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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-12-05
(45)【発行日】2024-12-13
(54)【発明の名称】半導体装置の作製方法
(51)【国際特許分類】
H01L 29/786 20060101AFI20241206BHJP
H01L 21/336 20060101ALI20241206BHJP
H01L 21/425 20060101ALI20241206BHJP
H01L 21/8234 20060101ALI20241206BHJP
H01L 27/06 20060101ALI20241206BHJP
H01L 27/088 20060101ALI20241206BHJP
【ＦＩ】
H01L29/78 617N
H01L29/78 618B
H01L29/78 612Z
H01L21/425
H01L27/06 102A
H01L27/088 331E
【請求項の数】
12
(21)【出願番号】P 2022196939
(22)【出願日】2022-12-09
(62)【分割の表示】P 2019563712の分割
【原出願日】2018-12-19
(65)【公開番号】P2023017043
(43)【公開日】2023-02-02
【審査請求日】2022-12-12
(31)【優先権主張番号】P 2018000501
(32)【優先日】2018-01-05
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(31)【優先権主張番号】P 2018021912
(32)【優先日】2018-02-09
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000153878
【氏名又は名称】株式会社半導体エネルギー研究所
(72)【発明者】
【氏名】肥塚 純一
(72)【発明者】
【氏名】生内 俊光
(72)【発明者】
【氏名】神長 正美
(72)【発明者】
【氏名】黒崎 大輔
【審査官】脇水 佳弘
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１５－１８８０７９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－１４６６９４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－２１１６２１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－１５３６４４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ２９／７８６
Ｈ０１Ｌ ２１／３３６
Ｈ０１Ｌ ２１／４２５
Ｈ０１Ｌ ２１／８２３４
Ｈ０１Ｌ ２７／０６
Ｈ０１Ｌ ２７／０８８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
酸化物半導体層を有する半導体装置の作製方法であって、前記酸化物半導体層に接して酸化物膜を形成する工程と、
前記酸化物膜を介して、前記酸化物半導体層に不純物元素を添加する工程と、
前記添加する工程の後に、絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層を形成する工程の後に、加熱処理を行い前記酸化物膜から酸素を前記酸化物半導体層に放出させる工程と、を有し、
前記絶縁層は、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、又はハフニウムアルミネートを含む絶縁膜であり、
前記添加する前記不純物元素は、リン、ホウ素、マグネシウム、アルミニウム、またはシリコンであり、
前記添加を、前記酸化物半導体層中における前記不純物元素の濃度分布が前記酸化物膜に近いほど高くなる領域を有するように行う、半導体装置の作製方法。
【請求項2】
請求項１において、前記加熱処理を、２００℃以上４００℃以下の温度範囲で行う、半導体装置の作製方法。
【請求項3】
請求項１または請求項２において、前記絶縁層の形成を、１５０℃以上４００℃以下の温度範囲で行う、半導体装置の作製方法。
【請求項4】
請求項１乃至請求項３のいずれか一において、前記酸化物半導体層は、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を含む半導体装置の作製方法。
【請求項5】
請求項４において、前記添加する工程の前に、前記酸化物膜に接して、前記酸化物半導体層よりもガリウムの割合が高く且つ前記酸化物半導体層よりもインジウムの割合が低い金属酸化物層を形成する工程を有する、半導体装置の作製方法。
【請求項6】
請求項１乃至請求項４のいずれか一において、前記添加する工程の前に、前記酸化物膜に接して金属酸化物層を形成する工程を有する、半導体装置の作製方法。
【請求項7】
請求項１乃至請求項４のいずれか一において、前記添加する工程の前に、前記酸化物膜に対して酸素を供給する処理を行う工程を有する、半導体装置の作製方法。
【請求項8】
請求項１乃至請求項７のいずれか一において、前記添加を、前記酸化物膜中における前記不純物元素の濃度分布が前記酸化物半導体層に近いほど高くなる領域を有するように行う、半導体装置の作製方法。
【請求項9】
請求項１乃至請求項８のいずれか一において、前記添加を、前記酸化物半導体層と前記酸化物膜との界面、前記酸化物半導体層中の前記酸化物膜に近い部分又は前記酸化物膜中の前記酸化物半導体層に近い部分で、前記不純物元素の濃度が最も高くなるように行う、半導体装置の作製方法。
【請求項10】
請求項１乃至請求項９のいずれか一において、前記添加を、プラズマイオンドーピング法またはイオン注入法によって行う、半導体装置の作製方法。
【請求項11】
第１の導電層と、インジウムと、ガリウムと、を含む酸化物半導体層と、
酸化物層と、
前記酸化物層を介して前記酸化物半導体層と対向する領域を有し且つ前記酸化物半導体層よりもガリウムの割合が高く且つ前記酸化物半導体層よりもインジウムの割合が低い金属酸化物層と、
前記金属酸化物層及び前記酸化物層に設けられた開口を介して前記第１の導電層と接する第２の導電層と、
絶縁層と、
を有する半導体装置の作製方法であって、
前記酸化物半導体層に接して酸化物膜を形成する工程と、
前記酸化物膜を介して、前記酸化物半導体層に不純物元素を添加する工程と、
前記添加する工程の後に、前記絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層を形成する工程の後に、加熱処理を行い前記酸化物膜から酸素を前記酸化物半導体層に放出させる工程と、を有し、
前記絶縁層は、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、又はハフニウムアルミネートを含む絶縁膜であり、
前記添加する前記不純物元素は、リン、ホウ素、マグネシウム、アルミニウム、またはシリコンであり、
前記添加を、前記酸化物半導体層中における前記不純物元素の濃度分布が前記酸化物膜に近いほど高くなる領域を有するように行う、半導体装置の作製方法。
【請求項12】
第１の導電層と、酸化物半導体層と、
酸化物層と、
前記酸化物層を介して前記酸化物半導体層と対向する領域を有する金属酸化物層と、
前記金属酸化物層及び前記酸化物層に設けられた開口を介して前記第１の導電層と接する第２の導電層と、
絶縁層と、を有する半導体装置の作製方法であって、
前記第１の導電層上に、インジウムと、ガリウムと、を含む前記酸化物半導体層を形成する工程と、
前記酸化物半導体層に接して酸化物膜を形成する工程と、
前記酸化物膜に接して、前記酸化物半導体層よりもガリウムの割合が高く且つ前記酸化物半導体層よりもインジウムの割合が低い前記金属酸化物層を形成する工程と、
前記金属酸化物層と前記酸化物膜とに、前記開口を形成する工程と、
前記金属酸化物層上に、前記第２の導電層を形成する工程と、
前記酸化物膜を介して、前記酸化物半導体層に不純物元素を添加する工程と、
前記添加する工程の後に、前記絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層を形成する工程の後に、加熱処理を行い前記酸化物膜から酸素を前記酸化物半導体層に放出させる工程と、を有し、
前記絶縁層は、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、又はハフニウムアルミネートを含む絶縁膜であり、
前記添加する前記不純物元素は、リン、ホウ素、マグネシウム、アルミニウム、またはシリコンであり、
前記添加を、前記酸化物半導体層中における前記不純物元素の濃度分布が前記酸化物膜に近いほど高くなる領域を有するように行う、半導体装置の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の一態様は、半導体装置に関する。本発明の一態様は、表示装置に関する。本発明の一態様は、半導体装置、または表示装置の作製方法に関する。
【0002】
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する本発明の一態様の技術分野としては、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、電子機器、照明装置、入力装置、入出力装置、それらの駆動方法、又はそれらの製造方法、を一例として挙げることができる。半導体装置は、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。
【背景技術】
【0003】
トランジスタに適用可能な半導体材料として、金属酸化物を用いた酸化物半導体が注目されている。例えば、特許文献１では、複数の酸化物半導体層を積層し、当該複数の酸化物半導体層の中で、チャネルとなる酸化物半導体層がインジウム及びガリウムを含み、且つインジウムの割合をガリウムの割合よりも大きくすることで、電界効果移動度（単に移動度、またはμＦＥという場合がある）を高めた半導体装置が開示されている。
【0004】
半導体層に用いることのできる金属酸化物は、スパッタリング法などを用いて形成できるため、大型の表示装置を構成するトランジスタの半導体層に用いることができる。また、多結晶シリコンや非晶質シリコンを用いたトランジスタの生産設備の一部を改良して利用することが可能なため、設備投資を抑えられる。また、金属酸化物を用いたトランジスタは、非晶質シリコンを用いた場合に比べて高い電界効果移動度を有するため、駆動回路を設けた高性能の表示装置を実現できる。
【0005】
また、特許文献２には、ソース領域およびドレイン領域に、アルミニウム、ホウ素、ガリウム、インジウム、チタン、シリコン、ゲルマニウム、スズ、および鉛からなる群のうちの少なくとも一種をドーパントとして含む低抵抗領域を有する酸化物半導体膜が適用された薄膜トランジスタが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２０１４－７３９９号公報
【文献】特開２０１１－２２８６２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明の一態様は、電気特性の良好な半導体装置を提供することを課題の一とする。または、電気特性の安定した半導体装置を提供することを課題の一とする。または、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。
【0008】
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抽出することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明の一態様は半導体層と、第１の絶縁層と、第１の導電層と、を有する半導体装置である。半導体層は、島状の上面形状を有する。第１の絶縁層は、半導体層の上面及び側面に接して設けられる。第１の導電層は、第１の絶縁層上に位置し、且つ、半導体層と重なる部分を有する。また、半導体層は、金属酸化物を含み、第１の絶縁層は、酸化物を含む。半導体層は、第１の導電層と重なる第１の領域と、第１の導電層と重ならない第２の領域と、を有する。第１の絶縁層は、第１の導電層と重なる第３の領域と、第１の導電層と重ならない第４の領域と、を有する。また、第２の領域、及び第４の領域は、第１の元素を含む。また、第１の元素は、リン、ホウ素、マグネシウム、アルミニウム、またはシリコンであることが好ましい。また、上記第１の元素は、酸素と結合した状態で存在することが好ましい。
【0010】
また、上記において、第２の領域、または第４の領域は、Ｘ線光電子分光法分析において、第１の元素の酸化状態に起因するピークが観測されることが好ましい。
【0011】
また、上記において、第２の領域は、第４の領域よりも第１の元素の濃度が高い領域を有することが好ましい。
【0012】
また、上記において、第２の領域において、第１の元素は、第１の絶縁層に近いほど濃度が高い濃度勾配を有することが好ましい。
【0013】
また、上記において、第４の領域において、第１の元素は、半導体層に近いほど濃度が高い濃度勾配を有することが好ましい。
【0014】
また、上記において、半導体層は、第１の元素の濃度が、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、１×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域を有することが好ましい。
【0015】
また、上記において、第２の絶縁層を有することが好ましい。このとき、半導体層は、第２の絶縁層上に接して設けられることが好ましい。また第１の絶縁層は、半導体層と重ならない領域において、第２の絶縁層と接する部分を有することが好ましい。また、第２の絶縁層は、半導体層と重ならず、且つ第１の元素を含む第５の領域を有することが好ましい。
【0016】
また、上記において、第２の導電層を有することが好ましい。このとき、第２の導電層は、第２の絶縁層よりも下側に位置し、且つ、半導体層及び第１の導電層と重なる領域を有することが好ましい。
【0017】
また、上記において、第１の絶縁層と、第１の導電層との間に、金属酸化物層を有することが好ましい。このとき、金属酸化物層は、半導体層と同一の元素を一以上含むことが好ましい。
【0018】
また、本発明の他の一態様は、金属酸化物を含む、島状の半導体層を形成する第１の工程と、島状の半導体層上に、酸化物を含む第１の絶縁層を形成する第２の工程と、第１の絶縁層上に、半導体層の一部と重なる第１の導電層を形成する第３の工程と、第１の導電層に覆われない領域において、第１の絶縁層及び半導体層中に第１の元素を供給する第４の工程と、を有する半導体装置の作製方法である。また、第１の元素は、リン、ホウ素、マグネシウム、アルミニウム、またはシリコンであることが好ましい。
【0019】
また、上記における第４の工程において、第１の元素は、半導体層中の濃度が、第１の絶縁層に近いほど高くなる濃度分布となるように、供給されることが好ましい。
【0020】
また、上記における第４の工程において、第１の元素は、プラズマイオンドーピング法またはイオン注入法を用いて供給されることが好ましい。
【0021】
また、上記において、第４の工程より後に、加熱処理を行う第５の工程を有することが好ましい。このとき、当該加熱処理は、２００℃以上４００℃以下の温度範囲で行われることが好ましい。
【発明の効果】
【0022】
本発明の一態様によれば、電気特性の良好な半導体装置を提供できる。または、電気特性の安定した半導体装置を提供できる。または、信頼性の高い表示装置を提供できる。
【0023】
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抽出することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】トランジスタの構成例。
【図2】トランジスタの構成例。
【図3】トランジスタの構成例。
【図4】トランジスタの構成例。
【図5】トランジスタの作製方法を説明する図。
【図6】トランジスタの作製方法を説明する図。
【図7】表示装置の上面図。
【図8】表示装置の断面図。
【図9】表示装置の断面図。
【図10】表示装置の断面図。
【図11】表示装置のブロック図及び回路図。
【図12】表示装置の回路図。
【図13】表示モジュールの構成例。
【図14】電子機器の構成例。
【図15】電子機器の構成例。
【図16】電子機器の構成例。
【図17】不純物濃度の計算結果。
【図18】シート抵抗の測定結果。
【図19】シート抵抗の測定結果。
【図20】シート抵抗の測定結果。
【図21】不純物濃度の測定結果。
【図22】トランジスタの電気特性。
【図23】トランジスタの電気特性。
【図24】トランジスタの電気特性及び信頼性評価結果。
【図25】ＴＤＳ分析結果。
【図26】ＴＤＳ分析結果。
【図27】ＸＰＳ分析結果。
【図28】ＸＰＳ分析結果。
【図29】トランジスタの電気特性。
【発明を実施するための形態】
【0025】
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。ただし、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなく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、以下の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。
【0026】
また、本明細書で説明する各図において、各構成の大きさ、層の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。
【0027】
また、本明細書にて用いる「第１」、「第２」、「第３」という序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではない。
【0028】
また、本明細書において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。従って、明細書で説明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
【0029】
また、本明細書等において、トランジスタが有するソースとドレインの機能は、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、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。
【0030】
なお、本明細書等において、トランジスタのチャネル長方向とは、ソース領域とドレイン領域間を最短距離で結ぶ直線に平行な方向のうちの１つをいう。すなわち、チャネル長方向は、トランジスタがオン状態のときに半導体層を流れる電流の方向のうちの１つに相当する。また、チャネル幅方向とは、当該チャネル長方向に直交する方向をいう。なお、トランジスタの構造や形状によっては、チャネル長方向及びチャネル幅方向は１つに定まらない場合がある。
【0031】
また、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。
【0032】
また、本明細書等において、「膜」という用語と、「層」という用語とは、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」や「絶縁層」という用語は、「導電膜」や「絶縁膜」という用語に相互に交換することが可能な場合がある。
【0033】
また、本明細書等において、特に断りがない場合、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態（非導通状態、遮断状態、ともいう）にあるときのドレイン電流をいう。オフ状態とは、特に断りがない場合、ｎチャネル型トランジスタでは、ゲートとソースの間の電圧Ｖｇｓがしきい値電圧Ｖｔｈよりも低い（ｐチャネル型トランジスタでは、Ｖｔｈよりも高い）状態をいう。
【0034】
本明細書等において、表示装置の一態様である表示パネルは表示面に画像等を表示（出力）する機能を有するものである。したがって表示パネルは出力装置の一態様である。
【0035】
また、本明細書等では、表示パネルの基板に、例えばＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）もしくはＴＣＰ（Ｔａｐｅ Ｃａｒｒｉｅｒ Ｐａｃｋａｇｅ）などのコネクターが取り付けられたもの、または基板にＣＯＧ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）方式等によりＩＣが実装されたものを、表示パネルモジュール、表示モジュール、または単に表示パネルなどと呼ぶ場合がある。
【0036】
なお、本明細書等において、表示装置の一態様であるタッチパネルは表示面に画像等を表示する機能と、表示面に指やスタイラスなどの被検知体が触れる、押圧する、または近づくことなどを検出するタッチセンサとしての機能と、を有する。したがってタッチパネルは入出力装置の一態様である。
【0037】
タッチパネルは、例えばタッチセンサ付き表示パネル（または表示装置）、タッチセンサ機能つき表示パネル（または表示装置）とも呼ぶことができる。タッチパネルは、表示パネルとタッチセンサパネルとを有する構成とすることもできる。または、表示パネルの内部または表面にタッチセンサとしての機能を有する構成とすることもできる。
【0038】
また、本明細書等では、タッチパネルの基板に、コネクターやＩＣが実装されたものを、タッチパネルモジュール、表示モジュール、または単にタッチパネルなどと呼ぶ場合がある。
【0039】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置、表示装置、およびその作製方法について説明する。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置、表示装置、およびその作製方法について説明する。
【0040】
