JP7044849B2 - トランジスタ - Google Patents

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Description

本発明の一態様は、金属酸化物、及び当該金属酸化物を有する半導体装置に関する。
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明
の一態様の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本発明の一態様
は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マ
ター）に関する。特に、本発明の一態様は、金属酸化物、または当該金属酸化物の製造方
法に関する。または、本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、液晶表示装置、発光装
置、蓄電装置、記憶装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法に関する。
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
装置全般を指す。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、半導体回路、演算装置、記憶
装置は、半導体装置の一態様である。撮像装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、電
気光学装置、発電装置（薄膜太陽電池、有機薄膜太陽電池等を含む）、及び電子機器は、
半導体装置を有している場合がある。
トランジスタに適用可能な半導体材料として、酸化物が注目されている。例えば、特許
文献１では、Ｉｎ－Ｚｎ－Ｇａ－Ｏ系酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ－Ｇａ－Ｍｇ－Ｏ系酸化物、Ｉ
ｎ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物、Ｉｎ－Ｓｎ－Ｏ系酸化物、Ｉｎ－Ｏ系酸化物、Ｉｎ－Ｇａ－Ｏ系
酸化物、及びＳｎ－Ｉｎ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物のうちのいずれかである非晶質酸化物を有す
る電界効果型トランジスタが開示されている。
また、非特許文献１では、トランジスタの活性層として、Ｉｎ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物と、
Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物との２層積層の金属酸化物を有する構造が検討されている
。
特許第５１１８８１０号公報
Ｊｏｈｎ Ｆ． Ｗａｇｅｒ、「Ｏｘｉｄｅ ＴＦＴｓ：Ａ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ Ｒｅｐｏｒｔ」、Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ １／１６、ＳＩＤ ２０１６、 Ｊａｎ／Ｆｅｂ ２０１６、Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．１， ｐ．１６－２１
特許文献１では、Ｉｎ－Ｚｎ－Ｇａ－Ｏ系酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ－Ｇａ－Ｍｇ－Ｏ系酸化
物、Ｉｎ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物、Ｉｎ－Ｓｎ－Ｏ系酸化物、Ｉｎ－Ｏ系酸化物、Ｉｎ－Ｇａ
－Ｏ系酸化物、及びＳｎ－Ｉｎ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物のうちのいずれかである非晶質酸化物
を用いて、トランジスタの活性層を形成している。言い換えると、トランジスタの活性層
は、上記酸化物のいずれか１つの非晶質酸化物を有している。トランジスタの活性層が、
上記非晶質酸化物のいずれか１つから構成された場合、トランジスタの電気特性の１つで
あるオン電流が低くなるといった問題がある。または、トランジスタの活性層が、上記非
晶質酸化物のいずれか１つから構成された場合、トランジスタの信頼性が悪くなるといっ
た問題がある。
また、非特許文献１では、チャネル保護型のボトムゲート型のトランジスタにおいて、
トランジスタの活性層として、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物と、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物との２層積
層とし、チャネルが形成されるＩｎ－Ｚｎ酸化物の膜厚を１０ｎｍとすることで、高い電
界効果移動度（μ＝６２ｃｍ２Ｖ－１ｓ－１）を実現している。一方で、トランジスタ特
性の一つであるＳ値（Ｓｕｂｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｓｗｉｎｇ、ＳＳともいう）が０．４
１Ｖ／ｄｅｃａｄｅと大きい。また、トランジスタ特性の一つである、しきい値電圧（Ｖ
ｔｈともいう）が－２．９Ｖであり、所謂ノーマリーオンのトランジスタ特性である。
上述の問題に鑑み、本発明の一態様は、新規な金属酸化物を提供することを課題の一と
する。または、本発明の一態様は、半導体装置に良好な電気特性を付与することを課題の
一とする。または、信頼性の高い半導体装置を提供することを課題の一とする。または、
新規な構成の半導体装置を提供することを課題の一とする。または、新規な構成の表示装
置を提供することを課題の一とする。
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の
一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課
題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、
図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
本発明の一態様は、複数のエネルギーギャップを有する金属酸化物であって、金属酸化
物は、伝導帯下端のエネルギー準位が高い第１の領域と、第１の領域よりも伝導帯下端の
エネルギー準位が低い第２の領域と、を有し、第２の領域は、第１の領域よりもキャリア
が多く、第１の領域と、第２の領域との伝導帯下端のエネルギー準位の差が０．２ｅＶ以
上である。
また、本発明の他の一態様は、複数のエネルギーギャップを有する金属酸化物であって
、金属酸化物は、伝導帯下端のエネルギー準位が高い第１の領域と、第１の領域よりも伝
導帯下端のエネルギー準位が低い第２の領域と、を有し、第１の領域は、Ｍ１（Ｍ１は、
Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂｅ、及びＢから選ばれる一種または複数種）酸化物、
Ｉｎ－Ｍ１－Ｚｎ酸化物、またはＩｎ－Ｍ１－Ｍ２－Ｚｎ酸化物（Ｍ２は、Ｔｉ、Ｇｅ、
Ｓｎ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、及びＴａから選ばれる一種または複数種）を有し、第２の領
域は、Ｉｎ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｍ２酸化物、またはＩｎ－Ｍ２－Ｚｎ酸化
物を有し、第２の領域は、第１の領域よりもＭ２の含有量が多い。
また、本発明の他の一態様は、複数のエネルギーギャップを有する金属酸化物であって
、金属酸化物は、第１の成分と、第２の成分とを、有し、第１の成分は、Ｍ１（Ｍ１は、
Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂｅ、及びＢから選ばれる一種または複数種）酸化物、
Ｉｎ－Ｍ１－Ｚｎ酸化物、あるいはＩｎ－Ｍ１－Ｍ２－Ｚｎ酸化物（Ｍ２は、Ｔｉ、Ｇｅ
、Ｓｎ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、及びＴａから選ばれる一種または複数種）を有し、第２の
成分は、Ｉｎ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｍ２酸化物、またはＩｎ－Ｍ２－Ｚｎ酸
化物を有する。
上記態様において、第１の成分と、第２の成分とが、混合する領域を有すると好ましい
。
また、本発明の他の一態様は、第１のエネルギーギャップを持つ第１の領域と、第２の
エネルギーギャップを持つ第２の領域とを含む金属酸化物であって、第２の領域は、第１
の領域よりも伝導帯下端のエネルギー準位が低く、第１の領域は、第１の金属元素の第１
の酸化物を含み、第２の領域は、第２の金属元素の第２の酸化物を含み、第２の酸化物は
、第２の金属元素とは異なる価数を持つ第３の元素を含み、第１の領域が第３の元素を含
む場合には、第２の領域における第３の元素の濃度は、第１の領域における第３の元素の
濃度よりも高い。
また、本発明の他の一態様は、第１のエネルギーギャップを持つ第１の領域と、第２の
エネルギーギャップを持つ第２の領域を含む金属酸化物であって、第２の領域は、第１の
領域よりも伝導帯下端のエネルギー準位が低く、第１の領域は、第１の金属元素の第１の
酸化物を含み、第２の領域は、第２の金属元素の第２の酸化物を含み、第２の酸化物は、
キャリアを増やすために第３の元素を含み、第１の領域が第３の元素を含む場合には、第
２の領域における第３の元素の濃度は、第１の領域における第３の元素の濃度よりも高い
。
上記態様において、第１の金属元素はＧａであり、第２の金属元素はＩｎであり、第３
の元素はＴｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、及びＴａから選ばれる一種または複数
種であると好ましい。
また、上記態様において、第３の元素はＴｉおよびＧｅの少なくとも一方であると好ま
しい。
また、本発明の他の一態様は、上記金属酸化物と、ゲート電極、ソース電極、及びドレ
イン電極と、を有する半導体装置である。
本発明の一態様により、新規な金属酸化物を提供することができる。または、本発明の
一態様により、半導体装置に良好な電気特性を付与することができる。または、信頼性の
高い半導体装置を提供することができる。または、新規な構成の半導体装置を提供するこ
とができる。または、新規な構成の表示装置を提供することができる。
なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の
一態様は、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果
は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図
面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
金属酸化物の構成を説明する概念図。 トランジスタ、および該トランジスタにおけるエネルギー準位の分布を説明する模式図。 トランジスタにおけるバンドダイアグラムのモデルを説明する図。 トランジスタにおけるバンドダイアグラムのモデルを説明する図。 半導体装置の一態様を示す上面図、断面図、及び断面概念図。 半導体装置の一態様を示す上面図、断面図、及び断面概念図。 半導体装置の一態様を示す上面図、断面図、及び断面概念図。 半導体装置の一態様を示す上面図、断面図、及び断面概念図。 半導体装置の一態様を示す上面図、断面図、及び断面概念図。 半導体装置の一態様を示す上面図、断面図、及び断面概念図。 半導体装置の一態様を示す上面図、断面図、及び断面概念図。 半導体装置の一態様を示す上面図、断面図、及び断面概念図。 半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。 半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。 半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。 バンド構造を説明する図。 表示パネルの構成例を説明する図。 表示パネルの構成例を説明する図。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異
なる態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態
及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は
、以下の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。
また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、明瞭化のために誇張されている
場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は、理想的な例を
模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。
また、本明細書にて用いる「第１」、「第２」、「第３」という序数詞は、構成要素の
混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではないことを付記する。
また、本明細書において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位
置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関
係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。従って、明細書で説明し
た語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含
む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン（ドレイン端子、ドレイ
ン領域またはドレイン電極）とソース（ソース端子、ソース領域またはソース電極）の間
にチャネル領域を有しており、ドレインとチャネル領域とソースとを介して電流を流すこ
とができるものである。なお、本明細書等において、チャネル領域とは、電流が主として
流れる領域をいう。
また、ソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、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
細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとす
る。
また、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するも
の」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するも
の」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない
。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジス
タなどのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、キャパシタ、その他の各種機能を有
する素子などが含まれる。
また、本明細書等において、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表し、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表す。
また、本明細書等において、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを
指す符号は異なる図面間でも共通して用いる場合がある。
また、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が－１０°以上１０°以下の角
度で配置されている状態をいう。したがって、－５°以上５°以下の場合も含まれる。ま
た、「略平行」とは、二つの直線が－３０°以上３０°以下の角度で配置されている状態
をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されて
いる状態をいう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。また、「略垂直
」とは、二つの直線が６０°以上１２０°以下の角度で配置されている状態をいう。
また、本明細書等において、「膜」という用語と、「層」という用語とは、場合によっ
ては、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜
」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用
語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。
なお、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分低い場合は「絶縁体」と
しての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「絶縁体」は境界が曖昧であり、厳
密に区別できない場合がある。したがって、本明細書に記載の「半導体」は、「絶縁体」
と言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「絶縁体」は、「半導
体」と言い換えることができる場合がある。
なお、本明細書等において、ノーマリーオンとは、電源による電位の印加がない（０Ｖ
）ときにオン状態であることをいう。例えば、ノーマリーオンの特性とは、トランジスタ
のゲートに与える電圧が０Ｖの際に、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性をさす場合
がある。
本明細書等において、金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）とは、広い表現での金属
の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体（透明酸化物導電体を含む
）、酸化物半導体（Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒまたは単にＯＳともいう）
などに分類される。例えば、トランジスタの活性層に金属酸化物を用いた場合、当該金属
酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、金属酸化物が増幅作用、整流作用
、及びスイッチング作用の少なくとも１つを有する場合、当該金属酸化物を、金属酸化物
半導体（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、略してＯＳと呼ぶこ
とができる。また、ＯＳ ＦＥＴと記載する場合においては、金属酸化物または酸化物半
導体を有するトランジスタと換言することができる。
また、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘ
ｉｄｅ）と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物（ｍｅ
ｔａｌ ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。
また、本明細書等において、エネルギーギャップとは、バンド構造における価電子帯上
端のエネルギー準位（Ｅｖ端）と、伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ端）とのエネルギ
ーの差を表す。また、エネルギーギャップをバンドギャップと読み替えてもよい。
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様である金属酸化物について説明する。
本発明の一態様の金属酸化物は、少なくともＩｎを含むことが好ましい。特にＩｎ及び
Ｚｎを含むことが好ましい。また、本発明の一態様の金属酸化物は、Ｉｎ及びＺｎに加え
て、元素Ｍ１（元素Ｍ１は、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂｅ、及びＢから選ばれる
