JP2023166508A - 半導体装置の作製方法 - Google Patents

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正美 神長
Masami Kaminaga
貴弘 井口
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安孝 中澤
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Abstract

【課題】電気特性が良好かつ安定し、信頼性の高い半導体装置及びその作成方法、また表示装置及びその作製方法を提供する。【解決手段】トランジスタの生成方法であって、基板１０２上に設けらた絶縁層１０３上に半導体層１０８を形成し、半導体層上にゲート絶縁層１１０を形成し、ゲート絶縁層上に金属酸化物層１１４を形成し、金属酸化物層上に半導体層の一部と重なるゲート電極１１２を形成する。そして、半導体層におけるゲート電極が重ならない領域に、金属酸化物層及びゲート絶縁層を介して、第１の元素を供給する。第１の元素としては、リン、ホウ素、マグネシウム、アルミニウム、及びシリコンなどが挙げられる。金属酸化物層を加工する場合は、半導体層に第１の元素を供給した後に行う。【選択図】図６

Description

本発明の一態様は、半導体装置及びその作製方法に関する。本発明の一態様は、表示装置及びその作製方法に関する。
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本発明の一態様の技術分野としては、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、電子機器、照明装置、入力装置（例えば、タッチセンサなど）、入出力装置（例えば、タッチパネルなど）、それらの駆動方法、また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、か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なため、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、駆動回路を設けた高性能の表示装置を実現できる。
また、特許文献２には、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、及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ソース領域及びドレイン領域に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、電気特性の良好な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、電気特性の安定した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、信頼性の高い半導体装置を提供することを課題の一とする。
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。本発明の一態様は、必ずしも、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。明細書、図面、請求項の記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
本発明の一態様は、半導体層を形成し、半導体層上にゲート絶縁層を形成し、ゲート絶縁層上に金属酸化物層を形成し、金属酸化物層上に半導体層の一部と重なるゲート電極を形成し、半導体層におけるゲート電極が重ならない領域に、金属酸化物層及びゲート絶縁層を介して、第１の元素を供給する、半導体装置の作製方法である。
本発明の一態様は、半導体層を形成し、半導体層上にゲート絶縁層を形成し、ゲート絶縁層上に金属酸化物層を形成し、金属酸化物層上に半導体層の一部と重なるゲート電極を形成し、半導体層におけるゲート電極が重ならない領域に、金属酸化物層及びゲート絶縁層を介して、第１の元素を供給し、半導体層に第１の元素を供給した後、金属酸化物層を島状に加工する、半導体装置の作製方法である。
本発明の一態様は、半導体層を形成し、半導体層上にゲート絶縁層を形成し、ゲート絶縁層上に金属酸化物層を形成し、金属酸化物層上に半導体層の一部と重なるゲート電極を形成し、半導体層におけるゲート電極が重ならない領域に、金属酸化物層及びゲート絶縁層を介して、第１の元素を供給し、金属酸化物層におけるゲート電極が重ならない領域に、ゲート絶縁層を介して、第２の元素を供給し、金属酸化物層に第２の元素を供給した後、金属酸化物層を島状に加工する、半導体装置の作製方法である。半導体層に第１の元素を供給した後に、金属酸化物層に第２の元素を供給してもよいし、金属酸化物層に第２の元素を供給した後に、半導体層に第１の元素を供給してもよい。
第１の元素は、例えば、リン、ホウ素、マグネシウム、アルミニウム、またはシリコンである。第２の元素は、例えば、シリコン、リン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ヒ素、ガリウム、またはゲルマニウムである。
金属酸化物層を、ウェットエッチングにより、島状に加工することが好ましい。
金属酸化物層は、酸化アルミニウム膜を有することが好ましい。または、金属酸化物層及び半導体層は、同一の金属酸化物を有することが好ましい。
金属酸化物層を形成した後、ゲート電極を形成する前に、第１の加熱処理を行い、半導体層に第１の元素を供給した後、第２の加熱処理を行うことが好ましい。第２の加熱処理は、第１の加熱処理よりも低温で行うことが好ましい。
半導体層は、金属酸化物を有することが好ましい。
本発明の一態様により、電気特性の良好な半導体装置を提供できる。本発明の一態様により、電気特性の安定した半導体装置を提供できる。本発明の一態様により、信頼性の高い半導体装置を提供できる。
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。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。明細書、図面、請求項の記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
図１（Ａ）は、トランジスタの一例を示す上面図である。図１（Ｂ）、図１（Ｃ）は、トランジスタの一例を示す断面図である。 図２（Ａ）、図２（Ｂ）は、トランジスタの一例を示す断面図である。 図３（Ａ）は、トランジスタの一例を示す上面図である。図３（Ｂ）、図３（Ｃ）は、トランジスタの一例を示す断面図である。 図４（Ａ）～図４（Ｃ）は、トランジスタの一例を示す断面図である。 図５（Ａ）～図５（Ｅ）は、トランジスタの作製方法の一例を示す断面図である。 図６（Ａ）、図６（Ｂ）は、トランジスタの作製方法の一例を示す断面図である。 図７（Ａ）、図７（Ｂ）は、トランジスタの作製方法の一例を示す断面図である。 図８（Ａ）～図８（Ｃ）は、トランジスタの作製方法の一例を示す断面図である。 図９（Ａ）～図９（Ｃ）は、トランジスタの作製方法の一例を示す断面図である。 図１０（Ａ）～図１０（Ｃ）は、表示装置の一例を示す上面図である。 図１１は、表示装置の一例を示す断面図である。 図１２は、表示装置の一例を示す断面図である。 図１３は、表示装置の一例を示す断面図である。 図１４は、表示装置の一例を示す断面図である。 図１５（Ａ）は、表示装置の一例を示すブロック図である。図１５（Ｂ）、図１５（Ｃ）は、表示装置の一例を示す回路図である。 図１６（Ａ）、図１６（Ｃ）、図１６（Ｄ）は、表示装置の一例を示す回路図である。図１６（Ｂ）は、表示装置のタイミングチャートである。 図１７（Ａ）、図１７（Ｂ）は、表示モジュールの一例を示す図である。 図１８（Ａ）、図１８（Ｂ）は、電子機器の一例を示す図である。 図１９（Ａ）～図１９（Ｄ）は、電子機器の一例を示す図である。 図２０（Ａ）～図２０（Ｅ）は、電子機器の一例を示す図である。 図２１（Ａ）～図２１（Ｆ）は、電子機器の一例を示す図である。 図２２は、実施例１に係る金属酸化物膜のエッチングレートを示すグラフである。 図２３（Ａ）、図２３（Ｂ）は、実施例１に係る試料の断面観察写真である。 図２４は、実施例１に係るトランジスタの電気特性を示すグラフである。 図２５は、実施例１に係るトランジスタの信頼性評価結果を示すグラフである。 図２６（Ａ）～図２６（Ｄ）は、実施例２に係るトランジスタの電気特性を示すグラフである。 図２７は、実施例２に係るトランジスタの信頼性評価結果を示すグラフである。 図２８は、実施例２に係る試料の断面観察写真である。 図２９（Ａ）、図２９（Ｂ）は、実施例３に係る試料の構造解析結果及び膜密度を示すグラフである。 図３０は、実施例３に係る試料の断面観察写真である。 図３１は、実施例３に係る試料の断面観察写真である。
実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。また、同様の機能を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
また、図面において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、理解の簡単のため、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。
なお、「膜」という言葉と、「層」という言葉とは、場合によっては、または、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能である。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能である。
本明細書等において、トランジスタのチャネル長方向とは、ソース領域とドレイン領域の間を最短距離で結ぶ直線に平行な方向のうちの１つをいう。すなわち、チャネル長方向は、トランジスタがオン状態のときに半導体層を流れる電流の方向のうちの１つに相当する。また、チャネル幅方向とは、当該チャネル長方向に直交する方向をいう。なお、トランジスタの構造や形状によっては、チャネル長方向及びチャネル幅方向は１つに定まらない場合がある。
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及びその作製方法について図１～図９を用いて説明する。本実施の形態では、半導体装置として、トランジスタについて具体的に説明する。
本発明の一態様の半導体装置は、半導体層を形成し、半導体層上にゲート絶縁層を形成し、ゲート絶縁層上に金属酸化物層を形成し、金属酸化物層上に半導体層の一部と重なるゲート電極を形成し、半導体層におけるゲート電極が重ならない領域に、金属酸化物層及びゲート絶縁層を介して、第１の元素を供給（添加または注入ともいう）して形成される。
本発明の一態様では、第１の元素が、金属酸化物層とゲート絶縁層とをこの順に通過して、半導体層に供給される。第１の元素が最初に入り込む層は、最もダメージを受けやすい。したがって、ゲート絶縁層上に金属酸化物層を設けることで、第１の元素がまず金属酸化物層に入り込むようにすることで、ゲート絶縁層及び半導体層が受けるダメージを低減することができる。これにより、トランジスタの信頼性を高めることができる。
半導体層は、金属酸化物を含むことが好ましい。以下では、主に、半導体層が金属酸化物を含む場合について説明する。
金属酸化物層を形成した後、ゲート電極を形成する前に、第１の加熱処理を行うことが好ましい。第１の加熱処理では、ゲート絶縁層から半導体層に酸素を供給することが好ましい。
ゲート絶縁層は、酸化物を有することが好ましい。金属酸化物層は、酸素を透過しにくいことが好ましい。これにより、ゲート絶縁層に含まれる酸素が金属酸化物層側に放出されることを抑制し、当該酸素が半導体層に供給されることを促進できる。したがって、半導体層中の酸素欠損を補填することができ、トランジスタの信頼性を高めることができる。
その後、ゲート電極を形成し、ゲート電極をマスクに用いて半導体層に第１の元素を供給することで、半導体層に一対の低抵抗領域を形成することができる。つまり、半導体層は、ゲート電極と重なるチャネル形成領域と、当該チャネル形成領域を挟む一対の低抵抗領域と、を有するように、形成される。
第１の元素は、例えば、リン、ホウ素、マグネシウム、アルミニウム、またはシリコンである。
金属酸化物層は、水素及び水を透過しにくいことが好ましい。これにより、ゲート電極に含まれる水素及び水が金属酸化物層側に放出されることを抑制し、当該水素及び水が半導体層に拡散することを抑制できる。したがって、半導体層のチャネル形成領域におけるキャリア密度が高くなることを抑制できる。半導体層のチャネル形成領域の酸素欠損が少なく、キャリア密度が低いと、トランジスタのオフ電流を著しく小さくでき、また、トランジスタの信頼性を高めることができる。
ゲート電極をマスクに用いて金属酸化物層を島状に加工する場合、半導体層に第１の元素を供給した後に、金属酸化物層を加工することが好ましい。上述の通り、金属酸化物層を介して第１の元素を半導体層に供給することで、半導体層及びゲート絶縁層が受けるダメージを低減することができる。また、半導体層に第１の元素を供給する際に、金属酸化物層にも第１の元素を供給することができる。これにより、金属酸化物層のエッチングレートを高くすることができる。したがって、ゲート電極と重なっている部分と重なっていない部分とで、金属酸化物層のエッチングレートに差をつけることができる。そのため、エッチングによる金属酸化物層の形状不良を抑制することができる。
また、金属酸化物層は、その材料及び形成条件によっては、加工が困難なことがある。その場合、金属酸化物層に、第２の元素を供給し、その後、加工することが好ましい。第２の元素を供給し、金属酸化物層の結晶性を低下させることで、金属酸化物層の加工が容易となる。
第２の元素は、例えば、シリコン、リン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ヒ素、ガリウム、またはゲルマニウムである。
第１の元素の供給工程と第２の元素の供給工程の順序に限定は無い。また、同じ元素の供給で２つの目的（半導体層の低抵抗化と金属酸化物層の結晶性の低下）を達成できる場合は、元素の供給工程を１回のみ行ってもよい。
例えば、金属酸化物層に、酸化アルミニウム膜を用いることができる。例えば、酸化アルミニウム膜にアルゴンを添加することで、酸化アルミニウム膜がエッチングしやすくなる。
または、金属酸化物層及び半導体層は、同一の金属酸化物を有することが好ましい。
金属酸化物層は、ウェットエッチングにより加工することが好ましい。ウェットエッチングを用いることで、金属酸化物層と同時に、ゲート絶縁層がエッチングされることを抑制できる。これにより、ゲート絶縁層の膜厚が減少することを抑制し、ゲート絶縁層の膜厚を均一にすることができる。
半導体層に第１の元素を供給した後、第２の加熱処理を行ってもよい。第１の加熱処理は、ゲート絶縁層から半導体層に酸素を十分に供給するため、比較的高温（例えば３５０℃）で行うことが好ましい。一方、ゲート電極の形成と半導体層への第１の元素の供給よりも後に行う第２の加熱処理が高温での処理であると、半導体層のチャネル形成領域やゲート絶縁層に含まれる酸素が、低抵抗領域やゲート電極に拡散してしまう恐れがある。したがって、第２の加熱処理は、第１の加熱処理よりも低温で行うことが好ましい。
また、本発明の一態様では、ゲート絶縁層にも第１の元素を供給することができる。具体的には、ゲート電極をマスクに用いることで、ゲート絶縁層において、主に、半導体層の低抵抗領域と重なる部分に第１の元素が供給され、半導体層のチャネル形成領域と重なる部分には第１の元素が供給されにくい。したがって、第２の加熱処理では、ゲート絶縁層からチャネル形成領域に酸素が供給され、チャネル形成領域の酸素欠損が補填される。一方で、低抵抗領域は、ゲート絶縁層から酸素が供給されにくいため、電気抵抗が上昇しにくい。これにより、酸素欠損が十分に低減され、キャリア密度の極めて低いチャネル形成領域と、電気抵抗の極めて低いソース領域及びドレイン領域と、を兼ね備えた半導体層を形成することができ、電気特性に優れ、かつ、信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
［構成例１］
図１（Ａ）に、トランジスタ１００の上面図を示す。図１（Ｂ）に、図１（Ａ）における一点鎖線Ａ１－Ａ２間の断面図を示す。図１（Ｃ）に、図１（Ａ）における一点鎖線Ｂ１－Ｂ２間の断面図を示す。一点鎖線Ａ１－Ａ２方向はチャネル長方向、一点鎖線Ｂ１－Ｂ２方向はチャネル幅方向に相当する。なお、図１（Ａ）では、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。トランジスタの上面図については、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。
トランジスタ１００は、絶縁層１０３、島状の半導体層１０８、ゲート絶縁層１１０、金属酸化物層１１４、ゲート電極１１２、及び絶縁層１１８を有する。
絶縁層１０３は、基板１０２上に設けられている。半導体層１０８は、絶縁層１０３上に設けられている。ゲート絶縁層１１０は、絶縁層１０３の上面、並びに、半導体層１０８の上面及び側面に接する。金属酸化物層１１４は、ゲート絶縁層１１０上に設けられている。金属酸化物層１１４は、ゲート絶縁層１１０を介して半導体層１０８と重なる部分を有する。ゲート電極１１２は、金属酸化物層１１４上に設けられている。ゲート電極１１２は、ゲート絶縁層１１０及び金属酸化物層１１４を介して半導体層１０８と重なる部分を有する。絶縁層１１８は、ゲート絶縁層１１０の上面、金属酸化物層１１４の側面、及びゲート電極１１２の上面を覆って設けられている。
トランジスタ１００は、半導体層１０８上にゲート電極１１２を有する、トップゲート型のトランジスタである。
図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示すように、トランジスタ１００は、絶縁層１１８上に導電層１２０ａ及び導電層１２０ｂを有していてもよい。導電層１２０ａ及び導電層１２０ｂのうち、一方はソース電極として機能し、他方はドレイン電極として機能する。導電層１２０ａ及び導電層１２０ｂは、それぞれ、絶縁層１１８及びゲート絶縁層１１０に設けられた開口部１４１ａまたは開口部１４１ｂを介して、後述する低抵抗領域１０８ｎと電気的に接続される。
