JPWO2016097936A1 - 半導体装置、表示装置、表示モジュールおよび電子機器 - Google Patents
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Abstract
酸化物半導体膜を有する半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させる。基板上の第１の導電体と、第１の導電体上の第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の酸化物半導体と、酸化物半導体と接して設けられる、第２の導電体および第３の導電体と、酸化物半導体、第２の導電体および第３の導電体上の第２の絶縁体と、を有し、第２の導電体および第３の導電体は、膜厚方向に酸素の濃度勾配が形成される領域を有している半導体装置である。
Description
本発明は、例えば、トランジスタおよび半導体装置に関する。または、本発明は、例えば、トランジスタおよび半導体装置の作製方法に関する。または、本発明は、例えば、表示装置、発光装置、照明装置、蓄電装置、記憶装置、撮像装置、プロセッサ、電子機器に関する。または、表示装置、液晶表示装置、発光装置、記憶装置、撮像装置、電子機器の製造方法に関する。または、表示装置、液晶表示装置、発光装置、記憶装置、撮像装置、電子機器の駆動方法に関する。
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関するものである。
なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。表示装置、発光装置、照明装置、記憶装置、撮像装置、電気光学装置、半導体回路および電子機器は、半導体装置を有する場合がある。
絶縁表面を有する基板上の半導体を用いて、トランジスタを構成する技術が注目されている。当該トランジスタは集積回路や表示装置のような半導体装置に広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体としてシリコンが知られている。
トランジスタの半導体に用いられるシリコンは、用途によって非晶質シリコンと多結晶シリコンと、が使い分けられている。例えば、大型の表示装置を構成するトランジスタに適用する場合、大面積基板への成膜技術が確立されている非晶質シリコンを用いると好適である。一方、駆動回路を一体形成した高機能の表示装置を構成するトランジスタに適用する場合、高い電界効果移動度を有するトランジスタを作製可能な多結晶シリコンを用いると好適である。多結晶シリコンは、非晶質シリコンに対し高温での熱処理、またはレーザ光処理を行うことで形成する方法が知られる。
近年では、酸化物半導体（代表的にはＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物）を用いたトランジスタの開発が活発化している。
酸化物半導体の歴史は古く、１９８８年には、結晶Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を半導体素子へ利用することが開示されている（特許文献１参照。）。また、１９９５年には、酸化物半導体を用いたトランジスタが発明されており、その電気特性が開示されている（特許文献２参照。）。
酸化物半導体を用いたトランジスタは、非晶質シリコンを用いたトランジスタ、および多結晶シリコンを用いたトランジスタとは異なる特徴を有する。例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタを適用した表示装置は、消費電力が低いことが知られている。酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、大型の表示装置を構成するトランジスタに用いることができる。また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、高い電界効果移動度を有するため、駆動回路を一体形成した高機能の表示装置を実現できる。また、非晶質シリコンを用いたトランジスタの生産設備の一部を改良して利用することが可能であるため、設備投資を抑えられるメリットもある。
例えば表示装置などの半導体装置を量産するためには、酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性が安定であることが求められる。
酸化物半導体を用いたトランジスタにおいて、酸化物半導体中の酸素欠損の制御は非常に重要である。安定なトランジスタ特性を得るためには、酸素欠損をできるだけ少なくすることが好ましく、そのための技術として、酸化物半導体に酸素を注入する方法がある（特許文献３参照。）。
酸化物半導体をチャネル領域に有するトランジスタにおいて、チャネル領域の酸化物半導体中に混入する水素または水分などの不純物は、トランジスタ特性に影響を与えるため問題となる。また、チャネル領域の酸化物半導体に形成される酸素欠損は、トランジスタ特性に影響を与えるため問題となる。例えば、チャネル領域の酸化物半導体中に酸素欠損が形成されると、該酸素欠損に水素が入ることにより、キャリア供給源となる。チャネル領域の酸化物半導体中にキャリア供給源が生成されると、酸化物半導体を有するトランジスタの電気特性の変動、代表的にはしきい値電圧のシフトが生じる。また、トランジスタごとに電気特性がばらつくという問題がある。したがって、酸化物半導体のチャネル領域においては、酸素欠損が少ないほど好ましい。また、酸化物半導体のチャネル領域においては、水素または水分などの不純物が少ないほど好ましい。
また、酸化物半導体を用いたトランジスタにおいて、トランジスタのソース電極、ドレイン電極、ゲート電極などに用いられる導電体は、酸化物半導体から酸素を引き抜いてしまうことがある。そのため、例えば酸化物半導体と接して導電体が形成されている場合、該導電体により酸化物半導体に酸素欠損が形成されやすい。
本発明の一態様は、安定した電気特性を有するトランジスタを提供することを課題の一とする。または、ノーマリーオフの電気特性を有するトランジスタを提供することを課題の一とする。または、サブスレッショルドスイング値の小さいトランジスタを提供することを課題の一とする。または、短チャネル効果の小さいトランジスタを提供することを課題の一とする。または、非導通時のリーク電流の小さいトランジスタを提供することを課題の一とする。または、電気特性の優れたトランジスタを提供することを課題の一とする。または、信頼性の高いトランジスタを提供することを課題の一とする。または、高い周波数特性を有するトランジスタを提供することを課題の一とする。
または、該トランジスタを有する半導体装置を提供することを課題の一とする。または、該半導体装置を有する表示装置を提供することを課題の一とする。または、該表示装置を有する表示モジュールを提供することを課題の一とする。または、該半導体装置、該表示装置または該表示モジュールを有する電子機器を提供することを課題の一とする。または、新規な半導体装置を提供することを課題の一とする。または、新規な表示装置を提供することを課題の一とする。または、新規な表示モジュールを提供することを課題の一とする。または、新規な電子機器を提供することを課題の一とする。
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
安定なトランジスタ特性を得るためには、酸素欠損をできるだけ少なくすることが好ましい。また、導電体は酸化物半導体から酸素を引き抜いてしまうことがあるため、導電体により酸素が引き抜かれないように制御することも重要である。
そこで、本発明の一態様は、トランジスタに用いる導電体に酸素を含んだ構成とすることによって、導電体により酸素が引き抜かれるのを抑制し、安定かつ良好な電気特性を有するトランジスタを提供する。
また、導電体に酸素を含ませてあることによって、外部からの不純物の拡散を抑制し、安定かつ良好な電気特性を有するトランジスタを提供する。
本発明の一態様は、基板上の第１の導電体と、第１の導電体上の第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の酸化物半導体と、酸化物半導体と接して設けられる、第２の導電体および第３の導電体と、酸化物半導体、第２の導電体および第３の導電体上の第２の絶縁体と、を有し、第２の導電体および第３の導電体は、膜厚方向に酸素の濃度勾配が形成される領域を有している半導体装置である。
本発明の一態様は、上記第２の導電体および第３の導電体は、第２の絶縁体と接する領域が最も酸素濃度が高い半導体装置である。
また、本発明の一態様は、上記第２の導電体および第３の導電体は、第１の絶縁体と接する領域が最も酸素濃度が高い半導体装置である。
また、本発明の一態様は、基板上の第１の導電体と、第１の導電体上の第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の酸化物半導体と、酸化物半導体と接して設けられる第２の導電体および第３の導電体と、酸化物半導体、第２の導電体および第３の導電体上の第２の絶縁体と、を有し、第１の導電体は、膜厚方向に酸素の濃度勾配が形成される領域を有している半導体装置である。
また、本発明の一態様は、上記第１の導電体は、第１の絶縁体と接する領域が最も酸素濃度が高い半導体装置である。
また、本発明の一態様は、上記基板と、上記第１の導電体と、の間に第３の絶縁体を有し、第１の導電体は、第３の絶縁体と接する領域が最も酸素濃度が高い半導体装置である。
また、本発明の一態様は、基板上の第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の酸化物半導体と、酸化物半導体と接して設けられる第１の導電体および第２の導電体と、酸化物半導体、第１の導電体および第２の導電体上の第２の絶縁体と、第２の絶縁体上の第３の導電体と、を有し、第１の導電体および第２の導電体は、膜厚方向に酸素の濃度勾配が形成される領域を有している半導体装置である。
また、本発明の一態様は、上記第１の導電体および第２の導電体は、第１の絶縁体と接する領域が最も酸素濃度が高い半導体装置である。
また、本発明の一態様は、第１の導電体および第２の導電体は、第２の絶縁体と接する領域が最も酸素濃度が高い半導体装置である。
また、本発明の一態様は、基板上の第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の酸化物半導体と、酸化物半導体と接して設けられる第１の導電体および第２の導電体と、酸化物半導体、第１の導電体および第２の導電体上の第２の絶縁体と、第２の絶縁体上の第３の導電体と、第３の導電体上の第３の絶縁体と、を有し、第３の導電体は、膜厚方向に酸素の濃度勾配が形成される領域を有している半導体装置である。
また、本発明の一態様は、上記第３の導電体は、第２の絶縁体と接する領域が最も酸素濃度が高い半導体装置である。
また、本発明の一態様は、上記第３の導電体は、第３の絶縁体と接する領域が最も酸素濃度が高い半導体装置である。
また、本発明の一態様は、第１の導電体、第２の導電体および第３の導電体は、それぞれ単層または２層以上の積層により形成されている半導体装置である。
また、本発明の他の一態様は、上記態様のいずれか一つに記載の半導体装置と表示素子とを有する表示装置である。また、本発明の他の一態様は、上記表示装置とタッチセンサとを有する表示モジュールである。また、本発明の他の一態様は、上記態様のいずれか一つに記載の半導体装置、上記表示装置、または上記表示モジュールと、操作キーまたはバッテリと、を有する電子機器である。
本発明の一態様により、安定した電気特性を有するトランジスタを提供することができる。または、ノーマリーオフの電気特性を有するトランジスタを提供することができる。または、サブスレッショルドスイング値の小さいトランジスタを提供することができる。または、短チャネル効果の小さいトランジスタを提供することができる。または、非導通時のリーク電流の小さいトランジスタを提供することができる。または、電気特性の優れたトランジスタを提供することができる。または、信頼性の高いトランジスタを提供することができる。または、高い周波数特性を有するトランジスタを提供することができる。
または、該トランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、該半導体装置を有する表示装置を提供することができる。または、該表示装置を有する表示モジュールを提供することができる。または、該半導体装置、該表示装置または該表示モジュールを有する電子機器を提供することができる。または、新規な半導体装置を提供することができる。または、新規な表示装置を提供することができる。または、新規な表示モジュールを提供することができる。または、新規な電子機器を提供することができる。
なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
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、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。また、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、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる。なお、同様のものを指す際にはハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
なお、図において、大きさ、膜（層）の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。
なお、本明細書などにおいて、「膜」という表記と、「層」という表記と、を互いに入れ替えることが可能である。
また、電圧は、ある電位と、基準の電位（例えば接地電位（ＧＮＤ）またはソース電位）との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧を電位と言い換えることが可能である。一般的に、電位（電圧）は、相対的なものであり、基準の電位からの相対的な大きさによって決定される。したがって、「接地電位」などと記載されている場合であっても、電位が０Ｖであるとは限らない。例えば、回路で最も低い電位が、「接地電位」となる場合もある。または、回路で中間くらいの電位が、「接地電位」となる場合もある。その場合には、その電位を基準として、正の電位と負の電位が規定される。
なお、第１、第２として付される序数詞は便宜的に用いるものであり、工程順または積層順を示すものではない。そのため、例えば、「第１の」を「第２の」または「第３の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書などに記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。
なお、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分低い場合は「絶縁体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「絶縁体」は境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。したがって、本明細書に記載の「半導体」は、「絶縁体」と言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「絶縁体」は、「半導体」と言い換えることができる場合がある。
また、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分高い場合は「導電体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「導電体」は境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。したがって、本明細書に記載の「半導体」は、「導電体」と言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「導電体」は、「半導体」と言い換えることができる場合がある。
なお、半導体の不純物とは、例えば、半導体を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が０．１原子％未満の元素は不純物である。不純物が含まれることにより、例えば、半導体にＤＯＳ（Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｔａｔｅ）が形成されることや、キャリア移動度が低下することや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第１族元素、第２族元素、第１４族元素、第１５族元素、主成分以外の遷移金属などがあり、特に、例えば、水素（水にも含まれる。）、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、例えば水素などの不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコン層である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１５族元素などがある。
なお、本明細書などにおいて、Ａが濃度Ｂの領域を有する、と記載する場合、例えば、Ａのある領域における深さ方向全体が濃度Ｂである場合、Ａのある領域における深さ方向の平均値が濃度Ｂである場合、Ａのある領域における深さ方向の中央値が濃度Ｂである場合、Ａのある領域における深さ方向の最大値が濃度Ｂである場合、Ａのある領域における深さ方向の最小値が濃度Ｂである場合、Ａのある領域における深さ方向の収束値が濃度Ｂである場合、測定上Ａそのものの確からしい値の得られる領域が濃度Ｂである場合などを含む。
また、本明細書などにおいて、Ａが大きさＢ、長さＢ、厚さＢ、幅Ｂまたは距離Ｂの領域を有する、と記載する場合、例えば、Ａのある領域における全体が大きさＢ、長さＢ、厚さＢ、幅Ｂまたは距離Ｂである場合、Ａのある領域における平均値が大きさＢ、長さＢ、厚さＢ、幅Ｂまたは距離Ｂである場合、Ａのある領域における中央値が大きさＢ、長さＢ、厚さＢ、幅Ｂまたは距離Ｂである場合、Ａのある領域における最大値が大きさＢ、長さＢ、厚さＢ、幅Ｂまたは距離Ｂである場合、Ａのある領域における最小値が大きさＢ、長さＢ、厚さＢ、幅Ｂまたは距離Ｂである場合、Ａのある領域における収束値が大きさＢ、長さＢ、厚さＢ、幅Ｂまたは距離Ｂである場合、測定上Ａそのものの確からしい値の得られる領域が大きさＢ、長さＢ、厚さＢ、幅Ｂまたは距離Ｂである場合などを含む。
なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース（ソース領域またはソース電極）とドレイン（ドレイン領域またはドレイン電極）との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
チャネル幅とは、例えば、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅（以下、実効的なチャネル幅と呼ぶ。）と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅（以下、見かけ上のチャネル幅と呼ぶ。）と、が異なる場合がある。例えば、立体的な構造を有するトランジスタでは、実効的なチャネル幅が、トランジスタの上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつ立体的な構造を有するトランジスタでは、半導体の側面に形成されるチャネル領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも、実際にチャネルの形成される実効的なチャネル幅の方が大きくなる。
ところで、立体的な構造を有するトランジスタにおいては、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。
そこで、本明細書では、トランジスタの上面図において、半導体とゲート電極とが互いに重なる領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さである見かけ上のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅（ＳＣＷ：Ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｗｉｄｔｈ）」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込みチャネル幅などは、断面ＴＥＭ像などを取得して、その画像を解析することなどによって、値を決定することができる。
なお、トランジスタの電界効果移動度や、チャネル幅当たりの電流値などを計算して求める場合、囲い込みチャネル幅を用いて計算する場合がある。その場合には、実効的なチャネル幅を用いて計算する場合とは異なる値をとる場合がある。
なお、本明細書において、ＡがＢより迫り出した形状を有すると記載する場合、上面図または断面図において、Ａの少なくとも一端が、Ｂの少なくとも一端よりも外側にある形状を有することを示す場合がある。したがって、ＡがＢより迫り出した形状を有すると記載されている場合、例えば上面図において、Ａの一端が、Ｂの一端よりも外側にある形状を有すると読み替えることができる。
本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が−３０°以上３０°以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が６０°以上１２０°以下の角度で配置されている状態をいう。
また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。
なお、明細書において、半導体と記載する場合、酸化物半導体と読み替えることができる。半導体としては、ほかにもシリコン、ゲルマニウムなどの第１４族半導体、炭化シリコン、ケイ化ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、セレン化亜鉛、硫化カドミウム、酸化物半導体などの化合物半導体、カーボンナノチューブ、グラフェンおよび有機半導体を用いることができる。
なお、本明細書等において、酸化窒化シリコン膜とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多い膜を指し、窒化酸化シリコン膜とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い膜を指す。
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置について、図１乃至図１４を参照して説明する。
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置について、図１乃至図１４を参照して説明する。
＜半導体装置の構成例１＞
図１（Ａ）は、本発明の一態様に係る半導体装置であるトランジスタ１００の上面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当する。なお、図１（Ａ）において、煩雑になることを避けるため、トランジスタ１００の構成要素の一部（ゲート絶縁体として機能する絶縁体等）を省略して図示している。また、一点鎖線Ｘ１−Ｘ２方向をトランジスタのチャネル長方向、一点鎖線Ｙ１−Ｙ２方向をトランジスタのチャネル幅方向と呼称する場合がある。なお、トランジスタの上面図においては、以降の図面においても図１（Ａ）と同様に、構成要素の一部を省略して図示する場合がある。
図１（Ａ）は、本発明の一態様に係る半導体装置であるトランジスタ１００の上面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当する。なお、図１（Ａ）において、煩雑になることを避けるため、トランジスタ１００の構成要素の一部（ゲート絶縁体として機能する絶縁体等）を省略して図示している。また、一点鎖線Ｘ１−Ｘ２方向をトランジスタのチャネル長方向、一点鎖線Ｙ１−Ｙ２方向をトランジスタのチャネル幅方向と呼称する場合がある。なお、トランジスタの上面図においては、以降の図面においても図１（Ａ）と同様に、構成要素の一部を省略して図示する場合がある。
トランジスタ１００は、基板１０２上のゲート電極として機能する導電体１０４と、基板１０２および導電体１０４上の絶縁体１０６と、絶縁体１０６上の絶縁体１０７と、絶縁体１０７上の酸化物半導体１０８と、酸化物半導体１０８と電気的に接続され、ソース電極として機能する導電体１１２ａと、酸化物半導体１０８と電気的に接続され、ドレイン電極として機能する導電体１１２ｂと、酸化物半導体１０８、および導電体１１２ａ、１１２ｂ上の絶縁体１１４、１１６と、を有する。
また、図１（Ｂ）に示すトランジスタ１００では、酸化物半導体１０８の導電体１１２ａおよび導電体１１２ｂと重畳していない領域において、一部窪んだ形状となっているが、これに限らない。例えば、図１（Ｄ）に示すトランジスタ１００のように、酸化物半導体１０８の導電体１１２ａおよび導電体１１２ｂと重畳していない領域において、窪んだ形状が無い構成としてもよい。
なお、絶縁体１０６および絶縁体１０７は、トランジスタのゲート絶縁体としての機能することができる。本実施の形態に示すトランジスタ１００では、ゲート絶縁体を２層で形成した例を示したが、これに限られない。ゲート絶縁体を単層で形成してもよいし、３層以上で形成してもよい。また、ゲート絶縁体は、酸化物半導体１０８中に酸素を供給する機能を有していてもよい。
また、絶縁体１１４および絶縁体１１６は、トランジスタ１００の保護絶縁体として機能することができる。本実施の形態に示すトランジスタ１００では、保護絶縁体を２層で形成する例を示したが、これに限られない。保護絶縁体を単層で形成してもよいし、３層以上で形成してもよい。また、保護絶縁体は、酸化物半導体１０８中に酸素を供給する機能を有していてもよい。
前述したように、安定なトランジスタ特性を得るためには、酸化物半導体中の酸素欠損をできるだけ少なくすることが好ましい。また、導電体は酸化物半導体から酸素を引き抜いてしまうことがあるため、導電体により酸素が引き抜かれないように制御することも重要である。
そのため、トランジスタに用いる導電体に酸素を含んだ構成とすることによって、導電体により酸素が引き抜かれるのを抑制し、安定かつ良好な電気特性を有するトランジスタを作製することができる。
また、導電体に酸素を含ませてあることによって、外部からの不純物の拡散を抑制し、安定かつ良好な電気特性を有するトランジスタを作製することができる。
本実施の形態におけるトランジスタ１００においては、導電体１０４、導電体１１２ａおよび導電体１１２ｂに、酸素を含んだ導電体を用いることが好ましい。また、導電体に含まれる酸素は、膜厚方向に一様に含まれているのではなく、膜厚方向に酸素の濃度勾配が形成されている領域を有していることが好ましい。
本発明の一態様のトランジスタ１００の構成において、絶縁体１０６、絶縁体１０７、絶縁体１１４および絶縁体１１６に過剰な酸素を有し、絶縁体１０６、絶縁体１０７、絶縁体１１４および絶縁体１１６から導電体１０４、導電体１１２ａおよび導電体１１２ｂ中に酸素を移動させることで、導電体１０４、導電体１１２ａおよび導電体１１２ｂ中に酸素を含ませると好ましい。
また、過剰な酸素を有する絶縁体は、絶縁体１０６、絶縁体１０７、絶縁体１１４および絶縁体１１６のうちいずれか一つの絶縁体でもよく、複数の絶縁体でもよい。例えば、絶縁体１１４に過剰な酸素を有する場合、絶縁体１１４から導電体１１２ａおよび導電体１１２ｂへ酸素を供給し、導電体１１２ａおよび導電体１１２ｂ中に酸素を含ませることができる。またその際、導電体１１２ａおよび導電体１１２ｂにおいて、膜厚方向に酸素の濃度勾配が形成される。さらに、導電体１１２ａおよび導電体１１２ｂにおいて、絶縁体１１４ａと接する領域が最も酸素濃度が高い。
また、絶縁体１１４および絶縁体１１６は、過剰な酸素を有することで、化学量論的組成よりも過剰に酸素を含有する領域（酸素過剰領域）を有する。別言すると、絶縁体１１４および絶縁体１１６は、酸素を放出することが可能な絶縁体である。なお、絶縁体１１４および絶縁体１１６に酸素過剰領域を設けるには、例えば、成膜後の絶縁体１１４および絶縁体１１６に酸素を添加して、酸素過剰領域を形成すればよい。
酸素の添加方法としては、加速エネルギーを減圧下で気体に加える方法、具体的には、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマ処理法等を用いることができる。また、酸素の添加時、基板を加熱して処理すると、添加される酸素の量を多くすることができるため好適である。酸素添加時の基板温度としては、例えば室温より高く４００℃より低い温度が好ましい。また、上記プラズマ処理法としては、酸素ガスを高周波電力によってプラズマ化させる装置（プラズマエッチング装置またはプラズマアッシング装置ともいう。）を用いると好適である。
また、昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ））を用いて絶縁体を測定することで、酸素の放出量を測定することができる。例えば、絶縁体１１４および絶縁体１１６を昇温脱離ガス分析法において測定した場合、酸素分子の放出量が８．０×１０１４個／ｃｍ２以上、好ましくは１．０×１０１５個／ｃｍ２以上、さらに好ましくは１．５×１０１５個／ｃｍ２以上である。なお、昇温脱離ガス分析法における被測定物の表面温度は、１００℃以上７００℃以下、好ましくは１００℃以上５００℃以下である。
また、導電体１０４、導電体１１２ａおよび導電体１１２ｂを、酸素を含んだ導電体とするため、導電体の成膜ガスに酸素を添加する方法を用いてもよい。例えば、導電体を成膜する際に、最初は成膜ガスに酸素を添加せず、その後徐々に酸素ガス分圧が大きくなるように酸素ガスを添加することによって、膜厚方向に酸素の濃度勾配を有する導電膜を作製することができる。また、導電体の成膜において、最初に酸素ガスを添加し、その後徐々に酸素ガス分圧が小さくなるように酸素ガスを添加することによって、膜厚方向に酸素の濃度勾配を有する導電膜を作製してもよい。
また、導電体１０４、導電体１１２ａおよび導電体１１２ｂに対して、上記示したようにイオン注入法、イオンドーピング法、プラズマ処理法等を用いて酸素を添加してもよい。
以上に示した方法などによって、本実施の形態におけるトランジスタ１００の導電体１０４、導電体１１２ａおよび導電体１１２ｂに酸素を含ませることができる。さらに、導電体１０４、導電体１１２ａおよび導電体１１２ｂに含まれる酸素は、膜厚方向に酸素の濃度勾配が形成されている領域を有することができる。
以下に、本実施の形態の半導体装置に含まれるその他の構成要素について、詳細に説明する。
＜基板＞
基板１０２の材質などに大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有している必要がある。例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板等を、基板１０２として用いてもよい。また、シリコンや炭化シリコンなどを材料とした単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム等の化合物半導体基板、ＳＯＩ基板等を適用することも可能であり、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板１０２として用いてもよい。基板に設けられる半導体素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。なお、基板１０２として、ガラス基板を用いる場合、第６世代（１５００ｍｍ×１８５０ｍｍ）、第７世代（１８７０ｍｍ×２２００ｍｍ）、第８世代（２２００ｍｍ×２４００ｍｍ）、第９世代（２４００ｍｍ×２８００ｍｍ）、第１０世代（２９５０ｍｍ×３４００ｍｍ）等の大面積基板を用いることで、大型の表示装置を作製することができる。
基板１０２の材質などに大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有している必要がある。例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板等を、基板１０２として用いてもよい。また、シリコンや炭化シリコンなどを材料とした単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム等の化合物半導体基板、ＳＯＩ基板等を適用することも可能であり、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板１０２として用いてもよい。基板に設けられる半導体素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。なお、基板１０２として、ガラス基板を用いる場合、第６世代（１５００ｍｍ×１８５０ｍｍ）、第７世代（１８７０ｍｍ×２２００ｍｍ）、第８世代（２２００ｍｍ×２４００ｍｍ）、第９世代（２４００ｍｍ×２８００ｍｍ）、第１０世代（２９５０ｍｍ×３４００ｍｍ）等の大面積基板を用いることで、大型の表示装置を作製することができる。
また、基板１０２として、可とう性基板を用いてもよい。なお、可とう性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可とう性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可とう性基板である基板１０２に転置する方法もある。その場合には、非可とう性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。なお、基板１０２として、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。また、基板１０２が伸縮性を有してもよい。また、基板１０２は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板１０２の厚さは、例えば、５μｍ以上１０００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上７００μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以上５００μｍ以下とする。基板１０２を薄くすると、半導体装置を軽量化することができる。また、基板１０２を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落下などによって基板１０２上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。即ち、丈夫な半導体装置を提供することができる。
可とう性基板である基板１０２としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維などを用いることができる。可とう性基板である基板１０２は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可とう性基板である基板１０２としては、例えば、線膨張率が１×１０−３／Ｋ以下、５×１０−５／Ｋ以下、または１×１０−５／Ｋ以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリルなどがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可とう性基板である基板１０２として好適である。
＜導電体＞
ゲート電極として機能する導電体１０４、およびソース電極として機能する導電体１１２ａ、およびドレイン電極として機能する導電体１１２ｂとしては、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）から選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いてそれぞれ形成することができる。
ゲート電極として機能する導電体１０４、およびソース電極として機能する導電体１１２ａ、およびドレイン電極として機能する導電体１１２ｂとしては、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）から選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いてそれぞれ形成することができる。
また、導電体１０４、１１２ａ、１１２ｂは、単層構造でも、二層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜または窒化タングステン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造等がある。また、アルミニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた一または複数組み合わせた合金膜、もしくは窒化物膜を用いてもよい。
また、導電体１０４、１１２ａ、１１２ｂには、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化シリコンを添加したインジウム錫酸化物等の透光性を有する導電性材料を適用することもできる。
また、導電体１０４、１１２ａ、１１２ｂには、Ｃｕ−Ｘ合金膜（Ｘは、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｏ、ＴａまたはＴｉ）を適用してもよい。Ｃｕ−Ｘ合金膜を用いることで、ウエットエッチングプロセスで加工できるため、製造コストを抑制することが可能となる。
また、導電体１０４、導電体１１２ａおよび導電体１１２ｂに酸素を含ませるために、導電体の成膜ガスに酸素を添加する方法を用いることが好ましい。例えば、導電体を成膜する際に、最初は成膜ガスに酸素を添加せず、その後徐々に酸素ガス分圧が大きくなるように酸素ガスを添加することによって、膜厚方向に酸素の濃度勾配を有する導電膜を作製することができる。また、導電体の成膜において、最初に酸素ガスを添加し、その後徐々に酸素ガス分圧が小さくなるように酸素ガスを添加することによって、膜厚方向に酸素の濃度勾配を有する導電膜を作製してもよい。
また、導電体１０４、導電体１１２ａおよび導電体１１２ｂを成膜後に、上記示したようにイオン注入法、イオンドーピング法、プラズマ処理法等を用いて酸素を添加してもよい。
＜ゲート絶縁体＞
トランジスタ１００のゲート絶縁体として機能する絶縁体１０６、１０７としては、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ：（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ））法、スパッタリング法等により、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化イットリウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ガリウム膜、酸化タンタル膜、酸化マグネシウム膜、酸化ランタン膜、酸化セリウム膜および酸化ネオジム膜を一種以上含む絶縁層を、それぞれ用いることができる。なお、絶縁体１０６、１０７の積層構造とせずに、上述の材料から選択された単層の絶縁膜、または３層以上の絶縁膜を用いてもよい。
トランジスタ１００のゲート絶縁体として機能する絶縁体１０６、１０７としては、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ：（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ））法、スパッタリング法等により、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化イットリウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ガリウム膜、酸化タンタル膜、酸化マグネシウム膜、酸化ランタン膜、酸化セリウム膜および酸化ネオジム膜を一種以上含む絶縁層を、それぞれ用いることができる。なお、絶縁体１０６、１０７の積層構造とせずに、上述の材料から選択された単層の絶縁膜、または３層以上の絶縁膜を用いてもよい。
なお、トランジスタ１００のチャネル領域として機能する酸化物半導体１０８と接する絶縁体１０７は、酸化物絶縁体であることが好ましく、化学量論的組成よりも過剰に酸素を含有する領域（酸素過剰領域）を有することがより好ましい。別言すると、絶縁体１０７は、酸素を放出することが可能な絶縁体である。なお、絶縁体１０７に酸素過剰領域を設けるには、例えば、酸素雰囲気下にて絶縁体１０７を形成すればよい。または、成膜後の絶縁体１０７に酸素を添加して、酸素過剰領域を形成してもよい。
また、絶縁体１０７として、酸化ハフニウムを用いる場合、以下の効果を奏する。酸化ハフニウムは、酸化シリコンや酸化窒化シリコンと比べて比誘電率が高い。したがって、酸化シリコンを用いた場合と比べて、絶縁体１０７の膜厚を大きくできるため、トンネル電流によるリーク電流を小さくすることができる。すなわち、オフ電流の小さいトランジスタを実現することができる。さらに、結晶構造を有する酸化ハフニウムは、非晶質構造を有する酸化ハフニウムと比べて高い比誘電率を備える。したがって、オフ電流の小さいトランジスタとするためには、結晶構造を有する酸化ハフニウムを用いることが好ましい。結晶構造の例としては、単斜晶系や立方晶系などが挙げられる。ただし、本発明の一態様は、これらに限定されない。
または、酸素過剰領域を有する絶縁体は、過酸化ラジカルを含むこともある。具体的には、過酸化ラジカルに起因するスピン密度が、５×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以上であることをいう。なお、過酸化ラジカルを含む絶縁体は、電子スピン共鳴法（ＥＳＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｉｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）にて、ｇ値が２．０１近傍に非対称の信号を有することもある。
また、絶縁体１０６および絶縁体１０７は、基板１０２からの不純物の拡散を防止する機能を有してもよい。
なお、本実施の形態では、絶縁体１０６として窒化シリコン膜を形成し、絶縁体１０７として酸化シリコン膜を形成する。窒化シリコン膜は、酸化シリコン膜と比較して比誘電率が高く、酸化シリコン膜と同等の静電容量を得るのに必要な膜厚が大きいため、トランジスタ１５０のゲート絶縁体として、窒化シリコン膜を含むことで絶縁膜を物理的に厚膜化することができる。よって、トランジスタ１００の絶縁耐圧の低下を抑制、さらには絶縁耐圧を向上させて、トランジスタ１００の静電破壊を抑制することができる。
＜酸化物半導体＞
