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JP6226518B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

半導体装置及び半導体装置の作製方法に関する。
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。
絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタ（薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）ともいう）を構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（表示装置）のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。
また、表示装置では、透光性を有する部材としてガラス基板が好適に用いられる。
例えば、ガラス基板上にインジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び亜鉛（Ｚｎ）を含むアモルファス酸化物（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物）からなる半導体層を用いたトランジスタが開示されている（特許文献１参照）。
特開２０１１−１８１８０１号公報
ところで、酸化物半導体を用いたトランジスタを有する半導体装置において、高信頼性の達成は、製品化にむけて重要事項である。
特に、半導体装置の電気的特性の変動や低下は信頼性の低下を招く要因である。
このような問題に鑑み、酸化物半導体を用いたトランジスタを有する信頼性の高い半導体装置を提供することを課題の一とする。
ガラス基板上に設けられたボトムゲート構造のスタガ型トランジスタを有する半導体装置において、ゲート電極層と酸化物半導体膜との間に、少なくとも第１のゲート絶縁膜と第２のゲート絶縁膜を設ける。ゲート電極層側に設けられる第１のゲート絶縁膜と、酸化物半導体膜側に設けられる第２のゲート絶縁膜との組成を異ならせる。そして、第１のゲート絶縁膜と第２のゲート絶縁膜との界面におけるガラス基板中に含まれる第１の金属元素の濃度を、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下（好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下）とする。
第１のゲート絶縁膜には、薄膜の窒化物絶縁膜を用いることができる。例えば、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜などが挙げられる。第１のゲート絶縁膜は単層構造でも積層構造でもよい。第１のゲート絶縁膜の膜厚は薄く、３０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることができる。
ガラス基板と第２のゲート絶縁膜及び酸化物半導体膜とは、第１のゲート絶縁膜により遮断されているため、ガラス基板に含まれる第１の金属元素の第２のゲート絶縁膜及び酸化物半導体膜への拡散を防止することができる。
ガラス基板上に設けられたボトムゲート構造のスタガ型トランジスタを有する半導体装置において、ガラス基板とゲート電極層との間に保護絶縁膜を設けることで、ゲート電極層とゲート絶縁膜との界面における、ガラス基板中に含まれる第２の金属元素の濃度を、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下（好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下）とする。
保護絶縁膜には、窒化物絶縁膜を用いることができる。例えば、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜などが挙げられる。保護絶縁膜は単層構造でも積層構造でもよく、例えば、ガラス基板側から窒化物絶縁膜、及び酸化物絶縁膜を積層してもよい。
ガラス基板とトランジスタとは、保護絶縁膜により遮断されているため、ガラス基板に含まれる第２の金属元素のトランジスタへの拡散を防止することができる。
上記ガラス基板に含まれる第１の金属元素は、第１のゲート絶縁膜及び第２のゲート絶縁膜を主として構成する元素以外の元素であり、ガラス基板から拡散される元素を指す。
上記ガラス基板に含まれる第２の金属元素は、ゲート電極層及びゲート絶縁膜を主として構成する元素以外の元素であり、ガラス基板から拡散される元素を指す。
トランジスタの信頼性（特性の安定性）を損なわないように低減すべき第１の金属元素及び第２の金属元素としては、ナトリウム、アルミニウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムであり、加えてガラス基板に含まれる他の元素であるシリコンやホウ素も同等のレベルまで低減することが望ましい。
トランジスタの電気的特性の低下や変動を招く要因となるガラス基板に含まれる第１の金属元素、又は第２の金属元素の拡散を防止することができるため、トランジスタに安定した電気的特性を付与することが可能となる。
従って、酸化物半導体膜を用いた安定した電気的特性を有するトランジスタを含む信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
本明細書で開示する発明の構成の一形態は、ガラス基板上にゲート電極層と、ゲート電極層上に第１のゲート絶縁膜と、第１のゲート絶縁膜上に順に積層された第１のゲート絶縁膜と組成が異なる第２のゲート絶縁膜、酸化物半導体膜、及びソース電極層及びドレイン電極層とを有し、第１のゲート絶縁膜と第２のゲート絶縁膜との界面における、ガラス基板中に含まれる第１の金属元素の濃度は、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である半導体装置である。
本明細書で開示する発明の構成の他の一形態は、ガラス基板上にゲート電極層と、ゲート電極層上に第１のゲート絶縁膜と、第１のゲート絶縁膜上に順に積層された第１のゲート絶縁膜と組成が異なる第２のゲート絶縁膜、酸化物半導体膜、ゲート電極層と重畳する酸化物半導体膜に接する絶縁層、及びソース電極層及びドレイン電極層とを有し、第１のゲート絶縁膜と第２のゲート絶縁膜との界面における、ガラス基板中に含まれる第１の金属元素の濃度は、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である半導体装置である。
本明細書で開示する発明の構成の一形態は、ガラス基板上に保護絶縁膜と、保護絶縁膜上にゲート電極層と、ゲート電極層上に順に積層されたゲート絶縁膜、酸化物半導体膜、及びソース電極層及びドレイン電極層とを有し、ゲート電極層とゲート絶縁膜との界面における、ガラス基板中に含まれる第２の金属元素の濃度は、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である半導体装置である。
本明細書で開示する発明の構成の他の一形態は、ガラス基板上に保護絶縁膜と、保護絶縁膜上にゲート電極層と、ゲート電極層上に順に積層されたゲート絶縁膜、酸化物半導体膜、ゲート電極層と重畳する酸化物半導体膜に接する絶縁層、及びソース電極層及びドレイン電極層とを有し、ゲート電極層とゲート絶縁膜との界面における、ガラス基板中に含まれる第２の金属元素の濃度は、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である半導体装置である。
本発明の一形態は、トランジスタ若しくはトランジスタを含んで構成される回路を有する半導体装置に関する。例えば、酸化物半導体でチャネル形成領域が形成される、トランジスタ若しくはトランジスタを含んで構成される回路を有する半導体装置に関する。例えば、ＬＳＩや、ＣＰＵや、電源回路に搭載されるパワーデバイスや、メモリ、サイリスタ、コンバータ、イメージセンサなどを含む半導体集積回路、液晶表示パネルに代表される電気光学装置や発光素子を有する発光表示装置を部品として搭載した電子機器に関する。
酸化物半導体を用いたトランジスタを有する信頼性の高い半導体装置を提供する。
半導体装置の一形態を説明する平面図及び断面図。 半導体装置の作製方法の一形態を説明する断面図。 半導体装置の一形態を説明する平面図及び断面図。 半導体装置の一形態を説明する平面図及び断面図。 半導体装置の一形態を説明する平面図。 半導体装置の一形態を説明する平面図及び断面図。 半導体装置の一形態を示す断面図。 半導体装置の一形態を示す回路図及び断面図。 電子機器を示す図。 電子機器を示す図。 半導体装置の一形態を説明する平面図及び断面図。 半導体装置の作製方法の一形態を説明する断面図。 半導体装置の一形態を説明する平面図及び断面図。 半導体装置の一形態を説明する平面図及び断面図。 半導体装置の一形態を説明する平面図及び断面図。 半導体装置の一形態を示す断面図。 半導体装置の一形態を示す回路図及び断面図。
以下では、本明細書に開示する発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本明細書に開示する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、本明細書に開示する発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、第１、第２として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順又は積層順を示すものではない。また、本明細書において発明を特定するための事項として固有の名称を示すものではない。
（実施の形態１）
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を、図１を用いて説明する。本実施の形態では、半導体装置の一例として酸化物半導体膜を有するトランジスタを示す。
トランジスタはチャネル形成領域が１つ形成されるシングルゲート構造でも、２つ形成されるダブルゲート構造もしくは３つ形成されるトリプルゲート構造であってもよい。また、チャネル形成領域の上下にゲート絶縁膜を介して配置された２つのゲート電極層を有する、デュアルゲート型でもよい。
図１に示すトランジスタ４４０は、ボトムゲート構造の一つであり逆スタガ型トランジスタともいうトランジスタの一例である。図１（Ａ）は平面図であり、図１（Ａ）中の一点鎖線Ｖ−Ｚで切断した断面が図１（Ｂ）に相当する。
トランジスタ４４０のチャネル長方向の断面図である図１（Ｂ）に示すように、トランジスタ４４０を含む半導体装置は、ガラス基板４００上に、ゲート電極層４０１と、ゲート電極層４０１を覆うように第１のゲート絶縁膜４３６が設けられ、第１のゲート絶縁膜４３６上に第２のゲート絶縁膜４０２、酸化物半導体膜４０３、ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂを有する。また、トランジスタ４４０を覆う絶縁膜４０７が設けられている。
ゲート電極層４０１と酸化物半導体膜４０３との間に、少なくとも第１のゲート絶縁膜４３６と第２のゲート絶縁膜４０２を設ける。ゲート電極層４０１側に設けられる第１のゲート絶縁膜４３６と、酸化物半導体膜４０３側に設けられる第２のゲート絶縁膜４０２との組成を異ならせる。そして、第１のゲート絶縁膜４３６と第２のゲート絶縁膜４０２との界面におけるガラス基板４００中に含まれる第１の金属元素の濃度を、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下（好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下）とする。なお、上記ガラス基板４００に含まれる第１の金属元素は、第１のゲート絶縁膜４３６及び第２のゲート絶縁膜４０２を主として構成する元素以外の元素であり、ガラス基板４００から拡散される元素を指す。
上記ガラス基板４００中に含まれる第１の金属元素の濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）で測定されるものである。
第１のゲート絶縁膜４３６には、薄膜の窒化物絶縁膜を用いることができる。例えば、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜などが挙げられる。第１のゲート絶縁膜４３６の膜厚は薄く、３０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることができる。第１のゲート絶縁膜４３６は単層構造でも積層構造でもよい。
なお、ガラス基板４００からの不純物拡散を防止するための第１のゲート絶縁膜４３６として、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、ランタン（Ｌａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、バリウム（Ｂａ）、又はアルミニウム（Ａｌ）の金属元素のいずれかから選択される一以上を含む金属酸化物絶縁膜（例えば、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化マグネシウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ランタン膜、酸化バリウム膜）、又は上述した金属元素を成分とする金属窒化物絶縁膜（窒化アルミニウム膜、窒化酸化アルミニウム膜）を用いることができる。また、第１のゲート絶縁膜４３６には、酸化ガリウム膜、Ｉｎ−Ｚｒ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｆｅ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物膜なども用いることができる。
ガラス基板４００に含まれる第１の金属元素としては次のようなものが例示される。例えば、ガラス基板４００がソーダ石灰ガラスである場合には、ソーダ石灰ガラスの成分が酸化珪素（ＳｉＯ２）、炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）であることから、金属元素としてナトリウムやカルシウムなどが対象の元素となる。また、ガラス基板４００が液晶ディスプレイ等の表示パネルで用いられる、いわゆる無アルカリガラス（ソーダを用いないガラス）と呼ばれる部類のものであれば、その成分はＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ３、ＲＯ（Ｒは２価の金属元素であり、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム）であり、金属元素としてアルミニウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムが対象の元素となる。
いずれにしても、トランジスタの信頼性（特性の安定性）を損なわないように低減すべき金属元素としては、ナトリウム、アルミニウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムであり、加えてガラス基板に含まれる他の元素であるシリコンやホウ素も同等のレベルまで低減することが望ましい。
ガラス基板４００と第２のゲート絶縁膜４０２及び酸化物半導体膜４０３とは、第１のゲート絶縁膜４３６により遮断されているため、ガラス基板４００に含まれる第１の金属元素の第２のゲート絶縁膜４０２及び酸化物半導体膜４０３への拡散を防止することができる。
また、第１のゲート絶縁膜４３６に窒化シリコン膜のような緻密な絶縁膜を設けると、トランジスタ４４０へのガラス基板４００に含まれるナトリウムなどの可動イオンの拡散も防止することができる。
トランジスタ４４０の電気的特性の低下や変動を招く要因となるガラス基板４００に含まれる第１の金属元素の拡散を防止することができるため、トランジスタ４４０に安定した電気的特性を付与することが可能となる。
これらの金属元素がゲート電極層の周辺に存在すると、ゲート絶縁膜又はゲート電極層とゲート絶縁膜の界面に欠陥を生成し、そこに電荷がトラップされることにより、トランジスタの電気的特性変動をもたらすことが考えられる。例えば、ゲート電極層周辺にプラスの電荷がトラップされるとトランジスタの電気的特性はノーマリオンの方向へ変動してしまうことが懸念される。また、ナトリウムのような可動イオンがゲート絶縁膜に含まれてしまうと、ゲート電極層にプラスのバイアスを印加した場合、プラス可動イオンがゲート絶縁膜と酸化物半導体膜の界面へ移動することになるため、トランジスタの電気的特性はノーマリオンの方向へ変動する原因となる。よって、トランジスタの電気的特性を安定化させるためには、このような悪影響を及ぼすと考えられる金属元素がガラス基板からゲート絶縁膜側に浸入してくることを防ぐことが有効である。
従って、酸化物半導体膜４０３を用いた安定した電気的特性を有するトランジスタ４４０を含む信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
酸化物半導体膜４０３に用いる酸化物半導体としては、少なくともインジウム（Ｉｎ）を含む。特にＩｎと亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。また、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気的特性のばらつきを減らすためのスタビライザーとして、それらに加えてガリウム（Ｇａ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてスズ（Ｓｎ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてハフニウム（Ｈｆ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてアルミニウム（Ａｌ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてジルコニウム（Ｚｒ）を有することが好ましい。
また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）のいずれか一種あるいは複数種を有してもよい。
例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯとも表記する）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を用いることができる。
なお、ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分として有する酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素が入っていてもよい。
また、酸化物半導体として、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０、且つ、ｍは整数でない）で表記される材料を用いてもよい。なお、Ｍは、Ｇａ、Ｆｅ、Ｍｎ及びＣｏから選ばれた一の金属元素または複数の金属元素を示す。また、酸化物半導体として、Ｉｎ２ＳｎＯ５（ＺｎＯ）ｎ（ｎ＞０、且つ、ｎは整数）で表記される材料を用いてもよい。
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：２：１（＝２／５：２／５：１／５）、あるいはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２（＝１／２：１／６：１／３）の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。あるいは、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：３（＝１／３：１／６：１／２）あるいはＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：５（＝１／４：１／８：５／８）の原子数比のＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。
しかし、インジウムを含む酸化物半導体は、これらに限られず、必要とする半導体特性（移動度、しきい値、ばらつき等）に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とする半導体特性を得るために、キャリア濃度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。
例えば、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物では比較的容易に高い移動度が得られる。しかしながら、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物でも、バルク内欠陥密度を低くすることにより移動度を上げることができる。
なお、例えば、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝ａ：ｂ：ｃ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１）である酸化物の組成が、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝Ａ：Ｂ：Ｃ（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＝１）の酸化物の組成の近傍であるとは、ａ、ｂ、ｃが、（ａ−Ａ）２＋（ｂ−Ｂ）２＋（ｃ−Ｃ）２≦ｒ２を満たすことをいう。ｒとしては、例えば、０．０５とすればよい。他の酸化物でも同様である。
酸化物半導体膜４０３は、単結晶、多結晶（ポリクリスタルともいう。）または非晶質などの状態をとる。
好ましくは、酸化物半導体膜は、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜とする。
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、完全な単結晶ではなく、完全な非晶質でもない。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、非晶質相に結晶部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体膜である。なお、当該結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による観察像では、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる非晶質部と結晶部との境界は明確ではない。また、ＴＥＭによってＣＡＡＣ−ＯＳ膜には粒界（グレインバウンダリーともいう。）は確認できない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、粒界に起因する電子移動度の低下が抑制される。
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部は、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃い、かつａｂ面に垂直な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軸に垂直な方向から見て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いる。なお、異なる結晶部間で、それぞれａ軸およびｂ軸の向きが異なっていてもよい。本明細書において、単に垂直と記載する場合、８５°以上９５°以下の範囲も含まれることとする。また、単に平行と記載する場合、−５°以上５°以下の範囲も含まれることとする。
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜において、結晶部の分布が一様でなくてもよい。例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形成過程において、酸化物半導体膜の表面側から結晶成長させる場合、被形成面の近傍に対し表面の近傍では結晶部の占める割合が高くなることがある。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜へ不純物を添加することにより、当該不純物添加領域において結晶部が非晶質化することもある。
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃うため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形状（被形成面の断面形状または表面の断面形状）によっては互いに異なる方向を向くことがある。なお、結晶部のｃ軸の方向は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されたときの被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向となる。結晶部は、成膜することにより、または成膜後に加熱処理などの結晶化処理を行うことにより形成される。
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気的特性の変動を低減することが可能である。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。
なお、酸化物半導体膜を構成する酸素の一部は窒素で置換されてもよい。
また、ＣＡＡＣ−ＯＳのように結晶部を有する酸化物半導体では、よりバルク内欠陥を低減することができ、表面の平坦性を高めればアモルファス状態の酸化物半導体以上の移動度を得ることができる。表面の平坦性を高めるためには、平坦な表面上に酸化物半導体を形成することが好ましく、具体的には、平均面粗さ（Ｒａ）が１ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下、より好ましくは０．１ｎｍ以下の表面上に形成するとよい。
Ｒａとは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２００１（ＩＳＯ４２８７：１９９７）で定義されている算術平均粗さを曲面に対して適用できるよう三次元に拡張したものであり、「基準面から指定面までの偏差の絶対値を平均した値」で表現でき、以下の式にて定義される。
ここで、指定面とは、粗さ計測の対象となる面であり、座標（ｘ１，ｙ１，ｆ（ｘ１，ｙ１）），（ｘ１，ｙ２，ｆ（ｘ１，ｙ２）），（ｘ２，ｙ１，ｆ（ｘ２，ｙ１）），（ｘ２，ｙ２，ｆ（ｘ２，ｙ２））の４点で表される四角形の領域とし、指定面をｘｙ平面に投影した長方形の面積をＳ０、基準面の高さ（指定面の平均の高さ）をＺ０とする。Ｒａは原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）にて測定可能である。
ただし、本実施の形態で説明するトランジスタ４４０は、ボトムゲート型であるため、酸化物半導体膜の下方にはガラス基板４００とゲート電極層４０１と第２のゲート絶縁膜４０２が存在している。従って、上記平坦な表面を得るためにゲート電極層４０１及び第２のゲート絶縁膜４０２を形成した後、ＣＭＰ処理などの平坦化処理を行ってもよい。
酸化物半導体膜４０３の膜厚は、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下（好ましくは５ｎｍ以上１０ｎｍ以下）とし、スパッタリング法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＣＶＤ法、パルスレーザ堆積法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等を適宜用いることができる。また、酸化物半導体膜４０３は、スパッタリングターゲット表面に対し、概略垂直に複数の基板表面がセットされた状態で成膜を行うスパッタ装置を用いて成膜してもよい。
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、例えば、多結晶である酸化物半導体スパッタリング用ターゲットを用い、スパッタリング法によって成膜する。当該スパッタリング用ターゲットにイオンが衝突すると、スパッタリング用ターゲットに含まれる結晶領域がａ−ｂ面から劈開し、ａ−ｂ面に平行な面を有する平板状またはペレット状のスパッタリング粒子として剥離することがある。この場合、当該平板状のスパッタリング粒子が、結晶状態を維持したまま基板に到達することで、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜することができる。
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜するために、以下の条件を適用することが好ましい。
成膜時の不純物混入を低減することで、不純物によって結晶状態が崩れることを抑制できる。例えば、成膜室内に存在する不純物濃度（水素、水、二酸化炭素および窒素など）を低減すればよい。また、成膜ガス中の不純物濃度を低減すればよい。具体的には、露点が−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下である成膜ガスを用いる。
また、成膜時の基板加熱温度を高めることで、基板到達後にスパッタリング粒子のマイグレーションが起こる。具体的には、基板加熱温度を１００℃以上７４０℃以下、好ましくは２００℃以上５００℃以下として成膜する。成膜時の基板加熱温度を高めることで、平板状のスパッタリング粒子が基板に到達した場合、基板上でマイグレーションが起こり、スパッタリング粒子の平らな面が基板に付着する。
また、成膜ガス中の酸素割合を高め、電力を最適化することで成膜時のプラズマダメージを軽減すると好ましい。成膜ガス中の酸素割合は、３０体積％以上、好ましくは１００体積％とする。
スパッタリング用ターゲットの一例として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ化合物ターゲットについて以下に示す。
ＩｎＯＸ粉末、ＧａＯＹ粉末およびＺｎＯＺ粉末を所定のｍｏｌ数比で混合し、加圧処理後、１０００℃以上１５００℃以下の温度で加熱処理をすることで多結晶であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ化合物ターゲットとする。なお、Ｘ、ＹおよびＺは任意の正数である。ここで、所定のｍｏｌ数比は、例えば、ＩｎＯＸ粉末、ＧａＯＹ粉末およびＺｎＯＺ粉末が、２：２：１、８：４：３、３：１：１、１：１：１、４：２：３または３：１：２である。なお、粉末の種類、およびその混合するｍｏｌ数比は、作製するスパッタリング用ターゲットによって適宜変更すればよい。
図２（Ａ）乃至（Ｅ）にトランジスタ４４０を有する半導体装置の作製方法の一例を示す。
ガラス基板４００に使用することができる基板に大きな制限はないが、少なくとも、後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどを用いることができる。
ガラス基板４００に加熱処理を行ってもよい。例えば、高温のガスを用いて加熱処理を行うＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置により、６５０℃、１分〜５分間、加熱処理を行えばよい。なお、ＧＲＴＡにおける高温のガスには、アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられる。また、電気炉により、５００℃、３０分〜１時間、加熱処理を行ってもよい。
次にガラス基板４００上に導電膜を形成し、該導電膜をエッチングして、ゲート電極層４０１を形成する（図２（Ａ）参照）。導電膜のエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよく、両方を用いてもよい。
ゲート電極層４０１の材料は、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、クロム、ネオジム、スカンジウム等の金属材料またはこれらを主成分とする合金材料を用いて形成することができる。また、ゲート電極層４０１としてリン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコン膜に代表される半導体膜、ニッケルシリサイドなどのシリサイド膜を用いてもよい。ゲート電極層４０１は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。
また、ゲート電極層４０１の材料は、酸化インジウム酸化スズ、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、酸化インジウム酸化亜鉛、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。また、上記導電性材料と、上記金属材料の積層構造とすることもできる。
また、ゲート電極層４０１として、窒素を含む金属酸化物膜、具体的には、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、ＳｎＮなど）を用いることができる。これらの膜は５ｅＶ（電子ボルト）、好ましくは５．５ｅＶ（電子ボルト）以上の仕事関数を有し、ゲート電極層として用いた場合、トランジスタの電気的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。
本実施の形態では、スパッタリング法により膜厚１００ｎｍのタングステン膜を形成する。
また、ゲート電極層４０１形成後に、ガラス基板４００、及びゲート電極層４０１に加熱処理を行ってもよい。例えば、ＧＲＴＡ装置により、６５０℃、１分〜５分間、加熱処理を行えばよい。また、電気炉により、５００℃、３０分〜１時間、加熱処理を行ってもよい。
次に、ゲート電極層４０１を覆うように第１のゲート絶縁膜４３６を設ける（図２（Ｂ）参照）。
第１のゲート絶縁膜４３６には、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により形成する窒化物絶縁膜を用いることができる。例えば、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜などが挙げられる。第１のゲート絶縁膜４３６は単層構造でも積層構造でもよい。
なお、ガラス基板４００からの不純物拡散を防止するための第１のゲート絶縁膜４３６として、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、ランタン（Ｌａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、バリウム（Ｂａ）、又はアルミニウム（Ａｌ）の金属元素のいずれかから選択される一以上を含む金属酸化物絶縁膜（例えば、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化マグネシウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ランタン膜、酸化バリウム膜）、又は上述した金属元素を成分とする金属窒化物絶縁膜（窒化アルミニウム膜、窒化酸化アルミニウム膜）を用いることができる。また、第１のゲート絶縁膜４３６には、酸化ガリウム膜、Ｉｎ−Ｚｒ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｆｅ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物膜なども用いることができる。
本実施の形態では第１のゲート絶縁膜４３６としてプラズマＣＶＤ法を用いて形成する膜厚３０ｎｍの窒化シリコン膜を用いる。
次に、第１のゲート絶縁膜４３６上に第２のゲート絶縁膜４０２を形成する。
第１のゲート絶縁膜４３６によりゲート電極層４０１が覆われているため、ゲート電極層４０１を形成するエッチング工程においてゲート電極層４０１表面にガラス基板４００に含まれる第１の金属元素が付着していても、第２のゲート絶縁膜４０２への拡散を防止することができる。
第２のゲート絶縁膜４０２の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とし、スパッタリング法、ＭＢＥ法、ＣＶＤ法、パルスレーザ堆積法、ＡＬＤ法等を適宜用いることができる。また、第２のゲート絶縁膜４０２は、スパッタリングターゲット表面に対し、概略垂直に複数の基板表面がセットされた状態で成膜を行うスパッタ装置を用いて成膜してもよい。
第２のゲート絶縁膜４０２の材料としては、酸化シリコン膜、酸化ガリウム膜、酸化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜、または窒化酸化シリコン膜を用いて形成することができる。
また、第２のゲート絶縁膜４０２の材料として酸化ハフニウム、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯｘＮｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、ハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、酸化ランタンなどのｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることでゲートリーク電流を低減できる。さらに、第２のゲート絶縁膜４０２は、単層構造としても良いし、積層構造としても良い。
第２のゲート絶縁膜４０２は、酸化物半導体膜４０３と接する部分において酸素を含むことが好ましい。特に、第２のゲート絶縁膜４０２は、膜中（バルク中）に少なくとも化学量論的組成を超える量の酸素が存在することが好ましく、例えば、第２のゲート絶縁膜４０２として、酸化シリコン膜を用いる場合には、ＳｉＯ２＋α（ただし、α＞０）とする。
酸素の供給源となる酸素を多く（過剰に）含む第２のゲート絶縁膜４０２を酸化物半導体膜４０３と接して設けることによって、該第２のゲート絶縁膜４０２から酸化物半導体膜４０３へ酸素を供給することができる。酸化物半導体膜４０３及び第２のゲート絶縁膜４０２を少なくとも一部が接した状態で加熱処理を行うことによって酸化物半導体膜４０３への酸素の供給を行ってもよい。
酸化物半導体膜４０３へ酸素を供給することにより、膜中の酸素欠損を補填することができる。さらに、第２のゲート絶縁膜４０２は、作製するトランジスタのサイズや第２のゲート絶縁膜４０２の段差被覆性を考慮して形成することが好ましい。
本実施の形態では、高密度プラズマＣＶＤ法により膜厚２００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を形成する。
また、第２のゲート絶縁膜４０２形成後に、ガラス基板４００、ゲート電極層４０１、第１のゲート絶縁膜４３６、及び第２のゲート絶縁膜４０２に加熱処理を行ってもよい。例えば、ＧＲＴＡ装置により、６５０℃、１分〜５分間、加熱処理を行えばよい。また、電気炉により、５００℃、３０分〜１時間、加熱処理を行ってもよい。
次に、第２のゲート絶縁膜４０２上に酸化物半導体膜４０３を形成する（図２（Ｃ）参照）。
酸化物半導体膜４０３の形成工程において、酸化物半導体膜４０３に水素、又は水がなるべく含まれないようにするために、酸化物半導体膜４０３の成膜の前処理として、スパッタリング装置の予備加熱室で第２のゲート絶縁膜４０２が形成された基板を予備加熱し、基板及び第２のゲート絶縁膜４０２に吸着した水素、水分などの不純物を脱離し排気することが好ましい。なお、予備加熱室に設ける排気手段はクライオポンプが好ましい。
第２のゲート絶縁膜４０２において酸化物半導体膜４０３が接して形成される領域に、平坦化処理を行ってもよい。平坦化処理としては、特に限定されないが、研磨処理（例えば、化学的機械研磨法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ））、ドライエッチング処理、プラズマ処理を用いることができる。
プラズマ処理としては、例えば、アルゴンガスを導入してプラズマを発生させる逆スパッタリングを行うことができる。逆スパッタリングとは、アルゴン雰囲気下で基板側にＲＦ電源を用いて電圧を印加して基板近傍にプラズマを形成して表面を改質する方法である。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウム、酸素などを用いてもよい。逆スパッタリングを行うと、第２のゲート絶縁膜４０２の表面に付着している粉状物質（パーティクル、ごみともいう）を除去することができる。
平坦化処理として、研磨処理、ドライエッチング処理、プラズマ処理は複数回行ってもよく、それらを組み合わせて行ってもよい。また、組み合わせて行う場合、工程順も特に限定されず、第２のゲート絶縁膜４０２表面の凹凸状態に合わせて適宜設定すればよい。
なお、酸化物半導体膜４０３は、成膜時に酸素が多く含まれるような条件（例えば、酸素１００％の雰囲気下でスパッタリング法により成膜を行うなど）で成膜して、酸素を多く含む（好ましくは酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている）膜とすることが好ましい。
なお、本実施の形態において、酸化物半導体膜４０３として、ＡＣ電源装置を有するスパッタリング装置を用いたスパッタリング法を用い、膜厚３５ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物膜（ＩＧＺＯ膜）を成膜する。本実施の形態において、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）の原子比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物ターゲットを用いる。なお、成膜条件は、酸素及びアルゴン雰囲気下（酸素流量比率５０％）、圧力０．６Ｐａ、電源電力５ｋＷ、基板温度１７０℃とする。この成膜条件での成膜速度は、１６ｎｍ／ｍｉｎである。
酸化物半導体膜４０３を、成膜する際に用いるスパッタリングガスは水素、水、水酸基又は水素化物などの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。
減圧状態に保持された成膜室内に基板を保持する。そして、成膜室内の残留水分を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入し、上記ターゲットを用いてガラス基板４００上に酸化物半導体膜４０３を成膜する。成膜室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプ、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。また、排気手段としては、ターボ分子ポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素原子、水（Ｈ２Ｏ）など水素原子を含む化合物（より好ましくは炭素原子を含む化合物も）等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物半導体膜４０３に含まれる不純物の濃度を低減できる。
また、第２のゲート絶縁膜４０２を大気に解放せずに第２のゲート絶縁膜４０２と酸化物半導体膜４０３を連続的に形成することが好ましい。第２のゲート絶縁膜４０２を大気に曝露せずに第２のゲート絶縁膜４０２と酸化物半導体膜４０３を連続して形成すると、第２のゲート絶縁膜４０２表面に水素や水分などの不純物が吸着することを防止することができる。
酸化物半導体膜４０３は、膜状の酸化物半導体膜をフォトリソグラフィ工程により島状の酸化物半導体膜に加工して形成することができる。
また、島状の酸化物半導体膜４０３を形成するための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。
