JP7261278B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、トランジスタを有する半導体装置の作製方法に関する。

液晶表示装置や発光表示装置に代表されるフラットパネルディスプレイの多くに用いら
れているトランジスタは、ガラス基板上に形成されたアモルファスシリコン、単結晶シリ
コンまたは多結晶シリコンなどのシリコン半導体によって構成されている。また、該シリ
コン半導体を用いたトランジスタは、集積回路（ＩＣ）などにも利用されている。

近年、シリコン半導体に代わって、半導体特性を示す金属酸化物をトランジスタに用い
る技術が注目されている。なお、本明細書中では、半導体特性を示す金属酸化物を酸化物
半導体とよぶことにする。

例えば、酸化物半導体として、酸化亜鉛、またはＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ系酸化物を用いたト
ランジスタを作製し、該トランジスタを表示装置の画素のスイッチング素子などに用いる
技術が開示されている（特許文献１参照）。

特開２００７－１２３８６１号公報

市場で販売されている表示装置は、画面サイズが対角４０インチ以上と大型化する傾向
にあり、さらには、対角１２０インチ以上の画面サイズも視野に入れた開発が行われてい
る。このため、表示装置に用いられるガラス基板においては、第８世代以上の大面積化が
進んでいる。

ガラス基板の大面積化に伴い、表示装置の作製工程で使用される露光装置において、使
用されるフォトマスクが大きくなり、フォトマスクの価格が問題となっている。例えば、
第１０世代のフォトマスクは１枚１億円以上と高価であるため、フォトマスクの枚数を削
減した作製工程の開発が求められている。

一方で、表示装置の一例である液晶表示装置において、容量素子の電荷容量を大きくす
るほど、電界を加えた状況において、液晶素子の液晶分子の配向を一定に保つことができ
る期間を長くすることができる。静止画を表示させる表示装置において、当該期間を長く
できることは、画像データを書き換える回数を低減することができ、消費電力の低減が望
める。

そこで、容量素子の電荷容量を大きくするためには、容量素子の占有面積を大きくする
、具体的には一対の電極が重畳している面積を大きくするという手段がある。しかしなが
ら、上記表示装置において、一対の電極が重畳している面積を大きくするために遮光性を
有する導電膜の面積を大きくすると、画素の開口率が低減し、画像の表示品位が低下する
。

本発明の一態様は、開口率が高く、且つ電荷容量を増大させることが可能な容量素子を
有する半導体装置において、コストを削減することが可能な作製方法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、消費電力を低減する可能な半導体装置におい
て、コストを削減することが可能な作製方法を提供することを課題の一とする。

本発明の一態様は、チャネル保護型のトランジスタの作製工程において、多階調フォト
マスクを用いた工程により、チャネル領域を有する金属酸化物膜と、チャネル保護膜とを
形成することを特徴とする。また、本発明の一態様は、トランジスタと容量素子とを同時
に作製する方法であって、多階調フォトマスクを用いた工程により、トランジスタに含ま
れるチャネル領域を有する金属酸化物膜及びチャネル保護膜と、容量素子の一方の電極と
を形成することを特徴とする。

本発明の一態様は、絶縁表面上にゲート電極及びゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜
上に第１の金属酸化物膜及び第１の絶縁膜を形成し、第１の絶縁膜上に、第１の厚さを有
する領域、及び第１の厚さよりも厚い第２の厚さを有する領域を有する第１のマスクと、
第１の厚さと同じ厚さを有する第２のマスクを形成し、第１のマスク及び第２のマスクを
用いて、第１の絶縁膜及び第１の金属酸化物膜をそれぞれエッチングして、第２の絶縁膜
及び第３の絶縁膜、並びに第２の金属酸化物膜及び第３の金属酸化物膜を形成する。次に
、第１のマスクを加工して、第３のマスクを形成すると共に第２のマスクを取り除いた後
、第３のマスクを用いて第２の絶縁膜をエッチングして、第２の金属酸化物膜上に第４の
絶縁膜を形成する共に第３の金属酸化物膜上の第３の絶縁膜を取り除く。次に、第２の金
属酸化物膜、第３の金属酸化物膜、第４の絶縁膜、及びゲート絶縁膜上に、窒化物絶縁膜
で形成される第５の絶縁膜を形成し、第５の絶縁膜の一部をエッチングして、第５の絶縁
膜に開口部を形成した後、第２の金属酸化物膜に接する一対の電極、及び第３の金属酸化
物膜に接する配線を形成する。次に、第５の絶縁膜上に、一対の電極の一方に接続し、且
つ第３の金属酸化物膜の一部と重なる、透光性を有する導電膜を形成する半導体装置の作
製方法である。

本発明の一態様は、絶縁表面上にゲート電極及びゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜
上に第１の金属酸化物膜及び第１の絶縁膜を形成し、第１の絶縁膜上に、第１の厚さを有
する領域、及び第１の厚さよりも厚い第２の厚さを有する領域を有する第１のマスクと、
第１の厚さと同じ厚さを有する第２のマスクを形成する。次に、第１のマスク及び第２の
マスクを用いて、第１の絶縁膜及び第１の金属酸化物膜をそれぞれエッチングして、第２
の絶縁膜及び第３の絶縁膜、並びに第２の金属酸化物膜及び第３の金属酸化物膜を形成す
る。次に、第１のマスクを加工して、第３のマスクを形成すると共に第２のマスクを取り
除いた後、第３のマスクを用いて第２の絶縁膜をエッチングして、第２の金属酸化物膜上
に第４の絶縁膜を形成する共に、第３の金属酸化物膜上の第３の絶縁膜を取り除く。次に
、第２の金属酸化物膜に接する一対の電極、及び第３の金属酸化物膜に接する配線を形成
し、一対の電極、第４の絶縁膜、第３の金属酸化物膜、及び配線上に、窒化物絶縁膜で形
成される第５の絶縁膜を形成する。次に、第５の絶縁膜の一部をエッチングして、第５の
絶縁膜に開口部を形成した後、一対の電極の一方に接続し、且つ第３の金属酸化物膜の一
部と重なる、透光性を有する導電膜を形成する半導体装置の作製方法である。

なお、第５の絶縁膜を形成した後、ゲート絶縁膜及び第５の絶縁膜に開口部を形成する
とともに、ゲート電極の一部を露出させ、透光性を有する導電膜を形成するとともに、ゲ
ート電極と接続し且つ第２の金属酸化物膜と重なる導電膜を形成してもよい。

また、ゲート電極、ゲート絶縁膜、第２の金属酸化物膜、チャネル保護膜として機能す
る第４の絶縁膜、及び一対の電極でトランジスタを構成する。また、第３の金属酸化物膜
、第５の絶縁膜、及び透光性を有する導電膜で容量素子を構成する。

また、第３の金属酸化物膜は、窒化物絶縁膜で形成される第５の絶縁膜と接する。また
、第３の金属酸化物膜は、導電性を有し、容量素子の一方の電極として機能する。

また、第２の金属酸化物膜と、第３の金属酸化物膜とは、水素濃度が異なり、第３の金
属酸化物膜は、第２の金属酸化物膜より水素濃度が高い。

また、第１の金属酸化物膜、第２の金属酸化物膜、及び第３の金属酸化物膜は、透光性
を有する。また、第１の金属酸化物膜、第２の金属酸化物膜、及び第３の金属酸化物膜は
、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎの少なくとも一を有する。また、第１の金属酸化物膜、第２の金
属酸化物膜及び第３の金属酸化物膜は、同じ金属元素で構成されている。

また、ゲート絶縁膜であって、第２の金属酸化物膜及び第３の金属酸化物膜に接する領
域は、酸化物絶縁膜で形成される。また、第４の絶縁膜であって、第２の金属酸化物膜に
接する領域は、酸化物絶縁膜で形成される。

また、ゲート絶縁膜の一部は窒化物絶縁膜で形成されており、該窒化物絶縁膜及び第５
の絶縁膜は接する。

また、第４の絶縁膜は、加熱により酸素の一部が脱離する酸化物絶縁膜を含む。

本発明の一態様により、開口率が高く、且つ電荷容量を増大させることが可能な容量素
子を有する半導体装置の作製方法において、コストを削減することができる。消費電力を
低減する可能な半導体装置の作製方法において、コストを削減することができる。

半導体装置の一形態を説明するブロック図及び回路図である。 トランジスタの一形態を説明する上面図である。 トランジスタの作製方法の一形態を説明する断面図である。 トランジスタの作製方法の一形態を説明する断面図である。 トランジスタの作製方法の一形態を説明する断面図である。 トランジスタの一形態を説明する上面図である。 トランジスタの作製方法の一形態を説明する断面図である。 トランジスタの作製方法の一形態を説明する断面図である。 トランジスタの一形態を説明する断面図である。 トランジスタの一形態を説明する上面図である。 トランジスタの一形態を説明する断面図である。 電子機器を説明する図である。 抵抗率の温度依存性を説明する図。

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。ただし、本発明
は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及
び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は
、以下に示す実施の形態及び実施例の記載内容に限定して解釈されるものではない。また
、以下に説明する実施の形態及び実施例において、同一部分または同様の機能を有する部
分には、同一の符号または同一のハッチパターン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。

なお、本明細書で説明する各図において、各構成の大きさ、膜の厚さ、または領域は、
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、本明細書にて用いる第１、第２、第３などの用語は、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。そのため、例えば、「第１の」を
「第２の」または「第３の」などと適宜置き換えて説明することができる。

また、「ソース」や「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」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、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、開口率が高く、且つ電荷容量を増大させることが可能な容量素子を
有する半導体装置において、コストを削減することが可能な作製方法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、消費電力を低減する可能な半導体装置におい
て、コストを削減することが可能な作製方法を提供することを課題の一とする。

なお、金属酸化物において、半導体特性を有する金属酸化物である酸化物半導体を用い
たトランジスタにおいて、トランジスタの電気特性の不良に繋がる欠陥の一例として酸素
欠損がある。例えば、膜中に酸素欠損が含まれている酸化物半導体膜を用いたトランジス
タは、しきい値電圧がマイナス方向に変動しやすく、ノーマリーオン特性となりやすい。
これは、酸化物半導体膜に含まれる酸素欠損に起因して電荷が生じ、低抵抗化するためで
ある。トランジスタがノーマリーオン特性を有すると、動作時に動作不良が発生しやすく
なる、または非動作時の消費電力が高くなるなどの、様々な問題が生じる。また、経時変
化やストレス試験により、トランジスタの電気特性、代表的にはしきい値電圧の変動量が
増大するという問題がある。

また、酸素欠損に限らず、絶縁膜の構成元素であるシリコンや炭素等の不純物も、トラ
ンジスタの電気特性の不良の原因となる。このため、該不純物が、酸化物半導体膜に混入
することにより、当該酸化物半導体膜が低抵抗化してしまい、経時変化やストレス試験に
より、トランジスタの電気特性、代表的にはしきい値電圧の変動量が増大するという問題
がある。

そこで、本実施の形態では、発明が解決しようとする課題の他に、酸化物半導体膜を有
するトランジスタを備える半導体装置において、チャネル領域である酸化物半導体膜への
酸素欠損、及び酸化物半導体膜の不純物濃度を低減することを課題の一とする。

本実施の形態では、上記課題の一を解決する方法として、半導体装置の作製方法につい
て図面を参照して説明する。本実施の形態では、多階調フォトマスクを用いた工程により
、チャネル領域を有する金属酸化物膜と、チャネル保護膜とを形成することを特徴とする
。

図１（Ａ）に、半導体装置の一例を示す。図１（Ａ）に示す半導体装置は、画素部１１
と、走査線駆動回路１４と、信号線駆動回路１６と、各々が平行または略平行に配設され
、且つ走査線駆動回路１４によって電位が制御されるｍ本の走査線１７と、各々が平行ま
たは略平行に配設され、且つ信号線駆動回路１６によって電位が制御されるｎ本の信号線
１９と、を有する。さらに、画素部１１はマトリクス状に配設された複数の画素１３を有
する。また、信号線１９に沿って、各々が平行または略平行に配設された容量線１５を有
する。なお、容量線１５は、走査線１７に沿って、各々が平行または略平行に配設されて
いてもよい。また、走査線駆動回路１４及び信号線駆動回路１６をまとめて駆動回路部と
いう場合がある。

各走査線１７は、画素部１１においてｍ行ｎ列に配設された画素１３のうち、いずれか
の行に配設されたｎ個の画素１３と電気的に接続される。また、各信号線１９は、ｍ行ｎ
列に配設された画素１３のうち、いずれかの列に配設されたｍ個の画素１３に電気的と接
続される。ｍ、ｎは、ともに１以上の整数である。また、各容量線１５は、ｍ行ｎ列に配
設された画素１３のうち、いずれかの行に配設されたｎ個の画素１３と電気的に接続され
る。なお、容量線１５が、信号線１９に沿って、各々が平行または略平行に配設されてい
る場合は、ｍ行ｎ列に配設された画素１３のうち、いずれかの列に配設されたｍ個の画素
１３に電気的と接続される。

図１（Ｂ）、（Ｃ）は、図１（Ａ）に示す表示装置の画素１３に用いることができる回
路構成の一例を示している。

図１（Ｂ）に示す画素１３は、液晶素子２１と、トランジスタ２２と、容量素子２５と
、を有する。

液晶素子２１の一対の電極の一方の電位は、画素１３の仕様に応じて適宜設定される。
液晶素子２１は、書き込まれるデータにより配向状態が設定される。また、複数の画素１
３のそれぞれが有する液晶素子２１の一対の電極の一方に共通の電位（コモン電位）を与
えてもよい。また、各行の画素１３毎の液晶素子２１の一対の電極の一方に異なる電位を
与えてもよい。

なお、液晶素子２１は、液晶の光学的変調作用によって光の透過または非透過を制御す
る素子である。なお、液晶の光学的変調作用は、液晶にかかる電界（横方向の電界、縦方
向の電界又は斜め方向の電界を含む）によって制御される。なお、液晶素子２１としては
、ネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶、サーモトロピック液晶、ラ
イオトロピック液晶、強誘電液晶、反強誘電液晶等が挙げられる。

液晶素子２１を有する表示装置の駆動方法としては、例えば、ＴＮモード、ＶＡモード
、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｍｉｃｒｏ－ｃｅｌ
ｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎ
ｇｅｎｃｅ）モード、ＭＶＡモード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｖｅｒｔｉｃａｌ
Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＩＰＳモード、ＦＦＳモード、またはＴＢＡ（Ｔｒａｎｓ
ｖｅｒｓｅ Ｂｅｎｄ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モードなどを用いてもよい。ただし、これ
に限定されず、液晶素子及びその駆動方式として様々なものを用いることができる。

また、ブルー相（Ｂｌｕｅ Ｐｈａｓｅ）を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物
により液晶素子を構成してもよい。ブルー相を示す液晶は、応答速度が１ｍｓｅｃ以下と
短く、光学的等方性であるため、配向処理が不要であり、且つ視野角依存性が小さい。

