JP2019087577A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノーマリオフで、電気特性の良好な半導体装置を提供する。消費電力が低減された半導体装置を提供する。【解決手段】トランジスタ１００は、基板１０２上に設けられ、絶縁層１０３、絶縁層１０４、金属酸化物層１０８、絶縁層１１０、絶縁層１１４、導電層１１２、絶縁層１１５等を有する。金属酸化物層１０８の一部は、半導体として機能する。導電層１１２の一部は、ゲート電極として機能する。第１の金属酸化物層１０８ａにおいて酸素が脱離し、酸素欠損（Ｖｏ）が発生する場合がある。該酸素欠損（Ｖｏ）に窒素が入ることでＶｏＮが形成され、第１の金属酸化物層１０８ａは負の固定電荷を保持する場合がある。負の固定電荷を保持する第１の金属酸化物層１０８ａ上に、チャネル形成領域を有する第２の金属酸化物層１０８ｂを設けることで、ノーマリオフの電気特性を有し、かつオン電流が高いトランジスタを得ることができる。【選択図】図１

Description

本発明の一態様は、半導体装置に関する。

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本発明の一態様の技術分野としては、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、電子機器、照明装置、入力装置、入出力装置、それらの駆動方法、又はそれらの製造方法、を一例として挙げることができる。半導体装置は、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。

トランジスタに適用可能な半導体材料として、金属酸化物を用いた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。

半導体層に用いることのできる金属酸化物は、スパッタリング法などを用いて形成できるため、大型の表示装置を構成するトランジスタの半導体層に用いることができる。また、多結晶シリコンや非晶質シリコンを用いたトランジスタの生産設備の一部を改良して利用することが可能であるため、設備投資を抑えられる。また、金属酸化物を用いたトランジスタは、非晶質シリコンを用いた場合に比べて高い電界効果移動度を有するため、例えば表示装置と駆動回路を一体形成した高機能の表示装置を実現できる。

また、特許文献２には、ソース領域およびドレイン領域に、アルミニウム、ホウ素、ガリウム、インジウム、チタン、シリコン、ゲルマニウム、スズ、および鉛からなる群のうちの少なくとも一種をドーパントとして含む低抵抗領域を有する酸化物半導体膜が適用された薄膜トランジスタが開示されている。

特開２０１４−７３９９号公報 特開２０１１−２２８６２２号公報

本発明の一態様は、ノーマリオフ、かつ電気特性の良好なトランジスタを提供することを課題の一とする。または、消費電力が低減されたトランジスタを提供することを課題の一とする。または、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一とする。または、消費電力が低減された電子機器を提供することを課題の一とする。または、新規なトランジスタを提供することを課題の一とする。または、新規な半導体装置を提供することを課題の一とする。または、新規な電子機器を提供することを課題の一とする。

なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から抽出することが可能である。

本発明の一態様は、第１の絶縁層と、第２の絶縁層と、第３の絶縁層と、第１の導電層と、第１の金属酸化物層と、第２の金属酸化物層と、を有し、第１の金属酸化物層は、第１の絶縁層上に位置し、第２の金属酸化物層は、第１の金属酸化物層上に位置し、第１の導電層は、第２の金属酸化物層上に位置し、第２の絶縁層は、第２の金属酸化物層と第１の導電層の間に位置し、第３の絶縁層は、第１の絶縁層の上面、第１の金属酸化物層の側面、第２の金属酸化物層の上面の一部及び側面、第２の絶縁層の側面、並びに第１の導電層の側面及び上面を覆い、第１の金属酸化物層は、第２の金属酸化物層より窒素濃度が高い領域を有する、半導体装置である。

前述の半導体装置において、第１の金属酸化物層は、窒素濃度が１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１×１０^２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の領域を有すると好ましい。または、第１の金属酸化物層は、窒素の原子数比率が０．００１ａｔｏｍｉｃ％以上１０ａｔｏｍｉｃ％以下の領域を有すると好ましい。

前述の半導体装置において、第１の金属酸化物層と第２の金属酸化物層は、上面形状が概略一致すると好ましい。

前述の半導体装置において、第１の金属酸化物層及び第２の金属酸化物層はそれぞれ、Ｉｎと、元素Ｍと、Ｚｎと、を含み、元素Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂ、Ｙ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｖ、Ｂｅ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、またはＭｇから選ばれた一以上であると好ましい。

前述の半導体装置において、さらに第３の金属酸化物層を有し、第３の金属酸化物層は、第１の絶縁層と第１の金属酸化物層との間に位置し、第３の金属酸化物層は、第２の金属酸化物層より結晶性が高い領域を有すると好ましい。

前述の半導体装置において、第１の金属酸化物層と第３の金属酸化物層は、上面形状が概略一致すると好ましい。

前述の半導体装置において、第３の金属酸化物層はそれぞれ、Ｉｎと、元素Ｍと、Ｚｎと、を含み、元素Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂ、Ｙ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｖ、Ｂｅ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、またはＭｇから選ばれた一以上であると好ましい。

前述の半導体装置において、第３の絶縁層は、金属窒化物を含むと好ましい。または、第３の絶縁層は、アルミニウムを含むと好ましい。

前述の半導体装置において、第３の絶縁層は、第１の金属酸化物層より窒素濃度が高い領域を有すると好ましい。

前述の半導体装置において、第３の絶縁層と第２の金属酸化物層との界面近傍において、金属インジウムを有すると好ましい。

前述の半導体装置において、さらに第４の絶縁層を有し、第４の絶縁層は、第１の絶縁層の下に位置し、第４の絶縁層は、アルミニウム及びハフニウムの少なくとも一方と、酸素と、を含むと好ましい。

本発明の一態様によれば、ノーマリオフ、かつ電気特性の良好なトランジスタを提供できる。または、消費電力が低減されたトランジスタを提供できる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供できる。または、消費電力が低減された電子機器を提供できる。または、新規なトランジスタを提供できる。または、新規な半導体装置を提供できる。または、新規な電子機器を提供できる。

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抽出することが可能である。

半導体装置の構成例。 半導体装置の構成例。 半導体装置の構成例。 半導体装置の構成例。 半導体装置の作製方法例を説明する図。 半導体装置の作製方法例を説明する図。 半導体装置の作製方法例を説明する図。 表示装置の上面図。 表示装置の断面図。 表示装置の断面図。 表示装置の断面図。 表示装置の断面図。 表示装置の断面図。 表示装置のブロック図及び回路図。 表示装置のブロック図。 電気機器を説明する図。 表示モジュールの構成例。 電子機器の構成例。 電子機器の構成例。 電子機器の構成例。 テレビジョン装置の構成例。 試料の測定位置を説明する図。 金属酸化物膜のＳＩＭＳデプスプロファイル。 金属酸化物膜のＳＩＭＳデプスプロファイル。 金属酸化物膜の窒素濃度を示す図。 金属酸化物膜の密度を示す図。 金属酸化物膜のバンドギャップを示す図。 金属酸化物膜のＸＲＤスペクトル。 金属酸化物膜のＸＲＤスペクトル。 金属酸化物膜のキャリア密度を示す図。 トランジスタのＩｄ−Ｖｇカーブ。 トランジスタのしきい値電圧を示す図。

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、本明細書で説明する各図において、各構成の大きさ、層の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。

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。

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、トランジスタが有するソースとドレインの機能は、トランジスタの極性や、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、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、「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」や「絶縁層」という用語は、「導電膜」や「絶縁膜」という用語に相互に交換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（ｐチャネル型トランジスタでは、Ｖｔｈよりも高い）状態をいう。

（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について説明する。以下では、半導体装置の一態様であるトランジスタについて説明する。

本発明の一態様は、絶縁層と、絶縁層上の第１の金属酸化物層と、第１の金属酸化物層上の第２の金属酸化物層と、第２の金属酸化物層上のゲート絶縁層と、ゲート絶縁層上の第１のゲート電極と、を有するトランジスタである。

第１の金属酸化物層は、窒素を有することが好ましい。また、第１の金属酸化物層は、第２の金属酸化物層より窒素濃度が高い領域を有することが好ましい。

窒素を有する第１の金属酸化物層は、固定電荷を保持する層として機能する。第１の金属酸化物層は、その形成時、あるいは形成後に、第１の金属酸化物層に含まれる酸素の一部が窒素に置換される、あるいは第１の金属酸化物層中の酸素欠損（Ｖｏと表記する場合がある）に窒素が入ることで形成される。この構造は、ミッドギャップ、およびその近傍に状態を形成すると考えられる。このミッドギャップ、およびその近傍に状態が形成されると、同時に第１の金属酸化物層中に負の電荷が存在することになり、その電荷は第１の金属酸化物層内で固定される。すなわち、第１の金属酸化物層は、負の固定電荷を保持する。

負の固定電荷を保持する第１の金属酸化物層が、チャネル形成領域を有する第２の金属酸化物層と接するように設けられたトランジスタは、第１の金属酸化物層が設けられていないトランジスタと比較して、しきい値がプラス側にシフトする。これは、チャネル形成領域が、固定電荷による電界の影響を受けているためと考えられる。また、第１の金属酸化物層が、電荷を保持したフローティングゲートと同等の役割を有していると考えることができる。

なお、金属酸化物層中の酸素欠損（Ｖｏ）に窒素（Ｎ）が入ることをＶｏＮが形成されると表記する場合がある。

第１の金属酸化物層内において、ＶｏＮが増加すれば、その分負の固定電荷は増加する。つまり、第１の金属酸化物中のＶｏＮ密度の増加により、固定電荷密度は増加する。第１の金属酸化物層中の固定電荷密度は、２．０×１０^＋１７以上１．０×１０^＋１９以下、好ましくは１．０×１０^＋１８以上１．０×１０^＋１９以下とするのが好ましい。第１の金属酸化物層中の負の固定電荷密度の増加に伴い、該トランジスタのしきい値は、プラス側にシフトする。第２の金属酸化物層と接するように第１の金属酸化物層を設けることで、ノーマリオフの電気特性を有するトランジスタを得ることができる。また、これにより消費電力が低減されたトランジスタ、半導体装置、および電子機器を得ることができる。

また、トランジスタのしきい値は、第１の金属酸化物層及び第２の金属酸化物層を挟んで第１のゲート電極と対向する側に第２のゲート電極を設け、第２のゲート電極に電位を印加することでも制御可能である。第２のゲート電極はバックゲートとして機能するということができる。一方、該トランジスタを所望のしきい値に制御するため第２のゲート電極に印加する電位は、該トランジスタを有する半導体装置、あるいは電子機器の消費電力を増加させる場合がある。本実施の形態のように、第２の金属酸化物層と接するように第１の金属酸化物層を設けることで、第２のゲート電極に印加する電位の絶対値を小さくできるため好ましい。あるいは、第２の金属酸化物層と接するように第１の金属酸化物層を設けることで、所望のしきい値を有するトランジスタを得ることができる場合は、第２のゲート電極への電位の印加、あるいは第２のゲート電極自体が不要になるため好ましい。これにより、消費電力が低減されたトランジスタ、半導体装置、および電子機器を得ることができる。

第２のゲート電極に電位を印加することによるトランジスタの劣化が懸念される場合、第２の金属酸化物層と接するように第１の金属酸化物層を設け、第２のゲート電極に印加する電位を低減することで、トランジスタの劣化が抑制、あるいは劣化の程度が低減されるため好ましい。これにより、信頼性の向上したトランジスタ、半導体装置、および電子機器を得ることができる。

また、第２の金属酸化物層は、ソース領域及びドレイン領域として機能する一対の低抵抗領域を有する。低抵抗領域上には、金属窒化物を含む絶縁層が接して設けられる。第２の金属酸化物層に接して金属窒化物を含む絶縁層を設けることで、低抵抗領域の導電性を高める効果を奏する。さらに、第２の金属酸化物層に接して金属窒化物を設けた状態で加熱処理を行うと、より低抵抗化が促進されるため好ましい。

金属窒化物としては、アルミニウムを含むことが特に好ましい。例えば、アルミニウムをスパッタリングターゲットに用い、成膜ガスとして窒素を含むガスを用いた反応スパッタリング法により形成した窒化アルミニウム膜は、成膜ガスの全流量に対する窒素ガスの流量を適切に制御することで、極めて高い絶縁性と、水素や酸素に対する極めて高いブロッキング性を示す膜とすることができる。そのため、このような金属窒化物を含む絶縁膜（第１のバリア層ともいう）を、第２の金属酸化物層に接して設けることで、第２の金属酸化物層を低抵抗化させるだけでなく、第２の金属酸化物層から酸素が脱離すること、及び第２の金属酸化物層へ水素等の不純物が拡散することを好適に防ぐことができる。

金属窒化物として、窒化アルミニウムを用いた場合、当該窒化アルミニウムを含む絶縁層の厚さを５ｎｍ以上とすることが好ましい。このように薄い膜であっても、水素及び酸素に対する高いブロッキング性と、第２の金属酸化物層の低抵抗化の機能とを両立できる。なお、当該絶縁層の厚さはどれだけ厚くてもよいが、生産性を考慮し、５００ｎｍ以下、好ましくは２００ｎｍ以下、より好ましくは５０ｎｍ以下とすることが好ましい。

また、金属窒化物を含む絶縁層は、第１の金属酸化物層、第２の金属酸化物層、ゲート電極及びゲート絶縁層を覆うように設けることが好ましい。金属窒化物を含む絶縁層が、第１の金属酸化物層、第２の金属酸化物層、ゲート電極及びゲート絶縁層を覆う構成とすることで、水素等の不純物が、ゲート絶縁層を介して第１の金属酸化物層、第２の金属酸化物層に拡散することを防ぐことができる。さらに、第１の金属酸化物層、第２の金属酸化物層やゲート絶縁層に含まれる酸素が、外方に拡散することを防止することができる。

一方、第１の金属酸化物層の被形成面を成す酸化物を含む絶縁層よりも下側に、酸素及び水素を拡散しにくい絶縁層（第２のバリア層ともいう）を設けることが好ましい。これにより、基板等から第１の金属酸化物層及び第２の金属酸化物層への水素の拡散、及び第１の金属酸化物層及び第２の金属酸化物層からの酸素の脱離を好適に防ぐことが可能となり、極めて信頼性の高いトランジスタを実現できる。

本発明の一態様のトランジスタは、様々な回路や装置に適用することができる。例えば電子機器等に実装されるＩＣチップ内の演算回路、メモリ回路、駆動回路、及びインターフェース回路などの各種回路、または、液晶素子や有機ＥＬ素子などが適用されたディスプレイデバイスや、各種センサデバイスにおける駆動回路などに好適に用いることができる。

以下では、本発明の一態様のトランジスタの、より具体的な例について、図面を参照して説明する。

＜構成例１＞
図１（Ａ）は、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Ａ１−Ａ２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Ｂ１−Ｂ２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、トランジスタ１００の構成要素の一部（ゲート絶縁層等）を省略して図示している。また、一点鎖線Ａ１−Ａ２方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｂ１−Ｂ２方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。また、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。

トランジスタ１００は、基板１０２上に設けられ、絶縁層１０３、絶縁層１０４、金属酸化物層１０８、絶縁層１１０、絶縁層１１４、導電層１１２、絶縁層１１５等を有する。

絶縁層１０３と絶縁層１０４は、基板１０２上に積層して設けられている。島状の金属酸化物層１０８は、絶縁層１０４の上面に接して設けられている。絶縁層１０４及び金属酸化物層１０８上には、絶縁層１１５と絶縁層１１８が積層して設けられている。絶縁層１１５及び絶縁層１１８は、金属酸化物層１０８と重なる領域に開口部が設けられている。また、絶縁層１１５は、絶縁層１０４の上面、金属酸化物層１０８の上面の一部及び側面、絶縁層１１０の側面、絶縁層１１４の側面、並びに導電層１１２の上面及び側面を覆うように設けられている。

