TW201419542A - 半導體裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明的課題是使使用氧化物半導體層的電晶體具有穩定的電特性。另外，本發明的課題提供一種具有電晶體的高可靠性的半導體裝置。該半導體裝置包括包含氧化物層及氧化物半導體層的多層膜、與氧化物層接觸地設置的閘極絕緣膜以及隔著閘極絕緣膜與多層膜重疊地設置的閘極電極，其中氧化物層包含與氧化物半導體層相同的元素並具有比氧化物半導體層大的能隙，氧化物層和氧化物半導體層之間的組成連續地變化。
Description
本發明係涉及一種半導體裝置及其製造方法。
另外，在本說明書中半導體裝置是指能夠藉由利用半導體特性而工作的所有裝置，因此電光裝置、半導體電路以及電子裝置等都是半導體裝置。
使用形成在具有絕緣表面的基板上的半導體層構成電晶體的技術受到關注。該電晶體被廣泛地應用於如積體電路或顯示裝置等的半導體裝置。作為可用於電晶體的半導體層，已知矽層。
作為用於電晶體的半導體層的矽層，根據用途分別使用非晶矽層或多晶矽層。例如，當用於構成大型的顯示裝置的電晶體時，較佳為使用已確立在大面積基板上進行成膜的技術的非晶矽層。另一方面，當用於構成一起形成了驅動電路的高功能的顯示裝置的電晶體時，較佳為使用可以製造具有高場效移動率的電晶體的多晶矽層。
作為多晶矽層的形成方法，已知對非晶矽層進行高溫下的加熱處理或雷射處理來形成的方法。
並且，近年來氧化物半導體層受到關注。例如，已公開使用載子密度低於1018/cm3的包含銦、鎵及鋅的氧化物半導體層的電晶體(參照專利文獻1)。
由於利用濺射法可以形成氧化物半導體層，可以將它應用於構成大型的顯示裝置的電晶體。另外，使用氧化物半導體層的電晶體具有高場效移動率，由此可以實現一起形成了驅動電路的高功能的顯示裝置。另外，還可以改良使用非晶矽層的電晶體的生產設備的一部分而利用，所以使用氧化物半導體層的電晶體在抑制設備投資的方面上優勢。
另外，已知在關閉狀態下使用氧化物半導體層的電晶體的洩漏電流(也稱為關態電流(off-state current))極小。例如，已公開一種應用使用氧化物半導體層的電晶體的低洩露特性的耗電量小的CPU等(參照專利文獻2)。
[專利文獻1]日本專利申請公開第2006-165528號公報
[專利文獻2]美國專利申請公開第2012/0032730號說明書
隨著擴大使用氧化物半導體層的電晶體的應用範圍，對可靠性的要求也多樣化了。於是，本發明的一個方式的課題之一是使使用氧化物半導體層的電晶體具有穩定的電特性。另外，本發明的一個方式的課題之一是提供一種具有上述電晶體的高可靠性的半導體裝置。
本發明的一個方式是一種半導體裝置，該半導體裝置包括包含氧化物層和氧化物半導體層的多層膜、與氧化物層接觸地設置的閘極絕緣膜以及隔著閘極絕緣膜與多層膜重疊地設置的閘極電極，其中氧化物層包含與氧化物半導體層相同的元素並具有比氧化物半導體層大的能隙，並且氧化物層和氧化物半導體層之間的組成連續地變化。注意，氧化物層和氧化物半導體層之間的組成連續地變化是指在氧化物層和氧化物半導體層之間包括具有氧化物層的組成和氧化物半導體層的組成的中間的組成的氧化物層或氧化物半導體層。
另外，本發明的一個方式是一種半導體裝置，該半導體裝置包括包含氧化物層和氧化物半導體層的多層膜、與氧化物層接觸地設置的閘極絕緣膜以及隔著閘極絕緣膜與多層膜重疊地設置的閘極電極，其中氧化物層包含與在氧化物半導體層中所使用的相同的元素並是其導帶底端的能量比起氧化物半導體層的導帶底端的能量近於真空能階的層，並且氧化物層和氧化物半導體層之間的組成連續地變化。
氧化物層設置在閘極絕緣膜的對置一側(也
稱為氧化物半導體層的背通道一側)，它是其導帶底端的能量比起氧化物半導體層的導帶底端的能量近於真空能階0.05eV以上、0.07eV以上、0.1eV以上或0.15eV以上且2eV以下、1eV以下、0.5eV以下或0.4eV以下的氧化物層(也稱為阻擋層)。此時，在氧化物半導體層中形成有通道，而在氧化物層中沒有形成通道。另外，氧化物層包含與氧化物半導體層相同的元素，所以氧化物層和氧化物半導體層之間的組成連續地變化。由此，在氧化物層和氧化物半導體層之間不存在明確的介面，所以不容易形成介面能階。當在氧化物層和氧化物半導體層之間形成有介面能階時，形成將該介面作為通道的臨界電壓不同的第二電晶體，使得有時電晶體的外觀上的臨界電壓發生變動。因此，藉由在氧化物半導體層的背通道一側設置氧化物層，可以降低諸如電晶體的臨界電壓等電特性的不均勻。
為了在氧化物半導體層中形成通道的電晶體具有穩定的電特性，降低氧化物半導體層中的雜質濃度而實現高純度本質是有效的。實現高純度本質是指使氧化物半導體層實現本質或實際上實現本質。注意，當實際上實現本質時，氧化物半導體層的載子密度小於1×1017/cm3、小於1×1015/cm3或小於1×1013/cm3。在氧化物半導體層中，主要成分以外(小於1atomic%)的輕元素、半金屬元素以及金屬元素都成為雜質。例如，在氧化物半導體層中，氫、氮、碳、矽、鍺、鈦以及鉿都成為雜質。為了降低氧化物半導體層中的雜質濃度，較佳為還降低與氧化物
半導體層靠近的閘極絕緣膜及氧化物層中的雜質濃度。
例如，在氧化物半導體層中矽形成雜質能階。另外，該雜質能階有時成為陷阱中心。具體地，將氧化物半導體層的矽濃度設定為低於1×1019atoms/cm3、較佳為低於5×1018atoms/cm3、更佳為低於2×1018atoms/cm3。由此，較佳為不在氧化物半導體層的背通道一側設置包含矽的絕緣膜(氧化矽、氧氮化矽、氮化矽、氮氧化矽等)。
另外，在氧化物半導體層中氫及氮形成施體能階，使得載子密度增大。
例如，氧化物層是以比氧化物半導體層的原子個數比高的原子個數比包含鋁、矽、鎵、鍺、釔、鋯、鑭、鈰、釹或鉿(尤其是鋁或鎵)的氧化物層，即可。具體地，作為氧化物層，使用以比起氧化物半導體層的原子個數比高1.5倍以上、較佳為2倍以上、更佳為3倍以上的原子個數比包含上述元素的氧化物層。上述元素與氧的接合很強，由此具有抑制氧缺損產生在氧化物層中的功能。就是說，氧化物層是與氧化物半導體層相比不容易產生氧缺損的氧化物層。
或者，在氧化物半導體層和氧化物層都是In-M-Zn氧化物的情況下，當將氧化物半導體層設定為In：M：Zn=x1：y1：z1[原子個數比]且將氧化物層設定為In：M：Zn=x2：y2：z2[原子個數比]時，選擇y2/x2比y1/x1大的氧化物半導體層及氧化物層。另外，元素M是它與氧
的接合力比In與氧的接合力大的金屬元素，例如可以舉出Al、Si、Ga、Ge、Y、Zr、La、Ce、Nd或Hf等(尤其是Al或Ga)。較佳的是，選擇與y1/x1相比y2/x2大1.5倍以上的氧化物半導體層及氧化物層。更佳的是，選擇與y1/x1相比y2/x2大2倍以上的氧化物半導體層及氧化物層。進一步佳的是，選擇與y1/x1相比y2/x2大3倍以上的氧化物半導體層及氧化物層。此時，在y1為x1以上的情況下，在氧化物半導體層中使電晶體具有穩定的電特性，所以是較佳的。注意，當y1為x1的3倍以上時，電晶體的場效移動率變降低，所以較佳為y1小於x1的3倍。
將氧化物層的厚度設定為3nm以上且100nm以下，較佳為3nm以上且50nm以下。
另外，與氧化物層接觸地設置電晶體的源極電極及汲極電極。就是說，電晶體的源極電極與汲極電極之間的電流(也稱為汲極電流)藉由氧化物層流過氧化物半導體層。
隨著半導體裝置的大型化或小型化，半導體裝置的佈線電阻的影響變大。由此，作為佈線，較佳為使用具有包含電阻低的銅的層的多層膜。注意，如上述那樣，在氧化物半導體層中銅成為雜質。藉由根據本發明的一個方式的半導體裝置具有氧化物層，即使在作為佈線使用具有包含銅的層的多層膜的情況下，也可以降低氧化物半導體層中的銅濃度。另外，當佈線的一部分用作源極電極及汲極電極時，可以使半導體裝置的製程簡化，所以是
較佳的。
根據本發明的一個方式，藉由使用包含氧化物層和氧化物半導體層的多層膜，可以使電晶體具有穩定的電特性。另外，可以提供一種具有該電晶體的高可靠性的半導體裝置。
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218‧‧‧保護絕緣膜
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在圖式中：圖1A至1D是說明根據本發明的一個方式的半導體裝置的俯視圖及剖面圖；圖2A和2B是說明在根據本發明的一個方式的多層膜中氧的擴散的圖；圖3是說明在根據本發明的一個方式的多層膜的帶結構的圖；圖4是說明在根據本發明的一個方式的多層膜的帶結構的圖；圖5A至5C是說明根據本發明的一個方式的半導體裝置的製造方法的剖面圖；圖6A和6B是說明根據本發明的一個方式的半導體裝置的製造方法的剖面圖；圖7是示出根據本發明的一個方式的氧化物層中的微粒數的圖；圖8A和8B是示出成膜裝置的一個例子的俯視圖；圖9A和9B是示出成膜室的一個例子的剖面圖；
圖10是示出加熱處理室的一個例子的剖面圖；圖11A至11C是說明根據本發明的一個方式的半導體裝置的俯視圖及剖面圖；圖12A至12C是說明根據本發明的一個方式的半導體裝置的製造方法的剖面圖；圖13A和13B是說明根據本發明的一個方式的半導體裝置的製造方法的剖面圖；圖14是示出根據本發明的一個方式的EL顯示裝置的一個例子的電路圖；圖15A至15C是示出根據本發明的一個方式的EL顯示裝置的一個例子的俯視圖及剖面圖；圖16A和16B是示出根據本發明的一個方式的EL顯示裝置的一個例子的剖面圖；圖17是示出根據本發明的一個方式的液晶顯示裝置的一個例子的電路圖；圖18A至18C是示出根據本發明的一個方式的液晶顯示裝置的一個例子的剖面圖；圖19A1和19A2、圖19B1和19B2以及圖19C1和19C2是示出根據本發明的一個方式的液晶顯示裝置的像素的一個例子的剖面圖；圖20A1和20A2以及圖20B1和20B2是示出根據本發明的一個方式的液晶顯示裝置的像素的一個例子的剖面圖；圖21A1和21A2以及圖21B1和21B2是示出根據本
發明的一個方式的液晶顯示裝置的像素的一個例子的剖面圖；圖22A和22B是示出根據本發明的一個方式的液晶顯示裝置的像素的一個例子的俯視圖及剖面圖；圖23A至23C是示出根據本發明的一個方式的液晶顯示裝置的像素的一個例子的俯視圖；圖24A至24C是示出根據本發明的一個方式的液晶顯示裝置的像素的一個例子的俯視圖；圖25是示出根據本發明的一個方式的半導體裝置的一個例子的方塊圖；圖26是示出根據本發明的一個方式的半導體裝置的一個例子的剖面圖；圖27A至27C是示出根據本發明的一個方式的CPU的一個例子的方塊圖；圖28A至28C是示出根據本發明的一個方式的電子裝置的一個例子的圖；圖29A和29B是示出電晶體的Vg-Id特性的圖；圖30A和30B是示出電晶體的Vg-Id特性的圖；圖31A和31B是示出電晶體的Vg-Id特性的圖；圖32A和32B是示出電晶體的Vg-Id特性的圖；圖33A和33B是示出在黑暗狀態下的閘極BT測試前後的電晶體的Vg-Id特性的圖；圖34A和34B是示出在明亮狀態下的閘極BT測試前後的電晶體的Vg-Id特性的圖；
圖35A和35B是示出在黑暗狀態下的閘極BT測試前後的電晶體的Vg-Id特性的圖；圖36A和36B是示出在明亮狀態下的閘極BT測試前後的電晶體的Vg-Id特性的圖；圖37A和37B是示出在黑暗狀態下的閘極BT測試前後的電晶體的Vg-Id特性的圖；圖38A和38B是示出在明亮狀態下的閘極BT測試前後的電晶體的Vg-Id特性的圖；圖39A和39B是示出在黑暗狀態下的閘極BT測試前後的電晶體的Vg-Id特性的圖；圖40A和40B是示出在明亮狀態下的閘極BT測試前後的電晶體的Vg-Id特性的圖；圖41是示出在進行明亮狀態下的閘極BT測試時使用的白色LED的光譜的圖；圖42是示出閘極BT測試前後的電晶體的Vg-Id特性的變動量的圖；圖43A至43C是示出氧化物層的TDS分析的圖；圖44是示出氧化物層的XRD的圖。
下面，參照圖式對本發明的實施方式進行詳細說明。但是，本發明不侷限於以下說明，所屬發明所屬之技術領域的普通技術人員可以很容易地理解一個事實，就是其方式和詳細內容可以被變換為各種各樣的形式。此
外，本發明不應該被解釋為僅限定在以下所示的實施方式所記載的內容中。注意，當利用圖式簡單說明發明結構時，表示相同目標的元件符號在不同的圖式中共同使用。另外，有時使用相同的陰影圖案表示相同的部分，而不特別附加標記。
為方便起見，附加了第一、第二等序數詞，而其並不表示製程順序或疊層順序。此外，本說明書中的序數不表示特定發明的事項的固有名稱。
注意，“電壓”大多是指某個電位與標準電位(例如，接地電位(GND)或源電位)之間的電位差。由此，可以將電壓改稱為電位。
注意，即使記載為“電連接”時，有時在現實的電路中沒有物理連接的部分而只是佈線延伸。
另外，在電路工作中在電流方向變化的情況等下，“源極”及“汲極”的功能有時被互相調換。因此，在本說明書中，“源極”及“汲極”可以被互相調換。
另外，本實施方式所示的內容可以適當地組合而使用。
下面，說明使用多層膜106的電晶體。
在本節中，說明底閘極型電晶體。在此，參照圖1A至1C說明底閘極型電晶體的一種的底閘極頂接觸結構(BGTC結構)的電晶體。
圖1A至1C示出BGTC結構的電晶體的俯視圖及剖面圖。圖1A示出電晶體的俯視圖。圖1B示出圖1A的對應於點劃線A1-A2的剖面圖。另外，圖1C示出圖1A的對應於點劃線A3-A4的剖面圖。
圖1B示出一種電晶體，該電晶體包括：設置在基板100上的閘極電極104；設置在閘極電極104上的閘極絕緣膜112；設置在閘極絕緣膜112上的包含氧化物半導體層106a以及氧化物半導體層106a上的氧化物層106b的多層膜106；設置在閘極絕緣膜112及多層膜106上的源極電極116a及汲極電極116b；設置在多層膜106、源極電極116a以及汲極電極116b上的保護絕緣膜118。
另外，根據用於源極電極116a及汲極電極116b的導電膜的種類，有時從氧化物層106b的一部分奪取氧或者形成混合層，使得在氧化物層106b中形成源極區域106c及汲極區域106d。
在圖1A中，將重疊於閘極電極104的區域中的源極電極116a和汲極電極116b之間的間隔稱為通道長度。注意，在電晶體包括源極區域106c及汲極區域106d的情況下，也可以將重疊於閘極電極104的區域中的源極區域106c和汲極區域106d之間的間隔稱為通道長度。
另外，通道形成區域是指多層膜106中的重疊於閘極電極104並且夾在源極電極116a和汲極電極116b的區域(參照圖1B)。另外，通道區域是指通道形成區域中的電流主要流過的區域。在此，通道區域相當於通道形成區域中的氧化物半導體層106a的部分。
另外，如圖1A所示那樣，以多層膜106的邊緣部位於閘極電極104的邊緣部的內側的方式設置閘極電極104。藉由採用上述結構，當從基板100一側入射光時，可以抑制在多層膜106中因光而產生載子。即，閘極電極104具有遮光膜的功能。注意，也可以多層膜106的邊緣部形成於閘極電極104的邊緣部的外側。
下面，說明多層膜106、構成多層膜106的氧化物半導體層106a以及氧化物層106b。
氧化物層106b由構成氧化物半導體層106a的氧以外的元素中的一種以上構成，其導帶底端的能量比起氧化物半導體層106a的導帶底端的能量近於真空能階0.05eV以上、0.07eV以上、0.1eV以上或0.15eV且2eV以下、1eV以下、0.5eV以下或0.4eV以下。此時，當對閘極電極104施加電場時，通道形成在多層膜106中導帶底端的能量較小的氧化物半導體層106a。就是說，藉由在氧化物半導體層106a和保護絕緣膜118之間具有氧化物層106b，可以將電晶體的通道形成在不與保護絕緣膜
118接觸的氧化物半導體層106a。另外，由構成氧化物半導體層106a的氧以外的元素中的一種以上構成氧化物層106b，由此在氧化物半導體層106a和氧化物層106b之間的介面不容易產生介面散射。因此，在氧化物半導體層106a和氧化物層106b之間不阻礙載子的移動，從而提高電晶體的場效移動率。另外，在氧化物半導體層106a和氧化物層106b之間不容易形成介面能階。當在氧化物半導體層106a和氧化物層106b之間形成有介面能階時，形成將該介面作為通道的臨界電壓不同的第二電晶體，使得有時電晶體的外觀上的臨界電壓發生變動。因此，藉由設置氧化物層106b，可以降低諸如電晶體的臨界電壓等電特性的不均勻。