図１（Ｂ）に示す画素１３の構成において、トランジスタ２２のソース電極及びドレイ
ン電極の一方は、信号線１９に電気的に接続され、他方は液晶素子２１の一対の電極の他
方に電気的に接続される。また、トランジスタ２２のゲート電極は、走査線１７に電気的
に接続される。トランジスタ２２は、オン状態またはオフ状態になることにより、データ
信号のデータの書き込みを制御する機能を有する。なお、トランジスタ２２は、実施の形
態１乃至実施の形態７のいずれかに示すトランジスタを用いることができる。

図１（Ｂ）に示す画素１３の構成において、容量素子２５の一対の電極の一方は、電位
が供給される容量線１５に電気的に接続され、他方は、液晶素子２１の一対の電極の他方
に電気的に接続される。なお、容量線１５の電位の値は、画素１３の仕様に応じて適宜設
定される。容量素子２５は、書き込まれたデータを保持する保持容量としての機能を有す
る。

例えば、図１（Ｂ）の画素１３を有する表示装置では、走査線駆動回路１４により各行
の画素１３を順次選択し、トランジスタ２２をオン状態にしてデータ信号のデータを書き
込む。

データが書き込まれた画素１３は、トランジスタ２２がオフ状態になることで保持状態
になる。これを行毎に順次行うことにより、画像を表示できる。

また、図１（Ｃ）に示す画素１３は、表示素子のスイッチングを行うトランジスタ３３
と、画素の駆動を制御するトランジスタ２２と、トランジスタ３５と、容量素子２５と、
発光素子３１と、を有する。

発光素子３１の一例としては、陽極と、陰極と、陽極と陰極との間に挟まれたＥＬ層と
、を有する素子などがある。ＥＬ層の一例としては、１重項励起子からの発光（蛍光）が
可能な材料を有する層、３重項励起子からの発光（燐光）が可能な材料を有する層、１重
項励起子からの発光（蛍光）が可能な材料及び３重項励起子からの発光（燐光）が可能な
材料を有する層などがある。

トランジスタ３３のソース電極及びドレイン電極の一方は、データ信号が与えられる信
号線１９に電気的に接続される。さらに、トランジスタ２２のゲート電極は、ゲート信号
が与えられる走査線１７に電気的に接続される。

トランジスタ３３は、オン状態またはオフ状態になることにより、データ信号のデータ
の書き込みを制御する機能を有する。

トランジスタ２２のソース電極及びドレイン電極の一方は、アノード線として機能する
配線３７と電気的に接続され、トランジスタ２２のソース電極及びドレイン電極の他方は
、発光素子３１の一方の電極に電気的に接続される。さらに、トランジスタ２２のゲート
電極は、トランジスタ３３のソース電極及びドレイン電極の他方、及び容量素子２５の一
方の電極に電気的に接続される。

トランジスタ２２は、オン状態またはオフ状態になることにより、発光素子３１に流れ
る電流を制御する機能を有する。

トランジスタ３５のソース電極及びドレイン電極の一方はデータの基準電位が与えられ
る配線３９と接続され、トランジスタ３５のソース電極及びドレイン電極の他方は、発光
素子３１の一方の電極、及び容量素子２５の他方の電極に電気的に接続される。さらに、
トランジスタ３５のゲート電極は、ゲート信号が与えられる走査線１７に電気的に接続さ
れる。

トランジスタ３５は、発光素子３１に流れる電流を調整する機能を有する。例えば、発
光素子３１が劣化等により、発光素子３１の内部抵抗が上昇した場合、トランジスタ３５
のソース電極及びドレイン電極の一方が接続された配線３９に流れる電流をモニタリング
することで、発光素子３１に流れる電流を補正することができる。配線３９に与えられる
電位としては、例えば、０Ｖとすることができる。

容量素子２５の一対の電極の一方は、トランジスタ３３のソース電極及びドレイン電極
の他方、及びトランジスタ２２のゲート電極と電気的に接続され、容量素子２５の一対の
電極の他方は、トランジスタ３５のソース電極及びドレイン電極の他方、及び発光素子３
１の一方の電極に電気的に接続される。

図１（Ｃ）に示す画素１３の構成において、容量素子２５は、書き込まれたデータを保
持する保持容量としての機能を有する。

発光素子３１の一対の電極の一方は、トランジスタ３５のソース電極及びドレイン電極
の他方、容量素子２５の他方、及びトランジスタ２２のソース電極及びドレイン電極の他
方と電気的に接続される。また、発光素子３１の一対の電極の他方は、カソードとして機
能する配線４１に電気的に接続される。

発光素子３１としては、例えば有機エレクトロルミネセンス素子（有機ＥＬ素子ともい
う）などを用いることができる。ただし、発光素子３１としては、これに限定されず、無
機材料からなる無機ＥＬ素子を用いても良い。

なお、配線３７及び配線４１の一方には、高電源電位ＶＤＤが与えられ、他方には、低
電源電位ＶＳＳが与えられる。図１（Ｃ）に示す構成においては、配線３７に高電源電位
ＶＤＤを、配線４１に低電源電位ＶＳＳを、それぞれ与える構成としている。

図１（Ｃ）の画素１３を有する表示装置では、走査線駆動回路１４により各行の画素１
３を順次選択し、トランジスタ２２をオン状態にしてデータ信号のデータを書き込む。

データが書き込まれた画素１３は、トランジスタ２２がオフ状態になることで保持状態
になる。さらに、トランジスタ２２は、容量素子２５と接続しているため、書き込まれた
データを長時間保持することが可能となる。また、トランジスタ３３により、ソース電極
とドレイン電極の間に流れる電流量が制御され、発光素子３１は、流れる電流量に応じた
輝度で発光する。これを行毎に順次行うことにより、画像を表示できる。

なお、本明細書等において、表示素子、表示素子を有する装置である表示装置、発光素
子、及び発光素子を有する装置である発光装置は、様々な形態を用いること、または様々
な素子を有することができる。表示素子、表示装置、発光素子または発光装置の一例とし
ては、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子（有機物及び無機物を含むＥＬ素子、有機
ＥＬ素子、無機ＥＬ素子）、トランジスタ（電流に応じて発光するトランジスタ）、電子
放出素子、液晶素子、電子インク、電気泳動素子、デジタルマイクロミラーデバイス（Ｄ
ＭＤ）、ＤＭＳ（デジタル・マイクロ・シャッター）、など、電気磁気的作用により、コ
ントラスト、輝度、反射率、透過率などが変化する表示媒体を有するものがある。ＥＬ素
子を用いた表示装置の一例としては、ＥＬディスプレイなどがある。電子放出素子を用い
た表示装置の一例としては、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）またはＳＥ
Ｄ方式平面型ディスプレイ（ＳＥＤ：Ｓｕｒｆａｃｅ－ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｎ－ｅｍｉｔｔｅｒ Ｄｉｓｐｌａｙ）などがある。液晶素子を用いた表示装置の
一例としては、液晶ディスプレイ（透過型液晶ディスプレイ、半透過型液晶ディスプレイ
、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶ディスプレイ、投射型液晶ディスプレイ）などが
ある。電子インクまたは電気泳動素子を用いた表示装置の一例としては、電子ペーパなど
がある。

次いで、画素１３に液晶素子を用いた液晶表示装置の素子基板の具体的な例について説
明する。ここでは、図１（Ｂ）に示す画素１３の上面図を図２に示す。

図２において、走査線として機能する導電膜１０３は、信号線に略直交する方向（図中
左右方向）に延伸して設けられている。信号線として機能する導電膜１１７ａは、走査線
に略直交する方向（図中上下方向）に延伸して設けられている。容量線として機能する導
電膜１１７ｃは、信号線と平行方向に延伸して設けられている。なお、走査線として機能
する導電膜１０３は、走査線駆動回路１４（図１（Ａ）を参照。）と電気的に接続されて
おり、信号線として機能する導電膜１１７ａ及び容量線として機能する導電膜１１７ｃは
、信号線駆動回路１６（図１（Ａ）を参照。）に電気的に接続されている。

トランジスタ２２は、走査線及び信号線が交差する領域に設けられている。トランジス
タ２２は、ゲート電極として機能する導電膜１０３、ゲート絶縁膜（図２に図示せず。）
、ゲート絶縁膜上に形成されたチャネル領域が形成される金属酸化物膜１０９ａ、ソース
電極及びドレイン電極として機能する導電膜１１７ａ、１１７ｂにより構成される。なお
、導電膜１０３は、走査線としても機能し、金属酸化物膜１０９ａと重畳する領域がトラ
ンジスタ２２のゲート電極として機能する。また、導電膜１１７ａは、信号線としても機
能し、金属酸化物膜１０９ａと重畳する領域がトランジスタ２２のソース電極またはドレ
イン電極として機能する。また、図２において、走査線は、上面形状において端部が金属
酸化物膜１０９ａの端部より外側に位置する。このため、走査線はバックライトなどの光
源からの光を遮る遮光膜として機能する。この結果、トランジスタに含まれる金属酸化物
膜１０９ａに光が照射されず、トランジスタの電気特性の変動を抑制することができる。
また、金属酸化物膜１０９ａは半導体特性を有する金属酸化物を用いて形成されているた
め、金属酸化物膜１０９ａにチャネル領域が形成される。

また、導電膜１１７ｂは、画素電極として機能する透光性を有する導電膜１１９と電気
的に接続されている。

容量素子２５は、ゲート絶縁膜上に形成される金属酸化物膜１０９ｃと、画素電極とし
て機能する透光性を有する導電膜１１９と、トランジスタ２２上に設けられる窒化物絶縁
膜で形成される誘電体膜とで構成されている。金属酸化物膜１０９ｃは透光性を有するた
め、容量素子２５は透光性を有する。また、容量素子２５一対の電極の一方として機能す
る金属酸化物膜１０９ｃが、開口部１１５ｃにおいて容量線として機能する導電膜１１７
ｃと接続されている。

このように容量素子２５は透光性を有するため、画素１３内に容量素子２５を大きく（
大面積に）形成することができる。従って、開口率を高めつつ、５０％以上、好ましくは
５５％以上、好ましくは６０％以上とすることが可能であると共に、電荷容量を増大させ
た半導体装置を得ることができる。例えば、解像度の高い半導体装置、例えば液晶表示装
置においては、画素の面積が小さくなり、容量素子の面積も小さくなる。このため、解像
度の高い半導体装置において、容量素子に蓄積される電荷容量が小さくなる。しかしなが
ら、本実施の形態に示す容量素子２５は透光性を有するため、当該容量素子を画素に設け
ることで、各画素において十分な電荷容量を得つつ、開口率を高めることができる。代表
的には、画素密度が２００ｐｐｉ以上、さらには３００ｐｐｉ以上、さらには５００ｐｐ
ｉ以上である高解像度の半導体装置に好適に用いることができる。

また、図２に示す画素１３は、走査線として機能する導電膜１０３と平行な辺と比較し
て、信号線として機能する導電膜１１７ａと平行な辺の方が短い形状であり、且つ容量線
として機能する導電膜１１７ｃが、信号線として機能する導電膜１１７ａと平行な方向に
延伸して設けられている。この結果、画素１３に占める導電膜１１７ｃの面積を低減する
ことが可能であるため、開口率を高めることができる。

また、本発明の一態様は、高解像度の表示装置においても、開口率を高めることができ
るため、バックライトなどの光源の光を効率よく利用することができ、表示装置の消費電
力を低減することができる。

次に、図２に示す一点破線Ａ－Ｂの断面図、一点破線Ｃ－Ｄの断面図を用いて、表示装
置の素子基板の作製方法について、説明する。

図３（Ａ）に示すように、基板１０１上に導電膜１０２を形成する。次に、第１のフォ
トマスクを用いたフォトリソグラフィ工程により、導電膜１０２上にマスク１３１を形成
する。

基板１０１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１０１として用いてもよい。また、シリコンや炭化シリコンなど
を用いて形成される単結晶半導体基板、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１０１として用いてもよい。なお、基板１０１として、ガラ
ス基板を用いる場合、第６世代（１５００ｍｍ×１８５０ｍｍ）、第７世代（１８７０ｍ
ｍ×２２００ｍｍ）、第８世代（２２００ｍｍ×２４００ｍｍ）、第９世代（２４００ｍ
ｍ×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１０１として、可撓性基板を用い、可撓性基板上に直接、導電膜１０２を形
成してもよい。または、基板１０１と導電膜１０２の間に剥離層を設け、剥離層上にトラ
ンジスタを有する素子部を作製した後、剥離層において基板１０１から素子部を剥離し、
別の基板に転載してもよい。この結果、耐熱性の低い基板や可撓性を有する基板上に素子
部を設けることができる。

導電膜１０２は、のちにゲート電極として機能する導電膜１０３となる。このため、導
電膜１０２は、ゲート電極として用いることが可能な導電材料を適宜用いる。導電膜１０
２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、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
か一または複数から選択された金属元素を用いてもよい。また、導電膜１０２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、チタン膜上にアルミニウム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
膜また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、チタン膜上に銅膜
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等がある。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、
また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、導電膜１０２は、インジウム錫酸化物膜、酸化タングステンを含むインジウム酸
化物膜、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物膜、酸化チタンを含むインジウム
酸化物膜、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物膜、インジウム亜鉛酸化物膜、酸化シリ
コンを添加したインジウム錫酸化物膜等の透光性を有する導電性材料で形成される膜を適
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で形成される膜と、上記金属
元素で形成される膜の積層構造とすることもできる。

ここでは、導電膜１０２として、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する。

次に、マスク１３１を用いて導電膜１０２の一部をエッチングして、ゲート電極として
機能する導電膜１０３を形成する。ドライエッチング法または／及びウェットエッチング
法を用いて、導電膜１０２をエッチングすることができる。こののち、マスク１３１を除
去する（図３（Ｂ）を参照。）。

ここでは、マスクを用いて、導電膜１０２として形成したタングステン膜をドライエッ
チングして、ゲート電極として機能する導電膜１０３を形成する。

次に、図３（Ｃ）に示すように、絶縁膜１０５、絶縁膜１０６、金属酸化物膜１０８、
絶縁膜１１０を順に形成する。次に、第２のフォトマスクを用いたフォトリソグラフィ工
程により、絶縁膜１１０上にマスク１３３、１３５を形成する。ここでは、第２のフォト
マスクとして、多諧調マスクを用いることを特徴とする。

多階調フォトマスクとは、多段階の光量で露光を行うことが可能なマスクであり、代表
的には、グレートーンマスク、ハーフトーンマスク等がある。グレートーンマスクは、透
光性を有する基板上に、遮光部及び回折格子が形成される。回折格子はスリット、ドット
、メッシュ等の光透過領域の間隔が、露光に用いる光の解像度限界以下の間隔であり、当
該構成により、光の透過率を制御する。ハーフトーンマスクは、透光性を有する基板上に
、遮光部及び半透過部が形成される。半透過部により露光に用いる光の透過率を制御する
。