なお、酸化物半導体膜のエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよく、両方を用いてもよい。例えば、酸化物半導体膜のウェットエッチングに用いるエッチング液としては、燐酸と酢酸と硝酸を混ぜた溶液などを用いることができる。また、ＩＴＯ−０７Ｎ（関東化学社製）を用いてもよい。また、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：誘導結合型プラズマ）エッチング法によるドライエッチングによってエッチング加工してもよい。
また、酸化物半導体膜４０３に、過剰な水素（水や水酸基を含む）を除去（脱水化または脱水素化）するための加熱処理を行ってもよい。加熱処理の温度は、３００℃以上７００℃以下、または基板の歪み点未満とする。加熱処理は減圧下又は窒素雰囲気下などで行うことができる。
また、酸化物半導体膜４０３として結晶性酸化物半導体膜を用いる場合、結晶化のための加熱処理を行ってもよい。
本実施の形態では、加熱処理装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半導体膜４０３に対して窒素雰囲気下４５０℃において１時間、さらに窒素及び酸素雰囲気下４５０℃において１時間の加熱処理を行う。
なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を用いてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置を用いることができる。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置である。ＧＲＴＡ装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。高温のガスには、アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられる。
例えば、加熱処理として、６５０℃〜７００℃の高温に加熱した不活性ガス中に基板を入れ、数分間加熱した後、基板を不活性ガス中から出すＧＲＴＡを行ってもよい。
なお、加熱処理においては、窒素、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、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、加熱処理で酸化物半導体膜４０３を加熱した後、同じ炉に高純度の酸素ガス、高純度の一酸化二窒素ガス、又は超乾燥エア（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、より好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）を導入してもよい。酸素ガスまたは一酸化二窒素ガスに、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酸素ガスまたは一酸化二窒素ガスの純度を、６Ｎ以上好ましくは７Ｎ以上（即ち、酸素ガスまたは一酸化二窒素ガス中の不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。酸素ガス又は一酸化二窒素ガスの作用により、脱水化または脱水素化処理による不純物の排除工程によって同時に減少してしまった酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素を供給することによって、酸化物半導体膜４０３を高純度化及びＩ型（真性）化することができる。
なお、脱水化又は脱水素化のための加熱処理を行うタイミングは、膜状の酸化物半導体膜の形成後でも、島状の酸化物半導体膜４０３形成後でもよい。
また、脱水化又は脱水素化のための加熱処理は、複数回行ってもよく、他の加熱処理と兼ねてもよい。
脱水化又は脱水素化のための加熱処理を、酸化物半導体膜４０３として島状に加工される前、膜状の酸化物半導体膜が第２のゲート絶縁膜４０２を覆った状態で行うと、第２のゲート絶縁膜４０２に含まれる酸素が加熱処理によって放出されるのを防止することができるため好ましい。
また、脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体膜４０３に、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）を導入して膜中に酸素を供給してもよい。
また、脱水化又は脱水素化処理によって、酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素が同時に脱離して減少してしまうおそれがある。酸化物半導体膜において、酸素が脱離した箇所では酸素欠損が存在し、該酸素欠損に起因してトランジスタの電気的特性変動を招くドナー準位が生じてしまう。
よって、脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体膜に、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）を供給することが好ましい。酸化物半導体膜へ酸素を供給することにより、膜中の酸素欠損を補填することができる。
脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体膜４０３に、酸素を導入して膜中に酸素を供給することによって、酸化物半導体膜４０３を高純度化、及びＩ型（真性）化することができる。高純度化し、Ｉ型（真性）化した酸化物半導体膜４０３を有するトランジスタは、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。
酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法、プラズマ処理などを用いることができる。
酸素の導入工程は、酸化物半導体膜４０３に酸素導入する場合、酸化物半導体膜４０３に直接導入してもよいし、絶縁膜４０７などの他の膜を通過して酸化物半導体膜４０３へ導入してもよい。酸素を他の膜を通過して導入する場合は、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いればよいが、酸素を露出された酸化物半導体膜４０３へ直接導入する場合は、プラズマ処理なども用いることができる。
酸化物半導体膜４０３への酸素の導入は、脱水化又は脱水素化処理を行った後が好ましいが、特に限定されない。また、上記脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体膜４０３への酸素の導入は複数回行ってもよい。
好ましくはトランジスタに設けられる酸化物半導体膜は、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている膜とするとよい。この場合、酸素の含有量は、酸化物半導体の化学量論的組成を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化物半導体の格子間に酸素が存在する場合もある。
水素若しくは水分を酸化物半導体から除去し、不純物が極力含まれないように高純度化し、酸素を供給して酸素欠損を補填することによりＩ型（真性）の酸化物半導体、又はＩ型（真性）に限りなく近い酸化物半導体とすることができる。そうすることにより、酸化物半導体のフェルミ準位（Ｅｆ）を真性フェルミ準位（Ｅｉ）と同じレベルにまですることができる。よって、該酸化物半導体膜をトランジスタに用いることで、酸素欠損に起因するトランジスタのしきい値電圧Ｖｔｈのばらつき、しきい値電圧のシフトΔＶｔｈを低減することができる。
次いで、ゲート電極層４０１、第１のゲート絶縁膜４３６、第２のゲート絶縁膜４０２、及び酸化物半導体膜４０３上に、ソース電極層及びドレイン電極層（これと同じ層で形成される配線を含む）となる導電膜を形成する。
導電膜は後の加熱処理に耐えられる材料を用いる。ソース電極層、及びドレイン電極層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）等を用いることができる。また、Ａｌ、Ｃｕなどの金属膜の下側又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）を積層させた構成としても良い。また、ソース電極層、及びドレイン電極層に用いる導電膜としては、導電性の金属酸化物で形成しても良い。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム酸化スズ（Ｉｎ２Ｏ３―ＳｎＯ２）、酸化インジウム酸化亜鉛（Ｉｎ２Ｏ３―ＺｎＯ）またはこれらの金属酸化物材料に酸化シリコンを含ませたものを用いることができる。
フォトリソグラフィ工程により導電膜上にレジストマスクを形成し、選択的にエッチングを行ってソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂを形成する（図２（Ｄ）参照）。ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂを形成した後、レジストマスクを除去する。
レジストマスク形成時の露光には、紫外線やＫｒＦレーザ光やＡｒＦレーザ光を用いるとよい。酸化物半導体膜４０３上で隣り合うソース電極層４０５ａの下端部とドレイン電極層４０５ｂの下端部との間隔幅によって後に形成されるトランジスタ４４０のチャネル長Ｌが決定される。なお、チャネル長Ｌ＝２５ｎｍ未満の露光を行う場合には、数ｎｍ〜数１０ｎｍと極めて波長が短い超紫外線（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）を用いてレジストマスク形成時の露光を行うとよい。超紫外線による露光は、解像度が高く焦点深度も大きい。従って、後に形成されるトランジスタのチャネル長Ｌを１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることも可能であり、回路の動作速度を高速化できる。
また、フォトリソグラフィ工程で用いるフォトマスク数及び工程数を削減するため、透過した光が複数の強度となる露光マスクであ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したレジストマスクは複数の膜厚を有する形状となり、エッチングを行うことでさらに形状を変形す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できる。よって、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。よって露光マスク数を削減することができ、対応するフォトリソグラフィ工程も削減できるため、工程の簡略化が可能となる。
本実施の形態では、導電膜のエッチングには、塩素を含むガス、例えば、塩素（Ｃｌ２）、三塩化硼素（ＢＣｌ３）、四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）、四塩化炭素（ＣＣｌ４）などを含むガスを用いることができる。また、フッ素を含むガス、例えば、四弗化炭素（ＣＦ４）、弗化硫黄（ＳＦ６）、三弗化窒素（ＮＦ３）、トリフルオロメタン（ＣＨＦ３）などを含むガスを用いることができる。また、これらのガスにヘリウム（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）などの希ガスを添加したガス、などを用いることができる。
エッチング法としては、平行平板型ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法や、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：誘導結合型プラズマ）エッチング法を用いることができる。所望の加工形状にエッチングできるように、エッチング条件（コイル型の電極に印加される電力量、基板側の電極に印加される電力量、基板側の電極温度等）を適宜調節する。
本実施の形態では、導電膜としてスパッタリング法により形成する膜厚１００ｎｍのチタン膜、膜厚４００ｎｍのアルミニウム膜、膜厚１００ｎｍのチタン膜の積層を用いる。導電膜のエッチングは、ドライエッチング法により、チタン膜、アルミニウム膜、チタン膜の積層をエッチングして、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂを形成する。
本実施の形態では、第１のエッチング条件でチタン膜とアルミニウム膜の２層をエッチングした後、第２のエッチング条件で残りのチタン膜単層を除去する。なお、第１のエッチング条件は、エッチングガス（ＢＣｌ３：Ｃｌ２＝７５０ｓｃｃｍ：１５０ｓｃｃｍ）を用い、バイアス電力を１５００Ｗとし、ＩＣＰ電源電力を０Ｗとし、圧力を２．０Ｐａとする。第２のエッチング条件は、エッチングガス（ＢＣｌ３：Ｃｌ２＝７００ｓｃｃｍ：１００ｓｃｃｍ）を用い、バイアス電力を７５０Ｗとし、ＩＣＰ電源電力を０Ｗとし、圧力を２．０Ｐａとする。
なお、導電膜のエッチング工程の際に、酸化物半導体膜４０３がエッチングされ、分断することのないようエッチング条件を最適化することが望まれる。しかしながら、導電膜のみをエッチングし、酸化物半導体膜４０３を全くエッチングしないという条件を得ることは難しく、導電膜のエッチングの際に酸化物半導体膜４０３は一部のみがエッチングされ、溝部（凹部）を有する酸化物半導体膜となることもある。
以上の工程で、本実施の形態のトランジスタ４４０が作製される。
本実施の形態では、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ上に、酸化物半導体膜４０３と接して、絶縁膜４０７を形成する（図２（Ｅ）参照）。
絶縁膜４０７は、少なくとも１ｎｍ以上の膜厚とし、スパッタリング法など、絶縁膜４０７に水、水素等の不純物を混入させない方法を適宜用いて形成することができる。絶縁膜４０７に水素が含まれると、その水素の酸化物半導体膜４０３への侵入、又は水素による酸化物半導体膜中の酸素の引き抜きが生じ酸化物半導体膜４０３のバックチャネルが低抵抗化（Ｎ型化）してしまい、寄生チャネルが形成されるおそれがある。よって、絶縁膜４０７はできるだけ水素を含まない膜になるように、成膜方法に水素を用いないことが重要である。
絶縁膜４０７としては、代表的には酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、又は酸化ガリウム膜、窒化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、窒化酸化シリコン膜、窒化酸化アルミニウム膜などの無機絶縁膜の単層又は積層を用いることができる。
脱水化又は脱水素化処理として加熱工程を行った場合、酸化物半導体膜４０３に、酸素を供給することが好ましい。酸化物半導体膜４０３へ酸素を供給することにより、膜中の酸素欠損を補填することができる。
本実施の形態では、酸化物半導体膜４０３への酸素の供給を、絶縁膜４０７を供給源として行うので、絶縁膜４０７は酸素を含む酸化物絶縁膜（例えば酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜）を用いる例を示す。絶縁膜４０７を酸素の供給源とする場合、絶縁膜４０７は酸素を多く（過剰）含む膜（好ましくは結晶状態における化学量論的組成に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている膜）とすると酸素の供給源として好適に機能させることができる。
本実施の形態では、絶縁膜４０７として膜厚３００ｎｍの酸化シリコン膜を、スパッタリング法を用いて成膜する。成膜時の基板温度は、室温以上３００℃以下とすればよく、本実施の形態では１００℃とする。酸化シリコン膜のスパッタリング法による成膜は、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、または希ガスと酸素の混合雰囲気下において行うことができる。また、ターゲットとして酸化シリコンターゲットまたはシリコンターゲットを用いることができる。例えば、シリコンターゲットを用いて、酸素を含む雰囲気下でスパッタリング法により酸化シリコン膜を形成することができる。
酸化物半導体膜４０３の成膜時と同様に、絶縁膜４０７の成膜室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプ（クライオポンプなど）を用いることが好ましい。クライオポンプを用いて排気した成膜室で成膜した絶縁膜４０７に含まれる不純物の濃度を低減できる。また、絶縁膜４０７の成膜室内の残留水分を除去するための排気手段としては、ターボ分子ポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。
絶縁膜４０７を、成膜する際に用いるスパッタガスとしては、水素、水などの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。
次に酸化物半導体膜４０３に、一部（チャネル形成領域）が絶縁膜４０７と接した状態で加熱工程を行う。
加熱工程の温度は、２５０℃以上７００℃以下、または４００℃以上７００℃以下、または基板の歪み点未満とする。例えば、加熱処理装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半導体膜に対して窒素雰囲気下２５０℃において１時間の加熱工程を行う。
この加熱工程は脱水化又は脱水素化処理を行う加熱工程と同様の加熱方法及び加熱装置を用いることができる。
加熱工程は、減圧下、又は窒素、酸素、超乾燥エア（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）、若しくは希ガス（アルゴン、ヘリウムなど）の雰囲気下で行えばよいが、上記窒素、酸素、超乾燥エア、または希ガス等の雰囲気に水、水素などが含まれないことが好ましい。また、加熱処理装置に導入する窒素、酸素、または希ガスの純度を、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、酸化物半導体膜４０３と酸素を含む絶縁膜４０７とを接した状態で加熱工程を行うため、不純物の排除工程によって同時に減少してしまう酸化物半導体膜４０３を構成する主成分材料の一つである酸素を、酸素を含む絶縁膜４０７より酸化物半導体膜４０３へ供給することができる。
また、さらに絶縁膜４０７上に緻密性の高い無機絶縁膜を設けてもよい。例えば、絶縁膜４０７上にスパッタリング法により酸化アルミニウム膜を形成する。酸化アルミニウム膜を高密度（膜密度３．２ｇ／ｃｍ３以上、好ましくは３．６ｇ／ｃｍ３以上）とすることによって、トランジスタ４４０に安定な電気的特性を付与することができる。膜密度はラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）や、Ｘ線反射率測定法（ＸＲＲ：Ｘ−Ｒａｙ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）によって測定することができる。
トランジスタ４４０上に設けられる絶縁膜４０７として用いることのできる酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を通過させない遮断効果（ブロック効果）が高い。
従って、酸化アルミニウム膜は、作製工程中及び作製後において、電気的変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体膜４０３への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体膜４０３からの放出を防止する保護膜として機能する。
また、トランジスタ４４０起因の表面凹凸を低減するために平坦化絶縁膜を形成してもよい。平坦化絶縁膜としては、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、等の有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）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、平坦化絶縁膜を形成してもよい。
例えば、平坦化絶縁膜として、膜厚１５００ｎｍのアクリル樹脂膜を形成すればよい。アクリル樹脂膜は塗布法によりトランジスタ４４０上にアクリル樹脂を塗布後、焼成（例えば窒素雰囲気下２５０℃１時間）して形成することができる。
平坦化絶縁膜を形成後、加熱処理を行ってもよい。例えば、窒素雰囲気下２５０℃で１時間加熱処理を行う。
このように、トランジスタ４４０形成後、加熱処理を行ってもよい。また、加熱処理は複数回行ってもよい。
ガラス基板４００と第２のゲート絶縁膜４０２及び酸化物半導体膜４０３とは、第１のゲート絶縁膜４３６により遮断されているため、ガラス基板４００に含まれる第１の金属元素の第２のゲート絶縁膜４０２及び酸化物半導体膜４０３への拡散を防止することができる。
トランジスタ４４０の電気的特性の低下や変動を招く要因となるガラス基板４００に含まれる第１の金属元素の拡散を防止することができるため、トランジスタ４４０に安定した電気的特性を付与することが可能となる。
従って、酸化物半導体膜４０３を用いた安定した電気的特性を有するトランジスタ４４０を含む信頼性の高い半導体装置を提供することができる。また、信頼性の高い半導体装置を歩留まりよく作製し、高生産化を達成することができる。
（実施の形態２）
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の他の一形態を、図３を用いて説明する。上記実施の形態と同一部分又は同様な機能を有する部分、及び工程は、上記実施の形態と同様に行うことができ、繰り返しの説明は省略する。また同じ箇所の詳細な説明は省略する。
図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すトランジスタ４３０は、チャネル保護型（チャネルストップ型ともいう）と呼ばれるボトムゲート構造の一つであり逆スタガ型トランジスタともいうトランジスタの一例である。図３（Ａ）は平面図であり、図３（Ａ）中の一点鎖線Ｘ１−Ｙ１で切断した断面が図３（Ｂ）に相当する。
