半導体装置およびその作製方法
【課題】酸化物半導体層と該酸化物半導体層と接する絶縁膜との界面状態が良好なトランジスタ及びその作製方法を提供することを課題の一つとする。
【解決手段】酸化物半導体層と該酸化物半導体層と接する絶縁膜（ゲート絶縁層）との界面状態を良好とするために、酸化物半導体層の界面近傍に窒素を添加する。具体的には酸化物半導体層に窒素の濃度勾配を作り、窒素を多く含む領域をゲート絶縁層との界面に設ける。この窒素の添加によって、酸化物半導体層の界面近傍に結晶性の高い領域を形成でき、安定した界面状態を得ることができる。
【解決手段】酸化物半導体層と該酸化物半導体層と接する絶縁膜（ゲート絶縁層）との界面状態を良好とするために、酸化物半導体層の界面近傍に窒素を添加する。具体的には酸化物半導体層に窒素の濃度勾配を作り、窒素を多く含む領域をゲート絶縁層との界面に設ける。この窒素の添加によって、酸化物半導体層の界面近傍に結晶性の高い領域を形成でき、安定した界面状態を得ることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
酸化物半導体を用いる半導体装置及びその作製方法に関する。
【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、半導体回路およ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（厚さ数ｎｍ以上数百ｎｍ以下程度）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。酸化インジウムはよく知られた材料であり、液晶ディスプレイなどで必要とされる透光性を有する電極材料として用いられている。
【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、酸化スズ、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】
トランジスタの電気的特性は、酸化物半導体層と、該酸化物半導体層と接する絶縁膜との界面状態に影響されやすい。トランジスタの製造中または製造後において、酸化物半導体層が絶縁膜と接する界面、即ち、酸化物半導体層のゲート電極側の界面が非晶質状態であると、トランジスタの電気的特性の低下を招く恐れがある。
【０００７】
そこで、本発明は、酸化物半導体層と該酸化物半導体層と接する絶縁膜との界面、即ち、酸化物半導体層のゲート電極側の界面状態が良好なトランジスタ及びその作製方法を提供することを課題の一つとする。
【０００８】
また、本発明は、電気的特性のバラツキの少ないトランジスタ及びその作製方法を提供することも課題の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
酸化物半導体層と該酸化物半導体層と接する絶縁膜（ゲート絶縁層）との界面状態を良好とするために、酸化物半導体層の界面近傍に窒素を添加する。具体的には酸化物半導体層に窒素の濃度勾配を作り、窒素を多く含む領域をゲート絶縁層との界面に設ける。この窒素の添加によって、酸化物半導体層の界面近傍に結晶性の高い領域を形成でき、安定した界面状態を得ることができる。
【００１０】
また、酸化物半導体層を積層構造とし、窒素を含む酸化物半導体層をゲート絶縁層との界面に設けてもよい。酸化物半導体層を積層構造とする場合、窒素を含む酸化物半導体層の膜厚は０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以上５ｎｍ以下とする。
【００１１】
また、酸化物半導体層と該酸化物半導体層と接する絶縁膜（保護絶縁層）との界面近傍は、酸素を多く含む領域とすることが好ましい。具体的には酸化物半導体層に酸素の濃度勾配を作り、酸素を多く含む領域を保護絶縁層との界面に設ける。
【００１２】
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、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し、且つ、第２の絶縁層に近いほど高くなる酸素濃度の濃度勾配を有する半導体装置である。
【００１３】
上記構成において、酸化物半導体層のうち、第１の絶縁層との界面近傍の領域は他の領域に比べて結晶性が高いことを特徴の一つとする。ただし、酸化物半導体層は非単結晶であり、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、酸化物半導体層内に少なくともｃ軸配向を有する結晶（ＣＡＡＣ：Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌともいう。）を有する。この結晶は、ｃ軸配向し、かつａｂ面、表面または界面の方向から見て三角形状または六角形状の原子配列を有し、ｃ軸においては金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に配列しており、ａｂ面においてはａ軸またはｂ軸の向きが異なる（ｃ軸を中心に回転）。酸化物半導体層のうち、ゲート電極層と接する第１の絶縁層との界面近傍の領域は、ｃ軸配向したウルツ鉱型の結晶構造を有し、第２の絶縁層との界面近傍の領域は、ウルツ鉱型とは異なる第２の結晶型の六方晶系の結晶を含む。なお、本明細書においては、六方晶の結晶構造は六晶系（Ｃｒｙｓｔａｌ ｆａｍｉｌｙ）におけるものを指し、七晶系（Ｃｒｙｓｔａｌ ｓｙｓｔｅｍ）の三方晶と六方晶を含む。
【００１４】
第２の結晶型の六方晶系の結晶としては、ＹｂＦｅ２Ｏ４型構造、Ｙｂ２Ｆｅ３Ｏ７型構造及びその変形型構造をその例に挙げることができる。
【００１５】
上記構成において、第１の絶縁層と酸化物半導体層の界面近傍の窒素濃度は、５×１０１９／ｃｍ３以上２０原子％以下であり、好ましくは１×１０２０／ｃｍ３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の絶縁層と酸化物半導体層の界面近傍の窒素濃度は、１×１０１７／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３未満であることを特徴の一つとする。酸化物半導体層において、窒素を多く含む領域は、窒素を多く含まない領域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。従って、トランジスタにおいて、酸化物半導体層のキャリアが流れる領域に窒素を多く含ませ、キャリアが流れていない領域に含まれる窒素を少なくする構造とする。
【００１６】
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。
【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。
【発明の効果】
【００１８】
トランジスタの酸化物半導体層において、窒素を含む領域の結晶性は、窒素を含まない領域に比べて高く、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。
【００１９】
酸化物半導体層と接する絶縁膜との界面状態を良好なものとすることで、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。ゲート絶縁層との界面近傍の領域は他の領域に比べて結晶性が高く、均一性も高いため、電気的特性のバラツキの少ないトランジスタを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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】本発明の一態様を示す窒素濃度プロファイルのモデル図の一例である。
【図５】本発明の一態様を示す積層構造を説明する図である。
【図６】本発明の一態様を示すウルツ鉱型の結晶構造を説明する模式図である。
【図７】本発明の一態様を示す異なる結晶構造の界面を説明する模式図である。
【図８】実施の形態に係わる結晶構造を説明するＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭの実観察像である。
【図９】実施の形態に係わる結晶構造を説明するＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭの実観察像である。
【図１０】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１１】本発明の一態様を示す断面図である。
【図１２】電子機器の一態様を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
（実施の形態１）
本実施の形態では、図１（Ａ）に示すトップゲート型トランジスタの作製方法の一例を以下に示す。
【００２３】
まず、基板１００上に下地絶縁層１０１を形成する。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。酸化物半導体層１０２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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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、酸素の高濃度領域１０２ａ、中間領域１０２ｂ、窒素の高濃度領域１０２ｃを形成する。
【００３６】
例えば、酸素の高濃度領域１０２ａは、酸素ガスのみを用いてスパッタ法により成膜する。中間領域１０２ｂは、酸素ガスと希ガスの混合雰囲気、酸素と窒素の混合雰囲気、希ガスのみの雰囲気でのスパッタ法により形成する。中間領域１０２ｂの膜厚は、窒素の高濃度領域１０２ｃの膜厚よりも厚くする。窒素の高濃度領域１０２ｃは窒素ガスのみを用いてスパッタ法により成膜する。真空チャンバーに導入するガスの種類を切り換えることで酸素の高濃度領域１０２ａ、中間領域１０２ｂ、窒素の高濃度領域１０２ｃをそれぞれ形成することができるため、窒素濃度や酸素濃度を制御しやすく量産性に優れている。なお、窒素の高濃度領域１０２ｃの膜厚が１０ｎｍよりも厚い場合、窒素の高濃度領域１０２ｃが導電領域として機能する恐れがあるため、窒素の高濃度領域１０２ｃの厚さは１０ｎｍ以下とする。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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、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。
【００４０】
なお、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。
【００４１】
また、酸素濃度のプロファイルを図２（Ｂ）に示すように成膜条件を適宜調節することもできる。図２（Ｂ）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酸素濃度のプロファイルを示す模式図である。図２（Ｂ）において、酸素濃度はゲート絶縁層側の領域が最も低く、ゲート絶縁層から遠ざかるにつれて酸素濃度が連続的に高くなる濃度勾配を有している。なお、図２（Ｂ）において、点線で示した曲線は窒素濃度を示している。ただし、図２（Ｂ）において窒素濃度と酸素濃度はそれぞれ異なる濃度であり、図２（Ｂ）の窒素濃度プロファイルと酸素濃度のプロファイルはそれぞれの相対関係を示している模式図であり、どちらの濃度が高い、若しくは低いなどを示しているものではない。
【００４２】