金属酸化物層１０８の一部は、半導体として機能する。導電層１１２の一部は、ゲート電極として機能する。絶縁層１１０の一部は、ゲート絶縁層として機能する。トランジスタ１００は、半導体上にゲート電極が設けられる、いわゆるトップゲート型のトランジスタである。

導電層１１２、絶縁層１１４及び絶縁層１１０は、上面形状が概略一致している。

本明細書等において「上面形状が概略一致」とは、積層した層と層との間で少なくとも輪郭の一部が重なることをいう。例えば、上層と下層とが、同一のマスクパターン、または一部が同一のマスクパターンにより加工された場合を含む。ただし、厳密には輪郭が重なり合わず、上層が下層の内側に位置することや、上層が下層の外側に位置することもあり、この場合も「上面形状が概略一致」という。

金属酸化物層１０８は、第１の金属酸化物層１０８ａと、第１の金属酸化物層１０８ａ上の第２の金属酸化物層１０８ｂとの積層構造とすることが好ましい。また、第１の金属酸化物層１０８ａ及び第２の金属酸化物層１０８ｂは、上面形状が概略一致している。

第１の金属酸化物層１０８ａ及び第２の金属酸化物層１０８ｂはそれぞれ、インジウムと、Ｍ（Ｍは、ガリウム、アルミニウム、シリコン、ホウ素、イットリウム、スズ、銅、バナジウム、ベリリウム、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムから選ばれた一種または複数種）と、亜鉛と、を有すると好ましい。特にＭはアルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはスズとすることが好ましい。

特に、第１の金属酸化物層１０８ａ及び第２の金属酸化物層１０８ｂとしてそれぞれ、インジウム、ガリウム、及び亜鉛を含む酸化物を用いることが好ましい。

第１の金属酸化物層１０８ａは、前述の元素に加え、窒素を有することが好ましい。第１の金属酸化物層１０８ａは、第２の金属酸化物層１０８ｂより窒素濃度が高い領域を有することが好ましい。

第１の金属酸化物層１０８ａにおいて酸素が脱離し、酸素欠損（Ｖｏ）が発生する場合がある。該酸素欠損（Ｖｏ）に窒素が入ることでＶｏＮが形成され、第１の金属酸化物層１０８ａは負の固定電荷を保持する場合がある。負の固定電荷を保持する第１の金属酸化物層１０８ａ上に、チャネル形成領域を有する第２の金属酸化物層１０８ｂを設けることで、ノーマリオフの電気特性を有し、かつオン電流が高いトランジスタを得ることができる。また、これにより消費電力が低減されたトランジスタ、半導体装置、および電子機器を得ることができる。

第１の金属酸化物層１０８ａ中の窒素濃度は、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１×１０^２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下が好ましい。さらには、４×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上４×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下が好ましい。さらには、１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上２×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下が好ましい。さらには、２×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満が好ましい。

または、第１の金属酸化物層１０８ａ中の窒素の原子数比率は、０．００１ａｔｏｍｉｃ％以上１０ａｔｏｍｉｃ％以下が好ましい。さらには、０．００５ａｔｏｍｉｃ％以上５ａｔｏｍｉｃ％以下が好ましい。さらには、０．０１ａｔｏｍｉｃ％以上３ａｔｏｍｉｃ％以下が好ましい。さらには、０．０２ａｔｏｍｉｃ％以上０．１ａｔｏｍｉｃ％未満が好ましい。本明細書等において、窒素の原子数比率（ａｔｏｍｉｃ％）は、インジウム、Ｍ、亜鉛、酸素、窒素それぞれの原子数の合計に対する、窒素の原子数比率を示す。なお、本明細書等において、窒素の原子数比率を窒素濃度と記す場合がある。

窒素濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、金属酸化物層の組成、及び密度（ｇ／ｃｍ^３）から、窒素の原子数比率（ａｔｏｍｉｃ％）を算出できる。金属酸化物層の密度は、Ｘ線反射率法（ＸＲＲ：Ｘ−ｒａｙ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ）により評価できる。

第１の金属酸化物層１０８ａ中の窒素濃度又は窒素の原子数比率を前述の範囲とすることで、第１の金属酸化物層１０８ａは固定電荷を保持する層として機能し、ノーマリオフの電気特性を有し、かつオン電流が高いトランジスタを得ることができる。また、これにより消費電力が低減されたトランジスタ、半導体装置、および電子機器を得ることができる。

本明細書等において、例えば、ＡはＢより窒素濃度が高いと記す場合、Ａの窒素濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）又は窒素の原子数比率（ａｔｏｍｉｃ％）がＢのそれより高いことを示す。

第２の金属酸化物層１０８ｂは、第１の金属酸化物層１０８ａより窒素濃度が低い領域を有することが好ましい。具体的には、第２の金属酸化物層１０８ｂ中の窒素濃度は１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満が好ましい。または、第２の金属酸化物層１０８ｂ中の窒素の原子数比率は０．００１ａｔｏｍｉｃ％未満が好ましい。

図２（Ａ）、図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）に示すように、金属酸化物層１０８は、さらに第３の金属酸化物層１０８ｃを有する構成としてもよい。第３の金属酸化物層１０８ｃは、第１の金属酸化物層１０８ａと絶縁層１０４との間に設けられる。具体的には、金属酸化物層１０８は、第３の金属酸化物層１０８ｃと、第３の金属酸化物層１０８ｃ上の第１の金属酸化物層１０８ａと、第１の金属酸化物層１０８ａ上の第２の金属酸化物層１０８ｂとの積層構造とすることができる。また、第１の金属酸化物層１０８ａ、第２の金属酸化物層１０８ｂ及び第３の金属酸化物層１０８ｃは、上面形状が概略一致している。

図２（Ａ）は、トランジスタ１００Ａの上面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２における切断面の断面図に相当し、図２（Ｃ）は、図２（Ａ）に示す一点鎖線Ｂ１−Ｂ２における切断面の断面図に相当する。

第３の金属酸化物層１０８ｃは、インジウムと、Ｍ（Ｍは、ガリウム、アルミニウム、シリコン、ホウ素、イットリウム、スズ、銅、バナジウム、ベリリウム、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムから選ばれた一種または複数種）と、亜鉛と、を有すると好ましい。特にＭはアルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはスズとすることが好ましい。

特に、第３の金属酸化物層１０８ｃとして、インジウム、ガリウム、及び亜鉛を含む酸化物を用いることが好ましい。

第３の金属酸化物層１０８ｃは、第１の金属酸化物層１０８ａより窒素濃度が低い領域を有することが好ましい。具体的には、第３の金属酸化物層１０８ｃ中の窒素濃度は１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満が好ましい。または、第３の金属酸化物層１０８ｃ中の窒素の原子数比率は０．００１ａｔｏｍｉｃ％未満が好ましい。

また、第３の金属酸化物層１０８ｃは、第２の金属酸化物層１０８ｂより結晶性が高い領域を有することが好ましい。第３の金属酸化物層１０８ｃは、第２の金属酸化物層１０８ｂより結晶性が高い領域を有することで、水素等の不純物が絶縁層１０４等から第２の金属酸化物層１０８ｂに拡散するのを抑制できる。

第１の金属酸化物層１０８ａ、第２の金属酸化物層１０８ｂ及び第３の金属酸化物層１０８ｃ中の窒素濃度は、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｉｏｎ ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）、Ｘ線光電子分光（ＸＰＳ：Ｘｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｏｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ：Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｏｒｏｓｃｏｐｙ）、オージェ電子分光（ＡＥＳ：Ａｕｇｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）、電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ−Ｌｏｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）等によって確認できる。ただし、分析手法によっては窒素が検出されない場合がある。または、窒素濃度が低い場合においても窒素が検出されない場合がある。

第１の金属酸化物層１０８ａ、第２の金属酸化物層１０８ｂ及び第３の金属酸化物層１０８ｃの結晶性は、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）、電子線回折（ＥＤ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）像、走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）像等で確認できる。

金属酸化物層１０８の絶縁層１１５と接する面の近傍に、低抵抗な領域１０８ｎを示している。

金属酸化物層１０８の導電層１１２と重畳する領域は、トランジスタ１００のチャネル形成領域として機能する。一方、低抵抗な領域１０８ｎは、トランジスタ１００のソース領域またはドレイン領域として機能する。

絶縁層１１５は、金属窒化物を含む絶縁膜を用いることができる。絶縁層１１５は、アルミニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロム、及びルテニウムなどの金属元素の少なくとも一と、窒素とを含むことが好ましい。特に、アルミニウムと窒素とを含む膜を用いると、極めて絶縁性が高いため好ましい。

絶縁層１１５に窒化アルミニウム膜を用いる場合、窒化アルミニウム膜中の窒素の原子数比率が０ａｔｏｍｉｃ％より高く、７０ａｔｏｍｉｃ％以下が好ましい。さらには３０％以上６０％以下が好ましい。これにより、絶縁性に優れ、且つ熱伝導性に優れた膜とすることができるため、トランジスタ１００を駆動したときに生じる熱の放熱性を高めることができる。

絶縁層１１５は、第１の金属酸化物層１０８ａより窒素の原子数比率が高い領域を有することが好ましい。これにより、絶縁層１１５は絶縁性に優れた膜とすることができる。

または、絶縁層１１５として、窒化アルミニウムチタン膜、窒化チタン膜などを用いることができる。

領域１０８ｎは、金属酸化物層１０８の一部であり、チャネル形成領域よりも低抵抗な領域である。

ここで、金属酸化物層１０８として、インジウムを含む金属酸化物膜を用いた場合、領域１０８ｎの絶縁層１１５側の界面近傍に、金属インジウムが析出した領域、または、インジウム濃度の高い領域が形成されている場合がある。例えば、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）等の分析で観測できる場合がある。

また領域１０８ｎは、チャネル形成領域よりもキャリア密度が高い領域、酸素欠陥密度の高い領域、またはｎ型である領域ともいうことができる。

また、金属酸化物層１０８に接する絶縁層１０４と絶縁層１１０には、酸化物膜を用いることが好ましい。例えば、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜などの酸化物膜を用いることができる。これにより、トランジスタ１００の作製工程における熱処理などで、絶縁層１０４や絶縁層１１０から脱離した酸素を金属酸化物層１０８のチャネル形成領域に供給し、金属酸化物層１０８中の酸素欠損を低減することができる。

本明細書等において、酸化窒化シリコンとは、その組成として窒素より酸素の含有量が多いものを指し、窒化酸化シリコンとは、その組成として酸素より窒素の含有量が多いものを指す。

絶縁層１０４よりも下側（基板１０２側）に設けられる絶縁層１０３としては、酸素及び水素を拡散しにくい絶縁膜を用いることが好ましい。特に、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、またはハフニウムアルミネート膜などの、金属酸化物膜を用いることが好ましい。

酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、及びハフニウムアルミネート膜等は、膜厚が薄い場合でも極めて高いバリア性を有する。そのため、その厚さを０．５ｎｍ以上５０ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以上４０ｎｍ以下、より好ましくは２ｎｍ以上３０ｎｍ以下の厚さとすることができる。特に、酸化アルミニウム膜は水素などに対するバリア性が高いため、極めて薄く（例えば０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下）としても、十分な効果を得ることができる。

また、絶縁層１０３は、スパッタリング法または原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等の成膜方法により形成することが好ましい。特にＡＬＤ法は段差被覆性が高く、且つ極めて緻密な膜を形成できるため、高いバリア性を有する膜とすることができる。これにより、トランジスタ１００の金属酸化物層１０８に外部から水素が拡散すること、及び金属酸化物層１０８中の酸素が外部に拡散することを効果的に抑制することができる。

また、絶縁層１１８中には水素が含まれる場合があるが、金属酸化物層１０８に接する酸化物膜を含む絶縁層１０４や絶縁層１１０は、絶縁層１１５により絶縁層１１８とは接しない構成となっている。そのため、絶縁層１１８中に水素が含まれている場合であっても、トランジスタ１００の作製工程にかかる熱などにより、当該水素が絶縁層１０４及び絶縁層１１０を介して金属酸化物層１０８に拡散することを効果的に防ぐことができる。

ここで、金属酸化物層１０８中に形成されうる酸素欠損について説明を行う。

金属酸化物層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、金属酸化物層１０８中に酸素欠損が形成されると、該酸素欠損に水素が結合し、キャリア供給源となりうる。金属酸化物層１０８中にキャリア供給源が生成されると、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、金属酸化物層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、金属酸化物層１０８近傍の絶縁膜、具体的には、金属酸化物層１０８の上方に位置する絶縁層１１０、及び下方に位置する絶縁層１０４が、酸化物膜を含む構成である。作製工程中の熱などにより絶縁層１０４及び絶縁層１１０から金属酸化物層１０８へ酸素を移動させることで、金属酸化物層１０８中の酸素欠損を低減することが可能となる。

また、金属酸化物層１０８は、Ｉｎの原子数比がＭの原子数比より多い領域を有すると好ましい。Ｉｎの原子数比が多いほど、トランジスタの電界効果移動度を向上させることができる。

ここで、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎを含む金属酸化物の場合、Ｉｎと酸素の結合力は、Ｇａと酸素の結合力よりも弱いため、Ｉｎの原子数比が大きい場合には、金属酸化物膜中に酸素欠損が形成されやすい。また、Ｇａに代えて、上記Ｍで示す金属元素を用いた場合でも同様の傾向がある。金属酸化物膜中に酸素欠損が多く存在すると、トランジスタの電気特性の低下や、信頼性の低下が生じる。

しかしながら本発明の一態様では、金属酸化物を含む金属酸化物層１０８中に極めて多くの酸素を供給できるため、Ｉｎの原子数比の大きな金属酸化物材料を用いることが可能となる。これにより、極めて高い電界効果移動度と、安定した電気特性と、高い信頼性とを兼ね備えたトランジスタを実現することができる。

例えば、Ｉｎの原子数比が、Ｍの原子数比に対して１．５倍以上、または２倍以上、または３倍以上、または３．５倍以上、または４倍以上である金属酸化物を、好適に用いることができる。

特に、金属酸化物層１０８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（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）とすることが好ましい。または、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、金属酸化物層１０８の組成として、Ｉｎ、Ｍ、及びＺｎの原子数の比を概略等しくしてもよい。すなわち、Ｉｎ、Ｍ、及びＺｎの原子数の比が、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１またはその近傍の材料を含んでいてもよい。

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、ソースドライバ（特に、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。

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

ここで、金属酸化物層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、金属酸化物層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。不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い金属酸化物膜を用いることで、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。不純物濃度が低く、欠陥準位密度を低く（酸素欠損を少なく）することで、膜中のキャリア密度を低くすることができる。このような金属酸化物膜を半導体層に用いたトランジスタは、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、このような金属酸化物膜を用いたトランジスタは、オフ電流が著しく小さい特性を得ることができる。

