JP6257900B2

JP6257900B2 - 半導体装置の作製方法

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Publication number: JP6257900B2
Application number: JP2013032113A
Authority: JP
Inventors: 山崎　舜平; 舜平山崎; 正美神長; 輝正池山; 純一肥塚; 岡崎　健一; 健一岡崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2012-02-23
Filing date: 2013-02-21
Publication date: 2018-01-10
Anticipated expiration: 2033-02-21
Also published as: JP2013201430A

Description

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、発光表示装置、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）のような半導体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）。

ところで、酸化物半導体においては、水素が含まれることにより伝導帯から浅い準位にドナーが生成され低抵抗化（ｎ型化）してしまうことが指摘されている。そのため、酸化物半導体の形成時に水素が混入しないような措置を講じることが求められる。

特開２００７−１２３８６１号公報特開２００７−９６０５５号公報

上述した問題に鑑み、本発明の一態様では、酸化物半導体を用いた半導体装置であって、安定した電気的特性を付与し、高信頼性化を図ることが可能な半導体装置の作製方法を提供することを目的の一とする。

本発明の一態様は、ゲート電極と重畳する島状の酸化物半導体層にソース電極及びドレイン電極を形成した後、減圧下で酸化物半導体層から水素又は水素化合物が離脱する温度、又はそれ以上の温度で熱処理を行う半導体装置の作製方法である。

酸化物半導体層中の水素の一部は、酸化物半導体を構成する酸素と結合し、ＯＨ基となることで、酸化物半導体中に酸素欠損を形成する。酸化物半導体において酸素欠損は酸化物半導体中にキャリアである電子の生成要因となるため、トランジスタのチャネル形成領域を含む酸化物半導体に酸素欠損が多く存在すると、チャネル形成領域中に電子を生じさせてしまい、トランジスタのしきい値電圧をマイナス方向に変動させる要因となる。よって、トランジスタの信頼性の向上を達成するためには、酸化物半導体層中の水素及び水素化合物を可能な限り低減させることが重要である。

本発明の一態様の半導体装置の作製方法においては、ソース電極及びドレイン電極を形成後に、水素又は水素化合物が離脱する温度、又はそれ以上の温度で熱処理を行うことで、電気特性の変動要因となる水素及び水素化合物などの不純物を酸化物半導体層から離脱させることが可能となる。よって、該熱処理を施した酸化物半導体層を適用した半導体装置の信頼性を向上させることができる。

なお、酸化物半導体層と接するゲート絶縁層に水素が含まれると、その水素が酸化物半導体層へ侵入する恐れ、又は、その水素が酸化物半導体層中の酸素を引き抜く恐れがあるため、ゲート絶縁層は可能な限り水及び水素化合物などの不純物が含まれないことが好ましい。本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法においては、酸化物半導体層からの水素、又は水素化合物の離脱を目的とした熱処理（以下、脱水素化処理とも表記する）を、酸化物半導体層を島状に加工した後に行うため、酸化物半導体層から露出したゲート絶縁層からも効果的に水素及び水素化合物を離脱させることが可能となる。

また、脱水素化処理によって、酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素が同時に減少してしまうことがある。よって、脱水素化処理による不純物の排除工程によって同時に減少しうる酸素を、該処理後に酸素を含むガスを用いたプラズマ処理等により酸化物半導体層へ供給することが好ましい。

よって、本発明の他の一態様は、ゲート電極と重畳する島状の酸化物半導体層にソース電極及びドレイン電極を形成した後、減圧下で、酸化物半導体層から水素又は水素化合物が離脱する温度、又はそれ以上の温度で熱処理を行い、酸素を含むガスを用いたプラズマ処理により、酸化物半導体層に酸素を供給する半導体装置の作製方法である。

また、上記の半導体装置の作製方法において、酸化物半導体層からの水素、又は水素化合物の離脱を目的とした熱処理と、プラズマ処理と、は、酸化物半導体層を大気開放せずに連続的に行うことが好ましい。

本発明の一態様により、安定した電気特性を付与し、高信頼性化を図ることが可能な酸化物半導体を用いた半導体装置を提供することができる。

半導体装置の一形態を説明する平面図及び断面図。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平面図。半導体装置の一形態を説明する平面図及び断面図。半導体装置の一態様を示す断面図。半導体装置の一形態を示す回路図及び断面図。電子機器を示す図。電子機器を示す図。水素の移動の計算に用いたモデルを示す図。図９に示すモデルの計算結果を示すグラフ。過剰酸素の移動の計算に用いたモデルを示す図。図１１に示すモデルの計算結果を示すグラフ。酸素欠損の移動の計算に用いたモデルを示す図。図１３に示すモデルの計算結果を示すグラフ。

以下では、本明細書に開示する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、本明細書に開示する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。また、本明細書に開示する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、本明細書における「第１」、「第２」等の序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、数的に限定するものではない。

（実施の形態１）
本実施の形態では、半導体装置の作製方法の一態様を、図１及び図２を用いて説明する。本実施の形態では、半導体装置の一例として酸化物半導体層を有するトランジスタを示す。

図１にトランジスタ４２０の構成例を示す。図１（Ａ）は、トランジスタ４２０の平面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＸ１−Ｙ１における断面図であり、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）のＶ１−Ｗ１における断面図である。

図１に示すトランジスタ４２０は、基板４００上に設けられたゲート電極４０１と、ゲート電極４０１と重畳する島状の酸化物半導体層４０３と、酸化物半導体層４０３と電気的に接続するソース電極４０５ａ及びドレイン電極４０５ｂと、を含んで構成される。

また、図１に示すトランジスタ４２０は、ゲート電極４０１と酸化物半導体層４０３との間に、ゲート絶縁層４０２ａ及びゲート絶縁層４０２ｂが積層されたゲート絶縁層４０２を有する。また、ソース電極４０５ａ及びドレイン電極４０５ｂ上に絶縁層４０７及び絶縁層４０８が設けられている。

トランジスタ４２０に含まれる酸化物半導体層４０３は、例えば非単結晶を有してもよい。非単結晶は、例えば、ＣＡＡＣ（ＣＡｘｉｓＡｌｉｇｎｅｄＣｒｙｓｔａｌ）、多結晶、微結晶、非晶質部を有する。非晶質部は、微結晶、ＣＡＡＣよりも欠陥準位密度が高い。また、微結晶は、ＣＡＡＣよりも欠陥準位密度が高い。なお、ＣＡＡＣを有する酸化物半導体を、ＣＡＡＣ−ＯＳ（ＣＡｘｉｓＡｌｉｇｎｅｄＣｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼ぶ。

酸化物半導体層４０３は、例えばＣＡＡＣ−ＯＳを有してもよい。ＣＡＡＣ−ＯＳは、例えば、ｃ軸配向し、ａ軸または／およびｂ軸はマクロに揃っていない。

酸化物半導体層４０３は、例えば微結晶を有してもよい。なお、微結晶を有する酸化物半導体を、微結晶酸化物半導体と呼ぶ。微結晶酸化物半導体層は、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ未満のサイズの微結晶（ナノ結晶ともいう。）を膜中に含む。