多諧調マスクを用いることで、露光領域、半露光領域、及び未露光領域の３段階の光量
で露光を行うことができる。この結果、多階調フォトマスクを用いることで、一度の露光
及び現像工程によって、複数（代表的には二種類）の厚さを有するレジストマスクを形成
することが可能であり、フォトマスクの枚数を削減することができる。ここでは、金属酸
化物膜１０９ａ、１０９ｂ及び絶縁膜１１１ｃの形成工程において、多階調フォトマスク
を用いることで、フォトマスクを１枚削減することができる。

絶縁膜１０５及び絶縁膜１０６は、のちに、ゲート絶縁膜となる。また、絶縁膜１０５
は、基板１０１及びゲート電極として機能する導電膜１０３から金属酸化物膜１０８に不
純物が拡散するのを防ぐため、窒化物絶縁膜を用いて形成することが好ましい。また、絶
縁膜１０６は、金属酸化物膜１０８と接する。絶縁膜１０６及び金属酸化物膜１０８の界
面準位を低減するため、絶縁膜１０６は酸化物絶縁膜を用いて形成することが好ましい。

絶縁膜１０５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
ミニウムなどを用いて形成すればよく、積層または単層で設ける。

絶縁膜１０６は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウ
ム、酸化ガリウムまたはＧａ－Ｚｎ系金属酸化物などを用いて形成すればよく、積層また
は単層で設ける。

また、絶縁膜１０６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
料を用いて形成することでトランジスタのゲートリークを低減できる。

絶縁膜１０５及び絶縁膜１０６の合計の厚さは、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。

絶縁膜１０５及び絶縁膜１０６は、ＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法、塗布法等を
適宜用いることができる。

窒化物絶縁膜で形成される絶縁膜１０５をゲート絶縁膜の一部として設けることで、ゲ
ート電極として機能する導電膜１０３からの不純物、代表的には、水素、窒素、アルカリ
金属、またはアルカリ土類金属等が、金属酸化物膜１０９ａに移動することを防ぐことが
できる。

また、ゲート絶縁膜として、金属酸化物膜１０９ａ側に酸化物絶縁膜で形成される絶縁
膜１０６を設けることで、ゲート絶縁膜及び金属酸化物膜１０９ａ界面における欠陥準位
を低減することが可能である。この結果、電気特性の劣化の少ないトランジスタを得るこ
とができる。

金属酸化物膜１０８は、代表的には、Ｉｎ－Ｇａ酸化物膜、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物膜、Ｉｎ
－Ｍ－Ｚｎ酸化物膜（Ｍは、Ａｌ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄ）等
の金属酸化物膜がある。なお、該金属酸化物膜は半導体特性を有するため、酸化物半導体
ということもできる。

なお、金属酸化物膜１０８がＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物膜であるとき、ＩｎおよびＭの和を
１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、ＩｎとＭの原子数比率は好ましくはＩｎが２５ａｔｏ
ｍｉｃ％より大きく、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏ
ｍｉｃ％より大きく、Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。

金属酸化物膜１０８のエネルギーギャップは、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
を用いて形成することで、後に形成するトランジスタのオフ電流を低減することができる
。

金属酸化物膜１０８としては、キャリア密度の低い金属酸化物膜を用いる。例えば、金
属酸化物膜１０８は、キャリア密度が１×１０^１７個／ｃｍ^３以下、好ましくは１×１０
^１５個／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは１×１０^１３個／ｃｍ^３以下、より好ましくは１
×１０^１１個／ｃｍ^３以下の金属酸化物膜を用いる。

金属酸化物膜１０８の厚さは、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上１０
０ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。

金属酸化物膜１０８は、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を用いて形成することができる。

スパッタリング法で金属酸化物膜１０８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、ＤＣ電源装置等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）、酸素、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。

金属酸化物膜１０８がＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物膜（Ｍは、Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、
Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆ）の場合、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物膜を成膜するために用いる
スパッタリングターゲットの金属元素の原子数比は、金属元素の原子数比をＩｎ：Ｍ：Ｚ
ｎ＝ｘ_１：ｙ_１：ｚ_１とすると_、ｘ_１／ｙ_１は、１／３以上６以下、さらには１以上６以
下であって、ｚ_１／ｙ_１は、１／３以上６以下、さらには１以上６以下であることが好ま
しい。なお、ｚ_１／ｙ_１を１以上６以下とすることで、金属酸化物膜１０８として後述す
るＣＡＡＣ－ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄ
ｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜が形成されやすくなる。ターゲットの金属元素の原
子数比の代表例としては、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２、
Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：５：６等がある。なお、成膜される金属酸化物膜１０８の原子数比
はそれぞれ、誤差として上記のターゲットに含まれる金属元素の原子数比のプラスマイナ
ス４０％の変動を含む。

高純度である金属酸化物膜１０８を得るためには、チャンバー内を高真空排気するのみ
ならずスパッタガスの高純度化も必要である。スパッタ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
膜に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。

絶縁膜１１０は、金属酸化物膜１０８との界面における界面準位を低減するため、酸化
物絶縁膜であることが好ましい。絶縁膜１１０は、代表的には、酸化シリコン、酸化窒化
シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムまたはＧａ－Ｚｎ系金属酸
化物などを用いて形成すればよく、積層または単層で設ける。

また、絶縁膜１１０の一部または全部として、化学量論的組成を満たす酸素よりも多く
の酸素を含む酸化物絶縁膜を用いて形成することが好ましい。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（Ｔｈｅｒｍａｌ
Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析において、表面温度が１００℃
以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の加熱処理における酸素原子に換算
しての酸素の脱離量が１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、好ましくは３．０×１
０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である酸化物絶縁膜である。

また、絶縁膜１１０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１．５×１０^１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３未満、更には１×１０^１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以
下、１×１０^１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下、さらには検出下限以下であることが好ましい
。

絶縁膜１１０の厚さは、３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上４００
ｎｍ以下とする。

絶縁膜１１０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物絶縁
膜を用いて形成することで、加熱処理により、絶縁膜１１０から脱離する酸素を、金属酸
化物膜１０８に移動させることができる。この結果、金属酸化物膜１０８に含まれる酸素
欠損を低減することができる。

絶縁膜１１０は、スパッタリング法、ＣＶＤ法等を用いて形成することができる。

ＣＶＤ法を用いて絶縁膜１１０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。

絶縁膜１１０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物絶縁膜
を用いて形成する場合は、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２８０℃以下、さらに好ましくは２００℃以上２４０℃以下に保持し、
処理室に原料ガスを導入して処理室内における圧力を１００Ｐａ以上２５０Ｐａ以下、さ
らに好ましくは１００Ｐａ以上２００Ｐａ以下とし、処理室内に設けられる電極に０．１
７Ｗ／ｃｍ^２以上０．５Ｗ／ｃｍ^２以下、さらに好ましくは０．２５Ｗ／ｃｍ^２以上０．
３５Ｗ／ｃｍ^２以下の高周波電力を供給する条件により、酸化シリコン膜または酸化窒化
シリコン膜を形成することができる。

絶縁膜１１０の成膜条件として、上記圧力の反応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１１０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。一方、基板温度が、上記温度で形成された膜では、シリコンと酸素の結合力
が弱いため、後の工程の加熱処理により膜中の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絶縁膜
１１０を形成することができる。

なお、絶縁膜１１０を第１の絶縁膜及び第２の絶縁膜の多層構造とし、第１の絶縁膜と
して酸素を透過させることが可能な酸化物絶縁膜を用いて形成し、第２の絶縁膜として化
学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含み、加熱により酸素の一部が脱離する酸
化物絶縁膜を形成してもよい。該積層構造とすることで、第２の絶縁膜の成膜工程におい
て、第１の絶縁膜が金属酸化物膜の保護膜となる。この結果、金属酸化物膜へのダメージ
を低減しつつ、パワー密度の高い高周波電力を用いて第２の絶縁膜を形成することができ
る。

または、スパッタリング法、ＣＶＤ法等を用いて絶縁膜を形成した後、該絶縁膜に酸素
を添加することにより、絶縁膜１１０を形成することができる。なお、絶縁膜に酸素を添
加する方法としては、イオンドーピング法、イオン注入法等がある。または、酸化性気体
雰囲気で発生させた酸素を含むプラズマを絶縁膜に曝すことで、絶縁膜に酸素を添加する
ことができる。

ここでは、絶縁膜１０５として、ＣＶＤ法により、厚さ４００ｎｍの窒化シリコン膜を
形成する。また、絶縁膜１０６として、ＣＶＤ法により、厚さ５０ｎｍの酸化窒化シリコ
ン膜を形成する。また、金属酸化物膜１０８として、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物ターゲット
（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１）を用いたスパッタリング法により、厚さ３５ｎｍのＩ
ｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物膜を形成する。また、絶縁膜１１０として、流量２００ｓｃｃｍの
シラン及び流量４０００ｓｃｃｍの一酸化二窒素を原料ガスとし、反応室の圧力を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、絶縁膜１１０として、厚さ
４００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を形成する。なお、プラズマＣＶＤ装置は電極面積が６
０００ｃｍ^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０．２５Ｗ／ｃｍ^２である。また、ハーフトーンマ
スクを用いてマスク１３３、１３５を形成する。

次に、マスク１３３、１３５を用いて、絶縁膜１１０の一部をエッチングして、図３（
Ｄ）に示すように、絶縁膜１１１ａ、１１１ｂを形成する。ドライエッチング法または／
及びウェットエッチング法を用いて、絶縁膜１１０をエッチングすることができる。次に
、マスク１３３、１３５を用いて、金属酸化物膜１０８の一部をエッチングして、金属酸
化物膜１０９ａ、１０９ｂを形成する。ドライエッチング法または／及びウェットエッチ
ング法を用いて、金属酸化物膜１０８をエッチングすることができる。

ここでは、ドライエッチング法により、絶縁膜１１０及び金属酸化物膜１０８のそれぞ
れ一部をエッチングする。

次に、マスク１３３、１３５を加工する。ここでは、マスク１３３の大きさが小さくな
ると共に、マスク１３５を除去するように加工する。ここでは、酸素を有する雰囲気で発
生させたプラズマにマスク１３３、１３５を曝すプラズマ処理により、マスク１３３、１
３５を加工する。酸素を有する雰囲気としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素、二酸化窒
素等の酸化性気体を有する雰囲気がある。なお、基板１０１側にバイアスを印加した状態
で発生したプラズマにマスク１３３、１３５を曝してもよい。このようなプラズマ処理を
行う装置の一例として、アッシング装置がある。

ここでは、酸素を有する雰囲気で発生させたプラズマにマスク１３３、１３５をさらす
ことで、マスク１３３、１３５を加工する。

この結果、図３（Ｄ）に示すように、マスク１３３が後退されたマスク１３７を形成す
ることができる。また、マスク１３５が除去され、絶縁膜１１１ｂが露出する。なお、図
３（Ｄ）において、破線はそれぞれ図３（Ｃ）に示すマスク１３３、１３５に相当する。

次に、マスク１３７を用いて、絶縁膜１１１ａの一部をエッチングして、図３（Ｅ）に
示すように、絶縁膜１１１ｃを形成すると共に、絶縁膜１１１ｂを取り除く。ドライエッ
チング法または／及びウェットエッチング法を用いて、絶縁膜１１１ａ、１１１ｂをエッ
チングすることができる。なお、ここでは、絶縁膜１１１ａをエッチングし、金属酸化物
膜１０９ａ、１０９ｂをエッチングしない、または絶縁膜１１１ａより金属酸化物膜１０
９ａ、１０９ｂのエッチングレートが小さい条件を用いることが好ましい。

ここでは、ドライエッチング法により、絶縁膜１１１ａの一部をエッチングするととも
に、絶縁膜１１１ｂを取り除く。

この結果、チャネル保護膜として機能する絶縁膜１１１ｃを形成することができる。ま
た、絶縁膜１１１ｂ上にマスクが形成されないため、絶縁膜１１１ｂは取り除かれ、金属
酸化物膜１０９ｂの表面が露出する。なお、絶縁膜１０６は、絶縁膜１１０と同様に酸化
物絶縁膜で形成される。このため、当該工程において絶縁膜１０６もエッチングされ、絶
縁膜１０５及び金属酸化物膜１０９ａの間に、金属酸化物膜１０９ａと端部が略一致する
絶縁膜１０７ａが形成される。また、絶縁膜１０５及び金属酸化物膜１０９ｂの間に、金
属酸化物膜１０９ｂと端部が略一致する絶縁膜１０７ｂが形成される。

以上の工程により、一つのフォトマスクで、トランジスタのチャネル領域を含む金属酸
化物膜１０９ａ、１０９ｂと、チャネル保護膜として機能する絶縁膜１１１ｃとを形成す
ることができる。

なお、絶縁膜１１１ｃを形成するためのエッチング工程において、金属酸化物膜１０９
ａ、１０９ｂにおいてプラズマに曝された領域はダメージを受け、酸素欠損が形成される
。このため、金属酸化物膜１０９ａにおいて絶縁膜１１１ｃに覆われていない領域、及び
金属酸化物膜１０９ｂの導電性が高まる。

次に、加熱処理を行う。該加熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上基板歪み点未
満、好ましくは３００℃以上５００℃以下、好ましくは３２０℃以上４７０℃以下とする
。

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。

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）、または希ガス（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、または希ガスに水素、水
等が含まれないことが好ましい。

当該加熱処理により、絶縁膜１１１ｃに含まれる酸素の一部を金属酸化物膜１０９ａに
移動させ、金属酸化物膜１０９ａに含まれる酸素欠損を低減することができる。

なお、加熱しながら絶縁膜１１０を、金属酸化物膜１０８上に形成する場合、金属酸化
物膜１０８に酸素を移動させ、金属酸化物膜１０８に含まれる酸素欠損を補填することが
可能であるため、当該加熱処理を行わなくともよい。

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、４５０℃、１時間の加熱処理を行う。

次に、図４（Ａ）に示すように、絶縁膜１０５、絶縁膜１０７、金属酸化物膜１０９ａ
、１０９ｂ、及び絶縁膜１１１ｃ上に、絶縁膜１１２を形成する。次に、第３のフォトマ
スクを用いたフォトリソグラフィ工程により、絶縁膜１１２上にマスク１３９を形成する
。

絶縁膜１１２として、窒化物絶縁膜を設ける。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。窒化物絶縁膜と
して、水素を含む窒化物絶縁膜を形成してもよい。

絶縁膜１１２の厚さは、１０ｎｍ以上４００ｎｍ以下、より好ましくは５０ｎｍ以上３
００ｎｍ以下とする。

絶縁膜１１２は、スパッタリング法、ＣＶＤ法等を用いて形成することができる。また
は、スパッタリング法、ＣＶＤ法等を用いて絶縁膜を形成した後、該絶縁膜に水素を添加
してもよい。なお、絶縁膜に水素を添加する方法としては、イオンドーピング法、イオン
注入法等がある。または、水素を含む気体雰囲気で発生させたプラズマを絶縁膜に曝すこ
とで、絶縁膜に水素を添加することができる。

