JP2012134467A - 半導体装置の作製方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】酸化物半導体膜をチャネルに用いたトランジスタ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。
【解決手段】加熱処理により第１の結晶構造となりうる酸化物半導体膜と、加熱処理により第２の結晶構造となりうる酸化物半導体膜を積層して形成し、その後加熱処理を行うことによって、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜を種として第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜へ結晶成長する。このようにして形成した酸化物半導体膜を、トランジスタの活性層に用いる。
【選択図】図１

Description

トランジスタなどの半導体素子を含む回路を有する半導体装置及びその作製方法に関する。例えば、電源回路に搭載されるパワーデバイス、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、発光素子を有する発光表示装置等を部品として搭載した電子機器に関する。
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、発光表示装置、半導体回路及び電子機器は全て半導体装置である。
液晶表示装置に代表されるように、ガラス基板等に形成されるトランジスタはアモルファスシリコン、多結晶シリコンなどによって構成されている。アモルファスシリコンを用いたトランジスタは電界効果移動度が低いもののガラス基板の大面積化に対応することができる。また、多結晶シリコンを用いたトランジスタの電界効果移動度は高いがガラス基板の大面積化には適していないという欠点を有している。
シリコンを用いたトランジスタに対して、酸化物半導体を用いてトランジスタを作製し、電子デバイスや光デバイスに応用する技術が注目されている。例えば、酸化物半導体として、酸化亜鉛、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物を用いてトランジスタを作製し、表示装置の画素のスイッチング素子などに用いる技術が特許文献１及び特許文献２で開示されている。
特開２００７−１２３８６１号公報 特開２００７−９６０５５号公報
トランジスタの電気的特性は、活性層である酸化物半導体膜と、該酸化物半導体膜と接するゲート絶縁膜との界面状態に影響されやすい。トランジスタの製造中または製造後において、酸化物半導体膜と接するゲート絶縁膜との界面、即ち、ゲート電極側の界面が非晶質状態であると、製造工程における温度などの影響により構造状態が変動しやすく、トランジスタの電気的特性が不安定となりやすい。
また、酸化物半導体膜をチャネルに用いたトランジスタは、可視光や紫外光を照射することで電気的特性が変化する。
このような問題に鑑み、本発明の一態様は、酸化物半導体膜と該酸化物半導体膜と接するゲート絶縁膜との界面状態が良好なトランジスタを有する半導体装置及びその作製方法を提供することを課題の一つとする。また、酸化物半導体膜をチャネルに用いたトランジスタ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。また、マザーガラスのような大きな基板を用いて、信頼性の高い半導体装置の大量生産を行うことのできる半導体装置の作製プロセスを提供することを課題の一とする。
本発明の一態様は、酸化物半導体膜と該酸化物半導体膜と接する絶縁膜（ゲート絶縁膜）との界面状態を良好にするために、少なくとも、酸化物半導体膜の界面近傍に結晶性の高い領域を形成する。それによって安定した電気的特性および信頼性の高い半導体装置を作製することができる。
また、酸化物半導体膜の結晶性を向上させるための方法として、酸化物半導体膜の一部に第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜を設ければよい。第２の結晶構造は、ウルツ鉱型の結晶構造である。第２の結晶構造となりうる酸化物半導体膜は、第１の結晶構造となりうる酸化物半導体膜と比較して、加熱処理により結晶化しやすく、また結晶性が高い。第１の結晶構造は非ウルツ鉱構造、ＹｂＦｅ２Ｏ４型構造、Ｙｂ２Ｆｅ３Ｏ７型構造及びその変形型構造のいずれか一種から選ばれた結晶構造である。
また、加熱処理により第１の結晶構造となりうる酸化物半導体膜と、加熱処理により第２の結晶構造となりうる酸化物半導体膜を積層して形成し、その後加熱処理を行うことによって、第２の結晶構造である酸化物半導体膜を種として、加熱処理により第１の結晶構造となりうる酸化物半導体膜が結晶成長し、第１の結晶構造である酸化物半導体膜が形成される。
該加熱処理は、１５０度以上６５０度以下、好ましくは２００度以上５００度以下で行う。
また、結晶化させるための加熱処理の代わりに、加熱しながらスパッタリング法により酸化物半導体膜を形成することができる。
以上により、例えば酸化物半導体膜を積層させた酸化物半導体積層体において、少なくとも第２の酸化物半導体膜を有する層を設けることにより、該酸化物半導体積層体に加熱処理を行うことで、結晶性の高い酸化物半導体膜を得ることができる。
また、第２の酸化物半導体膜の膜厚は、一原子層以上１０ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以上５ｎｍ以下とする。
上記構成において、酸化物半導体膜は非単結晶であり、酸化物半導体膜全体が非晶質状態（アモルファス状態）ではなく、酸化物半導体膜内に少なくともｃ軸配向を有する結晶を有する。
本発明の一態様は、トランジスタを有する半導体装置の作製方法であり、絶縁表面上に第１の酸化物半導体膜を形成し、次に、第２の酸化物半導体膜を形成した後、第１の加熱処理し、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜及び第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜を形成する。次に、該第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜上に、第３の酸化物半導体膜を形成した後、第２の加熱処理し、第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜を形成して、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜、及び第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜の積層体をトランジスタのチャネル領域として形成することを特徴とする。
なお、上記第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜及び第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜の結晶構造は、ＹｂＦｅ２Ｏ４型構造、Ｙｂ２Ｆｅ３Ｏ７型構造及び非ウルツ鉱型構造のいずれか一であり、上記第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜の結晶構造は、ウルツ鉱型構造である。
第１の加熱処理及び第２の加熱処理の温度は、１５０度以上６５０度以下、好ましくは２００度以上５００度以下である。このため、基板として大面積基板であるマザーガラスを用いることができる。
第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜乃至第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜は、非単結晶であり、且つ酸化物半導体膜全体が非晶質状態（アモルファス状態）ではなく、ｃ軸配向の結晶領域を有する。即ち、非晶質領域及びｃ軸配向の結晶領域を有する。
第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜は、ウルツ鉱型の結晶構造を有するため、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜及び第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜と比較して、加熱処理により結晶化しやすく、また結晶性が高い。また、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜は、ａ−ｂ面における平面において六角形をなす結合をしている。また、六角形の結合を有する層が膜厚方向（ｃ軸方向）に積層して結合されており、ｃ軸配向している。このため、ウルツ鉱型の結晶構造を有する第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜を種として、加熱により第１の酸化物半導体膜、及び第３の酸化物半導体膜を結晶成長させると、ウルツ鉱型の結晶構造を有する第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜の結晶軸と略同一となるように、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜、及び第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜を形成することができる。第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜、及び第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜は、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜と同様に、ａ−ｂ面における平面において六角形をなす結合をしている。また、六角形の結合を有する層が膜厚方向（ｃ軸方向）に積層して結合されており、ｃ軸配向している。
また、上記酸化物半導体積層体上に、ゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成することで、トランジスタを作製することができる。この結果、ゲート絶縁膜との界面において酸化物半導体積層体は結晶性が高く、均一性も高いため、電気的特性が安定であり、信頼性の高いトランジスタを得ることができる。
また、ゲート電極上にゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上に上記酸化物半導体積層体を形成することで、トランジスタを作製することができる。この結果、ゲート絶縁膜との界面において上記酸化物半導体積層体は結晶性が高く、均一性も高いため、電気的特性が安定であり、信頼性の高いトランジスタを得ることができる。
また、ａ−ｂ面において六角形の結合を有し、ｃ軸配向している結晶領域を有する酸化物半導体膜の積層体をトランジスタのチャネル領域に用いることで、トランジスタへの光照射前後、またはバイアス−熱ストレス（ＢＴ）試験前後においても、トランジスタのしきい値電圧の変化量が少なく、安定した電気的特性を有するトランジスタを作製することができる。
本発明の一態様により、酸化物半導体膜と該酸化物半導体膜と接するゲート絶縁膜との界面状態が良好なトランジスタを有する半導体装置を作製することができる。また、安定した電気的特性を有する半導体装置を作製することができる。また、マザーガラスのような大きな基板を用いて、信頼性の高い半導体装置を大量生産することができる。
本発明の一態様である半導体装置を説明する上面図及び断面図である。 本発明の一態様である半導体装置の作製方法を説明する断面図である。 本発明の実施の形態に係わる結晶構造を説明する図。 本発明の実施の形態に係わる結晶構造を説明する図。 実施の形態に係わる結晶構造を説明するＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像。 実施の形態に係わる結晶構造を説明するＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像。 本発明の一態様である半導体装置を説明する上面図及び断面図である。 本発明の一態様である半導体装置の作製方法を説明する断面図である。 本発明の一態様である半導体装置を説明する上面図及び断面図である。 本発明の一態様である半導体装置の作製方法を説明する断面図である。 本発明の一態様である半導体装置を説明する上面図及び断面図である。 本発明の一態様である半導体装置の作製方法を説明する断面図である。 本発明の一態様である半導体装置を説明する上面図及び断面図である。 本発明の一態様である半導体装置の作製方法を説明する断面図である。 本発明の一態様である半導体装置を説明する上面図及び断面図である。 本発明の一態様である半導体装置の作製方法を説明する断面図である。 本発明の一態様である半導体装置を説明する断面図である。 本発明の一態様を示すブロック図及び回路図である。 本発明の一態様を示す断面図である。 電子機器の一態様を示す図である。
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。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下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、以下に説明する本発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。
なお、本明細書で説明する各図において、各構成の大きさ、膜の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。
また、本明細書にて用いる第１、第２、第３などの用語は、構成要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではない。そのため、例えば、「第１の」を「第２の」または「第３の」などと適宜置き換えて説明することができる。
（実施の形態１）
本実施の形態では、絶縁表面上の酸化物半導体膜をチャネルに用いたトランジスタ及びその作製方法について、図１及び２を用いて説明する。図１（Ｂ）は、半導体装置の構成の一形態であるトランジスタの構造を説明する断面図であり、上面図である図１（Ａ）の一点破線Ａ−Ｂの断面図に相当する。なお、図１（Ａ）において、基板１０１、酸化物絶縁膜１０２、ゲート絶縁膜１０７、及び絶縁膜１０９は省略している。図２は、図１（Ｂ）に示すトランジスタの作製工程を説明する断面図である。
図１（Ｂ）に示すトランジスタは、基板１０１上に形成された酸化物絶縁膜１０２と、酸化物絶縁膜１０２上に形成された酸化物半導体積層体１０５と、酸化物半導体積層体１０５上に形成されたソース電極及びドレイン電極として機能する一対の電極１０６と、酸化物絶縁膜１０２、酸化物半導体積層体１０５、及び一対の電極１０６上に形成されたゲート絶縁膜１０７と、ゲート絶縁膜１０７を介して酸化物半導体積層体１０５と重畳するゲート電極１０８とを有する。また、ゲート絶縁膜１０７及びゲート電極１０８を覆う絶縁膜１０９を有してもよい。
酸化物半導体積層体１０５は、酸化物絶縁膜１０２に接する第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ａと、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ａに接する第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ｂと、が積層されていることを特徴とする。
また、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ｂを種結晶として、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ａが結晶成長していることを特徴とする。
また、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ｂは、三方晶及び／又は六方晶である。
即ち、第２の結晶構造及び第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜は、ともに三方晶及び／又は六方晶であるので、ｃ軸方向からは六角形の格子像を確認できる。
なお、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ａ、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ｂはそれぞれ、非単結晶であり、且つ酸化物半導体膜全体が非晶質状態（アモルファス状態）ではなく、ｃ軸配向の結晶領域を有する。
次に、図１（Ｂ）に示すトランジスタの作製方法について、図２を用いて説明する。
図２（Ａ）に示すように、基板１０１上に酸化物絶縁膜１０２を形成した後、酸化物絶縁膜１０２上に第１の酸化物半導体膜１０３ａを形成し、第１の酸化物半導体膜１０３ａ上に第２の酸化物半導体膜１０３ｂを形成する。
基板１０１は、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。基板１０１としてガラス基板を用いる場合、歪み点が７３０度以上のものを用いることが好ましい。ガラス基板には、例えば、アルミノシリケートガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスなどのガラス材料が用いられる。なお、Ｂ２Ｏ３よりＢａＯを多く含むガラス基板を用いることが好ましい。大量生産する上では、基板１０１は第８世代（２１６０ｍｍ×２４６０ｍｍ）、第９世代（２４００ｍｍ×２８００ｍｍ、または２４５０ｍｍ×３０５０ｍｍ）、第１０世代（２９５０ｍｍ×３４００ｍｍ）等のマザーガラスを用いることが好ましい。マザーガラスは、処理温度が高く、処理時間が長いと大幅に収縮するため、マザーガラスを使用して大量生産を行う場合、作製工程の加熱処理は、６００度以下、好ましくは４５０度以下とすることが望ましい。
なお、上記のガラス基板に代えて、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などの絶縁体でなる基板を用いることができる。他にも、結晶化ガラスなどを用いることができる。さらには、シリコンウェハ等の半導体基板の表面や金属材料よりなる導電性の基板の表面に絶縁膜を形成したものを用いることもできる。
なお、アルカリ金属などの不純物を含むガラス基板を基板１０１として用いる場合、アルカリ金属の侵入防止のため、基板１０１及び酸化物絶縁膜１０２の間に窒化物絶縁膜として窒化シリコン膜、窒化アルミニウム膜などを形成してもよい。窒化物絶縁膜は、ＣＶＤ法、スパッタリング法等で形成することができる。リチウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属は、後に形成される酸化物半導体膜の不純物であるため含有量を少なくすることが好ましい。
酸化物絶縁膜１０２は、加熱により酸素の一部が放出する酸化物絶縁膜を用いて形成する。加熱により酸素の一部が放出する酸化物絶縁膜としては、化学量論比を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を用いることが好ましい。加熱により酸素の一部が放出する酸化物絶縁膜は、加熱により第１の酸化物半導体膜１０３ａ及び第２の酸化物半導体膜１０３ｂに酸素を拡散させることができる。酸化物絶縁膜１０２は、代表的には、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化イットリウム等で形成することができる。
化学量論比を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜は、加熱により酸素の一部が放出する。このときの酸素の放出量は、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｃｏｐｙ：昇温脱離ガス分光法）分析にて、酸素原子に換算しての酸素の放出量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、より好ましくは３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である。
ここで、ＴＤＳ分析による、酸素原子に換算したときの酸素の放出量の測定方法について、以下に説明する。
ＴＤＳ分析したときの気体の放出量は、スペクトルの積分値に比例する。このため、酸化物絶縁膜のスペクトルの積分値と、標準試料の基準値に対する比とにより、気体の放出量を計算することができる。標準試料の基準値とは、所定の原子を含む試料の、スペクトルの積分値に対する原子の密度の割合である。
