JP6110075B2 - 表示装置 - Google Patents

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Description

本発明は、表示装置に関する。また本発明は該表示装置を具備する電子機器に関する。
表示装置は、液晶テレビなどの大型表示装置の普及に伴い、より付加価値の高い製品が求められており、開発が進められている。特に、チャネル領域が非晶質半導体、または微結晶半導体によって構成される薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を用いて、画素部と同じ基板に駆動回路、駆動回路の一部を形成する技術は、コストの低減、信頼性の向上に大きく貢献するため、活発に開発が進められている。
チャネル領域が非晶質半導体、または微結晶半導体によって構成されるトランジスタを用いた表示装置では、画素部と同じ基板上に信号線駆動回路（ソースドライバ）を形成せず、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）、ＣＯＦ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｆｉｌｍ）といった技術を用いて、信号線数に応じた接続端子を介して駆動ＩＣより映像信号を入力することとなる。信号線数に応じた接続端子数は、信号線数の増加に伴い増加し、コスト増加の要因ともなる。特許文献１では、信号線駆動回路において、各信号線に対応して３個のアナログスイッチを設け、当該３個のアナログスイッチを画素部と同じ基板上に配置し、一水平走査期間内に３回の書き込み期間を設ける構成について記載されている。
また近年では、ＥＬ素子等の発光素子を駆動する表示装置（ＥＬ表示装置）の開発も盛んである。特許文献２は、画素に設けるトランジスタ数を削減し、且つトランジスタのしきい値電圧及び電界効果移動度のばらつきの補正を可能にした画素回路の構成について開示している。
特開２００４−３０９９４９号公報 特開２００７−３１０３１１号公報
既にパネルの大型化が進んでいる液晶表示装置と同様に、ＥＬ表示装置は今後、パネルの大型化の開発が進むと考えられる。パネルの大型化が進むと、信号線に入力するデータ数が増加する。従って特許文献１に記載のように、信号線駆動回路側にスイッチ回路であるアナログスイッチを設け、一水平走査期間内にサンプリングするデータを増加させる構成が考えられる。
しかしながらアナログスイッチを画素部と同じ基板上に配置する際、アナログスイッチを構成するトランジスタが、チャネル領域が非晶質半導体または微結晶半導体によって構成されるトランジスタである場合、トランジスタの電界効果移動度が十分でない。従ってトランジスタのチャネル幅を大きくしてトランジスタを流れる電流量を大きくせざるをえない。そのため、トランジスタが占める面積の増加、及びトランジスタが回路内の負荷となる割合が大きくなってしまう。
そこで本発明の一態様は、信号線駆動回路が有するスイッチ回路を画素部と同じ基板上に配置する構成において、スイッチ回路を構成するトランジスタサイズの縮小し、データを供給することによる信号線の充放電を行う際の回路内の負荷を削減することを課題の一とする。
本発明の一態様は、映像信号が入力される画素部と、映像信号の画素部への出力を制御するためのスイッチ回路部を有する信号線駆動回路を有し、スイッチ回路部は、絶縁基板上において、電界効果移動度が少なくとも８０ｃｍ２／Ｖｓ以上であるトランジスタを有し、トランジスタは、酸化物半導体層を有する表示装置である。
本発明の一態様において、トランジスタの電界効果移動度が１２０ｃｍ２／Ｖｓ以上である表示装置が好ましい。
本発明の一態様において、前記画素部は、トランジスタが設けられた画素を有し、該トランジスタは酸化物半導体層を有する表示装置が好ましい。
本発明の一態様において、酸化物半導体層は、ゲート絶縁層を介してゲート電極層と重なるチャネル形成領域を少なくとも有する表示装置が好ましい。
本発明の一態様において、酸化物半導体層は、高純度化された酸化物半導体層である表示装置が好ましい。
本発明の一態様において、高純度化された酸化物半導体層は、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎから選ばれた少なくとも一種の元素を含む酸化物半導体である表示装置が好ましい。
本発明の一態様において、電界効果移動度を向上させる手段は、第１に、トランジスタを構成する酸化物半導体の近接の絶縁膜または／及びイオン注入により、酸化物半導体へ酸素を供給し、一部がキャリア発生源となる酸素欠損を低減することである。また電界効果移動度を向上させる手段として、第２に、トランジスタの作製工程において、酸化物半導体を高純度化し、一部がキャリア発生源となる水素濃度を極めて低くすることである。
具体的に本発明の一態様における酸化物半導体を用いたトランジスタの作製工程について、図１（Ａ）乃至（Ｄ）に断面図を示し、以下で説明する。
まず加熱処理により酸素を放出する下地絶縁膜１０を形成し、該下地絶縁膜１０上に積層して酸化物半導体膜１１を形成する（図１（Ａ））。そして積層した下地絶縁膜１０及び酸化物半導体膜１１に、第１の加熱処理を行う（図１（Ｂ））。
ゲート絶縁層等として機能する下地絶縁膜１０として、加熱処理により酸素を放出する絶縁膜を設けることにより、酸化物半導体膜１１中に生じる酸素欠損を、後に行う加熱処理によって補償することができる。酸化物半導体膜１１中の酸素欠損は一部がキャリア発生源となるため、得られるトランジスタのしきい値電圧を変動させる要因となりうる。
また、加熱処理により酸素を放出する下地絶縁膜１０を設けることにより、下地絶縁膜１０と酸化物半導体膜１１との界面準位を低減することができる。該界面準位は、得られるトランジスタの動作に関連して生じる電荷をトラップすることがあるため、トランジスタの信頼性を低下させる原因となりうる。
なお、下地絶縁膜１０は平坦性を有することが好ましい。具体的には、平均面粗さ（Ｒａ）が１ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下、さらに好ましくは０．１ｎｍ以下とする。下地絶縁膜１０に対し、化学機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理などの平坦化処理を行ってもよい。下地絶縁膜１０が平坦性を有することで、下地絶縁膜１０と酸化物半導体膜１１との界面状態が良好となるため、得られるトランジスタの電界効果移動度が向上し、かつしきい値電圧の変動も低減できる。
酸化物半導体膜１１は、特に、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物を用いると、高い電界効果移動度及び高い信頼性を有するトランジスタが得られるため好ましい。他にも、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物や、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、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物や、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−Ｐｍ−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系酸化物や、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系酸化物や、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、一元系金属の酸化物であるＩｎ系酸化物、Ｓｎ系酸化物、Ｚｎ系酸化物などを用いた場合も同様である。
なお、酸化物半導体膜１１は基板加熱しつつ成膜すると、得られるトランジスタの電界効果移動度が向上するため好ましい。酸化物半導体膜１１の成膜時における基板加熱温度は、１００℃以上６００℃以下、好ましくは１５０℃以上５５０℃以下、さらに好ましくは２００℃以上５００℃以下とする。酸化物半導体膜１１はスパッタリング法を用いて成膜すると好ましい。
なお、酸化物半導体膜１１は、２．５ｅＶ以上、好ましくは２．８ｅＶ以上、さらに好ましくは３．０ｅＶ以上のバンドギャップを有する。酸化物半導体膜１１が上記の範囲のバンドギャップを有することにより、オフ電流の極めて小さいトランジスタを得ることができる。
なお、酸化物半導体膜１１は、単結晶、多結晶（ポリクリスタルともいう。）または非晶質などの状態をとる。好ましくは、酸化物半導体膜１１は、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜とする。
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、完全な単結晶ではなく、完全な非晶質でもない。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、非晶質相に結晶部および非晶質部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体膜である。なお、当該結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による観察像では、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる非晶質部と結晶部との境界は明確ではない。また、ＴＥＭによってＣＡＡＣ−ＯＳ膜には粒界（グレインバウンダリーともいう。）は確認できない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、粒界に起因する電子移動度の低下が抑制される。
第１の加熱処理は、減圧雰囲気（１０Ｐａ以下）、不活性雰囲気（窒素、希ガスなどの不活性ガスからなる雰囲気）または酸化性雰囲気（酸素、オゾン、亜酸化窒素などの酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上含む雰囲気）において、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上６００℃以下の温度で行う。
