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Description

本発明の一形態は、酸化物半導体を用いた電界効果型トランジスタを有する論理回路に
関する。また、該論理回路を有する半導体装置に関する。
なお、本明細書において、半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装
置全般を指し、電気光学装置、半導体回路及び電気機器は全て半導体装置である。
絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いて薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）
を構成する技術が注目されている。薄膜トランジスタは液晶テレビに代表されるような表
示装置に用いられている。薄膜トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン系半
導体材料が公知であるが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。
酸化物半導体の材料としては、酸化亜鉛又は酸化亜鉛を成分とするものが知られている
。そして、電子キャリア密度が１０１８／ｃｍ３未満である非晶質酸化物（酸化物半導体
）からなるもので形成された薄膜トランジスタが開示されている（特許文献１乃至３）。
特開２００６－１６５５２７号公報 特開２００６－１６５５２８号公報 特開２００６－１６５５２９号公報
しかしながら、酸化物半導体は薄膜形成工程において化学量論的組成からのずれが生じ
てしまう。例えば、酸素の過不足によって酸化物半導体の電気伝導度が変化してしまう。
また、酸化物半導体の薄膜形成中に混入する水素が酸素（Ｏ）－水素（Ｈ）結合を形成し
て電子供与体となり、電気伝導度を変化させる要因となる。さらにＯ－Ｈは極性分子なの
で、酸化物半導体によって作製される薄膜トランジスタのような能動デバイスに対して特
性の変動要因となる。
電子キャリア密度が１０１８／ｃｍ３未満としても、酸化物半導体においては実質的に
はｎ型であり、前記特許文献に開示される薄膜トランジスタのオン・オフ比は１０３しか
得られていない。このような薄膜トランジスタのオン・オフ比が低い理由はオフ電流が高
いことによるものである。
オン・オフ比はスイッチとしての特性を表す指標であり、オン・オフ比が低い薄膜トラ
ンジスタによって構成される回路は、回路動作が不安定になる。また、オフ電流が高いこ
とにより、無駄に電流が流れ消費電力が増加するという問題がある。
上述した課題に鑑み、本発明の一形態は、酸化物半導体を用いて形成された薄膜トラン
ジスタによって構成される論理回路の誤動作を低減することを課題の一とする。
また、本発明の一態様は、酸化物半導体を用いて形成された薄膜トランジスタによって
構成される論理回路の消費電力を低減することを課題の一とする。
本発明の一形態は、酸化物半導体中で電子供与体（ドナー）となり得る不純物（水素又
は水など）を除去することで、真性又は実質的に真性な半導体であって、シリコン半導体
よりもエネルギーギャップが大きい酸化物半導体でチャネル形成領域が形成される薄膜ト
ランジスタによって論理回路を構成するものである。
具体的には、酸化物半導体に含まれる水素が５×１０１９／ｃｍ３以下、好ましくは５
×１０１８／ｃｍ３以下、より好ましくは５×１０１７／ｃｍ３以下として、酸化物半導
体に含まれる水素若しくはＯＨ結合を除去し、キャリア密度を５×１０１４／ｃｍ３以下
、好ましくは５×１０１２／ｃｍ３以下とした酸化物半導体でチャネル形成領域が形成さ
れる薄膜トランジスタによって論理回路が構成されるものである。
当該酸化物半導体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以上として、ドナーを形成する水素等の不純物を極力低減し、キャ
リア密度を１×１０１４／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１２／ｃｍ３以下となるよう
にする。
このように高純度化された酸化物半導体は、薄膜トランジスタのチャネル形成領域に用
いることで、チャネル幅が１０ｍｍの場合でさえも、ドレイン電圧が１Ｖ及び１０Ｖの場
合において、ゲート電圧が－５Ｖから－２０Ｖの範囲において、ドレイン電流は１×１０
－１３［Ａ］以下となるように作用する。
すなわち、本発明の一態様は、薄膜トランジスタと、薄膜トランジスタがオフすること
によって、一方の端子が電気的に接続されたノードの電位が浮遊状態となる容量素子と、
を有し、薄膜トランジスタのチャネル形成領域は、水素濃度が５×１０１９（ａｔｏｍｓ
／ｃｍ３）以下の酸化物半導体によって構成されることを特徴とする論理回路である。
なお、本明細書において、濃度は二次イオン質量分析法（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ
Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ。以下、ＳＩＭＳともいう。）によるものである
。ただし、他の計測法が挙げられている場合など、特に記載がある場合にはこの限りでは
ない。
また、上記の論理回路を有する半導体装置も本発明の一態様である。
本発明の一態様の論理回路は、チャネル形成領域が酸化物半導体によって構成された薄
膜トランジスタと、該薄膜トランジスタがオフすることによって、一方の端子の電位が浮
遊状態となる容量素子とを有する。該酸化物半導体は、水素濃度が低減された酸化物半導
体である。具体的には、当該酸化物半導体の水素濃度は、５×１０１９（ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ３）以下である。また、当該酸化物半導体は、無電界中においては、絶縁体又は絶縁体
に近い半導体（実質的には絶縁体）として機能する。そのため、当該薄膜トランジスタの
オフ電流を低減することができる。これにより、当該容量素子に蓄積された電荷の当該薄
膜トランジスタを介したリークを抑制することができる。その結果、当該論理回路の誤動
作を防止することができる。また、当該容量素子の一方の端子の電位が浮遊状態にある期
間を長くすることもできる。別言すると、当該容量素子への情報の再書き込み（リフレッ
シュともいう）の頻度を低減することができる。
また、当該薄膜トランジスタのオフ電流を低減することにより当該論理回路内に流れる
無駄な電流を低減することができる。これにより、当該論理回路の消費電力を低減するこ
とができる。
インバータの一例を示す（Ａ）、（Ｃ）回路図、（Ｂ）、（Ｄ）タイミングチャート。 （Ａ）～（Ｄ）インバータの一例を示す回路図。 シフトレジスタの一例を示す（Ａ）回路図、（Ｂ）タイミングチャート。 シフトレジスタの一例を示す（Ａ）回路図、（Ｂ）タイミングチャート。 薄膜トランジスタの一例を示す（Ａ）平面図、（Ｂ）断面図。 （Ａ）～（Ｅ）薄膜トランジスタの作製方法の一例を示す断面図。 薄膜トランジスタの一例を示す（Ａ）平面図、（Ｂ）断面図。 （Ａ）～（Ｅ）薄膜トランジスタの作製方法の一例を示す断面図。 （Ａ）、（Ｂ）薄膜トランジスタの一例を示す断面図。 （Ａ）～（Ｅ）薄膜トランジスタの作製方法の一例を示す断面図。 （Ａ）～（Ｅ）薄膜トランジスタの作製方法の一例を示す断面図。 （Ａ）～（Ｄ）薄膜トランジスタの作製方法の一例を示す断面図。 （Ａ）～（Ｄ）薄膜トランジスタの作製方法の一例を示す断面図。 薄膜トランジスタの一例を示す断面図。 半導体装置の一例を示す（Ａ）、（Ｃ）平面図、（Ｂ）断面図。 半導体装置の画素等価回路の一例を示す図。 （Ａ）～（Ｃ）半導体装置の一例を示す断面図。 半導体装置の一例を示す（Ａ）平面図、（Ｂ）断面図。 半導体装置の一例を示す断面図。 （Ａ）、（Ｂ）半導体装置の一例を示す図。 （Ａ）、（Ｂ）半導体装置の一例を示す図。 半導体装置の一例を示す図。 半導体装置の一例を示す図。 酸化物半導体を用いたＭＯＳトランジスタのソース－ドレイン間のバンド構造を示す図。 図２４においてドレイン側に正の電圧が印加された状態を示す図。 酸化物半導体を用いたＭＯＳトランジスタのＭＯＳ構造のエネルギーバンド図であり、（Ａ）ゲート電圧を正とした場合、（Ｂ）ゲート電圧を負とした場合を示す図。 シリコンＭＯＳトランジスタのソース－ドレイン間のバンド構造を示す図。 薄膜トランジスタの一例の初期特性を示す図。 （Ａ）、（Ｂ）薄膜トランジスタの一例の評価用素子の上面図。 （Ａ）、（Ｂ）薄膜トランジスタの一例の評価用素子のＶｇ－Ｉｄ特性を示す図。
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明
は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態
および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、
本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
なお、トランジスタのソース端子及びドレイン端子は、トランジスタの構造や動作条件
等によって替わるため、いずれがソース端子又はドレイン端子であるかを特定することが
困難である。そこで、本明細書においては、ソース端子及びドレイン端子の一方を第１端
子、ソース端子及びドレイン端子の他方を第２端子と表記し、区別することとする。
また、各実施の形態の図面等において示す各構成の、大きさ、層の厚さ、又は領域は、
明瞭化のために誇張されて表記している場合がある。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」などの序数は、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。
（実施の形態１）
本実施の形態では、論理回路の一例について説明する。具体的には、チャネル形成領域
が酸化物半導体によって構成される薄膜トランジスタを有するインバータの一例について
図１及び図２を用いて説明する。
図１（Ａ）は、本実施の形態のインバータの一例を示す回路図である。図１（Ａ）に示
したインバータは、薄膜トランジスタ１１乃至薄膜トランジスタ１４と、容量素子１５と
を有する。ここでは、薄膜トランジスタ１１は、デプレッション型トランジスタであり、
薄膜トランジスタ１２乃至薄膜トランジスタ１４はエンハンスメント型トランジスタであ
るとする。なお、本明細書においては、ｎチャネル型であり且つしきい値電圧が正の場合
は、エンハンスメント型トランジスタと呼び、ｎチャネル型であり且つしきい値電圧が負
の場合は、デプレッション型トランジスタと呼ぶこととする。
薄膜トランジスタ１１は、第１端子が高電源電位（ＶＤＤ）を供給する配線（以下、高
電源電位線ともいう）に電気的に接続される。
薄膜トランジスタ１２は、ゲート端子が入力信号（ＩＮ）を供給する配線（以下、入力
信号線ともいう）に電気的に接続され、第１端子が薄膜トランジスタ１１のゲート端子及
び第２端子に電気的に接続される。
薄膜トランジスタ１３は、ゲート端子がパルス信号（ＰＳ）を供給する配線（以下、パ
ルス信号線ともいう）に電気的に接続され、第１端子が薄膜トランジスタ１２の第２端子
に電気的に接続され、第２端子が低電源電位（ＶＳＳ）を供給する配線（以下、低電源電
位線ともいう）に電気的に接続される。
薄膜トランジスタ１４は、ゲート端子がパルス信号線に電気的に接続され、第１端子が
薄膜トランジスタ１１のゲート端子及び第２端子並びに薄膜トランジスタ１２の第１端子
に電気的に接続され、第２端子が出力信号を出力する配線（以下、出力信号線ともいう）
に電気的に接続される。
容量素子１５は、一方の端子が薄膜トランジスタ１４の第２端子及び出力信号線に電気
的に接続され、他方の端子が低電源電位線に電気的に接続される。
なお、薄膜トランジスタ１１は、第１端子が高電源電位線に電気的に接続され、ゲート
端子と第２端子が電気的に接続されたデプレッション型トランジスタである。つまり、薄
膜トランジスタ１１は、期間によらずオン状態を維持する。別言すると、薄膜トランジス
タ１１は、抵抗素子として利用されている。
また、本明細書において、高電源電位（ＶＤＤ）及び低電源電位（ＶＳＳ）とは、それ
ぞれを比較したときに高電源電位（ＶＤＤ）が低電源電位（ＶＳＳ）より高くなればどの
ような電位であってもよい。例えば、低電源電位（ＶＳＳ）として、接地電位又は０Ｖな
どを適用し、高電源電位（ＶＤＤ）として、任意の正電位を適用することなどができる。
次いで、図１（Ａ）に示した回路の動作について、図１（Ｂ）に示すタイミングチャー
トを参照しながら説明する。なお、図１（Ｂ）では、便宜上、薄膜トランジスタ１１のゲ
ート端子及び第２端子、薄膜トランジスタ１２の第１端子並びに薄膜トランジスタ１４の
第１端子が電気的に接続するノードをノードＡとして説明する。
期間Ｔ１において、入力信号（ＩＮ）及びパルス信号（ＰＳ）の電位がハイレベルに増
加する。そのため、薄膜トランジスタ１２、薄膜トランジスタ１３、薄膜トランジスタ１
４がオンする。これにより、ノードＡ及び容量素子の一方の端子が低電源電位線に電気的
に接続する。つまり、ノードＡの電位及びインバータの出力信号（ＯＵＴ）がロウレベル
に低下する。また、容量素子１５には、電荷が蓄積されない。
期間Ｔ２において、パルス信号（ＰＳ）の電位がロウレベルに低下する。そのため、薄
膜トランジスタ１３及び薄膜トランジスタ１４がオフする。薄膜トランジスタ１３のオフ
に伴い、ノードＡの電位がハイレベルに増加する。また、薄膜トランジスタ１４のオフに
伴い、容量素子１５の一方の端子の電位は浮遊状態となる。そのため、インバータの出力
信号（ＯＵＴ）はロウレベルに維持される。
期間Ｔ３において、入力信号（ＩＮ）の電位がロウレベルに低下し、パルス信号（ＰＳ
）の電位がハイレベルに増加する。そのため、薄膜トランジスタ１２がオフし、薄膜トラ
ンジスタ１３及び薄膜トランジスタ１４がオンする。これにより、ノードＡ及び容量素子
１５の一方の端子が、薄膜トランジスタ１１を介して高電源電位線に電気的に接続する。
つまり、ノードＡの電位及びインバータの出力信号（ＯＵＴ）がハイレベルに増加する。
また、容量素子１５の一方の端子には、正電荷が蓄積される。
本実施の形態のインバータが有する複数の薄膜トランジスタは、チャネル形成領域が酸
化物半導体によって構成される。該酸化物半導体は、水素濃度が低減された酸化物半導体
である。具体的には、当該酸化物半導体の水素濃度は、５×１０１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３）以下であり、無電界中においては、絶縁体又は絶縁体に近い半導体（実質的には絶縁
体）として機能する。そのため、当該酸化物半導体によってチャネル形成領域が構成され
る薄膜トランジスタのオフ電流を低減することができる。これにより、当該薄膜トランジ
スタを介した電荷のリークを抑制することができる。
例えば、薄膜トランジスタ１４のチャネル形成領域が当該酸化物半導体によって構成さ
れることによって、容量素子１５の一方の端子の電位が浮遊状態にある期間（期間Ｔ２）
における電位の変化量（期間Ｔ２における電位の増加など）を低減することができる。こ
れにより、当該インバータの誤動作を防止することができる。また、容量素子１５の一方
の端子の電位が浮遊状態にある期間を長くすることもできる。別言すると、容量素子１５
への情報の再書き込み（リフレッシュともいう）の頻度を低減することができる。
また、薄膜トランジスタ１３のチャネル形成領域が当該酸化物半導体によって構成され
ることによって、入力信号（ＩＮ）の電位がハイレベルであり且つパルス信号（ＰＳ）の
電位がロウレベルである期間（期間Ｔ２）に高電源電位線から低電源電位線に流れる貫通
電流を低減することができる。これにより、当該インバータの消費電力を低減することが
できる。
なお、本実施の形態のインバータは、図１（Ａ）に示したインバータに限定されない。
以下に、図１（Ｃ）を参照しながら、図１（Ａ）に示したインバータと異なるインバータ
の一例について説明する。
図１（Ｃ）に示すインバータは、薄膜トランジスタ２１乃至薄膜トランジスタ２４と、
容量素子２５とを有する。ここでは、薄膜トランジスタ２１は、デプレッション型トラン
ジスタであり、薄膜トランジスタ２２乃至薄膜トランジスタ２４はエンハンスメント型ト
ランジスタであるとする。
薄膜トランジスタ２１は、第１端子が高電源電位線に電気的に接続される。
薄膜トランジスタ２２は、ゲート端子がパルス信号線に電気的に接続され、第１端子が
薄膜トランジスタ２１のゲート端子及び第２端子に電気的に接続される。
薄膜トランジスタ２３は、ゲート端子が入力信号線に電気的に接続され、第１端子が薄
膜トランジスタ２２の第２端子に電気的に接続され、第２端子が低電源電位線に電気的に
接続される。
薄膜トランジスタ２４は、ゲート端子がパルス信号線に電気的に接続され、第１端子が
薄膜トランジスタ２２の第２端子及び薄膜トランジスタ２３の第１端子に電気的に接続さ
れ、第２端子が出力信号線に電気的に接続される。
容量素子２５は、一方の端子が薄膜トランジスタ２４の第２端子及び出力信号線に電気
的に接続され、他方の端子が低電源電位線に電気的に接続される。
端的に言うと、図１（Ｃ）に示すインバータは、図１（Ａ）に示した薄膜トランジスタ
１３を薄膜トランジスタ２２に置換した回路である。
次いで、図１（Ｃ）に示した回路の動作について、図１（Ｄ）に示すタイミングチャー
トを参照しながら説明する。なお、図１（Ｄ）では、便宜上、薄膜トランジスタ２２の第
２端子、薄膜トランジスタ２３の第１端子及び薄膜トランジスタ２４の第１端子が電気的
に接続するノードをノードＢとして説明する。
期間Ｔ４において、入力信号（ＩＮ）及びパルス信号（ＰＳ）の電位がハイレベルに増
加する。そのため、薄膜トランジスタ２２、薄膜トランジスタ２３、薄膜トランジスタ２
４がオンする。これにより、ノードＢ及び容量素子２５の一方の端子が低電源電位線に電
気的に接続する。つまり、ノードＢの電位及びインバータの出力信号（ＯＵＴ）がロウレ
ベルに低下する。また、容量素子２５には、電荷が蓄積されない。
期間Ｔ５において、パルス信号（ＰＳ）の電位がロウレベルに低下する。そのため、薄
膜トランジスタ２２及び薄膜トランジスタ２４がオフする。薄膜トランジスタ２４のオフ
に伴い、容量素子２５の一方の端子の電位は浮遊状態となる。そのため、インバータの出
力信号（ＯＵＴ）はロウレベルに維持される。なお、ノードＢの電位は、ロウレベルであ
る。
期間Ｔ６において、入力信号（ＩＮ）の電位がロウレベルに低下し、パルス信号（ＰＳ
）の電位がハイレベルに増加する。そのため、薄膜トランジスタ２３がオフし、薄膜トラ
ンジスタ２２及び薄膜トランジスタ２４がオンする。これにより、ノードＢ及び容量素子
２５の一方の端子が、薄膜トランジスタ２１を介して高電源電位線に電気的に接続する。
つまり、ノードＢの電位及びインバータの出力信号（ＯＵＴ）がハイレベルに増加する。
また、容量素子２５の一方の端子には、正電荷が蓄積される。
図１（Ｃ）に示したインバータが有する複数の薄膜トランジスタは、チャネル形成領域
が酸化物半導体によって構成される。該酸化物半導体は、水素濃度が低減された酸化物半
導体である。具体的には、当該酸化物半導体の水素濃度は、５×１０１９（ａｔｏｍｓ／
ｃｍ３）以下であり、無電界中においては、絶縁体又は絶縁体に近い半導体（実質的には
絶縁体）として機能する。そのため、当該酸化物半導体によってチャネル形成領域が構成
される薄膜トランジスタのオフ電流を低減することができる。これにより、当該薄膜トラ
ンジスタを介した電荷のリークを抑制することができる。
例えば、薄膜トランジスタ２４のチャネル形成領域が当該酸化物半導体によって構成さ
れることによって、容量素子２５の一方の端子の電位が浮遊状態にある期間における電位
の変化量を低減することができる。これにより、当該インバータの誤動作を防止すること
ができる。また、ノードＢが浮遊状態にある期間を長くすることもできる。別言すると、
容量素子２５への情報の再書き込み（リフレッシュともいう）の頻度を低減することがで
きる。
また、薄膜トランジスタ２２のチャネル形成領域が当該酸化物半導体によって構成され
ることによって、入力信号（ＩＮ）の電位がハイレベルであり且つパルス信号（ＰＳ）の
電位がロウレベルである期間（期間Ｔ５）に高電源電位線から低電源電位線に流れる貫通
電流を低減することができる。これにより、当該インバータの消費電力を低減することが
できる。
また、上述したインバータでは、高電源電位線に電気的に接続する薄膜トランジスタに
デプレション型トランジスタを適用したが、当該薄膜トランジスタをエンハンスメント型
トランジスタとすることもできる。図２（Ａ）には、図１（Ａ）に示したインバータが有
する薄膜トランジスタ１１をエンハンスメント型トランジスタである薄膜トランジスタ３
１に置換した図を示す。同様に、図２（Ｂ）には、図１（Ｃ）に示したインバータが有す
る薄膜トランジスタ２１をエンハンスメント型トランジスタである薄膜トランジスタ４１
に置換した図を示す。なお、薄膜トランジスタ３１及び薄膜トランジスタ４１は、ゲート
端子及び第１端子が高電源電位線に電気的に接続される。
また、上述したインバータでは、容量素子を有する構成について示したが、当該容量素
子がなくても、当該インバータは機能し得る。図２（Ｃ）には、図２（Ａ）に示したイン
バータから容量素子１５を削除した図を示す。同様に、図２（Ｄ）には、図２（Ｂ）に示
したインバータから容量素子２５を削除した図を示す。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態２）
本実施の形態では、論理回路の一例について説明する。具体的には、実施の形態１に示
したインバータを有するシフトレジスタの一例について、図３及び図４を用いて説明する
。
本実施の形態のシフトレジスタは、複数のパルス出力回路と、該複数のパルス出力回路
の奇数番目に電気的に接続された、第１のクロック信号（ＣＫ１）を供給する配線（以下
、第１のクロック信号線ともいう）と、該複数のパルス出力回路の偶数番目に電気的に接
続された、第２のクロック信号（ＣＫ２）を供給する配線（以下、第２のクロック信号線
ともいう）と、を有する。さらに、各パルス出力回路の入力端子は、スタートパルス信号
（ＳＰ）を供給する配線（以下、スタートパルス線ともいう）又は前段のパルス出力回路
の出力端子に電気的に接続される。
パルス出力回路の具体的な回路構成例について図３（Ａ）を参照しながら説明する。な
お、図３（Ａ）では、パルス出力回路１１０、１２０、１３０を図示している。
パルス出力回路１１０は、薄膜トランジスタ１０１乃至薄膜トランジスタ１０４と、容
量素子１０５とを有する。ここでは、薄膜トランジスタ１０１は、デプレッション型トラ
ンジスタであり、薄膜トランジスタ１０２乃至薄膜トランジスタ１０４はエンハンスメン
ト型トランジスタであるとする。
薄膜トランジスタ１０１は、第１端子が高電源電位線に電気的に接続される。
薄膜トランジスタ１０２は、ゲート端子がスタートパルス線に電気的に接続され、第１
端子が薄膜トランジスタ１０１のゲート端子及び第２端子に電気的に接続される。
薄膜トランジスタ１０３は、ゲート端子が第１のクロック信号線に電気的に接続され、
第１端子が薄膜トランジスタ１０２の第２端子に電気的に接続され、第２端子が低電源電
位線に電気的に接続される。
薄膜トランジスタ１０４は、ゲート端子が第１のクロック信号線に電気的に接続され、
第１端子が薄膜トランジスタ１０１のゲート端子及び第２端子並びに薄膜トランジスタ１
０２の第１端子に電気的に接続される。
容量素子１０５は、一方の端子が薄膜トランジスタ１０４の第２端子に電気的に接続さ
れ、他方の端子が低電源電位線に電気的に接続される。
すなわち、図３（Ａ）に示したパルス出力回路１１０は、図１（Ａ）に示したインバー
タによって構成される。
なお、単にパルス出力回路１１０の入力端子または出力端子と記す場合、該入力端子は
、スタートパルス信号（ＳＰ）又は前段のパルス出力回路の出力信号が入力される端子を
指し、該出力端子は、後段のパルス入力端子に対して信号を出力する端子を指すこととす
る。つまり、ここでは、薄膜トランジスタ１０２のゲート端子がパルス出力回路の入力端
子と電気的に接続され、薄膜トランジスタ１０４の第２端子及び容量素子１０５の一方の
端子が出力端子に電気的に接続されている。また、当該出力端子及び当該入力端子に該当
するものがない場合は、薄膜トランジスタ１０２のゲート端子がパルス出力回路の入力端
子であり、薄膜トランジスタ１０４の第２端子及び容量素子１０５の一方の端子が出力端
子であると表現することができる。
パルス出力回路１２０の具体的な回路構成は、パルス出力回路１１０と同じであるため
、ここでは前述の説明を援用することとする。ただし、パルス出力回路１２０においては
、入力端子がパルス出力回路１１０の出力端子に電気的に接続される点及びパルス出力回
路１１０において第１のクロック信号（ＣＫ１）が入力されていた端子に第２のクロック
信号（ＣＫ２）が入力される点がパルス出力回路１１０とは異なる。
パルス出力回路１２０以降に設けられたパルス出力回路の回路構成もパルス出力回路１
１０及びパルス出力回路１２０と同じである。そのため、ここでは前述の説明を援用する
こととする。また、上記したように、奇数番目に設けられたパルス出力回路は、第１のク
ロック信号線に電気的に接続され、偶数番目に設けられたパルス出力回路は、第２のクロ
ック信号線に電気的に接続される。
次いで、図３（Ａ）に示した回路の動作について、図３（Ｂ）に示すタイミングチャー
トを参照しながら説明する。なお、図３（Ｂ）では、便宜上、図３（Ａ）中の回路の特定
のノードにＣ～Ｇの符号を付し、当該各ノードの電位の変化を参照しながら説明する。
期間ｔ１において、スタートパルス信号（ＳＰ）の電位がハイレベルに増加する。その
ため、薄膜トランジスタ１０２がオンする。また、薄膜トランジスタ１０１は、ゲート端
子と第２端子が電気的に接続されたデプレッション型トランジスタである。つまり、薄膜
トランジスタ１０１は、期間によらずオン状態を維持する。別言すると、薄膜トランジス
タ１０１は、抵抗素子として利用されている。
期間ｔ２において、スタートパルス信号（ＳＰ）の電位がハイレベルを維持する。その
ため、薄膜トランジスタ１０２がオン状態を維持する。
期間ｔ３において、第１のクロック信号（ＣＫ１）の電位がハイレベルに増加する。そ
のため、薄膜トランジスタ１０３及び薄膜トランジスタ１０４がオンする。また、スター
トパルス信号（ＳＰ）の電位がハイレベルを維持する。そのため、薄膜トランジスタ１０
２はオン状態を維持する。これにより、ノードＣ及びノードＤが低電源電位線に電気的に
接続する。つまり、ノードＣ及びノードＤの電位がロウレベルに低下する。
期間ｔ４において、第１のクロック信号（ＣＫ１）の電位がロウレベルに低下する。そ
のため、薄膜トランジスタ１０３及び薄膜トランジスタ１０４がオフする。これにより、
ノードＣは、薄膜トランジスタ１０１を介して、高電源電位線に電気的に接続され、ノー
ドＤは、浮遊状態になる。つまり、ノードＣの電位はハイレベルに増加し、ノードＤの電
位はロウレベルを維持する。
期間ｔ５において、スタートパルス信号（ＳＰ）の電位がロウレベルに低下する。その
ため、薄膜トランジスタ１０２がオフする。また、第２のクロック信号（ＣＫ２）の電位
がハイレベルに増加する。そのため、薄膜トランジスタ１１３及び薄膜トランジスタ１１
４がオンする。これにより、ノードＦは、薄膜トランジスタ１１１を介して、高電源電位
線に電気的に接続される。つまり、ノードＦの電位がハイレベルに増加する。これにより
、薄膜トランジスタ１２２がオンする。
期間ｔ６において、第２のクロック信号（ＣＫ２）の電位がロウレベルに低下する。そ
のため、薄膜トランジスタ１１３及び薄膜トランジスタ１１４がオフする。これにより、
ノードＦは、浮遊状態になる。つまり、ノードＥ及びノードＦの電位は、ハイレベルを維
持する。
期間ｔ７において、第１のクロック信号（ＣＫ１）の電位がハイレベルに増加する。そ
のため、薄膜トランジスタ１０３、薄膜トランジスタ１０４、薄膜トランジスタ１２３及
び薄膜トランジスタ１２４がオンする。薄膜トランジスタ１０４のオンに伴い、ノードＤ
は、薄膜トランジスタ１０１を介して、高電源電位線に電気的に接続される。つまり、ノ
ードＤの電位はハイレベルに増加する。これにより、薄膜トランジスタ１１２がオンする
。また、ノードＦの電位はハイレベルを維持する。そのため、薄膜トランジスタ１２２は
オン状態を維持する。これにより、ノードＧは、低電源電位線に電気的に接続される。つ
まり、ノードＧの電位がロウレベルに低下する。
期間ｔ８において、第１のクロック信号（ＣＫ１）の電位がロウレベルに低下する。そ
のため、薄膜トランジスタ１０３、薄膜トランジスタ１０４、薄膜トランジスタ１２３及
び薄膜トランジスタ１２４がオフする。薄膜トランジスタ１０４のオフに伴い、ノードＣ
は、薄膜トランジスタ１０１を介して、高電源電位線に電気的に接続され、ノードＤは、
浮遊状態になる。そのため、ノードＣ及びノードＤの電位がハイレベルを維持する。また
、薄膜トランジスタ１２３のオフに伴い、ノードＧは、薄膜トランジスタ１２１を介して
、高電源電位線に電気的に接続される。つまり、ノードＧの電位がハイレベルに増加する
。
期間ｔ９において、第２のクロック信号（ＣＫ２）の電位がハイレベルに増加する。そ
のため、薄膜トランジスタ１１３及び薄膜トランジスタ１１４がオンする。また、ノード
Ｄの電位はハイレベルを維持している。そのため、薄膜トランジスタ１１２がオン状態を
維持する。これにより、ノードＥ及びノードＦは、低電源電位線に電気的に接続される。
つまり、ノードＥ及びノードＦの電位がロウレベルに低下する。そのため、薄膜トランジ
スタ１２２がオフする。また、スタートパルス（ＳＰ）の電位が再度ハイレベルに増加す
る。なお、当該期間以降におけるスタートパルス（ＳＰ）の電位の増加に伴う動作は、期
間ｔ１以降における動作と同じである。そのため、ここでは、前述の説明を援用すること
とする。
期間ｔ１０において、第２のクロック信号（ＣＫ２）の電位がロウレベルに低下する。
そのため、薄膜トランジスタ１１３及び薄膜トランジスタ１１４がオフする。これにより
、ノードＦは、浮遊状態になる。つまり、ノードＦの電位がロウレベルを維持する。また
、ノードＥは、薄膜トランジスタ１１１を介して、高電源電位線に電気的に接続される。
つまり、ノードＥの電位がハイレベルに増加する。
期間ｔ１０以降の動作については、上述した動作の繰り返しとなる。そのため、ここで
は前述の説明を援用することとする。
なお、各パルス出力回路が有する容量素子（容量素子１０５、１１５、１２５など）は
、各パルス出力回路の出力信号を保持するために設けられる。
本実施の形態のシフトレジスタが有する複数の薄膜トランジスタは、チャネル形成領域
が酸化物半導体によって構成される。該酸化物半導体は、水素濃度が低減された酸化物半
導体である。具体的には、当該酸化物半導体の水素濃度は、５×１０１９（ａｔｏｍｓ／
ｃｍ３）以下であり、無電界中においては、絶縁体又は絶縁体に近い半導体（実質的には
絶縁体）として機能する。そのため、当該酸化物半導体によってチャネル形成領域が構成
される薄膜トランジスタのオフ電流を低減することができる。これにより、当該薄膜トラ
ンジスタを介した電荷のリークを抑制することができる。
例えば、薄膜トランジスタ１０４のチャネル形成領域が当該酸化物半導体によって構成
されることによって、ノードＤが浮遊状態にある期間（期間ｔ４～期間ｔ６など）におけ
るノードＤの電位の変化量（期間ｔ４～期間ｔ６における電位の増加など）を低減するこ
とができる。これにより、当該シフトレジスタの誤動作を防止することができる。また、
ノードＤが浮遊状態にある期間を長くすることもできる。別言すると、容量素子１０５へ
の情報の再書き込み（リフレッシュともいう）の頻度を低減することができる。
また、薄膜トランジスタ１０３のチャネル形成領域が当該酸化物半導体によって構成さ
れることによって、スタートパルス（ＳＰ）の電位がハイレベルであり且つ第１のクロッ
ク信号（ＣＫ１）の電位がロウレベルである期間（期間ｔ１、期間ｔ２、期間ｔ４など）
に高電源電位線から低電源電位線に流れる貫通電流を低減することができる。これにより
、当該シフトレジスタの消費電力を低減することができる。
なお、本実施の形態のシフトレジスタは、図３（Ａ）に示したシフトレジスタに限定さ
れない。以下に、図４を参照しながら、図３のシフトレジスタと異なるシフトレジスタの
一例について説明する。
図４（Ａ）に示すシフトレジスタは、パルス出力回路２１０乃至パルス出力回路２３０
を有する。パルス出力回路２１０は、薄膜トランジスタ２０１乃至薄膜トランジスタ２０
４と、容量素子２０５とを有する。ここでは、薄膜トランジスタ２０１は、デプレッショ
ン型トランジスタであり、薄膜トランジスタ２０２乃至薄膜トランジスタ２０４はエンハ
ンスメント型トランジスタであるとする。