酸化物半導体層４０３は、例えば非晶質部を有してもよい。なお、非晶質部を有する酸化物半導体を、非晶質酸化物半導体と呼ぶ。非晶質酸化物半導体層は、例えば、原子配列が無秩序であり、結晶成分を有さない。または、非晶質酸化物半導体層は、例えば、完全な非晶質であり、結晶部を有さない。

なお、酸化物半導体層４０３が、ＣＡＡＣ−ＯＳ、微結晶酸化物半導体、非晶質酸化物半導体の混合膜であってもよい。混合膜は、例えば、非晶質酸化物半導体の領域と、微結晶酸化物半導体の領域と、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域と、を有する。また、混合膜は、例えば、非晶質酸化物半導体の領域と、微結晶酸化物半導体の領域と、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域と、の積層構造を有してもよい。

なお、酸化物半導体層４０３は、例えば、単結晶を有してもよい。

酸化物半導体層４０３は、複数の結晶部を有し、当該結晶部のｃ軸が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っていることが好ましい。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。そのような酸化物半導体膜の一例としては、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜がある。

以下、図２を用いて図１に示すトランジスタ４２０の作製方法の一例を説明する。

まず、絶縁表面を有する基板４００上にゲート電極４０１を形成した後、ゲート電極４０１上にゲート絶縁層４０２ａ及びゲート絶縁層４０２ｂを順に積層してゲート絶縁層４０２を形成する。

絶縁表面を有する基板４００に使用することができる基板に大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板などの電子工業用に使われる各種ガラス基板を用いることが出来る。なお、基板としては、熱膨張係数が２５×１０^−７／℃以上５０×１０^−７／℃以下（好ましくは、３０×１０^−７／℃以上４０×１０^−７／℃以下）であり、歪み点が６５０℃以上７５０℃以下（好ましくは、７００℃以上７４０℃以下）である基板を用いることが好ましい。

第５世代（１０００ｍｍ×１２００ｍｍまたは１３００ｍｍ×１５００ｍｍ）、第６世代（１５００ｍｍ×１８００ｍｍ）、第７世代（１８７０ｍｍ×２２００ｍｍ）、第８世代（２２００ｍｍ×２５００ｍｍ）、第９世代（２４００ｍｍ×２８００ｍｍ）、第１０世代（２８８０×３１３０ｍｍ）などの大型ガラス基板を用いる場合、半導体装置の作製工程における加熱処理などで生じる基板の縮みによって、微細な加工が困難になる場合ある。そのため、前述したような大型ガラス基板を基板として用いる場合、縮みの少ないものを用いることが好ましい。例えば、基板として、好ましくは４５０℃、さらに好ましくは５００℃の温度で１時間加熱処理を行った後の縮み量が２０ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｍ以下、さらに好ましくは５ｐｐｍ以下である大型ガラス基板を用いればよい。

または、基板４００として、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。また、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、ＳＯＩ基板などを適用することもできる。これらの基板に半導体素子が設けられたものを用いてもよい。

また、基板４００として、可撓性基板を用いて半導体装置を作製してもよい。可撓性を有する半導体装置を作製するには、可撓性基板上に酸化物半導体層４０３を含むトランジスタ４２０を直接作製してもよいし、他の作製基板に酸化物半導体層４０３を含むトランジスタ４２０を作製し、その後可撓性基板に剥離、転置してもよい。なお、作製基板から可撓性基板に剥離、転置するために、作製基板と酸化物半導体層を含むトランジスタ４２０との間に剥離層を設けるとよい。

基板４００上に下地絶縁層を設けてもよい。下地絶縁層としては、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムなどの酸化物絶縁膜、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウムなどの窒化物絶縁膜、又はこれらの混合材料を用いて形成することができる。

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

また、ゲート電極４０１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錫酸化物、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錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。また、上記導電性材料と、上記金属材料の積層構造とすることもできる。

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

ゲート絶縁層４０２ａには、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により形成する、膜厚１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは膜厚２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の窒化物絶縁層を好ましく用いることができる。例えば、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜などが挙げられる。ゲート電極４０１及び基板４００と接するゲート絶縁層４０２ａとして窒化物絶縁層を適用することで、ゲート電極４０１又は基板４００からの不純物拡散を防止する効果を奏する。

または、ゲート絶縁層４０２ａとして、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、ランタン（Ｌａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、又はバリウム（Ｂａ）の金属元素のいずれかから選択される一以上を含む金属酸化物絶縁膜（例えば、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化マグネシウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ランタン膜、酸化バリウム膜）、又は金属窒化物絶縁膜（窒化アルミニウム膜、窒化酸化アルミニウム膜）を用いることができる。また、ゲート絶縁層４０２ａには、酸化ガリウム膜、Ｉｎ−Ｚｒ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｆｅ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物膜なども用いることができる。

ゲート絶縁層４０２ｂの材料としては、酸化シリコン膜、酸化ガリウム膜、酸化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜、または窒化酸化シリコン膜を用いて形成することができる。また、ゲート絶縁層４０２ｂの膜厚は、例えば、１００ｎｍ以上３５０ｎｍ以下とすることができる。

また、ゲート絶縁層４０２ｂの材料として酸化ハフニウム、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉ_ｘＯ_ｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯ_ｘＮ_ｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、ハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌ_ｘＯ_ｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、酸化ランタンなどのｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることでゲートリーク電流を低減できる。

本実施の形態で示すゲート絶縁層４０２は、ゲート電極４０１側から順に、ゲート絶縁層４０２ａ及びゲート絶縁層４０２ｂが積層された構造を有する。但し、本発明の実施の形態はこれに限られず、ゲート絶縁層を単層構造としてもよいし、３層以上の積層構造としてもよい。

次いで、ゲート絶縁層４０２上に、酸化物半導体層４０３ａを成膜する（図２（Ａ）参照）。

酸化物半導体層４０３ａは、単層構造であってもよいし、積層構造であってもよい。

酸化物半導体層４０３ａ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。

酸化物半導体層４０３ａに用いる酸化物半導体としては、少なくともインジウム（Ｉｎ）あるいは亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。特にＩｎとＺｎ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特性のばらつきを減らすためのスタビライザーとして、それらに加えてガリウム（Ｇａ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてスズ（Ｓｎ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてハフニウム（Ｈｆ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてアルミニウム（Ａｌ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてジルコニウム（Ｚｒ）を有することが好ましい。

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

例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を用いることができる。

なお、ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分として有する酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素が入っていてもよい。

また、酸化物半導体として、ＩｎＭＯ_３（ＺｎＯ）_ｍ（ｍ＞０、且つ、ｍは整数でない）で表記される材料を用いてもよい。なお、Ｍは、Ｇａ、Ｆｅ、Ｍｎ及びＣｏから選ばれた一の金属元素または複数の金属元素を示す。また、酸化物半導体として、Ｉｎ_２ＳｎＯ_５（ＺｎＯ）_ｎ（ｎ＞０、且つ、ｎは整数）で表記される材料を用いてもよい。

例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：２：１（＝２／５：２／５：１／５）、あるいはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２（＝１／２：１／６：１／３）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ことができる。あるいは、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：３（＝１／３：１／６：１／２）あるいはＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：５（＝１／４：１／８：５／８）の原子数比のＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。

