JP2020057819A - 酸化物半導体層のエッチング方法及びトランジスタの作製方法 - Google Patents

酸化物半導体層のエッチング方法及びトランジスタの作製方法 Download PDF

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Shunpei Yamazaki
舜平 山崎
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安孝 中澤
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Masami Kaminaga
正美 神長
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純一 肥塚
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Takuya Hirohashi
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Shunsuke Adachi
駿介 足立
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Abstract

【課題】酸化物半導体中のチャネル形成領域における酸素欠損を低減し、電気特性の安定したまたは信頼性の高いトランジスタを含む半導体装置を提供する。【解決手段】ゲート電極上にゲート絶縁膜を形成し、ゲート電極上のゲート絶縁膜上に、酸化物半導体層を形成し、酸化物半導体層上に、スパッタリング法により酸化物層を形成して、酸化物半導体層と酸化物層とを含む酸化物積層膜を形成し、酸化物積層膜を所定の形状に加工し、所定の形状に加工した酸化物積層膜上に、Ｔｉを主成分とする導電膜を形成し、導電膜をエッチングして、ソース電極およびドレイン電極を形成するとともに、バックチャネル側に凹部を形成し、加熱処理により、酸化物積層膜がソース電極およびドレイン電極と接する部分をｎ型化する。【選択図】図２

Description

本発明は、物、プロセス（方法および製造方法を含む）、機械（マシーン）、製品（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
は、半導体装置、表示装置、発光装置、それらの駆動方法、またはそれらの製造方法等に
関する。特に本発明は、酸化物半導体を有する半導体装置、表示装置、または発光装置等
に関する。
なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体の電子工学的な特性を利用することで
機能しうる装置の全てをその範疇とし、例えば、電気光学装置や半導体回路、電気機器等
はいずれも半導体装置に含まれる。
ガラス基板等の絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いたトランジスタ（
薄膜トランジスタ、またはＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒの略称。
）ともいう。）やダイオード等の半導体素子は、集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（単に
表示装置とも表記する）のような半導体装置に広く応用されている。このような半導体素
子に適用可能な半導体薄膜としてシリコン膜が広く知られている。
しかし、例えば非晶質シリコンを用いたトランジスタは、ガラス基板の大面積化に対応す
ることができるため低コストで作製することができるものの、電界効果移動度が低い。一
方、多結晶シリコンを用いたトランジスタは、電界効果移動度が高いもののレーザアニー
ルなどの結晶化工程が必要であり製造工程数が多く、またガラス基板の大面積化には必ず
しも適応しない。
一方、近年新たな半導体材料として酸化物半導体が注目されている。酸化物半導体として
、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）やＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物等の材料が挙げられる。このよ
うな酸化物半導体を材料とした半導体薄膜をチャネル形成領域に用いたトランジスタを作
製する技術の開発が進められている（特許文献１参照）。
酸化物半導体をチャネル形成領域に用いることで、多結晶シリコンや微結晶シリコンによ
って得られる高い電界効果移動度と、非晶質シリコンによって得られる均一な素子特性と
を併せ持ったトランジスタを作製することができる。該トランジスタは電界効果移動度が
高いため、例えばこれを表示装置に用いた場合には、小さな面積のトランジスタでも十分
なオン電流を得ることができ、画素の高開口率化や、それに伴う表示装置の低消費電力化
を図ることができる。また、酸化物半導体膜は、スパッタリング法を用いて成膜できるた
め、大面積基板上に半導体装置を作製する場合に好適である。大面積基板に半導体装置を
作製することで、半導体装置の作製コストを低くすることができる。さらに、非晶質シリ
コン膜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メリットもある。
しかし、酸化物半導体は製造工程中において酸素が脱離し、酸素欠損を形成することが知
られている（特許文献２参照）。
特開２００７−１２３８６１号公報 特開２０１１−２２２７６７号公報
酸化物半導体をチャネル形成領域に用いてトランジスタを作製する場合、酸化物半導体中
に形成される酸素欠損（本明細書においては、Ｖｏとも表記する。）はトランジスタ特性
に影響を与えるため問題となる。酸化物半導体は、酸素欠損に起因してキャリアを発生す
る場合がある。そのため、酸化物半導体中に酸素欠損が多く存在すると、キャリアである
電子が発生する場合があるため、チャネル形成領域がｎ型化（例えばｎ−化）し、低抵抗
化してしまうことがある。そのため、トランジスタのノーマリオン化、リーク電流の増大
、ストレス印加によるしきい値電圧のシフト等、トランジスタの電気特性の不良が誘発さ
れる。従って、チャネル形成領域においては、酸化物半導体中に酸素欠損が少ない程好ま
しい。
そこで、本発明の一態様は、酸化物半導体中のチャネル形成領域における酸素欠損を低減
し、電気特性の安定した、または信頼性の高いトランジスタを含む半導体装置を提供する
ことを課題の一とする。
特に、本発明の一態様は、ゲート電圧−ドレイン電流特性がドレイン電圧によって変動す
ることを低減または抑制したトランジスタを含む半導体装置を提供することを課題の一と
する。
また、本発明の一態様は、チャネル長の短い（例えば、チャネル長が３μｍ以下である）
微細なトランジスタを含む半導体装置を提供することを課題の一とする。
また、本発明の一態様は、消費電力の小さい半導体装置を提供することを課題の一とする
。
また、本発明の一態様は、上記の課題の一を解決する半導体装置の作製方法を提供するこ
とを課題の一とする。
特に、本発明の一態様は、生産性または歩留まりの高い半導体装置の作製方法を提供する
ことを課題の一とする。
または、本発明の一態様は、ノーマリオンになりにくい半導体装置を提供することを課題
の一とする。または、本発明の一態様は、リーク電流が増えにくい半導体装置を提供する
ことを課題の一とする。または、本発明の一態様は、しきい値電圧が変動しにくい半導体
装置を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、ショートチャネル効
果の影響を受けにくい半導体装置を提供することを課題の一とする。または、本発明の一
態様は、ソース領域とドレイン領域とがショートしづらい半導体装置を提供することを課
題の一とする。または、本発明の一態様は、チャネル長のばらつきの影響を受けにくい半
導体装置を提供することを課題の一とする。
本発明の一態様は、上記に掲げる課題のうち少なくとも一つを解決することができる。な
お、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、こ
れら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであ
り、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能であ
る。
そこで、本発明の一態様は、酸化物半導体中の酸素欠損の少ない領域の一部をチャネル形
成領域として用いたトランジスタを含む半導体装置、およびその作製方法である。
即ち、本発明の一態様は、ゲート電極と、ゲート電極と重なるゲート絶縁膜と、ゲート絶
縁膜を介してゲート電極と重なる酸化物積層膜と、酸化物積層膜と接するソース電極およ
びドレイン電極と、を有し、酸化物積層膜は、ソース電極およびドレイン電極と接する部
分がもっとも低抵抗であり、かつソース電極およびドレイン電極から遠ざかるに従って抵
抗が高くなる半導体装置である。
また、本発明の一態様は、ゲート電極と、ゲート電極と重なるゲート絶縁膜と、ゲート絶
縁膜を介してゲート電極と重なる酸化物積層膜と、酸化物積層膜と接するソース電極およ
びドレイン電極と、を有し、酸化物積層膜は、ソース電極とドレイン電極との間に凹部を
有し、ソース電極およびドレイン電極と接する部分から凹部の側面の一部に渡って低抵抗
領域を有する半導体装置である。
また、本発明の一態様は、ゲート電極と、ゲート電極上のゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜
上の酸化物積層膜と、酸化物積層膜と接するソース電極およびドレイン電極と、ソース電
極およびドレイン電極と接する酸化物積層膜の部分に設けられたｎ＋領域と、を有し、酸
化物積層膜中において、ｎ＋領域は前記ソース電極とドレイン電極との間の領域に延びて
いる半導体装置である。
また、本発明の一態様は、ゲート電極と、ゲート電極上のゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜
上の酸化物積層膜と、酸化物積層膜と接するソース電極およびドレイン電極と、ソース電
極およびドレイン電極と接する酸化物積層膜の部分に設けられたｎ＋領域と、を有し、ソ
ース電極とドレイン電極との間において、酸化物積層膜は凹部を有し、ｎ＋領域は凹部の
側面の一部と接している半導体装置である。
また、本発明の一態様は、ゲート電極上にゲート絶縁膜を形成し、ゲート電極上のゲート
絶縁膜上に、酸化物半導体層を形成し、酸化物半導体層上に、スパッタリング法により酸
化物層を形成して、酸化物半導体層と酸化物層とを含む酸化物積層膜を形成し、酸化物積
層膜を所定の形状に加工し、所定の形状に加工した酸化物積層膜に接して、Ｔｉを主成分
とする導電膜を形成し、導電膜をエッチングして、ソース電極およびドレイン電極を形成
するとともに、バックチャネル側に凹部を形成し、熱処理により、酸化物積層膜がソース
電極およびドレイン電極と接する部分をｎ型化することを特徴とする半導体装置の作製方
法である。
酸化物半導体層および前記酸化物層は、それぞれＩｎ（インジウム）、Ｍ、Ｚｎ（亜鉛）
を含む酸化物（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、Ｌａ、ＣｅまたはＮｄ）であり、酸化物層は、酸化
物半導体層よりも含有するＭの割合が高いことが好ましい。
本発明の一態様により、電気特性の安定したまたは信頼性の高いトランジスタを含む半導
体装置を提供することができる。
特に、本発明の一態様により、ゲート電圧−ドレイン電流特性がドレイン電圧によって変
動することを低減または抑制したトランジスタを含む半導体装置を提供することができる
。
また、本発明の一態様により、チャネル長の短い（例えば、チャネル長が３μｍ以下であ
る）微細なトランジスタを含む半導体装置を提供することができる。
また、本発明の一態様により、消費電力の小さい半導体装置を提供することができる。
また、本発明の一態様により、上記の課題の一を解決する半導体装置の作製方法を提供す
ることができる。
また、本発明の一態様により、生産性または歩留まりの高い半導体装置の作製方法を提供
することができる。
トランジスタの一形態を説明する上面図および断面図。 トランジスタの一形態を説明する断面図。 トランジスタのバンド構造を説明する図。 トランジスタのバンド構造を説明する図。 トランジスタの作製方法を示す断面図。 トランジスタの作製方法を示す断面図。 酸化物半導体層を用いたトランジスタの電気特性の変動を説明する図。 酸化物半導体層を用いたトランジスタの断面構造を示す図。 トランジスタの一形態を説明する断面図。 トランジスタの一形態を説明する断面図。 トランジスタの一形態を説明する断面図。 トランジスタの一形態を説明する上面図。 トランジスタの一形態を説明する断面図。 トランジスタの一形態を説明する断面図。 トランジスタの一形態を説明する断面図。 トランジスタの一形態を説明する断面図。 ＥＬ素子を用いた表示モジュールの画素の一部の回路図。 ＥＬ素子を用いた表示モジュールの上面図、断面図および発光層の断面図。 ＥＬ素子を用いた表示モジュールの断面図。 液晶素子を用いた表示モジュールの画素の回路図。 液晶素子を用いた表示モジュールの断面図。 ＦＦＳモードの液晶素子を用いた表示モジュールを説明する図。 タッチセンサを説明する図。 タッチセンサを備える画素を説明する図。 タッチセンサおよび画素の動作を説明する図。 タッチセンサおよび画素の動作を説明する図。 画素を説明する図。 電気機器を説明する図。 シート抵抗の測定結果を示す図。 シート抵抗の測定結果を示す図。 シート抵抗の測定結果を示す図。 シート抵抗の測定結果を示す図。 上部にタングステン層を形成したＣＡＡＣ−ＯＳ膜のＴＥＭ像。 シート抵抗の測定結果を示す図。 シート抵抗の測定結果を示す図。 上部にチタン層を形成したｎｃ−ＯＳ膜のＴＥＭ像。 ＳＩＭＳ結果を示す図。 酸素の拡散についての評価結果を示す図。 酸素の拡散についての評価結果を示す図。 作製したトランジスタの特性を示す図。 ゲートＢＴ試験の結果を示す図。 オン電流としきい値電圧との相関関係を示す図。 ＴＬＭ解析を説明する図。 ＴＬＭ解析の結果を示す図。 ＴＬＭ解析の結果を示す図。 ＣＡＡＣ構造の酸化物半導体を用いたトランジスタの特性を示す図。 非晶質の酸化物半導体を用いたトランジスタの特性を示す図。 計算で求めた非晶質構造と結晶構造を示す図。
本発明の実施形態について、図面を用いて以下、詳細に説明する。
ただし、本発明はこれらの説明に限定されず、その形態および態様を様々に変更し得るこ
とは、当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施形態の記載内
容に限定して解釈されるものではない。
なお、本明細書で説明する各図において、膜や層、基板などの厚さや領域の大きさ等の各
構成要素の大きさは、個々に説明の明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、
必ずしも各構成要素はその大きさに限定されず、また各構成要素間での相対的な大きさに
限定されない。
なお、本明細書等において、第１、第２などとして付される序数詞は、便宜上用いるもの
であって工程の順番や積層の順番などを示すものではない。また、本明細書等において発
明を特定するための事項として固有の名称を示すものではない。
なお、本明細書等で説明する本発明の構成において、同一部分または同様の機能を有する
部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。ま
た、同様の機能を有する部分を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付
さない場合がある。
なお、実際の製造工程において、エッチングなどの処理によりレジストマスクなどが意図
せずに目減りすることがあるが、理解を容易にするため、図面においては省略して示すこ
とがある。
なお、本明細書等において、「上」や「下」の用語は、構成要素の位置関係が「直上」ま
たは「直下」であることを限定するものではない。例えば、「ゲート絶縁層上のゲート電
極」の表現であれば、ゲート絶縁層とゲート電極との間に他の構成要素を含むものを除外
しない。
また、電圧は、ある電位と、基準の電位（例えば接地電位（ＧＮＤ）またはソース電位）
との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧を電位と言い換えることが可能である
。
また、本明細書等において、「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に
限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり
、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「
配線」が一体となって形成されている場合なども含む。
また、「ソース」や「ドレイン」の機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や
、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。そのため
、本明細書等においては、「ソース」や「ドレイン」の用語は、入れ替えて用いることが
できるものとする。
なお、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの
」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの
」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。
さらに、現実の回路においては、物理的な接続部分がなく、配線が延在しているだけの場
合もある。
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。
なお、本実施の形態に記載の内容は、適宜組み合わせて用いることができる。
［１．酸化物半導体層を用いたトランジスタの劣化機構］
酸化物半導体（ＯＳ）層を用いたトランジスタの信頼性を高めるためには、信頼性に影響
を与える要因を明らかにすることが重要である。そこで、酸化物半導体層を用いたトラン
ジスタの信頼性を高めるために、以下のような劣化機構のモデルを立てた。
酸化物半導体層の酸素欠損（Ｖｏ）は、酸化物半導体層に深い準位（ｄｅｅｐ ｌｅｖｅ
ｌ ＤＯＳ（Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｏｆ Ｓｔａｔｅ））を形成する。ｄｅｅｐ ｌｅｖｅｌ
ＤＯＳを低減するためには、酸化物半導体層を化学量論的組成よりも過剰に酸素を含む
状態にすること、外部から酸素欠損を補う酸素を与えることが重要である。
酸化物半導体層を用いたトランジスタに対し、プラスゲートＢＴ（＋ＧＢＴ：ｐｌｕｓ
ｇａｔｅ ｂｉａｓ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）試験を行うと、初期のＶｇ−Ｉｄ特性と
比べてしきい値電圧（Ｖｔｈ）がプラス方向へ変動する。また、プラスゲートＢＴ試験を
行ったトランジスタに対し、マイナスゲートＢＴ（−ＧＢＴ：ｍｉｎｕｓ ｇａｔｅ ｂ
ｉａｓ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）試験を行うと、Ｖｇ−Ｉｄ特性がマイナス方向へ変動
する。このように、プラスゲートＢＴ試験とマイナスゲートＢＴ試験とを交互に繰り返す
ことで、トランジスタのしきい値電圧がプラス方向、マイナス方向に交互に変動する（図
７参照）。
図７より、酸化物半導体層を用いたトランジスタのＶｇ−Ｉｄ特性の変動は、固定電荷で
はなく準位（トラップ準位）が関係していることが示唆される。
［１．１．各劣化モードにおける劣化機構］
以下に、酸化物半導体層を用いたトランジスタの劣化モードが、どのように起こるかを説
明する。
プラスゲートＢＴ試験時のしきい値電圧のプラス方向への変動について説明を行う。
プラスゲートＢＴ試験時において、プラスのゲート電圧によって誘起された電子がＤＯＳ
にトラップされる。プラスゲートＢＴ試験時にトラップされた電子、即ちマイナス電荷は
、緩和時間が長く、固定電荷のように振る舞う。このマイナス電荷により、ゲート電圧（
バイアス）をオフ状態とした後も、実効的にマイナスの電圧が与えられた状態と等しくな
る。よって、プラスゲートＢＴ試験後のトランジスタの電気特性を測定した時に、トラン
ジスタ特性（Ｖｇ−Ｉｄ特性）のしきい値電圧がプラス方向へ変動する。
次に、マイナスゲートＢＴ試験時のしきい値電圧のマイナス方向への変動について説明を
行う。
マイナスゲートＢＴ試験時において、マイナスのゲート電圧（Ｖｇ）を印加し、光を照射
するとＤＯＳに正孔、即ちプラス電荷がトラップされる。伝導体下端のエネルギー（Ｅｃ
）とＤＯＳのエネルギーとの差が大きい、また価電子帯上端のエネルギー（Ｅｖ）とＤＯ
Ｓのエネルギーとの差が大きいため、正孔が誘起されるのに要する時間が長い。また酸化
物半導体層中の正孔は有効質量が大きく、ドレイン電極からも正孔の注入は起こりにくい
。また、プラス電荷は、緩和時間が長く固定電荷のように振る舞う。このプラス電荷によ
り、ゲート電圧（バイアス）をオフ状態とした後も、実効的にプラスの電圧が与えられた
状態と等しくなる。よって、マイナスゲートＢＴ試験後のトランジスタの電気特性を測定
した時に、トランジスタ特性（Ｖｇ−Ｉｄ特性）のしきい値電圧がマイナス方向へ変動す
る。
次に、酸化物半導体層とソース電極およびドレイン電極との接触した領域のｎ型領域につ
いて、図８を用いて説明を行う。図８は、酸化物半導体層を用いたトランジスタの断面図
を示しており、ゲート電極と、ゲート電極上に形成されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜
上に形成された酸化物半導体層と、酸化物半導体層上に形成されたソース電極およびドレ
イン電極と、酸化物半導体層、ソース電極、およびドレイン電極上に形成された絶縁膜（
ｅｘＯ含有の絶縁膜）と、を有する構成である。
酸化物半導体層の形成後、該酸化物半導体層に接して、ソース電極およびドレイン電極を
形成する。例えば、ソース電極およびドレイン電極をスパッタリング法で成膜した場合、
酸化物半導体層の膜中に成膜時のプラズマダメージ、または成膜時にソース電極およびド
レイン電極に用いる材料の原子または分子の衝突により、酸化物半導体層の一部がｎ型化
し、ｎ型領域（ｎ＋領域）が形成される。
また、上述したｎ型領域は、ソース電極およびドレイン電極の形成後の熱処理でも形成さ
れる。例えば、該熱処理により、酸化物半導体層中に酸素欠損の位置に水素が入る（Ｖｏ
Ｈが形成される）、または酸化物半導体層がＩｎを含む場合、酸化物半導体層中に含まれ
るＩｎが還元され、ｎ型領域が形成される。
一方、酸化物半導体層のソース電極およびドレイン電極が形成されていない領域、即ちチ
ャネルが形成される領域は、酸化物半導体層と接して過剰な酸素を有する絶縁膜（ｅｘＯ
含有の絶縁膜）が形成されているため、この過剰な酸素を有する絶縁膜の形成後に熱処理
を行うことによって、酸化物半導体層中に過剰酸素（ｅｘＯ）が補填され、酸素欠損が低
減することによりｉ型化（ｉ層）となる。
なお、酸化物半導体層がＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である場合、酸素との結合エネルギーの
小さいインジウムと結合している酸素が抜けやすい（Ｉｎ−Ｖｏが形成されやすい）。な
お、ｎ型領域の形成には、Ｉｎ−ＶｏＨが関係していると考えられる。また、酸素欠損は
、Ｉｎ−Ｖｏ−Ｉｎのように存在していると考えられる。
酸化物半導体層中の欠陥準位を低減するには、酸素欠損（Ｖｏ）を低減することが重要で
ある。具体的には、酸化物半導体層中へのＳｉの混入を防ぎ、または過剰酸素を補填する
ことで酸素欠損を低減することができる。また、酸素欠損に水素が捕獲されると、ｎ型領
域が形成されるため、酸化物半導体層中の水素を低減すると好ましい。
［２．酸化物半導体を用いたトランジスタ］
以下では、酸素欠損を低減し、安定した電気特性を有する酸化物半導体を用いたトランジ
スタについて説明する。
［２．１．トランジスタの構造］
図１（Ａ）乃至図１（Ｃ）に、半導体装置が有するトランジスタ１００の上面図および断
面図を示す。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
）の一点鎖線Ａ１−Ａ２間の断面図であり、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）の一点鎖線Ｂ１−
Ｂ２間の断面図である。なお、図１（Ａ）では、明瞭化のため、トランジスタ１００の構
成要素の一部（例えば、基板１０１、ゲート絶縁膜１０３、層間絶縁膜１０９など）を省
略している。
図１（Ｂ）および図１（Ｃ）に示すトランジスタ１００は、基板１０１上に設けられるゲ
ート電極１０２を有する。また、基板１０１およびゲート電極１０２上に、ゲート絶縁膜
１０３が形成され、ゲート絶縁膜１０３を介して、ゲート電極１０２と重なる酸化物積層
膜１０４と、酸化物積層膜１０４に接するソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０８
ｂとを有する。また、ゲート絶縁膜１０３、酸化物積層膜１０４、およびソース電極１０
８ａおよびドレイン電極１０８ｂ上には、層間絶縁膜１０９が形成される。層間絶縁膜１
０９は、酸化物絶縁膜１０９ａと酸化物絶縁膜１０９ｂとの積層構造である。また、層間
絶縁膜１０９上に層間絶縁膜１１１を有する。
本発明の一態様に係るトランジスタ１００において、酸化物積層膜１０４は、酸化物半導
体層１０５、酸化物層１０６を有する。また、酸化物半導体層１０５が主としてチャネル
として機能する。また、酸化物積層膜１０４に接するように、層間絶縁膜１０９が形成さ
れている。即ち、酸化物半導体層１０５と層間絶縁膜１０９との間に、酸化物層１０６が
設けられている。
酸化物半導体層１０５としては、例えばＩｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｍ
−Ｚｎ酸化物（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、Ｌａ、ＣｅまたはＮｄ）を用いることができる。
なお、酸化物半導体層１０５がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、ＩｎとＭの原子数比率
は、好ましくは、Ｉｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％以上、さらに
好ましくは、Ｉｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％以上とする。
酸化物半導体層１０５は、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上
、より好ましくは３ｅＶ以上である。このように、エネルギーギャップの広い酸化物半導
体を用いることで、トランジスタ１００のオフ電流を低減することができる。
酸化物半導体層１０５の厚さは、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上１０
０ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。
酸化物層１０６は、代表的には、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ
酸化物であり、且つ酸化物半導体層１０５よりも伝導帯の下端のエネルギーが真空準位に
近く、代表的には、ＩｎもしくはＧａを含む酸化物層１０６の伝導帯の下端のエネルギー
と、酸化物半導体層１０５の伝導帯の下端のエネルギーとの差が、０．０５ｅＶ以上、０
．０７ｅＶ以上、０．１ｅＶ以上、または０．１５ｅＶ以上、且つ２ｅＶ以下、１ｅＶ以
下、０．５ｅＶ以下、または０．４ｅＶ以下である。
酸化物層１０６がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、ＩｎとＭの原子数比率は、好ましく
