JP5997954B2

JP5997954B2 - 半導体装置

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Publication number: JP5997954B2
Application number: JP2012155482A
Authority: JP
Inventors: 山崎　舜平; 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2011-07-15
Filing date: 2012-07-11
Publication date: 2016-09-28
Anticipated expiration: 2032-07-11
Also published as: US8847220B2; US20130015437A1; US20140361297A1; US9472677B2; JP2013042121A

Description

半導体装置及び半導体装置の作製方法に関する。

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。例えば、ＬＳＩや、ＣＰＵや、電源回路に搭載されるパワーデバイスや、メモリ、サイリスタ、コンバータ、イメージセンサなどを含む半導体集積回路、液晶表示パネルに代表される電気光学装置や発光素子を有する発光表示装置を部品として搭載した電子機器に関する。

近年、半導体装置の開発が進められ、ＬＳＩやＣＰＵやメモリとして用いられている。ＣＰＵは、半導体ウェハから切り離された半導体集積回路（少なくともトランジスタ及びメモリ）を有し、接続端子である電極が形成された半導体素子の集合体である。

ＬＳＩやＣＰＵやメモリなどの半導体回路（ＩＣチップ）は、回路基板、例えばプリント配線板に実装され、様々な電子機器の部品の一つとして用いられる。

また、チャネル形成領域に酸化物半導体膜を用いてトランジスタなどを作製する技術が注目されている。例えば、酸化物半導体膜として酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用いるトランジスタや、ＩｎＧａＯ_３（ＺｎＯ）_ｍを用いるトランジスタが挙げられる。これらの酸化物半導体膜を用いたトランジスタを、透光性を有する基板上に形成し、画像表示装置のスイッチング素子などに用いる技術が特許文献１及び特許文献２で開示されている。

また、Ｉｎ−Ｔｉ−Ｏ系酸化物半導体を用いたトランジスタが特許文献３で開示されている。

特開２００７−１２３８６１号公報特開２００７−９６０５５号公報特開２０１０−１７０１１０号公報

より高性能な半導体装置を実現するため、トランジスタのオン特性（例えば、オン電流や電界効果移動度）を向上させて、半導体装置の高速応答、高速駆動を実現する構成およびその作製方法を提供することを課題の一つとする。

また、トランジスタのソース電極層およびドレイン電極層のリーク電流（寄生チャネル）の発生を低減する構成を提供することも課題の一つとする。トランジスタのリーク電流も半導体装置の消費電力を左右するため、リーク電流を低減することも低消費電力の半導体装置を実現する上で重要である。

本明細書で開示する発明の一態様は、金属酸化物（代表的には酸化チタン（ＴｉＯｘ（Ｘ＞０）など）を含む、且つ、インジウムと亜鉛の一方又は双方を含む酸化物半導体をチャネル形成領域とするトランジスタを有する半導体装置である。導電性を有する金属酸化物を含む酸化物半導体をチャネル形成領域とするトランジスタは、優れた電界効果移動度を有する。

また、本発明の他の一態様は、バッファ層と、バッファ層上に接して設けられたインジウム、チタン、及び亜鉛を含む酸化物半導体層（以下、Ｉｎ−Ｔｉ−Ｚｎ−Ｏ）と、酸化物半導体層上に設けられたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜を介して酸化物半導体層と重畳するゲート電極層と、を有する半導体装置である。

また、本発明の他の一態様は、インジウム、チタン、及び亜鉛を含む酸化物半導体層と、酸化物半導体層を挟むように設けられた第１のバッファ層及び第２のバッファ層を含む半導体装置である。第１のバッファ層及び第２のバッファ層としては、チタン、アルミニウム、ガリウム、ジルコニウム、ハフニウム、又は希土類元素から選択された一以上の元素の酸化物を含む膜を適用することができる。より具体的には、例えば以下の構成とすることができる。

また、本発明の他の一態様は、第１のバッファ層と、第１のバッファ層上に接して設けられたインジウム、チタン、及び亜鉛を含む酸化物半導体層と、酸化物半導体層の側面を覆い、酸化物半導体層上に接して設けられた第２のバッファ層と、第２のバッファ層上に設けられたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜を介して酸化物半導体層と重畳するゲート電極層と、ゲート電極層上に設けられ、開口部を有する絶縁膜と、絶縁膜上に設けられ、開口部を介して酸化物半導体層と電気的に接続するソース電極層及びドレイン電極層と、を有し、第１のバッファ層及び第２のバッファ層はそれぞれ、チタン、アルミニウム、ガリウム、ジルコニウム、ハフニウム、又は希土類元素から選択された一以上の元素の酸化物を含む半導体装置である。

酸化物半導体層に接する絶縁層に、第１４族元素であるシリコンを含む酸化シリコン膜を用いる場合、酸化物半導体材料との配位数の違いによって酸化物半導体層と酸化シリコン膜との界面は安定しにくく、界面準位が形成される恐れがある。本発明の一態様に係るトランジスタは、酸化物半導体層と絶縁層の間にバッファ層を設け、酸化物半導体層に接するバッファ層として、酸化物半導体層と同種の成分でなる酸化物（例えば酸化チタン）を用いることで、酸化物半導体層とバッファ層との界面において界面準位の形成を抑制することができ、高い電気的な特性と安定性とを有したトランジスタを得ることができる。

また、本発明の他の一態様は、第１のバッファ層と、第１のバッファ層上に接して設けられたインジウム、チタン、及び亜鉛を含む酸化物半導体層と、第１のバッファ層の側面及び酸化物半導体層の側面を覆い、酸化物半導体層上に接して設けられた第２のバッファ層と、第２のバッファ層上に設けられたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜を介して酸化物半導体層と重畳するゲート電極層と、ゲート電極層上に設けられ、開口部を有する絶縁膜と、絶縁膜上に設けられ、開口部を介して酸化物半導体層と電気的に接続するソース電極層及びドレイン電極層と、を有し、第１のバッファ層及び第２のバッファ層はそれぞれ、チタン、アルミニウム、ガリウム、ジルコニウム、ハフニウム、又は希土類元素から選択された一以上の元素の酸化物を含む半導体装置である。

また、上記の半導体装置のいずれかにおいて、酸化物半導体層は、結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が少なくとも一部含まれているのが好ましい。

また、酸化物半導体層は結晶性半導体層であるのが好ましい。本明細書等において、結晶性酸化物半導体層とは、結晶を含み、結晶性を有する酸化物半導体層である。結晶性酸化物半導体層における結晶状態は、結晶軸の方向が無秩序な状態でも、一定の配向性を有する状態であってもよい。

また、本明細書に開示する発明の一形態においては、結晶性酸化物半導体層として、酸化物半導体のＣＡＡＣ−ＯＳ（ＣＡｘｉｓＡｌｉｇｎｅｄＣｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を用いてもよい。

ＣＡＡＣ−ＯＳは、表面に概略垂直なｃ軸を有している結晶を含む酸化物半導体であり、単結晶構造ではなく、非晶質構造でもない構造であり、ｃ軸配向を有した結晶を含む酸化物半導体である。

ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれる結晶領域は、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃い、かつａｂ面に垂直な方向から見て三角形状または六角形状の原子配列を有し、ｃ軸に垂直な方向から見て金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に配列している。なお、異なる結晶領域間で、それぞれａ軸およびｂ軸の向きが異なっていてもよい。本明細書において、単に垂直と記載する場合、８５°以上９５°以下の範囲も含まれることとする。また、単に平行と記載する場合、−５°以上５°以下の範囲も含まれることとする。

ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれる結晶領域のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃うため、ＣＡＡＣ−ＯＳの形状（被形成面の断面形状または表面の断面形状）によっては互いに異なる方向を向くことがある。なお、結晶領域のｃ軸の方向は、ＣＡＡＣ−ＯＳが形成されたときの被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向となる。

ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれる結晶領域は、成膜することにより、または成膜後に加熱処理などの結晶化処理を行うことにより形成される。単結晶または多結晶などの結晶性を有するスパッタリング用ターゲットを用いて成膜することにより、形成された膜も結晶性を有し、特に、形成された膜においてはＣＡＡＣ−ＯＳ膜となりやすい。スパッタリング用ターゲットの表面にイオンが衝突すると、スパッタリング用ターゲットに含まれる結晶領域はａ−ｂ面から劈開し、ａ−ｂ面に平行な層に沿った形状（平板状またはペレット状）のスパッタリング粒子が剥離する。当該平板状のスパッタリング粒子が、結晶状態を維持したまま基板表面に到達することで表面に垂直にｃ軸配向した結晶領域を有する酸化物半導体膜が得やすくなる。

ＣＡＡＣ−ＯＳを含む薄膜は単結晶ではないが、非晶質のみから形成されているものでもない。また、ＣＡＡＣ−ＯＳを含む薄膜は結晶化した部分（結晶部分）を含むが、１つの結晶部分と他の結晶部分の境界を明確に判別できないこともある。

このような結晶性酸化物半導体層をトランジスタに用いることで、可視光や紫外光の照射によるトランジスタの電気的特性変化をより抑制し、信頼性の高い半導体装置とすることができる。

また、上記の半導体装置のいずれかにおいて、酸化物半導体層において、ゲート電極層と重畳しない領域は、ドーパントを含むのが好ましい。このような構成とすることで、酸化物半導体層は、ゲート絶縁膜を介してゲート電極層と重なるチャネル形成領域を有し、チャネル長方向にそのチャネル形成領域を挟んで一対の低抵抗領域を有する。

チャネル長方向にチャネル形成領域を挟んで低抵抗領域を含む酸化物半導体層を形成することにより、該トランジスタはオン特性（例えば、オン電流及び電界効果移動度）が高く、高速動作、高速応答が可能となる。また、低抵抗領域は、自己整合的に形成され、ゲート電極層と重ならないため、寄生容量を小さくすることができる。寄生容量を小さくすることは、半導体装置全体の消費電力を低減することに繋がる。

低抵抗領域におけるドーパントの濃度は、５×１０^１８／ｃｍ^３以上１×１０^２２／ｃｍ^３以下であることが好ましい。

本発明の一態様により、導電性を有する金属酸化物を含む酸化物半導体を用い、電気特性の高い、及び信頼性の高い半導体装置及びその作製方法を提供することができる。

半導体装置の一態様を示す断面図。半導体装置の一態様を示す断面図。半導体装置の一態様を示す平面図及び断面図。半導体装置の作製工程の一例を示す図。半導体装置の一態様を示す断面図。半導体装置の一態様を示す平面図及び断面図。半導体装置の作製工程の一例を示す図。半導体装置の一態様及び作製工程の一例を示す図。半導体装置の一態様を示す図。半導体装置の一態様を示す図。半導体装置の一態様を示す図。電子機器を示す図。

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、その形態およ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。

なお、以下に説明する本発明の構成において、同一部分または同様の機能を有する部分には、同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。また、同様の機能を有する部分を指す場合にはハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。