半導体層１０８は、半導体特性を示す金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう）を有することが好ましい。
半導体層１０８は、ゲート電極１１２と重なる領域と、当該領域を挟む一対の低抵抗領域１０８ｎと、を有する。半導体層１０８におけるゲート電極１１２と重なる領域は、トランジスタ１００のチャネルが形成されうるチャネル形成領域として機能する。一対の低抵抗領域１０８ｎは、トランジスタ１００のソース領域及びドレイン領域として機能する。
低抵抗領域１０８ｎは、チャネル形成領域よりも低抵抗な領域、キャリア濃度が高い領域、酸素欠陥密度の高い領域、不純物濃度の高い領域、またはｎ型である領域ともいうことができる。
低抵抗領域１０８ｎは、１種または２種以上の不純物元素を含む領域である。当該不純物元素としては、例えば、水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、ヒ素、アルミニウム、マグネシウム、シリコン、及び希ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン等）などが挙げられる。一対の低抵抗領域１０８ｎは、ホウ素、リン、アルミニウム、マグネシウム、またはシリコンを含むことが好ましく、ホウ素またはリンを含むことがより好ましい。
なお、作製工程中にかかる熱の影響などにより、低抵抗領域１０８ｎに含まれる上記不純物元素の一部がチャネル形成領域に拡散する場合がある。チャネル形成領域中の不純物元素の濃度は、低抵抗領域１０８ｎ中の不純物元素の濃度の１０分の１以下であることが好ましく、１００分の１以下であることがより好ましい。
ゲート絶縁層１１０は、半導体層１０８のチャネル形成領域と接し、かつ、ゲート電極１１２と重なる領域を有する。ゲート絶縁層１１０は、半導体層１０８の一対の低抵抗領域１０８ｎと接し、かつ、ゲート電極１１２と重ならない領域を有する。
半導体層１０８が金属酸化物を含む場合、ゲート絶縁層１１０は酸化物を含むことが好ましい。特に、ゲート絶縁層１１０は加熱により酸素を放出しうる酸化物膜であることが好ましい。
半導体層１０８の上面に接して酸化物を含むゲート絶縁層１１０が設けられた状態で加熱処理を行うことで、ゲート絶縁層１１０から放出される酸素を半導体層１０８に供給することができる。これにより、半導体層１０８中の酸素欠損を補填することができ、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。
本発明の一態様では、ゲート電極１１２の形成及び半導体層１０８への不純物元素の供給よりも前に、加熱処理を行い、ゲート絶縁層１１０から半導体層１０８に酸素を供給する。一方で、トランジスタ、または当該トランジスタを有する半導体装置や表示装置などの構成によっては、当該ゲート電極１１２の形成及び半導体層１０８への不純物元素の供給よりも後に、加熱処理を行う場合もある。このとき、半導体層１０８のチャネル形成領域に含まれる酸素が、低抵抗領域１０８ｎやゲート電極１１２に拡散してしまう恐れがある。また、ゲート絶縁層１１０から低抵抗領域１０８ｎに酸素が供給される可能性がある。低抵抗領域１０８ｎに酸素が供給されると、キャリア密度が低減し、電気抵抗が上昇してしまう場合がある。
そこで、ゲート絶縁層１１０のうち、一対の低抵抗領域１０８ｎと接する領域、すなわち、ゲート電極１１２と重ならない領域に、上記不純物元素が含まれることが好ましい。ゲート絶縁層１１０におけるゲート電極１１２と重ならない領域は、不純物濃度がゲート絶縁層１１０におけるゲート電極１１２と重なる領域よりも高く、低抵抗領域１０８ｎよりも低い領域を有することが好ましい。加熱により酸素を放出しうる酸化物膜に、上述した不純物元素を供給することにより、放出される酸素の量を低減することができる。そのため、ゲート絶縁層１１０の低抵抗領域１０８ｎに接する領域に上述した不純物元素が含まれていると、ゲート絶縁層１１０から低抵抗領域１０８ｎに酸素が供給されにくくなり、低抵抗領域１０８ｎは電気抵抗が低い状態を維持することができる。
このような構成とすることで、酸素欠損が十分に低減され、キャリア密度の極めて低いチャネル形成領域と、電気抵抗の極めて低いソース領域及びドレイン領域と、を兼ね備え、電気特性に優れ、かつ信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
半導体層１０８のチャネル形成領域に接する絶縁層１０３とゲート絶縁層１１０は、酸化物を含むことが好ましい。絶縁層１０３及びゲート絶縁層１１０には、それぞれ、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１０３やゲート絶縁層１１０から脱離した酸素を半導体層１０８のチャネル形成領域に供給し、半導体層１０８中の酸素欠損を低減することができる。
図２（Ａ）に、図１（Ｂ）中の一点鎖線で囲った領域Ｐを拡大した断面図を示す。
ゲート絶縁層１１０は、上述した不純物元素を含む領域１１０ｄを有する。領域１１０ｄは、少なくとも低抵抗領域１０８ｎとの界面またはその近傍に位置している。領域１１０ｄは、半導体層１０８及びゲート電極１１２が設けられていない領域において、少なくとも絶縁層１０３との界面またはその近傍にも位置している。また、図１（Ｂ）、図１（Ｃ）、及び図２（Ａ）に示すように、領域１１０ｄは、半導体層１０８のチャネル形成領域と接する部分には設けられていないことが好ましい。
絶縁層１０３は、ゲート絶縁層１１０と接する界面またはその近傍に、上述した不純物元素を含む領域１０３ｄを有している。また、図２（Ａ）に示すように、領域１０３ｄは、低抵抗領域１０８ｎと接する界面またはその近傍にも設けられていてもよい。このとき、低抵抗領域１０８ｎと重なる部分の不純物濃度は、ゲート絶縁層１１０と接する部分よりも低い濃度となる。
ここで、低抵抗領域１０８ｎにおける不純物濃度は、ゲート絶縁層１１０に近いほど濃度が高くなるような濃度勾配を有することが好ましい。これにより、低抵抗領域１０８ｎの上部ほど低抵抗となるため、導電層１２０ａ（または導電層１２０ｂ）との接触抵抗をより効果的に低減することができる。また、低抵抗領域１０８ｎ全体に亘って均一な濃度とした場合に比べて、低抵抗領域１０８ｎ内の不純物元素の総量を少なくできるため、作製工程中の熱などの影響によりチャネル形成領域に拡散しうる不純物の量を少なく保つことができる。
また、領域１１０ｄにおける不純物濃度は、低抵抗領域１０８ｎに近いほど濃度が高くなるような濃度勾配を有することが好ましい。加熱により酸素を放出可能な酸化物膜を適用したゲート絶縁層１１０において、上述した不純物元素を含む領域１１０ｄでは、他の領域に比べて酸素の放出を抑えることができる。そのため、ゲート絶縁層１１０の低抵抗領域１０８ｎとの界面またはその近傍に位置する領域１１０ｄは、酸素に対するブロッキング層として機能し、低抵抗領域１０８ｎに供給される酸素を効果的に低減することができる。
不純物元素の供給は、ゲート電極１１２をマスクに用いて、少なくとも半導体層１０８に対して行う。さらに、ゲート絶縁層１１０に対しても当該不純物元素を供給することが好ましい。これにより、低抵抗領域１０８ｎの形成と同時に、領域１１０ｄを自己整合的に形成することができる。
なお、図２（Ａ）等では、ゲート絶縁層１１０の不純物濃度の高い部分が、半導体層１０８との界面またはその近傍に位置することを誇張して示すために、領域１１０ｄをゲート絶縁層１１０中の半導体層１０８の近傍にのみハッチングパターンを付して図示しているが、実際にはゲート絶縁層１１０の厚さ方向全体に亘って上記不純物元素が含まれる。
不純物元素の供給は、プラズマイオンドーピング法またはイオン注入法により行うことが好ましい。これらの方法は、イオンを添加する深さを調整しやすいため、ゲート絶縁層１１０と半導体層１０８とを含む領域を狙って、イオンを添加することが容易となる。
不純物元素の供給条件は、半導体層１０８のゲート絶縁層１１０側の領域、または、半導体層１０８とゲート絶縁層１１０との界面またはその近傍の不純物濃度が最も高くなるように、設定することが好ましい。これにより、一度の工程で半導体層１０８とゲート絶縁層１１０の両方に適切な濃度の不純物元素を供給することができる。さらに、低抵抗領域１０８ｎの上部に高い濃度で不純物元素を供給し、低抵抗化することで、低抵抗領域１０８ｎとソース電極またはドレイン電極との接触抵抗を低くできる。また、ゲート絶縁層１１０の低抵抗領域１０８ｎに近い部分に不純物元素が濃度の高い領域を形成することで、この部分の酸素の拡散性が低下し、ゲート絶縁層１１０中の酸素が低抵抗領域１０８ｎ側に拡散することをより抑制することができる。
低抵抗領域１０８ｎ及び領域１１０ｄはそれぞれ、不純物濃度が、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域を含むことが好ましい。また、低抵抗領域１０８ｎは、ゲート絶縁層１１０の領域１１０ｄよりも不純物濃度が高い部分を有すると、低抵抗領域１０８ｎの電気抵抗をより低くできるため好ましい。
低抵抗領域１０８ｎ及び領域１１０ｄに含まれる不純物の濃度は、例えば二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）や、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ：Ｘ－ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）等の分析法により分析することができる。ＸＰＳ分析を用いる場合には、表面側または裏面側からのイオンスパッタリングとＸＰＳ分析を組み合わせることで、深さ方向の濃度分布を知ることができる。
不純物元素として酸素と結合しやすい元素を用いる場合、不純物元素は半導体層１０８中の酸素と結合した状態で存在する。すなわち、不純物元素が半導体層１０８中の酸素を奪うことで、半導体層１０８中に酸素欠損が生じ、当該酸素欠損が膜中の水素と結合することでキャリアが生成される。さらに半導体層１０８中の不純物元素は酸化した状態で安定に存在するため、工程中にかかる熱などで脱離しにくく、電気抵抗が低い状態で安定した低抵抗領域１０８ｎを実現できる。
不純物元素として酸素と結合しやすい元素を用いる場合、半導体層１０８と同様にゲート絶縁層１１０においても、不純物元素は酸素と結合した状態で存在する。酸素と不純物元素とが結合して安定化することで、不純物元素を含む領域では、加熱を行っても酸素がほとんど脱離しない状態となり、酸素が他の層に拡散しにくい状態となる。これにより、ゲート絶縁層１１０から低抵抗領域１０８ｎに酸素が供給されることを抑制しつつ、チャネル形成領域に酸素を供給することができる。したがって、低抵抗領域１０８ｎの高抵抗化を防ぎつつ、チャネル形成領域の酸素欠損を低減できる。その結果、電気特性が良好で、信頼性の高いトランジスタを実現できる。
不純物元素は、半導体層１０８中及びゲート絶縁層１１０中の酸素と結合して安定化する元素を用いることが好ましい。例えば、酸化物が標準状態において固体で存在しうる元素を用いることが好ましい。特に好ましい元素としては、希ガス、水素以外の典型非金属元素、典型金属元素、及び遷移金属元素が挙げられ、特に、ホウ素、リン、アルミニウム、マグネシウム、シリコンが好ましい。
例えば、不純物元素としてホウ素を用いた場合、低抵抗領域１０８ｎ及び領域１１０ｄに含まれるホウ素は酸素と結合した状態で存在しうる。このことは、ＸＰＳ分析において、Ｂ２Ｏ３結合に起因するスペクトルピークが観測されることで確認できる。また、ＸＰＳ分析において、ホウ素元素が単体で存在する状態に起因するスペクトルピークが観測されない、または測定下限のバックグラウンドノイズに埋もれる程度にまでピーク強度が極めて小さくなる。
金属酸化物層１１４は、酸素及び水素を透過しにくい材料で形成される。金属酸化物層１１４は、ゲート絶縁層１１０に含まれる酸素がゲート電極１１２側に拡散することを抑制する機能を有する。金属酸化物層１１４は、ゲート電極１１２に含まれる水素及び水がゲート絶縁層１１０側に拡散することを抑制する機能を有する。金属酸化物層１１４は、少なくともゲート絶縁層１１０よりも酸素及び水素を透過しにくい材料を用いることが好ましい。
金属酸化物層１１４を設けることにより、ゲート電極１１２にアルミニウムや銅などの酸素を吸引しやすい金属材料を用いた場合であっても、ゲート絶縁層１１０からゲート電極１１２へ酸素が拡散することを防ぐことができる。また、ゲート電極１１２が水素を含む場合であっても、ゲート電極１１２からゲート絶縁層１１０を介して半導体層１０８へ水素が拡散することを防ぐことができる。その結果、半導体層１０８のチャネル形成領域におけるキャリア密度を極めて低いものとすることができる。
金属酸化物層１１４は、絶縁層または導電層のどちらであってもよい。金属酸化物層１１４が絶縁層の場合、金属酸化物層１１４は、ゲート絶縁層１１０の一部ということもできる。金属酸化物層１１４が導電層の場合、金属酸化物層１１４は、ゲート電極１１２の一部ということもできる。
金属酸化物層１１４として、酸化シリコンよりも誘電率の高い絶縁性材料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等を用いると、駆動電圧を低減できるため好ましい。
金属酸化物層１１４として、例えば、インジウム酸化物、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、またはシリコンを含有したインジウムスズ酸化物（ＩＴＳＯ）などの、導電性酸化物を用いることもできる。特にインジウムを含む導電性酸化物は、導電性が高いため好ましい。
また、金属酸化物層１１４として、半導体層１０８と同一の元素を一以上含む酸化物材料を用いることが好ましい。特に、半導体層１０８に適用可能な酸化物半導体材料を用いることが好ましい。このとき、金属酸化物層１１４として、半導体層１０８と同じスパッタリングターゲットを用いて形成した金属酸化物膜を適用することで、装置を共通化できるため、好ましい。
または、半導体層１０８と金属酸化物層１１４の両方に、インジウム及びガリウムを含む金属酸化物材料を用いる場合、半導体層１０８よりもガリウムの組成（含有割合）が高い材料を用いると、酸素に対するブロッキング性をより高めることができるため、好ましい。このとき、半導体層１０８には、金属酸化物層１１４よりもインジウムの組成が高い材料を用いることで、トランジスタ１００の電界効果移動度を高めることができる。
金属酸化物層１１４は、スパッタリング装置を用いて形成すると好ましい。例えば、スパッタリング装置を用いて酸化物膜を形成する場合、酸素ガスを含む雰囲気で形成することで、ゲート絶縁層１１０や半導体層１０８中に好適に酸素を供給することができる。
金属酸化物層１１４が導電層の場合、トランジスタ１００の作製工程は、金属酸化物層１１４を島状に形成する工程を有する。また、金属酸化物層１１４が絶縁層の場合であっても、金属酸化物層１１４を島状に形成することができる。このとき、材料及び加工方法によっては、加工が難しい場合がある。
例えば、図２（Ｂ）に示す領域Ｑでは、金属酸化物層１１４のゲート電極１１２と重なる部分の一部（下部の部分）がエッチングされている例を示す。このように、金属酸化物層１１４の形状不良が生じると、絶縁層１１８の被覆性が低下してしまう。
ここで、本発明の一態様では、半導体層１０８に、金属酸化物層１１４を介して、不純物元素を供給する。これにより、金属酸化物層１１４にも不純物元素が供給され、金属酸化物層１１４のエッチングレートを高くすることができる。したがって、ゲート電極１１２と重なっている部分と重なっていない部分とで、金属酸化物層１１４のエッチングレートに差をつけることができる。そのため、金属酸化物層１１４のゲート電極１１２と重なる部分がエッチングされにくくなり、金属酸化物層１１４の形状不良を抑制することができる。そして、絶縁層１１８の被覆性を向上させ、カバレッジ不良を抑制することができる。
ゲート電極１１２及び金属酸化物層１１４は、上面形状が互いに概略一致するように加工されている。島状の金属酸化物層１１４は、ゲート電極１１２をマスクに用いて加工することで形成できる。
なお、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、上層をマスクに用いて下層が加工された場合や、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。
絶縁層１１８は、トランジスタ１００を保護する保護層として機能する。絶縁層１１８は、ゲート絶縁層１１０から放出されうる酸素が外部に拡散することを防ぐ機能を有することが好ましい。例えば、酸化物または窒化物などの無機絶縁材料を用いることができる。より具体的な例としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、ハフニウムアルミネートなどの無機絶縁材料を用いることができる。
［構成例２］
図３（Ａ）に、トランジスタ１００Ａの上面図を示す。図３（Ｂ）に、図３（Ａ）における一点鎖線Ａ１－Ａ２間の断面図を示す。図３（Ｃ）に、図３（Ａ）における一点鎖線Ｂ１－Ｂ２間の断面図を示す。一点鎖線Ａ１－Ａ２方向はチャネル長方向、一点鎖線Ｂ１－Ｂ２方向はチャネル幅方向に相当する。
トランジスタ１００Ａは、基板１０２と絶縁層１０３との間に導電層１０６を有する点で、トランジスタ１００と異なる。導電層１０６は半導体層１０８及びゲート電極１１２と重なる領域を有する。
トランジスタ１００Ａ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、ゲート電極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の一部は第１のゲート絶縁層として機能し、ゲート絶縁層１１０の一部は、第２のゲート絶縁層として機能する。
半導体層１０８の、ゲート電極１１２及び導電層１０６の少なくとも一方と重なる部分は、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、半導体層１０８のゲート電極１１２と重なる部分をチャネル形成領域と呼ぶ場合があるが、実際にはゲート電極１１２と重ならず導電層１０６と重なる部分（低抵抗領域１０８ｎを含む部分）にもチャネルが形成しうる。
また、図３（Ｃ）に示すように、導電層１０６は、金属酸化物層１１４、ゲート絶縁層１１０、及び絶縁層１０３に設けられた開口部１４２を介して、ゲート電極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とゲート電極１１２に、同じ電位を与えることができる。