一種または複数種）、及び元素Ｍ２（元素Ｍ２は、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｏ、
Ｗ、及びＴａから選ばれる一種または複数種）が含まれると好ましい。元素Ｍ１としては
、Ｇａが好ましい。また、元素Ｍ２としては、ＴｉまたはＧｅが好ましい。
本発明の一態様の金属酸化物としては、例えば、Ｉｎ－Ｇａ－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物、また
はＩｎ－Ｇａ－Ｇｅ－Ｚｎ酸化物などが挙げられる。
なお、本発明の一態様の金属酸化物は、複数の成分を有する。
本発明の一態様の金属酸化物は、第１の成分と、第２の成分と、を有し、第１の成分は
、Ｍ１（Ｍ１は、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂｅ、及びＢから選ばれる一種または
複数種）酸化物、Ｉｎ－Ｍ１－Ｚｎ酸化物、またはＩｎ－Ｍ１－Ｍ２－Ｚｎ酸化物（Ｍ２
は、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、及びＴａから選ばれる一種または複数種）
を有し、第２の成分は、Ｉｎ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｍ２酸化物、またはＩｎ
－Ｍ２－Ｚｎ酸化物を有する。
また、Ｍ１酸化物の中でも、Ａｌ、Ｓｉに関しては、窒化物に置き換えてもよい。具体
的には、Ｍ１酸化物を、窒化アルミニウム、または窒化シリコンに置き換えてもよい。ま
た、Ｍ２酸化物の中でも、Ｔａに関しては、窒化物に置き換えてもよい。具体的には、Ｍ
２酸化物を、窒化タンタルに置き換えてもよい。
また、金属酸化物は、第１の成分と、第２の成分とが、混合する領域を有すると好まし
い。なお、第１の成分は、金属酸化物中に、１ａｔｏｍｉｃ％以上５０ａｔｏｍｉｃ％以
下有すると好ましい。また、第２の成分は、金属酸化物中に、０．０１ａｔｏｍｉｃ％以
上５ａｔｏｍｉｃ％以下有すると好ましい。
本発明の一態様の金属酸化物は、複数の成分により構成されるため、複数のエネルギー
ギャップを有する。より詳しくは、本発明の一態様の金属酸化物は、複数の伝導帯下端の
エネルギー準位を有する。なお、場合によっては、複数の成分を複数の領域と言い換えて
もよい。
別言すると、本発明の一態様の金属酸化物は、伝導帯下端のエネルギー準位が高い第１
の領域と、第１の領域よりも伝導帯下端のエネルギー準位が低い第２の領域と、を有し、
第２の領域は、第１の領域よりもキャリアが多く、第１の領域と、第２の領域との伝導帯
下端のエネルギー準位の差が０．２ｅＶ以上である。
ここで、金属酸化物がＩｎ、元素Ｍ１、元素Ｍ２、及びＺｎを有する構成について図１
を用いて説明を行う。
＜金属酸化物の構成＞
図１は、本発明の一態様におけるＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ－Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓ
ｉｔｅ）構成を有する金属酸化物の概念図である。なお、本明細書において、本発明の一
態様である金属酸化物が、半導体の機能を有する場合、ＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ－Ａｌｉｇｎ
ｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）－ＯＳ（Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と定義
する。
ＣＡＣ－ＯＳとは、例えば、図１に示すように、金属酸化物を構成する元素が偏在する
ことで、各元素を主成分とする領域００１、および領域００２を形成し、各領域が、混合
し、モザイク状に形成される。つまり、金属酸化物を構成する元素が、０．５ｎｍ以上１
０ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上２ｎｍ以下、またはその近傍のサイズで偏在した材
料の一構成である。なお、以下では、金属酸化物において、一つあるいはそれ以上の元素
が偏在し、該元素を有する領域が、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以
上２ｎｍ以下、またはその近傍のサイズで混合した状態をモザイク状、またはパッチ状と
もいう。
例えば、ＣＡＣ構成を有するＩｎ－Ｍ１－Ｍ２－Ｚｎ酸化物とは、Ｉｎ酸化物（以下、
ＩｎＯＸ１（Ｘ１は０よりも大きい実数）とする。）、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物（以下、ＩｎＸ
２ＺｎＹ２ＯＺ２（Ｘ２、Ｙ２、およびＺ２は、それぞれ０よりも大きい実数）とする。
）、またはＩｎ－Ｍ２－Ｚｎ酸化物（以下、ＩｎＷ３Ｍ２Ｘ３ＺｎＹ３ＯＺ３（Ｗ３、Ｘ
３、Ｙ３、およびＺ３は、それぞれ０よりも大きい実数）とする。）と、元素Ｍ１を含む
酸化物と、にそれぞれ材料が分離することでモザイク状となり、モザイク状のＩｎＯＸ１
、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＷ３Ｍ２Ｘ３ＺｎＹ３ＯＺ３と、元素Ｍ１を含む
酸化物とが、膜中に分布した構成（以下、クラウド状ともいう。）である。
別言すると、本発明の一態様の金属酸化物は、Ｉｎ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－
Ｍ１酸化物、Ｉｎ－Ｍ１－Ｚｎ酸化物、Ｍ１－Ｚｎ酸化物、Ｍ１－Ｍ２酸化物、Ｍ２酸化
物、Ｉｎ－Ｍ２酸化物、Ｉｎ－Ｍ２－Ｚｎ酸化物、Ｍ２－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｍ１－Ｍ２
－Ｚｎ酸化物の中から選ばれる、少なくとも２以上の複数の酸化物または複数の成分を有
する。特に、２以上の複数の酸化物としては、Ｉｎを含む酸化物またはＩｎ及び元素Ｍ２
を含む酸化物と、元素Ｍ１を含む酸化物とのそれぞれから選択されると好ましい。
例えば、元素Ｍ１がＧａであり、元素Ｍ２がＴｉである場合、本発明の一態様の金属酸
化物は、Ｉｎ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物、Ｇａ－Ｔｉ酸化物、Ｉｎ－Ｇａ酸化物、Ｉｎ－
Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ｔｉ酸化物、Ｉｎ－Ｔｉ酸化物、Ｉｎ－Ｔｉ－Ｚ
ｎ酸化物、Ｔｉ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｔｉ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物の中から選ばれる、少なく
とも２以上を有する。特に、本発明の一態様の金属酸化物は、上記酸化物のうち、Ｇａを
含む酸化物と、Ｔｉを含む酸化物と、Ｚｎを含む酸化物と、を組み合わせたＩｎ－Ｇａ－
Ｔｉ－Ｚｎ酸化物としてもよい。
また、元素Ｍ１がＧａであり、元素Ｍ２がＧｅである場合、本発明の一態様の金属酸化
物は、Ｉｎ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物、Ｇａ－Ｇｅ酸化物、Ｉｎ－Ｇａ酸化物、Ｉｎ－Ｇ
ａ－Ｚｎ酸化物、Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ｇｅ酸化物、Ｉｎ－Ｇｅ酸化物、Ｉｎ－Ｇｅ－Ｚｎ
酸化物、Ｇｅ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｇａ－Ｇｅ－Ｚｎ酸化物の中から選ばれる、少なくと
も２以上を有する。特に、本発明の一態様の金属酸化物は、上記酸化物のうち、Ｇａを含
む酸化物と、Ｇｅを含む酸化物と、Ｚｎを含む酸化物と、を組み合わせたＩｎ－Ｇａ－Ｇ
ｅ－Ｚｎ酸化物としてもよい。
すなわち、本発明の一態様の金属酸化物は、複数の材料または複数の成分を有する複合
材料、あるいはコンポジット材料ともいえる。
ここで、図１に示す概念が、ＣＡＣ構成を有するＩｎ－Ｍ１－Ｍ２－Ｚｎ酸化物である
と仮定する。その場合、領域００１が元素Ｍ１を含む酸化物を主成分とする領域、また、
領域００２がＩｎＯＸ１、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＷ３Ｍ２Ｘ３ＺｎＹ３Ｏ
Ｚ３を主成分とする領域であるといえる。このとき、領域００１と、領域００２とは、周
辺部が不明瞭である（ボケている）ため、それぞれ明確な境界が観察できない場合がある
。
つまり、ＣＡＣ構成を有するＩｎ－Ｍ１－Ｍ２－Ｚｎ酸化物は、元素Ｍ１を含む酸化物
が主成分である領域と、ＩｎＯＸ１、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＷ３Ｍ２Ｘ３
ＺｎＹ３ＯＺ３が主成分である領域とが、混合している金属酸化物である。従って、金属
酸化物を複合金属酸化物と記載する場合がある。
また、ＣＡＣ構成を有するＩｎ－Ｍ１－Ｍ２－Ｚｎ酸化物において、領域００１、及び
領域００２における結晶構造は、特に限定されない。また、領域００１、及び領域００２
は、それぞれ、異なる結晶構造を有していてもよい。
例えば、ＣＡＣ構成を有するＩｎ－Ｍ１－Ｍ２－Ｚｎ酸化物は、非単結晶構造を有する
酸化物半導体であることが好ましい。非単結晶構造として、例えば、ＣＡＡＣ－ＯＳ、多
結晶酸化物半導体、ｎｃ－ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍ
ｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈ
ｏｕｓ－ｌｉｋｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）および非晶質酸化物半導
体などがある。
なお、ＣＡＡＣ－ＯＳは、ＣＡＡＣ構造を有する。ＣＡＡＣ構造とは、ｃ軸配向性を有
し、かつａ－ｂ面方向において複数のナノ結晶が連結し、歪みを有した結晶構造の酸化物
半導体である。なお、歪みとは、複数のナノ結晶が連結する領域において、格子配列の揃
った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を
指す。
ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合
がある。また、歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する場合がある
。従って、ＣＡＡＣ－ＯＳにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界（グレインバ
ウンダリーともいう）を確認することはできない。即ち、格子配列の歪みによって、結晶
粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、ＣＡＡＣ－ＯＳが、ａ－ｂ面方向に
おいて原子配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化
することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。
ｎｃ－ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上
３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ－ＯＳは、異なるナ
ノ結晶間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。し
たがって、ｎｃ－ＯＳは、分析方法によっては、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳや非晶質酸化物半導
体と区別が付かない場合がある。
ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物
半導体である。ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、鬆または低密度領域を有する。即ち、ａ－ｌｉｋ
ｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳおよびＣＡＡＣ－ＯＳと比べて、不安定な構造である。
例えば、ＣＡＣ－ＯＳは、ＣＡＡＣ構造を有することが好ましい。ＣＡＡＣ構造は、領
域００１、または領域００２を含む範囲で形成される場合がある。つまり、ＣＡＣ－ＯＳ
において、ＣＡＡＣ－ＯＳとなる領域は、数ｎｍから数十ｎｍの範囲で形成される。
ＣＡＡＣ－ＯＳは結晶性の高い酸化物半導体である。一方、ＣＡＡＣ－ＯＳは、明確な
結晶粒界を確認することはできないため、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。従って、金属酸化物はＣＡＡＣ－ＯＳを有することで、金属酸化物とし
ての物理的性質が安定するため、熱に強く、信頼性が高い金属酸化物を提供することがで
きる。
ここで、本発明の一態様の金属酸化物が、Ｉｎ－Ｇａ－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物である場合に
ついて説明する。ＩｎＯＸ１、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＷ３ＴｉＸ３ＺｎＹ
３ＯＺ３と、ＩｎａＧａｂＴｉｃＺｎｄＯｅ（ａ、ｂ、ｃ、ｄ、及びｅは、それぞれ０よ
りも大きい実数とする。）と、に材料が分離することでモザイク状となる。
つまり、Ｉｎ－Ｇａ－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ－ＯＳは、ＩｎａＧａｂＴｉｃ
ＺｎｄＯｅが主成分である領域と、ＩｎＯＸ１、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＷ
３ＴｉＸ３ＺｎＹ３ＯＺ３が主成分である領域と、が混合している構成を有する複合金属
酸化物である。また、ＩｎａＧａｂＴｉｃＺｎｄＯｅが主成分である領域と、ＩｎＯＸ１
、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＷ３ＴｉＸ３ＺｎＹ３ＯＺ３が主成分である領域
とは、周辺部が不明瞭である（ボケている）ため、明確な境界が観察できない場合がある
。
例えば、図１に示す概念図において、領域００１がＩｎａＧａｂＴｉｃＺｎｄＯｅを主
成分とする領域に相当し、領域００２がＩｎＯＸ１、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩ
ｎＷ３ＴｉＸ３ＺｎＹ３ＯＺ３を主成分とする領域に相当する。なお、ＩｎａＧａｂＴｉ
ｃＺｎｄＯｅを主成分とする領域、及びＩｎＯＸ１、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩ
ｎＷ３ＴｉＸ３ＺｎＹ３ＯＺ３を主成分とする領域を、それぞれナノ粒子と呼称してもよ
い。当該ナノ粒子は、粒子の径が０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、代表的には１ｎｍ以上２
ｎｍ以下である。また、上記ナノ粒子は、周辺部が不明瞭である（ボケている）ため、明
確な境界が観察できない場合がある。
なお、領域００１、および領域００２のサイズは、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤ
Ｘ：Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用
いて取得したＥＤＸマッピングで評価することができる。例えば、領域００１は、断面写
真のＥＤＸマッピングにおいて、領域００１の径が、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、また
は１ｎｍ以上２ｎｍ以下で観察される場合がある。また、領域の中心部から周辺部にかけ
て、主成分である元素の密度は、徐々に小さくなる。例えば、ＥＤＸマッピングでカウン
トできる元素の個数（以下、存在量ともいう）が、中心部から周辺部に向けて傾斜すると
、断面写真のＥＤＸマッピングにおいて、領域の周辺部が不明瞭な（ボケた）状態で観察
される。例えば、ＩｎａＧａｂＴｉｃＺｎｄＯｅが主成分である領域において、Ｇａ原子
は、中心部から周辺部にかけて徐々に減少し、代わりに、Ｉｎ原子、Ｔｉ原子、およびＺ
ｎ原子が増加することで、ＩｎＷ３ＴｉＸ３ＺｎＹ３ＯＺ３が主成分である領域へと段階
的に変化する。従って、ＥＤＸマッピングにおいて、ＩｎａＧａｂＴｉｃＺｎｄＯｅが主
成分である領域の周辺部は不明瞭な（ボケた）状態で観察される。
なお、ＣＡＣ構成を有するＩｎ－Ｇａ－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物における結晶構造は、特に限
定されない。また、領域００１、および領域００２は、それぞれ、異なる結晶構造を有し
ていてもよい。例えば、ＣＡＣ構成を有するＩｎ－Ｇａ－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物は、非単結晶
構造を有する酸化物半導体であることが好ましい。
なお、Ｉｎ－Ｇａ－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ－ＯＳにおける結晶性については
、電子線回折で評価することができる。例えば、電子線回折を用いてＩｎ－Ｇａ－Ｔｉ－
Ｚｎ酸化物を分析した場合、電子線回折パターン像において、リング状に輝度の高い領域
、およびリング状に輝度の高い領域内に、複数のスポットが観察される場合がある。
なお、ＣＡＣ－ＯＳにおける結晶性を評価する場合、電子線のビーム径、すなわち観察
する領域の面積によって、異なるパターンが確認される場合がある。例えば、ＣＡＣ－Ｏ
Ｓにおける結晶性を評価する場合には、電子線のビーム径を１ｎｍΦ以上１００ｎｍΦ以
下で測定する、所謂ナノビーム電子線回折（ＮＢＥＤ：Ｎａｎｏ Ｂｅａｍ Ｅｌｅｃｔ
ｒｏｎ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）を用いると好適である。
また、ＩｎＯＸ１、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＷ３ＴｉＸ３ＺｎＹ３ＯＺ３
が主成分である領域（図１における領域００２）は、ＩｎａＧａｂＴｉｃＺｎｄＯｅが主
成分である領域（図１における領域００１）と比較して、キャリア密度が高い領域である
。つまり、ＩｎＯＸ１、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＷ３ＴｉＸ３ＺｎＹ３ＯＺ
３が主成分である領域を、キャリアが流れることにより、金属酸化物としての導電性が発
現する。従って、ＩｎＯＸ１、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＷ３ＴｉＸ３ＺｎＹ
３ＯＺ３が主成分である領域が、金属酸化物中にクラウド状に分布することで、高い電界
効果移動度（μ）が実現できる。なお、ＩｎＯＸ１、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩ
ｎＷ３ＴｉＸ３ＺｎＹ３ＯＺ３などが主成分である領域は、導電体の性質に近い、半導体
の領域ともいえる。
一方、ＩｎａＧａｂＴｉｃＺｎｄＯｅなどが主成分である領域は、ＩｎＯＸ１、ＩｎＸ
２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＷ３ＴｉＸ３ＺｎＹ３ＯＺ３が主成分である領域と比較し
て、キャリア密度が低い領域である。つまり、ＩｎａＧａｂＴｉｃＺｎｄＯｅなどが主成
分である領域が、金属酸化物中に分布することで、リーク電流を抑制し、良好なスイッチ
ング動作を実現できる。なお、ＩｎａＧａｂＴｉｃＺｎｄＯｅなどが主成分である領域は
、絶縁体の性質に近い、半導体の領域ともいえる。
従って、Ｉｎ－Ｇａ－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ－ＯＳを半導体素子に用いた場
合、ＩｎａＧａｂＴｉｃＺｎｄＯｅなどに起因する性質と、ＩｎＯＸ１、ＩｎＸ２ＺｎＹ
２ＯＺ２、またはＩｎＷ３ＴｉＸ３ＺｎＹ３ＯＺ３に起因する性質とが、相補的に作用す
ることにより、高いオン電流（Ｉｏｎ）、高い電界効果移動度（μ）、および、低いオフ
電流（Ｉｏｆｆ）を実現することができる。
また、Ｉｎ－Ｇａ－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ－ＯＳを用いた半導体素子は、信
頼性が高い。従って、Ｉｎ－Ｇａ－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ－ＯＳは、ディスプ