例如，氧化物層106b包含其原子個數比比氧化物半導體層106a高的鋁、矽、鎵、鍺、釔、鋯、鑭、鈰、釹或鉿(尤其是鋁或鎵)，即可。具體地，作為氧化物層106b，使用包含其原子個數比與氧化物半導體層106a相比高1.5倍以上、較佳為2倍以上、更佳為3倍以上的上述元素的氧化物層。上述元素與氧堅固地接合，所以具有抑制氧缺損產生在氧化物層中的功能。就是說，與氧化物半導體層106a相比，氧化物層106b不容易產生氧缺損。
或者，在氧化物半導體層106a和氧化物層106b都是In-M-Zn氧化物的情況下，當將氧化物半導體層106a設定為In：M：Zn=x1：y1：z1[原子個數比]並且
將氧化物層106b設定為In：M：Zn=x2：y2：z2[原子個數比]時，選擇y1/x1比y2/x2大的氧化物層106b及氧化物半導體層106a。注意，元素M是其與氧的接合力比In與氧的接合力大的金屬元素，例如可以舉出Al、Si、Ga、Ge、Y、Zr、La、Ce、Nd或Hf(尤其是Al或Ga)等。較佳的是，選擇y1/x1比y2/x2大1.5倍以上的氧化物層106b及氧化物半導體層106a。更佳的是，選擇y1/x1比y2/x2大2倍以上的氧化物層106b及氧化物半導體層106a。進一步較佳的是，選擇y1/x1比y2/x2大3倍以上的氧化物層106b及氧化物半導體層106a。此時，在氧化物半導體層106a中，如果y1為x1以上就可以使電晶體具有穩定的電特性，所以是較佳的。但是，如果y1為x1的3倍以上就電晶體的場效移動率變低，所以較佳為y1小於x1的3倍。
氧化物層106b是如上所述的不容易產生氧缺損的氧化物層。利用熱脫附譜分析法(TDS：Thermal Desorption Spectroscopy)對氧化物層106b進行分析，對質量電荷比(m/z)32的氣體分子的釋放量進行測定而圖43A至43C示出該測定的結果。注意，圖43A至43C示出從基板溫度為50℃到420℃進行測定的結果。
在矽晶片上藉由濺射法利用In-Ga-Zn氧化物(In：Ga：Zn=1：3：2[原子個數比])的靶材形成厚度為35nm的氧化物層106b。另外，在如下條件下形成氧化物層106b：使用混合氬氣體和氧氣體的成膜氣體；壓力為
0.6Pa；基板溫度為170℃；施加5kW的AC功率。
另外，圖43A示出氧比例為10%(氬氣體：氧氣體=9：1)時的氧化物層106b的TDS分析結果，圖43B示出氧比例為50%(氬氣體：氧氣體=1：1)時的氧化物層106b的TDS分析結果，圖43C示出氧比例為100%(氬氣體：氧氣體=0：1)時的氧化物層106b的TDS分析結果。
從圖43A至43C可知，在從50℃到420℃的範圍幾乎確認不到氧分子的釋放。由此可知，氧化物層106b是不容易產生氧缺損的氧化物層。
接著，說明氧化物層106b的稠密性。藉由形成氧化物層106b形成得稠密，因製造時的等離子而不容易受到損害，可以實現具有穩定的電特性的電晶體。
藉由X射線反射(XRR：X-Ray Reflection)測定法對氧化物層106b的膜密度進行評價。在石英基板上藉由濺射法利用In-Ga-Zn氧化物(In：Ga：Zn=1：3：2[原子個數比])的靶材形成厚度為35nm的測定目標的氧化物層106b。另外，在如下條件下形成氧化物層106b：使用混合氬氣體和氧氣體的成膜氣體；壓力為0.3Pa或0.6Pa；基板溫度為室溫(大約25℃)；施加5kW的AC功率。
從其結果可知，氧化物層106b的膜密度高，即膜內部的平均值為5.75g/cm3至5.95g/cm3。
接著，對氧化物層106b的結晶性進行評價。
藉由X射線繞射(XRD：X-ray diffraction)進行結晶性的評價。
在石英基板上藉由濺射法利用In-Ga-Zn氧化物(In：Ga：Zn=1：3：2[原子個數比])的靶材形成厚度為100nm的氧化物層106b。另外，在如下條件下形成氧化物層106b：使用混合氬氣體和氧氣體的成膜氣體；壓力為0.6Pa；施加5kW的AC功率。
另外，將進行成膜時的氧比例為10%(氬氣體：氧氣體=9：1)、50%(氬氣體：氧氣體=1：1)以及100%(氬氣體：氧氣體=0：1)。此外，將進行成膜時的基板溫度為室溫(大約25℃)、100℃或200℃。圖44示出其結果。
從圖44可知，至於在氧比例為10%的條件下形成的氧化物層106b中以及在氧比例為50%的條件並基板溫度為室溫下形成的氧化物層106b中，觀察不到高結晶定向。另一方面，至於上述以外的在氧比例為50%及100%的條件下形成的氧化物層106b中，觀察到藉由XRD檢測出的尖峰的峰值。因此，上述以外的在氧比例為50%及100%的條件下形成的氧化物層106b包括分類為空間群Fd-3m的晶體結構(例如，尖晶石型的晶體結構)，例如，18°附近的峰值歸屬於(111)面，36°附近的峰值歸屬於(222)面，56°附近的峰值歸屬於(333)面。
將氧化物層106b的厚度設定為3nm以上且100nm以下，較佳為3nm以上且50nm以下。將氧化物半
導體層106a的厚度設定為3nm以上且200nm以下，較佳為3nm以上且100nm以下，更佳為3nm以上且50nm以下。
下面，說明氧化物半導體層106a及氧化物層106b的矽濃度。另外，為了使電晶體的電特性穩定，降低氧化物半導體層106a中的雜質濃度並實現高純度本質是有效的。另外，當實際上實現本質時，氧化物半導體層106a的載子密度小於1×1017/cm3、小於1×1015/cm3或小於1×1013/cm3。在氧化物半導體層106a中，主要成分以外(小於1atomic%)的輕元素、半金屬元素以及金屬元素都成為雜質。例如，在氧化物半導體層106a中，氫、氮、碳、矽、鍺、鈦以及鉿都成為雜質。由此，較佳為還降低與氧化物半導體層106a靠近的閘極絕緣膜112及氧化物層106b中的雜質濃度。
例如，當氧化物半導體層106a包含矽時，形成雜質能階。尤其是，當在氧化物半導體層106a和氧化物層106b之間存在矽時，該雜質能階成為陷阱中心。由此，將在氧化物半導體層106a和氧化物層106b之間的矽濃度設定為小於1×1019atoms/cm3、較佳為小於5×1018atoms/cm3、更佳為小於2×1018atoms/cm3。
另外，在氧化物半導體層106a中氫及氮形成施體能階，使得載子密度增大。使利用二次離子質譜分析(SIMS：Secondary Ion Mass Spectrometry)測量的氧化物半導體層106a中的氫濃度為2×1020atoms/cm3以下，較
佳為5×1019atoms/cm3以下，更佳為1×1019atoms/cm3以下，進一步佳為5×1018atoms/cm3以下。使利用SIMS測量的氮濃度為低於5×1019atoms/cm3，較佳為5×1018atoms/cm3以下，更佳為1×1018atoms/cm3以下，進一步佳為5×1017atoms/cm3以下。
另外，為了降低氧化物半導體層106a中的氫濃度及氮濃度，較佳為降低氧化物層106b中的氫濃度及氮濃度。使利用SIMS測量的氧化物層106b中的氫濃度為2×1020atoms/cm3以下，較佳為5×1019atoms/cm3以下，更佳為1×1019atoms/cm3以下，進一步佳為5×1018atoms/cm3以下。使利用SIMS測量的氮濃度為低於5×1019atoms/cm3，較佳為5×1018atoms/cm3以下，更佳為1×1018atoms/cm3以下，進一步佳為5×1017atoms/cm3以下。
另外，氧化物半導體層106a和氧化物層106b具有非晶結構或結晶結構。較佳的是，氧化物半導體層106a具有結晶結構，氧化物層106b具有非晶結構或結晶結構。藉由形成有通道的氧化物半導體層106a具有結晶結構，可以使電晶體具有穩定的電特性。另外，具有結晶結構的氧化物半導體層106a較佳為CAAC-OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor：c軸配向結晶氧化物半導體)層。
下面，對氧化物半導體層(氧化物層)的結構進行說明。
注意，在本說明書中，“平行”是指兩條直線形成的角度為-10°以上且10°以下，因此也包括角度為-5°以上且5°以下的情況。另外，“垂直”是指兩條直線形成的角度為80°以上且100°以下，因此也包括角度為85°以上且95°以下的情況。
另外，六方晶系包括三方晶系和菱方晶系。
氧化物半導體層大致分為單晶氧化物半導體層和非單晶氧化物半導體層。非單晶氧化物半導體層包括非晶氧化物半導體層、微晶氧化物半導體層、多晶氧化物半導體層及CAAC-OS層等。
非晶氧化物半導體層具有無序的原子排列並不具有結晶成分。其典型例子是在微小區域中也不具有結晶部而膜整體具有完全的非晶結構的氧化物半導體層。
微晶氧化物半導體層例如包括1nm以上且小於10nm的尺寸的微晶(也稱為奈米晶)。因此，微晶氧化物半導體層的原子排列的有序度比非晶氧化物半導體層高。因此，微晶氧化物半導體層的缺陷態密度低於非晶氧化物半導體層。
CAAC-OS層是包含多個結晶部的氧化物半導體層之一，大部分的結晶部的尺寸為能夠容納於一邊短於100nm的立方體內的尺寸。因此，有時包括在CAAC-OS層中的結晶部的尺寸為能夠容納於一邊短於10nm、短於5nm或短於3nm的立方體內的尺寸。CAAC-OS層的缺陷態密度低於微晶氧化物半導體層。下面，對CAAC-OS層
進行詳細的說明。
在CAAC-OS層的穿透式電子顯微鏡(TEM：Transmission Electron Microscope)影像中，觀察不到結晶部與結晶部之間的明確的邊界，即晶界(grain boundary)。因此，在CAAC-OS層中，不容易發生起因於晶界的電子遷移率的降低。
根據從大致平行於樣本面的方向觀察的CAAC-OS層的TEM影像(剖面TEM影像)可知在結晶部中金屬原子排列為層狀。各金屬原子層具有反映形成CAAC-OS層的面(也稱為被形成面)或CAAC-OS層的頂面的凸凹的形狀並以平行於CAAC-OS層的被形成面或頂面的方式排列。
另一方面，根據從大致垂直於樣本面的方向觀察的CAAC-OS層的TEM影像(平面TEM影像)可知在結晶部中金屬原子排列為三角形狀或六角形狀。但是，在不同的結晶部之間金屬原子的排列沒有規律性。
由剖面TEM影像及平面TEM影像可知，CAAC-OS層的結晶部具有配向性。
使用XRD裝置對CAAC-OS層進行結構分析。例如，當利用out-of-plane法分析包括InGaZnO4的結晶的CAAC-OS層時，在繞射角(2θ)為31°附近時常出現峰值。由於該峰值來源於InGaZnO4結晶的(009)面，由此可知CAAC-OS層中的結晶具有c軸配向性，並且c軸朝向大致垂直於CAAC-OS層的被形成面或頂面的方
向。
另一方面，當利用從大致垂直於c軸的方向使X線入射到樣本的in-plane法分析CAAC-OS層時，在2θ為56°附近時常出現峰值。該峰值來源於InGaZnO4結晶的(110)面。在此，將2θ固定為56°附近並在以樣本面的法線向量為軸(φ軸)旋轉樣本的條件下進行分析(φ掃描)。當該樣本是InGaZnO4的單晶氧化物半導體層時，出現六個峰值。該六個峰值來源於相等於(110)面的結晶面。另一方面，當該樣本是CAAC-OS層時，即使在將2θ固定為56°附近的狀態下進行φ掃描也不能觀察到明確的峰值。
由上述結果可知，在具有c軸配向的CAAC-OS層中，雖然a軸及b軸的方向在結晶部之間不同，但是c軸都朝向平行於被形成面或頂面的法線向量的方向。因此，在上述剖面TEM影像中觀察到的排列為層狀的各金屬原子層相當於與結晶的ab面平行的面。
注意，結晶部在形成CAAC-OS層或進行加熱處理等晶化處理時形成。如上所述，結晶的c軸朝向平行於CAAC-OS層的被形成面或頂面的法線向量的方向。由此，例如，當CAAC-OS層的形狀因蝕刻等而發生改變時，結晶的c軸不一定平行於CAAC-OS層的被形成面或頂面的法線向量。
此外，CAAC-OS層中的晶化度不一定均勻。例如，當CAAC-OS層的結晶部是由CAAC-OS層的頂面
近旁的結晶成長而形成時，有時頂面附近的晶化度高於被形成面附近的晶化度。另外，當對CAAC-OS層添加雜質時，被添加了雜質的區域的晶化度改變，所以有時CAAC-OS層中的晶化度根據區域而不同。
在使用CAAC-OS層的電晶體中，起因於可見光或紫外光的照射的電特性的變動小。因此，該電晶體具有高可靠性。
注意，氧化物半導體層例如也可以是包括非晶氧化物半導體層、微晶氧化物半導體層和CAAC-OS層中的兩種以上的疊層膜。
另外，有時因氧化物半導體層106a以高濃度包含矽及碳而降低氧化物半導體層106a的結晶性。為了不降低化物半導體層106a的結晶性，將氧化物半導體層106a的矽濃度設定為小於1×1019atoms/cm3、較佳為小於5×1018atoms/cm3、更佳為小於2×1018atoms/cm3。另外，為了不降低氧化物半導體層106a的結晶性，將氧化物半導體層106a的碳濃度設定為小於1×1019atoms/cm3、較佳為小於5×1018atoms/cm3、更佳為小於2×1018atoms/cm3。
如此，當通道被形成的氧化物半導體層106a具有高結晶性並起因於雜質或缺陷等的能階密度低時，使用多層膜106的電晶體具有穩定的電特性。
下面，說明降低多層膜106中的局部能階。藉由降低多層膜106中的局部能階密度，可以使使用多層膜106的電晶體具有穩定的電特性。可以利用恆定光電流
法(CPM：Constant Photocurrent Method)對多層膜106中的局部能階進行評價。
另外，為了使電晶體具有穩定的電特性，將由利用CPM測定獲得的多層膜106中的局部能階的吸收係數設定為小於1×10-3cm-1，較佳為小於3×10-4cm-1，即可。藉由將由利用CPM測定獲得的多層膜106中的局部能階的吸收係數設定為小於1×10-3cm-1，較佳為小於3×10-4cm-1，可以提高場效移動率。另外，為了將由利用CPM測定獲得的多層膜106中的局部能階的吸收係數設定為小於1×10-3cm-1，較佳為小於3×10-4cm-1，可以將在氧化物半導體層106a中形成局部能階的元素的矽、鍺、碳、鉿、鈦等的濃度設定為小於2×1018atoms/cm3，較佳為小於2×1017atoms/cm3。
CPM測定是如下方法：在各波長上，在對與作為樣本的多層膜106接觸地設置的電極和電極之間施加電壓的狀態下以使光電流值固定的方式調整照射到樣本的表面的光量且根據照射光量得到吸收係數的方法。在CPM測定中，當樣本有缺陷時，對應於存在缺陷的能階的能量(根據波長換算)的吸收係數增加。藉由用常數乘以該吸收係數的增加值，可以得到樣本的缺陷密度。
可以認為藉由CPM測定觀察到的局部能階是起因於雜質或缺陷的能階。就是說，使用由於藉由CPM測定觀察到的局部能階的吸收係數小的多層膜106的電晶體具有穩定的電特性。
接著，參照圖2A和2B說明在進行450℃的加熱處理之後多層膜106中的氧擴散的情況。
圖2A和2B表示一個結果，該結果是如下：對使用18O2氣體形成多層膜106中的任一層的樣本進行SIMS測量，測定深度方向的18O的濃度分佈。
在此，氧化物半導體層106a是使用In-Ga-Zn氧化物(In：Ga：Zn=3：1：2[原子個數比])的靶材利用濺射法來形成的氧化物半導體層。
另外，氧化物層106b是使用In-Ga-Zn氧化物(In：Ga：Zn=1：1：1[原子個數比])的靶材利用濺射法來形成的氧化物層。
在此，圖2A示出如下濃度分佈：對氧化物層106b的成膜使用18O2氣體並對氧化物半導體層106a的成膜不使用18O2氣體的樣本的包含氧化物層106b、氧化物半導體層106a以及氧化物層106b和氧化物半導體層106a之間的深度方向的18O的濃度分佈。可知與沒有進行加熱處理(記載為“as-depo”,由細實線表示)的樣本相比，在進行450℃的加熱處理之後(記載為“450℃的加熱處理之後”，由粗實線表示)的樣本中18O從氧化物層106b擴散到氧化物半導體層106a。
另外，圖2B示出如下濃度分佈：對氧化物半導體層106a的成膜使用18O2氣體並對氧化物層106b的成膜不使用18O2氣體的樣本的包含氧化物半導體層106a、氧化物層106b以及氧化物半導體層106a和氧化物層
106b之間的深度方向的18O的濃度分佈。可知與沒有進行加熱處理(記載為“as-depo”,由細實線表示)的樣本相比，在進行450℃的加熱處理之後(記載為“450℃的加熱處理之後”，由粗實線表示)的樣本中18O從氧化物半導體層106a擴散到氧化物層106b。
