JP5765922B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴとも表記する）等のトランジスタ、及び当該トランジスタを有する半導体装置に関する。

なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指し、電気光学装置、半導体回路および電子機器は全て半導体装置である。

近年、絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜（厚さ数ｎｍ以上数百ｎｍ以下程度）を用いて薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を構成する技術が注目されている。薄膜トランジスタはＩＣや電気光学装置のような電子デバイスに広く応用され、特に画像表示装置のスイッチング素子として開発が急がれている。金属酸化物は多様に存在しさまざまな用途に用いられている。酸化インジウムはよく知られた材料であり、液晶ディスプレイなどで必要とされる透光性を有する電極材料として用いられている。

金属酸化物の中には半導体特性を示すものがある。半導体特性を示す金属酸化物としては、例えば、酸化タングステン、酸化スズ、酸化インジウム、酸化亜鉛などがあり、このような半導体特性を示す金属酸化物をチャネル形成領域とする薄膜トランジスタが既に知られている（特許文献１及び特許文献２）。

特開２００７−１２３８６１号公報 特開２００７−９６０５５号公報

半導体装置に用いられるトランジスタは、オン電流、オフ電流、及び電子移動度等のトランジスタ特性が良好であることが望まれる。特性の良好なトランジスタを用いることで、半導体装置をより高速に駆動させることができる。またトランジスタの劣化やバラツキを防止して信頼性を向上することで、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

また、表示パネル等の半導体装置の動作温度範囲は、通常０℃以上４０℃以下であるが、車載用の表示パネル等では、−３０℃以上１０５℃以下程度の耐熱性が求められる。そこで、このような半導体装置に搭載するトランジスタにも、広い温度範囲で安定した動作特性が必要とされる。

そこで、本発明の一態様は、信頼性の高いトランジスタ及びそれを用いた半導体装置を提供することを課題の一とする。また、広い温度範囲で安定して動作するトランジスタ及びそれを用いた半導体装置を提供することを課題の一とする。

本発明の一態様の半導体装置は、酸化物半導体膜を含み、その酸化物半導体膜において、不純物、特に水や水素を除去することにより高純度化させ、真性化（Ｉ型化）又は実質的に真性化を実現する。

具体的には、本発明の一態様の半導体装置は、ゲート電極を有し、ゲート電極上にゲート絶縁膜を有し、ゲート絶縁膜上に酸化物半導体膜を有し、酸化物半導体膜上にソース電極及びドレイン電極を有し、ゲート電極に、しきい値電圧以上の電圧を印加した際にソース電極とドレイン電極間に流れる電流（オン電流）の温度依存性より求めた酸化物半導体膜の活性化エネルギーが、０ｍｅＶ以上２５ｍｅＶ以下である。

また、本発明の一態様の半導体装置は、ゲート電極を有し、ゲート電極上にゲート絶縁膜を有し、ゲート絶縁膜上に酸化物半導体膜を有し、酸化物半導体膜上にソース電極及びドレイン電極を有し、ソース電極及びドレイン電極上に酸化物半導体膜の一部と接する絶縁膜を有し、ゲート電極に、しきい値電圧以上の電圧を印加した際にソース電極とドレイン電極間に流れる電流（オン電流）の温度依存性より求めた酸化物半導体膜の活性化エネルギーが、０ｍｅＶ以上２５ｍｅＶ以下である。

また、上述の本発明の一態様の半導体装置において、ゲート絶縁膜の膜厚は、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であるのが好ましい。

また、上述の本発明の一態様の半導体装置において、酸化物半導体膜の膜厚は１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であるのが好ましい。

また、上述の本発明の一態様の半導体装置において、ソース電極及びドレイン電極は、チタン、マグネシウム、イットリウム、アルミニウム、タングステン、またはモリブデンを含むことが好ましい。

本発明の一態様を実施することにより、信頼性の高い半導体装置を作製することができる。また、消費電力が低い半導体装置を作製することができる。また、温度依存性が低く、動作可能範囲が広い半導体装置を作製することができる。

本発明の一態様の半導体装置の断面図及び上面図。 本発明の一態様の半導体装置の作製工程を示す図。 本発明の一態様の半導体装置の断面図。 酸化物半導体を用いたトランジスタのＶｇ−Ｉｄ特性（温度特性）。 酸化物半導体膜を用いたトランジスタ及びアモルファスシリコンを用いたトランジスタのアレニウスプロットを示す図。 酸化物半導体膜を用いたトランジスタ及びアモルファスシリコンを用いたトランジスタの活性化エネルギーを示す図。 酸化物半導体を用いた逆スタガ型のトランジスタの縦断面図。 図７に示すＡ−Ａ’断面におけるエネルギーバンド図（模式図）。 図７に示すＢ−Ｂ’断面におけるエネルギーバンド図（模式図）であって、（Ａ）ゲート（ＧＥ１）に正の電位（＋Ｖ_Ｇ）が印加された状態を示し、（Ｂ）ゲート（ＧＥ１）に負の電位（−Ｖ_Ｇ）が印加された状態示す図。 真空準位と金属の仕事関数（φ_Ｍ）、酸化物半導体の電子親和力（χ）の関係を示す図。 本発明の一態様を説明する平面図及び断面図。 本発明の一態様を説明する断面図。 本発明の一態様を説明する断面図。 半導体装置の画素等価回路を説明する図。 本発明の一態様を説明する断面図。 本発明の一態様を説明する平面図及び断面図。 電子ペーパーの使用形態の例を説明する図。 電子書籍の一例を示す外観図。 テレビジョン装置およびデジタルフォトフレームの例を示す外観図。 遊技機の例を示す外観図。 携帯電話機の一例を示す外観図。 酸化物半導体膜を用いたトランジスタ及びアモルファスシリコンを用いたトランジスタの温度依存性を示す図。 酸化物半導体膜を用いたトランジスタ及びアモルファスシリコンを用いたトランジスタの温度依存性を示す図。

以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、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。したがって、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。

（実施の形態１）
本実施の形態では、チャネルエッチ構造のボトムゲート型のトランジスタを例に挙げ、本発明の一態様に係るトランジスタの構造について説明する。

図１（Ａ）にトランジスタ１１０の断面図を、図１（Ｂ）に、図１（Ａ）に示すトランジスタ１１０の上面図を、それぞれ示す。なお、図１（Ｂ）の破線Ａ１−Ａ２における断面図が、図１（Ａ）に相当する。

トランジスタ１１０は、絶縁表面を有する基板１００上に形成されたゲート電極１０１と、ゲート電極１０１上のゲート絶縁膜１０２と、ゲート絶縁膜１０２を介してゲート電極１０１と重畳する酸化物半導体膜１０８と、酸化物半導体膜１０８上に形成された一対のソース電極１０６およびドレイン電極１０７とを有する。さらに、トランジスタ１１０は、酸化物半導体膜１０８上に形成された絶縁膜１０９を、その構成要素に含めても良い。図１に示すトランジスタ１１０は、ソース電極１０６とドレイン電極１０７の間において、酸化物半導体膜１０８の一部がエッチングされたチャネルエッチ構造である。ゲート電極１０１と基板１００の間には、下地膜となる絶縁膜が設けられていても良い。

図１に示すトランジスタ１１０において、酸化物半導体膜は、水素、水などの不純物が十分に除去され、酸素が供給されることにより高純度化されたものである。高純度化された酸化物半導体膜は、十分に小さいキャリア密度の値（例えば、１×１０^１２／ｃｍ^３未満、より好ましくは、１×１０^１１／ｃｍ^３未満であり、限りなくゼロに近い値）をとる。このように、Ｉ型化または実質的にＩ型化された酸化物半導体を用いることで、極めて優れたオフ電流特性のトランジスタ１１０を得ることができる。また、オン電流の温度依存性より求めた活性化エネルギーが十分に低く（例えば、０ｍｅＶ以上２５ｍｅＶ以下、好ましくは０ｍｅＶ以上２０ｍｅＶ以下）、オン電流の温度依存性が極めて低いトランジスタ１１０を得ることができる。

本実施の形態のように酸化物半導体膜中に含まれる水素、水などの不純物を極力除去し、酸化物半導体膜を高純度化、真性化（Ｉ型化）することが、トランジスタの特性にどのように影響を与えるかを以下に説明する。

＜酸化物半導体を用いたトランジスタの電導機構＞
酸化物半導体を用いたトランジスタの電導機構につき、図７乃至図１０を用いて説明する。なお、以下の説明では、理解の容易のため理想的な状況を仮定しており、そのすべてが現実の様子を反映しているとは限らない。また、以下の説明はあくまでも一考察に過ぎないことを付記する。

図７は、酸化物半導体を用いた逆スタガ型の薄膜トランジスタの縦断面図を示す。ゲート電極（ＧＥ１）上にゲート絶縁膜（ＧＩ）を介して酸化物半導体膜（ＯＳ）が設けられ、その上にソース電極（Ｓ）及びドレイン電極（Ｄ）が設けられている。さらに、ソース電極（Ｓ）及びドレイン電極（Ｄ）を覆うように絶縁層が設けられている。

図８は、図７に示すＡ−Ａ’断面におけるエネルギーバンド図（模式図）を示す。また、図８中の黒丸（●）は電子を示し、白丸（○）は正孔を示し、それぞれは電荷（−ｑ，＋ｑ）を有している。ドレイン電極に正の電圧（Ｖ_Ｄ＞０）を印加した上で、破線はゲート電極に電圧を印加しない場合（Ｖ_Ｇ＝０）、実線はゲート電極に正の電圧（Ｖ_Ｇ＞０）を印加する場合を示す。ゲート電極に電圧を印加しない場合は高いポテンシャル障壁のために電極から酸化物半導体側へキャリア（電子）が注入されず、電流を流さないオフ状態を示す。一方、ゲートに正の電圧を印加するとポテンシャル障壁が低下し、電流を流すオン状態を示す。

図９は、図７におけるＢ−Ｂ’の断面におけるエネルギーバンド図（模式図）である。図９（Ａ）はゲート電極（ＧＥ１）に正の電圧（Ｖ_Ｇ＞０）が印加された状態であり、ソース電極とドレイン電極間にキャリア（電子）が流れるオン状態を示している。また、図９（Ｂ）は、ゲート電極（ＧＥ１）に負の電圧（Ｖ_Ｇ＜０）が印加された状態であり、オフ状態（少数キャリアは流れない）である場合を示す。

図１０は、真空準位と金属の仕事関数（φ_Ｍ）、酸化物半導体の電子親和力（χ）の関係を示す。

従来の酸化物半導体は一般にｎ型であり、その場合のフェルミ準位（Ｅｆ）は、バンドギャップ中央に位置する真性フェルミ準位（Ｅｉ）から離れて、伝導帯（Ｅｃ）寄りに位置している。なお、酸化物半導体において水素はドナーとなりｎ型化する一つの要因であることが知られている。

これに対して本発明に係る酸化物半導体は、ｎ型化の要因である水素を酸化物半導体から除去し、酸化物半導体の主成分以外の不純物が極力含まれないように高純度化することにより真性（ｉ型）とし、又は真性型とせんとしたものである。すなわち、不純物を添加してＩ型化するのでなく、水素や水等の不純物を極力除去したことにより、高純度化されたｉ型（真性半導体）又はそれに近づけることを特徴としている。これにより、フェルミ準位（Ｅ_Ｆ）は真性フェルミ準位（Ｅ_ｉ）と同じレベルにまですることができる。

酸化物半導体のバンドギャップ（Ｅ_ｇ）が３．１５ｅＶである場合、電子親和力（χ）は４．３ｅＶと言われている。ソース電極及びドレイン電極を構成するチタン（Ｔｉ）の仕事関数は、酸化物半導体の電子親和力（χ）とほぼ等しい。この場合、金属−酸化物半導体界面において、電子に対してショットキー型の障壁は形成されない。

このとき電子は、図９（Ａ）で示すようにゲート絶縁膜と高純度化された酸化物半導体との界面における、酸化物半導体側のエネルギー的に安定な最低部を移動する。

また、図９（Ｂ）において、ゲート電極（ＧＥ１）に負の電位が印加されると、少数キャリアであるホールは実質的にゼロであるため、電流は限りなくゼロに近い値となる。

例えば、薄膜トランジスタのチャネル幅（Ｗ）が１×１０^４μｍでチャネル長（Ｌ）が３μｍの素子であっても、オフ電流が１０^−１３Ａ以下であり、サブスレッショルドスイング値（Ｓ値）が０．１Ｖ／ｄｅｃ．（ゲート絶縁膜厚１００ｎｍ）が得られる。

このように、酸化物半導体の主成分以外の水、水素などの不純物が極力含まれないように、酸化物半導体膜を高純度化することにより、薄膜トランジスタの動作を良好なものとすることができる。

＜他の半導体材料との比較におけるプロセス上の優位点＞
酸化物半導体との比較対象たり得る半導体材料としては、炭化珪素（例えば、４Ｈ−ＳｉＣ）がある。酸化物半導体と４Ｈ−ＳｉＣはいくつかの共通点を有している。キャリア密度はその一例である。フェルミ・ディラック分布に従えば、酸化物半導体の少数キャリアは１０^−７／ｃｍ^３程度と見積もられるが、これは、４Ｈ−ＳｉＣにおける６．７×１０^−１１／ｃｍ^３と同様、極めて低い値である。シリコンの真性キャリア密度（１．４×１０^１０／ｃｍ^３程度）と比較すれば、その程度が並はずれていることが良く理解できる。

また、酸化物半導体のエネルギーバンドギャップは３．０〜３．５ｅＶであり、４Ｈ−ＳｉＣのエネルギーバンドギャップは３．２６ｅＶであるから、ワイドギャップ半導体という点においても、酸化物半導体と炭化珪素とは共通している。

