JP2021057597A - トランジスタおよび表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】新規な材料、または新規な金属酸化物を提供する。【解決手段】複数のエネルギーバンド幅を有する金属酸化物であって、金属酸化物は、エネルギーバンドの伝導帯下端が低い領域と、エネルギーバンドの伝導帯下端が高い領域と、を有し、伝導帯下端が低い領域は、伝導帯下端が高い領域よりもキャリアが多い金属酸化物である。【選択図】図１

Description

本発明は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本発明は、プロセス、マシン
、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関する。特に
、本発明の一態様は、金属酸化物、または当該金属酸化物の製造方法に関する。または、
本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装
置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法に関する。

なお、本明細書等において、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
置全般を指す。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、半導体回路、演算装置、記憶装
置は、半導体装置の一態様である。撮像装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、電気
光学装置、発電装置（薄膜太陽電池、有機薄膜太陽電池等を含む）、及び電子機器は、半
導体装置を有している場合がある。

Ｉｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ
系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ系酸化物、及び
Ｓｎ−Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物のうちのいずれかである非晶質酸化物を有する電界効果型
トランジスタが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、非特許文献１では、トランジスタの活性層として、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物と、Ｉ
ｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物との２層積層の金属酸化物を有する構造が検討されている。

特許第５１１８８１０号公報

Ｊｏｈｎ Ｆ． Ｗａｇｅｒ、「Ｏｘｉｄｅ ＴＦＴｓ：Ａ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ Ｒｅｐｏｒｔ」、Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ １／１６、ＳＩＤ ２０１６、 Ｊａｎ／Ｆｅｂ ２０１６、Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．１， ｐ．１６−２１

特許文献１では、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物
、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ−
Ｏ系酸化物、及びＳｎ−Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物のうちのいずれかである非晶質酸化物を
用いて、トランジスタの活性層を形成している。言い換えると、トランジスタの活性層は
、上記酸化物のいずれか１つ非晶質酸化物を有している。トランジスタの活性層が、上記
非晶質酸化物のいずれか１つから構成された場合、トランジスタの電気特性の１つである
オン電流が低くなるといった問題がある。または、トランジスタの活性層が、上記非晶質
酸化物のいずれか１つから構成された場合、トランジスタの信頼性が悪くなるといった問
題がある。

また、非特許文献１では、チャネル保護型のボトムゲート型のトランジスタにおいて、ト
ランジスタの活性層として、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物と、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物との２層積層
とし、チャネルが形成されるＩｎ−Ｚｎ酸化物の膜厚を１０ｎｍとすることで、高い電界
効果移動度（μ＝６２ｃｍ^２Ｖ^−１ｓ^−１）を実現している。一方で、トランジスタ特性
の一つであるＳ値（Ｓｕｂｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｓｗｉｎｇ、ＳＳともいう）が０．４１
Ｖ／ｄｅｃａｄｅと大きい。また、トランジスタ特性の一つである、しきい値電圧（Ｖｔ
ｈともいう）が−２．９Ｖであり、所謂ノーマリーオンのトランジスタ特性である。

上述の問題に鑑み、本発明の一態様は、新規な金属酸化物を提供することを課題の一とす
る。または、本発明の一態様は、半導体装置に良好な電気特性を付与することを課題の一
とする。または、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。または、新
規な構成の半導体装置を提供することを課題の一とする。または、新規な構成の表示装置
を提供することを課題の一とする。

なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一
態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題
は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図
面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。

本発明の一態様は、複数のエネルギーバンド幅を有する金属酸化物であって、金属酸化物
は、エネルギーバンドの伝導帯下端が低い領域と、エネルギーバンドの伝導帯下端が高い
領域と、を有し、伝導帯下端が低い領域は、伝導帯下端が高い領域よりもキャリアが多い
金属酸化物である。

本発明の他の一態様は、複数のエネルギーバンド幅を有する金属酸化物であって、金属酸
化物は、エネルギーバンドの伝導帯下端が低い領域と、エネルギーバンドの伝導帯下端が
高い領域と、を有し、伝導帯下端が低い領域は、伝導帯下端が高い領域よりもキャリアが
多く、伝導帯下端の高い領域は、伝導帯下端の低い領域よりも真性である金属酸化物であ
る。

本発明の他の一態様は、複数のエネルギーバンド幅を有する金属酸化物であって、金属酸
化物は、エネルギーバンドの伝導帯下端が低い領域と、エネルギーバンドの伝導帯下端が
高い領域と、を有し、伝導帯下端が低い領域は、伝導帯下端が高い領域よりもキャリアが
多く、伝導帯下端が低い領域と、伝導帯下端が高い領域とは、それぞれ異なる伝導帯を有
する金属酸化物である。

上記態様において、伝導帯下端が高い領域は、Ｉｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｂ、Ｙ、
Ｔｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｇ、Ｖ、
Ｂｅ、またはＣｕの中から選ばれたいずれか一つまたは複数を有すると好ましい。

本発明の一態様により、新規な金属酸化物を提供することができる。または、本発明の一
態様により、半導体装置に良好な電気特性を付与することができる。または、信頼性の高
い半導体装置を提供することができる。または、新規な構成の半導体装置を提供すること
ができる。または、新規な構成の表示装置を提供することができる。

なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一
態様は、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は
、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面
、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。

金属酸化物の構成の概念図。 トランジスタ、および該トランジスタにおけるエネルギー準位の分布を説明する模式図。 トランジスタにおける概略バンドダイアグラムのモデルを説明する図。 トランジスタにおける概略バンドダイアグラムのモデルを説明する図。 半導体装置を説明する上面図及び断面図。 半導体装置を説明する上面図及び断面図。 半導体装置を説明する断面図。 半導体装置の作製方法を説明する断面図。 半導体装置の作製方法を説明する断面図。 半導体装置の作製方法を説明する断面図。 半導体装置を説明する上面図及び断面図。 半導体装置を説明する上面図及び断面図。 半導体装置を説明する上面図及び断面図。 半導体装置を説明する上面図及び断面図。 本発明に係る金属酸化物の原子数比の範囲を説明する図。 表示パネルの構成例を説明する図。 表示パネルの構成例を説明する図。 実施例に係る試料のＸＲＤスペクトルの測定結果を説明する図。 実施例に係る試料の断面ＴＥＭ像、および電子線回折パターンを説明する図。 六角形の回転角を導出する方法を説明する図。 実施例に係る試料の平面ＴＥＭ像およびその画像解析像を説明する図。 実施例に係る試料のＴＥＭ像、およびＥＤＸマッピングを説明する図。 実施例に係る試料のＴＥＭ像、およびＥＤＸマッピングを説明する図。 実施例に係る試料のＩｄ−Ｖｇ特性のグラフ。 トランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性及びＩｄ−Ｖｄ特性を説明する図。 ＧＣＡから計算されたＩｄ−Ｖｇ特性と移動度曲線（線形・飽和）を説明する図。

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異な
る態様で実施することが可能であり、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、
以下の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。

また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、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。なお図面は、理想的な例を模
式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。

また、本明細書にて用いる「第１」、「第２」、「第３」という序数詞は、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ことを付記する。

また、本明細書において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置
関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係
は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。従って、明細書で説明した
語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。

また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む
少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン（ドレイン端子、ドレイン
領域またはドレイン電極）とソース（ソース端子、ソース領域またはソース電極）の間に
チャネル形成領域を有しており、チャネル形成領域を介して、ソースとドレインとの間に
電流を流すことができるものである。なお、本明細書等において、チャネル形成領域とは
、電流が主として流れる領域をいう。

また、ソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動
作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細
書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする
。

また、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの
」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの
」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。
例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジスタ
などのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、キャパシタ、その他の各種機能を有す
る素子などが含まれる。

また、本明細書等において、酸化窒化シリコン膜とは、その組成として、窒素よりも酸素
の含有量が多い膜を指し、窒化酸化シリコン膜とは、その組成として、酸素よりも窒素の
含有量が多い膜を指す。

また、本明細書等において、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指
す符号は異なる図面間でも共通して用いる場合がある。

また、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度
で配置されている状態をいう。したがって、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また
、「略平行」とは、二つの直線が−３０°以上３０°以下の角度で配置されている状態を
いう。また、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されてい
る状態をいう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」
とは、二つの直線が６０°以上１２０°以下の角度で配置されている状態をいう。

また、本明細書等において、「膜」という用語と、「層」という用語とは、場合によって
は、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」
という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語
を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。

なお、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分低い場合は「絶縁体」とし
ての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「絶縁体」は境界が曖昧であり、厳密
に区別できない場合がある。したがって、本明細書に記載の「半導体」は、「絶縁体」と
言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「絶縁体」は、「半導体
」と言い換えることができる場合がある。

なお、本明細書等において、ノーマリーオンとは、電源による電位の印加がない（０Ｖ）
ときにオン状態であることをいう。例えば、ノーマリーオンの特性とは、トランジスタの
ゲートに与える電圧が０Ｖの際に、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性をさす場合が
ある。