なお、本明細書で説明する各図において、各構成の大きさ、膜の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。

（実施の形態１）
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図１を用いて説明する。

図１（Ａ）、及び図１（Ｂ）に示すトランジスタ２１０、トランジスタ２１１は、トップゲート構造を有するプレーナ型のトランジスタの例である。

図１（Ａ）に示すトランジスタ２１０は、酸化物絶縁膜４３６と酸化チタン膜２０１の積層が設けられた絶縁表面を有する基板４００上に、インジウム、チタン、及び亜鉛を含む酸化物半導体層１０２、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ、ゲート絶縁膜４０２、ゲート電極層４０１を有する。トランジスタ２１０上には、絶縁膜４０７が形成されている。

酸化物絶縁膜４３６としては、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、又は窒化酸化シリコンを用いて形成することができる。酸化物絶縁膜４３６は、単層でも積層でもよい。

酸化チタン膜２０１は、酸化チタンからなるターゲットを用いてスパッタ法により形成することができる。酸化チタン膜２０１と酸化物半導体層１０２はどちらも同じ元素であるチタンを含んでおり、酸化チタン膜２０１と酸化物半導体層１０２との界面を良好にすることができる。よって、半導体装置の動作などに起因して生じうる電荷などが酸化物半導体層と酸化チタン膜２０１との界面に捕獲されることを抑制することができる。これによって、酸化物半導体層への電荷の影響を緩和することができるため、酸化物半導体層界面への電荷トラップに起因するトランジスタのしきい値変動を抑制することができる。

また、酸化物半導体層１０２を結晶性酸化物半導体層とする場合、酸化物半導体層と接して該酸化物半導体層と同種の成分でなる酸化チタン膜２０１を設けることで、界面近傍における結晶性を向上させることができる。よって、酸化物半導体層と接する酸化チタン膜２０１との界面近傍及びバルク内をそれぞれ結晶性領域とすることが可能となるため、結晶性酸化物半導体層におけるバンド内準位を低減させることができる。したがって、トランジスタ特性、例えば電界効果移動度を向上させることができる。

また、図１（Ｂ）に示すトランジスタ２１１は、酸化物絶縁膜４３６と酸化チタン膜２０１の積層が設けられた絶縁表面を有する基板４００上に、材料の異なる第１の酸化物半導体層２０２及び第２の酸化物半導体層２０３を含む酸化物半導体積層、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ、ゲート絶縁膜４０２、ゲート電極層４０１を有する。トランジスタ２１１上には、絶縁膜４０７が形成されている。

なお、図１（Ｂ）において、第１の酸化物半導体層２０２と第２の酸化物半導体層２０３の界面を点線で図示しているが、これは酸化物半導体積層を模式的に示したものである。材料や成膜条件や加熱処理によっては、第１の酸化物半導体層２０２と第２の酸化物半導体層２０３との界面が不明確になる場合もある。不明確になる場合、異なる複数の酸化物半導体層の混合領域又は混合層とよぶことのできる箇所が形成されることもある。これは本明細書の他の図面においても同様である。

本実施の形態では、第１の酸化物半導体層２０２として、Ｉｎ−Ｔｉ−Ｚｎ−Ｏ膜を用い、第２の酸化物半導体層２０３としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を用いる。また、酸化チタン膜２０１と、第１の酸化物半導体層２０２と、第２の酸化物半導体層２０３は、スパッタ法で形成する場合、大気に触れることなく連続的に成膜することができる。大気に触れることなく連続的に成膜することで、酸化チタン膜２０１と第１の酸化物半導体層２０２との界面、及び第１の酸化物半導体層２０２と第２の酸化物半導体層２０３との界面を良好にすることができる。

また、本実施の形態において、第２の酸化物半導体層２０３としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を用いる例を示したが、他の酸化物半導体を用いてもよい。例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を用いることができる。

また、本実施の形態において、酸化物絶縁膜４３６と酸化物半導体層１０２の間に酸化チタン膜２０１を設けた例を示したが、特に必要がなければ設けなくともよい。また、酸化チタン膜に代えて酸化アルミニウム膜、酸化ガリウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ハフニウム膜などを酸化物絶縁膜４３６と酸化物半導体層１０２の間に設けてもよい。

本実施の形態において、トランジスタはチャネル形成領域が１つ形成されるシングルゲート構造の例を示したが、特に限定されず、例えば、２つ形成されるダブルゲート構造もしくは３つ形成されるトリプルゲート構造であってもよい。また、チャネル領域の上下にゲート絶縁膜を介して配置された２つのゲート電極層を有する、デュアルゲート型でもよい。

また、本実施の形態で例示したトランジスタは、電源回路に搭載されるパワーデバイス、ＬＳＩ等の半導体集積回路など様々な機能を有する半導体装置に適用することが可能である。

（実施の形態２）
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図２を用いて説明する。

図２（Ａ）、及び図２（Ｂ）、及び図２（Ｃ）に示すトランジスタ２１２、トランジスタ２１３、トランジスタ２１４は、ボトムゲート構造を有する逆スタガ型のトランジスタの例である。

図２（Ａ）に示すように、トランジスタ２１２は、絶縁表面を有する基板４００上に順に設けられた、ゲート電極層４０１、ゲート絶縁膜４０２、インジウム、チタン、及び亜鉛を含む酸化物半導体層２０４、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂを有する。トランジスタ２１２上には、絶縁膜４０７が形成されている。

ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂとしてチタン膜とアルミニウム膜とチタン膜の三層構造を用いる場合、酸化物半導体層２０４は、チタンを含んでおり、酸化物半導体層２０４とソース電極層４０５ａとの界面や、酸化物半導体層２０４とドレイン電極層４０５ｂとの界面を良好にすることができる。

また、ソース電極層４０５ａと酸化物半導体層２０４との間、ドレイン電極層４０５ｂと酸化物半導体層２０４との間に酸化チタン膜を設けてもよい。

また、半導体装置の他の一形態として図２（Ｂ）にボトムゲート構造を有するチャネル保護型のトランジスタ２１３を示す。

チャネル長方向の断面図である図２（Ｂ）に示すように、トランジスタ２１３は、絶縁表面を有する基板４００上に順に設けられた、ゲート電極層４０１、ゲート絶縁膜４０２、第１の酸化物半導体層２０５、第２の酸化物半導体層２０６、及び第３の酸化物半導体層２０７を含む酸化物半導体積層、チャネル保護膜として機能する絶縁膜２０８、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂを有する。トランジスタ２１３上には、絶縁膜４０９が形成されている。

第１の酸化物半導体層２０５は、ゲート絶縁膜４０２上に接して形成され、第１の酸化物半導体層２０５上に第２の酸化物半導体層２０６が積層される。第３の酸化物半導体層２０７は、第１の酸化物半導体層２０５の側面並びに第２の酸化物半導体層２０６の上面及び側面を覆って形成され、第３の酸化物半導体層２０７の周縁部は、ゲート絶縁膜４０２と接する構造としている。第１の酸化物半導体層２０５及び第２の酸化物半導体層２０６をソース電極層４０５ａまたはドレイン電極層４０５ｂと接していない構造とすることで、トランジスタ２１３のソース電極層４０５ａおよびドレイン電極層４０５ｂのリーク電流（寄生チャネル）の発生を低減している。

本実施の形態では、第１の酸化物半導体層２０５及び第３の酸化物半導体層２０７としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を用い、第２の酸化物半導体層２０６としてＩｎ−Ｔｉ−Ｚｎ−Ｏ膜を用いる。なお、第１の酸化物半導体層２０５、第２の酸化物半導体層２０６、第３の酸化物半導体層２０７の材料は、少なくとも１層がインジウム、チタン、及び亜鉛を含む酸化物半導体層であれば特に限定されない。

また、図２（Ｂ）において、酸化物半導体層の積層を３層積層とする例を示したが、図２（Ｃ）に示したように２層でもよい。また、図２（Ｃ）は、第１の酸化物半導体層２０４ａ上に第２の酸化物半導体層２０４ｂを積層させた例であり、図２（Ａ）とは、酸化物半導体層が積層である構成以外は同一である。図２（Ｃ）に示すトランジスタ２１４では、第１の酸化物半導体層２０４ａとしてＩｎ−Ｔｉ−Ｚｎ−Ｏ膜を用い、第２の酸化物半導体層２０４ｂとしてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を用いる。また、酸化物半導体層の積層を４層以上の積層としてもよい。

トランジスタ２１２、２１３は、ボトムゲート構造であるため、アクティブマトリクス表示装置のスイッチング素子として適している。

本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。

（実施の形態３）
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を、図３乃至図５を用いて説明する。本実施の形態では、半導体装置の一例として酸化物半導体層を有するトランジスタを示す。

図３（Ａ）、図３（Ｂ）、及び図３（Ｃ）に示すトランジスタ５１０は、トップゲート構造のトランジスタの一例である。図３（Ａ）は平面図であり、図３（Ａ）中の鎖線ＸＹで切断した断面が図３（Ｂ）に相当し、図３（Ａ）中の鎖線ＶＷで切断した断面が図３（Ｃ）に相当する。

チャネル長方向の断面図である図３（Ｂ）に示すように、トランジスタ５１０は、酸化物絶縁膜４３６が設けられた絶縁表面を有する基板４００上に、第１のバッファ層１０１と、酸化物半導体層１０２と、第２のバッファ層１０３と、ゲート絶縁膜４０２と、ゲート電極層４０１と、絶縁膜４０７と、ソース電極層４０５ａと、ドレイン電極層４０５ｂとを有する。

トランジスタ５１０において第１のバッファ層１０１は、酸化物絶縁膜４３６上に接して形成され、酸化物半導体層１０２は、第１のバッファ層１０１上に形成される。また、第２のバッファ層１０３は、第１のバッファ層１０１の側面及び酸化物半導体層１０２の側面を覆って酸化物半導体層１０２上に設けられている。なお、第２のバッファ層１０３の周縁部は、酸化物絶縁膜４３６と接する。

第１のバッファ層１０１及び第２のバッファ層１０３は、酸化物半導体層１０２と接する層であるため、酸化物半導体層１０２と同種の成分でなる酸化物を用いるのが好ましい。具体的には、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）等の酸化物半導体層１０２の構成元素、または、アルミニウム、ガリウムを含む１３族元素、チタン、ジルコニウムを含む４族元素や希土類を含む３族元素から選択された一以上の元素の酸化物を含む層とするのが好ましい。また、これらの元素のうち、３族元素、または、１３族元素であるアルミニウム、ガリウム、または希土類元素の酸化物を用いるのがより好ましい。また、希土類元素としてはスカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、セリウム（Ｃｅ）、サマリウム（Ｓｍ）またはガドリニウム（Ｇｄ）を用いるのが好ましい。このような材料は、酸化物半導体層１０２と相性がよく、これを第１のバッファ層１０１及び第２のバッファ層１０３に用いることで、酸化物半導体層１０２との界面の状態を良好にすることができる。また、酸化物半導体層１０２の結晶性を向上させることができる。