一方で、酸化物半導体と炭化珪素との間には極めて大きな相違点が存在する。それは、プロセス温度である。炭化珪素は一般に１５００℃〜２０００℃の熱処理を必要とするから、他の半導体材料を用いた半導体素子との積層構造は困難である。このような高い温度では、半導体基板や半導体素子などが破壊されてしまうためである。他方、酸化物半導体は、３００〜５００℃（ガラス転移温度以下、最大でも７００℃程度）の熱処理で作製することが可能であり、他の半導体材料を用いて集積回路を形成した上で、酸化物半導体による半導体素子を形成することが可能となる。

また、炭化珪素の場合と異なり、ガラス基板など、耐熱性の低い基板を用いることが可能という利点を有する。さらに、高温での熱処理が不要という点で、炭化珪素と比較してエネルギーコストを十分に低くすることができるという利点を有する。

さらに、炭化珪素は結晶欠陥や意図せずに混入した微量の不純物がキャリアを発生させる要因となる。このため、理論的には、炭化珪素で、本発明の酸化物半導体と同等な低キャリア密度が得られるが、現実には、上記のような理由により１０^１２／ｃｍ^３以下のキャリア密度を得ることは難しい。上記のことは、同じくワイドギャップ半導体として知られている窒化ガリウムと酸化物半導体との比較に関しても言える。

また、酸化物半導体は一般にｎ型とされているが、本発明の一態様では、不純物、特に水や水素を除去することによりＩ型化を実現する。この点、シリコンなどのように不純物を添加してのＩ型化ではなく、従来にない技術思想を含むものといえる。

このように、単に、バンドギャップの広い酸化物半導体をトランジスタに適用するのではなく、ドナーを形成する水素等の不純物を極力低減し、キャリア密度を好ましくは、１×１０^１２／ｃｍ^３未満、より好ましくは、１．４５×１０^１０／ｃｍ^３未満となるようにすることで、実用的な動作温度で熱的に励起されるキャリアを排除して、ソース側から注入されるキャリアのみによってトランジスタを動作させることができる。それにより、オフ電流が１×１０^−１３Ａ以下という特性を有するトランジスタを得ることができる。

（オフ電流の温度依存性）
続いて、本実施の形態で作製方法を示すトランジスタに対してオフ電流の温度特性を評価する。温度特性は、トランジスタが使われる最終製品の耐環境性や、性能の維持などを考慮する上で重要である。当然ながら、変化量が小さいほど好ましく、製品設計の自由度が増す。

はじめに、測定に用いたトランジスタの作製方法を以下に示す。本実施の形態では、チャネル長Ｌが１０μｍ、チャネル幅Ｗが５０μｍのトランジスタを２００００個並列に接続し、Ｌ／Ｗ＝１０μｍ／１，０００，０００μｍ（１ｍ）のチャネルエッチ構造のボトムゲート型トランジスタを形成した。

まず、ガラス基板に、ＧＲＴＡ装置を用いて６５０℃、６分間の基熱処理を３回行う。次いで、ガラス基板上に下地膜として、ＣＶＤ法により膜厚１００ｎｍの窒化珪素層を形成し、窒化珪素層上に膜厚１５０ｎｍの酸化窒化珪素層を形成する。続いて、酸化窒化珪素層上にゲート電極としてスパッタ法により膜厚１００ｎｍのタングステン層を形成した後、このタングステン層を選択的にエッチングして、ゲート電極を形成した。

次に、ゲート電極上にゲート絶縁膜としてＣＶＤ法により厚さ１００ｎｍの酸化窒化珪素層を形成した。

次に、ゲート絶縁膜上に、スパッタ法によりＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体膜成膜用ターゲット（モル数比で、Ｉｎ_２Ｏ_３：Ｇａ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝１：１：１）を用いて、厚さ３０ｎｍの酸化物半導体膜を形成した。そして、酸化物半導体膜を選択的にエッチングし、島状の酸化物半導体膜を形成した。

次に、酸化物半導体膜に、ＧＲＴＡ装置を用いて、窒素雰囲気下、６５０℃にて、６分間の第１の加熱処理を行った。

次に、酸化物半導体膜上にソース電極及びドレイン電極を形成するための導電膜としてチタン層（厚さ１００ｎｍ）、アルミニウム層（厚さ２００ｎｍ）、及びチタン層（厚さ１００ｎｍ）の積層を、スパッタ法により形成した。そして、当該導電膜を選択的にエッチングして、ソース電極及びドレイン電極を形成した。なお、１つのトランジスタのチャネル長Ｌを１０μｍ、チャネル幅Ｗを５０μｍとし、このトランジスタ２００００段（横１００段、縦２００段）を並列接続とすることで、Ｌ／Ｗ＝１０μｍ／１，０００，０００μｍ（１ｍ）となるようにした。

次いで、窒素雰囲気下で３５０℃１時間の加熱を施した後、酸化物半導体膜に接するように絶縁膜としてスパッタ法により酸化珪素層を膜厚３００ｎｍで形成した。その後、平坦化膜として、アクリル樹脂膜を膜厚１．５μｍで形成した。ここで、酸化珪素層及び平坦化膜を選択的にエッチングし、ソース電極層またはドレイン電極層上に開口部を形成した。その後、ソース電極層またはドレイン電極層と電気的に接続する透明導電層としてインジウム錫酸化物（ＩＴＯ：Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）層を膜厚１１０ｎｍで形成し、窒素雰囲気下、２５０℃で１時間、熱処理を行った。

以上の工程により、ボトムゲート型のトランジスタを作製した。

温度特性の測定には、恒温槽を用い、−３０、０、２５、４０、６０、８０、１００、及び１２０℃のそれぞれの温度でトランジスタを形成した基板を一定温度とし、ドレイン電圧を６Ｖ、ゲート電圧を−２０Ｖ〜＋２０Ｖまで変化させてＶｇ−Ｉｄ特性を取得した。

図４に示すのは、上記それぞれの温度で測定したＶｇ−Ｉｄ特性を重ね書きしたものであり、図中の矢印で示す右端の曲線が−３０℃、左端が１２０℃で取得した曲線で、その他の温度で取得した曲線は、その間に位置する。オフ電流（Ｉｏｆｆ）は、ゲート電圧が２０Ｖ近傍を除いて、全ての温度で測定機の分解能近傍の１×１０^−１２Ａ以下となっており、温度依存性は殆ど確認できない。すなわち、−３０℃の低温、及び１２０℃の高温においても、オフ電流が１×１０^−１２Ａ以下を維持しており、チャネル幅Ｗが１ｍであることを考慮すると、オフ電流が非常に小さいことがわかる。

なお、測定機には、半導体パラメータ・アナライザ（Ａｇｉｌｅｎｔ ４１５６Ｃ；Ａｇｉｌｅｎｔ社製 分解能（１００ｆＡ））を用いた。

高純度の酸化物半導体（ｐｕｒｉｆｉｅｄ ＯＳ）を用いたトランジスタは、オフ電流の温度依存性がほとんど確認できない。これは、酸化物半導体が高純度化されることによって、導電型が限りなく真性型に近づき、フェルミ準位が禁制帯の中央に位置するため、温度依存性を示さなくなるためと考察される。また、これは、酸化物半導体のエネルギーギャップが３ｅＶ以上であり、熱励起キャリアが極めて少ないことにも起因する。また、ソース領域及びドレイン領域は縮退した状態にあるので、やはり温度依存性が現れない要因となっている。トランジスタの動作は、縮退したソース領域から酸化物半導体に注入されたキャリアによるものがほとんどであり、キャリア密度の温度依存性がないことから上記特性（オフ電流の温度依存性無し）を説明することができる。

（オン電流における活性化エネルギー）
次いで、本実施の形態で作製方法を示すトランジスタのオン電流（Ｉｏｎ）の温度依存性により求めた活性化エネルギーを評価する。活性化エネルギーは、アレニウスプロットにより算出することが知られている。

本実施の形態では、トランジスタのドレイン電圧（Ｖｄ）を一定（具体的には１０Ｖ）とし、ゲート電圧（Ｖｇ）をしきい値電圧（Ｖｔｈ）以上（具体的には、Ｖｇ＝Ｖｔｈ＋１０Ｖ）とした際の、トランジスタのオン電流（Ｉｏｎ）の温度依存性を測定し、そのアレニウスプロットの近似直線の傾きにより活性化エネルギーを算出した。測定の温度範囲は−３０℃乃至１２０℃とした。

なお、活性化エネルギーとトランジスタの温度依存性とには相関関係がある。トランジスタのオン電流における活性化エネルギーが低いことは、アレニウスプロットの傾きが緩やかということであるから、トランジスタのオン状態におけるキャリアの伝導を阻害するバリアハイトが低いことと同義である。すなわち、トランジスタのオン電流における活性化エネルギーが低いことは、熱的にバリアを乗り越えやすく、トランジスタのオン電流の温度依存性が低いことを表す。例えば、オン電流における活性化エネルギーが０ｍｅＶ以上２５ｍｅＶ以下、好ましくは０ｍｅＶ以上２０ｍｅＶ以下であると、キャリアの伝導を阻害するバリアハイトが十分に低く、キャリアが熱的にバリアを乗り越えやすくなるため、オン電流の温度依存性の極めて低いトランジスタとなり、好ましい。

以下では、本実施の形態に係る２種類の薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴ−１、ＴＦＴ−２）と、比較例としてアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）を活性層として用いた薄膜トランジスタ（以下、比較ＴＦＴ−３）を例に説明する。

評価に用いたＴＦＴの作製方法は、以下の通りである。

（ＴＦＴ−１）
ＴＦＴ−１として、チャネル長Ｌが３μｍ、チャネル幅Ｗが２４μｍのチャネルエッチ構造のボトムゲート型トランジスタを作製した。

まず、ガラス基板に、ＧＲＴＡ装置を用いて６５０℃、６分間の熱処理を３回行った。次いで、ガラス基板上に下地膜として、ＣＶＤ法により膜厚１００ｎｍの窒化珪素層を形成し、窒化珪素層上に膜厚１５０ｎｍの酸化窒化珪素層を形成した。続いて、酸化窒化珪素層上にゲート電極としてスパッタ法により膜厚１００ｎｍのタングステン層を形成した後、このタングステン層を選択的にエッチングして、ゲート電極を形成した。

次に、ゲート電極上にゲート絶縁膜としてＣＶＤ法により厚さ１００ｎｍの酸化窒化珪素層を形成した。

次に、ゲート絶縁膜上に、スパッタ法によりＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体ターゲット（モル数比で、Ｉｎ_２Ｏ_３：Ｇａ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝１：１：１）を用いて、厚さ３０ｎｍの酸化物半導体膜を形成した。そして、酸化物半導体膜を選択的にエッチングし、島状の酸化物半導体膜を形成した。

次に、酸化物半導体膜に、ＧＲＴＡ装置を用いて、窒素雰囲気下、６５０℃にて、６分間の第１の加熱処理を行った。

次に、酸化物半導体膜上にソース電極及びドレイン電極を形成するための導電膜としてチタン層（厚さ１００ｎｍ）、アルミニウム層（厚さ２００ｎｍ）、及びチタン層（厚さ１００ｎｍ）の積層を、スパッタ法により形成した。当該導電膜を選択的にエッチングして、ソース電極及びドレイン電極を形成し、薄膜トランジスタのチャネル長Ｌが３μｍ、チャネル幅Ｗが２４μｍとなるようにした。

次いで、窒素雰囲気下で３５０℃１時間の加熱を施した後、酸化物半導体膜に接するように絶縁膜としてスパッタ法により酸化珪素層を膜厚３００ｎｍで形成した。その後、平坦化膜として、アクリル樹脂膜を膜厚１．５μｍで形成した。ここで、酸化珪素層及び平坦化膜を選択的にエッチングし、ソース電極またはドレイン電極上に開口部を形成した。その後、ソース電極またはドレイン電極と電気的に接続する透明導電層としてＩＴＯ層を膜厚１１０ｎｍで形成し、窒素雰囲気下、２５０℃で１時間、熱処理を行った。

以上により、ボトムゲート型のＴＦＴ−１を得た。

（ＴＦＴ−２）
ＴＦＴ−２として、チャネル長Ｌが３μｍ、チャネル幅Ｗが５０μｍのチャネルエッチ構造のボトムゲート型トランジスタを作製した。

ガラス基板上に下地膜として、ＣＶＤ法により膜厚１００ｎｍの窒化珪素層を形成し、窒化珪素層上に膜厚１５０ｎｍの酸化窒化珪素層を形成した。続いて、酸化窒化珪素層上にゲート電極としてスパッタ法により膜厚１００ｎｍのタングステン層を形成した後、このタングステン層を選択的にエッチングして、ゲート電極を形成した。

次に、ゲート電極上にゲート絶縁膜としてＣＶＤ法により厚さ２００ｎｍの酸化窒化珪素層を形成した。

次に、ゲート絶縁膜上に、スパッタ法によりＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体ターゲット（モル数比で、Ｉｎ_２Ｏ_３：Ｇａ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝１：１：１）を用いて、厚さ３０ｎｍの酸化物半導体膜を形成した。そして、酸化物半導体膜を選択的にエッチングし、島状の酸化物半導体膜を形成した。

