半導体装置およびその作製方法
【課題】スパッタ法でトランジスタ、ダイオード等の半導体用途に好適な材料を提供する。具体的には結晶性の高い酸化物半導体膜を形成する作製プロセスを提供する。
【解決手段】意図的に窒素を酸化物半導体に対して添加することにより、六方晶であり、ウルツ鉱型結晶構造を有する酸化物半導体膜を形成する。酸化物半導体膜において、窒素を含む領域の結晶性は、窒素をあまり含まない領域、或いは窒素を意図的に添加していない領域に比べて高くなる。この結晶性の高いウルツ鉱型結晶構造を有する酸化物半導体膜をトランジスタのチャネル形成領域として用いる。
【解決手段】意図的に窒素を酸化物半導体に対して添加することにより、六方晶であり、ウルツ鉱型結晶構造を有する酸化物半導体膜を形成する。酸化物半導体膜において、窒素を含む領域の結晶性は、窒素をあまり含まない領域、或いは窒素を意図的に添加していない領域に比べて高くなる。この結晶性の高いウルツ鉱型結晶構造を有する酸化物半導体膜をトランジスタのチャネル形成領域として用いる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
トランジスタなどの半導体素子を少なくとも一つの素子として含む回路を有する半導体装置及びその作製方法に関する。例えば、電源回路に搭載されるパワーデバイスや、メモリ、サイリスタ、コンバータ、イメージセンサなどを含む半導体集積回路、液晶表示パネルに代表される電気光学装置や発光素子を有する発光表示装置を部品として搭載した電子機器に関する。
【０００２】
なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指し、電気光学装置、半導体回路及び電子機器は全て半導体装置である。
【背景技術】
【０００３】
近年、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薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を構成する技術が注目されている。薄膜トランジスタはＩＣや電気光学装置のような電子デバイスに広く応用され、特に画像表示装置のスイッチング素子として開発が急がれている。金属酸化物は多様に存在しさまざまな用途に用いられている。
【０００４】
金属酸化物の中には半導体特性を示すものがある。半導体特性を示す金属酸化物としては、例えば、酸化タングステン、酸化錫、酸化インジウム、酸化亜鉛などがあり、このような半導体特性を示す金属酸化物をチャネル形成領域とする薄膜トランジスタが既に知られている（特許文献１及び特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１２３８６１号公報
【特許文献２】特開２００７−９６０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の一態様は、スパッタ法でトランジスタ、ダイオード等の半導体用途に好適な材料を提供することを課題の一とする。具体的には結晶性の高い酸化物半導体膜を形成する作製プロセスを提供することを課題の一とする。
【０００７】
また、マザーガラスのような大きな基板を用いて、信頼性の高い半導体装置の大量生産を行うことのできる半導体装置の作製プロセスを提供することを課題の一とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
意図的に窒素を酸化物半導体に対して添加することにより、六方晶であり、ウルツ鉱型結晶構造を有する酸化物半導体膜を形成する。酸化物半導体膜において、窒素を含む領域の結晶性は、窒素をあまり含まない領域、或いは窒素を意図的に添加していない領域に比べて高くなる。この結晶性の高いウルツ鉱型結晶構造を有する酸化物半導体膜をトランジスタのチャネル形成領域として用いる。
【０００９】
本発明の一形態は、ゲート電極層と、該ゲート電極層と接する第１の絶縁層と、該第１の絶縁層に接する酸化物半導体層と、該酸化物半導体層に接する第２の絶縁層とを有し、酸化物半導体層は、ウルツ鉱型結晶構造を有し、且つ、第１の絶縁層に近いほど高くなる窒素濃度の濃度勾配を有する半導体装置である。なお、酸化物半導体層の窒素濃度は、１×１０１７／ｃｍ３以上２０原子％以下、好ましくは１×１０２０／ｃｍ３以上７原子％未満である。
【００１０】
ウルツ鉱型結晶構造を有する酸化物半導体膜に接する絶縁膜としては、窒素を含む絶縁膜、例えば、酸化窒化珪素膜（ＳｉＯｘＮｙとも呼ぶ、ただし、ｘ＞ｙ＞０）や、窒化酸化珪素膜（ＳｉＮｘＯｙとも呼ぶ、ただし、ｘ＞ｙ＞０）を用いることが好ましい。なお、ウルツ鉱型結晶構造を有する酸化物半導体膜に接する絶縁膜として、酸化珪素膜や、酸化珪素膜と窒化珪素膜の積層も用いることができる。また、ウルツ鉱型結晶構造を有する酸化物半導体膜に接する絶縁膜として、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化イットリウム等などを用いてもよい。ただし、これらの絶縁膜を用い、後で窒素プラズマ処理を行う場合、ゲート絶縁層として十分機能するように膜厚などを調節することが好ましい。
【００１１】
さらに絶縁膜と酸化物半導体膜の界面近傍の窒素濃度を高めるため、窒素プラズマ処理を行い、少なくとも絶縁膜の表面近傍に１×１０１７／ｃｍ３以上の窒素を意図的に含ませ、その上に窒素雰囲気下でウルツ鉱型結晶構造を有する酸化物半導体膜の形成を行ってもよい。
【００１２】
また、ウルツ鉱型結晶構造を有する酸化物半導体膜は非単結晶であり、酸化物半導体層全体が非晶質状態（アモルファス状態）ではなく、酸化物半導体層内の結晶は、基板平面に概略平行で、六角形の格子状の結合を有するａ−ｂ面を有し、基板平面に概略垂直なｃ軸を有している。
【００１３】
また、段階的に成膜条件を変えて窒素濃度の異なる酸化物半導体膜の積層を同じ真空チャンバーで形成してもよく、その本発明の一形態は、ゲート電極層と、該ゲート電極層と接する第１の絶縁層と、該第１の絶縁層に接する第１の酸化物半導体層と、該第１の酸化物半導体層に接する第２の酸化物半導体層と、該第２の酸化物半導体層に接する第２の絶縁層とを有し、第１の酸化物半導体層及び第２の酸化物半導体層は、六方晶構造を有し、且つ、第１の酸化物半導体層の窒素濃度は、第２の酸化物半導体層よりも高いことを特徴とする半導体装置である。
【００１４】
上記構成において、第１の酸化物半導体層の窒素濃度は、０．１原子％以上７原子％未満であることを特徴の一つとする。また、第２の酸化物半導体層の窒素濃度は、１×１０１７／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３未満であることを特徴の一つとする。窒素を意図的に含ませた酸化物半導体層は、窒素を意図的に含ませていない酸化物半導体層に比べてエネルギーギャップが小さく、キャリアを流しやすい。
【００１５】
ゲート電極層を有するトランジスタの構造は特に限定されず、例えば、トップゲート型のトランジスタであれば、下地絶縁層が第２の絶縁層に相当する。トップゲート型のトランジスタの場合、第２の絶縁層上に酸化物半導体層を有し、該酸化物半導体層上にゲート絶縁層である第１の絶縁層を有し、該第１の絶縁層上にゲート電極層を有する。
【００１６】
また、トップゲート型のトランジスタの作製方法も本発明の一形態であり、その構成は、絶縁表面を有する基板上に窒素を含む絶縁膜を形成し、窒素を含む絶縁膜が形成された基板を真空チャンバー内に導入し、金属酸化物ターゲットが設けられた真空チャンバー内に窒素ガスを導入して、基板温度が１５０℃以上４５０℃以下の第１の成膜条件により窒素を含む第１の酸化物半導体膜を成膜し、真空チャンバー内に窒素ガスを導入して、基板温度が１５０℃以上４５０℃以下の第２の成膜条件により第１の酸化物半導体膜上に接して窒素を含む第２の酸化物半導体膜を成膜する半導体装置の作製方法である。この作製方法によって、結晶性の高い酸化物半導体膜を形成することができる。
【００１７】
また、ボトムゲート型のトランジスタであれば、保護絶縁層が第２の絶縁層に相当する。ボトムゲート型のトランジスタの場合、ゲート電極層上にゲート絶縁層である第１の絶縁層を有し、該第１の絶縁層上に酸化物半導体層を有し、該酸化物半導体層上に保護絶縁層である第２の絶縁層を有する。
【００１８】
また、ボトムゲート型のトランジスタの作製方法も本発明の一形態であり、その構成は、絶縁表面を有する基板上にゲート電極層を形成し、ゲート電極層上に窒素を含む絶縁膜を形成し、ゲート電極層及び窒素を含む絶縁膜が形成された基板を真空チャンバー内に導入し、金属酸化物ターゲットが設けられた真空チャンバー内に窒素ガスを導入して、基板温度が１５０℃以上４５０℃以下の第１の成膜条件により窒素を含む第１の酸化物半導体膜を成膜し、真空チャンバー内に窒素ガスを導入して、基板温度が１５０℃以上４５０℃以下の第２の成膜条件により第１の酸化物半導体膜上に接して窒素を含む第２の酸化物半導体膜を成膜する半導体装置の作製方法である。この作製方法によって、結晶性の高い酸化物半導体膜を形成することができる。
【００１９】
上記作製方法の各構成において、さらに、第２の成膜条件での成膜後に、水素及び水分をほとんど含まない雰囲気下（窒素雰囲気、酸素雰囲気、乾燥空気雰囲気（例えば、水分については露点−４０℃以下、好ましくは露点−６０℃以下）など）で１５０℃以上６５０℃以下の加熱処理を行ってもよい。この加熱処理を行うことで酸化物半導体層の結晶性を高めることができる。
【００２０】
また、上記作製方法の各構成において、真空チャンバーに導入するスパッタガスの全流量比に対する窒素ガス流量の割合は８２．５％以上、好ましくは９０％以上１００％以下とする。窒素のガス流量を調節することで、酸化物半導体層の窒素濃度を制御することができる。例えば、窒素ガス流量を１００％に近づけることで酸化物半導体層の純度及び酸化物半導体層の窒素濃度を高めることができる。
【００２１】
また、上記作製方法の各構成において、第１の成膜条件における窒素ガスは加熱された状態で真空チャンバーに導入してもよい。
【００２２】
また、上記作製方法の各構成において、第１の成膜条件と第２の成膜条件を異ならせる場合には、第２の成膜条件におけるスパッタガスは、窒素ガスの他に、酸素ガスまたは希ガスを導入する。
【００２３】
また、上記作製方法の各構成において、窒素を含む絶縁膜を形成した後、窒素を含む絶縁膜の表面に窒素プラズマ処理を行って窒素を添加してもよい。
【００２４】
また、上記作製方法の各構成において、窒素を含む絶縁膜は、窒素プラズマ処理を行って絶縁膜の表面に窒素を添加した膜を用いてもよい。例えば、窒素プラズマ処理を行って酸化珪素膜の表面に窒素を添加した膜を用いることができる。
【００２５】
また、マザーガラスのような大きな基板上に結晶性の高い酸化物半導体層を形成することができる。上記方法を用いた酸化物半導体層の成膜後に加熱処理を行って結晶性を向上させることで、六方晶であり、ウルツ鉱型結晶構造を有する酸化物半導体膜を形成する。
【００２６】
また、第１の成膜条件及び第２の成膜条件にもよるが、成膜直後において、六方晶であり、ウルツ鉱型結晶構造を有する酸化物半導体膜を形成することもできる。この場合、酸化物半導体膜の成膜後の加熱処理を省略することができるため、量産に適したプロセスと言える。
【発明の効果】
【００２７】
トランジスタの酸化物半導体層に意図的に窒素を含ませて、ウルツ鉱型結晶構造とすることにより、結晶性を高めることができる。酸化物半導体層の結晶性を高めることにより、より電気的特性（電界効果移動度やしきい値など）の向上したトランジスタを得ることができる。
【００２８】
また、マザーガラスのような大きな基板を用いて、信頼性の高い半導体装置の大量生産を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一態様を示す断面図である。
【図２】本発明の一態様を示す濃度プロファイルのモデル図の一例である。
【図３】本発明の一態様を示す濃度プロファイルのモデル図の一例である。
【図４】実施の形態に係わる半導体膜を説明する断面図である。
【図５】実施の形態に係わるウルツ鉱型の結晶構造を説明する模式図である。
【図６】実施の形態に係わるウルツ鉱型の結晶構造を有する積層を説明する模式図である。
【図７】実施の形態に係わる結晶構造を説明するＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭの計算によって得られた像及び実観察像である。
【図８】本発明の一態様を示すブロック図及び等価回路図である。
【図９】本発明の一態様を示す断面図である。
【図１０】電子機器の一態様を示す図である。
【図１１】酸化物半導体層のバンドギャップのガス流量比依存性を表すグラフである。
【図１２】酸化物半導体層のバンドギャップの窒素濃度依存性を表すグラフである。
【図１３】酸化物半導体層のシート抵抗の窒素濃度依存性を表すグラフである。
【図１４】酸化物半導体層のＸＲＤ分析結果を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
【００３１】
（実施の形態１）
本実施の形態では、図１（Ａ）に示すボトムゲート型トランジスタの作製方法の一例を以下に示す。
【００３２】
まず、基板１００上にゲート電極層１０６を形成する。
【００３３】
基板１００としては、アルミノシリケートガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスなどのガラス材料を用いる。大量生産する上では、基板１００は第８世代（２１６０ｍｍ×２４６０ｍｍ）、第９世代（２４００ｍｍ×２８００ｍｍ、または２４５０ｍｍ×３０５０ｍｍ）、第１０世代（２９５０ｍｍ×３４００ｍｍ）等のマザーガラスを用いることが好ましい。マザーガラスは、処理温度が高く、処理時間が長いと大幅に収縮するため、マザーガラスを使用して大量生産を行う場合、作製工程の加熱処理は、６００℃以下、好ましくは４５０℃以下とすることが望ましい。
【００３４】
ゲート電極層１０６は、チタン、モリブデン、クロム、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅などの金属材料またはその合金材料を用いて形成する。ゲート電極層１０６は、スパッタ法や真空蒸着法で基板１００上に導電膜を形成し、当該導電膜上にフォトリソグラフィ技術またはインクジェット法によりマスクを形成し、当該マスクを用いて導電膜をエッチングすることで、形成することができる。
【００３５】
また、ゲート電極層１０６とゲート絶縁層との間に、ゲート絶縁層に接する材料層として、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｓｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＳｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｏ膜や、金属窒化膜（ＩｎＮ、ＺｎＮなど）を用いることが好ましい。これらの膜は５電子ボルト以上、好ましくは５．５電子ボルト以上の仕事関数を有し、トランジスタの電気特性のしきい値電圧をプラスにすることができ、所謂ノーマリーオフのスイッチング素子を実現できる。例えば、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を用いる場合、窒素濃度は、１×１０２０／ｃｍ３以上２０原子％以下、少なくとも後に形成する酸化物半導体層１０２より高い窒素濃度のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、例えば７原子％以上のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を用いる。
【００３６】
次いで、ゲート電極層１０６を覆うゲート絶縁層１０５を形成する。ゲート絶縁層１０５は、窒素を含む絶縁膜、例えば、酸化窒化珪素膜（ＳｉＯｘＮｙとも呼ぶ、ただし、ｘ＞ｙ＞０）や、窒化酸化珪素膜（ＳｉＮｘＯｙとも呼ぶ、ただし、ｘ＞ｙ＞０）を用いることが好ましい。なお、ゲート絶縁層１０５として、酸化珪素膜や、酸化珪素膜と窒化珪素膜の積層も用いることができる。
【００３７】
次いで、ゲート絶縁層１０５上に接して酸化物半導体層１０２を形成する。酸化物半導体層１０２は、ＡＣスパッタ装置、ＤＣスパッタ装置、またはＲＦスパッタ装置のいずれか一のスパッタ装置を用いて成膜を行う。酸化物半導体層１０２に用いる材料としては、四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜や、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ膜や、二元系金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ膜などを用いることができる。また、上記酸化物半導体にＳｉＯ２を含んでもよい。ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜とは、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）を有する酸化物膜である。
【００３８】
また、酸化物半導体層の形成時に、スパッタリング装置の処理室の圧力を０．４Ｐａ以下とすることで、被成膜面及び被成膜物への、アルカリ金属、水素等の不純物の混入を低減することができる。なお、被成膜物に含まれる水素は、水素原子の他、水素分子、水、水酸基、または水素化物として含まれる場合もある。
【００３９】
また、酸化物半導体層の形成時に、基板とターゲットの間の距離（Ｔ−Ｓ間距離）を４０ｍｍ以上３００ｍｍ以下（好ましくは６０ｍｍ以上）とする。
【００４０】
また、スパッタリング法による酸化物半導体層の形成時において、被成膜面の温度は１５０℃以上４５０℃以下、好ましくは２５０℃以上３２０℃以下とする。２５０℃は、水、水素などの不純物の被成膜物中への混入を防ぎ、チャンバー内の気相へ不純物を放出する温度である。また、スパッタリング法による成膜時における被成膜面の温度の上限は、基板の熱処理上限温度、或いは成膜物の上限温度（その温度を超えると大きく成膜中の成分が変化する温度）とする。
【００４１】
また、酸化物半導体層の形成時に、スパッタリング装置の処理室のリークレートを１×１０−１０Ｐａ・ｍ３／秒以下とすることで、スパッタリング法による成膜途中における酸化物半導体層中への、アルカリ金属、水素化物等の不純物の混入を低減することができる。また、排気系として吸着型の真空ポンプ（例えばクライオポンプなど）を用いることで、排気系からアルカリ金属、水素原子、水素分子、水、水酸基、または水素化物等の不純物の逆流を低減することができる。
【００４２】
また、酸化物半導体層の形成時に、スパッタリング装置の処理室に導入するガス、例えば窒素ガスや、酸素ガスや、アルゴンガスなどを加熱した状態で導入して、成膜を行ってもよい。
【００４３】
また、酸化物半導体層の形成前に、スパッタ装置内壁や、ターゲット表面やターゲット材料中に残存している水分または水素を除去するためにプレヒート処理を行っても良い。プレヒート処理としては成膜チャンバー内を減圧下で２００℃〜６００℃に加熱する方法や、加熱しながら窒素や不活性ガスの導入と排気を繰り返す方法等がある。この場合のターゲット冷却液は、水ではなく油脂等を用いるとよい。加熱せずに窒素の導入と排気を繰り返しても一定の効果が得られるが、加熱しながら行うとなお良い。
【００４４】
本実施の形態では、酸化物半導体層１０２を形成する際、成膜条件を複数回変更することによって、窒素の高濃度領域１０２ａ、窒素の低濃度領域１０２ｂを同一チャンバー内で連続的に形成する。同一チャンバー内で連続的に形成すると、大気成分や大気中に浮遊する汚染不純物元素に汚染されることなく各積層界面を形成することができる。
【００４５】
例えば、窒素の高濃度領域１０２ａは、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜をスパッタ法により窒素ガスのみを用いて薄い膜厚（膜厚１０ｎｍ以下）で成膜する。窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜に含まれる窒素濃度は約１１．７原子％である。なお、成膜時に基板を加熱（基板温度１５０℃以上４５０℃以下）する。
【００４６】
