子の画素を有する領域（以下、画素部５０２という）と、画素部５０２の外側に配置され、画素を駆動するための回路を有する回路部（以下、駆動回路部５０４という）と、素子の保護機能を有する回路（以下、保護回路５０６という）と、端子部５０７と、を有する。なお、保護回路５０６は、設けない構成としてもよい。
駆動回路部５０４の一部、または全部は、画素部５０２と同一基板上に形成されていることが望ましい。これにより、部品数や端子数を減らすことが出来る。駆動回路部５０４の一部、または全部が、画素部５０２と同一基板上に形成されていない場合には、駆動回路部５０４の一部、または全部は、ＣＯＧやＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって、実装することができる。
画素部５０２は、Ｘ行（Ｘは２以上の自然数）Ｙ列（Ｙは２以上の自然数）に配置された複数の表示素子を駆動するための回路（以下、画素回路５０１という）を有し、駆動回路部５０４は、画素を選択する信号（走査信号）を出力する回路（以下、ゲートドライバ５０４ａという）、画素の表示素子を駆動するための信号（データ信号）を供給するための回路（以下、ソースドライバ５０４ｂ）などの駆動回路を有する。
ゲートドライバ５０４ａは、シフトレジスタ等を有する。ゲートドライバ５０４ａは、端子部５０７を介して、シフトレジスタを駆動するための信号が入力され、信号を出力する。例えば、ゲートドライバ５０４ａは、スタートパルス信号、クロック信号等が入力され、パルス信号を出力する。ゲートドライバ５０４ａは、走査信号が与えられる配線（以下、走査線ＧＬ＿１乃至ＧＬ＿Ｘという）の電位を制御する機能を有する。なお、ゲートドライバ５０４ａを複数設け、複数のゲートドライバ５０４ａにより、走査線ＧＬ＿１乃至ＧＬ＿Ｘを分割して制御してもよい。または、ゲートドライバ５０４ａは、初期化信号を供給することができる機能を有する。ただし、これに限定されず、ゲートドライバ５０４ａは、別の信号を供給することも可能である。
ソースドライバ５０４ｂは、シフトレジスタ等を有する。ソースドライバ５０４ｂは、端子部５０７を介して、シフトレジスタを駆動するための信号の他、データ信号の元となる信号（画像信号）が入力される。ソースドライバ５０４ｂは、画像信号を元に画素回路５０１に書き込むデータ信号を生成する機能を有する。また、ソースドライバ５０４ｂは、スタートパルス、クロック信号等が入力されて得られるパルス信号に従って、データ信号の出力を制御する機能を有する。また、ソースドライバ５０４ｂは、データ信号が与えられる配線（以下、データ線ＤＬ＿１乃至ＤＬ＿Ｙという）の電位を制御する機能を有する。または、ソースドライバ５０４ｂは、初期化信号を供給することができる機能を有する。ただし、これに限定されず、ソースドライバ５０４ｂは、別の信号を供給することも可能である。
ソースドライバ５０４ｂは、例えば複数のアナログスイッチなどを用いて構成される。ソースドライバ５０４ｂは、複数のアナログスイッチを順次オン状態にすることにより、画像信号を時分割した信号をデータ信号として出力できる。また、シフトレジスタなどを用いてソースドライバ５０４ｂを構成してもよい。
複数の画素回路５０１のそれぞれは、走査信号が与えられる複数の走査線ＧＬの一つを介してパルス信号が入力され、データ信号が与えられる複数のデータ線ＤＬの一つを介してデータ信号が入力される。また、複数の画素回路５０１のそれぞれは、ゲートドライバ５０４ａによりデータ信号のデータの書き込み及び保持が制御される。例えば、ｍ行ｎ列目の画素回路５０１は、走査線ＧＬ＿ｍ（ｍはＸ以下の自然数）を介してゲートドライバ５０４ａからパルス信号が入力され、走査線ＧＬ＿ｍの電位に応じてデータ線ＤＬ＿ｎ（ｎはＹ以下の自然数）を介してソースドライバ５０４ｂからデータ信号が入力される。
図４１（Ａ）に示す保護回路５０６は、例えば、ゲートドライバ５０４ａと画素回路５０１の間の配線である走査線ＧＬに接続される。または、保護回路５０６は、ソースドライバ５０４ｂと画素回路５０１の間の配線であるデータ線ＤＬに接続される。または、保護回路５０６は、ゲートドライバ５０４ａと端子部５０７との間の配線に接続することができる。または、保護回路５０６は、ソースドライバ５０４ｂと端子部５０７との間の配線に接続することができる。なお、端子部５０７は、外部の回路から表示装置に電源及び制御信号、及び画像信号を入力するための端子が設けられた部分をいう。
保護回路５０６は、自身が接続する配線に一定の範囲外の電位が与えられたときに、該配線と別の配線とを導通状態にする回路である。
図４１（Ａ）に示すように、画素部５０２と駆動回路部５０４にそれぞれ保護回路５０６を設けることにより、ＥＳＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｓｔａｔｉｃ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ：静電気放電）などにより発生する過電流に対する表示装置の耐性を高めることができる。ただし、保護回路５０６の構成はこれに限定されず、例えば、ゲートドライバ５０４ａに保護回路５０６を接続した構成、またはソースドライバ５０４ｂに保護回路５０６を接続した構成とすることもできる。あるいは、端子部５０７に保護回路５０６を接続した構成とすることもできる。
また、図４１（Ａ）においては、ゲートドライバ５０４ａとソースドライバ５０４ｂによって駆動回路部５０４を形成している例を示しているが、この構成に限定されない。例えば、ゲートドライバ５０４ａのみを形成し、別途用意されたソースドライバ回路が形成された基板（例えば、単結晶半導体膜、多結晶半導体膜で形成された駆動回路基板）を実装する構成としても良い。
