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JP2014007399A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】酸化物半導体を用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制し、信頼性の高い半導体装置を提供する。
【解決手段】ソース電極層及びドレイン電極層と接する第１の酸化物半導体層と、トランジスタの電流経路（チャネル）となる第２の酸化物半導体層とを含んで構成される半導体装置を提供する。第１の酸化物半導体層は、ソース電極層及びドレイン電極層の構成元素がチャネルまで拡散することを抑制するためのバッファ層として機能する。第１の酸化物半導体層を設けることで、第１の酸化物半導体層と第２の酸化物半導体層との界面、及び、第２の酸化物半導体層中への該構成元素の拡散を抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本明細書等で開示する発明は、半導体装置及び半導体装置の作製方法に関する。
なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指し、電気光学装置、画像表示装置、半導体回路及び電子機器は全て半導体装置である。
絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（単に表示装置とも表記する）のような電子デバイス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薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。
例えば、酸化物半導体として、酸化亜鉛、又は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物半導体を用いてトランジスタを作製する技術が開示されている（特許文献１及び特許文献２参照）。
また、非特許文献１には、組成の異なる酸化物半導体を積層させた構造を含むトランジスタが開示されている。
特開２００７−１２３８６１号公報 特開２００７−９６０５５号公報
酸化物半導体を用いたトランジスタにおいて、酸化物半導体層と該酸化物半導体層に接する層との界面に捕獲準位（界面準位ともよぶ）が存在すると、トランジスタの電気特性（例えば、しきい値電圧、又は、サブスレッショルド係数（Ｓ値））の変動の原因となる。
例えば、ボトムゲート型のトランジスタにおいて、ソース電極層及びドレイン電極層の構成元素が酸化物半導体層のバックチャネルに拡散すると、該構成元素が捕獲準位を形成することで、トランジスタの電気特性が変動する。また、酸化物半導体層とゲート絶縁層との界面に捕獲準位が存在することで、トランジスタの電気特性の変動を引き起こす場合もある。
そこで、本発明の一態様は、酸化物半導体を用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制し、信頼性の高い半導体装置を提供することを課題の一とする。
本発明の一態様は、酸化物半導体を含有するボトムゲート型のトランジスタにおいて、少なくとも、ソース電極層及びドレイン電極層と接する第１の酸化物半導体層と、該第１の酸化物半導体層とゲート絶縁層との間に設けられた第２の酸化物半導体層との積層構造を有する。上記において、第２の酸化物半導体層をトランジスタの主な電流経路（チャネル）とし、第１の酸化物半導体層をソース電極層及びドレイン電極層の構成元素の拡散を抑制するためのバッファ層として用いることで、トランジスタの電気特性の変動を抑制することが可能となる。より具体的には、例えば以下の構成とすることができる。
本発明の一態様は、ゲート電極層と、ゲート電極層上のゲート絶縁層と、ゲート絶縁層を介してゲート電極層と重畳する酸化物半導体積層と、酸化物半導体積層と電気的に接続するソース電極層及びドレイン電極層と、を有し、酸化物半導体積層は、ソース電極層及びドレイン電極層と接する第１の酸化物半導体層と、第１の酸化物半導体層とゲート絶縁層との間に設けられた第２の酸化物半導体層と、を含み、第１の酸化物半導体層は、少なくともインジウム及びガリウムを含み、且つ、インジウムの組成は、ガリウムの組成以下であり、第２の酸化物半導体層は、少なくともインジウム及びガリウムを含み、且つ、インジウムの組成は、ガリウムの組成よりも大きく、第１の酸化物半導体層は、ソース電極層及びドレイン電極層の構成元素を不純物として含む半導体装置である。
また、本発明の他の一態様は、ゲート電極層と、ゲート電極層上のゲート絶縁層と、ゲート絶縁層を介してゲート電極層と重畳する酸化物半導体積層と、酸化物半導体積層と電気的に接続するソース電極層及びドレイン電極層と、を有し、酸化物半導体積層は、ソース電極層及びドレイン電極層と接する第１の酸化物半導体層と、ゲート絶縁層と接する第３の酸化物半導体層と、第１の酸化物半導体層と第３の酸化物半導体層の間に設けられた第２の酸化物半導体層を含み、第１の酸化物半導体層及び第３の酸化物半導体層は、少なくともインジウム及びガリウムを含み、且つ、インジウムの組成は、ガリウムの組成以下であり、第２の酸化物半導体層は、少なくともインジウム及びガリウムを含み、且つ、インジウムの組成は、ガリウムの組成よりも大きく、第１の酸化物半導体層は、ソース電極層及びドレイン電極層の構成元素を不純物として含む半導体装置である。
また、本発明の他の一態様は、ゲート電極層と、ゲート電極層上のゲート絶縁層と、ゲート絶縁層を介してゲート電極層と重畳する酸化物半導体積層と、酸化物半導体積層と電気的に接続するソース電極層及びドレイン電極層と、を有し、酸化物半導体積層は、ソース電極層及びドレイン電極層と接する第１の酸化物半導体層と、ゲート絶縁層と接する第３の酸化物半導体層と、第１の酸化物半導体層と第３の酸化物半導体層の間に設けられた第２の酸化物半導体層を含み、第１の酸化物半導体層及び第３の酸化物半導体層は、少なくともインジウム及びガリウムを含み、且つ、インジウムの組成は、ガリウムの組成以下であり、第２の酸化物半導体層は、少なくともインジウム及びガリウムを含み、且つ、インジウムの組成は、ガリウムの組成よりも大きく、第１の酸化物半導体層は、ソース電極層及びドレイン電極層の構成元素を不純物として含み、第３の酸化物半導体層は、ゲート絶縁層の構成元素を不純物として含む半導体装置である。
上記の半導体装置のいずれか一において、ソース電極層及びドレイン電極層は、銅を含むことが好ましい。
また、上記の半導体装置のいずれか一において、ゲート絶縁層は、窒化シリコン膜を含んでいてもよい。
本発明の一態様に係る構成の効果は、以下のように説明することができる。但し、以下はあくまでも一考察に過ぎないことを付記する。
本発明の一態様のトランジスタは、ソース電極層及びドレイン電極層と接する第１の酸化物半導体層と、トランジスタの主な電流経路（チャネル）となる第２の酸化物半導体層とを含んで構成される。ここで、第１の酸化物半導体層は、ソース電極層及びドレイン電極層の構成元素がチャネルまで拡散することを抑制するためのバッファ層として機能する。第１の酸化物半導体層を設けることで、第１の酸化物半導体層と第２の酸化物半導体層との界面、及び、第２の酸化物半導体層中への該構成元素の拡散を抑制することができる。
また、第１の酸化物半導体層に適用する金属酸化物のエネルギーギャップ（バンドギャップ）を第２の酸化物半導体層に適用する金属酸化物のエネルギーギャップよりも大きくすることで、第２の酸化物半導体層と第１の酸化物半導体層との間に伝導帯バンドオフセットを形成しうるため好ましい。酸化物半導体積層において伝導帯バンドオフセットが存在すると、キャリアが第１の酸化物半導体層界面及び第１の酸化物半導体層中を移動せずに、第２の酸化物半導体層を流れるため、バックチャネル側に金属元素の拡散に起因する捕獲準位が存在する場合であっても、該捕獲準位の影響を受けにくい。よって、トランジスタの電気特性を安定化させることができる。
また、本発明の一態様のトランジスタは、上述の第１の酸化物半導体層及び第２の酸化物半導体層に加えて、第２の酸化物半導体層とゲート絶縁層との間に設けられ、ゲート絶縁層に接する第３の酸化物半導体層を含んで構成されることがより好ましい。第３の酸化物半導体層は、第２の酸化物半導体層の構成元素から選択される一又は複数の金属元素を含んで構成され、第２の酸化物半導体層と同質性を有する。よって、第３の酸化物半導体層を設けることで、チャネルとして機能する第２の酸化物半導体層のゲート絶縁層側界面を安定化させることができる。すなわち、第３の酸化物半導体層は、該界面の劣化を防止するためのバッファ層として機能する。特に、チャネルのゲート絶縁層側界面でのキャリアの捕獲を抑制することで、トランジスタの光劣化（例えば、光負バイアス劣化）を低減することができ、信頼性の高いトランジスタを得ることができる。
また、第１の酸化物半導体層と同様に、第３の酸化物半導体層に適用する金属酸化物のエネルギーギャップを第２の酸化物半導体層に適用する金属酸化物のエネルギーギャップよりも大きくすることで、第３の酸化物半導体層と第２の酸化物半導体層との間に伝導帯バンドオフセットを形成しうるため好ましい。通常のＭＩＳＦＥＴにおいてもゲート絶縁層と半導体との界面には、捕獲準位等が発生し、ＦＥＴの電気特性を劣化させるが、第３の酸化物半導体層を設けることで、キャリアがゲート絶縁層から離れた領域を流れる構造（いわゆる埋め込みチャネル）となるため、上記界面の影響を低減することができる。
第１の酸化物半導体、第２の酸化物半導体、及び第３の酸化物半導体として、同一の構成元素によって構成され、組成の異なる金属酸化物を適用する場合、例えば、第１の酸化物半導体、第２の酸化物半導体、及び第３の酸化物半導体として、少なくともインジウム及びガリウムを含有する金属酸化物を用いることができる。ここで、他の金属元素に対するインジウムの組成の割合が大きいほど、電界効果移動度の高い金属酸化物となり、他の金属元素に対するガリウムの割合が大きいほど、エネルギーギャップの大きい金属酸化物となる。従って、チャネル形成領域となる、第２の酸化物半導体としては、インジウムの組成がガリウムの組成よりも大きい金属酸化物を用いることが好ましく、バッファ層として機能する第１の酸化物半導体及び第３の酸化物半導体としては、インジウムの組成がガリウムの組成以下である金属酸化物を用いることが好ましい。
本発明の一態様により、酸化物半導体を含むトランジスタにおいて、電気特性の変動を抑制することができ、信頼性の高い半導体装置を提供することが可能となる。
半導体装置の一態様を示す平面図及び断面図。 半導体装置の一態様を示す平面図、断面図及びバンド図。 半導体装置の作製方法の一例を示す図。 半導体装置の一態様を説明する図。 半導体装置の一態様を説明する図。 半導体装置の一態様を説明する図。 半導体装置の一態様を説明する図。 電子機器を示す図。 電子機器を示す図。 半導体装置の一態様を示す断面図。 半導体装置の一態様を説明する図。 実施例のＳＩＭＳの測定結果を示す図。 半導体装置の一態様を説明する図。
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、その形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
なお、以下に説明する本発明の構成において、同一部分又は同様の機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。また、同様の機能を有する部分を指す場合には、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。
なお、本明細書で説明する各図において、各構成の大きさ、膜の厚さ、又は領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。
なお、本明細書等において、第１、第２等として付される序数詞は、便宜上用いるものであり、工程順又は積層順を示すものではない。また、本明細書等において発明を特定するための事項として固有の名称を示すものではない。
また、本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。
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。
（実施の形態１）
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を、図１乃至図３を用いて説明する。本実施の形態では、半導体装置の一例として、酸化物半導体層を有するボトムゲート型のトランジスタを示す。
図１（Ａ）乃至図１（Ｃ）にトランジスタ３００の構成例を示す。図１（Ａ）は、トランジスタ３００の平面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）中の鎖線Ｘ１−Ｙ１における断面図であり、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）中の鎖線Ｖ１−Ｗ１における断面図である。
トランジスタ３００は、絶縁表面を有する基板４００上に設けられたゲート電極層４０２と、ゲート電極層４０２上のゲート絶縁層４０４と、ゲート絶縁層４０４上に接し、ゲート電極層４０２と重畳する酸化物半導体積層４０８と、酸化物半導体積層４０８と電気的に接続するソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂと、を含む。なお、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂを覆い、酸化物半導体積層４０８と接する絶縁層４１２をトランジスタ３００の構成要素に含めてもよい。
トランジスタ３００において、酸化物半導体積層４０８はソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂと接する酸化物半導体層４０８ａと、酸化物半導体層４０８ｂとゲート絶縁層４０４との間に設けられた酸化物半導体層４０８ｂと、を含んで構成される。
酸化物半導体積層４０８において、酸化物半導体層４０８ｂは、トランジスタ３００のチャネルを形成する領域である。また、酸化物半導体層４０８ｂのバックチャネル側に設けられた酸化物半導体層４０８ａは、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂの構成元素が酸化物半導体層４０８ｂへと拡散することを防止するバッファ層として機能する。すなわち、酸化物半導体層４０８ａは、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂの構成元素を不純物として含む。該バッファ層を設けることで、トランジスタ３００のチャネルにおいて捕獲準位が形成されることを抑制することができるため、捕獲準位に起因するＳ値の増大を抑制することができる。よって、トランジスタの電気特性のばらつき、又は経時劣化を抑制して、信頼性の高い半導体装置を提供することが可能となる。
酸化物半導体層４０８ａ及び酸化物半導体層４０８ｂは、構成元素の異なる酸化物半導体を用いてもよいし、構成元素を同一とし、両者の組成を異ならせてもよい。但し、トランジスタ３００のチャネルとして機能する酸化物半導体層４０８ｂとしては、電界効果移動度の高い酸化物半導体を適用することが好ましい。
例えば、酸化物半導体層４０８ａ及び酸化物半導体層４０８ｂの構成元素を同一とし、少なくともインジウム及びガリウムを含有する酸化物半導体を用いる場合、酸化物半導体層４０８ｂとしてインジウムの組成がガリウムの組成よりも大きい酸化物半導体を用いることが好ましく、酸化物半導体層４０８ａとしては、インジウムの組成がガリウムの組成以下である酸化物半導体を用いることが好ましい。
酸化物半導体では、主として重金属のｓ軌道がキャリア伝導に寄与しており、インジウムの含有率を多くすることによりｓ軌道のオーバーラップが多くなる傾向がある。よって、酸化物半導体層４０８ｂにおいて、インジウムの組成をガリウムの組成よりも大きくすることで、インジウムの組成がガリウムの組成以下である酸化物と比較して高い電界効果移動度を備えることが可能となる。
