JP2023014357A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】セルフアライン構造の酸化物半導体膜を用いたトランジスタにおいて、高い電気
特性を有し、且つ安定した電気特性を付与したトランジスタを提供する。
【解決手段】酸化物絶縁膜上の酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜に接するゲート絶縁膜
と、ゲート絶縁膜を介して酸化物半導体膜と重なるゲート電極と、酸化物半導体膜と接す
る窒化絶縁膜と、酸化物半導体膜と接する一対の導電膜とを有するトランジスタを備える
半導体装置であって、酸化物半導体膜は、第１の領域と、第２の領域とを有し、第１の領
域は、ゲート絶縁膜と接し、第２の領域は、窒化物絶縁膜及び一対の導電膜と接する。ま
た、少なくとも第２の領域は、不純物元素を有し、第２の領域は、第１の領域と不純物元
素の濃度が異なる。
【選択図】図１

Description

本発明は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本発明は、プロセス、マシ
ン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関する。特
に、本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、それら
の駆動方法、またはそれらの製造方法に関する。特に、本発明の一態様は、電界効果トラ
ンジスタを有する半導体装置に関する。

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
装置全般を指す。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、半導体回路、演算装置、記憶
装置は、半導体装置の一態様である。撮像装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、電
気光学装置、発電装置（薄膜太陽電池、有機薄膜太陽電池等を含む）、及び電子機器は、
半導体装置を有している場合がある。

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（薄膜トランジ
スタ（ＴＦＴ）ともいう）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（表示装置）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を代表とする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。

酸化物半導体を用いたトランジスタとしては、より高機能な半導体装置への応用のため
に、より高い電気特性が求められている。例えば、トランジスタのチャネル形成領域とな
る酸化物半導体膜の一部の領域上に、ゲート電極、及びゲート絶縁膜を形成したのち、酸
化物半導体膜のゲート電極、及びゲート絶縁膜に覆われていない領域を低抵抗化してソー
ス領域、及びドレイン領域を形成するセルフアライン（自己整合）構造のトランジスタが
報告されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７－２２０８１７号公報 特開２０１１－２２８６２２号公報

特許文献１においては、低抵抗のソース領域、及びドレイン領域を自己整合的に形成す
るために、酸化物半導体膜のゲート電極、及びゲート絶縁膜に覆われていない領域に層間
絶縁膜としてプラズマＣＶＤ法により窒化シリコン膜を形成し、当該窒化シリコン膜に含
まれる水素を酸化物半導体膜に導入し、低抵抗領域を形成していた。しかしながら、この
方法においては、チャネル形成領域にも水素が拡散する可能性があり、安定した半導体特
性を得ることが難しいという問題があった。

そこで、本発明の一態様は、セルフアライン構造の酸化物半導体膜を用いたトランジス
タにおいて、高い電気特性を有するトランジスタを提供することを課題の一とする。また
は、本発明の一態様は、電気特性のばらつきの少ないトランジスタの作製方法を提供する
ことを課題の一とする。または、本発明の一態様は、消費電力が低減された表示装置の作
製方法を提供する。または、本発明の一態様は、新規な表示装置の作製方法を提供する。

なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の
一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課
題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、
図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。

本発明の一態様は、絶縁膜上の酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜の第１の領域と接す
るゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜を介して酸化物半導体膜と重なるゲート電極と、酸化物
半導体膜の第２の領域と接する窒化物絶縁膜と、酸化物半導体膜の第２の領域と接する一
対の導電膜とを有し、第１の領域と第２の領域の不純物元素の濃度が異なるトランジスタ
を有する半導体装置である。なお、第１の領域より第２の領域の不純物元素の濃度が高い
。

なお、不純物元素は希ガス元素であり、該不純物元素は第１の領域及び第２の領域に含
まれる。または、不純物元素は、水素、ホウ素、窒素、フッ素、アルミニウム、またはリ
ンであり、第２の領域に含まれる。

また、窒化物絶縁膜は、窒化シリコン膜であってもよい。

また、ゲート電極と、窒化物絶縁膜の間に、酸化物絶縁膜を有してもよい。また、ゲー
ト電極は、酸化物半導体膜と同じ金属元素を有してもよい。その場合、ゲート電極は、導
電性を有する酸化物半導体膜で形成される。

本発明の一態様により、セルフアライン構造の酸化物半導体膜を用いたトランジスタに
おいて、高い電気特性を有するトランジスタを提供することができる。または、本発明の
一態様により、電気特性のばらつきの少ない当該トランジスタの作製方法を提供すること
ができる。または、本発明の一態様は、消費電力が低減された表示装置の作製方法を提供
することができる。または、本発明の一態様は、新規な表示装置の作製方法を提供するこ
とができる。

なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の
一態様は、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果
は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図
面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。

半導体装置の一態様を示す断面図。 半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。 半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。 半導体装置の一態様を示す断面図。 半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。 半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。 半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。 半導体装置の一態様を示す断面図。 半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。 半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。 半導体装置の一態様を示す断面図及び拡大図。 半導体装置の一態様を示す断面図。 酸化物半導体の断面ＴＥＭ像および局所的なフーリエ変換像。 酸化物半導体膜のナノビーム電子回折パターンを示す図、および透過電子回折測定装置の一例を示す図。 透過電子回折測定による構造解析の一例を示す図、および平面ＴＥＭ像。 実施の形態に係る、表示装置のブロック図及び回路図。 実施の形態に係る、電子機器。 計算に用いたモデルを説明する図。 Ｌｏｆｆ領域におけるドナー密度とＩｄ－Ｖｇ特性の関係を説明する図。 Ｌｏｆｆ領域のドナー密度に対するオン電流と電界効果移動度の関係を説明する図。 Ｌｏｆｆ領域におけるドナー密度とＩｄ－Ｖｇ特性の関係を説明する図。 抵抗率の温度依存性を説明する図。 トランジスタの構造を説明する断面図及び拡大図。 トランジスタの構造を説明する断面図及び拡大図。 トランジスタの構造を説明する断面図及び拡大図。 ＩｎＧａＺｎＯ_４結晶構造を説明する図。 水素に関する欠陥の形成エネルギーを説明する図。 Ｖ_Ｏ－Ｈ間距離に対する相対エネルギーを説明する図。 Ｖ_Ｏ内から水素が抜け出す経路およびエネルギー変化を説明する図。 水素の拡散経路およびエネルギー変化を説明する図。 水素に関する欠陥の形成エネルギーを説明する図。

以下では、本明細書に開示する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、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱するこ
となく、その形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される
。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、図面等において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、理解の簡単のため、
実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、
必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。

なお、本明細書等における「第１」、「第２」、「第３」などの序数詞は、構成要素の
混同を避けるために付すものであり、数的に限定するものではないことを付記する。

なお、本明細書等において「上」や「下」の用語は、構成要素の位置関係が「直上」ま
たは「直下」であることを限定するものではない。例えば、「ゲート絶縁膜上のゲート電
極」の表現であれば、ゲート絶縁膜とゲート電極との間に他の構成要素を含むものを除外
しない。

また、本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に
限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり
、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「
配線」が一体となって形成されている場合なども含む。

また、「ソース」や「ドレイン」の機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合
や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このた
め、本明細書等においては、「ソース」や「ドレイン」の用語は、入れ替えて用いること
ができるものとする。

なお、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するも
の」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するも
の」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない
。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジス
タなどのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、キャパシタ、その他の各種機能を有
する素子などが含まれる。

（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４を
用いて説明する。

図１に、半導体装置に含まれるトランジスタの一例として、トップゲート・セルフアラ
イン構造のトランジスタの断面図を示す。

図１に示すトランジスタは、基板５１上に形成された絶縁膜５３と、絶縁膜５３上に形
成された酸化物半導体膜５５と、酸化物半導体膜５５に接するゲート絶縁膜５７と、ゲー
ト絶縁膜５７と接し、且つ酸化物半導体膜５５と重畳するゲート電極５９と、を有する。
なお、酸化物半導体膜５５は、第１の領域５５ａ及び該第１の領域５５ａを挟む第２の領
域５５ｂ、５５ｃを有する。また、ゲート電極５９は、酸化物半導体膜５５の第１の領域
５５ａと重畳する。トランジスタにおいて、第２の領域５５ｂ、５５ｃに接する窒化物絶
縁膜６５が設けられる。

また、窒化物絶縁膜６５に接する絶縁膜６７がトランジスタに設けられてもよい。また
、窒化物絶縁膜６５及び絶縁膜６７の開口部において、酸化物半導体膜５５の第２の領域
５５ｂ、５５ｃと接する一対の導電膜６８、６９が、トランジスタに設けられてもよい。

酸化物半導体膜５５において、第１の領域５５ａと、第２の領域５５ｂ、５５ｃとは、
不純物元素の濃度が異なる。不純物元素の代表例としては、水素、ホウ素、窒素、フッ素
、アルミニウム、リン、希ガス元素等がある。希ガス元素の代表例としては、ヘリウム、
ネオン、アルゴン、クリプトン及びキセノンがある。

不純物元素が希ガス元素であって、酸化物半導体膜５５をスパッタリング法で形成する
場合、第１の領域５５ａ及び第２の領域５５ｂ、５５ｃはそれぞれ希ガス元素を含む。さ
らに、第１の領域５５ａと比較して、第２の領域５５ｂ、５５ｃの方が、希ガス元素の濃
度が高い。これは、酸化物半導体膜５５がスパッタリング法で形成される場合、スパッタ
リングガスとして希ガスを用いるため、酸化物半導体膜５５に希ガスが含まれること、及
び第２の領域５５ｂ、５５ｃにおいて、酸素欠損を形成するために、意図的に希ガスを添
加することが原因である。なお、第２の領域５５ｂ、５５ｃにおいて、第１の領域５５ａ
と異なる希ガス元素が添加されていてもよい。

不純物元素が、水素、ホウ素、窒素、フッ素、アルミニウム、またはリンの場合、第２
の領域５５ｂ、５５ｃにのみ不純物元素を有する。このため、第１の領域５５ａと比較し
て、第２の領域５５ｂ、５５ｃの方が不純物元素の濃度が高い。

また、酸化物半導体膜５５において、第１の領域５５ａと、第２の領域５５ｂ、５５ｃ
とは、水素の濃度が異なる。具体的には、第１の領域５５ａと比較して、第２の領域５５
ｂ、５５ｃの方が水素の濃度が高い。

酸化物半導体膜５５において、窒化物絶縁膜６５と接することで、窒化物絶縁膜６５に
含まれる水素が酸化物半導体膜５５の第２の領域５５ｂ、５５ｃに拡散する。この結果、
第１の領域５５ａと比較して、第２の領域５５ｂ、５５ｃの方が水素の濃度が高い。

第２の領域５５ｂ、５５ｃの二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ
Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる水素濃度は、８×１０^１
９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、好ましくは１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、好ましく
は５×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である。なお、第１の領域５５ａの二次イオン質
量分析法により得られる水素濃度は、５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは
１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下
、好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは５×１０^１７ａｔｏｍｓ
／ｃｍ^３以下、好ましくは１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である。

第１の領域５５ａの水素濃度を上記範囲とすることで、第１の領域５５ａにおけるキャ
リアである電子の生成を抑制することが可能である。この結果、トランジスタは、しきい
値電圧がプラスとなる電気特性（ノーマリーオフ特性ともいう。）を有する。

酸化物半導体膜に含まれる酸素欠損と水素の相互作用により、酸化物半導体膜の抵抗率
が低減する。具体的には、酸化物半導体膜に含まれる酸素欠損に水素が入ることで、キャ
リアである電子が生成される。この結果、導電率が高くなる。酸化物半導体膜５５におい
て、第１の領域５５ａと比較して、第２の領域５５ｂ、５５ｃは、水素濃度が高く、且つ
不純物元素の添加による酸素欠損量が多い。このため、代表的には、第２の領域５５ｂ、
５５ｃの抵抗率は、１×１０^－３Ωｃｍ以上１×１０^４Ωｃｍ未満、さらに好ましくは、
抵抗率が１×１０^－３Ωｃｍ以上１×１０^－１Ωｃｍ未満である。

不純物元素の添加により酸素欠損が形成された酸化物半導体に水素を添加すると、酸素
欠損サイトに水素が入り伝導帯近傍にドナー準位が形成される。この結果、酸化物半導体
は、導電性が高くなり、導電体化する。導電体化された酸化物半導体を酸化物導電体とい
うことができる。一般に、酸化物半導体は、エネルギーギャップが大きいため、可視光に
対して透光性を有する。一方、酸化物導電体は、伝導帯近傍にドナー準位を有する酸化物
半導体である。したがって、該ドナー準位による吸収の影響は小さく、可視光に対して酸
化物半導体と同程度の透光性を有する。

よって、トランジスタにおいて、第２の領域５５ｂ、５５ｃは、酸化物導電体で形成さ
れている。また、第２の領域５５ｂ、５５ｃは、低抵抗領域として機能する。よって、図
１に示す構造のトランジスタは、オン電流が高い。

また、本実施の形態に示すトランジスタは、第２の領域５５ｂ、５５ｃに、不純物元素
の添加することで、酸素欠損を形成し、且つ水素を添加している。このため、第２の領域
５５ｂ、５５ｃにおける抵抗率を低減することが可能であるとともに、トランジスタごと
の第２の領域５５ｂ、５５ｃの抵抗率のばらつきを低減することが可能である。すなわち
、第２の領域に不純物元素を添加することで、第２の領域５５ｂ、５５ｃの抵抗率の制御
が可能である。

以下に、図１に示す構成の詳細について説明する。

基板５１としては、様々な基板を用いることができ、特定のものに限定されることはな
い。基板の一例としては、半導体基板（例えば単結晶基板またはシリコン基板）、ＳＯＩ
基板、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板、金属基板、ステンレス・スチル基板、
ステンレス・スチル・ホイルを有する基板、タングステン基板、タングステン・ホイルを
有する基板、可撓性基板、貼り合わせフィルム、繊維状の材料を含む紙、または基材フィ
ルムなどがある。ガラス基板の一例としては、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウ
ケイ酸ガラス、またはソーダライムガラスなどがある。可撓性基板、貼り合わせフィルム
、基材フィルムなどの一例としては、以下のものがあげられる。例えば、ポリエチレンテ
レフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルサルフォ
ン（ＰＥＳ）に代表されるプラスチックがある。または、一例としては、アクリル等の合
成樹脂などがある。または、一例としては、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリフッ化
ビニル、またはポリ塩化ビニルなどがある。または、一例としては、ポリアミド、ポリイ
ミド、アラミド、エポキシ、無機蒸着フィルム、または紙類などがある。特に、半導体基
板、単結晶基板、またはＳＯＩ基板などを用いてトランジスタを製造することによって、
特性、サイズ、または形状などのばらつきが少なく、電流能力が高く、サイズの小さいト
ランジスタを製造することができる。このようなトランジスタによって回路を構成すると
、回路の低消費電力化、または回路の高集積化を図ることができる。

また、基板５１として、可撓性基板を用い、可撓性基板上に直接、トランジスタを形成
してもよい。または、基板５１とトランジスタの間に剥離層を設けてもよい。剥離層は、
その上に半導体装置を一部あるいは全部完成させた後、基板５１より分離し、他の基板に
転載するのに用いることができる。その際、トランジスタは耐熱性の劣る基板や可撓性の
基板にも転載できる。なお、上述の剥離層には、例えば、タングステン膜と酸化シリコン
膜との無機膜の積層構造の構成や、基板上にポリイミド等の有機樹脂膜が形成された構成
等を用いることができる。

トランジスタが転載される基板の一例としては、上述したトランジスタを形成すること
が可能な基板に加え、紙基板、セロファン基板、アラミドフィルム基板、ポリイミドフィ
ルム基板、石材基板、木材基板、布基板（天然繊維（絹、綿、麻）、合成繊維（ナイロン
、ポリウレタン、ポリエステル）若しくは再生繊維（アセテート、キュプラ、レーヨン、
再生ポリエステル）などを含む）、皮革基板、またはゴム基板などがある。これらの基板
を用いることにより、特性のよいトランジスタの形成、消費電力の小さいトランジスタの
形成、壊れにくい装置の製造、耐熱性の付与、軽量化、または薄型化を図ることができる
。

絶縁膜５３は、酸化物絶縁膜または窒化物絶縁膜を単層または積層して形成することが
できる。なお、酸化物半導体膜５５との界面特性を向上させるため、絶縁膜５３において
少なくとも酸化物半導体膜５５と接する領域は酸化物絶縁膜で形成することが好ましい。
また、絶縁膜５３として加熱により酸素を放出する酸化絶縁膜を用いることで、加熱処理
により絶縁膜５３に含まれる酸素を、酸化物半導体膜５５に移動させることが可能である
ため好ましい。

絶縁膜５３として、例えば酸化シリコン膜、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、酸化ガリウム膜またはＧａ
－Ｚｎ酸化物膜などを用いればよく、積層または単層で設けることができる。

酸化物半導体膜５５は、代表的には、Ｉｎ－Ｇａ酸化物膜、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物膜、Ｉｎ
－Ｍ－Ｚｎ酸化物膜（Ｍは、Ａｌ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄ）等
の金属酸化物膜で形成される。なお、酸化物半導体膜５５は、透光性を有する。

なお、酸化物半導体膜５５がＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物であるとき、ＩｎとＭの原子数比率
は、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたときＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％より
多く、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％より多
く、Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。