なお、本明細書等について、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３またはその近傍とは、原子数
の総和に対して、Ｉｎが４の場合、Ｇａが１以上３以下（１≦Ｇａ≦３）であり、Ｚｎが
２以上４以下（２≦Ｚｎ≦４）とする。また、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：１：６またはその
近傍とは、原子数の総和に対して、Ｉｎが５の場合、Ｇａが０．１より大きく２以下（０
．１＜Ｇａ≦２）であり、Ｚｎが５以上７以下（５≦Ｚｎ≦７）とする。また、Ｉｎ：Ｇ
ａ：Ｚｎ＝１：１：１またはその近傍とは、原子数の総和に対して、Ｉｎが１の場合、Ｇ
ａが０．１より大きく２以下（０．１＜Ｇａ≦２）であり、Ｚｎが０．１より大きく２以
下（０．１＜Ｚｎ≦２）とする。

（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様である金属酸化物について説明する。

本発明の一態様の金属酸化物は、少なくともインジウムを含むことが好ましい。特にイン
ジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、元素Ｍ（元素Ｍは、ガ
リウム、アルミニウム、シリコン、ホウ素、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム
、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウ
ム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ば
れた一種、または複数種）が含まれていてもよい。

また、本発明の一態様の金属酸化物は、窒素を有すると好ましい。具体的には、本発明の
一態様の金属酸化物において、ＳＩＭＳにより得られる窒素濃度が、１×１０^１６ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ^３以上、好ましくは１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上２×１０^２２ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ^３以下とすればよい。なお、金属酸化物に窒素を添加すると、バンドギャップ
が狭くなり、導電性が向上する傾向がある。従って、本明細書等において、本発明の一態
様である金属酸化物は、窒素などが添加された金属酸化物も含むものとする。また、窒素
を有する金属酸化物を金属酸窒化物（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称しても
よい。

ここで、金属酸化物が、インジウム、元素Ｍ及び亜鉛を有する場合を考える。なお、金属
酸化物が有するインジウム、元素Ｍ、及び亜鉛の原子数比のそれぞれの項を［Ｉｎ］、［
Ｍ］、および［Ｚｎ］とする。

＜金属酸化物の構成＞
本発明におけるＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ−Ａｌｉｇｎｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）構成を有す
る金属酸化物の概念図を図１に示す。なお、本明細書において、本発明の一態様である金
属酸化物が、半導体の機能を有する場合、ＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ−Ａｌｉｇｎｅｄｃｏｍｐ
ｏｓｉｔｅ）−ＯＳ（ＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と定義する。

ＣＡＣ−ＯＳとは、例えば、図１に示すように、金属酸化物を構成する元素が偏在するこ
とで、各元素を主成分とする領域００１、および領域００２を形成し、各領域が、混合し
、モザイク状に形成される。つまり、金属酸化物を構成する元素が、０．５ｎｍ以上１０
ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上２ｎｍ以下、またはその近傍のサイズで偏在した材料
の一構成である。なお、以下では、金属酸化物において、一つあるいはそれ以上の金属元
素が偏在し、該金属元素を有する領域が、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは、１
ｎｍ以上２ｎｍ以下、またはその近傍のサイズで混合した状態をモザイク状、またはパッ
チ状ともいう。

例えば、ＣＡＣ構成を有するＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物とは、インジウム酸化物（以下、Ｉｎ
Ｏ_Ｘ１（Ｘ１は０よりも大きい実数）とする。）、またはインジウム亜鉛酸化物（以下、
Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２（Ｘ２、Ｙ２、およびＺ２は０よりも大きい実数）とする。）と
、元素Ｍを含む酸化物などと、に材料が分離することでモザイク状となり、モザイク状の
ＩｎＯ_Ｘ１、またはＩｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２が、膜中に分布した構成（以下、クラウド状
ともいう。）である。

別言すると、本発明の一態様の金属酸化物は、Ｉｎ酸化物、Ｉｎ−Ｍ酸化物、Ｍ酸化物、
ＭーＺｎ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、及びＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の中から選ばれた、少な
くとも２以上の複数の酸化物または複数の材料を有する。

代表的には、本発明の一態様の金属酸化物は、Ｉｎ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ａ
ｌ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｙ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｃｕ−Ｚｎ酸
化物、Ｉｎ−Ｖ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｂｅ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｂ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−
Ｓｉ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｔｉ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｆｅ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｎｉ−Ｚ
ｎ酸化物、Ｉｎ−Ｇｅ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｚｒ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｍｏ−Ｚｎ酸化物
、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−
Ｈｆ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｔａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｗ−Ｚｎ酸化物、及びＩｎ−Ｍｇ−
Ｚｎ酸化物の中から選ばれた、少なくとも２以上を有する。すなわち、本発明の一態様の
金属酸化物を、複数の材料または複数の成分を有する複合金属酸化物ともいえる。

ここで、図１に示す概念が、ＣＡＣ構成を有するＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であると仮定する
。その場合、領域００１が元素Ｍを含む酸化物を主成分とする領域、また、領域００２が
Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１を主成分とする領域であるといえる。このと
き、元素Ｍを含む酸化物が主成分である領域と、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ
_Ｘ１が主成分である領域と、少なくともＺｎを有する領域とは、周辺部が不明瞭である（
ボケている）ため、それぞれ明確な境界が観察できない場合がある。

つまり、ＣＡＣ構成を有するＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物は、元素Ｍを含む酸化物が主成分であ
る領域と、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１が主成分である領域とが、混合し
ている金属酸化物である。従って、金属酸化物を複合金属酸化物と記載する場合がある。
なお、本明細書において、例えば、領域００２の元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、領域
００１の元素Ｍに対するＩｎの原子数比よりも大きいことを、領域００２は、領域００１
と比較して、Ｉｎの濃度が高いとする。

なお、ＣＡＣ構成を有する金属酸化物とは、組成の異なる二種類以上の膜の積層構造は含
まないものとする。例えば、Ｉｎを主成分とする膜と、元素Ｍを含む酸化物を主成分とす
る膜との２層からなる構造は、含まない。

また、ＣＡＣ構成において、結晶構造は副次的な要素である。従って、ＣＡＣ構成を有す
るＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物において、領域００１、および領域００２における結晶構造は、
特に限定されない。また、領域００１、および領域００２は、それぞれ、異なる結晶構造
を有していてもよい。

例えば、ＣＡＣ構成を有するＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物において、非単結晶構造を有する酸化
物半導体であることが好ましい。非単結晶構造として、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ、多結晶
酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｏｘｉｄｅｓｅｍｉｃｏｎ
ｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌ
ｉｋｅｏｘｉｄｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）および非晶質酸化物半導体などがある。

なお、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ＣＡＡＣ構造を有する。ＣＡＡＣ構造とは、ｃ軸配向性を有し
、かつａ−ｂ面方向において複数のナノ結晶が連結し、歪みを有した結晶構造の酸化物半
導体である。なお、歪みとは、複数のナノ結晶が連結する領域において、格子配列の揃っ
た領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を指
す。

ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合が
ある。また、歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する場合がある。
従って、ＣＡＡＣ−ＯＳにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界（グレインバウ
ンダリーともいう）を確認することはできない。即ち、格子配列の歪みによって、結晶粒
界の形成が抑制されていることがわかる。これは、ＣＡＡＣ−ＯＳが、ａ−ｂ面方向にお
いて、酸素原子の配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離
が変化することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。

ｎｃ−ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３
ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ−ＯＳは、異なるナノ
結晶間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。した
がって、ｎｃ−ＯＳは、分析方法によっては、ａ−ｌｉｋｅＯＳや非晶質酸化物半導体と
区別が付かない場合がある。

ａ−ｌｉｋｅＯＳは、ｎｃ−ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導
体である。ａ−ｌｉｋｅＯＳは、鬆または低密度領域を有する。即ち、ａ−ｌｉｋｅＯＳ
は、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて、不安定な構造である。

例えば、ＣＡＣ−ＯＳは、ＣＡＡＣ構造を有することが好ましい。ＣＡＡＣ構造は、領域
００１、または領域００２を含む範囲で形成される場合がある。つまり、ＣＡＣ−ＯＳに
おいて、ＣＡＡＣ−ＯＳとなる領域は、数ｎｍから数十ｎｍの範囲で形成される。

ＣＡＡＣ−ＯＳは結晶性の高い酸化物半導体である。一方、ＣＡＡＣ−ＯＳは、明確な結
晶粒界を確認することはできないため、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりに
くいといえる。従って、ＣＡＡＣ−ＯＳを有することで、金属酸化物としての物理的性質
が安定するため、熱に強く、信頼性が高い金属酸化物を提供することができる。

具体的には、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ−ＯＳ（なお、ＣＡＣ−ＯＳの中で
もＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を、特にＣＡＣ−ＩＧＺＯと呼称してもよい。）について説明
する。Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ−ＯＳは、ＩｎＯ_Ｘ１、またはＩｎ_Ｘ２Ｚ
ｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２と、インジウムガリウム亜鉛酸化物（以下、Ｉｎ_ａＧａ_ｂＺｎ_ｃＯ_ｄ（ａ、
ｂ、ｃ、およびｄ０よりも大きい実数）とする。）などと、に材料が分離することでモザ
イク状となり、モザイク状のＩｎＯ_Ｘ１、またはＩｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２がクラウド状で
ある金属酸化物である。