ここでは、絶縁膜１１２として、シラン、アンモニア、及び窒素を原料ガスとしたプラ
ズマＣＶＤ法により、厚さ１００ｎｍの窒化シリコン膜を形成する。

絶縁膜１１１ｃ上に絶縁膜１１２を形成する際に生じるプラズマダメージにより、金属
酸化物膜１０９ａ、１０９ｂには、酸素欠損が形成される。このため、金属酸化物膜１０
９ａにおいて絶縁膜１１１ｃに覆われていない領域、及び金属酸化物膜１０９ｂの導電性
が高くなる。また、絶縁膜１１２として、水素を含む窒化物絶縁膜を用いることで、絶縁
膜１１２から金属酸化物膜１０９ａ、１０９ｂに水素が移動する。酸素欠損に水素が移動
することで、キャリアである電子が生成される。この結果、金属酸化物膜１０９ｂは、導
電性が高くなり、導電性を有する金属酸化物膜１０９ｃとなる。また、金属酸化物膜１０
９ｃは、容量素子２５の一方の電極として機能する。

なお、金属酸化物膜１０９ａは、絶縁膜１１１ｃの外側において絶縁膜１１３と接する
。絶縁膜１１１ｃは酸化物絶縁膜であるため、絶縁膜１１１ｃと接する金属酸化物膜１０
９ａはトランジスタのチャネル領域として機能する。また、金属酸化物膜１０９ａにおい
て、絶縁膜１１３と接する領域は、金属酸化物膜１０９ｃと同様に、導電性が高い。すな
わち、金属酸化物膜１０９ｃにおいて、低抵抗領域として機能する。このため、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ともに、電界効果移動度を高めることが
可能である。

なお、窒化物絶縁膜は、水、水素等のブロッキング膜としても機能するため、絶縁膜１
１２として、窒化物絶縁膜を設けることで、外部から金属酸化物膜１０９ａへの水素、水
等の侵入を防ぐことができる。

金属酸化物膜１０９ａ、及び金属酸化物膜１０９ｃは共に、ゲート絶縁膜上に形成され
るが、不純物濃度が異なる。具体的には、金属酸化物膜１０９ａと比較して、金属酸化物
膜１０９ｃの不純物濃度が高い。例えば、金属酸化物膜１０９ａに含まれる水素濃度は、
５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは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５×１０^１７ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であり、金属
酸化物膜１０９ｃに含まれる水素濃度は、８×１０^１９以上、好ましくは１×１０^２０ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、より好ましくは５×１０^２０以上である。また、金属酸化物膜１
０９ａと比較して、金属酸化物膜１０９ｃに含まれる水素濃度は２倍、好ましくは１０倍
以上である。

また、金属酸化物膜１０９ｃは、金属酸化物膜１０９ａより抵抗率が低い。金属酸化物
膜１０９ｃの抵抗率が、金属酸化物膜１０９ａの抵抗率の１×１０^－８倍以上１×１０^－
１倍未満であることが好ましく、代表的には１×１０^－３Ωｃｍ以上１×１０^４Ωｃｍ未
満、さらに好ましくは、抵抗率が１×１０^－３Ωｃｍ以上１×１０^－１Ωｃｍ未満である
とよい。

次に、加熱処理を行ってもよい。該加熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上４０
０℃以下、好ましくは３００℃以上４００℃以下、好ましくは３２０℃以上３７０℃以下
とする。

トランジスタ２２において、窒化物絶縁膜で形成される絶縁膜１０５及び窒化物絶縁膜
で形成される絶縁膜１１２が接しており、絶縁膜１０５、１１２の間に、金属酸化物膜１
０９ａ及び絶縁膜１１１ｃが設けられる。窒化物絶縁膜は、水素、水、及び酸素の拡散係
数が小さく、水素、水、及び酸素のブロッキング性が高い。また、絶縁膜１１１ｃ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物絶縁膜を用いて形成するこ
とで、当該加熱処理において、金属酸化物膜１０９ａに含まれる酸素の外部への拡散を抑
制することができる。また、金属酸化物膜１０９ａに含まれる酸素の外部への拡散を抑制
することができる。この結果、金属酸化物膜１０９ａの酸素欠損を低減することができる
。さらには、外部からの金属酸化物膜１０９ａへの水素、水等の拡散を抑制することがで
きる。このため、金属酸化物膜１０９ａの水素、水等を低減することができる。この結果
、信頼性の高いトランジスタを作製することができる。

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。

次に、マスク１３９を用いて、絶縁膜１１２の一部をエッチングしマスクを除去したの
ち、図４（Ｂ）に示すように、開口部１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃを有する絶縁膜１１
３を形成する。開口部１１５ａ、１１５ｂにおいては、金属酸化物膜１０９ａの一部が露
出される。開口部１１５ｃにおいては、金属酸化物膜１０９ｃの一部が露出される。ドラ
イエッチング法または／及びウェットエッチング法を用いて、絶縁膜１１２をエッチング
することができる。次に、マスク１３９を除去する。

ここでは、ドライエッチング法により、絶縁膜１１２の一部をエッチングする。

次に、図４（Ｃ）に示すように、金属酸化物膜１０９ａの露出部、金属酸化物膜１０９
ｃの露出部、及び絶縁膜１１３上に導電膜１１６を形成する。次に、第４のフォトマスク
を用いたフォトリソグラフィ工程により、導電膜１１６上にマスク１４１ａ、１４１ｂ、
１４１ｃを形成する。

導電膜１１６は、後に一対の電極として機能する導電膜１１７ａ、１１７ｂ、容量線と
して機能する導電膜１１７ｃとなる。このため、導電膜１１６は、電極として用いること
が可能な導電材料を適宜用いる。導電膜１１６は、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、またはタングステ
ンからなる単体金属、またはこれを主成分とする合金を単層構造また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、チタン膜上にアルミニウム膜
を積層する二層構造、タングステン膜上にアルミニウム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、チタン膜上に銅膜を積層す
る二層構造、タングステン膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜または窒化チタン膜
と、そのチタン膜または窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さ
らにその上にチタン膜または窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜または窒化
モリブデン膜と、そのモリブデン膜または窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜ま
たは銅膜を積層し、さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層
構造等がある。なお、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を用い
て形成してもよい。

導電膜１１６は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法等を用いて形成する。

ここでは、導電膜１１６として、スパッタリング法により厚さ５０ｎｍのタングステン
膜及び厚さ３００ｎｍの銅膜を形成する。

次に、マスク１４１ａ、１４１ｂ、１４１ｃを用いて導電膜１１６の一部をエッチング
して、一対の電極として機能する導電膜１１７ａ、１１７ｂ、容量線として機能する導電
膜１１７ｃを形成する。ドライエッチング法または／及びウェットエッチング法を用いて
、導電膜１１６をエッチングすることができる。こののち、マスク１４１ａ、１４１ｂ、
１４１ｃを除去する（図４（Ｄ）を参照。）。

なお、金属酸化物膜１０９ａと導電膜１１７ａ、１１７ｂが接する領域の周囲に、窒化
物絶縁膜で形成される絶縁膜１１３が形成される。窒化物絶縁膜における銅の拡散係数が
小さいため、銅拡散を防ぐことができる。このため、導電膜１１７ａ、１１７ｂの一部ま
たは全部が銅膜で形成される場合、絶縁膜１１３が銅のバリア膜として機能する。このた
め、チャネル領域への銅の拡散が低減し、トランジスタの電気特性のばらつきを低減する
ことができる。

また、導電膜１１７ａ、１１７ｂにおいて、金属酸化物膜１０９ａと接する領域に、タ
ングステン、チタン、アルミニウム、銅、モリブデン、クロム、またはタンタル単体若し
くは合金等の酸素と結合しやすい導電材料を用いることで、金属酸化物膜１０９ａ中の酸
素が酸素と結合しやすい導電材料に引き抜かれる。また、金属酸化物膜１０９ａにタング
ステン、チタン、アルミニウム、銅、モリブデン、クロム、またはタンタル単体の若しく
は合金の構成元素の一部が混入する場合もある。これらの結果、金属酸化物膜１０９ａに
おいて、導電膜１１７ａ、１１７ｂと接する領域近傍に、低抵抗領域が形成される。低抵
抗領域は、導電性が高いため、金属酸化物膜１０９ａと導電膜１１７ａ、１１７ｂとの接
触抵抗を低減することが可能であり、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。

次に、図５（Ａ）に示す様に、絶縁膜１１３、導電膜１１７ａ、１１７ｂ、１１７ｃ上
に、透光性を有する導電膜１１８を形成する。次に、第５のフォトマスクを用いたフォト
リソグラフィ工程により、導電膜１１８上にマスク１４３を形成する。

導電膜１１８は、後に、画素電極として機能する導電膜１１９となる。このため、導電
膜１１８は、画素電極として用いることが可能な導電材料を適宜用いる。導電膜１１８は
、インジウム錫酸化物膜、酸化タングステンを含むインジウム酸化物膜、酸化タングステ
ンを含むインジウム亜鉛酸化物膜、酸化チタンを含むインジウム酸化物膜、酸化チタンを
含むインジウム錫酸化物膜、インジウム亜鉛酸化物膜、酸化シリコンを添加したインジウ
ム錫酸化物膜等の透光性を有する導電性材料で形成される導電膜を適用することができる
。

導電膜１１８は、スパッタリング法、蒸着法、塗布法等を用いて形成する。

ここでは、スパッタリング法により、導電膜１１８として厚さ１００ｎｍのＩＴＯ膜を
形成する。

次に、マスク１４３を用いて導電膜１１８の一部をエッチングして、画素電極として機
能する導電膜１１９を形成する。導電膜１１９は、一対の電極として機能する導電膜１１
７ｂと接すると共に、絶縁膜１１３を介して、金属酸化物膜１０９ｃと重なるように形成
される。ドライエッチング法または／及びウェットエッチング法を用いて、導電膜１１８
をエッチングすることができる。こののち、マスク１４３を除去する（図５（Ｂ）を参照
。）。

ここでは、ウェットエッチング法により、導電膜１１８の一部をエッチングする。

以上の工程により、ゲート電極として機能する導電膜１０３、ゲート絶縁膜として機能
する絶縁膜１０５、１０６ａ、金属酸化物膜１０９ａ、金属酸化物膜１０９ａの一部を覆
う絶縁膜１１１ｃ、金属酸化物膜１０９ａと接し、一対の電極として機能する導電膜１１
７ａ、１１７ｂを有するトランジスタ２２を作製することができる。また、トランジスタ
２２に含まれる導電膜１１７ｂと接し、画素電極として機能する導電膜１１９を形成する
ことができる。また、絶縁膜１０６ｂ上に形成された金属酸化物膜１０９ｃ、絶縁膜１１
３、及び導電膜１１９を有する容量素子２５を作製することができる。即ち、トランジス
タ２２、画素電極として機能する導電膜１１９、及び容量素子２５を有する素子基板を、
５枚のフォトマスクで作製することができる。本実施の形態では、金属酸化物膜及びチャ
ネル保護膜を１枚のフォトマスクを用いて形成するため、素子基板を作製するために必要
なフォトマスクを削減することができる。

また、本実施の形態に示す半導体装置は、トランジスタのチャネル領域を含む金属酸化
物膜と同時に、容量素子の一方の電極となる金属酸化物膜を形成する。このため、トラン
ジスタのチャネル領域を含む金属酸化物膜と、容量素子の一方の電極となる金属酸化物膜
とは、同じ金属元素で構成される。また、画素電極として機能する導電膜を容量素子の他
方の電極として用いる。これらのため、容量素子を形成するために、新たに導電膜を形成
する工程が不要であり、表示装置の作製工程を削減できる。また、容量素子は、一対の電
極である金属酸化物膜１０９ｃ及び導電膜１１９が共に、透光性を有するため、容量素子
２５が透光性を有する。この結果、容量素子の占有面積を大きくしつつ、画素の開口率を
高めることができる。さらには、消費電力を低減した表示装置を作製することができる。

＜金属酸化物膜について＞
酸素欠損が形成された酸化物半導体に水素を添加すると、酸素欠損サイトに水素が入り
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、該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。

ここで、金属酸化物膜１０９ａに用いられるような、酸化物半導体で形成される膜（以
下、酸化物半導体膜（ＯＳ）という。）と、金属酸化物膜１０９ｃに用いられるような、
酸化物導電体で形成される膜（以下、酸化物導電体膜（ＯＣ）という。）における、抵抗
率の温度依存性について、図１３を用いて説明する。図１３において、横軸に測定温度を
示し、縦軸に抵抗率を示す。また、酸化物半導体膜（ＯＳ）の測定結果を丸印で示し、酸
化物導電体膜（ＯＣ）の測定結果を四角印で示す。

なお、酸化物半導体膜（ＯＳ）を含む試料は、ガラス基板上に、原子数比がＩｎ：Ｇａ
：Ｚｎ＝１：１：１．２のスパッタリングターゲットを用いたスパッタリング法により厚
さ３５ｎｍのＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物膜を形成し、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：４
：５のスパッタリングターゲットを用いたスパッタリング法により厚さ２０ｎｍのＩｎ－
Ｇａ－Ｚｎ酸化物膜を形成し、４５０℃の窒素雰囲気で加熱処理した後、４５０℃の窒素
及び酸素の混合ガス雰囲気で加熱処理し、さらにプラズマＣＶＤ法で酸化窒化シリコン膜
を形成して、作製された。

また、酸化物導電体膜（ＯＣ）を含む試料は、ガラス基板上に、原子数比がＩｎ：Ｇａ
：Ｚｎ＝１：１：１のスパッタリングターゲットを用いたスパッタリング法により厚さ１
００ｎｍのＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物膜を形成し、４５０℃の窒素雰囲気で加熱処理した後
、４５０℃の窒素及び酸素の混合ガス雰囲気で加熱処理し、プラズマＣＶＤ法で窒化シリ
コン膜を形成して、作製された。

図１３からわかるように、酸化物導電体膜（ＯＣ）における抵抗率の温度依存性は、酸
化物半導体膜（ＯＳ）における抵抗率の温度依存性より小さい。代表的には、８０Ｋ以上
２９０Ｋ以下における酸化物半導体膜（ＯＣ）の抵抗率の変化率は、±２０％未満である
。または、１５０Ｋ以上２５０Ｋ以下における抵抗率の変化率は、±１０％未満である。
即ち、酸化物導電体は、縮退半導体であり、伝導帯端とフェルミ準位とが一致または略一
致していると推定される。このため、酸化物導電体膜を、抵抗素子、配線、容量素子の電
極、画素電極、コモン電極等に用いることが可能である。

＜酸化物半導体膜及び金属酸化物膜について＞
次に、半導体特性を有する金属酸化物膜及び酸化物半導体膜に適用可能な一態様につい
て説明する。ここでは、代表例として、酸化物半導体膜を用いて説明するが、適宜酸化物
半導体膜の構成を金属酸化物膜に適用することができる。

酸化物半導体膜は、ＣＡＡＣ－ＯＳ膜で構成されていることが好ましい。ＣＡＡＣ－Ｏ
Ｓ膜は、ｃ軸配向性を有し、明確な結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を確認
することができない。この結果、チャネルエッチ型のトランジスタにおいて、一対の電極
を形成する際の酸化物半導体膜のオーバーエッチング量が少ない。この結果、酸化物半導
体膜をＣＡＡＣ－ＯＳ膜で構成することで、チャネルエッチ型のトランジスタを作製する
ことができる。なお、チャネルエッチ型のトランジスタは、一対の電極の間隔、即ちチャ
ネル長を、チャネル長が０．５μｍ以上６．５μｍ以下、好ましくは１μｍより大きく６
μｍ未満と小さくすることが可能である。