第１の加熱処理により、酸化物半導体膜１１中の水素などの不純物濃度を低減することができる。または下地絶縁膜１０と酸化物半導体膜１１との界面状態を良好にすることができる。酸化物半導体膜１１を成膜してから第１の加熱処理を行うため、下地絶縁膜１０から放出される酸素が外方拡散していくことを防止できる。なお、不活性雰囲気または減圧雰囲気で加熱処理を行った後、温度を下げずに雰囲気を変え、酸化性雰囲気での加熱処理を行っても構わない。このような方法で加熱処理を行うことで、不活性雰囲気または減圧雰囲気にて酸化物半導体膜１１から不純物を低減し、その後、酸化性雰囲気にて不純物の除去時に生じた酸素欠損を低減することができる。
なお、加熱処理、成膜には、不純物の少ないガスを用いる。具体的には、露点が−７０℃以下のガスを用いればよい。
第１の加熱処理を行った後、酸化物半導体膜１１を加工して島状の酸化物半導体膜１２にする。酸化物半導体膜１２の加工はフォトマスクを用いてレジストマスクを形成し、ドライエッチング法またはウェットエッチング法によってレジストマスクの被形成部をエッチングすればよい。このような加工工程をフォトリソグラフィ工程と呼ぶ。
次に、導電膜を成膜し、フォトリソグラフィ工程などによって加工して酸化物半導体膜と少なくとも一部が接するソース電極１３Ａ及びドレイン電極１３Ｂを形成する。
次に、層間絶縁膜として機能する上部絶縁膜１４を成膜する（図１（Ｃ））。上部絶縁膜１４として、加熱処理により酸素を放出する絶縁膜を用いると好ましい。
次に、第２の加熱処理を行う（図１（Ｄ））。第２の加熱処理は第１の加熱処理と同様の条件で行えばよい。第２の加熱処理を行うことで、下地絶縁膜１０および上部絶縁膜１４から酸素が放出され、島状の酸化物半導体膜１２中の酸素欠損を低減できる。また、下地絶縁膜１０と島状の酸化物半導体膜１２との界面準位、島状の酸化物半導体膜１２と上部絶縁膜１４との界面準位を低減することができるため、得られるトランジスタの電界効果移動度を高め、しきい値電圧のばらつきを低減させ、かつ信頼性を向上させることができる。
以上の方法で、高い電界効果移動度を有し、しきい値電圧のばらつきが小さく、かつ信頼性の高い酸化物半導体を用いたトランジスタを作製することができる。
なお、トランジスタを覆ってさらに層間絶縁膜を設けると好ましい。層間絶縁膜を設けることにより、下地絶縁膜１０及び上部絶縁膜１４から放出される酸素がトランジスタから外方拡散していくことを防止できる。層間絶縁膜を設ける場合、層間絶縁膜を成膜した後に第２の加熱処理を行ってもよい。
このようにして得られたトランジスタは、高い電界効果移動度を有し（例えば、電界効果移動度が３１ｃｍ２／Ｖｓ以上）、しきい値電圧のばらつきが小さく、高い信頼性を有し（例えば、マイナスＢＴ試験によるしきい値電圧の変動幅が１Ｖ以下）、かつオフ電流を極めて小さくできる。
次いで酸化物半導体を高純度化することにより、絶縁ゲート型トランジスタの電界効果移動度を大きくすることができる理論について説明する。
酸化物半導体に限らず、実際に測定される絶縁ゲート型トランジスタの電界効果移動度は、さまざまな理由によって本来の移動度よりも低くなる。移動度を低下させる要因としては半導体内部の欠陥や半導体と絶縁膜との界面の欠陥があるが、Ｌｅｖｉｎｓｏｎモデルを用いると、半導体内部に欠陥がないと仮定した場合の電界効果移動度を理論的に導き出せる。
半導体本来の移動度をμ０、測定される電界効果移動度をμとし、半導体中に何らかのポテンシャル障壁（粒界等）が存在すると仮定すると、式（１）のように表現できる。
ここで、Ｅはポテンシャル障壁の高さであり、ｋがボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。また、ポテンシャル障壁が欠陥に由来すると仮定すると、Ｌｅｖｉｎｓｏｎモデルでは、式（２）のように表される。
ここで、ｅは電気素量、Ｎはチャネル内の単位面積当たりの平均欠陥密度、εは半導体の誘電率、ｎは単位面積当たりのチャネルに含まれるキャリア数、Ｃｏｘは単位面積当たりの容量、Ｖｇはゲート電圧、ｔはチャネルの厚さである。なお、厚さ３０ｎｍ以下の半導体層であれば、チャネルの厚さは半導体層の厚さと同一として差し支えない。
線形領域におけるドレイン電流Ｉｄは、式（３）で表される。
ここで、Ｌはチャネル長、Ｗはチャネル幅であり、ここでは、Ｌ＝Ｗ＝１０μｍである。また、Ｖｄはドレイン電圧である。
上式の両辺をＶｇで割り、更に両辺の対数を取ると、式（４）となる。
式（４）の右辺はＶｇの関数である。この式からわかるように、縦軸をｌｎ（Ｉｄ／Ｖｇ）、横軸を１／Ｖｇとして実測値をプロットして得られるグラフの直線の傾きから欠陥密度Ｎが求められる。すなわち、トランジスタのＩｄ―Ｖｇ特性から、欠陥密度を評価できる。酸化物半導体としては、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）の比率が、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１のものでは欠陥密度Ｎは１×１０１２／ｃｍ２程度である。
このようにして求めた欠陥密度等をもとに式（１）及び式（２）よりμ０＝１２０ｃｍ２／Ｖｓが導出される。欠陥のあるＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ酸化物で測定される移動度は４０ｃｍ２／Ｖｓ程度である。しかし、半導体内部及び半導体と絶縁膜との界面の欠陥が無い酸化物半導体の移動度μ０は１２０ｃｍ２／Ｖｓとなると予想できる。
ただし、半導体内部に欠陥がなくても、チャネルとゲート絶縁膜との界面での散乱によってトランジスタの輸送特性は影響を受ける。すなわち、ゲート絶縁膜界面からｘだけ離れた場所における移動度μ１は、式（５）で表される。
ここで、Ｄはゲート方向の電界、Ｂ、ｌは定数である。Ｂ及びｌは、実際の測定結果より求めることができ、上記の測定結果からは、Ｂ＝４．７５×１０７ｃｍ／ｓ、ｌ＝１０ｎｍ（界面散乱が及ぶ深さ）である。Ｄが増加する（すなわち、ゲート電圧が高くなる）と式（５）の第２項が増加するため、移動度μ１は低下することがわかる。
半導体内部の欠陥が無い理想的な酸化物半導体をチャネルに用いたトランジスタの移動度μ２を計算した結果を図２に示す。なお、計算にはシノプシス社製デバイスシミュレーションソフト、Ｓｅｎｔａｕｒｕｓ Ｄｅｖｉｃｅを使用し、酸化物半導体のバンドギャップ、電子親和力、比誘電率、厚さをそれぞれ、２．８ｅＶ、４．７ｅＶ、１５、１５ｎｍとした。これらの値は、スパッタリング法により形成された薄膜を測定して得られたものである。
さらに、ゲート、ソース、ドレインの仕事関数をそれぞれ、５．５ｅＶ、４．６ｅＶ、４．６ｅＶとした。また、ゲート絶縁膜の厚さは１００ｎｍ、比誘電率は４．１とした。チャネル長及びチャネル幅はともに１０μｍ、ドレイン電圧Ｖｄは０．１Ｖである。
図２で示されるように、ゲート電圧１Ｖ強で移動度１００ｃｍ２／Ｖｓ以上のピークをつけるが、ゲート電圧がさらに高くなると、界面散乱が大きくなり、移動度が低下する。なお、界面散乱を低減するためには、半導体層表面を原子レベルで平坦にすること（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｆｌａｔｎｅｓｓ）が望ましい。
このような移動度を有する酸化物半導体を用いて微細なトランジスタを作製した場合の特性を計算した結果を図３乃至図５に示す。なお、計算に用いたトランジスタの断面構造を図６に示す。図６に示すトランジスタは酸化物半導体層にｎ＋の導電型を呈する半導体領域１０３ａ及び半導体領域１０３ｃを有する。半導体領域１０３ａ及び半導体領域１０３ｃの抵抗率は２×１０−３Ωｃｍとする。
図６（Ａ）に示すトランジスタは、下地絶縁層１０１と、下地絶縁層１０１に埋め込まれるように形成された酸化アルミニウムよりなる埋め込み絶縁層１０２の上に形成される。トランジスタは半導体領域１０３ａ、半導体領域１０３ｃと、それらに挟まれ、チャネル形成領域となる真性の半導体領域１０３ｂと、ゲート１０５を有する。ゲート１０５の幅を３３ｎｍとする。
ゲート１０５と半導体領域１０３ｂの間には、ゲート絶縁膜１０４を有し、また、ゲート１０５の両側面には側壁絶縁層１０６ａ及び側壁絶縁層１０６ｂ、ゲート１０５の上部には、ゲート１０５と他の配線との短絡を防止するための絶縁層１０７を有する。側壁絶縁層の幅は５ｎｍとする。また、半導体領域１０３ａ及び半導体領域１０３ｃに接して、ソース１０８ａ及びドレイン１０８ｂを有する。なお、このトランジスタにおけるチャネル幅を４０ｎｍとする。
図６（Ｂ）に示すトランジスタは、下地絶縁層１０１と、酸化アルミニウムよりなる埋め込み絶縁層１０２の上に形成され、半導体領域１０３ａ、半導体領域１０３ｃと、それらに挟まれた真性の半導体領域１０３ｂと、幅３３ｎｍのゲート１０５とゲート絶縁膜１０４と側壁絶縁層１０６ａ及び側壁絶縁層１０６ｂと絶縁層１０７とソース１０８ａ及びドレイン１０８ｂを有する点で図６（Ａ）に示すトランジスタと同じである。
図６（Ａ）に示すトランジスタと図６（Ｂ）に示すトランジスタの相違点は、側壁絶縁層１０６ａ及び側壁絶縁層１０６ｂの下の半導体領域の導電型である。図６（Ａ）に示すトランジスタでは、側壁絶縁層１０６ａ及び側壁絶縁層１０６ｂの下の半導体領域はｎ＋の導電型を呈する半導体領域１０３ａ及び半導体領域１０３ｃであるが、図６（Ｂ）に示すトランジスタでは、真性の半導体領域１０３ｂである。すなわち、半導体領域１０３ａ（半導体領域１０３ｃ）とゲート１０５がＬｏｆｆだけ重ならない領域ができている。この領域をオフセット領域といい、その幅Ｌｏｆｆをオフセット長という。図から明らかなように、オフセット長は、側壁絶縁層１０６ａ（側壁絶縁層１０６ｂ）の幅と同じである。