レイをはじめとするさまざまな半導体装置に最適である。
＜金属酸化物を有するトランジスタ＞
続いて、上記金属酸化物を半導体としてトランジスタに用いる場合について、図２を用
いて説明する。
なお、上記金属酸化物を半導体としてトランジスタに用いることで、電界効果移動度が
高く、かつ、スイッチング特性が高いトランジスタを実現することができる。また、信頼
性の高いトランジスタを実現することができる。
図２（Ａ）は、上記金属酸化物をチャネル領域に用いたトランジスタの模式図である。
図２（Ａ）において、トランジスタは、ソースと、ドレインと、第１のゲートと、第２の
ゲートと、第１のゲート絶縁部と、第２のゲート絶縁部と、チャネル部と、を有する。ト
ランジスタは、ゲートに印加する電位によって、チャネル部の抵抗を制御することができ
る。即ち、第１のゲート、または第２のゲートに印加する電位によって、ソースとドレイ
ンとの間の導通（トランジスタがオン状態）・非導通（トランジスタがオフ状態）を制御
することができる。
ここで、チャネル部は、第１のバンドギャップを有する領域００１と、第２のバンドギ
ャップを有する領域００２と、がクラウド状であるＣＡＣ－ＯＳを有している。なお、第
１のバンドギャップは、第２のバンドギャップよりも大きいものとする。
例えば、チャネル部のＣＡＣ－ＯＳとして、ＣＡＣ構成を有するＩｎ－Ｇａ－Ｔｉ－Ｚ
ｎ酸化物を用いる場合について説明する。ＣＡＣ構成を有するＩｎ－Ｇａ－Ｔｉ－Ｚｎ酸
化物は、領域００１として、領域００２よりもＧａの濃度が高いＩｎａＧａｂＴｉｃＺｎ
ｄＯｅを主成分とする領域と、領域００２として、領域００１よりもＩｎの濃度が高いＩ
ｎＯＸ１、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＷ３ＴｉＸ３ＺｎＹ３ＯＺ３が主成分で
ある領域と、に材料が分離することでモザイク状となり、ＩｎａＧａｂＴｉｃＺｎｄＯｅ
と、ＩｎＯＸ１、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＷ３ＴｉＸ３ＺｎＹ３ＯＺ３が、
膜中に分布した構成（クラウド状）である。なお、ＩｎａＧａｂＴｉｃＺｎｄＯｅを主成
分とする領域００１は、ＩｎＯＸ１、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＷ３ＴｉＸ３
ＺｎＹ３ＯＺ３が主成分である領域００２よりも、大きなバンドギャップを有する。
次に、図２（Ａ）に示すトランジスタの伝導モデルについて、図２（Ｂ）を用いて説明
する。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示すトランジスタのソースとドレインとの間における
エネルギー準位の分布を説明する模式図である。また、図２（Ｃ）は、図２（Ａ）に示す
トランジスタにおいて、Ｘ－Ｘ’で示す実線上における伝導バンド図である。なお、各伝
導バンド図において、実線は伝導帯下端のエネルギーを示す。また、Ｅｆで示す一点破線
は電子の擬フェルミ準位のエネルギーを示す。また、ここでは、第１のゲート電圧として
、ゲートとソースとの間にマイナスの電圧を印加し、ソースとドレインとの間にドレイン
電圧（Ｖｄ＞０）を印加する場合を想定する。なお、図２においては、伝導帯下端のエネ
ルギーをＣＢと記す。
図２（Ａ）に示すトランジスタに、マイナスのゲート電圧を印加すると、図２（Ｂ）に
示すように、ソースとドレインとの間に、領域００１に由来する伝導帯下端のエネルギー
ＣＢ００１と、領域００２に由来する伝導帯下端のエネルギーＣＢ００２と、が形成され
る。ここで、第１のバンドギャップは第２のバンドギャップよりも大きいため、伝導帯下
端のエネルギーＣＢ００１におけるポテンシャル障壁は、伝導帯下端のエネルギーＣＢ０
０２のポテンシャル障壁よりも大きい。つまり、チャネル部におけるポテンシャル障壁の
最大値は、領域００１に起因する値をとる。従って、ＣＡＣ－ＯＳをチャネル部に用いる
ことで、リーク電流を抑制し、スイッチング特性が高いトランジスタとすることができる
。
また、図２（Ｃ）に示すように、第１のバンドギャップを有する領域００１は、第２の
バンドギャップを有する領域００２より、バンドギャップが相対的に広いので、第１のバ
ンドギャップを有する領域００１のＥｃ端は、第２のバンドギャップを有する領域００２
のＥｃ端よりも相対的に高い位置に存在しうる。
ここで、本発明の一態様の金属酸化物が、Ｉｎ－Ｇａ－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ
：Ｔｉ：Ｚｎ＝５：０．５：０．５：７［原子数比］）である構成を仮定する。
Ｉｎ－Ｇａ－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物において、Ｔｉは、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎよりも価数が
多い。具体的には、Ｚｎが２価であり、Ｉｎ及びＧａが３価であり、Ｔｉが４価である。
金属酸化物中に、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎよりも価数の多い元素（ここではＴｉ）を用いる
ことで、当該元素がキャリア供給源となり、金属酸化物のキャリア密度を高くすることが
できる。また、Ｔｉは、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎと比べて、酸素との結合力が強い。したが
って、金属酸化物中にＴｉを含有させる構造とすることで、酸素欠損の生成を抑制するこ
とができる。したがって、本発明の一態様の金属酸化物をトランジスタの半導体層に用い
る場合、トランジスタの電界効果移動度を高め、且つ酸素欠損を抑制することで信頼性の
高い半導体装置とすることができる。
なお、上記構成においては、Ｔｉについて説明したが、Ｔｉの代わりにＧｅ、Ｓｎ、Ｖ
、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、及びＴａを用いてもよい。
また、上記構成の場合、第１のバンドギャップを有する領域００１の成分が、Ｉｎ－Ｇ
ａ－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物に起因し、第２のバンドギャップを有する領域００２の成分がＩｎ
－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物に起因する場合がある。この場合、第１のバンドギャップは、３．３
ｅＶ、またはその近傍であり、第２のバンドギャップは、２．４ｅＶ、またはその近傍と
なる。なお、バンドギャップの値は、各材料の単膜をエリプソメータで測定して得られる
値を用いることができる。
また、本発明の一態様の金属酸化物は、領域００１に由来する伝導帯下端のエネルギー
準位と、領域００２に由来する伝導帯下端のエネルギー準位との差が、少なくとも０．２
ｅＶ以上あると好ましい。ただし、領域００１に由来する価電子帯上端のエネルギーの位
置と、領域００２に由来する価電子帯上端のエネルギーの位置が異なる場合があるので、
領域００１に由来する伝導帯下端のエネルギー準位と、領域００２に由来する伝導帯下端
のエネルギー準位との差は、好ましくは０．３ｅＶ以上、さらに好ましくは０．４ｅＶ以
上であるとよい。
また、上記の仮定の場合、ＣＡＣ－ＯＳ中にキャリアが流れる際に、第２のバンドギャ
ップ、すなわちナローギャップを有するＩｎ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物、またはＩｎ－Ｔ
ｉ－Ｚｎ酸化物に起因してキャリアが流れる。この際に、第２のバンドギャップから第１
のバンドギャップ、すなわちワイドギャップを有するＩｎ－Ｇａ－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物側に
キャリアが溢れる。別言すると、ナローギャップを有するＩｎ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物
、またはＩｎ－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物の方がキャリアを生成しやすく、当該キャリアは、ワイ
ドギャップを有するＩｎ－Ｇａ－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物に移動する。
なお、上述したナローギャップを有するＩｎ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物、及びＩｎ－Ｔ
ｉ－Ｚｎ酸化物の中でも、Ｉｎ－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物は、Ｉｎ酸化物、及びＩｎ－Ｚｎ酸化
物よりも、さらにナローギャップを有する場合がある。よって、Ｉｎ酸化物、またはＩｎ
－Ｚｎ酸化物よりも、さらにキャリア密度を高くすることができる。
なお、第１のバンドギャップ、すなわちワイドギャップを有する領域のキャリア密度は
、１×１０１０ｃｍ－３以上１×１０１６ｃｍ－３以下、好ましくは、１×１０１５ｃｍ
－３程度である。また、第２のバンドギャップ、すなわちナローギャップを有する領域の
キャリア密度は、１×１０１８ｃｍ－３以上１×１０２１ｃｍ－３未満が好ましい。
なお、チャネルを形成する金属酸化物中において、領域００１と、領域００２とは、モ
ザイク状であり、領域００１、および領域００２は不規則に偏在している。そのため、Ｘ
－Ｘ’で示す実線上における伝導バンド図は一例である。
次に、図２（Ｃ）に示す伝導バンド図と異なる伝導バンド図を図３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）
に示す。
本発明の一態様の金属酸化物においては、基本的には、図３（Ａ）に示すように、領域
００２が領域００１に挟まれたバンドを形成していればよい。または、領域００１が領域
００２に挟まれたバンドを形成していればよい。
また、ＣＡＣ－ＯＳでは、第１のバンドギャップを有する領域００１と第２のバンドギ
ャップを有する領域００２との接合部は、領域の凝集形態や組成に揺らぎが生じる場合が
ある。従って、図３（Ｂ）、および図３（Ｃ）に示すように、不連続ではなく、連続的に
バンドが変化する場合がある。すなわち、ＣＡＣ－ＯＳ中にキャリアが流れる際に、第１
のバンドギャップと、第２のバンドギャップとが連動すると言い換えても良い。
次に、図２（Ａ）に示すトランジスタおいて、Ｘ－Ｘ’で示す実線上におけるバンドダ
イアグラムのモデル図を、図４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示す。なお、第１のゲートに電圧を
印加する場合、第２のゲートにも同じ電圧が印加されるとする。
図４（Ａ）には、第１のゲート電圧Ｖｇとして、ゲートとソースとの間にプラスの電圧
（Ｖｇ＞０）を印加した状態（ＯＮ Ｓｔａｔｅ）を示す。図４（Ｂ）には、第１のゲー
ト電圧Ｖｇを印加しない（Ｖｇ＝０）状態を示す。図４（Ｃ）には、第１のゲート電圧Ｖ
ｇとして、ゲートとソースとの間にマイナスの電圧（Ｖｇ＜０）を印加した状態（ＯＦＦ
Ｓｔａｔｅ）を示す。なお、各伝導バンド図において、実線は伝導帯下端のエネルギー
を示す。また、Ｅｆで示す一点鎖線は電子の擬フェルミ準位のエネルギーを示す。
ＣＡＣ－ＯＳをチャネル部に有するトランジスタは、第１のバンドギャップを有する領
域００１と第２のバンドギャップを有する領域００２とが、電気的に相互作用を及ぼす。
別言すると、第１のバンドギャップを有する領域００１と第２のバンドギャップを有する
領域００２とが、相補的に機能する。
図４（Ａ）に示すように、トランジスタをオン状態にする電位（Ｖｇ＞０）が、第１の
ゲートに印加されると、Ｅｃ端の低い第２のバンドギャップを有する領域００２が主な伝
導経路となり、電子が流れると同時に、第１のバンドギャップを有する領域００１にも電
子が流れる。このためトランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きなオ
ン電流および高い電界効果移動度を得ることができる。
一方、図４（Ｂ）、および図４（Ｃ）に示すように、第１のゲートにしきい値電圧未満
の電圧（Ｖｇ≦０）を印加することで、第１のバンドギャップを有する領域００１は、誘
電体（絶縁体）として振る舞うので、領域００１中の伝導経路は遮断される。また、第２
のバンドギャップを有する領域００２は、第１のバンドギャップを有する領域００１と接
している。従って、第１のバンドギャップを有する領域００１は、自らに加えて第２のバ
ンドギャップを有する領域００２へ電気的に相互作用を及ぼし、第２のバンドギャップを
有する領域００２中の伝導経路すらも遮断する。これでチャネル部全体が非導通状態とな
り、トランジスタはオフ状態となる。
以上の説明により、トランジスタにＣＡＣ－ＯＳを用いることで、トランジスタの動作
時、例えば、ゲートと、ソースまたはドレインとの間に電位差が生じた時に、ゲートと、
ソースまたはドレインと、の間のリーク電流を低減または防止することができる。
また、トランジスタには、膜中の水素濃度が低減された金属酸化物を用いることが好ま
しい。なお、膜中の水素濃度が低減された金属酸化物を、高純度真性または実質的に高純
度真性と呼称する場合がある。高純度真性または実質的に高純度真性である金属酸化物は
、水素に起因するキャリア（例えば、酸素欠損に水素が存在するＶｏＨなど）が少ないた
め、キャリア密度を低くすることができる。また、高純度真性または実質的に高純度真性
である金属酸化物は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある
。
なお、高純度真性または実質的に高純度真性である金属酸化物は、水素に起因するキャ
リアが少ないため、キャリア密度が低くなる。ただし、本発明の一態様の金属酸化物は、
キャリア供給源となる元素（例えば、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、及びＴａ
から選ばれる一種または複数種）を有する構成であるため、水素に起因するキャリアが少
なくても、キャリア密度を高めることができる。
また、金属酸化物のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長
く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い
金属酸化物にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合が
ある。
従って、トランジスタの電気特性を安定にするためには、金属酸化物中の不純物濃度を
低減することが有効である。また、金属酸化物中の不純物濃度を低減するためには、近接
する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、アルカリ金属
等がある。
ここで、金属酸化物中における各不純物の影響について説明する。
金属酸化物において、第１４族元素の一つである炭素が含まれると、金属酸化物におい
て欠陥準位が形成される。このため、金属酸化物における炭素の濃度と、金属酸化物との
界面近傍の炭素の濃度（二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ
Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる濃度）を、２×１０１８ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
また、金属酸化物にアルカリ金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成す
る場合がある。従って、アルカリ金属が含まれている金属酸化物を用いたトランジスタは
ノーマリーオン特性となりやすい。このため、金属酸化物中のアルカリ金属の濃度を低減
することが好ましい。具体的には、ＳＩＭＳにより得られる金属酸化物中のアルカリ金属
の濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／
ｃｍ３以下とする。
また、金属酸化物に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため
、酸素欠損（Ｖｏ）を形成する場合がある。該酸素欠損（Ｖｏ）に水素が入ることで、キ
ャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素
と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、水素が含まれている金
属酸化物を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、金属酸化
物中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、金属酸化物におい
て、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上３×１０
２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上３×１０
２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする。
なお、金属酸化物中の酸素欠損（Ｖｏ）は、酸素を金属酸化物に導入することで、低減
することができる。つまり、金属酸化物中の酸素欠損（Ｖｏ）に、酸素が補填されること
で、酸素欠損（Ｖｏ）は消失する。従って、金属酸化物中に、酸素を拡散させることで、
トランジスタの酸素欠損（Ｖｏ）を低減し、信頼性を向上させることができる。
なお、酸素を金属酸化物に導入する方法として、例えば、金属酸化物に接して、化学量
論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物を設けることができる。つまり、酸
化物には、化学量論的組成よりも酸素が過剰に存在する領域（以下、過剰酸素領域ともい
う）が形成されていることが好ましい。特に、トランジスタに金属酸化物を用いる場合、
トランジスタ近傍の下地膜や、層間膜などに、過剰酸素領域を有する酸化物を設けること
で、トランジスタの酸素欠損を低減し、信頼性を向上させることができる。
不純物が十分に低減された金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いること
で、安定した電気特性を付与することができる。
＜金属酸化物の成膜方法＞
以下では、金属酸化物の一例について説明する。
金属酸化物を成膜する際の温度としては、好ましくは、室温（例えば２５℃）以上１７
０℃以下、さらに好ましくは１００℃以上１５０℃未満とすることが好ましい。例えばＧ
１０等の大型基板は、そのサイズに応じて、基板温度の制限がある。従って、水の気化温
度（１００℃以上）より高く、かつ可能な範囲で装置のメンテナビリティー、スループッ
トの良い温度を適宜選択すればよい。なお、室温とは、意図的に加熱しない状態を含む。
また、スパッタリングガスは、希ガス（代表的にはアルゴン）、酸素、希ガス及び酸素
の混合ガスを適宜用いる。混合ガスの場合、成膜ガス全体に占める酸素ガスの割合が、０
％以上３０％以下、好ましくは５％以上２０％以下とする。
なお、スパッタリングガスの高純度化も必要である。例えば、スパッタリングガスとし
て用いる酸素ガスやアルゴンガスは、露点が－４０℃以下、好ましくは－８０℃以下、よ
り好ましくは－１００℃以下、より好ましくは－１２０℃以下にまで高純度化したガスを
用いることで金属酸化物に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。
また、スパッタリング法で金属酸化物を成膜する場合、スパッタリング装置におけるチ
ャンバーは、金属酸化物にとって不純物となる水等を可能な限り除去すべくクライオポン
プのような吸着式の真空排気ポンプを用いて高真空（５×１０－７Ｐａから１×１０－４
Ｐａ程度まで）排気することが好ましい。または、ターボ分子ポンプとコールドトラップ
を組み合わせて排気系からチャンバー内に気体、特に炭素または水素を含む気体が逆流し
ないようにしておくことが好ましい。
また、金属酸化物ターゲットとして、Ｉｎ－Ｍ１－Ｍ２－Ｚｎ金属酸化物ターゲットを
用いることができる。例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｔｉ：Ｚｎ＝４：１：１：４［原子数比］、
Ｉｎ：Ｇａ：Ｇｅ：Ｚｎ＝４：１：１：４［原子数比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｔｉ：Ｚｎ＝５：