また、図４１（Ａ）に示す複数の画素回路５０１は、例えば、図４１（Ｂ）に示す構成とすることができる。
図４１（Ｂ）に示す画素回路５０１は、液晶素子５７０と、トランジスタ５５０と、容量素子５６０と、を有する。トランジスタ５５０に先の実施の形態に示すトランジスタを適用することができる。
液晶素子５７０の一対の電極の一方の電位は、画素回路５０１の仕様に応じて適宜設定される。液晶素子５７０は、書き込まれるデータにより配向状態が設定される。なお、複数の画素回路５０１のそれぞれが有する液晶素子５７０の一対の電極の一方に共通の電位（コモン電位）を与えてもよい。また、各行の画素回路５０１の液晶素子５７０の一対の電極の一方に異なる電位を与えてもよい。
例えば、液晶素子５７０を備える表示装置の駆動方法としては、ＴＮモード、ＳＴＮモード、ＶＡモード、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｍｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＭＶＡモード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＩＰＳモード、ＦＦＳモード、又はＴＢＡ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｂｅｎｄ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モードなどを用いてもよい。また、表示装置の駆動方法としては、上述した駆動方法の他、ＥＣＢ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＰＤＬＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＰＮＬＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ゲストホストモードなどがある。ただし、これに限定されず、液晶素子及びその駆動方式として様々なものを用いることができる。
ｍ行ｎ列目の画素回路５０１において、トランジスタ５５０のソース電極またはドレイン電極の一方は、データ線ＤＬ＿ｎに電気的に接続され、他方は液晶素子５７０の一対の電極の他方に電気的に接続される。また、トランジスタ５５０のゲート電極は、走査線ＧＬ＿ｍに電気的に接続される。トランジスタ５５０は、オン状態またはオフ状態になることにより、データ信号のデータの書き込みを制御する機能を有する。
容量素子５６０の一対の電極の一方は、電位が供給される配線（以下、電位供給線ＶＬ）に電気的に接続され、他方は、液晶素子５７０の一対の電極の他方に電気的に接続される。なお、電位供給線ＶＬの電位の値は、画素回路５０１の仕様に応じて適宜設定される。容量素子５６０は、書き込まれたデータを保持する保持容量としての機能を有する。
例えば、図４１（Ｂ）の画素回路５０１を有する表示装置では、例えば、図４１（Ａ）に示すゲートドライバ５０４ａにより各行の画素回路５０１を順次選択し、トランジスタ５５０をオン状態にしてデータ信号のデータを書き込む。
データが書き込まれた画素回路５０１は、トランジスタ５５０がオフ状態になることで保持状態になる。これを行毎に順次行うことにより、画像を表示できる。
また、図４１（Ａ）に示す複数の画素回路５０１は、例えば、図４１（Ｃ）に示す構成とすることができる。
また、図４１（Ｃ）に示す画素回路５０１は、トランジスタ５５２、５５４と、容量素子５６２と、発光素子５７２と、を有する。トランジスタ５５２及びトランジスタ５５４のいずれか一方または双方に先の実施の形態に示すトランジスタを適用することができる。
トランジスタ５５２のソース電極及びドレイン電極の一方は、データ信号が与えられる配線（以下、データ線ＤＬ＿ｎという）に電気的に接続される。さらに、トランジスタ５５２のゲート電極は、ゲート信号が与えられる配線（以下、走査線ＧＬ＿ｍという）に電気的に接続される。
トランジスタ５５２は、オン状態またはオフ状態になることにより、データ信号のデータの書き込みを制御する機能を有する。
容量素子５６２の一対の電極の一方は、電位が与えられる配線（以下、電位供給線ＶＬ＿ａという）に電気的に接続され、他方は、トランジスタ５５２のソース電極及びドレイン電極の他方に電気的に接続される。
容量素子５６２は、書き込まれたデータを保持する保持容量としての機能を有する。
トランジスタ５５４のソース電極及びドレイン電極の一方は、電位供給線ＶＬ＿ａに電気的に接続される。さらに、トランジスタ５５４のゲート電極は、トランジスタ５５２のソース電極及びドレイン電極の他方に電気的に接続される。
発光素子５７２のアノード及びカソードの一方は、電位供給線ＶＬ＿ｂに電気的に接続され、他方は、トランジスタ５５４のソース電極及びドレイン電極の他方に電気的に接続される。
発光素子５７２としては、例えば有機エレクトロルミネセンス素子（有機ＥＬ素子ともいう）などを用いることができる。ただし、発光素子５７２としては、これに限定されず、無機材料からなる無機ＥＬ素子を用いても良い。
なお、電位供給線ＶＬ＿ａ及び電位供給線ＶＬ＿ｂの一方には、高電源電位ＶＤＤが与えられ、他方には、低電源電位ＶＳＳが与えられる。
図４１（Ｃ）の画素回路５０１を有する表示装置では、例えば、図４１（Ａ）に示すゲートドライバ５０４ａにより各行の画素回路５０１を順次選択し、トランジスタ５５２をオン状態にしてデータ信号のデータを書き込む。
データが書き込まれた画素回路５０１は、トランジスタ５５２がオフ状態になることで保持状態になる。さらに、書き込まれたデータ信号の電位に応じてトランジスタ５５４のソース電極とドレイン電極の間に流れる電流量が制御され、発光素子５７２は、流れる電流量に応じた輝度で発光する。これを行毎に順次行うことにより、画像を表示できる。