また、他の金属元素に対するガリウムの割合が大きいほど、エネルギーギャップの大きい金属酸化物となるため、インジウムの組成をガリウムの組成以下とすることで、酸化物半導体層４０８ａは酸化物半導体層４０８ｂよりも大きなエネルギーギャップを有する。よって、酸化物半導体層４０８ｂと酸化物半導体層４０８ａとの間に伝導帯バンドオフセットを形成しうるため好ましい。また、ガリウムはインジウムと比較して酸素欠損の形成エネルギーが大きく酸素欠損が生じにくいため、インジウムの組成がガリウムの組成以下である金属酸化物はインジウムの組成がガリウムの組成より大きい金属酸化物と比較して安定した特性を備える。よって、トランジスタ３００のバックチャネル側をより安定化することが可能となる。
例えば、酸化物半導体層４０８ａ及び酸化物半導体層４０８ｂとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物半導体を用いる場合、酸化物半導体層４０８ａには、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２（＝１／６：３／６：２／６）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：４：３（＝２／９：４／９：３／９）、あるいはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：５：３（＝１／９：５／９：３／９）の組成（原子数比）のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の金属酸化物を用いることができる。酸化物半導体層４０８ｂには、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２（＝３／６：１／６：２／６）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３（＝４／９：２／９：３／９）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：１：３（＝５／９：１／９：３／９）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：３：４（＝５／１２：３／１２：４／１２）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝６：２：４（＝６／１２：２／１２：４／１２）、あるいはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝７：１：３（＝７／１１：１／１１：３／１１）の組成（原子数比）のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の金属酸化物を用いることができる。
なお、例えば、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの組成がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝ａ：ｂ：ｃ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１）である酸化物の組成が、組成がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝Ａ：Ｂ：Ｃ（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＝１）の酸化物の組成の近傍であるとは、ａ、ｂ、ｃが、（ａ−Ａ）２＋（ｂ−Ｂ）２＋（ｃ−Ｃ）２≦ｒ２を満たすことをいう。ｒとしては、例えば、０．０５とすればよい。
なお、酸化物半導体積層４０８に適用する金属酸化物としては、これらに限られず、必要とする電気的特性（電界効果移動度、しきい値、ばらつき等）に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とする電気的特性を得るために、キャリア濃度や不純物濃度、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。例えば、ガリウムに代えて他の金属元素を含有してもよい。または、亜鉛を含まない金属酸化物を用いることも可能である。但し、適用する金属酸化物中に組成として亜鉛を含む場合、形成される酸化物半導体層を比較的容易に後述するＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜とすることができるため好ましい。
なお、酸化物半導体層は、スパッタリング法によって形成することができ、スパッタリングターゲットにインジウムを含有すると成膜時のパーティクルの発生を低減することができる。よって、インジウムを含む酸化物半導体層４０８ａ及びインジウムを含む酸化物半導体層４０８ｂとすることがより好ましい。
以下では、酸化物半導体層の構造について説明する。
酸化物半導体層は、単結晶酸化物半導体層と非単結晶酸化物半導体層とに大別される。非単結晶酸化物半導体層とは、非晶質酸化物半導体層、微結晶酸化物半導体層、多結晶酸化物半導体層、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜などをいう。
非晶質酸化物半導体層は、膜中における原子配列が不規則であり、結晶成分を有さない酸化物半導体層である。微小領域においても結晶部を有さず、膜全体が完全な非晶質構造の酸化物半導体層が典型である。
微結晶酸化物半導体層は、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ未満の大きさの微結晶（ナノ結晶ともいう。）を含む。従って、微結晶酸化物半導体層は、非晶質酸化物半導体層よりも原子配列の規則性が高い。そのため、微結晶酸化物半導体層は、非晶質酸化物半導体層よりも欠陥準位密度が低いという特徴がある。
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、複数の結晶部を有する酸化物半導体層の一つであり、ほとんどの結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさである。従って、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部は、一辺が１０ｎｍ未満、５ｎｍ未満または３ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさの場合も含まれる。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、微結晶酸化物半導体層よりも欠陥準位密度が低いという特徴がある。以下、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜について詳細な説明を行う。
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって観察すると、結晶部同士の明確な境界、即ち結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を確認することができない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を、試料面と概略平行な方向からＴＥＭによって観察（断面ＴＥＭ観察）すると、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の膜を形成する面（被形成面ともいう。）または上面の凹凸を反映した形状であり、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または上面と平行に配列する。
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を、試料面と概略垂直な方向からＴＥＭによって観察（平面ＴＥＭ観察）すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られない。
断面ＴＥＭ観察および平面ＴＥＭ観察より、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶部は配向性を有していることがわかる。
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）装置を用いて構造解析を行うと、例えばＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に帰属されることから、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に概略垂直な方向を向いていることが確認できる。
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、ｃ軸に概略垂直な方向からＸ線を入射させるｉｎ−ｐｌａｎｅ法による解析では、２θが５６°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（１１０）面に帰属される。ＩｎＧａＺｎＯ４の単結晶酸化物半導体層であれば、２θを５６°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸（φ軸）として試料を回転させながら分析（φスキャン）を行うと、（１１０）面と等価な結晶面に帰属されるピークが６本観察される。これに対し、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の場合は、２θを５６°近傍に固定してφスキャンした場合でも、明瞭なピークが現れない。
以上のことから、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜では、異なる結晶部間ではａ軸およびｂ軸の配向は不規則であるが、ｃ軸配向性を有し、かつｃ軸が被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向を向いていることがわかる。従って、前述の断面ＴＥＭ観察で確認された層状に配列した金属原子の各層は、結晶のａｂ面に平行な面である。
なお、結晶部は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜した際、または加熱処理などの結晶化処理を行った際に形成される。上述したように、結晶のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向に配向する。従って、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形状をエッチングなどによって変化させた場合、結晶のｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または上面の法線ベクトルと平行にならないこともある。
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜中の結晶化度が均一でなくてもよい。例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶部が、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の上面近傍からの結晶成長によって形成される場合、上面近傍の領域は、被形成面近傍の領域よりも結晶化度が高くなることがある。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に不純物を添加する場合、不純物が添加された領域の結晶化度が変化し、部分的に結晶化度の異なる領域が形成されることもある。
なお、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、２θが３１°近傍のピークの他に、２θが３６°近傍にもピークが現れる場合がある。２θが３６°近傍のピークは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜中の一部に、ｃ軸配向性を有さない結晶が含まれることを示している。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、２θが３１°近傍にピークを示し、２θが３６°近傍にピークを示さないことが好ましい。
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜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。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。
なお、酸化物半導体層は、例えば、非晶質酸化物半導体層、微結晶酸化物半導体層、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、例えば、多結晶である金属酸化物ターゲットを用い、スパッタリング法によって成膜する。当該スパッタリング用ターゲットにイオンが衝突すると、スパッタリング用ターゲットに含まれる結晶領域がａ−ｂ面から劈開し、ａ−ｂ面に平行な面を有する平板状またはペレット状のスパッタリング粒子として剥離することがある。この場合、当該平板状のスパッタリング粒子が、結晶状態を維持したまま基板に到達することで、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜することができる。
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜するために、以下の条件を適用することが好ましい。
成膜時の不純物混入を低減することで、不純物によって結晶状態が崩れることを抑制できる。例えば、成膜室内に存在する不純物濃度（水素、水、二酸化炭素および窒素など）を低減すればよい。また、成膜ガス中の不純物濃度を低減すればよい。具体的には、露点が−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下である成膜ガスを用いる。
また、成膜時の基板加熱温度を高めることで、基板付着後にスパッタリング粒子のマイグレーションが起こる。具体的には、基板加熱温度を１００℃以上７４０℃以下、好ましくは２００℃以上５００℃以下として成膜する。成膜時の基板加熱温度を高めることで、平板状のスパッタリング粒子が基板に到達した場合、基板上でマイグレーションが起こり、スパッタリング粒子の平らな面が基板に付着する。
また、成膜ガス中の酸素割合を高め、電力を最適化することで成膜時のプラズマダメージを軽減すると好ましい。成膜ガス中の酸素割合は、３０体積％以上、好ましくは１００体積％とする。
スパッタリング用金属酸化物ターゲットの一例として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ化合物ターゲットについて以下に示す。
ＩｎＯＸ粉末、ＧａＯＹ粉末およびＺｎＯＺ粉末を所定の比率で混合し、加圧処理後、１０００℃以上１５００℃以下の温度で加熱処理をすることで多結晶であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ化合物ターゲットとする。なお、Ｘ、ＹおよびＺは任意の正数である。ここで、所定のｍｏｌ数比は、例えば、ＩｎＯＸ粉末、ＧａＯＹ粉末およびＺｎＯＺ粉末が、２：２：１、８：４：３、３：１：１、１：１：１、４：２：３または３：１：２である。なお、粉末の種類、およびその混合するｍｏｌ数比は、作製するスパッタリング用ターゲットによって適宜変更すればよい。