本発明の一態様は、被形成面上に、チャネルが形成される半導体層と、半導体層上にゲート絶縁層（第１の絶縁層ともいう）と、ゲート絶縁層上にゲート電極として機能する導電層（第１の導電層ともいう）と、を有するトランジスタである。半導体層は、半導体特性を示す金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう）を含んで構成されることが好ましい。
【0041】
ゲート絶縁層は、島状に加工された半導体層の上面及び側面に接して設けられることが好ましい。また特に、半導体層に金属酸化物を適用した場合、ゲート絶縁層は酸化物を含むことが好ましい。
【0042】
半導体層は、チャネルが形成されうるチャネル形成領域と、ソース領域及びドレイン領域として機能する一対の低抵抗領域を有する。チャネル形成領域は、半導体層におけるゲート電極と重畳する領域である。また一対の低抵抗領域は、チャネル形成領域を挟んで設けられ、チャネル形成領域よりも低抵抗な領域である。
【0043】
一対の低抵抗領域は、不純物元素を含むことが好ましい。不純物元素としては、水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、ヒ素、アルミニウム、マグネシウム、シリコン、または希ガスなどが挙げられる。なお、希ガスの代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及びキセノン等がある。特に、ホウ素またはリンを含むことが好ましい。
【0044】
特に、一対の低抵抗領域は、酸素と結合しやすい不純物元素を含むことが好ましい。例えば、ホウ素、リン、アルミニウム、マグネシウム、シリコン等が挙げられる。
【0045】
一対の低抵抗領域に含まれる不純物元素は、ゲート絶縁層に近いほど濃度が高い濃度勾配を有することが好ましい。
【0046】
なお、作製工程中にかかる熱の影響などにより、チャネル形成領域に低抵抗領域に含まれる上記不純物元素の一部が拡散する場合もある。このような場合、チャネル形成領域中の不純物元素の濃度は、低抵抗領域中の濃度の１０分の１以下、好ましくは１００分の１以下であることが好ましい。
【0047】
また、ゲート絶縁層のうち、一対の低抵抗領域と接する部分、すなわち、ゲート電極と重畳しない部分にも、上記不純物元素が含まれることが好ましい。また、ゲート絶縁層のうち、チャネル形成領域と接する部分、すなわち、ゲート電極と重畳する部分には、上記不純物が添加されていないことが好ましい。
【0048】
半導体層の上面に接して酸化物を含むゲート絶縁層が設けられた状態で、加熱処理を行うことで、ゲート絶縁層から放出される酸素を半導体層に供給することができる。これにより、半導体層中の酸素欠損を補填することができ、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。
【0049】
一方、低抵抗領域に酸素が供給されると、キャリア密度が低減し、電気抵抗が上昇してしまう場合がある。しかしながら本発明の一態様では、ゲート絶縁層の低抵抗領域に接する部分には上述した不純物元素が添加されている。加熱により酸素を放出しうる酸化物膜に、上述した不純物元素を添加することにより、放出される酸素の量を低減することができる。その結果、ゲート絶縁層から低抵抗領域に酸素が供給されることが抑制され、低抵抗領域は電気抵抗が低い状態を維持することができる。
【0050】
このような構成とすることで、酸素欠損が十分に低減され、キャリア密度の極めて低いチャネル形成領域と、電気抵抗の極めて低いソース領域及びドレイン領域と、を兼ね備え、電気特性に優れ、且つ信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【0051】
このようなトランジスタは、例えばゲート電極をマスクに用いて、ゲート絶縁層及び半導体層に対して、上述した不純物元素を供給する処理を行った後、加熱処理を行うことで作製することができる。
【0052】
このとき、不純物元素の供給は、プラズマイオンドーピング法またはイオン注入法により行うことがより好ましい。これらの方法は、イオンを添加する深さを調整しやすいため、ゲート絶縁層と半導体層とを含む領域を狙って、イオンを添加することが容易となる。
【0053】
また、不純物元素を添加する際、半導体層のゲート絶縁層側の領域、または、半導体層とゲート絶縁層との界面近傍の不純物濃度が最も高くなるように、イオンの供給条件を設定することが好ましい。これにより、一度の工程で半導体層とゲート絶縁層の両方に適切な濃度の不純物元素を添加することができる。さらに、低抵抗領域の上部に高い濃度で不純物元素を添加し、低抵抗化することで、低抵抗領域とソース電極またはドレイン電極との接触抵抗をより低くすることが可能となる。また、ゲート絶縁層の低抵抗領域に近い部分に不純物元素の濃度の高い領域を形成することで、この部分の酸素の拡散性が効果的に低下し、ゲート絶縁層中の酸素が低抵抗領域側に拡散することをより効果的に抑制することができる。
【0054】
例えば、半導体層の低抵抗領域は、不純物濃度が、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、１×１０２３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、１×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域を含むことが好ましい。また、半導体層の低抵抗領域は、ゲート絶縁層の低抵抗領域と接する領域よりも、不純物濃度が高い領域を有することが好ましい。これにより、極めて低抵抗な低抵抗領域とすることができる。
【0055】
また、ゲート絶縁層のゲート電極と重ならない領域は、不純物濃度が低抵抗領域よりも低く、且つゲート電極と重なる部分よりも高い領域を含むことが好ましい。
【0056】
また、不純物元素として酸素と結合しやすい元素を用いた場合、不純物元素は半導体中の酸素と結合した状態で存在する。すなわち、不純物元素が半導体層中の酸素を奪うことで、半導体層中に酸素欠損が生じ、当該酸素欠損と膜中の水素とが結合することでキャリアが生成される。さらに半導体層中の不純物元素は酸化した状態で安定に存在するため、工程中にかかる熱などで脱離することなく、安定して低抵抗な低抵抗領域を実現できる。例えば４００℃以上、６００℃以上、または８００℃以上の温度が行程中にかかったとしても、安定な低抵抗領域を維持することができる。
【0057】
ここで、一般に半導体層としてシリコン膜を用いた場合では、不純物として、半導体に電子を供給するドナー、またはホール（正孔）を供給するアクセプタを用い、当該ドナーまたはアクセプタが、シリコン原子と置換することで、半導体層にＮ型またはＰ型の導電性を付与することができる。一方、上述のように、本発明の一態様においては、酸化物半導体に含まれる不純物元素は、酸化物半導体中の酸素を奪い、半導体層中に酸素欠損を生じさせる機能を有していればよく、不純物元素自体がキャリアを生成する機能を有している必要はない。この点で、本発明の一態様における半導体層の低抵抗化のメカニズムは、シリコンなどの場合とは全く異なるものであると言える。
【0058】
また、ゲート絶縁層として酸化物を含む絶縁膜を用いることが好ましい。さらに、ゲート絶縁層中には、加熱により脱離する酸素（過剰酸素ともいう）が含まれることが好ましい。このとき、ゲート絶縁層中の不純物元素は、ゲート絶縁層中の過剰酸素と結合した状態で存在する。過剰酸素と不純物元素とが結合して安定化することで、不純物元素が添加された領域では、加熱を行ってもほとんど酸素が脱離しない状態となる。また酸素が拡散しにくい状態となる。これにより、ゲート絶縁層から低抵抗領域に酸素が供給されることによる高抵抗化を防ぎつつ、チャネル形成領域には酸素が供給されることにより、酸素欠損を低減できる。その結果、電気特性が良好で、信頼性の高いトランジスタを実現できる。
【0059】
不純物元素は、半導体層中、及びゲート絶縁層中の酸素と結合して安定化する元素を用いることが好ましい。例えば酸化物が標準状態において固体で存在しうる元素を用いることが好ましい。特に好ましい元素としては、希ガス、水素以外の典型非金属元素、典型金属元素、及び遷移金属元素から選択することができる。特に、ホウ素、リン、アルミニウム、マグネシウム、シリコン等を用いることが好ましい。
【0060】
以下では、より具体的な例について、図面を参照して説明する。
【0061】
［構成例１］
図１（Ａ）は、トランジスタ１００の上面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１－Ａ２における切断面の断面図に相当し、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）に示す一点鎖線Ｂ１－Ｂ２における切断面の断面図に相当する。なお、図１（Ａ）において、トランジスタ１００の構成要素の一部（ゲート絶縁層等）を省略して図示している。また、一点鎖線Ａ１－Ａ２方向はチャネル長方向、一点鎖線Ｂ１－Ｂ２方向はチャネル幅方向に相当する。また、トランジスタの上面図については、以降の図面においても図１（Ａ）と同様に、構成要素の一部を省略して図示するものとする。
図１（Ａ）は、トランジスタ１００の上面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１－Ａ２における切断面の断面図に相当し、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）に示す一点鎖線Ｂ１－Ｂ２における切断面の断面図に相当する。なお、図１（Ａ）において、トランジスタ１００の構成要素の一部（ゲート絶縁層等）を省略して図示している。また、一点鎖線Ａ１－Ａ２方向はチャネル長方向、一点鎖線Ｂ１－Ｂ２方向はチャネル幅方向に相当する。また、トランジスタの上面図については、以降の図面においても図１（Ａ）と同様に、構成要素の一部を省略して図示するものとする。
【0062】
トランジスタ１００は、基板１０２上に設けられ、絶縁層１０３、半導体層１０８、絶縁層１１０、金属酸化物層１１４、導電層１１２、絶縁層１１６、絶縁層１１８等を有する。島状の半導体層１０８は、絶縁層１０３上に設けられる。絶縁層１１０は、絶縁層１０３の上面、半導体層１０８の上面及び側面に接して設けられる。金属酸化物層１１４及び導電層１１２は、絶縁層１１０上にこの順に積層して設けられ、半導体層１０８と重畳する部分を有する。絶縁層１１６は、絶縁層１１０の上面、金属酸化物層１１４の側面、及び導電層１１２の上面を覆って設けられている。絶縁層１１８は、絶縁層１１６を覆って設けられている。
【0063】
導電層１１２の一部は、ゲート電極として機能する。絶縁層１１０の一部は、ゲート絶縁層として機能する。トランジスタ１００は、半導体層１０８上にゲート電極が設けられる、いわゆるトップゲート型のトランジスタである。
【0064】
また、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、トランジスタ１００は、絶縁層１１８上に導電層１２０ａ及び導電層１２０ｂを有していてもよい。導電層１２０ａ及び導電層１２０ｂはソース電極またはドレイン電極として機能する。導電層１２０ａ及び導電層１２０ｂは、それぞれ絶縁層１１８、絶縁層１１６、及び絶縁層１１０に設けられた開口部１４１ａまたは開口部１４１ｂを介して、後述する領域１０８ｎに電気的に接続される。
【0065】
半導体層１０８は、金属酸化物を含むことが好ましい。
【0066】
例えば半導体層１０８は、インジウムと、Ｍ（Ｍは、ガリウム、アルミニウム、シリコン、ホウ素、イットリウム、スズ、銅、バナジウム、ベリリウム、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムから選ばれた一種または複数種）と、亜鉛と、を有すると好ましい。特にＭはアルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはスズから選ばれた一種または複数種とすることが好ましい。
【0067】
特に、半導体層１０８として、インジウム、ガリウム、及び亜鉛を含む酸化物を用いることが好ましい。
【0068】
半導体層１０８として、組成の異なる層、または結晶性の異なる層、または不純物濃度の異なる層を積層した積層構造としてもよい。
【0069】
導電層１１２、及び金属酸化物層１１４は、上面形状が互いに概略一致するように加工されている。
【0070】
なお、本明細書等において「上面形状が概略一致」とは、積層した層と層との間で少なくとも輪郭の一部が重なることをいう。例えば、上層と下層とが、同一のマスクパターン、または一部が同一のマスクパターンにより加工された場合を含む。ただし、厳密には輪郭が重なり合わず、上層が下層の内側に位置することや、上層が下層の外側に位置することもあり、この場合も「上面形状が概略一致」という。
【0071】
絶縁層１１０と導電層１１２との間に位置する金属酸化物層１１４は、絶縁層１１０に含まれる酸素が導電層１１２側に拡散することを防ぐバリア膜として機能する。さらに金属酸化物層１１４は、導電層１１２に含まれる水素や水が絶縁層１１０側に拡散することを防ぐバリア膜としても機能する。金属酸化物層１１４は、例えば少なくとも絶縁層１１０よりも酸素及び水素を透過しにくい材料を用いることができる。
【0072】
金属酸化物層１１４により、導電層１１２にアルミニウムや銅などの酸素を吸引しやすい金属材料を用いた場合であっても、絶縁層１１０から導電層１１２へ酸素が拡散することを防ぐことができる。また、導電層１１２が水素を含む場合であっても、導電層１１２から絶縁層１１０を介して半導体層１０８へ水素が拡散することを防ぐことができる。その結果、半導体層１０８のチャネル形成領域におけるキャリア密度を極めて低いものとすることができる。
【0073】
金属酸化物層１１４としては、絶縁性材料または導電性材料を用いることができる。金属酸化物層１１４が絶縁性を有する場合には、ゲート絶縁層の一部として機能する。一方、金属酸化物層１１４が導電性を有する場合には、ゲート電極の一部として機能する。
【0074】
金属酸化物層１１４として、酸化シリコンよりも誘電率の高い絶縁性材料を用いることが好ましい。特に、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、またはハフニウムアルミネート膜等を用いると、駆動電圧を低減できるため好ましい。
【0075】
金属酸化物層１１４として、例えば酸化インジウム、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、またはシリコンを含有したインジウムスズ酸化物（ＩＴＳＯ）などの、導電性酸化物を用いることもできる。特にインジウムを含む導電性酸化物は、導電性が高いため好ましい。
【0076】
また、金属酸化物層１１４として、半導体層１０８と同一の元素を一以上含む酸化物材料を用いることが好ましい。特に、上記半導体層１０８に適用可能な酸化物半導体材料を用いることが好ましい。このとき、金属酸化物層１１４として、半導体層１０８と同じスパッタリングターゲットを用いて形成した金属酸化物膜を適用することで、装置を共通化できるため好ましい。
【0077】
または、半導体層１０８と金属酸化物層１１４の両方に、インジウム及びガリウムを含む金属酸化物材料を用いる場合、半導体層１０８よりもガリウムの組成（含有割合）が高い材料を用いると、酸素に対するブロッキング性をより高めることができるため好ましい。このとき、半導体層１０８には、金属酸化物層１１４よりもインジウムの組成が高い材料を用いることで、トランジスタ１００の電界効果移動度を高めることができる。
【0078】
また、金属酸化物層１１４は、スパッタリング装置を用いて形成すると好ましい。例えば、スパッタリング装置を用いて酸化物膜を形成する場合、酸素ガスを含む雰囲気で形成することで、絶縁層１１０や半導体層１０８中に好適に酸素を添加することができる。
【0079】
半導体層１０８は、導電層１１２と重畳する領域と、当該領域を挟む一対の低抵抗な領域１０８ｎを有する。半導体層１０８の、導電層１１２と重畳する領域は、トランジスタ１００のチャネル形成領域として機能する。一方、領域１０８ｎは、トランジスタ１００のソース領域またはドレイン領域として機能する。
【0080】
また領域１０８ｎは、チャネル形成領域よりも低抵抗な領域、キャリア濃度が高い領域、酸素欠陥密度の高い領域、不純物濃度の高い領域、またはｎ型である領域ともいうことができる。
【0081】
半導体層１０８の領域１０８ｎは、不純物元素を含む領域である。当該不純物元素としては、例えば水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、ヒ素、アルミニウム、または希ガスなどが挙げられる。なお、希ガスの代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及びキセノン等がある。特に、ホウ素またはリンを含むことが好ましい。またこれら元素を２以上含んでいてもよい。
【0082】
絶縁層１１０は、半導体層１０８のチャネル形成領域と接する領域、すなわち導電層１１２と重畳する領域を有する。また、絶縁層１１０は、半導体層１０８の低抵抗な領域１０８ｎと接し、且つ導電層１１２と重畳しない領域を有する。
【0083】
また、半導体層１０８のチャネル形成領域に接する絶縁層１０３と絶縁層１１０には、酸化物膜を用いることが好ましい。例えば、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜などの酸化物膜を用いることができる。これにより、トランジスタ１００の作製工程における熱処理などで、絶縁層１０３や絶縁層１１０から脱離した酸素を半導体層１０８のチャネル形成領域に供給し、半導体層１０８中の酸素欠損を低減することができる。
【0084】
【0085】
絶縁層１１０は、上述した不純物元素を含む領域１１０ｄを有する。領域１１０ｄは、少なくとも領域１０８ｎとの界面近傍に位置している。また領域１１０ｄは、半導体層１０８が設けられず、且つ導電層１１２と重畳しない領域において、少なくとも絶縁層１０３との界面近傍にも位置している。また、図１（Ｂ）、（Ｃ）、及び図２に示すように、領域１１０ｄは、半導体層１０８のチャネル形成領域と接する部分には設けられていないことが好ましい。
【0086】
また、絶縁層１０３は、絶縁層１１０と接する界面近傍に、上述した不純物元素を含む領域１０３ｄを有している。また図２に示すように、領域１０３ｄは、領域１０８ｎと接する界面近傍にも設けられていてもよい。このとき、領域１０８ｎと重畳する部分の不純物濃度は、絶縁層１１０と接する部分よりも低い濃度となる。
【0087】
ここで、領域１０８ｎにおける不純物濃度は、絶縁層１１０に近いほど濃度が高くなるような濃度勾配を有することが好ましい。これにより、領域１０８ｎの上部ほど低抵抗となるため、導電層１２０ａ（または導電層１２０ｂ）との接触抵抗をより効果的に低減することができる。また、領域１０８ｎ全体に亘って均一な濃度とした場合に比べて、領域１０８ｎ内の不純物元素の総量を低くできるため、作製工程中の熱などの影響によりチャネル形成領域に拡散しうる不純物の量を低く保つことができる。
【0088】
また、領域１１０ｄにおける不純物濃度は、半導体層１０８に近いほど濃度が高くなるような濃度勾配を有することが好ましい。加熱により酸素を放出可能な酸化物膜を適用した絶縁層１１０において、上述した不純物元素が添加された領域１１０ｄでは、他の領域に比べて酸素の放出を抑えることができる。そのため、絶縁層１１０の領域１０８ｎとの界面近傍に位置する領域１１０ｄは、酸素に対するブロッキング層として機能し、領域１０８ｎに供給される酸素を効果的に低減することができる。
【0089】
後述するように、領域１０８ｎ及び領域１１０ｄに不純物元素を添加する処理は、導電層１１２をマスクとして行うことができる。これにより、領域１０８ｎの形成と同時に、領域１１０ｄを自己整合的に形成することができる。
【0090】
なお、図２等では、絶縁層１１０の不純物濃度の高い部分が、半導体層１０８との界面近傍に位置することを誇張して示すために、領域１１０ｄを絶縁層１１０中の半導体層１０８の近傍にのみハッチングパターンを付して図示しているが、実際には絶縁層１１０の厚さ方向全体に亘って上記不純物元素が含まれうる。
【0091】
領域１０８ｎ及び領域１１０ｄはそれぞれ、不純物濃度が、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、１×１０２３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、５×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、１×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域を含むことが好ましい。また、領域１０８ｎは、絶縁層１１０の領域１１０ｄよりも、不純物濃度が高い部分を有すると、領域１０８ｎの電気抵抗をより効果的に低抵抗化できるため好ましい。
【0092】
領域１０８ｎ及び領域１１０ｄに含まれる不純物の濃度は、例えば二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）や、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ：Ｘ－ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）等の分析法により分析することができる。ＸＰＳ分析を用いる場合には、表面側または裏面側からのイオンスパッタリングとＸＰＳ分析を組み合わせることで、深さ方向の濃度分布を知ることができる。
【0093】
また、領域１０８ｎにおいて、不純物元素は酸化した状態で存在していることが好ましい。例えば不純物元素としてホウ素、リン、マグネシウム、アルミニウム、シリコンなどの酸化しやすい元素を用いることが好ましい。このような酸化しやすい元素は、半導体層１０８中の酸素と結合して酸化した状態で安定に存在しうるため、後の工程で高い温度（例えば４００℃以上、６００℃以上、または８００℃以上）がかかった場合であっても、脱離することが抑制される。また、不純物元素が半導体層１０８中の酸素を奪うことで、領域１０８ｎ中に多くの酸素欠損が生成される。この酸素欠損と、膜中の水素とが結合することでキャリア供給源となるため、領域１０８ｎは極めて低抵抗な状態となる。