酸化物半導体膜５５は、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上
、より好ましくは３ｅＶ以上である。

酸化物半導体膜５５の厚さは、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上１０
０ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。

酸化物半導体膜５５がＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物膜（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌ
ａ、Ｃｅ、またはＮｄ）の場合、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物膜を成膜するために用いるスパッ
タリングターゲットの金属元素の原子数比は、Ｉｎ≧Ｍ、Ｚｎ≧Ｍを満たすことが好まし
い。このようなスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比として、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ
＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：１．５、Ｉ
ｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：２．３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１
：２等が好ましい。なお、成膜される酸化物半導体膜５５の原子数比はそれぞれ、誤差と
して上記のスパッタリングターゲットに含まれる金属元素の原子数比のプラスマイナス４
０％の変動を含む。

また、酸化物半導体膜５５において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含ま
れると、酸化物半導体膜５５において酸素欠損が増加し、ｎ型化してしまう。このため、
酸化物半導体膜５５におけるシリコンや炭素の濃度（二次イオン質量分析法により得られ
る濃度）を、２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは２×１０^１７ａｔｏｍｓ
／ｃｍ^３以下とする。この結果、トランジスタは、しきい値電圧がプラスとなる電気特性
（ノーマリーオフ特性ともいう。）を有する。

また、酸化物半導体膜５５において、二次イオン質量分析法により得られるアルカリ金
属またはアルカリ土類金属の濃度を、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは
２×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下にする。アルカリ金属及びアルカリ土類金属は、酸
化物半導体と結合するとキャリアを生成する場合があり、トランジスタのオフ電流が増大
してしまうことがある。このため、酸化物半導体膜５５のアルカリ金属またはアルカリ土
類金属の濃度を低減することが好ましい。この結果、トランジスタは、しきい値電圧がプ
ラスとなる電気特性（ノーマリーオフ特性ともいう。）を有する。

また、酸化物半導体膜５５に窒素が含まれていると、キャリアである電子が生じ、キャ
リア密度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体を用い
たトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、当該酸化物半導体膜におい
て、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、二次イオン質量分析法に
より得られる窒素濃度は、５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下にすることが好ましい。

酸化物半導体膜５５の不純物を低減することで、酸化物半導体膜のキャリア密度を低減
することができる。このため、酸化物半導体膜１７は、キャリア密度が１×１０^１７個／
ｃｍ^３以下、好ましくは１×１０^１５個／ｃｍ^３以下、好ましくは１×１０^１３個／ｃｍ
^３以下、好ましくは１×１０^１１個／ｃｍ^３以下である。

酸化物半導体膜５５として、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜を
用いることで、さらに優れた電気特性を有するトランジスタを作製することができる。こ
こでは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い（酸素欠損量の少ない）ことを高純度真
性または実質的に高純度真性とよぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物
半導体は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる場合があ
る。従って、当該酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、しきい値
電圧がプラスとなる電気特性（ノーマリーオフ特性ともいう。）になりやすい。また、高
純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、欠陥準位密度が低いため、
トラップ準位密度も低くなる場合がある。また、高純度真性または実質的に高純度真性で
ある酸化物半導体膜は、オフ電流が著しく小さく、ソース電極とドレイン電極間の電圧（
ドレイン電圧）が１Ｖから１０Ｖの範囲において、オフ電流が、半導体パラメータアナラ
イザの測定限界以下、すなわち１×１０^－１３Ａ以下という特性を得ることができる。従
って、当該酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性の変動
が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる場合がある。

また、酸化物半導体膜５５は、例えば非単結晶構造でもよい。非単結晶構造は、例えば
、後述するＣＡＡＣ－ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ
Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶構造、後述する微結晶構造、または
非晶質構造を含む。非単結晶構造において、非晶質構造は最も欠陥準位密度が高く、ＣＡ
ＡＣ－ＯＳは最も欠陥準位密度が低い。

なお、酸化物半導体膜５５が、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領
域、ＣＡＡＣ－ＯＳの領域、単結晶構造の領域の二種以上を有する混合膜であってもよい
。混合膜は、例えば、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、ＣＡＡ
Ｃ－ＯＳの領域、単結晶構造の領域のいずれか二種以上の領域を有する単層構造の場合が
ある。また、混合膜は、例えば、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領
域、ＣＡＡＣ－ＯＳの領域、単結晶構造の領域のいずれか二種以上の領域の積層構造を有
する場合がある。

ゲート絶縁膜５７は、酸化物絶縁膜または窒化物絶縁膜を単層または積層して形成する
ことができる。なお、酸化物半導体膜５５との界面特性を向上させるため、ゲート絶縁膜
５７において少なくとも酸化物半導体膜５５と接する領域は酸化物絶縁膜で形成すること
が好ましい。ゲート絶縁膜５７として、例えば酸化シリコン膜、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、酸化ガリ
ウム膜またはＧａ－Ｚｎ酸化物膜などを用いればよく、積層または単層で設けることがで
きる。

また、ゲート絶縁膜５７として、酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する絶縁膜
を設けることで、酸化物半導体膜５５からの酸素の外部への拡散と、外部から酸化物半導
体膜５５への水素、水等の侵入を防ぐことができる。酸素、水素、水等のブロッキング効
果を有する絶縁膜としては、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、酸化ガリウ
ム膜、酸化窒化ガリウム膜、酸化イットリウム膜、酸化窒化イットリウム膜、酸化ハフニ
ウム膜、酸化窒化ハフニウム膜等がある。

また、ゲート絶縁膜５７として、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯ_ｘ）、窒素が添加
されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉ_ｘＯ_ｙＮ_ｚ）、窒素が添加されたハフニウムアル
ミネート（ＨｆＡｌ_ｘＯ_ｙＮ_ｚ）、酸化ハフニウム、酸化イットリウムなどのｈｉｇｈ－
ｋ材料を用いることでトランジスタのゲートリークを低減できる。

ゲート絶縁膜５７の厚さは、５ｎｍ以上４００ｎｍ以下、より好ましくは１０ｎｍ以上
３００ｎｍ以下、より好ましくは５０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下とするとよい。

ゲート電極５９は、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、ニッ
ケル、鉄、コバルト、タングステンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成
分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いて形成することができる
。また、マンガン、ジルコニウムのいずれか一または複数から選択された金属元素を用い
てもよい。また、ゲート電極１３は、単層構造でも、二層以上の積層構造としてもよい。
例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、マンガンを含む銅膜の単層構造、ア
ルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にチタン膜を積層する二
層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜または窒
化タングステン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、マンガンを含む銅膜上に銅膜
を積層する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を積層し、さらにそ
の上にチタン膜を形成する三層構造、マンガンを含む銅膜上に銅膜を積層し、さらにその
上にマンガンを含む銅膜を形成する三層構造等がある。また、アルミニウムに、チタン、
タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元
素の一または複数組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。

また、ゲート電極５９は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸
化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化
物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化シリコンを含む
インジウム錫酸化物等の透光性を有する導電性材料を適用することもできる。また、上記
透光性を有する導電性材料と、上記金属元素の積層構造とすることもできる。

窒化物絶縁膜６５として、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化
酸化アルミニウム等を用いて形成することができる。窒化物絶縁膜６５に含まれる水素濃
度は、１×１０^２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であると好ましい。

一対の導電膜６８、６９は、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリ
ウム、ジルコニウム、モリブデン、鉄、コバルト、銀、タンタル、またはタングステンな
どの金属、またはこれを主成分とする合金を単層構造または積層構造として用いる。例え
ば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、マンガンを含む銅膜の単層構造、チタン
膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、タングステン膜上にアルミニウム膜を積層す
る二層構造、銅－マグネシウム－アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタ
ン膜上に銅膜を積層する二層構造、タングステン膜上に銅膜を積層する二層構造、マンガ
ンを含む銅膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜または窒化チタン膜と、そのチタン
膜または窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチ
タン膜または窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と
、そのモリブデン膜または窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層
し、さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構造、マンガン
を含む銅膜上に銅膜を積層し、さらにその上にマンガンを含む銅膜を形成する三層構造等
がある。なお、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよ
い。

絶縁膜６７は、絶縁膜５３またはゲート絶縁膜５７の材料を適宜用いることができる。

次に、図１に示すトランジスタの作製方法について、図２及び図３を用いて説明する。

トランジスタ１０を構成する膜（絶縁膜、酸化物半導体膜、金属酸化物膜、導電膜等）
は、スパッタリング法、化学気相堆積（ＣＶＤ）法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積（
ＰＬＤ）法を用いて形成することができる。あるいは、塗布法や印刷法で形成することが
できる。成膜方法としては、スパッタリング法、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）法
が代表的であるが、熱ＣＶＤ法でもよい。熱ＣＶＤ法の例として、ＭＯＣＶＤ（有機金属
化学気相堆積）法やＡＬＤ（原子層成膜）法を使ってもよい。

熱ＣＶＤ法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、原料ガスと酸化剤を同時にチ
ャンバー内に送り、基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで成膜を
行う。このように、熱ＣＶＤ法は、プラズマを発生させない成膜方法であるため、プラズ
マダメージにより欠陥が生成されることが無いという利点を有する。

また、ＡＬＤ法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、反応のための原料ガスが
順次にチャンバーに導入され、そのガス導入の順序を繰り返すことで成膜を行う。例えば
、それぞれのスイッチングバルブ（高速バルブともよぶ。）を切り替えて２種類以上の原
料ガスを順番にチャンバーに供給し、複数種の原料ガスが混ざらないように第１の原料ガ
スと同時またはその後に不活性ガス（アルゴン、或いは窒素など）などを導入し、第２の
原料ガスを導入する。なお、同時に不活性ガスを導入する場合には、不活性ガスはキャリ
アガスとなり、また、第２の原料ガスの導入時にも同時に不活性ガスを導入してもよい。
また、不活性ガスを導入する代わりに真空排気によって第１の原料ガスを排出した後、第
２の原料ガスを導入してもよい。第１の原料ガスが基板の表面に吸着して第１の単原子層
を成膜し、後から導入される第２の原料ガスと反応して、第２の単原子層が第１の単原子
層上に積層されて薄膜が形成される。

このガス導入順序を制御しつつ所望の厚さになるまで複数回繰り返すことで、段差被覆
性に優れた薄膜を形成することができる。薄膜の厚さは、ガス導入順序を繰り返す回数に
よって調節することができるため、精密な膜厚調節が可能であり、微細なトランジスタを
作製する場合に適している。

図２（Ａ）に示すように、基板５１上に、絶縁膜５３及び酸化物半導体膜５４を形成す
る。

絶縁膜５３は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）
法、印刷法、塗布法等を適宜用いて形成することができる。また、基板５１上に絶縁膜を
形成した後、該絶縁膜に酸素を添加して、絶縁膜５３を形成することができる。絶縁膜に
添加する酸素としては、酸素ラジカル、酸素原子、酸素原子イオン、酸素分子イオン等が
ある。また、添加方法としては、イオンドーピング法、イオン注入法、プラズマ処理法等
がある。

酸化物半導体膜５４の形成方法について以下に説明する。絶縁膜５３上にスパッタリン
グ法、塗布法、パルスレーザー蒸着法、レーザーアブレーション法、熱ＣＶＤ法等により
酸化物半導体膜を形成する。次に、酸化物半導体膜上にリソグラフィ工程によりマスクを
形成した後、該マスクを用いて酸化物半導体膜の一部をエッチングすることで、図２（Ａ
）に示すように、酸化物半導体膜５４を形成することができる。この後、マスクを除去す
る。

また、酸化物半導体膜５４として印刷法を用いることで、素子分離された酸化物半導体
膜５４を直接形成することができる。

スパッタリング法で酸化物半導体膜を形成する場合、プラズマを発生させるための電源
装置は、ＲＦ電源装置、ＡＣ電源装置、ＤＣ電源装置等を適宜用いることができる。

スパッタリングガスは、希ガス（代表的にはアルゴン）、酸素、希ガス及び酸素の混合
ガスを適宜用いる。なお、希ガス及び酸素の混合ガスの場合、希ガスに対して酸素のガス
比を高めることが好ましい。

また、ターゲットは、形成する酸化物半導体膜の組成にあわせて、適宜選択すればよい
。

なお、酸化物半導体膜を形成する際に、例えば、スパッタリング法を用いる場合、基板
温度を１５０℃以上７５０℃以下、好ましくは１５０℃以上４５０℃以下、さらに好まし
くは２００℃以上３５０℃以下として、酸化物半導体膜を成膜することで、ＣＡＡＣ－Ｏ
Ｓ膜を形成することができる。

また、後述する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抑制することで、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、二酸化炭素及び窒素など）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。

また、酸化物半導体膜を形成した後、加熱処理を行い、酸化物半導体膜の脱水素化また
は脱水化をしてもよい。加熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上基板歪み点未満、
好ましくは２５０℃以上４５０℃以下、更に好ましくは３００℃以上４５０℃以下とする
。

加熱処理は、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン、クリプトン等の希ガス、または
窒素を含む不活性ガス雰囲気で行う。または、不活性ガス雰囲気で加熱した後、酸素雰囲
気で加熱してもよい。なお、上記不活性雰囲気及び酸素雰囲気に水素、水などが含まれな
いことが好ましい。処理時間は３分以上２４時間以下とする。

該加熱処理は、電気炉、ＲＴＡ装置等を用いることができる。ＲＴＡ装置を用いること
で、短時間に限り、基板の歪み点以上の温度で熱処理を行うことができる。そのため加熱
処理時間を短縮することができる。

酸化物半導体膜を加熱しながら成膜することで、さらには酸化物半導体膜を形成した後
、加熱処理を行うことで、酸化物半導体膜において、水素濃度を５×１０^１９ａｔｏｍｓ
／ｃｍ^３以下、より好ましくは１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、５×１０^１８ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは
５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ
^３以下とすることができる。

ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化物半導体膜、例えばＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ膜を成
膜する場合には、Ｉｎ（ＣＨ_３）_３ガスとＯ_３ガスを順次繰り返し導入してＩｎ－Ｏ層を
形成し、その後、Ｇａ（ＣＨ_３）_３ガスとＯ_３ガスを同時に導入してＧａ－Ｏ層を形成し
、更にその後Ｚｎ（ＣＨ_３）_２とＯ_３ガスを同時に導入してＺｎ－Ｏ層を形成する。なお
、これらの層の順番はこの例に限らない。また、これらのガスを混ぜてＩｎ－Ｇａ－Ｏ層
やＩｎ－Ｚｎ－Ｏ層、Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ層などの混合化合物層を形成してもよい。なお、Ｏ
_３ガスに変えてＡｒ等の不活性ガスでバブリングしたＨ_２Ｏガスを用いてもよいが、Ｈを
含まないＯ_３ガスを用いる方が好ましい。また、Ｉｎ（ＣＨ_３）_３ガスにかえて、Ｉｎ（
Ｃ_２Ｈ_５）_３ガスを用いてもよい。また、Ｇａ（ＣＨ_３）_３ガスにかえて、Ｇａ（Ｃ_２Ｈ
_５）_３ガスを用いてもよい。また、Ｚｎ（ＣＨ_３）_２ガスを用いてもよい。

ここでは、スパッタリング法により、厚さ３５ｎｍの酸化物半導体膜を形成した後、当
該酸化物半導体膜上にマスクを形成し、酸化物半導体膜の一部を選択的にエッチングする
。次に、マスクを除去した後、窒素及び酸素を含む混合ガス雰囲気で加熱処理を行うこと
で、酸化物半導体膜５４を形成する。

なお、加熱処理は、３５０℃より高く６５０℃以下、好ましくは４５０℃以上６００℃
以下で行うことで、後述するＣＡＡＣ化率が、６０％以上１００％未満、好ましくは８０
％以上１００％未満、好ましくは９０％以上１００％未満、より好ましくは９５％以上９
８％以下である酸化物半導体膜を得ることができる。また、水素、水等の含有量が低減さ
れた酸化物半導体膜を得ることが可能である。すなわち、不純物濃度が低く、欠陥準位密
度の低い酸化物半導体膜を形成することができる。

次に、図２（Ｂ）に示すように、絶縁膜５６を形成した後、ゲート電極５９を形成する
。

絶縁膜５６は、のちの工程によりゲート絶縁膜となる絶縁膜である。絶縁膜５６は、ス
パッタリング法、ＣＶＤ法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法、熱ＣＶＤ法
等で形成する。

絶縁膜５６として酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形成する場合、原料ガス
としては、シリコンを含む堆積性気体及び酸化性気体を用いることが好ましい。シリコン
を含む堆積性気体の代表例としては、シラン、ジシラン、トリシラン、フッ化シラン等が
ある。酸化性気体としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素、二酸化窒素等がある。

また、絶縁膜５６として酸化ガリウム膜を形成する場合、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏ
ｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成
することができる。

また、絶縁膜５６として、ＭＯＣＶＤ法やＡＬＤ法などの熱ＣＶＤ法を用いて、酸化ハ
フニウム膜を形成する場合には、溶媒とハフニウム前駆体化合物を含む液体（ハフニウム
アルコキシド溶液、代表的にはテトラキスジメチルアミドハフニウム（ＴＤＭＡＨ））を
気化させた原料ガスと、酸化剤としてオゾン（Ｏ_３）の２種類のガスを用いる。なお、テ
トラキスジメチルアミドハフニウムの化学式はＨｆ［Ｎ（ＣＨ_３）_２］_４である。また、
他の材料液としては、テトラキス（エチルメチルアミド）ハフニウムなどがある。

