JP6050879B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明の一形態は、トランジスタ若しくはトランジスタを含んで構成される回路を有する
半導体装置に関する。例えば、酸化物半導体でチャネル形成領域が形成される、トランジ
スタ若しくはトランジスタを含んで構成される回路を有する半導体装置に関する。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。
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、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、ＩｎＧａＯ３（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。
特開２００７−１２３８６１号公報 特開２００７−９６０５５号公報
酸化物半導体をチャネル形成領域に用いた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するトランジスタ構
造およびその作製方法を提供することを課題とする。
トランジスタは、ゲート電圧が０Ｖにできるだけ近い正のしきい値電圧でチャネルが形成
されることが望ましい。トランジスタのしきい値電圧値がマイナスであると、ゲート電圧
が０Ｖでもソース電極とドレイン電極の間に電流が流れる、所謂ノーマリーオンとなりや
すい。ＬＳＩやＣＰＵやメモリにおいては、回路を構成するトランジスタの電気特性が重
要であり、この電気特性が半導体装置の消費電力を左右する。特に、トランジスタの電気
特性のうち、しきい値電圧（Ｖｔｈ）が重要である。電界効果移動度が高くとも、しきい
値電圧値がマイナスであると、回路として制御することが困難である。負の電圧状態でも
チャネルが形成されてドレイン電流が流れるトランジスタは、半導体装置の集積回路に用
いるトランジスタとしては不向きである。
また、材料や作製条件によっては、作製されたトランジスタがノーマリーオフとならない
場合であっても、ノーマリーオフの特性に近づけることが重要であり、しきい値電圧値が
マイナスである、所謂ノーマリーオンであっても、トランジスタのしきい値をゼロに近づ
ける構成およびその作製方法を提供することも課題の一つとする。
また、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も課題の一つとする。
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。
異なる材料を用いた酸化物半導体層の積層を用いてトランジスタを構成し、トランジスタ
のオン特性を向上させる。酸化物半導体層の積層構造は、具体的には、第１の酸化物半導
体層上に、電子親和力が第１の酸化物半導体層の電子親和力よりも大きく、またはエネル
ギーギャップが第１の酸化物半導体層のエネルギーギャップよりも小さい第２の酸化物半
導体層を形成し、さらに第２の酸化物半導体層を包むように第２の酸化物半導体層の側面
及び上面を覆う第３の酸化物半導体層を形成する。なお、第３の酸化物半導体層の電子親
和力とエネルギーギャップは、第１の酸化物半導体層の電子親和力とエネルギーギャップ
と同等とする。ここで、電子親和力とは真空準位と酸化物半導体の伝導帯とのエネルギー
差を表す。
具体的には、第１の酸化物半導体層及び第３の酸化物半導体層のエネルギーギャップは、
３ｅＶ以上とし、第２の酸化物半導体層のエネルギーギャップは、３ｅＶ未満とする。な
お、本明細書において、「エネルギーギャップ」という用語は、「バンドギャップ」や、
「禁制帯幅」と同じ意味で用いている。
第２の酸化物半導体層の周囲を第１の酸化物半導体層と第３の酸化物半導体層で覆うこと
で、第２の酸化物半導体層の酸素欠損の増加を抑え、トランジスタのしきい値電圧をゼロ
に近づける構成とすることができる。さらには、第２の酸化物半導体層が埋め込みチャネ
ルとなることでチャネル形成領域を絶縁膜界面から遠ざけることができ、これによりキャ
リアの界面散乱が低減され、高い電界効果移動度を実現することができる。
本明細書で開示する本発明の一態様は、第１の酸化物半導体層と、第１の酸化物半導体層
上に第２の酸化物半導体層と、第２の酸化物半導体層上に第２の酸化物半導体層の側面を
覆う第３の酸化物半導体層と、第３の酸化物半導体層上にソース電極層またはドレイン電
極層と、ソース電極層またはドレイン電極層上にゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に第１
の酸化物半導体層、第２の酸化物半導体層、及び第３の酸化物半導体層と重なるゲート電
極層とを有し、第２の酸化物半導体層は、第１の酸化物半導体層及び第３の酸化物半導体
層よりも大きい電子親和力を有し、または第１の酸化物半導体層及び第３の酸化物半導体
層のエネルギーギャップより小さいエネルギーギャップを有する半導体装置である。
上記構成において、第１の酸化物半導体層と第２の酸化物半導体層は同じマスクを用いて
形成することができ、第３の酸化物半導体層は、第２の酸化物半導体層と重なり、且つ、
第２の酸化物半導体層の面積よりも広い面積とすることで、第２の酸化物半導体層を包む
ような構成とすることができる。そのような一態様は、第１の酸化物半導体層と、第１の
酸化物半導体層上に第２の酸化物半導体層と、第２の酸化物半導体層上に第１の酸化物半
導体層の側面及び第２の酸化物半導体層の側面を覆う第３の酸化物半導体層と、第３の酸
化物半導体層上にソース電極層またはドレイン電極層と、ソース電極層またはドレイン電
極層上にゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に第１の酸化物半導体層、第２の酸化物半導体
層、及び第３の酸化物半導体層と重なるゲート電極層とを有し、第２の酸化物半導体層は
、第１の酸化物半導体層及び第３の酸化物半導体層のエネルギーギャップより小さいエネ
ルギーギャップを有する半導体装置である。
上記構成は、第１の酸化物半導体層の側面及び第２の酸化物半導体層の側面を接して覆う
ように第３の酸化物半導体層が設けられているため、第３の酸化物半導体層上に接して形
成されるソース電極層またはドレイン電極層が、第２の酸化物半導体層の側面と接しない
構造となっており、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。
また、ソース電極層またはドレイン電極層が、第２の酸化物半導体層の側面と接しない構
造であれば特に限定されず、例えば、第１の酸化物半導体層の側面が、第２の酸化物半導
体層の側面から突出した構造とし、第３の酸化物半導体層が第１の酸化物半導体層の上面
の一部と接する構成としてもよい。
また、酸化物半導体積層を有するトランジスタは、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
低抵抗領域を設けることが好ましい。この低抵抗領域は、酸化物半導体積層とゲート絶縁
膜を介して重なるゲート電極層をマスクとし、酸化物半導体積層に対して自己整合的にド
ーパントを導入して形成する。
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積層を形成す
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。
また、低抵抗領域を形成するためのドーパントは、酸化物半導体膜の導電率を変化させる
不純物（ドーパントともいう）である。ドーパントとしては、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。
ドーパントは、注入法により、金属元素を含む膜（金属膜、金属酸化物膜、又は金属窒化
物膜）を通過して、酸化物半導体膜に導入する。ドーパント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。
低抵抗領域におけるドーパントの濃度は、５×１０１８／ｃｍ３以上１×１０２２／ｃｍ
３以下であることが好ましい。
また、ソース電極層及びドレイン電極層の膜厚やドーパントの導入条件にもよるが、ソー
ス電極層またはドレイン電極層を通過させて、これらのドーパントを酸化物半導体積層に
対して添加してもよい。チャネル形成領域にはドーパントが添加されないようにすること
が重要であるため、ソース電極層及びドレイン電極層の膜厚は、ゲート電極層の膜厚より
も薄い膜厚とする。
また、上記各構成において、第１の酸化物半導体層は、酸化物絶縁膜上に接して形成され
、酸化物絶縁膜において、第３の酸化物半導体層と接する領域の膜厚は、第１の酸化物半
導体層と接する領域の膜厚よりも薄い構成とする。この酸化物絶縁膜の一部を薄くする構
成は、例えば、第１の酸化物半導体層のアイランドを形成するマスクを用いて酸化物絶縁
膜の一部をエッチングすることによって形成することができる。このように酸化物絶縁膜
の一部までエッチングすることによって第１の酸化物半導体層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、酸化物絶縁膜において、第１の酸化物半導体層と接する領域の膜厚は、１００ｎｍ
以上とする。第１の酸化物半導体層に接して酸素の供給源となる酸素を多く（過剰に）含
む酸化物絶縁膜を１００ｎｍ以上設けることによって、該酸化物絶縁膜から第１の酸化物