本実施の形態は、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５）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を有する表示モジュール及び電子機器について、図４２乃至図４５を用いて説明を行う。
＜５−１．表示モジュール＞
図４２に示す表示モジュール７０００は、上部カバー７００１と下部カバー７００２との間に、ＦＰＣ７００３に接続されたタッチパネル７００４、ＦＰＣ７００５に接続された表示パネル７００６、バックライト７００７、フレーム７００９、プリント基板７０１０、バッテリ７０１１を有する。
本発明の一態様の半導体装置は、例えば、表示パネル７００６に用いることができる。
上部カバー７００１及び下部カバー７００２は、タッチパネル７００４及び表示パネル７００６のサイズに合わせて、形状や寸法を適宜変更することができる。
タッチパネル７００４は、抵抗膜方式または静電容量方式のタッチパネルを表示パネル７００６に重畳して用いることができる。また、表示パネル７００６の対向基板（封止基板）に、タッチパネル機能を持たせるようにすることも可能である。また、表示パネル７００６の各画素内に光センサを設け、光学式のタッチパネルとすることも可能である。
バックライト７００７は、光源７００８を有する。なお、図４２において、バックライト７００７上に光源７００８を配置する構成について例示したが、これに限定さない。例えば、バックライト７００７の端部に光源７００８を配置し、さらに光拡散板を用いる構成としてもよい。なお、有機ＥＬ素子等の自発光型の発光素子を用いる場合、または反射型パネル等の場合においては、バックライト７００７を設けない構成としてもよい。
フレーム７００９は、表示パネル７００６の保護機能の他、プリント基板７０１０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７００９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７０１０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７０１１による電源であってもよい。バッテリ７０１１は、商用電源を用いる場合には、省略可能である。
また、表示モジュール７０００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。
＜５−２．電子機器１＞
次に、図４３（Ａ）乃至図４３（Ｅ）に電子機器の一例を示す。
図４３（Ａ）は、ファインダー８１００を取り付けた状態のカメラ８０００の外観を示す図である。
カメラ８０００は、筐体８００１、表示部８００２、操作ボタン８００３、シャッターボタン８００４等を有する。またカメラ８０００には、着脱可能なレンズ８００６が取り付けられている。
ここではカメラ８０００として、レンズ８００６を筐体８００１から取り外して交換することが可能な構成としたが、レンズ８００６と筐体が一体となっていてもよい。
カメラ８０００は、シャッターボタン８００４を押すことにより、撮像することができる。また、表示部８００２はタッチパネルとしての機能を有し、表示部８００２をタッチすることにより撮像することも可能である。
カメラ８０００の筐体８００１は、電極を有するマウントを有し、ファインダー８１００のほか、ストロボ装置等を接続することができる。
ファインダー８１００は、筐体８１０１、表示部８１０２、ボタン８１０３等を有する。
筐体８１０１は、カメラ８０００のマウントと係合するマウントを有しており、ファインダー８１００をカメラ８０００に取り付けることができる。また当該マウントには電極を有し、当該電極を介してカメラ８０００から受信した映像等を表示部８１０２に表示させることができる。
ボタン８１０３は、電源ボタンとしての機能を有する。ボタン８１０３により、表示部８１０２の表示のオン・オフを切り替えることができる。
カメラ８０００の表示部８００２、及びファインダー８１００の表示部８１０２に、本発明の一態様の表示装置を適用することができる。
なお、図４３（Ａ）では、カメラ８０００とファインダー８１００とを別の電子機器とし、これらを脱着可能な構成としたが、カメラ８０００の筐体８００１に、表示装置を備えるファインダーが内蔵されていてもよい。
図４３（Ｂ）は、ヘッドマウントディスプレイ８２００の外観を示す図である。
ヘッドマウントディスプレイ８２００は、装着部８２０１、レンズ８２０２、本体８２０３、表示部８２０４、ケーブル８２０５等を有している。また装着部８２０１には、バッテリ８２０６が内蔵されている。
ケーブル８２０５は、バッテリ８２０６から本体８２０３に電力を供給する。本体８２０３は無線受信機等を備え、受信した画像データ等の映像情報を表示部８２０４に表示させることができる。また、本体８２０３に設けられたカメラで使用者の眼球やまぶたの動きを捉え、その情報をもとに使用者の視点の座標を算出することにより、使用者の視点を入力手段として用いることができる。
また、装着部８２０１には、使用者に触れる位置に複数の電極が設けられていてもよい。本体８２０３は使用者の眼球の動きに伴って電極に流れる電流を検知することにより、使用者の視点を認識する機能を有していてもよい。また、当該電極に流れる電流を検知することにより、使用者の脈拍をモニタする機能を有していてもよい。また、装着部８２０１には、温度センサ、圧力センサ、加速度センサ等の各種センサを有していてもよく、使用者の生体情報を表示部８２０４に表示する機能を有していてもよい。また、使用者の頭部の動きなどを検出し、表示部８２０４に表示する映像をその動きに合わせて変化させてもよい。