また、絶縁膜５６として、ＭＯＣＶＤ法やＡＬＤ法などの熱ＣＶＤ法を用いて、酸化ア
ルミニウム膜を形成する場合には、溶媒とアルミニウム前駆体化合物を含む液体（トリメ
チルアルミニウムＴＭＡなど）を気化させた原料ガスと、酸化剤としてＨ_２Ｏの２種類の
ガスを用いる。なお、トリメチルアルミニウムの化学式はＡｌ（ＣＨ_３）_３である。また
、他の材料液としては、トリス（ジメチルアミド）アルミニウム、トリイソブチルアルミ
ニウム、アルミニウムトリス（２，２，６，６－テトラメチル－３，５－ヘプタンジオナ
ート）などがある。なお、ＡＬＤ法で形成することで、被覆率が高く、膜厚の薄い絶縁膜
５６を形成することが可能である。

また、絶縁膜５６として、ＭＯＣＶＤ法やＡＬＤ法などの熱ＣＶＤ法を用いて、酸化シ
リコン膜を形成する場合には、ヘキサクロロジシランを被成膜面に吸着させ、吸着物に含
まれる塩素を除去し、酸化性ガス（Ｏ_２、一酸化二窒素）のラジカルを供給して吸着物と
反応させる。

ここでは、絶縁膜５６として、プラズマＣＶＤ法により酸化窒化シリコン膜を形成する
。

ゲート電極５９の形成方法を以下に示す。はじめに、スパッタリング法、真空蒸着法、
パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法、熱ＣＶＤ法等により導電膜を形成し、導電膜上にリソ
グラフィ工程によりマスクを形成する。次に、該マスクを用いて導電膜の一部をエッチン
グして、ゲート電極５９を形成する。この後、マスクを除去する。

なお、ゲート電極５９は、上記形成方法の代わりに、電解メッキ法、印刷法、インクジ
ェット法等で形成してもよい。

また、ＡＬＤを利用する成膜装置により導電膜としてタングステン膜を成膜することが
できる。この場合には、ＷＦ_６ガスとＢ_２Ｈ_６ガスを順次繰り返し導入して初期タングス
テン膜を形成し、その後、ＷＦ_６ガスとＨ_２ガスを同時に導入してタングステン膜を形成
する。なお、Ｂ_２Ｈ_６ガスに代えてＳｉＨ_４ガスを用いてもよい。

次に、図２（Ｃ）に示すように、ゲート電極５９をマスクとして絶縁膜５６をエッチン
グして、ゲート絶縁膜５７を形成する。

次に、図２（Ｄ）に示すように、ゲート電極５９をマスクとして、酸化物半導体膜５４
に不純物元素６２を添加する。この結果、酸化物半導体膜においてゲート電極５９に覆わ
れていない領域に不純物元素６２が添加される。なお、不純物元素６２の添加によるダメ
ージを受け、酸化物半導体膜には、欠陥、代表的には酸素欠損が形成される。

不純物元素６２の添加方法としては、イオンドーピング法、イオン注入法、プラズマ処
理法等がある。

不純物元素６２の添加は、加速電圧、ドーズ量などの注入条件を適宜設定して制御すれ
ばよい。例えば、イオン注入法でアルゴンの添加を行う場合、加速電圧１０ｋＶ、ドーズ
量は１×１０^１３ｉｏｎｓ／ｃｍ^２以上１×１０^１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２以下とすればよく
、例えば、１×１０^１４ｉｏｎｓ／ｃｍ^２とすればよい。また、イオン注入法でリンイオ
ンの添加を行う場合、加速電圧３０ｋＶ、ドーズ量は１×１０^１３ｉｏｎｓ／ｃｍ^２以上
５×１０^１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２以下とすればよく、例えば、１×１０^１５ｉｏｎｓ／ｃｍ
^２とすればよい。

なお、不純物元素６２の代わりに、酸化物半導体膜５４に紫外線等を照射して、酸化物
半導体膜５４に酸素欠損を形成してもよい。または、酸化物半導体膜５４にレーザ光を照
射して、酸化物半導体膜５４に酸素欠損を形成してもよい。

次に、図３（Ａ）に示すように、酸化物半導体膜５４、ゲート絶縁膜５７、及びゲート
電極５９上に、窒化物絶縁膜６４を形成する。窒化物絶縁膜６４の形成方法としては、ス
パッタリング法、ＣＶＤ法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法等がある。

窒化物絶縁膜６４には水素が含まれているため、酸化物半導体膜５４において、不純物
元素が添加された領域と窒化物絶縁膜６４とが接することで、窒化物絶縁膜６４に含まれ
る水素が、酸化物半導体膜であって、且つ不純物元素が添加された領域に移動する。この
結果、不純物元素が添加されない第１の領域５５ａ及び不純物元素及び水素を含む第２の
領域５５ｂ、５５ｃを有する酸化物半導体膜５５が形成される。なお、第２の領域５５ｂ
、５５ｃに含まれる水素は一部拡散するため、第２の領域５５ｂ、５５ｃの一部はゲート
絶縁膜５７と重なる場合がある。

第２の領域５５ｂ、５５ｃは、第１の領域５５ａを挟む。

また、第２の領域５５ｂ、５５ｃは、不純物元素の添加により生じた酸素欠損、及び水
素が含まれる。酸素欠損及び水素の相互作用により、第２の領域５５ｂ、５５ｃは導電性
が高くなる。すなわち、第２の領域５５ｂ、５５ｃは、低抵抗領域となる。

次に、加熱処理を行ってもよい。該加熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上基板
歪み点未満、好ましくは２００℃以上４５０℃以下、更に好ましくは３００℃以上４５０
℃以下とする。当該工程により、第２の領域５５ｂ、５５ｃの導電性がさらに高まる。

次に、図３（Ｂ）に示すように、絶縁膜６６を形成してもよい。絶縁膜６６を形成する
ことで、のちに形成される一対の導電膜と、ゲート電極５９との間における寄生容量を低
減することができる。

次に、窒化物絶縁膜６４及び絶縁膜６６に開口部を形成し、第２の領域５５ｂ、５５ｃ
の一部を露出させた後、一対の導電膜６８、６９を形成する（図３（Ｃ）参照。）。

一対の導電膜６８、６９は、ゲート電極５９と同様の形成方法を適宜用いることができ
る。

以上の工程により、トランジスタを作製することができる。

本実施の形態に示すトランジスタは、ゲート電極５９と、一対の導電膜６８、６９が重
なる領域がないため、寄生容量を低減することが可能であり、オン電流が大きい。また、
本実施の形態に示すトランジスタは、安定して抵抗率の低い領域を形成可能なため、従来
と比べ、オン電流は向上し、電気特性のバラツキは低減する。

＜トランジスタのＩｄ－Ｖｇ特性とオフセット領域のドナー密度について＞
ここで、トランジスタのＩｄ－Ｖｇ特性とオフセット領域のドナー密度について計算し
た結果を説明する。

計算に使用したモデルを図１８に示す。図１８に示すトランジスタは、基板５１と、基
板５１上に形成された絶縁膜５２と、絶縁膜５２上に形成された絶縁膜５３と、絶縁膜５
３上に形成される酸化物半導体膜５５と、酸化物半導体膜５５に接するゲート絶縁膜５７
と、ゲート絶縁膜５７と接するゲート電極５９と、を有する。なお、酸化物半導体膜５５
は、第１の領域５５ａ及び該第１の領域５５ａを挟む第２の領域５５ｂ、５５ｃを有する
。ゲート電極５９は、酸化物半導体膜５５の第１の領域５５ａと重畳する。第２の領域５
５ｂは、導電膜６８と接するソース領域またはドレイン領域（以下、Ｓ／Ｄ領域と示す。
）５５ｂ＿２と、第１の領域５５ａ及びＳ／Ｄ領域５５ｂ＿２の間のオフセット領域（以
下、Ｌｏｆｆ領域という。）５５ｂ＿１と、領域５５ｂ＿３とを有する。また、第２の領
域５５ｃは、導電膜６９と接するＳ／Ｄ領域５５ｃ＿２と、第１の領域５５ａ及びＳ／Ｄ
領域５５ｃ＿２の間のＬｏｆｆ領域５５ｃ＿１と、領域５５ｃ＿３とを有する。Ｌｏｆｆ
領域５５ｂ＿１、５５ｃ＿１はゲート電極５９と重ならない。トランジスタにおいて、第
２の領域５５ｂ、５５ｃに接する窒化物絶縁膜６５が設けられる。

また、窒化物絶縁膜６５に接する絶縁膜６７がトランジスタに設けられる。窒化物絶縁
膜６５及び絶縁膜６７の開口部において、酸化物半導体膜５５の第２の領域５５ｂ、５５
ｃと接する一対の導電膜６８、６９が、トランジスタに設けられる。

次に、計算に用いたパラメータを表１に示す。

トランジスタは、Ｌｏｆｆ領域５５ｂ＿１、５５ｃ＿１を有する。Ｌｏｆｆ領域５５ｂ
＿１、５５ｃ＿１のドナー密度が小さいと、Ｌｏｆｆ領域５５ｂ＿１、５５ｃ＿１が寄生
抵抗となってしまい、オン電流の低下の原因となる。そこで図１８に示したモデル及び表
１に示したパラメータを使って、Ｌｏｆｆ領域５５ｂ＿１、５５ｃ＿１のドナー密度と、
トランジスタのＩｄ－Ｖｇ特性の関係を計算した。Ｌｏｆｆ領域のドナー密度を１×１０
^１４［１／ｃｍ^３］、１×１０^１５［１／ｃｍ^３］、１×１０^１６［１／ｃｍ^３］、１×
１０^１７［１／ｃｍ^３］、１×１０^１８［１／ｃｍ^３］、１×１０^１９［１／ｃｍ^３］と
して、トランジスタのＩｄ－Ｖｇ特性を計算した結果を、図１９示す。

図１９に示したグラフから分かるように、Ｌｏｆｆ領域のドナー密度が低いときには、
オン電流が低く、移動度も劣化している。一方Ｌｏｆｆ領域のドナー密度が高いときは、
オン電流や移動度の劣化は認められず、優れたＩｄ－Ｖｇ特性が得られている。

次に、図２０にオン電流と移動度（飽和移動度の最大値）をドナー密度に対してプロッ
トしたグラフを示す。図２０において、左縦軸はオン電流を示し、右縦軸は移動度をし、
横軸は、Ｌｏｆｆ領域におけるドナー密度の指数を示す。また、図２０において、四角印
はゲート電圧が１０Ｖのときのオン電流を示し、三角印は、ゲート電圧が２０Ｖのときの
オン電流を示し、菱型印は、ゲート電圧が１０Ｖのときの移動度を示す。

図２０から、優れたオン電流や移動度を得るためには、理想系のトランジスタにおいて
は少なくとも１×１０^１８［１／ｃｍ^３］のドナーをＬｏｆｆ領域に添加することが必要
となることが分かる。

次に、トランジスタの飽和特性を調べるために、Ｉｄ－Ｖｄ特性を計算した結果を図２
１に示す。なお、図２１において、グラフごとに縦軸のスケールが異なっている。

図２１に示したＩｄ－Ｖｄ特性において、Ｌｏｆｆ領域のドナー密度が１×１０^１７［
１／ｃｍ^３］以下のモデルでは、線形領域のＩｄ－Ｖｄ曲線の形状が、通常のＦＥＴの特
性とは異なっていることが分かる。一方、Ｌｏｆｆ領域のドナー密度が１×１０^１８［１
／ｃｍ^３］以上のモデルでは、線形領域、飽和領域ともに優れた特性を示す。

以上の計算結果から、少なくとも１×１０^１８［１／ｃｍ^３］のドナーをＬｏｆｆ領域
に導入することで、優れたＩｄ－Ｖｄ特性のトランジスタを作製するが可能であることが
分かる。

＜酸化物導電体膜＞
ここで、酸化物導電体で形成される膜（以下、酸化物導電体膜という。）における、抵
抗率の温度依存性について、図２２を用いて説明する。

ここでは、酸化物導電体膜を有する試料を作製した。酸化物導電体膜としては、酸化物
半導体膜が窒化シリコン膜に接することで形成された酸化物導電体膜（ＯＣ＿ＳｉＮ_ｘ）
、ドーピング装置において酸化物半導体膜にアルゴンが添加され、且つ窒化シリコン膜と
接することで形成された酸化物導電体膜（ＯＣ＿Ａｒ ｄｏｐｅ＋ＳｉＮ_ｘ）、またはプ
ラズマ処理装置において酸化物半導体膜がアルゴンプラズマに曝され、且つ窒化シリコン
膜と接することで形成された酸化物導電体膜（ＯＣ＿Ａｒ ｐｌａｓｍａ＋ＳｉＮ_ｘ）を
作製した。なお、窒化シリコン膜は、水素を含む。

酸化物導電体膜（ＯＣ＿ＳｉＮ_ｘ）を含む試料の作製方法を以下に示す。ガラス基板上
に、厚さ４００ｎｍの酸化窒化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法により形成した後、酸素プ
ラズマに曝し、酸素イオンを酸化窒化シリコン膜に添加することで、加熱により酸素を放
出する酸化窒化シリコン膜を形成した。次に、加熱により酸素を放出する酸化窒化シリコ
ン膜上に、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２のＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物をス
パッタリングターゲットに用いたスパッタリング法により、厚さ１００ｎｍのＩｎ－Ｇａ
－Ｚｎ酸化物膜を形成し、４５０℃の窒素雰囲気で加熱処理した後、４５０℃の窒素及び
酸素の混合ガス雰囲気で加熱処理した。次に、プラズマＣＶＤ法で、厚さ１００ｎｍの窒
化シリコン膜を形成した。次に、３５０℃の窒素及び酸素の混合ガス雰囲気で加熱処理し
た。

酸化物導電体膜（ＯＣ＿Ａｒ ｄｏｐｅ＋ＳｉＮ_ｘ）を含む試料の作製方法を以下に示
す。ガラス基板上に、厚さ４００ｎｍの酸化窒化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法により形
成した後、酸素プラズマに曝し、酸素イオンを酸化窒化シリコン膜に添加することで、加
熱により酸素を放出する酸化窒化シリコン膜を形成した。次に、加熱により酸素を放出す
る酸化窒化シリコン膜上に、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２のＩｎ－Ｇａ
－Ｚｎ酸化物をスパッタリングターゲットに用いたスパッタリング法により、厚さ１００
ｎｍのＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物膜を形成し、４５０℃の窒素雰囲気で加熱処理した後、４
５０℃の窒素及び酸素の混合ガス雰囲気で加熱処理した。次に、ドーピング装置を用いて
、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物膜に、加速電圧を１０ｋＶとし、ドーズ量が５×１０^１４／ｃ
ｍ^２のアルゴンを添加して、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物膜に酸素欠損を形成した。次に、プ
ラズマＣＶＤ法で、厚さ１００ｎｍの窒化シリコン膜を形成した。次に、３５０℃の窒素
及び酸素の混合ガス雰囲気で加熱処理した。

酸化物導電体膜（ＯＣ＿Ａｒ ｐｌａｓｍａ＋ＳｉＮ_ｘ）を含む試料の作製方法を以下
に示す。ガラス基板上に、厚さ４００ｎｍの酸化窒化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法によ
り形成した後、酸素プラズマに曝すことで、加熱により酸素を放出する酸化窒化シリコン
膜を形成した。次に、加熱により酸素を放出する酸化窒化シリコン膜上に、原子数比がＩ
ｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２のＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物をスパッタリングターゲット
に用いたスパッタリング法により、厚さ１００ｎｍのＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物膜を形成し
、４５０℃の窒素雰囲気で加熱処理した後、４５０℃の窒素及び酸素の混合ガス雰囲気で
加熱処理した。次に、プラズマ処理装置において、アルゴンプラズマを発生させ、加速さ
せたアルゴンイオンをＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物膜に衝突させることで酸素欠損を形成した
。次に、プラズマＣＶＤ法で、厚さ１００ｎｍの窒化シリコン膜を形成した。次に、３５
０℃の窒素及び酸素の混合ガス雰囲気で加熱処理した。

次に、各試料の抵抗率を測定した結果を図２２に示す。ここで、抵抗率の測定は４端子
のｖａｎ－ｄｅｒ－Ｐａｕｗ法で行った。図２２において、横軸は測定温度を示し、縦軸
は抵抗率を示す。また、酸化物導電体膜（ＯＣ＿ＳｉＮ_ｘ）の測定結果を四角印で示し、
酸化物導電体膜（ＯＣ＿Ａｒ ｄｏｐｅ＋ＳｉＮ_ｘ）の測定結果を丸印で示し、酸化物導
電体膜（ＯＣ＿Ａｒ ｐｌａｓｍａ＋ＳｉＮ_ｘ）の測定結果を三角印で示す。

なお、図示しないが、窒化シリコン膜と接しない酸化物半導体膜は、抵抗率が高く、抵
抗率の測定が困難であった。このため、酸化物導電体膜は、酸化物半導体膜より抵抗率が
低いことがわかる。