導電層１０６は、ゲート電極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に銅を含む材料を用いると、配線抵抗を低減できるため好ましい。
また、図３（Ａ）、図３（Ｃ）に示すように、チャネル幅方向において、ゲート電極１１２及び導電層１０６が、半導体層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）に示すように、半導体層１０８のチャネル幅方向の全体が、ゲート絶縁層１１０と絶縁層１０３を介して、ゲート電極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、半導体層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とゲート電極１１２に同じ電位を与えることが好ましい。これにより、半導体層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１００Ａ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１００Ａを微細化することも可能となる。
なお、ゲート電極１１２と導電層１０６とを接続しない構成としてもよい。このとき、一対のゲート電極の一方に定電位を与え、他方にトランジスタ１００Ａ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１００Ａ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。
［応用例］
次に、応用例として、トランジスタと容量素子を有する本発明の一態様の半導体装置について、図４を用いて説明する。具体的には、不純物を含む半導体層１０８ｃを容量素子の一方の電極として用い、トランジスタと容量素子とを同一面上に形成する例について説明する。
図４（Ａ）に示す容量素子１３０Ａは、トランジスタ１００（図１（Ａ）～図１（Ｃ））と並べて設けられている。
図４（Ｂ）に示す容量素子１３０Ａは、トランジスタ１００Ａ（図３（Ａ）～図３（Ｃ））と並べて設けられている。
容量素子１３０Ａは、半導体層１０８ｃと、導電層１２０ｂとの間に、誘電体として機能するゲート絶縁層１１０及び絶縁層１１８が設けられた構成を有する。
半導体層１０８ｃは、半導体層１０８と同一面上に設けられている。例えば半導体層１０８ｃは、半導体層１０８と同一の金属酸化物膜を加工した後に、低抵抗領域１０８ｎと同じ不純物元素を供給することにより形成することができる。
このような構成とすることで、作製工程を増やすことなくトランジスタと同時に容量素子１３０Ａを作製することができる。
図４（Ｃ）に示す容量素子１３０Ｂは、トランジスタ１００Ａ（図３（Ａ）～図３（Ｃ））と並べて設けられている。
容量素子１３０Ｂは、導電層１０６ｃと、半導体層１０８ｃとの間に、誘電体として機能する絶縁層１０３が設けられた構成を有する。
導電層１０６ｃは、導電層１０６と同一面上に設けられている。導電層１０６ｃは、導電層１０６と同一の導電膜を加工して形成することができる。
容量素子１３０Ｂは、容量素子１３０Ａに比べて誘電体の厚さを薄くできるため、より大容量の容量素子とすることができる。
［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。なお、既に説明した構成要素については説明を省略する場合がある。
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基板にも転載できる。
絶縁層１０３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、半導体層１０８との界面特性を向上させるため、絶縁層１０３において少なくとも半導体層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１０３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１０３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１０３の半導体層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、半導体層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。
ゲート電極１１２、ゲート電極として機能する導電層１０６、並びに、ソース電極及びドレイン電極として機能する導電層１２０ａ及び導電層１２０ｂ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、上述した金属元素を成分とする合金、または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、ゲート電極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（ＯＣ：ＯｘｉｄｅＣｏｎｄｕｃｔｏｒ）または金属酸化物膜を適用することもできる。
なお、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（ＯＣ）ということができる。
また、ゲート電極１１２及び導電層１０６は、それぞれ、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であってもよい。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。なお、ゲート電極１１２のゲート絶縁層１１０と接する側または導電層１０６の絶縁層１０３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、ゲート電極１１２、導電層１０６、導電層１２０ａ、及び導電層１２０ｂは、それぞれ、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ことが好ましい。特に、窒化タンタル膜を用いることが好ましい。窒化タンタル膜は、導電性を有し、かつ、銅、酸素、または水素に対して高いバリア性を有し、かつ自身からの水素の放出が少ないため、半導体層１０８と接する導電膜、または半導体層１０８の近傍の導電膜として、好適である。
ゲート絶縁層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、及び酸化ネオジム膜のうち一種以上を含む絶縁層を用いることができる。なお、ゲート絶縁層１１０は、単層に限られず、２層以上の積層構造としてもよい。
ゲート絶縁層１１０において少なくとも半導体層１０８と接する領域は、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、ゲート絶縁層１１０は、酸素を放出することが可能な絶縁膜である。例えば、酸素雰囲気下にてゲート絶縁層１１０を形成すること、成膜後のゲート絶縁層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、ゲート絶縁層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、ゲート絶縁層１１０中に酸素を供給することができる。
また、ゲート絶縁層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。これによりゲート絶縁層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。
半導体層１０８は、酸化物半導体を有することが好ましい。または、半導体層１０８は、シリコンを有していてもよい。シリコンとしては、アモルファスシリコン、結晶性のシリコン（低温ポリシリコン、単結晶シリコンなど）などが挙げられる。
半導体層１０８は、例えば、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、及びマグネシウムから選ばれた一種または複数種）と、亜鉛と、を有することが好ましい。特に、Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、及びスズから選ばれた一種または複数種であることが好ましい。
特に、半導体層１０８として、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び亜鉛（Ｚｎ）を含む酸化物（ＩＧＺＯとも記す）を用いることが好ましい。
半導体層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＝１：１：１、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。
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、結晶性を有する半導体層１０８を形成しやすくなるため好ましい。なお、成膜される半導体層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、半導体層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、成膜される半導体層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。
ここで、半導体層１０８中に形成されうる酸素欠損について説明する。
半導体層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、半導体層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。半導体層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、半導体層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、半導体層１０８近傍の絶縁膜、具体的には、半導体層１０８の上方に位置するゲート絶縁層１１０、及び下方に位置する絶縁層１０３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１０３及びゲート絶縁層１１０から半導体層１０８へ酸素を移動させることで、半導体層１０８中の酸素欠損を低減することが可能となる。
以下では、半導体層に適用可能な金属酸化物について説明する。
なお、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。例えば、亜鉛酸窒化物（ＺｎＯＮ）などの窒素を有する金属酸化物を、半導体層に用いてもよい。
なお、本明細書等において、ＣＡＡＣ（ｃ－ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ）、及びＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ－Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と記載する場合がある。ＣＡＡＣは結晶構造の一例を表し、ＣＡＣは機能または材料の構成の一例を表す。
例えば、半導体層にはＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ－Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）－ＯＳを用いることができる。
ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅとは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅを、トランジスタの発光層に用いる場合、導電性の機能は、キャリアとなる電子（またはホール）を流す機能であり、絶縁性の機能は、キャリアとなる電子を流さない機能である。導電性の機能と、絶縁性の機能とを、それぞれ相補的に作用させることで、スイッチングさせる機能（Ｏｎ／Ｏｆｆさせる機能）をＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅに付与することができる。ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅにおいて、それぞれの機能を分離させることで、双方の機能を最大限に高めることができる。
また、ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、導電性領域、及び絶縁性領域を有する。導電性領域は、上述の導電性の機能を有し、絶縁性領域は、上述の絶縁性の機能を有する。また、材料中において、導電性領域と、絶縁性領域とは、ナノ粒子レベルで分離している場合がある。また、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ材料中に偏在する場合がある。また、導電性領域は、周辺がぼけてクラウド状に連結して観察される場合がある。
また、ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅにおいて、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下のサイズで材料中に分散している場合がある。
また、ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、異なるバンドギャップを有する成分により構成される。例えば、ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、絶縁性領域に起因するワイドギャップを有する成分と、導電性領域に起因するナローギャップを有する成分と、により構成される。当該構成の場合、キャリアを流す際に、ナローギャップを有する成分において、主にキャリアが流れる。また、ナローギャップを有する成分が、ワイドギャップを有する成分に相補的に作用し、ナローギャップを有する成分に連動してワイドギャップを有する成分にもキャリアが流れる。このため、上記ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅをトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合、トランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きなオン電流、及び高い電界効果移動度を得ることができる。
すなわち、ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、マトリックス複合材（ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）、または金属マトリックス複合材（ｍｅｔａｌ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と呼称することもできる。
酸化物半導体（金属酸化物）は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、ＣＡＡＣ－ＯＳ（ｃ－ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、ｎｃ－ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ－ｌｉｋｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、及び非晶質酸化物半導体などがある。
ＣＡＡＣ－ＯＳは、ｃ軸配向性を有し、かつａ－ｂ面方向において複数のナノ結晶が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。なお、歪みとは、複数のナノ結晶が連結する領域において、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を指す。
ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形及び七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、ＣＡＡＣ－ＯＳにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を確認することは難しい。すなわち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、ＣＡＡＣ－ＯＳが、ａ－ｂ面方向において酸素原子の配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためである。
また、ＣＡＡＣ－ＯＳは、インジウム、及び酸素を有する層（以下、Ｉｎ層）と、元素Ｍ、亜鉛、及び酸素を有する層（以下、（Ｍ，Ｚｎ）層）とが積層した、層状の結晶構造（層状構造ともいう）を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Ｍは、互いに置換可能であり、（Ｍ，Ｚｎ）層の元素Ｍがインジウムと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層と表すこともできる。また、Ｉｎ層のインジウムが元素Ｍと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ）層と表すこともできる。
ＣＡＡＣ－ＯＳは結晶性の高い金属酸化物である。一方、ＣＡＡＣ－ＯＳは、明確な結晶粒界を確認することが難しいため、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、金属酸化物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（ＶＯ：ｏｘｙｇｅｎ ｖａｃａｎｃｙともいう。）など）の少ない金属酸化物ともいえる。したがって、ＣＡＡＣ－ＯＳを有する金属酸化物は、物理的性質が安定する。そのため、ＣＡＡＣ－ＯＳを有する金属酸化物は熱に強く、信頼性が高い。
ｎｃ－ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ－ＯＳは、異なるナノ結晶間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、ｎｃ－ＯＳは、分析方法によっては、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。