【0094】
なお、後の工程で高い温度がかかる処理を行なう際、外部や領域１０８ｎの近傍の膜から多量の酸素が領域１０８ｎに供給されてしまうと、抵抗が上昇してしまう場合がある。そのため、高い温度のかかる処理を行なう際には、酸素に対するバリア性の高い絶縁層１１６で覆った状態で処理することが好ましい。
【0095】
また、領域１１０ｄにおいても、不純物元素は酸化した状態で存在していることが好ましい。このような酸化しやすい元素は、絶縁層１１０中の酸素と結合して酸化した状態で安定に存在しうるため、後の工程で高い温度がかかった場合でも脱離することが抑制される。また特に絶縁層１１０中に加熱により脱離しうる酸素（過剰酸素ともいう）が含まれる場合には、当該過剰酸素と不純物元素とが結合して安定化するため、領域１１０ｄから領域１０８ｎへ酸素が供給されることを抑制することができる。また、酸化した状態の不純物元素が含まれる領域１１０ｄは、酸素が拡散しにくい状態となるため、領域１１０ｄよりも上部から当該領域１１０ｄを介して領域１０８ｎに酸素が供給されることも防ぐことができる。
【0096】
例えば、不純物元素としてホウ素を用いた場合、領域１０８ｎ及び領域１１０ｄに含まれるホウ素は酸素と結合した状態で存在しうる。このことは、ＸＰＳ分析において、Ｂ２Ｏ３結合に起因するスペクトルピークが観測されることで確認できる。また、ＸＰＳ分析において、ホウ素元素が単体で存在する状態に起因するスペクトルピークが観測されない、または測定下限のバックグラウンドノイズに埋もれる程度にまでピーク強度が極めて小さくなる。
【0097】
絶縁層１１６及び絶縁層１１８は、トランジスタ１００を保護する保護層として機能する。また絶縁層１１６及び絶縁層１１８のいずれか一方は、絶縁層１１０から放出されうる酸素が外部に拡散することを防ぐ機能を有することが好ましい。例えば、酸化物または窒化物などの無機絶縁材料を用いることができる。より具体的な例としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、ハフニウムアルミネートなどの無機絶縁材料を用いることができる。
【0098】
なお、ここでは保護層として絶縁層１１６と絶縁層１１８の積層構造とする場合を示したが、絶縁層１１６及び絶縁層１１８のいずれか一方は、不要であれば設けなくてもよい。
【0099】
ここで、半導体層１０８、及び半導体層１０８中に形成されうる酸素欠損について説明する。
【0100】
半導体層１０８に形成される酸素欠損は、トランジスタ特性に影響を与えるため問題となる。例えば、半導体層１０８中に酸素欠損が形成されると、該酸素欠損に水素が結合し、キャリア供給源となりうる。半導体層１０８中にキャリア供給源が生成されると、トランジスタ１００の電気特性の変動、代表的にはしきい値電圧のシフトが生じる。したがって、半導体層１０８においては、酸素欠損が少ないほど好ましい。
【0101】
そこで、本発明の一態様においては、半導体層１０８近傍の絶縁膜、具体的には、半導体層１０８の上方に位置する絶縁層１１０、及び下方に位置する絶縁層１０３が、酸化物膜を含む構成である。作製工程中の熱などにより絶縁層１０３及び絶縁層１１０から半導体層１０８へ酸素を移動させることで、半導体層１０８中の酸素欠損を低減することが可能となる。
【0102】
また、半導体層１０８は、Ｉｎの原子数比がＭの原子数比より多い領域を有すると好ましい。Ｉｎの原子数比が多いほど、トランジスタの電界効果移動度を向上させることができる。
【0103】
ここで、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎを含む金属酸化物の場合、Ｉｎと酸素の結合力は、Ｇａと酸素の結合力よりも弱いため、Ｉｎの原子数比が大きい場合には、金属酸化物膜中に酸素欠損が形成されやすい。また、Ｇａに代えて、上記Ｍで示す金属元素を用いた場合でも同様の傾向がある。金属酸化物膜中に酸素欠損が多く存在すると、トランジスタの電気特性の低下や、信頼性の低下が生じる。
【0104】
しかしながら本発明の一態様では、金属酸化物を含む半導体層１０８中に極めて多くの酸素を供給できるため、Ｉｎの原子数比の大きな金属酸化物材料を用いることが可能となる。これにより、極めて高い電界効果移動度と、安定した電気特性と、高い信頼性とを兼ね備えたトランジスタを実現することができる。
【0105】
例えば、Ｉｎの原子数比が、Ｍの原子数比に対して１．５倍以上、または２倍以上、または３倍以上、または３．５倍以上、または４倍以上である金属酸化物を、好適に用いることができる。
【0106】
特に、半導体層１０８のＩｎ、Ｍ、及びＺｎの原子数の比を、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：１：６またはその近傍（Ｉｎが５の場合、Ｍが０．５以上１．５以下であり、且つＺｎが５以上７以下を含む）とすることが好ましい。または、Ｉｎ、Ｍ、及びＺｎの原子数の比を、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：３またはその近傍とすると好ましい。また、半導体層１０８の組成として、半導体層１０８のＩｎ、Ｍ、及びＺｎの原子数の比を概略等しくしてもよい。すなわち、Ｉｎ、Ｍ、及びＺｎの原子数の比が、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１またはその近傍の材料を含んでいてもよい。
【0107】
例えば、上記の電界効果移動度が高いトランジスタを、ゲート信号を生成するゲートドライバに用いることで、額縁幅の狭い（狭額縁ともいう）表示装置を提供することができる。また、上記の電界効果移動度が高いトランジスタを、ソースドライバ（特に、ソースドライバが有するシフトレジスタの出力端子に接続されるデマルチプレクサ）に用いることで、表示装置に接続される配線数が少ない表示装置を提供することができる。
【0108】
なお、半導体層１０８が、Ｉｎの原子数比がＭの原子数比より多い領域を有していても、半導体層１０８の結晶性が高い場合、電界効果移動度が低くなる場合がある。半導体層１０８の結晶性としては、例えば、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ－Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）を用いて分析する、あるいは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いて分析することで解析できる。
【0109】
ここで、半導体層１０８に混入する水素または水分などの不純物は、トランジスタ特性に影響を与えるため問題となる。したがって、半導体層１０８においては、水素または水分などの不純物が少ないほど好ましい。不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い金属酸化物膜を用いることで、優れた電気特性を有するトランジスタを作製することができ好ましい。不純物濃度が低く、欠陥準位密度を低く（酸素欠損を少なく）することで、膜中のキャリア密度を低くすることができる。このような金属酸化物膜を半導体層に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、このような金属酸化物膜を用いたトランジスタは、オフ電流が著しく小さい特性を得ることができる。
【0110】
また、半導体層１０８が、２層以上の積層構造を有していてもよい。
【0111】
例えば、組成の異なる２以上の金属酸化物膜を積層した半導体層１０８を用いることができる。例えば、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物を用いた場合に、Ｉｎ、Ｍ、及びＺｎの原子数の比が、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：１：６、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：２：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：２、またはそれらの近傍であるスパッタリングターゲットで形成する膜のうち、２以上を積層して用いることが好ましい。
【0112】
また、結晶性の異なる２以上の金属酸化物膜を積層した半導体層１０８を用いることができる。その場合、同じ酸化物ターゲットを用い、成膜条件を異ならせることで、大気に触れることなく連続して形成されることが好ましい。
【0113】
例えば、先に形成する第１の金属酸化物膜の成膜時の酸素流量比を、後に形成する第２の金属酸化物膜の成膜時の酸素流量比よりも小さくする。または、第１の金属酸化物膜の成膜時に、酸素を流さない条件とする。これにより、第２の金属酸化物膜の成膜時に、酸素を効果的に供給することができる。また、第１の金属酸化物膜は第２の金属酸化物膜よりも結晶性が低く、電気伝導性の高い膜とすることができる。一方、上部に設けられる第２の金属酸化物膜を第１の金属酸化物膜よりも結晶性の高い膜とすることで、半導体層１０８の加工時や、絶縁層１１０の成膜時のダメージを抑制することができる。
【0114】
より具体的には、第１の金属酸化物膜の成膜時の酸素流量比を、０％以上５０％未満、好ましくは０％以上３０％以下、より好ましくは０％以上２０％以下、代表的には１０％とする。また第２の金属酸化物膜の成膜時の酸素流量比を、５０％以上１００％以下、好ましくは６０％以上１００％以下、より好ましくは８０％以上１００％以下、さらに好ましくは９０％以上１００％以下、代表的には１００％とする。また、第１の金属酸化物膜と第２の金属酸化物膜とで、成膜時の圧力、温度、電力等の条件を異ならせてもよいが、酸素流量比以外の条件を同じとすることで、成膜工程にかかる時間を短縮することができるため好ましい。
【0115】
このような構成とすることで、電気特性に優れ、且つ信頼性の高いトランジスタ１００を実現できる。
【0116】
以上が構成例１についての説明である。
【0117】
［構成例２］
以下では、上記構成例１と一部の構成が異なるトランジスタの構成例について説明する。なお、以下では、上記構成例１と重複する部分は説明を省略する場合がある。また、以下で示す図面において、上記構成例１と同様の機能を有する部分についてはハッチングパターンを同じくし、符号を付さない場合もある。
以下では、上記構成例１と一部の構成が異なるトランジスタの構成例について説明する。なお、以下では、上記構成例１と重複する部分は説明を省略する場合がある。また、以下で示す図面において、上記構成例１と同様の機能を有する部分についてはハッチングパターンを同じくし、符号を付さない場合もある。
【0118】
【0119】
トランジスタ１００Ａは、基板１０２と絶縁層１０３との間に導電層１０６を有する点で、構成例１と主に相違している。導電層１０６は半導体層１０８及び導電層１１２と重畳する領域を有する。
【0120】
トランジスタ１００Ａにおいて、導電層１０６は、第１のゲート電極（ボトムゲート電極ともいう）としての機能を有し、導電層１１２は、第２のゲート電極（トップゲート電極ともいう）としての機能を有する。また、絶縁層１０３の一部は第１のゲート絶縁層として機能し、絶縁層１１０の一部は、第２のゲート絶縁層として機能する。
【0121】
半導体層１０８の、導電層１１２及び導電層１０６の少なくとも一方と重畳する部分は、チャネル形成領域として機能する。なお以下では説明を容易にするため、半導体層１０８の導電層１１２と重畳する部分をチャネル形成領域と呼ぶ場合があるが、実際には導電層１１２と重畳せずに、導電層１０６と重畳する部分（領域１０８ｎを含む部分）にもチャネルが形成しうる。
【0122】
また、図３（Ｃ）に示すように、導電層１０６は、金属酸化物層１１４、絶縁層１１０、及び絶縁層１０３に設けられた開口部１４２を介して、導電層１１２と電気的に接続されていてもよい。これにより、導電層１０６と導電層１１２には、同じ電位を与えることができる。
【0123】
導電層１０６は、導電層１１２、導電層１２０ａ、または導電層１２０ｂと同様の材料を用いることができる。特に導電層１０６に銅を含む材料を用いると、配線抵抗を低減できるため好ましい。
【0124】
また、図３（Ａ）、（Ｃ）に示すように、チャネル幅方向において、導電層１１２及び導電層１０６が、半導体層１０８の端部よりも外側に突出していることが好ましい。このとき、図３（Ｃ）に示すように、半導体層１０８のチャネル幅方向の全体が、絶縁層１１０と絶縁層１０３を介して、導電層１１２と導電層１０６に覆われた構成となる。
【0125】
このような構成とすることで、半導体層１０８を一対のゲート電極によって生じる電界で、電気的に取り囲むことができる。このとき特に、導電層１０６と導電層１１２に同じ電位を与えることが好ましい。これにより、半導体層１０８にチャネルを誘起させるための電界を効果的に印加できるため、トランジスタ１００Ａのオン電流を増大させることができる。そのため、トランジスタ１００Ａを微細化することも可能となる。
【0126】
なお、導電層１１２と導電層１０６とを接続しない構成としてもよい。このとき、一対のゲート電極の一方に定電位を与え、他方にトランジスタ１００Ａを駆動するための信号を与えてもよい。このとき、一方の電極に与える電位により、トランジスタ１００Ａを他方の電極で駆動する際のしきい値電圧を制御することもできる。
【0127】
以上が、構成例２についての説明である。
【0128】
［応用例］
以下では、不純物を含む半導体膜を容量素子の一方の電極として用い、トランジスタと容量素子とを同一面上に形成する例について説明する。
以下では、不純物を含む半導体膜を容量素子の一方の電極として用い、トランジスタと容量素子とを同一面上に形成する例について説明する。
【0129】
図４（Ａ）に示す断面図では、構成例１で例示したトランジスタ１００に並べて、容量素子１３０Ａが設けられている。
【0130】
また、図４（Ｂ）に示す断面図では、構成例２で例示したトランジスタ１００Ａに並べて、容量素子１３０Ａが設けられている。
【0131】
容量素子１３０Ａは、半導体層１０８ｃと、導電層１２０ｂとの間に、誘電体として機能する絶縁層１１０、絶縁層１１６、及び絶縁層１１８が設けられた構成を有する。
【0132】
半導体層１０８ｃは、半導体層１０８と同一面上に設けられている。例えば半導体層１０８ｃは、半導体層１０８と同一の金属酸化物膜を加工した後に、領域１０８ｎと同じ不純物元素を添加することにより形成することができる。
【0133】
このような構成とすることで、工程を増やすことなく容量素子１３０Ａを作製することができる。
【0134】
図４（Ｃ）に示す容量素子１３０Ｂは、導電層１０６ｃと、半導体層１０８ｃとの間に、誘電体として機能する絶縁層１０３が設けられた構成を有する。
【0135】
導電層１０６ｃは、導電層１０６と同一面上に設けられている。導電層１０６ｃは、導電層１０６と同一の導電膜を加工して形成することができる。
【0136】
容量素子１３０Ｂは、容量素子１３０Ａに比べて誘電体の厚さを薄くできるため、より大容量の容量素子とすることができる。
【0137】
以上が応用例についての説明である。
【0138】
［半導体装置の構成要素］
次に、本実施の形態の半導体装置に含まれる構成要素について、詳細に説明する。
次に、本実施の形態の半導体装置に含まれる構成要素について、詳細に説明する。
【0139】
〔基板〕
基板１０２の材質などに大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有している必要がある。例えば、シリコンや炭化シリコンを材料とした単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム等の化合物半導体基板、ＳＯＩ基板、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板等を、基板１０２として用いてもよい。また、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板１０２として用いてもよい。
基板１０２の材質などに大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有している必要がある。例えば、シリコンや炭化シリコンを材料とした単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム等の化合物半導体基板、ＳＯＩ基板、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板等を、基板１０２として用いてもよい。また、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板１０２として用いてもよい。
【0140】
また、基板１０２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１００等を形成してもよい。または、基板１０２とトランジスタ１００等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１０２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１００等は耐熱性の劣る基板や可撓性の基板にも転載できる。
【0141】
〔絶縁層１０３〕
絶縁層１０３としては、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法等を適宜用いて形成することができる。また、絶縁層１０３としては、例えば、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、半導体層１０８との界面特性を向上させるため、絶縁層１０３において少なくとも半導体層１０８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、絶縁層１０３には、加熱により酸素を放出する膜を用いることが好ましい。
絶縁層１０３としては、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法等を適宜用いて形成することができる。また、絶縁層１０３としては、例えば、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、半導体層１０８との界面特性を向上させるため、絶縁層１０３において少なくとも半導体層１０８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、絶縁層１０３には、加熱により酸素を放出する膜を用いることが好ましい。
【0142】
絶縁層１０３として、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムまたはＧａ－Ｚｎ酸化物などを用いればよく、単層または積層で設けることができる。
【0143】
また、絶縁層１０３の半導体層１０８に接する側に窒化シリコン膜などの酸化物膜以外の膜を用いた場合、半導体層１０８と接する表面に対して酸素プラズマ処理などの前処理を行い、当該表面、または表面近傍を酸化することが好ましい。
【0144】
〔導電膜〕
ゲート電極として機能する導電層１１２及び導電層１０６、ソース電極として機能する導電層１２０ａ、ドレイン電極として機能する導電層１２０ｂとしては、クロム、銅、アルミニウム、金、銀、亜鉛、モリブデン、タンタル、チタン、タングステン、マンガン、ニッケル、鉄、コバルトから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いてそれぞれ形成することができる。
ゲート電極として機能する導電層１１２及び導電層１０６、ソース電極として機能する導電層１２０ａ、ドレイン電極として機能する導電層１２０ｂとしては、クロム、銅、アルミニウム、金、銀、亜鉛、モリブデン、タンタル、チタン、タングステン、マンガン、ニッケル、鉄、コバルトから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いてそれぞれ形成することができる。
【0145】
また、導電層１１２、導電層１０６、導電層１２０ａ、及び導電層１２０ｂには、Ｉｎ－Ｓｎ酸化物、Ｉｎ－Ｗ酸化物、Ｉｎ－Ｗ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｔｉ酸化物、Ｉｎ－Ｔｉ－Ｓｎ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｓｎ－Ｓｉ酸化物、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物等の酸化物導電体または金属酸化物膜を適用することもできる。
【0146】
ここで、酸化物導電体（ＯＣ：ＯｘｉｄｅＣｏｎｄｕｃｔｏｒ）について説明を行う。例えば、半導体特性を有する金属酸化物に酸素欠損を形成し、該酸素欠損に水素を添加すると、伝導帯近傍にドナー準位が形成される。この結果、金属酸化物は、導電性が高くなり導電体化する。導電体化された金属酸化物を、酸化物導電体ということができる。
【0147】
また、導電層１１２等として、上記酸化物導電体（金属酸化物）を含む導電膜と、金属または合金を含む導電膜の積層構造としてもよい。金属または合金を含む導電膜を用いることで、配線抵抗を小さくすることができる。このとき、ゲート絶縁膜として機能する絶縁層と接する側には酸化物導電体を含む導電膜を適用することが好ましい。
【0148】
また、導電層１１２、導電層１０６、導電層１２０ａ、導電層１２０ｂには、上述の金属元素の中でも、特にチタン、タングステン、タンタル、及びモリブデンの中から選ばれるいずれか一つまたは複数を有すると好適である。特に、窒化タンタル膜を用いると好適である。当該窒化タンタル膜は、導電性を有し、且つ、銅、酸素、または水素に対して、高いバリア性を有し、且つそれ自身からの水素の放出が少ないため、半導体層１０８と接する導電膜、または半導体層１０８の近傍の導電膜として、好適に用いることができる。
【0149】
〔絶縁層１１０〕