次いで、同じターゲットを用い、窒素ガスの供給量を減少させた後、酸素ガスまたは希ガスを導入して、引き続き、基板を加熱（基板温度１５０℃以上４５０℃以下）しながら成膜を行うことで窒素の低濃度領域１０２ｂを形成する。窒素の低濃度領域１０２ｂの膜厚は、窒素の高濃度領域１０２ａよりも厚い膜厚とする。酸化物半導体層１０２において、ゲート絶縁層１０５上に接する領域は、窒素の高濃度領域１０２ａである。窒素の高濃度領域１０２ａ上には窒素の低濃度領域１０２ｂが形成される。窒素の高濃度領域１０２ａ及び窒素の低濃度領域１０２ｂのどちらも六方晶の結晶構造を有する。本実施の形態では、窒素の高濃度領域１０２ａ及び窒素の低濃度領域１０２ｂは、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を用いており、ウルツ鉱型結晶構造を有する。
【００４７】
ゲート絶縁層１０５、及び酸化物半導体層１０２は大気に曝さずに連続的に形成することが好ましい。例えばマルチチャンバー方式の成膜装置を用いる。連続して成膜すると、大気成分や大気中に浮遊する汚染不純物元素に汚染されることなく各積層界面を形成することができる。特に、酸化物半導体層１０２の窒素濃度及びゲート絶縁層１０５の窒素濃度が重要であるため、酸化物半導体層１０２やゲート絶縁層１０５が成膜室内の残留窒素や、窒素雰囲気などと触れることによって窒素濃度が変化しないように、マルチチャンバー方式の成膜装置を用いることが好ましい。また、ゲート絶縁層１０５の形成後にプラズマＣＶＤ装置を用いて窒素プラズマ処理を表面に行うことで表面近傍に窒素を添加してもよい。また、酸化物半導体層１０２形成前に、窒素プラズマ処理を表面に行うことでゲート絶縁層１０５の表面近傍に窒素を添加してもよく、スパッタ装置を用いて窒素プラズマ処理を行ってもよい。
【００４８】
成膜条件にもよるが、成膜直後の結晶性が不十分である場合には、水素及び水分をほとんど含まない雰囲気下（窒素雰囲気、酸素雰囲気、乾燥空気雰囲気（例えば、水分については露点−４０℃以下、好ましくは露点−６０℃以下）など）で加熱処理（温度範囲１５０℃以上６５０℃以下、好ましくは２００℃以上５００℃以下）を行う。
【００４９】
次いで酸化物半導体層１０２のパターニングを行い、ソース電極層１０３及びドレイン電極層１０４の形成を行う。ソース電極層１０３またはドレイン電極層１０４となる金属導電膜の材料としては、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗなどの金属材料、または該金属材料を成分とする合金材料で形成する。また、Ａｌ、Ｃｕなどの金属層の下側もしくは上側の一方または双方にＣｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗなどの高融点金属層を積層させた構成としても良い。
【００５０】
例えば、金属導電膜としては、チタン層上にアルミニウム層と、該アルミニウム層上にチタン層が積層された三層の積層構造、またはモリブデン層上にアルミニウム層と、該アルミニウム層上にモリブデン層を積層した三層の積層構造とすることが好ましい。また、金属導電膜としてアルミニウム層とタングステン層を積層した二層の積層構造、アルミニウム層とモリブデン層を積層した二層の積層構造とすることもできる。勿論、金属導電膜として単層、または４層以上の積層構造としてもよい。なお、金属導電膜の材料の一つとして銅を用いる場合には、酸化物半導体層と接して銅マグネシウムアルミニウム合金層を設け、その銅マグネシウムアルミニウム合金層に接して銅層を設けた積層を用いればよい。
【００５１】
次いで、酸化物半導体層１０２を保護するため、酸化物半導体層１０２の露出部を覆うように、保護絶縁層１０７を形成する。保護絶縁層１０７としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化アルミニウムガリウム、及び酸化ガリウムのいずれか一以上の積層構造を用いることができる。
【００５２】
なお、保護絶縁層１０７の膜厚は、５０ｎｍ以上、好ましくは２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下とする。保護絶縁層を厚くすることで、保護絶縁層１０７からの酸素放出量を増加させることができると共に、その増加によって保護絶縁層１０７及び酸化物半導体層１０２との界面における欠陥を低減することが可能である。なお、加熱により酸素の一部が放出する保護絶縁層１０７は、スパッタリング法を用いることで形成しやすいため好ましい。加熱により酸素の一部が放出する保護絶縁層１０７をスパッタリング法により形成する場合は、成膜ガス中の酸素量が高いことが好ましく、酸素、または酸素及び希ガスの混合ガス等を用いることができる。代表的には、成膜ガス中の酸素濃度を６％以上１００％以下にすることが好ましい。
【００５３】
保護絶縁層１０７の形成後、必要であれば、水素及び水分をほとんど含まない雰囲気下（窒素雰囲気、酸素雰囲気、乾燥空気雰囲気（例えば、水分については露点−４０℃以下、好ましくは露点−６０℃以下）など）で加熱処理（温度範囲１５０℃以上６５０℃以下、好ましくは２００℃以上５００℃以下）を行ってもよい。
【００５４】
以上の工程で図１（Ａ）に示すトランジスタ１１１が形成される。トランジスタ１１１は、結晶性酸化物半導体膜表面に概略垂直なｃ軸を有している六方晶構造（ここではウルツ鉱型結晶構造）の結晶を有する結晶性酸化物半導体膜をチャネル領域に有するトランジスタである。
【００５５】
なお、酸化物半導体層１０２を形成する際において、変更する成膜条件によって窒素濃度のプロファイルが異なる。
【００５６】
例えば、連続的にガス流量を変化させて酸化物半導体層１０２の成膜条件を変えることによって、図２（Ａ）に示す窒素濃度のプロファイルとすることができる。図２（Ａ）は図１（Ａ）において鎖線で切断した場合における膜厚方向における窒素濃度のプロファイルを示す模式図である。図２（Ａ）において、窒素濃度はゲート絶縁層側の領域が最も高く、ゲート絶縁層から遠ざかるにつれて窒素濃度が連続的に低くなる濃度勾配を有している。
【００５７】
また、同じターゲットを用い、段階的にガス流量を変化させて酸化物半導体層１０２の成膜条件を変えることによって、図２（Ｂ）に示す窒素濃度のプロファイルとすることができる。図２（Ｂ）において第１の絶縁層がゲート絶縁層であり、第２の絶縁層が保護絶縁層である。段階的にガス流量を変化させた場合は、窒素濃度プロファイルは、階段状となりやすい。図２（Ｂ）において、窒素濃度はゲート絶縁層側の領域が最も高く、ゲート絶縁層から遠ざかるにつれて窒素濃度が階段状に低くなる濃度勾配を有している。段階的にガス流量を変化させて酸化物半導体層１０２の成膜条件を変える場合は、成膜条件毎にそれぞれの膜質が異なるため、積層と見なすこともできる。ただし、窒素の高濃度領域１０２ａの結晶性は高く、窒素の低濃度領域１０２ｂは窒素の高濃度領域１０２ａと比べて結晶性は低いが同じウルツ鉱型結晶構造を有するため、窒素の高濃度領域１０２ａと窒素の低濃度領域１０２ｂとの境界は、ＴＥＭ写真などで確認することが困難である。
【００５８】
さらに窒素プラズマ処理をゲート絶縁層表面に行うことで表面近傍に窒素を添加してもよく、その場合においては図３（Ａ）に示す窒素濃度のプロファイルとすることができる。また、窒素プラズマ処理を行う場合には、窒素プラズマ処理を行う前に減圧下で加熱処理を行うことが好ましい。なお、窒素プラズマ処理は、スパッタ成膜室内で行ってもよいし、ゲート絶縁層を形成したプラズマＣＶＤ装置内でゲート絶縁層の形成後に窒素プラズマ処理を行ってもよい。
【００５９】
また、窒素の最も高濃度である領域がゲート絶縁層との界面となることに限定されず、図３（Ｂ）に示す窒素濃度のプロファイルとすることもできる。図３（Ｂ）に示すように、ゲート絶縁層との界面から少し離れた領域が最高の窒素濃度を示すように成膜条件を調節してもよい。
【００６０】
具体的には、窒素の高濃度領域１０２ａの窒素濃度は、５×１０１９／ｃｍ３以上２０原子％以下、好ましくは１×１０２０／ｃｍ３以上７原子％未満とする。
【００６１】
また、窒素の低濃度領域１０２ｂの窒素濃度は、５×１０１９／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１７／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３未満とする。
【００６２】
段階的、或いは連続的に窒素のガス流量を変化させて、図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図３（Ａ）、或いは図３（Ｂ）に示す窒素濃度プロファイルを有する酸化物半導体層を用いたトランジスタ１１１は、ゲート絶縁層の界面近傍に窒素の高濃度領域１０２ａを有し、その窒素の高濃度領域１０２ａの結晶性は、他の領域に比べて高く、ｃ軸配向を有し、ゲート絶縁層との界面には未結合手に起因する界面準位が少なくなり、良好な界面状態を実現できる。
【００６３】
また、窒素の高濃度領域１０２ａに含まれる結晶は、六方晶のウルツ鉱型結晶構造であり、窒素の低濃度領域１０２ｂに含まれる結晶も同じである。理想的には、窒素の低濃度領域１０２ｂの層全体が六方晶のウルツ鉱型結晶構造となるようにする。
【００６４】
また、本実施の形態は、図１（Ａ）に示すボトムゲート型のトランジスタ構造に限定されず、図１（Ｂ）に示すトランジスタ１１２や、図１（Ｃ）に示すトランジスタ１１３に適用することができる。
【００６５】
図１（Ｂ）に示すトランジスタ１１２は、逆コプラナ型（ボトムコンタクト型）とも呼ばれる構造の一つである。トランジスタ１１１とはソース電極層１０３及びドレイン電極層１０４の形成と、酸化物半導体層１０２の形成の順序が異なる例であり、ソース電極層１０３及びドレイン電極層１０４上に酸化物半導体層１０２を有する構造である。
【００６６】
また、図１（Ｃ）に示すトランジスタ１１３は、チャネルストップ型とも呼ばれる構造の一つである。トランジスタ１１１とはソース電極層１０３及びドレイン電極層１０４の形成と、保護絶縁層１０７の形成の順序が異なる例である。トランジスタ１１３の保護絶縁層１０７が、酸化物半導体層及びゲート絶縁層１０５を介してゲート電極層１０６と重なる位置に形成され、チャネルストッパーとして機能する。
【００６７】
（実施の形態２）
実施の形態１ではボトムゲート型のトランジスタの例を示したが、本実施の形態では、図１（Ｄ）に示すトップゲート型のトランジスタの例を説明する。なお、図１（Ａ）と同じ箇所には同じ符号を用いて説明する。
【００６８】
まず、基板１００上に下地絶縁層１０１を形成する。
【００６９】
下地絶縁層１０１としては、ＣＶＤ法やスパッタ法等を用いて、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化イットリウム等を単層でまたは積層して形成することができる。
【００７０】
次いで、下地絶縁層１０１上に酸化物半導体層１０２を形成する。酸化物半導体層１０２は、ＡＣスパッタ装置、ＤＣスパッタ装置、またはＲＦスパッタ装置のいずれか一のスパッタ装置を用いて成膜を行う。また、スパッタリング法による酸化物半導体層の形成時において、被成膜面の温度は１５０℃以上４５０℃以下、好ましくは２５０℃以上３２０℃以下とする。２５０℃は、水、水素などの不純物の被成膜物中への混入を防ぎ、チャンバー内の気相へ不純物を放出する温度である。また、スパッタリング法による成膜時における被成膜面の温度の上限は、基板の熱処理上限温度、或いは成膜物の上限温度（その温度を超えると大きく成膜中の成分が変化する温度）とする。
【００７１】
下地絶縁層１０１、及び酸化物半導体層は大気に曝さずに連続的に形成することが好ましい。例えばマルチチャンバー方式の成膜装置を用いる。連続して成膜すると、大気成分や大気中に浮遊する汚染不純物元素に汚染されることなく各積層界面を形成することができる。
【００７２】
酸化物半導体層の形成後、必要であれば、水素及び水分をほとんど含まない雰囲気下（窒素雰囲気、酸素雰囲気、乾燥空気雰囲気（例えば、水分については露点−４０℃以下、好ましくは露点−６０℃以下）など）で加熱処理（温度範囲１５０℃以上６５０℃以下、好ましくは２００℃以上５００℃以下）を行ってもよい。この加熱処理は、酸化物半導体層中からＨ、ＯＨなどを脱離させる脱水化または脱水素化とも呼ぶことができる。
【００７３】
本実施の形態では、酸化物半導体層１０２を形成する際、成膜条件を複数回変更することによって、窒素の高濃度領域１０２ａ、窒素の低濃度領域１０２ｂを形成する。
【００７４】
例えば、窒素の高濃度領域１０２ａは、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜をスパッタ法により窒素ガスのみを用いて膜厚１０ｎｍ以下で成膜する。なお、成膜時に基板を加熱（基板温度１５０℃以上４５０℃以下）する。
【００７５】
次いで、同じターゲットを用い、窒素ガスの供給量を減少させた後、酸素ガスまたは希ガスを導入して、引き続き、基板を加熱（基板温度１５０℃以上４５０℃以下）しながら成膜を行うことで窒素の低濃度領域１０２ｂを形成する。窒素の低濃度領域１０２ｂの膜厚は、窒素の高濃度領域１０２ａと同じ、もしくは薄い膜厚とする。また、十分な結晶性が得られるのであれば、窒素の低濃度領域１０２ｂの膜厚は、窒素の高濃度領域１０２ａよりも厚い膜厚とする。
【００７６】
窒素の高濃度領域１０２ａ上には窒素の低濃度領域１０２ｂが形成される。窒素の高濃度領域１０２ａ及び窒素の低濃度領域１０２ｂのどちらも六方晶の結晶構造を有する。本実施の形態では、窒素の高濃度領域１０２ａ及び窒素の低濃度領域１０２ｂは、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を用いており、ウルツ鉱型結晶構造を有する。
【００７７】
次いで酸化物半導体層１０２のパターニングを行い、ソース電極層１０３及びドレイン電極層１０４の形成を行う。そして、酸化物半導体層１０２、ソース電極層１０３、及びドレイン電極層１０４を覆うゲート絶縁層１０５を形成する。そして、ゲート絶縁層上の酸化物半導体層１０２と重なる位置にゲート電極層１０６を形成してトランジスタ１１０を作製することができる。
【００７８】
ゲート電極層１０６の材料は、チタン、モリブデン、クロム、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅などの金属材料またはその合金材料を用いて形成する。
【００７９】
また、ゲート電極層１０６とゲート絶縁層との間に、ゲート絶縁層に接する材料層として、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｓｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＳｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｏ膜や、金属窒化膜（ＩｎＮ、ＺｎＮなど）を設けることが好ましい。これらの膜は５電子ボルト以上、好ましくは５．５電子ボルト以上の仕事関数を有し、トランジスタの電気特性のしきい値電圧をプラスにすることができ、所謂ノーマリーオフのスイッチング素子を実現できる。例えば、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を用いる場合、少なくとも酸化物半導体層１０２より高い窒素濃度、例えば７原子％以上のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を用いる。
【００８０】
以上の工程で図１（Ｄ）に示すトランジスタ１１０が形成される。トランジスタ１１０は、結晶性酸化物半導体膜表面に概略垂直なｃ軸を有している六方晶構造（ここではウルツ鉱型結晶構造）の結晶を有する結晶性酸化物半導体膜をチャネル領域に有するトランジスタである。
【００８１】
（実施の形態３）
本実施の形態では、窒素濃度の異なる酸化物半導体膜の積層を有し、第１の酸化物半導体膜はウルツ鉱型の結晶を含み、第２の酸化物半導体膜もウルツ鉱型の結晶を含む積層構造を有する半導体膜について、図４乃至図７を参照して説明する。
【００８２】
本実施の形態で例示する積層構造を有する半導体膜の模式図を図４に示す。
【００８３】
窒素濃度の異なる同一材料の積層構造を有する半導体膜１３２は、第１の酸化物半導体膜１３２ａと第２の酸化物半導体膜１３２ｂを有する。第１の酸化物半導体膜１３２ａと第２の酸化物半導体膜１３２ｂの積層が基板１３０上の絶縁表面に接して設けられた積層構造を有する半導体膜１３２の態様を図４に図示する。第１の酸化物半導体膜１３２ａは第２の酸化物半導体膜１３２ｂよりも結晶性が高い。
【００８４】
窒素濃度の異なる同一材料の積層構造を有する半導体膜１３２は、実施の形態１または実施の形態２の作製方法により形成することができる。なお、実施の形態１または実施の形態２では、同一チャンバーで成膜条件を変えて窒素濃度の異なる積層を形成する例を示したが、ウルツ鉱型構造の膜が積層できるのであれば、特に限定されず、１層目を形成した後、水素及び水分をほとんど含まない雰囲気下（窒素雰囲気、酸素雰囲気、乾燥空気雰囲気（例えば、水分については露点−４０℃以下、好ましくは露点−６０℃以下）など）で１５０℃以上６５０℃以下の加熱処理を行い、その後、２層目を形成してもよい。
【００８５】
＜六方晶系の結晶構造＞
はじめに、六方晶系の結晶構造について説明する。
【００８６】
ウルツ鉱型の結晶構造を、図５を用いて説明する。ウルツ鉱型の結晶について、ａ−ｂ面での原子の配置を図５（Ａ）に、ｃ軸方向を縦方向とする構造を図５（Ｂ）に示す。
【００８７】
第１の酸化物半導体膜１３２ａとしては、窒素を含む酸化物半導体を用い、成膜条件を調節することにより、ｃ軸配向し、且つ、ウルツ鉱型の結晶を含む膜とする。
【００８８】
具体的には、窒素を５×１０１９／ｃｍ３以上２０原子％以下含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜はｃ軸配向しており、且つ、ウルツ鉱型の結晶を含む膜となり、金属サイトにはＩｎとＧａとＺｎがランダムに入っている。
【００８９】
ただし、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜に限定されず、例えば、窒素を含むＩｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ膜などを用いることができる。
【００９０】
次に、２層目のウルツ鉱型の結晶構造について説明する。
【００９１】
第２の酸化物半導体膜１３２ｂとしては、１層目よりも窒素濃度の低いＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜であり、且つ、ｃ軸配向しており、且つ、ウルツ鉱型の結晶を含む膜とする。
【００９２】
ウルツ鉱型の結晶構造は、六方晶系であり、ａ−ｂ面において原子が六角形に位置する。
【００９３】
ウルツ鉱型の結晶上に、格子定数を同じくするウルツ鉱型の結晶が整合する様子を図６に模式的に示す。
【００９４】
なお、ｃ軸配向し、且つ、ウルツ鉱型の結晶構造のＨＡＡＤＦ（ｈｉｇｈ−ａｎｇｌｅ ａｎｎｕｌａｒ ｄａｒｋ ｆｉｅｌｄ）−ＳＴＥＭの実観察像には、輝点が互いちがいに現れる回折像が観察される場合がある。
【００９５】
ウルツ鉱型の結晶構造に基づいて計算により得たＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭの像を図７（Ａ）に示す。
【００９６】
また、窒素を多く含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭの実観察像を図７（Ｂ）に示す。
【００９７】
図７（Ａ）に示すＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭの像、または図７（Ｂ）に示すＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭの実観察像は、いずれも２周期性の層構造を有するウルツ鉱型の結晶構造を有することが確認できる。
【００９８】
窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜は、スパッタリング法を用いて石英ガラス基板上に３００ｎｍの厚さで成膜した。ターゲットとしてＩｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１［ｍｏｌ数比］を用い、基板−ターゲット間の距離を６０ｍｍとし、ＤＣ電源を用いて０．５ｋｗの電力で、圧力０．４Ｐａにて成膜した。また、成膜中の基板温度を４００℃とし、スパッタリングガスは窒素のみとし、成膜室に４０ｓｃｃｍの流量で流した。