なお、酸化物半導体層４０８ａと酸化物半導体層４０８ｂとは、異なる結晶性を有していてもよい。但し、トランジスタ３００のチャネルとして機能する酸化物半導体層４０８ｂには、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を適用することが好ましい。また、酸化物半導体層４０８ｂがＣＡＡＣ−ＯＳ膜である場合、酸化物半導体層４０８ｂ上に接して設けられる酸化物半導体層４０８ａに、プリカーサの整列が起き、所謂秩序性を持たせることで、酸化物半導体層４０８ａをＣＡＡＣ−ＯＳ膜とすることができる場合がある。バックチャネル側に設けられる酸化物半導体層４０８ａは非晶質酸化物半導体であると、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂ形成時のエッチング処理により酸素欠損が生じ、ｎ型化されやすい。よって、酸化物半導体層４０８ａに結晶性を有する酸化物半導体を適用することは好ましい。
なお、本実施の形態において、酸化物半導体層４０８ａと酸化物半導体層４０８ｂとは同一の構成元素によって形成された酸化物半導体積層とする。このとき、材料や成膜条件によっては、各酸化物半導体層同士の界面が不明確になる場合もある。よって、図１においては、酸化物半導体層４０８ａと酸化物半導体層４０８ｂの界面を模式的に点線で図示している。これは以降の各図面においても同様である。
図２（Ａ）乃至図２（Ｃ）にトランジスタ３１０の構成例を示す。図２（Ａ）は、トランジスタ３１０の平面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）中の鎖線Ｘ２−Ｙ２における断面図であり、図２（Ｃ）は、図２（Ａ）中の鎖線Ｖ２−Ｗ２における断面図である。図２（Ａ）乃至図２（Ｃ）に示すトランジスタ３１０は、図１のトランジスタ３００と同様に、絶縁表面を有する基板４００上に設けられたゲート電極層４０２と、ゲート電極層４０２上のゲート絶縁層４０４と、ゲート絶縁層４０４と接し、ゲート電極層４０２と重畳する酸化物半導体積層４０８と、酸化物半導体積層４０８と電気的に接続するソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂと、を含む。また、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂを覆い、酸化物半導体積層４０８と接する絶縁層４１２をトランジスタ３１０の構成要素としてもよい。
トランジスタ３１０は、酸化物半導体層４０８ｂとゲート絶縁層４０４との間に、酸化物半導体層４０８ｃを有する点において、トランジスタ３００と相違する。すなわち、トランジスタ３１０では、酸化物半導体積層４０８が、酸化物半導体層４０８ａ、酸化物半導体層４０８ｂ及び酸化物半導体層４０８ｃの積層構造を含んで構成される。
なお、トランジスタ３１０において、酸化物半導体層４０８ｃ以外の構成は、トランジスタ３００と同様であり、トランジスタ３００についての説明を参酌することができる。
トランジスタ３１０において、チャネルが形成される酸化物半導体層４０８ｂと、ゲート絶縁層４０４との間に酸化物半導体層４０８ｃを設けることで、キャリアがゲート絶縁層４０４から離れた領域を流れる構造（いわゆる埋め込みチャネル）となる。よって、ゲート絶縁層４０４とチャネルとの界面を安定化することができ、該界面に捕獲準位が形成されることを抑制することができる。これにより、トランジスタの劣化、特に光負バイアス劣化等の光劣化を防止し、信頼性の高いトランジスタとすることができる。
インジウムとガリウムを含有する金属酸化物において、他の金属元素に対するガリウムの組成の割合が大きい程、エネルギーギャップは大きくなる。また、酸化物半導体層４０８ｃと酸化物半導体層４０８ｂのバンドギャップの差によって、伝導帯バンドオフセットが形成される。従って、酸化物半導体層４０８ｃとしてインジウムの組成がガリウムの組成以下である金属酸化物を用いると、酸化物半導体層４０８ｂに効果的にチャネルを形成することができるため好ましい。
酸化物半導体層４０８ｃとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物半導体を用いる場合、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２（＝１／６：３／６：２／６）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：４：３（＝２／９：４／９：３／９）、あるいはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：５：３（＝１／９：５／９：３／９）の組成（原子数比）のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。なお、酸化物半導体層４０８ａと酸化物半導体層４０８ｃは、ともにインジウムの組成がガリウムの組成以下である金属酸化物を用いることが好ましい。ここで、酸化物半導体層４０８ａの組成と、酸化物半導体層４０８ｃの組成とは、同一であっても異なっていてもよい。
また、一般的に、酸化物半導体層は、スパッタリング法を用いて成膜されることが多い。一方で、酸化物半導体層のスパッタリングの際にイオン化された希ガス元素（例えば、アルゴン）や、スパッタリングターゲット表面からはじき飛ばされた粒子が、ゲート絶縁層などの酸化物半導体層の被形成面となる膜の粒子をはじき飛ばしてしまうことがある。このようにして被形成面となる膜からはじき飛ばされた粒子は、酸化物半導体層に不純物元素として取り込まれてしまい、特に酸化物半導体層の被形成面近傍には、不純物元素が高い濃度で取り込まれる恐れがある。又、不純物元素が酸化物半導体層の被形成面近傍に残存すると、当該酸化物半導体層が高抵抗化してしまい、トランジスタの電気特性の低下の要因となる。
しかしながら、図２（Ａ）乃至図２（Ｃ）に示すトランジスタ３１０においては、チャネルが形成される酸化物半導体層４０８ｂと、ゲート絶縁層４０４との間に酸化物半導体層４０８ｃを有することで、ゲート絶縁層４０４の構成元素がチャネルまで拡散することを抑制することができる。すなわち、酸化物半導体層４０８ｃは、ゲート絶縁層４０４の構成元素（例えば、シリコン）を不純物として含む場合がある。酸化物半導体層４０８ｃを含むことで、トランジスタ３１０の電気特性をより安定化することができ、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
また、図２（Ｄ）は、図２（Ｂ）における膜厚方向（Ｄ−Ｄ’間）のエネルギーバンド図である。本実施の形態では、酸化物半導体層４０８ａ乃至酸化物半導体層４０８ｃを、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物半導体を用いて形成するものとする。また、酸化物半導体層４０８ａ及び酸化物半導体層４０８ｃには、インジウムの組成が、ガリウムの組成以下である金属酸化物を適用し、酸化物半導体層４０８ｂには、インジウムの組成が、ガリウムの組成よりも大きい金属酸化物を適用する。これによって本実施の形態で示す酸化物半導体積層４０８は、図２（Ｄ）に示すエネルギーバンド図のように、所謂埋め込みチャネルを構成することが可能となる。
以下に、図３を用いてトランジスタ３１０の作製方法の一例を示す。
まず、絶縁表面を有する基板４００上に、ゲート電極層４０２（これと同じ層で形成される配線を含む）を形成する。
絶縁表面を有する基板４００に使用することができる基板に大きな制約はないが、少なくとも後の熱処理に耐えられる程度の耐熱性を有することが必要となる。例えば、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラス等のガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイヤ基板などを用いることができる。また、シリコンや炭化シリコン等の単結晶半導体基板、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ができ、これらの基板に半導体素子が設けられたものを基板４００として用いてもよい。また、基板４００上に下地絶縁層を形成してもよい。
ゲート電極層４０２の材料は、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウム等の金属材料又はこれらを主成分とする合金材料を用いて形成することができる。また、ゲート電極層４０２としてリン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコン膜に代表される半導体膜、ニッケルシリサイド等のシリサイド膜を用いてもよい。ゲート電極層４０２は単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。ゲート電極層４０２はテーパ形状としてもよく、例えばテーパ角を１５°以上７０°以下とすればよい。ここで、テーパ角とは、テーパ形状を有する層の側面と、当該層の底面との間の角度を指す。
また、ゲート電極層４０２の材料は、酸化インジウム酸化スズ、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウムスズ酸化物、酸化インジウム酸化亜鉛、酸化ケイ素を添加したインジウムスズ酸化物等の導電性材料を適用することもできる。
または、ゲート電極層４０２の材料として、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、窒素を含むＩｎ−Ｓｎ系酸化物、窒素を含むＩｎ−Ｇａ系酸化物、窒素を含むＩｎ−Ｚｎ系酸化物、窒素を含むＳｎ系酸化物、窒素を含むＩｎ系酸化物、金属窒化物膜（窒化インジウム膜、窒化亜鉛膜、窒化タンタル膜、窒化タングステン膜など）を用いてもよい。これらの材料は、５電子ボルト以上の仕事関数を有するため、これらの材料を用いてゲート電極層４０２を形成することでトランジスタのしきい値電圧をプラスにすることができ、ノーマリオフのスイッチングトランジスタを実現できる。
次いで、ゲート電極層４０２を覆うようにゲート電極層４０２上にゲート絶縁層４０４を形成する（図３（Ａ）参照）。ゲート絶縁層４０４としては、プラズマＣＶＤ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膜を、単層で、または積層で用いる。
なお、ゲート絶縁層４０４において、後に形成される酸化物半導体積層４０８と接する領域は、酸化物絶縁層であることが好ましく、酸素過剰領域を有することがより好ましい。ゲート絶縁層４０４に酸素過剰領域を設けるには、例えば、酸素雰囲気下にてゲート絶縁層４０４を形成すればよい。又は、成膜後のゲート絶縁層４０４に酸素を導入して、酸素過剰領域を形成してもよい。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理等を用いることができる。
次いで、ゲート絶縁層４０４上に、酸化物半導体層４０８ｃとなる酸化物半導体膜、酸化物半導体層４０８ｂとなる酸化物半導体膜、及び酸化物半導体層４０８ａとなる酸化物半導体膜を順に成膜し、フォトリソグラフィ法を用いたエッチング処理によって島状に加工して、酸化物半導体積層４０８を形成する（図３（Ｂ）参照）。
酸化物半導体層４０８ｃ、酸化物半導体層４０８ｂ及び酸化物半導体層４０８ａはそれぞれ、非晶質酸化物半導体であってもよいし、結晶性酸化物半導体であってもよい。但し、トランジスタ３１０のチャネルとして機能する酸化物半導体層４０８ｂは結晶性酸化物半導体とすることが好ましい。なお、非晶質酸化物半導体に熱処理を加えることで、結晶性酸化物半導体としてもよい。非晶質酸化物半導体を結晶化させる熱処理の温度は、２５０℃以上７００℃以下、好ましくは４００℃以上、より好ましくは５００℃以上、さらに好ましくは５５０℃以上とする。当該熱処理は、作製工程における他の熱処理と兼ねることも可能である。
各酸化物半導体膜の成膜方法は、スパッタリング法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＣＶＤ法、パルスレーザ堆積法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等を適宜用いることができる。
酸化物半導体膜を成膜する際、できる限り膜中に含まれる水素濃度を低減させることが好ましい。水素濃度を低減させるには、例えば、スパッタリング法を用いて成膜を行う場合には、スパッタリング装置の成膜室内に供給する雰囲気ガスとして、水素、水、水酸基又は水素化物などの不純物が除去された高純度の希ガス（代表的にはアルゴン）、酸素、及び希ガスと酸素との混合ガスを適宜用いる。
また、成膜室内の残留水分を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入して成膜を行うことで、成膜された酸化物半導体膜の水素濃度を低減させることができる。成膜室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプ、例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また、ターボ分子ポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプは、例えば、水素分子、水（Ｈ２Ｏ）など水素原子を含む化合物（より好ましくは炭素原子を含む化合物も）等の排気能力が高いため、クライオポンプを用いて排気した成膜室で成膜した膜中に含まれる不純物の濃度を低減できる。
なお、ゲート絶縁層４０４及び酸化物半導体膜は、大気開放せずに連続的に成膜することが好ましい。ゲート絶縁層４０４及び酸化物半導体膜の成膜を大気開放せずに連続的に行うことで、酸化物半導体膜表面への水素又は水素化合物の付着（例えば、吸着水など）を防止することができるため、不純物の混入を抑制することができる。
また、酸化物半導体膜をスパッタリング法で成膜する場合、成膜に用いる金属酸化物ターゲットの相対密度（充填率）は９０％以上１００％以下、好ましくは９５％以上９９．９％以下とする。相対密度の高い金属酸化物ターゲットを用いることにより、成膜される膜を緻密な膜とすることができる。
なお、基板４００を高温に保持した状態で酸化物半導体膜を形成することも、酸化物半導体膜中に含まれうる不純物濃度を低減するのに有効である。基板４００を加熱する温度としては、１５０℃以上４５０℃以下とすればよく、好ましくは基板温度が２００℃以上３５０℃以下とすればよい。また、成膜時に基板を高温で加熱することで、結晶性酸化物半導体膜を形成することができる。
酸化物半導体層（例えば、酸化物半導体層４０８ｂ）としてＣＡＡＣ−ＯＳ膜を適用する場合、該ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を得る方法としては、例えば、成膜温度を２００℃以上４５０℃以下として酸化物半導体膜の成膜を行い、表面に概略垂直にｃ軸配向させる方法がある。または、酸化物半導体膜を薄い膜厚で成膜した後、２００℃以上７００℃以下の熱処理を行い、表面に概略垂直にｃ軸配向させてもよい。または、一層目として薄い膜厚で成膜した後、２００℃以上７００℃以下の熱処理を行い、二層目の成膜を行い、表面に概略垂直にｃ軸配向させてもよい。
酸化物半導体層４０８ａ乃至酸化物半導体層４０８ｃに用いる酸化物半導体としては、少なくともインジウム（Ｉｎ）を含む。特に、インジウムと亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。また、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすためのスタビライザーとして、それらに加えてガリウム（Ｇａ）を有することが好ましい。
また、上述のように、捕獲準位の影響を低減するためのバッファ層として機能する酸化物半導体層４０８ａ及び酸化物半導体層４０８ｃとしては、インジウムの組成がガリウムの組成以下である金属酸化物を用いることが好ましく、チャネル形成領域となる酸化物半導体層４０８ｂとしては、インジウムの組成がガリウムの組成よりも大きい金属酸化物を用いることが好ましい。