その他の計算に使用するパラメータは上述の通りである。計算にはシノプシス社製デバイスシミュレーションソフト、Ｓｅｎｔａｕｒｕｓ Ｄｅｖｉｃｅを使用した。図３は、図６（Ａ）に示される構造のトランジスタのドレイン電流（Ｉｄ、実線）及び移動度（μ、点線）のゲート電圧（Ｖｇ、ゲートとソースの電位差）依存性を示す。ドレイン電流Ｉｄは、ドレイン電圧（ドレインとソースの電位差）を＋１Ｖとし、移動度μはドレイン電圧を＋０．１Ｖとして計算したものである。
図３（Ａ）はゲート絶縁層の厚さを１５ｎｍとしたものであり、図３（Ｂ）は１０ｎｍとしたものであり、図３（Ｃ）は５ｎｍとしたものである。ゲート絶縁層が薄くなるほど、特にオフ状態でのドレイン電流Ｉｄ（オフ電流）が顕著に低下する。一方、移動度μのピーク値やオン状態でのドレイン電流Ｉｄ（オン電流）には目立った変化が無い。ゲート電圧１Ｖ前後で、ドレイン電流は１０μＡを超えることが示された。
図４は、図６（Ｂ）に示される構造のトランジスタで、オフセット長Ｌｏｆｆを５ｎｍとしたもののドレイン電流Ｉｄ（実線）及び移動度μ（点線）のゲート電圧Ｖｇ依存性を示す。ドレイン電流Ｉｄは、ドレイン電圧を＋１Ｖとし、移動度μはドレイン電圧を＋０．１Ｖとして計算したものである。図４（Ａ）はゲート絶縁層の厚さを１５ｎｍとしたものであり、図４（Ｂ）は１０ｎｍとしたものであり、図４（Ｃ）は５ｎｍとしたものである。
また、図５は、図６（Ｂ）に示される構造のトランジスタで、オフセット長Ｌｏｆｆを１５ｎｍとしたもののドレイン電流Ｉｄ（実線）及び移動度μ（点線）のゲート電圧依存性を示す。ドレイン電流Ｉｄは、ドレイン電圧を＋１Ｖとし、移動度μはドレイン電圧を＋０．１Ｖとして計算したものである。図５（Ａ）はゲート絶縁層の厚さを１５ｎｍとしたものであり、図５（Ｂ）は１０ｎｍとしたものであり、図５（Ｃ）は５ｎｍとしたものである。
いずれもゲート絶縁層が薄くなるほど、オフ電流が顕著に低下する一方、移動度μのピーク値やオン電流には目立った変化が無い。
なお、移動度μのピークは、図３では８０ｃｍ２／Ｖｓ程度であるが、図４では６０ｃｍ２／Ｖｓ程度、図５では４０ｃｍ２／Ｖｓと、オフセット長Ｌｏｆｆが増加するほど低下する。また、オフ電流も同様な傾向がある。一方、オン電流にはオフセット長Ｌｏｆｆの増加に伴って減少するが、オフ電流の低下に比べるとはるかに緩やかである。
以上説明した、高純度化された酸化物半導体をチャネル形成領域に有するトランジスタは電界効果移動度が８０ｃｍ２／Ｖｓ以上、さらには１２０ｃｍ２／Ｖｓと高く、画素部と同じ絶縁基板上において、大きな電流供給能力を得ることができる。
本発明の一態様は、信号線駆動回路のスイッチ回路部を構成するトランジスタサイズを小さくし、信号線の充放電を十分に行うことができる。
本発明の一態様を示す断面図である。 計算によって得られた移動度のゲート電圧依存性を説明する図である。 計算によって得られたドレイン電流と移動度のゲート電圧依存性を説明する図である。 計算によって得られたドレイン電流と移動度のゲート電圧依存性を説明する図である。 計算によって得られたドレイン電流と移動度のゲート電圧依存性を説明する図である。 計算に用いたトランジスタの断面構造を説明する図である。 本発明の一態様を示す表示装置の一態様を示す図である。 本発明の一態様を示す表示装置の一態様を示す図である。 電子機器の一例を示す図である。 Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物膜のＸＲＤスペクトルを示す図。 本発明の一態様であるトランジスタの作製方法を示す断面図。 本発明の一態様であるトランジスタの作製方法を示す断面図。 本発明の一態様であるトランジスタの上面図及び断面図。 本発明の一態様であるトランジスタの上面図及び断面図。 酸化物材料の結晶構造を説明する図。 酸化物材料の結晶構造を説明する図。 酸化物材料の結晶構造を説明する図。 Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物膜のＴＥＭ断面像。 Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物膜のＴＥＭ断面像。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って本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、以下に説明する構成において、同様のものを指す符号は異なる図面間で共通の符号を用いて示し、同一部分または同様な機能を有する部分の詳細な説明は省略する。
なお、各実施の形態の図面等において示す各構成の、大きさ、層の厚さ、信号波形のなまり、または領域は、明瞭化のために誇張されて表記している場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。
なお、本明細書にて用いる「第１」、「第２」、「第３」等などの用語は、構成要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではないことを付記する。
（実施の形態１）
本実施の形態では、スイッチ回路部を有する信号線駆動回路を備えた表示装置の構成について説明する。
表示装置の構成例について、図７を参照して説明する。表示装置は、基板７００上に、画素部７０１と、走査線駆動回路部７０２と、信号線駆動回路部７０３とを有する。
なお基板７００は、ガラス基板、セラミック基板の他、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。
画素部７０１には、走査線と信号線との交差部に複数の画素が設けられる。画素部７０１では信号線を介して各画素７０４に映像信号が供給されることで、所望の階調の絵が表示される。または各画素にはトランジスタ及び表示素子に接続される画素電極が設けられており、トランジスタのゲート電極が走査線に接続され、ソース電極またはドレイン電極となる電極の一方（第１端子）が信号線に接続され、ソース電極またはドレイン電極となる電極の他方（第２端子）が画素内の他の素子に接続される構成となる。なお画素電極に接続される表示素子としては、電気信号により駆動する表示素子であればよく、一例としては液晶表示素子、発光素子が挙げられる。
走査線駆動回路部７０２は、画素部に向けて延在する複数の走査線に対し、走査信号を出力するための回路である。図７に示す図では、走査線駆動回路部７０２を基板７００上に配置する構成としたが、走査線駆動回路の機能の一部または全部を基板７００の外に設ける構成としてもよい。また図示していないが、走査線駆動回路部７０２には、外部接続端子７０５を介して、クロック信号（ＧＣＫ）、スタートパルス（ＧＳＰ）等の走査線駆動回路を駆動するための信号が入力される。
信号線駆動回路部７０３は、スイッチ回路部７０６＿１乃至７０６＿Ｎ（Ｎは自然数）という複数の回路、を有する。そして、スイッチ回路部７０６＿１乃至７０６＿Ｎは、各々、トランジスタ７０７＿１乃至７０７＿ｋ（ｋは自然数）という複数のトランジスタを有する。トランジスタ７０７＿１乃至７０７＿ｋは、画素７０４が有するトランジスタ、及び走査線駆動回路部７０２が有するトランジスタと同じ導電型であるものとする。
信号線駆動回路部７０３の接続関係について、スイッチ回路部７０６＿１を例にして説明する。スイッチ回路部７０６＿１のトランジスタ７０７＿１乃至７０７＿ｋの第１端子は、配線７０８＿１と接続される。スイッチ回路部７０６＿１のトランジスタ７０７＿１乃至７０７＿ｋの第２端子は、各々、配線Ｓ１乃至Ｓｋと接続される。スイッチ回路部７０６＿１のトランジスタ７０７＿１乃至７０７＿ｋのゲートは、各々、配線７０９＿１乃至７０９＿ｋと接続される。
サンプリング信号出力回路７０９は、外部接続端子７０５を介して、配線７０９＿１乃至７０９＿ｋを介して、サンプリング信号をスイッチ回路部７０６＿１乃至７０６＿Ｎに供給する機能を有する回路である。
映像信号出力回路７０８は、外部接続端子７０５を介して、映像信号をスイッチ回路部７０６＿１乃至７０６＿Ｎに出力する機能を有する。例えば、映像信号出力回路７０８は、外部接続端子７０５及び配線７０８＿１を介して映像信号をスイッチ回路部７０６＿１に供給する。当該映像信号は、アナログ信号である場合が多い。
なお、サンプリング信号出力回路７０９及び映像信号出力回路７０８が基板７００外部に形成される場合、サンプリング信号出力回路７０９及び映像信号出力回路７０８は、ＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）方式によって外部接続端子７０５に接続されるＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）に実装されることが可能である。または、サンプリング信号出力回路７０９及び映像信号出力回路７０８は、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ ｏｎ Ｇｌａｓｓ）方式によって基板７００に実装することが可能である。
スイッチ回路部７０６＿１乃至７０６＿Ｎは、映像信号出力回路７０８の映像信号を、どの配線に出力するのかをトランジスタ７０７＿１乃至７０７＿ｋで選択する機能を有する。例えば、スイッチ回路部７０６＿１は、映像信号出力回路７０８が配線７０８＿１に出力する映像信号を、配線７０９＿１乃至７０９＿ｋより供給されるサンプリング信号にて配線Ｓ１乃至Ｓｋのうちどの配線に出力するのかを選択する機能を有する。
スイッチ回路部７０６＿１が有するトランジスタ７０７＿１乃至７０７＿ｋは、各々、サンプリング信号出力回路７０９のサンプリング信号に応じて、配線７０８＿１と、配線Ｓ１乃至Ｓｋとの導通状態または非導通状態を制御する機能を有する。
次に、図７の信号線駆動回路の動作について、図８のタイミングチャートを参照して説明する。図８には、配線７０９＿１乃至７０９＿ｋのサンプリング信号（図８中、７０９＿１、７０９＿２、７０９＿ｋ）、及び配線７０８＿１乃至７０８＿Ｎの各信号（図８中、７０８＿１、７０８＿２、７０８＿Ｎ）の一例を示す。なお、信号線駆動回路の１動作期間は、表示装置における１ゲート選択期間に対応する。１ゲート選択期間は、一例として、期間Ｔ１乃至期間Ｔｋに分割される。期間Ｔ１乃至Ｔｋは、各々、選択された行に属する画素に映像信号（Ｄ：Ｄａｔａ）を書き込むための期間である。