薄膜トランジスタ２０１は、第１端子が高電源電位線に電気的に接続される。
薄膜トランジスタ２０２は、ゲート端子が第１のクロック信号線に電気的に接続され、
第１端子が薄膜トランジスタ２０１のゲート端子及び第２端子に電気的に接続される。
薄膜トランジスタ２０３は、ゲート端子がスタートパルス線に電気的に接続され、第１
端子が薄膜トランジスタ２０２の第２端子に電気的に接続され、第２端子が低電源電位線
に電気的に接続される。
薄膜トランジスタ２０４は、ゲート端子が第１のクロック信号線に電気的に接続され、
第１端子が薄膜トランジスタ２０２の第２端子及び薄膜トランジスタ２０３の第１端子に
電気的に接続される。
容量素子２０５は、一方の端子が薄膜トランジスタ２０４の第２端子に電気的に接続さ
れ、他方の端子が低電源電位線に電気的に接続される。
端的に言うと、図４（Ａ）に示すパルス出力回路２１０は、図３（Ａ）に示したパルス
出力回路１１０が有する薄膜トランジスタ１０３を薄膜トランジスタ２０２に置換した回
路である。
図４（Ｂ）には、図４（Ａ）に示した回路の動作を表すタイミングチャートを示す。な
お、図４（Ｂ）では、便宜上、図４（Ａ）中の回路の特定のノードにＨ～Ｌの符号を付し
、当該各ノードの電位の変化を参照しながら説明する。
期間ｔ１１において、スタートパルス信号（ＳＰ）の電位がハイレベルに増加する。そ
のため、薄膜トランジスタ２０３がオンする。これにより、ノードＨが低電源電位線に電
気的に接続する。つまり、ノードＨの電位がロウレベルに低下する。
期間ｔ１２において、スタートパルス信号（ＳＰ）の電位がハイレベルを維持する。つ
まり、ノードＨの電位がロウレベルを維持する。
期間ｔ１３において、第１のクロック信号（ＣＫ１）の電位がハイレベルに増加する。
そのため、薄膜トランジスタ２０２及び薄膜トランジスタ２０４がオンする。また、スタ
ートパルス信号（ＳＰ）の電位がハイレベルを維持する。そのため、薄膜トランジスタ２
０３はオン状態を維持する。これにより、ノードＩが低電源電位線に電気的に接続する。
つまり、ノードＩの電位がロウレベルに低下する。
期間ｔ１４において、第１のクロック信号（ＣＫ１）の電位がロウレベルに低下する。
そのため、薄膜トランジスタ２０２及び薄膜トランジスタ２０４がオフする。これにより
、ノードＩは、浮遊状態になる。そのため、ノードＩの電位がロウレベルを維持する。
期間ｔ１５において、スタートパルス信号（ＳＰ）の電位がロウレベルに低下する。そ
のため、薄膜トランジスタ２０３がオフする。これにより、ノードＨは、浮遊状態になる
。そのため、ノードＨの電位がロウレベルを維持する。また、第２のクロック信号（ＣＫ
２）の電位がハイレベルに増加する。そのため、薄膜トランジスタ２１２及び薄膜トラン
ジスタ２１４がオンする。これにより、ノードＪ及びノードＫは、薄膜トランジスタ２１
１を介して、高電源電位線に電気的に接続される。つまり、ノードＪ及びノードＫの電位
がハイレベルに増加する。そのため、薄膜トランジスタ２２３がオンする。これにより、
ノードＬは、低電源電位線に電気的に接続される。つまり、ノードＬの電位がロウレベル
に低下する。
期間ｔ１６において、第２のクロック信号（ＣＫ２）の電位がロウレベルに低下する。
そのため、薄膜トランジスタ２１２及び薄膜トランジスタ２１４がオフする。これにより
、ノードＪ及びノードＫは、浮遊状態になる。そのため、ノードＪ及びノードＫの電位は
、ハイレベルを維持し、ノードＬの電位はロウレベルを維持する。
期間ｔ１７において、第１のクロック信号（ＣＫ１）の電位がハイレベルに増加する。
そのため、薄膜トランジスタ２０２、薄膜トランジスタ２０４、薄膜トランジスタ２２２
及び薄膜トランジスタ２２４がオンする。薄膜トランジスタ２０２及び薄膜トランジスタ
２０４のオンに伴い、ノードＨ及びノードＩは、薄膜トランジスタ２０１を介して、高電
源電位線に電気的に接続される。つまり、ノードＨ及びノードＩの電位はハイレベルに増
加する。そのため、薄膜トランジスタ２１３がオンする。これにより、ノードＪは、低電
源電位線に電気的に接続される。つまり、ノードＪの電位がロウレベルに低下する。
期間ｔ１８において、第１のクロック信号（ＣＫ１）の電位がロウレベルに低下する。
そのため、薄膜トランジスタ２０２、薄膜トランジスタ２０４、薄膜トランジスタ２２２
及び薄膜トランジスタ２２４がオフする。薄膜トランジスタ２０２及び薄膜トランジスタ
２０４のオフに伴い、ノードＨ及びノードＩは、浮遊状態になる。そのため、ノードＨ及
びノードＩの電位がハイレベルを維持する。
期間ｔ１９において、第２のクロック信号（ＣＫ２）の電位がハイレベルに増加する。
そのため、薄膜トランジスタ２１２及び薄膜トランジスタ２１４がオンする。また、ノー
ドＩの電位はハイレベルを維持している。そのため、薄膜トランジスタ２１３がオン状態
を維持する。これにより、ノードＪ及びノードＫは、低電源電位線に電気的に接続される
。つまり、ノードＪの電位がロウレベルを維持し、ノードＫの電位がロウレベルに低下す
る。そのため、薄膜トランジスタ２２３がオフする。これにより、ノードＬが低電源電位
線に電気的に接続される。つまり、ノードＬの電位がロウレベルを維持する。また、スタ
ートパルス（ＳＰ）の電位が再度ハイレベルに増加する。なお、当該期間以降におけるス
タートパルス（ＳＰ）の電位の増加に伴う動作は、期間ｔ１１以降における動作と同じで
ある。そのため、ここでは、前述の説明を援用することとする。
期間ｔ２０において、第２のクロック信号（ＣＫ２）の電位がロウレベルに低下する。
そのため、薄膜トランジスタ２１２及び薄膜トランジスタ２１４がオフする。これにより
、ノードＪ及びノードＫは、浮遊状態になる。その結果、ノードＪ及びノードＫの電位が
ロウレベルを維持する。
期間ｔ２０以降の動作については、上述した動作の繰り返しとなる。そのため、ここで
は前述の説明を援用することとする。
なお、各パルス出力回路が有する容量素子（容量素子２０５、２１５、２２５など）は
、各パルス出力回路の出力信号を保持するために設けられる。
図４に示したシフトレジスタが有する複数の薄膜トランジスタは、チャネル形成領域が
酸化物半導体によって構成される。該酸化物半導体は、水素濃度が低減された酸化物半導
体である。具体的には、当該酸化物半導体の水素濃度は、５×１０１９（ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ３）以下であり、無電界中においては、絶縁体又は絶縁体に近い半導体（実質的には絶
縁体）として機能する。そのため、当該酸化物半導体によってチャネル形成領域が構成さ
れる薄膜トランジスタのオフ電流を低減することができる。これにより、当該薄膜トラン
ジスタを介した電荷のリークを抑制することができる。
例えば、薄膜トランジスタ２０４のチャネル形成領域が当該酸化物半導体によって構成
されることによって、ノードＩが浮遊状態にある期間（期間ｔ１１、期間ｔ１２、期間ｔ
１４～期間ｔ１６、期間ｔ１８～期間ｔ２０など）における電位の変化量（期間ｔ１１、
期間ｔ１２、期間ｔ１９、期間ｔ２０などにおける電位の低下）を低減することができる
。これにより、当該シフトレジスタの誤動作を防止することができる。また、ノードＩが
浮遊状態にある期間を長くすることもできる。別言すると、容量素子２０５への情報の再
書き込み（リフレッシュともいう）の頻度を低減することができる。
また、薄膜トランジスタ２０２のチャネル形成領域が当該酸化物半導体によって構成さ
れることによって、スタートパルス（ＳＰ）の電位がハイレベルであり且つ第１のクロッ
ク信号（ＣＫ１）の電位がロウレベルである期間（期間ｔ１１、期間ｔ１２、期間ｔ１４
～期間ｔ１６、期間ｔ１８～期間ｔ２０など）に高電源電位線から低電源電位線に流れる
貫通電流を低減することができる。これにより、当該シフトレジスタの消費電力を低減す
ることができる。
また、上述したシフトレジスタでは、高電源電位線に電気的に接続する薄膜トランジス
タにデプレション型トランジスタを適用したが、当該薄膜トランジスタをエンハンスメン
ト型トランジスタとすることもできる。すなわち、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示したイ
ンバータを本実施の形態のパルス出力回路として適用することが可能である。
また、上述したシフトレジスタでは、各パルス出力回路が容量素子を有する構成につい
て示したが、当該容量素子がなくても、当該シフトレジスタは機能し得る。すなわち、図
２（Ｃ）及び図２（Ｄ）に示したインバータを本実施の形態のパルス出力回路として適用
することが可能である。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態１又は２に示した論理回路が有する薄膜トランジスタの
一例について示す。
本実施の形態の薄膜トランジスタ及びその作製方法の一形態を、図５及び図６を用いて
説明する。
図５（Ａ）、（Ｂ）に薄膜トランジスタの平面及び断面構造の一例を示す。図５（Ａ）
、（Ｂ）に示す薄膜トランジスタ４１０は、トップゲート構造の薄膜トランジスタの一つ
である。
図５（Ａ）はトップゲート構造の薄膜トランジスタ４１０の平面図であり、図５（Ｂ）
は図５（Ａ）の線Ｃ１－Ｃ２における断面図である。
薄膜トランジスタ４１０は、絶縁表面を有する基板４００上に、絶縁層４０７、酸化物
半導体層４１２、ソース電極層又はドレイン電極層４１５ａ、及びソース電極層又はドレ
イン電極層４１５ｂ、ゲート絶縁層４０２、ゲート電極層４１１を含み、ソース電極層又
はドレイン電極層４１５ａ、ソース電極層又はドレイン電極層４１５ｂにそれぞれ配線層
４１４ａ、配線層４１４ｂが接して設けられ電気的に接続している。
また、薄膜トランジスタ４１０はシングルゲート構造の薄膜トランジスタを用いて説明
したが、必要に応じて、チャネル形成領域を複数有するマルチゲート構造の薄膜トランジ
スタも形成することができる。
以下、図６（Ａ）乃至（Ｅ）を用い、基板４００上に薄膜トランジスタ４１０を作製す
る工程を説明する。
絶縁表面を有する基板４００に使用することができる基板に大きな制限はないが、少な
くとも、後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。バリウム
ホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板を用いることができる。
また、ガラス基板としては、後の加熱処理の温度が高い場合には、歪み点が７３０℃以
上のものを用いると良い。また、ガラス基板には、例えば、アルミノシリケートガラス、
アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスなどのガラス材料が用いられてい
る。一般に、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）と比較して酸化バリウム（ＢａＯ）を多く含ませる
ことで、より実用的な耐熱ガラスが得られる。このため、Ｂ２Ｏ３よりＢａＯを多く含む
ガラス基板を用いることが好ましい。
なお、上記のガラス基板に代えて、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などの
絶縁体でなる基板を用いても良い。他にも、結晶化ガラスなどを用いることができる。ま
た、プラスチック基板等も適宜用いることができる。
まず、絶縁表面を有する基板４００上に下地膜となる絶縁層４０７を形成する。酸化物
半導体層と接する絶縁層４０７は、酸化シリコン層、酸化窒化シリコン層、酸化アルミニ
ウム層、または酸化窒化アルミニウム層などの酸化物絶縁層を用いると好ましい。絶縁層
４０７の成膜方法としては、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いることがで
きるが、絶縁層４０７中に水素が多量に含まれないようにするためには、スパッタリング
法で絶縁層４０７を成膜することが好ましい。
本実施の形態では、絶縁層４０７として、スパッタリング法により酸化シリコン層を成
膜する。基板４００を処理室へ搬送し、水素及び水分が除去された高純度酸素を含むスパ
ッタガスを導入しシリコン半導体のターゲットを用いて、基板４００に絶縁層４０７とし
て、酸化シリコン層を成膜する。また基板４００は室温でもよいし、加熱されていてもよ
い。
例えば、石英（好ましくは合成石英）をターゲットとして用い、基板温度１０８℃、基
板とターゲットの間との距離（Ｔ－Ｓ間距離）を６０ｍｍ、圧力０．４Ｐａ、高周波電源
電力１．５ｋＷ、酸素及びアルゴン（酸素流量２５ｓｃｃｍ：アルゴン流量２５ｓｃｃｍ
＝１：１）雰囲気下でＲＦスパッタリング法により酸化シリコン層を成膜する。膜厚は１
００ｎｍとする。なお、石英（好ましくは合成石英）に代えてシリコンターゲットを酸化
シリコン層を成膜するためのターゲットとして用いることができる。なお、スパッタガス
として酸素又は、酸素及びアルゴンの混合ガスを用いている。
この場合において、処理室内の残留水分を除去しつつ絶縁層４０７を成膜することが好
ましい。絶縁層４０７に水素、水酸基又は水分が含まれないようにするためである。
処理室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい
。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いること
が好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを取り付けたも
のであってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素原子や、水
（Ｈ２Ｏ）など水素原子を含む化合物等が排気されるため、当該成膜室で成膜し絶縁層４
０７に含まれる不純物の濃度を低減できる。
絶縁層４０７を成膜する際に用いるスパッタガスは水素、水、水酸基又は水素化物など
の不純物が、濃度ｐｐｍ程度、濃度ｐｐｂ程度まで除去された高純度ガスを用いることが
好ましい。
スパッタリング法にはスパッタ用電源に高周波電源を用いるＲＦスパッタリング法、直
流電源を用いるＤＣスパッタリング法、さらにパルス的にバイアスを与えるパルスＤＣス
パッタリング法がある。ＲＦスパッタリング法は主に絶縁膜を成膜する場合に用いられ、
ＤＣスパッタリング法は主に金属膜を成膜する場合に用いられる。
また、材料の異なるターゲットを複数設置できる多元スパッタ装置もある。多元スパッ
タ装置は、同一チャンバーで異なる材料膜を積層成膜することも、同一チャンバーで複数
種類の材料を同時に放電させて成膜することもできる。
また、チャンバー内部に磁石機構を備えたマグネトロンスパッタリング法を用いるスパ
ッタ装置や、グロー放電を使わずマイクロ波を用いて発生させたプラズマを用いるＥＣＲ
スパッタリング法を用いるスパッタ装置がある。
また、スパッタリング法を用いる成膜方法として、成膜中にターゲット物質とスパッタ
ガス成分とを化学反応させてそれらの化合物薄膜を形成するリアクティブスパッタリング
法や、成膜中に基板にも電圧をかけるバイアススパッタリング法もある。
また、絶縁層４０７は積層構造でもよく、例えば、基板４００側から窒化シリコン層、
窒化酸化シリコン層、窒化アルミニウム層、又は窒化酸化アルミニウム層などの窒化物絶
縁層と、上記酸化物絶縁層との積層構造としてもよい。
例えば、水素及び水分が除去された高純度窒素を含むスパッタガスを導入しシリコンタ
ーゲットを用いて、酸化シリコン層と基板との間に窒化シリコン層を成膜する。この場合
においても、酸化シリコン層と同様に、処理室内の残留水分を除去しつつ窒化シリコン層
を成膜することが好ましい。
窒化シリコン層を形成する場合も、成膜時に基板を加熱してもよい。
絶縁層４０７として窒化シリコン層と酸化シリコン層とを積層する場合、窒化シリコン
層と酸化シリコン層を同じ処理室において、共通のシリコンターゲットを用いて成膜する
ことができる。先に窒素を含むスパッタガスを導入して、処理室内に装着されたシリコン
ターゲットを用いて窒化シリコン層を形成し、次にスパッタガスを酸素を含むスパッタガ
スに切り替えて同じシリコンターゲットを用いて酸化シリコン層を成膜する。窒化シリコ
ン層と酸化シリコン層とを大気に曝露せずに連続して形成することができるため、窒化シ
リコン層表面に水素や水分などの不純物が吸着することを防止することができる。
次いで、絶縁層４０７上に、膜厚２ｎｍ以上２００ｎｍ以下の酸化物半導体膜を形成す
る。
また、酸化物半導体層に水素、水酸基及び水分がなるべく含まれないようにするために
、成膜の前処理として、スパッタリング装置の予備加熱室で絶縁層４０７が形成された基
板４００を予備加熱し、基板４００に吸着した水素、水分などの不純物を脱離し排気する
ことが好ましい。なお、予備加熱室に設ける排気手段はクライオポンプが好ましい。なお
、この予備加熱の処理は省略することもできる。またこの予備加熱は、後に形成するゲー
ト絶縁層４０２の成膜前の基板４００に行ってもよいし、後に形成するソース電極層又は
ドレイン電極層４１５ａ及びソース電極層又はドレイン電極層４１５ｂまで形成した基板
４００にも同様に行ってもよい。
なお、酸化物半導体層をスパッタリング法により成膜する前に、アルゴンガスを導入し
た状態でプラズマを発生させて逆スパッタを行い、絶縁層４０７の表面に付着しているゴ
ミを除去することが好ましい。逆スパッタとは、ターゲット側に電圧を印加せずに、アル
ゴン雰囲気下で基板側に高周波電源を用いて電圧を印加して基板上にプラズマを形成して
表面を改質する方法である。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウム、酸素などを
用いてもよい。
酸化物半導体層はスパッタリング法により成膜する。酸化物半導体層は、Ｉｎ－Ｇａ－
Ｚｎ－Ｏ系、Ｉｎ－Ｓｎ－Ｚｎ－Ｏ系、Ｉｎ－Ａｌ－Ｚｎ－Ｏ系、Ｓｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ
系、Ａｌ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系、Ｓｎ－Ａｌ－Ｚｎ－Ｏ系、Ｉｎ－Ｚｎ－Ｏ系、Ｓｎ－Ｚｎ
－Ｏ系、Ａｌ－Ｚｎ－Ｏ系、Ｉｎ－Ｏ系、Ｓｎ－Ｏ系、Ｚｎ－Ｏ系の酸化物半導体層を用
いる。本実施の形態では、酸化物半導体層をＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系金属酸化物ターゲッ
トを用いてスパッタリング法により成膜する。また、酸化物半導体層は、希ガス（代表的
にはアルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、又は希ガス（代表的にはアルゴン）及び酸素雰
囲気下においてスパッタリング法により形成することができる。また、スパッタリング法
を用いる場合、ＳｉＯ２を２重量％以上１０重量％以下含むターゲットを用いて成膜を行
ってもよい。
酸化物半導体層を、成膜する際に用いるスパッタガスは水素、水、水酸基又は水素化物
などの不純物が、濃度ｐｐｍ程度、濃度ｐｐｂ程度まで除去された高純度ガスを用いるこ
とが好ましい。
酸化物半導体層をスパッタリング法で作製するためのターゲットとして、酸化亜鉛を主
成分とする金属酸化物のターゲットを用いることができる。また、金属酸化物のターゲッ
トの他の例としては、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む金属酸化物ターゲット（組成比として
、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１［ｍｏｌ］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１
：０．５［ａｔｏｍ］）を用いることができる。また、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む金属
酸化物ターゲットとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［ａｔｏｍ］、又はＩｎ：Ｇａ
：Ｚｎ＝１：１：２［ａｔｏｍ］の組成比を有するターゲットを用いることもできる。金
属酸化物ターゲットの充填率は９０％以上１００％以下、好ましくは９５％以上９９．９
％である。充填率の高い金属酸化物ターゲットを用いることにより、成膜した酸化物半導
体層は緻密な膜となる。
酸化物半導体層は、減圧状態に保持された処理室内に基板を保持し、処理室内の残留水
分を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入し、金属酸化物をターゲッ
トとして基板４００上に酸化物半導体層を成膜する。処理室内の残留水分を除去するため
には、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい。例えば、クライオポンプ、イオンポ
ンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また、排気手段としては
、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用い
て排気した成膜室は、例えば、水素原子、水（Ｈ２Ｏ）など水素原子を含む化合物（より
好ましくは炭素原子を含む化合物も）等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物
半導体層に含まれる不純物の濃度を低減できる。また、酸化物半導体層成膜時に基板を加
熱してもよい。
成膜条件の一例としては、基板温度室温、基板とターゲットの間との距離を６０ｍｍ、
圧力０．４Ｐａ、直流（ＤＣ）電源電力０．５ｋＷ、酸素及びアルゴン（酸素流量１５ｓ
ｃｃｍ：アルゴン流量３０ｓｃｃｍ）雰囲気下の条件が適用される。なお、パルス直流（
ＤＣ）電源を用いると、成膜時に発生する粉状物質（パーティクル、ゴミともいう）が軽
減でき、膜厚分布も均一となるために好ましい。酸化物半導体層は好ましくは５ｎｍ以上
３０ｎｍ以下とする。なお、適用する酸化物半導体材料により適切な厚みは異なり、材料
に応じて適宜厚みを選択すればよい。
次いで、酸化物半導体層を第１のフォトリソグラフィ工程により島状の酸化物半導体層
４１２に加工する（図６（Ａ）参照）。また、島状の酸化物半導体層４１２を形成するた
めのレジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェ
ット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
なお、ここでの酸化物半導体層のエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチ
ングでもよく、両方を用いてもよい。
ドライエッチングに用いるエッチングガスとしては、塩素を含むガス（塩素系ガス、例
えば塩素（Ｃｌ２）、塩化硼素（ＢＣｌ３）、塩化珪素（ＳｉＣｌ４）、四塩化炭素（Ｃ
Ｃｌ４）など）が好ましい。
また、フッ素を含むガス（フッ素系ガス、例えば四弗化炭素（ＣＦ４）、弗化硫黄（Ｓ
Ｆ６）、弗化窒素（ＮＦ３）、トリフルオロメタン（ＣＨＦ３）など）、臭化水素（ＨＢ
ｒ）、酸素（Ｏ２）、これらのガスにヘリウム（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）などの希ガス
を添加したガス、などを用いることができる。
ドライエッチング法としては、平行平板型ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃ
ｈｉｎｇ）法や、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：誘
導結合型プラズマ）エッチング法を用いることができる。所望の加工形状にエッチングで
きるように、エッチング条件（コイル型の電極に印加される電力量、基板側の電極に印加
される電力量、基板側の電極温度等）を適宜調節する。
ウェットエッチングに用いるエッチング液としては、燐酸と酢酸と硝酸を混ぜた溶液な
どを用いることができる。また、ＩＴＯ０７Ｎ（関東化学社製）を用いてもよい。
また、ウェットエッチング後のエッチング液はエッチングされた材料とともに洗浄によ
って除去される。その除去された材料を含むエッチング液の廃液を精製し、含まれる材料
を再利用してもよい。当該エッチング後の廃液から酸化物半導体層に含まれるインジウム
等の材料を回収して再利用することにより、資源を有効活用し低コスト化することができ
る。
所望の加工形状にエッチングできるように、材料に合わせてエッチング条件（エッチン
グ液、エッチング時間、温度等）を適宜調節する。
本実施の形態では、エッチング液として燐酸と酢酸と硝酸を混ぜた溶液を用いたウェッ
トエッチング法により、酸化物半導体層を島状の酸化物半導体層４１２に加工する。
本実施の形態では、酸化物半導体層４１２に、第１の加熱処理を行う。第１の加熱処理
の温度は、４００℃以上７５０℃以下、好ましくは４００℃以上基板の歪み点未満とする
。ここでは、加熱処理装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半導体層に対して
窒素雰囲気下４５０℃において１時間の加熱処理を行った後、当該基板を大気にさらすこ
となく、酸化物半導体層への水や水素の混入を防ぐ。この第１の加熱処理によって酸化物
半導体層４１２の脱水化または脱水素化を行うことができる。
なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または
熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を用いてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ
Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ
Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎ
ｅａｌ）装置を用いることができる。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライド
ランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水
銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置で
ある。ＧＲＴＡ装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。当該高温のガス
としては、アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、加熱処理によって被処理物とほ
とんど反応しない不活性気体が用いられる。
例えば、第１の加熱処理として、６５０℃～７００℃の高温に加熱した不活性ガス中に
基板を移動させて入れ、数分間加熱した後、基板を移動させて高温に加熱した不活性ガス
中から出すＧＲＴＡを行ってもよい。ＧＲＴＡを用いると短時間での高温加熱処理が可能
となる。
なお、第１の加熱処理においては、窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガ
スに、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、加熱処理装置に導入する窒素
、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以
上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上、（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好
ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
また、第１の加熱処理の条件、または酸化物半導体層４１２の材料によっては、酸化物
半導体層が結晶化し、微結晶膜または多結晶膜となる場合もある。例えば、結晶化率が９
０％以上、または８０％以上の微結晶の酸化物半導体層となる場合もある。また、第１の
加熱処理の条件、または酸化物半導体層４１２の材料によっては、結晶成分を含まない非
晶質の酸化物半導体層となる場合もある。また、非晶質の酸化物半導体の中に微結晶部（
粒径１ｎｍ以上２０ｎｍ以下（代表的には２ｎｍ以上４ｎｍ以下））が混在する酸化物半
導体層となる場合もある。
また、第１の加熱処理は、島状の酸化物半導体層４１２に加工する前の酸化物半導体層
に行うこともできる。その場合には、第１の加熱処理後に、加熱装置から基板を取り出し
、フォトリソグラフィ工程を行う。
酸化物半導体層に対する脱水化、脱水素化の効果を奏する加熱処理は、酸化物半導体層
成膜後、酸化物半導体層４１２上にソース電極層及びドレイン電極層を積層させた後、ソ
ース電極層及びドレイン電極層上にゲート絶縁層を形成した後、のいずれで行っても良い
。
次いで、絶縁層４０７及び酸化物半導体層４１２上に、導電層を成膜する。導電層をス
パッタリング法や真空蒸着法で成膜すればよい。導電層の材料としては、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃ
ｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗからから選ばれた元素、または上述した元素を成分とする合金
等が挙げられる。また、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、トリウム
のいずれか一または複数から選択された材料を用いてもよい。また、導電層は、単層構造
でも、２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層の単層
構造、アルミニウム層上にチタン層を積層する２層構造、Ｔｉ層と、そのＴｉ層上に重ね
てアルミニウム層を積層し、さらにその上にＴｉ層を成膜する３層構造などが挙げられる
。また、Ａｌに、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン
（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、Ｎｄ（ネオジム）、Ｓｃ（スカンジウム）から選ばれた元素
を単数もしくは複数組み合わせた層又はそれらの合金層もしくは窒化層を用いてもよい。
第２のフォトリソグラフィ工程により導電層上にレジストマスクを形成し、選択的にエ
ッチングを行ってソース電極層又はドレイン電極層４１５ａ、ソース電極層又はドレイン
電極層４１５ｂを形成した後、レジストマスクを除去する（図６（Ｂ）参照）。なお、形
成されたソース電極層、ドレイン電極層の端部はテーパ形状であると、上に積層するゲー
ト絶縁層の被覆性が向上するため好ましい。
本実施の形態ではソース電極層又はドレイン電極層４１５ａ、ソース電極層又はドレイ
ン電極層４１５ｂとしてスパッタリング法により膜厚１５０ｎｍのチタン層を形成する。
なお、導電膜のエッチングの際に、酸化物半導体層４１２が除去されて、その下の絶縁
層４０７が露出しないようにそれぞれの材料及びエッチング条件を適宜調節する。
本実施の形態では、導電膜としてＴｉ層を用いて、酸化物半導体層４１２にはＩｎ－Ｇ
ａ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物半導体を用いて、エッチャントとしてアンモニア過水（アンモニア
、水、過酸化水素水の混合液）を用いる。
なお、第２のフォトリソグラフィ工程では、酸化物半導体層４１２は一部のみがエッチ
ングされ、溝部（凹部）を有する酸化物半導体層となることもある。また、ソース電極層
又はドレイン電極層４１５ａ、ソース電極層又はドレイン電極層４１５ｂを形成するため
のレジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェッ
ト法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
第２のフォトリソグラフィ工程でのレジストマスク形成時の露光には、紫外線やＫｒＦ
レーザ光やＡｒＦレーザ光を用いる。酸化物半導体層４１２上で隣り合うソース電極層の
下端部とドレイン電極層の下端部との間隔幅によって後に形成される薄膜トランジスタの
チャネル長Ｌが決定される。なお、チャネル長Ｌ＝２５ｎｍ未満の露光を行う場合には、
数ｎｍ～数１０ｎｍと極めて波長が短い超紫外線（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌ
ｅｔ）を用いて第２のフォトリソグラフィ工程でのレジストマスク形成時の露光を行う。
超紫外線による露光においては、解像度が高く焦点深度も大きい。従って、後に形成され
る薄膜トランジスタのチャネル長Ｌを１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることも可能で