０．５：０．５：７［原子数比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｇｅ：Ｚｎ＝５：０．５：０．５：７［
原子数比］、またはその近傍値の原子数比である金属酸化物ターゲットを用いることが好
ましい。
ただし、金属酸化物ターゲットについては、上記構成に限定されず、Ｉｎ－Ｍ２－Ｚｎ
金属酸化物ターゲットを用いてもよい。例えば、Ｉｎ：Ｔｉ：Ｚｎ＝５：１：７［原子数
比］、Ｉｎ：Ｇｅ：Ｚｎ＝５：１：７［原子数比］、またはその近傍値の原子数比である
金属酸化物ターゲットを用いることが好ましい。
また、スパッタリング装置において、ターゲット近傍に配置されたマグネットユニット
を回転または移動させても構わない。例えば、成膜中にマグネットユニットを上下または
／及び左右に揺動させることによって、本発明の一態様の金属酸化物を形成することがで
きる。例えば、マグネットユニットを、０．１Ｈｚ以上１ｋＨｚ以下のビートで揺動させ
ればよい。
また、スパッタリングガスとして、酸素のガス比が１０％程度の酸素と希ガスとの混合
ガスを用い、基板温度を１３０℃とし、Ｉｎ：Ｇａ：Ｔｉ：Ｚｎ＝５：０．５：０．５：
７［原子数比］のＩｎ－Ｇａ－Ｔｉ－Ｚｎ金属酸化物ターゲットの近傍（例えば裏面）に
配置されたマグネットユニットを揺動させながら成膜を行うことで、本発明の一態様の金
属酸化物を形成することができる。
なお、本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜、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、本発明の一態様の金属酸化物を有する半導体装置、及び当該半導体
装置の作製方法について、図５乃至図１６を参照して説明する。
＜２－１．半導体装置の構成例１＞
図５（Ａ）は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ１００Ａの上面図であ
り、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１－Ｘ２間における切断面の断面図に相
当し、図５（Ｃ）は、図５（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１－Ｙ２間における切断面の断面図に
相当する。また、図５（Ｄ）は、図５（Ｂ）に示す領域Ｐ１を拡大した断面概念図に相当
する。
なお、図５（Ａ）において、煩雑になることを避けるため、トランジスタ１００Ａの構
成要素の一部（ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜等）を省略して図示している。また、
一点鎖線Ｘ１－Ｘ２方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｙ１－Ｙ２方向をチャネル幅方向と
呼称する場合がある。なお、トランジスタの上面図においては、以降の図面においても図
５（Ａ）と同様に、構成要素の一部を省略して図示する場合がある。
トランジスタ１００Ａは、基板１０２上の導電膜１０６と、基板１０２及び導電膜１０
６上の絶縁膜１０４と、絶縁膜１０４上の金属酸化物１０８と、金属酸化物１０８上の導
電膜１１２ａと、金属酸化物１０８上の導電膜１１２ｂと、金属酸化物１０８、導電膜１
１２ａ、及び導電膜１１２ｂ上の絶縁膜１１４と、絶縁膜１１４上の絶縁膜１１６と、絶
縁膜１１６上の導電膜１２０ａと、絶縁膜１１６上の導電膜１２０ｂと、を有する。
また、絶縁膜１０４は、開口部１５１を有し、絶縁膜１０４上には、開口部１５１を介
して導電膜１０６と電気的に接続される導電膜１１２ｃが形成される。また、絶縁膜１１
４及び絶縁膜１１６は、導電膜１１２ｂに達する開口部１５２ａと、導電膜１１２ｃに達
する開口部１５２ｂとを有する。
金属酸化物１０８は、実施の形態１に示す本発明の一態様の金属酸化物を有する。ここ
で、図５（Ｄ）を用いて、本発明の一態様の金属酸化物と、導電膜との接続について説明
を行う。
図５（Ｄ）の領域Ｐ１に示すように、金属酸化物１０８の上面及び側面と導電膜１１２
ａが接するため、接触抵抗を低減できる。また、金属酸化物１０８は、図１に示すＣＡＣ
構成を有するため、ＣＡＣ構成が有する領域００２、すなわち、キャリア密度が高い領域
と導電膜１１２ａとが接するため、さらに接触抵抗を低減できる。なお、図示していない
が、金属酸化物１０８と、導電膜１１２ｂとの接続についても、領域Ｐ１と同様である。
本発明の一態様の金属酸化物は、高い導電性領域を有し、且つ導電膜との接触抵抗が低
減されている。したがって、当該金属酸化物を有するトランジスタの電界効果移動度を高
めることができる。
例えば、トランジスタ１００Ａの電界効果移動度が５０ｃｍ２／Ｖｓを超える、さらに
好ましくはトランジスタ１００Ａの電界効果移動度が１００ｃｍ２／Ｖｓを超えることが
可能となる。
例えば、上記の電界効果移動度が高いトランジスタを、表示装置が有するゲート信号を
生成するゲートドライバに用いることで、額縁幅の狭い（狭額縁ともいう）表示装置を提
供することができる。また、上記の電界効果移動度が高いトランジスタを、表示装置が有
する信号線からの信号の供給を行うソースドライバ（とくに、ソースドライバが有するシ
フトレジスタの出力端子に接続されるデマルチプレクサ）に用いることで、表示装置に接
続される配線数が少ない表示装置を提供することができる。
また、金属酸化物１０８中に混入する水素または水分などの不純物は、トランジスタ特
性に影響を与えるため問題となる。したがって、金属酸化物１０８中のチャネル領域にお
いては、水素または水分などの不純物が少ないほど好ましい。また、金属酸化物１０８中
のチャネル領域に形成される酸素欠損は、トランジスタ特性に影響を与えるため問題とな
る。例えば、金属酸化物１０８のチャネル領域中に酸素欠損が形成されると、該酸素欠損
に水素が結合し、キャリア供給源となる。金属酸化物１０８のチャネル領域中にキャリア
供給源が生成されると、金属酸化物１０８を有するトランジスタ１００Ａの電気特性の変
動、代表的にはしきい値電圧のシフトが生じる。したがって、金属酸化物１０８のチャネ
ル領域においては、酸素欠損が少ないほど好ましい。
また、導電膜１１２ｃと導電膜１２０ａとは、開口部１５２ｂを介して電気的に接続さ
れ、導電膜１１２ｂと導電膜１２０ｂとは、開口部１５２ａを介して電気的に接続される
。なお、導電膜１２０ａと、導電膜１２０ｂとは、同じ導電膜を加工することで形成され
る。
また、トランジスタ１００Ａの上には、絶縁膜１１８が設けられる。絶縁膜１１８は、
絶縁膜１１６、導電膜１２０ａ、及び導電膜１２０ｂを覆うように形成される。
なお、トランジスタ１００Ａにおいて、絶縁膜１０４は、トランジスタ１００Ａの第１
のゲート絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜１１４、１１６は、トランジスタ１００Ａの
第２のゲート絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜１１８は、トランジスタ１００Ａの保護
絶縁膜としての機能を有する。
また、トランジスタ１００Ａにおいて、導電膜１０６は、第１のゲート電極としての機
能を有し、導電膜１２０ａは、第２のゲート電極としての機能を有し、導電膜１２０ｂは
、表示装置に用いる画素電極としての機能を有する。また、トランジスタ１００Ａにおい
て、導電膜１１２ａは、ソース電極としての機能を有し、導電膜１１２ｂは、ドレイン電
極としての機能を有する。また、トランジスタ１００Ａにおいて、導電膜１１２ｃは接続
電極としての機能を有する。なお、本明細書等において、絶縁膜１０４を第１の絶縁膜と
、絶縁膜１１４、１１６を第２の絶縁膜と、絶縁膜１１８を第３の絶縁膜と、それぞれ呼
称する場合がある。
また、図５（Ｃ）に示すように、第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ａは、
接続電極として機能する導電膜１１２ｃを間に挟んで、第１のゲート電極として機能する
導電膜１０６と電気的に接続される。よって、導電膜１０６と、導電膜１２０ａとは、同
じ電位が与えられる。
また、図５（Ｃ）に示すように、金属酸化物１０８は、第１のゲート電極として機能す
る導電膜１０６と、第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ａのそれぞれと対向す
るように位置し、２つのゲート電極として機能する膜に挟まれている。導電膜１２０ａの
チャネル長方向の長さ、及び導電膜１２０ａのチャネル幅方向の長さは、金属酸化物１０
８のチャネル長方向の長さ、及び金属酸化物１０８のチャネル幅方向の長さよりもそれぞ
れ長く、金属酸化物１０８の全体は、絶縁膜１１４、１１６を介して導電膜１２０ａに覆
われている。
別言すると、トランジスタ１００Ａのチャネル幅方向において、第１のゲート電極とし
て機能する導電膜１０６及び第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ａは、第１の
ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜１０４及び第２のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜
１１４、１１６を介して金属酸化物１０８を囲む構成である。
このような構成を有することで、トランジスタ１００Ａに含まれる金属酸化物１０８を
、第１のゲート電極として機能する導電膜１０６及び第２のゲート電極として機能する導
電膜１２０ａの電界によって電気的に囲むことができる。トランジスタ１００Ａのように
、第１のゲート電極及び第２のゲート電極の電界によって、チャネル領域が形成される金
属酸化物を、電気的に囲むトランジスタのデバイス構造をＳｕｒｒｏｕｎｄｅｄ ｃｈａ
ｎｎｅｌ（Ｓ－ｃｈａｎｎｅｌ）構造と呼ぶことができる。
トランジスタ１００Ａは、Ｓ－ｃｈａｎｎｅｌ構造を有するため、第１のゲート電極と
して機能する導電膜１０６によってチャネルを誘起させるための電界を効果的に金属酸化
物１０８に印加することができるため、トランジスタ１００Ａの電流駆動能力が向上し、
高いオン電流特性を得ることが可能となる。また、オン電流を高くすることが可能である
ため、トランジスタ１００Ａを微細化することが可能となる。また、トランジスタ１００
Ａは、金属酸化物１０８が第１のゲート電極として機能する導電膜１０６及び第２のゲー
ト電極として機能する導電膜１２０ａによって囲まれた構造を有するため、トランジスタ
１００Ａの機械的強度を高めることができる。
＜２－２．半導体装置の構成例２＞
次に、図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ａの変形例について、図６乃
至図８を用いて説明する。
まず、図６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）を用いて説明を行う。
図６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ａの変
形例であるトランジスタ１００Ｂの上面図及び断面図である。また、図６（Ｄ）は、図６
（Ｂ）に示す領域Ｐ２を拡大した断面概念図に相当する。
図６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ｂは、図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示
すトランジスタ１００Ａが有する金属酸化物１０８を２層の積層構造としている。より具
体的には、トランジスタ１００Ｂが有する金属酸化物１０８は、金属酸化物１０８＿２と
、金属酸化物１０８＿２上の金属酸化物１０８＿３と、を有する。
例えば、金属酸化物１０８が有する金属酸化物１０８＿２に、本発明の一態様の金属酸
化物を用いることができる。
また、図６（Ｄ）の領域Ｐ２に示すように、金属酸化物１０８の上面及び側面と導電膜
１１２ａが接するため、接触抵抗を低減できる。また、金属酸化物１０８が有する金属酸
化物１０８＿２は、図１に示すＣＡＣ構成を有するため、ＣＡＣ構成が有する領域００２
、すなわち、キャリア密度が高い領域と導電膜１１２ａとが接するため、さらに接触抵抗
を低減できる。また、導電性の低い金属酸化物、例えば、ワイドバンドギャップ（例えば
、Ｅｇが３．３ｅＶ以上）の酸化物を金属酸化物１０８＿３に用いたとしても、金属酸化
物１０８＿２の側面と、導電膜１１２ａとが接することで接触抵抗を、低減することがで
きる。なお、図示していないが、金属酸化物１０８と、導電膜１１２ｂとの接続について
も、領域Ｐ２と同様である。
次に、図７（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）を用いて説明を行う。
図７（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ａの変
形例であるトランジスタ１００Ｃの上面図及び断面図である。また、図７（Ｄ）は、図７
（Ｂ）に示す領域Ｐ３を拡大した断面概念図に相当する。
図７（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ｃは、図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示
すトランジスタ１００Ａが有する金属酸化物１０８を３層の積層構造としている。より具
体的には、トランジスタ１００Ｃが有する金属酸化物１０８は、金属酸化物１０８＿１と
、金属酸化物１０８＿１上の金属酸化物１０８＿２と、金属酸化物１０８＿２上の金属酸
化物１０８＿３と、を有する。
例えば、金属酸化物１０８が有する金属酸化物１０８＿２に、本発明の一態様の金属酸
化物を用いることができる。
また、図７（Ｄ）の領域Ｐ３に示すように、金属酸化物１０８の上面及び側面と導電膜
１１２ａが接するため、接触抵抗を低減できる。また、金属酸化物１０８が有する金属酸
化物１０８＿２は、図１に示すＣＡＣ構成を有するため、ＣＡＣ構成が有する領域００２
、すなわち、キャリア密度が高い領域と導電膜１１２ａとが接するため、さらに接触抵抗
を低減できる。また、導電性の低い金属酸化物、例えば、ワイドバンドギャップ（例えば
、Ｅｇが３．３ｅＶ以上）の酸化物を金属酸化物１０８＿１及び金属酸化物１０８＿３に
用いたとしても、金属酸化物１０８＿２の側面と、導電膜１１２ａとが接することで接触
抵抗を、低減することができる。なお、図示していないが、金属酸化物１０８と、導電膜
１１２ｂとの接続についても、領域Ｐ３と同様である。
次に、図８（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）を用いて説明を行う。
図８（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ａの変
形例であるトランジスタ１００Ｄの上面図及び断面図である。また、図８（Ｄ）は、図８
（Ｂ）に示す領域Ｐ４を拡大した断面概念図に相当する。
図８（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ｄは、図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示
すトランジスタ１００Ａが有する金属酸化物１０８を３層の積層構造としている。より具
体的には、トランジスタ１００Ｄが有する金属酸化物１０８は、金属酸化物１０８＿１と
、金属酸化物１０８＿１上の金属酸化物１０８＿２と、金属酸化物１０８＿２上の金属酸
化物１０８＿３と、を有する。
例えば、金属酸化物１０８が有する金属酸化物１０８＿２に、本発明の一態様の金属酸
化物を用いることができる。また、図８（Ｄ）の領域Ｐ４に示すように、金属酸化物１０
８の上面及び側面と導電膜１１２ａが接するため、接触抵抗を低減できる。また、金属酸
化物１０８が有する金属酸化物１０８＿２は、図１に示すＣＡＣ構成を有するため、ＣＡ
Ｃ構成が有する領域００２、すなわち、キャリア密度が高い領域と導電膜１１２ａとが接
するため、さらに接触抵抗を低減できる。
また、トランジスタ１００Ｄは、トランジスタ１００Ｃと金属酸化物１０８＿３の配置
される位置が異なり、トランジスタ１００Ｄが有する金属酸化物１０８＿３は、ソース電
極及びドレイン電極として機能する導電膜１１２ａ、１１２ｂの上に形成される。金属酸
化物１０８＿３を導電膜１１２ａ、１１２ｂ上に配置することで、金属酸化物１０８＿２
と、導電膜１１２ａ、１１２ｂとの接触抵抗をさらに、低減することができる。
図６乃至図８に示すように、本発明の一態様のトランジスタにおいては、金属酸化物を
積層構造とすると好適である。
＜２－３．バンド構造＞
次に、金属酸化物１０８を積層構造とした場合のバンド構造について、図１６を用いて
説明する。
絶縁膜１０４、金属酸化物１０８＿１、１０８＿２、１０８＿３、及び絶縁膜１１４の
バンド構造、並びに、絶縁膜１０４、金属酸化物１０８＿２、１０８＿３、及び絶縁膜１
１４のバンド構造を図１６に示す。
図１６（Ａ）は、絶縁膜１０４、金属酸化物１０８＿１、１０８＿２、１０８＿３、及
び絶縁膜１１４を有する積層構造の膜厚方向のバンド構造の一例である。また、図１６（
Ｂ）は、絶縁膜１０４、金属酸化物１０８＿２、１０８＿３、及び絶縁膜１１４を有する
積層構造の膜厚方向のバンド構造の一例である。なお、バンド構造は、理解を容易にする
ため絶縁膜１０４、金属酸化物１０８＿１、１０８＿２、１０８＿３、及び絶縁膜１１４
の伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ）を示す。
図１６（Ａ）に示すように、金属酸化物１０８＿１、１０８＿２、１０８＿３において
、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。また、図１６（Ｂ）に示すように
、金属酸化物１０８＿２、１０８＿３において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらか
に変化する。換言すると、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。この
ようなバンド構造を有するためには、金属酸化物１０８＿１と金属酸化物１０８＿２との
界面、または金属酸化物１０８＿２と金属酸化物１０８＿３との界面において、トラップ
中心や再結合中心のような欠陥準位を形成するような不純物が存在しないとする。
金属酸化物１０８＿１、１０８＿２、１０８＿３に連続接合を形成するためには、ロー
ドロック室を備えたマルチチャンバー方式の成膜装置（スパッタリング装置）を用いて各
膜を大気に触れさせることなく連続して積層することが必要となる。
図１６（Ａ）（Ｂ）に示す構成とすることで金属酸化物１０８＿２がウェル（井戸）と
なり、上記積層構造を用いたトランジスタにおいて、チャネル領域が金属酸化物１０８＿
２に形成されることがわかる。
また、金属酸化物１０８＿２には、本発明の一態様の金属酸化物を適用することができ
る。したがって、図１６においては、金属酸化物１０８＿２のバンド構造をフラットな形
状として図示しているが、金属酸化物１０８＿２のバンド構造は、実施の形態１で説明し
た図３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すバンド構造となる場合がある。
なお、金属酸化物１０８＿１、１０８＿３を設けることにより、金属酸化物１０８＿２
に形成されうるトラップ準位を金属酸化物１０８＿１または金属酸化物１０８＿３に設け
ることができる。したがって、金属酸化物１０８＿２には、トラップ準位が形成され難い
構造となる。
また、トラップ準位がチャネル領域として機能する金属酸化物１０８＿２の伝導帯下端
のエネルギー準位（Ｅｃ）より真空準位から遠くなることがあり、トラップ準位に電子が
蓄積しやすくなってしまう。トラップ準位に電子が蓄積されることで、マイナスの固定電
荷となり、トランジスタのしきい値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。したがって、
トラップ準位が金属酸化物１０８＿２の伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ）より真空準
位に近くなるような構成にすると好ましい。このようにすることで、トラップ準位に電子
が蓄積しにくくなり、トランジスタのオン電流を増大させることが可能であると共に、電
界効果移動度を高めることができる。
また、金属酸化物１０８＿１、１０８＿３は、金属酸化物１０８＿２よりも伝導帯下端
のエネルギー準位が真空準位に近く、代表的には、金属酸化物１０８＿２の伝導帯下端の
エネルギー準位と、金属酸化物１０８＿１、１０８＿３の伝導帯下端のエネルギー準位と