トランジスタ４３０のチャネル長方向の断面図である図３（Ｂ）に示すように、トランジスタ４３０を含む半導体装置は、ガラス基板４００上に、ゲート電極層４０１と、ゲート電極層４０１を覆うように第１のゲート絶縁膜４３６が設けられ、第１のゲート絶縁膜４３６上に第２のゲート絶縁膜４０２、酸化物半導体膜４０３、ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂを有する。また、酸化物半導体膜４０３に接する絶縁層４１３を有する。
ゲート電極層４０１と酸化物半導体膜４０３との間に、少なくとも第１のゲート絶縁膜４３６と第２のゲート絶縁膜４０２を設ける。ゲート電極層４０１側に設けられる第１のゲート絶縁膜４３６と、酸化物半導体膜４０３側に設けられる第２のゲート絶縁膜４０２との組成を異ならせる。そして、第１のゲート絶縁膜４３６と第２のゲート絶縁膜４０２との界面におけるガラス基板４００中に含まれる第１の金属元素の濃度を、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下（好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下）とする。
第１のゲート絶縁膜４３６には、薄膜の窒化物絶縁膜を用いることができる。例えば、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜などが挙げられる。第１のゲート絶縁膜４３６は単層構造でも積層構造でもよい。第１のゲート絶縁膜４３６の膜厚は薄く、３０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることができる。
トランジスタ４３０の信頼性（特性の安定性）を損なわないように低減すべき金属元素としては、ナトリウム、アルミニウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムであり、加えてガラス基板４００に含まれる他の元素であるシリコンやホウ素も同等のレベルまで低減することが望ましい。
酸化物半導体膜４０３に接する絶縁層４１３は、ゲート電極層４０１と重畳する酸化物半導体膜４０３のチャネル形成領域上に設けられており、チャネル保護膜として機能する。
チャネル形成領域上に重なる絶縁層４１３の断面形状、具体的には端部の断面形状（テーパ角や膜厚など）を工夫することにより、ドレイン電極層４０５ｂの端部近傍に生じる恐れのある電界集中を緩和し、トランジスタ４３０のスイッチング特性の劣化を抑えることができる。
具体的には、チャネル形成領域上に重なる絶縁層４１３の断面形状は、台形または三角形状とし、断面形状の下端部のテーパ角を６０°以下、好ましくは４５°以下、さらに好ましくは３０°以下とする。このような角度範囲とすることで、高いゲート電圧がゲート電極層４０１に印加される場合、ドレイン電極層４０５ｂの端部近傍に生じる恐れのある電界集中を緩和することができる。
また、チャネル形成領域上に重なる絶縁層４１３の膜厚は、０．３μｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上０．１μｍ以下とする。このような膜厚範囲とすることで、電界強度のピークを小さくできる、或いは電界集中が分散されて電界の集中する箇所が複数となり、結果的にドレイン電極層４０５ｂの端部近傍に生じる恐れのある電界集中を緩和することができる。
以下、トランジスタ４３０を有する半導体装置の作製方法の一例を示す。
絶縁表面を有するガラス基板４００上に導電膜を形成し、該導電膜をエッチングして、ゲート電極層４０１を形成する。本実施の形態では、スパッタリング法により膜厚１００ｎｍのタングステン膜を形成する。
次に、ゲート電極層４０１を覆うように第１のゲート絶縁膜４３６を設ける。
第１のゲート絶縁膜４３６には、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により形成する窒化物絶縁膜を用いることができる。例えば、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜などが挙げられる。第１のゲート絶縁膜４３６は単層構造でも積層構造でもよい。
なお、ガラス基板４００からの不純物拡散を防止するための第１のゲート絶縁膜４３６として、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、ランタン（Ｌａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、バリウム（Ｂａ）、又はアルミニウム（Ａｌ）の金属元素のいずれかから選択される一以上を含む金属酸化物絶縁膜（例えば、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化マグネシウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ランタン膜、酸化バリウム膜）、又は上述した金属元素を成分とする金属窒化物絶縁膜（窒化アルミニウム膜、窒化酸化アルミニウム膜）を用いることができる。また、第１のゲート絶縁膜４３６には、酸化ガリウム膜、Ｉｎ−Ｚｒ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｆｅ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物膜なども用いることができる。
本実施の形態では第１のゲート絶縁膜４３６としてプラズマＣＶＤ法を用いて形成する膜厚３０ｎｍの窒化シリコン膜を用いる。
第１のゲート絶縁膜４３６によりゲート電極層４０１が覆われているため、ゲート電極層４０１を形成するエッチング工程においてゲート電極層４０１表面にガラス基板４００に含まれる第１の金属元素が付着していても、第２のゲート絶縁膜４０２への拡散を防止することができる。
第１のゲート絶縁膜４３６上に第２のゲート絶縁膜４０２を形成する。本実施の形態では、プラズマＣＶＤ法により膜厚３００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を形成する。
第２のゲート絶縁膜４０２上に酸化物半導体膜４０３を形成する。本実施の形態において、酸化物半導体膜４０３として、ＡＣ電源装置を有するスパッタリング装置を用いたスパッタリング法を用い、膜厚３５ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物膜（ＩＧＺＯ膜）を成膜する。本実施の形態において、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）の原子比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物ターゲットを用いる。なお、成膜条件は、酸素及びアルゴン雰囲気下（酸素流量比率５０％）、圧力０．６Ｐａ、電源電力５ｋＷ、基板温度１７０℃とする。この成膜条件での成膜速度は、１６ｎｍ／ｍｉｎである。
酸化物半導体膜４０３に、過剰な水素（水や水酸基を含む）を除去（脱水化または脱水素化）するための加熱処理を行ってもよい。本実施の形態では、加熱処理装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半導体膜４０３に対して窒素雰囲気下４５０℃において１時間、さらに窒素及び酸素雰囲気下４５０℃において１時間の加熱処理を行う。
次にゲート電極層４０１と重畳する酸化物半導体膜４０３のチャネル形成領域上に絶縁層４１３を形成する。
絶縁層４１３はプラズマＣＶＤ法、スパッタリング法により成膜した絶縁膜をエッチングにより加工して形成することができる。絶縁層４１３として、代表的には酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、又は酸化ガリウム膜、窒化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、窒化酸化シリコン膜、窒化酸化アルミニウム膜などの無機絶縁膜の単層又は積層を用いることができる。
酸化物半導体膜４０３と接する絶縁層４１３（絶縁層４１３が積層構造であった場合、酸化物半導体膜４０３と接する膜）を、酸素を多く含む状態とすると、酸化物半導体膜４０３へ酸素を供給する供給源として好適に機能させることができる。
本実施の形態では、絶縁層４１３として、スパッタリング法により膜厚２００ｎｍの酸化シリコン膜を形成する。酸化シリコン膜を選択的にエッチングして、断面形状が台形または三角形状であり、断面形状の下端部のテーパ角が６０°以下、好ましくは４５°以下、さらに好ましくは３０°以下の絶縁層４１３を形成する。なお、絶縁層４１３の平面形状は矩形である。なお、本実施の形態では、フォトリソグラフィ工程により酸化シリコン膜上にレジストマスクを形成し、選択的にエッチングを行って絶縁層４１３の下端部のテーパ角を約３０°とする。
絶縁層４１３の形成後、加熱処理を行ってもよい。本実施の形態では、窒素雰囲気下３００℃で１時間加熱処理を行う。
次いで、ゲート電極層４０１、第１のゲート絶縁膜４３６、第２のゲート絶縁膜４０２、酸化物半導体膜４０３、及び絶縁層４１３上に、ソース電極層及びドレイン電極層となる導電膜を形成する。
本実施の形態では、導電膜としてスパッタリング法により形成する膜厚１００ｎｍのチタン膜、膜厚４００ｎｍのアルミニウム膜、膜厚１００ｎｍのチタン膜の積層の導電膜を用いる。導電膜のエッチングは、ドライエッチング法により、チタン膜、アルミニウム膜、チタン膜の積層をエッチングして、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂを形成する。
本実施の形態では、第１のエッチング条件でチタン膜とアルミニウム膜の２層をエッチングした後、第２のエッチング条件で残りのチタン膜単層を除去する。なお、第１のエッチング条件は、エッチングガス（ＢＣｌ３：Ｃｌ２＝７５０ｓｃｃｍ：１５０ｓｃｃｍ）を用い、バイアス電力を１５００Ｗとし、ＩＣＰ電源電力を０Ｗとし、圧力を２．０Ｐａとする。第２のエッチング条件は、エッチングガス（ＢＣｌ３：Ｃｌ２＝７００ｓｃｃｍ：１００ｓｃｃｍ）を用い、バイアス電力を７５０Ｗとし、ＩＣＰ電源電力を０Ｗとし、圧力を２．０Ｐａとする。
以上の工程で、本実施の形態のトランジスタ４３０が作製される。
ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ上に絶縁膜を形成してもよい。
絶縁膜は、絶縁層４１３と同様な材料及び方法を用いて形成することができる。例えば、ＣＶＤ法により形成した酸化窒化シリコン膜を４００ｎｍ形成する。また、絶縁膜の形成後、加熱処理を行ってもよい。例えば、窒素雰囲気下３００℃で１時間加熱処理を行う。
また、トランジスタ４３０起因の表面凹凸を低減するために平坦化絶縁膜を形成してもよい。
例えば、絶縁膜上に平坦化絶縁膜として、膜厚１５００ｎｍのアクリル樹脂膜を形成すればよい。アクリル樹脂膜は塗布法によりトランジスタ４３０上にアクリル樹脂を塗布後、焼成（例えば窒素雰囲気下２５０℃１時間）して形成することができる。
平坦化絶縁膜を形成後、加熱処理を行ってもよい。例えば、窒素雰囲気下２５０℃で１時間加熱処理を行う。
以上のように、ガラス基板４００と第２のゲート絶縁膜４０２及び酸化物半導体膜４０３とは、第１のゲート絶縁膜４３６により遮断されているため、ガラス基板４００に含まれる第１の金属元素の第２のゲート絶縁膜４０２及び酸化物半導体膜４０３への拡散を防止することができる。
トランジスタ４３０の電気的特性の低下や変動を招く要因となるガラス基板４００に含まれる第１の金属元素の拡散を防止することができるため、トランジスタ４３０に安定した電気的特性を付与することが可能となる。
従って、酸化物半導体膜４０３を用いた安定した電気的特性を有するトランジスタ４３０を含む信頼性の高い半導体装置を提供することができる。また、信頼性の高い半導体装置を歩留まりよく作製し、高生産化を達成することができる。
（実施の形態３）
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の他の一形態を、図４を用いて説明する。上記実施の形態と同一部分又は同様な機能を有する部分、及び工程は、上記実施の形態と同様に行うことができ、繰り返しの説明は省略する。また同じ箇所の詳細な説明は省略する。
図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すトランジスタ４２０は、チャネル保護型（チャネルストップ型ともいう）と呼ばれるボトムゲート構造の一つであり逆スタガ型トランジスタともいうトランジスタの一例である。図４（Ａ）は平面図であり、図４（Ａ）中の一点鎖線Ｘ２−Ｙ２で切断した断面が図４（Ｂ）に相当する。
トランジスタ４２０のチャネル長方向の断面図である図４（Ｂ）に示すように、トランジスタ４２０を含む半導体装置は、ガラス基板４００上に、ゲート電極層４０１と、ゲート電極層４０１を覆うように第１のゲート絶縁膜４３６が設けられ、第１のゲート絶縁膜４３６上に第２のゲート絶縁膜４０２、酸化物半導体膜４０３、絶縁層４２３、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂを有する。
絶縁層４２３は、酸化物半導体膜４０３に達し、かつソース電極層４０５ａ又はドレイン電極層４０５ｂが内壁を覆うように設けられた開口４２５ａ、４２５ｂを有している。従って、酸化物半導体膜４０３の周縁部は、絶縁層４２３で覆われており、層間絶縁膜としても機能している。ゲート配線とソース配線の交差部において、第２のゲート絶縁膜４０２だけでなく、絶縁層４２３も層間絶縁膜として配置することで寄生容量を低減できる。
トランジスタ４２０において、酸化物半導体膜４０３は、絶縁層４２３、ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂに覆われる構成となっている。
絶縁層４２３はプラズマＣＶＤ法、スパッタリング法により成膜した絶縁膜をエッチングにより加工して形成することができる。また、絶縁層４２３の開口４２５ａ、４２５ｂの内壁は、テーパ形状を有している。
絶縁層４２３は、少なくともゲート電極層４０１と重畳する酸化物半導体膜４０３のチャネル形成領域上を含めた酸化物半導体膜４０３上に設けられており、一部がチャネル保護膜として機能する。
ゲート電極層４０１と酸化物半導体膜４０３との間に、少なくとも第１のゲート絶縁膜４３６と第２のゲート絶縁膜４０２を設ける。ゲート電極層４０１側に設けられる第１のゲート絶縁膜４３６と、酸化物半導体膜４０３側に設けられる第２のゲート絶縁膜４０２との組成を異ならせる。そして、第１のゲート絶縁膜４３６と第２のゲート絶縁膜４０２との界面におけるガラス基板４００中に含まれる第１の金属元素の濃度を、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下（好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下）とする。
第１のゲート絶縁膜４３６には、薄膜の窒化物絶縁膜を用いることができる。例えば、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜などが挙げられる。第１のゲート絶縁膜４３６は単層構造でも積層構造でもよい。第１のゲート絶縁膜４３６の膜厚は薄く、３０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることができる。
なお、ガラス基板４００からの不純物拡散を防止するための第１のゲート絶縁膜４３６として、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、ランタン（Ｌａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、バリウム（Ｂａ）、又はアルミニウム（Ａｌ）の金属元素のいずれかから選択される一以上を含む金属酸化物絶縁膜（例えば、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化マグネシウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ランタン膜、酸化バリウム膜）、又は上述した金属元素を成分とする金属窒化物絶縁膜（窒化アルミニウム膜、窒化酸化アルミニウム膜）を用いることができる。また、第１のゲート絶縁膜４３６には、酸化ガリウム膜、Ｉｎ−Ｚｒ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｆｅ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物膜なども用いることができる。
トランジスタ４２０の信頼性（特性の安定性）を損なわないように低減すべき金属元素としては、ナトリウム、アルミニウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムであり、加えてガラス基板４００に含まれる他の元素であるシリコンやホウ素も同等のレベルまで低減することが望ましい。
以上のように、ガラス基板４００と第２のゲート絶縁膜４０２及び酸化物半導体膜４０３とは、第１のゲート絶縁膜４３６により遮断されているため、ガラス基板４００に含まれる第１の金属元素の第２のゲート絶縁膜４０２及び酸化物半導体膜４０３への拡散を防止することができる。
トランジスタ４２０の電気的特性の低下や変動を招く要因となるガラス基板４００に含まれる第１の金属元素の拡散を防止することができるため、トランジスタ４２０に安定した電気的特性を付与することが可能となる。
従って、酸化物半導体膜４０３を用いた安定した電気的特性を有するトランジスタ４２０を含む信頼性の高い半導体装置を提供することができる。また、信頼性の高い半導体装置を歩留まりよく作製し、高生産化を達成することができる。
（実施の形態４）
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の他の一形態を、図１１を用いて説明する。上記実施の形態と同一部分又は同様な機能を有する部分、及び工程は、上記実施の形態と同様に行うことができ、繰り返しの説明は省略する。また同じ箇所の詳細な説明は省略する。本実施の形態では、半導体装置の一例として酸化物半導体膜を有するトランジスタを示す。
トランジスタはチャネル形成領域が１つ形成されるシングルゲート構造でも、２つ形成されるダブルゲート構造もしくは３つ形成されるトリプルゲート構造であってもよい。また、チャネル形成領域の上下にゲート絶縁膜を介して配置された２つのゲート電極層を有する、デュアルゲート型でもよい。
図１１に示すトランジスタ１４４０は、ボトムゲート構造の一つであり逆スタガ型トランジスタともいうトランジスタの一例である。図１１（Ａ）は平面図であり、図１１（Ａ）中の一点鎖線Ａ−Ｂで切断した断面が図１１（Ｂ）に相当する。
トランジスタ１４４０のチャネル長方向の断面図である図１１（Ｂ）に示すように、トランジスタ１４４０を含む半導体装置は、ガラス基板４００上に、保護絶縁膜４５０が設けられ、保護絶縁膜４５０上にゲート電極層４０１、ゲート絶縁膜４５２、酸化物半導体膜４０３、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂを有する。また、トランジスタ１４４０を覆う絶縁膜４０７が設けられている。
ガラス基板４００とゲート電極層４０１との間に保護絶縁膜４５０を設けることで、ゲート電極層４０１とゲート絶縁膜４５２との界面における、ガラス基板４００中に含まれる第２の金属元素の濃度を、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下（好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下）とする。なお、上記ガラス基板４００に含まれる第２の金属元素は、ゲート電極層４０１及びゲート絶縁膜４５２を主として構成する元素以外の元素であり、ガラス基板４００から拡散される元素を指す。
上記ガラス基板４００中に含まれる第２の金属元素の濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）で測定されるものである。
ガラス基板４００に含まれる第２の金属元素としては次のようなものが例示される。例えば、ガラス基板４００がソーダ石灰ガラスである場合には、ソーダ石灰ガラスの成分が酸化珪素（ＳｉＯ２）、炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３）、炭酸カルシウム（（ＣａＣＯ３）であることから、金属元素としてナトリウムやカルシウムなどが対象の元素となる。また、ガラス基板４００が液晶ディスプレイ等の表示パネルで用いられる、いわゆる無アルカリガラス（ソーダを用いないガラス）と呼ばれる部類のものであれば、その成分はＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ３、ＲＯ（Ｒは２価の金属元素であり、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム）であり、金属元素としてアルミニウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムが対象の元素となる。
いずれにしても、トランジスタの信頼性（特性の安定性）を損なわないように低減すべき金属元素としては、ナトリウム、アルミニウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムであり、加えてガラス基板に含まれる他の元素であるシリコンやホウ素も同等のレベルまで低減することが望ましい。
保護絶縁膜４５０には、窒化物絶縁膜を用いることができる。例えば、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜などが挙げられる。保護絶縁膜４５０は単層構造でも積層構造でもよい。
