半導体装置およびその作製方法
【課題】酸化物半導体膜を用いた半導体装置に安定した電気的特性を付与し、信頼性の高い半導体装置を作製することを課題の一とする。
【解決手段】ゲート絶縁層上に膜厚が２ｎｍ以上１５ｎｍ以下の薄い第１の酸化物半導体膜を形成し、第１の加熱処理を行って第１の酸化物半導体膜の表面から内部に向かって結晶成長させて第１の結晶層を形成し、第１の結晶層上に第１の酸化物半導体膜よりも厚い第２の酸化物半導体膜を形成し、第２の加熱処理を行って第１の結晶層からその上の第２の酸化物半導体膜表面に向かって結晶成長させて第２の結晶層を形成し、第２の結晶層を形成した後、さらに酸素ドープ処理を行って第２の結晶層に酸素原子を供給する。
【解決手段】ゲート絶縁層上に膜厚が２ｎｍ以上１５ｎｍ以下の薄い第１の酸化物半導体膜を形成し、第１の加熱処理を行って第１の酸化物半導体膜の表面から内部に向かって結晶成長させて第１の結晶層を形成し、第１の結晶層上に第１の酸化物半導体膜よりも厚い第２の酸化物半導体膜を形成し、第２の加熱処理を行って第１の結晶層からその上の第２の酸化物半導体膜表面に向かって結晶成長させて第２の結晶層を形成し、第２の結晶層を形成した後、さらに酸素ドープ処理を行って第２の結晶層に酸素原子を供給する。
【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（厚さ数十〜数百ｎｍ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。
【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】
しかし、酸化物半導体はデバイス作製工程において、電子供与体を形成する水素や水の混入などが生じると、その電気伝導度が変化する恐れがある。このような現象は、酸化物半導体を用いたトランジスタにとって電気的特性の変動要因となる。
【０００７】
このような問題に鑑み、酸化物半導体膜を用いた半導体装置に安定した電気的特性を付与し、信頼性の高い半導体装置を作製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】
開示する発明の一態様は、ゲート電極層を形成し、ゲート電極層上にゲート絶縁層を形成し、ゲート絶縁層上に膜厚が２ｎｍ以上１５ｎｍ以下の薄い第１の酸化物半導体膜を形成し、第１の加熱処理を行って第１の酸化物半導体膜の表面から内部に向かって結晶成長させて第１の結晶層を形成し、第１の結晶層上に第１の酸化物半導体膜よりも厚い第２の酸化物半導体膜を形成し、第２の加熱処理を行って第１の結晶層からその上の第２の酸化物半導体膜表面に向かって結晶成長させて第２の結晶層を形成し、第１の結晶層及び第２の結晶層の積層上にソース電極層およびドレイン電極層を形成し、第２の結晶層を形成した後、さらに酸素ドープ処理を行って第２の結晶層に酸素原子を供給する工程を有することを特徴とする半導体装置の作製方法である。
【０００９】
なお、上記作製方法において、第１の加熱処理または第２の加熱処理により、結晶化させることによって、高密度な酸化物半導体膜を得ることができる。そして、高密度な酸化物半導体膜に対して酸素ドープ処理を行って、酸化物半導体膜中に酸素原子を供給し、酸素原子が供給された酸化物半導体膜に熱処理を行う。
【００１０】
また、開示する発明の別の一態様は、ゲート電極層を形成し、ゲート電極層上にゲート絶縁層を形成し、ゲート絶縁層にハロゲンドープ処理を行い、ゲート絶縁層上に膜厚が２ｎｍ以上１５ｎｍ以下の薄い第１の酸化物半導体膜を形成し、第１の加熱処理を行って第１の酸化物半導体膜の表面から内部に向かって結晶成長させて第１の結晶層を形成し、第１の結晶層上に第１の酸化物半導体膜よりも厚い第２の酸化物半導体膜を形成し、第２の加熱処理を行って第１の結晶層からその上の第２の酸化物半導体膜表面に向かって結晶成長させて第２の結晶層を形成し、第１の結晶層及び第２の結晶層の積層上にソース電極層およびドレイン電極層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法である。
【００１１】
なお、上記作製方法において、第１の加熱処理条件によっては、ゲート絶縁層の酸素が抜けてしまう恐れがあるため、第１の加熱処理よりも前に、質量の大きい塩素をゲート絶縁層に添加してゲート絶縁層における酸素の低減を防ぐことが有用である。さらに、第２の加熱処理後、酸素ドープ処理を行ってもよい。
【００１２】
本明細書において、ハロゲン元素とは周期表において第１７族元素（フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、臭素（Ｂｒ）、ヨウ素（Ｉ）など）のことを意味し、代表的には、フッ素、塩素を用いることができ、用いるハロゲン元素は一種でも複数種でもよい。
【００１３】
ハロゲン元素を含むガス雰囲気下でのハロゲンドープ処理によってゲート絶縁層にハロゲン元素を添加する。なお、上記の「ハロゲンドープ」とは、塩素やフッ素に代表されるハロゲンをバルクに添加することを言う。例えば、ハロゲンとして塩素を用いる場合、少なくとも、塩素ラジカル、塩素原子、塩素イオン、のいずれかをバルクに添加する。なお、当該「バルク」の用語は、ハロゲンを、薄膜表面のみでなく薄膜内部に添加することを明確にする趣旨で用いている。また、「ハロゲンドープ」には、プラズマ化したハロゲンをバルクに添加する「ハロゲンプラズマドープ」が含まれる。また、ハロゲン元素は、ゲート絶縁層の成膜時に含ませて成膜することもできる。
【００１４】
また、上記各作製方法において、第１の結晶層は、その表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしていることを特徴の一つとしている。また、上記作製方法において、第２の結晶層は、第２の結晶層の表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしていることを特徴の一つとしている。
【００１５】
なお、上記の「酸素ドープ」とは、酸素（少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオン、のいずれかを含む）をバルクに添加することを言う。なお、当該「バルク」の用語は、酸素を、薄膜表面のみでなく薄膜内部に添加することを明確にする趣旨で用いている。また、「酸素ドープ」には、プラズマ化した酸素をバルクに添加する「酸素プラズマドープ」が含まれる。
【００１６】
上記の酸素ドープ処理によって、酸化物半導体膜の膜中（バルク中）、絶縁膜の膜中（バルク中）、酸化物半導体膜と絶縁膜の界面、のいずれかには少なくとも化学量論比を超える量の酸素が存在する。酸素の量は、好ましくは化学量論比の１倍を超えて４倍まで（４倍未満）、より好ましくは、１倍を超えて２倍まで（２倍未満）である。ここで、化学量論比を超える酸素過剰な酸化物の一例として、その組成が見かけ上、ＩｎａＧａｂＺｎｃＳｉｄＡｌｅＭｇｆＯｇ（ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，及びｇは０以上）で表されるとき、２ｇ＞３ａ＋３ｂ＋２ｃ＋４ｄ＋３ｅ＋２ｆ、を満たす酸化物が挙げられる。上記以外の組成を有する酸化物であっても同様に考えればよい。なお、酸素ドープ処理によって添加された酸素は、酸化物半導体の格子間に存在する場合もある。
【００１７】
また、上記ハロゲンドープ処理を行う半導体装置の作製方法により得られる本発明の一態様は、ゲート電極層上にハロゲン元素を含むゲート絶縁層と、ゲート絶縁層上に、表面に対して平行方向にａ−ｂ面を有し、表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしている第１の結晶層と、第１の結晶層上に接し、且つ、表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしている第２の結晶層と、第１の結晶層及び第２の結晶層の積層上にソース電極層およびドレイン電極層とを有し、第１の結晶層及び第２の結晶層は、酸化物半導体膜であることを特徴とする半導体装置である。
【００１８】
なお、第１の結晶層及び第２の結晶層である酸化物半導体膜は、四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料や、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系の材料や、二元系金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ系の材料、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ系の材料や、単元系金属酸化物であるＩｎ−Ｏ系の材料やＳｎ−Ｏ系の材料などがある。また、上記の材料にＳｉＯ２を含ませてもよい。ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料とは、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）を有する酸化物、という意味であり、その組成比は特に問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の元素を含んでいてもよい。
【００１９】
また、酸化物半導体としてＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料を用いる場合、用いるターゲットの組成比は、原子数比で、Ｉｎ：Ｚｎ＝５０：１〜１：２（モル数比に換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝２５：１〜１：４）、好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝２０：１〜１：１（モル数比に換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１０：１〜１：２）、さらに好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝１５：１〜１．５：１（モル数比に換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１５：２〜３：４）とする。例えば、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体の形成に用いるターゲットは、原子数比がＩｎ：Ｚｎ：Ｏ＝Ｘ：Ｙ：Ｚのとき、Ｚ＞１．５Ｘ＋Ｙとする。
【００２０】
また、上記半導体装置の作製方法において、ゲート絶縁層、及び／又は第１の結晶層、及び／又は第２の結晶層、及び／又は絶縁層を作製する際に、成膜室の排気は吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。上記吸着型の真空ポンプは、ゲート絶縁層、及び／又は酸化物半導体膜、及び／又は絶縁層に含まれる水素、水、水酸基又は水素化物の量を低減するように作用する。
【発明の効果】
【００２１】
結晶化させて高密度化させた酸化物半導体膜を有するトランジスタは、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酸化物半導体を用いた半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一態様を示す工程断面図。
【図２】本発明の一態様を示す工程断面図。
【図３】本発明の一態様を示す断面図。
【図４】半導体装置の一形態を説明する図。
【図５】半導体装置の一形態を説明する図。
【図６】半導体装置の一形態を説明する図。
【図７】電子機器を示す図。
【図８】電子機器を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。
【００２４】
（実施の形態１）
本実施の形態では、半導体装置の作製方法について、図１を用いて説明する。
【００２５】
まず、絶縁表面を有する基板１００上に導電膜を形成した後、フォトリソグラフィ工程によりゲート電極層１１２を形成する（図１（Ａ）参照）。なお、レジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
【００２６】
基板１００の材質等に大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐える程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを、基板１００として用いることができる。また、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、ＳＯＩ基板などを適用することも可能であり、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板１００として用いてもよい。
【００２７】
下地膜となる絶縁膜を基板１００とゲート電極層１１２との間に設けてもよい。下地膜は、基板１００からの不純物元素の拡散を防止する機能を有し、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、又は酸化窒化シリコン膜から選ばれた一又は複数の膜による積層構造により形成することができる。
【００２８】
また、ゲート電極層１１２は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料又はこれらを主成分とする合金材料を用いて、単層で又は積層して形成することができる。
【００２９】
次いで、ゲート電極層１１２上にゲート絶縁層１０２を形成する（図１（Ａ）参照）。
【００３０】
ゲート絶縁層１０２には、後に形成される酸化物半導体膜とはエッチング（酸化物半導体膜の選択的なエッチング）におけるエッチングレートが大きく異なる絶縁材料を用いることが好ましい。ゲート絶縁層１０２は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、又はこれらの混合材料を用いて単層で又は積層して形成することができる。ただし、トランジスタのゲート絶縁層として機能することを考慮して、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、ハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムシリケート、窒素が添加されたハフニウムアルミネート、などの比誘電率が高い材料を採用しても良い。なお、水素や水などが混入しにくいという点では、スパッタリング法が好適である。
【００３１】
また、ゲート絶縁層１０２として、上記材料からなる絶縁膜と、酸化ガリウム膜との積層を用いてもよい。
【００３２】
次に、ゲート絶縁層１０２に対して、ハロゲン１８０による処理（ハロゲンドープ処理や、ハロゲンプラズマドープ処理ともいう）を行い、ゲート絶縁層１０２中にハロゲンを含有させる（図１（Ｂ）参照）。ハロゲン１８０は、塩素やフッ素などを用いることができる。塩素やフッ素などのハロゲンは電気陰性度が大きいため、トランジスタの劣化の原因となる水素イオンを、捕獲することができる。また、ゲート絶縁層１０２に塩素などのハロゲンを含有させることで、ゲート絶縁層１０２中の水素を固定化し、ゲート絶縁層１０２中から、後の工程でゲート絶縁層１０２上に接して形成される酸化物半導体膜への水素の拡散を防ぐことができる。よって、トランジスタに光照射が行われ、またはＢＴストレスが与えられても、トランジスタ特性の劣化は抑制され、または低減される。
【００３３】
ここで、塩素は、フッ素に比べて原子半径が大きく、拡散係数が小さいので、水素イオンをゲート絶縁層１０２中に固定しやすい。特に後に行う加熱処理の際に、塩素の方がフッ素より動きにくいので、より効果的に水素イオンを捕獲しておくことができる。よって、ハロゲン１８０としては、塩素を用いるのが好ましい。本実施の形態においてはハロゲン１８０として塩素を用いる。ハロゲン１８０として塩素を用いる場合、ハロゲン１８０には、少なくとも、塩素ラジカル、塩素原子、塩素イオン、のいずれかが含まれている。
【００３４】
上述のハロゲン１８０による処理は、プラズマ発生装置やオゾン発生装置によって行うことができる。より具体的には、例えば、半導体装置に対してエッチング処理を行うことができる装置や、レジストマスクに対してアッシングを行うことができる装置などを用いてハロゲン１８０を発生させ、ゲート絶縁層１０２を処理することができる。なお、ハロゲンの添加は、ゲート絶縁層１０２の表面に与えるダメージが最小限となる条件で行うことが好ましい。
【００３５】
なお、ハロゲンの添加をより好適に行うためには、ハロゲンによる処理時に基板には電気的なバイアスを加えておくことが望ましい。基板に印加するバイアスを大きくすることで、より深くまでハロゲンを添加することができる。
【００３６】
ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：誘導結合型プラズマ）装置を用いて塩素を添加する場合、プラズマ発生源であるＩＣＰコイルに１ｋＷ以上１０ｋＷ以下の高周波電源を印加し、プラズマを発生させた状態を一定時間（３０秒以上６００秒以下）維持することが好ましい。例えば、ＩＣＰパワー６０００Ｗ、バイアスパワー２５０Ｗ、塩素ガス流量を５００ｓｃｃｍ、処理室内の圧力を１．３Ｐａ、処理時間６０秒、という条件で塩素ドープ処理を行えばよい。
【００３７】
また、電界で加速したハロゲンイオンを照射して、ハロゲンを添加してもよい。また、μ波（例えば周波数２．４５ＧＨｚ）を用いた高密度プラズマＣＶＤを用いてハロゲンを添加してもよい。μ波を用いた高密度プラズマＣＶＤを用いた場合、酸化物半導体積層へのハロゲン添加時にダメージがほとんどない。
【００３８】
また、塩素に代表されるハロゲンと同時に酸素を添加しても良い。
【００３９】
次いで、ゲート絶縁層１０２上にゲート電極層１１２と重畳するように厚さ２ｎｍ以上１５ｎｍ以下の第１の酸化物半導体膜１０８ａを形成する（図１（Ｃ）参照）。なお、第１の酸化物半導体膜１０８ａは、酸化物半導体膜の成膜後に結晶化のための第１の加熱処理を行い結晶化させた膜である。
【００４０】
本実施の形態では、酸化物半導体ターゲット（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体ターゲット（Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ数比］））を用いて、基板とターゲットの間との距離を１７０ｍｍ、圧力０．４Ｐａ、直流（ＤＣ）電源０．５ｋＷ、酸素のみ、アルゴンのみ、又はアルゴン及び酸素雰囲気下で膜厚５ｎｍの第１の酸化物半導体層を成膜する。本実施の形態では、後に加熱処理を行い意図的に結晶化させるため、結晶化が生じやすい酸化物半導体ターゲットを用いることが好ましい。また、第１の酸化物半導体層の成膜において、減圧状態に保持された成膜室内に被成膜基板を保持し、基板温度を１００℃以上６００℃以下好ましくは２００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３００℃以上５００℃以下として成膜する。結晶化させるための第１の加熱処理は、４５０℃以上８５０℃以下、好ましくは６００℃以上７００℃以下とする。また、加熱時間は１分以上２４時間以下とする。こうして、第１の加熱処理によって表面から結晶成長した結晶層を有する第１の酸化物半導体膜１０８ａを形成する。