次に、酸化物半導体膜に、ＧＲＴＡ装置を用いて、窒素雰囲気下、６００℃にて、６分間の第１の加熱処理を行った。

次に、酸化物半導体膜上にソース電極及びドレイン電極を形成するための導電膜としてチタン層（厚さ１００ｎｍ）、アルミニウム層（厚さ２００ｎｍ）、及びチタン層（厚さ１００ｎｍ）の積層を、スパッタ法により形成した。当該導電膜を選択的にエッチングして、ソース電極及びドレイン電極を形成し、薄膜トランジスタのチャネル長Ｌが３μｍ、チャネル幅Ｗが５０μｍとなるようにした。

次いで、酸化物半導体膜に接するように絶縁膜としてスパッタ法により酸化珪素層を膜厚３００ｎｍで形成した。その後、平坦化膜として、アクリル樹脂膜を膜厚１．５μｍで形成し、窒素雰囲気下、２５０℃で１時間、第２の加熱処理を行った。最後に、ソース電極またはドレイン電極と電気的に接続する透明導電層としてＩＴＯ層を膜厚１１０ｎｍで形成した。

以上により、ボトムゲート型のＴＦＴ−２を得た。

（比較ＴＦＴ−３）
比較ＴＦＴ−３として、チャネル長Ｌが３．７μｍ、チャネル幅Ｗが２２μｍのチャネルエッチ構造のボトムゲート型トランジスタを作製した。

ガラス基板上に下地膜として、ＣＶＤ法により膜厚２００ｎｍの酸化窒化珪素層を形成した。続いて、酸化窒化珪素層上にゲート電極としてスパッタ法によりチタン層（厚さ５０ｎｍ）、アルミニウム層（厚さ３８０ｎｍ）、及びチタン層（厚さ１２０ｎｍ）の積層を形成した後、この積層導電膜を選択的にエッチングして、ゲート電極を形成した。

次に、ゲート電極上にゲート絶縁膜としてＣＶＤ法により厚さ２００ｎｍの酸化窒化珪素層を形成し、次いで、ＣＶＤ法により、膜厚２０５ｎｍのアモルファスシリコン層、及び膜厚５０ｎｍのリンが添加されたアモルファスシリコン層の積層よりなる半導体層（以下、ａ−Ｓｉ半導体層とも表記する）を形成した。そして、ａ−Ｓｉ半導体層を選択的にエッチングし、島状のａ−Ｓｉ半導体層を形成した。

次に、ａ−Ｓｉ半導体層上にソース電極及びドレイン電極を形成するための導電膜としてチタン層（厚さ５０ｎｍ）、アルミニウム層（厚さ２００ｎｍ）、及びチタン層（厚さ５０ｎｍ）の積層を、スパッタ法により形成した。当該導電膜を選択的にエッチングして、ソース電極及びドレイン電極を形成し、薄膜トランジスタのチャネル長Ｌが３．７μｍ、チャネル幅Ｗが２２μｍとなるようにした。

次いで、保護絶縁膜としてスパッタ法により窒化珪素層を膜厚３００ｎｍで形成した。

以上によって、ボトムゲート型の比較ＴＦＴ−３を得た。

ＴＦＴ−１、ＴＦＴ−２及び比較ＴＦＴ−３のアレニウスプロットを図５に示す。図５（Ａ）は、比較ＴＦＴ−３のアレニウスプロットを、図５（Ｂ）は、ＴＦＴ−１のアレニウスプロットを、図５（Ｃ）は、ＴＦＴ−２のアレニウスプロットをそれぞれ示す。なお、図５において、縦軸は、ＴＦＴのドレイン電圧（Ｖｄ）を１０Ｖとし、ゲート電圧（Ｖｇ）をしきい値電圧（Ｖｔｈ）＋１０Ｖとした際のソースとドレイン間の電流（ＴＦＴのオン電流（Ｉｏｎ））を示し、横軸は測定した絶対温度の逆数を示す。

また、図５に示したアレニウスプロットの直線の近似式の傾きより、それぞれのＴＦＴの活性化エネルギーを求めた。図６に、それぞれのＴＦＴのＩｏｎにおける活性化エネルギーを示す。

図６より、比較ＴＦＴ−３はＩｏｎにおける活性化エネルギーが７８．５ｍｅＶであるのに対して、本発明の一態様のＴＦＴ−２では、１６．１ｍｅＶ、また本発明の一態様のＴＦＴ−１では６．１５ｍｅＶとその値を格段に低くすることが可能であることがわかる。前述した通り、活性化エネルギーが低いことは、ＴＦＴのオン電流の温度依存性が低いことを表すため、本実施の形態に係るトランジスタは、温度変化によってオン電流がほとんど変化しない極めて安定に動作するトランジスタであることが理解できる。

（トランジスタの作製方法）
次いで、図１に示したボトムゲート型のトランジスタを例に挙げ、半導体装置のさらに詳しい構成及び作製方法について図２を用いて説明する。

図２（Ａ）に示すように、基板１００上にゲート電極１０１を形成する。基板１００は、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、若しくはアルミノシリケートガラスなど、フュージョン法やフロート法で作製される無アルカリガラス基板、セラミック基板の他、本作製工程の処理温度に耐えうる耐熱性を有するプラスチック基板等を用いることができる。また、ステンレス合金などの金属基板の表面に絶縁層を設けた基板を適用しても良い。

基板１００とゲート電極１０１の間に、下地膜となる絶縁膜を形成しておいても良い。下地膜として、例えば、酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜、窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、窒化アルミニウム膜、または窒化酸化アルミニウム膜のいずれか１つを単層で、或いは複数を積層させて用いることができる。特に、下地膜に、バリア性の高い絶縁膜、例えば窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、窒化アルミニウム膜、または窒化酸化アルミニウム膜などを用いることで、水分、または水素などの雰囲気中の不純物、或いは基板１００内に含まれるアルカリ金属、重金属などの不純物が、酸化物半導体膜内、ゲート絶縁膜内、或いは、酸化物半導体膜と他の絶縁膜の界面とその近傍に入り込むのを防ぐことができる。

なお、本明細書において酸化窒化物とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多い物質であり、また、窒化酸化物とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い物質をいう。

ゲート電極１０１の材料は、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、ネオジム、スカンジウム等の金属材料、これら金属材料を主成分とする合金材料を用いた導電膜、或いはこれら金属の窒化物を、単層で又は積層で用いることができる。なお、後の工程において行われる加熱処理の温度に耐えうるのであれば、上記金属材料としてアルミニウム、銅を用いることも出来る。アルミニウムまたは銅は、耐熱性や腐食性の問題を回避するために、高融点金属材料と組み合わせて用いるのが好ましい。高融点金属材料としては、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、ネオジム、スカンジウム等を用いることができる。

例えば、ゲート電極１０１として二層の積層構造を形成する場合、アルミニウム膜上にモリブデン膜が積層された二層の積層構造、または銅膜上にモリブデン膜を積層した二層構造、銅膜上に窒化チタン膜若しくは窒化タンタル膜を積層した二層構造、または、窒化チタン膜とモリブデン膜とを積層した二層構造とすることが好ましい。３層の積層構造を有するゲート電極１０１としては、アルミニウム膜、アルミニウムとシリコンの合金膜、アルミニウムとチタンの合金膜またはアルミニウムとネオジムの合金膜を中間層とし、タングステン膜、窒化タングステン膜、窒化チタン膜またはチタン膜を上下層として積層した構造とすることが好ましい。

ゲート電極１０１の膜厚は、１０ｎｍ〜４００ｎｍ、好ましくは１００ｎｍ〜２００ｎｍとする。本実施の形態では、タングステンターゲットを用いたスパッタ法により１００ｎｍのゲート電極用の導電膜を形成した後、該導電膜をエッチングにより所望の形状に加工（パターニング）することで、ゲート電極１０１を形成する。

次いで、ゲート電極１０１上に、ゲート絶縁膜１０２を形成する。

ゲート絶縁膜１０２は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタ法等を用いて形成することができ、高密度プラズマを用いた成膜処理により形成することが好ましい。高密度なプラズマの発生により、ゲート絶縁膜１０２におけるプラズマダメージを少なくできる。したがって、ゲート絶縁膜１０２中の未結合手を低減して、欠陥を低減させることが可能となり、この後形成される酸化物半導体との界面を極めて良好にすることができる。なお、ゲート絶縁膜１０２は、水分や、水素、酸素などの不純物を極力含まないことが望ましい。

ゲート絶縁膜１０２を形成する材料としては、酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜、または窒化酸化珪素膜を、単層で、或いは積層させて形成することができる。例えば、成膜ガスとして、シラン及び一酸化窒素を用いて酸化窒化珪素膜よりなるゲート絶縁膜１０２を成膜することができる。ゲート絶縁膜１０２の膜厚は、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下とし、積層の場合は、例えば、膜厚５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の第１のゲート絶縁膜と、第１のゲート絶縁膜上に膜厚５ｎｍ以上３００ｎｍ以下の第２のゲート絶縁膜とを積層させた構成とする。

また、基板１００側から酸化珪素膜または酸化窒化珪素膜等の酸化膜と、窒化珪素膜または窒化酸化珪素膜等の窒化膜と、の順に積層して形成することができる。また、基板側から窒化珪素膜または窒化酸化珪素膜と、酸化珪素膜または酸化窒化珪素膜と、窒化珪素膜または窒化酸化珪素膜と、の順に積層して形成することができる。

本実施の形態では、高密度プラズマとして２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いたプラズマＣＶＤにより膜厚１００ｎｍの酸化窒化珪素膜をゲート絶縁膜１０２として形成する。なお、本明細書において、マイクロ波とは３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚの周波数域を指す。

次いで、ゲート絶縁膜１０２上に酸化物半導体膜を形成する。酸化物半導体膜は、酸化物半導体をターゲットとして用い、スパッタ法により成膜する。また、酸化物半導体膜の成膜雰囲気は、希ガス（例えばアルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、又は希ガス（例えばアルゴン）及び酸素を含む雰囲気下とすることができる。

なお、酸化物半導体膜をスパッタ法により成膜する前に、アルゴンガスを導入してプラズマを発生させる逆スパッタを行い、ゲート絶縁膜１０２の表面に付着しているゴミを除去することが好ましい。逆スパッタとは、ターゲット側に電圧を印加せずに、アルゴン雰囲気下で基板側にＲＦ電源を用いて電圧を印加して基板近傍にプラズマを形成して表面を改質する方法である。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウムなどを用いてもよい。また、アルゴン雰囲気に酸素、亜酸化窒素などを加えた雰囲気で行ってもよい。また、アルゴン雰囲気に塩素、四フッ化炭素などを加えた雰囲気で行ってもよい。

酸化物半導体膜としては、四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜や、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系や、二元系金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ膜や、Ｉｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ｏ膜、Ｚｎ−Ｏ膜などを用いることができる。また、上記酸化物半導体膜にＳｉＯ_２を含んでもよい。なお、ここで、例えば、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜とは、インジウム（Ｉｎ）、錫（Ｓｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）を有する酸化物膜、という意味であり、その化学量論比はとくに問わない。

また、酸化物半導体膜は、ＩｎＭＯ_３（ＺｎＯ）_ｍ（ｍ＞０）で表記される薄膜を用いることができる。ここで、Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、ＭｎおよびＣｏから選ばれた一または複数の金属元素を示す。例えばＭとして、Ｇａ、Ｇａ及びＡｌ、Ｇａ及びＭｎ、またはＧａ及びＣｏなどがある。

酸化物半導体膜の膜厚は、１０ｎｍ乃至３００ｎｍ、好ましくは２０ｎｍ乃至１００ｎｍとする。本実施の形態では、酸化物半導体膜としてＩｎ（インジウム）、Ｇａ（ガリウム）、及びＺｎ（亜鉛）を含む酸化物半導体ターゲット（例えば、モル数比がＩｎ_２Ｏ_３：Ｇａ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝１：１：１、または、Ｉｎ_２Ｏ_３：Ｇａ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝１：１：２）を用いたスパッタ法により得られる、膜厚３０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系膜を用いる。また、本実施の形態では、成膜方法にＤＣスパッタ法を用い、アルゴンの流量３０ｓｃｃｍとし、酸素の流量１５ｓｃｃｍとし、基板温度は室温とする。

なお、ゲート絶縁膜１０２及び酸化物半導体膜を大気に触れさせることなく連続的に形成してもよい。大気に触れさせることなく連続成膜することで、大気成分や大気中に浮遊する水やハイドロカーボンなどの不純物元素による、ゲート絶縁膜１０２と酸化物半導体膜の界面の汚染を防止することができるため、トランジスタ特性のばらつきを低減することができる。

次いで、図２（Ａ）に示すように、酸化物半導体膜をエッチングなどにより所望の形状に加工（パターニング）し、ゲート電極１０１と重なる位置であって、ゲート絶縁膜１０２上に島状の酸化物半導体膜１０３を形成する。

次いで、不活性ガス雰囲気（窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等）下において、酸化物半導体膜１０３に第１の加熱処理を施す。酸化物半導体膜１０３に加熱処理を施すことで、水（水酸基を含む）、水素が脱離した酸化物半導体膜１０４が形成される（図２（Ｂ））。具体的には、不活性ガス雰囲気（窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等）下において、４５０℃以上７５０℃以下（若しくはガラス基板の歪点以下の温度）で１分間以上１０分間以下の加熱処理を行う。なお、この工程は、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）法による加熱処理によってもよい。ＲＴＡ法を用いれば、短時間に脱水化または脱水素化が行えるため、ガラス基板の歪点を超える温度でも処理することができる。ＲＴＡ法には、加熱した気体を用いるＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）法またはランプ光を用いるＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）法などがある。なお、上記加熱処理は、島状の酸化物半導体膜１０３形成後のタイミングに限らず、島状の酸化物半導体膜１０３形成前の酸化物半導体膜に対して行っても良い。また、上記加熱処理を、酸化物半導体膜形成後に複数回行っても良い。