第１の金属酸化物層１０８ａ、第２の金属酸化物層１０８ｂ、第３の金属酸化物層１０８ｃはそれぞれ、インジウムと、Ｍと、亜鉛の原子数比が異なる材料を用いてもよい。または結晶性の異なる材料、または不純物濃度の異なる材料を選択することができる。例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いた場合に、Ｉｎ、Ｍ、及びＺｎの原子数の比が、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：１：６、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：０．５（２：２：１）、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：２、またはそれらの近傍であるスパッタリングターゲットを用いることができる。

また、第１の金属酸化物層１０８ａ、第２の金属酸化物層１０８ｂ、第３の金属酸化物層１０８ｃで、同じ酸化物ターゲットを用い、成膜条件を異ならせることで、大気に触れることなく連続して形成されることが好ましい。

例えば、先に形成する第３の金属酸化物膜（第３の金属酸化物層１０８ｃ）の成膜時に窒素ガスを流さない条件とし、次に形成する第１の金属酸化物膜（第１の金属酸化物層１０８ａ）の成膜時に窒素ガスを流す条件とし、その次に形成する第２の金属酸化物膜（第２の金属酸化物層１０８ｂ）の成膜時に窒素ガスを流さない条件とすることができる。これにより、第１の金属酸化物層１０８ａは、第２の金属酸化物層１０８ｂ及び第３の金属酸化物層１０８ｃより窒素濃度が高い領域を有することができる。

また、第２の金属酸化物膜（第２の金属酸化物層１０８ｂ）の成膜時の酸素流量比を、第３の金属酸化物膜（第３の金属酸化物層１０８ａ）の成膜時の酸素流量比よりも小さくする。または、第２の金属酸化物膜（第２の金属酸化物層１０８ｂ）の成膜時に酸素を流さない条件とする。これにより、第２の金属酸化物膜（第２の金属酸化物層１０８ｂ）は、第３の金属酸化物膜（第３の金属酸化物層１０８ｃ）よりも結晶性が低く、電気伝導性の高い膜とすることができる。また、トランジスタの電界効果移動度を高めることができる。

具体的には、第３の金属酸化物膜（第３の金属酸化物層１０８ｃ）の成膜ガスとして酸素ガス及びアルゴンガスの混合ガスを用い、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）を５０％以上１００％以下、好ましくは６０％以上１００％以下、より好ましくは８０％以上１００％以下、さらに好ましくは９０％以上１００％以下、代表的には１００％とする。

第１の金属酸化物膜（第１の金属酸化物層１０８ａ）の成膜ガスとして窒素ガス、酸素ガス及びアルゴンガスの混合ガスを用い、成膜ガス全体に占める窒素ガスの割合（以下、窒素流量比ともいう）を１％以上９０％以下、好ましくは３％以上７０％以下、より好ましくは５％以上５０％以下、さらに好ましくは５％以上３０％以下とする。前述の窒素流量比に加え、酸素流量比を１％以上９０％以下、好ましくは３％以上７０％以下、より好ましくは５％以上５０％以下、さらに好ましくは５％以上３０％以下とする。

前述の窒素流量比、酸素流量比で成膜した第１の金属酸化物膜（第１の金属酸化物層１０８ａ）をトランジスタに用いることで、ノーマリオフの電気特性とすることができる。また、これにより消費電力が低減されたトランジスタ、半導体装置、および電子機器を得ることができる。

第２の金属酸化物膜（第２の金属酸化物層１０８ｂ）の成膜ガスとして酸素ガス及びアルゴンガスの混合ガスを用い、酸素流量比を０％以上５０％未満、好ましくは０％以上３０％以下、より好ましくは０％以上２０％以下、代表的には１０％とする。また、第１の金属酸化物膜、第２の金属酸化物膜及び第３の金属酸化物膜とで、成膜時の圧力、温度、電力等の条件を異ならせてもよいが、成膜ガスの種類及び流量比以外の条件を同じとすることで、成膜工程にかかる時間を短縮することができるため好ましい。

このような構成とすることで、電気特性に優れ、且つ信頼性の高いトランジスタを実現できる。

以上が構成例１についての説明である。

＜構成例２＞
以下では、上記構成例１と一部の構成が異なるトランジスタの構成例について説明する。なお、以下では、上記構成例１と重複する部分は説明を省略する場合がある。また、以下で示す図面において、上記構成例と同様の機能を有する部分についてはハッチングパターンを同じくし、符号を付さない場合もある。

図３（Ａ）は、トランジスタ１００Ｂの上面図であり、図３（Ｂ）は、トランジスタ１００Ｂのチャネル長方向の断面図であり、図３（Ｃ）は、トランジスタ１００Ｂのチャネル幅方向の断面図である。トランジスタ１００Ｂは、基板１０２と絶縁層１０３との間に、導電層１０６を有する点で、図１に示すトランジスタ１００と主に相違している。

図４（Ａ）は、トランジスタ１００Ｃの上面図であり、図４（Ｂ）は、トランジスタ１００Ｃのチャネル長方向の断面図であり、図４（Ｃ）は、トランジスタ１００Ｃのチャネル幅方向の断面図である。トランジスタ１００Ｃは、基板１０２と絶縁層１０３との間に、導電層１０６を有する点で、図２に示すトランジスタ１００Ａと主に相違している。

導電層１０６は、絶縁層１０３及び絶縁層１０４を介して金属酸化物層１０８、及び導電層１１２と重畳する部分を有する。トランジスタ１００Ｂ及びトランジスタ１００Ｃにおいて、導電層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、導電層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、絶縁層１０３及び絶縁層１０４の一部は、第１のゲート絶縁層として機能し、絶縁層１１０の一部は、第２のゲート絶縁層として機能する。

金属酸化物層１０８の、導電層１１２及び導電層１０６の少なくとも一方と重畳する部分は、チャネル形成領域として機能する。なお以下では説明を容易にするため、金属酸化物層１０８の導電層１１２と重畳する部分をチャネル形成領域と呼ぶ場合があるが、実際には導電層１１２と重畳せずに、導電層１０６と重畳する部分（領域１０８ｎの一部を含む）にもチャネルが形成しうる。

導電層１０６は、導電層１１２、導電層１２０ａ、または導電層１２０ｂと同様の材料を用いることができる。特に導電層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。

図３（Ａ）、図３（Ｃ）、図４（Ａ）及び図４（Ｃ）に示すように、チャネル幅方向において、導電層１１２及び導電層１０６が、金属酸化物層１０８の端部よりも外側に突出していることが好ましい。このとき、図３（Ｃ）及び図４（Ｃ）に示すように、金属酸化物層１０８のチャネル幅方向の全体が、絶縁層１１０、絶縁層１１４、絶縁層１０３及び絶縁層１０４を介して、導電層１１２と導電層１０６に覆われた構成となる。

このような構成とすることで、金属酸化物層１０８を一対のゲート電極によって生じる電界で電気的に取り囲むことができる。このとき特に、導電層１０６と導電層１１２に同じ電位を与えることが好ましい。これにより、金属酸化物層１０８にチャネルを誘起させるための電界を効果的に印加できるため、トランジスタ１００Ｂ及びトランジスタ１００Ｃのオン電流を増大させることができる。そのため、トランジスタ１００Ｂ及びトランジスタ１００Ｃを微細化することも可能となる。

一方、導電層１１２と導電層１０６の一方に定電位を与え、他方にトランジスタ１００Ｂ及びトランジスタ１００Ｃを駆動するための信号を与えてもよい。このとき、一方の電極に与える電位により、トランジスタ１００Ｂ及びトランジスタ１００Ｃを他方の電極で駆動する際のしきい値電圧を制御することもできる。

また、図示しないが、導電層１０６は、絶縁層１１４、絶縁層１１０、絶縁層１０４及び絶縁層１０３に設けられた開口部を介して、導電層１１２と電気的に接続されていてもよい。これにより、導電層１０６と導電層１１２に同じ電位を与えることができる。

以上が構成例２についての説明である。

＜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、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、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、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。

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等を形成してもよい。または、基板１０２とトランジスタ１００等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等は耐熱性の劣る基板や可撓性の基板にも転載できる。

〔絶縁層１０４〕
絶縁層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）法等を適宜用いて形成することができる。また、絶縁層１０４としては、例えば、酸化物絶縁膜または窒化物絶縁膜を単層または積層して形成することができる。なお、金属酸化物層１０８との界面特性を向上させるため、絶縁層１０４において少なくとも金属酸化物層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、絶縁層１０４には、加熱により酸素を放出する膜を用いることが好ましい。

絶縁層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。

また、絶縁層１０４の金属酸化物層１０８に接する側に窒化シリコン膜などの酸化物膜以外の膜を用いた場合、金属酸化物層１０８と接する表面に対して酸素プラズマ処理などの前処理を行い、当該表面、または表面近傍を酸化することが好ましい。

〔導電膜〕
ゲート電極として機能する導電層１１２及び導電層１０６、ソース電極として機能する導電層１２０ａ、ドレイン電極として機能する導電層１２０ｂとしては、クロム、銅、アルミニウム、金、銀、亜鉛、モリブデン、タンタル、チタン、タングステン、マンガン、ニッケル、鉄、コバルト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、導電層１１２、導電層１０６、導電層１２０ａ、及び導電層１２０ｂには、Ｉｎ−Ｓｎ酸化物、Ｉｎ−Ｗ酸化物、Ｉｎ−Ｗ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｔｉ酸化物、Ｉｎ−Ｔｉ−Ｓｎ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｓｉ酸化物、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物等の酸化物導電体または金属酸化物膜を適用することもできる。

ここで、酸化物導電体（ＯＣ：Ｏｘｉｄｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）について説明を行う。例えば、半導体特性を有する金属酸化物に酸素欠損を形成し、該酸素欠損に水素を添加すると、伝導帯近傍にドナー準位が形成される。この結果、金属酸化物は、導電性が高くなり導電体化する。導電体化された金属酸化物を、酸化物導電体ということができる。

また、導電層１１２等として、上記酸化物導電体（金属酸化物）を含む導電膜と、金属または合金を含む導電膜の積層構造としてもよい。金属または合金を含む導電膜を用いることで、配線抵抗を小さくすることができる。このとき、ゲート絶縁膜として機能する絶縁層と接する側には酸化物導電体を含む導電膜を適用することが好ましい。

また、導電層１１２、導電層１０６、導電層１２０ａ、導電層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、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、酸素、または水素に対して、高いバリア性を有し、且つ自身からの水素の放出が少ないため、金属酸化物層１０８と接する導電膜、または金属酸化物層１０８の近傍の導電膜として、好適に用いることができる。

〔絶縁層１１０〕
トランジスタ１００等のゲート絶縁膜として機能する絶縁層１１０は、ＰＥＣＶＤ法、スパッタリング法等により形成できる。絶縁層１１０としては、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化イットリウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ガリウム膜、酸化タンタル膜、酸化マグネシウム膜、酸化ランタン膜、酸化セリウム膜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、絶縁層１１０を、２層の積層構造または３層以上の積層構造としてもよい。

また、金属酸化物層１０８と接する絶縁層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を有することがより好ましい。別言すると、絶縁層１１０は、酸素を放出することが可能な絶縁膜である。例えば、酸素雰囲気下にて絶縁層１１０を形成すること、成膜後の絶縁層１１０に対して酸素雰囲気下での熱処理、プラズマ処理等を行うこと、または、絶縁層１１０上に酸素雰囲気下で酸化物膜を成膜することなどにより、絶縁層１１０中に酸素を供給することもできる。

また、絶縁層１１０として、酸化シリコンや酸化窒化シリコンと比べて比誘電率の高い酸化ハフニウム等の材料を用いることもできる。これにより絶縁層１１０の膜厚を厚くしトンネル電流によるリーク電流を抑制できる。特に結晶性を有する酸化ハフニウムは、非晶質の酸化ハフニウムと比べて高い比誘電率を備えるため好ましい。

〔金属酸化物層１０８〕
金属酸化物層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は、Ｉｎの原子数比がＭの原子数比以上であることが好ましい。このようなスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比として、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：０．５（２：２：１）、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：４．１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：１：６、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：１：７、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：１：８、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝６：１：６、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：２：５等が挙げられる。

また、スパッタリングターゲットとしては、多結晶の酸化物を含むターゲットを用いると、結晶性を有する金属酸化物層１０８を形成しやすくなるため好ましい。なお、成膜される金属酸化物層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、金属酸化物層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、成膜される金属酸化物層１０８の組成は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３＜原子数比＞の近傍となる場合がある。

なお、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３またはその近傍と記載する場合、Ｉｎの原子数比を４としたとき、Ｇａの原子数比が１以上３以下であり、Ｚｎの原子数比が２以上４以下である場合を含む。また、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：１：６またはその近傍であると記載する場合、Ｉｎの原子数比を５としたときに、Ｇａの原子数比が０．１より大きく２以下であり、Ｚｎの原子数比が５以上７以下である場合を含む。また、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１またはその近傍であると記載する場合、Ｉｎの原子数比を１としたときに、Ｇａの原子数比が０．１より大きく２以下であり、Ｚｎの原子数比が０．１より大きく２以下である場合を含む。

また、金属酸化物層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、シリコンよりもエネルギーギャップの広い金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。

また、金属酸化物層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構造、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構造は最も欠陥準位密度が低い。

以下では、ＣＡＡＣ（ｃ−ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ）について説明する。ＣＡＡＣは結晶構造の一例を表す。

ＣＡＡＣ構造とは、複数のナノ結晶（最大径が１０ｎｍ未満である結晶領域）を有する薄膜などの結晶構造の一つであり、各ナノ結晶はｃ軸が特定の方向に配向し、かつａ軸及びｂ軸は配向性を有さずに、ナノ結晶同士が粒界を形成することなく連続的に連結しているといった特徴を有する結晶構造である。特にＣＡＡＣ構造を有する薄膜は、各ナノ結晶のｃ軸が、薄膜の厚さ方向、被形成面の法線方向、または薄膜の表面の法線方向に配向しやすいといった特徴を有する。

ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）は結晶性の高い酸化物半導体である。一方、ＣＡＡＣ−ＯＳは、明確な結晶粒界を確認することはできないため、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。また、酸化物半導体の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、ＣＡＡＣ−ＯＳは不純物や欠陥（酸素欠損など）の少ない酸化物半導体ともいえる。従って、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する酸化物半導体は、物理的性質が安定する。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する酸化物半導体は熱に強く、信頼性が高い。

ここで、結晶学において、単位格子を構成するａ軸、ｂ軸、及びｃ軸の３つの軸（結晶軸）について、特異的な軸をｃ軸とした単位格子を取ることが一般的である。特に層状構造を有する結晶では、層の面方向に平行な２つの軸をａ軸及びｂ軸とし、層に交差する軸をｃ軸とすることが一般的である。このような層状構造を有する結晶の代表的な例として、六方晶系に分類されるグラファイトがあり、その単位格子のａ軸及びｂ軸は劈開面に平行であり、ｃ軸は劈開面に直交する。例えば層状構造であるＹｂＦｅ_２Ｏ_４型の結晶構造をとるＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶は六方晶系に分類することができ、その単位格子のａ軸及びｂ軸は層の面方向に平行となり、ｃ軸は層（すなわちａ軸及びｂ軸）に直交する。

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金属酸化物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金属酸化物をは、ｎｃ（ｎａｎｏ ｃｒｙｓｔａｌ）構造及びＣＡＡＣ構造のいずれか一方の結晶構造、またはこれらが混在した構造をとりやすい。一方、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金属酸化物は、ｎｃの結晶構造をとりやすい。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。