半導体層へ酸素を供給することができる。上記構成において、第１の酸化物半導体層及び
酸化物絶縁膜を少なくとも一部が接した状態で加熱工程を行うことによって第１の酸化物
半導体層およびその層を含む酸化物半導体積層への酸素の供給を行ってもよい。
また、トランジスタの作製方法も本発明の一つであり、その作製方法は、酸化物絶縁膜上
に第１の酸化物半導体層と、第１の酸化物半導体層上に第２の酸化物半導体層を形成し、
第２の酸化物半導体層上に第２の酸化物半導体層の側面を覆う第３の酸化物半導体層を形
成し、第３の酸化物半導体層上にドレイン電極層及びソース電極層を形成し、ドレイン電
極層及びソース電極層を覆うゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上にゲート電極層を形
成し、ゲート電極層をマスクとして少なくとも第３の酸化物半導体層に自己整合的にドー
パントを導入する半導体装置の作製方法である。
上記作製方法において、酸化物絶縁膜は、シリコンをチャネル形成領域として用いたトラ
ンジスタを含む半導体基板上に形成した酸素を多く（過剰に）含む酸化物絶縁膜である。
また、上記作製方法において、ドレイン電極層及びソース電極層を形成した後、ゲート電
極層を形成する前にドレイン電極層及びソース電極層をマスクとして少なくとも第３の酸
化物半導体層に自己整合的に酸素を導入する作製方法とすることが好ましい。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、少なく
とも第３の酸化物半導体層中に酸素を供給してもよい。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。
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）を向上させることができ
る。
また、ノーマリーオフのトランジスタを実現することができる。また、トランジスタがノ
ーマリーオンであっても、トランジスタのしきい値をゼロに近づけることができる。
本発明の一態様を示す半導体装置の上面図、断面図、およびエネルギーバンド図である。 本発明の一態様を示す半導体装置の工程断面図である。 本発明の一態様を示す断面図の他の一例である。 半導体装置の一形態を説明する上面図。 半導体装置の一形態を説明する断面図。 半導体装置の一形態を説明する回路図及び断面図。 電子機器を示す図。 イオン化ポテンシャルを示す図である。 エネルギーバンド図である。 サンプル２のＴＥＭ写真図およびその模式図である。
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。また、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、半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を、図１（Ａ）、図１
（Ｂ）、図１（Ｃ）、図１（Ｄ）、及び図２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積層を有するトランジスタを示す。
図１（Ａ）、図１（Ｂ）、及び図１（Ｃ）に示すトランジスタは、トップゲート構造のト
ランジスタの一例である。なお、図１（Ａ）、図１（Ｂ）、及び図１（Ｃ）ではトップゲ
ート構造のトランジスタの例を示したが特に限定されず、例えば、ボトムゲート構造のト
ランジスタを作製することもできる。また、デュアルゲート構造も作製できる。デュアル
ゲート構造は酸化物半導体積層の上下にゲート電極を設けることによって作製できる。図
１（Ａ）は上面図であり、図１（Ａ）中の鎖線ＸＹで切断した断面が図１（Ｂ）に相当し
、図１（Ａ）中の鎖線ＶＷで切断した断面が図１（Ｃ）に相当する。図１（Ｂ）及び図１
（Ｃ）において、酸化物半導体層の界面を実線で図示しているが、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、各酸化物半導体層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または混合層と
呼ぶことのできる箇所が形成されることもある。
チャネル長方向の断面図である図１（Ｂ）に示すように、トランジスタは、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の酸化物半導体層、第２の酸
化物半導体層、及び第３の酸化物半導体層を有し、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。第１の酸化物半導体層
は、酸化物絶縁膜４３６上に接して形成され、第２の酸化物半導体層は、第１の酸化物半
導体層上に形成される。また、第１の酸化物半導体層の側面及び第２の酸化物半導体層の
側面を覆って第３の酸化物半導体層を有する。なお、第３の酸化物半導体層の周縁部は、
酸化物絶縁膜４３６と接する。
なお、第３の酸化物半導体層のエネルギーギャップは、第１の酸化物半導体層のエネルギ
ーギャップとほぼ同じであり、第２の酸化物半導体層のエネルギーギャップより大きい。
ゲート電極層４０１とゲート絶縁膜４０２を介して重なるチャネル形成領域は、３層で形
成され、第１のチャネル形成領域１２１ｃ、第２のチャネル形成領域１２２ｃ、及び第３
のチャネル形成領域１２３ｃが積層されている。
また、チャネル長方向に第１のチャネル形成領域１２１ｃを挟んで第１の低抵抗領域１２
１ａ、１２１ｂを有する。また、チャネル長方向に第２のチャネル形成領域１２２ｃを挟
んで第２の低抵抗領域１２２ａ、１２２ｂを有する。また、チャネル長方向に第３のチャ
ネル形成領域１２３ｃを挟んで第３の低抵抗領域１２３ａ、１２３ｂを有する。
また、ソース電極層４０５ａまたはドレイン電極層４０５ｂと重なる第１の領域１２１ｄ
、１２１ｅ、第２の領域１２２ｄ、１２２ｅ、第３の領域１２３ｄ、１２３ｅを有する。
図１（Ｃ）は、チャネル幅方向の断面図であり、図１（Ｂ）と同様に第２の酸化物半導体
層の端部、即ち、第２の領域１２２ｄ、１２２ｅの側面が第３の酸化物半導体層の端部、
即ち、第３の領域１２３ｄ、１２３ｅで覆われ、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している。このような構造とすることで、トランジス
タのソース電極層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。
また、図１（Ｄ）は、図１（Ｂ）における膜厚方向（Ｄ−Ｄ’間）のエネルギーバンド図
を示す図である。本実施の形態では、図１（Ｄ）に示すエネルギーバンド図となるように
、第１の酸化物半導体層、第２の酸化物半導体層、及び第３の酸化物半導体層の材料を選
択する。ただし、埋め込みチャネルが形成されれば十分な効果が得られるため、必ずしも
図１（Ｄ）のように伝導帯と価電子帯の両方に凹部を有するエネルギーバンド図に限定し
なくともよく、例えば伝導帯のみに凹部を有するエネルギーバンド図が得られる構成とし
てもよい。
図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）、及び図２（Ｄ）にトランジスタの作製方法の一例
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、第１の酸化物半導体層１０
１、第２の酸化物半導体層１０２を形成する。
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積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積層を含むトランジスタを作製し、
その後剥離し、可撓性基板に転置してもよい。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積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、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ハフニウム
、酸化ガリウム、窒化酸化シリコン、窒化酸化アルミニウム、又はこれらの混合材料を用
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。
酸化物絶縁膜４３６は、酸化物半導体積層の最下層及び最上層と接するため、膜中（バル
ク中）に少なくとも化学量論比を超える量の酸素が存在することが好ましい。例えば、酸
化物絶縁膜４３６として、酸化シリコン膜を用いる場合には、ＳｉＯ２＋α（ただし、α
＞０）とする。このような酸化物絶縁膜４３６を用いることで、上方に形成する酸化物半
導体積層に酸素を供給することができ、特性を良好にすることができる。酸化物半導体積
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。
酸化物絶縁膜４３６上に形成する酸化物半導体積層の形成工程において、第１の酸化物半
導体層１０１及び第２の酸化物半導体層１０２に水素、又は水がなるべく含まれないよう
にするために、第１の酸化物半導体層１０１及び第２の酸化物半導体層１０２の成膜の前
処理として、スパッタリング装置の予備加熱室で酸化物絶縁膜４３６が形成された基板を
予備加熱し、基板及び酸化物絶縁膜４３６に吸着した水素、水分などの不純物を脱離し排