【００９９】
（実施の形態４）
本実施の形態では、同一基板上に少なくとも駆動回路の一部と、画素部に配置するトランジスタを有する表示装置を作製する例について以下に説明する。
【０１００】
画素部に配置するトランジスタは、実施の形態１または実施の形態２に従って形成する。また、実施の形態１または実施の形態２に示すトランジスタはｎチャネル型トランジスタであるため、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。
【０１０１】
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８（Ａ）に示す。表示装置の基板５３００上には、画素部５３０１、第１の走査線駆動回路５３０２、第２の走査線駆動回路５３０３、信号線駆動回路５３０４を有する。画素部５３０１には、複数の信号線が信号線駆動回路５３０４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５３０２、及び第２の走査線駆動回路５３０３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配置されている。また、表示装置の基板５３００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。
【０１０２】
図８（Ａ）では、第１の走査線駆動回路５３０２、第２の走査線駆動回路５３０３、信号線駆動回路５３０４は、画素部５３０１と同じ基板５３００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５３００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５３００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、又は歩留まりの向上を図ることができる。
【０１０３】
また、画素部の回路構成の一例を図８（Ｂ）に示す。ここでは、ＶＡ方式の液晶表示パネルの画素構造を示す。
【０１０４】
この画素構造は、一つの画素に複数の画素電極層が有り、それぞれの画素電極層にトランジスタが接続されている。各トランジスタは、異なるゲート信号で駆動されるように構成されている。すなわち、マルチドメイン設計された画素において、個々の画素電極層に印加する信号を、独立して制御する構成を有している。
【０１０５】
トランジスタ６２８のゲート配線６０２と、トランジスタ６２９のゲート配線６０３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層又はドレイン電極層６１６は、トランジスタ６２８とトランジスタ６２９で共通に用いられている。トランジスタ６２８とトランジスタ６２９は実施の形態１または実施の形態２のトランジスタを適宜用いることができる。
【０１０６】
第１の画素電極層と第２の画素電極層の形状は異なっており、スリットによって分離されている。Ｖ字型に広がる第１の画素電極層の外側を囲むように第２の画素電極層が形成されている。第１の画素電極層と第２の画素電極層に印加する電圧のタイミングを、トランジスタ６２８及びトランジスタ６２９により異ならせることで、液晶の配向を制御している。トランジスタ６２８はゲート配線６０２と接続し、トランジスタ６２９はゲート配線６０３と接続している。ゲート配線６０２とゲート配線６０３は異なるゲート信号を与えることで、トランジスタ６２８とトランジスタ６２９の動作タイミングを異ならせることができる。
【０１０７】
また、容量配線６９０が設けられ、ゲート絶縁層を誘電体とし、第１の画素電極層または第２の画素電極層と電気的に接続する容量電極と保持容量を形成する。
【０１０８】
第１の画素電極層と液晶層と対向電極層が重なり合うことで、第１の液晶素子６５１が形成されている。また、第２の画素電極層と液晶層と対向電極層が重なり合うことで、第２の液晶素子６５２が形成されている。また、一画素に第１の液晶素子６５１と第２の液晶素子６５２が設けられたマルチドメイン構造である。
【０１０９】
なお、図８（Ｂ）に示す画素構成は、これに限定されない。例えば、図８（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、又は論理回路などを追加してもよい。また、トランジスタの酸化物半導体層にバックライトの光や外光などの光が照射されないように遮光層を設ける。遮光層は、画素電極層と酸化物半導体層の間に設けてもよいし、遮光層を有する光学フィルム（カラーフィルタなど）として基板に接着してもよい。
【０１１０】
また、本実施の形態では、ＶＡ方式の液晶表示パネルの例を示したが特に限定されず、様々な方式の液晶表示装置に応用することができる。例えば、視野角特性を改善する方法として、基板主表面に対して水平方向の電界を液晶層に印加する横電界方式（ＩＰＳ方式とも呼ぶ）に応用することができる。
【０１１１】
例えば、ＩＰＳ方式の液晶表示パネルとして、配向膜を用いないブルー相を示す液晶を用いることが好ましい。ブルー相は液晶相の一つであり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリック相から等方相へ転移する直前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発現しないため、温度範囲を改善するために５重量％以上のカイラル剤を混合させた液晶組成物を用いて液晶素子の液晶層に用いる。ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、応答速度が１ｍｓｅｃ以下と短く、光学的等方性であるため配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい。
【０１１２】
また、液晶表示装置の動画特性を改善するため、バックライトとして複数のＬＥＤ（発光ダイオード）光源または複数のＥＬ光源などを用いて面光源を構成し、面光源を構成している各光源を独立して１フレーム期間内で間欠点灯駆動する駆動技術（例えばフィールドシーケンシャル方式など）もある。面光源として、３種類以上のＬＥＤを用いてもよいし、白色発光のＬＥＤを用いてもよい。面光源として、異なる色を呈する３種類以上の光源（例えば、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青））を用いる場合は、カラーフィルタを用いなくともカラー表示が行える。また、面光源として、白色発光のＬＥＤを用いる場合は、カラーフィルタを設けてカラー表示を行う。独立して複数のＬＥＤを制御できるため、液晶層の光学変調の切り替えタイミングに合わせてＬＥＤの発光タイミングを同期させることもできる。ＬＥＤを部分的に消灯することができるため、特に一画面を占める黒い表示領域の割合が多い映像表示の場合には、消費電力の低減効果が図れる。
【０１１３】
また、画素部の回路構成の一例を図８（Ｃ）に示す。ここでは、有機ＥＬ素子を用いた表示パネルの画素構造を示す。
【０１１４】
有機ＥＬ素子は、発光素子に電圧を印加することにより、一対の電極から電子および正孔がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして、それらキャリア（電子および正孔）が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このような発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。
【０１１５】
図８（Ｃ）は、半導体装置の例としてデジタル時間階調駆動を適用可能な画素構成の一例を示す図である。
【０１１６】
デジタル時間階調駆動を適用可能な画素の構成及び画素の動作について説明する。ここでは酸化物半導体層をチャネル形成領域に用いる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。
【０１１７】
画素６４００は、スイッチング用トランジスタ６４０１、駆動用トランジスタ６４０２、発光素子６４０４及び容量素子６４０３を有している。スイッチング用トランジスタ６４０１は、ゲート電極層が走査線６４０６に接続され、第１電極（ソース電極層及びドレイン電極層の一方）が信号線６４０５に接続され、第２電極（ソース電極層及びドレイン電極層の他方）が駆動用トランジスタ６４０２のゲート電極層に接続されている。駆動用トランジスタ６４０２は、ゲート電極層が容量素子６４０３を介して電源線６４０７に接続され、第１電極が電源線６４０７に接続され、第２電極が発光素子６４０４の第１電極（画素電極）に接続されている。発光素子６４０４の第２電極は共通電極６４０８に相当する。共通電極６４０８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。
【０１１８】
なお、発光素子６４０４の第２電極（共通電極６４０８）には低電源電位が設定されている。なお、低電源電位とは、電源線６４０７に設定される高電源電位を基準にして低電源電位＜高電源電位を満たす電位であり、低電源電位としては例えばＧＮＤ、０Ｖなどが設定されていても良い。この高電源電位と低電源電位との電位差を発光素子６４０４に印加して、発光素子６４０４に電流を流して発光素子６４０４を発光させるため、高電源電位と低電源電位との電位差が発光素子６４０４の順方向しきい値電圧以上となるようにそれぞれの電位を設定する。
【０１１９】
なお、容量素子６４０３は駆動用トランジスタ６４０２のゲート容量を代用して省略することも可能である。駆動用トランジスタ６４０２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層との間で容量が形成されていてもよい。
【０１２０】
ここで、電圧入力電圧駆動方式の場合には、駆動用トランジスタ６４０２のゲート電極層には、駆動用トランジスタ６４０２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入力する。つまり、駆動用トランジスタ６４０２は線形領域で動作させる。駆動用トランジスタ６４０２は線形領域で動作させるため、電源線６４０７の電圧よりも高い電圧を駆動用トランジスタ６４０２のゲート電極層にかける。なお、信号線６４０５には、（電源線電圧＋駆動用トランジスタ６４０２のＶｔｈ）以上の電圧をかける。
【０１２１】
また、デジタル時間階調駆動に代えて、アナログ階調駆動を行う場合、信号の入力を異ならせることで、図８（Ｃ）と同じ画素構成を用いることができる。
【０１２２】
アナログ階調駆動を行う場合、駆動用トランジスタ６４０２のゲート電極層に発光素子６４０４の順方向電圧＋駆動用トランジスタ６４０２のＶｔｈ以上の電圧をかける。発光素子６４０４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、駆動用トランジスタ６４０２が飽和領域で動作するようなビデオ信号を入力することで、発光素子６４０４に電流を流すことができる。駆動用トランジスタ６４０２を飽和領域で動作させるため、電源線６４０７の電位は、駆動用トランジスタ６４０２のゲート電位よりも高くする。ビデオ信号をアナログとすることで、発光素子６４０４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。
【０１２３】
なお、図８（Ｃ）に示す画素構成は、これに限定されない。例えば、図８（Ｃ）に示す画素に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、センサ、トランジスタ又は論理回路などを追加してもよい。
【０１２４】
次に、発光素子の構成について、図９に示す画素の断面構造を用いて説明する。ここでは、発光素子駆動用トランジスタがｎチャネル型の場合を例に挙げて、画素の断面構造について説明する。図９（Ａ）、図９（Ｂ）、及び図９（Ｃ）の半導体装置に用いられる発光素子駆動用トランジスタ７０１１、７０２１、及び７００１は、実施の形態１または実施の形態２に示すトランジスタと同様に作製でき、窒素を含む酸化物半導体層をチャネル領域に用いるトランジスタである。
【０１２５】
発光素子の第１の電極または第２の電極の少なくとも一方は可視光を透過する導電膜を用いて形成し、発光素子から発光を取り出す。発光を取り出す方向に着目した構造としては、発光素子とトランジスタが形成された基板を介することなく、基板の当該発光素子が形成された側から発光を取り出す上面射出構造、発光素子が形成された基板を介し、当該発光素子が形成されていない側に発光する下面射出構造、並びに基板の発光素子が形成された側及び基板を介して基板の他方の側に発光を取り出す両面射出構造がある。そして、図８（Ｃ）に示す画素構成はどの射出構造の発光素子にも適用することができる。
【０１２６】
下面射出構造の発光素子について、図９（Ａ）を用いて説明する。下面射出構造の発光素子は、図９（Ａ）に矢印で示す方向に光を発する。
【０１２７】
図９（Ａ）において、発光素子駆動用トランジスタ７０１１は実施の形態１に示すｎチャネル型のトランジスタ１１１を用いる例を示しているが、特に限定されない。
【０１２８】
図９（Ａ）では、発光素子駆動用トランジスタ７０１１のソース電極またはドレイン電極層と電気的に接続された透光性を有する第１の電極７０１７上に、ＥＬ層７０１４、第２の電極７０１５、保護膜７０１６が順に積層されている。
【０１２９】
第１の電極７０１７は可視光を透過する導電膜を用いる。可視光を透過する導電膜としては、例えば酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物（以下、ＩＴＯとする。）、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などを挙げることができる。また、光を透過する程度（好ましくは、５ｎｍ〜３０ｎｍ程度）の金属薄膜を用いることもできる。例えば２０ｎｍの膜厚を有するアルミニウム膜を他の透光性を有する導電膜に積層して用いることができる。
【０１３０】
第２の電極７０１５はＥＬ層７０１４が発する光を効率よく反射する材料が好ましい。なぜなら光の取り出し効率を向上できるためである。なお、第２の電極７０１５を積層構造としてもよい。例えば、ＥＬ層７０１４に接する側に可視光を透過する導電膜を用い、他方に光を遮光する膜を積層して用いることもできる。光を遮光する膜としては、ＥＬ層が発する光を効率よく反射する金属膜等が好ましいが、例えば黒の顔料を添加した樹脂等を用いることもできる。
【０１３１】
なお、第１の電極７０１７、又は第２の電極７０１５のいずれか一方は陽極として機能し、他方は陰極として機能する。陽極として機能する電極には、仕事関数の大きな物質が好ましく、陰極として機能する電極には仕事関数の小さな物質が好ましい。
【０１３２】
仕事関数が大きい材料としては、例えば、ＺｒＮ、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｃｒ等や、ＩＴＯ、ＩＺＯ（登録商標）などを用いることができる。仕事関数が小さい材料としては、ＬｉやＣｓ等のアルカリ金属、およびＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ等のアルカリ土類金属、およびこれらを含む合金（Ｍｇ：Ａｇ、Ａｌ：Ｌｉなど）の他、ＹｂやＥｒ等の希土類金属等を用いることができる。
【０１３３】
なお、消費電力を比較する場合、第１の電極７０１７を陰極として機能させ、第２の電極７０１５を陽極とするほうが、駆動回路部の電圧上昇を抑制でき、消費電力を少なくできるため好ましい。
【０１３４】
ＥＬ層７０１４は、少なくとも発光層を含めば良く、単数の層で構成されていても、複数の層が積層されていてもよい。複数の層で構成されている構成としては、陽極側から正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子輸送層、並びに電子注入層が積層された構成を例に挙げることができる。なお、発光層を除くこれらの層はＥＬ層７０１４中に必ずしも全て設ける必要はない。また、これらの層は重複して設けることもできる。具体的には、ＥＬ層７０１４中に複数の発光層を重ねて設けてもよく、電子注入層に重ねて正孔注入層を設けてもよい。また、中間層として電荷発生層の他、電子リレー層など他の構成を適宜加えることができる。
【０１３５】
また、発光素子７０１２は第１の電極７０１７の一部を覆う隔壁７０１９を備える。隔壁７０１９は、ポリイミド、アクリル、ポリアミド、エポキシ等の有機樹脂膜の他、無機絶縁膜または有機ポリシロキサン膜を適用できる。特に、隔壁７０１９の側面が連続した曲率を持って形成される傾斜面となるように、感光性の樹脂材料を用いて形成することが好ましい。隔壁７０１９に感光性の樹脂材料を用いる場合、レジストマスクを形成する工程を省略することができる。また、隔壁を無機絶縁膜で形成することもできる。無機絶縁膜を隔壁に用いることで、隔壁に含まれる水分量を低減できる。
【０１３６】
なお、カラーフィルタ層７０３３が発光素子７０１２と基板７０１０の間に設けられている（図９（Ａ）参照）。発光素子７０１２に白色に発光する構成を適用することにより、発光素子７０１２が発する光はカラーフィルタ層７０３３を通過し、絶縁層７０３１、ゲート絶縁層７０３０、及び基板７０１０を通過して、射出される。
【０１３７】
複数の種類のカラーフィルタ層７０３３を形成してもよく、例えば画素毎に赤色のカラーフィルタ層、青色のカラーフィルタ層、緑色のカラーフィルタ層などを設けることができる。なお、カラーフィルタ層７０３３はインクジェット法などの液滴吐出法や、印刷法、またはフォトリソグラフィ技術を用いたエッチング法などでそれぞれ形成する。
【０１３８】
また、カラーフィルタ層７０３３はオーバーコート層７０３４で覆われ、さらに保護絶縁層７０３５によって覆う。なお、図９（Ａ）ではオーバーコート層７０３４は薄い膜厚で図示したが、オーバーコート層７０３４は、アクリル樹脂などの樹脂材料を用い、カラーフィルタ層７０３３に起因する凹凸を平坦化する機能を有している。
【０１３９】
また、絶縁層７０３１、絶縁層７０３２、カラーフィルタ層７０３３、オーバーコート層７０３４、及び保護絶縁層７０３５に形成され、且つ、ドレイン電極層に達するコンタクトホールは、隔壁７０１９と重なる位置に配置する。
【０１４０】
次に、両面射出構造の発光素子について、図９（Ｂ）を用いて説明する。両面射出構造の発光素子は、図９（Ｂ）に矢印で示す方向に光を発する。
【０１４１】
図９（Ｂ）において、発光素子駆動用トランジスタ７０２１は実施の形態１に示すｎチャネル型のトランジスタ１１１を用いる例を示しているが、特に限定されない。
【０１４２】
図９（Ｂ）では、発光素子駆動用トランジスタ７０２１のソース電極またはドレイン電極層と電気的に接続された透光性を有する第１の電極７０２７上に、ＥＬ層７０２４、第２の電極７０２５が順に積層されている。
【０１４３】
第１の電極７０２７、及び第２の電極７０２５は可視光を透過する導電膜を用いる。可視光を透過する導電膜としては、図９（Ａ）の第１の電極７０１７に用いることができる材料を適用することができる。よって、詳細な説明は第１の電極７０１７の説明を援用する。
【０１４４】
なお、第１の電極７０２７、又は第２の電極７０２５のいずれか一方は陽極として機能し、他方は陰極として機能する。陽極として機能する電極には、仕事関数の大きな物質が好ましく、陰極として機能する電極には仕事関数の小さな物質が好ましい。
【０１４５】
ＥＬ層７０２４は単数の層で構成されていても、複数の層が積層されていても良い。ＥＬ層７０２４としては、図９（Ａ）のＥＬ層７０１４に用いることができる構成、及び材料を適用することができる。よって、詳細な説明はＥＬ層７０１４の説明を援用する。
【０１４６】
また、発光素子７０２２は第１の電極７０２７の端部を覆う隔壁７０２９を備える。隔壁７０２９は、図９（Ａ）の隔壁７０１９に用いることができる構成、及び材料を適用することができる。よって、詳細な説明は隔壁７０１９の説明を援用する。
【０１４７】
また、図９（Ｂ）に示した素子構造の場合、発光素子７０２２から発せられる光は、矢印で示すように第２の電極７０２５側と第１の電極７０２７側の両方に射出し、第１の電極７０２７側に発せられる一方の光は、絶縁層７０４１、絶縁層７０４２、ゲート絶縁層７０４０、及び基板７０２０を通過して射出させる。