しかし、これらに限られず、必要とする半導体特性（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、必要とする半導体特性を得るために、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、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物では比較的容易に高い移動度が得られる。しかしながら、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物でも、バルク内欠陥密度を低くすることにより移動度を上げることができる。

なお、例えば、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝ａ：ｂ：ｃ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１）である酸化物の組成が、原子数比が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。他の酸化物でも同様である。

また酸化物半導体層４０３ａを成膜する際に用いるスパッタリングガスは水素、水、水酸基又は水素化物などの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。

次いで、フォトリソグラフィ工程を用いて酸化物半導体層４０３ａの一部を選択的にエッチングして、島状の酸化物半導体層４０３を形成する。

次いで、ゲート電極４０１、ゲート絶縁層４０２及び酸化物半導体層４０３上に、ソース電極及びドレイン電極（これと同じ層で形成される配線を含む）となる導電膜を形成し、選択的にエッチングを行ってソース電極４０５ａ、ドレイン電極４０５ｂを形成する（図２（Ｂ）参照）。導電膜の膜厚は、例えば２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることができる。

導電膜は、後の熱処理に耐えられる材料を用い、単層又は積層構造とすることができる。ソース電極及びドレイン電極に用いる導電膜としては、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等を用いることができる。また、Ａｌ、Ｃｕなどの金属膜の下側又は上側の一方または双方にＴｉ、Ｍｏ、Ｗなどの高融点金属膜またはそれらの金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）を積層させた構成としても良い。また、ソース電極、及びドレイン電極に用いる導電膜としては、導電性の金属酸化物で形成しても良い。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム（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、ＩＴＯと略記する）、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。

ソース電極４０５ａ及びドレイン電極４０５ｂを形成後、酸化物半導体層４０３に含まれる過剰な水素又は水素化合物（例えばＨ_２Ｏ、ＯＨ）を、低減又は除去（脱水素化）するための熱処理を行う。熱処理は減圧下で行えばよく、熱処理の温度は、酸化物半導体層４０３から水素又は水素化合物が離脱する温度、又はそれ以上の温度とする。例えば、熱処理の温度が１００℃以上であれば、酸化物半導体層４０３に含まれる水素含有量を低減させることができ、好ましくは３００℃〜４００℃でこの熱処理を行えばよい。もちろん、より高温で熱処理しても酸化物半導体層４０３の水素含有量を低減させる効果を得ることができ、熱処理温度の上限は基板の歪み点以下の温度であればよい。

例えば、加熱処理装置の一つである電気炉に基板４００を導入し、酸化物半導体層４０３に対して減圧下３５０℃において熱処理を行う。

なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を用いてもよい。例えば、ＧＲＴＡ装置、ＬＲＴＡ（ＬａｍｐＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌ）装置を用いることができる。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置である。ＧＲＴＡ装置は、高温のガスを用いて熱処理を行う装置である。高温のガスには、アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられる。

この熱処理によって、ｎ型の導電性を付与する不純物である水素を酸化物半導体から低減より好ましくは除去することができる。

なお、酸化物半導体層４０３と接するゲート絶縁層４０２に水素が含まれると、その水素が酸化物半導体層４０３へ侵入する恐れ、又は、その水素が酸化物半導体層４０３中の酸素を引き抜く恐れがある。よって、ゲート絶縁層４０２は可能な限り水及び水素化合物などの不純物が含まれないことが好ましい。本実施の形態で示す半導体装置の作製方法においては、島状の酸化物半導体層４０３に対して、水素又は水素化合物が離脱する温度、又はそれ以上の温度で熱処理を行うことで、酸化物半導体層４０３から露出した領域のゲート絶縁層４０２からも効果的に水素及び水素化合物を離脱させることが可能となる。よって、ゲート絶縁層４０２の水素含有量を低減させることができる。

熱処理においては、窒素、又はヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。又は、熱処理装置に導入する窒素、又はヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。

また、脱水素化処理後の酸化物半導体層４０３に対して、酸素を含むガスを用いたプラズマ処理を行うことが好ましい。脱水素化処理によって、酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素が同時に減少してしまうことがあるが、酸化物半導体層４０３に酸素を含むガスを用いたプラズマ処理を行うことにより、酸化物半導体層４０３へ酸素を供給することができる。なお、脱水素化処理とプラズマ処理とは、酸化物半導体層４０３を大気開放せずに連続的に行うことが好ましい。例えば、脱水素化処理とプラズマ処理とを同一チャンバー内で行ってもよい。なお、当該プラズマ処理の条件によっては、ソース電極４０５ａ及びドレイン電極４０５ｂの上面も酸化されることがある。

次いで、ソース電極４０５ａ及びドレイン電極４０５ｂ上に、酸化物半導体層４０３の一部に接する絶縁層４０７を形成する。絶縁層４０７は、例えば２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の膜厚で形成することができ、ゲート絶縁層４０２と同様の材料を用いて形成することができる。例えば、酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどをスパッタリング法やＣＶＤ法で形成し、絶縁層４０７とすることができる。

なお、酸化物半導体層４０３を減圧下で熱処理（脱水素化処理）を行った後、大気開放せずに連続的に酸素を含むガスを用いたプラズマ処理を行う場合、該プラズマ処理後に大気開放せずに絶縁層４０７を形成することが好ましい。脱水素化処理、プラズマ処理及び絶縁層４０７の形成を同じチャンバー内で行ってもよい。脱水素化処理、プラズマ処理及び絶縁層４０７の形成を大気開放せずに連続的に行うことで、酸化物半導体層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、水素又は水素化合物の離脱した酸化物半導体層への、不純物の再混入を抑制することができる。

絶縁層４０７上に絶縁層４０８を形成する。これによって、本実施の形態のトランジスタ４２０を形成することができる（図２（Ｃ）参照）。

絶縁層４０８は、例えば２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の膜厚で形成することができ、ゲート絶縁層４０２と同様の材料を用いて形成することができる。例えば、酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどをスパッタリング法やＣＶＤ法で形成し、絶縁層４０８とすることができる。

なお、酸化物半導体層４０３上に絶縁層（絶縁層４０７及び／又は絶縁層４０８）を形成した後、該絶縁層へ酸素を導入して、化学量論的組成より過剰に酸素が含まれる酸素過剰領域を形成してもよい。絶縁層への酸素の導入は、例えば酸素ドープ処理によって行うことができる。

なお、本明細書等において、「酸素ドープ」とは、酸素（少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素分子、オゾン、酸素イオン（酸素分子イオン）、及び／又は酸素クラスタイオンのいずれかを含む）をバルクに添加することを言う。なお、当該「バルク」の用語は、酸素を、薄膜表面のみでなく薄膜内部に添加することを明確にする趣旨で用いている。また、「酸素ドープ」には、プラズマ化した酸素をバルクに添加する「酸素プラズマドープ」が含まれる。

酸素の供給ガスとしては、Ｏを含有するガスを用いればよく、例えば、Ｏ_２ガス、Ｎ_２Ｏガス、ＣＯ_２ガス、ＣＯガス、ＮＯ_２ガス等を用いることができる。なお、酸素の供給ガスに希ガス（例えばＡｒ）を添加してもよい。