期間Ｔ１乃至期間Ｔｋにおいて、サンプリング信号出力回路７０９は、ハイレベルの信号を配線７０９＿１乃至７０９＿ｋに順番に出力する。例えば、期間Ｔ１において、サンプリング信号出力回路７０９は、ハイレベルの信号を配線７０９＿１に出力する。すると、スイッチ回路部７０６＿１乃至７０６＿Ｎの各段のトランジスタ７０７＿１はオンになるので、例えば配線７０８＿１乃至７０８＿Ｎと、信号線Ｓ１、Ｓｋ＋１、Ｓ（Ｎ−１）ｋ＋１とが導通状態になる。このとき、配線７０８＿１にはＤ（Ｓ１）が入力され、配線７０８＿２にはＤ（Ｓｋ＋１）が入力され、配線７０８＿Ｎには、Ｄ（Ｓ（Ｎ−１）ｋ＋１）が入力される。こうして、期間Ｔ１乃至Ｔｋにおいて、選択された行に属する画素に、Ｎ列ずつ順番に映像信号が書き込まれる。
以上のように、映像信号が複数の列ずつ画素に書き込まれることによって、映像信号を選択する配線の数を減らすことができる。よって表示装置は、サンプリング信号出力回路７０９との接続数を減らすことができる。また、映像信号が複数の列ずつ画素に書き込まれることによって、書き込み時間を長くすることができ、書き込み信号の書き込み不足を防止することができる。
高純度化がされていない酸化物半導体膜であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物膜でスイッチ回路部７０６＿１乃至７０６＿Ｎが有するトランジスタ７０７＿１乃至７０７＿ｋが構成されている場合は以下の様な想定ができる。例えばトランジスタ７０７＿１に着目して説明する。
トランジスタ７０７＿１のゲート絶縁層の厚さを３００ｎｍ、比誘電率３．８とし、ゲートとソースとの間の電圧Ｖｇｓを５Ｖ、しきい値電圧Ｖｔｈを２Ｖ、電界効果移動度μを１０ｃｍ２／Ｖｓ、ゲート長Ｌを３μｍとした場合、オン抵抗Ｒｏｎが式（６）のようになる。
Ｒｏｎ＝Ｖｄｓ／Ｉｄ・・（６）
式（６）において、ドレイン電流Ｉｄは、式（７）で表される。
Ｉｄ＝μ・Ｃｏ・Ｗ／Ｌ・（Ｖｇｓ−Ｖｔｈ）・Ｖｄｓ・・（７）
Ｃｏは単位面積あたりゲート絶縁層の静電容量、Ｗはゲート幅、Ｌはゲート長、Ｖｄｓはドレインとソースとの間の電圧とする。
式（６）、式（７）より、上記オン抵抗が１１０Ω以下を満足するためには、Ｗ＝９ｃｍとする必要がある。一方で表示装置は額縁を小さくすることが求められるが、前述のＷ＝９ｃｍはスイッチ回路部のトランジスタとして非常に大きな面積を占めることとなる。すなわち電界効果移動度μが１０ｃｍ２／Ｖｓの、高純度化がされていない酸化物半導体膜であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物膜では非常に額縁が大きくなる。アモルファスシリコンではこのような酸化物半導体よりさらに移動度が小さいため、さらに額縁が大きくなる。
一方、高純度化された酸化物半導体膜であるＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物膜では、電界効果移動度μを８０ｃｍ２／Ｖｓ以上、さらには１２０ｃｍ２／Ｖｓ以上とすることが可能になる。この場合、前述の諸条件において、Ｗを１１．３ｍｍ、さらには７．５ｍｍまで小さくすることができ、スイッチ回路部のトランジスタが占める面積を小さくできる。その結果、表示装置の額縁を小さくできる。
このようにして、高純度化された酸化物半導体膜をスイッチ回路部のトランジスタの活性層に使用した場合、狭額縁化が図られるとともに、絶縁基板上に画素等の回路とともに形成することができる。また高純度化された酸化物半導体膜をスイッチ回路部のトランジスタの活性層に使用した場合、しきい値電圧等のトランジスタの諸特性のばらつきがなく、信号線の充放電を十分に行うことができる。
以上説明したように本実施の形態の信号線駆動回路のスイッチ回路部のトランジスタは、高純度化された酸化物半導体をチャネル形成領域に有するトランジスタで構成することができる。高純度化された酸化物半導体をチャネル形成領域に有するトランジスタは、高い電界効果移動度を有するトランジスタを実現できる。そのため当該トランジスタを用いることで、信号線駆動回路のスイッチ回路部を構成するトランジスタサイズを小さくし、信号線の充放電を十分に行うことができる。
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２）
本実施の形態では、実施の形態１で説明したスイッチ回路部のトランジスタの作製例を、図１１及び図１２を用いて説明する。またスイッチ回路部のトランジスタとともに作製可能な、画素部の各画素が有するトランジスタの上面図及び該上面図に対応する断面図の一例を図１３、図１４を用いて説明する。
なお本実施の形態ではボトムゲート型構造のトランジスタを作製する例を用いて説明するが、スイッチ回路部のトランジスタ及び画素が有するトランジスタには、トップゲート型構造のトランジスタを用いることもできる。また本実施の形態では、スタガ型のトランジスタを作製する例を説明するが、コプラナー型であっても作製可能である。
なお本実施の形態では、スイッチ回路部のトランジスタの作製例を説明するが、信号線駆動回路及び／または走査線駆動回路を構成するトランジスタの作製についても同様に作製することができる。
図１１（Ａ）乃至（Ｄ）でチャネルエッチ型のボトムゲート型構造のトランジスタを作製する例について説明する。
まず絶縁表面を有する基板である基板４００上に、導電膜を形成した後、フォトマスクを用いてフォトリソグラフィ工程によりゲート電極層４０１を設ける。
基板４００としては、大量生産することができるガラス基板を用いることが好ましい。基板４００として用いるガラス基板は、後の工程で行う加熱処理の温度が高い場合には、歪み点が７３０℃以上のものを用いると良い。また、基板４００には、例えば、アルミノシリケートガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスなどのガラス材料が用いられている。
また、下地層となる絶縁層を基板４００とゲート電極層４０１の間に設けてもよい。下地層は、基板４００からの不純物元素の拡散を防止する機能があり、窒化シリコン、酸化シリコン、窒化酸化シリコン、または酸化窒化シリコンから選ばれた一または複数の層による積層構造により形成することができる。
酸化窒化シリコンとは、その組成において、窒素よりも酸素の含有量が多いものを示し、例えば、酸素が５０原子％以上７０原子％以下、窒素が０．５原子％以上１５原子％以下、シリコンが２５原子％以上３５原子％以下、水素が０原子％以上１０原子％以下の範囲で含まれるものをいう。また、窒化酸化シリコンとは、その組成において、酸素よりも窒素の含有量が多いものを示し、例えば、酸素が５原子％以上３０原子％以下、窒素が２０原子％以上５５原子％以下、シリコンが２５原子％以上３５原子％以下、水素が１０原子％以上２５原子％以下の範囲で含まれるものをいう。但し、上記範囲は、ラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）や、水素前方散乱法（ＨＦＳ：Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｆｏｒｗａｒｄ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を用いて測定した場合のものである。また、構成元素の組成は、その合計が１００原子％を超えない値をとる。
ゲート電極層４０１としては、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｔａ及びＷ、それらの窒化物、酸化物ならびに合金から一種以上選択し、単層でまたは積層で用いればよい。または、少なくともＩｎ及びＺｎを含む酸化物または酸窒化物を用いても構わない。例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ−Ｎ系酸化物などを用いればよい。
次いで、ゲート電極層４０１上にゲート絶縁層４０２を形成する。ゲート絶縁層４０２は、ゲート電極層４０１の形成後、大気暴露せずに、スパッタリング法、蒸着法、プラズマ化学気相成長法（ＰＣＶＤ法）、パルスレーザー堆積法（ＰＬＤ法）、原子層堆積法（ＡＬＤ法）または分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などを用いて成膜する。
ゲート絶縁層４０２は、加熱処理により酸素を放出する絶縁膜を用いると好ましい。
「加熱処理により酸素を放出する」とは、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：昇温脱離ガス分光法）分析にて、酸素原子に換算しての酸素の放出量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることをいう。
ここで、ＴＤＳ分析にて、酸素原子に換算しての酸素の放出量の測定方法について、以下に説明する。
ＴＤＳ分析したときの気体の放出量は、スペクトルの積分値に比例する。このため、測定したスペクトルの積分値と、標準試料の基準値に対する比とにより、気体の放出量を計算することができる。標準試料の基準値とは、所定の原子を含む試料の、スペクトルの積分値に対する原子の密度の割合である。
例えば、標準試料である所定の密度の水素を含むシリコンウェハのＴＤＳ分析結果、及び絶縁膜のＴＤＳ分析結果から、絶縁膜の酸素分子の放出量（ＮＯ２）は、式（８）で求めることができる。ここで、ＴＤＳ分析で得られる質量数３２で検出されるスペクトルの全てが酸素分子由来と仮定する。質量数３２のものとしてほかにＣＨ３ＯＨがあるが、存在する可能性が低いものとしてここでは考慮しない。また、酸素原子の同位体である質量数１７の酸素原子及び質量数１８の酸素原子を含む酸素分子についても、自然界における存在比率が極微量であるため考慮しない。