表示部８２０４に、本発明の一態様の表示装置を適用することができる。
図４３（Ｃ）（Ｄ）（Ｅ）は、ヘッドマウントディスプレイ８３００の外観を示す図である。ヘッドマウントディスプレイ８３００は、筐体８３０１と、表示部８３０２と、バンド状の固定具８３０４と、一対のレンズ８３０５と、を有する。
使用者は、レンズ８３０５を通して、表示部８３０２の表示を視認することができる。なお、表示部８３０２を湾曲して配置させる好適である。表示部８３０２を湾曲して配置することで、使用者が高い臨場感を感じることができる。なお、本実施の形態においては、表示部８３０２を１つ設ける構成について例示したが、これに限定されず、例えば、表示部８３０２を２つ設ける構成としてもよい。この場合、使用者の片方の目に１つの表示部が配置されるような構成とすると、視差を用いた３次元表示等を行うことも可能となる。
なお、表示部８３０２に、本発明の一態様の表示装置を適用することができる。本発明の一態様の半導体装置を有する表示装置は、極めて精細度が高いため、図４３（Ｅ）のようにレンズ８３０５を用いて拡大したとしても、使用者に画素が視認されることなく、より現実感の高い映像を表示することができる。
＜５−３．電子機器２＞
次に、図４３（Ａ）乃至図４３（Ｅ）に示す電子機器と、異なる電子機器の一例を図４４（Ａ）乃至図４４（Ｇ）に示す。
図４４（Ａ）乃至図４４（Ｇ）に示す電子機器は、筐体９０００、表示部９００１、スピーカ９００３、操作キー９００５（電源スイッチ、又は操作スイッチを含む）、接続端子９００６、センサ９００７（力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、におい又は赤外線を測定する機能を含むもの）、マイクロフォン９００８、等を有する。
図４４（Ａ）乃至図４４（Ｇ）に示す電子機器は、様々な機能を有する。例えば、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示部に表示する機能、タッチパネル機能、カレンダー、日付または時刻などを表示する機能、様々なソフトウェア（プログラム）によって処理を制御する機能、無線通信機能、無線通信機能を用いて様々なコンピュータネットワークに接続する機能、無線通信機能を用いて様々なデータの送信または受信を行う機能、記録媒体に記録されているプログラムまたはデータを読み出して表示部に表示する機能、等を有することができる。なお、図４４（Ａ）乃至図４４（Ｇ）に示す電子機器が有することのできる機能はこれらに限定されず、様々な機能を有することができる。また、図４４（Ａ）乃至図４４（Ｇ）には図示していないが、電子機器には、複数の表示部を有する構成としてもよい。また、該電子機器にカメラ等を設け、静止画を撮影する機能、動画を撮影する機能、撮影した画像を記録媒体（外部またはカメラに内蔵）に保存する機能、撮影した画像を表示部に表示する機能、等を有していてもよい。
図４４（Ａ）乃至図４４（Ｇ）に示す電子機器の詳細について、以下説明を行う。
図４４（Ａ）は、テレビジョン装置９１００を示す斜視図である。テレビジョン装置９１００は、表示部９００１を大画面、例えば、５０インチ以上、または１００インチ以上の表示部９００１を組み込むことが可能である。
図４４（Ｂ）は、携帯情報端末９１０１を示す斜視図である。携帯情報端末９１０１は、例えば電話機、手帳又は情報閲覧装置等から選ばれた一つ又は複数の機能を有する。具体的には、スマートフォンとして用いることができる。なお、携帯情報端末９１０１は、スピーカ、接続端子、センサ等を設けてもよい。また、携帯情報端末９１０１は、文字や画像情報をその複数の面に表示することができる。例えば、３つの操作ボタン９０５０（操作アイコンまたは単にアイコンともいう）を表示部９００１の一の面に表示することができる。また、破線の矩形で示す情報９０５１を表示部９００１の他の面に表示することができる。なお、情報９０５１の一例としては、電子メールやＳＮＳ（ソーシャル・ネットワーキング・サービス）や電話などの着信を知らせる表示、電子メールやＳＮＳなどの題名、電子メールやＳＮＳなどの送信者名、日時、時刻、バッテリの残量、アンテナ受信の強度などがある。または、情報９０５１が表示されている位置に、情報９０５１の代わりに、操作ボタン９０５０などを表示してもよい。
図４４（Ｃ）は、携帯情報端末９１０２を示す斜視図である。携帯情報端末９１０２は、表示部９００１の３面以上に情報を表示する機能を有する。ここでは、情報９０５２、情報９０５３、情報９０５４がそれぞれ異なる面に表示されている例を示す。例えば、携帯情報端末９１０２の使用者は、洋服の胸ポケットに携帯情報端末９１０２を収納した状態で、その表示（ここでは情報９０５３）を確認することができる。具体的には、着信した電話の発信者の電話番号又は氏名等を、携帯情報端末９１０２の上方から観察できる位置に表示する。使用者は、携帯情報端末９１０２をポケットから取り出すことなく、表示を確認し、電話を受けるか否かを判断できる。
図４４（Ｄ）は、腕時計型の携帯情報端末９２００を示す斜視図である。携帯情報端末９２００は、移動電話、電子メール、文章閲覧及び作成、音楽再生、インターネット通信、コンピュータゲームなどの種々のアプリケーションを実行することができる。また、表示部９００１はその表示面が湾曲して設けられ、湾曲した表示面に沿って表示を行うことができる。また、携帯情報端末９２００は、通信規格された近距離無線通信を実行することが可能である。例えば無線通信可能なヘッドセットと相互通信することによって、ハンズフリーで通話することもできる。また、携帯情報端末９２００は、接続端子９００６を有し、他の情報端末とコネクターを介して直接データのやりとりを行うことができる。また接続端子９００６を介して充電を行うこともできる。なお、充電動作は接続端子９００６を介さずに無線給電により行ってもよい。