例えば、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。図３（Ａ）において第１の絶縁層がゲート絶縁層であり、第２の絶縁層が下地絶縁層である。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３（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。また、窒素の高濃度領域１０２ｃの結晶性は高いため、中間領域１０２ｂとの境界をＴＥＭ写真などで確認することができる。一方、酸素の高濃度領域１０２ａと中間領域１０２ｂとの境界は、ＴＥＭ写真などで確認することが困難である。
【００４３】
また、酸素濃度のプロファイルを図３（Ｂ）に示すように成膜条件を適宜調節することもできる。図３（Ｂ）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酸素濃度のプロファイルを示す模式図である。図３（Ｂ）において、酸素濃度はゲート絶縁層側が最も低く、ゲート絶縁層から遠ざかるにつれて酸素濃度が階段状に高くなる濃度勾配を有している。なお、図３（Ｂ）において、点線で示した曲線は窒素濃度を示している。ただし、図３（Ｂ）において窒素濃度と酸素濃度はそれぞれ異なる濃度であり、図３（Ｂ）の窒素濃度プロファイルと酸素濃度のプロファイルはそれぞれの相対関係を示している模式図であり、どちらの濃度が高い、若しくは低いなどを示しているものではない。
【００４４】
また、窒素の高濃度領域１０２ｃは、中間領域１０２ｂと同じ条件で成膜した後に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く、その場合においては図４（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、中間領域１０２ｂと同じ条件で成膜を行ったスパッタ成膜室内で行ってもよいし、その後に形成するゲート絶縁層を形成するプラズマＣＶＤ装置内でゲート絶縁層を形成する前に窒素プラズマ処理を行ってもよい。
【００４５】
具体的には、ゲート絶縁層と酸化物半導体層１０２の界面近傍の窒素濃度、即ち、窒素の高濃度領域１０２ｃ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。
【００４６】
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４（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４（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。
【００４７】
また、具体的には、下地絶縁層と酸化物半導体層１０２の界面近傍の窒素濃度、即ち、酸素の高濃度領域１０２ａの窒素濃度は、１×１０１７／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３未満とする。
【００４８】
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）或いは図３（Ａ）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１１０は、ゲート絶縁層の界面近傍に窒素の高濃度領域１０２ｃを有し、その窒素の高濃度領域１０２ｃ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。従って、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１１０を得ることができる。ゲート絶縁層との界面近傍の領域は他の領域に比べて結晶性が高く、均一性も高いため、電気的特性のバラツキの少ないトランジスタ１１０を得ることができる。
【００４９】
また、窒素の高濃度領域１０２ｃに含まれる結晶は、六方晶のウルツ鉱型結晶構造であり、中間領域１０２ｂに含まれる結晶は、ウルツ鉱型でない六方晶の結晶構造（第２の結晶型結晶構造）である。ウルツ鉱型結晶構造と第２の結晶型結晶構造はともに六方晶であるので、ｃ軸方向からは六角形の格子像を確認できる。なお、中間領域１０２ｂの窒素濃度を高くすることによって中間領域１０２ｂもウルツ鉱型結晶構造とすることもできる。
【００５０】
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を作製することで、光照射試験前後、またはバイアス−熱ストレス（ＢＴ）試験前後においてもトランジスタのしきい値電圧の変化量が低減でき、安定した電気的特性を有するトランジスタを作製することができる。
【００５１】
（実施の形態２）
実施の形態１ではトップ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（Ｂ）に示すボトム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。
【００５２】
まず、基板１００上にゲート電極層１０６を形成する。
【００５３】
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。
【００５４】
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、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より高い窒素濃度のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、具体的には７原子％以上のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を用いる。
【００５５】
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。また、ゲート絶縁層１０５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。
【００５６】
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１０２ｃである。窒素の高濃度領域１０２ｃ上には中間領域１０２ｂを形成し、その上には酸素の高濃度領域１０２ａを形成する。
【００５７】
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。
【００５８】
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及びドレイン電極層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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
保護絶縁層１０７の形成前、必要であれば、酸素プラズマ処理を行い、酸化物半導体層１０２の露出部に酸素を添加してもよい。
【００６３】
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。
【００６４】
以上の工程で図１（Ｂ）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。
【００６５】
図１（Ｂ）に示すトランジスタ１１１においても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。ただし、実施の形態１と異なりボトムゲート構造であり、酸化物半導体層は第１の絶縁層であるゲート絶縁層と第２の絶縁層である保護絶縁層で挟まれている。
【００６６】
具体的には、ゲート絶縁層と酸化物半導体層１０２の界面近傍の窒素濃度、即ち、窒素の高濃度領域１０２ｃの窒素濃度は、５×１０１９／ｃｍ３以上２０原子％以下であり、好ましくは１×１０２０／ｃｍ３以上７原子％未満とする。
【００６７】
また、具体的には、保護絶縁層と酸化物半導体層１０２の界面近傍の窒素濃度、即ち、酸素の高濃度領域１０２ａ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。
【００６８】
また、酸素濃度のプロファイルを図２（Ｂ）に示すように成膜条件を適宜調節することもできる。
【００６９】
また、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３（Ａ）に示す窒素濃度のプロファイルとすることもできる。また、酸素濃度のプロファイルを図３（Ｂ）に示すように成膜条件を適宜調節することもできる。
【００７０】
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）或いは図３（Ａ）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１０２ｃを有し、その窒素の高濃度領域１０２ｃ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。従って、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１１１を得ることができる。ゲート絶縁層との界面近傍の領域は他の領域に比べて結晶性が高く、均一性も高いため、電気的特性のバラツキの少ないトランジスタ１１１を得ることができる。なお、窒素の高濃度領域１０２ｃに含まれる結晶は、六方晶のウルツ鉱型結晶構造であり、中間領域１０２ｂに含まれる結晶は、ウルツ鉱型でない六方晶の結晶構造（第２の結晶型結晶構造）である。なお、中間領域１０２ｂの窒素濃度を高くすることによって中間領域１０２ｂもウルツ鉱型結晶構造とすることもできる。
【００７１】
また、本実施の形態は、図１（Ｂ）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（Ｃ）に示すトランジスタ１１２や、図１（Ｄ）に示すトランジスタ１１３に適用することができる。
【００７２】
図１（Ｃ）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。
【００７３】
また、図１（Ｄ）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。
【００７４】
また、本実施の形態は、実施の形態１と自由に組み合わせることができる。
【００７５】
（実施の形態３）
本実施の形態では、ウルツ鉱型（第１の結晶型）の結晶を含む酸化物半導体膜と、第１の結晶型とは異なる第２の結晶型の六方晶系の異方性結晶を含む酸化物半導体膜の積層について図５乃至図９を参照して説明する。
【００７６】
本実施の形態で例示する異なる結晶構造の積層を有する半導体膜の断面模式図を図５に示す。
【００７７】
半導体膜１３２は、基板１３０に設けられた絶縁層１３１上に酸素の高濃度領域１３２ａ、中間領域１３２ｂ、窒素の高濃度領域１３２ｃを順に積層した構造を有する。その態様を図５（Ａ）に図示している。
【００７８】
また、図５（Ｂ）では基板１００上に窒素の高濃度領域１３２ｃ、中間領域１３２ｂ、酸素の高濃度領域１３２ａを順に積層した構造を有する。
【００７９】
図５（Ａ）及び図５（Ｂ）のいずれにおいても、窒素の高濃度領域１３２ｃは、その他の領域である中間領域１３２ｂ、酸素の高濃度領域１３２ａよりも結晶性が高い。
【００８０】
窒素の高濃度領域１３２ｃは、ｃ軸配向し、且つ、ウルツ鉱型の結晶構造を有する。ウルツ鉱型の結晶構造を、図６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６（Ａ）に、ｃ軸方向を縦方向とする構造を図６（Ｂ）に示す。
【００８１】