なお、ガラス基板４００からの不純物拡散を防止するための保護絶縁膜４５０として、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、ランタン（Ｌａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、バリウム（Ｂａ）、又はアルミニウム（Ａｌ）の金属元素のいずれかから選択される一以上を含む金属酸化物絶縁膜（例えば、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化マグネシウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ランタン膜、酸化バリウム膜）、又は上述した金属元素を成分とする金属窒化物絶縁膜（窒化アルミニウム膜、窒化酸化アルミニウム膜）を用いることができる。また、保護絶縁膜４５０には、酸化ガリウム膜、Ｉｎ−Ｚｒ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｆｅ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物膜なども用いることができる。
保護絶縁膜４５０は金属窒化物絶縁膜、又は金属酸化物絶縁膜の他に、他の酸化物絶縁膜を積層してもよい。例えば、保護絶縁膜４５０としてガラス基板４００側から窒化シリコン膜及び酸化窒化シリコン膜を積層する構成としてもよい。
ガラス基板４００とトランジスタ１４４０とは、保護絶縁膜４５０により遮断されているため、ガラス基板４００に含まれる第２の金属元素のトランジスタ１４４０への拡散を防止することができる。
また、保護絶縁膜４５０に窒化シリコン膜のような緻密な絶縁膜を設けると、トランジスタ１４４０へのガラス基板４００に含まれるナトリウムなどの可動イオンの拡散も防止することができる。
トランジスタ１４４０の電気的特性の低下や変動を招く要因となるガラス基板に含まれる第２の金属元素の拡散を防止することができるため、トランジスタ１４４０に安定した電気的特性を付与することが可能となる。
これらの金属元素がゲート電極層の周辺に存在すると、ゲート絶縁膜又はゲート電極層とゲート絶縁膜の界面に欠陥を生成し、そこに電荷がトラップされることにより、トランジスタの電気的特性変動をもたらすことが考えられる。例えば、ゲート電極層周辺にプラスの電荷がトラップされるとトランジスタの電気的特性はノーマリオンの方向へ変動してしまうことが懸念される。また、ナトリウムのような可動イオンがゲート絶縁膜に含まれてしまうと、ゲート電極層にプラスのバイアスを印加した場合、プラス可動イオンがゲート絶縁膜と酸化物半導体膜の界面へ移動することになるため、トランジスタの電気的特性はノーマリオンの方向へ変動する原因となる。よって、トランジスタの電気的特性を安定化させるためには、このような悪影響を及ぼすと考えられる金属元素がガラス基板からゲート絶縁膜側に浸入してくることを防ぐことが有効である。
従って、酸化物半導体膜４０３を用いた安定した電気的特性を有するトランジスタ１４４０を含む信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
図１２（Ａ）乃至（Ｅ）にトランジスタ１４４０を有する半導体装置の作製方法の一例を示す。
ガラス基板４００に使用することができる基板に大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどを用いることができる。
ガラス基板４００を覆うように下地膜として保護絶縁膜４５０を設ける（図１２（Ａ）参照）。
保護絶縁膜４５０には、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により形成する窒化物絶縁膜を用いることができる。例えば、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜などが挙げられる。保護絶縁膜４５０は単層構造でも積層構造でもよい。
本実施の形態では保護絶縁膜４５０としてプラズマＣＶＤ法を用いて形成する膜厚１００ｎｍの窒化シリコン膜、及び膜厚１５０ｎｍの酸化シリコン膜の積層を用いる。
ガラス基板４００、又はガラス基板４００及び保護絶縁膜４５０に加熱処理を行ってもよい。例えば、高温のガスを用いて加熱処理を行うＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置により、６５０℃、１分〜５分間、加熱処理を行えばよい。なお、ＧＲＴＡにおける高温のガスには、アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられる。また、電気炉により、５００℃、３０分〜１時間、加熱処理を行ってもよい。
次に保護絶縁膜４５０上に導電膜を形成し、該導電膜をエッチングして、ゲート電極層４０１を形成する（図１２（Ｂ）参照）。導電膜のエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよく、両方を用いてもよい。
本実施の形態では、該導電膜としてスパッタリング法により膜厚１００ｎｍのタングステン膜を形成する。
保護絶縁膜４５０によりガラス基板４００は覆われているため、ゲート電極層４０１を形成するエッチング工程においてもガラス基板４００は露出しない。よってゲート電極層４０１表面へのガラス基板４００に含まれる第２の金属元素の付着を防止することができる。
また、ゲート電極層４０１形成後に、ガラス基板４００、保護絶縁膜４５０、及びゲート電極層４０１に加熱処理を行ってもよい。例えば、ＧＲＴＡ装置により、６５０℃、１分〜５分間、加熱処理を行えばよい。また、電気炉により、５００℃、３０分〜１時間、加熱処理を行ってもよい。
次いで、ゲート電極層４０１上にゲート絶縁膜４５２を形成する。
なお、ゲート絶縁膜４５２の被覆性を向上させるために、ゲート電極層４０１表面に平坦化処理を行ってもよい。特にゲート絶縁膜４５２として膜厚の薄い絶縁膜を用いる場合、ゲート電極層４０１表面の平坦性が良好であることが好ましい。
ゲート絶縁膜４５２の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とし、スパッタリング法、ＭＢＥ法、ＣＶＤ法、パルスレーザ堆積法、ＡＬＤ法等を適宜用いることができる。また、ゲート絶縁膜４５２は、スパッタリングターゲット表面に対し、概略垂直に複数の基板表面がセットされた状態で成膜を行うスパッタ装置を用いて成膜してもよい。
ゲート絶縁膜４５２の材料としては、酸化シリコン膜、酸化ガリウム膜、酸化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜、または窒化酸化シリコン膜を用いて形成することができる。
また、ゲート絶縁膜４５２の材料として酸化ハフニウム、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯｘＮｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、ハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、酸化ランタンなどのｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることでゲートリーク電流を低減できる。さらに、ゲート絶縁膜４５２は、単層構造としても良いし、積層構造としても良い。
ゲート絶縁膜４５２は、酸化物半導体膜４０３と接する部分において酸素を含むことが好ましい。特に、ゲート絶縁膜４５２は、膜中（バルク中）に少なくとも化学量論的組成を超える量の酸素が存在することが好ましく、例えば、ゲート絶縁膜４５２として、酸化シリコン膜を用いる場合には、ＳｉＯ２＋α（ただし、α＞０）とする。
酸素の供給源となる酸素を多く（過剰に）含むゲート絶縁膜４５２を酸化物半導体膜４０３と接して設けることによって、該ゲート絶縁膜４５２から酸化物半導体膜４０３へ酸素を供給することができる。酸化物半導体膜４０３及びゲート絶縁膜４５２を少なくとも一部が接した状態で加熱処理を行うことによって酸化物半導体膜４０３への酸素の供給を行ってもよい。
酸化物半導体膜４０３へ酸素を供給することにより、膜中の酸素欠損を補填することができる。さらに、ゲート絶縁膜４５２は、作製するトランジスタのサイズやゲート絶縁膜４５２の段差被覆性を考慮して形成することが好ましい。
本実施の形態では、高密度プラズマＣＶＤ法により膜厚２００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を形成する。
また、ゲート絶縁膜４５２形成後に、ガラス基板４００、ゲート電極層４０１、及びゲート絶縁膜４５２に加熱処理を行ってもよい。例えば、ＧＲＴＡ装置により、６５０℃、１分〜５分間、加熱処理を行えばよい。また、電気炉により、５００℃、３０分〜１時間、加熱処理を行ってもよい。
次に、ゲート絶縁膜４５２上に酸化物半導体膜４０３を形成する（図１２（Ｃ）参照）。
ゲート絶縁膜４５２において酸化物半導体膜４０３が接して形成される領域に、平坦化処理を行ってもよい。平坦化処理としては、特に限定されないが、研磨処理（例えば、化学的機械研磨法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ））、ドライエッチング処理、プラズマ処理を用いることができる。
平坦化処理として、研磨処理、ドライエッチング処理、プラズマ処理は複数回行ってもよく、それらを組み合わせて行ってもよい。また、組み合わせて行う場合、工程順も特に限定されず、ゲート絶縁膜４５２表面の凹凸状態に合わせて適宜設定すればよい。
なお、本実施の形態において、酸化物半導体膜４０３として、ＡＣ電源装置を有するスパッタリング装置を用いたスパッタリング法を用い、膜厚３５ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物膜（ＩＧＺＯ膜）を成膜する。本実施の形態において、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）の原子比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物ターゲットを用いる。なお、成膜条件は、酸素及びアルゴン雰囲気下（酸素流量比率５０％）、圧力０．６Ｐａ、電源電力５ｋＷ、基板温度１７０℃とする。この成膜条件での成膜速度は、１６ｎｍ／ｍｉｎである。
また、ゲート絶縁膜４５２を大気に解放せずにゲート絶縁膜４５２と酸化物半導体膜４０３を連続的に形成することが好ましい。ゲート絶縁膜４５２を大気に曝露せずにゲート絶縁膜４５２と酸化物半導体膜４０３を連続して形成すると、ゲート絶縁膜４５２表面に水素や水分などの不純物が吸着することを防止することができる。
酸化物半導体膜４０３は、膜状の酸化物半導体膜をフォトリソグラフィ工程により島状の酸化物半導体膜に加工して形成することができる。
また、酸化物半導体膜４０３に、過剰な水素（水や水酸基を含む）を除去（脱水化または脱水素化）するための加熱処理を行ってもよい。
本実施の形態では、加熱処理装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半導体膜４０３に対して窒素雰囲気下４５０℃において１時間、さらに窒素及び酸素雰囲気下４５０℃において１時間の加熱処理を行う。
次いで、ゲート電極層４０１、ゲート絶縁膜４５２、及び酸化物半導体膜４０３上に、ソース電極層及びドレイン電極層（これと同じ層で形成される配線を含む）となる導電膜を形成する。
フォトリソグラフィ工程により導電膜上にレジストマスクを形成し、選択的にエッチングを行ってソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂを形成する（図１２（Ｄ）参照）。ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂを形成した後、レジストマスクを除去する。
本実施の形態では、導電膜としてスパッタリング法により形成する膜厚１００ｎｍのチタン膜、膜厚４００ｎｍのアルミニウム膜、膜厚１００ｎｍのチタン膜の積層を用いる。導電膜のエッチングは、ドライエッチング法により、チタン膜、アルミニウム膜、チタン膜の積層をエッチングして、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂを形成する。
本実施の形態では、第１のエッチング条件でチタン膜とアルミニウム膜の２層をエッチングした後、第２のエッチング条件で残りのチタン膜単層を除去する。なお、第１のエッチング条件は、エッチングガス（ＢＣｌ３：Ｃｌ２＝７５０ｓｃｃｍ：１５０ｓｃｃｍ）を用い、バイアス電力を１５００Ｗとし、ＩＣＰ電源電力を０Ｗとし、圧力を２．０Ｐａとする。第２のエッチング条件は、エッチングガス（ＢＣｌ３：Ｃｌ２＝７００ｓｃｃｍ：１００ｓｃｃｍ）を用い、バイアス電力を７５０Ｗとし、ＩＣＰ電源電力を０Ｗとし、圧力を２．０Ｐａとする。
以上の工程で、本実施の形態のトランジスタ１４４０が作製される。
本実施の形態では、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ上に、酸化物半導体膜４０３と接して、絶縁膜４０７を形成する（図１２（Ｅ）参照）。
本実施の形態では、絶縁膜４０７として膜厚３００ｎｍの酸化シリコン膜を、スパッタリング法を用いて成膜する。
次に酸化物半導体膜４０３に、一部（チャネル形成領域）が絶縁膜４０７と接した状態で加熱工程を行う。
この加熱工程は脱水化又は脱水素化処理を行う加熱工程と同様の加熱方法及び加熱装置を用いることができる。
また、酸化物半導体膜４０３と酸素を含む絶縁膜４０７とを接した状態で加熱工程を行うため、不純物の排除工程によって同時に減少してしまう酸化物半導体膜４０３を構成する主成分材料の一つである酸素を、酸素を含む絶縁膜４０７より酸化物半導体膜４０３へ供給することができる。
また、さらに絶縁膜４０７上に緻密性の高い無機絶縁膜を設けてもよい。例えば、絶縁膜４０７上にスパッタリング法により酸化アルミニウム膜を形成する。
また、トランジスタ１４４０起因の表面凹凸を低減するために平坦化絶縁膜を形成してもよい。
例えば、平坦化絶縁膜として、膜厚１５００ｎｍのアクリル樹脂膜を形成すればよい。アクリル樹脂膜は塗布法によりトランジスタ１４４０上にアクリル樹脂を塗布後、焼成（例えば窒素雰囲気下２５０℃１時間）して形成することができる。
平坦化絶縁膜を形成後、加熱処理を行ってもよい。例えば、窒素雰囲気下２５０℃で１時間加熱処理を行う。
このように、トランジスタ１４４０形成後、加熱処理を行ってもよい。また、加熱処理は複数回行ってもよい。
ガラス基板４００とトランジスタ１４４０とは、保護絶縁膜４５０により遮断されているため、ガラス基板４００に含まれる第２の金属元素のトランジスタ１４４０への拡散を防止することができる。
トランジスタ１４４０の電気的特性の低下や変動を招く要因となるガラス基板４００に含まれる第２の金属元素の拡散を防止することができるため、トランジスタ１４４０に安定した電気的特性を付与することが可能となる。
従って、酸化物半導体膜４０３を用いた安定した電気的特性を有するトランジスタ１４４０を含む信頼性の高い半導体装置を提供することができる。また、信頼性の高い半導体装置を歩留まりよく作製し、高生産化を達成することができる。
（実施の形態５）
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の他の一形態を、図１３を用いて説明する。上記実施の形態と同一部分又は同様な機能を有する部分、及び工程は、上記実施の形態と同様に行うことができ、繰り返しの説明は省略する。また同じ箇所の詳細な説明は省略する。
図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）に示すトランジスタ１４３０は、チャネル保護型（チャネルストップ型ともいう）と呼ばれるボトムゲート構造の一つであり逆スタガ型トランジスタともいうトランジスタの一例である。図１３（Ａ）は平面図であり、図１３（Ａ）中の一点鎖線Ｃ１−Ｄ１で切断した断面が図１３（Ｂ）に相当する。
トランジスタ１４３０のチャネル長方向の断面図である図１３（Ｂ）に示すように、トランジスタ１４３０を含む半導体装置は、保護絶縁膜４５０が設けられたガラス基板４００上に、ゲート電極層４０１、ゲート絶縁膜４５２、酸化物半導体膜４０３、絶縁層４１３、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂを有する。また、絶縁層４１３は酸化物半導体膜４０３に接する。
ガラス基板４００とゲート電極層４０１との間に保護絶縁膜４５０を設けることで、ゲート電極層４０１とゲート絶縁膜４５２との界面における、ガラス基板４００中に含まれる第２の金属元素の濃度を、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下（好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下）とする。
保護絶縁膜４５０には、窒化物絶縁膜を用いることができる。例えば、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜などが挙げられる。保護絶縁膜４５０は単層構造でも積層構造でもよい。
なお、ガラス基板４００からの不純物拡散を防止するための保護絶縁膜４５０として、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、ランタン（Ｌａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、バリウム（Ｂａ）、又はアルミニウム（Ａｌ）の金属元素のいずれかから選択される一以上を含む金属酸化物絶縁膜（例えば、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化マグネシウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ランタン膜、酸化バリウム膜）、又は上述した金属元素を成分とする金属窒化物絶縁膜（窒化アルミニウム膜、窒化酸化アルミニウム膜）を用いることができる。また、保護絶縁膜４５０には、酸化ガリウム膜、Ｉｎ−Ｚｒ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｆｅ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物膜なども用いることができる。
保護絶縁膜４５０は金属窒化物絶縁膜、又は金属酸化物絶縁膜の他に、他の酸化物絶縁膜を積層してもよい。例えば、保護絶縁膜４５０としてガラス基板４００側から窒化シリコン膜及び酸化窒化シリコン膜を積層する構成としてもよい。
トランジスタ１４３０の信頼性（特性の安定性）を損なわないように低減すべき金属元素としては、ナトリウム、アルミニウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムであり、加えてガラス基板４００に含まれる他の元素であるシリコンやホウ素も同等のレベルまで低減することが望ましい。
酸化物半導体膜４０３に接する絶縁層４１３は、ゲート電極層４０１と重畳する酸化物半導体膜４０３のチャネル形成領域上に設けられており、チャネル保護膜として機能する。
以下、トランジスタ１４３０を有する半導体装置の作製方法の一例を示す。
絶縁表面を有するガラス基板４００上に保護絶縁膜４５０を形成する。本実施の形態では保護絶縁膜４５０としてプラズマＣＶＤ法を用いて形成する膜厚１００ｎｍの窒化シリコン膜及び膜厚１５０ｎｍの酸化シリコン膜の積層を用いる。
保護絶縁膜４５０上に導電膜を形成し、該導電膜をエッチングして、ゲート電極層４０１を形成する。本実施の形態では、スパッタリング法により膜厚１００ｎｍのタングステン膜を形成する。
ゲート電極層４０１上にゲート絶縁膜４５２を形成する。本実施の形態では、高密度プラズマＣＶＤ法により膜厚２００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を形成する。
ゲート絶縁膜４５２上に酸化物半導体膜４０３を形成する。本実施の形態において、酸化物半導体膜４０３として、ＡＣ電源装置を有するスパッタリング装置を用いたスパッタリング法を用い、膜厚３５ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物膜（ＩＧＺＯ膜）を成膜する。本実施の形態において、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）の原子比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物ターゲットを用いる。なお、成膜条件は、酸素及びアルゴン雰囲気下（酸素流量比率５０％）、圧力０．６Ｐａ、電源電力５ｋＷ、基板温度１７０℃とする。この成膜条件での成膜速度は、１６ｎｍ／ｍｉｎである。
酸化物半導体膜４０３に、過剰な水素（水や水酸基を含む）を除去（脱水化または脱水素化）するための加熱処理を行ってもよい。本実施の形態では、加熱処理装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半導体膜４０３に対して窒素雰囲気下４５０℃において１時間、さらに窒素及び酸素雰囲気下４５０℃において１時間の加熱処理を行う。
次にゲート電極層４０１と重畳する酸化物半導体膜４０３のチャネル形成領域上に絶縁層４１３を形成する。
本実施の形態では、絶縁層４１３として、スパッタリング法により形成する膜厚２００ｎｍの酸化シリコン膜を形成する。酸化シリコン膜を選択的にエッチングして、断面形状が台形または三角形状であり、断面形状の下端部のテーパ角が６０°以下、好ましくは４５°以下、さらに好ましくは３０°以下の絶縁層４１３を形成する。なお、絶縁層４１３の平面形状は矩形である。なお、本実施の形態では、フォトリソグラフィ工程により酸化シリコン膜上にレジストマスクを形成し、選択的にエッチングを行って絶縁層４１３の下端部のテーパ角を約３０°とする。
絶縁層４１３の形成後、加熱処理を行ってもよい。本実施の形態では、窒素雰囲気下３００℃で１時間加熱処理を行う。
次いで、ゲート電極層４０１、ゲート絶縁膜４５２、酸化物半導体膜４０３、及び絶縁層４１３上に、ソース電極層及びドレイン電極層となる導電膜を形成する。