また、例えば、イオン注入法で酸素の導入を行う場合、酸素のドーズ量は１×１０^１３ｉｏｎｓ／ｃｍ^２以上５×１０^１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２以下とするのが好ましく、酸素ドープ処理後の絶縁層中の酸素の含有量は、絶縁層の化学量論的組成を超える程度とするのが好ましい。なお、このような化学量論的組成より過剰に酸素が含まれる酸素過剰領域は、絶縁層の一部に存在していればよい。なお、酸素の注入深さは、注入条件により適宜制御すればよい。

本実施の形態においては、絶縁層４０７として酸化窒化シリコン膜を形成し、酸素ドープ処理を行うことで、絶縁層４０７に酸素を導入して、化学量論的組成より過剰に酸素が含まれる酸素過剰領域を形成する。絶縁層４０７に酸素を導入することにより、絶縁層４０７を酸素供給層として機能させることができる。

酸素過剰領域は、絶縁層４０７の少なくとも一部に設けられていればよく、酸化物半導体層４０３と絶縁層４０７の界面近傍に設けられていることが好ましい。なお、絶縁層４０７へ酸素を導入する際に、酸化物半導体層４０３へも同時に酸素が導入され、酸化物半導体層４０３においても酸素過剰領域が形成されることがある。

なお、絶縁層４０７として酸化物絶縁層（例えば、酸化シリコン膜又は酸化窒化シリコン膜）を用いる場合、該酸化物絶縁層において、酸素は主たる成分材料の一つである。このため、酸化物絶縁層中の酸素濃度を、ＳＩＭＳ（ＳｅｃｏｎｄａｒｙＩｏｎＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）などの方法を用いて、正確に見積もることは難しい。つまり、酸化物絶縁層に酸素が意図的に添加されたか否かを判別することは困難であるといえる。

ところで、酸素には^１７Ｏや^１８Ｏといった同位体が存在し、自然界におけるこれらの存在比率はそれぞれ酸素原子全体の０．０３８％、０．２％程度であることが知られている。つまり、酸化物半導体層上の絶縁層中（本実施の形態においては、絶縁層４０７）または酸化物半導体層中におけるこれら同位体の濃度は、ＳＩＭＳなどの方法によって見積もることができる程度になるから、これらの濃度を測定することで、酸化物半導体層と接する絶縁層中、または酸化物半導体層中の酸素濃度をより正確に見積もることが可能な場合がある。よって、これらの濃度を測定することで、酸化物半導体層と接する絶縁層に意図的に酸素が添加されたか否かを判別してもよい。

なお、酸素を絶縁層４０７に導入した後、絶縁層４０７の酸素過剰領域に含まれる酸素が離脱する温度、又はそれ以上の温度で熱処理を行ってもよい。当該熱処理によって、絶縁層４０７の酸素過剰領域に含まれる酸素を酸化物半導体層４０３へと供給することができ、酸化物半導体層４０３の酸素欠損が補填される。なお、酸化物半導体層４０３への酸素の供給を目的とした該熱処理は、トランジスタ４２０の作製工程における他の熱処理と兼ねることも可能である。

絶縁層４０７から酸化物半導体層４０３に酸素が供給されることで、酸化物半導体層４０３と絶縁層４０７との界面準位密度を低減することができる。この結果、トランジスタ４２０の動作などに起因して、酸化物半導体層４０３と絶縁層４０７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、信頼性の高いトランジスタを得ることができる。

また、絶縁層４０７に酸素を導入する場合、絶縁層４０７上に形成される絶縁層４０８の成膜温度は、絶縁層４０７の酸素過剰領域に含まれる酸素が離脱する温度未満とする。例えば、酸素過剰領域を含む絶縁層４０７上に形成される絶縁層４０８の成膜温度は２２０℃未満とすることが好ましく、２００℃以下とすることがより好ましい。

また、絶縁層４０８は、低圧真空下において高電力を供給して成膜することで、緻密な膜とすることが好ましい。絶縁層４０８を緻密な膜とすることで、酸化物半導体層４０３及びそれに接する絶縁層４０７からの酸素の離脱を防止するとともに、酸化物半導体層４０３への水素及び水素化合物の混入を防止することができる。

また、絶縁層４０７に酸素を導入する場合、絶縁層４０８の形成後に熱処理を行い、絶縁層４０７に含まれる酸素を酸化物半導体層４０３へと供給してもよい。絶縁層４０７上に絶縁層４０８を形成することで、絶縁層４０７が含有する酸素を効率良く酸化物半導体層４０３に供給することができる。

なお、トランジスタ４２０上に、平坦化絶縁層を形成してもよい。平坦化絶縁層としては、ポリイミド、アクリル、ポリイミドアミド、ジンゾシクロブテン、ポリアミド、エポキシ等の耐熱性を有する有機材料を用いることができる。また、上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁層を複数積層させることで平坦化絶縁層を形成してもよい。

本実施の形態で示す半導体装置の作製方法は、島状の酸化物半導体層４０３にソース電極４０５ａ及びドレイン電極４０５ｂを形成した後、減圧下で酸化物半導体層４０３から水素又は水素化合物が離脱する温度、又はそれ以上の温度で熱処理を行うことで、電気特性の変動要因となる水素及び水素化合物などの不純物を酸化物半導体層４０３から離脱させることが可能となる。

また、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法においては、酸化物半導体層４０３からの水素、又は水素化合物の離脱を目的とした熱処理を、酸化物半導体層４０３を島状に加工した後に行うため、酸化物半導体層４０３から露出したゲート絶縁層４０２からも効果的に水素及び水素化合物を離脱させることが可能となる。従って、トランジスタの作製工程において実質的に一度の脱水化を目的とした熱処理によって、ゲート絶縁層４０２に含まれる水素の酸化物半導体層４０３への混入、又は該水素による酸化物半導体層４０３中の酸素の引き抜きを抑制することが可能である。よって、該熱処理を施した酸化物半導体層４０３を適用した半導体装置の信頼性を向上させることができる。

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に示す半導体装置において、酸化物半導体層４０３にＣＡＡＣ−ＯＳ（ＣＡｘｉｓＡｌｉｇｎｅｄＣｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜を用いた半導体装置について説明する。

酸化物半導体層４０３に用いるＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、結晶部を有する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：ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による観察像では、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶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膜には明確な粒界（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、例えば、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なるように揃い、かつａｂ面に垂直な方向から見て金属原子が三角形状または六角形状に配列し、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、８０°以上１００°以下、好ましくは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、−１０°以上１０°以下、好ましくは−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の結晶性が低下することもある。

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。また、結晶部は、成膜したとき、または成膜後に加熱処理などの結晶化処理を行ったときに形成される。従って、結晶部のｃ軸は、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になるように揃う。

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。

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

なお、Ｒａは、ＪＩＳＢ０６０１で定義されている中心線平均粗さを面に対して適用できるよう三次元に拡張したものであり、「基準面から指定面までの偏差の絶対値を平均した値」と表現でき、以下の式にて定義される。