図４４（Ｅ）（Ｆ）（Ｇ）は、折り畳み可能な携帯情報端末９２０１を示す斜視図である。また、図４４（Ｅ）が携帯情報端末９２０１を展開した状態の斜視図であり、図４４（Ｆ）が携帯情報端末９２０１を展開した状態または折り畳んだ状態の一方から他方に変化する途中の状態の斜視図であり、図４４（Ｇ）が携帯情報端末９２０１を折り畳んだ状態の斜視図である。携帯情報端末９２０１は、折り畳んだ状態では可搬性に優れ、展開した状態では、継ぎ目のない広い表示領域により表示の一覧性に優れる。携帯情報端末９２０１が有する表示部９００１は、ヒンジ９０５５によって連結された３つの筐体９０００に支持されている。ヒンジ９０５５を介して２つの筐体９０００間を屈曲させることにより、携帯情報端末９２０１を展開した状態から折りたたんだ状態に可逆的に変形させることができる。例えば、携帯情報端末９２０１は、曲率半径１ｍｍ以上１５０ｍｍ以下で曲げることができる。
次に、図４３（Ａ）乃至図４３（Ｅ）に示す電子機器、及び図４４（Ａ）乃至図４４（Ｇ）に示す電子機器と異なる電子機器の一例を図４５（Ａ）（Ｂ）に示す。図４５（Ａ）（Ｂ）は、複数の表示パネルを有する表示装置の斜視図である。なお、図４５（Ａ）は、複数の表示パネルが巻き取られた形態の斜視図であり、図４５（Ｂ）は、複数の表示パネルが展開された状態の斜視図である。
図４５（Ａ）（Ｂ）に示す表示装置９５００は、複数の表示パネル９５０１と、軸部９５１１と、軸受部９５１２と、を有する。また、複数の表示パネル９５０１は、表示領域９５０２と、透光性を有する領域９５０３と、を有する。
また、複数の表示パネル９５０１は、可撓性を有する。また、隣接する２つの表示パネル９５０１は、それらの一部が互いに重なるように設けられる。例えば、隣接する２つの表示パネル９５０１の透光性を有する領域９５０３を重ね合わせることができる。複数の表示パネル９５０１を用いることで、大画面の表示装置とすることができる。また、使用状況に応じて、表示パネル９５０１を巻き取ることが可能であるため、汎用性に優れた表示装置とすることができる。
また、図４５（Ａ）（Ｂ）においては、表示領域９５０２が隣接する表示パネル９５０１で離間する状態を図示しているが、これに限定されず、例えば、隣接する表示パネル９５０１の表示領域９５０２を隙間なく重ねあわせることで、連続した表示領域９５０２としてもよい。
本実施の形態において述べた電子機器は、何らかの情報を表示するための表示部を有することを特徴とする。ただし、本発明の一態様の半導体装置は、表示部を有さない電子機器にも適用することができる。
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。
本実施例では、上記実施の形態に示す方法を用いて成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物膜（以下、ＩＧＺＯ膜と呼ぶ。）の元素分析及び結晶性の評価を行った結果について説明する。
本実施例に係る試料Ａ１では、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（原子数比Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１）ターゲットを用いたスパッタリング法により、膜厚１００ｎｍを狙ってガラス基板上にＩＧＺＯ膜を成膜した。ＩＧＺＯ膜の成膜は、アルゴンガス１８０ｓｃｃｍおよび酸素ガス２０ｓｃｃｍを含む雰囲気で圧力を０．６Ｐａに制御し、基板温度を室温とし、２．５ｋＷの交流電力を印加して行った。
作製した試料Ａ１のＩＧＺＯ膜の断面について、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ：Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて測定を行った。ＥＤＸ測定は、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。元素分析装置としてエネルギー分散型Ｘ線分析装置ＪＥＤ−２３００Ｔを用いた。なお、試料Ａ１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た。
ＥＤＸ測定では、試料Ａ１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Ａ１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。本実施例では、各点のＥＤＸスペクトルのピークを、Ｉｎ原子、Ｇａ原子、Ｚｎ原子及びＯ原子中の電子の遷移に帰属させ、各点におけるそれぞれの原子の比率を算出した。これを試料Ａ１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。
試料Ａ１のＩＧＺＯ膜断面におけるＩｎ原子のＥＤＸマッピングを図４６に示す。図４６に示すＥＤＸマッピングは、ＩＧＺＯ膜の各点におけるＩｎ原子の比率［ａｔｏｍｉｃ％］を示している。図４６中の比較的色が濃い領域はＩｎ原子の比率が低く、最低で１０．８５ａｔｏｍｉｃ％となり、図４６中の比較的色が薄い領域はＩｎ原子の比率が高く、最高で２５．２１ａｔｏｍｉｃ％となる。