本実施の形態では、導電膜としてスパッタリング法により膜厚１００ｎｍのチタン膜、膜厚４００ｎｍのアルミニウム膜、膜厚１００ｎｍのチタン膜の積層の導電膜を用いる。導電膜のエッチングは、ドライエッチング法により、チタン膜、アルミニウム膜、チタン膜の積層をエッチングして、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂを形成する。
本実施の形態では、第１のエッチング条件でチタン膜とアルミニウム膜の２層をエッチングした後、第２のエッチング条件で残りのチタン膜単層を除去する。なお、第１のエッチング条件は、エッチングガス（ＢＣｌ３：Ｃｌ２＝７５０ｓｃｃｍ：１５０ｓｃｃｍ）を用い、バイアス電力を１５００Ｗとし、ＩＣＰ電源電力を０Ｗとし、圧力を２．０Ｐａとする。第２のエッチング条件は、エッチングガス（ＢＣｌ３：Ｃｌ２＝７００ｓｃｃｍ：１００ｓｃｃｍ）を用い、バイアス電力を７５０Ｗとし、ＩＣＰ電源電力を０Ｗとし、圧力を２．０Ｐａとする。
以上の工程で、本実施の形態のトランジスタ１４３０が作製される。
ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ上に絶縁膜を形成してもよい。
絶縁膜は、絶縁層４１３と同様な材料及び方法を用いて形成することができる。例えば、ＣＶＤ法により形成した酸化窒化シリコン膜を４００ｎｍ形成する。また、絶縁膜の形成後、加熱処理を行ってもよい。例えば、窒素雰囲気下３００℃で１時間加熱処理を行う。
また、トランジスタ１４３０起因の表面凹凸を低減するために平坦化絶縁膜を形成してもよい。
例えば、絶縁膜上に平坦化絶縁膜として、膜厚１５００ｎｍのアクリル樹脂膜を形成すればよい。アクリル樹脂膜は塗布法によりトランジスタ１４３０上にアクリル樹脂を塗布後、焼成（例えば窒素雰囲気下２５０℃１時間）して形成することができる。
平坦化絶縁膜を形成後、加熱処理を行ってもよい。例えば、窒素雰囲気下２５０℃で１時間加熱処理を行う。
以上のように、ガラス基板４００とトランジスタ１４３０とは、保護絶縁膜４５０により遮断されているため、ガラス基板４００に含まれる第２の金属元素のトランジスタ１４３０への拡散を防止することができる。
トランジスタ１４３０の電気的特性の低下や変動を招く要因となるガラス基板に含まれる第２の金属元素の拡散を防止することができるため、トランジスタ１４３０に安定した電気的特性を付与することが可能となる。
従って、酸化物半導体膜４０３を用いた安定した電気的特性を有するトランジスタ１４３０を含む信頼性の高い半導体装置を提供することができる。また、信頼性の高い半導体装置を歩留まりよく作製し、高生産化を達成することができる。
（実施の形態６）
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の他の一形態を、図１４を用いて説明する。上記実施の形態と同一部分又は同様な機能を有する部分、及び工程は、上記実施の形態と同様に行うことができ、繰り返しの説明は省略する。また同じ箇所の詳細な説明は省略する。
図１４（Ａ）及び（Ｂ）に示すトランジスタ１４２０は、チャネル保護型（チャネルストップ型ともいう）と呼ばれるボトムゲート構造の一つであり逆スタガ型トランジスタともいうトランジスタの一例である。図１４（Ａ）は平面図であり、図１４（Ａ）中の一点鎖線Ｃ２−Ｄ２で切断した断面が図１４（Ｂ）に相当する。
トランジスタ１４２０のチャネル長方向の断面図である図１４（Ｂ）に示すように、トランジスタ１４２０を含む半導体装置は、保護絶縁膜４５０が設けられたガラス基板４００上に、ゲート電極層４０１、ゲート絶縁膜４５２、酸化物半導体膜４０３、絶縁層４２３、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂを有する。
絶縁層４２３は、少なくともゲート電極層４０１と重畳する酸化物半導体膜４０３のチャネル形成領域上を含めた酸化物半導体膜４０３上に設けられており、チャネル保護膜として機能する。さらに、絶縁層４２３は、酸化物半導体膜４０３に達し、かつソース電極層４０５ａ又はドレイン電極層４０５ｂが内壁を覆うように設けられた開口４２５ａ、４２５ｂを有している。従って、酸化物半導体膜４０３の周縁部は、絶縁層４２３で覆われており、層間絶縁膜としても機能している。ゲート配線とソース配線の交差部において、ゲート絶縁膜４５２だけでなく、絶縁層４２３も層間絶縁膜として配置することで寄生容量を低減できる。
トランジスタ１４２０において、酸化物半導体膜４０３は、絶縁層４２３、ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂに覆われる構成となっている。
絶縁層４２３はプラズマＣＶＤ法、スパッタリング法により成膜した絶縁膜をエッチングにより加工して形成することができる。また、絶縁層４２３の開口４２５ａ、４２５ｂの内壁は、テーパ形状を有している。
絶縁層４２３は、少なくともゲート電極層４０１と重畳する酸化物半導体膜４０３のチャネル形成領域上を含めた酸化物半導体膜４０３上に設けられており、一部がチャネル保護膜として機能する。
ガラス基板４００とゲート電極層４０１との間に保護絶縁膜４５０を設けることで、ゲート電極層４０１とゲート絶縁膜４５２との界面における、ガラス基板４００中に含まれる第２の金属元素の濃度を、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下（好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下）とする。
保護絶縁膜４５０には、窒化物絶縁膜を用いることができる。例えば、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜などが挙げられる。保護絶縁膜４５０は単層構造でも積層構造でもよい。
なお、ガラス基板４００からの不純物拡散を防止するための保護絶縁膜４５０として、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、ランタン（Ｌａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、バリウム（Ｂａ）、又はアルミニウム（Ａｌ）の金属元素のいずれかから選択される一以上を含む金属酸化物絶縁膜（例えば、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化マグネシウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ランタン膜、酸化バリウム膜）、又は上述した金属元素を成分とする金属窒化物絶縁膜（窒化アルミニウム膜、窒化酸化アルミニウム膜）を用いることができる。また、保護絶縁膜４５０には、酸化ガリウム膜、Ｉｎ−Ｚｒ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｆｅ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物膜なども用いることができる。
保護絶縁膜４５０は金属窒化物絶縁膜、又は金属酸化物絶縁膜の他に、他の酸化物絶縁膜を積層してもよい。例えば、保護絶縁膜４５０としてガラス基板４００側から窒化シリコン膜及び酸化窒化シリコン膜を積層する構成としてもよい。
トランジスタ１４２０の信頼性（特性の安定性）を損なわないように低減すべき金属元素としては、ナトリウム、アルミニウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムであり、加えてガラス基板４００に含まれる他の元素であるシリコンやホウ素も同等のレベルまで低減することが望ましい。
以上のように、ガラス基板４００とトランジスタ１４２０とは、保護絶縁膜４５０により遮断されているため、ガラス基板４００に含まれる第２の金属元素のトランジスタ１４２０への拡散を防止することができる。
トランジスタ１４２０の電気的特性の低下や変動を招く要因となるガラス基板に含まれる第２の金属元素の拡散を防止することができるため、トランジスタ１４２０に安定した電気的特性を付与することが可能となる。
従って、酸化物半導体膜４０３を用いた安定した電気的特性を有するトランジスタ１４２０を含む信頼性の高い半導体装置を提供することができる。また、信頼性の高い半導体装置を歩留まりよく作製し、高生産化を達成することができる。
（実施の形態７）
実施の形態１乃至６のいずれかに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又は全体を、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。
図５（Ａ）において、ガラス基板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、基板４００６によって封止されている。図５（Ａ）においては、ガラス基板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、ＩＣチップ、又は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又は画素部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。
図５（Ｂ）、及び図５（Ｃ）において、ガラス基板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、ガラス基板４００１とシール材４００５と基板４００６とによって、表示素子と共に封止されている。図５（Ｂ）、及び（Ｃ）においては、ガラス基板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、ＩＣチップ、又は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５（Ｂ）、及び図５（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又は画素部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。
また図５（Ｂ）、及び図５（Ｃ）においては、信号線駆動回路４００３を別途形成し、ガラス基板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よいし、信号線駆動回路の一部又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よい。
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５（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５（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５（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。
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。
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、又は表示素子に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。
またガラス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６のいずれかに示したに示したトランジスタを適用することができる。
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、電流又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。
また、半導体装置の一形態について、図７及び図１６を用いて説明する。図７及び図１６は、図５（Ｂ）のＭ−Ｎにおける断面図に相当する。
図７及び図１６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。
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、４０４０、４０４１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。
またガラス基板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７及び図１６では、画素部４００２に含まれるトランジスタ４０１０、又はトランジスタ４０４０と、走査線駆動回路４００４に含まれるトランジスタ４０１１、又はトランジスタ４０４１とを例示している。図７（Ａ）及び図１６（Ａ）では、トランジスタ４０１０、４０１１、又はトランジスタ４０４０、４０４１上には絶縁膜４０２０が設けられ、図７（Ｂ）及び図１６（Ｂ）では、さらに、絶縁膜４０２１が設けられている。
トランジスタ４０１０、４０１１、４０４０、４０４１としては、実施の形態１乃至６のいずれかに示したトランジスタを適用することができる。本実施の形態では、トランジスタ４０１０、４０１１には実施の形態２で示したトランジスタ４３０と同様な構造を有するトランジスタを適用し、トランジスタ４０４０、４０４１には実施の形態５で示したトランジスタ１４３０と同様な構造を有するトランジスタを適用する例を示す。トランジスタ４０１０、４０１１、４０４０、４０４１は、酸化物半導体膜上にチャネル保護膜として機能する絶縁層が設けられた、ボトムゲート構造のスタガ型トランジスタである。
トランジスタ４０１０、４０１１のゲート電極層は、第１のゲート絶縁膜４０２３によって覆われており、トランジスタ４０１０、４０１１の第２のゲート絶縁膜及び酸化物半導体膜はガラス基板４００１に含まれる第１の金属元素による汚染から保護されている。よって、トランジスタ４０１０、４０１１の第１のゲート絶縁膜４０２３と第２のゲート絶縁膜との界面における、ガラス基板４００１中に含まれる第１の金属元素の濃度は、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下（好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下）とすることができる。
第１のゲート絶縁膜４０２３には、薄膜の窒化物絶縁膜を用いることができる。例えば、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜などが挙げられる。第１のゲート絶縁膜４０２３の膜厚は薄く、３０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることができる。第１のゲート絶縁膜４０２３は単層構造でも積層構造でもよい。本実施の形態では、第１のゲート絶縁膜４０２３として窒化シリコン膜を用いる。
図１６に示す半導体装置においては、ガラス基板４００１とトランジスタ４０４０、４０４１との間に保護絶縁膜４０５３が設けられている。保護絶縁膜４０５３は下地膜として機能する絶縁膜である。保護絶縁膜４０５３には、窒化物絶縁膜を用いることができる。例えば、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜などが挙げられる。保護絶縁膜４０５３は単層構造でも積層構造でもよい。本実施の形態では、保護絶縁膜４０５３として窒化シリコン膜を用いる。
トランジスタ４０４０、４０４１は、保護絶縁膜４０５３によって覆われたガラス基板４００１上に設けられており、ガラス基板４００１に含まれる第２の金属元素による汚染から保護されている。よって、トランジスタ４０４０、４０４１のゲート電極層とゲート絶縁膜との界面における、ガラス基板４００１中に含まれる第２の金属元素の濃度は、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下（好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下）とすることができる。
従って、図７及び図１６で示す本実施の形態の酸化物半導体膜を用いた安定した電気的特性を有するトランジスタ４０１０、４０１１、又はトランジスタ４０４０、４０４１を含む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。また、そのような信頼性の高い半導体装置を歩留まりよく作製し、高生産化を達成することができる。
また、駆動回路用のトランジスタ４０１１、４０４１の酸化物半導体膜のチャネル形成領域と重なる位置にさらに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、バイアス−熱ストレス試験（ＢＴ試験）前後におけるトランジスタ４０１１、４０４１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、４０４１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。
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。
画素部４００２に設けられたトランジスタ４０１０、４０４０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。
図７（Ａ）及び図１６（Ａ）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７（Ａ）及び図１６（Ａ）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、及び液晶組成物４００８を含む。なお、液晶組成物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とは液晶組成物４００８を介して積層する構成となっている。
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、液晶組成物４００８の厚さ（セルギャップ）を制御するために設けられている。なお球状のスペーサを用いていてもよい。
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（液晶組成物）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。
また、液晶組成物４００８に、配向膜を用いないブルー相を発現する液晶組成物を用いてもよい。この場合、液晶組成物４００８と、第１の電極層４０３０及び第２の電極層４０３１とは接する構造となる。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、液晶及びカイラル剤を混合させた液晶組成物を用いて発現させることができる。また、ブルー相が発現する温度範囲を広げるために、ブルー相を発現する液晶組成物に重合性モノマー及び重合開始剤などを添加し、高分子安定化させる処理を行って液晶組成物を形成することもできる。ブルー相を発現する液晶組成物は、応答速度が短く、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。酸化物半導体膜を用いるトランジスタは、静電気の影響によりトランジスタの電気的な特性が著しく変動して設計範囲を逸脱する恐れがある。よって酸化物半導体膜を用いるトランジスタを有する液晶表示装置にブルー相を発現する液晶組成物を用いることはより効果的である。
また、液晶材料の固有抵抗は、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の値は、２０℃で測定した値とする。
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。保持容量の大きさは、トランジスタのオフ電流等を考慮して設定すればよい。本明細書に開示する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。
本明細書に開示する酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、オフ状態における電流値（オフ電流値）を低く制御することができる。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。
また、本明細書に開示する酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られるため、高速駆動が可能である。例えば、このような高速駆動が可能なトランジスタを液晶表示装置に用いることで、画素部のスイッチングトランジスタと、駆動回路部に使用するドライバートランジスタを同一基板上に形成することができる。すなわち、別途駆動回路として、シリコンウェハ等により形成された半導体装置を用いる必要がないため、半導体装置の部品点数を削減することができる。また、画素部においても、高速駆動が可能なトランジスタを用いることで、高画質な画像を提供することができる。
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。
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。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（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｓｕｐｅｒ Ｖｉｅｗ）モードなどを用いることができる。また、ＶＡ型の液晶表示装置にも適用することができる。ＶＡ型の液晶表示装置とは、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る。ＶＡ型の液晶表示装置は、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。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。
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。