酸化物半導体１０８は、Ｉｎと、Ｚｎと、Ｍ（Ｍは、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｎ、ＭｇまたはＨｆを表す。）と、を有する。代表的には、酸化物半導体１０８は、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を用いることができる。とくに、酸化物半導体１０８としては、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を用いると好ましい。
酸化物半導体１０８は、Ｉｎと、Ｚｎと、Ｍ（Ｍは、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｎ、ＭｇまたはＨｆを表す。）と、を有する。代表的には、酸化物半導体１０８は、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を用いることができる。とくに、酸化物半導体１０８としては、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を用いると好ましい。
酸化物半導体１０８がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を成膜するために用いるスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比は、Ｉｎ≧Ｍ、Ｚｎ≧Ｍを満たすことが好ましい。このようなスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比として、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：４．１が好ましい。なお、成膜される酸化物半導体１０８の原子数比はそれぞれ、誤差として上記のスパッタリングターゲットに含まれる金属元素の原子数比のプラスマイナス４０％の変動を含む。例えば、スパッタリングターゲットとして、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１を用いる場合、成膜される酸化物半導体１０８の原子数比は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３近傍となる場合がある。
なお、酸化物半導体１０８がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物膜であるとき、ＺｎおよびＯを除いてのＩｎとＭの原子数比率は、好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％より高く、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％より高く、Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。
また、酸化物半導体１０８は、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上、より好ましくは３ｅＶ以上である。このように、エネルギーギャップの広い酸化物半導体を用いることで、トランジスタ１００のオフ電流を低減することができる。
また、酸化物半導体１０８の厚さは、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。
また、酸化物半導体１０８としては、キャリア密度の低い酸化物半導体を用いる。例えば、酸化物半導体１０８は、キャリア密度が１×１０−９個／ｃｍ３以上８×１０１１個／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０−９個／ｃｍ３以上１×１０１１個／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０−９個／ｃｍ３以上１×１０１０個／ｃｍ３未満とする。
なお、これらに限られず、必要とするトランジスタの半導体特性および電気特性（電界効果移動度、しきい値電圧等）に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とするトランジスタの半導体特性を得るために、酸化物半導体１０８のキャリア密度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。
なお、酸化物半導体１０８として、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い酸化物半導体を用いることで、さらに優れた電気特性を有するトランジスタを作製することができ好ましい。ここでは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い（酸素欠損の少ない）ことを高純度真性または実質的に高純度真性とよぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。従って、該酸化物半導体にチャネル領域が形成されるトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性（ノーマリーオンともいう。）になりにくい。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体は、オフ電流が著しく小さく、チャネル幅が１×１０６μｍでチャネル長Ｌが１０μｍの素子であっても、ソース電極とドレイン電極間の電圧（ドレイン電圧ともいう）が１Ｖから１０Ｖの範囲において、オフ電流が、半導体パラメータアナライザの測定限界以下、すなわち１×１０−１３Ａ以下という特性を得ることができる。
したがって、上記高純度真性、または実質的に高純度真性の酸化物半導体にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとすることができる。なお、酸化物半導体のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い酸化物半導体にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、またはアルカリ土類金属等がある。
酸化物半導体１０８に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になると共に、酸素が脱離した格子（または酸素が脱離した部分）に酸素欠損を形成する。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、水素が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物半導体１０８は水素ができる限り低減されていることが好ましい。具体的には、酸化物半導体１０８において、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）分析により得られる水素濃度を、２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
酸化物半導体１０８において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物半導体１０８において酸素欠損が増加し、ｎ型化してしまう。このため、酸化物半導体１０８におけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物半導体１０８との界面近傍のシリコンや炭素の濃度（ＳＩＭＳ分析により得られる濃度）を、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
また、酸化物半導体１０８において、ＳＩＭＳ分析により得られるアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。アルカリ金属およびアルカリ土類金属は、酸化物半導体と結合するとキャリアを生成する場合があり、トランジスタのオフ電流が増大してしまうことがある。このため、酸化物半導体１０８のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。
また、酸化物半導体１０８に窒素が含まれていると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、該酸化物半導体において、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、ＳＩＭＳ分析により得られる窒素濃度は、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にすることが好ましい。
また、酸化物半導体１０８は、例えば非単結晶構造でもよい。非単結晶構造は、例えば、後述するＣＡＡＣ−ＯＳ、多結晶構造、ｎｃ−ＯＳ、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ、または非晶質構造を含む。非単結晶構造において、非晶質構造は最も欠陥準位密度が高く、ＣＡＡＣ−ＯＳは最も欠陥準位密度が低い。
酸化物半導体１０８は、例えば非晶質構造でもよい。非晶質構造の酸化物半導体は、例えば、原子配列が無秩序であり、結晶成分を有さない。または、非晶質構造の酸化物は、例えば、完全な非晶質構造であり、結晶部を有さない。
なお、酸化物半導体１０８が、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域、単結晶構造の領域の二種以上を有する混合膜であってもよい。混合膜は、例えば、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域、単結晶構造の領域のいずれか二種以上の領域を有する単層構造の場合がある。また、混合膜は、例えば、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域、単結晶構造の領域のいずれか二層以上を有する積層構造を有する場合がある。
＜保護絶縁体＞
絶縁体１１４、１１６は、保護絶縁体としての機能を有する。絶縁体１１４、１１６は、酸素を有する。また、絶縁体１１４は、酸素を透過することのできる絶縁体である。なお、絶縁体１１４は、後に形成する絶縁体１１６を形成する際の、酸化物半導体１０８へのダメージ緩和膜としても機能する。
絶縁体１１４、１１６は、保護絶縁体としての機能を有する。絶縁体１１４、１１６は、酸素を有する。また、絶縁体１１４は、酸素を透過することのできる絶縁体である。なお、絶縁体１１４は、後に形成する絶縁体１１６を形成する際の、酸化物半導体１０８へのダメージ緩和膜としても機能する。
絶縁体１１４としては、厚さが５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の酸化シリコン、酸化窒化シリコン等を用いることができる。
また、絶縁体１１４は、欠陥量が少ないことが好ましく、代表的には、ＥＳＲ測定により、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝２．００１付近に現れる信号のスピン密度が３×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。これは、絶縁体１１４に含まれる欠陥密度が多いと、欠陥に酸素が結合してしまい、絶縁体１１４における酸素の透過量が減少してしまう。
なお、絶縁体１１４においては、外部から絶縁体１１４に入った酸素が全て絶縁体１１４の外部に移動せず、絶縁体１１４にとどまる場合もある。また、絶縁体１１４に酸素が入ると共に、絶縁体１１４に含まれる酸素が絶縁体１１４の外部へ移動することで、絶縁体１１４において酸素の移動が生じる場合もある。絶縁体１１４として酸素を透過することができる酸化物絶縁体を形成すると、絶縁体１１４上に設けられる、絶縁体１１６から脱離する酸素を、絶縁体１１４を通過させて酸化物半導体１０８に移動させることができる。
また、絶縁体１１４は、窒素酸化物に起因する準位密度が低い酸化物絶縁膜を用いて形成することができる。なお、当該窒素酸化物に起因する準位密度は、酸化物半導体膜の価電子帯の上端のエネルギー（Ｅｖ＿ｏｓ）と酸化物半導体膜の伝導帯の下端のエネルギー（Ｅｃ＿ｏｓ）の間に形成され得る場合がある。上記酸化物絶縁体として、窒素酸化物の放出量が少ない酸化窒化シリコン膜、または窒素酸化物の放出量が少ない酸化窒化アルミニウム膜等を用いることができる。
なお、窒素酸化物の放出量の少ない酸化窒化シリコン膜は、昇温脱離ガス分析法において、窒素酸化物の放出量よりアンモニアの放出量が多い膜であり、代表的にはアンモニアの放出量が１×１０１８個／ｃｍ３以上５×１０１９個／ｃｍ３以下である。なお、アンモニアの放出量は、膜の表面温度が５０℃以上６５０℃以下、好ましくは５０℃以上５５０℃以下の加熱処理による放出量とする。
窒素酸化物（ＮＯｘ、ｘは０以上２以下、好ましくは１以上２以下）、代表的にはＮＯ２またはＮＯは、絶縁体１１４などに準位を形成する。該準位は、酸化物半導体１０８のエネルギーギャップ内に位置する。そのため、窒素酸化物が、絶縁体１１４および酸化物半導体１０８の界面近傍に拡散すると、該準位が絶縁体１１４側において電子をトラップする場合がある。この結果、トラップされた電子が、絶縁体１１４および酸化物半導体１０８界面近傍に留まるため、トランジスタのしきい値電圧をプラス方向にシフトさせてしまう。
また、窒素酸化物は、加熱処理においてアンモニアおよび酸素と反応する。絶縁体１１４に含まれる窒素酸化物は、加熱処理において、絶縁体１１６に含まれるアンモニアと反応するため、絶縁体１１４に含まれる窒素酸化物が低減される。このため、絶縁体１１４および酸化物半導体１０８の界面近傍において、電子がトラップされにくい。
絶縁体１１４として、上記酸化物絶縁体を用いることで、トランジスタのしきい値電圧のシフトを低減することが可能であり、トランジスタの電気特性の変動を低減することができる。
なお、トランジスタの作製工程の加熱処理、代表的には３００℃以上基板歪み点未満の加熱処理により、絶縁体１１４は、１００Ｋ以下のＥＳＲで測定して得られたスペクトルにおいてｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１のシグナル、ｇ値が２．００１以上２．００３以下の第２のシグナル、およびｇ値が１．９６４以上１．９６６以下の第３のシグナルが観測される。なお、第１のシグナルおよび第２のシグナルのスプリット幅、並びに第２のシグナルおよび第３のシグナルのスプリット幅は、ＸバンドのＥＳＲ測定において約５ｍＴである。また、ｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１のシグナル、ｇ値が２．００１以上２．００３以下の第２のシグナルおよびｇ値が１．９６４以上１．９６６以下である第３のシグナルのスピンの密度の合計が１×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満であり、代表的には１×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以上１×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満である。
なお、１００Ｋ以下のＥＳＲスペクトルにおいてｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１シグナル、ｇ値が２．００１以上２．００３以下の第２のシグナル、およびｇ値が１．９６４以上１．９６６以下の第３のシグナルは、窒素酸化物（ＮＯｘ、ｘは０以上２以下、好ましくは１以上２以下）起因のシグナルに相当する。窒素酸化物の代表例としては、一酸化窒素、二酸化窒素等がある。即ち、ｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１のシグナル、ｇ値が２．００１以上２．００３以下の第２のシグナルおよびｇ値が１．９６４以上１．９６６以下である第３のシグナルのスピンの密度の合計が少ないほど、酸化物絶縁体に含まれる窒素酸化物の含有量が少ないといえる。
また、上記酸化物絶縁体は、ＳＩＭＳ分析で測定される窒素濃度が６×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。
基板温度が２２０℃以上、または２８０℃以上、または３５０℃以上であり、シランおよび一酸化二窒素を用いたＰＥＣＶＤ法を用いて、上記酸化物絶縁体を形成することで、緻密であり、且つ硬度の高い膜を形成することができる。
絶縁体１１６は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁体を用いて形成すると好ましい。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁体は、加熱により酸素の一部が脱離する。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁体は、ＴＤＳ分析にて、酸素分子に換算して、酸素の放出量が８．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上、好ましくは１．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上である酸化物絶縁体である。なお、上記ＴＤＳ分析時における被測定物の表面温度は、１００℃以上７００℃以下、好ましくは１００℃以上５００℃以下である。
絶縁体１１６としては、厚さが３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下の、酸化シリコン、酸化窒化シリコン等を用いることができる。
また、絶縁体１１６は、欠陥量が少ないことが好ましく、代表的には、ＥＳＲ測定により、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝２．００１に現れる信号のスピン密度が１．５×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満、さらには１×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。なお、絶縁体１１６は、絶縁体１１４と比較して酸化物半導体１０８から離れているため、絶縁体１１４より、欠陥密度が多くともよい。
また、絶縁体１１４、１１６は、同種の材料の絶縁体を用いることができるため、絶縁体１１４と絶縁体１１６の界面が明確に確認できない場合がある。したがって、本実施の形態においては、絶縁体１１４と絶縁体１１６の界面は、破線で図示している。なお、本実施の形態においては、絶縁体１１４と絶縁体１１６の２層構造について説明したが、これに限定されず、例えば、絶縁体１１４または絶縁体１１６のいずれか一方の単層構造としてもよい。
また、絶縁体１１４または絶縁体１１６を、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁体とするための酸素の添加方法としては、加速エネルギーを減圧下で気体に加える方法、具体的には、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマ処理法等を用いることができる。また、酸素の添加時、基板を加熱して処理すると、添加される酸素の量を多くすることができるため好適である。酸素添加時の基板温度としては、例えば室温より高く４００℃より低い温度が好ましい。また、上記プラズマ処理法としては、酸素ガスを高周波電力によってプラズマ化させる装置（プラズマエッチング装置またはプラズマアッシング装置ともいう。）を用いると好適である。
なお、上記記載の、導電体、絶縁体、酸化物半導体などの形成方法としては、スパッタリング法、化学気相堆積（ＣＶＤ）法、真空蒸着法、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ）法などが挙げられる。また、上記記載の、導電体、絶縁体、酸化物半導体などの形成方法としては、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）法、熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、またはＡＬＤ法としてもよい。熱ＣＶＤ法の例としてＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が挙げられる。また、上記記載の、導電体、絶縁体、酸化物半導体などの形成方法としては、塗布法や印刷法でもよい。
熱ＣＶＤ法は、プラズマを使わない成膜方法のため、プラズマダメージにより欠陥が生成されることが無いという利点を有する。
熱ＣＶＤ法は、原料ガスと酸化剤を同時にチャンバー内に送り、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで成膜を行ってもよい。
また、ＡＬＤ法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、反応のための原料ガスが順次にチャンバーに導入され、そのガス導入の順序を繰り返すことで成膜を行ってもよい。例えば、それぞれのスイッチングバルブ（高速バルブとも呼ぶ）を切り替えて２種類以上の原料ガスを順番にチャンバーに供給し、複数種の原料ガスが混ざらないように第１の原料ガスと同時またはその後に不活性ガス（アルゴン、或いは窒素など）などを導入し、第２の原料ガスを導入する。なお、同時に不活性ガスを導入する場合には、不活性ガスはキャリアガスとなり、また、第２の原料ガスの導入時にも同時に不活性ガスを導入してもよい。また、不活性ガスを導入する代わりに真空排気によって第１の原料ガスを排出した後、第２の原料ガスを導入してもよい。第１の原料ガスが基板の表面に吸着して第１の層を成膜し、後から導入される第２の原料ガスと反応して、第２の層が第１の層上に積層されて薄膜が形成される。このガス導入順序を制御しつつ所望の厚さになるまで複数回繰り返すことで、段差被覆性に優れた薄膜を形成することができる。薄膜の厚さは、ガス導入順序を繰り返す回数によって調節することができるため、精密な膜厚調節が可能であり、微細なＦＥＴを作製する場合に適している。
ＡＬＤ法またはＭＯＣＶＤ法などの熱ＣＶＤ法は、上記示した導電体、絶縁体、酸化物半導体などを形成することができる。例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を成膜する場合には、トリメチルインジウム、トリメチルガリウムおよびジメチル亜鉛を用いることができる。なお、トリメチルインジウムの化学式は、Ｉｎ（ＣＨ３）３である。また、トリメチルガリウムの化学式は、Ｇａ（ＣＨ３）３である。また、ジメチル亜鉛の化学式は、Ｚｎ（ＣＨ３）２である。また、これらの組み合わせに限定されず、トリメチルガリウムに代えてトリエチルガリウム（化学式Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３）を用いることもでき、ジメチル亜鉛に代えてジエチル亜鉛（化学式Ｚｎ（Ｃ２Ｈ５）２）を用いることもできる。
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化ハフニウム膜を形成する場合には、溶媒とハフニウム前駆体化合物を含む液体（ハフニウムアルコキシドや、テトラキスジメチルアミドハフニウム（ＴＤＭＡＨ）などのハフニウムアミド）を気化させた原料ガスと、酸化剤としてオゾン（Ｏ３）の２種類のガスを用いる。なお、テトラキスジメチルアミドハフニウムの化学式はＨｆ［Ｎ（ＣＨ３）２］４である。また、他の材料液としては、テトラキス（エチルメチルアミド）ハフニウムなどがある。
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化アルミニウム膜を形成する場合には、溶媒とアルミニウム前駆体化合物を含む液体（トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）など）を気化させた原料ガスと、酸化剤としてＨ２Ｏの２種類のガスを用いる。なお、トリメチルアルミニウムの化学式はＡｌ（ＣＨ３）３である。また、他の材料液としては、トリス（ジメチルアミド）アルミニウム、トリイソブチルアルミニウム、アルミニウムトリス（２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオナート）などがある。
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化シリコン膜を形成する場合には、ヘキサクロロジシランを被成膜面に吸着させ、吸着物に含まれる塩素を除去し、酸化性ガス（Ｏ２、一酸化二窒素）のラジカルを供給して吸着物と反応させる。
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置によりタングステン膜を成膜する場合には、ＷＦ６ガスとＢ２Ｈ６ガスを順次繰り返し導入して初期タングステン膜を形成し、その後、ＷＦ６ガスとＨ２ガスを用いてタングステン膜を形成する。なお、Ｂ２Ｈ６ガスに代えてＳｉＨ４ガスを用いてもよい。
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化物半導体膜、例えばＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を成膜する場合には、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを順次繰り返し導入してＩｎ−Ｏ層を形成し、その後、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを用いてＧａＯ層を形成し、更にその後Ｚｎ（ＣＨ３）２ガスとＯ３ガスを用いてＺｎＯ層を形成する。なお、これらの層の順番はこの例に限らない。また、これらのガスを混ぜてＩｎ−Ｇａ−Ｏ層やＩｎ−Ｚｎ−Ｏ層、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層などの混合化合物層を形成しても良い。なお、Ｏ３ガスに変えてＡｒ等の不活性ガスでバブリングして得られたＨ２Ｏガスを用いても良いが、Ｈを含まないＯ３ガスを用いる方が好ましい。また、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスにかえて、Ｉｎ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いても良い。また、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスにかえて、Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いても良い。
＜半導体装置の構成例２＞
次に、図１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００と異なる構成例について、図２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）を用いて説明する。なお、先に説明した機能と同様の機能を有する場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
次に、図１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００と異なる構成例について、図２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）を用いて説明する。なお、先に説明した機能と同様の機能を有する場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
図２（Ａ）は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ１０１の上面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し、図２（Ｃ）は、図２（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当する。
トランジスタ１０１は、基板１０２上のゲート電極として機能する導電体１０４と、基板１０２および導電体１０４上の絶縁体１０６と、絶縁体１０６上の絶縁体１０７と、絶縁体１０７上の酸化物半導体１０８と、酸化物半導体１０８と電気的に接続され、ソース電極として機能する導電体１１２ａと、酸化物半導体１０８と電気的に接続され、ドレイン電極として機能する導電体１１２ｂと、酸化物半導体１０８、および導電体１１２ａ、１１２ｂ上の絶縁体１１４、１１６と、絶縁体１１６上の金属酸化膜１３２と、金属酸化膜１３２上の金属酸化膜１３４と、を有する。また、金属酸化膜１３２は、酸化物半導体１０８と同一の金属元素を少なくとも一つ有する。また、金属酸化膜１３４は、金属酸化膜１３２と混合する領域を有する。
図２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１０１は、絶縁体１１６上の金属酸化膜１３２と、金属酸化膜１３２上の金属酸化膜１３４と、を有する点において、図１に示すトランジスタ１００と異なる。
トランジスタ１０１のように、金属酸化膜１３２、１３４を有する構成とすることで、絶縁体１１４、１１６から外部に拡散される酸素を抑制することができる。また、金属酸化膜１３２、１３４を有する構成とすることで、外部から入り込みうる不純物（例えば、水素、水など）を抑制することができる。
また、絶縁体１１４および絶縁体１１６に酸素過剰領域を形成するため、絶縁体１１６上に金属酸化膜１３２を形成し、金属酸化膜１３２を通過させて、絶縁体１１４および絶縁体１１６に酸素を添加してもよい。よって、金属酸化膜１３２は、酸素を通過させる機能と、酸素の放出を抑制できる機能と、を有すると好ましい。金属酸化膜１３２を通過させて、絶縁体１１４および絶縁体１１６に酸素を添加することで、絶縁体１１４および絶縁体１１６中に酸素を添加することが可能となる。例えば、金属酸化膜１３２としては、酸化物半導体１０８と同一の金属元素を少なくとも有する構成とすることができる。
金属酸化膜１３２としては、インジウムを含む材料により形成すると、絶縁体１１４、１１６中に好適に酸素を添加することができる。金属酸化膜１３２に用いることのできるインジウムを含む材料としては、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（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物、酸化シリコンを含むインジウム錫酸化物（ＩＴＳＯともいう。）などが挙げられる。なお、上述のインジウムを含む材料としては、透光性を有する導電性材料である。また、上述した中でも、金属酸化膜１３２として、特にＩＴＳＯを用いると、凹凸等を有する絶縁体上にも被覆性がよく形成できるため好適である。
また、金属酸化膜１３２上に金属酸化膜１３４を有することによって、絶縁体１１４および絶縁体１１６中の酸素が外部に拡散するのを抑制することができる。
金属酸化膜１３４としては、アルミニウムを含む材料により形成すると、絶縁体１１４、１１６からの外部への酸素の拡散、および／または外部からの不純物（水素、水等）の入り込みを抑制しやすいため好ましい。金属酸化膜１３４に用いることのできるアルミニウムを含む材料としては、例えば、酸化アルミニウム等が挙げられる。
＜金属酸化膜＞
金属酸化膜１３２は、酸素を透過させる機能と、酸素の放出を抑制する機能とを有する。金属酸化膜１３２を設けることで、絶縁体１１４、１１６中に好適に酸素を添加することができる。
金属酸化膜１３２は、酸素を透過させる機能と、酸素の放出を抑制する機能とを有する。金属酸化膜１３２を設けることで、絶縁体１１４、１１６中に好適に酸素を添加することができる。
金属酸化膜１３２は、酸化物半導体１０８と同一の金属元素を少なくとも一つ有する。例えば、酸化物半導体１０８がＩｎと、Ｚｎと、Ｍ（Ｍは、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｎ、ＭｇまたはＨｆを表す。）と、を有する場合、金属酸化膜１３２は、Ｉｎ、Ｚｎ、またはＭを含む。金属酸化膜１３２としては、とくにＩｎを含む導電体、またはＩｎを含む半導体を用いると好適である。
金属酸化膜１３４は、酸素の放出を抑制する機能と、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等の不純物をブロッキングできる機能と、を有する。金属酸化膜１３４を設けることで、酸化物半導体１０８からの酸素の外部への拡散と、絶縁体１１４、１１６に含まれる酸素の外部への拡散と、外部から酸化物半導体１０８への水素、水等の入り込みと、を抑制することができる。
金属酸化膜１３４としては、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、Ｙ（イットリウム）、またはハフニウム（Ｈｆ）を有すると好ましい。金属酸化膜１３４に用いることのできる材料としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、窒化酸化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、窒化酸化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化酸化ハフニウム等が挙げられる。特に金属酸化膜１３４として、酸化アルミニウムを用いると酸化物半導体１０８、および絶縁体１１４および絶縁体１１６からの酸素の外部への拡散と、外部から酸化物半導体１０８への水素、水等の入り込みと、を抑制できるため好適である。
金属酸化膜１３４としては、スパッタリング法またはＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成すると好適である。
＜半導体装置の構成例３＞
次に、図１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００と異なる構成例について、図３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）を用いて説明する。なお、先に説明した機能と同様の機能を有する場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
次に、図１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００と異なる構成例について、図３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）を用いて説明する。なお、先に説明した機能と同様の機能を有する場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
図３（Ａ）は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ１５０の上面図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し、図３（Ｃ）は、図３（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当する。
トランジスタ１５０は、基板１０２上のゲート電極として機能する導電体１０４と、基板１０２および導電体１０４上の絶縁体１０６と、絶縁体１０６上の絶縁体１０７と、絶縁体１０７上の酸化物半導体１０８と、酸化物半導体１０８上の絶縁体１１４と、絶縁体１１４上の絶縁体１１６と、絶縁体１１６上の金属酸化膜１３２と、金属酸化膜１３２上の金属酸化膜１３４と、絶縁体１１４、１１６および金属酸化膜１３２、１３４に設けられる開口部１４１ａを介して酸化物半導体１０８と電気的に接続されるソース電極として機能する導電体１１２ａと、絶縁体１１４、１１６および金属酸化膜１３２、１３４に設けられる開口部１４１ｂを介して酸化物半導体１０８と電気的に接続されるドレイン電極として機能する導電体１１２ｂと、を有する。また、金属酸化膜１３２は、酸化物半導体１０８と同一の金属元素を少なくとも一つ有する。また、金属酸化膜１３４は、金属酸化膜１３２と混合する領域を有する。
先に示すトランジスタ１００においては、チャネルエッチ型の構造であったのに対し、図３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１５０は、チャネル保護型の構造である。このように、本発明の一態様の半導体装置は、チャネルエッチ型およびチャネル保護型の双方のトランジスタ構造に適用することができる。
トランジスタ１５０としては、先に示すトランジスタ１００と同様に、酸化物半導体１０８上に、絶縁体１１４、１１６が設けられる構成のため、絶縁体１１４、１１６に含まれる酸素によって、酸化物半導体１０８中の酸素欠損を補填することができる。また、絶縁体１１６上に金属酸化膜１３２、１３４を設けることによって、外部から酸化物半導体１０８に入り込みうる不純物を抑制することができる。その他の構成は、先に示すトランジスタ１００と同様であり、同様の効果を奏する。
＜半導体装置の構成例４＞
次に、図３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１５０と異なる構成例について、図４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）を用いて説明する。なお、先に説明した機能と同様の機能を有する場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
次に、図３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１５０と異なる構成例について、図４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）を用いて説明する。なお、先に説明した機能と同様の機能を有する場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
図４（Ａ）は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ１６０の上面図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し、図４（Ｃ）は、図４（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当する。
トランジスタ１６０は、基板１０２上のゲート電極として機能する導電体１０４と、基板１０２および導電体１０４上の絶縁体１０６と、絶縁体１０６上の絶縁体１０７と、絶縁体１０７上の酸化物半導体１０８と、酸化物半導体１０８上の絶縁体１１４と、絶縁体１１４上の絶縁体１１６と、絶縁体１１６上の金属酸化膜１３２と、金属酸化膜１３２上の金属酸化膜１３４と、酸化物半導体１０８と電気的に接続されるソース電極として機能する導電体１１２ａと、酸化物半導体１０８と電気的に接続されるドレイン電極として機能する導電体１１２ｂと、を有する。また、金属酸化膜１３２は、酸化物半導体１０８と同一の金属元素を少なくとも一つを有する。また、金属酸化膜１３４は、金属酸化膜１３２と混合する領域を有する。
なお、トランジスタ１６０は、図３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１５０と絶縁体１１４、１１６、および金属酸化膜１３２、１３４の形状が相違する。具体的には、トランジスタ１６０の絶縁体１１４、１１６、および金属酸化膜１３２、１３４は、酸化物半導体１０８のチャネル領域上に島状に設けられる。その他の構成は、トランジスタ１５０と同様であり、同様の効果を奏する。
トランジスタ１６０としては、先に示すトランジスタ１００と同様に、酸化物半導体１０８上に、絶縁体１１４、１１６が設けられる構成のため、絶縁体１１４、１１６に含まれる酸素によって、酸化物半導体１０８中の酸素欠損を補填することができる。また、絶縁体１１６上に金属酸化膜１３２、１３４を設けることによって、外部から酸化物半導体１０８に入り込みうる不純物を抑制することができる。
＜半導体装置の構成例５＞
次に、図１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００と異なる構成例について、図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）を用いて説明する。なお、先に説明した機能と同様の機能を有する場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
次に、図１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００と異なる構成例について、図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）を用いて説明する。なお、先に説明した機能と同様の機能を有する場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
図５（Ａ）は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ１７０の上面図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し、図５（Ｃ）は、図５（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当する。
トランジスタ１７０は、基板１０２上の第１のゲート電極として機能する導電体１０４と、基板１０２および導電体１０４上の絶縁体１０６と、絶縁体１０６上の絶縁体１０７と、絶縁体１０７上の酸化物半導体１０８と、酸化物半導体１０８と電気的に接続されるソース電極として機能する導電体１１２ａと、酸化物半導体１０８と電気的に接続されるドレイン電極として機能する導電体１１２ｂと、酸化物半導体１０８、および導電体１１２ａ、１１２ｂ上の絶縁体１１４と、絶縁体１１４上の絶縁体１１６と、絶縁体１１６上の金属酸化膜１３２と、金属酸化膜１３２上の金属酸化膜１３４と、金属酸化膜１３４上の導電体１２０ａ、１２０ｂと、を有する。
トランジスタ１７０としては、先に示すトランジスタ１００と同様に、酸化物半導体１０８上に、絶縁体１１４、１１６が設けられる構成のため、絶縁体１１４、１１６に含まれる酸素によって、酸化物半導体１０８中の酸素欠損を補填することができる。また、絶縁体１１６上に金属酸化膜１３２、１３４を設けることによって、外部から酸化物半導体１０８に入り込みうる不純物を抑制することができる。
また、トランジスタ１７０において、絶縁体１１４、１１６、および金属酸化膜１３２、１３４は、トランジスタ１７０の第２のゲート絶縁体としての機能を有する。また、トランジスタ１７０において、導電体１２０ａは、例えば、表示装置に用いる画素電極としての機能を有する。また、導電体１２０ａは、絶縁体１１４、１１６、および金属酸化膜１３２、１３４に設けられる開口部１４２ｃを介して、導電体１１２ｂと接続される。また、トランジスタ１７０において、導電体１２０ｂは、第２のゲート電極（バックゲート電極ともいう。）として機能する。
また、図５（Ｃ）に示すように導電体１２０ｂは、絶縁体１０６、１０７、１１４、１１６、および金属酸化膜１３２、１３４に設けられる開口部１４２ａ、１４２ｂにおいて、第１のゲート電極として機能する導電体１０４に接続される。よって、導電体１２０ｂと導電体１０４とは、同じ電位が与えられる。