図４６に示すＥＤＸマッピングでは、画像に濃淡の分布が見られ、ＩＧＺＯ膜の断面においてＩｎ原子が偏析していることが分かる。ここで、ＥＤＸマッピング中の比較的色が淡い領域は、概略円形または概略楕円形の領域が多い。また、複数の概略円形または概略楕円形の領域が連結して形成される領域も見られる。別言すると、概略円形または概略楕円形の領域が網目状に形成されているとも言える。上記の通り、比較的色が淡い領域は、Ｉｎが高濃度に存在する領域であり、上記実施の形態に示す領域Ａに対応する。ただし、領域Ａは分析対象領域を横断または縦断するほど大きくはなく、周囲を比較的色の濃い領域（上記実施の形態に示す領域Ｂに対応。）に囲まれてアイランド状に形成されている。また、領域Ａと領域Ｂの間には、色の濃さが中間程度の領域も形成されており、領域Ａと領域Ｂの境界が不明確な部分もある。また、概略円形または概略楕円形の領域Ａの径は、０．１ｎｍ以上５ｎｍ以下の範囲程度になる部分が多い。
このように、試料Ａ１のＩＧＺＯ膜は、Ｉｎ−ｒｉｃｈな領域ＡとＩｎ−ｐｏｏｒな領域Ｂとが形成された、複合酸化物半導体である。領域Ａがトランジスタのオン電流及び電界効果移動度に寄与し、領域Ｂがトランジスタのスイッチング特性に寄与するため、当該複合酸化物半導体を用いることで良好な電気特性を有するトランジスタを作製することができる。
また、領域Ａが領域Ｂに囲まれるようにアイランド状に形成されることで、トランジスタのソース−ドレイン間が領域Ａを介して接続され、オフ電流が上昇することを抑制できる。
次に、試料Ａ１とは異なり、アルゴンガス１４０ｓｃｃｍおよび酸素ガス６０ｓｃｃｍを含む雰囲気で、基板温度を１７０℃として、ＩＧＺＯ膜を成膜して試料Ｂ１を作製した。なお、試料Ｂ１のＩＧＺＯ膜の他の成膜条件は試料Ａ１と同様である。
試料Ａ１と試料Ｂ１の断面のＢＦ−ＳＴＥＭ（Ｂｒｉｇｈｔ Ｆｉｅｌｄ − Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）像を倍率２，０００，０００倍で撮影した。試料Ａ１のＢＦ−ＳＴＥＭ像を図４７（Ａ）に、試料Ｂ１のＢＦ−ＳＴＥＭ像を図４７（Ｂ）に示す。
図４７（Ａ）に示すように、試料Ａ１のＩＧＺＯ膜では、面積は狭いが、層状の結晶部が形成されており、ｃ軸配向性を有する結晶部も見られる。これに対して、図４７（Ｂ）に示す試料Ｂ１のＩＧＺＯ膜では、試料Ａ１と比較して広い面積の、層状の結晶部が形成されている。このように、Ｉｎ原子の偏析が見られる試料Ａ１のＩＧＺＯ膜中にも、層状の結晶部が確認された。また、ＩＧＺＯ成膜時の酸素流量比を大きくし、基板温度を高くすることにより、ＩＧＺＯ膜の結晶性の向上を図ることができる可能性が示唆された。
さらに多くの条件で酸素流量比と基板温度を設定してＩＧＺＯ膜を成膜した試料を作製し、結晶性の評価を行った。試料のＩＧＺＯ膜の成膜条件は、酸素流量比をそれぞれ、１０％（酸素ガス２０ｓｃｃｍ、アルゴンガス１８０ｓｃｃｍ）、３０％（酸素ガス６０ｓｃｃｍ、アルゴンガス１４０ｓｃｃｍ）、５０％（酸素ガス１００ｓｃｃｍ、アルゴンガス１００ｓｃｃｍ）、７０％（酸素ガス１４０ｓｃｃｍ、アルゴンガス６０ｓｃｃｍ）、または１００％（酸素ガス２００ｓｃｃｍ）とした。また、基板温度を室温、１３０℃、または１７０℃とした。なお、各試料のＩＧＺＯ膜の他の成膜条件は試料Ａ１と同様である。
各試料のＩＧＺＯ膜の結晶性の評価には、ＸＲＤ測定を用いた。ＸＲＤ測定では、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法の一種である粉末法（θ−２θ法ともいう。）を用いた。θ−２θ法は、Ｘ線の入射角を変化させるとともに、Ｘ線源に対向して設けられる検出器の角度を入射角と同じにしてＸ線回折強度を測定する方法である。
図４８（Ａ）に各試料のＸＲＤ測定結果を示す。図４８（Ｂ）に示すように、各試料のガラス基板中の３つのポイントについて測定を行った。
図４８（Ａ）において、縦軸が回折強度を任意単位で示し、横軸が角度２θを示している。また、図４８（Ａ）において、図４８（Ｂ）の３つのポイントに対応する、３つのＸＲＤのプロファイルを並べて示している。
図４８（Ａ）に示すように、試料Ａ１と同様の成膜条件のＩＧＺＯ膜においては、２θ＝３１°付近の回折強度のピークが確認され難い、または２θ＝３１°付近の回折強度のピークが極めて小さい、あるいは２θ＝３１°付近の回折強度のピークが無い。一方で、試料Ｂと同様の成膜条件のＩＧＺＯ膜においては、２θ＝３１°付近に回折強度のピークが明確に確認される。
なお、回折強度のピークがみられた回折角（２θ＝３１°付近）は、単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４の構造モデルにおける（００９）面の回折角と一致する。したがって、試料Ｂ１と同様の成膜条件のＩＧＺＯ膜において、上記ピークが観測されることから、ｃ軸配向性を有する結晶部が含まれていることが確認できる。
一方で、試料Ａ１と同様の成膜条件のＩＧＺＯ膜については、ＸＲＤ測定からでは、ｃ軸配向性を有する結晶部が含まれているかを判断するのが困難である。しかしながら、図４７（Ａ）に示したように、ＢＦ−ＳＴＥＭ像などを撮影することにより、微小な領域でｃ軸配向性を有する結晶部を確認することができる。
また、図４８（Ａ）に示すように、ＩＧＺＯ膜の成膜時の酸素流量比が大きいほど、または基板温度が高いほど、ＸＲＤのプロファイルのピークが鋭くなっている。よって、ＩＧＺＯ膜の成膜時の酸素流量比が大きいほど、または基板温度が高いほど、結晶性の高いＩＧＺＯ膜が作製できると示唆される。
なお、本実施例に示す構成は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。
１００ トランジスタ
１００Ａ トランジスタ
１０２ 基板
１０４ 絶縁膜
１０６ 導電膜
１０８ 酸化物半導体膜
１０８＿１ 酸化物半導体膜
１０８＿１ａ 酸化物半導体膜
１０８＿２ 酸化物半導体膜