式（８）においてＮＨ２は、標準試料から脱離した水素分子を密度で換算した値である。ＳＨ２は、標準試料をＴＤＳ分析したときのスペクトルの積分値である。ここで、標準試料の基準値を、ＮＨ２／ＳＨ２とする。ＳＯ２は、絶縁膜をＴＤＳ分析したときのスペクトルの積分値である。αは、ＴＤＳ分析におけるスペクトル強度に影響する係数である。式（８）の詳細に関しては、特開平６−２７５６９７公報を参照する。なお、上記絶縁膜の酸素の放出量は、電子科学株式会社製の昇温脱離分析装置ＥＭＤ−ＷＡ１０００Ｓ／Ｗを用い、標準試料として１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の水素原子を含むシリコンウェハを用いて測定する。
また、ＴＤＳ分析において、酸素の一部は酸素原子として検出される。酸素分子と酸素原子の比率は、酸素分子のイオン化率から算出することができる。なお、上述のαは酸素分子のイオン化率を含むため、酸素分子の放出量を評価することで、酸素原子の放出量についても見積もることができる。
なお、ＮＯ２は酸素分子の放出量である。酸素原子に換算したときの放出量は、酸素分子の放出量の２倍となる。
上記構成において、加熱処理により酸素を放出する膜は、酸素が過剰な酸化シリコン（ＳｉＯＸ（Ｘ＞２））であってもよい。酸素が過剰な酸化シリコン（ＳｉＯＸ（Ｘ＞２））とは、シリコン原子数の２倍より多い酸素原子を単位体積当たりに含むものである。単位体積当たりのシリコン原子数及び酸素原子数は、ラザフォード後方散乱法により測定した値である。
ゲート絶縁層４０２から接して設ける酸化物半導体膜に酸素が供給されることで、接して設ける酸化物半導体膜とゲート絶縁層４０２との界面準位を低減できる。この結果、トランジスタの動作などに起因して、接して設ける酸化物半導体膜とゲート絶縁層４０２との界面にキャリアが捕獲されることを抑制することができ、電気特性の劣化の少ないトランジスタを得ることができる。
さらに、接して設ける酸化物半導体膜の酸素欠損に起因して電荷が生じる場合がある。一般に酸化物半導体膜の酸素欠損は、一部がドナーとなりキャリアである電子を放出する。この結果、トランジスタのしきい値電圧がマイナス方向にシフトしてしまう。そこで、ゲート絶縁層４０２から接して設ける酸化物半導体膜に酸素が十分に供給され、好ましくは接して設ける酸化物半導体膜に酸素が過剰に含まれていることにより、しきい値電圧がマイナス方向へシフトする要因である、酸化物半導体膜の酸素欠損を低減することができる。
また、ゲート絶縁層４０２は、接して設ける酸化物半導体膜が結晶成長しやすいように、十分な平坦性を有することが好ましい。
ゲート絶縁層４０２は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化セシウム、酸化タンタル及び酸化マグネシウムの一種以上を選択して、単層または積層で用いればよい。
ゲート絶縁層４０２は、好ましくはスパッタリング法により、基板加熱温度を室温以上２００℃以下、好ましくは５０℃以上１５０℃以下とし、酸素ガス雰囲気で成膜する。なお、酸素ガスに希ガスを加えて用いてもよく、その場合は酸素ガスの割合は３０体積％以上、好ましくは５０体積％以上、さらに好ましくは８０体積％以上とする。ゲート絶縁層４０２の厚さは、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下、好ましくは２００ｎｍ以上７００ｎｍ以下とする。成膜時の基板加熱温度が低いほど、成膜雰囲気中の酸素ガス割合が高いほど、厚さが厚いほど、ゲート絶縁層４０２を加熱処理した際に放出される酸素の量は多くなる。スパッタリング法は、ＰＣＶＤ法と比べて膜中の水素濃度を低減することができる。なお、ゲート絶縁層４０２を１０００ｎｍを超える厚さで成膜しても構わないが、生産性を低下させない程度の厚さとする。
次いで、ゲート絶縁層４０２上に、スパッタリング法、蒸着法、ＰＣＶＤ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法またはＭＢＥ法などを用いて酸化物半導体膜４０３を成膜する。以上の工程が図１１（Ａ）に示す断面図に対応する。
酸化物半導体膜４０３は、厚さを１ｎｍ以上４０ｎｍ以下とする。好ましくは、厚さを３ｎｍ以上２０ｎｍ以下とする。特に、チャネル長が３０ｎｍ以下のトランジスタにおいては、酸化物半導体膜４０３の厚さを５ｎｍ程度とすることで、短チャネル効果を抑制でき、安定な電気的特性を得ることができる。
酸化物半導体膜４０３として、特に、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物の材料を用いることで、高い電界効果移動度のトランジスタを得ることができる。
酸化物半導体膜４０３は、トランジスタのオフ電流を低減するため、バンドギャップが２．５ｅＶ以上、好ましくは２．８ｅＶ以上、さらに好ましくは３．０ｅＶ以上の材料を選択する。バンドギャップが前述の範囲にある酸化物半導体膜４０３を用いることで、トランジスタのオフ電流を小さくすることができる。
なお、酸化物半導体膜４０３は、水素、アルカリ金属及びアルカリ土類金属などが低減され、極めて不純物濃度の低い酸化物半導体膜４０３であると好ましい。酸化物半導体膜４０３が前述の不純物を有すると、不純物の形成する準位によりバンドギャップ内の再結合が起こり、トランジスタはオフ電流が増大してしまう。
酸化物半導体膜４０３中の水素濃度は、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）において、５×１０１９ｃｍ−３未満、好ましくは５×１０１８ｃｍ−３以下、より好ましくは１×１０１８ｃｍ−３以下、さらに好ましくは５×１０１７ｃｍ−３以下とする。
また、酸化物半導体膜４０３中のアルカリ金属濃度は、ＳＩＭＳにおいて、ナトリウム濃度が５×１０１６ｃｍ−３以下、好ましくは１×１０１６ｃｍ−３以下、さらに好ましくは１×１０１５ｃｍ−３以下とする。同様に、リチウム濃度は、５×１０１５ｃｍ−３以下、好ましくは１×１０１５ｃｍ−３以下とする。同様に、カリウム濃度は、５×１０１５ｃｍ−３以下、好ましくは１×１０１５ｃｍ−３以下とする。
酸化物半導体膜４０３は、好ましくはスパッタリング法により、基板加熱温度を１００℃以上６００℃以下、好ましくは１５０℃以上５５０℃以下、さらに好ましくは２００℃以上５００℃以下とし、酸素ガス雰囲気で成膜する。酸化物半導体膜４０３の厚さは、１ｎｍ以上４０ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上２０ｎｍ以下とする。成膜時の基板加熱温度が高いほど、得られる酸化物半導体膜４０３の不純物濃度は低くなる。また、酸化物半導体膜４０３中の原子配列が整い、高密度化され、多結晶またはＣＡＡＣ−ＯＳが形成されやすくなる。さらに、酸素ガス雰囲気で成膜することでも、希ガスなどの余分な原子が含まれないため、多結晶またはＣＡＡＣ−ＯＳが形成されやすくなる。ただし、酸素ガスと希ガスの混合雰囲気としてもよく、その場合は酸素ガスの割合は３０体積％以上、好ましくは５０体積％以上、さらに好ましくは８０体積％以上とする。なお、酸化物半導体膜４０３は薄いほど、トランジスタの短チャネル効果が低減される。ただし、薄くしすぎると界面散乱の影響が強くなり、電界効果移動度の低下が起こることがある。
酸化物半導体膜４０３としてＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物をスパッタリング法で成膜する場合、好ましくは、原子数比がＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：３、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：２：２、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１またはＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２０：４５：３５で示されるＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏターゲットを用いる。前述の組成比を有するＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏターゲットを用いて酸化物半導体膜４０３を成膜することで、多結晶またはＣＡＡＣ−ＯＳが形成されやすくなる。
次に、第１の加熱処理を行う。第１の加熱処理は、減圧雰囲気、不活性雰囲気または酸化性雰囲気で行う。第１の加熱処理により、酸化物半導体膜４０３中の不純物濃度を低減することができる。以上の工程が図１１（Ｂ）に示す断面図に対応する。
第１の加熱処理は、減圧雰囲気または不活性雰囲気で加熱処理を行った後、温度を保持しつつ酸化性雰囲気に切り替えてさらに加熱処理を行うと好ましい。これは、減圧雰囲気または不活性雰囲気にて加熱処理を行うと、酸化物半導体膜４０３中の不純物濃度を効果的に低減することができるが、同時に酸素欠損も生じてしまうためであり、このとき生じた酸素欠損を、酸化性雰囲気での加熱処理により低減することができる。
酸化物半導体膜４０３は、成膜時の基板加熱に加え、第１の加熱処理を行うことで、膜中の不純物準位を極めて小さくすることが可能となる。その結果、トランジスタの電界効果移動度を後述する理想的な電界効果移動度近くまで高めることが可能となる。
なお、酸化物半導体膜４０３に酸素イオンを注入し、加熱処理により酸化物半導体膜４０３に含まれる水素などの不純物を放出させ、該加熱処理と同時に、またはその後の加熱処理により酸化物半導体膜４０３を結晶化させてもよい。
また、第１の加熱処理の代わりにレーザビームを照射して選択的に酸化物半導体膜４０３を結晶化してもよい。または、第１の加熱処理を行いながらレーザビームを照射して選択的に酸化物半導体膜４０３を結晶化してもよい。レーザビームの照射は、不活性雰囲気、酸化性雰囲気または減圧雰囲気で行う。レーザビームの照射を行う場合、連続発振型のレーザビーム（ＣＷレーザビーム）またはパルス発振型のレーザビーム（パルスレーザビーム）を用いることができる。例えば、Ａｒレーザ、Ｋｒレーザまたはエキシマレーザなどの気体レーザ、または単結晶もしくは多結晶のＹＡＧ、ＹＶＯ４、フォルステライト（Ｍｇ２ＳｉＯ４）、ＹＡｌＯ３もしくはＧｄＶＯ４にドーパントとしてＮｄ、Ｙｂ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ及びＴａの一種以上が添加されているものを媒質としたレーザ、もしくはガラスレーザ、ルビーレーザ、アレキサンドライトレーザ、Ｔｉ：サファイアレーザなどの固体レーザ、または銅蒸気レーザもしくは金蒸気レーザの一種以上から発振される蒸気レーザを用いることができる。このようなレーザビームの基本波、または基本波の第２高調波乃至第５高調波のいずれかのレーザビームを照射することで、酸化物半導体膜４０３を結晶化することができる。なお、照射するレーザビームは、酸化物半導体膜４０３のバンドギャップよりもエネルギーの大きいものを用いると好ましい。例えば、ＫｒＦ、ＡｒＦ、ＸｅＣｌ、またはＸｅＦのエキシマレーザ発振器から射出されるレーザビームを用いてもよい。なお、レーザビームの形状が線状であっても構わない。