の差が、０．１５ｅＶ以上、または０．５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、または１ｅＶ以下
である。すなわち、金属酸化物１０８＿１、１０８＿３の電子親和力と、金属酸化物１０
８＿２の電子親和力との差が、０．１５ｅＶ以上、または０．５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以
下、または１ｅＶ以下である。
このような構成を有することで、金属酸化物１０８＿２が主な電流経路となる。すなわ
ち、金属酸化物１０８＿２は、チャネル領域としての機能を有し、金属酸化物１０８＿１
、１０８＿３は、酸化物絶縁膜としての機能を有する。また、金属酸化物１０８＿１、１
０８＿３は、チャネル領域が形成される金属酸化物１０８＿２を構成する金属元素の一種
以上から構成される金属酸化物を用いると好ましい。このような構成とすることで、金属
酸化物１０８＿１と金属酸化物１０８＿２との界面、または金属酸化物１０８＿２と金属
酸化物１０８＿３との界面において、界面散乱が起こりにくい。従って、該界面において
はキャリアの動きが阻害されないため、トランジスタの電界効果移動度が高くなる。
また、金属酸化物１０８＿１、及び金属酸化物１０８＿３は、チャネル領域の一部とし
て機能することを防止するため、導電率が十分に低い材料を用いるものとする。そのため
、金属酸化物１０８＿１、１０８＿３を、その物性及び／または機能から、それぞれ酸化
物絶縁膜とも呼べる。または、金属酸化物１０８＿１、１０８＿３には、電子親和力（真
空準位と伝導帯下端のエネルギー準位との差）が金属酸化物１０８＿２よりも小さく、伝
導帯下端のエネルギー準位が金属酸化物１０８＿２の伝導帯下端のエネルギー準位と差分
（バンドオフセット）を有する材料を用いるものとする。また、ドレイン電圧の大きさに
依存したしきい値電圧の差が生じることを抑制するためには、金属酸化物１０８＿１、１
０８＿３の伝導帯下端のエネルギー準位が、金属酸化物１０８＿２の伝導帯下端のエネル
ギー準位よりも真空準位に近い材料を用いると好適である。例えば、金属酸化物１０８＿
２の伝導帯下端のエネルギー準位と、金属酸化物１０８＿１、及び金属酸化物１０８＿３
の伝導帯下端のエネルギー準位との差が、０．２ｅＶ以上、好ましくは０．５ｅＶ以上と
することが好ましい。
また、金属酸化物１０８＿１、１０８＿３は、膜中にスピネル型の結晶構造が含まれな
いことが好ましい。金属酸化物１０８＿１、１０８＿３の膜中にスピネル型の結晶構造を
含む場合、該スピネル型の結晶構造と他の領域との界面において、導電膜１２０ａ、１２
０ｂの構成元素が金属酸化物１０８＿２へ拡散してしまう場合がある。なお、金属酸化物
１０８＿１、１０８＿３がＣＡＡＣ－ＯＳである場合、導電膜１２０ａ、１２０ｂの構成
元素、例えば、銅元素のブロッキング性が高くなり好ましい。
なお、金属酸化物１０８＿１、１０８＿３として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原
子数比］の金属酸化物ターゲット、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］の金属酸
化物ターゲット、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：６［原子数比］の金属酸化物ターゲットな
どを用いて形成することができる。
＜２－４．半導体装置の構成例３＞
次に、先に説明したトランジスタと異なる態様の構成のトランジスタについて、図９を
用いて説明する。
図９（Ａ）は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ２００Ａの上面図であ
り、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１－Ｘ２間における切断面の断面図に相
当し、図９（Ｃ）は、図９（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１－Ｙ２間における切断面の断面図に
相当する。また、図９（Ｄ）は、図９（Ｂ）に示す領域Ｐ５を拡大した断面概念図に相当
する。
図９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２００Ａは、所謂トップゲート構造のトラ
ンジスタである。
トランジスタ２００Ａは、基板２０２上の導電膜２０６と、基板２０２及び導電膜２０
６上の絶縁膜２０４と、絶縁膜２０４上の金属酸化物２０８と、金属酸化物２０８上の絶
縁膜２１０と、絶縁膜２１０上の導電膜２１２と、絶縁膜２０４、金属酸化物２０８、及
び導電膜２１２上の絶縁膜２１６と、を有する。
また、金属酸化物２０８は、本発明の一態様の金属酸化物を用いると好ましい。
なお、金属酸化物２０８は、導電膜２１２と重なり、且つ絶縁膜２１０と接する領域２
０８ｉと、絶縁膜２１６と重なる領域２０８ｎと、を有する。また、領域２０８ｎは、領
域２０８ｉよりもキャリア密度が高い領域を有する。すなわち、金属酸化物２０８は、キ
ャリア密度の異なる複数の領域を有する。また、領域２０８ｎを、ソース領域またはドレ
イン領域と呼称することもできる。
ここで、図９（Ｄ）を用いて、領域２０８ｉと、領域２０８ｎとの接続について説明を
行う。
図９（Ｄ）の領域Ｐ５に示すように、領域２０８ｉの側面と領域２０８ｎの側面とが接
するため、接触抵抗を低減できる。また、金属酸化物２０８が有する領域２０８ｉは、図
１に示すＣＡＣ構成を有するため、ＣＡＣ構成が有する領域００２、すなわち、キャリア
密度が高い領域と領域２０８ｎ、すなわちソース領域とが接するため、さらに接触抵抗を
低減できる。なお、図示していないが、領域２０８ｉの他方の側面と、領域２０８ｎの側
面との接続についても領域Ｐ５と同様である。
本発明の一態様の金属酸化物は、高い導電性領域を有し、且つソース領域またはドレイ
ン領域との接触抵抗が低減されている。したがって、当該金属酸化物を有するトランジス
タの電界効果移動度を高めることができる。
また、領域２０８ｎは、絶縁膜２１６と接する。絶縁膜２１６は、窒素または水素を有
する。そのため、絶縁膜２１６中の窒素または水素が領域２０８ｎ中に添加される。領域
２０８ｎは、絶縁膜２１６から窒素または水素が添加されることで、キャリア密度が高く
なる。
また、トランジスタ２００Ａは、絶縁膜２１６上の絶縁膜２１８と、絶縁膜２１６、２
１８に設けられた開口部２４１ａを介して、領域２０８ｎに電気的に接続される導電膜２
２０ａと、絶縁膜２１６、２１８に設けられた開口部２４１ｂを介して、領域２０８ｎに
電気的に接続される導電膜２２０ｂと、を有していてもよい。
また、図９（Ｃ）に示すように、絶縁膜２０４及び絶縁膜２１０には、開口部２４３が
設けられる。また、導電膜２０６は、開口部２４３を介して導電膜２１２と、電気的に接
続される。よって、導電膜２０６と導電膜２１２には、同じ電位が与えられる。また、開
口部２４３を設けずに、導電膜２０６と、導電膜２１２と、に異なる電位を与えてもよい
。
なお、導電膜２０６は、第１のゲート電極（ボトムゲート電極ともいう）としての機能
を有し、導電膜２１２は、第２のゲート電極（トップゲート電極ともいう）としての機能
を有する。また、絶縁膜２０４は、第１のゲート絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜２１
０は、第２のゲート絶縁膜としての機能を有する。
このように、図９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２００Ａは、金属酸化物２０
８の上下にゲート電極として機能する導電膜を有する構造である。トランジスタ２００Ａ
に示すように、本発明の一態様の半導体装置には、２つ以上のゲート電極を設けてもよい
。
また、図９（Ｃ）に示すように、金属酸化物２０８は、第１のゲート電極として機能す
る導電膜２０６と、第２のゲート電極として機能する導電膜２１２のそれぞれと対向する
ように位置し、２つのゲート電極として機能する導電膜に挟まれている。
また、導電膜２１２のチャネル幅方向の長さは、金属酸化物２０８のチャネル幅方向の
長さよりも長く、金属酸化物２０８のチャネル幅方向全体は、絶縁膜２１０を介して導電
膜２１２に覆われている。また、導電膜２１２と導電膜２０６とは、絶縁膜２０４及び絶
縁膜２１０に設けられる開口部２４３において接続されるため、金属酸化物２０８のチャ
ネル幅方向の側面の一方は、絶縁膜２１０を介して導電膜２１２と対向している。
別言すると、トランジスタ２００Ａのチャネル幅方向において、導電膜２０６及び導電
膜２１２は、絶縁膜２０４及び絶縁膜２１０に設けられる開口部２４３において接続する
と共に、絶縁膜２０４及び絶縁膜２１０を介して金属酸化物２０８を取り囲む構成である
。すなわち、トランジスタ２００Ａは、先に示すＳ－ｃｈａｎｎｅｌ構造である。
＜２－５．半導体装置の構成例４＞
次に、図９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２００Ａの変形例について、図１０
乃至図１２を用いて説明する。
まず、図１０（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）を用いて説明を行う。
図１０（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、図９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２００Ａの
変形例であるトランジスタ２００Ｂの上面図及び断面図である。また、図１０（Ｄ）は、
図１０（Ｂ）に示す領域Ｐ６を拡大した断面概念図に相当する。
図１０（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２００Ｂは、図９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に
示すトランジスタ２００Ａが有する金属酸化物２０８を２層の積層構造としている。より
具体的には、トランジスタ２００Ｂが有する金属酸化物２０８は、領域２０８ｉ＿１と、
領域２０８ｉ＿１上の領域２０８ｉ＿２と、絶縁膜２１６と重なる領域２０８ｎと、を有
する。
例えば、金属酸化物２０８が有する領域２０８ｉ＿２に、本発明の一態様の金属酸化物
を用いることができる。
図１０（Ｄ）の領域Ｐ６に示すように、領域２０８ｉ＿２の側面と領域２０８ｎの側面
とが接するため、接触抵抗を低減できる。また、金属酸化物２０８が有する領域２０８ｉ
＿２は、図１に示すＣＡＣ構成を有するため、ＣＡＣ構成が有する領域００２、すなわち
、キャリア密度が高い領域と領域２０８ｎ、すなわちソース領域とが接するため、さらに
接触抵抗を低減できる。なお、図示していないが、領域２０８ｉ＿２の他方の側面と、領
域２０８ｎの側面との接続についても領域Ｐ６と同様である。
次に、図１１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）を用いて説明を行う。
図１１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、図９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２００Ａの
変形例であるトランジスタ２００Ｃの上面図及び断面図である。また、図１１（Ｄ）は、
図１１（Ｂ）に示す領域Ｐ７を拡大した断面概念図に相当する。
図１１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２００Ｃは、図９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に
示すトランジスタ２００Ａが有する金属酸化物２０８を３層の積層構造としている。より
具体的には、トランジスタ２００Ｃが有する金属酸化物２０８は、領域２０８ｉ＿１と、
領域２０８ｉ＿１上の領域２０８ｉ＿２と、領域２０８ｉ＿２上の領域２０８ｉ＿３と、
絶縁膜２１６と重なる領域２０８ｎと、を有する。
例えば、金属酸化物２０８が有する領域２０８ｉ＿２に、本発明の一態様の金属酸化物
を用いることができる。
図１１（Ｄ）の領域Ｐ７に示すように、領域２０８ｉ＿２の側面と領域２０８ｎの側面
とが接するため、接触抵抗を低減できる。また、金属酸化物２０８が有する領域２０８ｉ
＿２は、図１に示すＣＡＣ構成を有するため、ＣＡＣ構成が有する領域００２、すなわち
、キャリア密度が高い領域と領域２０８ｎ、すなわちソース領域とが接するため、さらに
接触抵抗を低減できる。なお、図示していないが、領域２０８ｉ＿２の他方の側面と、領
域２０８ｎの側面との接続についても領域Ｐ７と同様である。
次に、図１２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）を用いて説明を行う。
図１２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、図９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２００Ａの
変形例であるトランジスタ２００Ｄの上面図及び断面図である。また、図１２（Ｄ）は、
図１２（Ｂ）に示す領域Ｐ８を拡大した断面概念図に相当する。
図１２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２００Ｄは、図９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に
示すトランジスタ２００Ａが有する金属酸化物２０８を３層の積層構造としている。より
具体的には、トランジスタ２００Ｄが有する金属酸化物２０８は、領域２０８ｉ＿１と、
領域２０８ｉ＿１上の領域２０８ｉ＿２と、領域２０８ｉ＿２上の領域２０８ｉ＿３と、
絶縁膜２１６と重なる領域２０８ｎと、を有する。
例えば、金属酸化物２０８が有する領域２０８ｉ＿２に、本発明の一態様の金属酸化物
を用いることができる。なお、領域Ｐ８に示すように、領域２０８ｉ＿２の側面と領域２
０８ｎの側面とが接するため、接触抵抗を低減できる。また、金属酸化物２０８が有する
領域２０８ｉ＿２は、図１に示すＣＡＣ構成を有するため、ＣＡＣ構成が有する領域００
２、すなわち、キャリア密度が高い領域と領域２０８ｎ、すなわちソース領域とが接する
ため、さらに接触抵抗を低減できる。なお、図示していないが、領域２０８ｉ＿２の他方
の側面と、領域２０８ｎの側面との接続についても領域Ｐ８と同様である。
なお、トランジスタ２００Ｄが有する金属酸化物２０８は、トランジスタ２００Ｃが有
する金属酸化物２０８と、領域２０８ｉ＿３の形状が異なる。具体的には、トランジスタ
２００Ｄが有する金属酸化物２０８は、領域２０８ｉ＿１の側面、及び領域２０８ｉ＿２
の側面を領域２０８ｉ＿３によって、覆う形状である。当該形状とすることで、領域２０
８ｉ＿１の側面及び領域２０８ｉ＿２の側面と、絶縁膜２１０とが接しない構造となる。
当該構造とすることで、領域２０８ｉ＿１及び領域２０８ｉ＿２中、特に領域２０８ｉ＿
２中に入り込みうる不純物を抑制することができるため、信頼性の高い半導体装置を提供
することができる。
図１０乃至図１２に示すように、本発明の一態様のトランジスタにおいては、金属酸化
物を積層構造とすると好適である。なお、金属酸化物を積層構造とした場合のバンド構造
については、＜２－３．バンド構造＞を参照すればよい。
＜２－６．半導体装置の構成要素＞
以下では、本実施の形態の半導体装置に含まれる構成要素について、詳細に説明する。
［基板］
基板１０２、２０２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、サファイア基板等を、基板１０２、２０２として用いてもよい。また、シリコンや
炭化シリコンを材料とした単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム
等の化合物半導体基板、ＳＯＩ基板等を適用することも可能であり、これらの基板上に半
導体素子が設けられたものを、基板１０２、２０２として用いてもよい。なお、基板１０
２、２０２として、ガラス基板を用いる場合、第６世代（１５００ｍｍ×１８５０ｍｍ）
、第７世代（１８７０ｍｍ×２２００ｍｍ）、第８世代（２２００ｍｍ×２４００ｍｍ）
、第９世代（２４００ｍｍ×２８００ｍｍ）、第１０世代（２９５０ｍｍ×３４００ｍｍ
）等の大面積基板を用いることで、大型の表示装置を作製することができる。
また、基板１０２、２０２として、可撓性基板を用い、可撓性基板上に直接、トランジ
スタを形成してもよい。または、基板１０２、２０２とトランジスタ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１０２
、２０２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
タは耐熱性の劣る基板や可撓性の基板にも転載できる。
［導電膜］
第１のゲート電極として機能する導電膜１０６、２０６、ソース電極として機能する導
電膜１１２ａ、２２０ａ、ドレイン電極として機能する導電膜１１２ｂ、２２０ｂ、接続
電極として機能する導電膜１１２ｃ、第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ａ、
２１２、及び画素電極として機能する導電膜１２０ｂとしては、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃ
ｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、モリブデン（Ｍ
ｏ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、マンガン（Ｍｎ）、ニ
ッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）から選ばれた金属元素、または上述した
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等を用いてそれぞれ
形成することができる。
また、導電膜１０６、１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１２０ａ、１２０ｂ、２０６、
２２０ａ、２２０ｂ、２１２には、インジウムと錫とを有する酸化物、タングステンとイ
ンジウムとを有する酸化物、タングステンとインジウムと亜鉛とを有する酸化物、チタン
とインジウムとを有する酸化物、チタンとインジウムと錫とを有する酸化物、インジウム
と亜鉛とを有する酸化物、シリコンとインジウムと錫とを有する酸化物、インジウムとガ
リウムと亜鉛とを有する酸化物等の酸化物導電体を適用してもよい。
特に、導電膜１２０ａ、２１２には、上述の酸化物導電体を好適に用いることができる
。なお、本明細書等において、酸化物導電体をＯＣ（Ｏｘｉｄｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）
と呼称してもよい。酸化物導電体としては、例えば、酸化物半導体に酸素欠損を形成し、
該酸素欠損に水素を添加すると、伝導帯近傍にドナー準位が形成される。この結果、酸化
物半導体は、導電性が高くなり導電体化する。導電体化された酸化物半導体を、酸化物導
電体ということができる。一般に、酸化物半導体は、エネルギーギャップが大きいため、
可視光に対して透光性を有する。一方、酸化物導電体は、伝導帯近傍にドナー準位を有す
る酸化物半導体である。したがって、酸化物導電体は、ドナー準位による吸収の影響は小
さく、可視光に対して酸化物半導体と同程度の透光性を有する。
また、導電膜１０６、１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１２０ａ、１２０ｂ、２０６、
２２０ａ、２２０ｂ、２１２には、Ｃｕ－Ｘ合金膜（Ｘは、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃ
ｏ、Ｍｏ、Ｔａ、またはＴｉ）を適用してもよい。Ｃｕ－Ｘ合金膜を用いることで、ウエ
ットエッチングプロセスで加工できるため、製造コストを抑制することが可能となる。
特に、導電膜１１２ａ、１１２ｂ、２２０ａ、２２０ｂには、上述のＣｕ－Ｘ合金膜を
好適に用いることができる。Ｃｕ－Ｘ合金膜としては、Ｃｕ－Ｍｎ合金膜が特に好ましい
。
［第１のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜］
トランジスタの第１のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜１０４、２０４としては、プ
ラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ：（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａ
ｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ））法、スパッタリング法等により、酸化シリコ
ン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜
、酸化ハフニウム膜、酸化イットリウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ガリウム膜、酸化
タンタル膜、酸化マグネシウム膜、酸化ランタン膜、酸化セリウム膜および酸化ネオジム
膜を一種以上含む絶縁層を、それぞれ用いることができる。なお、絶縁膜１０４、２０４
としては、上述の材料から選択された単層の絶縁膜、または２層以上の絶縁膜を用いても
よい。
なお、トランジスタのチャネル領域として機能する金属酸化物１０８、２０８と接する
絶縁膜には、酸化物絶縁膜を用いることが好ましく、化学量論的組成よりも過剰に酸素を
含有する領域（過剰酸素領域）を有することがより好ましい。
ただし、上記構成に限定されず、金属酸化物１０８、２０８と接する絶縁膜に、窒化物
絶縁膜を用いる構成としてもよい。当該構成の一例としては、窒化シリコン膜を形成し、
当該窒化シリコン膜の表面に酸素プラズマ処理などを行うことで、窒化シリコン膜の表面
を酸化させる構成などが挙げられる。なお、窒化シリコン膜の表面に酸素プラズマ処理な
どを行った場合、窒化シリコン膜の表面は原子レベルで酸化されている場合があるため、
トランジスタの断面の観察等を行っても、酸化膜が観察されない可能性がある。すなわち
、トランジスタの断面の観察を行った場合、窒化シリコン膜と、金属酸化物とが、接して
いるように観察される場合がある。
なお、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、酸化シリコン膜
と同等の静電容量を得るのに必要な膜厚が大きいため、トランジスタのゲート絶縁膜とし
て、窒化シリコン膜を含むことで絶縁膜を厚膜化することができる。よって、トランジス
タ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、トランジスタの静電破壊を
抑制することができる。
また、絶縁膜１０４、２０４として、酸化ハフニウムを用いる場合、以下の効果を奏す
る。酸化ハフニウムは、酸化シリコンや酸化窒化シリコンと比べて比誘電率が高い。した
がって、酸化シリコンを用いた場合と比べて、絶縁膜１０４、２０４の膜厚を大きくでき
るため、トンネル電流によるリーク電流を小さくすることができる。すなわち、オフ電流
の小さいトランジスタを実現することができる。さらに、結晶構造を有する酸化ハフニウ
ムは、非晶質構造を有する酸化ハフニウムと比べて高い比誘電率を備える。したがって、
オフ電流の小さいトランジスタとするためには、結晶構造を有する酸化ハフニウムを用い
ることが好ましい。結晶構造の例としては、単斜晶系や立方晶系などが挙げられる。ただ
し、本発明の一態様は、これらに限定されない。
［金属酸化物］
金属酸化物１０８、２０８としては、実施の形態１に示す本発明の一態様の金属酸化物
を用いることができる。
また、金属酸化物１０８、２０８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以上である。このように、エネルギーギャップの広
い金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。
また、金属酸化物１０８、２０８の厚さは、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３
ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。
なお、必要とするトランジスタの半導体特性を得るために、金属酸化物１０８、２０８
の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、密度等を適切なも
のとすることが好ましい。
［第２のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜］
絶縁膜１１４、１１６、２１０は、トランジスタの第２のゲート絶縁膜として機能する
。また、絶縁膜１１４、１１６、２１０は、金属酸化物１０８、２０８に酸素を供給する
機能を有する。すなわち、絶縁膜１１４、１１６、２１０は、酸素を有する。また、絶縁
膜１１４は、酸素を透過することのできる絶縁膜である。なお、絶縁膜１１４は、後に形
成する絶縁膜１１６を形成する際の、金属酸化物１０８へのダメージ緩和膜としても機能
する。
絶縁膜１１４としては、厚さが５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上５０
ｎｍ以下の酸化シリコン、酸化窒化シリコン等を用いることができる。
また、絶縁膜１１４は、欠陥量が少ないことが好ましく、代表的には、電子スピン共鳴
（ＥＳＲ）測定により、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝２．００１に現れ
る信号のスピン密度が３×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。これ
は、絶縁膜１１４に含まれる欠陥密度が多いと、該欠陥に酸素が結合してしまい、絶縁膜
１１４における酸素の透過量が減少してしまうためである。
なお、絶縁膜１１４においては、外部から絶縁膜１１４に入った酸素が全て絶縁膜１１
４の外部に移動せず、絶縁膜１１４にとどまる酸素もある。また、絶縁膜１１４に酸素が
入ると共に、絶縁膜１１４に含まれる酸素が絶縁膜１１４の外部へ移動することで、絶縁
膜１１４において酸素の移動が生じる場合もある。絶縁膜１１４として酸素を透過するこ
とができる酸化物絶縁膜を形成すると、絶縁膜１１４上に設けられる、絶縁膜１１６から
脱離する酸素を、絶縁膜１１４を介して金属酸化物１０８に移動させることができる。
また、絶縁膜１１４は、窒素酸化物に起因する準位密度が低い酸化物絶縁膜を用いて形
成することができる。なお、当該窒素酸化物に起因する準位密度は、金属酸化物の価電子
帯の上端のエネルギー（Ｅｖ＿ｏｓ）と金属酸化物の伝導帯の下端のエネルギー（Ｅｃ＿
ｏｓ）の間に形成され得る場合がある。上記酸化物絶縁膜として、窒素酸化物の放出量が
少ない酸化窒化シリコン膜、または窒素酸化物の放出量が少ない酸化窒化アルミニウム膜
等を用いることができる。
なお、窒素酸化物の放出量の少ない酸化窒化シリコン膜は、昇温脱離ガス分析法（ＴＤ
Ｓ：Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）において、窒
素酸化物の放出量よりアンモニアの放出量が多い膜であり、代表的にはアンモニアの放出
量が１×１０１８ｃｍ－３以上５×１０１９ｃｍ－３以下である。なお、アンモニアの放
出量は、膜の表面温度が５０℃以上６５０℃以下、好ましくは５０℃以上５５０℃以下の
加熱処理による放出量とする。
窒素酸化物（ＮＯｘ、ｘは０を越えて２以下、好ましくは１以上２以下）、代表的には
ＮＯ２またはＮＯは、絶縁膜１１４などに準位を形成する。当該準位は、金属酸化物１０
８のエネルギーギャップ内に位置する。そのため、窒素酸化物が、絶縁膜１１４及び金属
酸化物１０８の界面に拡散すると、当該準位が絶縁膜１１４側において電子をトラップす
る場合がある。この結果、トラップされた電子が、絶縁膜１１４及び金属酸化物１０８界
面近傍に留まるため、トランジスタのしきい値電圧をプラス方向にシフトさせてしまう。
また、窒素酸化物は、加熱処理においてアンモニア及び酸素と反応する。絶縁膜１１４
に含まれる窒素酸化物は、加熱処理において、絶縁膜１１６に含まれるアンモニアと反応
するため、絶縁膜１１４に含まれる窒素酸化物が低減される。このため、絶縁膜１１４及
び金属酸化物１０８の界面において、電子がトラップされにくい。
絶縁膜１１４として、上記酸化物絶縁膜を用いることで、トランジスタのしきい値電圧
のシフトを低減することが可能であり、トランジスタの電気特性の変動を低減することが
できる。
なお、トランジスタの作製工程の加熱処理、代表的には３００℃以上３５０℃未満の加
熱処理により、絶縁膜１１４は、１００Ｋ以下のＥＳＲで測定して得られたスペクトルに
おいてｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１のシグナル、ｇ値が２．００１以上２
．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下の第３のシグ
ナルが観測される。なお、第１のシグナル及び第２のシグナルのスプリット幅、並びに第
２のシグナル及び第３のシグナルのスプリット幅は、ＸバンドのＥＳＲ測定において約５
ｍＴである。また、ｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１のシグナル、ｇ値が２．
００１以上２．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下
である第３のシグナルのスピンの密度の合計が１×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満であ
り、代表的には１×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以上１×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未
満である。
なお、１００Ｋ以下のＥＳＲスペクトルにおいて、ｇ値が２．０３７以上２．０３９以
下の第１のシグナル、ｇ値が２．００１以上２．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値
が１．９６４以上１．９６６以下である第３のシグナルのスピンの密度の合計は、窒素酸
化物（ＮＯｘ、ｘは０より大きく２以下、好ましくは１以上２以下）起因のシグナルのス
ピンの密度の合計に相当する。窒素酸化物の代表例としては、一酸化窒素、二酸化窒素等
がある。即ち、ｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１のシグナル、ｇ値が２．００
１以上２．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下であ
る第３のシグナルのスピンの密度の合計が少ないほど、酸化物絶縁膜に含まれる窒素酸化
物の含有量が少ないといえる。
また、上記酸化物絶縁膜は、ＳＩＭＳで測定される窒素濃度が６×１０２０ａｔｏｍｓ
／ｃｍ３以下である。
基板温度が２２０℃以上３５０℃以下であり、シラン及び一酸化二窒素を用いたＰＥＣ
ＶＤ法を用いて、上記酸化物絶縁膜を形成することで、緻密であり、且つ硬度の高い膜を
形成することができる。
絶縁膜１１６、２１０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物
絶縁膜を用いて形成すると好適である。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を
含む酸化物絶縁膜は、加熱により酸素の一部が脱離する。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物絶縁膜は、ＴＤＳ分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱
離量が１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは３．０×１０２０ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ３以上である酸化物絶縁膜である。なお、上記ＴＤＳにおける膜の表面温度とし
ては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲が好ましい。
絶縁膜１１６、２１０としては、厚さが３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは５０
ｎｍ以上４００ｎｍ以下の、酸化シリコン、酸化窒化シリコン等を用いることができる。
また、絶縁膜１１６、２１０は、欠陥量が少ないことが好ましく、代表的には、ＥＳＲ
測定により、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝２．００１に現れる信号のス
ピン密度が１．５×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満、さらには１×１０１８ｓｐｉｎｓ
／ｃｍ３以下であることが好ましい。なお、絶縁膜１１６は、絶縁膜１１４と比較して金
属酸化物１０８から離れているため、絶縁膜１１４より、欠陥密度が多くともよい。
また、絶縁膜１１４、１１６は、同種の材料の絶縁膜を用いることができるため、絶縁
膜１１４と絶縁膜１１６の界面が明確に確認できない場合がある。したがって、本実施の
形態においては、絶縁膜１１４と絶縁膜１１６の界面は、破線で図示している。なお、本
実施の形態においては、絶縁膜１１４と絶縁膜１１６の２層構造について説明したが、こ
れに限定されず、例えば、絶縁膜１１４の単層構造、あるいは３層以上の積層構造として
もよい。
［保護絶縁膜として機能する絶縁膜］
絶縁膜１１８、２１６は、トランジスタの保護絶縁膜として機能する。
絶縁膜１１８、２１６は、水素及び窒素のいずれか一方または双方を有する。または、
絶縁膜１１８、２１６は、窒素及びシリコンを有する。また、絶縁膜１１８、２１６は、
酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキングできる機能を有する
。絶縁膜１１８、２１６を設けることで、金属酸化物１０８、２０８からの酸素の外部へ
の拡散と、絶縁膜１１４、１１６、２１０に含まれる酸素の外部への拡散と、外部から金
属酸化物１０８、２０８への水素、水等の入り込みを防ぐことができる。
絶縁膜１１８、２１６としては、例えば、窒化物絶縁膜を用いることができる。該窒化
物絶縁膜としては、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
ミニウム等がある。
なお、上記記載の、導電膜、絶縁膜、金属酸化物、金属膜などの様々な膜は、スパッタ
リング法やＰＥＣＶＤ法により形成することができるが、他の方法、例えば、熱ＣＶＤ（
Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成してもよい。熱Ｃ
ＶＤ法の例としてＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐ
ｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、またはＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏ
ｓｉｔｉｏｎ）法などが挙げられる。
熱ＣＶＤ法は、プラズマを使わない成膜方法のため、プラズマダメージにより欠陥が生
成されることが無いという利点を有する。
熱ＣＶＤ法は、原料ガスと酸化剤を同時にチャンバー内に送り、チャンバー内を大気圧
または減圧下とし、基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで成膜を
行ってもよい。
また、ＡＬＤ法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、反応のための原料ガスが
順次チャンバーに導入され、そのガス導入の順序を繰り返すことで成膜を行ってもよい。
ＭＯＣＶＤ法、ＡＬＤ法などの熱ＣＶＤ法は、上記実施形態の導電膜、絶縁膜、金属酸
化物などの様々な膜を形成することができる。
＜２－７．半導体装置の作製方法＞
次に、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ２００Ｃの作製方法について、
図１３乃至図１５を用いて説明する。
なお、図１３（Ａ）乃至図１３（Ｄ）、図１４（Ａ）乃至図１４（Ｃ）、及び図１５（
Ａ）乃至図１５（Ｃ）は、半導体装置の作製方法を説明する断面図である。また、図１３
（Ａ）乃至図１３（Ｄ）、図１４（Ａ）乃至図１４（Ｃ）、及び図１５（Ａ）乃至図１５
（Ｃ）において、左側がチャネル長方向の断面図であり、右側がチャネル幅方向の断面図
である。
まず、基板２０２上に導電膜２０６を形成する。次に、基板２０２、及び導電膜２０６
上に絶縁膜２０４を形成し、絶縁膜２０４上に第１の金属酸化物と、第２の金属酸化物と
、第３の金属酸化物とを形成する。その後、第１の金属酸化物、第２の金属酸化物、及び
第３の金属酸化物を島状に加工することで、金属酸化物２０８＿１ａ、金属酸化物２０８
＿２ａ、及び金属酸化物２０８＿３ａを形成する（図１３（Ａ）参照）。
導電膜２０６としては、先に記載の材料を選択することで形成できる。本実施の形態に
おいては、導電膜２０６として、スパッタリング装置を用い、厚さ５０ｎｍのタングステ
ン膜と、厚さ４００ｎｍの銅膜との積層膜を形成する。
なお、導電膜２０６となる導電膜の加工方法としては、ウエットエッチング法及びドラ
イエッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。本実施の形態では、ウエット
エッチング法にて銅膜をエッチングしたのち、ドライエッチング法にてタングステン膜を
エッチングすることで導電膜を加工し、導電膜２０６を形成する。
絶縁膜２０４としては、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法、パルスレーザー堆積（
ＰＬＤ）法、印刷法、塗布法等を適宜用いて形成することができる。本実施の形態におい
ては、絶縁膜２０４として、ＰＥＣＶＤ装置を用い、厚さ４００ｎｍの窒化シリコン膜と
、厚さ５０ｎｍの酸化窒化シリコン膜とを形成する。
また、絶縁膜２０４を形成した後、絶縁膜２０４に酸素を添加してもよい。絶縁膜２０
４に添加する酸素としては、酸素ラジカル、酸素原子、酸素原子イオン、酸素分子イオン
等がある。また、添加方法としては、イオンドーピング法、イオン注入法、プラズマ処理
法等がある。また、絶縁膜２０４上に酸素の脱離を抑制する膜を形成した後、該膜を介し
て絶縁膜２０４に酸素を添加してもよい。
上述の酸素の脱離を抑制する膜として、インジウム、亜鉛、ガリウム、錫、アルミニウ
ム、クロム、タンタル、チタン、モリブデン、ニッケル、鉄、コバルト、またはタングス
テンの１以上を有する導電膜あるいは半導体膜を用いて形成することができる。
また、プラズマ処理で酸素の添加を行う場合、マイクロ波で酸素を励起し、高密度な酸
素プラズマを発生させることで、絶縁膜２０４への酸素添加量を増加させることができる
。
金属酸化物２０８＿１ａ、金属酸化物２０８＿２ａ、及び金属酸化物２０８＿３ａは、
スパッタリング装置を用いて真空中で連続して形成されると好ましい。金属酸化物２０８
＿１ａ、金属酸化物２０８＿２ａ、及び金属酸化物２０８＿３ａを、スパッタリング装置
を用いて真空中で連続して形成することで、各界面に付着しうる不純物（例えば、水素、
水など）を抑制することができる。
また、金属酸化物２０８＿２ａの形成条件としては、金属酸化物２０８＿１ａ及び金属
酸化物２０８＿３ａのいずれか一方または双方よりも、低い酸素分圧で形成されると好ま
しい。
また、金属酸化物２０８＿１ａ、金属酸化物２０８＿２ａ、及び金属酸化物２０８＿３
ａを形成する際に、酸素ガスに、不活性ガス（例えば、ヘリウムガス、アルゴンガス、キ
セノンガスなど）を混合させてもよい。なお、金属酸化物２０８＿１ａを形成する際の成
膜ガス全体に占める酸素ガスの割合（以下、酸素流量比ともいう）としては、７０％以上
１００％以下、好ましくは８０％以上１００％以下、さらに好ましくは９０％以上１００
％以下である。また、金属酸化物２０８＿２ａを形成する際の酸素流量比としては、０％
より大きく３０％以下、好ましくは５％以上１５％以下である。また、金属酸化物２０８
＿３ａを形成する際の酸素流量比としては、７０％以上１００％以下、好ましくは８０％
以上１００％以下、さらに好ましくは９０％以上１００％以下である。
なお、金属酸化物２０８＿２ａの形成条件としては、金属酸化物２０８＿１ａ及び金属
酸化物２０８＿３ａのいずれか一方または双方よりも、低い基板温度で形成してもよい。
具体的には、金属酸化物２０８＿２ａの形成条件としては、基板温度を室温以上１５０
℃未満、好ましくは室温以上１４０℃以下とすればよい。また、金属酸化物２０８＿１ａ
及び金属酸化物２０８＿３ａの形成条件としては、基板温度を室温以上３００℃以下、好
ましくは基板温度を室温以上２００℃以下とすればよい。ただし、金属酸化物２０８＿１