このような第１の加熱処理によって酸化物半導体膜１０３中の水（水酸基を含む）や水素などを除去することができる。よって不純物を低減し、Ｉ型化または実質的にＩ型化された酸化物半導体膜１０４を形成することができる。

本実施の形態では、窒素雰囲気下において、６５０℃、基板温度が上記設定温度に達した状態で６分間、加熱処理を行う。例えば、電気炉を用いて加熱処理を行う場合、昇温特性を０．１℃／ｍｉｎ以上２０℃／ｍｉｎ以下、降温特性を０．１℃／ｍｉｎ以上１５℃／ｍｉｎ以下とすることが好ましい。

なお、加熱処理においては、ヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガス、または窒素に、水分、水素などが含まれないことが好ましい。または、加熱処理装置に導入するヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガス、または窒素の純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上、（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。

或いは、窒素または希ガスなどの不活性雰囲気に代えて、大気圧下の露点がマイナス６０℃以下の、水分含有量が少ない空気下において、加熱処理を行うようにしても良い。

不活性ガス雰囲気下における加熱処理後の島状の酸化物半導体膜１０４は、非晶質であることが好ましいが、一部結晶化していても良い。

次いで、図２（Ｃ）に示すように、島状の酸化物半導体膜１０４上に、ソース電極及びドレイン電極用の導電膜１０５を単層で、又は積層させて形成する。導電膜１０５は、スパッタ法をはじめとするＰＶＤ法や、プラズマＣＶＤ法などのＣＶＤ法を用いて形成することができる。また、導電膜１０５は、チタン、マグネシウム、イットリウム、アルミニウム、タングステン、モリブデンなどから選ばれた元素や、上述した元素を成分とする合金等を用いて形成することができる。また、酸化インジウム、酸化インジウム酸化スズ合金、酸化インジウム酸化亜鉛合金、酸化亜鉛、酸化亜鉛アルミニウム、酸窒化亜鉛アルミニウム、または酸化亜鉛ガリウム等の透光性を有する酸化物導電膜を用いても良い。透光性を有する酸化物導電膜を用いることで、画素の開口率を向上させることができる。

なお、導電膜１０５の膜厚は、１００ｎｍ乃至５００ｎｍとすればよい。本実施の形態では、酸化物半導体膜１０４上に、スパッタ法で形成された膜厚１００ｎｍのチタン膜、スパッタ法で形成された膜厚２００ｎｍのアルミニウム膜、スパッタ法で形成された膜厚１００ｎｍのチタン膜を順に積層し、３層の積層構造よりなる導電膜１０５を形成する。

次いで、図２（Ｄ）に示すように、エッチング等により導電膜１０５を所望の形状に加工（パターニング）することで、ソース電極１０６、ドレイン電極１０７を形成する。

導電膜１０５のエッチングの際には、島状の酸化物半導体膜１０４が除去されないように材料及びエッチング条件を適宜調節する。なお、材料及びエッチング条件によっては、パターニングによりソース電極１０６とドレイン電極１０７を形成する際に、島状の酸化物半導体膜１０４の露出した部分が一部エッチングされることで、溝部（凹部）を有する島状の酸化物半導体膜１０８が形成されることもある。

ソース電極１０６、ドレイン電極１０７を形成した後は、ソース電極１０６、ドレイン電極１０７及び酸化物半導体膜１０８を覆うように絶縁膜１０９を形成する（図２（Ｅ））。絶縁膜１０９は、水分や、水素等の不純物を極力含まないことが望ましく、単層の絶縁膜であっても良いし、積層された複数の絶縁膜で構成されていても良い。複数の積層された絶縁膜を用いる場合、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの絶縁膜を、酸化物半導体膜１０８に接して形成し、次いで、当該絶縁膜よりも窒素の比率が高い、窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、窒化アルミニウム膜、又は窒化酸化アルミニウム膜などのバリア性の高い絶縁膜を形成するのが好ましい。バリア性の高い絶縁膜を用いることで、酸化物半導体膜１０８内、ゲート絶縁膜１０２内、或いは、酸化物半導体膜１０８と他の絶縁膜の界面とその近傍に、水分または水素などの不純物が入り込むのを防ぐことができる。また、酸化物半導体膜１０８に接するように窒素の比率が低い酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜などの絶縁膜を形成することで、バリア性の高い材料を用いた絶縁膜が直接酸化物半導体膜１０８に接するのを防ぐことができる。成膜時の基板温度は、室温以上３００℃以下とすればよい。

なお、絶縁膜１０９の膜厚は特に限定されないが、例えば１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることができる。

本実施の形態では、絶縁膜１０９として、スパッタ法で形成された膜厚３００ｎｍの酸化珪素膜を形成する。酸化珪素膜のスパッタ法による成膜は、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、または希ガス（代表的にはアルゴン）及び酸素雰囲気下において行うことができる。また、ターゲットとして酸化珪素ターゲットまたは珪素ターゲットを用いることができる。例えば、珪素ターゲットを用いて、酸素、及び希ガス雰囲気下でスパッタリング法により酸化珪素を形成することができる。

次いで、不活性ガス（窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等）雰囲気下で第２の加熱処理（好ましくは２００℃以上４００℃以下、例えば２５０℃以上３５０℃以下）を行う。例えば、窒素雰囲気下で２５０℃、１時間の第２の加熱処理を行う。または、第１の加熱処理と同様に高温短時間のＲＴＡ処理を行っても良い。第２の加熱処理を行うと、酸化物半導体膜１０８が絶縁膜１０９を構成する酸化物と接した状態で加熱されることになり、第１の加熱処理で低抵抗化された酸化物半導体膜１０８に酸素が供与され、酸素欠損部を補償するため、酸化物半導体膜１０８を高抵抗化（Ｉ型化）することができる。したがって、トランジスタの電気特性の向上および、電気特性のばらつきを軽減することができる。この加熱処理を行うタイミングは、絶縁膜１０９の形成後であれば特に限定されず、他の工程と兼ねることで、工程数を増やすことなく行うことができる。

さらに大気中、１００℃以上２００℃以下、１時間以上３０時間以下での加熱処理を行ってもよい。この加熱処理は一定の加熱温度を保持して加熱してもよいし、室温から、１００℃以上２００℃の加熱温度への昇温と、加熱温度から室温までの降温を複数回くりかえして行ってもよい。また、この加熱処理を、絶縁膜１０９の形成前に、減圧下で行ってもよい。減圧下で加熱処理を行うと、加熱時間を短縮することができる。この加熱処理によって、ノーマリーオフとなるトランジスタを得ることができる。よって半導体装置の信頼性を向上できる。

以上の工程で、水素、水分、水酸基又は水素化物の濃度が低減された酸化物半導体膜１０８を有するトランジスタ１１０を形成することができる。

なお、図示しないが、絶縁膜１０９上に導電膜を形成し、該導電膜をパターニングすることで、酸化物半導体膜１０８と重なる位置にバックゲート電極を形成しても良い。バックゲート電極は、ゲート電極１０１、或いはソース電極１０６及びドレイン電極１０７と同様の材料、構造を用いて形成することが可能である。バックゲート電極の膜厚は、１０ｎｍ〜４００ｎｍ、好ましくは１００ｎｍ〜２００ｎｍとすることができる。

バックゲート電極は、電気的に絶縁しているフローティングの状態であっても良いし、電位が与えられる状態であっても良い。後者の場合、バックゲート電極には、ゲート電極１０１と同じ高さの電位が与えられていても良いし、グラウンドなどの固定電位が与えられていても良い。バックゲート電極に与える電位の高さを制御することで、トランジスタ１１０の閾値電圧を制御することができる。

以上に示した本実施の形態の作製方法により、オン電流における活性化エネルギーが０ｍｅＶ以上２５ｍｅＶ以下、好ましくは０ｍｅＶ以上２０ｍｅＶ以下と、極めて信頼性の高いトランジスタを得ることができる。また、本実施の形態のトランジスタは、オフ電流が１０^−１３Ａ以下であるという優れた電気特性が得られる。このように、酸化物半導体中の不純物が極力含まれないように高純度化することにより、トランジスタの動作を良好なものとすることができる。さらに温度依存性が低く、低温下または高温下でも安定して動作可能なトランジスタを形成することができる。

なお、本実施の形態では、ボトムゲート型のトランジスタ１１０の作製方法について説明したが、本実施の形態の構成はこれに限られるものではない。図３（Ａ）に示すような、ボトムゲート構造のボトムコンタクト型（逆コプラナ型とも呼ぶ）のトランジスタ１６０や、図３（Ｂ）に示すような、チャネル保護層１１３を有するチャネル保護型（チャネルストップ型ともいう）のトランジスタ１７０等も同様の材料、方法を用いて形成することができる。図３（Ｃ）は、チャネルエッチ型のトランジスタの他の例を示している。図３（Ｃ）に示すトランジスタ１８０は、ゲート電極１０１が酸化物半導体膜１０８の端部よりも外側に伸びた構造となっている。

なお、トランジスタのチャネル長（図１（Ｂ）中のＬ）は、ソース電極１０６とドレイン電極１０７との距離で定義されるが、チャネル保護型のトランジスタのチャネル長Ｌは、キャリアの流れる方向と平行な方向のチャネル保護層の幅（図３（Ｂ）中のＬ）で定義される。なお、チャネル保護層１１３は、絶縁膜１０９と同様の材料、方法を用いて形成することが可能である。チャネル形成領域上にチャネル保護層１１３を設けることによって、酸化物半導体膜のチャネル形成領域に対する工程時におけるダメージ（エッチング時のプラズマやエッチング剤による膜減りなど）を防ぐことができるため、トランジスタの信頼性をより向上させることができる。

図３で示すトランジスタは、図２と同様の作製工程により作製することができる。すなわち、第１の加熱処理により、ｎ型不純物である水素を酸化物半導体から除去し、第２の加熱処理により、欠損部に酸素を導入することで、酸化物半導体の主成分以外の不純物が極力含まれないように高純度化することにより真性化（Ｉ型化）、又は実質的に真性化している。

本実施の形態で示すトランジスタは、不純物を添加してＩ型化するのでなく、水素や水等の不純物を極力除去したことにより、高純度化されたＩ型（真性半導体）又はそれに近づける。酸化物半導体膜を高純度化することにより、トランジスタのしきい値電圧値をプラスとすることができ、所謂ノーマリーオフのトランジスタを実現できる。

このように、Ｉ型化または実質的にＩ型化された酸化物半導体（例えば、キャリア密度が１×１０^１２／ｃｍ^３未満、さらに望ましくは、１．４５×１０^１０／ｃｍ^３未満）を用いることで、極めて優れたオフ電流特性のトランジスタを得ることが可能である。また、オン電流の温度依存性により求められる活性化エネルギーが極めて低いトランジスタを得ることが可能である。

なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。

（実施の形態２）
実施の形態１に示すトランジスタを作製し、該トランジスタを画素部、さらには駆動回路に用いて表示機能を有する半導体装置（表示装置ともいう）を作製することができる。また、実施の形態１に示すトランジスタを駆動回路の一部または全体を、画素部と同じ基板上に一体形成し、システムオンパネルを形成することができる。

表示装置は表示素子を含む。表示素子としては液晶素子（液晶表示素子ともいう）、発光素子（発光表示素子ともいう）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（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）、有機ＥＬ等が含まれる。また、電子インクなど、電気的作用によりコントラストが変化する表示媒体も適用することができる。

また、表示装置は、表示素子が封止された状態にあるパネルと、該パネルにコントローラを含むＩＣ等を実装した状態にあるモジュールとを含む。さらに、該表示装置を作製する過程における、表示素子が完成する前の一形態に相当する素子基板に関し、該素子基板は、電流を表示素子に供給するための手段を複数の各画素に備える。素子基板は、具体的には、表示素子の画素電極のみが形成された状態であっても良いし、画素電極となる導電膜を成膜した後であって、エッチングして画素電極を形成する前の状態であっても良いし、あらゆる形態があてはまる。

なお、本明細書中における表示装置とは、画像表示デバイス、表示デバイス、もしくは光源（照明装置含む）を指す。また、コネクター、例えばＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）もしくはＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）テープもしくはＴＣＰ（Ｔａｐｅ Ｃａｒｒｉｅｒ Ｐａｃｋａｇｅ）が取り付けられたモジュール、ＴＡＢテープやＴＣＰの先にプリント配線板が設けられたモジュール、または表示素子にＣＯＧ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）方式によりＩＣ（集積回路）が直接実装されたモジュールも全て表示装置に含むものとする。

本実施の形態では、半導体装置の一形態に相当する液晶表示パネルの外観及び断面について、図１１を用いて説明する。図１１は、第１の基板４００１上に形成された実施の形態１で示したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系膜を酸化物半導体膜として含む信頼性の高いトランジスタ４０１０、４０１１、及び液晶素子４０１３を、第２の基板４００６との間にシール材４００５によって封止した、パネルの上面図であり、図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ１）または（Ａ２）のＭ−Ｎにおける断面図に相当する。

第１の基板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４００４の上に第２の基板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、第１の基板４００１とシール材４００５と第２の基板４００６とによって、液晶層４００８と共に封止されている。また第１の基板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、別途用意された基板上に単結晶半導体膜又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。

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方法、ワイヤボンディング方法、或いはＴＡＢ方法などを用いることができる。図１１（Ａ１）は、ＣＯＧ方法により信号線駆動回路４００３を実装する例であり、図１１（Ａ２）は、ＴＡＢ方法により信号線駆動回路４００３を実装する例である。