つまり、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ−ＯＳは、Ｉｎ_ａＧａ_ｂＺｎ_ｃＯ_ｄが主
成分である領域と、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１が主成分である領域とが
、混合している構成を有する複合金属酸化物である。また、Ｉｎ_ａＧａ_ｂＺｎ_ｃＯ_ｄが主
成分である領域と、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１が主成分である領域とは
、周辺部が不明瞭である（ボケている）ため、明確な境界が観察できない場合がある。

例えば、図１に示す概念図において、領域００１がＩｎ_ａＧａ_ｂＺｎ_ｃＯ_ｄを主成分とす
る領域に相当し、領域００２がＩｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１を主成分とす
る領域に相当する。なお、Ｉｎ_ａＧａ_ｂＺｎ_ｃＯ_ｄを主成分とする領域、及びＩｎ_Ｘ２Ｚ
ｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１を主成分とする領域を、それぞれナノ粒子と呼称しても
よい。当該ナノ粒子は、粒子の径が０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、代表的には１ｎｍ以上
２ｎｍ以下である。また、上記ナノ粒子は、周辺部が不明瞭である（ボケている）ため、
明確な境界が観察できない場合がある。

なお、領域００１、および領域００２のサイズは、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ
：ＥｎｅｒｇｙＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＸ−ｒａｙｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて取
得したＥＤＸマッピングで評価することができる。例えば、領域００１は、断面写真のＥ
ＤＸマッピングにおいて、領域００１の径が、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、または１ｎ
ｍ以上２ｎｍ以下で観察される場合がある。また、領域の中心部から周辺部にかけて、主
成分である元素の密度は、徐々に小さくなる。例えば、ＥＤＸマッピングでカウントでき
る元素の個数（以下、存在量ともいう）が、中心部から周辺部に向けて傾斜すると、断面
写真のＥＤＸマッピングにおいて、領域の周辺部が不明瞭な（ボケた）状態で観察される
。例えば、Ｉｎ_ａＧａ_ｂＺｎ_ｃＯ_ｄが主成分である領域において、Ｇａ原子は、中心部か
ら周辺部にかけて徐々に減少し、代わりに、Ｉｎ原子、およびＺｎ原子が増加することで
、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２が主成分である領域へと段階的に変化する。従って、ＥＤＸマ
ッピングにおいて、Ｉｎ_ａＧａ_ｂＺｎ_ｃＯ_ｄが主成分である領域の周辺部は不明瞭な（ボ
ケた）状態で観察される。

なお、ＣＡＣ構成を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物における結晶構造は、特に限定されな
い。また、領域００１、および領域００２は、それぞれ、異なる結晶構造を有していても
よい。

ここで、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の金属酸化物をＩＧＺＯと示す場合があるが、ＩＧＺＯ
は通称であり、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、およびＯによる１つの化合物をいう場合がある。Ｉｎ
−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の金属酸化物の一例としては、結晶性の化合物が挙げられる。結晶性
の化合物は、単結晶構造、多結晶構造、またはＣＡＡＣ（ｃ−ａｘｉｓａｌｉｇｎｅｄｃ
ｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）構造を有する。なお、ＣＡＡＣ構造とは、複数のＩＧＺＯのナノ
結晶がｃ軸配向を有し、かつａ−ｂ面においては配向せずに連結した層状の結晶構造であ
る。

例えば、ＣＡＣ構成を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物は、非単結晶構造を有する酸化物半
導体であることが好ましい。特に、ＣＡＣ構成を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物は、ＣＡ
ＡＣ−ＩＧＺＯを有することが好ましい。また、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯとなる範囲には、領
域００１を有することが好ましい。ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯを有することで、金属酸化物とし
ての物理的性質が安定するため、熱に強く、信頼性が高いＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を提供
することができる。

なお、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ−ＯＳにおける結晶性は、電子線回折で評
価することができる。例えば、電子線回折パターン像において、リング状に輝度の高い領
域、およびリング状に輝度の高い領域内に、複数のスポットが観察される場合がある。

ここで、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１が主成分である領域は、Ｉｎ_ａＧａ
_ｂＺｎ_ｃＯ_ｄなどが主成分である領域と比較して、導電性が高い領域である。つまり、Ｉ
ｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１が主成分である領域を、キャリアが流れること
により、酸化物半導体としての導電性が発現する。従って、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、ま
たはＩｎＯ_Ｘ１が主成分である領域が、酸化物半導体中にクラウド状に分布することで、
高い電界効果移動度（μ）が実現できる。なお、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ
_Ｘ１が主成分である領域は、導電体の性質に近い、半導体の領域ともいえる。

一方、Ｉｎ_ａＧａ_ｂＺｎ_ｃＯ_ｄなどが主成分である領域は、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、ま
たはＩｎＯ_Ｘ１が主成分である領域と比較して、導電性が低い領域である。つまり、Ｉｎ
_ａＧａ_ｂＺｎ_ｃＯ_ｄなどが主成分である領域が、金属酸化物中に分布することで、リーク
電流を抑制し、良好なスイッチング動作を実現できる。なお、Ｉｎ_ａＧａ_ｂＺｎ_ｃＯ_ｄな
どが主成分である領域は、絶縁体の性質に近い、半導体の領域ともいえる。

従って、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ−ＯＳを半導体素子に用いた場合、Ｉｎ
_ａＧａ_ｂＺｎ_ｃＯ_ｄなどに起因する性質と、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１
に起因する性質とが、相補的に作用することにより、高いオン電流（Ｉ_ｏｎ）、高い電界
効果移動度（μ）、および、低いオフ電流（Ｉ_ｏｆｆ）を実現することができる。

また、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ−ＯＳを用いた半導体素子は、信頼性が高
い。従って、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ−ＯＳは、ディスプレイをはじめと
するさまざまな半導体装置に最適である。

＜金属酸化物を有するトランジスタ＞
続いて、上記金属酸化物を半導体としてトランジスタに用いる場合について説明する。

なお、上記金属酸化物を半導体としてトランジスタに用いることで、電界効果移動度が高
く、かつ、スイッチング特性が高いトランジスタを実現することができる。また、信頼性
の高いトランジスタを実現することができる。

図２（Ａ）は、上記金属酸化物をチャネル形成領域に用いたトランジスタの模式図である
。図２（Ａ）において、トランジスタは、ソースと、ドレインと、第１のゲートと、第２
のゲートと、第１のゲート絶縁部と、第２のゲート絶縁部と、チャネル部と、を有する。
トランジスタは、ゲートに印加する電位によって、チャネル部の抵抗を制御することがで
きる。即ち、第１のゲート、または第２のゲートに印加する電位によって、ソースとドレ
インとの間の導通（トランジスタがオン状態）・非導通（トランジスタがオフ状態）を制
御することができる。

ここで、チャネル部は、第１のバンドギャップを有する領域００１と、第２のバンドギャ
ップを有する領域００２と、がクラウド状であるＣＡＣ−ＯＳを有している。なお、第１
のバンドギャップは、第２のバンドギャップよりも大きいものとする。

例えば、チャネル部のＣＡＣ−ＯＳとして、ＣＡＣ構成を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物
を用いる場合について説明する。ＣＡＣ構成を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物は、領域０
０１として、領域００２よりもＧａの濃度が高いＩｎ_ａＧａ_ｂＺｎ_ｃＯ_ｄを主成分とする
領域と、領域００２として、領域００１よりもＩｎの濃度が高いＩｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２
、またはＩｎＯ_Ｘ１が主成分である領域と、に材料が分離することでモザイク状となり、
ＩｎＯ_Ｘ１、またはＩｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２が、膜中に分布した構成（クラウド状）であ
る。なお、Ｉｎ_ａＧａ_ｂＺｎ_ｃＯ_ｄを主成分とする領域００１は、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ
２、またはＩｎＯ_Ｘ１が主成分である領域００２よりも、大きなバンドギャップを有する
。

ここで、ＣＡＣ−ＯＳをチャネル部に有する図２（Ａ）に示すトランジスタの伝導モデル
について説明する。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示すトランジスタのソースとドレインと
の間におけるエネルギー準位の分布を説明する模式図である。また、図２（Ｃ）は、図２
（Ａ）に示すトランジスタにおいて、Ｘ−Ｘ’で示す実線上における伝導バンド図である
。なお、各伝導帯において、実線は伝導帯下端のエネルギーを示す。また、Ｅ_ｆで示す一
点破線は電子の擬フェルミ準位のエネルギーを示す。また、ここでは、第１のゲート電圧
として、ゲートとソースとの間にマイナスの電圧を印加し、ソースとドレインとの間にド
レイン電圧（Ｖ_ｄ＞０）を印加している。