なお、本実施の形態においては、開口部１４２ａ、１４２ｂを設け、導電体１２０ｂと導電体１０４を接続する構成について例示したが、これに限定されない。例えば、開口部１４２ａまたは開口部１４２ｂのいずれか一方の開口部のみを形成し、導電体１２０ｂと導電体１０４を接続する構成、または開口部１４２ａおよび開口部１４２ｂを設けずに、導電体１２０ｂと導電体１０４を接続しない構成としてもよい。なお、導電体１２０ｂと導電体１０４を接続しない構成の場合、導電体１２０ｂと導電体１０４には、それぞれ異なる電位を与えることができる。
また、図５（Ｂ）に示すように、酸化物半導体１０８は、第１のゲート電極として機能する導電体１０４と、第２のゲート電極として機能する導電体１２０ｂのそれぞれと対向するように位置し、２つのゲート電極として機能する導電体に挟まれている。第２のゲート電極として機能する導電体１２０ｂのチャネル長方向の長さおよびチャネル幅方向の長さは、酸化物半導体１０８のチャネル長方向の長さおよびチャネル幅方向の長さよりもそれぞれ長く、酸化物半導体１０８の全体は、絶縁体１１４、１１６、および金属酸化膜１３２、１３４を介して導電体１２０ｂに覆われている。また、第２のゲート電極として機能する導電体１２０ｂと第１のゲート電極として機能する導電体１０４とは、絶縁体１０６、１０７、１１４、１１６、および金属酸化膜１３２、１３４に設けられる開口部１４２ａ、１４２ｂにおいて接続されるため、酸化物半導体１０８のチャネル幅方向の側面は、絶縁体１１４、１１６、および金属酸化膜１３２、１３４を介して第２のゲート電極として機能する導電体１２０ｂと対向している。
別言すると、トランジスタ１７０のチャネル幅方向において、第１のゲート電極として機能する導電体１０４および第２のゲート電極として機能する導電体１２０ｂは、ゲート絶縁体として機能する絶縁体１０６、１０７、並びに第２のゲート絶縁体として機能する絶縁体１１４、１１６、および金属酸化膜１３２、１３４に設けられる開口部において接続すると共に、ゲート絶縁体として機能する絶縁体１０６、１０７および第２のゲート絶縁体として機能する絶縁体１１４、１１６、および金属酸化膜１３２、１３４を介して酸化物半導体１０８を囲む構成である。
このような構成を有することで、トランジスタ１７０に含まれる酸化物半導体１０８を、第１のゲート電極として機能する導電体１０４および第２のゲート電極として機能する導電体１２０ｂの電界によって電気的に囲むことができる。トランジスタ１７０のように、第１のゲート電極および第２のゲート電極の電界によって、チャネル領域が形成される酸化物半導体を電気的に囲むトランジスタのデバイス構造をｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ（ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造と呼ぶことができる。
トランジスタ１７０は、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有するため、第１のゲート電極として機能する導電体１０４によってチャネルを誘起させるための電界を効果的に酸化物半導体１０８に印加することができるため、トランジスタ１７０の電流駆動能力が向上し、高いオン電流特性を得ることが可能となる。また、オン電流を高くすることが可能であるため、トランジスタ１７０を微細化することが可能となる。また、トランジスタ１７０は、第１のゲート電極として機能する導電体１０４および第２のゲート電極として機能する導電体１２０ｂによって囲まれた構造を有するため、トランジスタ１７０の機械的強度を高めることができる。
＜半導体装置の構成例６＞
次に、図１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００と異なる構成例について、図６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）を用いて説明する。なお、先に説明した機能と同様の機能を有する場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
次に、図１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００と異なる構成例について、図６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）を用いて説明する。なお、先に説明した機能と同様の機能を有する場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
図６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）は、図１（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００の変形例の断面図である。
図６（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタ１００Ａは、図１（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００が有する酸化物半導体１０８を３層の積層構造としている。より具体的には、トランジスタ１００Ａが有する酸化物半導体１０８は、酸化物半導体１０８ａと、酸化物半導体１０８ｂと、酸化物半導体１０８ｃと、を有する。
図６（Ｃ）（Ｄ）に示すトランジスタ１００Ｂは、図１（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００が有する酸化物半導体１０８を２層の積層構造としている。より具体的には、トランジスタ１００Ｂが有する酸化物半導体１０８は、酸化物半導体１０８ｂと、酸化物半導体１０８ｃと、を有する。
ここで、酸化物半導体１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、および酸化物半導体１０８ｂ、１０８ｃに接する絶縁体のバンド構造について、図７を用いて説明する。
図７（Ａ）は、絶縁体１０７、酸化物半導体１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、および絶縁体１１４を有する積層構造の膜厚方向のバンド構造の一例である。また、図７（Ｂ）は、絶縁体１０７、酸化物半導体１０８ｂ、１０８ｃ、および絶縁体１１４を有する積層構造の膜厚方向のバンド構造の一例である。なお、バンド構造は、理解を容易にするため絶縁体１０７、酸化物半導体１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、および絶縁体１１４の伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ）を示す。
また、図７（Ａ）は、絶縁体１０７、１１４として酸化シリコン膜を用い、酸化物半導体１０８ａとして金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体を用い、酸化物半導体１０８ｂとして金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体を用い、酸化物半導体１０８ｃとして金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体を用いる構成のバンド図である。
また、図７（Ｂ）は、絶縁体１０７、１１４として酸化シリコン膜を用い、酸化物半導体１０８ｂとして金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体を用い、酸化物半導体１０８ｃとして金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体を用いる構成のバンド図である。
図７（Ａ）（Ｂ）に示すように、酸化物半導体１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃにおいて、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようなバンド構造を有するためには、酸化物半導体１０８ａと酸化物半導体１０８ｂとの界面、または酸化物半導体１０８ｂと酸化物半導体１０８ｃとの界面において、トラップ中心や再結合中心のような欠陥準位、を形成するような不純物が存在しないとする。
酸化物半導体１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃに連続接合を形成するためには、ロードロック室を備えたマルチチャンバー方式の成膜装置（スパッタリング装置）を用いて各膜を大気に触れさせることなく連続して積層することが必要となる。
図７（Ａ）（Ｂ）に示す構成とすることで酸化物半導体１０８ｂがウェル（井戸）となり、上記積層構造を用いたトランジスタにおいて、チャネル領域が酸化物半導体１０８ｂに形成されることがわかる。
また、図７（Ａ）（Ｂ）において、酸化物半導体１０８ａ、１０８ｃは、酸化物半導体１０８ｂよりも伝導帯下端のエネルギー準位が真空準位に近く、代表的には、酸化物半導体１０８ｂの伝導帯下端のエネルギー準位と、酸化物半導体１０８ａ、１０８ｃの伝導帯下端のエネルギー準位との差が、０．１５ｅＶ以上、または０．５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、または１ｅＶ以下である。すなわち、酸化物半導体１０８ａ、１０８ｃの電子親和力（真空準位と伝導帯下端のエネルギー準位との差）と、酸化物半導体１０８ｂの電子親和力との差が、０．１５ｅＶ以上、または０．５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、または１ｅＶ以下である。
このような構成を有することで、酸化物半導体１０８ｂが電流の主な経路となり、チャネル領域として機能する。また、酸化物半導体１０８ａ、１０８ｃは、チャネル領域が形成される酸化物半導体１０８ｂを構成する金属元素の一種以上から構成される酸化物半導体であるため、酸化物半導体１０８ａと酸化物半導体１０８ｂとの界面、または酸化物半導体１０８ｂと酸化物半導体１０８ｃとの界面において、キャリアの界面散乱が起こりにくい。従って、該界面においてはキャリアの動きが阻害されないため、トランジスタの電界効果移動度が低下するのを抑制できる。
また、酸化物半導体１０８ａ、１０８ｃは、チャネル領域の一部として機能することを防止するため、導電率が十分に低い材料を用いることが好ましい。または、酸化物半導体１０８ａ、１０８ｃには、電子親和力が酸化物半導体１０８ｂよりも小さく、伝導帯下端のエネルギー準位が酸化物半導体１０８ｂの伝導帯下端エネルギー準位と差分（バンドオフセット）を有する材料を用いることが好ましい。また、ドレイン電圧の大きさに依存したしきい値電圧の差が生じることを抑制するためには、酸化物半導体１０８ａ、１０８ｃの伝導帯下端のエネルギー準位が、酸化物半導体１０８ｂの伝導帯下端のエネルギー準位よりも０．２ｅＶより真空準位に近い材料、好ましくは０．５ｅＶ以上真空準位に近い材料を適用することが好ましい。
また、酸化物半導体１０８ａ、１０８ｃは、膜中にスピネル型の結晶構造が含まれないことが好ましい。酸化物半導体１０８ａ、１０８ｃの膜中にスピネル型の結晶構造を含む場合、該スピネル型の結晶構造と他の領域との界面において、導電体１１２ａ、１１２ｂの構成元素が酸化物半導体１０８ｂへ拡散してしまう場合がある。なお、酸化物半導体１０８ａ、１０８ｃが後述するＣＡＡＣ−ＯＳである場合、導電体１１２ａ、１１２ｂの構成元素、例えば、銅元素のブロッキング性が高くなり好ましい。
酸化物半導体１０８ａ、１０８ｃの膜厚は、導電体１１２ａ、１１２ｂの構成元素が酸化物半導体１０８ｂに拡散することを抑制することのできる膜厚以上であって、絶縁体１１４から酸化物半導体１０８ｂへの酸素の供給を抑制する膜厚未満とする。例えば、酸化物半導体１０８ａ、１０８ｃの膜厚が１０ｎｍ以上であると、導電体１１２ａ、１１２ｂの構成元素が酸化物半導体１０８ｂへ拡散するのを抑制することができる。また、酸化物半導体１０８ａ、１０８ｃの膜厚を１００ｎｍ以下とすると、絶縁体１１４、１１６から酸化物半導体１０８ｂへ効果的に酸素を供給することができる。
酸化物半導体１０８ａ、１０８ｃがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、ＭとしてＴｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、ＭｇまたはＨｆを、Ｉｎより高い原子数比で有することで、酸化物半導体１０８ａ、１０８ｃのエネルギーギャップを大きく、電子親和力を小さくすることができる。よって、酸化物半導体１０８ｂとの電子親和力の差を元素Ｍの組成によって制御することが可能となる場合がある。また、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、ＭｇまたはＨｆは、酸素との結合力が強い金属元素であるため、これらの元素をＩｎより高い原子数比で有することで、酸素欠損が生じにくくなる。
また、酸化物半導体１０８ａ、１０８ｃがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、ＺｎおよびＯを除いてのＩｎおよびＭの原子数比率は、好ましくは、Ｉｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％より高く、さらに好ましくは、Ｉｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％より高くする。また、酸化物半導体１０８ａ、１０８ｃとして、酸化ガリウムを用いてもよい。
また、酸化物半導体１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃが、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物半導体１０８ｂと比較して、酸化物半導体１０８ａ、１０８ｃに含まれるＭの原子数比が大きく、代表的には、酸化物半導体１０８ｂに含まれる上記原子と比較して、１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上高い原子数比である。
また、酸化物半導体１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃが、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物半導体１０８ｂをＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ１：ｚ１［原子数比］、酸化物半導体１０８ａ、１０８ｃをＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ２：ｙ２：ｚ２［原子数比］とすると、ｙ２／ｘ２がｙ１／ｘ１よりも大きく、好ましくは、ｙ２／ｘ２がｙ１／ｘ１よりも１．５倍以上である。より好ましくは、ｙ２／ｘ２がｙ１／ｘ１よりも２倍以上大きく、さらに好ましくは、ｙ２／ｘ２がｙ１／ｘ１よりも３倍以上または４倍以上大きい。このとき、酸化物半導体１０８ｂにおいて、ｙ１がＸ１以上であると、酸化物半導体１０８ｂを用いるトランジスタに安定した電気特性を付与できるため好ましい。ただし、ｙ１がｘ１の３倍以上になると、酸化物半導体１０８ｂを用いるトランジスタの電界効果移動度が低下してしまうため、ｙ１はｘ１の３倍未満であると好ましい。
酸化物半導体１０８ｂがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物半導体１０８ｂを成膜するために用いるターゲットにおいて、金属元素の原子数比をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ１：ｚ１とすると、ｘ１／ｙ１は、１／３以上６以下、さらには１以上６以下であって、ｚ１／ｙ１は、１／３以上６以下、さらには１以上６以下であることが好ましい。なお、ｚ１／ｙ１を１以上６以下とすることで、酸化物半導体１０８ｂとして後述のＣＡＡＣ−ＯＳが形成されやすくなる。ターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２等がある。
また、酸化物半導体１０８ａ、１０８ｃがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物半導体１０８ａ、１０８ｃを成膜するために用いるターゲットにおいて、金属元素の原子数比をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ２：ｙ２：ｚ２とすると、ｘ２／ｙ２＜ｘ１／ｙ１であって、ｚ２／ｙ２は、１／３以上６以下、さらには１以上６以下であることが好ましい。また、インジウムに対するＭの原子数比率を大きくすることで、酸化物半導体１０８ａ、１０８ｃのエネルギーギャップを大きく、電子親和力を小さくすることが可能であるため、ｙ２／ｘ２を３以上、または４以上とすることが好ましい。ターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：５、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：６、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：４、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：５、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：５：５等がある。
また、酸化物半導体１０８ａ、１０８ｃがＩｎ−Ｍ酸化物の場合、Ｍとして２価の金属原子（例えば、亜鉛など）を含まない構成とすることで、スピネル型の結晶構造を含有しない酸化物半導体１０８ａ、１０８ｃを形成することができる。また、酸化物半導体１０８ａ、１０８ｃとしては、例えば、Ｉｎ−Ｇａ酸化物膜を用いることができる。該Ｉｎ−Ｇａ酸化物としては、例えば、Ｉｎ−Ｇａ金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ＝７：９３）を用いて、スパッタリング法により形成することができる。また、酸化物半導体１０８ａ、１０８ｃを、ＤＣ放電を用いたスパッタリング法で成膜するためには、Ｉｎ：Ｍ＝ｘ：ｙ［原子数比］としたときに、ｙ／（ｘ＋ｙ）を０．９６以下、好ましくは０．９５以下、例えば０．９３とするとよい。
なお、酸化物半導体１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃの原子数比はそれぞれ、誤差として上記の原子数比のプラスマイナス４０％の変動を含む。
また、本実施の形態に係るトランジスタは、上記の構造のそれぞれを自由に組み合わせることが可能である。
＜半導体装置の作製方法１＞
次に、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ１００の作製方法について、図８および図９を用いて説明する。なお、図８および図９は、半導体装置の作製方法を説明する断面図である。
次に、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ１００の作製方法について、図８および図９を用いて説明する。なお、図８および図９は、半導体装置の作製方法を説明する断面図である。
まず、基板１０２上に導電体を形成し、該導電体をリソグラフィ工程およびエッチング工程を行い加工して、ゲート電極として機能する導電体１０４を形成する（図８（Ａ）参照）。
本実施の形態では、基板１０２としてガラス基板を用い、ゲート電極として機能する導電体１０４として厚さ１００ｎｍのタングステン膜をスパッタリング法で形成する。
導電体１０４には、酸素を含んだ導電体を用いることが好ましい。また、導電体に含まれる酸素は、膜厚方向に一様に含まれているのではなく、膜厚方向に酸素の濃度勾配が形成されている領域を有していることが好ましい。そのため、例えば、導電体を成膜する際に、最初は成膜ガスに酸素を添加せず、その後徐々に酸素ガス分圧が大きくなるように酸素ガスを添加することによって、膜厚方向に酸素の濃度勾配を有する導電膜を作製することができる。また、導電体の成膜において、最初に酸素ガスを添加し、その後徐々に酸素ガス分圧が小さくなるように酸素ガスを添加することによって、膜厚方向に酸素の濃度勾配を有する導電膜を作製してもよい。
また、導電体１０４を形成した後に、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマ処理法等を用いて酸素を添加してもよい。
次に、導電体１０４上にゲート絶縁体として機能する絶縁体１０６、１０７を形成する（図８（Ｂ）参照）。
本実施の形態では、ＰＥＣＶＤ法により、絶縁体１０６として厚さ４００ｎｍの窒化シリコン膜を形成し、絶縁体１０７として厚さ５０ｎｍの酸化窒化シリコン膜を形成する。
なお、絶縁体１０６は、窒化シリコン膜の積層構造とする。具体的には、絶縁体１０６を、第１の窒化シリコン膜と、第２の窒化シリコン膜と、第３の窒化シリコン膜との３層積層構造とすることができる。該３層積層構造の一例としては、以下のように形成することができる。
第１の窒化シリコン膜としては、例えば、流量２００ｓｃｃｍのシラン、流量２０００ｓｃｃｍの窒素、および流量１００ｓｃｃｍのアンモニアガスを原料ガスとしてＰＥ−ＣＶＤ装置の反応室に供給し、反応室内の圧力を１００Ｐａに制御し、２７．１２ＭＨｚの高周波電源を用いて２０００Ｗの電力を供給して、厚さが５０ｎｍとなるように形成すればよい。
第２の窒化シリコン膜としては、流量２００ｓｃｃｍのシラン、流量２０００ｓｃｃｍの窒素、および流量２０００ｓｃｃｍのアンモニアガスを原料ガスとしてＰＥＣＶＤ装置の反応室に供給し、反応室内の圧力を１００Ｐａに制御し、２７．１２ＭＨｚの高周波電源を用いて２０００Ｗの電力を供給して、厚さが３００ｎｍとなるように形成すればよい。
第３の窒化シリコン膜としては、流量２００ｓｃｃｍのシラン、および流量５０００ｓｃｃｍの窒素を原料ガスとしてＰＥＣＶＤ装置の反応室に供給し、反応室内の圧力を１００Ｐａに制御し、２７．１２ＭＨｚの高周波電源を用いて２０００Ｗの電力を供給して、厚さが５０ｎｍとなるように形成すればよい。
なお、上記第１の窒化シリコン膜、第２の窒化シリコン膜、および第３の窒化シリコン膜形成時の基板温度は３５０℃とすることができる。
絶縁体１０６を、窒化シリコン膜の３層の積層構造とすることで、例えば、導電体１０４に銅（Ｃｕ）を含む導電体を用いる場合において、以下の効果を奏する。
第１の窒化シリコン膜は、導電体１０４からの銅（Ｃｕ）元素の拡散を抑制することができる。第２の窒化シリコン膜は、水素を放出する機能を有し、ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜の耐圧を向上させることができる。第３の窒化シリコン膜は、第３の窒化シリコン膜からの水素放出が少なく、且つ第２の窒化シリコン膜からの放出される水素の拡散を抑制することができる。
絶縁体１０７としては、後に形成される酸化物半導体１０８との界面特性を向上させるため、酸素を含む絶縁体で形成されると好ましい。
次に、絶縁体１０７上に酸化物半導体１０８を形成する（図８（Ｃ）参照）。
本実施の形態では、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２（原子数比））を用いて、スパッタリング法により酸化物半導体を成膜し、該酸化物半導体上にリソグラフィ工程によりマスクを形成し、該酸化物半導体を所望の領域に加工することで島状の酸化物半導体１０８を形成する。
酸化物半導体１０８の形成後、１５０℃以上基板の歪み点未満、好ましくは２００℃以上４５０℃以下、さらに好ましくは３００℃以上４５０℃以下の加熱処理を行ってもよい。ここでの加熱処理は、酸化物半導体の高純度化処理の一つであり、酸化物半導体１０８に含まれる水素、水等を低減することができる。なお、水素、水等の低減を目的とした加熱処理は、酸化物半導体１０８を島状に加工する前に行ってもよい。
酸化物半導体１０８への加熱処理は、ガスベーク炉、電気炉、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置等を用いることができる。ＲＴＡ装置を用いることで、短時間に限り基板の歪み点以上の温度で熱処理を行うことができる。そのため、加熱時間を短縮することが可能となる。
なお、酸化物半導体１０８への加熱処理は、窒素ガス、酸素ガス、超乾燥空気（Ｃｌｅａｎ Ｄｒｙ Ａｉｒ：ＣＤＡともいう。ＣＤＡとは、水の含有量が２０ｐｐｍ以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気である。）、または希ガス（アルゴン、ヘリウム等）の雰囲気下で行えばよい。なお、上記窒素ガス、酸素ガス、ＣＤＡ、または希ガスに水素、水等が含まれないことが好ましい。
例えば、上記窒素ガス、酸素ガス、またはＣＤＡの純度を高めると好ましい。具体的には、窒素ガス、酸素ガス、またはＣＤＡの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）または７Ｎ（９９．９９９９９％）とすればよい。また、窒素ガス、酸素ガス、またはＣＤＡの露点が−６０℃以下、好ましくは−１００℃以下にまで高純度化したガスを用いることで酸化物半導体１０８に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。
また、酸化物半導体１０８を窒素または希ガス雰囲気で加熱処理した後、酸素またはＣＤＡ雰囲気で加熱してもよい。この結果、酸化物半導体１０８中に含まれる水素、水等を脱離させると共に、酸化物半導体１０８中に酸素を供給することができる。この結果、酸化物半導体１０８中に含まれる酸素欠損量を低減することができる。
また、必要に応じて、窒素ガスと酸素ガスとの混合ガス、またはＣＤＡのいずれか一方のガス種でのベーク時間を長く、例えば、１時間以上１０時間以下としてもよい。酸素ガスが含まれる雰囲気での加熱時間を長くすることで、酸化物半導体１０８に形成された酸素欠損を好適に補填することが可能となる。
また、スパッタリング法で酸化物半導体を形成する場合、スパッタリングガスには、希ガス（代表的にはアルゴン）、酸素、または希ガスおよび酸素の混合ガスが適宜用いられる。なお、混合ガスの場合、希ガスに対して酸素のガス比を高めることが好ましい。また、スパッタリングガスの高純度化も必要である。例えば、スパッタリングガスとして用いる酸素ガスやアルゴンガスは、露点が−６０℃以下、好ましくは−１００℃以下にまで高純度化したガスを用いることで酸化物半導体１０８に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。
また、スパッタリング法で酸化物半導体１０８を形成する場合、スパッタリング装置におけるチャンバーを、酸化物半導体１０８にとって不純物となる水等を可能な限り除去すべくクライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて、高真空排気（５×１０−７Ｐａから１×１０−４Ｐａ程度まで）することが好ましい。または、ターボ分子ポンプとコールドトラップを組み合わせて排気系からチャンバー内に気体、特に炭素または水素を含む気体が逆流しないようにしておくことが好ましい。
次に、絶縁体１０７および酸化物半導体１０８上にソース電極およびドレイン電極として機能する導電体１１２ａ、１１２ｂを形成する（図９（Ａ）参照）。
本実施の形態では、導電体１１２ａ、１１２ｂとして、厚さ５０ｎｍのタングステン膜と、厚さ４００ｎｍのアルミニウム膜との積層膜をスパッタリング法により成膜し、該積層膜上にリソグラフィ工程によりマスクを形成し、該積層膜を所望の領域に加工することで、導電体１１２ａ、１１２ｂを形成する。なお、本実施の形態においては、導電体１１２ａ、１１２ｂを２層の積層構造としたが、これに限定されない。例えば、導電体１１２ａ、１１２ｂとして、厚さ５０ｎｍのチタン膜と、厚さ４００ｎｍのアルミニウム膜と、厚さ１００ｎｍのチタン膜との３層の積層構造としてもよい。
また、導電体１１２ａ、１１２ｂを形成後に、酸化物半導体１０８の表面（バックチャネル側）を洗浄してもよい。該洗浄方法としては、例えば、リン酸等の薬液を用いた洗浄が挙げられる。リン酸等の薬液を用いた洗浄を行うことで、酸化物半導体１０８の表面に付着した不純物（例えば、導電体１１２ａ、１１２ｂに含まれる元素等。）を除去することができる。
なお、導電体１１２ａ、１１２ｂの形成工程、および／または上記洗浄工程において、酸化物半導体１０８の一部に凹部が形成される場合がある。
導電体１１２ａおよび導電体１１２ｂには、酸素を含んだ導電体を用いることが好ましい。また、導電体に含まれる酸素は、膜厚方向に一様に含まれているのではなく、膜厚方向に酸素の濃度勾配が形成されている領域を有していることが好ましい。そのため、例えば、導電体を成膜する際に、最初は成膜ガスに酸素を添加せず、その後徐々に酸素ガス分圧が大きくなるように酸素ガスを添加することによって、膜厚方向に酸素の濃度勾配を有する導電膜を作製することができる。また、導電体の成膜において、最初に酸素ガスを添加し、その後徐々に酸素ガス分圧が小さくなるように酸素ガスを添加することによって、膜厚方向に酸素の濃度勾配を有する導電膜を作製してもよい。
また、導電体１１２ａおよび導電体１１２ｂを形成した後に、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマ処理法等を用いて酸素を添加してもよい。
次に、酸化物半導体１０８、および導電体１１２ａ、１１２ｂ上に、保護絶縁体として機能する絶縁体１１４、１１６を形成する（図９（Ｂ）参照）。
なお、絶縁体１１４を形成した後、大気に曝すことなく、連続的に絶縁体１１６を形成することが好ましい。絶縁体１１４を形成後、大気開放せず、原料ガスの流量、圧力、高周波電力および基板温度の一以上を調整して、絶縁体１１６を連続的に形成することで、絶縁体１１４と絶縁体１１６の界面において大気成分由来の不純物濃度を低減することができるとともに、絶縁体１１４、１１６に含まれる酸素を酸化物半導体１０８に移動させることが可能となり、酸化物半導体１０８の酸素欠損量を低減することが可能となる。
例えば、絶縁体１１４として、ＰＥＣＶＤ法を用いて、酸化窒化シリコン膜を形成することができる。この場合、原料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体および酸化性気体を用いることが好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例としては、シラン、ジシラン、トリシラン、フッ化シラン等がある。酸化性気体としては、一酸化二窒素、二酸化窒素等がある。また、上記の堆積性気体に対する酸化性気体を２０倍より大きく１００倍未満、好ましくは４０倍以上８０倍以下とし、処理室内の圧力を１００Ｐａ未満、好ましくは５０Ｐａ以下とするＰＥＣＶＤ法を用いることで、絶縁体１１４が、窒素を含み、且つ欠陥量の少ない絶縁体となる。
本実施の形態においては、絶縁体１１４として、基板１０２を保持する温度を２２０℃とし、流量５０ｓｃｃｍのシランおよび流量２０００ｓｃｃｍの一酸化二窒素を原料ガスとし、処理室内の圧力を２０Ｐａとし、平行平板電極に供給する高周波電力を１３．５６ＭＨｚ、１００Ｗ（電力密度としては１．６×１０−２Ｗ／ｃｍ２）とするＰＥＣＶＤ法を用いて、酸化窒化シリコン膜を形成する。
絶縁体１１６としては、ＰＥＣＶＤ装置の真空排気された処理室内に載置された基板を１８０℃以上２８０℃以下、さらに好ましくは２００℃以上２４０℃以下に保持し、処理室に原料ガスを導入して処理室内における圧力を１００Ｐａ以上２５０Ｐａ以下、さらに好ましくは１００Ｐａ以上２００Ｐａ以下とし、処理室内に設けられる電極に０．１７Ｗ／ｃｍ２以上０．５Ｗ／ｃｍ２以下、さらに好ましくは０．２５Ｗ／ｃｍ２以上０．３５Ｗ／ｃｍ２以下の高周波電力を供給する条件により、酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形成する。
絶縁体１１６の成膜条件として、上記圧力の反応室において上記パワー密度の高周波電力を供給することで、プラズマ中で原料ガスの分解効率が高まり、酸素ラジカルが増加し、原料ガスの酸化が進むため、絶縁体１１６中における酸素含有量が化学量論的組成よりも多くなる。一方、基板温度が、上記温度で形成された膜では、シリコンと酸素の結合力が弱いため、後の工程の加熱処理により膜中の酸素の一部が脱離する。この結果、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含み、加熱により酸素の一部が脱離する酸化物絶縁体を形成することができる。
なお、絶縁体１１６の形成工程において、絶縁体１１４が酸化物半導体１０８の保護膜となる。したがって、酸化物半導体１０８へのダメージを低減しつつ、パワー密度の高い高周波電力を用いて絶縁体１１６を形成することができる。
なお、絶縁体１１６の成膜条件において、酸化性気体に対するシリコンを含む堆積性気体の流量を増加することで、絶縁体１１６の欠陥量を低減することが可能である。代表的には、ＥＳＲ測定により、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝２．００１付近に現れる信号のスピン密度が６×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満、好ましくは３×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１．５×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下である欠陥量の少ない酸化物絶縁層を形成することができる。この結果トランジスタの信頼性を高めることができる。
絶縁体１１４、１１６を形成した後、加熱処理を行ってもよい。該加熱処理により、絶縁体１１４、１１６に含まれる窒素酸化物を低減することができる。また、上記加熱処理により、絶縁体１１４、１１６に含まれる酸素の一部を酸化物半導体１０８に移動させ、酸化物半導体１０８に含まれる酸素欠損量を低減することができる。
絶縁体１１４、１１６への加熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上４００℃以下、好ましくは３００℃以上４００℃以下、好ましくは３２０℃以上３７０℃以下とする。加熱処理は、窒素、酸素、ＣＤＡ、または希ガス（アルゴン、ヘリウム等）の雰囲気下で行えばよい。なお、上記窒素、酸素、超乾燥空気、または希ガスに水素、水等が含まれないことが好ましい該加熱処理には、ガスベーク炉、電気炉、ＲＴＡ装置等を用いることができる。
本実施の形態では、窒素および酸素雰囲気で、３５０℃、１時間の加熱処理を行う。
以上の工程により、図１に示すトランジスタ１００を作製することができる。
＜半導体装置の作製方法２＞
次に、本発明の一態様の半導体装置である図２に示すトランジスタ１０１の作製方法について、図１０を用いて説明する。なお、図１０は、半導体装置の作製方法を説明する断面図である。
次に、本発明の一態様の半導体装置である図２に示すトランジスタ１０１の作製方法について、図１０を用いて説明する。なお、図１０は、半導体装置の作製方法を説明する断面図である。
まず、図９（Ｂ）に示す工程まで行う。その後、絶縁体１１６上に金属酸化膜１３２を形成する（図１０（Ａ）参照）。
金属酸化膜１３２には、インジウムを含む導電体、またはインジウムを含む半導体を用いることが出来る。本実施の形態においては、金属酸化膜１３２として、スパッタリング装置を用いて、膜厚５ｎｍのＩＴＳＯ膜を形成する。なお、金属酸化膜１３２の厚さは、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下、または２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすると好適に酸素を透過し、且つ酸素の放出を抑制できるため好ましい。
次に、金属酸化膜１３２を通過させて絶縁体１１４、１１６に、酸素１４０を導入する（図１０（Ｂ）参照）。
金属酸化膜１３２を通過させて、絶縁体１１４、１１６に酸素１４０を導入する方法としては、イオンドーピング法、イオン注入法、プラズマ処理法等がある。また、プラズマ処理法として、マイクロ波を用いて酸素を励起し、高密度なプラズマを発生させてもよい。
また、酸素１４０を導入する際に、基板側にバイアス電圧を印加することで効果的に酸素１４０を絶縁体１１４、１１６に導入することができる。上記バイアス電圧としては、例えば、アッシング装置を用い、該アッシング装置の基板側に印加するバイアス電圧の電力密度を１Ｗ／ｃｍ２以上５Ｗ／ｃｍ２以下とすればよい。また、酸素１４０を導入する際の基板温度としては、室温を超えて４００℃未満、好ましくは、１００℃以上３５０℃以下とすることで、絶縁体１１４、１１６に効率よく酸素を導入することができる。
なお、本実施の形態では、アッシング装置を用い、Ｏ２ガスをアッシング装置内に導入し、基板側にバイアスを印加することで、絶縁体１１４、１１６中に酸素１４０を導入する。
金属酸化膜１３２を設けて酸素を導入することで、金属酸化膜１３２が絶縁体１１４、１１６から酸素が放出することを抑制する保護膜として機能する。このため、絶縁体１１４、１１６に多くの酸素を導入することができる。
次に、金属酸化膜１３２上に金属酸化膜１３４を形成することで、図２に示すトランジスタ１０１が形成される（図１０（Ｃ）参照）。
金属酸化膜１３４には、アルミニウムを含む導電膜、またはアルミニウムを含む絶縁膜などが挙げられる。一例としては、金属酸化膜１３２上に、スパッタリング法を用いて、導電膜としてアルミニウムを成膜し、その後アルミニウムに対し、酸素プラズマ処理、または酸素雰囲気下で熱処理を行うことで、金属酸化膜１３２上に金属酸化膜１３４として、酸化アルミニウム膜を形成することができる。または、金属酸化膜１３２上に、ＡＬＤ法を用いて、絶縁膜として酸化アルミニウム膜を成膜することで、金属酸化膜１３２上に金属酸化膜１３４として、酸化アルミニウム膜を形成することができる。
また、金属酸化膜１３２、１３４の形成後に加熱処理を行って、絶縁体１１４、１１６に含まれる過剰酸素を酸化物半導体１０８中に拡散させ、酸化物半導体１０８中の酸素欠損を補填することができる。あるいは、金属酸化膜１３２または金属酸化膜１３４のいずれか一方または双方を加熱成膜とすることで、絶縁体１１４、１１６に含まれる過剰酸素を酸化物半導体１０８中に拡散させ、酸化物半導体１０８中の酸素欠損を補填することができる。金属酸化膜１３２、１３４の形成後に行うことができる、加熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上４００℃以下、好ましくは３００℃以上４００℃以下、好ましくは３２０℃以上３７０℃以下とする。
以上の工程により、図２に示すトランジスタ１０１を作製することができる。
＜半導体装置の作製方法３＞
次に、本発明の一態様の半導体装置である図３に示すトランジスタ１５０の作製方法について、図１１および図１２を用いて説明する。なお、図１１および図１２は、半導体装置の作製方法を説明する断面図である。
次に、本発明の一態様の半導体装置である図３に示すトランジスタ１５０の作製方法について、図１１および図１２を用いて説明する。なお、図１１および図１２は、半導体装置の作製方法を説明する断面図である。
まず、図８（Ｃ）に示す工程まで行い、その後、絶縁体１０７および酸化物半導体１０８上に絶縁体１１４、１１６、および金属酸化膜１３２を形成する（図１１（Ａ）参照）。
次に、金属酸化膜１３２を通過させて絶縁体１１４、１１６に、酸素１４０を添加する（図１１（Ｂ）参照）。
次に、金属酸化膜１３２上に金属酸化膜１３４を形成する（図１１（Ｃ）参照）。
次に、金属酸化膜１３４上にリソグラフィ工程によりマスクを形成し、絶縁体１１４、１１６および金属酸化膜１３２、１３４の所望の領域に開口部１４１ａ、１４１ｂを形成する。なお、開口部１４１ａ、１４１ｂは、酸化物半導体１０８に達する（図１２（Ａ）参照）。
次に、開口部１４１ａ、１４１ｂを覆うように、酸化物半導体１０８および金属酸化膜１３４上に導電体を成膜し、該導電体上にリソグラフィ工程によりマスクを形成し、該導電体を所望の領域に加工することで、導電体１１２ａ、１１２ｂを形成する（図１２（Ｂ）参照）。
以上の工程で図３に示すトランジスタ１５０を作製することができる。
なお、図４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１６０は、開口部１４１ａ、１４１ｂを形成する際に、酸化物半導体１０８のチャネル領域上に絶縁体１１４、１１６を残す構成とすることで作製することができる。
＜半導体装置の作製方法４＞
次に、本発明の一態様の半導体装置である図５に示すトランジスタ１７０の作製方法について、図１３および図１４を用いて説明する。なお、図１３（Ａ）（Ｃ）および図１４（Ａ）（Ｃ）は、作製工程における、トランジスタ１７０のチャネル長方向の断面図であり、図１３（Ｂ）（Ｄ）および図１４（Ｂ）（Ｄ）は、作製工程における、トランジスタ１７０のチャネル幅方向の断面図である。
次に、本発明の一態様の半導体装置である図５に示すトランジスタ１７０の作製方法について、図１３および図１４を用いて説明する。なお、図１３（Ａ）（Ｃ）および図１４（Ａ）（Ｃ）は、作製工程における、トランジスタ１７０のチャネル長方向の断面図であり、図１３（Ｂ）（Ｄ）および図１４（Ｂ）（Ｄ）は、作製工程における、トランジスタ１７０のチャネル幅方向の断面図である。
まず、図１０（Ｂ）に示す工程まで行う（図１３（Ａ）、（Ｂ）参照）。
次に、金属酸化膜１３４上にリソグラフィ工程によりマスクを形成し、絶縁体１１４、１１６、および金属酸化膜１３２、１３４の所望の領域に開口部１４２ｃを形成する。また、金属酸化膜１３４上にリソグラフィ工程によりマスクを形成し、絶縁体１０６、１０７、１１４、１１６、および金属酸化膜１３２、１３４の所望の領域に開口部１４２ａ、１４２ｂを形成する。なお、開口部１４２ｃは、導電体１１２ｂに達するように形成される。また、開口部１４２ａ、１４２ｂは、それぞれ導電体１０４に達するように形成される（図１３（Ｃ）、（Ｄ）参照）。
なお、開口部１４２ａ、１４２ｂと開口部１４０ｃとは、同じ工程で形成してもよく、異なる工程で形成してもよい。開口部１４２ａ、１４２ｂと開口部１４０ｃを同じ工程で形成する場合、例えば、グレートーンマスクまたはハーフトーンマスクを用いて形成してもよい。
次に、開口部１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃを覆うように金属酸化膜１３４上に導電体１２０を形成する（図１４（Ａ）、（Ｂ）参照）。
導電体１２０としては、例えば、インジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、錫（Ｓｎ）の中から選ばれた一種を含む材料を用いることができる。とくに、導電体１２０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、酸化シリコ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、導電体１２０を金属酸化膜１３２と同種の材料を用いることで、製造コストを抑制できるため好適である。