なお、スタビライザーとして、ガリウム（Ｇａ）に代えて、又はガリウム（Ｇａ）に加えて、スズ（Ｓｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、アルミニウム（Ａｌ）、ジルコニウム（Ｚｒ）のいずれか一種または複数種を有していてもよい。また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）のいずれか一種または複数種を有してもよい。
例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を用いることができる。
例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分として有する酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素が入っていてもよい。
また、酸化物半導体として、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０、且つ、ｍは整数でない）で表記される材料を用いてもよい。なお、Ｍは、Ｇａ、Ｆｅ、ＭｎおよびＣｏから選ばれた一の金属元素または複数の金属元素を示す。また、酸化物半導体として、Ｉｎ２ＳｎＯ５（ＺｎＯ）ｎ（ｎ＞０、且つ、ｎは整数）で表記される材料を用いてもよい。
酸化物半導体積層４０８に対して、膜中に含まれる過剰な水素（水や水酸基を含む）を除去（脱水化又は脱水素化）するための熱処理を行うことが好ましい。熱処理の温度は、３００℃以上７００℃以下、又は基板の歪み点未満とする。熱処理は減圧下又は窒素雰囲気下などで行うことができる。この熱処理によって、ｎ型の導電性を付与する不純物である水素を除去することができる。
なお、脱水化又は脱水素化のための熱処理は、酸化物半導体膜の成膜後であればトランジスタの作製工程においてどのタイミングで行ってもよい。また、脱水化又は脱水素化のための熱処理は、複数回行ってもよく、他の熱処理と兼ねてもよい。
熱処理においては、窒素、又はヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。又は、熱処理装置に導入する窒素、又はヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
また、熱処理で酸化物半導体層（又は酸化物半導体積層）を加熱した後、加熱温度を維持、又はその加熱温度から徐冷しながら同じ炉に高純度の酸素ガス、高純度の一酸化二窒素ガス、又は超乾燥エア（ＣＲＤＳ（キャビティリングダウンレーザー分光法）方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が２０ｐｐｍ（露点換算で−５５℃）以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、より好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）を導入してもよい。酸素ガス又は一酸化二窒素ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。又は、熱処理装置に導入する酸素ガス又は一酸化二窒素ガスの純度を、６Ｎ以上好ましくは７Ｎ以上（即ち、酸素ガス又は一酸化二窒素ガス中の不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。酸素ガス又は一酸化二窒素ガスの作用により、脱水化又は脱水素化処理による不純物の排除工程によって同時に減少してしまった酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素を供給することによって、酸化物半導体層を高純度化及びｉ型（真性）化することができる。
また、脱水化又は脱水素化処理によって酸素が同時に脱離して減少してしまうおそれがあるため、脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体層に、酸素（少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオン、のいずれかを含む）を導入して膜中に酸素を供給してもよい。
脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体層に、酸素を導入して膜中に酸素を供給することによって、酸化物半導体層を高純度化、及びｉ型（真性）化することができる。高純度化し、ｉ型（真性）化した酸化物半導体を有するトランジスタは、電気特性変動が抑制されており、電気的に安定である。
酸化物半導体層に酸素導入する場合、酸化物半導体層に直接導入してもよいし、後に形成される絶縁層を通過して酸化物半導体層へ導入してもよい。酸素（少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオンのいずれかを含む）の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理等を用いることができる。また、酸素導入処理には、酸素を含むガスを用いることができる。酸素を含むガスとしては、酸素、一酸化二窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができる。また、酸素導入処理において、酸素を含むガスに希ガスを含ませてもよい。
例えば、イオン注入法で酸化物半導体層へ酸素イオンの注入を行う場合、ドーズ量を１×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上５×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下とすればよい。
酸化物半導体層への酸素の供給は、酸化物半導体膜の成膜後であれば、そのタイミングは特に限定されない。また、酸素の導入は複数回行ってもよい。
次いで、酸化物半導体積層４０８上に導電膜を形成し、これを加工してソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂ（これと同じ層で形成される配線を含む）を形成する（図３（Ｃ）参照）。
ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂとしては、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等を用いることができる。また、Ａｌ、Ｃｕなどの金属膜の下側又は上側の一方または双方にＴｉ、Ｍｏ、Ｗなどの高融点金属膜またはそれらの金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）を積層させた構成としてもよい。また、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂを、導電性の金属酸化物で形成してもよい。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム酸化スズ（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２）、酸化インジウム酸化亜鉛（Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ）またはこれらの金属酸化物材料に酸化シリコンを含ませたものを用いることができる。
また、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂとして窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、窒素を含むＩｎ−Ｓｎ−Ｏ膜、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｏ膜、窒素を含むＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜、窒素を含むＳｎ−Ｏ膜、窒素を含むＩｎ−Ｏ膜等の金属窒化物膜を用いることができる。これらの膜は、酸化物半導体積層４０８と同じ構成元素を含むため、酸化物半導体積層４０８との界面を安定化させることができる。
なお、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂとして、銅を含む導電膜を適用すると、配線抵抗を低減することができるため好ましい。一般に、銅は半導体中や酸化シリコン膜中で拡散し易く、半導体装置の動作を不安定にし、歩留まりを著しく低下させてしまう恐れがある。しかしながら、トランジスタ３１０では、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂと接して、該電極層の構成元素（ここでは、銅）の拡散を抑制するためのバッファ層として機能する酸化物半導体層４０８ａを有するため、銅の拡散によるバックチャネル側の捕獲準位の影響を低減、好ましくはなくすことができる。
次いで、ソース電極層４１０ａ、ドレイン電極層４１０ｂ及び露出した酸化物半導体積層４０８を覆うように、絶縁層４１２を形成する（図３（Ｄ）参照）。
絶縁層４１２としてはプラズマＣＶＤ法、スパッタリング法により形成することができ、酸化シリコン膜、酸化ガリウム膜、酸化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜、または窒化酸化シリコン膜等を単層で、又は積層して用いることができる。但し、絶縁層４１２として、酸化物絶縁層を形成すると、該酸化物絶縁層によって酸化物半導体積層４０８へ酸素を供給することが可能となるため、好ましい。
絶縁層４１２を形成後、熱処理を行ってもよい。熱処理の温度は、２００℃以上が好ましく、例えば２２０℃とすればよい。
以上によって、本実施の形態のトランジスタ３１０を形成することができる。
本実施の形態で示すトランジスタは、ソース電極層又はドレイン電極層の構成元素がチャネルに拡散することを抑制するバッファ層として機能する第１の酸化物半導体層と、チャネルとして機能する第２の酸化物半導体層と、を含んで構成される。これによって、トランジスタのバックチャネル側に形成されうる界面準位の影響を低減することができる。また、本実施の形態で示すトランジスタは、チャネルとして機能する酸化物半導体層とゲート絶縁層との間に設けられ、チャネルのゲート絶縁層側界面の劣化を防止するためのバッファ層として機能する第３の酸化物半導体層を含むことがより好ましい。第３の酸化物半導体層を含むことで、トランジスタの光劣化（例えば、光負バイアス劣化）を低減することができ、信頼性の高い半導体装置を提供することが可能となる。
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１と異なる半導体装置の一形態を、図１０を用いて説明する。具体的には、実施の形態１で示したトランジスタとゲート絶縁層の構成の異なるトランジスタについて説明する。
図１０（Ａ）に、トランジスタ３２０の構成例を示す。図１０（Ａ）に示すトランジスタ３２０は、図２のトランジスタ３１０と同様に、絶縁表面を有する基板４００上に設けられたゲート電極層４０２と、ゲート電極層４０２上のゲート絶縁層４０３、４０６と、ゲート絶縁層４０６と接し、ゲート電極層４０２と重畳する酸化物半導体積層４０８と、酸化物半導体積層４０８と電気的に接続するソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂと、を含む。トランジスタ３２０において、酸化物半導体積層４０８は、ゲート絶縁層４０６に接する酸化物半導体層４０８ｃと、酸化物半導体層４０８ｃ上に接する酸化物半導体層４０８ｂと、酸化物半導体層４０８ｂ上に接し、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂと接する酸化物半導体層４０８ａと、を含む。また、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂを覆い、酸化物半導体積層４０８と接する絶縁層４１２をトランジスタ３２０の構成要素としてもよい。
トランジスタ３２０は、ゲート絶縁層として、ゲート電極層４０２側から、ゲート絶縁層４０３ａ、ゲート絶縁層４０３ｂ及びゲート絶縁層４０３ｃを含む第１のゲート絶縁層４０３と、第２のゲート絶縁層４０６との積層構造を含む点で、トランジスタ３１０と相違する。
なお、トランジスタ３２０において、ゲート絶縁層以外の構成は、トランジスタ３１０と同様であり、トランジスタ３１０についての説明を参酌することができる。
トランジスタ３２０において、第１のゲート絶縁層４０３としては窒素を含むシリコン膜を適用する。窒素を含むシリコン膜は、酸化シリコン膜と比較して比誘電率が高く、同等の静電容量を得るのに必要な膜厚が大きいため、ゲート絶縁層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３２０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、半導体装置の静電破壊を抑制することができる。
また、酸化物半導体積層４０８と接する第２のゲート絶縁層４０６としては、酸化シリコン膜、酸化ガリウム膜、酸化アルミニウム膜等の酸素を含む絶縁層を適用する。第２のゲート絶縁層４０６は化学量論的組成よりも過剰に酸素を含む領域（酸素過剰領域）を含むことがより好ましい。酸化物半導体積層４０８と接する絶縁層が酸素過剰領域を含むことで、酸化物半導体積層４０８へ酸素を供給することが可能となり、酸化物半導体積層４０８からの酸素の脱離を防止するとともに酸素欠損を補填することが可能となるためである。第２のゲート絶縁層４０６に酸素過剰領域を設けるには、例えば、酸素雰囲気下にて第２のゲート絶縁層４０６を形成すればよい。又は、成膜後の第２のゲート絶縁層４０６に酸素を導入して、酸素過剰領域を形成してもよい。
第１のゲート絶縁層４０３に適用する窒素を含むシリコン膜としては、例えば、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜が挙げられるが、酸素に対する窒素の含有量が多い程高い比誘電率を有するため、窒化シリコン膜を適用することが好ましい。また、酸化シリコンのエネルギーギャップが８ｅＶであるのに対して窒化シリコンのエネルギーギャップは５．５ｅＶと小さく、それに応じて固有抵抗も小さいため、窒化シリコン膜を用いることでより高いＥＳＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｓｔａｔｉｃ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）耐性を付与することが可能となる。なお、本明細書中において、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。
ゲート電極層４０２と接するゲート絶縁層４０３ａは、アンモニアの含有量が、少なくともゲート絶縁層４０３ｂよりも低い窒素を含むシリコン膜とする。アンモニアは、窒素原子上の孤立電子対の働きにより、金属錯体の配位子となる。よって、例えば、ゲート電極層４０２として銅を用いる場合、アンモニアの含有量が多いゲート絶縁層を該ゲート電極層と接する態様で設けると以下式（１）に示す反応によって、銅がゲート絶縁層中に拡散する恐れがある。
トランジスタ３２０では、アンモニアの含有量が低い（少なくとも、ゲート絶縁層４０３ｂよりも低い）ゲート絶縁層４０３ａをゲート電極層４０２と接する態様で設けることで、ゲート電極層４０２の材料（例えば、銅）が第１のゲート絶縁層４０３中へ拡散することを抑制することができる。即ち、ゲート絶縁層４０３ａは、ゲート電極層４０２を構成する金属材料に対するバリア膜として機能することができる。ゲート絶縁層４０３ａを設けることで、トランジスタの信頼性をより向上させることができる。
