JP6130747B2

JP6130747B2 - 半導体装置

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Publication number: JP6130747B2
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Inventors: 山崎　舜平; 舜平山崎
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Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2017-05-17
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Description

本明細書等で開示する発明は、半導体装置及び半導体装置の作製方法に関する。

なお、本明細書等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、画像表示装置、半導体回路及び電子機器は全て半導体装置である。

絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（単に表示装置とも表記する）のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。

例えば、酸化物半導体として、酸化亜鉛、又は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物半導体を用いてトランジスタを作製する技術が開示されている（特許文献１及び特許文献２参照）。

また、非特許文献１には、酸化物半導体を積層させた構造を含むトランジスタが開示されている。しかしながら、非特許文献１の構成は、チャネルとして機能する酸化物半導体が酸化シリコン膜と接するため、酸化シリコン膜の構成元素であるシリコンがチャネルに不純物として混入してしまう恐れがある。チャネルに混入した不純物は、トランジスタの電気特性を低下させる要因となる。

特開２００７−１２３８６１号公報特開２００７−９６０５５号公報

ＡｒｏｋｉａＮａｔｈａｎｅｔａｌ．， "ＡｍｏｒｐｈｏｕｓＯｘｉｄｅＴＦＴｓ：ＰｒｏｇｒｅｓｓａｎｄＩｓｓｕｅｓ"，ＳＩＤ２０１２Ｄｉｇｅｓｔｐ．１−４

酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体層と、該酸化物半導体層に接する絶縁層との界面状態により電気特性が左右される。

例えば、酸化物半導体層と、該酸化物半導体層に接する絶縁層との界面におけるキャリアの界面散乱は、トランジスタの電界効果移動度を低下させる原因となる。また、該界面にトラップ準位（界面準位ともよぶ）が存在すると、トランジスタの電気特性（例えば、しきい値電圧、サブスレッショルド係数（Ｓ値）又は、電界効果移動度）の変動の原因となる。

そこで、本発明の一態様は、酸化物半導体を用いた半導体装置に高い電界効果移動度を付与することを課題の一とする。

また、本発明の一態様は、酸化物半導体を用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制し、信頼性の高い半導体装置を提供することを課題の一とする。

本発明の一態様は、ゲート電極層上にゲート絶縁層を介して酸化物半導体層が積層された構造を有するトランジスタにおいて、トランジスタの電流経路（チャネル）として機能する酸化物半導体層を挟んで、該酸化物半導体層よりもキャリア密度が低く、チャネルと絶縁層との界面安定化のためのバッファ層として機能する酸化物半導体層を含む構成とする。当該構成とすることで、チャネルを酸化物半導体積層に接する絶縁層界面から遠ざけ、埋め込みチャネルを形成することができる。また、チャネルとして機能する酸化物半導体層は、ｎ型の導電性を付与する不純物（ｎ型不純物とも表記する）を含有し、該ｎ型不純物の濃度は、膜厚方向に濃度差を有する。チャネルとして機能する酸化物半導体層のうちゲート絶縁層側（単にチャネル側とも表記する）の領域は、バックチャネル側の領域よりも高濃度でｎ型不純物を有する。これによって、トランジスタのオン特性（例えば、オン電流、電界効果移動度）の向上を図りながら、オフ電流を制御することができる。より具体的には、例えば以下の構成とすることができる。

本発明の一態様は、ゲート電極層と、ゲート電極層上のゲート絶縁層と、ゲート絶縁層を介してゲート電極層と重畳し、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積層構造を含む酸化物半導体積層と、酸化物半導体積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２の酸化物半導体層は、ｎ型不純物を含有し、且つ、第２の酸化物半導体層において第１の酸化物半導体層と接する領域は、第２の酸化物半導体層において第３の酸化物半導体層と接する領域よりも高濃度でｎ型不純物を含有する半導体装置である。

また、本発明の一態様は、ゲート電極層と、ゲート電極層上のゲート絶縁層と、ゲート絶縁層を介してゲート電極層と重畳し、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積層構造を含む酸化物半導体積層と、酸化物半導体積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２の酸化物半導体層は、ｎ型不純物を含有し、且つ、第２の酸化物半導体層において第１の酸化物半導体層と接する領域は、第２の酸化物半導体層において第３の酸化物半導体層と接する領域よりも高濃度でｎ型不純物を含有し、第１の酸化物半導体層乃至第３の酸化物半導体層を構成する金属元素のうち、少なくとも一は同一の金属元素である半導体装置である。

上記の半導体装置において、第１の酸化物半導体層の膜厚は、第２の酸化物半導体層の膜厚よりも小さく、第３の酸化物半導体層の膜厚は、第２の酸化物半導体層の膜厚以上であることが好ましい。

また、上記の半導体装置において、第１の酸化物半導体層及び第３の酸化物半導体層は、ｉ型の酸化物半導体層であることが好ましい。

また、上記の半導体装置において、第３の酸化物半導体層は、第１の酸化物半導体層及び第２の酸化物半導体層を覆うように設けられることが好ましい。

本発明の一態様に係る構成の効果を、図１を用いて以下に説明する。図１は、酸化物半導体積層のエネルギーバンド構造の一例であり、伝導帯下端（Ｅｃ）とフェルミ準位（Ｅｆ）の関係を示す。

本発明の一態様のトランジスタは、ゲート絶縁層（図１では、窒化シリコン層（ＳｉＮｘ）と酸化シリコン層（ＳｉＯｘ）の積層構造）と接する第１の酸化物半導体層Ｓ１と、第１の酸化物半導体層Ｓ１上に接する第２の酸化物半導体層Ｓ２と、第２の酸化物半導体層Ｓ２上に接する第３の酸化物半導体層Ｓ３と、を含む酸化物半導体積層を有する。

酸化物半導体積層において、第１の酸化物半導体層Ｓ１と第３の酸化物半導体層Ｓ３とに挟まれた第２の酸化物半導体層Ｓ２は、第１の酸化物半導体層Ｓ１及び第３の酸化物半導体層Ｓ３よりも高い導電率σを有し、チャネルとして機能する。第２の酸化物半導体層Ｓ２は、ｎ型不純物を含有する酸化物半導体層であり、膜厚方向においてｎ型不純物の濃度差を有する。図１において第２の酸化物半導体層Ｓ２は、第１の酸化物半導体層Ｓ１と接し、ｎ型不純物を高濃度で含有する第１の領域Ｓ２１と、第３の酸化物半導体層Ｓ３と接し、第１の領域Ｓ２１よりもｎ型不純物濃度の低い第２の領域Ｓ２２と、を含む。例えば、第１の領域Ｓ２１をｎ^＋型の導電性を有する領域とする場合、第２の領域Ｓ２２をｎ⁻型の導電性を有する領域とする。又は、第１の領域Ｓ２１をｎ⁻型の導電性を有する領域として、第２の領域Ｓ２２をｉ型の導電性を有する領域としてもよい。

ｎ型不純物を含有する第２の酸化物半導体層Ｓ２は、第１の酸化物半導体層Ｓ１及び第３の酸化物半導体層Ｓ３よりもキャリア密度が高く、第１の酸化物半導体層Ｓ１及び第３の酸化物半導体層Ｓ３と比較してフェルミ準位（Ｅｆ）が伝導帯下端（Ｅｃ）に近い位置にある。なお、図１において第２の酸化物半導体層Ｓ２は、第１の領域Ｓ２１と、第２の領域Ｓ２２と、を含み、第１の領域Ｓ２１は、第２の領域Ｓ２２よりもｎ型不純物を高濃度で含有する。よって、第１の領域Ｓ２１は、第２の領域Ｓ２２と比較してフェルミ準位（Ｅｆ）が伝導帯下端（Ｅｃ）に近い位置にある。

第２の酸化物半導体層Ｓ２においてゲート絶縁層側の第１の領域Ｓ２１に含まれるｎ型不純物を高濃度とすることで、チャネルの導電率が向上するため、トランジスタに高いオン電流特性を付与することができる。また、該第１の領域Ｓ２１のバックチャネル側に第１の領域Ｓ２１よりも含有ｎ型不純物濃度の低い第２の領域Ｓ２２を設けることで、トランジスタのオフ電流をより制御することが可能となり、良好なトランジスタ特性を得ることができる。

第１の酸化物半導体層Ｓ１及び第３の酸化物半導体層Ｓ３は、第２の酸化物半導体層Ｓ２を挟んで伝導帯下端が凹型のエネルギーバンド図を構成するように、材料、組成、結晶状態等を適宜選択する。例えば、第２の酸化物半導体層Ｓ２を構成する金属酸化物よりも導電率の小さい金属酸化物を用いて第１の酸化物半導体層Ｓ１及び／又は第３の酸化物半導体層Ｓ３を形成する。または、第１の酸化物半導体層Ｓ１及び第３の酸化物半導体層Ｓ３として、ｎ型不純物濃度が第２の酸化物半導体層Ｓ２（より具体的には、第２の領域Ｓ２２）よりも低い酸化物半導体層を適用することで伝導帯下端のエネルギー差を形成してもよく、ｉ型（真性）または実質的にｉ型の酸化物半導体層を適用することが好ましい。

図１に示すように、ｎ型不純物を含有する第２の酸化物半導体層Ｓ２を挟むように、該不純物濃度が第２の酸化物半導体層Ｓ２よりも低い第１の酸化物半導体層Ｓ１及び第３の酸化物半導体層Ｓ３を設けることで、第１の酸化物半導体層Ｓ１及び第３の酸化物半導体層Ｓ３の伝導帯下端のエネルギーレベルより、第２の酸化物半導体層Ｓ２の伝導帯下端のエネルギーレベルが下がり、伝導帯下端にエネルギー差が生じる。これによって、キャリアが、酸化物半導体積層と接する絶縁層（図１では、酸化シリコン層ＳｉＯｘ）から離れた領域を流れる構造（いわゆる埋め込みチャネル）とすることができる。第２の酸化物半導体層Ｓ２を埋め込みチャネルとすることで、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。

また、酸化物半導体積層の上層又は下層に接する絶縁層と、チャネルとの界面を安定化することができ、チャネル側界面及びバックチャネル側界面に形成されうるトラップ準位の影響を低減することができる。チャネル側界面でのトラップ準位の影響を低減することで、トランジスタの劣化、特に光負バイアス劣化等の光劣化を防止し、信頼性の高いトランジスタとすることができる。また、バックチャネル側界面におけるトラップ準位の影響を低減することで、トランジスタのしきい値電圧を制御することができる。

ｎ型不純物を含有する第２の酸化物半導体層Ｓ２は、第１の酸化物半導体層Ｓ１及び第３の酸化物半導体層Ｓ３よりも導電率σが高い。従って、第２の酸化物半導体層Ｓ２をチャネルとするトランジスタは、高い電界効果移動度を実現することができる。

なお、本発明の一態様のトランジスタに含まれる酸化物半導体積層は、ｎ型不純物を含有し、チャネルとして機能する第２の酸化物半導体層Ｓ２を挟むように、第１の酸化物半導体層Ｓ１と第３の酸化物半導体層Ｓ３とによって伝導帯下端にエネルギー差が形成されればよい。よって、第２の酸化物半導体層Ｓ２の伝導帯下端のエネルギーレベルが、第１の酸化物半導体層Ｓ１及び第３の酸化物半導体層Ｓ３それぞれの伝導帯下端のエネルギーレベルよりも低く、伝導帯下端が凹型のエネルギーバンド図を構成する限りにおいて、図１の構成に限定されない。

なお、第１の酸化物半導体層Ｓ１と第２の酸化物半導体層Ｓ２の間、又は、第３の酸化物半導体層Ｓ３と第２の酸化物半導体層Ｓ２の間に生じる伝導帯下端のエネルギー差（ビルトインポテンシャル）は、０．０５ｅＶ以上であることが好ましく、０．１ｅＶ以上であることがより好ましい。

第２の酸化物半導体層Ｓ２に含まれるｎ型不純物としては、ボロン、窒素、リン等が挙げられる。不純物を導入して第２の酸化物半導体層Ｓ２をｎ型化させる手段としては、例えば、第２の酸化物半導体層Ｓ２の成膜時に窒素または一酸化二窒素を含む混合雰囲気でのスパッタリング法で成膜すればよい。または、ボロン又はリンを微量に含有するスパッタリングターゲットを用いて、ｎ型不純物を含む第２の酸化物半導体層Ｓ２を成膜してもよい。