なお、異なる条件下において、複数回のレーザビーム照射を行っても構わない。例えば、１回目のレーザビーム照射を希ガス雰囲気または減圧雰囲気で行い、２回目のレーザビーム照射を酸化性雰囲気で行うと、酸化物半導体膜４０３の酸素欠損を低減しつつ高い結晶性得られるため好ましい。
次に、酸化物半導体膜４０３をフォトリソグラフィ工程などによって島状に加工して酸化物半導体膜４０４を形成する。
次に、ゲート絶縁層４０２及び酸化物半導体膜４０４上に導電膜を形成した後、フォトリソグラフィ工程などによってソース電極４０５Ａ及びドレイン電極４０５Ｂを形成する。成膜方法は、いずれもスパッタリング法、蒸着法、ＰＣＶＤ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法またはＭＢＥ法などを用いればよい。ソース電極４０５Ａ及びドレイン電極４０５Ｂは、ゲート電極層４０１と同様に、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｔａ及びＷ、それらの窒化物、酸化物ならびに合金から一種以上選択し、単層でまたは積層で用いればよい。
次に、上部絶縁膜となる絶縁膜４０６をスパッタリング法、蒸着法、ＰＣＶＤ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法またはＭＢＥ法などを用いて成膜する。以上の工程が図１１（Ｃ）に示す断面図に対応する。絶縁膜４０６は、ゲート絶縁層４０２と同様の方法で成膜すればよい。
なお絶縁膜４０６に積層して保護絶縁膜を形成してもよい（図示せず）。保護絶縁膜は、２５０℃以上４５０℃以下、好ましくは１５０℃以上８００℃以下の温度範囲において、例えば１時間の加熱処理を行っても酸素を透過しない性質を有すると好ましい。
以上のような性質により、保護絶縁膜を絶縁膜４０６の周辺に設ける構造とするときに、絶縁膜４０６から加熱処理によって放出された酸素が、トランジスタの外方へ拡散していくことを抑制できる。このように、絶縁膜４０６に酸素が保持されるため、トランジスタの電界効果移動度の低下を防止し、しきい値電圧のばらつきを低減させ、かつ信頼性を向上させることができる。
保護絶縁膜は、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化セシウム、酸化タンタル及び酸化マグネシウムの一種以上を選択して、単層または積層で用いればよい。
絶縁膜４０６の成膜後、第２の加熱処理を行う。以上の工程が図１１（Ｄ）に示す断面図に対応する。第２の加熱処理は、減圧雰囲気、不活性雰囲気または酸化性雰囲気において、１５０℃以上５５０℃以下、好ましくは２５０℃以上４００℃以下の温度で行う。第２の加熱処理を行うことで、ゲート絶縁層４０２及び絶縁膜４０６から酸素が放出され、酸化物半導体膜４０４中の酸素欠損を低減することができる。また、ゲート絶縁層４０２と酸化物半導体膜４０４との界面準位、及び酸化物半導体膜４０４と絶縁膜４０６との界面準位を低減することができるため、トランジスタのしきい値電圧のばらつきを低減させ、かつ信頼性を向上させることができる。
図１１（Ｄ）で示すトランジスタはボトムゲート型であるが、図６で示すトランジスタと等価な構造を有している。すなわち、図６におけるゲート１０５と重畳する半導体領域１０３ｂが図１１（Ｄ）の酸化物半導体膜４０４に相当し、図６におけるｎ＋の導電型を呈する半導体領域１０３ａ及び半導体領域１０３ｃが、図１１（Ｄ）におけるソース電極４０５Ａ及びドレイン電極４０５Ｂと酸化物半導体膜４０４との接触部に相当する。従ってゲート絶縁層４０２と酸化物半導体膜４０４との界面準位、及び酸化物半導体膜４０４と絶縁膜４０６との界面準位を低減することにより、計算で示した結果と同様に高い電界効果移動度を得ることが可能となる。
第１の加熱処理及び第２の加熱処理を経た酸化物半導体膜４０４を用いたトランジスタは、電界効果移動度が高く、オフ電流は小さい。具体的には、トランジスタの電界効果移動度を８０ｃｍ２／Ｖｓ以上、より好ましくは１２０ｃｍ２／Ｖｓ以上とすることができ、チャネル幅が１μｍ当たりのオフ電流を１×１０−１８Ａ以下、１×１０−２１Ａ以下または１×１０−２４Ａ以下とすることができる。
酸化物半導体膜４０４は非単結晶であると好ましい。トランジスタの動作、外部からの光や熱の影響で、酸化物半導体膜４０４に酸素欠損が生じた場合に、酸化物半導体膜４０４が完全な単結晶であると、酸素欠損を補償するための格子間酸素が存在しないため酸化物半導体膜４０４中に該酸素欠損に起因するキャリアが生成されてしまう。そのため、トランジスタのしきい値電圧がマイナス方向に変動してしまうことがある。
酸化物半導体膜４０４は、結晶性を有すると好ましい。例えば、酸化物半導体膜４０３の多結晶酸化物半導体または酸化物半導体膜４０３のＣＡＡＣ−ＯＳを用いる。
以上の工程によって、図１１（Ｄ）に示すトランジスタ４０７を作製することができる。
また別の構成例として、図１２（Ａ）乃至（Ｄ）でチャネルストップ型のボトムゲート型構造のトランジスタを作製する例について説明する。
なお図１２（Ａ）乃至（Ｄ）に示す図が図１１（Ａ）乃至（Ｄ）で説明した図と異なる点は、チャネルストップ膜となる絶縁膜４０８を有する点である。そこで図１２（Ａ）乃至（Ｄ）の説明では、図１１（Ａ）乃至（Ｄ）と重複する説明について省略し、図１１（Ａ）乃至（Ｄ）での説明を援用するものとする。
図１２（Ａ）、（Ｂ）についての記載は図１１（Ａ）、（Ｂ）と同様である。図１２（Ｃ）に示す絶縁膜４０８は、ゲート絶縁層４０２及び絶縁膜４０６と同様に形成することができる。すなわち絶縁膜４０８は、加熱処理により酸素を放出する絶縁膜を用いると好ましい。
なおチャネルストップ膜として機能する絶縁膜４０８を設けることで、フォトリソグラフィ工程などによってソース電極４０５Ａ及びドレイン電極４０５Ｂを形成する際に、酸化物半導体膜４０４がエッチングされるのを防止することができる。
また絶縁膜４０８は絶縁膜４０６と同様に、図１２（Ｄ）に示す絶縁膜４０６の成膜後の第２の加熱処理によって、酸素が放出される。そのため、酸化物半導体膜４０４中の酸素欠損を低減する効果をより高めることができる。そして、ゲート絶縁層４０２と酸化物半導体膜４０４との界面準位、及び酸化物半導体膜４０４と絶縁膜４０８との界面準位を低減することができるため、トランジスタのしきい値電圧のばらつきを低減させ、かつ信頼性を向上させることができる。
以上の工程によって、図１２（Ｄ）に示すトランジスタ４０９を作製することができる。
また図１３（Ａ）には、チャネルエッチ型のボトムゲート型構造のトランジスタを、画素のトランジスタに用いる際の上面図について示している。また図１３（Ｂ）には図１３（Ａ）に示した上面図における鎖線Ｃ１−Ｃ２で切断した断面図を示している。
図１３（Ｂ）に示す断面図は、上述の図１１（Ａ）乃至（Ｄ）で説明したチャネルエッチ型のボトムゲート型構造のトランジスタと同様に説明することができる。すなわち、図１３（Ａ）に示した画素のトランジスタの上面図においても同様に説明することができる。例えば、画素部における信号線がソース電極４０５Ａに相当し、走査線がゲート電極層４０１に相当し、チャネル形成領域が酸化物半導体膜４０４に相当する。またトランジスタから他の素子に延在する電極がドレイン電極４０５Ｂに相当する。
以上のようにチャネルエッチ型のボトムゲート型構造のトランジスタ４０７を画素のトランジスタに適用することができる。
また図１４（Ａ）には、チャネルストップ型のボトムゲート型構造のトランジスタを、画素のトランジスタに用いる際の上面図について示している。また図１４（Ｂ）には図１４（Ａ）に示した上面図における鎖線Ｃ１−Ｃ２で切断した断面図を示している。
図１４（Ｂ）に示す断面図は、上述の図１２（Ａ）乃至（Ｄ）で説明したチャネルストップ型のボトムゲート型構造のトランジスタと同様に説明することができる。すなわち、図１４（Ａ）に示した画素のトランジスタの上面図においても同様に説明することができる。例えば、画素部における信号線がソース電極４０５Ａに相当し、走査線がゲート電極層４０１に相当し、チャネル形成領域が酸化物半導体膜４０４に相当する。またトランジスタから他の素子に延在する電極がドレイン電極４０５Ｂに相当し、チャネルストップ膜が絶縁膜４０８に相当する。
以上のようにチャネルストップ型のボトムゲート型構造のトランジスタ４０９を画素のトランジスタに適用することができる。
本実施の形態により、高い電界効果移動度を有し、しきい値電圧のばらつきが小さく、高い信頼性を有し、オフ電流の極めて小さい酸化物半導体を用いたトランジスタを得ることができる。
（実施の形態３）
本実施の形態ではＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜について説明する。
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、完全な単結晶ではなく、完全な非晶質でもない。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、非晶質相に結晶部および非晶質部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体膜である。なお、当該結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による観察像では、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる非晶質部と結晶部との境界は明確ではない。また、ＴＥＭによってＣＡＡＣ−ＯＳ膜には粒界（グレインバウンダリーともいう。）は確認できない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、粒界に起因する電子移動度の低下が抑制される。