【００４１】
第１の酸化物半導体膜１０８ａの結晶層は、表面から内部に向かって結晶成長し、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の平均厚さを有する板状結晶である。また、表面に形成される結晶層は、表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしている。
【００４２】
なお、第１の加熱処理においては、窒素、酸素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、加熱処理装置に導入する窒素、酸素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上、（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。また、Ｈ２Ｏが２０ｐｐｍ以下の乾燥空気雰囲気下で第１の加熱処理を行っても良い。
【００４３】
次いで、第１の酸化物半導体膜１０８ａ上に、少なくとも第１の酸化物半導体膜１０８ａよりも膜厚の厚く、１０μｍ以下の膜厚範囲の第２の酸化物半導体膜１０８ｂを形成する（図１（Ｄ）参照。）。また、第２の酸化物半導体層の成膜において、減圧状態に保持された成膜室内に被成膜基板を保持し、基板温度を１００℃以上６００℃以下好ましくは２００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３００℃以上５００℃以下として成膜する。なお、第２の酸化物半導体膜１０８ｂは、酸化物半導体膜の成膜後に結晶化のための第２の加熱処理を行い結晶化させた膜である。第２の加熱処理により、第１の酸化物半導体膜１０８ａの結晶層を種として結晶成長を行う。第２の加熱処理の温度は、４５０℃以上８５０℃以下、好ましくは５５０℃以上６５０℃以下とする。また、加熱時間は１分以上２４時間以下とする。
【００４４】
また、第１の酸化物半導体膜１０８ａと第２の酸化物半導体膜１０８ｂは、同一成分を含む材料を用いること、あるいは同一の結晶構造かつ近似した格子定数（格子定数の差が１％以下）を有することが好ましい。同一成分を含む材料を用いる場合、後に行われる結晶化において第１の酸化物半導体膜１０８ａの結晶層を種として結晶成長が行いやすくなる。また、同一成分を含む材料である場合には、密着性などの界面物性や電気的特性も良好である。
【００４５】
なお、第１の酸化物半導体膜１０８ａと第２の酸化物半導体膜１０８ｂからなる酸化物半導体積層のうち、ゲート絶縁層の凹凸と重なる領域は結晶粒界があり、多結晶体となる。また、酸化物半導体積層のうち、チャネル形成領域となる領域は、少なくとも平坦面を有し、第１の酸化物半導体膜１０８ａと第２の酸化物半導体膜１０８ｂが同じｃ軸配向をしている結晶構造である。また、酸化物半導体積層のうち、チャネル形成領域も多結晶のａ軸或いはｂ軸の向きがずれることもありうる。
【００４６】
次に、第１の酸化物半導体膜１０８ａと第２の酸化物半導体膜１０８ｂからなる酸化物半導体積層を加工して島状の酸化物半導体膜を形成する（図１（Ｅ）参照）。
【００４７】
酸化物半導体積層の加工は、所望の形状のマスクを第２の酸化物半導体膜１０８ｂ上に形成した後、当該酸化物半導体膜をエッチングすることによって行うことができる。上述のマスクは、フォトリソグラフィなどの方法を用いて形成することができる。
【００４８】
次に、必要があれば、酸化物半導体積層に対して、酸素による処理（酸素ドープ処理や、酸素プラズマドープ処理ともいう）を行ってもよい。なお、酸素の添加をより好適に行うためには、基板には電気的なバイアスを加えておくことが望ましい。また、酸素ドープ処理を行った酸化物半導体積層に熱処理を行ってもよい。当該熱処理の温度は、２５０℃以上７００℃以下、好ましくは４００℃以上６００℃以下、または基板の歪み点未満とする。また、酸素ドープ処理と熱処理を繰り返して行っても良い。当該処理を繰り返して行うことにより、トランジスタの信頼性をさらに高めることができる。なお、繰り返しの回数は適宜設定することができる。
【００４９】
次いで、ゲート絶縁層１０２および酸化物半導体積層上に、ソース電極層およびドレイン電極層（これと同じ層で形成される配線を含む）を形成するための導電膜を形成し、当該導電膜を加工して、ソース電極１０４ａおよびドレイン電極１０４ｂを形成する（図１（Ｆ）参照）。なお、ここで形成されるソース電極層１０４ａの端部とドレイン電極層１０４ｂの端部との間隔によって、トランジスタのチャネル長Ｌが決定されることになる。
【００５０】
ソース電極層１０４ａおよびドレイン電極層１０４ｂに用いる導電膜としては、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等がある。また、Ａｌ、Ｃｕなどの金属膜の下側または上側の一方または双方にＴｉ、Ｍｏ、Ｗなどの高融点金属膜またはそれらの金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）を積層させた導電膜を用いても良い。
【００５１】
また、いわゆる多階調マスクによって形成されたレジストマスクを用いてエッチング工程を行ってもよい。多階調マスクを用いて形成されたレジストマスクは、複数の膜厚を有する形状となり、アッシングによってさらに形状を変形させることができるため、異なるパターンに加工する複数のエッチング工程に用いることが可能である。このため、一枚の多階調マスクによって、少なくとも二種類以上の異なるパターンに対応するレジストマスクを形成することができる。つまり、工程の簡略化が可能となる。
【００５２】
次に、第２の酸化物半導体膜１０８ｂの一部と接し、かつ、ソース電極層１０４ａおよびドレイン電極層１０４ｂを覆う絶縁膜１１０ａ、絶縁膜１１０ｂを形成する（図１（Ｆ）参照）。
【００５３】
絶縁膜１１０ａは、第２の酸化物半導体膜１０８ｂと同種の成分でなる絶縁材料を用いると特に好ましい。このような材料は酸化物半導体膜との相性が良く、これを絶縁膜１１０ａに用いることで、第２の酸化物半導体膜１０８ｂとの界面の状態を良好に保つことができるからである。ここで、「第２の酸化物半導体膜１０８ｂと同種の成分」とは、第２の酸化物半導体膜１０８ｂの構成金属元素から選択される一または複数の元素を含むことを意味する。例えば、第２の酸化物半導体膜１０８ｂがＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体材料によって構成される場合、同種の成分でなる絶縁材料としては酸化ガリウムなどがある。
【００５４】
また、絶縁膜１１０ａは酸素を含有していることが好ましく、化学量論比を超える程度、好ましくは、化学量論比の１倍を超えて２倍まで（１倍より大きく２倍未満）酸素を含有していることが好ましい。このように絶縁膜１１０ａが過剰な酸素を有することにより、第２の酸化物半導体膜１０８ｂおよび第２の酸化物半導体膜１０８ｂとの界面に酸素を供給し、酸素の欠損を低減することができる。
【００５５】
また、絶縁膜１１０ｂは、ゲート絶縁層１０２と同様に形成することができる。すなわち、絶縁膜１１０ｂは、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、又はこれらの混合材料を用いて単層で又は積層して形成することができる。
【００５６】
また、絶縁膜１１０ｂは酸素を含有していることが好ましく、化学量論比を超える程度、好ましくは、化学量論比の１倍を超えて２倍まで（１倍より大きく２倍未満）酸素を含有していることが好ましい。このように絶縁膜１１０ｂが過剰な酸素を有することにより、第２の酸化物半導体膜１０８ｂおよび第２の酸化物半導体膜１０８ｂとの界面に酸素を供給し、酸素の欠損を低減することができる。
【００５７】
以上の工程でトランジスタ１２０が形成される。
【００５８】
図１（Ｆ）に示すトランジスタ１２０は、基板１００上のゲート電極層１１２、ゲート絶縁層１０２、第１の酸化物半導体膜１０８ａ、第２の酸化物半導体膜１０８ｂ、ソース電極層１０４ａ、ドレイン電極層１０４ｂ、絶縁膜１１０ａ、絶縁膜１１０ｂを含む。
【００５９】
図１（Ｆ）に示すトランジスタ１２０において、ゲート絶縁層１０２に対してハロゲンドープ処理が行われ、第１の酸化物半導体膜１０８ａ、及び第２の酸化物半導体膜１０８ｂは、少なくとも第２の酸化物半導体膜１０８ｂの一部が結晶化して得られた結晶層の表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしており、信頼性が高められたトランジスタ１２０が実現する。
【００６０】
また、トランジスタ１２０において、ゲート絶縁層１０２にハロゲンを含有させることにより、塩素やフッ素などのハロゲンは、酸化物半導体積層中の金属（Ｚｎ、Ｇａ、Ｉｎ）よりも電気陰性度が大きいので、酸化物半導体積層中のＭ−Ｈ結合から水素原子を奪うことができる。このようにして、酸化物半導体積層とゲート絶縁層１０２の界面に添加された塩素やフッ素などのハロゲンは、トランジスタ１２０の劣化の原因となる酸化物半導体積層中のＭ−Ｈ結合から脱離した水素イオンを、捕獲することもできる。
【００６１】
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１と一部異なる工程例を図２を用いて説明する。なお、図２において、図１と同一の箇所には同じ符号を用いる。
【００６２】
まず、実施の形態１と同様に、絶縁表面を有する基板１００上に導電膜を形成した後、フォトリソグラフィ工程によりゲート電極層１１２を形成する。そして、ゲート電極層１１２上にゲート絶縁層１０２を形成する（図２（Ａ）参照）。
【００６３】
なお、必要があれば、実施の形態１と同様にゲート絶縁層１０２形成後にハロゲンドープ処理を行ってもよい。また、成膜時にハロゲン元素をゲート絶縁層１０２中に含有させてもよい。その場合、例えばテトラフルオロシランと酸素を用いてプラズマＣＶＤ法によりフッ素を含む酸化珪素膜を形成し、ゲート絶縁層１０２として用いる。また、予め成膜室をＣｌＦ３やＮＦ３等のフッ素化合物系ガスを用いてクリーニングを行った後、ゲート絶縁層１０２の形成を行うことで、成膜室の内壁に吸着したフッ素や塩素などを意図的にゲート絶縁層１０２中に取り込ませてもよい。
【００６４】
次いで、ゲート絶縁層１０２上にゲート電極層１１２と重畳するように厚さ２ｎｍ以上１５ｎｍ以下の第１の酸化物半導体膜１０８ａを形成する（図２（Ｂ）参照）。なお、第１の酸化物半導体膜１０８ａは、実施の形態１と同様に、酸化物半導体膜の成膜後に結晶化のための第１の加熱処理を行い結晶化させた膜である。
【００６５】
次いで、第１の酸化物半導体膜１０８ａ上に、少なくとも第１の酸化物半導体膜１０８ａよりも膜厚の厚く、１０μｍ以下の膜厚範囲の第２の酸化物半導体膜１０８ｂを形成する（図２（Ｃ）参照。）。なお、第２の酸化物半導体膜１０８ｂは、実施の形態１と同様に、酸化物半導体膜の成膜後に結晶化のための第２の加熱処理を行い結晶化させた膜である。
【００６６】
次に、第１の酸化物半導体膜１０８ａと第２の酸化物半導体膜１０８ｂからなる酸化物半導体積層を加工して島状の酸化物半導体膜を形成する（図２（Ｄ）参照）。
【００６７】
酸化物半導体積層の加工は、所望の形状のマスクを酸化物半導体積層上に形成した後、当該酸化物半導体積層をエッチングすることによって行うことができる。上述のマスクは、フォトリソグラフィなどの方法を用いて形成することができる。または、インクジェット法などの方法を用いてマスクを形成しても良い。
【００６８】
なお、酸化物半導体積層のエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよい。もちろん、これらを組み合わせて用いてもよい。
【００６９】
なお、酸化物半導体積層は必ずしも島状に加工しなくてもよい。
【００７０】
次に、第２の酸化物半導体膜１０８ｂに対して、酸素１８２による処理（酸素ドープ処理や、酸素プラズマドープ処理ともいう）を行う（図２（Ｅ）参照）。ここで、酸素１８２には、少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオン、のいずれかが含まれている。酸化物半導体積層に酸素ドープ処理を行うことにより、酸化物半導体積層中、酸化物半導体積層界面近傍、または、酸化物半導体積層中および該界面近傍に酸素を含有させることができる。この場合、酸素の含有量は、酸化物半導体積層の化学量論比を超える程度、好ましくは、化学量論比の１倍を超えて２倍まで（１倍より大きく２倍未満）、とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量をＹとして、Ｙを超える程度、好ましくは、Ｙを超えて２Ｙまでとすることもできる。あるいは、酸素の含有量は、酸素ドープ処理を行わない場合の絶縁膜中の酸素の量Ｚを基準として、Ｚを超える程度、好ましくは、Ｚを超えて２Ｚまでとすることもできる。なお、上述の好ましい範囲に上限が存在するのは、酸素の含有量を多くしすぎると、水素吸蔵合金（水素貯蔵合金）のように、かえって酸化物半導体積層が水素を取り込んでしまう恐れがあるためである。なお、酸化物半導体積層において酸素の含有量は水素の含有量より大きくなる。
【００７１】
化学式がＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表現される材料の場合、例えば、ｍ＝１（ＩｎＧａＺｎＯ４）の結晶構造を基準にすれば、ＩｎＧａＺｎＯｘにおいてｘは４を越えて８まで、また、ｍ＝２（ＩｎＧａＺｎ２Ｏ５）の結晶構造を基準にすれば、ＩｎＧａＺｎ２Ｏｘにおいてｘは５を越えて１０まで、が許容される。なお、このような酸素過剰領域は、酸化物半導体積層の一部（界面を含む）に存在していればよい。
【００７２】
なお、酸化物半導体膜において、酸素は主たる成分材料の一つである。このため、酸化物半導体膜中の酸素濃度を、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）などの方法を用いて、正確に見積もることは難しい。つまり、酸化物半導体膜に酸素が意図的に添加されたか否かを判別することは困難であるといえる。
【００７３】
ところで、酸素には１７Ｏや１８Ｏといった同位体が存在し、自然界におけるこれらの存在比率はそれぞれ酸素原子全体の０．０３７％、０．２０４％程度であることが知られている。つまり、酸化物半導体膜中におけるこれら同位体の濃度は、ＳＩＭＳなどの方法によって見積もることができる程度になるから、これらの濃度を測定することで、酸化物半導体膜中の酸素濃度をより正確に見積もることが可能な場合がある。よって、これらの濃度を測定することで、酸化物半導体膜に意図的に酸素が添加されたか否かを判別しても良い。
【００７４】
例えば、１８Ｏの濃度を基準に用いると、酸化物半導体膜において、酸素が添加された領域における酸素の同位体の濃度Ｄ１（１８Ｏ）と、酸素が添加されていない領域における酸素の同位体の濃度Ｄ２（１８Ｏ）との間には、Ｄ１（１８Ｏ）＞Ｄ２（１８Ｏ）が成立するといえる。
【００７５】
また、酸化物半導体積層に添加される酸素１８２の少なくとも一部は、酸化物半導体積層中において不対結合手を有することが好ましい。不対結合手を有することにより、膜中に残存しうる水素と結合して、水素を固定化（非可動イオン化）することができるためである。
【００７６】
上述の酸素１８２は、プラズマ発生装置やオゾン発生装置によって発生させることができる。より具体的には、例えば、半導体装置に対してエッチング処理を行うことができる装置や、レジストマスクに対してアッシングを行うことができる装置などを用いて酸素１８２を発生させ、酸化物半導体積層を処理することができる。また、電界で加速した酸素イオンを照射して、酸素を添加してもよい。また、μ波（例えば周波数２．４５ＧＨｚ）を用いた高密度プラズマＣＶＤを用いて酸素を添加してもよい。μ波を用いた高密度プラズマＣＶＤを用いた場合、酸化物半導体積層への酸素添加時にダメージがほとんどない。
【００７７】
なお、酸素の添加をより好適に行うためには、酸素添加時に基板には電気的なバイアスを加えておくことが望ましい。例えば、ＩＣＰ装置を用いて酸素を添加する場合、ＩＣＰコイルに印加する高周波電力は、１ｋＷ以上１０ｋＷ以下とし、基板ステージに基板バイアス１０００Ｗを加えればよい。
【００７８】
なお、酸素ドープ処理を行った酸化物半導体積層に熱処理を行ってもよい。当該熱処理の温度は、２５０℃以上７００℃以下、好ましくは４００℃以上６００℃以下、または基板の歪み点未満とする。
【００７９】
当該熱処理により、酸素と酸化物半導体材料に含まれる水素との反応によって生成された水、水酸化物（ＯＨ）などを酸化物半導体膜から除去することができる。また、上述の酸素ドープ処理において、酸化物半導体積層などに混入した水素なども当該熱処理で除去することができる。熱処理は、水、水素などが十分に低減された窒素、酸素、超乾燥空気（ＣＲＤＳ（キャビティリングダウンレーザー分光法）方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が２０ｐｐｍ（露点換算で−５５℃）以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）、希ガス（アルゴン、ヘリウムなど）などの雰囲気下で行えばよく、特に酸素を含む雰囲気で行うことが好ましい。また、熱処理装置に導入する窒素、酸素、または希ガスの純度は、６Ｎ（９９．９９９９％）以上（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下）とするのが好ましく、７Ｎ（９９．９９９９９％）以上（即ち不純物濃度を０．１ｐｐｍ以下）とすると、より好ましい。
【００８０】
また、酸素ドープ処理と熱処理を繰り返して行っても良い。当該処理を繰り返して行うことにより、トランジスタの信頼性をさらに高めることができる。なお、繰り返しの回数は適宜設定することができる。
【００８１】
本実施の形態に係る上記の熱処理においては、酸素を含む雰囲気下で酸化物半導体積層を加熱するのが望ましい。したがって、上述の結晶化処理によって減少してしまう可能性のある酸素を、酸化物半導体積層へ供給することも可能である。この意味において、当該熱処理を、加酸化（加酸素化）と呼ぶこともできる。また、結晶化処理は、酸化物半導体中に含まれる水素を含む不純物（水、ＯＨなど）を脱離させる脱水化（または脱水素化）とも呼ぶこともできる。
【００８２】
なお、加酸化を目的とする熱処理のタイミングは、酸化物半導体積層の形成後であれば特に限定されない。例えば、後述する絶縁膜１１０ａの形成後に加酸化を目的とする熱処理を行っても良い。または、ゲート電極層の形成後に加酸化を目的とする熱処理を行っても良い。または、脱水化等を目的とする熱処理に続けて加酸化を目的とする熱処理を行っても良いし、脱水化等を目的とする熱処理に加酸化を目的とする熱処理を兼ねさせても良いし、加酸化を目的とする熱処理に脱水化等を目的とする熱処理を兼ねさせても良い。
【００８３】