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。ただし、開示する発明はカラー表示の表示装置に限定されるものではなく、モノクロ表示の表示装置に適用することもできる。
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。
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。本実施の形態では、発光素子として有機ＥＬ素子を用いる例を示す。
無機ＥＬ素子は、その素子構成により、分散型無機ＥＬ素子と薄膜型無機ＥＬ素子とに分類される。分散型無機ＥＬ素子は、発光材料の粒子をバインダ中に分散させた発光層を有するものであり、発光メカニズムはドナー準位とアクセプター準位を利用するドナー−アクセプター再結合型発光である。薄膜型無機ＥＬ素子は、発光層を誘電体層で挟み込み、さらにそれを電極で挟んだ構造であり、発光メカニズムは金属イオンの内殻電子遷移を利用する局在型発光である。なお、ここでは、発光素子として有機ＥＬ素子を用いて説明する。
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光性であればよい。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。
図６（Ａ）（Ｂ）、図７（Ｂ）、図１５（Ａ）（Ｂ）、及び図１６（Ｂ）に表示素子として発光素子を用いた発光装置の例を示す。
図６（Ａ）は発光装置の平面図であり、図６（Ａ）中の一点鎖線Ｖ１−Ｗ１、Ｖ２−Ｗ２、及びＶ３−Ｗ３で切断した断面が図６（Ｂ）に相当する。なお、図６（Ａ）の平面図においては、電界発光層５４２及び第２の電極層５４３は省略してあり図示していない。
図６に示す発光装置は、ガラス基板５００上に、トランジスタ５１０、容量素子５２０、配線層交差部５３０を有しており、トランジスタ５１０は発光素子５４０と電気的に接続している。なお、図６はガラス基板５００を通過して発光素子５４０からの光を取り出す、下面射出型構造の発光装置である。
トランジスタ５１０としては、実施の形態１乃至６のいずれかで示したトランジスタを適用することができる。本実施の形態では、実施の形態３で示したトランジスタ４２０と同様な構造を有するトランジスタを適用する例を示す。トランジスタ５１０は、酸化物半導体膜上にチャネル保護膜として機能する絶縁層が設けられた、ボトムゲート構造のスタガ型トランジスタである。
トランジスタ５１０はゲート電極層５１１ａ、５１１ｂ、第１のゲート絶縁膜５０１、第２のゲート絶縁膜５０２、酸化物半導体膜５１２、ソース電極層又はドレイン電極層として機能する導電層５１３ａ、５１３ｂを含む。
トランジスタ５１０のゲート電極層は、第１のゲート絶縁膜５０１によって覆われており、トランジスタ５１０の第２のゲート絶縁膜５０２及び酸化物半導体膜５１２はガラス基板５００に含まれる第１の金属元素による汚染から保護されている。よって、第１のゲート絶縁膜５０１と第２のゲート絶縁膜５０２との界面における、ガラス基板５００中に含まれる第１の金属元素の濃度は、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下（好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下）とすることができる。
第１のゲート絶縁膜５０１には、薄膜の窒化物絶縁膜を用いることができる。例えば、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜などが挙げられる。第１のゲート絶縁膜５０１の膜厚は薄く、３０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることができる。第１のゲート絶縁膜５０１は単層構造でも積層構造でもよい。本実施の形態では、第１のゲート絶縁膜５０１として窒化シリコン膜を用いる。
従って、図６で示す本実施の形態の酸化物半導体膜５１２を用いた安定した電気的特性を有するトランジスタ５１０を含む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。また、そのような信頼性の高い半導体装置を歩留まりよく作製し、高生産化を達成することができる。
容量素子５２０は、導電層５２１ａ、５２１ｂ、第２のゲート絶縁膜５０２、酸化物半導体膜５２２、導電層５２３を含み、導電層５２１ａ、５２１ｂと導電層５２３とで、第２のゲート絶縁膜５０２及び酸化物半導体膜５２２を挟む構成とすることで容量を形成する。
配線層交差部５３０は、ゲート電極層５１１ａ、５１１ｂと、導電層５３３との交差部であり、ゲート電極層５１１ａ、５１１ｂと、導電層５３３とは、間に第２のゲート絶縁膜５０２、及び第１のゲート絶縁膜５０１を介して交差する。実施の形態３で示す構造であると、配線層交差部５３０は、ゲート電極層５１１ａ、５１１ｂと、導電層５３３との間に第２のゲート絶縁膜５０２だけでなく、第１のゲート絶縁膜５０１も配置できるため、ゲート電極層５１１ａ、５１１ｂと、導電層５３３との間に生じる寄生容量を低減することができる。
図１５（Ａ）は発光装置の平面図であり、図１５（Ａ）中の一点鎖線Ｖ４−Ｗ４、Ｖ５−Ｗ５、及びＶ６−Ｗ６で切断した断面が図１５（Ｂ）に相当する。なお、図１５（Ａ）の平面図においては、電界発光層５４２及び第２の電極層５４３は省略してあり図示していない。
図１５に示す発光装置は、下地膜として機能する保護絶縁膜５５０が設けられたガラス基板５００上に、トランジスタ１５１０、容量素子１５２０、配線層交差部１５３０を有しており、トランジスタ１５１０は発光素子５４０と電気的に接続している。なお、図１５はガラス基板５００を通過して発光素子５４０からの光を取り出す、下面射出型構造の発光装置である。
保護絶縁膜５５０には、窒化物絶縁膜を用いることができる。例えば、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜などが挙げられる。保護絶縁膜５５０は単層構造でも積層構造でもよい。本実施の形態では、保護絶縁膜５５０として窒化シリコン膜を用いる。
トランジスタ１５１０としては、実施の形態１乃至６のいずれかで示したトランジスタを適用することができる。本実施の形態では、実施の形態６で示したトランジスタ１４２０と同様な構造を有するトランジスタを適用する例を示す。トランジスタ１５１０は、酸化物半導体膜上にチャネル保護膜として機能する絶縁層が設けられた、ボトムゲート構造のスタガ型トランジスタである。
トランジスタ１５１０はゲート電極層５１１ａ、５１１ｂ、ゲート絶縁膜５９２、酸化物半導体膜５１２、絶縁層５０３、ソース電極層又はドレイン電極層として機能する導電層５１３ａ、５１３ｂを含む。
トランジスタ１５１０は、チャネル保護膜として機能する絶縁層５０３が、少なくともゲート電極層５１１ａ、５１１ｂと重畳する酸化物半導体膜５１２のチャネル形成領域上を含めた酸化物半導体膜５１２上に設けられており、さらに酸化物半導体膜５１２に達し、かつソース電極層又はドレイン電極層として機能する導電層５１３ａ、５１３ｂが内壁を覆うように設けられた開口を有している。
トランジスタ１５１０は、保護絶縁膜５５０によって覆われたガラス基板５００上に設けられており、ガラス基板５００に含まれる第２の金属元素による汚染から保護されている。よって、トランジスタ１５１０のゲート電極層５１１ａ、５１１ｂとゲート絶縁膜５９２との界面における、ガラス基板５００中に含まれる第２の金属元素の濃度は、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下（好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下）とすることができる。
従って、図１５で示す本実施の形態の酸化物半導体膜５１２を用いた安定した電気的特性を有するトランジスタ１５１０を含む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。また、そのような信頼性の高い半導体装置を歩留まりよく作製し、高生産化を達成することができる。
容量素子１５２０は、導電層５２１ａ、５２１ｂ、ゲート絶縁膜５９２、酸化物半導体膜５２２、導電層５２３を含み、導電層５２１ａ、５２１ｂと導電層５２３とで、ゲート絶縁膜５９２及び酸化物半導体膜５２２を挟む構成とすることで容量を形成する。
配線層交差部１５３０は、ゲート電極層５１１ａ、５１１ｂと、導電層５３３との交差部であり、ゲート電極層５１１ａ、５１１ｂと、導電層５３３とは、間にゲート絶縁膜５９２、及び絶縁層５０３を介して交差する。実施の形態６で示す構造であると、配線層交差部１５３０は、ゲート電極層５１１ａ、５１１ｂと、導電層５３３との間にゲート絶縁膜５９２だけでなく、絶縁層５０３も配置できるため、ゲート電極層５１１ａ、５１１ｂと、導電層５３３との間に生じる寄生容量を低減することができる。
本実施の形態においては、ゲート電極層５１１ａ及び導電層５２１ａとして膜厚３０ｎｍのチタン膜を用い、ゲート電極層５１１ｂ及び導電層５２１ｂとして膜厚２００ｎｍの銅薄膜を用いる。よって、ゲート電極層はチタン膜と銅薄膜との積層構造となる。
酸化物半導体膜５１２、５２２としては膜厚２５ｎｍのＩＧＺＯ膜を用いる。
トランジスタ５１０、１５１０、容量素子５２０、１５２０、及び配線層交差部５３０、１５３０上には層間絶縁膜５０４が形成され、層間絶縁膜５０４上において発光素子５４０と重畳する領域にカラーフィルタ層５０５が設けられている。層間絶縁膜５０４及びカラーフィルタ層５０５上には平坦化絶縁膜として機能する絶縁膜５０６が設けられている。
絶縁膜５０６上に第１の電極層５４１、電界発光層５４２、第２の電極層５４３の順に積層した積層構造を含む発光素子５４０が設けられている。発光素子５４０とトランジスタ５１０又はトランジスタ１５１０とは、導電層５１３ａに達する絶縁膜５０６及び層間絶縁膜５０４に形成された開口において、第１の電極層５４１及び導電層５１３ａとは接することによって電気的に接続されている。なお、第１の電極層５４１の一部及び該開口を覆うように隔壁５０７が設けられている。
層間絶縁膜５０４には、プラズマＣＶＤ法による膜厚２００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の酸化窒化シリコン膜を用いることができる。また、絶縁膜５０６には膜厚１５００ｎｍの感光性のアクリル膜、隔壁５０７には膜厚１５００ｎｍの感光性のポリイミド膜を用いることができる。
カラーフィルタ層５０５としては、例えば有彩色の透光性樹脂を用いることができる。有彩色の透光性樹脂としては、感光性、非感光性の有機樹脂を用いることができるが、感光性の有機樹脂層を用いるとレジストマスク数を削減することができるため、工程が簡略化し好ましい。
有彩色は、黒、灰、白などの無彩色を除く色であり、カラーフィルタ層は、着色された有彩色の光のみを透過する材料で形成される。有彩色としては、赤色、緑色、青色などを用いることができる。また、シアン、マゼンダ、イエロー（黄）などを用いてもよい。着色された有彩色の光のみを透過するとは、カラーフィルタ層における透過光は、その有彩色の光の波長にピークを有するということである。カラーフィルタ層は、含ませる着色材料の濃度と光の透過率の関係に考慮して、最適な膜厚を適宜制御するとよい。例えば、カラーフィルタ層５０５の膜厚は１５００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下とすればよい。
図７（Ｂ）及び図１６（Ｂ）に示す発光装置においては、表示素子である発光素子４５１３は、画素部４００２に設けられたトランジスタ４０１０、又はトランジスタ４０４０と電気的に接続している。なお発光素子４５１３の構成は、第１の電極層４０３０、電界発光層４５１１、第２の電極層４０３１の積層構造であるが、示した構成に限定されない。発光素子４５１３から取り出す光の方向などに合わせて、発光素子４５１３の構成は適宜変えることができる。
隔壁４５１０、５０７は、有機絶縁材料、又は無機絶縁材料を用いて形成する。特に感光性の樹脂材料を用い、第１の電極層４０３０、５４１上に開口部を形成し、その開口部の側壁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形成することが好ましい。
電界発光層４５１１、５４２は、単数の層で構成されていても、複数の層が積層されるように構成されていてもどちらでもよい。
発光素子４５１３、５４０に酸素、水素、水分、二酸化炭素等が侵入しないように、第２の電極層４０３１、５４３及び隔壁４５１０、５０７上に保護膜を形成してもよい。保護膜としては、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、ＤＬＣ膜等を形成することができる。
また、発光素子４５１３、５４０に酸素、水素、水分、二酸化炭素等が侵入しないように、発光素子４５１３、５４０を覆う有機化合物を含む層を蒸着法により形成してもよい。
また、ガラス基板４００１、基板４００６、及びシール材４００５によって封止された空間には充填材４５１４が設けられ密封されている。このように外気に曝されないように気密性が高く、脱ガスの少ない保護フィルム（貼り合わせフィルム、紫外線硬化樹脂フィルム等）やカバー材で発光素子４５１３パッケージング（封入）することが好ましい。
充填材４５１４としては窒素やアルゴンなどの不活性な気体の他に、紫外線硬化樹脂又は熱硬化樹脂を用いることができ、ＰＶＣ（ポリビニルクロライド）、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ＰＶＢ（ポリビニルブチラル）又はＥＶＡ（エチレンビニルアセテート）を用いることができる。例えば充填材として窒素を用いればよい。
また、必要であれば、発光素子の射出面に偏光板、又は円偏光板（楕円偏光板を含む）、位相差板（λ／４板、λ／２板）、カラーフィルタなどの光学フィルムを適宜設けてもよい。また、偏光板又は円偏光板に反射防止膜を設けてもよい。例えば、表面の凹凸により反射光を拡散し、映り込みを低減できるアンチグレア処理を施すことができる。
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。
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又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の粒子又は第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。
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。
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。
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、又はこれらの複合材料を用いればよい。
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。
なお、図５乃至図７、図１５、及び図１６において、ガラス基板４００１、５００、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又はアクリル樹脂フィルムを用いることができる。また、透光性が必要でなければ、アルミニウムやステンレスなどの金属基板（金属フィルム）を用いてもよい。例えば、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。
本実施の形態では、絶縁膜４０２０として酸化アルミニウム膜を用いる。絶縁膜４０２０はスパッタリング法やプラズマＣＶＤ法によって形成することができる。
酸化物半導体膜上に絶縁膜４０２０として設けられた酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果（ブロック効果）が高い。
従って、酸化アルミニウム膜は、作製工程中及び作製後において、電気的特性の変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体膜への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体膜からの放出を防止する保護膜として機能する。
また、平坦化絶縁膜として機能する絶縁膜４０２１、５０６は、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂等の、耐熱性を有する有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、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、絶縁膜を形成してもよい。
絶縁膜４０２１、５０６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、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法等）、印刷法（スクリーン印刷、オフセット印刷等）、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイフコーター等を用いることができる。
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。
表示素子に電圧を印加する第１の電極層及び第２の電極層（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。
第１の電極層４０３０、５４１、第２の電極層４０３１、５４３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、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、グラフェン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。
また、第１の電極層４０３０、５４１、第２の電極層４０３１、５４３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、若しくはその金属窒化物から一つ、又は複数種を用いて形成することができる。
本実施の形態においては、図６及び図１５に示す発光装置は下面射出型なので、第１の電極層５４１は透光性、第２の電極層５４３は反射性を有する。よって、第１の電極層５４１に金属膜を用いる場合は透光性を保てる程度膜厚を薄く、第２の電極層５４３に透光性を有する導電膜を用いる場合は、反射性を有する導電膜を積層するとよい。
また、第１の電極層４０３０、５４１、第２の電極層４０３１、５４３として、導電性高分子（導電性ポリマーともいう）を含む導電性組成物を用いて形成することができる。導電性高分子としては、いわゆるπ電子共役系導電性高分子が用いることができる。例えば、ポリアニリン又はその誘導体、ポリピロール又はその誘導体、ポリチオフェン又はその誘導体、若しくはアニリン、ピロールおよびチオフェンの２種以上からなる共重合体若しくはその誘導体などがあげられる。
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。
以上のように実施の形態１乃至６のいずれかで示したトランジスタを適用することで、様々な機能を有する半導体装置を提供することができる。
本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態８）
実施の形態１乃至６のいずれかに示したトランジスタを用いて、対象物の情報を読み取るイメージセンサ機能を有する半導体装置を作製することができる。
図８（Ａ）（Ｂ）及び図１７（Ａ）（Ｂ）に、イメージセンサ機能を有する半導体装置の一例を示す。図８（Ａ）及び図１７（Ａ）はフォトセンサの等価回路であり、図８（Ｂ）及び図１７（Ｂ）はフォトセンサの一部を示す断面図である。
フォトダイオード６０２は、一方の電極がフォトダイオードリセット信号線６５８に、他方の電極がトランジスタ６４０、又はトランジスタ１６４０のゲートに電気的に接続されている。トランジスタ６４０、又はトランジスタ１６４０は、ソース又はドレインの一方がフォトセンサ基準信号線６７２に、ソース又はドレインの他方がトランジスタ６５６、又はトランジスタ１６５６のソース又はドレインの一方に電気的に接続されている。トランジスタ６５６、又はトランジスタ１６５６は、ゲートがゲート信号線６５９に、ソース又はドレインの他方がフォトセンサ出力信号線６７１に電気的に接続されている。
なお、本明細書における回路図において、酸化物半導体膜を用いるトランジスタと明確に判明できるように、酸化物半導体膜を用いるトランジスタの記号には「ＯＳ」と記載している。本実施の形態において、トランジスタ６４０、トランジスタ６５６、トランジスタ１６４０、トランジスタ１６５６は実施の形態１乃至６のいずれかに示したトランジスタが適用でき、酸化物半導体膜を用いるトランジスタである。図８では実施の形態２で示したトランジスタ４３０と同様な構造を有するトランジスタを適用する例を、図１７では実施の形態５で示したトランジスタ１４３０と同様な構造を有するトランジスタを適用する例をそれぞれ示す。トランジスタ６４０、トランジスタ１６４０は、酸化物半導体膜上にチャネル保護膜として機能する絶縁層が設けられた、ボトムゲート構造のスタガ型トランジスタである。
図８（Ｂ）は、フォトセンサにおけるフォトダイオード６０２及びトランジスタ６４０に示す断面図であり、ガラス基板６０１上に、センサとして機能するフォトダイオード６０２及びトランジスタ６４０が設けられている。フォトダイオード６０２、トランジスタ６４０の上には接着層６０８を用いて基板６１３が設けられている。
トランジスタ６４０のゲート電極層は、第１のゲート絶縁膜６３６によって覆われており第１のゲート絶縁膜６３６には、薄膜の窒化物絶縁膜を用いることができる。例えば、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜などが挙げられる。第１のゲート絶縁膜６３６の膜厚は薄く、３０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることができる。第１のゲート絶縁膜６３６は単層構造でも積層構造でもよい。本実施の形態では、第１のゲート絶縁膜６３６として窒化シリコン膜を用いる。