トランジスタ１００等のゲート絶縁膜として機能する絶縁層１１０は、ＰＥＣＶＤ法、スパッタリング法等により形成できる。絶縁層１１０としては、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化イットリウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ガリウム膜、酸化タンタル膜、酸化マグネシウム膜、酸化ランタン膜、酸化セリウム膜および酸化ネオジム膜を一種以上含む絶縁層を用いることができる。なお、絶縁層１１０を、２層の積層構造または３層以上の積層構造としてもよい。
トランジスタ１００等のゲート絶縁膜として機能する絶縁層１１０は、ＰＥＣＶＤ法、スパッタリング法等により形成できる。絶縁層１１０としては、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化イットリウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ガリウム膜、酸化タンタル膜、酸化マグネシウム膜、酸化ランタン膜、酸化セリウム膜および酸化ネオジム膜を一種以上含む絶縁層を用いることができる。なお、絶縁層１１０を、２層の積層構造または３層以上の積層構造としてもよい。
【0150】
また、半導体層１０８と接する絶縁層１１０は、酸化物絶縁膜であることが好ましく、化学量論的組成よりも過剰に酸素を含有する領域を有することがより好ましい。別言すると、絶縁層１１０は、酸素を放出することが可能な絶縁膜である。例えば、酸素雰囲気下にて絶縁層１１０を形成すること、成膜後の絶縁層１１０に対して酸素雰囲気下での熱処理、プラズマ処理等を行うこと、または、絶縁層１１０上に酸素雰囲気下で酸化物膜を成膜することなどにより、絶縁層１１０中に酸素を供給することもできる。
【0151】
また、絶縁層１１０として、酸化シリコンや酸化窒化シリコンと比べて比誘電率の高い酸化ハフニウム等の材料を用いることもできる。これにより絶縁層１１０の膜厚を厚くしトンネル電流によるリーク電流を抑制できる。特に結晶性を有する酸化ハフニウムは、非晶質の酸化ハフニウムと比べて高い比誘電率を備えるため好ましい。
【0152】
〔半導体層〕
半導体層１０８がＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物の場合、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物を成膜するために用いるスパッタリングターゲットは、Ｉｎの原子数比がＭの原子数比以上であることが好ましい。このようなスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比として、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：４．１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：１：６、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：１：７、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：１：８、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝６：１：６、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：２：５等が挙げられる。
半導体層１０８がＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物の場合、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物を成膜するために用いるスパッタリングターゲットは、Ｉｎの原子数比がＭの原子数比以上であることが好ましい。このようなスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比として、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：４．１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：１：６、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：１：７、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：１：８、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝６：１：６、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：２：５等が挙げられる。
【0153】
また、スパッタリングターゲットとしては、多結晶の酸化物を含むターゲットを用いると、結晶性を有する半導体層１０８を形成しやすくなるため好ましい。なお、成膜される半導体層１０８の原子数比は、上記のスパッタリングターゲットに含まれる金属元素の原子数比のプラスマイナス４０％の変動を含む。例えば、半導体層１０８に用いるスパッタリングターゲットの組成がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］の場合、成膜される半導体層１０８の組成は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］の近傍となる場合がある。
【0154】
なお、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３またはその近傍と記載する場合、Ｉｎの原子数比を４としたとき、Ｇａの原子数比が１以上３以下であり、Ｚｎの原子数比が２以上４以下である場合を含む。また、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：１：６またはその近傍であると記載する場合、Ｉｎの原子数比を５としたときに、Ｇａの原子数比が０．１より大きく２以下であり、Ｚｎの原子数比が５以上７以下である場合を含む。また、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１またはその近傍であると記載する場合、Ｉｎの原子数比を１としたときに、Ｇａの原子数比が０．１より大きく２以下であり、Ｚｎの原子数比が０．１より大きく２以下である場合を含む。
【0155】
また、半導体層１０８は、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上である。このように、シリコンよりもエネルギーギャップの広い金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。
【0156】
また、半導体層１０８は、非単結晶構造であると好ましい。非単結晶構造は、例えば、後述するＣＡＡＣ構造、多結晶構造、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、ＣＡＡＣ構造は最も欠陥準位密度が低い。
【0157】
以下では、ＣＡＡＣ（ｃ－ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ）について説明する。ＣＡＡＣは結晶構造の一例を表す。
【0158】
ＣＡＡＣ構造とは、複数のナノ結晶（最大径が１０ｎｍ未満である結晶領域）を有する薄膜などの結晶構造の一つであり、各ナノ結晶はｃ軸が特定の方向に配向し、かつａ軸及びｂ軸は配向性を有さずに、ナノ結晶同士が粒界を形成することなく連続的に連結しているといった特徴を有する結晶構造である。特にＣＡＡＣ構造を有する薄膜は、各ナノ結晶のｃ軸が、薄膜の厚さ方向、被形成面の法線方向、または薄膜の表面の法線方向に配向しやすいといった特徴を有する。
【0159】
ＣＡＡＣ－ＯＳ（Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）は結晶性の高い酸化物半導体である。一方、ＣＡＡＣ－ＯＳは、明確な結晶粒界を確認することはできないため、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。また、酸化物半導体の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、ＣＡＡＣ－ＯＳは不純物や欠陥（酸素欠損など）の少ない酸化物半導体ともいえる。従って、ＣＡＡＣ－ＯＳを有する酸化物半導体は、物理的性質が安定する。そのため、ＣＡＡＣ－ＯＳを有する酸化物半導体は熱に強く、信頼性が高い。
【0160】
ここで、結晶学において、単位格子を構成するａ軸、ｂ軸、及びｃ軸の３つの軸（結晶軸）について、特異的な軸をｃ軸とした単位格子を取ることが一般的である。特に層状構造を有する結晶では、層の面方向に平行な２つの軸をａ軸及びｂ軸とし、層に交差する軸をｃ軸とすることが一般的である。このような層状構造を有する結晶の代表的な例として、六方晶系に分類されるグラファイトがあり、その単位格子のａ軸及びｂ軸は劈開面に平行であり、ｃ軸は劈開面に直交する。例えば層状構造であるＹｂＦｅ２Ｏ４型の結晶構造をとるＩｎＧａＺｎＯ４の結晶は六方晶系に分類することができ、その単位格子のａ軸及びｂ軸は層の面方向に平行となり、ｃ軸は層（すなわちａ軸及びｂ軸）に直交する。
【0161】
金属酸化物の結晶構造の一例について説明する。なお、以下では、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）を用いて、スパッタリング法にて成膜された金属酸化物を一例として説明する。上記ターゲットを用いて、基板温度を１００℃以上１３０℃以下として、スパッタリング法により形成した金属酸化物は、ｎｃ（ｎａｎｏ ｃｒｙｓｔａｌ）構造及びＣＡＡＣ構造のいずれか一方の結晶構造、またはこれらが混在した構造をとりやすい。一方、基板温度を室温（Ｒ．Ｔ．）として、スパッタリング法により形成した金属酸化物は、ｎｃの結晶構造をとりやすい。なお、ここでいう室温（Ｒ．Ｔ．）とは、基板を意図的に加熱しない場合の温度を含む。
【0162】
［作製方法例］
以下では、本発明の一態様のトランジスタの作製方法の例について説明する。ここでは、構成例２で例示したトランジスタ１００Ａを例に挙げて説明する。
以下では、本発明の一態様のトランジスタの作製方法の例について説明する。ここでは、構成例２で例示したトランジスタ１００Ａを例に挙げて説明する。
【0163】
なお、半導体装置を構成する薄膜（絶縁膜、半導体膜、導電膜等）は、スパッタリング法、化学気相堆積（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等を用いて形成することができる。ＣＶＤ法としては、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ）法や、熱ＣＶＤ法などがある。また、熱ＣＶＤ法のひとつに、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ ＣＶＤ）法がある。
【0164】
また、半導体装置を構成する薄膜（絶縁膜、半導体膜、導電膜等）は、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、インクジェット、ディスペンス、スクリーン印刷、オフセット印刷、ドクターナイフ、スリットコート、ロールコート、カーテンコート、ナイフコート等の方法により形成することができる。
【0165】
また、半導体装置を構成する薄膜を加工する際には、フォトリソグラフィ法等を用いて加工することができる。それ以外に、ナノインプリント法、サンドブラスト法、リフトオフ法などにより薄膜を加工してもよい。また、メタルマスクなどの遮蔽マスクを用いた成膜方法により、島状の薄膜を直接形成してもよい。
【0166】
フォトリソグラフィ法としては、代表的には以下の２つの方法がある。一つは、加工したい薄膜上にレジストマスクを形成して、エッチング等により当該薄膜を加工し、レジストマスクを除去する方法である。もう一つは、感光性を有する薄膜を成膜した後に、露光、現像を行って、当該薄膜を所望の形状に加工する方法である。
【0167】
フォトリソグラフィ法において、露光に用いる光は、例えばｉ線（波長３６５ｎｍ）、ｇ線（波長４３６ｎｍ）、ｈ線（波長４０５ｎｍ）、またはこれらを混合させた光を用いることができる。そのほか、紫外線やＫｒＦレーザ光、またはＡｒＦレーザ光等を用いることもできる。また、液浸露光技術により露光を行ってもよい。また、露光に用いる光として、極端紫外光（ＥＵＶ：Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａ－ｖｉｏｌｅｔ）やＸ線を用いてもよい。また、露光に用いる光に換えて、電子ビームを用いることもできる。極端紫外光、Ｘ線または電子ビームを用いると、極めて微細な加工が可能となるため好ましい。なお、電子ビームなどのビームを走査することにより露光を行う場合には、フォトマスクは不要である。
【0168】
薄膜のエッチングには、ドライエッチング法、ウェットエッチング法、サンドブラスト法などを用いることができる。
【0169】
【0170】
〔導電層１０６の形成〕
基板１０２上に導電膜を成膜し、これをエッチングにより加工して、ゲート電極として機能する導電層１０６を形成する。
基板１０２上に導電膜を成膜し、これをエッチングにより加工して、ゲート電極として機能する導電層１０６を形成する。
【0171】
〔絶縁層１０３の形成〕
続いて、基板１０２、導電層１０６を覆って絶縁層１０３を形成する（図５（Ａ））。絶縁層１０３はＰＥＣＶＤ法、ＡＬＤ法、スパッタリング法などを用いて形成することができる。
続いて、基板１０２、導電層１０６を覆って絶縁層１０３を形成する（図５（Ａ））。絶縁層１０３はＰＥＣＶＤ法、ＡＬＤ法、スパッタリング法などを用いて形成することができる。
【0172】
絶縁層１０３を形成した後に、絶縁層１０３に対して酸素を供給する処理を行ってもよい。例えば酸素雰囲気下でのプラズマ処理または加熱処理などを行うことができる。または、プラズマイオンドーピング法やイオン注入法により、絶縁層１０３に酸素を供給してもよい。
【0173】
〔半導体層１０８の形成〕
続いて、絶縁層１０３上に金属酸化物膜を成膜し、これを加工することにより島状の半導体層１０８を形成する（図５（Ｂ））。
続いて、絶縁層１０３上に金属酸化物膜を成膜し、これを加工することにより島状の半導体層１０８を形成する（図５（Ｂ））。
【0174】
金属酸化物膜は、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形成することが好ましい。
【0175】
また、金属酸化物膜を成膜する際に、酸素ガスの他に、不活性ガス（例えば、ヘリウムガス、アルゴンガス、キセノンガスなど）を混合させてもよい。なお、金属酸化物膜を成膜する際の成膜ガス全体に占める酸素ガスの割合（以下、酸素流量比ともいう）が高いほど、金属酸化物膜の結晶性を高めることができ、信頼性の高いトランジスタを実現できる。一方、酸素流量比が低いほど、金属酸化物膜の結晶性が低くなり、オン電流が高められたトランジスタとすることができる。
【0176】
また、金属酸化物膜の成膜条件としては、基板温度を室温以上２００℃以下、好ましくは基板温度を室温以上１４０℃以下とすればよい。例えば基板温度を、室温以上１４０℃未満とすると、生産性が高くなり好ましい。また、基板温度を室温とする、または意図的に加熱しない状態で、金属酸化物膜を成膜することで、結晶性を低くすることができる。
【0177】
また、金属酸化物膜を成膜する前に、絶縁層１０３の表面に吸着した水や水素、有機物等を脱離させるための処理や、絶縁層１０３中に酸素を供給する処理を行うことが好ましい。例えば、減圧雰囲気下にて７０℃以上２００℃以下の温度で加熱処理を行うことができる。または、酸素を含む雰囲気下におけるプラズマ処理を行ってもよい。また、一酸化窒素ガスを含む雰囲気下におけるプラズマ処理を行うと、絶縁層１０３の表面の有機物を好適に除去することができる。このような処理の後、絶縁層１０３の表面を大気に暴露することなく、連続して金属酸化物膜を成膜することが好ましい。
【0178】
金属酸化物膜の加工には、ウェットエッチング法及びドライエッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。このとき、半導体層１０８と重ならない絶縁層１０３の一部がエッチングされ、薄くなる場合がある。
【0179】
また、金属酸化物膜の成膜後、または半導体層１０８に加工した後、金属酸化物膜または半導体層１０８中の水素または水を除去するために加熱処理を行ってもよい。加熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上基板の歪み点未満、または２５０℃以上４５０℃以下、または３００℃以上４５０℃以下とすることができる。
【0180】
加熱処理は、希ガス、または窒素を含む雰囲気で行うことができる。または、当該雰囲気で加熱した後、酸素を含む雰囲気で加熱してもよい。なお、上記加熱処理の雰囲気に水素、水などが含まれないことが好ましい。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、加熱処理時間を短縮することができる。
【0181】
〔絶縁層１１０、金属酸化物膜１１４ｆの形成〕
続いて、絶縁層１０３及び半導体層１０８を覆って、絶縁層１１０と金属酸化物膜１１４ｆを積層して成膜する（図５（Ｃ））。
続いて、絶縁層１０３及び半導体層１０８を覆って、絶縁層１１０と金属酸化物膜１１４ｆを積層して成膜する（図５（Ｃ））。
【0182】
絶縁層１１０としては、例えば酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜などの酸化物膜を、プラズマ化学気相堆積装置（ＰＥＣＶＤ装置、または単にプラズマＣＶＤ装置という）を用いて形成することが好ましい。また、マイクロ波を用いたＰＥＣＶＤ法を用いて形成してもよい。
【0183】
金属酸化物膜１１４ｆは、例えば酸素を含む雰囲気下で成膜することが好ましい。特に、酸素を含む雰囲気下でスパッタリング法により形成することが好ましい。これにより、金属酸化物膜１１４ｆの成膜時に絶縁層１１０に酸素を供給することができる。
【0184】
金属酸化物膜１１４ｆを、上記半導体層１０８の場合と同様の金属酸化物を含む酸化物ターゲットを用いたスパッタリング法により形成する場合には、上記方法を援用することができる。
【0185】
例えば金属酸化物膜１１４ｆの成膜条件として、成膜ガスに酸素を用い、金属ターゲットを用いた反応性スパッタリング法により、金属酸化物膜を形成してもよい。金属ターゲットとして、例えばアルミニウムを用いた場合には、酸化アルミニウム膜を成膜することができる。
【0186】
金属酸化物膜１１４ｆの成膜時に、成膜装置の成膜室内に導入する成膜ガスの全流量に対する酸素流量の割合（酸素流量比）、または成膜室内の酸素分圧が高いほど、絶縁層１１０中に供給される酸素を増やすことができる。酸素流量比または酸素分圧は、例えば５０％以上１００％以下、好ましくは６５％以上１００％以下、より好ましくは８０％以上１００％以下、さらに好ましくは９０％以上１００％以下とする。特に、酸素流量比１００％とし、酸素分圧を１００％にできるだけ近づけることが好ましい。
【0187】
このように、酸素を含む雰囲気下でスパッタリング法により金属酸化物膜１１４ｆを形成することにより、金属酸化物膜１１４ｆの成膜時に、絶縁層１１０へ酸素を供給するとともに、絶縁層１１０から酸素が脱離することを防ぐことができる。その結果、絶縁層１１０に極めて多くの酸素を閉じ込めることができる。そして、後の加熱処理によって、半導体層１０８に多くの酸素を供給することができる。その結果、半導体層１０８中の酸素欠損を低減でき、信頼性の高いトランジスタを実現できる。
【0188】
また、金属酸化物膜１１４ｆの形成後に、加熱処理を行うことで、絶縁層１１０から半導体層１０８に酸素を供給してもよい。加熱処理は、窒素、酸素、希ガスのうち一以上を含む雰囲気下にて、２００℃以上４００℃以下の温度で行うことができる。
【0189】
続いて、金属酸化物膜１１４ｆの成膜後に、金属酸化物膜１１４ｆ、絶縁層１１０、及び絶縁層１０３の一部をエッチングすることで、導電層１０６に達する開口を形成する。これにより、後に形成する導電層１１２と導電層１０６とを、当該開口を介して電気的に接続することができる。
【0190】
〔導電層１１２、金属酸化物層１１４の形成〕
続いて、金属酸化物膜１１４ｆ上に、導電層１１２となる導電膜１１２ｆを成膜する（図５（Ｄ））。導電膜１１２ｆは、金属または合金のスパッタリングターゲットを用いたスパッタリング法により成膜することが好ましい。
続いて、金属酸化物膜１１４ｆ上に、導電層１１２となる導電膜１１２ｆを成膜する（図５（Ｄ））。導電膜１１２ｆは、金属または合金のスパッタリングターゲットを用いたスパッタリング法により成膜することが好ましい。
【0191】
続いて、導電膜１１２ｆ及び金属酸化物膜１１４ｆの一部をエッチングし、導電層１１２及び金属酸化物層１１４を形成する（図５（Ｅ））。導電膜１１２ｆ及び金属酸化物膜１１４ｆは、それぞれ同じレジストマスクを用いて加工することが好ましい。または、エッチング後の導電層１１２をハードマスクとして用いて、金属酸化物膜１１４ｆをエッチングしてもよい。
【0192】
これにより、上面形状が概略一致した導電層１１２及び金属酸化物層１１４を形成することができる。
【0193】
このように、絶縁層１１０をエッチングせずに、半導体層１０８の上面及び側面、並びに絶縁層１０３を絶縁層１１０が覆った状態とすることで、導電層１１２等のエッチングの際に、半導体層１０８や絶縁層１０３の一部がエッチングされ、薄膜化することを防ぐことができる。
【0194】
〔不純物元素の供給処理〕
続いて、導電層１１２をマスクとして、絶縁層１１０及び半導体層１０８に不純物元素１４０を供給（添加、または注入ともいう）する処理を行い、領域１０８ｎ、領域１１０ｄ、及び領域１０３ｄを形成する（図６（Ａ））。半導体層１０８及び絶縁層１１０のうち、導電層１１２と重畳する領域には、導電層１１２がマスクとなり不純物元素１４０は供給されない。
続いて、導電層１１２をマスクとして、絶縁層１１０及び半導体層１０８に不純物元素１４０を供給（添加、または注入ともいう）する処理を行い、領域１０８ｎ、領域１１０ｄ、及び領域１０３ｄを形成する（図６（Ａ））。半導体層１０８及び絶縁層１１０のうち、導電層１１２と重畳する領域には、導電層１１２がマスクとなり不純物元素１４０は供給されない。