【０１４８】
また、図９（Ｂ）の構造においては、フルカラー表示を行う場合、例えば発光素子７０２２として緑色発光素子とし、隣り合う一方の発光素子を赤色発光素子とし、もう一方の発光素子を青色発光素子とする。また、３種類の発光素子だけでなく白色素子を加えた４種類の発光素子でフルカラー表示ができる発光表示装置を作製してもよい。
【０１４９】
次に、上面射出構造の発光素子について、図９（Ｃ）を用いて説明する。上面射出構造の発光素子は、図９（Ｃ）に矢印で示す方向に光を発する。
【０１５０】
図９（Ｃ）において、発光素子駆動用トランジスタ７００１は実施の形態１に示すｎチャネル型のトランジスタ１１１を用いる例を示しているが、特に限定されない。
【０１５１】
図９（Ｃ）では、発光素子駆動用トランジスタ７００１のソース電極またはドレイン電極層と電気的に接続された第１の電極７００３上に、ＥＬ層７００４、第２の電極７００５が順に積層されている。
【０１５２】
第１の電極７００３はＥＬ層７００４が発する光を効率よく反射する材料が好ましい。なぜなら光の取り出し効率を向上できるためである。なお、第１の電極７００３を積層構造としてもよい。例えば、ＥＬ層７００４に接する側に可視光を透過する導電膜を用い、他方に光を遮光する膜を積層して用いることもできる。光を遮光する膜としては、ＥＬ層が発する光を効率よく反射する金属膜等が好ましいが、例えば黒の顔料を添加した樹脂等を用いることもできる。
【０１５３】
第２の電極７００５は可視光を透過する導電膜を用いる。可視光を透過する導電膜としては、図９（Ａ）の第１の電極７０１７に用いることができる材料を適用することができる。よって、詳細な説明は第１の電極７０１７の説明を援用する。
【０１５４】
なお、第１の電極７００３、又は第２の電極７００５のいずれか一方は陽極として機能し、他方は陰極として機能する。陽極として機能する電極には、仕事関数の大きな物質が好ましく、陰極として機能する電極には仕事関数の小さな物質が好ましい。
【０１５５】
ＥＬ層７００４は単数の層で構成されていても、複数の層が積層されていても良い。ＥＬ層７００４としては、図９（Ａ）のＥＬ層７０１４に用いることができる構成、及び材料を適用することができる。よって、詳細な説明はＥＬ層７０１４の説明を援用する。
【０１５６】
また、発光素子７００２は第１の電極７００３の一部を覆う隔壁７００９を備える。隔壁７００９は、図９（Ａ）の隔壁７０１９に用いることができる構成、及び材料を適用することができる。よって、詳細な説明は隔壁７０１９の説明を援用する。
【０１５７】
また、図９（Ｃ）において、発光素子駆動用トランジスタ７００１のソース電極層またはドレイン電極層は、保護絶縁層７０５２及び絶縁層７０５５に設けられたコンタクトホールを介して第１の電極７００３と電気的に接続する。平坦化絶縁層７０５３は、ポリイミド、アクリル、ベンゾシクロブテン、ポリアミド、エポキシ等の樹脂材料を用いることができる。また上記樹脂材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、平坦化絶縁層７０５３を形成してもよい。平坦化絶縁層７０５３の形成法は、特に限定されず、その材料に応じて、スパッタ法、ＳＯＧ法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法、スクリーン印刷、オフセット印刷等）等を用いることができる。
【０１５８】
また、図９（Ｃ）の構造においては、フルカラー表示を行う場合、例えば発光素子７００２として緑色発光素子とし、隣り合う一方の発光素子を赤色発光素子とし、もう一方の発光素子を青色発光素子とする。また、３種類の発光素子だけでなく白色素子を加えた４種類の発光素子でフルカラー表示ができる発光表示装置を作製してもよい。
【０１５９】
また、図９（Ｃ）の構造においては、配置する複数の発光素子を全て白色発光素子とし、且つ発光素子７００２上方にカラーフィルタなどを有する封止基板を配置する構成とし、フルカラー表示ができる発光表示装置を作製してもよい。白色などの単色の発光を示す材料を形成し、カラーフィルタや色変換層を組み合わせることによりフルカラー表示を行うことができる。
【０１６０】
もちろん単色発光の表示を行ってもよい。例えば、白色発光を用いて照明装置を形成してもよいし、単色発光を用いてエリアカラータイプの発光装置を形成してもよい。
【０１６１】
また、必要があれば、円偏光板などの偏光フィルムなどの光学フィルムを設けてもよい。
【０１６２】
なお、発光素子の駆動を制御するトランジスタ（発光素子駆動用トランジスタ）と発光素子が電気的に接続されている例を示したが、発光素子駆動用トランジスタと発光素子との間に電流制御用トランジスタが接続されている構成であってもよい。
【０１６３】
なお本実施の形態で示す半導体装置は、図９に示した構成に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【０１６４】
（実施の形態５）
本明細書に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器（遊技機も含む）に適用することができる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置（テレビ、またはテレビジョン受信機ともいう）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ等のカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などが挙げられる。上記実施の形態で説明した表示装置を具備する電子機器の例について説明する。
【０１６５】
図１０（Ａ）は、携帯型の情報端末であり、本体３００１、筐体３００２、表示部３００３ａ、３００３ｂなどによって構成されている。表示部３００３ｂはタッチ入力機能を有するパネルとなっており、表示部３００３ｂに表示されるキーボードボタン３００４を触れることで画面操作や、文字入力を行うことができる。勿論、表示部３００３ａをタッチ入力機能を有するパネルとして構成してもよい。実施の形態１で示したトランジスタ１１１をスイッチング素子として用い、実施の形態４に示す液晶パネルや有機発光パネルを作製して表示部３００３ａ、３００３ｂに適用することにより、携帯型の情報端末とすることができる。
【０１６６】
図１０（Ａ）は、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示する機能、カレンダー、日付又は時刻などを表示部に表示する機能、表示部に表示した情報を操作又は編集する機能、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、等を有することができる。また、筐体の裏面や側面に、外部接続用端子（イヤホン端子、ＵＳＢ端子など）、記録媒体挿入部などを備える構成としてもよい。
【０１６７】
また、図１０（Ａ）に示す携帯型の情報端末は、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。無線により、電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とすることも可能である。
【０１６８】
また、図１０（Ａ）に示す携帯型の情報端末は、２つの表示部３００３ａ、３００３ｂのうち、一方を取り外すことができ、取り外した場合の図を図１０（Ｂ）に示している。表示部３００３ａもタッチ入力機能を有するパネルとし、持ち運びの際、さらなる軽量化を図ることができ、片手で筐体３００２をもってもう片方の手で操作することができ、便利である。
【０１６９】
さらに、図１０（Ｂ）に示す筐体３００２にアンテナやマイク機能や無線機能を持たせ、携帯電話として用いてもよい。
【０１７０】
図１０（Ｃ）は、携帯電話の一例を示している。図１０（Ｃ）に示す携帯電話機５００５は、筐体に組み込まれた表示部５００１の他、ヒンジ５００２に取り付けられた表示パネル５００３、操作ボタン５００４、スピーカ、マイクなどを備えている。
【０１７１】
図１０（Ｃ）に示す携帯電話機５００５は、表示パネル５００３がスライドして、表示部５００１と重なるようになっており、透光性を有するカバーとしても機能する。表示パネル５００３は、実施の形態４の図９（Ｂ）に示した、基板側及び基板とは反対側の面から発光を取り出す両面射出構造の発光素子を用いた表示パネルである。
【０１７２】
また、両面射出構造の発光素子を用いた表示パネル５００３であるため、表示部５００１と重ねた状態でも表示を行うことができ、使用者はどちらも表示し、どちらの表示も視認することもできる。表示パネル５００３は透光性を有し、表示パネルの向こう側が透けて見えるパネルである。例えば、地図の表示を表示部５００１で行い、使用者の所在地ポイントを表示パネル５００３で表示することによって現在地を認識しやすい状態を提供することができる。
【０１７３】
また、携帯電話機５００５に撮像素子を設け、テレビ電話として使用する場合、複数の相手の顔を表示しながら、複数の相手と会話ができるため、テレビ会議なども行うことができる。例えば、表示パネル５００３に一人または複数の相手の顔を表示し、さらに表示部５００１にもう一人の顔を表示させることで、使用者は２人以上の顔を見ながら会話を行うことができる。
【０１７４】
また、表示パネル５００３に表示されたタッチ入力ボタン５００６を指などで触れることで、情報を入力することができる。また、電話を掛ける、或いはメールを打つなどの操作は、表示パネル５００３をスライドさせて、操作ボタン５００４を指などで触れることにより行うことができる。
【０１７５】
図１０（Ｄ）は、テレビジョン装置の一例を示している。テレビジョン装置９６００は、筐体９６０１に表示部９６０３が組み込まれている。表示部９６０３により、映像を表示することが可能である。また、ここでは、ＣＰＵを内蔵したスタンド９６０５により筐体９６０１を支持した構成を示している。実施の形態１で示したトランジスタ１１１を表示部９６０３に適用することにより、テレビジョン装置９６００とすることができる。
【０１７６】
テレビジョン装置９６００の操作は、筐体９６０１が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機により行うことができる。また、リモコン操作機に、当該リモコン操作機から出力する情報を表示する表示部を設ける構成としてもよい。
【０１７７】
なお、テレビジョン装置９６００は、受信機やモデムなどを備えた構成とする。受信機により一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線または無線による通信ネットワークに接続することにより、一方向（送信者から受信者）または双方向（送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など）の情報通信を行うことも可能である。
【０１７８】
また、テレビジョン装置９６００は、外部接続端子９６０４や、記憶媒体再生録画部９６０２、外部メモリスロットを備えている。外部接続端子９６０４は、ＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能であり、パーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能である。記憶媒体再生録画部９６０２では、ディスク状の記録媒体を挿入し、記録媒体に記憶されているデータの読み出し、記録媒体への書き込みが可能である。また、外部メモリスロットに差し込まれた外部メモリ９６０６にデータ保存されている画像や映像などを表示部９６０３に映し出すことも可能である。
【０１７９】
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。
【実施例１】
【０１８０】
成膜条件（８条件）を変えて、石英基板上に膜厚１００ｎｍの酸化物半導体層を成膜したサンプルをエリプソメータを用いて分析した。
【０１８１】
成膜条件は、基板温度４００℃、ターゲットとしてＩｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ数比］を用い、ガス流量を８種類とした。酸素ガス流量４０ｓｃｃｍの成膜条件、酸素ガス２０ｓｃｃｍと窒素ガス２０ｓｃｃｍの成膜条件、酸素ガス１５ｓｃｃｍと窒素ガス２５ｓｃｃｍの成膜条件、酸素ガス１０ｓｃｃｍと窒素ガス３０ｓｃｃｍの成膜条件、酸素ガス７ｓｃｃｍと窒素ガス３３ｓｃｃｍの成膜条件、酸素ガス５ｓｃｃｍと窒素ガス３５ｓｃｃｍの成膜条件、酸素ガス３ｓｃｃｍと窒素ガス３７ｓｃｃｍの成膜条件、窒素ガス４０ｓｃｃｍの成膜条件の８種類の成膜条件でそれぞれサンプルを作製した。
【０１８２】
８種類の成膜条件のサンプルに対してそれぞれエリプソメータを用いた分析により得られた光学バンドギャップを測定した。図１１は、酸化物半導体層のバンドギャップのガス流量比依存性を示すグラフである。
【０１８３】
また、ｎ型シリコンウェーハ上に膜厚１５ｎｍの酸化物半導体層を上記成膜条件（８条件）と同じ条件で成膜したサンプルを作製し、ＸＰＳで酸化物半導体層中の窒素濃度を測定した。図１２は、酸化物半導体層のバンドギャップの窒素濃度依存性を示すグラフである。図１２からは、酸化物半導体層の窒素濃度が４原子％未満ではバンドギャップはほとんど変わらず、酸化物半導体層の窒素濃度が４原子％以上を越えるとバンドギャップは線形に低下する傾向があることが読み取れる。なお、酸化物半導体層の窒素濃度が４原子％となる条件は、酸素ガス７ｓｃｃｍと窒素ガス３３ｓｃｃｍの成膜条件である。
【０１８４】
また、酸化物半導体層のシート抵抗を測定した。図１３は、膜のシート抵抗の窒素濃度依存性を示すグラフである。図１３では、酸化物半導体層の窒素濃度が４原子％以上を超えるとシート抵抗値は窒素濃度に比例して大きく低下することが読み取れる。なお、酸化物半導体層の窒素濃度が４原子％未満ではシート抵抗値は検出上限を越えるため測定不能であった。
【０１８５】
図１４にＸＲＤ分析結果を示す。サンプル１は、Ｎ２ガス流量比７５％の条件で成膜し、膜中の窒素濃度が３．５原子％である。また、サンプル２は、Ｎ２ガス流量比８２．５％の条件で成膜し、膜中の窒素濃度が４原子％である。サンプル３は、Ｎ２ガス流量比８７．５％の条件で成膜し、膜中の窒素濃度が４．８原子％である。サンプル４は、Ｎ２ガス流量比９２．５％の条件で成膜し、膜中の窒素濃度が６．６原子％である。サンプル５は、Ｎ２ガス流量比１００％の条件で成膜し、膜中の窒素濃度が１１．７原子％である。
【０１８６】
なお、窒素ガス４０ｓｃｃｍのみの成膜条件はサンプル５に相当し、酸化物半導体層中の窒素濃度は１１．７原子％である。
【０１８７】
図１４からは、図１１のバンドギャップが大きく低下するガス流量比で結晶化を示す２θ＝３０°付近のピークが大きくなることが読み取れる。以上の結果を考慮すれば、酸化物半導体層の窒素濃度に対するバンドギャップとシート抵抗、および結晶性には相関があることがわかる。
【符号の説明】
【０１８８】
１００：基板
１０１：下地絶縁層
１０２：酸化物半導体層
１０２ａ：窒素の高濃度領域
１０２ｂ：窒素の低濃度領域
１０３：ソース電極層
１０４：ドレイン電極層
１０５：ゲート絶縁層
１０６：ゲート電極層
１０７：保護絶縁層
１１０：トランジスタ
１１１：トランジスタ
１１２：トランジスタ
１１３：トランジスタ
１３０：基板
１３２：半導体膜
１３２ａ：第１の酸化物半導体膜
１３２ｂ：第２の酸化物半導体膜
３００１ 本体
３００２ 筐体
３００３ａ 表示部
３００３ｂ 表示部
３００４ キーボードボタン
５００１ 表示部
５００２ ヒンジ
５００３ 表示パネル
５００４ 操作ボタン
５００５ 携帯電話機
５００６ タッチ入力ボタン
７００１ 発光素子駆動用トランジスタ
７００２ 発光素子
７００３ 電極
７００４ ＥＬ層
７００５ 電極
７００８ 電極
７００９ 隔壁
７０１０ 基板
７０１１ 発光素子駆動用トランジスタ
７０１２ 発光素子
７０１４ ＥＬ層
７０１５ 電極
７０１６ 保護膜
７０１７ 電極
７０１９ 隔壁
７０２０ 基板
７０２１ 発光素子駆動用トランジスタ
７０２２ 発光素子
７０２４ ＥＬ層
７０２５ 電極
７０２７ 電極
７０２９ 隔壁
７０３０ ゲート絶縁層
７０３１ ゲート絶縁層
７０３２ 絶縁層
７０３３ カラーフィルタ層
７０３４ オーバーコート層
７０３５ 保護絶縁層
７０４０ ゲート絶縁層
７０４１ ゲート絶縁層
７０４２ 絶縁層
７０５２ 保護絶縁層
７０５３ 平坦化絶縁層
７０５５ 絶縁層
９６００ テレビジョン装置
９６０１ 筐体
９６０２ 記憶媒体再生録画部
９６０３ 表示部
９６０４ 外部接続端子
９６０５ スタンド
９６０６ 外部メモリ
【技術分野】
【０００１】
トランジスタなどの半導体素子を少なくとも一つの素子として含む回路を有する半導体装置及びその作製方法に関する。例えば、電源回路に搭載されるパワーデバイスや、メモリ、サイリスタ、コンバータ、イメージセンサなどを含む半導体集積回路、液晶表示パネルに代表される電気光学装置や発光素子を有する発光表示装置を部品として搭載した電子機器に関する。
【０００２】
なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指し、電気光学装置、半導体回路及び電子機器は全て半導体装置である。
【背景技術】
【０００３】
近年、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薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を構成する技術が注目されている。薄膜トランジスタはＩＣや電気光学装置のような電子デバイスに広く応用され、特に画像表示装置のスイッチング素子として開発が急がれている。金属酸化物は多様に存在しさまざまな用途に用いられている。
【０００４】
金属酸化物の中には半導体特性を示すものがある。半導体特性を示す金属酸化物としては、例えば、酸化タングステン、酸化錫、酸化インジウム、酸化亜鉛などがあり、このような半導体特性を示す金属酸化物をチャネル形成領域とする薄膜トランジスタが既に知られている（特許文献１及び特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１２３８６１号公報
【特許文献２】特開２００７−９６０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の一態様は、スパッタ法でトランジスタ、ダイオード等の半導体用途に好適な材料を提供することを課題の一とする。具体的には結晶性の高い酸化物半導体膜を形成する作製プロセスを提供することを課題の一とする。
【０００７】
また、マザーガラスのような大きな基板を用いて、信頼性の高い半導体装置の大量生産を行うことのできる半導体装置の作製プロセスを提供することを課題の一とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
意図的に窒素を酸化物半導体に対して添加することにより、六方晶であり、ウルツ鉱型結晶構造を有する酸化物半導体膜を形成する。酸化物半導体膜において、窒素を含む領域の結晶性は、窒素をあまり含まない領域、或いは窒素を意図的に添加していない領域に比べて高くなる。この結晶性の高いウルツ鉱型結晶構造を有する酸化物半導体膜をトランジスタのチャネル形成領域として用いる。
【０００９】
本発明の一形態は、ゲート電極層と、該ゲート電極層と接する第１の絶縁層と、該第１の絶縁層に接する酸化物半導体層と、該酸化物半導体層に接する第２の絶縁層とを有し、酸化物半導体層は、ウルツ鉱型結晶構造を有し、且つ、第１の絶縁層に近いほど高くなる窒素濃度の濃度勾配を有する半導体装置である。なお、酸化物半導体層の窒素濃度は、１×１０１７／ｃｍ３以上２０原子％以下、好ましくは１×１０２０／ｃｍ３以上７原子％未満である。
【００１０】
ウルツ鉱型結晶構造を有する酸化物半導体膜に接する絶縁膜としては、窒素を含む絶縁膜、例えば、酸化窒化珪素膜（ＳｉＯｘＮｙとも呼ぶ、ただし、ｘ＞ｙ＞０）や、窒化酸化珪素膜（ＳｉＮｘＯｙとも呼ぶ、ただし、ｘ＞ｙ＞０）を用いることが好ましい。なお、ウルツ鉱型結晶構造を有する酸化物半導体膜に接する絶縁膜として、酸化珪素膜や、酸化珪素膜と窒化珪素膜の積層も用いることができる。また、ウルツ鉱型結晶構造を有する酸化物半導体膜に接する絶縁膜として、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化イットリウム等などを用いてもよい。ただし、これらの絶縁膜を用い、後で窒素プラズマ処理を行う場合、ゲート絶縁層として十分機能するように膜厚などを調節することが好ましい。