＜作製方法例＞
以下では、本発明の一態様のトランジスタの作製方法の例について説明する。ここでは、構成例２で例示したトランジスタ１００Ｂを例に挙げて説明する。

なお、半導体装置を構成する薄膜（絶縁膜、半導体膜、導電膜等）は、スパッタリング法、化学気相堆積（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等を用いて形成することができる。ＣＶＤ法としては、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ）法や、熱ＣＶＤ法などがある。また、熱ＣＶＤ法のひとつに、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ ＣＶＤ）法がある。

また、半導体装置を構成する薄膜（絶縁膜、半導体膜、導電膜等）は、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、インクジェット、ディスペンス、スクリーン印刷、オフセット印刷等の方法、ドクターナイフ、スリットコート、ロールコート、カーテンコート、ナイフコート等のツールにより形成することができる。

また、半導体装置を構成する薄膜を加工する際には、フォトリソグラフィ法等を用いて加工することができる。それ以外に、ナノインプリント法、サンドブラスト法、リフトオフ法などにより薄膜を加工してもよい。また、メタルマスクなどの遮蔽マスクを用いた成膜方法により、島状の薄膜を直接形成してもよい。

フォトリソグラフィ法としては、代表的には以下の２つの方法がある。一つは、加工したい薄膜上にレジストマスクを形成して、エッチング等により当該薄膜を加工し、レジストマスクを除去する方法である。もう一つは、感光性を有する薄膜を成膜した後に、露光、現像を行って、当該薄膜を所望の形状に加工する方法である。

フォトリソグラフィ法において、露光に用いる光は、例えばｉ線（波長３６５ｎｍ）、ｇ線（波長４３６ｎｍ）、ｈ線（波長４０５ｎｍ）、またはこれらを混合させた光を用いることができる。そのほか、紫外線やＫｒＦレーザ光、またはＡｒＦレーザ光等を用いることもできる。また、液浸露光技術により露光を行ってもよい。また、露光に用いる光として、極端紫外光（ＥＵＶ：Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａ−ｖｉｏｌｅｔ）やＸ線を用いてもよい。また、露光に用いる光に換えて、電子ビームを用いることもできる。極端紫外光、Ｘ線または電子ビームを用いると、極めて微細な加工が可能となるため好ましい。なお、電子ビームなどのビームを走査することにより露光を行う場合には、フォトマスクは不要である。

薄膜のエッチングには、ドライエッチング法、ウェットエッチング法、サンドブラスト法などを用いることができる。

図５乃至図７に示す各図には、トランジスタ１００Ｂの作製工程の各段階におけるチャネル長方向及びチャネル幅方向の断面を並べて示している。

〔導電層１０６の形成〕
基板１０２上に導電膜を形成し、これをエッチングにより加工して、ゲート電極として機能する導電層１０６を形成する（図５（Ａ））。

〔絶縁層１０３、絶縁層１０４の形成〕
続いて、基板１０２、導電層１０６を覆って絶縁層１０３と絶縁層１０４を積層して形成する（図５（Ｂ））。絶縁層１０３及び絶縁層１０４はそれぞれ、ＰＥＣＶＤ法、ＡＬＤ法、スパッタリング法などを用いて形成することができる。

例えば、絶縁層１０３はＡＬＤ法またはスパッタリング法を用いて形成し、絶縁層１０４はＰＥＣＶＤ法またはスパッタリング法を用いて形成することができる。

〔金属酸化物層１０８の形成〕
続いて、絶縁層１０４上に金属酸化物膜１０８ｃｆを成膜する（図５（Ｄ））。

金属酸化物膜１０８ｃｆは、金属酸化物ターゲットを用いたスパッタリング法により形成することが好ましい。金属酸化物膜１０８ｃｆの厚さとしては、１ｎｍ以上２５ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすればよい。

金属酸化物膜１０８ｃｆを成膜する際に、酸素ガスを用いることが好ましい。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。

金属酸化物膜１０８ｃｆの成膜条件としては、基板温度を室温以上２００℃未満、好ましくは基板温度を室温以上１４０℃以下とすればよい。例えば成膜温度を、室温以上１４０℃未満とすると、生産性が高くなり好ましい。また、基板温度を室温とする、または意図的に加熱しない状態で、金属酸化物膜１０８ｃｆを成膜することで、結晶性の低くすることができる。

また、金属酸化物膜１０８ｃｆを成膜する前に、絶縁層１０４の表面に吸着した水や水素、有機物成分等を脱離させるための処理や、絶縁層１０４中に酸素を供給する処理を行うことが好ましい。例えば、減圧雰囲気下にて７０℃以上２００℃以下の温度で加熱処理を行うことができる。または、酸素を含む雰囲気下におけるプラズマ処理を行ってもよい。また、Ｎ_２Ｏガスを含むプラズマ処理を行うと、絶縁層１０４の表面の有機物を好適に除去することができる。このような処理の後、絶縁層１０４の表面を大気に暴露することなく、連続して金属酸化物膜１０８ｃｆを成膜することが好ましい。

なお、図５（Ｃ）は、絶縁層１０４上に金属酸化物膜１０８ｃｆを形成する際の成膜装置内部の断面模式図である。図５（Ｃ）では、成膜装置としてスパッタリング装置を用い、当該スパッタリング装置内部に設置されたターゲット１９１と、ターゲット１９１の下方に形成されるプラズマ１９２とが、模式的に表されている。また、金属酸化物膜１０８ｃｆの被形成面である絶縁層１０４に添加される酸素を模式的に破線の矢印で表している。金属酸化物膜１０８ｃｆを成膜時の酸素流量比を高くすることで、絶縁層１０４中に好適に酸素を添加することができる。その結果、絶縁層１０４に極めて多くの酸素を閉じ込めることができる。そして、後の加熱処理によって、金属酸化物層１０８に多くの酸素を供給することができる。その結果、金属酸化物層１０８中の酸素欠損を低減でき、信頼性の高いトランジスタを実現できる。

続いて、金属酸化物膜１０８ｃｆ上に金属酸化物膜１０８ａｆ及び金属酸化物膜１０８ｂｆを順に成膜する（図６（Ａ））。

金属酸化物膜１０８ａｆは、金属酸化物ターゲットを用いたスパッタリング法により形成することが好ましい。金属酸化物膜１０８ａｆの厚さとしては、１ｎｍ以上２５ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすればよい。

金属酸化物膜１０８ａｆを成膜する際に、窒素ガスを用いることが好ましい。窒素ガスの他に、酸素ガス、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。

また、金属酸化物膜１０８ａｆの成膜条件としては、基板温度を室温以上２００℃未満、好ましくは基板温度を室温以上１４０℃以下とすればよい。例えば成膜温度を、室温以上１４０℃未満とすると、生産性が高くなり好ましい。また、基板温度を室温とする、または意図的に加熱しない状態で、金属酸化物膜１０８ａｆを成膜することで、結晶性の低くすることができる。

金属酸化物膜１０８ｂｆは、金属酸化物ターゲットを用いたスパッタリング法により形成することが好ましい。金属酸化物膜１０８ｂｆの厚さとしては、１ｎｍ以上２５ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすればよい。

金属酸化物膜１０８ｂｆを成膜する際に、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。酸素流量比が高いほど、金属酸化物膜１０８ｂｆの結晶性を高めることができ、信頼性の高いトランジスタを実現できる。一方、酸素流量比が低いほど、金属酸化物膜１０８ｂｆの結晶性が低くなり、オン電流が高められたトランジスタとすることができる。

また、金属酸化物膜１０８ａｆの成膜条件としては、基板温度を室温以上２００℃未満、好ましくは基板温度を室温以上１４０℃以下とすればよい。例えば成膜温度を、室温以上１４０℃未満とすると、生産性が高くなり好ましい。また、基板温度を室温とする、または意図的に加熱しない状態で金属酸化物膜１０８ａｆを成膜することで、結晶性を低くすることができる。

続いて、金属酸化物膜１０８ａｆ、金属酸化物膜１０８ｂｆ及び金属酸化物膜１０８ｃｆを加工し、島状の金属酸化物層１０８ａ、金属酸化物層１０８ｂ及び金属酸化物層１０８ｃを形成する（図６（Ｂ））。

金属酸化物層１０８ａ、金属酸化物層１０８ｂ及び金属酸化物層１０８ｃの形成は、同じレジストマスクを用いて加工することができる。同じレジストマスクを用いることにより、工程の簡略化が可能となる。これにより、上面形状が概略一致した金属酸化物層１０８ａ、金属酸化物層１０８ｂ及び金属酸化物層１０８ｃを形成できる。

金属酸化物膜の加工には、ウェ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。このとき、図６（Ｂ）に示すように、金属酸化物層１０８と重ならない絶縁層１０４の一部がエッチングされ、膜厚が薄くなる場合がある。

また、金属酸化物膜１０８ｆの成膜後、または金属酸化物層１０８に加工した後、金属酸化物膜１０８ｆまたは金属酸化物層１０８中の水素または水を除去するために加熱処理を行ってもよい。加熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上基板の歪み点未満、または２５０℃以上４５０℃以下、または３００℃以上４５０℃以下である。

加熱処理は、希ガス、または窒素を含む雰囲気で行うことができる。または、当該雰囲気で加熱した後、酸素を含む雰囲気で加熱してもよい。なお、上記加熱処理の雰囲気に水素、水などが含まれないことが好ましい。該加熱処理は、電気炉、急速加熱（ＲＴＡ：Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置等を用いることができる。ＲＴＡ装置を用いることで、加熱処理時間を短縮することができる。

〔絶縁膜１１０ｆ、絶縁膜１１４ｆ、導電膜１１２ｆの形成〕
続いて、金属酸化物層１０８及び絶縁層１０４上に、絶縁膜１１０ｆ、絶縁膜１１４ｆ及び導電膜１１２ｆを順に成膜する（図６（Ｃ））。

まず、金属酸化物層１０８及び絶縁層１０４上に、絶縁層１１０となる絶縁膜１１０ｆを形成する。絶縁膜１１０ｆとしては、例えば酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜などの酸化物膜を、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好ましい。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１１０ｆ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１１０ｆ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３５０℃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１１０ｆ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１１０ｆ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１１０ｆを形成することができる。

また、絶縁膜１１０ｆを、有機シランガスを用いたＣＶＤ法を用いて形成することができる。有機シランガスとしては、珪酸エチル（ＴＥＯＳ：化学式Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_４）、テトラメチルシラン（ＴＭＳ：化学式Ｓｉ（ＣＨ_３）_４）、テトラメチルシクロテトラシロキサン（ＴＭＣＴＳ）、オクタメチルシクロテトラシロキサン（ＯＭＣＴＳ）、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）、トリエトキシシラン（ＳｉＨ（ＯＣ_２Ｈ_５）_３）、トリスジメチルアミノシラン（ＳｉＨ（Ｎ（ＣＨ_３）_２）_３）などのシリコン含有化合物を用いることができる。有機シランガスを用いたＣＶＤ法を用いることで、被覆性の高い絶縁膜１１０ｆを形成することができる。

続いて、絶縁膜１１０ｆ上に、絶縁層１１４となる絶縁膜１１４ｆを成膜する。

絶縁膜１１４ｆは、例えば酸素を含む雰囲気下で成膜することが好ましい。特に、酸素を含む雰囲気下でスパッタリング法により形成することが好ましい。これにより、絶縁膜１１４ｆの成膜時に絶縁膜１１０ｆに酸素を供給することができる。

例えば絶縁膜１１４ｆの成膜条件として、成膜ガスに酸素を用い、金属ターゲットを用いた反応性スパッタリング法により、金属酸化物膜を形成することが好ましい。金属ターゲットとして、例えばアルミニウムを用いた場合には、酸化アルミニウム膜を成膜することができる。

絶縁膜１１４ｆの成膜時に、成膜装置の成膜室内に導入する成膜ガスの全流量に対する酸素流量の割合（酸素流量比）、または成膜室内の酸素分圧が高いほど、絶縁膜１１０ｆ中に供給される酸素を増やすことができる。酸素流量比または酸素分圧は、例えば５０％以上１００％以下、好ましくは６５％以上１００％以下、より好ましくは８０％以上１００％以下、さらに好ましくは９０％以上１００％以下とする。特に、酸素流量比１００％とし、酸素分圧を１００％にできるだけ近づけることが好ましい。

このように、酸素を含む雰囲気下でスパッタリング法により絶縁膜１１４ｆを形成することにより、絶縁膜１１４ｆの成膜時に、絶縁膜１１０ｆへ酸素を供給するとともに、絶縁膜１１０ｆから酸素が脱離することを防ぐことができる。その結果、絶縁膜１１０ｆに極めて多くの酸素を閉じ込めることができる。そして、後の加熱処理によって、金属酸化物層１０８に多くの酸素を供給することができる。その結果、金属酸化物層１０８中の酸素欠損を低減でき、信頼性の高いトランジスタを実現できる。

また、絶縁膜１１４ｆの成膜後に、絶縁膜１１４ｆ、絶縁膜１１０ｆ、及び絶縁層１０４の一部をエッチングすることで、導電層１０６に達する開口を形成する。これにより、後に形成する導電層１１２と導電層１０６とを、当該開口を介して電気的に接続することができる。

続いて、絶縁膜１１４ｆ上に、導電層１１２となる導電膜１１２ｆを成膜する。

導電膜１１２ｆは、金属または合金のスパッタリングターゲットを用いたスパッタリング法により成膜することが好ましい。

〔絶縁層１１０、絶縁層１１４、導電層１１２の形成〕
続いて、導電膜１１２ｆ、絶縁膜１１４ｆ及び絶縁膜１１０ｆの一部をエッチングし、金属酸化物層１０８の一部を露出させる（図７（Ａ））。

ここで、導電膜１１２ｆ、絶縁膜１１４ｆ、及び絶縁膜１１０ｆは、それぞれ同じレジストマスクを用いて加工することが好ましい。または、エッチング後の導電層１１２をハードマスクとして用いて、絶縁膜１１４ｆと絶縁膜１１０ｆとをエッチングしてもよい。

これにより、上面形状が概略一致した島状の導電層１１２、絶縁層１１４、及び絶縁層１１０を形成することができる。

なお、導電膜１１２ｆ、絶縁膜１１４ｆ、及び絶縁膜１１０ｆのエッチング時に、絶縁層１１０に覆われない金属酸化物層１０８の一部もエッチングされ、薄膜化する場合がある。

〔絶縁層１１５の形成〕
続いて、絶縁層１０４、金属酸化物層１０８、絶縁層１１０、絶縁層１１４及び導電層１１２を覆って、絶縁層１１５を形成する（図７（Ｂ））。

絶縁層１１５は、上述の金属元素を含むスパッタリングターゲットを用い、窒素ガスと、希釈ガスである希ガス等の混合ガスを成膜ガスとして用いた反応性スパッタリング法により形成することが好ましい。これにより、成膜ガスの流量比を制御することで、絶縁層１１５の膜質を制御することが容易となる。

例えば、絶縁層１１５としてアルミニウムターゲットを用いた反応性スパッタリングにより形成した窒化アルミニウム膜を用いる場合、成膜ガスの全流量に対する窒素ガスの流量を３０％以上１００％以下、好ましくは４０％以上１００％以下、より好ましくは５０％以上１００％以下とすることが好ましい。