ａ、金属酸化物２０８＿２ａ、及び金属酸化物２０８＿３ａの形成時の基板温度を同一（
例えば、室温以上１５０℃未満）とした方が、生産性が高くなり好ましい。
上記のような形成条件とすることで、金属酸化物２０８＿２ａを、金属酸化物２０８＿
１ａ及び金属酸化物２０８＿３ａよりも結晶性が低い領域を有する構成とすることができ
る。
また、金属酸化物２０８＿１ａの厚さとしては、１ｎｍ以上２０ｎｍ未満、好ましくは
５ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすればよい。また、金属酸化物２０８＿２ａの厚さとしては、
２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすればよい。また
、金属酸化物２０８＿３ａの厚さとしては、１ｎｍ以上２０ｎｍ未満、好ましくは５ｎｍ
以上１５ｎｍ以下とすればよい。
なお、金属酸化物２０８を加熱して成膜することで、金属酸化物２０８の結晶性を高め
ることができる。一方で、基板２０２として、大型のガラス基板（例えば、第６世代乃至
第１０世代）を用いる場合、金属酸化物２０８を成膜する際の基板温度を２００℃以上３
００℃以下とした場合、基板２０２が変形する（歪むまたは反る）場合がある。よって、
大型のガラス基板を用いる場合においては、金属酸化物２０８の成膜する際の基板温度を
１００℃以上２００℃未満とすることで、ガラス基板の変形を抑制することができる。
また、スパッタリングガスの高純度化も必要である。例えば、スパッタリングガスとし
て用いる酸素ガスやアルゴンガスは、露点が－４０℃以下、好ましくは－８０℃以下、よ
り好ましくは－１００℃以下、より好ましくは－１２０℃以下にまで高純度化したガスを
用いることで金属酸化物に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。
また、スパッタリング法で金属酸化物を成膜する場合、スパッタリング装置におけるチ
ャンバーは、金属酸化物にとって不純物となる水等を可能な限り除去すべくクライオポン
プのような吸着式の真空排気ポンプを用いて、高真空（５×１０－７Ｐａから１×１０－
４Ｐａ程度まで）に排気することが好ましい。特に、スパッタリング装置の待機時におけ
る、チャンバー内のＨ２Ｏに相当するガス分子（ｍ／ｚ＝１８に相当するガス分子）の分
圧を１×１０－４Ｐａ以下、好ましく５×１０－５Ｐａ以下とすることが好ましい。
なお、第１の金属酸化物、第２の金属酸化物、及び第３の金属酸化物を、金属酸化物２
０８＿１ａ、金属酸化物２０８＿２ａ、及び金属酸化物２０８＿３ａに加工するには、ウ
エットエッチング法及びドライエッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。
また、金属酸化物２０８＿１ａ、金属酸化物２０８＿２ａ、及び金属酸化物２０８＿３
ａを形成した後、加熱処理を行い、金属酸化物２０８＿１ａ、金属酸化物２０８＿２ａ、
及び金属酸化物２０８＿３ａの脱水素化または脱水化をしてもよい。加熱処理の温度は、
代表的には、１５０℃以上基板の歪み点未満、または２５０℃以上４５０℃以下、または
３００℃以上４５０℃以下である。
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、または
窒素を含む不活性ガス雰囲気で行うことができる。または、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分以上２４時間以下とすればよい。
該加熱処理は、電気炉、ＲＴＡ装置等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。
金属酸化物を加熱しながら成膜する、または金属酸化物を形成した後、加熱処理を行う
ことで、金属酸化物において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を５×１０１９ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ３以下、または１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、５×１０１８ａｔｏｍｓ
／ｃｍ３以下、または１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、または５×１０１７ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ３以下、または１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることができる。
次に、絶縁膜２０４及び金属酸化物２０８上に絶縁膜２１０＿０を形成する。（図１３
（Ｂ）参照）。
絶縁膜２１０＿０としては、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、または窒化シリコ
ン膜を、プラズマ化学気相堆積装置（ＰＥＣＶＤ装置、または単にプラズマＣＶＤ装置と
いう）を用いて形成することができる。この場合、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、フッ化シラン等がある。酸化性気体としては、
酸素、オゾン、一酸化二窒素、二酸化窒素等がある。
また、絶縁膜２１０＿０として、堆積性気体の流量に対する酸化性気体の流量を２０倍
より大きく１００倍未満、または４０倍以上８０倍以下とし、処理室内の圧力を１００Ｐ
ａ未満、または５０Ｐａ以下とするＰＥＣＶＤ装置を用いることで、欠陥量の少ない酸化
窒化シリコン膜を形成することができる。
また、絶縁膜２１０＿０として、ＰＥＣＶＤ装置の真空排気された処理室内に載置され
た基板を２８０℃以上４００℃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２０Ｐａ以上２５０Ｐａ以下、さらに好ましくは１００Ｐａ以上２５０Ｐａ以
下とし、処理室内に設けられる電極に高周波電力を供給する条件により、緻密である酸化
シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形成することができる。
また、絶縁膜２１０＿０を、マイクロ波を用いたＰＥＣＶＤ法を用いて形成してもよい
。マイクロ波とは３００ＭＨｚから３００ＧＨｚの周波数域を指す。マイクロ波は、電子
温度が低く、電子エネルギーが小さい。また、供給された電力において、電子の加速に用
いられる割合が少なく、より多くの分子の解離及び電離に用いられることが可能であり、
密度の高いプラズマ（高密度プラズマ）を励起することができる。このため、被成膜面及
び堆積物へのプラズマダメージが少なく、欠陥の少ない絶縁膜２１０＿０を形成すること
ができる。
本実施の形態では絶縁膜２１０＿０として、ＰＥＣＶＤ装置を用い、厚さ１００ｎｍの
酸化窒化シリコン膜を形成する。
次に、絶縁膜２１０＿０上の所望の位置に、リソグラフィによりマスクを形成した後、
絶縁膜２１０＿０、及び絶縁膜２０４の一部をエッチングすることで、導電膜２０６に達
する開口部２４３を形成する（図１３（Ｃ）参照）。
開口部２４３の形成方法としては、ウエットエッチング法及びドライエッチング法のい
ずれか一方または双方を用いればよい。本実施の形態においては、ドライエッチング法を
用い、開口部２４３を形成する。
次に、開口部２４３を覆うように、導電膜２０６及び絶縁膜２１０＿０上に導電膜２１
２＿０を形成する。また、導電膜２１２＿０として、例えば金属酸化膜を用いる場合、導
電膜２１２＿０の形成時に絶縁膜２１０＿０中に酸素が添加される場合がある（図１３（
Ｄ）参照）。
なお、図１３（Ｄ）において、絶縁膜２１０＿０中に添加される酸素を矢印で模式的に
表している。また、開口部２４３を覆うように、導電膜２１２＿０を形成することで、導
電膜２０６と、導電膜２１２＿０とが電気的に接続される。
導電膜２１２＿０として、金属酸化膜を用いる場合、導電膜２１２＿０の形成方法とし
ては、スパッタリング法を用い、形成時に酸素ガスを含む雰囲気で形成することが好まし
い。形成時に酸素ガスを含む雰囲気で導電膜２１２＿０を形成することで、絶縁膜２１０
＿０中に酸素を好適に添加することができる。なお、導電膜２１２＿０の形成方法として
は、スパッタリング法に限定されず、その他の方法、例えばＡＬＤ法を用いてもよい。
本実施の形態においては、導電膜２１２＿０として、スパッタリング法を用いて、膜厚
が１００ｎｍのＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１（原子数比
））を成膜する。また、導電膜２１２＿０の形成前、または導電膜２１２＿０の形成後に
、絶縁膜２１０＿０中に酸素添加処理を行ってもよい。当該酸素添加処理の方法としては
、絶縁膜２０４の形成後に行うことのできる酸素の添加処理と同様とすればよい。
次に、導電膜２１２＿０上の所望の位置に、リソグラフィ工程によりマスク２４０を形
成する（図１４（Ａ）参照）。
次に、マスク２４０上から、エッチングを行い、導電膜２１２＿０、及び絶縁膜２１０
＿０を加工する。また、導電膜２１２＿０及び絶縁膜２１０＿０の加工後に、マスク２４
０を除去する。導電膜２１２＿０、及び絶縁膜２１０＿０を加工することで、島状の導電
膜２１２、及び島状の絶縁膜２１０が形成される（図１４（Ｂ）参照）。
本実施の形態においては、ドライエッチング法を用い、導電膜２１２＿０、及び絶縁膜
２１０＿０を加工する。
なお、導電膜２１２＿０、及び絶縁膜２１０＿０の加工の際に、導電膜２１２が重畳し
ない領域の金属酸化物２０８の膜厚が薄くなる場合がある。または、導電膜２１２＿０、
及び絶縁膜２１０＿０の加工の際に、金属酸化物２０８が重畳しない領域の絶縁膜２０４
の膜厚が薄くなる場合がある。また、導電膜２１２＿０、及び絶縁膜２１０＿０の加工の
際に、エッチャントまたはエッチングガス（例えば、塩素など）が金属酸化物２０８中に
添加される、あるいは導電膜２１２＿０、または絶縁膜２１０＿０の構成元素が金属酸化
物２０８中に添加される場合がある。
次に、絶縁膜２０４、金属酸化物２０８、及び導電膜２１２上に絶縁膜２１６を形成す
る。なお、絶縁膜２１６を形成することで、絶縁膜２１６と接する金属酸化物２０８は、
領域２０８ｎとなる。また、導電膜２１２と重畳する金属酸化物２０８中には、領域２０
８ｉ＿１、領域２０８ｉ＿２、及び領域２０８ｉ＿３が形成される。（図１４（Ｃ）参照
）。
絶縁膜２１６としては、先に記載の材料を選択することで形成できる。本実施の形態に
おいては、絶縁膜２１６として、ＰＥＣＶＤ装置を用い、厚さ１００ｎｍの窒化酸化シリ
コン膜を形成する。また、当該窒化酸化シリコン膜の形成時において、プラズマ処理と、
成膜処理との２つのステップを２２０℃の温度で行う。当該プラズマ処理としては、成膜
前に流量１００ｓｃｃｍのアルゴンガスと、流量１０００ｓｃｃｍの窒素ガスとを、チャ
ンバー内に導入し、チャンバー内の圧力を４０Ｐａとし、ＲＦ電源（２７．１２ＭＨｚ）
に１０００Ｗの電力を供給する。また、成膜処理としては、流量５０ｓｃｃｍのシランガ
スと、流量５０００ｓｃｃｍの窒素ガスと、流量１００ｓｃｃｍのアンモニアガスとを、
チャンバー内に導入し、チャンバー内の圧力を１００Ｐａとし、ＲＦ電源（２７．１２Ｍ
Ｈｚ）に１０００Ｗの電力を供給する。
絶縁膜２１６として、窒化酸化シリコン膜を用いることで、絶縁膜２１６に接する領域
２０８ｎに窒化酸化シリコン膜中の窒素または水素を供給することができる。また、絶縁
膜２１６の形成時の温度を上述の温度とすることで、絶縁膜２１０に含まれる過剰酸素が
外部に放出されるのを抑制することができる。
次に、絶縁膜２１６上に絶縁膜２１８を形成する（図１５（Ａ）参照）。
絶縁膜２１８としては、先に記載の材料を選択することで形成できる。本実施の形態に
おいては、絶縁膜２１８として、ＰＥＣＶＤ装置を用い、厚さ３００ｎｍの酸化窒化シリ
コン膜を形成する。
次に、絶縁膜２１８の所望の位置に、リソグラフィによりマスクを形成した後、絶縁膜
２１８及び絶縁膜２１６の一部をエッチングすることで、領域２０８ｎに達する開口部２
４１ａ、２４１ｂを形成する（図１５（Ｂ）参照）。
絶縁膜２１８及び絶縁膜２１６をエッチングする方法としては、ウエットエッチング法
及びドライエッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。本実施の形態におい
ては、ドライエッチング法を用い、絶縁膜２１８、及び絶縁膜２１６を加工する。
次に、開口部２４１ａ、２４１ｂを覆うように、領域２０８ｎ及び絶縁膜２１８上に導
電膜を形成し、当該導電膜を所望の形状に加工することで導電膜２２０ａ、２２０ｂを形
成する（図１５（Ｃ）参照）。
導電膜２２０ａ、２２０ｂとしては、先に記載の材料を選択することで形成できる。本
実施の形態においては、導電膜２２０ａ、２２０ｂとして、スパッタリング装置を用い、
厚さ５０ｎｍのタングステン膜と、厚さ４００ｎｍの銅膜との積層膜を形成する。
なお、導電膜２２０ａ、２２０ｂとなる導電膜の加工方法としては、ウエットエッチン
グ法及びドライエッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。本実施の形態で
は、ウエットエッチング法にて銅膜をエッチングしたのち、ドライエッチング法にてタン
グステン膜をエッチングすることで導電膜を加工し、導電膜２２０ａ、２２０ｂを形成す
る。
以上の工程により、図１１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２００Ｃを作製する
ことができる。
なお、トランジスタを構成する膜（絶縁膜、金属酸化物、導電膜等）としては、上述の
形成方法の他、スパッタリング法、化学気相堆積（ＣＶＤ）法、真空蒸着法、パルスレー
ザー堆積（ＰＬＤ）法、ＡＬＤ法を用いて形成することができる。あるいは、塗布法や印
刷法で形成することができる。成膜方法としては、スパッタリング法、プラズマ化学気相
堆積（ＰＥＣＶＤ）法が代表的であるが、熱ＣＶＤ法でもよい。熱ＣＶＤ法の例として、
有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）法が挙げられる。
熱ＣＶＤ法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、原料ガスと酸化剤を同時にチ
ャンバー内に送り、基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで成膜を
行う。このように、熱ＣＶＤ法は、プラズマを発生させない成膜方法であるため、プラズ
マダメージにより欠陥が生成されることが無いという利点を有する。
なお、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み
合わせて用いることができる。
（実施の形態３）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を用いた表示装置の表示部等に用いる
ことのできる表示パネルの一例について、図１７及び図１８を用いて説明する。以下で例
示する表示パネルは、反射型の液晶素子と、発光素子との双方を有し、透過モードと反射
モードの両方の表示を行うことのできる、表示パネルである。なお、本発明の一態様の金
属酸化物、及び当該金属酸化物を有するトランジスタは、表示装置の画素のトランジスタ
、または表示装置を駆動させるドライバ、あるいは表示装置にデータを供給するＬＳＩ等
に好適に用いることができる。
＜３－１．表示パネルの構成例＞
図１７は、本発明の一態様の表示パネル６００の斜視概略図である。表示パネル６００
は、基板６５１と基板６６１とが貼り合わされた構成を有する。図１７では、基板６６１
を破線で明示している。
表示パネル６００は、表示部６６２、回路６５９、配線６６６等を有する。基板６５１
には、例えば回路６５９、配線６６６、及び画素電極として機能する導電膜６６３等が設
けられる。また図１７では基板６５１上にＩＣ６７３とＦＰＣ６７２が実装されている例
を示している。そのため、図１７に示す構成は、表示パネル６００とＦＰＣ６７２及びＩ
Ｃ６７３を有する表示モジュールと言うこともできる。
回路６５９は、例えば走査線駆動回路として機能する回路を用いることができる。
配線６６６は、表示部６６２や回路６５９に信号や電力を供給する機能を有する。当該
信号や電力は、ＦＰＣ６７２を介して外部、またはＩＣ６７３から配線６６６に入力され
る。
また、図１７では、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）方式等により、基板６５１
にＩＣ６７３が設けられている例を示している。ＩＣ６７３は、例えば走査線駆動回路、
または信号線駆動回路などとしての機能を有するＩＣを適用できる。なお表示パネル６０
０が走査線駆動回路及び信号線駆動回路として機能する回路を備える場合や、走査線駆動
回路や信号線駆動回路として機能する回路を外部に設け、ＦＰＣ６７２を介して表示パネ
ル６００を駆動するための信号を入力する場合などでは、ＩＣ６７３を設けない構成とし
てもよい。また、ＩＣ６７３を、ＣＯＦ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｆｉｌｍ）方式等により、Ｆ
ＰＣ６７２に実装してもよい。
図１７には、表示部６６２の一部の拡大図を示している。表示部６６２には、複数の表
示素子が有する導電膜６６３がマトリクス状に配置されている。導電膜６６３は、可視光
を反射する機能を有し、後述する液晶素子６４０の反射電極として機能する。
また、図１７に示すように、導電膜６６３は開口を有する。さらに導電膜６６３よりも
基板６５１側に、発光素子６６０を有する。発光素子６６０からの光は、導電膜６６３の
開口を介して基板６６１側に射出される。
＜３－２．断面構成例＞
図１８に、図１７で例示した表示パネルの、ＦＰＣ６７２を含む領域の一部、回路６５
９を含む領域の一部、及び表示部６６２を含む領域の一部をそれぞれ切断したときの断面
の一例を示す。
表示パネルは、基板６５１と基板６６１の間に、絶縁膜６２０を有する。また基板６５
１と絶縁膜６２０の間に、発光素子６６０、トランジスタ６０１、トランジスタ６０５、
トランジスタ６０６、着色層６３４等を有する。また絶縁膜６２０と基板６６１の間に、
液晶素子６４０、着色層６３１等を有する。また基板６６１と絶縁膜６２０は接着層６４
１を介して接着され、基板６５１と絶縁膜６２０は接着層６４２を介して接着されている
。
トランジスタ６０６は、液晶素子６４０と電気的に接続し、トランジスタ６０５は、発
光素子６６０と電気的に接続する。トランジスタ６０５とトランジスタ６０６は、いずれ
も絶縁膜６２０の基板６５１側の面上に形成されているため、これらを同一の工程を用い
て作製することができる。
基板６６１には、着色層６３１、遮光膜６３２、絶縁膜６２１、及び液晶素子６４０の
共通電極として機能する導電膜６１３、配向膜６３３ｂ、絶縁膜６１７等が設けられてい
る。絶縁膜６１７は、液晶素子６４０のセルギャップを保持するためのスペーサとして機
能する。
絶縁膜６２０の基板６５１側には、絶縁膜６８１、絶縁膜６８２、絶縁膜６８３、絶縁
膜６８４、絶縁膜６８５等の絶縁層が設けられている。絶縁膜６８１は、その一部が各ト
ランジスタのゲート絶縁層として機能する。絶縁膜６８２、絶縁膜６８３、及び絶縁膜６
８４は、各トランジスタを覆って設けられている。また絶縁膜６８４を覆って絶縁膜６８
５が設けられている。絶縁膜６８４及び絶縁膜６８５は、平坦化層としての機能を有する
。なお、ここではトランジスタ等を覆う絶縁層として、絶縁膜６８２、絶縁膜６８３、絶
縁膜６８４の３層を有する場合について示しているが、これに限られず４層以上であって
もよいし、単層、または２層であってもよい。また平坦化層として機能する絶縁膜６８４
は、不要であれば設けなくてもよい。
また、トランジスタ６０１、トランジスタ６０５、及びトランジスタ６０６は、一部が
ゲートとして機能する導電膜６５４、一部がソース又はドレインとして機能する導電膜６
５２、半導体膜６５３を有する。ここでは、同一の導電膜を加工して得られる複数の層に
、同じハッチングパターンを付している。
液晶素子６４０は反射型の液晶素子である。液晶素子６４０は、導電膜６３５、液晶層
６１２、導電膜６１３が積層された積層構造を有する。また導電膜６３５の基板６５１側
に接して、可視光を反射する導電膜６６３が設けられている。導電膜６６３は開口６５５
を有する。また導電膜６３５及び導電膜６１３は可視光を透過する材料を含む。また液晶
層６１２と導電膜６３５の間に配向膜６３３ａが設けられ、液晶層６１２と導電膜６１３
の間に配向膜６３３ｂが設けられている。また、基板６６１の外側の面には、偏光板６５
６を有する。
液晶素子６４０において、導電膜６６３は可視光を反射する機能を有し、導電膜６１３