また第１の基板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おり、図１１（Ｂ）では、画素部４００２に含まれるトランジスタ４０１０と、走査線駆動回路４００４に含まれるトランジスタ４０１１とを例示している。トランジスタ４０１０、４０１１上には絶縁層４０２０、４０２１が設けられている。

絶縁層４０２０上において画素部のトランジスタ４０１０及び駆動回路部のトランジスタ４０１１の酸化物半導体膜のチャネル形成領域と重なる位置に導電層４０４２、４０４３が設けられていてもよい。導電層４０４２、４０４３を酸化物半導体膜のチャネル形成領域と重なる位置に設けることによって、ＢＴ試験前後におけるトランジスタ４０１０、４０１１のしきい値電圧の変化量を低減することができる。また、導電層４０４２、４０４３は、電位がトランジスタ４０１０、４０１１のゲート電極と同じでもよいし、異なっていても良く、第２のゲート電極として機能させることもできる。また、導電層４０４２、４０４３の電位がＧＮＤ、０Ｖ、或いはフローティング状態であってもよい。なお、導電層４０４２、４０４３は、トランジスタ４０１０、４０１１のゲート電極と同じ材料で作製することができる。

トランジスタ４０１０、４０１１は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系膜を酸化物半導体膜として含む信頼性の高い実施の形態１に示すトランジスタを適用することができる。本実施の形態において、トランジスタ４０１０、４０１１はｎチャネル型薄膜トランジスタである。

また、液晶素子４０１３が有する画素電極層４０３０は、トランジスタ４０１０と電気的に接続されている。そして液晶素子４０１３の対向電極層４０３１は第２の基板４００６上に形成されている。画素電極層４０３０と対向電極層４０３１と液晶層４００８とが重なっている部分が、液晶素子４０１３に相当する。なお、画素電極層４０３０、対向電極層４０３１はそれぞれ配向膜として機能する絶縁層４０３２、４０３３が設けられ、絶縁層４０３２、４０３３を介して液晶層４００８を挟持している。なお、図示はしていないが、カラーフィルタは第１の基板４００１または第２の基板４００６のどちら側に設けても良い。

なお、第１の基板４００１、第２の基板４００６としては、ガラス、金属（代表的にはステンレス）、セラミックス、プラスチックを用いることができる。プラスチックとしては、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒｇｌａｓｓ−Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）板、ＰＶＦ（ポリビニルフルオライド）フィルム、ポリエステルフィルム、またはアクリル樹脂フィルムを用いることができる。また、アルミニウムホイルをＰＶＦフィルムやポリエステルフィルムで挟んだ構造のシートを用いることもできる。

また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、画素電極層４０３０と対向電極層４０３１との間の距離（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良い。また、対向電極層４０３１は、トランジスタ４０１０と同一基板上に設けられる共通電位線と電気的に接続される。共通接続部を用いて、一対の基板間に配置される導電性粒子を介して対向電極層４０３１と共通電位線とを電気的に接続することができる。なお、導電性粒子はシール材４００５に含有させる。

また、配向膜を用いないブルー相を示す液晶を用いてもよい。ブルー相は液晶相の一つであり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリック相から等方相へ転移する直前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発現しないため、温度範囲を改善するために５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４００８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１０μｓｅｃ．以上１００μｓｅｃ．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。

なお本実施の形態は透過型液晶表示装置の例であるが、本発明は反射型液晶表示装置でも半透過型液晶表示装置でも適用できる。

また、本実施の形態の液晶表示装置では、基板の外側（視認側）に偏光板を設け、内側に着色層、表示素子に用いる電極層という順に設ける例を示すが、偏光板は基板の内側に設けてもよい。また、偏光板と着色層の積層構造も本実施の形態に限定されず、偏光板及び着色層の材料や作製工程条件によって適宜設定すればよい。また、ブラックマトリクスとして機能する遮光膜を設けてもよい。

また、本実施の形態では、薄膜トランジスタの表面凹凸を低減するため、及び薄膜トランジスタの信頼性を向上させるため、実施の形態１で得られた薄膜トランジスタを保護膜や平坦化絶縁膜として機能する絶縁層（絶縁層４０２０、絶縁層４０２１）で覆う構成となっている。なお、保護膜は、大気中に浮遊する有機物や金属物、水蒸気などの汚染不純物の侵入を防ぐためのものであり、緻密な膜が好ましい。保護膜は、スパッタ法を用いて、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、又は窒化酸化アルミニウム膜の単層、又は積層で形成すればよい。本実施の形態では保護膜をスパッタ法で形成する例を示すが、特に限定されず種々の方法で形成すればよい。

ここでは、保護膜として積層構造の絶縁層４０２０を形成する。ここでは、絶縁層４０２０の一層目として、スパッタ法を用いて酸化シリコン膜を形成する。保護膜として酸化シリコン膜を用いると、ソース電極層及びドレイン電極層として用いるアルミニウム膜のヒロック防止に効果がある。

また、保護膜の二層目として絶縁層を形成する。ここでは、絶縁層４０２０の二層目として、スパッタ法を用いて窒化シリコン膜を形成する。保護膜として窒化シリコン膜を用いると、ナトリウム等の可動イオンが半導体領域中に侵入して、ＴＦＴの電気特性を変化させることを抑制することができる。

また、保護膜を形成した後に、酸化物半導体膜のアニール（３００℃以上４００℃以下）を行ってもよい。

また、平坦化絶縁膜として絶縁層４０２１を形成する。絶縁層４０２１としては、アクリル、ポリイミド、ベンゾシクロブテン、ポリアミド、エポキシ等の、耐熱性を有する有機材料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、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、絶縁層４０２１を形成してもよい。

なおシロキサン系樹脂とは、シロキサン系材料を出発材料として形成されたＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む樹脂に相当する。シロキサン系樹脂は置換基として、有機基（例えばアルキル基やアリール基）やフルオロ基を有していても良い。また、有機基はフルオロ基を有していても良い。

絶縁層４０２１の形成法は、特に限定されず、その材料に応じて、スパッタ法、ＳＯＧ法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法、スクリーン印刷、オフセット印刷等）、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイフコーター等を用いることができる。絶縁層４０２１を材料液を用いて形成する場合、ベークする工程で同時に、酸化物半導体膜のアニール（３００℃以上４００℃以下）を行ってもよい。絶縁層４０２１の焼成工程と酸化物半導体膜のアニールを兼ねることで効率よく半導体装置を作製することが可能となる。

画素電極層４０３０、対向電極層４０３１は、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物（以下、ＩＴＯと示す。）、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有する導電性材料を用いることができる。

また、画素電極層４０３０、対向電極層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。導電性組成物を用いて形成した画素電極は、シート抵抗が１００００Ω／□以下、波長５５０ｎｍにおける透光率が７０％以上であることが好ましい。また、導電性組成物に含まれる導電性高分子の抵抗率が０．１Ω・ｃｍ以下であることが好ましい。

導電性高分子としては、いわゆるπ電子共役系導電性高分子が用いることができる。例えば、ポリアニリンまたはその誘導体、ポリピロールまたはその誘導体、ポリチオフェンまたはその誘導体、若しくはこれらの２種以上の共重合体などがあげられる。

また別途形成された信号線駆動回路４００３と、走査線駆動回路４００４または画素部４００２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ４０１８から供給されている。

本実施の形態では、接続端子電極４０１５が、液晶素子４０１３が有する画素電極層４０３０と同じ導電膜から形成され、端子電極４０１６は、トランジスタ４０１０、４０１１のソース電極層及びドレイン電極層と同じ導電膜で形成されている。

接続端子電極４０１５は、ＦＰＣ４０１８が有する端子と、異方性導電膜４０１９を介して電気的に接続されている。

また図１１においては、信号線駆動回路４００３を別途形成し、第１の基板４００１に実装している例を示しているが、本実施の形態は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良いし、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良い。

図１２は、実施の形態１に示すＴＦＴを適用して作製されるＴＦＴ基板２６００を用いて半導体装置として液晶表示モジュールを構成する一例を示している。

図１２は液晶表示モジュールの一例であり、ＴＦＴ基板２６００と対向基板２６０１がシール材２６０２により固着され、その間にＴＦＴ等を含む画素部２６０３、液晶層を含む表示素子２６０４、着色層２６０５が設けられている。また、対向基板２６０１上（ＴＦＴ基板２６００の逆側）には、偏光板２６０６が設けられ表示領域を形成している。着色層２６０５はカラー表示を行う場合に必要であり、ＲＧＢ方式の場合は、赤、緑、青の各色に対応した着色層が各画素に対応して設けられている。ＴＦＴ基板２６００と対向基板２６０１の外側には偏光板２６０６、偏光板２６０７、拡散板２６１３が配設されている。光源は冷陰極管２６１０と反射板２６１１により構成され、回路基板２６１２は、フレキシブル配線基板２６０９によりＴＦＴ基板２６００の配線回路部２６０８と接続され、コントロール回路や電源回路などの外部回路が組みこまれている。また偏光板と、液晶層との間に位相差板を有した状態で積層してもよい。

液晶表示モジュールには、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ Ｆｉｅｌｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＭＶＡ（Ｍｕｌｔｉ−ｄｏｍａｉｎ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ａｌｉｇｎｅｄ Ｍｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）などを用いることができる。

以上の工程により、半導体装置として信頼性の高い液晶表示パネルを作製することができる。特に、実施の形態１で示したように広い温度範囲にわたって安定した特性の得られるトランジスタを使用しているので、本実施の形態で得られる液晶表示パネルは広い温度範囲にわたって、使用することができ、例えば、車載用表示装置として用いるのに好適である。

なお、本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示した構成を適宜組み合わせて用いることができることとする。

（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態１に示すトランジスタを適用した半導体装置として電子ペーパーの例を示す。

図１３は、半導体装置の例としてアクティブマトリクス型の電子ペーパーを示す。半導体装置に用いられるトランジスタ５８１としては、実施の形態１で示すトランジスタを適用することができる。

図１３の電子ペーパーは、ツイストボール表示方式を用いた表示装置の例である。ツイストボール表示方式とは、白と黒に塗り分けられた球形粒子を表示素子に用いる電極層である第１の電極層及び第２の電極層の間に配置し、第１の電極層及び第２の電極層に電位差を生じさせての球形粒子の向きを制御することにより、表示を行う方法である。

トランジスタ５８１はボトムゲート構造のトランジスタであり、絶縁層５８５に形成された開口において、トランジスタ５８１のソース電極層又はドレイン電極層と、第１の電極層５８７と、が、接して電気的に接続している。第１の電極層５８７と第２の電極層５８８との間には黒色領域５９０ａ及び白色領域５９０ｂを有し、周りに液体で満たされているキャビティ５９４を含む球形粒子５８９が設けられており、球形粒子５８９の周囲は樹脂等の充填材５９５で充填されている。本実施の形態においては、第１の電極層５８７が画素電極に相当し、第２の電極層５８８が共通電極に相当する。第２の電極層５８８は、トランジスタ５８１と同一基板上に設けられる共通電位線と電気的に接続される。共通接続部を用いて、一対の基板間に配置される導電性粒子を介して第２の電極層５８８と共通電位線とを電気的に接続することができる。

また、ツイストボールの代わりに、電気泳動素子を用いることも可能である。透明な液体と、正に帯電した白い微粒子と負に帯電した黒い微粒子とを封入した直径１０μｍ以上２００μｍ以下程度のマイクロカプセルを用いる。第１の電極層と第２の電極層との間に設けられるマイクロカプセルは、第１の電極層と第２の電極層によって、電場が与えられると、白い微粒子と、黒い微粒子が逆の方向に移動し、白または黒を表示することができる。この原理を応用した表示素子が電気泳動表示素子であり、一般的に電子ペーパーとよばれている。電気泳動表示素子は、液晶表示素子に比べて反射率が高いため、補助ライトは不要であり、また消費電力が小さく、薄暗い場所でも表示部を認識することが可能である。また、表示部に電源が供給されない場合であっても、一度表示した像を保持することが可能であるため、電波発信源から表示機能付き半導体装置（単に表示装置、又は表示装置を具備する半導体装置ともいう）を遠ざけた場合であっても、表示された像を保存しておくことが可能となる。

以上の工程により、半導体装置として信頼性の高い電子ペーパーを作製することができる。

なお、本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示した構成を適宜組み合わせて用いることができることとする。

（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態１に示すトランジスタを適用した半導体装置として発光表示装置の例を示す。表示装置の有する表示素子としては、ここではエレクトロルミネッセンスを利用する発光素子を用いて示す。エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子は、発光材料が有機化合物であるか、無機化合物であるかによって区別され、一般的に、前者は有機ＥＬ素子、後者は無機ＥＬ素子と呼ばれている。

有機ＥＬ素子は、発光素子に電圧を印加することにより、一対の電極から電子および正孔がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして、それらキャリア（電子および正孔）が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このような発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。

無機ＥＬ素子は、その素子構成により、分散型無機ＥＬ素子と薄膜型無機ＥＬ素子とに分類される。分散型無機ＥＬ素子は、発光材料の粒子をバインダ中に分散させた発光層を有するものであり、発光メカニズムはドナー準位とアクセプター準位を利用するドナー−アクセプター再結合型発光である。薄膜型無機ＥＬ素子は、発光層を誘電体層で挟み込み、さらにそれを電極で挟んだ構造であり、発光メカニズムは金属イオンの内殻電子遷移を利用する局在型発光である。なお、ここでは、発光素子として有機ＥＬ素子を用いて説明する。