１０８＿２ａ 酸化物半導体膜
１０８＿３ 酸化物半導体膜
１０８＿３ａ 酸化物半導体膜
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
１５０Ａ トランジスタ
１６０ トランジスタ
１６０Ａ トランジスタ
１７０ トランジスタ
１７０Ａ トランジスタ
５０１ 画素回路
５０２ 画素部
５０４ 駆動回路部
５０４ａ ゲートドライバ
５０４ｂ ソースドライバ
５０６ 保護回路
５０７ 端子部
５５０ トランジスタ
５５２ トランジスタ
５５４ トランジスタ
５６０ 容量素子
５６２ 容量素子
５７０ 液晶素子
５７２ 発光素子
６６４ 電極
６６５ 電極
６６７ 電極
７００ 表示装置
７０１ 基板
７０２ 画素部
７０４ ソースドライバ回路部
７０５ 基板
７０６ ゲートドライバ回路部
７０８ ＦＰＣ端子部
７１０ 信号線
７１１ 配線部
７１２ シール材
７１６ ＦＰＣ
７３０ 絶縁膜
７３２ 封止膜
７３４ 絶縁膜
７３６ 着色膜
７３８ 遮光膜
７５０ トランジスタ
７５２ トランジスタ
７６０ 接続電極
７７０ 平坦化絶縁膜
７７２ 導電膜
７７３ 絶縁膜
７７４ 導電膜
７７５ 液晶素子
７７６ 液晶層
７７８ 構造体
７８０ 異方性導電膜
７８２ 発光素子
７８３ 液滴吐出装置
７８４ 液滴
７８５ 層
７８６ ＥＬ層
７８８ 導電膜
７９０ 容量素子
７９１ タッチパネル
７９２ 絶縁膜
７９３ 電極
７９４ 電極
７９５ 絶縁膜
７９６ 電極
７９７ 絶縁膜
１４００ 液滴吐出装置
１４０２ 基板
１４０３ 液滴吐出手段
１４０４ 撮像手段
１４０５ ヘッド
１４０６ 点線
１４０７ 制御手段
１４０８ 記憶媒体
１４０９ 画像処理手段
１４１０ コンピュータ
１４１１ マーカー
１４１２ ヘッド
１４１３ 材料供給源
１４１４ 材料供給源
２５００ａ ターゲット
２５００ｂ ターゲット
２５０１ 成膜室
２５１０ａ バッキングプレート
２５１０ｂ バッキングプレート
２５２０ ターゲットホルダ
２５２０ａ ターゲットホルダ
２５２０ｂ ターゲットホルダ
２５３０ａ マグネットユニット
２５３０ｂ マグネットユニット
２５３０Ｎ１ マグネット
２５３０Ｎ２ マグネット
２５３０Ｓ マグネット
２５３２ マグネットホルダ
２５４２ 部材
２５６０ 基板
２５７０ 基板ホルダ
２５８０ａ 磁力線
２５８０ｂ 磁力線
７０００ 表示モジュール
７００１ 上部カバー
７００２ 下部カバー
７００３ ＦＰＣ
７００４ タッチパネル
７００５ ＦＰＣ
７００６ 表示パネル
７００７ バックライト
７００８ 光源
７００９ フレーム
７０１０ プリント基板
７０１１ バッテリ
８０００ カメラ
８００１ 筐体
８００２ 表示部
８００３ 操作ボタン
８００４ シャッターボタン
８００６ レンズ
８１００ ファインダー
８１０１ 筐体
８１０２ 表示部
８１０３ ボタン
８２００ ヘッドマウントディスプレイ
８２０１ 装着部
８２０２ レンズ
８２０３ 本体
８２０４ 表示部
８２０５ ケーブル
８２０６ バッテリ
８３００ ヘッドマウントディスプレイ
８３０１ 筐体
８３０２ 表示部
８３０４ 固定具
８３０５ レンズ
９０００ 筐体
９００１ 表示部
９００３ スピーカ
９００５ 操作キー
９００６ 接続端子
９００７ センサ
９００８ マイクロフォン
９０５０ 操作ボタン
９０５１ 情報
９０５２ 情報
９０５３ 情報
９０５４ 情報
９０５５ ヒンジ
９１００ テレビジョン装置
９１０１ 携帯情報端末
９１０２ 携帯情報端末
９２００ 携帯情報端末
９２０１ 携帯情報端末
９５００ 表示装置
９５０１ 表示パネル
９５０２ 表示領域
９５０３ 領域
９５１１ 軸部
９５１２ 軸受部

Claims (14)

  1. 酸化物半導体膜を有する半導体装置であって、
    前記半導体装置は、
    第１の絶縁膜と、
    前記第１の絶縁膜上の酸化物半導体膜と、
    前記酸化物半導体膜上の第２の絶縁膜及び第３の絶縁膜と、
    前記第２絶縁膜上のゲート電極と、を有し、
    前記酸化物半導体膜は、
    第１の酸化物半導体膜と、
    前記第１の酸化物半導体膜上の第２の酸化物半導体膜と、
    前記第２の酸化物半導体膜上の第３の酸化物半導体膜と、を有し、
    前記第１乃至第３の酸化物半導体膜は、
    それぞれ、同じ元素を有し、
    前記第２の酸化物半導体膜は、前記第１の酸化物半導体膜及び前記第３の酸化物半導体膜のいずれか一方または双方よりも結晶性が低い領域を有する、
    ことを特徴とする半導体装置。
  2. 酸化物半導体膜を有する半導体装置であって、
    前記半導体装置は、
    第１のゲート電極と、
    前記第１のゲート電極上の第１の絶縁膜と、
    前記第１の絶縁膜上の酸化物半導体膜と、
    前記酸化物半導体膜上の第２の絶縁膜及び第３の絶縁膜と、
    前記第２絶縁膜上の第２のゲート電極と、を有し、
    前記酸化物半導体膜は、
    第１の酸化物半導体膜と、
    前記第１の酸化物半導体膜上の第２の酸化物半導体膜と、
    前記第２の酸化物半導体膜上の第３の酸化物半導体膜と、を有し、
    前記第１乃至第３の酸化物半導体膜は、
    それぞれ、同じ元素を有し、
    前記第２の酸化物半導体膜は、前記第１の酸化物半導体膜及び前記第３の酸化物半導体膜のいずれか一方または双方よりも結晶性が低い領域を有する、
    ことを特徴とする半導体装置。
  3. 酸化物半導体膜を有する半導体装置であって、
    前記半導体装置は、
    第１のゲート電極と、
    前記第１のゲート電極上の第１の絶縁膜と、