また、導電体１２０としては、例えば、スパッタリング法を用いて形成することができる。本実施の形態においては、膜厚１１０ｎｍのＩＴＳＯ膜をスパッタリング法で形成する。
次に、導電体１２０上にリソグラフィ工程によりマスクを形成し、導電体１２０を所望の領域に加工し、導電体１２０ａ、１２０ｂを形成する（図１４（Ｃ）、（Ｄ）参照）。
以上の工程で図５に示すトランジスタ１７０を作製することができる。
なお、本実施の形態において、本発明の一態様について述べた。ただし、本発明の一態様は、これらに限定されない。つまり、本実施の形態および他の実施の形態では、様々な発明の態様が記載されているため、本発明の一態様は、特定の態様に限定されない。例えば、本発明の一態様として、チャネル領域において、酸化物半導体を有する場合の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない。場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様は、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウム、有機半導体等を用いてもよい。
なお、本実施の形態におけるトランジスタは、酸化物半導体の上面と、ソース電極およびドレイン電極と、が接する構造（トップコンタクト型ともいう。）について示したが、これに限られない。例えば、酸化物半導体の下面と、ソース電極およびドレイン電極と、が接する構造（ボトムコンタクト型ともいう。）のトランジスタとしてもよい。
また、本実施の形態におけるトランジスタは、ゲート電極と、ソース電極およびドレイン電極と、が一部重畳する構造を示したが、これに限らない。例えば、ゲート電極と、ソース電極およびドレイン電極と、が重畳しない構造としてもよい。
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様に係るトランジスタの一例について説明する。
本実施の形態では、本発明の一態様に係るトランジスタの一例について説明する。
＜トランジスタ１＞
図１５に、本発明の一態様に係るトランジスタを示す。図１５（Ａ）は、トランジスタ１０３の上面図、図１５（Ｂ）は、図１５（Ａ）における一点鎖線Ａ１−Ａ２および一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応した断面図を示す。トランジスタ１０３は、基板４００と、導電体４１３と、絶縁体４０２と、半導体４０６ａ、半導体４０６ｂ、半導体４０６ｃと、導電体４１６ａと、導電体４１６ｂと、絶縁体４１２と、導電体４０４と、を有する。
図１５に、本発明の一態様に係るトランジスタを示す。図１５（Ａ）は、トランジスタ１０３の上面図、図１５（Ｂ）は、図１５（Ａ）における一点鎖線Ａ１−Ａ２および一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応した断面図を示す。トランジスタ１０３は、基板４００と、導電体４１３と、絶縁体４０２と、半導体４０６ａ、半導体４０６ｂ、半導体４０６ｃと、導電体４１６ａと、導電体４１６ｂと、絶縁体４１２と、導電体４０４と、を有する。
本実施の形態におけるトランジスタ１０３においては、導電体４１３、導電体４０４、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂに、酸素を含んだ導電体を用いることが好ましい。また、導電体に含まれる酸素は、膜厚方向に一様に含まれているのではなく、膜厚方向に酸素の濃度勾配が形成されている領域を有していることが好ましい。
なお、導電体４０４は、トランジスタ１０３の第１のゲート電極（フロントゲート電極ともいう。）としての機能を有する。また、導電体４１３は、トランジスタ１０３の第２のゲート電極（バックゲート電極ともいう。）としての機能を有する。また、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂは、トランジスタ１０３のソース電極およびドレイン電極としての機能を有する。また、絶縁体４１２は、ゲート絶縁体としての機能を有する。
また、本実施の形態におけるトランジスタ１０３は、バックゲートを有するトップゲート型のトランジスタを示しているが、これに限らない。例えば、バックゲートが無い構成としてもよい。またボトムゲート構造としてもよい。その場合、導電体４１３はフロントゲートとして機能し、導電体４０４はバックゲートとして機能する。また、導電体４０４が無い構成としてもよい。
図１５に示すトランジスタ１０３の作製方法について、図１６乃至図２０を用いて説明する。
図１６（Ａ）、図１７（Ａ）、図１８（Ａ）、図１９（Ａ）および図２０（Ａ）は、本発明の一態様に係るトランジスタ１０３の作製方法を説明する上面図である。各上面図には、一点鎖線Ａ１−Ａ２および一点鎖線Ａ３−Ａ４が記され、それに対応した断面図を図１６（Ｂ）、図１７（Ｂ）、図１８（Ｂ）、図１９（Ｂ）および図２０（Ｂ）に示す。
まずは、基板４００を準備する。
基板４００としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板（イットリア安定化ジルコニア基板など）、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
また、基板４００として、可とう性基板を用いてもよい。なお、可とう性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可とう性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可とう性基板である基板４００に転置する方法もある。その場合には、非可とう性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。なお、基板４００として、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。また、基板４００が伸縮性を有してもよい。また、基板４００は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板４００の厚さは、例えば、５μｍ以上１０００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上７００μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以上５００μｍ以下とする。基板４００を薄くすると、半導体装置を軽量化することができる。また、基板４００を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落下などによって基板４００上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。即ち、丈夫な半導体装置を提供することができる。
可とう性基板である基板４００としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維などを用いることができる。可とう性基板である基板４００は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可とう性基板である基板４００としては、例えば、線膨張率が１×１０−３／Ｋ以下、５×１０−５／Ｋ以下、または１×１０−５／Ｋ以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリルなどがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可とう性基板である基板４００として好適である。
次に、導電体を成膜する。導電体の成膜は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法またはパルスレーザ堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて行うことができる。
なお、ＣＶＤ法は、プラズマを利用するプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ）法、熱を利用する熱ＣＶＤ（ＴＣＶＤ：Ｔｈｅｒｍａｌ ＣＶＤ）法、光を利用する光ＣＶＤ（Ｐｈｏｔｏ ＣＶＤ）法などに分類できる。さらに用いる原料ガスによって金属ＣＶＤ（ＭＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ ＣＶＤ）法、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ ＣＶＤ）法に分けることができる。
ＰＥＣＶＤ法は、比較的低温で高品質の膜が得られる。また、ＴＣＶＤ法は、プラズマを用いないため、被処理物へのプラズマによるダメージが生じない成膜方法である。例えば、半導体装置に含まれる配線、電極、素子（トランジスタ、容量素子など）などは、プラズマから電荷を受け取ることでチャージアップする場合がある。このとき、蓄積した電荷によって、半導体装置に含まれる配線、電極、素子などが破壊される場合がある。一方、プラズマを用いないＴＣＶＤ法の場合、こういったプラズマダメージが生じないため、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、ＴＣＶＤ法では、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。
また、ＡＬＤ法も、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法である。また、ＡＬＤ法も、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。
ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、ターゲットなどから放出される粒子が堆積する成膜方法とは異なり、被処理物の表面における反応により膜が形成される成膜方法である。したがって、被処理物の形状の影響を受けにくく、良好な段差被覆性を有する成膜方法である。特に、ＡＬＤ法は、優れた段差被覆性と、優れた厚さの均一性を有するため、アスペクト比の高い開口部の表面を被覆する場合などに好適である。ただし、ＡＬＤ法は、比較的成膜速度が遅いため、成膜速度の速いＣＶＤ法などの他の成膜方法と組み合わせて用いることが好ましい場合もある。
ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、原料ガスの流量比によって、得られる膜の組成を制御することができる。例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、原料ガスの流量比によって、任意の組成の膜を成膜することができる。また、例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、成膜しながら原料ガスの流量比を変化させることによって、組成が連続的に変化した膜を成膜することができる。原料ガスの流量比を変化させながら成膜する場合、複数の成膜室を用いて成膜する場合と比べて、搬送や圧力調整に掛かる時間の分、成膜に掛かる時間を短くすることができる。したがって、半導体装置の生産性を高めることができる場合がある。
導電体には、酸素を含んだ導電体を用いることが好ましい。また、導電体に含まれる酸素は、膜厚方向に一様に含まれているのではなく、膜厚方向に酸素の濃度勾配が形成されている領域を有していることが好ましい。そのため、例えば、導電体を成膜する際に、最初は成膜ガスに酸素を添加せず、その後徐々に酸素ガス分圧が大きくなるように酸素ガスを添加することによって、膜厚方向に酸素の濃度勾配を有する導電膜を作製することができる。また、導電体の成膜において、最初に酸素ガスを添加し、その後徐々に酸素ガス分圧が小さくなるように酸素ガスを添加することによって、膜厚方向に酸素の濃度勾配を有する導電膜を作製してもよい。
また、導電体を形成した後に、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマ処理法等を用いて酸素を添加してもよい。
次に、導電体上にレジストなどを形成し、該レジストを用いて加工し、導電体４１３を形成する。なお、単にレジストを形成するという場合、レジストの下に反射防止層を形成する場合も含まれる。
レジストは、対象物をエッチングなどによって加工した後で除去する。レジストの除去には、プラズマ処理または／およびウェットエッチングを用いる。なお、プラズマ処理としては、プラズマアッシングが好適である。レジストなどの除去が不十分な場合、０．００１ｖｏｌｕｍｅ％以上１ｖｏｌｕｍｅ％以下の濃度のフッ化水素酸または／およびオゾン水などによって取り残したレジストなどを除去しても構わない。
導電体４１３となる導電体としては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタル、白金、ストロンチウム、イリジウムおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。
また、導電体４１３を形成した後に、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマ処理法等を用いて酸素を添加してもよい。
次に、絶縁体４０２を成膜する（図１６（Ａ）および図１６（Ｂ）参照。）。絶縁体４０２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
絶縁体４０２としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体４０２としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。
また、絶縁体４０２は過剰酸素または／および水素トラップを有する絶縁体であることが好ましい。
過剰酸素を有する絶縁体は、昇温脱離ガス分光法分析（ＴＤＳ分析）にて、１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の膜の表面温度の範囲で、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上または１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上の酸素（酸素原子数換算）を放出することもある。
ＴＤＳ分析を用いた酸素の放出量の測定方法について、以下に説明する。
測定試料をＴＤＳ分析したときの気体の全放出量は、放出ガスのイオン強度の積分値に比例する。そして標準試料との比較により、気体の全放出量を計算することができる。
例えば、標準試料である所定の密度の水素を含むシリコン基板のＴＤＳ分析結果、および測定試料のＴＤＳ分析結果から、測定試料の酸素分子の放出量（ＮＯ２）は、下に示す式で求めることができる。ここで、ＴＤＳ分析で得られる質量電荷比３２で検出されるガスの全てが酸素分子由来と仮定する。ＣＨ３ＯＨの質量電荷比は３２であるが、存在する可能性が低いものとしてここでは考慮しない。また、酸素原子の同位体である質量数１７の酸素原子および質量数１８の酸素原子を含む酸素分子についても、自然界における存在比率が極微量であるため考慮しない。
ＮＯ２＝ＮＨ２／ＳＨ２×ＳＯ２×α
ＮＨ２は、標準試料から脱離した水素分子を密度で換算した値である。ＳＨ２は、標準試料をＴＤＳ分析したときのイオン強度の積分値である。ここで、標準試料の基準値を、ＮＨ２／ＳＨ２とする。ＳＯ２は、測定試料をＴＤＳ分析したときのイオン強度の積分値である。αは、ＴＤＳ分析におけるイオン強度に影響する係数である。上に示す式の詳細に関しては、特開平６−２７５６９７号公報を参照する。なお、上記酸素の放出量は、電子科学株式会社製の昇温脱離分析装置ＥＭＤ−ＷＡ１０００Ｓ／Ｗを用い、標準試料として一定量の水素原子を含むシリコン基板を用いて測定する。
また、ＴＤＳ分析において、酸素の一部は酸素原子として検出される。酸素分子と酸素原子の比率は、酸素分子のイオン化率から算出することができる。なお、上述のαは酸素分子のイオン化率を含むため、酸素分子の放出量を評価することで、酸素原子の放出量についても見積もることができる。
なお、ＮＯ２は酸素分子の放出量である。酸素原子に換算したときの放出量は、酸素分子の放出量の２倍となる。
または、加熱処理によって酸素を放出する絶縁体は、過酸化ラジカルを含むこともある。具体的には、過酸化ラジカルに起因するスピン密度が、５×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以上であることをいう。なお、過酸化ラジカルを含む絶縁体は、電子スピン共鳴法（ＥＳＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｉｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）にて、ｇ値が２．０１近傍に非対称の信号を有することもある。
また、絶縁体４０２は、基板４００からの不純物の拡散を防止する機能を有してもよい。
次に、半導体４０６ａとなる半導体を成膜する。半導体４０６ａとなる半導体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
次に、酸素を添加することにより、半導体４０６ａとなる半導体に過剰酸素を含ませてもよい。酸素の添加は、例えば、イオン注入法により、加速電圧を２ｋＶ以上１０ｋＶ以下とし、ドーズ量を５×１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上１×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下として行えばよい。
次に、半導体４０６ｂとなる半導体を成膜する。半導体４０６ｂとなる半導体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。なお、半導体４０６ａとなる半導体の成膜と、半導体４０６ｂとなる半導体の成膜と、を大気に暴露することなく連続で行うことで、膜中および界面への不純物の混入を低減することができる。
次に、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理を行うことで、半導体４０６ａとなる半導体および半導体４０６ｂとなる半導体の水素濃度を低減させることができる場合がある。また、半導体４０６ａとなる半導体および半導体４０６ｂとなる半導体の酸素欠損を低減させることができる場合がある。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは４５０℃以上６００℃以下、さらに好ましくは５２０℃以上５７０℃以下で行えばよい。加熱処理は、不活性ガス雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。加熱処理によって、半導体４０６ａとなる半導体および半導体４０６ｂとなる半導体の結晶性を高めることや、水素や水などの不純物を除去することなどができる。
次に、半導体４０６ｂとなる半導体上にレジストなどを形成し、該レジストを用いて加工し、半導体４０６ｂおよび半導体４０６ａを形成する（図１７（Ａ）および図１７（Ｂ）参照。）。
次に、導電体を成膜する。導電体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
導電体としては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタル、白金、ストロンチウム、イリジウムおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。
導電体には、酸素を含んだ導電体を用いることが好ましい。また、導電体に含まれる酸素は、膜厚方向に一様に含まれているのではなく、膜厚方向に酸素の濃度勾配が形成されている領域を有していることが好ましい。そのため、例えば、導電体を成膜する際に、最初は成膜ガスに酸素を添加せず、その後徐々に酸素ガス分圧が大きくなるように酸素ガスを添加することによって、膜厚方向に酸素の濃度勾配を有する導電膜を作製することができる。また、導電体の成膜において、最初に酸素ガスを添加し、その後徐々に酸素ガス分圧が小さくなるように酸素ガスを添加することによって、膜厚方向に酸素の濃度勾配を有する導電膜を作製してもよい。
また、導電体を形成した後に、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマ処理法等を用いて酸素を添加してもよい。
次に、導電体上にレジストなどを形成し、該レジストを用いて加工し、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂを形成する（図１８（Ａ）および図１８（Ｂ）参照。）。
また、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂを形成した後に、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマ処理法等を用いて酸素を添加してもよい。
ここで、例えば導電体４１３をゲート電極、絶縁体４０２をゲート絶縁体、導電体４１６ａをソース電極、導電体４１６ｂをドレイン電極とすれば、図１８までで工程を完了し、ボトムゲート構造を有するトランジスタとしてもよい。
次に、半導体４３６ｃを成膜する。半導体４３６ｃの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。半導体４３６ｃの成膜の前に、半導体４０６ａ、半導体４０６ｂ、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂの表面をエッチングしても構わない。例えば、希ガスを含むプラズマを用いてエッチングすることができる。その後、大気に暴露することなく連続で半導体４３６ｃを成膜することにより、半導体４０６ａ、半導体４０６ｂ、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂと、半導体４３６ｃと、の界面への不純物の混入を低減することができる。膜と膜との界面などに存在する不純物は、膜中の不純物よりも拡散しやすい場合がある。そのため、該不純物の混入を低減することにより、トランジスタに安定した電気特性を付与することができる。
次に、絶縁体４４２を成膜する。絶縁体４４２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。なお、半導体４３６ｃの成膜と、絶縁体４４２の成膜と、を大気に暴露することなく連続で行うことで、膜中および界面への不純物の混入を低減することができる。
絶縁体４４２としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体４４２としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。
次に、導電体４３４を成膜する。導電体４３４の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。なお、絶縁体４４２の成膜と、導電体４３４の成膜と、を大気に暴露することなく連続で行うことで、膜中および界面への不純物の混入を低減することができる（図１９（Ａ）および図１９（Ｂ）参照。）。
導電体４３４としては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタル、白金、ストロンチウム、イリジウムおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。
導電体４３４には、酸素を含んだ導電体を用いることが好ましい。また、導電体４３４に含まれる酸素は、膜厚方向に一様に含まれているのではなく、膜厚方向に酸素の濃度勾配が形成されている領域を有していることが好ましい。そのため、例えば、導電体４３４を成膜する際に、最初は成膜ガスに酸素を添加せず、その後徐々に酸素ガス分圧が大きくなるように酸素ガスを添加することによって、膜厚方向に酸素の濃度勾配を有する導電体４３４を作製することができる。また、導電体の成膜において、最初に酸素ガスを添加し、その後徐々に酸素ガス分圧が小さくなるように酸素ガスを添加することによって、膜厚方向に酸素の濃度勾配を有する導電体４３４を作製してもよい。
また、導電体４３４を形成した後に、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマ処理法等を用いて酸素を添加してもよい。
次に、導電体４３４上にレジストなどを形成し、該レジストを用いて加工し、導電体４０４を形成する。また、該レジストまたは導電体４０４を用いて絶縁体４４２を加工し、絶縁体４１２を形成する。また、該レジスト、導電体４０４または絶縁体４１２を用いて半導体４３６ｃを加工し、半導体４０６ｃを形成する。半導体４０６ｃと絶縁体４１２と導電体４０４と、が上面から見たときに同様の形状となるが、本発明の一態様に係るトランジスタはこの形状に限定されるものではない。例えば、半導体４０６ｃと絶縁体４１２と導電体４０４とを別のレジストを用いて加工してもよい。例えば、絶縁体４１２を形成してから、導電体４０４となる導電体を成膜してもよいし、導電体４０４を形成した後で絶縁体４１２となる絶縁体上に別途レジストなどを形成してもよい。また、例えば、半導体４０６ｃが、隣接するトランジスタなどと繋がっていてもよい（図２０（Ａ）および図２０（Ｂ）参照。）。
また、導電体４０４を形成した後に、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマ処理法等を用いて酸素を添加してもよい。
次に、絶縁体を成膜してもよい。絶縁体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。絶縁体は、好ましくは酸化アルミニウム、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。
絶縁体は、バリア層としての機能を有することが好ましい。絶縁体は、例えば、酸素または／および水素をブロックする機能を有する。また、絶縁体は、例えば、絶縁体４０２または絶縁体４１２よりも、酸素または／および水素をブロックする能力が高いほうが好ましい。
以上の工程により、本発明の一態様に係るトランジスタ１０３を作製することができる。
図２０（Ｂ）に示すように、導電体４０４および導電体４１３の電界によって、半導体４０６ｂを電気的に取り囲むことができる（導電体から生じる電界によって、半導体を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ（ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。）。そのため、半導体４０６ｂの全体（上面、下面および側面）にチャネルが形成される。ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造では、トランジスタのソース−ドレイン間に大電流を流すことができ、導通時の電流（オン電流）を高くすることができる。
なお、トランジスタがｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有する場合、半導体４０６ｂの側面にもチャネルが形成される。したがって、半導体４０６ｂが厚いほどチャネル形成領域は大きくなる。即ち、半導体４０６ｂが厚いほど、トランジスタのオン電流を高くすることができる。また、半導体４０６ｂが厚いほど、キャリアの制御性の高い領域の割合が増えるため、サブスレッショルドスイング値を小さくすることができる。例えば、１０ｎｍ以上、好ましくは２０ｎｍ以上、さらに好ましくは４０ｎｍ以上、より好ましくは１００ｎｍ以上の厚さの領域を有する半導体４０６ｂとすればよい。ただし、半導体装置の生産性が低下する場合があるため、例えば、３００ｎｍ以下、好ましくは２００ｎｍ以下、さらに好ましくは１５０ｎｍ以下の厚さの領域を有する半導体４０６ｂとすればよい。
高いオン電流が得られるため、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造は、微細化されたトランジスタに適した構造といえる。トランジスタを微細化できるため、該トランジスタを有する半導体装置は、集積度の高い、高密度化された半導体装置とすることが可能となる。例えば、トランジスタは、チャネル長が好ましくは４０ｎｍ以下、さらに好ましくは３０ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以下の領域を有し、かつ、トランジスタは、チャネル幅が好ましくは４０ｎｍ以下、さらに好ましくは３０ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以下の領域を有する。
なお、導電体４１３を形成しなくてもよい（図２１（Ａ）参照。）。また、絶縁体４１２および半導体４０６ｃが導電体４０４から迫り出した形状としてもよい（図２１（Ｂ）参照。）。また、絶縁体４４２および半導体４３６ｃを加工しなくてもよい（図２１（Ｃ）参照。）。また、Ａ１−Ａ２断面における導電体４１３の幅が、半導体４０６ｂよりも大きくてもよい（図２２（Ａ）参照。）。また、導電体４１３と導電体４０４とが開口部を介して接していてもよい（図２２（Ｂ）参照。）また、導電体４０４を設けなくてもよい（図２２（Ｃ）参照。）。
なお、本実施の形態におけるトランジスタは、酸化物半導体の上面と、ソース電極およびドレイン電極と、が接する構造（トップコンタクト型ともいう。）について示したが、これに限られない。例えば、酸化物半導体の下面と、ソース電極およびドレイン電極と、が接する構造（ボトムコンタクト型ともいう。）のトランジスタとしてもよい。
また、本実施の形態におけるトランジスタは、ゲート電極と、ソース電極およびドレイン電極と、が一部重畳する構造を示したが、これに限らない。例えば、ゲート電極と、ソース電極およびドレイン電極と、が重畳しない構造としてもよい。
＜半導体＞
本実施の形態で示したように、半導体４０６ｂの上下に半導体４０６ａおよび半導体４０６ｃを配置することで、トランジスタの電気特性を向上させることができる場合がある。
本実施の形態で示したように、半導体４０６ｂの上下に半導体４０６ａおよび半導体４０６ｃを配置することで、トランジスタの電気特性を向上させることができる場合がある。
半導体４０６ｂは、例えば、インジウムを含む酸化物半導体である。半導体４０６ｂは、例えば、インジウムを含むと、キャリア移動度（電子移動度）が高くなる。また、半導体４０６ｂは、元素Ｍを含むと好ましい。元素Ｍは、好ましくは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、マグネシウム、タングステンなどがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。元素Ｍは、例えば、酸素との結合エネルギーが高い元素である。例えば、酸素との結合エネルギーがインジウムよりも高い元素である。または、元素Ｍは、例えば、酸化物半導体のエネルギーギャップを大きくする機能を有する元素である。また、半導体４０６ｂは、亜鉛を含むと好ましい。酸化物半導体は、亜鉛を含むと結晶化しやすくなる場合がある。
ただし、半導体４０６ｂは、インジウムを含む酸化物半導体に限定されない。半導体４０６ｂは、例えば、亜鉛スズ酸化物、ガリウムスズ酸化物などの、インジウムを含まず、亜鉛を含む酸化物半導体、ガリウムを含む酸化物半導体、スズを含む酸化物半導体などであっても構わない。
半導体４０６ｂは、例えば、エネルギーギャップが大きい酸化物を用いる。半導体４０６ｂのエネルギーギャップは、例えば、２．５ｅＶ以上４．２ｅＶ以下、好ましくは２．８ｅＶ以上３．８ｅＶ以下、さらに好ましくは３ｅＶ以上３．５ｅＶ以下とする。
例えば、半導体４０６ａおよび半導体４０６ｃは、半導体４０６ｂを構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から構成される酸化物半導体である。半導体４０６ｂを構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から半導体４０６ａおよび半導体４０６ｃが構成されるため、半導体４０６ａと半導体４０６ｂとの界面、および半導体４０６ｂと半導体４０６ｃとの界面において、欠陥準位が形成されにくい。
半導体４０６ａ、半導体４０６ｂおよび半導体４０６ｃは、少なくともインジウムを含むと好ましい。なお、半導体４０６ａがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％より高く、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％より高いとする。また、半導体４０６ｂがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％より高く、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％より高く、Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。また、半導体４０６ｃがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％より高く、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％より高くする。なお、半導体４０６ｃは、半導体４０６ａと同種の酸化物を用いても構わない。ただし、半導体４０６ａまたは／および半導体４０６ｃがインジウムを含まなくても構わない場合がある。例えば、半導体４０６ａまたは／および半導体４０６ｃが酸化ガリウムであっても構わない。なお、半導体４０６ａ、半導体４０６ｂおよび半導体４０６ｃに含まれる各元素の原子数が、簡単な整数比にならなくても構わない。
半導体４０６ｂは、半導体４０６ａおよび半導体４０６ｃよりも電子親和力の大きい酸化物を用いる。例えば、半導体４０６ｂとして、半導体４０６ａおよび半導体４０６ｃより電子親和力が０．０７ｅＶ以上１．３ｅＶ以下、好ましくは０．１ｅＶ以上０．７ｅＶ以下、さらに好ましくは０．１５ｅＶ以上０．４ｅＶ以下大きい酸化物を用いる。なお、電子親和力は、真空準位と伝導帯下端と、のエネルギー差である。
なお、インジウムガリウム酸化物は、小さい電子親和力と、高い酸素ブロック性を有する。そのため、半導体４０６ｃがインジウムガリウム酸化物を含むと好ましい。ガリウム原子割合［Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）］は、例えば、７０％以上、好ましくは８０％以上、さらに好ましくは９０％以上とする。
このように、半導体４０６ｂの上下に半導体４０６ａおよび半導体４０６ｃを配置したトランジスタにおいて、ゲート電圧を印加すると、半導体４０６ａ、半導体４０６ｂ、半導体４０６ｃのうち、電子親和力の大きい半導体４０６ｂにチャネルが形成される。
ここで、半導体４０６ａと半導体４０６ｂとの間には、半導体４０６ａと半導体４０６ｂとの混合領域を有する場合がある。また、半導体４０６ｂと半導体４０６ｃとの間には、半導体４０６ｂと半導体４０６ｃとの混合領域を有する場合がある。混合領域は、欠陥準位密度が低くなる。そのため、半導体４０６ａ、半導体４０６ｂおよび半導体４０６ｃの積層体は、それぞれの界面近傍において、エネルギーが連続的に変化する（連続接合ともいう。）バンド構造となる（図２３参照。）。なお、半導体４０６ａ、半導体４０６ｂおよび半導体４０６ｃは、それぞれの界面を明確に判別できない場合がある。
このとき、電子は、半導体４０６ａ中および半導体４０６ｃ中ではなく、半導体４０６ｂ中を主として移動する。上述したように、半導体４０６ａと半導体４０６ｂとの界面における欠陥準位密度、および半導体４０６ｂと半導体４０６ｃとの界面における欠陥準位密度を低くすることによって、半導体４０６ｂ中で電子の移動が阻害されることが少なく、トランジスタのオン電流を高くすることができる。
トランジスタのオン電流は、電子の移動を阻害する要因を低減するほど、高くすることができる。例えば、電子の移動を阻害する要因のない場合、効率よく電子が移動すると推定される。電子の移動は、例えば、チャネル形成領域の物理的な凹凸が大きい場合にも阻害される。
トランジスタのオン電流を高くするためには、例えば、半導体４０６ｂの上面または下面（被形成面、ここでは半導体４０６ａ）の、１μｍ×１μｍの範囲における二乗平均平方根（ＲＭＳ：Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）粗さが１ｎｍ未満、好ましくは０．６ｎｍ未満、さらに好ましくは０．５ｎｍ未満、より好ましくは０．４ｎｍ未満とすればよい。また、１μｍ×１μｍの範囲における平均面粗さ（Ｒａともいう。）が１ｎｍ未満、好ましくは０．６ｎｍ未満、さらに好ましくは０．５ｎｍ未満、より好ましくは０．４ｎｍ未満とすればよい。また、１μｍ×１μｍの範囲における最大高低差（Ｐ−Ｖともいう。）が１０ｎｍ未満、好ましくは９ｎｍ未満、さらに好ましくは８ｎｍ未満、より好ましくは７ｎｍ未満とすればよい。ＲＭＳ粗さ、ＲａおよびＰ−Ｖは、エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製走査型プローブ顕微鏡システムＳＰＡ−５００などを用いて測定することができる。
また、トランジスタのオン電流を高くするためには、半導体４０６ｃの厚さは小さいほど好ましい。例えば、１０ｎｍ未満、好ましくは５ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以下の領域を有する半導体４０６ｃとすればよい。一方、半導体４０６ｃは、チャネルの形成される半導体４０６ｂへ、隣接する絶縁体を構成する酸素以外の元素（水素、シリコンなど）が入り込まないようブロックする機能を有する。そのため、半導体４０６ｃは、ある程度の厚さを有することが好ましい。例えば、０．３ｎｍ以上、好ましくは１ｎｍ以上、さらに好ましくは２ｎｍ以上の厚さの領域を有する半導体４０６ｃとすればよい。また、半導体４０６ｃは、絶縁体４０２などから放出される酸素の外方拡散を抑制するために、酸素をブロックする性質を有すると好ましい。
また、信頼性を高くするためには、半導体４０６ａは厚く、半導体４０６ｃは薄いことが好ましい。例えば、１０ｎｍ以上、好ましくは２０ｎｍ以上、さらに好ましくは４０ｎｍ以上、より好ましくは６０ｎｍ以上の厚さの領域を有する半導体４０６ａとすればよい。半導体４０６ａの厚さを厚くすることで、隣接する絶縁体と半導体４０６ａとの界面から、チャネルの形成される半導体４０６ｂまでの距離を離すことができる。ただし、半導体装置の生産性が低下する場合があるため、例えば、２００ｎｍ以下、好ましくは１２０ｎｍ以下、さらに好ましくは８０ｎｍ以下の厚さの領域を有する半導体４０６ａとすればよい。
例えば、半導体４０６ｂと半導体４０６ａとの間に、例えば、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）において、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のシリコン濃度となる領域を有する。また、半導体４０６ｂと半導体４０６ｃとの間に、ＳＩＭＳにおいて、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のシリコン濃度となる領域を有する。
また、半導体４０６ｂの水素濃度を低減するために、半導体４０６ａおよび半導体４０６ｃの水素濃度を低減すると好ましい。半導体４０６ａおよび半導体４０６ｃは、ＳＩＭＳにおいて、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の水素濃度となる領域を有する。また、半導体４０６ｂの窒素濃度を低減するために、半導体４０６ａおよび半導体４０６ｃの窒素濃度を低減すると好ましい。半導体４０６ａおよび半導体４０６ｃは、ＳＩＭＳにおいて、１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の窒素濃度となる領域を有する。
上述の３層構造は一例である。例えば、半導体４０６ａまたは半導体４０６ｃのない２層構造としても構わない。または、半導体４０６ａの上もしくは下、または半導体４０６ｃの上もしくは下に、半導体４０６ａ、半導体４０６ｂおよび半導体４０６ｃとして例示した半導体のいずれか一を有する４層構造としても構わない。または、半導体４０６ａの上、半導体４０６ａの下、半導体４０６ｃの上、半導体４０６ｃの下のいずれか二箇所以上に、半導体４０６ａ、半導体４０６ｂおよび半導体４０６ｃとして例示した半導体のいずれか一を有するｎ層構造（ｎは５以上の整数）としても構わない。
＜酸化物半導体の構造について＞
以下では、酸化物半導体の構造について説明する。
以下では、酸化物半導体の構造について説明する。
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体とに分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、微結晶酸化物半導体、非晶質酸化物半導体などがある。
また別の観点では、酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体と、それ以外の結晶性酸化物半導体とに分けられる。結晶性酸化物半導体としては、単結晶酸化物半導体、ＣＡＡＣ−ＯＳ、多結晶酸化物半導体、微結晶酸化物半導体などがある。
＜ＣＡＡＣ−ＯＳ＞
まず、ＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。なお、ＣＡＡＣ−ＯＳを、ＣＡＮＣ（Ｃ−Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
まず、ＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。なお、ＣＡＡＣ−ＯＳを、ＣＡＮＣ（Ｃ−Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向した複数の結晶部（ペレットともいう。）を有する酸化物半導体の一つである。
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって、ＣＡＡＣ−ＯＳの明視野像と回折パターンとの複合解析像（高分解能ＴＥＭ像ともいう。）を観察すると、複数のペレットを確認することができる。一方、高分解能ＴＥＭ像ではペレット同士の境界、即ち結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を明確に確認することができない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳは、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。