上述のように、脱水化等を目的とする熱処理と、酸素ドープ処理または加酸化を目的とする熱処理とを適用することで、酸化物半導体積層を、その主成分以外の不純物が極力含まれないように高純度化することができる。高純度化された酸化物半導体積層中にはドナーに由来するキャリアが極めて少ない（ゼロに近い）。
【００８４】
なお、本実施の形態においては、結晶化等を目的とする熱処理を行い、酸化物半導体積層を島状に加工し、酸素ドープ処理を行い、加酸化を目的とする熱処理を行ったが、これらの工程はこの順番に限られるものではない。
【００８５】
次いで、ゲート絶縁層１０２および酸化物半導体積層上に、ソース電極層およびドレイン電極層（これと同じ層で形成される配線を含む）を形成するための導電膜を形成し、当該導電膜を加工して、ソース電極層１０４ａおよびドレイン電極層１０４ｂを実施の形態１と同様に形成する（図２（Ｆ）参照）。
【００８６】
次に、第２の酸化物半導体膜１０８ｂの一部と接し、かつ、ソース電極層１０４ａおよびドレイン電極層１０４ｂを覆う絶縁膜１１０ａ、絶縁膜１１０ｂを実施の形態１と同様に形成する（図２（Ｆ）参照）。
【００８７】
以上の工程でトランジスタ１３０が形成される。トランジスタ１３０は、酸化物半導体積層を結晶化し、さらに酸素ドープ処理によって酸化物半導体膜中の酸素の含有量を増大させることで、電気的バイアスストレスや熱ストレスに起因する劣化を抑制し、光による劣化を低減することができる。
【００８８】
なお、上述の説明は、島状に加工された酸化物半導体積層に対して酸素ドープ処理を行う例についてのものだが、開示する発明の一態様はこれに限定されない。例えば、結晶化および酸素ドープ処理を行った後に、酸化物半導体積層を島状に加工しても良いし、ソース電極層１０４ａおよびドレイン電極層１０４ｂを形成した後に酸素ドープ処理を行っても良い。
【００８９】
（実施の形態３）
本実施の形態では、図１に示すトランジスタ１２０や、図２に示すトランジスタ１３０の変形例として、トランジスタ１４０、トランジスタ１５０の断面図を示す。
【００９０】
図３（Ａ）に示すトランジスタ１４０は、基板１００上のゲート電極層１１２、ゲート絶縁層１０２、第１の酸化物半導体膜１０８ａ、第２の酸化物半導体膜１０８ｂ、ソース電極層１０４ａ、ドレイン電極層１０４ｂ、絶縁膜１１０ａ、絶縁膜１１０ｂを含む点で、トランジスタ１２０と共通している。トランジスタ１４０とトランジスタ１２０との相違は、第２のゲート絶縁層１０３と、上述の構成要素を覆う絶縁膜１１４の有無である。すなわち、トランジスタ１４０は、第２のゲート絶縁層１０３と、絶縁膜１１４を有している。その他の構成要素については図１のトランジスタ１２０と同様であるから、詳細は、図１に関する記載を参酌することができる。
【００９１】
なお、第２のゲート絶縁層１０３は、第１の酸化物半導体膜１０８ａと同種の成分でなる絶縁材料を用いると特に好ましい。このような材料は第１の酸化物半導体膜１０８ａとの相性が良く、これを第２のゲート絶縁層１０３に用いることで、第１の酸化物半導体膜１０８ａとの界面の状態を良好に保つことができるからである。ここで、「第１の酸化物半導体膜１０８ａと同種の成分」とは、第１の酸化物半導体膜１０８ａの構成金属元素から選択される一または複数の元素を含むことを意味する。例えば、第１の酸化物半導体膜１０８ａがＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物半導体材料によって構成される場合、同種の成分でなる絶縁材料としては酸化ガリウムなどがある。
【００９２】
なお、絶縁膜１１４は、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ガリウム、これらの混合材料、などを用いて形成することができる。特に、絶縁膜１１４として窒化シリコン膜を用いる場合には、添加された酸素の外部への放出を防ぐことができると共に、酸化物半導体積層への外部からの水素等の混入を効果的に抑制することができるため好適である。特に絶縁膜１１４において、水素の含有量は、窒素の含有量の１０分の１以下とし、好ましくは１×１０２０ｃｍ−３未満とし、さらに好ましくは５×１０１８ｃｍ−３未満とする。なお、絶縁膜１１４上に、ソース電極層１０４ａやドレイン電極層１０４ｂ、ゲート電極層１１２などと接続される配線を形成しても良い。
【００９３】
図３（Ｂ）に示すトランジスタ１５０は、基板１００上のゲート電極層１１２、ゲート絶縁層１０２、第１の酸化物半導体膜１０８ａ、第２の酸化物半導体膜１０８ｂ、ソース電極層１０４ａ、ドレイン電極層１０４ｂ、絶縁膜１１０ａ、絶縁膜１１０ｂを含む点で、トランジスタ１２０と共通している。トランジスタ１５０とトランジスタ１２０との相違は、第２のゲート電極層１０５の有無である。すなわち、トランジスタ１５０は、第２のゲート電極層１０５を有している。その他の構成要素については図１のトランジスタ１２０と同様であるから、詳細は、図１に関する記載を参酌することができる。
【００９４】
なお、第２のゲート電極層１０５は、バックゲートとして機能させることのできる電極層であり、そのバックゲートの電位は、固定電位、例えば０Ｖや、接地電位とすることができ、実施者が適宜決定すればよい。また、酸化物半導体積層の上下にゲート電極層を設けたトランジスタ１５０とすることによって、トランジスタの信頼性を調べるためのＢＴ試験前後におけるトランジスタのしきい値電圧の変化量を低減することができる。即ち、酸化物半導体膜の上下にゲート電極層を設けることによって、信頼性を向上することができる。また、バックゲートに加えるゲート電圧を制御することによって、しきい値電圧を制御することもできる。また、第２のゲート電極層１０５に遮光性の導電膜を用いれば、酸化物半導体積層の遮光膜としても機能させることができ、信頼性を向上させることもできる。
【００９５】
本実施の形態は、実施の形態１または実施の形態２と自由に組み合わせることができる。
【００９６】
（実施の形態４）
実施の形態１乃至３のいずれか一で例示したトランジスタを用いて表示機能を有する半導体装置（表示装置ともいう）を作製することができる。また、トランジスタを含む駆動回路の一部または全体を、画素部と同じ基板上に一体形成し、システムオンパネルを形成することができる。
【００９７】
図４（Ａ）において、第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２を囲むようにして、シール材４００５が設けられ、第２の基板４００６によって封止されている。図４（Ａ）においては、第１の基板４００１上のシール材４００５によって囲まれている領域とは異なる領域に、別途用意された基板上に単結晶半導体膜又は多結晶半導体膜で形成された走査線駆動回路４００４、信号線駆動回路４００３が実装されている。また別途形成された信号線駆動回路４００３と、走査線駆動回路４００４または画素部４００２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）４０１８ａ、４０１８ｂから供給されている。
【００９８】
図４（Ｂ）（Ｃ）において、第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２と、走査線駆動回路４００４とを囲むようにして、シール材４００５が設けられている。また画素部４００２と、走査線駆動回路４００４の上に第２の基板４００６が設けられている。よって画素部４００２と、走査線駆動回路４００４とは、第１の基板４００１とシール材４００５と第２の基板４００６とによって、表示素子と共に封止されている。図４（Ｂ）（Ｃ）においては、第１の基板４００１上のシール材４００５によって囲まれている領域とは異なる領域に、別途用意された基板上に単結晶半導体膜又は多結晶半導体膜で形成された信号線駆動回路４００３が実装されている。図４（Ｂ）（Ｃ）においては、別途形成された信号線駆動回路４００３と、走査線駆動回路４００４または画素部４００２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ４０１８から供給されている。
【００９９】
また図４（Ｂ）（Ｃ）においては、信号線駆動回路４００３を別途形成し、第１の基板４００１に実装している例を示しているが、この構成に限定されない。走査線駆動回路を別途形成して実装しても良いし、信号線駆動回路の一部または走査線駆動回路の一部のみを別途形成して実装しても良い。
【０１００】
なお、別途形成した駆動回路の接続方法は、特に限定されるものではなく、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）方法、ワイヤボンディング方法、或いはＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）方法などを用いることができる。図４（Ａ）は、ＣＯＧ方法により信号線駆動回路４００３、走査線駆動回路４００４を実装する例であり、図４（Ｂ）は、ＣＯＧ方法により信号線駆動回路４００３を実装する例であり、図４（Ｃ）は、ＴＡＢ方法により信号線駆動回路４００３を実装する例である。
【０１０１】
また、表示装置は、表示素子が封止された状態にあるパネルと、該パネルにコントローラを含むＩＣ等を実装した状態にあるモジュールとを含む。
【０１０２】
なお、本明細書中における表示装置とは、画像表示デバイス、表示デバイス、もしくは光源（照明装置含む）を指す。また、コネクター、例えばＦＰＣもしくはＴＡＢテープもしくはＴＣＰが取り付けられたモジュール、ＴＡＢテープやＴＣＰの先にプリント配線板が設けられたモジュール、または表示素子にＣＯＧ方式によりＩＣ（集積回路）が直接実装されたモジュールも全て表示装置に含むものとする。
【０１０３】
また第１の基板上に設けられた画素部及び走査線駆動回路は、トランジスタを複数有しており、実施の形態１乃至３のいずれか一で例示したトランジスタを適用することができる。
【０１０４】
表示装置に設けられる表示素子としては液晶素子（液晶表示素子ともいう）、発光素子（発光表示素子ともいう）、を用いることができる。発光素子は、電流または電圧によって輝度が制御される素子をその範疇に含んでおり、具体的には無機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）、有機ＥＬ等が含まれる。また、電子インクなど、電気的作用によりコントラストが変化する表示媒体も適用することができる。
【０１０５】
半導体装置の一形態について、図５及び図６を用いて説明する。図５及び図６は、図４（Ｂ）のＭ−Ｎにおける断面図に相当する。
【０１０６】
図５及び図６で示すように、半導体装置は接続端子電極４０１５及び端子電極４０１６を有しており、接続端子電極４０１５及び端子電極４０１６はＦＰＣ４０１８が有する端子と異方性導電膜４０１９を介して、電気的に接続されている。
【０１０７】
接続端子電極４０１５は、第１の電極層４０３０と同じ導電膜から形成され、端子電極４０１６は、トランジスタ４０１０、４０１１のソース電極層及びドレイン電極層と同じ導電膜で形成されている。
【０１０８】
また第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２と、走査線駆動回路４００４は、トランジスタを複数有しており、図５及び図６では、画素部４００２に含まれるトランジスタ４０１０と、走査線駆動回路４００４に含まれるトランジスタ４０１１とを例示している。図６では、トランジスタ４０１０、４０１１上に、絶縁層４０２１が設けられている。
【０１０９】
本実施の形態では、トランジスタ４０１０、トランジスタ４０１１として、実施の形態１乃至３のいずれか一で示したトランジスタを適用することができる。トランジスタ４０１０、トランジスタ４０１１は、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。よって、図５及び図６で示す本実施の形態の半導体装置として信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０１１０】
また、本実施の形態では、絶縁層上において駆動回路用のトランジスタ４０１１の酸化物半導体膜のチャネル形成領域と重なる位置には導電層を設けてもよい。導電層を酸化物半導体膜のチャネル形成領域と重なる位置に設けることによって、ＢＴ試験前後におけるトランジスタ４０１１のしきい値電圧の変化量をさらに低減することができる。また、導電層は、電位がトランジスタ４０１１のゲート電極層と同じでもよいし、異なっていても良く、第２のゲート電極層として機能させることもできる。また、導電層の電位がＧＮＤ、０Ｖ、或いはフローティング状態であってもよい。
【０１１１】
また、該導電層は外部の電場を遮蔽する、すなわち外部の電場が内部（トランジスタを含む回路部）に作用しないようにする機能（特に静電気に対する静電遮蔽機能）も有する。導電層の遮蔽機能により、静電気などの外部の電場の影響によりトランジスタの電気的な特性が変動することを防止することができる。
【０１１２】
画素部４００２に設けられたトランジスタ４０１０は表示素子と電気的に接続し、表示パネルを構成する。表示素子は表示を行うことができれば特に限定されず、様々な表示素子を用いることができる。
【０１１３】
図５に表示素子として液晶素子を用いた液晶表示装置の例を示す。図５において、表示素子である液晶素子４０１３は、第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１、及び液晶層４００８を含む。なお、液晶層４００８を挟持するように配向膜として機能する絶縁膜４０３２、４０３３が設けられている。第２の電極層４０３１は第２の基板４００６側に設けられ、第１の電極層４０３０と第２の電極層４０３１とは液晶層４００８を介して積層する構成となっている。
【０１１４】
またスペーサ４０３５は絶縁膜を選択的にエッチングすることで得られる柱状のスペーサであり、液晶層４００８の膜厚（セルギャップ）を制御するために設けられている。なおスペーサ４０３５の形状は、柱状に限定されるものではなく、例えば、球状のスペーサを用いていても良い。
【０１１５】
表示素子として、液晶素子を用いる場合、サーモトロピック液晶、低分子液晶、高分子液晶、高分子分散型液晶、強誘電性液晶、反強誘電性液晶等を用いることができる。これらの液晶材料は、条件により、コレステリック相、スメクチック相、キュービック相、カイラルネマチック相、等方相等を示す。
【０１１６】
また、配向膜を用いないブルー相を示す液晶を用いてもよい。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。また配向膜を設けなくてもよいのでラビング処理も不要となるため、ラビング処理によって引き起こされる静電破壊を防止することができ、作製工程中の液晶表示装置の不良や破損を軽減することができる。よって液晶表示装置の生産性を向上させることが可能となる。
【０１１７】
また、液晶材料の固有抵抗率は、１×１０９Ω・ｃｍ以上であり、好ましくは１×１０１１Ω・ｃｍ以上であり、さらに好ましくは１×１０１２Ω・ｃｍ以上である。なお、本明細書における固有抵抗率の値は、２０℃で測定した値とする。
【０１１８】
液晶表示装置に設けられる保持容量の大きさは、画素部に配置されるトランジスタのリーク電流等を考慮して、所定の期間の間電荷を保持できるように設定される。高純度の酸化物半導体膜を有するトランジスタを用いることにより、各画素における液晶容量に対して１／３以下、好ましくは１／５以下の容量の大きさを有する保持容量を設ければ充分である。
【０１１９】
本実施の形態で用いるトランジスタは、オフ状態における電流値（オフ電流値）を低くすることもできる。よって、画像信号等の電気信号の保持時間を長くすることができ、電源オン状態では書き込み間隔も長く設定できる。よって、リフレッシュ動作の頻度を少なくすることができるため、消費電力を抑制する効果を奏する。
【０１２０】
また、本実施の形態で用いるトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られるため、高速駆動が可能である。よって、液晶表示装置の画素部に上記トランジスタを用いることで、高画質な画像を提供することができる。また、上記トランジスタは、同一基板上に駆動回路部または画素部に作り分けて作製することができるため、液晶表示装置の部品点数を削減することができる。
【０１２１】
液晶表示装置には、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ Ｆｉｅｌｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ａｌｉｇｎｅｄ Ｍｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モードなどを用いることができる。
【０１２２】
また、ノーマリーブラック型の液晶表示装置、例えば垂直配向（ＶＡ）モードを採用した透過型の液晶表示装置としてもよい。ここで、垂直配向モードとは、液晶表示パネルの液晶分子の配列を制御する方式の一種であり、電圧が印加されていないときにパネル面に対して液晶分子が垂直方向を向く方式である。垂直配向モードとしては、いくつか挙げられるが、例えば、ＭＶＡ（Ｍｕｌｔｉ−Ｄｏｍａｉｎ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＡＳＶモードなどを用いることができる。また、画素（ピクセル）をいくつかの領域（サブピクセル）に分け、それぞれ別の方向に分子を倒すよう工夫されているマルチドメイン化あるいはマルチドメイン設計といわれる方法を用いることができる。
【０１２３】
また、表示装置において、ブラックマトリクス（遮光層）、偏光部材、位相差部材、反射防止部材などの光学部材（光学基板）などは適宜設ける。例えば、偏光基板及び位相差基板による円偏光を用いてもよい。また、光源としてバックライト、サイドライトなどを用いてもよい。
【０１２４】
また、バックライトとして複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いて、時間分割表示方式（フィールドシーケンシャル駆動方式）を行うことも可能である。フィールドシーケンシャル駆動方式を適用することで、カラーフィルタを用いることなく、カラー表示を行うことができる。
【０１２５】
また、画素部における表示方式は、プログレッシブ方式やインターレース方式等を用いることができる。また、カラー表示する際に画素で制御する色要素としては、ＲＧＢ（Ｒは赤、Ｇは緑、Ｂは青を表す）の三色に限定されない。例えば、ＲＧＢＷ（Ｗは白を表す）、又はＲＧＢに、イエロー、シアン、マゼンタ等を一色以上追加したものがある。なお、色要素のドット毎にその表示領域の大きさが異なっていてもよい。
【０１２６】
また、表示装置に含まれる表示素子として、エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子を適用することができる。エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子は、発光材料が有機化合物であるか、無機化合物であるかによって区別され、一般的に、前者は有機ＥＬ素子、後者は無機ＥＬ素子と呼ばれている。
【０１２７】
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。