如圖2A和2B表示，可知在多層膜106中氧彼此移動。就是說，可知在氧化物半導體層106a和氧化物層106b之間形成有氧化物半導體層106a和氧化物層106b的混合層。
下面，參照圖3說明多層膜106的帶結構。
另外，使用能隙為3.15eV的In-Ga-Zn氧化物作為氧化物半導體層106a，而使用能隙為3.5eV的In-Ga-Zn氧化物作為氧化物層106b。利用光譜橢圓偏光計(HORIBA JOBIN YVON製造的UT-300)測定能隙。
氧化物半導體層106a及氧化物層106b的真空能階和價電子帶頂端之間的能量差(也稱為游離電位)分別為8eV及8.2eV。另外，利用紫外線光電子能譜(UPS：Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy)裝置(PHI公司製造的VersaProbe)進行測定。
由此，氧化物半導體層106a及氧化物層106b的真空能階和導帶底端之間的能量差(也稱為電子親和力)分別為4.85eV及4.7eV。
圖3示意性地示出多層膜的帶結構的一部分。在圖3中，說明設置分別與氧化物半導體層106a和
氧化物層106b接觸的氧化矽層的情況。在此，EcI1表示氧化矽層的導帶底端的能量，EcS1表示氧化物半導體層106a的導帶底端的能量，EcS2表示氧化物層106b的導帶底端的能量，EcI2表示氧化矽層的導帶底端的能量。
如圖3所示，在氧化物半導體層106a和氧化物層106b中，導帶底端的能量連續地變化。從在氧化物半導體層106a和氧化物層106b之間氧彼此移動而形成混合層的圖2A和2B所示的結果也可以理解上述現象。
從圖3可知，多層膜106的氧化物半導體層106a成為阱(well)，在使用多層膜106的電晶體中通道形成在氧化物半導體層106a中。另外，由於多層膜106的導帶底端的能量連續地變化，所以也可以說氧化物半導體層106a和氧化物層106b是連續的。
另外，如圖4所示，雖然在氧化物層106b和保護絕緣膜118之間的介面近旁有可能形成起因於雜質或缺陷的陷阱中心，但是由於存在氧化物層106b而可以使氧化物半導體層106a和該陷阱中心離開。注意，當EcS1和EcS2之間的能量差小時，有時氧化物半導體層106a的電子超過該能量差到達陷阱中心。電子被陷阱中心俘獲使得在絕緣膜介面產生負的固定電荷，這導致電晶體的臨界電壓的向正方向的漂移。
因此，當使EcS1和EcS2之間的能量差為0.1eV以上，較佳為0.15eV以上時，減少電晶體的臨界電壓的變動而使電晶體具有穩定的電特性，所以是較佳的。
作為源極電極116a及汲極電極116b，使用包含鋁、鈦、鉻、鈷、鎳、銅、釔、鋯、鉬、釕、銀、鉭以及鎢中的一種以上的導電膜的單層或疊層，即可。較佳的是，作為源極電極116a及汲極電極116b使用具有包含銅的層的多層膜。在使用與源極電極116a及汲極電極116b相同的層形成佈線的情況下，藉由作為源極電極116a及汲極電極116b使用具有包含銅的層的多層膜，可以降低佈線電阻。另外，源極電極116a及汲極電極116b可以為同一的組成或不同的組成。
另外，當作為源極電極116a及汲極電極116b使用具有包含銅的層的多層膜時，有時因受到銅的影響而在氧化物層106b和保護絕緣膜118之間的介面形成如圖4所示的陷阱中心。此時也與上述同樣地，藉由具有氧化物層106b，可以抑制電子被陷阱中心俘獲。因此，可以使電晶體具有穩定的電特性並降低佈線電阻。
作為保護絕緣膜118，使用包含氧化鋁、氧化鎂、氧化矽、氧氮化矽、氮氧化矽、氮化矽、氧化鎵、氧化鍺、氧化釔、氧化鋯、氧化鑭、氧化釹、氧化鉿以及氧化鉭中的一種以上的絕緣膜的單層或疊層，即可。
作為保護絕緣膜118，例如可以採用第一層為
氧化矽層並第二層為氮化矽層的多層膜。在上述的情況下，氧化矽層也可以為氧氮化矽層。另外，氮化矽層也可以為氮氧化矽層。氧化矽層較佳為使用缺陷密度小的氧化矽層。明確而言，使用如下氧化矽層：在利用電子自旋共振法(ESR：Electron Spin Resonance)的測定時，來源於g值為2.001的信號的自旋的自旋密度為3×1017spins/cm3以下，較佳為5×1016spins/cm3以下。氮化矽層使用氫氣體及氨氣體的釋放量少的氮化矽層。氫氣體及氨氣體的釋放量藉由TDS(Thermal Desorption Spectroscopy：熱脫附譜分析法)分析進行測定即可。另外，氮化矽層使用使氫、水以及氧不透過或幾乎不透過的氮化矽層。
或者，作為保護絕緣膜118，例如可以採用第一層為第一氧化矽層118a、第二層為第二氧化矽層118b以及第三層為氮化矽層118c的多層膜(參照圖1D)。在上述的情況下，第一氧化矽層118a或/及第二氧化矽層118b也可以為氧氮化矽層。另外，氮化矽層也可以為氮氧化矽層。第一氧化矽層118a較佳為使用缺陷密度小的氧化矽層。明確而言，使用如下氧化矽層：在ESR測定時，來源於g值為2.001的信號的自旋的自旋密度為3×1017spins/cm3以下，較佳為5×1016spins/cm3以下。第二氧化矽層118b使用具有過剩氧的氧化矽層。氮化矽層118c使用氫氣體及氨氣體的釋放量少的氮化矽層。另外，氮化矽層使用使氫、水以及氧不透過或幾乎不透過的氮化矽層。
包含過剩氧的氧化矽層是指藉由加熱處理等可以釋放氧的氧化矽層。另外，具有過剩氧的絕緣膜是具有藉由加熱處理釋放氧的功能的絕緣膜。
具有過剩氧的絕緣膜能夠降低氧化物半導體層106a中的氧缺損。在氧化物半導體層106a中氧缺損形成缺陷能階，其一部分成為施體能階。由此，藉由降低氧化物半導體層106a中的氧缺損，可以使電晶體具有穩定的電特性。
在此，藉由加熱處理釋放氧的膜是有時利用TDS分析有時釋放1×1018atoms/cm3以上、1×1019atoms/cm3以上或1×1020atoms/cm3以上的氧(換算為氧原子)的膜。
在此，以下說明利用TDS分析的氧的釋放量的測量方法。
對測量樣本進行TDS分析時的氣體的總釋放量與釋放氣體的離子強度的積分值成比例。並且，藉由對該測量樣本與標準樣本進行比較，可以計算出氣體的總釋放量。
例如，根據作為標準樣本的含有既定密度的氫的矽晶片的TDS分析結果以及測量樣本的TDS分析結果，可以藉由算式1求出測量樣本中的氧分子的釋放量(NO2)。這裡，假定以藉由TDS分析得到的被檢測出為質量數32的氣體都來源於氧分子。作為質量數32的氣體，還有CH3OH，但是CH3OH存在的可能性較低，所以
這裡不考慮。此外，包含作為氧原子的同位素的質量數17的氧原子及質量數18的氧原子的氧分子也在自然界的存在比率極低，所以也不考慮到該氧分子。
NH2是以密度換算從標準樣本脫離的氫分子的值。SH2是對標準樣本進行TDS分析而得到的離子強度的積分值。在此，將標準樣本的基準值設定為NH2/SH2。SO2是對測量樣本進行TDS分析而得到的離子強度的積分值。α是在TDS分析中影響到離子強度的係數。關於算式1的詳細說明，可以參照日本專利申請公開平6-275697公報。注意，使用由電子科學公司製造的熱脫附裝置EMD-WA1000S/W，並將包含1×1016atoms/cm2的氫原子的矽晶片用作標準樣本，來對上述氧的釋放量進行測量。
此外，在TDS分析中，氧的一部分作為氧原子被檢測出。氧分子與氧原子的比率可以從氧分子的電離率算出。另外，因為上述的α包括氧分子的電離率，所以藉由評估氧分子的釋放量，還可以估算出氧原子的釋放量。
注意，NO2是氧分子的釋放量。換算為氧原子時的釋放量是氧分子的釋放量的2倍。
或者，藉由加熱處理釋放氧的膜有時包含過氧化自由基。明確而言，上述情況是指起因於過氧化自由
基的自旋密度為5×1017spins/cm3以上。另外，包含過氧化自由基的膜有時在ESR中當g值為2.01近旁時具有非對稱性的信號。
另外，作為包含過剩氧的絕緣膜也可以是氧過剩的氧化矽(SiOX(X>2))。在氧過剩的氧化矽(SiOX(X>2))中，每單位體積中含有的氧原子數多於矽原子數的2倍。每單位體積的矽原子數及氧原子數為藉由拉塞福背散射光譜學法(RBS：Rutherford Backscattering Spectrometry)測定的值。
作為閘極絕緣膜112，使用包含氧化鋁、氧化鎂、氧化矽、氧氮化矽、氮氧化矽、氮化矽、氧化鎵、氧化鍺、氧化釔、氧化鋯、氧化鑭、氧化釹、氧化鉿以及氧化鉭中的一種以上的絕緣膜的單層或疊層，即可。
作為閘極絕緣膜112，例如可以採用第一層為氮化矽層並第二層為氧化矽層的多層膜。在上述的情況下，氧化矽層也可以為氧氮化矽層。另外，氮化矽層也可以為氮氧化矽層。氧化矽層較佳為使用缺陷密度小的氧化矽層。明確而言，使用如下氧化矽層：在ESR測定時，來源於g值為2.001的信號的自旋的自旋密度為3×1017spins/cm3以下，較佳為5×1016spins/cm3以下。氧化矽層較佳為使用具有過剩氧的氧化矽層。氮化矽層使用氫氣體及氨氣體的釋放量少的氮化矽層。氫氣體及氨氣體的
釋放量藉由TDS分析進行測定即可。
當閘極絕緣膜112和保護絕緣膜118中的至少一個包括包含過剩氧的絕緣膜時，可以降低氧化物半導體層106a中的氧缺損而使電晶體具有穩定的電特性。
作為閘極電極104，使用包含鋁、鈦、鉻、鈷、鎳、銅、釔、鋯、鉬、釕、銀、鉭以及鎢中的一種以上的導電膜的單層或疊層，即可。
對於基板100沒有大的限制。例如，作為基板100，也可以使用玻璃基板、陶瓷基板、石英基板、藍寶石基板等。此外，作為基板100，也可以採用矽或碳化矽等的單晶半導體基板、多晶半導體基板、矽鍺等的化合物半導體基板、SOI(Silicon On Insulator：絕緣體上矽晶片)基板等，並且也可以使用在這些基板上設置有半導體元件的基板。
另外，作為基板100，在使用第五代(1000mm×1200mm或1300mm×1500mm)、第六代(1500mm×1800mm)、第七代(1870mm×2200mm)、第八代(2200mm×2500mm)、第九代(2400mm×2800mm)、第十代(2880mm×3130mm)等大型玻璃基板的情況下，由於半導體裝置的製程中的加熱處
理等導致基板100的收縮，有時難以進行微細加工。因此，在作為基板100使用上述大型玻璃基板的情況下，較佳為使用起因於加熱處理的收縮少的基板。例如，作為基板100可以使用在400℃，較佳為450℃，更佳為500℃的溫度下進行1小時的加熱處理之後的收縮量為10ppm以下，較佳為5ppm以下，更佳為3ppm以下的大型玻璃基板。
此外，基板100也可以使用撓性基板。另外，作為在撓性基板上設置電晶體的方法，也可以舉出如下方法：在不具有撓性的基板上形成電晶體之後，剝離電晶體並將該電晶體轉置到撓性基板的基板100上。在此情況下，較佳為在不具有撓性的基板和電晶體之間設置剝離層。
藉由在如上述那樣構成的電晶體的氧化物半導體層106a中形成通道，該電晶體具有穩定的電特性和高場效移動率。另外，藉由將具有包含銅的層的多層膜用於源極電極116a及汲極電極116b，也可以該電晶體獲得穩定的電特性。
在此，參照圖5A至圖6B說明電晶體的製造方法。
首先，準備基板100。
接著，形成用作閘極電極104的導電膜。用作閘極電極104的導電膜的成膜藉由濺射法、化學氣相沉
積(CVD：Chemical Vapor Deposition)法、分子束磊晶(MBE：Molecular Beam Epitaxy)法、原子層沉積(ALD：Atomic Layer Deposition)法或脈衝雷射沉積(PLD：Pulsed Laser Deposition)法使用作為閘極電極104所示的導電膜，即可。
接著，對用作閘極電極104的導電膜的一部分進行蝕刻，形成閘極電極104(參照圖5A)。
接著，形成閘極絕緣膜112(參照圖5B)。閘極絕緣膜112的成膜藉由濺射法、CVD法、MBE法、ALD法或PLD法使用作為閘極絕緣膜112所示的絕緣膜，即可。
接著，形成用作氧化物半導體層106a的氧化物半導體層。將在後面說明氧化物半導體層106a的成膜方法。
接著，形成用作氧化物層106b的氧化物層。用作氧化物層106b的氧化物層的成膜藉由濺射法、CVD法、MBE法、ALD法或PLD法使用作為氧化物層106b所示的氧化物層，即可。
另外，藉由以不暴露於大氣的方式連續地形成用作氧化物半導體層106a的氧化物半導體層以及用作氧化物層106b的氧化物層，雜質被引入到各層之間的情況變少，所以是較佳的。
在此，藉由濺射法形成可用於氧化物層106b的氧化物層，對1μm以上的微粒數進行測定。
對使用氧化鎵靶材形成的樣本、使用Ga-Zn氧化物(Ga：Zn=2：5[原子個數比])靶材形成的樣本、使用In-Ga-Zn氧化物(In：Ga：Zn=3：1：2[原子個數比])靶材形成的樣本、使用In-Ga-Zn氧化物(In：Ga：Zn=1：1：1[原子個數比])靶材形成的樣本以及使用In-Ga-Zn氧化物(In：Ga：Zn=1：3：2[原子個數比])靶材形成的樣本進行測定。
從圖7可知，當使用氧化鎵靶材形成樣本以及使用Ga-Zn氧化物靶材形成樣本時，隨著氧化物層的厚度增大，1μm以上的微粒數也急劇增大。另一方面，可知當使用In-Ga-Zn氧化物靶材形成樣本時，即使氧化物層的厚度增大也較不容易增大1μm以上的微粒數。
由此，當藉由濺射法形成氧化物層106b時，從抑制微粒數的增大的觀點來看，較佳為使用包含銦的靶材。另外，可知較佳為使用鎵的原子個數比較小的氧化物靶材。尤其是，當使用包含銦的靶材時，可以提高靶材的導電率並容易進行DC放電及AC放電，從而容易對應於大面積的基板。由此，可以提高半導體裝置的生產率。
接著，對用作氧化物半導體層106a的氧化物半導體層以及用作氧化物層106b的氧化物層的一部分進行蝕刻，形成包含氧化物半導體層106a和氧化物層106b的多層膜106(參照圖5C)。
接著，較佳為進行第一加熱處理。第一加熱處理也可以以250℃以上且650℃以下的溫度，較佳為以
300℃以上且500℃以下的溫度進行即可。第一加熱處理在惰性氣體氛圍下，包含10ppm以上、1%以上或10%以上的氧化氣體氛圍下或者減壓狀態下進行。或者，第一加熱處理在採用惰性氣體氛圍進行加熱處理之後，為了在填補脫離了的氧包含10ppm以上、1%以上或10%以上的氧化氣體氛圍下進行，即可。藉由進行第一加熱處理，可以提高氧化物半導體層106a的結晶性，還可以從閘極絕緣膜112或/及多層膜106去除氫及水等雜質。
接著，形成用作源極電極116a及汲極電極116b的導電膜。用作源極電極116a及汲極電極116b的導電膜藉由濺射法、CVD法、MBE法、ALD法或PLD法形成作為源極電極116a及汲極電極116b所示的導電膜，即可。
例如，作為用作源極電極116a及汲極電極116b的導電膜，形成包含鎢層和設置在該鎢層上的銅層的多層膜，即可。
接著，對用作源極電極116a及汲極電極116b的導電膜的一部分進行蝕刻，形成源極電極116a及汲極電極116b(參照圖6A)。當作為用作源極電極116a及汲極電極116b的導電膜，使用包含鎢層和設置在該鎢層上的銅層的多層膜時，可以使用相同的光遮罩對該多層膜進行蝕刻。藉由氧化物層106b設置在氧化物半導體層106a上，即使對鎢層及銅層進行一次的蝕刻也可以使氧化物半導體層106a和氧化物層106b之間的銅濃度為低於
1×1019atoms/cm3、低於2×1018atoms/cm3或低於2×1017atoms/cm3，從而不會產生由銅的電晶體的電特性的劣化。因此，工程的自由度高，所以可以提高電晶體的生產率。
接著，較佳為進行第二加熱處理。關於第二加熱處理，參照第一加熱處理的說明進行即可。藉由進行第二加熱處理，可以從多層膜106去除氫及水等雜質。尤其氫在多層膜106中容易移動，所以藉由第二加熱處理降低氫的量而使電晶體具有穩定的電特性。注意，水也是包含氫的化合物，所以有可能成為氧化物半導體層106a中的雜質。
接著，形成保護絕緣膜118(參照圖6B)。保護絕緣膜118的成膜藉由濺射法、CVD法、MBE法、ALD法或PLD法使用作為保護絕緣膜118所示的絕緣膜，即可。
在此，說明將保護絕緣膜118形成為圖1D所示的三層結構的情況。首先，形成第一氧化矽層118a。接著，形成第二氧化矽層118b。然後，也可以進行對第二氧化矽層118b添加氧離子的處理。添加氧離子的處理利用離子摻雜裝置或電漿處理裝置，即可。作為離子摻雜裝置，也可以利用具有質量分離功能的離子摻雜裝置。作為氧離子的原料，使用16O2或18O2等氧氣體、一氧化二氮氣體或臭氧氣體等，即可。接著，形成氮化矽層118c。藉由上述步驟，形成保護絕緣膜118，即可。