は、Ｉｎが２５ａｔｏｍｉｃ％以上、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくは、
Ｉｎが３４ａｔｏｍｉｃ％以上、Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。
また、酸化物半導体層１０５および酸化物層１０６がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化
物半導体層１０５と比較して、酸化物層１０６に含まれるＭの原子数比が大きく、代表的
には、酸化物半導体層１０５に含まれる上記原子と比較して、１．５倍以上、好ましくは
２倍以上、さらに好ましくは３倍以上高い原子数比である。
また、酸化物半導体層１０５および酸化物層１０６がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化
物層１０６をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ１：ｚ１［原子数比］、酸化物半導体層１０５を
Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ２：ｙ２：ｚ２［原子数比］とすると、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２より
も大きく、好ましくは、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２よりも１．５倍以上である。さらに好ま
しくは、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２よりも２倍以上大きく、より好ましくは、ｙ１／ｘ１が
ｙ２／ｘ２よりも３倍以上大きい。このとき、酸化物積層膜において、ｙ２がｘ２以上で
あると、当該酸化物積層膜を用いたトランジスタに安定した電気特性を付与できるため好
ましい。ただし、ｙ２がｘ２の３倍以上になると、当該酸化物積層膜を用いたトランジス
タの電界効果移動度が低下してしまうため、ｙ２はｘ２の３倍未満であると好ましい。
例えば、酸化物半導体層１０５としてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１または３：１：２の
原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いることができる。また、酸化物層１０６として
Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２、１：６：４、または１：９：６の原子数比のＩｎ−Ｇａ
−Ｚｎ酸化物を用いることができる。なお、酸化物半導体層１０５および酸化物層１０６
の原子数比はそれぞれ、誤差として上記の原子数比のプラスマイナス２０％の変動を含む
。
なお、これらに限られず、必要とするトランジスタの半導体特性および電気特性（電界効
果移動度、しきい値電圧等）に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とす
るトランジスタの半導体特性を得るために、酸化物半導体層１０５のキャリア密度や不純
物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとする
ことが好ましい。
酸化物層１０６は、後に形成する層間絶縁膜１０９を形成する際の、酸化物半導体層１０
５へのダメージ緩和膜としても機能する。
酸化物層１０６の厚さは、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍで
ある。
酸化物半導体層１０５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
、酸化物半導体層１０５において酸素欠損が増加し、ｎ型化してしまう。そのため、酸化
物半導体層１０５の一部または全てにおけるシリコンや炭素の濃度、または酸化物層１０
６と酸化物半導体層１０５との界面近傍のシリコンや炭素の濃度を、２×１０１８ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
また、酸化物半導体層１０５において、アルカリ金属及びアルカリ土類金属は、酸化物半
導体と結合するとキャリアを生成する場合があり、トランジスタのオフ電流の上昇の原因
となる。このため、酸化物半導体層１０５のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度
は、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／
ｃｍ３以下であることが望ましい。
また、本発明の一態様に係るトランジスタ１００において、酸化物積層膜１０４に接する
ように、層間絶縁膜１０９が形成されている。層間絶縁膜１０９は、酸化物絶縁膜１０９
ａと、その上の酸化物絶縁膜１０９ｂとからなる。
酸化物絶縁膜１０９ａは、酸素を透過する酸化物絶縁膜である。なお、酸化物絶縁膜１０
９ａは、後に形成する酸化物絶縁膜１０９ｂを形成する際の、酸化物積層膜１０４へのダ
メージ緩和膜としても機能する。
酸化物絶縁膜１０９ａとしては、厚さが５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以
上５０ｎｍ以下の酸化シリコン、酸化窒化シリコン等を用いることができる。なお、本明
細書中において、酸化窒化シリコン膜とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が
多い膜を指し、窒化酸化シリコン膜とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多
い膜を指す。
また、酸化物絶縁膜１０９ａは、欠陥量が少ないことが好ましく、代表的には、ＥＳＲ測
定により、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝２．００１に現れる信号のスピ
ン密度が３×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。これは、酸化物絶
縁膜１０９ａに含まれる欠陥密度が多いと、当該欠陥に酸素が結合してしまい、酸化物絶
縁膜１０９ａにおける酸素の透過量が減少してしまうためである。
また、酸化物絶縁膜１０９ａと酸化物積層膜１０４との界面における欠陥量が少ないこと
が好ましく、代表的には、ＥＳＲ測定により、酸化物積層膜１０４の欠陥に由来するｇ＝
１．９３に現れる信号のスピン密度が１×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下、さらには検
出下限以下であることが好ましい。
なお、酸化物絶縁膜１０９ａにおいては、外部から酸化物絶縁膜１０９ａに入った酸素が
全て酸化物絶縁膜１０９ａの外部に移動せず、酸化物絶縁膜１０９ａにとどまる酸素もあ
る。また、酸化物絶縁膜１０９ａに酸素が入るとともに、酸化物絶縁膜１０９ａに含まれ
る酸素が酸化物絶縁膜１０９ａの外部へ移動することで、酸化物絶縁膜１０９ａにおいて
酸素の移動が生じる場合もある。
酸化物絶縁膜１０９ａとして酸素を透過する酸化物絶縁膜を形成すると、酸化物絶縁膜１
０９ａ上に設けられる、酸化物絶縁膜１０９ｂから脱離する酸素を、酸化物絶縁膜１０９
ａを介して酸化物積層膜１０４に移動させることができる。
酸化物絶縁膜１０９ａに接するように酸化物絶縁膜１０９ｂが形成されている。酸化物絶
縁膜１０９ｂは、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を用
いて形成する。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜は、加
熱により酸素の一部が脱離する。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸
化物絶縁膜は、昇温脱離ガス分光法（ＴＤＳ：Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ
Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１
８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である
酸化物絶縁膜である。
酸化物絶縁膜１０９ｂとしては、厚さが３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎ
ｍ以上４００ｎｍ以下の、酸化シリコン、酸化窒化シリコン等を用いることができる。
また、酸化物絶縁膜１０９ｂは、欠陥量が少ないことが好ましく、代表的には、ＥＳＲ測
定により、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝２．００１に現れる信号のスピ
ン密度が１．５×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満、さらには１×１０１８ｓｐｉｎｓ／
ｃｍ３以下であることが好ましい。なお、酸化物絶縁膜１０９ｂは、酸化物絶縁膜１０９
ａと比較して酸化物積層膜１０４から離れているため、酸化物絶縁膜１０９ａより、欠陥
密度が多くともよい。
［２．２．エネルギーバンド構造］
ここで、図１（Ｂ）の酸化物積層膜１０４近傍の一点破線Ｃ１−Ｃ２におけるエネルギー
バンド構造について、図３（Ａ）を用いて説明し、トランジスタ１００におけるキャリア
の流れについて、図３（Ｂ）および図３（Ｃ）を用いて説明する。
図３（Ａ）に示すバンド構造において、例えば、酸化物半導体層１０５としてエネルギー
ギャップが３．１５ｅＶであるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１
）を用い、酸化物層１０６としてエネルギーギャップが３．５ｅＶであるＩｎ−Ｇａ−Ｚ
ｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２）を用いる。
図３（Ａ）に示すように、酸化物積層膜１０４において、酸化物半導体層１０５と酸化物
層１０６との界面近傍には混合領域が存在し、伝導帯の下端のエネルギーが連続的に変化
している。即ち、酸化物半導体層１０５と酸化物層１０６との界面近傍では、トラップ中
心や再結合中心のような欠陥準位を形成する不純物が存在しないまたは極めて少ないため
、障壁が無く緩やかに変化している。このような接合を本明細書においては連続接合と呼
ぶ。酸化物半導体層１０５と酸化物層１０６との間で酸素が相互的に移動することでこの
ようなバンド形状を形成する。仮に、積層された酸化物半導体層と酸化物層との間に不純
物が混在していると、エネルギーバンドの連続性が失われ、界面に、キャリアをトラップ
する欠陥準位が形成される場合がある。酸化物積層膜１０４において、酸化物半導体層１
０５における伝導帯の下端のエネルギーが最も低いため、当該領域がチャネル形成領域と
して機能する。
上述の連続接合を形成するためには、ロードロック室を備えたマルチチャンバー方式の成
膜装置（スパッタリング装置）を用いて各膜を大気に触れさせることなく連続して積層す
ることが必要となる。スパッタリング装置における各チャンバーは、酸化物半導体層にと
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排気（１×１０−４Ｐａ以上５×１０−７Ｐａ程度まで）すること
が好ましい。または、ターボ分子ポンプとコールドトラップを組み合わせて排気系からチ
ャンバー内に気体、特に炭素または水素を含む気体が逆流しないようにしておくことが好
ましい。
また、気体、特に炭素または水素を含む気体が、排気系からチャンバー内に逆流しないよ
うに、成膜時以外においても、チャンバーに少量の希ガス等の不活性ガスを導入すること
が好ましい。
高純度真性である酸化物半導体層を得るためには、チャンバー内を高真空排気するのみな
らずスパッタガスの高純度化も必要である。スパッタ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
層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、チャンバーに近接
するように精製機を設けることで、スパッタガスは、該精製機で不純物が低減されると共
に、精製機からチャンバーへ移動する際における配管での汚染が少ない。この結果、高純
度化されたスパッタガスをチャンバーに導入できる。
なお、酸化物半導体層１０５および酸化物層１０６における、真空準位と伝導帯下端のエ
ネルギー差（電子親和力ともいう）は、各層において真空準位と価電子帯上端のエネルギ
ー差（イオン化ポテンシャルともいう）からエネルギーギャップを引くことで求めること
ができる。エネルギーギャップは分光エリプソメータを用いて測定することができ、イオ
ン化ポテンシャルは紫外線光電子分光分析（ＵＰＳ：Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ Ｐｈｏｔ
ｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）装置を用いて測定することができる。
ここで、トランジスタにおいて、キャリアである電子の流れる様子について、図３（Ｂ）
および図３（Ｃ）を用いて説明する。なお、図３（Ｂ）および図３（Ｃ）において、酸化
物半導体層１０５を流れる電子の量を破線矢印の大きさで表す。
酸化物層１０６と酸化物絶縁膜１０９ａとの界面近傍においては、不純物および欠陥によ
りトラップ準位１２０が形成される。そのため、例えば、図３（Ｂ）に示すように、トラ
ンジスタのチャネル形成領域が酸化物半導体層１０５の単層である場合、酸化物半導体層
１０５において、電子は主にゲート絶縁膜１０３側を流れるが、酸化物絶縁膜１０９ａ側
においても流れる。この結果、電子の一部がトラップ準位１２０に捕獲されてしまう。
一方、本発明の一態様に係るトランジスタ１００は、図３（Ｃ）に示すように、酸化物半
導体層１０５と酸化物絶縁膜１０９ａとの間に酸化物層１０６が設けられているため、酸
化物半導体層１０５とトラップ準位１２０との間に隔たりがある。この結果、電子がトラ
ップ準位１２０に捕獲されにくくなる。トラップ準位に電子が捕獲されると、捕獲された
電子がマイナスの固定電荷として機能する。この結果、トランジスタのしきい値電圧が変
動してしまう。しかしながら、酸化物半導体層１０５とトラップ準位１２０との間に隔た
りがあるため、トラップ準位１２０における電子の捕獲を低減することが可能であり、し
きい値電圧の変動を低減することができる。
なお、酸化物半導体層１０５と酸化物層１０６との界面近傍における伝導帯の下端のエネ
ルギー差ΔＥ１が小さいと、電子がエネルギー差ΔＥ１を越え、トラップ準位１２０に捕
獲されてしまう。そのため、酸化物半導体層１０５と酸化物層１０６との伝導帯の下端の
エネルギー差ΔＥ１を０．１ｅＶ以上、好ましくは０．１５ｅＶ以上とするとよい。
また、酸化物積層膜１０４のバックチャネル（酸化物積層膜１０４において、ゲート電極
１０２と対向する面と反対側の面）側に、酸素を透過する酸化物絶縁膜１０９ａを介して
、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜１０９ｂ（図１（Ｂ
）参照。）が設けられている。そのため、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素
を含む酸化物絶縁膜１０９ｂから酸化物積層膜１０４に含まれる酸化物半導体層１０５に
酸素を移動させることが可能であり、酸化物半導体層１０５の酸素欠損を低減することが
できる。
以上のことから、酸化物半導体層１０５および酸化物層１０６を有する酸化物積層膜１０
４を設けることで、酸化物積層膜１０４における酸素欠損を低減することが可能である。
また、酸化物積層膜１０４上に、酸素を透過する酸化物絶縁膜１０９ａを介して、化学量
論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜１０９ｂ設けることでも、酸
素欠損を低減することが可能である。また、酸化物半導体層１０５と酸化物絶縁膜１０９
ａの間に酸化物層１０６を設けることで、酸化物半導体層１０５または酸化物層１０６と
、酸化物半導体層１０５との界面近傍におけるシリコンや炭素の濃度を低減することがで
きる。
これらの結果、酸化物積層膜１０４において、一定光電流法（ＣＰＭ：Ｃｏｎｓｔａｎｔ
Ｐｈｏｔｏｃｕｒｒｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ）で導出される吸収係数は、１×１０−３／
ｃｍ未満、好ましくは１×１０−４／ｃｍ未満となる。吸収係数は、酸素欠損および不純
物の混入に由来する局在準位に応じたエネルギー（波長により換算）と正の相関があるた
め、酸化物積層膜１０４における局在準位が極めて少ない。
なお、ＣＰＭ測定によって得られた吸収係数のカーブからバンドの裾に起因するアーバッ
クテールとよばれる吸収係数分を除くことにより、局在準位よる吸収係数を以下の式から
算出することができる。なお、アーバックテールとは、ＣＰＭ測定によって得られた吸収
係数のカーブにおいて一定の傾きを有する領域をいい、当該傾きをアーバックエネルギー
という。
ここで、α（Ｅ）は、各エネルギーにおける吸収係数を表し、αｕは、アーバックテール
による吸収係数を表す。
このような構造を有するトランジスタ１００は酸化物半導体層１０５を含む酸化物積層膜
１０４において、チャネル形成領域の欠陥が極めて少ないため、トランジスタの電気特性
を向上させることが可能である。また、ストレス試験の一例であるＢＴストレス試験およ
び光ＢＴストレス試験によってしきい値電圧が変動しない、またはマイナス方向もしくは
プラス方向への変動量が１．０Ｖ以下、好ましくは０．５Ｖ以下であり、高い信頼性を得
ることができる。
［２．３．トランジスタの構成要素］
以下に、トランジスタ１００の具体的な構成要素について、図１を参照して説明する。
基板１０１は、そ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１０１として用いてもよい。また、シリコンや炭化シリコン
などの単結晶半導体基板、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１０１として用いてもよい。
また、基板１０１として、可撓性基板を用い、可撓性基板上に直接、トランジスタ１００
を形成してもよい。また、基板１０１とトランジスタ１００の間に剥離層を設けてもよい
。剥離層上にトランジスタを含む半導体装置の一部または全部を作製した後、剥離層にお
いて基板１０１からトランジスタ等を分離し、他の基板に転載することができる。この剥
離による転載の方法を用いると、トランジスタ１００を耐熱性の劣る基板や可撓性の基板
上に形成することができる。
ゲート電極１０２は、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タン
グステン、ネオジム、ニオブ、スカンジウム、マンガン、ジルコニウムから選ばれた金属
材料、これらの金属材料の少なくとも一つを成分とする合金材料、これらの金属材料を複
数組み合わせた合金材料、またはこれらの材料の窒化物材料等を用いて形成することがで
きる。また、ゲート電極１０２は、単層構造でも、二層以上の積層構造としてもよい。例
えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にモリブデン膜を積
層する２層構造、ネオジムを含むアルミニウム膜上にモリブデン膜を積層する２層構造、
アルミニウム膜上にチタン膜を積層する２層構造、銅膜上にモリブデン膜を積層する２層
構造、モリブデンとチタンの合金膜上に銅膜を積層する２層構造、窒化チタン膜上にチタ
ン膜を積層する２層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する２層構造、窒化タ
ンタル膜上にタングステン膜を積層する２層構造、モリブデン膜とそのモリブデン膜上に
アルミニウム膜を積層しさらにその上にモリブデン膜を形成する３層構造、チタン膜とそ
のチタン膜上にアルミニウム膜を積層しさらにその上にチタン膜を形成する３層構造等が
ある。
また、ゲート電極１０２は、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｗ酸化物膜、Ｉｎ−Ｓｎ酸化物膜、Ｉｎ−Ｚｎ
酸化物膜、Ｉｎ酸化物膜、Ｚｎ酸化物膜、およびＳｎ酸化物膜などの酸化物膜を用いれば
よい。また、前述の酸化物膜は、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｂ、Ｆなどが微量に添加されていてもよ
い。また、光を透過する程度の金属薄膜（好ましくは、５ｎｍ〜３０ｎｍ程度）を用いる
こともできる。例えば５ｎｍの膜厚を有するＡｇ膜、Ｍｇ膜またはＡｇ−Ｍｇ合金膜を用
いてもよい。また、グラフェンを用いてもよい。また、上記透光性を有する導電性材料と
上記金属材料との積層構造とすることもできる。
また、ゲート電極１０２とゲート絶縁膜１０３との間に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸窒化物半導
体膜、Ｉｎ−Ｓｎ酸窒化物半導体膜、Ｉｎ−Ｇａ酸窒化物半導体膜、Ｉｎ−Ｚｎ酸窒化物
半導体膜、Ｓｎ酸窒化物半導体膜、Ｉｎ酸窒化物半導体膜、金属窒化膜（ＩｎＮ、ＺｎＮ
等）等を設けてもよい。これらの膜は５ｅＶ以上、好ましくは５．５ｅＶ以上の仕事関数
を有し、酸化物半導体の電子親和力よりも大きい値であるため、酸化物半導体を用いたト
ランジスタのしきい値電圧をプラスにシフトすることができ、所謂ノーマリーオフ特性の
スイッチング素子を実現することができる。例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸窒化物半導体膜
を用いる場合、少なくとも酸化物半導体層１０５より高い窒素濃度、具体的には７原子％
以上のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸窒化物半導体膜を用いる。
ゲート絶縁膜１０３は、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金属酸
化物などを用いればよく、単層または積層構造とすることができる。
ここで、ゲート絶縁膜１０３は、加熱により酸素が脱離する酸化絶縁物を用いてもよい。
ゲート絶縁膜１０３に加熱により酸素が脱離する膜を用いることで、酸化物積層膜１０４
およびゲート絶縁膜１０３の界面における界面準位を低減することが可能であり、電気特
性の劣化の少ないトランジスタを得ることができる。
また、ゲート絶縁膜１０３に、酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する絶縁膜を設
けることで、酸化物積層膜１０４からの酸素の外部への拡散と、外部から酸化物積層膜１
０４への水素、水等の混入を防ぐことができる。酸素、水素、水等のブロッキング効果を
有する絶縁膜としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化
アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリ
ウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等がある。
従って、ゲート絶縁膜１０３は二層以上の積層構造とし、酸化物積層膜１０４に近い側に
加熱により酸素が脱離する酸化絶縁膜を設け、ゲート電極１０２に近い側に酸素、水素、
水等のブロッキング効果を有する絶縁膜を設けることが特に好ましい。
また、ゲート絶縁膜１０３として、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯｘ）、窒素が添加
されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙＮｚ）、窒素が添加されたハフニウムアル
ミネート（ＨｆＡｌｘＯｙＮｚ）、酸化ハフニウム、酸化イットリウムなどのｈｉｇｈ−
ｋ材料を用いることでトランジスタのゲートリークを低減することができる。
ゲート絶縁膜１０３の厚さは、５ｎｍ以上４００ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上３０
０ｎｍ以下、より好ましくは５０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下とするとよい。
さらに、層間絶縁膜１０９を構成する酸化物絶縁膜１０９ｂ上に、酸素、水素、水等のブ
ロッキング効果を有する層間絶縁膜１１１を設けることで、酸化物積層膜１０４からの酸
素の外部への拡散と、外部から酸化物積層膜１０４への水素、水等の混入を防ぐことがで
きる。
ここで、トランジスタ１００を形成するにあたり、ソース電極１０８ａおよびドレイン電
極１０８ｂは、低抵抗な金属材料を用いるとよい。特に、大面積の表示を行う表示モジュ
ールを製造する場合、配線の抵抗による信号の遅延問題が顕著になってくる。従って、配
線や電極の材料としては、電気抵抗値の低い金属材料を用いることが望ましい。
一方、電気抵抗値の低い金属材料からなるソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０８
ｂと、酸化物積層膜１０４とが接する構造とすると、コンタクト抵抗が高くなるおそれが
ある。コンタクト抵抗が高くなる要因として、ソース電極１０８ａおよびドレイン電極１
０８ｂと、酸化物積層膜１０４との接触面でショットキー接合が形成されることが考えら
れる。また、ソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０８ｂと、酸化物積層膜１０４と
が直接接する部分には容量が形成され、周波数特性（ｆ特性ともよばれる）が低くなる。
そのため、トランジスタ１００の高速動作が妨げられるおそれがある。
そこで、図６（Ｂ）および（Ｃ）に示すように、ソース電極１０８ａおよびドレイン電極
１０８ｂと、酸化物積層膜１０４とが直接接する部分にｎ＋領域１１０を設けることが好
ましい。
ｎ＋領域１１０を形成するために、ソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０８ｂには
、タングステン、チタン、アルミニウム、銅、モリブデン、クロムもしくはタンタル、ま
たは少なくともこれらの一つを成分とする合金等の、酸素と結合のしやすい導電材料を用
いる。これらの材料を用いることで、ソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０８ｂに
接する酸化物積層膜１０４に含まれる酸素と、ソース電極１０８ａおよびドレイン電極１
０８ｂに含まれる導電材料とが結合し、酸化物積層膜１０４中に酸素欠損を含む領域が形
成される。この領域がｎ＋領域１１０として機能するため、ソース電極１０８ａおよびド
レイン電極１０８ｂと酸化物積層膜１０４とのコンタクト抵抗を低減するとともに、容量
の形成を防止することができる。
以上のように、ｎ＋領域１１０を形成するということは、酸化物積層膜１０４中に酸素欠
損を含む領域を形成するということである。このような酸化物積層膜１０４中のｎ＋領域
１１０は、ソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０８ｂを作製するための導電材料か
らなる膜の成膜時、および酸化物積層膜１０４の熱処理時に主として形成される。
上記のうち、ソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０８ｂの形成後の熱処理時に形成
される酸化物積層膜１０４中のｎ＋領域１１０は、例えば、ソース電極１０８ａおよびド
レイン電極１０８ｂを構成する導電材料中へ酸化物積層膜１０４中の酸素が引き抜かれ、
Ｉｎが還元されることで形成される。または、ソース電極１０８ａおよびドレイン電極１