図２２からわかるように、酸化物導電体膜（ＯＣ＿Ａｒ ｄｏｐｅ＋ＳｉＮ_ｘ）及び酸
化物導電体膜（ＯＣ＿Ａｒ ｐｌａｓｍａ＋ＳｉＮ_ｘ）は、酸素欠損及び水素を含むため
、抵抗率の変動が小さい。代表的には、８０Ｋ以上２９０Ｋ以下において、抵抗率の変動
率は、±２０％未満である。または、１５０Ｋ以上２５０Ｋ以下において、抵抗率の変動
率は、±１０％未満である。即ち、酸化物導電体は、縮退半導体であり、伝導帯端とフェ
ルミ準位とが一致または略一致していると推定される。このため、酸化物導電体膜をトラ
ンジスタのソース領域及びドレイン領域として用いることで、酸化物導電体膜とソース電
極及びドレイン電極として機能する導電膜との接触がオーミック接触となり、酸化物導電
体膜とソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜との接触抵抗を低減できる。ま
た、酸化物導電体の抵抗率は温度依存性が低いため、酸化物導電体膜とソース電極及びド
レイン電極として機能する導電膜との接触抵抗の変動量が少なく、信頼性の高いトランジ
スタを作製することが可能である。

＜変形例１＞
ここでは、本実施の形態に示すトランジスタの変形例について、図２３乃至図２５を用
いて説明する。図２３に示すトランジスタは、基板８２１上の絶縁膜８２４上に形成され
た酸化物半導体膜８２８と、酸化物半導体膜８２８に接する絶縁膜８３７と、絶縁膜８３
７と接し且つ酸化物半導体膜８２８と重畳する導電膜８４０と、を有する。なお、絶縁膜
８３７は、ゲート絶縁膜としての機能を有する。また、導電膜８４０は、ゲート電極とし
ての機能を有する。

また、酸化物半導体膜８２８に接する絶縁膜８４６、及び絶縁膜８４６に接する絶縁膜
８４７が、トランジスタに設けられている。また、絶縁膜８４６及び絶縁膜８４７の開口
部において、酸化物半導体膜８２８と接する導電膜８５６、８５７が、トランジスタに設
けられている。なお、導電膜８５６、８５７は、ソース電極及びドレイン電極としての機
能を有する。また、絶縁膜８４７及び導電膜８５６、８５７と接する絶縁膜８６２が設け
られている。

なお、本実施の形態に示すトランジスタの構成要素、並び該構成要素に接する導電膜及
び絶縁膜は、他の実施の形態に示すトランジスタの構成、並びに該構成に接する導電膜及
び絶縁膜を適宜用いることができる。

図２３（Ａ）に示すトランジスタにおいて、酸化物半導体膜８２８は、導電膜８４０と
重なる領域に形成される領域８２８ａと、領域８２８ａを挟み、且つ不純物元素を含む領
域８２８ｂ、８２８ｃとを有する。また、導電膜８５６、８５７は、領域８２８ｂ、８２
８ｃと接する。領域８２８ａはチャネル領域として機能する。領域８２８ｂ、８２８ｃは
、領域８２８ａと比較して、抵抗率が低く、低抵抗領域ということができる。また、領域
８２８ｂ、８２８ｃは、ソース領域及びドレイン領域として機能する。

または、図２３（Ｂ）に示すトランジスタのように、酸化物半導体膜８２８において、
導電膜８５６、８５７と接する領域８２８ｄ、８２８ｅに、不純物元素が添加されていな
くともよい。この場合、導電膜８５６、８５７と接する領域８２８ｄ、８２８ｅと領域８
２８ａとの間に、不純物元素を有する領域８２８ｂ、８２８ｃを有する。なお、領域８２
８ｄ、８２８ｅは、導電膜８５６、８５７に電圧が印加されると導電性を有するため、ソ
ース領域及びドレイン領域としての機能を有する。

なお、図２３（Ｂ）に示すトランジスタは、導電膜８５６、８５７を形成した後、導電
膜８４０及び導電膜８５６、８５７をマスクとして、不純物元素を酸化物半導体膜に添加
することで、形成できる。

導電膜８４０において、導電膜８４０の端部がテーパ形状であってもよい。即ち、絶縁
膜８３７及び導電膜８４０が接する面と、導電膜８４０の側面となす角度θ１が、９０°
未満、または１０°以上８５°以下、または１５°以上８５°以下、または３０°以上８
５°以下、または４５°以上８５°以下、または６０°以上８５°以下であってもよい。
角度θ１を、９０°未満、または１０°以上８５°以下、または１５°以上８５°以下、
または３０°以上８５°以下、または４５°以上８５°以下、または６０°以上８５°以
下とすることで、絶縁膜８３７及び導電膜８４０の側面における絶縁膜８４６の被覆性を
高めることが可能である。

次に、領域８２８ｂ、８２８ｃの変形例について説明する。なお、図２３（Ｃ）乃至図
２３（Ｆ）は、図２３（Ａ）に示す酸化物半導体膜８２８の近傍の拡大図である。ここで
は、チャネル長Ｌは、一対の不純物元素を含む領域の間隔である。

図２３（Ｃ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、領域８２８ａ及び領
域８２８ｂ、８２８ｃの境界が、絶縁膜８３７を介して、導電膜８４０の端部と、一致ま
たは略一致している。即ち、上面形状において、領域８２８ａ及び領域８２８ｂ、８２８
ｃの境界が、導電膜８４０の端部と、一致または該略一致している。

または、図２３（Ｄ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、領域８２８
ａが、導電膜８４０の端部と重ならない領域を有する。該領域はオフセット領域としての
機能を有する。チャネル長方向におけるオフセット領域の長さをＬ_ｏｆｆと示す。なお、
オフセット領域が複数ある場合は、一つのオフセット領域の長さをＬ_ｏｆｆという。Ｌ_ｏ
ｆｆは、チャネル長Ｌに含まれる。また、Ｌ_ｏｆｆは、チャネル長Ｌの２０％未満、また
は１０％未満、または５％未満、または２％未満である。

または、図２３（Ｅ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、領域８２８
ｂ、８２８ｃが、絶縁膜８３７を介して、導電膜８４０と重なる領域を有する。該領域は
オーバーラップ領域としての機能を有する。チャネル長方向におけるオーバーラップ領域
の長さをＬ_ｏｖと示す。Ｌ_ｏｖは、チャネル長Ｌの２０％未満、または１０％未満、また
は５％未満、または２％未満である。

または、図２３（Ｆ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、領域８２８
ａと領域８２８ｂの間に領域８２８ｆを有し、領域８２８ａと領域８２８ｃの間に領域８
２８ｇを有する。領域８２８ｆ、８２８ｇは、領域８２８ｂ、８２８ｃより不純物元素の
濃度が低く、抵抗率が高い。ここでは、領域８２８ｆ、８２８ｇは、絶縁膜８３７と重な
るが、絶縁膜８３７及び導電膜８４０と重なってもよい。

なお、図２３（Ｃ）乃至図２３（Ｆ）においては、図２３（Ａ）に示すトランジスタの
説明をしたが、図２３（Ｂ）に示すトランジスタにおいても、図２３（Ｃ）乃至図２３（
Ｆ）の構造を適宜適用することができる。

図２４（Ａ）に示すトランジスタは、絶縁膜８３７の端部が、導電膜８４０の端部より
外側に位置する。即ち、絶縁膜８３７が、導電膜８４０から迫り出した形状を有する。領
域８２８ａから絶縁膜８４６を遠ざけることが可能であるため、絶縁膜８４６に含まれる
窒素、水素等が、チャネル領域として機能する領域８２８ａに入り込むのを抑制すること
ができる。

図２４（Ｂ）に示すトランジスタは、絶縁膜８３７及び導電膜８４０がテーパ形状であ
り、且つそれぞれのテーパ部の角度が異なる。即ち、絶縁膜８３７及び導電膜８４０が接
する面と、導電膜８４０の側面のなす角度θ１と、酸化物半導体膜８２８及び絶縁膜８３
７が接する面と、絶縁膜８３７の側面のなす角度θ２との角度が異なる。角度θ２は、９
０°未満、または３０°以上８５°以下、または４５°以上７０°以下であってもよい。
例えば、角度θ２が角度θ１より大きいと、領域８２８ａから絶縁膜８４６を遠ざけるこ
とが可能であるため、絶縁膜８４６に含まれる窒素、水素等が、チャネル領域として機能
する領域８２８ａに入り込むのを抑制することができると共に、絶縁膜８４６の被覆性が
高まる。また、角度θ２が角度θ１より小さいと、トランジスタの微細化が可能である。

次に、領域８２８ｂ、８２８ｃの変形例について、図２４（Ｃ）乃至図２４（Ｆ）を用
いて説明する。なお、図２４（Ｃ）乃至図２４（Ｆ）は、図２４（Ａ）に示す酸化物半導
体膜８２８の近傍の拡大図である。

図２４（Ｃ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、領域８２８ａ及び領
域８２８ｂ、８２８ｃの境界が、導電膜８４０の端部と、絶縁膜８３７を介して、一致ま
たは該略一致している。即ち、上面形状において、領域８２８ａ及び領域８２８ｂ、８２
８ｃの境界が、導電膜８４０の端部と、一致若しくは略一致している。

または、図２４（Ｄ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、領域８２８
ａが、導電膜８４０と重ならない領域を有する。該領域はオフセット領域としての機能を
有する。即ち、上面形状において、領域８２８ｂ、８２８ｃの端部が、絶縁膜８３７の端
部と、一致または略一致しており、導電膜８４０の端部と重ならない。

または、図２４（Ｅ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、領域８２８
ｂ、８２８ｃが、絶縁膜８３７を介して、導電膜８４０と重なる領域を有する。該領域を
オーバーラップ領域という。即ち、上面形状において、領域８２８ｂ、８２８ｃの端部が
、導電膜８４０と重なる。

または、図２４（Ｆ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、領域８２８
ａと領域８２８ｂの間に領域８２８ｆを有し、領域８２８ａと領域８２８ｃの間に領域８
２８ｇを有する。領域８２８ｆ、８２８ｇは、領域８２８ｂ、８２８ｃより不純物元素の
濃度が低く、抵抗率が高い。ここでは、領域８２８ｆ、８２８ｇは、絶縁膜８３７と重な
るが、絶縁膜８３７及び導電膜８４０と重なってもよい。

なお、図２４（Ｃ）乃至図２４（Ｆ）においては、図２４（Ａ）に示すトランジスタの
説明をしたが、図２４（Ｂ）に示すトランジスタにおいても、図２４（Ｃ）乃至図２４（
Ｆ）の構造を適宜適用することが可能である。

図２５（Ａ）に示すトランジスタは、導電膜８４０が積層構造であり、絶縁膜８３７と
接する導電膜８４０ａ、及び導電膜８４０ａに接する導電膜８４０ｂを有する。また、導
電膜８４０ａの端部は、導電膜８４０ｂの端部より外側に位置する。即ち、導電膜８４０
ａが、導電膜８４０ｂから迫り出した形状を有する。

次に、領域８２８ｂ、８２８ｃの変形例について説明する。なお、図２５（Ｂ）乃至図
２５（Ｅ）は、図２５（Ａ）に示す酸化物半導体膜８２８の近傍の拡大図である。

図２５（Ｂ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、領域８２８ａ及び領
域８２８ｂ、８２８ｃの境界が、導電膜８４０に含まれる導電膜８４０ａの端部と、絶縁
膜８３７を介して、一致または略一致している。即ち、上面形状において、領域８２８ａ
及び領域８２８ｂ、８２８ｃの境界が、導電膜８４０の端部と、一致または略一致してい
る。

または、図２５（Ｃ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、領域８２８
ａが、導電膜８４０と重ならない領域を有する。該領域はオフセット領域としての機能を
有する。即ち、上面形状において、領域８２８ｂ、８２８ｃの端部が、導電膜８４０の端
部と重ならない。

または、図２５（Ｄ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、領域８２８
ｂ、８２８ｃが、導電膜８４０、ここでは導電膜８４０ａと重なる領域を有する。該領域
をオーバーラップ領域という。即ち、上面形状において、領域８２８ｂ、８２８ｃの端部
が、導電膜８４０ａと重なる。

または、図２５（Ｅ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、領域８２８
ａと領域８２８ｂの間に領域８２８ｆを有し、領域８２８ａと領域８２８ｃの間に領域８
２８ｇを有する。不純物元素は、導電膜８４０ａを通過して領域８２８ｆ、８２８ｇに添
加されるため、領域８２８ｆ、８２８ｇは、領域８２８ｂ、８２８ｃより不純物元素の濃
度が低く、抵抗率が高い。なお、ここでは、領域８２８ｆ、８２８ｇは、導電膜８４０ａ
と重なるが、導電膜８４０ａ及び導電膜８４０ｂと重なってもよい。

なお、絶縁膜８３７の端部が、導電膜８４０ａの端部より外側に位置してもよい。

または、絶縁膜８３７の側面は湾曲してしてもよい。

または、絶縁膜８３７がテーパ形状であってもよい。即ち、酸化物半導体膜８２８及び
絶縁膜８３７が接する面と、絶縁膜８３７の側面のなす角度が９０°未満、好ましくは３
０°以上９０°未満であってもよい。

図２５（Ｅ）に示すように、酸化物半導体膜８２８が、領域８２８ｂ、８２８ｃより、
不純物元素の濃度が低く、抵抗率が高い領域８２８ｆ、８２８ｇを有することで、ドレイ
ン領域の電界緩和が可能である。そのため、ドレイン領域の電界に起因したトランジスタ
のしきい値電圧の変動などの劣化を低減することが可能である。

＜変形例２＞
本実施の形態では、ゲート電極５９を導電膜で形成したが、酸化物半導体膜５５に含ま
れる第２の領域５５ｂ、５５ｃと同様に、導電性を有する酸化物半導体膜を用いてゲート
電極５９ａを形成してもよい（図４参照。）。導電性を有する酸化物半導体膜は、酸化物
半導体膜５５と同様に透光性を有するため、透光性を有するトランジスタを作製すること
ができる。

なお、導電性を有する酸化物半導体膜は、金属で形成された導電膜と比較すると抵抗率
が高いため、基板５１として大面積基板を用いる場合、ゲート電極５９ａに接続する導電
膜７７を絶縁膜６７上に設けることが好ましい。

図４に示すトランジスタの作製方法を、図２及び図３を用いて説明する。

図２（Ｂ）の工程において、ゲート電極５９の代わりに酸化物半導体膜を形成する。

次に、図２（Ｃ）に示すように、ゲート絶縁膜５７を形成した後、酸化物半導体膜５４
及びゲート絶縁膜５７上の酸化物半導体膜に不純物元素６２を添加する。

次に、図３（Ａ）に示すように、窒化物絶縁膜６４を形成することで、酸化物半導体膜
５５に含まれる第２の領域５５ｂ、５５ｃと同様に、導電性を有する酸化物半導体膜を有
するゲート電極５９ａ（図４参照。）を形成することができる。

次に、開口部を有する絶縁膜６７を形成した後、一対の導電膜６８、６９と同様に、ゲ
ート電極５９ａに接続する導電膜７７（図４参照。）を作製する。

以上の工程により、セルフアライン構造のトランジスタを作製することが可能である。

＜変形例３＞
本実施の形態では、窒化物絶縁膜６５は、酸化物半導体膜５５と接しているが、図５（
Ｂ）に示すように、窒化物絶縁膜６４と酸化物半導体膜５５の間に絶縁膜５６を有しても
よい。図５（Ｂ）に示す絶縁膜５６は、ゲート絶縁膜として機能する。また、絶縁膜５６
において、窒化物絶縁膜６４に含まれる水素が酸化物半導体膜５５へ拡散する厚さが好ま
しく、代表的には、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、または５ｎｍ以上５０ｎｍ以下、または
１０ｎｍ以上３０ｎｍとすることができる。以下に、作製方法を説明する。

図２（Ａ）及び図２（Ｂ）の工程を経て、図５（Ａ）に示すように、基板５１上に絶縁
膜５３、酸化物半導体膜５５、絶縁膜５６、及びゲート電極５９を形成する。次に、酸化
物半導体膜５５に不純物元素６２を添加する。この際、不純物元素６２の濃度プロファイ
ルのピークが酸化物半導体膜５５に位置するように、不純物元素６２を添加することが好
ましい。

次に、図５（Ｂ）に示すように、窒化物絶縁膜６４を形成することで、不純物元素が添
加されない第１の領域５５ａ、並びに不純物元素及び水素を含む第２の領域５５ｂ、５５
ｃを有する酸化物半導体膜５５を形成することができる。

また、こののち、実施の形態１と同様に、絶縁膜６７、一対の導電膜６８、６９を形成
してもよい。

＜変形例４＞
本実施の形態とは異なる方法を用いたトランジスタの作製方法について説明する。本変
形例では、図２及び図３に示す作製方法と比較して、不純物を添加するタイミングが異な
る。

図２（Ａ）及び図２（Ｂ）の工程を経て、図６（Ａ）に示すように、基板５１上に絶縁
膜５３、酸化物半導体膜５４、絶縁膜５６、及びゲート電極５９を形成する。次に、酸化
物半導体膜５４に不純物元素６２を添加する。この際、不純物元素の濃度プロファイルの
ピークが酸化物半導体膜５４に位置するように、不純物元素６２を添加することが好まし
い。

次に、図６（Ｂ）に示すように、ゲート電極５９をマスクとして、絶縁膜５６をエッチ
ングして、ゲート絶縁膜５７を形成する。

次に、図６（Ｃ）に示すように、窒化物絶縁膜６４を形成することで、不純物元素が添
加されない第１の領域５５ａ、並びに不純物元素及び水素を含む第２の領域５５ｂ、５５
ｃを有する酸化物半導体膜５５を形成することができる。