【0195】
不純物元素１４０の供給は、プラズマイオンドーピング法、またはイオン注入法を好適に用いることができる。これらの方法は、深さ方向の濃度プロファイルを、イオンの加速電圧とドーズ量等により、高い精度で制御することができる。プラズマイオンドーピング法を用いることで、生産性を高めることができる。また質量分離を用いたイオン注入法を用いることで、供給される不純物元素の純度を高めることができる。
【0196】
不純物元素１４０の供給処理において、半導体層１０８と絶縁層１１０との界面、または半導体層１０８中の界面に近い部分、または絶縁層１１０中の当該界面に近い部分が、最も高い濃度となるように、処理条件を制御することが好ましい。これにより、一度の処理で半導体層１０８と絶縁層１１０の両方に、最適な濃度の不純物元素１４０を供給することができる。
【0197】
不純物元素１４０としては、水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、ヒ素、アルミニウム、マグネシウム、シリコン、または希ガスなどが挙げられる。なお、希ガスの代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及びキセノン等がある。特に、ホウ素、リン、アルミニウム、マグネシウム、またはシリコンを用いることが好ましい。
【0198】
不純物元素１４０の原料ガスとしては、上記不純物元素を含むガスを用いることができる。ホウ素を供給する場合、代表的にはＢ２Ｈ６ガスやＢＦ３ガスなどを用いることができる。またリンを供給する場合には、代表的にはＰＨ３ガスを用いることができる。また、これらの原料ガスを希ガスで希釈した混合ガスを用いてもよい。
【0199】
その他、原料ガスとして、ＣＨ４、Ｎ２、ＮＨ３、ＡｌＨ３、ＡｌＣｌ３、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、Ｆ２、ＨＦ、Ｈ２、（Ｃ５Ｈ５）２Ｍｇ、及び希ガス等を用いることができる。また、イオン源は気体に限られず、固体や液体を加熱して気化させたものを用いてもよい。
【0200】
不純物元素１４０の添加は、絶縁層１１０及び半導体層１０８の組成や密度、厚さなどを考慮して、加速電圧やドーズ量などの条件を設定することで制御することができる。
【0201】
例えば、イオン注入法またはプラズマイオンドーピング法でホウ素の添加を行う場合、加速電圧は例えば５ｋＶ以上１００ｋＶ以下、好ましくは７ｋＶ以上７０ｋＶ以下、より好ましくは１０ｋＶ以上５０ｋＶ以下の範囲とすることができる。またドーズ量は、例えば１×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上１×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下、好ましくは１×１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上５×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下、より好ましくは１×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上、３×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下の範囲とすることができる。
【0202】
また、イオン注入法またはプラズマイオンドーピング法でリンイオンの添加を行う場合、加速電圧は、例えば１０ｋＶ以上１００ｋＶ以下、好ましくは３０ｋＶ以上９０ｋＶ以下、より好ましくは４０ｋＶ以上８０ｋＶ以下の範囲とすることができる。またドーズ量は、例えば１×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上１×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下、好ましくは１×１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上５×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下、より好ましくは１×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上、３×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下の範囲とすることができる。
【0203】
なお、不純物元素１４０の供給方法としてはこれに限られず、例えばプラズマ処理や、加熱による熱拡散を利用した処理などを用いてもよい。プラズマ処理法の場合、添加する不純物元素を含むガス雰囲気にてプラズマを発生させて、プラズマ処理を行うことによって、不純物元素を添加することができる。上記プラズマを発生させる装置としては、ドライエッチング装置、アッシング装置、プラズマＣＶＤ装置、高密度プラズマＣＶＤ装置等を用いることができる。
【0204】
本発明の一態様では、絶縁層１１０を介して不純物元素１４０を半導体層１０８に供給することができる。そのため、半導体層１０８が結晶性を有する場合であっても、不純物元素１４０の供給の際に結晶性が損なわれてしまうことを抑制できる。そのため、結晶性の低下により電気抵抗が増大してしまうような場合には好適である。
【0205】
〔絶縁層１１６、絶縁層１１８の形成〕
続いて、絶縁層１１６及び絶縁層１１８を順に形成する（図６（Ｂ））。
続いて、絶縁層１１６及び絶縁層１１８を順に形成する（図６（Ｂ））。
【0206】
絶縁層１１６または絶縁層１１８をプラズマＣＶＤ法により形成する場合、成膜温度が高すぎると、領域１０８ｎ等に含まれる不純物が、半導体層１０８のチャネル形成領域を含む周辺部に拡散することや、領域１０８ｎの電気抵抗が上昇してしまう恐れがある。絶縁層１１６または絶縁層１１８の成膜温度としては、例えば１５０℃以上４００℃以下、好ましくは１８０℃以上３６０℃以下、より好ましくは２００℃以上２５０℃以下とすることが好ましい。絶縁層１１６または絶縁層１１８を低温で成膜することにより、チャネル長の短いトランジスタであっても、良好な電気特性を付与することができる。
【0207】
〔加熱処理〕
絶縁層１１６または絶縁層１１８の形成後、加熱処理を行う。加熱処理は、窒素、酸素、希ガスのうち一以上を含む雰囲気下にて、１５０℃以上４５０℃以下、好ましくは２００℃以上４００℃以下の温度で行うことが好ましい。当該加熱処理により、より安定して低抵抗な領域１０８ｎとすることができる。例えば、上記温度で加熱処理を行うことにより、不純物元素１４０を適度に拡散して局所的に均一化され、理想的な不純物元素の濃度勾配を有する領域１０８ｎ及び領域１１０ｄが形成されうる。なお、加熱処理の温度が高すぎる（例えば５００℃以上）と、不純物元素１４０がチャネル形成領域内にまで拡散し、トランジスタの電気特性や信頼性の悪化を招く恐れがある。
絶縁層１１６または絶縁層１１８の形成後、加熱処理を行う。加熱処理は、窒素、酸素、希ガスのうち一以上を含む雰囲気下にて、１５０℃以上４５０℃以下、好ましくは２００℃以上４００℃以下の温度で行うことが好ましい。当該加熱処理により、より安定して低抵抗な領域１０８ｎとすることができる。例えば、上記温度で加熱処理を行うことにより、不純物元素１４０を適度に拡散して局所的に均一化され、理想的な不純物元素の濃度勾配を有する領域１０８ｎ及び領域１１０ｄが形成されうる。なお、加熱処理の温度が高すぎる（例えば５００℃以上）と、不純物元素１４０がチャネル形成領域内にまで拡散し、トランジスタの電気特性や信頼性の悪化を招く恐れがある。
【0208】
また、領域１０８ｎに不純物元素１４０を供給する際に、半導体層１０８や絶縁層１１０に生じた欠陥を、加熱処理によって修復できる場合もある。
【0209】
また、加熱処理により、絶縁層１１０から半導体層１０８のチャネル形成領域に酸素を供給することができる。このとき、絶縁層１１０には、領域１０８ｎとの界面近傍に、不純物元素１４０が供給された領域１１０ｄが形成されているため、絶縁層１１０から放出される酸素が領域１０８ｎに拡散することが抑制される。その結果、領域１０８ｎが再度高抵抗化してしまうことを効果的に防ぐことができる。さらにこのとき、絶縁層１１０の半導体層１０８のチャネル形成領域と重なる部分には、領域１１０ｄが形成されていないため、絶縁層１１０から放出される酸素を選択的に当該チャネル形成領域に供給することができる。
【0210】
また、領域１０８ｎはチャネル形成領域よりも酸素欠損が多く存在した状態であるため、加熱処理により、当該酸素欠損によってチャネル形成領域中に含まれる水素をゲッタリングする効果が期待できる。これによりチャネル形成領域中の水素濃度を低減することができ、より信頼性の高いトランジスタを実現できる。また、チャネル形成領域から供給された水素と、領域１０８ｎ中の酸素欠損とが結合してキャリア生成源となるため、より低抵抗化した領域１０８ｎを実現できる。
【0211】
なお、加熱処理は、絶縁層１１６の形成前に行ってもよいが、絶縁層１１６または絶縁層１１８を形成した後に行うことがより好ましい。例えば絶縁層１１６または絶縁層１１８に、酸素を拡散しにくい絶縁膜を用いることで、加熱処理により絶縁層１１０から放出される酸素が外部に拡散することを防ぎ、半導体層１０８のチャネル形成領域に供給しうる酸素の量を多くすることができる。
【0212】
〔開口部１４１ａ、開口部１４１ｂの形成〕
続いて、絶縁層１１８の所望の位置にリソグラフィによりマスクを形成した後、絶縁層１１８、絶縁層１１６、及び絶縁層１１０の一部をエッチングすることで、領域１０８ｎに達する開口部１４１ａ及び開口部１４１ｂを形成する。
続いて、絶縁層１１８の所望の位置にリソグラフィによりマスクを形成した後、絶縁層１１８、絶縁層１１６、及び絶縁層１１０の一部をエッチングすることで、領域１０８ｎに達する開口部１４１ａ及び開口部１４１ｂを形成する。
【0213】
〔導電層１２０ａ、導電層１２０ｂの形成〕
続いて、開口部１４１ａ及び開口部１４１ｂを覆うように、絶縁層１１８上に導電膜を成膜し、当該導電膜を所望の形状に加工することで、導電層１２０ａ及び導電層１２０ｂを形成する（図６（Ｃ））。
続いて、開口部１４１ａ及び開口部１４１ｂを覆うように、絶縁層１１８上に導電膜を成膜し、当該導電膜を所望の形状に加工することで、導電層１２０ａ及び導電層１２０ｂを形成する（図６（Ｃ））。
【0214】
以上の工程により、トランジスタ１００Ａを作製することができる。例えば、トランジスタ１００Ａを表示装置の画素に適用する場合には、この後に、保護絶縁層、平坦化層、画素電極、または配線のうち１以上を形成する工程を追加すればよい。
【0215】
以上が作製方法例についての説明である。
【0216】
本実施の形態で例示した構成例、作製方法例、及びそれらに対応する図面等は、少なくともその一部を他の構成例、作製方法例、または図面等と適宜組み合わせて実施することができる。
【0217】
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。
【0218】
（実施の形態２）
本実施の形態では、先の実施の形態で例示したトランジスタを有する表示装置の一例について説明を行う。
本実施の形態では、先の実施の形態で例示したトランジスタを有する表示装置の一例について説明を行う。
【0219】
［構成例］
図７（Ａ）に、表示装置７００の上面図を示す。表示装置７００は、シール材７１２により貼りあわされた第１の基板７０１と第２の基板７０５を有する。また第１の基板７０１、第２の基板７０５、及びシール材７１２で封止される領域において、第１の基板７０１上に画素部７０２、ソースドライバ回路部７０４、及びゲートドライバ回路部７０６が設けられる。また画素部７０２には、複数の表示素子が設けられる。
図７（Ａ）に、表示装置７００の上面図を示す。表示装置７００は、シール材７１２により貼りあわされた第１の基板７０１と第２の基板７０５を有する。また第１の基板７０１、第２の基板７０５、及びシール材７１２で封止される領域において、第１の基板７０１上に画素部７０２、ソースドライバ回路部７０４、及びゲートドライバ回路部７０６が設けられる。また画素部７０２には、複数の表示素子が設けられる。
【0220】
また、第１の基板７０１の第２の基板７０５と重ならない部分に、ＦＰＣ７１６（ＦＰＣ：Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）が接続されるＦＰＣ端子部７０８が設けられている。ＦＰＣ７１６によって、ＦＰＣ端子部７０８及び信号線７１０を介して、画素部７０２、ソースドライバ回路部７０４、及びゲートドライバ回路部７０６のそれぞれに各種信号等が供給される。
【0221】
ゲートドライバ回路部７０６は、複数設けられていてもよい。また、ゲートドライバ回路部７０６及びソースドライバ回路部７０４は、それぞれ半導体基板等に別途形成され、パッケージされたＩＣチップの形態であってもよい。当該ＩＣチップは、第１の基板７０１上、またはＦＰＣ７１６に実装することができる。
【0222】
画素部７０２、ソースドライバ回路部７０４及びゲートドライバ回路部７０６が有するトランジスタに、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタを適用することができる。
【0223】
画素部７０２に設けられる表示素子としては、液晶素子、発光素子などが挙げられる。液晶素子としては、透過型の液晶素子、反射型の液晶素子、半透過型の液晶素子などを用いることができる。また、発光素子としては、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、ＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ ＬＥＤ）、ＱＬＥＤ（Ｑｕａｎｔｕｍ－ｄｏｔ ＬＥＤ）、半導体レーザなどの、自発光性の発光素子が挙げられる。また、シャッター方式または光干渉方式のＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）素子や、マイクロカプセル方式、電気泳動方式、エレクトロウェッティング方式、または電子粉流体（登録商標）方式等を適用した表示素子などを用いることもできる。
【0224】
図７（Ｂ）に示す表示装置７００Ａは、大型の画面を有する電子機器に好適に用いることのできる表示装置である。表示装置７００Ａは、例えばテレビジョン装置、モニタ装置、パーソナルコンピュータ（ノート型またはデスクトップ型を含む）、タブレット端末、デジタルサイネージなどに好適に用いることができる。
【0225】
表示装置７００Ａは、複数のソースドライバＩＣ７２１と、一対のゲートドライバ回路部７２２を有する。
【0226】
複数のソースドライバＩＣ７２１は、それぞれＦＰＣ７２３に取り付けられている。また、複数のＦＰＣ７２３は、一方の端子が第１の基板７０１に、他方の端子がプリント基板７２４にそれぞれ接続されている。ＦＰＣ７２３を折り曲げることで、プリント基板７２４を画素部７０２の裏側に配置して、電子機器に実装することができ、電子機器の省スペース化を図ることができる。
【0227】
一方、ゲートドライバ回路部７２２は、第１の基板７０１上に形成されている。これにより、狭額縁の電子機器を実現できる。
【0228】
このような構成とすることで、大型で且つ高解像度の表示装置を実現できる。例えば画面サイズが対角３０インチ以上、４０インチ以上、５０インチ以上、または６０インチ以上の表示装置にも適用することができる。また、解像度が４Ｋ２Ｋ、または８Ｋ４Ｋなどといった極めて高解像度の表示装置を実現することができる。
【0229】
［断面構成例］
以下では、表示素子として液晶素子及びＥＬ素子を用いる構成について、図８乃至図１０を用いて説明する。なお、図８乃至図１０は、それぞれ図７（Ａ）に示す一点鎖線Ｑ－Ｒにおける断面図である。図８及び図９は、表示素子として液晶素子を用いた構成であり、図１０は、ＥＬ素子を用いた構成である。
以下では、表示素子として液晶素子及びＥＬ素子を用いる構成について、図８乃至図１０を用いて説明する。なお、図８乃至図１０は、それぞれ図７（Ａ）に示す一点鎖線Ｑ－Ｒにおける断面図である。図８及び図９は、表示素子として液晶素子を用いた構成であり、図１０は、ＥＬ素子を用いた構成である。
【0230】
〔表示装置の共通部分に関する説明〕
図８乃至図１０に示す表示装置７００は、引き回し配線部７１１と、画素部７０２と、ソースドライバ回路部７０４と、ＦＰＣ端子部７０８と、を有する。引き回し配線部７１１は、信号線７１０を有する。画素部７０２は、トランジスタ７５０及び容量素子７９０を有する。ソースドライバ回路部７０４は、トランジスタ７５２を有する。図９では、容量素子７９０が無い場合を示している。
図８乃至図１０に示す表示装置７００は、引き回し配線部７１１と、画素部７０２と、ソースドライバ回路部７０４と、ＦＰＣ端子部７０８と、を有する。引き回し配線部７１１は、信号線７１０を有する。画素部７０２は、トランジスタ７５０及び容量素子７９０を有する。ソースドライバ回路部７０４は、トランジスタ７５２を有する。図９では、容量素子７９０が無い場合を示している。
【0231】
トランジスタ７５０及びトランジスタ７５２は、実施の形態１で例示したトランジスタを適用できる。
【0232】
本実施の形態で用いるトランジスタは、高純度化し、酸素欠損の形成を抑制した酸化物半導体膜を有する。該トランジスタは、オフ電流を低くできる。よって、画像信号等の電気信号の保持時間を長くでき、電源オン状態では画像信号等の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できるため、消費電力を低減する効果を奏する。
【0233】
また、本実施の形態で用いるトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られるため、高速駆動が可能である。例えば、このような高速駆動が可能なトランジスタを表示装置に用いることで、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トランジスタを同一基板上に形成することができる。すなわち、別途駆動回路として、シリコンウェハ等により形成された半導体装置を用いる必要がないため、表示装置の部品点数を削減することができる。また、画素部においても、高速駆動が可能なトランジスタを用いることで、高画質な画像を提供することができる。
【0234】
図８及び図１０に示す容量素子７９０は、トランジスタ７５０が有する半導体層と同一の膜を加工して形成され、低抵抗化された下部電極と、ソース電極またはドレイン電極と同一の導電膜を加工して形成される上部電極と、を有する。また、下部電極と上部電極との間には、トランジスタ７５０を覆う２層の絶縁膜が設けられる。すなわち、容量素子７９０は、一対の電極間に誘電体膜として機能する絶縁膜が挟持された積層型の構造である。
【0235】
また、トランジスタ７５０、トランジスタ７５２、及び容量素子７９０上には平坦化絶縁膜７７０が設けられている。
【0236】
画素部７０２が有するトランジスタ７５０と、ソースドライバ回路部７０４が有するトランジスタ７５２とは、異なる構造のトランジスタを用いてもよい。例えばいずれか一方にトップゲート型のトランジスタを適用し、他方にボトムゲート型のトランジスタを適用した構成としてもよい。なお、上記のソースドライバ回路部７０４を、ゲートドライバ回路部と読み替えてもよい。
【0237】
信号線７１０は、トランジスタ７５０、７５２のソース電極及びドレイン電極等と同じ導電膜で形成されている。このとき、銅元素を含む材料等の低抵抗な材料を用いると、配線抵抗に起因する信号遅延等が少なく、大画面での表示が可能となるため好ましい。
【0238】
ＦＰＣ端子部７０８は、接続電極７６０、異方性導電膜７８０、及びＦＰＣ７１６を有する。接続電極７６０は、ＦＰＣ７１６が有する端子と異方性導電膜７８０を介して電気的に接続される。ここでは、接続電極７６０は、トランジスタ７５０、７５２のソース電極及びドレイン電極等と同じ導電膜で形成されている。
【0239】
第１の基板７０１及び第２の基板７０５としては、例えばガラス基板、またはプラスチック基板等の可撓性を有する基板を用いることができる。
【0240】
また、第２の基板７０５側には、遮光膜７３８と、着色膜７３６と、これらに接する絶縁膜７３４と、が設けられる。
【0241】
〔液晶素子を用いる表示装置の構成例〕
図８に示す表示装置７００は、液晶素子７７５を有する。液晶素子７７５は、導電層７７２、導電層７７４、及びこれらの間に液晶層７７６を有する。導電層７７４は、第２の基板７０５側に設けられ、共通電極としての機能を有する。また、導電層７７２は、トランジスタ７５０が有するソース電極またはドレイン電極と電気的に接続される。導電層７７２は、平坦化絶縁膜７７０上に形成され、画素電極として機能する。
図８に示す表示装置７００は、液晶素子７７５を有する。液晶素子７７５は、導電層７７２、導電層７７４、及びこれらの間に液晶層７７６を有する。導電層７７４は、第２の基板７０５側に設けられ、共通電極としての機能を有する。また、導電層７７２は、トランジスタ７５０が有するソース電極またはドレイン電極と電気的に接続される。導電層７７２は、平坦化絶縁膜７７０上に形成され、画素電極として機能する。
【0242】
導電層７７２には、可視光に対して透光性の材料、または可視光に対して反射性の材料を用いることができる。透光性の材料としては、例えば、インジウム、亜鉛、スズ等を含む酸化物材料を用いるとよい。反射性の材料としては、例えば、アルミニウム、銀等を含む材料を用いるとよい。
【0243】
導電層７７２に反射性の材料を用いると、表示装置７００は反射型の液晶表示装置となる。一方、導電層７７２に透光性の材料を用いると、透過型の液晶表示装置となる。反射型の液晶表示装置の場合、視認側に偏光板を設ける。一方、透過型の液晶表示装置の場合、液晶素子を挟むように一対の偏光板を設ける。
【0244】
図９に示す表示装置７００は、横電界方式（例えば、ＦＦＳモード）の液晶素子７７５を用いる例を示す。導電層７７２上に絶縁層７７３を介して、共通電極として機能する導電層７７４が設けられる。導電層７７２と導電層７７４との間に生じる電界によって、液晶層７７６の配向状態を制御することができる。