なお、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有する金属酸化物の一種である、インジウム－ガリウム－亜鉛酸化物（以下、ＩＧＺＯ）は、上述のナノ結晶とすることで安定な構造をとる場合がある。特に、ＩＧＺＯは、大気中では結晶成長がし難い傾向があるため、大きな結晶（ここでは、数ｍｍの結晶、または数ｃｍの結晶）よりも小さな結晶（例えば、上述のナノ結晶）とする方が、構造的に安定となる場合がある。
ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する金属酸化物である。ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、鬆または低密度領域を有する。すなわち、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳ及びＣＡＡＣ－ＯＳと比べて、結晶性が低い。
酸化物半導体（金属酸化物）は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一態様の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ、ｎｃ－ＯＳ、ＣＡＡＣ－ＯＳのうち、二種以上を有していてもよい。
半導体層として機能する金属酸化物膜は、不活性ガス及び酸素ガスのいずれか一方または双方を用いて成膜することができる。なお、金属酸化物膜の成膜時における酸素の流量比（酸素分圧）に、特に限定はない。ただし、電界効果移動度が高いトランジスタを得る場合においては、金属酸化物膜の成膜時における酸素の流量比（酸素分圧）は、０％以上３０％以下が好ましく、５％以上３０％以下がより好ましく、７％以上１５％以下がさらに好ましい。
金属酸化物は、エネルギーギャップが２ｅＶ以上であることが好ましく、２．５ｅＶ以上であることがより好ましく、３ｅＶ以上であることがさらに好ましい。このように、エネルギーギャップの広い金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を小さくすることができる。
［作製方法例１］
次に、本発明の一態様のトランジスタの作製方法について図５～図９を用いて説明する。図５～図９では、トランジスタ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す。
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：Ｐｕｌｓｅｄ 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、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、ナイフコート等の方法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。または、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。
作製方法例１では、構成例２で示したトランジスタ１００Ａの作製方法について、図５～図７を用いて説明する。
まず、図５（Ａ）に示すように、基板１０２上に導電膜を成膜し、エッチングにより加工することで、ゲート電極として機能する導電層１０６を形成する。
次に、基板１０２及び導電層１０６を覆う絶縁層１０３を形成する（図５（Ａ））。
絶縁層１０３を形成した後に、絶縁層１０３に対して酸素を供給する処理を行ってもよい。酸素を供給する処理としては、例えば、酸素雰囲気下でのプラズマ処理、酸素雰囲気下での加熱処理、プラズマイオンドーピング法を用いた処理、及びイオン注入法を用いた処理などが挙げられる。
次に、絶縁層１０３上に金属酸化物膜を成膜し、加工することで、島状の半導体層１０８を形成する（図５（Ｂ））。
金属酸化物膜は、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。
金属酸化物膜を成膜する際には酸素ガスを用いることが好ましい。また、金属酸化物膜を成膜する際に、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。なお、金属酸化物膜を成膜する際の成膜ガス全体に占める酸素ガスの割合（以下、酸素流量比ともいう）が高いほど、金属酸化物膜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。
金属酸化物膜の成膜条件としては、基板温度を室温以上２００℃以下、好ましくは基板温度を室温以上１４０℃以下とすればよい。例えば基板温度を室温以上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、金属酸化物膜を成膜することで、結晶性を低くすることができる。
また、金属酸化物膜を成膜する前に、絶縁層１０３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１０３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いてプラズマ処理を行ってもよい。また、一酸化窒素ガスを含む雰囲気下においてプラズマ処理を行うと、絶縁層１０３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１０３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を成膜することが好ましい。
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一方または双方を用いればよい。このとき、半導体層１０８と重ならない絶縁層１０３の一部がエッチングされ、薄くなる場合がある。
金属酸化物膜の成膜後または半導体層１０８に加工した後、金属酸化物膜または半導体層１０８中の水素や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、２５０℃以上４５０℃以下、または３００℃以上４５０℃以下とすることができる。
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、ＲＴＡ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。
次に、絶縁層１０３及び半導体層１０８を覆って、ゲート絶縁層１１０と金属酸化物層１１４ｆを積層して成膜する（図５（Ｃ））。
ゲート絶縁層１１０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、ＰＥＣＶＤ法により形成することが好ましい。また、マイクロ波を用いたＰＥＣＶＤ法を用いて形成してもよい。
金属酸化物層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、金属酸化物層１１４ｆの成膜時にゲート絶縁層１１０に酸素を供給することができる。
金属酸化物層１１４ｆを、半導体層１０８の場合と同様の金属酸化物を含む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場合には、上記方法を援用することができる。
例えば、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、金属酸化物層１１４ｆを形成してもよい。例えば、金属ターゲットとして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。
金属酸化物層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、ゲート絶縁層１１０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金属酸化物層１１４ｆを形成することにより、金属酸化物層１１４ｆの成膜時に、ゲート絶縁層１１０へ酸素を供給するとともに、ゲート絶縁層１１０から酸素が脱離することを防ぐことができる。その結果、ゲート絶縁層１１０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、半導体層１０８に多くの酸素を供給することができる。その結果、半導体層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。
次に、加熱処理を行うことで、ゲート絶縁層１１０から半導体層１０８に酸素を供給することが好ましい。加熱処理は、窒素、酸素、希ガスのうち一以上を含む雰囲気下にて、２００℃以上４００℃以下の温度で行うことができる。
金属酸化物層１１４ｆを形成した後、ゲート電極１１２を形成する前に加熱処理を行うことで、ゲート絶縁層１１０から半導体層１０８に効果的に酸素を供給することができる。
金属酸化物層１１４ｆの成膜後に、金属酸化物層１１４ｆ、ゲート絶縁層１１０、及び絶縁層１０３の一部をエッチングすることで、導電層１０６に達する開口部１４２を形成する。これにより、後に形成するゲート電極１１２と導電層１０６とを、開口部１４２において電気的に接続することができる。
次に、金属酸化物層１１４ｆ上に、ゲート電極１１２となる導電膜１１２ｆを成膜する（図５（Ｄ））。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。ここで、開口部１４２において、導電膜１１２ｆと導電層１０６とが接続される。
次に、導電膜１１２ｆの一部をエッチングし、ゲート電極１１２を形成する（図５（Ｅ））。
このように、金属酸化物層１１４ｆ及びゲート絶縁層１１０が、半導体層１０８の上面及び側面、並びに絶縁層１０３を覆った状態とすることで、ゲート電極１１２のエッチングの際に、半導体層１０８や絶縁層１０３の一部がエッチングされ、薄膜化することを防ぐことができる。
次に、ゲート電極１１２をマスクとして、金属酸化物層１１４ｆ、ゲート絶縁層１１０、及び半導体層１０８に不純物元素１４０を供給する処理を行い、低抵抗領域１０８ｎ、領域１１０ｄ、及び領域１０３ｄを形成する（図６（Ａ））。半導体層１０８、ゲート絶縁層１１０、及び金属酸化物層１１４ｆのうち、ゲート電極１１２と重なる領域には、ゲート電極１１２がマスクとなり不純物元素１４０は供給されない。
不純物元素１４０の供給には、プラズマイオンドーピング法またはイオン注入法を好適に用いることができる。これらの方法は、深さ方向の濃度プロファイルを、イオンの加速電圧とドーズ量等により、高い精度で制御することができる。プラズマイオンドーピング法を用いることで、生産性を高めることができる。また、質量分離を用いたイオン注入法を用いることで、供給される不純物元素の純度を高めることができる。
不純物元素１４０の供給処理において、半導体層１０８とゲート絶縁層１１０との界面、または半導体層１０８中の界面に近い部分、またはゲート絶縁層１１０中の当該界面に近い部分が、最も高い濃度となるように、処理条件を制御することが好ましい。これにより、一度の処理で半導体層１０８とゲート絶縁層１１０の両方に、最適な濃度の不純物元素１４０を供給することができる。
不純物元素１４０としては、水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、ヒ素、アルミニウム、マグネシウム、シリコン、及び希ガスなどが挙げられる。不純物元素１４０として、ホウ素、リン、アルミニウム、マグネシウム、またはシリコンを用いることが好ましく、ホウ素またはリンを用いることがより好ましい。
不純物元素１４０の原料ガスとしては、上記不純物元素を含むガスを用いることができる。ホウ素を供給する場合、代表的にはＢ２Ｈ６ガスやＢＦ３ガスなどを用いることができる。また、リンを供給する場合には、代表的にはＰＨ３ガスを用いることができる。また、これらの原料ガスを希ガスで希釈した混合ガスを用いてもよい。
その他、原料ガスとして、ＣＨ４、Ｎ２、ＮＨ３、ＡｌＨ３、ＡｌＣｌ３、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、Ｆ２、ＨＦ、Ｈ２、（Ｃ５Ｈ５）２Ｍｇ、及び希ガス等を用いることができる。また、イオン源は、気体に限られず、固体や液体を加熱して気化させてもよい。
不純物元素１４０の供給は、金属酸化物層１１４ｆ、ゲート絶縁層１１０、及び半導体層１０８の組成や密度、厚さなどを考慮して、加速電圧やドーズ量などの条件を設定することで制御することができる。
なお、不純物元素１４０の供給方法に限定は無く、例えばプラズマ処理や、加熱による熱拡散を利用した処理などを用いてもよい。プラズマ処理法の場合、供給する不純物元素を含むガス雰囲気にてプラズマを発生させて、プラズマ処理を行うことによって、不純物元素を供給することができる。上記プラズマを発生させる装置としては、ドライエッチング装置、アッシング装置、プラズマＣＶＤ装置、高密度プラズマＣＶＤ装置等を用いることができる。
本発明の一態様では、金属酸化物層１１４ｆ及びゲート絶縁層１１０を介して不純物元素１４０を半導体層１０８に供給することができる。これにより、不純物元素１４０の供給の際に半導体層１０８の結晶性が低下することを抑制できる。そのため、結晶性の低下により電気抵抗が増大してしまうような場合に特に好適である。
不純物元素１４０の供給工程において、ゲート絶縁層１１０のゲート電極１１２と重なっていない部分にも不純物元素１４０が供給される。これにより、ゲート絶縁層１１０のゲート電極１１２と重なっている部分と重なっていない部分とで、加熱による酸素の放出されやすさに差が生じる。したがって、不純物元素１４０の供給工程後に加熱処理を行う場合でも、ゲート絶縁層１１０から低抵抗領域１０８ｎに酸素が供給されることを抑制でき、低抵抗領域１０８ｎの電気抵抗が上昇することを抑制できる。
次に、ゲート電極１１２をハードマスクとして用いて、金属酸化物層１１４ｆの一部をエッチングし、金属酸化物層１１４を形成する（図６（Ｂ））。これにより、ゲート電極１１２と上面形状が概略一致した金属酸化物層１１４を形成することができる。
不純物元素１４０の供給工程において、金属酸化物層１１４ｆのゲート電極１１２と重なっていない部分にも不純物元素１４０が供給される。これにより、金属酸化物層１１４ｆのゲート電極１１２と重なっている部分と重なっていない部分とで、エッチングレートに差が生じる。したがって、エッチングによる金属酸化物層の形状不良を抑制できる。
金属酸化物層１１４ｆの加工方法に特に限定は無いが、ウェットエッチングを用いると、金属酸化物層１１４ｆと同時に、ゲート絶縁層１１０がエッチングされることを抑制できる。これにより、ゲート絶縁層１１０の膜厚が減少することを抑制し、ゲート絶縁層１１０の膜厚を均一にすることができる。
次に、ゲート絶縁層１１０、金属酸化物層１１４、及びゲート電極１１２を覆う絶縁層１１８を形成する（図７（Ａ））。
絶縁層１１８をプラズマＣＶＤ法により形成する場合、成膜温度が高すぎると、低抵抗領域１０８ｎ等に含まれる不純物が、半導体層１０８のチャネル形成領域を含む周辺部に拡散する恐れや、低抵抗領域１０８ｎの電気抵抗が上昇する恐れがある。絶縁層１１８の成膜温度としては、例えば１５０℃以上４００℃以下、好ましくは１８０℃以上３６０℃以下、より好ましくは２００℃以上２５０℃以下とすることが好ましい。絶縁層１１８を低温で成膜することにより、チャネル長の短いトランジスタであっても、良好な電気特性を付与することができる。
次に、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及びゲート絶縁層１１０の一部をエッチングすることで、低抵抗領域１０８ｎに達する開口部１４１ａ及び開口部１４１ｂを形成する。
次に、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及び導電層１２０ｂを形成する（図７（Ｂ））。
以上の工程により、トランジスタ１００Ａを作製することができる。例えば、トランジスタ１００Ａを表示装置の画素に適用する場合には、この後に、保護絶縁層、平坦化層、表示素子、及び配線のうち１以上を形成する工程を追加すればよい。
［作製方法例２］
本発明の一態様において、金属酸化物層１１４ｆは、その材料及び形成条件によっては、加工が困難なことがある。その場合、金属酸化物層１１４ｆの結晶性を低下させる工程を追加することで、金属酸化物層１１４ｆの加工を容易にすることができる。
作製方法例２は、ゲート電極１１２の作製までの工程は、作製方法例１と同様である（図５（Ａ）～図５（Ｅ））。
その後、不純物元素１４０の供給工程（図８（Ａ））と、不純物元素１４３の供給工程（図８（Ｂ））と、を行う。不純物元素１４０の供給工程は、作製方法例１（図６（Ａ））と同様であり、これにより、半導体層１０８に低抵抗領域１０８ｎが形成される。不純物元素１４３は、少なくとも金属酸化物層１１４ｆに供給する。これにより、金属酸化物層１１４ｆを結晶性の低い金属酸化物層１１４ｇにすることができる。不純物元素１４０と不純物元素１４３はどちらを先に供給してもよい。
不純物元素１４３としては、シリコン、リン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ヒ素、ガリウム、及びゲルマニウムなどが挙げられる。不純物元素１４３の原料ガスとしては、上記不純物元素を含むガスを用いることができる。
不純物元素１４３の供給は、金属酸化物層１１４ｆの組成や密度、厚さなどを考慮して、加速電圧やドーズ量などの条件を設定することで制御することができる。
その後、ゲート電極１１２をハードマスクとして用いて、結晶性の低い金属酸化物層１１４ｇの一部をエッチングし、金属酸化物層１１４を形成する（図８（Ｃ））。これにより、ゲート電極１１２と上面形状が概略一致した金属酸化物層１１４を容易に形成することができる。
［作製方法例３］
金属酸化物層１１４ｆが絶縁膜である場合、金属酸化物層１１４ｆを島状に加工する工程を省略してもよい。
作製方法例３は、不純物元素１４０の供給工程までは、作製方法例１と同様である（図５（Ａ）～図５（Ｅ）、図６（Ａ））。
不純物元素１４０の供給工程（図９（Ａ））の後、金属酸化物層１１４ｆを加工することなく、ゲート絶縁層１１０、金属酸化物層１１４ｆ、及びゲート電極１１２を覆う絶縁層１１８を形成する（図９（Ｂ））。