ウルツ鉱型の結晶構造を備える結晶としては、例えば窒化インジウム、窒化ガリウム等をその例に挙げることができる。また、窒素を含む酸化物半導体もウルツ鉱型の結晶を含む膜となる場合がある。
【００８２】
具体的には、窒素を５×１０１９／ｃｍ３以上、好ましくは１×１０２０／ｃｍ３以上７原子％未満含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜は、ｃ軸配向し、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。
【００８３】
一方、中間領域１３２ｂ、及び酸素の高濃度領域１３２ａは、ｃ軸配向し、且つ、第２の結晶型の六方晶系の結晶構造を有する。
【００８４】
例えば、窒素を１×１０１７／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜はｃ軸配向し、且つ第２の結晶型の六方晶系の結晶を含む膜となる。第２の結晶型の六方晶系の結晶を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜は、ａ−ｂ面にＩｎ−Ｏの結晶面（インジウムと酸素を含む結晶面）を備え、Ｉｎ−Ｏの結晶面とＩｎ−Ｏの結晶面との間に、ＧａおよびＺｎを有する二つの層を備える。なお、ＧａおよびＺｎを有する二つの層において、ＧａおよびＺｎは一方の層または双方の層に有すればよく、その位置は限定されない。
【００８５】
ウルツ鉱型の結晶構造および第２の結晶型の六方晶系の結晶構造は、いずれも六方晶系であり、ａ−ｂ面において原子が六角形に位置する。そして、第２の結晶型の六方晶系の結晶がウルツ鉱型の結晶に接し、第２の結晶型の六方晶系の結晶がウルツ鉱型の結晶に整合する。
【００８６】
ウルツ鉱型の結晶上に、格子定数を同じくする第２の結晶型の六方晶系の結晶が整合する様子を図７に示す。第２の結晶型の六方晶系の構造を図７（Ａ）に示し、ウルツ鉱型の結晶の構造を図７（Ｂ）に示す。また、第２の結晶型の六方晶系の結晶がウルツ鉱型の結晶に接して、第２の結晶型の六方晶系の結晶がウルツ鉱型の結晶に整合する模式図を図７（Ｃ）に模式的に示す。なお、この積層構造は、図５（Ｂ）に対応している。
【００８７】
従って、結晶性が高く、結晶化が容易なウルツ鉱型の結晶を含む窒素の高濃度領域１３２ｃを形成し、次いで当該窒素の高濃度領域１３２ｃに接して中間領域１３２ｂを形成する構成とすることにより、窒素の高濃度領域１３２ｃに含まれるウルツ鉱型の結晶が該中間領域１３２ｂの結晶化を容易にするという効果を奏する。
【００８８】
次に、窒素の高濃度領域１３２ｃについて説明する。窒素の高濃度領域１３２ｃはｃ軸配向し、且つ、ウルツ鉱型の結晶を含む。特に、窒素の高濃度領域１３２ｃは他の領域に比べて結晶性が高く、結晶化し易い材料を用いる。
【００８９】
窒素の高濃度領域１３２ｃに含まれるウルツ鉱型の結晶について説明する。
【００９０】
ウルツ鉱型の結晶構造を備える材料としては、例えば窒化インジウム、窒化ガリウム等をその例に挙げることができる。また、窒素を５×１０１９／ｃｍ３以上、好ましくは１×１０２０／ｃｍ３以上７原子％未満含む酸化物半導体もウルツ鉱型の結晶を含む膜となる場合がある。
【００９１】
なお、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。
【００９２】
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８（Ａ）に示す。
【００９３】
また、窒素のみを含む成膜ガスを用いて成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭの実観察像を図８（Ｂ）に示す。
【００９４】
図８（Ａ）に示すＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭの像、または図８（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。
【００９５】
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Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［ａｔｏｍ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。
【００９６】
次に、中間領域１３２ｂ、及び酸素の高濃度領域１３２ａについて説明する。中間領域１３２ｂ、及び酸素の高濃度領域１３２ａは、少なくともｃ軸配向し、且つ、第２の結晶型の六方晶系の結晶を含む。
【００９７】
第２の結晶型の六方晶系の異方性結晶について説明する。
【００９８】
第２の結晶型（非ウルツ鉱型）の六方晶系の結晶としては、ＹｂＦｅ２Ｏ４型構造、Ｙｂ２Ｆｅ３Ｏ７型構造及びその変形型構造をその例に挙げることができる。例えば、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏは、第２の結晶型の六方晶系の結晶を備え、中間領域１３２ｂ、及び酸素の高濃度領域１３２ａに用いることができる。なお、中間領域１３２ｂ、及び酸素の高濃度領域１３２ａに用いることができるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜は、窒素を１×１０１７／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下含んでいても良い。
【００９９】
三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏには、ＹｂＦｅ２Ｏ４型構造であるＩｎＧａＺｎＯ４や、Ｙｂ２Ｆｅ３Ｏ７型構造であるＩｎ２Ｇａ２ＺｎＯ７等があり、その変形型構造をとりうる（Ｍ． Ｎａｋａｍｕｒａ， Ｎ． Ｋｉｍｉｚｕｋａ， ａｎｄ Ｔ． Ｍｏｈｒｉ、「Ｔｈｅ Ｐｈａｓｅ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｉｎ２Ｏ３−Ｇａ２ＺｎＯ４−ＺｎＯ Ｓｙｓｔｅｍ ａｔ １３５０℃」、Ｊ． Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｈｅｍ．、１９９１、Ｖｏｌ．９３， ｐ．２９８−３１５）。なお、ＹｂＦｅ２Ｏ４型構造は、Ｙｂを含む層をＡ層としＦｅを含む層をＢ層とすると、ＡＢＢ｜ＡＢＢ｜ＡＢＢ｜の繰り返し構造を有し、その変形構造としては、例えば、ＡＢＢＢ｜ＡＢＢＢ｜の繰り返し構造を挙げることができる。また、Ｙｂ２Ｆｅ３Ｏ７型構造は、ＡＢＢ｜ＡＢ｜ＡＢＢ｜ＡＢ｜の繰り返し構造を有し、その変形構造としては、例えば、ＡＢＢＢ｜ＡＢＢ｜ＡＢＢＢ｜ＡＢＢ｜ＡＢＢＢ｜ＡＢＢ｜の繰り返し構造を挙げることができる。
【０１００】
また、中間領域１３２ｂ、及び酸素の高濃度領域１３２ａに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。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）を含む酸化物膜である。
【０１０１】
なお、第２の結晶型の六方晶系の結晶構造のＨＡＡＤＦ（ｈｉｇｈ−ａｎｇｌｅ ａｎｎｕｌａｒ ｄａｒｋ ｆｉｅｌｄ）−ＳＴＥＭの実観察像には、３つに一つの明暗を伴う回折像が観察される場合がある。
【０１０２】
第２の結晶型の六方晶系の結晶構造に基づいて計算により得たＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭの像を図９（Ａ）に示す。
【０１０３】
また、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭの実観察像を図９（Ｂ）に示す。
【０１０４】
図９（Ａ）に示すＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭの像、または図９（Ｂ）に示すＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭの実観察像は、いずれも３つに一つの明暗を伴っており、９周期性の層構造を有する第２の結晶型の六方晶系の結晶構造を有することが確認できる。
【０１０５】
なお、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Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［ａｔｏｍ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酸素のみとし、成膜室に４０ｓｃｃｍの流量で流した。
【０１０６】
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【０１０７】
（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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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１０（Ａ）に示す。表示装置の基板上５３００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。
【０１１０】
図１０（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。
【０１１１】
また、画素部の回路構成の一例を図１０（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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
なお、図１０（Ｂ）に示す画素構成は、これに限定されない。例えば、図１０（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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
また、画素部の回路構成の一例を図１０（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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
図１０（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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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１０（Ｃ）と同じ画素構成を用いることができる。
【０１３０】
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。
【０１３１】
なお、図１０（Ｃ）に示す画素構成は、これに限定されない。例えば、図１０（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。
【０１３２】
次に、発光素子の構成について、図１１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１１（Ａ）、図１１（Ｂ）、及び図１１（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、ゲート絶縁層と酸化物半導体層の界面に高濃度の窒素を含むトランジスタである。
【０１３３】