図３（Ｃ）は、チャネル幅方向の断面図である。図３（Ｂ）と同様に、トランジスタ５１０のチャネル幅方向の断面において酸化物半導体層１０２の側面は、第２のバッファ層１０３の端部で覆われた構造を有する。このような構造とすることで、酸化物半導体層１０２とゲート電極層４０１との間における寄生チャネルの発生を低減することができる。

図４に、トランジスタ５１０の作製方法の一例を示す。

まず、絶縁表面を有する基板４００上に酸化物絶縁膜４３６と、第１のバッファ層１０１となる第１のバッファ膜１０１ａと、酸化物半導体層１０２となる酸化物半導体膜１０２ａとを順に成膜する（図４（Ａ）参照）。

絶縁表面を有する基板４００に使用することができる基板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ことが必要となる。例えば、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。また、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、ＳＯＩ基板などを適用することもでき、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板４００として用いてもよい。

また、基板４００として、可撓性基板を用いて半導体装置を作製してもよい。可撓性を有する半導体装置を作製するには、可撓性基板上に酸化物半導体層を含むトランジスタを直接作製してもよいし、他の作製基板に酸化物半導体層を含むトランジスタを作製し、その後可撓性基板に剥離、転置してもよい。なお、作製基板から可撓性基板に剥離、転置するために、作製基板と酸化物半導体層を含むトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。

酸化物絶縁膜４３６としては、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、又は窒化酸化シリコンを用いて形成することができる。酸化物絶縁膜４３６は、単層でも積層でもよい。本実施の形態では酸化物絶縁膜４３６としてスパッタリング法を用いて形成する酸化シリコン膜を用いる。

また、第１のバッファ膜１０１ａとしては、チタン、アルミニウム、ガリウム、ジルコニウム、ハフニウム、又は希土類元素から選択された一以上の元素の酸化物を含む膜を形成する。このような材料は後に形成される酸化物半導体層１０２との相性がよいため、酸化物半導体層１０２と接する層として設けることで、酸化物半導体層１０２との界面の状態を良好に保つことができる。また、このような材料を第１のバッファ層１０１に用いることで、酸化物半導体層１０２の結晶性を向上させることができる。

第１のバッファ膜１０１ａの作製方法に特に限定はなく、例えば、プラズマＣＶＤ法やスパッタリング法などの成膜方法を用いて作製することができる。

第１のバッファ膜１０１ａ上に成膜される酸化物半導体膜は、単層構造であってもよいし、積層構造であってもよい。また、非晶質構造であってもよいし、結晶性酸化物半導体としてもよい。酸化物半導体膜１０２ａを非晶質構造とする場合には、後の作製工程において、酸化物半導体層に熱処理を行うことによって、結晶性酸化物半導体層としてもよい。非晶質酸化物半導体層を結晶化させる熱処理の温度は、２５０℃以上７００℃以下、好ましくは４００℃以上、より好ましくは５００℃以上、さらに好ましくは５５０℃以上とする。なお、当該熱処理は、作製工程における他の熱処理を兼ねることも可能である。

酸化物半導体膜１０２ａの成膜方法は、スパッタリング法、ＭＢＥ（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）法、ＣＶＤ法、パルスレーザ堆積法、ＡＬＤ（ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等を適宜用いることができる。また、酸化物半導体膜１０２ａは、スパッタリングターゲット表面に対し、概略垂直に複数の基板表面がセットされた状態で成膜を行うスパッタ装置を用いて成膜してもよい。

酸化物半導体膜１０２ａを形成する際、できる限り酸化物半導体膜１０２ａに含まれる水素濃度を低減させることが好ましい。水素濃度を低減させるには、例えば、スパッタリング法を用いて成膜を行う場合には、スパッタリング装置の成膜室内に供給するスパッタリングガスとして、水素、水、水酸基または水素化物などの不純物が除去された高純度の希ガス（代表的にはアルゴン）、酸素、および希ガスと酸素との混合ガスを適宜用いる。

また、成膜室内の残留水分を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入して成膜を行うことで、成膜された酸化物半導体層の水素濃度を低減させることができる。成膜室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプ、例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また、排気手段としては、ターボ分子ポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素原子、水（Ｈ_２Ｏ）など水素原子を含む化合物（より好ましくは炭素原子を含む化合物も）等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物半導体膜１０２ａに含まれる不純物の濃度を低減できる。

また、酸化物絶縁膜４３６、第１のバッファ膜１０１ａ及び酸化物半導体膜１０２ａを大気に解放せずに連続的に形成することが好ましい。酸化物絶縁膜４３６、第１のバッファ膜１０１ａ及び酸化物半導体膜１０２ａを大気に曝露せずに連続して形成すると、これらの界面に水素や水分などの不純物が吸着することを防止することができる。

また、基板４００を高温に保持した状態で酸化物半導体膜１０２ａを形成することも、酸化物半導体膜１０２ａ中に含まれうる不純物濃度を低減するのに有効である。基板４００を加熱する温度としては、１５０℃以上４５０℃以下とすればよく、好ましくは基板温度が２００℃以上３５０℃以下とすればよい。また、成膜時に基板を高温で加熱することで、結晶性酸化物半導体膜を形成することができる。

酸化物半導体膜１０２ａに用いる酸化物半導体としては、少なくともインジウム（Ｉｎ）チタン（Ｔｉ）、及び亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。また、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすためのスタビライザーとして、それらに加えてガリウム（Ｇａ）を含んでもよい。また、スタビライザーとしてスズ（Ｓｎ）を含んでもよい。また、スタビライザーとしてハフニウム（Ｈｆ）を含んでもよい。また、スタビライザーとしてアルミニウム（Ａｌ）を含んでもよい。また、スタビライザーとしてジルコニウム（Ｚｒ）を含んでもよい。

また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）のいずれか一種あるいは複数種を有してもよい。

例えば、直流（ＤＣ）電源または交流（ＡＣ）電源を用いるスパッタリング法を用いて成膜を行う場合、用いるターゲット中の金属元素の原子数比は、Ｉｎ：Ｔｉ：Ｚｎ＝１：１：１のものを用いる。また、Ｉｎ：Ｔｉ：Ｚｎ＝２：１：３や、Ｉｎ：Ｔｉ：Ｚｎ＝３：１：２のターゲットを用いることもできる。

なお、酸化物半導体膜１０２ａは、成膜時に酸素が多く含まれるような条件（例えば、酸素１００％の雰囲気下でスパッタリング法により成膜を行うなど）で成膜して、酸素を多く含む（好ましくは酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている）膜とすることが好ましい。

また酸化物半導体膜１０２ａを、成膜する際に用いるスパッタリングガスは水素、水、水酸基又は水素化物などの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。

本実施の形態では、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、または希ガスと酸素の混合雰囲気下において、成膜温度を２００℃以上４５０℃以下として酸化物半導体膜１０２ａの成膜を行い、結晶領域を有する酸化物半導体である結晶性酸化物半導体膜を形成する。

結晶領域を有する酸化物半導体として、例えば、表面に概略垂直なｃ軸を有している結晶を含む酸化物半導体（ＣＡＡＣ−ＯＳ）を用いることができる。ｃ軸配向を有した結晶性酸化物半導体を得る方法としては、三つ挙げられる。一つ目は、成膜温度を２００℃以上４５０℃以下として酸化物半導体膜の成膜を行い、表面に概略垂直にｃ軸配向させる方法である。二つ目は、酸化物半導体膜を薄い膜厚で成膜した後、２００℃以上７００℃以下の熱処理を行い、表面に概略垂直にｃ軸配向させる方法である。三つ目は、一層目の膜厚を薄く成膜した後、２００℃以上７００℃以下の熱処理を行い、二層目の成膜を行い、表面に概略垂直にｃ軸配向させる方法である。

結晶性酸化物半導体は、よりバルク内欠陥を低減することができ、表面の平坦性を高めればアモルファス状態の酸化物半導体以上の移動度を得ることができる。表面の平坦性を高めるためには、平坦な表面上に酸化物半導体を形成することが好ましく、具体的には、平均面粗さ（Ｒａ）が１ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下、より好ましくは０．１ｎｍ以下の表面上に形成するとよい。

なお、Ｒａとは、ＪＩＳＢ０６０１：２００１（ＩＳＯ４２８７：１９９７）で定義されている算術平均粗さを曲面に対して適用できるよう三次元に拡張したものであり、「基準面から指定面までの偏差の絶対値を平均した値」で表現でき、以下の式にて定義される。

ここで、指定面とは、粗さ計測の対象となる面であり、座標（ｘ１，ｙ１，ｆ（ｘ１，ｙ１）），（ｘ１，ｙ２，ｆ（ｘ１，ｙ２）），（ｘ２，ｙ１，ｆ（ｘ２，ｙ１）），（ｘ２，ｙ２，ｆ（ｘ２，ｙ２））の４点で表される四角形の領域とし、指定面をｘｙ平面に投影した長方形の面積をＳ０、基準面の高さ（指定面の平均の高さ）をＺ０とする。Ｒａは原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：ＡｔｏｍｉｃＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）にて測定可能である。

よって、第１のバッファ膜１０１ａにおいて酸化物半導体膜１０２ａが接して形成される領域に、平坦化処理を行ってもよい。平坦化処理としては、特に限定されないが、研磨処理（例えば、化学的機械研磨（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）法）、ドライエッチング処理、プラズマ処理を用いることができる。

プラズマ処理としては、例えば、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リングを行うことができる。

平坦化処理として、研磨処理、ドライエッチング処理、プラズマ処理は複数回行ってもよく、それらを組み合わせて行ってもよい。また、組み合わせて行う場合、工程順も特に限定されず、第１のバッファ膜１０１ａ表面の凹凸状態に合わせて適宜設定すればよい。

なお、本実施の形態においては、酸化物半導体膜１０２ａを、当該酸化物半導体膜１０２ａと同種の成分でなる酸化物膜である第１のバッファ膜１０１ａ上に形成する。このため、当該２層の界面状態を良好とすることができ、界面近傍における結晶性を向上させることができる。

次いで、第１のバッファ膜１０１ａ及び酸化物半導体膜１０２ａをフォトリソグラフィ工程により島状に加工し、第１のバッファ層１０１及び酸化物半導体層１０２を形成する。

第１のバッファ層１０１及び酸化物半導体層１０２を形成するためのレジストマスクをインクジェットで形成してもよい。レジストマスクをインクジェットで形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減することができる。

なお、第１のバッファ膜１０１ａ及び酸化物半導体膜１０２ａのエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよく、双方を適用してもよい。

