JP6626927B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本明細書などで開示する発明は半導体装置に関する。

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。

液晶表示装置及び発光表示装置に代表される画像表示装置には、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たトランジスタが利用されている。また、当該トランジ
スタは集積回路（ＩＣ）のような電子デバイスにも広く応用されている。当該トランジス
タに適用可能な半導体薄膜としては、広く知られているシリコン系半導体だけではなく、
半導体特性を示す金属酸化物（以下、酸化物半導体と記す。）を用いることができる。

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）。

本明細書において、絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜として酸化物半導
体薄膜を用いたトランジスタは、酸化物半導体を用いたトランジスタと記す。また、トラ
ンジスタは半導体特性を利用することで機能しうることから、本明細書において、トラン
ジスタは半導体装置である。

特開２００７−１２３８６１号公報 特開２００７−９６０５５号公報

酸化物半導体を用いた半導体装置において、チャネル形成領域を構成する酸化物半導体
膜上に設けられる絶縁膜などから放出された元素が、不純物として当該酸化物半導体膜に
拡散することで、半導体装置の電気特性（代表的にはしきい値電圧）変動を引き起こし、
半導体装置の信頼性を低下させる場合がある。

例えば、酸化物半導体膜上に設けられる絶縁膜に水若しくは水素、又は窒素若しくはア
ンモニアが含まれている場合、これらが酸化物半導体膜に拡散することで半導体装置の電
気特性変動を引き起こし、半導体装置の信頼性を低下させる。

酸化物半導体膜に侵入した水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水となると共に
、酸素が脱離した格子（あるいは酸素が脱離した部分）に欠損が形成される。また、水素
の一部が酸素と反応することで、キャリアである電子が生じてしまう。また、酸化物半導
体膜に侵入した窒素は、金属原子又は酸素と反応することで、キャリアである電子が生じ
てしまう。この結果、水素又は窒素を含む酸化物半導体膜を有するトランジスタはノーマ
リーオン特性となりやすい。

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おいて、電気特性変動
を抑制した半導体装置、又は信頼性を向上させた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、チャネル形成領域を構成する酸化物半導体膜を有する半導体装置に
おいて、当該酸化物半導体膜上に水の侵入（拡散ともいえる。）を抑制する、少なくとも
窒素を含む絶縁膜と、当該絶縁膜から放出された元素、代表的には窒素の侵入（拡散とも
いえる。）を抑制する絶縁膜と、を設けることである。なお、酸化物半導体膜に侵入する
水としては、大気に含まれる水、及び水の侵入を抑制する絶縁膜上に設けられた膜中の水
などがある。また、窒素の供給源としては、窒素及びアンモニアなどがある。

つまり、本発明の一態様に係る半導体装置は、少なくとも、水の侵入を抑制する絶縁膜
と、当該絶縁膜より放出されて酸化物半導体膜に侵入する、当該絶縁膜に含まれる元素か
ら酸化物半導体膜を保護する絶縁膜と、を有する。酸化物半導体膜を保護する絶縁膜は、
窒素の侵入を抑制する効果に比べ、水素の侵入を抑制する効果が弱い。そこで、水の侵入
を抑制する絶縁膜は、水素含有量をできる限り低減した絶縁膜とすることが好ましい。例
えば、水の侵入を抑制する絶縁膜は、加熱による水素分子の放出量が５．０×１０^２１分
子／ｃｍ^３未満である絶縁膜とすることが好ましい。

そこで、本発明の一態様は、ゲート電極と、ゲート電極を覆うゲート絶縁膜と、ゲート
絶縁膜を介してゲート電極と重なる酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜に接する一対の電
極と、酸化物半導体膜上に設けられた第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜に接し、少なくとも
窒素を含む第２の絶縁膜と、を有し、第１の絶縁膜は、第２の絶縁膜より放出され、酸化
物半導体膜に侵入する窒素から酸化物半導体膜を保護し、第２の絶縁膜は、加熱による水
素分子の放出量が５．０×１０^２１分子／ｃｍ^３未満であることを特徴とする半導体装置
である。

また、本発明の一態様に係る半導体装置において、水の侵入を抑制する絶縁膜より放出
された元素から酸化物半導体膜を保護する絶縁膜には、緻密な酸化絶縁膜を適用すること
ができ、水の侵入を抑制する絶縁膜には、加熱による水素分子の放出量が上記範囲内であ
る窒化絶縁膜を適用することができる。

本発明の一態様は、ゲート電極と、ゲート電極を覆うゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜を
介してゲート電極と重なる酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜に接する一対の電極と、酸
化物半導体膜上に設けられた第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜に接する第２の絶縁膜と、を
有し、第１の絶縁膜は、緻密な酸化絶縁膜であり、第２の絶縁膜は、加熱による水素分子
の放出量が５．０×１０^２１分子／ｃｍ^３未満であることを特徴とする半導体装置である
。

また、本発明の一態様に係る半導体装置において、緻密な酸化絶縁膜は、２５℃におい
て０．５重量％のフッ酸に対するエッチング速度が１０ｎｍ／分以下である酸化絶縁膜で
ある。

本発明の一態様は、ゲート電極と、ゲート電極を覆うゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜を
介してゲート電極と重なる酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜に接する一対の電極と、酸
化物半導体膜上に設けられた第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜に接する第２の絶縁膜と、を
有し、第１の絶縁膜は、２５℃において０．５重量％のフッ酸に対するエッチング速度が
１０ｎｍ／分以下である酸化絶縁膜であり、第２の絶縁膜は、加熱による水素分子の放出
量が５．０×１０^２１分子／ｃｍ^３未満である窒化絶縁膜であることを特徴とする半導体
装置である。

上記半導体装置において、第２の絶縁膜に接して有機樹脂膜を設けて、当該有機樹脂膜
を層間絶縁膜又は平坦化絶縁膜とする場合、第２の絶縁膜は、当該有機樹脂膜に含まれる
水及び大気に含まれる水が、当該有機樹脂膜を通過して酸化物半導体膜に拡散することを
抑制することができる。当該有機樹脂膜として、例えばアクリル膜などが挙げられる。

また、本発明の一態様に係る半導体装置は、酸化物半導体膜と、水の侵入を抑制する絶
縁膜より放出された元素から酸化物半導体膜を保護する絶縁膜との間に、酸化物半導体膜
に含まれる酸素欠損を修復することができる絶縁膜を設けた構成とすることができる。具
体的には、酸化物半導体膜に接して酸素を透過させる絶縁膜と、酸素を透過させる絶縁膜
に接して化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む絶縁膜と、を設けることで
ある。

上記半導体装置において、酸素を透過させる絶縁膜と、化学量論的組成を満たす酸素よ
りも多くの酸素を含む絶縁膜とが、酸化物半導体膜上に設けられた半導体装置である。従
って、本発明の一態様に係る半導体装置は、異なる機能を有する４種類の絶縁膜が酸化物
半導体膜上に設けられた半導体装置である。

本発明の一態様は、ゲート電極と、ゲート電極を覆うゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜を
介してゲート電極と重なる酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜に接する一対の電極と、酸
化物半導体膜に接する第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜に接する第２の絶縁膜と、第２の絶
縁膜に接する第３の絶縁膜と、第３の絶縁膜に接し、少なくとも窒素を含む第４の絶縁膜
と、を有し、第１の絶縁膜は、酸素を透過させる絶縁膜であり、第２の絶縁膜は、化学量
論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む絶縁膜であり、第３の絶縁膜は、第４の絶
縁膜より放出され、酸化物半導体膜に侵入する窒素から酸化物半導体膜を保護する絶縁膜
であり、第４の絶縁膜は、加熱による水素分子の放出量が５．０×１０^２１分子／ｃｍ^３
未満である絶縁膜であることを特徴とする半導体装置である。

また、上記半導体装置において、第１の絶縁膜には酸素を透過させる酸化絶縁膜を適用
することができ、第２の絶縁膜には化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む
酸化絶縁膜を適用することができ、第３の絶縁膜には緻密な酸化絶縁膜を適用することが
でき、第４の絶縁膜には加熱による水素分子の放出量が上記範囲である窒化絶縁膜を適用
することができる。

上記半導体装置において、第３の絶縁膜に適用できる緻密な酸化絶縁膜は、２５℃にお
いて０．５重量％のフッ酸に対するエッチング速度が１０ｎｍ／分以下であり、第２の絶
縁膜より遅い速度である酸化絶縁膜である。

また、上記半導体装置において、第４の絶縁膜に接して有機樹脂膜を設けて、当該有機
樹脂膜を層間絶縁膜又は平坦化絶縁膜とする場合、第４の絶縁膜は、当該有機樹脂膜に含
まれている水及び大気に含まれる水が、当該有機樹脂膜を通過して酸化物半導体膜に拡散
することを抑制することができる。例えば、当該有機樹脂膜としてアクリル膜などが挙げ
られる。

本発明の一態様により、電気特性変動を抑制した半導体装置、又は信頼性を向上させた
半導体装置を提供することができる。なお、本発明の一態様に係る半導体装置により抑制
できる電気特性変動としては、経時変化又は光ゲートＢＴ（Ｂｉａｓ−Ｔｅｍｐｅｒａｔ
ｕｒｅ）ストレス試験によって生じる半導体装置のしきい値電圧の変動などである。

トランジスタの一形態を示す上面図及び断面図。 トランジスタの作製方法の一形態を示す断面図。 トランジスタの一形態を示す断面図。 表示装置の一態様を示す上面図。 表示装置の一態様を示す断面図。 表示装置の一態様を示す断面図。 表示装置の一態様を示す上面図及び断面図。 表示装置の一態様を示す断面図。 半導体装置の一態様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。 試料の構造を示す図。 昇温脱離ガス分析の結果を示す図。 昇温脱離ガス分析の結果を示す図。 昇温脱離ガス分析の結果を示す図。 昇温脱離ガス分析の結果を示す図。 トランジスタの作製方法を説明する断面図。 トランジスタのＶｇ−Ｉｄ特性を説明する図。 トランジスタのＶｇ−Ｉｄ特性を説明する図。 トランジスタのＶｇ−Ｉｄ特性を説明する図。 窒化シリコン膜の水素分子の放出量及びアンモニア分子の放出量と、トランジスタのＶｇ−Ｉｄ特性との関係を説明する図。

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。

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とし、特に符号を付さない場合が
ある。

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。また
、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、本発明における「ソース」及び「ドレイン」の機能は、回路動作において電流の
方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書においては、「
ソース」及び「ドレイン」の用語は、入れ替えて用いることができるものとする。

また、電圧とは２点間における電位差のことをいい、電位とはある一点における静電場
の中にある単位電荷が持つ静電エネルギー（電気的な位置エネルギー）のことをいう。た
だし、一般的に、ある一点における電位と基準となる電位（例えば接地電位）との電位差
のことを、単に電位もしくは電圧と呼び、電位と電圧が同義語として用いられることが多
い。このため、本明細書では特に指定する場合を除き、電位を電圧と読み替えてもよいし
、電圧を電位と読み替えてもよいこととする。

本明細書において、フォトリソグラフィ工程を行った後にエッチング工程を行う場合は
、フォトリソグラフィ工程で形成したマスクは除去するものとする。

（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置及びその作製方法について、図面
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、酸化物半導体膜を有す
るトランジスタを示す。

図１（Ａ）乃至図１（Ｃ）に、トランジスタ５０の上面図及び断面図を示す。図１（Ａ
）はトランジスタ５０の上面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の一点鎖線Ａ−Ｂ間の
断面図であり、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）の一点鎖線Ｃ−Ｄ間の断面図である。なお、図
１（Ａ）では、明瞭化のため、基板１１、下地絶縁膜１３、トランジスタ５０の構成要素
の一部（例えば、ゲート絶縁膜１８）、絶縁膜２３乃至絶縁膜２６などを省略している。

トランジスタ５０は、ゲート電極１５が基板１１上に設けられたボトムゲート型のトラ
ンジスタである。また、トランジスタ５０は、基板１１及びゲート電極１５上にゲート絶
縁膜１８が設けられており、ゲート絶縁膜１８を介してゲート電極１５と重なって酸化物
半導体膜２０が設けられており、酸化物半導体膜２０に接して一対の電極２１が設けられ
ている。そして、トランジスタ５０は、ゲート絶縁膜１８、酸化物半導体膜２０及び一対
の電極２１上に、少なくとも絶縁膜２５及び絶縁膜２６が設けられている。また、トラン
ジスタ５０は、絶縁膜２５と酸化物半導体膜２０との間に設けられる絶縁膜２３及び絶縁
膜２４、並びに絶縁膜２５及び絶縁膜２６により保護膜２７を有することが好ましい（図
１（Ｂ）及び図１（Ｃ）参照）。

絶縁膜２６は、少なくとも窒素を含む絶縁膜であり、外部の水が酸化物半導体膜２０に
侵入することを抑制する機能を有する。絶縁膜２５は、絶縁膜２６から放出された元素が
酸化物半導体膜２０に侵入することを抑制する機能を有する。つまり、絶縁膜２５は、絶
縁膜２６から放出された元素から酸化物半導体膜２０を保護する。また、絶縁膜２５は、
酸化物半導体膜２０上に設けられる膜（例えば絶縁膜２３及び絶縁膜２４）などに含まれ
る酸素が、外部に放出されることを抑制できる機能（酸素のブロッキング効果）を有する
。また、絶縁膜２６も酸素のブロッキング効果を有していてもよい。なお、絶縁膜２６か
ら放出される元素は、主に窒素であり、アンモニアなど窒素源となりうる化合物を含む。
また、本明細書において、外部の水とは、大気に含まれる水、又は絶縁膜２６以外の構成
要素（絶縁膜など）のいずれかに含まれる水をいう。

絶縁膜２５としては、緻密な酸化絶縁膜を適用することができる。具体的には、２５℃
において０．５重量％のフッ酸に対するエッチング速度が１０ｎｍ／分以下、好ましくは
８ｎｍ／分以下である酸化絶縁膜である。

絶縁膜２５は、絶縁膜２６から放出された元素が酸化物半導体膜２０に侵入することを
抑制する機能を発揮できる厚さとする。例えば、絶縁膜２５の厚さは、５ｎｍ以上１５０
ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下と
することができる。

上記より、絶縁膜２５には、上記エッチング速度を有し、且つ厚さが上記範囲である酸
化シリコン膜又は酸化窒化シリコン膜などを適用できる。

絶縁膜２５として適用できる酸化シリコン又は酸化窒化シリコン膜は、以下の形成条件
を用いて形成することができる。当該形成条件は、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３００℃以上４００℃以下、好ましくは３２０℃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１００Ｐａ以上２
５０Ｐａ以下とし、好ましくは１００Ｐａ以上２００Ｐａ以下とし、処理室内に設けられ
た電極に高周波電力を供給する、ことである。

絶縁膜２５の原料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体及び酸化性気体を用いるこ
とが好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例としては、シラン、ジシラン、トリシ
ラン、フッ化シランなどがある。酸化性気体としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素、二
酸化窒素などがある。