あり、回路の動作速度を高速化でき、さらにオフ電流値が極めて小さくすることができる
ため、低消費電力化も図ることができる。
次いで、絶縁層４０７、酸化物半導体層４１２、ソース電極層又はドレイン電極層４１
５ａ、ソース電極層又はドレイン電極層４１５ｂ上にゲート絶縁層４０２を形成する（図
６（Ｃ）参照）。
ゲート絶縁層４０２は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いて、酸化シリ
コン層、窒化シリコン層、酸化窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、又は酸化アルミニ
ウム層の単層又は積層を適用することができる。なお、ゲート絶縁層４０２中に水素が多
量に含まれないようにするためには、スパッタリング法でゲート絶縁層４０２を成膜する
ことが好ましい。スパッタリング法により酸化シリコン層を成膜する場合には、ターゲッ
トとしてシリコンターゲット又は石英ターゲットを用い、スパッタガスとして酸素又は、
酸素及びアルゴンの混合ガスを用いる。
ゲート絶縁層４０２は、ソース電極層又はドレイン電極層４１５ａ、ソース電極層又は
ドレイン電極層４１５ｂ側から酸化シリコン層と窒化シリコン層を積層した構造とするこ
ともできる。例えば、第１のゲート絶縁層として膜厚５ｎｍ以上３００ｎｍ以下の酸化シ
リコン層（ＳｉＯｘ（ｘ＞０））を形成し、第１のゲート絶縁層上に第２のゲート絶縁層
としてスパッタリング法により膜厚５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の窒化シリコン層（Ｓｉ
Ｎｙ（ｙ＞０））を積層して、膜厚１００ｎｍのゲート絶縁層としてもよい。本実施の形
態では、圧力０．４Ｐａ、高周波電源電力１．５ｋＷ、酸素及びアルゴン（酸素流量２５
ｓｃｃｍ：アルゴン流量２５ｓｃｃｍ＝１：１）雰囲気下でＲＦスパッタリング法により
膜厚１００ｎｍの酸化シリコン層を形成する。
次いで、第３のフォトリソグラフィ工程によりレジストマスクを形成し、選択的にエッ
チングを行ってゲート絶縁層４０２の一部を除去して、ソース電極層又はドレイン電極層
４１５ａ、ソース電極層又はドレイン電極層４１５ｂに達する開口４２１ａ、４２１ｂを
形成する（図６（Ｄ）参照）。
次に、ゲート絶縁層４０２、及び開口４２１ａ、４２１ｂ上に導電層を成膜した後、第
４のフォトリソグラフィ工程によりゲート電極層４１１、配線層４１４ａ、４１４ｂを形
成する。なお、レジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクを
インクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる
。
また、ゲート電極層４１１、配線層４１４ａ、４１４ｂは、モリブデン、チタン、クロ
ム、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料
又はこれらを主成分とする合金材料を用いて、単層で又は積層して形成することができる
。
例えば、ゲート電極層４１１、配線層４１４ａ、４１４ｂの２層の積層構造としては、
アルミニウム層上にモリブデン層が積層された２層の積層構造、または銅層上にモリブデ
ン層を積層した２層構造、または銅層上に窒化チタン層若しくは窒化タンタル層を積層し
た２層構造、窒化チタン層とモリブデン層とを積層した２層構造とすることが好ましい。
３層の積層構造としては、タングステン層または窒化タングステン層と、アルミニウムと
シリコンの合金層またはアルミニウムとチタンの合金層と、窒化チタン層またはチタン層
とを積層した積層とすることが好ましい。なお、透光性を有する導電層を用いてゲート電
極層を形成することもできる。透光性を有する導電層としては、透光性導電性酸化物等を
その例に挙げることができる。
本実施の形態ではゲート電極層４１１、配線層４１４ａ、４１４ｂとしてスパッタリン
グ法により膜厚１５０ｎｍのチタン層を形成する。
次いで、不活性ガス雰囲気下、または酸素ガス雰囲気下で第２の加熱処理（好ましくは
２００℃以上４００℃以下、例えば２５０℃以上３５０℃以下）を行う。本実施の形態で
は、窒素雰囲気下で２５０℃、１時間の第２の加熱処理を行う。また、第２の加熱処理は
、薄膜トランジスタ４１０上に保護絶縁層や平坦化絶縁層を形成してから行ってもよい。
さらに大気中、１００℃以上２００℃以下、１時間以上３０時間以下での加熱処理を行
ってもよい。この加熱処理は一定の加熱温度を保持して加熱してもよいし、室温から、１
００℃以上２００℃以下の加熱温度への昇温と、加熱温度から室温までの降温を複数回く
りかえして行ってもよい。また、この加熱処理を減圧下で行ってもよい。減圧下で加熱処
理を行うと、加熱時間を短縮することができる。
以上の工程で、水素、水分、水素化物、水酸化物の濃度が低減された酸化物半導体層４
１２を有する薄膜トランジスタ４１０を作製することができる（図６（Ｅ）参照）。薄膜
トランジスタ４１０は、実施の形態１及び２に示した論理回路を構成する薄膜トランジス
タとして適用することができる。
また、薄膜トランジスタ４１０上に保護絶縁層や、平坦化のための平坦化絶縁層を設け
てもよい。例えば、保護絶縁層として酸化シリコン層、窒化シリコン層、酸化窒化シリコ
ン層、窒化酸化シリコン層、若しくは酸化アルミニウム層の単層又は積層を適用すること
ができる。
また、図示しないが、平坦化絶縁層としては、ポリイミド、アクリル樹脂、ベンゾシク
ロブテン系樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂等の、耐熱性を有する有機材料を用いること
ができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ－ｋ材料）、シロキサン系樹
脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用いることができる。な
お、これらの材料で形成される絶縁層を複数積層させることで、平坦化絶縁層を形成して
もよい。
なお、シロキサン系樹脂とは、シロキサン系材料を出発材料として形成されたＳｉ－Ｏ
－Ｓｉ結合を含む樹脂に相当する。シロキサン系樹脂は置換基としては有機基（例えばア
ルキル基やアリール基）やフルオロ基を用いても良い。また、有機基はフルオロ基を有し
ていても良い。
平坦化絶縁層の成膜法は、特に限定されず、その材料に応じて、スパッタ法、ＳＯＧ法
、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法、スクリーン
印刷、オフセット印刷等）、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイ
フコーター等を用いることができる。
上記のように酸化物半導体層を成膜する際に、反応雰囲気中の残留水分を除去すること
で、該酸化物半導体層中の水素及び水素化物の濃度を低減することができる。それにより
酸化物半導体層の安定化を図ることができる。
上述した薄膜トランジスタを実施の形態１及び２に示した論理回路に適用することによ
って、安定な電気特性を有し信頼性の高い論理回路を提供することができる。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態１又は２に示した論理回路が有する薄膜トランジスタの
一例について示す。なお、実施の形態３と同一部分又は同様な機能を有する部分、及び工
程は、実施の形態３と同様とすればよく、その繰り返しの説明は省略する。また同じ箇所
の詳細な説明も省略する。
本実施の形態の薄膜トランジスタ及びその作製方法の一形態を、図７及び図８を用いて
説明する。
図７（Ａ）、（Ｂ）に薄膜トランジスタの平面及び断面構造の一例を示す。図７（Ａ）
、（Ｂ）に示す薄膜トランジスタ４６０は、トップゲート構造の薄膜トランジスタの一つ
である。
図７（Ａ）はトップゲート構造の薄膜トランジスタ４６０の平面図であり、図７（Ｂ）
は図７（Ａ）の線Ｄ１－Ｄ２における断面図である。
薄膜トランジスタ４６０は、絶縁表面を有する基板４５０上に、絶縁層４５７、ソース
電極層又はドレイン電極層４６５ａ（４６５ａ１、４６５ａ２）、酸化物半導体層４６２
、ソース電極層又はドレイン電極層４６５ｂ、配線層４６８、ゲート絶縁層４５２、ゲー
ト電極層４６１（４６１ａ、４６１ｂ）を含み、ソース電極層又はドレイン電極層４６５
ａ（４６５ａ１、４６５ａ２）は配線層４６８を介して配線層４６４と電気的に接続して
いる。また、図示していないが、ソース電極層又はドレイン電極層４６５ｂもゲート絶縁
層４５２に設けられた開口において配線層と電気的に接続する。
以下、図８（Ａ）乃至（Ｅ）を用い、基板４５０上に薄膜トランジスタ４６０を作製す
る工程を説明する。
まず、絶縁表面を有する基板４５０上に下地膜となる絶縁層４５７を形成する。
本実施の形態では、絶縁層４５７として、スパッタリング法により酸化シリコン層を成
膜する。基板４５０を処理室へ搬送し、水素及び水分が除去された高純度酸素を含むスパ
ッタガスを導入しシリコンターゲット又は石英（好ましくは合成石英）を用いて、基板４
５０に絶縁層４５７として、酸化シリコン層を成膜する。なお、スパッタガスとして酸素
又は、酸素及びアルゴンの混合ガスを用いる。
例えば、スパッタガスの純度が６Ｎであり、石英（好ましくは合成石英）を用い、基板
温度１０８℃、基板とターゲットの間との距離（Ｔ－Ｓ間距離）を６０ｍｍ、圧力０．４
Ｐａ、高周波電源電力１．５ｋＷ、酸素及びアルゴン（酸素流量２５ｓｃｃｍ：アルゴン
流量２５ｓｃｃｍ＝１：１）雰囲気下でＲＦスパッタリング法により酸化シリコン層を成
膜する。膜厚は１００ｎｍとする。なお、石英（好ましくは合成石英）に代えてシリコン
ターゲットを酸化シリコン層を成膜するためのターゲットとして用いることができる。
この場合において、処理室内の残留水分を除去しつつ絶縁層４５７を成膜することが好
ましい。絶縁層４５７に水素、水酸基又は水分が含まれないようにするためである。クラ
イオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素原子や、水（Ｈ２Ｏ）など水素原子
を含む化合物等が排気されるため、当該成膜室で成膜し絶縁層４５７に含まれる不純物の
濃度を低減できる。
絶縁層４５７を成膜する際に用いるスパッタガスは水素、水、水酸基又は水素化物など
の不純物が、濃度ｐｐｍ程度、濃度ｐｐｂ程度まで除去された高純度ガスを用いることが
好ましい。
また、絶縁層４５７は積層構造でもよく、例えば、基板４５０側から窒化シリコン層、
窒化酸化シリコン層、窒化アルミニウム層、窒化酸化アルミニウム層などの窒化物絶縁層
と、上記酸化物絶縁層との積層構造としてもよい。
例えば、水素及び水分が除去された高純度窒素を含むスパッタガスを導入しシリコンタ
ーゲットを用いて、酸化シリコン層と基板との間に窒化シリコン層を成膜する。この場合
においても、酸化シリコン層と同様に、処理室内の残留水分を除去しつつ窒化シリコン層
を成膜することが好ましい。
次いで、絶縁層４５７上に、導電層を成膜し、第１のフォトリソグラフィ工程により導
電層上にレジストマスクを形成し、選択的にエッチングを行ってソース電極層又はドレイ
ン電極層４６５ａ１、４６５ａ２を形成した後、レジストマスクを除去する（図８（Ａ）
参照）。ソース電極層又はドレイン電極層４６５ａ１、４６５ａ２は断面図では分断され
て示されているが、連続した層である。なお、形成されたソース電極層、ドレイン電極層
の端部はテーパ形状であると、上に積層するゲート絶縁層の被覆性が向上するため好まし
い。
ソース電極層又はドレイン電極層４６５ａ１、４６５ａ２の材料としては、Ａｌ、Ｃｒ
、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗからから選ばれた元素、または上述した元素を成分とする
合金等が挙げられる。また、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、トリ
ウムから選択されたいずれか一または複数を用いてもよい。また、金属導電層は、単層構
造でも、２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層の単
層構造、アルミニウム層上にチタン層を積層する２層構造、Ｔｉ層と、そのＴｉ層上に重
ねてアルミニウム層を積層し、さらにその上にＴｉ層を成膜する３層構造などが挙げられ
る。また、Ａｌに、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデ
ン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、Ｎｄ（ネオジム）、Ｓｃ（スカンジウム）から選ばれた元
素を単数、又は複数組み合わせた層、合金層、もしくは窒化層を用いてもよい。
本実施の形態ではソース電極層又はドレイン電極層４６５ａ１、４６５ａ２としてスパ
ッタリング法により膜厚１５０ｎｍのチタン層を成膜する。
次いで、絶縁層４５７及びソース電極層又はドレイン電極層４６５ａ１、４６５ａ２上
に、膜厚２ｎｍ以上２００ｎｍ以下の酸化物半導体層を成膜する。
次に酸化物半導体層を第２のフォトリソグラフィ工程により島状の酸化物半導体層４６
２に加工する（図８（Ｂ）参照）。本実施の形態では、酸化物半導体層をＩｎ－Ｇａ－Ｚ
ｎ－Ｏ系金属酸化物ターゲットを用いてスパッタリング法により成膜する。
酸化物半導体層は、減圧状態に保持された処理室内に基板を保持し、処理室内の残留水
分を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入し、金属酸化物をターゲッ
トとして基板４５０上に酸化物半導体層を成膜する。処理室内の残留水分を除去するため
には、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい。例えば、クライオポンプ、イオンポ
ンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また、排気手段としては
、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用い
て排気した成膜室は、例えば、水素原子、水（Ｈ２Ｏ）など水素原子を含む化合物（より
好ましくは炭素原子を含む化合物も）等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物
半導体層に含まれる不純物の濃度を低減できる。また、酸化物半導体層成膜時に基板を加
熱してもよい。
酸化物半導体層を、成膜する際に用いるスパッタガスは水素、水、水酸基又は水素化物
などの不純物が、濃度ｐｐｍ程度、濃度ｐｐｂ程度まで除去された高純度ガスを用いるこ
とが好ましい。
成膜条件の一例としては、基板温度室温、基板とターゲットの間との距離を６０ｍｍ、
圧力０．４Ｐａ、直流（ＤＣ）電源電力０．５ｋＷ、酸素及びアルゴン（酸素流量１５ｓ
ｃｃｍ：アルゴン流量３０ｓｃｃｍ）雰囲気下の条件が適用される。なお、パルス直流（
ＤＣ）電源を用いると、成膜時に発生する粉状物質（パーティクル、ゴミともいう）が軽
減でき、膜厚分布も均一となるために好ましい。酸化物半導体層は好ましくは５ｎｍ以上
３０ｎｍ以下とする。なお、適用する酸化物半導体材料により適切な厚みは異なり、材料
に応じて適宜厚みを選択すればよい。
本実施の形態では、エッチング液として燐酸と酢酸と硝酸を混ぜた溶液を用いたウェッ
トエッチング法により、酸化物半導体層を島状の酸化物半導体層４６２に加工する。
本実施の形態では、酸化物半導体層４６２に、第１の加熱処理を行う。第１の加熱処理
の温度は、４００℃以上７５０℃以下、好ましくは４００℃以上基板の歪み点未満とする
。ここでは、加熱処理装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半導体層に対して
窒素雰囲気下４５０℃において１時間の加熱処理を行った後、大気に触れることなく、酸
化物半導体層への水や水素の混入を防ぎ、酸化物半導体層を得る。この第１の加熱処理に
よって酸化物半導体層４６２の脱水化または脱水素化を行うことができる。
なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または
熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を備えていてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａ
ｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉ
ｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａ
ｎｎｅａｌ）装置を用いることができる。例えば、第１の加熱処理として、６５０℃～７
００℃の高温に加熱した不活性ガス中に基板を移動させて入れ、数分間加熱した後、基板
を移動させて高温に加熱した不活性ガス中から出すＧＲＴＡを行ってもよい。ＧＲＴＡを
用いると短時間での高温加熱処理が可能となる。
なお、第１の加熱処理においては、窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガ
スに、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、加熱処理装置に導入する窒素
、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以
上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上、（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好
ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
また、第１の加熱処理の条件、または酸化物半導体層の材料によっては、酸化物半導体
層が結晶化し、微結晶層または多結晶層となる場合もある。
また、酸化物半導体層の第１の加熱処理は、島状の酸化物半導体層に加工する前の酸化
物半導体層に行うこともできる。その場合には、第１の加熱処理後に、加熱装置から基板
を取り出し、フォトリソグラフィ工程を行う。
酸化物半導体層に対する脱水化、脱水素化の効果を奏する加熱処理は、酸化物半導体層
成膜後、酸化物半導体層上にさらにソース電極層及びドレイン電極層を積層させた後、ソ
ース電極層及びドレイン電極層上にゲート絶縁層を形成した後、のいずれで行っても良い
。
次いで、絶縁層４５７及び酸化物半導体層４６２上に、導電層を成膜し、第３のフォト
リソグラフィ工程により導電層上にレジストマスクを形成し、選択的にエッチングを行っ
てソース電極層又はドレイン電極層４６５ｂ、配線層４６８を形成した後、レジストマス
クを除去する（図８（Ｃ）参照）。ソース電極層又はドレイン電極層４６５ｂ、配線層４
６８はソース電極層又はドレイン電極層４６５ａ１、４６５ａ２と同様な材料及び工程で
形成すればよい。
本実施の形態ではソース電極層又はドレイン電極層４６５ｂ、配線層４６８としてスパ
ッタリング法により膜厚１５０ｎｍのチタン層を形成する。本実施の形態は、ソース電極
層又はドレイン電極層４６５ａ１、４６５ａ２とソース電極層又はドレイン電極層４６５
ｂに同じチタン層を用いる例のため、ソース電極層又はドレイン電極層４６５ａ１、４６
５ａ２とソース電極層又はドレイン電極層４６５ｂとはエッチングにおいて選択比がとれ
ない。よって、ソース電極層又はドレイン電極層４６５ａ１、４６５ａ２が、ソース電極
層又はドレイン電極層４６５ｂのエッチング時にエッチングされないように、酸化物半導
体層４６２に覆われないソース電極層又はドレイン電極層４６５ａ２上に配線層４６８を
設けている。ソース電極層又はドレイン電極層４６５ａ１、４６５ａ２とソース電極層又
はドレイン電極層４６５ｂとにエッチング工程において高い選択比を有する異なる材料を
用いる場合には、エッチング時にソース電極層又はドレイン電極層４６５ａ２を保護する
配線層４６８は必ずしも設けなくてもよい。
なお、導電膜のエッチングの際に、酸化物半導体層４６２が除去されないようにそれぞ
れの材料及びエッチング条件を適宜調節する。
本実施の形態では、導電膜としてＴｉ層を用いて、酸化物半導体層４６２にはＩｎ－Ｇ
ａ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物半導体を用いて、エッチャントとしてアンモニア過水（アンモニア
、水、過酸化水素水の混合液）を用いる。
なお、第３のフォトリソグラフィ工程では、酸化物半導体層４６２の一部がエッチング
され、溝部（凹部）を有する酸化物半導体層となることもある。また、ソース電極層又は
ドレイン電極層４６５ｂ、配線層４６８を形成するためのレジストマスクをインクジェッ
ト法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを
使用しないため、製造コストを低減できる。
次いで、絶縁層４５７、酸化物半導体層４６２、ソース電極層又はドレイン電極層４６
５ａ１、４６５ａ２、ソース電極層又はドレイン電極層４６５ｂ、及び配線層４６８上に
ゲート絶縁層４５２を形成する。
ゲート絶縁層４５２は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いて、酸化シリ
コン層、窒化シリコン層、酸化窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、又は酸化アルミニ
ウム層の単層又は積層を適用することができる。なお、ゲート絶縁層４５２中に水素が多
量に含まれないようにするためには、スパッタリング法でゲート絶縁層４５２を成膜する
ことが好ましい。スパッタリング法により酸化シリコン層を成膜する場合には、ターゲッ
トとしてシリコンターゲット又は石英ターゲットを用い、スパッタガスとして酸素又は、
酸素及びアルゴンの混合ガスを用いる。
ゲート絶縁層４５２は、ソース電極層又はドレイン電極層４６５ａ１、４６５ａ２、ソ
ース電極層又はドレイン電極層４６５ｂ側から酸化シリコン層と窒化シリコン層を積層し
た構造とすることもできる。本実施の形態では、圧力０．４Ｐａ、高周波電源電力１．５
ｋＷ、酸素及びアルゴン（酸素流量２５ｓｃｃｍ：アルゴン流量２５ｓｃｃｍ＝１：１）
雰囲気下でＲＦスパッタリング法によりスパッタリング法により膜厚１００ｎｍの酸化シ
リコン層を形成する。
次いで、第４のフォトリソグラフィ工程によりレジストマスクを形成し、選択的にエッ
チングを行ってゲート絶縁層４５２の一部を除去して、配線層４６８に達する開口４２３
を形成する（図８（Ｄ）参照）。図示しないが開口４２３の形成時にソース電極層又はド
レイン電極層４６５ｂに達する開口を形成してもよい。本実施の形態では、ソース電極層
又はドレイン電極層４６５ｂへの開口はさらに層間絶縁層を積層した後に形成し、電気的
に接続する配線層を開口に形成する例とする。
次に、ゲート絶縁層４５２、及び開口４２３上に導電層を成膜した後、第５のフォトリ
ソグラフィ工程によりゲート電極層４６１（４６１ａ、４６１ｂ）、配線層４６４を形成
する。なお、レジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをイ
ンクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
また、ゲート電極層４６１（４６１ａ、４６１ｂ）、配線層４６４は、モリブデン、チ
タン、クロム、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等
の金属材料又はこれらを主成分とする合金材料の単層又は積層を適用することができる。
本実施の形態ではゲート電極層４６１（４６１ａ、４６１ｂ）、配線層４６４としてス
パッタリング法により膜厚１５０ｎｍのチタン層を成膜する。
次いで、不活性ガス雰囲気下、または酸素ガス雰囲気下で第２の加熱処理（好ましくは
２００℃以上４００℃以下、例えば２５０℃以上３５０℃以下）を行う。本実施の形態で
は、窒素雰囲気下で２５０℃、１時間の第２の加熱処理を行う。また、第２の加熱処理は
、薄膜トランジスタ４６０上に保護絶縁層や平坦化絶縁層を形成してから行ってもよい。
さらに大気中、１００℃以上２００℃以下、１時間以上３０時間以下での加熱処理を行
ってもよい。この加熱処理は一定の加熱温度を保持して加熱してもよいし、室温から、１
００℃以上２００℃以下の加熱温度への昇温と、加熱温度から室温までの降温を複数回く
りかえして行ってもよい。また、この加熱処理を減圧下で行ってもよい。減圧下で加熱処
理を行うと、加熱時間を短縮することができる。
以上の工程で、水素、水分、水素化物、水酸化物の濃度が低減された酸化物半導体層４
６２を有する薄膜トランジスタ４６０を形成することができる（図８（Ｅ）参照）。
また、薄膜トランジスタ４６０上に保護絶縁層や、平坦化のための平坦化絶縁層を設け
てもよい。なお、図示しないが、ゲート絶縁層４５２、保護絶縁層や平坦化絶縁層にソー
ス電極層又はドレイン電極層４６５ｂに達する開口を形成し、その開口に、ソース電極層
又はドレイン電極層４６５ｂと電気的に接続する配線層を形成する。
上記のように酸化物半導体膜を成膜する際に、反応雰囲気中の残留水分を除去すること
で、該酸化物半導体膜中の水素及び水素化物の濃度を低減することができる。それにより
酸化物半導体膜の安定化を図ることができる。
上述した薄膜トランジスタを実施の形態１及び２に示した論理回路に適用することによ
って、安定な電気特性を有し信頼性の高い論理回路を提供することができる。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態５）
本実施の形態では、実施の形態１又は２に示した論理回路が有する薄膜トランジスタの
一例について示す。なお、実施の形態３又は４と同一部分又は同様な機能を有する部分、
及び工程は、実施の形態３又は４と同様とすればよく、その繰り返しの説明は省略する。
また同じ箇所の詳細な説明も省略する。
本実施の形態の薄膜トランジスタを、図９を用いて説明する。
図９（Ａ）、（Ｂ）に薄膜トランジスタの断面構造の一例を示す。図９（Ａ）、（Ｂ）
に示す薄膜トランジスタ４２５、４２６は、酸化物半導体層を導電層とゲート電極層とで
挟んだ構造の薄膜トランジスタの一つである。
また、図９（Ａ）、（Ｂ）において、基板はシリコン基板を用いており、シリコン基板
４２０上に設けられた絶縁層４２２上に薄膜トランジスタ４２５、４２６がそれぞれ設け
られている。
図９（Ａ）において、シリコン基板４２０に設けられた絶縁層４２２と絶縁層４０７と
の間に少なくとも酸化物半導体層４１２全体と重なるように導電層４２７が設けられてい
る。
なお、図９（Ｂ）は、絶縁層４２２と絶縁層４０７との間の導電層が、導電層４２４の
ようにエッチングにより加工され、酸化物半導体層４１２の少なくともチャネル形成領域
を含む一部と重なる例である。
導電層４２７、４２４は後工程で行われる加熱処理温度に耐えられる金属材料であれば
よく、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、
クロム（Ｃｒ）、Ｎｄ（ネオジム）、スカンジウム（Ｓｃ）から選ばれた元素、または上
述した元素を成分とする合金、または上述した元素を成分とする窒化物などを用いること
ができる。また、単層構造でも積層構造でもよく、例えばタングステン層単層、又は窒化
タングステン層とタングステン層との積層構造などを用いることができる。
また、導電層４２７、４２４は、電位が薄膜トランジスタ４２５、４２６のゲート電極
層４１１と同じでもよいし、異なっていても良く、第２のゲート電極層として機能させる
こともできる。また、導電層４２７、４２４の電位がＧＮＤ、０Ｖという固定電位であっ
てもよい。
導電層４２７、４２４によって、薄膜トランジスタ４２５、４２６の電気特性を制御す
ることができる。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態６）
本実施の形態では、実施の形態１又は２に示した論理回路が有する薄膜トランジスタの
一例について示す。
本実施の形態の薄膜トランジスタ及びその作製方法の一形態を、図１０を用いて説明す
る。
図１０（Ｅ）に薄膜トランジスタの断面構造の一例を示す。図１０（Ｅ）に示す薄膜ト
ランジスタ３９０は、ボトムゲート構造の一つであり逆スタガ型薄膜トランジスタともい
う。
また、薄膜トランジスタ３９０はシングルゲート構造の薄膜トランジスタを用いて説明
するが、必要に応じて、チャネル形成領域を複数有するマルチゲート構造の薄膜トランジ
スタも形成することができる。
以下、図１０（Ａ）乃至（Ｅ）を用い、基板３９４上に薄膜トランジスタ３９０を作製
する工程を説明する。
まず、絶縁表面を有する基板３９４上に導電層を成膜した後、第１のフォトリソグラフ
ィ工程によりゲート電極層３９１を形成する。形成されたゲート電極層３９１の端部はテ
ーパ形状であると、上に積層するゲート絶縁層の被覆性が向上するため好ましい。なお、
レジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット
法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
絶縁表面を有する基板３９４に使用することができる基板に大きな制限はないが、少な
くとも、後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、
基板３９４としてバリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基
板を用いることができる。
また、ガラス基板としては、後の加熱処理の温度が高い場合には、歪み点が７３０℃以
上のものを用いると良い。また、ガラス基板には、例えば、アルミノシリケートガラス、
アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスなどのガラス材料が用いられてい
る。なお、一般に、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）と比較して酸化バリウム（ＢａＯ）を多く含
ませることで、より実用的な耐熱ガラスが得られる。このため、Ｂ２Ｏ３よりＢａＯを多
く含むガラス基板を用いることが好ましい。
なお、上記のガラス基板に代えて、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などの
絶縁体でなる基板を用いても良い。他にも、結晶化ガラス基板などを用いることができる
。また、プラスチック基板等も適宜用いることができる。
下地層となる絶縁層を基板３９４とゲート電極層３９１との間に設けてもよい。下地層
は、基板３９４からの不純物元素の拡散を防止する機能があり、窒化シリコン層、酸化シ
リコン層、窒化酸化シリコン層、又は酸化窒化シリコン層から選ばれた一又は複数の膜に
よる積層構造により形成することができる。
また、ゲート電極層３９１は、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン
、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料又はこれらを主成分とする合
金材料の単層又は積層を適用することができる。
例えば、ゲート電極層３９１の２層の積層構造としては、アルミニウム層上にモリブデ
ン層が積層された２層の積層構造、銅層上にモリブデン層が積層された２層構造、銅層上
に窒化チタン層若しくは窒化タンタル層が積層された２層構造、窒化チタン層とモリブデ
ン層とが積層された２層構造、又は窒化タングステン層とタングステン層とが積層された
２層構造とすることが好ましい。３層の積層構造としては、タングステン層または窒化タ
ングステン層と、アルミニウムとシリコンの合金層またはアルミニウムとチタンの合金層
と、窒化チタン層またはチタン層とを積層した積層とすることが好ましい。なお、透光性
を有する導電層を用いてゲート電極層を形成することもできる。透光性を有する導電層と
しては、透光性導電性酸化物等をその例に挙げることができる。
次いで、ゲート電極層３９１上にゲート絶縁層３９７を形成する。
ゲート絶縁層３９７は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いて、酸化シリ
コン層、窒化シリコン層、酸化窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、又は酸化アルミニ
ウム層の単層又は積層を適用することができる。なお、ゲート絶縁層３９７中に水素が多
量に含まれないようにするためには、スパッタリング法でゲート絶縁層３９７を成膜する
ことが好ましい。スパッタリング法により酸化シリコン層を成膜する場合には、ターゲッ
トとしてシリコンターゲット又は石英ターゲットを用い、スパッタガスとして酸素又は、
酸素及びアルゴンの混合ガスを用いて行う。