絶縁層１１５を成膜した時点で、金属酸化物層１０８の絶縁層１１５と接する界面及びその近傍の領域に、低抵抗な領域１０８ｎが形成される。

〔第１の加熱処理〕
続いて、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理により、金属酸化物層１０８の領域１０８ｎの低抵抗化をより促進させることができる。

加熱処理は、窒素または希ガスなどの不活性ガス雰囲気で行うことが好ましい。加熱処理の温度は高いほど好ましいが、基板１０２、導電層１０６等の耐熱性を考慮した温度とすることができる。例えば、１２０℃以上５００℃以下、好ましくは１５０℃以上４５０℃以下、より好ましくは２００℃以上４００℃以下、さらに好ましくは２５０℃以上４００℃以下の温度とすることができる。例えば加熱処理の温度を３５０℃程度とすることで、大型のガラス基板を用いた生産設備で歩留り良く半導体装置を生産することができる。

なお、加熱処理は絶縁層１１５の形成後であればどの段階で行ってもよい。また他の加熱処理と兼ねてもよい。

例えば加熱処理により、金属酸化物層１０８中の酸素が絶縁層１１５側に引き抜かれることにより酸素欠損が生成される。当該酸素欠損と、金属酸化物層１０８中に含まれる水素とが結合することによりキャリア濃度が高まり、絶縁層１１５と接する部分が低抵抗化されうる。

または、加熱処理により、金属酸化物層１０８に含まれる金属元素が絶縁層１１５との界面近傍に向かって拡散し、当該金属元素の濃度の高い領域が形成されることにより、低抵抗化される場合もある。例えば金属酸化物層１０８にインジウムを含む金属酸化物膜を用いた場合、インジウム濃度の高い領域が、金属酸化物層１０８の絶縁層１１５との界面近傍に観測される場合がある。

このような複合的な作用により低抵抗化された領域１０８ｎは、極めて安定な低抵抗な領域となる。このように形成された領域１０８ｎは、例えば後の工程で酸素が供給される処理が行われたとしても、再度高抵抗化しにくいといった特徴を有する。

〔絶縁層１１８の形成〕
続いて、絶縁層１１５を覆って絶縁層１１８を形成する（図７（Ｃ））。絶縁層１１８は、例えばＰＥＣＶＤ法により形成することができる。絶縁層１１８としては、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化イットリウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ガリウム膜、酸化タンタル膜、酸化マグネシウム膜、酸化ランタン膜、酸化セリウム膜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、絶縁層１１８を、２層の積層構造または３層以上の積層構造としてもよい。

〔開口部１４１ａ、開口部１４１ｂの形成〕
続いて、絶縁層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、絶縁層１１８及び絶縁層１１５の一部を除去することで、領域１０８ｎに達する開口部１４１ａ及び開口部１４１ｂを形成する。

〔導電層１２０ａ、１２０ｂの形成〕
続いて、開口部１４１ａ及び開口部１４１ｂを覆うように、絶縁層１１８上に導電膜を成膜し、当該導電膜を所望の形状に加工することで、導電層１２０ａ、導電層１２０ｂを形成する。

以上の工程により、トランジスタ１００Ｂを作製することができる（図３）。

本実施の形態で例示した構成例、作製方法例、及びそれらに対応する図面等は、少なくともその一部を他の構成例、作製方法例、または図面等と適宜組み合わせて実施することができる。

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。

（実施の形態２）
本実施の形態においては、先の実施の形態で例示したトランジスタを有する表示装置の一例について説明を行う。

［構成例］
図８（Ａ）に、表示装置７００の上面図を示す。表示装置７００は、シール材７１２により貼りあわされた第１の基板７０１と第２の基板７０２を有する。また第１の基板７０１、第２の基板７０２、及びシール材７１２で封止される領域において、第１の基板７０１上に画素部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が設けられる。また画素部７０２には、複数の表示素子が設けられる。

また、第１の基板７０１の第２の基板７０２と重ならない部分に、ＦＰＣ７１６（ＦＰＣ：Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）が接続されるＦＰＣ端子部７０８が設けられている。ＦＰＣ７１６によって、ＦＰＣ端子部７０８及び信号線７１０を介して、画素部７０２、ソースドライバ回路部７０４、及びゲートドライバ回路部７０６のそれぞれに各種信号等が供給される。

ゲートドライバ回路部７０６は、複数設けられていてもよい。また、ゲートドライバ回路７０６及びソースドライバ回路７０４は、それぞれ半導体基板等に別途形成され、パッケージされたＩＣの形態であってもよい。当該ＩＣは、第１の基板７０１上、またはＦＰＣ７１６に実装することができる。

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が有するトランジスタには、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタを適用することができる。

画素部７０２に設けられる表示素子としては液晶素子、発光素子などが挙げられる。液晶素子としては、透過型の液晶素子、反射型の液晶素子、半透過型の液晶素子などを用いることができる。また、発光素子としては、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、ＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ ＬＥＤ）、ＱＬＥＤ（Ｑｕａｎｔｕｍ−ｄｏｔ ＬＥＤ）、半導体レーザなどの、自発光性の発光素子が挙げられる。また、シャッター方式または光干渉方式のＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）素子や、マイクロカプセル方式、電気泳動方式、エレクトロウェッティング方式、または電子粉流体（登録商標）方式等を適用した表示素子などを用いることもできる。

図８（Ｂ）に示す表示装置７００Ａは、大型の画面を有する電子機器に好適に用いることのできる表示装置である。例えばテレビジョン装置、モニタ装置、デジタルサイネージなどに好適に用いることができる。

表示装置７００Ａは、複数のソースドライバＩＣ７２１と、一対のゲートドライバ回路７２２を有する。

複数のソースドライバＩＣ７２１は、それぞれＦＰＣ７２３に取り付けられている。また、複数のＦＰＣ７２３は、一方の端子が基板７０１に、他方の端子がプリント基板７２４にそれぞれ接続されている。ＦＰＣ７２３を折り曲げることで、プリント基板７２４を画素部７０２の裏側に配置して、電気機器に実装することができ、電子機器の省スペース化を図ることができる。

一方、ゲートドライバ回路７２２は、基板７０１上に形成されている。これにより、狭額縁の電子機器を実現できる。

このような構成とすることで、大型で且つ高解像度な表示装置を実現できる。例えば画面サイズが対角３０インチ以上、４０インチ以上、５０インチ以上、または６０インチ以上の表示装置に適用することができる。また、解像度がフルハイビジョン、４Ｋ２Ｋ、または８Ｋ４Ｋなどといった極めて高解像度の表示装置を実現することができる。

［断面構成例］
以下では、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９乃至図１１を用いて説明する。なお、図９乃至図１１は、それぞれ図８（Ａ）に示す一点鎖線Ｑ−Ｒにおける断面図である。図９及び図１０は、表示素子として液晶素子を用いた構成であり、図１１は、ＥＬ素子を用いた構成である。

〔表示装置の共通部分に関する説明〕
図９乃至図１１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。引き回し配線部７１１は、信号線７１０を有する。画素部７０２は、トランジスタ７５０及び容量素子７９０を有する。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、実施の形態１で例示したトランジスタを適用することができる。

本実施の形態で用いるトランジスタは、高純度化し、酸素欠損の形成を抑制した酸化物半導体膜を有する。該トランジスタは、オフ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、消費電力を低減する効果を奏する。

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のゲート電極と同一の導電膜を加工して形成される下部電極と、ソース電極またはドレイン電極と同一の導電膜を加工し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のゲート絶縁膜と同一の絶縁膜、及びトランジスタ７５０上の保護絶縁膜と同一の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、トランジスタ７５０、トランジスタ７５２、及び容量素子７９０上には平坦化絶縁膜７７０が設けられている。

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とは、異なる構造のトランジスタを用いてもよい。例えばいずれか一方にトップゲート型のトランジスタを適用し、他方にボトムゲート型のトランジスタを適用した構成としてもよい。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。

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等と同じ導電膜で形成されている。このとき、銅元素を含む材料等の低抵抗な材料を用いると、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ため好ましい。

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等と同じ導電膜で形成されている。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。

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、またはプラスチック基板等の可撓性を有する基板を用いることができる。

また、第１の基板７０１と第２の基板７０５の間の構造体７７８は、第１の基板７０１と第２の基板７０５の間の距離（セルギャップ）を制御する柱状のスペーサとして機能する。なお、構造体７７８として、球状のスペーサを用いてもよい。

また、第２の基板７０５側には、遮光膜７３８と、着色膜７３６と、これらに接する絶縁膜７３４と、が設けられる。

〔液晶素子を用いる表示装置の構成例〕
図９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、及びこれらの間に液晶層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。また、導電膜７７２は、トランジスタ７５０が有するソース電極またはドレイン電極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、画素電極として機能する。

導電膜７７２には、可視光に対して透光性の材料、または反射性の材料を用いることができる。透光性の材料としては、例えば、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｎ等を含む酸化物材料を用いるとよい。反射性の材料としては、例えば、Ａｌ、Ａｇ等を含む材料を用いるとよい。

導電膜７７２に反射性の材料を用いと、表示装置７００は反射型の液晶表示装置となる。一方、導電膜７７２に透光性の材料を用いると、透過型の液晶表示装置となる。反射型の液晶表示装置の場合、視認側に偏光板を設ける。一方、透過型の液晶表示装置の場合、液晶素子を挟むように一対の偏光板を設ける。

図１０に示す表示装置７００は、横電界方式（例えば、ＦＦＳモード）の液晶素子７７５を用いる例を示す。導電膜７７２上に絶縁膜７７３を介して、共通電極として機能する導電膜７７４が設けられる。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９及び図１０において図示しないが、液晶層７７６と接する配向膜を設ける構成としてもよい。また、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）、及びバックライト、サイドライトなどの光源を適宜設けることができる。

液晶層７６６には、サーモトロピック液晶、低分子液晶、高分子液晶、高分子分散型液晶、高分子ネットワーク型液晶、強誘電性液晶、反強誘電性液晶等を用いることができる。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。

また、液晶素子のモードとしては、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＶＡ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）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、ＥＣＢ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ゲストホストモードなどを用いることができる。

〔発光素子を用いる表示装置〕
図１１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。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。

図１１に示す表示装置７００には、平坦化絶縁膜７７０上に導電膜７７２の一部を覆う絶縁膜７３０が設けられる。ここで、発光素子７８２は透光性の導電膜７８８有し、トップエミッション型の発光素子である。なお、発光素子７８２は、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としてもよい。

また、着色膜７３６は発光素子７８２と重なる位置に設けられ、遮光膜７３８は絶縁膜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、ＥＬ層７８６を画素毎に島状に形成する、すなわち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。

〔表示装置に入力装置を設ける構成例〕
また、図９乃至図１１に示す表示装置７００に入力装置を設けてもよい。当該入力装置としては、例えば、タッチセンサ等が挙げられる。

図１０に示す表示装置７００にタッチパネル７９１を設ける構成を図１２に、図１１に示す表示装置７００にタッチパネル７９１を設ける構成を図１３に、それぞれ示す。

図１２及び図１３に示すタッチパネル７９１は、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、基板７０５側に形成すればよい。

タッチパネル７９１は、遮光膜７３８を覆う絶縁膜７９２と、絶縁層７９７の間に、電極７９３、電極７９４、絶縁膜７９５、及び電極７９６を有する。例えば、指やスタイラスなどの被検知体が近づくことで生じうる、電極７９３と電極７９４との間の容量の変化を検知することができる。

また、遮光膜７３８と重なる部分に、電極７９３と、電極７９４との交差部を示している。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。なお当該交差部は、例えば引き回し配線部７１１等に形成してもよい。

電極７９３及び電極７９４は、発光素子７８２や液晶素子７７５と重ならない領域に設けられることが好ましい。また、電極７９３及び電極７９４は、遮光膜７３８と重なる部分に設けられることが好ましい。例えば、電極７９３及び電極７９４をメッシュ状の形状とすることができる。このような構成とすることで、発光素子７８２が射出する光、または液晶素子７７５を透過する光を遮らない構成とすることができ、タッチパネル７９１を配置することによる輝度の低下が抑制され、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。さらにこのとき、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。

なお、タッチパネルの構成はインセル型に限定されず、入力装置を表示装置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。

本実施の形態で例示した構成例、及びそれらに対応する図面等は、少なくともその一部を他の構成例、または図面等と適宜組み合わせて実施することができる。

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。

（実施の形態３）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を有する表示装置について、図１４を用いて説明を行う。

図１４（Ａ）に示す表示装置は、画素部５０２と、駆動回路部５０４と、保護回路５０６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。

画素部５０２や駆動回路部５０４が有するトランジスタに、本発明の一態様のトランジスタを適用することができる。また保護回路５０６にも、本発明の一態様のトランジスタを適用してもよい。

画素部５０２は、Ｘ行Ｙ列（Ｘ、Ｙはそれぞれ独立に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画素回路５０１を有し、駆動回路部５０４はゲート線ＧＬ＿１乃至ＧＬ＿Ｘに走査信号を出力するゲートドライバ５０４ａ、データ線ＤＬ＿１乃至ＤＬ＿Ｙにデータ信号を供給するソースドライバ５０４ｂなどの駆動回路を有する。

ゲートドライバ５０４ａは、少なくともシフトレジスタを有する構成とすればよい。

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。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。

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１４（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、またはソースドライバ５０４ｂと画素回路５０１の間の配線であるデータ線ＤＬ等の各種配線に接続される。

また、ゲートドライバ５０４ａとソースドライバ５０４ｂは、それぞれ画素部５０２と同じ基板上に設けられていてもよいし、別途用意されたゲートドライバ回路または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ＣＯＧやＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって基板に実装する構成としてもよい。

ここで、図１５に、図１４（Ａ）とは異なる構成を示す。図１５では、ソース線方向に配列する複数の画素を挟むように、一対のソース線（例えばソース線ＤＬａ１とソース線ＤＬｂ１）が配置されている。また、隣接する２本のゲート線（例えばゲート線ＧＬ＿１とゲート線ＧＬ＿２）が電気的に接続されている。

また、ゲート線ＧＬ＿１に接続される画素は、片方のソース線（ソース線ＤＬａ１、ソース線ＤＬａ２等）に接続され、ゲート線ＧＬ＿２に接続される画素は、他方のソース線（ソース線ＤＬｂ１、ソース線ＤＬｂ２等）に接続される。

このような構成とすることで、２本のゲート線を同時に選択することができる。これにより、一水平期間の長さを、図１４（Ａ）に示す構成と比較して２倍にすることができる。そのため、表示装置の高解像度化、及び大画面化が容易となる。

また、図１４（Ａ）及び図１５に示す複数の画素回路５０１は、例えば、図１４（Ｂ）に示す構成とすることができる。

図１４（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。また画素回路５０１には、データ線ＤＬ＿ｎ、走査線ＧＬ＿ｍ、電位供給線ＶＬ等が接続されている。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。

また、図１４（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。また画素回路５０１には、データ線ＤＬ＿ｎ、走査線ＧＬ＿ｍ、電位供給線ＶＬ＿ａ、電源供給線ＶＬ＿ｂ等が接続されている。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。

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）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、無機材料を含む無機ＥＬ素子を用いてもよい。