本実施の形態では、第１のバッファ膜１０１ａ及び酸化物半導体膜１０２ａを同じマスクを用いてエッチング加工するため、加工後の第１のバッファ層１０１と酸化物半導体層１０２とは側面の端部が一致した同形状の層となる。

また、酸化物半導体層１０２に、当該酸化物半導体層１０２に含まれる過剰な水素（水や水酸基を含む）を除去（脱水化または脱水素化）するための熱処理を行うのが好ましい。熱処理の温度は、３００℃以上７００℃以下、または基板の歪み点未満とする。熱処理は減圧下又は窒素雰囲気下などで行うことができる。

この熱処理によって、ｎ型不純物である水素を酸化物半導体から除去することができる。例えば、脱水化又は脱水素化処理後の酸化物半導体層１０２に含まれる水素濃度を、５×１０^１９／ｃｍ^３以下、好ましくは５×１０^１８／ｃｍ^３以下とすることができる。

なお、脱水化又は脱水素化のための熱処理は、酸化物半導体膜１０２ａの成膜後であって後に形成する絶縁膜４０７の成膜前であれば、トランジスタ５１０の作製工程においてどのタイミングで行ってもよい。但し、第２のバッファ層１０３として酸化アルミニウム膜を用いる場合には、第２のバッファ層１０３を形成する前に行うのが好ましい。また、脱水化又は脱水素化のための熱処理は、複数回行ってもよく、他の加熱処理と兼ねてもよい。

なお、脱水化又は脱水素化のための熱処理を酸化物半導体膜１０２ａの島状への加工前に行うと、酸化物絶縁膜４３６に含まれる酸素が熱処理によって放出されるのを防止することができるため好ましい。

なお、熱処理においては、窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、熱処理装置に導入する窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、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。

また、熱処理で酸化物半導体層１０２を加熱した後、加熱温度を維持、またはその加熱温度から徐冷しながら同じ炉に高純度の酸素ガス、高純度の二窒化酸素ガス、又は超乾燥エア（ＣＲＤＳ（キャビティリングダウンレーザー分光法）方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が２０ｐｐｍ（露点換算で−５５℃）以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、より好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）を導入してもよい。酸素ガスまたは二窒化酸素ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、熱処理装置に導入する酸素ガスまたは二窒化酸素ガスの純度を、６Ｎ以上好ましくは７Ｎ以上（即ち、酸素ガスまたは二窒化酸素ガス中の不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。酸素ガス又は二窒化酸素ガスの作用により、脱水化または脱水素化処理による不純物の排除工程によって同時に減少してしまった酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素を供給することによって、酸化物半導体層１０２を高純度化及び電気的にｉ型（真性）化することができる。

この熱処理によって、酸化物半導体層１０２と同種の元素を含む第１のバッファ層１０１も高純度化しうる。また、酸化物半導体層１０２の結晶性（バルク及び第１のバッファ層１０１との界面近傍）もより向上しうる。

次いで、島状の第１のバッファ層１０１及び島状の酸化物半導体層１０２を覆う第２のバッファ層１０３を形成する（図４（Ｂ）参照）。第２のバッファ層１０３の成膜条件は、第１のバッファ層１０１と同様であるため、ここでは説明を省略する。なお、第２のフォトリソグラフィ工程により酸化物半導体層１０２と重なり、且つ、酸化物半導体層１０２の平面面積よりも広い上面形状の第２のバッファ層１０３を形成する。第２のバッファ層１０３は、酸化物半導体層１０２と同種の成分でなる酸化物膜であるため、当該２層の界面状態を良好とすることができる。また、第２のバッファ層１０３との界面近傍における結晶性を向上させることができる。

次いで、第２のバッファ層１０３を覆うゲート絶縁膜４０２を形成する（図４（Ｃ）参照）。

ゲート絶縁膜４０２の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とし、スパッタリング法、ＭＢＥ法、ＣＶＤ法、パルスレーザ堆積法、ＡＬＤ法等を適宜用いることができる。また、ゲート絶縁膜４０２は、スパッタリングターゲット表面に対し、概略垂直に複数の基板表面がセットされた状態で成膜を行うスパッタ装置を用いて成膜してもよい。

ゲート絶縁膜４０２の材料としては、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、または窒化酸化シリコン膜を用いて形成することができる。ゲート絶縁膜４０２は、単層構造としても良いし、積層構造としても良い。

次いで、ゲート電極層４０１をプラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により、ゲート絶縁膜４０２上に形成する（図４（Ｄ）参照）。

ゲート電極層４０１の材料は、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウム等の金属材料またはこれらを主成分とする合金材料を用いて形成することができる。また、ゲート電極層４０１としてリン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコン膜に代表される半導体膜、ニッケルシリサイドなどのシリサイド膜を用いてもよい。ゲート電極層４０１は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。

また、ゲート電極層４０１の材料は、インジウム錫酸化物、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導電性材料を適用することもできる。また、上記導電性材料と、上記金属材料の積層構造とすることもできる。

また、ゲート絶縁膜４０２と接するゲート電極層４０１の一層として、窒素を含む金属酸化物、具体的には、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物膜や、窒素を含むＩｎ−Ｓｎ系酸化物膜や、窒素を含むＩｎ−Ｇａ系酸化物膜や、窒素を含むＩｎ−Ｚｎ系酸化物膜や、窒素を含むＳｎ系酸化物膜や、窒素を含むＩｎ系酸化物膜や、金属窒化膜（ＩｎＮ、ＳｎＮなど）を用いることができる。これらの膜は５ｅＶ、好ましくは５．５ｅＶ以上の仕事関数を有し、ゲート電極層として用いた場合、トランジスタの電気特性のしきい値電圧をプラスにすることができ、所謂ノーマリーオフのスイッチング素子を実現できる。

次いで、ゲート絶縁膜４０２及びゲート電極層４０１上に絶縁膜４０７を形成する。

絶縁膜４０７は、ゲート絶縁膜４０２と同様の材料を用いて形成することができる。

また、絶縁膜４０７として平坦化絶縁膜を用いてもよい。平坦化絶縁膜としては、ポリイミド、アクリル、ベンゾシクロブテン、等の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）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、平坦化絶縁膜を形成してもよい。

次いで、絶縁膜４０７に、酸化物半導体層１０２に達するコンタクトホール（開口）を形成し、コンタクトホールに、酸化物半導体層１０２と電気的に接続するソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂをそれぞれ形成する（図４（Ｅ）参照。）

ソース電極層、及びドレイン電極層に用いる導電膜としては、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等を用いることができる。また、Ａｌ、Ｃｕなどの金属膜の下側又は上側の一方または双方にＴｉ、Ｍｏ、Ｗなどの高融点金属膜またはそれらの金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）を積層させた構成としても良い。また、ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂに用いる導電膜にリンまたはホウ素等のドーパントを含ませてもよい。

以上の工程によって、トランジスタ５１０を形成することができる。

トランジスタ５１０と異なる構成を有する本実施の形態に係るトランジスタの構成を図５及び図６に示す。なお、図５及び図６に示すトランジスタは、先に示したトランジスタ５１０と一部が異なるだけであるため、簡略化のために同一の符号を用いて説明し、同一の部分の詳細な説明は、ここでは省略することとする。

図５（Ａ）に示すトランジスタ５２０は、第１のバッファ膜１０１ａ及び酸化物半導体膜１０２ａを島状に加工する際に、同じマスクを用いて（或いは、加工によって作製した島状の第１のバッファ層１０１及び酸化物半導体層１０２をマスクとして）酸化物絶縁膜４３６の一部をエッチングして薄くした構成である。トランジスタ５２０において酸化物絶縁膜４３６は、島状の第１のバッファ層１０１及び酸化物半導体層１０２と重畳する領域は、その他の領域（重畳しない領域）と比較して厚い膜厚を有している。第１のバッファ層１０１及び酸化物半導体層１０２の島状への加工の際に、酸化物絶縁膜４３６の一部までエッチングすることによって酸化物半導体層１０２の残渣などのエッチング残りを除去し、リーク電流の発生を低減することができる。

また、図５（Ｂ）に示すトランジスタ５３０は、３回のフォトリソグラフィ工程により、第１のバッファ層１０１、酸化物半導体層１０２及び第２のバッファ層１０３を島状に加工する例である。トランジスタ５３０においては、第１のバッファ膜１０１ａを成膜後、第１のマスクを用いて島状の第１のバッファ層１０１を形成し、島状の第１のバッファ層１０１上に酸化物半導体膜１０２ａを成膜後、第２のマスクを用いて島状の酸化物半導体層１０２を形成し、島状の第１のバッファ層１０１及び酸化物半導体層１０２上に第２のバッファ層１０３となる第２のバッファ膜１０３ａを成膜後、当該第２のバッファ膜１０３ａを第３のマスクを用いて島状に加工することで、形成される。

なお、トランジスタ５３０は、第１のバッファ層１０１の端面が、酸化物半導体層１０２の側面から突出した構造であり、第２のバッファ層１０３が第１のバッファ層１０１の上面の一部と接する構成とした例である。第２のバッファ層１０３の端部は、第１のバッファ層１０１の端部とそれぞれ接して重なる。

また、図６にトランジスタ５４０の構成を示す。図６（Ａ）は平面図であり、図６（Ａ）中の鎖線ＸＹで切断した断面が図６（Ｂ）に相当し、図６（Ａ）中の鎖線ＶＷで切断した断面が図６（Ｃ）に相当する。

チャネル長方向の断面図である図６（Ｂ）に示すように、トランジスタ５４０は、第１のバッファ膜１０１ａと、第１のバッファ膜１０１ａ上に設けられた島状の酸化物半導体層１０２と、酸化物半導体層１０２上に接して設けられたソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂと、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂ上に設けられ、少なくとも酸化物半導体層１０２のチャネル形成領域と接する第２のバッファ層１０３と、ゲート絶縁膜４０２と、ゲート電極層４０１と、を含む。また、トランジスタ５４０において、ゲート電極層４０１上に絶縁膜４０７が設けられていてもよい。

また、チャネル幅方向の断面図である図６（Ｃ）に示すように、トランジスタ５４０のチャネル幅方向の断面において酸化物半導体層１０２の側面は、第２のバッファ層１０３の端部で覆われた構造を有する。このような構造とすることで、酸化物半導体層１０２とゲート電極層４０１との間における寄生チャネルの発生を低減することができる。

図６（Ｂ）及び図６（Ｃ）に示すように、トランジスタ５４０において、第２のバッファ層１０３は、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂを覆い、且つ第１のバッファ膜１０１ａ及び酸化物半導体層１０２と接して設けられている。つまり、酸化物半導体層１０２は、第１のバッファ膜１０１ａ及び第２のバッファ層１０３に囲まれて設けられている。第１のバッファ膜１０１ａは基板全面に形成されても、十分な透光性を有していれば、表示装置に適用することができる。例えば第１のバッファ膜１０１ａとして酸化チタン膜を用いる場合、透過型の液晶表示装置を作製することができる。また、第１のバッファ膜１０１ａとして酸化チタン膜を用いる場合、帯電防止膜としても機能させることができる。なお、トランジスタ５１０等のように第１のバッファ膜１０１ａを島状に加工して第１のバッファ層１０１としてもよい。