    前記第１の絶縁膜上の酸化物半導体膜と、
    前記酸化物半導体膜上の第２の絶縁膜及び第３の絶縁膜と、
    前記第２絶縁膜上の第２のゲート電極と、を有し、
    前記第１のゲート電極、及び前記第２のゲート電極は、
    前記第１の絶縁膜及び前記第２の絶縁膜に設けられる開口部において接続され、
    且つ、前記酸化物半導体膜の側端部よりも外側に位置する領域を有し、
    前記酸化物半導体膜は、
    第１の酸化物半導体膜と、
    前記第１の酸化物半導体膜上の第２の酸化物半導体膜と、
    前記第２の酸化物半導体膜上の第３の酸化物半導体膜と、を有し、
    前記第１乃至第３の酸化物半導体膜は、
    それぞれ、同じ元素を有し、
    前記第２の酸化物半導体膜は、前記第１の酸化物半導体膜及び前記第３の酸化物半導体膜のいずれか一方または双方よりも結晶性が低い領域を有する、
    ことを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
    前記第１乃至第３の酸化物半導体膜は、それぞれ独立に、
    Ｉｎと、Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有する、
    ことを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項４において、
    前記Ｉｎ、前記Ｍ、及び前記Ｚｎの原子数比は、
    Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：３またはその近傍であり、
    前記Ｉｎが４の場合、前記Ｍが１．５以上２．５以下であり、且つ前記Ｚｎが２以上４以下である、
    ことを特徴とする半導体装置。
  6. 請求項４において、
    前記Ｉｎ、前記Ｍ、及び前記Ｚｎの原子数比は、
    Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：１：６またはその近傍であり、
    前記Ｉｎが５の場合、前記Ｍが０．５以上１．５以下であり、且つ前記Ｚｎが５以上７以下である、
    ことを特徴とする半導体装置。
  7. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、
    前記第２の酸化物半導体膜は、
    ＩｎａＭｂＺｎｃＯｄ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎを表し、ａ、ｂ、ｃ、及びｄは任意数を表す）を有する第１の領域と、
    ＩｎｘＺｎｙＯｚ（ｘ、ｙ、及びｚは任意数を表す）を有する第２の領域と、を有する、複合酸化物半導体である、
    ことを特徴とする半導体装置。
  8. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、
    前記第２の酸化物半導体膜は、前記第１の酸化物半導体膜及び前記第３の酸化物半導体膜のいずれか一方または双方よりも厚い領域を有する、
    ことを特徴とする半導体装置。
  9. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、
    前記第１の酸化物半導体膜及び前記第３の酸化物半導体膜のいずれか一方または双方は、
    結晶部を有し、
    前記結晶部は、ｃ軸配向性を有する、
    ことを特徴とする半導体装置。
  10. 請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の半導体装置と、
    表示素子と、を有する、
    ことを特徴とする表示装置。
  11. 請求項１０に記載の表示装置と、
    タッチセンサと、を有する、
    ことを特徴とする表示モジュール。
  12. 請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の半導体装置、請求項１０に記載の表示装置、または請求項１１に記載の表示モジュールと、
    操作キーまたはバッテリと、を有する、
    ことを特徴とする電子機器。
  13. 酸化物半導体膜を有する半導体装置の作製方法であって、
    第１の絶縁膜を形成する工程と、
    前記第１の絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成する工程と、
    前記酸化物半導体膜上に第２の絶縁膜及び第３の絶縁膜を形成する工程と、
    前記第２の絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、を有し、
    前記酸化物半導体膜を形成する工程は、
    第１の酸化物半導体膜を形成する工程と、
    前記第１の酸化物半導体膜上に第２の酸化物半導体膜を形成する工程と、
    前記第２の酸化物半導体膜上に第３の酸化物半導体膜を形成する工程と、を有し、
    前記第１の酸化物半導体膜乃至前記第３の酸化物半導体膜は、スパッタリング装置を用いて、真空中で連続して形成される、
    ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
  14. 請求項１３において、
    前記第２の酸化物半導体膜は、前記第１の酸化物半導体膜及び前記第３の酸化物半導体膜のいずれか一方または双方よりも、低い酸素分圧で形成される、
    ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
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