絶縁膜２６としては、加熱による水素分子の放出量ができる限り低い窒化絶縁膜を適用
することが好ましい。なぜなら、絶縁膜２５は、絶縁膜２６から放出される窒素の拡散を
抑制する機能が高いが、絶縁膜２６から放出される水素の拡散を抑制する機能が低いため
である。具体的には、加熱による水素分子の放出量が以下の範囲である窒化絶縁膜を適用
することができる。加熱による水素分子の放出量は、５．０×１０^２１分子／ｃｍ^３未満
であり、好ましくは３．０×１０^２１分子／ｃｍ^３未満であり、さらに好ましくは１．０
×１０^２１分子／ｃｍ^３未満である。なお、トランジスタ５０は、絶縁膜２５によって絶
縁膜２６から放出される窒素の侵入を抑制できるが、絶縁膜２６において窒素源となりう
るアンモニアもできる限り低いことが好ましい。つまり、絶縁膜２６は、加熱によるアン
モニア分子の放出量ができる限り低い窒化絶縁膜であることが好ましい。

ここで、昇温脱離ガス分析（以下、ＴＤＳ分析とする。）による、水素分子及びアンモ
ニア分子の放出量の測定方法について、以下に説明する。

ＴＤＳ分析による気体の放出量は、スペクトルの積分値に比例する。このため、絶縁膜
のスペクトルの積分値と、標準試料の基準値に対する比とにより、気体の放出量を計算す
ることができる。標準試料の基準値とは、所定の原子を含む試料の、スペクトルの積分値
に対する原子の密度の割合である。

例えば、標準試料である所定の密度の水素を含むシリコンウェハのＴＤＳ分析結果、及
び絶縁膜のＴＤＳ分析結果から、絶縁膜の水素分子の放出量（Ｎ_Ｈ２）は、数式１で求め
ることができる。ここで、ＴＤＳ分析で得られる質量数２で検出されるスペクトルの全て
が水素分子由来と仮定する。また、質量数が１以外の水素原子の同位体は、自然界におけ
る存在比率が極微量であるため考慮しない。

Ｎ_Ｈ２は水素分子の放出量である。Ｎ_{Ｈ２（ｓ）}は、標準試料から放出された水素分子
の量を密度で換算した値である。Ｓ_{Ｈ２（ｓ）}は、標準試料をＴＤＳ分析したときのスペ
クトルの積分値である。ここで、標準試料の基準値を、Ｎ_{Ｈ２（ｓ）}／Ｓ_{Ｈ２（ｓ）}とす
る。Ｓ_Ｈ２は、絶縁膜をＴＤＳ分析したときのスペクトルの積分値である。αは、ＴＤＳ
分析におけるスペクトル強度に影響する係数である。数式１の詳細に関しては、特開平６
−２７５６９７公報を参照する。なお、上記絶縁膜の水素分子の放出量は、電子科学株式
会社製の昇温脱離分析装置ＥＭＤ−ＷＡ１０００Ｓ／Ｗを用い、標準試料として１×１０
^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２の水素原子を含むシリコンウェハを用いて測定する。

また、上記数式１において、絶縁膜のアンモニア分子の放出量をＴＤＳ分析したときの
スペクトルの積分値を、Ｓ_Ｈ２に代入することで、アンモニア分子の放出量を求めること
ができる。

絶縁膜２６の厚さは、外部からの水の侵入を抑制する機能を発揮できる厚さとする。例
えば、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下、さらに好
ましくは５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることができる。

また、絶縁膜２６としては、加熱による水素分子の放出量が上記範囲であり、且つ厚さ
が上記範囲である窒化シリコン膜などを適用できる。

絶縁膜２６として適用できる窒化シリコン膜は、以下の形成条件を用いて形成すること
ができる。当該形成条件は、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８０℃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１００Ｐａ以上２５０Ｐａ以下とし
、好ましくは１００Ｐａ以上２００Ｐａ以下とし、処理室内に設けられた電極に高周波電
力を供給する、ことである。

絶縁膜２６の原料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体、窒素、及びアンモニアを
用いることが好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例としては、シラン、ジシラン
、トリシラン、フッ化シランなどがある。また、窒素の流量は、アンモニアの流量に対し
て５倍以上５０倍以下、好ましくは１０倍以上５０倍以下とすることが好ましい。

原料ガスとしてアンモニアを用いることで、シリコンを含む堆積性気体及び窒素の分解
を促すことができる。これは、アンモニアがプラズマエネルギーや熱エネルギーによって
解離し、解離することで生じるエネルギーが、シリコンを含む堆積性気体分子の結合及び
窒素分子の結合の分解に寄与するためである。このようにすることで、水の侵入を抑制で
き、酸素ブロッキング性を有する窒化シリコン膜を形成することができる。

上記より、絶縁膜２５及び絶縁膜２６を設けることで電気特性変動が抑制されたトラン
ジスタ５０を作製できる。

トランジスタ５０の電気特性変動として、経時変化又は光ゲートＢＴストレス試験によ
って生じるトランジスタ５０のしきい値電圧の変動などがある。

なお、酸化物半導体を用いたトランジスタはｎチャネル型トランジスタであるため、本
明細書において、ゲート電圧が０Ｖの場合、ドレイン電流が流れていないとみなすことが
できるトランジスタを、ノーマリーオフ特性を有するトランジスタと定義する。また、ゲ
ート電圧が０Ｖの場合、ドレイン電流が流れているとみなすことができるトランジスタを
、ノーマリーオン特性を有するトランジスタと定義する。

次に、保護膜２７について説明する。保護膜２７は、絶縁膜２３、絶縁膜２４、絶縁膜
２５及び絶縁膜２６を有する。つまり、保護膜２７は異なる機能を有する４種類の絶縁膜
で構成されている。

トランジスタ５０は、酸化物半導体膜２０に接して絶縁膜２３が設けられ、絶縁膜２３
に接して絶縁膜２４が設けられ、絶縁膜２４に接して絶縁膜２５が設けられ、絶縁膜２５
に接して絶縁膜２６が設けられている（図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）参照）。

絶縁膜２３は、酸素を透過させる絶縁膜である。例えば、絶縁膜２３として、酸素を透
過する酸化絶縁膜を適用できる。なお、絶縁膜２３において、外部から絶縁膜２３に入っ
た酸素は、全て絶縁膜２３を通過して移動せず、絶縁膜２３にとどまる酸素もある。また
、あらかじめ絶縁膜２３に含まれており、絶縁膜２３から外部に移動する酸素もある。そ
こで、絶縁膜２３は酸素の拡散係数が大きい酸化絶縁膜であることが好ましい。

また、絶縁膜２３は酸化物半導体膜２０と接することから、酸素を透過させるだけでは
なく、酸化物半導体膜２０との界面準位が低くなる酸化絶縁膜であることが好ましい。例
えば、絶縁膜２３は絶縁膜２４よりも膜中の欠陥密度が低い酸化絶縁膜であることが好ま
しい。具体的には、電子スピン共鳴測定によるｇ値＝２．００１（Ｅ´−ｃｅｎｔｅｒ）
のスピン密度が３．０×１０^１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは５．０×１０^１６
ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下の酸化絶縁膜である。なお、電子スピン共鳴測定によるｇ値＝２
．００１のスピン密度は、絶縁膜２３に含まれるダングリングボンドの存在量に対応する
。

絶縁膜２３の厚さは、厚さが５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上５０ｎ
ｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下とすることができる。

例えば、絶縁膜２３としては、上記スピン密度を有し、且つ厚さが上記範囲である酸化
シリコン又は酸化窒化シリコンなどを適用できる。

絶縁膜２３として適用できる酸化シリコン膜又は酸化窒化シリコン膜は、以下の形成条
件を用いて形成することができる。当該形成条件は、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
けられた電極に高周波電力を供給する、ことである。

絶縁膜２３の原料ガスとしては、絶縁膜２５に適用できる原料ガスとすることができる
。

なお、シリコンを含む堆積性気体に対する酸化性気体量を１００倍以上とすることで、
絶縁膜２３に含まれる水素含有量を低減することが可能であると共に、絶縁膜２３に含ま
れるダングリングボンドを低減することができる。絶縁膜２４から移動する酸素は、絶縁
膜２３に含まれるダングリングボンドによって捕獲される場合があるため、絶縁膜２３に
含まれるダングリングボンドが低減されていると、絶縁膜２４に含まれる酸素を効率よく
酸化物半導体膜２０へ移動させ、酸化物半導体膜２０に含まれる酸素欠損を補填すること
が可能である。この結果、酸化物半導体膜２０に混入する水素量を低減できると共に酸化
物半導体膜２０に含まれる酸素欠損を低減させることが可能であるため、トランジスタ５
０の初期特性不良及び電気特性変動を抑制することができる。

絶縁膜２４は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む絶縁膜である。例
えば、絶縁膜２４として、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化絶縁
膜を適用できる。

化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化絶縁膜は、加熱により酸素の
一部が脱離する酸化絶縁膜である。このため、加熱により酸素の一部が脱離する酸化絶縁
膜を絶縁膜２４として絶縁膜２３上に設けることで、酸化物半導体膜２０に酸素を移動さ
せ、酸化物半導体膜２０に含まれる酸素欠損を補填することができる。又は、加熱しなが
ら絶縁膜２４を絶縁膜２３上に形成することで、酸化物半導体膜２０に酸素を移動させ、
酸化物半導体膜２０に含まれる酸素欠損を補填することができる。又は、絶縁膜２３上に
絶縁膜２４を形成した後、加熱処理することより、酸素を酸化物半導体膜２０に移動させ
、酸化物半導体膜２０に含まれる酸素欠損を補填することができる。この結果、酸化物半
導体膜に含まれる酸素欠損量を低減することができる。例えば、酸化物半導体膜２０にお
いて、磁場の向きを膜面に対して平行に印加した電子スピン共鳴法によるｇ値＝１．９３
のスピン密度（酸化物半導体膜２０に含まれる酸素欠損密度に相当する。）を検出下限以
下まで低減することができる。

酸化物半導体膜２０のバックチャネル領域（酸化物半導体膜２０において、ゲート電極
１５と対向する面と反対側の面）に、酸素を透過する酸化絶縁膜（絶縁膜２３）を介して
、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化絶縁膜（絶縁膜２４）を設け
ることで、酸化物半導体膜２０のバックチャネル側に酸素を移動させることが可能であり
、当該領域の酸素欠損を低減することができる。

絶縁膜２４は、加熱による酸素分子の放出量が、１．０×１０^１８分子／ｃｍ^３以上あ
ることが好ましい。なお、当該放出量の酸化絶縁膜であれば、酸化物半導体膜２０に含ま
れる酸素欠損の少なくとも一部を補充することができる。

また、絶縁膜２４において、加熱により酸素の一部が脱離する酸化絶縁膜は、トランジ
スタ５０の電気特性を低下させるほどに、膜中の欠陥密度が増大する傾向にある。つまり
、絶縁膜２４を酸化物半導体膜２０に接して設けることはトランジスタ５０の電気特性を
低下させることに繋がる。そこで、絶縁膜２４よりも膜中の欠陥密度が低い絶縁膜２３を
設けることでトランジスタ５０の電気特性低下を抑制することができる。なお、絶縁膜２
４においても膜中の欠陥密度はできる限り低いほうが好ましい。例えば、電子スピン共鳴
測定によるｇ値＝２．００１のスピン密度が１．０×１０^１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下で
あることが好ましい。

絶縁膜２４の厚さは、３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは１５０ｎｍ以上４００
ｎｍ以下とすることができる。

例えば、絶縁膜２４としては、加熱による酸素分子の放出量が上記範囲であり、上記ス
ピン密度を有し、厚さが上記範囲である酸化シリコン膜又は酸化窒化シリコン膜などを適
用できる。

絶縁膜２４として適用できる酸化シリコン膜又は酸化窒化シリコン膜は、以下の形成条
件を用いて形成することができる。当該形成条件は、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１００Ｐ
ａ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
に設けられた電極に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、ことである。

なお、絶縁膜２４の原料ガスとしては、絶縁膜２５に適用できる原料ガスとすることが
できる。

絶縁膜２４の形成条件として、上記圧力の処理室において上記パワー密度の高周波電力
を供給することで、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、絶縁膜２４中における酸素含有量が化学量論的組成よりも多
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絶縁膜を形成することができる
。また、酸化物半導体膜２０上に絶縁膜２３が設けられている。このため、絶縁膜２４の
形成工程において、絶縁膜２３が酸化物半導体膜２０の保護膜となる。この結果、酸化物
半導体膜２０へのダメージを低減しつつ、パワー密度の高い高周波電力を用いて絶縁膜２
４を形成することができる。

また、絶縁膜２４は膜厚を厚くすることで加熱によって脱離する酸素の量を多くするこ
とができることから、絶縁膜２４は絶縁膜２３より厚く設けることが好ましい。絶縁膜２
３を設けることで絶縁膜２４を厚く設ける場合でも被覆性を良好にすることができ、トラ
ンジスタ５０の電気特性変動を抑制することができる。

絶縁膜２５及び絶縁膜２６は上記を参照することができる。なお、絶縁膜２５は酸素ブ
ロッキング性を有することから、絶縁膜２４から脱離する酸素を酸化物半導体膜２０の方
向に移動させることができ、酸化物半導体膜２０に含まれる酸素欠損を効率よく十分に補
填することができる。

上記より、トランジスタ５０は、保護膜２７を有することで、酸化物半導体膜２０に含
まれる酸素欠損の含有量を低減させることができる。また、酸化物半導体膜２０に侵入し
ようとする不純物（水、水素又は窒素など）を低減させることができる。従って、トラン
ジスタ５０の初期特性不良及び電気特性変動を抑制することができる。

なお、トランジスタ５０において、絶縁膜２３及び絶縁膜２４を設けずとも、酸化物半
導体膜２０の酸素欠損を補填できれば、絶縁膜２５及び絶縁膜２６で保護膜２７を構成し
てもよい。例えば、酸素雰囲気下で加熱処理を行うことができる。また、絶縁膜２４の形
成工程において、酸化物半導体膜２０にダメージが入らない場合は、絶縁膜２３を設けず
、絶縁膜２４、絶縁膜２５及び絶縁膜２６で保護膜２７を構成してもよい。

以下に、トランジスタ５０の他の構成の詳細について説明する。

基板１１の材質など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必要がある。例えば、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、基板１１として用いてもよい。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等の化合物半導体基板、Ｓ
ＯＩ基板などを適用することも可能であり、これらの基板上に半導体素子が設けられたも
のを、基板１１として用いてもよい。

また、基板１１として、可撓性基板を用い、可撓性基板上に直接、トランジスタ５０を
形成してもよい。又は、基板１１とトランジスタ５０の間に剥離層を設けてもよい。剥離
層は、その上に半導体装置を一部あるいは全部完成させた後、基板１１より分離し、他の
基板に転載するのに用いることができる。その際、トランジスタ５０は耐熱性の劣る基板
や可撓性の基板にも転載できる。