また、酸化物半導体膜は、単結晶構造の酸化物半導体（以下、単結晶酸化物半導体とい
う。）、多結晶構造の酸化物半導体（以下、多結晶酸化物半導体という。）、及び微結晶
構造の酸化物半導体（以下、微結晶酸化物半導体という。）の一以上で構成されてもよい
。以下に、ＣＡＡＣ－ＯＳ、単結晶酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、微結晶酸化物半
導体について説明する。

＜ＣＡＡＣ－ＯＳ＞
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る。また、ＣＡ
ＡＣ－ＯＳ膜に含まれる結晶部は、ｃ軸配向性を有する。平面ＴＥＭ像において、ＣＡＡ
Ｃ－ＯＳ膜に含まれる結晶部の面積が２５００ｎｍ^２以上、さらに好ましくは５μｍ^２以
上、さらに好ましくは１０００μｍ^２以上である。また、断面ＴＥＭ像において、該結晶
部を５０％以上、好ましくは８０％以上、さらに好ましくは９５％以上有することで、単
結晶に近い物性の薄膜となる。

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

一方、ＣＡＡＣ－ＯＳ膜を、試料面と概略垂直な方向からＴＥＭによって観察（平面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。

なお、ＣＡＡＣ－ＯＳ膜に対し、電子線回折を行うと、配向性を示すスポット（輝点）
が観測される。

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、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、Ｉ
ｎＧａＺｎ酸化物の結晶の（００ｘ）面（ｘは整数）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、ＩｎＧａＺｎ酸化物の結晶の（１１０）面に帰属される。ＩｎＧａＺｎ酸化物の単結
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、２
θ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ａ－ｂ面に平行な面である。

なお、結晶は、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、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部が含まれるこ
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膜は、不純物濃度の低い酸化物半導体膜である。不純物は、水素、炭素
、シリコン、遷移金属元素などの酸化物半導体膜の主成分以外の元素である。特に、シリ
コンなどの、酸化物半導体膜を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸
化物半導体膜から酸素を奪うことで酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させ
る要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半
径（または分子半径）が大きいため、酸化物半導体膜内部に含まれると、酸化物半導体膜
の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。なお、酸化物半導体膜に含まれる不
純物は、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。

また、ＣＡＡＣ－ＯＳ膜は、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜である。例えば、酸化
物半導体膜中の酸素欠損は、キャリアトラップとなることや、水素を捕獲することによっ
てキャリア発生源となることがある。

不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い（酸素欠損の少ない）ことを、高純度真性また
は実質的に高純度真性と呼ぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体
膜は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。従って、当
該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性（ノ
ーマリーオンともいう。）になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度
真性である酸化物半導体膜は、キャリアトラップが少ない。そのため、当該酸化物半導体
膜を用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる
。なお、酸化物半導体膜のキャリアトラップに捕獲された電荷は、放出するまでに要する
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、不純物濃度が高
く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性が不安定とな
る場合がある。

また、ＣＡＡＣ－ＯＳ膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特
性の変動が小さい。

＜単結晶酸化物半導体＞
単結晶酸化物半導体膜は、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い（酸素欠損が少ない
）酸化物半導体膜である。そのため、キャリア密度を低くすることができる。従って、単
結晶酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、ノーマリーオンの電気特性になることが少
ない。また、単結晶酸化物半導体膜は、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低いため、キ
ャリアトラップが少なくなる場合がある。従って、単結晶酸化物半導体膜を用いたトラン
ジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。

なお、酸化物半導体膜は、欠陥が少ないと密度が高くなる。また、酸化物半導体膜は、
結晶性が高いと密度が高くなる。また、酸化物半導体膜は、水素などの不純物濃度が低い
と密度が高くなる。単結晶酸化物半導体膜は、ＣＡＡＣ－ＯＳ膜よりも密度が高い。また
、ＣＡＡＣ－ＯＳ膜は、微結晶酸化物半導体膜よりも密度が高い。また、多結晶酸化物半
導体膜は、微結晶酸化物半導体膜よりも密度が高い。また、微結晶酸化物半導体膜は、非
晶質酸化物半導体膜よりも密度が高い。

＜多結晶酸化物半導体＞
多結晶酸化物半導体膜は、高分解能ＴＥＭによる観察において、結晶粒を確認すること
ができる。多結晶酸化物半導体膜に含まれる結晶粒は、例えば、高分解能ＴＥＭによる観
察像で、２ｎｍ以上３００ｎｍ以下、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下または５ｎｍ以上５０ｎ
ｍ以下の粒径であることが多い。また、多結晶酸化物半導体膜は、高分解能ＴＥＭによる
観察像で、結晶粒界を確認できる場合がある。

多結晶酸化物半導体膜は、複数の結晶粒を有し、当該複数の結晶粒間において結晶の方
位が異なっている場合がある。また、多結晶酸化物半導体膜に対し、ＸＲＤ装置を用いて
構造解析を行うと、例えばＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶を有する多結晶酸化物半導体膜のｏｕ
ｔ－ｏｆ－ｐｌａｎｅ法による解析では、２θが３１°近傍のピーク、２θが３６°近傍
のピーク、またはそのほかのピークが現れる場合がある。

多結晶酸化物半導体膜は、高い結晶性を有するため、高い電子移動度を有する場合があ
る。従って、多結晶酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、高い電界効果移動度を有す
る。ただし、多結晶酸化物半導体膜は、結晶粒界に不純物が偏析する場合がある。また、
多結晶酸化物半導体膜の結晶粒界は欠陥準位となる。多結晶酸化物半導体膜は、結晶粒界
がキャリアトラップやキャリア発生源となる場合があるため、多結晶酸化物半導体膜を用
いたトランジスタは、ＣＡＡＣ－ＯＳ膜を用いたトランジスタと比べて、電気特性の変動
が大きく、信頼性の低いトランジスタとなる場合がある。

＜微結晶酸化物半導体＞
微結晶酸化物半導体膜は、ＴＥＭによる観察像では、明確に結晶部を確認することがで
きない場合がある。微結晶酸化物半導体膜に含まれる結晶部は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以
下、または１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の大きさであることが多い。特に、１ｎｍ以上１０ｎ
ｍ以下、または１ｎｍ以上３ｎｍ以下の微結晶であるナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙｓ
ｔａｌ）を有する酸化物半導体膜を、ｎｃ－ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏ
ｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜と呼ぶ。また、ｎｃ－ＯＳ膜は、例えば、Ｔ
ＥＭによる観察像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。

ｎｃ－ＯＳ膜は、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膜は、異な
る結晶部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。
従って、ｎｃ－ＯＳ膜は、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体膜と区別が付かない
場合がある。例えば、ｎｃ－ＯＳ膜に対し、結晶部よりも大きい径のＸ線を用いるＸＲＤ
装置を用いて構造解析を行うと、ｏｕｔ－ｏｆ－ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を
示すピークが検出されない。また、ｎｃ－ＯＳ膜に対し、結晶部よりも大きい径（例えば
５０ｎｍ以上）の電子線を用いる電子線回折（制限視野電子線回折ともいう。）を行うと
、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、ｎｃ－ＯＳ膜に対し、結晶
部の大きさと近いか結晶部より小さいプローブ径（例えば１ｎｍ以上３０ｎｍ以下）の電
子線を用いる電子線回折（ナノビーム電子線回折ともいう。）を行うと、スポットが観測
される。また、ｎｃ－ＯＳ膜に対しナノビーム電子線回折を行うと、円を描くように（リ
ング状に）輝度の高い領域が観測される場合がある。また、ｎｃ－ＯＳ膜に対しナノビー
ム電子線回折を行うと、リング状の領域内に複数のスポットが観測される場合がある。

ｎｃ－ＯＳ膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも規則性の高い酸化物半導体膜である。そ
のため、ｎｃ－ＯＳ膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし
、ｎｃ－ＯＳ膜は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、ｎｃ－
ＯＳ膜は、ＣＡＡＣ－ＯＳ膜と比べて欠陥準位密度が高くなる。

＜変形例１、下地絶縁膜について＞
本実施の形態に示すトランジスタにおいて、必要に応じて、基板１０１及びゲート電極
として機能する導電膜１０３の間に、下地絶縁膜を設けることができる。下地絶縁膜とし
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等を
用いて形成することができる。なお、下地絶縁膜として、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、酸化アルミニウム等を用いて形成することで、基板
１０１から不純物、代表的にはアルカリ金属、水、水素等の金属酸化物膜１０９ａへの拡
散を抑制することができる。

下地絶縁膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成することができる。

＜変形例２、ゲート絶縁膜について＞
窒化物絶縁膜で形成される絶縁膜１０５を、欠陥の少ない第１の窒化物絶縁膜、及び水
素ブロッキング性の高い第２の窒化物絶縁膜の積層構造とすることができる。ゲート絶縁
膜として、欠陥の少ない窒化物絶縁膜を設けることで、ゲート絶縁膜の絶縁耐圧を向上さ
せることができる。また、ゲート絶縁膜として、水素ブロッキング性の高い窒化物絶縁膜
を設けることで、ゲート電極として機能する導電膜１０３及び絶縁膜１０５からの水素が
、金属酸化物膜１０９ａに移動することを防ぐことができる。

または、窒化物絶縁膜で形成される絶縁膜１０５として、不純物のブロッキング性が高
い第１の窒化物絶縁膜と、欠陥の少ない第２の窒化物絶縁膜と、水素ブロッキング性の高
い第２の窒化物絶縁膜とが、ゲート電極として機能する導電膜１０３側から順に積層され
る積層構造とすることができる。ゲート絶縁膜として、不純物のブロッキング性が高い第
１の窒化物絶縁膜を設けることで、ゲート電極として機能する導電膜１０３からの不純物
、代表的には、水素、窒素、アルカリ金属、またはアルカリ土類金属等が金属酸化物膜１
０９ａに移動することを防ぐことができる。

なお、本実施の形態に示す構成及び方法などは、他の実施の形態に示す構成及び方法な
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と異なる表示装置の素子基板の作製方法について、図
面を用いて説明する。本実施の形態は、実施の形態１と同様に、チャネル領域を有する金
属酸化物膜と、チャネル保護膜として機能する絶縁膜を１枚のフォトマスクを用いて形成
する。一方、本実施の形態は、電極として機能する導電膜及び容量素子の誘電体膜として
機能する絶縁膜の作製工程の順序が、実施の形態１と異なる。

画素１３に液晶素子を用いた液晶表示装置の素子基板の具体的な例について説明する。
ここでは、図１（Ｂ）に示す画素１３の上面図を図６に示す。

図６において、走査線として機能する導電膜２０３は、信号線に略直交する方向（図中
左右方向）に延伸して設けられている。信号線として機能する導電膜２１３ａは、走査線
に略直交する方向（図中上下方向）に延伸して設けられている。容量線として機能する導
電膜２１３ｃは、信号線と平行方向に延伸して設けられている。なお、走査線として機能
する導電膜２０３は、走査線駆動回路１４（図１（Ａ）を参照。）と電気的に接続されて
おり、信号線として機能する導電膜２１３ａ及び容量線として機能する導電膜２１３ｃは
、信号線駆動回路１６（図１（Ａ）を参照。）に電気的に接続されている。

トランジスタ２２ａは、走査線及び信号線が交差する領域に設けられている。トランジ
スタ２２ａは、ゲート電極として機能する導電膜２０３、ゲート絶縁膜（図６に図示せず
。）、ゲート絶縁膜上に形成されたチャネル領域が形成される金属酸化物膜２０９ａ、ソ
ース電極及びドレイン電極として機能する導電膜２１３ａ、２１３ｂにより構成される。
なお、導電膜２０３は、走査線としても機能し、金属酸化物膜２０９ａと重畳する領域が
トランジスタ２２ａのゲート電極として機能する。また、導電膜２１３ａは、信号線とし
ても機能し、金属酸化物膜２０９ａと重畳する領域がトランジスタ２２ａのソース電極ま
たはドレイン電極として機能する。また、図６において、走査線は、上面形状において端
部が金属酸化物膜２０９ａの端部より外側に位置する。このため、走査線はバックライト
などの光源からの光を遮る遮光膜として機能する。この結果、トランジスタに含まれる金
属酸化物膜２０９ａに光が照射されず、トランジスタの電気特性の変動を抑制することが
できる。

また、導電膜２１３ｂは、開口部２１９において、画素電極として機能する透光性を有
する導電膜２２１と電気的に接続されている。

容量素子２５ａは、ゲート絶縁膜上に形成される金属酸化物膜２０９ｂと、画素電極と
して機能する透光性を有する導電膜２２１と、トランジスタ２２ａ上に設けられる窒化物
絶縁膜で形成される誘電体膜とで構成されている。金属酸化物膜１０９ｂは透光性を有す
るため、容量素子２５ａは透光性を有する。また、容量素子２５ａの一対の電極の一方と
して機能する金属酸化物膜２０９ｂが、容量線として機能する導電膜２１３ｃと接続され
ている。

このように容量素子２５ａは透光性を有するため、画素１３内に容量素子２５ａを大き
く（大面積に）形成することができる。従って、開口率を高めつつ、５０％以上、好まし
くは５５％以上、好ましくは６０％以上とすることが可能であると共に、電荷容量を増大
させた半導体装置を得ることができる。例えば、解像度の高い半導体装置、例えば液晶表
示装置においては、画素の面積が小さくなり、容量素子の面積も小さくなる。このため、
解像度の高い半導体装置において、容量素子に蓄積される電荷容量が小さくなる。しかし
ながら、本実施の形態に示す容量素子２５ａは透光性を有するため、当該容量素子を画素
に設けることで、各画素において十分な電荷容量を得つつ、開口率を高めることができる
。代表的には、画素密度が２００ｐｐｉ以上、さらには３００ｐｐｉ以上、さらには５０
０ｐｐｉである高解像度の半導体装置に好適に用いることができる。

また、図６に示す画素１３は、走査線として機能する導電膜２０３と平行な辺と比較し
て、信号線として機能する導電膜２１３ａと平行な辺の方が短い形状であり、且つ容量線
として機能する導電膜２１３ｃが、信号線として機能する導電膜２１３ａと平行な方向に
延伸して設けられている。この結果、画素１３に占める導電膜２１３ｃの面積を低減する
ことが可能であるため、開口率を高めることができる。

また、本発明の一態様は、高解像度の表示装置においても、開口率を高めることができ
るため、バックライトなどの光源の光を効率よく利用することができ、表示装置の消費電
力を低減することができる。