較佳為藉由CVD法中的一種的電漿CVD法形成第一氧化矽層118a。具體的成膜條件為如下，即可：將基板溫度設定為180℃以上且400℃以下，較佳為200℃以上且370℃以下；使用含有矽的沉積氣體及氧化氣體；壓力為20Pa以上且250Pa以下，較佳為40Pa以上且200Pa以下；對電極供應高頻功率。另外，含有矽的沉積氣體的典型例子有矽烷、乙矽烷、丙矽烷、氟化矽烷等。作為氧化氣體，舉出氧、臭氧、一氧化二氮、二氧化氮等。
另外，藉由將相對於含有矽的沉積氣體的氧化氣體的流量設定為100倍以上，可以降低第一氧化矽層118a中的氫含有量並減少懸空鍵。
如上述那樣，形成缺陷密度小的第一氧化矽層118a。就是說，可以使第一氧化矽層118a為在ESR測定時來源於g值為2.001的信號的自旋的自旋密度為3×1017spins/cm3以下或5×1016spins/cm3以下的氧化矽層。
較佳為藉由電漿CVD法形成第二氧化矽層118b。具體的成膜條件為如下：將基板溫度設定為160℃以上且350℃以下，較佳為180℃以上且260℃以下；使用含有矽的沉積氣體及氧化氣體；壓力為100Pa以上且250Pa以下，較佳為100Pa以上且200Pa以下；對電極供應0.17W/cm2以上且0.5W/cm2以下，較佳為0.25W/cm2以上且0.35W/cm2以下的高頻功率。
藉由上述方法，提高電漿中的氣體的分解效
率，氧自由基增加，並且原料氣體的氧化進展，由此可以形成包含過剩氧的第二氧化矽層118b。
較佳為藉由電漿CVD法形成氮化矽層118c。具體的成膜條件為如下，即可：將基板溫度設定為180℃以上且400℃以下，較佳為200℃以上且370℃以下；使用含有矽的沉積氣體、氮氣體以及氨氣體；壓力為20Pa以上且250Pa以下，較佳為40Pa以上且200Pa以下；對電極供應高頻功率。
另外，氮的流量為氨的流量的5倍以上且50倍以下，較佳為10倍以上且50倍以下。此外，藉由使用氨氣體，可以促進含有矽的沉積氣體及氮氣體的分解。這是因為如下緣故：氨氣體因電漿能及熱能而離解，離解時產生的能量有助於含有矽的沉積氣體的接合及氮氣體的接合的分解。
由此，藉由上述方法，可以形成氫氣體及氨氣體的釋放量少的氮化矽層118c。另外，藉由氫含有量少，可以形成稠密且使氫、水以及氧不透過或幾乎不透過的氮化矽層118c。
接著，較佳為進行第三加熱處理。關於第三加熱處理，參照第一加熱處理的說明進行即可。藉由第三加熱處理，可以從閘極絕緣膜112或/及保護絕緣膜118釋放過剩氧而使多層膜106的氧缺損降低。另外，在多層膜106中，由於氧缺損俘獲所相鄰的氧原子，在外觀上氧缺損移動。
藉由上述步驟，可以製造BGTC結構的電晶體。
由於多層膜106的氧化物半導體層106a中的氧缺損被降低，該電晶體具有穩定的電特性。
藉由氧化物半導體層106a所包含的雜質濃度低，電晶體的電特性穩定。另外，藉由氧化物半導體層106a具有高結晶性，與氧化物半導體層106a具有非晶結構的情況相比，電晶體的電特性穩定。下面，說明用來形成低雜質濃度且高結晶性的氧化物半導體層106a的成膜裝置。
首先，使用圖8A和8B對進行成膜時雜質進入少的成膜裝置的結構進行說明。
圖8A示出多室成膜裝置的俯視圖。該成膜裝置包括：具有三個用於收納基板的盒式介面(cassette port)74的大氣側基板供應室71、裝載閉鎖室72a、卸載閉鎖室72b、傳送室73、傳送室73a、傳送室73b、基板加熱室75、成膜室70a以及成膜室70b。大氣側基板供應室71與裝載閉鎖室72a以及卸載閉鎖室72b連接。裝載閉鎖室72a及卸載閉鎖室72b藉由傳送室73a及傳送室73b與傳送室73連接。基板加熱室75、成膜室70a以及膜室70b只與傳送室73連接。另外，各室的連接部設置有閘閥(GV)，由此可以使大氣側基板供應室71以外的各室獨立地保持為真空狀態。另外，大氣側基板供應室
71及傳送室73具有一個以上的基板傳送機器人76，使用它可以傳送基板。這裡，較佳為基板加熱室75兼作電漿處理室。由於多室成膜裝置能夠在處理與處理之間以不暴露於大氣的方式傳送基板，由此可以抑制雜質吸附到基板上。另外，可以自由地決定成膜、加熱處理等的順序。另外，傳送室、成膜室、裝載閉鎖室、卸載閉鎖室以及基板加熱室的數目不侷限於上述數目，可以根據設置空間或製程適當地決定。
圖8B示出與圖8A的結構不同的多室成膜裝置的俯視圖。該成膜裝置包括：具有盒式介面84的大氣側基板供應室81、裝載/卸載閉鎖室82、傳送室83、基板加熱室85、成膜室80a、成膜室80b、成膜室80c以及成膜室80d。大氣側基板供應室81、基板加熱室85、成膜室80a、成膜室80b、成膜室80c以及成膜室80d藉由傳送室83彼此連接。
另外，各室的連接部設置有閘閥(GV)，由此可以使大氣側基板供應室81以外的各室獨立地保持為真空狀態。另外，大氣側基板供應室81及傳送室83具有一個以上的基板傳送機器人86，使用它可以傳送玻璃基板。
在此，使用圖9A對圖8B所示的成膜室(濺射室)的詳細構成進行說明。成膜室80b具有靶材87、防著板88以及基板載物台90。另外，這裡在基板載物台90上設置有玻璃基板89。雖然未圖示，但是基板載物台
90也可以具備保持玻璃基板89的基板保持結構或從背面對玻璃基板89進行加熱的背面加熱器等。另外，藉由使用防著板88，可以抑制從靶材87被濺射的粒子沉積在不要進行濺射的區域。
圖9A所示的成膜室80b藉由閘閥與傳送室83連接，並且傳送室83藉由閘閥與裝載/卸載閉鎖室82連接。在傳送室83中設置有基板傳送機器人86，它可以進行從成膜室80b向裝載/卸載閉鎖室82或從裝載/卸載閉鎖室82向成膜室80b的玻璃基板的遞送。另外，裝載/卸載閉鎖室82是一個真空處理室，該處理室被分成上層和下層，可以將兩個層中的任一用作裝載閉鎖室而將另一個用作卸載閉鎖室。藉由採用上述結構，可以減少濺射裝置所占的面積，所以是較佳的。
另外，圖9A所示的成膜室80b藉由質量流量控制器97與精製器94連接。注意，雖然可以根據氣體種類的數目設置精製器94及質量流量控制器97，但是為了方便起見只示出一個。作為導入到成膜室80b等的氣體，使用露點為-80℃以下，較佳為-100℃以下的氣體。藉由使用露點低的氧氣體及稀有氣體(氬氣體等)等，可以降低成膜時混入的水分。
另外，圖9A所示的成膜室80b藉由閥與低溫泵95a連接。傳送室83藉由閘閥與低溫泵95b連接，裝載/卸載閉鎖室82藉由閘閥與真空泵96連接。另外，在裝載/卸載閉鎖室82中，裝載閉鎖室及卸載閉鎖室分別獨
立地連接於真空泵96。另外，成膜室80b及傳送室83藉由閘閥與真空泵96連接。
另外，真空泵96例如可以使用乾燥泵與機械增壓泵串聯連接的泵。藉由採用該結構，可以在大氣壓至低真空(0.1Pa至10Pa程度)的情況下成膜室80b及傳送室83使用真空泵96對它們進行排氣，而在進行閥切換後低真空至高真空(1×10-4Pa至1×10-7Pa)的情況下使用低溫泵95a或低溫泵95b進行排氣。
接著，使用圖9B對圖8B所示的成膜室的其他例子進行說明。
圖9B所示的成膜室80b藉由閘閥與傳送室83連接，傳送室83藉由閘閥與裝載/卸載閉鎖室82連接。
圖9B所示的成膜室80b藉由氣體加熱機構98與質量流量控制器97連接，氣體加熱機構98藉由質量流量控制器97與精製器94連接。藉由氣體加熱機構98可以將導入成膜室80b的氣體加熱為40℃以上且400℃以下、或者50℃以上且200℃以下。注意，雖然可以根據氣體種類的數目設置氣體加熱機構98、精製器94及質量流量控制器97，但是為了方便起見只示出一個。
圖9B所示的成膜室80b藉由閥與渦輪分子泵95c以及真空泵96b連接。另外，渦輪分子泵95c藉由閥設置有作為輔助泵的真空泵96a。真空泵96a以及真空泵96b可以與真空泵96採用同樣的結構。
另外，圖9B所示的成膜室80b設置有低溫冷阱99。
已知渦輪分子泵95c能夠穩定地對大分子(原子)進行排氣且維修頻率低，因此在生產率上佔有優勢，但是排氫、排水的能力較低。因此，將低溫冷阱99連接於成膜室80b，低溫冷阱99對水等的相對來說熔點較高的分子(原子)的排氣能力強。低溫冷阱99的製冷機的溫度為100K以下，較佳為80K以下。另外，當低溫冷阱99具有多個製冷機時，較佳為各個製冷機的溫度不同，這樣可以高效率地進行排氣。例如，可以將第一階段的製冷機的溫度設定為100K以下，將第二階段的製冷機的溫度設定為20K以下。
另外，圖9B所示的傳送室83分別與真空泵96b、低溫泵95d以及低溫泵95e藉由閥連接。當只有1台低溫泵時，在低溫泵進行再生時無法進行排氣，但是當並聯連接2台以上的低溫泵時，即使1台進行再生，也可以利用其它的低溫泵進行排氣。另外，低溫泵的再生是指將積存於低溫泵內的分子(原子)排出的處理。當低溫泵積存過多分子(原子)時其排氣能力下降，因此需要定期進行再生。
圖9B所示的裝載/卸載閉鎖室82分別與低溫泵95f以及真空泵96c藉由閥連接。另外，真空泵96c可以與真空泵96採用同樣的結構。
在成膜室80b中使用對向靶材式濺射裝置。
另外，也可以在成膜室80b中使用平行平板型濺射裝置、離子束濺射裝置。
接著，使用圖10對圖8B所示的基板加熱室的一個例子的排氣進行說明。
圖10所示的基板加熱室85藉由閘閥與傳送室83連接。另外，傳送室83還藉由閘閥與裝載/卸載閉鎖室82連接。另外，裝載/卸載閉鎖室82的結構與圖9A或9B的結構相同。
圖10所示的基板加熱室85藉由質量流量控制器97與精製器94連接。另外，雖然可以根據氣體種類的數目設置精製器94及質量流量控制器97，但是為了方便起見僅示出一個。另外，基板加熱室85藉由閥與真空泵96b連接。
另外，基板加熱室85具有基板載物台92。基板載物台92既可以至少設置一個基板，也可以設置多個基板。另外，基板加熱室85具有加熱機構93。作為加熱機構93，例如也可以為使用電阻發熱體等進行加熱的加熱機構。或者，還可以為使用利用被加熱的氣體等的介質的熱傳導或熱輻射來進行加熱的加熱機構。例如，可以使用GRTA(Gas Rapid Thermal Anneal：氣體快速熱退火)裝置、LRTA(Lamp Rapid Thermal Anneal：燈快速熱退火)裝置等的RTA(Rapid Thermal Anneal：快速熱退火)裝置。LRTA裝置是藉由鹵素燈、金屬鹵化物燈、氙弧燈、碳弧燈、高壓鈉燈或者高壓汞燈等的燈發射的光
(電磁波)輻射來加熱被處理物的裝置。GRTA裝置是利用高溫氣體進行熱處理的裝置。氣體使用惰性氣體。
另外，成膜室80b及基板加熱室85的背壓為1×10-4Pa以下，較佳為3×10-5Pa以下，更佳為1×10-5Pa以下。
另外，在成膜室80b及基板加熱室85中，質量電荷比(m/z)是18的氣體分子(原子)的分壓為3×10-5Pa以下，較佳為1×10-5Pa以下，更佳為3×10-6Pa以下。
另外，在成膜室80b及基板加熱室85中，m/z是28的氣體分子(原子)的分壓為3×10-5Pa以下，較佳為1×10-5Pa以下，更佳為3×10-6Pa以下。
另外，在成膜室80b及基板加熱室85中，m/z是44的氣體分子(原子)的分壓為3×10-5Pa以下，較佳為1×10-5Pa以下，更佳為3×10-6Pa以下。
另外，在成膜室80b及基板加熱室85中，洩漏率為3×10-6Pa．m3/s以下，較佳為1×10-6Pa．m3/s以下。
另外，在成膜室80b及基板加熱室85中，m/z是18的氣體分子(原子)的洩漏率為1×10-7Pa．m3/s以下，較佳為3×10-8Pa．m3/s以下。
另外，在成膜室80b及基板加熱室85中，m/z是28的氣體分子(原子)的洩漏率為1×10-5Pa．m3/s以下，較佳為1×10-6Pa．m3/s以下。
另外，在成膜室80b及基板加熱室85中，
m/z是44的氣體分子(原子)的洩漏率為3×10-6Pa．m3/s以下，較佳為1×10-6Pa．m3/s以下。
另外，成膜室、基板加熱室以及傳送室等的真空室中的全壓及分壓可以使用質量分析器進行測量。例如，ULVAC,Inc.製造的四極質量分析器(也稱為Q-mass)。使用Qulee CGM-051即可。另外，洩漏率可以根據利用上述質量分析器測量出的全壓及分壓算出。
洩漏率由外部洩漏及內部洩漏決定。外部洩漏是指：由於微小的孔或密封不良等，氣體從真空系統的外部流入的現象。此外，內部洩漏是指來自真空系統中的閥等隔板的洩漏或內部構件的氣體釋放。為了將洩漏率設定為上述數值以下，需要從外部洩漏及內部洩漏的兩個方面採取措施。
例如，較佳為使用金屬墊片對成膜室的開閉部分進行密封。金屬墊片較佳為使用由氟化鐵、氧化鋁或氧化鉻覆蓋的金屬。金屬墊片的密合性比O形環高，因此可以降低外部洩漏。此外，藉由利用鈍態的由氟化鐵、氧化鋁、氧化鉻等覆蓋的金屬，可以抑制從金屬墊片釋放的包含雜質的釋放氣體，由此可以降低內部洩漏。
作為構成成膜裝置的構件，使用包含雜質的釋放氣體少的鋁、鉻、鈦、鋯、鎳或釩。另外，也可以作為構件使用由上述材料覆蓋的含有鐵、鉻及鎳等的合金。含有鐵、鉻及鎳等的合金具有剛性，耐熱且適於加工。在此，藉由對構件的表面的凹凸進行拋光處理等以縮小表面
積，可以減少釋放氣體。
或者，也可以使用氟化鐵、氧化鋁、氧化鉻等覆蓋上述成膜裝置的構件。
較佳為成膜裝置的構件儘量只由金屬構成，例如當設置由石英等構成的觀察窗(viewing window)等時，為了抑制釋放氣體，較佳為表面由較薄的氟化鐵、氧化鋁或氧化鉻等覆蓋。
另外，當剛流過成膜氣體的成膜室前使用精製器時，將精製器到成膜室的管道的長度設置為10m以下，較佳為5m以下，更佳為1m以下。藉由將管道的長度設定為10m以下、5m以下或1m以下，可以對應管道長度減少來自管道的釋放氣體的影響。
另外，成膜氣體的管道較佳為使用內部由氟化鐵、氧化鋁或氧化鉻等覆蓋的金屬管道。例如與SUS316L-EP管道相比，上述管道釋放的包含雜質的氣體的量少，而可以降低雜質對成膜氣體的混入。另外，作為管道的接頭，較佳為使用高性能超小型金屬墊片接頭(UPG接頭)。此外，藉由使用金屬構成所有管道，與使用樹脂等構成所有管道的情況相比，可以降低所產生的釋放氣體及外部洩漏的影響，所以是較佳的。
雖然存在於成膜室內的吸附物吸附於內壁等而不影響成膜室的壓力，但是其是對成膜室進行排氣時產生的氣體釋放的主要原因。所以，雖然洩漏率與排氣速度不相關，但是使用排氣能力高的泵儘量地使存在於成膜室
內的吸附物脫離預先進行排氣是十分重要的。另外，為了促進吸附物的脫離，也可以對成膜室進行烘烤。藉由進行烘烤，可以將吸附物的脫離速度提高到10倍左右。烘烤處理以100℃以上且450℃以下的溫度進行即可。此時，一邊將惰性氣體流過成膜室一邊去除吸附物，這樣可以提高僅藉由排氣不容易脫離的水等的脫離速度。另外，藉由對導入的惰性氣體以與烘烤溫度相同程度的溫度進行加熱，可以進一步提高吸附物的脫離速度。這裡，作為惰性氣體較佳為使用稀有氣體。另外，根據成膜的膜的種類，也可以使用氧等代替惰性氣體。例如，當進行氧化物半導體層的成膜時，有時較佳為使用作為氧化物的主要成分的氧。
或者，較佳為藉由流過被加熱的稀有氣體等的惰性氣體或氧等提高成膜室內的壓力，並在經過一定時間之後再次對成膜室進行排氣處理。藉由流過被加熱的氣體可以使成膜室內的吸附物脫離，由此減少存在於成膜室內的雜質。另外，較有效的是將該處理反復進行2次以上且30次以下，較佳為5次以上且15次以下。具體地，藉由流過溫度為40℃以上且400℃以下或者50℃以上且200℃以下的惰性氣體或氧等來使成膜室內的壓力為0.1Pa以上且10kPa以下，較佳為1Pa以上且1kPa以下，更佳為5Pa以上且100Pa以下，並將保持壓力的期間設定為1分以上且300分以下，較佳為5分以上且120分以下，即可。然後，對成膜室進行5分以上且300分以下，較佳為
10分以上且120分以下的排氣。
另外，藉由進行偽成膜也可以進一步提高吸附物的脫離速度。偽成膜是指藉由濺射法等對偽基板進行成膜以在偽基板上及成膜室內壁沉積膜，由此將成膜室內的雜質及成膜室內壁的吸附物密封於膜中。偽基板較佳為使用釋放氣體少的基板，例如也可以使用與後面說明的基板100相同的基板。藉由進行偽成膜可以降低後面形成的膜中的雜質濃度。另外，可以與烘烤同時進行偽成膜。
藉由利用上述成膜裝置形成氧化物半導體層，可以抑制雜質進入氧化物半導體層。並且，藉由利用上述成膜裝置形成接觸於該氧化物半導體層的膜，可以抑制從接觸於氧化物半導體層的膜向氧化物半導體層的雜質進入。
接著，說明利用上述成膜裝置的氧化物半導體層106a及氧化物層106b的成膜方法。