次に、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、金属酸化物層１１４ｆ、及びゲート絶縁層１１０の一部をエッチングすることで、低抵抗領域１０８ｎに達する開口部１４１ａ及び開口部１４１ｂを形成する。
次に、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及び導電層１２０ｂを形成する（図９（Ｃ））。
以上の工程により、金属酸化物層１１４ｆを有するトランジスタを作製することができる。
本実施の形態の半導体装置の作製方法では、ゲート絶縁層とゲート電極との間に、酸素、水素、水などを透過しにくい金属酸化物層を設けるため、ゲート絶縁層から半導体層に効果的に酸素を供給することができる。これにより、半導体層のチャネル形成領域の酸素欠損を低減し、トランジスタの信頼性を高めることができる。また、金属酸化物層の加工は、不純物元素の供給により半導体層の低抵抗領域を形成した後に行う。金属酸化物層の加工の際、金属酸化物層にも不純物元素が含まれているため、エッチングによる金属酸化物層の形状不良を抑制することができる。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。また、本明細書において、１つの実施の形態の中に、複数の構成例が示される場合は、構成例を適宜組み合わせることが可能である。
（実施の形態２）
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１０～図１４を用いて説明する。
本発明の一態様の半導体装置は、電気特性が良好であるため、表示装置に用いることで、表示装置の信頼性を高めることができる。例えば、本発明の一態様のトランジスタは、当該表示装置の画素及び駆動回路の一方または双方が有するトランジスタに適用することができる。
本発明の一態様の半導体装置は、表示装置、または、当該表示装置を有するモジュールに用いることができる。当該表示装置を有するモジュールとしては、当該表示装置にフレキシブルプリント回路基板（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ、以下、ＦＰＣと記す）もしくはＴＣＰ（Ｔａｐｅ Ｃａｒｒｉｅｒ Ｐａｃｋａｇｅ）等のコネクタが取り付けられたモジュール、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）方式もしくはＣＯＦ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｆｉｌｍ）方式等により集積回路（ＩＣ）が実装されたモジュール等が挙げられる。
［表示装置の上面構成］
図１０（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により貼り合わされた第１の基板７０１と第２の基板７０５を有する。第１の基板７０１、第２の基板７０５、及びシール材７１２で封止される領域に、画素部７０２、ソースドライバ７０４、及びゲートドライバ７０６が設けられる。画素部７０２には、複数の表示素子が設けられる。
第１の基板７０１の第２の基板７０５と重ならない部分に、ＦＰＣ７１６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７０４、及びゲートドライバ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７０６は、複数設けられていてもよい。また、ゲートドライバ７０６及びソースドライバ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チップの形態であってもよい。当該ＩＣチップは、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７０４、及びゲートドライバ７０６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。
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１０（Ｂ）に示す表示装置７００Ａは、第１の基板７０１に換えて、可撓性を有する樹脂層７４３が適用された、フレキシブルディスプレイとして用いることのできる表示装置の例である。
表示装置７００Ａは、画素部７０２が矩形形状でなく、角部が円弧状の形状を有している。表示装置７００Ａは、図１０（Ｂ）中の領域Ｐ１に示すように、画素部７０２及び樹脂層７４３の一部が切りかかれた切欠き部を有する。一対のゲートドライバ７０６は、画素部７０２を挟んで両側に設けられる。ゲートドライバ７０６は、画素部７０２の角部において、円弧状の輪郭に沿って設けられている。
樹脂層７４３は、ＦＰＣ端子部７０８が設けられる部分が突出した形状を有している。また、樹脂層７４３のＦＰＣ端子部７０８を含む一部は、図１０（Ｂ）中の領域Ｐ２で裏側に折り返すことができる。樹脂層７４３の一部を折り返すことで、ＦＰＣ７１６を画素部７０２の裏側に重ねて配置した状態で、表示装置７００Ａを電子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。
表示装置７００Ａに接続されるＦＰＣ７１６には、ＩＣ７１７が実装されている。ＩＣ７１７は、例えばソースドライバとしての機能を有する。このとき、表示装置７００Ａにおけるソースドライバ７０４は、保護回路、バッファ回路、デマルチプレクサ回路等の少なくとも一を含む構成とすることができる。
図１０（Ｃ）に示す表示装置７００Ｂ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。表示装置７００Ｂは、例えばテレビジョン装置、モニタ装置、パーソナルコンピュータ（ノート型またはデスクトップ型を含む）、タブレット端末、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７００Ｂは、複数のソースドライバＩＣ７２１と、一対のゲートドライバ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。複数のＦＰＣ７２３の一方の端子は第１の基板７０１に接続され、他方の端子はプリント基板７２４に接続されている。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、電子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７２２は、第１の基板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、大型でかつ高解像度の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も適用することができる。また、解像度が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。
［表示装置の断面構成］
図１１及び図１２に、表示素子として液晶素子を有する表示装置を示す。図１３及び図１４に、表示素子としてＥＬ素子を有する表示装置を示す。図１１、図１２、及び図１３は、それぞれ、図１０（Ａ）に示す一点鎖線Ｑ－Ｒ間の断面図である。図１４は、図１０（Ｂ）に示す一点鎖線Ｓ－Ｔ間の断面図である。
図１１乃至図１３に示す表示装置７００及び図１４に示す表示装置７００Ａは、引き回し配線部７１１と、画素部７０２と、ソースドライバ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。図１２では、容量素子７９０を設けない場合を示している。ソースドライバ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、チャネルが形成される半導体層に、酸化物半導体を適用したトランジスタである。例えば、それぞれ、実施の形態１で例示したトランジスタを適用できる。また、表示装置は、半導体層にシリコン（アモルファスシリコン、多結晶シリコン、または単結晶シリコン）を用いたトランジスタを有していてもよい。
本実施の形態で用いるトランジスタは、高純度化し、酸素欠損の形成を抑制した酸化物半導体膜を有する。該トランジスタは、オフ電流を小さくできる。よって、画像信号等の電気信号の保持時間を長くでき、画像信号などの書き込み間隔を長く設定できる。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、表示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、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。
図１１及び図１３に示す容量素子７９０は、トランジスタ７５０が有する半導体層と同一の膜を加工して形成され、低抵抗化された下部電極と、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を覆う２層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。
図１４に示す容量素子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膜で加工して形成される下部電極と、半導体層と同一の金属酸化物膜を加工して形成される上部電極と、を有する。上部電極は、トランジスタ７５０の低抵抗領域と同様に、低抵抗化されている。また、下部電極と上部電極との間には、トランジスタ７５０の第１のゲート絶縁層として機能する絶縁膜の一部が設けられる。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、上部電極には、トランジスタのソース電極及びドレイン電極と同一の膜を加工して得られる配線が接続されている。
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７０４が有するトランジスタ７５２とは、互いに異なる構造であってもよい。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てもよい。なお、上記のゲートドライバ７０６についても、ソースドライバ７０４と同様である。
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、一部が接続電極として機能する配線７６０、異方性導電膜７８０、及びＦＰＣ７１６を有する。配線７６０は、異方性導電膜７８０を介して、ＦＰＣ７１６が有する端子と電気的に接続される。ここでは、配線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。
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基板を用いることができる。可撓性基板を用いることで、フレキシブルディスプレイを実現することができる。第１の基板７０１に可撓性基板を用いる場合、第１の基板７０１とトランジスタ７５０等との間に、水や水素に対するバリア性を有する絶縁層を設けることが好ましい。
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。
図１１、図１２、及び図１３において、第１の基板７０１と第２の基板７０５の間には、当該２つの基板の間隔を調整するためのスペーサ７７８が設けられている。また、第１の基板７０１と第２の基板７０５は、シール材７１２によって貼り合わされている。
図１１に示す表示装置７００は、縦電界方式の液晶素子７７５を有する。液晶素子７７５は、導電層７７２、導電層７７４、及びこれらの間に液晶層７７６を有する。導電層７７４は、第２の基板７０５側に設けられ、共通電極としての機能を有する。導電層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。導電層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。
導電層７７２には、可視光に対する透過性を有する材料、または可視光に対する反射性を有する材料を用いることができる。可視光に対する透過性を有する材料としては、例えば、インジウム、亜鉛、スズ等を含む酸化物材料を用いるとよい。可視光に対する反射性を有する材料としては、例えば、アルミニウム、銀等を含む材料を用いるとよい。
導電層７７２に可視光に対する反射性を有する材料を用いると、表示装置７００は反射型の液晶表示装置となる。一方、導電層７７２に可視光に対する透過性を有する材料を用いると、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１２に示す表示装置７００は、横電界方式（例えば、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ Ｆｉｅｌｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード）の液晶素子７７５を用いる例を示す。導電層７７２上に絶縁層７７３を介して、共通電極として機能する導電層７７４が設けられる。導電層７７２と導電層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。
図１２において、導電層７７２、絶縁層７７３、導電層７７４の積層構造により保持容量を構成することができる。そのため、容量素子を別途設ける必要がなく、開口率を高めることができる。
図１１及び図１２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７７６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。
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、ＶＡ－ＩＰＳモード、ゲストホストモードなどを用いることができる。
また、液晶素子の駆動方法として、継時加法混色法に基づいてカラー表示を行う、時間分割表示方式（フィールドシーケンシャル駆動方式ともいう）を適用してもよい。その場合、着色膜７３６を設けない構成とすることができる。時間分割表示方式を用いる場合、例えば赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のそれぞれの色を呈する副画素を設ける必要がないため、画素の開口率や表示装置の精細度を高めることができる。
図１３に示す表示装置７００及び図１４に示す表示装置７００Ａは、発光素子７８２を有する。発光素子７８２は、導電層７７２、ＥＬ層７８６、及び導電膜７８８を有する。ＥＬ層７８６は、発光物質を有する。
発光物質としては、蛍光を発する物質（蛍光材料）、燐光を発する物質（燐光材料）、熱活性化遅延蛍光を示す物質（熱活性化遅延蛍光（Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｄｅｌａｙｅｄ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ：ＴＡＤＦ）材料）、無機化合物（量子ドット材料など）などを用いることができる。
図１３に示す表示装置７００及び図１４に示す表示装置７００Ａには、平坦化絶縁膜７７０上に導電層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は可視光を透過する導電膜７８８を有する、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、導電層７７２側に光を射出するボトムエミッション構造や、導電層７７２側及び導電膜７８８側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。
図１３において、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、図１４に示すように、各色の副画素にそれぞれ異なるＥＬ層７８６を形成するサイドバイサイド方式（塗り分け方式ともいう）を用いる場合、着色膜７３６を設けなくてもよい。
図１４において、発光素子７８２が有するＥＬ層７８６は、絶縁膜７３０及び導電層７７２上に島状に設けられている。ＥＬ層７８６を、副画素毎に発光色が異なるように作り分けることで、着色膜７３６を用いずにカラー表示を実現することができる。また、発光素子７８２を覆って、保護層７４１が設けられている。保護層７４１は発光素子７８２に水などの不純物が拡散することを防ぐ機能を有する。保護層７４１は、無機絶縁膜を用いることが好ましい。また、無機絶縁膜と有機絶縁膜をそれぞれ一以上含む積層構造とすることがより好ましい。
図１４に示す表示装置７００Ａは、図１３で示した第１の基板７０１に換えて、支持基板７４５、接着層７４２、樹脂層７４３、及び絶縁層７４４が積層された構成を有する。トランジスタ７５０や容量素子７９０等は、絶縁層７４４上に設けられている。
支持基板７４５は、有機樹脂やガラス等を含み、可撓性を有する程度に薄い基板である。樹脂層７４３は、ポリイミドやアクリルなどの有機樹脂を含む層である。絶縁層７４４は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン等の無機絶縁膜を含む。樹脂層７４３と支持基板７４５とは、接着層７４２によって貼り合わされている。樹脂層７４３は、支持基板７４５よりも薄いことが好ましい。
また、図１４に示す表示装置７００Ａは、図１３で示した第２の基板７０５に換えて保護層７４０を有する。保護層７４０は、封止膜７３２と貼り合わされている。保護層７４０としては、ガラス基板や樹脂フィルムなどを用いることができる。また、保護層７４０として、偏光板、散乱板などの光学部材や、タッチセンサなどの入力装置、またはこれらを２つ以上積層した構成を適用してもよい。
また、図１４では、折り曲げ可能な領域Ｐ２を示している。領域Ｐ２は、支持基板７４５、接着層７４２のほか、絶縁層７４４等の無機絶縁膜が設けられていない部分を有する。また、領域Ｐ２において、配線７６０を覆って樹脂層７４６が設けられている。折り曲げ可能な領域Ｐ２に無機絶縁膜をできるだけ設けず、且つ、金属または合金を含む導電層と、有機材料を含む層のみを積層した構成とすることで、曲げた際にクラックが生じることを防ぐことができる。また、領域Ｐ２に支持基板７４５を設けないことで、極めて小さい曲率半径で、表示装置７００Ａの一部を曲げることができる。
本実施の形態の表示装置は、タッチセンサ等の入力装置を有していてもよい。つまり、本実施の形態の表示装置は、タッチパネルとしての機能を有していてもよい。