気することが好ましい。なお、予備加熱室に設ける排気手段はクライオポンプが好ましい
。
酸化物半導体積層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）あるい
は亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。特にＩｎとＺｎを含むことが好ましい。また、該
酸化物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）を有することが好ましい。また、スタビライザーとし
てスズ（Ｓｎ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてハフニウム（Ｈｆ
）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてアルミニウム（Ａｌ）を有する
ことが好ましい。
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、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−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯとも表記する）、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、Ｉ
ｎ−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、Ｉ
ｎ−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。
酸化物半導体は単結晶でも、非単結晶でもよい。後者の場合、アモルファスでも、多結晶
でもよい。また、アモルファス中に結晶性を有する部分を含む構造でも、非アモルファス
でもよい。なお、同じ材料でも単結晶と、非単結晶ではエネルギーギャップが異なること
があるため、適宜結晶状態を選択することが重要である。図１（Ｄ）に示すエネルギーバ
ンド図となるように、第１の酸化物半導体層１０１や第２の酸化物半導体層１０２の材料
を選択する。
また、酸化物半導体積層として、結晶を含み、結晶性を有する酸化物半導体膜（結晶性酸
化物半導体膜）を用いることができる。結晶性酸化物半導体膜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。
例えば、結晶性酸化物半導体膜として、表面に概略垂直なｃ軸を有している結晶を含む酸
化物半導体膜を用いることができる。
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膜は、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性酸化物半導体（Ｃ Ａｘｉｓ
Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ；
ＣＡＡＣ−ＯＳともいう）である。
ＣＡＡＣ−ＯＳとは、ｃ軸配向し、かつａｂ面、表面または界面の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軸においては、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おり、ａｂ面（あるいは表面または界面）においては、ａ軸ま
たはｂ軸の向きが異なる（ｃ軸を中心に回転した）結晶を含む酸化物半導体のことである
。
広義に、ＣＡＡＣ−ＯＳとは、非単結晶であって、そのａｂ面に垂直な方向から見て、三
角形もしくは六角形、または正三角形もしくは正六角形の原子配列を有し、かつｃ軸方向
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が層状に配列した相を含
む材料をいう。
ＣＡＡＣ−ＯＳ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。
ＣＡＡＣ−ＯＳを構成する酸素の一部は窒素で置換されてもよい。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ
を構成する個々の結晶部分のｃ軸は一定の方向（例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳが形成される基
板面やＣＡＡＣ−ＯＳの表面や膜面、界面等に垂直な方向）に揃っていてもよい。あるい
は、ＣＡＡＣ−ＯＳを構成する個々の結晶部分のａｂ面の法線は一定の方向（例えば、基
板面、表面、膜面、界面等に垂直な方向）を向いていてもよい。
該結晶性酸化物半導体膜とすることで、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。
第１の酸化物半導体層１０１及び第２の酸化物半導体層１０２の膜厚は、５ｎｍ以上１０
０ｎｍ以下（好ましくは５ｎｍ以上３０ｎｍ以下）とし、スパッタリング法、ＭＢＥ（Ｍ
ｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＣＶＤ法、パルスレーザ堆積法、Ａ
ＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等を適宜用いることができ
る。また、第１の酸化物半導体層１０１及び第２の酸化物半導体層１０２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、所謂ＣＰスパッタ装置（Ｃｏｌｕｍｎａｒ Ｐｌａｓｍａ Ｓｐｕｔｔｅ
ｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）を用いて成膜してもよい。
なお、第１の酸化物半導体層１０１及び第２の酸化物半導体層１０２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。
なお、本実施の形態において、第１の酸化物半導体層１０１を、スパッタリング法で作製
するためのターゲットとしては、例えば、組成比として、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：Ｚｎ
Ｏ＝１：１：２［ｍｏｌ比］の酸化物ターゲットを用い、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物膜を
成膜する。また、このターゲットの材料及び組成に限定されず、例えば、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇ
ａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１［ｍｏｌ比］の金属酸化物ターゲットを用いてもよい。
第１の酸化物半導体層１０１及び第２の酸化物半導体層１０２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。
また、酸化物絶縁膜４３６と酸化物半導体積層と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と酸化物半導体積層とを大気に曝露せずに連続して形
成すると、酸化物絶縁膜４３６表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。
本実施の形態では、図２（Ａ）に示すように、成膜された酸化物半導体積層を第１のフォ
トリソグラフィ工程により島状の第１の酸化物半導体層１０１及び島状の第２の酸化物半
導体層１０２に加工する。また、島状の第１の酸化物半導体層１０１及び島状の第２の酸
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法で形成してもよ
い。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製
造コストを低減できる。
なお、酸化物半導体積層のエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでも
よく、両方を用いてもよい。例えば、酸化物半導体膜のウェットエッチングに用いるエッ
チング液としては、燐酸と酢酸と硝酸を混ぜた溶液などを用いることができる。また、Ｉ
ＴＯ０７Ｎ（関東化学社製）を用いてもよい。
次いで、島状の第１の酸化物半導体層１０１及び島状の第２の酸化物半導体層１０２を覆
う第３の酸化物半導体層１０３を形成する。第３の酸化物半導体層１０３は、第１の酸化
物半導体層１０１と同じターゲットを用いて形成する。第３の酸化物半導体層１０３の成
膜条件は、第１の酸化物半導体層１０１と同じであるため、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第２の酸化物半導体層１０２と重なり、且つ、
第２の酸化物半導体層１０２の平面面積よりも広い上面面積の第３の酸化物半導体層１０
３を形成する。
次いで、第１の酸化物半導体層１０１、第２の酸化物半導体層１０２、及び第３の酸化物
半導体層１０３に、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
るための加熱処理を行ってもよい。加熱処理の温度は、３００℃以上７００℃以下、また
は基板の歪み点未満とする。加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