ゲート絶縁層３９７は、ゲート電極層３９１側から窒化シリコン層と酸化シリコン層を
積層した構造とすることもできる。例えば、第１のゲート絶縁層としてスパッタリング法
により膜厚５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の窒化シリコン層（ＳｉＮｙ（ｙ＞０））を形成
し、第１のゲート絶縁層上に第２のゲート絶縁層として膜厚５ｎｍ以上３００ｎｍ以下の
酸化シリコン層（ＳｉＯｘ（ｘ＞０））を積層して、膜厚１００ｎｍのゲート絶縁層とす
る。
また、ゲート絶縁層３９７、後に形成する酸化物半導体層３９３に水素、水酸基及び水
分がなるべく含まれないようにするために、成膜の前処理として、スパッタリング装置の
予備加熱室でゲート電極層３９１が形成された基板３９４、又はゲート絶縁層３９７まで
が形成された基板３９４を予備加熱し、基板３９４に吸着した水素、水分などの不純物を
脱離し排気することが好ましい。なお、予備加熱の温度としては、１００℃以上４００℃
以下好ましくは１５０℃以上３００℃以下である。なお、予備加熱室に設ける排気手段は
クライオポンプが好ましい。なお、この予備加熱の処理は省略することもできる。またこ
の予備加熱は、後に形成する酸化物絶縁層３９６の成膜前に行ってもよいし、後に形成す
るソース電極層３９５ａ及びドレイン電極層３９５ｂまで形成した基板３９４にも同様に
行ってもよい。
次いで、ゲート絶縁層３９７上に、膜厚２ｎｍ以上２００ｎｍ以下の酸化物半導体層３
９３を形成する（図１０（Ａ）参照）。
なお、酸化物半導体層３９３をスパッタリング法により成膜する前に、アルゴンガスを
導入した状態でプラズマを発生させて逆スパッタを行い、ゲート絶縁層３９７の表面に付
着しているゴミを除去することが好ましい。逆スパッタとは、ターゲット側に電圧を印加
せずに、アルゴン雰囲気下で基板側にＲＦ電源を用いて電圧を印加して基板にプラズマを
形成して表面を改質する方法である。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウム、酸
素などを用いてもよい。
酸化物半導体層３９３はスパッタリング法により成膜する。酸化物半導体層３９３は、
Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系、Ｉｎ－Ｓｎ－Ｚｎ－Ｏ系、Ｉｎ－Ａｌ－Ｚｎ－Ｏ系、Ｓｎ－Ｇ
ａ－Ｚｎ－Ｏ系、Ａｌ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系、Ｓｎ－Ａｌ－Ｚｎ－Ｏ系、Ｉｎ－Ｚｎ－Ｏ系
、Ｓｎ－Ｚｎ－Ｏ系、Ａｌ－Ｚｎ－Ｏ系、Ｉｎ－Ｏ系、Ｓｎ－Ｏ系、Ｚｎ－Ｏ系の酸化物
半導体を用いる。本実施の形態では、酸化物半導体層３９３をＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系金
属酸化物ターゲットを用いてスパッタリング法により成膜する。また、酸化物半導体層３
９３は、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、又は希ガス（代表的に
はアルゴン）及び酸素混合雰囲気下においてスパッタリング法により成膜することができ
る。また、スパッタリング法を用いる場合、ＳｉＯ２を２重量％以上１０重量％以下含む
ターゲットを用いて成膜を行ってもよい。
酸化物半導体層３９３をスパッタリング法で成膜するためのターゲットとして、酸化亜
鉛を主成分とする金属酸化物のターゲットを用いることができる。また、金属酸化物のタ
ーゲットの他の例としては、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物半導体ターゲット（組成
比として、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１［ｍｏｌ］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ
＝１：１：０．５［ａｔｏｍ］）を用いることができる。また、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを
含む金属酸化物ターゲットとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［ａｔｏｍ］、又はＩ
ｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：２［ａｔｏｍ］の組成比を有するターゲットを用いることもで
きる。金属酸化物ターゲットの充填率は９０％以上１００％以下、好ましくは９５％以上
９９．９％である。充填率の高い金属酸化物ターゲットを用いることにより、成膜した酸
化物半導体層は緻密な膜となる。
減圧状態に保持された処理室内に基板を保持し、基板を室温又は４００℃未満の温度に
加熱する。そして、処理室内の残留水分を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタ
ガスを導入し、金属酸化物をターゲットとして基板３９４上に酸化物半導体層３９３を成
膜する。処理室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好
ましい。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用い
ることが好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えた
ものであってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素原子、水
（Ｈ２Ｏ）など水素原子を含む化合物（より好ましくは炭素原子を含む化合物も）等が排
気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物半導体層に含まれる不純物の濃度を低減でき
る。また、クライオポンプにより処理室内に残留する水分を除去しながらスパッタ成膜を
行うことで、酸化物半導体層３９３を成膜する際の基板温度は室温から４００℃未満とす
ることができる。
成膜条件の一例としては、基板とターゲットの間との距離を１００ｍｍ、圧力０．６Ｐ
ａ、直流（ＤＣ）電源電力０．５ｋＷ、酸素（酸素流量比率１００％）雰囲気下の条件が
適用される。なお、パルス直流（ＤＣ）電源を用いると、成膜時に発生する粉状物質（パ
ーティクル、ゴミともいう）が軽減でき、膜厚分布も均一となるために好ましい。酸化物
半導体層は好ましくは５ｎｍ以上３０ｎｍ以下とする。なお、適用する酸化物半導体材料
により適切な厚みは異なり、材料に応じて適宜厚みを選択すればよい。
スパッタリング法にはスパッタ用電源に高周波電源を用いるＲＦスパッタリング法、直
流電源を用いるＤＣスパッタリング法、さらにパルス的にバイアスを与えるパルスＤＣス
パッタリング法がある。ＲＦスパッタリング法は主に絶縁膜を成膜する場合に用いられ、
ＤＣスパッタリング法は主に金属膜を成膜する場合に用いられる。
また、材料の異なるターゲットを複数設置できる多元スパッタ装置もある。多元スパッ
タ装置は、同一チャンバーで異なる材料膜を積層成膜することも、同一チャンバーで複数
種類の材料を同時に放電させて成膜することもできる。
また、チャンバー内部に磁石機構を備えたマグネトロンスパッタリング法を用いるスパ
ッタ装置や、グロー放電を使わずマイクロ波を用いて発生させたプラズマを用いるＥＣＲ
スパッタリング法を用いるスパッタ装置がある。
また、スパッタリング法を用いる成膜方法として、成膜中にターゲット物質とスパッタ
ガス成分とを化学反応させてそれらの化合物薄膜を形成するリアクティブスパッタリング
法や、成膜中に基板にも電圧をかけるバイアススパッタリング法もある。
次いで、酸化物半導体層３９３を第２のフォトリソグラフィ工程により島状の酸化物半
導体層３９９に加工する（図１０（Ｂ）参照）。また、島状の酸化物半導体層３９９を形
成するためのレジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをイ
ンクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
また、ゲート絶縁層３９７にコンタクトホールを形成する場合、その工程は酸化物半導
体層３９９の形成時に行うことができる。
なお、ここでの酸化物半導体層３９３のエッチングは、ドライエッチングでもウェット
エッチングでもよく、両方を用いてもよい。
ドライエッチングに用いるエッチングガスとしては、塩素を含むガス（塩素系ガス、例
えば塩素（Ｃｌ２）、塩化硼素（ＢＣｌ３）、塩化珪素（ＳｉＣｌ４）、四塩化炭素（Ｃ
Ｃｌ４）など）が好ましい。
また、フッ素を含むガス（フッ素系ガス、例えば四弗化炭素（ＣＦ４）、弗化硫黄（Ｓ
Ｆ６）、弗化窒素（ＮＦ３）、トリフルオロメタン（ＣＨＦ３）など）、臭化水素（ＨＢ
ｒ）、酸素（Ｏ２）、これらのガスにヘリウム（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）などの希ガス
を添加したガス、などを用いることができる。
ドライエッチング法としては、平行平板型ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃ
ｈｉｎｇ）法や、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：誘
導結合型プラズマ）エッチング法を用いることができる。所望の加工形状にエッチングで
きるように、エッチング条件（コイル型の電極に印加される電力量、基板側の電極に印加
される電力量、基板側の電極温度等）を適宜調節する。
ウェットエッチングに用いるエッチング液としては、燐酸と酢酸と硝酸を混ぜた溶液な
どを用いることができる。また、ＩＴＯ０７Ｎ（関東化学社製）を用いてもよい。
また、ウェットエッチング後のエッチング液はエッチングされた材料とともに洗浄によ
って除去される。その除去された材料を含むエッチング液の廃液を精製し、含まれる材料
を再利用してもよい。当該エッチング後の廃液から酸化物半導体層に含まれるインジウム
等の材料を回収して再利用することにより、資源を有効活用し低コスト化することができ
る。
所望の加工形状にエッチングできるように、材料に合わせてエッチング条件（エッチン
グ液、エッチング時間、温度等）を適宜調節する。
なお、次工程の導電層を成膜する前に逆スパッタを行い、酸化物半導体層３９９及びゲ
ート絶縁層３９７の表面に付着しているレジスト残渣などを除去することが好ましい。
次いで、ゲート絶縁層３９７、及び酸化物半導体層３９９上に、導電層を成膜する。導
電層は、スパッタリング法や真空蒸着法で成膜すればよい。導電層の材料としては、Ａｌ
、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗからから選ばれた元素、または上述した元素を成分
とする合金等が挙げられる。また、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム
、トリウムのいずれか一または複数から選択された材料を用いてもよい。また、金属導電
層は、単層構造でも、２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
ニウム層の単層構造、アルミニウム層上にチタン層を積層する２層構造、Ｔｉ層と、その
Ｔｉ層上に重ねてアルミニウム層を積層し、さらにその上にＴｉ層を成膜する３層構造な
どが挙げられる。また、Ａｌに、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ
）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、スカンジウム（Ｓｃ）か
ら選ばれた元素を単数、又は複数組み合わせた層、合金層、もしくは窒化層を用いてもよ
い。
第３のフォトリソグラフィ工程により導電層上にレジストマスクを形成し、選択的にエ
ッチングを行ってソース電極層３９５ａ、ドレイン電極層３９５ｂを形成した後、レジス
トマスクを除去する（図１０（Ｃ）参照）。
第３のフォトリソグラフィ工程でのレジストマスク形成時の露光には、紫外線やＫｒＦ
レーザ光やＡｒＦレーザ光を用いる。酸化物半導体層３９９上で隣り合うソース電極層の
下端部とドレイン電極層の下端部との間隔幅によって後に形成される薄膜トランジスタの
チャネル長Ｌが決定される。なお、チャネル長Ｌ＝２５ｎｍ未満の露光を行う場合には、
数ｎｍ～数１０ｎｍと極めて波長が短い超紫外線（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌ
ｅｔ）を用いて第３のフォトリソグラフィ工程でのレジストマスク形成時の露光を行う。
超紫外線による露光においては、解像度が高く焦点深度も大きい。従って、後に形成され
る薄膜トランジスタのチャネル長Ｌを１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることも可能で
あり、回路の動作速度を高速化でき、さらにオフ電流値が極めて小さくすることができる
ため、低消費電力化も図ることができる。
なお、導電層のエッチングの際に、酸化物半導体層３９９は除去されないようにそれぞ
れの材料及びエッチング条件を適宜調節する。
本実施の形態では、導電膜としてＴｉ層を用いて、酸化物半導体層３９９にはＩｎ－Ｇ
ａ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物半導体を用いて、エッチャントとしてアンモニア過水（アンモニア
、水、過酸化水素水の混合液）を用いる。
なお、第３のフォトリソグラフィ工程では、酸化物半導体層３９９は一部のみがエッチ
ングされ、溝部（凹部）を有する酸化物半導体層となることもある。また、ソース電極層
３９５ａ、ドレイン電極層３９５ｂを形成するためのレジストマスクをインクジェット法
で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用
しないため、製造コストを低減できる。
また、フォトリソグラフィ工程で用いるフォトマスク数及び工程数を削減するため、透
過した光が複数の強度となる露光マスクである多階調マスクによって形成されたレジスト
マスクを用いてエッチング工程を行ってもよい。多階調マスクを用いて形成したレジスト
マスクは複数の膜厚を有する形状となり、エッチングを行うことでさらに形状を変形する
ことができるため、異なるパターンに加工する複数のエッチング工程に用いることができ
る。よって、一枚の多階調マスクによって、少なくとも二種類以上の異なるパターンに対
応するレジストマスクを形成することができる。よって露光マスク数を削減することがで
き、対応するフォトリソグラフィ工程も削減できるため、工程の簡略化が可能となる。
Ｎ２Ｏ、Ｎ２、またはＡｒなどのガスを用いたプラズマ処理によって露出している酸化
物半導体層の表面に付着した吸着水などを除去してもよい。また、酸素とアルゴンの混合
ガスを用いてプラズマ処理を行ってもよい。
プラズマ処理を行った場合、大気に触れることなく、酸化物半導体層の一部に接する保
護絶縁層として酸化物絶縁層３９６を形成する（図１０（Ｄ）参照）。本実施の形態では
、酸化物半導体層３９９がソース電極層３９５ａ、ドレイン電極層３９５ｂと重ならない
領域において、酸化物半導体層３９９と酸化物絶縁層３９６とが接するように形成する。
本実施の形態では、酸化物絶縁層３９６として、島状の酸化物半導体層３９９、ソース
電極層３９５ａ、ドレイン電極層３９５ｂまで形成された基板３９４を室温又は１００℃
未満の温度に加熱し、水素及び水分が除去された高純度酸素を含むスパッタガスを導入し
シリコンターゲットを用いて、欠陥を含む酸化シリコン層を成膜する。
例えば、スパッタガスの純度が６Ｎであり、ボロンがドープされたシリコンターゲット
（抵抗値０．０１Ω・ｃｍ）を用い、基板とターゲットの間との距離（Ｔ－Ｓ間距離）を
８９ｍｍ、圧力０．４Ｐａ、直流（ＤＣ）電源電力６ｋＷ、酸素（酸素流量比率１００％
）雰囲気下でパルスＤＣスパッタリング法により酸化シリコン層を成膜する。膜厚は３０
０ｎｍとする。なお、シリコンターゲットに代えて石英（好ましくは合成石英）を酸化シ
リコン層を成膜するためのターゲットとして用いることができる。なお、スパッタガスと
して酸素又は、酸素及びアルゴンの混合ガスを用いて行う。
この場合において、処理室内の残留水分を除去しつつ酸化物絶縁層３９６を成膜するこ
とが好ましい。酸化物半導体層３９９及び酸化物絶縁層３９６に水素、水酸基又は水分が
含まれないようにするためである。
処理室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい
。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いること
が好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたもので
あってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素原子や、水（Ｈ
２Ｏ）など水素原子を含む化合物を含む化合物等が排気されるため、当該成膜室で成膜し
た酸化物絶縁層３９６に含まれる不純物の濃度を低減できる。
なお、酸化物絶縁層３９６として、酸化シリコン層に代えて、酸化窒化シリコン層、酸
化アルミニウム層、または酸化窒化アルミニウム層などを用いることもできる。
さらに、酸化物絶縁層３９６と酸化物半導体層３９９とを接した状態で１００℃乃至４
００℃で加熱処理を行ってもよい。本実施の形態における酸化物絶縁層３９６は欠陥を多
く含むため、この加熱処理によって酸化物半導体層３９９中に含まれる水素、水分、水酸
基又は水素化物などの不純物を酸化物絶縁層３９６に拡散させ、酸化物半導体層３９９中
に含まれる該不純物をより低減させることができる。
以上の工程で、水素、水分、水酸基又は水素化物の濃度が低減された酸化物半導体層３
９２を有する薄膜トランジスタ３９０を形成することができる（図１０（Ｅ）参照）。
上記のように酸化物半導体層を成膜するに際し、反応雰囲気中の残留水分を除去するこ
とで、該酸化物半導体層中の水素及び水素化物の濃度を低減することができる。それによ
り酸化物半導体層の安定化を図ることができる。
酸化物絶縁層上に保護絶縁層を設けてもよい。本実施の形態では、保護絶縁層３９８を
酸化物絶縁層３９６上に形成する。保護絶縁層３９８としては、窒化シリコン層、窒化酸
化シリコン層、窒化アルミニウム層、又は窒化酸化アルミニウム層などを用いる。
保護絶縁層３９８として、酸化物絶縁層３９６まで形成された基板３９４を１００℃～
４００℃の温度に加熱し、水素及び水分が除去された高純度窒素を含むスパッタガスを導
入しシリコンターゲットを用いて窒化シリコン層を成膜する。この場合においても、酸化
物絶縁層３９６と同様に、処理室内の残留水分を除去しつつ保護絶縁層３９８を成膜する
ことが好ましい。
保護絶縁層３９８を形成する場合、保護絶縁層３９８の成膜時に１００℃～４００℃に
基板３９４を加熱することで、酸化物半導体層中に含まれる水素若しくは水分を酸化物絶
縁層に拡散させることができる。この場合上記酸化物絶縁層３９６の形成後に加熱処理を
行わなくてもよい。
酸化物絶縁層３９６として酸化シリコン層を形成し、保護絶縁層３９８として窒化シリ
コン層を積層する場合、酸化シリコン層と窒化シリコン層を同じ処理室において、共通の
シリコンターゲットを用いて成膜することができる。先に酸素を含むスパッタガスを導入
して、処理室内に装着されたシリコンターゲットを用いて酸化シリコン層を形成し、次に
スパッタガスを窒素を含むスパッタガスに切り替えて同じシリコンターゲットを用いて窒
化シリコン層を成膜する。酸化シリコン層と窒化シリコン層とを大気に曝露せずに連続し
て形成することができるため、酸化シリコン層表面に水素や水分などの不純物が吸着する
ことを防止することができる。この場合、酸化物絶縁層３９６として酸化シリコン層を形
成し、保護絶縁層３９８として窒化シリコン層を積層した後、酸化物半導体層中に含まれ
る水素若しくは水分を酸化物絶縁層に拡散させるための加熱処理（温度１００℃乃至４０
０℃）を行うとよい。
保護絶縁層の形成後、さらに大気中、１００℃以上２００℃以下、１時間以上３０時間
以下での加熱処理を行ってもよい。この加熱処理は一定の加熱温度を保持して加熱しても
よいし、室温から、１００℃以上２００℃以下の加熱温度への昇温と、加熱温度から室温
までの降温を複数回くりかえして行ってもよい。また、この加熱処理を、酸化物絶縁層の
形成前に、減圧下で行ってもよい。減圧下で加熱処理を行うと、加熱時間を短縮すること
ができる。この加熱処理によって、ノーマリーオフとなる薄膜トランジスタを得ることが
できる。よって半導体装置の信頼性を向上できる。
また、ゲート絶縁層上にチャネル形成領域とする酸化物半導体層を成膜するに際し、反
応雰囲気中の残留水分を除去することで、該酸化物半導体層中の水素及び水素化物の濃度
を低減することができる。
上記の工程は、液晶表示パネル、エレクトロルミネセンス表示パネル、電子インクを用
いた表示装置などのバックプレーン（薄膜トランジスタが形成された基板）の製造に用い
ることができる。上記の工程は、４００℃以下の温度で行われるため、厚さが１ｍｍ以下
で、一辺が１ｍを超えるガラス基板を用いる製造工程にも適用することができる。また、
４００℃以下の処理温度で全ての工程を行うことができるので、表示パネルを製造するた
めに多大なエネルギーを消費しないで済む。
上述した薄膜トランジスタを実施の形態１及び２に示した論理回路に適用することによ
って、安定な電気特性を有し信頼性の高い論理回路を提供することができる。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態７）
本実施の形態では、実施の形態１又は２に示した論理回路が有する薄膜トランジスタの
一例について示す。
本実施の形態の薄膜トランジスタ及びその作製方法の一形態を図１１を用いて説明する
。
図１１に薄膜トランジスタの断面構造の一例を示す。図１１（Ｄ）に示す薄膜トランジ
スタ３１０は、ボトムゲート構造の一つであり逆スタガ型薄膜トランジスタともいう。
また、薄膜トランジスタ３１０はシングルゲート構造の薄膜トランジスタを用いて説明
したが、必要に応じて、チャネル形成領域を複数有するマルチゲート構造の薄膜トランジ
スタも形成することができる。
以下、図１１（Ａ）乃至（Ｅ）を用い、基板３００上に薄膜トランジスタ３１０を作製
する工程を説明する。
まず、絶縁表面を有する基板３００上に導電層を形成した後、第１のフォトリソグラフ
ィ工程によりゲート電極層３１１を形成する。なお、レジストマスクをインクジェット法
で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用
しないため、製造コストを低減できる。
絶縁表面を有する基板３００に使用することができる基板に大きな制限はないが、少な
くとも、後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。バリウム
ホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板を用いることができる。
また、ガラス基板としては、後の加熱処理の温度が高い場合には、歪み点が７３０℃以
上のものを用いると良い。また、ガラス基板には、例えば、アルミノシリケートガラス、
アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスなどのガラス材料が用いられてい
る。なお、一般に、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）と比較して酸化バリウム（ＢａＯ）を多く含
ませることで、より実用的な耐熱ガラスが得られる。このため、Ｂ２Ｏ３よりＢａＯを多
く含むガラス基板を用いることが好ましい
なお、上記のガラス基板に代えて、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などの
絶縁体でなる基板を用いても良い。他にも、結晶化ガラス基板などを用いることができる
。
下地層となる絶縁層を基板３００とゲート電極層３１１との間に設けてもよい。下地層
は、基板３００からの不純物元素の拡散を防止する機能があり、窒化珪素層、酸化珪素層
、窒化酸化珪素層、又は酸化窒化珪素層から選ばれた一又は複数の層による積層構造によ
り形成することができる。
また、ゲート電極層３１１は、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン
、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料又はこれらを主成分とする合
金材料の単層又は積層を適用することができる。
例えば、ゲート電極層３１１の２層の積層構造としては、アルミニウム層上にモリブデ
ン層が積層された２層の積層構造、銅層上にモリブデン層が積層された２層の積層構造、
銅層上に窒化チタン層若しくは窒化タンタルが積層された２層の積層構造、窒化チタン層
とモリブデン層との２層の積層構造、又は窒化タングステン層とタングステン層との２層
の積層構造とすることが好ましい。３層の積層構造としては、タングステン層または窒化
タングステンと、アルミニウムと珪素の合金層またはアルミニウムとチタンの合金層と、
窒化チタン層またはチタン層とを積層した積層とすることが好ましい。
次いで、ゲート電極層３１１上にゲート絶縁層３０２を形成する。
ゲート絶縁層３０２は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いて、酸化珪素
層、窒化珪素層、酸化窒化珪素層、窒化酸化珪素層、又は酸化アルミニウム層の単層又は
積層を適用することができる。例えば、成膜ガスとして、ＳｉＨ４、酸素及び窒素を用い
てプラズマＣＶＤ法により酸化窒化珪素層を形成すればよい。ゲート絶縁層３０２の膜厚
は、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下とし、積層の場合は、例えば、膜厚５０ｎｍ以上２０
０ｎｍ以下の第１のゲート絶縁層と、第１のゲート絶縁層上に膜厚５ｎｍ以上３００ｎｍ
以下の第２のゲート絶縁層の積層とする。
本実施の形態では、ゲート絶縁層３０２としてプラズマＣＶＤ法により膜厚１００ｎｍ
以下の酸化窒化珪素層を形成する。
次いで、ゲート絶縁層３０２上に、膜厚２ｎｍ以上２００ｎｍ以下の酸化物半導体層３
３０を形成する。
なお、酸化物半導体層３３０をスパッタ法により成膜する前に、アルゴンガスを導入し
た状態でプラズマを発生させて逆スパッタを行い、ゲート絶縁層３０２の表面に付着して
いるゴミを除去することが好ましい。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウム、酸
素などを用いてもよい。
酸化物半導体層３３０は、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系、Ｉｎ－Ｓｎ－Ｚｎ－Ｏ系、Ｉｎ－
Ａｌ－Ｚｎ－Ｏ系、Ｓｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系、Ａｌ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系、Ｓｎ－Ａｌ－Ｚ
ｎ－Ｏ系、Ｉｎ－Ｚｎ－Ｏ系、Ｓｎ－Ｚｎ－Ｏ系、Ａｌ－Ｚｎ－Ｏ系、Ｉｎ－Ｏ系、Ｓｎ
－Ｏ系、Ｚｎ－Ｏ系の酸化物半導体を用いる。本実施の形態では、酸化物半導体層３３０
としてＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系金属酸化物ターゲットを用いてスパッタ法により成膜する
。この段階での断面図が図１１（Ａ）に相当する。また、酸化物半導体層３３０は、希ガ
ス（代表的にはアルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、又は希ガス（代表的にはアルゴン）
及び酸素混合雰囲気下においてスパッタ法により成膜することができる。また、スパッタ
リング法を用いる場合、ＳｉＯ２を２重量％以上１０重量％以下含むターゲットを用いて
成膜を行ってもよい。
酸化物半導体層３３０をスパッタリング法で成膜するためのターゲットとして、酸化亜
鉛を主成分とする金属酸化物のターゲットを用いることができる。また、金属酸化物のタ
ーゲットの他の例としては、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む金属酸化物ターゲット（組成比
として、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１［ｍｏｌ］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝
１：１：０．５［ａｔｏｍ］）を用いることができる。また、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含
む金属酸化物ターゲットとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［ａｔｏｍ］、又はＩｎ
：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：２［ａｔｏｍ］の組成比を有するターゲットを用いることもでき
る。金属酸化物ターゲットの充填率は９０％以上１００％以下、好ましくは９５％以上９
９．９％である。充填率の高い金属酸化物ターゲットを用いることにより、成膜した酸化
物半導体層は緻密な膜となる。
酸化物半導体層３３０を、成膜する際に用いるスパッタガスは水素、水、水酸基又は水
素化物などの不純物が、濃度ｐｐｍ程度、濃度ｐｐｂ程度まで除去された高純度ガスを用
いることが好ましい。
減圧状態に保持された処理室内に基板を保持し、基板温度を１００℃以上６００℃以下
好ましくは２００℃以上４００℃以下とする。基板を加熱しながら成膜することにより、
成膜した酸化物半導体層に含まれる不純物濃度を低減することができる。また、スパッタ
リングによる損傷が軽減される。そして、処理室内の残留水分を除去しつつ水素及び水分
が除去されたスパッタガスを導入し、金属酸化物をターゲットとして基板３００上に酸化
物半導体層３３０を成膜する。処理室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポ
ンプを用いることが好ましい。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメ
ーションポンプを用いることが好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコー
ルドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、
例えば、水素原子、水（Ｈ２Ｏ）など水素原子を含む化合物（より好ましくは炭素原子を
含む化合物も）等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物半導体層に含まれる不
純物の濃度を低減できる。
成膜条件の一例としては、基板とターゲットの間との距離を１００ｍｍ、圧力０．６Ｐ
ａ、直流（ＤＣ）電源電力０．５ｋＷ、酸素（酸素流量比率１００％）雰囲気下の条件が
適用される。なお、パルス直流（ＤＣ）電源を用いると、成膜時に発生する粉状物質（パ
ーティクル、ゴミともいう）が軽減でき、膜厚分布も均一となるために好ましい。酸化物
半導体層は好ましくは５ｎｍ以上３０ｎｍ以下とする。なお、適用する酸化物半導体材料
により適切な厚みは異なり、材料に応じて適宜厚みを選択すればよい。
次いで、酸化物半導体層３３０を第２のフォトリソグラフィ工程により島状の酸化物半
導体層に加工する。また、島状の酸化物半導体層を形成するためのレジストマスクをイン
クジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォト
マスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
次いで、酸化物半導体層に第１の加熱処理を行う。この第１の加熱処理によって酸化物
半導体層の脱水化または脱水素化を行うことができる。第１の加熱処理の温度は、４００
℃以上７５０℃以下、好ましくは４００℃以上基板の歪み点未満とする。ここでは、加熱
処理装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半導体層に対して窒素雰囲気下４５
０℃において１時間の加熱処理を行った後、大気に触れることなく、酸化物半導体層への
水や水素の混入を防ぎ、酸化物半導体層３３１を得る（図１１（Ｂ）参照）。
なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または
熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を備えていてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａ
ｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉ
ｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａ
ｎｎｅａｌ）装置を用いることができる。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハラ
イドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高
圧水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装
置である。ＧＲＴＡ装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。気体には、
アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不
活性気体が用いられる。
例えば、第１の加熱処理として、６５０℃～７００℃の高温に加熱した不活性ガス中に
基板を移動させて入れ、数分間加熱した後、基板を移動させて高温に加熱した不活性ガス
中から出すＧＲＴＡを行ってもよい。ＧＲＴＡを用いると短時間での高温加熱処理が可能
となる。
なお、第１の加熱処理においては、窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガ
スに、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、加熱処理装置に導入する窒素
、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以
上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上、（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好
ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
また、第１の加熱処理の条件、または酸化物半導体層の材料によっては、酸化物半導体
層が結晶化し、微結晶または多結晶となる場合もある。例えば、結晶化率が９０％以上、
または８０％以上の微結晶の酸化物半導体層となる場合もある。また、第１の加熱処理の
条件、または酸化物半導体層の材料によっては、結晶成分を含まない非晶質の酸化物半導
体層となる場合もある。また、非晶質の酸化物半導体の中に微結晶部（粒径１ｎｍ以上２
０ｎｍ以下（代表的には２ｎｍ以上４ｎｍ以下））が混在する酸化物半導体層となる場合
もある。
また、酸化物半導体層の第１の加熱処理は、島状の酸化物半導体層に加工する前の酸化
物半導体層３３０に行うこともできる。その場合には、第１の加熱処理後に、加熱装置か
ら基板を取り出し、フォトリソグラフィ工程を行う。
酸化物半導体層に対する脱水化、脱水素化の効果を奏する加熱処理は、酸化物半導体層
成膜後、酸化物半導体層上にソース電極層及びドレイン電極層を積層させた後、ソース電
極層及びドレイン電極層上に保護絶縁層を形成した後、のいずれで行っても良い。
また、ゲート絶縁層３０２にコンタクトホールを形成する場合、その工程は酸化物半導
体層に脱水化または脱水素化処理を行う前でも行った後に行ってもよい。
なお、ここでの酸化物半導体膜のエッチングは、ウェットエッチングに限定されずドラ
イエッチングを用いてもよい。
所望の加工形状にエッチングできるように、材料に合わせてエッチング条件（エッチン
グ液、エッチング時間、温度等）を適宜調節する。
次いで、ゲート絶縁層３０２、及び酸化物半導体層３３１上に、導電層を成膜する。導
電層は、スパッタ法や真空蒸着法によって成膜すればよい。導電層の材料としては、Ａｌ
、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗからから選ばれた元素、または上述した元素を成分
とする合金か、上述した元素を組み合わせた合金層等が挙げられる。また、マンガン、マ
グネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、トリウムのいずれか一または複数から選択され
た材料を用いてもよい。また、導電層は、単層構造でも、２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層の単層構造、アルミニウム層上にチタン層が
積層された２層構造、Ｔｉ層と、そのＴｉ層上に重ねてアルミニウム層を積層し、さらに
その上にＴｉ層が成膜された３層構造などが挙げられる。また、Ａｌに、チタン（Ｔｉ）
、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、Ｎｄ
（ネオジム）、Ｓｃ（スカンジウム）から選ばれた元素を単数、又は複数組み合わせた層
、合金層、もしくは窒化層を用いてもよい。
導電層成膜後に加熱処理を行う場合には、この加熱処理に耐える耐熱性を導電層に持た
せることが好ましい。
第３のフォトリソグラフィ工程により導電層上にレジストマスクを形成し、選択的にエ
ッチングを行ってソース電極層３１５ａ、ドレイン電極層３１５ｂを形成した後、レジス
トマスクを除去する（図１１（Ｃ）参照）。
第３のフォトリソグラフィ工程でのレジストマスク形成時の露光には、紫外線やＫｒＦ
レーザ光やＡｒＦレーザ光を用いる。酸化物半導体層３３１上で隣り合うソース電極層の
下端部とドレイン電極層の下端部との間隔幅によって後に形成される薄膜トランジスタの
チャネル長Ｌが決定される。なお、チャネル長Ｌ＝２５ｎｍ未満の露光を行う場合には、
数ｎｍ～数１０ｎｍと極めて波長が短い超紫外線（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌ
ｅｔ）を用いて第３のフォトリソグラフィ工程でのレジストマスク形成時の露光を行う。
超紫外線による露光においては、解像度が高く焦点深度も大きい。従って、後に形成され
る薄膜トランジスタのチャネル長Ｌを１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることも可能で
あり、回路の動作速度を高速化でき、さらにオフ電流値が極めて小さくすることができる
ため、低消費電力化も図ることができる。
なお、導電層のエッチングの際に、酸化物半導体層３３１は除去されないようにそれぞ
れの材料及びエッチング条件を適宜調節する。
本実施の形態では、導電層としてＴｉ層を用いて、酸化物半導体層３３１にはＩｎ－Ｇ
ａ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物半導体を用いて、エッチャントとしてアンモニア過水（アンモニア
、水、過酸化水素水の混合液）を用いる。
なお、第３のフォトリソグラフィ工程では、酸化物半導体層３３１は一部のみがエッチ
ングされ、溝部（凹部）を有する酸化物半導体層となることもある。また、ソース電極層
３１５ａ、ドレイン電極層３１５ｂを形成するためのレジストマスクをインクジェット法
で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用
しないため、製造コストを低減できる。
また、酸化物半導体層とソース電極層及びドレイン電極層の間に、酸化物導電層を形成
してもよい。酸化物導電層とソース電極層及びドレイン電極層を形成するための金属層は
、連続成膜が可能である。酸化物導電層はソース領域及びドレイン領域として機能しうる
。
ソース領域及びドレイン領域として、酸化物導電層を酸化物半導体層とソース電極層及
びドレイン電極層との間に設けることで、ソース領域及びドレイン領域の低抵抗化を図る
ことができ、トランジスタを高速動作させることができる。
また、フォトリソグラフィ工程で用いるフォトマスク数及び工程数を削減するため、透
過した光が複数の強度となる露光マスクである多階調マスクによって形成されたレジスト
マスクを用いてエッチング工程を行ってもよい。多階調マスクを用いて形成したレジスト
マスクは複数の膜厚を有する形状となり、エッチングを行うことでさらに形状を変形する
ことができるため、異なるパターンに加工する複数のエッチング工程に用いることができ
る。よって、一枚の多階調マスクによって、少なくとも二種類以上の異なるパターンに対
応するレジストマスクを形成することができる。よってマスク数を削減することができ、
対応するフォトリソグラフィ工程も削減できるため、工程の簡略化が可能となる。
次いで、Ｎ２Ｏ、Ｎ２、またはＡｒなどのガスを用いたプラズマ処理を行う。このプラ
ズマ処理によって露出している酸化物半導体層の表面に付着した吸着水などを除去する。
また、酸素とアルゴンの混合ガスを用いてプラズマ処理を行ってもよい。
プラズマ処理を行った後、大気に触れることなく、酸化物半導体層の一部に接する保護
絶縁層となる酸化物絶縁層３１６を形成する。
酸化物絶縁層３１６は、少なくとも１ｎｍ以上の膜厚とし、スパッタ法など、酸化物絶
縁層３１６に水、水素等の不純物を混入させない方法を適宜用いて成膜することができる
。酸化物絶縁層３１６に水素が含まれると、その水素の酸化物半導体層への侵入、又は水
素による酸化物半導体層中の酸素の引き抜き、が生じ酸化物半導体層のバックチャネルが
低抵抗化（Ｎ型化）してしまい、寄生チャネルが形成されるおそれがある。よって、酸化
物絶縁層３１６はできるだけ水素を含まない層になるように、成膜方法に水素を用いない
ことが重要である。
本実施の形態では、酸化物絶縁層３１６として膜厚２００ｎｍの酸化珪素層をスパッタ
法を用いて成膜する。成膜時の基板温度は、室温以上３００℃以下とすればよく、本実施
の形態では１００℃とする。酸化珪素層のスパッタ法による成膜は、希ガス（代表的には
アルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、または希ガス（代表的にはアルゴン）及び酸素雰囲
気下において行うことができる。また、ターゲットとして酸化珪素ターゲットまたは珪素
ターゲットを用いることができる。例えば、珪素ターゲットを用いて、酸素、及び窒素雰
囲気下でスパッタ法により酸化珪素層を形成することができる。酸素欠乏状態となり低抵
抗化、即ちＮ型化した酸化物半導体層に接して形成され酸化物絶縁層３１６は、水分、水
素イオン、ＯＨ－などの不純物を含まず、これらが外部から侵入することをブロックする
無機絶縁層を用い、代表的には酸化シリコン層、酸化窒化シリコン層、酸化アルミニウム
層、または酸化窒化アルミニウム層などを用いる。
この場合において、処理室内の残留水分を除去しつつ酸化物絶縁層３１６を成膜するこ
とが好ましい。酸化物半導体層３３１及び酸化物絶縁層３１６に水素、水酸基又は水分が
含まれないようにするためである。
処理室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい
。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いること
が好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたもので
あってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素原子や、水（Ｈ
２Ｏ）など水素原子を含む化合物等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物絶縁
層３１６に含まれる不純物の濃度を低減できる。
酸化物絶縁層３１６を成膜する際に用いるスパッタガスは水素、水、水酸基又は水素化
物などの不純物が、濃度ｐｐｍ程度、濃度ｐｐｂ程度まで除去された高純度ガスを用いる
ことが好ましい。
次いで、不活性ガス雰囲気下、または酸素ガス雰囲気下で第２の加熱処理（好ましくは
２００℃以上４００℃以下、例えば２５０℃以上３５０℃以下）を行う。例えば、窒素雰
囲気下で２５０℃、１時間の第２の加熱処理を行う。第２の加熱処理を行うと、酸化物半
導体層の一部（チャネル形成領域）が酸化物絶縁層３１６と接した状態で加熱される。
以上の工程を経ることによって、成膜後の酸化物半導体層に対して脱水化または脱水素
化のための加熱処理を行うと同時に酸化物半導体層が低抵抗化、即ちＮ型化する。その後
、酸化物半導体層に接する酸化物絶縁層を成膜することにより酸化物半導体層の一部を選
択的に酸素過剰な状態とする。その結果、ゲート電極層３１１と重なるチャネル形成領域
３１３はＩ型となる。この時、少なくともチャネル形成領域３１３に比べてキャリア密度
が高く、ソース電極層３１５ａに重なる高抵抗ソース領域３１４ａと、少なくともチャネ
ル形成領域３１３に比べてキャリア密度が高く、ドレイン電極層３１５ｂに重なる高抵抗
ドレイン領域３１４ｂとが自己整合的に形成される。以上の工程で薄膜トランジスタ３１
０が形成される（図１１（Ｄ）参照）。
さらに大気中、１００℃以上２００℃以下、１時間以上３０時間以下での加熱処理を行
ってもよい。本実施の形態では１５０℃で１０時間加熱処理を行う。この加熱処理は一定
の加熱温度を保持して加熱してもよいし、室温から、１００℃以上２００℃以下の加熱温
度への昇温と、加熱温度から室温までの降温を複数回くりかえして行ってもよい。また、
この加熱処理を、酸化物絶縁層の形成前に、減圧下で行ってもよい。減圧下で加熱処理を
行うと、加熱時間を短縮することができる。この加熱処理によって、酸化物半導体層から
酸化物絶縁層中に水素がとりこまれ、ノーマリーオフとなる薄膜トランジスタを得ること
ができる。よって半導体装置の信頼性を向上できる。また、酸化物絶縁層に欠陥を多く含
む酸化シリコン層を用いると、この加熱処理によって酸化物半導体層中に含まれる水素、
水分、水酸基又は水素化物などの不純物を酸化物絶縁層に拡散させ、酸化物半導体層中に
含まれる該不純物をより低減させる効果を奏する。
なお、ドレイン電極層３１５ｂ（及びソース電極層３１５ａ）と重畳した酸化物半導体
層において高抵抗ドレイン領域３１４ｂ（及び高抵抗ソース領域３１４ａ）を形成するこ
とにより、薄膜トランジスタの信頼性の向上を図ることができる。具体的には、高抵抗ド
レイン領域３１４ｂを形成することで、ドレイン電極層３１５ｂから高抵抗ドレイン領域
３１４ｂ、チャネル形成領域３１３にかけて、導電性を段階的に変化させうるような構造
とすることができる。そのため、ドレイン電極層３１５ｂに高電源電位ＶＤＤを供給する
配線に接続して動作させる場合、ゲート電極層３１１とドレイン電極層３１５ｂとの間に
高電圧が印加されても高抵抗ドレイン領域がバッファとなり局所的な電界集中が生じにく
く、トランジスタの耐圧を向上させた構成とすることができる。
また、酸化物半導体層における高抵抗ソース領域又は高抵抗ドレイン領域は、酸化物半
導体層の膜厚が１５ｎｍ以下と薄い場合は膜厚方向全体にわたって形成されるが、酸化物
半導体層の膜厚が３０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とより厚い場合は、酸化物半導体層の一部、
ソース電極層又はドレイン電極層と接する領域及びその近傍が低抵抗化し高抵抗ソース領
域又は高抵抗ドレイン領域が形成され、酸化物半導体層においてゲート絶縁膜に近い領域
はＩ型とすることもできる。
酸化物絶縁層３１６上にさらに保護絶縁層を形成してもよい。例えば、ＲＦスパッタ法
を用いて窒化珪素層を形成する。ＲＦスパッタ法は、量産性がよいため、保護絶縁層の成
膜方法として好ましい。保護絶縁層は、水分、水素イオン、ＯＨ－などの不純物を含まず
、これらが外部から侵入することをブロックする無機絶縁層を用い、窒化シリコン層、窒
化アルミニウム層、窒化酸化シリコン層、窒化酸化アルミニウム層などを用いる。本実施
の形態では、保護絶縁層として保護絶縁層３０３を、窒化シリコン層を用いて形成する（
図１１（Ｅ）参照）。
本実施の形態では、酸化物絶縁層３１６まで形成された基板３００を１００℃～４００
℃の温度に加熱し、水素及び水分が除去された高純度窒素を含むスパッタガスを導入しシ
リコンターゲットを用いて、保護絶縁層３０３として窒化シリコン層を成膜する。この場
合においても、酸化物絶縁層３１６と同様に、処理室内の残留水分を除去しつつ保護絶縁
層３０３を成膜することが好ましい。
図示しないが、保護絶縁層３０３上に平坦化のための平坦化絶縁層を設けてもよい。
上述した薄膜トランジスタを実施の形態１及び２に示した論理回路に適用することによ
って、安定な電気特性を有し信頼性の高い論理回路を提供することができる。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態８）
本実施の形態では、実施の形態１又は２に示した論理回路が有する薄膜トランジスタの
一例について示す。
本実施の形態の薄膜トランジスタ及びその作製方法の一形態を、図１２を用いて説明す
る。
図１２（Ｄ）に薄膜トランジスタの断面構造の一例を示す。図１２（Ｄ）に示す薄膜ト
ランジスタ３６０は、チャネル保護型（チャネルストップ型ともいう）と呼ばれるボトム
ゲート構造の一つであり逆スタガ型薄膜トランジスタともいう。
また、薄膜トランジスタ３６０はシングルゲート構造の薄膜トランジスタを用いて説明
するが、必要に応じて、チャネル形成領域を複数有するマルチゲート構造の薄膜トランジ
スタも形成することができる。
以下、図１２（Ａ）乃至（Ｄ）を用い、基板３２０上に薄膜トランジスタ３６０を作製
する工程を説明する。
まず、絶縁表面を有する基板３２０上に導電層を成膜した後、第１のフォトリソグラフ
ィ工程によりゲート電極層３６１を形成する。なお、レジストマスクをインクジェット法
で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用
しないため、製造コストを低減できる。
また、ゲート電極層３６１は、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン
、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料又はこれらを主成分とする合
金材料の単層又は積層を適用することができる。
次いで、ゲート電極層３６１上にゲート絶縁層３２２を形成する。
本実施の形態では、ゲート絶縁層３２２としてプラズマＣＶＤ法により膜厚１００ｎｍ
以下の酸化窒化珪素層を形成する。
次いで、ゲート絶縁層３２２上に、膜厚２ｎｍ以上２００ｎｍ以下の酸化物半導体層を
形成し、第２のフォトリソグラフィ工程により島状の酸化物半導体層に加工する。本実施
の形態では、酸化物半導体層はＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系金属酸化物ターゲットを用いてス
パッタ法により成膜する。
この場合において、処理室内の残留水分を除去しつつ酸化物半導体層を成膜することが
好ましい。酸化物半導体層に水素、水酸基又は水分が含まれないようにするためである。
処理室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい
。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いること
が好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたもので
あってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素原子や、水（Ｈ
２Ｏ）など水素原子を含む化合物等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物半導
体層に含まれる不純物の濃度を低減できる。
酸化物半導体層を、成膜する際に用いるスパッタガスは水素、水、水酸基又は水素化物
などの不純物が、濃度ｐｐｍ程度、濃度ｐｐｂ程度まで除去された高純度ガスを用いるこ
とが好ましい。
次いで、酸化物半導体層の脱水化または脱水素化を行う。脱水化または脱水素化を行う
第１の加熱処理の温度は、４００℃以上７５０℃以下、好ましくは４００℃以上基板の歪
み点未満とする。ここでは、加熱処理装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半
導体層に対して窒素雰囲気下４５０℃において１時間の加熱処理を行った後、大気に触れ
ることなく、酸化物半導体層への水や水素の混入を防ぎ、酸化物半導体層３３２を得る（
図１２（Ａ）参照）。
次いで、Ｎ２Ｏ、Ｎ２、またはＡｒなどのガスを用いたプラズマ処理を行う。このプラ
ズマ処理によって露出している酸化物半導体層の表面に付着した吸着水などを除去する。
また、酸素とアルゴンの混合ガスを用いてプラズマ処理を行ってもよい。
次いで、ゲート絶縁層３２２、及び酸化物半導体層３３２上に、酸化物絶縁層を成膜し
た後、第３のフォトリソグラフィ工程によりレジストマスクを形成し、選択的にエッチン
グを行って酸化物絶縁層３６６を形成した後、レジストマスクを除去する。
本実施の形態では、酸化物絶縁層３６６として膜厚２００ｎｍの酸化珪素層をスパッタ
法を用いて成膜する。成膜時の基板温度は、室温以上３００℃以下とすればよく、本実施
の形態では１００℃とする。酸化珪素層のスパッタ法による成膜は、希ガス（代表的には
アルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、または希ガス（代表的にはアルゴン）及び酸素混合
雰囲気下において行うことができる。また、ターゲットとして酸化珪素ターゲットまたは
珪素ターゲットを用いることができる。例えば、珪素ターゲットを用いて、酸素、及び窒
素雰囲気下でスパッタ法により酸化珪素を形成することができる。
この場合において、処理室内の残留水分を除去しつつ酸化物絶縁層３６６を成膜するこ
とが好ましい。酸化物半導体層３３２及び酸化物絶縁層３６６に水素、水酸基又は水分が
含まれないようにするためである。
処理室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい
。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いること
が好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたもので
あってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素原子や、水（Ｈ
２Ｏ）など水素原子を含む化合物等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物絶縁
層３６６に含まれる不純物の濃度を低減できる。
酸化物絶縁層３６６を成膜する際に用いるスパッタガスは水素、水、水酸基又は水素化
物などの不純物が、濃度ｐｐｍ程度、濃度ｐｐｂ程度まで除去された高純度ガスを用いる
ことが好ましい。
次いで、不活性ガス雰囲気下、または酸素ガス雰囲気下で第２の加熱処理（好ましくは
２００℃以上４００℃以下、例えば２５０℃以上３５０℃以下）を行ってもよい。例えば
、窒素雰囲気下で２５０℃、１時間の第２の加熱処理を行う。第２の加熱処理を行うと、
酸化物半導体層の一部（チャネル形成領域）が酸化物絶縁層３６６と接した状態で加熱さ
れる。
本実施の形態は、さらに酸化物絶縁層３６６が設けられ一部が露出している酸化物半導
体層３３２を、窒素、不活性ガス雰囲気下、又は減圧下で加熱処理を行う。酸化物絶縁層
３６６によって覆われていない露出された酸化物半導体層３３２の領域を、窒素、不活性
ガス雰囲気下、又は減圧下で加熱処理を行うことで、低抵抗化することができる。例えば
、窒素雰囲気下で２５０℃、１時間の加熱処理を行う。
酸化物絶縁層３６６が設けられた酸化物半導体層３３２に対する窒素雰囲気下の加熱処
理によって、酸化物半導体層３３２の露出領域は低抵抗化し、抵抗の異なる領域（図１２
（Ｂ）においては斜線領域及び白地領域で示す）を有する酸化物半導体層３６２となる。
次いで、ゲート絶縁層３２２、酸化物半導体層３６２、及び酸化物絶縁層３６６上に、
導電層を成膜した後、第４のフォトリソグラフィ工程によりレジストマスクを形成し、選
択的にエッチングを行ってソース電極層３６５ａ、ドレイン電極層３６５ｂを形成した後
、レジストマスクを除去する（図１２（Ｃ）参照）。
ソース電極層３６５ａ、ドレイン電極層３６５ｂの材料としては、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、
Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗからから選ばれた元素、または上述した元素を成分とする合金等が
挙げられる。また、金属導電層は、単層構造でも、２層以上の積層構造としてもよい。
以上の工程を経ることによって、成膜後の酸化物半導体層に対して脱水化または脱水素
化のための加熱処理を行うと同時に酸素欠乏状態となり低抵抗化、即ちＮ型化する。その
後、酸化物半導体層に接する酸化物絶縁層を成膜することにより、酸化物半導体層の一部
を選択的に酸素過剰な状態とする。その結果、ゲート電極層３６１と重なるチャネル形成
領域３６３は、Ｉ型となる。この時、少なくともチャネル形成領域３６３に比べてキャリ
ア密度が高く、ソース電極層３６５ａに重なる高抵抗ソース領域３６４ａと、少なくとも
チャネル形成領域３６３に比べてキャリア密度が高く、ドレイン電極層３６５ｂに重なる
高抵抗ドレイン領域３６４ｂとが自己整合的に形成される。以上の工程で薄膜トランジス
タ３６０が作製される。
さらに大気中、１００℃以上２００℃以下、１時間以上３０時間以下での加熱処理を行
ってもよい。本実施の形態では１５０℃で１０時間加熱処理を行う。この加熱処理は一定
の加熱温度を保持して加熱してもよいし、室温から、１００℃以上２００℃以下の加熱温
度への昇温と、加熱温度から室温までの降温を複数回くりかえして行ってもよい。また、
この加熱処理を、酸化物絶縁層の形成前に、減圧下で行ってもよい。減圧下で加熱処理を
行うと、加熱時間を短縮することができる。この加熱処理によって、酸化物半導体層から
酸化物絶縁層中に水素がとりこまれ、ノーマリーオフとなる薄膜トランジスタを得ること
ができる。よって半導体装置の信頼性を向上できる。
なお、ドレイン電極層３６５ｂ（及びソース電極層３６５ａ）と重畳した酸化物半導体
層において高抵抗ドレイン領域３６４ｂ（及び高抵抗ソース領域３６４ａ）を形成するこ
とにより、薄膜トランジスタの信頼性の向上を図ることができる。具体的には、高抵抗ド
レイン領域３６４ｂを形成することで、ドレイン電極層から高抵抗ドレイン領域３６４ｂ
、チャネル形成領域３６３にかけて、導電性を段階的に変化させうるような構造とするこ
とができる。そのため、ドレイン電極層３６５ｂに高電源電位ＶＤＤを供給する配線に接
続して動作させる場合、ゲート電極層３６１とドレイン電極層３６５ｂとの間に高電圧が
印加されても高抵抗ドレイン領域がバッファとなり局所的な電界集中が生じにくく、トラ
ンジスタの耐圧を向上させた構成とすることができる。
ソース電極層３６５ａ、ドレイン電極層３６５ｂ、酸化物絶縁層３６６上に保護絶縁層
３２３を形成する。本実施の形態では、保護絶縁層３２３を、窒化珪素層を用いて形成す
る（図１２（Ｄ）参照）。
なお、ソース電極層３６５ａ、ドレイン電極層３６５ｂ、酸化物絶縁層３６６上にさら
に酸化物絶縁層を形成し、該酸化物絶縁層上に保護絶縁層３２３を積層してもよい。
上述した薄膜トランジスタを実施の形態１及び２に示した論理回路に適用することによ
って、安定な電気特性を有し信頼性の高い論理回路を提供することができる。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態９）
本実施の形態では、実施の形態１又は２に示した論理回路が有する薄膜トランジスタの
一例について示す。
本実施の形態の薄膜トランジスタ及びその作製方法の一形態を、図１３を用いて説明す
る。
なお、図１３（Ｄ）に示す薄膜トランジスタ３５０はシングルゲート構造の薄膜トラン
ジスタであるが、必要に応じて、チャネル形成領域を複数有するマルチゲート構造の薄膜
トランジスタも形成することができる。
以下、図１３（Ａ）乃至（Ｄ）を用い、基板３４０上に薄膜トランジスタ３５０を作製
する工程を説明する。
まず、絶縁表面を有する基板３４０上に導電層を成膜した後、第１のフォトリソグラフ
ィ工程によりゲート電極層３５１を形成する。本実施の形態では、ゲート電極層３５１と
して、膜厚１５０ｎｍのタングステン層を、スパッタ法を用いて成膜する。
次いで、ゲート電極層３５１上にゲート絶縁層３４２を形成する。本実施の形態では、
ゲート絶縁層３４２としてプラズマＣＶＤ法により膜厚１００ｎｍ以下の酸化窒化珪素層
を成膜する。
次いで、ゲート絶縁層３４２上に、導電層を成膜し、第２のフォトリソグラフィ工程に
より導電層上にレジストマスクを形成し、選択的にエッチングを行ってソース電極層３５
５ａ、ドレイン電極層３５５ｂを形成した後、レジストマスクを除去する（図１３（Ａ）
参照）。
次に、酸化物半導体層３４５を形成する（図１３（Ｂ）参照）。本実施の形態では、酸
化物半導体層３４５をＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系金属酸化物ターゲットを用いてスパッタ法
により成膜する。酸化物半導体層３４５を第３のフォトリソグラフィ工程により島状の酸
化物半導体層に加工する。
この場合において、処理室内の残留水分を除去しつつ酸化物半導体層３４５を成膜する
ことが好ましい。酸化物半導体層３４５に水素、水酸基又は水分が含まれないようにする
ためである。
処理室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい
。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いること
が好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたもので
あってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素原子や、水（Ｈ
２Ｏ）など水素原子を含む化合物等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物半導
体層３４５に含まれる不純物の濃度を低減できる。
酸化物半導体層３４５を成膜する際に用いるスパッタガスは水素、水、水酸基又は水素
化物などの不純物が、濃度ｐｐｍ程度、濃度ｐｐｂ程度まで除去された高純度ガスを用い
ることが好ましい。
次いで、酸化物半導体層の脱水化または脱水素化を行う。脱水化または脱水素化を行う
第１の加熱処理の温度は、４００℃以上７５０℃以下、好ましくは４００℃以上基板の歪
み点未満とする。ここでは、加熱処理装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半
導体層に対して窒素雰囲気下４５０℃において１時間の加熱処理を行った後、大気に触れ
ることなく、酸化物半導体層への水や水素の混入を防ぎ、酸化物半導体層３４６を得る（
図１３（Ｃ）参照）。
また、第１の加熱処理として、６５０℃～７００℃の高温に加熱した不活性ガス中に基
板を移動させて入れ、数分間加熱した後、基板を移動させて高温に加熱した不活性ガス中
から出すＧＲＴＡを行ってもよい。ＧＲＴＡを用いると短時間での高温加熱処理が可能と
なる。
次いで、酸化物半導体層３４６に接する保護絶縁層となる酸化物絶縁層３５６を形成す
る。
酸化物絶縁層３５６は、少なくとも１ｎｍ以上の膜厚とし、スパッタ法など、酸化物絶
縁層３５６に水、水素等の不純物を混入させない方法を適宜用いて成膜することができる
。酸化物絶縁層３５６に水素が含まれると、その水素の酸化物半導体層への侵入、又は水
素による酸化物半導体層中の酸素の引き抜き、が生じ酸化物半導体層のバックチャネルが
低抵抗化（Ｎ型化）してしまい、寄生チャネルが形成されるおそれがある。よって、酸化
物絶縁層３５６はできるだけ水素を含まない層になるように、成膜方法に水素を用いない
ことが重要である。
本実施の形態では、酸化物絶縁層３５６として膜厚２００ｎｍの酸化珪素層をスパッタ
法を用いて成膜する。成膜時の基板温度は、室温以上３００℃以下とすればよく、本実施
の形態では１００℃とする。酸化珪素層のスパッタ法による成膜は、希ガス（代表的には
アルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、または希ガス（代表的にはアルゴン）及び酸素混合
雰囲気下において行うことができる。また、ターゲットとして酸化珪素ターゲットまたは
珪素ターゲットを用いることができる。例えば、珪素ターゲットを用いて、酸素、及び窒
素雰囲気下でスパッタ法により酸化珪素層を成膜することができる。酸素欠乏状態となり
低抵抗化した酸化物半導体層に接して形成する酸化物絶縁層３５６は、水分、水素イオン
、ＯＨ－などの不純物を含まず、これらが外部から侵入することをブロックする無機絶縁