図２（Ａ）に示すトランジスタに、マイナスのゲート電圧を印加すると、図２（Ｂ）に示
すように、ソースとドレインとの間に、領域００１に由来する伝導帯ＣＢ_００１と、領域
００２に由来する伝導帯ＣＢ_００２と、が形成される。ここで、第１のバンドギャップは
第２のバンドギャップよりも大きいため、伝導帯ＣＢ_００１におけるポテンシャル障壁は
、伝導帯ＣＢ_００２のポテンシャル障壁よりも大きい。つまり、チャネル部におけるポテ
ンシャル障壁の最大値は、領域００１に起因する値をとる。従って、ＣＡＣ−ＯＳをチャ
ネル部に用いることで、リーク電流を抑制し、スイッチング特性が高いトランジスタとす
ることができる。

また、図２（Ｃ）に示すように、第１のバンドギャップを有する領域００１は、第２のバ
ンドギャップを有する領域００２より、バンドギャップが相対的に広いので、第１のバン
ドギャップを有する領域のＥｃ端は、第２のバンドギャップを有する領域のＥｃ端よりも
相対的に高い位置に存在しうる。

例えば、第１のバンドギャップを有する領域００１の成分が、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（
Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］）であり、第２のバンドギャップを有する領
域００２の成分がＩｎ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｚｎ＝２：３［原子数比］）である場合を仮
定する。この場合、第１のバンドギャップは、３．３ｅＶ、またはその近傍であり、第２
のバンドギャップは、２．４ｅＶ、またはその近傍となる。なお、バンドギャップの値は
、各材料の単膜をエリプソメータで測定して得られる値を用いる。

上記の仮定の場合、第１のバンドギャップと、第２のバンドギャップとの差は０．９ｅＶ
である。本発明の一態様においては、第１のバンドギャップと、第２のバンドギャップと
の差は、少なくとも０．１ｅＶ以上あればよい。ただし、第１のバンドギャップを有する
領域００１に由来する価電子帯ＶＢ_００１の位置と、第２のバンドギャップを有する領域
００２に由来する価電子帯ＶＢ_００２の位置が異なる場合があるので、第１のバンドギャ
ップと、第２のバンドギャップとの差が、好ましくは０．３ｅＶ以上、さらに好ましくは
０．４ｅＶ以上であるとよい。

また、上記の仮定の場合、ＣＡＣ−ＯＳ中にキャリアを流れる際に、第２のバンドギャッ
プ、すなわちナローバンドであるＩｎ−Ｚｎ酸化物に起因してキャリアが流れる。この際
に、第２のバンドギャップから第１のバンドギャップ、すなわちワイドバンドであるＩｎ
−Ｇａ−Ｚｎ酸化物側にキャリアが溢れる。別言すると、ナローバンドであるＩｎ−Ｚｎ
酸化物の方がキャリアを生成しやすく、当該キャリアは、ワイドバンドであるＩｎ−Ｇａ
−Ｚｎ酸化物に移動する。

なお、チャネル部を形成する金属酸化物中において、領域００１と、領域００２とは、モ
ザイク状であり、領域００１、および領域００２は不規則に偏在している。そのため、Ｘ
−Ｘ’で示す実線上における伝導バンド図は一例である。

基本的に、図３（Ａ）に示すように、領域００２が領域００１に挟まれたバンドを形成し
ていればよい。または、領域００１が領域００２に挟まれたバンドを形成していればよい
。

また、実際のＣＡＣ−ＯＳでは、第１のバンドギャップを有する領域００１と第２のバン
ドギャップを有する領域００２との接合部は、領域の凝集形態や組成に揺らぎが生じてい
ると考えられる。従って、図３（Ｂ）、および図３（Ｃ）に示すように、バンドは不連続
ではなく、連続的に変化している場合がある。すなわち、ＣＡＣ−ＯＳ中にキャリアが流
れる際に、第１のバンドギャップと、第２のバンドギャップとが連動すると言い換えても
良い。

図４に、図２（Ａ）に示すトランジスタおいて、Ｘ−Ｘ’で示す実線上における概略バン
ドダイアグラムのモデルを示す。なお、第１のゲート電極に電圧を印加する場合、第２の
ゲート電極にも同じ電圧を同時に印加している。図４（Ａ）には、第１のゲート電圧Ｖ_ｇ
として、ゲートとソースとの間にプラスの電圧（Ｖ_ｇ＞０）を印加した状態（ＯＮＳｔａ
ｔｅ）を示す。図４（Ｂ）には、第１のゲート電圧Ｖ_ｇを印加しない（Ｖ_ｇ＝０）状態を
示す。図４（Ｃ）には、第１のゲート電圧Ｖ_ｇとして、ゲートとソースとの間にマイナス
の電圧（Ｖ_ｇ＜０）を印加した状態（ＯＦＦＳｔａｔｅ）を示す。なお、各伝導帯におい
て、実線は伝導帯下端のエネルギーを示す。また、Ｅ_ｆで示す一点鎖線は電子の擬フェル
ミ準位のエネルギーを示す。

ＣＡＣ−ＯＳをチャネル部に有するトランジスタは、第１のバンドギャップを有する領域
００１と第２のバンドギャップを有する領域００２とが、電気的に相互作用を及ぼす。別
言すると、第１のバンドギャップを有する領域００１と第２のバンドギャップを有する領
域００２とが、相補的に機能する。

図４（Ａ）に示すように、トランジスタをオン状態にする方向の電位（Ｖ_ｇ＞０）が、第
１のゲート電極に印加されると、Ｅｃ端の低い第２のバンドギャップを有する領域００２
が主な伝導経路となり、電子が流れると同時に、第１のバンドギャップを有する領域００
１にも電子が流れる。このためトランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり
大きなオン電流および高い電界効果移動度を得ることができる。

一方、図４（Ｂ）、および図４（Ｃ）に示すように、第１のゲートにしきい値電圧未満の
電圧（Ｖ_ｇ≦０）を印加することで、第１バンドギャップを有する領域００１は、誘電体
（絶縁体）として振る舞うので、領域００１中の伝導経路は遮断される。また、第２のバ
ンドギャップを有する領域００２は、第１のバンドギャップを有する領域００１と接して
いる。従って、第１のバンドギャップを有する領域００１は、自らに加えて第２のバンド
ギャップを有する領域００２へ電気的に相互作用を及ぼし、第２のバンドギャップを有す
る領域００２中の伝導経路すらも遮断する。これでチャネル部全体が非導通状態となり、
トランジスタはオフ状態となる。

以上より、トランジスタにＣＡＣ−ＯＳを用いることで、トランジスタの動作時、例えば
、ゲートと、ソースまたはドレインとの間に電位差が生じた時に、ゲートと、ソースまた
はドレインと、の間のリーク電流を低減または防止することができる。

また、トランジスタには、キャリア密度の低い半導体を用いることが好ましい。高純度真
性または実質的に高純度真性である金属酸化物は、キャリア発生源が少ないため、キャリ
ア密度を低くすることができる。また、高純度真性または実質的に高純度真性である金属
酸化物は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。

また、金属酸化物のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く
、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い金
属酸化物にチャネル形成領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合
がある。

従って、トランジスタの電気特性を安定にするためには、金属酸化物中の不純物濃度を低
減することが有効である。また、金属酸化物中の不純物濃度を低減するためには、近接す
る膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、アルカリ金属、
アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。

ここで、金属酸化物中における各不純物の影響について説明する。

金属酸化物において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、金属酸化
物において欠陥準位が形成される。このため、金属酸化物におけるシリコンや炭素の濃度
と、金属酸化物との界面近傍のシリコンや炭素の濃度（二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ
：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる
濃度）を、２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは２×１０^１７ａｔｏｍｓ／
ｃｍ^３以下とする。

また、金属酸化物にアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成
し、キャリアを生成する場合がある。従って、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含
まれている金属酸化物を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このた
め、金属酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好まし
い。具体的には、ＳＩＭＳにより得られる金属酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土
類金属の濃度を、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは２×１０^１６ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ^３以下とする。

また、金属酸化物に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、
酸素欠損（Ｖ_ｏ）を形成する場合がある。該酸素欠損（Ｖ_ｏ）に水素が入ることで、キャ
リアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と
結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、水素が含まれている金属
酸化物を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、金属酸化物
中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、金属酸化物において
、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましく
は１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、より好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ
^３未満、さらに好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満とする。

なお、金属酸化物中の酸素欠損（Ｖ_ｏ）は、酸素を金属酸化物に導入することで、低減す
ることができる。つまり、金属酸化物中の酸素欠損（Ｖ_ｏ）に、酸素が補填されることで
、酸素欠損（Ｖ_ｏ）は消失する。従って、金属酸化物中に、酸素を拡散させることで、ト
ランジスタの酸素欠損（Ｖ_ｏ）を低減し、信頼性を向上させることができる。