【０１２８】
発光素子は発光を取り出すために少なくとも一対の電極の一方が透明であればよい。そして、基板上にトランジスタ及び発光素子を形成し、基板とは逆側の面から発光を取り出す上面射出や、基板側の面から発光を取り出す下面射出や、基板側及び基板とは反対側の面から発光を取り出す両面射出構造の発光素子があり、どの射出構造の発光素子も適用することができる。
【０１２９】
また、表示装置として、電子インクを駆動させる電子ペーパーを提供することも可能である。電子ペーパーは、電気泳動表示装置（電気泳動ディスプレイ）とも呼ばれており、紙と同じ読みやすさ、他の表示装置に比べ低消費電力、薄くて軽い形状とすることが可能という利点を有している。
【０１３０】
電気泳動表示装置は、様々な形態が考えられ得るが、プラスの電荷を有する第１の粒子と、マイナスの電荷を有する第２の粒子とを含むマイクロカプセルが溶媒または溶質に複数分散されたものであり、マイクロカプセルに電界を印加することによって、マイクロカプセル中の粒子を互いに反対方向に移動させて一方側に集合した粒子の色のみを表示するものである。なお、第１の粒子または第２の粒子は染料を含み、電界がない場合において移動しないものである。また、第１の粒子の色と第２の粒子の色は異なるもの（無色を含む）とする。
【０１３１】
このように、電気泳動表示装置は、誘電定数の高い物質が高い電界領域に移動する、いわゆる誘電泳動的効果を利用したディスプレイである。
【０１３２】
上記マイクロカプセルを溶媒中に分散させたものが電子インクと呼ばれるものであり、この電子インクはガラス、プラスチック、布、紙などの表面に印刷することができる。また、カラーフィルタや色素を有する粒子を用いることによってカラー表示も可能である。
【０１３３】
なお、マイクロカプセル中の第１の粒子および第２の粒子は、導電体材料、絶縁体材料、半導体材料、磁性材料、液晶材料、強誘電性材料、エレクトロルミネセント材料、エレクトロクロミック材料、磁気泳動材料から選ばれた一種の材料、またはこれらの複合材料を用いればよい。
【０１３４】
また、電子ペーパーとして、ツイストボール表示方式を用いる表示装置も適用することができる。ツイストボール表示方式とは、白と黒に塗り分けられた球形粒子を表示素子に用いる電極層である第１の電極層及び第２の電極層の間に配置し、第１の電極層及び第２の電極層に電位差を生じさせての球形粒子の向きを制御することにより、表示を行う方法である。
【０１３５】
図６に、半導体装置の一形態としてアクティブマトリクス型の電子ペーパーを示す。図６の電子ペーパーは、ツイストボール表示方式を用いた表示装置の例である。
【０１３６】
トランジスタ４０１０と接続する第１の電極層４０３０と、第２の基板４００６に設けられた第２の電極層４０３１との間には黒色領域４６１５ａ及び白色領域４６１５ｂを有し、周りに液体で満たされているキャビティ４６１２を含む球形粒子４６１３が設けられており、球形粒子４６１３の周囲は樹脂等の充填材４６１４で充填されている。第２の電極層４０３１が共通電極（対向電極）に相当する。第２の電極層４０３１は、共通電位線と電気的に接続される。
【０１３７】
なお、図５及び図６において、第１の基板４００１、第２の基板４００６としては、ガラス基板の他、可撓性を有する基板も用いることができ、例えば透光性を有するプラスチック基板などを用いることができる。プラスチックとしては、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒｇｌａｓｓ−Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）板、ＰＶＦ（ポリビニルフルオライド）フィルム、ポリエステルフィルムまたはアクリル樹脂フィルムを用いることができる。また、アルミニウムホイルをＰＶＦフィルムやポリエステルフィルムで挟んだ構造のシートを用いることもできる。
【０１３８】
絶縁層４０２１は、無機絶縁材料又は有機絶縁材料を用いて形成することができる。なお、アクリル樹脂、ポリイミド、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂等の、耐熱性を有する有機絶縁材料を用いると、平坦化絶縁膜として好適である。また上記有機絶縁材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等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、絶縁層を形成してもよい。
【０１３９】
絶縁層４０２１の形成法は、特に限定されず、その材料に応じて、スパッタリング法、スピンコート法、ディッピング法、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。
【０１４０】
表示装置は光源又は表示素子からの光を透過させて表示を行う。よって光が透過する画素部に設けられる基板、絶縁膜、導電膜などの薄膜はすべて可視光の波長領域の光に対して透光性とする。
【０１４１】
表示素子に電圧を印加する第１の電極層４０３０及び第２の電極層４０３１（画素電極層、共通電極層、対向電極層などともいう）においては、取り出す光の方向、電極層が設けられる場所、及び電極層のパターン構造によって透光性、反射性を選択すればよい。
【０１４２】
第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１は、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物（以下、ＩＴＯと示す。）、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の透光性を有する導電性材料を用いることができる。
【０１４３】
また、第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１はタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）等の金属、又はその合金、若しくはその窒化物から一つ、又は複数種を用いて形成することができる。
【０１４４】
また、トランジスタは静電気などにより破壊されやすいため、駆動回路保護用の保護回路を設けることが好ましい。保護回路は、非線形素子を用いて構成することが好ましい。
【０１４５】
以上のように、実施の形態１乃至３のいずれか一で例示したトランジスタを適用することで、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０１４６】
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１４７】
（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。
【０１４８】
図７（Ａ）は電子書籍（Ｅ−ｂｏｏｋともいう）であり、筐体９６３０、表示部９６３１、操作キー９６３２、太陽電池９６３３、充放電制御回路９６３４を有することができる。図７（Ａ）に示した電子書籍は、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。なお、図７（Ａ）では充放電制御回路９６３４の一例としてバッテリー９６３５、ＤＣＤＣコンバータ（以下、コンバータと略記）９６３６を有する構成について示している。実施の形態４で示した半導体装置を表示部９６３１に適用することにより、信頼性の高い電子書籍とすることができる。
【０１４９】
図７（Ａ）に示す構成とすることにより、表示部９６３１として半透過型、又は反射型の液晶表示装置を用いる場合、比較的明るい状況下での使用も予想され、太陽電池９６３３による発電、及びバッテリー９６３５での充電を効率よく行うことができ、好適である。なお太陽電池９６３３は、筐体９６３０の空きスペース（表面や裏面）に適宜設けることができるため、効率的なバッテリー９６３５の充電を行う構成とすることができるため好適である。なおバッテリー９６３５としては、リチウムイオン電池を用いると、小型化を図れる等の利点がある。
【０１５０】
また図７（Ａ）に示す充放電制御回路９６３４の構成、及び動作について図７（Ｂ）にブロック図を示し説明する。図７（Ｂ）には、太陽電池９６３３、バッテリー９６３５、コンバータ９６３６、コンバータ９６３７、スイッチＳＷ１乃至ＳＷ３、表示部９６３１について示しており、バッテリー９６３５、コンバータ９６３６、コンバータ９６３７、スイッチＳＷ１乃至ＳＷ３が充放電制御回路９６３４に対応する箇所となる。
【０１５１】
まず外光により太陽電池９６３３により発電がされる場合の動作の例について説明する。太陽電池９６３３で発電した電力は、バッテリー９６３５を充電するための電圧となるようコンバータ９６３６で昇圧または降圧がなされる。そして、表示部９６３１の動作に太陽電池９６３３からの電力が用いられる際にはスイッチＳＷ１をオンにし、コンバータ９６３７で表示部９６３１に必要な電圧に昇圧または降圧をすることとなる。また、表示部９６３１での表示を行わない際には、ＳＷ１をオフにし、ＳＷ２をオンにしてバッテリー９６３５の充電を行う構成とすればよい。
【０１５２】
次いで外光により太陽電池９６３３により発電がされない場合の動作の例について説明する。バッテリー９６３５に蓄電された電力は、スイッチＳＷ３をオンにすることでコンバータ９６３７により昇圧または降圧がなされる。そして、表示部９６３１の動作にバッテリー９６３５からの電力が用いられることとなる。
【０１５３】
なお太陽電池９６３３については、充電手段の一例として示したが、他の手段によるバッテリー９６３５の充電を行う構成であってもよい。また他の充電手段を組み合わせて行う構成としてもよい。
【０１５４】
図８（Ａ）は、ノート型のパーソナルコンピュータであり、本体３００１、筐体３００２、表示部３００３、キーボード３００４などによって構成されている。実施の形態４で示した半導体装置を表示部３００３に適用することにより、信頼性の高いノート型のパーソナルコンピュータとすることができる。
【０１５５】
図８（Ｂ）は、携帯情報端末（ＰＤＡ）であり、本体３０２１には表示部３０２３と、外部インターフェイス３０２５と、操作ボタン３０２４等が設けられている。また操作用の付属品としてスタイラス３０２２がある。実施の形態４で示した半導体装置を表示部３０２３に適用することにより、より信頼性の高い携帯情報端末（ＰＤＡ）とすることができる。
【０１５６】
図８（Ｃ）は、電子書籍の一例を示している。例えば、電子書籍２７００は、筐体２７０１および筐体２７０３の２つの筐体で構成されている。筐体２７０１および筐体２７０３は、軸部２７１１により一体とされており、該軸部２７１１を軸として開閉動作を行うことができる。このような構成により、紙の書籍のような動作を行うことが可能となる。
【０１５７】
筐体２７０１には表示部２７０５が組み込まれ、筐体２７０３には表示部２７０７が組み込まれている。表示部２７０５および表示部２７０７は、続き画面を表示する構成としてもよいし、異なる画面を表示する構成としてもよい。異なる画面を表示する構成とすることで、例えば右側の表示部（図８（Ｃ）では表示部２７０５）に文章を表示し、左側の表示部（図８（Ｃ）では表示部２７０７）に画像を表示することができる。実施の形態４で示した半導体装置を表示部２７０５、表示部２７０７に適用することにより、信頼性の高い電子書籍２７００とすることができる。
【０１５８】
また、図８（Ｃ）では、筐体２７０１に操作部などを備えた例を示している。例えば、筐体２７０１において、電源スイッチ２７２１、操作キー２７２３、スピーカー２７２５などを備えている。操作キー２７２３により、頁を送ることができる。なお、筐体の表示部と同一面にキーボードやポインティングデバイスなどを備える構成としてもよい。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。さらに、電子書籍２７００は、電子辞書としての機能を持たせた構成としてもよい。
【０１５９】
また、電子書籍２７００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。
【０１６０】
図８（Ｄ）は、携帯電話であり、筐体２８００及び筐体２８０１の二つの筐体で構成されている。筐体２８０１には、表示パネル２８０２、スピーカー２８０３、マイクロフォン２８０４、ポインティングデバイス２８０６、カメラ用レンズ２８０７、外部接続端子２８０８などを備えている。また、筐体２８００には、携帯電話の充電を行う太陽電池セル２８１０、外部メモリスロット２８１１などを備えている。また、アンテナは筐体２８０１内部に内蔵されている。実施の形態４で示した半導体装置を表示パネル２８０２に適用することにより、信頼性の高い携帯電話とすることができる。
【０１６１】
また、表示パネル２８０２はタッチパネルを備えており、図８（Ｄ）には映像表示されている複数の操作キー２８０５を点線で示している。なお、太陽電池セル２８１０で出力される電圧を各回路に必要な電圧に昇圧するための昇圧回路も実装している。
【０１６２】
表示パネル２８０２は、使用形態に応じて表示の方向が適宜変化する。また、表示パネル２８０２と同一面上にカメラ用レンズ２８０７を備えているため、テレビ電話が可能である。スピーカー２８０３及びマイクロフォン２８０４は音声通話に限らず、テレビ電話、録音、再生などが可能である。さらに、筐体２８００と筐体２８０１は、スライドし、図８（Ｄ）のように展開している状態から重なり合った状態とすることができ、携帯に適した小型化が可能である。
【０１６３】
外部接続端子２８０８はＡＣアダプタ及びＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能であり、充電及び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。また、外部メモリスロット２８１１に記録媒体を挿入し、より大量のデータ保存及び移動に対応できる。
【０１６４】
また、上記機能に加えて、赤外線通信機能、テレビ受信機能などを備えたものであってもよい。
【０１６５】
図８（Ｅ）は、デジタルビデオカメラであり、本体３０５１、表示部（Ａ）３０５７、接眼部３０５３、操作スイッチ３０５４、表示部（Ｂ）３０５５、バッテリー３０５６などによって構成されている。実施の形態４で示した半導体装置を表示部（Ａ）３０５７、表示部（Ｂ）３０５５に適用することにより、信頼性の高いデジタルビデオカメラとすることができる。
【０１６６】
図８（Ｆ）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、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４で示した半導体装置を表示部９６０３に適用することにより、信頼性の高いテレビジョン装置９６００とすることができる。
【０１６７】
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。
【０１６８】
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。
【０１６９】
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】
【０１７０】
１００ 基板
１０２ ゲート絶縁層
１０３ 第２のゲート絶縁層
１０４ａ ソース電極層
１０４ｂ ドレイン電極層
１０５ 第２のゲート電極層
１０８ａ 第１の酸化物半導体膜
１０８ｂ 第２の酸化物半導体膜
１１０ａ 絶縁膜
１１０ｂ 絶縁膜
１１２ ゲート電極層
１１４ 絶縁膜
１２０ トランジスタ
１３０ トランジスタ
１４０ トランジスタ
１５０ トランジスタ
１８０ ハロゲン
１８２ 酸素
【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（厚さ数十〜数百ｎｍ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。
【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】
しかし、酸化物半導体はデバイス作製工程において、電子供与体を形成する水素や水の混入などが生じると、その電気伝導度が変化する恐れがある。このような現象は、酸化物半導体を用いたトランジスタにとって電気的特性の変動要因となる。
【０００７】
このような問題に鑑み、酸化物半導体膜を用いた半導体装置に安定した電気的特性を付与し、信頼性の高い半導体装置を作製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】
開示する発明の一態様は、ゲート電極層を形成し、ゲート電極層上にゲート絶縁層を形成し、ゲート絶縁層上に膜厚が２ｎｍ以上１５ｎｍ以下の薄い第１の酸化物半導体膜を形成し、第１の加熱処理を行って第１の酸化物半導体膜の表面から内部に向かって結晶成長させて第１の結晶層を形成し、第１の結晶層上に第１の酸化物半導体膜よりも厚い第２の酸化物半導体膜を形成し、第２の加熱処理を行って第１の結晶層からその上の第２の酸化物半導体膜表面に向かって結晶成長させて第２の結晶層を形成し、第１の結晶層及び第２の結晶層の積層上にソース電極層およびドレイン電極層を形成し、第２の結晶層を形成した後、さらに酸素ドープ処理を行って第２の結晶層に酸素原子を供給する工程を有することを特徴とする半導体装置の作製方法である。
【０００９】
なお、上記作製方法において、第１の加熱処理または第２の加熱処理により、結晶化させることによって、高密度な酸化物半導体膜を得ることができる。そして、高密度な酸化物半導体膜に対して酸素ドープ処理を行って、酸化物半導体膜中に酸素原子を供給し、酸素原子が供給された酸化物半導体膜に熱処理を行う。
【００１０】
また、開示する発明の別の一態様は、ゲート電極層を形成し、ゲート電極層上にゲート絶縁層を形成し、ゲート絶縁層にハロゲンドープ処理を行い、ゲート絶縁層上に膜厚が２ｎｍ以上１５ｎｍ以下の薄い第１の酸化物半導体膜を形成し、第１の加熱処理を行って第１の酸化物半導体膜の表面から内部に向かって結晶成長させて第１の結晶層を形成し、第１の結晶層上に第１の酸化物半導体膜よりも厚い第２の酸化物半導体膜を形成し、第２の加熱処理を行って第１の結晶層からその上の第２の酸化物半導体膜表面に向かって結晶成長させて第２の結晶層を形成し、第１の結晶層及び第２の結晶層の積層上にソース電極層およびドレイン電極層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法である。
【００１１】
なお、上記作製方法において、第１の加熱処理条件によっては、ゲート絶縁層の酸素が抜けてしまう恐れがあるため、第１の加熱処理よりも前に、質量の大きい塩素をゲート絶縁層に添加してゲート絶縁層における酸素の低減を防ぐことが有用である。さらに、第２の加熱処理後、酸素ドープ処理を行ってもよい。
【００１２】
本明細書において、ハロゲン元素とは周期表において第１７族元素（フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、臭素（Ｂｒ）、ヨウ素（Ｉ）など）のことを意味し、代表的には、フッ素、塩素を用いることができ、用いるハロゲン元素は一種でも複数種でもよい。