【0245】
図９において、導電層７７４、絶縁層７７３、導電層７７２の積層構造により保持容量を構成することができる。そのため、別途容量素子を設ける必要がなく、開口率を高めることができる。
【0246】
また、図８及び図９において図示しないが、液晶層７７６と接する配向膜を設ける構成としてもよい。また、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）、及びバックライト、サイドライトなどの光源を適宜設けることができる。
【0247】
液晶層７７６には、サーモトロピック液晶、低分子液晶、高分子液晶、高分子分散型液晶、高分子ネットワーク型液晶、強誘電性液晶、反強誘電性液晶等を用いることができる。また、横電界方式を採用する場合、配向膜を用いないブルー相を示す液晶を用いてもよい。
【0248】
また、液晶素子のモードとしては、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＶＡ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＩＰＳ（Ｉｎ－Ｐｌａｎｅ－Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ Ｆｉｅｌｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ａｌｉｇｎｅｄ Ｍｉｃｒｏ－ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＥＣＢ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ゲストホストモードなどを用いることができる。
【0249】
〔発光素子を用いる表示装置〕
図１０に示す表示装置７００は、発光素子７８２を有する。発光素子７８２は、導電層７７２、ＥＬ層７８６、及び導電膜７８８を有する。ＥＬ層７８６は、有機化合物、または量子ドットなどの無機化合物を有する。
図１０に示す表示装置７００は、発光素子７８２を有する。発光素子７８２は、導電層７７２、ＥＬ層７８６、及び導電膜７８８を有する。ＥＬ層７８６は、有機化合物、または量子ドットなどの無機化合物を有する。
【0250】
有機化合物に用いることのできる材料としては、蛍光性材料または燐光性材料などが挙げられる。また、量子ドットに用いることのできる材料としては、コロイド状量子ドット材料、合金型量子ドット材料、コア・シェル型量子ドット材料、コア型量子ドット材料、などが挙げられる。
【0251】
図１０に示す表示装置７００には、平坦化絶縁膜７７０上に導電層７７２の一部を覆う絶縁膜７３０が設けられる。ここで、発光素子７８２は透光性の導電膜７８８有する、トップエミッション型の発光素子である。なお、発光素子７８２は、導電層７７２側に光を射出するボトムエミッション構造や、導電層７７２側及び導電膜７８８側の双方に光を射出するデュアルエミッション構造としてもよい。
【0252】
また、着色膜７３６は発光素子７８２と重なる位置に設けられ、遮光膜７３８は絶縁膜７３０と重なる位置、引き回し配線部７１１、及びソースドライバ回路部７０４に設けられている。また、着色膜７３６及び遮光膜７３８は、絶縁膜７３４で覆われている。また、発光素子７８２と絶縁膜７３４の間は封止膜７３２で充填されている。なお、ＥＬ層７８６を画素毎に島状または画素列毎に縞状に形成する、すなわち塗り分けにより形成する場合においては、着色膜７３６を設けない構成としてもよい。
【0253】
【0254】
例えばセンサの方式としては、静電容量方式、抵抗膜方式、表面弾性波方式、赤外線方式、光学方式、感圧方式など様々な方式を用いることができる。または、これら２つ以上を組み合わせて用いてもよい。
【0255】
なお、タッチパネルの構成は、入力装置を一対の基板の内側に形成する、所謂インセル型のタッチパネル、入力装置を表示装置７００上に形成する、所謂オンセル型のタッチパネル、または表示装置７００に貼り合わせて用いる、所謂アウトセル型のタッチパネルなどがある。
【0256】
本実施の形態で例示した構成例、及びそれらに対応する図面等は、少なくともその一部を他の構成例、または図面等と適宜組み合わせて実施することができる。
【0257】
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。
【0258】
（実施の形態３）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を有する表示装置について、図１１を用いて説明を行う。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を有する表示装置について、図１１を用いて説明を行う。
【0259】
図１１（Ａ）に示す表示装置は、画素部５０２と、駆動回路部５０４と、保護回路５０６と、端子部５０７と、を有する。なお、保護回路５０６は、設けない構成としてもよい。
【0260】
画素部５０２や駆動回路部５０４が有するトランジスタに、本発明の一態様のトランジスタを適用することができる。また保護回路５０６にも、本発明の一態様のトランジスタを適用してもよい。
【0261】
画素部５０２は、Ｘ行Ｙ列（Ｘ、Ｙはそれぞれ独立に２以上の自然数）に配置された複数の表示素子を駆動する複数の画素回路５０１を有する。
【0262】
駆動回路部５０４は、ゲート線ＧＬ＿１乃至ＧＬ＿Ｘに走査信号を出力するゲートドライバ５０４ａ、データ線ＤＬ＿１乃至ＤＬ＿Ｙにデータ信号を供給するソースドライバ５０４ｂなどの駆動回路を有する。ゲートドライバ５０４ａは、少なくともシフトレジスタを有する構成とすればよい。またソースドライバ５０４ｂは、例えば複数のアナログスイッチなどを用いて構成される。また、シフトレジスタなどを用いてソースドライバ５０４ｂを構成してもよい。
【0263】
端子部５０７は、外部の回路から表示装置に電源、制御信号、及び画像信号等を入力するための端子が設けられた部分をいう。
【0264】
保護回路５０６は、それ自身が接続する配線に一定の範囲外の電位が与えられたときに、該配線と別の配線とを導通状態にする回路である。図１１（Ａ）に示す保護回路５０６は、例えば、ゲートドライバ５０４ａと画素回路５０１の間の配線である走査線ＧＬ、またはソースドライバ５０４ｂと画素回路５０１の間の配線であるデータ線ＤＬ等の各種配線に接続される。
【0265】
また、ゲートドライバ５０４ａとソースドライバ５０４ｂは、それぞれ画素部５０２と同じ基板上に設けられていてもよいし、ゲートドライバ回路またはソースドライバ回路が別途形成された基板（例えば、単結晶半導体膜または多結晶半導体膜で形成された駆動回路基板）をＣＯＧやＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって基板に実装する構成としてもよい。
【0266】
【0267】
図１１（Ｂ）に示す画素回路５０１は、液晶素子５７０と、トランジスタ５５０と、容量素子５６０と、を有する。また画素回路５０１には、データ線ＤＬ＿ｎ、走査線ＧＬ＿ｍ、電位供給線ＶＬ等が接続されている。
【0268】
液晶素子５７０の一対の電極の一方の電位は、画素回路５０１の仕様に応じて適宜設定される。液晶素子５７０は、書き込まれるデータにより配向状態が設定される。なお、複数の画素回路５０１のそれぞれが有する液晶素子５７０の一対の電極の一方に共通の電位（コモン電位）を与えてもよい。また、各行の画素回路５０１の液晶素子５７０の一対の電極の一方に異なる電位を与えてもよい。
【0269】
また、図１１（Ｃ）に示す画素回路５０１は、トランジスタ５５２、５５４と、容量素子５６２と、発光素子５７２と、を有する。また画素回路５０１には、データ線ＤＬ＿ｎ、走査線ＧＬ＿ｍ、電位供給線ＶＬ＿ａ、電源供給線ＶＬ＿ｂ等が接続されている。
【0270】
なお、電位供給線ＶＬ＿ａ及び電位供給線ＶＬ＿ｂの一方には、高電源電位ＶＤＤが与えられ、他方には、低電源電位ＶＳＳが与えられる。トランジスタ５５４のゲートに与えられる電位に応じて、発光素子５７２に流れる電流が制御されることにより、発光素子５７２からの発光輝度が制御される。
【0271】
本実施の形態で例示した構成例、及びそれらに対応する図面等は、少なくともその一部を他の構成例、または図面等と適宜組み合わせて実施することができる。
【0272】
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。
【0273】
（実施の形態４）
以下では、画素に表示される階調を補正するためのメモリを備える画素回路と、これを有する表示装置について説明する。実施の形態１で例示したトランジスタは、以下で例示する画素回路に用いられるトランジスタに適用することができる。
以下では、画素に表示される階調を補正するためのメモリを備える画素回路と、これを有する表示装置について説明する。実施の形態１で例示したトランジスタは、以下で例示する画素回路に用いられるトランジスタに適用することができる。
【0274】
［回路構成］
図１２（Ａ）に、画素回路４００の回路図を示す。画素回路４００は、トランジスタＭ１、トランジスタＭ２、容量Ｃ１、及び回路４０１を有する。また画素回路４００には、配線Ｓ１、配線Ｓ２、配線Ｇ１、及び配線Ｇ２が接続される。
図１２（Ａ）に、画素回路４００の回路図を示す。画素回路４００は、トランジスタＭ１、トランジスタＭ２、容量Ｃ１、及び回路４０１を有する。また画素回路４００には、配線Ｓ１、配線Ｓ２、配線Ｇ１、及び配線Ｇ２が接続される。
【0275】
トランジスタＭ１は、ゲートが配線Ｇ１と、ソース及びドレインの一方が配線Ｓ１と、他方が容量Ｃ１の一方の電極と、それぞれ接続する。トランジスタＭ２は、ゲートが配線Ｇ２と、ソース及びドレインの一方が配線Ｓ２と、他方が容量Ｃ１の他方の電極、及び回路４０１と、それぞれ接続する。
【0276】
回路４０１は、少なくとも一の表示素子を含む回路である。表示素子としては様々な素子を用いることができるが、代表的には有機ＥＬ素子やＬＥＤ素子などの発光素子、液晶素子、またはＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）素子等を適用することができる。
【0277】
トランジスタＭ１と容量Ｃ１とを接続するノードをＮ１、トランジスタＭ２と回路４０１とを接続するノードをＮ２とする。
【0278】
画素回路４００は、トランジスタＭ１をオフ状態とすることで、ノードＮ１の電位を保持することができる。また、トランジスタＭ２をオフ状態とすることで、ノードＮ２の電位を保持することができる。また、トランジスタＭ２をオフ状態とした状態で、トランジスタＭ１を介してノードＮ１に所定の電位を書き込むことで、容量Ｃ１を介した容量結合により、ノードＮ１の電位の変位に応じてノードＮ２の電位を変化させることができる。
【0279】
ここで、トランジスタＭ１、トランジスタＭ２のうちの一方または両方に、実施の形態１で例示した、酸化物半導体が適用されたトランジスタを適用することができる。そのため極めて低いオフ電流により、ノードＮ１及びノードＮ２の電位を長期間に亘って保持することができる。なお、各ノードの電位を保持する期間が短い場合（具体的には、フレーム周波数が３０Ｈｚ以上である場合等）には、シリコン等の半導体を適用したトランジスタを用いてもよい。
【0280】
［駆動方法例］
続いて、図１２（Ｂ）を用いて、画素回路４００の動作方法の一例を説明する。図１２（Ｂ）は、画素回路４００の動作に係るタイミングチャートである。なおここでは説明を容易にするため、配線抵抗などの各種抵抗や、トランジスタや配線などの寄生容量、及びトランジスタのしきい値電圧などの影響は考慮しない。
続いて、図１２（Ｂ）を用いて、画素回路４００の動作方法の一例を説明する。図１２（Ｂ）は、画素回路４００の動作に係るタイミングチャートである。なおここでは説明を容易にするため、配線抵抗などの各種抵抗や、トランジスタや配線などの寄生容量、及びトランジスタのしきい値電圧などの影響は考慮しない。
【0281】
図１２（Ｂ）に示す動作では、１フレーム期間を期間Ｔ１と期間Ｔ２とに分ける。期間Ｔ１はノードＮ２に電位を書き込む期間であり、期間Ｔ２はノードＮ１に電位を書き込む期間である。
【0282】
〔期間Ｔ１〕
期間Ｔ１では、配線Ｇ１と配線Ｇ２の両方に、トランジスタをオン状態にする電位を与える。また、配線Ｓ１には固定電位である電位Ｖｒｅｆを供給し、配線Ｓ２には第１データ電位Ｖｗを供給する。
期間Ｔ１では、配線Ｇ１と配線Ｇ２の両方に、トランジスタをオン状態にする電位を与える。また、配線Ｓ１には固定電位である電位Ｖｒｅｆを供給し、配線Ｓ２には第１データ電位Ｖｗを供給する。
【0283】
ノードＮ１には、トランジスタＭ１を介して配線Ｓ１から電位Ｖｒｅｆが与えられる。また、ノードＮ２には、トランジスタＭ２を介して第１データ電位Ｖｗが与えられる。したがって、容量Ｃ１には電位差Ｖｗ－Ｖｒｅｆが保持された状態となる。
【0284】
〔期間Ｔ２〕
続いて期間Ｔ２では、配線Ｇ１にはトランジスタＭ１をオン状態とする電位を与え、配線Ｇ２にはトランジスタＭ２をオフ状態とする電位を与える。また、配線Ｓ１には第２データ電位Ｖｄａｔａを供給する。配線Ｓ２には所定の定電位を与える、またはフローティング状態としてもよい。
続いて期間Ｔ２では、配線Ｇ１にはトランジスタＭ１をオン状態とする電位を与え、配線Ｇ２にはトランジスタＭ２をオフ状態とする電位を与える。また、配線Ｓ１には第２データ電位Ｖｄａｔａを供給する。配線Ｓ２には所定の定電位を与える、またはフローティング状態としてもよい。
【0285】
ノードＮ１には、トランジスタＭ１を介して第２データ電位Ｖｄａｔａが与えられる。このとき、容量Ｃ１による容量結合により、第２データ電位Ｖｄａｔａに応じてノードＮ２の電位が電位ｄＶだけ変化する。すなわち、回路４０１には、第１データ電位Ｖｗと電位ｄＶを足した電位が入力されることとなる。なお、図１２（Ｂ）ではｄＶが正の値であるように示しているが、負の値であってもよい。すなわち、電位Ｖｄａｔａが電位Ｖｒｅｆより低くてもよい。
【0286】
ここで、電位ｄＶは、容量Ｃ１の容量値と、回路４０１の容量値によって概ね決定される。容量Ｃ１の容量値が回路４０１の容量値よりも十分に大きい場合、電位ｄＶは第２データ電位Ｖｄａｔａに近い電位となる。
【0287】
このように、画素回路４００は、２種類のデータ信号を組み合わせて表示素子を含む回路４０１に供給する電位を生成することができるため、画素回路４００内で階調の補正を行うことが可能となる。
【0288】
また画素回路４００は、配線Ｓ１及び配線Ｓ２に供給可能な最大電位を超える電位を生成することも可能となる。例えば発光素子を用いた場合では、ハイダイナミックレンジ（ＨＤＲ）表示等を行うことができる。また、液晶素子を用いた場合では、オーバードライブ駆動等を実現できる。
【0289】
【0290】
液晶素子ＬＣは、一方の電極がノードＮ２及び容量Ｃ２の一方の電極と、他方の電極が電位Ｖｃｏｍ２が与えられる配線と接続する。容量Ｃ２は、他方の電極が電位Ｖｃｏｍ１が与えられる配線と接続する。
【0291】
容量Ｃ２は保持容量として機能する。なお、容量Ｃ２は不要であれば省略することができる。
【0292】
画素回路４００ＬＣは、液晶素子ＬＣに高い電圧を供給することができるため、例えばオーバードライブ駆動により高速な表示を実現すること、駆動電圧の高い液晶材料を適用することなどができる。また、配線Ｓ１または配線Ｓ２に補正信号を供給することで、使用温度や液晶素子ＬＣの劣化状態等に応じて階調を補正することもできる。
【0293】
〔発光素子を用いた例〕
図１２（Ｄ）に示す画素回路４００ＥＬは、回路４０１ＥＬを有する。回路４０１ＥＬは、発光素子ＥＬ、トランジスタＭ３、及び容量Ｃ２を有する。
図１２（Ｄ）に示す画素回路４００ＥＬは、回路４０１ＥＬを有する。回路４０１ＥＬは、発光素子ＥＬ、トランジスタＭ３、及び容量Ｃ２を有する。
【0294】
トランジスタＭ３は、ゲートがノードＮ２及び容量Ｃ２の一方の電極と、ソース及びドレインの一方が電位ＶＨが与えられる配線と、他方が発光素子ＥＬの一方の電極と、それぞれ接続される。容量Ｃ２は、他方の電極が電位Ｖｃｏｍが与えられる配線と接続する。発光素子ＥＬは、他方の電極が電位ＶＬが与えられる配線と接続する。
【0295】
トランジスタＭ３は、発光素子ＥＬに供給する電流を制御する機能を有する。容量Ｃ２は保持容量として機能する。容量Ｃ２は不要であれば省略することができる。
【0296】
なお、ここでは発光素子ＥＬのアノード側がトランジスタＭ３と接続する構成を示しているが、カソード側にトランジスタＭ３を接続してもよい。そのとき、電位ＶＨと電位ＶＬの値を適宜変更することができる。
【0297】
画素回路４００ＥＬは、トランジスタＭ３のゲートに高い電位を与えることで、発光素子ＥＬに大きな電流を流すことができるため、例えばＨＤＲ表示などを実現することができる。また、また、配線Ｓ１または配線Ｓ２に補正信号を供給することで、トランジスタＭ３や発光素子ＥＬの電気特性のばらつきの補正を行うこともできる。
【0298】
なお、図１２（Ｃ）、（Ｄ）で例示した回路に限られず、別途トランジスタや容量などを追加した構成としてもよい。
【0299】
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。
【0300】
（実施の形態５）
本実施の形態では、本発明の一態様を用いて作製することができる表示モジュールについて説明する。
本実施の形態では、本発明の一態様を用いて作製することができる表示モジュールについて説明する。
【0301】
図１３（Ａ）に示す表示モジュール６０００は、上部カバー６００１と下部カバー６００２との間に、ＦＰＣ６００５が接続された表示装置６００６、フレーム６００９、プリント基板６０１０、及びバッテリー６０１１を有する。
【0302】
例えば、本発明の一態様を用いて作製された表示装置を、表示装置６００６に用いることができる。表示装置６００６により、極めて消費電力の低い表示モジュールを実現することができる。
【0303】
上部カバー６００１及び下部カバー６００２は、表示装置６００６のサイズに合わせて、形状や寸法を適宜変更することができる。
【0304】
表示装置６００６はタッチパネルとしての機能を有していてもよい。
【0305】
フレーム６００９は、表示装置６００６の保護機能、プリント基板６０１０の動作により発生する電磁波を遮断する機能、放熱板としての機能等を有していてもよい。
【0306】
プリント基板６０１０は、電源回路、ビデオ信号及びクロック信号を出力するための信号処理回路、バッテリー制御回路等を有する。
【0307】
図１３（Ｂ）は、光学式のタッチセンサを備える表示モジュール６０００の断面概略図である。
【0308】
表示モジュール６０００は、プリント基板６０１０に設けられた発光部６０１５及び受光部６０１６を有する。また、上部カバー６００１と下部カバー６００２により囲まれた領域に一対の導光部（導光部６０１７ａ、導光部６０１７ｂ）を有する。
【0309】
表示装置６００６は、フレーム６００９を間に介してプリント基板６０１０やバッテリー６０１１と重ねて設けられている。表示装置６００６とフレーム６００９は、導光部６０１７ａ、導光部６０１７ｂに固定されている。
【0310】
発光部６０１５から発せられた光６０１８は、導光部６０１７ａにより表示装置６００６の上部を経由し、導光部６０１７ｂを通って受光部６０１６に達する。例えば指やスタイラスなどの被検知体により、光６０１８が遮られることにより、タッチ操作を検出することができる。
【0311】
発光部６０１５は、例えば表示装置６００６の隣接する２辺に沿って複数設けられる。受光部６０１６は、発光部６０１５と対向する位置に複数設けられる。これにより、タッチ操作がなされた位置の情報を取得することができる。
【0312】
発光部６０１５は、例えばＬＥＤ素子などの光源を用いることができ、特に、赤外線を発する光源を用いることが好ましい。受光部６０１６は、発光部６０１５が発する光を受光し、電気信号に変換する光電素子を用いることができる。好適には、赤外線を受光可能なフォトダイオードを用いることができる。
【0313】
光６０１８を透過する導光部６０１７ａ、導光部６０１７ｂにより、発光部６０１５と受光部６０１６とを表示装置６００６の下側に配置することができ、外光が受光部６０１６に到達してタッチセンサが誤動作することを抑制できる。特に、可視光を吸収し、赤外線を透過する樹脂を用いると、タッチセンサの誤動作をより効果的に抑制できる。
【0314】
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。
【0315】
（実施の形態６）
本実施の形態では、本発明の一態様を用いて作製された表示装置を備える電子機器について説明する。
本実施の形態では、本発明の一態様を用いて作製された表示装置を備える電子機器について説明する。
【0316】
以下で例示する電子機器は、表示部に本発明の一態様の表示装置を備えるものである。したがって、高い解像度が実現された電子機器である。また高い解像度と、大きな画面が両立された電子機器とすることができる。
【0317】
本発明の一態様の電子機器の表示部には、例えばフルハイビジョン、４Ｋ２Ｋ、８Ｋ４Ｋ、１６Ｋ８Ｋ、またはそれ以上の解像度を有する映像を表示させることができる。
【0318】
電子機器としては、例えば、テレビジョン装置、ノート型のパーソナルコンピュータ、モニタ装置、デジタルサイネージ、パチンコ機、ゲーム機などの比較的大きな画面を備える電子機器の他、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、などが挙げられる。
【0319】
本発明の一態様が適用された電子機器は、家屋やビルの内壁または外壁、自動車等の内装または外装等が有する平面または曲面に沿って組み込むことができる。
【0320】
図１４（Ａ）は、ファインダー８１００を取り付けた状態のカメラ８０００の外観を示す図である。
【0321】
カメラ８０００は、筐体８００１、表示部８００２、操作ボタン８００３、シャッターボタン８００４等を有する。またカメラ８０００には、着脱可能なレンズ８００６が取り付けられている。
【0322】
なおカメラ８０００は、レンズ８００６と筐体とが一体となっていてもよい。
【0323】
カメラ８０００は、シャッターボタン８００４を押す、またはタッチパネルとして機能する表示部８００２をタッチすることにより撮像することができる。