なお、第１のバッファ膜１０１ａと、第２のバッファ層１０３は、同じ材料を含む膜としてもよいし、上述の材料のうち異なる材料を含む膜としてもよい。第１のバッファ膜１０１ａと第２のバッファ層１０３とを同じ材料（又はエッチングの選択比が十分でない材料）を用いて構成する場合、第２のバッファ層１０３を島状に加工する際のエッチングは時間によって制御すればよい。なお、第２のバッファ層１０３の加工の際に、第１のバッファ膜１０１ａの一部がエッチングされて、第２のバッファ層１０３が重畳する領域と比較して第２のバッファ層１０３と重畳しない領域の膜厚が薄くなることもある。

本実施の形態で示したトランジスタは、酸化物半導体層の上面部及び下面部に、酸化物半導体層と同種の成分でなるバッファ層が接して設けられている。このように酸化物半導体層と相性の良い材料によって構成されたバッファ層を酸化物半導体層と接する態様で存在させることで、バッファ層と酸化物半導体層との界面を良好にすることができる。よって、半導体装置の動作などに起因して生じうる電荷などが酸化物半導体層とバッファ層との界面に捕獲されることを抑制することができる。これによって、酸化物半導体層への電荷の影響を緩和することができるため、酸化物半導体層界面への電荷トラップに起因するトランジスタのしきい値変動を抑制することができる。

また、酸化物半導体層を結晶性酸化物半導体層とする場合、酸化物半導体層と接して該酸化物半導体層と同種の成分でなるバッファ層を設けることで、界面近傍における結晶性を向上させることができる。よって、酸化物半導体層と接するバッファ層との界面近傍及びバルク内をそれぞれ結晶性領域とすることが可能となるため、結晶性酸化物半導体層におけるバンド内準位を低減させることができる。したがって、トランジスタ特性を向上させることができる。

また、このような結晶性酸化物半導体層をトランジスタに用いることで、可視光や紫外光の照射によるトランジスタの電気的特性変化をより抑制し、信頼性の高い半導体装置とすることができる。

また、本実施の形態において、トランジスタの活性層に用いる酸化物半導体層は、熱処理によって、水素、水分、水酸基又は水素化物（水素化合物ともいう）などの不純物を酸化物半導体より排除し、かつ不純物の排除工程によって同時に減少してしまう酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素を供給することによって、高純度化及び電気的にｉ型（真性）化されたものである。このように高純度化された酸化物半導体層を含むトランジスタは、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。

以上のように、安定した電気的特性を有する酸化物半導体を用いた半導体装置を提供することができる。よって、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。

（実施の形態４）
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の他の一形態を、図７を用いて説明する。本実施の形態において実施の形態３と同一部分又は同様な機能を有する部分、及び工程は、上記実施の形態と同様に行うことができ、繰り返しの説明は省略する。また同じ箇所の詳細な説明は省略する。

本実施の形態では、開示する発明に係る半導体装置の作製方法において、脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体層に、酸素（少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオン、のいずれかを含む）を導入して膜中に酸素を供給する例を示す。

脱水化又は脱水素化処理によって、酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素が同時に脱離して減少してしまうおそれがある。酸化物半導体層において、酸素が脱離した箇所では酸素欠損が存在し、該酸素欠損に起因してトランジスタの電気特性変動を招くドナー準位が生じてしまう。

よって、脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体層に、酸素を供給することが好ましい。酸化物半導体層へ酸素を供給することにより、膜中の酸素欠損を補填することができる。該酸化物半導体層をトランジスタに用いることで、酸素欠損に起因するトランジスタのしきい値電圧Ｖｔｈのばらつき、しきい値電圧のシフトΔＶｔｈを低減することができる。また、しきい値電圧をプラスシフトさせ、トランジスタをノーマリーオフ化することもできる。

図７（Ａ）は、図４（Ｃ）と対応しており、酸化物絶縁膜４３６が設けられた絶縁表面を有する基板４００上に、第１のバッファ層１０１と、酸化物半導体層１０２と、第２のバッファ層１０３と、ゲート絶縁膜４０２とが形成されている。

次に、酸化物半導体層１０２に酸素４３１（少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオン、のいずれかを含む）を導入して、酸化物半導体層１０２に、酸素過剰領域１１２を形成し、酸素の供給を行う（図７（Ｂ）参照）。

なお、酸素過剰領域１１２は、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が、少なくとも一部含まれている領域とする。酸素過剰領域１１２に供給された酸素４３１によって、酸化物半導体層１０２中または界面に存在する酸素欠損を補填することができる。なお、酸化物半導体層１０２への酸素の導入工程において、酸化物半導体層１０２に接する第１のバッファ層１０１又は第２のバッファ層１０３のいずれか又は双方に酸素過剰領域を形成してもよい。

次いで、酸素過剰領域１１２を有する酸化物半導体層１０２と重畳する領域にゲート電極層４０１を形成する。その後、ゲート絶縁膜４０２及びゲート電極層４０１上に絶縁膜４０７を形成し、絶縁膜４０７に設けられたコンタクトホールを介して酸化物半導体層１０２と電気的に接続するソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂを形成してトランジスタ４１０を作製する（図７（Ｃ）参照）。

本実施の形態で示すトランジスタは、脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体層１０２に、酸素を導入して膜中に酸素を供給することによって、酸化物半導体層１０２を高純度化、及び電気的にｉ型（真性）化することができる。高純度化し、電気的にｉ型（真性）化した酸化物半導体層１０２を有するトランジスタ４１０は、電気特性変動が抑制されており、電気的に安定である。

酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法、プラズマ処理などを用いることができる。

なお、本実施の形態では、ゲート絶縁膜４０２を介して酸化物半導体層１０２に酸素４３１を導入する工程を示したが、酸化物半導体層１０２への酸素の導入のタイミングは脱水化又は脱水素化処理を行った後であれば特に限定されない。また、上記脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体層１０２への酸素の導入は複数回行ってもよい。例えば、酸化物半導体層１０２が露出した状態で酸素４３１を導入してもよいし、絶縁膜４０７を通過して酸化物半導体層１０２へ酸素を導入してもよい。なお、酸化物半導体層１０２が露出した状態で酸素４３１を導入する場合は、プラズマ処理を適用することもできる。

また、酸化物半導体層１０２中の酸素過剰領域１１２において、酸素の導入工程によって導入された酸素濃度を１×１０^１８／ｃｍ^３以上５×１０^２１／ｃｍ^３以下とするのが好ましい。

なお、酸化物半導体において、酸素は主たる成分材料の一つである。このため、酸化物半導体層１０２中の酸素濃度を、ＳＩＭＳ（ＳｅｃｏｎｄａｒｙＩｏｎＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）などの方法を用いて、正確に見積もることは難しい。つまり、酸化物半導体層１０２に酸素が意図的に添加されたか否かを判別することは困難であるといえる。

ところで、酸素には^１７Ｏや^１８Ｏといった同位体が存在し、自然界におけるこれらの存在比率はそれぞれ酸素原子全体の０．０３７％、０．２０４％程度であることが知られている。つまり、酸化物半導体層１０２中におけるこれら同位体の濃度は、ＳＩＭＳなどの方法によって見積もることができる程度になるから、これらの濃度を測定することで、酸化物半導体層１０２中の酸素濃度をより正確に見積もることが可能な場合がある。よって、これらの濃度を測定することで、酸化物半導体層１０２に意図的に酸素が添加されたか否かを判別しても良い。

また、酸化物半導体膜へ酸素を導入した後、加熱処理を行うことが好ましい。加熱条件としては、温度２５０℃以上７００℃以下、好ましくは３００℃以上４５０℃以下で、酸素雰囲気下で行うことが好ましい。また、窒素雰囲気下、減圧下、大気（超乾燥エア）下で加熱処理を行ってもよい。

なお、酸化物半導体層を結晶性酸化物半導体層とした場合、酸素４３１の導入により、一部非晶質化する場合がある。この場合、酸素４３１の導入後に加熱処理を行うことによって、酸化物半導体層の結晶性を回復することができる。

以上のように、安定した電気特性を有する酸化物半導体層を用いた半導体装置を提供することができる。よって、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

（実施の形態５）
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の他の一形態を、図８を用いて説明する。上記実施の形態と同一部分又は同様な機能を有する部分、及び工程は、上記実施の形態と同様に行うことができ、繰り返しの説明は省略する。また同じ箇所の詳細な説明は省略する。

本実施の形態では、開示する発明に係る半導体装置の作製方法において、酸化物半導体層に低抵抗領域を形成する例である。低抵抗領域は、酸化物半導体層へ導電率を変化させる不純物（ドーパントともいう）を導入して形成することができる。

実施の形態３で示した作製工程と同様に、酸化物絶縁膜４３６が設けられた絶縁表面を有する基板４００上に、第１のバッファ層１０１、酸化物半導体層１０２、第２のバッファ層１０３、ゲート絶縁膜４０２及びゲート電極層４０１を形成する。

次に、ゲート電極層４０１をマスクとして、酸化物半導体層１０２に、ゲート絶縁膜４０２、第２のバッファ層１０３を通過してドーパント４２１を選択的に導入し、低抵抗領域１２２ａ及び低抵抗領域１２２ｂを形成する（図８（Ａ）参照）。

ドーパント４２１は、酸化物半導体層１０２の導電率を変化させる不純物である。ドーパント４２１としては、１５族元素（代表的にはリン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、およびアンチモン（Ｓｂ））、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、窒素（Ｎ）、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、インジウム（Ｉｎ）、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、チタン（Ｔｉ）、及び亜鉛（Ｚｎ）のいずれかから選択される一以上を用いることができる。

本実施の形態において、ドーパント４２１は注入法によりゲート絶縁膜４０２及び第２のバッファ層１０３を通過して、酸化物半導体層１０２に導入する。ドーパント４２１の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる。その際には、ドーパント４２１の単体のイオンあるいはフッ化物、塩化物のイオンを用いると好ましい。

ドーパント４２１の導入工程は、加速電圧、ドーズ量などの注入条件、また通過させるゲート絶縁膜４０２及び第２のバッファ層１０３の膜厚を適宜設定して制御すればよい。本実施の形態では、ドーパント４２１としてホウ素を用いて、イオン注入法でホウ素イオンの注入を行う。なお、ドーパント４２１のドーズ量は１×１０^１３ｉｏｎｓ／ｃｍ^２以上５×１０^１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２以下とすればよい。