なお、基板１１及びゲート電極１５の間に下地絶縁膜１３を設けてもよい。下地絶縁膜
１３としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸
化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニ
ウムなどがある。なお、下地絶縁膜１３として、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ハフ
ニウム、酸化イットリウム、酸化アルミニウムなどを用いることで、基板１１から不純物
（代表的にはアルカリ金属、水、水素など）が酸化物半導体膜２０に拡散することを抑制
することができる。なお、本明細書中において、酸化窒化シリコン膜とは、その組成とし
て、窒素よりも酸素の含有量が多い膜をいい、窒化酸化シリコン膜とは、その組成として
、酸素よりも窒素の含有量が多い膜をいう。

ゲート電極１５は、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タン
グステンから選ばれた金属元素、又は上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金
属元素を組み合わせた合金などを用いて形成することができる。また、マンガン、ジルコ
ニウムのいずれか一又は複数から選択された金属元素を用いてもよい。また、ゲート電極
１５は、単層構造でも、二層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むアル
ミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜
上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する二層構造
、窒化タンタル膜又は窒化タングステン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、チタ
ン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形成する
三層構造などがある。また、アルミニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブ
デン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素の膜、又は複数組み合わせた合
金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。

また、ゲート電極１５は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸
化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化
物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化シリコンを添加
したインジウム錫酸化物等の透光性を有する導電性材料を適用することもできる。また、
上記透光性を有する導電性材料と、上記金属元素の積層構造とすることもできる。

また、ゲート電極１５とゲート絶縁膜１８との間に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸窒化物半導
体膜、Ｉｎ−Ｓｎ系酸窒化物半導体膜、Ｉｎ−Ｇａ系酸窒化物半導体膜、Ｉｎ−Ｚｎ系酸
窒化物半導体膜、Ｓｎ系酸窒化物半導体膜、Ｉｎ系酸窒化物半導体膜、金属窒化膜（Ｉｎ
Ｎ膜、ＺｎＮ膜等）などを設けてもよい。これらの膜は５ｅＶ以上、好ましくは５．５ｅ
Ｖ以上の仕事関数を有し、酸化物半導体の電子親和力よりも大きい値であるため、酸化物
半導体を用いたトランジスタのしきい値電圧をプラスにシフトすることができ、所謂ノー
マリーオフ特性のスイッチング素子を実現できる。例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸窒化物
半導体膜を用いる場合、少なくとも酸化物半導体膜２０より高い窒素濃度、具体的には７
原子％以上のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸窒化物半導体膜を用いる。

ゲート絶縁膜１８は、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒
化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウム又はＧａ−Ｚｎ系金属酸
化物などを用いればよく、積層又は単層で設ける。

ゲート絶縁膜１８として、加熱により酸素が脱離する酸化絶縁物を用いてもよい。ゲー
ト絶縁膜１８に加熱により酸素が脱離する酸化絶縁膜を用いることで、酸化物半導体膜２
０及びゲート絶縁膜１８の界面における界面準位を低減することが可能であり、初期特性
の優れたトランジスタを得ることができる。

ゲート絶縁膜１８に、酸素、水素、水などのブロッキング効果を有する絶縁膜を設ける
ことで、酸化物半導体膜２０に含まれている酸素の外部への拡散と、外部から酸化物半導
体膜２０への水素、水などの侵入を抑制することができる。酸素、水素、水などのブロッ
キング効果を有する絶縁膜としては、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガ
リウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム
、酸化窒化ハフニウムなどがある。また、水素、水のブロッキング効果を有する絶縁膜で
ある窒化シリコン、窒化酸化シリコンをゲート絶縁膜１８に適用することができる。

また、ゲート絶縁膜１８に窒化シリコン膜を用いることで、以下の効果を得ることがで
きる。窒化シリコン膜は、酸化シリコン膜と比較して比誘電率が高く、同等の静電容量を
得るのに必要な膜厚が大きいため、ゲート絶縁膜を物理的に厚膜化することができる。よ
って、トランジスタ５０の絶縁耐圧の低下を抑制、さらには絶縁耐圧を向上させて、半導
体装置の静電破壊（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｓｔａｔｉｃ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｄａｍａｇｅ
）を抑制することができる。これにより、トランジスタ５０の歩留まりを向上させること
ができる。なお、絶縁膜２６に適用できる窒化シリコン膜は水素含有量が低減されている
ことから、絶縁膜２６に適用できる窒化シリコン膜をゲート絶縁膜１８に用いることがで
き、静電破壊が抑制できると共にゲート絶縁膜１８の下方から水素が侵入してくることを
抑制することができる。

また、ゲート電極１５として銅を用い、ゲート電極１５に接するゲート絶縁膜１８に窒
化シリコン膜を用いる場合、加熱によるアンモニア分子の放出量をできる限り低減する窒
化シリコン膜をゲート絶縁膜１８に用いることが好ましい。このため、当該窒化シリコン
膜として、窒化絶縁膜２５に適用できる窒化シリコン膜を用いることができる。この結果
、銅とアンモニア分子が反応することを抑制することができる。

また、ゲート絶縁膜１８として、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯ_ｘ）、窒素が添加
されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉ_ｘＯ_ｙＮ_ｚ）、窒素が添加されたハフニウムアル
ミネート（ＨｆＡｌ_ｘＯ_ｙＮ_ｚ）、酸化ハフニウム、酸化イットリウムなどのｈｉｇｈ−
ｋ材料を用いることでトランジスタのゲートリークを低減できる。

ゲート絶縁膜１８の厚さは、５ｎｍ以上４００ｎｍ以下、より好ましくは１０ｎｍ以上
３００ｎｍ以下、より好ましくは５０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下とするとよい。

酸化物半導体膜２０は、少なくともインジウム（Ｉｎ）若しくは亜鉛（Ｚｎ）を含むこ
とが好ましい。又は、ＩｎとＺｎの双方を含むことが好ましい。また、該酸化物半導体膜
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、それらと共に、スタビライザ
ーの一又は複数を有することが好ましい。

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）、又はジルコニウム（Ｚｒ）などがある。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）などが
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、二元系金属酸化
物であるＩｎ−Ｚｎ系金属酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系金属酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系金属酸化物、
Ｚｎ−Ｍｇ系金属酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｇ
ａ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｗ系金属酸化物、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系金
属酸化物（ＩＧＺＯとも表記する。）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚ
ｎ系金属酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系金属酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系金属酸化物、Ｓｎ
−Ａｌ−Ｚｎ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系金属酸
化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚ
ｎ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系金属酸化物、Ｉｎ
−Ｇｄ−Ｚｎ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系金属酸
化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚ
ｎ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系金属酸化物、四元
系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系金
属酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系金属酸化物
、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系金属酸化物を用いる
ことができる。

なお、ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系金属酸化物とは、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、Ｉ
ｎ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
れた一の金属元素又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系金属酸化物やその組成
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系金属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及び電気特性（電界効果移動度、し
きい値電圧、ばらつきなど）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、キャリア密度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原
子数比、原子間距離、密度などを適切なものとすることが好ましい。

例えば、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系金属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系金属酸化物でも、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。

また、酸化物半導体膜２０に適用可能な酸化物半導体は、エネルギーギャップが２ｅＶ
以上、好ましくは２．５ｅＶ以上、より好ましくは３ｅＶ以上の酸化物半導体である。こ
のように、エネルギーギャップの広い酸化物半導体を用いることで、トランジスタのオフ
電流を低減することができる。

また、酸化物半導体膜２０は、非晶質構造、単結晶構造、又は多結晶構造であってもよ
い。

また、酸化物半導体膜２０として、結晶部を有するＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａ
ｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒとも
いう。）膜を用いてもよい。

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：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）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、Ｃ
ＡＡＣ−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Ｔ
ＥＭ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−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）
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−ｐ
ｌａｎｅ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、ＣＡ
ＡＣ−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
動が少ない。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。

また、酸化物半導体膜２０は、複数の酸化物半導体膜が積層された構造でもよい。例え
ば、酸化物半導体膜２０を、第１の酸化物半導体膜と第２の酸化物半導体膜の積層として
、第１の酸化物半導体膜と第２の酸化物半導体膜に、異なる組成の金属酸化物を用いても
よい。例えば、第１の酸化物半導体膜に二元系金属酸化物乃至四元系金属酸化物の一を用
い、第２の酸化物半導体膜に第１の酸化物半導体膜と異なる二元系金属酸化物乃至四元系
金属酸化物を用いてもよい。

また、第１の酸化物半導体膜と第２の酸化物半導体膜の構成元素を同一とし、両者の組
成を異ならせてもよい。例えば、第１の酸化物半導体膜の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝
３：１：２とし、第２の酸化物半導体膜の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１とし
てもよい。また、第１の酸化物半導体膜の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：１：３とし
、第２の酸化物半導体膜の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２としてもよい。なお
、各酸化物半導体膜の原子数比は、誤差として上記の原子数比のプラスマイナス２０％の
変動を含む。

この時、第１の酸化物半導体膜と第２の酸化物半導体膜のうち、ゲート電極に近い側（
チャネル側）の酸化物半導体膜のＩｎとＧａの含有率をＩｎ＞Ｇａとするとよい。またゲ
ート電極から遠い側（バックチャネル側）の酸化物半導体膜のＩｎとＧａの含有率をＩｎ
≦Ｇａとするとよい。

また、酸化物半導体膜２０を３層構造とし、第１の酸化物半導体膜乃至第３の酸化物半
導体膜の構成元素を同一とし、且つそれぞれの組成を異ならせてもよい。例えば、第１の
酸化物半導体膜の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２とし、第２の酸化物半導体膜
の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２とし、第３の酸化物半導体膜の原子数比をＩ
ｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１としてもよい。

Ｇａ及びＺｎよりＩｎの原子数比が小さい酸化物半導体膜、代表的には原子数比がＩｎ
：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２である第１の酸化物半導体膜は、Ｇａ及びＺｎよりＩｎの原子
数比が大きい酸化物半導体膜、代表的には第２の酸化物半導体膜、並びにＧａ、Ｚｎ、及
びＩｎの原子数比が同じ酸化物半導体膜、代表的には第３の酸化物半導体膜と比較して、
酸素欠損が生じにくいため、キャリア密度が増加することを抑制することができる。また
、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２である第１の酸化物半導体膜が非晶質構造で
あると、第２の酸化物半導体膜がＣＡＡＣ−ＯＳ膜となりやすい。

また、第１の酸化物半導体膜乃至第３の酸化物半導体膜の構成元素は同一であるため、
第１の酸化物半導体膜は、第２の酸化物半導体膜との界面における欠陥準位（トラップ準
位）が少ない。このため、酸化物半導体膜２０を上記構造とすることで、トランジスタの
経時変化や光ＢＴストレス試験によるしきい値電圧の変動量を低減することができる。

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、Ｉｎの含有
率を多くすることにより、より多くのｓ軌道が重なるため、Ｉｎ＞Ｇａの組成となる酸化
物はＩｎ≦Ｇａの組成となる酸化物と比較して高いキャリア移動度を備える。また、Ｇａ
はＩｎ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、Ｉｎ≦
Ｇａの組成となる酸化物はＩｎ＞Ｇａの組成となる酸化物と比較して安定した特性を備え
る。

チャネル側にＩｎ＞Ｇａの組成となる酸化物半導体を適用し、バックチャネル側にＩｎ
≦Ｇａの組成となる酸化物半導体を適用することで、トランジスタの電界効果移動度及び
信頼性をさらに高めることが可能となる。

また、第１の酸化物半導体膜乃至第３の酸化物半導体膜に、結晶性の異なる酸化物半導
体を適用してもよい。すなわち、単結晶酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、非晶質酸化
物半導体、又はＣＡＡＣ−ＯＳを適宜組み合わせた構成としてもよい。また、第１の酸化
物半導体膜乃至第２の酸化物半導体膜のいずれか一に非晶質酸化物半導体を適用すると、
酸化物半導体膜２０の内部応力や外部からの応力を緩和し、トランジスタの特性ばらつき
が低減され、また、トランジスタの信頼性をさらに高めることが可能となる。

酸化物半導体膜２０の厚さは、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、更に好ましくは１ｎｍ以上
３０ｎｍ以下、更に好ましくは１ｎｍ以上５０ｎｍ以下、更に好ましくは３ｎｍ以上２０
ｎｍ以下とすることが好ましい。

酸化物半導体膜２０において、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ
Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られるアルカリ金属又はアル
カリ土類金属の濃度を、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは２×１
０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることが望ましい。アルカリ金属及びアルカリ土類金
属は、酸化物半導体と結合するとキャリアを生成する場合があり、トランジスタのオフ電
流の上昇の原因となるためである。

酸化物半導体膜２０において、二次イオン質量分析法により得られる水素濃度を、５×
１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、よ
り好ましくは５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは１×１０^１６ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ^３以下とすることが好ましい。

酸化物半導体膜２０に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水となると
共に、酸素が脱離した格子（あるいは酸素が脱理した部分）には欠損が形成されてしまう
。また、水素の一部が酸素と結合することで、キャリアである電子が生じてしまう。これ
らのため、酸化物半導体膜の成膜工程において、水素を含む不純物を極めて減らすことに
より、酸化物半導体膜の水素濃度を低減することが可能である。このため、水素をできる
だけ除去し、高純度化された酸化物半導体膜をチャネル領域とすることにより、しきい値
電圧のマイナスシフトを低減することができ、またトランジスタのソース及びドレインに
おけるリーク電流を、代表的には、オフ電流を低減することが可能であり、トランジスタ
の電気特性を向上させることができる。

なお、高純度化された酸化物半導体膜をチャネル領域に用いたトランジスタのオフ電流
が低いことは、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
、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、容量素子に流入又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、上記トランジスタに高純
度化された酸化物半導体膜をチャネル領域に用い、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、さらに低いオフ電流が
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領域に用い
たトランジスタは、オフ電流が著しく小さい。

酸化物半導体膜２０の窒素濃度は、５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下にすることが
好ましい。

一対の電極２１は、導電材料として、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、
イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、又はタングステンからなる単
体金属、又はこれを主成分とする合金を単層構造又は積層構造として用いる。例えば、シ
リコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構
造、タングステン膜上にチタン膜を積層する二層構造、銅−マグネシウム−アルミニウム
合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜又は窒化チタン膜と、そのチタン膜又は窒
化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜又は銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜又は窒
化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜又は窒化モリブデン膜と、そのモリブデン
膜又は窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜又は銅膜を積層し、さらにその上にモ
リブデン膜又は窒化モリブデン膜を形成する三層構造などがある。なお、酸化インジウム
、酸化錫又は酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。