発光素子の第１の電極または第２の電極の少なくとの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１０（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。
【０１３４】
下面射出構造の発光素子について、図１１（Ａ）を用いて説明する。下面射出構造の発光素子は、図１１（Ａ）に矢印で示す方向に光を発する。
【０１３５】
図１１（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２に示すトランジスタ１１１を用いる例を示しているが、特に限定されない。
【０１３６】
図１１（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が順に積層されている。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
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。
【０１４０】
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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
また、発光素子７０１２は第１の電極７０１７の端部を覆う隔壁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。
【０１４４】
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１１（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、第２のゲート絶縁層７０３１、第１のゲート絶縁層７０３０、及び基板７０１０を通過して、射出される。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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１１（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。
【０１４７】
また、第２のゲート絶縁層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。
【０１４８】
次に、両面射出構造の発光素子について、図１１（Ｂ）を用いて説明する。両面射出構造の発光素子は、図１１（Ｂ）に矢印で示す方向に光を発する。
【０１４９】
図１１（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２に示すトランジスタ１１１を用いる例を示しているが、特に限定されない。
【０１５０】
図１１（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。
【０１５１】
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１１（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。
【０１５２】
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。
【０１５３】
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１１（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。
【０１５４】
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１１（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。
【０１５５】
また、図１１（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、第２のゲート絶縁層７０４１、絶縁層７０４２、第１のゲート絶縁層７０４０、及び基板７０２０を通過して射出させる。
【０１５６】
また、図１１（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。
【０１５７】
次に、上面射出構造の発光素子について、図１１（Ｃ）を用いて説明する。上面射出構造の発光素子は、図１１（Ｃ）に矢印で示す方向に光を発する。
【０１５８】
図１１（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２に示すトランジスタ１１１を用いる例を示しているが、特に限定されない。
【０１５９】
図１１（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。
【０１６０】
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。
【０１６１】
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１１（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。
【０１６２】
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。
【０１６３】
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１１（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。
【０１６４】
また、発光素子７００２は第１の電極７００３の端部を覆う隔壁７００９を備える。隔壁７００９は、図１１（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。
【０１６５】
また、図１１（Ｃ）において、発光素子駆動用トランジスタ７００１のソース電極またはドレイン電極は、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。
【０１６６】
また、図１１（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。
【０１６７】
また、図１１（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。
【０１６８】
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。
【０１６９】
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。
【０１７０】
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。
【０１７１】
なお本実施の形態で示す半導体装置は、図１１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。
【０１７２】
（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。
【０１７３】
図１２（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１１０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。
【０１７４】
図１２（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。
【０１７５】
また、図１２（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。
【０１７６】
また、図１２（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１２（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。
【０１７７】
さらに、図１２（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。
【０１７８】
図１２（Ｃ）は、携帯電話の一例を示している。図１２（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。
【０１７９】
図１２（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１１（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。
【０１８０】
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。
【０１８１】
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。
【０１８２】
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。
【０１８３】
図１２（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２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。
【０１８４】
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。
【０１８５】
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。
【０１８６】
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。
【０１８７】
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。
【符号の説明】
【０１８８】
１００：基板
１０１：下地絶縁層
１０２：酸化物半導体層
１０２ａ：酸素の高濃度領域
１０２ｂ：中間領域
１０２ｃ：窒素の高濃度領域
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
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
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 遮蔽膜
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】
酸化物半導体を用いる半導体装置及びその作製方法に関する。
【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、半導体回路およ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（厚さ数ｎｍ以上数百ｎｍ以下程度）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。酸化インジウムはよく知られた材料であり、液晶ディスプレイなどで必要とされる透光性を有する電極材料として用いられている。
【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、酸化スズ、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】