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。

本実施の形態で例示した構成例、及びそれらに対応する図面等は、少なくともその一部を他の構成例、または図面等と適宜組み合わせて実施することができる。

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。

（実施の形態４）
以下では、本発明の一態様の表示装置を適用可能な電子機器について説明する。ここでは、発電装置及び受電装置を備える電子機器を例に挙げて説明する。

図１６（Ａ）は、携帯情報端末８０４０の正面及び側面を示した斜視図である。携帯情報端末８０４０は、例えば移動電話、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等の種々のアプリケーションの実行が可能な機器である。携帯情報端末８０４０は、筐体８０４１の正面に表示部８０４２、カメラ８０４５、マイクロフォン８０４６、スピーカ８０４７を有し、筐体８０４１の左側面には操作用のボタン８０４３、底面には接続端子８０４８を有する。

表示部８０４２には、本発明の一態様の表示モジュール又は表示パネルが用いられる。

なお、表示部８０４２を携帯情報端末８０４０の背面に設けてもよいし、折り畳み型の携帯情報端末として、二以上の表示部を設けてもよい。

また、表示部８０４２には、タッチパネルが入力手段として設けられ、表示部８０４２に表示されたアイコン８０４４を操作することができる。タッチパネルとしては、抵抗膜方式、静電容量方式、赤外線方式、電磁誘導方式、表面弾性波方式等、種々の方式を採用することができる。表示部８０４２が湾曲する場合、特に抵抗膜方式、静電容量方式を用いることが好ましい。タッチパネルはインセル方式のものであってもよい。

また、タッチパネルは、イメージセンサとして機能させることができるものであってもよい。この場合、例えば、表示部８０４２に掌や指で触れ、掌紋、指紋等を撮像することで、本人認証を行うことができる。また、表示部８０４２に近赤外光を発光するバックライト又は近赤外光を発光するセンシング用光源を用いれば、指静脈、掌静脈などを撮像することもできる。

操作用のボタン８０４３には、用途に応じて様々な機能を持たせることができる。例えば、ホーム画面の表示機能、主電源をオン・オフ機能、スリープモードからの復帰の機能、スピーカ８０４７の音量の調整の機能などがある。

スピーカ８０４７からは、起動するアプリケーションに応じて様々な音を出力することができる。なお、音出力をスピーカ８０４７とともに、あるいはスピーカ８０４７に替えてヘッドフォン、イヤフォン、ヘッドセット等の装置を接続するコネクターを設けてもよい。

接続端子８０４８は、外部機器との通信や電力供給のための信号又は電力の入力端子である。

図１６（Ｂ）は、携帯情報端末８０４０の背面及び側面を示した斜視図である。携帯情報端末８０４０は、筐体８０４１の表面に太陽電池８０４９とカメラ８０５０を有し、また、充放電制御回路８０５１、バッテリー８０５２、ＤＣＤＣコンバータ８０５３等を有する。

携帯情報端末８０４０の背面に装着された太陽電池８０４９によって、電力を各部に供給すること、またはバッテリー８０５２を充電することができる。なお、太陽電池８０４９は、筐体８０４１の片面又は両面に設けることができる。

ここで、充放電制御回路８０５１の構成、及び動作についての一例を、図１６（Ｃ）に示すブロック図を用いて説明する。

図１６（Ｃ）には、太陽電池８０４９、バッテリー８０５２、ＤＣＤＣコンバータ８０５３、コンバータ８０５７、スイッチ８０５４、スイッチ８０５５、スイッチ８０５６、表示部８０４２を示している。

ＤＣＤＣコンバータ８０５３は太陽電池８０４９で発電した電力を、バッテリー８０５２を充電する電圧に昇圧又は降圧する。そして、表示部８０４２の動作に太陽電池８０４９からの電力が用いられる際には、スイッチ８０５４をオンにし、コンバータ８０５７で表示部８０４２に必要な電圧に昇圧又は降圧する。一方、表示部８０４２に供給しない際には、スイッチ８０５４をオフにし、スイッチ８０５５をオンにしてバッテリー８０５２の充電を行う。

なお、太陽電池８０４９に代えて圧電素子（ピエゾ素子）や熱電変換素子（ペルティエ素子）などの発電手段を適用してもよい。また、発電手段を設けず、接続端子８０４８から充電する電力を供給する、または非接触電力伝送モジュールを用いてもよく、以上の充電方法を組み合わせてもよい。

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５）
本実施の形態では、本発明の一態様を用いて作製することができる表示モジュールについて説明する。

図１７（Ａ）に示す表示モジュール６０００は、上部カバー６００１と下部カバー６００２との間に、ＦＰＣ６００５が接続された表示装置６００６、フレーム６００９、プリント基板６０１０、及びバッテリー６０１１を有する。

例えば、本発明の一態様を用いて作製された表示装置を、表示装置６００６に用いることができる。表示装置６００６により、極めて消費電力の低い表示モジュールを実現することができる。

上部カバー６００１及び下部カバー６００２は、表示装置６００６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。

表示装置６００６はタッチパネルとしての機能を有していてもよい。

フレーム６００９は、表示装置６００６の保護機能、プリント基板６０１０の動作により発生する電磁波を遮断する機能、放熱板としての機能等を有していてもよい。

プリント基板６０１０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、バッテリー制御回路等を有する。バッテリー６０１１による電源であってもよい。

図１７（Ｂ）は、光学式のタッチセンサを備える表示モジュール６０００の断面概略図である。

表示モジュール６０００は、プリント基板６０１０に設けられた発光部６０１５及び受光部６０１６を有する。また、上部カバー６００１と下部カバー６００２により囲まれた領域に一対の導光部（導光部６０１７ａ、導光部６０１７ｂ）を有する。

表示装置６００６は、フレーム６００９を間に介してプリント基板６０１０やバッテリー６０１１と重ねて設けられている。表示装置６００６とフレーム６００９は、導光部６０１７ａ、導光部６０１７ｂに固定されている。

発光部６０１５から発せられた光６０１８は、導光部６０１７ａにより表示装置６００６の上部を経由し、導光部６０１７ｂを通って受光部６０１６に達する。例えば指やスタイラスなどの被検知体により、光６０１８が遮られることにより、タッチ操作を検出することができる。

発光部６０１５は、例えば表示装置６００６の隣接する２辺に沿って複数設けられる。受光部６０１６は、発光部６０１５と対向する位置に複数設けられる。これにより、タッチ操作がなされた位置の情報を取得することができる。

発光部６０１５は、例えばＬＥＤ素子などの光源を用いることができ、特に、赤外線を発する光源を用いることが好ましい。受光部６０１６は、発光部６０１５が発する光を受光し、電気信号に変換する光電素子を用いることができる。好適には、赤外線を受光可能なフォトダイオードを用いることができる。

光６０１８を透過する導光部６０１７ａ、導光部６０１７ｂにより、発光部６０１５と受光部６０１６とを表示装置６００６の下側に配置することができ、外光が受光部６０１６に到達してタッチセンサが誤動作することを抑制できる。特に、可視光を吸収し、赤外線を透過する樹脂を用いると、タッチセンサの誤動作をより効果的に抑制できる。

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６）
本実施の形態では、本発明の一態様を用いて作製された表示装置を備える電子機器について説明する。

図１８（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。

なおカメラ８０００は、レンズ８００６と筐体と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、またはタッチパネルとして機能する表示部８００２をタッチすることにより撮像することができる。

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により、カメラ８０００に取り付けられている。ファインダー８１００はカメラ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、電源ボタン等としての機能を有する。

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、ファインダーが内蔵されたカメラ８０００であってもよい。

図１８（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、バッテリー８２０６が内蔵されている。

ケーブル８２０５は、バッテリー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はカメラを備え、使用者の眼球やまぶたの動きの情報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、使用者の眼球の動きに伴って流れる電流を検知可能な複数の電極が設けられ、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に表示する機能や、使用者の頭部の動きに合わせて表示部８２０４に表示する映像を変化させる機能を有していてもよい。

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１８（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と、使用者が高い臨場感を感じることができるため好ましい。また、表示部８３０２の異なる領域に表示された別の画像を、レンズ８３０５を通して視認することで、視差を用いた３次元表示等を行うこともできる。なお、表示部８３０２を１つ設ける構成に限られず、表示部８３０２を２つ設け、使用者の片方の目につき１つの表示部を配置してもよい。

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１８（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。

図１９（Ａ）乃至図１９（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１９（Ａ）乃至図１９（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、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処理する機能、等を有することができる。なお、電子機器の機能はこれらに限られず、様々な機能を有することができる。電子機器は、複数の表示部を有していてもよい。また、電子機器にカメラ等を設け、静止画や動画を撮影し、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１９（Ａ）乃至図１９（Ｇ）に示す電子機器の詳細について、以下説明を行う。

図１９（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、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１９（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、例えばスマートフォンとして用いることができる。なお、携帯情報端末９１０１は、スピーカ９００３、接続端子９００６、センサ９００７等を設けてもよい。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。図１９（Ｂ）では３つのアイコン９０５０を表示した例を示している。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もできる。情報９０５１の一例としては、電子メール、ＳＮＳ、電話などの着信の通知、電子メールやＳＮＳなどの題名、送信者名、日時、時刻、バッテリーの残量、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はアイコン９０５０などを表示してもよい。

図１９（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、携帯情報端末９１０２の上方から観察できる位置に表示された情報９０５３を確認することもできる。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、例えば電話を受けるか否かを判断できる。

図１９（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、例えばスマートウォッチとして用いることができる。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、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により、他の情報端末と相互にデータ伝送を行うことや、充電を行うこともできる。なお、充電動作は無線給電により行ってもよい。

図１９（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１９（Ｅ）は携帯情報端末９２０１を展開した状態、図１９（Ｇ）は折り畳んだ状態、図１９（Ｆ）は図１９（Ｅ）と図１９（Ｇ）の一方から他方に変化する途中の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。例えば、表示部９００１は、曲率半径１ｍｍ以上１５０ｍｍ以下で曲げることができる。

以下で例示する電子機器は、表示部に本発明の一態様の表示装置を備えるものである。したがって、高い解像度が実現された電子機器である。また高い解像度と、大きな画面が両立された電子機器とすることができる。

本発明の一態様の電子機器の表示部には、例えばフルハイビジョン、４Ｋ２Ｋ、８Ｋ４Ｋ、１６Ｋ８Ｋ、またはそれ以上の解像度を有する映像を表示させることができる。

電子機器としては、例えば、テレビジョン装置、ノート型のパーソナルコンピュータ、モニタ装置、デジタルサイネージ、パチンコ機、ゲーム機などの比較的大きな画面を備える電子機器の他、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、などが挙げられる。

本発明の一態様が適用された電子機器または照明装置は、家屋やビルの内壁または外壁、自動車等の内装または外装等が有する平面または曲面に沿って組み込むことができる。

図２０（Ａ）にテレビジョン装置の一例を示す。テレビジョン装置７１００は、筐体７１０１に表示部７５００が組み込まれている。ここでは、スタンド７１０３により筐体７１０１を支持した構成を示している。

図２０（Ａ）に示すテレビジョン装置７１００の操作は、筐体７１０１が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機７１１１により行うことができる。または、表示部７５００にタッチパネルを適用し、これに触れることで操作してもよい。リモコン操作機７１１１は、操作ボタンの他に表示部を有していてもよい。

なお、テレビジョン装置７１００は、テレビ放送の受信機や、ネットワーク接続のための通信装置を有していてもよい。

図２０（Ｂ）に、ノート型パーソナルコンピュータ７２００を示す。ノート型パーソナルコンピュータ７２００は、筐体７２１１、キーボード７２１２、ポインティングデバイス７２１３、外部接続ポート７２１４等を有する。筐体７２１１に、表示部７５００が組み込まれている。

図２０（Ｃ）、（Ｄ）に、デジタルサイネージ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｇｅ：電子看板）の一例を示す。

図２０（Ｃ）に示すデジタルサイネージ７３００は、筐体７３０１、表示部７５００、及びスピーカ７３０３等を有する。さらに、ＬＥＤランプ、操作キー（電源スイッチ、または操作スイッチを含む）、接続端子、各種センサ、マイクロフォン等を有することができる。

また、図２０（Ｄ）は円柱状の柱７４０１に取り付けられたデジタルサイネージ７４００である。デジタルサイネージ７４００は、柱７４０１の曲面に沿って設けられた表示部７５００を有する。

表示部７５００が広いほど、一度に提供できる情報量を増やすことができ、また人の目につきやすいため、例えば広告の宣伝効果を高める効果を奏する。

表示部７５００にタッチパネルを適用し、使用者が操作できる構成とすると好ましい。これにより、広告用途だけでなく、路線情報や交通情報、商用施設の案内情報など、使用者が求める情報を提供するための用途にも用いることができる。

また、図２０（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、デジタルサイネージ７３００またはデジタルサイネージ７４００は、ユーザが所持するスマートフォン等の情報端末機７３１１と無線通信により連携可能であることが好ましい。例えば、表示部７５００に表示される広告の情報を情報端末機７３１１の画面に表示させることや、情報端末機７３１１を操作することで、表示部７５００の表示を切り替えることができる。

また、デジタルサイネージ７３００またはデジタルサイネージ７４００に、情報端末機７３１１を操作手段（コントローラ）としたゲームを実行させることもできる。これにより、不特定多数のユーザが同時にゲームに参加し、楽しむことができる。

図２０（Ａ）乃至（Ｄ）における表示部７５００に、本発明の一態様の表示装置を適用することができる。

本実施の形態の電子機器は表示部を有する構成としたが、表示部を有さない電子機器にも本発明の一態様を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。

（実施の形態７）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を有する表示装置を適用することのできるテレビジョン装置の例について、図面を参照して説明する。

図２１（Ａ）に、テレビジョン装置６００のブロック図を示す。

なお、本明細書に添付した図面では、構成要素を機能ごとに分類し、互いに独立したブロックとしてブロック図を示しているが、実際の構成要素は機能ごとに完全に切り分けることが難しく、一つの構成要素が複数の機能に係わることもあり得る。

テレビジョン装置６００は、制御部６０１、記憶部６０２、通信制御部６０３、画像処理回路６０４、デコーダ回路６０５、映像信号受信部６０６、タイミングコントローラ６０７、ソースドライバ６０８、ゲートドライバ６０９、表示パネル６２０等を有する。

上記実施の形態で例示した表示装置は、図２１（Ａ）における表示パネル６２０に適用することができる。これにより、大型且つ高解像度であって、視認性に優れたテレビジョン装置６００を実現できる。

制御部６０１は、例えば中央演算装置（ＣＰＵ：Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）として機能することができる。制御部６０１と各コンポーネントとは、システムバス６３０を介して信号の伝達が行われる。制御部６０１は、システムバス６３０を介して接続された各コンポーネントから入力される信号を処理する機能、各コンポーネントへ出力する信号を生成する機能等を有し、これによりシステムバス６３０に接続された各コンポーネントを統括的に制御することができる。

記憶部６０２は、制御部６０１及び画像処理回路６０４がアクセス可能なレジスタ、キャッシュメモリ、メインメモリ、二次メモリなどとして機能する。

また、記憶部６０２の他に、取り外し可能な記憶装置を接続可能な構成としてもよい。例えばストレージデバイスとして機能するハードディスクドライブ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ：ＨＤＤ）やソリッドステートドライブ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ：ＳＳＤ）などの記録メディアドライブ、フラッシュメモリ、ブルーレイディスク、ＤＶＤなどの記録媒体と接続する端子を有することが好ましい。これにより、映像を記録することができる。

通信制御部６０３は、コンピュータネットワークを介して行われる通信を制御する機能を有する。また、通信制御部６０３は、Ｗｉ−Ｆｉ（登録商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）等の通信規格を用いてコンピュータネットワークまたは他の電子機器と通信する機能を有していてもよい。