なお、上記において、Ｓ_０は、測定面（座標（ｘ_１，ｙ_１）（ｘ_１，ｙ_２）（ｘ_２，ｙ_１）（ｘ_２，ｙ_２）で表される４点によって囲まれる長方形の領域）の面積を指し、Ｚ_０は測定面の平均高さを指す。Ｒａは原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：ＡｔｏｍｉｃＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）にて評価可能である。

上記のようなＣＡＡＣ−ＯＳ膜を得る方法としては、例えば、基板を加熱して（例えば、基板温度を１７０℃として）酸化物半導体層の成膜を行い、表面に概略垂直にｃ軸配向させる方法がある。

なお、酸化物半導体層４０３は、複数の酸化物半導体層が積層された構造でもよく、第１の酸化物半導体層と第２の酸化物半導体層に、ＣＡＡＣ−ＯＳとは異なる結晶性の酸化物半導体を適用してもよい。すなわち、ＣＡＡＣ−ＯＳと、単結晶酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、または非晶質酸化物半導体を適宜組み合わせた構成としてもよい。但し、非晶質酸化物半導体は水素などのドナーとなる不純物を吸収しやすく、また、酸素欠損が生じやすいためｎ型化されやすい。このため、チャネル側の酸化物半導体層は、ＣＡＡＣ−ＯＳなどの結晶性を有する酸化物半導体を適用することが好ましい。

また、酸化物半導体層４０３を３層以上の積層構造とし、複数層の結晶性を有する酸化物半導体層又は非晶質酸化物半導体層を含む構造としてもよい。また、結晶性を有する酸化物半導体層と非晶質酸化物半導体層を交互に積層する構造としてもよい。また、酸化物半導体層４０３を複数層の積層構造とする場合の上記構成は、それぞれを適宜組み合わせて用いることができる。

以上のように、酸化物半導体層４０３としてＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いることにより、実施の形態１に示す熱処理（脱水素化処理）において、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の上面から容易に水素を離脱させることができる。また、当該熱処理において、酸素の離脱を低減して選択的に水素を多く離脱させることができる。

ここで、実施の形態１に示す熱処理（脱水素化処理）でＣＡＡＣ−ＯＳ膜の上面から比較的水素が離脱しやすいことを、モデルを用いて計算した結果について図９乃至図１４を用いて説明する。

本計算においては、ＣＡＡＣ−ＯＳの一例として、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物のｃ軸方向に配向した結晶構造を用い、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物において不純物として水素原子を導入したモデル（以下、モデルＡと呼ぶ）を作製し、当該モデルにおいて水素がｃ軸方向に拡散しやすいか計算機シミュレーションを用いて検証した。また、比較例としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物において不純物として過剰酸素（化学量論比を越えて存在している酸素原子）を導入したモデル（以下、モデルＢと呼ぶ）、およびＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物において不純物として酸素欠損を導入したモデル（以下、モデルＣと呼ぶ）を作製し、これらのモデルにおいて過剰酸素または酸素欠損がｃ軸方向に拡散しやすいか計算機シミュレーションを用いて検証した。

まず、モデルＡの構造を図９に示す。図９に示すモデルＡでは、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物において、酸素原子と結合するように水素原子を導入している。モデルＡ中の原子数は８５原子である。ここで、図９中の黒い大きい球はインジウム原子を、白い大きい球はガリウム原子を、白い中程度の大きさの球は亜鉛原子を、黒い小さい球は水素原子が結合しない酸素原子を、灰色の小さい球は水素原子が結合する酸素原子を、白い小さい球は水素原子を表している。また、図９中の矢印はＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物の結晶のｃ軸方向を表している。

図９に示す１番乃至８番のサイトは、水素原子と結合可能な酸素原子の結合サイトを示している。モデルＡでは、図９に示すように初期状態では水素原子が１番のサイトで酸素と結合しており、当該水素原子は最小エネルギー経路に沿った中間構造を介して２番のサイトに移動し、３番乃至７番のサイトを経て最終的に８番のサイトまで移動するものとする。

このようにＣＡＡＣ−ＯＳ膜でｃ軸方向に拡散する水素原子を評価する指標として、本計算においては単位時間当たりの拡散頻度Γを用いた。ある温度Ｔ（Ｋ）における拡散頻度Γ（／ｓ）は、安定位置における不純物原子の振動数Γ_Ｏ（／ｓ）を用いて以下の式（１）で表される。

なお、式（１）において、Ｅｂ_ｍａｘは各サイト間の水素原子の移動におけるエネルギーＥｂ（ｅＶ）の最大値であり、各サイト間の水素原子の移動に伴う活性化エネルギーに対応している。また、ｋはボルツマン定数である。また式（１）において、Γ_Ｏ＝１．０×１０^１３（／ｓ）とする。また、実施の形態１に示す熱処理の温度と対応させてＴ＝６２３Ｋ（３５０℃）を用いる。

このように、水素原子の拡散頻度Γは、水素原子が各サイト間で移動する際に必要な活性化エネルギーＥｂ_ｍａｘを計算することで評価できる。すなわち、活性化エネルギーＥｂ_ｍａｘが高ければ水素原子はサイト間を移動しにくく、活性化エネルギーＥｂ_ｍａｘが低ければ水素原子はサイト間を移動しやすい。

ここで、水素原子の１番のサイトから８番のサイトの移動におけるＥｂ_ｍａｘを求めるため、各サイト間において、ＮＥＢ（ＮｕｄｇｅｄＥｌａｓｔｉｃＢａｎｄ）法を用いて最小エネルギー経路に沿った中間構造に対するエネルギーをそれぞれ算出した。なお、図９に示すモデルＡは予め構造最適化されており、構造最適化されたモデルＡに対してＮＥＢ法による計算を行った。

ＮＥＢ法の計算には密度汎関数法を用いたプログラムパッケージであるＶＡＳＰ（ＶｉｅｎｎａＡｂ−ｉｎｉｔｉｏＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＰａｃｋａｇｅ）を用いた。基底関数には平面波基底関数を用い、汎関数はＰＡＷ（ＰｒｏｊｅｃｔｏｒＡｕｇｍｅｎｔｅｄＷａｖｅ）法によるＧＧＡ／ＰＢＥ（Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ−Ｇｒａｄｉｅｎｔ−Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ／Ｐｅｒｄｅｗ−Ｂｕｒｋｅ−Ｅｒｎｚｅｒｈｏｆ）を用いた。また、カットオフエネルギーは４００ｅＶを用い、サンプリングｋ点は２×２×１のグリッドを用いた。

モデルＡについてＮＥＢ法を用いて計算した結果を図１０に示す。図１０において、縦軸は水素原子の移動に要するエネルギーＥｂ（ｅＶ）を示し、横軸は水素移動経路（ａｒｂｉｔｒａｒｙｕｎｉｔ）を示しており、上記１番乃至８番のサイトを水素移動経路に対応させて記載している。