は可視光を透過する機能を有する。基板６６１側から入射した光は、偏光板６５６により
偏光され、導電膜６１３、液晶層６１２を透過し、導電膜６６３で反射する。そして液晶
層６１２及び導電膜６１３を再度透過して、偏光板６５６に達する。このとき、導電膜６
６３及び導電膜６３５と導電膜６１３の間に与える電圧によって液晶の配向を制御し、光
の光学変調を制御することができる。すなわち、偏光板６５６を介して射出される光の強
度を制御することができる。また光は着色層６３１によって特定の波長領域以外の光が吸
収されることにより、取り出される光は、例えば赤色を呈する光となる。
発光素子６６０は、ボトムエミッション型の発光素子である。発光素子６６０は、絶縁
膜６２０側から導電膜６４３、ＥＬ層６４４、及び導電膜６４５ｂの順に積層された積層
構造を有する。また導電膜６４５ｂを覆って導電膜６４５ａが設けられている。導電膜６
４５ｂは可視光を反射する材料を含み、導電膜６４３及び導電膜６４５ａは可視光を透過
する材料を含む。発光素子６６０が発する光は、着色層６３４、絶縁膜６２０、開口６５
５、導電膜６１３等を介して、基板６６１側に射出される。
ここで、図１８に示すように、開口６５５には可視光を透過する導電膜６３５が設けら
れていることが好ましい。これにより、開口６５５と重なる領域においてもそれ以外の領
域と同様に液晶が配向するため、これらの領域の境界部で液晶の配向不良が生じ、意図し
ない光が漏れてしまうことを抑制できる。
ここで、基板６６１の外側の面に配置する偏光板６５６として直線偏光板を用いてもよ
いが、円偏光板を用いることもできる。円偏光板としては、例えば直線偏光板と１／４波
長位相差板を積層したものを用いることができる。これにより、外光反射を抑制すること
ができる。また、偏光板の種類に応じて、液晶素子６４０に用いる液晶素子のセルギャッ
プ、配向、駆動電圧等を調整することで、所望のコントラストが実現されるようにすれば
よい。
また導電膜６４３の端部を覆う絶縁膜６４６上には、絶縁膜６４７が設けられている。
絶縁膜６４７は、絶縁膜６２０と基板６５１が必要以上に接近することを抑制するスペー
サとしての機能を有する。またＥＬ層６４４や導電膜６４５ａを遮蔽マスク（メタルマス
ク）を用いて形成する場合には、当該遮蔽マスクが被形成面に接触することを抑制する機
能を有していてもよい。なお、絶縁膜６４７は不要であれば設けなくてもよい。
トランジスタ６０５のソース又はドレインの一方は、導電膜６４８を介して発光素子６
６０の導電膜６４３と電気的に接続されている。
トランジスタ６０６のソース又はドレインの一方は、接続部６０７を介して導電膜６６
３と電気的に接続されている。導電膜６６３と導電膜６３５は接して設けられ、これらは
電気的に接続されている。ここで、接続部６０７は、絶縁膜６２０に設けられた開口を介
して、絶縁膜６２０の両面に設けられる導電層同士を接続する部分である。
基板６５１の基板６６１と重ならない領域には、接続部６０４が設けられている。接続
部６０４は、接続層６４９を介してＦＰＣ６７２と電気的に接続されている。接続部６０
４は接続部６０７と同様の構成を有している。接続部６０４の上面は、導電膜６３５と同
一の導電膜を加工して得られた導電層が露出している。これにより、接続部６０４とＦＰ
Ｃ６７２とを接続層６４９を介して電気的に接続することができる。
接着層６４１が設けられる一部の領域には、接続部６８７が設けられている。接続部６
８７において、導電膜６３５と同一の導電膜を加工して得られた導電層と、導電膜６１３
の一部が、接続体６８６により電気的に接続されている。したがって、基板６６１側に形
成された導電膜６１３に、基板６５１側に接続されたＦＰＣ６７２から入力される信号ま
たは電位を、接続部６８７を介して供給することができる。
接続体６８６としては、例えば導電性の粒子を用いることができる。導電性の粒子とし
ては、有機樹脂またはシリカなどの粒子の表面を金属材料で被覆したものを用いることが
できる。金属材料としてニッケルや金を用いると接触抵抗を低減できるため好ましい。ま
たニッケルをさらに金で被覆するなど、２種類以上の金属材料を層状に被覆させた粒子を
用いることが好ましい。また接続体６８６として、弾性変形、または塑性変形する材料を
用いることが好ましい。このとき導電性の粒子である接続体６８６は、図１８に示すよう
に上下方向に潰れた形状となる場合がある。こうすることで、接続体６８６と、これと電
気的に接続する導電層との接触面積が増大し、接触抵抗を低減できるほか、接続不良など
の不具合の発生を抑制することができる。
接続体６８６は、接着層６４１に覆われるように配置することが好ましい。例えば、硬
化前の接着層６４１に接続体６８６を分散させておけばよい。
図１８では、回路６５９の例としてトランジスタ６０１が設けられている例を示してい
る。
図１８では、トランジスタ６０１及びトランジスタ６０５の例として、チャネルが形成
される半導体膜６５３を２つのゲートで挟持する構成が適用されている。一方のゲートは
導電膜６５４により、他方のゲートは絶縁膜６８２を介して半導体膜６５３と重なる導電
膜６２３により構成されている。このような構成とすることで、トランジスタのしきい値
電圧を制御することができる。このとき、２つのゲートを接続し、これらに同一の信号を
供給することによりトランジスタを駆動してもよい。このようなトランジスタは他のトラ
ンジスタと比較して電界効果移動度を高めることが可能であり、オン電流を増大させるこ
とができる。その結果、高速駆動が可能な回路を作製することができる。さらには、回路
部の占有面積を縮小することが可能となる。オン電流の大きなトランジスタを適用するこ
とで、表示パネルを大型化、または高精細化したときに配線数が増大したとしても、各配
線における信号遅延を低減することが可能であり、表示ムラを抑制することができる。
なお、回路６５９が有するトランジスタと、表示部６６２が有するトランジスタは、同
じ構造であってもよい。また回路６５９が有する複数のトランジスタは、全て同じ構造で
あってもよいし、異なる構造のトランジスタを組み合わせて用いてもよい。また、表示部
６６２が有する複数のトランジスタは、全て同じ構造であってもよいし、異なる構造のト
ランジスタを組み合わせて用いてもよい。
各トランジスタを覆う絶縁膜６８２、絶縁膜６８３のうち少なくとも一方は、水や水素
などの不純物が拡散しにくい材料を用いることが好ましい。すなわち、絶縁膜６８２また
は絶縁膜６８３はバリア膜として機能させることができる。このような構成とすることで
、トランジスタに対して外部から不純物が拡散することを効果的に抑制することが可能と
なり、信頼性の高い表示パネルを実現できる。
基板６６１側において、着色層６３１、遮光膜６３２を覆って絶縁膜６２１が設けられ
ている。絶縁膜６２１は、平坦化層としての機能を有していてもよい。絶縁膜６２１によ
り、導電膜６１３の表面を概略平坦にできるため、液晶層６１２の配向状態を均一にでき
る。
表示パネル６００を作製する方法の一例について説明する。例えば剥離層を有する支持
基板上に、導電膜６３５、導電膜６６３、絶縁膜６２０を順に形成し、その後、トランジ
スタ６０５、トランジスタ６０６、発光素子６６０等を形成した後、接着層６４２を用い
て基板６５１と支持基板を貼り合せる。その後、剥離層と絶縁膜６２０、及び剥離層と導
電膜６３５のそれぞれの界面で剥離することにより、支持基板及び剥離層を除去する。ま
たこれとは別に、着色層６３１、遮光膜６３２、導電膜６１３等をあらかじめ形成した基
板６６１を準備する。そして基板６５１または基板６６１に液晶を滴下し、接着層６４１
により基板６５１と基板６６１を貼り合せることで、表示パネル６００を作製することが
できる。
剥離層としては、絶縁膜６２０及び導電膜６３５との界面で剥離が生じる材料を適宜選
択することができる。特に、剥離層としてタングステンなどの高融点金属材料を含む層と
当該金属材料の酸化物を含む層を積層して用い、剥離層上の絶縁膜６２０として、窒化シ
リコンや酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン等を複数積層した層を用いることが好まし
い。剥離層に高融点金属材料を用いると、これよりも後に形成する層の形成温度を高める
ことが可能で、不純物の濃度が低減され、信頼性の高い表示パネルを実現できる。
導電膜６３５としては、金属酸化物、または金属窒化物等の酸化物または窒化物を用い
ることが好ましい。金属酸化物を用いる場合には、水素、ボロン、リン、窒素、及びその
他の不純物の濃度、並びに酸素欠損量の少なくとも一が、トランジスタに用いる半導体層
に比べて高められた材料を、導電膜６３５に用いればよい。
＜３－３．各構成要素について＞
以下では、上記に示す各構成要素について説明する。
［接着層］
接着層としては、紫外線硬化型等の光硬化型接着剤、反応硬化型接着剤、熱硬化型接着
剤、嫌気型接着剤などの各種硬化型接着剤を用いることができる。これら接着剤としては
エポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、イミ
ド樹脂、ＰＶＣ（ポリビニルクロライド）樹脂、ＰＶＢ（ポリビニルブチラル）樹脂、Ｅ
ＶＡ（エチレンビニルアセテート）樹脂等が挙げられる。特に、エポキシ樹脂等の透湿性
が低い材料が好ましい。また、二液混合型の樹脂を用いてもよい。また、接着シート等を
用いてもよい。
また、上記樹脂に乾燥剤を含んでいてもよい。例えば、アルカリ土類金属の酸化物（酸
化カルシウムや酸化バリウム等）のように、化学吸着によって水分を吸着する物質を用い
ることができる。または、ゼオライトやシリカゲル等のように、物理吸着によって水分を
吸着する物質を用いてもよい。乾燥剤が含まれていると、水分などの不純物が素子に侵入
することを抑制でき、表示パネルの信頼性が向上するため好ましい。
また、上記樹脂に屈折率の高いフィラーや光散乱部材を混合することにより、光取り出
し効率を向上させることができる。例えば、酸化チタン、酸化バリウム、ゼオライト、ジ
ルコニウム等を用いることができる。
［接続層］
接続層としては、異方性導電フィルム（ＡＣＦ：Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｃｏｎｄｕ
ｃｔｉｖｅ Ｆｉｌｍ）や、異方性導電ペースト（ＡＣＰ：Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｃ
ｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｐａｓｔｅ）などを用いることができる。
［着色層］
着色層に用いることのできる材料としては、金属材料、樹脂材料、顔料または染料が含
まれた樹脂材料などが挙げられる。
［遮光層］
遮光層として用いることのできる材料としては、カーボンブラック、チタンブラック、
金属、金属酸化物、複数の金属酸化物の固溶体を含む複合酸化物等が挙げられる。遮光層
は、樹脂材料を含む膜であってもよいし、金属などの無機材料の薄膜であってもよい。ま
た、遮光層に、着色層の材料を含む膜の積層膜を用いることもできる。例えば、ある色の
光を透過する着色層に用いる材料を含む膜と、他の色の光を透過する着色層に用いる材料
を含む膜との積層構造を用いることができる。着色層と遮光層の材料を共通化することで
、装置を共通化できるほか工程を簡略化できるため好ましい。
以上が各構成要素についての説明である。
＜３－４．作製方法例＞
ここでは、可撓性を有する基板を用いた表示パネルの作製方法の例について説明する。
ここでは、表示素子、回路、配線、電極、着色層や遮光層などの光学部材、及び絶縁層
等が含まれる層をまとめて素子層と呼ぶこととする。例えば、素子層は表示素子を含み、
表示素子の他に表示素子と電気的に接続する配線、画素や回路に用いるトランジスタなど
の素子を備えていてもよい。
また、ここでは、表示素子が完成した（作製工程が終了した）段階において、素子層を
支持し、可撓性を有する部材のことを、基板と呼ぶこととする。例えば、基板には、厚さ
が１０ｎｍ以上３００μｍ以下の、極めて薄いフィルム等も含まれる。
可撓性を有し、絶縁表面を備える基板上に素子層を形成する方法としては、代表的には
以下に挙げる２つの方法がある。一つは、基板上に直接、素子層を形成する方法である。
もう一つは、基板とは異なる支持基板上に素子層を形成した後、素子層と支持基板を剥離
し、素子層を基板に転置する方法である。なお、ここでは詳細に説明しないが、上記２つ
の方法に加え、可撓性を有さない基板上に素子層を形成し、当該基板を研磨等により薄く
することで可撓性を持たせる方法もある。
基板を構成する材料が、素子層の形成工程にかかる熱に対して耐熱性を有する場合には
、基板上に直接、素子層を形成すると、工程が簡略化されるため好ましい。このとき、基
板を支持基板に固定した状態で素子層を形成すると、装置内、及び装置間における搬送が
容易になるため好ましい。
また、素子層を支持基板上に形成した後に、基板に転置する方法を用いる場合、まず支
持基板上に剥離層と絶縁層を積層し、当該絶縁層上に素子層を形成する。続いて、支持基
板と素子層の間で剥離し、素子層を基板に転置する。このとき、支持基板と剥離層の界面
、剥離層と絶縁層の界面、または剥離層中で剥離が生じるような材料を選択すればよい。
この方法では、支持基板や剥離層に耐熱性の高い材料を用いることで、素子層を形成する
際にかかる温度の上限を高めることができ、より信頼性の高い素子を有する素子層を形成
できるため、好ましい。
例えば剥離層として、タングステンなどの高融点金属材料を含む層と、当該金属材料の
酸化物を含む層を積層して用い、剥離層上の絶縁層として、酸化シリコン、窒化シリコン
、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコンなどを複数積層した層を用いることが好ましい。
素子層と支持基板とを剥離する方法としては、機械的な力を加えることや、剥離層をエ
ッチングすること、または剥離界面に液体を浸透させることなどが、一例として挙げられ
る。または、剥離界面を形成する２層の熱膨張率の違いを利用し、加熱または冷却するこ
とにより剥離を行ってもよい。
また、支持基板と絶縁層の界面で剥離が可能な場合には、剥離層を設けなくてもよい。
例えば、支持基板としてガラスを用い、絶縁層としてポリイミドなどの有機樹脂を用い
ることができる。このとき、レーザ光等を用いて有機樹脂の一部を局所的に加熱する、ま
たは鋭利な部材により物理的に有機樹脂の一部を切断、または貫通すること等により剥離
の起点を形成し、ガラスと有機樹脂の界面で剥離を行ってもよい。また、上記の有機樹脂
としては、感光性の材料を用いると、開口部などの形状を容易に作製しやすいため好適で
ある。また、上記のレーザ光としては、例えば、可視光線から紫外線の波長領域の光であ
ることが好ましい。例えば波長が２００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の光、好ましくは波長が
２５０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下の光を用いることができる。特に、波長３０８ｎｍのエキ
シマレーザを用いると、生産性に優れるため好ましい。また、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第三
高調波である波長３５５ｎｍのＵＶレーザなどの固体ＵＶレーザ（半導体ＵＶレーザとも
いう）を用いてもよい。
または、支持基板と有機樹脂からなる絶縁層の間に発熱層を設け、当該発熱層を加熱す
ることにより、当該発熱層と絶縁層の界面で剥離を行ってもよい。発熱層としては、電流
を流すことにより発熱する材料、光を吸収することにより発熱する材料、磁場を印加する
ことにより発熱する材料など、様々な材料を用いることができる。例えば発熱層としては
、半導体、金属、絶縁体から選択して用いることができる。
なお、上述した方法において、有機樹脂からなる絶縁層は、剥離後に基板として用いる
ことができる。
以上が可撓性を有する表示パネルを作製する方法についての説明である。
なお、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み
合わせて用いることができる。
Ｐ１ 領域
Ｐ２ 領域
Ｐ３ 領域
Ｐ４ 領域
Ｐ５ 領域
Ｐ６ 領域
Ｐ７ 領域
Ｐ８ 領域
００１ 領域
００２ 領域
１００Ａ トランジスタ
１００Ｂ トランジスタ
１００Ｃ トランジスタ
１００Ｄ トランジスタ
１０２ 基板
１０４ 絶縁膜
１０６ 導電膜
１０８ 金属酸化物
１０８＿１ 金属酸化物
１０８＿２ 金属酸化物
１０８＿３ 金属酸化物
１１２ａ 導電膜
１１２ｂ 導電膜
１１２ｃ 導電膜
１１４ 絶縁膜
１１６ 絶縁膜
１１８ 絶縁膜
１２０ａ 導電膜
１２０ｂ 導電膜
１５１ 開口部
１５２ａ 開口部
１５２ｂ 開口部
２００Ａ トランジスタ
２００Ｂ トランジスタ
２００Ｃ トランジスタ
２００Ｄ トランジスタ
２０２ 基板
２０４ 絶縁膜
２０６ 導電膜
２０８ 金属酸化物
２０８＿１ａ 金属酸化物
２０８＿２ａ 金属酸化物
２０８＿３ａ 金属酸化物
２０８ｉ 領域
２０８ｉ＿１ 領域
２０８ｉ＿２ 領域
２０８ｉ＿３ 領域
２０８ｎ 領域
２１０ 絶縁膜
２１０＿０ 絶縁膜
２１２ 導電膜
２１２＿０ 導電膜
２１６ 絶縁膜
２１８ 絶縁膜
２２０ａ 導電膜
２２０ｂ 導電膜
２４０ マスク
２４１ａ 開口部
２４１ｂ 開口部
２４３ 開口部
６００ 表示パネル
６０１ トランジスタ
６０４ 接続部
６０５ トランジスタ
６０６ トランジスタ
６０７ 接続部
６１２ 液晶層
６１３ 導電膜
６１７ 絶縁膜
６２０ 絶縁膜
６２１ 絶縁膜
６２３ 導電膜
６３１ 着色層
６３２ 遮光膜
６３３ａ 配向膜
６３３ｂ 配向膜
６３４ 着色層
６３５ 導電膜
６４０ 液晶素子
６４１ 接着層
６４２ 接着層
６４３ 導電膜
６４４ ＥＬ層
６４５ａ 導電膜
６４５ｂ 導電膜
６４６ 絶縁膜
６４７ 絶縁膜
６４８ 導電膜
６４９ 接続層
６５１ 基板
６５２ 導電膜
６５３ 半導体膜
６５４ 導電膜
６５５ 開口
６５６ 偏光板
６５９ 回路
６６０ 発光素子
６６１ 基板
６６２ 表示部
６６３ 導電膜
６６６ 配線
６７２ ＦＰＣ
６７３ ＩＣ
６８１ 絶縁膜
６８２ 絶縁膜
６８３ 絶縁膜
６８４ 絶縁膜
６８５ 絶縁膜
６８６ 接続体
６８７ 接続部

Claims (3)

  1. ゲート電極と、ゲート絶縁膜と、金属酸化物と、ソース電極、及びドレイン電極と、を有し、
    前記ゲート絶縁膜は、前記金属酸化物の下面と接する領域を有し、
    前記ソース電極、及び前記ドレイン電極は、前記金属酸化物の上面と接する領域を有し、
    前記金属酸化物は、第１の領域と、第２の領域と、を有し、
    前記第１の領域の伝導帯下端のエネルギー準位は、前記第２の領域の伝導帯下端のエネルギー準位よりも高く、
    前記第２の領域は、前記第１の領域よりもキャリアが多く、
    前記第１の領域と、前記第２の領域との伝導帯下端のエネルギー準位の差が０．２ｅＶ以上であり、
    前記金属酸化物は、単層からなるトランジスタ。
  2. 第１のゲート電極と、第１のゲート絶縁膜と、第２のゲート電極と、第２のゲート絶縁膜と、金属酸化物と、ソース電極、及びドレイン電極と、を有し、
    前記第１のゲート絶縁膜は、前記金属酸化物の下面と接する領域を有し、
    前記第２のゲート絶縁膜、前記ソース電極、及び前記ドレイン電極は、前記金属酸化物の上面と接する領域を有し、
    前記金属酸化物は、第１の領域と、第２の領域と、を有し、
    前記第１の領域の伝導帯下端のエネルギー準位は、前記第２の領域の伝導帯下端のエネルギー準位よりも高く、
    前記第２の領域は、前記第１の領域よりもキャリアが多く、
    前記第１の領域と、前記第２の領域との伝導帯下端のエネルギー準位の差が０．２ｅＶ以上であり、
    前記金属酸化物は、単層からなるトランジスタ。
  3. ゲート電極と、ゲート絶縁膜と、第１の金属酸化物と、第２の金属酸化物と、ソース電極、及びドレイン電極と、を有し、
    前記第２の金属酸化物は、前記第１の金属酸化物の上面と接する領域を有し、
    前記ソース電極、及び前記ドレイン電極は、前記第２の金属酸化物の上面と接する領域を有し、
    前記第１の金属酸化物は、第１の領域と、第２の領域と、を有し、
    前記第１の領域の伝導帯下端のエネルギー準位は、前記第２の領域の伝導帯下端のエネルギー準位よりも高く、
    前記第２の領域は、前記第１の領域よりもキャリアが多く、
    前記第１の領域と、前記第２の領域との伝導帯下端のエネルギー準位の差が０．２ｅＶ以上であり、
    前記第１の金属酸化物は、単層からなるトランジスタ。
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