第２の酸化物半導体層Ｓ２に含まれるｎ型不純物の濃度に濃度差（濃度勾配）をつけるには、例えば、ボロン又はリンを含有する第１のスパッタリングターゲットを用いて、第１の領域Ｓ２１を形成した後に、第１のスパッタリングターゲットよりも含有するボロン又はリンの濃度の低い第２のスパッタリングターゲットを用いて、第２の領域Ｓ２２を形成することで、膜厚方向にｎ型不純物の濃度差を有する第２の酸化物半導体層Ｓ２を形成することができる。なお、ボロン又はリンの含有濃度の異なるスパッタリングターゲットを複数用いる場合、第２の酸化物半導体層Ｓ２を形成するためのスパッタリングターゲットに含まれる金属酸化物は同一の構成元素を同じ組成で含有することが好ましい。または、ボロン又はリンを含有するスパッタリングターゲットを用い、且つ、成膜室内に窒素ガスまたは一酸化二窒素等の窒素を含有するガスを供給して、第１の領域Ｓ２１を形成した後に、同じターゲットを用いて、且つ、窒素ガスまたは窒素を含有するガスの供給を停止して第２の領域Ｓ２２を形成することで、膜厚方向にｎ型不純物の濃度差を有する第２の酸化物半導体層Ｓ２を形成してもよい。

第１の酸化物半導体層Ｓ１として適用可能な酸化物半導体としては、Ｉｎ_ａＭ１_ｂＺｎ_ｃＯ_ｘ（ａは０以上２以下の実数、ｂは０より大きく５以下の実数、ｃは０以上５以下の実数、ｘは任意の実数）で表記される材料を用いることができる。Ｍ１としては、トランジスタの電気特性を安定化させるためのスタビライザーとしてＧａ、Ｍｇ、Ｈｆ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕなどの金属元素を含む。

また、第２の酸化物半導体層Ｓ２として適用可能な酸化物半導体としては、Ｉｎ_ｄＭ２_ｅＺｎ_ｆＯ_ｘ（ｄは０より大きく５以下の実数、ｅは０以上３以下の実数、ｆは０より大きく５以下の実数、ｘは任意の正数）で表記される材料を用いることができる。Ｍ２としては、トランジスタの電気特性を安定化させるためのスタビライザーとしてＧａ、Ｍｇ、Ｈｆ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕなどの金属元素を含む。

また、第３の酸化物半導体層Ｓ３として適用可能な酸化物半導体としては、Ｉｎ_ｇＭ３_ｈＺｎ_ｉＯ_ｘ（ｇは０以上２以下の実数、ｈは０より大きく５以下の実数、ｉは０以上５以下の実数、ｘは任意の実数）で表記される材料を用いることができる。Ｍ３としては、トランジスタの電気特性を安定化させるためのスタビライザーとしてＧａ、Ｍｇ、Ｈｆ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕなどの金属元素を含む。

ただし、第２の酸化物半導体層Ｓ２の構成元素に対して、第１の酸化物半導体層Ｓ１の構成元素のうちの少なくとも一が同一の金属元素である。また、第２の酸化物半導体層Ｓ２の構成元素に対して、第３の酸化物半導体層Ｓ３の構成元素のうちの少なくとも一が同一の金属元素である。

本発明の一態様により、酸化物半導体を含むトランジスタにおいて、高い電界効果移動度を実現することが可能となる。

また、本発明の一態様により、酸化物半導体を含むトランジスタにおいて、電気特性の変動を抑制することができ、信頼性の高い半導体装置を提供することが可能となる。

酸化物半導体積層の一態様を示すバンド図。半導体装置の一態様を示す平面図及び断面図。半導体装置の作製方法の一例を示す図。半導体装置の一態様を説明する図。半導体装置の一態様を説明する図。半導体装置の一態様を説明する図。半導体装置の一態様を説明する図。電子機器を示す図。電子機器を示す図。半導体装置の作製方法の一例を示す図。半導体装置の一態様を説明する図。半導体装置の製造に適用可能な成膜装置を説明する図。（Ａ）平板状のスパッタリング粒子の模式図。（Ｂ）成膜中のモデルを示す図。（Ｃ）平板状のスパッタリング粒子の状態を示すモデル図。（Ａ）成膜中のモデルを示す図。（Ｂ）平板状のスパッタリング粒子の酸素が放出される状態を示すモデル図。（Ａ）及び（Ｂ）成膜中のモデルを示す図。（Ｃ）平板状のスパッタリング粒子の状態を示すモデル図。半導体装置の一態様を示す平面図及び断面図。半導体装置の作製方法の一例を示す図。

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。但し、本発明は以下の説明に限定されず、その形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

なお、以下に説明する本発明の構成において、同一部分又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、又は領域は、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。

なお、本明細書等において、第１、第２等として付される序数詞は、便宜上用いるものであり、工程順又は積層順を示すものではない。また、本明細書等において発明を特定するための事項として固有の名称を示すものではない。

また、本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。

また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。

（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２及び図３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ボトムゲート型のトランジスタを示す。

図２にトランジスタ３１０の構成例を示す。図２（Ａ）は、トランジスタ３１０の平面図を示し、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＸ１−Ｙ１における断面図を示し、図２（Ｃ）は、図２（Ａ）のＶ１−Ｗ１における断面図を示す。

図２に示すトランジスタ３１０は、絶縁表面を有する基板４００上に設けられたゲート電極層４０２と、ゲート電極層４０２上のゲート絶縁層４０４と、ゲート絶縁層４０４と接し、ゲート電極層４０２と重畳する酸化物半導体積層４０８と、酸化物半導体積層４０８と電気的に接続するソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂと、を含む。また、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂを覆い、酸化物半導体積層４０８と接する絶縁層４１２をトランジスタ３１０の構成要素としてもよい。トランジスタ３１０のチャネル長は、例えば１μｍ以上とすることができる。

本実施の形態において、ゲート絶縁層４０４は、ゲート電極層４０２と接するゲート絶縁層４０４ａと、ゲート絶縁層４０４ａ上に設けられ、酸化物半導体積層４０８と接するゲート絶縁層４０４ｂの積層構造とする。また、絶縁層４１２は、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂと接する絶縁層４１２ａと、絶縁層４１２ａ上の絶縁層４１２ｂの積層構造とする。

酸化物半導体積層４０８は、ゲート絶縁層４０４に接する第１の酸化物半導体層４０８ａと、第１の酸化物半導体層４０８ａ上に接する第２の酸化物半導体層４０８ｂと、第２の酸化物半導体層４０８ｂ上に接し、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂと接する第３の酸化物半導体層４０８ｃと、を含む。第３の酸化物半導体層４０８ｃは、第１の酸化物半導体層４０８ａの側面及び第２の酸化物半導体層４０８ｂの側面を覆って設けられている。また、第３の酸化物半導体層４０８ｃの周縁部は、ゲート絶縁層４０４と接する。

なお、第２の酸化物半導体層４０８ｂとしては、ｎ型の導電性を付与する不純物（ｎ型不純物）を含有する酸化物半導体層を適用する。第２の酸化物半導体層４０８ｂは、膜厚方向にｎ型不純物の濃度差を有しており、第２の酸化物半導体層４０８ｂにおいて第１の酸化物半導体層４０８ａと接する領域は、第３の酸化物半導体層４０８ｃと接する領域よりも高濃度でｎ型不純物を含有する。本実施の形態においては、第２の酸化物半導体層４０８ｂは、第１の酸化物半導体層４０８ａと接し、ｎ型不純物を高濃度で含む（例えば、ｎ^＋型の導電性を有する）第１の領域４０８ｂ１と、第３の酸化物半導体層４０８ｃと接し、第１の領域４０８ｂ１よりも低濃度でｎ型不純物を含む（例えば、ｎ⁻型の導電性を有する）第２の領域４０８ｂ２と、を有する。但し、本発明の実施の形態はこれに限られず、第１の酸化物半導体層４０８ａと接する領域から第３の酸化物半導体層４０８ｃと接する領域に連続的にｎ型不純物濃度が減少するように、濃度勾配を有する第２の酸化物半導体層４０８ｂとしてもよい。

第１の酸化物半導体層４０８ａ及び第３の酸化物半導体層４０８ｃとしては、第２の酸化物半導体層４０８ｂを挟んで伝導帯下端が凹型のエネルギーバンド図を構成するように、材料、組成、結晶構造等を適宜選択する。例えば、第２の酸化物半導体層４０８ｂを構成する金属酸化物よりも導電率の小さい金属酸化物を用いて第１の酸化物半導体層４０８ａ及び／又は第３の酸化物半導体層４０８ｃを形成する。酸化物半導体層の構成元素が同一の場合には、より大きいバンドギャップを有する組成を選択して第１の酸化物半導体層４０８ａ及び／又は第３の酸化物半導体層４０８ｃを形成すればよい。または、第１の酸化物半導体層４０８ａ及び第３の酸化物半導体層４０８ｃとして、ｎ型不純物濃度が第２の酸化物半導体層４０８ｂ（より具体的には、第２の領域４０８ｂ２）よりも低い酸化物半導体層を適用することで伝導帯下端のエネルギー差を形成してもよく、ｉ型（真性）または実質的にｉ型の酸化物半導体層を適用することが好ましい。

なお、ｎ型不純物を含有する第２の酸化物半導体層４０８ｂは、第１の酸化物半導体層４０８ａ及び第３の酸化物半導体層４０８ｃより導電率σが高い。第２の酸化物半導体層４０８ｂの導電率σを高めると、第２の酸化物半導体層４０８ｂとドレイン電極層４１０ｂとの距離（第３の酸化物半導体層４０８ｃの膜厚）が支配的となり、見かけ上、順方向に対してはチャネル長が短縮されたと見なせる。よって、トランジスタのオン特性を向上することができる。また、逆方向に対しては、第３の酸化物半導体層４０８ｃは空乏化して十分に低いオフ電流を期待することができる。

酸化物半導体積層４０８において、チャネルとして機能する第２の酸化物半導体層４０８ｂにｎ型不純物を含有させることで、チャネルのキャリア密度を高めることができ、エネルギーバンド図におけるフェルミ準位（Ｅｆ）が伝導帯側に近づく。この結果、トランジスタの電界効果移動度を向上させることができる。

また、第２の酸化物半導体層４０８ｂとしてｎ型不純物を含む酸化物半導体層を用い、第１の酸化物半導体層４０８ａ及び第３の酸化物半導体層４０８ｃと、第２の酸化物半導体層４０８ｂとの間に伝導帯下端のエネルギー差が形成されるように、酸化物半導体積層を構成する。例えば、第２の酸化物半導体層４０８ｂを挟む第１の酸化物半導体層４０８ａ及び第３の酸化物半導体層４０８ｃのｎ型不純物濃度を第２の酸化物半導体層４０８ｂより低く、好ましくはｉ型とする。チャネルとして機能する第２の酸化物半導体層４０８ｂと、第１の酸化物半導体層４０８ａ及び第３の酸化物半導体層４０８ｃとの間に伝導帯下端のエネルギー差を有することで、キャリアが酸化物半導体積層４０８と接する絶縁層（ゲート絶縁層４０４及び／又は絶縁層４１２）から離れた領域を流れる構造（埋め込みチャネル）とすることができる。第２の酸化物半導体層４０８ｂを埋め込みチャネルとすることで、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。

さらに第２の酸化物半導体層４０８ｂのうちゲート絶縁層側の第１の領域４０８ｂ１が、バックチャネル側の第２の領域４０８ｂ２よりも高濃度でｎ型不純物を有することで、トランジスタのオン特性（例えば、オン電流、電界効果移動度）の向上を図りながら、オフ電流を制御することができる。

第１の酸化物半導体層４０８ａと第２の酸化物半導体層４０８ｂの第１の領域４０８ｂ１との間、及び、第３の酸化物半導体層４０８ｃと第２の酸化物半導体層４０８ｂの第２の領域４０８ｂ２との間に生じる伝導帯下端のエネルギー差（ビルトインポテンシャル）は、０．０５ｅＶ以上であることが好ましく、０．１ｅＶ以上であることがより好ましい。

第１の酸化物半導体層４０８ａを設けて、チャネルとゲート絶縁層との界面でのキャリアの捕獲を抑制することで、トランジスタの光劣化（例えば、光負バイアス劣化）を低減することができ、信頼性の高いトランジスタを得ることができる。