。例えば、加熱処理装置の一つである電気炉に基板を導入し、第１の酸化物半導体層１０
１、第２の酸化物半導体層１０２、及び第３の酸化物半導体層１０３に対して窒素雰囲気
下４５０℃において１時間の加熱処理を行う。
なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱
輻射によって、被処理物を加熱する装置を用いてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒ
ａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔ
ｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅ
ａｌ）装置を用いることができる。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドラ
ンプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀
ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置であ
る。ＧＲＴＡ装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。高温のガスには、
アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不
活性気体が用いられる。
例えば、加熱処理として、６５０℃〜７００℃の高温に加熱した不活性ガス中に基板を入
れ、数分間加熱した後、基板を不活性ガス中から出すＧＲＴＡを行ってもよい。
なお、加熱処理においては、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０．１
ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
また、加熱処理で第１の酸化物半導体層１０１、第２の酸化物半導体層１０２、及び第３
の酸化物半導体層１０３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、高純度の一酸化二窒素ガス、又は超乾燥エア（ＣＲＤ
Ｓ（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。酸素ガスまたは一酸化二窒素ガスに、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一酸
化二窒素ガスの純度を、６Ｎ以上好ましくは７Ｎ以上（即ち、酸素ガスまたは一酸化二窒
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。酸素ガス又は一酸化二窒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、第１の酸化物半導体層１０１、第２の酸化物半導体層１
０２、及び第３の酸化物半導体層１０３を高純度化及び電気的にＩ型（真性）化すること
ができる。
次いで、第３の酸化物半導体層１０３上に、ソース電極層及びドレイン電極層（これと同
じ層で形成される配線を含む）となる導電膜を形成する。該導電膜は後の加熱処理に耐え
られる材料を用いる。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、及びドレイン電極層に用いる導電膜としては、導電性の金属酸化物で形成
しても良い。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化スズ（Ｓ
ｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム酸化スズ（Ｉｎ２Ｏ３―ＳｎＯ２、ＩＴ
Ｏと略記する）、酸化インジウム酸化亜鉛（Ｉｎ２Ｏ３―ＺｎＯ）またはこれらの金属酸
化物材料に酸化シリコンを含ませたものを用いることができる。
第３のフォトリソグラフィ工程により導電膜上にレジストマスクを形成し、選択的にエッ
チングを行ってソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂを形成した後、レジスト
マスクを除去する。この段階での断面が図２（Ｂ）である。本実施の形態では、ソース電
極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂとして膜厚１０ｎｍのタングステン膜を形成する
。このようにソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂの膜厚が薄いと、上に形成
されるゲート絶縁膜４０２の被覆性が良好となる他、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電
極層４０５ｂを通過してソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ下方の少なくと
も第３の酸化物半導体層１０３にドーパントを導入することができる。
次いで、第３の酸化物半導体層１０３、ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０
５ｂを覆うゲート絶縁膜４０２を形成する。
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、所謂ＣＰ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、酸化ガリウム膜、酸化アルミニウ
ム膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜、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。
また、ゲート絶縁膜４０２の材料として酸化ハフニウム、酸化イットリウム、ハフニウム
シリケート（ＨｆＳｉｘＯｙｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムシリケー
ト（ＨｆＳｉＯｘＮｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、ハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙ
（ｘ＞０、ｙ＞０））、酸化ランタンなどのｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることでゲートリー
ク電流を低減できる。さらに、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、図２（Ｃ）に示すように、ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂ
をマスクとして少なくとも第３の酸化物半導体層１０３に、少なくとも、酸素ラジカル、
酸素原子、酸素イオン、のいずれかを含む酸素４３１を導入する。図２（Ｃ）に示すよう
に、第１の酸素過剰領域１１１、第２の酸素過剰領域１１２、第３の酸素過剰領域１１３
は、ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂと重なる領域よりも酸素を多く
含んでいる。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。
そして、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。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−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｓｎ−Ｏ膜
や、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＳｎ−
Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｏ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５電子ボルト、好ましくは５．５電子ボルト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。
次に、ドーパント４２１を選択的に導入する工程を行う。この工程で、ゲート電極層４０
１をマスクとして、ドーパント４２１をゲート絶縁膜４０２を通過させて酸化物半導体積
層に導入して、第１の低抵抗領域１２１ａ、１２１ｂ、第２の低抵抗領域１２２ａ、１２
２ｂ、第３の低抵抗領域１２３ａ、１２３ｂを形成する。この工程でチャネル長方向に第
１のチャネル形成領域１２１ｃを挟んで第１の低抵抗領域１２１ａ、１２１ｂが自己整合
的に形成される。また、チャネル長方向に第２のチャネル形成領域１２２ｃを挟んで第２
の低抵抗領域１２２ａ、１２２ｂが自己整合的に形成される。また、チャネル長方向に第
３のチャネル形成領域１２３ｃを挟んで第３の低抵抗領域１２３ａ、１２３ｂが自己整合
的に形成される。
さらに、この工程で、ゲート絶縁膜４０２、ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層
４０５ｂを通過して少なくとも第３の酸化物半導体層１０３にドーパント４２１を選択的
に導入し、第１の領域１２１ｄ、１２１ｅ、第２の領域１２２ｄ、１２２ｅ、及び第３の