低抵抗領域１２２ａ及び低抵抗領域１２２ｂにおけるドーパント４２１の濃度は、５×１０^１８／ｃｍ^３以上１×１０^２２／ｃｍ^３以下であることが好ましい。

ドーパント４２１を導入する際に、基板４００を加熱しながら行ってもよい。

なお、酸化物半導体層１０２にドーパント４２１を導入する処理は、複数回行ってもよく、ドーパントの種類も複数種用いてもよい。

なお、ドーパント４２１が導入される深さによっては、第１のバッファ層１０１又は第２のバッファ層１０３において、ゲート電極層４０１と重畳しない領域においても、ドーパント４２１が含まれ、当該領域に一対の低抵抗領域が形成される場合がある。

また、ドーパント４２１の導入処理後、加熱処理を行ってもよい。加熱条件としては、温度３００℃以上７００℃以下、好ましくは３００℃以上４５０℃以下で１時間、酸素雰囲気下で行うことが好ましい。また、窒素雰囲気下、減圧下、大気（超乾燥エア）下で加熱処理を行ってもよい。

酸化物半導体層１０２を結晶性酸化物半導体膜とした場合、ドーパント４２１の導入により、一部非晶質化する場合がある。この場合、ドーパント４２１の導入後に加熱処理を行うことによって、酸化物半導体層１０２の結晶性を回復することができる。

次いで、ゲート絶縁膜４０２及びゲート電極層４０１上に絶縁膜４０７を形成し、絶縁膜４０７に設けられたコンタクトホールを介して酸化物半導体層１０２と電気的に接続するソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂを形成する（図８（Ｂ）参照）。

以上の工程で、本実施の形態に係るトランジスタ４２０を作製することができる。トランジスタ４２０に含まれる酸化物半導体層１０２は、ゲート電極層４０１と重畳するチャネル形成領域１２２ｃを挟んで、低抵抗領域１２２ａ及び低抵抗領域１２２ｂを有する。

また、実施の形態４で示した酸素過剰領域を有するトランジスタ４１０にドーパントを導入し、低抵抗領域を形成したトランジスタ４３０を図８（Ｃ）に示す。

トランジスタ４３０は、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示す工程によって、酸素過剰領域１１２を含む酸化物半導体層１０２を形成した後、ゲート電極層４０１をマスクとしてドーパントを導入することで、酸素を過剰に含むチャネル形成領域１２４ｃを挟んで、ドーパント及び過剰な酸素を含む低抵抗領域１２４ａと、ドーパント及び過剰な酸素を含む低抵抗領域１２４ｂと、を有する。

本実施の形態で示すトランジスタ４２０及びトランジスタ４３０は、チャネル長方向にチャネル形成領域を挟んで低抵抗領域を含む酸化物半導体層を有することにより、オン特性（例えば、オン電流及び電界効果移動度）が高く、高速動作、高速応答が可能となる。また、低抵抗領域は、自己整合的に形成され、ゲート電極層と重ならないため、寄生容量を小さくすることができる。寄生容量を小さくすることは、半導体装置全体の消費電力を低減することに繋がる。

（実施の形態６）
実施の形態１乃至実施の形態５に示したトランジスタを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、トランジスタを含む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。

図９（Ａ）において、第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２を囲むようにして、シール材４００５が設けられ、第２の基板４００６によって封止されている。図９（Ａ）においては、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走査線駆動回路４００４、信号線駆動回路４００３が実装されている。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、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅｐｒｉｎｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔ）４０１８ａ、４０１８ｂから供給されている。

図９（Ｂ）、及び図９（Ｃ）において、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、表示素子と共に封止されている。図９（Ｂ）、及び（Ｃ）においては、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。図９（Ｂ）、及び（Ｃ）においては、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。

また図９（Ｂ）、及び図９（Ｃ）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、この構成に限定されない。走査線駆動回路を別途形成して実装してもよいし、信号線駆動回路の一部または走査線駆動回路の一部のみを別途形成して実装してもよい。

なお、別途形成した駆動回路の接続方法は、特に限定されるものではなく、ＣＯＧ（ＣｈｉｐＯｎＧｌａｓｓ）方法、ワイヤボンディング方法、或いはＴＡＢ（ＴａｐｅＡｕｔｏｍａｔｅｄＢｏｎｄｉｎｇ）方法などを用いることができる。図９（Ａ）は、ＣＯＧ方法により信号線駆動回路４００３、走査線駆動回路４００４を実装する例であり、図９（Ｂ）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９（Ｃ）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、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。

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もしくはＴＡＢテープもしくはＴＣＰ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。

また第１の基板上に設けられた画素部及び走査線駆動回路は、トランジスタを複数有しており、実施の形態１乃至実施の形態５に例示したトランジスタを適用することができる。

表示装置に設けられる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（ＥｌｅｃｔｒｏＬｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）、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。

半導体装置の一形態について、図９及び図１０を用いて説明する。図１０は、図９（Ｂ）のＭ−Ｎにおける断面図に相当する。

図９及び図１０で示すように、半導体装置は接続端子電極４０１５及び端子電極４０１６を有しており、接続端子電極４０１５及び端子電極４０１６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。

接続端子電極４０１５は、第１の電極層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。

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１０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。図１０（Ａ）では、トランジスタ４０１０、４０１１上には絶縁膜４０２０が設けられ、図１０（Ｂ）では、トランジスタ４０１０、４０１１上に絶縁膜４０２０及び絶縁膜４０２１が設けられている。なお、絶縁膜４０２３はゲート絶縁膜として機能する絶縁膜である。

トランジスタ４０１０及びトランジスタ４０１１としては、実施の形態１乃至実施の形態５で示したトランジスタを適用することができる。本実施の形態では、実施の形態２で示したトランジスタ２１２と同様な構造を有するトランジスタを適用する例を示す。トランジスタ４０１０、トランジスタ４０１１は、電気的に安定である。よって、本実施の形態の半導体装置として信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

画素部４００２に設けられたトランジスタ４０１０は表示素子と電気的に接続し、表示パネルを構成する。表示素子は表示を行うことができれば特に限定されず、様々な表示素子を用いることができる。

図１０（Ａ）に表示素子として液晶素子を用いた液晶表示装置の例を示す。図１０（Ａ）において、表示素子である液晶素子４０１３は、第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１、及び液晶層４００８を含む。なお、液晶層４００８を挟持するように配向膜として機能する絶縁膜４０３２、４０３３が設けられている。第２の電極層４０３１は第２の基板４００６側に設けられ、第１の電極層４０３０と第２の電極層４０３１とは液晶層４００８を介して積層する構成となっている。

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、液晶層４００８の膜厚（セルギャップ）を制御するために設けられている。なお球状のスペーサを用いていてもよい。

表示素子として、液晶素子を用いる場合、サーモトロピック液晶、低分子液晶、高分子液晶、高分子分散型液晶、強誘電性液晶、反強誘電性液晶等を用いることができる。これらの液晶材料（液晶組成物）は、条件により、コレステリック相、スメクチック相、キュービック相、カイラルネマチック相、等方相等を示す。

また、液晶層４００８に、配向膜を用いないブルー相を発現する液晶組成物を用いてもよい。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、液晶及びカイラル剤を混合させた液晶組成物を用いて発現させることができる。また、ブルー相が発現する温度範囲を広げるために、ブルー相を発現する液晶組成物に重合性モノマー及び重合開始剤などを添加し、高分子安定化させる処理を行って液晶層を形成することもできる。ブルー相を発現する液晶組成物は、応答速度が短く、光学的等方性であるため配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい。また配向膜を設けなくてもよいのでラビング処理も不要となるため、ラビング処理によって引き起こされる静電破壊を防止することができ、作製工程中の液晶表示装置の不良や破損を軽減することができる。よって液晶表示装置の生産性を向上させることが可能となる。酸化物半導体層を用いるトランジスタは、静電気の影響によりトランジスタの電気的な特性が著しく変動して設計範囲を逸脱する恐れがある。よって酸化物半導体層を用いるトランジスタを有する液晶表示装置にブルー相を発現する液晶組成物を用いることはより効果的である。

また、液晶材料の固有抵抗は、１×１０^９Ω・ｃｍ以上であり、好ましくは１×１０^１１Ω・ｃｍ以上であり、さらに好ましくは１×１０^１２Ω・ｃｍ以上である。なお、本明細書における固有抵抗の値は、２０℃で測定した値とする。

液晶表示装置に設けられる保持容量の大きさは、画素部に配置されるトランジスタのリーク電流等を考慮して、所定の期間の間電荷を保持できるように設定される。保持容量の大きさは、トランジスタのオフ電流等を考慮して設定すればよい。本明細書に開示する酸化物半導体層を有するトランジスタを用いることにより、各画素における液晶容量に対して１／３以下、好ましくは１／５以下の容量の大きさを有する保持容量を設ければ充分である。

本明細書に開示する酸化物半導体層を用いたトランジスタは、オフ状態における電流値（オフ電流値）を低く制御することができる。よって、画像信号等の電気信号の保持時間を長くすることができ、電源オン状態では書き込み間隔も長く設定できる。よって、リフレッシュ動作の頻度を少なくすることができるため、消費電力を抑制する効果を奏する。

また、本明細書に開示する酸化物半導体層を用いた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、走査線駆動回路４００４の高速駆動が可能である。本実施の形態によると、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ートランジスタを同一基板上に形成することができる。すなわち、別途駆動回路として、シリコンウェハ等により形成された半導体装置を用いる必要がないため、半導体装置の部品点数を削減することができる。

液晶表示装置には、ＴＮ（ＴｗｉｓｔｅｄＮｅｍａｔｉｃ）モード、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＦＦＳ（ＦｒｉｎｇｅＦｉｅｌｄＳｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＡＳＭ（ＡｘｉａｌｌｙＳｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｉｇｎｅｄＭｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（ＯｐｔｉｃａｌＣｏｍｐｅｎｓａｔｅｄＢｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（ＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌ）モードなどを用いることができる。

また、ノーマリーブラック型の液晶表示装置、例えば垂直配向（ＶＡ）モードを採用した透過型の液晶表示装置としてもよい。垂直配向モードとしては、いくつか挙げられるが、例えば、ＭＶＡ（Ｍｕｌｔｉ−ＤｏｍａｉｎＶｅｒｔｉｃａｌＡｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＰＶＡ（ＰａｔｔｅｒｎｅｄＶｅｒｔｉｃａｌＡｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＡＳＶ（ＡｄｖａｎｃｅｄＳｕｐｅｒＶｉｅｗ）モードなどを用いることができる。また、ＶＡ型の液晶表示装置にも適用することができる。ＶＡ型の液晶表示装置とは、液晶表示パネルの液晶分子の配列を制御する方式の一種である。ＶＡ型の液晶表示装置は、電圧が印加されていないときにパネル面に対して液晶分子が垂直方向を向く方式である。また、画素（ピクセル）をいくつかの領域（サブピクセル）に分け、それぞれ別の方向に分子を倒すよう工夫されているマルチドメイン化あるいはマルチドメイン設計といわれる方法を用いることができる。