層を用い、代表的には酸化シリコン層、酸化窒化シリコン層、酸化アルミニウム層、また
は酸化窒化アルミニウム層などを用いる。
この場合において、処理室内の残留水分を除去しつつ酸化物絶縁層３５６を成膜するこ
とが好ましい。酸化物半導体層３４６及び酸化物絶縁層３５６に水素、水酸基又は水分が
含まれないようにするためである。
処理室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい
。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いること
が好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたもので
あってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素原子や、水（Ｈ
２Ｏ）など水素原子を含む化合物等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物絶縁
層３５６に含まれる不純物の濃度を低減できる。
酸化物絶縁層３５６を成膜する際に用いるスパッタガスは水素、水、水酸基又は水素化
物などの不純物が、濃度ｐｐｍ程度、濃度ｐｐｂ程度まで除去された高純度ガスを用いる
ことが好ましい。
次いで、不活性ガス雰囲気下、または酸素ガス雰囲気下で第２の加熱処理（好ましくは
２００℃以上４００℃以下、例えば２５０℃以上３５０℃以下）を行う。例えば、窒素雰
囲気下で２５０℃、１時間の第２の加熱処理を行う。第２の加熱処理を行うと、酸化物半
導体層の一部（チャネル形成領域）が酸化物絶縁層３５６と接した状態で加熱される。
以上の工程を経ることによって、脱水化または脱水素化と同時に酸素欠乏状態となり低
抵抗化していた酸化物半導体層を酸素過剰な状態とする。その結果、高抵抗なＩ型の酸化
物半導体層３５２が形成される。以上の工程で薄膜トランジスタ３５０が形成される。
さらに大気中、１００℃以上２００℃以下、１時間以上３０時間以下での加熱処理を行
ってもよい。本実施の形態では１５０℃で１０時間加熱処理を行う。この加熱処理は一定
の加熱温度を保持して加熱してもよいし、室温から、１００℃以上２００℃以下の加熱温
度への昇温と、加熱温度から室温までの降温を複数回くりかえして行ってもよい。また、
この加熱処理を減圧下で行ってもよい。減圧下で加熱処理を行うと、加熱時間を短縮する
ことができる。この加熱処理によって、酸化物半導体層から酸化物絶縁層中に水素がとり
こまれ、ノーマリーオフとなる薄膜トランジスタを得ることができる。よって半導体装置
の信頼性を向上できる。
酸化物絶縁層３５６上にさらに保護絶縁層３４３を形成してもよい。例えば、ＲＦスパ
ッタ法を用いて窒化珪素層を形成する。本実施の形態では、保護絶縁層３４３として、窒
化珪素層を用いて形成する（図１３（Ｄ）参照）。
図示しないが、保護絶縁層３４３上に平坦化のための平坦化絶縁層を設けてもよい。
上述した薄膜トランジスタを実施の形態１及び２に示した論理回路に適用することによ
って、安定な電気特性を有し信頼性の高い論理回路を提供することができる。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態１０）
本実施の形態では、実施の形態１又は２に示した論理回路が有する薄膜トランジスタの
一例について示す。
本実施の形態では、薄膜トランジスタの作製工程の一部が実施の形態７と異なる例を図
１４に示す。図１４は、図１１と工程が一部異なる点以外は同じであるため、同じ箇所に
は同じ符号を用い、同じ箇所の詳細な説明は省略する。
実施の形態７に従って、基板３７０上にゲート電極層３８１を形成し、第１のゲート絶
縁層３７２ａ、第２のゲート絶縁層３７２ｂを積層する。本実施の形態では、ゲート絶縁
層を２層構造とし、第１のゲート絶縁層３７２ａに窒化物絶縁層を、第２のゲート絶縁層
３７２ｂに酸化物絶縁層を用いる。
酸化絶縁層としては、酸化シリコン層、酸化窒化シリコン層、または酸化アルミニウム
層、又は酸化窒化アルミニウム層などを用いることができる。また、窒化絶縁層としては
、窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、窒化アルミニウム層、又は窒化酸化アルミニウ
ム層などを用いることができる。
本実施の形態では、ゲート電極層３８１側から窒化シリコン層と酸化シリコン層とを積
層した構造とする。第１のゲート絶縁層３７２ａとしてスパッタリング法により膜厚５０
ｎｍ以上２００ｎｍ以下（本実施の形態では５０ｎｍ）の窒化シリコン層（ＳｉＮｙ（ｙ
＞０））を成膜し、第１のゲート絶縁層３７２ａ上に第２のゲート絶縁層３７２ｂとして
膜厚５ｎｍ以上３００ｎｍ以下（本実施の形態では１００ｎｍ）の酸化シリコン層（Ｓｉ
Ｏｘ（ｘ＞０））を積層して、のゲート絶縁層とする。
次に、酸化物半導体層の形成を行い、酸化物半導体層をフォトリソグラフィ工程により
島状の酸化物半導体層に加工する。本実施の形態では、酸化物半導体層をＩｎ－Ｇａ－Ｚ
ｎ－Ｏ系金属酸化物ターゲットを用いてスパッタ法により成膜する。
この場合において、処理室内の残留水分を除去しつつ酸化物半導体層を成膜することが
好ましい。酸化物半導体層に水素、水酸基又は水分が含まれないようにするためである。
処理室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい
。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いること
が好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたもので
あってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素原子や、水（Ｈ
２Ｏ）など水素原子を含む化合物等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物半導
体層に含まれる不純物の濃度を低減できる。
酸化物半導体層を成膜する際に用いるスパッタガスは水素、水、水酸基又は水素化物な
どの不純物が、濃度ｐｐｍ程度、濃度ｐｐｂ程度まで除去された高純度ガスを用いること
が好ましい。
次いで、酸化物半導体層の脱水化または脱水素化を行う。脱水化または脱水素化を行う
第１の加熱処理の温度は、４００℃以上７５０℃以下、好ましくは４２５℃以上とする。
なお、４２５℃以上であれば加熱処理時間は１時間以下でよいが、４２５℃未満であれば
加熱処理時間は、１時間よりも長時間行うこととする。ここでは、加熱処理装置の一つで
ある電気炉に基板を導入し、酸化物半導体層に対して窒素雰囲気下において加熱処理を行
った後、大気に触れることなく、酸化物半導体層への水や水素の混入を防ぎ、酸化物半導
体層を得る。その後、同じ炉に高純度の酸素ガス、高純度のＮ２Ｏガス、又は超乾燥エア
（露点が－４０℃以下、好ましくは－６０℃以下）を導入して冷却を行う。酸素ガスまた
はＮ２Ｏガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、加熱処理装置に導
入する酸素ガスまたはＮ２Ｏガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上、好ましくは
７Ｎ（９９．９９９９９％）以上、（即ち酸素ガスまたはＮ２Ｏガス中の不純物濃度を１
ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔ
ｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ
Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置を
用いることができる。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノ
ンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどの
ランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置である。また、Ｌ
ＲＴＡ装置、ランプだけでなく、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱輻射によ
って、被処理物を加熱する装置を用いてもよい。ＧＲＴＡとは高温のガスを用いて加熱処
理を行う方法である。ガスには、アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、加熱処理
によって被処理物とほとんど反応しない不活性気体が用いられる。ＲＴＡ法を用いて、６
００℃～７５０℃で数分間加熱処理を行ってもよい。
また、脱水化または脱水素化を行う第１の加熱処理後に２００℃以上４００℃以下、好
ましくは２００℃以上３００℃以下の温度で酸素ガスまたはＮ２Ｏガス雰囲気下での加熱
処理を行ってもよい。
また、酸化物半導体層の第１の加熱処理は、島状の酸化物半導体層に加工する前の酸化
物半導体層に行うこともできる。その場合には、第１の加熱処理後に、加熱装置から基板
を取り出し、フォトリソグラフィ工程を行う。
以上の工程を経ることによって酸化物半導体層全体を酸素過剰な状態とすることで、Ｉ
型化、即ち高抵抗化させる。よって、全体がＩ型化した酸化物半導体層３８２を得る。
次いで、酸化物半導体層３８２上に導電層を形成する。さらに、該導電層上にフォトリ
ソグラフィ工程によりレジストマスクを形成し、選択的にエッチングを行ってソース電極
層３８５ａ、ドレイン電極層３８５ｂを形成し、スパッタ法で酸化物絶縁層３８６を成膜
する。
この場合において、処理室内の残留水分を除去しつつ酸化物絶縁層３８６を成膜するこ
とが好ましい。酸化物半導体層３８２及び酸化物絶縁層３８６に水素、水酸基又は水分が
含まれないようにするためである。
処理室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい
。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いること
が好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたもので
あってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素原子や、水（Ｈ
２Ｏ）など水素原子を含む化合物等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物絶縁
層３８６に含まれる不純物の濃度を低減できる。
酸化物絶縁層３８６を成膜する際に用いるスパッタガスは水素、水、水酸基又は水素化
物などの不純物が、濃度ｐｐｍ程度、濃度ｐｐｂ程度まで除去された高純度ガスを用いる
ことが好ましい。
以上の工程で、薄膜トランジスタ３８０を作製することができる。
次いで、薄膜トランジスタの電気的特性のばらつきを軽減するため、不活性ガス雰囲気
下、または窒素ガス雰囲気下で加熱処理（好ましくは１５０℃以上３５０℃未満）を行っ
てもよい。例えば、窒素雰囲気下で２５０℃、１時間の加熱処理を行う。
また、大気中、１００℃以上２００℃以下、１時間以上３０時間以下での加熱処理を行
ってもよい。本実施の形態では１５０℃で１０時間加熱処理を行う。この加熱処理は一定
の加熱温度を保持して加熱してもよいし、室温から、１００℃以上２００℃以下の加熱温
度への昇温と、加熱温度から室温までの降温を複数回くりかえして行ってもよい。また、
この加熱処理を減圧下で行ってもよい。減圧下で加熱処理を行うと、加熱時間を短縮する
ことができる。この加熱処理によって、酸化物半導体層から酸化物絶縁層中に水素がとり
こまれ、ノーマリーオフとなる薄膜トランジスタを得ることができる。よって半導体装置
の信頼性を向上できる。
酸化物絶縁層３８６上に保護絶縁層３７３を形成する。本実施の形態では、保護絶縁層
３７３として、スパッタリング法を用いて膜厚１００ｎｍの窒化珪素層を形成する。
窒化物絶縁層からなる保護絶縁層３７３及び第１のゲート絶縁層３７２ａは、水分や、
水素や、水素化物、水酸化物などの不純物を含まず、これらが外部から侵入することをブ
ロックする効果がある。
従って、保護絶縁層３７３形成後の製造プロセスにおいて、外部からの水分などの不純
物の侵入を防ぐことができる。また、半導体装置、例えば液晶表示装置としてデバイスが
完成した後にも長期的に、外部からの水分などの不純物の侵入を防ぐことができデバイス
の長期信頼性を向上することができる。
また、窒化物絶縁層からなる保護絶縁層３７３と、第１のゲート絶縁層３７２ａとの間
に設けられる絶縁層を除去し、保護絶縁層３７３と、第１のゲート絶縁層３７２ａとが接
する構造としてもよい。
従って、酸化物半導体層中の水分や、水素や、水素化物、水酸化物などの不純物を究極
にまで低減し、かつ該不純物の混入を防止し、酸化物半導体層中の不純物濃度を低く維持
することができる。
図示しないが、保護絶縁層３７３上に平坦化のための平坦化絶縁層を設けてもよい。
上述した薄膜トランジスタを実施の形態１及び２に示した論理回路に適用することによ
って、安定な電気特性を有し信頼性の高い論理回路を提供することができる。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態１１）
本実施の形態では、実施の形態１又は２に示した論理回路を有する半導体装置の一例に
ついて説明する。具体的には、駆動回路が実施の形態１又は２に示した論理回路を有する
液晶表示パネルの外観及び断面について、図１５を用いて説明する。図１５（Ａ）、（Ｃ
）は、薄膜トランジスタ４０１０、４０１１、及び液晶素子４０１３を、第１の基板４０
０１と、第２の基板４００６との間にシール材４００５によって封止した、パネルの平面
図であり、図１５（Ｂ）は、図１５（Ａ）または図１５（Ｃ）のＭ－Ｎにおける断面図に
相当する。
第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２と、走査線駆動回路４００４とを囲
むようにして、シール材４００５が設けられている。また、画素部４００２と、走査線駆
動回路４００４の上に第２の基板４００６が設けられている。よって画素部４００２と、
走査線駆動回路４００４とは、第１の基板４００１とシール材４００５と第２の基板４０
０６とによって、液晶層４００８と共に封止されている。また第１の基板４００１上のシ
ール材４００５によって囲まれている領域とは異なる領域に、別途用意された基板上に単
結晶半導体膜又は多結晶半導体膜で形成された信号線駆動回路４００３が実装されている
。
なお、別途形成した駆動回路の接続方法は、特に限定されるものではなく、ＣＯＧ法、
ワイヤボンディング法、或いはＴＡＢ法などを用いることができる。図１５（Ａ）は、Ｃ
ＯＧ法により信号線駆動回路４００３を実装する例であり、図１５（Ｃ）は、ＴＡＢ法に
より信号線駆動回路４００３を実装する例である。
また、第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２と、走査線駆動回路４００４
は、薄膜トランジスタを複数有しており、図１５（Ｂ）では、画素部４００２に含まれる
薄膜トランジスタ４０１０と、走査線駆動回路４００４に含まれる薄膜トランジスタ４０
１１とを例示している。薄膜トランジスタ４０１０、４０１１上には絶縁層４０４１、４
０４２、４０２１が設けられている。
薄膜トランジスタ４０１０、４０１１は、実施の形態３乃至１０に示した薄膜トランジ
スタのいずれか一を適宜用いることができ、同様な工程及び材料で形成することができる
。薄膜トランジスタ４０１０、４０１１の酸化物半導体層は水素や水が低減されている。
従って、薄膜トランジスタ４０１０、４０１１は信頼性の高い薄膜トランジスタである。
本実施の形態において、薄膜トランジスタ４０１０、４０１１はｎチャネル型薄膜トラン
ジスタである。
絶縁層４０２１上において、薄膜トランジスタ４０１１の酸化物半導体層のチャネル形
成領域と重なる位置に導電層４０４０が設けられている。導電層４０４０を酸化物半導体
層のチャネル形成領域と重なる位置に設けることによって、ＢＴ試験前後における薄膜ト
ランジスタ４０１１のしきい値電圧の変化量を低減することができる。また、導電層４０
４０は、電位が薄膜トランジスタ４０１１のゲート電極層と同じでもよいし、異なってい
ても良く、第２のゲート電極層として機能させることもできる。また、導電層４０４０の
電位がＧＮＤ、０Ｖ、或いはフローティング状態であってもよい。なお、当該導電層４０
４０はなくてもよい。
また、液晶素子４０１３が有する画素電極層４０３０は、薄膜トランジスタ４０１０の
ソース電極層又はドレイン電極層と電気的に接続されている。そして液晶素子４０１３の
対向電極層４０３１は第２の基板４００６上に形成されている。画素電極層４０３０と対
向電極層４０３１と液晶層４００８とが重なっている部分が、液晶素子４０１３に相当す
る。なお、画素電極層４０３０、対向電極層４０３１はそれぞれ配向膜として機能する絶
縁層４０３２、４０３３が設けられ、絶縁層４０３２、４０３３を介して液晶層４００８
を挟持している。
なお、第１の基板４００１、第２の基板４００６としては、透光性基板を用いることが
でき、ガラス、セラミックス、プラスチックを用いることができる。プラスチックとして
は、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒｇｌａｓｓ－Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）板、Ｐ
ＶＦ（ポリビニルフルオライド）フィルム、ポリエステルフィルム、またはアクリル樹脂
フィルムを用いることができる。
また、４０３５は絶縁膜を選択的にエッチングすることで得られる柱状のスペーサであ
り、画素電極層４０３０と対向電極層４０３１との間の距離（セルギャップ）を制御する
ために設けられている。なお球状のスペーサを用いていても良い。また、対向電極層４０
３１は、薄膜トランジスタ４０１０と同一基板上に設けられる共通電位線と電気的に接続
される。共通接続部を用いて、一対の基板間に配置される導電性粒子を介して対向電極層
４０３１と共通電位線とを電気的に接続することができる。なお、導電性粒子はシール材
４００５に含有される。
また、配向膜を用いないブルー相を示す液晶を用いてもよい。ブルー相は液晶相の一つ
であり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリック相から等方相へ転移する
直前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発現しないため、温度範囲を改
善するために５重量％以上のカイラル剤を混合させた液晶組成物を用いて液晶層４００８
に用いる。ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、応答速度が１ｍｓｅ
ｃ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、視野角依存性が小さい。
また配向膜を設けなくてもよいのでラビング処理も不要となるため、ラビング処理によっ
て引き起こされる静電破壊を防止することができ、作製工程中の液晶表示装置の不良や破
損を軽減することができる。よって液晶表示装置の生産性を向上させることが可能となる
。特に、酸化物半導体層を用いる薄膜トランジスタは、静電気の影響により薄膜トランジ
スタの電気的な特性が著しく変動して設計範囲を逸脱する恐れがある。よって酸化物半導
体層を用いる薄膜トランジスタを有する液晶表示装置にブルー相の液晶材料を用いること
はより効果的である。
なお、透過型液晶表示装置の他に、半透過型液晶表示装置でも適用できる。
また、液晶表示装置では、基板の外側（視認側）に偏光板を設け、内側に着色層、表示
素子に用いる電極層という順に設ける例を示すが、偏光板は基板の内側に設けてもよい。
また、偏光板と着色層の積層構造も本実施の形態に限定されず、偏光板及び着色層の材料
や作製工程条件によって適宜設定すればよい。また、表示部以外にブラックマトリクスと
して機能する遮光膜を設けてもよい。
薄膜トランジスタ４０１１、４０１０上には、酸化物半導体層に接して絶縁層４０４１
が形成されている。絶縁層４０４１は上記実施の形態で示した酸化物絶縁層と同様な材料
及び方法で形成すればよい。ここでは、絶縁層４０４１として、スパッタリング法により
酸化シリコン層を形成する。また、絶縁層４０４１上に接して絶縁層４０４２を形成する
。また、絶縁層４０４２としては、例えば窒化シリコン層を用いることができる。また、
絶縁層４０４２上には薄膜トランジスタ起因の表面凹凸を低減するため平坦化絶縁層とし
て機能する絶縁層４０２１が設けられる構成となっている。
また、平坦化絶縁層として絶縁層４０２１を形成する。絶縁層４０２１としては、ポリ
イミド、アクリル、ベンゾシクロブテン、ポリアミド、エポキシ等の、耐熱性を有する有
機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ－ｋ材料
）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用い
ることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁層を複数積層させることで、絶縁
層４０２１を形成してもよい。
絶縁層４０２１の形成法は、特に限定されず、その材料に応じて、スパッタリング法、
ＳＯＧ法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法、ス
クリーン印刷、オフセット印刷等）、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコータ
ー、ナイフコーター等を用いることができる。絶縁層４０２１の焼成工程と半導体層のア
ニールを兼ねることで効率よく半導体装置を作製することが可能となる。
画素電極層４０３０、対向電極層４０３１は、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、酸化イ
ンジウムに酸化亜鉛（ＺｎＯ）を混合したＩＺＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ
）、酸化インジウムに酸化珪素（ＳｉＯ２）を混合した導電材料、有機インジウム、有機
スズ、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜
鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、
などの透光性を有する導電性材料を用いることができる。または反射型の液晶表示装置に
おいて、透光性を有する必要がない、または反射性を有する必要がある場合は、タングス
テン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジ
ウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、
ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）
、銀（Ａｇ）等の金属、又はその合金、若しくはその金属窒化物から一つ、又は複数種を
用いて形成することができる。
また、画素電極層４０３０、対向電極層４０３１として、導電性高分子（導電性ポリマ
ーともいう）を含む導電性組成物を用いて形成することができる。導電性組成物を用いて
形成した画素電極は、シート抵抗が１００００Ω／□以下、波長５５０ｎｍにおける透光
率が７０％以上であることが好ましい。また、導電性組成物に含まれる導電性高分子の抵
抗率が０．１Ω・ｃｍ以下であることが好ましい。
導電性高分子としては、いわゆるπ電子共役系導電性高分子が用いることができる。例
えば、ポリアニリンまたはその誘導体、ポリピロールまたはその誘導体、ポリチオフェン
またはその誘導体、若しくはこれらの２種以上の共重合体などがあげられる。
また、別途形成された信号線駆動回路４００３と、走査線駆動回路４００４または画素
部４００２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ４０１８から供給されている。
接続端子電極４０１５が、液晶素子４０１３が有する画素電極層４０３０と同じ導電膜
から形成され、端子電極４０１６は、薄膜トランジスタ４０１０、４０１１のソース電極
層及びドレイン電極層と同じ導電膜で形成されている。
接続端子電極４０１５は、ＦＰＣ４０１８が有する端子と、異方性導電膜４０１９を介
して電気的に接続されている。
また、図１５においては、信号線駆動回路４００３を別途形成し、第１の基板４００１
に実装している例を示しているがこの構成に限定されない。走査線駆動回路を別途形成し
て実装しても良いし、信号線駆動回路の一部または走査線駆動回路の一部のみを別途形成
して実装しても良い。
また、ブラックマトリクス（遮光層）、偏光部材、位相差部材、反射防止部材などの光
学部材（光学基板）などは適宜設ける。例えば、偏光基板及び位相差基板による円偏光を
用いてもよい。また、光源としてバックライト、サイドライトなどを用いてもよい。
アクティブマトリクス型の液晶表示装置においては、マトリクス状に配置された画素電
極を駆動することによって、画面上に表示パターンが形成される。詳しくは選択された画
素電極と該画素電極に対応する対向電極との間に電圧が印加されることによって、画素電
極と対向電極との間に配置された液晶層の光学変調が行われ、この光学変調が表示パター
ンとして観察者に認識される。
液晶表示装置の動画表示において、液晶分子自体の応答が遅いため、残像が生じる、ま
たは動画のぼけが生じるという問題がある。液晶表示装置の動画特性を改善するため、全
面黒表示を１フレームおきに行う、所謂、黒挿入と呼ばれる駆動技術がある。
また、通常の垂直同期周波数を１．５倍若しくは２倍以上にすることで応答速度を改善
する、所謂、倍速駆動と呼ばれる駆動技術もある。
また、液晶表示装置の動画特性を改善するため、バックライトとして複数のＬＥＤ（発
光ダイオード）光源または複数のＥＬ光源などを用いて面光源を構成し、面光源を構成し
ている各光源を独立して１フレーム期間内で間欠点灯駆動する駆動技術もある。面光源と
して、３種類以上のＬＥＤを用いてもよいし、白色発光のＬＥＤを用いてもよい。独立し
て複数のＬＥＤを制御できるため、液晶層の光学変調の切り替えタイミングに合わせてＬ
ＥＤの発光タイミングを同期させることもできる。この駆動技術は、ＬＥＤを部分的に消
灯することができるため、特に一画面を占める黒い表示領域の割合が多い映像表示の場合
には、消費電力の低減効果が図れる。
これらの駆動技術を組み合わせることによって、液晶表示装置の動画特性などの表示特
性を従来よりも改善することができる。
また、薄膜トランジスタは静電気などにより破壊されやすいため、さらに画素部または
駆動回路と同一基板上に保護回路を設けることが好ましい。保護回路は、酸化物半導体層
を用いた非線形素子を用いて構成することが好ましい。例えば、保護回路は画素部と、走
査線入力端子及び信号線入力端子との間に配設されている。本実施の形態では複数の保護
回路を配設して、走査線、信号線及び容量バス線に静電気等によりサージ電圧が印加され
、画素トランジスタなどが破壊されないように構成されている。そのため、保護回路には
サージ電圧が印加されたときに、共通配線に電荷を逃がすように構成する。また、保護回
路は、走査線に対して並列に配置された非線形素子によって構成されている。非線形素子
は、ダイオードのような二端子素子又はトランジスタのような三端子素子で構成される。
例えば、画素部の薄膜トランジスタと同じ工程で形成することも可能であり、例えばゲー
ト端子とドレイン端子を接続することによりダイオードと同様の特性を持たせることがで
きる。
また、液晶表示モジュールには、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、Ｉ
ＰＳ（Ｉｎ－Ｐｌａｎｅ－Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ Ｆｉｅ
ｌｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ａ
ｌｉｇｎｅｄ Ｍｉｃｒｏ－ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｃｏｍｐ
ｅｎｓａｔｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔ
ｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅ
ｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）などを用いることができる。
このように、本明細書に開示される半導体装置としては、特に限定されず、ＴＮ液晶、
ＯＣＢ液晶、ＳＴＮ液晶、ＶＡ液晶、ＥＣＢ型液晶、ＧＨ液晶、高分子分散型液晶、ディ
スコティック液晶などを用いることができるが、中でもノーマリーブラック型の液晶パネ
ル、例えば垂直配向（ＶＡ）モードを採用した透過型の液晶表示装置とすることが好まし
い。垂直配向モードとしては、いくつか挙げられるが、例えば、ＭＶＡ（Ｍｕｌｔｉ－Ｄ
ｏｍａｉｎ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎ
ｅｄ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＡＳＶモードなどを用いること
ができる。
また、ＶＡ型の液晶表示装置にも適用することができる。ＶＡ型の液晶表示装置とは、
液晶表示パネルの液晶分子の配列を制御する方式の一種である。ＶＡ型の液晶表示装置は
、電圧が印加されていないときにパネル面に対して液晶分子が垂直方向を向く方式である
。また、画素（ピクセル）をいくつかの領域（サブピクセル）に分け、それぞれ別の方向
に液晶分子を倒すよう工夫されているマルチドメイン化あるいはマルチドメイン設計とい
われる方法を用いることができる。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態１２）
本実施の形態では、実施の形態１又は２に示した論理回路を有する半導体装置の一例に
ついて説明する。具体的には、駆動回路が実施の形態１又は２に示した論理回路を有する
アクティブマトリクス型の発光表示装置を作製する一例を示す。なお、本実施の形態では
、エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子を有する発光表示装置の一例について説
明する。
エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子は、発光材料が有機化合物であるか、無
機化合物であるかによって区別され、一般的に、前者は有機ＥＬ素子、後者は無機ＥＬ素
子と呼ばれている。
有機ＥＬ素子は、発光素子に電圧を印加することにより、一対の電極から電子および正
孔がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして、それらキ
ャリア（電子および正孔）が再結合することにより発光する。このようなメカニズムから
、このような発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。
無機ＥＬ素子は、その素子構成により、分散型無機ＥＬ素子と薄膜型無機ＥＬ素子とに
分類される。分散型無機ＥＬ素子は、発光材料の粒子をバインダ中に分散させた発光層を
有するものであり、発光メカニズムはドナー準位とアクセプター準位を利用するドナー－
アクセプター再結合型発光である。薄膜型無機ＥＬ素子は、発光層を誘電体層で挟み込み
、さらにそれを電極で挟んだ構造であり、発光メカニズムは金属イオンの内殻電子遷移を
利用する局在型発光である。なお、ここでは、発光素子として有機ＥＬ素子を用いて説明
する。
図１６は、半導体装置の例としてデジタル時間階調駆動を適用可能な画素構成の一例を
示す図である。
デジタル時間階調駆動を適用可能な画素の構成及び画素の動作について説明する。ここ
では酸化物半導体層をチャネル形成領域に用いるｎチャネル型のトランジスタを１つの画
素に２つ用いる例を示す。
画素６４００は、スイッチング用トランジスタ６４０１、駆動用トランジスタ６４０２
、発光素子６４０４及び容量素子６４０３を有している。スイッチング用トランジスタ６
４０１はゲートが走査線６４０６に接続され、第１の電極（ソース電極及びドレイン電極
の一方）が信号線６４０５に接続され、第２の電極（ソース電極及びドレイン電極の他方
）が駆動用トランジスタ６４０２のゲートに接続されている。駆動用トランジスタ６４０
２は、ゲートが容量素子６４０３を介して電源線６４０７に接続され、第１の電極が電源