トランジスタの電気的特性は、酸化物半導体層と、該酸化物半導体層と接する絶縁膜との界面状態に影響されやすい。トランジスタの製造中または製造後において、酸化物半導体層が絶縁膜と接する界面、即ち、酸化物半導体層のゲート電極側の界面が非晶質状態であると、トランジスタの電気的特性の低下を招く恐れがある。
【０００７】
そこで、本発明は、酸化物半導体層と該酸化物半導体層と接する絶縁膜との界面、即ち、酸化物半導体層のゲート電極側の界面状態が良好なトランジスタ及びその作製方法を提供することを課題の一つとする。
【０００８】
また、本発明は、電気的特性のバラツキの少ないトランジスタ及びその作製方法を提供することも課題の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
酸化物半導体層と該酸化物半導体層と接する絶縁膜（ゲート絶縁層）との界面状態を良好とするために、酸化物半導体層の界面近傍に窒素を添加する。具体的には酸化物半導体層に窒素の濃度勾配を作り、窒素を多く含む領域をゲート絶縁層との界面に設ける。この窒素の添加によって、酸化物半導体層の界面近傍に結晶性の高い領域を形成でき、安定した界面状態を得ることができる。
【００１０】
また、酸化物半導体層を積層構造とし、窒素を含む酸化物半導体層をゲート絶縁層との界面に設けてもよい。酸化物半導体層を積層構造とする場合、窒素を含む酸化物半導体層の膜厚は０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以上５ｎｍ以下とする。
【００１１】
また、酸化物半導体層と該酸化物半導体層と接する絶縁膜（保護絶縁層）との界面近傍は、酸素を多く含む領域とすることが好ましい。具体的には酸化物半導体層に酸素の濃度勾配を作り、酸素を多く含む領域を保護絶縁層との界面に設ける。
【００１２】
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、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し、且つ、第２の絶縁層に近いほど高くなる酸素濃度の濃度勾配を有する半導体装置である。
【００１３】
上記構成において、酸化物半導体層のうち、第１の絶縁層との界面近傍の領域は他の領域に比べて結晶性が高いことを特徴の一つとする。ただし、酸化物半導体層は非単結晶であり、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、酸化物半導体層内に少なくともｃ軸配向を有する結晶（ＣＡＡＣ：Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌともいう。）を有する。この結晶は、ｃ軸配向し、かつａｂ面、表面または界面の方向から見て三角形状または六角形状の原子配列を有し、ｃ軸においては金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に配列しており、ａｂ面においてはａ軸またはｂ軸の向きが異なる（ｃ軸を中心に回転）。酸化物半導体層のうち、ゲート電極層と接する第１の絶縁層との界面近傍の領域は、ｃ軸配向したウルツ鉱型の結晶構造を有し、第２の絶縁層との界面近傍の領域は、ウルツ鉱型とは異なる第２の結晶型の六方晶系の結晶を含む。なお、本明細書においては、六方晶の結晶構造は六晶系（Ｃｒｙｓｔａｌ ｆａｍｉｌｙ）におけるものを指し、七晶系（Ｃｒｙｓｔａｌ ｓｙｓｔｅｍ）の三方晶と六方晶を含む。
【００１４】
第２の結晶型の六方晶系の結晶としては、ＹｂＦｅ２Ｏ４型構造、Ｙｂ２Ｆｅ３Ｏ７型構造及びその変形型構造をその例に挙げることができる。
【００１５】
上記構成において、第１の絶縁層と酸化物半導体層の界面近傍の窒素濃度は、５×１０１９／ｃｍ３以上２０原子％以下であり、好ましくは１×１０２０／ｃｍ３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の絶縁層と酸化物半導体層の界面近傍の窒素濃度は、１×１０１７／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３未満であることを特徴の一つとする。酸化物半導体層において、窒素を多く含む領域は、窒素を多く含まない領域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。従って、トランジスタにおいて、酸化物半導体層のキャリアが流れる領域に窒素を多く含ませ、キャリアが流れていない領域に含まれる窒素を少なくする構造とする。
【００１６】
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。
【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。
【発明の効果】
【００１８】
トランジスタの酸化物半導体層において、窒素を含む領域の結晶性は、窒素を含まない領域に比べて高く、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。
【００１９】
酸化物半導体層と接する絶縁膜との界面状態を良好なものとすることで、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。ゲート絶縁層との界面近傍の領域は他の領域に比べて結晶性が高く、均一性も高いため、電気的特性のバラツキの少ないトランジスタを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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】本発明の一態様を示す窒素濃度プロファイルのモデル図の一例である。
【図５】本発明の一態様を示す積層構造を説明する図である。
【図６】本発明の一態様を示すウルツ鉱型の結晶構造を説明する模式図である。
【図７】本発明の一態様を示す異なる結晶構造の界面を説明する模式図である。
【図８】実施の形態に係わる結晶構造を説明するＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭの実観察像である。
【図９】実施の形態に係わる結晶構造を説明するＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭの実観察像である。
【図１０】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１１】本発明の一態様を示す断面図である。
【図１２】電子機器の一態様を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
（実施の形態１）
本実施の形態では、図１（Ａ）に示すトップゲート型トランジスタの作製方法の一例を以下に示す。
【００２３】
まず、基板１００上に下地絶縁層１０１を形成する。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。酸化物半導体層１０２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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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、酸素の高濃度領域１０２ａ、中間領域１０２ｂ、窒素の高濃度領域１０２ｃを形成する。
【００３６】
例えば、酸素の高濃度領域１０２ａは、酸素ガスのみを用いてスパッタ法により成膜する。中間領域１０２ｂは、酸素ガスと希ガスの混合雰囲気、酸素と窒素の混合雰囲気、希ガスのみの雰囲気でのスパッタ法により形成する。中間領域１０２ｂの膜厚は、窒素の高濃度領域１０２ｃの膜厚よりも厚くする。窒素の高濃度領域１０２ｃは窒素ガスのみを用いてスパッタ法により成膜する。真空チャンバーに導入するガスの種類を切り換えることで酸素の高濃度領域１０２ａ、中間領域１０２ｂ、窒素の高濃度領域１０２ｃをそれぞれ形成することができるため、窒素濃度や酸素濃度を制御しやすく量産性に優れている。なお、窒素の高濃度領域１０２ｃの膜厚が１０ｎｍよりも厚い場合、窒素の高濃度領域１０２ｃが導電領域として機能する恐れがあるため、窒素の高濃度領域１０２ｃの厚さは１０ｎｍ以下とする。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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、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。
【００４０】
なお、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。
【００４１】
また、酸素濃度のプロファイルを図２（Ｂ）に示すように成膜条件を適宜調節することもできる。図２（Ｂ）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酸素濃度のプロファイルを示す模式図である。図２（Ｂ）において、酸素濃度はゲート絶縁層側の領域が最も低く、ゲート絶縁層から遠ざかるにつれて酸素濃度が連続的に高くなる濃度勾配を有している。なお、図２（Ｂ）において、点線で示した曲線は窒素濃度を示している。ただし、図２（Ｂ）において窒素濃度と酸素濃度はそれぞれ異なる濃度であり、図２（Ｂ）の窒素濃度プロファイルと酸素濃度のプロファイルはそれぞれの相対関係を示している模式図であり、どちらの濃度が高い、若しくは低いなどを示しているものではない。
【００４２】
例えば、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。図３（Ａ）において第１の絶縁層がゲート絶縁層であり、第２の絶縁層が下地絶縁層である。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３（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。また、窒素の高濃度領域１０２ｃの結晶性は高いため、中間領域１０２ｂとの境界をＴＥＭ写真などで確認することができる。一方、酸素の高濃度領域１０２ａと中間領域１０２ｂとの境界は、ＴＥＭ写真などで確認することが困難である。
【００４３】
また、酸素濃度のプロファイルを図３（Ｂ）に示すように成膜条件を適宜調節することもできる。図３（Ｂ）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酸素濃度のプロファイルを示す模式図である。図３（Ｂ）において、酸素濃度はゲート絶縁層側が最も低く、ゲート絶縁層から遠ざかるにつれて酸素濃度が階段状に高くなる濃度勾配を有している。なお、図３（Ｂ）において、点線で示した曲線は窒素濃度を示している。ただし、図３（Ｂ）において窒素濃度と酸素濃度はそれぞれ異なる濃度であり、図３（Ｂ）の窒素濃度プロファイルと酸素濃度のプロファイルはそれぞれの相対関係を示している模式図であり、どちらの濃度が高い、若しくは低いなどを示しているものではない。
【００４４】
また、窒素の高濃度領域１０２ｃは、中間領域１０２ｂと同じ条件で成膜した後に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く、その場合においては図４（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、中間領域１０２ｂと同じ条件で成膜を行ったスパッタ成膜室内で行ってもよいし、その後に形成するゲート絶縁層を形成するプラズマＣＶＤ装置内でゲート絶縁層を形成する前に窒素プラズマ処理を行ってもよい。
【００４５】