【００１１】
さらに絶縁膜と酸化物半導体膜の界面近傍の窒素濃度を高めるため、窒素プラズマ処理を行い、少なくとも絶縁膜の表面近傍に１×１０１７／ｃｍ３以上の窒素を意図的に含ませ、その上に窒素雰囲気下でウルツ鉱型結晶構造を有する酸化物半導体膜の形成を行ってもよい。
【００１２】
また、ウルツ鉱型結晶構造を有する酸化物半導体膜は非単結晶であり、酸化物半導体層全体が非晶質状態（アモルファス状態）ではなく、酸化物半導体層内の結晶は、基板平面に概略平行で、六角形の格子状の結合を有するａ−ｂ面を有し、基板平面に概略垂直なｃ軸を有している。
【００１３】
また、段階的に成膜条件を変えて窒素濃度の異なる酸化物半導体膜の積層を同じ真空チャンバーで形成してもよく、その本発明の一形態は、ゲート電極層と、該ゲート電極層と接する第１の絶縁層と、該第１の絶縁層に接する第１の酸化物半導体層と、該第１の酸化物半導体層に接する第２の酸化物半導体層と、該第２の酸化物半導体層に接する第２の絶縁層とを有し、第１の酸化物半導体層及び第２の酸化物半導体層は、六方晶構造を有し、且つ、第１の酸化物半導体層の窒素濃度は、第２の酸化物半導体層よりも高いことを特徴とする半導体装置である。
【００１４】
上記構成において、第１の酸化物半導体層の窒素濃度は、０．１原子％以上７原子％未満であることを特徴の一つとする。また、第２の酸化物半導体層の窒素濃度は、１×１０１７／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３未満であることを特徴の一つとする。窒素を意図的に含ませた酸化物半導体層は、窒素を意図的に含ませていない酸化物半導体層に比べてエネルギーギャップが小さく、キャリアを流しやすい。
【００１５】
ゲート電極層を有するトランジスタの構造は特に限定されず、例えば、トップゲート型のトランジスタであれば、下地絶縁層が第２の絶縁層に相当する。トップゲート型のトランジスタの場合、第２の絶縁層上に酸化物半導体層を有し、該酸化物半導体層上にゲート絶縁層である第１の絶縁層を有し、該第１の絶縁層上にゲート電極層を有する。
【００１６】
また、トップゲート型のトランジスタの作製方法も本発明の一形態であり、その構成は、絶縁表面を有する基板上に窒素を含む絶縁膜を形成し、窒素を含む絶縁膜が形成された基板を真空チャンバー内に導入し、金属酸化物ターゲットが設けられた真空チャンバー内に窒素ガスを導入して、基板温度が１５０℃以上４５０℃以下の第１の成膜条件により窒素を含む第１の酸化物半導体膜を成膜し、真空チャンバー内に窒素ガスを導入して、基板温度が１５０℃以上４５０℃以下の第２の成膜条件により第１の酸化物半導体膜上に接して窒素を含む第２の酸化物半導体膜を成膜する半導体装置の作製方法である。この作製方法によって、結晶性の高い酸化物半導体膜を形成することができる。
【００１７】
また、ボトムゲート型のトランジスタであれば、保護絶縁層が第２の絶縁層に相当する。ボトムゲート型のトランジスタの場合、ゲート電極層上にゲート絶縁層である第１の絶縁層を有し、該第１の絶縁層上に酸化物半導体層を有し、該酸化物半導体層上に保護絶縁層である第２の絶縁層を有する。
【００１８】
また、ボトムゲート型のトランジスタの作製方法も本発明の一形態であり、その構成は、絶縁表面を有する基板上にゲート電極層を形成し、ゲート電極層上に窒素を含む絶縁膜を形成し、ゲート電極層及び窒素を含む絶縁膜が形成された基板を真空チャンバー内に導入し、金属酸化物ターゲットが設けられた真空チャンバー内に窒素ガスを導入して、基板温度が１５０℃以上４５０℃以下の第１の成膜条件により窒素を含む第１の酸化物半導体膜を成膜し、真空チャンバー内に窒素ガスを導入して、基板温度が１５０℃以上４５０℃以下の第２の成膜条件により第１の酸化物半導体膜上に接して窒素を含む第２の酸化物半導体膜を成膜する半導体装置の作製方法である。この作製方法によって、結晶性の高い酸化物半導体膜を形成することができる。
【００１９】
上記作製方法の各構成において、さらに、第２の成膜条件での成膜後に、水素及び水分をほとんど含まない雰囲気下（窒素雰囲気、酸素雰囲気、乾燥空気雰囲気（例えば、水分については露点−４０℃以下、好ましくは露点−６０℃以下）など）で１５０℃以上６５０℃以下の加熱処理を行ってもよい。この加熱処理を行うことで酸化物半導体層の結晶性を高めることができる。
【００２０】
また、上記作製方法の各構成において、真空チャンバーに導入するスパッタガスの全流量比に対する窒素ガス流量の割合は８２．５％以上、好ましくは９０％以上１００％以下とする。窒素のガス流量を調節することで、酸化物半導体層の窒素濃度を制御することができる。例えば、窒素ガス流量を１００％に近づけることで酸化物半導体層の純度及び酸化物半導体層の窒素濃度を高めることができる。
【００２１】
また、上記作製方法の各構成において、第１の成膜条件における窒素ガスは加熱された状態で真空チャンバーに導入してもよい。
【００２２】
また、上記作製方法の各構成において、第１の成膜条件と第２の成膜条件を異ならせる場合には、第２の成膜条件におけるスパッタガスは、窒素ガスの他に、酸素ガスまたは希ガスを導入する。
【００２３】
また、上記作製方法の各構成において、窒素を含む絶縁膜を形成した後、窒素を含む絶縁膜の表面に窒素プラズマ処理を行って窒素を添加してもよい。
【００２４】
また、上記作製方法の各構成において、窒素を含む絶縁膜は、窒素プラズマ処理を行って絶縁膜の表面に窒素を添加した膜を用いてもよい。例えば、窒素プラズマ処理を行って酸化珪素膜の表面に窒素を添加した膜を用いることができる。
【００２５】
また、マザーガラスのような大きな基板上に結晶性の高い酸化物半導体層を形成することができる。上記方法を用いた酸化物半導体層の成膜後に加熱処理を行って結晶性を向上させることで、六方晶であり、ウルツ鉱型結晶構造を有する酸化物半導体膜を形成する。
【００２６】
また、第１の成膜条件及び第２の成膜条件にもよるが、成膜直後において、六方晶であり、ウルツ鉱型結晶構造を有する酸化物半導体膜を形成することもできる。この場合、酸化物半導体膜の成膜後の加熱処理を省略することができるため、量産に適したプロセスと言える。
【発明の効果】
【００２７】
トランジスタの酸化物半導体層に意図的に窒素を含ませて、ウルツ鉱型結晶構造とすることにより、結晶性を高めることができる。酸化物半導体層の結晶性を高めることにより、より電気的特性（電界効果移動度やしきい値など）の向上したトランジスタを得ることができる。
【００２８】
また、マザーガラスのような大きな基板を用いて、信頼性の高い半導体装置の大量生産を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一態様を示す断面図である。
【図２】本発明の一態様を示す濃度プロファイルのモデル図の一例である。
【図３】本発明の一態様を示す濃度プロファイルのモデル図の一例である。
【図４】実施の形態に係わる半導体膜を説明する断面図である。
【図５】実施の形態に係わるウルツ鉱型の結晶構造を説明する模式図である。
【図６】実施の形態に係わるウルツ鉱型の結晶構造を有する積層を説明する模式図である。
【図７】実施の形態に係わる結晶構造を説明するＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭの計算によって得られた像及び実観察像である。
【図８】本発明の一態様を示すブロック図及び等価回路図である。
【図９】本発明の一態様を示す断面図である。
【図１０】電子機器の一態様を示す図である。
【図１１】酸化物半導体層のバンドギャップのガス流量比依存性を表すグラフである。
【図１２】酸化物半導体層のバンドギャップの窒素濃度依存性を表すグラフである。
【図１３】酸化物半導体層のシート抵抗の窒素濃度依存性を表すグラフである。
【図１４】酸化物半導体層のＸＲＤ分析結果を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
【００３１】
（実施の形態１）
本実施の形態では、図１（Ａ）に示すボトムゲート型トランジスタの作製方法の一例を以下に示す。
【００３２】
まず、基板１００上にゲート電極層１０６を形成する。
【００３３】
基板１００としては、アルミノシリケートガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスなどのガラス材料を用いる。大量生産する上では、基板１００は第８世代（２１６０ｍｍ×２４６０ｍｍ）、第９世代（２４００ｍｍ×２８００ｍｍ、または２４５０ｍｍ×３０５０ｍｍ）、第１０世代（２９５０ｍｍ×３４００ｍｍ）等のマザーガラスを用いることが好ましい。マザーガラスは、処理温度が高く、処理時間が長いと大幅に収縮するため、マザーガラスを使用して大量生産を行う場合、作製工程の加熱処理は、６００℃以下、好ましくは４５０℃以下とすることが望ましい。
【００３４】
ゲート電極層１０６は、チタン、モリブデン、クロム、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅などの金属材料またはその合金材料を用いて形成する。ゲート電極層１０６は、スパッタ法や真空蒸着法で基板１００上に導電膜を形成し、当該導電膜上にフォトリソグラフィ技術またはインクジェット法によりマスクを形成し、当該マスクを用いて導電膜をエッチングすることで、形成することができる。
【００３５】
また、ゲート電極層１０６とゲート絶縁層との間に、ゲート絶縁層に接する材料層として、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｓｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＳｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｏ膜や、金属窒化膜（ＩｎＮ、ＺｎＮなど）を用いることが好ましい。これらの膜は５電子ボルト以上、好ましくは５．５電子ボルト以上の仕事関数を有し、トランジスタの電気特性のしきい値電圧をプラスにすることができ、所謂ノーマリーオフのスイッチング素子を実現できる。例えば、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を用いる場合、窒素濃度は、１×１０２０／ｃｍ３以上２０原子％以下、少なくとも後に形成する酸化物半導体層１０２より高い窒素濃度のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、例えば７原子％以上のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を用いる。
【００３６】
次いで、ゲート電極層１０６を覆うゲート絶縁層１０５を形成する。ゲート絶縁層１０５は、窒素を含む絶縁膜、例えば、酸化窒化珪素膜（ＳｉＯｘＮｙとも呼ぶ、ただし、ｘ＞ｙ＞０）や、窒化酸化珪素膜（ＳｉＮｘＯｙとも呼ぶ、ただし、ｘ＞ｙ＞０）を用いることが好ましい。なお、ゲート絶縁層１０５として、酸化珪素膜や、酸化珪素膜と窒化珪素膜の積層も用いることができる。
【００３７】
次いで、ゲート絶縁層１０５上に接して酸化物半導体層１０２を形成する。酸化物半導体層１０２は、ＡＣスパッタ装置、ＤＣスパッタ装置、またはＲＦスパッタ装置のいずれか一のスパッタ装置を用いて成膜を行う。酸化物半導体層１０２に用いる材料としては、四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜や、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ膜や、二元系金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ膜などを用いることができる。また、上記酸化物半導体にＳｉＯ２を含んでもよい。ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜とは、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）を有する酸化物膜である。
【００３８】
また、酸化物半導体層の形成時に、スパッタリング装置の処理室の圧力を０．４Ｐａ以下とすることで、被成膜面及び被成膜物への、アルカリ金属、水素等の不純物の混入を低減することができる。なお、被成膜物に含まれる水素は、水素原子の他、水素分子、水、水酸基、または水素化物として含まれる場合もある。
【００３９】
また、酸化物半導体層の形成時に、基板とターゲットの間の距離（Ｔ−Ｓ間距離）を４０ｍｍ以上３００ｍｍ以下（好ましくは６０ｍｍ以上）とする。
【００４０】
また、スパッタリング法による酸化物半導体層の形成時において、被成膜面の温度は１５０℃以上４５０℃以下、好ましくは２５０℃以上３２０℃以下とする。２５０℃は、水、水素などの不純物の被成膜物中への混入を防ぎ、チャンバー内の気相へ不純物を放出する温度である。また、スパッタリング法による成膜時における被成膜面の温度の上限は、基板の熱処理上限温度、或いは成膜物の上限温度（その温度を超えると大きく成膜中の成分が変化する温度）とする。
【００４１】
また、酸化物半導体層の形成時に、スパッタリング装置の処理室のリークレートを１×１０−１０Ｐａ・ｍ３／秒以下とすることで、スパッタリング法による成膜途中における酸化物半導体層中への、アルカリ金属、水素化物等の不純物の混入を低減することができる。また、排気系として吸着型の真空ポンプ（例えばクライオポンプなど）を用いることで、排気系からアルカリ金属、水素原子、水素分子、水、水酸基、または水素化物等の不純物の逆流を低減することができる。
【００４２】
また、酸化物半導体層の形成時に、スパッタリング装置の処理室に導入するガス、例えば窒素ガスや、酸素ガスや、アルゴンガスなどを加熱した状態で導入して、成膜を行ってもよい。
【００４３】
また、酸化物半導体層の形成前に、スパッタ装置内壁や、ターゲット表面やターゲット材料中に残存している水分または水素を除去するためにプレヒート処理を行っても良い。プレヒート処理としては成膜チャンバー内を減圧下で２００℃〜６００℃に加熱する方法や、加熱しながら窒素や不活性ガスの導入と排気を繰り返す方法等がある。この場合のターゲット冷却液は、水ではなく油脂等を用いるとよい。加熱せずに窒素の導入と排気を繰り返しても一定の効果が得られるが、加熱しながら行うとなお良い。
【００４４】
本実施の形態では、酸化物半導体層１０２を形成する際、成膜条件を複数回変更することによって、窒素の高濃度領域１０２ａ、窒素の低濃度領域１０２ｂを同一チャンバー内で連続的に形成する。同一チャンバー内で連続的に形成すると、大気成分や大気中に浮遊する汚染不純物元素に汚染されることなく各積層界面を形成することができる。
【００４５】
例えば、窒素の高濃度領域１０２ａは、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜をスパッタ法により窒素ガスのみを用いて薄い膜厚（膜厚１０ｎｍ以下）で成膜する。窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜に含まれる窒素濃度は約１１．７原子％である。なお、成膜時に基板を加熱（基板温度１５０℃以上４５０℃以下）する。
【００４６】
次いで、同じターゲットを用い、窒素ガスの供給量を減少させた後、酸素ガスまたは希ガスを導入して、引き続き、基板を加熱（基板温度１５０℃以上４５０℃以下）しながら成膜を行うことで窒素の低濃度領域１０２ｂを形成する。窒素の低濃度領域１０２ｂの膜厚は、窒素の高濃度領域１０２ａよりも厚い膜厚とする。酸化物半導体層１０２において、ゲート絶縁層１０５上に接する領域は、窒素の高濃度領域１０２ａである。窒素の高濃度領域１０２ａ上には窒素の低濃度領域１０２ｂが形成される。窒素の高濃度領域１０２ａ及び窒素の低濃度領域１０２ｂのどちらも六方晶の結晶構造を有する。本実施の形態では、窒素の高濃度領域１０２ａ及び窒素の低濃度領域１０２ｂは、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を用いており、ウルツ鉱型結晶構造を有する。
【００４７】
ゲート絶縁層１０５、及び酸化物半導体層１０２は大気に曝さずに連続的に形成することが好ましい。例えばマルチチャンバー方式の成膜装置を用いる。連続して成膜すると、大気成分や大気中に浮遊する汚染不純物元素に汚染されることなく各積層界面を形成することができる。特に、酸化物半導体層１０２の窒素濃度及びゲート絶縁層１０５の窒素濃度が重要であるため、酸化物半導体層１０２やゲート絶縁層１０５が成膜室内の残留窒素や、窒素雰囲気などと触れることによって窒素濃度が変化しないように、マルチチャンバー方式の成膜装置を用いることが好ましい。また、ゲート絶縁層１０５の形成後にプラズマＣＶＤ装置を用いて窒素プラズマ処理を表面に行うことで表面近傍に窒素を添加してもよい。また、酸化物半導体層１０２形成前に、窒素プラズマ処理を表面に行うことでゲート絶縁層１０５の表面近傍に窒素を添加してもよく、スパッタ装置を用いて窒素プラズマ処理を行ってもよい。
【００４８】
成膜条件にもよるが、成膜直後の結晶性が不十分である場合には、水素及び水分をほとんど含まない雰囲気下（窒素雰囲気、酸素雰囲気、乾燥空気雰囲気（例えば、水分については露点−４０℃以下、好ましくは露点−６０℃以下）など）で加熱処理（温度範囲１５０℃以上６５０℃以下、好ましくは２００℃以上５００℃以下）を行う。
【００４９】
次いで酸化物半導体層１０２のパターニングを行い、ソース電極層１０３及びドレイン電極層１０４の形成を行う。ソース電極層１０３またはドレイン電極層１０４となる金属導電膜の材料としては、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗなどの金属材料、または該金属材料を成分とする合金材料で形成する。また、Ａｌ、Ｃｕなどの金属層の下側もしくは上側の一方または双方にＣｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗなどの高融点金属層を積層させた構成としても良い。
【００５０】
例えば、金属導電膜としては、チタン層上にアルミニウム層と、該アルミニウム層上にチタン層が積層された三層の積層構造、またはモリブデン層上にアルミニウム層と、該アルミニウム層上にモリブデン層を積層した三層の積層構造とすることが好ましい。また、金属導電膜としてアルミニウム層とタングステン層を積層した二層の積層構造、アルミニウム層とモリブデン層を積層した二層の積層構造とすることもできる。勿論、金属導電膜として単層、または４層以上の積層構造としてもよい。なお、金属導電膜の材料の一つとして銅を用いる場合には、酸化物半導体層と接して銅マグネシウムアルミニウム合金層を設け、その銅マグネシウムアルミニウム合金層に接して銅層を設けた積層を用いればよい。
【００５１】
次いで、酸化物半導体層１０２を保護するため、酸化物半導体層１０２の露出部を覆うように、保護絶縁層１０７を形成する。保護絶縁層１０７としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化アルミニウムガリウム、及び酸化ガリウムのいずれか一以上の積層構造を用いることができる。
【００５２】
なお、保護絶縁層１０７の膜厚は、５０ｎｍ以上、好ましくは２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下とする。保護絶縁層を厚くすることで、保護絶縁層１０７からの酸素放出量を増加させることができると共に、その増加によって保護絶縁層１０７及び酸化物半導体層１０２との界面における欠陥を低減することが可能である。なお、加熱により酸素の一部が放出する保護絶縁層１０７は、スパッタリング法を用いることで形成しやすいため好ましい。加熱により酸素の一部が放出する保護絶縁層１０７をスパッタリング法により形成する場合は、成膜ガス中の酸素量が高いことが好ましく、酸素、または酸素及び希ガスの混合ガス等を用いることができる。代表的には、成膜ガス中の酸素濃度を６％以上１００％以下にすることが好ましい。
【００５３】
保護絶縁層１０７の形成後、必要であれば、水素及び水分をほとんど含まない雰囲気下（窒素雰囲気、酸素雰囲気、乾燥空気雰囲気（例えば、水分については露点−４０℃以下、好ましくは露点−６０℃以下）など）で加熱処理（温度範囲１５０℃以上６５０℃以下、好ましくは２００℃以上５００℃以下）を行ってもよい。