領域１２３ｄ、１２３ｅを形成する（図２（Ｄ）参照）。ソース電極層４０５ａ、及びド
レイン電極層４０５ｂの下方の酸化物半導体積層にもドーパント４２１を導入することで
第１の領域１２１ｄ、１２１ｅ、第２の領域１２２ｄ、１２２ｅ、及び第３の領域１２３
ｄ、１２３ｅの低抵抗化を図ることができる。
本実施の形態では、ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂを薄膜とするた
め、ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂ下の酸化物半導体積層にもドー
パント４２１が導入される。ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂの膜厚
や、ドーパント４２１の導入条件によってはソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層
４０５ｂ下の酸化物半導体積層にはドーパント４２１が導入されない構成とすることもで
きる。
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の膜厚を適宜設定して制御すればよい。例えば、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場合、ドーズ量を１×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２以
上５×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下とすればよい。
第１の低抵抗領域１２１ａ、１２１ｂ、第２の低抵抗領域１２２ａ、１２２ｂ、及び第３
の低抵抗領域１２３ａ、１２３ｂにおけるドーパント４２１の濃度は、５×１０１８／ｃ
ｍ３以上１×１０２２／ｃｍ３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、第１の低抵抗領域１２１ａ、１２１ｂ、第２の低抵抗領域１２２ａ、１２２ｂ、第
３の低抵抗領域１２３ａ、１２３ｂ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。
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。
酸化物半導体積層の少なくとも一層を結晶性酸化物半導体膜とした場合、ドーパント４２
１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、酸化物半導体積層の結晶性を回復することができる。
本実施の形態では、ドーパント４２１としてホウ素を用いたため、第１の低抵抗領域１２
１ａ、１２１ｂ、第２の低抵抗領域１２２ａ、１２２ｂ、及び第３の低抵抗領域１２３ａ
、１２３ｂはホウ素が含まれる。
以上の工程で、本実施の形態のトランジスタが作製される。本実施の形態のトランジスタ
において、高純度化され、酸素欠損が補填された酸化物半導体積層は、水素、水などの不
純物が十分に除去されており、酸化物半導体積層中の水素濃度は５×１０１９／ｃｍ３以
下、好ましくは５×１０１８／ｃｍ３以下である。なお、酸化物半導体積層中の水素濃度
は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅ
ｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）で測定されるものである。
そして、トランジスタを覆うように絶縁膜４０７を形成する（図１（Ｂ）、及び図１（Ｃ
）参照）。
絶縁膜４０７は、酸化シリコン膜の他に、代表的に酸化アルミニウム膜、酸化窒化シリコ
ン膜、酸化窒化アルミニウム膜、又は酸化ガリウム膜などの無機絶縁膜を用いることがで
きる。例えば、絶縁膜４０７として酸化シリコン膜と酸化アルミニウム膜との積層を用い
ることができる。
絶縁膜４０７として用いることのできる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通過させない遮断効果（ブロック効果）が高い。
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
ミド樹脂、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、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にソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂに達する開口を
形成し、開口にソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂと電気的に接続する配線
層を形成する。この配線層を用いて他のトランジスタと接続させ、様々な回路を構成する
ことができる。
こうして得られる電気特性の高いトランジスタを用いることで高性能及び高信頼性の半導
体装置を提供することができる。
また、本実施の形態を用いてチャネル形成領域に酸化物半導体積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、チャネル幅１μｍ当たり室温にて１００
ｚＡ／μｍ（１ｚＡ（ゼプトアンペア）は１×１０−２１Ａ）以下、好ましくは１０ｚＡ
／μｍ以下、より好ましくは１ｚＡ／μｍ以下、さらに好ましくは１００ｙＡ／μｍ以下
レベルにまで低くすることもできる。
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１の工程を一部変更して得られるトランジスタの一例を図
３（Ａ）、図３（Ｂ）、及び図３（Ｃ）に示す。実施の形態１と一部異なるだけであるた
め、簡略化のため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３（Ａ）は、酸化物半導体積層のエッチングの際に、酸化物半導体積層と重ならない酸
化物絶縁膜４３６の領域をエッチングして一部を薄くした構成である。酸化物絶縁膜の一
部までエッチングすることによって第１の酸化物半導体層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３（Ａ）のトランジスタ構
造は、酸素の導入時またはドーパント導入時の条件を変えることで、第１の酸化物半導体
層１０１にほとんど導入されないようにしている。このような構成とすることで、酸素の
導入時またはドーパント導入時のダメージを抑えることができる。また、酸素の導入時ま
たはドーパント導入時の条件を変えることで、第２の酸化物半導体層にもほとんど導入さ
れないようにする構成としてもよい。
また、図３（Ｂ）は、第１の酸化物半導体層のエッチングに用いた第１のマスクと、第２
の酸化物半導体層のエッチングに用いた第２のマスクと、第３の酸化物半導体層のエッチ
ングに用いた第３のマスクとを用いる３回のフォトリソグラフィ工程により、第１の酸化
物半導体層の側面が、第２の酸化物半導体層の側面から突出した構造とし、第３の酸化物
半導体層が第１の酸化物半導体層の上面の一部と接する構成とした例である。第３の酸化
物半導体層の端部に相当する第３の領域１２３ｄ、１２３ｅは、第１の酸化物半導体層の
端部に相当する第１の領域１２１ｄ、１２１ｅと接して重なる。
また、図３（Ｃ）は、ソース電極層及びドレイン電極層を積層構造とし、下層である導電
膜に達する配線層４６５ａ、配線層４６５ｂを形成する例である。本実施の形態では、下
層のソース電極層４０５ｃ及びドレイン電極層４０５ｄとしてタングステン膜、または窒
化タンタル膜を用い、下層よりも厚い上層のソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４
０５ｂとして銅膜またはアルミニウム膜を用いる。図３（Ｃ）における、ソース電極層４
０５ａ、４０５ｃ及びドレイン電極層４０５ｂ、４０５ｄの膜厚は５ｎｍ以上１５ｎｍ以
下とすることで、その上に形成されるゲート絶縁膜４０２の被覆性を良好なものとするこ
とができる。なお、本実施の形態では、配線層４６５ａ、配線層４６５ｂは、窒化タンタ
ル膜と銅膜の積層、或いは窒化タンタル膜とタングステン膜の積層とすることで接触抵抗
の低減を図っている。
また、本実施の形態は、実施の形態１と自由に組み合わせることができる。
（実施の形態３）
実施の形態１または実施の形態２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４（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４（
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（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ
）４０１８ａ、４０１８ｂから供給されている。
図４（Ｂ）、及び図４（Ｃ）において、第１の基板４００１上に設けられた画素部４００
２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
４（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４（Ｂ）、及び図４（