なお、酸素を金属酸化物に導入する方法として、例えば、金属酸化物に接して、化学量論
的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物を設けることができる。つまり、酸化
物には、化学量論的組成よりも酸素が過剰に存在する領域（以下、過剰酸素領域ともいう
）が形成されていることが好ましい。特に、トランジスタに金属酸化物を用いる場合、ト
ランジスタ近傍の下地膜や、層間膜などに、過剰酸素領域を有する酸化物を設けることで
、トランジスタの酸素欠損を低減し、信頼性を向上させることができる。

不純物が十分に低減された金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで
、安定した電気特性を付与することができる。

＜金属酸化物の成膜方法＞
以下では、金属酸化物の一例について説明する。

金属酸化物を成膜する際の温度としては、１００℃以上１４０℃未満とすることが好まし
い。例えばＧ８等の大型基板は、そのサイズに応じて、基板温度の制限がある。従って、
水の気化温度（１００℃以上）より高く、かつ可能な範囲で装置のメンテナビリティー、
スループットの良い温度を適宜選択すればよい。

また、スパッタリングガスは、希ガス（代表的にはアルゴン）、酸素、希ガス及び酸素の
混合ガスを適宜用いる。混合ガスの場合、成膜ガス全体に占める酸素ガスの割合が、０％
以上３０％以下、好ましくは５％以上２０％以下とする。

なお、スパッタリングガスの高純度化も必要である。例えば、スパッタリングガスとして
用いる酸素ガスやアルゴンガスは、露点が−４０℃以下、好ましくは−８０℃以下、より
好ましくは−１００℃以下、より好ましくは−１２０℃以下にまで高純度化したガスを用
いることで金属酸化物に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。

また、スパッタリング法で金属酸化物を成膜する場合、スパッタリング装置におけるチャ
ンバーは、金属酸化物にとって不純物となる水等を可能な限り除去すべくクライオポンプ
のような吸着式の真空排気ポンプを用いて高真空（５×１０^−７Ｐａから１×１０^−４Ｐ
ａ程度まで）排気することが好ましい。または、ターボ分子ポンプとコールドトラップを
組み合わせて排気系からチャンバー内に気体、特に炭素または水素を含む気体が逆流しな
いようにしておくことが好ましい。

また、ターゲットとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ金属酸化物ターゲットを用いることができる
。例えば、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：４．１［原子数比］、または［Ｉｎ
］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝５：１：７［原子数比］、またはその近傍値の原子数比である
金属酸化物ターゲットを用いることが好ましい。

また、スパッタリング装置において、ターゲットを回転または移動させても構わない。成
膜条件、例えば、成膜中にマグネットユニットを上下または／及び左右に揺動させること
によって、本発明の複合金属酸化物を形成することができる。例えば、ターゲットを、０
．１Ｈｚ以上１ｋＨｚ以下のビート（リズム、拍子、パルス、周波、周期またはサイクル
などと言い換えてもよい。）で回転または揺動させればよい。または、マグネットユニッ
トを、０．１Ｈｚ以上１ｋＨｚ以下のビートで揺動させればよい。

例えば、スパッタリングガスとして、酸素のガス比が１０％程度の希ガス、および酸素の
混合ガスを用い、基板温度を１３０℃とし、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：４
．１［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ金属酸化物ターゲットを揺動させながら成膜を行う
ことで、本発明の金属酸化物を形成することができる。

以上、本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態または他の実施例に示す構成と適宜、
組み合わせて用いることができる。

（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置及び半導体装置の作製方法について、図
５乃至図１４を参照して説明する。

＜２−１．半導体装置の構成例１＞
図５（Ａ）は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ１００の上面図であり、
図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し
、図５（Ｃ）は、図５（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当
する。なお、図５（Ａ）において、煩雑になることを避けるため、トランジスタ１００の
構成要素の一部（ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜等）を省略して図示している。また
、一点鎖線Ｘ１−Ｘ２方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｙ１−Ｙ２方向をチャネル幅方向
と呼称する場合がある。なお、トランジスタの上面図においては、以降の図面においても
図５（Ａ）と同様に、構成要素の一部を省略して図示する場合がある。

図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００は、所謂トップゲート構造のトランジ
スタである。

トランジスタ１００は、基板１０２上の絶縁膜１０４と、絶縁膜１０４上の金属酸化物１
０８と、金属酸化物１０８上の絶縁膜１１０と、絶縁膜１１０上の導電膜１１２と、絶縁
膜１０４、金属酸化物１０８、及び導電膜１１２上の絶縁膜１１６と、を有する。

また、金属酸化物１０８は、導電膜１１２が重畳する領域において、絶縁膜１０４上の金
属酸化物１０８を有する。例えば、金属酸化物１０８は、Ｉｎと、Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、
Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有すると好ましい。

また、金属酸化物１０８は、導電膜１１２が重畳せずに、且つ絶縁膜１１６が接する領域
において、領域１０８ｎを有する。領域１０８ｎは、先に説明した金属酸化物１０８が、
ｎ型化した領域である。なお、領域１０８ｎは、絶縁膜１１６と接し、絶縁膜１１６は、
窒素または水素を有する。そのため、絶縁膜１１６中の窒素または水素が領域１０８ｎに
添加されることで、キャリア密度が高くなりｎ型となる。

また、金属酸化物１０８は、Ｉｎの原子数比がＭの原子数比より多い領域を有すると好ま
しい。一例としては、金属酸化物１０８のＩｎ、Ｍ、及びＺｎの原子数の比を、Ｉｎ：Ｍ
：Ｚｎ＝４：２：３近傍とすると好ましい。

なお、金属酸化物１０８は、上記の組成に限定されない。例えば、金属酸化物１０８のＩ
ｎ、Ｍ、及びＺｎの原子数の比を、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：１：６近傍としてもよい。ここ
で近傍とは、Ｉｎが５の場合、Ｍが０．５以上１．５以下であり、且つＺｎが５以上７以
下を含む。

金属酸化物１０８が、Ｉｎの原子数比がＭの原子数比より多い領域を有することで、トラ
ンジスタ１００の電界効果移動度を高くすることができる。具体的には、トランジスタ１
００の電界効果移動度が１０ｃｍ^２／Ｖ_ｓを超える、さらに好ましくはトランジスタ１０
０の電界効果移動度が３０ｃｍ^２／Ｖ_ｓを超えることが可能となる。

例えば、上記の電界効果移動度が高いトランジスタを、ゲート信号を生成するゲートドラ
イバに用いることで、額縁幅の狭い（狭額縁ともいう）表示装置を提供することができる
。また、上記の電界効果移動度が高いトランジスタを、表示装置が有する信号線からの信
号の供給を行うソースドライバ（とくに、ソースドライバが有するシフトレジスタの出力
端子に接続されるデマルチプレクサ）に用いることで、表示装置に接続される配線数が少
ない表示装置を提供することができる。

一方で、金属酸化物１０８が、Ｉｎの原子数比がＭの原子数比より多い領域を有していて
も、金属酸化物１０８の結晶性が高い場合、電界効果移動度が低くなる場合がある。

なお、金属酸化物１０８の結晶性としては、例えば、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−ＲａｙＤｉ
ｆｆｒａｃｔｉｏｎ）を用いて分析する、あるいは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａ
ｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いて分析することで解
析できる。

まず、金属酸化物１０８中に形成されうる酸素欠損について説明を行う。

金属酸化物１０８に形成される酸素欠損は、トランジスタ特性に影響を与えるため問題と
なる。例えば、金属酸化物１０８中に酸素欠損が形成されると、該酸素欠損に水素が結合
し、キャリア供給源となる。金属酸化物１０８中にキャリア供給源が生成されると、金属
酸化物１０８を有するトランジスタ１００の電気特性の変動、代表的にはしきい値電圧の
シフトが生じる。したがって、金属酸化物１０８においては、酸素欠損が少ないほど好ま
しい。

そこで、本発明の一態様においては、金属酸化物１０８近傍の絶縁膜、具体的には、金属
酸化物１０８の上方に形成される絶縁膜１１０及び金属酸化物１０８の下方に形成される
絶縁膜１０４のいずれか一方または双方が、過剰酸素を含有する構成である。絶縁膜１０
４及び絶縁膜１１０のいずれか一方または双方から金属酸化物１０８へ酸素または過剰酸
素を移動させることで、金属酸化物中の酸素欠損を低減することが可能となる。

金属酸化物１０８に混入する水素または水分などの不純物は、トランジスタ特性に影響を
与えるため問題となる。したがって、金属酸化物１０８においては、水素または水分など
の不純物が少ないほど好ましい。

なお、金属酸化物１０８としては、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い金属酸化物を
用いることで、優れた電気特性を有するトランジスタを作製することができ好ましい。こ
こでは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い（酸素欠損の少ない）ことを高純度真性
または実質的に高純度真性とよぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である金属酸化
物は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。従って、該
金属酸化物にチャネル形成領域が形成されるトランジスタは、しきい値電圧がマイナスと
なる電気特性（ノーマリーオンともいう。）になることが少ない。また、高純度真性また
は実質的に高純度真性である金属酸化物は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度
も低くなる場合がある。また、高純度真性または実質的に高純度真性である金属酸化物は
、オフ電流が著しく小さく、チャネル幅が１×１０^６μｍでチャネル長が１０μｍの素子
であっても、ソース電極とドレイン電極間の電圧（ドレイン電圧）が１Ｖから１０Ｖの範
囲において、オフ電流が、半導体パラメータアナライザの測定限界以下、すなわち１×１
０^−１３Ａ以下という特性を得ることができる。