ゲート絶縁層４０３ｂは、ゲート絶縁層４０３ａよりも厚い膜厚を有し、膜中欠陥が低減された窒素を含むシリコン膜とする。例えば、ゲート絶縁層４０３ｂの膜厚を３００ｎｍ以上４００ｎｍ以下とする。また、電子スピン共鳴法（ＥＳＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｉｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）によって計測される信号においてＮｃセンター（ｇ値が２．００３）に現れる信号のスピン密度が、好ましくは１×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは５×１０１６ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下である窒素を含むシリコン膜を適用する。このように、膜中欠陥が低減された窒素を含むシリコン膜を厚い膜厚（例えば、３００ｎｍ以上）で設けることにより、ゲート絶縁層４０３ｂのＥＳＤ耐性を、例えば３００Ｖ以上とすることが可能である。
また、ゲート絶縁層４０３ｃは、含有水素濃度の低減された窒素を含むシリコン膜とする。ゲート絶縁層４０３ｃの水素濃度は、少なくともゲート絶縁層４０３ｂよりも低い濃度とする。例えば、プラズマＣＶＤ法によりゲート絶縁層４０３ｃを成膜する場合に、供給ガス中に含まれる水素濃度をゲート絶縁層４０３ｂの成膜に用いる供給ガスより低下させることで、ゲート絶縁層４０３ｃの水素濃度をゲート絶縁層４０３ｂよりも低減することができる。具体的には、ゲート絶縁層４０３ｂ及びゲート絶縁層４０３ｃとして窒化シリコン膜を形成する場合には、ゲート絶縁層４０３ｂ成膜のための供給ガスよりもアンモニア流量を低減、またはアンモニアを用いずにゲート絶縁層４０３ｃを成膜すればよい。
ゲート絶縁層４０３ｃとして含有水素濃度が低減された窒化シリコン膜を設けることで、第２のゲート絶縁層４０６及び酸化物半導体積層４０８への水素、又は水素化合物（例えば、水）の混入を低減することができる。水素は酸化物半導体と結合することによって一部がドナーとなり、キャリアである電子を生じさせてトランジスタのしきい値電圧をマイナス方向に変動（シフト）させる要因となるため、水素濃度の低減された窒化シリコン膜をゲート絶縁層４０３ｃとして設けることで、トランジスタの電気特性を安定化させることができる。また、水素濃度の低減された窒化シリコン膜をゲート絶縁層４０３ｃとして設けることで、ゲート絶縁層４０３ｂに含有される水素又は水素化合物等の不純物の酸化物半導体積層４０８への拡散を防止するバリア膜としての効果も奏する。
本実施の形態では、第１のゲート絶縁層４０３を構成するゲート絶縁層４０３ａ、ゲート絶縁層４０３ｂ及びゲート絶縁層４０３ｃとして窒化シリコン膜を用い、第２のゲート絶縁層４０６として酸化窒化シリコン膜を用い、各ゲート絶縁層はプラズマＣＶＤ法によって連続的に形成するものとする。具体的には、シラン（ＳｉＨ４）と窒素（Ｎ２）の混合ガスを供給してゲート絶縁層４０３ａとなる窒化シリコン膜を成膜した後、供給ガスをシラン（ＳｉＨ４）、窒素（Ｎ２）及びアンモニア（ＮＨ３）の混合ガスに切り替えて、ゲート絶縁層４０３ｂとなる窒化シリコン膜を成膜し、その後、供給ガスを、シラン（ＳｉＨ４）と窒素（Ｎ２）の混合ガスに切り替えて、ゲート絶縁層４０３ｃとなる窒化シリコン膜を成膜し、その後、供給ガスをシラン（ＳｉＨ４）及び一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）に切り替えて、第２のゲート絶縁層４０６となる酸化窒化シリコン膜を成膜する。
ゲート絶縁層４０３ａの膜厚は、３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは３０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好ましい。また、トランジスタの静電破壊対策として設けるゲート絶縁層４０３ｂの膜厚は３００ｎｍ以上４００ｎｍ以下とすることが好ましく、酸化物半導体積層４０８への水素の拡散を防止するバリア膜として機能するゲート絶縁層４０３ｃの膜厚は、２５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下とすることが好ましい。また、第２のゲート絶縁層４０６の膜厚は、２５ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることが好ましい。但し、第１のゲート絶縁層４０３の膜厚（ゲート絶縁層４０３ａ、ゲート絶縁層４０３ｂ及びゲート絶縁層４０３ｃの膜厚の合計）と、第２のゲート絶縁層４０６の膜厚の合計を、３５５ｎｍ以上５５０ｎｍ以下とするように、各ゲート絶縁層の膜厚を適宜調整することが好ましい。
なお、図１０（Ｂ）に示すトランジスタ３３０のように、第１のゲート絶縁層４０３と第２のゲート絶縁層４０６との積層を含むゲート絶縁層を、酸化物半導体層４０８ｂ及び酸化物半導体層４０８ａの積層よりなる酸化物半導体積層４０８と組み合わせて用いることも可能である。
本実施の形態で示すトランジスタは、ソース電極層又はドレイン電極層の構成元素がチャネルに拡散することを抑制するバッファ層として機能する第１の酸化物半導体層と、チャネルとして機能する第２の酸化物半導体層と、を含んで構成される。これによって、トランジスタのバックチャネル側に形成されうる界面準位の影響を低減することができる。また、本実施の形態で示すトランジスタは、チャネルとして機能する酸化物半導体層とゲート絶縁層との間に設けられ、チャネルのゲート絶縁層側界面の劣化を防止するためのバッファ層として機能する第３の酸化物半導体層を含むことがより好ましい。第３の酸化物半導体層を含むことで、トランジスタの光劣化（例えば、光負バイアス劣化）を低減することができ、信頼性の高い半導体装置を提供することが可能となる。
また、本実施の形態で示すトランジスタは、ゲート絶縁層として、ゲート電極層の構成元素（例えば、銅）に対するバリア膜として機能する窒素を含むシリコン膜、厚膜（例えば、膜厚３００ｎｍ）の膜中欠陥の低減された窒素を含むシリコン膜、及び、水素濃度が低減され、水素に対するブロッキング性を有する窒素を含むシリコン膜を含む第１のゲート絶縁層と、酸素を含む第２のゲート絶縁層との積層構造を有するトランジスタである。よって、本実施の形態のトランジスタは、電気特性変動が抑制され、且つ静電破壊が抑制されている。このようなトランジスタを含むことで、信頼性の高い半導体装置を歩留まりよく提供することができる。
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態３）
実施の形態１又は２に示したトランジスタを用いて表示機能を有する半導体装置（表示装置ともいう）を作製することができる。また、トランジスタを含む駆動回路の一部又は全体を、画素部と同じ基板上に一体形成し、システムオンパネルを形成することができる。
図４（Ａ）において、基板４００１上に設けられた画素部４００２を囲むようにして、シール材４００５が設けられ、基板４００６によって封止されている。図４（Ａ）においては、基板４００１上のシール材４００５によって囲まれている領域とは異なる領域に、ＩＣチップ、又は別途用意された基板上に単結晶半導体膜又は多結晶半導体膜で形成された走査線駆動回路４００４、信号線駆動回路４００３が実装されている。また信号線駆動回路４００３と走査線駆動回路４００４を通して画素部４００２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）４０１８ａ、４０１８ｂから供給されている。
図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）において、基板４００１上に設けられた画素部４００２と、走査線駆動回路４００４とを囲むようにして、シール材４００５が設けられている。また画素部４００２と、走査線駆動回路４００４の上に基板４００６が設けられている。よって画素部４００２と、走査線駆動回路４００４とは、基板４００１とシール材４００５と基板４００６とによって、表示素子と共に封止されている。図４（Ｂ）及び（Ｃ）においては、基板４００１上のシール材４００５によって囲まれている領域とは異なる領域に、ＩＣチップ、又は別途用意された基板上に単結晶半導体膜又は多結晶半導体膜で形成された信号線駆動回路４００３が実装されている。図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）においては、信号線駆動回路４００３と走査線駆動回路４００４を通して画素部４００２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ４０１８から供給されている。
また図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）においては、信号線駆動回路４００３を別途形成し、基板４００１に実装している例を示しているが、この構成に限定されない。走査線駆動回路を別途形成して実装してもよいし、信号線駆動回路の一部又は走査線駆動回路の一部のみを別途形成して実装してもよい。
なお、別途形成した駆動回路の接続方法は、特に限定されるものではなく、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）方法、ワイヤボンディング方法、或いはＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）方法などを用いることができる。図４（Ａ）は、ＣＯＧ方法により信号線駆動回路４００３、走査線駆動回路４００４を実装する例であり、図４（Ｂ）は、ＣＯＧ方法により信号線駆動回路４００３を実装する例であり、図４（Ｃ）は、ＴＡＢ方法により信号線駆動回路４００３を実装する例である。
なお、表示装置とは、表示素子が封止された状態にあるパネルと、該パネルにコントローラを含むＩＣ等を実装した状態にあるモジュールとを含む。すなわち、本明細書中における表示装置とは、画像表示デバイス、表示デバイス、もしくは光源（照明装置含む）を指す。また、表示素子が封止された状態にあるパネルだけでなく、コネクター、例えばＦＰＣもしくはＴＣＰが取り付けられたモジュール、ＴＣＰの先にプリント配線板が設けられたモジュール、又は表示素子にＣＯＧ方式によりＩＣ（集積回路）が直接実装されたモジュールも全て表示装置に含むものとする。
また基板上に設けられた画素部及び走査線駆動回路は、トランジスタを複数有しており、実施の形態１又は２に示したトランジスタを適用することができる。
表示装置に設けられる表示素子としては液晶素子（液晶表示素子ともいう）、発光素子（発光表示素子ともいう）を用いることができる。発光素子は、電流又は電圧によって輝度が制御される素子をその範疇に含んでおり、具体的には無機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）、有機ＥＬ等が含まれる。また、電子インク表示装置（電子ペーパー）など、電気的作用によりコントラストが変化する表示媒体も適用することができる。
半導体装置の一形態について、図４及び図５を用いて説明する。図５は、図４（Ｂ）のＭ−Ｎにおける断面図に相当する。図５では表示素子として液晶素子を用いた液晶表示装置の例を示す。
但し、表示装置は、画素部４００２に設けられたトランジスタ４０１０が表示素子と電気的に接続して構成され、該表示素子としては表示を行うことができれば特に限定されず、様々な表示素子を用いることができる。
図４及び図５で示すように、半導体装置は接続端子電極４０１５及び端子電極４０１６を有しており、接続端子電極４０１５及び端子電極４０１６はＦＰＣ４０１８（４０１８ａ、４０１８ｂ）が有する端子と異方性導電層４０１９を介して、電気的に接続されている。
接続端子電極４０１５は、第１の電極層４０３４と同じ導電層から形成され、端子電極４０１６は、トランジスタ４０１０、４０１１のソース電極層及びドレイン電極層と同じ導電層で形成されている。
また基板４００１上に設けられた画素部４００２と、走査線駆動回路４００４は、トランジスタを複数有しており、図４及び図５では、画素部４００２に含まれるトランジスタ４０１０と、走査線駆動回路４００４に含まれるトランジスタ４０１１とを例示している。図５では、トランジスタ４０１０、４０１１上には絶縁層４０３２が設けられている。
トランジスタ４０１０、４０１１としては、実施の形態１又は２に示したトランジスタを適用することができる。本実施の形態では、実施の形態１で示したトランジスタ３１０と同様な構造を有するトランジスタを適用する例を示す。トランジスタ４０１０、４０１１は、ボトムゲート構造のトランジスタである。
トランジスタ４０１０、４０１１は、ソース電極層又はドレイン電極層の構成元素がチャネルに拡散することを抑制するバッファ層として機能する第１の酸化物半導体層と、チャネルとして機能する第２の酸化物半導体層と、チャネルとして機能する酸化物半導体層とゲート絶縁層との間に設けられ、チャネルのゲート絶縁層側界面の劣化を防止するためのバッファ層として機能する第３の酸化物半導体層と、を含んで構成される。よって、トランジスタ４０１０、４０１１はバックチャネル側に形成されうる界面準位の影響を低減されるとともに、トランジスタの光劣化（例えば、光負バイアス劣化）を低減された信頼性の高いトランジスタである。
また、駆動回路用のトランジスタ４０１１の酸化物半導体層のチャネル形成領域と重なる位置にさらに導電層を設けてもよい。導電層を酸化物半導体層のチャネル形成領域と重なる位置に設けることによって、トランジスタ４０１１のしきい値電圧の変化量をさらに低減することができる。また、導電層は、電位がトランジスタ４０１１のゲート電極層と同じでもよいし、異なっていても良く、第２のゲート電極層として機能させることもできる。また、導電層の電位がフローティング状態であってもよい。
また、該導電層は外部の電場を遮蔽する、すなわち外部の電場が内部（トランジスタを含む回路部）に作用しないようにする機能（特に静電気に対する静電遮蔽機能）も有する。導電層の遮蔽機能により、静電気などの外部の電場の影響によりトランジスタの電気的な特性が変動することを防止することができる。
図５において、液晶素子４０１３は、第１の電極層４０３４、第２の電極層４０３１、及び液晶層４００８を含む。なお、液晶層４００８を挟持するように配向膜として機能する絶縁層４０３８、４０３３が設けられている。第２の電極層４０３１は基板４００６側に設けられ、第１の電極層４０３４と第２の電極層４０３１とは液晶層４００８を介して積層する構成となっている。
第１の電極層４０３４、第２の電極層４０３１は、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物、グラフェン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、第１の電極層４０３４、第２の電極層４０３１はタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）等の金属、又はその合金、若しくはその金属窒化物から一つ、又は複数種を用いて形成することができる。
また、第１の電極層４０３４、第２の電極層４０３１として、導電性高分子（導電性ポリマーともいう）を含む導電性組成物を用いて形成することができる。導電性高分子としては、いわゆるπ電子共役系導電性高分子が用いることができる。例えば、ポリアニリン又はその誘導体、ポリピロール又はその誘導体、ポリチオフェン又はその誘導体、若しくはアニリン、ピロールおよびチオフェンの２種以上からなる共重合体若しくはその誘導体などがあげられる。
またスペーサ４０３５は絶縁層を選択的にエッチングすることで得られる柱状のスペーサであり、液晶層４００８の膜厚（セルギャップ）を制御するために設けられている。なお球状のスペーサを用いていてもよい。