なお、一般的に、酸化物半導体層は、スパッタリング法を用いて成膜されることが多い。一方で、酸化物半導体層のスパッタリングの際にイオン化された希ガス元素（例えば、アルゴン）や、スパッタリングターゲット表面からはじき飛ばされた元素が、ゲート絶縁層などの酸化物半導体層の被形成面となる膜の構成元素をはじき飛ばしてしまうことがある。このようにして被形成面となる膜からはじき飛ばされた元素は、酸化物半導体層に不純物元素として取り込まれてしまい、特に酸化物半導体層の被形成面近傍には、不純物元素が高い濃度で取り込まれる恐れがある。又、不純物元素が酸化物半導体層の被形成面近傍に残存すると、当該酸化物半導体層が高抵抗化してしまい、トランジスタの電気特性の低下の要因となる。

しかしながら、トランジスタ３１０においては、チャネルが形成される第２の酸化物半導体層４０８ｂと、ゲート絶縁層４０４との間に第１の酸化物半導体層４０８ａを有することで、ゲート絶縁層４０４の構成元素がチャネルまで拡散することを抑制することができる。すなわち、第１の酸化物半導体層４０８ａは、ゲート絶縁層４０４の構成元素（例えば、シリコン）を不純物として含む場合がある。第１の酸化物半導体層４０８ａを含むことで、トランジスタ３１０の電気特性をより安定化することができ、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

また、第２の酸化物半導体層４０８ｂのバックチャネル側に設けられた第３の酸化物半導体層４０８ｃは、トランジスタ３１０のバックチャネル側界面におけるトラップ準位の影響を低減する。例えば、第３の酸化物半導体層４０８ｃはソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂの構成元素が第２の酸化物半導体層４０８ｂへと拡散することを防止することができる。すなわち、第３の酸化物半導体層４０８ｃは、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂの構成元素（例えば、銅）を不純物として含むことがある。第３の酸化物半導体層４０８ｃを設けることで、トランジスタのチャネルにおいてトラップ準位が形成されることを抑制することができるため、トラップ準位に起因するＳ値の増大の抑制、及び／又は、しきい値電圧の制御を可能とすることができる。第３の酸化物半導体層４０８ｃによってしきい値電圧を制御することで、ノーマリオフのトランジスタを実現することができる。

チャネル側界面のトラップ準位の影響を低減し、トランジスタの電気特性を安定化させる第１の酸化物半導体層４０８ａの膜厚は、例えば、３ｎｍ以上２０ｎｍ以下、又は５ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることできる。第１の酸化物半導体層４０８ａを上述の膜厚で設けることで、第１の酸化物半導体層４０８ａに、ゲート絶縁層４０４の構成元素が不純物として含有した場合であっても、該不純物がチャネルとして機能する第２の酸化物半導体層４０８ｂへと達することを抑制することができる。また、チャネルとして機能する第２の酸化物半導体層４０８ｂの膜厚（第１の領域４０８ｂ１と第２の領域４０８ｂ２の総厚）は、１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下とすることが好ましく、１５ｎｍ以上３０ｎｍ以下とすることがより好ましい。また、バックチャネル側界面のトラップ準位の影響を低減し、しきい値電圧の制御を可能とする第３の酸化物半導体層４０８ｃの膜厚は、例えば、１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下、又は、１５ｎｍ以上３０ｎｍ以下とすることができる。

なお、上述したように、第３の酸化物半導体層４０８ｃの膜厚は、トランジスタ３１０の実質的なチャネル長となりうる。よって、ノーマリオフのトランジスタを実現するためには、第３の酸化物半導体層４０８ｃの膜厚は厚いことが好ましい。また、ゲート絶縁層４０４と接する第１の酸化物半導体層４０８ａの膜厚が厚すぎると、電流が第１の酸化物半導体層４０８ａ中又は界面を流れてしまうことがある。よって、第１の酸化物半導体層４０８ａの膜厚は、第２の酸化物半導体層４０８ｂの膜厚よりも小さく、第３の酸化物半導体層４０８ｃの膜厚は、第２の酸化物半導体層４０８ｂの膜厚以上であることが好ましい。

第１の酸化物半導体層４０８ａ乃至第３の酸化物半導体層４０８ｃは、構成元素の異なる酸化物半導体を用いてもよいし、構成元素を同一とし、組成を異ならせてもよい。但し、トランジスタ３１０のチャネルとして機能する第２の酸化物半導体層４０８ｂとしては、電界効果移動度の高い酸化物半導体を適用することが好ましい。

例えば、第１の酸化物半導体層４０８ａ乃至第３の酸化物半導体層４０８ｃとしてインジウム及びガリウムを含有する酸化物半導体を用いる場合、第２の酸化物半導体層４０８ｂとしてインジウムの組成がガリウムの組成よりも大きい酸化物半導体を用いることが好ましく、第１の酸化物半導体層４０８ａ及び第３の酸化物半導体層４０８ｃとしては、インジウムの組成がガリウムの組成以下である酸化物半導体を用いることが好ましい。

酸化物半導体では、主として重金属のｓ軌道がキャリア伝導に寄与しており、インジウムの含有率を多くすることによりｓ軌道のオーバーラップが多くなる傾向がある。よって、第２の酸化物半導体層４０８ｂにおいて、インジウムの組成をガリウムの組成よりも大きくすることで、インジウムの組成がガリウムの組成以下である酸化物と比較して高い電界効果移動度を備えることが可能となる。

また、他の金属元素に対するガリウムの割合が大きいほど、エネルギーギャップの大きい金属酸化物となるため、インジウムの組成をガリウムの組成以下とすることで、第１の酸化物半導体層４０８ａ、第３の酸化物半導体層４０８ｃは第２の酸化物半導体層４０８ｂよりも大きなエネルギーギャップを有する。よって、第２の酸化物半導体層４０８ｂと第１の酸化物半導体層４０８ａ、第３の酸化物半導体層４０８ｃとの間に効果的に伝導帯下端のエネルギー差を形成するため好ましい。また、ガリウムはインジウムと比較して酸素欠損の形成エネルギーが大きく酸素欠損が生じにくいため、インジウムの組成がガリウムの組成以下である金属酸化物はインジウムの組成がガリウムの組成より大きい金属酸化物と比較して安定した特性を備える。よって、トランジスタ３１０のバックチャネル側をより安定化することが可能となる。なお、第１の酸化物半導体層４０８ａ及び／又は第３の酸化物半導体層４０８ｃとして、酸化ガリウム、又は酸化亜鉛ガリウムを用いてもよい。

例えば、第１の酸化物半導体層４０８ａ乃至第３の酸化物半導体層４０８ｃとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物半導体を用いる場合、第１の酸化物半導体層４０８ａ又は第３の酸化物半導体層４０８ｃには、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２（＝１／６：３／６：２／６）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：４：３（＝２／９：４／９：３／９）、あるいはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：５：３（＝１／９：５／９：３／９）の組成（原子数比）のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の金属酸化物を用いることが好ましい。第２の酸化物半導体層４０８ｂには、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２（＝３／６：１／６：２／６）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３（＝４／９：２／９：３／９）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：１：３（＝５／９：１／９：３／９）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：３：４（＝５／１２：３／１２：４／１２）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝６：２：４（＝６／１２：２／１２：４／１２）、あるいはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝７：１：３（＝７／１１：１／１１：３／１１）の組成（原子数比）のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の金属酸化物を用いることが好ましい。

なお、例えば、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの組成がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝ａ：ｂ：ｃ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１）である酸化物の組成が、組成がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝Ａ：Ｂ：Ｃ（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＝１）の酸化物の組成の近傍であるとは、ａ、ｂ、ｃが、（ａ−Ａ）^２＋（ｂ−Ｂ）^２＋（ｃ−Ｃ）^２≦ｒ^２を満たすことをいう。ｒとしては、例えば、０．０５とすればよい。

本実施の形態においては、第１の酸化物半導体層４０８ａとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２の組成（原子数比）のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物を用い、第２の酸化物半導体層４０８ｂとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２の組成（原子数比）のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物を用い、第３の酸化物半導体層４０８ｃとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の組成（原子数比）のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物を用いるものとする。

なお、酸化物半導体積層４０８に適用する酸化物半導体としては、これらに限られず、必要とする電気的特性（電界効果移動度、しきい値、ばらつき等）に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とする電気的特性を得るために、キャリア濃度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。

例えば、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、ガリウム（Ｇａ）に代えて、又はガリウム（Ｇａ）に加えて、スズ（Ｓｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、アルミニウム（Ａｌ）、ジルコニウム（Ｚｒ）のいずれか一種または複数種を有していてもよい。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）のいずれか一種または複数種を有してもよい。

酸化物半導体層は、スパッタリング法によって形成することができ、スパッタリングターゲットにインジウムを含有すると成膜時のパーティクルの発生を低減することができる。よって、インジウムを含む酸化物半導体層を適用することがより好ましい。

なお、第１の酸化物半導体層４０８ａ乃至第３の酸化物半導体層４０８ｃの構成元素は、少なくとも一つが共通する。このとき、材料や成膜条件によっては、各酸化物半導体層同士の界面が不明確になる場合もある。また、同様に、第２の酸化物半導体層４０８ｂにおいて、第１の領域４０８ｂ１及び第２の領域４０８ｂ２は、酸化物半導体の構成元素及びその組成が同一であり、ｎ型不純物濃度が異なるため、領域同士の界面が不明確となる場合もある。図２においては、第１の領域４０８ｂ１と第２の領域４０８ｂ２の界面が不明確な場合として、該界面を模式的に点線で図示している。これは以降の各図面においても同様である。

以下に、図３を用いてトランジスタ３１０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、ゲート電極層４０２（これと同じ層で形成される配線を含む）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約はないが、少なくとも後の熱処理に耐えられる程度の耐熱性を有す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等のガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイヤ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等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等の化合物半導体基板、ＳＯＩ基板等を適用することができ、これらの基板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上に下地絶縁層を形成してもよい。

ゲート電極層４０２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又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４０２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等のシリサイド膜を用いてもよい。ゲート電極層４０２は単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。ゲート電極層４０２はテーパ形状としてもよく、例えばテーパ角を１５°以上７０°以下とすればよい。ここで、テーパ角とは、テーパ形状を有する層の側面と、当該層の底面との間の角度を指す。

また、ゲート電極層４０２の材料は、酸化インジウム酸化スズ、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スズ酸化物、酸化インジウム酸化亜鉛、酸化ケイ素を添加したインジウムスズ酸化物等の導電性材料を適用することもできる。

または、ゲート電極層４０２の材料として、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、窒素を含むＩｎ−Ｓｎ系酸化物、窒素を含むＩｎ−Ｇａ系酸化物、窒素を含むＩｎ−Ｚｎ系酸化物、窒素を含むＳｎ系酸化物、窒素を含むＩｎ系酸化物、金属窒化物膜（窒化インジウム膜、窒化亜鉛膜、窒化タンタル膜、窒化タングステン膜など）を用いてもよい。これらの材料は、５ｅＶ以上の仕事関数を有するため、これらの材料を用いてゲート電極層４０２を形成することでトランジスタのしきい値電圧をプラスにすることができ、ノーマリオフのスイッチングトランジスタを実現できる。

次いで、ゲート電極層４０２を覆うようにゲート電極層４０２上にゲート絶縁層４０４を形成する（図３（Ａ）参照）。ゲート絶縁層４０４としては、プラズマＣＶＤ法、スパッタリング法等により、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化イットリウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ガリウム膜、酸化タンタル膜、酸化マグネシウム膜、酸化ランタン膜、酸化セリウム膜および酸化ネオジム膜を一種以上含む絶縁膜を、単層で、または積層で用いる。

なお、ゲート絶縁層４０４において、後に形成される第１の酸化物半導体層４０８ａと接する領域（本実施の形態においては、ゲート絶縁層４０４ｂ）は、酸化物絶縁層であることが好ましく、化学量論的組成よりも過剰に酸素を含有する領域（酸素過剰領域）を有することがより好ましい。ゲート絶縁層４０４に酸素過剰領域を設けるには、例えば、酸素雰囲気下にてゲート絶縁層４０４を形成すればよい。又は、成膜後のゲート絶縁層４０４に酸素を導入して、酸素過剰領域を形成してもよい。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注入法、プラズマ処理等を用いることができる。

本実施の形態では、ゲート絶縁層４０４ａとして窒化シリコン膜を形成し、ゲート絶縁層４０４ｂとして酸化シリコン膜を形成する。

次いで、ゲート絶縁層４０４上に、酸化物半導体膜４０７ａを成膜する。

酸化物半導体膜４０７ａ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。

なお、ゲート絶縁層４０４及び酸化物半導体膜４０７ａは、大気開放せずに連続的に成膜することが好ましい。ゲート絶縁層４０４及び酸化物半導体膜４０７ａの成膜を大気開放せずに連続的に行うことで、酸化物半導体膜４０７ａ表面への水素又は水素化合物の付着（例えば、吸着水など）を防止することができるため、不純物の混入を抑制することができる。