また、こののち、実施の形態１と同様に、絶縁膜６７、一対の導電膜６８、６９を形成
してもよい。

＜変形例５＞
本実施の形態とは異なる方法を用いたトランジスタの作製方法について説明する。本変
形例では、図２及び図３並びに図６に示す作製方法と比較して、不純物を添加するタイミ
ングが異なる。

図２（Ａ）乃至図２（Ｃ）の工程を経て、図７（Ａ）に示すように、基板５１上に、絶
縁膜５３、酸化物半導体膜５４、ゲート絶縁膜５７、及びゲート電極５９を形成する。

次に、図７（Ｂ）に示すように、窒化物絶縁膜６４を形成する。この結果、酸化物半導
体膜５４の一部に水素が移動する。

次に、図７（Ｃ）に示すように、酸化物半導体膜５４に不純物元素６２を添加する。こ
の際、不純物元素の濃度プロファイルのピークが酸化物半導体膜５４に位置するように、
不純物元素６２を添加することが好ましい。以上の工程により、不純物元素が添加されな
い第１の領域５５ａと、不純物元素及び水素を含む第２の領域５５ｂ、５５ｃとを有する
酸化物半導体膜５５を形成することができる。

また、こののち、実施の形態１と同様に、絶縁膜６７、一対の導電膜６８、６９を形成
してもよい。

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と異なる構造のトランジスタ及びその作製方法につい
て、図８乃至図１０を用いて説明する。

図８は、本実施の形態に示すトランジスタの断面図であり、ゲート電極５９ｂの側面に
側壁絶縁膜６１を有する点が実施の形態１に示すトランジスタと異なる。

図８に示すトランジスタは、基板５１と、基板５１上に形成された絶縁膜５３と、絶縁
膜５３上に形成された酸化物半導体膜５５と、酸化物半導体膜５５に接するゲート絶縁膜
５７ａと、ゲート絶縁膜５７ａと接するゲート電極５９ｂと、を有する。なお、酸化物半
導体膜５５は、第１の領域５５ａ及び該第１の領域５５ａを挟む第２の領域５５ｂ、５５
ｃを有する。ゲート電極５９ｂは、酸化物半導体膜５５の第１の領域５５ａと重畳する。
トランジスタにおいて、第２の領域５５ｂ、５５ｃに接する窒化物絶縁膜６５が設けられ
る。また、チャネル長方向の断面において、ゲート電極５９ｂの側面と窒化物絶縁膜６５
との間に形成された側壁絶縁膜６１を有する。

ゲート電極５９ｂの底面（ゲート絶縁膜５７ａと接する面）及び側面でなす角度を、７
０°以上９０°以下とすることが好ましい。この結果、ゲート電極５９ｂの側面に側壁絶
縁膜６１を形成しやすい。また、チャネル長が小さい微細構造のトランジスタを作製する
ことができる。

ゲート電極５９ｂは、実施の形態１に示すゲート電極５９、５９ａの材料を適宜用いる
ことができる。

側壁絶縁膜６１は、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、窒化酸化
シリコン膜等を用いて形成することができる。

酸化物半導体を用いたトランジスタは、シリコン半導体を用いたトランジスタと比較し
て、室温においてオフ電流が小さいことが知られている。これは熱励起によって生じるキ
ャリアが少ない、つまりキャリア密度が小さいためであると考えられている。そして、キ
ャリア密度が小さい材料を用いたトランジスタにおいても、チャネル長を短くすることで
しきい値電圧の変動などが現れることがある。

そこで、本実施の形態に示すトランジスタのように、側壁絶縁膜６１を設けることで、
第１の領域５５ａにおいて、ゲート電極５９ｂと重ならない領域を設けることができる。
即ち、第１の領域５５ａにおけるチャネル領域５５ｄと、低抵抗領域である第２の領域５
５ｂ、５５ｃとの間に、オフセット領域５５ｅ、５５ｆを設けることができる。オフセッ
ト領域５５ｅ、５５ｆが、チャネル領域５５ｄの両端に設けられることで、酸化物半導体
膜５５の第２の領域５５ｂ、５５ｃ間に加わる電界、特にドレイン電極と接する第２の領
域近傍における電界集中を緩和することができるため、しきい値電圧の変動などを抑制す
ることができる。また、電界集中を緩和できるため、電界集中によってトランジスタが破
壊されることを抑制することができる。換言すると、トランジスタは、耐圧が向上され、
電気特性劣化を抑制されたトランジスタである。また、オフセット領域５５ｅ、５５ｆを
有することで、ドレイン電極に電圧を印加する電圧－温度ストレス試験における劣化や、
電流ストレスにおける劣化を低減することができる。

図８に示すトランジスタの作製方法について、図９及び図１０を用いて説明する。

実施の形態１と同様に、図９（Ａ）に示すように、基板５１上に、絶縁膜５３、酸化物
半導体膜５４、絶縁膜５６、及びゲート電極５９ｂを形成する。

次に、絶縁膜５６及びゲート電極５９ｂ上に絶縁膜を形成した後、該絶縁膜をＲＩＥ法
（Ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ：反応性イオンエッチング）法などの異方
性エッチングにより加工することで、ゲート電極５９ｂの側面に接する側壁絶縁膜６１を
自己整合的に形成することができる（図９（Ｂ）参照。）。また、当該工程において絶縁
膜５６をエッチングして、ゲート絶縁膜５７ａを形成する。

次に、図９（Ｃ）に示すように、ゲート電極５９ｂ及び側壁絶縁膜６１をマスクとして
、酸化物半導体膜５４に不純物元素６２を添加し、酸化物半導体膜５４の一部に酸素欠損
を有する領域を形成する。

次に、図１０（Ａ）に示すように、酸化物半導体膜５４、ゲート絶縁膜５７ａ、及びゲ
ート電極５９ｂ上に、窒化物絶縁膜６４を形成する。この結果、不純物元素が添加されな
い第１の領域５５ａ及び不純物元素及び水素を含む第２の領域５５ｂ、５５ｃを有する酸
化物半導体膜５５が形成される。こののち、加熱処理を行ってもよい。

次に、図１０（Ｂ）に示すように、絶縁膜６６を形成してもよい。

次に、窒化物絶縁膜６４及び絶縁膜６６に開口部を形成し、第２の領域５５ｂ、５５ｃ
の一部を露出させた後、一対の導電膜６８、６９を形成する（図１０（Ｃ）参照。）。

以上の工程により、セルフアライン構造のトランジスタを作製することができる。

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）
本実施の形態では、実施の形態１及び実施の形態２に適用可能な酸化物半導体膜の構造
について、図１１を用いて説明する。なお、ここでは、実施の形態１に示すトランジスタ
を用いて説明するが、適宜実施の形態２に示すトランジスタに本実施の形態を適用するこ
とが可能である。

図１１（Ａ）に示すトランジスタは、実施の形態１の図１に示すトランジスタと同じ構
造であるが、酸化物半導体膜５５の構造が異なる。酸化物半導体膜５５近傍を囲む破線７
１の拡大図を図１１（Ｂ）乃至図１１（Ｄ）に示す。

図１１（Ｂ）に示すように、酸化物半導体膜５５は、絶縁膜５３と接する第１の酸化物
半導体膜５５＿１と、第１の酸化物半導体膜５５＿１及びゲート絶縁膜５７と接する第２
の酸化物半導体膜５５＿２を有する。

または、図１１（Ｃ）に示すように、酸化物半導体膜５５は、絶縁膜５３と接する第２
の酸化物半導体膜５５＿２と、第２の酸化物半導体膜５５＿２及びゲート絶縁膜５７と接
する第３の酸化物半導体膜５５＿３を有する。

または、図１１（Ｄ）に示すように、酸化物半導体膜５５は、絶縁膜５３と接する第１
の酸化物半導体膜５５＿１と、第１の酸化物半導体膜５５＿１と接する第２の酸化物半導
体膜５５＿２と、第２の酸化物半導体膜５５＿２及びゲート絶縁膜５７と接する第３の酸
化物半導体膜５５＿３を有する。

第１の酸化物半導体膜５５＿１、第２の酸化物半導体膜５５＿２、及び第３の酸化物半
導体膜５５＿３がＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物膜（Ｍは、Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、
Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆ）の場合、第１の酸化物半導体膜５５＿１及び第３の酸化物
半導体膜５５＿３をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ_１：ｙ_１：ｚ_１［原子数比］、第２の酸化物半導
体膜５５＿２をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ_２：ｙ_２：ｚ_２［原子数比］とすると、ｙ_１／ｘ_１が
ｙ_２／ｘ_２よりも大きく、好ましくは、ｙ_１／ｘ_１がｙ_２／ｘ_２よりも１．５倍以上であ
る。さらに好ましくは、ｙ_１／ｘ_１がｙ_２／ｘ_２よりも２倍以上大きく、より好ましくは
、ｙ_１／ｘ_１がｙ_２／ｘ_２よりも３倍以上大きい。このとき、第１の酸化物半導体膜５５
＿１及び第３の酸化物半導体膜５５＿３において、ｙ_１がｘ_１以上であると、当該第２の
酸化物半導体膜５５＿２を用いたトランジスタに安定した電気特性を付与できるため好ま
しい。一方、ｙ_１がｘ_１の３倍以上になると、当該第２の酸化物半導体膜５５＿２を用い
たトランジスタの電界効果移動度が低下してしまうため、ｙ_１はｘ_１の３倍未満であると
好ましい。

第２の酸化物半導体膜５５＿２がＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物膜（Ｍは、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌ
ａ、Ｃｅ、またはＮｄ）の場合、第２の酸化物半導体膜５５＿２を成膜するために用いる
ターゲットにおいて、金属元素の原子数比をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ_１：ｙ_１：ｚ_１とすると
_、ｘ_１／ｙ_１は、１／３以上６以下、さらには１以上６以下であって、ｚ_１／ｙ_１は、１
／３以上６以下、さらには１以上６以下であることが好ましい。なお、ｚ_１／ｙ_１を１以
上６以下とすることで、第２の酸化物半導体膜５５＿２としてＣＡＡＣ－ＯＳ膜が形成さ
れやすくなる。ターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１
：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：１．５、Ｉｎ：
Ｍ：Ｚｎ＝２：１：２．３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２
等がある。

第１の酸化物半導体膜５５＿１及び第３の酸化物半導体膜５５＿３がＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸
化物膜（Ｍは、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄ）の場合、第１の酸化物半導体
膜５５＿１及び第３の酸化物半導体膜５５＿３を成膜するために用いるターゲットにおい
て、金属元素の原子数比をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ_２：ｙ_２：ｚ_２とすると_、ｘ_２／ｙ_２＜ｘ
_１／ｙ_１であって、ｚ_２／ｙ_２は、１／３以上６以下、さらには１以上６以下であること
が好ましい。なお、ｚ_２／ｙ_２を１以上６以下とすることで、第１の酸化物半導体膜５５
＿１及び第３の酸化物半導体膜５５＿３としてＣＡＡＣ－ＯＳ膜が形成されやすくなる。
ターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：２、Ｉｎ
：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：６、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：８、
Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：４、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：
５、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：６、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：６：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：
６：４、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：６：５、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：６：６、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝
１：６：７、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：６：８、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：６：９等がある。

なお、第１の酸化物半導体膜５５＿１、第２の酸化物半導体膜５５＿２及び第３の酸化
物半導体膜５５＿３の原子数比はそれぞれ、誤差として上記の原子数比のプラスマイナス
４０％の変動を含む。

なお、原子数比はこれらに限られず、必要とする半導体特性に応じて適切な原子数比の
ものを用いればよい。

また、図１１（Ｄ）において、第１の酸化物半導体膜５５＿１及び第３の酸化物半導体
膜５５＿３は同じ金属原子数比でもよい。例えば、第１の酸化物半導体膜５５＿１及び第
３の酸化物半導体膜５５＿３としてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２、１：３：４、または
１：４：５の原子数比のＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物を用いてもよい。

または、図１１（Ｄ）において、第１の酸化物半導体膜５５＿１及び第３の酸化物半導
体膜５５＿３は異なった金属原子数比でもよい。例えば、第１の酸化物半導体膜５５＿１
としてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２の原子数比のＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物を用い、第３
の酸化物半導体膜５５＿３としてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４または１：４：５の原子
数比のＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物を用いてもよい。

第１の酸化物半導体膜５５＿１及び第３の酸化物半導体膜５５＿３の厚さは、３ｎｍ以
上１００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。第２の酸化物半導体膜５
５＿２の厚さは、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さ
らに好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。なお、第１の酸化物半導体膜５５＿１及
び第３の酸化物半導体膜５５＿３はそれぞれ第２の酸化物半導体膜５５＿２より厚さを薄
くすることで、トランジスタのしきい値電圧の変動量を低減することが可能である。また
、第３の酸化物半導体膜５５＿３に含まれる酸素が一対の導電膜６８、６９に拡散し、一
対の導電膜６８、６９が酸化するのを防ぐため、第３の酸化物半導体膜５５＿３の膜厚は
薄い方が好ましい。

第１の酸化物半導体膜５５＿１、第２の酸化物半導体膜５５＿２、及び第３の酸化物半
導体膜５５＿３それぞれの界面は、ＳＴＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉ
ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて観察することができる。

第１の酸化物半導体膜５５＿１、第２の酸化物半導体膜５５＿２、及び第３の酸化物半
導体膜５５＿３は、実施の形態１に示す酸化物半導体膜５５の結晶構造を適宜用いること
ができる。

第２の酸化物半導体膜５５＿２と比較して酸素欠損の生じにくい酸化物半導体膜を第２
の酸化物半導体膜５５＿２の上または／及び下に接して設けることで、第２の酸化物半導
体膜５５＿２における酸素欠損を低減することができる。また、第２の酸化物半導体膜５
５＿２は、第２の酸化物半導体膜５５＿２を構成する金属元素の一以上を有する第１の酸
化物半導体膜５５＿１または／及び第３の酸化物半導体膜５５＿３と接するため、第１の
酸化物半導体膜５５＿１と第２の酸化物半導体膜５５＿２との界面、第２の酸化物半導体
膜５５＿２と第３の酸化物半導体膜５５＿３との界面における界面準位密度が極めて低い
。このため、第２の酸化物半導体膜５５＿２に含まれる酸素欠損を低減することが可能で
ある。

また、第２の酸化物半導体膜５５＿２が、構成元素の異なる絶縁膜（例えば、酸化シリ
コン膜を含むゲート絶縁膜）と接する場合、界面準位が形成され、該界面準位はチャネル
を形成することがある。このような場合、しきい値電圧の異なる第２のトランジスタが出
現し、トランジスタの見かけ上のしきい値電圧が変動することがある。しかしながら、第
２の酸化物半導体膜５５＿２を構成する金属元素を一種以上含む第１の酸化物半導体膜５
５＿１が第２の酸化物半導体膜５５＿２と接するため、第１の酸化物半導体膜５５＿１と
第２の酸化物半導体膜５５＿２の界面に界面準位を形成しにくくなる。よって第１の酸化
物半導体膜５５＿１を設けることにより、トランジスタのしきい値電圧などの電気特性の
ばらつきを低減することができる。

また、ゲート絶縁膜５７と第２の酸化物半導体膜５５＿２との界面にチャネルが形成さ
れる場合、該界面で界面散乱が起こり、トランジスタの電界効果移動度が低くなる。しか
しながら、第２の酸化物半導体膜５５＿２を構成する金属元素を一種以上含む第３の酸化
物半導体膜５５＿３が第２の酸化物半導体膜５５＿２に接して設けられるため、第２の酸
化物半導体膜５５＿２と第３の酸化物半導体膜５５＿３との界面ではキャリアの散乱が起
こりにくく、トランジスタの電界効果移動度を高くすることができる。

また、第１の酸化物半導体膜５５＿１及び第３の酸化物半導体膜５５＿３は、絶縁膜５
３及びゲート絶縁膜５７の構成元素が第２の酸化物半導体膜５５＿２へ混入し、不純物に
よる準位が形成されることを抑制するためのバリア膜としても機能する。

例えば、絶縁膜５３及びゲート絶縁膜５７として、シリコンを含む絶縁膜を用いる場合
、絶縁膜５３及びゲート絶縁膜５７中のシリコン、または絶縁膜５３及びゲート絶縁膜５
７中に混入されうる炭素が、第１の酸化物半導体膜５５＿１または／及び第３の酸化物半
導体膜５５＿３の中へ界面から数ｎｍ程度まで混入することがある。シリコン、炭素等の
不純物が第２の酸化物半導体膜５５＿２中に入ると不純物準位を形成し、不純物準位がド
ナーとなり電子を生成することでｎ型化することがある。

しかしながら、第１の酸化物半導体膜５５＿１及び第３の酸化物半導体膜５５＿３の膜
厚が、数ｎｍよりも厚ければ、混入したシリコン、炭素等の不純物が第２の酸化物半導体
膜５５＿２にまで到達しないため、不純物準位の影響は低減される。

以上のことから、本実施の形態に示すトランジスタは、しきい値電圧などの電気特性の
ばらつきが低減されたトランジスタである。

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４）
本実施の形態では、実施の形態１乃至実施の形態３に適用可能な酸化物半導体膜の構造
について、図１２を用いて説明する。なお、ここでは、実施の形態１に示すトランジスタ
を用いて説明するが、適宜実施の形態２または実施の形態３に示すトランジスタに本実施
の形態を適用することが可能である。

