JP6216616B2

JP6216616B2 - 半導体装置

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Publication number: JP6216616B2
Application number: JP2013232645A
Authority: JP
Inventors: 裕一渡邊; 普司大野
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2012-11-15
Filing date: 2013-11-11
Publication date: 2017-10-18
Anticipated expiration: 2033-11-11
Also published as: JP6460608B2; US20140131701A1; JP2018014527A; WO2014077207A1; JP2021002679A; TW201427011A; JP2014116591A; JP2019068097A; US9040984B2; TWI608616B

Description

半導体装置、特に酸化物半導体を用いた半導体装置に関する。

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）などの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、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び亜鉛（Ｚｎ）を含むアモルファス酸化物（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物）からなる半導体薄膜を用いたトランジスタが開示されている（特許文献１参照）。特に、酸化物半導体膜中のインジウムの含有量を多くすることにより、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタの移動度を高くすることができる。

特開２００６−１６５５２９号公報

しかしながら、インジウムを含む酸化物半導体膜上に、ゲート絶縁膜に一般的に用いられる、シリコンを含む絶縁膜を設けると、酸化物半導体膜に含まれていたインジウムが絶縁膜中に拡散することがある。そして、シリコンを含むゲート絶縁膜にインジウムが拡散すると、ゲート絶縁膜の絶縁耐圧が低下し、それによって、当該ゲート絶縁膜を用いたトランジスタの信頼性が低下する。

上述したような技術的背景のもと、本発明の一態様では、ゲート絶縁膜の絶縁耐圧を高めることで、高い信頼性を得ることができる半導体装置の提供を、課題の一つとする。

上述の課題を解決するため、本発明の一態様では、酸化物半導体膜にチャネル形成領域を有するトランジスタのゲート絶縁膜の材料として、インジウムなどの、酸化物半導体に含まれる金属が混入しても、十分に高い絶縁耐圧を維持することができる金属酸化物を用いる。上記金属酸化物として、酸化ガリウム、酸化ジルコニウム、または酸化ハフニウムなどが望ましい。

さらに、本発明の一態様では、金属酸化物を含む絶縁膜と、ゲート電極、ソース電極またはドレイン電極として機能する、金属を含む導電膜との間に、金属酸化物を含む絶縁膜から上記導電膜への酸素の引き抜きを抑止することができる絶縁膜（以下、保護膜と呼ぶ）を設ける。具体的に、本発明の一態様では、ゲート絶縁膜が、第１保護膜と、金属酸化物を含む絶縁膜と、第２保護絶縁膜とが、順に積層された構造を有する。

本発明の一態様により、ゲート絶縁膜の絶縁耐圧を高め、高い信頼性を有する半導体装置を提供することができる。

半導体装置の一形態を説明する平面図および断面図。半導体装置の作製方法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断面図。トランジスタの構成を説明する平面図および断面図。半導体装置の一形態を説明する平面図および断面図。半導体表示装置の構成を示す図。半導体表示装置の構成を示す図。半導体装置の断面図。電子機器の図。ＳＩＭＳ分析の結果を示す図。

以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

なお、本発明は、集積回路、ＲＦタグ、半導体表示装置など、トランジスタを用いたあらゆる半導体装置を、その範疇に含む。なお、集積回路には、マイクロプロセッサ、画像処理回路、ＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）、マイクロコントローラを含むＬＳＩ（ＬａｒｇｅＳｃａｌｅＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）やＣＰＬＤ（ＣｏｍｐｌｅｘＰＬＤ）などのプログラマブル論理回路（ＰＬＤ：ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＬｏｇｉｃＤｅｖｉｃｅ）が、その範疇に含まれる。また、半導体表示装置には、液晶表示装置、有機発光素子（ＯＬＥＤ）に代表される発光素子を各画素に備えた発光装置、電子ペーパー、ＤＭＤ（ＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ）、ＰＤＰ（ＰｌａｓｍａＤｉｓｐｌａｙＰａｎｅｌ）、ＦＥＤ（ＦｉｅｌｄＥｍｉｓｓｉｏｎＤｉｓｐｌａｙ）など、半導体膜を用いた回路素子を駆動回路に有している半導体表示装置が、その範疇に含まれる。

（実施の形態１）
〈トランジスタの構造例１〉
図１を用いて、本発明の一態様に係る半導体装置が有する、トランジスタの構成例について説明する。図１（Ａ）は、トランジスタ１００の上面図である。また、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示したトランジスタ１００の、鎖線Ａ１−Ａ２における断面図に相当し、図１（Ｃ）は、鎖線Ａ３−Ａ４における断面図に相当する。ただし、図１（Ａ）では、トランジスタ１００のレイアウトを明確にするために、ゲート絶縁膜を含む各種絶縁膜を省略した上面図を示す。

図１に示すトランジスタ１００は、絶縁膜１２０が形成された基板１０１上に、酸化物半導体を含む半導体膜１０２と、半導体膜１０２に接するように半導体膜１０２上に位置し、一方がソース電極、他方がドレイン電極としての機能を有する、導電膜１０３ａ及び導電膜１０３ｂと、半導体膜１０２、導電膜１０３ａ及び導電膜１０３ｂ上のゲート絶縁膜１０４と、ゲート絶縁膜１０４上において半導体膜１０２と重なるように位置し、ゲート電極としての機能を有する導電膜１０５と、を有する。

図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）では、トランジスタ１００上に絶縁膜１０６が設けられている構成を例示している。トランジスタ１００は、絶縁膜１０６をその構成要素に含んでいても良い。

また、図１では、絶縁膜１２０は必ずしも設ける必要はない。ただし、絶縁膜１２０を基板１０１と半導体膜１０２の間に設けることで、基板１０１にアルカリ金属またはアルカリ土類金属などの不純物が含まれていたときに、当該不純物が半導体膜１０２に混入するのを防ぐことができる。アルカリ金属またはアルカリ土類金属は、酸化物半導体と結合してキャリアを生成する場合があるため、絶縁膜１２０を設けることで、上記キャリアによってトランジスタ１００のオフ電流が大きくなるのを防ぐことができる。

そして、本発明の一態様では、ゲート絶縁膜１０４が、順に積層された保護膜１０４ａと、金属酸化物を含む絶縁膜１０４ｂと、保護膜１０４ｃとを少なくとも有する。すなわち、ゲート絶縁膜１０４は、絶縁膜１０４ｂが保護膜１０４ａと保護膜１０４ｃに挟まれた構造を有する。そのため、トランジスタ１００では、絶縁膜１０４ｂと導電膜１０３ａ及び導電膜１０３ｂの間に保護膜１０４ａが存在しており、絶縁膜１０４ｂは導電膜１０３ａ及び導電膜１０３ｂに接していない。また、トランジスタ１００では、絶縁膜１０４ｂと導電膜１０５の間に保護膜１０４ｃが存在しており、絶縁膜１０４ｂは導電膜１０５に接していない。

絶縁膜１０４ｂは、半導体膜１０２に含まれるインジウムなどの金属が少量混入したとしても、十分に高い絶縁耐圧を維持することができる金属酸化物を用いる。上記金属酸化物として、例えば、酸化ガリウム、酸化ジルコニウム、または酸化ハフニウムを含む金属酸化物が望ましい。また、Ｇａ−Ｚｎ系酸化物のように、ガリウム、ジルコニウム、またはハフニウムに加えて、亜鉛を含む酸化物であっても良い。上記構成を有する絶縁膜１０４ｂをゲート絶縁膜１０４に用いることで、保護膜１０４ａまたは保護膜１０４ｃを介してインジウムなどの金属が、絶縁膜１０４ｂに混入しても、絶縁膜１０４ｂの絶縁耐圧が低下するのを防ぐことができる。

また、保護膜１０４ａ及び保護膜１０４ｃには、絶縁膜１０４ｂに含まれる酸素が、導電膜１０３ａ、導電膜１０３ｂ、または導電膜１０５によって引き抜かれるのを防ぐことができる絶縁膜を用いる。例えば、保護膜１０４ａ及び保護膜１０４ｃとして、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウムなどを含む絶縁膜を用いることができる。

なお、本明細書中において、酸化窒化物は、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化物は、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を指す。

金属酸化物を含む絶縁膜１０４ｂは、酸素の含有量が低下すると酸素欠損量が増加するため、酸素欠損により生成されるドナーの数も増え、絶縁耐圧が低下しやすくなる。しかし、本発明の一態様では、絶縁膜１０４ｂと導電膜１０３ａ及び導電膜１０３ｂの間に保護膜１０４ａを設け、絶縁膜１０４ｂと導電膜１０５の間に保護膜１０４ｃを設けることで、絶縁膜１０４ｂに含まれる酸素が引き抜かれるのを防ぐことができ、上記絶縁膜１０４ｂの絶縁耐圧が低下するのを防ぐことができる。

したがって、本発明の一態様では、ゲート絶縁膜１０４が、順に積層された保護膜１０４ａと、絶縁膜１０４ｂと、保護膜１０４ｃとを少なくとも有することで、酸化珪素膜など、インジウムの混入により絶縁耐圧が低下する絶縁膜だけでゲート絶縁膜が構成されているトランジスタに比べて、絶縁耐圧の高いトランジスタ１００を得ることができる。