また、表示装置において、ブラックマトリクス（遮光層）、偏光部材、位相差部材、反射防止部材などの光学部材（光学基板）などは適宜設ける。例えば、偏光基板及び位相差基板による円偏光を用いてもよい。また、光源としてバックライト、サイドライトなどを用いてもよい。

また、画素部における表示方式は、プログレッシブ方式やインターレース方式等を用いることができる。また、カラー表示する際に画素で制御する色要素としては、ＲＧＢ（Ｒは赤、Ｇは緑、Ｂは青を表す）の三色に限定されない。例えば、ＲＧＢＷ（Ｗは白を表す）、又はＲＧＢに、イエロー、シアン、マゼンタ等を一色以上追加したものがある。なお、色要素のドット毎にその表示領域の大きさが異なっていてもよい。ただし、開示する発明はカラー表示の表示装置に限定されるものではなく、モノクロ表示の表示装置に適用することもできる。

また、表示装置に含まれる表示素子として、エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子を適用することができる。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。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。

発光素子は発光を取り出すために少なくとも一対の電極の一方が透光性であればよい。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、どの射出構造の発光素子も適用することができる。

図１０（Ｂ）に表示素子として発光素子を用いた発光装置の例を示す。表示素子である発光素子４５１３は、画素部４００２に設けられたトランジスタ４０１０と電気的に接続している。なお発光素子４５１３の構成は、第１の電極層４０３０、電界発光層４５１１、第２の電極層４０３１の積層構造であるが、示した構成に限定されない。発光素子４５１３から取り出す光の方向などに合わせて、発光素子４５１３の構成は適宜変えることができる。

隔壁４５１０は、有機絶縁材料、又は無機絶縁材料を用いて形成する。特に感光性の樹脂材料を用い、第１の電極層４０３０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４５１１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よい。

発光素子４５１３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４０３１及び隔壁４５１０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、発光素子４５１３に酸素、水素、水分、二酸化炭素等が侵入しないように、発光素子４５１３を覆う有機化合物を含む層を蒸着法により形成してもよい。

また、第１の基板４００１、第２の基板４００６、及びシール材４００５によって封止された空間には充填材４５１４が設けられ密封されている。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。

充填材４５１４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。例えば充填材として窒素を用いればよい。

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。

また、表示装置として、電子インクを駆動させる電子ペーパーを提供することも可能である。電子ペーパーは、電気泳動表示装置（電気泳動ディスプレイ）とも呼ばれており、紙と同じ読みやすさ、他の表示装置に比べ低消費電力、薄くて軽い形状とすることが可能という利点を有している。

電気泳動表示装置は、様々な形態が考えられ得るが、プラスの電荷を有する第１の粒子と、マイナスの電荷を有する第２の粒子とを含むマイクロカプセルが溶媒または溶質に複数分散されたものであり、マイクロカプセルに電界を印加することによって、マイクロカプセル中の粒子を互いに反対方向に移動させて一方側に集合した粒子の色のみを表示するものである。なお、第１の粒子または第２の粒子は染料を含み、電界がない場合において移動しないものである。また、第１の粒子の色と第２の粒子の色は異なるもの（無色を含む）とする。

このように、電気泳動表示装置は、誘電定数の高い物質が高い電界領域に移動する、いわゆる誘電泳動的効果を利用したディスプレイである。

上記マイクロカプセルを溶媒中に分散させたものが電子インクと呼ばれるものであり、この電子インクはガラス、プラスチック、布、紙などの表面に印刷することができる。また、カラーフィルタや色素を有する粒子を用いることによってカラー表示も可能である。

なお、マイクロカプセル中の第１の粒子および第２の粒子は、導電体材料、絶縁体材料、半導体材料、磁性材料、液晶材料、強誘電性材料、エレクトロルミネセント材料、エレクトロクロミック材料、磁気泳動材料から選ばれた一種の材料、またはこれらの複合材料を用いればよい。

また、電子ペーパーとして、ツイストボール表示方式を用いる表示装置も適用することができる。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。

なお、図９及び図１０において、第１の基板４００１、第２の基板４００６としては、ガラス基板の他、可撓性を有する基板も用いることができ、例えば透光性を有するプラスチック基板などを用いることができる。プラスチックとしては、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒｇｌａｓｓ−ＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ）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、透光性が必要でなければ、アルミニウムやステンレスなどの金属基板（金属フィルム）を用いてもよい。例えば、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。

本実施の形態では、絶縁膜４０２０として酸化アルミニウム膜を用いる。

酸化物半導体膜上に絶縁膜４０２０として設けられた酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果（ブロック効果）が高い。

従って、酸化アルミニウム膜は、作製工程中及び作製後において、変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体層への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体層からの放出を防止する保護膜として機能する。

また、平坦化絶縁膜として機能する絶縁膜４０２１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、絶縁膜を形成してもよい。

表示素子に電圧を印加する第１の電極層及び第２の電極層（画素電極層、共通電極層、対向電極層などともいう）においては、取り出す光の方向、電極層が設けられる場所、及び電極層のパターン構造によって透光性、反射性を選択すればよい。

第１の電極層４０３０、第２の電極層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、グラフェン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、第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１はタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）等の金属、又はその合金、若しくはその金属窒化物から一つ、又は複数種を用いて形成することができる。

また、トランジスタは静電気などにより破壊されやすいため、駆動回路保護用の保護回路を設けることが好ましい。保護回路は、非線形素子を用いて構成することが好ましい。

以上のように実施の形態１乃至実施の形態５で示したトランジスタを適用することで、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。

（実施の形態７）
実施の形態１乃至実施の形態５に示したトランジスタを用いて、対象物の情報を読み取るイメージセンサ機能を有する半導体装置を作製することができる。

図１１（Ａ）に、イメージセンサ機能を有する半導体装置の一例を示す。図１１（Ａ）はフォトセンサの等価回路であり、図１１（Ｂ）はフォトセンサの一部を示す断面図である。

フォトダイオード６０２は、一方の電極がフォトダイオードリセット信号線６５８に、他方の電極がトランジスタ６４０のゲートに電気的に接続されている。トランジスタ６４０は、ソース又はドレインの一方がフォトセンサ基準信号線６７２に、ソース又はドレインの他方がトランジスタ６５６のソース又はドレインの一方に電気的に接続されている。トランジスタ６５６は、ゲートがゲート信号線６５９に、ソース又はドレインの他方がフォトセンサ出力信号線６７１に電気的に接続されている。

なお、本明細書における回路図において、酸化物半導体膜を用いるトランジスタと明確に判明できるように、酸化物半導体膜を用いるトランジスタの記号には「ＯＳ」と記載している。図１１（Ａ）において、トランジスタ６４０、トランジスタ６５６は実施の形態１乃至実施の形態５に示したトランジスタが適用でき、酸化物半導体膜を用いるトランジスタである。本実施の形態では、実施の形態３で示したトランジスタ５１０と同様な構造を有するトランジスタを適用する例を示す。

図１１（Ｂ）は、フォトセンサにおけるフォトダイオード６０２及びトランジスタ６４０に示す断面図であり、絶縁表面を有する基板６０１（ＴＦＴ基板）上に、センサとして機能するフォトダイオード６０２及びトランジスタ６４０が設けられている。フォトダイオード６０２、トランジスタ６４０の上には接着層６０８を用いて基板６１３が設けられている。

トランジスタ６４０上には絶縁膜６３１、絶縁膜６３２、層間絶縁膜６３３、層間絶縁膜６３４が設けられている。フォトダイオード６０２は、層間絶縁膜６３３上に設けられ、層間絶縁膜６３３上に形成した電極層６４１と、層間絶縁膜６３４上に設けられた電極層６４２との間に、層間絶縁膜６３３側から順に第１半導体膜６０６ａ、第２半導体膜６０６ｂ、及び第３半導体膜６０６ｃを積層した構造を有している。

電極層６４１は、層間絶縁膜６３４に形成された導電層６４３と電気的に接続し、電極層６４２は電極層６４１を介して導電層６４５と電気的に接続している。導電層６４５は、トランジスタ６４０のゲートと電気的に接続しており、フォトダイオード６０２はトランジスタ６４０と電気的に接続している。

ここでは、第１半導体膜６０６ａとしてｐ型の導電型を有する半導体膜と、第２半導体膜６０６ｂとして高抵抗な半導体膜（Ｉ型半導体膜）、第３半導体膜６０６ｃとしてｎ型の導電型を有する半導体膜を積層するｐｉｎ型のフォトダイオードを例示している。

第１半導体膜６０６ａはｐ型半導体膜であり、ｐ型を付与する不純物元素を含むアモルファスシリコン膜により形成することができる。第１半導体膜６０６ａの形成には１３族の不純物元素（例えばボロン（Ｂ））を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン（ＳｉＨ_４）を用いればよい。または、Ｓｉ_２Ｈ_６、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２、ＳｉＨＣｌ_３、ＳｉＣｌ_４、ＳｉＦ_４等を用いてもよい。また、不純物元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入法を用いて該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合にアモルファスシリコン膜を形成する方法としては、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、又はスパッタリング法等を用いればよい。第１半導体膜６０６ａの膜厚は１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下となるよう形成することが好ましい。

第２半導体膜６０６ｂは、ｉ型半導体膜（真性半導体膜）であり、アモルファスシリコン膜により形成する。第２半導体膜６０６ｂの形成には、半導体材料ガスを用いて、アモルファスシリコン膜をプラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしては、シラン（ＳｉＨ_４）を用いればよい。または、Ｓｉ_２Ｈ_６、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２、ＳｉＨＣｌ_３、ＳｉＣｌ_４、ＳｉＦ_４等を用いてもよい。第２半導体膜６０６ｂの形成は、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、スパッタリング法等により行ってもよい。第２半導体膜６０６ｂの膜厚は２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下となるように形成することが好ましい。

第３半導体膜６０６ｃは、ｎ型半導体膜であり、ｎ型を付与する不純物元素を含むアモルファスシリコン膜により形成する。第３半導体膜６０６ｃの形成には、１５族の不純物元素（例えばリン（Ｐ））を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン（ＳｉＨ_４）を用いればよい。または、Ｓｉ_２Ｈ_６、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２、ＳｉＨＣｌ_３、ＳｉＣｌ_４、ＳｉＦ_４等を用いてもよい。また、不純物元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入法を用いて該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合にアモルファスシリコン膜を形成する方法としては、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、又はスパッタリング法等を用いればよい。第３半導体膜６０６ｃの膜厚は２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下となるよう形成することが好ましい。