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４（Ｂ）、及び図４（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（Ｃｈ
ｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）方法、ワイヤボンディング方法、或いはＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａ
ｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）方法などを用いることができる。図４（Ａ）は、Ｃ
ＯＧ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４（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４（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。
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または実施の形態２に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（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。
半導体装置の一形態について、図４及び図５を用いて説明する。図５は、図４（Ａ）のＭ
−Ｎにおける断面図に相当する。
図５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４
０１６は、トランジスタ４０４０、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４及び図５では、画素部４００２に含まれるトランジ
スタ４０４０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５（Ａ）では、トランジスタ４０４０、４０１１上には絶縁膜４０２０が設けら
れ、図５（Ｂ）では、さらに、絶縁膜４０２１が設けられている。なお、絶縁膜４０２３
は下地膜として機能する絶縁膜である。
走査線駆動回路４００４に含まれるトランジスタ４０１１としては、実施の形態１または
実施の形態２で示した埋め込みチャネルを有するトランジスタを適用することができる。
埋め込みチャネルを有するトランジスタは、オン特性（例えば、オン電流及び電界効果移
動度）が高く、走査線駆動回路４００４の高速動作、高速応答を可能とする。本実施の形
態では、実施の形態１で示したトランジスタ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。
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。
また、画素部４００２に含まれるトランジスタ４０４０としては、特に埋め込みチャネル
を必要としないため、単層の酸化物半導体層をチャネル形成領域とするトランジスタ４０
４０を設ける。このトランジスタ４０４０は、工程数を増やすことなく、トランジスタ４
０１１を作製する工程と同じ工程で作製することができる。このトランジスタ４０４０の
酸化物半導体層は、トランジスタ４０１１の第３の酸化物半導体層と同じ工程で形成する
ことができる。トランジスタ４０４０は、大型の表示装置でない場合、特にオン特性を高
くしなくてもよい。トランジスタ４０４０は、酸化物半導体層を単層とすることで、トラ
ンジスタ４０１１よりもオフ電流値を低くすることができ、低消費電力の表示装置を実現
できる。
図５（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５（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４０３
１、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４００
８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。酸化物半導体膜を用いるトランジスタは、静電気の影響
によりトランジスタの電気的な特性が著しく変動して設計範囲を逸脱する恐れがある。よ
って酸化物半導体膜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、１×１０９Ω・ｃｍ以上であり、好ましくは１×１０１１
Ω・ｃｍ以上であり、さらに好ましくは１×１０１２Ω・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
物半導体膜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膜を用いたトランジスタ４０４０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膜を用いたトランジスタ４０１１は、電界効果移
動度を高く制御することができるため、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。
また、画素部においても、トランジスタ４０１１と同じ酸化物半導体層の積層を有するト
ランジスタを用いてもよく、画素部においても高速駆動が可能なトランジスタを用いるこ
とで、高画質な画像や、大面積の表示を提供することもできる。
液晶表示装置には、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐ
ｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ Ｆｉｅｌｄ Ｓｗｉｔ
ｃｈｉｎｇ）モード、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ａｌｉｇｎｅｄ
Ｍｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂ
ｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉ
ｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑ
ｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モードなどを用いることができる。
また、ノーマリーブラック型の液晶表示装置、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−Ｄｏｍａｉｎ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）
モード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード
、ＡＳＶ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｓｕｐｅｒ Ｖｉｅｗ）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Ｅ
Ｌ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５（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、発光素子４５１３などが密封されている。この
ように発光素子４５１３は、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）樹脂、アクリル樹脂
、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ＰＶＢ（ポリビニルブチラル）樹脂
またはＥＶＡ（エチレンビニルアセテート）樹脂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４及び図５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（Ｆｉｂｅｒｇｌａｓ
ｓ−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、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。
また、平坦化絶縁膜として機能する絶縁膜４０２１は、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、
ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂等の、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４
０２１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（Ｎ
ｂ）、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または実施の形態２で示したトランジスタを適用することで、
様々な機能を有する半導体装置を提供することができる。
（実施の形態４）