例えば、標準試料である所定の密度の水素を含むシリコンウェハのＴＤＳ分析結果、および酸化物絶縁膜のＴＤＳ分析結果から、酸化物絶縁膜の酸素分子の放出量（Ｎ（Ｏ２））は、数式１で求めることができる。ここで、ＴＤＳ分析で得られる質量数３２で検出されるスペクトルの全てが酸素分子由来と仮定する。質量数３２のものとしてＣＨ３ＯＨがあるが、存在する可能性が低いものとしてここでは考慮しない。また、酸素原子の同位体である質量数１７の酸素原子および質量数１８の酸素原子を含む酸素分子についても、自然界における存在比率が極微量であるため考慮しない。
Ｎ（Ｏ２）＝Ｎ（Ｈ２）／Ｓ（Ｈ２）×Ｓ（Ｏ２）×α （数１）
Ｎ（Ｈ２）は、標準試料から脱離した水素分子を密度で換算した値である。Ｓ（Ｈ２）は、標準試料をＴＤＳ分析したときのスペクトルの積分値である。ここで、標準試料の基準値を、Ｎ（Ｈ２）／Ｓ（Ｈ２）とする。Ｓ（Ｏ２）は、酸化物絶縁膜をＴＤＳ分析したときのスペクトルの積分値である。αは、ＴＤＳ分析におけるスペクトル強度に影響する係数である。数式１の詳細に関しては、特開平６−２７５６９７号公報を参照する。なお、上記酸化物絶縁膜の酸素の放出量は、電子科学株式会社製の昇温脱離分析装置ＥＭＤ−ＷＡ１０００Ｓ／Ｗを用い、標準試料として１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の水素原子を含むシリコンウェハを用いて測定する。
また、ＴＤＳ分析において、酸素の一部は酸素原子として検出される。酸素分子と酸素原子の比率は、酸素分子のイオン化率から算出することができる。なお、上述のαは酸素分子のイオン化率を含むため、酸素分子の放出量を評価することで、酸素原子の放出量についても見積もることができる。
なお、Ｎ（Ｏ２）は酸素分子の放出量である。酸化物絶縁膜においては、酸素原子に換算したときの酸素の放出量は、酸素分子の放出量の２倍となる。
酸化物絶縁膜１０２は、５０ｎｍ以上、好ましくは２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下とする。酸化物絶縁膜１０２を厚くすることで、酸化物絶縁膜１０２からの酸素放出量を増加させることができると共に、酸化物絶縁膜１０２及び後に形成される酸化物半導体膜との界面における欠陥を低減することが可能である。
酸化物絶縁膜１０２は、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成する。なお、加熱により酸素の一部が放出する酸化物絶縁膜は、スパッタリング法を用いることで形成しやすいため好ましい。
加熱により酸素の一部が放出する酸化物絶縁膜をスパッタリング法により形成する場合は、成膜ガス中の酸素量が高いことが好ましく、酸素、または酸素及び希ガスの混合ガス等を用いることができる。代表的には、成膜ガス中の酸素濃度を６％以上１００％以下にすることが好ましい。
第１の酸化物半導体膜１０３ａは、加熱により三方晶及び／又は六方晶であり且つ第１の結晶構造となりうる酸化物半導体膜を用いて形成する。
第１の酸化物半導体膜１０３ａとしては、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜や、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ膜や、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ膜などを用いることができる。また、上記酸化物半導体にＳｉＯ２を含んでもよい。ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜とは、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）を有する酸化物膜である。
第１の酸化物半導体膜１０３ａは、加熱により、三方晶及び／又は六方晶であり、且つ非ウルツ鉱型、ＹｂＦｅ２Ｏ４型構造、Ｙｂ２Ｆｅ３Ｏ７型構造及びその変形型構造のいずれか一の結晶構造となりうる酸化物半導体膜を用いて形成する。
第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜の例として、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜は、三方晶及び／又は六方晶の非ウルツ鉱型の結晶を有する。また、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜には、ＹｂＦｅ２Ｏ４型構造であるＩｎＧａＺｎＯ４や、Ｙｂ２Ｆｅ３Ｏ７型構造であるＩｎ２Ｇａ２ＺｎＯ７等があり、その変形型構造をとりうる（Ｍ． Ｎａｋａｍｕｒａ， Ｎ． Ｋｉｍｉｚｕｋａ， ａｎｄ Ｔ． Ｍｏｈｒｉ、「Ｔｈｅ Ｐｈａｓｅ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｉｎ２Ｏ３−Ｇａ２ＺｎＯ４−ＺｎＯ Ｓｙｓｔｅｍ ａｔ １３５０度」、Ｊ． Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｈｅｍ．、１９９１、Ｖｏｌ．９３， ｐ．２９８−３１５）。なお、ＹｂＦｅ２Ｏ４型構造は、Ｙｂを含む層をＡ層としＦｅを含む層をＢ層とすると、ＡＢＢ｜ＡＢＢ｜ＡＢＢ｜の繰り返し構造を有し、その変形構造としては、例えば、ＡＢＢＢ｜ＡＢＢＢ｜の繰り返し構造を挙げることができる。また、Ｙｂ２Ｆｅ３Ｏ７型構造は、ＡＢＢ｜ＡＢ｜ＡＢＢ｜ＡＢ｜の繰り返し構造を有し、その変形構造としては、例えば、ＡＢＢＢ｜ＡＢＢ｜ＡＢＢＢ｜ＡＢＢ｜ＡＢＢＢ｜ＡＢＢ｜の繰り返し構造を挙げることができる。
なお、第１の酸化物半導体膜１０３ａとして、上記金属酸化物に１×１０１７／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３未満の窒素が含まれていてもよい。
なお、第１の酸化物半導体膜１０３ａとして形成することが可能な金属酸化物は、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上、より好ましくは３ｅＶ以上である。このように、エネルギーギャップの広い酸化物半導体を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。
第２の酸化物半導体膜１０３ｂは、加熱により第２の結晶構造となりうる酸化物半導体膜を用いて形成する。第２の結晶構造となりうる酸化物半導体膜は、三方晶及び／又は六方晶の第１の結晶構造となりうる酸化物半導体膜と比較して、加熱処理により結晶化しやすく、また結晶性が高い。
第２の酸化物半導体膜１０３ｂとしては、酸化亜鉛、酸窒化物半導体等を用いることができる。酸窒化物半導体は、第１の酸化物半導体膜１０３ａに列挙した金属酸化物に、５×１０１９／ｃｍ３以上７原子％未満の窒素を添加して形成することができる。
第２の酸化物半導体膜１０３ｂは、第１の酸化物半導体膜１０３ａを結晶成長させるための種として用いるため、結晶成長する厚さとすればよく、代表的には一原子層以上１０ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以上５ｎｍ以下でよい。第２の酸化物半導体膜１０３ｂの厚さを薄くすることで成膜処理及び加熱処理におけるスループットを高めることができる。
第１の酸化物半導体膜１０３ａ及び第２の酸化物半導体膜１０３ｂはそれぞれ、スパッタリング法、塗布法、印刷法、パルスレーザー蒸着法等により形成することができる。スパッタリング法により第１の酸化物半導体膜１０３ａ及び第２の酸化物半導体膜１０３ｂを成膜する場合は、ＡＣスパッタ装置、ＤＣスパッタ装置、またはＲＦスパッタ装置のいずれか一のスパッタ装置を用いる。
なお、スパッタリング法により第２の酸化物半導体膜１０３ｂを酸窒化物半導体で形成する場合、第１の酸化物半導体膜１０３ａを形成した後、スパッタリング装置に導入するガスの種類を切り替えることで、即ち窒素を導入することで、酸窒化物半導体を形成できる。即ち、連続的に第１の酸化物半導体膜１０３ａ及び第２の酸化物半導体膜１０３ｂを形成することが可能であり、量産性に優れている。
次に、第１の加熱処理を行う。第１の加熱処理温度は、１５０度以上６５０度以下、好ましくは２００度以上５００度以下である。また、第１の加熱処理の加熱時間は１分以上２４時間以下とする。なお、第１の加熱処理の温度を徐々に上昇させた後、一定温度としてもよい。５００度以上からの温度上昇速度を０．５度／ｈ以上３度／ｈ以下とすることで、徐々に第２の酸化物半導体膜１０３ｂが結晶成長するため、より結晶性を高めることができる。
第１の加熱処理においては、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気、酸素雰囲気、窒素雰囲気、乾燥空気雰囲気、または、希ガス（代表的にはアルゴン）及び酸素の混合雰囲気、若しくは希ガス及び窒素の混合雰囲気とすることが好適である。具体的には、水素などの不純物が、数ｐｐｍ程度、または数ｐｐｂ程度にまで除去された高純度ガス雰囲気とすることが好適である。
第１の加熱処理に用いる加熱処理装置は特に限られず、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備えていてもよい。例えば、電気炉や、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。
第１の加熱処理により、第２の酸化物半導体膜１０３ｂの表面から第１の酸化物半導体膜１０３ａに向けて結晶成長が始まる。第２の酸化物半導体膜１０３ｂは結晶化されやすいため、第２の酸化物半導体膜１０３ｂ全てが結晶化し、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂとなる。また、第２の酸化物半導体膜１０３ｂの表面から第１の酸化物半導体膜１０３ａに向けて結晶成長するため、ｃ軸配向した結晶領域となる。即ち、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂは、ａ−ｂ面における上平面において六角形をなす結合をしている。また、六角形の結合を有する層が膜厚方向（ｃ軸方向）に積層して結合されており、ｃ軸配向している。
引続き第１の加熱処理を行うことで、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂを種として、第１の酸化物半導体膜１０３ａの結晶成長が、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂとの界面から酸化物絶縁膜１０２に向かって進む。第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂは、ｃ軸方向に配向しているため、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂを種とすることで、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂの結晶軸と概略同一となるように、第１の酸化物半導体膜１０３ａを結晶成長させることができる。即ち、第１の酸化物半導体膜１０３ａをｃ軸配向させながら結晶成長させることが可能である。即ち、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ａは、ａ−ｂ面における上平面において六角形をなす結合をしている。また、六角形の結合を有する層が膜厚方向（ｃ軸方向）に積層して結合されており、ｃ軸配向している。以上の工程により、ｃ軸配向した第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ａを形成することができる（図２（Ｂ）参照。）。
なお、第１の加熱処理により、第２の酸化物半導体膜１０３ｂの表面から垂直方向に結晶成長すると、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ａ及び第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂのｃ軸は表面の概略垂直方向となる。
また、当該第１の加熱処理により、第１の酸化物半導体膜１０３ａ及び第２の酸化物半導体膜１０３ｂに含まれる水素が放出する（即ち、脱水素化、脱水化される。）と共に、酸化物絶縁膜１０２に含まれる酸素の一部が、第１の酸化物半導体膜１０３ａ及び第２の酸化物半導体膜１０３ｂと、酸化物絶縁膜１０２における第１の酸化物半導体膜１０３ａの界面近傍とに拡散する。当該工程により、第１の酸化物半導体膜１０３ａ及び第２の酸化物半導体膜１０３ｂ中に含まれる酸素欠陥を低減することができると共に、酸化物絶縁膜１０２における第１の酸化物半導体膜１０３ａの近傍に酸素を拡散させることで、酸化物絶縁膜１０２及び第１の酸化物半導体膜１０３ａの界面における欠陥を低減することができる。この結果、水素濃度及び酸素欠陥が低減された第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ａ及び第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂを形成することができる。
なお、スパッタリング法により第１の酸化物半導体膜１０３ａ及び第２の酸化物半導体膜１０３ｂを成膜する時に、スパッタリング装置の処理室のリークレートを１×１０−１０Ｐａ・ｍ３／秒以下とすることで、スパッタリング法による成膜途中における第１の酸化物半導体膜１０３ａ及び第２の酸化物半導体膜１０３ｂ中への、アルカリ金属、水素等の不純物の混入を低減することができる。また、排気系として吸着型の真空ポンプ（例えばクライオポンプなど）を用いることで、排気系からアルカリ金属、水素等の不純物の逆流を低減することができる。
また、第１の酸化物半導体膜１０３ａ及び第２の酸化物半導体膜１０３ｂを成膜する時に、スパッタリング装置の処理室に導入するガス、例えば窒素ガスや、酸素ガスや、アルゴンガスなどを加熱した状態で導入して、成膜を行ってもよい。この結果、第１の酸化物半導体膜１０３ａ及び第２の酸化物半導体膜１０３ｂに含まれる水素含有量を低減することができる。
また、スパッタリング法により第１の酸化物半導体膜１０３ａ及び第２の酸化物半導体膜１０３ｂを成膜する前に、スパッタリング装置、ターゲットの表面または内部に含まれる水分または水素を除去するために、プレヒート処理を行ってもよい。この結果、第１の酸化物半導体膜１０３ａ及び第２の酸化物半導体膜１０３ｂに含まれる水素含有量を低減することができる。
以上の工程より、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ａ及び第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂを形成することができる。また、酸化物半導体中に水素が含まれていると、その一部がドナーとなり、キャリアである電子が生じてしまう。また、酸化物半導体中の酸素欠陥も同様に、ドナーとなり、キャリアである電子が生じてしまう。したがって、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ａ、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂ中の水素濃度や酸素欠陥を低減すると、酸化物半導体中のキャリア濃度を減少させることができ、後に作製されるトランジスタのしきい値電圧のマイナスシフトを低減することができる。
＜六方晶系の結晶構造＞
ここで、六方晶系の結晶構造について、以下に説明する。
はじめに、ｃ軸配向した第２の結晶構造を、図３を用いて説明する。ｃ軸配向した第２の結晶構造について、ｃ軸方向からみたａ−ｂ面における構造を図３（Ａ）に、ｃ軸方向を縦方向とする構造を図３（Ｂ）に示す。
第２の結晶構造を有する結晶としては、例えば酸化亜鉛、窒化インジウム、窒化ガリウム等がある。また、窒素を含む酸化物半導体、つまり酸窒化半導体もｃ軸配向した第２の結晶構造を有する膜となる場合がある。
具体的には、窒素を５×１０１９／ｃｍ３以上、好ましくは１×１０２０／ｃｍ３以上２０原子％未満含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜はｃ軸配向した第２の結晶構造を有する膜となり、Ｉｎ−Ｏの結晶面（インジウムと酸素を含む結晶面）とＩｎ−Ｏの結晶面（インジウムと酸素を含む結晶面）との間に、一層のＧａおよびＺｎを有する層を備える。
次に、ｃ軸配向した六方晶系の第１の結晶構造について説明する。
例えば、窒素を１×１０１７／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３未満含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜はｃ軸配向した六方晶系の第１の結晶構造を有する膜となる。ｃ軸配向した六方晶系の第１の結晶構造を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜は、ａ−ｂ面にＩｎ−Ｏの結晶面（インジウムと酸素を含む結晶面）を備え、Ｉｎ−Ｏの結晶面とＩｎ−Ｏの結晶面との間に、ＧａおよびＺｎを有する二つの層を備える。なお、ＧａおよびＺｎを有する二つの層において、ＧａおよびＺｎは一方の層または双方の層に有すればよく、その位置は限定されない。
第２の結晶構造および第１の結晶構造は、いずれも六方晶系であり、ａ−ｂ面において原子が六角形に位置する。そして、六方晶系の第１の結晶構造が第２の結晶構造に接し、六方晶系の第１の結晶構造が第２の結晶構造に整合する。
ｃ軸配向した第１の結晶構造の上に、格子定数を同じくするｃ軸配向した六方晶系の第２の結晶構造が整合する様子を図４に示す。ｃ軸配向した六方晶系の第２の結晶構造２０００を図４（Ａ）に示し、ｃ軸配向した第１の結晶構造２００１を図４（Ｂ）に示す。また、六方晶系の第２の結晶構造２０００が第１の結晶構造２００１に接して、六方晶系の第１の結晶構造２００１が第２の結晶構造２０００に整合する模式図を図４（Ｃ）に模式的に示す。
このように六方晶系の第１の結晶構造２００１が第２の結晶構造２０００に接し、六方晶系の第１の結晶構造２００１が第２の結晶構造２０００に整合することによって、結晶性が高く、結晶化が容易なｃ軸配向した第２の結晶構造２０００を含む層を種結晶層として形成し、次いで当該種結晶層に接して酸化物半導体膜を形成する構成とすることにより、種結晶層に含まれる第２の結晶構造２０００が該酸化物半導体膜の結晶化を容易にするという効果を奏する。
＜種結晶層＞
次に、種結晶層について説明する。種結晶層はｃ軸配向した第２の結晶構造を含む。特に、種結晶層は酸化物半導体膜に比べて結晶性が高く、結晶化し易い材料を用いる。
種結晶層に用いることができるｃ軸配向した第２の結晶構造について、以下に説明する。
ｃ軸配向した第２の結晶構造を備え、種結晶層に用いることができる化合物としては、例えば酸化亜鉛、窒化インジウム、窒化ガリウム等をその例に挙げることができる。また、窒素を５×１０１９／ｃｍ３以上、好ましくは１×１０２０／ｃｍ３以上７原子％未満含む酸化物半導体もｃ軸配向した第２の結晶構造を含む膜となる場合がある。
窒素を含む酸化物半導体を種結晶層に用いる場合、窒素濃度が５×１０１９／ｃｍ３以上、好ましくは１×１０２０／ｃｍ３以上７原子％未満となるように意図的に含ませる。窒素をこの範囲で意図的に含ませた酸化物半導体膜は、窒素を意図的に含ませていない酸化物半導体膜に比べてエネルギーギャップが小さく、キャリアを流しやすい。
なお、ｃ軸配向した第２の結晶構造のＨＡＡＤＦ（ｈｉｇｈ−ａｎｇｌｅ ａｎｎｕｌａｒ ｄａｒｋ ｆｉｅｌｄ）−ＳＴＥＭの実観察像には、輝点が互い違いに現れる回折像が観察される場合がある。
ｃ軸配向した第２の結晶構造に基づいて計算により得たＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭの実観察像を図５（Ａ）に示す。
また、窒素のみを含む成膜ガスを用いて成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭの実観察像を図５（Ｂ）に示す。
図５（Ａ）または図５（Ｂ）に示すＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭの実観察像は、いずれも２周期性の層構造を有するｃ軸配向した第２の結晶構造を有することが確認できる。
なお、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜は、スパッタリング法を用いて石英ガラス基板上に３００ｎｍの厚さで成膜した。ターゲットとしてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［ａｔｏｍ比］を用い、基板−ターゲット間の距離を６０ｍｍとし、ＤＣ電源を用いて０．５ｋｗの電力で、圧力０．４Ｐａにて成膜した。また、成膜中の基板温度を４００度とし、スパッタリングガスは窒素のみとし、成膜室に４０ｓｃｃｍの流量で流した。
＜酸化物半導体膜＞
次に、酸化物半導体膜について説明する。酸化物半導体膜は、非単結晶であり、酸化物半導体膜全体が非晶質状態（アモルファス状態）ではなく、少なくともｃ軸配向した六方晶系の第１の結晶構造を含み、種結晶層から異方性をもって成長した結晶を含む。酸化物半導体膜全体が非晶質状態（アモルファス状態）ではないため、電気特性が不安定な非晶質の形成が抑制される。