図１７（Ｂ）は、フォトセンサにおけるフォトダイオード６０２及びトランジスタ１６４０に示す断面図であり、保護絶縁膜６４６が設けられたガラス基板６０１上に、センサとして機能するフォトダイオード６０２及びトランジスタ１６４０が設けられている。フォトダイオード６０２、トランジスタ１６４０の上には接着層６０８を用いて基板６１３が設けられている。
保護絶縁膜６４６には、窒化物絶縁膜を用いることができる。例えば、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜などが挙げられる。保護絶縁膜６４６は単層構造でも積層構造でもよい。本実施の形態では、保護絶縁膜６４６として窒化シリコン膜を用いる。
トランジスタ６４０、又はトランジスタ１６４０上には絶縁膜６３１、層間絶縁膜６３３、層間絶縁膜６３４が設けられている。フォトダイオード６０２は、層間絶縁膜６３３上に設けられ、層間絶縁膜６３３上に形成した電極層６４１ａ、６４１ｂと、層間絶縁膜６３４上に設けられた電極層６４２との間に、層間絶縁膜６３３側から順に第１半導体膜６０６ａ、第２半導体膜６０６ｂ、及び第３半導体膜６０６ｃを積層した構造を有している。
電極層６４１ｂは、層間絶縁膜６３４に形成された導電層６４３と電気的に接続し、電極層６４２は電極層６４１ａを介して導電層６４５と電気的に接続している。導電層６４５は、トランジスタ６４０、又はトランジスタ１６４０のゲート電極層と電気的に接続しており、フォトダイオード６０２はトランジスタ６４０、又はトランジスタ１６４０と電気的に接続している。
ここでは、第１半導体膜６０６ａとしてｐ型の導電型を有する半導体膜と、第２半導体膜６０６ｂとして高抵抗な半導体膜（Ｉ型半導体膜）、第３半導体膜６０６ｃとしてｎ型の導電型を有する半導体膜を積層するｐｉｎ型のフォトダイオードを例示している。
第１半導体膜６０６ａはｐ型半導体膜であり、ｐ型を付与する不純物元素を含むアモルファスシリコン膜により形成することができる。第１半導体膜６０６ａの形成には１３族の不純物元素（例えばボロン（Ｂ））を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。また、不純物元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入法を用いて該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合にアモルファスシリコン膜を形成する方法としては、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、又はスパッタリング法等を用いればよい。第１半導体膜６０６ａの膜厚は１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下となるよう形成することが好ましい。
第２半導体膜６０６ｂは、Ｉ型半導体膜（真性半導体膜）であり、アモルファスシリコン膜により形成する。第２半導体膜６０６ｂの形成には、半導体材料ガスを用いて、アモルファスシリコン膜をプラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしては、シラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。第２半導体膜６０６ｂの形成は、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、スパッタリング法等により行ってもよい。第２半導体膜６０６ｂの膜厚は２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下となるように形成することが好ましい。
第３半導体膜６０６ｃは、ｎ型半導体膜であり、ｎ型を付与する不純物元素を含むアモルファスシリコン膜により形成する。第３半導体膜６０６ｃの形成には、１５族の不純物元素（例えばリン（Ｐ））を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。また、不純物元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入法を用いて該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合にアモルファスシリコン膜を形成する方法としては、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、又はスパッタリング法等を用いればよい。第３半導体膜６０６ｃの膜厚は２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下となるよう形成することが好ましい。
また、第１半導体膜６０６ａ、第２半導体膜６０６ｂ、及び第３半導体膜６０６ｃは、アモルファス半導体ではなく、多結晶半導体を用いて形成してもよいし、微結晶（セミアモルファス半導体（Ｓｅｍｉ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：ＳＡＳ））を用いて形成してもよい。
また、光電効果で発生した正孔の移動度は電子の移動度に比べて小さいため、ｐｉｎ型のフォトダイオードはｐ型の半導体膜側を受光面とする方がよい特性を示す。ここでは、ｐｉｎ型のフォトダイオードが形成されているガラス基板６０１の面からフォトダイオード６０２が受ける光を電気信号に変換する例を示す。また、受光面とした半導体膜側とは逆の導電型を有する半導体膜側からの光は外乱光となるため、電極層は遮光性を有する導電膜を用いるとよい。また、ｎ型の半導体膜側を受光面として用いることもできる。
絶縁膜６３１、層間絶縁膜６３３、層間絶縁膜６３４としては、絶縁性材料を用いて、その材料に応じて、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法等）、印刷法（スクリーン印刷、オフセット印刷等）等を用いて形成することができる。
絶縁膜６３１としては、無機絶縁材料としては、酸化シリコン層、酸化窒化シリコン層、酸化アルミニウム層、又は酸化窒化アルミニウム層などの酸化物絶縁膜、窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、窒化アルミニウム層、又は窒化酸化アルミニウム層などの窒化物絶縁膜の単層、又は積層を用いることができる。
本実施の形態では、絶縁膜６３１として酸化アルミニウム膜を用いる。絶縁膜６３１はスパッタリング法やプラズマＣＶＤ法によって形成することができる。
酸化物半導体膜上に絶縁膜６３１として設けられた酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果（ブロック効果）が高い。
従って、酸化アルミニウム膜は、作製工程中及び作製後において、電気的特性の変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体膜への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体膜からの放出を防止する保護膜として機能する。
層間絶縁膜６３３、６３４としては、表面凹凸を低減するため平坦化絶縁膜として機能する絶縁膜が好ましい。層間絶縁膜６３３、６３４としては、例えばポリイミド樹脂、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、ポリアミド樹脂、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ことができる。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）等の単層、又は積層を用いることができる。
フォトダイオード６０２に入射する光６２２を検出することによって、被検出物の情報を読み取ることができる。なお、被検出物の情報を読み取る際にバックライトなどの光源を用いることができる。
トランジスタ６４０のゲート電極層は、第１のゲート絶縁膜６３６によって覆われており、トランジスタ６４０の第２のゲート絶縁膜及び酸化物半導体膜はガラス基板６０１に含まれる第１の金属元素による汚染から保護されている。よって、第１のゲート絶縁膜６３６と第２のゲート絶縁膜との界面における、ガラス基板６０１中に含まれる第１の金属元素の濃度は、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下（好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下）とすることができる。
トランジスタ１６４０は、保護絶縁膜６４６によって覆われたガラス基板６０１上に設けられており、ガラス基板６０１に含まれる第２の金属元素による汚染から保護されている。よって、トランジスタ１６４０のゲート電極層とゲート絶縁膜との界面における、ガラス基板６０１中に含まれる第２の金属元素の濃度は、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下（好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下）とすることができる。
従って、本実施の形態の酸化物半導体膜を用いた安定した電気的特性を有するトランジスタ６４０を含む信頼性の高い半導体装置を提供することができる。また、信頼性の高い半導体装置を歩留まりよく作製し、高生産化を達成することができる。
本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態９）
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、テレビジョン装置（テレビ、又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、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、遊技機（パチンコ機、スロットマシン等）、ゲーム筐体が挙げられる。これらの電子機器の具体例を図９に示す。
図９（Ａ）は、表示部を有するテーブル９０００を示している。テーブル９０００は、筐体９００１に表示部９００３が組み込まれており、表示部９００３により映像を表示することが可能である。なお、４本の脚部９００２により筐体９００１を支持した構成を示している。また、電力供給のための電源コード９００５を筐体９００１に有している。
実施の形態１乃至８のいずれかに示す半導体装置は、表示部９００３に用いることが可能であり、表示部を有するテーブル９０００に高い信頼性を付与することができる。
表示部９００３は、タッチ入力機能を有しており、テーブル９０００の表示部９００３に表示された表示ボタン９００４を指などで触れることで、画面操作や、情報を入力することができ、また他の家電製品との通信を可能とする、又は制御を可能とすることで、画面操作により他の家電製品をコントロールする制御装置としてもよい。例えば、実施の形態８に示したイメージセンサ機能を有する半導体装置を用いれば、表示部９００３にタッチ入力機能を持たせることができる。
また、筐体９００１に設けられたヒンジによって、表示部９００３の画面を床に対して垂直に立てることもでき、テレビジョン装置としても利用できる。狭い部屋においては、大きな画面のテレビジョン装置は設置すると自由な空間が狭くなってしまうが、テーブルに表示部が内蔵されていれば、部屋の空間を有効に利用することができる。
図９（Ｂ）は、テレビジョン装置９１００を示している。テレビジョン装置９１００は、筐体９１０１に表示部９１０３が組み込まれており、表示部９１０３により映像を表示することが可能である。なお、ここではスタンド９１０５により筐体９１０１を支持した構成を示している。
テレビジョン装置９１００の操作は、筐体９１０１が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機９１１０により行うことができる。リモコン操作機９１１０が備える操作キー９１０９により、チャンネルや音量の操作を行うことができ、表示部９１０３に表示される映像を操作することができる。また、リモコン操作機９１１０に、当該リモコン操作機９１１０から出力する情報を表示する表示部９１０７を設ける構成としてもよい。
図９（Ｂ）に示すテレビジョン装置９１００は、受信機やモデムなどを備えている。テレビジョン装置９１００は、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又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）又は双方向（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。
実施の形態１乃至８のいずれかに示す半導体装置は、表示部９１０３、９１０７に用いることが可能であり、テレビジョン装置、及びリモコン操作機に高い信頼性を付与することができる。
図９（Ｃ）はコンピュータであり、本体９２０１、筐体９２０２、表示部９２０３、キーボード９２０４、外部接続ポート９２０５、ポインティングデバイス９２０６等を含む。
実施の形態１乃至８のいずれかに示す半導体装置は、表示部９２０３に用いることが可能であり、コンピュータに高い信頼性を付与することができる。
図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）は２つ折り可能なタブレット型端末である。図１０（Ａ）は、開いた状態であり、タブレット型端末は、筐体９６３０、表示部９６３１ａ、表示部９６３１ｂ、表示モード切り替えスイッチ９０３４、電源スイッチ９０３５、省電力モード切り替えスイッチ９０３６、留め具９０３３、操作スイッチ９０３８、を有する。
実施の形態１乃至８のいずれかに示す半導体装置は、表示部９６３１ａ、表示部９６３１ｂに用いることが可能であり、信頼性の高いタブレット型端末とすることが可能となる。
表示部９６３１ａは、一部をタッチパネルの領域９６３２ａとすることができ、表示された操作キー９６３８にふれることでデータ入力をすることができる。なお、表示部９６３１ａにおいては、一例として半分の領域が表示のみの機能を有する構成、もう半分の領域がタッチパネルの機能を有する構成を示しているが該構成に限定されない。表示部９６３１ａの全ての領域がタッチパネルの機能を有する構成としても良い。例えば、表示部９６３１ａの全面をキーボードボタン表示させてタッチパネルとし、表示部９６３１ｂを表示画面として用いることができる。
また、表示部９６３１ｂにおいても表示部９６３１ａと同様に、表示部９６３１ｂの一部をタッチパネルの領域９６３２ｂとすることができる。また、タッチパネルのキーボード表示切り替えボタン９６３９が表示されている位置に指やスタイラスなどでふれることで表示部９６３１ｂにキーボードボタン表示することができる。
また、タッチパネルの領域９６３２ａとタッチパネルの領域９６３２ｂに対して同時にタッチ入力することもできる。
また、表示モード切り替えスイッチ９０３４は、縦表示又は横表示などの表示の向きを切り替え、白黒表示やカラー表示の切り替えなどを選択できる。省電力モード切り替えスイッチ９０３６は、タブレット型端末に内蔵している光センサで検出される使用時の外光の光量に応じて表示の輝度を最適なものとすることができる。タブレット型端末は光センサだけでなく、ジャイロ、加速度センサ等の傾きを検出するセンサなどの他の検出装置を内蔵させてもよい。
また、図１０（Ａ）では表示部９６３１ｂと表示部９６３１ａの表示面積が同じ例を示しているが特に限定されず、一方のサイズともう一方のサイズが異なっていてもよく、表示の品質も異なっていてもよい。例えば一方が他方よりも高精細な表示を行える表示パネルとしてもよい。
図１０（Ｂ）は、閉じた状態であり、タブレット型端末は、筐体９６３０、太陽電池９６３３、充放電制御回路９６３４、バッテリー９６３５、ＤＣＤＣコンバータ９６３６を有する。なお、図１０（Ｂ）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９６３６を有する構成について示している。
なお、タブレット型端末は２つ折り可能なため、未使用時に筐体９６３０を閉じた状態にすることができる。従って、表示部９６３１ａ、表示部９６３１ｂを保護できるため、耐久性に優れ、長期使用の観点からも信頼性の優れたタブレット型端末を提供できる。
また、この他にも図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）に示したタブレット型端末は、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タッチ入力操作又は編集するタッチ入力機能、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。
タブレット型端末の表面に装着された太陽電池９６３３によって、電力をタッチパネル、表示部、又は映像信号処理部等に供給することができる。なお、太陽電池９６３３は、筐体９６３０の片面又は両面に設けることができ、バッテリー９６３５の充電を効率的に行う構成とすることができる。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。
また、図１０（Ｂ）に示す充放電制御回路９６３４の構成、及び動作について図１０（Ｃ）にブロック図を示し説明する。図１０（Ｃ）には、太陽電池９６３３、バッテリー９６３５、ＤＣＤＣ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、ＤＣＤＣコンバータ９６３６、コンバータ９６３７、スイッチＳＷ１乃至ＳＷ３が、図１０（Ｂ）に示す充放電制御回路９６３４に対応する箇所となる。
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ＤＣＤＣコンバータ９６３６で昇圧又は降圧がなされる。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又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。
なお太陽電池９６３３については、発電手段の一例として示したが、特に限定されず、圧電素子（ピエゾ素子）や熱電変換素子（ペルティエ素子）などの他の発電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。例えば、無線（非接触）で電力を送受信して充電する無接点電力伝送モジュールや、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。
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。

Claims (7)

  1. ガラス基板上の保護絶縁膜と、
    前記保護絶縁膜上のゲート電極層と、
    前記ゲート電極層上の第１のゲート絶縁膜と、
    前記第１のゲート絶縁膜上の第２のゲート絶縁膜と、
    前記第２のゲート絶縁膜上の酸化物半導体膜と、を有し、
    前記第２のゲート絶縁膜は、前記第１のゲート絶縁膜とは組成が異なり、
    前記ガラス基板は、金属元素を有し、
    前記第１のゲート絶縁膜と前記第２のゲート絶縁膜との界面における前記金属元素の濃度は、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、
    前記保護絶縁膜は、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、タンタル、ランタン、ジルコニウム、ニッケル、マグネシウム、又はバリウムの金属元素のいずれかから選択される一以上を有する金属酸化物絶縁膜又は金属窒化物絶縁膜であることを特徴とする半導体装置。
  2. ガラス基板上の保護絶縁膜と、
    前記保護絶縁膜上のゲート電極層と、
    前記ゲート電極層上の第１のゲート絶縁膜と、
    前記第１のゲート絶縁膜上の第２のゲート絶縁膜と、
    前記第２のゲート絶縁膜上の酸化物半導体膜と、
    前記酸化物半導体層上の絶縁層と、を有し、
    前記第２のゲート絶縁膜は、前記第１のゲート絶縁膜とは組成が異なり、
    前記絶縁層は、前記ゲート電極層と重畳する位置に設けられ、
    前記ガラス基板は、金属元素を有し、
    前記第１のゲート絶縁膜と前記第２のゲート絶縁膜との界面における前記金属元素の濃度は、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、
    前記保護絶縁膜は、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、タンタル、ランタン、ジルコニウム、ニッケル、マグネシウム、又はバリウムの金属元素のいずれかから選択される一以上を有する金属酸化物絶縁膜又は金属窒化物絶縁膜である
    ことを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項１又は２において、
    前記第１のゲート絶縁膜は窒化物絶縁膜であることを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項１又は２において、
    前記第１のゲート絶縁膜は窒化シリコン膜であることを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項１乃至４のいずれか一項において、
    前記第１のゲート絶縁膜の膜厚は、３０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体装置。
  6. 請求項１乃至５のいずれか一項において、
    前記第２のゲート絶縁膜は、酸化窒化シリコン膜であることを特徴とする半導体装置。
  7. 請求項１乃至６のいずれか一項において、
    前記金属元素は、アルミニウムであることを特徴とする半導体装置。
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