図１４は、本発明を適用した半導体装置の例としてデジタル時間階調駆動を適用可能な画素構成の一例を示す図である。デジタル時間階調駆動をおこなうには、アナログ階調駆動よりも高速のスイッチングが求められ、この点で、アモルファスシリコンを用いた薄膜トランジスタは使用できなかった。しかしながら、酸化物半導体、特に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体は、電界効果移動度が１０ｃｍ^２／Ｖｓ以上であるので、この目的には望ましい。

デジタル時間階調駆動を適用可能な画素の構成及び画素の動作について説明する。ここでは、実施の形態１で示した、酸化物半導体膜（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系膜）をチャネル形成領域に用いるｎチャネル型のトランジスタを、１つの画素に２つ用いる例を示す。

画素６４００は、スイッチング用トランジスタ６４０１、駆動用トランジスタ６４０２、発光素子６４０４及び容量素子６４０３を有している。スイッチング用トランジスタ６４０１はゲートが走査線６４０６に接続され、第１電極（ソース電極及びドレイン電極の一方）が信号線６４０５に接続され、第２電極（ソース電極及びドレイン電極の他方）が駆動用トランジスタ６４０２のゲートに接続されている。駆動用トランジスタ６４０２は、ゲートが容量素子６４０３を介して電源線６４０７に接続され、第１電極が電源線６４０７に接続され、第２電極が発光素子６４０４の第１電極（画素電極）に接続されている。発光素子６４０４の第２電極は共通電極６４０８に相当する。共通電極６４０８は、同一基板上に形成される共通電位線と電気的に接続される。その接続部分を共通接続部とすればよい。

なお、発光素子６４０４の第２電極（共通電極６４０８）には低電源電位が設定されている。なお、低電源電位とは、電源線６４０７に設定される高電源電位を基準にして低電源電位＜高電源電位を満たす電位であり、低電源電位としては例えばＧＮＤ、０Ｖなどが設定されていても良い。この高電源電位と低電源電位との電位差を発光素子６４０４に印加して、発光素子６４０４に電流を流して発光素子６４０４を発光させるため、高電源電位と低電源電位との電位差が発光素子６４０４の順方向しきい値電圧以上となるようにそれぞれの電位を設定する。

なお、容量素子６４０３は駆動用トランジスタ６４０２のゲート容量を代用して省略することも可能である。特に、実施の形態１で示したように、極めてオフ電流の低いトランジスタを用いるのであるから、容量素子６４０３を設けなくとも、多くの場合は表示性能に問題はない。なお、駆動用トランジスタ６４０２のゲート容量については、チャネル領域とゲート電極との間で容量が形成されていてもよい。

ここで、電圧入力電圧駆動方式の場合には、駆動用トランジスタ６４０２のゲートには、駆動用トランジスタ６４０２が十分にオンするか、オフするかの二つの状態となるようなビデオ信号を入力する。つまり、駆動用トランジスタ６４０２は線形領域で動作させる。駆動用トランジスタ６４０２は線形領域で動作させるため、電源線６４０７の電圧よりも高い電圧を駆動用トランジスタ６４０２のゲートにかける。なお、信号線６４０５には、（電源線電圧＋駆動用トランジスタ６４０２のＶｔｈ）以上の電圧をかける。

また、デジタル時間階調駆動に代えて、アナログ階調駆動を行う場合も信号の入力を異ならせることで、図１４と同じ画素構成を用いることができる。

アナログ階調駆動を行う場合、駆動用トランジスタ６４０２のゲートに発光素子６４０４の順方向電圧＋駆動用トランジスタ６４０２のＶｔｈ以上の電圧をかける。発光素子６４０４の順方向電圧とは、所望の輝度とする場合の電圧を指しており、少なくとも順方向しきい値電圧を含む。なお、駆動用トランジスタ６４０２が飽和領域で動作するようなビデオ信号を入力することで、発光素子６４０４に電流を流すことができる。駆動用トランジスタ６４０２を飽和領域で動作させるため、電源線６４０７の電位は、駆動用トランジスタ６４０２のゲート電位よりも高くする。ビデオ信号をアナログとすることで、発光素子６４０４にビデオ信号に応じた電流を流し、アナログ階調駆動を行うことができる。

なお、図１４に示す画素構成は、これに限定されない。例えば、図１４に示す画素に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、トランジスタ又は論理回路などを追加してもよい。

次に、発光素子の構成について、図１５を用いて説明する。ここでは、駆動用トランジスタがｎ型の場合を例に挙げて、画素の断面構造について説明する。図１５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）の半導体装置に用いられる駆動用トランジスタであるトランジスタ７００１、７０１１、７０２１は、実施の形態１で示すトランジスタと同様に作製でき、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系膜を酸化物半導体膜として含む信頼性の高いトランジスタである。

発光素子は発光を取り出すために少なくとも陽極又は陰極の一方が透明であればよい。そして、基板上にトランジスタ及び発光素子を形成し、基板とは逆側の面から発光を取り出す上面射出や、基板側の面から発光を取り出す下面射出や、基板側及び基板とは反対側の面から発光を取り出す両面射出構造の発光素子があり、本発明の画素構成はどの射出構造の発光素子にも適用することができる。

下面射出構造の発光素子について図１５（Ａ）を用いて説明する。

駆動用トランジスタ７０１１がｎ型で、発光素子７０１２から発せられる光が第１の電極７０１３側に射出する場合の、画素の断面図を示す。図１５（Ａ）では、駆動用トランジスタ７０１１のドレイン電極層と電気的に接続された透光性を有する導電膜７０１７上に、発光素子７０１２の第１の電極７０１３が形成されており、第１の電極７０１３上にＥＬ層７０１４、第２の電極７０１５が順に積層されている。

透光性を有する導電膜７０１７としては、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有する導電膜を用いることができる。

また、発光素子の第１の電極７０１３は様々な材料を用いることができる。例えば、第１の電極７０１３を陰極として用いる場合には、仕事関数が小さい材料、具体的には、例えば、ＬｉやＣｓ等のアルカリ金属、およびＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ等のアルカリ土類金属、およびこれらを含む合金（Ｍｇ：Ａｇ、Ａｌ：Ｌｉなど）の他、ＹｂやＥｒ等の希土類金属等が好ましい。図１５（Ａ）では、第１の電極７０１３の膜厚は、光を透過する程度（好ましくは、５ｎｍ〜３０ｎｍ程度）とする。例えば２０ｎｍの膜厚を有するアルミニウム膜を、第１の電極７０１３として用いる。

なお、透光性を有する導電膜とアルミニウム膜を積層成膜した後、選択的にエッチングして透光性を有する導電膜７０１７と第１の電極７０１３を形成してもよく、この場合、同じマスクを用いてエッチングすることができるため、好ましい。

また、第１の電極７０１３の周縁部は、隔壁７０１９で覆う。隔壁７０１９は、ポリイミド、アクリル、ポリアミド、エポキシ等の有機樹脂膜、無機絶縁膜または有機ポリシロキサンを用いて形成する。隔壁７０１９は、特に感光性の樹脂材料を用い、第１の電極７０１３上に開口部を形成し、その開口部の側壁が連続した曲率を持って形成される傾斜面となるように形成することが好ましい。隔壁７０１９として感光性の樹脂材料を用いる場合、レジストマスクを形成する工程を省略することができる。

また、第１の電極７０１３及び隔壁７０１９上に形成するＥＬ層７０１４は、少なくとも発光層を含めば良く、単数の層で構成されていても、複数の層が積層されるように構成されていてもどちらでも良い。ＥＬ層７０１４が複数の層で構成されている場合、陰極として機能する第１の電極７０１３上に電子注入層、電子輸送層、発光層、ホール輸送層、ホール注入層の順に積層する。なおこれらの層を全て設ける必要はない。

また、上記積層順に限定されず、第１の電極７０１３を陽極として機能させ、第１の電極７０１３上にホール注入層、ホール輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層の順に積層してもよい。ただし、消費電力を比較する場合、第１の電極７０１３を陰極として機能させ、第１の電極７０１３上に電子注入層、電子輸送層、発光層、ホール輸送層、ホール注入層の順に積層するほうが、駆動回路部の電圧上昇を抑制でき、消費電力を少なくできるため好ましい。

また、ＥＬ層７０１４上に形成する第２の電極７０１５としては、様々な材料を用いることができる。例えば、第２の電極７０１５を陽極として用いる場合、仕事関数が大きい材料、例えば、ＺｒＮ、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｃｒ等や、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯなどの透明導電性材料が好ましい。また、第２の電極７０１５上に遮蔽膜７０１６、例えば光を遮光する金属、光を反射する金属等を用いる。本実施の形態では、第２の電極７０１５としてＩＴＯ膜を用い、遮蔽膜７０１６としてＴｉ膜を用いる。

第１の電極７０１３及び第２の電極７０１５で、発光層を含むＥＬ層７０１４を挟んでいる領域が発光素子７０１２に相当する。図１５（Ａ）に示した素子構造の場合、発光素子７０１２から発せられる光は、矢印で示すように第１の電極７０１３側に射出する。

なお、図１５（Ａ）において、発光素子７０１２から発せられる光は、カラーフィルタ層７０３３を通過し、絶縁層７０３２、酸化物絶縁層７０３１、ゲート絶縁層７０３０、及び基板７０１０を通過して射出させる。

カラーフィルタ層７０３３はインクジェット法などの液滴吐出法や、印刷法、フォトリソグラフィ技術を用いたエッチング方法などでそれぞれ形成する。

また、カラーフィルタ層７０３３はオーバーコート層７０３４で覆われ、さらに保護絶縁層７０３５によって覆う。なお、図１５（Ａ）ではオーバーコート層７０３４は薄い膜厚で図示したが、オーバーコート層７０３４は、アクリル樹脂などの樹脂材料を用い、カラーフィルタ層７０３３に起因する凹凸を平坦化する機能を有している。

また、保護絶縁層７０３５及び絶縁層７０３２に形成され、且つ、ドレイン電極層に達するコンタクトホールは、隔壁７０１９と重なる位置に配置する。

次に、両面射出構造の発光素子について、図１５（Ｂ）を用いて説明する。

図１５（Ｂ）では、駆動用トランジスタ７０２１のドレイン電極層と電気的に接続された透光性を有する導電膜７０２７上に、発光素子７０２２の第１の電極７０２３が形成されており、第１の電極７０２３上にＥＬ層７０２４、第２の電極７０２５が順に積層されている。

透光性を有する導電膜７０２７としては、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有する導電膜を用いることができる。

また、第１の電極７０２３は様々な材料を用いることができる。例えば、第１の電極７０２３を陰極として用いる場合、仕事関数が小さい材料、具体的には、例えば、ＬｉやＣｓ等のアルカリ金属、およびＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ等のアルカリ土類金属、およびこれらを含む合金（Ｍｇ：Ａｇ、Ａｌ：Ｌｉなど）の他、ＹｂやＥｒ等の希土類金属等が好ましい。本実施の形態では、第１の電極７０２３を陰極として用い、その膜厚は、光を透過する程度（好ましくは、５ｎｍ〜３０ｎｍ程度）とする。例えば２０ｎｍの膜厚を有するアルミニウム膜を、陰極として用いる。

なお、透光性を有する導電膜とアルミニウム膜を積層成膜した後、選択的にエッチングして透光性を有する導電膜７０２７と第１の電極７０２３を形成してもよく、この場合、同じマスクを用いてエッチングすることができ、好ましい。

また、第１の電極７０２３の周縁部は、隔壁７０２９で覆う。隔壁７０２９は、ポリイミド、アクリル、ポリアミド、エポキシ等の有機樹脂膜、無機絶縁膜または有機ポリシロキサンを用いて形成する。隔壁７０２９は、特に感光性の樹脂材料を用い、電極７０２３上に開口部を形成し、その開口部の側壁が連続した曲率を持って形成される傾斜面となるように形成することが好ましい。隔壁７０２９として感光性の樹脂材料を用いる場合、レジストマスクを形成する工程を省略することができる。

また、第１の電極７０２３及び隔壁７０２９上に形成するＥＬ層７０２４は、少なくとも発光層を含めば良く、単数の層で構成されていても、複数の層が積層されるように構成されていても良い。ＥＬ層７０２４が複数の層で構成されている場合、陰極として機能する第１の電極７０２３上に電子注入層、電子輸送層、発光層、ホール輸送層、ホール注入層の順に積層する。なおこれらの層を全て設ける必要はない。

また、上記積層順に限定されず、第１の電極７０２３を陽極として用い、陽極上にホール注入層、ホール輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層の順に積層してもよい。ただし、消費電力を比較する場合、第１の電極７０２３を陰極として用い、陰極上に電子注入層、電子輸送層、発光層、ホール輸送層、ホール注入層の順に積層するほうが消費電力が少ないため好ましい。

また、ＥＬ層７０２４上に形成する第２の電極７０２５としては、様々な材料を用いることができる。例えば、第２の電極７０２５を陽極として用いる場合、仕事関数が大きい材料、例えば、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯなどの透明導電性材料を好ましく用いることができる。本実施の形態では、第２の電極７０２６を陽極として用い、酸化珪素を含むＩＴＯ膜を形成する。

第１の電極７０２３及び第２の電極７０２５で、発光層を含むＥＬ層７０２４を挟んでいる領域が発光素子７０２２に相当する。図１５（Ｂ）に示した素子構造の場合、発光素子７０２２から発せられる光は、矢印で示すように第２の電極７０２５側と第１の電極７０２３側の両方に射出する。

なお、図１５（Ｂ）において、発光素子７０２２から第１の電極７０２３側に発せられる一方の光は、カラーフィルタ層７０４３を通過し、絶縁層７０４２、酸化物絶縁層７０４１、ゲート絶縁層７０４０、及び基板７０２０を通過して射出させる。