本実施の形態に示すトランジスタは、図１２に示すように、絶縁膜５３を介して酸化物
半導体膜５５と重なるゲート電極７３を有することを特徴とする。

ゲート電極７３の電位をゲート電極５９と異なる電位とすることで、トランジスタのし
きい値電圧を制御することが可能であり、ノーマリーオフのトランジスタを作製すること
ができる。または、ゲート電極７３の電位をゲート電極５９と同じ電位とすることで、ト
ランジスタのオン電流を増大させることが可能である。

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５）
本実施の形態では、上記実施の形態で説明したトランジスタにおいて、酸化物半導体膜
に適用可能な一態様について説明する。

酸化物半導体膜は、単結晶構造の酸化物半導体（以下、単結晶酸化物半導体という。）
、多結晶構造の酸化物半導体（以下、多結晶酸化物半導体という。）、微結晶構造の酸化
物半導体（以下、微結晶酸化物半導体という。）、及び非晶質構造の酸化物半導体（以下
、非晶質酸化物半導体という。）の一以上で構成されてもよい。また、酸化物半導体膜は
、ＣＡＡＣ－ＯＳ膜で構成されていてもよい。また、酸化物半導体膜は、非晶質酸化物半
導体及び結晶粒を有する酸化物半導体で構成されていてもよい。以下に、代表例として、
ＣＡＡＣ－ＯＳ及び微結晶酸化物半導体について説明する。

＜ＣＡＡＣ－ＯＳ＞
まずは、ＣＡＡＣ－ＯＳ膜について説明する。

ＣＡＡＣ－ＯＳ膜は、ｃ軸配向した複数の結晶部を有する酸化物半導体膜の一つである
。

ＣＡＡＣ－ＯＳ膜を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって観察すると、明確な結晶部同士の境界、即ち
結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を確認することが困難である。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Ｔ
ＥＭ観察）すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列している
ことを確認できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られ
ない。

図１３（ａ）は、ＣＡＡＣ－ＯＳ膜の断面ＴＥＭ像である。また、図１３（ｂ）は、図
１３（ａ）をさらに拡大した断面ＴＥＭ像であり、理解を容易にするために原子配列を強
調表示している。

図１３（ｃ）は、図１３（ａ）のＡ－Ｏ－Ａ’間において、丸で囲んだ領域（直径約４
ｎｍ）の局所的なフーリエ変換像である。図１３（ｃ）より、各領域においてｃ軸配向性
が確認できる。また、Ａ－Ｏ間とＯ－Ａ’間とでは、ｃ軸の向きが異なるため、異なるグ
レインであることが示唆される。また、Ａ－Ｏ間では、ｃ軸の角度が１４．３°、１６．
６°、２６．４°のように少しずつ連続的に変化していることがわかる。同様に、Ｏ－Ａ
’間では、ｃ軸の角度が－１８．３°、－１７．６°、－１５．９°と少しずつ連続的に
変化していることがわかる。

なお、ＣＡＡＣ－ＯＳ膜に対し、電子回折を行うと、配向性を示すスポット（輝点）が
観測される。例えば、ＣＡＡＣ－ＯＳ膜の上面に対し、例えば１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の
電子線を用いる電子回折（ナノビーム電子回折ともいう。）を行うと、スポットが観測さ
れる（図１４（Ａ）参照。）。

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。

なお、ＣＡＡＣ－ＯＳ膜に含まれる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１０
ｎｍ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。た
だし、ＣＡＡＣ－ＯＳ膜に含まれる複数の結晶部が連結することで、一つの大きな結晶領
域を形成する場合がある。例えば、平面ＴＥＭ像において、２５００ｎｍ^２以上、５μｍ
^２以上または１０００μｍ^２以上となる結晶領域が観察される場合がある。

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ＩｎＧａＺｎＯ_４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、ＩｎＧａＺｎＯ_４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－ｐ
ｌａｎｅ法による解析では、２θが５６°近傍にピークが現れる場合がある。このピーク
は、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶の（１１０）面に帰属される。ＩｎＧａＺｎＯ_４の単結晶酸
化物半導体膜であれば、２θを５６°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸（φ軸）
として試料を回転させながら分析（φスキャン）を行うと、（１１０）面と等価な結晶面
に帰属されるピークが６本観察される。これに対し、ＣＡＡＣ－ＯＳ膜の場合は、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膜中において、ｃ軸配向した結晶部の分布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ｃ軸配向した結晶
部の割合が高くなることがある。また、不純物の添加されたＣＡＡＣ－ＯＳ膜は、不純物
が添加された領域が変質し、部分的にｃ軸配向した結晶部の割合の異なる領域が形成され
ることもある。

なお、ＩｎＧａＺｎＯ_４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膜は、不純物濃度の低い酸化物半導体膜である。不純物は、水素、炭素
、シリコン、遷移金属元素などの酸化物半導体膜の主成分以外の元素である。特に、シリ
コンなどの、酸化物半導体膜を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸
化物半導体膜から酸素を奪うことで酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させ
る要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半
径（または分子半径）が大きいため、酸化物半導体膜内部に含まれると、酸化物半導体膜
の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。なお、酸化物半導体膜に含まれる不
純物は、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。

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

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

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

また、ＣＡＡＣ－ＯＳ膜を用いたトランジスタを有する半導体装置は折り曲げても壊れ
にくい。このため、可撓性を有する半導体装置にＣＡＡＣ－ＯＳ膜を用いたトランジスタ
を用いることが好ましい。

＜ｎｃ－ＯＳ＞
次に、微結晶酸化物半導体膜について説明する。

微結晶酸化物半導体膜は、ＴＥＭによる観察像では、明確に結晶部を確認することが困
難である場合がある。微結晶酸化物半導体膜に含まれる結晶部は、１ｎｍ以上１００ｎｍ
以下、または１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の大きさであることが多い。特に、１ｎｍ以上１０
ｎｍ以下、または１ｎｍ以上３ｎｍ以下の微結晶であるナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙ
ｓｔａｌ）を有する酸化物半導体膜を、ｎｃ－ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ
Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜と呼ぶ。また、ｎｃ－ＯＳ膜は、例えば、
ＴＥＭによる観察像では、結晶粒界を明確に確認することが困難である場合がある。

ｎｃ－ＯＳ膜は、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以
上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ－ＯＳ膜は、異な
る結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。
従って、ｎｃ－ＯＳ膜は、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体膜と区別が付かない
場合がある。例えば、ｎｃ－ＯＳ膜に対し、結晶部よりも大きい径のＸ線を用いるＸＲＤ
装置を用いて構造解析を行うと、ｏｕｔ－ｏｆ－ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を
示すピークが検出されない。また、ｎｃ－ＯＳ膜に対し、結晶部よりも大きいプローブ径
（例えば５０ｎｍ以上）の電子線を用いる電子回折（制限視野電子回折ともいう。）を行
うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、ｎｃ－ＯＳ膜に対し、
結晶部の大きさと近いか結晶部より小さいプローブ径の電子線を用いるナノビーム電子回
折を行うと、スポットが観測される。また、ｎｃ－ＯＳ膜に対しナノビーム電子回折を行
うと、円を描くように（リング状に）輝度の高い領域が観測される場合がある。また、ｎ
ｃ－ＯＳ膜に対しナノビーム電子回折を行うと、リング状の領域内に複数のスポットが観
測される場合がある（図１４（Ｂ）参照。）。

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

なお、酸化物半導体膜は、例えば、非晶質酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、Ｃ
ＡＡＣ－ＯＳ膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。

酸化物半導体膜が複数の構造を有する場合、ナノビーム電子回折を用いることで構造解
析が可能となる場合がある。

図１４（Ｃ）に、電子銃室７０と、電子銃室７０の下の光学系７２と、光学系７２の下
の試料室７４と、試料室７４の下の光学系７６と、光学系７６の下の観察室８０と、観察
室８０に設置されたカメラ７８と、観察室８０の下のフィルム室８２と、を有する透過電
子回折測定装置を示す。カメラ７８は、観察室８０内部に向けて設置される。なお、フィ
ルム室８２を有さなくても構わない。

また、図１４（Ｄ）に、図１４（Ｃ）で示した透過電子回折測定装置内部の構造を示す
。透過電子回折測定装置内部では、電子銃室７０に設置された電子銃から放出された電子
が、光学系７２を介して試料室７４に配置された物質８８に照射される。物質８８を通過
した電子は、光学系７６を介して観察室８０内部に設置された蛍光板９２に入射する。蛍
光板９２では、入射した電子の強度に応じたパターンが現れることで透過電子回折パター
ンを測定することができる。

カメラ７８は、蛍光板９２を向いて設置されており、蛍光板９２に現れたパターンを撮
影することが可能である。カメラ７８のレンズの中央、および蛍光板９２の中央を通る直
線と、蛍光板９２の上面と、の為す角度は、例えば、１５°以上８０°以下、３０°以上
７５°以下、または４５°以上７０°以下とする。該角度が小さいほど、カメラ７８で撮
影される透過電子回折パターンは歪みが大きくなる。ただし、あらかじめ該角度がわかっ
ていれば、得られた透過電子回折パターンの歪みを補正することも可能である。なお、カ
メラ７８をフィルム室８２に設置しても構わない場合がある。例えば、カメラ７８をフィ
ルム室８２に、電子８４の入射方向と対向するように設置してもよい。この場合、蛍光板
９２の裏面から歪みの少ない透過電子回折パターンを撮影することができる。

試料室７４には、試料である物質８８を固定するためのホルダが設置されている。ホル
ダは、物質８８を通過する電子を透過するような構造をしている。ホルダは、例えば、物
質８８をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸などに移動させる機能を有していてもよい。ホルダの移動機能
は、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下、１０ｎｍ以上１００ｎ
ｍ以下、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、１００ｎｍ以上１μｍ以下などの範囲で移動させ
る精度を有すればよい。これらの範囲は、物質８８の構造によって最適な範囲を設定すれ
ばよい。

次に、上述した透過電子回折測定装置を用いて、物質の透過電子回折パターンを測定す
る方法について説明する。

例えば、図１４（Ｄ）に示すように物質におけるナノビームである電子８４の照射位置
を変化させる（スキャンする）ことで、物質の構造が変化していく様子を確認することが
できる。このとき、物質８８がＣＡＡＣ－ＯＳ膜であれば、図１４（Ａ）に示したような
回折パターンが観測される。または、物質８８がｎｃ－ＯＳ膜であれば、図１４（Ｂ）に
示したような回折パターンが観測される。

ところで、物質８８がＣＡＡＣ－ＯＳ膜であったとしても、部分的にｎｃ－ＯＳ膜など
と同様の回折パターンが観測される場合がある。したがって、ＣＡＡＣ－ＯＳ膜の良否は
、一定の範囲におけるＣＡＡＣ－ＯＳ膜の回折パターンが観測される領域の割合（ＣＡＡ
Ｃ化率ともいう。）で表すことができる場合がある。例えば、良質なＣＡＡＣ－ＯＳ膜で
あれば、ＣＡＡＣ化率は、５０％以上、好ましくは８０％以上、さらに好ましくは９０％
以上、より好ましくは９５％以上となる。なお、ＣＡＡＣ－ＯＳ膜と異なる回折パターン
が観測される領域の割合を非ＣＡＡＣ化率と表記する。

一例として、成膜直後（ａｓ－ｓｐｕｔｔｅｒｅｄと表記。）、または酸素を含む雰囲
気における４５０℃加熱処理後のＣＡＡＣ－ＯＳ膜を有する各試料の上面に対し、スキャ
ンしながら透過電子回折パターンを取得した。ここでは、５ｎｍ／秒の速度で６０秒間ス
キャンしながら回折パターンを観測し、観測された回折パターンを０．５秒ごとに静止画
に変換することで、ＣＡＡＣ化率を導出した。なお、電子線としては、プローブ径が１ｎ
ｍのナノビームを用いた。なお、同様の測定は６試料に対して行った。そしてＣＡＡＣ化
率の算出には、６試料における平均値を用いた。

各試料におけるＣＡＡＣ化率を図１５（Ａ）に示す。成膜直後のＣＡＡＣ－ＯＳ膜のＣ
ＡＡＣ化率は７５．７％（非ＣＡＡＣ化率は２４．３％）であった。また、４５０℃加熱
処理後のＣＡＡＣ－ＯＳ膜のＣＡＡＣ化率は８５．３％（非ＣＡＡＣ化率は１４．７％）
であった。成膜直後と比べて、４５０℃加熱処理後のＣＡＡＣ化率が高いことがわかる。
即ち、高い温度（例えば４００℃以上）における加熱処理によって、非ＣＡＡＣ化率が低
くなる（ＣＡＡＣ化率が高くなる）ことがわかる。また、５００℃未満の加熱処理におい
ても高いＣＡＡＣ化率を有するＣＡＡＣ－ＯＳ膜が得られることがわかる。

ここで、ＣＡＡＣ－ＯＳ膜と異なる回折パターンのほとんどはｎｃ－ＯＳ膜と同様の回
折パターンであった。また、測定領域において非晶質酸化物半導体膜は、確認することが
できなかった。したがって、加熱処理によって、ｎｃ－ＯＳ膜と同様の構造を有する領域
が、隣接する領域の構造の影響を受けて再配列し、ＣＡＡＣ化していることが示唆される
。

図１５（Ｂ）および図１５（Ｃ）は、成膜直後および４５０℃加熱処理後のＣＡＡＣ－
ＯＳ膜の平面ＴＥＭ像である。図１５（Ｂ）と図１５（Ｃ）とを比較することにより、４
５０℃加熱処理後のＣＡＡＣ－ＯＳ膜は、膜質がより均質であることがわかる。即ち、高
い温度における加熱処理によって、ＣＡＡＣ－ＯＳ膜の膜質が向上することがわかる。

このような測定方法を用いれば、複数の構造を有する酸化物半導体膜の構造解析が可能
となる場合がある。

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

（実施の形態６）
本実施の形態では、本発明の一態様の表示装置の構成例について説明する。

＜構成例＞
図１６（Ａ）は、本発明の一態様の表示装置の上面図であり、図１６（Ｂ）は、本発明
の一態様の表示装置の画素に液晶素子を適用する場合に用いることができる画素回路を説
明するための回路図である。また、図１６（Ｃ）は、本発明の一態様の表示装置の画素に
有機ＥＬ素子を適用する場合に用いることができる画素回路を説明するための回路図であ
る。

画素部に配置するトランジスタは、上記実施の形態に従って形成することができる。ま
た、当該トランジスタはｎチャネル型とすることが容易なので、駆動回路のうち、ｎチャ
ネル型トランジスタで構成することができる駆動回路の一部を画素部のトランジスタと同
一基板上に形成する。このように、画素部や駆動回路に上記実施の形態に示すトランジス
タを用いることにより、信頼性の高い表示装置を提供することができる。

アクティブマトリクス型表示装置のブロック図の一例を図１６（Ａ）に示す。表示装置
の基板７００上には、画素部７０１、第１の走査線駆動回路７０２、第２の走査線駆動回
路７０３、信号線駆動回路７０４を有する。画素部７０１には、複数の信号線が信号線駆
動回路７０４から延伸して配置され、複数の走査線が第１の走査線駆動回路７０２、及び
第２の走査線駆動回路７０３から延伸して配置されている。なお走査線と信号線との交差
領域には、各々、表示素子を有する画素がマトリクス状に設けられている。また、表示装
置の基板７００はＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等の接
続部を介して、タイミング制御回路（コントローラ、制御ＩＣともいう）に接続されてい
る。

図１６（Ａ）では、第１の走査線駆動回路７０２、第２の走査線駆動回路７０３、信号
線駆動回路７０４は、画素部７０１と同じ基板７００上に形成される。そのため、外部に
設ける駆動回路等の部品の数が減るので、コストの低減を図ることができる。また、基板
７００外部に駆動回路を設けた場合、配線を延伸させる必要が生じ、配線間の接続数が増
える。同じ基板７００上に駆動回路を設けた場合、その配線間の接続数を減らすことがで
き、信頼性の向上、または歩留まりの向上を図ることができる。

＜液晶表示装置＞
また、画素の回路構成の一例を図１６（Ｂ）に示す。ここでは、ＶＡ型液晶表示装置の
画素に適用することができる画素回路を示す。

この画素回路は、一つの画素に複数の画素電極を有する構成に適用できる。それぞれの
画素電極は異なるトランジスタに接続され、各トランジスタは異なるゲート信号で駆動で
きるように構成されている。これにより、マルチドメイン設計された画素の個々の画素電
極に印加する信号を、独立して制御できる。

トランジスタ７１６のゲート配線７１２と、トランジスタ７１７のゲート配線７１３に
は、異なるゲート信号を与えることができるように分離されている。一方、データ線とし
て機能するソース電極またはドレイン電極７１４は、トランジスタ７１６とトランジスタ
７１７で共通に用いられている。トランジスタ７１６とトランジスタ７１７は上記実施の
形態で説明するトランジスタを適宜用いることができる。これにより、信頼性の高い液晶
表示装置を提供することができる。

トランジスタ７１６と電気的に接続する第１の画素電極と、トランジスタ７１７と電気
的に接続する第２の画素電極の形状について説明する。第１の画素電極と第２の画素電極
の形状は、スリットによって分離されている。第１の画素電極はＶ字型に広がる形状を有
し、第２の画素電極は第１の画素電極の外側を囲むように形成される。