表示素子として、液晶素子を用いる場合、サーモトロピック液晶、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、低分子化合物でも高分子化合物でもよい。これらの液晶材料（液晶組成物）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、液晶層４００８に、配向膜を用いないブルー相を発現する液晶組成物を用いてもよい。この場合、液晶層４００８と、第１の電極層４０３４及び第２の電極層４０３１とは接する構造となる。ブルー相は液晶相の一つであり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリック相から等方相へ転移する直前に発現する相である。ブルー相は、液晶及びカイラル剤を混合させた液晶組成物を用いて発現させることができる。また、ブルー相が発現する温度範囲を広げるために、ブルー相を発現する液晶組成物に重合性モノマー及び重合開始剤などを添加し、高分子安定化させる処理を行って液晶層を形成することもできる。ブルー相を発現する液晶組成物は、応答速度が短く、光学的等方性であるため配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい。また配向膜を設けなくてもよいのでラビング処理も不要となるため、ラビング処理によって引き起こされる静電破壊を防止することができ、作製工程中の液晶表示装置の不良や破損を軽減することができる。よって液晶表示装置の生産性を向上させることが可能となる。
また、液晶材料の固有抵抗は、１×１０９Ω・ｃｍ以上であり、好ましくは１×１０１１Ω・ｃｍ以上であり、さらに好ましくは１×１０１２Ω・ｃｍ以上である。なお、本明細書における固有抵抗の値は、２０℃で測定した値とする。
液晶表示装置に設けられる保持容量の大きさは、画素部に配置されるトランジスタのリーク電流等を考慮して、所定の期間の間電荷を保持できるように設定される。保持容量の大きさは、トランジスタのオフ電流等を考慮して設定すればよい。本明細書に開示する酸化物半導体層を有するトランジスタを用いることにより、各画素における液晶容量に対して１／３以下、好ましくは１／５以下の容量の大きさを有する保持容量を設ければ充分である。
本明細書に開示する酸化物半導体層を用いたトランジスタは、オフ状態における電流値（オフ電流値）を低く制御することができる。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、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、本明細書に開示する酸化物半導体層を用いたトランジスタは、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、このようなトランジスタを液晶表示装置に用いることで、画素部のスイッチングトランジスタと、駆動回路部に使用するドライバートランジスタを同一基板上に形成することができる。また、画素部においても、このよう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。
液晶表示装置には、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）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（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モードなどを用いることができる。
また、ノーマリーブラック型の液晶表示装置、例えば垂直配向（ＶＡ）モードを採用した透過型の液晶表示装置としてもよい。垂直配向モードとしては、いくつか挙げられるが、例えば、ＭＶＡ（Ｍｕｌｔｉ−Ｄｏｍａｉｎ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＡＳＶ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｓｕｐｅｒ Ｖｉｅｗ）モードなどを用いることができる。また、ＶＡ型の液晶表示装置にも適用することができる。ＶＡ型の液晶表示装置とは、液晶表示パネルの液晶分子の配列を制御する方式の一種である。ＶＡ型の液晶表示装置は、電圧が印加されていないときにパネル面に対して液晶分子が垂直方向を向く方式である。また、画素（ピクセル）をいくつかの領域（サブピクセル）に分け、それぞれ別の方向に分子を倒すよう工夫されているマルチドメイン化あるいはマルチドメイン設計といわれる方法を用いることができる。
また、表示装置において、ブラックマトリクス（遮光層）、偏光部材、位相差部材、反射防止部材などの光学部材（光学基板）などは適宜設ける。例えば、偏光基板及び位相差基板による円偏光を用いてもよい。また、光源としてバックライト、サイドライトなどを用いてもよい。
また、画素部における表示方式は、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、ＲＧＢＷ（Ｗは白を表す）、又はＲＧＢに、イエロー、シアン、マゼンタ等を一色以上追加したものがある。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。
図１１に、図５に示す表示装置において、基板４００６に設けられた第２の電極層４０３１と電気的に接続するための共通接続部（パッド部）を、基板４００１上に形成する例を示す。
共通接続部は、基板４００１と基板４００６とを接着するためのシール材と重なる位置に配置され、シール材に含まれる導電性粒子を介して第２の電極層４０３１と電気的に接続される。又は、シール材と重ならない箇所（但し、画素部を除く）に共通接続部を設け、共通接続部に重なるように導電性粒子を含むペーストをシール材とは別途設けて第２の電極層４０３１と電気的に接続してもよい。
図１１（Ａ）は、共通接続部の断面図であり、図１１（Ｂ）に示す上面図のＧ１−Ｇ２に相当する。
共通電位線４９１は、ゲート絶縁層４０２０上に設けられ、図５に示すトランジスタ４０１０、４０１１のソース電極層又はドレイン電極層と同じ材料及び同じ工程で作製される。
また、共通電位線４９１は、絶縁層４０３２で覆われ、絶縁層４０３２は、共通電位線４９１と重なる位置に複数の開口部を有している。この開口部は、トランジスタ４０１０のソース電極層又はドレイン電極層の一方と、第１の電極層４０３４とを接続するコンタクトホールと同じ工程で作製される。
また、共通電極４９２は、絶縁層４０３２上に設けられ、接続端子電極４０１５や、画素部の第１の電極層４０３４と同じ材料及び同じ工程で作製される。
このように、画素部４００２のスイッチング素子の作製工程と共通させて共通接続部を作製することができる。
共通電極４９２は、シール材に含まれる導電性粒子と接触する電極であり、基板４００６の第２の電極層４０３１と電気的に接続が行われる。
また、図１１（Ｃ）に示すように、共通電位線４９１を、トランジスタ４０１０、４０１１のゲート電極層と同じ材料、同じ工程で作製してもよい。
図１１（Ｃ）に示す共通接続部において、共通電位線４９１は、ゲート絶縁層４０２０及び絶縁層４０３２の下層に設けられ、ゲート絶縁層４０２０及び絶縁層４０３２は、共通電位線４９１と重なる位置に複数の開口部を有する。該開口部は、トランジスタ４０１０のソース電極層又はドレイン電極層の一方と第１の電極層４０３４とを接続するコンタクトホールと同じ工程で絶縁層４０３２をエッチングした後、さらにゲート絶縁層４０２０を選択的にエッチングすることで形成される。
また、表示装置に含まれる表示素子として、エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子を適用することができる。エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子は、発光材料が有機化合物であるか、無機化合物であるかによって区別され、一般的に、前者は有機ＥＬ素子、後者は無機ＥＬ素子と呼ばれている。
有機ＥＬ素子は、発光素子に電圧を印加することにより、一対の電極から電子および正孔がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして、それらキャリア（電子および正孔）が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このような発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。本実施の形態では、発光素子として有機ＥＬ素子を用いる例を示す。
無機ＥＬ素子は、その素子構成により、分散型無機ＥＬ素子と薄膜型無機ＥＬ素子とに分類される。分散型無機ＥＬ素子は、発光材料の粒子をバインダ中に分散させた発光層を有するものであり、発光メカニズムはドナー準位とアクセプター準位を利用するドナー−アクセプター再結合型発光である。薄膜型無機ＥＬ素子は、発光層を誘電体層で挟み込み、さらにそれを電極で挟んだ構造であり、発光メカニズムは金属イオンの内殻電子遷移を利用する局在型発光である。なお、ここでは、発光素子として有機ＥＬ素子を用いて説明する。
発光素子は発光を取り出すために少なくとも一対の電極の一方が透光性であればよい。そして、基板上にトランジスタ及び発光素子を形成し、基板とは逆側の面から発光を取り出す上面射出や、基板側の面から発光を取り出す下面射出や、基板側及び基板とは反対側の面から発光を取り出す両面射出構造の発光素子があり、どの射出構造の発光素子も適用することができる。
図６（Ａ）（Ｂ）、及び図１３に表示素子として発光素子を用いた発光装置の例を示す。
図６（Ａ）は発光装置の平面図であり、図６（Ａ）中の一点鎖線Ｓ１−Ｔ１、Ｓ２−Ｔ２、及びＳ３−Ｔ３で切断した断面が図６（Ｂ）に相当する。また、図１３は、図６（Ａ）の一点鎖線Ｓ４−Ｔ４で切断した断面図に相当する。なお、図６（Ａ）の平面図においては、電界発光層５４２及び第２の電極層５４３は省略してあり図示していない。
図６に示す発光装置は、基板５００上に、トランジスタ５１０、容量素子５２０、配線層交差部５３０を有しており、トランジスタ５１０は発光素子５４０と電気的に接続している。なお、図６は基板５００を通過して発光素子５４０からの光を取り出す、下面射出型構造の発光装置である。
トランジスタ５１０としては、実施の形態１又は２に示したトランジスタを適用することができる。本実施の形態では、実施の形態２で示したトランジスタ３３０と同様な構造を有するトランジスタを適用する例を示す。トランジスタ５１０は、ボトムゲート構造のトランジスタである。
トランジスタ５１０はゲート電極層５１１ａ、５１１ｂ、ゲート絶縁層５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃを含むゲート絶縁層５０２、酸化物半導体層５１２ｂ、酸化物半導体層５１２ａを含む酸化物半導体積層５１２、ソース電極層又はドレイン電極層として機能する導電層５１３ａ、５１３ｂを含む。また、トランジスタ５１０上には絶縁層５２５が形成されている。
容量素子５２０は、導電層５２１ａ、５２１ｂ、ゲート絶縁層５０２、酸化物半導体層５２２ｂ、酸化物半導体層５２２ａを含む酸化物半導体積層５２２、導電層５２３を含み、導電層５２１ａ、５２１ｂと導電層５２３とで、ゲート絶縁層５０２及び酸化物半導体積層５２２を挟む構成とすることで容量を形成する。
配線層交差部５３０は、ゲート電極層５１１ａ、５１１ｂと、導電層５３３との交差部であり、ゲート電極層５１１ａ、５１１ｂと、導電層５３３とは、間にゲート絶縁層５０２を介して交差する。
本実施の形態においては、ゲート電極層５１１ａ及び導電層５２１ａとして膜厚３０ｎｍのチタン膜を用い、ゲート電極層５１１ｂ及び導電層５２１ｂとして膜厚２００ｎｍの銅膜を用いる。よって、ゲート電極層はチタン膜と銅膜との積層構造となる。
トランジスタ５１０は、チャネルとして機能する酸化物半導体層５１２ｂと、導電層５１３ａ及び導電層５１３ｂの構成元素がチャネルに拡散することを抑制するバッファ層として機能する酸化物半導体層５１２ａとを含んで構成される。よって、トランジスタ５１０はバックチャネル側に形成されうる界面準位の影響を低減された、信頼性の高いトランジスタである。
また、トランジスタ５１０は、ゲート絶縁層５０２ｃとしてアンモニアの含有量の低減された銅のバリア膜として機能する窒素を含むシリコン膜を含み、ゲート絶縁層５０２ａとして厚膜（例えば、膜厚３００ｎｍ）の膜中欠陥の低減された窒素を含むシリコン膜を含み、ゲート絶縁層５０２ｂとして、水素濃度の低減された窒素を含むシリコン膜を有するトランジスタである。このような構成とすることで、トランジスタ５１０の電気特性を良好とすることができ、またトランジスタ５１０の静電破壊を防止することができる。よって、信頼性の高い半導体装置を歩留まりよく提供することが可能となる。
トランジスタ５１０、容量素子５２０、及び配線層交差部５３０上には層間絶縁層５０４が形成され、層間絶縁層５０４上において発光素子５４０と重畳する領域にカラーフィルタ層５０５が設けられている。層間絶縁層５０４及びカラーフィルタ層５０５上には平坦化絶縁層として機能する絶縁層５０６が設けられている。
絶縁層５０６上に第１の電極層５４１、電界発光層５４２、第２の電極層５４３の順に積層した積層構造を含む発光素子５４０が設けられている。発光素子５４０とトランジスタ５１０とは、導電層５１３ａに達する絶縁層５０６及び層間絶縁層５０４に形成された開口において、第１の電極層５４１及び導電層５１３ａが接することによって電気的に接続されている。なお、第１の電極層５４１の一部及び該開口を覆うように隔壁５０７が設けられている。
絶縁層５０６には膜厚１５００ｎｍの感光性のアクリル膜、隔壁５０７には膜厚１５００ｎｍの感光性のポリイミド膜を用いることができる。
カラーフィルタ層５０５としては、例えば有彩色の透光性樹脂を用いることができる。有彩色の透光性樹脂としては、感光性、非感光性の有機樹脂を用いることができるが、感光性の有機樹脂層を用いるとレジストマスク数を削減することができるため、工程が簡略化し好ましい。
有彩色は、黒、灰、白などの無彩色を除く色であり、カラーフィルタ層は、着色された有彩色の光のみを透過する材料で形成される。有彩色としては、赤色、緑色、青色などを用いることができる。また、シアン、マゼンダ、イエロー（黄）などを用いてもよい。着色された有彩色の光のみを透過するとは、カラーフィルタ層における透過光は、その有彩色の光の波長にピークを有するということである。カラーフィルタ層は、含ませる着色材料の濃度と光の透過率の関係に考慮して、最適な膜厚を適宜制御するとよい。例えば、カラーフィルタ層５０５の膜厚は１５００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下とすればよい。
隔壁５０７は、有機絶縁材料、又は無機絶縁材料を用いて形成する。特に感光性の樹脂材料を用い、第１の電極層５４１上に開口部を形成し、その開口部の側壁が連続した曲率を持って形成される傾斜面となるように形成することが好ましい。
電界発光層５４２は、単数の層で構成されていても、複数の層が積層されるように構成されていてもどちらでもよい。
発光素子５４０に酸素、水素、水分、二酸化炭素等が侵入しないように、第２の電極層５４３及び隔壁５０７上に保護膜を形成してもよい。保護膜としては、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、ＤＬＣ膜等を形成することができる。
また、発光素子５４０に酸素、水素、水分、二酸化炭素等が侵入しないように、発光素子５４０を覆う有機化合物を含む層を蒸着法により形成してもよい。
また、必要であれば、発光素子の射出面に偏光板、又は円偏光板（楕円偏光板を含む）、位相差板（λ／４板、λ／２板）、カラーフィルタなどの光学フィルムを適宜設けてもよい。また、偏光板又は円偏光板に反射防止膜を設けてもよい。例えば、表面の凹凸により反射光を拡散し、映り込みを低減できるアンチグレア処理を施すことができる。
また、表示装置として、電子インクを駆動させる電子ペーパーを提供することも可能である。電子ペーパーは、電気泳動表示装置（電気泳動ディスプレイ）とも呼ばれており、紙と同じ読みやすさ、他の表示装置に比べ低消費電力、薄くて軽い形状とすることが可能という利点を有している。