また、図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すように、トランジスタ１００は、絶縁膜１１６上の
絶縁膜１１８と、絶縁膜１１６、１１８に設けられた開口部１４１ａを介して、領域１０
８ｎに電気的に接続される導電膜１２０ａと、絶縁膜１１６、１１８に設けられた開口部
１４１ｂを介して、領域１０８ｎに電気的に接続される導電膜１２０ｂと、を有していて
もよい。

なお、本明細書等において、絶縁膜１０４を第１の絶縁膜と、絶縁膜１１０を第２の絶縁
膜と、絶縁膜１１６を第３の絶縁膜と、絶縁膜１１８を第４の絶縁膜と、それぞれ呼称す
る場合がある。また、導電膜１１２は、ゲート電極としての機能を有し、導電膜１２０ａ
は、ソース電極としての機能を有し、導電膜１２０ｂは、ドレイン電極としての機能を有
する。

また、絶縁膜１１０は、ゲート絶縁膜としての機能を有する。また、絶縁膜１１０は、過
剰酸素領域を有する。絶縁膜１１０が過剰酸素領域を有することで、金属酸化物１０８中
に過剰酸素を供給することができる。よって、金属酸化物１０８中に形成されうる酸素欠
損を過剰酸素により補填することができるため、信頼性の高い半導体装置を提供すること
ができる。

なお、金属酸化物１０８中に過剰酸素を供給させるためには、金属酸化物１０８の下方に
形成される絶縁膜１０４に過剰酸素を供給してもよい。この場合、絶縁膜１０４中に含ま
れる過剰酸素は、領域１０８ｎにも供給されうる。領域１０８ｎ中に過剰酸素が供給され
ると、領域１０８ｎ中の抵抗が高くなり、好ましくない。一方で、金属酸化物１０８の上
方に形成される絶縁膜１１０に過剰酸素を有する構成とすることで、導電膜１１２と重畳
する領域にのみ選択的に過剰酸素を供給させることが可能となる。

＜２−２．半導体装置の構成要素＞
次に、本実施の形態の半導体装置に含まれる構成要素について、詳細に説明する。

［基板］
基板１０２の材質など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必要がある。例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サフ
ァイア基板等を、基板１０２として用いてもよい。また、シリコンや炭化シリコンを材料
とした単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム等の化合物半導体基
板、ＳＯＩ基板等を適用することも可能であり、これらの基板上に半導体素子が設けられ
たものを、基板１０２として用いてもよい。なお、基板１０２として、ガラス基板を用い
る場合、第６世代（１５００ｍｍ×１８５０ｍｍ）、第７世代（１８７０ｍｍ×２２００
ｍｍ）、第８世代（２２００ｍｍ×２４００ｍｍ）、第９世代（２４００ｍｍ×２８００
ｍｍ）、第１０世代（２９５０ｍｍ×３４００ｍｍ）等の大面積基板を用いることで、大
型の表示装置を作製することができる。

また、基板１０２として、可撓性基板を用い、可撓性基板上に直接、トランジスタ１００
を形成してもよい。または、基板１０２とトランジスタ１００の間に剥離層を設けてもよ
い。剥離層は、その上に半導体装置を一部あるいは全部完成させた後、基板１０２より分
離し、他の基板に転載するのに用いることができる。その際、トランジスタ１００は耐熱
性の劣る基板や可撓性の基板にも転載できる。

［第１の絶縁膜］
絶縁膜１０４としては、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法、パルスレーザー堆積（Ｐ
ＬＤ）法、印刷法、塗布法等を適宜用いて形成することができる。また、絶縁膜１０４と
しては、例えば、酸化物絶縁膜または窒化物絶縁膜を単層または積層して形成することが
できる。なお、金属酸化物１０８との界面特性を向上させるため、絶縁膜１０４において
少なくとも金属酸化物１０８と接する領域は酸化物絶縁膜で形成することが好ましい。ま
た、絶縁膜１０４として加熱により酸素を放出する酸化物絶縁膜を用いることで、加熱処
理により絶縁膜１０４に含まれる酸素を、金属酸化物１０８に移動させることが可能であ
る。

絶縁膜１０４の厚さは、５０ｎｍ以上、または１００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下、または
２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることができる。絶縁膜１０４を厚くすることで、
絶縁膜１０４の酸素放出量を増加させることができると共に、絶縁膜１０４と金属酸化物
１０８との界面における界面準位、並びに金属酸化物１０８に含まれる酸素欠損を低減す
ることが可能である。

絶縁膜１０４として、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化
シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムまたはＧａ−Ｚｎ酸化物な
どを用いればよく、単層または積層で設けることができる。本実施の形態では、絶縁膜１
０４として、窒化シリコン膜と、酸化窒化シリコン膜との積層構造を用いる。このように
、絶縁膜１０４を積層構造として、下層側に窒化シリコン膜を用い、上層側に酸化窒化シ
リコン膜を用いることで、金属酸化物１０８中に効率よく酸素を導入することができる。

［導電膜］
ゲート電極として機能する導電膜１１２、ソース電極として機能する導電膜１２０ａ、ド
レイン電極として機能する導電膜１２０ｂとしては、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、アル
ミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、タン
タル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎ
ｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）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等を用いてそれぞれ形成するこ
とができる。

また、導電膜１１２、１２０ａ、１２０ｂには、インジウムと錫とを有する酸化物（Ｉｎ
−Ｓｎ酸化物）、インジウムとタングステンとを有する酸化物（Ｉｎ−Ｗ酸化物）、イン
ジウムとタングステンと亜鉛とを有する酸化物（Ｉｎ−Ｗ−Ｚｎ酸化物）、インジウムと
チタンとを有する酸化物（Ｉｎ−Ｔｉ酸化物）、インジウムとチタンと錫とを有する酸化
物（Ｉｎ−Ｔｉ−Ｓｎ酸化物）、インジウムと亜鉛とを有する酸化物（Ｉｎ−Ｚｎ酸化物
）、インジウムと錫とシリコンとを有する酸化物（Ｉｎ−Ｓｎ−Ｓｉ酸化物）、インジウ
ムとガリウムと亜鉛とを有する酸化物（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物）等の酸化物導電体また
は金属酸化物を適用することもできる。

ここで、酸化物導電体について説明を行う。本明細書等において、酸化物導電体をＯＣ（
ＯｘｉｄｅＣｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼称してもよい。酸化物導電体としては、例えば、金
属酸化物に酸素欠損を形成し、該酸素欠損に水素を添加すると、伝導帯近傍にドナー準位
が形成される。この結果、金属酸化物は、導電性が高くなり導電体化する。導電体化され
た金属酸化物を、酸化物導電体ということができる。一般に、金属酸化物は、エネルギー
ギャップが大きいため、可視光に対して透光性を有する。一方、酸化物導電体は、伝導帯
近傍にドナー準位を有する金属酸化物である。したがって、酸化物導電体は、ドナー準位
による吸収の影響は小さく、可視光に対して金属酸化物と同程度の透光性を有する。

特に、導電膜１１２に上述の酸化物導電体を用いると、絶縁膜１１０中に過剰酸素を添加
することができるので好適である。

また、導電膜１１２、１２０ａ、１２０ｂには、Ｃｕ−Ｘ合金膜（Ｘは、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃ
ｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔａ、またはＴｉ）を適用してもよい。Ｃｕ−Ｘ合金膜を用いる
ことで、ウエットエッチングプロセスで加工できるため、製造コストを抑制することが可
能となる。

また、導電膜１１２、１２０ａ、１２０ｂには、上述の金属元素の中でも、特にチタン、
タングステン、タンタル、及びモリブデンの中から選ばれるいずれか一つまたは複数を有
すると好適である。特に、導電膜１１２、１２０ａ、１２０ｂとしては、窒化タンタル膜
を用いると好適である。当該窒化タンタル膜は、導電性を有し、且つ、銅または水素に対
して、高いバリア性を有する。また、窒化タンタル膜は、さらに自身からの水素の放出が
少ないため、金属酸化物１０８と接する導電膜、または金属酸化物１０８の近傍の導電膜
として、好適に用いることができる。

また、導電膜１１２、１２０ａ、１２０ｂを、無電解めっき法により形成することができ
る。当該無電解めっき法により形成できる材料としては、例えば、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ａ
ｕ、Ｓｎ、Ｃｏ、Ａｇ、及びＰｄの中から選ばれるいずれか一つまたは複数を用いること
が可能である。特に、ＣｕまたはＡｇを用いると、導電膜の抵抗を低くすることができる
ため、好適である。