実施の形態１または実施の形態２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６（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６（Ａ）はフォ
トセンサの等価回路であり、図６（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６（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ま
たは実施の形態２に示したトランジスタが適用でき、酸化物半導体積層を用いるトランジ
スタである。本実施の形態では、実施の形態１で示したトランジスタ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６（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を
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６０
６ｂ、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のゲート電極層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（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓ
ｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４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５
０ｎｍ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
（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、Ｓ
ｉＣｌ４、ＳｉＦ４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２
００ｎｍ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（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、
ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４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（Ｓｅｍｉ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：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、ｐ
ｉｎ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、例えばポリイミド樹脂、アク
リル樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド樹脂、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。
以上のように、埋め込みチャネルを有する酸化物半導体積層を用いることによって、トラ
ンジスタの電気特性をより精度よく制御することができ、所望の電気特性をトランジスタ
に付与することが可能となる。よって、該トランジスタを用いることで、高機能、高信頼
性、又は低消費電力など、種々の目的に応じた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５）
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、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７に示す。
図７（Ａ）は、表示部を有するテーブル９０００を示している。テーブル９０００は、
筐体９００１に表示部９００３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９００３に用いることが可能であり、表示部９００３により映像を
表示することが可能である。なお、４本の脚部９００２により筐体９００１を支持した構
成を示している。また、電力供給のための電源コード９００５を筐体９００１に有してい
る。
表示部９００３は、タッチ入力機能を有しており、テーブル９０００の表示部９００３
に表示された表示ボタン９００４を指などで触れることで、画面操作や、情報を入力する
ことができ、また他の家電製品との通信を可能とする、または制御を可能とすることで、
画面操作により他の家電製品をコントロールする制御装置としてもよい。例えば、実施の
形態３に示したイメージセンサ機能を有する半導体装置を用いれば、表示部９００３にタ
ッチ入力機能を持たせることができる。
また、筐体９００１に設けられたヒンジによって、表示部９００３の画面を床に対して垂
直に立てることもでき、テレビジョン装置としても利用できる。狭い部屋においては、大
きな画面のテレビジョン装置は設置すると自由な空間が狭くなってしまうが、テーブルに
表示部が内蔵されていれば、部屋の空間を有効に利用することができる。
図７（Ｂ）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７（Ｂ）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埋め込みチャネルを有する半導体装置を利用すれば、当該半導
体装置をテレビジョン装置の表示部９１０３に用いることで、従来に比べて表示品質の高
いテレビジョン装置とすることができる。
図７（Ｃ）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。
また、先の実施の形態に示した半導体装置を利用すれば、当該半導体装置をコンピュー
タの表示部９２０３に用いることで、従来に比べて表示品質の高い表示部とすることが可
能となる。
図７（Ｄ）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、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７（Ｄ）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。
先の実施の形態に示した半導体装置を利用すれば、表示における色のにじみ、色ずれな
どが生じにくいため、当該半導体装置を携帯電話機の表示部９５０２に用いることで、従
来に比べて表示品質の高い携帯電話機とすることが可能となる。
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。
本実施例では、第１の酸化物半導体層上に、第１の酸化物半導体層のエネルギーギャップ
よりも小さい第２の酸化物半導体層を形成し、さらに第２の酸化物半導体層上に第３の酸
化物半導体層を形成したサンプル１を作製し、そのサンプル１のイオン化ポテンシャルの
測定を行い、その結果に基づきエネルギーバンド図を計算した。本明細書において、イオ
ン化ポテンシャルの値は、バンドギャップと電子親和力を加算した値であり、バンドギャ
ップの値は、材料の単膜のエリプソで測定して得られる値を用いる。
サンプル１は、単結晶シリコン基板上に膜厚５ｎｍのＩＧＺＯ膜、膜厚５ｎｍのＩｎ−Ｓ
ｎ−Ｚｎ系酸化物膜、膜厚５ｎｍのＩＧＺＯ膜を積層成膜した。それぞれの成膜条件は、
スパッタリング法を用いて基板温度３００℃、酸素雰囲気（酸素１００％）下で成膜を行
った。ターゲットは、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］の酸化物ターゲットを
用い、ＩＧＺＯ膜を成膜する。また、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物膜は、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ
＝２：１：３［原子数比］の酸化物ターゲットを用いる。
また、基板を石英基板として、同じ成膜条件で積層成膜して得られたサンプル２の断面を
撮影したＴＥＭ写真が図１０（Ａ）である。なお、模式図を図１０（Ｂ）に示す。図１０
（Ｂ）において、酸化物半導体層の界面を点線で図示しているが、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、各酸化物半導体層との界面が不明確になる
場合もある。図１０（Ａ）の撮影されたサンプル２は、石英基板１０００上に膜厚５ｎｍ
の第１のＩＧＺＯ膜１００１、膜厚５ｎｍのＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物膜１００２、膜厚
５ｎｍの第２のＩＧＺＯ膜１００３を積層成膜したものであり、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化
物膜とＩＧＺＯ膜の界面が確認できる。また、図１０（Ａ）では、第２のＩＧＺＯ膜１０
０３と、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物膜１００２は、結晶を含んでおり、ｃ軸配向を有した
結晶性酸化物半導体（ＣＡＡＣ−ＯＳ）であることが確認できる。また、図１０（Ａ）に