【００１３】
ハロゲン元素を含むガス雰囲気下でのハロゲンドープ処理によってゲート絶縁層にハロゲン元素を添加する。なお、上記の「ハロゲンドープ」とは、塩素やフッ素に代表されるハロゲンをバルクに添加することを言う。例えば、ハロゲンとして塩素を用いる場合、少なくとも、塩素ラジカル、塩素原子、塩素イオン、のいずれかをバルクに添加する。なお、当該「バルク」の用語は、ハロゲンを、薄膜表面のみでなく薄膜内部に添加することを明確にする趣旨で用いている。また、「ハロゲンドープ」には、プラズマ化したハロゲンをバルクに添加する「ハロゲンプラズマドープ」が含まれる。また、ハロゲン元素は、ゲート絶縁層の成膜時に含ませて成膜することもできる。
【００１４】
また、上記各作製方法において、第１の結晶層は、その表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしていることを特徴の一つとしている。また、上記作製方法において、第２の結晶層は、第２の結晶層の表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしていることを特徴の一つとしている。
【００１５】
なお、上記の「酸素ドープ」とは、酸素（少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオン、のいずれかを含む）をバルクに添加することを言う。なお、当該「バルク」の用語は、酸素を、薄膜表面のみでなく薄膜内部に添加することを明確にする趣旨で用いている。また、「酸素ドープ」には、プラズマ化した酸素をバルクに添加する「酸素プラズマドープ」が含まれる。
【００１６】
上記の酸素ドープ処理によって、酸化物半導体膜の膜中（バルク中）、絶縁膜の膜中（バルク中）、酸化物半導体膜と絶縁膜の界面、のいずれかには少なくとも化学量論比を超える量の酸素が存在する。酸素の量は、好ましくは化学量論比の１倍を超えて４倍まで（４倍未満）、より好ましくは、１倍を超えて２倍まで（２倍未満）である。ここで、化学量論比を超える酸素過剰な酸化物の一例として、その組成が見かけ上、ＩｎａＧａｂＺｎｃＳｉｄＡｌｅＭｇｆＯｇ（ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，及びｇは０以上）で表されるとき、２ｇ＞３ａ＋３ｂ＋２ｃ＋４ｄ＋３ｅ＋２ｆ、を満たす酸化物が挙げられる。上記以外の組成を有する酸化物であっても同様に考えればよい。なお、酸素ドープ処理によって添加された酸素は、酸化物半導体の格子間に存在する場合もある。
【００１７】
また、上記ハロゲンドープ処理を行う半導体装置の作製方法により得られる本発明の一態様は、ゲート電極層上にハロゲン元素を含むゲート絶縁層と、ゲート絶縁層上に、表面に対して平行方向にａ−ｂ面を有し、表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしている第１の結晶層と、第１の結晶層上に接し、且つ、表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしている第２の結晶層と、第１の結晶層及び第２の結晶層の積層上にソース電極層およびドレイン電極層とを有し、第１の結晶層及び第２の結晶層は、酸化物半導体膜であることを特徴とする半導体装置である。
【００１８】
なお、第１の結晶層及び第２の結晶層である酸化物半導体膜は、四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料や、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系の材料や、二元系金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ系の材料、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ系の材料や、単元系金属酸化物であるＩｎ−Ｏ系の材料やＳｎ−Ｏ系の材料などがある。また、上記の材料にＳｉＯ２を含ませてもよい。ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料とは、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）を有する酸化物、という意味であり、その組成比は特に問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の元素を含んでいてもよい。
【００１９】
また、酸化物半導体としてＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料を用いる場合、用いるターゲットの組成比は、原子数比で、Ｉｎ：Ｚｎ＝５０：１〜１：２（モル数比に換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝２５：１〜１：４）、好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝２０：１〜１：１（モル数比に換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１０：１〜１：２）、さらに好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝１５：１〜１．５：１（モル数比に換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１５：２〜３：４）とする。例えば、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体の形成に用いるターゲットは、原子数比がＩｎ：Ｚｎ：Ｏ＝Ｘ：Ｙ：Ｚのとき、Ｚ＞１．５Ｘ＋Ｙとする。
【００２０】
また、上記半導体装置の作製方法において、ゲート絶縁層、及び／又は第１の結晶層、及び／又は第２の結晶層、及び／又は絶縁層を作製する際に、成膜室の排気は吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。上記吸着型の真空ポンプは、ゲート絶縁層、及び／又は酸化物半導体膜、及び／又は絶縁層に含まれる水素、水、水酸基又は水素化物の量を低減するように作用する。
【発明の効果】
【００２１】
結晶化させて高密度化させた酸化物半導体膜を有するトランジスタは、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酸化物半導体を用いた半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一態様を示す工程断面図。
【図２】本発明の一態様を示す工程断面図。
【図３】本発明の一態様を示す断面図。
【図４】半導体装置の一形態を説明する図。
【図５】半導体装置の一形態を説明する図。
【図６】半導体装置の一形態を説明する図。
【図７】電子機器を示す図。
【図８】電子機器を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。
【００２４】
（実施の形態１）
本実施の形態では、半導体装置の作製方法について、図１を用いて説明する。
【００２５】
まず、絶縁表面を有する基板１００上に導電膜を形成した後、フォトリソグラフィ工程によりゲート電極層１１２を形成する（図１（Ａ）参照）。なお、レジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
【００２６】
基板１００の材質等に大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐える程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを、基板１００として用いることができる。また、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、ＳＯＩ基板などを適用することも可能であり、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板１００として用いてもよい。
【００２７】
下地膜となる絶縁膜を基板１００とゲート電極層１１２との間に設けてもよい。下地膜は、基板１００からの不純物元素の拡散を防止する機能を有し、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、又は酸化窒化シリコン膜から選ばれた一又は複数の膜による積層構造により形成することができる。
【００２８】
また、ゲート電極層１１２は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料又はこれらを主成分とする合金材料を用いて、単層で又は積層して形成することができる。
【００２９】
次いで、ゲート電極層１１２上にゲート絶縁層１０２を形成する（図１（Ａ）参照）。
【００３０】
ゲート絶縁層１０２には、後に形成される酸化物半導体膜とはエッチング（酸化物半導体膜の選択的なエッチング）におけるエッチングレートが大きく異なる絶縁材料を用いることが好ましい。ゲート絶縁層１０２は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、又はこれらの混合材料を用いて単層で又は積層して形成することができる。ただし、トランジスタのゲート絶縁層として機能することを考慮して、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、ハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムシリケート、窒素が添加されたハフニウムアルミネート、などの比誘電率が高い材料を採用しても良い。なお、水素や水などが混入しにくいという点では、スパッタリング法が好適である。
【００３１】
また、ゲート絶縁層１０２として、上記材料からなる絶縁膜と、酸化ガリウム膜との積層を用いてもよい。
【００３２】
次に、ゲート絶縁層１０２に対して、ハロゲン１８０による処理（ハロゲンドープ処理や、ハロゲンプラズマドープ処理ともいう）を行い、ゲート絶縁層１０２中にハロゲンを含有させる（図１（Ｂ）参照）。ハロゲン１８０は、塩素やフッ素などを用いることができる。塩素やフッ素などのハロゲンは電気陰性度が大きいため、トランジスタの劣化の原因となる水素イオンを、捕獲することができる。また、ゲート絶縁層１０２に塩素などのハロゲンを含有させることで、ゲート絶縁層１０２中の水素を固定化し、ゲート絶縁層１０２中から、後の工程でゲート絶縁層１０２上に接して形成される酸化物半導体膜への水素の拡散を防ぐことができる。よって、トランジスタに光照射が行われ、またはＢＴストレスが与えられても、トランジスタ特性の劣化は抑制され、または低減される。
【００３３】
ここで、塩素は、フッ素に比べて原子半径が大きく、拡散係数が小さいので、水素イオンをゲート絶縁層１０２中に固定しやすい。特に後に行う加熱処理の際に、塩素の方がフッ素より動きにくいので、より効果的に水素イオンを捕獲しておくことができる。よって、ハロゲン１８０としては、塩素を用いるのが好ましい。本実施の形態においてはハロゲン１８０として塩素を用いる。ハロゲン１８０として塩素を用いる場合、ハロゲン１８０には、少なくとも、塩素ラジカル、塩素原子、塩素イオン、のいずれかが含まれている。
【００３４】
上述のハロゲン１８０による処理は、プラズマ発生装置やオゾン発生装置によって行うことができる。より具体的には、例えば、半導体装置に対してエッチング処理を行うことができる装置や、レジストマスクに対してアッシングを行うことができる装置などを用いてハロゲン１８０を発生させ、ゲート絶縁層１０２を処理することができる。なお、ハロゲンの添加は、ゲート絶縁層１０２の表面に与えるダメージが最小限となる条件で行うことが好ましい。
【００３５】
なお、ハロゲンの添加をより好適に行うためには、ハロゲンによる処理時に基板には電気的なバイアスを加えておくことが望ましい。基板に印加するバイアスを大きくすることで、より深くまでハロゲンを添加することができる。
【００３６】
ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：誘導結合型プラズマ）装置を用いて塩素を添加する場合、プラズマ発生源であるＩＣＰコイルに１ｋＷ以上１０ｋＷ以下の高周波電源を印加し、プラズマを発生させた状態を一定時間（３０秒以上６００秒以下）維持することが好ましい。例えば、ＩＣＰパワー６０００Ｗ、バイアスパワー２５０Ｗ、塩素ガス流量を５００ｓｃｃｍ、処理室内の圧力を１．３Ｐａ、処理時間６０秒、という条件で塩素ドープ処理を行えばよい。
【００３７】
また、電界で加速したハロゲンイオンを照射して、ハロゲンを添加してもよい。また、μ波（例えば周波数２．４５ＧＨｚ）を用いた高密度プラズマＣＶＤを用いてハロゲンを添加してもよい。μ波を用いた高密度プラズマＣＶＤを用いた場合、酸化物半導体積層へのハロゲン添加時にダメージがほとんどない。
【００３８】
また、塩素に代表されるハロゲンと同時に酸素を添加しても良い。
【００３９】
次いで、ゲート絶縁層１０２上にゲート電極層１１２と重畳するように厚さ２ｎｍ以上１５ｎｍ以下の第１の酸化物半導体膜１０８ａを形成する（図１（Ｃ）参照）。なお、第１の酸化物半導体膜１０８ａは、酸化物半導体膜の成膜後に結晶化のための第１の加熱処理を行い結晶化させた膜である。
【００４０】
本実施の形態では、酸化物半導体ターゲット（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体ターゲット（Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ数比］））を用いて、基板とターゲットの間との距離を１７０ｍｍ、圧力０．４Ｐａ、直流（ＤＣ）電源０．５ｋＷ、酸素のみ、アルゴンのみ、又はアルゴン及び酸素雰囲気下で膜厚５ｎｍの第１の酸化物半導体層を成膜する。本実施の形態では、後に加熱処理を行い意図的に結晶化させるため、結晶化が生じやすい酸化物半導体ターゲットを用いることが好ましい。また、第１の酸化物半導体層の成膜において、減圧状態に保持された成膜室内に被成膜基板を保持し、基板温度を１００℃以上６００℃以下好ましくは２００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３００℃以上５００℃以下として成膜する。結晶化させるための第１の加熱処理は、４５０℃以上８５０℃以下、好ましくは６００℃以上７００℃以下とする。また、加熱時間は１分以上２４時間以下とする。こうして、第１の加熱処理によって表面から結晶成長した結晶層を有する第１の酸化物半導体膜１０８ａを形成する。
【００４１】
第１の酸化物半導体膜１０８ａの結晶層は、表面から内部に向かって結晶成長し、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の平均厚さを有する板状結晶である。また、表面に形成される結晶層は、表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしている。
【００４２】
なお、第１の加熱処理においては、窒素、酸素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、加熱処理装置に導入する窒素、酸素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上、（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。また、Ｈ２Ｏが２０ｐｐｍ以下の乾燥空気雰囲気下で第１の加熱処理を行っても良い。
【００４３】
次いで、第１の酸化物半導体膜１０８ａ上に、少なくとも第１の酸化物半導体膜１０８ａよりも膜厚の厚く、１０μｍ以下の膜厚範囲の第２の酸化物半導体膜１０８ｂを形成する（図１（Ｄ）参照。）。また、第２の酸化物半導体層の成膜において、減圧状態に保持された成膜室内に被成膜基板を保持し、基板温度を１００℃以上６００℃以下好ましくは２００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３００℃以上５００℃以下として成膜する。なお、第２の酸化物半導体膜１０８ｂは、酸化物半導体膜の成膜後に結晶化のための第２の加熱処理を行い結晶化させた膜である。第２の加熱処理により、第１の酸化物半導体膜１０８ａの結晶層を種として結晶成長を行う。第２の加熱処理の温度は、４５０℃以上８５０℃以下、好ましくは５５０℃以上６５０℃以下とする。また、加熱時間は１分以上２４時間以下とする。
【００４４】
また、第１の酸化物半導体膜１０８ａと第２の酸化物半導体膜１０８ｂは、同一成分を含む材料を用いること、あるいは同一の結晶構造かつ近似した格子定数（格子定数の差が１％以下）を有することが好ましい。同一成分を含む材料を用いる場合、後に行われる結晶化において第１の酸化物半導体膜１０８ａの結晶層を種として結晶成長が行いやすくなる。また、同一成分を含む材料である場合には、密着性などの界面物性や電気的特性も良好である。
【００４５】
なお、第１の酸化物半導体膜１０８ａと第２の酸化物半導体膜１０８ｂからなる酸化物半導体積層のうち、ゲート絶縁層の凹凸と重なる領域は結晶粒界があり、多結晶体となる。また、酸化物半導体積層のうち、チャネル形成領域となる領域は、少なくとも平坦面を有し、第１の酸化物半導体膜１０８ａと第２の酸化物半導体膜１０８ｂが同じｃ軸配向をしている結晶構造である。また、酸化物半導体積層のうち、チャネル形成領域も多結晶のａ軸或いはｂ軸の向きがずれることもありうる。
【００４６】
次に、第１の酸化物半導体膜１０８ａと第２の酸化物半導体膜１０８ｂからなる酸化物半導体積層を加工して島状の酸化物半導体膜を形成する（図１（Ｅ）参照）。
【００４７】
酸化物半導体積層の加工は、所望の形状のマスクを第２の酸化物半導体膜１０８ｂ上に形成した後、当該酸化物半導体膜をエッチングすることによって行うことができる。上述のマスクは、フォトリソグラフィなどの方法を用いて形成することができる。
【００４８】
次に、必要があれば、酸化物半導体積層に対して、酸素による処理（酸素ドープ処理や、酸素プラズマドープ処理ともいう）を行ってもよい。なお、酸素の添加をより好適に行うためには、基板には電気的なバイアスを加えておくことが望ましい。また、酸素ドープ処理を行った酸化物半導体積層に熱処理を行ってもよい。当該熱処理の温度は、２５０℃以上７００℃以下、好ましくは４００℃以上６００℃以下、または基板の歪み点未満とする。また、酸素ドープ処理と熱処理を繰り返して行っても良い。当該処理を繰り返して行うことにより、トランジスタの信頼性をさらに高めることができる。なお、繰り返しの回数は適宜設定することができる。
【００４９】
次いで、ゲート絶縁層１０２および酸化物半導体積層上に、ソース電極層およびドレイン電極層（これと同じ層で形成される配線を含む）を形成するための導電膜を形成し、当該導電膜を加工して、ソース電極１０４ａおよびドレイン電極１０４ｂを形成する（図１（Ｆ）参照）。なお、ここで形成されるソース電極層１０４ａの端部とドレイン電極層１０４ｂの端部との間隔によって、トランジスタのチャネル長Ｌが決定されることになる。
【００５０】