［第２の絶縁膜］
トランジスタ１００のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜１１０としては、プラズマ化学
気相堆積（ＰＥＣＶＤ：（ＰｌａｓｍａＥｎｈａｎｃｅｄＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤ
ｅｐｏｓｉｔｉｏｎ））法、スパッタリング法等により、酸化シリコン膜、酸化窒化シリ
コン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜
、酸化イットリウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ガリウム膜、酸化タンタル膜、酸化マ
グネシウム膜、酸化ランタン膜、酸化セリウム膜および酸化ネオジム膜を一種以上含む絶
縁層を用いることができる。なお、絶縁膜１１０を、２層の積層構造または３層以上の積
層構造としてもよい。

また、トランジスタ１００のチャネル形成領域として機能する金属酸化物１０８と接する
絶縁膜１１０は、酸化物絶縁膜であることが好ましく、化学量論的組成よりも過剰に酸素
を含有する領域（過剰酸素領域）を有することがより好ましい。別言すると、絶縁膜１１
０は、酸素を放出することが可能な絶縁膜である。なお、絶縁膜１１０に過剰酸素領域を
設けるには、例えば、酸素雰囲気下にて絶縁膜１１０を形成する、もしくは成膜後の絶縁
膜１１０を酸素雰囲気下で熱処理すればよい。

また、絶縁膜１１０として、酸化ハフニウムを用いる場合、以下の効果を奏する。酸化ハ
フニウムは、酸化シリコンや酸化窒化シリコンと比べて比誘電率が高い。したがって、酸
化シリコンを用いた場合と比べて、絶縁膜１１０の膜厚を大きくできるため、トンネル電
流によるリーク電流を小さくすることができる。すなわち、オフ電流の小さいトランジス
タを実現することができる。さらに、結晶構造を有する酸化ハフニウムは、非晶質構造を
有する酸化ハフニウムと比べて高い比誘電率を備える。したがって、オフ電流の小さいト
ランジスタとするためには、結晶構造を有する酸化ハフニウムを用いることが好ましい。
結晶構造の例としては、単斜晶系や立方晶系などが挙げられる。ただし、本発明の一態様
は、これらに限定されない。

また、絶縁膜１１０は、欠陥が少ないことが好ましく、代表的には、電子スピン共鳴法（
ＥＳＲ：ＥｌｅｃｔｒｏｎＳｐｉｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ）で観察されるシグナルが少ない
方が好ましい。例えば、上述のシグナルとしては、ｇ値が２．００１に観察されるＥ’セ
ンターが挙げられる。なお、Ｅ’センターは、シリコンのダングリングボンドに起因する
。絶縁膜１１０としては、Ｅ’センター起因のスピン密度が、３×１０^１７ｓｐｉｎｓ／
ｃｍ^３以下、好ましくは５×１０^１６ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下である酸化シリコン膜、ま
たは酸化窒化シリコン膜を用いればよい。

［金属酸化物］
金属酸化物１０８としては、先に示す金属酸化物を用いることができる。

＜原子数比＞
以下に、図１５（Ａ）、図１５（Ｂ）、および図１５（Ｃ）を用いて、本発明に係る金属
酸化物が有するインジウム、元素Ｍおよび亜鉛の原子数比の好ましい範囲について説明す
る。なお、図１５（Ａ）、図１５（Ｂ）、および図１５（Ｃ）には、酸素の原子数比につ
いては記載しない。また、金属酸化物が有するインジウム、元素Ｍ、および亜鉛の原子数
比のそれぞれの項を［Ｉｎ］、［Ｍ］、および［Ｚｎ］とする。

図１５（Ａ）、図１５（Ｂ）、および図１５（Ｃ）において、破線は、［Ｉｎ］：［Ｍ］
：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：１の原子数比（−１≦α≦１）となるライン、［
Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：２の原子数比となるライン、［Ｉ
ｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：３の原子数比となるライン、［Ｉｎ
］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：４の原子数比となるライン、および［
Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：５の原子数比となるラインを表す
。

また、一点鎖線は、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：１：βの原子数比（β≧０）とな
るライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝２：１：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］
：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］
＝１：２：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：３：βの原子
数比となるライン、および［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：４：βの原子数比となるラ
インを表す。

また、図１５（Ａ）、図１５（Ｂ）、および図１５（Ｃ）に示す、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［
Ｚｎ］＝０：２：１の原子数比、およびその近傍値の金属酸化物は、スピネル型の結晶構
造をとりやすい。

また、金属酸化物中に複数の相が共存する場合がある（二相共存、三相共存など）。例え
ば、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：２：１の近傍値である場合、スピネル
型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。また、原子数比が［Ｉｎ］：［
Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：０：０の近傍値である場合、ビックスバイト型の結晶構造と層状の
結晶構造との二相が共存しやすい。金属酸化物中に複数の相が共存する場合、異なる結晶
構造の間において、結晶粒界が形成される場合がある。

図１５（Ａ）に示す領域Ａは、金属酸化物が有する、インジウム、元素Ｍ、および亜鉛の
原子数比の好ましい範囲の一例について示している。

金属酸化物は、インジウムの含有率を高くすることで、金属酸化物のキャリア移動度（電
子移動度）を高くすることができる。従って、インジウムの含有率が高い金属酸化物はイ
ンジウムの含有率が低い金属酸化物と比較してキャリア移動度が高くなる。

一方、金属酸化物中のインジウムおよび亜鉛の含有率が低くなると、キャリア移動度が低
くなる。従って、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：１：０、およびその近傍
値である場合（例えば図１５（Ｃ）に示す領域Ｃ）は、絶縁性が高くなる。

従って、本発明の一態様の金属酸化物は、キャリア移動度が高い、図１５（Ａ）の領域Ａ
で示される原子数比を有することが好ましい。

特に、図１５（Ｂ）に示す領域Ｂでは、領域Ａの中でも、キャリア移動度が高く、信頼性
が高い優れた金属酸化物が得られる。

なお、領域Ｂは、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝４：２：３から４．１、およびその近傍
値を含む。近傍値には、例えば、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：３：４が含まれる。
また、領域Ｂは、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：１：６、およびその近傍値、および
［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：１：７、およびその近傍値を含む。

なお、金属酸化物が有する性質は、原子数比によって一義的に定まらない。同じ原子数比
であっても、形成条件により、金属酸化物の性質が異なる場合がある。例えば、金属酸化
物をスパッタリング装置にて成膜する場合、ターゲットの原子数比からずれた原子数比の
膜が形成される。また、成膜時の基板温度によっては、ターゲットの［Ｚｎ］よりも、膜
の［Ｚｎ］が小さくなる場合がある。従って、図示する領域は、金属酸化物が特定の特性
を有する傾向がある原子数比を示す領域であり、領域Ａ乃至領域Ｃの境界は厳密ではない
。

また、金属酸化物１０８が、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、スパッタリングターゲットと
しては、多結晶のＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を含むターゲットを用いると好ましい。なお、成
膜される金属酸化物１０８の原子数比は、上記のスパッタリングターゲットに含まれる金
属元素の原子数比のプラスマイナス４０％の変動を含む。例えば、金属酸化物１０８に用
いるスパッタリングターゲットの組成がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］
の場合、成膜される金属酸化物１０８の組成は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数
比］の近傍となる場合がある。また、金属酸化物１０８に用いるスパッタリングターゲッ
トの組成がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：１：７［原子数比］の場合、成膜される金属酸化物１
０８の組成は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：１：６［原子数比］の近傍となる場合がある。

また、金属酸化物１０８は、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以
上である。このように、エネルギーギャップの広い金属酸化物を用いることで、トランジ
スタ１００のオフ電流を低減することができる。

また、金属酸化物１０８は、非単結晶構造であると好ましい。非単結晶構造は、例えば、
後述するＣＡＡＣ−ＯＳ、多結晶構造、微結晶構造、または非晶質構造を含む。非単結晶
構造において、非晶質構造は最も欠陥準位密度が高い。

［第３の絶縁膜］
絶縁膜１１６は、窒素または水素を有する。絶縁膜１１６としては、例えば、窒化物絶縁
膜が挙げられる。該窒化物絶縁膜としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化
シリコン等を用いて形成することができる。絶縁膜１１６に含まれる水素濃度は、１×１
０^２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であると好ましい。また、絶縁膜１１６は、金属酸化物１
０８の領域１０８ｎと接する。したがって、絶縁膜１１６と接する領域１０８ｎ中の不純
物（窒素または水素）濃度が高くなり、領域１０８ｎのキャリア密度を高めることができ
る。

［第４の絶縁膜］
絶縁膜１１８としては、酸化物絶縁膜を用いることができる。また、絶縁膜１１８として
は、酸化物絶縁膜と、窒化物絶縁膜との積層膜を用いることができる。絶縁膜１１８とし
て、例えば酸化シリコン、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
化ハフニウム、酸化ガリウムまたはＧａ−Ｚｎ酸化物などを用いればよい。

また、絶縁膜１１８としては、外部からの水素、水等のバリア膜として機能する膜である
ことが好ましい。

絶縁膜１１８の厚さは、３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、または１００ｎｍ以上４００ｎｍ
以下とすることができる。