靶材的表面溫度為100℃以下，較佳為50℃以下，更佳為室溫(典型的是20℃或25℃)程度。對應大面積基板的濺射裝置大多使用大面積的靶材。但是，沒有接縫地製造具有對應大面積的尺寸的靶材十分困難。在實際製造時，將多個靶材以儘量沒有間隙的方式排列成較大的形狀，但是無論怎樣總會有微小的間隙。當靶材的表面溫度升高時，有時Zn等從該微小的間隙揮發而導致間隙漸漸變大。當間隙變大時，有時用於底板及黏合的金屬也被濺射，這成為導致雜質濃度變高的主要原因。因此，
較佳為充分冷卻靶材。
具體地，作為底板使用具有高導電性及高放熱性的金屬(具體來說使用Cu)。另外，藉由在底板內形成水路並使充分量的冷卻水流過水路，可以高效率地冷卻靶材。這裡，充分量的冷卻水根據濺射靶材的大小而不同，例如當採用直徑為300mm的圓形的靶材時，可以將冷卻水量設定為3L/min以上、5L/min以上或10L/min以上。
將基板加熱溫度設定為100℃以上且600℃以下，較佳為150℃以上且550℃以下，更佳為200℃以上且500℃以下，並在氧氣體氛圍下形成氧化物半導體層106a。成膜時的基板加熱溫度越高得到的氧化物半導體層106a的雜質濃度越低。另外，由於在被形成面容易發生濺射粒子的遷移，原子排列有序且高密度化而容易氧化物半導體層106a的結晶性提高。並且，藉由在氧氣體氛圍下進行成膜，電漿損傷減輕並由於不含有稀有氣體等多餘的原子而形成結晶性高的氧化物半導體層106a。注意，也可以採用氧氣體與稀有氣體的混合氛圍，在該情況下將氧氣體的比例設定為30vol.%以上，較佳為50vol.%以上，更佳為80vol.%以上。
另外，當靶材含有Zn時，藉由在氧氣體氛圍下進行成膜，電漿損傷減輕，由此可以獲得不容易發生Zn揮發的氧化物半導體層106a。
在將基板傳送到成膜室之後，流過成膜氣體
並將成膜壓力設定為0.8Pa以下，較佳為0.4Pa以下，為了穩定壓力保持基板10秒以上且1000秒以下，較佳為15秒以上且720秒以下，形成氧化物半導體層106a。為了穩定壓力，藉由保持基板上述時間，可以減少形成氧化物半導體層106a時的雜質的混入量。此時，將靶材與基板之間的距離設定為40mm以下，較佳為25mm以下。藉由在該條件下形成氧化物半導體層106a，可以降低濺射粒子與其它的濺射粒子、氣體分子或離子發生碰撞的頻率。即，可以藉由對應成膜壓力使靶材與基板之間的距離小於濺射粒子、氣體分子或離子的平均自由徑，可以降低膜中的雜質濃度。
例如，在將壓力設定為0.4Pa並將溫度設定為25℃(絕對溫度為298K)的情況下的平均自由徑為：氫原子(H2)為48.7mm、氦原子(He)為57.9mm、水分子(H2O)為31.3mm、甲烷分子(CH4)為13.2mm、氖原子(Ne)為42.3mm、氮分子(N2)為23.2mm、一氧化碳分子(CO)為16.0mm、氧分子(O2)為26.4mm、氬原子(Ar)為28.3mm、二氧化碳分子(CO2)為10.9mm、氪原子(Kr)為13.4mm、氙原子(Xe)為9.6mm。另外，當壓力變為2倍時平均自由徑變為2分之1，當絕對溫度變為2倍時平均自由徑變為2倍。
平均自由徑由壓力、溫度及分子(原子)的直徑決定。當將壓力及溫度設定為固定時，分子(原子)的直徑越大平均自由徑越短。另外，各分子(原子)的直
徑為：H2為0.218nm、He為0.200nm、H2O為0.272nm、CH4為0.419nm、Ne為0.234nm、N2為0.316nm、CO為0.380nm、O2為0.296nm、Ar為0.286nm、CO2為0.460nm、Kr為0.415nm、Xe為0.491nm。
因此，分子(原子)的直徑越大平均自由徑越短，並且當被包含於膜中時，由於分子(原子)的直徑大而會使結晶性降低。為此，例如，可以說具有Ar以上的直徑的分子(原子)容易成為使結晶性降低的雜質。
接著，形成氧化物層106b。將基板加熱溫度設定為室溫(25℃)以上且600℃以下，較佳為70℃以上且550℃以下，更佳為100℃以上且500℃以下，並在氧氣體氛圍下形成氧化物層106b。成膜時的基板加熱溫度越高得到的氧化物層106b的雜質濃度越低。另外，由於在被形成面容易發生濺射粒子的遷移，原子排列有序且高密度化而容易氧化物層106b的結晶性提高。並且，藉由在氧氣體氛圍下進行成膜，電漿損傷減輕並由於不含有稀有氣體等多餘的原子而形成結晶性高的氧化物層106b。注意，也可以採用氧氣體與稀有氣體的混合氛圍，在該情況下將氧氣體的比例設定為30vol.%以上，較佳為50vol.%以上，更佳為80vol.%以上。在將基板傳送到成膜室之後，流過成膜氣體並將成膜壓力設定為0.8Pa以下，較佳為0.4Pa以下，為了穩定壓力保持基板10秒以上且1000秒以下，較佳為15秒以上且720秒以下，形成氧化物層106b。為了穩定壓力，藉由保持基板上述時間，可
以減少形成氧化物層106b時的雜質的混入量。
接著，進行加熱處理。加熱處理在減壓、惰性氛圍或氧化氛圍下進行。利用加熱處理可以降低氧化物半導體層106a中的雜質濃度。
作為加熱處理，較佳為在減壓或惰性氛圍下進行加熱處理之後，在保持溫度的情況下將氛圍切換為氧化氛圍再進行加熱處理。這是因為如下緣故：當在減壓氛圍或惰性氛圍下進行加熱處理時，雖然可以降低氧化物半導體層106a中的雜質濃度，但是在同時產生氧缺損。藉由在氧化氛圍下進行加熱處理，可以減少此時產生的氧缺損。
除了進行成膜時的基板加熱之外，藉由在成膜之後對氧化物半導體層106a進行加熱處理，可以降低氧化物半導體層106a中的雜質濃度。
具體地，可以使利用SIMS測量的氧化物半導體層106a中的氫濃度為2×1020atoms/cm3以下，較佳為5×1019atoms/cm3以下，更佳為1×1019atoms/cm3以下，進一步佳為5×1018atoms/cm3以下。
另外，可以使利用SIMS測量的氧化物半導體層106a中的氮濃度小於5×1019atoms/cm3，較佳為5×1018atoms/cm3以下，更佳為1×1018atoms/cm3以下，進一步佳為5×1017atoms/cm3以下。
另外，可以使利用SIMS測量的氧化物半導體層106a中的碳濃度小於5×1019atoms/cm3，較佳為
5×1018atoms/cm3以下，更佳為2×1018atoms/cm3以下，進一步佳為5×1017atoms/cm3以下。
另外，可以使氧化物半導體層106a中的利用TDS分析的m/z=2(氫分子等)的氣體分子(原子)、m/z=18的氣體分子(原子)、m/z=28的氣體分子(原子)及m/z=44的氣體分子(原子)的釋放量分別為1×1019個/cm3以下，較佳為1×1018個/cm3以下。
另外，利用TDS分析測量釋放量的方法參照後面說明的氧原子的釋放量的測量方法的記載。
藉由如上述那樣形成氧化物半導體層106a和氧化物層106b，可以提高氧化物半導體層106a的結晶性並降低氧化物半導體層106a、氧化物層106b以及氧化物半導體層106a和氧化物層106b之間的介面的雜質濃度。
在本節中，說明頂閘極型電晶體。在此，參照圖11A至11C說明頂閘極型電晶體的一種的頂閘極頂接觸結構(TGTC結構)的電晶體。
圖11A至11C示出TGTC結構的電晶體的俯視圖及剖面圖。圖11A示出電晶體的俯視圖。圖11B示出圖11A的對應於點劃線B1-B2的剖面圖。另外，圖11C示出圖11A的對應於點劃線B3-B4的剖面圖。
圖11B示出一種電晶體，該電晶體包括：設置在基板200上的基底絕緣膜202；設置在基底絕緣膜
202上的包含氧化物層206a、氧化物層206a上的氧化物半導體層206b的多層膜206；設置在基底絕緣膜202及多層膜206上的源極電極216a及汲極電極216b；設置在多層膜206、源極電極216a以及汲極電極216b上的閘極絕緣膜212；設置在閘極絕緣膜212上的閘極電極204；設置在閘極絕緣膜212及閘極電極204上的保護絕緣膜218。另外，該電晶體也可以不具有基底絕緣膜202或/及保護絕緣膜218。
另外，根據用於源極電極216a及汲極電極216b的導電膜的種類，有時從氧化物半導體層206b的一部分奪取氧或者形成混合層，使得在氧化物半導體層206b中形成源極區域及汲極區域。
在圖11A中，將重疊於閘極電極204的區域中的源極電極216a和汲極電極216b之間的間隔稱為通道長度。注意，在電晶體包括源極區域及汲極區域的情況下，也可以將重疊於閘極電極204的區域中的源極區域和汲極區域之間的間隔稱為通道長度。
另外，通道形成區域是指多層膜206中的重疊於閘極電極204並且夾在源極電極216a和汲極電極216b的區域。另外，通道區域是指通道形成區域中的電流主要流過的區域。在此，通道區域相當於通道形成區域中的氧化物半導體層206b的部分。
多層膜206參照多層膜106的記載。具體地，氧化物層206a參照氧化物層106b的記載，氧化物半
導體層206b參照氧化物半導體層106a的記載。
基板200參照基板100的記載。另外，源極電極216a及汲極電極216b參照源極電極116a及汲極電極116b的記載。閘極絕緣膜212參照閘極絕緣膜112的記載。閘極電極204參照閘極電極104的記載。保護絕緣膜218參照保護絕緣膜118的記載。
另外，雖然在圖11A中多層膜206以伸展到閘極電極204的兩邊之外的方式形成，但是為了抑制在多層膜206中因光而生成載子，也可以多層膜206的邊緣部位於閘極電極204的邊緣部的內側。
作為基底絕緣膜202，使用包含氧化鋁、氧化鎂、氧化矽、氧氮化矽、氮氧化矽、氮化矽、氧化鎵、氧化鍺、氧化釔、氧化鋯、氧化鑭、氧化釹、氧化鉿以及氧化鉭中的一種以上的絕緣膜的單層或疊層，即可。
作為基底絕緣膜202，例如可以採用第一層為氮化矽層並第二層為氧化矽層的多層膜。在上述的情況下，氧化矽層也可以為氧氮化矽層。另外，氮化矽層也可以為氮氧化矽層。氧化矽層較佳為使用缺陷密度小的氧化矽層。明確而言，使用如下氧化矽層：在利用ESR的測定時，來源於g值為2.001的信號的自旋的自旋密度為3×1017spins/cm3以下，較佳為5×1016spins/cm3以下。氮化矽層使用氫及氨的釋放量少的氮化矽層。氫及氨的釋放量藉由TDS分析進行測定即可。另外，氮化矽層使用使氫、水以及氧不透過或幾乎不透過的氮化矽層。
或者，作為基底絕緣膜202，例如可以採用第一層為氮化矽層、第二層為第一氧化矽層以及第三層為第二氧化矽層的多層膜。在上述的情況下，第一氧化矽層或/及第二氧化矽層也可以為氧氮化矽層。另外，氮化矽層也可以為氮氧化矽層。第一氧化矽層較佳為使用缺陷密度小的氧化矽層。明確而言，使用如下氧化矽層：在ESR測定時，來源於g值為2.001的信號的自旋的自旋密度為3×1017spins/cm3以下，較佳為5×1016spins/cm3以下。第二氧化矽層使用具有過剩氧的氧化矽層。氮化矽層使用氫及氨的釋放量少的氮化矽層。另外，氮化矽層使用使氫、水以及氧不透過或幾乎不透過的氮化矽層。
當閘極絕緣膜212和基底絕緣膜202中的至少一個包含過剩氧時，可以減少氧化物半導體層206b的氧缺損。
在如上述那樣構成的電晶體中，藉由在多層膜206的氧化物半導體層206b中形成通道，該電晶體具有穩定的電特性和高場效移動率。
在此，參照圖12A至圖13B說明電晶體的製造方法。
首先，準備基板200。
接著，形成用作氧化物層206a的氧化物層。用作氧化物層206a的氧化物層的成膜方法參照氧化物層
106b的說明。另外，氧化物層206a以成為CAAC-OS層或非晶氧化物半導體層的方式形成。當氧化物層206a是CAAC-OS層或非晶氧化物半導體層時，用作氧化物半導體層206b的氧化物半導體層容易成為CAAC-OS層。
接著，形成用作氧化物半導體層206b的氧化物半導體層。用作氧化物半導體層206b的氧化物半導體層的成膜方法參照氧化物半導體層106a的說明。
接著，較佳為進行第一加熱處理。第一加熱處理也可以以250℃以上且650℃以下的溫度，較佳為以300℃以上且500℃以下的溫度進行即可。第一加熱處理在惰性氣體氛圍下，包含10ppm以上、1%以上或10%以上的氧化氣體氛圍下或者減壓狀態下進行。或者，第一加熱處理在採用惰性氣體氛圍進行加熱處理之後，為了在填補脫離了的氧包含10ppm以上、1%以上或10%以上的氧化氣體氛圍下進行，即可。藉由進行第一加熱處理，可以提高用作氧化物半導體層206b的氧化物半導體層的結晶性，還可以從用作基底絕緣膜202、氧化物層206a的氧化物層或/及用作氧化物半導體層206b的氧化物半導體層去除氫及水等雜質。
接著，對用作氧化物層206a的氧化物層以及用作氧化物半導體層206b的氧化物半導體層的一部分進行蝕刻，形成包含氧化物層206a和氧化物半導體層206b的多層膜206(參照圖12A)。
接著，形成用作源極電極216a及汲極電極
216b的導電膜。用作源極電極216a及汲極電極216b的導電膜的成膜方法參照源極電極116a及汲極電極116b的記載。
接著，對用作源極電極216a及汲極電極216b的導電膜的一部分進行蝕刻，形成源極電極216a及汲極電極216b(參照圖12B)。
接著，較佳為進行第二加熱處理。關於第二加熱處理，參照第一加熱處理的說明進行即可。藉由進行第二加熱處理，可以從多層膜206去除氫或水等雜質。
接著，形成閘極絕緣膜212(參照圖12C)。閘極絕緣膜212的成膜方法參照閘極絕緣膜112的記載。
接著，形成用作閘極電極204的導電膜。用作閘極電極204的導電膜的成膜方法參照用作閘極電極104的導電膜的記載。
接著，對用作閘極電極204的導電膜的一部分進行蝕刻，形成閘極電極204(參照圖13A)。
接著，形成保護絕緣膜218(參照圖13B)。保護絕緣膜218的成膜方法參照保護絕緣膜118的記載。
藉由上述步驟，可以製造電晶體。
由於多層膜206的氧化物半導體層206b中的氧缺損被降低，該電晶體具有穩定的電特性。
下面，說明使用上述電晶體的應用產品。
在本節中，說明應用上述電晶體的顯示裝置。
作為設置在顯示裝置中的顯示元件，可以使用液晶元件(也稱為液晶顯示元件)、發光元件(也稱為發光顯示元件)等。發光元件在其範疇內包括其亮度由電流或電壓控制的元件，明確而言，包括無機EL(Electro Luminescence：電致發光)元件、有機EL元件等。此外，也可以採用電子墨水等由於電作用而改變對比度的顯示媒體作為顯示元件。下面，作為顯示裝置的一個例子對使用EL元件的顯示裝置及使用液晶元件的顯示裝置進行說明。
另外，下面示出的顯示裝置包括處於密封有顯示元件的狀態的面板及處於在該面板中安裝有包括控制器的IC等的狀態的模組。
另外，下面示出的顯示裝置是指影像顯示裝置、顯示裝置或光源(包括照明設備)。此外，顯示裝置還包括：安裝有連接器諸如FPC或TCP的模組；在TCP的端部上設置有印刷線路板的模組；或者藉由COG方式將IC(積體電路)直接安裝到顯示元件的模組。
首先，說明使用EL元件的顯示裝置(也稱為EL顯示裝置)。
圖14是EL顯示裝置的像素的電路圖的一個例子。
圖14所示的EL顯示裝置包含切換元件743、電晶體741、電容器742、發光元件719。
電晶體741的閘極與切換元件743的一端及電容器742的一端電連接。電晶體741的源極與發光元件719的一端電連接。電晶體741的汲極與電容器742的另一端電連接，並被施加電源電位VDD。切換元件743的另一端與信號線744電連接。發光元件719的另一端被施加恆電位。另外，恆電位為等於或低於接地電位GND的電位。
另外，電晶體741採用使用上述的包含氧化物半導體層的多層膜的電晶體。該電晶體具有穩定的電特性。因此，可以提供一種顯示品質高的EL顯示裝置。
切換元件743較佳為使用電晶體。藉由使用電晶體，可以減小像素的面積，由此可以提供分辨度高的EL顯示裝置。另外，切換元件743也可以採用使用上述的包含氧化物半導體層的多層膜的電晶體。藉由作為開光元件743使用該電晶體，可以利用與電晶體741同一製程形成切換元件743，由此可以提高EL顯示裝置的生產率。
圖15A是EL顯示裝置的俯視圖。EL顯示裝置包含基板100、基板700、密封材料734、驅動電路735、驅動電路736、像素737以及FPC732。密封材料
734以包圍像素737、驅動電路735以及驅動電路736的方式設置在基板100與基板700之間。另外，驅動電路735及/或驅動電路736也可以設置在密封材料734的外側。
圖15B是對應於圖15A的點劃線M-N的EL顯示裝置的剖面圖。FPC732藉由端子731與佈線733a連接。另外，佈線733a形成在與閘極電極104相同的層。