また、酸化ガリウム、酸化ジルコニウム、及び酸化ハフニウムは、酸化珪素よりも比誘電率が高いため、トランジスタ１００の微細化に伴い、ゲート絶縁膜を介してゲート電極と半導体膜の間に流れる電流（リーク電流）が増加するのを抑えることができる。特に、酸化ジルコニウム及び酸化ハフニウムは酸化珪素に比べて比誘電率が著しく高いため、酸化珪素膜だけでゲート絶縁膜が構成されているトランジスタに比べて、微細化に伴うリーク電流の増加を抑制する効果が高い。

〈トランジスタの作製方法〉
次いで、トランジスタ１００の作製方法の一例について、図２を用いて説明する。

基板１０１は、後の作製工程における処理温度に対して、耐熱性を有する基板を用いる。例えば、基板１０１として、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、珪素や炭化珪素などの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、珪素ゲルマニウムなどの化合物半導体基板、ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などを用いることも可能である。或いは、既に半導体素子が設けられた基板を、基板１０１として用いてもよい。

絶縁膜１２０は、基板１０１に含まれる不純物が、後に形成される半導体膜１０２に混入するのを防ぐ機能を有する他、半導体膜１０２に酸素を供給する機能をも有する。よって、絶縁膜１２０の材料は酸化物であることが望ましく、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルなどを用いることができる。絶縁膜１２０は、プラズマＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法またはスパッタリング法等により、形成することができる。

また、絶縁膜１２０に、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て酸素を注入してもよい。酸素を注入することによって、絶縁膜１２０に、化学量論的組成よりも多くの酸素を、含有させることができる。

次に、絶縁膜１２０上に酸化物半導体膜を形成し、選択的にエッチングを行うことで、半導体膜１０２を形成する（図２（Ａ）参照）。

半導体膜１０２として用いることのできる酸化物半導体は、少なくともインジウム（Ｉｎ）もしくは亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。または、ＩｎとＺｎの双方を含むことが好ましい。また、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気的特性のばらつきを減らすため、それらと共に、スタビライザーを含むことが好ましい。

スタビライザーとしては、ガリウム（Ｇａ）、スズ（Ｓｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、アルミニウム（Ａｌ）、またはジルコニウム（Ｚｒ）等がある。また、他のスタビライザーとしては、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）等がある。

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、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、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−Ｚｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｉ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｃ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物等がある。

例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２、あるいはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：１：３の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。

また、半導体膜１０２に用いる酸化物半導体膜は、単結晶酸化物半導体膜と非単結晶酸化物半導体膜とに大別される。非単結晶酸化物半導体膜とは、非晶質酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、多結晶酸化物半導体膜、ＣＡＡＣ−ＯＳ（ＣＡｘｉｓＡｌｉｇｎｅｄＣｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜などをいう。

非晶質酸化物半導体膜は、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膜である。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膜が典型である。

微結晶酸化物半導体膜は、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膜は、非晶質酸化物半導体膜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膜は、非晶質酸化物半導体膜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膜の一つであり、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膜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。

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。

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膜であれば、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的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、酸化物半導体膜は、例えば、非晶質酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、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膜で構成された酸化物半導体膜は、スパッタリング法によっても作製することができる。スパッタリング法によってＣＡＡＣ−ＯＳ膜を得るには酸化物半導体膜の堆積初期段階において六方晶の結晶が形成されるようにすることと、当該結晶を種として結晶が成長されるようにすることが肝要である。そのためには、ターゲットと基板の距離を広くとり（例えば、１５０ｍｍ〜２００ｍｍ程度）、基板加熱温度を１００℃〜５００℃、好適には２００℃〜４００℃、さらに好適には２５０℃〜３００℃にすると好ましい。また、これに加えて、成膜時の基板加熱温度よりも高い温度で、堆積された酸化物半導体膜を熱処理することで膜中に含まれるミクロな欠陥や、積層界面の欠陥を修復することができる。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、例えば、多結晶である酸化物半導体スパッタリング用ターゲットを用い、スパッタリング法によって成膜する。当該スパッタリング用ターゲットにイオンが衝突すると、スパッタリング用ターゲットに含まれる結晶領域がａ−ｂ面から劈開し、ａ−ｂ面に平行な面を有する平板状またはペレット状のスパッタリング粒子として剥離することがある。この場合、当該平板状のスパッタリング粒子が、結晶状態を維持したまま基板に到達することで、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜することができる。

また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜するために、以下の条件を適用することが好ましい。

成膜時の不純物混入を低減することで、不純物によって結晶状態が崩れることを抑制できる。例えば、成膜室内に存在する不純物濃度（水素、水、二酸化炭素および窒素など）を低減すればよい。また、成膜ガス中の不純物濃度を低減すればよい。具体的には、露点が−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下である成膜ガスを用いる。

また、成膜時の基板加熱温度を高めることで、基板到達後にスパッタリング粒子のマイグレーションが起こる。具体的には、基板加熱温度を１００℃以上７４０℃以下、好ましくは２００℃以上５００℃以下として成膜する。成膜時の基板加熱温度を高めることで、平板状のスパッタリング粒子が基板に到達した場合、基板上でマイグレーションが起こり、スパッタリング粒子の平らな面が基板に付着する。

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で成膜時のプラズマダメージを軽減すると好ましい。成膜ガス中の酸素割合は、３０体積％以上、好ましくは１００体積％とする。

スパッタリング用ターゲットの一例として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ化合物ターゲットについて以下に示す。

ＩｎＯ_Ｘ粉末、ＧａＯ_Ｙ粉末およびＺｎＯ_Ｚ粉末を所定のｍｏｌ数比で混合し、加圧処理後、１０００℃以上１５００℃以下の温度で加熱処理をすることで多結晶であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ化合物ターゲットとする。なお、Ｘ、ＹおよびＺは任意の正数である。ここで、所定のｍｏｌ数比は、例えば、ＩｎＯ_Ｘ粉末、ＧａＯ_Ｙ粉末およびＺｎＯ_Ｚ粉末が、２：２：１、８：４：３、３：１：１、１：１：１、４：２：３または３：１：２である。なお、粉末の種類、およびその混合するｍｏｌ数比は、作製するスパッタリング用ターゲットによって適宜変更すればよい。

なお、半導体膜１０２を構成する酸化物半導体膜に水素が多量に含まれると、酸化物半導体と結合することによって、水素の一部がドナーとなり、キャリアである電子を生じやすい。そして、電子が生じることで、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、絶縁膜１２０上に酸化物半導体膜を形成した後、エッチングにより半導体膜１０２を形成する前に、第１の加熱処理を行うこがと好ましい。第１の加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下の温度で、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。第１の加熱処理により、酸化物半導体膜から水素または水分を除去し、絶縁膜１２０に含まれる酸素が酸化物半導体膜に供給されることで酸素欠損を補填することができる。また、第１の加熱処理により、酸化物半導体膜の結晶性を高めることができる。なお、第１の加熱処理は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上含む雰囲気で行ってもよい。上記構成により、酸化物半導体膜への酸素の供給量をより高め、酸素欠損量をより減少させることができる。

なお、第１の加熱処理は、エッチングにより半導体膜１０２を形成した後に、行われても良い。

このように、水素または水分が除去され、酸素欠損が補填されることによって高純度化された半導体膜１０２は、ｉ型（真性）またはｉ型に限りなく近い。そのため、高純度化された半導体膜１０２にチャネル形成領域を有するトランジスタ１００は、オフ電流が著しく小さく、信頼性が高い。

具体的に、高純度化された酸化物半導体膜にチャネル形成領域を有するトランジスタのオフ電流が小さいことは、いろいろな実験により証明できる。例えば、チャネル幅が１×１０^６μｍでチャネル長が１０μｍの素子であっても、ソース電極とドレイン電極間の電圧（ドレイン電圧）が１Ｖから１０Ｖの範囲において、オフ電流が、半導体パラメータアナライザの測定限界以下、すなわち１×１０^−１３Ａ以下という特性を得ることができる。この場合、トランジスタのチャネル幅で規格化したオフ電流は、１００ｚＡ／μｍ以下であることが分かる。また、容量素子とトランジスタとを接続して、容量素子に流入または容量素子から流出する電荷を当該トランジスタで制御する回路を用いて、オフ電流の測定を行った。当該測定では、高純度化された酸化物半導体膜を上記トランジスタのチャネル形成領域に用い、容量素子の単位時間あたりの電荷量の推移から当該トランジスタのオフ電流を測定した。その結果、トランジスタのソース電極とドレイン電極間の電圧が３Ｖの場合に、数十ｙＡ／μｍという、さらに小さいオフ電流が得られることが分かった。従って、高純度化された酸化物半導体膜をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、オフ電流が、結晶性を有する珪素を用いたトランジスタに比べて著しく小さい。