以下では、ＴＥＭによって観察したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。図２４（Ａ）に、試料面と略平行な方向から観察したＣＡＡＣ−ＯＳの断面の高分解能ＴＥＭ像を示す。高分解能ＴＥＭ像の観察には、球面収差補正（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ Ｃｏｒｒｅｃｔｏｒ）機能を用いた。球面収差補正機能を用いた高分解能ＴＥＭ像を、特にＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像と呼ぶ。Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像の取得は、例えば、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡ＪＥＭ−ＡＲＭ２００Ｆなどによって行うことができる。
図２４（Ａ）の領域（１）を拡大したＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を図２４（Ｂ）に示す。図２４（Ｂ）より、ペレットにおいて、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層の配列は、ＣＡＡＣ−ＯＳの膜を形成する面（被形成面ともいう。）または上面の凹凸を反映しており、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面または上面と平行となる。
図２４（Ｂ）に示すように、ＣＡＡＣ−ＯＳは特徴的な原子配列を有する。図２４（Ｃ）は、特徴的な原子配列を、補助線で示したものである。図２４（Ｂ）および図２４（Ｃ）より、ペレット一つの大きさは１ｎｍ以上３ｎｍ以下程度であり、ペレットとペレットとの傾きにより生じる隙間の大きさは０．８ｎｍ程度であることがわかる。したがって、ペレットを、ナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）と呼ぶこともできる。
ここで、Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像をもとに、基板５１２０上のＣＡＡＣ−ＯＳのペレット５１００の配置を模式的に示すと、レンガまたはブロックが積み重なったような構造となる（図２４（Ｄ）参照。）。図２４（Ｃ）で観察されたペレットとペレットとの間で傾きが生じている箇所は、図２４（Ｄ）に示す領域５１６１に相当する。
また、図２５（Ａ）に、試料面と略垂直な方向から観察したＣＡＡＣ−ＯＳの平面のＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を示す。図２５（Ａ）の領域（１）、領域（２）および領域（３）を拡大したＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を、それぞれ図２５（Ｂ）、図２５（Ｃ）および図２５（Ｄ）に示す。図２５（Ｂ）、図２５（Ｃ）および図２５（Ｄ）より、ペレットは、金属原子が三角形状、四角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかしながら、異なるペレット間で、金属原子の配列に規則性は見られない。
次に、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって解析したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、図２６（Ａ）に示すように回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に帰属されることから、ＣＡＡＣ−ＯＳの結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳのｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析では、２θが３１°近傍のピークの他に、２θが３６°近傍にもピークが現れる場合がある。２θが３６°近傍のピークは、ＣＡＡＣ−ＯＳ中の一部に、ｃ軸配向性を有さない結晶が含まれることを示している。より好ましいＣＡＡＣ−ＯＳは、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析では、２θが３１°近傍にピークを示し、２θが３６°近傍にピークを示さない。
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳに対し、ｃ軸に略垂直な方向からＸ線を入射させるｉｎ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、２θが５６°近傍にピークが現れる。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（１１０）面に帰属される。ＣＡＡＣ−ＯＳの場合は、２θを５６°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸（φ軸）として試料を回転させながら分析（φスキャン）を行っても、図２６（Ｂ）に示すように明瞭なピークは現れない。これに対し、ＩｎＧａＺｎＯ４の単結晶酸化物半導体であれば、２θを５６°近傍に固定してφスキャンした場合、図２６（Ｃ）に示すように（１１０）面と等価な結晶面に帰属されるピークが６本観察される。したがって、ＸＲＤを用いた構造解析から、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ａ軸およびｂ軸の配向が不規則であることが確認できる。
次に、電子回折によって解析したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、試料面に平行にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させると、図２７（Ａ）に示すような回折パターン（制限視野透過電子回折パターンともいう。）が現れる場合がある。この回折パターンには、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に起因するスポットが含まれる。したがって、電子回折によっても、ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれるペレットがｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることがわかる。一方、同じ試料に対し、試料面に垂直にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させたときの回折パターンを図２７（Ｂ）に示す。図２７（Ｂ）より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、電子回折によっても、ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれるペレットのａ軸およびｂ軸は配向性を有さないことがわかる。なお、図２７（Ｂ）における第１リングは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（０１０）面および（１００）面などに起因すると考えられる。また、図２７（Ｂ）における第２リングは（１１０）面などに起因すると考えられる。
また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、欠陥準位密度の低い酸化物半導体である。酸化物半導体の欠陥としては、例えば、不純物に起因する欠陥や、酸素欠損などがある。したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳは、不純物濃度の低い酸化物半導体ということもできる。また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、酸素欠損の少ない酸化物半導体ということもできる。
酸化物半導体に含まれる不純物は、キャリアトラップとなる場合や、キャリア発生源となる場合がある。また、酸化物半導体中の酸素欠損は、キャリアトラップとなる場合や、水素を捕獲することによってキャリア発生源となる場合がある。
なお、不純物は、酸化物半導体の主成分以外の元素で、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などがある。例えば、シリコンなどの、酸化物半導体を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体から酸素を奪うことで酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径（または分子半径）が大きいため、酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。
また、欠陥準位密度の低い（酸素欠損が少ない）酸化物半導体は、キャリア密度を低くすることができる。そのような酸化物半導体を、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶ。ＣＡＡＣ−ＯＳは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い。即ち、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体となりやすい。したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳを用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性（ノーマリーオンともいう。）になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体は、キャリアトラップが少ない。酸化物半導体のキャリアトラップに捕獲された電荷は、放出するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、不純物濃度が高く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体を用いたトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。一方、ＣＡＡＣ−ＯＳを用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。
また、ＣＡＡＣ−ＯＳは欠陥準位密度が低いため、光の照射などによって生成されたキャリアが、欠陥準位に捕獲されることが少ない。したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳを用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。
＜微結晶酸化物半導体＞
次に、微結晶酸化物半導体について説明する。
次に、微結晶酸化物半導体について説明する。
微結晶酸化物半導体は、高分解能ＴＥＭ像において、結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。微結晶酸化物半導体に含まれる結晶部は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、または１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の大きさであることが多い。特に、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、または１ｎｍ以上３ｎｍ以下の微結晶であるナノ結晶を有する酸化物半導体を、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼ぶ。ｎｃ−ＯＳは、例えば、高分解能ＴＥＭ像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。なお、ナノ結晶は、ＣＡＡＣ−ＯＳにおけるペレットと起源を同じくする可能性がある。そのため、以下ではｎｃ−ＯＳの結晶部をペレットと呼ぶ場合がある。
ｎｃ−ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ−ＯＳは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、ｎｃ−ＯＳは、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。例えば、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットよりも大きい径のＸ線を用いるＸＲＤ装置を用いて構造解析を行うと、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットよりも大きいプローブ径（例えば５０ｎｍ以上）の電子線を用いる電子回折（制限視野電子回折ともいう。）を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットの大きさと近いかペレットより小さいプローブ径の電子線を用いるナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測される。また、ｎｃ−ＯＳに対しナノビーム電子回折を行うと、円を描くように（リング状に）輝度の高い領域が観測される場合がある。さらに、リング状の領域内に複数のスポットが観測される場合がある。
このように、ペレット（ナノ結晶）間では結晶方位が規則性を有さないことから、ｎｃ−ＯＳを、ＲＡＮＣ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｌｉｇｎｅｄ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体、またはＮＡＮＣ（Ｎｏｎ−Ａｌｉｇｎｅｄ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
ｎｃ−ＯＳは、非晶質酸化物半導体よりも規則性の高い酸化物半導体である。そのため、ｎｃ−ＯＳは、非晶質酸化物半導体よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、ｎｃ−ＯＳは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、ｎｃ−ＯＳは、ＣＡＡＣ−ＯＳと比べて欠陥準位密度が高くなる。
＜非晶質酸化物半導体＞
次に、非晶質酸化物半導体について説明する。
次に、非晶質酸化物半導体について説明する。
非晶質酸化物半導体は、膜中における原子配列が不規則であり、結晶部を有さない酸化物半導体である。石英のような無定形状態を有する酸化物半導体が一例である。
非晶質酸化物半導体は、高分解能ＴＥＭ像において結晶部を確認することができない。
非晶質酸化物半導体に対し、ＸＲＤ装置を用いた構造解析を行うと、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、非晶質酸化物半導体に対し、電子回折を行うと、ハローパターンが観測される。また、非晶質酸化物半導体に対し、ナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測されず、ハローパターンのみが観測される。
非晶質構造については、様々な見解が示されている。例えば、原子配列に全く秩序性を有さない構造を完全な非晶質構造（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）と呼ぶ場合がある。また、長距離秩序性を有さないが、ある原子から最近接原子または第２近接原子までの範囲において秩序性を有していてもよい構造を非晶質構造と呼ぶ場合もある。したがって、最も厳格な定義によれば、僅かでも原子配列に秩序性を有する酸化物半導体を非晶質酸化物半導体と呼ぶことはできない。また、少なくとも、長距離秩序性を有する酸化物半導体を非晶質酸化物半導体と呼ぶことはできない。よって、結晶部を有することから、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳおよびｎｃ−ＯＳを、非晶質酸化物半導体または完全な非晶質酸化物半導体と呼ぶことはできない。
＜非晶質ライク酸化物半導体＞
なお、酸化物半導体は、ｎｃ−ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する場合がある。そのような構造を有する酸化物半導体を、特に非晶質ライク酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼ぶ。
なお、酸化物半導体は、ｎｃ−ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する場合がある。そのような構造を有する酸化物半導体を、特に非晶質ライク酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼ぶ。
ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において鬆（ボイドともいう。）が観察される場合がある。また、高分解能ＴＥＭ像において、明確に結晶部を確認することのできる領域と、結晶部を確認することのできない領域と、を有する。
鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、不安定な構造である。以下では、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳが、ＣＡＡＣ−ＯＳおよびｎｃ−ＯＳと比べて不安定な構造であることを示すため、電子照射による構造の変化を示す。
電子照射を行う試料として、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ（試料Ａと表記する。）、ｎｃ−ＯＳ（試料Ｂと表記する。）およびＣＡＡＣ−ＯＳ（試料Ｃと表記する。）を準備する。いずれの試料もＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である。
まず、各試料の高分解能断面ＴＥＭ像を取得する。高分解能断面ＴＥＭ像により、各試料は、いずれも結晶部を有することがわかる。
なお、どの部分を一つの結晶部と見なすかの判定は、以下のように行えばよい。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の単位格子は、Ｉｎ−Ｏ層を３層有し、またＧａ−Ｚｎ−Ｏ層を６層有する、計９層がｃ軸方向に層状に重なった構造を有することが知られている。これらの近接する層同士の間隔は、（００９）面の格子面間隔（ｄ値ともいう。）と同程度であり、結晶構造解析からその値は０．２９ｎｍと求められている。したがって、格子縞の間隔が０．２８ｎｍ以上０．３０ｎｍ以下である箇所を、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶部と見なすことができる。なお、格子縞は、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶のａ−ｂ面に対応する。
図２８は、各試料の結晶部（２２箇所から４５箇所）の平均の大きさを調査した例である。ただし、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図２８より、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、電子の累積照射量に応じて結晶部が大きくなっていくことがわかる。具体的には、図２８中に（１）で示すように、ＴＥＭによる観察初期においては１．２ｎｍ程度の大きさだった結晶部（初期核ともいう。）が、累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２においては２．６ｎｍ程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳは、電子照射開始時から電子の累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２までの範囲で、結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。具体的には、図２８中の（２）および（３）で示すように、電子の累積照射量によらず、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳの結晶部の大きさは、それぞれ１．４ｎｍ程度および２．１ｎｍ程度であることがわかる。
このように、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、電子照射によって結晶部の成長が見られる場合がある。一方、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳは、電子照射による結晶部の成長がほとんど見られないことがわかる。即ち、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて、不安定な構造であることがわかる。
また、鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて密度の低い構造である。具体的には、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の７８．６％以上９２．３％未満となる。また、ｎｃ−ＯＳの密度およびＣＡＡＣ−ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の９２．３％以上１００％未満となる。単結晶の密度の７８％未満となる酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、菱面体晶構造を有する単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４の密度は６．３５７ｇ／ｃｍ３となる。よって、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳの密度は５．０ｇ／ｃｍ３以上５．９ｇ／ｃｍ３未満となる。また、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、ｎｃ−ＯＳの密度およびＣＡＡＣ−ＯＳの密度は５．９ｇ／ｃｍ３以上６．３ｇ／ｃｍ３未満となる。
なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合がある。その場合、任意の割合で組成の異なる単結晶を組み合わせることにより、所望の組成における単結晶に相当する密度を見積もることができる。所望の組成の単結晶に相当する密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して、加重平均を用いて見積もればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない種類の単結晶を組み合わせて見積もることが好ましい。
以上のように、酸化物半導体は、様々な構造をとり、それぞれが様々な特性を有する。なお、酸化物半導体は、例えば、非晶質酸化物半導体、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ、微結晶酸化物半導体、ＣＡＡＣ−ＯＳのうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態２で示したトランジスタとは一部形状の異なるトランジスタの作製方法について説明する。
本実施の形態では、実施の形態２で示したトランジスタとは一部形状の異なるトランジスタの作製方法について説明する。
＜トランジスタ２＞
図２９（Ａ）、図３０（Ａ）、図３１（Ａ）、図３２（Ａ）、図３３（Ａ）、図３４（Ａ）および図３５（Ａ）は、トランジスタの作製方法を説明する上面図である。各上面図には、一点鎖線Ｆ１−Ｆ２および一点鎖線Ｆ３−Ｆ４が記され、それに対応した断面図を図２９（Ｂ）、図３０（Ｂ）、図３１（Ｂ）、図３２（Ｂ）、図３３（Ｂ）、図３４（Ｂ）および図３５（Ｂ）に示す。
図２９（Ａ）、図３０（Ａ）、図３１（Ａ）、図３２（Ａ）、図３３（Ａ）、図３４（Ａ）および図３５（Ａ）は、トランジスタの作製方法を説明する上面図である。各上面図には、一点鎖線Ｆ１−Ｆ２および一点鎖線Ｆ３−Ｆ４が記され、それに対応した断面図を図２９（Ｂ）、図３０（Ｂ）、図３１（Ｂ）、図３２（Ｂ）、図３３（Ｂ）、図３４（Ｂ）および図３５（Ｂ）に示す。
まずは、基板５００を準備する。基板５００は、基板４００についての記載を参照する。
次に、導電体を成膜する。導電体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
次に、導電体上にレジストなどを形成し、該レジストを用いて加工し、導電体５１３を形成する。
次に、絶縁体を成膜する。絶縁体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
次に、絶縁体の上面から下面に向けて、基板５００の下面と平行な形状となるようにエッチングを行うことで、導電体５１３を露出させ、絶縁体５０３を形成する（図２９（Ａ）および図２９（Ｂ）参照。）。このような方法で絶縁体５０３を形成することで、導電体５１３の上面の高さと、絶縁体５０３の上面の高さと、を同程度にすることができる。したがって、後の工程における形状不良を抑制することができる。
次に、絶縁体５０２を成膜する（図３０（Ａ）および図３０（Ｂ）参照。）。絶縁体５０２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。絶縁体５０２は、絶縁体４０２についての記載を参照する。
次に、半導体５３６ａを成膜する。半導体５３６ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。半導体５３６ａは、半導体４０６ａとなる半導体についての記載を参照する。
次に、酸素を添加することにより、半導体５３６ａに過剰酸素を含ませてもよい。酸素の添加は、例えば、イオン注入法により、加速電圧を２ｋＶ以上１０ｋＶ以下とし、ドーズ量を５×１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上１×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下として行えばよい。
次に、半導体５３６ｂを成膜する。半導体５３６ｂの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。半導体５３６ｂは、半導体４０６ｂとなる半導体についての記載を参照する。なお、半導体５３６ａの成膜と、半導体５３６ｂの成膜と、を大気に暴露することなく連続で行うことで、膜中および界面への不純物の混入を低減することができる。
次に、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは４５０℃以上６００℃以下、さらに好ましくは５２０℃以上５７０℃以下で行えばよい。加熱処理は、不活性ガス雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。加熱処理によって、半導体５３６ａおよび半導体５３６ｂの結晶性を高めることや、水素や水などの不純物を除去することなどができる。
次に、導電体を成膜する。導電体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。導電体は、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂとなる導電体についての記載を参照する。
次に、導電体上にレジストなどを形成し、該レジストを用いて加工し、導電体５１６ａおよび導電体５１６ｂを形成する（図３１（Ａ）および図３１（Ｂ）参照。）。
次に、半導体５３６ｂ上にレジストなどを形成し、該レジスト、導電体５１６ａおよび導電体５１６ｂを用いて加工し、半導体５０６ｂおよび半導体５０６ａを形成する（図３２（Ａ）および図３２（Ｂ）参照。）。
なお、導電体５１６ａ、導電体５１６ｂ、半導体５０６ａおよび半導体５０６ｂの形成は、導電体を形成した後、以下に示す方法によって行っても構わない。
まず、導電体上にレジストなどを形成し、該レジストを用いて加工し、導電体５１６、半導体５０６ｂおよび半導体５０６ａを形成する（図３５（Ａ）および図３５（Ｂ）参照。）。このとき、半導体５０６ｂおよび半導体５０６ａは、レジストを除去してから導電体５１６を用いて加工してもよい。
次に、導電体５１６上にレジストなどを形成し、該レジストを用いて加工し、導電体５１６ａおよび導電体５１６ｂを形成する（図３２（Ａ）および図３２（Ｂ）参照。）。
次に、半導体５３６ｃを成膜する。半導体５３６ｃの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。半導体５３６ｃは、半導体４３６ｃについての記載を参照する。
次に、絶縁体５４２を成膜する。絶縁体５４２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。絶縁体５４２は、絶縁体４４２についての記載を参照する。
次に、導電体５３４を成膜する（図３３（Ａ）および図３３（Ｂ）参照。）。導電体５３４の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。導電体５３４は、導電体４３４についての記載を参照する。
次に、導電体５３４上にレジストなどを形成し、該レジストを用いて加工し、導電体５０４を形成する。また、該レジストまたは導電体５０４を用いて絶縁体５４２を加工し、絶縁体５１２を形成する。また、該レジスト、導電体５０４または絶縁体５４２を用いて半導体５３６ｃを加工し、半導体５０６ｃを形成する（図３４（Ａ）および図３４（Ｂ）参照。）。なお、ここでは半導体５０６ｃと絶縁体５１２と導電体５０４とが上面から見たときに同様の形状となるよう加工しているが、この形状に限定されるものではない。例えば、絶縁体５１２と導電体５０４とを別のレジストを用いて加工してもよい。例えば、絶縁体５１２を形成してから、導電体５０４となる導電体を成膜してもよいし、導電体５０４を形成した後で絶縁体５１２となる絶縁体上に別途レジストなどを形成してもよい。また、例えば、半導体５０６ｃが、隣接するトランジスタなどと繋がっていてもよい。
次に、絶縁体を成膜してもよい。絶縁体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。絶縁体は、好ましくは酸化アルミニウム、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。
絶縁体は、バリア層としての機能を有することが好ましい。絶縁体は、例えば、酸素または／および水素をブロックする機能を有する。または、絶縁体は、例えば、絶縁体５０２または絶縁体５１２よりも、酸素または／および水素をブロックする能力が高いことが好ましい。
以上の工程により、本発明の一態様に係るトランジスタを作製することができる。
図３４（Ｂ）に示すように、トランジスタはｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有する。また、導電体５０４および導電体５１３からの電界が、半導体５０６ｂの側面において導電体５１６ａおよび導電体５１６ｂなどによって阻害されにくい構造である。
なお、導電体５１３を形成しなくてもよい（図３６（Ａ）参照。）。また、絶縁体５１２、半導体５０６ｃが導電体５０４から迫り出した形状としてもよい（図３６（Ｂ）参照。）。また、絶縁体５４２、半導体５３６ｃを加工しなくてもよい（図３６（Ｃ）参照。）。また、Ｆ１−Ｆ２断面における導電体５１３の幅が、半導体５０６ｂよりも大きくてもよい（図３７（Ａ）参照。）。また、導電体５１３と導電体５０４とが開口部を介して接していてもよい（図３７（Ｂ）参照。）また、導電体５０４を設けなくてもよい（図３７（Ｃ）参照。）。
（実施の形態４）
本実施の形態では、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した半導体装置の回路の一例について説明する。
本実施の形態では、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した半導体装置の回路の一例について説明する。
＜ＣＭＯＳインバータ＞
図３８（Ａ）に示す回路図は、ｐチャネル型のトランジスタ２２００とｎチャネル型のトランジスタ２１００を直列に接続し、かつそれぞれのゲートを接続した、いわゆるＣＭＯＳインバータの構成を示している。ｎチャネル型のトランジスタ２１００には、酸化物半導体を有するトランジスタを用いることが好ましい。それによって、ＣＭＯＳインバータ回路における消費電力を低減させることができる。
図３８（Ａ）に示す回路図は、ｐチャネル型のトランジスタ２２００とｎチャネル型のトランジスタ２１００を直列に接続し、かつそれぞれのゲートを接続した、いわゆるＣＭＯＳインバータの構成を示している。ｎチャネル型のトランジスタ２１００には、酸化物半導体を有するトランジスタを用いることが好ましい。それによって、ＣＭＯＳインバータ回路における消費電力を低減させることができる。
＜ＣＭＯＳアナログスイッチ＞
また図３８（Ｂ）に示す回路図は、トランジスタ２１００とトランジスタ２２００のそれぞれのソースとドレインを接続した構成を示している。このような構成とすることで、いわゆるＣＭＯＳアナログスイッチとして機能させることができる。ｎチャネル型のトランジスタ２１００には、酸化物半導体を有するトランジスタを用いることが好ましい。
また図３８（Ｂ）に示す回路図は、トランジスタ２１００とトランジスタ２２００のそれぞれのソースとドレインを接続した構成を示している。このような構成とすることで、いわゆるＣＭＯＳアナログスイッチとして機能させることができる。ｎチャネル型のトランジスタ２１００には、酸化物半導体を有するトランジスタを用いることが好ましい。
＜半導体装置の構造１＞
図３９は、図３８（Ａ）に対応する半導体装置の断面図である。図３９に示す半導体装置は、トランジスタ２２００と、トランジスタ２１００と、を有する。また、トランジスタ２１００は、トランジスタ２２００の上方に配置する。なお、トランジスタ２１００として、図３４に示したトランジスタを用いた例を示しているが、本発明の一態様に係る半導体装置は、これに限定されるものではない。例えば、図２０、図２１、図２２、図３６または図３７などに示したトランジスタなどを、トランジスタ２１００として用いても構わない。よって、トランジスタ２１００については、適宜上述したトランジスタについての記載を参酌する。
図３９は、図３８（Ａ）に対応する半導体装置の断面図である。図３９に示す半導体装置は、トランジスタ２２００と、トランジスタ２１００と、を有する。また、トランジスタ２１００は、トランジスタ２２００の上方に配置する。なお、トランジスタ２１００として、図３４に示したトランジスタを用いた例を示しているが、本発明の一態様に係る半導体装置は、これに限定されるものではない。例えば、図２０、図２１、図２２、図３６または図３７などに示したトランジスタなどを、トランジスタ２１００として用いても構わない。よって、トランジスタ２１００については、適宜上述したトランジスタについての記載を参酌する。
図３９に示すトランジスタ２２００は、半導体基板４５０を用いたトランジスタである。トランジスタ２２００は、半導体基板４５０中の領域４７２ａと、半導体基板４５０中の領域４７２ｂと、絶縁体４６２と、導電体４５４と、を有する。
トランジスタ２２００において、領域４７２ａおよび領域４７２ｂは、ソース領域およびドレイン領域としての機能を有する。また、絶縁体４６２は、ゲート絶縁体としての機能を有する。また、導電体４５４は、ゲート電極としての機能を有する。したがって、導電体４５４に印加する電位によって、チャネル形成領域の抵抗を制御することができる。即ち、導電体４５４に印加する電位によって、領域４７２ａと領域４７２ｂとの間の導通・非導通を制御することができる。
半導体基板４５０としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などを用いればよい。好ましくは、半導体基板４５０として単結晶シリコン基板を用いる。
半導体基板４５０は、ｎ型の導電型を付与する不純物を有する半導体基板を用いる。ただし、半導体基板４５０として、ｐ型の導電型を付与する不純物を有する半導体基板を用いても構わない。その場合、トランジスタ２２００となる領域には、ｎ型の導電型を付与する不純物を有するウェルを配置すればよい。または、半導体基板４５０がｉ型であっても構わない。
半導体基板４５０の上面は、（１１０）面を有することが好ましい。こうすることで、トランジスタ２２００のオン特性を向上させることができる。
領域４７２ａおよび領域４７２ｂは、ｐ型の導電型を付与する不純物を有する領域である。このようにして、トランジスタ２２００はｐチャネル型トランジスタを構成する。
なお、トランジスタ２２００は、領域４６０などによって隣接するトランジスタと分離される。領域４６０は、絶縁性を有する領域である。
図３９に示す半導体装置は、絶縁体４６４と、絶縁体４６６と、絶縁体４６８と、導電体４８０ａと、導電体４８０ｂと、導電体４８０ｃと、導電体４７８ａと、導電体４７８ｂと、導電体４７８ｃと、導電体４７６ａと、導電体４７６ｂと、導電体４７４ａと、導電体４７４ｂと、導電体４７４ｃと、導電体４９６ａと、導電体４９６ｂと、導電体４９６ｃと、導電体４９６ｄと、導電体４９８ａと、導電体４９８ｂと、導電体４９８ｃと、絶縁体４９０と、絶縁体４９２と、絶縁体４９４と、を有する。
絶縁体４６４は、トランジスタ２２００上に配置する。また、絶縁体４６６は、絶縁体４６４上に配置する。また、絶縁体４６８は、絶縁体４６６上に配置する。また、絶縁体４９０は、絶縁体４６８上に配置する。また、トランジスタ２１００は、絶縁体４９０上に配置する。また、絶縁体４９２は、トランジスタ２１００上に配置する。また、絶縁体４９４は、絶縁体４９２上に配置する。
絶縁体４６４は、領域４７２ａに達する開口部と、領域４７２ｂに達する開口部と、導電体４５４に達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４８０ａ、導電体４８０ｂまたは導電体４８０ｃが埋め込まれている。
また、絶縁体４６６は、導電体４８０ａに達する開口部と、導電体４８０ｂに達する開口部と、導電体４８０ｃに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４７８ａ、導電体４７８ｂまたは導電体４７８ｃが埋め込まれている。
また、絶縁体４６８は、導電体４７８ｂに達する開口部と、導電体４７８ｃに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４７６ａまたは導電体４７６ｂが埋め込まれている。
また、絶縁体４９０は、トランジスタ２１００のチャネル形成領域と重なる開口部と、導電体４７６ａに達する開口部と、導電体４７６ｂに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４７４ａ、導電体４７４ｂまたは導電体４７４ｃが埋め込まれている。
導電体４７４ａは、トランジスタ２１００のゲート電極としての機能を有しても構わない。または、例えば、導電体４７４ａに一定の電位を印加することで、トランジスタ２１００のしきい値電圧などの電気特性を制御しても構わない。または、例えば、導電体４７４ａとトランジスタ２１００のゲート電極としての機能を有する導電体４０４とを電気的に接続しても構わない。こうすることで、トランジスタ２１００のオン電流を大きくすることができる。また、パンチスルー現象を抑制することができるため、トランジスタ２１００の飽和領域における電気特性を安定にすることができる。
また、絶縁体４９２は、トランジスタ２１００のソース電極またはドレイン電極の一方である導電体５１６ｂを通って、導電体４７４ｂに達する開口部と、トランジスタ２１００のソース電極またはドレイン電極の他方である導電体５１６ａに達する開口部と、トランジスタ２１００のゲート電極である導電体５０４に達する開口部と、導電体４７４ｃに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４９６ａ、導電体４９６ｂ、導電体４９６ｃまたは導電体４９６ｄが埋め込まれている。ただし、それぞれの開口部は、さらにトランジスタ２１００などの構成要素のいずれかが有する開口部を介する場合がある。
また、絶縁体４９４は、導電体４９６ａに達する開口部と、導電体４９６ｂおよび導電体４９６ｄに達する開口部と、導電体４９６ｃに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４９８ａ、導電体４９８ｂまたは導電体４９８ｃが埋め込まれている。
絶縁体４６４、絶縁体４６６、絶縁体４６８、絶縁体４９０、絶縁体４９２および絶縁体４９４としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体４０１としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。
絶縁体４６４、絶縁体４６６、絶縁体４６８、絶縁体４９０、絶縁体４９２または絶縁体４９４の一以上は、水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体を有することが好ましい。トランジスタ２１００の近傍に、水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体を配置することによって、トランジスタ２１００の電気特性を安定にすることができる。
水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。
導電体４８０ａ、導電体４８０ｂ、導電体４８０ｃ、導電体４７８ａ、導電体４７８ｂ、導電体４７８ｃ、導電体４７６ａ、導電体４７６ｂ、導電体４７４ａ、導電体４７４ｂ、導電体４７４ｃ、導電体４９６ａ、導電体４９６ｂ、導電体４９６ｃ、導電体４９６ｄ、導電体４９８ａ、導電体４９８ｂおよび導電体４９８ｃとしては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタル、白金、ストロンチウム、イリジウムおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。
なお、図４０に示す半導体装置は、図３９に示した半導体装置のトランジスタ２２００の構造が異なるのみである。よって、図４０に示す半導体装置については、図３９に示した半導体装置の記載を参酌する。具体的には、図４０に示す半導体装置は、トランジスタ２２００がＦｉｎ型である場合を示している。トランジスタ２２００をＦｉｎ型とすることにより、実効的なチャネル幅が増大し、それによりトランジスタ２２００のオン特性を向上させることができる。また、ゲート電極の電界の寄与を高くすることができるため、トランジスタ２２００のオフ特性を向上させることができる。
また、図４１に示す半導体装置は、図３９に示した半導体装置のトランジスタ２２００の構造が異なるのみである。よって、図４１に示す半導体装置については、図３９に示した半導体装置の記載を参酌する。具体的には、図４１に示す半導体装置は、トランジスタ２２００がＳＯＩ基板である半導体基板４５０に設けられた場合を示している。図４１には、絶縁体４５２によって領域４５６が半導体基板４５０と分離されている構造を示す。半導体基板４５０としてＳＯＩ基板を用いることによって、パンチスルー現象などを抑制することができるためトランジスタ２２００のオフ特性を向上させることができる。なお、絶縁体４５２は、半導体基板４５０を絶縁体化させることによって形成することができる。例えば、絶縁体４５２としては、酸化シリコンを用いることができる。