次に、図６に示す一点破線Ａ－Ｂの断面図、一点破線Ｃ－Ｄの断面図を用いて、表示装
置の素子基板の作製方法について、説明する。

実施の形態１と同様の工程を経て、第１のフォトマスク及び第２のフォトマスクを用い
た工程により、図７（Ａ）に示すように、基板２１０上にゲート電極として機能する導電
膜２０３を形成する。また、基板２９１及び導電膜２０３上に、絶縁膜２０５、２０７ａ
、２０７ｂを形成する。また、絶縁膜２０７ａ、２０７ｂ上にそれぞれ金属酸化物膜２０
９ａ、２０９ｂを形成する。また、金属酸化物膜２０９ａ上にチャネル保護膜として機能
する絶縁膜２１１ｃを形成する。こののち、加熱処理を行う。

基板２０１は実施の形態１に示す基板１０１から適宜選択することができる。また、導
電膜２０３は、実施の形態１に示すゲート電極として機能する導電膜１０３と同様の材料
及び作製方法を適宜選択することができる。絶縁膜２０５は、実施の形態１に示す絶縁膜
１０５と同様の材料及び作製方法を適宜選択することができる。絶縁膜２０７ａ、２０７
ｂは、実施の形態１に示す絶縁膜１０７ａ、１０７ｂと同様の材料及び作製方法を適宜選
択することができる。金属酸化物膜２０９ａ、２０９ｂは、実施の形態１に示す金属酸化
物膜１０９ａ、１０９ｂと同様の材料及び作製方法を適宜選択することができる。チャネ
ル保護膜として機能する絶縁膜２１１ｃは、実施の形態１に示す絶縁膜１１１ｃと同様の
材料及び作製方法を適宜選択することができる。

なお、絶縁膜２１１ｃを形成するためのエッチング工程において、金属酸化物膜２０９
ａ、２０９ｂにおいてプラズマに曝された領域はダメージを受け、酸素欠損が形成される
。このため、金属酸化物膜２０９ａにおいて絶縁膜２１１ｃに覆われていない領域、及び
金属酸化物膜２０９ｂの導電性が高まる。

次に、図７（Ｂ）に示すように、絶縁膜２０５、絶縁膜２０７ａ、２０７ｂ、金属酸化
物膜２０９ａ、２０９ｂ、及び絶縁膜２１１ｃ上に、導電膜２１２を形成する。次に、第
３のフォトマスクを用いたフォトリソグラフィ工程により、導電膜２１２上にマスク２３
１ａ、２３１ｂ、２３１ｃを形成する。

導電膜２１２は、実施の形態１に示す導電膜１１６と同様の材料及び作製方法を適宜選
択することができる。

次に、マスク２３１ａ、２３１ｂ、２３１ｃを用いて導電膜２１２の一部をエッチング
して、一対の電極として機能する導電膜２１３ａ、２１３ｂ、容量線として機能する導電
膜２１３ｃを形成する。ドライエッチング法または／及びウェットエッチング法を用いて
、導電膜１１６をエッチングすることができる。こののち、マスク２３１ａ、２３１ｂ、
２３１ｃを除去する（図７（Ｃ）を参照。）。

次に、図８（Ａ）に示すように、絶縁膜２０５、絶縁膜２０７ａ、２０７ｂ、金属酸化
物膜２０９ａ、２０９ｂ、絶縁膜２１１ｃ、及び導電膜２１３ａ、２１３ｂ、２１３ｃ上
に、絶縁膜２１４を形成する。次に、第４のフォトマスクを用いたフォトリソグラフィ工
程により、絶縁膜２１４上にマスク２３３を形成する。

絶縁膜２１４は、実施の形態１に示す絶縁膜１１２と同様の材料及び作製方法を適宜選
択することができる。

絶縁膜２１１ｃ上に絶縁膜２１４を形成する際に生じるプラズマダメージにより、金属
酸化物膜２０９ａ、２０９ｂには、酸素欠損が形成される。このため、金属酸化物膜２０
９ａにおいて絶縁膜２１１ｃに覆われていない領域、及び金属酸化物膜２０９ｂの導電性
が高くなる。また、絶縁膜２１４として、水素を含む窒化物絶縁膜を用いることで、絶縁
膜２１４から金属酸化物膜２０９ａ、２０９ｂに水素が拡散する。酸素欠損に水素が移動
することで、キャリアである電子が生成される。この結果、金属酸化物膜２０９ｂは、導
電性が高くなり、導電性を有する金属酸化物膜２０９ｃとなる。また、金属酸化物膜２０
９ｃは、容量素子２５の一方の電極として機能する。

なお、金属酸化物膜２０９ａは、絶縁膜２１１ｃの外側において絶縁膜２１３と接する
。絶縁膜２１１ｃは酸化物絶縁膜であるため、絶縁膜２１１ｃと接する金属酸化物膜２０
９ａはトランジスタのチャネル領域として機能する。また、金属酸化物膜２０９ａにおい
て、導電膜２１３ａ、２１３ｂと接する領域は、金属酸化物膜２０９ｃと同様に、導電性
が高い。すなわち、金属酸化物膜２０９ａにおいて、低抵抗領域として機能する。このた
め、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ともに、電界効果移動度を
高めることが可能である。

なお、窒化物絶縁膜は、水、水素等のブロッキング膜としても機能するため、絶縁膜２
１４として、窒化物絶縁膜を設けることで、外部から金属酸化物膜２０９ａへの水素、水
等の侵入を防ぐことができる。

金属酸化物膜２０９ａ及び金属酸化物膜２０９ｃは共に、ゲート絶縁膜上に形成される
が、不純物濃度が異なる。具体的には、金属酸化物膜２０９ａと比較して、金属酸化物膜
２０９ｃの不純物濃度が高い。例えば、金属酸化物膜２０９ａに含まれる水素濃度は、５
×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは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５×１０^１７ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であり、金属酸
化物膜２０９ｃに含まれる水素濃度は、８×１０^１９以上、好ましくは１×１０^２０ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ^３以上、より好ましくは５×１０^２０以上である。また、金属酸化物膜２０
９ａと比較して、金属酸化物膜２０９ｃに含まれる水素濃度は２倍、好ましくは１０倍以
上である。

また、金属酸化物膜２０９ｃは、金属酸化物膜２０９ａより抵抗率が低い。金属酸化物
膜２０９ｃの抵抗率が、金属酸化物膜２０９ａの抵抗率の１×１０^－８倍以上１×１０^－
１倍以下であることが好ましく、代表的には１×１０^－３Ωｃｍ以上１×１０^４Ωｃｍ未
満、さらに好ましくは、抵抗率が１×１０^－３Ωｃｍ以上１×１０^－１Ωｃｍ未満である
とよい。

次に、加熱処理を行ってもよい。該加熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上４０
０℃以下、好ましくは３００℃以上４００℃以下、好ましくは３２０℃以上３７０℃以下
とする。

窒化物絶縁膜で形成される絶縁膜２０５及び窒化物絶縁膜で形成される絶縁膜２１４が
接しており、絶縁膜２０５、２１４の間に、金属酸化物膜２０９ａ及び絶縁膜２１１ｃが
設けられる。窒化物絶縁膜は、水素、水、及び酸素の拡散係数が小さく、水素、水、及び
酸素のブロッキング性が高い。また、絶縁膜２１１ｃ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物絶縁膜を用いて形成することで、当該加熱処理において
、金属酸化物膜２０９ａに含まれる酸素の外部への拡散を抑制することができる。この結
果、金属酸化物膜２０９ａの酸素欠損を低減することができる。さらには、外部からの金
属酸化物膜２０９ａへの水素、水等の拡散を抑制することができる。このため、金属酸化
物膜２０９ａの水素、水等を低減することができる。この結果、信頼性の高いトランジス
タを作製することができる。

次に、図８（Ａ）に示すように、第４のフォトマスクを用いたフォトリソグラフィ工程
によりマスク２３３を形成する。次に、マスク２３３を用いて、絶縁膜２１４の一部をエ
ッチングして、図８（Ｂ）に示すように、開口部２１９を有する絶縁膜２１７を形成する
。開口部２１９においては、導電膜２１３ｂの一部が露出される。

次に、図８（Ｃ）に示すように、導電膜２１３ｂの露出部及び絶縁膜２１７上に、透光
性を有する導電膜２２０を形成する。次に、第５のフォトマスクを用いたフォトリソグラ
フィ工程により、導電膜２２０上にマスク２３５を形成する。

導電膜２２０は、実施の形態１に示す導電膜１１８と同様の材料及び作製方法を適宜選
択することができる。

次に、マスク２３５を用いて導電膜２２０の一部をエッチングして、画素電極として機
能する導電膜２２１を形成する。こののち、マスク２３５を除去する（図８（Ｄ）を参照
。）。

以上の工程により、ゲート電極として機能する導電膜２０３、ゲート絶縁膜として機能
する絶縁膜２０５、２０６ａ、金属酸化物膜２０９ａ、金属酸化物膜２０９ａの一部を覆
うチャネル保護膜として機能する絶縁膜２１１ｃ、金属酸化物膜２０９ａと接し、一対の
電極として機能する導電膜２１３ａ、２１３ｂを有するトランジスタ２２ａを作製するこ
とができる。また、トランジスタ２２ａに含まれる導電膜２１３ｂと接し、画素電極とし
て機能する導電膜２２１を形成することができる。また、絶縁膜２０６ｂ上に形成された
金属酸化物膜２０９ｃ、絶縁膜２１７、及び導電膜２２１を有する容量素子２５ａを作製
することができる。即ち、トランジスタ２２ａ、画素電極として機能する導電膜２２１、
及び容量素子２５ａを有する素子基板を、５枚のフォトマスクで作製することができる。
本実施の形態では、金属酸化物膜及びチャネル保護膜を１枚のフォトマスクを用いて形成
するため、素子基板を作製するために必要なフォトマスクを削減することができる。

また、本実施の形態に示す半導体装置は、トランジスタのチャネル領域を含む金属酸化
物膜と同時に、容量素子の一方の電極となる金属酸化物膜を形成する。このため、トラン
ジスタのチャネル領域を含む金属酸化物膜と、容量素子の一方の電極となる金属酸化物膜
とは、同じ金属元素で構成される。また、画素電極として機能する導電膜を容量素子の他
方の電極として用いる。これらのため、容量素子を形成するために、新たに導電膜を形成
する工程が不要であり、表示装置の作製工程を削減できる。また、容量素子は、一対の電
極である金属酸化物膜１０９ｃ及び導電膜１１９が共に、透光性を有するため、容量素子
２５ａが透光性を有する。この結果、容量素子の占有面積を大きくしつつ、画素の開口率
を高めることができる。さらには、消費電力を低減した表示装置を作製することができる
。

なお、本実施の形態に示す構成及び方法などは、他の実施の形態に示す構成及び方法な
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）
本実施の形態では、実施の形態１及び実施の形態２と比較して、金属酸化物膜の欠陥量
をさらに低減することが可能なトランジスタを有する半導体装置について図面を参照して
説明する。本実施の形態で説明するトランジスタは、実施の形態１及び実施の形態２と比
較して、金属酸化物膜の代わりに、複数の金属酸化物膜を有する多層膜が設けられている
点が異なる。

図９に、半導体装置が有するトランジスタ２２ｂ及び容量素子２５ｂの断面図を示す。
図９は、図２の一点鎖線Ａ－Ｂ、Ｃ－Ｄ間の断面図である。

図９（Ａ）に示すトランジスタ２２ｂは、絶縁膜１０７ａ上に多層膜１５０ａを有する
。多層膜１５０ａは、絶縁膜１０７ａに接する第１の金属酸化物膜１５１ａ、並びに第１
の金属酸化物膜１５１ａ及び絶縁膜１１１ｃに接する第２の金属酸化物膜１５２ａを有す
る。

図９（Ａ）に示す容量素子２５ｂは、絶縁膜１０７ｂ上に多層膜１５０ｂを有する。多
層膜１５０ｂは、絶縁膜１０７ｂに接する第１の金属酸化物膜１５１ｂ、及び第１の金属
酸化物膜１５１ｂ及び絶縁膜１１３に接する第２の金属酸化物膜１５２ｂを有する。

第２の金属酸化物膜１５２ａ、１５２ｂは、第１の金属酸化物膜１５１ａ、１５１ｂを
構成する元素の一種以上から構成される金属酸化物膜である。このため、第１の金属酸化
物膜１５１ａ、１５１ｂと第２の金属酸化物膜１５２ａ、１５２ｂ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。

第１の金属酸化物膜１５１ａ、１５１ｂ及び第２の金属酸化物膜１５２ａ、１５２ｂは
、代表的には、Ｉｎ－Ｇａ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物（ＭはＡｌ
、Ｇａ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄ）である。

また、第２の金属酸化物膜１５２ａ、１５２ｂは、第１の金属酸化物膜１５１ａ、１５
１ｂよりも伝導帯の下端のエネルギーが真空準位に近く、代表的には、第２の金属酸化物
膜１５２ａ、１５２ｂの伝導帯の下端のエネルギーと、第１の金属酸化物膜１５１ａ、１
５１ｂの伝導帯の下端のエネルギーとの差が、０．０５ｅＶ以上、０．０７ｅＶ以上、０
．１ｅＶ以上、または０．１５ｅＶ以上、且つ２ｅＶ以下、１ｅＶ以下、０．５ｅＶ以下
、または０．４ｅＶ以下である。即ち、第２の金属酸化物膜１５２ａ、１５２ｂの電子親
和力と、第１の金属酸化物膜１５１ａ、１５１ｂの電子親和力との差が、０．０５ｅＶ以
上、０．０７ｅＶ以上、０．１ｅＶ以上、または０．１５ｅＶ以上、且つ２ｅＶ以下、１
ｅＶ以下、０．５ｅＶ以下、または０．４ｅＶ以下である。

第１の金属酸化物膜１５１ａ、１５１ｂ及び第２の金属酸化物膜１５２ａ、１５２ｂは
、Ｉｎを含むことで、キャリア移動度（電子移動度）が高くなるため好ましい。

第２の金属酸化物膜１５２ａ、１５２ｂとして、Ａｌ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、
Ｃｅ、またはＮｄをＩｎより高い原子数比で有することで、以下の効果を有する場合があ
る。（１）第２の金属酸化物膜１５２ａ、１５２ｂのエネルギーギャップを大きくする。
（２）第２の金属酸化物膜１５２ａ、１５２ｂの電子親和力を小さくする。（３）外部か
らの不純物の拡散を抑制する。（４）第１の金属酸化物膜１５１ａ、１５１ｂと比較して
、絶縁性が高くなる。（５）Ａｌ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄは、酸素と
の結合力が強い金属元素であるため、酸素欠損が生じにくくなる。

第１の金属酸化物膜１５１ａ、１５１ｂがＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物であるとき、Ｉｎおよ
びＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、ＩｎとＭの原子数比率は好ましくはＩｎが
２５ａｔｏｍｉｃ％より大きく、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが
３４ａｔｏｍｉｃ％より大きく、Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。

第２の金属酸化物膜１５２ａ、１５２ｂがＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物であるとき、Ｉｎおよ
びＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、ＩｎとＭの原子数比率は、好ましくは、Ｉ
ｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％より大きい、さらに好ましくは、
Ｉｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％より大きいとする。