センサの方式としては、静電容量方式、抵抗膜方式、表面弾性波方式、赤外線方式、光学方式、感圧方式など様々な方式を用いることができる。または、これら２つ以上を組み合わせて用いてもよい。
タッチパネルとしては、入力装置を一対の基板の内側に形成する、所謂インセル型のタッチパネル、入力装置を表示装置上に形成する、所謂オンセル型のタッチパネル、または表示装置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などがある。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態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１５を用いて説明する。
本発明の一態様の半導体装置は、電気特性が良好であるため、表示装置に用いることで、表示装置の信頼性を高めることができる。例えば、本発明の一態様のトランジスタは、当該表示装置の画素及び駆動回路の一方または双方が有するトランジスタに適用することができる。
図１５（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複数の画素回路５０１を有する。
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。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、制御信号、及び画像信号等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、それ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１５（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。
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と同じ基板上に直接形成されていてもよいし、別の基板上に形成され、ＣＯＧやＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって画素部が形成された基板に実装する構成としてもよい。
図１５（Ａ）に示す複数の画素回路５０１は、例えば、図１５（Ｂ）、図１５（Ｃ）に示す構成とすることができる。
図１５（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。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。
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。
図１５（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。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。
電位供給線ＶＬ＿ａ及び電位供給線ＶＬ＿ｂのうち、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。トランジスタ５５４のゲートに与えられる電位に応じて、発光素子５７２に流れる電流が制御されることにより、発光素子５７２からの発光輝度が制御される。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態４）
本実施の形態では、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１６を用いて説明する。
本実施の形態の表示装置の画素は、画素に表示される階調を補正するためのメモリを有する。本発明の一態様のトランジスタは、当該画素が有するトランジスタに適用することができる。
［画素回路］
図１６（Ａ）に、画素回路４００の回路図を示す。画素回路４００は、トランジスタＭ１、トランジスタＭ２、容量Ｃ１、及び回路４０１を有する。画素回路４００には、配線Ｓ１、配線Ｓ２、配線Ｇ１、及び配線Ｇ２が接続される。
トランジスタＭ１は、ゲートが配線Ｇ１と、ソース及びドレインの一方が配線Ｓ１と、他方が容量Ｃ１の一方の電極と、それぞれ接続する。トランジスタＭ２は、ゲートが配線Ｇ２と、ソース及びドレインの一方が配線Ｓ２と、他方が容量Ｃ１の他方の電極、及び回路４０１と、それぞれ接続する。
回路４０１は、少なくとも一の表示素子を含む回路である。表示素子としては様々な素子を用いることができるが、代表的には有機ＥＬ素子やＬＥＤ素子などの発光素子、液晶素子、またはＭＥＭＳ素子等を適用することができる。
トランジスタＭ１と容量Ｃ１とを接続するノードをＮ１、トランジスタＭ２と回路４０１とを接続するノードをＮ２とする。
画素回路４００は、トランジスタＭ１をオフ状態とすることで、ノードＮ１の電位を保持することができる。また、トランジスタＭ２をオフ状態とすることで、ノードＮ２の電位を保持することができる。また、トランジスタＭ２をオフ状態とした状態で、トランジスタＭ１を介してノードＮ１に所定の電位を書き込むことで、容量Ｃ１を介した容量結合により、ノードＮ１の電位の変位に応じてノードＮ２の電位を変化させることができる。
ここで、トランジスタＭ１及びトランジスタＭ２のうち一方または両方に、実施の形態１で例示した、酸化物半導体が適用されたトランジスタを適用することができる。そのため極めて小さいオフ電流により、ノードＮ１及びノードＮ２の電位を長期間に亘って保持することができる。なお、各ノードの電位を保持する期間が短い場合（具体的には、フレーム周波数が３０Ｈｚ以上である場合等）には、シリコン等の半導体を適用したトランジスタを用いてもよい。
［駆動方法］
図１６（Ｂ）を用いて、画素回路４００の動作方法の一例を説明する。図１６（Ｂ）は、画素回路４００の動作に係るタイミングチャートである。なおここでは説明を容易にするため、配線抵抗などの各種抵抗や、トランジスタや配線などの寄生容量、及びトランジスタのしきい値電圧などの影響は考慮しない。
図１６（Ｂ）に示す動作では、１フレーム期間を期間Ｔ１と期間Ｔ２とに分ける。期間Ｔ１はノードＮ２に電位を書き込む期間であり、期間Ｔ２はノードＮ１に電位を書き込む期間である。
期間Ｔ１では、配線Ｇ１と配線Ｇ２の両方に、トランジスタをオン状態にする電位を与える。また、配線Ｓ１には固定電位である電位Ｖｒｅｆを供給し、配線Ｓ２には第１データ電位Ｖｗを供給する。
ノードＮ１には、トランジスタＭ１を介して配線Ｓ１から電位Ｖｒｅｆが与えられる。また、ノードＮ２には、トランジスタＭ２を介して第１データ電位Ｖｗが与えられる。したがって、容量Ｃ１には電位差Ｖｗ－Ｖｒｅｆが保持された状態となる。
期間Ｔ２では、配線Ｇ１にトランジスタＭ１をオン状態とする電位を与え、配線Ｇ２にトランジスタＭ２をオフ状態とする電位を与える。また、配線Ｓ１には第２データ電位Ｖｄａｔａを供給する。配線Ｓ２には所定の定電位を与える、またはフローティング状態とする。
ノードＮ１には、トランジスタＭ１を介して第２データ電位Ｖｄａｔａが与えられる。このとき、容量Ｃ１による容量結合により、第２データ電位Ｖｄａｔａに応じてノードＮ２の電位が電位ｄＶだけ変化する。すなわち、回路４０１には、第１データ電位Ｖｗと電位ｄＶを足した電位が入力されることとなる。なお、図１６（Ｂ）ではｄＶが正の値であるように示しているが、負の値であってもよい。すなわち、電位Ｖｄａｔａが電位Ｖｒｅｆより低くてもよい。
ここで、電位ｄＶは、容量Ｃ１の容量値と、回路４０１の容量値によって概ね決定される。容量Ｃ１の容量値が回路４０１の容量値よりも十分に大きい場合、電位ｄＶは第２データ電位Ｖｄａｔａに近い電位となる。
このように、画素回路４００は、２種類のデータ信号を組み合わせて表示素子を含む回路４０１に供給する電位を生成することができるため、画素回路４００内で階調の補正を行うことが可能となる。
また、画素回路４００は、配線Ｓ１及び配線Ｓ２に供給可能な最大電位を超える電位を生成することも可能となる。例えば発光素子を用いた場合では、ハイダイナミックレンジ（ＨＤＲ）表示等を行うことができる。また、液晶素子を用いた場合では、オーバードライブ駆動等を実現できる。
［液晶素子を有する画素回路］
図１６（Ｃ）に示す画素回路４００ＬＣは、回路４０１ＬＣを有する。回路４０１ＬＣは、液晶素子ＬＣと、容量Ｃ２とを有する。
液晶素子ＬＣの一方の電極は、ノードＮ２及び容量Ｃ２の一方の電極と接続し、他方の電極は、電位Ｖｃｏｍ２が与えられる配線と接続する。容量Ｃ２の他方の電極は、電位Ｖｃｏｍ１が与えられる配線と接続する。
容量Ｃ２は保持容量として機能する。なお、容量Ｃ２は不要であれば省略することができる。
画素回路４００ＬＣは、液晶素子ＬＣに高い電圧を供給することができるため、例えばオーバードライブ駆動により高速な表示を実現すること、駆動電圧の高い液晶材料を適用することなどができる。また、配線Ｓ１または配線Ｓ２に補正信号を供給することで、使用温度や液晶素子ＬＣの劣化状態等に応じて階調を補正することもできる。
［発光素子を有する画素回路］
図１６（Ｄ）に示す画素回路４００ＥＬは、回路４０１ＥＬを有する。回路４０１ＥＬは、発光素子ＥＬ、トランジスタＭ３、及び容量Ｃ２を有する。
トランジスタＭ３は、ゲートがノードＮ２及び容量Ｃ２の一方の電極と、ソース及びドレインの一方が電位ＶＨが与えられる配線と、他方が発光素子ＥＬの一方の電極と、それぞれ接続される。容量Ｃ２の他方の電極は、電位Ｖｃｏｍが与えられる配線と接続する。発光素子ＥＬの他方の電極は、電位ＶＬが与えられる配線と接続する。
トランジスタＭ３は、発光素子ＥＬに供給する電流を制御する機能を有する。容量Ｃ２は保持容量として機能する。容量Ｃ２は不要であれば省略することができる。
なお、ここでは発光素子ＥＬのアノード側がトランジスタＭ３と接続する構成を示しているが、カソード側にトランジスタＭ３を接続してもよい。そのとき、電位ＶＨと電位ＶＬの値を適宜変更することができる。
画素回路４００ＥＬは、トランジスタＭ３のゲートに高い電位を与えることで、発光素子ＥＬに大きな電流を流すことができるため、例えばＨＤＲ表示などを実現することができる。また、配線Ｓ１または配線Ｓ２に補正信号を供給することで、トランジスタＭ３や発光素子ＥＬの電気特性のばらつきの補正を行うこともできる。
なお、図１６（Ｃ）、図１６（Ｄ）で例示した回路に限られず、別途トランジスタや容量などを追加した構成としてもよい。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態５）
本実施の形態では、本発明の一態様の表示モジュールについて、図１７を用いて説明する。
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６０１１を有する。
本発明の一態様のトランジスタ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、信頼性の高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、バッテリ制御回路等を有する。バッテリ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には、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には、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、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態６）
本実施の形態では、本発明の一態様の電子機器について、図１８～図２１を用いて説明する。
本実施の形態の電子機器は、本発明の一態様の半導体装置を有する。例えば、電子機器の表示部に用いる表示装置のトランジスタに、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。本発明の一態様のトランジスタは、電気特性が安定かつ良好で信頼性が高いため、表示装置及び電子機器の信頼性を高めることができる。したがって、本発明の一態様のトランジスタは、様々な電子機器に用いることができる。
本実施の形態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、デスクトップ型もしくはノート型のパーソナルコンピュータ、コンピュータ用などのモニタ、デジタルサイネージ、パチンコ機などの大型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。
本実施の形態の電子機器は、家屋もしくはビルの内壁もしくは外壁、または、自動車の内装もしくは外装の曲面に沿って組み込むことができる。
本実施の形態の電子機器は、アンテナを有していてもよい。アンテナで信号を受信することで、表示部で映像や情報等の表示を行うことができる。また、電子機器がアンテナ及び二次電池を有する場合、アンテナを、非接触電力伝送に用いてもよい。
本実施の形態の電子機器は、センサ（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、においまたは赤外線を測定する機能を含むもの）を有していてもよい。
本実施の形態の電子機器は、様々な機能を有することができる。例えば、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示部に表示する機能、タッチパネル機能、カレンダー、日付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）を実行する機能、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す機能等を有することができる。
図１８（Ａ）に示す電子機器６５００は、スマートフォンとして用いることのできる携帯情報端末機である。
電子機器６５００は、筐体６５０１、表示部６５０２、電源ボタン６５０３、ボタン６５０４、スピーカ６５０５、マイク６５０６、カメラ６５０７、及び光源６５０８等を有する。表示部６５０２はタッチパネル機能を備える。
表示部６５０２に、本発明の一態様のトランジスタを有する表示装置を適用することができる。
図１８（Ｂ）は、筐体６５０１のマイク６５０６側の端部を含む断面概略図である。
筐体６５０１の表示面側には透光性を有する保護部材６５１０が設けられ、筐体６５０１と保護部材６５１０に囲まれた空間内に、表示パネル６５１１、光学部材６５１２、タッチセンサパネル６５１３、プリント基板６５１７、バッテリ６５１８等が配置されている。
保護部材６５１０には、表示パネル６５１１、光学部材６５１２、及びタッチセンサパネル６５１３が接着層（図示しない）により固定されている。
表示部６５０２よりも外側の領域において、表示パネル６５１１の一部が折り返されており、当該折り返された部分にＦＰＣ６５１５が接続されている。ＦＰＣ６５１５には、ＩＣ６５１６が実装されている。ＦＰＣ６５１５は、プリント基板６５１７に設けられた端子に接続されている。
表示パネル６５１１には本発明の一態様のフレキシブルディスプレイを適用することができる。そのため、極めて軽量な電子機器を実現できる。また、表示パネル６５１１が極めて薄いため、電子機器の厚さを抑えつつ、大容量のバッテリ６５１８を搭載することもできる。また、表示パネル６５１１の一部を折り返して、画素部の裏側にＦＰＣ６５１５との接続部を配置することにより、狭額縁の電子機器を実現できる。
図１９（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７０００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。
表示部７０００に、本発明の一態様のトランジスタを有する表示装置を適用することができる。
図１９（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７０００にタッチセンサを備えていてもよく、指等で表示部７０００に触れることでテレビジョン装置７１００を操作してもよい。リモコン操作機７１１１は、当該リモコン操作機７１１１から出力する情報を表示する表示部を有していてもよい。リモコン操作機７１１１が備える操作キーまたはタッチパネルにより、チャンネル及び音量の操作を行うことができ、表示部７０００に表示される映像を操作することができる。
なお、テレビジョン装置７１００は、受信機及びモデムなどを備えた構成とする。受信機により一般のテレビ放送の受信を行うことができる。また、モデムを介して有線または無線による通信ネットワークに接続することにより、一方向（送信者から受信者）または双方向（送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など）の情報通信を行うことも可能である。
図１９（Ｂ）に、ノート型パーソナルコンピュータの一例を示す。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７０００が組み込まれている。
表示部７０００に、本発明の一態様のトランジスタを有する表示装置を適用することができる。
図１９（Ｃ）、図１９（Ｄ）に、デジタルサイネージの一例を示す。
図１９（Ｃ）に示すデジタルサイネージ７３００は、筐体７３０１、表示部７０００、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。
図１９（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７０００を有する。
図１９（Ｃ）、図１９（Ｄ）において、表示部７０００に、本発明の一態様のトランジスタを有する表示装置を適用することができる。
表示部７０００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る。また、表示部７０００が広いほど、人の目につきやすく、例えば、広告の宣伝効果を高めることができる。
表示部７０００にタッチパネルを適用することで、表示部７０００に画像または動画を表示するだけでなく、使用者が直感的に操作することができ、好ましい。また、路線情報もしくは交通情報などの情報を提供するための用途に用いる場合には、直感的な操作によりユーザビリティを高めることができる。