次に、半導体膜１０２上に導電膜を形成した後、当該導電膜をエッチング等により所望の形状に加工することで、ソース電極またはドレイン電極としての機能を有する導電膜１０３ａ及び導電膜１０３ｂを形成する（図２（Ｂ）参照）。導電膜１０３ａ及び導電膜１０３ｂは、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム、ニオブ等の金属材料を用いた導電膜、これら金属材料を主成分とする合金材料を用いた導電膜を用いることができる。

次に、絶縁膜１２０、半導体膜１０２、導電膜１０３ａおよび導電膜１０３ｂ上に、保護膜１０４ａ、絶縁膜１０４ｂ、及び保護膜１０４ｃを順に積層するように形成することで、ゲート絶縁膜１０４を形成する（図２（Ｃ）参照）。

具体的に、保護膜１０４ａまたは保護膜１０４ｃとして、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウムなどを含む絶縁膜を用いることができる。保護膜１０４ａ及び保護膜１０４ｃは、スパッタリング法、またはＣＶＤ法などを適宜用いて形成することができる。

また、絶縁膜１０４ｂには、半導体膜１０２に含まれるインジウムなどの金属が少量混入したとしても、十分に高い絶縁耐圧を維持することができる金属酸化物を用いる。上記金属酸化物として、例えば、酸化ガリウム、酸化ジルコニウム、または酸化ハフニウムなどが望ましい。また、Ｇａ−Ｚｎ系酸化物のように、ガリウム、ジルコニウム、またはハフニウムに加えて、亜鉛を含む酸化物であっても良い。

絶縁膜１０４ｂは、スパッタリング法、またはＣＶＤ法などを適宜用いて形成することができる。

そして、保護膜１０４ａ、絶縁膜１０４ｂ、及び保護膜１０４ｃは、大気にさらすことなく連続的に形成することが、各膜どうしの界面に不純物が混入するのを防ぐことができるので、好ましい。

例えば、酸化珪素を用いて保護膜１０４ａを、酸化ガリウムを用いて絶縁膜１０４ｂを、酸化珪素を用いて保護膜１０４ｃを形成する場合の、具体的な作製方法の一例について述べる。まず、酸化珪素をターゲットして用い、酸素の流量５０ｓｃｃｍ、成膜圧力０．４Ｐａ、１３．５６ＭＨｚであるＲＦ電源の電力を１．５ｋＷ、基板温度１００℃、基板とターゲット間の距離を６０ｍｍとし、スパッタリング法を用いて酸化珪素を含む膜厚１０ｎｍの保護膜１０４ａを形成する。次いで、酸化ガリウムをターゲットして用い、酸素の流量５０ｓｃｃｍ、成膜圧力０．４Ｐａ、１３．５６ＭＨｚであるＲＦ電源の電力を１ｋＷ、基板温度３５０℃、基板とターゲット間の距離を６０ｍｍとし、スパッタリング法を用いて酸化ガリウムを含む膜厚１００ｎｍの絶縁膜１０４ｂを形成する。次いで、酸化珪素をターゲットして用い、酸素の流量５０ｓｃｃｍ、成膜圧力０．４Ｐａ、１３．５６ＭＨｚであるＲＦ電源の電力を１．５ｋＷ、基板温度１００℃、基板とターゲット間の距離を６０ｍｍとし、スパッタリング法を用いて酸化珪素を含む膜厚１０ｎｍの保護膜１０４ｃを形成する。上記作製方法により、ゲート絶縁膜１０４を形成することができる。

そして、導電膜１０３ａ、導電膜１０３ｂ、または、後に形成される導電膜１０５によって、絶縁膜１０４ｂから酸素が引き抜かれるのを防ぐためには、保護膜１０４ａ及び保護膜１０４ｃの膜厚は、５ｎｍ以上、より好ましくは１０ｎｍ以上であることが望ましい。また、ゲート絶縁膜１０４の耐圧性を確保するためには、絶縁膜１０４ｂの膜厚は５ｎｍ以上、より好ましくは１０ｎｍ以上であることが望ましい。そして、ゲート絶縁膜１０４の膜厚は、１５ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下となるように、保護膜１０４ａ、絶縁膜１０４ｂ、及び保護膜１０４ｃの膜厚を、それぞれ定めれば良い。

次いで、第２の加熱処理を行うことが好ましい。第２の加熱処理は、第１の加熱処理と同様の条件で行うことができる。第２の加熱処理により、半導体膜１０２から、さらに水素や水などの不純物を除去することができる。また、ゲート絶縁膜１０４膜中から、水素、水分等を除去することができ、緻密なゲート絶縁膜１０４を形成することができる。なお、第２の加熱処理は、導電膜１０３ａ及び導電膜１０３ｂを形成した後、ゲート絶縁膜１０４を形成する前に行っても良い。

次いで、ゲート絶縁膜１０４上に、スパッタリング法などにより導電膜を形成した後、当該導電膜をエッチング等により所望の形状に加工することで、ゲート電極としての機能を有する導電膜１０５を形成する。導電膜１０５としては、アルミニウム、チタン、クロム、コバルト、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、タンタル、タングステン、またはこれらを主成分とする合金材料を用いることができる。

次いで、ゲート絶縁膜１０４、および導電膜１０５上に、絶縁膜１０６を形成する（図２（Ｄ）参照）。絶縁膜１０６としては、酸素の拡散または移動が少ない材料を用いると良い。また、絶縁膜１０６は、水素の含有量が少ない材料を用いると良い。絶縁膜１０６中の水素の含有量としては、好ましくは５×１０^１９ｃｍ^−３未満、さらに好ましくは５×１０^１８ｃｍ^−３未満とする。絶縁膜１０６中の水素の含有量を上記数値とすることによって、トランジスタ１００のオフ電流を低くすることができる。

例えば、絶縁膜１０６としては、窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜を用いるとよい。また、絶縁膜１０６は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて形成することができる。とくに、絶縁膜１０６は、スパッタリング法を用いて窒化珪素膜を形成すると、膜中の水、水素の含有量が少ないため、好ましい。

以上の工程により、図１に示すトランジスタ１００を作製することができる。

〈半導体膜の構造について〉
次いで、半導体膜１０２の構造の一例について、詳しく述べる。

半導体膜１０２は、単数の酸化物半導体膜で構成されているとは限らず、積層された複数の酸化物半導体膜で構成されていても良い。半導体膜１０２が、酸化物半導体膜１０２ａ乃至酸化物半導体膜１０２ｃで構成されている場合の、トランジスタ１００の構成例を、図３に示す。

図３（Ａ）に示すトランジスタ１００において、酸化物半導体膜１０２ａ乃至酸化物半導体膜１０２ｃは、絶縁膜１２０側から順に積層されている。

そして、酸化物半導体膜１０２ａ及び酸化物半導体膜１０２ｃは、酸化物半導体膜１０２ｂを構成する金属元素の少なくとも１つを、その構成要素に含み、伝導帯下端のエネルギーが酸化物半導体膜１０２ｂよりも０．０５ｅＶ以上、０．０７ｅＶ以上、０．１ｅＶ以上または０．１５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、１ｅＶ以下、０．５ｅＶ以下または０．４ｅＶ以下、真空準位に近い酸化物膜である。さらに、酸化物半導体膜１０２ｂは、少なくともインジウムを含むと、キャリア移動度が高くなるため好ましい。

上記構成をトランジスタ１００が有する場合、ゲート電極としての機能を有する導電膜１０５に電圧を印加することで、半導体膜１０２に電界が加わると、半導体膜１０２のうち、伝導帯下端のエネルギーが小さい酸化物半導体膜１０２ｂにチャネル領域が形成される。即ち、酸化物半導体膜１０２ｂとゲート絶縁膜１０４との間に酸化物半導体膜１０２ｃが設けられていることによって、ゲート絶縁膜１０４と離隔している酸化物半導体膜１０２ｂに、チャネル領域を形成することができる。

また、酸化物半導体膜１０２ｃは、酸化物半導体膜１０２ｂを構成する金属元素の少なくとも１つをその構成要素に含むため、酸化物半導体膜１０２ｂと酸化物半導体膜１０２ｃの界面では、界面散乱が起こりにくい。従って、当該界面においてキャリアの動きが阻害されにくいため、トランジスタ１００の電界効果移動度が高くなる。

また、酸化物半導体膜１０２ｂと酸化物半導体膜１０２ａの界面に界面準位が形成されると、界面近傍の領域にもチャネル領域が形成されるために、トランジスタ１００のしきい値電圧が変動してしまう。しかし、酸化物半導体膜１０２ａは、酸化物半導体膜１０２ｂを構成する金属元素の少なくとも１つをその構成要素に含むため、酸化物半導体膜１０２ｂと酸化物半導体膜１０２ａの界面には、界面準位が形成されにくい。よって、上記構成により、トランジスタ１００のしきい値電圧等の電気的特性のばらつきを、低減することができる。