次に、図１に示すトランジスタ５０の作製方法について、図２を用いて説明する。

図２（Ａ）に示すように、基板１１上にゲート電極１５を形成し、ゲート電極１５上に
ゲート絶縁膜１８を形成する。

ゲート電極１５の形成方法を以下に示す。はじめに、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸
着法などにより導電膜を形成し、導電膜上にフォトリソグラフィ工程によりマスクを形成
する。次に、該マスクを用いて導電膜の一部をエッチングして、ゲート電極１５を形成す
る。この後、マスクを除去する。

なお、ゲート電極１５は、上記形成方法の代わりに、電解メッキ法、印刷法又はインク
ジェット法などで形成してもよい。

ここでは、厚さ１００ｎｍのタングステン膜をスパッタリング法により形成する。次に
、フォトリソグラフィ工程によりマスクを形成し、当該マスクを用いてタングステン膜を
ドライエッチングして、ゲート電極１５を形成する。

ゲート絶縁膜１８は、スパッタリング法、ＣＶＤ法又は蒸着法などで形成する。

ゲート絶縁膜１８として酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、又は窒化酸化シリコン
膜を形成する場合、原料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体及び酸化性気体を用い
ることが好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例としては、シラン、ジシラン、ト
リシラン、フッ化シランなどがある。酸化性気体としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素
、二酸化窒素などがある。

また、ゲート絶縁膜１８として窒化シリコン膜を形成する場合、絶縁膜２６に適用でき
る窒化シリコン膜の形成方法の他に、以下の形成方法を用いて形成することが好ましい。
当該形成方法は、２段階の形成方法である。はじめに、シラン、窒素、及びアンモニアの
混合ガスを原料ガスとして用いたプラズマＣＶＤ法により、欠陥の少ない第１の窒化シリ
コン膜を形成する。次に、原料ガスを、シラン及び窒素の混合ガスに切り替えて、水素濃
度が少なく、且つ水素をブロッキングすることが可能な第２の窒化シリコン膜を成膜する
。このような形成方法により、ゲート絶縁膜１８として、欠陥が少なく、且つ水素のブロ
ッキング効果を有する窒化シリコン膜を形成することができる。

また、ゲート絶縁膜１８として酸化ガリウム膜を形成する場合、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａ
ｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用い
て形成することができる。

次に、図２（Ｂ）に示すように、ゲート絶縁膜１８上に酸化物半導体膜１９を形成する
。

酸化物半導体膜１９の形成方法について以下に説明する。ゲート絶縁膜１８上にスパッ
タリング法、塗布法、パルスレーザー蒸着法、レーザーアブレーション法等により酸化物
半導体膜を形成する。次に、酸化物半導体膜上にフォトリソグラフィ工程によりマスクを
形成した後、該マスクを用いて酸化物半導体膜の一部をエッチングすることで、図２（Ｂ
）に示すように、ゲート絶縁膜１８上であって、ゲート電極１５の一部と重なるように素
子分離された酸化物半導体膜１９を形成する。この後、マスクを除去する。

また、酸化物半導体膜１９として印刷法を用いることで、素子分離された酸化物半導体
膜１９を直接形成することができる。

スパッタリング法で酸化物半導体膜を形成する場合、プラズマを発生させるための電源
装置は、ＲＦ電源装置、ＡＣ電源装置又はＤＣ電源装置などを適宜用いることができる。

スパッタリングガスは、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気、酸素雰囲気、希ガス及
び酸素の混合ガスを適宜用いる。なお、希ガス及び酸素の混合ガスの場合、希ガスに対し
て酸素のガス比を高めることが好ましい。

また、ターゲットは、形成する酸化物半導体膜の組成にあわせて、適宜選択すればよい
。

なお、酸化物半導体膜を形成する際に、例えば、スパッタリング法を用いる場合、基板
温度を１５０℃以上７５０℃以下、好ましくは１５０℃以上４５０℃以下、さらに好まし
くは２００℃以上３５０℃以下として、酸化物半導体膜を成膜することで、ＣＡＡＣ−Ｏ
Ｓ膜を形成することができる。

なお、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又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、二酸化炭素及び窒素など）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系金属酸化物ターゲット
について以下に示す。

ＩｎＯ_Ｘ粉末、ＧａＯ_Ｙ粉末及びＺｎＯ_Ｚ粉末を所定のｍｏｌ数で混合し、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系金属酸化物ターゲットとする。なお、当該加圧処理は、冷却しながら行ってもよ
いし、加熱しながら行ってもよい。なお、Ｘ、Ｙ及び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粉末及びＺｎＯ_Ｚ粉末が、２：２：
１、８：４：３、３：１：１、１：１：１、４：２：３又は３：１：２である。なお、粉
末の種類、及びその混合する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。

また、酸化物半導体膜を形成した後、加熱処理を行い、酸化物半導体膜の脱水素化又は
脱水化をしてもよい。加熱処理の温度は、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。

加熱処理は、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン、クリプトン等の希ガス、又は窒
素を含む不活性ガス雰囲気で行う。又は、不活性ガス雰囲気で加熱した後、酸素雰囲気で
加熱してもよい。なお、上記不活性雰囲気及び酸素雰囲気に水素、水などが含まれないこ
とが好ましい。処理時間は３分〜２４時間とする。

当該加熱処理は、電気炉、ＲＴＡ装置などを用いることができる。ＲＴＡ装置を用いる
ことで、短時間に限り、基板の歪み点以上の温度で熱処理を行うことができる。そのため
加熱処理時間を短縮することができる。

加熱処理は、窒素、酸素、超乾燥空気（水の含有量が２０ｐｐｍ以下、好ましくは１ｐ
ｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）、又は希ガス（アルゴン、ヘリウム等）の
雰囲気下で行えばよい。なお、上記窒素、酸素、超乾燥空気、又は希ガスに水素、水など
が含まれないことが好ましい。

酸化物半導体膜を形成した後、加熱処理を行うことで、酸化物半導体膜２０に含まれて
いる水素濃度を５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましく
は１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とすることができる。

ここでは、スパッタリング法により、厚さ３５ｎｍの酸化物半導体膜を形成した後、当
該酸化物半導体膜上にマスクを形成し、酸化物半導体膜の一部を選択的にエッチングする
ことで、酸化物半導体膜１９を形成する。

次に、図２（Ｃ）に示すように、一対の電極２１を形成する。

一対の電極２１の形成方法を以下に示す。はじめに、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸
着法などで導電膜を形成する。次に、当該導電膜上にフォトリソグラフィ工程によりマス
クを形成する。次に、当該マスクを用いて導電膜をエッチングして、一対の電極２１を形
成する。この後、マスクを除去する。

ここでは、厚さ５０ｎｍのタングステン膜、厚さ４００ｎｍのアルミニウム膜、及び厚
さ１００ｎｍのチタン膜を順にスパッタリング法により積層する。次に、チタン膜上にフ
ォトリソグラフィ工程によりマスクを形成し、当該マスクを用いてタングステン膜、アル
ミニウム膜、及びチタン膜をドライエッチングして、一対の電極２１を形成する。

なお、一対の電極２１を形成した後、エッチング残渣を除去するため、洗浄処理をする
ことが好ましい。この洗浄処理を行うことで、一対の電極２１の短絡を抑制することがで
きる。当該洗浄処理は、ＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ Ｈｙｄｒ
ｏｘｉｄｅ）溶液などのアルカリ性の溶液、フッ酸、シュウ酸などの酸性の溶液、又は水
を用いて行うことができる。

次に、図２（Ｃ）に示すように、酸化物半導体膜１９を酸素雰囲気で発生させたプラズ
マに曝し、酸化物半導体膜１９に酸素２２を供給して、図２（Ｄ）に示す酸化物半導体膜
２０を形成してもよい。酸化雰囲気としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素、二酸化窒素
などの雰囲気がある。さらに、プラズマ処理において、基板１１側にバイアスを印加しな
い状態で発生したプラズマに酸化物半導体膜１９を曝すことが好ましい。この結果、酸化
物半導体膜１９にダメージを与えず、且つ酸素を供給することが可能であり、酸化物半導
体膜２０に含まれる酸素欠損量を低減することができる。

ここでは、プラズマＣＶＤ装置の処理室に一酸化二窒素を導入し、処理室に設けられる
上部電極に２７．１２ＭＨｚの高周波電源を用いて１５０Ｗの高周波電力を供給して発生
させた酸素プラズマに酸化物半導体膜１９を曝し、酸化物半導体膜２０を形成する。なお
、プラズマＣＶＤ装置は電極面積が６０００ｃｍ^２である平行平板型のプラズマＣＶＤ装
置であり、供給した電力を単位面積あたりの電力（電力密度）に換算すると２．５×１０
^−２Ｗ／ｃｍ^２である。

酸化物半導体膜１９の表面を酸素雰囲気で発生させたプラズマに曝すことで、酸化物半
導体膜１９に酸素を供給することが可能であり、酸化物半導体膜に含まれる酸素欠損量を
低減することができる。また、エッチング処理により酸化物半導体膜１９の表面に残存す
る不純物、例えば、フッ素、塩素等のハロゲンなどを除去することができる。

なお、酸化物半導体膜１９にプラズマ処理を行う前に加熱処理をすることが好ましい。
例えば、当該加熱処理としては酸化物半導体膜１９を形成した後に行う加熱処理と同様に
して行うことができる。

次に、酸化物半導体膜２０及び一対の電極２１上に保護膜２７を形成する。具体的には
、酸化物半導体膜２０及び一対の電極２１上に絶縁膜２３、絶縁膜２４、絶縁膜２５及び
絶縁膜２６を順次形成する。このとき、上記プラズマ処理によって酸化物半導体膜２０を
形成した後、大気に曝すことなく絶縁膜２３を形成することで、酸化物半導体膜２０及び
絶縁膜２３の界面における不純物濃度を低減することが可能である。

絶縁膜２３を形成した後、絶縁膜２４乃至絶縁膜２６を大気に曝すことなく、連続的に
形成することが好ましい。絶縁膜２３を形成した後、大気開放せず、原料ガスの流量、圧
力、高周波電力及び基板温度の一以上を調整して絶縁膜２４を連続的に形成することで、
絶縁膜２３及び絶縁膜２４における界面の不純物濃度を低減することができると共に、絶
縁膜２４に含まれる酸素を酸化物半導体膜２０に移動させることが可能であり、酸化物半
導体膜２０の酸素欠損量を低減することができる。

絶縁膜２４を形成した後、大気開放せず、原料ガスの流量、圧力、高周波電力及び基板
温度の一以上を調整して絶縁膜２５を連続的に形成することで、絶縁膜２４及び絶縁膜２
５における界面の不純物濃度を低減でき、界面準位を低減することができる。

絶縁膜２５を形成した後、大気開放せず、原料ガスの流量、圧力、高周波電力及び基板
温度の一以上を調整して絶縁膜２６を連続的に形成することで、絶縁膜２５及び絶縁膜２
６における界面の不純物濃度を低減でき、界面準位を低減することができる。

絶縁膜２３乃至絶縁膜２６の形成方法については上記を参照することができる。

ここでは、絶縁膜２３として、厚さ５０ｎｍの酸化窒化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法
により形成する。当該プラズマＣＶＤ法は、流量２０ｓｃｃｍのシラン及び流量３０００
ｓｃｃｍの一酸化二窒素を原料ガスとし、処理室の圧力を４０Ｐａ、基板温度を２２０℃
とし、２７．１２ＭＨｚの高周波電源を用いて１００Ｗの高周波電力を平行平板電極に供
給することである。なお、プラズマＣＶＤ装置は電極面積が６０００ｃｍ^２である平行平
板型のプラズマＣＶＤ装置であり、供給した電力を単位面積あたりの電力（電力密度）に
換算すると１．６×１０^−２Ｗ／ｃｍ^２である。

ここでは、絶縁膜２４として、厚さ４００ｎｍの酸化窒化シリコン膜をプラズマＣＶＤ
法により形成する。当該プラズマＣＶＤ法は、流量１６０ｓｃｃｍのシラン及び流量４０
００ｓｃｃｍの一酸化二窒素を原料ガスとし、処理室の圧力を２００Ｐａ、基板温度を２
２０℃とし、２７．１２ＭＨｚの高周波電源を用いて１５００Ｗの高周波電力を平行平板
電極に供給することである。なお、プラズマＣＶＤ装置は電極面積が６０００ｃｍ^２であ
る平行平板型のプラズマＣＶＤ装置であり、供給した電力を単位面積あたりの電力（電力
密度）に換算すると２．５×１０^−１Ｗ／ｃｍ^２である。

ここでは、絶縁膜２５として、厚さ１０ｎｍの酸化窒化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法
により形成する。当該プラズマＣＶＤ法は、流量２０ｓｃｃｍのシラン、及び流量３００
０ｓｃｃｍの一酸化二窒素を原料ガスとし、処理室の圧力を２００Ｐａ、基板温度を３５
０℃とし、２７．１２ＭＨｚの高周波電源を用いて１００Ｗの高周波電力を平行平板電極
に供給することである。なお、プラズマＣＶＤ装置は電極面積が６０００ｃｍ^２である平
行平板型のプラズマＣＶＤ装置であり、供給した電力を単位面積あたりの電力（電力密度
）に換算すると１．６×１０^−２Ｗ／ｃｍ^２である。

ここでは、絶縁膜２６として、厚さ５０ｎｍの窒化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法によ
り形成する。当該プラズマＣＶＤ法は、流量５０ｓｃｃｍのシラン、流量５０００ｓｃｃ
ｍの窒素、及び流量１００ｓｃｃｍのアンモニアを原料ガスとし、処理室の圧力を２００
Ｐａ、基板温度を２２０℃とし、２７．１２ＭＨｚの高周波電源を用いて１０００Ｗの高
周波電力を平行平板電極に供給することである。なお、プラズマＣＶＤ装置は電極面積が
６０００ｃｍ^２である平行平板型のプラズマＣＶＤ装置であり、供給した電力を単位面積
あたりの電力（電力密度）に換算すると１．６×１０^−１Ｗ／ｃｍ^２である。

なお、絶縁膜２６を形成する前に加熱処理を行う。当該加熱処理によって、絶縁膜２３
乃至絶縁膜２５に含まれる水（水素を含む）を除去することができると共に少なくとも絶
縁膜２４から脱離する酸素を酸化物半導体膜２０に移動させ、酸化物半導体膜２０の酸素
欠損を補填できる。当該加熱処理は酸化物半導体膜１９を形成した後に行う加熱処理、及
びプラズマ処理を行う前の加熱処理と同様にして行うことができる。

ここでは、窒素及び酸素雰囲気で、３５０℃、１時間の加熱処理を行う。

また、絶縁膜２６を形成した後に、絶縁膜２６を形成する前に行う加熱処理と同様の加
熱処理を行ってもよい。

以上の工程により、トランジスタ５０を作製することができる。

本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態及び実施例に示す構成、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と異なる構造のトランジスタについて、図３を用いて
説明する。本実施の形態に示すトランジスタ７０は、酸化物半導体膜を介して対向する複
数のゲート電極を有する。