０８ｂを構成する導電材料が酸化物積層膜１０４中に拡散することによっても、酸化物積
層膜１０４中にｎ＋領域１１０が形成される。これらの場合、ｎ＋領域は、ソース電極１
０８ａおよびドレイン電極１０８ｂと接する部分近傍の酸化物積層膜１０４に形成される
ため、チャネル形成領域のｎ型化は免れうる。
しかし、例えばタングステンをソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０８ｂに用いる
場合、ソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０８ｂの作製のために酸化物積層膜１０
４上にタングステン膜をスパッタリング法により成膜した段階で、タングステン膜が成膜
された酸化物積層膜１０４の上面全域が損傷する。これは、タングステンの成膜時におけ
るプラズマによるダメージや、タングステン原子または分子の衝突によるダメージに起因
すると考えられる。
このような損傷を受けた領域とは、即ち酸化物積層膜１０４の上面近傍における酸化物中
の結合が分断されて、酸素欠損が形成された領域である。従って、酸化物積層膜１０４の
上面近傍は一様にｎ型化されるため、形成されたタングステン膜を加工してソース電極１
０８ａおよびドレイン電極１０８ｂを作製した場合に、ソース電極１０８ａおよびドレイ
ン電極１０８ｂと接する酸化物積層膜１０４の部分においては、ｎ＋領域１１０として当
該領域を用いることができるために都合がよい。
しかし、酸化物積層膜１０４の上面近傍は一様にｎ型化されるため、ソース電極１０８ａ
とドレイン電極１０８ｂとの間のバックチャネル側に設けられる凹部１１２（図６（Ｂ）
、（Ｃ）参照。）においてもｎ型化される。そのため、トランジスタ１００のノーマリオ
ン化、リーク電流の増大、ストレス印加によるしきい値電圧のシフト等、トランジスタ１
００の電気特性についての不良が誘発される。
よって、ｎ型化された凹部１１２における酸化物積層膜１０４の上面近傍をｉ型化する必
要がある。そのために、凹部１１２の酸化物積層膜１０４の上面に接して上述した酸素を
透過する酸化物絶縁膜１０９ａを設け、その上に過剰な酸素を有する酸化物絶縁膜１０９
ｂを設け、熱処理を行うことにより、酸化物積層膜１０４中に過剰酸素（ｅｘＯ）を補填
して酸素欠損を低減し凹部１１２における酸化物積層膜１０４をｉ型化するなどの工程が
必要となる。
しかし、このように一度ｎ型化された酸化物積層膜１０４に対してｉ型化する処理を行っ
ても、十分にｉ型化されないおそれがある。
そこで、ｎ＋領域１１０を形成するとともに、バックチャネル側の凹部１１２においては
酸化物積層膜１０４をｉ型とするトランジスタの作製方法について、以下に説明する。
［３．トランジスタの作製方法］
［３．１．ゲート電極およびゲート絶縁膜の形成］
トランジスタ１００の作製方法について、図５および図６を用いて説明する。本作製方法
においては、トランジスタ１００のソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０８ｂの導
電材料にチタンを用いる場合について説明する。
図５（Ａ）に示すように、基板１０１上にゲート電極１０２を形成し、ゲート電極１０２
上にゲート絶縁膜１０３を形成する。ここでは、基板１０１としてガラス基板を用いる。
次にゲート電極１０２を形成する。まず、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法等により
導電膜を形成し、導電膜上にフォトリソグラフィ工程によりフォトレジストマスクを形成
する。次に、該フォトレジストマスクを用いて導電膜の一部をエッチングして、ゲート電
極１０２を形成する。この後、フォトレジストマスクを除去する。
なお、ゲート電極１０２は、上記形成方法の代わりに電解メッキ法、印刷法、インクジェ
ット法等で形成してもよい。
ここでは、厚さ１００ｎｍのタングステン膜をスパッタリング法により形成する。次に、
フォトリソグラフィ工程によりフォトレジストマスクを形成し、当該フォトレジストマス
クを用いてタングステン膜をドライエッチングして、ゲート電極１０２を形成する。
ゲート絶縁膜１０３は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法等で形成する。
ゲート絶縁膜１０３として酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、または窒化酸化シリコ
ン膜を形成する場合、原料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体および酸化性気体を
用いることが好ましい。シリコンを含む堆積性気体としては、例えばシラン、ジシラン、
トリシラン、フッ化シラン等を用いることができる。酸化性気体としては、例えば酸素、
オゾン、一酸化二窒素、二酸化窒素等を用いることができる。
また、ゲート絶縁膜１０３として窒化シリコン膜を形成する場合、２段階の形成方法を用
いることが好ましい。はじめに、シラン、窒素、およびアンモニアの混合ガスを原料ガス
として用いたプラズマＣＶＤ法により、欠陥の少ない第１の窒化シリコン膜を形成する。
次に、原料ガスを、シランおよび窒素の混合ガスに切り替えて、水素濃度が少なく、且つ
水素をブロッキングすることが可能な第２の窒化シリコン膜を成膜する。このような形成
方法により、ゲート絶縁膜１０３として、欠陥が少なく、且つ水素ブロッキング性を有す
る窒化シリコン膜を形成することができる。
また、ゲート絶縁膜１０３として酸化ガリウム膜を形成する場合には、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅ
ｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を
用いて形成することができる。
［３．２．酸化物積層膜の形成］
次に、図５（Ｂ）に示すように、ゲート絶縁膜１０３上に酸化物積層膜１０４を形成する
。ここでは、酸化物積層膜１０４は、下層の酸化物半導体層１０５と上層の酸化物層１０
６とにより構成される２層構造である。ただし、酸化物積層膜１０４は２層構造に限られ
ず、三層以上の積層構造であってもよく、また酸化物半導体層１０５の単層構造であって
もよい。
酸化物積層膜１０４は、まずゲート絶縁膜１０３上に、酸化物半導体層１０５と酸化物層
１０６とをスパッタリング法等により、連続的に成膜する。次に、酸化物積層膜１０４上
にフォトリソグラフィ工程によりフォトレジストマスクを形成した後、該フォトレジスト
マスクを用いて酸化物半導体層１０５、および酸化物層１０６のそれぞれ一部をエッチン
グする。これにより、図５（Ｃ）に示すように、ゲート絶縁膜１０３上であって、ゲート
電極１０２の一部と重畳するように素子分離された酸化物半導体層１０５と酸化物層１０
６とが積層した所定の形状の酸化物積層膜１０４が形成される。酸化物積層膜のエッチン
グには、例えばメタン（ＣＨ４）とアルゴン（Ａｒ）との混合ガスを用いたドライエッチ
ング法を用いることができる。または、リン酸と硝酸と酢酸との混合液等を用いたウェッ
トエッチング法を用いてもよい。また、この後、フォトレジストマスクを除去する。
酸化物積層膜１０４を構成する酸化物半導体層１０５および酸化物層１０６は、スパッタ
リング法の他、塗布法、パルスレーザ蒸着法、レーザブレーション法等を用いて形成する
ことができるが、特にスパッタリング法を用いることが好ましい。
スパッタリング法で酸化物半導体層１０５と酸化物層１０６とを形成する場合、プラズマ
を発生させるための電源装置には、ＲＦ電源装置、ＡＣ電源装置、ＤＣ電源装置等を適宜
用いることができる。ただし、酸化物半導体層１０５または酸化物層１０６として後述す
るＣＡＡＣ−ＯＳ層を用いる場合には、特にＤＣ電源を用いることが好ましい。
スパッタリングガスは、アルゴン等の希ガス雰囲気、酸素雰囲気、希ガスおよび酸素の混
合ガス雰囲気を適宜用いる。希ガスおよび酸素の混合ガス雰囲気を用いる場合には、希ガ
スに対して酸素のガス比を高めることが好ましい。
また、スパッタリングターゲットは、形成する酸化物半導体層１０５や酸化物層１０６の
組成にあわせて、適宜選択すればよい。
［３．２．１．酸化物積層膜の形成］
ここで、酸化物半導体層および酸化物層について詳説する。酸化物積層膜１０４を構成す
る酸化物半導体層１０５と酸化物層１０６とは、少なくともインジウム（Ｉｎ）を含み、
スパッタリング法、好ましくはＤＣスパッタリング法で成膜することのできるスパッタリ
ングターゲットを用いて成膜することができる。スパッタリングターゲットにインジウム
を含ませることで導電性が高まるため、ＤＣスパッタリング法で成膜することを容易なも
のとする。
酸化物層１０６を構成する材料は、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｙ
、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、ＣｅまたはＨｆ等の金属）で表記される材料を用いる。Ｍとしては
、Ｇａを用いることが好ましい。
なお、酸化物層１０６は、酸化物半導体層１０５に用いる材料よりもインジウムの原子数
比が少なく、Ｍの原子数比が多い材料を用いる。酸化物層中のインジウムやガリウムなど
の含有量は、飛行時間型二次イオン質量分析法（ＴＯＦ−ＳＩＭＳ）や、Ｘ線電子分光法
（ＸＰＳ）で比較することができる。
以下では、酸化物層１０６または酸化物半導体層１０５の結晶性について説明する。
酸化物層１０６または酸化物半導体層１０５は、例えば非単結晶酸化物半導体層とすれば
よい。非単結晶酸化物半導体層は、非晶質酸化物半導体層、微結晶酸化物半導体層、多結
晶酸化物半導体層、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌ
ｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）層などである。ただし、酸化物層１
０６または酸化物半導体層１０５は、単結晶酸化物半導体層であってもよい。
酸化物層１０６または酸化物半導体層１０５は、ＣＡＡＣ−ＯＳ、微結晶酸化物半導体、
非晶質酸化物半導体の混合層であってもよい。混合層は、例えば、非晶質酸化物半導体の
領域と、微結晶酸化物半導体の領域と、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域と、を有する。また、混合
層は、例えば、非晶質酸化物半導体の領域と、微結晶酸化物半導体の領域と、ＣＡＡＣ−
ＯＳの領域と、の積層構造を有してもよい。
非晶質酸化物半導体層は、例えば、原子配列が無秩序であり、結晶成分を有さない。また
は、非晶質酸化物半導体層は、例えば、完全な非晶質であり、結晶部を有さない。
微結晶酸化物半導体層は、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ未満のサイズの微結晶（ナノ結晶
ともいう。）を層中に含む。なお、微結晶酸化物半導体層は、非晶質酸化物半導体層より
も欠陥準位密度が低い。
ＣＡＡＣ−ＯＳ層は、複数の結晶部を有する。ＣＡＡＣ−ＯＳ層は、層全体では、被形成
面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に結晶のｃ軸が配向し、ａ軸お
よびｂ軸は揃っていない。なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ層は、非晶質酸化物半導体層および微結
晶酸化物半導体層よりも欠陥準位密度が低い。
ＣＡＡＣ−ＯＳ層は、層全体では、被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに
平行な方向に結晶のｃ軸が配向し、ａ軸およびｂ軸は揃っていない。一方、ＣＡＡＣ−Ｏ
Ｓ層に含まれる一つの結晶部内では、ａｂ面に垂直な方向から見て金属原子が三角形状ま
たは六角形状に配列し、ｃ軸に垂直な方向から見て金属原子が層状または金属原子と酸素
原子とが層状に配列している。なお、本明細書において、単に垂直と記載する場合、８０
°以上１００°以下、好ましくは８５°以上９５°以下の範囲も含まれることとする。ま
た、単に平行と記載する場合、−１０°以上１０°以下、好ましくは−５°以上５°以下
の範囲も含まれることとする。
ＣＡＡＣ−ＯＳ層に含まれる結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさ
であることが多い。また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌ
ｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による観察像では、ＣＡＡＣ−ＯＳ層に含まれる
結晶部と結晶部との境界は明確ではない。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ層は、明確な粒界（グレ
インバウンダリーともいう。）がＴＥＭによって確認できない。そのため、ＣＡＡＣ−Ｏ
Ｓ層は、粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくい。
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ層において、結晶部の分布が一様でなくてもよい。例えば、ＣＡＡ
Ｃ−ＯＳ層の形成過程において、酸化物半導体層の表面側から結晶成長させる場合、被形
成面の近傍に対し表面の近傍では結晶部の占める割合が高くなることがある。また、ＣＡ
ＡＣ−ＯＳ層へ不純物を添加することにより、当該不純物添加領域において結晶部の結晶
性が低下することもある。
ＣＡＡＣ−ＯＳ層に含まれる複数の結晶部において、それぞれの結晶のｃ軸は、結晶部の
形成される領域のＣＡＡＣ−ＯＳ層の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトル
に平行な方向になるように揃う。そのため、結晶のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ層の形状によ
って様々な方向を向く場合がある。つまり、ＣＡＡＣ−ＯＳ層の形状（被形成面の断面形
状または表面の断面形状）によっては、複数の結晶部における結晶のｃ軸は、互いに異な
る方向を向くことがある。
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ層に含まれる結晶部は、ＣＡＡＣ−ＯＳ層を形成したとき、または
加熱処理などの結晶化処理を行ったときに形成される。従って、結晶部のｃ軸は、ＣＡＡ
Ｃ−ＯＳ層が形成されたときの被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行
な方向になるように揃う。例えば、結晶部の形成後に、エッチングなどによってＣＡＡＣ
−ＯＳ層の形状を変化させた場合、形状を変化させた後のＣＡＡＣ−ＯＳ層の表面の法線
ベクトルと、結晶のｃ軸の方向とが平行にならない場合がある。
例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ層に対し、Ｘ線回折（ＸＲＤ：
Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）装置を用い、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による
分析を行うと、２θが３１°近傍のピークの他に、２θが３６°近傍にもピークが現れる
場合がある。２θが３６°近傍のピークは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜中の一部に、ｃ軸配向性を
有さない結晶が含まれることを示している。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、２θが３１°近傍にピ
ークを示し、２θが３６°近傍にピークを示さないことが好ましい。
また、例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ層に対し、ＸＲＤ装置を
用い、ｃ軸に垂直な方向からＸ線を入射させるｉｎ−ｐｌａｎｅ法による分析を行うと、
２θが５６°近傍のピークが現れる場合がある。２θが５６°近傍のピークは、ＩｎＧａ
ＺｎＯ４の結晶の（１１０）面を示す。ここで、２θを５６°近傍で固定し、表面の法線
ベクトルを軸（φ軸）として試料を回転させながら分析（φスキャン）を行うと、ａ軸お
よびｂ軸の向きが揃っている単結晶酸化物半導体層の場合は、（１１０）面と等価な面を
示す６つのピークが現れるが、ＣＡＡＣ−ＯＳ層の場合は明瞭なピークが現れない。
ＣＡＡＣ−ＯＳ層を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動
が小さい。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。
なお、酸化物半導体層にシリコンおよび炭素が高い濃度で含まれることにより、酸化物半
導体層の結晶性を低下させることがある。上述したように酸化物積層膜１０４において、
少なくとも酸化物半導体層１０５は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜とすることが好ましいため、酸化
物半導体層１０５のシリコン濃度および炭素濃度を低減することが好ましい。具体的には
、酸化物半導体層１０５の一部または全てのシリコン濃度を１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０
１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とすればよい。また、酸化物半導体層１０５の一部または全
ての炭素濃度を１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とすればよい。
また、酸化物層１０６は、非晶質構造としてもよいし、結晶部を有していてもよい。ただ
し、結晶部を有する酸化物半導体層１０５上に酸化物層１０６を成膜すると、酸化物層１
０６も結晶構造を有する膜になりやすく、その場合には、酸化物半導体層１０５と酸化物
層１０６の境界を断面ＴＥＭ（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）観察では判別することが困難となる場合もある。ただし、酸化物
層１０６の結晶性は酸化物半導体層１０５よりも低いため、結晶性の程度で境界を判別す
ることができるといえる。
［３．２．２．ＣＡＡＣ−ＯＳ層の好ましい成膜の条件］
ＣＡＡＣ−ＯＳ層を形成するために、以下の条件を適用することが好ましい。
ＣＡＡＣ−ＯＳ層は、成膜時の基板温度を高くすることが好ましい。例えば、基板加熱温
度を１００℃以上７４０℃以下、好ましくは２００℃以上５００℃以下、さらに好ましく
は１５０℃以上４５０℃以下として酸化物半導体層を成膜することによりＣＡＡＣ−ＯＳ
層を形成することができる。
例えば、不純物濃度を低減させてＣＡＡＣ−ＯＳ層を形成することにより、不純物による
酸化物半導体の結晶状態の崩壊を抑制することができる。例えば、スパッタリング装置の
成膜室内に存在する不純物（水素、水、二酸化炭素、および窒素など）を低減することが
好ましい。また、成膜ガス中の不純物を低減することが好ましい。例えば、成膜ガスとし
て露点が−８０℃以下、さらには−１００℃以下である成膜ガスを用いることが好ましい
。
また、成膜ガス中の酸素割合を高め、電力を最適化することで成膜時のプラズマダメージ
を軽減すると好ましい。成膜ガス中の酸素割合は、３０体積％以上、好ましくは１００体
積％とする。
ＣＡＡＣ−ＯＳ層を成膜した後、加熱処理を行ってもよい。加熱処理の温度は、１００℃
以上７４０℃以下、好ましくは２００℃以上５００℃以下とする。また、加熱処理の時間
は１分以上２４時間以下、好ましくは６分以上４時間以下とする。また、加熱処理は、不
活性雰囲気または酸化性雰囲気で行えばよい。好ましくは、不活性雰囲気で加熱処理を行
った後、酸化性雰囲気で加熱処理を行う。不活性雰囲気での加熱処理により、ＣＡＡＣ−
ＯＳ層の不純物濃度を短時間で低減することができる。一方、不活性雰囲気での加熱処理
によりＣＡＡＣ−ＯＳ層に酸素欠損が生成されることがある。その場合、酸化性雰囲気で
の加熱処理によって該酸素欠損を低減することができる。また、加熱処理を行うことで、
ＣＡＡＣ−ＯＳ層の結晶性をさらに高めることができる。なお、加熱処理は１０００Ｐａ
以下、１００Ｐａ以下、１０Ｐａ以下または１Ｐａ以下の減圧下で行ってもよい。減圧下
では、ＣＡＡＣ−ＯＳ層の不純物濃度をさらに短時間で低減することができる。
以上により作製したＣＡＡＣ−ＯＳ層中の水素濃度は、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ：
Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）において、２×１
０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より
好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１８ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ３以下とすることができる。
また、以上により作製したＣＡＡＣ−ＯＳ層中の窒素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、５×１
０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より
好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ３以下とすることができる。
また、以上により作製したＣＡＡＣ−ＯＳ層中の炭素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、５×１
０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より
好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ３以下とすることができる。
また、以上により作製したＣＡＡＣ−ＯＳ層中のシリコン濃度は、ＳＩＭＳにおいて、５
×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、
より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることができる。
また、以上により作製したＣＡＡＣ−ＯＳ層は、昇温脱離ガス分光法（ＴＤＳ：Ｔｈｅｒ
ｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析によるｍ／ｚが２（水
素分子など）である気体分子（原子）、ｍ／ｚが１８である気体分子（原子）、ｍ／ｚが
２８である気体分子（原子）およびｍ／ｚが４４である気体分子（原子）の放出量が、そ
れぞれ１×１０１９個／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１８個／ｃｍ３以下とすること
ができる。
酸化物積層膜１０４において、水素、窒素、炭素、シリコン、および主成分以外の金属元
素は不純物となる。酸化物積層膜１０４中の不純物濃度を低減するためには、近接するゲ
ート絶縁膜１０３および層間絶縁膜１０９中の不純物濃度も低減することが好ましい。例
えば、層間絶縁膜１０９中でシリコンは、不純物準位を形成してしまう。また、該不純物
準位がトラップとなり、トランジスタの電気特性を劣化させることがある。
上述の酸化物半導体層をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、トランジスタのオフ
電流（ここでは、オフ状態のとき、例えばソース電位を基準としたときのゲート電位との
電位差がしきい値電圧以下のときのドレイン電流とする）を十分に低くすることが可能で
ある。高純度化された酸化物半導体層を用いたトランジスタで、チャネル長が１０μｍ、
酸化物膜の膜厚が３０ｎｍ、ドレイン電圧が１Ｖ以上１０Ｖ程度の範囲である場合、オフ
電流を、１×１０−１３Ａ以下とすることが可能である。またチャネル幅あたりのオフ電
流（オフ電流をトランジスタのチャネル幅で除した値）を１×１０−２３Ａ／μｍ（１０
ｙＡ／μｍ）から１×１０−２２Ａ／μｍ（１００ｙＡ／μｍ）程度とすることが可能で
ある。
以上のようにして、ＣＡＡＣ−ＯＳ層を形成することができる。当該ＣＡＡＣ−ＯＳ層を
、酸化物積層膜１０４における酸化物半導体層１０５や酸化物層１０６として好適に用い
ることができる。
なお、酸化物積層膜１０４を形成した後、膜中の水素や水分を除去するために熱処理を行
うことが好ましい。例えば、脱水や脱水素のために、窒素雰囲気で４５０℃１時間の熱処
理を行うとよい。
また、酸化物積層膜１０４中の酸素欠損を低減させるため、例えば窒素および酸素雰囲気
で４５０℃１時間などの熱処理をさらに行うとよい。
［３．３．チタンを用いた電極］
次に、酸化物積層膜１０４上にソース電極およびドレイン電極を形成する。
はじめに、図５（Ｄ）に示すように、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法等で導電膜１
０７を形成する。次に、該導電膜上にフォトリソグラフィ工程によりフォトレジストマス
クを形成する。次に、該フォトレジストマスクを用いて導電膜１０７をエッチングして、
ソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０８ｂを形成する。この後、フォトレジストマ
スクを除去する。以上により、図５（Ｅ）に示すソース電極１０８ａおよびドレイン電極
１０８ｂが形成される。
図５（Ｄ）および（Ｅ）では導電膜１０７、ソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０
８ｂを単層として図示しているが、これらは導電性材料の積層構造を用いることができる
。ただし、ここでは酸化物積層膜１０４と接する導電性材料にチタンを用いる。従って、
ソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０８ｂが単層構造の場合には、チタンの単層膜
であり、複数の導電性材料が積層された積層構造の場合には、酸化物積層膜１０４と接す
る電極の最下層がチタンを含む層で構成される。
ここで、導電性材料としてチタンを用いる場合、チタンは極めて純度の高いチタンに限ら
ず、不純物程度の他の元素を含有するチタンであってもよく、後述するチタンの特性を発
現できる範囲においては、他の元素を主成分程度（例えば１重量％以上）に含有するチタ
ンであってもよい。従って、導電材料としてのチタンは、他の金属との合金や窒化物等の
化合物であってもよい。
ソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０８ｂとしては、チタン単層膜の他、２層構造
以上の積層構造を用いる場合には、二層目以上の積層にはアルミニウム、チタン、クロム
、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタン
グステン等の単体金属、またはこれを主成分とする合金、窒化物を単層構造または積層構
造として用いことができる。具体的には、チタン膜上にアルミニウム膜を積層する２層構
造、チタン膜上にアルミニウム膜と該アルミニウム膜上にチタン膜とを積層する３層構造
、チタン膜上にアルミニウムとネオジムの合金膜と該アルミニウムとネオジムの合金膜上
にチタン膜とを積層する３層構造、チタン膜上に窒化チタン膜と該窒化チタン膜上にアル
ミニウム膜と該アルミニウム膜上にチタン膜とを積層する４層構造等を用いることができ
る。
上記のうち、ソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０８ｂにチタン膜、窒化チタン膜
、アルミニウム膜、チタン膜の順に積層された４層構造を用いた場合には、窒化チタン膜