酸化物半導体膜に用いることができるｃ軸配向した異方性を有する第１の結晶構造について説明する。
六方晶系の第１の結晶構造としては、ＹｂＦｅ２Ｏ４型構造、Ｙｂ２Ｆｅ３Ｏ７型構造及びその変形型構造をその例に挙げることができる。例えば、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏは、六方晶系の第１の結晶構造を備え、酸化物半導体膜に用いることができる。なお、酸化物半導体膜に用いることができるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜は、窒素を１×１０１７／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下含んでいても良い。
三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏには、ＹｂＦｅ２Ｏ４型構造であるＩｎＧａＺｎＯ４や、Ｙｂ２Ｆｅ３Ｏ７型構造であるＩｎ２Ｇａ２ＺｎＯ７等があり、その変形型構造をとりうることが、Ｍ． Ｎａｋａｍｕｒａ， Ｎ． Ｋｉｍｉｚｕｋａ， ａｎｄ Ｔ． Ｍｏｈｒｉ、「Ｔｈｅ Ｐｈａｓｅ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｉｎ２Ｏ３−Ｇａ２ＺｎＯ４−ＺｎＯ Ｓｙｓｔｅｍ ａｔ １３５０度」、Ｊ． Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｈｅｍ．、１９９１、Ｖｏｌ．９３， ｐ．２９８−３１５に記載されている。
また、酸化物半導体膜には四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜や、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ膜や、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ膜などを用いることができる。また、上記酸化物半導体膜は珪素を含んでもよい。ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜とは、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）を含む酸化物膜である。
酸化物半導体膜は、種結晶層から異方性をもって結晶が成長している。これにより、ヘテロ構造を有する半導体膜が結晶性の高い領域を絶縁性の表面に接する構成とすることができ、未結合手に起因する界面準位が少なくなり、良好な界面状態を備えたヘテロ構造を有する半導体膜を提供できる。
なお、ｃ軸配向した六方晶系の第１の結晶構造のＨＡＡＤＦ（ｈｉｇｈ−ａｎｇｌｅ ａｎｎｕｌａｒ ｄａｒｋ ｆｉｅｌｄ）−ＳＴＥＭの実観察像には、３つに一つの明暗を伴う回折像が観察される場合がある。
ｃ軸配向した六方晶系の第１の結晶構造に基づいて計算により得たＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭの実観察像を図６（Ａ）に示す。
また、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭの実観察像を図６（Ｂ）に示す。
図６（Ａ）または図６（Ｂ）に示すＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭの実観察像は、いずれも３つに一つの明暗を伴っており、９周期性の層構造を有するｃ軸配向した六方晶系の第１の結晶構造を有することが確認できる。
なお、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜は、スパッタリング法を用いて石英ガラス基板上に３００ｎｍの厚さで成膜した。ターゲットとしてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［ａｔｏｍ比］を用い、基板−ターゲット間の距離を６０ｍｍとし、ＤＣ電源を用いて０．５ｋｗの電力で、圧力０．４Ｐａにて成膜した。また、成膜中の基板温度を４００度とし、スパッタリングガスは酸素のみとし、成膜室に４０ｓｃｃｍの流量で流した。
次に、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂ上にマスクを形成した後、当該マスクを用いて第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ａ、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂを選択的にエッチングして、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ａ、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ｂを形成する。なお、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ａ、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ｂをまとめて、酸化物半導体積層体１０５と示す。この後、マスクを除去する。
第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ａ、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂをエッチングするためのマスクは、フォトリソグラフィ工程、インクジェット法、印刷法等を適宜用いることができる。また、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ａ、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂのエッチングは、ウエットエッチングまたはドライエッチングを適宜用いることができる。
次に、酸化物半導体積層体１０５に接する一対の電極１０６を形成する。次に、酸化物絶縁膜１０２、酸化物半導体積層体１０５、及び一対の電極１０６上にゲート絶縁膜１０７を形成する。次に、ゲート絶縁膜１０７上にゲート電極１０８を形成する。また、ゲート絶縁膜１０７及びゲート電極１０８上に絶縁膜１０９を形成してもよい（図２（Ｃ）参照。）。
一対の電極１０６は、ソース電極及びドレイン電極として機能する。
一対の電極１０６は、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金などを用いて形成することができる。また、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウムのいずれか一または複数から選択された金属元素を用いてもよい。また、一対の電極１０６は、単層構造でも、二層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜上にタングステン膜を積層する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造などがある。また、アルミニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素の膜、または複数組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。なお、一対の電極１０６の材料の一つとして銅を用いる場合には、酸化物半導体積層体１０５と接して銅マグネシウムアルミニウム合金層を設け、その銅マグネシウムアルミニウム合金層に接して銅層を設けた積層を用いればよい。
また、一対の電極１０６は、インジウム錫酸化物、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適用することもできる。また、上記透光性を有する導電性材料と、上記金属元素の積層構造とすることもできる。
一対の電極１０６は、印刷法またはインクジェット法により形成する。若しくは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法等で導電膜を形成した後、該導電膜上にマスクを形成して導電膜をエッチングして形成する。導電膜上に形成するマスクは印刷法、インクジェット法、フォトリソグラフィ法を適宜用いることができる。
なお、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂ上に導電膜を形成した後、多階調フォトマスクによって、凹凸状のマスクを形成し、当該マスクを用いて、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ａ、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂ、並びに導電膜をエッチングした後、アッシングにより凹凸状のマスクを分離し、当該分離されたマスクにより導電膜を選択的にエッチングすることで、酸化物半導体積層体１０５及び一対の電極１０６を形成することができる。当該工程により、フォトマスク数及びフォトリソグラフィ工程数を削減することができる。
ゲート絶縁膜１０７は、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、または酸化ガリウム膜を単層でまたは積層して形成することができる。なお、ゲート絶縁膜１０７は、酸化物半導体積層体１０５と接する部分が酸素を含むことが好ましく、特に好ましくは酸化物絶縁膜１０２と同様に加熱により酸素を放出する酸化物絶縁膜により形成する。酸化シリコン膜を用いることで、酸化物半導体積層体１０５に酸素を拡散させることができ、特性を良好にすることができる。
また、ゲート絶縁膜１０７として、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯｘ）膜、窒素が添加されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙＮｚ）膜、窒素が添加されたハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙＮｚ）膜、酸化ハフニウム膜、酸化イットリウム膜などのｈｉｇｈ−ｋ材料膜を用いることでゲートリークを低減できる。さらには、ｈｉｇｈ−ｋ材料膜と、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、及び酸化ガリウム膜のいずれか一以上との積層構造とすることができる。ゲート絶縁膜１０７の厚さは、１ｎｍ以上３００ｎｍ以下、より好ましくは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下とするとよい。
ゲート絶縁膜１０７は、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成する。
なお、ゲート絶縁膜１０７を形成する前に、酸化物半導体積層体１０５の表面を、酸素、オゾン、一酸化二窒素等の酸化性ガスのプラズマに曝し、酸化物半導体積層体１０５の表面を酸化して酸素欠陥を低減してもよい。
ゲート電極１０８は、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた金属元素、上述した金属元素を成分とする合金、上述した金属元素を組み合わせた合金などを用いて形成することができる。また、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウムのいずれか一または複数から選択された金属元素を用いてもよい。また、ゲート電極１０８は、単層構造でも、二層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜上にタングステン膜を積層する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造などがある。また、アルミニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素の膜、または複数組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
また、ゲート電極１０８は、インジウム錫酸化物、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適用することもできる。また、上記透光性を有する導電性材料と、上記金属元素の積層構造とすることもできる。
また、ゲート電極１０８とゲート絶縁膜との間に、ゲート絶縁膜に接する材料層として、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｓｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＳｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｏ膜や、金属窒化膜（ＩｎＮ、ＺｎＮなど）を設けることが好ましい。これらの膜は５ｅＶ、好ましくは５．５ｅＶ以上の仕事関数を有し、トランジスタの電気特性のしきい値電圧をプラスにすることができ、所謂ノーマリーオフのスイッチング素子を実現できる。例えば、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を用いる場合、少なくとも酸化物半導体積層体１０５より高い窒素濃度、具体的には７原子％以上のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を用いる。
ゲート電極１０８は、印刷法またはインクジェット法により形成する。若しくは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法等で導電膜を形成した後、該導電膜上にマスクを形成して導電膜をエッチングして形成する。導電膜上に形成するマスクは印刷法、インクジェット法、フォトリソグラフィ法を適宜用いることができる。
絶縁膜１０９は、ゲート絶縁膜１０７に列挙した絶縁膜を適宜用いて形成することができる。また、絶縁膜１０９としてスパッタリング法で得られる窒化シリコン膜を形成すると、外部からの水分やアルカリ金属の浸入を防止することが可能であり、酸化物半導体積層体１０５の不純物の含有量を低減することができる。
なお、ゲート絶縁膜１０７または絶縁膜１０９の形成の後、水素及び水分をほとんど含まない雰囲気下（窒素雰囲気、酸素雰囲気、乾燥空気雰囲気（例えば、水分については露点−４０度以下、好ましくは露点−６０度以下）など）で加熱処理（温度範囲１５０度以上６５０度以下、好ましくは２００度以上５００度以下）を行ってもよい。
以上の工程により、ａ−ｂ面において六角形の結合を有し、ｃ軸配向している三方晶及び／又は六方晶構造の結晶を有する酸化物半導体積層体をチャネルに有するトランジスタを作製することができる。
本実施の形態に示す酸化物半導体積層体はゲート絶縁膜との界面近傍の領域において、結晶性が高く、均一性も高いため、電気的特性が安定であり、信頼性の高いトランジスタを得ることができる。また、ａ−ｂ面において六角形の結合を有し、ｃ軸配向している三方晶及び／又は六方晶構造の結晶を有する酸化物半導体積層体をトランジスタのチャネル領域に用いることで、トランジスタへの光照射前後、またはバイアス−熱ストレス（ＢＴ）試験前後においても、トランジスタのしきい値電圧の変化量が少なく、安定した電気的特性を有するトランジスタを作製することができる。
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１と異なるトランジスタの構造及び作製方法について、図７及び図８を用いて説明する。本実施の形態では、酸化物絶縁膜及び酸化物半導体積層体の間に一対の電極が設けられる点が、実施の形態１と異なる。なお、上面図である図７（Ａ）の一点破線Ｃ−Ｄの断面図は図７（Ｂ）に相当する。図７（Ａ）において、基板１０１、酸化物絶縁膜１０２、ゲート絶縁膜１１７、及び絶縁膜１１９は省略している。図８は、図７（Ｂ）に示すトランジスタの作製工程を説明する断面図である。
図７（Ｂ）に示すトランジスタは、基板１０１上に形成された酸化物絶縁膜１０２と、酸化物絶縁膜１０２上に形成されたソース電極及びドレイン電極として機能する一対の電極１１６と、酸化物絶縁膜１０２と、ソース電極及びドレイン電極として機能する一対の電極１１６とを覆う酸化物半導体積層体１１５と、酸化物絶縁膜１０２、一対の電極１１６、及び酸化物半導体積層体１１５上に形成されたゲート絶縁膜１１７と、ゲート絶縁膜１１７を介して酸化物半導体積層体１１５と重畳するゲート電極１１８とを有する。また、ゲート絶縁膜１１７及びゲート電極１１８を覆う絶縁膜１１９を有してもよい。更には、絶縁膜１１９の開口部において、一対の電極１１６と接する一対の配線１２０を有してもよい。
酸化物半導体積層体１１５は、酸化物絶縁膜１０２及び一対の電極１１６に接する第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ａと、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ａに接する第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ｂと、が積層されていることを特徴とする。
また、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ｂを種結晶として、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ａが結晶成長していることを特徴とする。
実施の形態１と同様に、第２の結晶構造及び第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜は、ともに三方晶及び／又は六方晶であるので、ｃ軸方向からは六角形の格子像を確認できる。
なお、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ａ、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ｂはそれぞれ、非単結晶であり、且つ酸化物半導体膜全体が非晶質状態（アモルファス状態）ではなく、ｃ軸配向の結晶を有する。
次に、図７（Ｂ）に示すトランジスタの作製方法について、図８を用いて説明する。
図８（Ａ）に示すように、実施の形態１と同様に、基板１０１上に酸化物絶縁膜１０２を形成する。次に、酸化物絶縁膜１０２上に一対の電極１１６を形成する。次に、一対の電極１１６及び酸化物絶縁膜１０２上に、第１の酸化物半導体膜１１３ａ及び第２の酸化物半導体膜１１３ｂを形成する。
一対の電極１１６は、実施の形態１に示す一対の電極１０６と同様の材料及び作製方法を適宜用いて形成することができる。
第１の酸化物半導体膜１１３ａ及び第２の酸化物半導体膜１１３ｂは、実施の形態１に示す第１の酸化物半導体膜１０３ａ及び第２の酸化物半導体膜１０３ｂと同様の材料及び作製方法を適宜用いて形成することができる。
次に、実施の形態１と同様に、第１の加熱処理を行う。第１の加熱処理により、第２の酸化物半導体膜１１３ｂの表面から第１の酸化物半導体膜１１３ａに向けて結晶成長が始まり、第２の酸化物半導体膜１１３ｂは第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１４ｂとなる。また、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１４ｂは、ｃ軸配向した結晶を有する。
引続き第１の加熱処理を行うことで、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１４ｂを種として、第１の酸化物半導体膜１１３ａの結晶成長が、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１４ｂとの界面から酸化物絶縁膜１０２に向かって進み、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１４ａが形成される。また、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１４ａはｃ軸配向した結晶を有する。（図８（Ｂ）参照。）。
以上の工程より、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１４ａ、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１４ｂを形成することができる。