図３９乃至図４１に示した半導体装置は、半導体基板を用いてｐチャネル型トランジスタを作製し、その上方にｎチャネル型トランジスタを作製するため、素子の占有面積を縮小することができる。即ち、半導体装置の集積度を高くすることができる。また、ｎチャネル型トランジスタと、ｐチャネル型トランジスタとを同一の半導体基板を用いて作製した場合と比べて、工程を簡略化することができるため、半導体装置の生産性を高くすることができる。また、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、ｐチャネル型トランジスタは、ＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ Ｄｏｐｅｄ Ｄｒａｉｎ）領域、シャロートレンチ構造、歪み設計などの複雑な工程を省略できる場合がある。そのため、ｎチャネル型トランジスタを、半導体基板を用いて作製する場合と比べて、生産性および歩留まりを高くすることができる場合がある。
＜記憶装置１＞
本発明の一態様に係るトランジスタを用いた、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置（記憶装置）の一例を図４２に示す。
本発明の一態様に係るトランジスタを用いた、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置（記憶装置）の一例を図４２に示す。
図４２（Ａ）に示す半導体装置は、第１の半導体を用いたトランジスタ３２００と第２の半導体を用いたトランジスタ３３００、および容量素子３４００を有している。なお、トランジスタ３３００としては、上述したトランジスタを用いることができる。
トランジスタ３３００は、オフ電流の小さいトランジスタが好ましい。トランジスタ３３００は、例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタを用いることができる。トランジスタ３３００のオフ電流が小さいことにより、半導体装置の特定のノードに長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、またはリフレッシュ動作の頻度が極めて少なくすることが可能となるため、消費電力の低い半導体装置となる。
図４２（Ａ）において、第１の配線３００１はトランジスタ３２００のソースと電気的に接続され、第２の配線３００２はトランジスタ３２００のドレインと電気的に接続される。また、第３の配線３００３はトランジスタ３３００のソース、ドレインの一方と電気的に接続され、第４の配線３００４はトランジスタ３３００のゲートと電気的に接続されている。そして、トランジスタ３２００のゲート、およびトランジスタ３３００のソース、ドレインの他方は、容量素子３４００の電極の一方と電気的に接続され、第５の配線３００５は容量素子３４００の電極の他方と電気的に接続されている。
図４２（Ａ）に示す半導体装置は、トランジスタ３２００のゲートの電位が保持可能という特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第４の配線３００４の電位を、トランジスタ３３００が導通状態となる電位にして、トランジスタ３３００を導通状態とする。これにより、第３の配線３００３の電位が、トランジスタ３２００のゲート、および容量素子３４００の電極の一方と電気的に接続するノードＦＧに与えられる。即ち、トランジスタ３２００のゲートには、所定の電荷が与えられる（書き込み）。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷（以下Ｌｏｗレベル電荷、Ｈｉｇｈレベル電荷という。）のどちらかが与えられるものとする。その後、第４の配線３００４の電位を、トランジスタ３３００が非導通状態となる電位にして、トランジスタ３３００を非導通状態とすることにより、ノードＦＧに電荷が保持される（保持）。
トランジスタ３３００のオフ電流が小さいため、ノードＦＧの電荷は長期間にわたって保持される。
次に情報の読み出しについて説明する。第１の配線３００１に所定の電位（定電位）を与えた状態で、第５の配線３００５に適切な電位（読み出し電位）を与えると、第２の配線３００２は、ノードＦＧに保持された電荷量に応じた電位をとる。これは、トランジスタ３２００をｎチャネル型とすると、トランジスタ３２００のゲートにＨｉｇｈレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｈは、トランジスタ３２００のゲートにＬｏｗレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｌより低くなるためである。ここで、見かけ上のしきい値電圧とは、トランジスタ３２００を「導通状態」とするために必要な第５の配線３００５の電位をいうものとする。したがって、第５の配線３００５の電位をＶｔｈ＿ＨとＶｔｈ＿Ｌの間の電位Ｖ０とすることにより、ノードＦＧに与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、ノードＦＧにＨｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線３００５の電位がＶ０（＞Ｖｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ３２００は「導通状態」となる。一方、ノードＦＧにＬｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線３００５の電位がＶ０（＜Ｖｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ３２００は「非導通状態」のままである。このため、第２の配線３００２の電位を判別することで、ノードＦＧに保持されている情報を読み出すことができる。
なお、メモリセルをアレイ状に配置する場合、読み出し時には、所望のメモリセルの情報を読み出さなくてはならない。ほかのメモリセルの情報を読み出さないためには、ノードＦＧに与えられた電荷によらずトランジスタ３２００が「非導通状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｈより低い電位を第５の配線３００５に与えればよい。または、ノードＦＧに与えられた電荷によらずトランジスタ３２００が「導通状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｌより高い電位を第５の配線３００５に与えればよい。
＜記憶装置２＞
図４２（Ｂ）に示す半導体装置は、トランジスタ３２００を有さない点で図４２（Ａ）に示した半導体装置と異なる。この場合も図４２（Ａ）に示した半導体装置と同様の動作により情報の書き込みおよび保持動作が可能である。
図４２（Ｂ）に示す半導体装置は、トランジスタ３２００を有さない点で図４２（Ａ）に示した半導体装置と異なる。この場合も図４２（Ａ）に示した半導体装置と同様の動作により情報の書き込みおよび保持動作が可能である。
図４２（Ｂ）に示す半導体装置における、情報の読み出しについて説明する。トランジスタ３３００が導通状態になると、浮遊状態である第３の配線３００３と容量素子３４００とが導通し、第３の配線３００３と容量素子３４００の間で電荷が再分配される。その結果、第３の配線３００３の電位が変化する。第３の配線３００３の電位の変化量は、容量素子３４００の電極の一方の電位（または容量素子３４００に蓄積された電荷）によって、異なる値をとる。
例えば、容量素子３４００の電極の一方の電位をＶ、容量素子３４００の容量をＣ、第３の配線３００３が有する容量成分をＣＢ、電荷が再分配される前の第３の配線３００３の電位をＶＢ０とすると、電荷が再分配された後の第３の配線３００３の電位は、（ＣＢ×ＶＢ０＋ＣＶ）／（ＣＢ＋Ｃ）となる。したがって、メモリセルの状態として、容量素子３４００の電極の一方の電位がＶ１とＶ０（Ｖ１＞Ｖ０）の２つの状態をとるとすると、電位Ｖ１を保持している場合の第３の配線３００３の電位（＝（ＣＢ×ＶＢ０＋ＣＶ１）／（ＣＢ＋Ｃ））は、電位Ｖ０を保持している場合の第３の配線３００３の電位（＝（ＣＢ×ＶＢ０＋ＣＶ０）／（ＣＢ＋Ｃ））よりも高くなることがわかる。
そして、第３の配線３００３の電位を所定の電位と比較することで、情報を読み出すことができる。
この場合、メモリセルを駆動させるための駆動回路に上記第１の半導体が適用されたトランジスタを用い、トランジスタ３３００として第２の半導体が適用されたトランジスタを駆動回路上に積層して配置する構成とすればよい。
以上に示した半導体装置は、酸化物半導体を用いたオフ、電流の小さいトランジスタを適用することで、長期にわたって記憶内容を保持することが可能となる。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、またはリフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力の低い半導体装置を実現することができる。また、電力の供給がない場合（ただし、電位は固定されていることが好ましい）であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。
また、該半導体装置は、情報の書き込みに高い電圧が不要であるため、素子の劣化が起こりにくい。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行わないため、絶縁体の劣化といった問題が生じない。即ち、本発明の一態様に係る半導体装置は、従来の不揮発性メモリで問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上した半導体装置である。さらに、トランジスタの導通状態、非導通状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作が可能となる。
＜半導体装置の構造２＞
図４３は、図４２（Ａ）に対応する半導体装置の断面図である。図４３に示す半導体装置は、トランジスタ３２００と、トランジスタ３３００と、容量素子３４００と、を有する。また、トランジスタ３３００および容量素子３４００は、トランジスタ３２００の上方に配置する。なお、トランジスタ３３００としては、上述したトランジスタ２１００についての記載を参照する。また、トランジスタ３２００としては、図３９に示したトランジスタ２２００についての記載を参照する。なお、図３９では、トランジスタ２２００がｐチャネル型トランジスタである場合について説明したが、トランジスタ３２００がｎチャネル型トランジスタであっても構わない。
図４３は、図４２（Ａ）に対応する半導体装置の断面図である。図４３に示す半導体装置は、トランジスタ３２００と、トランジスタ３３００と、容量素子３４００と、を有する。また、トランジスタ３３００および容量素子３４００は、トランジスタ３２００の上方に配置する。なお、トランジスタ３３００としては、上述したトランジスタ２１００についての記載を参照する。また、トランジスタ３２００としては、図３９に示したトランジスタ２２００についての記載を参照する。なお、図３９では、トランジスタ２２００がｐチャネル型トランジスタである場合について説明したが、トランジスタ３２００がｎチャネル型トランジスタであっても構わない。
図４３に示すトランジスタ２２００は、半導体基板４５０を用いたトランジスタである。トランジスタ２２００は、半導体基板４５０中の領域４７２ａと、半導体基板４５０中の領域４７２ｂと、絶縁体４６２と、導電体４５４と、を有する。
図４３に示す半導体装置は、絶縁体４６４と、絶縁体４６６と、絶縁体４６８と、導電体４８０ａと、導電体４８０ｂと、導電体４８０ｃと、導電体４７８ａと、導電体４７８ｂと、導電体４７８ｃと、導電体４７６ａと、導電体４７６ｂと、導電体４７４ａと、導電体４７４ｂと、導電体４７４ｃと、導電体４９６ａと、導電体４９６ｂと、導電体４９６ｃと、導電体４９６ｄと、導電体４９８ａと、導電体４９８ｂと、導電体４９８ｃと、導電体４９８ｄと、絶縁体４９０と、絶縁体４９２と、絶縁体４９４と、を有する。
絶縁体４６４は、トランジスタ３２００上に配置する。また、絶縁体４６６は、絶縁体４６４上に配置する。また、絶縁体４６８は、絶縁体４６６上に配置する。また、絶縁体４９０は、絶縁体４６８上に配置する。また、トランジスタ２１００は、絶縁体４９０上に配置する。また、絶縁体４９２は、トランジスタ２１００上に配置する。また、絶縁体４９４は、絶縁体４９２上に配置する。
絶縁体４６４は、領域４７２ａに達する開口部と、領域４７２ｂに達する開口部と、導電体４５４に達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４８０ａ、導電体４８０ｂまたは導電体４８０ｃが埋め込まれている。
また、絶縁体４６６は、導電体４８０ａに達する開口部と、導電体４８０ｂに達する開口部と、導電体４８０ｃに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４７８ａ、導電体４７８ｂまたは導電体４７８ｃが埋め込まれている。
また、絶縁体４６８は、導電体４７８ｂに達する開口部と、導電体４７８ｃに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４７６ａまたは導電体４７６ｂが埋め込まれている。
また、絶縁体４９０は、トランジスタ３３００のチャネル形成領域と重なる開口部と、導電体４７６ａに達する開口部と、導電体４７６ｂに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４７４ａ、導電体４７４ｂまたは導電体４７４ｃが埋め込まれている。
導電体４７４ａは、トランジスタ３３００のボトムゲート電極としての機能を有しても構わない。または、例えば、導電体４７４ａに一定の電位を印加することで、トランジスタ３３００のしきい値電圧などの電気特性を制御しても構わない。または、例えば、導電体４７４ａとトランジスタ３３００のトップゲート電極である導電体４０４とを電気的に接続しても構わない。こうすることで、トランジスタ３３００のオン電流を大きくすることができる。また、パンチスルー現象を抑制することができるため、トランジスタ３３００の飽和領域における電気特性を安定にすることができる。
また、絶縁体４９２は、トランジスタ３３００のソース電極またはドレイン電極の一方である導電体５１６ｂを通って、導電体４７４ｂに達する開口部と、トランジスタ３３００のソース電極またはドレイン電極の他方である導電体５１６ａと絶縁体５１２を介して重なる導電体５１４に達する開口部と、トランジスタ３３００のゲート電極である導電体５０４に達する開口部と、トランジスタ３３００のソース電極またはドレイン電極の他方である導電体５１６ａを通って、導電体４７４ｃに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４９６ａ、導電体４９６ｂ、導電体４９６ｃまたは導電体４９６ｄが埋め込まれている。ただし、それぞれの開口部は、さらにトランジスタ３３００などの構成要素のいずれかが有する開口部を介する場合がある。
また、絶縁体４９４は、導電体４９６ａに達する開口部と、導電体４９６ｂに達する開口部と、導電体４９６ｃに達する開口部と、導電体４９６ｄに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４９８ａ、導電体４９８ｂ、導電体４９８ｃまたは導電体４９８ｄが埋め込まれている。
絶縁体４６４、絶縁体４６６、絶縁体４６８、絶縁体４９０、絶縁体４９２または絶縁体４９４の一以上は、水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体を有することが好ましい。トランジスタ３３００の近傍に、水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体を配置することによって、トランジスタ３３００の電気特性を安定にすることができる。
導電体４９８ａ、４９８ｂ、４９８ｃ、４９８ｄとしては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタル、白金、ストロンチウム、イリジウムおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。
トランジスタ３２００のソースまたはドレインは、導電体４８０ｂと、導電体４７８ｂと、導電体４７６ａと、導電体４７４ｂと、導電体４９６ｃと、を介してトランジスタ３３００のソース電極またはドレイン電極の一方である導電体５１６ｂと電気的に接続する。また、トランジスタ３２００のゲート電極である導電体４５４は、導電体４８０ｃと、導電体４７８ｃと、導電体４７６ｂと、導電体４７４ｃと、導電体４９６ｄと、を介してトランジスタ３３００のソース電極またはドレイン電極の他方である導電体５１６ａと電気的に接続する。
容量素子３４００は、トランジスタ３３００のソース電極またはドレイン電極の他方と電気的に接続する電極と、導電体５１４と、絶縁体５１１と、を有する。なお、絶縁体５１１は、トランジスタ３３００のゲート絶縁体として機能する絶縁体５１２と同一工程を経て形成できるため、生産性を高めることができて好ましい場合がある。また、導電体５１４として、トランジスタ３３００のゲート電極として機能する導電体５０４と同一工程を経て形成した層を用いると、生産性を高めることができて好ましい場合がある。
そのほかの構造については、適宜図３９などについての記載を参酌することができる。
なお、図４４に示す半導体装置は、図４３に示した半導体装置のトランジスタ３２００の構造が異なるのみである。よって、図４４に示す半導体装置については、図４３に示した半導体装置の記載を参酌する。具体的には、図４４に示す半導体装置は、トランジスタ３２００がＦｉｎ型である場合を示している。Ｆｉｎ型であるトランジスタ３２００については、図４０に示したトランジスタ２２００の記載を参照する。なお、図４０では、トランジスタ２２００がｐチャネル型トランジスタである場合について説明したが、トランジスタ３２００がｎチャネル型トランジスタであっても構わない。
また、図４５に示す半導体装置は、図４３に示した半導体装置のトランジスタ３２００の構造が異なるのみである。よって、図４５に示す半導体装置については、図４３に示した半導体装置の記載を参酌する。具体的には、図４５に示す半導体装置は、トランジスタ３２００がＳＯＩ基板である半導体基板４５０に設けられた場合を示している。ＳＯＩ基板である半導体基板４５０に設けられたトランジスタ３２００については、図４１に示したトランジスタ２２００の記載を参照する。なお、図４１では、トランジスタ２２００がｐチャネル型トランジスタである場合について説明したが、トランジスタ３２００がｎチャネル型トランジスタであっても構わない。
＜撮像装置＞
以下では、本発明の一態様に係る撮像装置について説明する。
以下では、本発明の一態様に係る撮像装置について説明する。
図４６（Ａ）は、本発明の一態様に係る撮像装置２００の例を示す平面図である。撮像装置２００は、画素部２１０と、画素部２１０を駆動するための周辺回路２６０と、周辺回路２７０、周辺回路２８０と、周辺回路２９０と、を有する。画素部２１０は、ｐ行ｑ列（ｐおよびｑは２以上の整数）のマトリクス状に配置された複数の画素２１１を有する。周辺回路２６０、周辺回路２７０、周辺回路２８０および周辺回路２９０は、それぞれ複数の画素２１１に接続し、複数の画素２１１を駆動するための信号を供給する機能を有する。なお、本明細書等において、周辺回路２６０、周辺回路２７０、周辺回路２８０および周辺回路２９０などの全てを指して「周辺回路」または「駆動回路」と呼ぶ場合がある。例えば、周辺回路２６０は周辺回路の一部といえる。
また、撮像装置２００は、光源２９１を有することが好ましい。光源２９１は、検出光Ｐ１を放射することができる。
また、周辺回路は、少なくとも、論理回路、スイッチ、バッファ、増幅回路、または変換回路の１つを有する。また、周辺回路は、画素部２１０を形成する基板上に形成してもよい。また、周辺回路は、その一部または全部をＩＣ等の半導体装置を用いてもよい。なお、周辺回路は、周辺回路２６０、周辺回路２７０、周辺回路２８０および周辺回路２９０のいずれか一以上を省略してもよい。
また、図４６（Ｂ）に示すように、撮像装置２００が有する画素部２１０において、画素２１１を傾けて配置してもよい。画素２１１を傾けて配置することにより、行方向および列方向の画素間隔（ピッチ）を短くすることができる。これにより、撮像装置２００における撮像の品質をより高めることができる。
＜画素の構成例１＞
撮像装置２００が有する１つの画素２１１を複数の副画素２１２で構成し、それぞれの副画素２１２に特定の波長帯域の光を透過するフィルタ（カラーフィルタ）を組み合わせることで、カラー画像表示を実現するための情報を取得することができる。
撮像装置２００が有する１つの画素２１１を複数の副画素２１２で構成し、それぞれの副画素２１２に特定の波長帯域の光を透過するフィルタ（カラーフィルタ）を組み合わせることで、カラー画像表示を実現するための情報を取得することができる。
図４７（Ａ）は、カラー画像を取得するための画素２１１の一例を示す平面図である。図４７（Ａ）に示す画素２１１は、赤（Ｒ）の波長帯域を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２（以下、「副画素２１２Ｒ」ともいう）、緑（Ｇ）の波長帯域を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２（以下、「副画素２１２Ｇ」ともいう）および青（Ｂ）の波長帯域を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２（以下、「副画素２１２Ｂ」ともいう）を有する。副画素２１２は、フォトセンサとして機能させることができる。
副画素２１２（副画素２１２Ｒ、副画素２１２Ｇ、および副画素２１２Ｂ）は、配線２３１、配線２４７、配線２４８、配線２４９、配線２５０と電気的に接続される。また、副画素２１２Ｒ、副画素２１２Ｇ、および副画素２１２Ｂは、それぞれが独立した配線２５３に接続している。また、本明細書等において、例えばｎ行目の画素２１１に接続された配線２４８および配線２４９を、それぞれ配線２４８［ｎ］および配線２４９［ｎ］と記載する。また、例えばｍ列目の画素２１１に接続された配線２５３を、配線２５３［ｍ］と記載する。なお、図４７（Ａ）において、ｍ列目の画素２１１が有する副画素２１２Ｒに接続する配線２５３を配線２５３［ｍ］Ｒ、副画素２１２Ｇに接続する配線２５３を配線２５３［ｍ］Ｇ、および副画素２１２Ｂに接続する配線２５３を配線２５３［ｍ］Ｂと記載している。副画素２１２は、上記配線を介して周辺回路と電気的に接続される。
また、撮像装置２００は、隣接する画素２１１の、同じ波長帯域を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２同士がスイッチを介して電気的に接続する構成を有する。図４７（Ｂ）に、ｎ行（ｎは１以上ｐ以下の整数）ｍ列（ｍは１以上ｑ以下の整数）に配置された画素２１１が有する副画素２１２と、該画素２１１に隣接するｎ＋１行ｍ列に配置された画素２１１が有する副画素２１２の接続例を示す。図４７（Ｂ）において、ｎ行ｍ列に配置された副画素２１２Ｒと、ｎ＋１行ｍ列に配置された副画素２１２Ｒがスイッチ２０１を介して接続されている。また、ｎ行ｍ列に配置された副画素２１２Ｇと、ｎ＋１行ｍ列に配置された副画素２１２Ｇがスイッチ２０２を介して接続されている。また、ｎ行ｍ列に配置された副画素２１２Ｂと、ｎ＋１行ｍ列に配置された副画素２１２Ｂがスイッチ２０３を介して接続されている。
なお、副画素２１２に用いるカラーフィルタは、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）に限定されず、それぞれシアン（Ｃ）、黄（Ｙ）およびマゼンダ（Ｍ）の光を透過するカラーフィルタを用いてもよい。１つの画素２１１に３種類の異なる波長帯域の光を検出する副画素２１２を設けることで、フルカラー画像を取得することができる。
または、それぞれ赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２に加えて、黄（Ｙ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２を有する画素２１１を用いてもよい。または、それぞれシアン（Ｃ）、黄（Ｙ）およびマゼンダ（Ｍ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２に加えて、青（Ｂ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２を有する画素２１１を用いてもよい。１つの画素２１１に４種類の異なる波長帯域の光を検出する副画素２１２を設けることで、取得した画像の色の再現性をさらに高めることができる。
また、例えば、図４７（Ａ）において、赤の波長帯域を検出する副画素２１２、緑の波長帯域を検出する副画素２１２、および青の波長帯域を検出する副画素２１２の画素数比（または受光面積比）は、１：１：１でなくても構わない。例えば、画素数比（受光面積比）を赤：緑：青＝１：２：１とするＢａｙｅｒ配列としてもよい。または、画素数比（受光面積比）を赤：緑：青＝１：６：１としてもよい。
なお、画素２１１に設ける副画素２１２は１つでもよいが、２つ以上が好ましい。例えば、同じ波長帯域を検出する副画素２１２を２つ以上設けることで、冗長性を高め、撮像装置２００の信頼性を高めることができる。
また、可視光を吸収または反射して、赤外光を透過するＩＲ（ＩＲ：Ｉｎｆｒａｒｅｄ）フィルタを用いることで、赤外光を検出する撮像装置２００を実現することができる。
また、ＮＤ（ＮＤ：Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタ（減光フィルタ）を用いることで、光電変換素子（受光素子）に大光量光が入射した時に生じる出力飽和することを防ぐことができる。減光量の異なるＮＤフィルタを組み合わせて用いることで、撮像装置のダイナミックレンジを大きくすることができる。
また、前述したフィルタ以外に、画素２１１にレンズを設けてもよい。ここで、図４８の断面図を用いて、画素２１１、フィルタ２５４、レンズ２５５の配置例を説明する。レンズ２５５を設けることで、光電変換素子が入射光を効率よく受光することができる。具体的には、図４８（Ａ）に示すように、画素２１１に形成したレンズ２５５、フィルタ２５４（フィルタ２５４Ｒ、フィルタ２５４Ｇおよびフィルタ２５４Ｂ）、および画素回路２３０等を通して光２５６を光電変換素子２２０に入射させる構造とすることができる。
ただし、一点鎖線で囲んだ領域に示すように、矢印で示す光２５６の一部が配線２５７の一部によって遮光されてしまうことがある。したがって、図４８（Ｂ）に示すように光電変換素子２２０側にレンズ２５５およびフィルタ２５４を配置して、光電変換素子２２０が光２５６を効率良く受光させる構造が好ましい。光電変換素子２２０側から光２５６を光電変換素子２２０に入射させることで、検出感度の高い撮像装置２００を提供することができる。
図４８に示す光電変換素子２２０として、ｐｎ型接合またはｐｉｎ型の接合が形成された光電変換素子を用いてもよい。
また、光電変換素子２２０を、放射線を吸収して電荷を発生させる機能を有する物質を用いて形成してもよい。放射線を吸収して電荷を発生させる機能を有する物質としては、セレン、ヨウ化鉛、ヨウ化水銀、ヒ化ガリウム、テルル化カドミウム、カドミウム亜鉛合金等がある。
例えば、光電変換素子２２０にセレンを用いると、可視光や、紫外光、赤外光に加えて、Ｘ線や、ガンマ線といった幅広い波長帯域にわたって光吸収係数を有する光電変換素子２２０を実現できる。
ここで、撮像装置２００が有する１つの画素２１１は、図４７に示す副画素２１２に加えて、第１のフィルタを有する副画素２１２を有してもよい。
＜画素の構成例２＞
以下では、シリコンを用いたトランジスタと、酸化物半導体を用いたトランジスタと、を用いて画素を構成する一例について説明する。
以下では、シリコンを用いたトランジスタと、酸化物半導体を用いたトランジスタと、を用いて画素を構成する一例について説明する。
図４９（Ａ）、図４９（Ｂ）は、撮像装置を構成する素子の断面図である。図４９（Ａ）に示す撮像装置は、シリコン基板３００に設けられたシリコンを用いたトランジスタ３５１、トランジスタ３５１上に積層して配置された酸化物半導体を用いたトランジスタ３５２およびトランジスタ３５３、ならびにシリコン基板３００に設けられたフォトダイオード３６０を含む。各トランジスタおよびフォトダイオード３６０は、種々のプラグ３７０および配線３７１と電気的な接続を有する。また、フォトダイオード３６０のアノード３６１は、低抵抗領域３６３を介してプラグ３７０と電気的に接続を有する。
また撮像装置は、シリコン基板３００に設けられたトランジスタ３５１およびフォトダイオード３６０を有する層３１０と、層３１０と接して設けられ、配線３７１を有する層３２０と、層３２０と接して設けられ、トランジスタ３５２およびトランジスタ３５３を有する層３３０と、層３３０と接して設けられ、配線３７２および配線３７３を有する層３４０を備えている。
なお図４９（Ａ）の断面図の一例では、シリコン基板３００において、トランジスタ３５１が形成された面とは逆側の面にフォトダイオード３６０の受光面を有する構成とする。該構成とすることで、各種トランジスタや配線などの影響を受けずに光路を確保することができる。そのため、高開口率の画素を形成することができる。なお、フォトダイオード３６０の受光面をトランジスタ３５１が形成された面と同じとすることもできる。
なお、酸化物半導体を用いたトランジスタのみを用いて画素を構成する場合には、層３１０を、酸化物半導体を用いたトランジスタを有する層とすればよい。または層３１０を省略し、酸化物半導体を用いたトランジスタのみで画素を構成してもよい。
なおシリコンを用いたトランジスタのみを用いて画素を構成する場合には、層３３０を省略すればよい。層３３０を省略した断面図の一例を図４９（Ｂ）に示す。
なお、シリコン基板３００は、ＳＯＩ基板であってもよい。また、シリコン基板３００に替えて、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ヒ化ガリウム、ヒ化アルミニウムガリウム、リン化インジウム、窒化ガリウムまたは有機半導体を有する基板を用いることもできる。
ここで、トランジスタ３５１およびフォトダイオード３６０を有する層３１０と、トランジスタ３５２およびトランジスタ３５３を有する層３３０と、の間には絶縁体３８０が設けられる。ただし、絶縁体３８０の位置は限定されない。
トランジスタ３５１のチャネル形成領域近傍に設けられる絶縁体中の水素はシリコンのダングリングボンドを終端し、トランジスタ３５１の信頼性を向上させる効果がある。一方、トランジスタ３５２およびトランジスタ３５３などの近傍に設けられる絶縁体中の水素は、酸化物半導体中にキャリアを生成する要因の一つとなる。そのため、トランジスタ３５２およびトランジスタ３５３などの信頼性を低下させる要因となる場合がある。したがって、シリコン系半導体を用いたトランジスタの上層に酸化物半導体を用いたトランジスタを積層して設ける場合、これらの間に水素をブロックする機能を有する絶縁体３８０を設けることが好ましい。絶縁体３８０より下層に水素を閉じ込めることで、トランジスタ３５１の信頼性が向上させることができる。さらに、絶縁体３８０より下層から、絶縁体３８０より上層に水素が拡散することを抑制できるため、トランジスタ３５２およびトランジスタ３５３などの信頼性を向上させることができる。
絶縁体３８０としては、例えば、酸素または水素をブロックする機能を有する絶縁体を用いる。
また、図４９（Ａ）の断面図において、層３１０に設けるフォトダイオード３６０と、層３３０に設けるトランジスタとを重なるように形成することができる。そうすると、画素の集積度を高めることができる。すなわち、撮像装置の解像度を高めることができる。
また、図５０（Ａ１）および図５０（Ｂ１）に示すように、撮像装置の一部または全部を湾曲させてもよい。図５０（Ａ１）は、撮像装置を同図中の一点鎖線Ｘ１−Ｘ２の方向に湾曲させた状態を示している。図５０（Ａ２）は、図５０（Ａ１）中の一点鎖線Ｘ１−Ｘ２で示した部位の断面図である。図５０（Ａ３）は、図５０（Ａ１）中の一点鎖線Ｙ１−Ｙ２で示した部位の断面図である。
図５０（Ｂ１）は、撮像装置を同図中の一点鎖線Ｘ３−Ｘ４の方向に湾曲させ、かつ、同図中の一点鎖線Ｙ３−Ｙ４の方向に湾曲させた状態を示している。図５０（Ｂ２）は、図５０（Ｂ１）中の一点鎖線Ｘ３−Ｘ４で示した部位の断面図である。図５０（Ｂ３）は、図５０（Ｂ１）中の一点鎖線Ｙ３−Ｙ４で示した部位の断面図である。
撮像装置を湾曲させることで、像面湾曲や非点収差を低減することができる。よって、撮像装置と組み合わせて用いるレンズなどの光学設計を容易とすることができる。例えば、収差補正のためのレンズ枚数を低減できるため、撮像装置を用いた電子機器などの小型化や軽量化を実現することができる。また、撮像された画像の品質を向上させる事ができる。
＜ＣＰＵ＞
以下では、上述したトランジスタや上述した記憶装置などの半導体装置を含むＣＰＵについて説明する。
以下では、上述したトランジスタや上述した記憶装置などの半導体装置を含むＣＰＵについて説明する。
図５１は、上述したトランジスタを一部に用いたＣＰＵの一例の構成を示すブロック図である。
図５１に示すＣＰＵは、基板１１９０上に、ＡＬＵ１１９１（ＡＬＵ：Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ ｌｏｇｉｃ ｕｎｉｔ、演算回路）、ＡＬＵコントローラ１１９２、インストラクションデコーダ１１９３、インタラプトコントローラ１１９４、タイミングコントローラ１１９５、レジスタ１１９６、レジスタコントローラ１１９７、バスインターフェース１１９８、書き換え可能なＲＯＭ１１９９、およびＲＯＭインターフェース１１８９を有している。基板１１９０は、半導体基板、ＳＯＩ基板、ガラス基板などを用いる。ＲＯＭ１１９９およびＲＯＭインターフェース１１８９は、別チップに設けてもよい。もちろん、図５１に示すＣＰＵは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際のＣＰＵはその用途によって多種多様な構成を有している。例えば、図５１に示すＣＰＵまたは演算回路を含む構成を一つのコアとし、当該コアを複数含み、それぞれのコアが並列で動作するような構成としてもよい。また、ＣＰＵが内部演算回路やデータバスで扱えるビット数は、例えば８ビット、１６ビット、３２ビット、６４ビットなどとすることができる。
バスインターフェース１１９８を介してＣＰＵに入力された命令は、インストラクションデコーダ１１９３に入力され、デコードされた後、ＡＬＵコントローラ１１９２、インタラプトコントローラ１１９４、レジスタコントローラ１１９７、タイミングコントローラ１１９５に入力される。
ＡＬＵコントローラ１１９２、インタラプトコントローラ１１９４、レジスタコントローラ１１９７、タイミングコントローラ１１９５は、デコードされた命令に基づき、各種制御を行なう。具体的にＡＬＵコントローラ１１９２は、ＡＬＵ１１９１の動作を制御するための信号を生成する。また、インタラプトコントローラ１１９４は、ＣＰＵのプログラム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク状態から判断し、処理する。レジスタコントローラ１１９７は、レジスタ１１９６のアドレスを生成し、ＣＰＵの状態に応じてレジスタ１１９６の読み出しや書き込みを行なう。
また、タイミングコントローラ１１９５は、ＡＬＵ１１９１、ＡＬＵコントローラ１１９２、インストラクションデコーダ１１９３、インタラプトコントローラ１１９４、およびレジスタコントローラ１１９７の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタイミングコントローラ１１９５は、基準クロック信号を元に、内部クロック信号を生成する内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号を上記各種回路に供給する。
図５１に示すＣＰＵでは、レジスタ１１９６に、メモリセルが設けられている。レジスタ１１９６のメモリセルとして、上述したトランジスタや記憶装置などを用いることができる。
図５１に示すＣＰＵにおいて、レジスタコントローラ１１９７は、ＡＬＵ１１９１からの指示に従い、レジスタ１１９６における保持動作の選択を行う。即ち、レジスタ１１９６が有するメモリセルにおいて、フリップフロップによるデータの保持を行うか、容量素子によるデータの保持を行うかを、選択する。フリップフロップによるデータの保持が選択されている場合、レジスタ１１９６内のメモリセルへの、電源電圧の供給が行われる。容量素子におけるデータの保持が選択されている場合、容量素子へのデータの書き換えが行われ、レジスタ１１９６内のメモリセルへの電源電圧の供給を停止することができる。
図５２は、レジスタ１１９６として用いることのできる記憶素子１２００の回路図の一例である。記憶素子１２００は、電源遮断で記憶データが揮発する回路１２０１と、電源遮断で記憶データが揮発しない回路１２０２と、スイッチ１２０３と、スイッチ１２０４と、論理素子１２０６と、容量素子１２０７と、選択機能を有する回路１２２０と、を有する。回路１２０２は、容量素子１２０８と、トランジスタ１２０９と、トランジスタ１２１０と、を有する。なお、記憶素子１２００は、必要に応じて、ダイオード、抵抗素子、インダクタなどのその他の素子をさらに有していてもよい。
ここで、回路１２０２には、上述した記憶装置を用いることができる。記憶素子１２００への電源電圧の供給が停止した際、回路１２０２のトランジスタ１２０９のゲートにはＧＮＤ（０Ｖ）、またはトランジスタ１２０９がオフする電位が入力され続ける構成とする。例えば、トランジスタ１２０９のゲートが抵抗等の負荷を介して接地される構成とする。
スイッチ１２０３は、一導電型（例えば、ｎチャネル型）のトランジスタ１２１３を用いて構成され、スイッチ１２０４は、一導電型とは逆の導電型（例えば、ｐチャネル型）のトランジスタ１２１４を用いて構成した例を示す。ここで、スイッチ１２０３の第１の端子はトランジスタ１２１３のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ１２０３の第２の端子はトランジスタ１２１３のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ１２０３はトランジスタ１２１３のゲートに入力される制御信号ＲＤによって、第１の端子と第２の端子の間の導通または非導通（つまり、トランジスタ１２１３の導通状態または非導通状態）が選択される。スイッチ１２０４の第１の端子はトランジスタ１２１４のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ１２０４の第２の端子はトランジスタ１２１４のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ１２０４はトランジスタ１２１４のゲートに入力される制御信号ＲＤによって、第１の端子と第２の端子の間の導通または非導通（つまり、トランジスタ１２１４の導通状態または非導通状態）が選択される。
トランジスタ１２０９のソースとドレインの一方は、容量素子１２０８の一対の電極のうちの一方、およびトランジスタ１２１０のゲートと電気的に接続される。ここで、接続部分をノードＭ２とする。トランジスタ１２１０のソースとドレインの一方は、低電源電位を供給することのできる配線（例えばＧＮＤ線）に電気的に接続され、他方は、スイッチ１２０３の第１の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの一方）と電気的に接続される。スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）はスイッチ１２０４の第１の端子（トランジスタ１２１４のソースとドレインの一方）と電気的に接続される。スイッチ１２０４の第２の端子（トランジスタ１２１４のソースとドレインの他方）は電源電位ＶＤＤを供給することのできる配線と電気的に接続される。スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）と、スイッチ１２０４の第１の端子（トランジスタ１２１４のソースとドレインの一方）と、論理素子１２０６の入力端子と、容量素子１２０７の一対の電極のうちの一方と、は電気的に接続される。ここで、接続部分をノードＭ１とする。容量素子１２０７の一対の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位（ＧＮＤ等）または高電源電位（ＶＤＤ等）が入力される構成とすることができる。容量素子１２０７の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線（例えばＧＮＤ線）と電気的に接続される。容量素子１２０８の一対の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位（ＧＮＤ等）または高電源電位（ＶＤＤ等）が入力される構成とすることができる。容量素子１２０８の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線（例えばＧＮＤ線）と電気的に接続される。
なお、容量素子１２０７および容量素子１２０８は、トランジスタや配線の寄生容量等を積極的に利用することによって省略することも可能である。
トランジスタ１２０９のゲートには、制御信号ＷＥが入力される。スイッチ１２０３およびスイッチ１２０４は、制御信号ＷＥとは異なる制御信号ＲＤによって第１の端子と第２の端子の間の導通状態または非導通状態を選択され、一方のスイッチの第１の端子と第２の端子の間が導通状態のとき他方のスイッチの第１の端子と第２の端子の間は非導通状態となる。
トランジスタ１２０９のソースとドレインの他方には、回路１２０１に保持されたデータに対応する信号が入力される。図５２では、回路１２０１から出力された信号が、トランジスタ１２０９のソースとドレインの他方に入力される例を示した。スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）から出力される信号は、論理素子１２０６によってその論理値が反転された反転信号となり、回路１２２０を介して回路１２０１に入力される。
なお、図５２では、スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）から出力される信号は、論理素子１２０６および回路１２２０を介して回路１２０１に入力する例を示したがこれに限定されない。スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）から出力される信号が、論理値を反転させられることなく、回路１２０１に入力されてもよい。例えば、回路１２０１内に、入力端子から入力された信号の論理値が反転した信号が保持されるノードが存在する場合に、スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）から出力される信号を当該ノードに入力することができる。