を挿入することにより一層目のチタン膜の膜厚を薄膜化することができるため、後述する
ｎ＋領域の伸張を抑制または制御することができるため、トランジスタの実効的なチャネ
ル長を制御する点で好ましい。
また、ソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０８ｂは、チタンと、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｗ酸
化物膜、Ｉｎ−Ｓｎ酸化物膜、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物膜、Ｉｎ酸化物膜、Ｚｎ酸化物膜、およ
びＳｎ酸化物膜などの酸化物膜との積層を用いればよい。また、前述の酸化物膜は、Ａｌ
、Ｇａ、Ｓｂ、Ｆなどが微量に添加されていてもよい。また、光を透過する程度の金属薄
膜（好ましくは、５ｎｍ以上３０ｎｍ程度）を用いることもできる。例えば５ｎｍの膜厚
を有するＡｇ膜、Ｍｇ膜またはＡｇ−Ｍｇ合金膜を用いてもよい。また、グラフェンを用
いてもよい。
ここでは、例えば厚さ５０ｎｍのチタン膜、厚さ４００ｎｍのアルミニウム膜、および厚
さ１００ｎｍのチタン膜を順にスパッタリング法により積層する（図５（Ｄ）においては
、単層の導電膜１０７として記載）。次に、導電膜１０７上にフォトリソグラフィ工程に
よりフォトレジストマスクを形成し、当該フォトレジストマスクを用いてチタン膜、アル
ミニウム膜、およびチタン膜をドライエッチングして、ソース電極１０８ａおよびドレイ
ン電極１０８ｂを形成する（図５（Ｅ）参照）。
ここで、導電膜１０７に例えばタングステン膜を用いた場合（導電膜１０７が積層構造を
有する場合には、その最下層に例えばタングステン膜を用いた場合）、成膜時の酸化物積
層膜１０４へのダメージにより、酸素欠損が生じる。そのため、実施例において説明する
シート抵抗の測定からも明らかなように、酸化物積層膜１０４のシート抵抗が減少し、即
ち酸化物積層膜１０４がｎ型化してしまうおそれがある。従って、ソース電極１０８ａお
よびドレイン電極１０８ｂ直下の酸化物積層膜１０４に限らず、バックチャネル側におい
ても酸化物積層膜１０４がｎ型化するため、トランジスタのノーマリオン化などの特性不
良を招く。
一方で、導電膜１０７にチタン膜を用いた場合（導電膜１０７が積層構造を有する場合に
は、その最下層にチタン膜を用いた場合）、同様にスパッタリング法により成膜したにも
関わらず、後述するようにチタン膜の下の酸化物積層膜１０４のシート抵抗は低下しない
場合がある。
即ち、導電膜１０７にチタン膜を用いた場合には、導電膜１０７下の酸化物積層膜１０４
中における酸素欠損はほとんど生じない可能性がある。従って、特にバックチャネル側で
は酸化物積層膜１０４の形成時のｉ型を維持することができ、その結果、良好なトランジ
スタ特性を得ることができる。
なお、酸化物積層膜１０４の所定の形状への加工の後、導電膜１０７のソース電極１０８
ａおよびドレイン電極１０８ｂの加工のためのエッチング前に熱処理は行わない。例えば
３５０℃程度の熱処理を行うことで、後述するように導電膜１０７へ酸素が引き抜かれ、
酸化物積層膜１０４のｎ型化が進むため、導電膜１０７の除去前においてはバックチャネ
ル側においてもｎ型化してしまうためである。
ソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０８ｂの加工のための導電膜１０７のエッチン
グには、ウェットエッチング法またはドライエッチング法を用いることができる。
導電膜１０７をウェットエッチング法によりエッチングする場合、チタン膜には、フッ化
水素酸、フッ化水素酸と硝酸との混合液、フッ化アンモニウム、フッ化アンモニウムと硝
酸との混合液、ＢＨＦ（バッファードフッ化水素酸）等を用いることができる。また、チ
タンの他、他の金属材料としてアルミニウムやニオブを含有したアルミニウムを用いる場
合には、リン酸と硝酸と酢酸との混合液等を用いることができる。また、モリブデンやモ
リブデンとタングステンとの合金を用いる場合には、リン酸と硝酸と酢酸との混合液等を
用いることができる。また、タンタルを用いる場合には、フッ化水素酸、フッ化水素酸と
硝酸との混合液、フッ化アンモニウム、フッ化アンモニウムと硝酸との混合液、ＢＨＦ（
バッファードフッ化水素酸）等を用いることができる。また、銅や銅とその他の元素との
合金を用いる場合には、塩化第二銅（または塩化第二鉄）と塩酸（または硝酸）との混合
液、リン酸と硝酸と酢酸との混合液等を用いることができる。また、クロムを用いる場合
には、硝酸第二セリウムアンモニウムと過塩素酸（または硝酸）との混合液等を用いるこ
とができる。なお、導電膜１０７のウェットエッチングで用いるエッチャントは上記の溶
液に限られない。また、導電膜１０７が積層構造の場合には、それぞれの層ごとに適当な
エッチャントを選択してエッチングしてもよく、同一のエッチャントを選択して二層以上
の積層を一度にエッチングしてもよい。
一方、導電膜１０７をドライエッチング法によりエッチングする場合、平行平板型ＲＩＥ
（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法や、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ
Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：誘導結合型プラズマ）エッチング法を用いることがで
きる。所望の加工形状にエッチングできるように、エッチング条件（コイル型の電極に印
加される電力量、基板側の電極に印加される電力量、基板側の電極温度等）を適宜調節す
る。エッチングガスとしては、塩素を含むガス、例えば、塩素（Ｃｌ２）、三塩化ホウ素
（ＢＣｌ３）、四塩化シリコン（ＳｉＣｌ４）、四塩化炭素（ＣＣｌ４）などを含むガス
を用いることができる。また、ハロゲンを含むガスとして、フッ素を含むガス、例えば、
四フッ化炭素（ＣＦ４）、六フッ化硫黄（ＳＦ６）、三フッ化窒素（ＮＦ３）、トリフル
オロメタン（ＣＨＦ３）、オクタフルオロシクロブタン（Ｃ４Ｆ８）などを含むガスを用
いることができる。また、これらのガスにヘリウム（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）などの希
ガスを添加したガス、などを用いることができる。これらのガスを、導電膜１０７の材料
にあわせて適宜選択すればよい。
また、構造については後に詳述するが、トランジスタのバックチャネル側に露出した酸化
物積層膜１０４の上面を部分的に除去してもよい。酸化物積層膜１０４の上面の部分的な
除去は、導電膜１０７のエッチングと同時にまたは異なるタイミングで行うことができる
。導電膜１０７のエッチングと同時に行う場合には、導電膜１０７のエッチングに用いた
エッチャントまたはエッチングガスを用いて酸化物積層膜１０４の上面を部分的に除去す
ることができ、作製工程を短縮化することができる。
このようにして形成される酸化物積層膜１０４の除去された領域の深さは、エッチング条
件と酸化物積層膜１０４を構成する酸化物半導体層１０５および酸化物層１０６の材料に
よって適宜調整することができる。または、例えば酸化物半導体層１０５と酸化物層１０
６との間にエッチングストッパーとして機能するエッチングレートの遅い酸化物層を別途
設けることにより、バックチャネル側における酸化物層１０６を完全に除去する構成とす
ることもできる。本構成については、後に詳説する。
上記のような酸化物積層膜１０４の上面の部分的な除去により、後述するｎ＋領域どうし
の電気的な短絡の防止の他、ソース電極およびドレイン電極のエッチングにより発生する
残渣物により、ソース電極とドレイン電極との間が電気的に短絡することを抑制すること
ができる。
なお、ソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０８ｂの形成により露出したバックチャ
ネル側における酸化物積層膜１０４の表面を、例えばＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌ
ａｍｍｏｎｉｕｍ Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）溶液などのアルカリ性の溶液、希フッ化水素酸
、シュウ酸、リン酸などの酸性の溶液等により洗浄することが好ましい。これにより、ソ
ース電極１０８ａおよびドレイン電極１０８ｂの間に流れるリーク電流の発生を抑制する
ことができる。
また、次に説明する層間絶縁膜１０９の形成を行う前に、ｉｎ−ｓｉｔｕ処理として、２
２０℃等の温度による真空熱処理やＮ２Ｏを用いたプラズマ処理を行い、露出したバック
チャネル側における酸化物積層膜１０４の表面の不純物を除去することが好ましい。
［３．４．酸化物絶縁膜の形成と熱処理］
その後、酸化物積層膜１０４およびソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０８ｂ上に
、酸化物絶縁膜１０９ａを形成する。次に、酸化物絶縁膜１０９ａ上に酸化物絶縁膜１０
９ｂを形成する（図６（Ａ）参照）。
なお、酸化物絶縁膜１０９ａを形成した後、大気に曝すことなく、連続的に酸化物絶縁膜
１０９ｂを形成することが好ましい。酸化物絶縁膜１０９ａを形成した後、大気開放せず
、原料ガスの流量、圧力、高周波電力および基板温度の一以上を調整して、酸化物絶縁膜
１０９ｂを連続的に形成することで、酸化物絶縁膜１０９ａおよび酸化物絶縁膜１０９ｂ
における界面の大気成分由来の不純物濃度を低減することができるとともに、酸化物絶縁
膜１０９ｂに含まれる酸素を酸化物積層膜１０４に移動させることが可能であり、酸化物
積層膜１０４の酸素欠損量を低減することができる。
酸化物絶縁膜１０９ａとしては、プラズマＣＶＤ装置の真空排気された処理室内に載置さ
れた基板を１８０℃以上４００℃以下、さらに好ましくは２００℃以上３７０℃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、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。
酸化物絶縁膜１０９ａの原料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体および酸化性気体
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。
このような条件を用いることで、酸化物絶縁膜１０９ａとして酸素を透過する酸化物絶縁
膜を形成することができる。なお、処理室の圧力を１００Ｐａ以上２５０Ｐａ以下とする
ことで、酸化物絶縁膜１０９ａに含まれる水の含有量が少なくなるため、トランジスタ１
００の電気特性のばらつきを低減するとともに、しきい値電圧の変動を抑制することがで
きる。また、処理室の圧力を１００Ｐａ以上２５０Ｐａ以下とすることで、酸化物絶縁膜
１０９ａを成膜する際に、酸化物積層膜１０４へのダメージを低減することが可能であり
、酸化物積層膜１０４に含まれる酸素欠損量を低減することができる。また、酸化物絶縁
膜１０９ａまたは後に形成される酸化物絶縁膜１０９ｂの成膜温度を高くする、例えば２
２０℃より高い温度とすることで、酸化物積層膜１０４に含まれる酸素の一部が脱離し、
酸素欠損が形成されてしまう。また、トランジスタの信頼性を高めるため、後に形成する
酸化物絶縁膜１０９ｂの欠陥量を低減するための成膜条件を用いると、酸素脱離量が低減
してしまう。これらの結果、酸化物積層膜１０４の酸素欠損を補填することが困難となる
。しかしながら、処理室の圧力を１００Ｐａ以上２５０Ｐａ以下とし、酸化物絶縁膜１０
９ａの成膜時における酸化物積層膜１０４へのダメージを低減することで、少ない酸素脱
離量で酸化物積層膜１０４の酸素欠損を低減することが可能である。
なお、シリコンを含む堆積性気体に対する酸化性気体量を１００倍以上とすることで、酸
化物絶縁膜１０９ａに含まれる水素含有量を低減することが可能である。この結果、酸化
物積層膜１０４に混入する水素量を低減できるため、トランジスタのしきい値電圧のシフ
トを抑制することができる。
さらには、酸化物絶縁膜１０９ａは、プラズマＣＶＤ装置の真空排気された処理室内に載
置された基板を３００℃以上４００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上３７０℃以下
に保持し、処理室に原料ガスを導入して処理室内における圧力を１００Ｐａ以上２５０Ｐ
ａ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、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。
このような成膜条件において、基板温度を上記温度とすることで、シリコンおよび酸素の
結合力が強くなる。この結果、酸化物絶縁膜１０９ａとして、酸素が透過し、緻密であり
、かつ硬い酸化物絶縁膜、例えば２５℃において０．５重量％のフッ化水素酸に対するエ
ッチング速度が１０ｎｍ／分以下、好ましくは８ｎｍ／分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形成することができる。
酸化物絶縁膜１０９ｂとしては、プラズマＣＶＤ装置の真空排気された処理室内に載置さ
れた基板を１８０℃以上２６０℃以下、さらに好ましくは２００℃以上２４０℃以下に保
持し、処理室に原料ガスを導入して処理室内における圧力を１００Ｐａ以上２５０Ｐａ以
下、さらに好ましくは１００Ｐａ以上２００Ｐａ以下とし、処理室内に設けられる電極に
０．１７Ｗ／ｃｍ２以上０．５Ｗ／ｃｍ２以下、さらに好ましくは０．２５Ｗ／ｃｍ２以
上０．３５Ｗ／ｃｍ２以下の高周波電力を供給する条件により、酸化シリコン膜または酸
化窒化シリコン膜を形成する。
酸化物絶縁膜１０９ｂの原料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体および酸化性気体
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。
酸化物絶縁膜１０９ｂの成膜条件として、上記圧力の処理室において上記パワー密度の高
周波電力を供給することで、プラズマ中で原料ガスの分解効率が高まり、酸素ラジカルが
増加し、原料ガスの酸化が進むため、酸化物絶縁膜１０９ｂ中における酸素含有量が化学
量論的組成よりも多くなる。しかしながら、基板温度が上記温度であると、シリコンと酸
素の結合力が弱いため、加熱により酸素の一部が脱離する。この結果、化学量論的組成を
満たす酸素よりも多くの酸素を含み、加熱により酸素の一部が脱離する酸化物絶縁膜１０
９ｂを形成することができる。また、酸化物絶縁膜１０９ｂの成膜時において、酸化物積
層膜１０４上の酸化物絶縁膜１０９ａは酸化物絶縁膜１０９ｂの保護膜として機能し、酸
化物半導体層１０５上の酸化物層１０６は、酸化物半導体層１０５の保護膜として機能す
る。これらの結果、チャネルが主として形成される酸化物半導体層１０５へのダメージを
低減しつつ、パワー密度の高い高周波電力を用いて酸化物絶縁膜１０９ｂを形成すること
ができる。
なお、酸化物絶縁膜１０９ｂの成膜条件において、酸化性気体に対するシリコンを含む堆
積性気体の流量を増加することで、酸化物絶縁膜１０９ｂの欠陥量を低減することが可能
である。代表的には、ＥＳＲ測定により、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝
２．００１に現れる信号のスピン密度が６×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満、好ましく
は３×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１．５×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ
３以下である欠陥量の少ない酸化物絶縁膜を形成することができる。この結果トランジス
タの信頼性を高めることができる。
次に、熱処理を行う（図６（Ｂ）参照）。該加熱処理の温度は、例えば１５０℃以上４５
０℃以下、好ましくは２００℃以上４５０℃以下、さらに好ましくは３００℃以上４５０
℃以下とする。
加熱処理には、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。
加熱処理は、窒素、酸素、超乾燥空気（水の含有量が２０ｐｐｍ以下、好ましくは１ｐｐ
ｍ以下、好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）、または希ガス（アルゴン、ヘリウム等）の
雰囲気下で行えばよい。なお、上記窒素、酸素、超乾燥空気、または希ガスに水素、水等
が含まれないことが好ましい。
当該加熱処理により、酸化物絶縁膜１０９ｂに含まれる酸素の一部を酸化物積層膜１０４
に移動させ、酸化物積層膜１０４に含まれる酸素欠損を補填することが可能である。この
結果、酸化物積層膜１０４に含まれる酸素欠損の量を低減することができる。
以上のような加熱処理は、酸化物積層膜１０４に酸素を供給して酸素欠損を補填するとと
もに、ソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０８ｂと酸化物積層膜１０４とが接する
部分において、酸化物積層膜１０４中にｎ＋領域１１０を形成する（図６（Ｂ）および（
Ｃ）参照）。
以上の工程により、トランジスタ１００を作製することができる。このようにして作製し
たトランジスタは、酸化物積層膜１０４の酸素欠損が低減されているため、ＤＯＳが少な
く、安定した電気特性を有する。
なお、ここではソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０８ｂにおいて、酸化物積層膜
１０４に接する部分の導電性材料がチタンである場合について説明したが、これに限られ
ず、その他の金属材料、合金材料等の導電性材料を用いてもよい。例えば、チタンの代わ
りにタングステンを用いることができる。タングステンを用いた場合には、チタンに比べ
て成膜時の酸化物積層膜１０４へのダメージが大きくｎ＋領域が形成されやすいが、この
場合であっても後に酸素イオンの注入や、層間絶縁膜からの酸素の供給によって、酸素欠
損を低減させることができる。
また、上述した金属膜、半導体膜、無機絶縁膜など様々な膜はスパッタ法やプラズマＣＶ
Ｄ法により形成することができるが、他の方法、例えば、熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ
Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成してもよい。熱ＣＶＤ法の例としてＭ
ＯＣＶＤ法やＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を使っても
良い。
熱ＣＶＤ法は、プラズマを使わない成膜方法のため、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。
熱ＣＶＤ法は、原料ガスと酸化剤を同時にチャンバー内に送り、チャンバー内を大気圧ま
たは減圧下とし、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
ってもよい。
また、ＡＬＤ法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、反応のための原料ガスが順
次にチャンバーに導入され、そのガス導入の順序を繰り返すことで成膜を行ってもよい。
例えば、それぞれのスイッチングバルブ（高速バルブとも呼ぶ）を切り替えて２種類以上
の原料ガスを順番にチャンバーに供給し、複数種の原料ガスが混ざらないように第１の原
料ガスと同時またはその後に不活性ガス（アルゴン、或いは窒素など）などを導入し、第
２の原料ガスを導入する。なお、同時に不活性ガスを導入する場合には、不活性ガスはキ
ャリアガスとなり、また、第２の原料ガスの導入時にも同時に不活性ガスを導入してもよ
い。また、不活性ガスを導入する代わりに真空排気によって第１の原料ガスを排出した後
、第２の原料ガスを導入してもよい。第１の原料ガスが基板の表面に吸着して第１の層を
成膜し、後から導入される第２の原料ガスと反応して、第２の層が第１の層上に積層され
て薄膜が形成される。このガス導入順序を制御しつつ所望の厚さになるまで複数回繰り返
すことで、段差被覆性に優れた薄膜を形成することができる。薄膜の厚さは、ガス導入順
序を繰り返す回数によって調節することができるため、精密な膜厚調節が可能であり、微
細なＦＥＴを作製する場合に適している。
ＭＯＣＶＤ法やＡＬＤ法などの熱ＣＶＤ法は、これまでに記載した実施形態に開示された
金属膜、半導体膜、無機絶縁膜など様々な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、トリメチルガリウム、及びジ
メチル亜鉛を用いる。なお、トリメチルインジウムの化学式は、Ｉｎ（ＣＨ３）３である
。また、トリメチルガリウムの化学式は、Ｇａ（ＣＨ３）３である。また、ジメチル亜鉛
の化学式は、Ｚｎ（ＣＨ３）２である。また、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（化学式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（化学式Ｚｎ（Ｃ２Ｈ５）２）を用いることも
できる。
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化ハフニウム膜を形成する場合には、溶媒と
ハフニウム前駆体化合物を含む液体（ハフニウムアルコキシド溶液、代表的にはテトラキ
スジメチルアミドハフニウム（ＴＤＭＡＨ））を気化させた原料ガスと、酸化剤としてオ
ゾン（Ｏ３）の２種類のガスを用いる。なお、テトラキスジメチルアミドハフニウムの化
学式はＨｆ［Ｎ（ＣＨ３）２］４である。また、他の材料液としては、テトラキス（エチ
ルメチルアミド）ハフニウムなどがある。
例えば、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化合物を含む液体（トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）など）を気
化させた原料ガスと、酸化剤としてＨ２Ｏの２種類のガスを用いる。なお、トリメチルア
ルミニウムの化学式はＡｌ（ＣＨ３）３である。また、他の材料液としては、トリス（ジ
メチルアミド）アルミニウム、トリイソブチルアルミニウム、アルミニウムトリス（２，
２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオナート）などがある。
例えば、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、吸着物に含まれる塩素を除去し、酸化性ガス（Ｏ２
、一酸化二窒素）のラジカルを供給して吸着物と反応させる。
例えば、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ガスを順次繰り返し導入して初期タングステン膜を形成し、その後、ＷＦ６
ガスとＨ２ガスを同時に導入してタングステン膜を形成する。なお、Ｂ２Ｈ６ガスに代え
てＳｉＨ４ガスを用いてもよい。
例えば、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ガスを順次繰り返し導入してＩｎ−
Ｏ層を形成し、その後、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを同時に導入してＧａ−Ｏ層を
形成し、更にその後Ｚｎ（ＣＨ３）２とＯ３ガスを同時に導入してＺｎ−Ｏ層を形成する
。なお、これらの層の順番はこの例に限らない。また、これらのガスを混ぜて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ガスに変えてＡｒ等の不活性ガスで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、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスに
かえて、Ｉｎ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いても良い。また、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスにかえて
、Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いても良い。また、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスにかえて、Ｉｎ
（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いても良い。また、Ｚｎ（ＣＨ３）２ガスを用いても良い。
［４．作製されるトランジスタ］
ここでは、上記のようにして作製されるトランジスタの構造について詳述する。
図２は、上記のようにして作製されるトランジスタの構成例を示したものである。図２に
示すトランジスタ１００ａ、１００ｂ、１００ｃは、いずれも図１（Ａ）のトランジスタ
１００の上面図における一点鎖線Ａ１−Ａ２間の断面図である。
なお、図２に示すトランジスタ１００ａ、１００ｂ、１００ｃは、酸化物積層膜１０４を
単層として記載しているが上述したように酸化物半導体層１０５と酸化物層１０６との二
層積層であってもよいし、三層以上の積層構造を有していてもよい。また、酸化物積層膜
１０４は、酸化物半導体層１０５の単層構造であってもよい。
［４．１．ｎ＋領域を有するトランジスタ］
図２（Ａ）に示すトランジスタ１００ａは、基板１０１上に設けられるゲート電極１０２
を有する。また、基板１０１およびゲート電極１０２上に、ゲート絶縁膜１０３が形成さ
れ、ゲート絶縁膜１０３を介して、ゲート電極１０２と重なる酸化物積層膜１０４と、酸
化物積層膜１０４に接するソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０８ｂとを有する。
また、ゲート絶縁膜１０３、酸化物積層膜１０４、およびソース電極１０８ａおよびドレ
イン電極１０８ｂ上には、層間絶縁膜１０９が形成される。層間絶縁膜１０９は、酸化物
絶縁膜１０９ａと酸化物絶縁膜１０９ｂとの積層構造である。また、層間絶縁膜１０９上
に層間絶縁膜１１１を有する。
ここで、トランジスタ１００ａは、酸化物積層膜１０４において、ソース電極１０８ａお
よびドレイン電極１０８ｂと接する部分にｎ＋領域１１０を有する。ｎ＋領域１１０を有
することで、上述したように、ソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０８ｂと酸化物
積層膜１０４とのコンタクト抵抗を低減することができる。
トランジスタ１００ａが有するｎ＋領域１１０は、ソース電極１０８ａおよびドレイン電
極１０８ｂの直下に形成され、かつソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０８ｂと酸
化物積層膜１０４との界面から浅い領域である。そのため、ｎ＋領域１１０はほとんど伸
びておらず、従ってチャネル長（Ｌ）は、設計におけるチャネル長であるソース電極１０
８ａとドレイン電極１０８ｂとの間の距離に概略等しい。
従って、トランジスタ１００ａはソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０８ｂとの間
の距離をチャネル長とできるため、所望の特性を有するトランジスタの設計が容易である
。
図９は、酸化物積層膜１０４の膜厚方向（深さ方向）におけるｎ＋領域１１０の深さを示
す模式図である。
ｎ＋領域１１０の深さは、図９（Ａ）に示すように、酸化物層１０６中のみに設けられる
浅いものであってもよい。この場合、後述するｎ＋領域１１０が伸びる材料や作製条件を
用いた場合であっても、ｎ＋領域１１０どうしが接触することを防止することができる。
例えば、ソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０８ｂにおいて少なくとも酸化物積層