また、第１の金属酸化物膜１５１ａ、１５１ｂ及び第２の金属酸化物膜１５２ａ、１５
２ｂが、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物Ｍ（Ｍは、Ａｌ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、ま
たはＮｄ）の場合、第１の金属酸化物膜１５１ａ、１５１ｂと比較して、第２の金属酸化
物膜１５２ａ、１５２ｂに含まれるＭ（Ａｌ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、また
はＮｄ）の原子数比が大きく、代表的には、第１の金属酸化物膜１５１ａ、１５１ｂに含
まれる上記原子と比較して、１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍
以上高い原子数比である。

また、第１の金属酸化物膜１５１ａ、１５１ｂ及び第２の金属酸化物膜１５２ａ、１５
２ｂが、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、または
Ｎｄ）の場合、第２の金属酸化物膜１５２ａ、１５２ｂをＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ_１：ｙ_１：
ｚ_１［原子数比］、第１の金属酸化物膜１５１ａ、１５１ｂをＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ_２：ｙ
_２：ｚ_２［原子数比］とすると、ｙ_１／ｘ_１がｙ_２／ｘ_２よりも大きく、好ましくは、ｙ
_１／ｘ_１がｙ_２／ｘ_２よりも１．５倍以上である。さらに好ましくは、ｙ_１／ｘ_１がｙ_２
／ｘ_２よりも２倍以上大きく、より好ましくは、ｙ_１／ｘ_１がｙ_２／ｘ_２よりも３倍以上
大きい。このとき、金属酸化物膜において、ｙ_２がｘ_２以上であると、当該金属酸化物膜
を用いたトランジスタ２２ｂに安定した電気特性を付与できるため好ましい。

第１の金属酸化物膜１５１ａ、１５１ｂがＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物（Ｍは、Ａｌ、Ｇａ、
Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄ）の場合、第１の金属酸化物膜１５１ａ、１５
１ｂを成膜するために用いるターゲットにおいて、金属元素の原子数比をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ
＝ｘ_１：ｙ_１：ｚ_１とすると_、ｘ_１／ｙ_１は、１／３以上６以下、さらには１以上６以下
であって、ｚ_１／ｙ_１は、１／３以上６以下、さらには１以上６以下であることが好まし
い。なお、ｚ_１／ｙ_１を１以上６以下とすることで、第１の金属酸化物膜１５１ａ、１５
１ｂとしてＣＡＡＣ－ＯＳ膜が形成されやすくなる。ターゲットの金属元素の原子数比の
代表例としては、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２、Ｉｎ
：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２等がある。

第２の金属酸化物膜１５２ａ、１５２ｂがＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物（Ｍは、Ａｌ、Ｇａ、
Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄ）の場合、第２の金属酸化物膜１５２ａ、１５
２ｂを成膜するために用いるターゲットにおいて、金属元素の原子数比をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ
＝ｘ_２：ｙ_２：ｚ_２とすると_、ｘ_２／ｙ_２＜ｘ_１／ｙ_１であって、ｚ_２／ｙ_２は、１／３
以上６以下、さらには１以上６以下であることが好ましい。なお、ｚ_２／ｙ_２を１以上６
以下とすることで、第２の金属酸化物膜１５２ａ、１５２ｂとしてＣＡＡＣ－ＯＳ膜が形
成されやすくなる。ターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ
＝１：３：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：６、Ｉｎ：Ｍ：
Ｚｎ＝１：３：８等がある。

なお、第１の金属酸化物膜１５１ａ、１５１ｂ及び第２の金属酸化物膜１５２ａ、１５
２ｂの原子数比はそれぞれ、誤差として上記の原子数比のプラスマイナス４０％の変動を
含む。

第２の金属酸化物膜１５２ａ、１５２ｂは、絶縁膜１１１ｃとなる膜を形成する際の、
第１の金属酸化物膜１５１ａへのダメージ緩和膜としても機能する。

第１の金属酸化物膜１５１ａ、１５１ｂの厚さは、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好まし
くは３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。第２
の金属酸化物膜１５２ａ、１５２ｂの厚さは、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは３
ｎｍ以上５０ｎｍとする。

第１の金属酸化物膜１５１ａ、１５１ｂ及び第２の金属酸化物膜１５２ａ、１５２ｂは
、例えば非単結晶構造でもよい。非単結晶構造は、例えば、後述するＣＡＡＣ－ＯＳ（Ｃ
Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ－Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄ
ｕｃｔｏｒ）、多結晶構造、後述する微結晶構造、または非晶質構造を含む。

なお、第１の金属酸化物膜１５１ａ、１５１ｂ及び第２の金属酸化物膜１５２ａ、１５
２ｂにおいて、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、ＣＡＡＣ－Ｏ
Ｓの領域、単結晶構造の領域の二種以上を有する混合膜を構成してもよい。混合膜は、例
えば、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、ＣＡＡＣ－ＯＳの領域
、単結晶構造の領域のいずれか二種以上の領域を有する単層構造の場合がある。また、混
合膜は、例えば、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、ＣＡＡＣ－
ＯＳの領域、単結晶構造の領域のいずれか二種以上の領域の積層構造を有する場合がある
。

ここでは、第１の金属酸化物膜１５１ａ及び絶縁膜１１１ｃの間に、第２の金属酸化物
膜１５２ａが設けられている。このため、第２の金属酸化物膜１５２ａと絶縁膜１１１ｃ
の間において、不純物及び欠陥によりキャリアトラップが形成されても、当該キャリアト
ラップが形成される領域と第１の金属酸化物膜１５１ａとの間には隔たりがある。この結
果、第１の金属酸化物膜１５１ａを流れる電子がキャリアトラップに捕獲されにくく、ト
ランジスタ２２ｂ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、キャリアトラップに電子が捕獲されると、該電子が負の固定電
荷となってしまう。この結果、トランジスタのしきい値電圧が変動してしまう。しかしな
がら、第１の金属酸化物膜１５１ａとキャリアトラップが形成される領域との間に隔たり
があるため、キャリアトラップにおける電子の捕獲を抑制することが可能であり、しきい
値電圧の変動を低減することができる。

また、第２の金属酸化物膜１５２ａは、外部からの不純物を遮蔽することが可能である
ため、外部から第１の金属酸化物膜１５１ａへ移動する不純物量を低減することが可能で
ある。また、第２の金属酸化物膜１５２ａは、酸素欠損を形成しにくい。これらのため、
第１の金属酸化物膜１５１ａにおける不純物濃度及び酸素欠損量を低減することが可能で
ある。

なお、第１の金属酸化物膜１５１ａ、１５１ｂ及び第２の金属酸化物膜１５２ａ、１５
２ｂは、各膜を単に積層するのではなく連続接合（ここでは特に伝導帯の下端のエネルギ
ーが各膜の間で連続的に変化する構造）が形成されるように作製する。すなわち、各膜の
界面に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
ような積層構造とする。仮に、積層された第１の金属酸化物膜１５１ａ、１５１ｂ及び第
２の金属酸化物膜１５２ａ、１５２ｂの間に不純物が混在していると、エネルギーバンド
の連続性が失われ、界面でキャリアがトラップされ、あるいは再結合して、消滅してしま
う。

連続接合を形成するためには、ロードロック室を備えたマルチチャンバー方式の成膜装
置（スパッタリング装置）を用いて各膜を大気に触れさせることなく連続して積層するこ
とが必要となる。スパッタリング装置における各チャンバーは、金属酸化物膜にとって不
純物となる水等を可能な限り除去すべくクライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプ
を用いて高真空排気（５×１０^－７Ｐａ乃至１×１０^－４Ｐａ程度まで）することが好ま
しい。または、ターボ分子ポンプとコールドトラップを組み合わせて排気系からチャンバ
ー内に気体、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、図９（Ｂ）に示すように、トランジスタ２２ｃは、多層膜１５５ａを有し、容量
素子２５ｃは多層膜１５５ｂを有してもよい。

多層膜１５５ａは、第３の金属酸化物膜１５３ａ、第１の金属酸化物膜１５１ａ、及び
第２の金属酸化物膜１５２ａが順に積層されている。また、第３の金属酸化物膜１５３ａ
は絶縁膜１０７ａと接し、第２の金属酸化物膜１５２ａは絶縁膜１１１ｃと接し、第１の
金属酸化物膜１５１ａがチャネル領域として機能する。

多層膜１５５ｂは、第３の金属酸化物膜１５３ｂ、第１の金属酸化物膜１５１ｂ、及び
第２の金属酸化物膜１５２ｂが順に積層されている。また、第３の金属酸化物膜１５３ｂ
は絶縁膜１０７ｂと接し、第２の金属酸化物膜１５２ｂは絶縁膜１１３と接する。

第３の金属酸化物膜１５３ａ、１５３ｂは、第２の金属酸化物膜１５２ａ、１５２ｂと
同様の材料及び形成方法を適宜用いることができる。

第３の金属酸化物膜１５３ａ、１５３ｂは、第１の金属酸化物膜１５１ａ、１５１ｂよ
り膜厚が小さいと好ましい。第３の金属酸化物膜１５３ａ、１５３ｂの厚さを１ｎｍ以上
５ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以上３ｎｍ以下とすることで、トランジスタのしきい値電
圧の変動量を低減することが可能である。

本実施の形態に示すトランジスタは、絶縁膜１０７ａ及び第１の金属酸化物膜１５１ａ
の間に、第３の金属酸化物膜１５３ａが設けられている。また、第１の金属酸化物膜１５
１ａ及び絶縁膜１１１ｃの間に、第２の金属酸化物膜１５２ａが設けられている。これら
のため、絶縁膜１０７ａ及び第１の金属酸化物膜１５１ａの間、並びに第１の金属酸化物
膜１５１ａ及び絶縁膜１１１ｃの間において、不純物及び欠陥によりキャリアトラップが
形成されても、当該キャリアトラップが形成される領域と第１の金属酸化物膜１５１ａと
の間には隔たりがある。この結果、第１の金属酸化物膜１５１ａを流れる電子がキャリア
トラップに捕獲されにくく、トランジスタ２２ｃ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、キャリアトラップに電子が捕獲
されると、該電子が負の固定電荷となってしまう。この結果、トランジスタのしきい値電
圧が変動してしまう。しかしながら、第１の金属酸化物膜１５１ａとキャリアトラップが
形成される領域との間に隔たりがあるため、キャリアトラップにおける電子の捕獲を抑制
することが可能であり、トランジスタ２２ｃのしきい値電圧の変動を低減することができ
る。

なお、本実施の形態に示す構成及び方法などは、他の実施の形態に示す構成及び方法な
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）
本実施の形態では、オン電流が大きく、電界効果易動度が高く、電気特性のばらつきの
少ないトランジスタと、容量素子とを、フォトマスクを削減して作製する方法について、
図１０及び図１１を用いて説明する。なお、本実施の形態では、実施の形態２に示すトラ
ンジスタ及びその作製方法を用いて説明するが、適宜他の実施の形態に本実施の形態を適
用することができる。また、実施の形態２と重複する構成は説明を省略する。

図１０は画素１３の上面図であり、図１１（Ａ）は、図１０の一点鎖線Ａ－Ｂ、Ｃ－Ｄ
間の断面図であり、図１１（Ｂ）は、図１０の一点鎖線Ｅ－Ｆ間の断面図である。

トランジスタ２２ｄは、走査線及び信号線が交差する領域に設けられている。トランジ
スタ２２ｄは、ゲート電極として機能する導電膜２０３、ゲート絶縁膜（図１１に図示せ
ず。）、ゲート絶縁膜上に形成されたチャネル領域が形成される金属酸化物膜２０９ａ、
ソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜２１３ａ、２１３ｂ、金属酸化物膜２
０９ａ、導電膜２１３ａ、２１３ｂを覆う絶縁膜（図１１に図示せず。）、及びゲート電
極として機能する導電膜２４３により構成される。トランジスタ２２ｄは、開口部２４１
において、ゲート電極として機能する導電膜２０３及び導電膜２４３が接続していること
を特徴とする。

次に、トランジスタ２２ｄの断面構造について、図１１を用いて説明する。図１１（Ａ
）はトランジスタ２２ｄのチャネル長方向の断面図及び容量素子２５ａの断面図であり、
図１１（Ｂ）はトランジスタ２２ｄのチャネル方向の断面図である。

図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）に示すトランジスタ２２ｄは、チャネル保護型のトラン
ジスタであり、基板２０１上に設けられるゲート電極として機能する導電膜２０３と、基
板２０１及び導電膜２０３上に形成される絶縁膜２０５と、絶縁膜２０５上に形成される
絶縁膜２０７ａと、絶縁膜２０５、２０７ａを介して、導電膜２０３と重なる金属酸化物
膜２０９ａと、金属酸化物膜２０９ａ上に形成される、チャネル保護膜として機能する絶
縁膜２１１ｃと、一方の端部が絶縁膜２１１ｃ上に位置し且つ金属酸化物膜２０９ａに接
する導電膜２１３ａ、２１３ｂを有する。また、絶縁膜２０５、金属酸化物膜２０９ａ、
絶縁膜２１１ｃ、及び導電膜２１３ａ、２１３ｂ上に形成される絶縁膜２１７と、絶縁膜
２１７上に形成されるゲート電極として機能する導電膜２４３とを有する。絶縁膜２０５
及び絶縁膜２０７ａはゲート絶縁膜として機能する。また、絶縁膜２１１ｃ及び絶縁膜２
１７はゲート絶縁膜として機能する。

図１１（Ｂ）に示すように、導電膜２０３及び導電膜２４３は、絶縁膜２０５及び絶縁
膜２１７に設けられる開口部２４１において、接続する。また、トランジスタのチャネル
幅方向において、導電膜２４３の端部は、金属酸化物膜２０９ａの端部の外側に位置する
。また、絶縁膜２１７を介して金属酸化物膜２０９ａの側面が導電膜２４３と対向する。
また、導電膜２４３は、開口部２４１において、金属酸化物膜２０９ａの側面と対向する
。

導電膜２４３は、導電膜２２１と同様の材料及び作製方法を用いて形成することができ
る。また、開口部２４１は、開口部２１９を形成する際に同時に形成することができる。
この結果、フォトマスク数を増やすくことなく、５枚のフォトマスクを用いてトランジス
タ２２ｄを作製することができる。

なお、図１１（Ｂ）においては、導電膜２０３と導電膜２４３は直接接続する構造であ
る。一方、図１１（Ｃ）に示すように、導電膜２０３及び導電膜２４３は、導電膜２５３
を介して電気的に接続されていてもよい。

すなわち、絶縁膜２０５に設けられる開口部２５１において、導電膜２０３及び導電膜
２５３が接続される。また、絶縁膜２１７に設けられる開口部２５５において、導電膜２
５３及び導電膜２４３が接続される。この結果、導電膜２０３及び導電膜２５３は同電位
の電圧が印加される構造である。

導電膜２５３は、導電膜２１３ａ、２１３ｂと同様の材料及び作製方法を用いて形成す
ることができる。図１１（Ｂ）に示す開口部２４１と比較して、開口部２５１及び開口部
２５５は、それぞれ高さが低い。この結果、それぞれの開口部における導電膜２４３、２
５３の被覆率を高めることが可能である。この結果、歩留まりを高めることができる。