【００５４】
以上の工程で図１（Ａ）に示すトランジスタ１１１が形成される。トランジスタ１１１は、結晶性酸化物半導体膜表面に概略垂直なｃ軸を有している六方晶構造（ここではウルツ鉱型結晶構造）の結晶を有する結晶性酸化物半導体膜をチャネル領域に有するトランジスタである。
【００５５】
なお、酸化物半導体層１０２を形成する際において、変更する成膜条件によって窒素濃度のプロファイルが異なる。
【００５６】
例えば、連続的にガス流量を変化させて酸化物半導体層１０２の成膜条件を変えることによって、図２（Ａ）に示す窒素濃度のプロファイルとすることができる。図２（Ａ）は図１（Ａ）において鎖線で切断した場合における膜厚方向における窒素濃度のプロファイルを示す模式図である。図２（Ａ）において、窒素濃度はゲート絶縁層側の領域が最も高く、ゲート絶縁層から遠ざかるにつれて窒素濃度が連続的に低くなる濃度勾配を有している。
【００５７】
また、同じターゲットを用い、段階的にガス流量を変化させて酸化物半導体層１０２の成膜条件を変えることによって、図２（Ｂ）に示す窒素濃度のプロファイルとすることができる。図２（Ｂ）において第１の絶縁層がゲート絶縁層であり、第２の絶縁層が保護絶縁層である。段階的にガス流量を変化させた場合は、窒素濃度プロファイルは、階段状となりやすい。図２（Ｂ）において、窒素濃度はゲート絶縁層側の領域が最も高く、ゲート絶縁層から遠ざかるにつれて窒素濃度が階段状に低くなる濃度勾配を有している。段階的にガス流量を変化させて酸化物半導体層１０２の成膜条件を変える場合は、成膜条件毎にそれぞれの膜質が異なるため、積層と見なすこともできる。ただし、窒素の高濃度領域１０２ａの結晶性は高く、窒素の低濃度領域１０２ｂは窒素の高濃度領域１０２ａと比べて結晶性は低いが同じウルツ鉱型結晶構造を有するため、窒素の高濃度領域１０２ａと窒素の低濃度領域１０２ｂとの境界は、ＴＥＭ写真などで確認することが困難である。
【００５８】
さらに窒素プラズマ処理をゲート絶縁層表面に行うことで表面近傍に窒素を添加してもよく、その場合においては図３（Ａ）に示す窒素濃度のプロファイルとすることができる。また、窒素プラズマ処理を行う場合には、窒素プラズマ処理を行う前に減圧下で加熱処理を行うことが好ましい。なお、窒素プラズマ処理は、スパッタ成膜室内で行ってもよいし、ゲート絶縁層を形成したプラズマＣＶＤ装置内でゲート絶縁層の形成後に窒素プラズマ処理を行ってもよい。
【００５９】
また、窒素の最も高濃度である領域がゲート絶縁層との界面となることに限定されず、図３（Ｂ）に示す窒素濃度のプロファイルとすることもできる。図３（Ｂ）に示すように、ゲート絶縁層との界面から少し離れた領域が最高の窒素濃度を示すように成膜条件を調節してもよい。
【００６０】
具体的には、窒素の高濃度領域１０２ａの窒素濃度は、５×１０１９／ｃｍ３以上２０原子％以下、好ましくは１×１０２０／ｃｍ３以上７原子％未満とする。
【００６１】
また、窒素の低濃度領域１０２ｂの窒素濃度は、５×１０１９／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１７／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３未満とする。
【００６２】
段階的、或いは連続的に窒素のガス流量を変化させて、図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図３（Ａ）、或いは図３（Ｂ）に示す窒素濃度プロファイルを有する酸化物半導体層を用いたトランジスタ１１１は、ゲート絶縁層の界面近傍に窒素の高濃度領域１０２ａを有し、その窒素の高濃度領域１０２ａの結晶性は、他の領域に比べて高く、ｃ軸配向を有し、ゲート絶縁層との界面には未結合手に起因する界面準位が少なくなり、良好な界面状態を実現できる。
【００６３】
また、窒素の高濃度領域１０２ａに含まれる結晶は、六方晶のウルツ鉱型結晶構造であり、窒素の低濃度領域１０２ｂに含まれる結晶も同じである。理想的には、窒素の低濃度領域１０２ｂの層全体が六方晶のウルツ鉱型結晶構造となるようにする。
【００６４】
また、本実施の形態は、図１（Ａ）に示すボトムゲート型のトランジスタ構造に限定されず、図１（Ｂ）に示すトランジスタ１１２や、図１（Ｃ）に示すトランジスタ１１３に適用することができる。
【００６５】
図１（Ｂ）に示すトランジスタ１１２は、逆コプラナ型（ボトムコンタクト型）とも呼ばれる構造の一つである。トランジスタ１１１とはソース電極層１０３及びドレイン電極層１０４の形成と、酸化物半導体層１０２の形成の順序が異なる例であり、ソース電極層１０３及びドレイン電極層１０４上に酸化物半導体層１０２を有する構造である。
【００６６】
また、図１（Ｃ）に示すトランジスタ１１３は、チャネルストップ型とも呼ばれる構造の一つである。トランジスタ１１１とはソース電極層１０３及びドレイン電極層１０４の形成と、保護絶縁層１０７の形成の順序が異なる例である。トランジスタ１１３の保護絶縁層１０７が、酸化物半導体層及びゲート絶縁層１０５を介してゲート電極層１０６と重なる位置に形成され、チャネルストッパーとして機能する。
【００６７】
（実施の形態２）
実施の形態１ではボトムゲート型のトランジスタの例を示したが、本実施の形態では、図１（Ｄ）に示すトップゲート型のトランジスタの例を説明する。なお、図１（Ａ）と同じ箇所には同じ符号を用いて説明する。
【００６８】
まず、基板１００上に下地絶縁層１０１を形成する。
【００６９】
下地絶縁層１０１としては、ＣＶＤ法やスパッタ法等を用いて、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化イットリウム等を単層でまたは積層して形成することができる。
【００７０】
次いで、下地絶縁層１０１上に酸化物半導体層１０２を形成する。酸化物半導体層１０２は、ＡＣスパッタ装置、ＤＣスパッタ装置、またはＲＦスパッタ装置のいずれか一のスパッタ装置を用いて成膜を行う。また、スパッタリング法による酸化物半導体層の形成時において、被成膜面の温度は１５０℃以上４５０℃以下、好ましくは２５０℃以上３２０℃以下とする。２５０℃は、水、水素などの不純物の被成膜物中への混入を防ぎ、チャンバー内の気相へ不純物を放出する温度である。また、スパッタリング法による成膜時における被成膜面の温度の上限は、基板の熱処理上限温度、或いは成膜物の上限温度（その温度を超えると大きく成膜中の成分が変化する温度）とする。
【００７１】
下地絶縁層１０１、及び酸化物半導体層は大気に曝さずに連続的に形成することが好ましい。例えばマルチチャンバー方式の成膜装置を用いる。連続して成膜すると、大気成分や大気中に浮遊する汚染不純物元素に汚染されることなく各積層界面を形成することができる。
【００７２】
酸化物半導体層の形成後、必要であれば、水素及び水分をほとんど含まない雰囲気下（窒素雰囲気、酸素雰囲気、乾燥空気雰囲気（例えば、水分については露点−４０℃以下、好ましくは露点−６０℃以下）など）で加熱処理（温度範囲１５０℃以上６５０℃以下、好ましくは２００℃以上５００℃以下）を行ってもよい。この加熱処理は、酸化物半導体層中からＨ、ＯＨなどを脱離させる脱水化または脱水素化とも呼ぶことができる。
【００７３】
本実施の形態では、酸化物半導体層１０２を形成する際、成膜条件を複数回変更することによって、窒素の高濃度領域１０２ａ、窒素の低濃度領域１０２ｂを形成する。
【００７４】
例えば、窒素の高濃度領域１０２ａは、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜をスパッタ法により窒素ガスのみを用いて膜厚１０ｎｍ以下で成膜する。なお、成膜時に基板を加熱（基板温度１５０℃以上４５０℃以下）する。
【００７５】
次いで、同じターゲットを用い、窒素ガスの供給量を減少させた後、酸素ガスまたは希ガスを導入して、引き続き、基板を加熱（基板温度１５０℃以上４５０℃以下）しながら成膜を行うことで窒素の低濃度領域１０２ｂを形成する。窒素の低濃度領域１０２ｂの膜厚は、窒素の高濃度領域１０２ａと同じ、もしくは薄い膜厚とする。また、十分な結晶性が得られるのであれば、窒素の低濃度領域１０２ｂの膜厚は、窒素の高濃度領域１０２ａよりも厚い膜厚とする。
【００７６】
窒素の高濃度領域１０２ａ上には窒素の低濃度領域１０２ｂが形成される。窒素の高濃度領域１０２ａ及び窒素の低濃度領域１０２ｂのどちらも六方晶の結晶構造を有する。本実施の形態では、窒素の高濃度領域１０２ａ及び窒素の低濃度領域１０２ｂは、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を用いており、ウルツ鉱型結晶構造を有する。
【００７７】
次いで酸化物半導体層１０２のパターニングを行い、ソース電極層１０３及びドレイン電極層１０４の形成を行う。そして、酸化物半導体層１０２、ソース電極層１０３、及びドレイン電極層１０４を覆うゲート絶縁層１０５を形成する。そして、ゲート絶縁層上の酸化物半導体層１０２と重なる位置にゲート電極層１０６を形成してトランジスタ１１０を作製することができる。
【００７８】
ゲート電極層１０６の材料は、チタン、モリブデン、クロム、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅などの金属材料またはその合金材料を用いて形成する。
【００７９】
また、ゲート電極層１０６とゲート絶縁層との間に、ゲート絶縁層に接する材料層として、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｓｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＳｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｏ膜や、金属窒化膜（ＩｎＮ、ＺｎＮなど）を設けることが好ましい。これらの膜は５電子ボルト以上、好ましくは５．５電子ボルト以上の仕事関数を有し、トランジスタの電気特性のしきい値電圧をプラスにすることができ、所謂ノーマリーオフのスイッチング素子を実現できる。例えば、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を用いる場合、少なくとも酸化物半導体層１０２より高い窒素濃度、例えば７原子％以上のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を用いる。
【００８０】
以上の工程で図１（Ｄ）に示すトランジスタ１１０が形成される。トランジスタ１１０は、結晶性酸化物半導体膜表面に概略垂直なｃ軸を有している六方晶構造（ここではウルツ鉱型結晶構造）の結晶を有する結晶性酸化物半導体膜をチャネル領域に有するトランジスタである。
【００８１】
（実施の形態３）
本実施の形態では、窒素濃度の異なる酸化物半導体膜の積層を有し、第１の酸化物半導体膜はウルツ鉱型の結晶を含み、第２の酸化物半導体膜もウルツ鉱型の結晶を含む積層構造を有する半導体膜について、図４乃至図７を参照して説明する。
【００８２】
本実施の形態で例示する積層構造を有する半導体膜の模式図を図４に示す。
【００８３】
窒素濃度の異なる同一材料の積層構造を有する半導体膜１３２は、第１の酸化物半導体膜１３２ａと第２の酸化物半導体膜１３２ｂを有する。第１の酸化物半導体膜１３２ａと第２の酸化物半導体膜１３２ｂの積層が基板１３０上の絶縁表面に接して設けられた積層構造を有する半導体膜１３２の態様を図４に図示する。第１の酸化物半導体膜１３２ａは第２の酸化物半導体膜１３２ｂよりも結晶性が高い。
【００８４】
窒素濃度の異なる同一材料の積層構造を有する半導体膜１３２は、実施の形態１または実施の形態２の作製方法により形成することができる。なお、実施の形態１または実施の形態２では、同一チャンバーで成膜条件を変えて窒素濃度の異なる積層を形成する例を示したが、ウルツ鉱型構造の膜が積層できるのであれば、特に限定されず、１層目を形成した後、水素及び水分をほとんど含まない雰囲気下（窒素雰囲気、酸素雰囲気、乾燥空気雰囲気（例えば、水分については露点−４０℃以下、好ましくは露点−６０℃以下）など）で１５０℃以上６５０℃以下の加熱処理を行い、その後、２層目を形成してもよい。
【００８５】
＜六方晶系の結晶構造＞
はじめに、六方晶系の結晶構造について説明する。
【００８６】
ウルツ鉱型の結晶構造を、図５を用いて説明する。ウルツ鉱型の結晶について、ａ−ｂ面での原子の配置を図５（Ａ）に、ｃ軸方向を縦方向とする構造を図５（Ｂ）に示す。
【００８７】
第１の酸化物半導体膜１３２ａとしては、窒素を含む酸化物半導体を用い、成膜条件を調節することにより、ｃ軸配向し、且つ、ウルツ鉱型の結晶を含む膜とする。
【００８８】
具体的には、窒素を５×１０１９／ｃｍ３以上２０原子％以下含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜はｃ軸配向しており、且つ、ウルツ鉱型の結晶を含む膜となり、金属サイトにはＩｎとＧａとＺｎがランダムに入っている。
【００８９】
ただし、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜に限定されず、例えば、窒素を含むＩｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ膜などを用いることができる。
【００９０】
次に、２層目のウルツ鉱型の結晶構造について説明する。
【００９１】
第２の酸化物半導体膜１３２ｂとしては、１層目よりも窒素濃度の低いＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜であり、且つ、ｃ軸配向しており、且つ、ウルツ鉱型の結晶を含む膜とする。
【００９２】
ウルツ鉱型の結晶構造は、六方晶系であり、ａ−ｂ面において原子が六角形に位置する。
【００９３】
ウルツ鉱型の結晶上に、格子定数を同じくするウルツ鉱型の結晶が整合する様子を図６に模式的に示す。
【００９４】
なお、ｃ軸配向し、且つ、ウルツ鉱型の結晶構造のＨＡＡＤＦ（ｈｉｇｈ−ａｎｇｌｅ ａｎｎｕｌａｒ ｄａｒｋ ｆｉｅｌｄ）−ＳＴＥＭの実観察像には、輝点が互いちがいに現れる回折像が観察される場合がある。
【００９５】
ウルツ鉱型の結晶構造に基づいて計算により得たＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭの像を図７（Ａ）に示す。
【００９６】
また、窒素を多く含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭの実観察像を図７（Ｂ）に示す。
【００９７】
図７（Ａ）に示すＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭの像、または図７（Ｂ）に示すＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭの実観察像は、いずれも２周期性の層構造を有するウルツ鉱型の結晶構造を有することが確認できる。
【００９８】
窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜は、スパッタリング法を用いて石英ガラス基板上に３００ｎｍの厚さで成膜した。ターゲットとしてＩｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１［ｍｏｌ数比］を用い、基板−ターゲット間の距離を６０ｍｍとし、ＤＣ電源を用いて０．５ｋｗの電力で、圧力０．４Ｐａにて成膜した。また、成膜中の基板温度を４００℃とし、スパッタリングガスは窒素のみとし、成膜室に４０ｓｃｃｍの流量で流した。
【００９９】
（実施の形態４）
本実施の形態では、同一基板上に少なくとも駆動回路の一部と、画素部に配置するトランジスタを有する表示装置を作製する例について以下に説明する。
【０１００】
画素部に配置するトランジスタは、実施の形態１または実施の形態２に従って形成する。また、実施の形態１または実施の形態２に示すトランジスタはｎチャネル型トランジスタであるため、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。
【０１０１】
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８（Ａ）に示す。表示装置の基板５３００上には、画素部５３０１、第１の走査線駆動回路５３０２、第２の走査線駆動回路５３０３、信号線駆動回路５３０４を有する。画素部５３０１には、複数の信号線が信号線駆動回路５３０４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５３０２、及び第２の走査線駆動回路５３０３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配置されている。また、表示装置の基板５３００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。
【０１０２】
図８（Ａ）では、第１の走査線駆動回路５３０２、第２の走査線駆動回路５３０３、信号線駆動回路５３０４は、画素部５３０１と同じ基板５３００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５３００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５３００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、又は歩留まりの向上を図ることができる。
【０１０３】
また、画素部の回路構成の一例を図８（Ｂ）に示す。ここでは、ＶＡ方式の液晶表示パネルの画素構造を示す。
【０１０４】
この画素構造は、一つの画素に複数の画素電極層が有り、それぞれの画素電極層にトランジスタが接続されている。各トランジスタは、異なるゲート信号で駆動されるように構成されている。すなわち、マルチドメイン設計された画素において、個々の画素電極層に印加する信号を、独立して制御する構成を有している。
【０１０５】
トランジスタ６２８のゲート配線６０２と、トランジスタ６２９のゲート配線６０３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層又はドレイン電極層６１６は、トランジスタ６２８とトランジスタ６２９で共通に用いられている。トランジスタ６２８とトランジスタ６２９は実施の形態１または実施の形態２のトランジスタを適宜用いることができる。
【０１０６】
第１の画素電極層と第２の画素電極層の形状は異なっており、スリットによって分離されている。Ｖ字型に広がる第１の画素電極層の外側を囲むように第２の画素電極層が形成されている。第１の画素電極層と第２の画素電極層に印加する電圧のタイミングを、トランジスタ６２８及びトランジスタ６２９により異ならせることで、液晶の配向を制御している。トランジスタ６２８はゲート配線６０２と接続し、トランジスタ６２９はゲート配線６０３と接続している。ゲート配線６０２とゲート配線６０３は異なるゲート信号を与えることで、トランジスタ６２８とトランジスタ６２９の動作タイミングを異ならせることができる。
【０１０７】
また、容量配線６９０が設けられ、ゲート絶縁層を誘電体とし、第１の画素電極層または第２の画素電極層と電気的に接続する容量電極と保持容量を形成する。
【０１０８】
第１の画素電極層と液晶層と対向電極層が重なり合うことで、第１の液晶素子６５１が形成されている。また、第２の画素電極層と液晶層と対向電極層が重なり合うことで、第２の液晶素子６５２が形成されている。また、一画素に第１の液晶素子６５１と第２の液晶素子６５２が設けられたマルチドメイン構造である。
【０１０９】
なお、図８（Ｂ）に示す画素構成は、これに限定されない。例えば、図８（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、又は論理回路などを追加してもよい。また、トランジスタの酸化物半導体層にバックライトの光や外光などの光が照射されないように遮光層を設ける。遮光層は、画素電極層と酸化物半導体層の間に設けてもよいし、遮光層を有する光学フィルム（カラーフィルタなど）として基板に接着してもよい。
【０１１０】