膜１０４と接する部分にチタンを用いた場合、酸化物層１０６をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：
３：２の組成のターゲットを用いて高い基板温度でスパッタリング法により成膜すること
により、ｎ＋領域１１０を形成することができる。
これに対し、図９（Ｂ）や図９（Ｃ）に示すように、ｎ＋領域１１０を酸化物半導体層１
０５中にまで形成してもよく、さらにゲート絶縁膜１０３の上面に接するように酸化物積
層膜１０４の膜厚分を完全にｎ＋領域１１０とした構造としてもよい。ソース電極１０８
ａおよびドレイン電極１０８ｂと酸化物積層膜１０４とのコンタクト抵抗を十分低減する
ことができる。
［４．２．ソース電極、ドレイン電極と重ならない領域にｎ＋領域を有するトランジスタ
］
図２（Ｂ）に示すトランジスタ１００ｂは、ソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０
８ｂの直下に形成されたｎ＋領域１１０がトランジスタ１００ａよりも広く、深く拡散し
ている。そのため、ソース電極１０８ａとドレイン電極１０８ｂとの間の領域にまでｎ＋
領域１１０が伸びている。トランジスタ１００ｂの実効的なチャネル長（Ｌｅｆｆ）は、
設計におけるチャネル長であるソース電極１０８ａとドレイン電極１０８ｂとの間の距離
よりも短く、ソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０８ｂよりも内側のｎ＋領域１１
０間の距離となる。
このように、ｎ＋領域１１０を、ソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０８ｂの内側
まで伸ばすことで、実効的なチャネル長（Ｌｅｆｆ）を短くすることができる。これによ
り、ソース電極１０８ａとドレイン電極１０８ｂとの間の設計におけるチャネル長よりも
チャネル長が短いトランジスタを作製することができる。
なお、トランジスタ１００ｂのその他の構成については、トランジスタ１００ａと同様で
ある。
図１０（Ａ）は、トランジスタ１００ｂにおける各部分の厚さ等を説明する模式図である
。トランジスタ１００ｂにおいては、実効的なチャネル長（Ｌｅｆｆ）は、設計における
チャネル長（Ｌ）であるソース電極１０８ａとドレイン電極１０８ｂとの距離よりも短い
。ｎ＋領域１１０が、ソース電極１０８ａまたはドレイン電極１０８ｂの端部よりも伸び
、突出しているためである。ｎ＋領域１１０の突出している長さをＬｎとすると、Ｌｅｆ
ｆ＝Ｌ−２Ｌｎとなる。ただし、ここではｎ＋領域１１０の突出している長さを左右対称
としたがこれに限らず、左右でＬｎが異なっていてもよい。
ｎ＋領域１１０突出している長さが左右で異なるｎ＋領域１１０を有するトランジスタを
、図１０（Ｂ）に示す。ソース電極１０８ａ側でｎ＋領域１１０の突出している長さをＬ
ｎ１とし、ドレイン電極１０８ｂ側でｎ＋領域１１０の突出している長さをＬｎ２とした
とき、図１０（Ｂ）においてはＬｎ１＜Ｌｎ２である。Ｌｎを左右で異なるものとするた
めに、例えばソース電極１０８ａとドレイン電極１０８ｂとの材料を異ならせてもよく、
ソース電極１０８ａまたはドレイン電極１０８ｂの一方の端部の近傍に別途酸素を注入す
ることなどが挙げられる。
以上のように、ｎ＋領域１１０がソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０８ｂの端部
よりも伸びた構造のトランジスタ１００ｂにおいては、実効的なチャネル長（Ｌｅｆｆ）
は５μｍ以下が好ましく、より好ましくは２μｍ以下である。また、ｎ＋領域１１０の深
さｄ２は、チャネル長（Ｌ）に対して半分となるＬｅｆｆ／２以下とすることが好ましい
。これにより、ｎ＋領域１１０どうしの接触を抑制することができる。
図１１は、酸化物積層膜１０４の膜厚方向（深さ方向）におけるｎ＋領域１１０の深さを
示す模式図である。
ｎ＋領域１１０の深さは、図１１（Ａ）に示すように、酸化物層１０６中のみに設けられ
る浅いものであってもよい。この場合、ｎ＋領域１１０が延びる材料や作製条件を用いた
場合であっても、ｎ＋領域１１０どうしが接触することを防止することができる。
これに対し、図１１（Ｂ）や図１１（Ｃ）に示すように、ｎ＋領域１１０を酸化物半導体
層１０５中にまで形成してもよく、さらにゲート絶縁膜１０３の上面に接するように酸化
物積層膜１０４の膜厚分を完全にｎ＋領域１１０とした構造としてもよい。ｎ＋領域１１
０を酸化物積層膜１０４中に深く形成することで、十分なｎ＋領域１１０の突出した部分
を形成することができ、その結果、実効的なチャネル長（Ｌｅｆｆ）の短いトランジスタ
を作製することができる。ソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０８ｂと酸化物積層
膜１０４とのコンタクト抵抗を十分低減することができる。
なお、図１２（Ａ）にトランジスタ１００ｂの上面図を示す。ソース電極１０８ａとドレ
イン電極１０８ｂとの間にｎ＋領域１１０が距離Ｌｎだけ伸びるため、実効的なチャネル
長（Ｌｅｆｆ）は、ソース電極１０８ａとドレイン電極１０８ｂとの間隔よりも短い。図
１２（Ａ）に示すように、ｎ＋領域の広がりは等方的であるとすると、バックチャネル側
においてソース電極１０８ａとドレイン電極１０８ｂとの端部が直線的な形状である場合
には、どの場所においてもＬｎの値はほとんど同じである。
一方、図１２（Ｂ）に示すように、上面において端部が部分的に湾曲したソース電極１０
８ａとドレイン電極１０８ｂとを有するトランジスタでは、バックチャネル側の露出部が
Ｕ字型、または馬蹄形と表現しうる形状となる。このとき、ｎ＋領域１１０は、ｎ＋領域
の伸張が等方的であるとすると、ソース電極１０８ａまたはドレイン電極１０８ｂが内側
に湾曲した部分においてはｎ＋領域１１０がより伸びて形成される。
［４．３．ソース電極、ドレイン電極と重ならない領域に凹部の設けられた酸化物積層膜
を用いたトランジスタ］
図２（Ｃ）に示すトランジスタ１００ｃは、ソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０
８ｂの間の領域において、酸化物積層膜１０４の一部が除去された凹部を有する構造であ
る。
トランジスタ１００ｃは、トランジスタ１００ａおよびトランジスタ１００ｂと同様に、
ソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０８ｂと酸化物積層膜１０４との接する部分に
ｎ＋領域１１０を有する。ここで、上記の酸化物積層膜１０４の凹部は、このｎ＋領域１
１０の深さ方向よりも深く形成されている。そのため、ソース電極１０８ａ下のｎ＋領域
１１０とドレイン電極１０８ｂ下のｎ＋領域１１０とは、酸化物積層膜１０４の凹部によ
って分離されている。換言すれば、ｎ＋領域１１０は、酸化物積層膜１０４の凹部の側面
に接し、かつ酸化物積層膜１０４の凹部の深さよりも浅い。
このような構造とすることで、ソース電極１０８ａ下のｎ＋領域１１０とドレイン電極１
０８ｂ下のｎ＋領域１１０とが接触することを防止することができる。
なお、トランジスタ１００ｃのその他の構成については、トランジスタ１００ａと同様で
ある。
ここで、ソース電極１０８ａ下のｎ＋領域１１０とドレイン電極１０８ｂ下のｎ＋領域１
１０との接触について、図１３を用いて説明する。
酸化物積層膜１０４中のｎ＋領域１１０は、ソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０
８ｂの形成のためのスパッタリングによるダメージや、層間絶縁膜形成後の熱処理等によ
り形成または伸びる（図１３（Ａ）参照）。ｎ＋領域１１０の形状は、トランジスタやそ
の周辺構造の材料や設計、作製条件等に依存する。そのため、例えばｎ＋領域１１０が伸
び過ぎた場合や、チャネル長を短く設計した場合には、ソース電極１０８ａ下のｎ＋領域
１１０とドレイン電極１０８ｂ下のｎ＋領域１１０とが近接することとなる（図１３（Ｂ
）参照）。この場合、ソース電極１０８ａ下のｎ＋領域１１０とドレイン電極１０８ｂ下
のｎ＋領域１１０とが完全に接触することがなくても、ソース電極１０８ａおよびドレイ
ン電極１０８ｂの材料がウィスカー状（髭状）に伸びることでｎ＋領域が伸び（図１３（
Ｂ）参照）、ｎ＋領域１１０間が電気的に接続されてしまう場合がある。この現象は、ソ
ース電極１０８ａおよびドレイン電極１０８ｂの材料がチタンであるときに起こりやすい
可能性がある。さらに、図１３（Ｃ）に示すように、ソース電極１０８ａ下のｎ＋領域１
１０とドレイン電極１０８ｂ下のｎ＋領域１１０とが接した場合には、ソースとドレイン
とが電気的に短絡して所望のトランジスタ特性を得ることができなくなってしまう。
そこで、図１３（Ｄ）に示すように、ｎ＋領域１１０の深さよりも深く、酸化物積層膜１
０４を除去して凹部を設けることで、ｎ＋領域１１０が接触するおそれを無くすことが可
能となる。
図１４は、トランジスタ１００ｃにおける各部分の厚さ等を説明する模式図である。トラ
ンジスタ１００ｃにおいては、チャネル長（Ｌ）はソース電極１０８ａとドレイン電極１
０８ｂとの距離と概略等しい。ここで酸化物積層膜１０４の膜厚をｄ１、ｎ＋領域１１０
の膜厚をｄ２、酸化物積層膜１０４の凹部の深さをｄ３とすると、ｄ１＞ｄ３＞ｄ２の関
係が成り立つようにするとよい。ただし、ｄ２とｄ３とが等しくてもよく、またｄ２＞ｄ
３であってもよい。ｎ＋領域１１０の伸張による接触は、ソース電極１０８ａまたはドレ
イン電極１０８ｂに近いほど起こりやすいため、ｄ２＞ｄ３としても酸化物積層膜１０４
の深部にあってはｎ＋領域１１０が接触するおそれは少ないと考えられるためである。
ここで、チャネル長（Ｌ）は５μｍ以下が好ましく、より好ましくは２μｍ以下である。
また、ｎ＋領域１１０の深さｄ２は、チャネル長（Ｌ）に対して半分となるＬ／２以下と
することが好ましい。これにより、ｎ＋領域１１０どうしの接触のおそれを無くすことが
できる。
また、酸化物積層膜１０４において凹部が形成される領域は、上述したＣＡＡＣ−ＯＳ層
中であることが好ましい。酸化物半導体においてＣＡＡＣ−ＯＳはエッチングによる加工
性に優れ、良好な側面形状の凹部を形成することができるためである。
このように、酸化物積層膜１０４に凹部を設けることで、ｎ＋領域１１０どうしの接触を
回避することができるため、信頼性の高いトランジスタを形成することができる。
ここで、図１５を用いて酸化物積層膜１０４と凹部の深さとの関係について説明する。図
１５（Ａ）は、酸化物積層膜１０４の凹部の深さｄ３を浅くし、酸化物積層膜１０４の上
層である酸化物層１０６中に設けた構造である。この場合、酸化物半導体層１０５の上面
が酸化物層１０６により保護されるため、酸化物半導体層１０５と酸化物層１０６との界
面状態を良好に保つことができる。従って、図３（Ａ）に記載のエネルギーバンド構造と
することができる。
図１５（Ｂ）は、酸化物積層膜１０４の凹部の深さｄ３と酸化物層１０６の厚さを概略一
致させた場合の構造である。即ち、ソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０８ｂと重
ならない領域の酸化物層１０６を除去した形状となる。
ここで、図１５（Ｂ）に示すトランジスタにおいて、酸化物積層膜１０４近傍の一点破線
Ｃ３−Ｃ４におけるエネルギーバンド構造を図４に示す。図４に表すＥｃは、ゲート絶縁
膜１０３、酸化物半導体層１０５、酸化物絶縁膜１０９ａのそれぞれの伝導帯下端のエネ
ルギーを示す。
図１５（Ｂ）に示すトランジスタにおいて、ソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０
８ｂの形成時に酸化物積層膜１０４の上方、即ち酸化物層１０６がエッチングされる場合
がある。特に酸化物層１０６をウェットエッチング法によりエッチングした場合、Ｉｎが
優先的に除去される場合がある。そのため、酸化物半導体層１０５の上面は、酸化物層１
０６のエッチング時にＧａＯｘ層または酸化物半導体層１０５と酸化物層１０６との混合
層（以下、ＧａＯｘ層または混合層１１３と呼ぶ）が形成される場合がある。
例えば、酸化物半導体層１０５が、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］のＩｎ−
Ｇａ−Ｚｎ酸化物、またはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚ
ｎ酸化物であり、酸化物層１０６が、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子数比］のＩｎ
−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、またはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：６：４［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−
Ｚｎ酸化物である場合、酸化物半導体層１０５よりも酸化物層１０６のＧａの含有量が多
いため、酸化物半導体層１０５の上面には、ＧａＯｘ層または混合層１１３が形成されう
る。
従って、酸化物層１０６がエッチングされた場合においても、酸化物絶縁膜側の酸化物半
導体層１０５の伝導帯下端のエネルギーが高くなり、図４に示すバンド構造のようになる
と考えられる。
図１５（Ｃ）は、酸化物積層膜１０４の凹部の深さｄ３が深く、酸化物半導体層１０５中
に達する場合を示す。図１５（Ａ）および図１５（Ｂ）に示す凹部の深さｄ３よりもさら
に深く凹部を形成することで、上述したようにｎ＋領域１１０どうしが接するおそれをよ
り確実に無くすことが可能となる。
ここで、変形例として、エッチング耐性の高い酸化物層１１４を含んだ酸化物積層膜１０
４を有するトランジスタの構成について、図１６を用いて説明する。
エッチング耐性の高い酸化物層１１４は、酸化物積層膜１０４において、例えば酸化物半
導体層１０５と酸化物層１０６との間に設けられている。特に酸化物層１１４は、酸化物
層１０６に比べてエッチング耐性の高い酸化物層１１４である。そのため、酸化物積層膜
１０４中に凹部を形成するために、上述したようなウェットエッチングまたはドライエッ
チングを行った場合、バックチャネル側において酸化物層１０６が除去される一方で、酸
化物層１１４はエッチングストッパーとして機能し、ほとんどエッチングされない。
このように、エッチング耐性の高い酸化物層１１４を設けることで、酸化物半導体層１０
５がエッチングされることを防止し、酸化物半導体層１０５の膜厚を均一に形成すること
ができる。そのため、基板上に設けた複数のトランジスタの特性ばらつきを抑制すること
ができる。
また、酸化物層１１４はできるだけｎ型化されにくい材料を用いることが好ましい。この
ような材料を用いることで、ソース側とドレイン側のｎ＋領域が電気的に短絡することを
防止することができる。
なお、以上ではトランジスタはチャネルエッチ型でボトムゲート構造のトランジスタにつ
いて説明した。チャネルエッチ型のトランジスタは、従来の非晶質シリコンを用いたトラ
ンジスタの作製工程と類似しており、また短いチャネル長のトランジスタを作製できるた
め好ましい。しかし、本発明はチャネルエッチ型に限定されず、酸化物積層膜１０４上に
チャネル保護膜を用いたチャネル保護型でボトムゲート構造のトランジスタであってもよ
い。トランジスタをチャネル保護型とした場合には、チャネル形成領域においてチャネル
保護膜を有するため、チャネル形成領域上の酸化物積層膜がエッチングされることがなく
、酸化物積層膜の膜厚を薄く設計することができる。また、チャネル保護膜に酸素を過剰
に含ませることで、チャネル保護膜から酸化物積層膜へ酸素を供給させて、酸化物積層膜
中の酸素欠損を低減することができる。
また、ボトムゲート構造に限定されず、トップゲート構造のトランジスタでもよく、さら
に酸化物積層膜１０４を介してゲート電極に対向するようにゲート電極（バックゲート電
極）を設けたデュアルゲート構造のトランジスタであってもよい。トランジスタをデュア
ルゲート構造とした場合、バックゲート電極を用いてトランジスタのしきい値電圧を制御
することなどが可能となる。
［５．半導体装置］
上述したトランジスタを用いた半導体装置について説明する。なお、本発明の一態様に係
る半導体装置は、マイクロプロセッサ、画像処理回路、表示モジュール用のコントローラ
、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、マイクロコントロー
ラなどの、半導体素子を用いた各種半導体集積回路をその範疇に含む。また、本発明の一
態様に係る半導体装置は、表示モジュールや、上記半導体集積回路を用いたＲＦタグなど
の各種装置も、その範疇に含む。
以下においては、上述したトランジスタを適用した表示モジュールについて説明する。
表示モジュールに設けられる表示素子としては、発光素子（発光表示素子ともいう。）、
液晶素子（液晶表示素子ともいう。）等を用いることができる。発光素子は、電流または
電圧によって輝度が制御される素子をその範疇に含んでおり、具体的には無機ＥＬ（Ｅｌ
ｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）、有機ＥＬ等を含む。また、電子インク等、電
気的作用によりコントラストが変化する電子ペーパーや、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉ
ｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＰＤＰ（Ｐｌａｓｍａ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｐａｎ
ｅｌ）、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）等の表示モジュール
にも適用することができる。ここでは、表示モジュールの一例としてＥＬ素子を用いた表
示モジュールおよび液晶素子を用いた表示モジュールについて説明する。
なお、本明細書において表示モジュールは、表示素子が基板や樹脂材料等により封止され
た状態にあるパネルや、該パネルに走査線駆動回路や信号線駆動回路を内蔵したＩＣを実
装したパネル、その他、コントローラ等の演算装置やＲ（抵抗）、Ｃ（コンデンサ）、Ｌ
（コイル）素子などを実装したプリント基板、偏光板等の光学的機能フィルム、冷陰極管
（ＣＣＦＬ：Ｃｏｌｄ Ｃａｔｈｏｄｅ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ Ｌａｍｐ）やＬＥＤ
（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の光源（照明装置含む）、抵抗被膜方
式や静電容量方式などのタッチセンサ等の入力デバイス、冷却装置、該パネルを保護する
ベゼル（枠）等を有するパネルが含まれる。
上記のＩＣは、例えば、ＴＡＢテープ、ＴＣＰ、ＣＯＦ等のコネクタに実装してもよく、
パネルにＣＯＧ方式により直接実装してもよい。
［５．１．ＥＬ素子を用いた表示モジュール］
図１７は、ＥＬ素子を用いた表示モジュール（以下、ＥＬ表示モジュールという）の画素
の回路図の一例である。
図１７に示すＥＬ表示モジュールは、スイッチ素子７４３と、トランジスタ７４１と、キ
ャパシタ７４２と、発光素子７１９と、を有する。
トランジスタ７４１のゲートはスイッチ素子７４３の一端およびキャパシタ７４２の一端
と電気的に接続される。トランジスタ７４１のソースは発光素子７１９の一端と電気的に
接続される。トランジスタ７４１のドレインはキャパシタ７４２の他端と電気的に接続さ
れ、ＶＤＤの電源電位が与えられる。スイッチ素子７４３の他端は信号線７４４と電気的
に接続される。発光素子７１９の他端は定電位が与えられる。なお、定電位は接地電位（
ＧＮＤ）またはそれより小さい電位とする。
なお、トランジスタ７４１は、上述した本発明の一態様に係るトランジスタを用いる。当
該トランジスタは、安定した電気特性を有する。そのため、表示品位の高い表示モジュー
ルとすることができる。
スイッチ素子７４３としては、トランジスタを用いると好ましい。トランジスタを用いる
ことで、画素の面積を小さくでき、解像度の高い表示モジュールとすることができる。ま
た、スイッチ素子７４３として、本発明の一態様に係るトランジスタを用いてもよい。ス
イッチ素子７４３として当該トランジスタを用いることで、トランジスタ７４１と同一工
程によってスイッチ素子７４３を作製することができ、表示モジュールの生産性を高める
ことができる。
図１８（Ａ）は、ＥＬ表示モジュールの上面図である。ＥＬ表示モジュールは、基板７０
１と、基板７００と、シール材７３４と、駆動回路７３５と、駆動回路７３６と、画素領
域７３７と、ＦＰＣ７３２（ＦＰＣ：Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉ
ｔ）と、を有する。シール材７３４は、画素領域７３７、駆動回路７３５および駆動回路
７３６を囲むように基板７０１と基板７００との間に設けられる。なお、駆動回路７３５
または／および駆動回路７３６をシール材７３４の外側に設けても構わない。
本発明の一態様に係るトランジスタやＥＬ素子は、水等の水分の混入により素子の破壊や
動作不良を招来する。そこで、半導体装置の信頼性を維持・向上させるためにシール材７
３４による十分な封止が必要である。
シール材７３４には、例えばエポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂などの樹脂材料
を用いることができる。これらの樹脂材料には、熱硬化型、光硬化型またはその両方のい
ずれを用いてもよい。また、シール材７３４として、アクリル系樹脂とエポキシ系樹脂と
を混合するような、異なる種類の樹脂を混合した樹脂を用いてもよい。これらの樹脂に、
ＵＶ開始剤、熱硬化剤、カップリング剤など適宜混合して用いる。
シール材７３４には、上記の樹脂の他に、低融点ガラスを含むフリットガラス（ガラスフ
リットを用いたガラス材料）を用いることができる。シール材７３４としてフリットガラ
スを用いた場合、樹脂を用いた場合に比べて高い気密性を得ることができる。
また、図１８（Ａ）において、シール材７３４は画素領域７３７を囲んで設けられている
が、信頼性を向上させるために画素領域７３７を二重以上の多重に取り囲んでもよく、さ
らにシール材７３４を基板７００や７０１の側面に配置してもよい。
図１８（Ｂ）は、図１８（Ａ）の一点鎖線Ｍ−Ｎに対応するＥＬ表示モジュールの断面図
である。ＦＰＣ７３２は、端子７３１を介して配線７３３ａと電気的に接続される。なお
、配線７３３ａは、ゲート電極７０２と同一層である。
なお、図１８（Ｂ）は、トランジスタ７４１とキャパシタ７４２とが、同一平面に設けら
れた例を示す。このような構造とすることで、キャパシタ７４２をトランジスタ７４１の
ゲート電極、ゲート絶縁膜およびソース電極（ドレイン電極）と同一平面に作製すること
ができる。このように、トランジスタ７４１とキャパシタ７４２とを同一平面に設けるこ
とにより、表示モジュールの作製工程を短縮化し、生産性を高めることができる。
図１８（Ｂ）では、トランジスタ７４１として、本発明の一態様に係るトランジスタ構造
のうち、ボトムゲート構造のトランジスタを適用した例を示す。即ち、基板７０１上にゲ
ート電極７０２が設けられ、ゲート電極７０２上にゲート絶縁膜７０５を介して酸化物膜
７０６が設けられている。トランジスタ７４１の詳細については、先の説明を参照する。
トランジスタ７４１およびキャパシタ７４２上には、絶縁膜７２０が設けられる。
ここで、絶縁膜７２０および保護絶縁膜７０３には、トランジスタ７４１のソース電極７
０４ａに達する開口部が設けられる。
絶縁膜７２０上には、電極７８１が設けられる。電極７８１は、絶縁膜７２０および保護
絶縁膜７０３に設けられた開口部を介してトランジスタ７４１のソース電極７０４ａと接
する。
電極７８１上には、電極７８１に達する開口部を有する隔壁７８４が設けられる。
隔壁７８４上には、隔壁７８４に設けられた開口部で電極７８１と接する発光層７８２が
設けられる。
発光層７８２上には、電極７８３が設けられる。
電極７８１、発光層７８２および電極７８３の重畳する領域が、発光素子７１９となる。
なお、絶縁膜７２０は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化
シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸
化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜か
ら選択して、単層または積層で用いればよい。また、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、エ
ポキシ樹脂、シリコーン樹脂などの樹脂膜を用いることもできる。
発光層７８２は、一層に限定されず、複数種の発光層などを積層して設けてもよい。例え
ば、図１８（Ｃ）に示すような構造とすればよい。図１８（Ｃ）は、中間層７８５ａ、発
光層７８６ａ、中間層７８５ｂ、発光層７８６ｂ、中間層７８５ｃ、発光層７８６ｃおよ
び中間層７８５ｄの順番で積層した構造である。このとき、発光層７８６ａ、発光層７８
６ｂおよび発光層７８６ｃに適切な発光色の発光層を用いると演色性の高い、または発光
効率の高い、発光素子７１９を形成することができる。
発光層を複数種積層して設けることで、白色光を得てもよい。図１８（Ｂ）には示さない
が、着色層を介して白色光を取り出す構造としても構わない。
ここでは発光層を３層および中間層を４層設けた構造を示しているが、これに限定される
ものではなく、適宜発光層の数および中間層の数を変更することができる。例えば、中間
層７８５ａ、発光層７８６ａ、中間層７８５ｂ、発光層７８６ｂおよび中間層７８５ｃの
みで構成することもできる。また、中間層７８５ａ、発光層７８６ａ、中間層７８５ｂ、
発光層７８６ｂ、発光層７８６ｃおよび中間層７８５ｄで構成し、中間層７８５ｃを省い
た構造としても構わない。
また、中間層は、正孔注入層、正孔輸送層、電子輸送層、および電子注入層などを積層構
造で用いることができる。なお、中間層は、これらの層を全て備えなくてもよい。これら
の層は適宜選択して設ければよい。なお、同様の機能を有する層を重複して設けてもよい
。また、中間層としてキャリア発生層のほか、電子リレー層などを適宜加えてもよい。
電極７８１は、可視光透過性を有する導電膜を用いればよい。可視光透過性を有するとは
、可視光領域（例えば４００ｎｍ以上８００ｎｍの波長範囲）における平均の透過率が７
０％以上、特に８０％以上であることをいう。
電極７８１としては、例えば、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｗ酸化物膜、Ｉｎ−Ｓｎ酸化物膜、Ｉｎ−Ｚ
ｎ酸化物膜、Ｉｎ酸化物膜、Ｚｎ酸化物膜、およびＳｎ酸化物膜などの酸化物膜を用いれ
ばよい。また、前述の酸化物膜は、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｂ、Ｆなどが微量に添加されていても
よい。また、光を透過する程度の金属薄膜（好ましくは、５ｎｍ以上３０ｎｍ程度）を用
いることもできる。例えば５ｎｍの膜厚を有するＡｇ膜、Ｍｇ膜またはＡｇ−Ｍｇ合金膜
を用いてもよい。また、グラフェンを用いてもよい。
または、電極７８１は、可視光を効率よく反射する膜が好ましい。電極７８１は、例えば
、リチウム、アルミニウム、チタン、マグネシウム、ランタン、銀、シリコンまたはニッ
ケルを含む膜を用いればよい。
電極７８３は、電極７８１として示した膜から選択して用いることができる。ただし、電
極７８１が可視光透過性を有する場合は、電極７８３が可視光を効率よく反射すると好ま
しい。また、電極７８１が可視光を効率よく反射する場合は、電極７８３が可視光透過性
を有すると好ましい。
なお、電極７８１および電極７８３を図１８（Ｂ）に示す構造で設けているが、電極７８
１と電極７８３を入れ替えても構わない。アノードとして機能する電極には、仕事関数の
大きい導電膜を用いることが好ましく、カソードとして機能する電極には仕事関数の小さ