酸化物半導体膜を成膜するためのスパッタリングターゲットは多結晶、且つ、相対密度（充填率）の高いものを用いる。また、成膜時のスパッタリングターゲットは十分冷やして室温とし、被成膜基板の被成膜面は、室温以上に高め、成膜室内に水分や水素がほとんどない雰囲気下で酸化物半導体膜の成膜を行う。

スパッタリングターゲットは高密度であるほど好ましい。スパッタリングターゲットの密度が高いことで成膜される膜密度も高くすることができる。具体的には、ターゲットの相対密度（充填率）は９０％以上１００％以下、好ましくは９５％以上、さらに好ましくは９９．９％以上とする。なお、スパッタリングターゲットの相対密度とは、スパッタリングターゲットと同一組成の材料の気孔のない状態における密度との比をいう。

スパッタリングターゲットは、不活性ガス雰囲気（窒素または希ガス雰囲気）下、真空中または高圧雰囲気中で焼成を行うことが好ましい。焼成方法として常圧焼成法、加圧焼成法等を適宜用いて得られる多結晶ターゲットを用いる。加圧焼成法としては、ホットプレス法、熱間等方加圧（ＨＩＰ：ＨｏｔＩｓｏｓｔａｔｉｃＰｒｅｓｓｉｎｇ）法、放電プラズマ焼結法、又は衝撃法を適用することが好ましい。焼成の最高温度はスパッタリングターゲット材料の焼結温度により選択するが、１０００℃〜２０００℃程度とするのが好ましく、１２００℃〜１５００℃とするのがより好ましい。また、最高温度の保持時間は、スパッタリングターゲット材料により選択するが、０．５時間〜３時間とするのが好ましい。

Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物膜を成膜する場合、スパッタリングターゲットは、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２の原子数比のターゲットや、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の原子数比のターゲットを用いる。例えば、本実施の形態では、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２の原子数比のターゲットを用いて、酸化物半導体膜４０７ａを成膜する。また、酸化物半導体膜４０７ｂの成膜には、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２の原子数比のターゲットを用い、酸化物半導体膜４０７ｃの成膜には、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の原子数比のターゲットを用いる。

また、成膜チャンバー内に残存する不純物を低減することも緻密な膜を得る上で重要である。成膜チャンバー内の背圧（到達真空度：反応ガスを導入する前の真空度）を５×１０^−３Ｐａ以下、好ましくは６×１０^−５Ｐａ以下とし、成膜時の圧力を２Ｐａ未満、好ましくは０．４Ｐａ以下とする。背圧を低くすることで成膜チャンバー内の不純物を低減する。

また、成膜チャンバー内に導入するガス、即ち、成膜時に用いるガス中の不純物を低減することも緻密な膜を得る上で重要である。また、成膜ガス中の酸素割合を高め、電力を最適化することが重要である。成膜ガス中の酸素割合（上限は酸素１００％）を高め、電力を最適化することによって成膜時のプラズマダメージを軽減することができる。そのため、緻密な膜を得やすくなる。

また、酸化物半導体膜の成膜前または成膜中には成膜チャンバー内の水分量などを監視（モニター）するため、四重極形質量分析計（以下、Ｑ−ｍａｓｓと呼ぶ）を常に作動させた状態で成膜を行うことが好ましい。

例えば、スパッタリング法を用いて酸化物半導体膜４０７ａの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成膜ガスとして、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の希ガスと酸素の混合ガス、又は酸素を用いる。

なお、成膜後の酸化物半導体膜４０７ａに、脱水化又は脱水素化処理のための熱処理を適宜行ってもよい。また、脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体膜４０７ａに、酸素を供給してもよい。

次いで、酸化物半導体膜４０７ａ上に接して、ｎ型不純物を含有し、膜厚方向において該ｎ型不純物濃度が濃度差を有する酸化物半導体膜４０７ｂを成膜する（図３（Ｂ）参照）。酸化物半導体膜４０７ｂの成膜は、酸化物半導体膜４０７ａとは、別の成膜室内にて行うことが好ましい。例えば、成膜室内に供給する成膜ガスとして、酸化物半導体膜４０７ａで示した成膜ガスに、窒素ガス、又は一酸化二窒素ガス等の窒素を含むガスを混合して供給することで、ｎ型不純物を含有する酸化物半導体膜４０７ｂの第１の領域４０７ｂ１を成膜する。その後、同じ成膜室内にて窒素ガス、又は一酸化二窒素ガス等の窒素を含むガスの流量比を低減させて、第１の領域４０７ｂ１よりもｎ型不純物濃度の低い酸化物半導体膜４０７ｂの第２の領域４０７ｂ２を形成する。酸化物半導体膜４０７ｂのその他の成膜条件は、酸化物半導体膜４０７ａと同様とすることができる。

次いで、積層した酸化物半導体膜４０７ａ及び酸化物半導体膜４０７ｂを、フォトリソグラフィ法を用いたエッチング処理によって島状の第１の酸化物半導体層４０８ａ及び第２の酸化物半導体層４０８ｂに加工する。その後、島状の第１の酸化物半導体層４０８ａ及び第２の酸化物半導体層４０８ｂを覆うように、酸化物半導体膜４０７ｃを成膜する（図３（Ｃ）参照）。酸化物半導体膜４０７ｃの成膜は、酸化物半導体膜４０７ａと同じ成膜室を用いて成膜してもよい。酸化物半導体膜４０７ｃの成膜条件は、酸化物半導体膜４０７ａと同様とすることができる。

次いで、酸化物半導体膜４０７ｃを、フォトリソグラフィ法を用いたエッチング処理によって島状の第３の酸化物半導体層４０８ｃに加工して、酸化物半導体積層４０８を形成する（図３（Ｄ）参照）。第３の酸化物半導体層４０８ｃは、第１の酸化物半導体層４０８ａ及び第２の酸化物半導体層４０８ｂの側面を覆うように、第２の酸化物半導体層４０８ｂ上に接して設けられる。

次いで、酸化物半導体積層４０８上に導電膜を形成し、これを加工してソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂ（これと同じ層で形成される配線を含む）を形成する。

ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂ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よい。また、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂを、導電性の金属酸化物で形成してもよい。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム酸化スズ（Ｉｎ_２Ｏ_３−ＳｎＯ_２）、酸化インジウム酸化亜鉛（Ｉｎ_２Ｏ_３−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。

また、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂとして窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、窒素を含むＩｎ−Ｓｎ−Ｏ膜、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｏ膜、窒素を含むＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜、窒素を含むＳｎ−Ｏ膜、窒素を含むＩｎ−Ｏ膜等の金属窒化物膜を用いることができる。これらの膜は、酸化物半導体積層４０８と同じ構成元素を含むため、酸化物半導体積層４０８との界面を安定化させることができる。

次いで、ソース電極層４１０ａ、ドレイン電極層４１０ｂ及び露出した酸化物半導体積層４０８を覆うように、絶縁層４１２を形成する（図３（Ｅ）参照）。

絶縁層４１２としてはプラズマＣＶＤ法、スパッタリング法により形成することができ、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等を単層で、又は積層して用いることができる。但し、酸化物半導体積層４０８と接する絶縁層４１２（本実施の形態においては、絶縁層４１２ａ）として、酸化物絶縁層を形成すると、該酸化物絶縁層によって酸化物半導体積層４０８へ酸素を供給することが可能となるため、好ましい。

例えば、プラズマＣＶＤ装置の真空排気された処理室内に載置された基板を１８０℃以上４００℃以下、さらに好ましくは２００℃以上３７０℃以下に保持し、処理室に原料ガスを導入して処理室内における圧力を３０Ｐａ以上２５０Ｐａ以下、さらに好ましくは４０Ｐａ以上２００Ｐａ以下とし、処理室内に設けられる電極に高周波電力を供給する条件により、酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形成してもよい。上記条件として成膜することで、酸素が拡散する酸化物絶縁層を形成することができる。

また、該酸素が拡散する酸化物絶縁層を成膜後、大気開放せずにプラズマＣＶＤ装置の真空排気された処理室内に載置された基板を１８０℃以上２５０℃以下、さらに好ましくは１８０℃以上２３０℃以下に保持し、処理室に原料ガスを導入して処理室内における圧力を１００Ｐａ以上２５０Ｐａ以下、さらに好ましくは１００Ｐａ以上２００Ｐａ以下とし、処理室内に設けられる電極に０．１７Ｗ／ｃｍ^２以上０．５Ｗ／ｃｍ^２以下、さらに好ましくは０．２６Ｗ／ｃｍ^２以上０．３５Ｗ／ｃｍ^２以下の高周波電力を供給する条件により、酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形成してもよい。当該条件にて成膜することで、プラズマ中で原料ガスの分解効率が高まり、酸素ラジカルが増加し、原料ガスの酸化が進むため、成膜される酸化シリコン膜又は酸化窒化シリコン膜中における酸素含有量が化学量論比よりも多くなる。しかしながら、基板温度が、上記温度であると、シリコンと酸素の結合力が弱いため、加熱により酸素の一部が脱離する。この結果、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含み、加熱により酸素の一部が脱離する酸化物絶縁層を形成することができる。

本実施の形態においては、絶縁層４１２ａとして、上述の酸素が拡散する酸化シリコン膜及び加熱により酸素の一部が脱離する酸化シリコン膜を形成し、絶縁層４１２ｂとして、窒化シリコン膜を形成する。

本実施の形態の構成は、酸化物半導体積層４０８と接する絶縁層（ゲート絶縁層４０４ｂ及び絶縁層４１２ａ）として酸化物絶縁層（具体的には酸化シリコン膜）を含む。よって、第１の酸化物半導体層４０８ａ及び第３の酸化物半導体層４０８ｃに酸素を供給することが可能となり、該酸化物半導体層の酸素欠損を補填することができる。また、酸化物絶縁層に接して酸化物半導体積層４０８の外側に設けられた絶縁層（ゲート絶縁層４０４ａ及び絶縁層４１２ｂ）として、窒化シリコン膜を含む。窒化シリコン膜は、水素又は水素を含む化合物（水など）が酸化物半導体積層４０８へと侵入することを抑制するブロッキング膜として機能することができる。よって、このような積層構造を有するトランジスタの信頼性を向上させることができる。

絶縁層４１２を形成後、熱処理を行ってもよい。該熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上基板歪み点未満、好ましくは２００℃以上４５０℃以下、更に好ましくは３００℃以上４５０℃以下とする。

以上によって、本実施の形態のトランジスタ３１０を形成することができる。

本実施の形態で示すトランジスタは、トランジスタの主な電流経路（チャネル）として機能する第２の酸化物半導体層４０８ｂを挟んで、第２の酸化物半導体層４０８ｂよりもキャリア密度が低い第１の酸化物半導体層４０８ａ及び第３の酸化物半導体層４０８ｃを含む構成とする。これによって、チャネルを酸化物半導体積層４０８に接する絶縁層界面から遠ざけ、埋め込みチャネルを形成することができ、トランジスタの電界効果移動度を向上させることができる。

また、チャネルとして機能する第２の酸化物半導体層４０８ｂの界面におけるトラップ準位の形成を抑制し、信頼性の高いトランジスタとすることができる。

また、チャネルとして機能する第２の酸化物半導体層４０８ｂのうちゲート絶縁層側の第１の領域４０８ｂ１が、バックチャネル側の第２の領域４０８ｂ２よりも高濃度でｎ型不純物を有することで、トランジスタのオン特性（例えば、オン電流、電界効果移動度）の向上を図りながら、オフ電流を制御することができる。

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２）
本実施の形態では、実施の形態１と異なる半導体装置の作製方法の一例について、図１０を参照して説明する。なお、実施の形態１と同一部分又は同様な機能を有する部分、及び工程は、実施の形態１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。

まず、図３（Ａ）乃至図３（Ｃ）に示した工程と同様に、基板４００上に、ゲート絶縁層４０４ａ及びゲート絶縁層４０４ｂを含むゲート絶縁層４０４と、ゲート絶縁層４０４上の島状の第１の酸化物半導体層４０８ａ及び島状の第２の酸化物半導体層４０８ｂと、第１の酸化物半導体層４０８ａ及び第２の酸化物半導体層４０８ｂを覆う酸化物半導体膜４０７ｃと、を形成する。

次いで、酸化物半導体膜４０７ｃ上に、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂ（これと同じ層で形成される配線を含む）となる導電膜４１１を形成する。