具体的には、ゲート絶縁層と酸化物半導体層１０２の界面近傍の窒素濃度、即ち、窒素の高濃度領域１０２ｃ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。
【００４６】
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４（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４（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。
【００４７】
また、具体的には、下地絶縁層と酸化物半導体層１０２の界面近傍の窒素濃度、即ち、酸素の高濃度領域１０２ａの窒素濃度は、１×１０１７／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３未満とする。
【００４８】
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）或いは図３（Ａ）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１１０は、ゲート絶縁層の界面近傍に窒素の高濃度領域１０２ｃを有し、その窒素の高濃度領域１０２ｃ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。従って、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１１０を得ることができる。ゲート絶縁層との界面近傍の領域は他の領域に比べて結晶性が高く、均一性も高いため、電気的特性のバラツキの少ないトランジスタ１１０を得ることができる。
【００４９】
また、窒素の高濃度領域１０２ｃに含まれる結晶は、六方晶のウルツ鉱型結晶構造であり、中間領域１０２ｂに含まれる結晶は、ウルツ鉱型でない六方晶の結晶構造（第２の結晶型結晶構造）である。ウルツ鉱型結晶構造と第２の結晶型結晶構造はともに六方晶であるので、ｃ軸方向からは六角形の格子像を確認できる。なお、中間領域１０２ｂの窒素濃度を高くすることによって中間領域１０２ｂもウルツ鉱型結晶構造とすることもできる。
【００５０】
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を作製することで、光照射試験前後、またはバイアス−熱ストレス（ＢＴ）試験前後においてもトランジスタのしきい値電圧の変化量が低減でき、安定した電気的特性を有するトランジスタを作製することができる。
【００５１】
（実施の形態２）
実施の形態１ではトップ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（Ｂ）に示すボトム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。
【００５２】
まず、基板１００上にゲート電極層１０６を形成する。
【００５３】
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。
【００５４】
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、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より高い窒素濃度のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、具体的には７原子％以上のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を用いる。
【００５５】
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。また、ゲート絶縁層１０５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。
【００５６】
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１０２ｃである。窒素の高濃度領域１０２ｃ上には中間領域１０２ｂを形成し、その上には酸素の高濃度領域１０２ａを形成する。
【００５７】
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。
【００５８】
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及びドレイン電極層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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
保護絶縁層１０７の形成前、必要であれば、酸素プラズマ処理を行い、酸化物半導体層１０２の露出部に酸素を添加してもよい。
【００６３】
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。
【００６４】
以上の工程で図１（Ｂ）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。
【００６５】
図１（Ｂ）に示すトランジスタ１１１においても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。ただし、実施の形態１と異なりボトムゲート構造であり、酸化物半導体層は第１の絶縁層であるゲート絶縁層と第２の絶縁層である保護絶縁層で挟まれている。
【００６６】
具体的には、ゲート絶縁層と酸化物半導体層１０２の界面近傍の窒素濃度、即ち、窒素の高濃度領域１０２ｃの窒素濃度は、５×１０１９／ｃｍ３以上２０原子％以下であり、好ましくは１×１０２０／ｃｍ３以上７原子％未満とする。
【００６７】
また、具体的には、保護絶縁層と酸化物半導体層１０２の界面近傍の窒素濃度、即ち、酸素の高濃度領域１０２ａ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。
【００６８】
また、酸素濃度のプロファイルを図２（Ｂ）に示すように成膜条件を適宜調節することもできる。
【００６９】
また、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３（Ａ）に示す窒素濃度のプロファイルとすることもできる。また、酸素濃度のプロファイルを図３（Ｂ）に示すように成膜条件を適宜調節することもできる。
【００７０】
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）或いは図３（Ａ）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１０２ｃを有し、その窒素の高濃度領域１０２ｃ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。従って、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１１１を得ることができる。ゲート絶縁層との界面近傍の領域は他の領域に比べて結晶性が高く、均一性も高いため、電気的特性のバラツキの少ないトランジスタ１１１を得ることができる。なお、窒素の高濃度領域１０２ｃに含まれる結晶は、六方晶のウルツ鉱型結晶構造であり、中間領域１０２ｂに含まれる結晶は、ウルツ鉱型でない六方晶の結晶構造（第２の結晶型結晶構造）である。なお、中間領域１０２ｂの窒素濃度を高くすることによって中間領域１０２ｂもウルツ鉱型結晶構造とすることもできる。
【００７１】
また、本実施の形態は、図１（Ｂ）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（Ｃ）に示すトランジスタ１１２や、図１（Ｄ）に示すトランジスタ１１３に適用することができる。
【００７２】
図１（Ｃ）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。
【００７３】
また、図１（Ｄ）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。
【００７４】
また、本実施の形態は、実施の形態１と自由に組み合わせることができる。
【００７５】
（実施の形態３）
本実施の形態では、ウルツ鉱型（第１の結晶型）の結晶を含む酸化物半導体膜と、第１の結晶型とは異なる第２の結晶型の六方晶系の異方性結晶を含む酸化物半導体膜の積層について図５乃至図９を参照して説明する。
【００７６】
本実施の形態で例示する異なる結晶構造の積層を有する半導体膜の断面模式図を図５に示す。
【００７７】
半導体膜１３２は、基板１３０に設けられた絶縁層１３１上に酸素の高濃度領域１３２ａ、中間領域１３２ｂ、窒素の高濃度領域１３２ｃを順に積層した構造を有する。その態様を図５（Ａ）に図示している。
【００７８】
また、図５（Ｂ）では基板１００上に窒素の高濃度領域１３２ｃ、中間領域１３２ｂ、酸素の高濃度領域１３２ａを順に積層した構造を有する。
【００７９】
図５（Ａ）及び図５（Ｂ）のいずれにおいても、窒素の高濃度領域１３２ｃは、その他の領域である中間領域１３２ｂ、酸素の高濃度領域１３２ａよりも結晶性が高い。
【００８０】
窒素の高濃度領域１３２ｃは、ｃ軸配向し、且つ、ウルツ鉱型の結晶構造を有する。ウルツ鉱型の結晶構造を、図６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６（Ａ）に、ｃ軸方向を縦方向とする構造を図６（Ｂ）に示す。
【００８１】
ウルツ鉱型の結晶構造を備える結晶としては、例えば窒化インジウム、窒化ガリウム等をその例に挙げることができる。また、窒素を含む酸化物半導体もウルツ鉱型の結晶を含む膜となる場合がある。
【００８２】
具体的には、窒素を５×１０１９／ｃｍ３以上、好ましくは１×１０２０／ｃｍ３以上７原子％未満含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜は、ｃ軸配向し、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。
【００８３】
一方、中間領域１３２ｂ、及び酸素の高濃度領域１３２ａは、ｃ軸配向し、且つ、第２の結晶型の六方晶系の結晶構造を有する。
【００８４】
例えば、窒素を１×１０１７／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜はｃ軸配向し、且つ第２の結晶型の六方晶系の結晶を含む膜となる。第２の結晶型の六方晶系の結晶を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜は、ａ−ｂ面にＩｎ−Ｏの結晶面（インジウムと酸素を含む結晶面）を備え、Ｉｎ−Ｏの結晶面とＩｎ−Ｏの結晶面との間に、ＧａおよびＺｎを有する二つの層を備える。なお、ＧａおよびＺｎを有する二つの層において、ＧａおよびＺｎは一方の層または双方の層に有すればよく、その位置は限定されない。
【００８５】
ウルツ鉱型の結晶構造および第２の結晶型の六方晶系の結晶構造は、いずれも六方晶系であり、ａ−ｂ面において原子が六角形に位置する。そして、第２の結晶型の六方晶系の結晶がウルツ鉱型の結晶に接し、第２の結晶型の六方晶系の結晶がウルツ鉱型の結晶に整合する。
【００８６】
ウルツ鉱型の結晶上に、格子定数を同じくする第２の結晶型の六方晶系の結晶が整合する様子を図７に示す。第２の結晶型の六方晶系の構造を図７（Ａ）に示し、ウルツ鉱型の結晶の構造を図７（Ｂ）に示す。また、第２の結晶型の六方晶系の結晶がウルツ鉱型の結晶に接して、第２の結晶型の六方晶系の結晶がウルツ鉱型の結晶に整合する模式図を図７（Ｃ）に模式的に示す。なお、この積層構造は、図５（Ｂ）に対応している。