また、酸化物半導体膜間に不純物が存在することによって、各膜の界面にキャリアの流れを阻害する界面準位が形成されることがないよう、複数の酸化物半導体膜を積層させることが望ましい。積層された酸化物半導体膜の膜間に不純物が存在していると、酸化物半導体膜間における伝導帯下端のエネルギーの連続性が失われ、界面近傍において、キャリアがトラップされるか、あるいは再結合により消滅してしまうからである。膜間における不純物を低減させることで、主成分である一の金属を少なくとも共に有する複数の酸化物半導体膜を、単に積層させるよりも、連続接合（ここでは特に伝導帯下端のエネルギーが各膜の間で連続的に変化するＵ字型の井戸構造を有している状態）が形成されやすくなる。

連続接合を形成するためには、ロードロック室を備えたマルチチャンバー方式の成膜装置（スパッタリング装置）を用いて各膜を大気に触れさせることなく連続して積層することが必要となる。スパッタリング装置における各チャンバーは、酸化物半導体にとって不純物となる水等を可能な限り除去すべくクライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて高真空排気（１×１０^−４Ｐａ〜５×１０^−７Ｐａ程度まで）することが好ましい。または、ターボ分子ポンプとコールドトラップを組み合わせて排気系からチャンバー内に気体が逆流しないようにしておくことが好ましい。

高純度の真性な酸化物半導体を得るためには、各チャンバー内を高真空排気するのみならず、スパッタリングに用いるガスの高純度化も重要である。上記ガスとして用いる酸素ガスやアルゴンガスの露点を、−４０℃以下、好ましくは−８０℃以下、より好ましくは−１００℃以下とし、使用するガスの高純度化を図ることで、酸化物半導体膜に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。

例えば、酸化物半導体膜１０２ａまたは酸化物半導体膜１０２ｃは、アルミニウム、シリコン、チタン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、スズ、ランタン、セリウムまたはハフニウムを、酸化物半導体膜１０２ｂよりも高い原子数比で含む酸化物膜であればよい。具体的に、酸化物半導体膜１０２ａまたは酸化物半導体膜１０２ｃとして、酸化物半導体膜１０２ｂよりも上述の元素を１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上高い原子数比で含む酸化物膜を用いると良い。前述の元素は酸素と強く結合するため、酸素欠損が酸化物膜に生じることを抑制する機能を有する。よって、上記構成により、酸化物半導体膜１０２ａまたは酸化物半導体膜１０２ｃを、酸化物半導体膜１０２ｂよりも酸素欠損が生じにくい酸化物膜にすることができる。

具体的に、酸化物半導体膜１０２ｂと、酸化物半導体膜１０２ａまたは酸化物半導体膜１０２ｃとが、共にＩｎ−Ｍ−Ｚｎ系酸化物膜である場合、酸化物半導体膜１０２ａまたは酸化物半導体膜１０２ｃの原子数比をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ_１：ｙ_１：ｚ_１、酸化物半導体膜１０２ｂの原子数比をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ_２：ｙ_２：ｚ_２とすると、ｙ_１／ｘ_１がｙ_２／ｘ_２よりも大きくなるように、その原子数比を設定すれば良い。なお、元素ＭはＩｎよりも酸素との結合力が強い金属元素であり、例えばＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆ等が挙げられる。好ましくは、ｙ_１／ｘ_１がｙ_２／ｘ_２よりも１．５倍以上大きくなるように、その原子数比を設定すれば良い。さらに好ましくは、ｙ_１／ｘ_１がｙ_２／ｘ_２よりも２倍以上大きくなるように、その原子数比を設定すれば良い。より好ましくは、ｙ_１／ｘ_１がｙ_２／ｘ_２よりも３倍以上大きくなるように、その原子数比を設定すれば良い。さらに、酸化物半導体膜１０２ｂにおいて、ｙ_１がｘ_１以上であると、トランジスタ１００に安定した電気的特性を付与できるため好ましい。ただし、ｙ_１がｘ_１の３倍以上になると、トランジスタ１００の電界効果移動度が低下してしまうため、ｙ_１はｘ_１の３倍未満であると好ましい。

酸化物半導体膜１０２ａ及び酸化物半導体膜１０２ｃの厚さは、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。また、酸化物半導体膜１０２ｂの厚さは、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、さらに好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。

３層構造の半導体膜１０２において、酸化物半導体膜１０２ａ乃至酸化物半導体膜１０２ｃは、非晶質または結晶質の両方の形態を取りうる。ただし、チャネル領域が形成される酸化物半導体膜１０２ｂが結晶質であることにより、トランジスタ１００に安定した電気的特性を付与することができるため、酸化物半導体膜１０２ｂは結晶質であることが好ましい。

なお、チャネル形成領域とは、トランジスタの半導体膜のうち、ゲート電極と重なり、かつソース電極とドレイン電極に挟まれる領域を意味する。また、チャネル領域とは、チャネル形成領域において、電流が主として流れる領域をいう。

例えば、酸化物半導体膜１０２ａ及び酸化物半導体膜１０２ｃとして、スパッタリング法により形成したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物膜を用いる場合、酸化物半導体膜１０２ａ及び酸化物半導体膜１０２ｃの成膜には、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子数比］）であるスパッタリング用ターゲットを用いることができる。成膜条件は、例えば、成膜ガスとしてアルゴンガスを３０ｓｃｃｍ、酸素ガスを１５ｓｃｃｍ用い、圧力０．４Ｐａとし、基板温度を２００℃とし、ＤＣ電力０．５ｋＷとすればよい。

また、酸化物半導体膜１０２ｂをＣＡＡＣ−ＯＳ膜とする場合、酸化物半導体膜１０２ｂの成膜には、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］）であり、多結晶のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物を含むスパッタリング用ターゲットを用いることが好ましい。成膜条件は、例えば、成膜ガスとしてアルゴンガスを３０ｓｃｃｍ、酸素ガスを１５ｓｃｃｍ用い、圧力を０．４Ｐａとし、基板の温度３００℃とし、ＤＣ電力０．５ｋＷとすることができる。

なお、図３（Ａ）では、平坦な絶縁膜１２０上に半導体膜１０２が設けられている構造を示している。しかし、本発明の一態様では、図３（Ｂ）に示すように、エッチングにより半導体膜１０２を形成する際に、絶縁膜１２０の一部も共にエッチングされていても良い。この場合、絶縁膜１２０が、半導体膜１０２の下に位置する領域に凸部を有することとなる。

また、図３（Ａ）では、半導体膜１０２の端部が傾斜している構造を示している。しかし、本発明の一態様では、図３（Ｃ）に示すように、半導体膜１０２の端部が丸みを帯びる構造を有していても良い。

なお、図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）では積層構造の半導体膜１０２を例示しているが、図３（Ｂ）に示した絶縁膜１２０の構造と、図３（Ｃ）に示した半導体膜１０２の端部の構造については、半導体膜１０２が単層構造を有する場合にも、適用させることができる。

〈トランジスタの構造例２〉
次いで、図４を用いて、図１に示したトランジスタ１００に、半導体膜１０２を間に挟んで導電膜１０５と対峙する位置に、ゲート電極としての機能を有する導電膜が設けられた構造を有する、トランジスタ１００の構成例について説明する。

図４（Ａ）は、トランジスタ１００の上面図である。また、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示したトランジスタ１００の、鎖線Ｂ１−Ｂ２における断面図に相当し、図４（Ｃ）は、鎖線Ｂ３−Ｂ４における断面図に相当する。ただし、図４（Ａ）では、トランジスタ１００のレイアウトを明確にするために、ゲート絶縁膜を含む各種絶縁膜を省略した上面図を示す。

図４に示すトランジスタ１００では、基板１０１と絶縁膜１２０との間に、ゲート電極としての機能を有する導電膜１２１が設けられている。また、導電膜１２１は、絶縁膜１２０、半導体膜１０２、及びゲート絶縁膜１０４を間に挟んで、導電膜１０５と重なっている。なお、図４では、基板１０１上に接するように導電膜１２１が設けられている場合を例示しているが、基板１０１と導電膜１２１の間に、絶縁膜が設けられていても良い。

また、図４では、絶縁膜１２０が、順に積層された保護膜１２０ａと、金属酸化物を含む絶縁膜１２０ｂと、保護膜１２０ｃとを有する場合を例示している。すなわち、絶縁膜１２０は、絶縁膜１２０ｂが保護膜１２０ａと保護膜１２０ｃに挟まれた構造を有する。そのため、トランジスタ１００では、絶縁膜１２０ｂと導電膜１２１の間に保護膜１２０ａが存在しており、絶縁膜１２０ｂは導電膜１２１に接していない。また、トランジスタ１００では、絶縁膜１２０ｂと導電膜１０３ａ及び導電膜１０３ｂの間に保護膜１２０ｃが存在しており、絶縁膜１２０ｂは導電膜１０３ａ及び導電膜１０３ｂに接していない。