導電膜４１１を形成した後、レジストマスク４６０を形成する（図１０（Ａ）参照）。本実施の形態におけるレジストマスク４６０は凹部又は凸部を有するレジストマスクである。換言すると、厚さの異なる複数の領域（ここでは、２つの領域）からなるレジストマスクともいうことができる。レジストマスク４６０において、厚い領域をレジストマスク４６０の凸部と呼び、薄い領域をレジストマスク４６０の凹部と呼ぶこととする。

レジストマスク４６０の凸部は、後にソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂが形成される領域上に形成され、レジストマスク４６０の凹部は、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂに挟まれ、後のチャネル領域となる部分に形成される。

レジストマスク４６０は、多階調マスクを用いることで形成することができる。多階調マスクとは、多段階の光量で露光を行うことが可能なマスクであり、代表的には、露光領域、半露光領域及び未露光領域の３段階の光量で露光を行うものをいう。多階調マスクを用いることで、一度の露光及び現像工程によって、複数（代表的には２種類）の厚さを有するレジストマスクを形成することができる。そのため、多階調マスクを用いることで、フォトマスクの枚数を削減することができる。

多階調マスクを用いて露光して現像を行うことで、厚さの異なる領域を有するレジストマスク４６０を形成することができる。ただし、これに限定されず、多階調マスクを用いることなくレジストマスク４６０を形成してもよい。

次いで、レジストマスク４６０を用いて、導電膜４１１及び酸化物半導体膜４０７ｃを選択的かつ同時にエッチングを行い、島状の酸化物半導体層である酸化物半導体層４１８ｃと、導電層４１０を形成する（図１０（Ｂ）参照）。

次いで、レジストマスク４６０を後退（縮小）させることで、レジストマスク４６２ａ及びレジストマスク４６２ｂを形成する（図１０（Ｃ）参照）。レジストマスク４６０を後退（縮小）させるには、酸素プラズマによるアッシング等を行えばよい。レジストマスク４６０を後退（縮小）させることにより、レジストマスク４６２ａとレジストマスク４６２ｂに挟まれた領域及び周縁部の導電層４１０が露出する。

次いで、レジストマスク４６２ａとレジストマスク４６２ｂから露出した領域の導電層４１０を選択的にエッチングすることにより、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂと、第３の酸化物半導体層４２８ｃとを形成する（図１０（Ｄ）参照）。

なお、図１０（Ｄ）に示すように、レジストマスク４６０を後退（縮小）させたレジストマスク４６２ａ及びレジストマスク４６２ｂを用いたエッチングにより、第１の酸化物半導体層４０８ａ及び第２の酸化物半導体層４０８ｂを覆う第３の酸化物半導体層４２８ｃの周縁部と、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂとの間の領域とに膜厚の薄い領域が形成される。すなわち、第３の酸化物半導体層４２８ｃの端部は、ソース電極層４１０ａ又はドレイン電極層４１０ｂの端部よりも突出している。なお、第３の酸化物半導体層４２８ｃにおいて、周縁部と、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂとの間の溝部（凹部）とは、同じ膜厚を有している。

次いで、図３（Ｅ）で示した工程と同様に、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂ上に絶縁層４１２ａ及び絶縁層４１２ｂを含む絶縁層４１２を形成する（図１０（Ｅ）参照）。

以上によって、本実施の形態のトランジスタ３２０を形成することができる。

本実施の形態で示すトランジスタの作製方法を適用することで、酸化物半導体積層を形成するための露光マスク数を削減することができ、対応するフォトリソグラフィ工程も削減することができるため、工程の簡略化及び製造コストの削減が可能となる。

（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態１又は実施の形態２で示した半導体装置とは異なる構造の半導体装置及びその作製方法について、図１２、図１６及び図１７を参照して説明する。本実施の形態では、半導体装置の一形態として、ボトムゲート構造のトランジスタを示す。なお、実施の形態１又は実施の形態２と同一部分又は同様な機能を有する部分、及び工程は、実施の形態１又は実施の形態２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。

図１６にトランジスタ３３０の構成例を示す。図１６（Ａ）は、トランジスタ３３０の平面図を示し、図１６（Ｂ）は、図１６（Ａ）のＸ２−Ｙ２における断面図を示し、図１６（Ｃ）は、図１６（Ａ）のＶ２−Ｗ２における断面図を示す。

図１６に示すトランジスタ３３０は、絶縁表面を有する基板４００上に設けられたゲート電極層４０２と、ゲート電極層４０２上のゲート絶縁層４０４と、ゲート絶縁層４０４と接し、ゲート電極層４０２と重畳する酸化物半導体積層と、酸化物半導体積層と電気的に接続するソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂと、を含む点で、図２に示すトランジスタ３１０と共通している。また、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂを覆い、酸化物半導体積層と接する絶縁層４１２をトランジスタ３３０の構成要素としてもよい。

図１６に示すトランジスタ３３０と、図２に示すトランジスタ３１０との相違の一は、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂと、酸化物半導体積層と、が接続する位置である。すなわち、トランジスタ３１０は、酸化物半導体積層４０８を形成後に、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂを形成することで、少なくとも酸化物半導体積層４０８の上面の一部が、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂと接しているのに対して、トランジスタ３３０は、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂを形成後に、酸化物半導体積層を形成することで、少なくともソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂの上面の一部が、酸化物半導体積層４３８と接している。

また、トランジスタ３３０において、酸化物半導体積層４３８は、ソース電極層４１０ａ、ドレイン電極層４１０ｂ及びゲート絶縁層４０４に接する第１の酸化物半導体層４３８ａと、第１の酸化物半導体層４３８ａ上に接する第２の酸化物半導体層４３８ｂと、第２の酸化物半導体層４３８ｂ上に接する第３の酸化物半導体層４３８ｃと、を含む。酸化物半導体積層４３８に含まれる第２の酸化物半導体層４３８ｂとしては、ｎ型の導電性を付与する不純物（ｎ型不純物）を含有する酸化物半導体層を適用する。第２の酸化物半導体層４３８ｂは、膜厚方向にｎ型不純物の濃度差を有しており、第２の酸化物半導体層４３８ｂにおいて第１の酸化物半導体層４３８ａと接する第１の領域４３８ｂ１は、第３の酸化物半導体層４３８ｃと接する領域よりも高濃度でｎ型不純物を含有する。

以下に、図１７を用いてトランジスタ３３０の作製方法の一例を示す。

まず、図３（Ａ）に示す工程と同様に、基板４００上に、ゲート電極層４０２、ゲート絶縁層４０４（ゲート絶縁層４０４ａ及びゲート絶縁層４０４ｂ）を形成する。その後、ゲート絶縁層４０４上に、導電膜を形成し、これを加工してソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂ（これと同じ層で形成される配線を含む）を形成する（図１７（Ａ）参照）。

次いで、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂに接して、ゲート絶縁層４０４上に、酸化物半導体膜４３７ａを形成する。酸化物半導体膜４３７ａは、実施の形態１で示した酸化物半導体膜４０７ａと同様の材料及び同様の作製方法によって形成することができる。

次いで、酸化物半導体膜４３７ａ上に接して、ｎ型不純物を含有し、膜厚方向において該ｎ型不純物濃度が濃度差を有する酸化物半導体膜４３７ｂを成膜する。酸化物半導体膜４３７ｂは、実施の形態１で示した酸化物半導体膜４０７ｂと同様の材料及び同様の作製方法によって形成することができる。

その後、酸化物半導体膜４３７ｂ上に接して、酸化物半導体膜４３７ｃを成膜する（図１７（Ｂ）参照）。酸化物半導体膜４３７ｃの成膜は、酸化物半導体膜４３７ａと同じ成膜室を用いて成膜してもよい。酸化物半導体膜４３７ｃの成膜条件は、酸化物半導体膜４０７ａと同様とすることができる。

酸化物半導体膜４３７ａと酸化物半導体膜４３７ｂと酸化物半導体膜４３７ｃを順次積層する工程を大気に触れることなく連続的に行う場合、図１２に上面図を示す製造装置を用いればよい。

図１２に示す製造装置は、枚葉式マルチチャンバー設備であり、３つのスパッタ装置１０ａ、１０ｂ、１０ｃや、被処理基板を収容するカセットポート１４を３つ有する基板供給室１１や、ロードロック室１２ａ、１２ｂや、搬送室１３や、基板加熱室１５などを有している。なお、基板供給室１１及び搬送室１３には、被処理基板を搬送するための搬送ロボットがそれぞれ配置されている。スパッタ装置１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、搬送室１３、及び基板加熱室１５は、水素及び水分をほとんど含まない雰囲気（不活性雰囲気、減圧雰囲気、乾燥空気雰囲気など）下に制御することが好ましく、例えば、水分については露点−４０℃以下、好ましくは露点−５０℃以下の乾燥窒素雰囲気とする。図１２の製造装置を用いた作製工程の手順の一例は、まず、基板供給室１１から被処理基板を搬送し、ロードロック室１２ａと搬送室１３を経て基板加熱室１５に移動させ、基板加熱室１５で被処理基板に付着している水分を真空ベークなどで除去し、その後、搬送室１３を経てスパッタ装置１０ｃに被処理基板を移動させ、スパッタ装置１０ｃ内で酸化物半導体膜４３７ａを成膜する。そして、大気に触れることなく、搬送室１３を経てスパッタ装置１０ａに被処理基板を移動させ、スパッタ装置１０ａ内で酸化物半導体膜４３７ｂを成膜する。そして、大気に触れることなく、搬送室１３を経てスパッタ装置１０ｂに被処理基板を移動させ、スパッタ装置１０ｂ内で酸化物半導体膜４３７ｃを成膜する。必要であれば、大気に触れることなく、搬送室１３を経て基板加熱室１５に被処理基板を移動させ、加熱処理を行う。このように、図１２の製造装置を用いることによって大気に触れることなく、作製プロセスを進めることができる。また、図１２の製造装置のスパッタ装置は、スパッタリングターゲットを変更することで大気に触れることのないプロセスを実現できる。

次いで、酸化物半導体膜４３７ａ乃至酸化物半導体膜４３７ｃを、フォトリソグラフィ法を用いたエッチング処理によって島状の第１の酸化物半導体層４３８ａ乃至第３の酸化物半導体層４３８ｃに加工して、酸化物半導体積層４３８を形成する（図１７（Ｃ）参照）。

なお、本実施の形態においては、酸化物半導体膜４３７ａ乃至酸化物半導体膜４３７ｃを一度のエッチング処理によって島状に加工することで、酸化物半導体積層４３８に含まれる各酸化物半導体層の端部は一致する。なお、本明細書等において、一致とは、概略一致も含むものとする。例えば、同じマスクを用いてエッチングした積層構造の層Ａの端部と層Ｂの端部とは一致しているとみなす。

次いで、図３（Ｅ）で示した工程と同様に、酸化物半導体積層４３８、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂ上に絶縁層４１２ａ及び絶縁層４１２ｂを含む絶縁層４１２を形成する（図１７（Ｄ）参照）。

以上によって、本実施の形態のトランジスタ３３０を形成することができる。

本実施の形態で示すトランジスタは、主な電流経路（チャネル）として機能し、ｎ型不純物を含有する第２の酸化物半導体層を挟んで、第２の酸化物半導体層よりも導電率が低い第１の酸化物半導体層及び第３の酸化物半導体層を含む。また、第２の酸化物半導体層に含まれるｎ型不純物は、バックチャネル側と比較してチャネル側が高濃度で含有される。よって、本実施の形態で示すトランジスタは電流経路が絶縁層界面から遠ざけられた埋め込みチャネル型のトランジスタであり、高い電界効果移動度を有する。また、バックチャネル側に形成されうる界面準位の影響を低減されるとともに、トランジスタの光劣化（例えば、光負バイアス劣化）を低減された信頼性の高いトランジスタである。

また、チャネルとして機能する第２の酸化物半導体層４３８ｂの界面におけるトラップ準位の形成を抑制し、信頼性の高いトランジスタとすることができる。また、チャネルとして機能する第２の酸化物半導体層４３８ｂのうちゲート絶縁層側の第１の領域４３８ｂ１が、バックチャネル側の第２の領域４３８ｂ２よりも高濃度でｎ型不純物を有することで、トランジスタのオン特性（例えば、オン電流、電界効果移動度）の向上を図りながら、オフ電流を制御することができる。

また、酸化物半導体積層を一度のエッチング処理によって加工するため、酸化物半導体積層の加工に用いる露光マスク数を削減することができ、対応するフォトリソグラフィ工程も削減することができるため、工程の簡略化及び製造コストの削減が可能となる。