トランジスタ７０は、基板１１上に設けられるゲート電極１５を有する。また、トラン
ジスタ７０は、基板１１及びゲート電極１５上にゲート絶縁膜１８が設けられており、ゲ
ート絶縁膜１８を介してゲート電極１５と重なって酸化物半導体膜２０が設けられており
、酸化物半導体膜２０に接して一対の電極２１が設けられている。そして、トランジスタ
７０は、ゲート絶縁膜１８、酸化物半導体膜２０及び一対の電極２１上に、少なくとも絶
縁膜２５及び絶縁膜２６が設けられている。また、絶縁膜２６上に酸化物半導体膜２０と
重なってゲート電極６１が設けられている。また、トランジスタ７０においてもトランジ
スタ５０と同様に、絶縁膜２５と酸化物半導体膜２０との間に設けられる絶縁膜２３及び
絶縁膜２４、並びに絶縁膜２５及び絶縁膜２６により保護膜２７を有することが好ましい
（図３参照）。

ゲート電極６１は、実施の形態１に示すゲート電極１５と同様に形成することができる
。なお、トランジスタ７０におけるその他の構成は、実施の形態１と同様である。

トランジスタ７０は、酸化物半導体膜２０を介して対向するゲート電極１５及びゲート
電極６１を有する。ゲート電極１５とゲート電極６１に異なる電位を印加することで、ト
ランジスタ７０のしきい値電圧を制御することができる。又は、ゲート電極１５及びゲー
ト電極６１に同電位を印加することで、トランジスタ７０のオン電流を増加させることが
できる。また、トランジスタ７０は、酸素雰囲気で発生したプラズマに表面が曝された酸
化物半導体膜２０と、当該プラズマ処理の後連続的に形成された保護膜２７を有すること
で、酸化物半導体膜２０及びゲート電極６１の間における不純物を低減することが可能で
あり、トランジスタ７０の電気特性変動（しきい値電圧のばらつき）を抑制することがで
きる。また、トランジスタ７０は、酸素欠損量が低減された酸化物半導体膜２０を有する
ことから、初期特性不良が抑制されたトランジスタである。

本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態及び実施例に示す構成、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３）
本発明の一態様に係るトランジスタを用いることで、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、半導体装置の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９０１上に設けられた画素部９０２を囲むようにして、シー
ル材９０５が設けられ、基板９０６によって封止されている。図４（Ａ）においては、基
板９０１上のシール材９０５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９０３、走査線駆動回路９０４が実装されている。また、信号線駆動回路９０３と走
査線駆動回路９０４を通して画素部９０２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ（Ｆ
ｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）９１８ａ及びＦＰＣ９１８ｂから供
給されている。

図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）において、基板９０１上に設けられた画素部９０２と、走査
線駆動回路９０４とを囲むようにして、シール材９０５が設けられている。また画素部９
０２と、走査線駆動回路９０４の上に基板９０６が設けられている。よって画素部９０２
と、走査線駆動回路９０４とは、基板９０１とシール材９０５と基板９０６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９０１上のシー
ル材９０５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９０３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９０３と走査線駆動
回路９０４を通して画素部９０２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ９１８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９０３を別途形成し、基
板９０１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（Ｃ
ｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）方法、ワイヤボンディング方法、或いはＴＡＢ（Ｔａｐｅ
Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）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９０３、走査線駆動回路９０４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９０３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９０３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、当該パネルにコント
ローラを含むＩＣなど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若しくは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９０１上に設けられた画素部９０２及び走査線駆動回路９０４は、トランジ
スタを複数有しており、本発明の一態様に係る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）、又は発光
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、具体的には有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ
Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）、無機ＥＬなどが含まれる。また、表示素子として、電子
インクのような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
、当該表示媒体を適用した表示装置としては、電子ペーパーなどが挙げられる。

表示装置の一形態について、図面を用いて説明する。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（斜め電界方式を含む）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（Ｆｒｉｎｇｅ Ｆｉｅｌｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モードを採
用する例を示す。

但し、表示パネルは、画素部９０２に設けられたトランジスタ９１０が液晶素子と電気
的に接続されている構成であり、当該液晶素子としては、表示を行うことができれば特に
限定されず、様々なモードの液晶素子を用いることができる。

図４（Ｂ）及び図５で示すように、表示装置は接続端子電極９１５及び端子電極９１６
を有しており、接続端子電極９１５及び端子電極９１６はＦＰＣ９１８が有する端子と異
方性導電膜９１９を介して、電気的に接続されている。

接続端子電極９１５は、画素電極９３４の形成工程で形成される導電膜で形成され、端
子電極９１６は、トランジスタ９１０及びトランジスタ９１１のゲート電極の形成工程で
形成される導電膜によって形成されている。

図５に示す液晶表示装置において、基板９０１上に設けられた画素部９０２及び走査線
駆動回路９０４は、トランジスタを複数有しており、図５では画素部９０２に含まれるト
ランジスタ９１０と、走査線駆動回路９０４に含まれるトランジスタ９１１とを例示して
いる。

トランジスタ９１０、トランジスタ９１１としては、本発明の一態様に係るトランジス
タを適用することができる。本実施の形態では、トランジスタ９１１には実施の形態２で
示したトランジスタ７０と同様の構造を有するトランジスタを適用する例を示し、トラン
ジスタ９１０には実施の形態１で示したトランジスタ５０と同様の構造を有するトランジ
スタを適用する例を示す。

つまり、画素部９０２のトランジスタ９１０は、チャネル形成領域を構成し、酸素欠損
が十分に補填された酸化物半導体膜と、当該酸化物半導体膜上に水の侵入を抑制し、少な
くとも窒素を含む絶縁膜と、当該絶縁膜から放出される窒素の侵入を抑制する絶縁膜と、
を有するトランジスタである。従って、トランジスタ９１０は、トランジスタ５０と同様
に初期特性不良及び電気特性変動が抑制されたトランジスタである。

走査線駆動回路９０４のトランジスタ９１１は、絶縁膜９３２上の酸化物半導体膜のチ
ャネル形成領域と重なる位置に、ゲート電極（バックゲート電極ともいえる）が設けられ
たトランジスタである。従って、トランジスタ９１１は、トランジスタ７０と同様に初期
特性不良及び電気特性変動が抑制されたトランジスタである。また、当該ゲート電極は外
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。当該ゲート電極の遮
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特性が変動する
ことを防止することができる。また、画素電極９３４の形成工程で形成される導電膜をト
ランジスタ９１１（走査線駆動回路９０４）上に形成し、接地電位などにすることでも静
電遮蔽機能を発揮することができる。

図５に示す液晶表示装置において、トランジスタ９１０及びトランジスタ９１１には、
絶縁膜９３２が設けられている。絶縁膜９３２は、トランジスタ５０及びトランジスタ７
０における保護膜２７に相当する。従って、絶縁膜９３２は、水の侵入を抑制し、少なく
とも窒素を含む絶縁膜（図１及び図４の絶縁膜２６）と、当該絶縁膜から放出される窒素
の侵入を抑制する絶縁膜（図１及び図４の絶縁膜２５）とを少なくとも有する。

また、絶縁膜９３２上に平坦化絶縁膜９４０が設けられている。平坦化絶縁膜９４０と
しては、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
ロキサン系樹脂などの低誘電率材料（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膜を複数積層させることで、平坦化絶縁膜９４０を形成して
もよい。

平坦化絶縁膜９４０の形成方法は、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、オフセット印刷などを用いることができる。

一般に、平坦化絶縁膜として、アクリル膜などの有機樹脂膜が汎用されている。しかし
、当該有機樹脂膜は無機絶縁膜に比べて含有する水が多く、外部の水を透過させやすい。
それゆえ、平坦化絶縁膜９４０にアクリル膜などの有機樹脂膜を用いる場合、当該水によ
って液晶表示装置に含まれるトランジスタの電気特性変動を引き起こし、液晶表示装置の
信頼性を低下させる可能性がある。

そこで、図５に示す液晶表示装置のように、平坦化絶縁膜９４０上に水の侵入を抑制す
る機能を有する絶縁膜９４２を設けることが好ましい。例えば、絶縁膜９４２としては、
窒化シリコン膜などの窒化絶縁膜を用いることができ、トランジスタ５０及びトランジス
タ７０の絶縁膜２６に適用できる窒化絶縁膜を用いることができる。

絶縁膜９３２は保護膜２７に相当することから、絶縁膜９３２の最表面は窒化シリコン
膜などの窒化絶縁膜である。有機樹脂膜は窒化絶縁膜の方が酸化絶縁膜よりも密着性が高
いため、平坦化絶縁膜９４０と絶縁膜９３２との密着性が高い。従って、液晶表示装置に
含まれるトランジスタの電気特性変動が抑制され、液晶表示装置の信頼性を向上させるこ
とができる。

また、図５に示すように、シール材９０５周辺に位置する平坦化絶縁膜９４０（特に平
坦化絶縁膜９４０の端部）は、絶縁膜９３２と絶縁膜９４２とで覆われた（挟まれた）構
造であってもよい。換言すると、平坦化絶縁膜９４０は窒化絶縁膜で覆われる構造であっ
てもよい。

なお、本発明の一態様に係る液晶表示装置は、図５に示す構造に限らない。例えば、図
６に示すように、絶縁膜９４２を設けず、図５の絶縁膜９３２を絶縁膜９３８（図１及び
図４の絶縁膜２３乃至絶縁膜２５に相当）、及び絶縁膜９３９（図１及び図４の絶縁膜２
６に相当）のように別々の工程で形成し、水の侵入を抑制する絶縁膜９３９のみがシール
材９０５の下に設けられる構造であってもよい。当該構造とするには、絶縁膜９３８の端
部がシール材９０５より内側に位置するように形成した後、絶縁膜９３８上に絶縁膜９３
９を形成し、絶縁膜９３９上に平坦化絶縁膜９４０及び配向膜９３５を形成することで実
施できる。そして、水の侵入を抑制する絶縁膜がシール材の下に設けられる構造は、液晶
表示装置だけに関わらず、後述の発光装置など、本発明の一態様に係る表示装置に適用で
きる。

このようにすることで、平坦化絶縁膜９４０にアクリル膜などの有機樹脂膜を用いる場
合でも、水の侵入を抑制でき、液晶表示装置に含まれるトランジスタの電気特性変動は抑
制され、液晶表示装置の信頼性を向上させることできる。

図５に示す液晶表示装置において、液晶素子９１３は、画素電極９３４、対向電極（共
通電極又はコモン電極ともいう。）９３１、及び液晶９０８を含み、液晶９０８を挟持す
るように配向膜９３５及び配向膜９３６が設けられている。また、液晶９０８は、シール
材９０５によって基板９０１と基板９０６との間に充填されている。なお、シール材９０
５の基板９０６側の接合面には対向電極９３１が設けられている（図５（Ａ）参照）が、
基板９０６に接合する構成であってもよい（図５（Ｂ）参照）。さらに、シール材９０５
の接合面に配向膜が設けられる構成であってもよい。配向膜はラビング処理による凹凸形
状を有しているため、アンカー効果を誘起し、シール材９０５の密着性が向上し、液晶表
示装置の信頼性を向上させることができる。

図５（Ａ）に示す液晶表示装置において、対向電極９３１が基板９０６に設けられ、対
向電極９３１にスペーサ９２６が設けられ、スペーサ９２６及び対向電極９３１を覆うよ
うに配向膜９３６が設けられている。従って、図５（Ａ）に示す液晶表示装置の液晶素子
９１３は、画素電極９３４と対向電極９３１とが、配向膜９３５、液晶９０８及び配向膜
９３６を介して積層する構成となっている。

また、図５（Ｂ）に示す液晶表示装置は、基板９０６にスペーサ９２６が設けられ、ス
ペーサ９２６を覆うように配向膜９３６が設けられている。また、画素電極９３４上に絶
縁膜９４３が設けられており、絶縁膜９４３上に開口パターンを有する対向電極９３１が
設けられており、対向電極９３１を覆うように配向膜９３５が設けられている。対向電極
９３１の開口パターンは、屈曲部や枝分かれした櫛歯状を含む形状である。画素電極９３
４及び対向電極９３１はその電極間に電界を発生させるため、少なくとも一部が重ならな
いように配置する。従って、図５（Ｂ）に示す液晶表示装置の液晶素子９１３は、液晶９
０８の下方に画素電極９３４及び対向電極９３１が設けられる構成である。なお、画素電
極９３４に当該開口パターンを形成し、対向電極９３１を平板状に形成する構成としても
よい。

また、図５に示す液晶表示装置において、シール材９０５の基板９０１側は、少なくと
も絶縁膜９２３、端子電極９１６、絶縁膜９２４、絶縁膜９４２が設けられている。絶縁
膜９２３はトランジスタ９１０及びトランジスタ９１１の下地絶縁膜（トランジスタ５０
及びトランジスタ７０の下地絶縁膜１３）に相当する。絶縁膜９２４はトランジスタ９１
０及びトランジスタ９１１のゲート絶縁膜（トランジスタ５０及びトランジスタ７０のゲ
ート絶縁膜１８）に相当する。端子電極９１６及び絶縁膜９４２は上記を参照できる。

画素電極９３４、対向電極９３１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、画素電極９３４、対向電極９３１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、画素電極９３４、対向電極９３１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、
ピロール及びチオフェンの２種以上からなる共重合体若しくはその誘導体などが挙げられ
る。

シール材９０５は、スクリーン印刷法、インクジェット装置又はディスペンス装置を用
いて基板９０１又は基板９０６上に形成できる。シール材９０５は、代表的には可視光硬
化性、紫外線硬化性又は熱硬化性の樹脂を含む材料を用いることができる。なお、シール
材９０５としては、液晶９０８に溶解しないシール材料を選択することが好ましい。また
、共通接続部（パッド部）をシール材９０５下に設けるためにシール材９０５に導電性粒
子を含ませてもよい。

また、スペーサ９２６は絶縁膜を選択的にエッチングすることで得られる柱状のスペー
サであり、基板９０１及び基板９０６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、スペーサ９２６は球状のスペーサを用いていてもよい。

液晶９０８は、サーモトロピック液晶、強誘電性液晶、又は反強誘電性液晶などの液晶
材料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、条件によって、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、又は等方相などを示す。

また、液晶９０８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９０８と、画素電極９３４及び対向電極９３１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
上させることができる。

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１×１０^１
１Ω・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
ーク電流などを考慮して、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などを考慮して設定すればよい。本明細書に開示す
る酸化物半導体膜を有するトランジスタを用いることにより、各画素における液晶容量に
対して１／３以下、好ましくは１／５以下の容量の大きさを有する保持容量を設ければ充
分である。

本発明の一態様に係るトランジスタは、酸化物半導体を用いていることからオフ状態に
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。保持
容量は、画素電極９３４の形成工程で形成される導電膜を一方の電極とし、誘電体として
画素電極９３４上に絶縁膜（図５（Ｂ）の場合は絶縁膜９４３）を設け、他方の電極とし
て別途導電膜を設けることで形成することができる。