次に、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１４ｂ上にマスクを形成した後、当該マスクを用いて第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１４ａ、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１４ｂを選択的にエッチングして、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ａ、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ｂを形成する。なお、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ａ、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ｂをまとめて、酸化物半導体積層体１１５と示す。この後、マスクを除去する。
次に、酸化物絶縁膜１０２、一対の電極１１６、及び酸化物半導体積層体１１５上にゲート絶縁膜１１７を形成する。次に、ゲート絶縁膜１１７上にゲート電極１１８を形成する。
この後、ゲート絶縁膜１１７及びゲート電極１１８上に絶縁膜１１９を形成する。次に、絶縁膜１１９上にマスクを形成した後、ゲート絶縁膜１１７及び絶縁膜１１９の一部をエッチングして、開口部を形成する。次に、開口部を介して、一対の電極１１６に接続する配線１２０を形成してもよい（図８（Ｃ）参照。）。
ゲート絶縁膜１１７は、実施の形態１に示すゲート絶縁膜１０７と同様の材料及び作製方法を適宜用いて形成することができる。
ゲート電極１１８は、実施の形態１に示すゲート電極１０８と同様の材料及び作製方法を適宜用いて形成することができる。
絶縁膜１１９は、実施の形態１に示す絶縁膜１０９と同様の材料及び作製方法を適宜用いて形成することができる。
配線１２０は、一対の電極１１６と同様の材料及び作製方法を適宜用いて形成することができる。
以上の工程により、ａ−ｂ面において六角形の結合を有し、ｃ軸配向している三方晶及び／又は六方晶構造の結晶を有する酸化物半導体積層体をチャネル領域に有するトランジスタを作製することができる。
本実施の形態に示す酸化物半導体積層体はゲート絶縁膜との界面近傍の領域において、結晶性が高く、均一性も高いため、電気的特性が安定であり、信頼性の高いトランジスタを得ることができる。また、ａ−ｂ面において六角形の結合を有し、ｃ軸配向している三方晶及び／又は六方晶構造の結晶を有する酸化物半導体積層体をトランジスタのチャネル領域に用いることで、トランジスタへの光照射、またはバイアス−熱ストレス（ＢＴ）試験前後においても、トランジスタのしきい値電圧の変化量が少なく、安定した電気的特性を有するトランジスタを作製することができる。
なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態３）
本実施の形態では、酸化物半導体膜をチャネルに用いたトランジスタ及びその作製方法について、図９及び図１０を用いて説明する。図９（Ｂ）は、半導体装置の構成の一形態であるトランジスタの構造を説明する断面図であり、上面図である図９（Ａ）の一点破線Ａ−Ｂの断面図に相当する。なお、図９（Ａ）において、基板１０１、酸化物絶縁膜１０２、ゲート絶縁膜１０７、及び絶縁膜１０９は省略している。図１０は、図９（Ｂ）に示すトランジスタの作製工程を説明する断面図である。
図９（Ｂ）に示すトランジスタは、基板１０１上に形成された酸化物絶縁膜１０２と、酸化物絶縁膜１０２上に形成された酸化物半導体積層体１０５と、酸化物半導体積層体１０５上に形成されたソース電極及びドレイン電極として機能する一対の電極１０６と、酸化物絶縁膜１０２、酸化物半導体積層体１０５、及び一対の電極１０６上に形成されたゲート絶縁膜１０７と、ゲート絶縁膜１０７を介して酸化物半導体積層体１０５と重畳するゲート電極１０８とを有する。また、ゲート絶縁膜１０７及びゲート電極１０８を覆う絶縁膜１０９を有してもよい。
酸化物半導体積層体１０５は、酸化物絶縁膜１０２に接する第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ａと、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ａに接する第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ｂと、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ｂ及びゲート絶縁膜１０７に接する第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ｃとが積層されていることを特徴とする。
即ち、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ｂの上下に第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ａ、第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ｃを有する。
また、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ｂを種結晶として、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ａ及び第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ｃがそれぞれ結晶成長していることを特徴とする。
第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ａ、第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ｃの結晶構造は、三方晶及び／又は六方晶であり、ＹｂＦｅ２Ｏ４型構造、Ｙｂ２Ｆｅ３Ｏ７型構造及び非ウルツ鉱型構造のいずれか一である。なお、非ウルツ鉱型構造とは、三方晶及び／又は六方晶のウルツ鉱型でない結晶構造である。
また、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ｂの結晶構造は、三方晶及び／又は六方晶の一であるウルツ鉱型構造を有する。
即ち、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜乃至第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜は、ともに三方晶及び／又は六方晶であるので、ｃ軸方向からは六角形の格子像を確認できる。
なお、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ａ、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ｂ、第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ｃはそれぞれ、非単結晶であり、且つ酸化物半導体膜全体が非晶質状態（アモルファス状態）ではなく、ｃ軸配向の結晶領域を有する。即ち、非晶質領域及びｃ軸配向の結晶領域を有する。
次に、図９（Ｂ）に示すトランジスタの作製方法について、図１０を用いて説明する。
図１０（Ａ）に示すように、実施の形態１と同様に、基板１０１上に酸化物絶縁膜１０２を形成した後、酸化物絶縁膜１０２上に第１の酸化物半導体膜１０３ａを形成し、第１の酸化物半導体膜１０３ａ上に第２の酸化物半導体膜１０３ｂを形成する。
酸化物絶縁膜１０２は、加熱により酸素の一部が放出する酸化物絶縁膜を用いて形成する。加熱により酸素の一部が放出する酸化物絶縁膜としては、化学量論比を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を用いることが好ましい。加熱により酸素の一部が放出する酸化物絶縁膜は、加熱により第１の酸化物半導体膜１０３ａ及び第２の酸化物半導体膜１０３ｂに酸素を拡散させることができる。酸化物絶縁膜１０２は、代表的には、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化イットリウム等で形成することができる。
酸化物絶縁膜１０２は、５０ｎｍ以上、好ましくは２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下とする。酸化物絶縁膜１０２を厚くすることで、酸化物絶縁膜１０２の酸素放出量を増加させることができると共に、酸化物絶縁膜１０２及び後に形成される酸化物半導体膜との界面における欠陥を低減することが可能である。
酸化物絶縁膜１０２は、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成する。なお、加熱により酸素の一部が放出する酸化物絶縁膜は、スパッタリング法を用いることで形成しやすいため好ましい。
加熱により酸素の一部が放出する酸化物絶縁膜をスパッタリング法により形成する場合は、成膜ガス中の酸素量が高いことが好ましく、酸素、または酸素及び希ガスの混合ガス等を用いることができる。代表的には、成膜ガス中の酸素濃度を６％以上１００％以下にすることが好ましい。
第１の酸化物半導体膜１０３ａは、加熱により、三方晶及び／又は六方晶であり、且つ非ウルツ鉱型、ＹｂＦｅ２Ｏ４型構造、Ｙｂ２Ｆｅ３Ｏ７型構造及びその変形型構造のいずれか一の結晶構造となりうる酸化物半導体膜を用いて形成する。
第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜の例として、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜は、三方晶及び／又は六方晶の非ウルツ鉱型の結晶を有する。また、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜には、ＹｂＦｅ２Ｏ４型構造であるＩｎＧａＺｎＯ４や、Ｙｂ２Ｆｅ３Ｏ７型構造であるＩｎ２Ｇａ２ＺｎＯ７等があり、その変形型構造をとりうる（Ｍ． Ｎａｋａｍｕｒａ， Ｎ． Ｋｉｍｉｚｕｋａ， ａｎｄ Ｔ． Ｍｏｈｒｉ、「Ｔｈｅ Ｐｈａｓｅ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｉｎ２Ｏ３−Ｇａ２ＺｎＯ４−ＺｎＯ Ｓｙｓｔｅｍ ａｔ １３５０度」、Ｊ． Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｈｅｍ．、１９９１、Ｖｏｌ．９３， ｐ．２９８−３１５）。
第１の酸化物半導体膜１０３ａとしては、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜や、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ膜や、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ膜などを用いることができる。また、上記酸化物半導体にＳｉＯ２を含んでもよい。ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜とは、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）を有する酸化物膜である。なお、第１の酸化物半導体膜１０３ａとして、上記金属酸化物に１×１０１７／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３未満の窒素が含まれていてもよい。
なお、第１の酸化物半導体膜１０３ａに形成することが可能な金属酸化物は、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上、より好ましくは３ｅＶ以上である。このように、エネルギーギャップの広い酸化物半導体を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。
第２の酸化物半導体膜１０３ｂは、加熱により、ウルツ鉱型の結晶構造となりうる酸化物半導体膜を用いて形成する。ウルツ鉱型の結晶構造となりうる酸化物半導体膜は、三方晶及び／又は六方晶の結晶構造となりうる酸化物半導体膜と比較して、加熱処理により結晶化しやすく、また結晶性が高い。
第２の酸化物半導体膜１０３ｂとしては、酸化亜鉛、酸窒化物半導体等を用いることができる。酸窒化物半導体は、第１の酸化物半導体膜１０３ａに列挙した金属酸化物に、５×１０１９／ｃｍ３以上、好ましくは１×１０２０／ｃｍ３以上７原子％未満の窒素を添加して形成することができる。
第２の酸化物半導体膜１０３ｂは、第１の酸化物半導体膜１０３ａ、及びのちに形成する第３の酸化物半導体膜１０３ｃを結晶成長させるための種として用いるため、結晶成長する厚さとすればよく、代表的には一原子層以上１０ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以上５ｎｍ以下でよい。第２の酸化物半導体膜１０３ｂの厚さを薄くすることで成膜処理及び加熱処理におけるスループットを高めることができる。
第１の酸化物半導体膜１０３ａ及び第２の酸化物半導体膜１０３ｂはそれぞれ、スパッタリング法、塗布法、印刷法、パルスレーザー蒸着法等により形成することができる。スパッタリング法により第１の酸化物半導体膜１０３ａ及び第２の酸化物半導体膜１０３ｂを成膜する場合は、ＡＣスパッタ装置、ＤＣスパッタ装置、またはＲＦスパッタ装置のいずれか一のスパッタ装置を用いる。
なお、スパッタリング法により第２の酸化物半導体膜１０３ｂを酸窒化物半導体で形成する場合、第１の酸化物半導体膜１０３ａを形成した後、スパッタリング装置に導入するガスの種類を切り替えることで、即ち窒素を導入することで、酸窒化物半導体を形成できる。即ち、連続的に第１の酸化物半導体膜１０３ａ及び第２の酸化物半導体膜１０３ｂを形成することが可能であり、量産性に優れている。
次に、実施の形態１と同様に、第１の加熱処理を行う。
第１の加熱処理により、第２の酸化物半導体膜１０３ｂの表面から第１の酸化物半導体膜１０３ａに向けて結晶成長が始まる。第２の酸化物半導体膜１０３ｂは結晶化されやすいため、第２の酸化物半導体膜１０３ｂ全てが結晶化し、ウルツ鉱型の結晶構造を有する第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂとなる。また、第２の酸化物半導体膜１０３ｂの表面から第１の酸化物半導体膜１０３ａに向けて結晶成長するため、ｃ軸配向した結晶領域となる。即ち、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂは、ａ−ｂ面における平面において六角形をなす結合をしている。また、六角形の結合を有する層が膜厚方向（ｃ軸方向）に積層して結合されており、ｃ軸配向している。
第１の加熱処理を継続することで、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂを種として、第１の酸化物半導体膜１０３ａの結晶成長が、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂとの界面から酸化物絶縁膜１０２に向かって進む。第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂは、ｃ軸配向しているため、当該第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂを種とすることで、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂの結晶軸と略同一となるように、第１の酸化物半導体膜１０３ａを結晶成長させることができる。即ち、第１の酸化物半導体膜１０３ａをｃ軸配向させながら結晶成長させることが可能である。即ち、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ａは、ａ−ｂ面における平面において六角形をなす結合をしている。また、六角形の結合を有する層が膜厚方向（ｃ軸方向）に積層して結合されており、ｃ軸配向している。以上の工程により、ｃ軸配向した第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ａを形成することができる（図１０（Ｂ）参照。）。
なお、第１の加熱処理により、第２の酸化物半導体膜１０３ｂの表面から垂直方向に結晶成長すると、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ａ及び第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂのｃ軸は表面の略垂直方向となる。
また、当該第１の加熱処理により、第１の酸化物半導体膜１０３ａ及び第２の酸化物半導体膜１０３ｂに含まれる水素が放出する（即ち、脱水素化、脱水化される。）と共に、酸化物絶縁膜１０２に含まれる酸素の一部が、第１の酸化物半導体膜１０３ａ及び第２の酸化物半導体膜１０３ｂと、酸化物絶縁膜１０２における第１の酸化物半導体膜１０３ａの界面近傍とに拡散する。当該工程により、第１の酸化物半導体膜１０３ａ及び第２の酸化物半導体膜１０３ｂ中に含まれる酸素欠陥を低減することができると共に、酸化物絶縁膜１０２における第１の酸化物半導体膜１０３ａの近傍に酸素を拡散させることで、酸化物絶縁膜１０２及び第１の酸化物半導体膜１０３ａの界面における欠陥を低減することができる。この結果、水素濃度及び酸素欠陥が低減された第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ａ及び第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂを形成することができる。
次に、図１０（Ｃ）に示すように、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂ上に第３の酸化物半導体膜１０３ｃを形成する。第３の酸化物半導体膜１０３ｃは、第１の酸化物半導体膜１０３ａと同様の材料及び作製方法を用いて形成することができる。第３の酸化物半導体膜１０３ｃの厚さは作製するデバイスによって最適な膜厚を実施者が決定すればよい。例えば、第１の酸化物半導体膜１０３ａ、第２の酸化物半導体膜１０３ｂ、及び第３の酸化物半導体膜１０３ｃの合計の厚さは１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とする。
なお、スパッタリング法により第１の酸化物半導体膜１０３ａ乃至第３の酸化物半導体膜１０３ｃのいずれか一以上を成膜する時に、スパッタリング装置の処理室のリークレートを１×１０−１０Ｐａ・ｍ３／秒以下とすることで、スパッタリング法による成膜途中における第１の酸化物半導体膜１０３ａ乃至第３の酸化物半導体膜１０３ｃ中への、アルカリ金属、水素等の不純物の混入を低減することができる。また、排気系として吸着型の真空ポンプ（例えばクライオポンプなど）を用いることで、排気系からアルカリ金属、水素等の不純物の逆流を低減することができる。
また、第１の酸化物半導体膜１０３ａ乃至第３の酸化物半導体膜１０３ｃのいずれか一以上を成膜する時に、スパッタリング装置の処理室に導入するガス、例えば窒素ガスや、酸素ガスや、アルゴンガスなどを加熱した状態で導入して、成膜を行ってもよい。この結果、第１の酸化物半導体膜１０３ａ乃至第３の酸化物半導体膜１０３ｃのいずれか一以上に含まれる水素含有量を低減することができる。
また、スパッタリング法により第１の酸化物半導体膜１０３ａ乃至第３の酸化物半導体膜１０３ｃのいずれか一以上を成膜する前に、スパッタリング装置、ターゲットの表面または内部に含まれる水分または水素を除去するために、プレヒート処理を行ってもよい。この結果、第１の酸化物半導体膜１０３ａ乃至第３の酸化物半導体膜１０３ｃのいずれか一以上に含まれる水素含有量を低減することができる。
次に、第２の加熱処理を行う。第２の加熱処理の温度は、１５０度以上６５０度以下、好ましくは２００度以上５００度以下とする。また、第２の加熱処理の加熱時間は１分以上２４時間以下とする。
第２の加熱処理において、雰囲気は第１の加熱処理と同様の雰囲気とすることができる。また、加熱装置は第１の加熱処理と同様のものを適宜用いることができる。
第２の加熱処理を行うことで、ウルツ鉱型の結晶構造を有する第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂから第３の酸化物半導体膜１０３ｃへ向けて結晶成長が始まる。第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂは、ｃ軸配向しているため、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂを種とすることで、第３の酸化物半導体膜１０３ｃは、第１の酸化物半導体膜１０３ａと同様に、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂの結晶軸と略同一となるように、第３の酸化物半導体膜１０３ｃを結晶成長させることができる。即ち、第３の酸化物半導体膜１０３ｃをｃ軸配向させながら結晶成長させることが可能である。即ち、第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｃは、ａ−ｂ面における平面において六角形をなす結合をしている。また、六角形の結合を有する層が膜厚方向（ｃ軸方向）に積層して結合されており、ｃ軸配向している。以上の工程により、ｃ軸配向した第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｃを形成することができる。また、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂを種として結晶成長するため、第３の酸化物半導体膜１０３ｃの結晶成長が促進され、第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｃの表面は、結晶性が高いと共に、均一性も高い（図１０（Ｄ）参照。）。