（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態１乃至実施の形態３のトランジスタに適用可能な酸化物半導体層の一例について図面を用いて詳細に説明する。

酸化物半導体層は、単結晶酸化物半導体層と非単結晶酸化物半導体層とに大別される。非単結晶酸化物半導体層とは、非晶質酸化物半導体層、微結晶酸化物半導体層、多結晶酸化物半導体層、ＣＡＡＣ−ＯＳ（ＣＡｘｉｓＡｌｉｇｎｅｄＣｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜などをいう。

非晶質酸化物半導体層は、膜中における原子配列が不規則であり、結晶成分を有さない酸化物半導体層である。微小領域においても結晶部を有さず、膜全体が完全な非晶質構造の酸化物半導体層が典型である。

微結晶酸化物半導体層は、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ未満の大きさの微結晶（ナノ結晶ともいう。）を含む。従って、微結晶酸化物半導体層は、非晶質酸化物半導体層よりも原子配列の規則性が高い。そのため、微結晶酸化物半導体層は、非晶質酸化物半導体層よりも欠陥準位密度が低いという特徴がある。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、複数の結晶部を有する酸化物半導体層の一つであり、ほとんどの結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさである。従って、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部は、一辺が１０ｎｍ未満、５ｎｍ未満または３ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさの場合も含まれる。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、微結晶酸化物半導体層よりも欠陥準位密度が低いという特徴がある。以下、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜について詳細な説明を行う。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって観察すると、結晶部同士の明確な境界、即ち結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を確認することができない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を、試料面と概略平行な方向からＴＥＭによって観察（断面ＴＥＭ観察）すると、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の膜を形成する面（被形成面ともいう。）または上面の凹凸を反映した形状であり、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または上面と平行に配列する。

一方、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を、試料面と概略垂直な方向からＴＥＭによって観察（平面ＴＥＭ観察）すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られない。

断面ＴＥＭ観察および平面ＴＥＭ観察より、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶部は配向性を有していることがわかる。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−ＲａｙＤｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）装置を用いて構造解析を行うと、例えばＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶の（００９）面に帰属されることから、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に概略垂直な方向を向いていることが確認できる。

一方、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、ｃ軸に概略垂直な方向からＸ線を入射させるｉｎ−ｐｌａｎｅ法による解析では、２θが５６°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶の（１１０）面に帰属される。ＩｎＧａＺｎＯ_４の単結晶酸化物半導体層であれば、２θを５６°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸（φ軸）として試料を回転させながら分析（φスキャン）を行うと、（１１０）面と等価な結晶面に帰属されるピークが６本観察される。これに対し、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の場合は、２θを５６°近傍に固定してφスキャンした場合でも、明瞭なピークが現れない。

以上のことから、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜では、異なる結晶部間ではａ軸およびｂ軸の配向は不規則であるが、ｃ軸配向性を有し、かつｃ軸が被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向を向いていることがわかる。従って、前述の断面ＴＥＭ観察で確認された層状に配列した金属原子の各層は、結晶のａｂ面に平行な面である。

なお、結晶部は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜した際、または加熱処理などの結晶化処理を行った際に形成される。上述したように、結晶のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向に配向する。従って、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形状をエッチングなどによって変化させた場合、結晶のｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または上面の法線ベクトルと平行にならないこともある。

また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜中の結晶化度が均一でなくてもよい。例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶部が、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の上面近傍からの結晶成長によって形成される場合、上面近傍の領域は、被形成面近傍の領域よりも結晶化度が高くなることがある。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に不純物を添加する場合、不純物が添加された領域の結晶化度が変化し、部分的に結晶化度の異なる領域が形成されることもある。

なお、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、２θが３１°近傍のピークの他に、２θが３６°近傍にもピークが現れる場合がある。２θが３６°近傍のピークは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜中の一部に、ｃ軸配向性を有さない結晶が含まれることを示している。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、２θが３１°近傍にピークを示し、２θが３６°近傍にピークを示さないことが好ましい。

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が小さい。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。

なお、酸化物半導体層は、例えば、非晶質酸化物半導体層、微結晶酸化物半導体層、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の成膜モデルの一例を以下に示す。但し、以下に示すモデルはあくまでも一考察であることを付記する。

被成膜基板の温度を２００℃以上とすると、成膜中は、ターゲットから微小なスパッタリング粒子が飛翔して基板上にそのスパッタリング粒子がはりつくようにして成膜され、且つ、基板が加熱されているため、再配列し高密度な膜となる。

スパッタリング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。スパッタリングターゲット２００２の表面でスパッタリングされ、放出される結晶の粒子は、ｃ軸配向であり、図１３（Ａ）に示すような平板状のスパッタリング粒子２００１であると仮定すると、図１３（Ｂ）に示すモデル図で模式的に表すことができる。また、平板状のスパッタリング粒子は、図１３（Ｃ）に示すような状態、即ち最外面は（Ｇａ、Ｚｎ）Ｏ面となっていることが好ましい。

成膜中において、酸素流量が多く、チャンバー２００３内の圧力が高いと、図１４（Ａ）に示すように、酸素イオンが平板状のスパッタリング粒子に付着し、多くの酸素を表面に有する状態とすることができる。この付着した酸素が抜けてしまう前に他の平板状のスパッタリング粒子が積層されるため、図１５（Ｃ）に示すように、膜中に酸素を多く含ませることができる。この表面吸着した酸素は酸化物半導体中の酸素欠損を低減させることに寄与する。

また、ｃ軸配向した結晶領域を有する酸化物半導体膜が形成するには、成膜時の基板温度を上げることが好ましい。しかし、基板温度を３５０℃よりも高い温度とすると、図１４（Ｂ）に示すように表面吸着した酸素が放出される恐れがある。従って、基板温度は、１５０℃以上３５０℃以下、好ましくは１６０℃以上２３０℃以下とし、成膜ガスとして酸素ガスのみを用いると、ｃ軸配向した結晶領域を有する酸化物半導体膜、即ちＣＡＡＣ−ＯＳ膜を形成することができる。

成膜中において、一つの平板状のスパッタリング粒子が基板２０００の表面に到達して安定する過程のモデルを図１５（Ａ）に示す。図１５（Ａ）に示すように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ＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されやすくなる。そして、平板状のスパッタリング粒子が、図１５（Ｂ）に示すように積層されることによってＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されやすくなる。なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、図１５（Ｃ）に示すように酸素を多く含み、酸素欠損が低減された膜となる。

基板２０００上のＣＡＡＣ−ＯＳ膜のインジウム原子は、横方向に２個以上２０個以下程度の数が連なっており、インジウム原子を含む層を形成している。なお、インジウム原子を含む層は、横方向に２０個より多く連なっていることもある。例えば、２個以上５０個以下、２個以上１００個以下または２個以上５００個以下のインジウム原子が横方向に連なっていてもよい。

また、インジウム原子を含む層は、層同士が重畳しており、その層数は１層以上２０層以下、１層以上１０層以下または１層以上４層以下である。

このように、インジウム原子を含む層の積層体は、横方向が数個程度、縦方向が数層程度の塊であることが多いように見える。これは、スパッタリング粒子が平板状であることに起因すると考えられる。

また、被成膜基板の温度を高めることで、基板表面でのスパッタリング粒子のマイグレーションが起こりやすくなる。この作用でスパッタリング粒子は、平板状で基板表面に到達後、わずかに移動し、平らな面（ａ−ｂ面）を基板表面に向けて付着する。そのため、表面に垂直な方向から見て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。

また、酸化物半導体膜の成膜後に、２００℃以上の加熱処理を行い、さらに緻密な膜としてもよい。ただし、酸化物半導体膜中の不純物元素（水素や、水など）が低減される際に酸素欠損が生じる恐れがあるため、加熱処理を行う前に、酸化物半導体膜上または酸化物半導体膜下に酸素過剰の絶縁層を設けておくことが好ましく、加熱処理によって酸化物半導体膜中の酸素欠損を低減することができる。

成膜直後の酸化物半導体膜の膜質を高密度なものとすることで、薄膜でありながら単結晶に近い緻密な膜を実現でき、膜中を酸素や水素などがほとんど拡散しないため、緻密な酸化物半導体膜を用いた半導体装置は、信頼性の向上を実現できる。

本発明の一態様のトランジスタに含まれる酸化物半導体積層において、第１の酸化物半導体層乃至第３の酸化物半導体層には、非晶質構造、結晶構造のいずれの酸化物半導体層を適用してもよい。但し、チャネルとして機能する第２の酸化物半導体層として、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を適用すると、当該第２の酸化物半導体層中に存在する酸素欠損に起因するＤＯＳ（ｄｅｎｓｉｔｙｏｆｓｔａｔｅ）を減少させることが可能となるため、好ましい。

また、第２の酸化物半導体層をＣＡＡＣ−ＯＳ膜として、第２の酸化物半導体層上に接して形成される第３の酸化物半導体層もＣＡＡＣ−ＯＳ膜とする場合、第２の酸化物半導体層から第３の酸化物半導体層へ結晶が連続的に形成されることが好ましい。第３の酸化物半導体層が結晶的に第２の酸化物半導体層と連続すると、２層の界面にＤＯＳが生じにくいためである。

なお、第１の酸化物半導体層乃至第３の酸化物半導体層の全ての層が非晶質構造であってもよく、又は、第１の酸化物半導体層乃至第３の酸化物半導体層の全ての層をＣＡＡＣ−ＯＳ膜とすることも可能である。但し、上述したように、ゲート絶縁層と接する第１の酸化物半導体層は、ゲート絶縁層の構成元素を不純物として含有することで、結晶性が低下する場合もある。ここで、第１の酸化物半導体層の膜厚を３ｎｍ以上２０ｎｍ以下、好ましくは、５ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることで、該不純物によって第１の酸化物半導体層の一部の結晶性が低下した場合であっても、第２の酸化物半導体層への影響を低減することができ、第２の酸化物半導体層を第１の酸化物半導体層の界面からＣＡＡＣ−ＯＳ膜とすることが可能となる。

本実施の形態で示す酸化物半導体層は、実施の形態１乃至実施の形態３の半導体装置に適用することが可能である。

（実施の形態５）
実施の形態１乃至実施の形態３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又は全体を、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、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、基板４００６によって封止されている。図４（Ａ）においては、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、ＩＣチップ、又は別途用意された基板上に単結晶半導体膜又は多結晶半導体膜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。また信号線駆動回路４００３と走査線駆動回路４００４を通して画素部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４（Ｂ）及び図４（Ｃ）において、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、基板４００１とシール材４００５と基板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、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、ＩＣチップ、又は別途用意された基板上に単結晶半導体膜又は多結晶半導体膜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、信号線駆動回路４００３と走査線駆動回路４００４を通して画素部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、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又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４（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。

なお、表示装置とは、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。すなわち、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、表示素子が封止された状態にあるパネルだけでなく、コネクター、例えばＦＰＣもしくはＴＣＰが取り付けられたモジュール、ＴＣＰの先にプリント配線板が設けられたモジュール、又は表示素子に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又は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、電流又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、電子インク表示装置（電子ペーパー）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（Ａ）及び図５（Ｂ）は、図４（Ｂ）のＭ−Ｎにおける断面図に相当する。図５では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。

液晶表示装置は、縦電界方式、又は、横電界方式を適用することができる。図５（Ａ）では、縦電界方式を採用する例を示し、図５（Ｂ）では、横電界方式の一例として、ＦＦＳ（ＦｒｉｎｇｅＦｉｅｌｄＳｗｉｔｃｈｉｎｇ）モードを採用する例を示す。

但し、表示パネルは、画素部４００２に設けられたトランジスタ４０１０が表示素子と電気的に接続して構成され、該表示素子として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４及び図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、４０１８ｂが有する端子と異方性導電層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４０３４と同じ導電層から形成され、端子電極４０１６は、トランジスタ４０１０、４０１１のゲート電極層と同じ導電層で形成されている。

また基板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５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５では、トランジスタ４０１０、４０１１上には絶縁層４０３２ａ、４０３２ｂが設けられている。

また、図５（Ｂ）では、絶縁層４０３２ｂ上に平坦化絶縁層４０４０が設けられ、第１の電極層４０３４と第２の電極層４０３１との間に絶縁層４０４２が設けられている。

トランジスタ４０１０、４０１１としては、実施の形態１乃至実施の形態３に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１で示したトランジスタ３１０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、４０１１は、ボトムゲート構造のトランジスタである。