【0324】
筐体８００１は、電極を有するマウントを有し、ファインダー８１００のほか、ストロボ装置等を接続することができる。
【0325】
ファインダー８１００は、筐体８１０１、表示部８１０２、ボタン８１０３等を有する。
【0326】
筐体８１０１は、カメラ８０００のマウントと係合するマウントにより、カメラ８０００に取り付けられている。ファインダー８１００はカメラ８０００から受信した映像等を表示部８１０２に表示させることができる。
【0327】
ボタン８１０３は、電源ボタン等としての機能を有する。
【0328】
カメラ８０００の表示部８００２、及びファインダー８１００の表示部８１０２に、本発明の一態様の表示装置を適用することができる。なお、ファインダーが内蔵されたカメラ８０００であってもよい。
【0329】
図１４（Ｂ）は、ヘッドマウントディスプレイ８２００の外観を示す図である。
【0330】
ヘッドマウントディスプレイ８２００は、装着部８２０１、レンズ８２０２、本体８２０３、表示部８２０４、ケーブル８２０５等を有している。また装着部８２０１には、バッテリー８２０６が内蔵されている。
【0331】
ケーブル８２０５は、バッテリー８２０６から本体８２０３に電力を供給する。本体８２０３は無線受信機等を備え、受信した映像情報を表示部８２０４に表示させることができる。また、本体８２０３はカメラを備え、使用者の眼球やまぶたの動きの情報を入力手段として用いることができる。
【0332】
また、装着部８２０１には、使用者に触れる位置に、使用者の眼球の動きに伴って流れる電流を検知可能な複数の電極が設けられ、視線を認識する機能を有していてもよい。また、当該電極に流れる電流により、使用者の脈拍をモニタする機能を有していてもよい。また、装着部８２０１には、温度センサ、圧力センサ、加速度センサ等の各種センサを有していてもよく、使用者の生体情報を表示部８２０４に表示する機能や、使用者の頭部の動きに合わせて表示部８２０４に表示する映像を変化させる機能を有していてもよい。
【0333】
表示部８２０４に、本発明の一態様の表示装置を適用することができる。
【0334】
図１４（Ｃ）（Ｄ）（Ｅ）は、ヘッドマウントディスプレイ８３００の外観を示す図である。ヘッドマウントディスプレイ８３００は、筐体８３０１と、表示部８３０２と、バンド状の固定具８３０４と、一対のレンズ８３０５と、を有する。
【0335】
使用者は、レンズ８３０５を通して、表示部８３０２の表示を視認することができる。なお、表示部８３０２を湾曲して配置させると、使用者が高い臨場感を感じることができるため好ましい。また、表示部８３０２の異なる領域に表示された別の画像を、レンズ８３０５を通して視認することで、視差を用いた３次元表示等を行うこともできる。なお、表示部８３０２を１つ設ける構成に限られず、表示部８３０２を２つ設け、使用者の片方の目につき１つの表示部を配置してもよい。
【0336】
なお、表示部８３０２に、本発明の一態様の表示装置を適用することができる。本発明の一態様の半導体装置を有する表示装置は、極めて精細度が高いため、図１４（Ｅ）のようにレンズ８３０５を用いて拡大したとしても、使用者に画素が視認されることなく、より現実感の高い映像を表示することができる。
【0337】
図１５（Ａ）乃至図１５（Ｇ）に示す電子機器は、筐体９０００、表示部９００１、スピーカ９００３、操作キー９００５（電源スイッチ、又は操作スイッチを含む）、接続端子９００６、センサ９００７（力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、におい又は赤外線を測定する機能を含むもの）、マイクロフォン９００８、等を有する。
【0338】
図１５（Ａ）乃至図１５（Ｇ）に示す電子機器は、様々な機能を有する。例えば、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示部に表示する機能、タッチパネル機能、カレンダー、日付または時刻などを表示する機能、様々なソフトウェア（プログラム）によって処理を制御する機能、無線通信機能、記録媒体に記録されているプログラムまたはデータを読み出して処理する機能、等を有することができる。なお、電子機器の機能はこれらに限られず、様々な機能を有することができる。電子機器は、複数の表示部を有していてもよい。また、電子機器にカメラ等を設け、静止画や動画を撮影し、記録媒体（外部またはカメラに内蔵）に保存する機能、撮影した画像を表示部に表示する機能、等を有していてもよい。
【0339】
【0340】
図１５（Ａ）は、テレビジョン装置９１００を示す斜視図である。テレビジョン装置９１００は、大画面、例えば、５０インチ以上、または１００インチ以上の表示部９００１を組み込むことが可能である。
【0341】
図１５（Ｂ）は、携帯情報端末９１０１を示す斜視図である。携帯情報端末９１０１は、例えばスマートフォンとして用いることができる。なお、携帯情報端末９１０１は、スピーカ９００３、接続端子９００６、センサ９００７等を設けてもよい。また、携帯情報端末９１０１は、文字や画像情報をその複数の面に表示することができる。図１５（Ｂ）では３つのアイコン９０５０を表示した例を示している。また、破線の矩形で示す情報９０５１を表示部９００１の他の面に表示することもできる。情報９０５１の一例としては、電子メール、ＳＮＳ、電話などの着信の通知、電子メールやＳＮＳなどの題名、送信者名、日時、時刻、バッテリーの残量、アンテナ受信の強度などがある。または、情報９０５１が表示されている位置にはアイコン９０５０などを表示してもよい。
【0342】
図１５（Ｃ）は、携帯情報端末９１０２を示す斜視図である。携帯情報端末９１０２は、表示部９００１の３面以上に情報を表示する機能を有する。ここでは、情報９０５２、情報９０５３、情報９０５４がそれぞれ異なる面に表示されている例を示す。例えば使用者は、洋服の胸ポケットに携帯情報端末９１０２を収納した状態で、携帯情報端末９１０２の上方から観察できる位置に表示された情報９０５３を確認することもできる。使用者は、携帯情報端末９１０２をポケットから取り出すことなく表示を確認し、例えば電話を受けるか否かを判断できる。
【0343】
図１５（Ｄ）は、腕時計型の携帯情報端末９２００を示す斜視図である。携帯情報端末９２００は、例えばスマートウォッチとして用いることができる。また、表示部９００１はその表示面が湾曲して設けられ、湾曲した表示面に沿って表示を行うことができる。また、携帯情報端末９２００を、例えば無線通信可能なヘッドセットと相互通信させることによって、ハンズフリーで通話することもできる。また、携帯情報端末９２００は、接続端子９００６により、他の情報端末と相互にデータ伝送を行うことや、充電を行うこともできる。なお、充電動作は無線給電により行ってもよい。
【0344】
図１５（Ｅ）（Ｆ）（Ｇ）は、折り畳み可能な携帯情報端末９２０１を示す斜視図である。また、図１５（Ｅ）は携帯情報端末９２０１を展開した状態、図１５（Ｇ）は折り畳んだ状態、図１５（Ｆ）は図１５（Ｅ）と図１５（Ｇ）の一方から他方に変化する途中の状態の斜視図である。携帯情報端末９２０１は、折り畳んだ状態では可搬性に優れ、展開した状態では継ぎ目のない広い表示領域により表示の一覧性に優れる。携帯情報端末９２０１が有する表示部９００１は、ヒンジ９０５５によって連結された３つの筐体９０００に支持されている。例えば、表示部９００１は、曲率半径１ｍｍ以上１５０ｍｍ以下で曲げることができる。
【0345】
図１６（Ａ）にテレビジョン装置の一例を示す。テレビジョン装置７１００は、筐体７１０１に表示部７５００が組み込まれている。ここでは、スタンド７１０３により筐体７１０１を支持した構成を示している。
【0346】
図１６（Ａ）に示すテレビジョン装置７１００の操作は、筐体７１０１が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機７１１１により行うことができる。または、表示部７５００にタッチパネルを適用し、これに触れることでテレビジョン装置７１００を操作してもよい。リモコン操作機７１１１は、操作ボタンの他に表示部を有していてもよい。
【0347】
なお、テレビジョン装置７１００は、テレビ放送の受信機や、ネットワーク接続のための通信装置を有していてもよい。
【0348】
図１６（Ｂ）に、ノート型パーソナルコンピュータ７２００を示す。ノート型パーソナルコンピュータ７２００は、筐体７２１１、キーボード７２１２、ポインティングデバイス７２１３、外部接続ポート７２１４等を有する。筐体７２１１に、表示部７５００が組み込まれている。
【0349】
図１６（Ｃ）、（Ｄ）に、デジタルサイネージ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｇｅ：電子看板）の一例を示す。
【0350】
図１６（Ｃ）に示すデジタルサイネージ７３００は、筐体７３０１、表示部７５００、及びスピーカ７３０３等を有する。さらに、ＬＥＤランプ、操作キー（電源スイッチ、または操作スイッチを含む）、接続端子、各種センサ、マイクロフォン等を有することができる。
【0351】
また、図１６（Ｄ）は円柱状の柱７４０１に取り付けられたデジタルサイネージ７４００である。デジタルサイネージ７４００は、柱７４０１の曲面に沿って設けられた表示部７５００を有する。
【0352】
表示部７５００が広いほど、一度に提供できる情報量を増やすことができ、また人の目につきやすいため、例えば広告の宣伝効果を高める効果を奏する。
【0353】
表示部７５００にタッチパネルを適用し、使用者が操作できる構成とすると好ましい。これにより、広告用途だけでなく、路線情報や交通情報、商用施設の案内情報など、使用者が求める情報を提供するための用途にも用いることができる。
【0354】
また、図１６（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、デジタルサイネージ７３００またはデジタルサイネージ７４００は、ユーザが所持するスマートフォン等の情報端末機７３１１と無線通信により連携可能であることが好ましい。例えば、表示部７５００に表示される広告の情報を情報端末機７３１１の画面に表示させることや、情報端末機７３１１を操作することで、表示部７５００の表示を切り替えることができる。
【0355】
また、デジタルサイネージ７３００またはデジタルサイネージ７４００に、情報端末機７３１１を操作手段（コントローラ）としたゲームを実行させることもできる。これにより、不特定多数のユーザが同時にゲームに参加し、楽しむことができる。
【0356】
図１６（Ａ）乃至（Ｄ）における表示部７５００に、本発明の一態様の表示装置を適用することができる。
【0357】
本実施の形態の電子機器は表示部を有する構成としたが、表示部を有さない電子機器にも本発明の一態様を適用することができる。
【0358】
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。
【実施例1】
【0359】
本実施例では、酸化物半導体膜に不純物を添加して低抵抗化させたものについて、シート抵抗を測定した。また、当該酸化物半導体膜に酸素を供給する処理を行い、シート抵抗の変化を評価した。
【0360】
［シミュレーション］
まず、不純物元素として用いるホウ素とリンについて、深さ方向における不純物元素の注入量を計算した。
まず、不純物元素として用いるホウ素とリンについて、深さ方向における不純物元素の注入量を計算した。
【0361】
計算には、モンテカルロ法によってイオン注入過程の計算を行うためのソフトである、ＴＲＩＭ（Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｏｆ Ｉｏｎ ｉｎ Ｍａｔｔｅｒ）を用いた。
【0362】
計算に用いた被注入膜は、第２の絶縁膜として厚さ１００ｎｍの酸化シリコン膜、酸化物半導体膜として厚さ４０ｎｍのＩｎＧａＺｎＯ４膜、及び第１の絶縁膜として厚さ１００ｎｍの酸化シリコン膜を順に積層した積層膜とした。不純物元素として、ホウ素とリンの２種類について計算した。ドーズ量はそれぞれ５×１０１５ｃｍ－２とした。また、ホウ素については、ビームエネルギーを１０ｋｅＶ、１５ｋｅＶ、２０ｋｅＶ、３０ｋｅＶ、及び４０ｋｅＶの５条件とし、リンについては５０ｋｅＶ、６０ｋｅＶ、及び７０ｋｅＶの３条件とした。
【0363】
図１７（Ａ）にホウ素（１１Ｂ）についての計算結果を、図１７（Ｂ）にリン（３１Ｐ）についての計算結果を示す。縦軸はホウ素またはリンの体積濃度（ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）を示し、横軸は深さ（ｄｅｐｔｈ）を示す。
【0364】
図１７（Ａ）に示すように、ビームエネルギーが高いほど、酸化物半導体膜中の不純物濃度が高まることが確認できた。また、ビームエネルギーが高いほど、最も不純物濃度の高いピークの位置が深くなり、且つ、プロファイルがブロードになることが確認できた。また、ビームエネルギーが２０ｋｅＶの条件で、酸化物半導体膜（ＩＧＺＯ）と第１の絶縁膜（左側のＳｉＯ２）との界面近傍が最も不純物濃度が高くなることが確認できた。
【0365】
図１７（Ｂ）では、ビームエネルギーが高いほど、酸化物半導体膜中の不純物濃度が高くなることが確認できた。また計算した３条件のいずれも、酸化物半導体膜と第１の絶縁膜との界面近傍に最も不純物濃度の高い領域が形成できることが確認できた。
【0366】
［シート抵抗の評価］
以下では、酸化物半導体膜上に酸化物絶縁膜を積層した膜に対して不純物の添加を行い、シート抵抗を測定した結果について説明する。
以下では、酸化物半導体膜上に酸化物絶縁膜を積層した膜に対して不純物の添加を行い、シート抵抗を測定した結果について説明する。
【0367】
〔評価方法〕
評価は、以下のような手順で行った。
評価は、以下のような手順で行った。
【0368】
まず、ガラス基板上に厚さ約４０ｎｍ乃至５０ｎｍの酸化物半導体膜を成膜した。酸化物半導体膜は、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２である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成膜した。
【0369】
続いて、酸化物半導体膜上に、厚さ約１００ｎｍの酸化シリコン膜を成膜した。酸化シリコン膜は、シランガスと一酸化二窒素ガスを成膜ガスとして用いたプラズマＣＶＤ法により成膜した。なお、成膜時の基板温度は３５０℃とした。
【0370】
続いて、酸化物半導体膜中に酸素を供給する処理を行った。酸素を供給する処理は、酸化シリコン膜上に酸素を含む雰囲気下におけるスパッタリング法により、金属酸化物膜を成膜し、酸化シリコン膜中に酸素を供給した後に、４００℃、１時間の加熱処理を行い、酸化シリコン膜から酸化物半導体膜に酸素を供給した。その後、金属酸化物膜をエッチングにより除去した。金属酸化物膜は、上記酸化物半導体膜と同様の条件で形成した。
【0371】
続いて、不純物の添加を行った。不純物の添加は、質量分離機構を有さないプラズマイオンドーピング装置と、質量分離機構を有するイオン注入装置の２種類の装置を用いて行った。また、ホウ素を供給するためのガスとして、イオンドーピング装置ではＢ２Ｈ６ガスを、イオン注入装置ではＢＦ３ガスを用いた。一方、リンを供給するためのガスにはＰＨ３ガスを用いた。プラズマイオンドーピング装置では不純物のドーズ量及び加速電圧を、イオン注入装置ではドーズ量及びビームエネルギーを、それぞれ異ならせた複数の試料を作製した。また、比較として不純物の添加を行わない試料も作製した。
【0372】
続いて、上記で示した酸化物半導体膜中に酸素を供給する処理を再度行った。ここで、金属酸化物膜を成膜した後の加熱処理の温度を、２５０℃、３５０℃、４００℃の３条件で異ならせた試料、及び加熱処理を行わなかった試料の４種類の試料を作製した。
【0373】
最後に、酸化シリコン膜を除去し、スパッタリング法によりチタン電極を形成した後にシート抵抗の測定を行った。
【0374】
〔シート抵抗〕
図１８の各図に、プラズマドーピング法によりホウ素をドープした試料についてのシート抵抗の結果を示す。図１８（Ａ）は加速電圧２０ｋＶ、図１８（Ｂ）は加速電圧４０ｋＶ、図１８（Ｃ）は加速電圧６０ｋＶの結果である。また、各図において、ドーズ量を１×１０１５ｃｍ－２から１．５×１０１６ｃｍ－２までの各条件について示している。また、各ドーズ量について、加熱処理を行わないものと、各温度で加熱処理を行ったものについて、並べて表記している。
図１８の各図に、プラズマドーピング法によりホウ素をドープした試料についてのシート抵抗の結果を示す。図１８（Ａ）は加速電圧２０ｋＶ、図１８（Ｂ）は加速電圧４０ｋＶ、図１８（Ｃ）は加速電圧６０ｋＶの結果である。また、各図において、ドーズ量を１×１０１５ｃｍ－２から１．５×１０１６ｃｍ－２までの各条件について示している。また、各ドーズ量について、加熱処理を行わないものと、各温度で加熱処理を行ったものについて、並べて表記している。
【0375】
図１８（Ａ）乃至（Ｃ）に示すように、ホウ素を添加することで酸化物半導体膜が低抵抗化していることが確認できる。また、加速電圧が２０ｋＶの条件と比較し、４０ｋＶ及び６０ｋＶの条件では、ドーズ量が多くなるにつれシート抵抗が上昇する結果となった。したがって、図１７（Ａ）で示したＴＲＩＭでのシミュレーション結果と合わせると、酸化物半導体膜と、その上部の酸化物絶縁膜の界面近傍が最も不純物濃度が高くなるように、不純物を添加することで、安定して低抵抗な状態となることが確認できた。
【0376】
また、ドーズ量が最も低い条件（１×１０１５ｃｍ－２の条件）を除き、ホウ素を添加した試料では、加熱処理によって高抵抗化してしまう現象はほとんど見られておらず、加熱処理前後で低抵抗な状態を維持している。
【0377】
【0378】
不純物元素としてリンを添加した場合でも、酸化物半導体膜が低抵抗化することが確認できた。また、ドーズ量が多いほど、抵抗が高くなる傾向がみられ、最適なドーズ量の範囲が存在することが確認できる。
【0379】
続いて、質量分離機構を有するイオン注入装置を用いて不純物元素を添加したときのシート抵抗の評価結果を示す。イオン注入法は質量分離機構により、プラズマドーピング法と比較して目的のイオン以外の不純物イオンの混入が少ないため、より精密な制御を行うことができる手法である。
【0380】
【0381】
イオン注入装置を用いた場合も、上記プラズマドーピング法と同様の傾向を示すことが確認できた。
【0382】
また、プラズマイオンドーピング法とイオン注入法とを比較すると、プラズマイオンドーピング法の方が、少ないドーズ量で抵抗値が低く安定しやすい傾向がみられている。これは、プラズマイオンドーピング装置が質量分析機構を有さないため、目的のイオン以外の不純物イオンが酸化物半導体膜の抵抗値に影響しているものと考えられる。
【0383】
［不純物濃度の評価］
以下では、上記で作製した試料を用いて、不純物元素の深さ方向の濃度分布を測定した結果について説明する。測定は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により行った。試料は、酸化物半導体膜にイオン注入装置によってホウ素（１１Ｂ）を添加したものと、リン（３１Ｐ）を添加したものの２種類を用いた。ホウ素の添加条件は、ビームエネルギーを２０ｋｅＶ、ドーズ量を５×１０１５ｃｍ－２とした。リンの添加条件は、ビームエネルギーを６０ｋｅＶ、ドーズ量を５×１０１５ｃｍ－２とした。
以下では、上記で作製した試料を用いて、不純物元素の深さ方向の濃度分布を測定した結果について説明する。測定は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により行った。試料は、酸化物半導体膜にイオン注入装置によってホウ素（１１Ｂ）を添加したものと、リン（３１Ｐ）を添加したものの２種類を用いた。ホウ素の添加条件は、ビームエネルギーを２０ｋｅＶ、ドーズ量を５×１０１５ｃｍ－２とした。リンの添加条件は、ビームエネルギーを６０ｋｅＶ、ドーズ量を５×１０１５ｃｍ－２とした。
【0384】
図２１（Ａ）に、ホウ素を添加した試料のＳＩＭＳ分析結果を、図２１（Ｂ）に、リンを添加した試料のＳＩＭＳ分析結果をそれぞれ示す。また、各図には酸化シリコン膜（ＳｉＯ２）を標準試料として定量したプロファイルと、酸化物半導体膜（ＩＧＺＯ）を用いて定量したプロファイルの２つを並べて示している。
【0385】
図２１（Ａ）から、酸化シリコン膜中では酸化物半導体膜との界面に近いほどホウ素の濃度が高くなる濃度勾配を有することが分かる。一方、酸化物半導体膜中では、酸化シリコン膜との界面に近いほどホウ素の濃度が高くなる濃度勾配を有することが分かる。すなわち、これらの界面近傍にホウ素の濃度の最も高い領域が位置することが確認できた。また、濃度勾配の傾きは酸化シリコン膜よりも酸化物半導体膜の方が大きいことが分かった。
【0386】
図２１（Ｂ）に示すリンを添加した試料についても、図２１（Ａ）とほぼ同様の傾向が見られている。すなわち、リンを添加した試料でも、酸化シリコン膜と酸化物半導体膜との界面近傍に、リンの濃度の最も高い領域が位置していること、また濃度勾配の傾きが酸化シリコン膜よりも酸化物半導体膜の方が大きいことが分かった。
【0387】
以上の結果より、ホウ素やリンなどの不純物元素を酸化物絶縁膜越しに酸化物半導体層に添加することにより、極めて低抵抗で、安定した酸化物半導体膜を形成できることが確認できた。また、酸化物絶縁膜と酸化物半導体膜の界面近傍に最も濃度の高い領域を設けることで、酸化物半導体膜に酸素を供給する処理を行っても、抵抗値の上昇がみられないことが確認できた。この結果は、酸化物絶縁膜にホウ素やリンなどの不純物元素を添加することで、酸化物絶縁膜に酸素に対するブロッキング性が付与され、酸素が拡散しにくい状態となっていると推察できる。
【実施例2】
【0388】
以下では、本発明の一態様のトランジスタを作製し、電気特性を評価した。
【0389】
［試料の作製］
作製したトランジスタの構成は、実施の形態１及び図３で例示したトランジスタ１００Ａを援用できる。また、ここでは不純物元素としてホウ素とリンを用い、添加条件を異ならせた複数の試料を作製した。また比較として、不純物元素を添加しない試料も同様に作製した。
作製したトランジスタの構成は、実施の形態１及び図３で例示したトランジスタ１００Ａを援用できる。また、ここでは不純物元素としてホウ素とリンを用い、添加条件を異ならせた複数の試料を作製した。また比較として、不純物元素を添加しない試料も同様に作製した。