トランジスタ７１６のゲート電極はゲート配線７１２と接続され、トランジスタ７１７
のゲート電極はゲート配線７１３と接続されている。ゲート配線７１２とゲート配線７１
３に異なるゲート信号を与えてトランジスタ７１６とトランジスタ７１７の動作タイミン
グを異ならせ、液晶の配向を制御できる。

また、容量配線７１０と、誘電体として機能するゲート絶縁膜と、第１の画素電極また
は第２の画素電極と電気的に接続する容量電極とで保持容量を形成してもよい。

マルチドメイン構造は、一画素に第１の液晶素子７１８と第２の液晶素子７１９を備え
る。第１の液晶素子７１８は第１の画素電極と対向電極とその間の液晶層とで構成され、
第２の液晶素子７１９は第２の画素電極と対向電極とその間の液晶層とで構成される。

なお、図１６（Ｂ）に示す画素回路は、これに限定されない。例えば、図１６（Ｂ）に
示す画素に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、トランジスタ、センサ、または論理回
路などを追加してもよい。

＜有機ＥＬ表示装置＞
画素の回路構成の他の一例を図１６（Ｃ）に示す。ここでは、有機ＥＬ素子を用いた表
示装置の画素構造を示す。

有機ＥＬ素子は、発光素子に電圧を印加することにより、一対の電極の一方から電子が
、他方から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、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。

図１６（Ｃ）は、適用可能な画素回路の一例を示す図である。ここではｎチャネル型の
トランジスタを１つの画素に２つ用いる例を示す。なお、本発明の一態様の酸化物半導体
膜は、ｎチャネル型のトランジスタのチャネル形成領域に用いることができる。また、当
該画素回路は、デジタル時間階調駆動を適用することができる。

適用可能な画素回路の構成及びデジタル時間階調駆動を適用した場合の画素の動作につ
いて説明する。

画素７２０は、スイッチング用トランジスタ７２１、駆動用トランジスタ７２２、発光
素子７２４及び容量素子７２３を有している。スイッチング用トランジスタ７２１は、ゲ
ート電極が走査線７２６に接続され、第１の電極（ソース電極及びドレイン電極の一方）
が信号線７２５に接続され、第２の電極（ソース電極及びドレイン電極の他方）が駆動用
トランジスタ７２２のゲート電極に接続されている。駆動用トランジスタ７２２は、ゲー
ト電極が容量素子７２３を介して電源線７２７に接続され、第１の電極が電源線７２７に
接続され、第２の電極が発光素子７２４の第１の電極（画素電極）に接続されている。発
光素子７２４の第２の電極は共通電極７２８に相当する。共通電極７２８は、同一基板上
に形成される共通電位線と電気的に接続される。

スイッチング用トランジスタ７２１および駆動用トランジスタ７２２は上記実施の形態
で説明するトランジスタを適宜用いることができる。これにより、信頼性の高い有機ＥＬ
表示装置を提供することができる。

発光素子７２４の第２の電極（共通電極７２８）の電位は低電源電位に設定する。なお
、低電源電位とは、電源線７２７に供給される高電源電位より低い電位であり、例えばＧ
ＮＤ、０Ｖなどを低電源電位として設定することができる。発光素子７２４の順方向のし
きい値電圧以上となるように高電源電位と低電源電位を設定し、その電位差を発光素子７
２４に印加することにより、発光素子７２４に電流を流して発光させる。なお、発光素子
７２４の順方向電圧とは、所望の輝度とする場合の電圧を指しており、少なくとも順方向
しきい値電圧を含む。

なお、容量素子７２３は駆動用トランジスタ７２２のゲート容量を代用することにより
省略できる。駆動用トランジスタ７２２のゲート容量については、チャネル形成領域とゲ
ート電極との間で容量が形成されていてもよい。

次に、駆動用トランジスタ７２２に入力する信号について説明する。電圧入力電圧駆動
方式の場合、駆動用トランジスタ７２２が十分にオンするか、オフするかの二つの状態と
なるようなビデオ信号を、駆動用トランジスタ７２２に入力する。なお、駆動用トランジ
スタ７２２を線形領域で動作させるために、電源線７２７の電圧よりも高い電圧を駆動用
トランジスタ７２２のゲート電極にかける。また、信号線７２５には、電源線電圧に駆動
用トランジスタ７２２の閾値電圧Ｖｔｈを加えた値以上の電圧をかける。

アナログ階調駆動を行う場合、駆動用トランジスタ７２２のゲート電極に発光素子７２
４の順方向電圧に駆動用トランジスタ７２２の閾値電圧Ｖｔｈを加えた値以上の電圧をか
ける。なお、駆動用トランジスタ７２２が飽和領域で動作するようにビデオ信号を入力し
、発光素子７２４に電流を流す。また、駆動用トランジスタ７２２を飽和領域で動作させ
るために、電源線７２７の電位を、駆動用トランジスタ７２２のゲート電位より高くする
。ビデオ信号をアナログとすることで、発光素子７２４にビデオ信号に応じた電流を流し
、アナログ階調駆動を行うことができる。

なお、画素回路の構成は、図１６（Ｃ）に示す画素構成に限定されない。例えば、図１
６（Ｃ）に示す画素回路にスイッチ、抵抗素子、容量素子、センサ、トランジスタまたは
論理回路などを追加してもよい。

図１６で例示した回路に上記実施の形態で例示したトランジスタを適用する場合、低電
位側にソース電極（第１の電極）、高電位側にドレイン電極（第２の電極）がそれぞれ電
気的に接続される構成とする。さらに、制御回路等により第１のゲート電極の電位を制御
し、第２のゲート電極には図示しない配線によりソース電極に与える電位よりも低い電位
など、上記で例示した電位を入力可能な構成とすればよい。

例えば、本明細書等において、表示素子、表示素子を有する装置である表示装置、発光
素子、及び発光素子を有する装置である発光装置は、様々な形態を用いること、または様
々な素子を有することが出来る。表示素子、表示装置、発光素子または発光装置は、例え
ば、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子（有機物及び無機物を含むＥＬ素子、有機Ｅ
Ｌ素子、無機ＥＬ素子）、ＬＥＤ（白色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤな
ど）、トランジスタ（電流に応じて発光するトランジスタ）、電子放出素子、液晶素子、
電子インク、電気泳動素子、グレーティングライトバルブ（ＧＬＶ）、プラズマディスプ
レイ（ＰＤＰ）、ＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）を用いた表
示素子、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、ＤＭＳ（デジタル・マイクロ・シ
ャッター）、ＭＩＲＡＳＯＬ（登録商標）、ＩＭＯＤ（インターフェアレンス・モジュレ
ーション）素子、シャッター方式のＭＥＭＳ表示素子、光干渉方式のＭＥＭＳ表示素子、
エレクトロウェッティング素子、圧電セラミックディスプレイ、カーボンナノチューブを
用いた表示素子などの少なくとも一つを有している。これらの他にも、電気的または磁気
的作用により、コントラスト、輝度、反射率、透過率などが変化する表示媒体を有してい
ても良い。ＥＬ素子を用いた表示装置の一例としては、ＥＬディスプレイなどがある。電
子放出素子を用いた表示装置の一例としては、フィールドエミッションディスプレイ（Ｆ
ＥＤ）またはＳＥＤ方式平面型ディスプレイ（ＳＥＤ：Ｓｕｒｆａｃｅ－ｃｏｎｄｕｃｔ
ｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ－ｅｍｉｔｔｅｒ Ｄｉｓｐｌａｙ）などがある。液晶素子を
用いた表示装置の一例としては、液晶ディスプレイ（透過型液晶ディスプレイ、半透過型
液晶ディスプレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶ディスプレイ、投射型液晶ディ
スプレイ）などがある。電子インク、電子粉流体、または電気泳動素子を用いた表示装置
の一例としては、電子ペーパーなどがある。なお、半透過型液晶ディスプレイや反射型液
晶ディスプレイを実現する場合には、画素電極の一部、または、全部が、反射電極として
の機能を有するようにすればよい。例えば、画素電極の一部、または、全部が、アルミニ
ウム、銀、などを有するようにすればよい。さらに、その場合、反射電極の下に、ＳＲＡ
Ｍなどの記憶回路を設けることも可能である。これにより、さらに、消費電力を低減する
ことができる。

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組
み合わせて実施することができる。

（実施の形態７）
本実施の形態では、酸化物半導体膜が、酸素欠損及び水素を含むことで、抵抗率が低減
することについて説明する。具体的には、上述した酸化物半導体膜５５に含まれる第２の
領域５５ｂ、５５ｃに形成されるＶ_ＯＨについて説明する。なお、ここでは、酸素欠損Ｖ
_Ｏ中に水素原子Ｈがある状態をＶ_ＯＨと表記する。

＜１－ａ 計算手法＞
ここで、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物（以下、ＩＧＺＯと示す。）中の酸素欠損（以下、Ｖ
_Ｏと示す。）及び水素が同時に存在することによる影響を、第一原理計算を用いて調べた
。はじめに、Ｖ_Ｏのできやすい酸素サイト、及び水素原子の存在形態を調べた。次に、Ｖ
_Ｏの内側または外側における水素原子の安定性について調べた。最後に、安定に存在しや
すい欠陥の遷移レベルを算出した。

第一原理計算には、Ｖｉｅｎｎａ Ａｂ ｉｎｉｔｉｏ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｐａ
ｃｋａｇｅ（ＶＡＳＰ）を使用した。また、ハイブリッド汎関数には、Ｈｅｙｄ－Ｓｃｕ
ｓｅｒｉａ－Ｅｒｎｚｅｒｈｏｆ（ＨＳＥ）汎関数を用い、交換相関ポテンシャルには、
Ｐｅｒｄｅｗ－Ｂｕｒｋｅ－Ｅｒｎｚｅｒｈｏｆ（ＰＢＥ）型のＧｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ
－Ｇｒａｄｉｅｎｔ－Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ（ＧＧＡ）を用い、擬ポテンシャルに
はｐｒｏｊｅｃｔｏｒ ａｕｇｍｅｎｔｅｄ－ｗａｖｅ（ＰＡＷ）法を用いた。Ｖ_Ｏの内
側または外側における水素原子の安定性に関する計算ではＧＧＡを使用し、形成エネルギ
ーや遷移レベルの計算ではバンドギャップの精度が要求されるためＨＳＥ汎関数を使用し
た。ＧＧＡを用いた場合、エネルギーのカットオフは５００ｅＶ、ｋ－ｐｏｉｎｔはＭｏ
ｎｋｈｏｒｓｔ－Ｐａｃｋメッシュの２×２×３サンプリングとした。また、ＨＳＥ汎関
数を用いた場合、エネルギーのカットオフは８００ｅＶ、ｋ－ｐｏｉｎｔのサンプリング
はΓ点のみとした。また、ＨＳＥ汎関数におけるスクリーニングパラメータを２ｎｍ^－１
、Ｈａｒｔｒｅｅ－Ｆｏｃｋの交換項の比率を０．２５とした。

＜１－ｂ 欠陥の形成エネルギー＞
欠陥濃度ｃは、欠陥Ｄの形成エネルギー（Ｅ_ｆｏｒｍ（Ｄ））及び数式（１）より算出
される。

ここで、Ｎ_{ｓｉｔｅｓ}は欠陥Ｄが形成されうるサイトの数、ｋ_Ｂはボルツマン定数、Ｔ
は温度である。つまり、形成エネルギーが小さいほど欠陥Ｄは形成されやすいといえる。
そこで、形成エネルギーを、数式（２）式より算出した。

ここで、Ｅ_ｔｏｔ（Ｄ^ｑ）は電荷ｑの欠陥Ｄをもつセルの全エネルギー、Ｅ_ｔｏｔ（ｂ
ｕｌｋ）は完全結晶の全エネルギー、Δｎ_ｉは原子ｉの増減数、μ_ｉは原子ｉの化学ポテ
ンシャル、ε_ＶＢＭは価電子帯上端（ＶＢＭ）のエネルギー、ΔＶ_ｑは参照ポテンシャル
に関する補正項、Ｅ_Ｆはフェルミエネルギーである。このとき、フェルミエネルギーが０
ｅＶの位置は、ＶＢＭに相当する。化学ポテンシャルは環境に依存する。そこで、酸素の
化学ポテンシャル（μ_Ｏ）の上限（酸素リッチ条件）を酸素分子の全エネルギーの半分と
した。この時の水素の化学ポテンシャル（μ_Ｈ）は、水分子の全エネルギーから酸素の化
学ポテンシャルを引いた値の半分とした。

なお、酸素リッチ条件とは、例えば、酸素欠損が生じたときに、該酸素欠損に酸素が入
りやすい条件、即ち、酸素欠損の形成が抑制される条件である。

一方、水素リッチ条件での水素の化学ポテンシャル（μ_Ｈ）は水素分子の全エネルギー
の半分とし、この時の酸素の化学ポテンシャルは、下限（酸素プア条件）となるが、水分
子の全エネルギーからμ_Ｈの２倍を引いた値とした。

なお、酸素プア条件とは、酸素欠損が生じたときに、酸素欠損の形成が促進される条件
である。

＜１－ｃ 欠陥の遷移レベル＞
欠陥の種類によっては、異なる荷電状態への遷移を伴う準位（遷移レベルともいう。）
がバンドギャップ内に存在し、準位の深さとフェルミ準位の位置によってキャリアの捕獲
や放出の要因となる。そこで、欠陥Ｄの遷移レベル（ε（ｑ／ｑ’））を、以下の数式（
３）より算出した。

数式（３）より得られる値は、価電子帯上端を０．０ｅＶとした時の遷移レベルの位置
を表す。言い換えると、バンドギャップから遷移レベルを引いた値は、伝導帯下端（ＣＢ
Ｍ）からの深さに相当することになる。また、フェルミ準位がε（ｑ／ｑ’）よりも価電
子帯側であれば、その欠陥は荷電状態ｑで安定であり、伝導帯側であれば、その欠陥は荷
電状態ｑ’で安定であるといえる。

＜１－ｄ 原子の拡散＞
次に、Ｎｕｄｇｅｄ Ｅｌａｓｔｉｃ Ｂａｎｄ（ＮＥＢ）法を用いて、原子の拡散過
程における経路および活性障壁を調べた。ＮＥＢ法とは、始状態と終状態を結ぶ状態の中
で必要なエネルギーが最も低くなる状態を探し出す手法である。原子が受ける力が０．５
ｅＶ／ｎｍ以下となるまで原子座標を緩和させる計算を行った。

＜１－ｅ 計算構造＞
通常、欠陥を有するセルは、完全結晶に対して１個の欠陥が存在するように作成される
が、３次元の周期境界条件を設定するため、欠陥同士の相互作用を小さくするには欠陥同
士の間隔を広げる、つまり、格子サイズを大きくする必要がある。ホモロガス構造である
ＩｎＧａＯ_３（ＺｎＯ）_ｍ結晶では、格子定数ａ（およびｂ）は、ｃに対して非常に小さ
い。そのため、ａおよびｂ軸方向の格子サイズをｃと同程度にしようとすると、原子数が
非常に多くなってしまう。そこで、ｍ＝１において格子ベクトルを（４２０）、（０４０
）、（２１１）とした後に、格子定数ｃを１／３倍にして得られる１１２原子のスーパー
セル（ＩｎＧａＺｎＯ_４）を用意した（図２６参照。）。これにより、欠陥同士の間隔が
最短軸長の方向でも０．８ｎｍ以上となる。

また、ＩｎＧａＯ_３（ＺｎＯ）_ｍ（ｍ＝１）ではＩｎＯ_２層間には、Ｇａ、Ｚｎ、およ
びＯで構成されている層（（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ層）が２層存在する。この２層におけるＧａ
およびＺｎの配列は、エネルギーが最も低くなる配置を選んだ。このとき、酸素に対して
最近接となる金属原子の組み合わせより、酸素サイトは図２６のＯ_（１）からＯ_（４）に
示す４種類存在する。具体的には、３個のＩｎと１個のＺｎと結合するＯサイト（Ｏ_（１
））、３個のＩｎと１個のＧａと結合するＯサイト（Ｏ_（２））、ａｂ面方向に１個のＧ
ａと２個のＺｎと結合するＯサイト（Ｏ_（３））、ａｂ面方向に２個のＧａと１個のＺｎ
と結合するＯサイト（Ｏ_（４））である。

はじめに、完全結晶に対して、格子定数および原子座標の最適化をＧＧＡあるいはＨＳ
Ｅ汎関数を用いて行った。得られた格子定数およびバンドギャップを表２に示す。比較の
ために、実験で得られた格子定数およびバンドギャップも併せて記載する。ＧＧＡを用い
た場合、格子定数は実験値と比較すると過大評価され、バンドギャップは過小評価されて
いる。一方、ＨＳＥ汎関数を用いた場合、格子定数およびバンドギャップは実測に近い値
となっている。ちなみに計算で得られた格子定数ａとｂがわずかに異なるのは、Ｇａおよ
びＺｎの配置によるものである。

＜２－ａ Ｖ_Ｏのできやすいサイト＞
Ｖ_Ｏと水素が同時に存在する影響を調べるには、まずは、Ｖ_Ｏと水素それぞれの知見を
得る必要がある。

はじめに、Ｖ_Ｏのできやすいサイトについて調べた。完全結晶から１個の酸素を抜き出
すことでＶ_Ｏを有するセルを作成し、ＨＳＥ汎関数を用いて原子の配置の緩和を実施した
。酸素リッチ条件で算出したＶ_Ｏの形成エネルギーを表３に示す。

表３において、ｎ_Ｍは酸素に隣接する金属原子Ｍ（＝Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ）の配位数を示
す。