カラーフィルタ層７０４３はインクジェット法などの液滴吐出法や、印刷法、フォトリソグラフィ技術を用いたエッチング方法などでそれぞれ形成する。

また、カラーフィルタ層７０４３はオーバーコート層７０４４で覆われ、さらに保護絶縁層７０４５によって覆う。

また、保護絶縁層７０４５及び絶縁層７０４２に形成され、且つ、ドレイン電極層に達するコンタクトホールは、隔壁７０２９と重なる位置に配置する。

ただし、両面射出構造の発光素子を用い、どちらの表示面もフルカラー表示とする場合、第２の電極７０２５側からの光はカラーフィルタ層７０４３を通過しないため、別途カラーフィルタ層を備えた封止基板を第２の電極７０２５上方に設けることが好ましい。

次に、上面射出構造の発光素子について、図１５（Ｃ）を用いて説明する。

図１５（Ｃ）に、駆動用トランジスタであるトランジスタ７００１がｎ型で、発光素子７００２から発せられる光が第２の電極７００５側に抜ける場合の、画素の断面図を示す。図１５（Ｃ）では、駆動用のトランジスタ７００１のドレイン電極層と電気的に接続された発光素子７００２の第１の電極７００３が形成されており、第１の電極７００３上にＥＬ層７００４、第２の電極７００５が順に積層されている。

また、第１の電極７００３は様々な材料を用いることができる。例えば、第１の電極７００３を陰極として用いる場合、仕事関数が小さい材料、具体的には、例えば、ＬｉやＣｓ等のアルカリ金属、およびＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ等のアルカリ土類金属、およびこれらを含む合金（Ｍｇ：Ａｇ、Ａｌ：Ｌｉなど）の他、ＹｂやＥｒ等の希土類金属等が好ましい。

また、第１の電極７００３及び隔壁７００９上に形成するＥＬ層７００４は、少なくとも発光層を含めば良く、単数の層で構成されていても、複数の層が積層されるように構成されていてもどちらでも良い。ＥＬ層７００４が複数の層で構成されている場合、陰極として用いる第１の電極７００３上に電子注入層、電子輸送層、発光層、ホール輸送層、ホール注入層の順に積層する。なおこれらの層を全て設ける必要はない。

また、上記積層順に限定されず、陽極として用いる第１の電極７００３上にホール注入層、ホール輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層の順に積層してもよい。

図１５（Ｃ）ではＴｉ膜、アルミニウム膜、Ｔｉ膜の順に積層した積層膜上に、ホール注入層、ホール輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層の順に積層し、その上にＭｇ：Ａｇ合金薄膜とＩＴＯとの積層を形成する。

ただし、トランジスタ７００１がｎ型の場合、第１の電極７００３上に電子注入層、電子輸送層、発光層、ホール輸送層、ホール注入層の順に積層するほうが、駆動回路における電圧上昇を抑制することができ、消費電力を少なくできるため好ましい。

第２の電極７００５は光を透過する透光性を有する導電性材料を用いて形成し、例えば酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有する導電膜を用いても良い。

第１の電極７００３及び第２の電極７００５で発光層を含むＥＬ層７００４を挟んでいる領域が発光素子７００２に相当する。図１５（Ｃ）に示した画素の場合、発光素子７００２から発せられる光は、矢印で示すように第２の電極７００５側に射出する。

また、図１５（Ｃ）において、トランジスタ７００１のドレイン電極層は、酸化物絶縁層７０５１、保護絶縁層７０５２及び絶縁層７０５５に設けられたコンタクトホールを介して第１の電極７００３と電気的に接続する。平坦化絶縁層７０５３は、ポリイミド、アクリル、ベンゾシクロブテン、ポリアミド、エポキシ等の樹脂材料を用いることができる。また上記樹脂材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、平坦化絶縁層７０５３を形成してもよい。平坦化絶縁層７０５３の形成法は、特に限定されず、その材料に応じて、スパッタ法、ＳＯＧ法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法、スクリーン印刷、オフセット印刷等）、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイフコーター等を用いることができる。

また、第１の電極７００３と、隣り合う画素の第１の電極７００８とを絶縁するために隔壁７００９を設ける。隔壁７００９は、ポリイミド、アクリル、ポリアミド、エポキシ等の有機樹脂膜、無機絶縁膜または有機ポリシロキサンを用いて形成する。隔壁７００９は、特に感光性の樹脂材料を用い、第１の電極７００３上に開口部を形成し、その開口部の側壁が連続した曲率を持って形成される傾斜面となるように形成することが好ましい。隔壁７００９として感光性の樹脂材料を用いる場合、レジストマスクを形成する工程を省略することができる。

また、図１５（Ｃ）の構造においては、フルカラー表示を行う場合、例えば発光素子７００２として緑色発光素子とし、隣り合う一方の発光素子を赤色発光素子とし、もう一方の発光素子を青色発光素子とする。また、３種類の発光素子だけでなく白色素子を加えた４種類の発光素子でフルカラー表示ができる発光表示装置を作製してもよい。

また、図１５（Ｃ）の構造においては、配置する複数の発光素子を全て白色発光素子として、発光素子７００２上方にカラーフィルタなどを有する封止基板を配置する構成とし、フルカラー表示ができる発光表示装置を作製してもよい。白色などの単色の発光を示す材料を形成し、カラーフィルタや色変換層を組み合わせることによりフルカラー表示を行うことができる。

もちろん単色発光の表示を行ってもよい。例えば、白色発光を用いて照明装置を形成してもよいし、単色発光を用いてエリアカラータイプの発光装置を形成してもよい。

また、必要があれば、円偏光板などの偏光フィルムなどの光学フィルムを設けてもよい。

なお、ここでは、発光素子として有機ＥＬ素子について述べたが、発光素子として無機ＥＬ素子を設けることも可能である。

なお、発光素子の駆動を制御するトランジスタ（駆動用トランジスタ）と発光素子が電気的に接続されている例を示したが、駆動用トランジスタと発光素子との間に電流制御用トランジスタが接続されている構成であってもよい。

なお本実施の形態で示す半導体装置は、図１５に示した構成に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。

次に、実施の形態１に示すトランジスタを適用した半導体装置の一形態に相当する発光表示パネル（発光パネルともいう）の外観及び断面について、図１６を用いて説明する。図１６は、第１の基板上に形成されたトランジスタ及び発光素子を、第２の基板との間にシール材によって封止した、パネルの上面図であり、図１６（Ｂ）は、図１６（Ａ）のＨ−Ｉにおける断面図に相当する。

第１の基板４５０１上に設けられた画素部４５０２、信号線駆動回路４５０３ａ、４５０３ｂ、及び走査線駆動回路４５０４ａ、４５０４ｂを囲むようにして、シール材４５０５が設けられている。また画素部４５０２、信号線駆動回路４５０３ａ、４５０３ｂ、及び走査線駆動回路４５０４ａ、４５０４ｂの上に第２の基板４５０６が設けられている。よって画素部４５０２、信号線駆動回路４５０３ａ、４５０３ｂ、及び走査線駆動回路４５０４ａ、４５０４ｂは、第１の基板４５０１とシール材４５０５と第２の基板４５０６とによって、充填材４５０７と共に密封されている。このように外気に曝されないように気密性が高く、脱ガスの少ない保護フィルム（貼り合わせフィルム、紫外線硬化樹脂フィルム等）やカバー材でパッケージング（封入）することが好ましい。

また第１の基板４５０１上に設けられた画素部４５０２、信号線駆動回路４５０３ａ、４５０３ｂ、及び走査線駆動回路４５０４ａ、４５０４ｂは、トランジスタを複数有しており、図１６（Ｂ）では、画素部４５０２に含まれるトランジスタ４５１０と、信号線駆動回路４５０３ａに含まれるトランジスタ４５０９とを例示している。

トランジスタ４５０９、４５１０は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系膜を酸化物半導体膜として含む信頼性の高い実施の形態１に示すトランジスタを適用することができる。本実施の形態において、トランジスタ４５０９、４５１０はｎチャネル型トランジスタである。

絶縁層４５４４上においてトランジスタ４５０９、４５１０の酸化物半導体膜のチャネル形成領域と重なる位置に導電層４５３９、４５４０が設けられている。導電層４５３９、４５４０を酸化物半導体膜のチャネル形成領域と重なる位置に設けることによって、ＢＴ試験前後におけるトランジスタ４５０９、４５１０のしきい値電圧の変化量を低減することができる。また、導電層４５３９、４５４０は、電位がトランジスタ４５０９、４５１０のゲート電極と同じでもよいし、異なっていても良く、第２のゲート電極として機能させることもできる。また、導電層４５３９、４０４０の電位がＧＮＤ、０Ｖ、或いはフローティング状態であってもよい。

また４５１１は発光素子に相当し、発光素子４５１１が有する画素電極である第１の電極層４５１７は、トランジスタ４５１０のソース電極層またはドレイン電極層と電気的に接続されている。なお発光素子４５１１の構成は、第１の電極層４５１７、電界発光層４５１２、第２の電極層４５１３の積層構造であるが、本実施の形態に示した構成に限定されない。発光素子４５１１から取り出す光の方向などに合わせて、発光素子４５１１の構成は適宜変えることができる。

隔壁４５２０は、有機樹脂膜、無機絶縁膜または有機ポリシロキサンを用いて形成する。特に感光性の材料を用い、第１の電極層４５１７上に開口部を形成し、その開口部の側壁が連続した曲率を持って形成される傾斜面となるように形成することが好ましい。

電界発光層４５１２は、単数の層で構成されていても、複数の層が積層されるように構成されていてもどちらでも良い。

発光素子４５１１に酸素、水素、水分、二酸化炭素等が侵入しないように、第２の電極層４５１３及び隔壁４５２０上に保護膜を形成してもよい。保護膜としては、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、ＤＬＣ膜等を形成することができる。

また、信号線駆動回路４５０３ａ、４５０３ｂ、走査線駆動回路４５０４ａ、４５０４ｂ、または画素部４５０２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ４５１８ａ、４５１８ｂから供給されている。

本実施の形態では、接続端子電極４５１５が、発光素子４５１１が有する第１の電極層４５１７と同じ導電膜から形成され、端子電極４５１６は、トランジスタ４５０９、４５１０が有するソース電極層及びドレイン電極層と同じ導電膜から形成されている。

接続端子電極４５１５は、ＦＰＣ４５１８ａが有する端子と、異方性導電膜４５１９を介して電気的に接続されている。

発光素子４５１１からの光の取り出し方向に位置する基板には、第２の基板は透光性でなければならない。その場合には、ガラス板、プラスチック板、ポリエステルフィルムまたはアクリルフィルムのような透光性を有する材料を用いる。

また、充填材４５０７としては窒素やアルゴンなどの不活性な気体の他に、紫外線硬化樹脂または熱硬化樹脂を用いることができ、ＰＶＣ（ポリビニルクロライド）、アクリル、ポリイミド、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ＰＶＢ（ポリビニルブチラル）またはＥＶＡ（エチレンビニルアセテート）を用いることができる。本実施の形態は充填材として窒素を用いた。

また、必要であれば、発光素子の射出面に偏光板、又は円偏光板（楕円偏光板を含む）、位相差板（λ／４板、λ／２板）、カラーフィルタなどの光学フィルムを適宜設けてもよい。また、偏光板又は円偏光板に反射防止膜を設けてもよい。例えば、表面の凹凸により反射光を拡散し、映り込みを低減できるアンチグレア処理を施すことができる。

信号線駆動回路４５０３ａ、４５０３ｂ、及び走査線駆動回路４５０４ａ、４５０４ｂは、別途用意された基板上に単結晶半導体膜又は多結晶半導体膜によって形成された駆動回路で実装されていてもよい。また、信号線駆動回路のみ、或いは一部、又は走査線駆動回路のみ、或いは一部のみを別途形成して実装しても良く、本実施の形態は図１６の構成に限定されない。

以上の工程により、半導体装置として信頼性の高い発光表示装置（表示パネル）を作製することができる。

なお、本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示した構成を適宜組み合わせて用いることができることとする。

（実施の形態５）
実施の形態１に示すトランジスタを適用した半導体装置は、電子ペーパーとして適用することができる。電子ペーパーは、情報を表示するものであればあらゆる分野の電子機器に用いることが可能である。例えば、電子ペーパーを用いて、電子書籍（電子ブック）、ポスター、電車などの乗り物の車内広告、クレジットカード等の各種カードにおける表示等に適用することができる。電子機器の一例を図１７、図１８に示す。

図１７（Ａ）は、電子ペーパーで作られたポスター２６３１を示している。広告媒体が紙の印刷物である場合には、広告の交換は人手によって行われるが、電子ペーパーを用いれば短時間で広告の表示を変えることができる。また、表示も崩れることなく安定した画像が得られる。なお、ポスターは無線で情報を送受信できる構成としてもよい。

また、図１７（Ｂ）は、電車などの乗り物の車内広告２６３２を示している。広告媒体が紙の印刷物である場合には、広告の交換は人手によって行われるが、電子ペーパーを用いれば人手を多くかけることなく短時間で広告の表示を変えることができる。また表示も崩れることなく安定した画像が得られる。なお、車内広告は無線で情報を送受信できる構成としてもよい。

また、図１８は、電子書籍の一例を示している。例えば、電子書籍２７００は、筐体２７０１および筐体２７０３の２つの筐体で構成されている。筐体２７０１および筐体２７０３は、軸部２７１１により一体とされており、該軸部２７１１を軸として開閉動作を行うことができる。このような構成により、紙の書籍のような動作を行うことが可能となる。