なお、第２の加熱処理により、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂの表面から垂直方向に結晶成長すると、第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｃのｃ軸は第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂの表面の略垂直方向となる。
また、当該第２の加熱処理により、第１の加熱処理と同様に、第３の酸化物半導体膜１０３ｃに含まれる水素が放出する（即ち、脱水素化、脱水化される。）。この結果、水素濃度が低減された第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｃを形成することができる。
以上の工程より、三方晶及び／又は六方晶構造である、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ａ、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂ、及び第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｃを形成することができる。第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ａ、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂ、及び第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｃに含まれる水素濃度及び酸素欠陥を低減することができる。酸化物半導体中に水素が含まれていると、その一部がドナーとなり、キャリアである電子が生じてしまう。また、酸化物半導体中の酸素欠陥も同様に、ドナーとなり、キャリアである電子が生じてしまう。したがって、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ａ、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂ、及び第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｃ中の水素濃度や酸素欠陥を低減すると、酸化物半導体中のキャリア濃度を減少させることができ、後に作製されるトランジスタのしきい値電圧のマイナスシフトを低減することができる。これらのため、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ａ、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂ、及び第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｃ中の水素濃度及び酸素欠陥量を低減することで、後に作製されるトランジスタのしきい値電圧のマイナスシフトを低減することができる。
次に、実施の形態１と同様に、第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｃ上にマスクを形成した後、当該マスクを用いて第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ａ、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂ、及び第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｃを選択的にエッチングして、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ａ、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ｂ、及び第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ｃを形成する。なお、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ａ、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ｂ、及び第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ｃをまとめて、酸化物半導体積層体１０５と示す。この後、マスクを除去する。
次に、酸化物半導体積層体１０５に接する一対の電極１０６を形成する。次に、酸化物絶縁膜１０２、酸化物半導体積層体１０５、及び一対の電極１０６上にゲート絶縁膜１０７を形成する。次に、ゲート絶縁膜１０７上にゲート電極１０８を形成する。また、ゲート絶縁膜１０７及びゲート電極１０８上に絶縁膜１０９を形成してもよい（図１０（Ｅ）参照。）。
一対の電極１０６は、実施の形態１に示す一対の電極１０６と同様の材料及び作製方法を適宜用いて形成することができる。
なお、第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｃ上に導電膜を形成した後、多階調フォトマスクによって、凹凸状のマスクを形成し、当該マスクを用いて、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ａ、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｂ、及び第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０４ｃ、並びに導電膜をエッチングした後、アッシングにより凹凸状のマスクを分離し、当該分離されたマスクにより導電膜を選択的にエッチングすることで、酸化物半導体積層体１０５及び一対の電極１０６を形成することができる。当該工程により、フォトマスク数及びフォトリソグラフィ工程数を削減することができる。
ゲート絶縁膜１０７は、実施の形態１に示すゲート絶縁膜１０７と同様の材料及び作製方法を適宜用いて形成することができる。
なお、ゲート絶縁膜１０７を形成する前に、酸化物半導体積層体１０５の表面を、酸素、オゾン、一酸化二窒素等の酸化性ガスのプラズマに曝し、酸化物半導体積層体１０５の表面を酸化して酸素欠陥を低減してもよい。
ゲート電極１０８は、実施の形態１に示すゲート電極１０８と同様の材料及び作製方法を適宜用いて形成することができる。
なお、ゲート絶縁膜１０７または絶縁膜１０９の形成の後、水素及び水分をほとんど含まない雰囲気下（窒素雰囲気、酸素雰囲気、乾燥空気雰囲気（例えば、水分については露点−４０度以下、好ましくは露点−６０度以下）など）で加熱処理（温度範囲１５０度以上６５０度以下、好ましくは２００度以上５００度以下）を行ってもよい。
以上の工程により、ａ−ｂ面において六角形の結合を有し、ｃ軸配向している三方晶及び／又は六方晶構造の結晶領域を有する酸化物半導体積層体をチャネルに有するトランジスタを作製することができる。
本実施の形態に示す酸化物半導体積層体はゲート絶縁膜との界面近傍の領域において、結晶性が高く、均一性も高いため、電気的特性が安定であり、信頼性の高いトランジスタを得ることができる。また、ａ−ｂ面において六角形の結合を有し、ｃ軸配向している三方晶及び／又は六方晶構造の結晶領域を有する酸化物半導体積層体をトランジスタのチャネル領域に用いることで、トランジスタへの光照射前後、またはバイアス−熱ストレス（ＢＴ）試験前後においても、トランジスタのしきい値電圧の変化量が少なく、安定した電気的特性を有するトランジスタを作製することができる。
なお、酸窒化物半導体は、酸化物半導体と比べてエネルギーギャップが小さく、キャリアを流しやすい。従って、トランジスタにおいて、第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ｃの膜厚を薄くすることで、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ｂがチャネルとなる埋め込みチャネル型トランジスタとなる。この結果、ゲート絶縁膜１０７及び第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜１０５ｃの界面の影響を受けず、良好な電気特性を有するトランジスタを作製することができる。
（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態３と異なるトランジスタの構造及び作製方法について、図１１及び図１２を用いて説明する。本実施の形態では、酸化物絶縁膜及び酸化物半導体積層体の間に一対の電極が設けられる点が、実施の形態３と異なる。なお、上面図である図１１（Ａ）の一点破線Ｃ−Ｄの断面図は図１１（Ｂ）に相当する。図１１（Ａ）において、基板１０１、酸化物絶縁膜１０２、ゲート絶縁膜１１７、及び絶縁膜１１９は省略している。図１２は、図１１（Ｂ）に示すトランジスタの作製工程を説明する断面図である。
図１１（Ｂ）に示すトランジスタは、基板１０１上に形成された酸化物絶縁膜１０２と、酸化物絶縁膜１０２上に形成されたソース電極及びドレイン電極として機能する一対の電極１１６と、酸化物絶縁膜１０２と、ソース電極及びドレイン電極として機能する一対の電極１１６とを覆う酸化物半導体積層体１１５と、酸化物絶縁膜１０２、一対の電極１１６、及び酸化物半導体積層体１１５上に形成されたゲート絶縁膜１１７と、ゲート絶縁膜１１７を介して酸化物半導体積層体１１５と重畳するゲート電極１１８とを有する。また、ゲート絶縁膜１１７及びゲート電極１１８を覆う絶縁膜１１９を有してもよい。更には、絶縁膜１１９の開口部において、一対の電極１１６と接する一対の配線１２０を有してもよい。
酸化物半導体積層体１１５は、酸化物絶縁膜１０２及び一対の電極１１６に接する第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ａと、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ａに接する第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ｂと、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ｂ及びゲート絶縁膜１１７に接する第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ｃとが積層されていることを特徴とする。
即ち、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ｂの上下に第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ａ、第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ｃを有する。
また、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ｂを種結晶として、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ａ及び第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ｃがそれぞれ結晶成長していることを特徴とする。
第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ａ、第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ｃの結晶構造は、三方晶及び／又は六方晶であり、且つ非ウルツ鉱型、ＹｂＦｅ２Ｏ４型構造、Ｙｂ２Ｆｅ３Ｏ７型構造及びその変形型構造のいずれか一である。なお、非ウルツ鉱型構造とは、三方晶及び／又は六方晶のウルツ鉱型でない結晶構造である。
また、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ｂの結晶構造は、三方晶及び／又は六方晶の一であるウルツ鉱型構造である。
実施の形態３と同様に、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ａ乃至第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ｃはともに三方晶及び／又は六方晶であるので、ｃ軸方向からは六角形の格子像を確認できる。
なお、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ａ、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ｂ、第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ｃはそれぞれ、非単結晶であり、且つ酸化物半導体膜全体が非晶質状態（アモルファス状態）ではなく、ｃ軸配向の結晶領域を有する。即ち、非晶質領域及びｃ軸配向の結晶領域を有する。
次に、図１１（Ｂ）に示すトランジスタの作製方法について、図１２を用いて説明する。
図１２（Ａ）に示すように、実施の形態１と同様に、基板１０１上に酸化物絶縁膜１０２を形成する。次に、酸化物絶縁膜１０２上に一対の電極１１６を形成する。次に、一対の電極１１６及び酸化物絶縁膜１０２上に、第１の酸化物半導体膜１１３ａ及び第２の酸化物半導体膜１１３ｂを形成する。
一対の電極１１６は、実施の形態１に示す一対の電極１０６と同様の材料及び作製方法を適宜用いて形成することができる。
第１の酸化物半導体膜１１３ａ及び第２の酸化物半導体膜１１３ｂは、実施の形態１に示す第１の酸化物半導体膜１０３ａ及び第２の酸化物半導体膜１０３ｂと同様の材料及び作製方法を適宜用いて形成することができる。
次に、実施の形態１と同様に、第１の加熱処理を行う。第１の加熱処理により、第２の酸化物半導体膜１１３ｂの表面から第１の酸化物半導体膜１１３ａに向けて結晶成長が始まり、第２の酸化物半導体膜１１３ｂは、ウルツ鉱型の結晶構造を有する第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１４ｂとなる。また、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１４ｂは、ｃ軸配向した結晶を有する。
引続き第１の加熱処理を行うことで、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１４ｂを種として、第１の酸化物半導体膜１１３ａの結晶成長が、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１４ｂとの界面から酸化物絶縁膜１０２に向かって進み、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１４ａが形成される。また、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１４ａはｃ軸配向した結晶領域を有する。
次に、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１４ｂ上に第３の酸化物半導体膜１１３ｃを形成する（図１２（Ｂ）参照。）第３の酸化物半導体膜１１３ｃは、実施の形態３に示す第３の酸化物半導体膜１０３ｃと同様の材料及び作製方法を適宜用いて形成することができる。
次に、実施の形態３と同様に、第２の加熱処理を行う。第２の加熱処理を行うことで、ウルツ鉱型の結晶構造を有する第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１４ｂとの界面から第３の酸化物半導体膜１１３ｃへ向けて結晶成長が始まり、第３の酸化物半導体膜１１３ｃは、第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１４ｃとなる。また、第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１４ｃは、ｃ軸配向した結晶領域を有する。（図１２（Ｃ）参照。）。
以上の工程より、三方晶及び／又は六方晶構造である、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１４ａ、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１４ｂ、及び第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１４ｃを形成することができる。
次に、第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１４ｃ上にマスクを形成した後、当該マスクを用いて第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１４ａ、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１４ｂ、及び第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１４ｃを選択的にエッチングして、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ａ、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ｂ、及び第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ｃを形成する。なお、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ａ、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ｂ、及び第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜１１５ｃをまとめて、酸化物半導体積層体１１５と示す。この後、マスクを除去する。
次に、酸化物絶縁膜１０２、一対の電極１１６、及び酸化物半導体積層体１１５上にゲート絶縁膜１１７を形成する。次に、ゲート絶縁膜１１７上にゲート電極１１８を形成する。
この後、ゲート絶縁膜１１７及びゲート電極１１８上に絶縁膜１１９を形成する。次に、絶縁膜１１９上にマスクを形成した後、ゲート絶縁膜１１７及び絶縁膜１１９の一部をエッチングして、開口部を形成する。次に、開口部を介して、一対の電極１１６に接続する配線１２０を形成してもよい（図１２（Ｄ）参照。）。
ゲート絶縁膜１１７は、実施の形態１に示すゲート絶縁膜１０７と同様の材料及び作製方法を適宜用いて形成することができる。
ゲート電極１１８は、実施の形態１に示すゲート電極１０８と同様の材料及び作製方法を適宜用いて形成することができる。
絶縁膜１１９は、実施の形態１に示す絶縁膜１０９と同様の材料及び作製方法を適宜用いて形成することができる。
配線１２０は、一対の電極１１６と同様の材料及び作製方法を適宜用いて形成することができる。
以上の工程により、ａ−ｂ面において六角形の結合を有し、ｃ軸配向している三方晶及び／又は六方晶構造の結晶領域を有する酸化物半導体積層体をチャネル領域に有するトランジスタを作製することができる。
本実施の形態に示す酸化物半導体積層体はゲート絶縁膜との界面近傍の領域において、結晶性が高く、均一性も高いため、電気的特性が安定であり、信頼性の高いトランジスタを得ることができる。また、ａ−ｂ面において六角形の結合を有し、ｃ軸配向している三方晶及び／又は六方晶構造の結晶領域を有する酸化物半導体積層体をトランジスタのチャネル領域に用いることで、トランジスタへの光照射前後、またはバイアス−熱ストレス（ＢＴ）試験前後においても、トランジスタのしきい値電圧の変化量が少なく、安定した電気的特性を有するトランジスタを作製することができる。
なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態５）
本実施の形態では、実施の形態１乃至実施の形態４と異なるトランジスタの構造及び作製方法について、図１３及び図１４を用いて説明する。本実施の形態では、酸化物絶縁膜及びゲート絶縁膜の間にゲート電極が設けられる点が、実施の形態１乃至実施の形態４と異なる。即ち、実施の形態１乃至実施の形態４では、トップゲート型のトランジスタを用いて説明したが、本実施の形態はボトムゲート型のトランジスタについて、説明する。なお、上面図である図１３（Ａ）の一点破線Ｅ−Ｆの断面図が図１３（Ｂ）に相当する。図１３（Ａ）において、基板１０１、酸化物絶縁膜１０２、ゲート絶縁膜１２７、及び絶縁膜１２９は省略している。図１４は、図１３（Ｂ）に示すトランジスタの作製工程を説明する断面図である。