【００８７】
従って、結晶性が高く、結晶化が容易なウルツ鉱型の結晶を含む窒素の高濃度領域１３２ｃを形成し、次いで当該窒素の高濃度領域１３２ｃに接して中間領域１３２ｂを形成する構成とすることにより、窒素の高濃度領域１３２ｃに含まれるウルツ鉱型の結晶が該中間領域１３２ｂの結晶化を容易にするという効果を奏する。
【００８８】
次に、窒素の高濃度領域１３２ｃについて説明する。窒素の高濃度領域１３２ｃはｃ軸配向し、且つ、ウルツ鉱型の結晶を含む。特に、窒素の高濃度領域１３２ｃは他の領域に比べて結晶性が高く、結晶化し易い材料を用いる。
【００８９】
窒素の高濃度領域１３２ｃに含まれるウルツ鉱型の結晶について説明する。
【００９０】
ウルツ鉱型の結晶構造を備える材料としては、例えば窒化インジウム、窒化ガリウム等をその例に挙げることができる。また、窒素を５×１０１９／ｃｍ３以上、好ましくは１×１０２０／ｃｍ３以上７原子％未満含む酸化物半導体もウルツ鉱型の結晶を含む膜となる場合がある。
【００９１】
なお、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。
【００９２】
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８（Ａ）に示す。
【００９３】
また、窒素のみを含む成膜ガスを用いて成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭの実観察像を図８（Ｂ）に示す。
【００９４】
図８（Ａ）に示すＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭの像、または図８（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。
【００９５】
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Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［ａｔｏｍ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。
【００９６】
次に、中間領域１３２ｂ、及び酸素の高濃度領域１３２ａについて説明する。中間領域１３２ｂ、及び酸素の高濃度領域１３２ａは、少なくともｃ軸配向し、且つ、第２の結晶型の六方晶系の結晶を含む。
【００９７】
第２の結晶型の六方晶系の異方性結晶について説明する。
【００９８】
第２の結晶型（非ウルツ鉱型）の六方晶系の結晶としては、ＹｂＦｅ２Ｏ４型構造、Ｙｂ２Ｆｅ３Ｏ７型構造及びその変形型構造をその例に挙げることができる。例えば、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏは、第２の結晶型の六方晶系の結晶を備え、中間領域１３２ｂ、及び酸素の高濃度領域１３２ａに用いることができる。なお、中間領域１３２ｂ、及び酸素の高濃度領域１３２ａに用いることができるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜は、窒素を１×１０１７／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下含んでいても良い。
【００９９】
三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏには、ＹｂＦｅ２Ｏ４型構造であるＩｎＧａＺｎＯ４や、Ｙｂ２Ｆｅ３Ｏ７型構造であるＩｎ２Ｇａ２ＺｎＯ７等があり、その変形型構造をとりうる（Ｍ． Ｎａｋａｍｕｒａ， Ｎ． Ｋｉｍｉｚｕｋａ， ａｎｄ Ｔ． Ｍｏｈｒｉ、「Ｔｈｅ Ｐｈａｓｅ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｉｎ２Ｏ３−Ｇａ２ＺｎＯ４−ＺｎＯ Ｓｙｓｔｅｍ ａｔ １３５０℃」、Ｊ． Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｈｅｍ．、１９９１、Ｖｏｌ．９３， ｐ．２９８−３１５）。なお、ＹｂＦｅ２Ｏ４型構造は、Ｙｂを含む層をＡ層としＦｅを含む層をＢ層とすると、ＡＢＢ｜ＡＢＢ｜ＡＢＢ｜の繰り返し構造を有し、その変形構造としては、例えば、ＡＢＢＢ｜ＡＢＢＢ｜の繰り返し構造を挙げることができる。また、Ｙｂ２Ｆｅ３Ｏ７型構造は、ＡＢＢ｜ＡＢ｜ＡＢＢ｜ＡＢ｜の繰り返し構造を有し、その変形構造としては、例えば、ＡＢＢＢ｜ＡＢＢ｜ＡＢＢＢ｜ＡＢＢ｜ＡＢＢＢ｜ＡＢＢ｜の繰り返し構造を挙げることができる。
【０１００】
また、中間領域１３２ｂ、及び酸素の高濃度領域１３２ａに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。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）を含む酸化物膜である。
【０１０１】
なお、第２の結晶型の六方晶系の結晶構造のＨＡＡＤＦ（ｈｉｇｈ−ａｎｇｌｅ ａｎｎｕｌａｒ ｄａｒｋ ｆｉｅｌｄ）−ＳＴＥＭの実観察像には、３つに一つの明暗を伴う回折像が観察される場合がある。
【０１０２】
第２の結晶型の六方晶系の結晶構造に基づいて計算により得たＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭの像を図９（Ａ）に示す。
【０１０３】
また、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭの実観察像を図９（Ｂ）に示す。
【０１０４】
図９（Ａ）に示すＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭの像、または図９（Ｂ）に示すＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭの実観察像は、いずれも３つに一つの明暗を伴っており、９周期性の層構造を有する第２の結晶型の六方晶系の結晶構造を有することが確認できる。
【０１０５】
なお、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Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［ａｔｏｍ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酸素のみとし、成膜室に４０ｓｃｃｍの流量で流した。
【０１０６】
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【０１０７】
（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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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１０（Ａ）に示す。表示装置の基板上５３００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。
【０１１０】
図１０（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。
【０１１１】
また、画素部の回路構成の一例を図１０（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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
なお、図１０（Ｂ）に示す画素構成は、これに限定されない。例えば、図１０（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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
また、画素部の回路構成の一例を図１０（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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
図１０（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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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１０（Ｃ）と同じ画素構成を用いることができる。
【０１３０】
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。
【０１３１】
なお、図１０（Ｃ）に示す画素構成は、これに限定されない。例えば、図１０（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。
【０１３２】
次に、発光素子の構成について、図１１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１１（Ａ）、図１１（Ｂ）、及び図１１（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、ゲート絶縁層と酸化物半導体層の界面に高濃度の窒素を含むトランジスタである。
【０１３３】
発光素子の第１の電極または第２の電極の少なくとの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１０（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。
【０１３４】
下面射出構造の発光素子について、図１１（Ａ）を用いて説明する。下面射出構造の発光素子は、図１１（Ａ）に矢印で示す方向に光を発する。
【０１３５】
図１１（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２に示すトランジスタ１１１を用いる例を示しているが、特に限定されない。
【０１３６】
図１１（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が順に積層されている。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
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。
【０１４０】
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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
また、発光素子７０１２は第１の電極７０１７の端部を覆う隔壁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。
【０１４４】
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１１（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、第２のゲート絶縁層７０３１、第１のゲート絶縁層７０３０、及び基板７０１０を通過して、射出される。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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１１（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。