筐体２７０１には表示部２７０５が組み込まれ、筐体２７０３には表示部２７０７が組み込まれている。表示部２７０５および表示部２７０７は、続き画面を表示する構成としてもよいし、異なる画面を表示する構成としてもよい。異なる画面を表示する構成とすることで、例えば右側の表示部（図１８では表示部２７０５）に文章を表示し、左側の表示部（図１８では表示部２７０７）に画像を表示することができる。

また、図１８では、筐体２７０１に操作部などを備えた例を示している。例えば、筐体２７０１において、電源２７２１、操作キー２７２３、スピーカ２７２５などを備えている。操作キー２７２３により、頁を送ることができる。なお、筐体の表示部と同一面にキーボードやポインティングディバイスなどを備える構成としてもよい。また、筐体の裏面や側面に、外部接続用端子（イヤホン端子、ＵＳＢ端子、またはＡＣアダプタおよびＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能な端子など）、記録媒体挿入部などを備える構成としてもよい。さらに、電子書籍２７００は、電子辞書としての機能を持たせた構成としてもよい。

また、電子書籍２７００は、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。無線により、電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とすることも可能である。

なお、本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示した構成を適宜組み合わせて用いることができることとする。

（実施の形態６）
実施の形態１に示すトランジスタを用いた半導体装置は、さまざまな電子機器（遊技機も含む）に適用することができる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置（テレビ、またはテレビジョン受信機ともいう）、コンピュータ用などのモニタ、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（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などが挙げられる。

図１９（Ａ）は、テレビジョン装置９６００の一例を示している。テレビジョン装置９６００は、筐体９６０１に表示部９６０３が組み込まれている。表示部９７０３により、映像を表示することが可能である。また、ここでは、スタンド９６０５により筐体９６０１を支持した構成を示している。

テレビジョン装置９６００の操作は、筐体９６０１が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機９６１０により行うことができる。リモコン操作機９６１０が備える操作キー９６０９により、チャンネルや音量の操作を行うことができ、表示部９６０３に表示される映像を操作することができる。また、リモコン操作機９６１０に、当該リモコン操作機９６１０から出力する情報を表示する表示部９６０７を設ける構成としてもよい。

なお、テレビジョン装置９６００は、受信機や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、さらに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）は、デジタルフォトフレーム９７００の一例を示している。例えば、デジタルフォトフレーム９７００は、筐体９７０１に表示部９７０３が組み込まれている。表示部９７０３は、各種画像を表示することが可能であり、例えばデジタルカメラなどで撮影した画像データを表示させることで、通常の写真立てと同様に機能させることができる。

なお、デジタルフォトフレーム９７００は、操作部、外部接続用端子（ＵＳＢ端子、ＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能な端子など）、記録媒体挿入部などを備える構成とする。これらの構成は、表示部と同一面に組み込まれていてもよいが、側面や裏面に備えるとデザイン性が向上するため好ましい。例えば、デジタルフォトフレームの記録媒体挿入部に、デジタルカメラで撮影した画像データを記憶したメモリを挿入して画像データを取り込み、取り込んだ画像データを表示部９７０３に表示させることができる。

また、デジタルフォトフレーム９７００は、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。無線により、所望の画像データを取り込み、表示させる構成とすることもできる。

図２０（Ａ）は携帯型遊技機であり、筐体９８８１と筐体９８９１の２つの筐体で構成されており、連結部９８９３により、開閉可能に連結されている。筐体９８８１には表示部９８８２が組み込まれ、筐体９８９１には表示部９８８３が組み込まれている。また、図２０（Ａ）に示す携帯型遊技機は、その他、スピーカ部９８８４、記録媒体挿入部９８８６、ＬＥＤランプ９８９０、入力手段（操作キー９８８５、接続端子９８８７、センサ９８８８（力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、におい又は赤外線を測定する機能を含むもの）、マイクロフォン９８８９）等を備えている。もちろん、携帯型遊技機の構成は上述のものに限定されず、少なくとも本発明に係る半導体装置を備えた構成であればよく、その他付属設備が適宜設けられた構成とすることができる。図２０（Ａ）に示す携帯型遊技機は、記録媒体に記録されているプログラム又はデータを読み出して表示部に表示する機能や、他の携帯型遊技機と無線通信を行って情報を共有する機能を有する。なお、図２０（Ａ）に示す携帯型遊技機が有する機能はこれに限定されず、様々な機能を有することができる。

図２０（Ｂ）は大型遊技機であるスロットマシン９９００の一例を示している。スロットマシン９９００は、筐体９９０１に表示部９９０３が組み込まれている。また、スロットマシン９９００は、その他、スタートレバーやストップスイッチなどの操作手段、コイン投入口、スピーカなどを備えている。もちろん、スロットマシン９９００の構成は上述のものに限定されず、少なくとも本発明に係る半導体装置を備えた構成であればよく、その他付属設備が適宜設けられた構成とすることができる。

図２１（Ａ）は、携帯電話機１０００の一例を示している。携帯電話機１０００は、筐体１００１に組み込まれた表示部１００２の他、操作ボタン１００３、外部接続ポート１００４、スピーカ１００５、マイク１００６などを備えている。

図２１（Ａ）に示す携帯電話機１０００は、表示部１００２を指などで触れることで、情報を入力ことができる。また、電話を掛ける、或いはメールを打つなどの操作は、表示部１００２を指などで触れることにより行うことができる。

表示部１００２の画面は主として３つのモードがある。第１は、画像の表示を主とする表示モードであり、第２は、文字等の情報の入力を主とする入力モードである。第３は表示モードと入力モードの２つのモードが混合した表示＋入力モードである。

例えば、電話を掛ける、或いはメールを作成する場合は、表示部１００２を文字の入力を主とする文字入力モードとし、画面に表示させた文字の入力操作を行えばよい。この場合、表示部１００２の画面のほとんどにキーボードまたは番号ボタンを表示させることが好ましい。

また、携帯電話機１０００内部に、ジャイロ、加速度センサ等の傾きを検出するセンサを有する検出装置を設けることで、携帯電話機１０００の向き（縦か横か）を判断して、表示部１００２の画面表示を自動的に切り替えるようにすることができる。

また、画面モードの切り替えは、表示部１００２を触れること、又は筐体１００１の操作ボタン１００３の操作により行われる。また、表示部１００２に表示される画像の種類によって切り替えるようにすることもできる。例えば、表示部に表示する画像信号が動画のデータであれば表示モード、テキストデータであれば入力モードに切り替える。

また、入力モードにおいて、表示部１００２の光センサで検出される信号を検知し、表示部１００２のタッチ操作による入力が一定期間ない場合には、画面のモードを入力モードから表示モードに切り替えるように制御してもよい。

表示部１００２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１００２に掌や指を触れることで、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。

図２０（Ｂ）も携帯電話機の一例である。図２０（Ｂ）の携帯電話機は、筐体９４１１に、表示部９４１２、及び操作ボタン９４１３を含む表示装置９４１０と、筐体９４０１に操作ボタン９４０２、外部入力端子９４０３、マイク９４０４、スピーカ９４０５、及び着信時に発光する発光部９４０６を含む通信装置９４００とを有しており、表示機能を有する表示装置９４１０は電話機能を有する通信装置９４００と矢印の２方向に脱着可能である。よって、表示装置９４１０と通信装置９４００の短軸同士を取り付けることも、表示装置９４１０と通信装置９４００の長軸同士を取り付けることもできる。また、表示機能のみを必要とする場合、通信装置９４００より表示装置９４１０を取り外し、表示装置９４１０を単独で用いることもできる。通信装置９４００と表示装置９４１０とは無線通信又は有線通信により画像又は入力情報を授受することができ、それぞれ充電可能なバッテリーを有する。

なお、本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示した構成を適宜組み合わせて用いることができることとする。

本実施例では、実施の形態１で示した本発明の一態様の薄膜トランジスタを作製し、−２５℃乃至１５０℃の環境下における薄膜トランジスタ特性を評価した結果を示す。

本実施例において、薄膜トランジスタの特性の評価には、実施の形態１で作製方法を示した、酸化物半導体膜を活性層として用いたＴＦＴ−１（Ｌ／Ｗ＝３μｍ／２４μｍ）を用いた。また、比較例として実施の形態１で示した、活性層にアモルファスシリコンを用いた比較ＴＦＴ−３（Ｌ／Ｗ＝３．７μｍ／２２μｍ）を用いた。

図２２（Ａ）に、ＴＦＴ−１及び比較ＴＦＴ−３のオン電流（Ｉｏｎ）の温度依存性を示す。図２２（Ａ）において、縦軸は、ＴＦＴのドレイン電圧（Ｖｄ）を１０Ｖとし、ゲート電圧（Ｖｇ）をしきい値電圧（Ｖｔｈ）＋１０Ｖとした際の、ＴＦＴのオン電流（Ｉｏｎ）を対数目盛で示し、横軸は温度（℃）を示す。

図２２（Ａ）より、アモルファスシリコンを活性層に用いた比較ＴＦＴ−３は、温度上昇に伴いオン電流が増加し、１００℃以上では増加率が頭打ちになる傾向が見られる。一方、酸化物半導体膜を活性層に用いた本発明の一態様のＴＦＴ−１では、温度変化によらずほぼ一定のオン電流を示し、オン電流の温度依存性がほとんどないことがわかる。

また、図２２（Ｂ）にＴＦＴ−１及び比較ＴＦＴ−３のオフ電流（Ｉｏｆｆ）の温度依存性を示す。図２２（Ｂ）において、縦軸は、ＴＦＴのドレイン電圧（Ｖｄ）を１０Ｖ、ゲート電圧を、最小オフ電流の場合のゲート電圧（Ｖｇ）−１０Ｖとした際の、ＴＦＴのオフ電流（Ｉｏｆｆ）を対数目盛で示し、横軸は温度（℃）を示す。

図２２（Ｂ）より、アモルファスシリコンを活性層に用いた比較ＴＦＴ−３は、温度上昇に伴いオフ電流が増加する傾向が見られる。一方、酸化物半導体膜を活性層に用いた本発明の一態様のＴＦＴ−１では、オフ電流（Ｉｏｆｆ）が検出下限以下と極めて小さく、温度依存性はほとんど確認できない。

また、図２３（Ａ）にＴＦＴ−１及び比較ＴＦＴ−３の移動度の温度依存性を示す。図２３（Ａ）において、縦軸は、ＴＦＴのドレイン電圧を１０Ｖとした際の、移動度（ｃｍ^２／Ｖｓ）を示し、横軸は温度（℃）を示す。

図２３（Ａ）より、アモルファスシリコンを活性層に用いた比較ＴＦＴ−３は、温度上昇に伴い移動度が増加する傾向が見られる。一方、酸化物半導体膜を活性層に用いた本発明の一態様のＴＦＴ−１では比較ＴＦＴ−３に比べて温度依存性が少ないことが読み取れる。

また、図２３（Ｂ）にＴＦＴ−１及び比較ＴＦＴ−３のＳ値の温度依存性を示す。図２３（Ｂ）において、縦軸は、ＴＦＴのドレイン電圧を１０Ｖとした際の、Ｓ値（Ｖ／ｄｅｃ．）を示し、横軸は温度（℃）を示す。

図２３（Ｂ）より、ａ−Ｓｉを活性層に用いた比較ＴＦＴ−３は、温度上昇に伴い急激にＳ値が悪化しているが、酸化物半導体膜を活性層に用いた本発明の一態様のＴＦＴ−１では比較ＴＦＴ−３に比べて温度依存性が少ないことが読み取れる。

以上より、本発明の一態様の薄膜トランジスタは、オン電流、オフ電流、移動度、Ｓ値等の特性に対する温度変化が、アモルファスシリコンを活性層として用いた薄膜トランジスタに比べて極めて小さいことが示された。

１００ 基板
１０１ ゲート電極
１０２ ゲート絶縁膜
１０３ 酸化物半導体膜
１０４ 酸化物半導体膜
１０５ 導電膜
１０６ ソース電極
１０７ ドレイン電極
１０８ 酸化物半導体膜
１０９ 絶縁膜
１１０ 薄膜トランジスタ
１１１ バックゲート電極
１１３ チャネル保護層
１６０ 薄膜トランジスタ
１７０ 薄膜トランジスタ
１８０ 薄膜トランジスタ

Claims (4)

1. ゲート電極、ゲート絶縁膜、酸化物半導体膜、ソース電極、及びドレイン電極を有するトランジスタを有し、
   前記酸化物半導体膜は、Ｉｎと、Ｇａと、Ｚｎと、を有し、
   前記ゲート電極にしきい値電圧以上の電圧を印加した際の、前記ソース電極及び前記ドレイン電極間の電流の温度依存性より求めた前記酸化物半導体膜の活性化エネルギーは、０ｍｅＶ以上２５ｍｅＶ以下であることを特徴とする半導体装置。
2. ゲート電極、ゲート絶縁膜、酸化物半導体膜、ソース電極、及びドレイン電極を有するトランジスタを有し、
   前記酸化物半導体膜は、Ｉｎと、Ｇａと、Ｚｎと、を有し、
   前記酸化物半導体膜は、結晶性を有する領域を有し、
   前記ゲート電極にしきい値電圧以上の電圧を印加した際の、前記ソース電極及び前記ドレイン電極間の電流の温度依存性より求めた前記酸化物半導体膜の活性化エネルギーは、０ｍｅＶ以上２５ｍｅＶ以下であることを特徴とする半導体装置。
3. 請求項１又は２において、
   前記ゲート絶縁膜の膜厚は、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする半導体装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一において、
   前記酸化物半導体膜の膜厚は、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることを特徴とする半導体装置。

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