ソース電極層１０４ａおよびドレイン電極層１０４ｂに用いる導電膜としては、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等がある。また、Ａｌ、Ｃｕなどの金属膜の下側または上側の一方または双方にＴｉ、Ｍｏ、Ｗなどの高融点金属膜またはそれらの金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）を積層させた導電膜を用いても良い。
【００５１】
また、いわゆる多階調マスクによって形成されたレジストマスクを用いてエッチング工程を行ってもよい。多階調マスクを用いて形成されたレジストマスクは、複数の膜厚を有する形状となり、アッシングによってさらに形状を変形させることができるため、異なるパターンに加工する複数のエッチング工程に用いることが可能である。このため、一枚の多階調マスクによって、少なくとも二種類以上の異なるパターンに対応するレジストマスクを形成することができる。つまり、工程の簡略化が可能となる。
【００５２】
次に、第２の酸化物半導体膜１０８ｂの一部と接し、かつ、ソース電極層１０４ａおよびドレイン電極層１０４ｂを覆う絶縁膜１１０ａ、絶縁膜１１０ｂを形成する（図１（Ｆ）参照）。
【００５３】
絶縁膜１１０ａは、第２の酸化物半導体膜１０８ｂと同種の成分でなる絶縁材料を用いると特に好ましい。このような材料は酸化物半導体膜との相性が良く、これを絶縁膜１１０ａに用いることで、第２の酸化物半導体膜１０８ｂとの界面の状態を良好に保つことができるからである。ここで、「第２の酸化物半導体膜１０８ｂと同種の成分」とは、第２の酸化物半導体膜１０８ｂの構成金属元素から選択される一または複数の元素を含むことを意味する。例えば、第２の酸化物半導体膜１０８ｂがＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体材料によって構成される場合、同種の成分でなる絶縁材料としては酸化ガリウムなどがある。
【００５４】
また、絶縁膜１１０ａは酸素を含有していることが好ましく、化学量論比を超える程度、好ましくは、化学量論比の１倍を超えて２倍まで（１倍より大きく２倍未満）酸素を含有していることが好ましい。このように絶縁膜１１０ａが過剰な酸素を有することにより、第２の酸化物半導体膜１０８ｂおよび第２の酸化物半導体膜１０８ｂとの界面に酸素を供給し、酸素の欠損を低減することができる。
【００５５】
また、絶縁膜１１０ｂは、ゲート絶縁層１０２と同様に形成することができる。すなわち、絶縁膜１１０ｂは、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、又はこれらの混合材料を用いて単層で又は積層して形成することができる。
【００５６】
また、絶縁膜１１０ｂは酸素を含有していることが好ましく、化学量論比を超える程度、好ましくは、化学量論比の１倍を超えて２倍まで（１倍より大きく２倍未満）酸素を含有していることが好ましい。このように絶縁膜１１０ｂが過剰な酸素を有することにより、第２の酸化物半導体膜１０８ｂおよび第２の酸化物半導体膜１０８ｂとの界面に酸素を供給し、酸素の欠損を低減することができる。
【００５７】
以上の工程でトランジスタ１２０が形成される。
【００５８】
図１（Ｆ）に示すトランジスタ１２０は、基板１００上のゲート電極層１１２、ゲート絶縁層１０２、第１の酸化物半導体膜１０８ａ、第２の酸化物半導体膜１０８ｂ、ソース電極層１０４ａ、ドレイン電極層１０４ｂ、絶縁膜１１０ａ、絶縁膜１１０ｂを含む。
【００５９】
図１（Ｆ）に示すトランジスタ１２０において、ゲート絶縁層１０２に対してハロゲンドープ処理が行われ、第１の酸化物半導体膜１０８ａ、及び第２の酸化物半導体膜１０８ｂは、少なくとも第２の酸化物半導体膜１０８ｂの一部が結晶化して得られた結晶層の表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしており、信頼性が高められたトランジスタ１２０が実現する。
【００６０】
また、トランジスタ１２０において、ゲート絶縁層１０２にハロゲンを含有させることにより、塩素やフッ素などのハロゲンは、酸化物半導体積層中の金属（Ｚｎ、Ｇａ、Ｉｎ）よりも電気陰性度が大きいので、酸化物半導体積層中のＭ−Ｈ結合から水素原子を奪うことができる。このようにして、酸化物半導体積層とゲート絶縁層１０２の界面に添加された塩素やフッ素などのハロゲンは、トランジスタ１２０の劣化の原因となる酸化物半導体積層中のＭ−Ｈ結合から脱離した水素イオンを、捕獲することもできる。
【００６１】
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１と一部異なる工程例を図２を用いて説明する。なお、図２において、図１と同一の箇所には同じ符号を用いる。
【００６２】
まず、実施の形態１と同様に、絶縁表面を有する基板１００上に導電膜を形成した後、フォトリソグラフィ工程によりゲート電極層１１２を形成する。そして、ゲート電極層１１２上にゲート絶縁層１０２を形成する（図２（Ａ）参照）。
【００６３】
なお、必要があれば、実施の形態１と同様にゲート絶縁層１０２形成後にハロゲンドープ処理を行ってもよい。また、成膜時にハロゲン元素をゲート絶縁層１０２中に含有させてもよい。その場合、例えばテトラフルオロシランと酸素を用いてプラズマＣＶＤ法によりフッ素を含む酸化珪素膜を形成し、ゲート絶縁層１０２として用いる。また、予め成膜室をＣｌＦ３やＮＦ３等のフッ素化合物系ガスを用いてクリーニングを行った後、ゲート絶縁層１０２の形成を行うことで、成膜室の内壁に吸着したフッ素や塩素などを意図的にゲート絶縁層１０２中に取り込ませてもよい。
【００６４】
次いで、ゲート絶縁層１０２上にゲート電極層１１２と重畳するように厚さ２ｎｍ以上１５ｎｍ以下の第１の酸化物半導体膜１０８ａを形成する（図２（Ｂ）参照）。なお、第１の酸化物半導体膜１０８ａは、実施の形態１と同様に、酸化物半導体膜の成膜後に結晶化のための第１の加熱処理を行い結晶化させた膜である。
【００６５】
次いで、第１の酸化物半導体膜１０８ａ上に、少なくとも第１の酸化物半導体膜１０８ａよりも膜厚の厚く、１０μｍ以下の膜厚範囲の第２の酸化物半導体膜１０８ｂを形成する（図２（Ｃ）参照。）。なお、第２の酸化物半導体膜１０８ｂは、実施の形態１と同様に、酸化物半導体膜の成膜後に結晶化のための第２の加熱処理を行い結晶化させた膜である。
【００６６】
次に、第１の酸化物半導体膜１０８ａと第２の酸化物半導体膜１０８ｂからなる酸化物半導体積層を加工して島状の酸化物半導体膜を形成する（図２（Ｄ）参照）。
【００６７】
酸化物半導体積層の加工は、所望の形状のマスクを酸化物半導体積層上に形成した後、当該酸化物半導体積層をエッチングすることによって行うことができる。上述のマスクは、フォトリソグラフィなどの方法を用いて形成することができる。または、インクジェット法などの方法を用いてマスクを形成しても良い。
【００６８】
なお、酸化物半導体積層のエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよい。もちろん、これらを組み合わせて用いてもよい。
【００６９】
なお、酸化物半導体積層は必ずしも島状に加工しなくてもよい。
【００７０】
次に、第２の酸化物半導体膜１０８ｂに対して、酸素１８２による処理（酸素ドープ処理や、酸素プラズマドープ処理ともいう）を行う（図２（Ｅ）参照）。ここで、酸素１８２には、少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオン、のいずれかが含まれている。酸化物半導体積層に酸素ドープ処理を行うことにより、酸化物半導体積層中、酸化物半導体積層界面近傍、または、酸化物半導体積層中および該界面近傍に酸素を含有させることができる。この場合、酸素の含有量は、酸化物半導体積層の化学量論比を超える程度、好ましくは、化学量論比の１倍を超えて２倍まで（１倍より大きく２倍未満）、とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量をＹとして、Ｙを超える程度、好ましくは、Ｙを超えて２Ｙまでとすることもできる。あるいは、酸素の含有量は、酸素ドープ処理を行わない場合の絶縁膜中の酸素の量Ｚを基準として、Ｚを超える程度、好ましくは、Ｚを超えて２Ｚまでとすることもできる。なお、上述の好ましい範囲に上限が存在するのは、酸素の含有量を多くしすぎると、水素吸蔵合金（水素貯蔵合金）のように、かえって酸化物半導体積層が水素を取り込んでしまう恐れがあるためである。なお、酸化物半導体積層において酸素の含有量は水素の含有量より大きくなる。
【００７１】
化学式がＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表現される材料の場合、例えば、ｍ＝１（ＩｎＧａＺｎＯ４）の結晶構造を基準にすれば、ＩｎＧａＺｎＯｘにおいてｘは４を越えて８まで、また、ｍ＝２（ＩｎＧａＺｎ２Ｏ５）の結晶構造を基準にすれば、ＩｎＧａＺｎ２Ｏｘにおいてｘは５を越えて１０まで、が許容される。なお、このような酸素過剰領域は、酸化物半導体積層の一部（界面を含む）に存在していればよい。
【００７２】
なお、酸化物半導体膜において、酸素は主たる成分材料の一つである。このため、酸化物半導体膜中の酸素濃度を、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）などの方法を用いて、正確に見積もることは難しい。つまり、酸化物半導体膜に酸素が意図的に添加されたか否かを判別することは困難であるといえる。
【００７３】
ところで、酸素には１７Ｏや１８Ｏといった同位体が存在し、自然界におけるこれらの存在比率はそれぞれ酸素原子全体の０．０３７％、０．２０４％程度であることが知られている。つまり、酸化物半導体膜中におけるこれら同位体の濃度は、ＳＩＭＳなどの方法によって見積もることができる程度になるから、これらの濃度を測定することで、酸化物半導体膜中の酸素濃度をより正確に見積もることが可能な場合がある。よって、これらの濃度を測定することで、酸化物半導体膜に意図的に酸素が添加されたか否かを判別しても良い。
【００７４】
例えば、１８Ｏの濃度を基準に用いると、酸化物半導体膜において、酸素が添加された領域における酸素の同位体の濃度Ｄ１（１８Ｏ）と、酸素が添加されていない領域における酸素の同位体の濃度Ｄ２（１８Ｏ）との間には、Ｄ１（１８Ｏ）＞Ｄ２（１８Ｏ）が成立するといえる。
【００７５】
また、酸化物半導体積層に添加される酸素１８２の少なくとも一部は、酸化物半導体積層中において不対結合手を有することが好ましい。不対結合手を有することにより、膜中に残存しうる水素と結合して、水素を固定化（非可動イオン化）することができるためである。
【００７６】
上述の酸素１８２は、プラズマ発生装置やオゾン発生装置によって発生させることができる。より具体的には、例えば、半導体装置に対してエッチング処理を行うことができる装置や、レジストマスクに対してアッシングを行うことができる装置などを用いて酸素１８２を発生させ、酸化物半導体積層を処理することができる。また、電界で加速した酸素イオンを照射して、酸素を添加してもよい。また、μ波（例えば周波数２．４５ＧＨｚ）を用いた高密度プラズマＣＶＤを用いて酸素を添加してもよい。μ波を用いた高密度プラズマＣＶＤを用いた場合、酸化物半導体積層への酸素添加時にダメージがほとんどない。
【００７７】
なお、酸素の添加をより好適に行うためには、酸素添加時に基板には電気的なバイアスを加えておくことが望ましい。例えば、ＩＣＰ装置を用いて酸素を添加する場合、ＩＣＰコイルに印加する高周波電力は、１ｋＷ以上１０ｋＷ以下とし、基板ステージに基板バイアス１０００Ｗを加えればよい。
【００７８】
なお、酸素ドープ処理を行った酸化物半導体積層に熱処理を行ってもよい。当該熱処理の温度は、２５０℃以上７００℃以下、好ましくは４００℃以上６００℃以下、または基板の歪み点未満とする。
【００７９】
当該熱処理により、酸素と酸化物半導体材料に含まれる水素との反応によって生成された水、水酸化物（ＯＨ）などを酸化物半導体膜から除去することができる。また、上述の酸素ドープ処理において、酸化物半導体積層などに混入した水素なども当該熱処理で除去することができる。熱処理は、水、水素などが十分に低減された窒素、酸素、超乾燥空気（ＣＲＤＳ（キャビティリングダウンレーザー分光法）方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が２０ｐｐｍ（露点換算で−５５℃）以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）、希ガス（アルゴン、ヘリウムなど）などの雰囲気下で行えばよく、特に酸素を含む雰囲気で行うことが好ましい。また、熱処理装置に導入する窒素、酸素、または希ガスの純度は、６Ｎ（９９．９９９９％）以上（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下）とするのが好ましく、７Ｎ（９９．９９９９９％）以上（即ち不純物濃度を０．１ｐｐｍ以下）とすると、より好ましい。
【００８０】
また、酸素ドープ処理と熱処理を繰り返して行っても良い。当該処理を繰り返して行うことにより、トランジスタの信頼性をさらに高めることができる。なお、繰り返しの回数は適宜設定することができる。
【００８１】
本実施の形態に係る上記の熱処理においては、酸素を含む雰囲気下で酸化物半導体積層を加熱するのが望ましい。したがって、上述の結晶化処理によって減少してしまう可能性のある酸素を、酸化物半導体積層へ供給することも可能である。この意味において、当該熱処理を、加酸化（加酸素化）と呼ぶこともできる。また、結晶化処理は、酸化物半導体中に含まれる水素を含む不純物（水、ＯＨなど）を脱離させる脱水化（または脱水素化）とも呼ぶこともできる。
【００８２】
なお、加酸化を目的とする熱処理のタイミングは、酸化物半導体積層の形成後であれば特に限定されない。例えば、後述する絶縁膜１１０ａの形成後に加酸化を目的とする熱処理を行っても良い。または、ゲート電極層の形成後に加酸化を目的とする熱処理を行っても良い。または、脱水化等を目的とする熱処理に続けて加酸化を目的とする熱処理を行っても良いし、脱水化等を目的とする熱処理に加酸化を目的とする熱処理を兼ねさせても良いし、加酸化を目的とする熱処理に脱水化等を目的とする熱処理を兼ねさせても良い。
【００８３】
上述のように、脱水化等を目的とする熱処理と、酸素ドープ処理または加酸化を目的とする熱処理とを適用することで、酸化物半導体積層を、その主成分以外の不純物が極力含まれないように高純度化することができる。高純度化された酸化物半導体積層中にはドナーに由来するキャリアが極めて少ない（ゼロに近い）。
【００８４】
なお、本実施の形態においては、結晶化等を目的とする熱処理を行い、酸化物半導体積層を島状に加工し、酸素ドープ処理を行い、加酸化を目的とする熱処理を行ったが、これらの工程はこの順番に限られるものではない。
【００８５】
次いで、ゲート絶縁層１０２および酸化物半導体積層上に、ソース電極層およびドレイン電極層（これと同じ層で形成される配線を含む）を形成するための導電膜を形成し、当該導電膜を加工して、ソース電極層１０４ａおよびドレイン電極層１０４ｂを実施の形態１と同様に形成する（図２（Ｆ）参照）。
【００８６】
次に、第２の酸化物半導体膜１０８ｂの一部と接し、かつ、ソース電極層１０４ａおよびドレイン電極層１０４ｂを覆う絶縁膜１１０ａ、絶縁膜１１０ｂを実施の形態１と同様に形成する（図２（Ｆ）参照）。
【００８７】
以上の工程でトランジスタ１３０が形成される。トランジスタ１３０は、酸化物半導体積層を結晶化し、さらに酸素ドープ処理によって酸化物半導体膜中の酸素の含有量を増大させることで、電気的バイアスストレスや熱ストレスに起因する劣化を抑制し、光による劣化を低減することができる。
【００８８】
なお、上述の説明は、島状に加工された酸化物半導体積層に対して酸素ドープ処理を行う例についてのものだが、開示する発明の一態様はこれに限定されない。例えば、結晶化および酸素ドープ処理を行った後に、酸化物半導体積層を島状に加工しても良いし、ソース電極層１０４ａおよびドレイン電極層１０４ｂを形成した後に酸素ドープ処理を行っても良い。
【００８９】
（実施の形態３）
本実施の形態では、図１に示すトランジスタ１２０や、図２に示すトランジスタ１３０の変形例として、トランジスタ１４０、トランジスタ１５０の断面図を示す。
【００９０】
図３（Ａ）に示すトランジスタ１４０は、基板１００上のゲート電極層１１２、ゲート絶縁層１０２、第１の酸化物半導体膜１０８ａ、第２の酸化物半導体膜１０８ｂ、ソース電極層１０４ａ、ドレイン電極層１０４ｂ、絶縁膜１１０ａ、絶縁膜１１０ｂを含む点で、トランジスタ１２０と共通している。トランジスタ１４０とトランジスタ１２０との相違は、第２のゲート絶縁層１０３と、上述の構成要素を覆う絶縁膜１１４の有無である。すなわち、トランジスタ１４０は、第２のゲート絶縁層１０３と、絶縁膜１１４を有している。その他の構成要素については図１のトランジスタ１２０と同様であるから、詳細は、図１に関する記載を参酌することができる。
【００９１】
なお、第２のゲート絶縁層１０３は、第１の酸化物半導体膜１０８ａと同種の成分でなる絶縁材料を用いると特に好ましい。このような材料は第１の酸化物半導体膜１０８ａとの相性が良く、これを第２のゲート絶縁層１０３に用いることで、第１の酸化物半導体膜１０８ａとの界面の状態を良好に保つことができるからである。ここで、「第１の酸化物半導体膜１０８ａと同種の成分」とは、第１の酸化物半導体膜１０８ａの構成金属元素から選択される一または複数の元素を含むことを意味する。例えば、第１の酸化物半導体膜１０８ａがＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物半導体材料によって構成される場合、同種の成分でなる絶縁材料としては酸化ガリウムなどがある。
【００９２】
なお、絶縁膜１１４は、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ガリウム、これらの混合材料、などを用いて形成することができる。特に、絶縁膜１１４として窒化シリコン膜を用いる場合には、添加された酸素の外部への放出を防ぐことができると共に、酸化物半導体積層への外部からの水素等の混入を効果的に抑制することができるため好適である。特に絶縁膜１１４において、水素の含有量は、窒素の含有量の１０分の１以下とし、好ましくは１×１０２０ｃｍ−３未満とし、さらに好ましくは５×１０１８ｃｍ−３未満とする。なお、絶縁膜１１４上に、ソース電極層１０４ａやドレイン電極層１０４ｂ、ゲート電極層１１２などと接続される配線を形成しても良い。
【００９３】
図３（Ｂ）に示すトランジスタ１５０は、基板１００上のゲート電極層１１２、ゲート絶縁層１０２、第１の酸化物半導体膜１０８ａ、第２の酸化物半導体膜１０８ｂ、ソース電極層１０４ａ、ドレイン電極層１０４ｂ、絶縁膜１１０ａ、絶縁膜１１０ｂを含む点で、トランジスタ１２０と共通している。トランジスタ１５０とトランジスタ１２０との相違は、第２のゲート電極層１０５の有無である。すなわち、トランジスタ１５０は、第２のゲート電極層１０５を有している。その他の構成要素については図１のトランジスタ１２０と同様であるから、詳細は、図１に関する記載を参酌することができる。