い導電膜を用いることが好ましい。ただし、アノードと接してキャリア発生層を設ける場
合には、仕事関数を考慮せずに様々な導電膜を陽極に用いることができる。
隔壁７８４は、保護絶縁膜７０３を参照する。また、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、エ
ポキシ樹脂、シリコーン樹脂などの樹脂膜を用いることもできる。
発光素子７１９と接続するトランジスタ７４１は、安定した電気特性を有する。そのため
、表示品位の高い表示モジュールを提供することができる。
図１９（Ａ）および図１９（Ｂ）は、図１８（Ｂ）と一部が異なるＥＬ表示モジュールの
断面図の一例である。具体的には、ＦＰＣ７３２と接続する配線が異なる。図１９（Ａ）
では、端子７３１を介してＦＰＣ７３２と配線７３３ｂが接続している。配線７３３ｂは
、ソース電極７０４ａおよびドレイン電極７０４ｂと同一層である。図１９（Ｂ）では、
端子７３１を介してＦＰＣ７３２と配線７３３ｃとが電気的に接続している。配線７３３
ｃは、電極７８１と同一層である。
［５．２．液晶素子を用いた表示モジュール］
次に、液晶素子を用いた表示モジュール（以下、液晶表示モジュールという）について説
明する。
図２０は、液晶表示モジュールの画素の構成例を示す回路図である。図２０に示す画素７
５０は、トランジスタ７５１と、キャパシタ７５２と、一対の電極間に液晶の充填された
素子（以下液晶素子ともいう）７５３とを有する。
トランジスタ７５１では、ソースおよびドレインの一方が信号線７５５に電気的に接続さ
れ、ゲートが走査線７５４に電気的に接続されている。
キャパシタ７５２では、一方の電極がトランジスタ７５１のソースおよびドレインの他方
に電気的に接続され、他方の電極が共通電位を供給する配線に電気的に接続されている。
液晶素子７５３では、一方の電極がトランジスタ７５１のソースおよびドレインの他方に
電気的に接続され、他方の電極が共通電位を供給する配線に電気的に接続されている。な
お、上述のキャパシタ７５２の他方の電極が電気的に接続する配線に与えられる共通電位
と、液晶素子７５３の他方の電極に与えられる共通電位とが異なる電位であってもよい。
なお、液晶表示モジュールも、上面図はＥＬ素子を用いた表示モジュールと概略同様であ
る。図１８（Ａ）の一点鎖線Ｍ−Ｎに対応する液晶表示モジュールの断面図を図２１（Ａ
）に示す。図２１（Ａ）において、ＦＰＣ７３２は、端子７３１を介して配線７３３ａと
電気的に接続される。なお、配線７３３ａは、ゲート電極７０２と同一層である。
図２１（Ａ）には、トランジスタ７５１とキャパシタ７５２とが、同一平面に設けられた
例を示す。このような構造とすることで、キャパシタ７５２をトランジスタ７５１のゲー
ト電極、ゲート絶縁膜およびソース電極（ドレイン電極）と同一平面に作製することがで
きる。このように、トランジスタ７５１とキャパシタ７５２とを同一平面に設けることに
より、表示モジュールの作製工程を短縮化し、生産性を高めることができる。
トランジスタ７５１としては、本発明の一態様に係るトランジスタを適用することができ
る。図２１（Ａ）においては、ボトムゲート構造のトランジスタを適用した例を示す。即
ち、基板７０１上にゲート電極７０２が設けられ、ゲート電極７０２上にゲート絶縁膜７
０５を介して酸化物膜７０６が設けられている。トランジスタ７５１の詳細については、
先の説明を参照する。
なお、トランジスタ７５１は極めてオフ電流の小さいトランジスタとすることができる。
従って、キャパシタ７５２に保持された電荷がリークしにくく、長期間に渡って液晶素子
７５３に印加される電圧を維持することができる。そのため、動きの少ない動画や静止画
の表示の際に、トランジスタ７５１をオフ状態とすることで、トランジスタ７５１の動作
のための電極が不要となり、消費電力の小さい表示モジュールとすることができる。
トランジスタ７５１およびキャパシタ７５２上には、絶縁膜７２１が設けられる。
ここで、絶縁膜７２１および保護絶縁膜７０３には、トランジスタ７４１のソース電極７
０４ａに達する開口部が設けられる。
絶縁膜７２１上には、電極７９１が設けられる。電極７９１は、絶縁膜７２１および保護
絶縁膜７０３に設けられた開口部を介してトランジスタ７５１のドレイン電極７０４ｂと
接する。
電極７９１上には、配向膜として機能する絶縁膜７９２が設けられる。
絶縁膜７９２上には、液晶層７９３が設けられ、液晶層７９３上には配向膜として機能す
る絶縁膜７９４が設けられる。
絶縁膜７９４上には、スペーサ７９５が設けられる。
スペーサ７９５および絶縁膜７９４上には電極７９６が設けられ、電極７９６上には基板
７９７が設けられる。
なお、絶縁膜７２１は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化
シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸
化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜か
ら選択して、単層または積層で用いればよい。また、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、エ
ポキシ樹脂、シリコーン樹脂などの樹脂膜を用いることもできる。
液晶層７９３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、
強誘電性液晶、反強誘電性液晶などを用いることができる。これらの液晶は、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
などを示す。
なお、液晶層７９３として、ブルー相を示す液晶を用いてもよい。その場合、配向膜とし
て機能する絶縁膜７９２および絶縁膜７９４を設けない構成とすることができる。ブルー
相は液晶相の一つであり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリック相から
等方相へ転移する直前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発現しないた
め、温度範囲を改善するために数重量％以上のカイラル剤を混合させた液晶組成物を用い
て液晶層に用いる。ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、応答速度が
１ｍｓｅｃ以下と短く、光学的等方性であるため配向処理が不要であり、視野角依存性が
小さい。また配向膜を設けなくてもよいのでラビング処理も不要となるため、ラビング処
理によって引き起こされる静電破壊を防止することができ、作製工程中の表示パネルの不
良や破損を軽減することができる。よって表示パネルの生産性を向上させることが可能と
なる。よって液晶表示モジュールの生産性を向上させることが可能となる。酸化物膜を用
いるトランジスタは、静電気の影響によりトランジスタの電気的な特性が著しく変動して
設計範囲を逸脱するおそれがある。よって酸化物を用いるトランジスタを有する液晶表示
モジュールにブルー相を発現する液晶組成物を用いることはより効果的である。
また、液晶材料の固有抵抗率は、１×１０９Ω・ｃｍ以上であり、好ましくは１×１０１
１Ω・ｃｍ以上であり、さらに好ましくは１×１０１２Ω・ｃｍ以上である。なお、固有
抵抗率の値は、２０℃で測定した値とする。
液晶表示モジュールに設けられる保持容量の大きさは、画素部に配置されるトランジスタ
のリーク電流等を考慮して、所定の期間の間電荷を保持できるように設定される。保持容
量の大きさは、トランジスタのオフ電流等を考慮して設定すればよい。本発明の一態様に
係るトランジスタを用いることにより、各画素における液晶容量に対して１／３以下、好
ましくは１／５以下の容量の大きさを有する保持容量を設ければ充分である。
本発明の一態様に係るトランジスタは、オフ状態における電流値（オフ電流値）を低く制
御することができる。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、本発明の一態様に係るトランジスタは、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
モジュールに用いることで、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
るトランジスタを同一基板上に形成することができる。即ち、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。
液晶表示モジュールには、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＩＰＳ（Ｉ
ｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ Ｆｉｅｌｄ Ｓ
ｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ａｌｉｇｎ
ｅｄ Ｍｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅ
ｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉ
ｑｕｉｄ 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モジュール、例えば垂直配向（ＶＡ）モードを採
用した透過型の液晶表示モジュールとしてもよい。ここで、垂直配向モードとは、液晶表
示パネルの液晶分子の配列を制御する方式の一種であり、電圧が印加されていないときに
パネル面に対して液晶分子が垂直方向を向く方式である。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 Ａ
ｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇ
ｎｍｅｎｔ）モード、ＡＳＶ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｓｕｐｅｒ Ｖｉｅｗ）モードなどを
用いることができる。また、画素（ピクセル）をいくつかの領域（サブピクセル）に分け
、それぞれ別の方向に分子を倒すよう工夫されているマルチドメイン化またはマルチドメ
イン設計といわれる方法を用いることができる。
電極７９１は、可視光透過性を有する導電膜を用いればよい。
電極７９１としては、例えば、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｗ酸化物膜、Ｉｎ−Ｓｎ酸化物膜、Ｉｎ−Ｚ
ｎ酸化物膜、Ｉｎ酸化物膜、Ｚｎ酸化物膜、およびＳｎ酸化物膜などの酸化物膜を用いれ
ばよい。また、これらの酸化物膜は、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｂ、Ｆなどが微量添加されてもよい
。また、光を透過する程度の金属薄膜（好ましくは、５ｎｍ以上３０ｎｍ程度）を用いる
こともできる。例えば５ｎｍの膜厚を有するＡｇ膜、Ｍｇ膜またはＡｇ−Ｍｇ合金膜を用
いてもよい。または、グラフェンを用いてもよい。
または、電極７９１は、可視光を効率よく反射する膜が好ましい。電極７９１は、例えば
、アルミニウム、チタン、クロム、銅、モリブデン、銀、タンタルまたはタングステンを
含む膜を用いればよい。
電極７９６は、電極７９１として示した膜から選択して用いることができる。ただし、電
極７９１が可視光透過性を有する場合は、電極７９６が可視光を効率よく反射すると好ま
しい。また、電極７９１が可視光を効率よく反射する場合は、電極７９６が可視光透過性
を有すると好ましい。
なお、電極７９１および電極７９６を図２１（Ａ）に示す構造で設けているが、電極７９
１と電極７９６を入れ替えても構わない。
絶縁膜７９２および絶縁膜７９４は、有機化合物または無機化合物から選択して用いれば
よい。
スペーサ７９５は、アクリル樹脂等の有機化合物、またはシリカ等の無機化合物から選択
して用いればよい。なお、スペーサ７９５の形状は、柱状、球状など様々な形状とするこ
とができる。
電極７９１、絶縁膜７９２、液晶層７９３、絶縁膜７９４および電極７９６の重畳する領
域が、液晶素子７５３となる。
基板７９７は、ガラス、樹脂または金属などを用いればよい。基板７９７は可撓性を有し
てもよい。
また、図示しないが、基板７９７上にはブラックマトリクス（遮光層）やＲＧＢ（Ｒは赤
、Ｇは緑、Ｂは青を表す）の三色それぞれのカラーフィルタを設けることができる。
また、基板７０１および基板７９７の液晶層７９３に面する側とは反対の側に、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）などを適宜設けるとよい。例え
ば、偏光基板および位相差基板による円偏光を用いてもよい。
また、画素部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の三色
に限定されない。例えば、ＲＧＢＷ（Ｗは白を表す）、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たものがある。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、表示モジュールはカラー表示に限定されるもの
ではなく、モノクロ表示の液晶表示モジュールに適用することもできる。
図２１（Ｂ）および図２１（Ｃ）は、図２１（Ａ）と一部が異なる液晶表示モジュールの
断面図の一例である。具体的には、ＦＰＣ７３２と接続する配線が異なる。図２１（Ｂ）
では、端子７３１を介してＦＰＣ７３２と配線７３３ｂが接続している。配線７３３ｂは
、ソース電極７０４ａおよびドレイン電極７０４ｂと同一層である。図２１（Ｃ）では、
端子７３１を介してＦＰＣ７３２と配線７３３ｃが接続している。配線７３３ｃは、電極
７９１と同一層である。
液晶素子７５３と接続するトランジスタ７５１は、安定した電気特性を有する。そのため
、表示品位の高い表示モジュールを提供することができる。また、トランジスタ７５１は
オフ電流を極めて小さくできるため、消費電力の小さい液晶表示モジュールを提供するこ
とができる。
ここで、上述した液晶表示モジュールにおける表示モードの例として、ＦＦＳモードの液
晶素子を用いた表示モジュールについて、図２２を用いて説明する。
図２２（Ａ）に液晶素子を用いた表示モジュールの平面図を示す。図２２（Ａ）において
、基板４００１上に設けられた画素部４００２と、走査線駆動回路４００４とを囲むよう
にして、シール材４００５が設けられている。また画素部４００２と、走査線駆動回路４
００４の上に基板４００６が設けられている。よって画素部４００２と、走査線駆動回路
４００４とは、基板４００１とシール材４００５と基板４００６とによって、液晶素子と
ともに封止されている。図２２（Ａ）においては、基板４００１上のシール材４００５に
よって囲まれている領域とは異なる領域に、ＩＣチップ、または別途用意された基板上に
単結晶半導体膜または多結晶半導体膜で形成された信号線駆動回路４００３が実装されて
いる。信号線駆動回路４００３と走査線駆動回路４００４を通して画素部４００２に与え
られる各種信号および電位は、ＦＰＣ４０１８から供給されている。
また図２２（Ａ）においては、信号線駆動回路４００３を別途形成し、基板４００１に実
装している例を示しているが、この構成に限定されない。走査線駆動回路を別途形成して
実装してもよいし、信号線駆動回路の一部または走査線駆動回路の一部のみを別途形成し
て実装してもよい。
なお、別途形成した駆動回路の接続方法は、特に限定されるものではなく、ＣＯＧ（Ｃｈ
ｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）法、ワイヤボンディング法、或いはＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔ
ｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）法などを用いることができる。図２２（Ａ）は、ＣＯＧ
法により信号線駆動回路４００３を実装する例である。
また、基板上に設けられた画素部および走査線駆動回路は、トランジスタを複数有してお
り、本発明の一態様に係るトランジスタを適用することができる。
ＦＦＳモードを用いた画素部４００２の画素構成の一例を、図２２（Ｂ）に示す。ＦＦＳ
とは、基板上の共通電極（以下では第１の電極と記す）と画素電極（以下では第２の電極
と記す）とを平行に重ねて形成したフリンジ電界により、液晶分子を配向させる表示モー
ドである。液晶表示モジュールの開口率の向上や広視野角化を実現することができる。
画素には、トランジスタ４０１０のゲート電極と電気的に接続する配線４０５０と、トラ
ンジスタ４０１０のソース電極またはドレイン電極の一方と電気的に接続する配線４０５
２の交差部を有する。配線４０５０はゲート信号線（走査線）として、配線４０５２はソ
ース信号線としての機能を有する。また、画素には画素ごとに分離されたまたは各画素で
共通の第１の電極４０３４と、画素ごとに分離された、トランジスタ４０１０のソース電
極またはドレイン電極の他方と電気的に接続する第２の電極４０３１とを有する。第２の
電極４０３１は、第１の電極４０３４と重なって設けられ、またスリットを形成するよう
に複数の開口部が設けられている。
図２２（Ｃ）は、図２２（Ａ）のＭ−Ｎにおける断面図に相当する。液晶素子を用いた表
示モジュールは、画素部４００２に設けられたトランジスタ４０１０が液晶素子と電気的
に接続して構成される。
図２２（Ａ）および図２２（Ｃ）に示すように、液晶素子を用いた表示モジュールは接続
端子電極４０１５および端子電極４０１６を有しており、接続端子電極４０１５および端
子電極４０１６はＦＰＣ４０１８が有する端子と異方性導電層４０１９を介して、電気的
に接続されている。
接続端子電極４０１５は、第１の電極４０３４と同じ導電層から形成され、端子電極４０
１６は、トランジスタ４０１０、４０１１のゲート電極と同じ導電層で形成されている。
導電層の材料としては、例えば図１に示すゲート電極１０２に適用可能な材料を用いるこ
とができる。
また基板４００１上に設けられた画素部４００２と、走査線駆動回路４００４は、トラン
ジスタを複数有している。図２２（Ｃ）では、画素部４００２に含まれるトランジスタ４
０１０と、走査線駆動回路４００４に含まれるトランジスタ４０１１とを例示しており、
トランジスタ４０１０、４０１１上には絶縁膜４０３２ａ、４０３２ｂが設けられている
。
また、図２２（Ｃ）では、絶縁膜４０３２ｂ上に平坦化絶縁膜４０４０が設けられ、第１
の電極４０３４と第２の電極４０３１との間に絶縁膜４０４２が設けられている。
平坦化絶縁膜４０４０としては、アクリル、ポリイミド、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポ
リアミド、エポキシ等の有機樹脂を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘
電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂等を用いることができる。
トランジスタ４０１０、４０１１としては、本発明の一態様に係るトランジスタを適用す
ることができる。トランジスタ４０１０、４０１１は、ボトムゲート構造のトランジスタ
である。
トランジスタ４０１０、４０１１に含まれるゲート絶縁膜は、単層構造または積層構造と
することができる。ここでは、ゲート絶縁膜４０２０ａ、４０２０ｂの積層構造を含む。
また、図２２（Ｃ）においては、ゲート絶縁膜４０２０ａと、絶縁膜４０３２ｂとが、接
続端子電極４０１５端部を覆うように、シール材４００５下に延在しており、絶縁膜４０
３２ｂは、ゲート絶縁膜４０２０ｂおよび絶縁膜４０３２ａの側面を覆っている。ゲート
絶縁膜４０２０ａ、４０２０ｂとしては、例えば図１に示すゲート絶縁膜１０３に適用可
能な材料を用いることができる。
また、駆動回路用のトランジスタ４０１１の酸化物膜と重なる位置にさらに導電層を設け
てもよい。導電層を酸化物膜と重なる位置に設けることによって、トランジスタ４０１１
のしきい値電圧を制御することができる。
また、該導電層は外部の電場を遮蔽する、即ち外部の電場が内部（トランジスタを含む回
路部）に作用しないようにする機能（特に静電気に対する静電遮蔽機能）も有する。導電
層の遮蔽機能により、静電気などの外部の電場の影響によりトランジスタの電気的な特性
が変動することを防止することができる。
図２２（Ｃ）において、液晶素子４０１３は、第１の電極４０３４、第２の電極４０３１
、および液晶層４００８を含む。なお、液晶層４００８を挟持するように配向膜として機
能する絶縁膜４０３８、４０３３が設けられている。液晶層４００８としては、図２１に
示す液晶層７９３に適用可能な材料の層を設けてもよい。
また、液晶素子４０１３は、液晶層４００８の下方に開口パターンを有する第２の電極４
０３１を有し、絶縁膜４０４２を介して第２の電極４０３１のさらに下方に、平板状の第
１の電極４０３４を有する。開口パターンを有する第２の電極４０３１は、屈曲部や枝分
かれした櫛歯状を含む形状である。第２の電極４０３１に開口パターンを設けることによ
り、第１の電極４０３４および第２の電極４０３１はその電極間にフリンジ電界を形成す
ることができる。なお、平坦化絶縁膜４０４０上に接して平板状の第２の電極４０３１を
形成し、絶縁膜４０４２を介して第２の電極４０３１上に、画素電極として機能し、開口
パターンを有する第１の電極４０３４を有する構成としてもよい。
第１の電極４０３４、第２の電極４０３１は、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｗ酸化物膜、Ｉｎ−Ｓｎ酸化
物膜、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物膜、Ｉｎ酸化物膜、Ｚｎ酸化物膜、およびＳｎ酸化物膜などの酸
化物膜を用いればよい。また、前述の酸化物膜は、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｂ、Ｆなどが微量に添
加されていてもよい。また、光を透過する程度の金属薄膜（好ましくは、５ｎｍ以上３０
ｎｍ程度）を用いることもできる。例えば５ｎｍの膜厚を有するＡｇ膜、Ｍｇ膜またはＡ
ｇ−Ｍｇ合金膜を用いてもよい。また、グラフェンを用いてもよい。
また、第１の電極４０３４、第２の電極４０３１はタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍ
ｏ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）
、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（
Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）等の金属、また
はその合金、もしくはその金属窒化物から一つ、または複数種を用いて形成することがで
きる。
また、第１の電極４０３４、第２の電極４０３１として、導電性高分子（導電性ポリマー
ともいう）を含む導電性組成物を用いて形成することができる。
またスペーサ４０３５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、液晶層４００８の膜厚（セルギャップ）を制御するために設けられている。なお
球状のスペーサを用いていてもよい。
また、液晶層４００８に、配向膜を用いないブルー相を発現する液晶組成物を用いてもよ
い。この場合、液晶層４００８と、第１の電極４０３４および第２の電極４０３１とは接
する構造となる。
なお、図２２（Ｃ）に示す絶縁膜４０４２は、一部に開口を有しており、当該開口から平
坦化絶縁膜４０４０に含まれる水分を脱離することができる。但し、平坦化絶縁膜４０４
０上に設けられる絶縁膜４０４２の膜質によっては、開口を設けなくともよい。
液晶素子を用いた表示モジュールに設けられる保持容量の大きさは、画素部に配置される
トランジスタのリーク電流等を考慮して、所定の期間の間電荷を保持できるように設定さ
れる。保持容量の大きさは、トランジスタのオフ電流等を考慮して設定すればよい。本発
明の一態様に係るトランジスタを用いることにより、保持容量の大きさを縮小することが
できる。よって、各画素における開口率を向上させることができる。
図２２（Ｂ）および図２２（Ｃ）に示すように、画素に保持容量としての容量素子を設け
ない構成とし、第１の電極４０３４と第２の電極４０３１の間に生じる寄生容量を保持容
量として用いてもよい。このように、容量素子を設けない構成とすることにより、画素の
開口率をさらに向上させることができる。
本発明の一態様に係るトランジスタは、オフ状態における電流値（オフ電流値）を低く制
御することができる。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、
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、本発明の一態様に係るトランジスタは、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、このようなトランジスタを、液晶素子を用いた表示モジュー
ルに用いることで、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トラン
ジスタを同一基板上に形成することができる。また、画素部においても、このようなトラ
ンジスタを用いることで、高画質な画像を提供することができる。
また、液晶表示モジュールにおいて、ブラックマトリクス（遮光層）、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）などは適宜設ける。例えば、偏光板およ
び位相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。
また、画素部４００２と重ねてタッチセンサを設けてもよい。タッチセンサを設けること
により、直感的な操作が可能になる。タッチセンサについては、後述する。
以上のように、本発明の一態様に係るトランジスタを搭載した表示モジュールとして、Ｅ
Ｌ表示モジュールおよび液晶表示モジュールについて説明したが、例えば電気泳動素子を
用いた表示モジュールなど他の表示モジュールに用いることもできる。また、半導体装置
の一例として表示モジュールについて説明したが、フォトセンサ、メモリ、ＣＰＵ、マイ
クロコンピュータ等のその他の半導体装置に本発明の一態様に係るトランジスタを用いる
ことができる。
［５．３．タッチセンサを一体形成した表示モジュール］
ここでは、被検知体の近接または接触を検知可能なセンサ（以降、タッチセンサと呼ぶ）
の構成例について説明する。
タッチセンサとしては、静電容量方式、抵抗膜方式、表面弾性方式、赤外線方式、光学方
式など、様々な方式を用いることができる。
静電容量方式のタッチセンサとしては、代表的には表面型静電容量方式、投影型静電容量
方式などがある。また、投影型静電容量方式としては、主に駆動方法の違いから、自己容
量方式、相互容量方式などがある。ここで、相互容量方式を用いると、同時に多点を検出
すること（多点検出またはマルチタッチともいう）が可能となるため好ましい。
ここではタッチセンサについて詳細に説明するが、このほかに、カメラ（赤外線カメラを
含む）等により、被検知体（例えば指や手など）の動作（ジェスチャ）や、使用者の視点
動作などを検知することのできるセンサを、ヒューマンインターフェースとして用いるこ
ともできる。
［５．３．１．センサの検知方法の例］
図２３（Ａ）、（Ｂ）は、相互容量方式のタッチセンサの構成を示す模式図と、入出力波
形の模式図である。タッチセンサは一対の電極を備え、これらの間に容量が形成されてい
る。一対の電極のうち一方の電極に入力電圧が入力される。また、他方の電極に流れる電
流（または、他方の電極の電位）を検出する検出回路を備える。
例えば図２３（Ａ）に示すように、入力電圧の波形として矩形波を用いた場合、出力電流
波形として鋭いピークを有する波形が検出される。
また図２３（Ｂ）に示すように、伝導性を有する被検知体が容量に近接または接触した場