絶縁膜１２０ｂは、半導体膜１０２に含まれるインジウムなどの金属が少量混入したとしても、十分に高い絶縁耐圧を維持することができる金属酸化物を用いる。上記金属酸化物として、例えば、酸化ガリウム、酸化ジルコニウム、または酸化ハフニウムなどが望ましい。また、Ｇａ−Ｚｎ系酸化物のように、ガリウム、ジルコニウム、またはハフニウムに加えて、亜鉛を含む酸化物であっても良い。上記構成を有する絶縁膜１２０ｂを絶縁膜１２０に用いることで、保護膜１２０ａまたは保護膜１２０ｃを介してインジウムなどの金属が、絶縁膜１２０ｂに混入しても、絶縁膜１２０ｂの絶縁耐圧が低下するのを防ぐことができる。

また、保護膜１２０ａ及び保護膜１２０ｃには、絶縁膜１２０ｂに含まれる酸素が、導電膜１０３ａ、導電膜１０３ｂ、または導電膜１２１によって引き抜かれるのを防ぐことができる絶縁膜を用いる。例えば、保護膜１２０ａ及び保護膜１２０ｃとして、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウムなどを含む絶縁膜を用いることができる。

金属酸化物を含む絶縁膜１２０ｂは、酸素の含有量が低下すると酸素欠損量が増加するため、酸素欠損により生成されるドナーの数も増え、絶縁耐圧が低下しやすくなる。しかし、本発明の一態様では、絶縁膜１２０ｂと導電膜１２１の間に保護膜１２０ａを設け、絶縁膜１２０ｂと導電膜１０３ａ及び導電膜１０３ｂの間に保護膜１２０ｃを設けることで、絶縁膜１２０ｂに含まれる酸素が引き抜かれるのを防ぐことができ、上記絶縁膜１２０ｂの絶縁耐圧が低下するのを防ぐことができる。

したがって、本発明の一態様では、絶縁膜１２０が、順に積層された保護膜１２０ａと、絶縁膜１２０ｂと、保護膜１２０ｃとを少なくとも有することで、酸化珪素膜など、インジウムの混入により絶縁耐圧が低下する絶縁膜だけでゲート絶縁膜が構成されているトランジスタに比べて、絶縁耐圧の高いトランジスタ１００を得ることができる。

なお、絶縁膜１２０は、必ずしも上述した構成を有する必要はなく、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウムなどを含む単層の絶縁膜で構成されていても良い。

〈トランジスタの構造例３〉
次いで、図５を用いて、本発明の一態様に係る半導体装置が有する、トランジスタの別の構成例について説明する。

図５（Ａ）は、トランジスタ２００の上面図である。また、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示したトランジスタ２００の、鎖線Ｃ１−Ｃ２における断面図に相当し、図５（Ｃ）は、鎖線Ｃ３−Ｃ４における断面図に相当する。ただし、図５（Ａ）では、トランジスタ２００のレイアウトを明確にするために、ゲート絶縁膜を含む各種絶縁膜を省略した上面図を示す。

図５に示すトランジスタ２００は、基板１０１上に、ゲート電極としての機能を有する導電膜１０５と、導電膜１０５上のゲート絶縁膜１０４と、ゲート絶縁膜１０４上において導電膜１０５と重なるように位置する、酸化物半導体を含む半導体膜１０２と、半導体膜１０２に接するように半導体膜１０２上に位置し、一方がソース電極、他方がドレイン電極としての機能を有する、導電膜１０３ａ及び導電膜１０３ｂと、を有する。

図５（Ｂ）及び図５（Ｃ）では、トランジスタ２００上に絶縁膜１０６が設けられている構成を例示している。トランジスタ２００は、絶縁膜１０６をその構成要素に含んでいても良い。

また、図５では、基板１０１上に接するように導電膜１０５が設けられている場合を例示しているが、基板１０１と導電膜１０５の間に絶縁膜が設けられていても良い。

そして、図５に示すトランジスタ２００も、図１に示すトランジスタ１００と同様に、ゲート絶縁膜１０４が、順に積層された保護膜１０４ａと、金属酸化物を含む絶縁膜１０４ｂと、保護膜１０４ｃとを少なくとも有する。そして、図５に示すトランジスタ２００の場合、絶縁膜１０４ｂと導電膜１０５の間に保護膜１０４ａが存在しており、絶縁膜１０４ｂは導電膜１０５に接していない。また、トランジスタ２００では、絶縁膜１０４ｂと導電膜１０３ａ及び導電膜１０３ｂの間に保護膜１０４ｃが存在しており、絶縁膜１０４ｂは導電膜１０３ａ及び導電膜１０３ｂに接していない。

本発明の一態様では、ゲート絶縁膜１０４が、順に積層された保護膜１０４ａと、絶縁膜１０４ｂと、保護膜１０４ｃとを少なくとも有することで、酸化珪素膜など、インジウムの混入により絶縁耐圧が低下する絶縁膜だけでゲート絶縁膜が構成されているトランジスタに比べて、絶縁耐圧の高いトランジスタ２００を得ることができる。

また、酸化ガリウム、酸化ジルコニウム、及び酸化ハフニウムは、酸化珪素よりも比誘電率が高いため、トランジスタ２００の微細化に伴い、ゲート絶縁膜を介してゲート電極と半導体膜の間に流れる電流（リーク電流）が増加するのを抑えることができる。特に、酸化ジルコニウム及び酸化ハフニウムは酸化珪素に比べて比誘電率が著しく高いため、酸化珪素膜だけでゲート絶縁膜が構成されているトランジスタに比べて、微細化に伴うリーク電流の増加を抑制する効果が高い。

（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の半導体装置の一つに相当する半導体表示装置の、構成例について説明する。

図６（Ａ）に示すパネル６０には、画素部６１に、複数の画素６２と、画素６２を行毎に選択するための、走査線ＧＬ１乃至走査線ＧＬｍ（ｍは自然数）で示される走査線ＧＬと、選択された画素６２に画像信号を供給するための、信号線ＳＬ１乃至信号線ＳＬｎ（ｎは自然数）で示される信号線ＳＬとが、設けられている。走査線ＧＬへの信号の入力は、走査線駆動回路６３により制御されている。信号線ＳＬへの画像信号の入力は、信号線駆動回路６４により制御されている。複数の画素６２は、走査線ＧＬの少なくとも一つと、信号線ＳＬの少なくとも一つとに、それぞれ接続されている。

なお、画素部６１に設けられる配線の種類及びその数は、画素６２の構成、数及び配置によって決めることができる。具体的に、図６（Ａ）に示す画素部６１の場合、ｎ列×ｍ行の画素６２がマトリクス状に配置されており、信号線ＳＬ１乃至信号線ＳＬｎ、走査線ＧＬ１乃至走査線ＧＬｍが、画素部６１内に配置されている場合を例示している。

また、図６（Ｂ）に、画素６２の構成を一例として示す。各画素６２は、液晶素子６５と、当該液晶素子６５への画像信号の供給を制御するトランジスタ６６と、液晶素子６５の画素電極と共通電極間の電圧を保持するための容量素子６７とを有する。液晶素子６５は、画素電極と、共通電極と、画素電極と共通電極の間の電圧が印加される液晶材料を含んだ液晶層と、を有している。

トランジスタ６６は、液晶素子６５の画素電極に、信号線ＳＬの電位を与えるか否かを制御する。液晶素子６５の共通電極には、所定の電位が与えられている。

以下、トランジスタ６６と液晶素子６５の具体的な接続関係について説明する。図６（Ｂ）では、トランジスタ６６のゲート電極が、走査線ＧＬ１から走査線ＧＬｍのいずれか１つに接続されている。トランジスタ６６のソース電極及びドレイン電極の一方は、信号線ＳＬ１から信号線ＳＬｎのいずれか１つに接続され、トランジスタ６６のソース電極及びドレイン電極の他方は、液晶素子６５の画素電極に接続されている。

なお、本明細書において接続とは電気的な接続を意味しており、電流、電圧または電位が、供給可能、或いは伝送可能な状態に相当する。従って、接続している状態とは、直接接続している状態を必ずしも指すわけではなく、電流、電圧または電位が、供給可能、或いは伝送可能であるように、抵抗、ダイオード、トランジスタなどの素子を介して電気的に接続している状態も、その範疇に含む。

図６（Ｂ）では、画素６２において、画像信号の画素６２への入力を制御するスイッチとして、一のトランジスタ６６を用いる場合を例示している。しかし、一のスイッチとして機能する、複数のトランジスタを、画素６２に用いていても良い。

本発明の一態様では、トランジスタ６６として、実施の形態１で示したようなトランジスタ１００を用いることで、半導体表示装置の信頼性を高めることができる。また、トランジスタ１００はオフ電流が著しく小さいため、トランジスタ１００をトランジスタ６６として用いると、トランジスタ６６を介して電荷がリークするのを防ぐことができる。よって、液晶素子６５及び容量素子６７に与えられた画像信号の電位をより確実に保持することができるので、１フレーム期間内において電荷のリークにより液晶素子６５の透過率が変化するのを防ぎ、それにより、表示する画像の質を向上させることができる。また、トランジスタ６６のオフ電流が小さい場合、トランジスタ６６を介して電荷がリークするのを防ぐことができるため、容量素子６７の面積を小さく抑えることができる。よって、パネル６０の透過率を高め、それにより、バックライトやフロントライトなどの光供給部から供給される光の、パネル６０の内部における損失を低減し、液晶表示装置の消費電力を低減させることができる。或いは、静止画を表示する期間において、走査線駆動回路６３及び信号線駆動回路６４への電源電位または信号の供給を停止しても良い。上記構成により、画素部６１への画像信号の書き込み回数を少なくし、半導体表示装置の消費電力を低減させることができる。