另外，圖15B示出電晶體741及電容器742設置在同一平面上的例子。藉由採用這種結構，可以將電容器742設置在與電晶體741的閘極電極、閘極絕緣膜及源極電極(汲極電極)同一平面上。如此，藉由將電晶體741及電容器742設置在同一平面上，可以縮短EL顯示裝置的製程，由此可以提高生產率。
圖15B示出作為電晶體741使用圖1A至1D所示的電晶體的例子。因此，關於在電晶體741的各構成要素中以下不進行說明的構成要素，參照圖1A至1D所記載的說明。
在電晶體741及電容器742上設置有絕緣膜720。
在此，在絕緣膜720及保護絕緣膜118中設置有到達電晶體741的源極電極116a的開口部。
在絕緣膜720上設置有電極781。電極781藉由設置在絕緣膜720及保護絕緣膜118中的開口部與電晶體741的源極電極116a連接。
在電極781上設置有包含到達電極781的開口部的隔壁784。
在隔壁784上設置有設置在隔壁784中的開口部中與電極781接觸的發光層782。
在發光層782上設置有電極783。
電極781、發光層782和電極783彼此重疊的區域用作發光元件719。
另外，關於絕緣膜720，參照保護絕緣膜118的記載。或者，作為絕緣膜720也可以使用聚醯亞胺樹脂、丙烯酸樹脂、環氧樹脂、矽酮樹脂等的樹脂膜。
發光層782不侷限於單層，也可以藉由層疊多種發光層等來形成發光層782。例如，可以採用圖15C所示的結構。圖15C示出依次層疊中間層785a、發光層786a、中間層785b、發光層786b、中間層785c、發光層786c以及中間層785d的結構。此時，作為發光層786a、發光層786b以及發光層786c採用適當的發光顏色的發光層，可以形成演色性高或者發光效率高的發光元件719。
也可以藉由層疊多種發光層而得到白色光。雖然在圖15B中未圖示，但是也可以採用經由著色層提取白色光的結構。
雖然在此示出設置有三個發光層及四個中間層的結構，但是不侷限於該結構，也可以適當地改變發光層及中間層的層數。例如，可以僅由中間層785a、發光層786a、中間層785b、發光層786b以及中間層785c構
成發光層782。此外，也可以由中間層785a、發光層786a、中間層785b、發光層786b、發光層786c以及中間層785d構成發光層782而省略中間層785c。
另外，中間層可以具有包含電洞注入層、電洞傳輸層、電子傳輸層及電子注入層等的疊層結構。另外，中間層不一定必須包含上述所有層。可以適當地選擇並設置這些層。另外，也可以重複設置具有同樣功能的層。另外，作為中間層，除了載子產生層以外，還可以適當地追加電子中繼層等。
電極781可以使用具有可見光透過性的導電膜。具有可見光透過性是指可見光(例如波長範圍在400nm至800nm之間)的平均穿透率為70%以上，尤其為80%以上。
電極781例如可以使用In-Zn-W氧化物膜、In-Sn氧化物膜、In-Zn氧化物膜、氧化銦膜、氧化鋅膜以及氧化錫膜等氧化物膜。另外，上述氧化物膜也可以添加有微量的Al、Ga、Sb、F等。另外，也可以使用具有能夠透光的厚度的金屬薄膜(較佳為5nm至30nm左右)。例如可以使用5nm厚的Ag膜、Mg膜或者Ag-Mg合金膜。
或者，電極781較佳為使用高效率地反射可見光的膜。例如，電極781可以使用包含鋰、鋁、鈦、鎂、鑭、銀、矽或鎳的膜。
電極783可以使用選自作為電極781而示出
的膜。注意，在電極781具有可見光透過性的情況下，較佳的是，電極783高效率地反射可見光。另外，在電極781高效率地反射可見光的情況下，較佳的是，電極783具有可見光透過性。
在此，以圖15B所示的結構設置電極781及電極783，但是也可以互相調換電極781和電極783。用作陽極的電極較佳為使用功函數大的導電膜，用作陰極的電極較佳為使用功函數小的導電膜。注意，當與陽極接觸並設置載子產生層時，可以將各種導電膜用於陽極，而不用考慮功函數。
關於隔壁784，參照保護絕緣膜118的記載。或者，作為隔壁784也可以使用聚醯亞胺樹脂、丙烯酸樹脂、環氧樹脂、矽酮樹脂等的樹脂膜。
與發光元件719連接的電晶體741具有穩定的電特性。因此，可以提供顯示品質高的EL顯示裝置。
圖16A和16B是其一部分與圖15B不同的EL顯示裝置的剖面圖的一個例子。具體地，不同點為與FPC732連接的佈線。在圖16A中，FPC732藉由端子731與佈線733b連接。佈線733b形成在與源極電極116a及汲極電極116b相同的層。在圖16B中，FPC732藉由端子731與佈線733c連接。佈線733c形成在與電極781相同的層。
接著，對使用液晶元件的顯示裝置(也稱為液晶顯示裝置)進行說明。
圖17是示出液晶顯示裝置的像素的結構實例的電路圖。圖17所示的像素750包含電晶體751、電容器752、一對電極之間的填充有液晶的元件(以下稱為液晶元件)753。
電晶體751的源極和汲極中的一方與信號線755電連接，電晶體751的閘極與掃描線754電連接。
電容器752的一個電極與電晶體751的源極和汲極中的另一方電連接，電容器752的另一個電極與供應公共電位的佈線電連接。
液晶元件753的一個電極與電晶體751的源極和汲極中的另一方電連接，液晶元件753的另一個電極與供應公共電位的佈線電連接。注意，上述供應到與上述電容器752的另一個電極電連接的佈線的公共電位以及供應到液晶元件753的另一個電極的公共電位可以彼此不同。
另外，液晶顯示裝置的俯視圖與EL顯示裝置的俯視圖大致相同。圖18A示出對應於圖15A的點劃線M-N的液晶顯示裝置的剖面圖。在圖18A中，FPC732藉由端子731與佈線733a連接。另外，佈線733a形成在與閘極電極104相同的層。
圖18A示出電晶體751及電容器752設置在同一平面上的例子。藉由採用這種結構，可以將電容器
752設置在與電晶體751的閘極電極、閘極絕緣膜及源極電極(汲極電極)同一平面上。如此，藉由將電晶體751及電容器752設置在同一平面上，可以縮短液晶顯示裝置的製程，由此可以提高生產率。
電晶體751可以使用上述電晶體。圖18A示出使用圖1A至1D所示的電晶體的例子。因此，關於在電晶體751的各構成要素中以下不進行說明的構成要素，參照圖1A至1D所示的說明。
另外，作為電晶體751可以使用關態電流極小的電晶體。因此，保持在電容器752中的電荷不容易洩漏，由此可以在長期間保持施加到液晶元件753的電壓。因此，當顯示動作少的動態影像或者靜態影像時，藉由使電晶體751成為關閉狀態，不需要用來使電晶體751工作的功率，由此可以提供耗電量低的液晶顯示裝置。
在電晶體751及電容器752上設置有絕緣膜721。
在此，在絕緣膜721及保護絕緣膜118中設置有到達電晶體751的汲極電極116b的開口部。
在絕緣膜721上設置有電極791。電極791藉由設置在絕緣膜721及保護絕緣膜118中的開口部與電晶體751的汲極電極116b連接。
在電極791上設置有用作配向膜的絕緣膜792。
在絕緣膜792上設置有液晶層793。
在液晶層793上設置有用作配向膜的絕緣膜794。
在絕緣膜794上設置有隔離物795。
在隔離物795及絕緣膜794上設置有電極796。
在電極796上設置有基板797。
另外，關於絕緣膜721，參照保護絕緣膜118的記載。或者，作為絕緣膜721也可以使用聚醯亞胺樹脂、丙烯酸樹脂、環氧樹脂、矽酮樹脂等的樹脂膜。
液晶層793可以使用熱致液晶、低分子液晶、高分子液晶、高分子分散型液晶、鐵電液晶、反鐵電液晶等。上述液晶根據條件而呈現膽固醇相、層列相、立方相、手性向列相、各向同性相等。
此外，作為液晶層793也可以使用呈現藍相的液晶。在此情況下，採用不設置用作配向膜的絕緣膜792及絕緣膜794的結構即可。
電極791可以使用具有可見光透過性的導電膜。
電極791例如可以使用In-Zn-W氧化物膜、In-Sn氧化物膜、In-Zn氧化物膜、氧化銦膜、氧化鋅膜以及氧化錫膜等氧化物膜。另外，上述氧化物膜也可以添加有微量的Al、Ga、Sb、F等。另外，也可以使用具有能夠透光的厚度的金屬薄膜(較佳為5nm至30nm左右)。
或者，電極791較佳為使用高效率地反射可
見光的膜。例如，電極791可以使用包含鋁、鈦、鉻、銅、鉬、銀、鉭或鎢的膜。
電極796可以選自作為電極791而示出的膜而使用。注意，在電極791具有可見光透過性的情況下，較佳的是電極796高效率地反射可見光。另外，在電極791高效率地反射可見光的情況下，電極796較佳為具有可見光透過性。
在此，以圖18A所示的結構設置電極791及電極796，但是也可以互相調換電極791和電極796。
絕緣膜792及絕緣膜794可以使用有機化合物或者無機化合物形成。
隔離物795可以使用有機化合物或者無機化合物形成。另外，隔離物795可以具有柱狀或者球狀等各種形狀。
電極791、絕緣膜792、液晶層793、絕緣膜794以及電極796彼此重疊的區域用作液晶元件753。
基板797可以使用玻璃、樹脂或者金屬等。基板797可以具有撓性。
圖18B和18C是其一部分與圖18A不同的液晶顯示裝置的剖面圖的一個例子。具體地，不同點為與FPC732連接的佈線。在圖18B中，FPC732藉由端子731與佈線733b連接。佈線733b形成在與源極電極116a及汲極電極116b相同的層。在圖18C中，FPC732藉由端子731與佈線733c連接。佈線733c形成在與電極791相同
的層。
另外，與液晶元件753連接的電晶體751具有穩定的電特性。因此，可以提供顯示品質高的液晶顯示裝置。另外，電晶體751的關態電流極小，所以可以提供耗電量低的液晶顯示裝置。
下面以液晶的工作模式為例子而說明液晶的工作模式。作為液晶顯示裝置的液晶的驅動方法，有與基板垂直地施加電壓的垂直電場方式以及與基板平行地施加電壓的水平電場方式。
首先，圖19A1及19A2示出說明TN模式的液晶顯示裝置的像素結構的剖面模式圖。
在互相相對地配置的基板3101和基板3102之間夾有液晶層3100。此外，在基板3101一側形成有偏光板3103，在基板3102一側形成有偏光板3104。配置有成為正交尼科耳(cross-Nicol)狀態的偏光板3103的吸收軸和偏光板3104的吸收軸。
雖然在圖式中未示出，但是可以在偏光板3104的外側設置背光等。在基板3101和基板3102上分別設置有電極3108和電極3109。而且，至少將與背光相反一側，即在可見一側上的電極3108形成為具有透光性。
在具有這種結構的液晶顯示裝置具有常白模式的情況下，當對電極3108和電極3109之間施加電壓(稱為垂直電場方式)時，如圖19A1所示，液晶分子
3105成為在縱向方向上排列的狀態。於是，來自背光的光不能穿過偏光板3103而成為黑色顯示。
並且，如圖19A2所示，當不對電極3108和電極3109之間施加電壓時，液晶分子3105在橫向方向上排列而成為在平面上扭曲的狀態。其結果是，來自背光的光可以穿過偏光板3103，並成為白色顯示。此外，藉由調節對電極3108和電極3109之間施加的電壓，可以表示灰階。像這樣，可以進行預定的影像表示。
此時，藉由設置著色層可以進行全彩色顯示。可以在基板3101一側或基板3102一側設置著色層。
作為用於TN模式的液晶分子，使用公知的材料即可。
圖19B1及19B2示出說明VA模式的液晶顯示裝置的像素結構的剖面模式圖。VA模式為當沒有電場時液晶分子3105與基板垂直地被配向的方式。
與圖19A1及19A2同樣，在基板3101及基板3102上分別設置有電極3108及電極3109。而且，將與背光相反一側，即在可見一側上的電極3108形成為具有透光性。並且，在基板3101一側形成有偏光板3103，而在基板3102一側形成有偏光板3104。此外，配置有成為正交尼科耳狀態的偏光板3103的吸收軸和偏光板3104的吸收軸。
在具有這種結構的液晶顯示裝置中，當對電極3108和電極3109之間施加電壓(垂直電場方式)時，
如圖19B1所示，液晶分子3105成為在橫向方向上排列的狀態。於是，來自背光的光可以穿過偏光板3103而成為白色顯示。
並且，如圖19B2所示，當不在電極3108和電極3109之間施加電壓時，液晶分子3105成為在縱向方向上排列的狀態。其結果是，由偏光板3104偏振的來自背光的光不受到液晶分子3105的雙折射的影響地穿過單元中。於是，被偏振的來自背光的光不能穿過偏光板3103，而成為黑色顯示。此外，藉由調節對電極3108和電極3109之間施加的電壓，可以表示灰階。像這樣，可以進行預定的影像表示。
此時，藉由設置著色層可以進行全彩色顯示。可以在基板3101一側或基板3102一側設置著色層。
圖19C1及19C2示出說明MVA模式的液晶顯示裝置的像素結構的剖面模式圖。MVA模式是一種方法，其中一個像素被分割為多個部分，且使各部分的配向方向為彼此不同而相互補償視角依存性。如圖19C1所示，在MVA模式中在電極3108及電極3109上設置有用來控制配向的其剖面為三角的突起物3158及3159。另外，其他結構與VA模式同樣。
當對電極3108和電極3109之間施加電壓(垂直電場方式)時，如圖19C1所示，液晶分子3105以其長軸大致垂直於突起物3158及3159的面的方式配向。於是，來自背光的光可以穿過偏光板3103而、成為白色顯
示。
而且，如圖19C2所示，當不對電極3108和電極3109之間施加電壓時，液晶分子3105成為在縱向方向上排列的狀態。其結果是，來自背光的光不能穿過偏光板3103，而成為黑色顯示。此外，藉由調節對電極3108和電極3109之間施加的電壓，可以表示灰階。像這樣，可以進行預定的影像表示。
此時，藉由設置著色層，可以進行全彩色顯示。可以在基板3101一側或基板3102一側設置著色層。
圖22A和22B示出MVA模式的另一例子的俯視圖和剖面圖。如圖22A所示，電極3109a、電極3109b及電極3109c形成為“<”(“V”)型地彎曲的圖案。如圖22B所示，在電極3109a、3109b及3109c上以及電極3108上分別形成有配向膜的絕緣膜3162及絕緣膜3163。在電極3108上與電極3109b重疊地形成有突起物3158。
圖20A1和20A2示出說明OCB模式的液晶顯示裝置的像素結構的剖面模式圖。在OCB模式中，液晶層中的液晶分子3105以補償視角依存性的方式配向。這種配向被稱為彎曲配向。
如圖19A1、19A2、19B1、19B2、19C1、19C2同樣，在基板3101及基板3102上分別設置有電極3108及電極3109。然後，至少將與背光相反一側，即在可見一側上的電極3108形成為具有透光性。並且，在基
板3101一側形成有偏光板3103，而在基板3102一側形成有偏光板3104。此外，配置有成為正交尼科耳狀態的偏光板3103的吸收軸和偏光板3104的吸收軸。
在具有這種結構的液晶顯示裝置中，當對電極3108和電極3109之間施加電壓(垂直電場方式)時進行黑色顯示。此時，如圖20A1所示，液晶分子3105成為在縱向方向上排列的狀態。於是，來自背光的光不能穿過偏光板3103而成為黑色顯示。
並且，如圖20A2所示，當在電極3108和電極3109之間不施加電壓時，液晶分子3105成為彎曲配向狀態。其結果是，來自背光的光可以穿過偏光板3103，並成為白色顯示。此外，藉由調節對電極3108及電極3109施加的電壓，可以表示灰階。像這樣，可以進行預定的影像表示。
此時，藉由設置著色層可以進行全彩色顯示。也可以在基板3101一側或基板3102一側設置著色層。
在這種OCB模式中，因為液晶層中的液晶分子3105的排列可以補償視角依存性。並且，利用包括一對疊層的偏振器的層來可以提高對比。
圖20B1及20B2示出說明FLC模式及AFLC模式的液晶顯示裝置的像素結構的剖面模式圖。
如圖19A1、19A2、19B1、19B2、19C1、19C2同樣，在基板3101及基板3102上分別設置有電極
3108及電極3109。然後，將與背光相反一側，即在可見一側上的電極3108形成為具有透光性。並且，在基板3101一側形成有偏光板3103，而在基板3102一側形成有偏光板3104。此外，配置有成為正交尼科耳狀態的偏光板3103的吸收軸和偏光板3104的吸收軸。
在具有這種結構的液晶顯示裝置中，當對電極3108和電極3109之間施加電壓(稱為垂直電場方式)時，液晶分子3105成為沿偏離研磨方向的橫向方向排列的狀態。其結果是，來自背光的光可以穿過偏光板3103，並成為白色顯示。
而且，如圖20B2所示，當不對電極3108和電極3109之間施加電壓時，液晶分子3105成為沿研磨方向的橫向方向排列的狀態。於是，來自背光的光不能穿過偏光板3103而成為黑色顯示。此外，藉由調節對電極3108及電極3109施加的電壓，可以表示灰階。像這樣，可以進行預定的影像表示。