また、本発明の一態様に係るトランジスタは、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用トランジスタと、駆動回路部に使用するドライバー用トランジス
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。

本実施の形態に示す液晶表示装置は、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モード
、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ Ｆ
ｉｅｌｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ
ａｌｉｇｎｅｄ Ｍｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐ
ｅｎｓａｔｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔ
ｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅ
ｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モードなどを用いることができる。

また、本実施の形態に示す液晶表示装置は、ノーマリーブラック型の液晶表示装置、例
えば垂直配向（ＶＡ）モードを採用した透過型の液晶表示装置としてもよい。垂直配向モ
ードとしては、いくつか挙げられるが、例えば、ＭＶＡ（Ｍｕｌｔｉ−Ｄｏｍａｉｎ Ｖ
ｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｖｅｒｔ
ｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＡＳＶ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｓｕｐｅｒ Ｖｉ
ｅｗ）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、本実施の形態に示す液晶表示装置において、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）などを適宜設けることが
できる。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、又はサイドライトなどを用いることができる。

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などを用
いることができる。本発明の一態様に係る液晶表示装置は、モノクロ表示の表示装置に限
定されるものではなく、カラー表示の表示装置とすることもできる。例えば、対向電極９
３１及び配向膜９３６の間にカラーフィルタを設けることでカラー表示の液晶表示装置と
することができる。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、マゼンタなど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。

カラーフィルタとしては、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
ーフィルタの膜厚は１５００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下とすればよい。

図７に、図５に示す表示装置において、基板９０６に設けられた対向電極９３１と電気
的に接続するための共通接続部（パッド部）を、基板９０１上に形成する例を示す。

なお、ここでは面積サイズが大きく異なるため、画素部におけるコンタクトホールと、
共通接続部の開口部と使い分けて呼ぶこととする。また、図５及び図７では、画素部９０
２と共通接続部とで同じ縮尺で図示しておらず、例えば共通接続部の一点鎖線Ｇ１−Ｇ２
の長さが５００μｍ程度であるのに対して、画素部９０２のトランジスタのサイズは５０
μｍ未満であり、実際には１０倍以上面積サイズが大きいが、分かりやすくするため、図
５及び図７では、画素部９０２と共通接続部の縮尺をそれぞれ変えて図示している。

共通接続部は、基板９０１と基板９０６とを接着するためのシール材９０５と重なる位
置に配置され、シール材９０５に含まれる導電性粒子を介して対向電極９３１と電気的に
接続される。又は、シール材９０５と重ならない箇所（但し、画素部を除く）に共通接続
部を設け、共通接続部に重なるように導電性粒子を含むペーストをシール材とは別途設け
て対向電極９３１と電気的に接続してもよい。

導電粒子として、絶縁性球体に金属薄膜が被覆された導電粒子を用いることができる。
絶縁性球体は、シリカガラス、硬質樹脂などで形成される。金属薄膜は、金、銀、パラジ
ウム、ニッケル、酸化インジウムスズ、及び酸化インジウム亜鉛の単層又は積層構造とす
ることができる。例えば、金属薄膜として金薄膜や、ニッケル薄膜及び金薄膜の積層など
を用いることができる。絶縁性球体を中心に有する導電粒子を用いることで、弾性が高ま
り、外部からの圧力に対する破壊を低減することができる。

導電粒子の周囲には有機樹脂絶縁材料ではなく、導電性ポリマーが充填されてもよい。
導電性ポリマーの代表例としては、導電性ポリアニリン、導電性ポリピロール、導電性ポ
リチオフェン、ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）とポリスチレンスルホン
酸（ＰＳＳ）の錯体等も用いることができる。また、画素電極９３４に用いることが可能
な導電性ポリマーに列挙したものを適宜用いることができる。導電性ポリマーは、インク
ジェット装置、ディスペンサ装置などで導電性ポリマーを塗布して形成できる。対向電極
又は接続配線に導電性ポリマーが接していることにより、導電粒子と導電性ポリマーが対
向電極又は接続配線と接し、対向電極及び接続配線の接続抵抗を低減することが可能であ
る。

シール材９０５に導電粒子を含ませる場合は、シール材９０５と共通接続部が重なるよ
うに一対の基板の位置合わせが行われる。例えば、小型の液晶パネルにおいては、画素部
９０２の対角などに２個の共通接続部がシール材と重ねて配置される。また、大型の液晶
パネルにおいては、４個以上の共通接続部がシール材と重ねて配置される。

図７（Ａ）は、共通接続部の断面図であり、図７（Ｂ）に示す上面図のＧ１−Ｇ２に相
当する。

共通電位線４９１は、絶縁膜９２３（トランジスタ９１０のゲート絶縁膜）上に設けら
れ、図５に示すトランジスタ９１０、トランジスタ９１１のソース電極及びドレイン電極
の形成工程で形成される導電膜によって形成される。図７（Ａ）では、共通電位線４９１
に、トランジスタ９１０のソース電極及びドレイン電極の形成工程で形成される絶縁膜を
用いた場合について図示する。

共通電位線４９１上には、絶縁膜９３２及び絶縁膜９４２、並びに共通電極４９２が設
けられている。絶縁膜９３２及び絶縁膜９４２は、共通電位線４９１と重なる位置に複数
の開口部を有しており、共通電極４９２は、当該開口部を介して共通電位線４９１と接し
ている。当該開口部は、トランジスタ９１０のソース電極及びドレイン電極の一方と、画
素電極９３４とを接続するコンタクトホールと同じ形成工程で形成される。そのため、絶
縁膜９４２は、当該開口部における絶縁膜９３２の側面に接して設けられている。

共通電極４９２は、絶縁膜９４２上に設けられ、接続端子電極９１５や、画素部の画素
電極９３４の形成工程で形成される導電膜によって形成される。

このように、画素部９０２のスイッチング素子の作製工程と共通させて共通接続部を作
製することができる。

共通電極４９２は、シール材９０５に含まれる導電性粒子と接触する電極であり、基板
９０６の対向電極９３１と電気的に接続が行われる。

また、図７（Ｃ）に示すように、共通接続部は、共通電位線４９１を、トランジスタ９
１０、トランジスタ９１１のゲート電極の形成工程で形成される導電膜によって形成され
る構成であってもよい。図７（Ｃ）では、共通電位線４９１に、トランジスタ９１０のゲ
ート電極の形成工程で形成される絶縁膜を用いた場合について図示する。

共通電位線４９１上には、絶縁膜９２４、絶縁膜９３２及び絶縁膜９４２、並びに共通
電極４９２が設けられている。絶縁膜９２４、絶縁膜９３２及び絶縁膜９４２は、共通電
位線４９１と重なる位置に複数の開口部を有しており、共通電極４９２は、当該開口部を
介して共通電位線４９１と接している。当該開口部は、トランジスタ９１０のソース電極
及びドレイン電極の一方と、画素電極９３４とを接続するコンタクトホールと同じ形成工
程で形成される。そのため、絶縁膜９４２は、当該開口部における絶縁膜９２４及び絶縁
膜９３２の側面に接して設けられている。

また、本発明の一態様に係る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及び正孔
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（電子及び正孔）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８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８は、図４（Ｂ）のＭ
−Ｎにおける断面図に相当する。なお、図８に示す発光装置について、図５に示した液晶
表示装置に用いた符号を適宜用いる。

表示素子である発光素子９６３は、画素部９０２に設けられたトランジスタ９１０と電
気的に接続している。なお、発光素子９６３の構成は、第１の電極９２９、発光層９６１
、第２の電極９３０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９６３か
ら取り出す光の方向などに合わせて、発光素子９６３の構成は適宜変えることができる。

図８に示す発光装置は、図５に示した液晶表示装置と同じように、平坦化絶縁膜９４０
をトランジスタ９１０及びトランジスタ９１１上に設けることが好ましく、さらには平坦
化絶縁膜９４０上に絶縁膜９４２を設けることが好ましい。また、シール材９３７周辺に
位置する平坦化絶縁膜９４０（特にその端部）は、絶縁膜９３２と絶縁膜９４２とで覆わ
れた（挟まれた）構造であってもよい。絶縁膜９４２を設けることで、平坦化絶縁膜９４
０にアクリル膜などの有機樹脂膜を用いる場合でも、水の侵入を抑制でき、発光装置に含
まれるトランジスタの電気特性変動が抑制され、発光装置の信頼性を向上させることでき
る。

隔壁９６０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９２９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。

発光層９６１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良い。

発光素子９６３に酸素、水素、水、二酸化炭素などが侵入しないように、第２の電極９
３０及び隔壁９６０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、窒化
酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化
アルミニウム、ＤＬＣ膜などを形成することができる。また、基板９０１、基板９０６、
及びシール材９３７によって封止された空間には充填材９６４が設けられ発光素子は密封
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。

シール材９３７は、図５に示した液晶表示装置に適用できるシール材９０５の他に、低
融点ガラスを含むフリットガラスなどを用いることができる。フリットガラスは、水や酸
素などの不純物に対してバリア性が高いため好ましい。また、シール材９３７としてフリ
ットガラスを用いる場合、図８に示すように、絶縁膜９４２上にフリットガラスを設ける
ことが好ましい。絶縁膜９４２は、窒化シリコン膜などの無機絶縁膜であるため、フリッ
トガラスとの密着性を高めることができる。

充填材９６４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）、アクリル樹脂、ポリ
アミド、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。

表示素子に電圧を印加する第１の電極及び第２の電極（画素電極、共通電極、対向電極
などともいう）においては、取り出す光の方向、電極が設けられる場所、及び電極のパタ
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９２９、第２の電極９３０は、図５に示した液晶表示装置の画素電極９３４
及び対向電極９３１に適用できる導電性材料を用いることができる。また、図５に示した
液晶表示装置の画素電極９３４及び対向電極９３１に適用できる金属、その合金、及びそ
の金属窒化物から一以上を第１の電極９２９及び第２の電極９３０に用いることができる
。さらに、図５に示した液晶表示装置の画素電極９３４及び対向電極９３１に適用できる
導電性高分子を含む導電性組成物を第１の電極９２９及び第２の電極９３０に用いること
ができる。

なお、基板９０１、基板９０６、トランジスタ９１０、トランジスタ９１１、接続端子
電極９１５、端子電極９１６、ＦＰＣ９１８、異方性導電膜９１９、絶縁膜９２３、絶縁
膜９２４、及び絶縁膜９３２などその他の構成は、図５に示した液晶表示装置と同様であ
る。従って、発光装置に含まれるトランジスタの電気特性変動は抑制され、発光装置の信
頼性を向上させることできる。

また、トランジスタは静電気などにより破壊されやすいため、駆動回路保護用の保護回
路を設けることが好ましい。保護回路は、非線形素子を用いて構成することが好ましい。

本発明の一態様に係る発光装置は、赤色の発光素子、緑色の発光素子、青色の発光素子
を積層させることで白色の発光素子を形成し、カラーフィルタを用いてカラー表示させる
構成とすることができる。また、本発明の一態様に係る発光装置は、赤色の発光素子、緑
色の発光素子、青色の発光素子をそれぞれ作り分けることで、カラーフィルタなどを用い
ずともカラー表示させる構成とすることができる。

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。
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。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の粒子及び第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、エレクトロルミネッセンス材料、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
用いる電極である第１の電極（例えば画素電極）及び第２の電極（例えば共通電極）の間
に配置し、第１の電極及び第２の電極に電位差を生じさせての球形粒子の向きを制御する
ことにより、表示を行う方法である。

本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態及び実施例に示す構成、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）
本発明の一態様に係る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。本実施の形態では、当該イメージセン
サ機能を有する半導体装置について説明する。

図９（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９（Ａ）はフ
ォトセンサの等価回路であり、図９（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６４
０は、ソース又はドレインの一方がフォトセンサ基準信号線６７２に、ソース又はドレイ
ンの他方がトランジスタ６５６のソース又はドレインの一方に電気的に接続されている。
トランジスタ６５６は、ゲートがゲート信号線６５９に、ソース又はドレインの他方がフ
ォトセンサ出力信号線６７１に電気的に接続されている。

なお、本明細書における回路図において、酸化物半導体膜を用いるトランジスタと明確
に判明できるように、酸化物半導体膜を用いるトランジスタの記号には「ＯＳ」と記載し
ている。図９（Ａ）において、トランジスタ６４０及びトランジスタ６５６は、本発明の
一態様に係るトランジスタが適用でき、酸化物半導体を用いるトランジスタである。

図９（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上には絶縁膜６３２、層間絶縁膜６３３、層間絶縁膜６３４が設け
られている。フォトダイオード６０２は、層間絶縁膜６３３上に形成された電極６４１ｂ
と、電極６４１ｂ上に順に積層された第１の半導体膜６０６ａ、第２の半導体膜６０６ｂ
、及び第３の半導体膜６０６ｃと、層間絶縁膜６３４上に設けられ、第１乃至第３の半導
体膜を介して電極６４１ｂと電気的に接続する電極６４２と、電極６４１ｂと同じ層に設
けられ、電極６４２と電気的に接続する電極６４１ａと、を有している。

なお、絶縁膜６３２は、トランジスタ６４０において水の侵入を抑制し、少なくとも窒
素を含む絶縁膜（図１の絶縁膜２６に相当）と、当該絶縁膜から放出される窒素の侵入を
抑制する絶縁膜（図１の絶縁膜２５に相当）とを含む。

電極６４１ｂは、層間絶縁膜６３４に形成された導電膜６４３と電気的に接続し、電極
６４２は電極６４１ａを介して導電膜６４５と電気的に接続している。導電膜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の半導体膜６０６ａとしてｐ型の導電型を有する半導体膜と、第２の半
導体膜６０６ｂとして高抵抗な半導体膜（ｉ型半導体膜）、第３の半導体膜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の半導体膜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の半導体膜６０６ａの形成には１
３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ＣＶ
Ｄ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。又は
、Ｓｉ_２Ｈ_６、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２、ＳｉＨＣｌ_３、ＳｉＣｌ_４、ＳｉＦ_４などを用いてもよ
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などを行うことで、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などを用いればよい。第１の半導体膜６０６ａの膜厚は１
０ｎｍ以上５０ｎｍ以下となるよう形成することが好ましい。

第２の半導体膜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の半導体膜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。又は、Ｓｉ_２Ｈ_６、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２、ＳｉＨＣｌ_３
、ＳｉＣｌ_４、ＳｉＦ_４などを用いてもよい。第２の半導体膜６０６ｂの形成は、ＬＰＣ
ＶＤ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の半導体膜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の半導体膜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の半導体膜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。又は、Ｓｉ_２Ｈ
_６、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２、ＳｉＨＣｌ_３、ＳｉＣｌ_４、ＳｉＦ_４などを用いてもよい。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などを行うことで、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などを用いればよい。第３の半導体膜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の半導体膜６０６ａ、第２の半導体膜６０６ｂ、及び第３の半導体膜６０６
ｃは、アモルファス半導体ではなく、多結晶半導体を用いて形成してもよいし、微結晶（
セミアモルファス（Ｓｅｍｉ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：ＳＡ
Ｓ））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６０
２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、電極は遮光性を有する導電膜を用
いるとよい。また、ｎ型の半導体膜側を受光面として用いることもできる。