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部は、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳ膜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、異なる結晶部間で、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。
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜において、結晶部の分布が一様でなくてもよい。例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形成過程において、酸化物半導体膜の表面側から結晶成長させる場合、被形成面の近傍に対し表面の近傍では結晶部の占める割合が高くなることがある。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜へ不純物を添加することにより、当該不純物添加領域において結晶部が非晶質化することもある。
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜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膜の形状（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、結晶部のｃ軸の方向は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜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。結晶部は、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。
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動を低減することが可能である。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜について図１５乃至図１７を用いて詳細に説明する。なお、特に断りがない限り、図１５乃至図１７は上方向をｃ軸方向とし、ｃ軸方向と直交する面をａｂ面とする。なお、単に上半分、下半分という場合、ａｂ面を境にした場合の上半分、下半分をいう。また、図１５において、丸で囲まれたＯは４配位のＯを示し、二重丸で囲まれたＯは３配位のＯを示す。
図１５（Ａ）に、１個の６配位のＩｎと、Ｉｎに近接の６個の４配位の酸素原子（以下４配位のＯ）と、を有する構造を示す。ここでは、金属原子が１個に対して、近接の酸素原子のみ示した構造を小グループと呼ぶ。図１５（Ａ）の構造は、八面体構造をとるが、簡単のため平面構造で示している。なお、図１５（Ａ）の上半分及び下半分にはそれぞれ３個ずつ４配位のＯがある。図１５（Ａ）に示す小グループは電荷が０である。
図１５（Ｂ）に、１個の５配位のＧａと、Ｇａに近接の３個の３配位の酸素原子（以下３配位のＯ）と、Ｇａに近接の２個の４配位のＯと、を有する構造を示す。３配位のＯは、いずれもａｂ面に存在する。図１５（Ｂ）の上半分及び下半分にはそれぞれ１個ずつ４配位のＯがある。また、Ｉｎも５配位をとるため、図１５（Ｂ）に示す構造をとりうる。図１５（Ｂ）に示す小グループは電荷が０である。
図１５（Ｃ）に、１個の４配位のＺｎと、Ｚｎに近接の４個の４配位のＯと、を有する構造を示す。図１５（Ｃ）の上半分には１個の４配位のＯがあり、下半分には３個の４配位のＯがある。または、図１５（Ｃ）の上半分に３個の４配位のＯがあり、下半分に１個の４配位のＯがあってもよい。図１５（Ｃ）に示す小グループは電荷が０である。
図１５（Ｄ）に、１個の６配位のＳｎと、Ｓｎに近接の６個の４配位のＯと、を有する構造を示す。図１５（Ｄ）の上半分には３個の４配位のＯがあり、下半分には３個の４配位のＯがある。図１５（Ｄ）に示す小グループは電荷が＋１となる。
図１５（Ｅ）に、２個のＺｎを含む小グループを示す。図１５（Ｅ）の上半分には１個の４配位のＯがあり、下半分には１個の４配位のＯがある。図１５（Ｅ）に示す小グループは電荷が−１となる。
ここでは、複数の小グループの集合体を中グループと呼び、複数の中グループの集合体を大グループ（ユニットセルともいう。）と呼ぶ。
ここで、これらの小グループ同士が結合する規則について説明する。図１５Ａに示す６配位のＩｎの上半分の３個のＯは下方向にそれぞれ３個の近接Ｉｎを有し、下半分の３個のＯは上方向にそれぞれ３個の近接Ｉｎを有する。図１５Ｂに示す５配位のＧａの上半分の１個のＯは下方向に１個の近接Ｇａを有し、下半分の１個のＯは上方向に１個の近接Ｇａを有する。図１５Ｃに示す４配位のＺｎの上半分の１個のＯは下方向に１個の近接Ｚｎを有し、下半分の３個のＯは上方向にそれぞれ３個の近接Ｚｎを有する。この様に、金属原子の上方向の４配位のＯの数と、そのＯの下方向にある近接金属原子の数は等しく、同様に金属原子の下方向の４配位のＯの数と、そのＯの上方向にある近接金属原子の数は等しい。Ｏは４配位なので、下方向にある近接金属原子の数と、上方向にある近接金属原子の数の和は４になる。従って、金属原子の上方向にある４配位のＯの数と、別の金属原子の下方向にある４配位のＯの数との和が４個のとき、金属原子を有する二種の小グループ同士は結合することができる。その理由を以下に示す。例えば、６配位の金属原子（ＩｎまたはＳｎ）が下半分の４配位のＯを介して結合する場合、４配位のＯが３個であるため、５配位の金属原子（ＧａまたはＩｎ）または４配位の金属原子（Ｚｎ）のいずれかと結合することになる。
これらの配位数を有する金属原子は、ｃ軸方向において、４配位のＯを介して結合する。また、このほかにも、層構造の合計の電荷が０となるように複数の小グループが結合して中グループを構成する。
図１６（Ａ）に、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物の層構造を構成する中グループのモデル図を示す。図１６（Ｂ）に、３つの中グループで構成される大グループを示す。なお、図１６（Ｃ）は、図１６（Ｂ）の層構造をｃ軸方向から観察した場合の原子配列を示す。
図１６（Ａ）においては、簡単のため、３配位のＯは省略し、４配位のＯは個数のみ示し、例えば、Ｓｎの上半分及び下半分にはそれぞれ３個ずつ４配位のＯがあることを丸枠の３として示している。同様に、図１６（Ａ）において、Ｉｎの上半分及び下半分にはそれぞれ１個ずつ４配位のＯがあり、丸枠の１として示している。また、同様に、図１６（Ａ）において、下半分には１個の４配位のＯがあり、上半分には３個の４配位のＯがあるＺｎと、上半分には１個の４配位のＯがあり、下半分には３個の４配位のＯがあるＺｎとを示している。
図１６（Ａ）において、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物の層構造を構成する中グループは、上から順に４配位のＯが３個ずつ上半分及び下半分にあるＳｎが、４配位のＯが１個ずつ上半分及び下半分にあるＩｎと結合し、そのＩｎが、上半分に３個の４配位のＯがあるＺｎと結合し、そのＺｎの下半分の１個の４配位のＯを介して４配位のＯが３個ずつ上半分及び下半分にあるＩｎと結合し、そのＩｎが、上半分に１個の４配位のＯがあるＺｎ２個からなる小グループと結合し、この小グループの下半分の１個の４配位のＯを介して４配位のＯが３個ずつ上半分及び下半分にあるＳｎと結合している構成である。この中グループが複数結合して大グループを構成する。
ここで、３配位のＯ及び４配位のＯの場合、結合１本当たりの電荷はそれぞれ−０．６６７、−０．５と考えることができる。例えば、Ｉｎ（６配位または５配位）、Ｚｎ（４配位）、Ｓｎ（５配位または６配位）の電荷は、それぞれ＋３、＋２、＋４である。従って、Ｓｎを含む小グループは電荷が＋１となる。そのため、Ｓｎを含む層構造を形成するためには、電荷＋１を打ち消す電荷−１が必要となる。電荷−１をとる構造として、図１５（Ｅ）に示すように、２個のＺｎを含む小グループが挙げられる。例えば、Ｓｎを含む小グループが１個に対し、２個のＺｎを含む小グループが１個あれば、電荷が打ち消されるため、層構造の合計の電荷を０とすることができる。
具体的には、図１６（Ｂ）に示した大グループが繰り返されることで、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物の結晶（Ｉｎ２ＳｎＺｎ３Ｏ８）を得ることができる。なお、得られるＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物の層構造は、Ｉｎ２ＳｎＺｎ２Ｏ７（ＺｎＯ）ｍ（ｍは０または自然数。）とする組成式で表すことができる。
また、このほかにも、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物や、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、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物や、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−Ｐｍ−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系酸化物や、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系酸化物や、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、一元系金属の酸化物であるＩｎ系酸化物、Ｓｎ系酸化物、Ｚｎ系酸化物などを用いた場合も同様である。