また、本実施の形態では、ＶＡ方式の液晶表示パネルの例を示したが特に限定されず、様々な方式の液晶表示装置に応用することができる。例えば、視野角特性を改善する方法として、基板主表面に対して水平方向の電界を液晶層に印加する横電界方式（ＩＰＳ方式とも呼ぶ）に応用することができる。
【０１１１】
例えば、ＩＰＳ方式の液晶表示パネルとして、配向膜を用いないブルー相を示す液晶を用いることが好ましい。ブルー相は液晶相の一つであり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリック相から等方相へ転移する直前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発現しないため、温度範囲を改善するために５重量％以上のカイラル剤を混合させた液晶組成物を用いて液晶素子の液晶層に用いる。ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、応答速度が１ｍｓｅｃ以下と短く、光学的等方性であるため配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい。
【０１１２】
また、液晶表示装置の動画特性を改善するため、バックライトとして複数のＬＥＤ（発光ダイオード）光源または複数のＥＬ光源などを用いて面光源を構成し、面光源を構成している各光源を独立して１フレーム期間内で間欠点灯駆動する駆動技術（例えばフィールドシーケンシャル方式など）もある。面光源として、３種類以上のＬＥＤを用いてもよいし、白色発光のＬＥＤを用いてもよい。面光源として、異なる色を呈する３種類以上の光源（例えば、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青））を用いる場合は、カラーフィルタを用いなくともカラー表示が行える。また、面光源として、白色発光のＬＥＤを用いる場合は、カラーフィルタを設けてカラー表示を行う。独立して複数のＬＥＤを制御できるため、液晶層の光学変調の切り替えタイミングに合わせてＬＥＤの発光タイミングを同期させることもできる。ＬＥＤを部分的に消灯することができるため、特に一画面を占める黒い表示領域の割合が多い映像表示の場合には、消費電力の低減効果が図れる。
【０１１３】
また、画素部の回路構成の一例を図８（Ｃ）に示す。ここでは、有機ＥＬ素子を用いた表示パネルの画素構造を示す。
【０１１４】
有機ＥＬ素子は、発光素子に電圧を印加することにより、一対の電極から電子および正孔がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして、それらキャリア（電子および正孔）が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このような発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。
【０１１５】
図８（Ｃ）は、半導体装置の例としてデジタル時間階調駆動を適用可能な画素構成の一例を示す図である。
【０１１６】
デジタル時間階調駆動を適用可能な画素の構成及び画素の動作について説明する。ここでは酸化物半導体層をチャネル形成領域に用いる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。
【０１１７】
画素６４００は、スイッチング用トランジスタ６４０１、駆動用トランジスタ６４０２、発光素子６４０４及び容量素子６４０３を有している。スイッチング用トランジスタ６４０１は、ゲート電極層が走査線６４０６に接続され、第１電極（ソース電極層及びドレイン電極層の一方）が信号線６４０５に接続され、第２電極（ソース電極層及びドレイン電極層の他方）が駆動用トランジスタ６４０２のゲート電極層に接続されている。駆動用トランジスタ６４０２は、ゲート電極層が容量素子６４０３を介して電源線６４０７に接続され、第１電極が電源線６４０７に接続され、第２電極が発光素子６４０４の第１電極（画素電極）に接続されている。発光素子６４０４の第２電極は共通電極６４０８に相当する。共通電極６４０８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。
【０１１８】
なお、発光素子６４０４の第２電極（共通電極６４０８）には低電源電位が設定されている。なお、低電源電位とは、電源線６４０７に設定される高電源電位を基準にして低電源電位＜高電源電位を満たす電位であり、低電源電位としては例えばＧＮＤ、０Ｖなどが設定されていても良い。この高電源電位と低電源電位との電位差を発光素子６４０４に印加して、発光素子６４０４に電流を流して発光素子６４０４を発光させるため、高電源電位と低電源電位との電位差が発光素子６４０４の順方向しきい値電圧以上となるようにそれぞれの電位を設定する。
【０１１９】
なお、容量素子６４０３は駆動用トランジスタ６４０２のゲート容量を代用して省略することも可能である。駆動用トランジスタ６４０２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層との間で容量が形成されていてもよい。
【０１２０】
ここで、電圧入力電圧駆動方式の場合には、駆動用トランジスタ６４０２のゲート電極層には、駆動用トランジスタ６４０２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入力する。つまり、駆動用トランジスタ６４０２は線形領域で動作させる。駆動用トランジスタ６４０２は線形領域で動作させるため、電源線６４０７の電圧よりも高い電圧を駆動用トランジスタ６４０２のゲート電極層にかける。なお、信号線６４０５には、（電源線電圧＋駆動用トランジスタ６４０２のＶｔｈ）以上の電圧をかける。
【０１２１】
また、デジタル時間階調駆動に代えて、アナログ階調駆動を行う場合、信号の入力を異ならせることで、図８（Ｃ）と同じ画素構成を用いることができる。
【０１２２】
アナログ階調駆動を行う場合、駆動用トランジスタ６４０２のゲート電極層に発光素子６４０４の順方向電圧＋駆動用トランジスタ６４０２のＶｔｈ以上の電圧をかける。発光素子６４０４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、駆動用トランジスタ６４０２が飽和領域で動作するようなビデオ信号を入力することで、発光素子６４０４に電流を流すことができる。駆動用トランジスタ６４０２を飽和領域で動作させるため、電源線６４０７の電位は、駆動用トランジスタ６４０２のゲート電位よりも高くする。ビデオ信号をアナログとすることで、発光素子６４０４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。
【０１２３】
なお、図８（Ｃ）に示す画素構成は、これに限定されない。例えば、図８（Ｃ）に示す画素に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、センサ、トランジスタ又は論理回路などを追加してもよい。
【０１２４】
次に、発光素子の構成について、図９に示す画素の断面構造を用いて説明する。ここでは、発光素子駆動用トランジスタがｎチャネル型の場合を例に挙げて、画素の断面構造について説明する。図９（Ａ）、図９（Ｂ）、及び図９（Ｃ）の半導体装置に用いられる発光素子駆動用トランジスタ７０１１、７０２１、及び７００１は、実施の形態１または実施の形態２に示すトランジスタと同様に作製でき、窒素を含む酸化物半導体層をチャネル領域に用いるトランジスタである。
【０１２５】
発光素子の第１の電極または第２の電極の少なくとも一方は可視光を透過する導電膜を用いて形成し、発光素子から発光を取り出す。発光を取り出す方向に着目した構造としては、発光素子とトランジスタが形成された基板を介することなく、基板の当該発光素子が形成された側から発光を取り出す上面射出構造、発光素子が形成された基板を介し、当該発光素子が形成されていない側に発光する下面射出構造、並びに基板の発光素子が形成された側及び基板を介して基板の他方の側に発光を取り出す両面射出構造がある。そして、図８（Ｃ）に示す画素構成はどの射出構造の発光素子にも適用することができる。
【０１２６】
下面射出構造の発光素子について、図９（Ａ）を用いて説明する。下面射出構造の発光素子は、図９（Ａ）に矢印で示す方向に光を発する。
【０１２７】
図９（Ａ）において、発光素子駆動用トランジスタ７０１１は実施の形態１に示すｎチャネル型のトランジスタ１１１を用いる例を示しているが、特に限定されない。
【０１２８】
図９（Ａ）では、発光素子駆動用トランジスタ７０１１のソース電極またはドレイン電極層と電気的に接続された透光性を有する第１の電極７０１７上に、ＥＬ層７０１４、第２の電極７０１５、保護膜７０１６が順に積層されている。
【０１２９】
第１の電極７０１７は可視光を透過する導電膜を用いる。可視光を透過する導電膜としては、例えば酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物（以下、ＩＴＯとする。）、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などを挙げることができる。また、光を透過する程度（好ましくは、５ｎｍ〜３０ｎｍ程度）の金属薄膜を用いることもできる。例えば２０ｎｍの膜厚を有するアルミニウム膜を他の透光性を有する導電膜に積層して用いることができる。
【０１３０】
第２の電極７０１５はＥＬ層７０１４が発する光を効率よく反射する材料が好ましい。なぜなら光の取り出し効率を向上できるためである。なお、第２の電極７０１５を積層構造としてもよい。例えば、ＥＬ層７０１４に接する側に可視光を透過する導電膜を用い、他方に光を遮光する膜を積層して用いることもできる。光を遮光する膜としては、ＥＬ層が発する光を効率よく反射する金属膜等が好ましいが、例えば黒の顔料を添加した樹脂等を用いることもできる。
【０１３１】
なお、第１の電極７０１７、又は第２の電極７０１５のいずれか一方は陽極として機能し、他方は陰極として機能する。陽極として機能する電極には、仕事関数の大きな物質が好ましく、陰極として機能する電極には仕事関数の小さな物質が好ましい。
【０１３２】
仕事関数が大きい材料としては、例えば、ＺｒＮ、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｃｒ等や、ＩＴＯ、ＩＺＯ（登録商標）などを用いることができる。仕事関数が小さい材料としては、ＬｉやＣｓ等のアルカリ金属、およびＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ等のアルカリ土類金属、およびこれらを含む合金（Ｍｇ：Ａｇ、Ａｌ：Ｌｉなど）の他、ＹｂやＥｒ等の希土類金属等を用いることができる。
【０１３３】
なお、消費電力を比較する場合、第１の電極７０１７を陰極として機能させ、第２の電極７０１５を陽極とするほうが、駆動回路部の電圧上昇を抑制でき、消費電力を少なくできるため好ましい。
【０１３４】
ＥＬ層７０１４は、少なくとも発光層を含めば良く、単数の層で構成されていても、複数の層が積層されていてもよい。複数の層で構成されている構成としては、陽極側から正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子輸送層、並びに電子注入層が積層された構成を例に挙げることができる。なお、発光層を除くこれらの層はＥＬ層７０１４中に必ずしも全て設ける必要はない。また、これらの層は重複して設けることもできる。具体的には、ＥＬ層７０１４中に複数の発光層を重ねて設けてもよく、電子注入層に重ねて正孔注入層を設けてもよい。また、中間層として電荷発生層の他、電子リレー層など他の構成を適宜加えることができる。
【０１３５】
また、発光素子７０１２は第１の電極７０１７の一部を覆う隔壁７０１９を備える。隔壁７０１９は、ポリイミド、アクリル、ポリアミド、エポキシ等の有機樹脂膜の他、無機絶縁膜または有機ポリシロキサン膜を適用できる。特に、隔壁７０１９の側面が連続した曲率を持って形成される傾斜面となるように、感光性の樹脂材料を用いて形成することが好ましい。隔壁７０１９に感光性の樹脂材料を用いる場合、レジストマスクを形成する工程を省略することができる。また、隔壁を無機絶縁膜で形成することもできる。無機絶縁膜を隔壁に用いることで、隔壁に含まれる水分量を低減できる。
【０１３６】
なお、カラーフィルタ層７０３３が発光素子７０１２と基板７０１０の間に設けられている（図９（Ａ）参照）。発光素子７０１２に白色に発光する構成を適用することにより、発光素子７０１２が発する光はカラーフィルタ層７０３３を通過し、絶縁層７０３１、ゲート絶縁層７０３０、及び基板７０１０を通過して、射出される。
【０１３７】
複数の種類のカラーフィルタ層７０３３を形成してもよく、例えば画素毎に赤色のカラーフィルタ層、青色のカラーフィルタ層、緑色のカラーフィルタ層などを設けることができる。なお、カラーフィルタ層７０３３はインクジェット法などの液滴吐出法や、印刷法、またはフォトリソグラフィ技術を用いたエッチング法などでそれぞれ形成する。
【０１３８】
また、カラーフィルタ層７０３３はオーバーコート層７０３４で覆われ、さらに保護絶縁層７０３５によって覆う。なお、図９（Ａ）ではオーバーコート層７０３４は薄い膜厚で図示したが、オーバーコート層７０３４は、アクリル樹脂などの樹脂材料を用い、カラーフィルタ層７０３３に起因する凹凸を平坦化する機能を有している。
【０１３９】
また、絶縁層７０３１、絶縁層７０３２、カラーフィルタ層７０３３、オーバーコート層７０３４、及び保護絶縁層７０３５に形成され、且つ、ドレイン電極層に達するコンタクトホールは、隔壁７０１９と重なる位置に配置する。
【０１４０】
次に、両面射出構造の発光素子について、図９（Ｂ）を用いて説明する。両面射出構造の発光素子は、図９（Ｂ）に矢印で示す方向に光を発する。
【０１４１】
図９（Ｂ）において、発光素子駆動用トランジスタ７０２１は実施の形態１に示すｎチャネル型のトランジスタ１１１を用いる例を示しているが、特に限定されない。
【０１４２】
図９（Ｂ）では、発光素子駆動用トランジスタ７０２１のソース電極またはドレイン電極層と電気的に接続された透光性を有する第１の電極７０２７上に、ＥＬ層７０２４、第２の電極７０２５が順に積層されている。
【０１４３】
第１の電極７０２７、及び第２の電極７０２５は可視光を透過する導電膜を用いる。可視光を透過する導電膜としては、図９（Ａ）の第１の電極７０１７に用いることができる材料を適用することができる。よって、詳細な説明は第１の電極７０１７の説明を援用する。
【０１４４】
なお、第１の電極７０２７、又は第２の電極７０２５のいずれか一方は陽極として機能し、他方は陰極として機能する。陽極として機能する電極には、仕事関数の大きな物質が好ましく、陰極として機能する電極には仕事関数の小さな物質が好ましい。
【０１４５】
ＥＬ層７０２４は単数の層で構成されていても、複数の層が積層されていても良い。ＥＬ層７０２４としては、図９（Ａ）のＥＬ層７０１４に用いることができる構成、及び材料を適用することができる。よって、詳細な説明はＥＬ層７０１４の説明を援用する。
【０１４６】
また、発光素子７０２２は第１の電極７０２７の端部を覆う隔壁７０２９を備える。隔壁７０２９は、図９（Ａ）の隔壁７０１９に用いることができる構成、及び材料を適用することができる。よって、詳細な説明は隔壁７０１９の説明を援用する。
【０１４７】
また、図９（Ｂ）に示した素子構造の場合、発光素子７０２２から発せられる光は、矢印で示すように第２の電極７０２５側と第１の電極７０２７側の両方に射出し、第１の電極７０２７側に発せられる一方の光は、絶縁層７０４１、絶縁層７０４２、ゲート絶縁層７０４０、及び基板７０２０を通過して射出させる。
【０１４８】
また、図９（Ｂ）の構造においては、フルカラー表示を行う場合、例えば発光素子７０２２として緑色発光素子とし、隣り合う一方の発光素子を赤色発光素子とし、もう一方の発光素子を青色発光素子とする。また、３種類の発光素子だけでなく白色素子を加えた４種類の発光素子でフルカラー表示ができる発光表示装置を作製してもよい。
【０１４９】
次に、上面射出構造の発光素子について、図９（Ｃ）を用いて説明する。上面射出構造の発光素子は、図９（Ｃ）に矢印で示す方向に光を発する。
【０１５０】
図９（Ｃ）において、発光素子駆動用トランジスタ７００１は実施の形態１に示すｎチャネル型のトランジスタ１１１を用いる例を示しているが、特に限定されない。
【０１５１】
図９（Ｃ）では、発光素子駆動用トランジスタ７００１のソース電極またはドレイン電極層と電気的に接続された第１の電極７００３上に、ＥＬ層７００４、第２の電極７００５が順に積層されている。
【０１５２】
第１の電極７００３はＥＬ層７００４が発する光を効率よく反射する材料が好ましい。なぜなら光の取り出し効率を向上できるためである。なお、第１の電極７００３を積層構造としてもよい。例えば、ＥＬ層７００４に接する側に可視光を透過する導電膜を用い、他方に光を遮光する膜を積層して用いることもできる。光を遮光する膜としては、ＥＬ層が発する光を効率よく反射する金属膜等が好ましいが、例えば黒の顔料を添加した樹脂等を用いることもできる。
【０１５３】
第２の電極７００５は可視光を透過する導電膜を用いる。可視光を透過する導電膜としては、図９（Ａ）の第１の電極７０１７に用いることができる材料を適用することができる。よって、詳細な説明は第１の電極７０１７の説明を援用する。
【０１５４】
なお、第１の電極７００３、又は第２の電極７００５のいずれか一方は陽極として機能し、他方は陰極として機能する。陽極として機能する電極には、仕事関数の大きな物質が好ましく、陰極として機能する電極には仕事関数の小さな物質が好ましい。
【０１５５】
ＥＬ層７００４は単数の層で構成されていても、複数の層が積層されていても良い。ＥＬ層７００４としては、図９（Ａ）のＥＬ層７０１４に用いることができる構成、及び材料を適用することができる。よって、詳細な説明はＥＬ層７０１４の説明を援用する。
【０１５６】
また、発光素子７００２は第１の電極７００３の一部を覆う隔壁７００９を備える。隔壁７００９は、図９（Ａ）の隔壁７０１９に用いることができる構成、及び材料を適用することができる。よって、詳細な説明は隔壁７０１９の説明を援用する。
【０１５７】
また、図９（Ｃ）において、発光素子駆動用トランジスタ７００１のソース電極層またはドレイン電極層は、保護絶縁層７０５２及び絶縁層７０５５に設けられたコンタクトホールを介して第１の電極７００３と電気的に接続する。平坦化絶縁層７０５３は、ポリイミド、アクリル、ベンゾシクロブテン、ポリアミド、エポキシ等の樹脂材料を用いることができる。また上記樹脂材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、平坦化絶縁層７０５３を形成してもよい。平坦化絶縁層７０５３の形成法は、特に限定されず、その材料に応じて、スパッタ法、ＳＯＧ法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法、スクリーン印刷、オフセット印刷等）等を用いることができる。
【０１５８】
また、図９（Ｃ）の構造においては、フルカラー表示を行う場合、例えば発光素子７００２として緑色発光素子とし、隣り合う一方の発光素子を赤色発光素子とし、もう一方の発光素子を青色発光素子とする。また、３種類の発光素子だけでなく白色素子を加えた４種類の発光素子でフルカラー表示ができる発光表示装置を作製してもよい。
【０１５９】
また、図９（Ｃ）の構造においては、配置する複数の発光素子を全て白色発光素子とし、且つ発光素子７００２上方にカラーフィルタなどを有する封止基板を配置する構成とし、フルカラー表示ができる発光表示装置を作製してもよい。白色などの単色の発光を示す材料を形成し、カラーフィルタや色変換層を組み合わせることによりフルカラー表示を行うことができる。
【０１６０】
もちろん単色発光の表示を行ってもよい。例えば、白色発光を用いて照明装置を形成してもよいし、単色発光を用いてエリアカラータイプの発光装置を形成してもよい。
【０１６１】
また、必要があれば、円偏光板などの偏光フィルムなどの光学フィルムを設けてもよい。
【０１６２】
なお、発光素子の駆動を制御するトランジスタ（発光素子駆動用トランジスタ）と発光素子が電気的に接続されている例を示したが、発光素子駆動用トランジスタと発光素子との間に電流制御用トランジスタが接続されている構成であってもよい。
【０１６３】
なお本実施の形態で示す半導体装置は、図９に示した構成に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【０１６４】