酸素サイトＯ_（１）におけるＶ_Ｏの形成エネルギーは、酸素サイトＯ_（２）よりも小さ
い。酸素サイトＯ_（１）および酸素サイトＯ_（２）の酸素は４配位であり、ともに３個の
Ｉｎと結合している。残りの１つの結合相手が、酸素サイトＯ_（１）ではＺｎであり、酸
素サイトＯ_（２）ではＧａである。この違いが形成エネルギーの差の主要因と考えるなら
、Ｇａは、Ｚｎよりも酸素との結合が強いと推測される。また、酸素サイトＯ_（３）にお
けるＶ_Ｏの形成エネルギーは、酸素サイトＯ_（４）よりも小さい。酸素サイトＯ_（３）は
、ａｂ面方向に結合しているＧａの数が酸素サイトＯ_（４）よりも少ない。したがって、
Ｇａ－Ｏ間の結合が強いと言える。以上のことから、Ｖ_Ｏは、Ｇａとの配位数が少ない酸
素サイトＯ_（１）あるいは酸素サイトＯ_（３）で形成されやすいと考えられる。

また、Ｖ_Ｏの遷移レベルを表３に示す。酸素サイトＯ_（３）および酸素サイトＯ_（４）
では、Ｖ_Ｏのε（２＋／＋）の遷移レベルはε（＋／０）の遷移レベルよりも伝導帯側に
位置している。また、酸素サイトＯ_（１）のＶ_Ｏのε（２＋／＋）とε（＋／０）の遷移
レベルはほぼ等しい。このことから、フェルミ準位を価電子帯側から伝導帯側へシフトさ
せると、Ｖ_Ｏ ^＋を経ずにＶ_Ｏ ^２＋からＶ_Ｏ ^０へと遷移することが分かる。すなわち、Ｖ_Ｏ
は、ＺｎＯの時と同様にｎｅｇａｔｉｖｅ－Ｕ挙動を示す。さらに、形成エネルギーの小
さい酸素サイトＯ_（１）と酸素サイトＯ_（３）でのＶ_Ｏのε（２＋／０）の遷移レベルは
、伝導帯下端（フェルミエネルギーが３．１５ｅＶ）から約０．８ｅＶと深い位置に存在
する。このことから、ＩＧＺＯ中のＶ_Ｏは深いドナーであることが示唆される。これは結
晶性ＩｎＧａＯ_３（ＺｎＯ）_ｍ（ｍ＝３）の結果と一致する。

＜２－ｂ 水素の存在形態＞
次に水素の存在形態について調べた。ＩＧＺＯ中の水素は、格子間に水素原子あるいは
水素分子として存在する場合と、酸素と結合して存在する場合が考えられる。そこで、Ｉ
ｎＯ_２層と（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ層間の八面体格子間（図２６のＩｎｔ_（５））に、水素原子
（Ｈ_ｏｃｔ）あるいは水素分子（（Ｈ_２）_ｏｃｔ）を配置したセルと、ｃ軸と平行なＧａ
－Ｏ ｂｏｎｄの酸素において、Ｇａと反対側で酸素原子と結合した水素原子（ｂｏｎｄ
ｅｄ－Ｈ）をもつセルの計３つを用意し、それぞれ原子緩和をＨＳＥ汎関数を用いて行っ
た。

フェルミエネルギーに対する形成エネルギーの変化を図２７に示す。図２７（Ａ）に、
酸素リッチ条件で算出した形成エネルギーを示し、図２７（Ｂ）に、酸素プア条件で算出
した形成エネルギーを示す。ここでは、水素原子１個あたりの形成エネルギーで比較する
ために、図２７中の（Ｈ_２）_ｏｃｔの形成エネルギーは、半分の値で記載している。また
、フェルミエネルギーが０ｅＶは、ＶＢＭに相当し、フェルミエネルギーが３．１５ｅＶ
は、ＣＢＭに相当する。また、図２７（Ａ）及び図２７（Ｂ）において、直線の傾きが０
の場合、各欠陥が電荷中性の状態を示し、直線の傾きが負の場合、マイナスの電荷を帯び
た状態を示し、直線の傾きが正の場合、プラスの電荷を帯びた状態を示す。

水素分子（Ｈ_２）_ｏｃｔは、ＶＢＭから２．８２ｅＶまでは電荷中性の状態で存在し、
２．８２ｅＶからＣＢＭまでは、マイナスの電荷を帯びた状態で存在することが分かった
。

また、水素原子Ｈ_ｏｃｔは、ＶＢＭから２．１７ｅＶまでは、電荷中性の状態存在し、
２．１７ｅＶからＣＢＭまでは、マイナスの電荷を帯びた状態で存在する。なお、安定な
Ｈ_ｏｃｔ ^＋は確認できなかった。

そして、酸素原子と結合した水素原子（ｂｏｎｄｅｄ－Ｈ）は、ＶＢＭから２．８２ｅ
Ｖまでは、プラスの電荷を帯びた状態で存在し、２．８２ｅＶからＣＢＭまでは、中性状
態で存在することが分かった。

各配置の形成エネルギーを比較した結果、ＩＧＺＯ中の水素は、バンドギャップ内の領
域全てにおいて、酸素条件に関わらず、酸素原子と結合した水素原子（ｂｏｎｄｅｄ－Ｈ
）で安定に存在しやすいことが分かった。

＜２－ｃ Ｖ_ＯとＨが同時に存在する時の安定な構造＞
上述した＜２－ａ＞、＜２－ｂ＞では、Ｖ_Ｏと水素の安定性を別々に評価した。Ｖ_Ｏと
水素原子が単一セル内に存在する場合、水素原子とＶ_Ｏが離れて存在する状態と、Ｖ_Ｏ内
に水素原子が入り込んだ状態（Ｖ_ＯＨ）とが考えられる。そこで、ここではどちらの状態
が安定であるかを調べた。

Ｖ_Ｏが酸素サイトＯ_（１）に存在し、かつ、水素原子１個が任意の位置に存在するセル
と、Ｖ_Ｏが酸素サイトＯ_（３）に存在し、かつ、水素原子１個が任意の位置に存在するセ
ルを用意した。それぞれのセルに対して原子緩和を実施した。ここでは、交換相関ポテン
シャルにＧＧＡを用いた。Ｖ_Ｏの中心から水素原子までの距離に対する全エネルギーの相
対値をプロットしたものを図２８に示す。なお、Ｖ_Ｏの中心は、結合した酸素原子が脱離
する前に存在した位置である。Ｖ_Ｏ内に水素原子が入りこんだ時（Ｖ_ＯＨ）を０ｎｍとし
、このときをエネルギーの基準とした。図２８において、四角印は酸素サイトＯ_（１）に
Ｖ_Ｏが存在する場合、三角印は酸素サイトＯ_（３）にＶ_Ｏが存在する場合である。また、
破線Ａは、水素原子１個をＶ_Ｏ内に入れたセルにおけるエネルギーの相対値であり、破線
Ｂは、水素原子１個をさまざまな酸素の近くに配置したセルにおけるエネルギーの相対値
である。計算の結果、どちらの酸素サイトでも、破線Ｂ内よりも破線Ａ内のプロットの方
がエネルギーが低いため、Ｖ_Ｏと水素原子が離れて存在するよりもＶ_ＯＨの方が安定であ
ることが分かった。

水素原子とＶ_Ｏが離れて存在する状態と、Ｖ_Ｏ内に水素原子が入り込んだ状態（Ｖ_ＯＨ
）、該２つの状態のどちらが安定であるかを、上記ＧＧＡを用いた計算とは異なる方法で
調べるために、形成エネルギー（Ｅ_ｆｏｒｍ）から定義される結合エネルギー（Ｅ_ｂ）を
、数式（４）を用いて計算した。ここでは、交換相関ポテンシャルにＨＳＥ汎関数を用い
た。

なお、数式（４）において、Ｅ_ｆｏｒｍ（Ｖ_ｏ）＋Ｅ_ｆｏｒｍ（ｂｏｎｄｅｄ－Ｈ）は
、水素原子とＶ_Ｏが離れて存在する状態の形成エネルギーであり、Ｅ_ｆｏｒｍ（Ｖ_ＯＨ）
は、Ｖ_Ｏ内に水素原子が入り込んだ状態（Ｖ_ＯＨ）の形成エネルギーである。

図３１に、酸素サイトＯ_（３）に存在するＶ_Ｏの形成エネルギー（細実線で示す。）、
酸素原子と結合した水素原子（ｂｏｎｄｅｄ－Ｈ）の形成エネルギー（一点鎖線で示す。
）、酸素サイトＯ_（３）に形成されたＶ_ＯＨの形成エネルギー（破線で示す。）、および
結合エネルギー（Ｅ_ｂ）（太実線で示す。）を、フェルミエネルギーの関数としてプロッ
トした結果を示す。図３１（Ａ）及び図３１（Ｂ）はそれぞれ、酸素リッチ条件、酸素プ
ア条件での計算結果である。

数式（４）より、結合エネルギーＥ_ｂが正の時、Ｖ_Ｏ内に水素原子が入り込んだ状態（
Ｖ_ＯＨ）は安定である。図３１において、フェルミ準位が１．８５ｅＶ以上のとき、Ｅ_ｂ
は正である。キャリア濃度の高い場合を考えると、フェルミ準位は伝導帯下端に近く、フ
ェルミ準位が１．８５ｅＶ以上である。よって、Ｖ_Ｏ内に水素原子が入り込んだ状態（Ｖ
_ＯＨ）は、水素原子とＶ_Ｏが離れて存在する状態よりも安定である。

図２８より、Ｖ_Ｏと水素原子が存在する場合、Ｖ_ＯＨで存在する方が安定であることが
分かった。しかし、Ｖ_ＯＨの水素原子がＶ_Ｏ内から容易に脱出するようであれば、水素原
子はＶ_Ｏ内にとどまらずに膜中を拡散することになる。そこで、Ｖ_ＯＨの水素原子がＶ_Ｏ
内から抜け出して、Ｖ_Ｏ近傍の酸素と結合するまでの水素の拡散過程およびその時の活性
障壁をＮＥＢ法により調査した。ここでは、交換相関ポテンシャルにＧＧＡを用いた。

ここでは、始状態を、Ｖ_ＯＨを有するセル、終状態を、Ｖ_ＯおよびＶ_Ｏ近傍の酸素原子
と結合した水素原子を有するセル（即ち、図２８の計算において、水素原子とＶ_Ｏが離れ
て存在する状態のセル）とした。そして、経路内の最大エネルギーから始状態あるいは終
状態のエネルギーを引くことで、活性障壁を算出した。Ｖ_Ｏ内から水素が抜け出す経路お
よびエネルギー変化を図２９に示す。酸素サイトＯ_（１）において、Ｖ_Ｏから水素が抜け
出す拡散経路として、経路Ａ、Ｂを想定した（図２９（Ａ））。これらの経路について計
算したところ、経路Ａの方が活性障壁は小さく、この時の活性障壁は１．５２ｅＶであっ
た。

また、酸素サイトＯ_（３）において、Ｖ_Ｏから水素が抜け出す拡散経路として、経路Ｃ
、Ｄを想定した（図２９（Ｂ））。これらの経路について計算したところ、経路Ｃの方が
活性障壁は小さく、この時の活性障壁は１．６１ｅＶであった。

Ｖ_Ｏから抜け出した後、水素はＶ_Ｏ内に戻るあるいは別の酸素に拡散する。水素は、Ａ
およびＣの逆方向（それぞれ、Ａ’、Ｃ’と示す。）でＶ_Ｏ内に戻る。水素が、別の酸素
に拡散する経路Ｅ、Ｆについて、経路ＡおよびＣの終状態を始状態にセットして、ＮＥＢ
計算を行った。水素の拡散経路およびエネルギー変化を図３０に示す。

経路Ａ’、Ｃ’、Ｅ、Ｆの活性障壁はそれぞれ０．４６ｅＶ、０．３４ｅＶ、０．３８
ｅＶ、０．０３ｅＶであった。

次に、上記で得られた活性障壁より、水素拡散の起こる反応頻度Γを、以下の数式（５
）式より見積もった。

ここで、νは頻度因子、Ｅ_ａは活性障壁である。

νを１．０×１０^１３／ｓｅｃと仮定した場合、３５０℃におけるＶ_Ｏ内の水素が抜け
出す頻度、Ｖ_Ｏ内に水素が入り込む頻度および別の酸素に拡散する頻度を表４に示す。

表４より、酸素サイトＯ_（１）およびＯ_（３）では、水素は高い頻度でＶ_Ｏ内に入るが
、３５０℃においてＶ_Ｏ内から水素は抜け出しにくい。したがって、水素が一旦Ｖ_Ｏ内に
入り込むと抜け出しにくいことから、Ｖ_ＯＨは安定に存在する。

＜２－ｄ Ｖ_ＯＨの遷移レベル＞
上述した＜２－ｃ Ｖ_ＯとＨが同時に存在する時の安定な構造＞より、Ｖ_Ｏと水素が同
時に存在する時、Ｖ_ＯＨとして安定に存在することが分かった。そこで、Ｖ_ＯＨの遷移レ
ベルを算出した。Ｖ_ＯＨのε（＋／０）遷移レベルは酸素サイトＯ_（１）にＶ_ＯＨがある
場合は３．０３ｅＶ、酸素サイトＯ_（３）にＶ_ＯＨがある場合は２．９７ｅＶであった。
いずれのＶ_ＯＨのε（＋／０）遷移レベルも伝導帯下端付近に位置していることから、ｓ
ｈａｌｌｏｗ ｄｏｎｏｒと考えられる。また、Ｖ_ＯＨはドナーとして振る舞うため、Ｖ
_ＯＨを有するＩＧＺＯは抵抗率が低く、導電性を有することが明らかになった。

（実施の形態８）
本発明の一態様に係る半導体装置は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を
備えた画像再生装置（代表的にはＤＶＤ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓ
ｃ等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置）に用いるこ
とができる。その他に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる電子機器
として、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍、ビデオカメラ、
デジタルスチルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレ
イ）、ナビゲーションシステム、音響再生装置（カーオーディオ、デジタルオーディオプ
レイヤー等）、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ払
い機（ＡＴＭ）、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図１７に示す
。

図１７（Ａ）は携帯型ゲーム機であり、筐体９０１、筐体９０２、表示部９０３、表示
部９０４、マイクロフォン９０５、スピーカー９０６、操作キー９０７、スタイラス９０
８等を有する。なお、図１７（Ａ）に示した携帯型ゲーム機は、２つの表示部９０３と表
示部９０４とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されな
い。

図１７（Ｂ）は携帯データ端末であり、第１の筐体９１１、第２の筐体９１２、第１表
示部９１３、第２表示部９１４、接続部９１５、操作キー９１６等を有する。第１表示部
９１３は第１の筐体９１１に設けられており、第２表示部９１４は第２の筐体９１２に設
けられている。そして、第１の筐体９１１と第２の筐体９１２とは、接続部９１５により
接続されており、第１の筐体９１１と第２の筐体９１２の間の角度は、接続部９１５によ
り変更が可能である。第１表示部９１３における映像を、接続部９１５における第１の筐
体９１１と第２の筐体９１２との間の角度に従って、切り替える構成としても良い。また
、第１表示部９１３および第２表示部９１４の少なくとも一方に、位置入力装置としての
機能が付加された表示装置を用いるようにしても良い。なお、位置入力装置としての機能
は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することができる。或いは、位置入力装
置としての機能は、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設ける
ことでも、付加することができる。

図１７（Ｃ）はノート型パーソナルコンピュータであり、筐体９２１、表示部９２２、
キーボード９２３、ポインティングデバイス９２４等を有する。

図１７（Ｄ）は電気冷凍冷蔵庫であり、筐体９３１、冷蔵室用扉９３２、冷凍室用扉９
３３等を有する。

図１７（Ｅ）はビデオカメラであり、第１の筐体９４１、第２の筐体９４２、表示部９
４３、操作キー９４４、レンズ９４５、接続部９４６等を有する。操作キー９４４および
レンズ９４５は第１の筐体９４１に設けられており、表示部９４３は第２の筐体９４２に
設けられている。そして、第１の筐体９４１と第２の筐体９４２とは、接続部９４６によ
り接続されており、第１の筐体９４１と第２の筐体９４２の間の角度は、接続部９４６に
より変更が可能である。表示部９４３における映像を、接続部９４６における第１の筐体
９４１と第２の筐体９４２との間の角度に従って切り替える構成としても良い。

図１７（Ｆ）は普通自動車であり、車体９５１、車輪９５２、ダッシュボード９５３、
ライト９５４等を有する。

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組
み合わせて実施することができる。

Claims (1)

1. 酸化物絶縁膜上の酸化物半導体膜と、
   前記酸化物半導体膜に接するゲート絶縁膜と、
   前記ゲート絶縁膜を介して前記酸化物半導体膜と重なるゲート電極と、
   前記酸化物半導体膜と接する窒化絶縁膜と、
   前記酸化物半導体膜と接する一対の導電膜とを有し、
   前記酸化物半導体膜は、第１の領域と、第２の領域とを有し、
   前記第１の領域は、前記ゲート絶縁膜と接し、
   前記第２の領域は、前記窒化物絶縁膜及び前記一対の導電膜と接し、
   少なくとも前記第２の領域は、不純物元素を有し、
   第２の領域は、前記第１の領域と不純物元素の濃度が異なる、半導体装置。

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