次いで、図６（Ｃ）に、画素６２の別の一例を示す。画素６２は、画素６２への画像信号の入力を制御するトランジスタ７０と、発光素子７３と、画像信号に従って発光素子７３に供給する電流値を制御するトランジスタ７１と、画像信号の電位を保持するための容量素子７２と、を有する。

発光素子７３のアノードとカソードのいずれか一方は、画素６２に入力される画像信号に従ってその電位が制御される。発光素子７３のアノードとカソードのいずれか他方には、所定の電位が与えられる。そして、発光素子７３の輝度は、アノードとカソード間の電位差によって定まる。画素部が有する複数の画素６２のそれぞれにおいて、発光素子７３の輝度が画像情報を有する画像信号に従って調整されることで、画素部６１に画像が表示される。

次いで、画素６２が有する、トランジスタ７０、トランジスタ７１、容量素子７２、発光素子７３の接続構成について説明する。

トランジスタ７０は、ソース電極またはドレイン電極の一方が信号線ＳＬに接続され、ソース電極またはドレイン電極の他方がトランジスタ７１のゲート電極に接続されている。トランジスタ７０のゲート電極は、走査線ＧＬに接続されている。トランジスタ７１は、ソース電極またはドレイン電極の一方が電源線ＶＬに接続され、ソース電極またはドレイン電極の他方が発光素子７３に接続されている。具体的に、トランジスタ７１のソース電極またはドレイン電極の他方は、発光素子７３のアノードとカソードのいずれか一方に接続されている。発光素子７３のアノードとカソードのいずれか他方には、所定の電位が与えられる。

なお、図６（Ｃ）では、画素６２が容量素子７２を有する場合を例示しているが、例えばトランジスタ７０のゲート電極と半導体膜の間に形成されるゲート容量や、ゲート電極の寄生容量が十分大きい場合など、他の容量により画像信号の電位を十分保持できる場合には、必ずしも容量素子７２を画素６２に設ける必要はない。

発光素子７３は、ＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）やＯＬＥＤ（ＯｒｇａｎｉｃＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）などの、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いる。例えば、ＯＬＥＤは、ＥＬ層と、アノードと、カソードとを少なくとも有している。ＥＬ層はアノードとカソードの間に設けられた単層または複数の層で構成されており、これらの層の中に、発光性の物質を含む発光層を少なくとも含んでいる。

なお、ＥＬ層は、カソードとアノード間の電位差が、発光素子７３の閾値電圧以上になったときに供給される電流により、エレクトロルミネッセンスが得られる。エレクトロルミネッセンスには、一重項励起状態から基底状態に戻る際の発光（蛍光）と三重項励起状態から基底状態に戻る際の発光（リン光）とが含まれる。

本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。

（実施の形態３）
〈インジウムの酸化窒化珪素膜への拡散について〉
実際に、シリコン基板上に、膜厚３００ｎｍの酸化珪素膜、インジウムを含む膜厚１００ｎｍの酸化物半導体膜、膜厚１００ｎｍの酸化窒化珪素膜の順に形成し、酸化窒化珪素膜、及びインジウムを含む酸化物半導体膜について、ＳＩＭＳ（ＳｅｃｏｎｄａｒｙＩｏｎＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）分析を行った。なお、インジウムを含む酸化物半導体膜は、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１のターゲットを用いて、基板温度を２００℃とし、スパッタリング法により形成した。また、酸化窒化珪素膜は、基板温度を４００℃とし、流量をＳｉＨ_４＝１ｓｃｃｍ、Ｎ_２Ｏ＝８００ｓｃｃｍとして、プラズマＣＶＤ法で形成した。

インジウムについてのＳＩＭＳ分析の結果を、図１０に示す。図１０において、ＳｉＯＮで示される矢印は、酸化窒化珪素膜が存在する深さ方向の範囲を意味し、ＩＧＺＯで示される矢印は、インジウムを含む酸化物半導体膜が存在する深さ方向の範囲を意味する。

図１０に示すように、インジウムを含む酸化物半導体膜と酸化窒化珪素膜との界面から約４０ｎｍ程度、１．０×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３乃至１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の濃度範囲でインジウムが酸化窒化珪素膜中に拡散している。図１０から、酸化物半導体膜中に含まれていたインジウムが、酸化窒化珪素膜中に拡散する現象が確認された。よって、インジウムを含む酸化物半導体膜を設け、ゲート絶縁膜として当該酸化物半導体膜上に珪素を含む絶縁膜を設けてトランジスタを作製した場合、同様にゲート絶縁膜中にインジウムが拡散されることが示唆された。

（実施の形態４）
〈液晶表示装置の構成〉
次いで、本発明の一態様に係る半導体装置の一つに相当する、液晶表示装置の構成について、図７（Ａ）を用いて説明する。図７（Ａ）は、基板４００１と基板４００６とをシール材４００５によって接着させた液晶表示装置の断面図に相当する。

図７（Ａ）では、基板４００１と基板４００６の間において、シール材４００５によって囲まれた領域に、液晶層４００７が封止されている。また、図７（Ａ）では、画素に含まれるトランジスタ４０１０を図示している。液晶素子４０１１が有する画素電極４０３０は、トランジスタ４０１０に接続されている。そして、液晶素子４０１１の共通電極４０３１は、基板４００６に形成されている。画素電極４０３０と共通電極４０３１と液晶層４００７とが重なっている部分が、液晶素子４０１１に相当する。

なお、図７（Ａ）では、共通電極４０３１が基板４００６に設けられている場合を例示しているが、本発明の一態様に係る液晶表示装置では、共通電極４０３１が基板４００１に設けられていても良い。

また、基板４００６に形成されている遮蔽膜４０４０は、トランジスタ４０１０が形成されている領域と重なっている。また、基板４００６には、カラーフィルタとして機能する、特定の波長領域の可視光のみを優先的に透過する着色層４０４１が形成されており、着色層４０４１は、液晶素子４０１１が形成されている領域と重なっている。

赤、青、緑に対応する波長領域の光を、それぞれ優先的に透過するような着色層４０４１を画素ごとに設けることで、フルカラーの画像を表示することができる。この場合、白の光が得られるバックライトを用いることが、画像の有する色の純度を高める上で望ましい。白の光が得られるバックライトとして、例えば、赤の光源と青の光源と緑の光源を組み合わせた構成、黄または橙の光源と青の光源を組み合わせた構成、白の光源を単体で用いる構成、シアンの光源とマゼンタの光源と黄の光源を組み合わせた構成などを、用いることができる。

或いは、バックライトから、赤、青、緑に対応する波長領域の光を順に出力するようにしても良い。この場合、カラーフィルタを用いなくともフルカラーの画像を表示することができ、液晶表示装置の発光効率を高めることができる。

また、バックライトに用いる光源として、冷陰極管の他、ＬＥＤ、ＯＬＥＤなどの発光素子を用いることができる。ただし、光源によって得られる光の波長が異なるので、必要とする色に合わせて適宜用いる光源を選択すると良い。

なお、図７（Ａ）では、遮蔽膜４０４０と着色層４０４１とを、基板４００６側に設けた場合を例示しているが、遮蔽膜４０４０または着色層４０４１を、基板４００１側に設けても良い。液晶素子４０１１への光の入射方向と、液晶素子４０１１を透過した光の射出方向とに合わせて、適宜、遮蔽膜４０４０と着色層４０４１の設ける位置を定めることができる。

また、スペーサ４０３５が、画素電極４０３０と共通電極４０３１との間の距離（セルギャップ）を制御するために設けられている。なお、図７（Ａ）では、スペーサ４０３５が、絶縁膜をパターニングすることで形成されている場合を例示しているが、球状スペーサを用いていても良い。

また、画素に与えられる各種信号及び電位は、配線４０１４及び配線４０１５を介して、端子４０１６から供給されている。端子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。

〈発光装置の構成〉
次いで、本発明の一態様に係る半導体装置の一つに相当する発光装置の構成について、図７（Ｂ）を用いて説明する。図７（Ｂ）は、基板４１０１と基板４１０６とをシール材４１０５によって接着させた発光装置の断面図に相当する。

図７（Ｂ）では、基板４１０１と基板４１０６の間において、シール材４１０５で囲まれた領域に、充填材と共に発光素子４１１１が封止されている。充填材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る。シール材４１０５には、樹脂（紫外線硬化性樹脂、熱硬化性樹脂など）、またはガラスフリットなどを用いることができる。

また、図７（Ｂ）では、画素に含まれるトランジスタ４１０８及びトランジスタ４１１０を図示している。発光素子４１１１が有する画素電極４１３０は、トランジスタ４１１０に接続されている。画素電極４１３０と共通電極４１３１とＥＬ層４１２９とが重なっている部分が、発光素子４１１１に相当する。