図１１（Ｂ）において、トランジスタのチャネル幅方向において、金属酸化物膜２０９
ａの側面がゲート電極として機能する導電膜２４３と対向する。また、図１１（Ｃ）にお
いて、トランジスタのチャネル幅方向において、金属酸化物膜２０９ａの側面が、ゲート
電極として機能する導電膜２０３、２４３と同電位である導電膜２５３と対向する。この
ため、導電膜２０３及び導電膜２４３の電界が、金属酸化物膜２０９ａの平面だけでなく
、側面へも影響する。この結果、金属酸化物膜２０９ａにおいてキャリアの流れる領域が
、絶縁膜２０７ａと金属酸化物膜２０９ａとの界面、及び金属酸化物膜２０９ａと絶縁膜
２１１ｃとの界面のみでなく、金属酸化物膜２０９ａの内部を含む広い範囲となるため、
トランジスタにおけるキャリアの移動量が増加する。この結果、トランジスタのオン電流
が大きくなる共に、電界効果移動度が高くなり、代表的には電界効果移動度が１０ｃｍ^２
／Ｖ・ｓ以上、さらには２０ｃｍ^２／Ｖ・ｓ以上となる。なお、トランジスタのＬ長を０
．５μｍ以上６．５μｍ以下、好ましくは１μｍより大きく６μｍ未満とすることで、電
界効果移動度の増加が顕著である。

また、エッチング等で加工された金属酸化物膜２０９ａの端部においては、加工におけ
るダメージにより欠陥が形成される共に、不純物付着などにより汚染される。このため、
トランジスタにおいてゲート電極として機能する導電膜２０３または導電膜２４３の一方
のみ形成される場合、金属酸化物膜２０９ａが真性または実質的に真性であっても、電界
などのストレスが与えられることによって金属酸化物膜２０９ａの端部は活性化され、ｎ
型の領域（低抵抗領域）となりやすい。また、当該ｎ型の領域が、導電膜２１３ａ、２１
３の間に直線的に設けられると、ｎ型の領域がキャリアのパスとなってしまい、寄生チャ
ネルが形成される。この結果、しきい値電圧におけるドレイン電流の上昇が段階的であり
、且つしきい値電圧がマイナスシフトしたトランジスタとなってしまう。しかしながら、
図１１（Ｂ）及び図１１（Ｃ）に示すように、同電位である導電膜２０３及び導電膜２４
３を有し、チャネル幅方向において、導電膜２４３が、金属酸化物膜２０９ａの側面と対
向することで、導電膜２４３の電界が金属酸化物膜２０９ａの側面へも影響する。この結
果、金属酸化物膜２０９ａの側面、または側面及びその近傍を含む端部における寄生チャ
ネルの発生が抑制される。この結果、しきい値電圧におけるドレイン電流の上昇が急峻で
ある、電気特性の優れたトランジスタとなる。

また、導電膜２０３及び導電膜２４３を有することで、それぞれが外部からの電界を遮
蔽する機能を有するため、基板２０１及び導電膜２４３の間、導電膜２４３上に設けられ
る固定電荷が金属酸化物膜２０９ａに影響しない。この結果、ストレス試験（例えば、ゲ
ート電極にマイナスの電位を印加する－ＧＢＴ（Ｇａｔｅ Ｂｉａｓ－Ｔｅｍｐｅｒａｔ
ｕｒｅ）ストレス試験）の劣化が抑制されると共に、異なるドレイン電圧におけるオン電
流の立ち上がり電圧の変動を抑制することができる。

なお、ＢＴストレス試験は加速試験の一種であり、長期間の使用によって起こるトラン
ジスタの特性変化（即ち、経年変化）を、短時間で評価することができる。特に、ＢＴス
トレス試験前後におけるトランジスタのしきい値電圧の変動量は、信頼性を調べるための
重要な指標となる。ＢＴストレス試験前後において、しきい値電圧の変動量が少ないほど
、信頼性が高いトランジスタであるといえる。

また、図１１（Ｂ）及び図１１（Ｃ）において、チャネル幅方向において、金属酸化物
膜１０９ａの一方の側面側に開口部が設けれ、該開口部において導電膜２０３及び導電膜
２４３が電気的に接続しているが、他方の側面側にも開口部を設け、該開口部において導
電膜２０３及び導電膜２４３を電気的に接続してもよい。この結果、導電膜２４３の抵抗
値の増加を防ぐことができるとともに、金属酸化物膜２０９ａの両側面から導電膜２４３
の電界を金属酸化物膜２０９ａに影響させることが可能であり、トランジスタのオン電流
を増大させるとともに、電界効果移動度を高めることができる。

なお、本実施の形態に示す構成及び方法などは、他の実施の形態に示す構成及び方法な
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）
実施の形態１乃至実施の形態４に示すトランジスタ及び容量素子を用いて、駆動回路を
作製することができる。

また、実施の形態４に示すトランジスタ２２ｄは、オン電流が大きく、且つ移動度が高
い。このため、大電流を流す必要のあるトランジスタで構成される回路、例えばバッファ
にトランジスタ２２ｄを用いることで、チャネル長及びチャネル幅を小さくすることが可
能であり、トランジスタの面積を縮小することが可能である。この結果、駆動回路の面積
が縮小される。周辺部に駆動回路を有する半導体装置、代表的には表示装置において、駆
動回路の面積を縮小することで、表示装置における画素部の面積を増大させることができ
る。すなわち、表示装置の狭額縁化が可能である。

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

（実施の形態６）
本実施の形態では、半導体装置の一例として、上記実施の形態で説明した半導体装置を
搭載することのできる電子機器について説明する。

電子機器として、例えば、テレビジョン装置（テレビ、またはテレビジョン受信機とも
いう）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタ
ルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、携帯型ゲーム機、
携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などが挙げられる。これら
の電子機器の具体例を図１２に示す。

図１２（Ａ）は、テレビジョン装置の一例を示している。テレビジョン装置７１００は
、筐体７１０１に表示部７１０３が組み込まれている。表示部７１０３により、映像を表
示することが可能であり、上記実施の形態で説明した表示装置を表示部７１０３に用いる
ことができる。また、ここでは、スタンド７１０５により筐体７１０１を支持した構成を
示している。

テレビジョン装置７１００の操作は、筐体７１０１が備える操作スイッチや、別体のリ
モートコントローラ７１１０により行うことができる。リモートコントローラ７１１０が
備える操作キー７１０９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７１
０３に表示される映像を操作することができる。また、リモートコントローラ７１１０に
、当該リモートコントローラから出力する情報を表示する表示部７１０７を設ける構成と
してもよい。

なお、テレビジョン装置７１００は、受信機やモデムなどを備えた構成とする。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または無線
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）または双方
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
。

図１２（Ｂ）はコンピュータであり、本体７２０１、筐体７２０２、表示部７２０３、
キーボード７２０４、外部接続ポート７２０５、ポインティングデバイス７２０６等を含
む。なお、コンピュータは、上記実施の形態で説明した表示装置を表示部７２０３に用い
ることができる。

図１２（Ｃ）は携帯型遊技機であり、筐体７３０１と筐体７３０２の２つの筐体で構成
されており、連結部７３０３により、開閉可能に連結されている。筐体７３０１には表示
部７３０４が組み込まれ、筐体７３０２には表示部７３０５が組み込まれている。また、
図１２（Ｃ）に示す携帯型遊技機は、その他、スピーカ部７３０６、記録媒体挿入部７３
０７、ＬＥＤランプ７３０８、入力手段（操作キー７３０９、接続端子７３１０、センサ
７３１１（力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度
、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、
振動、においまたは赤外線を測定する機能を含むもの）、マイクロフォン７３１２）等を
備えている。もちろん、携帯型遊技機の構成は上述のものに限定されず、少なくとも表示
部７３０４および表示部７３０５の両方、または一方に上記実施の形態で説明した表示装
置を用いていればよく、その他付属設備が適宜設けられた構成とすることができる。図１
２（Ｃ）に示す携帯型遊技機は、記録媒体に記録されているプログラムまたはデータを読
み出して表示部に表示する機能や、他の携帯型遊技機と無線通信を行って情報を共有する
機能を有する。なお、図１２（Ｃ）に示す携帯型遊技機が有する機能はこれに限定されず
、様々な機能を有することができる。

図１２（Ｄ）は、携帯電話機の一例を示している。携帯電話機７４００は、筐体７４０
１に組み込まれた表示部７４０２の他、操作ボタン７４０３、外部接続ポート７４０４、
スピーカ７４０５、マイク７４０６などを備えている。なお、携帯電話機７４００は、上
記実施の形態で説明した表示装置を表示部７４０２に用いることにより作製される。

図１２（Ｄ）に示す携帯電話機７４００は、表示部７４０２を指などで触れることで、
情報を入力することができる。また、電話を掛ける、或いはメールを作成するなどの操作
は、表示部７４０２を指などで触れることにより行うことができる。

表示部７４０２の画面は主として３つのモードがある。第１は、画像の表示を主とする
表示モードであり、第２は、文字等の情報の入力を主とする入力モードである。第３は表
示モードと入力モードの２つのモードが混合した表示＋入力モードである。

例えば、電話を掛ける、或いはメールを作成する場合は、表示部７４０２を文字の入力
を主とする文字入力モードとし、画面に表示させた文字の入力操作を行えばよい。この場
合、表示部７４０２の画面のほとんどにキーボードまたは番号ボタンを表示させることが
好ましい。

また、携帯電話機７４００内部に、ジャイロ、加速度センサ等の傾きを検出するセンサ
を有する検出装置を設けることで、携帯電話機７４００の向き（縦か横か）を判断して、
表示部７４０２の画面表示を自動的に切り替えるようにすることができる。

また、画面モードの切り替えは、表示部７４０２を触れること、または筐体７４０１の
操作ボタン７４０３の操作により行われる。また、表示部７４０２に表示される画像の種
類によって切り替えるようにすることもできる。例えば、表示部に表示する画像信号が動
画のデータであれば表示モード、テキストデータであれば入力モードに切り替える。

また、入力モードにおいて、表示部７４０２の光センサで検出される信号を検知し、表
示部７４０２のタッチ操作による入力が一定期間ない場合には、画面のモードを入力モー
ドから表示モードに切り替えるように制御してもよい。

表示部７４０２は、イメージセンサとして機能させることもできる。例えば、表示部７
４０２に掌や指で触れ、掌紋、指紋等を撮像することで、本人認証を行うことができる。
また、表示部に近赤外光を発光するバックライトまたは近赤外光を発光するセンシング用
光源を用いれば、指静脈、掌静脈などを撮像することもできる。

図１２（Ｅ）は、折りたたみ式のコンピュータの一例を示している。折りたたみ式のコ
ンピュータ７４５０は、ヒンジ７４５４で接続された筐体７４５１Ｌと筐体７４５１Ｒを
備えている。また、操作ボタン７４５３、左側スピーカ７４５５Ｌおよび右側スピーカ７
４５５Ｒの他、コンピュータ７４５０の側面には図示されていない外部接続ポート７４５
６を備える。なお、筐体７４５１Ｌに設けられた表示部７４５２Ｌと、筐体７４５１Ｒに
設けられた表示部７４５２Ｒが互いに対峙するようにヒンジ７４５４を折り畳むと、表示
部を筐体で保護することができる。

表示部７４５２Ｌと表示部７４５２Ｒは、画像を表示する他、指などで触れると情報を
入力できる。例えば、インストール済みのプログラムを示すアイコンを指でふれて選択し
、プログラムを起動できる。または、表示された画像の二箇所に触れた指の間隔を変えて
、画像を拡大または縮小できる。または、表示された画像の一箇所に触れた指を移動して
画像を移動できる。また、キーボードの画像を表示して、表示された文字や記号を指で触
れて選択し、情報を入力することもできる。

また、コンピュータ７４５０に、ジャイロ、加速度センサ、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐ
ｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）受信機、指紋センサ、ビデオカメラを搭載するこ
ともできる。例えば、ジャイロ、加速度センサ等の傾きを検出するセンサを有する検出装
置を設けることで、コンピュータ７４５０の向き（縦か横か）を判断して、表示する画面
の向きを自動的に切り替えるようにすることができる。

また、コンピュータ７４５０はネットワークに接続できる。コンピュータ７４５０はイ
ンターネット上の情報を表示できる他、ネットワークに接続された他の電子機器を遠隔か
ら操作する端末として用いることができる。

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

Claims (4)

1. 透光性の画素電極と、平面視において前記画素電極と重なる領域を有する透光性の第１の金属酸化物膜と、前記画素電極と電気的に接続されたトランジスタと、前記トランジスタと電気的に接続されたソース配線と、前記第１の金属酸化物膜と接続された補助配線と、を有する液晶表示装置であって、
   前記トランジスタは、第２の金属酸化物膜にチャネル形成領域を有し、
   前記トランジスタ上に設けられた絶縁層を介して前記画素電極と前記第１の金属酸化物膜は、重なり、
   前記絶縁層は、前記画素電極と前記第１の金属酸化物膜に接し、
   前記補助配線は、前記ソース配線と平行に配置される領域を有し、
   前記補助配線は、前記ソース配線と同じ材料を有し、
   前記補助配線は、前記ソース配線が延伸する方向に配置された３つ以上の画素に渡って配置され、
   前記画素電極は、導電膜を介して前記トランジスタと接続され、
   前記導電膜は、前記第２の金属酸化物膜と接続され、
   前記画素電極は、前記絶縁層に設けられたコンタクトホールにおいて前記導電膜と接続され、
   平面視において、前記画素電極は、前記補助配線と重ならない液晶表示装置。
2. 透光性の画素電極と、平面視において前記画素電極と重なる領域を有する透光性の第１の金属酸化物膜と、前記画素電極と電気的に接続されたトランジスタと、前記トランジスタと電気的に接続されたソース配線と、前記第１の金属酸化物膜と接続された補助配線と、を有する液晶表示装置であって、
   前記トランジスタは、第２の金属酸化物膜にチャネル形成領域を有し、
   前記トランジスタ上に設けられた絶縁層を介して前記画素電極と前記第１の金属酸化物膜は、重なり、
   前記絶縁層は、前記画素電極と前記第１の金属酸化物膜に接し、
   前記補助配線は、前記ソース配線と平行に配置される領域を有し、
   前記補助配線は、前記第１の金属酸化物膜上に直接接するように設けられ、
   前記補助配線は、前記ソース配線と同じ材料を有し、
   前記補助配線は、前記ソース配線が延伸する方向に配置された３つ以上の画素に渡って配置され、
   前記画素電極は、導電膜を介して前記トランジスタと接続され、
   前記導電膜は、前記第２の金属酸化物膜と接続され、
   前記画素電極は、前記絶縁層に設けられたコンタクトホールにおいて前記導電膜と接続され、
   平面視において、前記画素電極は、前記補助配線と重ならない液晶表示装置。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記絶縁層は、窒化物絶縁膜である液晶表示装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一において、
   前記第２の金属酸化物膜は、前記チャネル形成領域上において酸化物絶縁膜に接する液晶表示装置。

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