おいて第１のＩＧＺＯ膜１００１は結晶を含んでおり、界面が非晶質構造である。なお、
図１０（Ａ）では、３層全てが結晶構造を有している酸化物半導体膜となっているが特に
限定されず、第２のＩＧＺＯ膜１００３のみが結晶構造を有してもよいし、３層のうち、
２層が結晶構造を有してもよいし、３層全て非晶質構造であってもよい。
サンプル１の表面からスパッタリングしながら紫外線光電子分光分析（ＵＰＳ：Ｕｌｔｒ
ａｖｉｏｌｅｔ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）によるイオ
ン化ポテンシャルを測定した結果を図８に示す。
図８において、横軸はサンプル１表面からのスパッタリング時間を表し、縦軸はイオン化
ポテンシャルを表している。なお、ＩＧＺＯ膜とＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物膜のスパッタ
レートは等しいと仮定して試料の境界を表示している。この図８から、ＩＧＺＯ膜に挟ま
れたＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物膜でイオン化ポテンシャルが低下することがわかる。なお
、イオン化ポテンシャルは真空準位から価電子帯までのエネルギー差を表す。
イオン化ポテンシャルの値からエリプソで測定したバンドギャップを引くことで伝導帯の
エネルギーを算出し、この積層膜のバンド構造を作成した。ただし、ＩＧＺＯ膜とＩｎ−
Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物膜のバンドギャップはそれぞれ３．２ｅＶ、２．８ｅＶとした。その
結果が図９になる。図９には、図１（Ｄ）に示したエネルギーバンド図のように埋め込み
チャネルが形成されていることがわかる。
本実施例では、第１の酸化物半導体層及び第３の酸化物半導体層としてＩＧＺＯ膜を用い
、第１の酸化物半導体層及び第３の酸化物半導体層よりも大きいイオン化ポテンシャルを
有し、且つ、小さいエネルギーギャップを有する第２の酸化物半導体層としてＩｎ−Ｓｎ
−Ｚｎ系酸化物膜を用いた積層は、図９または図１（Ｄ）に示すエネルギーバンド図で表
すことができることを確認した。第１の酸化物半導体層、第２の酸化物半導体層、及び第
３の酸化物半導体層の材料の組み合わせは、特に限定されず、図９または図１（Ｄ）に示
すエネルギーバンド図となるように、実施者が用いる材料のエネルギーギャップを考慮し
て適宜材料を選択し、組み合わせればよく、例えば、第１の酸化物半導体層及び第３の酸
化物半導体層としてＩＧＺＯ膜を用い、第２の酸化物半導体層としてＩｎ−Ｚｎ系酸化物
膜（Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ膜）を用いた積層を用いてもよい。
１０１ 第１の酸化物半導体層
１０２ 第２の酸化物半導体層
１０３ 第３の酸化物半導体層
１１１ 第１の酸素過剰領域
１１２ 第２の酸素過剰領域
１１３ 第３の酸素過剰領域
１２１ａ、１２１ｂ 第１の低抵抗領域
１２１ｃ チャネル形成領域
１２１ｄ、１２１ｅ 第１の領域
１２２ａ、１２２ｂ 第２の低抵抗領域
１２２ｃ チャネル形成領域
１２２ｄ、１２２ｅ 第２の領域
１２３ａ、１２３ｂ 第３の低抵抗領域
１２３ｃ チャネル形成領域
１２３ｄ、１２３ｅ 第３の領域
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
４０５ｃ ソース電極層
４０５ｄ ドレイン電極層
４０７ 絶縁膜
４２１ ドーパント
４３１ 酸素
４３６ 酸化物絶縁膜
４６５ａ 配線層
４６５ｂ 配線層
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
１０００ 石英基板
１００１ 第１のＩＧＺＯ膜
１００２ Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物膜
１００３ 第２のＩＧＺＯ膜
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
４０１８ａ、４０１８ｂ ＦＰＣ
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
４０４０ トランジスタ
４５１０ 隔壁
４５１１ 電界発光層
４５１３ 発光素子
４５１４ 充填材
９０００ テーブル
９００１ 筐体
９００２ 脚部
９００３ 表示部
９００４ 表示ボタン
９００５ 電源コード
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

Claims (10)

  1. 第１の酸化物半導体層と、
    前記第１の酸化物半導体層上の第２の酸化物半導体層と、
    前記第２の酸化物半導体層上の第３の酸化物半導体層と、
    ゲート絶縁膜と、
    前記ゲート絶縁膜を介して、前記第１乃至前記第３の酸化物半導体層と重なる領域を有するゲート電極と、
    前記第３の酸化物半導体層と電気的に接続されたソース電極と、
    前記第３の酸化物半導体層と電気的に接続されたドレイン電極と、を有し、
    前記第２の酸化物半導体層は、前記第１の酸化物半導体層と前記第３の酸化物半導体層とに包まれるように配置されており、
    前記第３の酸化物半導体層は、前記第２の酸化物半導体層の側面と接する領域を有し、
    前記第３の酸化物半導体層は、結晶を有することを特徴とする半導体装置。
  2. 第１の酸化物半導体層と、
    前記第１の酸化物半導体層上の第２の酸化物半導体層と、
    前記第２の酸化物半導体層上の第３の酸化物半導体層と、
    ゲート絶縁膜と、
    前記ゲート絶縁膜を介して、前記第１乃至前記第３の酸化物半導体層と重なる領域を有するゲート電極と、
    前記第３の酸化物半導体層と電気的に接続されたソース電極と、
    前記第３の酸化物半導体層と電気的に接続されたドレイン電極と、を有し、
    前記第２の酸化物半導体層の側面及び上面は、前記第３の酸化物半導体層と接しており、
    前記第２の酸化物半導体層の下面は、前記第１の酸化物半導体層と接しており、
    前記第３の酸化物半導体層は、結晶を有することを特徴とする半導体装置。
  3. 第１の酸化物半導体層と、
    前記第１の酸化物半導体層上の第２の酸化物半導体層と、
    前記第２の酸化物半導体層上の第３の酸化物半導体層と、
    ゲート絶縁膜と、
    前記ゲート絶縁膜を介して、前記第１乃至前記第３の酸化物半導体層と重なる領域を有するゲート電極と、
    前記第３の酸化物半導体層と電気的に接続されたソース電極と、
    前記第３の酸化物半導体層と電気的に接続されたドレイン電極と、を有し、
    前記第３の酸化物半導体層は、前記第２の酸化物半導体層の上面と接する領域と、前記第２の酸化物半導体層の側面と接する領域と、前記第１の酸化物半導体層の側面と接する領域と、を有し、
    前記第３の酸化物半導体層は、結晶を有することを特徴とする半導体装置。
  4. 第１の酸化物半導体層と、
    前記第１の酸化物半導体層上の第２の酸化物半導体層と、
    前記第２の酸化物半導体層上の第３の酸化物半導体層と、
    ゲート絶縁膜と、
    前記ゲート絶縁膜を介して、前記第１乃至前記第３の酸化物半導体層と重なる領域を有するゲート電極と、
    前記第３の酸化物半導体層と電気的に接続されたソース電極と、
    前記第３の酸化物半導体層と電気的に接続されたドレイン電極と、を有し、
    前記第３の酸化物半導体層は、前記第２の酸化物半導体層の上面と接する領域と、前記第２の酸化物半導体層の側面と接する領域と、前記第１の酸化物半導体層の上面と接する領域と、を有し、
    前記第３の酸化物半導体層は、結晶を有することを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項１乃至４のいずれか一において、
    前記第３の酸化物半導体層は、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを有することを特徴とする半導体装置。
  6. 請求項１乃至５のいずれか一において、
    前記第２の酸化物半導体層の電子親和力は、前記第１の酸化物半導体層の電子親和力及び前記第３の酸化物半導体層の電子親和力よりも大きいことを特徴とする半導体装置。
  7. 請求項１乃至６のいずれか一において、
    前記第２の酸化物半導体層のエネルギーギャップは、前記第１の酸化物半導体層のエネルギーギャップ及び前記第３の酸化物半導体層のエネルギーギャップよりも小さいことを特徴とする半導体装置。
  8. 請求項１乃至７のいずれか一において、
    前記第２の酸化物半導体層は、ｃ軸配向した結晶を有することを特徴とする半導体装置。
  9. 請求項１乃至８のいずれか一において、
    前記ソース電極は、前記第２の酸化物半導体層の側面と接する領域を有さず、
    前記ドレイン電極は、前記第２の酸化物半導体層の側面と接する領域を有さないことを特徴とする半導体装置。
  10. 請求項１乃至９のいずれか一において、
    酸化物絶縁膜を有し、
    前記第１の酸化物半導体層は、前記酸化物絶縁膜上に接して配置されていることを特徴とする半導体装置。
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