映像信号受信部６０６は、例えばアンテナ、復調回路、及びＡ−Ｄ変換回路（アナログ−デジタル変換回路）等を有する。復調回路で、アンテナから入力した信号を復調し、Ａ−Ｄ変換回路で復調されたアナログ信号をデジタル信号に変換することができる。映像信号受信部６０６で処理された信号は、デコーダ回路６０５に送られる。

デコーダ回路６０５は、映像信号受信部６０６から入力されるデジタル信号に含まれる映像データを、送信される放送規格の仕様に従ってデコードし、画像処理回路６０４に送信する信号を生成する機能を有する。例えば８Ｋ放送における放送規格としては、Ｈ．２６５ ｜ ＭＰＥＧ−Ｈ Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｖｉｄｅｏ Ｃｏｄｉｎｇ（略称：ＨＥＶＣ）などがある。

映像信号受信部６０６が有するアンテナにより受信できる放送電波としては、地上波、または衛星から送信される電波などが挙げられる。特に、複数の周波数帯域で受信した複数のデータを用いることで、転送レートを高くすることができ、例えばフルハイビジョンを超える解像度（４Ｋ２Ｋ、８Ｋ４Ｋ、１６Ｋ８Ｋ、またはそれ以上の解像度）を有する映像を、表示パネル６２０に表示させることができる。

また、テレビジョン装置６００は、通信制御部６０３を用いてコンピュータネットワークを介したデータ伝送技術により送信された放送のデータを用いて、画像処理回路６０４に送信する信号を生成する構成としてもよい。このとき、受信する信号がデジタル信号の場合には、映像信号受信部６０６を有していなくてもよい。

画像処理回路６０４は、デコーダ回路６０５から入力される映像信号に基づいて、タイミングコントローラ６０７に出力する映像信号を生成する機能を有する。

またタイミングコントローラ６０７は、画像処理回路６０４が処理を施した映像信号等に含まれる同期信号を基に、ゲートドライバ６０９及びソースドライバ６０８に出力する信号（クロック信号、スタートパルス信号などの信号）、及びソースドライバ６０８に出力するビデオ信号を生成する機能を有する。

表示パネル６２０は、複数の画素６２１を有する。各画素６２１は、ゲートドライバ６０９及びソースドライバ６０８から供給される信号により駆動される。ここでは、８Ｋ４Ｋ規格に応じた解像度を有する表示パネルの例を示している。

画像処理回路６０４は、例えばＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等のプロセッサを用いることができる。

なお、制御部６０１や画像処理回路６０４に、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）やＦＰＡＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ａｎａｌｏｇ Ａｒｒａｙ）といったＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）を適用してもよい。

また、制御部６０１、記憶部６０２、通信制御部６０３、画像処理回路６０４、デコーダ回路６０５、及び映像信号受信部６０６、及びタイミングコントローラ６０７のそれぞれが有する機能のうち、２つ以上の機能を１つのＩＣチップに集約させ、システムＬＳＩを構成してもよい。例えば、プロセッサ、デコーダ回路、チューナ回路、Ａ−Ｄ変換回路、ＤＲＡＭ、及びＳＲＡＭ等を有するシステムＬＳＩとしてもよい。

なお、制御部６０１や、他のコンポーネントが有するＩＣ等に、チャネル形成領域に酸化物半導体を用い、極めて低いオフ電流が実現されたトランジスタを利用することもできる。当該トランジスタは、オフ電流が極めて低いため、当該トランジスタを記憶素子として機能する容量素子に流入した電荷（データ）を保持するためのスイッチとして用いることで、データの保持期間を長期にわたり確保することができる。この特性を制御部６０１等のレジスタやキャッシュメモリに用いることで、必要なときだけ制御部６０１を動作させ、他の場合には直前の処理の情報を当該記憶素子に待避させることにより、ノーマリーオフコンピューティングが可能となる。これにより、テレビジョン装置６００の低消費電力化を図ることができる。

なお、テレビジョン装置６００の構成は一例であり、全ての構成要素を含む必要はない。またテレビジョン装置６００は、上記構成要素以外の構成要素を有していてもよい。

例えば、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）端子、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）接続用端子、電源受給用端子、音声出力用端子、音声入力用端子、映像出力用端子、映像入力用端子などの外部接続端子、赤外線、可視光、紫外線などを用いた光通信用の送受信機、筐体に設けられた物理ボタンなどの外部インターフェースや、サウンドコントローラ、マイクロフォン、スピーカなどの音声出力部のほか、タッチパネルユニット、センサユニット、カメラユニットなどを有していてもよい。

以下では、画像処理回路６０４についてより詳細な説明を行う。

画像処理回路６０４は、デコーダ回路６０５から入力される映像信号に基づいて、画像処理を実行する機能を有することが好ましい。

画像処理としては、例えばノイズ除去処理、階調変換処理、色調補正処理、輝度補正処理などが挙げられる。色調補正処理や輝度調整処理としては、例えばガンマ補正などがある。

また、画像処理回路６０４は、ニューラルネットワークを利用して、画像処理を実行する機能を有していてもよい。図２１（Ａ）では、画像処理回路６０４がニューラルネットワーク６１０を有している例を示している。

例えば、ニューラルネットワーク６１０により、例えば映像に含まれる画像データから特徴抽出を行うことができる。また画像処理回路６０４は、抽出された特徴に応じて最適な補正方法を選択することや、または補正に用いるパラメータを選択することができる。

または、ニューラルネットワーク６１０自体に画像処理を行う機能を持たせてもよい。すなわち、画像処理を施す前の画像データをニューラルネットワーク６１０に入力することで、画像処理が施された画像データを出力させる構成としてもよい。

また、ニューラルネットワーク６１０に用いる重み係数のデータは、データテーブルとして記憶部６０２に格納される。当該重み係数を含むデータテーブルは、例えば通信制御部６０３により、コンピュータネットワークを介して最新のものに更新することができる。または、画像処理回路６０４が学習機能を有し、重み係数を含むデータテーブルを更新可能な構成としてもよい。

図２１（Ｂ）に、画像処理回路６０４が有するニューラルネットワーク６１０の概略図を示す。

ニューラルネットワーク６１０は、入力層６１１、１つ以上の中間層６１２、及び出力層６１３を有する。入力層６１１には入力データが入力される。出力層６１３からは出力データが出力される。

入力層６１１、中間層６１２、及び出力層６１３には、それぞれニューロン６１５を有する。ここでニューロン６１５は、積和演算を実現しうる回路素子（積和演算素子）を指す。図２１では、２つの層が有する２つのニューロン６１５間におけるデータの入出力方向を矢印で示している。

それぞれの層における演算処理は、前層が有するニューロン６１５の出力と重み係数との積和演算により実行される。層と層との結合は、全てのニューロン同士が結合する全結合としてもよいし、一部のニューロン同士が結合する部分結合としてもよい。図２１（Ｂ）では全結合である場合を示している。

図２１（Ｂ）では、３つの中間層６１２を有する例を示している。なお、中間層６１２の数はこれに限られず、１つ以上の中間層を有していればよい。

ニューロン６１５同士の結合強度の指標となる重み係数は、学習によって決定される。学習は、テレビジョン装置６００が有するプロセッサにより実行してもよいが、専用サーバーやクラウドなどの演算処理能力の優れた計算機で実行することが好ましい。学習により決定された重み係数は、テーブルとして上記記憶部６０２に格納され、画像処理回路６０４により読み出されることにより使用される。また、当該テーブルは、必要に応じてコンピュータネットワークを介して更新することができる。

以上がニューラルネットワークについての説明である。

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、窒素を有する金属酸化物膜の物性を評価した結果について説明する。本実施例においては、試料Ａ１乃至Ａ１２、Ｂ１乃至Ｂ１２、Ｃ１乃至Ｃ１２、Ｄ１乃至Ｄ１２、Ｅ１乃至Ｅ１２、Ｆ１乃至Ｆ１２を作製し、評価した。

＜試料の作製＞
本実施例で作製した各試料について、説明する。

試料Ａ１乃至Ａ１２はそれぞれ、６００ｍｍ×７２０ｍｍサイズのガラス基板上に膜厚１００ｎｍの金属酸化物膜が形成された構造である。金属酸化物膜が形成にはスパッタリング装置を用い、スパッタリングターゲットとしてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．５［原子数比］）を用いた。スパッタリング処理は、成膜時の基板温度（Ｔｓｕｂ．）を２００℃とし、圧力を０．６Ｐａに制御し、２５００ＷのＡＣ電力を投入して成膜した。各試料はそれぞれ、金属酸化物膜成膜時の窒素流量、酸素流量及びアルゴン流量が異なっている。各試料の金属酸化物膜の成膜条件を表１に示す。

試料Ｂ１乃至Ｂ１２、Ｃ１乃至Ｃ１２、Ｄ１乃至Ｄ１２はそれぞれ、６００ｍｍ×７２０ｍｍサイズのガラス基板上に膜厚１００ｎｍの金属酸化物膜が形成された構造である。金属酸化物膜が形成にはスパッタリング装置を用い、スパッタリングターゲットとしてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：１：７［原子数比］）を用いた。スパッタリング処理は、成膜時の基板温度（Ｔｓｕｂ．）を室温とし、圧力を０．６Ｐａに制御し、２５００ＷのＡＣ電力を投入して成膜した。また、試料Ｃ１乃至Ｃ１２、Ｄ１乃至Ｄ１２金属酸化物膜成膜後に、オーブンを用いて加熱処理を行った。各試料はそれぞれ、金属酸化物膜成膜時の窒素流量、酸素流量及びアルゴン流量、金属酸化物膜成膜後の加熱処理条件が異なっている。各試料の金属酸化物膜の成膜条件を表２に示す。

試料Ａ１乃至Ａ１２、Ｂ１乃至Ｂ１２は、金属酸化物膜の成膜後に加熱処理を行わなかった。試料Ｃ１乃至Ｃ１２は、金属酸化物膜の成膜後に窒素ガスの雰囲気下で４００℃１時間の加熱処理を行った。試料Ｄ１乃至Ｄ１２は、金属酸化物膜の成膜後に窒素ガスの雰囲気下で４００℃１時間の加熱処理を行い、さらに連続して窒素ガスと酸素ガスの混合雰囲気（窒素ガス流量：酸素ガス流量＝１：１）下で４００℃１時間の加熱処理を行った。

＜窒素濃度の評価＞
前述の試料Ａ１、Ａ４、Ａ９、Ａ１０、Ａ１２、Ｂ２、Ｂ６、Ｂ１０の二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）を行い、金属酸化物膜中の窒素濃度を評価した。

ＳＩＭＳ測定を行ったガラス基板内の位置を図２２に示す。図２２は、６００ｍｍ×７２０ｍｍサイズのガラス基板を示しており、ＳＩＭＳ測定は図２２中の白抜き丸印で示すＨの位置を用いた。

ＳＩＭＳ測定にはＣＡＭＥＣＡ社製ＩＭＳ−６ｆを用い、一次イオン種をＣｓ^＋、一次加速電圧を５．０ｋＶ、検出領域を直径３０μｍとした。試料Ａ１、Ａ４、Ａ９、Ａ１０、Ａ１２の検出下限は２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であった。試料Ｂ２、Ｂ６、Ｂ１０の検出下限は１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であった。

試料Ａ１、Ａ４、Ａ９、Ａ１０、Ａ１２の窒素濃度のプロファイルを図２３、試料Ｂ２、Ｂ６、Ｂ１０を図２４に示す。図２３及び図２４は、横軸に金属酸化物膜表面からの深さ（Ｄｅｐｔｈ）［μｍ］を示し、縦軸に窒素濃度（Ｎ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）［ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３］を示す。また、試料Ａ１、Ａ４、Ａ９、Ａ１０、Ａ１２の金属酸化物膜中の窒素濃度の平均値を図２５（Ａ）、試料Ｂ２、Ｂ６、Ｂ１０を図２５（Ｂ）に示す。図２５（Ａ）及び図２５（Ｂ）に示す窒素濃度は、金属酸化物膜表面からの深さが３０ｎｍ乃至８０ｎｍの範囲の平均値を用いた。

金属酸化物膜の成膜時に窒素流量比が高いほど金属酸化物膜中の窒素濃度が高くなる傾向であり、成膜時に窒素ガスを用いた試料の窒素濃度は１０^２０乗台ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であることを確認できた。

＜組成の評価１＞
前述の試料Ａ１、Ａ４、Ａ９、Ａ１０、Ａ１２、Ｂ２、Ｂ６、Ｂ１０のＸ線光電子分光（ＸＰＳ）測定を行い、金属酸化物膜の組成を評価した。

ＸＰＳ測定は図２２中の白抜き丸印で示すＨの位置を用いた。

ＸＰＳ測定にはＰＨＩ社製のＶｅｒｓａＰｒｏｂｅを用いた。Ｘ線源には単色化したＭｇ Ｋα線（１２５３．６ｅＶ）を用いた。取出角は４５°とした。検出深さは約４ｎｍから５ｎｍ程度と考えられる。各試料の検出下限は約１ａｔｏｍｉｃ％であった。

各試料の定量値［ａｔｏｍｉｃ％］を表３に示す。各試料とも窒素は検出下限以下であり、窒素の原子数比率は約１ａｔｏｍｉｃ％であることが分かった。なお、表３はＩｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｏの合計が１００％になるように規格化した値を示している。

＜密度の評価＞
前述の試料Ａ１乃至Ａ１２、Ｂ２、Ｂ６、Ｂ１０のＸ線反射率法（ＸＲＲ）測定を行い、金属酸化物膜の密度を評価した。

ＸＲＲ測定は図２２中の白抜き丸印で示すＢ、Ｅ、Ｈの位置を用いた。

試料Ａ１乃至Ａ１２の密度を図２６（Ａ）、試料Ｂ１乃至Ｂ１２を図２６（Ｂ）に示す。図２６（Ａ）及び図２６（Ｂ）は、横軸に成膜条件を示し、縦軸に密度（Ｄｅｎｓｉｔｙ）［ｇ／ｃｍ^３］を示す。

＜組成の評価２＞
前述の窒素濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、組成、密度のデータを用いて、金属酸化物膜中の窒素の原子数比率（ａｔｏｍｉｃ％）を算出した。

窒素の原子数比率の算出方法を、試料Ａ９を例に説明する。試料Ａ９において、＜窒素濃度の評価１＞で示した窒素濃度は６．９２×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、＜組成の評価＞で示した組成は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏ＝１７．３：１７．１：６．１：５９．５、＜密度の評価＞で示した密度は５．９８ｇ／ｃｍ^３であった。ここで、試料Ａ９の組成をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏ：Ｎ＝１７．３：１７．１：６．１：５９．５：ｘとおく。該組成から算出される金属酸化物膜の化学式量と、密度（ｇ／ｃｍ^３）及び窒素濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）の関係から、ｘは０．８７と算出された。試料Ａ９の組成はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏ：Ｎ＝１７．３：１７．１：６．１：５９．５：０．８７となり、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｏ、Ｎの合計が１００％になるように規格化すると、窒素の原子数比率は０．８６ａｔｏｍｉｃ％となった。なお、アボガドロ定数は６．０２２×１０^２３ｍｏｌ^−１を用いた。