図１３（Ｂ）に示すトランジスタは、基板１０１上に形成された酸化物絶縁膜１０２と、酸化物絶縁膜１０２上に形成されたゲート電極１２８と、酸化物絶縁膜１０２及びゲート電極１２８を覆うゲート絶縁膜１２７と、ゲート絶縁膜１２７を介してゲート電極１２８と重畳すると酸化物半導体積層体１２５と、酸化物半導体積層体１２５に接するソース電極及びドレイン電極として機能する一対の電極１２６とを有する。また、ゲート絶縁膜１２７、酸化物半導体積層体１２５及び一対の電極１２６を覆う絶縁膜１２９を有してもよい。
酸化物半導体積層体１２５は、ゲート絶縁膜１２７に接する第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１２５ｂと、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１２５ｂに接する第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１２５ｃとが積層されていることを特徴とする。
また、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１２５ｂを種結晶として、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１２５ｃが結晶成長していることを特徴とする。
第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１２５ｂは、三方晶及び／又は六方晶の一であるウルツ鉱型の結晶構造を有する。
第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１２５ｃは、三方晶及び／又は六方晶であり、ＹｂＦｅ２Ｏ４型構造、Ｙｂ２Ｆｅ３Ｏ７型構造及び非ウルツ鉱型構造のいずれか一の結晶構造を有する。
第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜及び第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜は、ともに三方晶及び／又は六方晶であるので、ｃ軸方向からは六角形の格子像を確認できる。
第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１２５ｂ、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１２５ｃはそれぞれ、非単結晶であり、且つ酸化物半導体膜全体が非晶質状態（アモルファス状態）ではなく、ｃ軸配向の結晶領域を有する。即ち、非晶質領域及びｃ軸配向の結晶領域を有する。
なお、ここでは、酸化物半導体積層体１２５を、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１２５ｂと、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１２５ｃとの２層構造としたが、実施の形態３及び実施の形態４に示すように、３層構造の酸化物半導体積層体としてもよい。
次に、図１３（Ｂ）に示すトランジスタの作製方法について、図１４を用いて説明する。
図１４（Ａ）に示すように、実施の形態１と同様に、基板１０１上に酸化物絶縁膜１０２を形成する。次に、酸化物絶縁膜１０２上にゲート電極１２８を形成する。次に酸化物絶縁膜１０２及びゲート電極１２８上に、ゲート絶縁膜１２７を形成する。次に、ゲート絶縁膜１２７上に第１の酸化物半導体膜１２３ｂを形成する。
ゲート電極１２８及びゲート絶縁膜１２７はそれぞれ、実施の形態１に示すゲート電極１０８及びゲート絶縁膜１０７と同様の材料及び作製方法を適宜用いて形成することができる。
第１の酸化物半導体膜１２３ｂは、実施の形態１に示す第２の酸化物半導体膜１０３ｂと同様の材料及び作製方法を適宜用いて形成することができる。
次に、実施の形態１と同様に、第１の加熱処理を行う。第１の加熱処理により、第１の酸化物半導体膜１２３ｂの表面からゲート絶縁膜１２７に向けて結晶成長が始まり、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１２４ｂとなる。また、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１２４ｂは、ｃ軸配向した結晶領域を有する。
次に、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１２４ｂ上に第２の酸化物半導体膜１２３ｃを形成する（図１４（Ｂ）参照。）。第２の酸化物半導体膜１２３ｃは、実施の形態３に示す第３の酸化物半導体膜１０３ｃと同様の材料及び作製方法を適宜用いて形成することができる。
次に、実施の形態３と同様に、第２の加熱処理を行う。当該加熱処理により、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１２４ｂとの界面から第２の酸化物半導体膜１２３ｃへ向けて結晶成長が始まり、第２の酸化物半導体膜１２３ｃは、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１２４ｃとなる。また、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１２４ｃは、ｃ軸配向した結晶領域を有する（図１４（Ｃ）参照。）。
以上の工程より、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１２４ｂ、及び第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１２４ｃを形成することができる。
次に、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１２４ｃ上にマスクを形成した後、当該マスクを用いて第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１２４ｂ、及び第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１２４ｃを選択的にエッチングして、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１２５ｂ、及び第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１２５ｃを形成する。なお、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１２５ｂ、及び第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１２５ｃをまとめて、酸化物半導体積層体１２５と示す。この後、マスクを除去する。
次に、実施の形態１と同様に、一対の電極１２６を形成する。
次に、ゲート絶縁膜１２７、一対の電極１２６、及び酸化物半導体積層体１２５上に絶縁膜１２９を形成してもよい（図１４（Ｄ）参照。）。
絶縁膜１２９は、実施の形態１に示す絶縁膜１０９と同様の材料及び作製方法を適宜用いて形成することができる。
以上の工程により、ａ−ｂ面において六角形の結合を有し、ｃ軸配向している三方晶及び／又は六方晶構造の結晶領域を有する酸化物半導体積層体をチャネル領域に有するトランジスタを作製することができる。
なお、本実施の形態では、チャネルエッチング型のトランジスタを用いて説明したが、チャネル保護型のトランジスタに適用することができる。
酸化物半導体積層体はゲート絶縁膜との界面近傍の領域において、結晶性が高く、均一性も高いため、電気的特性が安定であり、信頼性の高いトランジスタを得ることができる。また、ａ−ｂ面において六角形の結合を有し、ｃ軸配向している三方晶及び／又は六方晶構造の結晶を有する酸化物半導体積層体をトランジスタのチャネル領域に用いることで、トランジスタへの光照射前後、またはバイアス−熱ストレス（ＢＴ）試験前後においても、トランジスタのしきい値電圧の変化量が少なく、安定した電気的特性を有するトランジスタを作製することができる。
なお、酸窒化物半導体は、酸化物半導体と比べてエネルギーギャップが小さく、キャリアを流しやすい。従って、ゲート絶縁膜１２７に接する第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１２５ｂを酸窒化物半導体膜で形成することで、良好な電気特性を有するトランジスタを作製することができる。
なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態６）
本実施の形態では、実施の形態１乃至実施の形態５と異なるトランジスタの構造及び作製方法について、図１５及び図１６を用いて説明する。本実施の形態では、ボトムゲート型のトランジスタである。また、ゲート絶縁膜及び酸化物半導体積層体の間に一対の電極が設けられている点が実施の形態５と異なる。なお、上面図である図１５（Ａ）の一点破線Ｇ−Ｈの断面図が図１５（Ｂ）に相当する。図１５（Ａ）において、基板１０１、酸化物絶縁膜１０２、ゲート絶縁膜１３７、及び絶縁膜１３９は省略している。図１６は、図１５（Ｂ）に示すトランジスタの作製工程を説明する断面図である。
図１５（Ｂ）に示すトランジスタは、基板１０１上に形成された酸化物絶縁膜１０２と、酸化物絶縁膜１０２上に形成されたゲート電極１３８と、酸化物絶縁膜１０２及びゲート電極１３８を覆うゲート絶縁膜１３７と、ソース電極及びドレイン電極として機能する一対の電極１３６と、ゲート絶縁膜１３７及び一対の電極１３６に接する酸化物半導体積層体１３５とを有する。また、ゲート絶縁膜１３７、酸化物半導体積層体１３５及び一対の電極１３６を覆う絶縁膜１３９を有してもよい。
酸化物半導体積層体１３５は、ゲート絶縁膜１３７に接する第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１３５ｂと、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１３５ｂに接する第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１３５ｃとが積層されていることを特徴とする。
また、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１３５ｂを種結晶として、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１３５ｃが結晶成長していることを特徴とする。
第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１３５ｂは、三方晶及び／又は六方晶の一であるウルツ鉱型の結晶構造を有する。
第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１３５ｃは、三方晶及び／又は六方晶であり、ＹｂＦｅ２Ｏ４型構造、Ｙｂ２Ｆｅ３Ｏ７型構造及び非ウルツ鉱型構造のいずれか一の結晶構造を有する。
第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜及び第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜は、ともに三方晶及び／又は六方晶であるので、ｃ軸方向からは六角形の格子像を確認できる。
第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１３５ｂ、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１３５ｃはそれぞれ、非単結晶であり、且つ酸化物半導体膜全体が非晶質状態（アモルファス状態）ではなく、ｃ軸配向の結晶領域を有する。即ち、非晶質領域及びｃ軸配向の結晶領域を有する。
なお、ここでは、酸化物半導体積層体１３５を、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１３５ｂと、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１３５ｃとの２層構造としたが、実施の形態３及び実施の形態４に示すように、３層構造の酸化物半導体積層体としてもよい。
次に、図１５（Ｂ）に示すトランジスタの作製方法について、図１６を用いて説明する。
図１６（Ａ）に示すように、実施の形態１と同様に、基板１０１上に酸化物絶縁膜１０２を形成する。次に、酸化物絶縁膜１０２上にゲート電極１３８を形成する。次に、酸化物絶縁膜１０２及びゲート電極１３８上に、ゲート絶縁膜１３７を形成する。次に、ゲート絶縁膜１３７上に一対の電極１３６を形成する。次に、ゲート絶縁膜１３７及び一対の電極１３６上に第１の酸化物半導体膜１３３ｂを形成する。
ゲート電極１３８、ゲート絶縁膜１３７、及び第１の酸化物半導体膜１３３ｂはそれぞれ、実施の形態３に示すゲート電極１０８、ゲート絶縁膜１０７、及び第２の酸化物半導体膜１０３ｂと同様の材料及び作製方法を適宜用いて形成することができる。
次に、実施の形態１と同様に、第１の加熱処理を行う。第１の加熱処理により、第１の酸化物半導体膜１３３ｂの表面からゲート絶縁膜１３７に向けて結晶成長が始まり、第１の酸化物半導体膜１３３ｂは第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１３４ｂとなる。また、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１３４ｂは、ｃ軸配向した結晶領域を有する。
次に、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１３４ｂ上に第２の酸化物半導体膜１３３ｃを形成する（図１６（Ｂ）参照。）。第２の酸化物半導体膜１３３ｃは、実施の形態３に示す第３の酸化物半導体膜１０３ｃと同様の材料及び作製方法を適宜用いて形成することができる。
次に、実施の形態３と同様に、第２の加熱処理を行う。当該加熱処理により、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１３４ｂとの界面から第２の酸化物半導体膜１３３ｃへ向けて結晶成長が始まり、第２の酸化物半導体膜１３３ｃは、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１３４ｃとなる。また、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１３４ｃは、ｃ軸配向した結晶領域を有する（図１６（Ｃ）参照。）。
以上の工程より、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１３４ｂ、及び第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１３４ｃを形成することができる。
次に、第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１３４ｃ上にマスクを形成した後、当該マスクを用いて第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１３４ｂ、及び第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１３４ｃを選択的にエッチングして、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１３５ｂ、及び第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１３５ｃを形成する。なお、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１３５ｂ、及び第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１３５ｃをまとめて、酸化物半導体積層体１３５と示す。この後、マスクを除去する。
次に、酸化物絶縁膜１０２、一対の電極１３６、及び酸化物半導体積層体１３５上に絶縁膜１３９を形成してもよい（図１６（Ｄ）参照。）。
絶縁膜１３９は、実施の形態３に示す絶縁膜１０９と同様の材料及び作製方法を適宜用いて形成することができる。
以上の工程により、ａ−ｂ面において六角形の結合を有し、ｃ軸配向している三方晶及び／又は六方晶構造の結晶を有する酸化物半導体積層体をチャネル領域に有するトランジスタを作製することができる。
なお、本実施の形態では、チャネルエッチング型のトランジスタを用いて説明したが、チャネル保護型のトランジスタに適用することができる。
酸化物半導体積層体はゲート絶縁膜との界面近傍の領域において、結晶性が高く、均一性も高いため、電気的特性が安定であり、信頼性の高いトランジスタを得ることができる。また、ａ−ｂ面において六角形の結合を有し、ｃ軸配向している三方晶及び／又は六方晶構造の結晶領域を有する酸化物半導体積層体をトランジスタのチャネル領域に用いることで、トランジスタへの光照射前後、またはバイアス−熱ストレス（ＢＴ）試験前後においても、トランジスタのしきい値電圧の変化量が少なく、安定した電気的特性を有するトランジスタを作製することができる。
なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態７）
本実施の形態では、実施の形態１乃至実施の形態６において、複数のゲート電極を有するトランジスタについて説明する。ここでは、実施の形態５に示すトランジスタを用いて説明するが、実施の形態１乃至実施の形態４、及び実施の形態６に適宜適用することができる。
実施の形態５と同様に、図１７に示すように、基板１０１上に酸化物絶縁膜１０２を形成し、酸化物絶縁膜１０２上に、第１のゲート電極１４８ａ、第１のゲート絶縁膜１４７ａを形成する。次に、第１のゲート絶縁膜１４７ａ上に、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜１２５ｂ、及び第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜１２５ｃが積層された酸化物半導体積層体１２５、一対の電極１２６、及び第２のゲート絶縁膜１４７ｂを形成する。
次に、第２のゲート絶縁膜１４７ｂ上であって、酸化物半導体積層体１２５と重畳する領域に第２のゲート電極１４８ｂを形成する。次に、第２のゲート絶縁膜１４７ｂ及び第２のゲート電極１４８ｂ上に保護膜として絶縁膜１２９を形成してもよい。
第１のゲート電極１４８ａ及び第２のゲート電極１４８ｂは、実施の形態１に示すゲート電極１０８と同様に形成することができる。
第１のゲート絶縁膜１４７ａ及び第２のゲート絶縁膜１４７ｂは、実施の形態１に示すゲート絶縁膜１０７と同様に形成することができる。
第１のゲート電極１４８ａ及び第２のゲート電極１４８ｂは接続されていてもよい。この場合、第１のゲート電極１４８ａ及び第２のゲート電極１４８ｂは同電位となるため、チャネル領域が酸化物半導体積層体１２５の第１のゲート電極１４８ａ側、及び第２のゲート電極１４８ｂ側に形成されるため、トランジスタのオン電流及び電界効果移動度を高めることができる。
または、第１のゲート電極１４８ａ及び第２のゲート電極１４８ｂは接続されず、異なる電位が印加されてもよい。この場合、トランジスタのしきい値電圧を制御することができる。
なお、本実施の形態では、一対の電極１２６を酸化物半導体積層体１２５及び第２のゲート絶縁膜１４７ｂの間に形成したが、第１のゲート絶縁膜１４７ａ及び酸化物半導体積層体１２５の間に形成してもよい。
以上の工程により、ゲート電極を複数有するトランジスタを作製することができる。
（実施の形態８）
本実施の形態では、同一基板上に少なくとも駆動回路の一部と、画素部に配置するトランジスタを有する表示装置を作製する形態について以下に説明する。
画素部に配置するトランジスタは、実施の形態１乃至実施の形態７に従って形成する。また、実施の形態１乃至実施の形態７に示すトランジスタはｎチャネル型トランジスタであるため、駆動回路のうち、ｎチャネル型トランジスタで構成することができる駆動回路の一部を画素部のトランジスタと同一基板上に形成する。
アクティブマトリクス型表示装置のブロック図の一形態を図１８（Ａ）に示す。表示装置の基板５３００上には、画素部５３０１、第１の走査線駆動回路５３０２、第２の走査線駆動回路５３０３、信号線駆動回路５３０４を有する。画素部５３０１には、複数の信号線が信号線駆動回路５３０４から延伸して配置され、複数の走査線が第１の走査線駆動回路５３０２、及び第２の走査線駆動回路５３０３から延伸して配置されている。なお走査線と信号線との交差領域には、各々、表示素子を有する画素がマトリクス状に配置されている。また、表示装置の基板５３００はＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等の接続部を介して、タイミング制御回路（コントローラ、制御ＩＣともいう）に接続されている。