トランジスタ６４０は、電流経路（チャネル）として機能する酸化物半導体膜の上に水
の侵入を抑制し、少なくとも窒素を含む絶縁膜と、当該絶縁膜から放出される窒素の侵入
を抑制する絶縁膜と、を有することから、電気特性の変動を抑制することができ、信頼性
の高いトランジスタである。

絶縁膜６３２は、実施の形態１に記載したトランジスタ５０の保護膜２７に適用できる
方法を用いて形成できる。

層間絶縁膜６３３、層間絶縁膜６３４としては、絶縁性材料を用いて、その材料に応じ
て、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法、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、オフセット印刷などを用いて形成する
ことができる。

層間絶縁膜６３３、層間絶縁膜６３４としては、表面凹凸を低減するため平坦化絶縁膜
として機能する絶縁膜が好ましい。層間絶縁膜６３３、層間絶縁膜６３４としては、上記
平坦化絶縁膜９４０に適用できる材料の単層、又は積層とすることができる。

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。従って、当該イメージセンサ機能を有する半導体装置を本発明の一態様
に係る表示装置に積層することで、タッチパネルを作製することができる。

本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態及び実施例に示す構成、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５）
本発明の一態様に係る半導体装置は、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、デジタルカメラやデジタルビデオカメラ等の
カメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機、携帯型ゲーム機、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１０に示す。

図１０（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１０（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１０（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１０（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などを
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１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）は２つ折り可能なタブレット型端末である。図１１（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９６
３１ａ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９６
３１ａ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９
６３１ａ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１１（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１１（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９
６３３、充放電制御回路９６３４を有する。なお、図１１（Ｂ）では充放電制御回路９６
３４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１１（Ａ）及び図１１（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、などを有す
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１１（Ｂ）に示す充放電制御回路９６３４の構成、及び動作について図１１（
Ｃ）にブロック図を示し説明する。図１１（Ｃ）には、太陽電池９６３３、バッテリー９
６３５、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９６３
６、コンバータ９６３７、スイッチＳＷ１乃至ＳＷ３が、図１１（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ＤＣ
ＤＣ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９
６３７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９
６３１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９
６３５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、バッテリー９６３５は、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。

本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態及び実施例に示す構成、方法な
どと適宜組み合わせて用いることができる。

本実施例では、本発明の一態様に係るトランジスタに適用できる、水の侵入を抑制する
絶縁膜を評価した結果について説明する。詳細には、加熱による水素分子の放出量、加熱
によるアンモニア分子の放出量及び加熱による水分子の放出量を評価した結果について説
明する。

始めに、評価した試料の作製方法を説明する。作製した試料は、構造１及び構造２であ
る。

構造１の試料は、シリコンウェハ９９１上に、実施の形態１に示す絶縁膜２６（図１参
照）に適用できる形成条件を用いてプラズマＣＶＤ法により窒化シリコン膜９９３を形成
して、作製された（図１２（Ａ）参照）。

窒化シリコン膜９９３は、条件１乃至条件３の３条件を用いて形成し、それぞれの条件
で形成した試料を試料Ａ１〜試料Ａ３とした。なお、試料Ａ１〜試料Ａ３ともに窒化シリ
コン膜９９３の厚さを５０ｎｍとした。

条件１は、シリコンウェハ９９１を保持する温度を２２０℃とし、流量５０ｓｃｃｍの
シランと、流量５０００ｓｃｃｍの窒素と、流量１００ｓｃｃｍのアンモニアとを、原料
ガスとし、処理室内の圧力を２００Ｐａとし、平行平板電極に供給する高周波電力を２７
．１２ＭＨｚ、１０００Ｗ（電力密度としては１．６×１０^−１Ｗ／ｃｍ^２）とした。な
お、アンモニアの流量に対する窒素の流量比は５０である。

条件２は、条件１の平行平板電極に供給する高周波電力を１５０Ｗ（電力密度としては
、２．５×１０^−２Ｗ／ｃｍ^２）とした条件である。

条件３は、シリコンウェハ９９１を保持する温度を２２０℃とし、流量３０ｓｃｃｍの
シランと、流量１５００ｓｃｃｍの窒素と、流量１５００ｓｃｃｍのアンモニアとを、原
料ガスとし、処理室内の圧力を２００Ｐａとし、平行平板電極に供給する高周波電力を２
７．１２ＭＨｚ、１５０Ｗ（電力密度としては２．５×１０^−２Ｗ／ｃｍ^２）とした。な
お、アンモニアの流量に対する窒素の流量比は１である。

試料Ａ１〜試料Ａ３についてＴＤＳ分析を行った。なお、各試料において、シリコンウ
ェハ９９１を、６５℃以上６１０℃以下で加熱した。

ＴＤＳ分析の結果を示す曲線におけるピークは、分析した試料（本実施例では試料Ａ１
〜試料Ａ３）に含まれる原子又は分子が外部に放出されることで現れるピークである。な
お、外部に放出される原子又は分子の総量は、当該ピークの積分値に相当する。それゆえ
、当該ピーク強度の強弱によって窒化シリコン膜に含まれる原子又は分子の総量を評価で
きる。

構造１の試料Ａ１〜試料Ａ３についてのＴＤＳ分析結果を図１３及び図１４に示す。図
１３（Ａ）は、基板温度に対するＭ／ｚ＝２である気体、代表的には水素分子の放出量を
示したグラフである。図１３（Ｂ）は、基板温度に対するＭ／ｚ＝１８である気体、代表
的には水分子の放出量を示したグラフである。図１３（Ｃ）は、図１３（Ａ）の曲線のピ
ークの積分値から算出した水素分子の放出量を示したグラフである。図１４（Ａ）は、基
板温度に対するＭ／ｚ＝１７である気体、代表的にはアンモニア分子の放出量を示したグ
ラフである。図１４（Ｂ）は、図１４（Ａ）の曲線のピークの積分値から算出したアンモ
ニア分子の放出量を示したグラフである。なお、本ＴＤＳ分析における水素分子の検出下
限は１．０×１０^２１分子／ｃｍ^３であり、アンモニア分子の検出下限は、２．０×１０
^２０分子／ｃｍ^３である。

図１３（Ａ）より、水素分子のＴＤＳ強度は、試料Ａ２のほうが、試料Ａ１及び試料Ａ
３より高いと確認された。そして、図１３（Ｃ）より、試料Ａ２の基板温度に対する水素
分子の放出量は、試料Ａ１及び試料Ａ３の５倍程度であると確認された。また、図１３（
Ｂ）より、試料Ａ１〜試料Ａ３は、基板温度１００℃以上２００℃以下の範囲に水分子の
放出を示すピークが確認された。なお、試料Ａ３のみ当該範囲に鋭いピークが検出された
。

一方、図１４（Ａ）より、アンモニア分子のＴＤＳ強度は、試料Ａ３のほうが、試料Ａ
１及び試料Ａ２より高いことが確認された。そして、図１４（Ｂ）より、基板温度に対す
るアンモニア分子の放出量は、試料Ａ３が、試料Ａ１及び試料Ａ２の少なくとも約１６倍
以上であると確認された。なお、試料Ａ２のアンモニア分子の放出量は検出下限以下であ
った。

次に、作製した試料のうち、構造２について説明する。構造２の試料は、シリコンウェ
ハ９９１上に絶縁膜２４（図１参照）に適用できる形成条件を用いてプラズマＣＶＤ法に
より酸化窒化シリコン膜９９５を形成し、酸化窒化シリコン膜９９５上に構造１と同様に
して窒化シリコン膜９９３を形成して、作製された（図１２（Ｂ）参照）。

構造２の試料について、窒化シリコン膜９９３における水の移動を抑制する効果を評価
するため、酸化窒化シリコン膜９９５は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素
を含む酸化窒化シリコン膜とした。ここで、シリコンウェハ上に厚さ４００ｎｍの酸化窒
化シリコン膜９９５のみを形成した試料についてＴＤＳ分析を行った結果を図１６に示す
。なお、各試料において、シリコンウェハ９９１を、７０℃以上５７０℃以下で加熱した
。図１６（Ａ）は、基板温度に対するＭ／ｚ＝３２である気体、代表的には酸素分子の放
出量を示したグラフであり、図１６（Ｂ）は、基板温度に対するＭ／ｚ＝１８である気体
、代表的には水分子の放出量を示したグラフである。化学量論的組成を満たす酸素よりも
多くの酸素を含む酸化窒化シリコン膜は、膜中に酸素が含まれていると共に（図１６（Ａ
）参照）、水も含まれている（図１６（Ｂ）参照）ため、構造２のＡ４〜試料Ａ６におい
て、基板温度に対する水分子の放出量を評価することで、窒化シリコン膜９９３における
水の移動を抑制する効果があるか否か評価できる。なお、図１６に示した結果は、シリコ
ンウェハ上に酸化窒化シリコン膜９９５を４００ｎｍ成膜した試料についての結果である
。

酸化窒化シリコン膜９９５の形成条件は、シリコンウェハ９９１を保持する温度を２２
０℃とし、流量１６０ｓｃｃｍのシランと、流量４０００ｓｃｃｍの一酸化窒素とを、原
料ガスとし、処理室内の圧力を２００Ｐａとし、平行平板電極に供給する高周波電力を２
７．１２ＭＨｚ、１５００Ｗ（電力密度としては２．５×１０^−１Ｗ／ｃｍ^２）とした。
酸化窒化シリコン膜９９５の厚さは４００ｎｍとした。

構造２の試料において、窒化シリコン膜９９３は、条件１乃至条件３の３条件を用いて
形成し、それぞれの条件で形成した試料を試料Ａ４〜試料Ａ６とした。なお、試料Ａ４〜
試料Ａ６ともに窒化シリコン膜９９３の厚さは５０ｎｍとした。条件１乃至条件３の詳細
は、構造１の場合と同じである。

構造２において、水の移動を抑制する効果を評価するために、試料Ａ４〜試料Ａ６につ
いてＴＤＳ分析を行った。なお、各試料において、シリコンウェハ９９１を、７０℃以上
５８０℃以下で加熱した。

構造２の試料Ａ４〜試料Ａ６についてのＴＤＳ分析結果を図１５に示す。図１５（Ａ）
は、基板温度に対する水素分子の放出量を示したグラフである。図１５（Ｂ）は、基板温
度に対する水分子の放出量を示したグラフである。

図１５（Ａ）より、水素分子のＴＤＳ強度は、試料Ａ５のほうが、試料Ａ４及び試料Ａ
６より高いと確認された。また、図１５（Ｂ）より、水分子のＴＤＳ強度は、小さなピー
クが確認できるが、試料Ａ４〜試料Ａ６において大きな差は見られなかった。

構造２において、試料Ａ４〜試料Ａ６は、酸化窒化シリコン膜９９５があるにも関わら
ず、水分子の放出を示すピークの強度はとても低いことが確認できた。従って、試料Ａ４
〜試料Ａ６の各条件は、窒化シリコン膜９９３における水の移動を抑制する効果を有する
絶縁膜を形成できる条件であるといえる。

しかしながら、構造１の試料Ａ２は水素分子の放出量が多く、構造１の試料Ａ３はアン
モニア分子の放出量が多い。酸化物半導体を用いたトランジスタにおいて、水素及び窒素
は酸化物半導体膜の導電性を増大させ、当該トランジスタをノーマリーオン特性にするこ
とから、水素分子及び窒素源であるアンモニア分子は共に電気特性を変動させる不純物で
ある。例えば、試料Ａ３のようにアンモニア分子の放出量が多いと言うことは、窒素源が
多いということであり、そのような絶縁膜を用いることは、作製したトランジスタをノー
マリーオン特性にする可能性が高い。そして、本発明の一態様に係るトランジスタは、窒
素の侵入を抑制する絶縁膜（図１の絶縁膜２５）を有するが、アンモニア分子の放出量が
少ない方がトランジスタの電気特性をより良好にすることができる。従って、試料Ａ２及
び試料Ａ３の条件で形成される窒化シリコン膜は絶縁膜２６に好適とはいえない。

上記より、試料Ａ１の形成条件である条件１を用いて形成する窒化シリコン膜が、絶縁
膜２６に最も適していると確認できた。

以上より、本実施例で示した条件を用いることで、水素分子の放出量が少なく、水の侵
入を抑制する絶縁膜を形成することができ、当該絶縁膜を用いることで、電気特性変動を
抑制したトランジスタ、又は信頼性を向上させたトランジスタを作製することができる。

本実施例では、実施例１で記載した条件１乃至条件３を用いて形成した窒化シリコン膜
を有するトランジスタを作製し、Ｖｇ−Ｉｄ特性の測定結果について説明する。本実施例
で作製するトランジスタは、外部の水の侵入を抑制する絶縁膜の効果について評価するた
め、本発明の一態様に係るトランジスタの構造とは一部異なる。具体的には、先の実施の
形態で説明したトランジスタ５０及びトランジスタ７０において、絶縁膜２５が設けられ
ていない構造である。

はじめに、試料Ｂ１乃至試料Ｂ３に含まれるトランジスタの作製工程について説明する
。本実施例では図１７を参照して説明する。

まず、図１７（Ａ）に示すように、基板１１としてガラス基板を用い、基板１１上にゲ
ート電極１５を形成した。

スパッタリング法で厚さ１００ｎｍのタングステン膜を形成し、フォトリソグラフィ工
程により該タングステン膜上にマスクを形成し、該マスクを用いて該タングステン膜の一
部をエッチングし、ゲート電極１５を形成した。

次に、ゲート電極１５上にゲート絶縁膜１８を形成した。

ゲート絶縁膜１８として、厚さ５０ｎｍの窒化シリコン膜、及び厚さ２００ｎｍの酸化
窒化シリコン膜を積層して形成した。該窒化シリコン膜は、シラン５０ｓｃｃｍ、窒素５
０００ｓｃｃｍをプラズマＣＶＤ装置の処理室に供給し、処理室内の圧力を６０Ｐａに制
御し、２７．１２ＭＨｚの高周波電源を用いて１５０Ｗの電力を供給して形成した。該酸
化窒化シリコン膜は、シラン２０ｓｃｃｍ、一酸化二窒素３０００ｓｃｃｍをプラズマＣ
ＶＤ装置の処理室に供給し、処理室内の圧力を４０Ｐａに制御し、２７．１２ＭＨｚの高
周波電源を用いて１００Ｗの電力を供給して形成した。なお、該窒化シリコン膜及び該酸
化窒化シリコン膜は、基板温度を３５０℃として形成した。