また、図５２において、記憶素子１２００に用いられるトランジスタのうち、トランジスタ１２０９以外のトランジスタは、酸化物半導体以外の半導体でなる膜または基板１１９０にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。例えば、シリコン膜またはシリコン基板にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。また、記憶素子１２００に用いられるトランジスタ全てを、チャネルが酸化物半導体で形成されるトランジスタとすることもできる。または、記憶素子１２００は、トランジスタ１２０９以外にも、チャネルが酸化物半導体で形成されるトランジスタを含んでいてもよく、残りのトランジスタは酸化物半導体以外の半導体でなる層または基板１１９０にチャネルが形成されるトランジスタとすることもできる。
図５２における回路１２０１には、例えばフリップフロップ回路を用いることができる。また、論理素子１２０６としては、例えばインバータやクロックドインバータ等を用いることができる。
本発明の一態様に係る半導体装置では、記憶素子１２００に電源電圧が供給されない間は、回路１２０１に記憶されていたデータを、回路１２０２に設けられた容量素子１２０８によって保持することができる。
また、酸化物半導体にチャネルが形成されるトランジスタはオフ電流が極めて小さい。例えば、酸化物半導体にチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流は、結晶性を有するシリコンにチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流に比べて著しく低い。そのため、当該トランジスタをトランジスタ１２０９として用いることによって、記憶素子１２００に電源電圧が供給されない間も容量素子１２０８に保持された信号は長期間にわたり保たれる。こうして、記憶素子１２００は電源電圧の供給が停止した間も記憶内容（データ）を保持することが可能である。
また、スイッチ１２０３およびスイッチ１２０４を設けることによって、プリチャージ動作を行うことを特徴とする記憶素子であるため、電源電圧供給再開後に、回路１２０１が元のデータを保持しなおすまでの時間を短くすることができる。
また、回路１２０２において、容量素子１２０８によって保持された信号はトランジスタ１２１０のゲートに入力される。そのため、記憶素子１２００への電源電圧の供給が再開された後、容量素子１２０８によって保持された信号を、トランジスタ１２１０の状態（導通状態、または非導通状態）に変換して、回路１２０２から読み出すことができる。それ故、容量素子１２０８に保持された信号に対応する電位が多少変動していても、元の信号を正確に読み出すことが可能である。
このような記憶素子１２００を、プロセッサが有するレジスタやキャッシュメモリなどの記憶装置に用いることで、電源電圧の供給停止による記憶装置内のデータの消失を防ぐことができる。また、電源電圧の供給を再開した後、短時間で電源供給停止前の状態に復帰することができる。よって、プロセッサ全体、もしくはプロセッサを構成する一つ、または複数の論理回路において、短い時間でも電源停止を行うことができるため、消費電力を抑えることができる。
記憶素子１２００をＣＰＵに用いる例として説明したが、記憶素子１２００は、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、カスタムＬＳＩ、ＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）等のＬＳＩ、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）デバイスにも応用可能である。
（実施の形態５）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を有する表示装置について、図５３を用いて説明を行う。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を有する表示装置について、図５３を用いて説明を行う。
＜表示装置に関する説明＞
図５３（Ａ）に示す表示装置は、表示素子の画素を有する領域（以下、画素部１５０２という）と、画素部１５０２の外側に配置され、画素を駆動するための回路を有する回路部（以下、駆動回路部１５０４という）と、素子の保護機能を有する回路（以下、保護回路５０６という）と、端子部５０７と、を有する。なお、保護回路５０６は、設けない構成としてもよい。
図５３（Ａ）に示す表示装置は、表示素子の画素を有する領域（以下、画素部１５０２という）と、画素部１５０２の外側に配置され、画素を駆動するための回路を有する回路部（以下、駆動回路部１５０４という）と、素子の保護機能を有する回路（以下、保護回路５０６という）と、端子部５０７と、を有する。なお、保護回路５０６は、設けない構成としてもよい。
駆動回路部１５０４の一部、または全部は、画素部１５０２と同一基板上に形成されていることが望ましい。これにより、部品数や端子数を減らすことが出来る。駆動回路部１５０４の一部、または全部が、画素部１５０２と同一基板上に形成されていない場合には、駆動回路部１５０４の一部、または全部は、ＣＯＧやＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって、実装することができる。
画素部１５０２は、Ｘ行（Ｘは２以上の自然数）Ｙ列（Ｙは２以上の自然数）に配置された複数の表示素子を駆動するための回路（以下、画素回路５０１という）を有し、駆動回路部１５０４は、画素を選択する信号（走査信号）を出力する回路（以下、ゲートドライバ１５０４ａという）、画素の表示素子を駆動するための信号（データ信号）を供給するための回路（以下、ソースドライバ１５０４ｂ）などの駆動回路を有する。
ゲートドライバ１５０４ａは、シフトレジスタ等を有する。ゲートドライバ１５０４ａは、端子部５０７を介して、シフトレジスタを駆動するための信号が入力され、信号を出力する。例えば、ゲートドライバ１５０４ａは、スタートパルス信号、クロック信号等が入力され、パルス信号を出力する。ゲートドライバ１５０４ａは、走査信号が与えられる配線（以下、走査線ＧＬ＿１乃至ＧＬ＿Ｘという）の電位を制御する機能を有する。なお、ゲートドライバ１５０４ａを複数設け、複数のゲートドライバ１５０４ａにより、走査線ＧＬ＿１乃至ＧＬ＿Ｘを分割して制御してもよい。または、ゲートドライバ１５０４ａは、初期化信号を供給することができる機能を有する。ただし、これに限定されず、ゲートドライバ１５０４ａは、別の信号を供給することも可能である。
ソースドライバ１５０４ｂは、シフトレジスタ等を有する。ソースドライバ１５０４ｂは、端子部５０７を介して、シフトレジスタを駆動するための信号の他、データ信号の元となる信号（画像信号）が入力される。ソースドライバ１５０４ｂは、画像信号を元に画素回路５０１に書き込むデータ信号を生成する機能を有する。また、ソースドライバ１５０４ｂは、スタートパルス、クロック信号等が入力されて得られるパルス信号に従って、データ信号の出力を制御する機能を有する。また、ソースドライバ１５０４ｂは、データ信号が与えられる配線（以下、データ線ＤＬ＿１乃至ＤＬ＿Ｙという）の電位を制御する機能を有する。または、ソースドライバ１５０４ｂは、初期化信号を供給することができる機能を有する。ただし、これに限定されず、ソースドライバ１５０４ｂは、別の信号を供給することも可能である。
ソースドライバ１５０４ｂは、例えば複数のアナログスイッチなどを用いて構成される。ソースドライバ１５０４ｂは、複数のアナログスイッチを順次オン状態にすることにより、画像信号を時分割した信号をデータ信号として出力できる。また、シフトレジスタなどを用いてソースドライバ１５０４ｂを構成してもよい。
複数の画素回路５０１のそれぞれは、走査信号が与えられる複数の走査線ＧＬの一つを介してパルス信号が入力され、データ信号が与えられる複数のデータ線ＤＬの一つを介してデータ信号が入力される。また。複数の画素回路５０１のそれぞれは、ゲートドライバ１５０４ａによりデータ信号のデータの書き込みおよび保持が制御される。例えば、ｍ行ｎ列目の画素回路５０１は、走査線ＧＬ＿ｍ（ｍはＸ以下の自然数）を介してゲートドライバ１５０４ａからパルス信号が入力され、走査線ＧＬ＿ｍの電位に応じてデータ線ＤＬ＿ｎ（ｎはＹ以下の自然数）を介してソースドライバ１５０４ｂからデータ信号が入力される。
図５３（Ａ）に示す保護回路５０６は、例えば、ゲートドライバ１５０４ａと画素回路５０１の間の配線である走査線ＧＬに接続される。または、保護回路５０６は、ソースドライバ１５０４ｂと画素回路５０１の間の配線であるデータ線ＤＬに接続される。または、保護回路５０６は、ゲートドライバ１５０４ａと端子部５０７との間の配線に接続することができる。または、保護回路５０６は、ソースドライバ１５０４ｂと端子部５０７との間の配線に接続することができる。なお、端子部５０７は、外部の回路から表示装置に電源および制御信号、および画像信号を入力するための端子が設けられた部分をいう。
保護回路５０６は、自身が接続する配線に一定の範囲外の電位が与えられたときに、該配線と別の配線とを導通状態にする回路である。
図５３（Ａ）に示すように、画素部１５０２と駆動回路部１５０４にそれぞれ保護回路５０６を設けることにより、ＥＳＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｓｔａｔｉｃ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ：静電気放電）などにより発生する過電流に対する表示装置の耐性を高めることができる。ただし、保護回路５０６の構成はこれに限定されず、例えば、ゲートドライバ１５０４ａに保護回路５０６を接続した構成、またはソースドライバ１５０４ｂに保護回路５０６を接続した構成とすることもできる。あるいは、端子部５０７に保護回路５０６を接続した構成とすることもできる。
また、図５３（Ａ）においては、ゲートドライバ１５０４ａとソースドライバ１５０４ｂによって駆動回路部１５０４を形成している例を示しているが、この構成に限定されない。例えば、ゲートドライバ１５０４ａのみを形成し、別途用意されたソースドライバ回路が形成された基板（例えば、単結晶半導体膜、多結晶半導体膜で形成された駆動回路基板）を実装する構成としても良い。
また、図５３（Ａ）に示す複数の画素回路５０１は、例えば、図５３（Ｂ）に示す構成とすることができる。
図５３（Ｂ）に示す画素回路５０１は、液晶素子５７０と、トランジスタ５５０と、容量素子５６０と、を有する。トランジスタ５５０に先の実施の形態に示すトランジスタを適用することができる。
液晶素子５７０の一対の電極の一方の電位は、画素回路５０１の仕様に応じて適宜設定される。液晶素子５７０は、書き込まれるデータにより配向状態が設定される。なお、複数の画素回路５０１のそれぞれが有する液晶素子５７０の一対の電極の一方に共通の電位（コモン電位）を与えてもよい。また、各行の画素回路５０１の液晶素子５７０の一対の電極の一方に異なる電位を与えてもよい。
例えば、液晶素子５７０を有する表示装置の駆動方法としては、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＳＴＮ（Ｓｕｐｅｒ−Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＶＡ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＭＶＡ（Ｍｕｌｔｉ−Ｄｏｍａｉｎ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ Ｆｉｅｌｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｍｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、またはＴＢＡ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｂｅｎｄ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モードなどを用いてもよい。
また、表示装置の駆動方法としては、上述した駆動方法の他、ＥＣＢ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＰＤＬＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＰＮＬＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ゲストホストモードなどがある。ただし、これに限定されず、液晶素子およびその駆動方式として様々なものを用いることができる。
ｍ行ｎ列目の画素回路５０１において、トランジスタ５５０のソース電極またはドレイン電極の一方は、データ線ＤＬ＿ｎに電気的に接続され、他方は液晶素子５７０の一対の電極の他方に電気的に接続される。また、トランジスタ５５０のゲート電極は、走査線ＧＬ＿ｍに電気的に接続される。トランジスタ５５０は、オン状態またはオフ状態になることにより、データ信号のデータの書き込みを制御する機能を有する。
容量素子５６０の一対の電極の一方は、電位が供給される配線（以下、電位供給線ＶＬ）に電気的に接続され、他方は、液晶素子５７０の一対の電極の他方に電気的に接続される。なお、電位供給線ＶＬの電位の値は、画素回路５０１の仕様に応じて適宜設定される。容量素子５６０は、書き込まれたデータを保持する保持容量としての機能を有する。
例えば、図５３（Ｂ）の画素回路５０１を有する表示装置では、例えば、図５３（Ａ）に示すゲートドライバ１５０４ａにより各行の画素回路５０１を順次選択し、トランジスタ５５０をオン状態にしてデータ信号のデータを書き込む。
データが書き込まれた画素回路５０１は、トランジスタ５５０がオフ状態になることで保持状態になる。これを行毎に順次行うことにより、画像を表示できる。
また、図５３（Ａ）に示す複数の画素回路５０１は、例えば、図５３（Ｃ）に示す構成とすることができる。
図５３（Ｃ）に示す画素回路５０１は、トランジスタ５５２、５５４と、容量素子５６２と、発光素子５７２と、を有する。トランジスタ５５２およびトランジスタ５５４のいずれか一方または双方に先の実施の形態に示すトランジスタを適用することができる。
トランジスタ５５２のソース電極およびドレイン電極の一方は、データ信号が与えられる配線（以下、信号線ＤＬ＿ｎという）に電気的に接続される。さらに、トランジスタ５５２のゲート電極は、ゲート信号が与えられる配線（以下、走査線ＧＬ＿ｍという）に電気的に接続される。
トランジスタ５５２は、オン状態またはオフ状態になることにより、データ信号のデータの書き込みを制御する機能を有する。
容量素子５６２の一対の電極の一方は、電位が与えられる配線（以下、電位供給線ＶＬ＿ａという）に電気的に接続され、他方は、トランジスタ５５２のソース電極およびドレイン電極の他方に電気的に接続される。
容量素子５６２は、書き込まれたデータを保持する保持容量としての機能を有する。
トランジスタ５５４のソース電極およびドレイン電極の一方は、電位供給線ＶＬ＿ａに電気的に接続される。さらに、トランジスタ５５４のゲート電極は、トランジスタ５５２のソース電極およびドレイン電極の他方に電気的に接続される。
発光素子５７２のアノードおよびカソードの一方は、電位供給線ＶＬ＿ｂに電気的に接続され、他方は、トランジスタ５５４のソース電極およびドレイン電極の他方に電気的に接続される。
発光素子５７２としては、例えば有機エレクトロルミネセンス素子（有機ＥＬ素子ともいう）などを用いることができる。ただし、発光素子５７２としては、これに限定されず、無機材料からなる無機ＥＬ素子を用いても良い。
なお、電位供給線ＶＬ＿ａおよび電位供給線ＶＬ＿ｂの一方には、高電源電位ＶＤＤが与えられ、他方には、低電源電位ＶＳＳが与えられる。
図５３（Ｃ）の画素回路５０１を有する表示装置では、例えば、図５３（Ａ）に示すゲートドライバ１５０４ａにより各行の画素回路５０１を順次選択し、トランジスタ５５２をオン状態にしてデータ信号のデータを書き込む。
データが書き込まれた画素回路５０１は、トランジスタ５５２がオフ状態になることで保持状態になる。さらに、書き込まれたデータ信号の電位に応じてトランジスタ５５４のソース電極とドレイン電極の間に流れる電流量が制御され、発光素子５７２は、流れる電流量に応じた輝度で発光する。これを行毎に順次行うことにより、画像を表示できる。
また、本実施の形態においては、表示装置の表示素子として、液晶素子５７０および発光素子５７２を有する構成について例示したが、これに限定されず、表示装置は様々な素子を有していてもよい。
上記素子の一例としては、液晶素子、ＥＬ素子（有機物および無機物を含むＥＬ素子、有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子）、ＬＥＤ（白色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤなど）、トランジスタ（電流に応じて発光するトランジスタ）、電子放出素子、電子インク、電気泳動素子、グレーティングライトバルブ（ＧＬＶ）、プラズマディスプレイ（ＰＤＰ）、ＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）を用いた表示素子、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、ＤＭＳ（デジタル・マイクロ・シャッター）、ＩＭＯＤ（インターフェアレンス・モジュレーション）素子、シャッター方式のＭＥＭＳ表示素子、光干渉方式のＭＥＭＳ表示素子、エレクトロウェッティング素子、圧電セラミックディスプレイ、カーボンナノチューブを用いた表示素子などの少なくとも一つを有している。これらの他にも、電気的または磁気的作用により、コントラスト、輝度、反射率、透過率などが変化する表示媒体を有していてもよい。電子放出素子を用いた表示装置の一例としては、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）またはＳＥＤ方式平面型ディスプレイ（ＳＥＤ：Ｓｕｒｆａｃｅ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｅｍｉｔｔｅｒ Ｄｉｓｐｌａｙ）などがある。液晶素子を用いた表示装置の一例としては、液晶ディスプレイ（透過型液晶ディスプレイ、半透過型液晶ディスプレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶ディスプレイ、投射型液晶ディスプレイ）などがある。電子インクまたは電気泳動素子を用いた表示装置の一例としては、電子ペーパーなどがある。なお、半透過型液晶ディスプレイや反射型液晶ディスプレイを実現する場合には、画素電極の一部、または、全部が、反射電極としての機能を有するようにすればよい。例えば、画素電極の一部、または、全部が、アルミニウム、銀、などを有するようにすればよい。さらに、その場合、反射電極の下に、ＳＲＡＭなどの記憶回路を設けることも可能である。これにより、さらに、消費電力を低減することができる。
また、本実施の形態の表示装置の表示方式としては、プログレッシブ方式やインターレース方式等を用いることができる。また、カラー表示する際に画素で制御する色要素としては、ＲＧＢ（Ｒは赤、Ｇは緑、Ｂは青を表す）の三色に限定されない。例えば、Ｒの画素とＧの画素とＢの画素とＷ（白）の画素の四画素から構成されてもよい。または、ペンタイル配列のように、ＲＧＢのうちの２色分で一つの色要素を構成し、色要素よって、異なる２色を選択して構成してもよい。またはＲＧＢに、イエロー、シアン、マゼンタ等を一色以上追加してもよい。なお、色要素のドット毎にその表示領域の大きさが異なっていてもよい。ただし、開示する発明はカラー表示の表示装置に限定されるものではなく、モノクロ表示の表示装置に適用することもできる。
また、表示装置にバックライト（有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子、ＬＥＤ、蛍光灯など）に白色光（Ｗ）を設けてもよい。また、表示装置に着色層（カラーフィルタともいう。）を設けてもよい。着色層としては、例えば、レッド（Ｒ）、グリーン（Ｇ）、ブルー（Ｂ）、イエロー（Ｙ）などを適宜組み合わせて用いることができる。着色層を用いることで、着色層を用いない場合と比べて色の再現性を高くすることができる。このとき、着色層を有する領域と、着色層を有さない領域と、を配置することによって、着色層を有さない領域における白色光を直接表示に利用しても構わない。一部に着色層を有さない領域を配置することで、明るい表示の際に、着色層による輝度の低下を少なくでき、消費電力を２割から３割程度低減できる場合がある。ただし、有機ＥＬ素子や無機ＥＬ素子などの自発光素子を用いてフルカラー表示する場合、Ｒ、Ｇ、Ｂ、Ｙ、ホワイト（Ｗ）を、それぞれの発光色を有する素子から発光させても構わない。自発光素子を用いることで、着色層を用いた場合よりも、さらに消費電力を低減できる場合がある。
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態６）
本実施の形態においては、本発明の一態様の半導体装置を有する表示装置、および該表示装置に入力装置を取り付けた電子機器について、図５４乃至図５９を用いて説明を行う。
本実施の形態においては、本発明の一態様の半導体装置を有する表示装置、および該表示装置に入力装置を取り付けた電子機器について、図５４乃至図５９を用いて説明を行う。
＜タッチパネルに関する説明＞
なお、本実施の形態において、電子機器の一例として、表示装置と、入力装置とを合わせたタッチパネル２０００について説明する。また、入力装置の一例として、タッチセンサを用いる場合について説明する。
なお、本実施の形態において、電子機器の一例として、表示装置と、入力装置とを合わせたタッチパネル２０００について説明する。また、入力装置の一例として、タッチセンサを用いる場合について説明する。
図５４（Ａ）（Ｂ）は、タッチパネル２０００の斜視図である。なお、図５４（Ａ）（Ｂ）において、明瞭化のため、タッチパネル２０００の代表的な構成要素を示す。
タッチパネル２０００は、表示装置２５０１とタッチセンサ２５９５とを有する（図５６（Ｂ）参照）。また、タッチパネル２０００は、基板２５１０、基板２５７０、および基板２５９０を有する。なお、基板２５１０、基板２５７０、および基板２５９０はいずれも可撓性を有する。ただし、基板２５１０、基板２５７０、および基板２５９０のいずれか一つまたは全てが可撓性を有さない構成としてもよい。
表示装置２５０１は、基板２５１０上に複数の画素および該画素に信号を供給することができる複数の配線２５１１を有する。複数の配線２５１１は、基板２５１０の外周部にまで引き回され、その一部が端子２５１９を構成している。端子２５１９はＦＰＣ２５０９（１）と電気的に接続する。
基板２５９０は、タッチセンサ２５９５と、タッチセンサ２５９５と電気的に接続する複数の配線２５９８とを有する。複数の配線２５９８は、基板２５９０の外周部に引き回され、その一部は端子を構成する。そして、該端子はＦＰＣ２５０９（２）と電気的に接続される。なお、図５４（Ｂ）では明瞭化のため、基板２５９０の裏面側（基板２５１０と対向する面側）に設けられるタッチセンサ２５９５の電極や配線等を実線で示している。
タッチセンサ２５９５として、例えば静電容量方式のタッチセンサを適用できる。静電容量方式としては、表面型静電容量方式、投影型静電容量方式等がある。
投影型静電容量方式としては、主に駆動方式の違いから自己容量方式、相互容量方式などがある。相互容量方式を用いると同時多点検出が可能となるため好ましい。
なお、図５４（Ｂ）に示すタッチセンサ２５９５は、投影型静電容量方式のタッチセンサを適用した構成である。
なお、タッチセンサ２５９５には、指等の検知対象の近接または接触を検知することができる、様々なセンサを適用することができる。
投影型静電容量方式のタッチセンサ２５９５は、電極２５９１と電極２５９２とを有する。電極２５９１は、複数の配線２５９８のいずれかと電気的に接続し、電極２５９２は複数の配線２５９８の他のいずれかと電気的に接続する。
電極２５９２は、図５４（Ａ）（Ｂ）に示すように、一方向に繰り返し配置された複数の四辺形が角部で接続される形状を有する。
電極２５９１は四辺形であり、電極２５９２が延在する方向と交差する方向に繰り返し配置されている。
配線２５９４は、電極２５９２を挟む二つの電極２５９１と電気的に接続する。このとき、電極２５９２と配線２５９４の交差部の面積ができるだけ小さくなる形状が好ましい。これにより、電極が設けられていない領域の面積を低減でき、透過率のバラツキを低減できる。その結果、タッチセンサ２５９５を透過する光の輝度のバラツキを低減することができる。
なお、電極２５９１および電極２５９２の形状はこれに限定されず、様々な形状を取りうる。例えば、複数の電極２５９１をできるだけ隙間が生じないように配置し、絶縁層を介して電極２５９２を、電極２５９１と重ならない領域ができるように離間して複数設ける構成としてもよい。このとき、隣接する２つの電極２５９２の間に、これらとは電気的に絶縁されたダミー電極を設けると、透過率の異なる領域の面積を低減できるため好ましい。
なお、電極２５９１、電極２５９２、配線２５９８などの導電膜、つまり、タッチパネルを構成する配線や電極に用いることのできる材料として、酸化インジウム、酸化錫、酸化亜鉛等を有する透明導電膜（例えば、ＩＴＯなど）が挙げられる。また、タッチパネルを構成する配線や電極に用いることのできる材料として、例えば、抵抗値が低い方が好ましい。一例として、銀、銅、アルミニウム、カーボンナノチューブ、グラフェン、ハロゲン化金属（ハロゲン化銀など）などを用いてもよい。さらに、非常に細くした（例えば、直径が数ナノメール）複数の導電体を用いて構成されるような金属ナノワイヤを用いてもよい。または、導電体を網目状にした金属メッシュを用いてもよい。一例としては、Ａｇナノワイヤ、Ｃｕナノワイヤ、Ａｌナノワイヤ、Ａｇメッシュ、Ｃｕメッシュ、Ａｌメッシュなどを用いてもよい。例えば、タッチパネルを構成する配線や電極にＡｇナノワイヤを用いる場合、可視光において透過率を８９％以上、シート抵抗値を４０Ω／ｃｍ２以上１００Ω／ｃｍ２以下とすることができる。また、上述したタッチパネルを構成する配線や電極に用いることのできる材料の一例である、金属ナノワイヤ、金属メッシュ、カーボンナノチューブ、グラフェンなどは、可視光において透過率が高いため、表示素子に用いる電極（例えば、画素電極または共通電極など）として用いてもよい。
＜表示装置に関する説明＞
次に、図５５（Ａ）（Ｂ）を用いて、表示装置２５０１の詳細について説明する。図５５（Ａ）（Ｂ）は、図５４（Ｂ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間の断面図に相当する。
次に、図５５（Ａ）（Ｂ）を用いて、表示装置２５０１の詳細について説明する。図５５（Ａ）（Ｂ）は、図５４（Ｂ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間の断面図に相当する。
表示装置２５０１は、マトリクス状に配置された複数の画素を有する。該画素は表示素子と、該表示素子を駆動する画素回路とを有する。
＜表示素子としてＥＬ素子を用いる構成＞
まず、表示素子としてＥＬ素子を用いる構成について、図５５（Ａ）を用いて以下説明を行う。なお、以下の説明においては、白色の光を射出するＥＬ素子を適用する場合について説明するが、ＥＬ素子はこれに限定されない。例えば、隣接する画素毎に射出する光の色が異なるように、発光色が異なるＥＬ素子を適用してもよい。
まず、表示素子としてＥＬ素子を用いる構成について、図５５（Ａ）を用いて以下説明を行う。なお、以下の説明においては、白色の光を射出するＥＬ素子を適用する場合について説明するが、ＥＬ素子はこれに限定されない。例えば、隣接する画素毎に射出する光の色が異なるように、発光色が異なるＥＬ素子を適用してもよい。
基板２５１０および基板２５７０としては、例えば、水蒸気の透過率が１０−５ｇ／（ｍ２・ｄａｙ）以下、好ましくは１０−６ｇ／（ｍ２・ｄａｙ）以下である可撓性を有する材料を好適に用いることができる。または、基板２５１０の熱膨張率と、基板２５７０の熱膨張率とが、およそ等しい材料を用いると好適である。例えば、線膨張率が１×１０−３／Ｋ以下、好ましくは５×１０−５／Ｋ以下、より好ましくは１×１０−５／Ｋ以下である材料を好適に用いることができる。
なお、基板２５１０は、ＥＬ素子への不純物の拡散を防ぐ絶縁層２５１０ａと、可撓性基板２５１０ｂと、絶縁層２５１０ａおよび可撓性基板２５１０ｂを貼り合わせる接着層２５１０ｃと、を有する積層体である。また、基板２５７０は、ＥＬ素子への不純物の拡散を防ぐ絶縁層２５７０ａと、可撓性基板２５７０ｂと、絶縁層２５７０ａおよび可撓性基板２５７０ｂを貼り合わせる接着層２５７０ｃと、を有する積層体である。
接着層２５１０ｃおよび接着層２５７０ｃとしては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミド等）、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリウレタン、アクリル樹脂、エポキシ樹脂もしくはシロキサン結合を有する樹脂含む材料を用いることができる。
また、基板２５１０と基板２５７０との間に封止層２５６０を有する。封止層２５６０は、空気より大きい屈折率を有すると好ましい。また、図５５（Ａ）に示すように、封止層２５６０側に光を取り出す場合は、封止層２５６０は光学素子を兼ねることができる。
また、封止層２５６０の外周部にシール材を形成してもよい。当該シール材を用いることにより、基板２５１０、基板２５７０、封止層２５６０、およびシール材で囲まれた領域にＥＬ素子２５５０を有する構成とすることができる。なお、封止層２５６０として、不活性気体（窒素やアルゴン等）を充填してもよい。また、当該不活性気体内に、乾燥材を設けて、水分等を吸着させる構成としてもよい。また、上述のシール材としては、例えば、エポキシ系樹脂やガラスフリットを用いるのが好ましい。また、シール材に用いる材料としては、水分や酸素を透過しない材料を用いると好適である。
また、図５５（Ａ）に示す表示装置２５０１は、画素２５０５を有する。また、画素２５０５は、発光モジュール２５８０と、ＥＬ素子２５５０と、ＥＬ素子２５５０に電力を供給することができるトランジスタ２５０２ｔと、を有する。なお、トランジスタ２５０２ｔは、画素回路の一部として機能する。
また、発光モジュール２５８０は、ＥＬ素子２５５０と、着色層２５６７とを有する。また、ＥＬ素子２５５０は、下部電極と、上部電極と、下部電極と上部電極との間にＥＬ層とを有する。
また、封止層２５６０が光を取り出す側に設けられている場合、封止層２５６０は、ＥＬ素子２５５０と着色層２５６７に接する。
着色層２５６７は、ＥＬ素子２５５０と重なる位置にある。これにより、ＥＬ素子２５５０が発する光の一部は着色層２５６７を透過して、図中に示す矢印の方向の発光モジュール２５８０の外部に射出される。
また、表示装置２５０１には、光を射出する方向に遮光層２５６８が設けられる。遮光層２５６８は、着色層２５６７を囲むように設けられている。
着色層２５６７としては、特定の波長帯域の光を透過する機能を有していればよく、例えば、赤色の波長帯域の光を透過するカラーフィルタ、緑色の波長帯域の光を透過するカラーフィルタ、青色の波長帯域の光を透過するカラーフィルタ、黄色の波長帯域の光を透過するカラーフィルタなどを用いることができる。各カラーフィルタは、様々な材料を用いて、印刷法、インクジェット法、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形成することができる。
また、表示装置２５０１には、絶縁層２５２１が設けられる。絶縁層２５２１はトランジスタ２５０２ｔ等を覆う。なお、絶縁層２５２１は、画素回路に起因する凹凸を平坦化するための機能を有する。また、絶縁層２５２１に不純物の拡散を抑制できる機能を付与してもよい。これにより、不純物の拡散によるトランジスタ２５０２ｔ等の信頼性の低下を抑制できる。
また、ＥＬ素子２５５０は、絶縁層２５２１の上方に形成される。また、ＥＬ素子２５５０が有する下部電極には、該下部電極の端部に重なる隔壁２５２８が設けられる。なお、基板２５１０と、基板２５７０との間隔を制御するスペーサを、隔壁２５２８上に形成してもよい。
また、走査線駆動回路２５０４は、トランジスタ２５０３ｔと、容量素子２５０３ｃとを有する。なお、駆動回路を画素回路と同一の工程で同一基板上に形成することができる。
また、基板２５１０上には、信号を供給することができる配線２５１１が設けられる。また、配線２５１１上には、端子２５１９が設けられる。また、端子２５１９には、ＦＰＣ２５０９（１）が電気的に接続される。また、ＦＰＣ２５０９（１）は、ビデオ信号、クロック信号、スタート信号、リセット信号等を供給する機能を有する。なお、ＦＰＣ２５０９（１）にはプリント配線基板（ＰＷＢ）が取り付けられていても良い。
なお、トランジスタ２５０２ｔおよびトランジスタ２５０３ｔのいずれか一方または双方に先の実施の形態に示すトランジスタを適用すればよい。本実施の形態で用いるトランジスタは、高純度化し、酸素欠損の形成を抑制した酸化物半導体を有する。該トランジスタは、オフ状態における電流値（オフ電流値）を低くすることができる。よって、画像信号等の電気信号の保持時間を長くすることができ、電源オン状態では書き込み間隔も長く設定できる。よって、リフレッシュ動作の頻度を少なくすることができるため、消費電力を抑制する効果を奏する。また、本実施の形態で用いるトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られるため、高速駆動が可能である。例えば、このような高速駆動が可能なトランジスタを表示装置２５０１に用いることで、画素回路のスイッチングトランジスタと、駆動回路に使用するドライバトランジスタを同一基板上に形成することができる。すなわち、別途駆動回路として、シリコンウェハ等により形成された半導体装置を用いる必要がないため、半導体装置の部品点数を削減することができる。また、画素回路においても、高速駆動が可能なトランジスタを用いることで、高画質な画像を提供することができる。
＜表示素子として液晶素子を用いる構成＞
次に、表示素子として、液晶素子を用いる構成について、図５５（Ｂ）を用いて以下説明を行う。なお、以下の説明においては、外光を反射して表示する反射型の液晶表示装置について説明するが、液晶表示装置はこれに限定されない。例えば、光源（バックライト、サイドライト等）を設けて、透過型の液晶表示装置、または反射型と透過型の両方の機能を備える液晶表示装置としてもよい。
次に、表示素子として、液晶素子を用いる構成について、図５５（Ｂ）を用いて以下説明を行う。なお、以下の説明においては、外光を反射して表示する反射型の液晶表示装置について説明するが、液晶表示装置はこれに限定されない。例えば、光源（バックライト、サイドライト等）を設けて、透過型の液晶表示装置、または反射型と透過型の両方の機能を備える液晶表示装置としてもよい。
図５５（Ｂ）に示す表示装置２５０１は、図５５（Ａ）に示す表示装置２５０１と以下の点が異なる。それ以外の構成については、図５５（Ａ）に示す表示装置２５０１と同様である。
図５５（Ｂ）に示す表示装置２５０１の画素２５０５は、液晶素子２５５１と、液晶素子２５５１に電力を供給することができるトランジスタ２５０２ｔと、を有する。
また、液晶素子２５５１は、下部電極（画素電極ともいう）と、上部電極と、下部電極と上部電極との間に液晶層２５２９と、を有する。液晶素子２５５１は、下部電極と上部電極との間に印加される電圧によって、液晶層２５２９の配向状態を変えることができる。また、液晶層２５２９中には、スペーサ２５３０ａと、スペーサ２５３０ｂと、が設けられる。また、図５５（Ｂ）において図示しないが、上部電極および下部電極の液晶層２５２９と接する側に、それぞれ配向膜を設ける構成としてもよい。
液晶層２５２９としては、サーモトロピック液晶、低分子液晶、高分子液晶、高分子分散型液晶、強誘電性液晶、反強誘電性液晶等を用いることができる。これらの液晶材料は、条件により、コレステリック相、スメクチック相、キュービック相、カイラルネマチック相、等方相等を示す。また、液晶表示装置として、横電界方式を採用する場合、配向膜を用いないブルー相を示す液晶を用いてもよい。ブルー相を示す液晶を用いる場合、配向膜を設けなくてもよいのでラビング処理が不要となる。ラビング処理が不要となることで、ラビング処理時に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。
スペーサ２５３０ａ、２５３０ｂは、絶縁膜を選択的にエッチングすることで得られる。スペーサ２５３０ａ、２５３０ｂとしては、基板２５１０と基板２５７０との間の距離（セルギャップ）を制御するために設けられる。なお、スペーサ２５３０ａ、２５３０ｂは、それぞれ大きさを異ならせてもよく、柱状または球状で設けると好ましい。また、図５５（Ｂ）においては、スペーサ２５３０ａ、２５３０ｂを、基板２５７０側に設ける構成について例示したが、これに限定されず、基板２５１０側に設けてもよい。
また、液晶素子２５５１の上部電極は、基板２５７０側に設けられる。また、該上部電極と、着色層２５６７および遮光層２５６８と、の間には絶縁層２５３１が設けられる。絶縁層２５３１は、着色層２５６７および遮光層２５６８に起因する凹凸を平坦化する機能を有する。絶縁層２５３１としては、例えば、有機樹脂膜を用いればよい。また、液晶素子２５５１の下部電極は、反射電極としての機能を有する。図５５（Ｂ）に示す表示装置２５０１は、外光を利用して下部電極で光を反射して着色層２５６７を介して表示する、反射型の液晶表示装置である。なお、透過型の液晶表示装置とする場合、下部電極に透明電極として機能を付与すればよい。
また、図５５（Ｂ）に示す表示装置２５０１は、絶縁層２５２２を有する。絶縁層２５２２は、トランジスタ２５０２ｔ等を覆う。なお、絶縁層２５２２は、画素回路に起因する凹凸を平坦化するための機能と、液晶素子の下部電極に凹凸を形成する機能と、を有する。これにより、下部電極の表面に凹凸を形成することが可能となる。したがって、外光が下部電極に入射した場合において、下部電極の表面で光を乱反射することが可能となり、視認性を向上させることができる。なお、透過型の液晶表示装置の場合、上記凹凸を設けない構成としてもよい。
＜タッチセンサに関する説明＞
次に、図５６を用いて、タッチセンサ２５９５の詳細について説明する。図５６は、図５４（Ｂ）に示す一点鎖線Ｘ３−Ｘ４間の断面図に相当する。
次に、図５６を用いて、タッチセンサ２５９５の詳細について説明する。図５６は、図５４（Ｂ）に示す一点鎖線Ｘ３−Ｘ４間の断面図に相当する。
タッチセンサ２５９５は、基板２５９０上に千鳥状に配置された電極２５９１および電極２５９２と、電極２５９１および電極２５９２を覆う絶縁層２５９３と、隣り合う電極２５９１を電気的に接続する配線２５９４とを有する。
電極２５９１および電極２５９２は、透光性を有する導電材料を用いて形成する。透光性を有する導電性材料としては、酸化インジウム、インジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化亜鉛、ガリウムを添加した酸化亜鉛などの導電性酸化物を用いることができる。なお、グラフェンを含む膜を用いることもできる。グラフェンを含む膜は、例えば膜状に形成された酸化グラフェンを含む膜を還元して形成することができる。還元する方法としては、熱を加える方法等を挙げることができる。
例えば、透光性を有する導電性材料を基板２５９０上にスパッタリング法により成膜した後、フォトリソグラフィ法等の様々なパターニング技術により、不要な部分を除去して、電極２５９１および電極２５９２を形成することができる。
また、絶縁層２５９３に用いる材料としては、例えば、アクリル、エポキシなどの樹脂、シロキサン結合を有する樹脂の他、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウムなどの無機絶縁材料を用いることもできる。
また、電極２５９１に達する開口が絶縁層２５９３に設けられ、配線２５９４が隣接する電極２５９１と電気的に接続する。透光性の導電性材料は、タッチパネルの開口率を高めることができるため、配線２５９４に好適に用いることができる。また、電極２５９１および電極２５９２より導電性の高い材料は、電気抵抗を低減できるため配線２５９４に好適に用いることができる。
電極２５９２は、一方向に延在し、複数の電極２５９２がストライプ状に設けられている。また、配線２５９４は電極２５９２と交差して設けられている。
一対の電極２５９１が１つの電極２５９２を挟んで設けられる。また、配線２５９４は一対の電極２５９１を電気的に接続している。
なお、複数の電極２５９１は、１つの電極２５９２と必ずしも直交する方向に配置される必要はなく、０度を超えて９０度未満の角度をなすように配置されてもよい。
また、配線２５９８は、電極２５９１または電極２５９２と電気的に接続される。また、配線２５９８の一部は、端子として機能する。配線２５９８としては、例えば、アルミニウム、金、白金、銀、ニッケル、チタン、タングステン、クロム、モリブデン、鉄、コバルト、銅、またはパラジウム等の金属材料や、該金属材料を含む合金材料を用いることができる。
なお、絶縁層２５９３および配線２５９４を覆う絶縁層を設けて、タッチセンサ２５９５を保護してもよい。
また、接続層２５９９は、配線２５９８とＦＰＣ２５０９（２）を電気的に接続させる。
接続層２５９９としては、異方性導電フィルム（ＡＣＦ：Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｆｉｌｍ）や、異方性導電ペースト（ＡＣＰ：Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｐａｓｔｅ）などを用いることができる。
＜タッチパネルに関する説明＞
次に、図５７（Ａ）を用いて、タッチパネル２０００の詳細について説明する。図５７（Ａ）は、図５４（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ５−Ｘ６間の断面図に相当する。
次に、図５７（Ａ）を用いて、タッチパネル２０００の詳細について説明する。図５７（Ａ）は、図５４（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ５−Ｘ６間の断面図に相当する。
図５７（Ａ）に示すタッチパネル２０００は、図５４（Ａ）で説明した表示装置２５０１と、図５６で説明したタッチセンサ２５９５と、を貼り合わせた構成である。
また、図５７（Ａ）に示すタッチパネル２０００は、図５５（Ａ）で説明した構成の他、接着層２５９７と、反射防止層２５６９と、を有する。
接着層２５９７は、配線２５９４と接して設けられる。なお、接着層２５９７は、タッチセンサ２５９５が表示装置２５０１に重なるように、基板２５９０を基板２５７０に貼り合わせている。また、接着層２５９７は、透光性を有すると好ましい。また、接着層２５９７としては、熱硬化性樹脂、または紫外線硬化樹脂を用いることができる。例えば、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂、エポキシ系樹脂、またはシロキサン系樹脂を用いることができる。