図１８（Ａ）では、第１の走査線駆動回路５３０２、第２の走査線駆動回路５３０３、信号線駆動回路５３０４は、画素部５３０１と同じ基板５３００上に形成される。そのため、外部に設ける駆動回路等の部品の数が減るので、コストの低減を図ることができる。また、基板５３００外部に駆動回路を設けた場合、配線を延伸させる必要が生じ、配線間の接続数が増える。同じ基板５３００上に駆動回路を設けた場合、その配線間の接続数を減らすことができ、信頼性の向上、又は歩留まりの向上を図ることができる。
また、画素部の回路構成の一形態を図１８（Ｂ）に示す。ここでは、ＶＡ方式の液晶表示パネルの画素構造を示す。
この画素構造は、一つの画素に複数の画素電極が有り、それぞれの画素電極にトランジスタが接続されている。各トランジスタは、異なるゲート信号で駆動されるように構成されている。すなわち、マルチドメイン設計された画素において、個々の画素電極に印加する信号を、独立して制御する構成を有している。
トランジスタ６２８のゲート配線６０２と、トランジスタ６２９のゲート配線６０３には、異なるゲート信号を与えることができるように分離されている。一方、データ線として機能するソース電極又はドレイン電極６１６は、トランジスタ６２８とトランジスタ６２９で共通に用いられている。トランジスタ６２８とトランジスタ６２９は実施の形態１乃至実施の形態７のトランジスタを適宜用いることができる。
第１の画素電極と第２の画素電極の形状は異なっており、スリットによって分離されている。Ｖ字型に広がる第１の画素電極の外側を囲むように第２の画素電極が形成されている。第１の画素電極と第２の画素電極に印加する電圧のタイミングを、トランジスタ６２８及びトランジスタ６２９により異ならせることで、液晶の配向を制御している。トランジスタ６２８はゲート配線６０２と接続し、トランジスタ６２９はゲート配線６０３と接続している。ゲート配線６０２とゲート配線６０３は異なるゲート信号を与えることで、トランジスタ６２８とトランジスタ６２９の動作タイミングを異ならせることができる。
また、容量配線６９０が設けられ、ゲート絶縁膜を誘電体とし、第１の画素電極または第２の画素電極と電気的に接続する容量電極と保持容量を形成する。
第１の画素電極と液晶層と対向電極が重なり合うことで、第１の液晶素子６５１が形成されている。また、第２の画素電極と液晶層と対向電極が重なり合うことで、第２の液晶素子６５２が形成されている。また、一画素に第１の液晶素子６５１と第２の液晶素子６５２が設けられたマルチドメイン構造である。
なお、図１８（Ｂ）に示す画素構成は、これに限定されない。例えば、図１８（Ｂ）に示す画素に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、トランジスタ、センサ、又は論理回路などを追加してもよい。
また、本実施の形態では、ＶＡ方式の液晶表示パネルの形態を示したが特に限定されず、様々な方式の液晶表示装置に応用することができる。例えば、視野角特性を改善する方法として、基板主表面に対して水平方向の電界を液晶層に印加する横電界方式（ＩＰＳ方式とも呼ぶ）に応用することができる。
例えば、ＩＰＳ方式の液晶表示パネルとして、配向膜を用いないブルー相を示す液晶を用いることが好ましい。ブルー相は液晶相の一つであり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリック相から等方相へ転移する直前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発現しないため、温度範囲を改善するためにカイラル剤を混合させた液晶組成物を用いて液晶素子の液晶層に用いる。ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、応答速度が１ｍｓｅｃ以下と短く、光学的等方性であるため配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい。
また、液晶表示装置の動画特性を改善するため、バックライトとして複数のＬＥＤ（発光ダイオード）光源または複数のＥＬ光源などを用いて面光源を構成し、面光源を構成している各光源を独立して１フレーム期間内で間欠点灯駆動する駆動技術（例えばフィールドシーケンシャル方式など）もある。面光源として、３種類以上のＬＥＤを用いてもよいし、白色発光のＬＥＤを用いてもよい。面光源として、異なる色を呈する３種類以上の光源（例えば、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青））を用いる場合は、カラーフィルタを用いなくともカラー表示が行える。また、面光源として、白色発光のＬＥＤを用いる場合は、カラーフィルタを設けてカラー表示を行う。独立して複数のＬＥＤを制御できるため、液晶層の光学変調の切り替えタイミングに合わせてＬＥＤの発光タイミングを同期させることもできる。ＬＥＤを部分的に消灯することができるため、特に一画面を占める黒い表示領域の割合が多い映像表示の場合には、消費電力の低減効果が図れる。
また、画素部の回路構成の一形態を図１８（Ｃ）に示す。ここでは、有機ＥＬ素子を用いた表示パネルの画素構造を示す。
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膜に注入され、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。
図１８（Ｃ）は、半導体装置の形態としてデジタル時間階調駆動を適用可能な画素構成の一形態を示す図である。
デジタル時間階調駆動を適用可能な画素の構成及び画素の動作について説明する。ここでは酸化物半導体膜をチャネル領域に用いるｎチャネル型のトランジスタを１つの画素に２つ用いる形態を示す。
画素６４００は、スイッチング用トランジスタ６４０１、駆動用トランジスタ６４０２、発光素子６４０４及び容量素子６４０３を有している。スイッチング用トランジスタ６４０１は、ゲート電極が走査線６４０６に接続され、第１電極（ソース電極及びドレイン電極の一方）が信号線６４０５に接続され、第２電極（ソース電極及びドレイン電極の他方）が駆動用トランジスタ６４０２のゲート電極に接続されている。駆動用トランジスタ６４０２は、ゲート電極が容量素子６４０３を介して電源線６４０７に接続され、第１電極が電源線６４０７に接続され、第２電極が発光素子６４０４の第１電極（画素電極）に接続されている。発光素子６４０４の第２電極は共通電極６４０８に相当する。共通電極６４０８は、同一基板上に形成される共通電位線と電気的に接続される。
なお、発光素子６４０４の第２電極（共通電極６４０８）には低電源電位が設定されている。なお、低電源電位とは、電源線６４０７に設定される高電源電位を基準にして低電源電位＜高電源電位を満たす電位であり、低電源電位としては例えばＧＮＤ、０Ｖなどが設定されていても良い。この高電源電位と低電源電位との電位差を発光素子６４０４に印加して、発光素子６４０４に電流を流して発光素子６４０４を発光させるため、高電源電位と低電源電位との電位差が発光素子６４０４の順方向しきい値電圧以上となるようにそれぞれの電位を設定する。
なお、容量素子６４０３は駆動用トランジスタ６４０２のゲート容量を代用して省略することも可能である。駆動用トランジスタ６４０２のゲート容量については、チャネル領域とゲート電極との間で容量が形成されていてもよい。
ここで、電圧入力電圧駆動方式の場合には、駆動用トランジスタ６４０２のゲート電極には、駆動用トランジスタ６４０２が十分にオンするか、オフするかの二つの状態となるようなビデオ信号を入力する。つまり、駆動用トランジスタ６４０２は線形領域で動作させる。駆動用トランジスタ６４０２は線形領域で動作させるため、電源線６４０７の電圧よりも高い電圧を駆動用トランジスタ６４０２のゲート電極にかける。なお、信号線６４０５には、（電源線電圧＋駆動用トランジスタ６４０２のＶｔｈ）以上の電圧をかける。
また、デジタル時間階調駆動に代えて、アナログ階調駆動を行う場合、信号の入力を異ならせることで、図１８（Ｃ）と同じ画素構成を用いることができる。
アナログ階調駆動を行う場合、駆動用トランジスタ６４０２のゲート電極に発光素子６４０４の順方向電圧＋駆動用トランジスタ６４０２のＶｔｈ以上の電圧をかける。発光素子６４０４の順方向電圧とは、所望の輝度とする場合の電圧を指しており、少なくとも順方向しきい値電圧を含む。なお、駆動用トランジスタ６４０２が飽和領域で動作するようなビデオ信号を入力することで、発光素子６４０４に電流を流すことができる。駆動用トランジスタ６４０２を飽和領域で動作させるため、電源線６４０７の電位は、駆動用トランジスタ６４０２のゲート電位よりも高くする。ビデオ信号をアナログとすることで、発光素子６４０４にビデオ信号に応じた電流を流し、アナログ階調駆動を行うことができる。
なお、図１８（Ｃ）に示す画素構成は、これに限定されない。例えば、図１８（Ｃ）に示す画素に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、センサ、トランジスタ又は論理回路などを追加してもよい。
次に、発光素子の構成について、図１９に示す画素の断面構造を用いて説明する。ここでは、発光素子駆動用トランジスタがｎチャネル型の場合を例に挙げて、画素の断面構造について説明する。図１９（Ａ）、図１９（Ｂ）、及び図１９（Ｃ）の半導体装置に用いられる発光素子駆動用トランジスタ７０１１、７０２１、及び７００１は、実施の形態１乃至実施の形態７に示すトランジスタと同様に作製できる。
発光素子の第１の電極または第２の電極の少なくとの一方は可視光を透過する導電膜を用いて形成し、発光素子から発光を取り出す。発光を取り出す方向に着目した構造としては、発光素子とトランジスタが形成された基板を介することなく、基板の当該発光素子が形成された側から発光を取り出す上面射出構造、発光素子が形成された基板を介し、当該発光素子が形成されていない側に発光する下面射出構造、並びに基板の発光素子が形成された側及び基板を介して基板の他方の側に発光を取り出す両面射出構造がある。そして、図１８（Ｃ）に示す画素構成はどの射出構造の発光素子にも適用することができる。
下面射出構造の発光素子について、図１９（Ａ）を用いて説明する。下面射出構造の発光素子は、図１９（Ａ）に矢印で示す方向に光を発する。
図１９（Ａ）において、発光素子駆動用トランジスタ７０１１は実施の形態１に示すｎチャネル型のトランジスタを用いる形態を示しているが、特に限定されない。
図１９（Ａ）では、発光素子駆動用トランジスタ７０１１のソース電極またはドレイン電極と電気的に接続された透光性を有する第１の電極７０１７上に、ＥＬ層７０１４、第２の電極７０１５が順に積層されている。
第１の電極７０１７は可視光を透過する導電膜を用いる。可視光を透過する導電膜としては、例えば酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物（以下、ＩＴＯとする。）、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などがある。また、光を透過する程度（好ましくは、５ｎｍ〜３０ｎｍ程度）の金属薄膜を用いることもできる。例えば２０ｎｍの膜厚を有するアルミニウム膜を他の透光性を有する導電膜に積層して用いることができる。
第２の電極７０１５はＥＬ層７０１４が発する光を効率よく反射する材料が好ましい。なぜなら光の取り出し効率を向上できるためである。なお、第２の電極７０１５を積層構造としてもよい。例えば、ＥＬ層７０１４に接する側に可視光を透過する導電膜を用い、他方に光を遮光する膜７０１６を積層して用いることもできる。光を遮光する膜としては、ＥＬ層が発する光を効率よく反射する金属膜等が好ましいが、例えば黒の顔料を添加した樹脂等を用いることもできる。
なお、第１の電極７０１７及び第２の電極７０１５の一方は陽極として機能し、他方は陰極として機能する。陽極として機能する電極には、仕事関数の大きな物質が好ましく、陰極として機能する電極には仕事関数の小さな物質が好ましい。
仕事関数が大きい材料としては、例えば、ＺｒＮ、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｃｒ等や、ＩＴＯ、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏなどを用いることができる。仕事関数が小さい材料としては、ＬｉやＣｓ等のアルカリ金属、およびＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ等のアルカリ土類金属、およびこれらを含む合金（Ｍｇ：Ａｇ、Ａｌ：Ｌｉなど）の他、ＹｂやＥｒ等の希土類金属等を用いることができる。
なお、消費電力を比較する場合、第１の電極７０１７を陰極として機能させ、第２の電極７０１５を陽極とするほうが、駆動回路部の電圧上昇を抑制でき、消費電力を少なくできるため好ましい。
ＥＬ層７０１４は、少なくとも発光層を含めば良く、単数の層で構成されていても、複数の層が積層されていてもよい。複数の層で構成されている構成としては、陽極側から正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子輸送層、並びに電子注入層が積層された構成を形態に挙げることができる。なお、これらの層はＥＬ層７０１４中に全て設ける必要はなく、また、重複して設けることもできる。また、中間層として電荷発生層の他、電子リレー層など他の構成を適宜加えることができる。
また、発光素子７０１２は第１の電極７０１７の端部を覆う隔壁７０１９を備える。隔壁７０１９は、ポリイミド、アクリル、ポリアミド、エポキシ等の有機樹脂膜の他、無機絶縁膜または有機ポリシロキサン膜を適用できる。特に、隔壁７０１９の側面が連続した曲率を持って形成される傾斜面となるように、感光性の樹脂材料を用いて形成することが好ましい。隔壁７０１９に感光性の樹脂材料を用いる場合、レジストマスクを形成する工程を省略することができる。また、隔壁を無機絶縁膜で形成することもできる。無機絶縁膜を隔壁に用いることで、隔壁に含まれる水分量を低減できる。
なお、カラーフィルタ層７０３３が発光素子７０１２と基板７０１０の間に設けられている（図１９（Ａ）参照）。発光素子７０１２に白色に発光する構成を適用することにより、発光素子７０１２が発する光はカラーフィルタ層７０３３を通過し、絶縁膜７０３２、ゲート絶縁膜７０３１、酸化物絶縁膜７０３０、及び基板７０１０を通過して、射出される。
複数の種類のカラーフィルタ層７０３３を形成してもよく、例えば画素毎に赤色のカラーフィルタ層、青色のカラーフィルタ層、緑色のカラーフィルタ層などを設けることができる。なお、カラーフィルタ層７０３３はインクジェット法などの液滴吐出法や、印刷法、またはフォトリソグラフィ技術を用いたエッチング法などでそれぞれ形成する。
また、カラーフィルタ層７０３３はオーバーコート層７０３４で覆われ、さらに保護絶縁膜７０３５によって覆う。なお、図１９（Ａ）ではオーバーコート層７０３４は薄い膜厚で図示したが、オーバーコート層７０３４は、アクリル樹脂などの樹脂材料を用い、カラーフィルタ層７０３３に起因する凹凸を平坦化する機能を有している。
また、絶縁膜７０３２、カラーフィルタ層７０３３、オーバーコート層７０３４、及び保護絶縁膜７０３５に形成され、且つ、ドレイン電極に達するコンタクトホールは、隔壁７０１９と重なる位置に配置する。
次に、両面射出構造の発光素子について、図１９（Ｂ）を用いて説明する。両面射出構造の発光素子は、図１９（Ｂ）に矢印で示す方向に光を発する。
図１９（Ｂ）において、発光素子駆動用トランジスタ７０２１は実施の形態１に示すｎチャネル型のトランジスタを用いる形態を示しているが、特に限定されない。
図１９（Ｂ）では、発光素子駆動用トランジスタ７０２１のソース電極またはドレイン電極と電気的に接続された透光性を有する第１の電極７０２７上に、ＥＬ層７０２４、第２の電極７０２５が順に積層されている。
第１の電極７０２７、及び第２の電極７０２５は可視光を透過する導電膜を用いる。可視光を透過する導電膜としては、図１９（Ａ）の第１の電極７０１７に用いることができる材料を適用することができる。よって、詳細な説明は第１の電極７０１７の説明を援用する。
なお、第１の電極７０２７、又は第２の電極７０２５のいずれか一方は陽極として機能し、他方は陰極として機能する。陽極として機能する電極には、仕事関数の大きな物質が好ましく、陰極として機能する電極には仕事関数の小さな物質が好ましい。
ＥＬ層７０２４は単数の層で構成されていても、複数の層が積層されていても良い。ＥＬ層７０２４としては、図１９（Ａ）のＥＬ層７０１４に用いることができる構成、及び材料を適用することができる。よって、詳細な説明はＥＬ層７０１４の説明を援用する。
また、発光素子７０２２は第１の電極７０２７の端部を覆う隔壁７０２９を備える。隔壁７０２９は、図１９（Ａ）の隔壁７０１９に用いることができる構成、及び材料を適用することができる。よって、詳細な説明は隔壁７０１９の説明を援用する。
また、図１９（Ｂ）に示した素子構造の場合、発光素子７０２２から発せられる光は、矢印で示すように第２の電極７０２５側と第１の電極７０２７側の両方に射出し、第１の電極７０２７側に発せられる一方の光は、絶縁膜７０４２、ゲート絶縁膜７０４１、酸化物絶縁膜７０４０、及び基板７０２０を通過して射出させる。
また、図１９（Ｂ）の構造においては、フルカラー表示を行う場合、例えば発光素子７０２２として緑色発光素子とし、隣り合う一方の発光素子を赤色発光素子とし、もう一方の発光素子を青色発光素子とする。また、３種類の発光素子だけでなく白色素子を加えた４種類の発光素子でフルカラー表示ができる発光表示装置を作製してもよい。
次に、上面射出構造の発光素子について、図１９（Ｃ）を用いて説明する。上面射出構造の発光素子は、図１９（Ｃ）に矢印で示す方向に光を発する。
図１９（Ｃ）において、発光素子駆動用トランジスタ７００１は実施の形態１に示すｎチャネル型のトランジスタを用いる形態を示しているが、特に限定されない。
図１９（Ｃ）では、発光素子駆動用トランジスタ７００１のソース電極またはドレイン電極と電気的に接続された第１の電極７００３上に、ＥＬ層７００４、第２の電極７００５が順に積層されている。
第１の電極７００３はＥＬ層７００４が発する光を効率よく反射する材料が好ましい。なぜなら光の取り出し効率を向上できるためである。なお、第１の電極７００３を積層構造としてもよい。例えば、ＥＬ層７００４に接する側に可視光を透過する導電膜を用い、他方に光を遮光する膜を積層して用いることもできる。光を遮光する膜としては、ＥＬ層が発する光を効率よく反射する金属膜等が好ましいが、例えば黒の顔料を添加した樹脂等を用いることもできる。
第２の電極７００５は可視光を透過する導電膜を用いる。可視光を透過する導電膜としては、図１９（Ａ）の第１の電極７０１７に用いることができる材料を適用することができる。よって、詳細な説明は第１の電極７０１７の説明を援用する。
なお、第１の電極７００３、又は第２の電極７００５のいずれか一方は陽極として機能し、他方は陰極として機能する。陽極として機能する電極には、仕事関数の大きな物質が好ましく、陰極として機能する電極には仕事関数の小さな物質が好ましい。
ＥＬ層７００４は単数の層で構成されていても、複数の層が積層されていても良い。ＥＬ層７００４としては、図１９（Ａ）のＥＬ層７０１４に用いることができる構成、及び材料を適用することができる。よって、詳細な説明はＥＬ層７０１４の説明を援用する。
また、発光素子７００２は第１の電極７００３の端部を覆う隔壁７００９を備える。隔壁７００９は、図１９（Ａ）の隔壁７０１９に用いることができる構成、及び材料を適用することができる。よって、詳細な説明は隔壁７０１９の説明を援用する。
また、図１９（Ｃ）において、発光素子駆動用トランジスタ７００１のソース電極またはドレイン電極は、ゲート絶縁膜７０５１、保護絶縁膜７０５２、及び絶縁膜７０５５に設けられたコンタクトホールを介して第１の電極７００３と電気的に接続する。平坦化絶縁膜７０５３は、ポリイミド、アクリル、ベンゾシクロブテン、ポリアミド、エポキシ等の樹脂材料を用いることができる。また上記樹脂材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、平坦化絶縁膜７０５３を形成してもよい。平坦化絶縁膜７０５３の形成法は、特に限定されず、その材料に応じて、スパッタ法、ＳＯＧ法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法、スクリーン印刷、オフセット印刷等）等を用いることができる。
また、図１９（Ｃ）の構造においては、フルカラー表示を行う場合、例えば発光素子７００２として緑色発光素子とし、隣り合う一方の発光素子を赤色発光素子とし、もう一方の発光素子を青色発光素子とする。また、３種類の発光素子だけでなく白色素子を加えた４種類の発光素子でフルカラー表示ができる発光表示装置を作製してもよい。