次に、ゲート絶縁膜１８を介してゲート電極１５に重なる酸化物半導体膜１９を形成し
た。

ここでは、ゲート絶縁膜１８上にＣＡＡＣ−ＯＳ膜であるＩＧＺＯ膜をスパッタリング
法で形成し、フォトリソグラフィ工程により該ＩＧＺＯ膜上にマスクを形成し、該マスク
を用いて該ＩＧＺＯ膜の一部をエッチングした。その後、エッチングされたＩＧＺＯ膜に
加熱処理を行い、酸化物半導体膜１９を形成した。なお、本実施例では厚さ３５ｎｍのＩ
ＧＺＯ膜を形成した。

ＩＧＺＯ膜は、スパッタリングターゲットをＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（原子数比
）のターゲットとし、スパッタリングガスとして５０ｓｃｃｍのＡｒと５０ｓｃｃｍの酸
素をスパッタリング装置の処理室内に供給し、処理室内の圧力を０．６Ｐａに制御し、５
ｋＷの直流電力を供給して形成した。なお、ＩＧＺＯ膜を形成する際の基板温度は１７０
℃とした。

次に、加熱処理を行い、酸化物半導体膜に含まれる水、水素などを放出させた。ここで
は、窒素雰囲気で、４５０℃、１時間の加熱処理を行った後、窒素及び酸素雰囲気で、４
５０℃、１時間の加熱処理を行った。

ここまでの工程で得られた構成は図１７（Ｂ）を参照できる。

次に、ゲート絶縁膜１８の一部をエッチングしてゲート電極を露出された後（図示しな
い。）、図１７（Ｃ）に示すように、酸化物半導体膜１９に接する一対の電極２１を形成
した。

ゲート絶縁膜１８及び酸化物半導体膜１９上に導電膜を形成し、フォトリソグラフィ工
程により該導電膜上にマスクを形成し、該マスクを用いて該導電膜の一部をエッチングし
、一対の電極２１を形成した。なお、該導電膜は、厚さ５０ｎｍのタングステン膜上に厚
さ４００ｎｍのアルミニウム膜を形成し、該アルミニウム膜上に厚さ１００ｎｍのチタン
膜を形成した。

次に、減圧された処理室に基板を移動し、２２０℃で加熱した後、一酸化二窒素が充填
された処理室に基板を移動させた。次に、処理室に設けられる上部電極に２７．１２ＭＨ
ｚの高周波電源を用いて１５０Ｗの高周波電力を供給して発生させた酸素プラズマに酸化
物半導体膜１９を曝して酸素２２を供給した。

次に、上記プラズマ処理の後、大気に曝すことなく、連続的に酸化物半導体膜１９及び
一対の電極２１上に絶縁膜２３及び絶縁膜２４を形成した。絶縁膜２３としては厚さ５０
ｎｍの第１の酸化窒化シリコン膜を形成し、絶縁膜２４としては厚さ４００ｎｍの第２の
酸化窒化シリコン膜を形成した。

第１の酸化窒化シリコン膜としては、流量３０ｓｃｃｍのシラン及び流量４０００ｓｃ
ｃｍの一酸化二窒素を原料ガスとし、処理室の圧力を４０Ｐａ、基板温度を２２０℃とし
、１５０Ｗの高周波電力を平行平板電極に供給したプラズマＣＶＤ法により形成した。

第２の酸化窒化シリコン膜としては、流量１６０ｓｃｃｍのシラン及び流量４０００ｓ
ｃｃｍの一酸化二窒素を原料ガスとし、処理室の圧力を２００Ｐａ、基板温度を２２０℃
とし、１５００Ｗの高周波電力を平行平板電極に供給したプラズマＣＶＤ法により形成し
た。当該条件により、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窒化シリコン膜を形成することができる。

次に、加熱処理を行い、絶縁膜２３及び絶縁膜２４から水、水素などを放出させた。こ
こでは、窒素及び酸素雰囲気で、３５０℃、１時間の加熱処理を行った。

次に、図１７（Ｄ）に示すように、絶縁膜２４上に絶縁膜２６を形成した。

試料Ｂ１おいて、絶縁膜２６として、実施例１に示す試料Ａ１の条件１を用いた窒化シ
リコン膜を形成した。

試料Ｂ２おいて、絶縁膜２６として、実施例１に示す試料Ａ２の条件２を用いた窒化シ
リコン膜を形成した。

試料Ｂ３おいて、絶縁膜２６として、実施例１に示す試料Ａ３の条件３を用いた窒化シ
リコン膜を形成した。

次に、図示しないが、絶縁膜２３、絶縁膜２４及び絶縁膜２６の一部をエッチングして
、一対の電極の一部を露出する開口部を形成した。

次に、絶縁膜２６上に平坦化膜を形成した（図示しない）。ここでは、組成物を絶縁膜
２６上に塗布した後、露光及び現像を行って、一対の電極の一部を露出する開口部を有す
る平坦化膜を形成した。なお、平坦化膜として厚さ１．５μｍのアクリル樹脂を形成した
。こののち、加熱処理を行った。当該加熱処理は、温度を２５０℃とし、窒素を含む雰囲
気で１時間行った。

次に、一対の電極の一部に接続する導電膜を形成した（図示しない）。ここでは、スパ
ッタリング法により厚さ１００ｎｍの酸化シリコンを含むＩＴＯを形成した。

以上の工程により、試料Ｂ１乃至試料Ｂ３においてトランジスタを作製した。また、各
試料において、基板内に同じ構造の２４個のトランジスタを作製した。

次に、試料Ｂ１乃至試料Ｂ３のトランジスタのＶｇ−Ｉｄ特性を測定した。

次に、耐湿評価の加速寿命試験として、プレッシャークッカー試験（ＰＣＴ：Ｐｒｅｓ
ｓｕｒｅ Ｃｏｏｋｅｒ Ｔｅｓｔ）を行った。本実施例ではＰＣＴ試験として、温度１
３０℃、湿度８５％、圧力０．２３ＭＰａの条件で、試料Ｂ１乃至試料Ｂ３を１５時間保
持した。

試料Ｂ１乃至試料Ｂ３である各トランジスタのＶｇ−Ｉｄ特性の初期特性、及びプレッ
シャークッカー試験後の各トランジスタのＶｇ−Ｉｄ特性を図１８乃至図２０に示す。つ
まり、試料Ｂ１の結果は図１８に示し、試料Ｂ２の結果は図１９に示し、試料Ｂ３の結果
は図２０に示した。

なお、各試料において、チャネル長（Ｌ）が２μｍ、チャネル幅（Ｗ）が５０μｍのト
ランジスタ１と、チャネル長（Ｌ）が６μｍ、チャネル幅（Ｗ）が５０μｍのトランジス
タ２それぞれのＶｇ−Ｉｄ特性を測定した。各試料において、トランジスタ１の初期特性
を各図（Ａ）に示し、トランジスタ２の初期特性を各図（Ｂ）に示し、トランジスタ２の
プレッシャークッカー試験後のＶｇ−Ｉｄ特性を各図（Ｃ）に示す。

図１９（Ａ）に示すＶｇ−Ｉｄ特性は、スイッチング特性を有していない。また、図２
０（Ａ）に示すＶｇ−Ｉｄ特性は、しきい値電圧のばらつきが大きい。しかしながら、図
１８（Ａ）に示すＶｇ−Ｉｄ特性は、良好なスイッチング特性を有し、且つしきい値電圧
のばらつきが小さいことがわかる。

図１９（Ｂ）に示すＶｇ−Ｉｄ特性の初期特性と比較して、図１８（Ｂ）及び図２０（
Ｂ）に示すＶｇ−Ｉｄ特性の初期特性は、しきい値電圧のばらつきが小さいことがわかる
。

図１９（Ｃ）及び図２０（Ｃ）に示す、プレッシャークッカー試験後のＶｇ−Ｉｄ特性
と比較して、図１８（Ｃ）に示すＶｇ−Ｉｄ特性は、良好なスイッチング特性が得られて
いる。

以上のことから、水素分子の放出量、及びアンモニア分子の放出量が少ない窒化絶縁膜
をトランジスタ上に形成することで、しきい値電圧のマイナスシフトを低減することが可
能であると共に、トランジスタの信頼性を向上させることができる。

次に、本実施例の試料Ｂ１乃至試料Ｂ３と同様の工程であって、且つ条件１乃至条件３
以外の条件を用いて絶縁膜２６を形成して、複数の試料を作製した。また、各試料におい
て、基板内に同じ構造のトランジスタを２４個形成し、各トランジスタのＶｇ−Ｉｄ特性
の初期特性を比較した。なお、各トランジスタにおいて、チャネル長（Ｌ）は２μｍ、チ
ャネル幅（Ｗ）は５０μｍである。

試料Ｂ１乃至試料Ｂ３、並びに条件１乃至条件３以外の条件を用いて絶縁膜２６を形成
した複数の試料において、絶縁膜２６の水素分子の放出量及びアンモニア分子の放出量と
、トランジスタのＶｇ−Ｉｄ特性の初期特性との関係を図２１に示す。

図２１において、横軸は絶縁膜２６からの水素分子の放出量を示し、縦軸は絶縁膜２６
からのアンモニア分子の放出量を示す。また、図２１において、丸印は、基板内における
２４個のトランジスタにおいて、最大しきい値電圧と、最小しきい値電圧との差（Ｖｔｈ
＿ｍａｘ−Ｖｔｈ＿ｍｉｎ）が１Ｖ以下であることを示す。また、三角印は、Ｖｔｈ＿ｍ
ａｘ−Ｖｔｈ＿ｍｉｎが１Ｖより大きく３Ｖ以下であることを示す。また、バツ印は、Ｖ
ｔｈ＿ｍａｘ−Ｖｔｈ＿ｍｉｎが３Ｖより大きいことを示す。

図２１では、絶縁膜２６において、水素分子の放出量が５．０×１０^２１分子／ｃｍ^３
未満の領域において、トランジスタのしきい値電圧の変動が抑制されていることが確認で
きる。このことから、水素分子の放出量が５．０×１０^２１分子／ｃｍ^３未満の窒化絶縁
膜をトランジスタ上に設けることで、トランジスタのしきい値電圧の変動が抑制されると
いえる。また、しきい値電圧のマイナスシフトを抑制できるといえる。

さらに、本発明の一態様に係るトランジスタのように絶縁膜２６と酸化物半導体膜２０
との間に、窒素の侵入を抑制する絶縁膜（絶縁膜２５）を設けることで、絶縁膜２６の形
成条件が図２１におけるバツ印の条件や三角印の条件であっても、トランジスタのしきい
値電圧の変動を抑制することができる。

Claims (6)

1. ゲート電極と、
   前記ゲート電極上の、ゲート絶縁膜と、
   前記ゲート絶縁膜を介して、前記ゲート電極と重なる領域を有する酸化物半導体膜と、
   前記酸化物半導体膜と電気的に接続されたソース電極と、
   前記酸化物半導体膜と電気的に接続されたドレイン電極と、
   前記酸化物半導体膜上、前記ソース電極上、及び前記ドレイン電極上の、第１の絶縁膜と、
   前記第１の絶縁膜上の、第２の絶縁膜と、
   前記第２の絶縁膜上の、第３の絶縁膜と、を有し、
   前記第１の絶縁膜は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化シリコン膜であり、
   前記第２の絶縁膜は、酸化シリコン膜であり、
   ２５℃における０．５重量％のフッ酸に対するエッチング速度について、前記第２の絶縁膜は前記第１の絶縁膜より遅く、
   前記第３の絶縁膜は、加熱による水素分子の放出量が５．０×１０^２１分子／ｃｍ^３未満である窒化シリコンを有することを特徴とする半導体装置。
2. ゲート電極と、
   前記ゲート電極上の、ゲート絶縁膜と、
   前記ゲート絶縁膜を介して、前記ゲート電極と重なる領域を有する酸化物半導体膜と、
   前記酸化物半導体膜と電気的に接続されたソース電極と、
   前記酸化物半導体膜と電気的に接続されたドレイン電極と、
   前記酸化物半導体膜上、前記ソース電極上、及び前記ドレイン電極上の、第１の絶縁膜と、
   前記第１の絶縁膜上の、第２の絶縁膜と、
   前記第２の絶縁膜上の、第３の絶縁膜と、を有し、
   前記第１の絶縁膜は、酸化シリコン膜であり、
   前記第２の絶縁膜は、酸化シリコン膜であり、
   ２５℃における０．５重量％のフッ酸に対するエッチング速度について、前記第２の絶縁膜は前記第１の絶縁膜より遅く、
   前記第３の絶縁膜は、加熱による水素分子の放出量が５．０×１０^２１分子／ｃｍ^３未満である窒化シリコンを有することを特徴とする半導体装置。
3. ゲート電極と、
   前記ゲート電極上の、ゲート絶縁膜と、
   前記ゲート絶縁膜を介して、前記ゲート電極と重なる領域を有する酸化物半導体膜と、
   前記酸化物半導体膜と電気的に接続されたソース電極と、
   前記酸化物半導体膜と電気的に接続されたドレイン電極と、
   前記酸化物半導体膜上、前記ソース電極上、及び前記ドレイン電極上の、第１の絶縁膜と、
   前記第１の絶縁膜上の、第２の絶縁膜と、
   前記第２の絶縁膜上の、第３の絶縁膜と、を有し、
   前記第１の絶縁膜は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化窒化シリコン膜であり、
   前記第２の絶縁膜は、酸化窒化シリコン膜であり、
   ２５℃における０．５重量％のフッ酸に対するエッチング速度について、前記第２の絶縁膜は前記第１の絶縁膜より遅く、
   前記第３の絶縁膜は、加熱による水素分子の放出量が５．０×１０ ^２１ 分子／ｃｍ ^３ 未満である窒化シリコンを有することを特徴とする半導体装置。
4. ゲート電極と、
   前記ゲート電極上の、ゲート絶縁膜と、
   前記ゲート絶縁膜を介して、前記ゲート電極と重なる領域を有する酸化物半導体膜と、
   前記酸化物半導体膜と電気的に接続されたソース電極と、
   前記酸化物半導体膜と電気的に接続されたドレイン電極と、
   前記酸化物半導体膜上、前記ソース電極上、及び前記ドレイン電極上の、第１の絶縁膜と、
   前記第１の絶縁膜上の、第２の絶縁膜と、
   前記第２の絶縁膜上の、第３の絶縁膜と、を有し、
   前記第１の絶縁膜は、酸化窒化シリコン膜であり、
   前記第２の絶縁膜は、酸化窒化シリコン膜であり、
   ２５℃における０．５重量％のフッ酸に対するエッチング速度について、前記第２の絶縁膜は前記第１の絶縁膜より遅く、
   前記第３の絶縁膜は、加熱による水素分子の放出量が５．０×１０ ^２１ 分子／ｃｍ ^３ 未満である窒化シリコンを有することを特徴とする半導体装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
   前記第３の絶縁膜上に、有機樹脂膜を有することを特徴とする半導体装置。
6. 請求項５において、
   前記有機樹脂膜は、アクリルを有することを特徴とする半導体装置。
   

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