合、電極間の容量値が減少するため、これに応じて出力の電流値が減少する。
このように、入力電圧に対する出力電流（または電位）の変化を用いて、容量の変化を検
出することにより、被検知体の近接、または接触を検知することができる。
［５．３．２．タッチセンサの構成例］
図２３（Ｃ）は、マトリクス状に配置された複数の容量を備えるタッチセンサの構成例を
示す。
タッチセンサは、Ｘ方向（紙面横方向）に延在する複数の配線と、これら複数の配線と交
差し、Ｙ方向（紙面縦方向）に延在する複数の配線とを有する。交差する２つの配線間に
は容量が形成される。
また、Ｘ方向に延在する配線には、入力電圧または共通電位（接地電位、基準電位を含む
）のいずれか一方が入力される。また、Ｙ方向に延在する配線には、検出回路（例えば、
ソースメータ、センスアンプなど）が電気的に接続され、当該配線に流れる電流（または
電位）を検出することができる。
タッチセンサは、Ｘ方向に延在する複数の配線に対して順に入力電圧が入力されるように
走査し、Ｙ方向に延在する配線に流れる電流（または電位）の変化を検出することで、被
検知体の２次元的なセンシングが可能となる。
［５．３．３．タッチパネルの構成例］
以下では、複数の画素を有する表示部にタッチセンサを組み込んだタッチパネルの構成例
について説明する。ここでは、画素に設けられる表示素子として、液晶素子を適用した例
を示す。
図２４（Ａ）は、本構成例で例示するタッチパネルの表示部に設けられる画素回路の一部
における等価回路図である。
一つの画素は少なくともトランジスタ３５０３と液晶素子３５０４を有する。またトラン
ジスタ３５０３のゲートに配線３５０１が、ソースまたはドレインの一方には配線３５０
２が、それぞれ電気的に接続されている。
画素回路は、Ｘ方向に延在する複数の配線（例えば、配線３５１０＿１、配線３５１０＿
２）と、Ｙ方向に延在する複数の配線（例えば、配線３５１１）を有し、これらは互いに
交差して設けられ、その間に容量が形成される。
また、画素回路に設けられる画素のうち、一部の隣接する複数の画素は、それぞれに設け
られる液晶素子の一方の電極が電気的に接続され、一つのブロックを形成する。当該ブロ
ックは、島状のブロック（例えば、ブロック３５１５＿１、ブロック３５１５＿２）と、
Ｙ方向に延在するライン状のブロック（例えば、ブロック３５１６）の、２種類に分類さ
れる。
Ｘ方向に延在する配線３５１０＿１（または３５１０＿２）は、島状のブロック３５１５
＿１（またはブロック３５１５＿２）と電気的に接続される。また、Ｙ方向に延在する配
線３５１１は、ライン状のブロック３５１６と電気的に接続される。
図２４（Ｂ）は、Ｘ方向に延在する複数の配線３５１０と、Ｙ方向に延在する複数の配線
３５１１の接続構成を示した等価回路図である。Ｘ方向に延在する配線３５１０の各々に
は、入力電圧または共通電位を入力することができる。また、Ｙ方向に延在する配線３５
１１の各々には接地電位を入力する、または配線３５１１と検出回路と電気的に接続する
ことができる。
［５．３．４．タッチパネルの動作例］
以下、図２５および図２６を用いて、上述したタッチパネルの動作について説明する。
図２６に示すように、１フレーム期間を、書き込み期間と検知期間とに分ける。書き込み
期間は画素への画像データの書き込みを行う期間であり、配線３５１０（ゲート線ともい
う）が順次選択される。一方、検知期間は、タッチセンサによるセンシングを行う期間で
あり、Ｘ方向に延在する配線３５１０が順次選択され、入力電圧が入力される。
図２５（Ａ）は、書き込み期間における等価回路図である。書き込み期間では、Ｘ方向に
延在する配線３５１０と、Ｙ方向に延在する配線３５１１の両方に、共通電位が入力され
る。
図２５（Ｂ）は、検知期間のある時点における等価回路図である。検知期間では、Ｙ方向
に延在する配線３５１１の各々は、検出回路と電気的に接続する。また、Ｘ方向に延在す
る配線３５１０のうち、選択されたものには入力電圧が入力され、それ以外のものには共
通電位が入力される。
このように、画像の書き込み期間とタッチセンサによるセンシングを行う期間とを、独立
して設けることが好ましい。これにより、画素の書き込み時のノイズに起因するタッチセ
ンサの感度の低下を抑制することができる。
［５．３．５．画素の構成例］
以下では、上記タッチパネルに用いることのできる画素の構成例について説明する。
図２７（Ａ）は、ＦＦＳモードが適用された画素の一部を示す断面概略図である。
画素は、トランジスタ３５２１と、電極３５２２と、電極３５２３と、液晶３５２４と、
カラーフィルタ３５２５と、を備える。開口部を有する電極３５２３はトランジスタ３５
２１のソースまたはドレインの一方に電気的に接続される。また、電極３５２３は絶縁層
を介して電極３５２２上に設けられる。電極３５２３と電極３５２２は、それぞれ液晶素
子の一方の電極として機能し、これらの間に異なる電位を与えることで、液晶の配向を制
御することができる。
例えば電極３５２２を、上述の配線３５１０または配線３５１１に電気的に接続すること
により、上述タッチパネルの画素を構成することができる。
なお、電極３５２２を電極３５２３上に設けることもできる。その場合は電極３５２２を
、開口部を有する形状とし、絶縁層を介して電極３５２３上に設ければよい。
図２７（Ｂ）は、ＩＰＳモードが適用された画素の一部を示す断面概略図である。
画素に設けられる電極３５２３と電極３５２２はいずれも櫛歯状の形状を有し、互いに噛
み合うように、かつ離間して同一平面上に設けられている。
例えば電極３５２２を、上述の配線３５１０または配線３５１１に電気的に接続すること
により、上述したタッチパネルの画素を構成することができる。
図２７（Ｃ）は、ＶＡモードが適用された画素の一部を示す断面概略図である。
電極３５２２は、液晶３５２４を介して電極３５２３と対向するように設けられている。
また電極３５２２と重ねて配線３５２６が設けられている。配線３５２６は、例えば図２
７（Ｃ）に示す画素が属するブロックとは異なるブロック間を電気的に接続するために設
けることができる。
例えば電極３５２２を、上述の配線３５１０または配線３５１１に電気的に接続すること
により、上述タッチパネルの画素を構成することができる。
［６．電気機器］
次に、半導体装置を構成部品として適用した電気機器について説明する。
［６．１．電気機器の範疇］
電気機器とは、電気の力によって作用する部分を含む工業製品をいう。電気機器は、家電
等の民生用に限られず、業務用、産業用、軍事用等、種々の用途のものを広くその範疇と
する。
電気機器としては、例えば、テレビやモニタ等の表示装置、照明装置、デスクトップ型や
ノート型等のパーソナルコンピュータ、ワードプロセッサ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖ
ｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）などの記録媒体に記憶された静止画または動画を再生する
画像再生装置、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）プレーヤやデジタルオーディオプレー
ヤ等の携帯型または据置型の音響再生機器、携帯型または据置型のラジオ受信機、テープ
レコーダやＩＣレコーダ（ボイスレコーダ）等の録音再生機器、ヘッドホンステレオ、ス
テレオ、リモートコントローラ、置き時計や壁掛け時計等の時計、コードレス電話子機、
トランシーバ、携帯電話機、自動車電話、携帯型または据置型のゲーム機、歩数計、電卓
、携帯情報端末、電子手帳、電子書籍、電子翻訳機、マイクロフォン等の音声入力機器、
スチルカメラやビデオカメラ等の写真機、玩具、電気シェーバ、電動歯ブラシ、電子レン
ジ等の高周波加熱装置、電気炊飯器、電気洗濯機、電気掃除機、温水器、扇風機、毛髪乾
燥機、加湿器や除湿器やエアコンディショナ等の空気調和設備、食器洗い器、食器乾燥器
、衣類乾燥器、布団乾燥器、電気冷蔵庫、電気冷凍庫、電気冷凍冷蔵庫、ＤＮＡ保存用冷
凍庫、懐中電灯、電動工具、煙感知器、ガス警報装置や防犯警報装置等の警報装置、補聴
器、心臓ペースメーカ、Ｘ線撮影装置、放射線測定器、電気マッサージ器や透析装置等の
健康機器や医療機器などが挙げられる。さらに、誘導灯、信号機、ガスメータや水道メー
タ等の計量器、ベルトコンベア、エレベータ、エスカレータ、産業用ロボット、無線用中
継局、携帯電話の基地局、電力貯蔵システム、電力の平準化やスマートグリッドのための
蓄電装置等の産業機器が挙げられる。また、電気自動車（ＥＶ）、内燃機関と電動機を併
せ持ったハイブリッド車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ）、これらの
タイヤ車輪を無限軌道に変えた装軌車両、農業機械、電動アシスト自転車を含む原動機付
自転車、自動二輪車、電動車椅子、電動カート、小型または大型船舶、潜水艦、固定翼機
や回転翼機等の航空機、ロケット、人工衛星、宇宙探査機や惑星探査機、宇宙船などの移
動体も電気機器の範疇に含まれるものとする。
［６．２．電気機器の具体例］
これらの電気機器の具体例を、図２８（Ａ）乃至（Ｄ）に示す。
例えば、図２８（Ａ）は携帯型情報端末である。図２８（Ａ）に示す携帯型情報端末は、
筐体９０００と、ボタン９００１と、マイクロフォン９００２と、表示部９００３と、ス
ピーカ９００４と、カメラ９００５と、を具備し、携帯型電話機としての機能を有する。
本発明の一態様は表示部９００３に適用することができる。また、本発明の一形態は、本
体内部にある演算装置、無線回路または記憶回路に適用することができる。
図２８（Ｂ）は、ディスプレイである。図２８（Ｂ）に示すディスプレイは、筐体９０１
０と、表示部９０１１と、を具備する。本発明の一態様は表示部９０１１に適用すること
ができる。また、本発明の一形態は、本体内部にある演算装置、無線回路または記憶回路
に適用することができる。
図２８（Ｃ）は、デジタルスチルカメラである。図２８（Ｃ）に示すデジタルスチルカメ
ラは、筐体９０２０と、ボタン９０２１と、マイクロフォン９０２２と、表示部９０２３
と、を具備する。本発明の一態様は表示部９０２３に適用することができる。また、本発
明の一形態は、本体内部にある演算装置、無線回路または記憶回路に適用することができ
る。
図２８（Ｄ）は折りたたみ式の携帯情報端末である。図２８（Ｄ）に示す折りたたみ式の
携帯情報端末は、筐体９０３０、表示部９０３１ａ、表示部９０３１ｂ、留め具９０３２
、操作スイッチ９０３３、を有する。本発明の一態様は表示部９０３１ａおよび表示部９
０３１ｂに適用することができる。また、本発明の一形態は、本体内部にある演算装置、
無線回路または記憶回路に適用することができる。
なお、表示部９０３１ａまたは／および表示部９０３１ｂは、一部または全部をタッチパ
ネルとすることができ、表示された操作キーに触れることでデータ入力などを行うことが
できる。
図２８（Ｅ）および図２８（Ｆ）に示す電気機器は、曲面を有する表示モジュールを表示
部に用いた携帯型情報端末の一例である。
図２８（Ｅ）に示す携帯情報端末は、筐体９０４０に設けられた表示部９０４１の他、操
作ボタン９０４２、スピーカ９０４３、マイクロフォン９０４４、その他図示しないステ
レオヘッドフォンジャック、メモリカード挿入口、カメラ、ＵＳＢコネクタなどの外部接
続ポート等を備えている。
本発明の一形態は、表示部９０４１に適用することができる。また、本発明の一態様は本
体内部にある演算装置、無線回路または記憶回路に適用することができる。表示素子の支
持基板として、曲面を有する基板を適用することで、曲面を有するパネルを具備する携帯
型情報端末とすることができる。表示部９０４１は凸型に湾曲した曲面を有する例である
。
図２８（Ｆ）に示す携帯情報端末は、図２８（Ｅ）に示した携帯情報端末と同様の構成を
有し、筐体９０４０の側面に沿うように湾曲した表示部９０４５を具備する例である。図
２８（Ｆ）に示す携帯情報端末は、図２８（Ｅ）に示した携帯情報端末と同様の構成を有
し、凹型に湾曲した表示部９０４５を具備する例である。
図２８（Ａ）乃至図２８（Ｆ）に示した電気機器等が有する表示部は、イメージセンサと
して機能させることもできる。例えば、表示部に掌や指で触れ、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、表示部に近赤外光を発光するバックライト
また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。このような機能を実現するために、本発明の一態様に係る半導体装置を用
いることができる。
また当該電気機器等は、機器に付属のボタンや表示部に設けられたタッチパネルを用いて
当該機器の操作を行うことができる他、機器に付属のカメラや搭載されたセンサ等を用い
て使用者の動作（ジェスチャー）を認識させて操作を行うこともできる（ジェスチャー入
力という）。または、使用者の音声を認識させて操作を行うこともできる（音声入力とう
いう）。このような操作を実現するために、本発明の一態様に係る半導体装置を用いるこ
とができる。
また当該電気機器等は、ネットワークに接続することができる。当該電気機器等はインタ
ーネット上の情報を表示できる他、ネットワークに接続された他の機器を遠隔から操作す
る端末として用いることができる。このような機能を実現するために、本発明の一態様に
係る半導体装置を用いることができる。
本発明の一態様に係る半導体装置を用いることで、性能が高く、かつ消費電力が小さい電
気機器を提供することができる。
本実施例では、実施の形態で示した酸化物絶縁膜形成後の熱処理に相当する熱処理の前後
において、酸化物半導体層のシート抵抗がどのように変化するかを測定した結果について
、図２９乃至図３２を用いて説明する。例えば、酸化物半導体層のシート抵抗が計測器の
測定上限値を超える（レンジオーバーする）場合には酸化物半導体層がｉ型であり、シー
ト抵抗が測定できた場合にはｎ型であると考えることができる。
シート抵抗の測定のための試料として、ガラス基板上に、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝
１：１：１のターゲットを用いてスパッタリング法により成膜したＩＧＺＯ（以下、実施
例においてＩＧＺＯ（１１１）と呼ぶ）層を有する試料と、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ
＝１：３：２のターゲットを用いてスパッタリング法により成膜したＩＧＺＯ（以下、実
施例においてＩＧＺＯ（１３２）と呼ぶ）層とを有する試料とを作製した。ここで、ＩＧ
ＺＯ（１１１）層は、アルゴンおよび酸素の流量をともに１００ｓｃｃｍとし、圧力０．
６Ｐａ、電力（ＡＣ）５ｋＷ、基板温度１７０℃の条件で成膜した。また、ＩＧＺＯ（１
３２）層は、アルゴンの流量を１３５ｓｃｃｍ、酸素の流量を１５ｓｃｃｍとし、圧力０
．３Ｐａ、電力（ＡＣ）５ｋＷ、基板温度１００℃の条件で成膜した。いずれの場合にお
いても、ＩＧＺＯ層を形成後、窒素雰囲気で４５０℃１時間の熱処理を行った後、窒素お
よび酸素雰囲気で４５０℃１時間の熱処理を行った。
さらにそれぞれの試料のＩＧＺＯ層上に、導電層としてタングステン層またはチタン層を
成膜した。タングステン層は、アルゴンの流量を１００ｓｃｃｍとし、圧力２．０Ｐａ、
電力（ＤＣ）２０ｋＷまたは６０ｋＷ、基板温度１００℃の条件で成膜した。チタン層は
、アルゴンの流量を１００ｓｃｃｍとし、圧力０．３Ｐａ、電力（ＤＣ）５８ｋＷ、基板
温度７０℃の条件で成膜した。
導電層の形成後、熱処理をしない試料と熱処理をした試料とを作り分け、いずれも導電層
を除去してＩＧＺＯ層を露出させた。導電層の形成後の熱処理は、窒素および酸素雰囲気
で３５０℃１時間の処理とした。また、導電層の除去は、エッチングガスであるＳＦ６の
流量を９００ｓｃｃｍ、酸素の流量を１００ｓｃｃｍとし、ＩＣＰ電源電力２０００Ｗ、
バイアス電力２００Ｗ、圧力２．０Ｐａ、基板温度８０℃の条件によるドライエッチング
法により行った。
ＩＧＺＯ層のシート抵抗の測定は、露出したＩＧＺＯ層の表面に探針をあててシート抵抗
を測定し、エッチャントによりＩＧＺＯ層を数ｎｍ程度エッチングして、さらに表面のシ
ート抵抗を測定することを繰り返し行った。これにより、導電層と接していたＩＧＺＯ層
の表面から膜厚方向にかけてのシート抵抗のプロファイルを得ることができる。なお、シ
ート抵抗の測定は直流４探針法により行った。直流４探針法とは、測定試料表面上に４本
の探針を所定の間隔で直線上に並べ、外側の二つの探針間に電流を流し、内側の２つの探
針で電圧を測定することで抵抗を算出する方法である。本実施例では、４探針法を用いた
が、４探針法の代わりに４端子法等他の測定方法により測定することも可能である。
このようにして得られたシート抵抗の測定結果を、図２９乃至図３２に示す。いずれも横
軸にＩＧＺＯ層のエッチング量（単位：ｎｍ）を示し縦軸にシート抵抗（単位：Ω／□）
を示す。横軸において０ｎｍの位置が、導電層を除去して露出したＩＧＺＯ層の最表面を
示し、右方向がＩＧＺＯ層の深さ方向を示す。
図２９および図３０は、酸化物半導体層をＩＧＺＯ（１１１）とした場合の測定結果であ
り、導電層形成後の熱処理を行っていない場合を図２９に、導電層形成後の熱処理を行っ
た場合を図３０に示す。同様に、図３１および図３２は、酸化物半導体層をＩＧＺＯ（１
３２）とした場合の測定結果であり、導電層形成後の熱処理を行っていない場合を図３１
に、導電層形成後の熱処理を行った場合を図３２に示す。各図において、上側に導電層と
してタングステン層を成膜して除去した場合、下側に導電層としてチタン層を成膜して除
去した場合について示す。
まず、酸化物半導体層をＩＧＺＯ（１１１）とした場合について評価する。導電層として
タングステン層をＩＧＺＯ（１１１）上に成膜した場合、タングステン層の成膜後に熱処
理を行っていなくても、ＩＧＺＯ層の上部でシート抵抗が測定できる（図２９参照）。タ
ングステン層の成膜時の電力によってもシート抵抗は異なり、電力が２０ｋｗのときは５
ｎｍ程度、電力が６０ｋＷのときは１０ｎｍ程度の領域でシート抵抗が測定できる。従っ
て、タングステン層の成膜段階で、ＩＧＺＯ層の上部がｎ型化していることがわかった。
一方で、導電層としてチタン層を成膜した場合、熱処理を行っていない状態ではシート抵
抗がレンジオーバーとなる（図２９参照）。従って、導電層としてチタン層を成膜した場
合には、成膜した段階ではＩＧＺＯ層の上部はｎ型化されず、ｉ型が維持されることがわ
かった。
これに対し、導電層形成後に熱処理を行った場合は、導電層がタングステン層およびチタ
ン層のいずれの場合であってもＩＧＺＯ層の膜厚深くまでシート抵抗が測定できる（図３
０参照）。このことから、導電層形成後の熱処理により、ＩＧＺＯ層の上面から膜厚方向
にかけて深い領域までｎ型化していることがわかった。
従って、熱処理により導電層下の酸化物半導体層がｎ型化することが確認された一方で、
導電層にチタン層を用いた場合には、その成膜段階では導電層下の酸化物半導体層の領域
でもシート抵抗が下がらず、即ちｉ型化が維持されることが確認された。
以上は、酸化物半導体層をＩＧＺＯ（１１１）とした場合の測定結果であるが、この傾向
は酸化物半導体層をＩＧＺＯ（１３２）とした場合であっても同様であった（図３１およ
び図３２参照）。
なお、ＩＧＺＯ層がＣＡＡＣ−ＯＳ層を有する場合、その上層にタングステンをスパッタ
リング法により成膜することでＩＧＺＯ層がｎ型化しても、ＣＡＡＣ−ＯＳ層の構造自体
が破壊されるものではない。図３３にＣＡＡＣ−ＯＳ層を有するＩＧＺＯ層の上にタング
ステン層を形成した場合のＴＥＭ観察結果を、タングステン層の形成後に熱処理を行った
場合と行っていない場合とに分けて示す。いずれの場合であっても、ＴＥＭ像中に矢印で
示すように層状に揃った結晶構造が確認される。従って、ＣＡＡＣ−ＯＳ層が維持されて
いることが分かる。
本実施例では、実施の形態で示した酸化物絶縁膜形成後の熱処理に相当する熱処理の前後
において、酸化物半導体層のシート抵抗がどのように変化するかを測定した結果について
、ナノ結晶を有する酸化物半導体層（ｎｃ−ＯＳ層）とＣＡＡＣ−ＯＳ層との比較を図３
４および図３５を用いて説明する。
シート抵抗の測定のための試料として、ガラス基板上に、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝
１：１：１のターゲットを用いてスパッタリング法により成膜したナノ結晶を有するＩＧ
ＺＯ（以下、実施例においてｎｃ−ＯＳと呼ぶ）層を有する試料と、ＣＡＡＣを有するＩ
ＧＺＯ（以下、実施例においてＣＡＡＣ−ＯＳと呼ぶ）層とを有する試料とを作製した。
ここで、ｎｃ−ＯＳ層は、アルゴンの流量を１３５ｓｃｃｍおよび酸素の流量を１５ｓｃ
ｃｍとし、圧力０．６Ｐａ、電力（ＡＣ）５ｋＷ、基板温度１００℃の条件で成膜した。
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ層は、アルゴンの流量を１００ｓｃｃｍおよび酸素の流量を１００
ｓｃｃｍとし、圧力０．６Ｐａ、電力（ＡＣ）５ｋＷ、基板温度１７０℃の条件で成膜し
た。いずれの場合においても、ＩＧＺＯ層を形成後、窒素雰囲気で４５０℃１時間の熱処
理を行った後、窒素および酸素雰囲気で４５０℃１時間の熱処理を行った。
さらにそれぞれの試料のＩＧＺＯ層上に、導電層としてタングステン層またはチタン層を
成膜した。タングステン層は、アルゴンの流量を１００ｓｃｃｍとし、圧力２．０Ｐａ、
電力（ＤＣ）２０ｋＷまたは６０ｋＷ、基板温度１００℃の条件で成膜した。チタン層は
、アルゴンの流量を１００ｓｃｃｍとし、圧力０．３Ｐａ、電力（ＤＣ）５８ｋＷ、基板
温度７０℃の条件で成膜した。
導電層の形成後、熱処理をしない試料と熱処理をした試料とを作り分け、いずれも導電層
を除去してＩＧＺＯ層を露出させた。導電層の形成後の熱処理は、窒素および酸素雰囲気
で３５０℃１時間の処理とした。また、導電層の除去は、エッチングガスであるＳＦ６の
流量を９００ｓｃｃｍ、酸素の流量を１００ｓｃｃｍとし、ＩＣＰ電源電力２０００Ｗ、
バイアス電力２００Ｗ、圧力２．０Ｐａ、基板温度８０℃の条件によるドライエッチング
法により行った。
ＩＧＺＯ層のシート抵抗の測定は、露出したＩＧＺＯ層の表面に探針をあててシート抵抗
を測定し、エッチャントによりＩＧＺＯ層を数ｎｍ程度エッチングして、さらに表面のシ
ート抵抗を測定することを繰り返し行った。なお、シート抵抗の測定は直流４探針法によ
り行った。
このようにして得られたシート抵抗の測定結果を、図３４および図３５に示す。いずれも
横軸にＩＧＺＯ層のエッチング量（単位：ｎｍ）を示し縦軸にシート抵抗（単位：Ω／□
）を示す。横軸において０ｎｍの位置が、導電層のみを除去して露出したＩＧＺＯ層の最
表面を示し、右方向がＩＧＺＯ層の深さ方向を示す。
導電層形成後の熱処理を行っていない場合を図３４に、導電層形成後の熱処理を行った場
合を図３５に示す。各図において、上側に導電層としてタングステン層を成膜して除去し
た場合、下側に導電層としてチタン層を成膜して除去した場合について示す。
導電層としてタングステン層をＩＧＺＯ層上に成膜した場合、タングステン層の成膜後に
熱処理を行っていなくても、ＩＧＺＯ層の上部でシート抵抗が測定できる（図３４参照）
。ｎｃ−ＯＳ層とＣＡＡＣ−ＯＳ層との比較では、僅かにｎｃ−ＯＳ層の方が深くまでｎ
型化されることがわかった。
一方で、導電層としてチタン層を成膜した場合、熱処理を行っていない状態ではシート抵
抗がレンジオーバーとなる（図３４参照）。従って、導電層としてチタン層を成膜した場
合には、成膜した段階ではＩＧＺＯ層の上部はｎ型化されず、ｉ型が維持されることがわ
かった。
これに対し、導電層形成後に熱処理を行った場合は、導電層がタングステン層およびチタ
ン層のいずれの場合であってもＩＧＺＯ層の膜厚深くまでシート抵抗が測定できる（図３
５参照）。このことから、導電層形成後の熱処理により、ＩＧＺＯ層の上面から膜厚方向
にかけて深い領域までｎ型化していることがわかった。また、導電層がタングステン層の
場合、ｎｃ−ＯＳ層では、ＣＡＡＣ−ＯＳ層と比べてより低抵抗化し、かつ深くまでｎ型
化されることがわかった。また、導電層がチタン層の場合、ｎｃ−ＯＳ層では、ＣＡＡＣ
−ＯＳ層と比べてより低抵抗化することがわかった。
即ち、ｎｃ−ＯＳ層と比べてＣＡＡＣ−ＯＳ層は、層上に設けられる導電層による低抵抗
化が起こりにくく、かつｎ型化領域の断面積が膜厚方向に大きくならないことがわかる。
ところで、ｎｃ−ＯＳ層上にチタン層を形成し、その後熱処理を行った試料では、ウェッ
トエッチングによって、ＩＧＺＯ層を均一にエッチングできないことがわかった。ＴＥＭ
像を図３６に示す。
図３６において、上側にはチタン層のみを除去した後のｎｃ−ＯＳ層の断面を示し、下側
には続けて３０分間ウェットエッチングした後のｎｃ−ＯＳ層の断面を示す。３０分間ウ
ェットエッチングした後のｎｃ−ＯＳ層は、層が疎になっていることがわかった。これは
、ｎｃ−ＯＳ層において、チタンと反応した領域が変質しているためと考えられる。図３
６からも、チタンによるｎｃ−ＯＳ層の変質は、全体的に起こるのではなく、局所的に起
こる可能性がある。
本実施例においては、酸化物絶縁膜形成後の熱処理に相当する熱処理を行った場合におけ
る、導電層に用いた金属の酸化物半導体層への拡散についての測定結果を、図３７を用い
て説明する。
まず測定試料として、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１のターゲットを用い、ス
パッタリング法により、酸化物半導体であるＩＧＺＯ層をガラス基板上に成膜した。成膜
は、アルゴンおよび酸素の流量をともに１００ｓｃｃｍとし、圧力０．６Ｐａ、電力（Ａ
Ｃ）５ｋＷ、基板温度１７０℃の条件により行った。ＩＧＺＯ層の膜厚は１００ｎｍであ
る。この上に導電層を厚さ１００ｎｍで成膜した。試料は、導電層をタングステン層とし
たものとチタン層としたものとをそれぞれ２つ用意し、一方は熱処理を行わず、他方は酸
素および窒素雰囲気で３５０℃１時間の熱処理を行った。
導電層をタングステン層とした試料は、ＩＧＺＯ層をガラス基板上に成膜した。なお、酸
素の流量を２０ｓｃｃｍとし、アルゴンの流量を１８０ｓｃｃｍとし、圧力０．６Ｐａ、
電力（ＡＣ）５ｋＷ、基板温度１００℃の条件のスパッタリング法によりＩＧＺＯ層を成
膜した。ＩＧＺＯ層の膜厚は１００ｎｍである。この上に導電層としてタングステンを用
いた導電層を厚さ１００ｎｍで成膜した。当該試料を２つ用意し、一方は熱処理を行わず
、他方は酸素及び窒素雰囲気で３５０℃１時間の熱処理を行った。また、導電層をチタン
層とした試料は、上記サンプルのタングステンに代えてチタンを用いて作製した。
上記のようにして作製した試料のそれぞれについてガラス基板の裏面からＳＩＭＳを行い
、導電層を構成するタングステンまたはチタンのＩＧＺＯ層への拡散の程度を調査した。
ＳＩＭＳの結果を図３７に示す。
図３７において、上側がタングステン層を導電層として用いた場合の分析結果であり、下
側がチタン層を用いた場合の分析結果である。また、図３７の上側及び下側の分析に用い
た試料はＩＧＺＯ層を１７０℃で成膜した試料である。横軸に示す深さは、上面を０ｎｍ
としたときのＩＧＺＯ層およびタングステン層またはチタン層の深さを示す。また縦軸は
、膜中のタングステンまたはチタンの濃度（単位：ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）を示す。なお、
これら金属の濃度は、ＩＧＺＯ膜中の濃度として定量している。
導電層にタングステン層を用いた場合には、熱処理を行っていない試料のタングステンの
濃度プロファイルを示す点線と、熱処理を行った後のタングステンの濃度プロファイルを
示す実線とが概略一致した。このことから、３５０℃の熱処理を行ってもタングステンは
ほとんどＩＧＺＯ層に拡散しないことが確認された。
一方で、導電層にチタン層を用いた場合には、熱処理を行っていない試料のチタンの濃度
プロファイルを示す点線に対して、熱処理を行った後のチタンの濃度プロファイルを示す
実線は大きくＩＧＺＯ膜中に移動している。これにより、チタン層とＩＧＺＯ層との境界
部分において、チタンとＩＧＺＯとの混合または化合した領域が形成されていることがわ