此時，藉由設置著色層可以進行全彩色顯示。也可以在基板3101一側或基板3102一側設置著色層。
作為用於FLC模式及AFLC模式的液晶分子，使用公知的材料即可。
圖21A1及21A2示出說明IPS模式的液晶顯示裝置的像素結構的剖面模式圖。IPS模式為利用只設置在一方的基板一側的電極的水平電場來使液晶分子3105
相對於基板始終在平面內旋轉的模式。
IPS模式利用設置在一方基板的一對電極控制液晶。因此，在基板3102上設置有一對電極的3150及3151。一對電極的3150及3151較佳為分別具有透光性。而且，在基板3101一側形成有偏光板3103，而在基板3102一側形成有偏光板3104。此外，配置有成為正交尼科耳狀態的偏光板3103的吸收軸和偏光板3104的吸收軸。
在具有這種結構的液晶顯示裝置中，當對一對電極的3150和3151之間施加電壓時，如圖21A1所示，液晶分子3105沿偏離研磨方向的電力線配向。於是，來自背光的光可以穿過偏光板3103，而成為白色顯示。
並且，如圖21A2所示，當不對一對電極的3150和3151之間施加電壓時，液晶分子3105成為沿偏離研磨方向的橫向方向排列的狀態。其結果是，來自背光的光不能穿過偏光板3103，而成為黑色顯示。此外，藉由調節對一對電極的3150和3151之間施加的電壓，可以表示灰階。像這樣，可以進行預定的影像表示。
此時，藉由設置著色層可以進行全彩色顯示。可以在基板3101一側或基板3102一側設置著色層。
圖23A至23C示出可以用於IPS模式的一對電極的3150及3151的例子。如圖23A至23C的俯視圖所示，一對電極的3150及3151互相交替地形成，在圖
23A中電極3150a和電極3151a為具有起伏的波浪形狀，在圖23B中電極3150b和電極3151b為梳齒狀且其一部分為彼此層疊的形狀，在圖23C中電極3150c及電極3151c為梳齒狀且為電極彼此嚙合的形狀。
圖21B1及21B2示出說明FFS模式的液晶顯示裝置的像素結構的剖面模式圖。FFS模式是與IPS模式相同的水平電場方式，但是其中如圖21B1及21B2所示，在電極3150上隔著絕緣膜形成電極3151。
一對電極的3150及3151分別具有透光性。並且，在基板3101一側形成有偏光板3103，而基板3102一側形成有偏光板3104。此外，配置有成為正交尼科耳狀態的偏光板3103的吸收軸和偏光板3104的吸收軸。
在具有這種結構的液晶顯示裝置中，當對一對電極的3150和3151之間施加電壓時，如圖21B1所示，液晶分子3105沿偏離研磨方向的電力線配向。於是，來自背光的光可以穿過偏光板3103，而成為白色顯示。
而且，如圖21B2所示，當不對一對電極的3150和3151之間施加電壓時，液晶分子3105成為沿研磨方向的橫向方向排列的狀態。其結果是，來自背光的光不能穿過偏光板3103而成為黑色顯示。此外，藉由調節對一對電極的3150和3151之間施加的電壓，可以表示灰階。像這樣，可以進行預定的影像表示。
此時，藉由設置著色層可以進行全彩色顯
示。可以在基板3101一側或基板3102一側設置著色層。
圖24A至24C示出可以用於FFS模式的一對電極的3150和3151之間的例子。如圖24A至24C的俯視圖所示，在電極3150上形成有形成為各種圖案的電極3151，在圖24A中電極3150a上的電極3151a為具有彎曲的“<”型(“V”字)形狀，在圖24B中電極3150b上的電極3151b為梳齒狀且為電極彼此嚙合的形狀，在圖24C中電極3150c上的電極3151c為梳齒狀。
作為用於IPS模式及FFS模式的液晶分子，使用公知的材料即可。
此外，除了上述模式之外，還可以應用PVA模式、ASM模式、TBA模式等的工作模式。
在液晶顯示裝置中，適當地設置黑矩陣(遮光層)、偏振構件、相位差構件、抗反射構件等的光學構件(光學基板)等。例如，也可以使用利用偏振基板以及相位差基板的圓偏振。另外，作為光源，也可以使用背光、側光燈等。
此外，也可以作為背光利用多個發光二極體(LED)來進行分時顯示方式(場序驅動方式)。藉由應用場序驅動方式，可以不使用著色層地進行彩色顯示。
如上所述，作為像素部中的顯示方式，可以採用逐行掃描方式或隔行掃描方式等。此外，當進行彩色顯示時在像素中受到控制的色彩單元不侷限於RGB(R表示紅色，G表示綠色，B表示藍色)的三種顏色。例如，
也可以採用RGBW(W表示白色)或者對RGB追加黃色(yellow)、青色(cyan)、洋紅色(magenda)等中的一種以上的顏色。注意，每個色彩單元的點中的顯示區的大小也可以彼此不同。但是，本發明不侷限於彩色顯示的顯示裝置，而也可以應用於單色顯示的液晶顯示裝置。
上述電晶體可以用於安裝在各種電子裝置中的微型電腦。
下面，作為安裝微型電腦的電子裝置的一個例子，參照圖25、圖26、圖27A至27C以及圖28A說明火災警報器的結構及工作。
另外，在本說明書中，火災警報器是指發出火災發生的警報的所有裝置，其包括諸如住宅用火災警報器、自動火災警報設備、用於該自動火災警報設備的火災檢測器等。
圖25所示的警報裝置至少包括微型電腦500。在此，微型電腦500設置在警報裝置的內部。微型電腦500包括與高電位電源線VDD電連接的電源閘控制器503、與高電位電源線VDD及電源閘控制器503電連接的電源閘504、與電源閘504電連接的CPU(Central Processing Unit：中央處理器)505、以及與電源閘504及CPU505電連接的檢測部509。另外，CPU505包含揮發性記憶部506及非揮發性記憶部507。
另外，CPU505藉由介面508與匯流排502電連接。與CPU505同樣，介面508也與電源閘504電連接。作為介面508的匯流排規格，例如可以使用I2C匯流排等。在警報裝置中設置藉由介面508與電源閘504電連接的發光元件530。
作為發光元件530較佳為發射指向性強的光，例如可以使用有機EL元件、無機EL元件、LED等。
電源閘控制器503具有計時器，根據該計時器控制電源閘504。電源閘504根據電源閘控制器503的控制對CPU505、檢測部509及介面508供應或關閉從高電位電源線VDD供應的電源。在此，作為電源閘504可以使用如電晶體等的切換元件。
藉由使用這種電源閘控制器503及電源閘504，可以在測量光量的期間中，進行對檢測部509、CPU505及介面508的電源供應，並且在測量期間的空閒期間可以關閉對檢測部509、CPU505及介面508的電源供應。藉由使警報裝置這樣工作，與對上述各個結構不間斷地供應電源的情況相比，能夠實現耗電量的降低。
另外，在作為電源閘504使用電晶體的情況下，使用用於非揮發性記憶部507並且關態電流極低的電晶體，例如較佳為採用使用上述的包含氧化物半導體層的多層膜的電晶體。藉由採用這種電晶體，當由電源閘504關閉電源時可以減少洩漏電流，而可以實現耗電量的降
低。
也可以在警報裝置中設置直流電源501，從直流電源501對高電位電源線VDD供應電源。直流電源501的高電位一側的電極與高電位電源線VDD電連接，直流電源501的低電位一側的電極與低電位電源線VSS電連接。低電位電源線VSS與微型電腦500電連接。在此，對高電位電源線VDD供應高電位H。此外，對低電位電源線VSS供應接地電位(GND)等的低電位L。
在作為直流電源501使用電池的情況下，例如可以採用在外殼中設置包括如下的電池箱的結構即可，即與高電位電源線VDD電連接的電極、與低電位電源線VSS電連接的電極、以及可以保持該電池的外殼。另外，警報裝置也可以不設置直流電源501，例如也可以採用從設置在該警報裝置的外部的交流電源藉由佈線供應電源的結構。
此外，作為上述電池，也可以使用二次電池如鋰離子二次電池(也稱為鋰離子蓄電池或鋰離子電池)。另外，較佳為設置太陽能電池以對該二次電池進行充電。
檢測部509測量有關異常的物理量而對CPU505發送檢測值。有關異常的物理量根據警報裝置的使用目的不同，在用作火災警報器的警報裝置中，檢測有關火災的物理量。因此，檢測部509測量作為有關火災的物理量的光量而檢測出煙霧的存在。
檢測部509包括與電源閘504電連接的光感測器511、與電源閘504電連接的放大器512、以及與電源閘504及CPU505電連接的AD轉換器513。發光元件530、光感測器511、放大器512及AD轉換器513當電源閘504對檢測部509供應電源時工作。
圖26示出警報裝置的剖面的一部分。在圖26中，在p型半導體基板201上具有元件分離區域203，形成有n型電晶體519，該電晶體包括：閘極絕緣膜207；閘極電極209；n型雜質區域211a；n型雜質區域211b；絕緣膜215；以及絕緣膜217。n型電晶體519使用單晶矽等的半導體，所以可以進行高速工作。因此，可以形成能夠實現高速訪問的CPU的揮發性記憶部。
另外，在對絕緣膜215及絕緣膜217的一部分選擇性地進行了蝕刻的開口部形成接觸插頭219a及接觸插頭219b，在絕緣膜217、接觸插頭219a以及接觸插頭219b上設置有具有溝槽部分的絕緣膜221。另外，在絕緣膜221的溝槽部分形成佈線223a及佈線223b。另外，在絕緣膜221、佈線223a以及佈線223b上藉由濺射法或CVD法等形成絕緣膜220，在該絕緣膜220上形成具有溝槽部分的絕緣膜222。在絕緣膜222的溝槽部分形成電極224。電極224用作第二電晶體517的背閘極電極。藉由設置上述電極224，可以控制第二電晶體517的臨界電壓。
另外，在絕緣膜222及電極224上藉由濺射
法或CVD法等設置絕緣膜225。
在絕緣膜225上設置第二電晶體517及光電轉換元件514。第二電晶體517包括包含氧化物層206a及氧化物半導體層206b的多層膜206、接觸於多層膜206的頂面的源極電極216a及汲極電極216b、閘極絕緣膜212、閘極電極204以及保護絕緣膜218。另外，設置覆蓋光電轉換元件514及第二電晶體517的絕緣膜245，在絕緣膜245上具有接觸於汲極電極216b的佈線249。佈線249用作使第二電晶體517的汲極電極與n型電晶體519的閘極電極209電連接的節點。
光感測器511包括光電轉換元件514、電容元件、第一電晶體、第二電晶體517、第三電晶體以及n型電晶體519。在此，作為光電轉換元件514，例如可以採用光電二極體等。
光電轉換元件514的端子的一個與低電位電源線VSS電連接，該端子的另一個與第二電晶體517的源極電極和汲極電極中的一個電連接。對第二電晶體517的閘極電極供應電荷累積控制信號Tx，源極電極和汲極電極中的另一個與電容元件的一對電極中的一個、第一電晶體的源極電極和汲極電極中的一個、以及n型電晶體519的閘極電極電連接(下面，有時將該節點稱為節點FD)。電容元件的一對電極中的另一個與低電位電源線VSS電連接。對第一電晶體的閘極電極供應重設信號Res，第一電晶體的源極電極和汲極電極中的另一個與高
電位電源線VDD電連接。n型電晶體519的源極電極和汲極電極中的一個與第三電晶體的源極電極和汲極電極中的一個以及放大器512電連接。另外，n型電晶體519的源極電極和汲極電極中的另一個與高電位電源線VDD電連接。對第三電晶體的閘極電極供應偏壓信號Bias，第三電晶體的源極電極和汲極電極中的另一個與低電位電源線VSS電連接。
另外，也可以未必一定要設置電容元件，例如在n型電晶體519等的寄生電容充分大的情況下也可以不設置電容元件。
另外，第一電晶體及第二電晶體517較佳為使用關態電流極低的電晶體。此外，作為關態電流極低的電晶體，較佳為採用使用上述的包含氧化物半導體層的多層膜的電晶體。藉由採用這種結構，能夠長時間保持節點FD的電位。
另外，在圖26所示的結構中，在絕緣膜225上設置有與第二電晶體517電連接的光電轉換元件514。
光電轉換元件514包括設置在絕緣膜225上的半導體層260、以及接觸於半導體層260上地設置的源極電極216a、電極216c。源極電極216a用作第二電晶體517的源極電極或汲極電極並使光電轉換元件514與第二電晶體517電連接。
在半導體層260、源極電極216a及電極216c上設置有閘極絕緣膜212、保護絕緣膜218以及絕緣膜
245。另外，在絕緣膜245上設置有佈線256，佈線256藉由設置在閘極絕緣膜212、保護絕緣膜218以及絕緣膜245中的開口與電極216c接觸。
電極216c可以藉由與源極電極216a及汲極電極216b相同的製程形成。佈線256可以藉由與佈線249相同的製程形成。
作為半導體層260，設置能夠進行光電轉換的半導體層即可，例如可以使用矽及鍺等。在對半導體層260採用矽的情況下，用作檢測可見光的光感測器。此外，因為矽和鍺能夠吸收的電磁波的波長彼此不同，所以在採用對半導體層260使用鍺的結構的情況下，能夠用作檢測紅外線的感測器。
如上所述那樣，可以在微型電腦500中內藏包含光感測器511的檢測部509，所以可以縮減部件數，而縮小警報裝置的外殼。
上述包含IC晶片的火災警報器採用組合多個使用上述電晶體的電路並將它們安裝在一個IC晶片的CPU505。
圖27A至27C是示出將上述電晶體用於至少其一部分的CPU的具體結構的方塊圖。
圖27A所示的CPU在基板1190上包括：ALU1191(Arithmetic logic unit：算術邏輯單元)；ALU
控制器1192；指令解碼器1193；中斷控制器1194；時序控制器1195；暫存器1196；暫存器控制器1197；匯流排介面1198(Bus I/F)；可改寫的ROM1199；以及ROM介面1189(ROM I/F)。作為基板1190，使用半導體基板、SOI基板及玻璃基板等。ROM1199和ROM介面1189可以設置在另一晶片上。當然，圖27A所示的CPU只是將其結構簡化而示出的一個例子，並且實際上的CPU根據其用途具有多種結構。
藉由匯流排介面1198輸入到CPU的指令輸入到指令解碼器1193且被進行解碼之後，輸入到ALU控制器1192、中斷控制器1194、暫存器控制器1197和時序控制器1195。
根據被解碼的指令，ALU控制器1192、中斷控制器1194、暫存器控制器1197、時序控制器1195進行各種控制。明確而言，ALU控制器1192產生用來控制ALU1191的工作的信號。另外，當CPU在執行程式時，中斷控制器1194根據其優先度或遮罩狀態而判斷來自外部的輸入/輸出裝置或週邊電路的中斷要求，且處理該要求。暫存器控制器1197產生暫存器1196的位址，並根據CPU的狀態進行從暫存器1196的讀出或對暫存器1196的寫入。
另外，時序控制器1195產生控制ALU1191、ALU控制器1192、指令解碼器1193、中斷控制器1194以及暫存器控制器1197的工作時序的信號。例如，時序控
制器1195具備根據基準時脈信號CLK1產生內部時脈信號CLK2的內部時脈產生部，將內部時脈信號CLK2供應到上述各種電路。
在圖27A所示的CPU中，在暫存器1196中設置有記憶單元。作為暫存器1196的記憶單元，可以使用上述電晶體。
在圖27A所示的CPU中，暫存器控制器1197根據來自ALU1191的指示，進行暫存器1196中的保持工作的選擇。換言之，在暫存器1196所具有的記憶單元中，選擇利用正反器進行資料的保持還是利用電容元件進行資料的保持。當選擇利用正反器進行資料的保持時，進行對暫存器1196中的記憶單元的電源電壓的供應。當選擇利用電容元件進行資料保持時，進行對電容元件的資料改寫，而可以停止對暫存器1196內的記憶單元的電源電壓的供應。
如圖27B或27C所示那樣，藉由在記憶單元群與被供應有電源電位VDD或電源電位VSS的節點之間設置切換元件，可以停止電源電壓的供應。以下說明圖27B及27C的電路。
在圖27B及27C中示出一種作為控制對記憶單元的電源電位的供應的切換元件使用上述電晶體的記憶體裝置。
圖27B所示的記憶體裝置包括切換元件1141以及具有多個記憶單元1142的記憶單元群1143。明確而
言，各記憶單元1142可以使用上述電晶體。藉由切換元件1141，高位準的電源電位VDD被供應到記憶單元群1143所具有的各記憶單元1142。並且，信號IN的電位和低位準的電源電位VSS的電位供應到記憶單元群1143所具有的各記憶單元1142。
在圖27B中，作為切換元件1141使用上述電晶體，該電晶體的開關受控於供應到其閘極電極層的信號SigA。
此外，在圖27B中，示出切換元件1141只具有一個電晶體的結構，但是該結構沒有特別的限制，也可以具有多個電晶體。當切換元件1141具有多個用作切換元件的電晶體時，既可以將上述多個電晶體並聯，又可以將上述多個電晶體串聯，還可以組合並聯和串聯。