また、第１半導体膜６０６ａ、第２半導体膜６０６ｂ、及び第３半導体膜６０６ｃは、アモルファス半導体ではなく、多結晶半導体を用いて形成してもよいし、微結晶（セミアモルファス（ＳｅｍｉＡｍｏｒｐｈｏｕｓＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：ＳＡＳ））半導体を用いて形成してもよい。

また、光電効果で発生した正孔の移動度は電子の移動度に比べて小さいため、ｐｉｎ型のフォトダイオードはｐ型の半導体膜側を受光面とする方がよい特性を示す。ここでは、ｐｉｎ型のフォトダイオードが形成されている基板６０１の面からフォトダイオード６０２が受ける光を電気信号に変換する例を示す。また、受光面とした半導体膜側とは逆の導電型を有する半導体膜側からの光は外乱光となるため、電極層は遮光性を有する導電膜を用いるとよい。また、ｎ型の半導体膜側を受光面として用いることもできる。

絶縁膜６３２、層間絶縁膜６３３、層間絶縁膜６３４としては、絶縁性材料を用いて、その材料に応じて、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法、ＳＯＧ法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法等）、印刷法（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て形成することができる。

本実施の形態では、絶縁膜６３１として酸化アルミニウム膜を用いる。絶縁膜６３１はスパッタリング法やプラズマＣＶＤ法によって形成することができる。

酸化物半導体膜上に絶縁膜６３１として設けられた酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果（ブロック効果）が高い。

従って、酸化アルミニウム膜は、作製工程中及び作製後において、変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体膜への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体膜からの放出を防止する保護膜として機能する。

絶縁膜６３２としては、無機絶縁材料としては、酸化シリコン層、酸化窒化シリコン層、酸化アルミニウム層、又は酸化窒化アルミニウム層などの酸化物絶縁膜、窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、窒化アルミニウム層、又は窒化酸化アルミニウム層などの窒化物絶縁膜の単層、又は積層を用いることができる。

層間絶縁膜６３３、６３４としては、表面凹凸を低減するため平坦化絶縁膜として機能する絶縁膜が好ましい。層間絶縁膜６３３、６３４としては、例えばポリイミド、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂等の、耐熱性を有する有機絶縁材料を用いることができる。また上記有機絶縁材料の他に、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）等の単層、又は積層を用いることができる。

フォトダイオード６０２に入射する光を検出することによって、被検出物の情報を読み取ることができる。なお、被検出物の情報を読み取る際にバックライトなどの光源を用いることができる。

（実施の形態８）
本明細書に開示する半導体装置は、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、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、ロボットに搭載するモニタ、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、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、遊技機（パチンコ機、スロットマシン等）、ゲーム筐体が挙げられる。これらの電子機器の具体例を図１２に示す。

図１２（Ａ）は、テレビジョン装置９１００を示している。テレビジョン装置９１００は、筐体９１０１に表示部９１０３が組み込まれている。本発明の一態様を用いて作製される半導体装置は、表示部９１０３に用いることが可能であり、表示部９１０３により映像を表示することが可能である。なお、ここではスタンド９１０５により筐体９１０１を支持した構成を示している。

テレビジョン装置９１００の操作は、筐体９１０１が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機９１１０により行うことができる。リモコン操作機９１１０が備える操作キー９１０９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９１０３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９１１０に、当該リモコン操作機９１１０から出力する情報を表示する表示部９１０７を設ける構成としてもよい。

図１２（Ａ）に示すテレビジョン装置９１００は、受信機やモデムなどを備えている。テレビジョン装置９１００は、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。

先の実施の形態に示した半導体装置を適用することで信頼性の高いテレビジョン装置とすることができる。

図１２（Ｂ）はコンピュータであり、本体９２０１、筐体９２０２、表示部９２０３、キーボード９２０４、外部接続ポート９２０５、ポインティングデバイス９２０６等を含む。コンピュータは、本発明の一態様を用いて作製される半導体装置をその表示部９２０３に用いることにより作製される。

先の実施の形態に示した半導体装置を適用することで信頼性の高いコンピュータとすることが可能となる。

図１２（Ｃ）は、携帯電話機の一例を示している。携帯電話機９５００は、筐体９５０１に組み込まれた表示部９５０２の他、操作ボタン９５０３、操作ボタン９５０７、外部接続ポート９５０４、スピーカ９５０５、マイク９５０６などを備えている。携帯電話機９５００は、本発明の一態様を用いて作製される半導体装置を表示部９５０２に用いることにより作製される。

図１２（Ｃ）に示す携帯電話機９５００は、表示部９５０２を指などで触れることで、情報を入力する、電話を掛ける、またはメールを作成するなどの操作を行うことができる。

表示部９５０２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ものである。

例えば、電話を掛ける、またはメールを作成する場合は、表示部９５０２を文字の入力を主とする入力モードとし、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９５０２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９５００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９５００の向き（縦向きか横向きか）を判断して、表示部９５０２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９５０２を触れる、または筐体９５０１の操作ボタン９５０３の操作により行われる。また、表示部９５０２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９５０２の光センサで検出される信号を検知し、表示部９５０２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。

また、表示部９５０２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９５０２に掌や指を触れ、掌紋、指紋等を撮像することで、本人認証を行うことができる。また、表示部に近赤外光を発光するバックライトまたは近赤外光を発光するセンシング用光源を用いれば、指静脈、掌静脈などを撮像することもできる。

図１２（Ｄ）は、モニタを有するロボットの一例を示している。図１２（Ｄ）に示すロボットは、表示部５３０２の他、受話器５３０１、スピーカ５３０３、タイヤ５３０４、利用者が立つ台５３０５、操作ハンドル５３０６を備えている。なお、図１２（Ｄ）に示すロボットは、充電可能なバッテリーや、人体感知センサや、ＧＰＳなどの位置認識センサなどを内蔵している。

ビルのある一階が広いオフィスなどの屋内で使用することのできるロボットであり、固定時には案内ロボットとして機能する。表示部５３０２を指などで触れることで、情報を入力する、電話を掛ける、またはスピーカ５３０３からの音声で案内などの操作を行うことができる。

また、利用者が台５３０５の上に立ち、操作ハンドル５３０６を持てば、ロボットに乗ることができ、そのまま移動することもできる。なお、タイヤ５３０４は２つ有した２輪の例を示したが、特に限定されず、３つ、４つまたはそれ以上のタイヤを有してもよい。ロボットは、本発明の一態様を用いて作製される半導体装置を表示部５３０２に用いることにより作製される。

１０１第１のバッファ層
１０１ａ第１のバッファ膜
１０２酸化物半導体層
１０２ａ酸化物半導体膜
１０３第２のバッファ層
１０３ａ第２のバッファ膜
１１２酸素過剰領域
１２２ａ低抵抗領域
１２２ｂ低抵抗領域
１２２ｃチャネル形成領域
１２４ａ低抵抗領域
１２４ｂ低抵抗領域
１２４ｃチャネル形成領域
２０１酸化チタン膜
２０２第１の酸化物半導体層
２０３第２の酸化物半導体層
２０４酸化物半導体層
２０４ａ第１の酸化物半導体層
２０４ｂ第２の酸化物半導体層
２０５第１の酸化物半導体層
２０６第２の酸化物半導体層
２０７第３の酸化物半導体層
２０８絶縁膜
２１０トランジスタ
２１１トランジスタ
２１２トランジスタ
２１３トランジスタ
２１４トランジスタ
４００基板
４０１ゲート電極層
４０２ゲート絶縁膜
４０５ａソース電極層
４０５ｂドレイン電極層
４０７絶縁膜
４０９絶縁膜
４１０トランジスタ
４２０トランジスタ
４２１ドーパント
４３０トランジスタ
４３１酸素
４３６酸化物絶縁膜
５１０トランジスタ
５２０トランジスタ
５３０トランジスタ
５４０トランジスタ
６０１基板
６０２フォトダイオード
６０６ａ半導体膜
６０６ｂ半導体膜
６０６ｃ半導体膜
６０８接着層
６１３基板
６３１絶縁膜
６３２絶縁膜
６３３層間絶縁膜
６３４層間絶縁膜
６４０トランジスタ
６４１電極層
６４２電極層
６４３導電層
６４５導電層
６５６トランジスタ
６５８フォトダイオードリセット信号線
６５９ゲート信号線
６７１フォトセンサ出力信号線
６７２フォトセンサ基準信号線
４００１基板
４００２画素部
４００３信号線駆動回路
４００４走査線駆動回路
４００５シール材
４００６基板
４００８液晶層
４０１０トランジスタ
４０１１トランジスタ
４０１３液晶素子
４０１５接続端子電極
４０１６端子電極
４０１９異方性導電膜
４０２０絶縁膜
４０２１絶縁膜
４０２３絶縁膜
４０３０電極層
４０３１電極層
４０３２絶縁膜
４０３３絶縁膜
４５１０隔壁
４５１１電界発光層
４５１３発光素子
４５１４充填材
５３０１受話器
５３０２表示部
５３０３スピーカ
５３０４タイヤ
５３０５台
５３０６操作ハンドル
９１００テレビジョン装置
９１０１筐体
９１０３表示部
９１０５スタンド
９１０７表示部
９１０９操作キー
９１１０リモコン操作機
９２０１本体
９２０２筐体
９２０３表示部
９２０４キーボード
９２０５外部接続ポート
９２０６ポインティングデバイス
９５００携帯電話機
９５０１筐体
９５０２表示部
９５０３操作ボタン
９５０４外部接続ポート
９５０５スピーカ
９５０６マイク
９５０７操作ボタン

Claims

第１の絶縁膜上に接して設けられた第１の層と、
前記第１の層上に接して設けられた酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層上に接して設けられた第２の層と、
前記第２の層上に設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記酸化物半導体層と重なる領域を有するゲート電極層と、
前記ゲート電極層上に設けられ、第１の開口部及び第２の開口部を有する第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜上に設けられ、前記第１の開口部を介して前記酸化物半導体層と電気的に接続するソース電極層と、
前記第２の絶縁膜上に設けられ、前記第２の開口部を介して前記酸化物半導体層と電気的に接続するドレイン電極層と、を有し、
前記酸化物半導体層は、インジウム、チタン、及び亜鉛を含み、
前記第２の層は、前記酸化物半導体層の側面と接する領域と、前記第１の層の上面と接する領域と、を有し、
前記第１の層及び前記第２の層はそれぞれ、前記酸化物半導体層の構成元素から選択された一以上の元素の酸化物を含むことを特徴とする半導体装置。
請求項１において、
前記酸化物半導体層は、第１の領域と、第２の領域と、第３の領域と、を有し、
前記第１の領域は、前記第２の領域と前記第３の領域に挟まれ、
前記第２の領域と前記第３の領域の抵抗は、前記第１の領域の抵抗よりも低く、
前記第１の領域は、トランジスタのチャネル形成領域を有することを特徴とする半導体装置。