また、図１９（Ｃ）、図１９（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または情報端末機７４１１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７０００に表示される広告の情報を、情報端末機７３１１または情報端末機７４１１の画面に表示させることができる。また、情報端末機７３１１または情報端末機７４１１を操作することで、表示部７０００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または情報端末機７４１１の画面を操作手段（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）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、本発明の一態様のトランジスタを有する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２０（Ｂ）は、ヘッドマウントディスプレイ８２００の外観を示す図である。
ヘッドマウントディスプレイ８２００は、装着部８２０１、レンズ８２０２、本体８２０３、表示部８２０４、ケーブル８２０５等を有している。また装着部８２０１には、バッテリ８２０６が内蔵されている。
ケーブル８２０５は、バッテリ８２０６から本体８２０３に電力を供給する。本体８２０３は無線受信機等を備え、受信した映像情報を表示部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、視線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、本発明の一態様のトランジスタを有する表示装置を適用することができる。
図２０（Ｃ）～図２０（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。
表示部８３０２に、本発明の一態様のトランジスタを有する表示装置を適用することができる。本発明の一態様のトランジスタを用いて、精細度の極めて高い表示装置を作製することも可能である。例えば、図２０（Ｅ）のようにレンズ８３０５を用いて表示を拡大して視認される場合でも、使用者に画素が視認されにくい。つまり、表示部８３０２を用いて、使用者に現実感の高い映像を視認させることができる。
図２１（Ａ）乃至図２１（Ｆ）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、また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、においまた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２１（Ａ）乃至図２１（Ｆ）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２１（Ａ）乃至図２１（Ｆ）に示す電子機器の詳細について、以下説明を行う。
図２１（Ａ）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２１（Ａ）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２１（Ｂ）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２１（Ｃ）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を、例えば無線通信可能なヘッドセットと相互通信させることによって、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２１（Ｄ）～図２１（Ｆ）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２１（Ｄ）は携帯情報端末９２０１を展開した状態、図２１（Ｆ）は折り畳んだ状態、図２１（Ｅ）は図２１（Ｄ）と図２１（Ｆ）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０．１ｍｍ以上１５０ｍｍ以下で曲げることができる。
本実施の形態は、他の実施の形態及び実施例と適宜組み合わせることができる。
本実施例では、本発明の一態様のトランジスタを作製し、評価した結果について説明する。特に、本実施例では、金属酸化物層１１４が、半導体層１０８と同一の金属酸化物（ＩＧＺＯ）を有する場合について説明する。
［金属酸化物層１１４ｆのエッチングレート］
まず、金属酸化物層１１４ｆのエッチングレートを評価した。ここでは、６つの試料を作製し、各試料における金属酸化物層１１４ｆのエッチングレートを評価した。
各試料では、金属酸化物層１１４ｆとして、厚さ約２０ｎｍのＩＧＺＯ膜を形成した。ＩＧＺＯ膜は、スパッタリング法により、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１である金属酸化物ターゲットを用いて、酸素流量比１００％、基板温度２００℃で形成した。ＩＧＺＯ膜を形成した後、酸素と窒素の混合雰囲気下にて、３５０℃、１時間の加熱処理を行った。
そして、３つの試料については、質量分離機構を有さないプラズマイオンドーピング装置を用いて、金属酸化物層１１４ｆにホウ素（Ｂ）を供給した。ホウ素を供給するためのガスにはＢ２Ｈ６ガスを用い、加速電圧は４０ｋＶ、ドーズ量は２×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２とした。残りの３つの試料については、金属酸化物層１１４ｆにホウ素を供給しなかった。
次に、金属酸化物層１１４ｆをウェットエッチングした。エッチャントとしては、シュウ酸（５％以下、液温６０℃、スピン処理）と、混酸（リン酸８０％未満、硝酸５％未満、酢酸１０％未満、水５％以上、液温３０℃、スプレー処理）と、リン酸（８５％）の３０倍希釈水溶液（液温室温、スピン処理）と、の３種類を用いた。ホウ素を供給した試料とホウ素を供給していない試料、それぞれの金属酸化物層１１４ｆを、各エッチャントでウェットエッチングした。
図２２に、各試料のエッチングレート（単位：ｎｍ／ｍｉｎ．）の結果を示す。なお、エッチングレートは、光干渉式膜厚測定によって求めた。
いずれのエッチャントを用いた場合でも、金属酸化物層１１４ｆにホウ素を供給した試料（Ｂドープ有り）は、ホウ素を供給していない試料（Ｂドープ無し）よりもエッチングレートが高いことがわかった。特に、シュウ酸を用いる場合、金属酸化物層１１４ｆにホウ素を供給することで、ホウ素を供給しない場合に比べて、金属酸化物層１１４ｆのエッチングレートが約２．５倍高くなった。
以上のことから、金属酸化物層１１４ｆにホウ素を供給することで、エッチングレートを高くできることがわかった。金属酸化物層１１４ｆにホウ素を供給することで、金属酸化物層１１４ｆの結晶性が低下し、エッチングレートが高くなったと考えられる。
［金属酸化物層１１４の断面観察］
次に、金属酸化物層１１４ｆをウェットエッチングすることで金属酸化物層１１４を形成し、断面観察を行った。ここでは２つの試料を作製し、断面観察を行った。
試料として、図１（Ａ）～図１（Ｃ）に示すトランジスタ１００の構造に対応した積層構造を形成した。具体的には、基板１０２上に、絶縁層１０３、半導体層１０８、ゲート絶縁層１１０、金属酸化物層１１４、ゲート電極１１２、及び絶縁層１１８を形成した。
金属酸化物層１１４ｆの形成条件は上記と同様である。ゲート絶縁層１１０上に金属酸化物層１１４ｆを形成した後、ゲート電極１１２としてモリブデン膜を形成した。２つの試料のうち、一方ではゲート電極１１２をマスクに用いて、金属酸化物層１１４ｆにホウ素を供給した。他方では金属酸化物層１１４ｆにホウ素を供給しなかった。
そして、ゲート電極１１２をマスクに用いて、金属酸化物層１１４ｆを加工し、金属酸化物層１１４を形成した。ここでは、ウェットエッチングを用いて、金属酸化物層１１４ｆを加工した。
金属酸化物層１１４ｆのウェットエッチングには、シュウ酸（５％以下、液温６０℃、スピン処理）を用いた。処理時間は、金属酸化物層１１４ｆにホウ素を供給していない試料については３０ｓｅｃ、供給した試料については１０ｓｅｃとした。なお、処理時間は、上記金属酸化物層１１４ｆのエッチングレートの結果（図２２）をもとに決定した。具体的には、金属酸化物層１１４ｆにホウ素を供給することで、金属酸化物層１１４ｆのエッチングレートが高くなるため、ホウ素を供給していない試料に比べてホウ素を供給した試料の処理時間を短くした。
図２３（Ａ）に、金属酸化物層１１４ｆにホウ素を供給していない試料の断面観察写真を示し、図２３（Ｂ）に、ホウ素を供給した試料の断面観察写真を示す。
図２３（Ａ）に点線で囲って示すように、金属酸化物層１１４ｆにホウ素を供給していない試料では、金属酸化物層１１４の、ゲート電極１１２と重なる部分の一部（下側の部分）がエッチングされていた。
一方、図２３（Ｂ）に点線で囲って示すように、ホウ素を供給した試料では、ゲート電極１１２と重なる金属酸化物層１１４の下部のエッチングが抑制されており、絶縁層１１８の被覆性が向上していることが確認できた。
以上のことから、ゲート電極１１２をマスクに用いて、金属酸化物層１１４ｆにホウ素を供給することで、ホウ素が供給された部分（ゲート電極１１２と重ならない部分）と供給されていない部分（ゲート電極１１２と重なる部分）とのエッチングレートに差をつけることができるとわかった。したがって、金属酸化物層１１４のゲート電極１１２と重なる部分がエッチングされにくくなり、金属酸化物層１１４の形状不良を抑制することができる。これにより、絶縁層１１８の被覆性が向上し、カバレッジ不良を抑制することができる。
［トランジスタの電気特性及び信頼性の評価］
次に、トランジスタを作製し、電気特性及び信頼性を評価した。ここでは６種類の試料を作製した。
各試料としては、図３（Ａ）～図３（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ａの構造に対応した積層構造を形成した。具体的には、基板１０２上に、導電層１０６、絶縁層１０３、半導体層１０８、ゲート絶縁層１１０、金属酸化物層１１４、ゲート電極１１２、絶縁層１１８、導電層１２０ａ、及び導電層１２０ｂを形成した。さらに、絶縁層１１８、導電層１２０ａ、及び導電層１２０ｂ上に、平坦化膜（図示しない）を形成した。
本発明の一態様が適用された試料Ａ～試料Ｃでは、実施の形態１で示したように、不純物元素１４０を供給した後に金属酸化物層１１４ｆをエッチングし、金属酸化物層１１４を形成した。比較試料Ａ～比較試料Ｃでは、金属酸化物層１１４ｆをエッチングし、金属酸化物層１１４を形成した後に、不純物元素１４０を供給した。
試料Ａ及び比較試料Ａでは、チャネル長が２μｍ、チャネル幅が５０μｍのトランジスタを作製し、試料Ｂ及び比較試料Ｂでは、チャネル長が３μｍ、チャネル幅が５０μｍのトランジスタを作製し、試料Ｃ及び比較試料Ｃでは、チャネル長が６μｍ、チャネル幅が５０μｍのトランジスタを作製した。
以下では、トランジスタの具体的な作製方法を図５～図７を用いて説明する。
まず、ガラス基板（基板１０２に相当）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形成し、加工することで、導電層１０６を形成した（図５（Ａ））。
次に、基板１０２及び導電層１０６上に、絶縁層１０３として、厚さ約２４０ｎｍの窒化シリコン膜と、厚さ約６０ｎｍの窒化シリコン膜と、厚さ約５ｎｍの酸化窒化シリコン膜と、をプラズマＣＶＤ法によりこの順で形成した（図５（Ａ））。
次に、絶縁層１０３上に、厚さ約５０ｎｍのＩＧＺＯ膜を形成し、加工することで、半導体層１０８を形成した（図５（Ｂ））。ＩＧＺＯ膜は、スパッタリング法により、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１である金属酸化物ターゲットを用いて、酸素流量比１０％、基板温度は室温で、形成した。ＩＧＺＯ膜を形成した後、窒素雰囲気下にて３５０℃、１時間の加熱処理を行い、続けて、酸素と窒素の混合雰囲気下にて、３５０℃、１時間の加熱処理を行った。
次に、絶縁層１０３及び半導体層１０８上に、ゲート絶縁層１１０として、厚さ約１５０ｎｍの酸化窒化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法により形成した（図５（Ｃ））。
次に、ゲート絶縁層１１０上に、金属酸化物層１１４ｆとして、酸素を含む雰囲気下におけるスパッタリング法により、厚さ約２０ｎｍのＩＧＺＯ膜を形成した（図５（Ｃ））。酸素を含む雰囲気下で金属酸化物層１１４ｆを形成することで、ゲート絶縁層１１０中に酸素を供給することができる。ＩＧＺＯ膜は、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１である金属酸化物ターゲットを用い、酸素流量比１００％、基板温度２００℃で形成した。ＩＧＺＯ膜を形成した後、酸素と窒素の混合雰囲気下にて、３５０℃、１時間の加熱処理を行った。
次に、金属酸化物層１１４ｆ上に、導電膜１１２ｆとして、厚さ約１００ｎｍのモリブデン膜をスパッタリング法により形成し（図５（Ｄ））、加工することで、ゲート電極１１２を形成した（図５（Ｅ））。
次に、本発明の一態様が適用された試料Ａ～試料Ｃについては、プラズマイオンドーピング装置を用いて、ホウ素（Ｂ）を供給した（図６（Ａ））。この工程では、ゲート電極１１２をマスクとして、半導体層１０８、ゲート絶縁層１１０、及び金属酸化物層１１４ｆに、ホウ素を供給した。ホウ素を供給するためのガスにはＢ２Ｈ６ガスを用い、加速電圧は４０ｋＶ、ドーズ量は２×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２とした。その後、金属酸化物層１１４ｆをウェットエッチングにより加工し、金属酸化物層１１４を形成した（図６（Ｂ））。金属酸化物層１１４ｆのウェットエッチングには、シュウ酸（５％以下、液温６０℃、スピン処理）を用い、処理時間は１０ｓｅｃとした。
一方、比較試料Ａ～比較試料Ｃについては、先に、金属酸化物層１１４ｆをウェットエッチングにより加工し、金属酸化物層１１４を形成した。金属酸化物層１１４ｆのウェットエッチングには、シュウ酸（５％以下、液温６０℃、スピン処理）を用い、処理時間は３０ｓｅｃとした。その後、プラズマイオンドーピング装置を用いて、ホウ素（Ｂ）を供給した。この工程では、ゲート電極１１２をマスクとして、半導体層１０８及びゲート絶縁層１１０に、ホウ素を供給した。
以降の工程は、試料及び比較試料ともに同じである。ゲート絶縁層１１０、金属酸化物層１１４、及びゲート電極１１２上に、絶縁層１１８として、厚さ約３００ｎｍの酸化窒化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法により形成した（図７（Ａ））。
次に、ゲート絶縁層１１０及び絶縁層１１８の一部を開口した。そして、厚さ約１００ｎｍのモリブデン膜をスパッタリング法により形成し、加工することで、導電層１２０ａ及び導電層１２０ｂを形成した（図７（Ｂ））。
その後、平坦化膜（図示しない）として、厚さ約１．５μｍのアクリル膜を形成し、窒素雰囲気下、２５０℃、１時間の加熱処理を行った。
以上により、各試料を作製した。
次に、各試料において、トランジスタのＩｄ－Ｖｇ特性を測定した。図２４に、各試料のトランジスタのＩｄ－Ｖｇ特性結果を示す。
トランジスタのＩｄ－Ｖｇ特性の測定条件としては、ゲート電極１１２に印加する電圧（ゲート電圧（Ｖｇ））及び導電層１０６に印加する電圧（バックゲート電圧（Ｖｂｇ））を、－１５Ｖから＋２０Ｖまで０．２５Ｖのステップで印加した。また、ソース電極に印加する電圧（ソース電圧（Ｖｓ））を０Ｖ（ｃｏｍｍ）とし、ドレイン電極に印加する電圧（ドレイン電圧（Ｖｄ））を、０．１Ｖ及び２０Ｖとした。
図２４に示すように、試料Ａと比較試料Ａとで、Ｉｄ－Ｖｇ特性に大きな差は見られなかった。同様に、試料Ｂと比較試料Ｂとにおいてと、試料Ｃと比較試料Ｃとにおいても、Ｉｄ－Ｖｇ特性に大きな差は見られなかった。
以上のことから、金属酸化物層１１４ｆを加工する工程と、ホウ素を供給する工程と、の順番は、トランジスタのＩｄ－Ｖｇ特性に大きな影響を与えないことが確認された。つまり、ゲート電極１１２と重なる金属酸化物層１１４の一部（下側の部分）がエッチングされることを抑制するために、ホウ素を供給した後に金属酸化物層１１４ｆを加工しても、電気特性の良好なトランジスタを作製できることがわかった。
次に、試料Ｂ及び比較試料Ｂにおいて、トランジスタのストレス試験を行った。
ストレス試験としては、ゲートバイアス熱ストレス試験（ＧＢＴ試験）を用いた。ＧＢＴ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を、短時間で評価することができる。ここでは、ＧＢＴ試験として、トランジスタが形成されている基板を６０℃に保持し、トランジスタのソースとドレインに０Ｖ、ゲートに２０Ｖまたは－２０Ｖの電圧を印加し、この状態を３６００秒間保持した。このとき、ゲートに正の電圧を印加する試験をＰＢＴＳ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｂｉａｓ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｔｒｅｓｓ）、負の電圧を印加する試験をＮＢＴＳ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｂｉａｓ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｔｒｅｓｓ）と表記する。また、トランジスタが形成されている基板を６０℃に保持し、１００００ｌｘの白色ＬＥＤ光を照射した状態で、トランジスタのソースとドレインに０Ｖ、ゲートに２０Ｖまたは－２０Ｖの電圧を印加し、この状態を３６００秒間保持した。このとき、ゲートに正の電圧を印加する試験をＰＢＴＩＳ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｂｉａｓ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ Ｓｔｒｅｓｓ）、負の電圧を印加する試験をＮＢＴＩＳ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｂｉａｓ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ Ｓｔｒｅｓｓ）と表記する。
図２５に、試料Ｂ及び比較試料ＢのＰＢＴＳ及びＮＢＴＩＳの結果を示す。
図２５に示すように、ＰＢＴＳ及びＮＢＴＩＳともに、試料Ｂ及び比較試料Ｂとで、しきい値の変動量（ΔＶｔｈ）に大きな差は見られなかった。