本発明の一態様に係る発光装置では、白色などの単色の光を発する発光素子と、着色層を有するカラーフィルタとを組み合わせることで、フルカラー画像の表示を行う、カラーフィルタ方式を採用することができる。或いは、互いに異なる色相の光を発する複数の発光素子を用いて、フルカラー画像の表示を行う方式を採用することもできる。この方式は、発光素子が有する一対の電極間に設けられるＥＬ層を、対応する色ごとに塗り分けるため、塗り分け方式と呼ばれる。

塗り分け方式の場合、ＥＬ層の塗り分けは、通常、メタルマスクなどのマスクを用いて、蒸着法で行われる。そのため、画素のサイズは蒸着法によるＥＬ層の塗り分け精度に依存する。一方、カラーフィルタ方式の場合、塗り分け方式とは異なり、ＥＬ層の塗り分けを行う必要がない。よって、塗り分け方式の場合よりも、画素サイズの縮小化が容易であり、高精細の画素部を実現することができる。

また、トップエミッション構造の場合、発光素子から発せられる光を、配線、トランジスタ、容量素子などの各種素子によって遮られることがないため、ボトムエミッション構造に比べて、画素からの光の取り出し効率を高めることができる。よって、トップエミッション構造は、発光素子に供給する電流値を低く抑えても、高い輝度を得ることができるため、発光素子の長寿命化に有利である。

また、本発明の一態様に係る発光装置では、ＥＬ層から発せられる光を発光素子内で共振させる、マイクロキャビティ（微小光共振器）構造を有していても良い。マイクロキャビティ構造により、特定の波長の光について、発光素子からの取り出し効率を高めることができるので、画素部の輝度と色純度を向上させることができる。

また、画素に与えられる各種信号及び電位は、配線４１１４及び配線４１１５を介して、端子４１１６から供給されている。端子４１１６は、ＦＰＣ４１１８が有する端子及び異方性導電膜４１１９を介して電気的に接続されている。

（実施の形態５）
図８に、本発明の一態様に係る半導体装置の断面構造の一部を、一例として示す。

本実施の形態では、ｐチャネル型のトランジスタ４０１及びｎチャネル型のトランジスタ４０２が、単結晶のシリコン基板に形成され、酸化物半導体膜を用いたトランジスタ４０３がトランジスタ４０１及びトランジスタ４０２上に形成されている場合を例示している。トランジスタ４０１及びトランジスタ４０２は、非晶質、微結晶、多結晶または単結晶である、シリコン又はゲルマニウムなどの薄膜の半導体膜を用いていても良い。或いは、トランジスタ４０１及びトランジスタ４０２は、酸化物半導体膜を用いていても良い。全てのトランジスタが酸化物半導体膜を用いている場合、トランジスタ４０３はトランジスタ４０１及びトランジスタ４０２上に積層されていなくとも良く、同一の絶縁表面上に全てのトランジスタが形成されていても良い。

なお、薄膜のシリコンを用いてトランジスタ４０１及びトランジスタ４０２を形成する場合、プラズマＣＶＤ法などの気相成長法若しくはスパッタリング法で作製された非晶質シリコン、非晶質シリコンをレーザーアニールなどの処理により結晶化させた多結晶シリコン、単結晶シリコンウェハに水素イオン等を注入して表層部を剥離した単結晶シリコンなどを用いることができる。

図８では、半導体基板４０４にトランジスタ４０１及びトランジスタ４０２が形成されている。

半導体基板４０４は、例えば、ｎ型またはｐ型の導電型を有する単結晶シリコン基板、化合物半導体基板（ＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板、ＺｎＳｅ基板等）等を用いることができる。図８では、ｎ型の導電型を有する単結晶シリコン基板を用いた場合を例示している。

また、トランジスタ４０１とトランジスタ４０２とは、素子分離用絶縁膜４０５により、電気的に分離されている。素子分離用絶縁膜４０５の形成には、選択酸化法（ＬＯＣＯＳ（ＬｏｃａｌＯｘｉｄａｔｉｏｎｏｆＳｉｌｉｃｏｎ）法）またはトレンチ分離法等を用いることができる。

トランジスタ４０２が形成される領域には、ｐ型の導電性を付与する不純物元素を選択的に導入することにより、ｐウェル４０６を形成する。

具体的に、トランジスタ４０１は、半導体基板４０４と、半導体基板４０４に形成されたソース領域またはドレイン領域として機能する不純物領域４０７及び不純物領域４０８と、ゲート電極４０９と、半導体基板４０４とゲート電極４０９の間に設けられたゲート絶縁膜４２７とを有する。ゲート電極４０９は、ゲート絶縁膜４２７を間に挟んで、不純物領域４０７と不純物領域４０８の間に形成されるチャネル形成領域と重なる。

また、トランジスタ４０２は、半導体基板４０４と、半導体基板４０４に形成されたソース領域またはドレイン領域として機能する不純物領域４１０及び不純物領域４１１と、ゲート電極４１２と、半導体基板４０４とゲート電極４１２の間に設けられたゲート絶縁膜４２７とを有する。ゲート電極４１２は、ゲート絶縁膜４２７を間に挟んで、不純物領域４１０と不純物領域４１１の間に形成されるチャネル形成領域と重なる。

トランジスタ４０１及びトランジスタ４０２上には、絶縁膜４１３が設けられている。絶縁膜４１３には開口部が形成されており、上記開口部において、不純物領域４０７と、ゲート電極４０９と、不純物領域４０８及び不純物領域４１０と、ゲート電極４１２と、不純物領域４１１とにそれぞれ接する配線４１４乃至配線４１８が、絶縁膜４１３上に形成されている。さらに、絶縁膜４１３上には、配線４１９が形成されている。

配線４１４乃至配線４１９上には、絶縁膜４２０が形成されている。絶縁膜４２０には開口部が形成されており、上記開口部において配線４１８に接続された配線４２１が、配線４１９に接続された配線４２２が、絶縁膜４２０上に形成されている。さらに、絶縁膜４２０上には、配線４２３が形成されている。

配線４２１乃至配線４２３上には、絶縁膜４２４が形成されている。

そして、図８では、絶縁膜４２４上にトランジスタ４０３が形成されている。

トランジスタ４０３は、絶縁膜４２４上に、酸化物半導体を含む半導体膜４３０と、半導体膜４３０上の、ソース電極またはドレイン電極として機能する導電膜４３２及び導電膜４３３と、半導体膜４３０、導電膜４３２及び導電膜４３３上のゲート絶縁膜４３１と、導電膜４３２と導電膜４３３の間において、ゲート絶縁膜４３１を間に挟んで半導体膜４３０と重なっているゲート電極４３４と、を有する。

ゲート絶縁膜４３１は、図１に示したトランジスタ１００と同様に、順に積層された保護膜と、金属酸化物を含む絶縁膜と、保護膜とを少なくとも有する。

そして、絶縁膜４２４には開口部が設けられており、上記開口部において導電膜４３３は、配線４２１に接している。また、絶縁膜４２４上には配線４３５が設けられており、上記開口部において配線４３５は配線４２２と接続されている。

そして、トランジスタ４０３、及び配線４３５上に、絶縁膜４３６が設けられている。絶縁膜４３６及びゲート絶縁膜４３１には開口部が設けられており、上記開口部において導電膜４３２に接する配線４４２と、上記開口部においてゲート電極４３４に接する配線４４３と、上記開口部において配線４３５に接する配線４４４とが、絶縁膜４３６上に設けられている。

なお、図８において、トランジスタ４０３は、配線４２３をゲート電極として機能させることもできる。

本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。

（実施の形態６）
本発明の一態様に係る半導体装置は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置（代表的にはＤＶＤ：ＤｉｇｉｔａｌＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｃ等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置）に用いることができる。その他に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる電子機器として、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯情報端末、電子書籍、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、ゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）、ナビゲーションシステム、音響再生装置（カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等）、複写機、ファクシミリ、プリンター、プリンター複合機、現金自動預け入れ払い機（ＡＴＭ）、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図９に示す。

図９（Ａ）は携帯型ゲーム機であり、筐体５００１、筐体５００２、表示部５００３、表示部５００４、マイクロホン５００５、スピーカー５００６、操作キー５００７、スタイラス５００８等を有する。表示部５００３または表示部５００４に、或いはその他の回路に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる。なお、図９（Ａ）に示した携帯型ゲーム機は、２つの表示部５００３と表示部５００４とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない。

図９（Ｂ）は表示機器であり、筐体５２０１、表示部５２０２、支持台５２０３等を有する。表示部５２０２に、或いはその他の回路に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる。なお、表示機器には、パーソナルコンピュータ用、ＴＶ放送受信用、広告表示用などの全ての情報表示用表示機器が含まれる。

図９（Ｃ）はノート型パーソナルコンピュータであり、筐体５４０１、表示部５４０２、キーボード５４０３、ポインティングデバイス５４０４等を有する。表示部５４０２に、或いはその他の回路に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる。