かった。以上のことから、３５０℃の熱処理を行うことによって、チタンはＩＧＺＯ層中
に拡散することが確認された。
なお、ＩＧＺＯ層上にチタン層を形成した試料において、１７０℃で成膜したＩＧＺＯ層
と比較して、１００℃で成膜したＩＧＺＯ層の方が、３５０℃の熱処理後において、より
深い領域にチタンが拡散される。これは、ＩＧＺＯ層の成膜温度が低いと、ＩＧＺＯ層が
粗な膜となるため、チタンがより拡散しやすくなる。
従って、導電層にチタン層を用いる場合には、熱処理によってチタンが酸化物半導体層中
に拡散するため、チタンが拡散した酸化物半導体層中の領域でｎ＋領域が形成されること
がわかる。
本実施例においては、酸化物半導体層と導電層との積層構造における、酸素の拡散につい
ての評価結果について、図３８および図３９を用いて説明する。
測定試料としては、ガラス基板上にＩＧＺＯ（１１１）またはＩＧＺＯ（１３２）を１０
０ｎｍの厚さでスパッタリング法により成膜し、その上にタングステン層またはチタン層
からなる導電層を１００ｎｍの厚さでスパッタリング法により成膜した。ＩＧＺＯ（１１
１）は、アルゴンおよび酸素の流量をともに１００ｓｃｃｍとし、圧力０．６Ｐａ、電力
（ＡＣ）５ｋＷ、基板温度１７０℃の条件で成膜した。また、ＩＧＺＯ（１３２）は、ア
ルゴンの流量を１３５ｓｃｃｍ、酸素の流量を１５ｓｃｃｍとし、圧力０．３Ｐａ、電力
（ＡＣ）５ｋＷ、基板温度１００℃の条件で成膜した。ここで、上記の酸素はその挙動を
モニタするため、酸素の同位体である１８Ｏを用いた。
また、タングステン層は、アルゴンの流量を１００ｓｃｃｍ、圧力２．０Ｐａ、電力（Ｄ
Ｃ）６０ｋＷ、基板温度１００℃の条件で成膜し、チタン層は、アルゴンの流量を１００
ｓｃｃｍ、圧力０．３Ｐａ、電力（ＤＣ）５８ｋＷ、基板温度１００℃の条件で成膜した
。
以上のように作製した試料にそれぞれ熱処理を行わないものと、熱処理を行ったものとを
用意した。熱処理は、導電層の形成後に窒素および酸素雰囲気で３５０℃１時間の条件で
行った。そしてそれぞれの試料に対し、膜中の酸素（１８Ｏ）のプロファイルをＳＩＭＳ
により測定した。
最初に、導電層として酸化物半導体層上にタングステン層を成膜した試料についてのＳＩ
ＭＳ測定結果を図３８に示す。図３８において上側が酸化物半導体層としてＩＧＺＯ（１
１１）を用いた場合、下側がＩＧＺＯ（１３２）を用いた場合のＳＩＭＳ結果である。
横軸に酸化物半導体層および導電層の積層膜の深さ方向（単位：ｎｍ）を示し、縦軸に酸
素（１８Ｏ）の濃度（単位：ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）を示す。図中の実線で示すプロファイ
ルは導電層の形成後に熱処理を行っていない試料についてのプロファイルを示し、点線で
示すプロファイルは導電層の形成後に上記の熱処理を行った試料についてのプロファイル
を示す。なお、図中の破線で囲んだ部分は、外気に由来する酸素のプロファイルを示す。
導電層にタングステン層を用いた場合には、図３８に示すように、熱処理を行っていない
場合に対して３５０℃の熱処理を行った場合であっても、ＩＧＺＯ層中からタングステン
層へ酸素が拡散している傾向はみられない。これは酸化物半導体層がＩＧＺＯ（１１１）
であってもＩＧＺＯ（１３２）であっても同様の結果であった。
一方、導電層にチタン層を用いた場合には、図３９に示すように、熱処理を行っていない
場合に比べて３５０℃の熱処理を行った場合はチタン層中の酸素濃度が著しく増大する。
このことから、３５０℃の熱処理を行うことで、ＩＧＺＯ層からチタン層へ酸素（１８Ｏ
）が大きく拡散していくことが分かった。
本実施例においては、作製したトランジスタの特性の測定結果について、図４０を用いて
説明する。
特性を評価するために、チャネルエッチ構造のＢＧＴＣ（ボトムゲートトップコンタクト
）型トランジスタおよびその周辺構造を、以下の工程により作製した。
即ち、ガラス基板上にスパッタリング法により膜厚２００ｎｍのゲート電極を形成し、そ
の上にプラズマＣＶＤ法によりゲート絶縁膜を形成した。ゲート絶縁膜は、窒化シリコン
層、窒化シリコン層、窒化シリコン層、酸化窒化シリコン層の順に設けられた４層構造と
した。順に５０ｎｍ、３００ｎｍ、５０ｎｍ、５０ｎｍの厚さとした。下層３層の窒化シ
リコン層においては、１層目の窒化シリコン層はＮＨ３のガス流量を少なく、２層目の窒
化シリコン層はＮＨ３のガス流量を多く、３層目の窒化シリコン層はＳｉＨ４のガス流量
を多くした。即ち、１層目の窒化シリコン層は、ガス流量をＳｉＨ４を２００ｓｃｃｍ、
Ｎ２を２０００ｓｃｃｍ、ＮＨ３を１００ｓｃｃｍ、とし、２層目の窒化シリコン層は、
ガス流量をＳｉＨ４を２００ｓｃｃｍ、Ｎ２を２０００ｓｃｃｍ、ＮＨ３を２０００ｓｃ
ｃｍ、とし、３層目の窒化シリコン層は、ガス流量をＳｉＨ４を２００ｓｃｃｍ、Ｎ２を
５０００ｓｃｃｍ、とし、いずれも圧力１００Ｐａ、電力２０００Ｗ、基板温度３５０℃
とした。
次にゲート絶縁膜上にターゲットの組成がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の酸化物半導体
層を３５ｎｍの厚さでスパッタリング法により成膜し、その上にターゲットの組成がＩｎ
：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２の酸化物層を２０ｎｍの厚さでスパッタリング法により成膜し
た。前者は、圧力０．６Ｐａ、電力５ｋＷ、アルゴンの流量を１００ｓｃｃｍおよび酸素
の流量を１００ｓｃｃｍとし、基板温度１７０℃の条件で成膜し、後者は、圧力０．６Ｐ
ａ、電力５ｋＷ、アルゴンの流量を１３５ｓｃｃｍおよび酸素の流量を１５ｓｃｃｍとし
、基板温度１７０℃の条件で成膜した。これらの膜は連続的に成膜を行った。この後、窒
素雰囲気で４５０℃１時間の熱処理をして酸化物積層膜の脱水および脱水素化を行い、さ
らに窒素および酸素雰囲気で４５０℃１時間の熱処理をして酸化物積層膜への加酸素化を
行った。
次にソース電極およびドレイン電極を形成するために、チタン層、アルミニウム層、チタ
ン層をこの順番でスパッタリング法により成膜し、ドライエッチングにより積層されてい
るチタン層、アルミニウム層、及びチタン層を所定の形状に加工した。その後、８５重量
％濃度のリン酸を１／１００に希釈した溶液を用いてエッチング残渣を除去するための洗
浄をした。
この後、ソース電極およびドレイン電極上に酸化物絶縁膜として酸化窒化シリコン層の２
層積層（５０ｎｍ、４００ｎｍ）を形成し、その上に窒化シリコン層を１００ｎｍ形成し
た。酸化物絶縁膜の下層は、ガス流量比をＳｉＨ４を３０ｓｃｃｍ、Ｎ２Ｏを４０００ｓ
ｃｃｍとし、電力１５０Ｗ、圧力２００Ｐａ、基板温度２２０℃として成膜した。また、
酸化物絶縁膜の上層は、ガス流量比をＳｉＨ４を２００ｓｃｃｍ、Ｎ２Ｏを４０００ｓｃ
ｃｍとし、電力１５００Ｗ、圧力２００Ｐａ、基板温度２２０℃として成膜した。窒化シ
リコン層は、酸化窒化シリコン層の２層積層の形成後に窒素および酸素雰囲気で３５０℃
１時間の熱処理を行った後に成膜した。成膜条件は、ガス流量をＳｉＨ４を５０ｓｃｃｍ
、Ｎ２Ｏを５０００ｓｃｃｍとし、電力１５０Ｗ、圧力２００Ｐａ、基板温度２２０℃と
して成膜した。
次に窒化シリコン層上に平坦化膜としてアクリルを１．５μｍ成膜し、窒素雰囲気で２５
０℃１時間焼成した。さらに、画素電極として透明導電膜を１００ｎｍ成膜し、最終的な
熱処理として窒素雰囲気で２５０℃１時間の熱処理を行った。
以上のようにしてトランジスタを作製した。トランジスタを有する試料を試料１とする。
なお、試料１には２０個のトランジスタを含む。試料１に含まれるトランジスタの特性を
、図４０に示す。ここで、図４０（Ａ）はチャネル長（Ｌ）を６μｍとしチャネル幅（Ｗ
）を５０μｍとしたトランジスタについての特性であり、図４０（Ｂ）はチャネル長（Ｌ
）を３μｍとしチャネル幅（Ｗ）を５０μｍとしたトランジスタについての特性である。
トランジスタの特性は、ドレイン電圧（Ｖｄ）を１Ｖおよび１０Ｖとした場合を示す。横
軸にゲート電圧（Ｖｇ）（単位：Ｖ）を示し、縦軸（左）にドレイン電流（単位：Ａ）、
縦軸（右）にドレイン電圧（Ｖｄ）が１０Ｖのときのトランジスタの電界効果移動度（単
位：ｃｍ２／Ｖｓ）を示す。この結果から、チャネル長が３μｍと微細な構造であっても
、良好なトランジスタ特性が得られることが分かった。
次に、上記のように作製したトランジスタについて、ゲートＢＴ（Ｂｉａｓ Ｔｅｍｐｅ
ｒａｔｕｒｅ）試験の結果について、図４１を用いて説明する。
ゲートＢＴ試験は加速試験の一種であり、長期間の使用によって起こるトランジスタの特
性変化（即ち、経時変化）を短時間で評価することができる。ゲートＢＴ試験前後におけ
るトランジスタの特性の変動量を調べることは、信頼性を調べるための重要な指標となる
。
具体的なゲートＢＴ試験の方法は、はじめにトランジスタのＶｇ−Ｉｄ特性を測定し、次
に、トランジスタが形成されている基板の温度（基板温度）を一定に維持し、トランジス
タのソースおよびドレインとして機能する一対の電極を同電位とし、ソースおよびドレイ
ンとして機能する一対の電極とは異なる電位をゲート電極に一定時間印加する（図４１（
Ａ）参照）。基板温度は、試験目的に応じて適宜設定すればよく、ここでは１２５℃とし
た。次に、基板温度を電気特性の測定時と同様に設定し、トランジスタの電気特性を測定
する。この結果、ゲートＢＴ試験前後の電気特性におけるしきい値電圧（Ｖｔｈ）および
シフト値（Ｓｈｉｆｔ）の差を、変動量として得ることができる。
ここで、本明細書中において、しきい値電圧（Ｖｔｈ）とは、チャネルが形成されたとき
のゲート電圧（Ｖｇ）をいう。しきい値電圧（Ｖｔｈ）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）として算出した。また、シフト値とはゲート電圧
（Ｖｇ）を横軸、ドレイン電流Ｉｄの対数を縦軸にプロットした曲線において、最大傾き
であるドレイン電圧Ｉｄの接線を外挿したときの直線Ｉｄ＝１×１０―１２［Ａ］との交
点とのゲート電圧（Ｖｇ）で定義する。なおシフト値は、ドレイン電圧（Ｖｄ）を１０Ｖ
として算出した。
具体的なストレス条件としては、ゲート電圧（Ｖｇ）を＋３０Ｖおよび−３０Ｖとし、ソ
ースとドレインの電位を同じにした（ここでは、Ｖｄ＝Ｖｓ＝０Ｖ）とした。ストレス温
度は１２５℃とし、ストレスの印加時間は１時間とした。また、光照射には、白色ＬＥＤ
光を用い、約１００００ｌｘとした。
以上のようにして得られたゲートＢＴ試験の結果を、図４１（Ｂ）に示す。しきい値電圧
の変動量（ΔＶｔｈ）は、光照射無しの環境（Ｄａｒｋ）で、プラスゲートＢＴ（＋ＧＢ
Ｔ）の場合は１．９３Ｖ、マイナスゲートＢＴ（−ＧＢＴ）の場合は−１．２７Ｖであっ
た。光照射の環境（Ｐｈｏｔｏ）では、プラスゲートＢＴ（＋ＧＢＴ）の場合は−０．７
８Ｖ、マイナスゲートＢＴ（−ＧＢＴ）の場合は−０．８０Ｖであった。
また、シフト値の変動量（ΔＳｈｉｆｔ）は、光照射無しの環境で、プラスゲートＢＴの
場合は２．０４Ｖ、マイナスゲートＢＴの場合は−１．５１Ｖであった。光照射の環境で
は、プラスゲートＢＴの場合は−０．８５Ｖ、マイナスゲートＢＴの場合は−１．０５Ｖ
であった。
以上のゲートＢＴ試験の結果から、いずれの変動量も小さいため、上記の工程により作製
したトランジスタの信頼性が優れていることが分かった。
ここで、トランジスタ特性について、オン電流（Ｉｏｎ）としきい値電圧（Ｖｔｈ）との
相関関係をプロットしたグラフを図４２に示す。
トランジスタに用いた酸化物半導体積層膜は、ＩＧＺＯ（１１１）とＩＧＺＯ（１３２）
の積層構造であり、ＩＧＺＯ膜（１３２）は、基板温度１００℃の場合と１７０℃の場合
について測定を行った。また、それぞれについて、ソース電極およびドレイン電極を構成
する導電層として、タングステン層、アルミニウム層、チタン層の順番で設けられた３層
構造（Ｗ＼Ａｌ＼Ｔｉと表記）としたものと、チタン層、アルミニウム層、チタン層の順
番で設けられた３層構造（Ｔｉ＼Ａｌ＼Ｔｉと表記）としたものを用意した。
図４２に示すように、全プロットにおいて、オン電流（Ｉｏｎ）としきい値電圧（Ｖｔｈ
）との関係に負の相関が見られることが分かった。ここで、基板温度を１００℃でＩＧＺ
Ｏ（１３２）を成膜し、ソース電極およびドレイン電極をチタン層、アルミニウム層、チ
タン層の順番で設けられた３層構造とした試料のみが特異な分布になっていることが示さ
れた（図４２における破線で囲んだ部分）。この条件の場合には、チタン層の成膜後に熱
処理を行うため、ｎ型層がＩＧＺＯ層の深くまで形成され、トランジスタの実効的なチャ
ネル長が短くなっていることが示唆される。
そこで、本実施例においては上記に用いたトランジスタについてＴＬＭ（Ｔｒａｎｓｍｉ
ｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ Ｍｅｔｈｏｄ）解析を行った。
ここでＴＬＭ解析とは、ゲート電圧（Ｖｇ）ごとにトランジスタの抵抗（Ｒ）とチャネル
長（Ｌ）についての特性を取得し、交点座標を求めることで実効的なチャネル長（Ｌｅｆ
ｆ）と外部抵抗との見積もりを行う解析手法である。
図４３（Ａ）に示すようなモデルを考えた場合、ソース電極およびドレイン電極間の直列
抵抗は以下の数式２および数式３で与えられる。
ＲＴ＝ＶＤＳ／ＩＤ＝２Ｒ０＋ｒｃｈ・Ｌｅｆｆ （数式２）
Ｌｅｆｆ＝Ｌ＋２ΔＬ （数式３）
ここで、ＲＴは全抵抗、Ｒ０は外部抵抗、Ｌｅｆｆは実効的なチャネル長、Ｌは設計にお
けるチャネル長、ΔＬは設計におけるチャネル長と実効的なチャネル長との差を表す。ま
た、ｒｃｈはチャネル抵抗を単位長で除したものであり、ゲート電圧（Ｖｇ）に依存する
。
ＴＬＭ解析では上述のように、ゲート電圧（Ｖｇ）ごとにトランジスタの抵抗（Ｒ）とチ
ャネル長（Ｌ）特性を取得し、図４３（Ｂ）に示すように、交点座標を求める。交点座標
が外部抵抗（２Ｒ０）および実効的なチャネル長の設計におけるチャネル長との差（２Δ
Ｌ）に対応する。
これに従い、酸化物積層膜の上層ＩＧＺＯ（１３２）およびソース電極およびドレイン電
極の条件を変えて測定したトランジスタの特性を用いて、それぞれ２ΔＬおよび２Ｒ０を
算出し、実効的なチャネル長および直列抵抗の評価を行った。その結果を、図４４および
図４５に示す。
図４４は、ＩＧＺＯ（１３２）の成膜時における基板温度を１００℃、１７０℃と変えて
それぞれについてＴＬＭ解析により評価した結果である。
図４４（Ａ）は、ＩＧＺＯ（１３２）の膜質とソース電極およびドレイン電極ごとに、設
計におけるチャネル長と実効的なチャネル長との差（−２ΔＬ）を示している。また、図
４４（Ｂ）は、ＩＧＺＯ（１３２）の膜質とソース電極およびドレイン電極ごとに、外部
抵抗値（２Ｒ０）を示している。
図４４（Ａ）のＴＬＭ解析結果より、基板温度を１００℃で成膜したＩＧＺＯ（１３２）
でソース電極およびドレイン電極をチタン層、アルミニウム層、チタン層の順番で設けら
れた３層構造とした場合に、２ΔＬが最も大きくなった。これは実効的なチャネル長（Ｌ
ｅｆｆ）が短くなっていることを示す。また、ＩＧＺＯ（１３２）の成膜を基板温度１７
０℃とした場合においては、ソース電極およびドレイン電極がタングステン層、アルミニ
ウム層、チタン層の順番で設けられた３層構造の場合とチタン層、アルミニウム層、チタ
ン層の順番で設けられた３層構造の場合とで、実効的なチャネル長（Ｌｅｆｆ）は同等の
結果となった。
図４５は、ＩＧＺＯ（１３２）の成膜時における酸素流量比（成膜ガス全体に占める酸素
の割合）を１０体積％、３０体積％、５０体積％と変えてそれぞれについてＴＬＭ解析に
より評価した結果である。
図４５（Ａ）は、ＩＧＺＯ（１３２）の膜質とソース電極およびドレイン電極ごとに、設
計におけるチャネル長と実効的なチャネル長との差（−２ΔＬ）を示している。また、図
４５（Ｂ）は、ＩＧＺＯ（１３２）の膜質とソース電極およびドレイン電極ごとに、外部
抵抗値（２Ｒ０）を示している。
図４５（Ａ）のＴＬＭ解析結果より、実効的なチャネル長（Ｌｅｆｆ）は、ソース電極お
よびドレイン電極がタングステン層、アルミニウム層、チタン層の順番で設けられた３層
構造の場合とチタン層、アルミニウム層、チタン層の順番で設けられた３層構造の場合と
で大きく変わらなかった。また図４５（Ｂ）のＴＬＭ解析結果より、酸素流量比を上げて
いくことで外部抵抗の上昇傾向が見られるが、ソース電極およびドレイン電極がタングス
テン層、アルミニウム層、チタン層の順番で設けられた３層構造の場合に比べ、チタン層
、アルミニウム層、チタン層の順番で設けられた３層構造の場合では外部抵抗の上昇を抑
制することができることが明らかとなった。これは、酸化物積層膜上の導電層としてチタ
ン層を用いることによる酸化物積層膜のｎ型化の効果であると考えることができる。
本実施例では、チャネル長の短いチャネルエッチ型のトランジスタを作製する場合には、
酸化物積層膜として非晶質（またはナノ結晶）の酸化物半導体を用いるよりも、ＣＡＡＣ
−ＯＳ層を用いることが適していることを説明する。
ＣＡＡＣ−ＯＳ層であるＩＧＺＯおよび非晶質（またはナノ結晶）のＩＧＺＯをそれぞれ
用いて作製した、チャネル幅（Ｗ）が５０μｍ、チャネル長（Ｌ）が２μｍまたは６μｍ
のトランジスタにおけるＶｇ−Ｉｄ特性を、図４６および図４７に示す。特性についての
測定は、６００ｍｍ×７２０ｍｍ基板における２０点について行った。
図４６に示すように、ＣＡＡＣ−ＯＳ層であるＩＧＺＯを用いることで、チャネル長が２
μｍのトランジスタにおいても、均一な特性を得ることができた。従って、ＣＡＡＣ構造
の酸化物半導体を用いることにより、微細なトランジスタを作製することが可能となる。
一方、図４７に示すように、非晶質のＩＧＺＯを用いたトランジスタにおいては、チャネ
ル長が２μｍにおいてバラツキが大きい。
以上のことから、非晶質（またはナノ結晶）の酸化物半導体に比べ、ＣＡＡＣ構造の酸化
物半導体を用いた方が、安定的にチャネルエッチ型のトランジスタを作製することができ
る。これは、ＣＡＡＣ構造の酸化物半導体が非晶質（またはナノ結晶）の酸化物半導体に
比べて定性的には構造的に強く、これにより安定なトランジスタの作製が可能となってい
ると考えられる。
非晶質構造のＩＧＺＯと結晶構造のＩＧＺＯとの膜としての頑丈さを評価するために、非
晶質構造および結晶構造についての凝集エネルギーを計算した。凝集エネルギーは以下の
数式４で定義される。
Ｅｃｏｈ（ＩＧＺＯ）：＝Ｅ（Ｉｎ）＋Ｅ（Ｇａ）＋Ｅ（Ｚｎ）＋４Ｅ（Ｏ）−Ｅ（ＩＧ
ＺＯ） （数式４）
つまり、孤立原子の状態から固体を形成する際に放出されるエネルギーである。図４８に
、計算で求めた非晶質のＩＧＺＯおよび結晶質のＩＧＺＯの構造を示す。いずれの構造に
おいても、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏ＝１：１：１：４［原子数比］であり、総原子数は８４
であり、密度はそれぞれ非晶質のＩＧＺＯにおいては５．９ｇ／ｃｍ３、結晶質のＩＧＺ
Ｏにおいては６．１ｇ／ｃｍ３である。非晶質の方が密度は低い。なお、この計算には第
一原理電子状態計算パッケージＶＡＳＰ（Ｖｉｅｎｎａ Ａｂ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
Ｐａｃｋａｇｅ）を用いた。表１に計算条件を示す。
計算から得られた非晶質のＩＧＺＯおよび結晶質のＩＧＺＯの凝集エネルギーとその差を
、表２に示す。
表２に示すように、非晶質のＩＧＺＯの凝集エネルギー（２８．８５４ｅＶ）と結晶質の
ＩＧＺＯとで凝集エネルギー（３０．００７ｅＶ）とに有意な差（２８．８５４ｅＶ−３
０．００７ｅＶ＝−１．１５３ｅＶ）が確認された。これは非晶質のＩＧＺＯの方が反応
性に富むことを意味している。
次に、表２のような非晶質のＩＧＺＯと結晶質のＩＧＺＯで差が生じる原因を理解するた
めに、各金属と酸素との間の平均結合長を調べた。表３に、その結果を示す。なお、非晶
質のＩＧＺＯについての平均結合距離は、Ｉｎに関しては６配位、ＧａおよびＺｎは５配
位として算出した。
表３から、非晶質のＩＧＺＯでは、各金属酸素間の平均結合長（Ｉｎ−Ｏは０．２２６ｎ
ｍ、Ｇａ−Ｏは０．２ｎｍ、Ｚｎ−Ｏは０．２１８ｎｍ）が結晶質のＩＧＺＯの平均結合
長（Ｉｎ−Ｏは０．２２１ｎｍ、Ｇａ−Ｏは０．１９７ｎｍ、Ｚｎ−Ｏは０．２０８ｎｍ
）と比較して伸張していることが分かった。よって、表２に示した凝集エネルギーにおけ
る差は、この平均結合長の差が主な要因と考えられる。
以上のことから、ＣＡＡＣ構造の酸化物半導体を用いたチャネルエッチ型のトランジスタ
が安定的に作製できる理由として、ＣＡＡＣ構造の酸化物半導体は結晶性の膜であり、構
造が強固であるためと考えることができる。結晶質のＩＧＺＯは凝集エネルギーが大きく
、結合が強いため、ＣＡＡＣ構造の酸化物半導体がバックチャネル側においてエッチング
時のプラズマなどに曝されるチャネルエッチ型のトランジスタに適していると考えられる
。
１００ トランジスタ
１００ａ トランジスタ
１００ｂ トランジスタ
１００ｃ トランジスタ
１０１ 基板
１０２ ゲート電極
１０３ ゲート絶縁膜
１０４ 酸化物積層膜
１０５ 酸化物半導体層
１０６ 酸化物層
１０７ 導電膜
１０８ａ ソース電極
１０８ｂ ドレイン電極
１０９ 層間絶縁膜
１０９ａ 酸化物絶縁膜
１０９ｂ 酸化物絶縁膜
１１０ ｎ＋領域
１１１ 層間絶縁膜
１１２ 凹部
１１３ ＧａＯｘ層または混合層
１１４ 酸化物層
１２０ トラップ準位
７００ 基板
７０１ 基板
７０２ ゲート電極
７０３ 保護絶縁膜
７０４ａ ソース電極
７０４ｂ ドレイン電極
７０５ ゲート絶縁膜
７０６ 酸化物膜
７１９ 発光素子
７２０ 絶縁膜
７２１ 絶縁膜
７３１ 端子
７３２ ＦＰＣ
７３３ａ 配線
７３３ｂ 配線
７３３ｃ 配線
７３４ シール材
７３５ 駆動回路
７３６ 駆動回路
７３７ 画素領域
７４１ トランジスタ
７４２ キャパシタ
７４３ スイッチ素子
７４４ 信号線
７５０ 画素
７５１ トランジスタ
７５２ キャパシタ
７５３ 液晶素子
７５４ 走査線
７５５ 信号線
７８１ 電極
７８２ 発光層
７８３ 電極
７８４ 隔壁
７８５ａ 中間層
７８５ｂ 中間層
７８５ｃ 中間層
７８５ｄ 中間層
７８６ａ 発光層
７８６ｂ 発光層
７８６ｃ 発光層
７９１ 電極
７９２ 絶縁膜
７９３ 液晶層
７９４ 絶縁膜
７９５ スペーサ
７９６ 電極
７９７ 基板
３５０１ 配線
３５０２ 配線
３５０３ トランジスタ
３５０４ 液晶素子
３５１０ 配線
３５１０＿１ 配線
３５１０＿２ 配線
３５１１ 配線
３５１５＿１ ブロック
３５１５＿２ ブロック
３５１６ ブロック
３５２１ トランジスタ
３５２２ 電極
３５２３ 電極
３５２４ 液晶
３５２５ カラーフィルタ
３５２６ 配線
４００１ 基板
４００２ 画素部
４００３ 信号線駆動回路
４００４ 走査線駆動回路
４００５ シール材
４００６ 基板
４００８ 液晶層
４０１０ トランジスタ
４０１１ トランジスタ
４０１３ 液晶素子
４０１５ 接続端子電極
４０１６ 端子電極
４０１８ ＦＰＣ
４０１９ 異方性導電層
４０２０ａ ゲート絶縁膜
４０２０ｂ ゲート絶縁膜
４０３１ 電極
４０３２ａ 絶縁膜
４０３２ｂ 絶縁膜
４０３３ 絶縁膜
４０３４ 電極
４０３５ スペーサ
４０３８ 絶縁膜
４０４０ 平坦化絶縁膜
４０４２ 絶縁膜
４０５０ 配線
４０５２ 配線
９０００ 筐体
９００１ ボタン
９００２ マイクロフォン
９００３ 表示部
９００４ スピーカ
９００５ カメラ
９０１０ 筐体
９０１１ 表示部
９０２０ 筐体
９０２１ ボタン
９０２２ マイクロフォン
９０２３ 表示部
９０３０ 筐体
９０３１ａ 表示部
９０３１ｂ 表示部
９０３２ 留め具
９０３３ 操作スイッチ
９０４０ 筐体
９０４１ 表示部
９０４２ 操作ボタン
９０４３ スピーカ
９０４４ マイクロフォン
９０４５ 表示部

Claims (10)

  1. 酸化ハフニウムと前記酸化ハフニウム上の酸化シリコンとを有する絶縁膜上に位置する、酸化物半導体層をメタンとアルゴンの混合ガスを用いてエッチングする、酸化物半導体層のエッチング方法。
  2. 酸化ハフニウムと前記酸化ハフニウム上の酸化シリコンとを有する絶縁膜上に位置し、且つＩｎ、Ｇａ、及びＺｎを有する酸化物半導体層をメタンとアルゴンの混合ガスを用いてエッチングする、酸化物半導体層のエッチング方法。
  3. 請求項１または請求項２において、
    前記絶縁膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、または蒸着法のいずれかの方法で形成された絶縁膜である、酸化物半導体層のエッチング方法。
  4. 請求項１乃至３のいずれか一項において、
    前記酸化物半導体層は被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に結晶のｃ軸が配向した複数の結晶部を有する酸化物半導体層である、酸化物半導体層のエッチング方法。
  5. 請求項１乃至４のいずれか一項において、
    前記酸化物半導体層はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１または３：１：２の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の第１の層と、前記第１の層上のＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２、１：６：４、または１：９：６の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の第２の層の積層構造である、酸化物半導体層エッチング方法。
  6. ゲート電極上に、酸化ハフニウムと前記酸化ハフニウム上の酸化シリコンとを有するゲート絶縁膜を形成し、
    前記ゲート絶縁膜上に、酸化物半導体層を形成し、
    前記酸化物半導体層をメタンとアルゴンの混合ガスを用いてエッチングし、
    前記エッチング後に、前記酸化物半導体層上にチタン膜を形成し、
    前記チタン膜をエッチングすることで、ソース電極及びドレイン電極を形成し、
    前記ソース電極及び前記ドレイン電極を形成後に熱処理を行う、トランジスタの作製方法。
  7. ゲート電極上に、酸化ハフニウムと前記酸化ハフニウム上の酸化シリコンとを有するゲート絶縁膜を形成し、
    前記ゲート絶縁膜上に、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを有する酸化物半導体層を形成し、
    前記酸化物半導体層をメタンとアルゴンの混合ガスを用いてエッチングし、
    前記エッチング後に、前記酸化物半導体層上にチタン膜を形成し、
    前記チタン膜をエッチングすることで、ソース電極及びドレイン電極を形成し、
    前記ソース電極及び前記ドレイン電極を形成後に熱処理を行う、トランジスタの作製方法。
  8. 請求項６または請求項７において、
    前記ゲート絶縁膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、または蒸着法のいずれかの方法で形成された絶縁膜である、トランジスタの作製方法。
  9. 請求項６乃至８のいずれか一項において、
    前記酸化物半導体層は被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に結晶のｃ軸が配向した複数の結晶部を有する酸化物半導体層である、トランジスタの作製方法。
  10. 請求項６乃至９のいずれか一項において、
    前記酸化物半導体層はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１または３：１：２の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の第１の層と、前記第１の層上のＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２、１：６：４、または１：９：６の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の第２の層の積層構造である、トランジスタの作製方法。
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