以上のことから、金属酸化物層１１４ｆを加工する工程と、ホウ素を供給する工程と、の順番は、トランジスタのＧＢＴ試験結果に大きな影響を与えないことが確認された。つまり、ゲート電極１１２と重なる金属酸化物層１１４の一部（下側の部分）がエッチングされることを抑制するために、ホウ素を供給した後に金属酸化物層１１４ｆを加工しても、信頼性の高いトランジスタを作製できることがわかった。
本実施例では、本発明の一態様のトランジスタを作製し、評価した結果について説明する。特に、本実施例では、金属酸化物層１１４に、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）膜を用いる場合について説明する。
本実施例では、トランジスタを作製し、電気特性及び信頼性を評価した。ここでは４種類の試料を作製した。本実施例では、チャネル長が２μｍ、チャネル幅が５０μｍのトランジスタを作製した。
本発明の一態様の試料Ｄ及び試料Ｅでは、ゲート電極１１２をマスクに用いて金属酸化物層１１４ｆを加工する工程を行わず、金属酸化物層１１４ｆを有するトランジスタを形成した。一方、比較試料Ｆ及び比較試料Ｇでは、金属酸化物層１１４ｆをエッチングし、金属酸化物層１１４を有するトランジスタを形成した。
以下では、トランジスタの具体的な作製方法を図５及び図９を用いて説明する。
まず、ガラス基板（基板１０２に相当）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形成し、加工することで、導電層１０６を形成した（図５（Ａ））。
次に、基板１０２及び導電層１０６上に、絶縁層１０３として、厚さ約２４０ｎｍの窒化シリコン膜と、厚さ約６０ｎｍの窒化シリコン膜と、厚さ約５ｎｍの酸化窒化シリコン膜と、をプラズマＣＶＤ法によりこの順で形成した（図５（Ａ））。
次に、絶縁層１０３上に、ＩＧＺＯ膜を形成し、加工することで、半導体層１０８を形成した（図５（Ｂ））。
試料Ｄ及び試料Ｅでは、ＩＧＺＯ膜は、スパッタリング法により、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１である金属酸化物ターゲットを用いて、酸素流量比１０％、基板温度は室温で、厚さ約３０ｎｍとなるように形成した。ＩＧＺＯ膜を形成した後、窒素雰囲気下にて３５０℃、１時間の加熱処理を行い、続けて、酸素と窒素の混合雰囲気下にて、３５０℃、１時間の加熱処理を行った。
比較試料Ｆ及び比較試料Ｇでは、ＩＧＺＯ膜は、スパッタリング法により、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１である金属酸化物ターゲットを用いて、酸素流量比３０％、基板温度２００℃で、厚さ約４０ｎｍとなるように形成した。ＩＧＺＯ膜を形成した後、窒素雰囲気下にて４００℃、１時間の加熱処理を行い、続けて、酸素と窒素の混合雰囲気下にて、４００℃、１時間の加熱処理を行った。
次に、絶縁層１０３及び半導体層１０８上に、ゲート絶縁層１１０として、厚さ約１５０ｎｍの酸化窒化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法により形成した（図５（Ｃ））。ここで、比較試料Ｆ及び比較試料Ｇでは、窒素雰囲気下にて４００℃、１時間の加熱処理を行った。
次に、ゲート絶縁層１１０上に、金属酸化物層１１４ｆとして、酸素を含む雰囲気下におけるスパッタリング法により、酸化アルミニウム膜を形成した（図５（Ｃ））。試料Ｄ及び試料Ｅでは、厚さ約１０ｎｍとなるように、比較試料Ｆ及び比較試料Ｇでは、厚さ約５ｎｍとなるように、酸化アルミニウム膜を形成した。酸化アルミニウム膜を形成した後、酸素と窒素の混合雰囲気下にて、３５０℃、１時間の加熱処理を行った。
次に、金属酸化物層１１４ｆ上に、導電膜１１２ｆとして、モリブデン膜をスパッタリング法により形成し（図５（Ｄ））、加工することで、ゲート電極１１２を形成した（図５（Ｅ））。試料Ｄ及び試料Ｅでは、厚さ約３００ｎｍとなるように、比較試料Ｆ及び比較試料Ｇでは、厚さ約２００ｎｍとなるように、モリブデン膜を形成した。
次に、本発明の一態様が適用された試料Ｄ及び試料Ｅについては、質量分離機構を有するイオン注入装置を用いて、ホウ素（Ｂ）またはリン（Ｐ）を供給した（図９（Ａ））。この工程では、ゲート電極１１２をマスクとして、半導体層１０８、ゲート絶縁層１１０、及び金属酸化物層１１４ｆに、ホウ素またはリンを供給した。試料Ｄでは、ホウ素を供給し、試料Ｅでは、リンを供給した。
一方、比較試料Ｆ及び比較試料Ｇについては、金属酸化物層１１４ｆをウェットエッチングにより加工し、金属酸化物層１１４を形成した。その後、イオン注入装置を用いて、ホウ素またはリンを供給した。この工程では、ゲート電極１１２をマスクとして、半導体層１０８及びゲート絶縁層１１０に、ホウ素またはリンを供給した。比較試料Ｆでは、ホウ素を供給し、比較試料Ｇでは、リンを供給した。
ホウ素を供給する際のビームエネルギーは３０ｋｅＶ、リンを供給する際のビームエネルギーは８０ｋｅＶとした。ホウ素またはリンのドーズ量は、比較試料Ｆ以外は、３×１０１５／ｃｍ２とし、比較試料Ｆでは、１×１０１６／ｃｍ２とした。
以降の工程は、試料及び比較試料ともに同じである。ゲート絶縁層１１０、金属酸化物層１１４ｆ（または金属酸化物層１１４）、及びゲート電極１１２上に、絶縁層１１８として、厚さ約３００ｎｍの酸化窒化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法により形成した（図９（Ｂ））。
次に、金属酸化物層１１４ｆ、ゲート絶縁層１１０、及び絶縁層１１８の一部を開口した。そして、厚さ約１００ｎｍのモリブデン膜をスパッタリング法により形成し、加工することで、導電層１２０ａ及び導電層１２０ｂを形成した（図９（Ｃ））。
その後、平坦化膜（図示しない）として、厚さ約１．５μｍのアクリル膜を形成し、窒素雰囲気下、２５０℃、１時間の加熱処理を行った。
以上により、各試料を作製した。
次に、各試料において、トランジスタのＩｄ－Ｖｇ特性を測定した。図２６に、各試料のトランジスタのＩｄ－Ｖｇ特性結果を示す。
トランジスタのＩｄ－Ｖｇ特性の測定条件としては、ゲート電極１１２に印加する電圧（ゲート電圧（Ｖｇ））及び導電層１０６に印加する電圧（バックゲート電圧（Ｖｂｇ））を、－１５Ｖから＋２０Ｖまで０．２５Ｖのステップで印加した。また、ソース電極に印加する電圧（ソース電圧（Ｖｓ））を０Ｖ（ｃｏｍｍ）とし、ドレイン電極に印加する電圧（ドレイン電圧（Ｖｄ））を、試料Ｄ及び試料Ｅでは０．１Ｖ及び１０Ｖとし、比較試料Ｆ及び比較試料Ｇでは０．１Ｖ及び５．１Ｖとした。
図２６（Ａ）～図２６（Ｄ）に示すように、本実施例で作製した４つの試料いずれにおいても、良好なＩｄ－Ｖｇ特性が得られた。
以上のことから、金属酸化物層１１４ｆを加工せず、金属酸化物層１１４ｆを介してホウ素またはリンを供給し、トランジスタが当該金属酸化物層１１４ｆを有していても、トランジスタのＩｄ－Ｖｇ特性に大きな影響を与えないことが確認された。
次に、試料Ｄ及び試料Ｅにおいて、トランジスタのストレス試験を行った。
ストレス試験の条件は実施例１と同様である。
図２７に、試料Ｄ及び試料ＥのＰＢＴＳ、ＮＢＴＳ、ＰＢＴＩＳ、及びＮＢＴＩＳの結果を示す。
図２７に示すように、ＰＢＴＳ、ＮＢＴＳ、ＰＢＴＩＳ、及びＮＢＴＩＳいずれにおいても、試料Ｄ及び試料Ｅは、しきい値の変動量（ΔＶｔｈ）が±１Ｖ以下と良好な結果が得られた。
以上のことから、金属酸化物層１１４ｆを加工せず、金属酸化物層１１４ｆを介してホウ素またはリンを供給し、トランジスタが当該金属酸化物層１１４ｆを有していても、トランジスタのストレス試験の結果に大きな影響を与えないことが確認された。
また、本発明の一態様が適用された試料の断面観察写真を図２８に示す。図２８に示すように、ゲート絶縁層１１０上に金属酸化物層１１４ｆが形成されている。本発明の一態様が適用された試料では、ゲート電極１１２をマスクにして金属酸化物層１１４ｆを加工する工程を行っていない。したがって、金属酸化物層１１４ｆが、ゲート電極１１２と接する領域と、絶縁層１１８と接する領域と、を有することを確認できた。
本実施例では、本発明の一態様のトランジスタの金属酸化物層１１４に用いることができる酸化アルミニウム膜を形成し、評価した結果について説明する。
［酸化アルミニウム膜のエッチング］
本実施例では、酸化アルミニウム膜を形成し、ウェットエッチングを行った結果について説明する。
まず、ガラス基板（Ｇｌａｓｓ）上に、酸素を含む雰囲気下におけるスパッタリング法により、厚さ約５０ｎｍの酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）膜を形成した。
図２９（Ａ）に、ＸＲＤ装置を用いて構造解析を行った結果を示す。図２９（Ａ）に矢印で示すように、Ａｌ２Ｏ３の結晶由来のピークが観測された。また、Ｘ線反射率法（ＸＲＲ：Ｘ－ｒａｙ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）を用いて膜密度を測定したところ、酸化アルミニウム膜の膜密度は３．９８ｇ／ｃｍ３であった。
次に、酸化アルミニウム膜をウェットエッチングした。ウェットエッチングは、希フッ酸（ＤＨＦ）を用いて行った。
図３０の上段に、ウェットエッチング処理をしていない試料（エッチング処理なし）と処理を行った試料（エッチング処理あり）の断面観察写真を示す。
図３０の上段に示すように、酸化アルミニウム膜では、ウェットエッチングが進行しなかった。これは、酸化アルミニウム膜の結晶性が高いためと考えられる。なお、図３０の各写真において、酸化アルミニウム膜の上にはコート（Ｃｏａｔ）層が形成されている。
次に、ガラス基板上に、酸素を含む雰囲気下におけるスパッタリング法により、厚さ約５０ｎｍの酸化アルミニウム膜を形成した後、プラズマイオンドーピング装置を用いて、酸化アルミニウム膜にアルゴン（Ａｒ）を供給した。加速電圧は３０ｋＶ、ドーズ量は１×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２とした。
図２９（Ｂ）に、ＸＲＤ装置を用いて構造解析を行った結果を示す。図２９（Ｂ）に矢印で示すように、図２９（Ａ）で見られたＡｌ２Ｏ３の結晶由来のピークは観測されなかった。また、ＸＲＲを用いて膜密度を測定したところ、アルゴンが供給された酸化アルミニウム膜の膜密度は２．４５ｇ／ｃｍ３であった。このことから、アルゴンを供給することで、Ａｌ２Ｏ３の結晶を破壊し、酸化アルミニウム膜の膜密度を低くすることができるとわかった。
次に、アルゴンが供給された酸化アルミニウム膜をウェットエッチングした。ウェットエッチングは、希フッ酸を用いて行った。
図３０の下段に、アルゴンが供給され、かつ、ウェットエッチング処理をしていない試料（エッチング処理なし）と処理を行った試料（エッチング処理あり）の断面観察写真を示す。
図３０の下段に示すように、アルゴンが供給された酸化アルミニウム膜では、ウェットエッチングが進行し、ガラス上の酸化アルミニウム膜が除去された。このことから、アルゴンを供給し、酸化アルミニウム膜の結晶性を低下させることで、酸化アルミニウム膜のウェットエッチングが可能になるとわかった。
［積層構造における酸化アルミニウム膜のエッチング］
次に、ガラス基板上に、ゲート絶縁層１１０、金属酸化物層１１４ｆ（酸化アルミニウム膜）、ゲート電極１１２に相当する積層構造を形成し、酸化アルミニウム膜をウェットエッチングした結果について、説明する。ここでは、２つの試料を作製した。
まず、ガラス（Ｇｌａｓｓ）基板上に酸化窒化シリコン（ＳｉＯＮ）膜（ゲート絶縁層１１０に相当）を形成し、ＳｉＯＮ膜上に、酸素を含む雰囲気下におけるスパッタリング法により、厚さ約５０ｎｍの酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）膜（金属酸化物層１１４ｆに相当）を形成した。
次に、ＡｌＯｘ膜上に、モリブデン（Ｍｏ）膜（ゲート電極１１２に相当）を形成した。
２つの試料のうち、一方では、Ｍｏ膜をマスクとして、ＡｌＯｘ膜にアルゴン（Ａｒ）を供給した。他方では、ＡｌＯｘ膜にアルゴンを供給しなかった。
次に、Ｍｏ膜をマスクとして、ＡｌＯｘ膜をウェットエッチングした。ウェットエッチングは、希フッ酸（ＤＨＦ）を用いて行った。処理時間は、アルゴンを供給した試料については３０ｓｅｃとし、アルゴンを供給していない試料については６０ｓｅｃとした。
図３１の上段はアルゴンが供給されていない試料、下段はアルゴンが供給されていない試料の断面観察写真である。図３１の左側はウェットエッチング処理をしていない試料（エッチング処理なし）であり、右側は処理を行った試料（エッチング処理あり）である。
図３１の上段に示すように、アルゴンが供給されていないＡｌＯｘ膜では、ＡｌＯｘ膜のＭｏ膜と重なっている部分と重なっていない部分の双方が残存していることが確認された。つまり、ウェットエッチングが進行しなかったことがわかった。一方、図３１の下段に示すように、アルゴンが供給されたＡｌＯｘ膜では、ＡｌＯｘ膜のＭｏ膜と重なっていない部分は除去され、ＡｌＯｘ膜のＭｏ膜と重なっている部分のみが残存していることが確認された。つまり、ＡｌＯｘ膜のアルゴンが供給された部分（Ｍｏ膜と重なっていない部分）でウェットエッチングが進行し、ＡｌＯｘ膜が除去されたとわかった。また、ＡｌＯｘ膜のアルゴンが供給されていない部分（Ｍｏ膜と重なっている部分）はウェットエッチングが進行しなかったことがわかった。
以上のことから、Ｍｏ膜をマスクに用いて、ＡｌＯｘ膜にアルゴンを供給することで、アルゴンが供給された部分（Ｍｏ膜と重ならない部分）と供給されていない部分（Ｍｏ膜と重なる部分）とのエッチングレートに差をつけることができるとわかった。そして、ＡｌＯｘ膜のアルゴンが供給された部分（Ｍｏ膜と重なっていない部分）ではウェットエッチングが進行し、ＡｌＯｘ膜を除去することができるとわかった。
１００：トランジスタ、１００Ａ：トランジスタ、１０２：基板、１０３：絶縁層、１０３ｄ：領域、１０６：導電層、１０６ｃ：導電層、１０８：半導体層、１０８ｃ：半導体層、１０８ｎ：低抵抗領域、１１０：ゲート絶縁層、１１０ｄ：領域、１１２：ゲート電極、１１２ｆ：導電膜、１１４：金属酸化物層、１１４ｆ：金属酸化物層、１１４ｇ：金属酸化物層、１１８：絶縁層、１２０ａ：導電層、１２０ｂ：導電層、１３０Ａ：容量素子、１３０Ｂ：容量素子、１４０：不純物元素、１４１ａ：開口部、１４１ｂ：開口部、１４２：開口部、１４３：不純物元素、４００：画素回路、４００ＥＬ：画素回路、４００ＬＣ：画素回路、４０１：回路、４０１ＥＬ：回路、４０１ＬＣ：回路、５０１：画素回路、５０２：画素部、５０４：駆動回路部、５０４ａ：ゲートドライバ、５０４ｂ：ソースドライバ、５０６：保護回路、５０７：端子部、５５０：トランジスタ、５５２：トランジスタ、５５４：トランジスタ、５６０：容量素子、５６２：容量素子、５７０：液晶素子、５７２：発光素子、７００：表示装置、７００Ａ：表示装置、７００Ｂ：表示装置、７０１：第１の基板、７０２：画素部、７０４：ソースドライバ、７０５：第２の基板、７０６：ゲートドライバ、７０８：ＦＰＣ端子部、７１０：信号線、７１１：配線部、７１２：シール材、７１６：ＦＰＣ、７１７：ＩＣ、７２１：ソースドライバＩＣ、７２２：ゲートドライバ、７２３：ＦＰＣ、７２４：プリント基板、７３０：絶縁膜、７３２：封止膜、７３４：絶縁膜、７３６：着色膜、７３８：遮光膜、７４０：保護層、７４１：保護層、７４２：接着層、７４３：樹脂層、７４４：絶縁層、７４５：支持基板、７４６：樹脂層、７５０：トランジスタ、７５２：トランジスタ、７６０：配線、７７０：平坦化絶縁膜、７７２：導電層、７７３：絶縁層、７７４：導電層、７７５：液晶素子、７７６：液晶層、７７８：スペーサ、７８０：異方性導電膜、７８２：発光素子、７８６：ＥＬ層、７８８：導電膜、７９０：容量素子、６０００：表示モジュール、６００１：上部カバー、６００２：下部カバー、６００５：ＦＰＣ、６００６：表示装置、６００９：フレーム、６０１０：プリント基板、６０１１：バッテリ、６０１５：発光部、６０１６：受光部、６０１７ａ：導光部、６０１７ｂ：導光部、６０１８：光、６５００：電子機器、６５０１：筐体、６５０２：表示部、６５０３：電源ボタン、６５０４：ボタン、６５０５：スピーカ、６５０６：マイク、６５０７：カメラ、６５０８：光源、６５１０：保護部材、６５１１：表示パネル、６５１２：光学部材、６５１３：タッチセンサパネル、６５１５：ＦＰＣ、６５１６：ＩＣ、６５１７：プリント基板、６５１８：バッテリ、７０００：表示部、７１００：テレビジョン装置、７１０１：筐体、７１０３：スタンド、７１１１：リモコン操作機、７２００：ノート型パーソナルコンピュータ、７２１１：筐体、７２１２：キーボード、７２１３：ポインティングデバイス、７２１４：外部接続ポート、７３００：デジタルサイネージ、７３０１：筐体、７３０３：スピーカ、７３１１：情報端末機、７４００：デジタルサイネージ、７４０１：柱、７４１１：情報端末機、８０００：カメラ、８００１：筐体、８００２：表示部、８００３：操作ボタン、８００４：シャッターボタン、８００６：レンズ、８１００：ファインダー、８１０１：筐体、８１０２：表示部、８１０３：ボタン、８２００：ヘッドマウントディスプレイ、８２０１：装着部、８２０２：レンズ、８２０３：本体、８２０４：表示部、８２０５：ケーブル、８２０６：バッテリ、８３００：ヘッドマウントディスプレイ、８３０１：筐体、８３０２：表示部、８３０４：固定具、８３０５：レンズ、９０００：筐体、９００１：表示部、９００３：スピーカ、９００５：操作キー、９００６：接続端子、９００７：センサ、９００８：マイクロフォン、９０５０：アイコン、９０５１：情報、９０５２：情報、９０５３：情報、９０５４：情報、９０５５：ヒンジ、９１０１：携帯情報端末、９１０２：携帯情報端末、９２００：携帯情報端末、９２０１：携帯情報端末

Claims (1)

  1. 半導体層を形成し、
    前記半導体層上に、ゲート絶縁層を形成し、
    前記ゲート絶縁層上に、金属酸化物層を形成し、
    前記金属酸化物層上に、前記半導体層の一部と重なるゲート電極を形成し、
    前記半導体層における前記ゲート電極が重ならない領域に、前記金属酸化物層及び前記ゲート絶縁層を介して、第１の元素を供給し、
    前記第１の元素は、リン、ホウ素、マグネシウム、アルミニウム、またはシリコンである、半導体装置の作製方法。
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