線６４０７に接続され、第２の電極が発光素子６４０４の第１の電極（画素電極）に接続
されている。発光素子６４０４の第２の電極は共通電極に相当する。共通電極は、同一基
板上に形成される共通電位線６４０８と電気的に接続される。
なお、発光素子６４０４の第２の電極（共通電極）には低電源電位が設定されている。
なお、低電源電位とは、電源線６４０７に設定される高電源電位を基準にして低電源電位
＜高電源電位を満たす電位であり、低電源電位としては例えばＧＮＤ、０Ｖなどが設定さ
れていても良い。この高電源電位と低電源電位との電位差を発光素子６４０４に印加して
、発光素子６４０４に電流を流して発光素子６４０４を発光させるため、高電源電位と低
電源電位との電位差が発光素子６４０４の順方向電圧降下以上となるようにそれぞれの電
位を設定する。
なお、容量素子６４０３は駆動用トランジスタ６４０２のゲート容量を代用して省略す
ることも可能である。駆動用トランジスタ６４０２のゲート容量については、チャネル形
成領域とゲート電極との間で容量が形成されていてもよい。
ここで、電圧入力電圧駆動方式の場合には、駆動用トランジスタ６４０２のゲートには
、駆動用トランジスタ６４０２が十分にオンするか、オフするかの二つの状態となるよう
なビデオ信号を入力する。つまり、駆動用トランジスタ６４０２は線形領域で動作させる
。駆動用トランジスタ６４０２は線形領域で動作させるため、電源線６４０７の電圧より
も高い電圧を駆動用トランジスタ６４０２のゲートにかける。なお、信号線６４０５には
、（電源線電圧＋駆動用トランジスタ６４０２のＶｔｈ）以上の電圧をかける。
また、デジタル時間階調駆動に代えて、アナログ階調駆動を行う場合、信号の入力を異
ならせることで、図１６と同じ画素構成を用いることができる。
アナログ階調駆動を行う場合、駆動用トランジスタ６４０２のゲートに発光素子６４０
４の順方向電圧＋駆動用トランジスタ６４０２のＶｔｈ以上の電圧をかける。発光素子６
４０４の順方向電圧とは、所望の輝度とする場合の電圧を指している。なお、駆動用トラ
ンジスタ６４０２が飽和領域で動作するようなビデオ信号を入力することで、発光素子６
４０４に電流を流すことができる。駆動用トランジスタ６４０２を飽和領域で動作させる
ため、電源線６４０７の電位は、駆動用トランジスタ６４０２のゲート電位よりも高くす
る。ビデオ信号をアナログとすることで、発光素子６４０４にビデオ信号に応じた電流を
流し、アナログ階調駆動を行うことができる。
なお、図１６に示す画素構成は、これに限定されない。例えば、図１６に示す画素に新
たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、トランジスタ又は論理回路などを追加してもよい。
次に、発光素子の構成について、図１７を用いて説明する。ここでは、駆動用ＴＦＴが
ｎ型の場合を例に挙げて、画素の断面構造について説明する。図１７（Ａ）、（Ｂ）、（
Ｃ）の半導体装置に用いられる駆動用ＴＦＴ７００１、７０１１、７０２１は、上記実施
の形態に示す薄膜トランジスタと同様に作製でき、酸化物半導体層を含む薄膜トランジス
タを用いる例を示す。
発光素子は発光を取り出すために少なくとも陽極又は陰極の一方が透明であればよい。
そして、基板上に薄膜トランジスタ及び発光素子を形成し、基板とは逆側の面から発光を
取り出す上面射出構造や、基板側の面から発光を取り出す下面射出構造や、基板側及び基
板とは反対側の面から発光を取り出す両面射出構造の発光素子があり、画素構成はどの射
出構造の発光素子にも適用することができる。
下面射出構造の発光素子について図１７（Ａ）を用いて説明する。
駆動用ＴＦＴ７０１１がｎ型で、発光素子７０１２から発せられる光が第１の電極７０
１３側に射出する場合の、画素の断面図を示す。図１７（Ａ）では、駆動用ＴＦＴ７０１
１のドレイン電極層と電気的に接続された透光性を有する導電層７０１７上に、発光素子
７０１２の第１の電極７０１３が形成されており、第１の電極７０１３上にＥＬ層７０１
４、第２の電極７０１５が順に積層されている。
透光性を有する導電層７０１７としては、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、
酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸
化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化
ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有する導電層を用いることができる
。
また、発光素子の第１の電極７０１３は様々な材料を用いることができる。例えば、第
１の電極７０１３を陰極として用いる場合には、仕事関数が小さい材料、具体的には、例
えば、ＬｉやＣｓ等のアルカリ金属、およびＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ等のアルカリ土類金属、お
よびこれらを含む合金（Ｍｇ：Ａｇ、Ａｌ：Ｌｉなど）の他、ＹｂやＥｒ等の希土類金属
等が好ましい。図１７（Ａ）では、第１の電極７０１３の膜厚は、光を透過する程度（好
ましくは、５ｎｍ～３０ｎｍ程度）とする。例えば２０ｎｍの膜厚を有するアルミニウム
層を、第１の電極７０１３として用いる。
なお、透光性を有する導電層とアルミニウム層を積層成膜した後、選択的にエッチング
して透光性を有する導電層７０１７と第１の電極７０１３を形成してもよく、この場合、
同じマスクを用いてエッチングすることができるため、好ましい。
また、第１の電極７０１３の周縁部は、隔壁７０１９で覆う。隔壁７０１９は、ポリイ
ミド、アクリル、ポリアミド、エポキシ等の有機樹脂膜、無機絶縁膜または有機ポリシロ
キサンを用いて形成する。隔壁７０１９は、特に感光性の樹脂材料を用い、第１の電極７
０１３上に開口部を形成し、その開口部の側壁が連続した曲率を持って形成される傾斜面
となるように形成することが好ましい。隔壁７０１９として感光性の樹脂材料を用いる場
合、レジストマスクを形成する工程を省略することができる。
また、第１の電極７０１３及び隔壁７０１９上に形成するＥＬ層７０１４は、少なくと
も発光層を含めば良く、単数の層で構成されていても、複数の層が積層されるように構成
されていてもどちらでも良い。ＥＬ層７０１４が複数の層で構成されている場合、陰極と
して機能する第１の電極７０１３上に電子注入層、電子輸送層、発光層、ホール輸送層、
ホール注入層の順に積層する。なおこれらの層の内、発光層以外の層を全て設ける必要は
ない。
また、上記積層順に限定されず、第１の電極７０１３を陽極として機能させ、第１の電
極７０１３上にホール注入層、ホール輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層の順に積
層してもよい。ただし、消費電力を比較する場合、第１の電極７０１３を陰極として機能
させ、第１の電極７０１３上に電子注入層、電子輸送層、発光層、ホール輸送層、ホール
注入層の順に積層するほうが、駆動回路部の電圧上昇を抑制でき、消費電力を少なくでき
るため好ましい。
また、ＥＬ層７０１４上に形成する第２の電極７０１５としては、様々な材料を用いる
ことができる。例えば、第２の電極７０１５を陽極として用いる場合、仕事関数が大きい
材料、例えば、ＺｒＮ、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｃｒ等や、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯなど
の透明導電性材料が好ましい。また、第２の電極７０１５上に遮蔽膜７０１６、例えば光
を遮光する金属、光を反射する金属等を用いる。本実施の形態では、第２の電極７０１５
としてＩＴＯ膜を用い、遮蔽膜７０１６としてＴｉ層を用いる。
第１の電極７０１３及び第２の電極７０１５で、発光層を含むＥＬ層７０１４を挟んで
いる領域が発光素子７０１２に相当する。図１７（Ａ）に示した素子構造の場合、発光素
子７０１２から発せられる光は、矢印で示すように第１の電極７０１３側に射出する。
なお、図１７（Ａ）ではゲート電極層として透光性を有する導電層を用い、かつソース
電極層及びドレイン電極層に透光性を有するような薄膜を用いる例を示しており、発光素
子７０１２から発せられる光は、カラーフィルタ層７０３３を通過し、基板を通過して射
出させることができる。
カラーフィルタ層７０３３はインクジェット法などの液滴吐出法や、印刷法、フォトリ
ソグラフィ技術を用いたエッチング方法などでそれぞれ形成する。
また、カラーフィルタ層７０３３はオーバーコート層７０３４で覆われ、さらに保護絶
縁層７０３５によって覆う。なお、図１７（Ａ）ではオーバーコート層７０３４は薄い膜
厚で図示したが、オーバーコート層７０３４は、カラーフィルタ層７０３３に起因する凹
凸を平坦化する機能を有している。
また、平坦化絶縁層７０３６、絶縁層７０３２、及び絶縁層７０３１に形成され、且つ
、ドレイン電極層に達するコンタクトホールは、隔壁７０１９と重なる位置に配置する。
次に、両面射出構造の発光素子について、図１７（Ｂ）を用いて説明する。
図１７（Ｂ）では、駆動用ＴＦＴ７０２１のドレイン電極層と電気的に接続された透光
性を有する導電層７０２７上に、発光素子７０２２の第１の電極７０２３が形成されてお
り、第１の電極７０２３上にＥＬ層７０２４、第２の電極７０２５が順に積層されている
。
透光性を有する導電層７０２７としては、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、
酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸
化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化
ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有する導電層を用いることができる
。
また、第１の電極７０２３は様々な材料を用いることができる。例えば、第１の電極７
０２３を陰極として用いる場合、仕事関数が小さい材料、具体的には、例えば、ＬｉやＣ
ｓ等のアルカリ金属、およびＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ等のアルカリ土類金属、およびこれらを含
む合金（Ｍｇ：Ａｇ、Ａｌ：Ｌｉなど）の他、ＹｂやＥｒ等の希土類金属等が好ましい。
本実施の形態では、第１の電極７０２３を陰極として用い、その膜厚は、光を透過する程
度（好ましくは、５ｎｍ～３０ｎｍ程度）とする。例えば２０ｎｍの膜厚を有するアルミ
ニウム層を、陰極として用いる。
なお、透光性を有する導電層とアルミニウム層を積層成膜した後、選択的にエッチング
して透光性を有する導電層７０２７と第１の電極７０２３を形成してもよく、この場合、
同じマスクを用いてエッチングすることができ、好ましい。
また、第１の電極７０２３の周縁部は、隔壁７０２９で覆う。隔壁７０２９は、ポリイ
ミド、アクリル、ポリアミド、エポキシ等の有機樹脂膜、無機絶縁膜または有機ポリシロ
キサンを用いて形成する。隔壁７０２９は、特に感光性の樹脂材料を用い、第１の電極７
０２３上に開口部を形成し、その開口部の側壁が連続した曲率を持って形成される傾斜面
となるように形成することが好ましい。隔壁７０２９として感光性の樹脂材料を用いる場
合、レジストマスクを形成する工程を省略することができる。
また、第１の電極７０２３及び隔壁７０２９上に形成するＥＬ層７０２４は、発光層を
含めば良く、単数の層で構成されていても、複数の層が積層されるように構成されていて
もどちらでも良い。ＥＬ層７０２４が複数の層で構成されている場合、陰極として機能す
る第１の電極７０２３上に電子注入層、電子輸送層、発光層、ホール輸送層、ホール注入
層の順に積層する。なお、これらの層の内、発光層以外の層を全て設ける必要はない。
また、上記積層順に限定されず、第１の電極７０２３を陽極として用い、陽極上にホー
ル注入層、ホール輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層の順に積層してもよい。ただ
し、消費電力を比較する場合、第１の電極７０２３を陰極として用い、陰極上に電子注入
層、電子輸送層、発光層、ホール輸送層、ホール注入層の順に積層するほうが消費電力が
少ないため好ましい。
また、ＥＬ層７０２４上に形成する第２の電極７０２５としては、様々な材料を用いる
ことができる。例えば、第２の電極７０２５を陽極として用いる場合、仕事関数が大きい
材料、例えば、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯなどの透明導電性材料を好ましく用いることがで
きる。本実施の形態では、第２の電極７０２５を陽極として用い、酸化シリコンを含むＩ
ＴＯ層を形成する。
第１の電極７０２３及び第２の電極７０２５で、発光層を含むＥＬ層７０２４を挟んで
いる領域が発光素子７０２２に相当する。図１７（Ｂ）に示した素子構造の場合、発光素
子７０２２から発せられる光は、矢印で示すように第２の電極７０２５側と第１の電極７
０２３側の両方に射出する。
なお、図１７（Ｂ）ではゲート電極層として透光性を有する導電層を用い、かつソース
電極層及びドレイン電極層に透光性を有するような薄膜を用いる例を示しており、発光素
子７０２２から第１の電極７０２３側に発せられる光は、カラーフィルタ層７０４３を通
過し、基板を通過して射出させることができる。
カラーフィルタ層７０４３はインクジェット法などの液滴吐出法や、印刷法、フォトリ
ソグラフィ技術を用いたエッチング方法などでそれぞれ形成する。
また、カラーフィルタ層７０４３はオーバーコート層７０４４で覆われ、さらに保護絶
縁層７０４５によって覆う。
また、平坦化絶縁層７０４６、絶縁層７０４２、及び絶縁層７０４１に形成され、且つ
、ドレイン電極層に達するコンタクトホールは、隔壁７０２９と重なる位置に配置する。
ただし、両面射出構造の発光素子を用い、どちらの表示面もフルカラー表示とする場合
、第２の電極７０２５側からの光はカラーフィルタ層７０４３を通過しないため、別途カ
ラーフィルタ層を備えた封止基板を第２の電極７０２５上方に設けることが好ましい。
次に、上面射出構造の発光素子について、図１７（Ｃ）を用いて説明する。
図１７（Ｃ）に、駆動用ＴＦＴ７００１がｎ型で、発光素子７００２から発せられる光
が第２の電極７００５側に抜ける場合の、画素の断面図を示す。図１７（Ｃ）では、駆動
用ＴＦＴ７００１のドレイン電極層と第１の電極７００３と接しており、駆動用ＴＦＴ７
００１と発光素子７００２の第１の電極７００３とを電気的に接続している。第１の電極
７００３上にＥＬ層７００４、第２の電極７００５が順に積層されている。
また、第１の電極７００３は様々な材料を用いることができる。例えば、第１の電極７
００３を陰極として用いる場合、仕事関数が小さい材料、具体的には、例えば、ＬｉやＣ
ｓ等のアルカリ金属、およびＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ等のアルカリ土類金属、およびこれらを含
む合金（Ｍｇ：Ａｇ、Ａｌ：Ｌｉなど）の他、ＹｂやＥｒ等の希土類金属等が好ましい。
また、第１の電極７００３の周縁部は、隔壁７００９で覆う。隔壁７００９は、ポリイ
ミド、アクリル、ポリアミド、エポキシ等の有機樹脂膜、無機絶縁膜または有機ポリシロ
キサンを用いて形成する。隔壁７００９は、特に感光性の樹脂材料を用い、第１の電極７
００３上に開口部を形成し、その開口部の側壁が連続した曲率を持って形成される傾斜面
となるように形成することが好ましい。隔壁７００９として感光性の樹脂材料を用いる場
合、レジストマスクを形成する工程を省略することができる。
また、第１の電極７００３及び隔壁７００９上に形成するＥＬ層７００４は、少なくと
も発光層を含めば良く、単数の層で構成されていても、複数の層が積層されるように構成
されていてもどちらでも良い。ＥＬ層７００４が複数の層で構成されている場合、陰極と
して用いる第１の電極７００３上に電子注入層、電子輸送層、発光層、ホール輸送層、ホ
ール注入層の順に積層する。なおこれらの層の内、発光層以外の層を全て設ける必要はな
い。
また、上記積層順に限定されず、陽極として用いる第１の電極７００３上にホール注入
層、ホール輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層の順に積層してもよい。
図１７（Ｃ）ではＴｉ層、アルミニウム層、Ｔｉ層の順に積層した積層膜上に、ホール
注入層、ホール輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層の順に積層し、その上にＭｇ：
Ａｇ合金薄膜とＩＴＯとの積層を形成する。
ただし、駆動用ＴＦＴ７００１がｎ型の場合、第１の電極７００３上に電子注入層、電
子輸送層、発光層、ホール輸送層、ホール注入層の順に積層するほうが、駆動回路におけ
る電圧上昇を抑制することができ、消費電力を少なくできるため好ましい。
第２の電極７００５は光を透過する透光性を有する導電性材料を用いて形成し、例えば
酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化
物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジ
ウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの
透光性を有する導電層を用いても良い。
第１の電極７００３及び第２の電極７００５で発光層を含むＥＬ層７００４を挟んでい
る領域が発光素子７００２に相当する。図１７（Ｃ）に示した画素の場合、発光素子７０
０２から発せられる光は、矢印で示すように第２の電極７００５側に射出する。
また、図１７（Ｃ）において、駆動用ＴＦＴ７００１のドレイン電極層は、酸化シリコ
ン層７０５１、保護絶縁層７０５２、平坦化絶縁層７０５６、平坦化絶縁層７０５３、及
び絶縁層７０５５に設けられたコンタクトホールを介して第１の電極７００３と電気的に
接続する。平坦化絶縁層７０３６、７０４６、７０５３、７０５６は、ポリイミド、アク
リル、ベンゾシクロブテン、ポリアミド、エポキシ等の樹脂材料を用いることができる。
また上記樹脂材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ－ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ
（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用いることができる。なお、これら
の材料で形成される絶縁層を複数積層させることで、平坦化絶縁層７０３６、７０４６、
７０５３、７０５６を形成してもよい。平坦化絶縁層７０３６、７０４６、７０５３、７
０５６の形成法は、特に限定されず、その材料に応じて、スパッタリング法、ＳＯＧ法、
スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法、スクリーン印
刷、オフセット印刷等）、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイフ
コーター等を用いることができる。
また、第１の電極７００３と、隣り合う画素の第１の電極とを絶縁するために隔壁７０
０９を設ける。隔壁７００９は、ポリイミド、アクリル、ポリアミド、エポキシ等の有機
樹脂膜、無機絶縁膜または有機ポリシロキサンを用いて形成する。隔壁７００９は、特に
感光性の樹脂材料を用い、第１の電極７００３上に開口部を形成し、その開口部の側壁が
連続した曲率を持って形成される傾斜面となるように形成することが好ましい。隔壁７０
０９として感光性の樹脂材料を用いる場合、レジストマスクを形成する工程を省略するこ
とができる。
また、図１７（Ｃ）の構造においては、フルカラー表示を行う場合、例えば発光素子７
００２として緑色発光素子とし、隣り合う一方の発光素子を赤色発光素子とし、もう一方
の発光素子を青色発光素子とする。また、３種類の発光素子だけでなく白色素子を加えた
４種類の発光素子でフルカラー表示ができる発光表示装置を作製してもよい。
また、図１７（Ｃ）の構造においては、配置する複数の発光素子を全て白色発光素子と
して、発光素子７００２上方にカラーフィルタなどを有する封止基板を配置する構成とし
、フルカラー表示ができる発光表示装置を作製してもよい。白色などの単色の発光を示す
材料を形成し、カラーフィルタや色変換層を組み合わせることによりフルカラー表示を行
うことができる。
半導体装置に用いられる駆動用ＴＦＴ７００１、７０１１、７０２１としては、上記実
施の形態に示した薄膜トランジスタのいずれか一を適宜用いることができ、同様な工程及
び材料で形成することができる。駆動用ＴＦＴ７００１、７０１１、７０２１の酸化物半
導体層は水素や水が低減されている。従って、駆動用ＴＦＴ７００１、７０１１、７０２
１は信頼性の高い薄膜トランジスタである。
もちろん単色発光の表示を行ってもよい。例えば、白色発光を用いて照明装置を形成し
てもよいし、単色発光を用いてエリアカラータイプの発光装置を形成してもよい。
また、必要があれば、円偏光板などの偏光フィルムなどの光学フィルムを設けてもよい
。
なお、ここでは、発光素子として有機ＥＬ素子について述べたが、発光素子として無機
ＥＬ素子を設けることも可能である。
なお、発光素子の駆動を制御する薄膜トランジスタ（駆動用ＴＦＴ）と発光素子が電気
的に接続されている例を示したが、駆動用ＴＦＴと発光素子との間に電流制御用ＴＦＴが
接続されている構成であってもよい。
次に、発光表示パネル（発光パネルともいう）の外観及び断面について、図１８を用い
て説明する。図１８は、第１の基板上に形成された薄膜トランジスタ及び発光素子を、第
２の基板との間にシール材によって封止した、パネルの平面図であり、図１８（Ｂ）は、
図１８（Ａ）のＨ－Ｉにおける断面図に相当する。
第１の基板４５０１上に設けられた画素部４５０２、信号線駆動回路４５０３ａ、４５
０３ｂ、及び走査線駆動回路４５０４ａ、４５０４ｂを囲むようにして、シール材４５０
５が設けられている。また画素部４５０２、信号線駆動回路４５０３ａ、４５０３ｂ、及
び走査線駆動回路４５０４ａ、４５０４ｂの上に第２の基板４５０６が設けられている。
よって画素部４５０２、信号線駆動回路４５０３ａ、４５０３ｂ、及び走査線駆動回路４
５０４ａ、４５０４ｂは、第１の基板４５０１とシール材４５０５と第２の基板４５０６
とによって、充填材４５０７と共に密封されている。このように外気に曝されないように
気密性が高く、脱ガスの少ない保護フィルム（貼り合わせフィルム、紫外線硬化樹脂フィ
ルム等）やカバー材でパッケージング（封入）することが好ましい。
また、第１の基板４５０１上に設けられた画素部４５０２、信号線駆動回路４５０３ａ
、４５０３ｂ、及び走査線駆動回路４５０４ａ、４５０４ｂは、薄膜トランジスタを複数
有しており、図１８（Ｂ）では、画素部４５０２に含まれる薄膜トランジスタ４５１０と
、信号線駆動回路４５０３ａに含まれる薄膜トランジスタ４５０９とを例示している。
薄膜トランジスタ４５０９、４５１０は、上記実施の形態に示した薄膜トランジスタの
いずれか一を適宜用いることができ、同様な工程及び材料で形成することができる。薄膜
トランジスタ４５０９、４５１０の酸化物半導体層は水素や水が低減されている。従って
、薄膜トランジスタ４５０９、４５１０は信頼性の高い薄膜トランジスタである。
なお、薄膜トランジスタ４５０９としては、薄膜トランジスタの酸化物半導体層のチャ
ネル形成領域と重なる位置に導電層を設けた構造とする。本実施の形態において、薄膜ト
ランジスタ４５０９、４５１０はｎチャネル型薄膜トランジスタである。
酸化シリコン層４５４２上において薄膜トランジスタ４５０９の酸化物半導体層のチャ
ネル形成領域と重なる位置に導電層４５４０が設けられている。導電層４５４０を酸化物
半導体層のチャネル形成領域と重なる位置に設けることによって、ＢＴ試験前後における
薄膜トランジスタ４５０９のしきい値電圧の変化量を低減することができる。また、導電
層４５４０は、電位が薄膜トランジスタ４５０９のゲート電極層と同じでもよいし、異な
っていても良く、第２のゲート電極層として機能させることもできる。また、導電層４５
４０の電位がＧＮＤ、０Ｖ、或いはフローティング状態であってもよい。
また、薄膜トランジスタ４５１０の酸化物半導体層を覆う酸化シリコン層４５４２が形
成されている。薄膜トランジスタ４５１０のソース電極層又はドレイン電極層は薄膜トラ
ンジスタ上に設けられた酸化シリコン層４５４２及び絶縁層４５５１に形成された開口に
おいて配線層４５５０と電気的に接続されている。配線層４５５０は第１の電極４５１７
と接して形成されており、薄膜トランジスタ４５１０と第１の電極４５１７とは配線層４
５５０を介して電気的に接続されている。
発光素子４５１１の発光領域と重なるようにカラーフィルタ層４５４５が、絶縁層４５
５１上に形成される。
また、カラーフィルタ層４５４５の表面凹凸を低減するため平坦化絶縁膜として機能す
るオーバーコート層４５４３で覆う構成となっている。
また、オーバーコート層４５４３上に絶縁層４５４４が形成されている。絶縁層４５４
４としては、例えば窒化シリコン層をスパッタリング法で成膜すればよい。
また、４５１１は発光素子に相当し、発光素子４５１１が有する画素電極である第１の
電極４５１７は、薄膜トランジスタ４５１０のソース電極層またはドレイン電極層と配線
層４５５０を介して電気的に接続されている。なお発光素子４５１１の構成は、第１の電
極４５１７、電界発光層４５１２、第２の電極４５１３の積層構造であるが、示した構成
に限定されない。発光素子４５１１から取り出す光の方向などに合わせて、発光素子４５
１１の構成は適宜変えることができる。
隔壁４５２０は、有機樹脂膜、無機絶縁膜または有機ポリシロキサンを用いて形成する
。特に感光性の材料を用い、第１の電極４５１７上に開口部を形成し、その開口部の側壁
が連続した曲率を持って形成される傾斜面となるように形成することが好ましい。
電界発光層４５１２は、単数の層で構成されていても、複数の層が積層されるように構
成されていてもどちらでも良い。
発光素子４５１１に酸素、水素、水分、二酸化炭素等が侵入しないように、第２の電極
４５１３及び隔壁４５２０上に保護層を形成してもよい。保護層としては、窒化シリコン
層、窒化酸化シリコン層、ＤＬＣ層等を形成することができる。
また、信号線駆動回路４５０３ａ、４５０３ｂ、走査線駆動回路４５０４ａ、４５０４
ｂ、または画素部４５０２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ４５１８ａ、４５１
８ｂから供給されている。
接続端子電極４５１５が、発光素子４５１１が有する第１の電極４５１７と同じ導電層
から形成され、端子電極４５１６は、薄膜トランジスタ４５０９のソース電極層及びドレ
イン電極層と同じ導電層から形成されている。
接続端子電極４５１５は、ＦＰＣ４５１８ａが有する端子と、異方性導電層４５１９を
介して電気的に接続されている。
発光素子４５１１からの光の取り出し方向に位置する第２の基板は透光性でなければな
らない。その場合には、ガラス板、プラスチック板、ポリエステルフィルムまたはアクリ
ルフィルムのような透光性を有する材料を用いる。
また、充填材４５０７としては窒素やアルゴンなどの不活性な気体の他に、紫外線硬化
樹脂または熱硬化樹脂を用いることができ、ＰＶＣ（ポリビニルクロライド）、アクリル
、ポリイミド、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ＰＶＢ（ポリビニルブチラル）またはＥ
ＶＡ（エチレンビニルアセテート）を用いることができる。例えば充填材として窒素を用
いればよい。
また、必要であれば、発光素子の射出面に偏光板、又は円偏光板（楕円偏光板を含む）
、位相差板（λ／４板、λ／２板）などの光学フィルムを適宜設けてもよい。また、偏光
板又は円偏光板に反射防止膜を設けてもよい。例えば、表面の凹凸により反射光を拡散し
、映り込みを低減できるアンチグレア処理を施すことができる。
シール材は、スクリーン印刷法、インクジェット装置またはディスペンス装置を用いて
形成することができる。シール材は、代表的には可視光硬化性、紫外線硬化性または熱硬
化性の樹脂を含む材料を用いることができる。また、フィラーを含んでもよい。
信号線駆動回路４５０３ａ、４５０３ｂ、及び走査線駆動回路４５０４ａ、４５０４ｂ
は、別途用意された基板上に単結晶半導体膜又は多結晶半導体膜によって形成された駆動
回路で実装されていてもよい。また、信号線駆動回路のみ、或いは一部、又は走査線駆動
回路のみ、或いは一部のみを別途形成して実装しても良く、図１８の構成に限定されない
。
以上の工程により、半導体装置として信頼性の高い発光表示装置（表示パネル）を作製
することができる。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態１３）
本実施の形態では、実施の形態１又は２に示した論理回路を有する半導体装置の一例に
ついて説明する。具体的には、駆動回路が実施の形態１又は２に示した論理回路を有する
電子ペーパーの一例を示す。
図１９は、アクティブマトリクス型の電子ペーパーを示す図である。電子ペーパーに用
いられる薄膜トランジスタ５８１としては、上記実施の形態に示した薄膜トランジスタの
いずれか一を適宜用いることができ、同様な工程及び材料で形成することができる。本実
施の形態では、薄膜トランジスタ５８１として実施の形態６に示した薄膜トランジスタを
適用する例を示す。薄膜トランジスタ５８１の酸化物半導体層は水素や水が低減されてい
る。従って、薄膜トランジスタ５８１は信頼性の高い薄膜トランジスタである。
図１９の電子ペーパーは、ツイストボール表示方式を用いた表示装置の例である。ツイ
ストボール表示方式とは、白と黒に塗り分けられた球形粒子を表示素子に用い、電極層で
ある第１の電極層及び第２の電極層の間に配置し、第１の電極層及び第２の電極層に電位
差を生じさせての球形粒子の向きを制御することにより、表示を行う方式である。
基板５８０上に設けられた薄膜トランジスタ５８１はボトムゲート構造の薄膜トランジ
スタであり、ソース電極層又はドレイン電極層は、酸化シリコン層５８３、保護絶縁層５
８４、絶縁層５８５に形成される開口において第１の電極層５８７と接して電気的に接続
されている。
第１の電極層５８７と第２の電極層５８８との間には黒色領域５９０ａ及び白色領域５
９０ｂを有し、周りに液体で満たされているキャビティ５９４を含む球形粒子が設けられ
ており、球形粒子の周囲は樹脂等の充填材５９５で充填されている（図１９参照）。本実
施の形態においては、第１の電極層５８７が画素電極に相当し、対向基板５９６に設けら
れる第２の電極層５８８が共通電極に相当する。
また、ツイストボールの代わりに、電気泳動素子を用いることも可能である。透明な液
体と、正または負に帯電した白い微粒子と、白い微粒子と逆の極性に帯電した黒い微粒子
とを封入した直径１０μｍ～２００μｍ程度のマイクロカプセルを用いる。第１の電極層
と第２の電極層との間に設けられるマイクロカプセルは、第１の電極層と第２の電極層に
よって、電場が与えられると、白い微粒子と、黒い微粒子が互いに逆の方向に移動し、白
または黒を表示することができる。この原理を応用した表示素子が電気泳動表示素子であ
り、一般に電子ペーパーとよばれている。電気泳動表示素子は、液晶表示素子に比べて反
射率が高いため、補助ライトは不要であり、また消費電力が小さく、薄暗い場所でも表示
部を認識することが可能である。また、表示部に電源が供給されない場合であっても、一
度表示した像を保持することが可能であるため、電波発信源から表示機能付き半導体装置
（単に表示装置、又は表示装置を具備する半導体装置ともいう）を遠ざけた場合であって
も、表示された像を保存しておくことが可能となる。
本実施の形態の電子ペーパーは、駆動回路によって、当該ツイストボールに印加する電
圧を制御することによって、表示を行う反射型の表示装置である。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態１４）
本実施の形態では、実施の形態１又は２に示した論理回路を有する半導体装置の一例に
ついて説明する。具体的には、駆動回路が実施の形態１又は２に示した論理回路を有する
電子機器（遊技機も含む）の一例を示す。なお、電子機器としては、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。
図２０（Ａ）は、携帯電話機の一例を示している。携帯電話機１６００は、筐体１６０
１に組み込まれた表示部１６０２の他、操作ボタン１６０３ａ、１６０３ｂ、外部接続ポ
ート１６０４、スピーカ１６０５、マイク１６０６などを備えている。
図２０（Ａ）に示す携帯電話機１６００は、表示部１６０２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、或いはメールを打つなどの操作は、