電気泳動表示装置は、様々な形態が考えられ得るが、プラスの電荷を有する第１の粒子と、マイナスの電荷を有する第２の粒子とを含むマイクロカプセルが溶媒に複数分散されたものであり、マイクロカプセルに電界を印加することによって、マイクロカプセル中の粒子を互いに反対方向に移動させて一方側に集合した粒子の色のみを表示するものである。なお、第１の粒子又は第２の粒子は染料を含み、電界がない場合において移動しないものである。また、第１の粒子の色と第２の粒子の色は異なるもの（無色を含む）とする。
上記マイクロカプセルを溶媒中に分散させたものが電子インクと呼ばれるものである。カラーフィルタや色素を有する粒子を用いることによってカラー表示も可能である。
また、平坦化絶縁層として機能する絶縁層５０６は、アクリル樹脂、ポリイミド、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂等の、耐熱性を有する有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等の低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁層を複数積層させることで、絶縁層５０６を形成してもよい。
絶縁層５０６の形成法は、特に限定されず、その材料に応じて、スパッタリング法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法）、スクリーン印刷、オフセット印刷等を用いることができる。
第１の電極層５４１、第２の電極層５４３としては、図５に示す表示装置の第１の電極層４０３４、第２の電極層４０３１と同様の材料を適用することができる。
本実施の形態においては、図６に示す発光装置は下面射出型なので、第１の電極層５４１は透光性、第２の電極層５４３は反射性を有する。よって、第１の電極層５４１に金属膜を用いる場合は透光性を保てる程度膜厚を薄く、第２の電極層５４３に透光性を有する導電層を用いる場合は、反射性を有する導電層を積層するとよい。
また、駆動回路保護用の保護回路を設けてもよい。保護回路は、非線形素子を用いて構成することが好ましい。
以上のように実施の形態１又は２で示したトランジスタを適用することで、様々な機能を有する半導体装置を提供することができる。
本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態４）
実施の形態１又は２に示したトランジスタを用いて、対象物の情報を読み取るイメージセンサ機能を有する半導体装置を作製することができる。
図７（Ａ）に、イメージセンサ機能を有する半導体装置の一例を示す。図７（Ａ）はフォトセンサの等価回路であり、図７（Ｂ）はフォトセンサの一部を示す断面図である。
フォトダイオード６０２は、一方の電極がフォトダイオードリセット信号線６５８に、他方の電極がトランジスタ６４０のゲートに電気的に接続されている。トランジスタ６４０は、ソース又はドレインの一方がフォトセンサ基準信号線６７２に、ソース又はドレインの他方がトランジスタ６５６のソース又はドレインの一方に電気的に接続されている。トランジスタ６５６は、ゲートがゲート信号線６５９に、ソース又はドレインの他方がフォトセンサ出力信号線６７１に電気的に接続されている。
なお、本明細書における回路図において、酸化物半導体層を用いるトランジスタと明確に判明できるように、酸化物半導体層を用いるトランジスタの記号には「ＯＳ」と記載している。図７（Ａ）において、トランジスタ６４０、トランジスタ６５６は実施の形態１又は２に示したトランジスタが適用でき、酸化物半導体層を用いるトランジスタである。本実施の形態では、実施の形態１で示したトランジスタ３２０と同様な構造を有するトランジスタを適用する例を示す。トランジスタ６４０は、ボトムゲート構造のトランジスタである。
図７（Ｂ）は、フォトセンサにおけるフォトダイオード６０２及びトランジスタ６４０に示す断面図であり、絶縁表面を有する基板６０１（素子基板）上に、センサとして機能するフォトダイオード６０２及びトランジスタ６４０が設けられている。フォトダイオード６０２、トランジスタ６４０の上には接着層６０８を用いて基板６１３が設けられている。
トランジスタ６４０上には絶縁層６３２、層間絶縁層６３３、層間絶縁層６３４が設けられている。フォトダイオード６０２は、層間絶縁層６３３上に形成された電極層６４１ｂと、電極層６４１ｂ上に順に積層された第１半導体膜６０６ａ、第２半導体膜６０６ｂ、及び第３半導体膜６０６ｃと、層間絶縁層６３４上に設けられ、第１乃至第３の半導体膜を介して電極層６４１ｂと電気的に接続する電極層６４２と、電極層６４１ｂと同じ層に設けられ、電極層６４２と電気的に接続する電極層６４１ａと、を有している。
電極層６４１ｂは、層間絶縁層６３４に形成された導電層６４３と電気的に接続し、電極層６４２は電極層６４１ａを介して導電層６４５と電気的に接続している。導電層６４５は、トランジスタ６４０のゲート電極層と電気的に接続しており、フォトダイオード６０２はトランジスタ６４０と電気的に接続している。
ここでは、第１半導体膜６０６ａとしてｐ型の導電型を有する半導体膜と、第２半導体膜６０６ｂとして高抵抗な半導体膜（ｉ型半導体膜）、第３半導体膜６０６ｃとしてｎ型の導電型を有する半導体膜を積層するｐｉｎ型のフォトダイオードを例示している。
第１半導体膜６０６ａはｐ型半導体膜であり、ｐ型を付与する不純物元素を含むアモルファスシリコン膜により形成することができる。第１半導体膜６０６ａの形成には１３族の不純物元素（例えばボロン（Ｂ））を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。また、不純物元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入法を用いて該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合にアモルファスシリコン膜を形成する方法としては、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、又はスパッタリング法等を用いればよい。第１半導体膜６０６ａの膜厚は１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下となるよう形成することが好ましい。
第２半導体膜６０６ｂは、ｉ型半導体膜（真性半導体膜）であり、アモルファスシリコン膜により形成する。第２半導体膜６０６ｂの形成には、半導体材料ガスを用いて、アモルファスシリコン膜をプラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしては、シラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。第２半導体膜６０６ｂの形成は、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、スパッタリング法等により行ってもよい。第２半導体膜６０６ｂの膜厚は２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下となるように形成することが好ましい。
第３半導体膜６０６ｃは、ｎ型半導体膜であり、ｎ型を付与する不純物元素を含むアモルファスシリコン膜により形成する。第３半導体膜６０６ｃの形成には、１５族の不純物元素（例えばリン（Ｐ））を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。また、不純物元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入法を用いて該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合にアモルファスシリコン膜を形成する方法としては、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、又はスパッタリング法等を用いればよい。第３半導体膜６０６ｃの膜厚は２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下となるよう形成することが好ましい。
また、第１半導体膜６０６ａ、第２半導体膜６０６ｂ、及び第３半導体膜６０６ｃは、アモルファス半導体ではなく、多結晶半導体を用いて形成してもよいし、微結晶（セミアモルファス（Ｓｅｍｉ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：ＳＡＳ））半導体を用いて形成してもよい。
また、光電効果で発生した正孔の移動度は電子の移動度に比べて小さいため、ｐｉｎ型のフォトダイオードはｐ型の半導体膜側を受光面とする方がよい特性を示す。ここでは、ｐｉｎ型のフォトダイオードが形成されている基板６０１の面からフォトダイオード６０２が受ける光を電気信号に変換する例を示す。また、受光面とした半導体膜側とは逆の導電型を有する半導体膜側からの光は外乱光となるため、電極層は遮光性を有する導電層を用いるとよい。また、ｎ型の半導体膜側を受光面として用いることもできる。
トランジスタ６４０は、ソース電極層又はドレイン電極層の構成元素がチャネルに拡散することを抑制するバッファ層として機能する第１の酸化物半導体層と、チャネルとして機能する第２の酸化物半導体層と、チャネルとして機能する酸化物半導体層とゲート絶縁層６３１との間に設けられ、チャネルのゲート絶縁層６３１側界面の劣化を防止するためのバッファ層として機能する第３の酸化物半導体層と、を含んで構成される。よって、トランジスタ６４０はバックチャネル側に形成されうる界面準位の影響を低減されるとともに、トランジスタの光劣化（例えば、光負バイアス劣化）を低減された信頼性の高いトランジスタである。
絶縁層６３２、層間絶縁層６３３、層間絶縁層６３４としては、絶縁性材料を用いて、その材料に応じて、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法）、スクリーン印刷、オフセット印刷等を用いて形成することができる。
層間絶縁層６３３、６３４としては、表面凹凸を低減するため平坦化絶縁層として機能する絶縁層が好ましい。層間絶縁層６３３、６３４としては、例えばポリイミド、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂等の、耐熱性を有する有機絶縁材料を用いることができる。また上記有機絶縁材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等の単層、又は積層を用いることができる。
フォトダイオード６０２に入射する光を検出することによって、被検出物の情報を読み取ることができる。なお、被検出物の情報を読み取る際にバックライトなどの光源を用いることができる。
本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態５）
本明細書に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器（遊技機も含む）に適用することができる。電子機器としては、テレビジョン装置（テレビ、又はテレビジョン受信機ともいう）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、遊技機（パチンコ機、スロットマシン等）、ゲーム筐体が挙げられる。これらの電子機器の具体例を図８に示す。
図８（Ａ）は、表示部を有するテーブル９０００を示している。テーブル９０００は、筐体９００１に表示部９００３が組み込まれており、表示部９００３により映像を表示することが可能である。なお、４本の脚部９００２により筐体９００１を支持した構成を示している。また、電力供給のための電源コード９００５を筐体９００１に有している。
上記実施の形態のいずれかに示す半導体装置は、表示部９００３に用いることが可能であり、電子機器に高い信頼性を付与することができる。
表示部９００３は、タッチ入力機能を有しており、テーブル９０００の表示部９００３に表示された表示ボタン９００４を指などで触れることで、画面操作や、情報を入力することができ、また他の家電製品との通信を可能とする、又は制御を可能とすることで、画面操作により他の家電製品をコントロールする制御装置としてもよい。例えば、実施の形態３に示したイメージセンサ機能を有する半導体装置を用いれば、表示部９００３にタッチ入力機能を持たせることができる。
また、筐体９００１に設けられたヒンジによって、表示部９００３の画面を床に対して垂直に立てることもでき、テレビジョン装置としても利用できる。狭い部屋においては、大きな画面のテレビジョン装置は設置すると自由な空間が狭くなってしまうが、テーブルに表示部が内蔵されていれば、部屋の空間を有効に利用することができる。
図８（Ｂ）は、テレビジョン装置９１００を示している。テレビジョン装置９１００は、筐体９１０１に表示部９１０３が組み込まれており、表示部９１０３により映像を表示することが可能である。なお、ここではスタンド９１０５により筐体９１０１を支持した構成を示している。
テレビジョン装置９１００の操作は、筐体９１０１が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機９１１０により行うことができる。リモコン操作機９１１０が備える操作キー９１０９により、チャンネルや音量の操作を行うことができ、表示部９１０３に表示される映像を操作することができる。また、リモコン操作機９１１０に、当該リモコン操作機９１１０から出力する情報を表示する表示部９１０７を設ける構成としてもよい。
図８（Ｂ）に示すテレビジョン装置９１００は、受信機やモデムなどを備えている。テレビジョン装置９１００は、受信機により一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線又は無線による通信ネットワークに接続することにより、一方向（送信者から受信者）又は双方向（送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など）の情報通信を行うことも可能である。
上記実施の形態のいずれかに示す半導体装置は、表示部９１０３、９１０７に用いることが可能であり、テレビジョン装置、及びリモコン操作機に高い信頼性を付与することができる。
図８（Ｃ）はコンピュータであり、本体９２０１、筐体９２０２、表示部９２０３、キーボード９２０４、外部接続ポート９２０５、ポインティングデバイス９２０６等を含む。
上記実施の形態のいずれかに示す半導体装置は、表示部９２０３に用いることが可能であり、コンピュータに高い信頼性を付与することができる。
図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は２つ折り可能なタブレット型端末である。図９（Ａ）は、開いた状態であり、タブレット型端末は、筐体９６３０、表示部９６３１ａ、表示部９６３１ｂ、表示モード切り替えスイッチ９０３４、電源スイッチ９０３５、省電力モード切り替えスイッチ９０３６、留め具９０３３、操作スイッチ９０３８、を有する。
上記実施の形態のいずれかに示す半導体装置は、表示部９６３１ａ、表示部９６３１ｂに用いることが可能であり、信頼性の高いタブレット型端末とすることが可能となる。
表示部９６３１ａは、一部をタッチパネルの領域９６３２ａとすることができ、表示された操作キー９６３８にふれることでデータ入力をすることができる。なお、表示部９６３１ａにおいては、一例として半分の領域が表示のみの機能を有する構成、もう半分の領域がタッチパネルの機能を有する構成を示しているが該構成に限定されない。表示部９６３１ａの全ての領域がタッチパネルの機能を有する構成としても良い。例えば、表示部９６３１ａの全面をキーボードボタン表示させてタッチパネルとし、表示部９６３１ｂを表示画面として用いることができる。
また、表示部９６３１ｂにおいても表示部９６３１ａと同様に、表示部９６３１ｂの一部をタッチパネルの領域９６３２ｂとすることができる。また、タッチパネルのキーボード表示切り替えボタン９６３９が表示されている位置に指やスタイラスなどでふれることで表示部９６３１ｂにキーボードボタン表示することができる。