【０１４７】
また、第２のゲート絶縁層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。
【０１４８】
次に、両面射出構造の発光素子について、図１１（Ｂ）を用いて説明する。両面射出構造の発光素子は、図１１（Ｂ）に矢印で示す方向に光を発する。
【０１４９】
図１１（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２に示すトランジスタ１１１を用いる例を示しているが、特に限定されない。
【０１５０】
図１１（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。
【０１５１】
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１１（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。
【０１５２】
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。
【０１５３】
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１１（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。
【０１５４】
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１１（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。
【０１５５】
また、図１１（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、第２のゲート絶縁層７０４１、絶縁層７０４２、第１のゲート絶縁層７０４０、及び基板７０２０を通過して射出させる。
【０１５６】
また、図１１（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。
【０１５７】
次に、上面射出構造の発光素子について、図１１（Ｃ）を用いて説明する。上面射出構造の発光素子は、図１１（Ｃ）に矢印で示す方向に光を発する。
【０１５８】
図１１（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２に示すトランジスタ１１１を用いる例を示しているが、特に限定されない。
【０１５９】
図１１（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。
【０１６０】
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。
【０１６１】
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１１（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。
【０１６２】
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。
【０１６３】
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１１（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。
【０１６４】
また、発光素子７００２は第１の電極７００３の端部を覆う隔壁７００９を備える。隔壁７００９は、図１１（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。
【０１６５】
また、図１１（Ｃ）において、発光素子駆動用トランジスタ７００１のソース電極またはドレイン電極は、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。
【０１６６】
また、図１１（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。
【０１６７】
また、図１１（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。
【０１６８】
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。
【０１６９】
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。
【０１７０】
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。
【０１７１】
なお本実施の形態で示す半導体装置は、図１１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。
【０１７２】
（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。
【０１７３】
図１２（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１１０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。
【０１７４】
図１２（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。
【０１７５】
また、図１２（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。
【０１７６】
また、図１２（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１２（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。
【０１７７】
さらに、図１２（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。
【０１７８】
図１２（Ｃ）は、携帯電話の一例を示している。図１２（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。
【０１７９】
図１２（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１１（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。
【０１８０】
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。
【０１８１】
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。
【０１８２】
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。
【０１８３】
図１２（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２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。
【０１８４】
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。
【０１８５】
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。
【０１８６】
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。
【０１８７】
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。
【符号の説明】
【０１８８】
１００：基板
１０１：下地絶縁層
１０２：酸化物半導体層
１０２ａ：酸素の高濃度領域
１０２ｂ：中間領域
１０２ｃ：窒素の高濃度領域
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
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
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 遮蔽膜
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、非単結晶であり、
前記酸化物半導体層は、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し、且つ、前記第２の絶縁層に近いほど高くなる酸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】
請求項１において、前記酸化物半導体層のうち、前記第１の絶縁層との界面近傍の領域は他の領域に比べて結晶性が高いことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記酸化物半導体層のうち、前記第１の絶縁層との界面近傍の領域は、ウルツ鉱型の結晶構造を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一において、前記第１の絶縁層と前記酸化物半導体層の界面近傍の窒素濃度は、１×１０２０／ｃｍ３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５】
請求項１乃至４のいずれか一において、前記第２の絶縁層と前記酸化物半導体層の界面近傍の窒素濃度は、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、非単結晶であり、
前記酸化物半導体層は、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し、且つ、前記第２の絶縁層に近いほど高くなる酸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】
請求項１において、前記酸化物半導体層のうち、前記第１の絶縁層との界面近傍の領域は他の領域に比べて結晶性が高いことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記酸化物半導体層のうち、前記第１の絶縁層との界面近傍の領域は、ウルツ鉱型の結晶構造を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一において、前記第１の絶縁層と前記酸化物半導体層の界面近傍の窒素濃度は、１×１０２０／ｃｍ３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５】
請求項１乃至４のいずれか一において、前記第２の絶縁層と前記酸化物半導体層の界面近傍の窒素濃度は、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。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１３４４７０（Ｐ２０１２−１３４４７０Ａ）
【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２０１１−２５５９１１（Ｐ２０１１−２５５９１１）
【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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