トランジスタ４０１０、４０１１は、ゲート絶縁層４０２０ａ、４０２０ｂの積層構造を含む。また、図５（Ａ）においては、トランジスタ４０１０、４０１１のゲート絶縁層４０２０ａ、４０２０ｂと、トランジスタ４０１０、４０１１上に設けられた絶縁層４０３２ａ、４０３２ｂとは、接続端子電極４０１５端部を覆うように、シール材４００５下に延在している。図５（Ｂ）においては、ゲート絶縁層４０２０ａと、絶縁層４０３２ｂとが、接続端子電極４０１５端部を覆うように、シール材４００５下に延在しており、絶縁層４０３２ｂは、ゲート絶縁層４０２０ｂ及び絶縁層４０３２ａの側面を覆っている。ゲート絶縁層４０２０ａ及び絶縁層４０３２ｂとして、水素又は水素を含む化合物（水など）に対するブロッキング機能を有する膜（例えば、窒化シリコン膜）を適用することで、大気等からの水素又は水素を含む化合物の侵入を抑制して、半導体装置の信頼性を向上させることができるため好ましい。

トランジスタ４０１０、４０１１は、電流経路（チャネル）として機能し、ｎ型不純物を含有する第２の酸化物半導体層を挟んで、第２の酸化物半導体層よりも導電率が低い第１の酸化物半導体層及び第３の酸化物半導体層を含む。また、第２の酸化物半導体層に含まれるｎ型不純物は、バックチャネル側と比較してチャネル側が高濃度で含有される。よって、トランジスタ４０１０、４０１１は電流経路が絶縁層界面から遠ざけられた埋め込みチャネル型のトランジスタであり、高い電界効果移動度を有する。また、バックチャネル側に形成されうる界面準位の影響を低減されるとともに、トランジスタの光劣化（例えば、光負バイアス劣化）を低減された信頼性の高いトランジスタである。

また、駆動回路用のトランジスタ４０１１の酸化物半導体層のチャネル形成領域と重なる位置にさらに導電層を設けてもよい。導電層を酸化物半導体層のチャネル形成領域と重なる位置に設けることによって、トランジスタ４０１１のしきい値電圧の変化量をさらに低減することができる。また、導電層は、電位がトランジスタ４０１１のゲート電極層と同じでもよいし、異なっていても良く、第２のゲート電極層として機能させることもできる。また、導電層の電位が、例えばフローティング状態であってもよい。

また、該導電層は外部の電場を遮蔽する、すなわち外部の電場が内部（トランジスタを含む回路部）に作用しないようにする機能（特に静電気に対する静電遮蔽機能）も有する。導電層の遮蔽機能により、静電気などの外部の電場の影響によりトランジスタの電気的な特性が変動することを防止することができる。

図５において、液晶素子４０１３は、第１の電極層４０３４、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層４０３８、４０３３が設けられている。

図５（Ａ）では、第２の電極層４０３１は基板４００６側に設けられ、第１の電極層４０３４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、図５（Ｂ）では、液晶層４００８の下方に開口パターンを有する第２の電極層４０３１を有し、絶縁層４０４２を介して第２の電極層４０３１のさらに下方に、平板状の第１の電極層４０３４を有する。図５（Ｂ）において開口パターンを有する第２の電極層４０３１は、屈曲部や枝分かれした櫛歯状を含む形状である。第１の電極層４０３４及び第２の電極層４０３１はその電極間に電界を発生させるため、同形状で完全に重なる配置は避ける。なお、平坦化絶縁層４０４０上に接して平板状の第２の電極層４０３１を形成し、絶縁層４０４２を介して第２の電極層４０３１上に、画素電極として機能し、開口パターンを有する第１の電極層４０３４を有する構成としてもよい。

第１の電極層４０３４、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、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４０３４、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、第１の電極層４０３４、第２の電極層４０３１として、導電性高分子（導電性ポリマーともいう）を含む導電性組成物を用いて形成することができる。導電性高分子としては、いわゆるπ電子共役系導電性高分子が用いることができる。例えば、ポリアニリン又はその誘導体、ポリピロール又はその誘導体、ポリチオフェン又はその誘導体、若しくはアニリン、ピロールおよびチオフェンの２種以上からなる共重合体若しくはその誘導体などがあげられる。

またスペーサ４０３５は絶縁層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、強誘電性液晶、反強誘電性液晶等を用いることができる。これらの液晶材料は、低分子化合物でも高分子化合物でもよい。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。この場合、液晶層４００８と、第１の電極層４０３４及び第２の電極層４０３１とは接する構造となる。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。

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、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、高い電界効果移動度が得られるため、高速駆動が可能である。例えば、このようなトランジスタを液晶表示装置に用いることで、画素部のスイッチングトランジスタと、駆動回路部に使用するドライバートランジスタを同一基板上に形成することができる。また、画素部においても、このようなトランジスタを用いることで、高画質な画像を提供することができる。

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。本実施の形態では、発光素子として有機ＥＬ素子を用いる例を示す。

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

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６（Ａ）（Ｂ）、及び図１１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。

図６（Ａ）は発光装置の平面図であり、図６（Ａ）中の一点鎖線Ｓ１−Ｔ１、Ｓ２−Ｔ２、及びＳ３−Ｔ３で切断した断面が図６（Ｂ）に相当する。また、図１１は、図６（Ａ）の一点鎖線Ｓ４−Ｔ４で切断した断面図に相当する。なお、図６（Ａ）の平面図においては、電界発光層５４２及び第２の電極層５４３は省略してあり図示していない。

図６に示す発光装置は、基板５００上に、トランジスタ５１０、容量素子５２０、配線層交差部５３０を有しており、トランジスタ５１０は発光素子５４０と電気的に接続している。なお、図６は基板５００を通過して発光素子５４０からの光を取り出す、下面射出型構造の発光装置である。

トランジスタ５１０としては、実施の形態１乃至実施の形態３に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１で示したトランジスタ３１０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５１０は、ボトムゲート構造のトランジスタである。

トランジスタ５１０はゲート電極層５１１ａ、５１１ｂ、ゲート絶縁層５０１、５０２、第１の酸化物半導体層５１２ａ、ｎ型の第２の酸化物半導体層５１２ｂ及び第３の酸化物半導体層５１２ｃを含む酸化物半導体積層５１２、ソース電極層又はドレイン電極層として機能する導電層５１３ａ、５１３ｂを含む。なお、第２の酸化物半導体層５１２ｂにおいて、第１の酸化物半導体層５１２ａと接する領域のｎ型不純物濃度は、第３の酸化物半導体層５１２ｃと接する領域のｎ型不純物濃度よりも高い。また、トランジスタ５１０上には絶縁層５２５が形成されている。

容量素子５２０は、導電層５２１ａ、５２１ｂ、ゲート絶縁層５０１、５０２、第１の酸化物半導体層５２２ａ、ｎ型を付与する不純物を含有する第２の酸化物半導体層５２２ｂ、第３の酸化物半導体層５２２ｃを含む酸化物半導体積層５２２、導電層５２３を含み、導電層５２１ａ、５２１ｂと導電層５２３とで、ゲート絶縁層５０１、５０２及び酸化物半導体積層５２２を挟む構成とすることで容量を形成する。なお、第２の酸化物半導体層５２２ｂにおいて、第１の酸化物半導体層５２２ａと接する領域のｎ型不純物濃度は、第３の酸化物半導体層５２２ｃと接する領域のｎ型不純物濃度よりも高い。

配線層交差部５３０は、ゲート電極層５１１ａ、５１１ｂと、導電層５３３との交差部であり、ゲート電極層５１１ａ、５１１ｂと、導電層５３３とは、間にゲート絶縁層５０１、５０２を介して交差する。

本実施の形態においては、ゲート電極層５１１ａ及び導電層５２１ａとして膜厚３０ｎｍのチタン膜を用い、ゲート電極層５１１ｂ及び導電層５２１ｂとして膜厚２００ｎｍの銅膜を用いる。よって、ゲート電極層はチタン膜と銅膜との積層構造となる。

トランジスタ５１０は、電流経路（チャネル）として機能する第２の酸化物半導体層を挟んで、第２の酸化物半導体層よりも導電率が低い第１の酸化物半導体層及び第３の酸化物半導体層を含む。また、第２の酸化物半導体層に含まれるｎ型不純物は、バックチャネル側と比較してチャネル側が高濃度で含有される。よって、トランジスタ５１０は電流経路が絶縁層界面から遠ざけられた埋め込みチャネル型のトランジスタであり、高い電界効果移動度を有する。また、バックチャネル側に形成されうる界面準位の影響を低減されるとともに、トランジスタの光劣化（例えば、光負バイアス劣化）を低減された信頼性の高いトランジスタである。

トランジスタ５１０、容量素子５２０、及び配線層交差部５３０上には層間絶縁層５０４が形成され、層間絶縁層５０４上において発光素子５４０と重畳する領域にカラーフィルタ層５０５が設けられている。層間絶縁層５０４及びカラーフィルタ層５０５上には平坦化絶縁層として機能する絶縁層５０６が設けられている。

絶縁層５０６上に第１の電極層５４１、電界発光層５４２、第２の電極層５４３の順に積層した積層構造を含む発光素子５４０が設けられている。発光素子５４０とトランジスタ５１０とは、導電層５１３ａに達する絶縁層５０６及び層間絶縁層５０４に形成された開口において、第１の電極層５４１及び導電層５１３ａが接することによって電気的に接続されている。なお、第１の電極層５４１の一部及び該開口を覆うように隔壁５０７が設けられている。

絶縁層５０６には膜厚１５００ｎｍの感光性のアクリル膜、隔壁５０７には膜厚１５００ｎｍの感光性のポリイミド膜を用いることができる。

カラーフィルタ層５０５としては、例えば有彩色の透光性樹脂を用いることができる。有彩色の透光性樹脂としては、感光性、非感光性の有機樹脂を用いることができるが、感光性の有機樹脂層を用いるとレジストマスク数を削減することができるため、工程が簡略化し好ましい。

有彩色は、黒、灰、白などの無彩色を除く色であり、カラーフィルタ層は、着色された有彩色の光のみを透過する材料で形成される。有彩色としては、赤色、緑色、青色などを用いることができる。また、シアン、マゼンダ、イエロー（黄）などを用いてもよい。着色された有彩色の光のみを透過するとは、カラーフィルタ層における透過光は、その有彩色の光の波長にピークを有するということである。カラーフィルタ層は、含ませる着色材料の濃度と光の透過率の関係に考慮して、最適な膜厚を適宜制御するとよい。例えば、カラーフィルタ層５０５の膜厚は１５００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下とすればよい。

隔壁５０７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５４１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５４２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５４０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５４３及び隔壁５０７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５４０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５４０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、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の粒子又は第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。

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る。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。

また、平坦化絶縁層として機能する絶縁層５０６は、アクリル樹脂、ポリイミド、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド、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、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等の低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）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層を複数積層させることで、絶縁層５０６を形成してもよい。

絶縁層５０６の形成法は、特に限定されず、その材料に応じて、スパッタリング法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法）、スクリーン印刷、オフセット印刷等を用いることができる。

第１の電極層５４１、第２の電極層５４３としては、図５に示す表示装置の第１の電極層４０３４、第２の電極層４０３１と同様の材料を適用することができる。

本実施の形態においては、図６に示す発光装置は下面射出型なので、第１の電極層５４１は透光性、第２の電極層５４３は反射性を有する。よって、第１の電極層５４１に金属膜を用いる場合は透光性を保てる程度膜厚を薄く、第２の電極層５４３に透光性を有する導電層を用いる場合は、反射性を有する導電層を積層するとよい。

また、駆動回路保護用の保護回路を設けてもよい。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３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。

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６）
実施の形態１乃至実施の形態３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７（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７（Ａ）はフォトセンサの等価回路であり、図７（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、酸化物半導体層を用いるトランジスタと明確に判明できるように、酸化物半導体層を用いるトランジスタの記号には「ＯＳ」と記載している。図７（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３に示したトランジスタが適用でき、酸化物半導体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３１０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６４０は、ボトムゲート構造のトランジスタである。

図７（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（素子基板）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上には絶縁層６３２、層間絶縁層６３３、層間絶縁層６３４が設けられている。フォトダイオード６０２は、層間絶縁層６３３上に形成された電極層６４１ｂと、電極層６４１ｂ上に順に積層された第１半導体膜６０６ａ、第２半導体膜６０６ｂ、及び第３半導体膜６０６ｃと、層間絶縁層６３４上に設けられ、第１乃至第３の半導体膜を介して電極層６４１ｂと電気的に接続する電極層６４２と、電極層６４１ｂと同じ層に設けられ、電極層６４２と電気的に接続する電極層６４１ａと、を有している。