【００９４】
なお、第２のゲート電極層１０５は、バックゲートとして機能させることのできる電極層であり、そのバックゲートの電位は、固定電位、例えば０Ｖや、接地電位とすることができ、実施者が適宜決定すればよい。また、酸化物半導体積層の上下にゲート電極層を設けたトランジスタ１５０とすることによって、トランジスタの信頼性を調べるためのＢＴ試験前後におけるトランジスタのしきい値電圧の変化量を低減することができる。即ち、酸化物半導体膜の上下にゲート電極層を設けることによって、信頼性を向上することができる。また、バックゲートに加えるゲート電圧を制御することによって、しきい値電圧を制御することもできる。また、第２のゲート電極層１０５に遮光性の導電膜を用いれば、酸化物半導体積層の遮光膜としても機能させることができ、信頼性を向上させることもできる。
【００９５】
本実施の形態は、実施の形態１または実施の形態２と自由に組み合わせることができる。
【００９６】
（実施の形態４）
実施の形態１乃至３のいずれか一で例示したトランジスタを用いて表示機能を有する半導体装置（表示装置ともいう）を作製することができる。また、トランジスタを含む駆動回路の一部または全体を、画素部と同じ基板上に一体形成し、システムオンパネルを形成することができる。
【００９７】
図４（Ａ）において、第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２を囲むようにして、シール材４００５が設けられ、第２の基板４００６によって封止されている。図４（Ａ）においては、第１の基板４００１上のシール材４００５によって囲まれている領域とは異なる領域に、別途用意された基板上に単結晶半導体膜又は多結晶半導体膜で形成された走査線駆動回路４００４、信号線駆動回路４００３が実装されている。また別途形成された信号線駆動回路４００３と、走査線駆動回路４００４または画素部４００２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）４０１８ａ、４０１８ｂから供給されている。
【００９８】
図４（Ｂ）（Ｃ）において、第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２と、走査線駆動回路４００４とを囲むようにして、シール材４００５が設けられている。また画素部４００２と、走査線駆動回路４００４の上に第２の基板４００６が設けられている。よって画素部４００２と、走査線駆動回路４００４とは、第１の基板４００１とシール材４００５と第２の基板４００６とによって、表示素子と共に封止されている。図４（Ｂ）（Ｃ）においては、第１の基板４００１上のシール材４００５によって囲まれている領域とは異なる領域に、別途用意された基板上に単結晶半導体膜又は多結晶半導体膜で形成された信号線駆動回路４００３が実装されている。図４（Ｂ）（Ｃ）においては、別途形成された信号線駆動回路４００３と、走査線駆動回路４００４または画素部４００２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ４０１８から供給されている。
【００９９】
また図４（Ｂ）（Ｃ）においては、信号線駆動回路４００３を別途形成し、第１の基板４００１に実装している例を示しているが、この構成に限定されない。走査線駆動回路を別途形成して実装しても良いし、信号線駆動回路の一部または走査線駆動回路の一部のみを別途形成して実装しても良い。
【０１００】
なお、別途形成した駆動回路の接続方法は、特に限定されるものではなく、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）方法、ワイヤボンディング方法、或いはＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）方法などを用いることができる。図４（Ａ）は、ＣＯＧ方法により信号線駆動回路４００３、走査線駆動回路４００４を実装する例であり、図４（Ｂ）は、ＣＯＧ方法により信号線駆動回路４００３を実装する例であり、図４（Ｃ）は、ＴＡＢ方法により信号線駆動回路４００３を実装する例である。
【０１０１】
また、表示装置は、表示素子が封止された状態にあるパネルと、該パネルにコントローラを含むＩＣ等を実装した状態にあるモジュールとを含む。
【０１０２】
なお、本明細書中における表示装置とは、画像表示デバイス、表示デバイス、もしくは光源（照明装置含む）を指す。また、コネクター、例えばＦＰＣもしくはＴＡＢテープもしくはＴＣＰが取り付けられたモジュール、ＴＡＢテープやＴＣＰの先にプリント配線板が設けられたモジュール、または表示素子にＣＯＧ方式によりＩＣ（集積回路）が直接実装されたモジュールも全て表示装置に含むものとする。
【０１０３】
また第１の基板上に設けられた画素部及び走査線駆動回路は、トランジスタを複数有しており、実施の形態１乃至３のいずれか一で例示したトランジスタを適用することができる。
【０１０４】
表示装置に設けられる表示素子としては液晶素子（液晶表示素子ともいう）、発光素子（発光表示素子ともいう）、を用いることができる。発光素子は、電流または電圧によって輝度が制御される素子をその範疇に含んでおり、具体的には無機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）、有機ＥＬ等が含まれる。また、電子インクなど、電気的作用によりコントラストが変化する表示媒体も適用することができる。
【０１０５】
半導体装置の一形態について、図５及び図６を用いて説明する。図５及び図６は、図４（Ｂ）のＭ−Ｎにおける断面図に相当する。
【０１０６】
図５及び図６で示すように、半導体装置は接続端子電極４０１５及び端子電極４０１６を有しており、接続端子電極４０１５及び端子電極４０１６はＦＰＣ４０１８が有する端子と異方性導電膜４０１９を介して、電気的に接続されている。
【０１０７】
接続端子電極４０１５は、第１の電極層４０３０と同じ導電膜から形成され、端子電極４０１６は、トランジスタ４０１０、４０１１のソース電極層及びドレイン電極層と同じ導電膜で形成されている。
【０１０８】
また第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２と、走査線駆動回路４００４は、トランジスタを複数有しており、図５及び図６では、画素部４００２に含まれるトランジスタ４０１０と、走査線駆動回路４００４に含まれるトランジスタ４０１１とを例示している。図６では、トランジスタ４０１０、４０１１上に、絶縁層４０２１が設けられている。
【０１０９】
本実施の形態では、トランジスタ４０１０、トランジスタ４０１１として、実施の形態１乃至３のいずれか一で示したトランジスタを適用することができる。トランジスタ４０１０、トランジスタ４０１１は、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。よって、図５及び図６で示す本実施の形態の半導体装置として信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０１１０】
また、本実施の形態では、絶縁層上において駆動回路用のトランジスタ４０１１の酸化物半導体膜のチャネル形成領域と重なる位置には導電層を設けてもよい。導電層を酸化物半導体膜のチャネル形成領域と重なる位置に設けることによって、ＢＴ試験前後におけるトランジスタ４０１１のしきい値電圧の変化量をさらに低減することができる。また、導電層は、電位がトランジスタ４０１１のゲート電極層と同じでもよいし、異なっていても良く、第２のゲート電極層として機能させることもできる。また、導電層の電位がＧＮＤ、０Ｖ、或いはフローティング状態であってもよい。
【０１１１】
また、該導電層は外部の電場を遮蔽する、すなわち外部の電場が内部（トランジスタを含む回路部）に作用しないようにする機能（特に静電気に対する静電遮蔽機能）も有する。導電層の遮蔽機能により、静電気などの外部の電場の影響によりトランジスタの電気的な特性が変動することを防止することができる。
【０１１２】
画素部４００２に設けられたトランジスタ４０１０は表示素子と電気的に接続し、表示パネルを構成する。表示素子は表示を行うことができれば特に限定されず、様々な表示素子を用いることができる。
【０１１３】
図５に表示素子として液晶素子を用いた液晶表示装置の例を示す。図５において、表示素子である液晶素子４０１３は、第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１、及び液晶層４００８を含む。なお、液晶層４００８を挟持するように配向膜として機能する絶縁膜４０３２、４０３３が設けられている。第２の電極層４０３１は第２の基板４００６側に設けられ、第１の電極層４０３０と第２の電極層４０３１とは液晶層４００８を介して積層する構成となっている。
【０１１４】
またスペーサ４０３５は絶縁膜を選択的にエッチングすることで得られる柱状のスペーサであり、液晶層４００８の膜厚（セルギャップ）を制御するために設けられている。なおスペーサ４０３５の形状は、柱状に限定されるものではなく、例えば、球状のスペーサを用いていても良い。
【０１１５】
表示素子として、液晶素子を用いる場合、サーモトロピック液晶、低分子液晶、高分子液晶、高分子分散型液晶、強誘電性液晶、反強誘電性液晶等を用いることができる。これらの液晶材料は、条件により、コレステリック相、スメクチック相、キュービック相、カイラルネマチック相、等方相等を示す。
【０１１６】
また、配向膜を用いないブルー相を示す液晶を用いてもよい。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。また配向膜を設けなくてもよいのでラビング処理も不要となるため、ラビング処理によって引き起こされる静電破壊を防止することができ、作製工程中の液晶表示装置の不良や破損を軽減することができる。よって液晶表示装置の生産性を向上させることが可能となる。
【０１１７】
また、液晶材料の固有抵抗率は、１×１０９Ω・ｃｍ以上であり、好ましくは１×１０１１Ω・ｃｍ以上であり、さらに好ましくは１×１０１２Ω・ｃｍ以上である。なお、本明細書における固有抵抗率の値は、２０℃で測定した値とする。
【０１１８】
液晶表示装置に設けられる保持容量の大きさは、画素部に配置されるトランジスタのリーク電流等を考慮して、所定の期間の間電荷を保持できるように設定される。高純度の酸化物半導体膜を有するトランジスタを用いることにより、各画素における液晶容量に対して１／３以下、好ましくは１／５以下の容量の大きさを有する保持容量を設ければ充分である。
【０１１９】
本実施の形態で用いるトランジスタは、オフ状態における電流値（オフ電流値）を低くすることもできる。よって、画像信号等の電気信号の保持時間を長くすることができ、電源オン状態では書き込み間隔も長く設定できる。よって、リフレッシュ動作の頻度を少なくすることができるため、消費電力を抑制する効果を奏する。
【０１２０】
また、本実施の形態で用いるトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られるため、高速駆動が可能である。よって、液晶表示装置の画素部に上記トランジスタを用いることで、高画質な画像を提供することができる。また、上記トランジスタは、同一基板上に駆動回路部または画素部に作り分けて作製することができるため、液晶表示装置の部品点数を削減することができる。
【０１２１】
液晶表示装置には、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ Ｆｉｅｌｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ａｌｉｇｎｅｄ Ｍｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モードなどを用いることができる。
【０１２２】
また、ノーマリーブラック型の液晶表示装置、例えば垂直配向（ＶＡ）モードを採用した透過型の液晶表示装置としてもよい。ここで、垂直配向モードとは、液晶表示パネルの液晶分子の配列を制御する方式の一種であり、電圧が印加されていないときにパネル面に対して液晶分子が垂直方向を向く方式である。垂直配向モードとしては、いくつか挙げられるが、例えば、ＭＶＡ（Ｍｕｌｔｉ−Ｄｏｍａｉｎ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＡＳＶモードなどを用いることができる。また、画素（ピクセル）をいくつかの領域（サブピクセル）に分け、それぞれ別の方向に分子を倒すよう工夫されているマルチドメイン化あるいはマルチドメイン設計といわれる方法を用いることができる。
【０１２３】
また、表示装置において、ブラックマトリクス（遮光層）、偏光部材、位相差部材、反射防止部材などの光学部材（光学基板）などは適宜設ける。例えば、偏光基板及び位相差基板による円偏光を用いてもよい。また、光源としてバックライト、サイドライトなどを用いてもよい。
【０１２４】
また、バックライトとして複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いて、時間分割表示方式（フィールドシーケンシャル駆動方式）を行うことも可能である。フィールドシーケンシャル駆動方式を適用することで、カラーフィルタを用いることなく、カラー表示を行うことができる。
【０１２５】
また、画素部における表示方式は、プログレッシブ方式やインターレース方式等を用いることができる。また、カラー表示する際に画素で制御する色要素としては、ＲＧＢ（Ｒは赤、Ｇは緑、Ｂは青を表す）の三色に限定されない。例えば、ＲＧＢＷ（Ｗは白を表す）、又はＲＧＢに、イエロー、シアン、マゼンタ等を一色以上追加したものがある。なお、色要素のドット毎にその表示領域の大きさが異なっていてもよい。
【０１２６】
また、表示装置に含まれる表示素子として、エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子を適用することができる。エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子は、発光材料が有機化合物であるか、無機化合物であるかによって区別され、一般的に、前者は有機ＥＬ素子、後者は無機ＥＬ素子と呼ばれている。
【０１２７】
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。
【０１２８】
発光素子は発光を取り出すために少なくとも一対の電極の一方が透明であればよい。そして、基板上にトランジスタ及び発光素子を形成し、基板とは逆側の面から発光を取り出す上面射出や、基板側の面から発光を取り出す下面射出や、基板側及び基板とは反対側の面から発光を取り出す両面射出構造の発光素子があり、どの射出構造の発光素子も適用することができる。
【０１２９】
また、表示装置として、電子インクを駆動させる電子ペーパーを提供することも可能である。電子ペーパーは、電気泳動表示装置（電気泳動ディスプレイ）とも呼ばれており、紙と同じ読みやすさ、他の表示装置に比べ低消費電力、薄くて軽い形状とすることが可能という利点を有している。
【０１３０】
電気泳動表示装置は、様々な形態が考えられ得るが、プラスの電荷を有する第１の粒子と、マイナスの電荷を有する第２の粒子とを含むマイクロカプセルが溶媒または溶質に複数分散されたものであり、マイクロカプセルに電界を印加することによって、マイクロカプセル中の粒子を互いに反対方向に移動させて一方側に集合した粒子の色のみを表示するものである。なお、第１の粒子または第２の粒子は染料を含み、電界がない場合において移動しないものである。また、第１の粒子の色と第２の粒子の色は異なるもの（無色を含む）とする。
【０１３１】
このように、電気泳動表示装置は、誘電定数の高い物質が高い電界領域に移動する、いわゆる誘電泳動的効果を利用したディスプレイである。
【０１３２】
上記マイクロカプセルを溶媒中に分散させたものが電子インクと呼ばれるものであり、この電子インクはガラス、プラスチック、布、紙などの表面に印刷することができる。また、カラーフィルタや色素を有する粒子を用いることによってカラー表示も可能である。
【０１３３】
なお、マイクロカプセル中の第１の粒子および第２の粒子は、導電体材料、絶縁体材料、半導体材料、磁性材料、液晶材料、強誘電性材料、エレクトロルミネセント材料、エレクトロクロミック材料、磁気泳動材料から選ばれた一種の材料、またはこれらの複合材料を用いればよい。
【０１３４】
また、電子ペーパーとして、ツイストボール表示方式を用いる表示装置も適用することができる。ツイストボール表示方式とは、白と黒に塗り分けられた球形粒子を表示素子に用いる電極層である第１の電極層及び第２の電極層の間に配置し、第１の電極層及び第２の電極層に電位差を生じさせての球形粒子の向きを制御することにより、表示を行う方法である。
【０１３５】
図６に、半導体装置の一形態としてアクティブマトリクス型の電子ペーパーを示す。図６の電子ペーパーは、ツイストボール表示方式を用いた表示装置の例である。
【０１３６】
トランジスタ４０１０と接続する第１の電極層４０３０と、第２の基板４００６に設けられた第２の電極層４０３１との間には黒色領域４６１５ａ及び白色領域４６１５ｂを有し、周りに液体で満たされているキャビティ４６１２を含む球形粒子４６１３が設けられており、球形粒子４６１３の周囲は樹脂等の充填材４６１４で充填されている。第２の電極層４０３１が共通電極（対向電極）に相当する。第２の電極層４０３１は、共通電位線と電気的に接続される。
【０１３７】
なお、図５及び図６において、第１の基板４００１、第２の基板４００６としては、ガラス基板の他、可撓性を有する基板も用いることができ、例えば透光性を有するプラスチック基板などを用いることができる。プラスチックとしては、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒｇｌａｓｓ−Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）板、ＰＶＦ（ポリビニルフルオライド）フィルム、ポリエステルフィルムまたはアクリル樹脂フィルムを用いることができる。また、アルミニウムホイルをＰＶＦフィルムやポリエステルフィルムで挟んだ構造のシートを用いることもできる。
【０１３８】
絶縁層４０２１は、無機絶縁材料又は有機絶縁材料を用いて形成することができる。なお、アクリル樹脂、ポリイミド、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂等の、耐熱性を有する有機絶縁材料を用いると、平坦化絶縁膜として好適である。また上記有機絶縁材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等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、絶縁層を形成してもよい。
【０１３９】
絶縁層４０２１の形成法は、特に限定されず、その材料に応じて、スパッタリング法、スピンコート法、ディッピング法、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。
【０１４０】