例えば、図１７（Ａ）に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の層構造を構成する中グループのモデル図を示す。
図１７（Ａ）において、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の層構造を構成する中グループは、上から順に４配位のＯが３個ずつ上半分及び下半分にあるＩｎが、４配位のＯが１個上半分にあるＺｎと結合し、そのＺｎの下半分の３個の４配位のＯを介して、４配位のＯが１個ずつ上半分及び下半分にあるＧａと結合し、そのＧａの下半分の１個の４配位のＯを介して、４配位のＯが３個ずつ上半分及び下半分にあるＩｎと結合している構成である。この中グループが複数結合して大グループを構成する。
図１７（Ｂ）に３つの中グループで構成される大グループを示す。なお、図１７（Ｃ）は、図１７（Ｂ）の層構造をｃ軸方向から観察した場合の原子配列を示している。
ここで、Ｉｎ（６配位または５配位）、Ｚｎ（４配位）、Ｇａ（５配位）の電荷は、それぞれ＋３、＋２、＋３であるため、Ｉｎ、Ｚｎ及びＧａのいずれかを含む小グループは、電荷が０となる。そのため、これらの小グループの組み合わせであれば中グループの合計の電荷は常に０となる。
また、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の層構造を構成する中グループは、図１７（Ａ）に示した中グループに限定されず、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの配列が異なる中グループを組み合わせた大グループも取りうる。
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４）
本明細書に開示する表示装置は、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等のカメラ、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９には、電子機器の一例であるテレビジョン装置９６００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９６０３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。
表示部９６０３には、画素のスイッチング素子として、実施の形態２に示すトランジスタを複数配置し、その表示部９６０３と同一絶縁基板上に形成するスイッチ回路部のトランジスタとして実施の形態２に示すトランジスタを配置することができる。そのため狭額縁化が図られたテレビジョン装置を作製することができる。
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。
本実施例では、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物膜の結晶状態について説明する。
まずは、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物膜のＸ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）分析を行った。ＸＲＤ分析には、Ｂｒｕｋｅｒ ＡＸＳ社製Ｘ線回折装置Ｄ８ ＡＤＶＡＮＣＥを用い、Ｏｕｔ−ｏｆ−Ｐｌａｎｅ法で測定した。
ＸＲＤ分析を行った試料として、試料Ａ及び試料Ｂを用意した。以下に試料Ａ及び試料Ｂの作製方法を説明する。
まず、脱水素化処理済みの石英基板を準備した。
次に、石英基板上にＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物膜を１００ｎｍの厚さで成膜した。
Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物膜は、スパッタリング装置を用い、酸素雰囲気で電力を１００Ｗ（ＤＣ）として成膜した。ターゲットは、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］のＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏターゲットを用いた。なお、成膜時の基板加熱温度は室温または２００℃とした。このようにして作製した試料を試料Ａとした。
次に、試料Ａと同様の方法で作製した試料に対し加熱処理を６５０℃の温度で行った。加熱処理は、はじめに窒素雰囲気で１時間の加熱処理を行い、温度を下げずに酸素雰囲気でさらに１時間の加熱処理を行っている。このようにして作製した試料を試料Ｂとした。
図１０に試料Ａ及び試料ＢのＸＲＤスペクトルを示す。試料Ａでは、結晶由来のピークが観測されなかったが、試料Ｂでは、２θが３５ｄｅｇ近傍及び３７ｄｅｇ〜３８ｄｅｇに結晶由来のピークが観測された。
次に、試料Ｂの透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）断面像を図１８及び図１９に示す。
図１８及び図１９は、それぞれ５０万倍及び４００万倍のＴＥＭ断面像である。なお、ＴＥＭは、日立Ｈ−９０００ＮＡＲを用い、加速電圧を３００ｋＶとした。
図１８及び図１９に示すように、試料ＢにおけるＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物膜は様々な結晶方位を有する多結晶であることがわかる。
１０ 下地絶縁膜
１１ 酸化物半導体膜
１２ 酸化物半導体膜
１３Ａ ソース電極
１３Ｂ ドレイン電極
１４ 上部絶縁膜
１０１ 下地絶縁層
１０２ 絶縁層
１０３ａ 半導体領域
１０３ｂ 半導体領域
１０３ｃ 半導体領域
１０４ ゲート絶縁膜
１０５ ゲート
１０６ａ 側壁絶縁層
１０６ｂ 側壁絶縁層
１０７ 絶縁層
１０８ａ ソース
１０８ｂ ドレイン
４００ 基板
４０１ ゲート電極層
４０２ ゲート絶縁層
４０３ 酸化物半導体膜
４０４ 酸化物半導体膜
４０５Ａ ソース電極
４０５Ｂ ドレイン電極
４０６ 絶縁膜
４０７ トランジスタ
４０８ 絶縁膜
４０９ トランジスタ
７００ 基板
７０１ 画素部
７０２ 走査線駆動回路部
７０３ 信号線駆動回路部
７０４ 画素
７０５ 外部接続端子
７０６＿１ スイッチ回路部
７０６＿Ｎ スイッチ回路部
７０７＿１ トランジスタ
７０７＿ｋ トランジスタ
７０８＿１ 配線
７０８＿Ｎ 配線
７０８ 映像信号出力回路
７０９＿１ 配線
７０９＿ｋ 配線
７０９ サンプリング信号出力回路
９６００ テレビジョン装置
９６０１ 筐体
９６０３ 表示部
９６０５ スタンド
９６０７ 表示部
９６０９ 操作キー
９６１０ リモコン操作機

Claims (5)

  1. 画素部と、
    前記画素部を駆動する信号線駆動回路と、を有し、
    前記信号線駆動回路は、スイッチ回路部を有し、
    前記スイッチ回路部は、電界効果移動度が少なくとも８０ｃｍ２／Ｖｓ以上であるトランジスタを有し、
    前記トランジスタは、
    第１の絶縁層及び第２の絶縁層上に設けられた酸化物半導体層と、
    前記酸化物半導体層と電気的に接続されたソース電極及びドレイン電極とを有し、
    前記第２の絶縁層は、前記第１の絶縁層に埋め込まれ、
    前記酸化物半導体層は、前記ソース電極と接する第１の領域と、前記ドレイン電極と接する第２の領域と、チャネル形成領域とを有し、
    前記第１の領域の少なくとも一部は、前記第２の絶縁層と接し、
    前記第２の領域の少なくとも一部は、前記第２の絶縁層と接し、
    前記チャネル形成領域は、前記第１の絶縁層と接し、
    前記酸化物半導体層は、Ｉｎと、Ｓｎと、Ｚｎとを有し、
    前記第２の絶縁層は、酸化アルミニウムを有する表示装置。
  2. 画素部と、
    前記画素部を駆動する信号線駆動回路と、を有し、
    前記信号線駆動回路は、スイッチ回路部を有し、
    前記スイッチ回路部は、電界効果移動度が少なくとも８０ｃｍ ２ ／Ｖｓ以上であるトランジスタを有し、
    前記トランジスタは、
    第１の絶縁層及び第２の絶縁層上に設けられた酸化物半導体層と、
    前記酸化物半導体層上のゲート絶縁膜と、
    前記ゲート絶縁膜上のゲート電極層と、
    前記ゲート電極層の側面に位置する側壁絶縁層と、
    前記酸化物半導体層と電気的に接続されたソース電極及びドレイン電極とを有し、
    前記第２の絶縁層は、前記第１の絶縁層に埋め込まれ、
    前記酸化物半導体層は、前記ソース電極と接する第１の領域と、前記ドレイン電極と接する第２の領域と、チャネル形成領域とを有し、
    前記第１の領域の少なくとも一部は、前記第２の絶縁層と接し、
    前記第２の領域の少なくとも一部は、前記第２の絶縁層と接し、
    前記チャネル形成領域は、前記第１の絶縁層と接し、
    前記酸化物半導体層は、Ｉｎと、Ｓｎと、Ｚｎとを有し、
    前記第２の絶縁層は、酸化アルミニウムを有する表示装置。
  3. 請求項１又は請求項２において、
    前記酸化物半導体層中の水素濃度は、５×１０１９ｃｍ−３未満である表示装置。
  4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一において、
    前記酸化物半導体層中のナトリウム濃度は、５×１０１６ｃｍ−３以下であり、
    前記酸化物半導体層中のリチウム濃度は、５×１０１５ｃｍ−３以下であり、
    前記酸化物半導体層中のカリウム濃度は、５×１０１５ｃｍ−３以下である表示装置。
  5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
    前記トランジスタの電界効果移動度が１２０ｃｍ２／Ｖｓ以上である表示装置。
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