此外，在圖27B中，由切換元件1141控制對記憶單元群1143所包含的各記憶單元1142供應高位準的電源電位VDD，但是也可以由切換元件1141控制供應低位準的電源電位VSS。
另外，圖27C示出記憶體裝置的一個例子，其中藉由切換元件1141低位準的電源電位VSS被供應到記憶單元群1143所具有的各記憶單元1142。由切換元件1141可以控制對記憶單元群1143所具有的各記憶單元1142的低位準的電源電位VSS的供應。
在記憶單元群與被施加電源電位VDD或電源電位VSS的節點之間設置切換元件，當暫時停止CPU的
工作，停止電源電壓的供應時也可以保持資料，由此可以降低耗電量。明確而言，例如，在個人電腦的使用者停止對鍵盤等輸入裝置輸入資訊的期間中也可以停止CPU的工作，由此可以降低耗電量。
在此，以CPU為例子進行說明，但是也可以應用於DSP(Digital Signal Processor：數位訊號處理器)、定製LSI、FPGA(Field Programmable Gate Array：現場可程式邏輯閘陣列)等的LSI。
在圖28A的電視機8000中，外殼8001組裝有顯示部8002，利用顯示部8002可以顯示影像，並且從揚聲器部8003可以輸出聲音。可以將上述電晶體用於顯示部8002。
作為顯示部8002，可以使用液晶顯示裝置、在各個像素中具備有機EL元件等發光元件的發光裝置、電泳顯示裝置、DMD(Digital Micromirror Device：數位微鏡裝置)、PDP(Plasma Display Panel：電漿顯示面板)等半導體顯示裝置。
此外，電視機8000也可以具備用來進行資訊通信的CPU、記憶體等。藉由將上述電晶體、記憶體裝置或者CPU用於CPU或記憶體，可以實現低功耗化。
在圖28A中，警報裝置8100是一種住宅用火災警報器，該警報器具有檢測部以及微型電腦8101。微
型電腦8101包括使用上述電晶體的CPU。
在圖28A中，具有室內機8200及室外機8204的空調器包括使用上述電晶體的CPU。明確地說，室內機8200具有外殼8201、送風口8202、CPU8203等。在圖28A中，例示出CPU8203設置在室內機8200中的情況，但是CPU8203也可以設置在室外機8204中。或者，也可以在室內機8200和室外機8204的兩者中設置有CPU8203。藉由包括使用上述電晶體的CPU，可以使空調器實現低功耗化。
在圖28A中，電冷藏冷凍箱8300包括使用上述電晶體的CPU。明確地說，電冷藏冷凍箱8300包括外殼8301、冷藏室門8302、冷凍室門8303及CPU8304等。在圖28A中，CPU8304設置在外殼8301的內部。藉由包括使用上述電晶體的CPU，可以使電冷藏冷凍箱8300實現低功耗化。
圖28B及28C示出一種電動汽車的例子。電動汽車9700安裝有二次電池9701。二次電池9701的電力由控制電路9702調整輸出而供給到驅動裝置9703。控制電路9702由具有未圖示的ROM、RAM、CPU等的處理裝置9704控制。藉由包括使用上述電晶體的CPU，可以使電動汽車9700實現低功耗化。
驅動裝置9703是利用直流電動機或交流電動機的，或者將電動機和內燃機組合而構成的。處理裝置9704根據電動汽車9700的駕駛員的操作資訊(加速、減
速、停止等)、行車資訊(爬坡、下坡等，或者行車中的車輪受到的負載等)等的輸入資訊，向控制電路9702輸出控制信號。控制電路9702利用處理裝置9704的控制信號調整從二次電池9701供應的電能控制驅動裝置9703的輸出。當安裝交流電動機時，雖然未圖示，但是還安裝有將直流轉換為交流的逆變器。
在實施例中，製造BGTC結構的電晶體並測定其電特性。
下面，描述實施例樣本及比較例樣本的電晶體的結構。另外，關於電晶體的結構，參照圖1B。在此，實施例樣本和比較例樣本之間的差異只是氧化物層106b的有無。
作為基板100，使用600mm×720mm的方形玻璃基板。
作為閘極電極104，使用厚度為100nm的鎢膜。鎢膜藉由濺射法形成。
作為閘極絕緣膜112，使用由厚度為400nm的氮化矽層和氮化矽層上的厚度為50nm的氧氮化矽層構成的多層膜。氮化矽層及氧氮化矽層藉由CVD法形成。
接著，說明實施例樣本1、實施例樣本2以及實施例樣本3的氧化物半導體層106a及氧化物層106b。
作為氧化物半導體層106a，採用使用In-Ga-
Zn氧化物(In：Ga：Zn=1：1：1[原子個數比])的靶材利用濺射法來形成的氧化物半導體層。另外，在如下條件下形成氧化物半導體層106a：使用以1：1的體積比將氬氣體和氧氣體混合的成膜氣體；壓力為0.6Pa；基板溫度為170℃；施加5kW的AC功率。另外，將實施例樣本1的氧化物半導體層106a的厚度設定為20nm。將實施例樣本2的氧化物半導體層106a的厚度設定為35nm。將實施例樣本3的氧化物半導體層106a的厚度設定為50nm。
作為氧化物層106b，使用In-Ga-Zn氧化物(In：Ga：Zn=1：3：2[原子個數比])的靶材利用濺射法來形成的厚度為20nm的氧化物層。另外，在如下條件下形成氧化物層106b：使用以9：1的體積比將氬氣體和氧氣體混合的成膜氣體；壓力為0.3Pa；基板溫度為室溫(大約25℃)；施加5kW的AC功率。
此時，比起氧化物層106b的能隙，氧化物半導體層106a的能隙大0.45eV。另外，比起氧化物層106b的電子親和力，氧化物半導體層106a的電子親和力大0.15eV。
另外，比較例樣本的結構是如下：氧化物半導體層106a的厚度為35nm；不設置氧化物層106b；其他結構與實施例樣本1、實施例樣本2以及實施例樣本3相同。
作為源極電極116a及汲極電極116b，使用由厚度為50nm的鎢層、鎢層上的厚度為400nm的鋁層以及
鋁層上的厚度為100nm的鈦層構成的多層膜。另外，藉由濺射法形成鎢層、鋁層以及鈦層。
作為保護絕緣膜118，使用由厚度為450nm的氧氮化矽層和氧氮化矽層上的厚度為100nm的氮化矽層構成的多層膜。氧氮化矽層及氮化矽層藉由CVD法形成。
如上述那樣，製造電晶體。
首先，在基板100的表面上的20個點中測定電晶體的Vg-Id特性，圖29A至圖32B重疊地表示該Vg-Id特性。在此，測定汲極電流Id，該汲極電流Id是將汲極電壓設定為1V或10V並在-20V至15V的範圍內對閘極電壓Vg掃描時的汲極電流。另外，圖29A示出實施例樣本1的通道長度L為3μm且通道寬度W為50μm的電晶體的Vg-Id特性，圖29B示出實施例樣本1的通道長度L為6μm且通道寬度W為50μm的電晶體的Vg-Id特性。圖30A示出實施例樣本2的通道長度L為3μm且通道寬度W為50μm的電晶體的Vg-Id特性，圖30B示出實施例樣本2的通道長度L為6μm且通道寬度W為50μm的電晶體的Vg-Id特性。圖31A示出實施例樣本3的通道長度L為3μm且通道寬度W為50μm的電晶體的Vg-Id特性，圖31B示出實施例樣本3的通道長度L為6μm且通道寬度W為50μm的電晶體的Vg-Id特性。圖32A示出比較例樣本的通道長度L為3μm且通道寬度W為50μm的電晶體的Vg-Id特性，圖32B示出比較例樣本的通道長度L
為6μm且通道寬度W為50μm的電晶體的Vg-Id特性。
注意，汲極電壓是指以源電位為基準時的源電位與汲電位之間的電位差。閘極電壓是指以源電位為基準時的源電位與閘電位之間的電位差。汲極電流是指流過源極和汲極之間的電流值。
從圖29A至圖32B可知，與比較例樣本相比，實施例樣本1、實施例樣本2以及實施例樣本3的臨界電壓的不均勻小。另外，可知實施例樣本1、實施例樣本2以及實施例樣本3是亞閾擺幅值小並具有良好電特性的電晶體。
接著，對實施例樣本1、實施例樣本2、實施例樣本3以及比較例樣本的電晶體進行黑暗狀態下或明亮狀態下的正閘BT測試及負閘BT測試。圖33A至圖40B示出實施例樣本1、實施例樣本2、實施例樣本3以及比較例樣本的電晶體的閘極BT測試前後的Vg-Id特性。另外，使用通道長度L為6μm且通道寬度W為50μm的電晶體進行閘極BT測試。另外，藉由測定將汲極電壓設定為5V並在-30V至30V的範圍內對閘極電壓Vg掃描時的汲極電流Id，進行Vg-Id特性的測定。
在正閘BT測試中，在首先將基板溫度設定為80℃，進行第一次Vg-Id特性的測定之後，將閘極電壓Vg、汲極電壓Vd分別設定為30V、0V，保持樣本2000秒，然後進行第二次Vg-Id特性的測定。
在負閘BT測試中，在首先將基板溫度設定為
80℃，進行第一次Vg-Id特性的測定之後，將閘極電壓Vg、汲極電壓Vd分別設定為-30V、0V，保持樣本2000秒，然後進行第二次Vg-Id特性的測定。
另外，在黑暗狀態下，處於遮光狀態施加正或負BT應力。此外，在明亮狀態下，對電晶體照射3000lx的白色LED施加正或負BT應力。圖41示出用於明亮狀態下的閘極BT測試的白色LED的發射光譜。
注意，在圖33A至圖40B中，以虛線示出第一次(閘極BT測試之前)Vg-Id特性，以實線示出第二次(閘極BT測試之後)Vg-Id特性。
圖33A示出實施例樣本1的黑暗狀態下的正閘BT測試前後的Vg-Id特性，圖33B示出實施例樣本1的黑暗狀態下的負閘BT測試前後的Vg-Id特性。圖34A示出實施例樣本1的明亮狀態下的正閘BT測試前後的Vg-Id特性，圖34B示出實施例樣本1的明亮狀態下的負閘BT測試前後的Vg-Id特性。圖35A示出實施例樣本2的黑暗狀態下的正閘BT測試前後的Vg-Id特性，圖35B示出實施例樣本2的黑暗狀態下的負閘BT測試前後的Vg-Id特性。圖36A示出實施例樣本2的明亮狀態下的正閘BT測試前後的Vg-Id特性，圖36B示出實施例樣本2的明亮狀態下的負閘BT測試前後的Vg-Id特性。圖37A示出實施例樣本3的黑暗狀態下的正閘BT測試前後的Vg-Id特性，圖37B示出實施例樣本3的黑暗狀態下的負閘BT測試前後的Vg-Id特性。圖38A示出實施例樣本3
的明亮狀態下的正閘BT測試前後的Vg-Id特性，圖38B示出實施例樣本3的明亮狀態下的負閘BT測試前後的Vg-Id特性。圖39A示出比較例樣本的黑暗狀態下的正閘BT測試前後的Vg-Id特性，圖39B示出比較例樣本的黑暗狀態下的負閘BT測試前後的Vg-Id特性。圖40A示出比較例樣本的明亮狀態下的正閘BT測試前後的Vg-Id特性，圖40B示出比較例樣本的明亮狀態下的負閘BT測試前後的Vg-Id特性。
圖42示出實施例樣本1、實施例樣本2、實施例樣本3以及比較例樣本的臨界電壓的閘極BT測試前後的變動量(△Vth)以及汲極電流Id為1×10-12A時的閘極電壓Vg的閘極BT測試前後的變動量(△Shift)。
從圖42可知，與比較例樣本相比，實施例樣本1、實施例樣本2以及實施例樣本3的黑暗狀態下或明亮狀態下進行正閘BT測試前後的電晶體的臨界電壓的變動量以及汲極電流Id為1×10-12A時的閘極電壓Vg的正閘BT測試前後的變動量小。另外，可知實施例樣本1、實施例樣本2以及實施例樣本3是一種電晶體，該電晶體是負閘BT測試前後的臨界電壓的變動量也小並具有穩定的電特性的電晶體。
從本實施例可知：藉由在氧化物半導體層上設置能隙大且電子親和力小的氧化物層，可以使閘極BT測試的電晶體的電特性的變動小。尤其是，在正閘BT測試中觀察到顯著的改善。由此可知，藉由在氧化物半導體
層上設置能隙大且電子親和力小的氧化物層，可以獲得具有穩定的電特性的電晶體。
100‧‧‧基板
104‧‧‧閘極電極
106‧‧‧多層膜
106a‧‧‧氧化物半導體層
106b‧‧‧氧化物層
106c‧‧‧源極區域
106d‧‧‧汲極區域
112‧‧‧閘極絕緣膜
116a‧‧‧源極電極
116b‧‧‧汲極電極
118‧‧‧保護絕緣膜
Claims (21)
- 一種半導體裝置，該半導體裝置包括：包含氧化物層和氧化物半導體層的多層膜；與該氧化物層接觸的閘極絕緣膜；以及隔著該閘極絕緣膜與該多層膜重疊的閘極電極，其中，該氧化物層包含銦和金屬元素，該氧化物半導體層包含銦和該金屬元素，並且，該氧化物層和該氧化物半導體層之間的銦和該金屬元素的組成連續地變化。
- 根據申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該氧化物層的相對於該金屬元素的銦的原子數比比該氧化物半導體層的相對於該金屬元素的銦的原子數比大1.5倍以上。
- 根據申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該氧化物層的導帶底端的能量比起該氧化物半導體層的能量近於真空能階0.05eV以上且2eV以下。
- 根據申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該氧化物半導體層和該氧化物層還包含鋅。
- 根據申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該金屬元素是選自鋁、矽、鎵、鍺、釔、鋯、鑭、鈰、釹和鉿中的一個。
- 根據申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該氧化物半導體層的厚度為3nm以上且200nm以下， 並且該氧化物層的厚度為3nm以上且50nm以下。
- 根據申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中源極電極和汲極電極與該氧化物層電連接，並且該源極電極和該汲極電極包含銅。
- 根據申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該氧化物層具有比該氧化物半導體層大的能隙。
- 根據申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該氧化物半導體層中的銅濃度低於1×1019atoms/cm3。
- 根據申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該閘極絕緣膜包含氧化鋁、氧化鎂、氧化矽、氧氮化矽、氮氧化矽、氮化矽、氧化鎵、氧化鍺、氧化釔、氧化鋯、氧化鑭、氧化釹、氧化鉿以及氧化鉭中的任一個。
- 一種半導體裝置，該半導體裝置包括：包含氧化物層、氧化物半導體層以及該氧化物層和該氧化物半導體層之間的區域的多層膜；與該氧化物層接觸的閘極絕緣膜；以及隔著該閘極絕緣膜與該多層膜重疊的閘極電極，其中，該氧化物層包含銦和金屬元素，該氧化物半導體層包含銦和該金屬元素，該氧化物層的相對於該金屬元素的銦的原子數比比該氧化物半導體層的相對於該金屬元素的銦的原子數比大1.5倍以上， 該區域的相對於該金屬元素的銦的原子數比比該氧化物半導體層的相對於該金屬元素的銦的該原子數比大，並且，該區域的相對於該金屬元素的銦的該原子數比比該氧化物層的相對於該金屬元素的銦的該原子數比小。
- 根據申請專利範圍第11項之半導體裝置，其中該氧化物層的導帶底端的能量比起該氧化物半導體層的能量近於真空能階0.05eV以上且2eV以下。
- 根據申請專利範圍第11項之半導體裝置，其中該氧化物半導體層和該氧化物層還包含銦和鋅。
- 根據申請專利範圍第11項之半導體裝置，其中該金屬元素是選自鋁、矽、鎵、鍺、釔、鋯、鑭、鈰、釹和鉿中的一個。
- 根據申請專利範圍第11項之半導體裝置，其中該氧化物半導體層的厚度為3nm以上且200nm以下，並且該氧化物層的厚度為3nm以上且50nm以下。
- 根據申請專利範圍第11項之半導體裝置，其中源極電極和汲極電極與該氧化物層電連接，並且該源極電極和該汲極電極包含銅。
- 根據申請專利範圍第11項之半導體裝置，其中該氧化物層具有比該氧化物半導體層大的能隙。
- 根據申請專利範圍第11項之半導體裝置，其中該氧化物半導體層中的銅濃度低於1×1019atoms/cm3。
- 根據申請專利範圍第11項之半導體裝置，其中該閘極絕緣膜包含氧化鋁、氧化鎂、氧化矽、氧氮化矽、氮氧化矽、氮化矽、氧化鎵、氧化鍺、氧化釔、氧化鋯、氧化鑭、氧化釹、氧化鉿以及氧化鉭中的任一個。
- 根據申請專利範圍第11項之半導體裝置，其中在該區域中該區域的相對於該金屬元素的銦的原子數比連續地變化。
- 根據申請專利範圍第11項之半導體裝置，其中該氧化物層和該氧化物半導體層之間的該區域中的矽濃度低於5×1018atoms/cm3。
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