（実施の形態５）
本明細書に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器（遊技機も含む）に適用することができる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置（テレビ、またはテレビジョン受信機ともいう）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ等のカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などが挙げられる。上記実施の形態で説明した表示装置を具備する電子機器の例について説明する。
【０１６５】
図１０（Ａ）は、携帯型の情報端末であり、本体３００１、筐体３００２、表示部３００３ａ、３００３ｂなどによって構成されている。表示部３００３ｂはタッチ入力機能を有するパネルとなっており、表示部３００３ｂに表示されるキーボードボタン３００４を触れることで画面操作や、文字入力を行うことができる。勿論、表示部３００３ａをタッチ入力機能を有するパネルとして構成してもよい。実施の形態１で示したトランジスタ１１１をスイッチング素子として用い、実施の形態４に示す液晶パネルや有機発光パネルを作製して表示部３００３ａ、３００３ｂに適用することにより、携帯型の情報端末とすることができる。
【０１６６】
図１０（Ａ）は、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示する機能、カレンダー、日付又は時刻などを表示部に表示する機能、表示部に表示した情報を操作又は編集する機能、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、等を有することができる。また、筐体の裏面や側面に、外部接続用端子（イヤホン端子、ＵＳＢ端子など）、記録媒体挿入部などを備える構成としてもよい。
【０１６７】
また、図１０（Ａ）に示す携帯型の情報端末は、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。無線により、電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とすることも可能である。
【０１６８】
また、図１０（Ａ）に示す携帯型の情報端末は、２つの表示部３００３ａ、３００３ｂのうち、一方を取り外すことができ、取り外した場合の図を図１０（Ｂ）に示している。表示部３００３ａもタッチ入力機能を有するパネルとし、持ち運びの際、さらなる軽量化を図ることができ、片手で筐体３００２をもってもう片方の手で操作することができ、便利である。
【０１６９】
さらに、図１０（Ｂ）に示す筐体３００２にアンテナやマイク機能や無線機能を持たせ、携帯電話として用いてもよい。
【０１７０】
図１０（Ｃ）は、携帯電話の一例を示している。図１０（Ｃ）に示す携帯電話機５００５は、筐体に組み込まれた表示部５００１の他、ヒンジ５００２に取り付けられた表示パネル５００３、操作ボタン５００４、スピーカ、マイクなどを備えている。
【０１７１】
図１０（Ｃ）に示す携帯電話機５００５は、表示パネル５００３がスライドして、表示部５００１と重なるようになっており、透光性を有するカバーとしても機能する。表示パネル５００３は、実施の形態４の図９（Ｂ）に示した、基板側及び基板とは反対側の面から発光を取り出す両面射出構造の発光素子を用いた表示パネルである。
【０１７２】
また、両面射出構造の発光素子を用いた表示パネル５００３であるため、表示部５００１と重ねた状態でも表示を行うことができ、使用者はどちらも表示し、どちらの表示も視認することもできる。表示パネル５００３は透光性を有し、表示パネルの向こう側が透けて見えるパネルである。例えば、地図の表示を表示部５００１で行い、使用者の所在地ポイントを表示パネル５００３で表示することによって現在地を認識しやすい状態を提供することができる。
【０１７３】
また、携帯電話機５００５に撮像素子を設け、テレビ電話として使用する場合、複数の相手の顔を表示しながら、複数の相手と会話ができるため、テレビ会議なども行うことができる。例えば、表示パネル５００３に一人または複数の相手の顔を表示し、さらに表示部５００１にもう一人の顔を表示させることで、使用者は２人以上の顔を見ながら会話を行うことができる。
【０１７４】
また、表示パネル５００３に表示されたタッチ入力ボタン５００６を指などで触れることで、情報を入力することができる。また、電話を掛ける、或いはメールを打つなどの操作は、表示パネル５００３をスライドさせて、操作ボタン５００４を指などで触れることにより行うことができる。
【０１７５】
図１０（Ｄ）は、テレビジョン装置の一例を示している。テレビジョン装置９６００は、筐体９６０１に表示部９６０３が組み込まれている。表示部９６０３により、映像を表示することが可能である。また、ここでは、ＣＰＵを内蔵したスタンド９６０５により筐体９６０１を支持した構成を示している。実施の形態１で示したトランジスタ１１１を表示部９６０３に適用することにより、テレビジョン装置９６００とすることができる。
【０１７６】
テレビジョン装置９６００の操作は、筐体９６０１が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機により行うことができる。また、リモコン操作機に、当該リモコン操作機から出力する情報を表示する表示部を設ける構成としてもよい。
【０１７７】
なお、テレビジョン装置９６００は、受信機やモデムなどを備えた構成とする。受信機により一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線または無線による通信ネットワークに接続することにより、一方向（送信者から受信者）または双方向（送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など）の情報通信を行うことも可能である。
【０１７８】
また、テレビジョン装置９６００は、外部接続端子９６０４や、記憶媒体再生録画部９６０２、外部メモリスロットを備えている。外部接続端子９６０４は、ＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能であり、パーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能である。記憶媒体再生録画部９６０２では、ディスク状の記録媒体を挿入し、記録媒体に記憶されているデータの読み出し、記録媒体への書き込みが可能である。また、外部メモリスロットに差し込まれた外部メモリ９６０６にデータ保存されている画像や映像などを表示部９６０３に映し出すことも可能である。
【０１７９】
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。
【実施例１】
【０１８０】
成膜条件（８条件）を変えて、石英基板上に膜厚１００ｎｍの酸化物半導体層を成膜したサンプルをエリプソメータを用いて分析した。
【０１８１】
成膜条件は、基板温度４００℃、ターゲットとしてＩｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ数比］を用い、ガス流量を８種類とした。酸素ガス流量４０ｓｃｃｍの成膜条件、酸素ガス２０ｓｃｃｍと窒素ガス２０ｓｃｃｍの成膜条件、酸素ガス１５ｓｃｃｍと窒素ガス２５ｓｃｃｍの成膜条件、酸素ガス１０ｓｃｃｍと窒素ガス３０ｓｃｃｍの成膜条件、酸素ガス７ｓｃｃｍと窒素ガス３３ｓｃｃｍの成膜条件、酸素ガス５ｓｃｃｍと窒素ガス３５ｓｃｃｍの成膜条件、酸素ガス３ｓｃｃｍと窒素ガス３７ｓｃｃｍの成膜条件、窒素ガス４０ｓｃｃｍの成膜条件の８種類の成膜条件でそれぞれサンプルを作製した。
【０１８２】
８種類の成膜条件のサンプルに対してそれぞれエリプソメータを用いた分析により得られた光学バンドギャップを測定した。図１１は、酸化物半導体層のバンドギャップのガス流量比依存性を示すグラフである。
【０１８３】
また、ｎ型シリコンウェーハ上に膜厚１５ｎｍの酸化物半導体層を上記成膜条件（８条件）と同じ条件で成膜したサンプルを作製し、ＸＰＳで酸化物半導体層中の窒素濃度を測定した。図１２は、酸化物半導体層のバンドギャップの窒素濃度依存性を示すグラフである。図１２からは、酸化物半導体層の窒素濃度が４原子％未満ではバンドギャップはほとんど変わらず、酸化物半導体層の窒素濃度が４原子％以上を越えるとバンドギャップは線形に低下する傾向があることが読み取れる。なお、酸化物半導体層の窒素濃度が４原子％となる条件は、酸素ガス７ｓｃｃｍと窒素ガス３３ｓｃｃｍの成膜条件である。
【０１８４】
また、酸化物半導体層のシート抵抗を測定した。図１３は、膜のシート抵抗の窒素濃度依存性を示すグラフである。図１３では、酸化物半導体層の窒素濃度が４原子％以上を超えるとシート抵抗値は窒素濃度に比例して大きく低下することが読み取れる。なお、酸化物半導体層の窒素濃度が４原子％未満ではシート抵抗値は検出上限を越えるため測定不能であった。
【０１８５】
図１４にＸＲＤ分析結果を示す。サンプル１は、Ｎ２ガス流量比７５％の条件で成膜し、膜中の窒素濃度が３．５原子％である。また、サンプル２は、Ｎ２ガス流量比８２．５％の条件で成膜し、膜中の窒素濃度が４原子％である。サンプル３は、Ｎ２ガス流量比８７．５％の条件で成膜し、膜中の窒素濃度が４．８原子％である。サンプル４は、Ｎ２ガス流量比９２．５％の条件で成膜し、膜中の窒素濃度が６．６原子％である。サンプル５は、Ｎ２ガス流量比１００％の条件で成膜し、膜中の窒素濃度が１１．７原子％である。
【０１８６】
なお、窒素ガス４０ｓｃｃｍのみの成膜条件はサンプル５に相当し、酸化物半導体層中の窒素濃度は１１．７原子％である。
【０１８７】
図１４からは、図１１のバンドギャップが大きく低下するガス流量比で結晶化を示す２θ＝３０°付近のピークが大きくなることが読み取れる。以上の結果を考慮すれば、酸化物半導体層の窒素濃度に対するバンドギャップとシート抵抗、および結晶性には相関があることがわかる。
【符号の説明】
【０１８８】
１００：基板
１０１：下地絶縁層
１０２：酸化物半導体層
１０２ａ：窒素の高濃度領域
１０２ｂ：窒素の低濃度領域
１０３：ソース電極層
１０４：ドレイン電極層
１０５：ゲート絶縁層
１０６：ゲート電極層
１０７：保護絶縁層
１１０：トランジスタ
１１１：トランジスタ
１１２：トランジスタ
１１３：トランジスタ
１３０：基板
１３２：半導体膜
１３２ａ：第１の酸化物半導体膜
１３２ｂ：第２の酸化物半導体膜
３００１ 本体
３００２ 筐体
３００３ａ 表示部
３００３ｂ 表示部
３００４ キーボードボタン
５００１ 表示部
５００２ ヒンジ
５００３ 表示パネル
５００４ 操作ボタン
５００５ 携帯電話機
５００６ タッチ入力ボタン
７００１ 発光素子駆動用トランジスタ
７００２ 発光素子
７００３ 電極
７００４ ＥＬ層
７００５ 電極
７００８ 電極
７００９ 隔壁
７０１０ 基板
７０１１ 発光素子駆動用トランジスタ
７０１２ 発光素子
７０１４ ＥＬ層
７０１５ 電極
７０１６ 保護膜
７０１７ 電極
７０１９ 隔壁
７０２０ 基板
７０２１ 発光素子駆動用トランジスタ
７０２２ 発光素子
７０２４ ＥＬ層
７０２５ 電極
７０２７ 電極
７０２９ 隔壁
７０３０ ゲート絶縁層
７０３１ ゲート絶縁層
７０３２ 絶縁層
７０３３ カラーフィルタ層
７０３４ オーバーコート層
７０３５ 保護絶縁層
７０４０ ゲート絶縁層
７０４１ ゲート絶縁層
７０４２ 絶縁層
７０５２ 保護絶縁層
７０５３ 平坦化絶縁層
７０５５ 絶縁層
９６００ テレビジョン装置
９６０１ 筐体
９６０２ 記憶媒体再生録画部
９６０３ 表示部
９６０４ 外部接続端子
９６０５ スタンド
９６０６ 外部メモリ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲート電極層と、
該ゲート電極層と接する第１の絶縁層と、
該第１の絶縁層に接する酸化物半導体層と、
該酸化物半導体層に接する第２の絶縁層と、を有し、
前記酸化物半導体層は、ウルツ鉱型結晶構造を有し、且つ、前記第１の絶縁層に近いほど高くなる窒素濃度の濃度勾配を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
ゲート電極層と、
該ゲート電極層と接する第１の絶縁層と、
該第１の絶縁層に接する第１の酸化物半導体層と、
該第１の酸化物半導体層に接する第２の酸化物半導体層と、
該第２の酸化物半導体層に接する第２の絶縁層と、を有し、
前記第１の酸化物半導体層及び前記第２の酸化物半導体層は、ウルツ鉱型結晶構造を有し、且つ、前記第１の酸化物半導体層の窒素濃度は、前記第２の酸化物半導体層よりも高いことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項２において、前記第１の酸化物半導体層の窒素濃度は、０．１原子％以上７原子％未満であることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項２または請求項３において、前記第２の酸化物半導体層の窒素濃度は、１×１０１７／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３未満であることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
絶縁表面を有する基板上に窒素を含む絶縁膜を形成し、
前記窒素を含む絶縁膜が形成された基板を真空チャンバー内に導入し、
金属酸化物ターゲットが設けられた前記真空チャンバー内に窒素ガスを導入して、基板温度が１５０℃以上４５０℃以下の第１の成膜条件により窒素を含む第１の酸化物半導体膜を成膜し、
前記真空チャンバー内に窒素ガスを導入して、基板温度が１５０℃以上４５０℃以下の第２の成膜条件により前記第１の酸化物半導体膜上に接して窒素を含む第２の酸化物半導体膜を成膜する半導体装置の作製方法。
【請求項６】
絶縁表面を有する基板上にゲート電極層を形成し、
前記ゲート電極層上に窒素を含む絶縁膜を形成し、
前記ゲート電極層及び前記窒素を含む絶縁膜が形成された基板を真空チャンバー内に導入し、
金属酸化物ターゲットが設けられた前記真空チャンバー内に窒素ガスを導入して、基板温度が１５０℃以上４５０℃以下の第１の成膜条件により窒素を含む第１の酸化物半導体膜を成膜し、
前記真空チャンバー内に窒素ガスを導入して、基板温度が１５０℃以上４５０℃以下の第２の成膜条件により前記第１の酸化物半導体膜上に接して窒素を含む第２の酸化物半導体膜を成膜する半導体装置の作製方法。
【請求項７】
請求項５または請求項６において、さらに、前記第２の成膜条件での成膜後に、１５０℃以上６５０℃以下の加熱処理を行う半導体装置の作製方法。
【請求項８】
請求項５乃至７のいずれか一において、前記第１の成膜条件において、前記真空チャンバーに導入するスパッタガスの全流量比に対する窒素ガス流量の割合は９０％以上１００％以下である半導体装置の作製方法。
【請求項９】
請求項５乃至８のいずれか一において、前記第１の成膜条件における前記窒素ガスは加熱された状態で前記真空チャンバーに導入される半導体装置の作製方法。
【請求項１０】
請求項５乃至９のいずれか一において、前記第２の成膜条件におけるスパッタガスは、窒素ガスの他に、酸素ガスまたは希ガスを導入する半導体装置の作製方法。
【請求項１１】
請求項５乃至１０のいずれか一において、前記窒素を含む絶縁膜を形成した後、前記窒素を含む絶縁膜の表面に窒素プラズマ処理を行う半導体装置の作製方法。
【請求項１２】
請求項５乃至１０のいずれか一において、前記窒素を含む絶縁膜は、窒素プラズマ処理を行って絶縁膜の表面に窒素を添加して形成された膜であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１】
ゲート電極層と、
該ゲート電極層と接する第１の絶縁層と、
該第１の絶縁層に接する酸化物半導体層と、
該酸化物半導体層に接する第２の絶縁層と、を有し、
前記酸化物半導体層は、ウルツ鉱型結晶構造を有し、且つ、前記第１の絶縁層に近いほど高くなる窒素濃度の濃度勾配を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
ゲート電極層と、
該ゲート電極層と接する第１の絶縁層と、
該第１の絶縁層に接する第１の酸化物半導体層と、
該第１の酸化物半導体層に接する第２の酸化物半導体層と、
該第２の酸化物半導体層に接する第２の絶縁層と、を有し、
前記第１の酸化物半導体層及び前記第２の酸化物半導体層は、ウルツ鉱型結晶構造を有し、且つ、前記第１の酸化物半導体層の窒素濃度は、前記第２の酸化物半導体層よりも高いことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項２において、前記第１の酸化物半導体層の窒素濃度は、０．１原子％以上７原子％未満であることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項２または請求項３において、前記第２の酸化物半導体層の窒素濃度は、１×１０１７／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３未満であることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
絶縁表面を有する基板上に窒素を含む絶縁膜を形成し、
前記窒素を含む絶縁膜が形成された基板を真空チャンバー内に導入し、
金属酸化物ターゲットが設けられた前記真空チャンバー内に窒素ガスを導入して、基板温度が１５０℃以上４５０℃以下の第１の成膜条件により窒素を含む第１の酸化物半導体膜を成膜し、
前記真空チャンバー内に窒素ガスを導入して、基板温度が１５０℃以上４５０℃以下の第２の成膜条件により前記第１の酸化物半導体膜上に接して窒素を含む第２の酸化物半導体膜を成膜する半導体装置の作製方法。
【請求項６】
絶縁表面を有する基板上にゲート電極層を形成し、
前記ゲート電極層上に窒素を含む絶縁膜を形成し、
前記ゲート電極層及び前記窒素を含む絶縁膜が形成された基板を真空チャンバー内に導入し、
金属酸化物ターゲットが設けられた前記真空チャンバー内に窒素ガスを導入して、基板温度が１５０℃以上４５０℃以下の第１の成膜条件により窒素を含む第１の酸化物半導体膜を成膜し、
前記真空チャンバー内に窒素ガスを導入して、基板温度が１５０℃以上４５０℃以下の第２の成膜条件により前記第１の酸化物半導体膜上に接して窒素を含む第２の酸化物半導体膜を成膜する半導体装置の作製方法。
【請求項７】
請求項５または請求項６において、さらに、前記第２の成膜条件での成膜後に、１５０℃以上６５０℃以下の加熱処理を行う半導体装置の作製方法。
【請求項８】
請求項５乃至７のいずれか一において、前記第１の成膜条件において、前記真空チャンバーに導入するスパッタガスの全流量比に対する窒素ガス流量の割合は９０％以上１００％以下である半導体装置の作製方法。
【請求項９】
請求項５乃至８のいずれか一において、前記第１の成膜条件における前記窒素ガスは加熱された状態で前記真空チャンバーに導入される半導体装置の作製方法。
【請求項１０】
請求項５乃至９のいずれか一において、前記第２の成膜条件におけるスパッタガスは、窒素ガスの他に、酸素ガスまたは希ガスを導入する半導体装置の作製方法。
【請求項１１】
請求項５乃至１０のいずれか一において、前記窒素を含む絶縁膜を形成した後、前記窒素を含む絶縁膜の表面に窒素プラズマ処理を行う半導体装置の作製方法。
【請求項１２】
請求項５乃至１０のいずれか一において、前記窒素を含む絶縁膜は、窒素プラズマ処理を行って絶縁膜の表面に窒素を添加して形成された膜であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【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】
【公開番号】特開２０１２−１３４４６９（Ｐ２０１２−１３４４６９Ａ）
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５５８４３（Ｐ２０１１−２５５８４３）
【出願日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
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