図１０より、水素原子の１番のサイトから８番のサイトの移動において、もっともエネルギーＥｂが高いのは、７番のサイトから８番のサイトの移動であることが分かる。ここで、水素移動経路全体のエネルギー最小点を原点とした活性化エネルギーＥｂ_ｍａｘは、１．５０ｅＶである。また、上記式（１）より、温度３５０℃における水素原子の拡散頻度Γは７．３／ｓとなる。

ここで７番のサイトと８番のサイトは、インジウム原子を挟むように設けられているので、上記の水素原子の移動は、水素原子がインジウム原子の層を越えてｃ軸方向に拡散することに対応する。よって、上記活性化エネルギーＥｂ_ｍａｘと拡散頻度Γは、水素原子がインジウム原子の層を越えてｃ軸方向に拡散する際の活性化エネルギーと拡散頻度に対応する。

次に、モデルＢの構造を図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）に示す。図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）に示すモデルＢでは、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物において、インジウム原子と結合するように過剰酸素を導入している。モデルＢ中の原子数は８５原子である。ここで、図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）中の黒い大きい球はインジウム原子を、白い大きい球はガリウム原子を、灰色の中程度の大きさの球は亜鉛原子を、黒い小さい球は酸素原子を表している。なお、図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）に示す１番乃至３番の酸素原子は、過剰酸素が結合したインジウム原子近傍の酸素原子である。また、図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）中の矢印はＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物の結晶のｃ軸方向を表している。

ここで、図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）は、過剰酸素がインジウム原子の層を越えてｃ軸方向に移動するモデルＢの初期状態と終状態を示している。よって、図１１（Ａ）から図１１（Ｂ）にかけて、１番の酸素原子は３番の酸素原子を押し出す方向に移動している。また、このとき２番の酸素原子も移動している。

モデルＢにおいてもモデルＡと同様に拡散頻度Γを用いて、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜でｃ軸方向に拡散する過剰酸素を評価する。モデルＢの初期状態から終状態にかけての過剰酸素の移動におけるＥｂ_ｍａｘもＮＥＢ法を用いて算出した。なお、図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）に示すモデルＢは予め構造最適化されており、構造最適化されたモデルＢに対してＮＥＢ法による計算を行った。

ＮＥＢ法の計算には密度汎関数法を用いたプログラムパッケージであるＯｐｅｎＭＸを用いた。基底関数には局在基底関数（擬原子軌道関数）を用い、汎関数はノルム保存型擬ポテンシャルによるＧＧＡ／ＰＢＥ（Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ−Ｇｒａｄｉｅｎｔ−Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ／Ｐｅｒｄｅｗ−Ｂｕｒｋｅ−Ｅｒｎｚｅｒｈｏｆ）を用いた。また、カットオフエネルギーは２７２１．１６ｅＶを用い、サンプリングｋ点は５×５×３のグリッドを用いた。

モデルＢについてＮＥＢ法を用いて計算した結果を図１２に示す。図１２において、縦軸は過剰酸素の移動に要するエネルギーＥｂ（ｅＶ）を示し、横軸は過剰酸素の移動の経路長（オングストローム）を示す。

図１２より、過剰酸素がインジウム原子の層を越えてｃ軸方向に拡散する際の活性化エネルギーＥｂ_ｍａｘは、２．３８ｅＶである。また、上記式（１）より、温度３５０℃における過剰酸素の拡散頻度Γは５．６×１０^−７／ｓとなる。

次に、モデルＣの構造を図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）に示す。図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）に示すモデルＣでは、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物において、インジウム原子と結合する酸素原子を一つ欠損させて酸素欠損を導入している。モデルＣ中の原子数は８３原子である。ここで、図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）中の黒い大きい球はインジウム原子を、白い大きい球はガリウム原子を、灰色の中程度の大きさの球は亜鉛原子を、黒い小さい球は酸素原子を表している。また、図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）中の矢印はＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物の結晶のｃ軸方向を表している。なお、図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）に示す点線で示される球は酸素欠損を表す。

ここで、図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）は、酸素欠損がインジウム原子の層を越えてｃ軸方向に移動するモデルＣの初期状態と終状態を示している。モデルＣにおいてもモデルＡおよびモデルＢと同様に拡散頻度Γを用いて、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜でｃ軸方向に拡散する酸素欠損を評価する。モデルＣの初期状態から終状態にかけての酸素欠損の移動におけるＥｂ_ｍａｘもＮＥＢ法を用いて算出した。なお、モデルＣのＮＥＢ法を用いた計算の各種条件はモデルＢと同様とした。なお、図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）に示すモデルＣは予め構造最適化されており、構造最適化されたモデルＣに対してＮＥＢ法による計算を行った。

モデルＣについてＮＥＢ法を用いて計算した結果を図１４に示す。図１４において、縦軸は酸素欠損の移動に要するエネルギーＥｂ（ｅＶ）を示し、横軸は酸素欠損の移動の経路長（オングストローム）を示す。

図１４より、酸素欠損がインジウム原子の層を越えてｃ軸方向に拡散する際の活性化エネルギーＥｂ_ｍａｘは、４．１０ｅＶである。また、上記式（１）より、温度３５０℃における酸素欠損の拡散頻度Γは６．８×１０^−２１となる。

以上、図１０、図１２、図１４から得られた、水素原子、過剰酸素または酸素欠損がインジウム原子の層を越えてｃ軸方向に拡散する際の活性化エネルギーＥｂ_ｍａｘと、３５０℃における拡散頻度Γを表１に示す。

表１より、モデルＢおよびモデルＣと比較してモデルＡは、活性化エネルギーＥｂ_ｍａｘが大きいことが分かる。つまり、水素原子は過剰酸素または酸素欠損と比較して、インジウム原子の層を越えてｃ軸方向に拡散しやすいということができる。特に、３５０℃におけるモデルＡの拡散頻度Γは、モデルＢおよびモデルＣと比較して極めて大きい。よって、実施の形態１に示すような熱処理を行うことにより、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜中水素原子は過剰酸素または酸素欠損と比較して、インジウム原子の層を越えてｃ軸方向に拡散しやすいということができる。

なお、上述の説明では水素原子、過剰酸素または酸素欠損がインジウム原子の層を越えてｃ軸方向に拡散する場合について説明したが、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれるインジウム以外の金属原子についても同様のことが考えられる。

よって、先の実施の形態に示す酸化物半導体層４０３としてＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用い、実施の形態１に示す脱水素化処理を行うことにより、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜中の水素原子をｃ軸方向に拡散させて、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の上面から離脱させることができる。このとき、水素の拡散頻度は過剰酸素や酸素欠損と比較して極めて大きいので、選択的に多くの水素を離脱させることができる。

このように、酸化物半導体層としてＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いることによって、トランジスタの電気特性の変動要因となる水素及び水素化合物などの不純物を酸化物半導体層から離脱させることができるので、半導体装置の信頼性の向上を図ることができる。

（実施の形態３）
実施の形態１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３（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３（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。また別途形成された信号線駆動回路４００３と、走査線駆動回路４００４又は画素部４００２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅｐｒｉｎｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔ）４０１８ａ、４０１８ｂから供給されている。

図３（Ｂ）及び図３（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３（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３（Ｂ）及び図３（Ｃ）においては、別途形成された信号線駆動回路４００３と、走査線駆動回路４００４又は画素部４００２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ４０１８から供給されている。