試料Ａ９と同様に他の試料の窒素の原子数比率を算出した。算出した各試料の組成を表４に示す。表４に示すように、金属酸化物膜の成膜時に窒素ガスを用いなかった試料Ａ１、Ａ４及びＢ２と比較して、窒素ガスを用いた試料Ａ９、Ａ１０、Ａ１２、Ｂ６、Ｂ１０は金属酸化物膜中の窒素濃度が高くなっていることを確認できた。なお、金属酸化物膜のＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏの組成が不明の場合は、化学量論を組成として用いてもよい。例えば、スパッタリングターゲットとしてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．５［原子数比］）を用いて成膜した金属酸化物膜の組成は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏ＝１：１：０．５：３．５と想定して窒素の原子数比率を算出してもよい。スパッタリングターゲットとしてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：１：７［原子数比］）を用いて成膜した金属酸化物膜の組成は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏ＝５：１：７：１６と想定して窒素の原子数比率を算出してもよい。

＜バンドギャップの評価＞
前述の試料Ａ１乃至Ａ１２、Ｂ２、Ｂ６、Ｂ１０を分光エリプソメトリーで測定し、金属酸化物膜のバンドギャップ（Ｅｇ）を評価した。

バンドギャップ測定は図２２中の白抜き丸印で示すＨの位置を用いた。

試料Ａ１乃至Ａ１２のバンドギャップ（Ｅｇ）を図２７（Ａ）、試料Ｂ２、Ｂ６、Ｂ１０を図２７（Ｂ）に示す。図２７（Ａ）及び図２７（Ｂ）は、横軸に成膜条件を示し、縦軸にバンドギャップ（Ｅｇ）［ｅＶ］を示す。

金属酸化物膜の成膜時に窒素流量比が高くなると、バンドギャップ（Ｅｇ）が高くなる傾向であることを確認できた。

＜結晶性の評価＞
前述の試料Ａ１乃至Ａ１２、Ｂ１乃至Ｂ１２のＸ線回折（ＸＲＤ）測定を行い、金属酸化物膜の結晶性を評価した。

ＸＲＤ測定は図２２中の白抜き丸印で示すＢ、Ｅ、Ｈの位置を用いた。

ＸＲＤ測定は、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法の一種であるθ−２θスキャン法を用いた。θ−２θスキャン法は、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。θ−２θスキャン法は、粉末法と呼ばれる場合がある。ＸＲＤ測定にはＢｒｕｋｅｒ ＡＸＳ社製Ｄ８ ＡＤＶＡＮＣＥを用いた。Ｘ線源として波長０．１５４１８ｎｍのＣｕＫα線を用い、走査範囲を２θ＝１５ｄｅｇ．乃至５０ｄｅｇ．、ステップ幅を０．０１ｄｅｇ．、走査速度を６．０ｄｅｇ．／分とした。

試料Ａ１乃至Ａ１２のＸＲＤスペクトルを図２８、試料Ｂ１乃至Ｂ１２を図２９に示す。図２８及び図２９は、横軸に回折角度２θ［ｄｅｇ．］を示し、縦軸に回折Ｘ線強度（任意単位）を示す。なお、回折ピークを見やすくする為、図２８と図２９でグラフの縦軸及び横軸のスケールは異なっている。

成膜時に窒素ガスを用いた条件においても、酸素流量比が高くなるほど２θ＝３１°近傍のピークが大きくなるのを確認でき、良好な結晶性を有することが分かった。

＜キャリア密度の評価＞
前述の試料Ｃ１乃至Ｃ１２、Ｄ１乃至Ｄ１２のホール効果測定を行い、金属酸化物膜のキャリア密度を評価した。

ホール効果測定は図２２中の白抜き丸印で示すＨの位置を用いた。

ホール効果測定は、２５℃で行った。ホール効果測定には東陽テクニカ社製ＲｅｓｉＴｅｓｔ８３００シリーズを用いた。

試料Ｃ１乃至Ｃ１２のキャリア密度を図３０（Ａ）、試料Ｄ１乃至Ｄ１２を図３０（Ｂ）、に示す。図３０（Ａ）及び図３０（Ｂ）は、横軸に酸素流量比（Ｏ_２）［％］を示し、縦軸にキャリア密度（Ｃａｒｒｉｅｒ ｄｅｎｓｉｔｙ）［ｃｍ^−３］を示す。

成膜時の窒素流量比が高くなるほど、キャリア密度が少ない傾向を確認できた。窒素を有する金属酸化物膜は、加熱処理によるキャリア密度の増加が抑制されると考えられる。

本実施例ではトランジスタを作製し、当該トランジスタの電気特性を評価した。

＜トランジスタの作製＞
本実施例で作製したトランジスタについて、説明する。作製したトランジスタは、図３に示すトランジスタ１００Ｂの構成を用いた。

まず、ガラス基板上に厚さ約１００ｎｍのタングステン膜をスパッタリング法により成膜し、これを加工して第１のゲート電極を得た。

続いて、第１のゲート絶縁層として厚さ５ｎｍの酸化窒化シリコン膜と、厚さ１０ｎｍの酸化アルミニウム膜と、厚さ１５ｎｍの酸化窒化シリコン膜をこの順に成膜した。酸化窒化シリコン膜はプラズマＣＶＤ法により成膜し、成膜時の基板温度は４００℃とした。酸化アルミニウム膜はスパッタリング法により成膜し、成膜時の基板温度は１７０℃とした。

続いて、第１のゲート絶縁層上に、厚さ５ｎｍの第１の金属酸化物膜と、厚さ４０ｎｍの第２の金属酸化物膜とをこの順に成膜した。第１の金属酸化物膜の成膜は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．５［原子数比］）を用いたスパッタリング法により、圧力０．６Ｐａ、電源電力２．５ｋＷの条件で行った。成膜時の基板温度は２００℃とした。成膜ガスとして窒素ガス、酸素ガス及びアルゴンガスの混合ガスを用い、窒素流量比を１０％、酸素流量比を１０％、アルゴン流量比を８０％とした。第２の金属酸化物膜の成膜は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）を用いたスパッタリング法により、圧力０．６Ｐａ、電源電力２．５ｋＷの条件で行った。成膜時の基板温度は１３０℃とした。成膜ガスとして酸素ガス及びアルゴンガスの混合ガスを用い、酸素流量比を１０％、アルゴン流量比を９０％とした。

続いて、窒素雰囲気下、４００℃で１時間の加熱処理を行った後、窒素と酸素との混合ガス（窒素ガス流量：酸素ガス流量＝１：１）雰囲気下で、４００℃で１時間の加熱処理を行った。加熱処理にはオーブン装置を用いた。

続いて、第１の金属酸化物膜及び第２の金属酸化物膜を島状に加工し、第１の金属酸化物層及び第２の金属酸化物層を形成した。

続いて、第２のゲート絶縁層となる厚さ２０ｎｍの酸化窒化シリコン膜を成膜した。酸化窒化シリコン膜はプラズマＣＶＤ法により成膜し、成膜時の基板温度は４００℃とした。した。

続いて、窒素雰囲気下、４００℃で１時間の加熱処理を行った。加熱処理にはオーブン装置を用いた。

続いて、酸化窒化シリコン膜上に厚さ５ｎｍの酸化アルミニウム膜を成膜した。酸化アルミニウム膜は、アルミニウムターゲットを用いた反応性スパッタリング法により成膜した。成膜時の基板温度は１７０℃とした。成膜ガスとしてアルゴンガスと酸素ガスの混合ガスを用い、酸素流量比を７０％とした。

続いて、酸化アルミニウム膜上に厚さ１５０ｎｍのタングステン膜を成膜した。タングステン膜は、スパッタリング法により成膜した。

続いて、タングステン膜と、酸化アルミニウム膜と、酸化窒化シリコン膜を連続して加工し、第２のゲート電極、金属酸化物層及び第２のゲート絶縁層を形成した。

続いて、厚さ２０ｎｍの窒化アルミニウム膜を成膜した。窒化アルミニウム膜は、アルミニウムターゲットを用いた反応性スパッタリング法により成膜した。成膜時の基板温度は７０℃とした。成膜ガスとして窒素ガスとアルゴンガスの混合ガスを用い、窒素流量比を４０％とした。

続いて、窒素雰囲気下、３５０℃で１時間の加熱処理を行った。加熱処理にはオーブン装置を用いた。

続いて、第１の保護絶縁層として、厚さ２０ｎｍの酸化アルミニウム膜を成膜した。酸化アルミニウム膜は、アルミニウムターゲットを用いた反応性スパッタリング法により成膜した。成膜の条件は、基板温度を１７０℃、成膜ガスに酸素ガスとアルゴンガスの混合ガスを用い、酸素流量比を７０％とした。

続いて、第２の保護絶縁層として。厚さ３００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を成膜した。酸化窒化シリコン膜はプラズマＣＶＤ法により成膜し、成膜時の基板温度は４００℃とした。した。

続いて、窒素雰囲気下、３５０℃で１時間の加熱処理を行った。加熱処理にはオーブン装置を用いた。

続いて、トランジスタを覆う絶縁層の一部を開口し、厚さ３０ｎｍの窒化タンタル膜と、厚さ１５０ｎｍのタングステン膜をこの順にスパッタリング法により成膜し、これを加工してソース電極及びドレイン電極を得た。

その後、第２の保護絶縁層、ソース電極及びドレイン電極上に、厚さ約１．５μｍのアクリル樹脂膜を成膜し、これを加工して平坦化膜を得た。アクリル樹脂膜は、アクリル系の感光性樹脂を用い、窒素雰囲気下、２５０℃で１時間の焼成を行うことにより形成した。

以上の工程で、ガラス基板上に形成されたトランジスタを得た。

なお、トランジスタのチャネル長Ｌは、１μｍまたは６μｍとした。トランジスタのチャネル幅Ｗは、全ての試料において、３μｍとした。

＜トランジスタの電気特性＞
次に、上記作製した試料について、トランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性を測定した。なお、トランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性の測定条件としては、ゲート電圧（Ｖｇ）を、−６Ｖから＋６Ｖまで０．１Ｖのステップで印加した。また、ソース電圧（Ｖｓ）を０Ｖとし、ドレイン電圧（Ｖｄ）を、０．１Ｖ及び５．１Ｖとした。また、測定数は各トランジスタそれぞれ２０とした。

トランジスタの電気特性を図３１（Ａ）及び図３１（Ｂ）に示す。図３１（Ａ）は、チャネル長Ｌが１μｍ、チャネル幅Ｗが３μｍであるトランジスタの結果を示しており、図３１（Ｂ）は、チャネル長Ｌが６μｍ、チャネル幅Ｗが３μｍであるトランジスタの結果を示している。図３１（Ａ）及び図３１（Ｂ）において、横軸はゲート電圧（Ｖｇ）［Ｖ］を示し、左の縦軸はドレイン電流（Ｉｄ）［Ａ］、右の縦軸は移動度（μＦＥ）［ｃｍ^２／Ｖｓ］を示す。

図３１（Ａ）及び図３１（Ｂ）に示したトランジスタのしきい値電圧（Ｖｔｈ）を図３２に示す。図２２において、横軸はトランジスタのサイズ、縦軸はしきい値電圧（Ｖｔｈ）［Ｖ］を示している。また、測定データ（各２０個）を×印で示し、平均値（ａｖｅ）を黒丸印で示している。図３１（Ａ）、図３１（Ｂ）及び図３２に示すように、いずれのトランジスタにおいても、しきい値電圧（Ｖｔｈ）が正の値であり、良好な電気特性を示すことが確認された。

１００ トランジスタ
１００Ａ〜Ｃ トランジスタ
１０２ 基板
１０３ 絶縁層
１０４ 絶縁層
１０６ 導電層
１０８ 金属酸化物層
１０８ｆ 金属酸化物膜
１０８ａ 金属酸化物層
１０８ａｆ 金属酸化物膜
１０８ｂ 金属酸化物層
１０８ｂｆ 金属酸化物膜
１０８ｃ 金属酸化物層
１０８ｃｆ 金属酸化物膜
１０８ｎ 領域
１１０ 絶縁層
１１０ｆ 絶縁膜
１１２ 導電層
１１２ｆ 導電膜
１１４ 絶縁層
１１４ｆ 絶縁膜
１１５ 絶縁層
１１８ 絶縁層
１２０ａ、ｂ 導電層
１４１ａ、ｂ 開口部

Claims (13)

1. 第１の絶縁層と、第２の絶縁層と、第３の絶縁層と、第１の導電層と、第１の金属酸化物層と、第２の金属酸化物層と、を有し、
   前記第１の金属酸化物層は、前記第１の絶縁層上に位置し、
   前記第２の金属酸化物層は、前記第１の金属酸化物層上に位置し、
   前記第１の導電層は、前記第２の金属酸化物層上に位置し、
   前記第２の絶縁層は、前記第２の金属酸化物層と前記第１の導電層の間に位置し、
   前記第３の絶縁層は、前記第１の絶縁層の上面、前記第１の金属酸化物層の側面、前記第２の金属酸化物層の上面の一部及び側面、前記第２の絶縁層の側面、並びに前記第１の導電層の側面及び上面を覆い、
   前記第１の金属酸化物層は、前記第２の金属酸化物層より窒素濃度が高い領域を有する、半導体装置。
2. 請求項１において、
   前記第１の金属酸化物層は、窒素濃度が１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１×１０^２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の領域を有する、半導体装置。
3. 請求項１又は請求項２において、
   前記第１の金属酸化物層は、窒素の原子数比率が０．００１ａｔｏｍｉｃ％以上１０ａｔｏｍｉｃ％以下の領域を有する、半導体装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一において、
   前記第１の金属酸化物層と前記第２の金属酸化物層は、上面形状が概略一致する、半導体装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
   前記第１の金属酸化物層及び前記第２の金属酸化物層はそれぞれ、Ｉｎと、元素Ｍと、Ｚｎと、を含み、
   前記元素Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂ、Ｙ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｖ、Ｂｅ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、またはＭｇから選ばれた一以上である、半導体装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一において、
   さらに第３の金属酸化物層を有し、
   前記第３の金属酸化物層は、前記第１の絶縁層と前記第１の金属酸化物層との間に位置し、
   前記第３の金属酸化物層は、第２の金属酸化物層より結晶性が高い領域を有する、半導体装置。
7. 請求項６において、
   前記第１の金属酸化物層と前記第３の金属酸化物層は、上面形状が概略一致する、半導体装置。
8. 請求項６又は請求項７において、
   前記第３の金属酸化物層はそれぞれ、Ｉｎと、元素Ｍと、Ｚｎと、を含み、
   前記元素Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂ、Ｙ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｖ、Ｂｅ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、またはＭｇから選ばれた一以上である、半導体装置。
9. 請求項１乃至請求項８のいずれか一において、
   前記第３の絶縁層は、金属窒化物を含む、半導体装置。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれか一において、
    前記第３の絶縁層は、アルミニウムを含む、半導体装置。
11. 請求項１乃至請求項１０のいずれか一において、
    前記第３の絶縁層は、前記第１の金属酸化物層より窒素濃度が高い領域を有する、半導体装置。
12. 請求項１乃至請求項１１のいずれか一において、
    前記第３の絶縁層と前記第２の金属酸化物層との界面近傍において、金属インジウムを有する、半導体装置。
13. 請求項１乃至請求項１２のいずれか一において、
    さらに第４の絶縁層を有し、
    前記第４の絶縁層は、前記第１の絶縁層の下に位置し、
    前記第４の絶縁層は、アルミニウム及びハフニウムの少なくとも一方と、酸素と、を含む、半導体装置。