【0390】
まず、ガラス基板上に厚さ約１００ｎｍのタングステン膜をスパッタリング法により形成し、これを加工して第１のゲート電極を得た。続いて、第１のゲート絶縁層として厚さ約２４０ｎｍの窒化シリコン膜と、厚さ約６０ｎｍの窒化シリコン膜と、厚さ約５ｎｍの酸化窒化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法により積層して形成した。
【0391】
続いて、第１のゲート絶縁層上に厚さ約４０ｎｍの金属酸化物膜を成膜し、これを加工して半導体層を得た。金属酸化物膜の成膜は、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２［原子数比］）を用いたスパッタリング法により形成した。その後、窒素雰囲気下で温度４００℃、１時間の加熱処理を行い、続けて酸素と窒素の混合雰囲気下にて、４００℃、１時間の加熱処理を行った。
【0392】
続いて、第２のゲート絶縁層となる厚さ約１００ｎｍの酸化窒化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法により形成した。その後、窒素雰囲気下、温度４００℃、１時間の条件で、加熱処理を行った。続いて、酸素供給処理として、酸素を含む雰囲気下でプラズマ処理を行った。
【0393】
続いて、第２のゲート絶縁層上にスパッタリング法により厚さ約２０ｎｍの金属酸化物膜を成膜した。金属酸化物膜の成膜は、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２［原子数比］）を用いたスパッタリング法により形成した。
【0394】
続いて、金属酸化物膜上に厚さ約１００ｎｍのモリブデン膜をスパッタリング法により積層して成膜した。その後、モリブデン膜と金属酸化物膜の一部をエッチングにより除去し、第２のゲート電極と、金属酸化物層を得た。
【0395】
続いて、第２のゲート電極をマスクとして、不純物元素の添加処理を行った。不純物の添加はプラズマイオンドーピング装置を用いた。また、ホウ素を供給するためのガスにはＢ２Ｈ６ガスを、リンを供給するためのガスにはＰＨ３ガスを用いた。不純物のドーズ量及び加速電圧を異ならせた複数の試料を作製した。また、比較として不純物の添加を行わない試料も作製した。
【0396】
続いて、トランジスタを覆う保護絶縁層として厚さ約３００ｎｍの酸化窒化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法により成膜した。酸化窒化シリコン膜の成膜温度は２２０℃とした。その後、窒素雰囲気下、温度３５０℃、一時間の条件で、加熱処理を行った。続いて、トランジスタを覆う絶縁層及び第２のゲート絶縁層の一部を開口し、モリブデン膜をスパッタリング法により成膜した後、これを加工してソース電極及びドレイン電極を得た。その後、平坦化層として厚さ約１．５μｍのアクリル膜を形成し、窒素雰囲気下、温度２５０℃、一時間の条件で加熱処理を行った。
【0397】
以上の工程によりガラス基板上に形成されたトランジスタを得た。
【0398】
［トランジスタのＩｄ－Ｖｇ特性］
続いて、上記で作製したトランジスタのＩｄ－Ｖｇ特性を測定した。
続いて、上記で作製したトランジスタのＩｄ－Ｖｇ特性を測定した。
【0399】
トランジスタのＩｄ－Ｖｇ特性の測定条件としては、第１のゲート電極に印加する電圧（以下、ゲート電圧（Ｖｇ）ともいう）、及び第２のゲート電極に印加する電圧（（Ｖｂｇ）ともいう）を、－１５Ｖから＋２０Ｖまで０．２５Ｖのステップで印加した。また、ソース電極に印加する電圧（以下、ソース電圧（Ｖｓ）ともいう）を０Ｖ（ｃｏｍｍ）とし、ドレイン電極に印加する電圧（以下、ドレイン電圧（Ｖｄ）ともいう）を、０．１Ｖ及び２０Ｖとした。
【0400】
図２２にホウ素を添加した（Ｂ－Ｄｏｐｅ）トランジスタのＩｄ－Ｖｇ特性を、図２３にリンを添加したトランジスタのＩｄ－Ｖｇ特性を、それぞれ示す。図２２及び図２３では、横方向に不純物の添加条件の異なる条件の結果を並べて示している。また、各図には、不純物の添加を行わない（Ｎｏｎ Ｄｏｐｅ）トランジスタについても並べて示している。図２２及び図２３には、トランジスタのチャネル幅が５０μｍ、チャネル長が２μｍ、３μｍ、６μｍの３種類のトランジスタについて示している。
【0401】
図２２に示すように、ホウ素を添加したトランジスタでは、不純物の添加を行わないトランジスタと比較して、大きな電流を流すことができることが分かった。これは、ソース領域及びドレイン領域の抵抗が十分に低くできていることを示している。また、加速電圧が２０ｋＶの条件では、ドーズ量によらず、チャネル長が２μｍと短いトランジスタであっても良好な特性を示している。一方、加速電圧が６０ｋＶと高い条件では、他の条件に比べて電流値が低い傾向がみられている。この傾向は、上記実施例１のシート抵抗などの結果に見られた傾向と一致している。
【0402】
また、図２３に示すように、リンを添加したトランジスタにおいても、ホウ素の場合と同様に良好な電気特性を示している。なお、ドーズ量が高い条件では、チャネル長の短いトランジスタでしきい値電圧がマイナス側にばらついたものが散見される。
【0403】
なお、ここでは不純物元素の添加に用いた装置として、質量分離機構を有さないプラズマイオンドーピング装置を用いたため、目的の元素の他に、水素も添加されている恐れがある。そのため、図２２及び図２３のチャネル長の短いトランジスタで見られたしきい値電圧のマイナスシフトは、当該水素の影響によるものである可能性がある。そのため、質量分離機構を有するイオン注入装置を用いることで、より良好な電気特性を示すトランジスタを作製できると推察される。
【実施例3】
【0404】
以下では、本発明の一態様のトランジスタを作製し、信頼性を評価した。
【0405】
信頼性の評価を行ったトランジスタは、上記実施例２で例示した作製工程を援用できる。不純物元素としてはホウ素を用い、不純物元素の添加は、プラズマイオンドーピング装置を用いて行った。加速電圧は２０ｋＶ、ドーズ量は５×１０１５ｃｍ－２とした。また、保護層として機能する酸化窒化シリコン膜の成膜温度を３５０℃とした。
【0406】
作製したトランジスタのＩｄ－Ｖｇ特性を図２４（Ａ）に示す。トランジスタのサイズは、チャネル長が３μｍ、チャネル幅が５０μｍである。
【0407】
続いて、上記トランジスタを用いて信頼性の評価として、ゲートバイアスストレス試験（ＧＢＴ試験）を行った。ＧＢＴ試験は、トランジスタが形成されている基板を６０℃に保持し、トランジスタのソースとドレインに０Ｖ、ゲートには２０Ｖまたは－２０Ｖの電圧を印加し、この状態を一時間保持した。ここで、試験環境を暗状態とし、ゲートに正の電圧を印加する試験をＰＢＴＳ、負の電圧を印加する試験をＮＢＴＳと表記する。また、試料に光を照射した状態におけるＰＢＴＳをＰＢＩＴＳ、ＮＢＴＳをＮＢＩＴＳと表記する。光の照射は、約１００００ｌｘの白色ＬＥＤ光を用いた。
【0408】
【0409】
以上のことから、本発明の一態様のトランジスタは、良好な電気特性と、高い信頼性を備えることが確認できた。
【実施例4】
【0410】
本実施例では、不純物元素を添加した酸化物を含む絶縁膜について、昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ：Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて酸素のブロッキング性について評価した。
【0411】
［評価１］
ここでは、酸化物半導体膜上の酸化物絶縁膜に酸素を供給する処理を行なった後、不純物の供給を行った試料を作製し、ＴＤＳ測定を行った。
ここでは、酸化物半導体膜上の酸化物絶縁膜に酸素を供給する処理を行なった後、不純物の供給を行った試料を作製し、ＴＤＳ測定を行った。
【0412】
〔試料の作製〕
まず、ガラス基板上に厚さ約４０ｎｍの酸化物半導体膜を成膜した。酸化物半導体膜は、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２である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成膜した。
まず、ガラス基板上に厚さ約４０ｎｍの酸化物半導体膜を成膜した。酸化物半導体膜は、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２である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成膜した。
【0413】
続いて、酸化物半導体膜上に、厚さ約１００ｎｍの酸化シリコン膜を成膜した。酸化シリコン膜は、シランガスと一酸化二窒素ガスを成膜ガスとして用いたプラズマＣＶＤ法により成膜した。なお、成膜時の基板温度は３５０℃とした。
【0414】
続いて、酸化物半導体膜中に酸素を供給する処理を行った。酸素を供給する処理は、酸化シリコン膜上に酸素を含む雰囲気下におけるスパッタリング法により、金属酸化物膜を成膜し、酸化シリコン膜中に酸素を供給した後に、４００℃、１時間の加熱処理を行い、酸化シリコン膜から酸化物半導体膜に酸素を供給した。その後、金属酸化物膜をエッチングにより除去した。金属酸化物膜は、上記酸化物半導体膜と同様の条件で形成した。
【0415】
続いて、不純物の添加を行った。不純物の添加は、質量分離機構を有するイオン注入装置を用いて行った。ここでは、不純物として、ホウ素（１１Ｂ）、リン（３１Ｐ）、及びアルゴン（４０Ａｒ）をそれぞれ注入した試料を作製した。なお、比較試料として不純物の注入を行わない試料も作製した。
【0416】
不純物の注入は、酸化シリコン膜を介して酸化物半導体膜にイオンが到達するよう最適化した条件で行った。ホウ素の注入条件は、ビームエネルギーを２０ｋｅＶとし、ドーズ量を５×１０１５ｃｍ－２とした。リンの注入条件は、ビームエネルギーを６０ｋｅＶとし、ドーズ量を５×１０１５ｃｍ－２とした。アルゴンの注入条件は、ビームエネルギーを７０ｋｅＶとし、ドーズ量を５×１０１５ｃｍ－２とした。
【0417】
〔ＴＤＳ分析結果〕
図２５に、酸素分子（質量電荷比（Ｍ／ｚ）３２）に対する、ＴＤＳ分析の結果を示す。各図において、縦軸は検出強度を示し、横軸は基板温度を示す。
図２５に、酸素分子（質量電荷比（Ｍ／ｚ）３２）に対する、ＴＤＳ分析の結果を示す。各図において、縦軸は検出強度を示し、横軸は基板温度を示す。
【0418】
イオン注入を行わなかった試料では、基板温度１５０℃から３００℃程度にかけて酸素が放出されていることが分かる。一方、ホウ素及びリンを注入した試料では、酸素の放出がほとんど見られないことが分かる。この結果から、ホウ素及びリンを注入することにより、酸化シリコン膜中の過剰酸素が安定化し、外方拡散を抑制できることが分かる。
【0419】
一方、アルゴンを注入した試料では、酸素の放出が顕著にみられ、酸素の外方拡散の抑制の効果が薄いことが確認できた。またここでは示さないが、アルゴンを注入した試料では、酸素の他にアルゴン（Ｍ／ｚ＝２０及びＭ／ｚ＝４０）が基板温度２５０℃から４３０℃程度の範囲で放出される結果が得られた。この結果から、希ガスであるアルゴンは酸化シリコン中の酸素との相互作用が小さく、過剰酸素を安定化させる作用はあまり期待できないことが推察される。
【0420】
［評価２］
ここでは、酸素を供給する処理を行なった第１の酸化物絶縁膜上に、第２の酸化物絶縁膜を形成し、第２の酸化物絶縁膜に対して不純物の供給を行った試料を作製し、ＴＤＳ測定により第２の酸化物絶縁膜の酸素ブロック性を評価した。
ここでは、酸素を供給する処理を行なった第１の酸化物絶縁膜上に、第２の酸化物絶縁膜を形成し、第２の酸化物絶縁膜に対して不純物の供給を行った試料を作製し、ＴＤＳ測定により第２の酸化物絶縁膜の酸素ブロック性を評価した。
【0421】
〔試料の作製〕
まず、ガラス基板上に第１の酸化物絶縁膜として、厚さ約１５０ｎｍの酸化シリコン膜を成膜した。酸化シリコン膜は、上記評価１と同様の条件で成膜した。
まず、ガラス基板上に第１の酸化物絶縁膜として、厚さ約１５０ｎｍの酸化シリコン膜を成膜した。酸化シリコン膜は、上記評価１と同様の条件で成膜した。
【0422】
続いて、第１の酸化物絶縁膜に酸素を供給する処理を行った。酸素を供給する処理は、酸化シリコン膜上に酸素を含む雰囲気下におけるスパッタリング法により、金属酸化物膜を成膜し、酸化シリコン膜中に酸素を供給した。その後、金属酸化物膜をエッチングにより除去した。金属酸化物膜は、シリコンを含むインジウムスズ酸化物ターゲットを用いて成膜した。
【0423】
続いて、第２の酸化物絶縁膜として、厚さ約１００ｎｍの酸化シリコン膜を、上記と同様の方法により成膜した。
【0424】
続いて、不純物の添加を行った。不純物の添加は、質量分離機構を有するイオン注入装置を用いて行った。評価１と同様に、不純物として、ホウ素（１１Ｂ）、リン（３１Ｐ）、及びアルゴン（４０Ａｒ）をそれぞれ注入した試料を作製した。なお、比較試料として不純物の注入を行わない試料も作製した。
【0425】
不純物の注入は、第２の酸化シリコン膜のみにイオンが注入されるよう最適化した条件で行った。ホウ素の注入条件は、ビームエネルギーを５ｋｅＶとし、ドーズ量を５×１０１５ｃｍ－２とした。リンの注入条件は、ビームエネルギーを１０ｋｅＶとし、ドーズ量を５×１０１５ｃｍ－２とした。アルゴンの注入条件は、ビームエネルギーを１０ｋｅＶとし、ドーズ量を５×１０１５ｃｍ－２とした。
【0426】
〔ＴＤＳ分析結果〕
図２６に、ＴＤＳ分析の結果を示す。
図２６に、ＴＤＳ分析の結果を示す。
【0427】
イオン注入を行わなかった試料では、基板温度２５０℃付近から４５０℃付近にかけて酸素が放出されていることが分かる。一方、ホウ素及びリンを注入した試料では、酸素の放出がほとんど見られないことが分かる。この結果から、ホウ素及びリンを注入することにより、酸化シリコン膜中の過剰酸素が安定化し、外方拡散を抑制できることが分かる。
【0428】
一方、アルゴンを注入した試料では、イオン注入を行わなかった試料よりも低温（１５０℃付近）から酸素が放出していることが確認できた。これは、イオン注入時に第２の酸化物絶縁膜にダメージが生じ、酸素の脱離や拡散が生じやすい状態となっていることに起因すると推察される。
【0429】
以上の結果から、酸化物絶縁膜にホウ素及びリンを注入することで、過剰酸素が脱離しにくい状態となることが分かった。さらに、ホウ素やリンを注入することで、酸化物絶縁膜に酸素の拡散をブロックする機能を付与できることが確認できた。
【実施例5】
【0430】
本実施例では、イオン注入を行った試料を作製し、ＸＰＳ分析を行った結果について説明する。
【0431】
ここでは、以下の２種類の試料を作製し、分析を行った。１つ目は酸化物半導体膜に対して直接イオン注入した試料であり、２つ目は、酸化物半導体膜上に酸化物絶縁膜を積層した積層膜に対してイオン注入した試料である。
【0432】
〔試料の作製〕
まず、上記１つ目の試料について説明する。ガラス基板上に厚さ約４０ｎｍの酸化物半導体膜を成膜した。成膜方法は実施例４を援用できる。続いて、酸化物半導体膜に対してイオン注入法によりホウ素（１１Ｂ）を注入した。ホウ素の注入条件は、ビームエネルギーを５ｋｅＶとし、ドーズ量を１×１０１６ｃｍ－２とした。
まず、上記１つ目の試料について説明する。ガラス基板上に厚さ約４０ｎｍの酸化物半導体膜を成膜した。成膜方法は実施例４を援用できる。続いて、酸化物半導体膜に対してイオン注入法によりホウ素（１１Ｂ）を注入した。ホウ素の注入条件は、ビームエネルギーを５ｋｅＶとし、ドーズ量を１×１０１６ｃｍ－２とした。
【0433】
２つ目の試料は、イオン注入条件以外は実施例４の評価１の記載を援用できる。イオン注入は、イオン注入法により、ホウ素（１１Ｂ）を酸化物半導体膜に到達するよう最適化した条件で行った。ホウ素の注入条件は、ビームエネルギーを２０ｋｅＶとし、ドーズ量を１×１０１６ｃｍ－２とした。
【0434】
〔ＸＰＳ分析〕
上記で作製した２種類の試料について、ＸＰＳ分析を行った。ＸＰＳ測定のＸ線源には、Ｍｇ－Ｋα（１２５３．６ｅＶ）を用いた。ＸＰＳ分析は、スパッタリングと組み合わせることで、深さ方向の分析を行った。スパッタリングにはアルゴンイオンを用い、加速電圧を２．０ｋＶとした。スパッタ速度はＳｉＯ２に換算して約５ｎｍ／ｍｉｎである。
上記で作製した２種類の試料について、ＸＰＳ分析を行った。ＸＰＳ測定のＸ線源には、Ｍｇ－Ｋα（１２５３．６ｅＶ）を用いた。ＸＰＳ分析は、スパッタリングと組み合わせることで、深さ方向の分析を行った。スパッタリングにはアルゴンイオンを用い、加速電圧を２．０ｋＶとした。スパッタ速度はＳｉＯ２に換算して約５ｎｍ／ｍｉｎである。
【0435】
図２７（Ａ）は、酸化物半導体膜に直接イオン注入した試料における、ＸＰＳ分析で得たデプスプロファイルである。横軸はスパッタ時間（ｓｐｕｔｔｅｒ ｔｉｍｅ）を示し、縦軸は原子数比（ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ）を示している。
【0436】
図２７に示すように、ホウ素は酸化物半導体膜（ＩＧＺＯ）の表面近傍に、数原子％の濃度で検出されている。
【0437】
図２７（Ｂ）は、酸化物半導体（ＩＧＺＯ）中における、ホウ素の１ｓ軌道に関連したピークが得られるエネルギー範囲のＸＰＳスペクトルを示している。横軸は束縛エネルギー（Ｂｉｎｄｉｎｇ Ｅｎｅｒｇｙ）であり、縦軸は光電子の強度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）である。１９２ｅＶ付近にピークが観測され、且つ１８８ｅＶ付近にピークが観測されないことから、酸化物半導体膜中のホウ素は酸化状態で存在し、ホウ素単体ではほとんど存在していないことが分かった。
【0438】
図２７（Ｃ）は、インジウムの３ｄ５／２軌道に関連したピークが得られるエネルギー範囲におけるＸＰＳスペクトルを示している。４４３ｅＶ近傍にピークがみられることから、金属の状態のインジウムが存在していることが分かる。このことから、ホウ素がインジウムと結合している酸素を奪い、酸素欠損を生じさせていることが推察される。
【0439】
図２８（Ａ）は、酸化物半導体膜上に酸化物絶縁膜を積層した積層膜に対してイオン注入した試料における、ＸＰＳ分析で得たデプスプロファイルである。酸化物絶縁膜（ＳｉＯＮ）と酸化物半導体膜（ＩＧＺＯ）の界面近傍に、数原子％の濃度でホウ素が検出されている。
【0440】
図２８（Ｂ）は、酸化物絶縁膜（ＳｉＯＮ）中における、ホウ素の１ｓ軌道に関連したピークが得られるエネルギー範囲のＸＰＳスペクトルを示している。酸化物絶縁膜中においても、酸化物半導体膜と同様に、ホウ素は酸化状態で存在し、ホウ素単体ではほとんど存在していないことが分かった。このことから、ホウ素が酸化物絶縁膜中の酸素と結合していることが確認できた。
【0441】
以上の結果から、酸化物半導体膜及び酸化物絶縁膜中に注入されたホウ素は、膜中の酸素と結合して酸化物の状態で存在することが確認できた。
【実施例6】
【0442】
本実施例では、本発明の一態様のトランジスタを作製し、電気特性を評価した。
【0443】
［試料の作製］
まず、実施例２で示した方法と同様の方法により、ガラス基板上に第１のゲート電極、第１のゲート絶縁層、半導体層、第２のゲート絶縁層を形成した。続いて第２のゲート絶縁層上にスパッタリング法により厚さ約１０ｎｍの酸化アルミニウム膜を成膜し、続いて厚さ約５ｎｍのチタン膜、厚さ約３００ｎｍのアルミニウム膜、及び厚さ約５０ｎｍのチタン膜を順に成膜し、これら金属膜と酸化アルミニウム膜の一部をエッチングにより除去し、第２のゲート電極と金属酸化物層を得た。
まず、実施例２で示した方法と同様の方法により、ガラス基板上に第１のゲート電極、第１のゲート絶縁層、半導体層、第２のゲート絶縁層を形成した。続いて第２のゲート絶縁層上にスパッタリング法により厚さ約１０ｎｍの酸化アルミニウム膜を成膜し、続いて厚さ約５ｎｍのチタン膜、厚さ約３００ｎｍのアルミニウム膜、及び厚さ約５０ｎｍのチタン膜を順に成膜し、これら金属膜と酸化アルミニウム膜の一部をエッチングにより除去し、第２のゲート電極と金属酸化物層を得た。
【0444】
続いて、第２のゲート電極をマスクとして、イオン注入法により不純物元素を注入した。ここでは、ホウ素（１１Ｂ）を注入した試料と、リン（３１Ｐ）を注入した試料の２種類を作製した。ホウ素の注入条件は、ビームエネルギーを１５ｋｅＶとし、ドーズ量を３×１０１５ｃｍ－２とした。リンの注入条件は、ビームエネルギーを４５ｋｅＶとし、ドーズ量を１×１０１５ｃｍ－２とした。
【0445】
その後、実施例２と同様の方法により、保護絶縁層を形成し、加熱処理を行なった。ソース電極及びドレイン電極には、スパッタリング法により成膜した厚さ約５０ｎｍのタングステン膜、厚さ約４００ｎｍのアルミニウム膜、及び厚さ約１００ｎｍのチタン膜の積層膜を用いた。続いて、実施例２と同様に、平坦化層を形成し、加熱処理を行なった。
【0446】
以上の工程により、不純物元素としてホウ素またはリンを用いた２種類の試料を得た。
【0447】
［トランジスタのＩｄ－Ｖｇ特性］
続いて、上記で作製したトランジスタのＩｄ－Ｖｇ特性を測定した。測定条件は実施例２を援用できる。
続いて、上記で作製したトランジスタのＩｄ－Ｖｇ特性を測定した。測定条件は実施例２を援用できる。
【0448】
図２９に、不純物元素としてホウ素を用いたトランジスタと、リンを用いたトランジスタのＩｄ－Ｖｇ特性を示す。図２９では、トランジスタのチャネル幅が５０μｍ、チャネル長が２μｍ、３μｍ、６μｍの３種類のトランジスタについて示している。各トランジスタの測定数は２０である。
【0449】
図２９に示すように、ホウ素を添加したトランジスタ、及びリンを添加したトランジスタともに、極めて良好な電気特性を示すことが確認できた。
【符号の説明】
【0450】
１００、１００Ａ：トランジスタ、１０２：基板、１０３、１１０、１１６、１１８：絶縁層、１０３ｄ、１０８ｎ、１１０ｄ：領域、１０６、１０６ｃ、１１２、１２０ａ、１２０ｂ：導電層、１０８、１０８ｃ：半導体層、１１２ｆ：導電膜、１１４：金属酸化物層、１１４ｆ：金属酸化物膜、１３０Ａ、１３０Ｂ：容量素子、１４０：不純物元素、１４１ａ、１４１ｂ、１４２：開口部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