また、タッチパネルの領域９６３２ａとタッチパネルの領域９６３２ｂに対して同時にタッチ入力することもできる。
また、表示モード切り替えスイッチ９０３４は、縦表示又は横表示などの表示の向きを切り替え、白黒表示やカラー表示の切り替えなどを選択できる。省電力モード切り替えスイッチ９０３６は、タブレット型端末に内蔵している光センサで検出される使用時の外光の光量に応じて表示の輝度を最適なものとすることができる。タブレット型端末は光センサだけでなく、ジャイロ、加速度センサ等の傾きを検出するセンサなどの他の検出装置を内蔵させてもよい。
また、図９（Ａ）では表示部９６３１ｂと表示部９６３１ａの表示面積が同じ例を示しているが特に限定されず、一方のサイズともう一方のサイズが異なっていてもよく、表示の品質も異なっていてもよい。例えば一方が他方よりも高精細な表示を行える表示パネルとしてもよい。
図９（Ｂ）は、閉じた状態であり、タブレット型端末は、筐体９６３０、太陽電池９６３３、充放電制御回路９６３４を有する。なお、図９（Ｂ）では充放電制御回路９６３４の一例としてバッテリー９６３５、ＤＣＤＣコンバータ９６３６を有する構成について示している。
なお、タブレット型端末は２つ折り可能なため、未使用時に筐体９６３０を閉じた状態にすることができる。従って、表示部９６３１ａ、表示部９６３１ｂを保護できるため、耐久性に優れ、長期使用の観点からも信頼性の優れたタブレット型端末を提供できる。
また、この他にも図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示したタブレット型端末は、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示する機能、カレンダー、日付又は時刻などを表示部に表示する機能、表示部に表示した情報をタッチ入力操作又は編集するタッチ入力機能、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、等を有することができる。
タブレット型端末の表面に装着された太陽電池９６３３によって、電力をタッチパネル、表示部、又は映像信号処理部等に供給することができる。なお、太陽電池９６３３は、筐体９６３０の片面又は両面に設けることができ、バッテリー９６３５の充電を効率的に行う構成とすることができる。なおバッテリー９６３５としては、リチウムイオン電池を用いると、小型化を図れる等の利点がある。
また、図９（Ｂ）に示す充放電制御回路９６３４の構成、及び動作について図９（Ｃ）にブロック図を示し説明する。図９（Ｃ）には、太陽電池９６３３、バッテリー９６３５、ＤＣＤＣコンバータ９６３６、コンバータ９６３７、スイッチＳＷ１乃至ＳＷ３、表示部９６３１について示しており、バッテリー９６３５、ＤＣＤＣコンバータ９６３６、コンバータ９６３７、スイッチＳＷ１乃至ＳＷ３が、図９（Ｂ）に示す充放電制御回路９６３４に対応する箇所となる。
まず外光により太陽電池９６３３により発電がされる場合の動作の例について説明する。太陽電池で発電した電力は、バッテリー９６３５を充電するための電圧となるようＤＣＤＣコンバータ９６３６で昇圧又は降圧がなされる。そして、表示部９６３１の動作に太陽電池９６３３からの電力が用いられる際にはスイッチＳＷ１をオンにし、コンバータ９６３７で表示部９６３１に必要な電圧に昇圧又は降圧をすることとなる。また、表示部９６３１での表示を行わない際には、ＳＷ１をオフにし、ＳＷ２をオンにしてバッテリー９６３５の充電を行う構成とすればよい。
なお太陽電池９６３３については、発電手段の一例として示したが、特に限定されず、圧電素子（ピエゾ素子）や熱電変換素子（ペルティエ素子）などの他の発電手段によるバッテリー９６３５の充電を行う構成であってもよい。例えば、無線（非接触）で電力を送受信して充電する無接点電力伝送モジュールや、また他の充電手段を組み合わせて行う構成としてもよい。
本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
本実施例では、酸化物半導体層を積層させたトランジスタにおいて、各酸化物半導体層に含有されるソース電極層又はドレイン電極層の構成元素の濃度の測定結果を示す。具体的には、ソース電極層及びドレイン電極層として銅膜を含む電極層を形成し、各酸化物半導体層における銅濃度の測定した結果を示す。銅濃度は、裏面からのＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）によって測定した。
本実施例において、測定に用いたトランジスタの作製方法を以下に説明する。本実施例においては、実施の形態１のトランジスタ３００と同様の構成を有するトランジスタを作製した。以下では、トランジスタ３００と同じ符号を用いて説明する。
まず、基板４００上にゲート電極層４０２として、膜厚１００ｎｍのタングステン膜を形成した。
次いで、ゲート電極層４０２を覆うゲート絶縁層４０４として、プラズマＣＶＤ法によって膜厚５０ｎｍの窒化シリコン膜と膜厚２００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を連続的に形成した。
窒化シリコン膜は、プラズマＣＶＤ装置の処理室の圧力を６０Ｐａに制御し、２７．１２ＭＨｚの高周波電源で１５０Ｗの電力を供給して、基板温度を３５０℃として、シランと窒素の混合ガス（ＳｉＨ４：Ｎ２＝５０ｓｃｃｍ：５０００ｓｃｃｍ）を供給して成膜した。なお、該プラズマＣＶＤ装置は電極面積が６０００ｃｍ２である平行平板型のプラズマＣＶＤ装置である。また、酸化窒化シリコン膜の成膜は、同じ処理室内において、圧力を４０Ｐａとし、高周波電源の電力及び基板温度を維持したまま、シランと一酸化二窒素の混合ガス（ＳｉＨ４：Ｎ２Ｏ＝２０ｓｃｃｍ：３０００ｓｃｃｍ）を供給して成膜した。
次いで、ゲート絶縁層４０４上に、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］の金属酸化物ターゲットを用いたスパッタリング法により、膜厚１０ｎｍの酸化物半導体層４０８ｂを形成した。成膜条件は、酸素５０％雰囲気下、圧力０．６Ｐａ、電源電力５ｋＷ、基板温度１７０℃とした。
その後、酸化物半導体層４０８ｂ上に、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２［原子数比］の金属酸化物ターゲットを用いたスパッタリング法により、膜厚３０ｎｍの酸化物半導体層４０８ａを形成した。成膜条件は、酸素５０％雰囲気下、圧力０．６Ｐａ、電源電力５ｋＷ、基板温度１７０℃とした。
島状の酸化物半導体積層４０８に加工後、酸化物半導体積層４０８を窒素雰囲気下で４５０℃、１時間の加熱処理を行った後、窒素及び酸素雰囲気下で４５０℃、１時間の加熱処理を行った。
次いで、酸化物半導体積層４０８に接するソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂを形成した。
本実施例では、ゲート絶縁層４０４及び酸化物半導体積層４０８上に、膜厚３５ｎｍのチタン膜と、膜厚２００ｎｍの銅膜を積層させ、該チタン膜及び銅膜の一部を選択的にエッチングすることで、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂとした。
その後、酸化物半導体積層４０８、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂを覆う絶縁層４１２として、膜厚４００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を、プラズマＣＶＤ法によって成膜した。
酸化窒化シリコン膜の成膜条件は、プラズマＣＶＤ装置の処理室の圧力を２００Ｐａに制御し、２７．１２ＭＨｚの高周波電源で１５００Ｗの電力を供給して、基板温度を２２０℃として、シランと一酸化二窒素の混合ガス（ＳｉＨ４：Ｎ２Ｏ＝１６０ｓｃｃｍ：４０００ｓｃｃｍ）を供給した。
窒素及び酸素雰囲気下で３００℃、１時間の加熱処理を行った後、平坦化膜として、アクリル樹脂膜を膜厚１．５μｍで形成した。この後、窒素雰囲気下で２５０℃、１時間の加熱処理を行った。
以上によって、本実施例のトランジスタを作製した。
作製したトランジスタに含まれる酸化物半導体積層４０８の銅濃度を裏面から（ここでは、基板４００側から）ＳＩＭＳによって測定した。図１２にＳＩＭＳの測定結果を示す。なお、測定は、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂの間の領域（チャネルが形成される領域）について行った。
図１２より、酸化物半導体積層４０８内に、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂの構成元素である銅の拡散が見られるものの、該銅の拡散は、酸化物半導体層４０８ａ内にとどまっており、トランジスタの電流経路（チャネル）として機能する酸化物半導体層４０８ｂへは到達していないことが確認された。
以上より、酸化物半導体積層４０８において、電流経路となる酸化物半導体層４０８ｂのバックチャネル側に酸化物半導体層４０８ａを設けることで、該酸化物半導体層４０８ａをソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂの構成元素の拡散を抑制するためのバッファ層として機能させることが可能であることが示された。よって、酸化物半導体積層４０８を含むトランジスタの電気特性の変動を抑制することが可能であることが示唆される。
３００ トランジスタ
３１０ トランジスタ
３２０ トランジスタ
３３０ トランジスタ
４００ 基板
４０２ ゲート電極層
４０３ ゲート絶縁層
４０３ａ ゲート絶縁層
４０３ｂ ゲート絶縁層
４０３ｃ ゲート絶縁層
４０４ ゲート絶縁層
４０６ ゲート絶縁層
４０８ 酸化物半導体積層
４０８ａ 酸化物半導体層
４０８ｂ 酸化物半導体層
４０８ｃ 酸化物半導体層
４１０ａ ソース電極層
４１０ｂ ドレイン電極層
４１２ 絶縁層
４９１ 共通電位線
４９２ 共通電極
５００ 基板
５０２ ゲート絶縁層
５０２ａ ゲート絶縁層
５０２ｂ ゲート絶縁層
５０２ｃ ゲート絶縁層
５０４ 層間絶縁層
５０５ カラーフィルタ層
５０６ 絶縁層
５０７ 隔壁
５１０ トランジスタ
５１１ａ ゲート電極層
５１１ｂ ゲート電極層
５１２ 酸化物半導体積層
５１２ａ 酸化物半導体層
５１２ｂ 酸化物半導体層
５１３ａ 導電層
５１３ｂ 導電層
５２０ 容量素子
５２１ａ 導電層
５２１ｂ 導電層
５２２ 酸化物半導体積層
５２２ａ 酸化物半導体層
５２２ｂ 酸化物半導体層
５２３ 導電層
５２５ 絶縁層
５３０ 配線層交差部
５３３ 導電層
５４０ 発光素子
５４１ 電極層
５４２ 電界発光層
５４３ 電極層
６０１ 基板
６０２ フォトダイオード
６０６ａ 半導体膜
６０６ｂ 半導体膜
６０６ｃ 半導体膜
６０８ 接着層
６１３ 基板
６３１ ゲート絶縁層
６３２ 絶縁層
６３３ 層間絶縁層
６３４ 層間絶縁層
６４０ トランジスタ
６４１ａ 電極層
６４１ｂ 電極層
６４２ 電極層
６４３ 導電層
６４５ 導電層
６５６ トランジスタ
６５８ フォトダイオードリセット信号線
６５９ ゲート信号線
６７１ フォトセンサ出力信号線
６７２ フォトセンサ基準信号線
４００１ 基板
４００２ 画素部
４００３ 信号線駆動回路
４００４ 走査線駆動回路
４００５ シール材
４００６ 基板
４００８ 液晶層
４０１０ トランジスタ
４０１１ トランジスタ
４０１３ 液晶素子
４０１５ 接続端子電極
４０１６ 端子電極
４０１８ ＦＰＣ
４０１９ 異方性導電層
４０２０ ゲート絶縁層
４０３１ 電極層
４０３２ 絶縁層
４０３３ 絶縁層
４０３４ 電極層
４０３５ スペーサ
４０３８ 絶縁層
９０００ テーブル
９００１ 筐体
９００２ 脚部
９００３ 表示部
９００４ 表示ボタン
９００５ 電源コード
９０３３ 留め具
９０３４ スイッチ
９０３５ 電源スイッチ
９０３６ スイッチ
９０３８ 操作スイッチ
９１００ テレビジョン装置
９１０１ 筐体
９１０３ 表示部
９１０５ スタンド
９１０７ 表示部
９１０９ 操作キー
９１１０ リモコン操作機
９２０１ 本体
９２０２ 筐体
９２０３ 表示部
９２０４ キーボード
９２０５ 外部接続ポート
９２０６ ポインティングデバイス
９６３０ 筐体
９６３１ 表示部
９６３１ａ 表示部
９６３１ｂ 表示部
９６３２ａ 領域
９６３２ｂ 領域
９６３３ 太陽電池
９６３４ 充放電制御回路
９６３５ バッテリー
９６３６ ＤＣＤＣコンバータ
９６３７ コンバータ
９６３８ 操作キー
９６３９ ボタン

Claims (5)

  1. ゲート電極層と、
    前記ゲート電極層上のゲート絶縁層と、
    前記ゲート絶縁層を介して前記ゲート電極層と重畳する酸化物半導体積層と、
    前記酸化物半導体積層と電気的に接続するソース電極層及びドレイン電極層と、を有し、
    前記酸化物半導体積層は、前記ソース電極層及び前記ドレイン電極層と接する第１の酸化物半導体層と、前記第１の酸化物半導体層と前記ゲート絶縁層との間に設けられた第２の酸化物半導体層と、を含み、
    前記第１の酸化物半導体層は、少なくともインジウム及びガリウムを含み、且つ、前記インジウムの組成は、前記ガリウムの組成以下であり、
    前記第２の酸化物半導体層は、少なくともインジウム及びガリウムを含み、且つ、前記インジウムの組成は、前記ガリウムの組成よりも大きく、
    前記第１の酸化物半導体層は、前記ソース電極層及び前記ドレイン電極層の構成元素を不純物として含む半導体装置。
  2. ゲート電極層と、
    前記ゲート電極層上のゲート絶縁層と、
    前記ゲート絶縁層を介して前記ゲート電極層と重畳する酸化物半導体積層と、
    前記酸化物半導体積層と電気的に接続するソース電極層及びドレイン電極層と、を有し、
    前記酸化物半導体積層は、前記ソース電極層及び前記ドレイン電極層と接する第１の酸化物半導体層と、前記ゲート絶縁層と接する第３の酸化物半導体層と、前記第１の酸化物半導体層と前記第３の酸化物半導体層の間に設けられた第２の酸化物半導体層を含み、
    前記第１の酸化物半導体層及び前記第３の酸化物半導体層は、少なくともインジウム及びガリウムを含み、且つ、前記インジウムの組成は、前記ガリウムの組成以下であり、
    前記第２の酸化物半導体層は、少なくともインジウム及びガリウムを含み、且つ、前記インジウムの組成は、前記ガリウムの組成よりも大きく、
    前記第１の酸化物半導体層は、前記ソース電極層及び前記ドレイン電極層の構成元素を不純物として含む半導体装置。
  3. ゲート電極層と、
    前記ゲート電極層上のゲート絶縁層と、
    前記ゲート絶縁層を介して前記ゲート電極層と重畳する酸化物半導体積層と、
    前記酸化物半導体積層と電気的に接続するソース電極層及びドレイン電極層と、を有し、
    前記酸化物半導体積層は、前記ソース電極層及び前記ドレイン電極層と接する第１の酸化物半導体層と、前記ゲート絶縁層と接する第３の酸化物半導体層と、前記第１の酸化物半導体層と前記第３の酸化物半導体層の間に設けられた第２の酸化物半導体層を含み、
    前記第１の酸化物半導体層及び前記第３の酸化物半導体層は、少なくともインジウム及びガリウムを含み、且つ、前記インジウムの組成は、前記ガリウムの組成以下であり、
    前記第２の酸化物半導体層は、少なくともインジウム及びガリウムを含み、且つ、前記インジウムの組成は、前記ガリウムの組成よりも大きく、
    前記第１の酸化物半導体層は、前記ソース電極層及び前記ドレイン電極層の構成元素を不純物として含み、
    前記第３の酸化物半導体層は、前記ゲート絶縁層の構成元素を不純物として含む半導体装置。
  4. 請求項１乃至３のいずれか一において、
    前記ソース電極層及び前記ドレイン電極層は、銅を含む半導体装置。
  5. 請求項１乃至４のいずれか一において、
    前記ゲート絶縁層は、窒化シリコン膜を含む半導体装置。
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