表示部１６０２を指などで触れることにより行うことができる。
表示部１６０２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１６０２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１６０２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１６００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１６００の向き（縦か横か）を判断して、
表示部１６０２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１６０２を触れること、又は筐体１６０１の操
作ボタン１６０３ａ、１６０３ｂの操作により行われる。また、表示部１６０２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１６０２の光センサで検出される信号を検知し、表
示部１６０２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１６０２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１
６０２に掌や指を触れることで、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。
表示部１６０２には、上記実施の形態に示す半導体装置を適用することができ、例えば
画素のスイッチング素子として、上記他の実施の形態に示す薄膜トランジスタを複数配置
することができる。
図２０（Ｂ）も携帯電話機の一例である。図２０（Ｂ）を一例とした携帯型情報端末は
、複数の機能を備えることができる。例えば電話機能に加えて、コンピュータを内蔵し、
様々なデータ処理機能を備えることもできる。
図２０（Ｂ）に示す携帯型情報端末は、筐体１８００及び筐体１８０１の二つの筐体で
構成されている。筐体１８０１には、表示パネル１８０２、スピーカ１８０３、マイクロ
フォン１８０４、ポインティングデバイス１８０６、カメラ用レンズ１８０７、外部接続
端子１８０８などを備え、筐体１８００には、キーボード１８１０、外部メモリスロット
１８１１などを備えている。また、アンテナは筐体１８０１内部に内蔵されている。
また、表示パネル１８０２はタッチパネルを備えており、図２０（Ｂ）には映像表示さ
れている複数の操作キー１８０５を点線で示している。
また、上記構成に加えて、非接触ＩＣチップ、小型記録装置などを内蔵していてもよい
。
表示パネル１８０２は、使用形態に応じて表示の方向が適宜変化する。また、表示パネ
ル１８０２と同一面上にカメラ用レンズ１８０７を備えているため、テレビ電話が可能で
ある。スピーカ１８０３及びマイクロフォン１８０４は音声通話に限らず、テレビ電話、
録音、再生などが可能である。さらに、筐体１８００と筐体１８０１は、スライドし、図
２０（Ｂ）のように展開している状態から重なり合った状態とすることができ、携帯に適
した小型化が可能である。
外部接続端子１８０８はＡＣアダプタ及びＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可
能であり、充電及びパーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能である。また、外
部メモリスロット１８１１に記録媒体を挿入し、より大量のデータ保存及び移動に対応で
きる。
また、上記機能に加えて、赤外線通信機能、テレビ受信機能などを備えたものであって
もよい。
図２１（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９６００は
、筐体９６０１に表示部９６０３が組み込まれている。表示部９６０３により、映像を表
示することが可能である。また、ここでは、スタンド９６０５により筐体９６０１を支持
した構成を示している。
テレビジョン装置９６００の操作は、筐体９６０１が備える操作スイッチや、別体のリ
モコン操作機９６１０により行うことができる。リモコン操作機９６１０が備える操作キ
ー９６０９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９６０３に表示さ
れる映像を操作することができる。また、リモコン操作機９６１０に、当該リモコン操作
機９６１０から出力する情報を表示する表示部９６０７を設ける構成としてもよい。
なお、テレビジョン装置９６００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
。
表示部９６０３には、画素のスイッチング素子として、上記の実施の形態に示す薄膜ト
ランジスタを複数配置することができる。
図２１（Ｂ）は、デジタルフォトフレームの一例を示している。例えば、デジタルフォ
トフレーム９７００は、筐体９７０１に表示部９７０３が組み込まれている。表示部９７
０３は、各種画像を表示することが可能であり、例えばデジタルカメラなどで撮影した画
像データを表示させることで、通常の写真立てと同様に機能させることができる。
表示部９７０３には、画素のスイッチング素子として、上記の実施の形態に示す薄膜ト
ランジスタを複数配置することができる。
なお、デジタルフォトフレーム９７００は、操作部、外部接続用端子（ＵＳＢ端子、Ｕ
ＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能な端子など）、記録媒体挿入部などを備える
構成とする。これらの構成は、表示部と同一面に組み込まれていてもよいが、側面や裏面
に備えるとデザイン性が向上するため好ましい。例えば、デジタルフォトフレームの記録
媒体挿入部に、デジタルカメラで撮影した画像データを記憶したメモリを挿入して画像デ
ータを取り込み、取り込んだ画像データを表示部９７０３に表示させることができる。
また、デジタルフォトフレーム９７００は、無線で情報を送受信できる構成としてもよ
い。無線により、所望の画像データを取り込み、表示させる構成とすることもできる。
図２２は携帯型遊技機であり、筐体９８８１と筐体９８９１の２つの筐体で構成されて
おり、連結部９８９３により、開閉可能に連結されている。筐体９８８１には表示部９８
８２が組み込まれ、筐体９８９１には表示部９８８３が組み込まれている。
表示部９８８３には、画素のスイッチング素子として、上記の実施の形態に示す薄膜ト
ランジスタを複数配置することができる。
また、図２２に示す携帯型遊技機は、その他、スピーカ部９８８４、記録媒体挿入部９
８８６、ＬＥＤランプ９８９０、入力手段（操作キー９８８５、接続端子９８８７、セン
サ９８８８（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、におい又は赤外線を測定する機能を含むもの）、マイクロフォン９８８９）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、少なくとも本明
細書に開示する薄膜トランジスタを備えた構成であればよく、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２２に示す携帯型遊技機は、記録媒体に記録されてい
るプログラム又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２２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。
以上のように、実施の形態１又は２に示した駆動回路は、上記のような様々な電子機器
の表示パネルに適用することができ、信頼性の高い電子機器を提供することができる。
（実施の形態１５）
本実施の形態では、実施の形態１又は２に示した論理回路を有する半導体装置の一例に
ついて説明する。具体的には、駆動回路が実施の形態１又は２に示した論理回路を有する
電子ペーパーは、情報を表示するものであればあらゆる分野の電子機器に用いることが可
能である。例えば、電子ペーパーを用いて、電子書籍（電子ブック）、ポスター、電車な
どの乗り物の車内広告、クレジットカード等の各種カードにおける表示等に適用すること
ができる。電子機器の一例を図２３に示す。
図２３は、電子書籍の一例を示している。例えば、電子書籍２７００は、筐体２７０１
および筐体２７０３の２つの筐体で構成されている。筐体２７０１および筐体２７０３は
、軸部２７１１により一体とされており、該軸部２７１１を軸として開閉動作を行うこと
ができる。このような構成により、紙の書籍のような動作を行うことが可能となる。
筐体２７０１には表示部２７０５が組み込まれ、筐体２７０３には表示部２７０７が組
み込まれている。表示部２７０５および表示部２７０７は、続き画面を表示する構成とし
てもよいし、異なる画面を表示する構成としてもよい。異なる画面を表示する構成とする
ことで、例えば右側の表示部（図２３では表示部２７０５）に文章を表示し、左側の表示
部（図２３では表示部２７０７）に画像を表示することができる。
また、図２３では、筐体２７０１に操作部などを備えた例を示している。例えば、筐体
２７０１において、電源２７２１、操作キー２７２３、スピーカ２７２５などを備えてい
る。操作キー２７２３により、頁を送ることができる。なお、筐体の表示部と同一面にキ
ーボードやポインティングデバイスなどを備える構成としてもよい。また、筐体の裏面や
側面に、外部接続用端子（イヤホン端子、ＵＳＢ端子、またはＡＣアダプタおよびＵＳＢ
ケーブルなどの各種ケーブルと接続可能な端子など）、記録媒体挿入部などを備える構成
としてもよい。さらに、電子書籍２７００は、電子辞書としての機能を持たせた構成とし
てもよい。
また、電子書籍２７００は、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。無線により
、電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とするこ
とも可能である。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態１６）
本発明の一形態は、酸化物半導体中でキャリアの供与体（ドナー又はアクセプタ）とな
り得る不純物を極めて少ないレベルにまで除去することで、真性又は実質的に真性な酸化
物半導体を作製し、当該酸化物半導体を薄膜トランジスタに適用するものである。
図２４は、このようなトランジスタのソース－ドレイン間のバンド構造を示す図である
。高純度化が図られた酸化物半導体のフェルミ準位は、理想的な状態では禁制帯の中央に
位置している。
この場合、仕事関数をφｍ、酸化物半導体の電子親和力をχとすると、φｍ＝χであれ
ば、接合面において電極メタルのフェルミレベルと酸化物半導体の伝導帯のレベルが一致
する。この等式を境目として、右辺が大きい場合はオーミック接触となる。バンドギャッ
プ３．１５ｅＶ、電子親和力４．３ｅＶ、真性状態（キャリア密度約１×１０－７／ｃｍ
３）であると仮定し、ソース電極及びドレイン電極として仕事関数４．３ｅＶのチタン（
Ｔｉ）を用いたときには、図２４で示すように電子に対してショットキー障壁は形成され
ない。
図２５は酸化物半導体を用いたトランジスタにおいて、ドレイン側に正の電圧が印加さ
れた状態を示す図である。酸化物半導体はバンドギャップが広いため、高純度化され真性
若しくは実質的に真性な酸化物半導体の真性キャリア密度はゼロ又は限りなくゼロに近い
状態であるが、ソース－ドレイン間に電圧が印加されれば、ソース側からキャリア（電子
）が注入され、ドレイン側に流れ得ることが理解される。
図２６（Ａ）はゲート電圧を正にしたときのＭＯＳ構造のエネルギーバンド図であり、
酸化物半導体を用いたトランジスタにおけるものを示している。この場合、高純度化され
た酸化物半導体には熱励起キャリアがほとんど存在しないことから、ゲート絶縁膜近傍に
もキャリアは蓄積されない。しかし、図２５で示すように、ソース側から注入されたキャ
リア（電子）が伝搬することはできる。
図２６（Ｂ）は、ゲート電圧を負にしたときのＭＯＳ構造のエネルギーバンド図であり
、酸化物半導体を用いたトランジスタにおけるものを示している。酸化物半導体中に少数
キャリア（正孔）はほとんど存在しないので、ゲート絶縁膜近傍にもキャリアは蓄積され
ない。このことは、オフ電流が小さいことを意味している。
なお、図２７にシリコン半導体を用いた場合のトランジスタのバンド図を示す。シリコ
ン半導体のバンドギャップは１．１２ｅＶであり、真性キャリア密度は１．４５×１０１
０／ｃｍ３（３００Ｋ）である。室温においても熱励起キャリアが無視できず、温度に依
存してオフ電流が大きく変動することとなる。
このように、単に、バンドギャップの広い酸化物半導体をトランジスタに適用するので
はなく、ドナーを形成する水素等の不純物を極力低減し、キャリア密度を１×１０１４／
ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１２／ｃｍ３以下となるようにすることで、実用的な動
作温度で熱的に励起されるキャリアを排除して、ソース側から注入されるキャリアのみに
よってトランジスタを動作させることができる。それにより、オフ電流を１×１０－１３
［Ａ］以下にまで下げると共に、温度変化によってオフ電流がほとんど変化しない極めて
安定に動作するトランジスタを得ることができる。
（実施の形態１７）
本実施の形態では、評価用素子（ＴＥＧとも呼ぶ）でのオフ電流の測定値について以下
に説明する。
図２８にＬ／Ｗ＝３μｍ／５０μｍの薄膜トランジスタを２００個並列に接続し、実効
的にはＬ／Ｗ＝３μｍ／１００００μｍの薄膜トランジスタの初期特性を示す。また、上
面図を図２９（Ａ）に示し、その一部を拡大した上面図を図２９（Ｂ）に示す。図２９（
Ｂ）の点線で囲んだ領域がＬ／Ｗ＝３μｍ／５０μｍ、Ｌｏｖ＝１．５μｍの１段分の薄
膜トランジスタである。薄膜トランジスタの初期特性を測定するため、基板温度を室温と
し、ソース－ドレイン間電圧（以下、ドレイン電圧またはＶｄという）を１０Ｖとし、ソ
ース－ゲート間電圧（以下、ゲート電圧またはＶｇという）を－２０Ｖ～＋２０Ｖまで変
化させたときのソース－ドレイン電流（以下、ドレイン電流またはＩｄという）の変化特
性、すなわちＶｇ－Ｉｄ特性を測定した。なお、図２８では、Ｖｇを－２０Ｖ～＋５Ｖま
での範囲で示している。
図２８に示すようにチャネル幅Ｗが１００００μｍの薄膜トランジスタは、Ｖｄが１Ｖ
及び１０Ｖにおいてオフ電流は１×１０－１３［Ａ］以下となっており、測定機（半導体
パラメータ・アナライザ、Ａｇｉｌｅｎｔ ４１５６Ｃ；Ａｇｉｌｅｎｔ社製）の分解能
（１００ｆＡ）以下となっている。
測定した薄膜トランジスタの作製方法について説明する。
まず、ガラス基板上に下地層として、ＣＶＤ法により窒化珪素層を成膜し、窒化珪素層
上に酸化窒化珪素層を形成した。酸化窒化珪素層上にゲート電極層としてスパッタ法によ
りタングステン層を形成した。ここで、タングステン層を選択的にエッチングしてゲート
電極層を形成した。
次に、ゲート電極層上にゲート絶縁層としてＣＶＤ法により厚さ１００ｎｍの酸化窒化
珪素層を形成した。
次に、ゲート絶縁層上に、スパッタ法によりＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系金属酸化物ターゲ
ット（モル数比で、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：２）を用いて、厚さ５０
ｎｍの酸化物半導体層を形成した。ここで、酸化物半導体層を選択的にエッチングし、島
状の酸化物半導体層を形成した。
次に、酸化物半導体層をクリーンオーブンにて窒素雰囲気下、４５０℃、１時間の第１
の熱処理を行った。
次に、酸化物半導体層上にソース電極層及びドレイン電極層としてチタン層（厚さ１５
０ｎｍ）をスパッタ法により成膜した。ここで、ソース電極層及びドレイン電極層を選択
的にエッチングし、１つの薄膜トランジスタのチャネル長Ｌが３μｍ、チャネル幅Ｗが５
０μｍとし、２００個を並列とすることで、実効的にＬ／Ｗ＝３μｍ／１００００μｍと
なるようにした。
次に、酸化物半導体層に接するように保護絶縁層としてリアクティブスパッタ法により
酸化珪素層を膜厚３００ｎｍで形成した。ここで、保護層である酸化珪素層を選択的にエ
ッチングし、ゲート電極層、ソース電極層及びドレイン電極層上に開口部を形成した。そ
の後、窒素雰囲気下、２５０℃で１時間、第２の熱処理を行った。
そして、Ｖｇ－Ｉｄ特性を測定する前に１５０℃、１０時間の加熱を行った。
以上の工程により、ボトムゲート型の薄膜トランジスタを作製した。
図２８に示すように薄膜トランジスタが、１×１０－１３［Ａ］程度であるのは、上記
作製工程において酸化物半導体層中における水素濃度を十分に低減できたためである。酸
化物半導体層中の水素濃度は、５×１０１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）以下、好ましくは５
×１０１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）以下、さらに好ましくは５×１０１７（ａｔｏｍｓ／
ｃｍ３）以下とする。なお、酸化物半導体層中の水素濃度測定は、二次イオン質量分析法
（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）で行
う。
また、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物半導体を用いる例を示したが、特に限定されず、
他の酸化物半導体材料、例えば、Ｉｎ－Ｓｎ－Ｚｎ－Ｏ系、Ｓｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系、Ａ
ｌ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系、Ｓｎ－Ａｌ－Ｚｎ－Ｏ系、Ｉｎ－Ｚｎ－Ｏ系、Ｉｎ－Ｓｎ－Ｏ系
、Ｓｎ－Ｚｎ－Ｏ系、Ａｌ－Ｚｎ－Ｏ系、Ｉｎ－Ｏ系、Ｓｎ－Ｏ系、Ｚｎ－Ｏ系などを用
いることができる。また、酸化物半導体材料として、ＡｌＯｘを２．５～１０ｗｔ％混入
したＩｎ－Ａｌ－Ｚｎ－Ｏ系や、ＳｉＯｘを２．５～１０ｗｔ％混入したＩｎ－Ｚｎ－Ｏ
系を用いることもできる。
また、キャリア測定機で測定される酸化物半導体層のキャリア密度は、シリコンの真性
キャリア密度１．４５×１０１０／ｃｍ３と同等、もしくはそれ以下であることが好まし
い、具体的には、５×１０１４／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１２／ｃｍ３以下であ
る。即ち、酸化物半導体層のキャリア密度は、限りなくゼロに近くすることができる。
また、薄膜トランジスタのチャネル長Ｌを１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることも
可能であり、回路の動作速度を高速化でき、オフ電流値が極めて小さいため、さらに低消
費電力化も図ることができる。
また、薄膜トランジスタのオフ状態において、酸化物半導体層は絶縁体とみなして回路
設計を行うことができる。
続いて、本実施の形態で作製した薄膜トランジスタに対してオフ電流の温度特性を評価
した。温度特性は、薄膜トランジスタが使われる最終製品の耐環境性や、性能の維持など
を考慮する上で重要である。当然ながら、変化量が小さいほど好ましく、製品設計の自由
度が増す。
温度特性は、恒温槽を用い、－３０、０、２５、４０、６０、８０、１００、及び１２
０℃のそれぞれの温度で薄膜トランジスタを形成した基板を一定温度とし、ドレイン電圧
を６Ｖ、ゲート電圧を－２０Ｖ～＋２０Ｖまで変化させてＶｇ－Ｉｄ特性を取得した。
図３０（Ａ）に示すのは、上記それぞれの温度で測定したＶｇ－Ｉｄ特性を重ね書きし
たものであり、点線で囲むオフ電流の領域を拡大したものを図３０（Ｂ）に示す。図中の
矢印で示す右端の曲線が－３０℃、左端が１２０℃で取得した曲線で、その他の温度で取
得した曲線は、その間に位置する。オン電流の温度依存性はほとんど見られない。一方、
オフ電流は拡大図の図３０（Ｂ）においても明らかであるように、ゲート電圧が－２０Ｖ
近傍を除いて、全ての温度で測定機の分解能近傍の１×１０－１２［Ａ］以下となってお
り、温度依存性も見えていない。すなわち、１２０℃の高温においても、オフ電流が１×
１０－１２［Ａ］以下を維持しており、実効的なチャネル幅Ｗが１００００μｍであるこ
とを考慮すると、オフ電流が非常に小さいことがわかる。
高純度化された酸化物半導体（ｐｕｒｉｆｉｅｄ ＯＳ）を用いた薄膜トランジスタは
、オフ電流の温度依存性がほとんど現れない。これは、酸化物半導体のエネルギーギャッ
プが３ｅＶ以上であり、真性キャリアが極めて少ないことに起因する。また、ソース領域
及びドレイン領域は縮退した状態にあるのでやはり温度依存性が現れない要因となってい
る。薄膜トランジスタの動作は、縮退したソース領域から酸化物半導体に注入されたキャ
リアによるものがほとんどであり、キャリア密度の温度依存性がないことから上記特性（
オフ電流の温度依存性無し）を説明することができる。
このようにオフ電流値が極めて小さい薄膜トランジスタを用いて、記憶回路（記憶素子
）などを作製した場合、オフ電流値が小さくほとんどリークがないため、記憶データを保
持する時間を長くすることができる。
１１ 薄膜トランジスタ
１２ 薄膜トランジスタ
１３ 薄膜トランジスタ
１４ 薄膜トランジスタ
１５ 容量素子
２１ 薄膜トランジスタ
２２ 薄膜トランジスタ
２３ 薄膜トランジスタ
２４ 薄膜トランジスタ
２５ 容量素子
３１ 薄膜トランジスタ
４１ 薄膜トランジスタ
１０１ 薄膜トランジスタ
１０２ 薄膜トランジスタ
１０３ 薄膜トランジスタ
１０４ 薄膜トランジスタ
１０５ 容量素子
１１０ パルス出力回路
１１１ 薄膜トランジスタ
１１２ 薄膜トランジスタ
１１３ 薄膜トランジスタ
１１４ 薄膜トランジスタ
１１５ 容量素子
１２０ パルス出力回路
１２１ 薄膜トランジスタ
１２２ 薄膜トランジスタ
１２３ 薄膜トランジスタ
１２４ 薄膜トランジスタ
１２５ 容量素子
１３０ パルス出力回路
２０１ 薄膜トランジスタ
２０２ 薄膜トランジスタ
２０３ 薄膜トランジスタ
２０４ 薄膜トランジスタ
２０５ 容量素子
２１０ パルス出力回路
２１１ 薄膜トランジスタ
２１２ 薄膜トランジスタ
２１３ 薄膜トランジスタ
２１４ 薄膜トランジスタ
２１５ 容量素子
２２０ パルス出力回路
２２１ 薄膜トランジスタ
２２２ 薄膜トランジスタ
２２３ 薄膜トランジスタ
２２４ 薄膜トランジスタ
２２５ 容量素子
２３０ パルス出力回路
３００ 基板
３０２ ゲート絶縁層
３０３ 保護絶縁層
３１０ 薄膜トランジスタ
３１１ ゲート電極層
３１３ チャネル形成領域
３１４ａ 高抵抗ソース領域
３１４ｂ 高抵抗ドレイン領域
３１５ａ ソース電極層
３１５ｂ ドレイン電極層
３１６ 酸化物絶縁層
３２０ 基板
３２２ ゲート絶縁層
３２３ 保護絶縁層
３３０ 酸化物半導体層
３３１ 酸化物半導体層
３３２ 酸化物半導体層
３４０ 基板
３４２ ゲート絶縁層
３４３ 保護絶縁層
３４５ 酸化物半導体層
３４６ 酸化物半導体層
３５０ 薄膜トランジスタ
３５１ ゲート電極層
３５２ 酸化物半導体層
３５５ａ ソース電極層
３５５ｂ ドレイン電極層
３５６ 酸化物絶縁層
３６０ 薄膜トランジスタ
３６１ ゲート電極層
３６２ 酸化物半導体層
３６３ チャネル形成領域
３６４ａ 高抵抗ソース領域
３６４ｂ 高抵抗ドレイン領域
３６５ａ ソース電極層
３６５ｂ ドレイン電極層
３６６ 酸化物絶縁層
３７０ 基板
３７２ａ 第１のゲート絶縁層
３７２ｂ 第２のゲート絶縁層
３７３ 保護絶縁層
３８０ 薄膜トランジスタ
３８１ ゲート電極層
３８２ 酸化物半導体層
３８５ａ ソース電極層
３８５ｂ ドレイン電極層
３８６ 酸化物絶縁層
３９０ 薄膜トランジスタ
３９１ ゲート電極層
３９２ 酸化物半導体層
３９３ 酸化物半導体層
３９４ 基板
３９５ａ ソース電極層
３９５ｂ ドレイン電極層
３９６ 酸化物絶縁層
３９７ ゲート絶縁層
３９８ 保護絶縁層
３９９ 酸化物半導体層
４００ 基板
４０２ ゲート絶縁層
４０７ 絶縁層
４１０ 薄膜トランジスタ
４１１ ゲート電極層
４１２ 酸化物半導体層
４１４ａ 配線層
４１４ｂ 配線層
４１５ａ ソース電極層又はドレイン電極層
４１５ｂ ソース電極層又はドレイン電極層
４２０ シリコン基板
４２１ａ 開口
４２１ｂ 開口
４２２ 絶縁層
４２３ 開口
４２４ 導電層
４２５ 薄膜トランジスタ
４２６ 薄膜トランジスタ
４２７ 導電層
４５０ 基板
４５２ ゲート絶縁層
４５７ 絶縁層
４６０ 薄膜トランジスタ
４６１ ゲート電極層
４６１ａ ゲート電極層
４６１ｂ ゲート電極層
４６２ 酸化物半導体層
４６４ 配線層
４６５ａ ソース電極層又はドレイン電極層
４６５ａ１ ソース電極層又はドレイン電極層
４６５ａ２ ソース電極層又はドレイン電極層
４６５ｂ ソース電極層又はドレイン電極層
４６８ 配線層
５８０ 基板
５８１ 薄膜トランジスタ
５８３ 酸化シリコン層
５８４ 保護絶縁層
５８５ 絶縁層
５８７ 電極層
５８８ 電極層
５９０ａ 黒色領域
５９０ｂ 白色領域
５９４ キャビティ
５９５ 充填材
５９６ 対向基板
１６００ 携帯電話機
１６０１ 筐体
１６０２ 表示部
１６０３ａ 操作ボタン
１６０３ｂ 操作ボタン
１６０４ 外部接続ポート
１６０５ スピーカ
１６０６ マイク
１８００ 筐体
１８０１ 筐体
１８０２ 表示パネル
１８０３ スピーカ
１８０４ マイクロフォン
１８０５ 操作キー
１８０６ ポインティングデバイス
１８０７ カメラ用レンズ
１８０８ 外部接続端子
１８１０ キーボード
１８１１ 外部メモリスロット
２７００ 電子書籍
２７０１ 筐体
２７０３ 筐体
２７０５ 表示部
２７０７ 表示部
２７１１ 軸部
２７２１ 電源
２７２３ 操作キー
２７２５ スピーカ
４００１ 基板
４００２ 画素部
４００３ 信号線駆動回路
４００４ 走査線駆動回路
４００５ シール材
４００６ 基板
４００８ 液晶層
４０１０ 薄膜トランジスタ
４０１１ 薄膜トランジスタ
４０１３ 液晶素子
４０１５ 接続端子電極
４０１６ 端子電極
４０１８ ＦＰＣ
４０１９ 異方性導電膜
４０２１ 絶縁層
４０３０ 画素電極層
４０３１ 対向電極層
４０３２ 絶縁層
４０３３ 絶縁層
４０４０ 導電層
４０４１ 絶縁層
４０４２ 絶縁層
４５０１ 基板
４５０２ 画素部
４５０３ａ 信号線駆動回路
４５０３ｂ 信号線駆動回路
４５０４ａ 走査線駆動回路
４５０４ｂ 走査線駆動回路
４５０５ シール材
４５０６ 基板
４５０７ 充填材
４５０９ 薄膜トランジスタ
４５１０ 薄膜トランジスタ
４５１１ 発光素子
４５１２ 電界発光層
４５１３ 電極
４５１５ 接続端子電極
４５１６ 端子電極
４５１７ 電極
４５１８ａ ＦＰＣ
４５１８ｂ ＦＰＣ
４５１９ 異方性導電層
４５２０ 隔壁
４５４０ 導電層
４５４２ 酸化シリコン層
４５４３ オーバーコート層
４５４４ 絶縁層
４５４５ カラーフィルタ層
４５５０ 配線層
４５５１ 絶縁層
６４００ 画素
６４０１ スイッチング用トランジスタ
６４０２ 駆動用トランジスタ
６４０３ 容量素子
６４０４ 発光素子
６４０５ 信号線
６４０６ 走査線
６４０７ 電源線
６４０８ 共通電位線
７００１ 駆動用ＴＦＴ
７００２ 発光素子
７００３ 電極
７００４ ＥＬ層
７００５ 電極
７００９ 隔壁
７０１１ 駆動用ＴＦＴ
７０１２ 発光素子
７０１３ 電極
７０１４ ＥＬ層
７０１５ 電極
７０１６ 遮蔽膜
７０１７ 導電層
７０１９ 隔壁
７０２１ 駆動用ＴＦＴ
７０２２ 発光素子
７０２３ 電極
７０２４ ＥＬ層
７０２５ 電極
７０２６ 電極
７０２７ 導電層
７０２９ 隔壁
７０３１ 絶縁層
７０３２ 絶縁層
７０３３ カラーフィルタ層
７０３４ オーバーコート層
７０３５ 保護絶縁層
７０３６ 平坦化絶縁層
７０４１ 絶縁層
７０４２ 絶縁層
７０４３ カラーフィルタ層
７０４４ オーバーコート層
７０４５ 保護絶縁層
７０４６ 平坦化絶縁層
７０５１ 酸化シリコン層
７０５２ 保護絶縁層
７０５３ 平坦化絶縁層
７０５５ 絶縁層
７０５６ 平坦化絶縁層
９６００ テレビジョン装置
９６０１ 筐体
９６０３ 表示部
９６０５ スタンド
９６０７ 表示部
９６０９ 操作キー
９６１０ リモコン操作機
９７００ デジタルフォトフレーム
９７０１ 筐体
９７０３ 表示部
９８８１ 筐体
９８８２ 表示部
９８８３ 表示部
９８８４ スピーカ部
９８８５ 操作キー
９８８６ 記録媒体挿入部
９８８７ 接続端子
９８８８ センサ
９８８９ マイクロフォン
９８９０ ＬＥＤランプ
９８９１ 筐体
９８９３ 連結部

Claims (2)

  1. 画素部と、駆動回路部と、を有し、
    前記画素部は、第１のトランジスタと、前記第１のトランジスタと電気的に接続された発光素子と、を有し、
    前記駆動回路部は、第２のトランジスタを有する表示装置であって、
    前記第１のトランジスタのチャネル形成領域を有する第１の酸化物半導体膜と、
    前記第１の酸化物半導体膜の下面と接する領域を有し、且つ前記第１のトランジスタのソース電極又はドレイン電極として機能する領域を有する第１の導電層と、
    前記第１の導電層の上面と接する領域を有する第１の絶縁層と、
    前記第１の絶縁層上に位置し、且つ前記第１の絶縁層に設けられた開口部において前記第１の導電層の上面と接する領域を有する第２の導電層と、
    前記第２の導電層の上面と接する領域を有する第２の絶縁層と、
    前記第２の絶縁層上に位置し、且つ、前記第２の絶縁層に設けられた開口部を介して前記第２の導電層の上面と接する領域を有する第３の導電層と、
    前記第３の導電層の上面と接する領域を有し、且つ前記発光素子と重なる領域に開口部を有する第３の絶縁層と、
    前記第２のトランジスタの第１のゲート電極として機能する領域を有する第４の導電層と、
    前記第４の導電層の上方に位置し、且つ前記第２のトランジスタのチャネル形成領域を有する第２の酸化物半導体膜と、
    前記第２の酸化物半導体膜の下面と接する領域を有し、且つ前記第２のトランジスタのソース電極又はドレイン電極として機能する領域を有する第５の導電層と、
    前記第２の酸化物半導体膜の上方に位置し、且つ前記第２のトランジスタの第２のゲート電極として機能する領域を有する第６の導電層と、を有し、
    前記第３の導電層は、前記発光素子の第１の電極としての機能を有し、
    前記第１の絶縁層は、酸化シリコンを有し、
    前記第１のトランジスタは、シングルゲート構造のトランジスタである、表示装置。
  2. 画素部と、駆動回路部と、を有し、
    前記画素部は、第１のトランジスタと、前記第１のトランジスタと電気的に接続された発光素子と、を有し、
    前記駆動回路部は、第２のトランジスタを有する表示装置であって、
    前記第１のトランジスタのチャネル形成領域を有する第１の酸化物半導体膜と、
    前記第１の酸化物半導体膜の下面と接する領域を有し、且つ前記第１のトランジスタのソース電極又はドレイン電極として機能する領域を有する第１の導電層と、
    前記第１の導電層の上面と接する領域を有する第１の絶縁層と、
    前記第１の絶縁層上に位置し、且つ前記第１の絶縁層に設けられた開口部において前記第１の導電層の上面と接する領域を有する第２の導電層と、
    前記第２の導電層の上面と接する領域を有する第２の絶縁層と、
    前記第２の絶縁層上に位置し、且つ、前記第２の絶縁層に設けられた開口部を介して前記第２の導電層の上面と接する領域を有する第３の導電層と、
    前記第３の導電層の上面と接する領域を有し、且つ前記発光素子と重なる領域に開口部を有する第３の絶縁層と、
    前記第２のトランジスタの第１のゲート電極として機能する領域を有する第４の導電層と、
    前記第４の導電層の上方に位置し、且つ前記第２のトランジスタのチャネル形成領域を有する第２の酸化物半導体膜と、
    前記第２の酸化物半導体膜の下面と接する領域を有し、且つ前記第２のトランジスタのソース電極又はドレイン電極として機能する領域を有する第５の導電層と、
    前記第２の酸化物半導体膜の上方に位置し、且つ前記第２のトランジスタの第２のゲート電極として機能する領域を有する第６の導電層と、を有し、
    前記第３の導電層は、前記発光素子の第１の電極としての機能を有し、
    前記第１の絶縁層は、酸化シリコンを有し、
    前記第１のトランジスタは、シングルゲート構造のトランジスタであり、
    前記第２のトランジスタの第１のゲートと、前記第２のトランジスタの第２のゲートとは、同電位である、表示装置。
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