電極層６４１ｂは、層間絶縁層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６４１ａ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（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層を用いるとよい。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。

トランジスタ６４０は、電流経路（チャネル）として機能する第２の酸化物半導体層を挟んで、第２の酸化物半導体層よりも導電率が低い第１の酸化物半導体層及び第３の酸化物半導体層を含む。また、第２の酸化物半導体層に含まれるｎ型不純物は、バックチャネル側と比較してチャネル側が高濃度で含有される。よって、トランジスタ６４０は電流経路が絶縁層界面から遠ざけられた埋め込みチャネル型のトランジスタであり、高い電界効果移動度を有する。また、バックチャネル側に形成されうる界面準位の影響を低減されるとともに、トランジスタの光劣化（例えば、光負バイアス劣化）を低減された信頼性の高いトランジスタである。

絶縁層６３２、層間絶縁層６３３、層間絶縁層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、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法）、スクリーン印刷、オフセット印刷等を用いて形成することができる。

層間絶縁層６３３、６３４としては、表面凹凸を低減するため平坦化絶縁層として機能する絶縁層が好ましい。層間絶縁層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系樹脂、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７）
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、又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８に示す。

図８（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が組み込まれており、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。

上記実施の形態のいずれかに示す半導体装置は、表示部９００３に用いることが可能であり、電子機器に高い信頼性を付与することができる。

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、又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８（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が組み込まれており、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８（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又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）又は双方向（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。

上記実施の形態のいずれかに示す半導体装置は、表示部９１０３、９１０７に用いることが可能であり、テレビジョン装置、及びリモコン操作機に高い信頼性を付与することができる。

図８（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。

上記実施の形態のいずれかに示す半導体装置は、表示部９２０３に用いることが可能であり、コンピュータに高い信頼性を付与することができる。

図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は２つ折り可能なタブレット型端末である。図９（Ａ）は、開いた状態であり、タブレット型端末は、筐体９６３０、表示部９６３１ａ、表示部９６３１ｂ、表示モード切り替えスイッチ９０３４、電源スイッチ９０３５、省電力モード切り替えスイッチ９０３６、留め具９０３３、操作スイッチ９０３８、を有する。

上記実施の形態のいずれかに示す半導体装置は、表示部９６３１ａ、表示部９６３１ｂに用いることが可能であり、信頼性の高いタブレット型端末とすることが可能となる。

表示部９６３１ａは、一部をタッチパネルの領域９６３２ａとすることができ、表示された操作キー９６３８にふれることでデータ入力をすることができる。なお、表示部９６３１ａにおいては、一例として半分の領域が表示のみの機能を有する構成、もう半分の領域がタッチパネルの機能を有する構成を示しているが該構成に限定されない。表示部９６３１ａの全ての領域がタッチパネルの機能を有する構成としても良い。例えば、表示部９６３１ａの全面をキーボードボタン表示させてタッチパネルとし、表示部９６３１ｂを表示画面として用いることができる。

また、表示部９６３１ｂにおいても表示部９６３１ａと同様に、表示部９６３１ｂの一部をタッチパネルの領域９６３２ｂとすることができる。また、タッチパネルのキーボード表示切り替えボタン９６３９が表示されている位置に指やスタイラスなどでふれることで表示部９６３１ｂにキーボードボタン表示することができる。

また、タッチパネルの領域９６３２ａとタッチパネルの領域９６３２ｂに対して同時にタッチ入力することもできる。

また、表示モード切り替えスイッチ９０３４は、縦表示又は横表示などの表示の向きを切り替え、白黒表示やカラー表示の切り替えなどを選択できる。省電力モード切り替えスイッチ９０３６は、タブレット型端末に内蔵している光センサで検出される使用時の外光の光量に応じて表示の輝度を最適なものとすることができる。タブレット型端末は光センサだけでなく、ジャイロ、加速度センサ等の傾きを検出するセンサなどの他の検出装置を内蔵させてもよい。

また、図９（Ａ）では表示部９６３１ｂと表示部９６３１ａの表示面積が同じ例を示しているが特に限定されず、一方のサイズともう一方のサイズが異なっていてもよく、表示の品質も異なっていてもよい。例えば一方が他方よりも高精細な表示を行える表示パネルとしてもよい。

図９（Ｂ）は、閉じた状態であり、タブレット型端末は、筐体９６３０、太陽電池９６３３、充放電制御回路９６３４を有する。なお、図９（Ｂ）では充放電制御回路９６３４の一例としてバッテリー９６３５、ＤＣＤＣコンバータ９６３６を有する構成について示している。

なお、タブレット型端末は２つ折り可能なため、未使用時に筐体９６３０を閉じた状態にすることができる。従って、表示部９６３１ａ、表示部９６３１ｂを保護できるため、耐久性に優れ、長期使用の観点からも信頼性の優れたタブレット型端末を提供できる。

また、この他にも図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示したタブレット型端末は、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示する機能、カレンダー、日付又は時刻などを表示部に表示する機能、表示部に表示した情報をタッチ入力操作又は編集するタッチ入力機能、様々なソフトウェア（プログラム）によって処理を制御する機能、等を有することができる。

タブレット型端末の表面に装着された太陽電池９６３３によって、電力をタッチパネル、表示部、又は映像信号処理部等に供給することができる。なお、太陽電池９６３３は、筐体９６３０の片面又は両面に設けることができ、バッテリー９６３５の充電を効率的に行うことができる。なおバッテリー９６３５としては、リチウムイオン電池を用いると、小型化を図れる等の利点がある。

また、図９（Ｂ）に示す充放電制御回路９６３４の構成、及び動作について図９（Ｃ）にブロック図を示し説明する。図９（Ｃ）には、太陽電池９６３３、バッテリー９６３５、ＤＣＤＣコンバータ９６３６、コンバータ９６３７、スイッチＳＷ１乃至ＳＷ３、表示部９６３１について示しており、バッテリー９６３５、ＤＣＤＣコンバータ９６３６、コンバータ９６３７、スイッチＳＷ１乃至ＳＷ３が、図９（Ｂ）に示す充放電制御回路９６３４に対応する箇所となる。

まず外光により太陽電池９６３３により発電がされる場合の動作の例について説明する。太陽電池９６３３で発電した電力は、バッテリー９６３５を充電するための電圧となるようＤＣＤＣコンバータ９６３６で昇圧又は降圧がなされる。そして、表示部９６３１の動作に太陽電池９６３３からの電力が用いられる際にはスイッチＳＷ１をオンにし、コンバータ９６３７で表示部９６３１に必要な電圧に昇圧又は降圧をすることとなる。また、表示部９６３１での表示を行わない際には、ＳＷ１をオフにし、ＳＷ２をオンにしてバッテリー９６３５の充電を行う構成とすればよい。

なお太陽電池９６３３については、発電手段の一例として示したが、特に限定されず、圧電素子（ピエゾ素子）や熱電変換素子（ペルティエ素子）などの他の発電手段によるバッテリー９６３５の充電を行う構成であってもよい。例えば、無線（非接触）で電力を送受信して充電する無接点電力伝送モジュールや、また他の充電手段を組み合わせて行う構成としてもよい。

Ｓ１第１の酸化物半導体層
Ｓ２第２の酸化物半導体層
Ｓ２１第１の領域
Ｓ２２第２の領域
Ｓ３第３の酸化物半導体層
１０ａスパッタ装置
１０ｂスパッタ装置
１０ｃスパッタ装置
１１基板供給室
１２ａロードロック室
１２ｂロードロック室
１３搬送室
１４カセットポート
１５基板加熱室
３１０トランジスタ
３２０トランジスタ
３３０トランジスタ
４００基板
４０２ゲート電極層
４０４ゲート絶縁層
４０４ａゲート絶縁層
４０４ｂゲート絶縁層
４０７ａ酸化物半導体膜
４０７ｂ酸化物半導体膜
４０７ｂ１第１の領域
４０７ｂ２第２の領域
４０７ｃ酸化物半導体膜
４０８酸化物半導体積層
４０８ａ第１の酸化物半導体層
４０８ｂ第２の酸化物半導体層
４０８ｂ１第１の領域
４０８ｂ２第２の領域
４０８ｃ第３の酸化物半導体層
４１０導電層
４１０ａソース電極層
４１０ｂドレイン電極層
４１１導電膜
４１２絶縁層
４１２ａ絶縁層
４１２ｂ絶縁層
４２８ｃ第３の酸化物半導体層
４３７ａ酸化物半導体膜
４３７ｂ酸化物半導体膜
４３７ｃ酸化物半導体膜
４３８酸化物半導体積層
４３８ａ第１の酸化物半導体層
４３８ｂ第２の酸化物半導体層
４３８ｂ１第１の領域
４３８ｂ２第２の領域
４３８ｃ第３の酸化物半導体層
４６０レジストマスク
４６２ａレジストマスク
４６２ｂレジストマスク
５００基板
５０１ゲート絶縁層
５０２ゲート絶縁層
５０４層間絶縁層
５０５カラーフィルタ層
５０６絶縁層
５０７隔壁
５１０トランジスタ
５１１ａゲート電極層
５１１ｂゲート電極層
５１２酸化物半導体積層
５１２ａ第１の酸化物半導体層
５１２ｂ第２の酸化物半導体層
５１２ｃ第３の酸化物半導体層
５１３ａ導電層
５１３ｂ導電層
５２０容量素子
５２１ａ導電層
５２１ｂ導電層
５２２酸化物半導体積層
５２２ａ第１の酸化物半導体層
５２２ｂ第２の酸化物半導体層
５２２ｃ第３の酸化物半導体層
５２３導電層
５２５絶縁層
５３０配線層交差部
５３３導電層
５４０発光素子
５４１電極層
５４２電界発光層
５４３電極層
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
６３２絶縁層
６３３層間絶縁層
６３４層間絶縁層
６４０トランジスタ
６４１ａ電極層
６４１ｂ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
２０００基板
２００１スパッタリング粒子
２００２スパッタリングターゲット
２００３チャンバー
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
４０１８ＦＰＣ
４０１９異方性導電層
４０２０ａゲート絶縁層
４０２０ｂゲート絶縁層
４０３１電極層
４０３２ａ絶縁層
４０３２ｂ絶縁層
４０３３絶縁層
４０３４電極層
４０３５スペーサ
４０３８絶縁層
４０４０平坦化絶縁層
４０４２絶縁層
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
９０３３留め具
９０３４スイッチ
９０３５電源スイッチ
９０３６スイッチ
９０３８操作スイッチ
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
９６３０筐体
９６３１表示部
９６３１ａ表示部
９６３１ｂ表示部
９６３２ａ領域
９６３２ｂ領域
９６３３太陽電池
９６３４充放電制御回路
９６３５バッテリー
９６３６ＤＣＤＣコンバータ
９６３７コンバータ
９６３８操作キー
９６３９ボタン

Claims

ゲート電極層と、
前記ゲート電極層上のゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層を介して前記ゲート電極層と重畳し、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積層構造を含む酸化物半導体積層と、
前記酸化物半導体積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、
前記第２の酸化物半導体層は、ｎ型不純物を含有し、且つ、前記第２の酸化物半導体層において前記第１の酸化物半導体層と接する領域は、前記第２の酸化物半導体層において前記第３の酸化物半導体層と接する領域よりも高濃度で前記ｎ型不純物を含有する半導体装置。
ゲート電極層と、
前記ゲート電極層上のゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層を介して前記ゲート電極層と重畳し、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積層構造を含む酸化物半導体積層と、
前記酸化物半導体積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、
前記第２の酸化物半導体層は、ｎ型不純物を含有し、且つ、前記第２の酸化物半導体層において前記第１の酸化物半導体層と接する領域は、前記第２の酸化物半導体層において前記第３の酸化物半導体層と接する領域よりも高濃度で前記ｎ型不純物を含有し、
前記第１の酸化物半導体層乃至前記第３の酸化物半導体層を構成する金属元素のうち、少なくとも一は同一の金属元素である半導体装置。
請求項１又は２において、
前記第１の酸化物半導体層の膜厚は、前記第２の酸化物半導体層の膜厚よりも小さく、前記第３の酸化物半導体層の膜厚は、前記第２の酸化物半導体層の膜厚以上である半導体装置。
請求項１乃至３のいずれか一において、
前記第１の酸化物半導体層及び前記第３の酸化物半導体層は、ｉ型の酸化物半導体層である半導体装置。
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、前記第１の酸化物半導体層及び前記第２の酸化物半導体層を覆うように設けられる半導体装置。