表示装置は光源又は表示素子からの光を透過させて表示を行う。よって光が透過する画素部に設けられる基板、絶縁膜、導電膜などの薄膜はすべて可視光の波長領域の光に対して透光性とする。
【０１４１】
表示素子に電圧を印加する第１の電極層４０３０及び第２の電極層４０３１（画素電極層、共通電極層、対向電極層などともいう）においては、取り出す光の方向、電極層が設けられる場所、及び電極層のパターン構造によって透光性、反射性を選択すればよい。
【０１４２】
第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１は、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物（以下、ＩＴＯと示す。）、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の透光性を有する導電性材料を用いることができる。
【０１４３】
また、第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１はタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）等の金属、又はその合金、若しくはその窒化物から一つ、又は複数種を用いて形成することができる。
【０１４４】
また、トランジスタは静電気などにより破壊されやすいため、駆動回路保護用の保護回路を設けることが好ましい。保護回路は、非線形素子を用いて構成することが好ましい。
【０１４５】
以上のように、実施の形態１乃至３のいずれか一で例示したトランジスタを適用することで、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０１４６】
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１４７】
（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。
【０１４８】
図７（Ａ）は電子書籍（Ｅ−ｂｏｏｋともいう）であり、筐体９６３０、表示部９６３１、操作キー９６３２、太陽電池９６３３、充放電制御回路９６３４を有することができる。図７（Ａ）に示した電子書籍は、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。なお、図７（Ａ）では充放電制御回路９６３４の一例としてバッテリー９６３５、ＤＣＤＣコンバータ（以下、コンバータと略記）９６３６を有する構成について示している。実施の形態４で示した半導体装置を表示部９６３１に適用することにより、信頼性の高い電子書籍とすることができる。
【０１４９】
図７（Ａ）に示す構成とすることにより、表示部９６３１として半透過型、又は反射型の液晶表示装置を用いる場合、比較的明るい状況下での使用も予想され、太陽電池９６３３による発電、及びバッテリー９６３５での充電を効率よく行うことができ、好適である。なお太陽電池９６３３は、筐体９６３０の空きスペース（表面や裏面）に適宜設けることができるため、効率的なバッテリー９６３５の充電を行う構成とすることができるため好適である。なおバッテリー９６３５としては、リチウムイオン電池を用いると、小型化を図れる等の利点がある。
【０１５０】
また図７（Ａ）に示す充放電制御回路９６３４の構成、及び動作について図７（Ｂ）にブロック図を示し説明する。図７（Ｂ）には、太陽電池９６３３、バッテリー９６３５、コンバータ９６３６、コンバータ９６３７、スイッチＳＷ１乃至ＳＷ３、表示部９６３１について示しており、バッテリー９６３５、コンバータ９６３６、コンバータ９６３７、スイッチＳＷ１乃至ＳＷ３が充放電制御回路９６３４に対応する箇所となる。
【０１５１】
まず外光により太陽電池９６３３により発電がされる場合の動作の例について説明する。太陽電池９６３３で発電した電力は、バッテリー９６３５を充電するための電圧となるようコンバータ９６３６で昇圧または降圧がなされる。そして、表示部９６３１の動作に太陽電池９６３３からの電力が用いられる際にはスイッチＳＷ１をオンにし、コンバータ９６３７で表示部９６３１に必要な電圧に昇圧または降圧をすることとなる。また、表示部９６３１での表示を行わない際には、ＳＷ１をオフにし、ＳＷ２をオンにしてバッテリー９６３５の充電を行う構成とすればよい。
【０１５２】
次いで外光により太陽電池９６３３により発電がされない場合の動作の例について説明する。バッテリー９６３５に蓄電された電力は、スイッチＳＷ３をオンにすることでコンバータ９６３７により昇圧または降圧がなされる。そして、表示部９６３１の動作にバッテリー９６３５からの電力が用いられることとなる。
【０１５３】
なお太陽電池９６３３については、充電手段の一例として示したが、他の手段によるバッテリー９６３５の充電を行う構成であってもよい。また他の充電手段を組み合わせて行う構成としてもよい。
【０１５４】
図８（Ａ）は、ノート型のパーソナルコンピュータであり、本体３００１、筐体３００２、表示部３００３、キーボード３００４などによって構成されている。実施の形態４で示した半導体装置を表示部３００３に適用することにより、信頼性の高いノート型のパーソナルコンピュータとすることができる。
【０１５５】
図８（Ｂ）は、携帯情報端末（ＰＤＡ）であり、本体３０２１には表示部３０２３と、外部インターフェイス３０２５と、操作ボタン３０２４等が設けられている。また操作用の付属品としてスタイラス３０２２がある。実施の形態４で示した半導体装置を表示部３０２３に適用することにより、より信頼性の高い携帯情報端末（ＰＤＡ）とすることができる。
【０１５６】
図８（Ｃ）は、電子書籍の一例を示している。例えば、電子書籍２７００は、筐体２７０１および筐体２７０３の２つの筐体で構成されている。筐体２７０１および筐体２７０３は、軸部２７１１により一体とされており、該軸部２７１１を軸として開閉動作を行うことができる。このような構成により、紙の書籍のような動作を行うことが可能となる。
【０１５７】
筐体２７０１には表示部２７０５が組み込まれ、筐体２７０３には表示部２７０７が組み込まれている。表示部２７０５および表示部２７０７は、続き画面を表示する構成としてもよいし、異なる画面を表示する構成としてもよい。異なる画面を表示する構成とすることで、例えば右側の表示部（図８（Ｃ）では表示部２７０５）に文章を表示し、左側の表示部（図８（Ｃ）では表示部２７０７）に画像を表示することができる。実施の形態４で示した半導体装置を表示部２７０５、表示部２７０７に適用することにより、信頼性の高い電子書籍２７００とすることができる。
【０１５８】
また、図８（Ｃ）では、筐体２７０１に操作部などを備えた例を示している。例えば、筐体２７０１において、電源スイッチ２７２１、操作キー２７２３、スピーカー２７２５などを備えている。操作キー２７２３により、頁を送ることができる。なお、筐体の表示部と同一面にキーボードやポインティングデバイスなどを備える構成としてもよい。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。さらに、電子書籍２７００は、電子辞書としての機能を持たせた構成としてもよい。
【０１５９】
また、電子書籍２７００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。
【０１６０】
図８（Ｄ）は、携帯電話であり、筐体２８００及び筐体２８０１の二つの筐体で構成されている。筐体２８０１には、表示パネル２８０２、スピーカー２８０３、マイクロフォン２８０４、ポインティングデバイス２８０６、カメラ用レンズ２８０７、外部接続端子２８０８などを備えている。また、筐体２８００には、携帯電話の充電を行う太陽電池セル２８１０、外部メモリスロット２８１１などを備えている。また、アンテナは筐体２８０１内部に内蔵されている。実施の形態４で示した半導体装置を表示パネル２８０２に適用することにより、信頼性の高い携帯電話とすることができる。
【０１６１】
また、表示パネル２８０２はタッチパネルを備えており、図８（Ｄ）には映像表示されている複数の操作キー２８０５を点線で示している。なお、太陽電池セル２８１０で出力される電圧を各回路に必要な電圧に昇圧するための昇圧回路も実装している。
【０１６２】
表示パネル２８０２は、使用形態に応じて表示の方向が適宜変化する。また、表示パネル２８０２と同一面上にカメラ用レンズ２８０７を備えているため、テレビ電話が可能である。スピーカー２８０３及びマイクロフォン２８０４は音声通話に限らず、テレビ電話、録音、再生などが可能である。さらに、筐体２８００と筐体２８０１は、スライドし、図８（Ｄ）のように展開している状態から重なり合った状態とすることができ、携帯に適した小型化が可能である。
【０１６３】
外部接続端子２８０８はＡＣアダプタ及びＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能であり、充電及び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。また、外部メモリスロット２８１１に記録媒体を挿入し、より大量のデータ保存及び移動に対応できる。
【０１６４】
また、上記機能に加えて、赤外線通信機能、テレビ受信機能などを備えたものであってもよい。
【０１６５】
図８（Ｅ）は、デジタルビデオカメラであり、本体３０５１、表示部（Ａ）３０５７、接眼部３０５３、操作スイッチ３０５４、表示部（Ｂ）３０５５、バッテリー３０５６などによって構成されている。実施の形態４で示した半導体装置を表示部（Ａ）３０５７、表示部（Ｂ）３０５５に適用することにより、信頼性の高いデジタルビデオカメラとすることができる。
【０１６６】
図８（Ｆ）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、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４で示した半導体装置を表示部９６０３に適用することにより、信頼性の高いテレビジョン装置９６００とすることができる。
【０１６７】
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。
【０１６８】
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。
【０１６９】
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】
【０１７０】
１００ 基板
１０２ ゲート絶縁層
１０３ 第２のゲート絶縁層
１０４ａ ソース電極層
１０４ｂ ドレイン電極層
１０５ 第２のゲート電極層
１０８ａ 第１の酸化物半導体膜
１０８ｂ 第２の酸化物半導体膜
１１０ａ 絶縁膜
１１０ｂ 絶縁膜
１１２ ゲート電極層
１１４ 絶縁膜
１２０ トランジスタ
１３０ トランジスタ
１４０ トランジスタ
１５０ トランジスタ
１８０ ハロゲン
１８２ 酸素
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲート電極層を形成し、
前記ゲート電極層上にゲート絶縁層を形成し、
前記ゲート絶縁層にハロゲンドープ処理を行い、
前記ゲート絶縁層上に第１の酸化物半導体膜を形成し、
第１の加熱処理を行って前記第１の酸化物半導体膜の表面から内部に向かって結晶成長させて第１の結晶層を形成し、
前記第１の結晶層上に第２の酸化物半導体膜を形成し、
第２の加熱処理を行って前記第１の結晶層からその上の前記第２の酸化物半導体膜表面に向かって結晶成長させて第２の結晶層を形成し、
前記第１の結晶層及び前記第２の結晶層の積層上にソース電極層およびドレイン電極層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２】
請求項１において、前記第２の結晶層を形成した後、さらに酸素ドープ処理を行って前記第２の結晶層に酸素原子を供給することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項３】
ゲート電極層を形成し、
前記ゲート電極層上にゲート絶縁層を形成し、
前記ゲート絶縁層上に第１の酸化物半導体膜を形成し、
第１の加熱処理を行って前記第１の酸化物半導体膜の表面から内部に向かって結晶成長させて第１の結晶層を形成し、
前記第１の結晶層上に第２の酸化物半導体膜を形成し、
第２の加熱処理を行って前記第１の結晶層からその上の前記第２の酸化物半導体膜表面に向かって結晶成長させて第２の結晶層を形成し、
前記第１の結晶層及び前記第２の結晶層の積層上にソース電極層およびドレイン電極層を形成し、
前記第２の結晶層を形成した後、さらに酸素ドープ処理を行って前記第２の結晶層に酸素原子を供給する工程を有することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【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の結晶層は、前記第１の結晶層の表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしていることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【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の結晶層は、前記第２の結晶層の表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしていることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一において、前記第２の酸化物半導体膜の厚さは前記第１の酸化物半導体膜の厚さよりも厚いことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項７】
ゲート電極層上にハロゲン元素を含むゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層上に、表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしている第１の結晶層と、
前記第１の結晶層上に接し、表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしている第２の結晶層と、
前記第１の結晶層及び前記第２の結晶層の積層上にソース電極層およびドレイン電極層とを有し、
前記第１の結晶層及び前記第２の結晶層は、酸化物半導体膜であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１】
ゲート電極層を形成し、
前記ゲート電極層上にゲート絶縁層を形成し、
前記ゲート絶縁層にハロゲンドープ処理を行い、
前記ゲート絶縁層上に第１の酸化物半導体膜を形成し、
第１の加熱処理を行って前記第１の酸化物半導体膜の表面から内部に向かって結晶成長させて第１の結晶層を形成し、
前記第１の結晶層上に第２の酸化物半導体膜を形成し、
第２の加熱処理を行って前記第１の結晶層からその上の前記第２の酸化物半導体膜表面に向かって結晶成長させて第２の結晶層を形成し、
前記第１の結晶層及び前記第２の結晶層の積層上にソース電極層およびドレイン電極層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２】
請求項１において、前記第２の結晶層を形成した後、さらに酸素ドープ処理を行って前記第２の結晶層に酸素原子を供給することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項３】
ゲート電極層を形成し、
前記ゲート電極層上にゲート絶縁層を形成し、
前記ゲート絶縁層上に第１の酸化物半導体膜を形成し、
第１の加熱処理を行って前記第１の酸化物半導体膜の表面から内部に向かって結晶成長させて第１の結晶層を形成し、
前記第１の結晶層上に第２の酸化物半導体膜を形成し、
第２の加熱処理を行って前記第１の結晶層からその上の前記第２の酸化物半導体膜表面に向かって結晶成長させて第２の結晶層を形成し、
前記第１の結晶層及び前記第２の結晶層の積層上にソース電極層およびドレイン電極層を形成し、
前記第２の結晶層を形成した後、さらに酸素ドープ処理を行って前記第２の結晶層に酸素原子を供給する工程を有することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【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の結晶層は、前記第１の結晶層の表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしていることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【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の結晶層は、前記第２の結晶層の表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしていることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一において、前記第２の酸化物半導体膜の厚さは前記第１の酸化物半導体膜の厚さよりも厚いことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項７】
ゲート電極層上にハロゲン元素を含むゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層上に、表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしている第１の結晶層と、
前記第１の結晶層上に接し、表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしている第２の結晶層と、
前記第１の結晶層及び前記第２の結晶層の積層上にソース電極層およびドレイン電極層とを有し、
前記第１の結晶層及び前記第２の結晶層は、酸化物半導体膜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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−９８４３（Ｐ２０１２−９８４３Ａ）
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１２１４９（Ｐ２０１１−１１２１４９）
【出願日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【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１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【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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