図９（Ｄ）は携帯情報端末であり、第１筐体５６０１、第２筐体５６０２、第１表示部５６０３、第２表示部５６０４、接続部５６０５、操作キー５６０６等を有する。第１表示部５６０３は第１筐体５６０１に設けられており、第２表示部５６０４は第２筐体５６０２に設けられている。そして、第１筐体５６０１と第２筐体５６０２とは、接続部５６０５により接続されており、第１筐体５６０１と第２筐体５６０２の間の角度は、接続部５６０５により変更が可能となっている。第１表示部５６０３における映像を、接続部５６０５における第１筐体５６０１と第２筐体５６０２の間の角度に従って、切り替える構成としても良い。第１表示部５６０３または第２表示部５６０４に、或いはその他の回路に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる。なお、第１表示部５６０３及び第２表示部５６０４の少なくとも一方に、位置入力装置としての機能が付加された半導体装置を用いるようにしても良い。なお、位置入力装置としての機能は、半導体装置にタッチパネルを設けることで付加することができる。或いは、位置入力装置としての機能は、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を半導体装置の画素部に設けることでも、付加することができる。

図９（Ｅ）はビデオカメラであり、第１筐体５８０１、第２筐体５８０２、表示部５８０３、操作キー５８０４、レンズ５８０５、接続部５８０６等を有する。操作キー５８０４及びレンズ５８０５は第１筐体５８０１に設けられており、表示部５８０３は第２筐体５８０２に設けられている。そして、第１筐体５８０１と第２筐体５８０２とは、接続部５８０６により接続されており、第１筐体５８０１と第２筐体５８０２の間の角度は、接続部５８０６により変更が可能となっている。表示部５８０３における映像の切り替えを、接続部５８０６における第１筐体５８０１と第２筐体５８０２の間の角度に従って行う構成としても良い。表示部５８０３に、或いはその他の回路に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることできる。

図９（Ｆ）は携帯電話であり、筐体５９０１に、表示部５９０２、マイク５９０７、スピーカー５９０４、カメラ５９０３、外部接続部５９０６、操作用のボタン５９０５が設けられている。携帯電話が有する回路に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることできる。また、本発明の一態様に係る半導体装置の１つである半導体液晶表示装置を、可撓性を有する基板に形成した場合、図９（Ｆ）に示すような曲面を有する表示部５９０２に当該半導体液晶表示装置を適用することが可能である。

６０パネル
６１画素部
６２画素
６３走査線駆動回路
６４信号線駆動回路
６５液晶素子
６６トランジスタ
６７容量素子
７０トランジスタ
７１トランジスタ
７２容量素子
７３発光素子
１００トランジスタ
１０１基板
１０２半導体膜
１０２ａ酸化物半導体膜
１０２ｂ酸化物半導体膜
１０２ｃ酸化物半導体膜
１０３ａ導電膜
１０３ｂ導電膜
１０４ゲート絶縁膜
１０４ａ保護膜
１０４ｂ絶縁膜
１０４ｃ保護膜
１０５導電膜
１０６絶縁膜
１２０絶縁膜
１２０ａ保護膜
１２０ｂ絶縁膜
１２０ｃ保護膜
１２１導電膜
２００トランジスタ
４０１トランジスタ
４０２トランジスタ
４０３トランジスタ
４０４半導体基板
４０５素子分離用絶縁膜
４０６ｐウェル
４０７不純物領域
４０８不純物領域
４０９ゲート電極
４１０不純物領域
４１１不純物領域
４１２ゲート電極
４１３絶縁膜
４１４配線
４１８配線
４１９配線
４２０絶縁膜
４２１配線
４２２配線
４２３配線
４２４絶縁膜
４２７ゲート絶縁膜
４３０半導体膜
４３１ゲート絶縁膜
４３２導電膜
４３３導電膜
４３４ゲート電極
４３５配線
４３６絶縁膜
４４２配線
４４３配線
４４４配線
４００１基板
４００５シール材
４００６基板
４００７液晶層
４０１０トランジスタ
４０１１液晶素子
４０１４配線
４０１５配線
４０１６端子
４０１８ＦＰＣ
４０１９異方性導電膜
４０３０画素電極
４０３１共通電極
４０３５スペーサ
４０４０遮蔽膜
４０４１着色層
４１０１基板
４１０５シール材
４１０６基板
４１０８トランジスタ
４１１０トランジスタ
４１１１発光素子
４１１４配線
４１１５配線
４１１６端子
４１１８ＦＰＣ
４１１９異方性導電膜
４１２９ＥＬ層
４１３０画素電極
４１３１共通電極
５００１筐体
５００２筐体
５００３表示部
５００４表示部
５００５マイクロホン
５００６スピーカー
５００７操作キー
５００８スタイラス
５２０１筐体
５２０２表示部
５２０３支持台
５４０１筐体
５４０２表示部
５４０３キーボード
５４０４ポインティングデバイス
５６０１筐体
５６０２筐体
５６０３表示部
５６０４表示部
５６０５接続部
５６０６操作キー
５８０１筐体
５８０２筐体
５８０３表示部
５８０４操作キー
５８０５レンズ
５８０６接続部
５９０１筐体
５９０２表示部
５９０３カメラ
５９０４スピーカー
５９０５ボタン
５９０６外部接続部
５９０７マイク

Claims

絶縁表面上の酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上の一対の第１導電膜と、
前記酸化物半導体膜上及び一対の前記第１導電膜上の絶縁層と、
前記絶縁層上において、前記酸化物半導体膜と重なる第２導電膜と、を有し、
前記酸化物半導体膜は、少なくとも第１の酸化物半導体膜乃至第３の酸化物半導体膜を有し、
前記第２の酸化物半導体膜は、前記第１の酸化物半導体膜と前記第３の酸化物半導体膜との間に位置し、
前記第１の酸化物半導体膜乃至前記第３の酸化物半導体膜のそれぞれは、Ｉｎと、Ｇａと、Ｚｎと、を有し、
前記第１の酸化物半導体膜または前記第３の酸化物半導体膜に含まれるＧａは、前記第２の酸化物半導体膜に含まれるＧａよりも１．５倍以上高い原子数比で含み、
前記絶縁層は、少なくとも第１の層乃至第３の層を有し、
一対の前記第１導電膜と前記第２の層の間に位置する前記第１の層と、前記第２の層と前記第２導電膜の間に位置する前記第３の層は、珪素またはアルミニウムの酸化物または窒化物を含み、
前記第２の層は、ガリウム、ジルコニウムまたはハフニウムの酸化物を含む半導体装置。
絶縁表面上の第１導電膜と、
前記第１導電膜上の絶縁層と、
前記絶縁層上において、前記第１導電膜と重なる酸化物半導体膜と、
酸化物半導体膜上の一対の第２導電膜と、を有し、
前記酸化物半導体膜は、少なくとも第１の酸化物半導体膜乃至第３の酸化物半導体膜を有し、
前記第２の酸化物半導体膜は、前記第１の酸化物半導体膜と前記第３の酸化物半導体膜との間に位置し、
前記第１の酸化物半導体膜乃至前記第３の酸化物半導体膜のそれぞれは、Ｉｎと、Ｇａと、Ｚｎと、を有し、
前記第１の酸化物半導体膜または前記第３の酸化物半導体膜に含まれるＧａは、前記第２の酸化物半導体膜に含まれるＧａよりも１．５倍以上高い原子数比で含み、
前記絶縁層は、少なくとも第１の層乃至第３の層を有し、
前記第１導電膜と前記第２の層の間に位置する前記第１の層と、前記第２の層と一対の前記第２導電膜の間に位置する前記第３の層は、珪素またはアルミニウムの酸化物または窒化物を含み、
前記第２の層は、ガリウム、ジルコニウムまたはハフニウムの酸化物を含む半導体装置。
絶縁表面上の第１導電膜と、
前記第１導電膜上の絶縁層と、
前記絶縁層上において、前記第１導電膜と重なる酸化物半導体膜と、を有し、
前記酸化物半導体膜は、少なくとも第１の酸化物半導体膜乃至第３の酸化物半導体膜を有し、
前記第２の酸化物半導体膜は、前記第１の酸化物半導体膜と前記第３の酸化物半導体膜との間に位置し、
前記第１の酸化物半導体膜乃至前記第３の酸化物半導体膜のそれぞれは、Ｉｎと、Ｇａと、Ｚｎと、を有し、
前記第１の酸化物半導体膜または前記第３の酸化物半導体膜に含まれるＧａは、前記第２の酸化物半導体膜に含まれるＧａよりも１．５倍以上高い原子数比で含み、
前記絶縁層は、少なくとも第１の層乃至第３の層を有し、
前記第１導電膜と前記第２の層の間に位置する前記第１の層と、前記第２の層と一対の前記第２導電膜の間に位置する前記第３の層は、珪素またはアルミニウムの酸化物または窒化物を含み、
前記第２の層は、ガリウム、ジルコニウムまたはハフニウムの酸化物を含む半導体装置。