また図３（Ｂ）及び図３（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３（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３（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３（Ｃ）は、ＴＡＢ方法により信号線駆動回路４００３を実装する例である。

また、表示装置は、表示素子が封止された状態にあるパネルと、該パネルにコントローラを含むＩＣ等を実装した状態にあるモジュールとを含む。

なお、本明細書中における表示装置とは、画像表示デバイス、表示デバイス、もしくは光源（照明装置含む）を指す。また、コネクター、例えばＦＰＣもしくは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。

また、半導体装置の一形態について、図３乃至図５を用いて説明する。図５は、図３（Ｂ）のＭ−Ｎにおける断面図に相当する。

図３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（４０１８ａ、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４０４０、４０１１のソース電極及びドレイン電極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３及び図５では、画素部４００２に含まれるトランジスタ４０４０と、走査線駆動回路４００４に含まれるトランジスタ４０１１とを例示している。図５（Ａ）では、トランジスタ４０４０、４０１１上には絶縁層４０３０、４０３２が設けられ、図５（Ｂ）では、さらに、絶縁層４０２１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に示したトランジスタを適用することができる。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、島状に加工後、減圧下で水素又は水素化合物が離脱する温度、又はその温度以上で熱処理を行うことで、トランジスタ４０１０、４０１１の特性変動を引き起こす水素、又は水などの不純物が混入せず、かつ好ましくは酸素欠損を補填する酸素が供給された酸化物半導体層を含む。よって、トランジスタ４０１０、４０１１は、電気特性変動が抑制されている。

従って、図３及び図５で示す本実施の形態の酸化物半導体層を用いた安定した電気特性を有するトランジスタ４０１０、４０１１を含む半導体装置として信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

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、バイアス−熱ストレス試験（ＢＴ試験）前後におけるトランジスタ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。

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

図５（Ａ）に表示素子として液晶素子を用いた液晶表示装置の例を示す。図５（Ａ）において、表示素子である液晶素子４０１３は、第１の電極層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。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、低分子液晶、高分子液晶、高分子分散型液晶、強誘電性液晶、反強誘電性液晶等を用いることができる。これらの液晶材料（液晶組成物）は、条件により、コレステリック相、スメクチック相、キュービック相、カイラルネマチック相、等方相等を示す。

また、液晶層４００８に、配向膜を用いないブルー相を発現する液晶組成物を用いてもよい。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。酸化物半導体層を用いるトランジスタは、静電気の影響によりトランジスタの電気的な特性が著しく変動して設計範囲を逸脱する恐れがある。よって酸化物半導体層を用いるトランジスタを有する液晶表示装置にブルー相を発現する液晶組成物を用いることはより効果的である。

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

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

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

また、本明細書に開示する酸化物半導体層を用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られるため、高速駆動が可能である。例えば、このような高速駆動が可能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。すなわち、別途駆動回路として、シリコンウェハ等により形成された半導体装置を用いる必要がないため、半導体装置の部品点数を削減することができる。また、画素部においても、高速駆動が可能なトランジスタを用いることで、高画質な画像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４（Ａ）（Ｂ）及び図５（Ｂ）に表示素子として発光素子を用いた発光装置の例を示す。

図４（Ａ）は発光装置の平面図であり、図４（Ａ）中の一点鎖線Ｓ１−Ｔ１、Ｓ２−Ｔ２、及びＳ３−Ｔ３で切断した断面が図４（Ｂ）に相当する。なお、図４（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４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４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４２０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５１１ａ、５１１ｂ、ゲート絶縁層５０２、酸化物半導体層５１２、ソース電極又はドレイン電極として機能する導電層５１３ａ、５１３ｂを含む。

トランジスタ５１０は、導電層５１３ａ、５１３ｂを形成後、減圧下で水素又は水素化合物が離脱する温度、又はその温度以上で熱処理を行うことで、特性変動を引き起こす水素、又は水などの不純物が混入せず、かつ好ましくは酸素欠損を補填する酸素が供給された酸化物半導体層５１２を含む。よって、トランジスタ５１０は、電気特性変動が抑制されている。

従って、図４で示す本実施の形態の酸化物半導体層５１２を用いた安定した電気特性を有するトランジスタ５１０を含む半導体装置として信頼性の高い半導体装置を提供することができる。また、そのような信頼性の高い半導体装置を歩留まりよく作製し、高生産化を達成することができる。

容量素子５２０は、導電層５２１ａ、５２１ｂ、ゲート絶縁層５０２、酸化物半導体層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５０２及び酸化物半導体層５２２を挟む構成とすることで容量を形成する。

配線層交差部５３０は、ゲート電極５１１ａ、５１１ｂと、導電層５３３との交差部であり、ゲート電極５１１ａ、５１１ｂと、導電層５３３とは、間にゲート絶縁層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５１１ｂ及び導電層５２１ｂとして膜厚２００ｎｍの銅薄膜を用いる。よって、ゲート電極はチタン膜と銅薄膜との積層構造となる。

酸化物半導体層５１２、５２２としては膜厚２５ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を用いる。

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。

図５（Ｂ）に示す発光装置においては、表示素子である発光素子４５１３は、画素部４００２に設けられたトランジスタ４０１０と電気的に接続している。なお発光素子４５１３の構成は、第１の電極層４０３４、電界発光層４５１１、第２の電極層４０３１の積層構造であるが、示した構成に限定されない。発光素子４５１３から取り出す光の方向などに合わせて、発光素子４５１３の構成は適宜変えることができる。

隔壁４５１０、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４０３４、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４５１１、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４５１３、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４０３１、５４３及び隔壁４５１０、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４５１３、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４５１３を覆う有機化合物を含む層を蒸着法により形成してもよい。

また、基板４００１、基板４００６、及びシール材４００５によって封止された空間には充填材４５１４が設けられ密封されている。このように外気に曝されないように気密性が高く、脱ガスの少ない保護フィルム（貼り合わせフィルム、紫外線硬化樹脂フィルム等）やカバー材でパッケージング（封入）することが好ましい。

充填材４５１４としては窒素やアルゴンなどの不活性な気体の他に、紫外線硬化樹脂又は熱硬化樹脂を用いることができ、ＰＶＣ（ポリビニルクロライド）、アクリル、ポリイミド、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ＰＶＢ（ポリビニルブチラル）又はＥＶＡ（エチレンビニルアセテート）を用いることができる。例えば充填材として窒素を用いればよい。

また、必要であれば、発光素子の射出面に偏光板、又は円偏光板（楕円偏光板を含む）、位相差板（λ／４板、λ／２板）、カラーフィルタなどの光学フィルムを適宜設けてもよい。また、偏光板又は円偏光板に反射防止膜を設けてもよい。例えば、表面の凹凸により反射光を拡散し、映り込みを低減できるアンチグレア処理を施すことができる。

また、表示装置として、電子インクを駆動させる電子ペーパーを提供することも可能である。電子ペーパーは、電気泳動表示装置（電気泳動ディスプレイ）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又は溶質に複数分散されたものであり、マイクロカプセルに電界を印加することによって、マイクロカプセル中の粒子を互いに反対方向に移動させて一方側に集合した粒子の色のみを表示するものである。なお、第１の粒子又は第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。