反射防止層２５６９は、画素に重なる位置に設けられる。反射防止層２５６９として、例えば円偏光板を用いることができる。
次に、図５７（Ａ）に示す構成と異なる構成のタッチパネルについて、図５７（Ｂ）を用いて説明する。
図５７（Ｂ）は、タッチパネル２００１の断面図である。図５７（Ｂ）に示すタッチパネル２００１は、図５７（Ａ）に示すタッチパネル２０００と、表示装置２５０１に対するタッチセンサ２５９５の位置が異なる。ここでは異なる構成について詳細に説明し、同様の構成を用いることができる部分は、タッチパネル２０００の説明を援用する。
着色層２５６７は、ＥＬ素子２５５０の下方に位置する。また、図５７（Ｂ）に示すＥＬ素子２５５０は、トランジスタ２５０２ｔが設けられている側に光を射出する。これにより、ＥＬ素子２５５０が発する光の一部は、着色層２５６７を透過して、図中に示す矢印の方向の発光モジュール２５８０の外部に射出される。
また、タッチセンサ２５９５は、表示装置２５０１の基板２５１０側に設けられている。
接着層２５９７は、基板２５１０と基板２５９０の間にあり、表示装置２５０１とタッチセンサ２５９５を貼り合わせる。
図５７（Ａ）（Ｂ）に示すように、発光素子から射出される光は、基板の上面および下面のいずれか一方または双方に射出されればよい。
＜タッチパネルの駆動方法に関する説明＞
次に、タッチパネルの駆動方法の一例について、図５８を用いて説明を行う。
次に、タッチパネルの駆動方法の一例について、図５８を用いて説明を行う。
図５８（Ａ）は、相互容量方式のタッチセンサの構成を示すブロック図である。図５８（Ａ）では、パルス電圧出力回路２６０１、電流検出回路２６０２を示している。なお、図５８（Ａ）では、パルス電圧が与えられる電極２６２１をＸ１−Ｘ６として、電流の変化を検知する電極２６２２をＹ１−Ｙ６として、それぞれ６本の配線で例示している。また、図５８（Ａ）は、電極２６２１と、電極２６２２とが重畳することで形成される容量２６０３を示している。なお、電極２６２１と電極２６２２とはその機能を互いに置き換えてもよい。
パルス電圧出力回路２６０１は、Ｘ１−Ｘ６の配線に順にパルスを印加するための回路である。Ｘ１−Ｘ６の配線にパルス電圧が印加されることで、容量２６０３を形成する電極２６２１と電極２６２２との間に電界が生じる。この電極間に生じる電界が遮蔽等により容量２６０３の相互容量に変化を生じさせることを利用して、被検知体の近接、または接触を検出することができる。
電流検出回路２６０２は、容量２６０３での相互容量の変化による、Ｙ１乃至Ｙ６の配線での電流の変化を検出するための回路である。Ｙ１−Ｙ６の配線では、被検知体の近接、または接触がないと検出される電流値に変化はないが、検出する被検知体の近接、または接触により相互容量が減少する場合には電流値が減少する変化を検出する。なお電流の検出は、積分回路等を用いて行えばよい。
次に、図５８（Ｂ）には、図５８（Ａ）で示す相互容量方式のタッチセンサにおける入出力波形のタイミングチャートを示す。図５８（Ｂ）では、１フレーム期間で各行列での被検知体の検出を行うものとする。また図５８（Ｂ）では、被検知体を検出しない場合（非タッチ）と被検知体を検出する場合（タッチ）との２つの場合について示している。なおＹ１−Ｙ６の配線については、検出される電流値に対応する電圧値とした波形を示している。
Ｘ１−Ｘ６の配線には、順にパルス電圧が与えられ、該パルス電圧にしたがってＹ１−Ｙ６の配線での波形が変化する。被検知体の近接または接触がない場合には、Ｘ１−Ｘ６の配線の電圧の変化に応じてＹ１−Ｙ６の波形が一様に変化する。一方、被検知体が接近または接触する箇所では、電流値が減少するため、これに対応する電圧値の波形も変化する。
このように、相互容量の変化を検出することにより、被検知体の近接または接触を検知することができる。
＜センサ回路に関する説明＞
また、図５８（Ａ）ではタッチセンサとして配線の交差部に容量２６０３のみを設けるパッシブ型のタッチセンサの構成を示したが、トランジスタと容量とを有するアクティブ型のタッチセンサとしてもよい。アクティブ型のタッチセンサに含まれるセンサ回路の一例を図５９に示す。
また、図５８（Ａ）ではタッチセンサとして配線の交差部に容量２６０３のみを設けるパッシブ型のタッチセンサの構成を示したが、トランジスタと容量とを有するアクティブ型のタッチセンサとしてもよい。アクティブ型のタッチセンサに含まれるセンサ回路の一例を図５９に示す。
図５９に示すセンサ回路は、容量２６０３と、トランジスタ２６１１と、トランジスタ２６１２と、トランジスタ２６１３とを有する。
トランジスタ２６１３はゲートに信号Ｇ２が与えられ、ソースまたはドレインの一方に電圧ＶＲＥＳが与えられ、他方が容量２６０３の一方の電極およびトランジスタ２６１１のゲートと電気的に接続する。トランジスタ２６１１は、ソースまたはドレインの一方がトランジスタ２６１２のソースまたはドレインの一方と電気的に接続し、他方に電圧ＶＳＳが与えられる。トランジスタ２６１２は、ゲートに信号Ｇ２が与えられ、ソースまたはドレインの他方が配線ＭＬと電気的に接続する。容量２６０３の他方の電極には電圧ＶＳＳが与えられる。
次に、図５９に示すセンサ回路の動作について説明する。まず、信号Ｇ２としてトランジスタ２６１３をオン状態とする電位が与えられることで、トランジスタ２６１１のゲートが接続されるノードｎに電圧ＶＲＥＳに対応した電位が与えられる。次に、信号Ｇ２としてトランジスタ２６１３をオフ状態とする電位が与えられることで、ノードｎの電位が保持される。
続いて、指等の被検知体の近接または接触により、容量２６０３の相互容量が変化することに伴い、ノードｎの電位がＶＲＥＳから変化する。
読み出し動作は、信号Ｇ１にトランジスタ２６１２をオン状態とする電位を与える。ノードｎの電位に応じてトランジスタ２６１１に流れる電流、すなわち配線ＭＬに流れる電流が変化する。この電流を検出することにより、被検知体の近接または接触を検出することができる。
トランジスタ２６１１、トランジスタ２６１２、およびトランジスタ２６１３に先の実施の形態に示すトランジスタを適用することができる。とくにトランジスタ２６１３に先の実施の形態に示すトランジスタを適用することにより、ノードｎの電位を長期間に亘って保持することが可能となり、ノードｎにＶＲＥＳを供給しなおす動作（リフレッシュ動作）の頻度を減らすことができる。
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態７）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を有する表示モジュールおよび電子機器について、図６０および図６１を用いて説明を行う。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を有する表示モジュールおよび電子機器について、図６０および図６１を用いて説明を行う。
＜表示モジュールに関する説明＞
図６０に示す表示モジュール８０００は、上部カバー８００１と下部カバー８００２との間に、ＦＰＣ８００３に接続されたタッチパネル８００４、ＦＰＣ８００５に接続された表示パネル８００６、バックライト８００７、フレーム８００９、プリント基板８０１０、バッテリ８０１１を有する。
図６０に示す表示モジュール８０００は、上部カバー８００１と下部カバー８００２との間に、ＦＰＣ８００３に接続されたタッチパネル８００４、ＦＰＣ８００５に接続された表示パネル８００６、バックライト８００７、フレーム８００９、プリント基板８０１０、バッテリ８０１１を有する。
本発明の一態様の半導体装置は、例えば、表示パネル８００６に用いることができる。
上部カバー８００１および下部カバー８００２は、タッチパネル８００４および表示パネル８００６のサイズに合わせて、形状や寸法を適宜変更することができる。
タッチパネル８００４は、抵抗膜方式または静電容量方式のタッチパネルを表示パネル８００６に重畳して用いることができる。また、表示パネル８００６の対向基板（封止基板）に、タッチパネル機能を持たせるようにすることも可能である。また、表示パネル８００６の各画素内に光センサを設け、光学式のタッチパネルとすることも可能である。
バックライト８００７は、光源８００８を有する。なお、図６０において、バックライト８００７上に光源８００８を配置する構成について例示したが、これに限定さない。例えば、バックライト８００７の端部に光源８００８を配置し、さらに光拡散板を用いる構成としてもよい。なお、有機ＥＬ素子等の自発光型の発光素子を用いる場合、または反射型パネル等の場合においては、バックライト８００７を設けない構成としてもよい。
フレーム８００９は、表示パネル８００６の保護機能の他、プリント基板８０１０の動作により発生する電磁波を遮断するための電磁シールドとしての機能を有する。またフレーム８００９は、放熱板としての機能を有していてもよい。
プリント基板８０１０は、電源回路、ビデオ信号およびクロック信号を出力するための信号処理回路を有する。電源回路に電力を供給する電源としては、外部の商用電源であっても良いし、別途設けたバッテリ８０１１による電源であってもよい。バッテリ８０１１は、商用電源を用いる場合には、省略可能である。
また、表示モジュール８０００は、偏光板、位相差板、プリズムシートなどの部材を追加して設けてもよい。
＜電子機器に関する説明＞
図６１（Ａ）乃至図６１（Ｈ）は、電子機器を示す図である。これらの電子機器は、筐体９０００、表示部９００１、スピーカ９００３、操作キー９００５（電源スイッチ、または操作スイッチを含む）、接続端子９００６、センサ９００７（力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、においまたは赤外線を測定する機能を含むもの）、マイクロフォン９００８、等を有することができる。
図６１（Ａ）乃至図６１（Ｈ）は、電子機器を示す図である。これらの電子機器は、筐体９０００、表示部９００１、スピーカ９００３、操作キー９００５（電源スイッチ、または操作スイッチを含む）、接続端子９００６、センサ９００７（力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、においまたは赤外線を測定する機能を含むもの）、マイクロフォン９００８、等を有することができる。
図６１（Ａ）乃至図６１（Ｇ）に示す電子機器は、様々な機能を有することができる。例えば、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示部に表示する機能、タッチパネル機能、カレンダー、日付または時刻などを表示する機能、様々なソフトウェア（プログラム）によって処理を制御する機能、無線通信機能、無線通信機能を用いて様々なコンピュータネットワークに接続する機能、無線通信機能を用いて様々なデータの送信または受信を行う機能、記録媒体に記録されているプログラムまたはデータを読み出して表示部に表示する機能、等を有することができる。なお、図６１（Ａ）乃至図６１（Ｇ）に示す電子機器が有することのできる機能はこれらに限定されず、様々な機能を有することができる。また、図６１（Ａ）乃至図６１（Ｈ）には図示していないが、電子機器には、複数の表示部を有する構成としてもよい。また、該電子機器にカメラ等を設け、静止画を撮影する機能、動画を撮影する機能、撮影した画像を記録媒体（外部またはカメラに内蔵）に保存する機能、撮影した画像を表示部に表示する機能、等を有していてもよい。
図６１（Ａ）乃至図６１（Ｇ）に示す電子機器の詳細について、以下説明を行う。
図６１（Ａ）は、携帯情報端末９１００を示す斜視図である。携帯情報端末９１００が有する表示部９００１は、可撓性を有する。そのため、湾曲した筐体９０００の湾曲面に沿って表示部９００１を組み込むことが可能である。また、表示部９００１はタッチセンサを備え、指やスタイラスなどで画面に触れることで操作することができる。例えば、表示部９００１に表示されたアイコンに触れることで、アプリケーションを起動することができる。
図６１（Ｂ）は、携帯情報端末９１０１を示す斜視図である。携帯情報端末９１０１は、例えば電話機、手帳または情報閲覧装置等から選ばれた一つまたは複数の機能を有する。具体的には、スマートフォンとして用いることができる。なお、携帯情報端末９１０１は、スピーカ９００３、接続端子９００６、センサ９００７等を省略して図示しているが、図６１（Ａ）に示す携帯情報端末９１００と同様の位置に設けることができる。また、携帯情報端末９１０１は、文字や画像情報をその複数の面に表示することができる。例えば、３つの操作ボタン９０５０（操作アイコンまたは単にアイコンともいう）を表示部９００１の一の面に表示することができる。また、破線の矩形で示す情報９０５１を表示部９００１の他の面に表示することができる。なお、情報９０５１の一例としては、電子メールやＳＮＳ（ソーシャル・ネットワーキング・サービス）や電話などの着信を知らせる表示、電子メールやＳＮＳなどの題名、電子メールやＳＮＳなどの送信者名、日時、時刻、バッテリの残量、アンテナ受信の強度などがある。または、情報９０５１が表示されている位置に、情報９０５１の代わりに、操作ボタン９０５０などを表示してもよい。
図６１（Ｃ）は、携帯情報端末９１０２を示す斜視図である。携帯情報端末９１０２は、表示部９００１の３面以上に情報を表示する機能を有する。ここでは、情報９０５２、情報９０５３、情報９０５４がそれぞれ異なる面に表示されている例を示す。例えば、携帯情報端末９１０２の使用者は、洋服の胸ポケットに携帯情報端末９１０２を収納した状態で、その表示（ここでは情報９０５３）を確認することができる。具体的には、着信した電話の発信者の電話番号または氏名等を、携帯情報端末９１０２の上方から観察できる位置に表示する。使用者は、携帯情報端末９１０２をポケットから取り出すことなく、表示を確認し、電話を受けるか否かを判断できる。
図６１（Ｄ）は、腕時計型の携帯情報端末９２００を示す斜視図である。携帯情報端末９２００は、移動電話、電子メール、文章閲覧および作成、音楽再生、インターネット通信、コンピュータゲームなどの種々のアプリケーションを実行することができる。また、表示部９００１はその表示面が湾曲して設けられ、湾曲した表示面に沿って表示を行うことができる。また、携帯情報端末９２００は、通信規格された近距離無線通信を実行することが可能である。例えば無線通信可能なヘッドセットと相互通信することによって、ハンズフリーで通話することもできる。また、携帯情報端末９２００は、接続端子９００６を有し、他の情報端末とコネクターを介して直接データのやりとりを行うことができる。また接続端子９００６を介して充電を行うこともできる。なお、充電動作は接続端子９００６を介さずに無線給電により行ってもよい。
図６１（Ｅ）（Ｆ）（Ｇ）は、折り畳み可能な携帯情報端末９２０１を示す斜視図である。また、図６１（Ｅ）が携帯情報端末９２０１を展開した状態の斜視図であり、図６１（Ｆ）が携帯情報端末９２０１を展開した状態または折り畳んだ状態の一方から他方に変化する途中の状態の斜視図であり、図６１（Ｇ）が携帯情報端末９２０１を折り畳んだ状態の斜視図である。携帯情報端末９２０１は、折り畳んだ状態では可搬性に優れ、展開した状態では、継ぎ目のない広い表示領域により表示の一覧性に優れる。携帯情報端末９２０１が有する表示部９００１は、ヒンジ９０５５によって連結された３つの筐体９０００に支持されている。ヒンジ９０５５を介して２つの筐体９０００間を屈曲させることにより、携帯情報端末９２０１を展開した状態から折りたたんだ状態に可逆的に変形させることができる。例えば、携帯情報端末９２０１は、曲率半径１ｍｍ以上１５０ｍｍ以下で曲げることができる。
本実施の形態において述べた電子機器は、何らかの情報を表示するための表示部を有する。ただし、本発明の一態様の半導体装置は、表示部を有さない電子機器にも適用することができる。また、本実施の形態において述べた電子機器の表示部においては、可撓性を有し、湾曲した表示面に沿って表示を行うことができる構成、または折り畳み可能な表示部の構成について例示したが、これに限定されず、可撓性を有さず、平面部に表示を行う構成としてもよい。
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
本実施例では、導電体上に過剰酸素を有する絶縁体を形成することによって、導電体に酸素が添加されるか調査した結果について説明する。
試料１は、シリコン基板に厚さが１００ｎｍの酸化シリコンを熱酸化法によって形成し、その後、タングステン（Ｗ）のターゲットを用いたスパッタリング法によって、Ｗ膜を１００ｎｍの厚さで形成して作製した。
また、試料２は、Ｗ膜形成後、該Ｗ膜上にＰＥＣＶＤ法を用いて酸化シリコン膜を２０ｎｍの厚さで形成して作製した。酸化シリコン膜は、モノシランを１ｓｃｃｍおよび亜酸化窒素を８００ｓｃｃｍ含む雰囲気において、圧力を２００Ｐａに制御し、成膜時の基板加熱温度を３５０℃、電極に１５０Ｗ（６０ＭＨｚ）を印加して成膜した。このような成膜条件で酸化シリコンを成膜することによって、膜中に過剰酸素を多く含んだ酸化シリコン膜を形成することができる。
作製した試料１および試料２に対し、Ｗ膜中の酸素の深さ方向の添加量をＳＩＭＳによって調べた結果を図６２に示す。
図６２に示す結果より、Ｗ膜上に過剰酸素を有するシリコン酸化膜を形成した試料２の方が、試料１と比べてＷ膜中の酸素濃度が大きいことがわかった。このことから、Ｗ膜上に形成した過剰酸素を有するシリコン酸化膜から、Ｗ膜へ酸素が添加されたことがわかった。
本実施例では、導電体上に酸化物半導体を形成し、さらに該酸化物半導体上に過剰酸素を有する絶縁体を形成することによって、導電体に酸素が添加されるか調査した結果について説明する。
試料１は、シリコン基板に厚さが１００ｎｍの酸化シリコンを熱酸化法によって形成し、その後、タングステン（Ｗ）のターゲットを用いたスパッタリング法によって、Ｗ膜を１００ｎｍの厚さで形成した。その後、Ｗ膜上にて酸化物半導体としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ（原子数比Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２）ターゲットを用いたスパッタリング法によって、ＩＧＺＯ膜を５ｎｍの厚さで形成して作製した。
試料２は、シリコン基板に厚さが１００ｎｍの酸化シリコンを熱酸化法によって形成し、その後、タングステン（Ｗ）のターゲットを用いたスパッタリング法によって、Ｗ膜を１００ｎｍの厚さで形成した。その後、Ｗ膜上にて酸化物半導体としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ（原子数比Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２）ターゲットを用いたスパッタリング法によって、ＩＧＺＯ膜を５ｎｍの厚さで形成し、該ＩＧＺＯ膜上にＰＥＣＶＤ法を用いて酸化シリコン膜を２０ｎｍの厚さで形成して作製した。酸化シリコン膜は、モノシランを１ｓｃｃｍおよび亜酸化窒素を８００ｓｃｃｍ含む雰囲気において、圧力を２００Ｐａに制御し、成膜時の基板加熱温度を３５０℃、電極に１５０Ｗ（６０ＭＨｚ）を印加して成膜した。このような成膜条件で酸化シリコンを成膜することによって、膜中に過剰酸素を多く含んだ酸化シリコン膜を形成することができる。
また、試料３は、試料２と同様にＩＧＺＯ膜形成後、該ＩＧＺＯ膜上にＰＥＣＶＤ法を用いて酸化シリコン膜を２０ｎｍの厚さで形成するが、酸化シリコン膜の成膜条件を変えることによって、過剰酸素の少ない酸化シリコン膜を形成した。該酸化シリコン膜は、モノシランを１ｓｃｃｍおよび亜酸化窒素を８００ｓｃｃｍ含む雰囲気において、圧力を４０Ｐａに制御し、成膜時の基板加熱温度を３５０℃、電極に１５０Ｗ（６０ＭＨｚ）を印加して成膜した。このような成膜条件で酸化シリコンを成膜することによって、膜中の過剰酸素が少ない酸化シリコン膜を形成することができる。
試料４は、シリコン基板に厚さが１００ｎｍの酸化シリコンを熱酸化法によって形成し、その後、チタン（Ｔｉ）のターゲットを用いたスパッタリング法によって、Ｔｉ膜を１００ｎｍの厚さで形成した。その後、Ｔｉ膜上にて酸化物半導体としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ（原子数比Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２）ターゲットを用いたスパッタリング法によって、ＩＧＺＯ膜を５ｎｍの厚さで形成して作製した。
試料５は、シリコン基板に厚さが１００ｎｍの酸化シリコンを熱酸化法によって形成し、その後、チタン（Ｔｉ）のターゲットを用いたスパッタリング法によって、Ｔｉ膜を１００ｎｍの厚さで形成した。その後、Ｔｉ膜上にて酸化物半導体としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ（原子数比Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２）ターゲットを用いたスパッタリング法によって、ＩＧＺＯ膜を５ｎｍの厚さで形成し、該ＩＧＺＯ膜上にＰＥＣＶＤ法を用いて酸化シリコン膜を２０ｎｍの厚さで形成して作製した。酸化シリコン膜は、モノシランを１ｓｃｃｍおよび亜酸化窒素を８００ｓｃｃｍ含む雰囲気において、圧力を２００Ｐａに制御し、成膜時の基板加熱温度を３５０℃、電極に１５０Ｗ（６０ＭＨｚ）を印加して成膜した。このような成膜条件で酸化シリコンを成膜することによって、膜中に過剰酸素を多く含んだ酸化シリコン膜を形成することができる。
また、試料６は、試料５と同様にＩＧＺＯ膜形成後、該ＩＧＺＯ膜上にＰＥＣＶＤ法を用いて酸化シリコン膜を２０ｎｍの厚さで形成するが、酸化シリコン膜の成膜条件を変えることによって、過剰酸素の少ない酸化シリコン膜を形成した。該酸化シリコン膜は、モノシランを１ｓｃｃｍおよび亜酸化窒素を８００ｓｃｃｍ含む雰囲気において、圧力を４０Ｐａに制御し、成膜時の基板加熱温度を３５０℃、電極に１５０Ｗ（６０ＭＨｚ）を印加して成膜した。このような成膜条件で酸化シリコンを成膜することによって、膜中の過剰酸素が少ない酸化シリコン膜を形成することができる。
試料７は、シリコン基板に厚さが１００ｎｍの酸化シリコンを熱酸化法によって形成し、その後、タンタル（Ｔａ）のターゲットを用いたスパッタリング法によって、Ｔａ膜を１００ｎｍの厚さで形成した。その後、Ｔａ膜上にて酸化物半導体としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ（原子数比Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２）ターゲットを用いたスパッタリング法によって、ＩＧＺＯ膜を５ｎｍの厚さで形成して作製した。
試料８は、シリコン基板に厚さが１００ｎｍの酸化シリコンを熱酸化法によって形成し、その後、タンタル（Ｔａ）のターゲットを用いたスパッタリング法によって、Ｔａ膜を１００ｎｍの厚さで形成した。その後、Ｔａ膜上にて酸化物半導体としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ（原子数比Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２）ターゲットを用いたスパッタリング法によって、ＩＧＺＯ膜を５ｎｍの厚さで形成し、該ＩＧＺＯ膜上にＰＥＣＶＤ法を用いて酸化シリコン膜を２０ｎｍの厚さで形成して作製した。酸化シリコン膜は、モノシランを１ｓｃｃｍおよび亜酸化窒素を８００ｓｃｃｍ含む雰囲気において、圧力を２００Ｐａに制御し、成膜時の基板加熱温度を３５０℃、電極に１５０Ｗ（６０ＭＨｚ）を印加して成膜した。このような成膜条件で酸化シリコンを成膜することによって、膜中に過剰酸素を多く含んだ酸化シリコン膜を形成することができる。
また、試料９は、試料８と同様にＩＧＺＯ膜形成後、該ＩＧＺＯ膜上にＰＥＣＶＤ法を用いて酸化シリコン膜を２０ｎｍの厚さで形成するが、酸化シリコン膜の成膜条件を変えることによって、過剰酸素の少ない酸化シリコン膜を形成した。該酸化シリコン膜は、モノシランを１ｓｃｃｍおよび亜酸化窒素を８００ｓｃｃｍ含む雰囲気において、圧力を４０Ｐａに制御し、成膜時の基板加熱温度を３５０℃、電極に１５０Ｗ（６０ＭＨｚ）を印加して成膜した。このような成膜条件で酸化シリコンを成膜することによって、膜中の過剰酸素が少ない酸化シリコン膜を形成することができる。
試料１０は、シリコン基板に厚さが１００ｎｍの酸化シリコンを熱酸化法によって形成し、その後、モリブデン（Ｍｏ）のターゲットを用いたスパッタリング法によって、Ｍｏ膜を１００ｎｍの厚さで形成した。その後、Ｍｏ膜上にて酸化物半導体としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ（原子数比Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２）ターゲットを用いたスパッタリング法によって、ＩＧＺＯ膜を５ｎｍの厚さで形成して作製した。
試料１１は、シリコン基板に厚さが１００ｎｍの酸化シリコンを熱酸化法によって形成し、その後、モリブデン（Ｍｏ）のターゲットを用いたスパッタリング法によって、Ｍｏ膜を１００ｎｍの厚さで形成した。その後、Ｍｏ膜上にて酸化物半導体としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ（原子数比Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２）ターゲットを用いたスパッタリング法によって、ＩＧＺＯ膜を５ｎｍの厚さで形成し、該ＩＧＺＯ膜上にＰＥＣＶＤ法を用いて酸化シリコン膜を２０ｎｍの厚さで形成して作製した。酸化シリコン膜は、モノシランを１ｓｃｃｍおよび亜酸化窒素を８００ｓｃｃｍ含む雰囲気において、圧力を２００Ｐａに制御し、成膜時の基板加熱温度を３５０℃、電極に１５０Ｗ（６０ＭＨｚ）を印加して成膜した。このような成膜条件で酸化シリコンを成膜することによって、膜中に過剰酸素を多く含んだ酸化シリコン膜を形成することができる。
また、試料１２は、試料１１と同様にＩＧＺＯ膜形成後、該ＩＧＺＯ膜上にＰＥＣＶＤ法を用いて酸化シリコン膜を２０ｎｍの厚さで形成するが、酸化シリコン膜の成膜条件を変えることによって、過剰酸素の少ない酸化シリコン膜を形成した。該酸化シリコン膜は、モノシランを１ｓｃｃｍおよび亜酸化窒素を８００ｓｃｃｍ含む雰囲気において、圧力を４０Ｐａに制御し、成膜時の基板加熱温度を３５０℃、電極に１５０Ｗ（６０ＭＨｚ）を印加して成膜した。このような成膜条件で酸化シリコンを成膜することによって、膜中の過剰酸素が少ない酸化シリコン膜を形成することができる。
作製した試料１乃至試料１２に対し、導電体（Ｗ、Ｔｉ、ＴａおよびＭｏ）膜中の酸素の深さ方向の添加量をＳＩＭＳによって調べた結果を図６３および図６４に示す。
図６３（Ａ）は、導電体としてＷ膜を用いたＳＩＭＳの結果、図６３（Ｂ）は、導電体としてＴｉ膜を用いたＳＩＭＳの結果、図６４（Ａ）は、導電体としてＴａ膜を用いたＳＩＭＳの結果、図６４（Ｂ）は、導電体としてＭｏ膜を用いたＳＩＭＳの結果を示している。これらＳＩＭＳの結果より、導電体上にＩＧＺＯ膜を形成した場合においても、該ＩＧＺＯ膜上に過剰酸素を有するシリコン酸化膜を形成することによって、導電体へ酸素が添加されることがわかった。さらに、導電体へ添加される酸素の量は、膜中の過剰酸素が少ないシリコン酸化膜より、膜中の過剰酸素が多いシリコン酸化膜を形成したほうが、多くなることがわかった。
１００ トランジスタ
１００Ａ トランジスタ
１００Ｂ トランジスタ
１０１ トランジスタ
１０２ 基板
１０３ トランジスタ
１０４ 導電体
１０６ 絶縁体
１０７ 絶縁体
１０８ 酸化物半導体
１０８ａ 酸化物半導体
１０８ｂ 酸化物半導体
１０８ｃ 酸化物半導体
１１２ａ 導電体
１１２ｂ 導電体
１１４ 絶縁体
１１４ａ 絶縁体
１１６ 絶縁体
１２０ 導電体
１２０ａ 導電体
１２０ｂ 導電体
１３２ 金属酸化膜
１３４ 金属酸化膜
１４０ 酸素
１４０ｃ 開口部
１４１ａ 開口部
１４１ｂ 開口部
１４２ａ 開口部
１４２ｂ 開口部
１４２ｃ 開口部
１５０ トランジスタ
１６０ トランジスタ
１７０ トランジスタ
２００ 撮像装置
２０１ スイッチ
２０２ スイッチ
２０３ スイッチ
２１０ 画素部
２１１ 画素
２１２ 副画素
２１２Ｂ 副画素
２１２Ｇ 副画素
２１２Ｒ 副画素
２２０ 光電変換素子
２３０ 画素回路
２３１ 配線
２４７ 配線
２４８ 配線
２４９ 配線
２５０ 配線
２５３ 配線
２５４ フィルタ
２５４Ｂ フィルタ
２５４Ｇ フィルタ
２５４Ｒ フィルタ
２５５ レンズ
２５６ 光
２５７ 配線
２６０ 周辺回路
２７０ 周辺回路
２８０ 周辺回路
２９０ 周辺回路
２９１ 光源
３００ シリコン基板
３１０ 層
３２０ 層
３３０ 層
３４０ 層
３５１ トランジスタ
３５２ トランジスタ
３５３ トランジスタ
３６０ フォトダイオード
３６１ アノード
３６３ 低抵抗領域
３７０ プラグ
３７１ 配線
３７２ 配線
３７３ 配線
３８０ 絶縁体
４００ 基板
４０１ 絶縁体
４０２ 絶縁体
４０４ 導電体
４０６ａ 半導体
４０６ｂ 半導体
４０６ｃ 半導体
４１２ 絶縁体
４１３ 導電体
４１６ａ 導電体
４１６ｂ 導電体
４３４ 導電体
４３６ｃ 半導体
４４２ 絶縁体
４５０ 半導体基板
４５２ 絶縁体
４５４ 導電体
４５６ 領域
４６０ 領域
４６２ 絶縁体
４６４ 絶縁体
４６６ 絶縁体
４６８ 絶縁体
４７２ａ 領域
４７２ｂ 領域
４７４ａ 導電体
４７４ｂ 導電体
４７４ｃ 導電体
４７６ａ 導電体
４７６ｂ 導電体
４７８ａ 導電体
４７８ｂ 導電体
４７８ｃ 導電体
４８０ａ 導電体
４８０ｂ 導電体
４８０ｃ 導電体
４９０ 絶縁体
４９２ 絶縁体
４９４ 絶縁体
４９６ａ 導電体
４９６ｂ 導電体
４９６ｃ 導電体
４９６ｄ 導電体
４９８ａ 導電体
４９８ｂ 導電体
４９８ｃ 導電体
４９８ｄ 導電体
５００ 基板
５０１ 画素回路
５０２ 絶縁体
５０３ 絶縁体
５０４ 導電体
５０６ 保護回路
５０６ａ 半導体
５０６ｂ 半導体
５０６ｃ 半導体
５０７ 端子部
５１１ 絶縁体
５１２ 絶縁体
５１３ 導電体
５１４ 導電体
５１６ 導電体
５１６ａ 導電体
５１６ｂ 導電体
５３４ 導電体
５３６ａ 半導体
５３６ｂ 半導体
５３６ｃ 半導体
５４２ 絶縁体
５５０ トランジスタ
５５２ トランジスタ
５５４ トランジスタ
５６０ 容量素子
５６２ 容量素子
５７０ 液晶素子
５７２ 発光素子
１１８９ ＲＯＭインターフェース
１１９０ 基板
１１９１ ＡＬＵ
１１９２ ＡＬＵコントローラ
１１９３ インストラクションデコーダ
１１９４ インタラプトコントローラ
１１９５ タイミングコントローラ
１１９６ レジスタ
１１９７ レジスタコントローラ
１１９８ バスインターフェース
１１９９ ＲＯＭ
１２００ 記憶素子
１２０１ 回路
１２０２ 回路
１２０３ スイッチ
１２０４ スイッチ
１２０６ 論理素子
１２０７ 容量素子
１２０８ 容量素子
１２０９ トランジスタ
１２１０ トランジスタ
１２１３ トランジスタ
１２１４ トランジスタ
１２２０ 回路
１５０２ 画素部
１５０４ 駆動回路部
１５０４ａ ゲートドライバ
１５０４ｂ ソースドライバ
２０００ タッチパネル
２００１ タッチパネル
２１００ トランジスタ
２２００ トランジスタ
２５０１ 表示装置
２５０２ｔ トランジスタ
２５０３ｃ 容量素子
２５０３ｔ トランジスタ
２５０４ 走査線駆動回路
２５０５ 画素
２５０９ ＦＰＣ
２５１０ 基板
２５１０ａ 絶縁層
２５１０ｂ 可撓性基板
２５１０ｃ 接着層
２５１１ 配線
２５１９ 端子
２５２１ 絶縁層
２５２２ 絶縁層
２５２８ 隔壁
２５２９ 液晶層
２５３０ａ スペーサ
２５３０ｂ スペーサ
２５３１ 絶縁層
２５５０ ＥＬ素子
２５５１ 液晶素子
２５６０ 封止層
２５６７ 着色層
２５６８ 遮光層
２５６９ 反射防止層
２５７０ 基板
２５７０ａ 絶縁層
２５７０ｂ 可撓性基板
２５７０ｃ 接着層
２５８０ 発光モジュール
２５９０ 基板
２５９１ 電極
２５９２ 電極
２５９３ 絶縁層
２５９４ 配線
２５９５ タッチセンサ
２５９７ 接着層
２５９８ 配線
２５９９ 接続層
２６０１ パルス電圧出力回路
２６０２ 電流検出回路
２６０３ 容量
２６１１ トランジスタ
２６１２ トランジスタ
２６１３ トランジスタ
２６２１ 電極
２６２２ 電極
３００１ 配線
３００２ 配線
３００３ 配線
３００４ 配線
３００５ 配線
３２００ トランジスタ
３３００ トランジスタ
３４００ 容量素子
５１００ ペレット
５１２０ 基板
５１６１ 領域
８０００ 表示モジュール
８００１ 上部カバー
８００２ 下部カバー
８００３ ＦＰＣ
８００４ タッチパネル
８００５ ＦＰＣ
８００６ 表示パネル
８００７ バックライト
８００８ 光源
８００９ フレーム
８０１０ プリント基板
８０１１ バッテリ
９０００ 筐体
９００１ 表示部
９００３ スピーカ
９００５ 操作キー
９００６ 接続端子
９００７ センサ
９００８ マイクロフォン
９０５０ 操作ボタン
９０５１ 情報
９０５２ 情報
９０５３ 情報
９０５４ 情報
９０５５ ヒンジ
９１００ 携帯情報端末
９１０１ 携帯情報端末
９１０２ 携帯情報端末
９２００ 携帯情報端末
９２０１ 携帯情報端末
１００Ａ トランジスタ
１００Ｂ トランジスタ
１０１ トランジスタ
１０２ 基板
１０３ トランジスタ
１０４ 導電体
１０６ 絶縁体
１０７ 絶縁体
１０８ 酸化物半導体
１０８ａ 酸化物半導体
１０８ｂ 酸化物半導体
１０８ｃ 酸化物半導体
１１２ａ 導電体
１１２ｂ 導電体
１１４ 絶縁体
１１４ａ 絶縁体
１１６ 絶縁体
１２０ 導電体
１２０ａ 導電体
１２０ｂ 導電体
１３２ 金属酸化膜
１３４ 金属酸化膜
１４０ 酸素
１４０ｃ 開口部
１４１ａ 開口部
１４１ｂ 開口部
１４２ａ 開口部
１４２ｂ 開口部
１４２ｃ 開口部
１５０ トランジスタ
１６０ トランジスタ
１７０ トランジスタ
２００ 撮像装置
２０１ スイッチ
２０２ スイッチ
２０３ スイッチ
２１０ 画素部
２１１ 画素
２１２ 副画素
２１２Ｂ 副画素
２１２Ｇ 副画素
２１２Ｒ 副画素
２２０ 光電変換素子
２３０ 画素回路
２３１ 配線
２４７ 配線
２４８ 配線
２４９ 配線
２５０ 配線
２５３ 配線
２５４ フィルタ
２５４Ｂ フィルタ
２５４Ｇ フィルタ
２５４Ｒ フィルタ
２５５ レンズ
２５６ 光
２５７ 配線
２６０ 周辺回路
２７０ 周辺回路
２８０ 周辺回路
２９０ 周辺回路
２９１ 光源
３００ シリコン基板
３１０ 層
３２０ 層
３３０ 層
３４０ 層
３５１ トランジスタ
３５２ トランジスタ
３５３ トランジスタ
３６０ フォトダイオード
３６１ アノード
３６３ 低抵抗領域
３７０ プラグ
３７１ 配線
３７２ 配線
３７３ 配線
３８０ 絶縁体
４００ 基板
４０１ 絶縁体
４０２ 絶縁体
４０４ 導電体
４０６ａ 半導体
４０６ｂ 半導体
４０６ｃ 半導体
４１２ 絶縁体
４１３ 導電体
４１６ａ 導電体
４１６ｂ 導電体
４３４ 導電体
４３６ｃ 半導体
４４２ 絶縁体
４５０ 半導体基板
４５２ 絶縁体
４５４ 導電体
４５６ 領域
４６０ 領域
４６２ 絶縁体
４６４ 絶縁体
４６６ 絶縁体
４６８ 絶縁体
４７２ａ 領域
４７２ｂ 領域
４７４ａ 導電体
４７４ｂ 導電体
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４７６ａ 導電体
４７６ｂ 導電体
４７８ａ 導電体
４７８ｂ 導電体
４７８ｃ 導電体
４８０ａ 導電体
４８０ｂ 導電体
４８０ｃ 導電体
４９０ 絶縁体
４９２ 絶縁体
４９４ 絶縁体
４９６ａ 導電体
４９６ｂ 導電体
４９６ｃ 導電体
４９６ｄ 導電体
４９８ａ 導電体
４９８ｂ 導電体
４９８ｃ 導電体
４９８ｄ 導電体
５００ 基板
５０１ 画素回路
５０２ 絶縁体
５０３ 絶縁体
５０４ 導電体
５０６ 保護回路
５０６ａ 半導体
５０６ｂ 半導体
５０６ｃ 半導体
５０７ 端子部
５１１ 絶縁体
５１２ 絶縁体
５１３ 導電体
５１４ 導電体
５１６ 導電体
５１６ａ 導電体
５１６ｂ 導電体
５３４ 導電体
５３６ａ 半導体
５３６ｂ 半導体
５３６ｃ 半導体
５４２ 絶縁体
５５０ トランジスタ
５５２ トランジスタ
５５４ トランジスタ
５６０ 容量素子
５６２ 容量素子
５７０ 液晶素子
５７２ 発光素子
１１８９ ＲＯＭインターフェース
１１９０ 基板
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１１９２ ＡＬＵコントローラ
１１９３ インストラクションデコーダ
１１９４ インタラプトコントローラ
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１２００ 記憶素子
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１２０４ スイッチ
１２０６ 論理素子
１２０７ 容量素子
１２０８ 容量素子
１２０９ トランジスタ
１２１０ トランジスタ
１２１３ トランジスタ
１２１４ トランジスタ
１２２０ 回路
１５０２ 画素部
１５０４ 駆動回路部
１５０４ａ ゲートドライバ
１５０４ｂ ソースドライバ
２０００ タッチパネル
２００１ タッチパネル
２１００ トランジスタ
２２００ トランジスタ
２５０１ 表示装置
２５０２ｔ トランジスタ
２５０３ｃ 容量素子
２５０３ｔ トランジスタ
２５０４ 走査線駆動回路
２５０５ 画素
２５０９ ＦＰＣ
２５１０ 基板
２５１０ａ 絶縁層
２５１０ｂ 可撓性基板
２５１０ｃ 接着層
２５１１ 配線
２５１９ 端子
２５２１ 絶縁層
２５２２ 絶縁層
２５２８ 隔壁
２５２９ 液晶層
２５３０ａ スペーサ
２５３０ｂ スペーサ
２５３１ 絶縁層
２５５０ ＥＬ素子
２５５１ 液晶素子
２５６０ 封止層
２５６７ 着色層
２５６８ 遮光層
２５６９ 反射防止層
２５７０ 基板
２５７０ａ 絶縁層
２５７０ｂ 可撓性基板
２５７０ｃ 接着層
２５８０ 発光モジュール
２５９０ 基板
２５９１ 電極
２５９２ 電極
２５９３ 絶縁層
２５９４ 配線
２５９５ タッチセンサ
２５９７ 接着層
２５９８ 配線
２５９９ 接続層
２６０１ パルス電圧出力回路
２６０２ 電流検出回路
２６０３ 容量
２６１１ トランジスタ
２６１２ トランジスタ
２６１３ トランジスタ
２６２１ 電極
２６２２ 電極
３００１ 配線
３００２ 配線
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３００５ 配線
３２００ トランジスタ
３３００ トランジスタ
３４００ 容量素子
５１００ ペレット
５１２０ 基板
５１６１ 領域
８０００ 表示モジュール
８００１ 上部カバー
８００２ 下部カバー
８００３ ＦＰＣ
８００４ タッチパネル
８００５ ＦＰＣ
８００６ 表示パネル
８００７ バックライト
８００８ 光源
８００９ フレーム
８０１０ プリント基板
８０１１ バッテリ
９０００ 筐体
９００１ 表示部
９００３ スピーカ
９００５ 操作キー
９００６ 接続端子
９００７ センサ
９００８ マイクロフォン
９０５０ 操作ボタン
９０５１ 情報
９０５２ 情報
９０５３ 情報
９０５４ 情報
９０５５ ヒンジ
９１００ 携帯情報端末
９１０１ 携帯情報端末
９１０２ 携帯情報端末
９２００ 携帯情報端末
９２０１ 携帯情報端末
Claims (16)
- 基板上の第１の導電体と、
前記第１の導電体上の第１の絶縁体と、
前記第１の絶縁体上の酸化物半導体と、
前記酸化物半導体と接して設けられる、第２の導電体および第３の導電体と、
前記酸化物半導体、前記第２の導電体および前記第３の導電体上の第２の絶縁体と、を有し、
前記第２の導電体および前記第３の導電体は、膜厚方向に酸素の濃度勾配が形成される領域を有していることを特徴とする半導体装置。 - 請求項１において、
前記第２の導電体および前記第３の導電体は、前記第２の絶縁体と接する領域が最も酸素濃度が高いことを特徴とする半導体装置。 - 請求項１において、
前記第２の導電体および前記第３の導電体は、前記第１の絶縁体と接する領域が最も酸素濃度が高いことを特徴とする半導体装置。 - 基板上の第１の導電体と、
前記第１の導電体上の第１の絶縁体と、
前記第１の絶縁体上の酸化物半導体と、
前記酸化物半導体と接して設けられる第２の導電体および第３の導電体と、
前記酸化物半導体、前記第２の導電体および前記第３の導電体上の第２の絶縁体と、を有し、
前記第１の導電体は、膜厚方向に酸素の濃度勾配が形成される領域を有していることを特徴とする半導体装置。 - 請求項４において、
前記第１の導電体は、前記第１の絶縁体と接する領域が最も酸素濃度が高いことを特徴とする半導体装置。 - 請求項４において、
前記基板と、前記第１の導電体と、の間に第３の絶縁体を有し、
前記第１の導電体は、前記第３の絶縁体と接する領域が最も酸素濃度が高いことを特徴とする半導体装置。 - 基板上の第１の絶縁体と、
前記第１の絶縁体上の酸化物半導体と、
前記酸化物半導体と接して設けられる第１の導電体および第２の導電体と、
前記酸化物半導体、前記第１の導電体および前記第２の導電体上の第２の絶縁体と、
前記第２の絶縁体上の第３の導電体と、を有し、
前記第１の導電体および前記第２の導電体は、膜厚方向に酸素の濃度勾配が形成される領域を有していることを特徴とする半導体装置。 - 請求項７において、
前記第１の導電体および前記第２の導電体は、前記第１の絶縁体と接する領域が最も酸素濃度が高いことを特徴とする半導体装置。 - 請求項７において、
前記第１の導電体および前記第２の導電体は、前記第２の絶縁体と接する領域が最も酸素濃度が高いことを特徴とする半導体装置。 - 基板上の第１の絶縁体と、
前記第１の絶縁体上の酸化物半導体と、
前記酸化物半導体と接して設けられる第１の導電体および第２の導電体と、
前記酸化物半導体、前記第１の導電体および前記第２の導電体上の第２の絶縁体と、
前記第２の絶縁体上の第３の導電体と、
前記第３の導電体上の第３の絶縁体と、を有し、
前記第３の導電体は、膜厚方向に酸素の濃度勾配が形成される領域を有していることを特徴とする半導体装置。 - 請求項１０において、
前記第３の導電体は、前記第２の絶縁体と接する領域が最も酸素濃度が高いことを特徴とする半導体装置。 - 請求項１０において、
前記第３の導電体は、前記第３の絶縁体と接する領域が最も酸素濃度が高いことを特徴とする半導体装置。 - 請求項１乃至請求項１２のいずれか一項において、
前記第１の導電体、前記第２の導電体および前記第３の導電体は、それぞれ単層または２層以上の積層により形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載の半導体装置と、
表示素子と、を有することを特徴とする表示装置。 - 請求項１４に記載の表示装置と、
タッチセンサと、を有することを特徴とする表示モジュール。 - 請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載の半導体装置と、
操作キーまたはバッテリと、を有することを特徴とする電子機器。
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