また、図１９（Ｃ）の構造においては、配置する複数の発光素子を全て白色発光素子とし、且つ発光素子７００２上方にカラーフィルタなどを有する封止基板を配置する構成とし、フルカラー表示ができる発光表示装置を作製してもよい。白色などの単色の発光を示す材料を形成し、カラーフィルタや色変換層を組み合わせることによりフルカラー表示を行うことができる。
もちろん単色発光の表示を行ってもよい。例えば、白色発光を用いて照明装置を形成してもよいし、単色発光を用いてエリアカラータイプの発光装置を形成してもよい。
また、必要があれば、円偏光板などの偏光フィルムなどの光学フィルムを設けてもよい。
なお、発光素子の駆動を制御するトランジスタ（発光素子駆動用トランジスタ）と発光素子が電気的に接続されている例を示したが、発光素子駆動用トランジスタと発光素子との間に電流制御用トランジスタが接続されている構成であってもよい。
なお本実施の形態で示す半導体装置は、図１９に示した構成に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
（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、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形態について説明する。
図２０（Ａ）は、携帯型の情報端末であり、本体３００１、筐体３００２、表示部３００３ａ、３００３ｂなどによって構成されている。表示部３００３ｂはタッチ入力機能を有するパネルとなっており、表示部３００３ｂに表示されるキーボードボタン３００４を触れることで画面操作や、文字入力を行うことができる。勿論、表示部３００３ａをタッチ入力機能を有するパネルとして構成してもよい。実施の形態１乃至実施の形態７で示したトランジスタをスイッチング素子として用い、実施の形態８に示す液晶パネルや有機発光パネルを作製して表示部３００３ａ、３００３ｂに適用することにより、携帯型の情報端末とすることができる。
図２０（Ａ）に示す携帯型の情報端末は、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操作又は編集する機能、様々なソフトウェア（プログラム）によって処理を制御する機能、等を有することができる。また、筐体の裏面や側面に、外部接続用端子（イヤホン端子、ＵＳＢ端子など）、記録媒体挿入部などを備える構成としてもよい。
また、図２０（Ａ）に示す携帯型の情報端末は、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。無線により、電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とすることも可能である。
また、図２０（Ａ）に示す携帯型の情報端末は、２つの表示部３００３ａ、３００３ｂのうち、一方を取り外すことができ、取り外した場合の図を図２０（Ｂ）に示している。表示部３００３ａもタッチ入力機能を有するパネルとし、持ち運びの際、さらなる軽量化を図ることができ、一方の手で筐体３００２を持ち、他方の手で操作することができ、便利である。
さらに、図２０（Ｂ）に示す筐体３００２にアンテナやマイク機能や無線機能を持たせ、携帯電話として用いてもよい。
図２０（Ｃ）は、携帯電話の一形態を示している。図２０（Ｃ）に示す携帯電話機５００５は、筐体に組み込まれた表示部５００１の他、ヒンジ５００２に取り付けられた表示パネル５００３、操作ボタン５００４、スピーカ、マイクなどを備えている。
図２０（Ｃ）に示す携帯電話機５００５は、表示パネル５００３がスライドして、表示部５００１と重なるようになっており、透光性を有するカバーとしても機能する。表示パネル５００３は、実施の形態８の図１９（Ｂ）に示した、基板側及び基板とは反対側の面から発光を取り出す両面射出構造の発光素子を用いた表示パネルである。
また、両面射出構造の発光素子を用いた表示パネル５００３であるため、表示部５００１と重ねた状態でも表示を行うことができ、使用者はどちらも表示し、どちらの表示も視認することもできる。表示パネル５００３は透光性を有し、表示パネルの向こう側が透けて見えるパネルである。例えば、地図の表示を表示部５００１で行い、使用者の所在地ポイントを表示パネル５００３で表示することによって認識しやすい状態を提供することができる。
また、携帯電話機５００５に撮像素子を設け、テレビ電話として使用する場合、複数の相手を表示しながら、複数の相手と会話ができるため、テレビ会議なども行うことができる。例えば、表示パネル５００３に一人または複数の相手の顔を表示し、さらに表示部５００１にもう一人の顔を表示させることで、使用者は２人以上の顔を見ながら会話を行うことができる。
また、表示パネル５００３に表示されたタッチ入力ボタン５００６を指などで触れることで、情報を入力することができる。また、電話を掛ける、或いはメールを打つなどの操作は、表示パネル５００３をスライドさせて、操作ボタン５００４を指などで触れることにより行うことができる。
図２０（Ｄ）は、テレビジョン装置９６００の一形態を示している。テレビジョン装置９６００は、筐体９６０１に表示部９６０３が組み込まれている。表示部９６０３により、映像を表示することが可能である。また、ここでは、ＣＰＵを内蔵したスタンド９６０５により筐体９６０１を支持した構成を示している。実施の形態１乃至実施の形態７で示したトランジスタを表示部９６０３に適用することにより、テレビジョン装置９６００とすることができる。
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。
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。
また、テレビジョン装置９６００は、外部接続端子９６０４や、記憶媒体再生録画部９６０２、外部メモリスロットを備えている。外部接続端子９６０４は、ＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能であり、パーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能である。記憶媒体再生録画部９６０２では、ディスク状の記録媒体を挿入し、記録媒体に記憶されているデータの読み出し、記録媒体への書き込みが可能である。また、外部メモリスロットに差し込まれた外部メモリ９６０６にデータ保存されている画像や映像などを表示部９６０３に映し出すことも可能である。
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。
１０１ 基板
１０２ 酸化物絶縁膜
１０３ａ 酸化物半導体膜
１０３ｂ 酸化物半導体膜
１０３ｃ 酸化物半導体膜
１０４ａ 酸化物半導体膜
１０４ｂ 酸化物半導体膜
１０４ｃ 酸化物半導体膜
１０５ 酸化物半導体積層体
１０５ａ 酸化物半導体膜
１０５ｂ 酸化物半導体膜
１０５ｃ 酸化物半導体膜
１０６ 電極
１０７ ゲート絶縁膜
１０８ ゲート電極
１０９ 絶縁膜
１１３ａ 酸化物半導体膜
１１３ｂ 酸化物半導体膜
１１３ｃ 酸化物半導体膜
１１４ａ 酸化物半導体膜
１１４ｂ 酸化物半導体膜
１１４ｃ 酸化物半導体膜
１１５ 酸化物半導体積層体
１１５ａ 酸化物半導体膜
１１５ｂ 酸化物半導体膜
１１５ｃ 酸化物半導体膜
１１６ 電極
１１７ ゲート絶縁膜
１１８ ゲート電極
１１９ 絶縁膜
１２０ 配線
１２３ｂ 酸化物半導体膜
１２３ｃ 酸化物半導体膜
１２４ｂ 酸化物半導体膜
１２４ｃ 酸化物半導体膜
１２５ 酸化物半導体積層体
１２５ｂ 酸化物半導体膜
１２５ｃ 酸化物半導体膜
１２６ 電極
１２７ ゲート絶縁膜
１２８ ゲート電極
１２９ 絶縁膜
１３３ｂ 酸化物半導体膜
１３３ｃ 酸化物半導体膜
１３４ｂ 酸化物半導体膜
１３４ｃ 酸化物半導体膜
１３５ 酸化物半導体積層体
１３５ｂ 酸化物半導体膜
１３５ｃ 酸化物半導体膜
１３６ 電極
１３７ ゲート絶縁膜
１３８ ゲート電極
１３９ 絶縁膜
１４７ａ ゲート絶縁膜
１４７ｂ ゲート絶縁膜
１４８ａ ゲート電極
１４８ｂ ゲート電極
６０２ ゲート配線
６０３ ゲート配線
６１６ ソース電極又はドレイン電極
６２８ トランジスタ
６２９ トランジスタ
６５１ 液晶素子
６５２ 液晶素子
６９０ 容量配線
２０００ 結晶構造
２００１ 結晶構造
３００１ 本体
３００２ 筐体
３００３ａ 表示部
３００３ｂ 表示部
３００４ キーボードボタン
５００１ 表示部
５００２ ヒンジ
５００３ 表示パネル
５００４ 操作ボタン
５００５ 携帯電話機
５００６ タッチ入力ボタン
５３００ 基板
５３０１ 画素部
５３０２ 走査線駆動回路
５３０３ 走査線駆動回路
５３０４ 信号線駆動回路
６４００ 画素
６４０１ スイッチング用トランジスタ
６４０２ 駆動用トランジスタ
６４０３ 容量素子
６４０４ 発光素子
６４０５ 信号線
６４０６ 走査線
６４０７ 電源線
６４０８ 共通電極
７００１ 発光素子駆動用トランジスタ
７００２ 発光素子
７００３ 電極
７００４ ＥＬ層
７００５ 電極
７００９ 隔壁
７０１０ 基板
７０１１ 発光素子駆動用トランジスタ
７０１２ 発光素子
７０１４ ＥＬ層
７０１５ 電極
７０１６ 膜
７０１７ 電極
７０１９ 隔壁
７０２０ 基板
７０２１ 発光素子駆動用トランジスタ
７０２２ 発光素子
７０２４ ＥＬ層
７０２５ 電極
７０２７ 電極
７０２９ 隔壁
７０３０ 酸化物絶縁膜
７０３１ ゲート絶縁膜
７０３２ 絶縁膜
７０３３ カラーフィルタ層
７０３４ オーバーコート層
７０３５ 保護絶縁膜
７０４０ 酸化物絶縁膜
７０４１ ゲート絶縁膜
７０４２ 絶縁膜
７０５１ ゲート絶縁膜
７０５２ 保護絶縁膜
７０５３ 平坦化絶縁膜
７０５５ 絶縁膜
９６００ テレビジョン装置
９６０１ 筐体
９６０２ 記憶媒体再生録画部
９６０３ 表示部
９６０４ 外部接続端子
９６０５ スタンド
９６０６ 外部メモリ

Claims (20)

  1. 絶縁表面上に第１の酸化物半導体膜を形成し、
    前記第１の酸化物半導体膜上に第２の酸化物半導体膜を形成した後に、加熱処理を行って、前記第１の酸化物半導体膜を第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜とし、前記第２の酸化物半導体膜を第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜とし、
    前記第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜及び前記第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜を選択的にエッチングして酸化物半導体積層体を形成し、
    前記酸化物半導体積層体上にゲート絶縁膜を形成し、
    前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程を有し、
    前記第１の結晶構造は非ウルツ鉱構造、ＹｂＦｅ２Ｏ４型構造、Ｙｂ２Ｆｅ３Ｏ７型構造及びその変形型構造のいずれか一種から選ばれた結晶構造であり、
    前記第２の結晶構造はウルツ鉱型の結晶構造であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
  2. 請求項１において、
    前記加熱処理により、前記第１の酸化物半導体膜は、前記第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜を種として結晶成長し、前記第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜となることを特徴とする半導体装置の作製方法。
  3. 請求項１または請求項２において、
    前記第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜は、三方晶及び／又は六方晶構造であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
  4. 請求項１乃至３のいずれか一項において、
    前記第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜、および前記第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜は、非単結晶であり、且つ層全体が非晶質状態ではなく、ｃ軸配向の結晶領域を有することを特徴とする半導体装置の作製方法。
  5. 請求項１乃至４のいずれか一項において、
    前記第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜は、亜鉛、インジウム、またはガリウムを含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。
  6. 請求項１乃至５のいずれか一項において、
    前記加熱処理は、１５０度以上６５０度以下の加熱処理であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
  7. 請求項１乃至６のいずれか一項において、
    前記第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜、および前記第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜は、脱水化または脱水素化されていることを特徴とする半導体装置の作製方法。
  8. 絶縁表面上に第１の酸化物半導体膜を形成し、
    前記第１の酸化物半導体膜上に第２の酸化物半導体膜を形成した後に、第１の加熱処理を行い、前記第１の酸化物半導体膜を第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜とし、前記第２の酸化物半導体膜を第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜とし、
    前記第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜上に第３の酸化物半導体膜を形成した後に、第２の加熱処理を行い、前記第３の酸化物半導体膜を第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜とし、
    前記第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜、前記第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜および前記第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜を選択的にエッチングして酸化物半導体積層体を形成し、
    前記酸化物半導体積層体上にゲート絶縁膜を形成し、
    前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成し、
    前記第１の結晶構造及び前記第３の結晶構造は、ＹｂＦｅ２Ｏ４型構造、Ｙｂ２Ｆｅ３Ｏ７型構造及び非ウルツ鉱型構造のいずれか一であり、
    前記第２の結晶構造は、ウルツ鉱型構造であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
  9. 請求項８において、
    前記第１の酸化物半導体膜および前記第３の酸化物半導体膜はそれぞれ、前記第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜を種として結晶成長し、前記第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜および第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜となることを特徴とする半導体装置の作製方法。
  10. 請求項８または請求項９において、
    前記第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜および前記第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜は、三方晶及び／又は六方晶構造であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
  11. 請求項８乃至１０のいずれか一項において、
    前記第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜および前記第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜、並びに前記第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜は、非単結晶であり、且つ層全体が非晶質状態ではなく、ｃ軸配向の結晶領域を有することを特徴とする半導体装置の作製方法。
  12. 請求項８乃至１１のいずれか一項において、
    前記第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜および第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜は、亜鉛、インジウム、またはガリウムを含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。
  13. 請求項８乃至１２のいずれか一項において、
    前記第１の加熱処理および前記第２の加熱処理は、１５０度以上６５０度以下の加熱処理であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
  14. 請求項８乃至１３のいずれか一項において、
    前記第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜乃至第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜は、脱水化または脱水素化されていることを特徴とする半導体装置の作製方法。
  15. 請求項１乃至１４のいずれか一項において、
    前記第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜は、酸化亜鉛、または酸窒化物半導体であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
  16. 絶縁表面上に形成された酸化物半導体積層体と、
    前記酸化物半導体積層体に接するゲート絶縁膜と、
    前記ゲート絶縁膜に接するゲート電極と、
    前記酸化物半導体積層体に接続する一対の電極と、を有し、
    前記酸化物半導体積層体は、第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜と、
    前記第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜上に形成された第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜と、
    前記第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜上に形成された第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜と、を有し、
    前記第１の結晶構造及び前記第３の結晶構造は、ＹｂＦｅ２Ｏ４型構造、Ｙｂ２Ｆｅ３Ｏ７型構造及び非ウルツ鉱型構造のいずれか一であり、
    前記第２の結晶構造は、ウルツ鉱型構造であることを特徴とする半導体装置。
  17. 請求項１６において、
    前記第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜および第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜は、三方晶及び／又は六方晶構造であることを特徴とする半導体装置。
  18. 請求項１６または請求項１７において、
    前記第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜乃至前記第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜は、非単結晶であり、且つ非晶質領域と、ｃ軸配向を有する結晶領域とを有することを特徴とする半導体装置。
  19. 請求項１６乃至１８のいずれか一項において、
    前記第１の結晶構造を有する酸化物半導体膜および第３の結晶構造を有する酸化物半導体膜は、亜鉛、インジウム、またはガリウムを含むことを特徴とする半導体装置。
  20. 請求項１６乃至１９のいずれか一項において、
    前記第２の結晶構造を有する酸化物半導体膜は、酸化亜鉛、または酸窒化物半導体であることを特徴とする半導体装置。
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