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

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

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

また、電子ペーパーとして、ツイストボール表示方式を用いる表示装置も適用することができる。ツイストボール表示方式とは、白と黒に塗り分けられた球形粒子を、表示素子に用いる電極層である第１の電極層及び第２の電極層の間に配置し、第１の電極層及び第２の電極層に電位差を生じさせて球形粒子の向きを制御することにより、表示を行う方法である。

なお、図３乃至図５において、基板４００１、５００、基板４００６としては、ガラス基板の他、可撓性を有する基板も用いることができ、例えば透光性を有するプラスチック基板などを用いることができる。プラスチックとしては、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒｇｌａｓｓ−ＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ）板、ＰＶＦ（ポリビニルフルオライド）フィルム、ポリエステルフィルム又はアクリル樹脂フィルムを用いることができる。また、透光性が必要でなければ、アルミニウムやステンレスなどの金属基板（金属フィルム）を用いてもよい。例えば、アルミニウムホイルをＰＶＦフィルムやポリエステルフィルムで挟んだ構造のシートを用いることもできる。

また、平坦化絶縁層として機能する絶縁層４０２１、５０６は、アクリル、ポリイミド、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド、エポキシ等の、耐熱性を有する有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁層を複数積層させることで、絶縁層を形成してもよい。

絶縁層４０２１、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、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイフコーター等を用いることができる。

表示装置は光源又は表示素子からの光を透過させて表示を行う。よって光が透過する画素部に設けられる基板、絶縁層、導電層などの薄膜はすべて可視光の波長領域の光に対して透光性とする。

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

第１の電極層４０３４、５４１、第２の電極層４０３１、５４３は、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物（以下、ＩＴＯと示す。）、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物、グラフェンなどの透光性を有する導電性材料を用いることができる。

また、第１の電極層４０３４、５４１、第２の電極層４０３１、５４３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。

本実施の形態においては、図４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、第１の電極層４０３４、５４１、第２の電極層４０３１、５４３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、トランジスタは静電気などにより破壊されやすいため、駆動回路保護用の保護回路を設けることが好ましい。保護回路は、非線形素子を用いて構成することが好ましい。

以上のように実施の形態１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４）
実施の形態１に示したトランジスタを用いて、対象物の情報を読み取るイメージセンサ機能を有する半導体装置を作製することができる。

図６（Ａ）に、イメージセンサ機能を有する半導体装置の一例を示す。図６（Ａ）はフォトセンサの等価回路であり、図６（Ｂ）はフォトセンサの一部を示す断面図である。

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

なお、本明細書における回路図において、酸化物半導体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６（Ａ）において、トランジスタ６４０、トランジスタ６５６は実施の形態１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４２０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６（Ｂ）は、フォトセンサにおけるフォトダイオード６０２及びトランジスタ６４０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６３１、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。

絶縁層６３１、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。

絶縁層６３１としては、無機絶縁材料としては、例えば、酸化窒化シリコン層、又は酸化窒化シリコン層等の単層、又は積層を用いることができる。

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。

トランジスタ６４０は、島状に加工後、減圧下で水素又は水素化合物が離脱する温度、又はその温度以上で熱処理を行うことで、特性変動を引き起こす水素、又は水などの不純物が混入せず、かつ好ましくは酸素欠損を補填する酸素が供給された酸化物半導体層を含む。よって、トランジスタ６４０は、電気特性変動が抑制されている。

従って、本実施の形態の酸化物半導体層を用いた安定した電気特性を有するトランジスタ６４０を含む信頼性の高い半導体装置を提供することができる。また、信頼性の高い半導体装置を歩留まりよく作製し、高生産化を達成することができる。

（実施の形態５）
本明細書に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器（遊技機も含む）に適用することができる。電子機器としては、テレビジョン装置（テレビ、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７に示す。

図７（Ａ）は、表示部を有するテーブル９０００を示している。テーブル９０００は、筐体９００１に表示部９００３が組み込まれており、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７（Ｂ）は、テレビジョン装置９１００を示している。テレビジョン装置９１００は、筐体９１０１に表示部９１０３が組み込まれており、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７（Ｂ）に示すテレビジョン装置９１００は、受信機やモデムなどを備えている。テレビジョン装置９１００は、受信機により一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線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７（Ｃ）はコンピュータであり、本体９２０１、筐体９２０２、表示部９２０３、キーボード９２０４、外部接続ポート９２０５、ポインティングデバイス９２０６等を含む。

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８（Ａ）及び図８（Ｂ）は２つ折り可能なタブレット型端末である。図８（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８（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８（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８（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８（Ａ）及び図８（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の一面又は二面に効率的なバッテリー９６３５の充電を行う構成とすることができるため好適である。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８（Ｂ）に示す充放電制御回路９６３４の構成、及び動作について図８（Ｃ）にブロック図を示し説明する。図８（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８（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電送モジュールや、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。

４００基板
４０１ゲート電極
４０２ゲート絶縁層
４０２ａゲート絶縁層
４０２ｂゲート絶縁層
４０３酸化物半導体層
４０３ａ酸化物半導体層
４０５ａソース電極
４０５ｂドレイン電極
４０７絶縁層
４０８絶縁層
４２０トランジスタ
５００基板
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
５１１ｂゲート電極
５１２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酸化物半導体層
５２３導電層
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
６３１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
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
４０２１絶縁層
４０３０絶縁層
４０３１電極層
４０３２絶縁層
４０３３絶縁層
４０３４電極層
４０３５スペーサ
４０３８絶縁層
４０４０トランジスタ
４５１０隔壁
４５１１電界発光層
４５１３発光素子
４５１４充填材
９０００テーブル
９００１筐体
９００２脚部
９００３表示部
９００４表示ボタン
９００５電源コード
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

基板上にゲート電極を形成し、
前記ゲート電極上にゲート絶縁膜を形成し、
前記ゲート絶縁膜上に、基板を加熱しながらｃ軸配向した結晶部を有する酸化物半導体層を形成し、
前記結晶部は、前記酸化物半導体層が成膜中に形成され、
前記酸化物半導体層をエッチングすることで、ゲート電極と重畳する領域を有する島状の酸化物半導体層を形成し、
前記島状の酸化物半導体層上にソース電極及びドレイン電極を形成し、
前記ソース電極及びドレイン電極を形成した後、
減圧下で、前記島状の酸化物半導体層から水素又は水素化合物が離脱する温度、又はそれ以上の温度で熱処理を行い、
前記熱処理後に、酸素を含むガスを用いたプラズマ処理により、前記島状の酸化物半導体層に酸素を供給し、
前記酸素を供給した後、前記島状の酸化物半導体層上、前記ソース電極上、及び前記ドレイン電極上に、第１の絶縁層を形成し、
前記第１の絶縁層上に、第２の絶縁層を形成し、
前記第１及び前記第２の絶縁層に、酸素を導入して、酸素過剰領域を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項１において、
前記熱処理、前記プラズマ処理及び、前記第１の絶縁層形成は、前記島状の酸化物半導体層を大気開放せずに連続的に行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。