＜２−３．トランジスタの構成例２＞
次に、図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタと異なる構成について、図６（Ａ）（
Ｂ）（Ｃ）を用いて説明する。

図６（Ａ）は、トランジスタ１５０の上面図であり、図６（Ｂ）は図６（Ａ）の一点鎖線
Ｘ１−Ｘ２間の断面図であり、図６（Ｃ）は図６（Ａ）の一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間の断面図
である。

図６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１５０は、基板１０２上の導電膜１０６と、
導電膜１０６上の絶縁膜１０４と、絶縁膜１０４上の金属酸化物１０８と、金属酸化物１
０８上の絶縁膜１１０と、絶縁膜１１０上の導電膜１１２と、絶縁膜１０４、金属酸化物
１０８、及び導電膜１１２上の絶縁膜１１６と、を有する。

なお、金属酸化物１０８は、図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００と同様の
構成である。図６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示す、トランジスタ１５０は、先に示すトランジ
スタ１００の構成に加え、導電膜１０６と、開口部１４３と、を有する。

開口部１４３は、絶縁膜１０４、１１０に設けられる。また、導電膜１０６は、開口部１
４３を介して、導電膜１１２と、電気的に接続される。よって、導電膜１０６と導電膜１
１２には、同じ電位が与えられる。なお、開口部１４３を設けずに、導電膜１０６と、導
電膜１１２と、に異なる電位を与えてもよい。または、開口部１４３を設けずに、導電膜
１０６を遮光膜として用いてもよい。例えば、導電膜１０６を遮光性の材料により形成す
ることで、第２の領域１０８ｉに照射される下方からの光を抑制することができる。

また、トランジスタ１５０の構成とする場合、導電膜１０６は、第１のゲート電極（ボト
ムゲート電極ともいう）としての機能を有し、導電膜１１２は、第２のゲート電極（トッ
プゲート電極ともいう）としての機能を有する。また、絶縁膜１０４は、第１のゲート絶
縁膜としての機能を有し、絶縁膜１１０は、第２のゲート絶縁膜としての機能を有する。

導電膜１０６としては、先に記載の導電膜１１２、１２０ａ、１２０ｂと同様の材料を用
いることができる。特に導電膜１０６として、銅を含む材料により形成することで抵抗を
低くすることができるため好適である。例えば、導電膜１０６を窒化チタン膜、窒化タン
タル膜、またはタングステン膜上に銅膜を設ける積層構造とし、導電膜１２０ａ、１２０
ｂを窒化チタン膜、窒化タンタル膜、またはタングステン膜上に銅膜を設ける積層構造と
すると好適である。この場合、トランジスタ１５０を表示装置の画素トランジスタ及び駆
動トランジスタのいずれか一方または双方に用いることで、導電膜１０６と導電膜１２０
ａとの間に生じる寄生容量、及び導電膜１０６と導電膜１２０ｂとの間に生じる寄生容量
を低くすることができる。したがって、導電膜１０６、導電膜１２０ａ、及び導電膜１２
０ｂを、トランジスタ１５０の第１のゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極として
用いるのみならず、表示装置の電源供給用の配線、信号供給用の配線、または接続用の配
線等に用いる事も可能となる。

このように、図６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１５０は、先に説明したトラン
ジスタ１００と異なり、金属酸化物１０８の上下にゲート電極として機能する導電膜を有
する構造である。トランジスタ１５０に示すように、本発明の一態様の半導体装置には、
複数のゲート電極を設けてもよい。

また、図６（Ｂ）（Ｃ）に示すように、金属酸化物１０８は、第１のゲート電極として機
能する導電膜１０６と、第２のゲート電極として機能する導電膜１１２のそれぞれと対向
するように位置し、２つのゲート電極として機能する導電膜に挟まれている。

また、導電膜１１２のチャネル幅方向の長さは、金属酸化物１０８のチャネル幅方向の長
さよりも長く、金属酸化物１０８のチャネル幅方向全体は、絶縁膜１１０を間に挟んで導
電膜１１２に覆われている。また、導電膜１１２と導電膜１０６とは、絶縁膜１０４、及
び絶縁膜１１０に設けられる開口部１４３において接続されるため、金属酸化物１０８の
チャネル幅方向の側面の一方は、絶縁膜１１０を間に挟んで導電膜１１２と対向している
。

別言すると、導電膜１０６及び導電膜１１２は、絶縁膜１０４、１１０に設けられる開口
部１４３において接続され、且つ金属酸化物１０８の側端部よりも外側に位置する領域を
有する。

このような構成を有することで、トランジスタ１５０に含まれる金属酸化物１０８を、第
１のゲート電極として機能する導電膜１０６及び第２のゲート電極として機能する導電膜
１１２の電界によって電気的に取り囲むことができる。トランジスタ１５０のように、第
１のゲート電極及び第２のゲート電極の電界によって、チャネル形成領域が形成される金
属酸化物１０８を電気的に取り囲むトランジスタのデバイス構造をＳｕｒｒｏｕｎｄｅｄ
ｃｈａｎｎｅｌ（Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造と呼ぶことができる。

トランジスタ１５０は、Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有するため、導電膜１０６または導電
膜１１２によってチャネルを誘起させるための電界を効果的に金属酸化物１０８に印加す
ることができるため、トランジスタ１５０の電流駆動能力が向上し、高いオン電流特性を
得ることが可能となる。また、オン電流を高くすることが可能であるため、トランジスタ
１５０を微細化することが可能となる。また、トランジスタ１５０の金属酸化物１０８は
、導電膜１０６、及び導電膜１１２によって取り囲まれた構造を有するため、トランジス
タ１５０の機械的強度を高めることができる。

なお、トランジスタ１５０のチャネル幅方向において、金属酸化物１０８の開口部１４３
が形成されていない側に、開口部１４３と異なる開口部を形成してもよい。

また、トランジスタ１５０に示すように、トランジスタが、半導体膜を間に挟んで存在す
る一対のゲート電極を有している場合、一方のゲート電極には信号Ａが、他方のゲート電
極には固定電位Ｖｂが与えられてもよい。また、一方のゲート電極には信号Ａが、他方の
ゲート電極には信号Ｂが与えられてもよい。また、一方のゲート電極には固定電位Ｖａが
、他方のゲート電極には固定電位Ｖｂが与えられてもよい。

信号Ａは、例えば、導通状態または非導通状態を制御するための信号である。信号Ａは、
電位Ｖ１、または電位Ｖ２（Ｖ１＞Ｖ２とする）の２種類の電位をとるデジタル信号であ
ってもよい。例えば、電位Ｖ１を高電源電位とし、電位Ｖ２を低電源電位とすることがで
きる。信号Ａは、アナログ信号であってもよい。

固定電位Ｖｂは、例えば、トランジスタのしきい値電圧ＶｔｈＡを制御するための電位で
ある。固定電位Ｖｂは、電位Ｖ１、または電位Ｖ２であってもよい。この場合、固定電位
Ｖｂを生成するための電位発生回路を、別途設ける必要がなく好ましい。固定電位Ｖｂは
、電位Ｖ１、または電位Ｖ２と異なる電位であってもよい。固定電位Ｖｂを低くすること
で、しきい値電圧ＶｔｈＡを高くできる場合がある。その結果、ゲートーソース間電圧Ｖ
ｇｓが０Ｖのときのドレイン電流を低減し、トランジスタを有する回路のリーク電流を低
減できる場合がある。例えば、固定電位Ｖｂを低電源電位よりも低くしてもよい。一方で
、固定電位Ｖｂを高くすることで、しきい値電圧ＶｔｈＡを低くできる場合がある。その
結果、ゲート−ソース間電圧Ｖｇｓが高電源電位のときのドレイン電流を向上させ、トラ
ンジスタを有する回路の動作速度を向上できる場合がある。例えば、固定電位Ｖｂを低電
源電位よりも高くしてもよい。

信号Ｂは、例えば、導通状態または非導通状態を制御するための信号である。信号Ｂは、
電位Ｖ３、または電位Ｖ４（Ｖ３＞Ｖ４とする）の２種類の電位をとるデジタル信号であ
ってもよい。例えば、電位Ｖ３を高電源電位とし、電位Ｖ４を低電源電位とすることがで
きる。信号Ｂは、アナログ信号であってもよい。

信号Ａと信号Ｂが共にデジタル信号である場合、信号Ｂは、信号Ａと同じデジタル値を持
つ信号であってもよい。この場合、トランジスタのオン電流を向上し、トランジスタを有
する回路の動作速度を向上できる場合がある。このとき、信号Ａにおける電位Ｖ１及び電
位Ｖ２は、信号Ｂにおける電位Ｖ３及び電位Ｖ４と、異なっていても良い。例えば、信号
Ｂが入力されるゲートに対応するゲート絶縁膜が、信号Ａが入力されるゲートに対応する
ゲート絶縁膜よりも厚い場合、信号Ｂの電位振幅（Ｖ３−Ｖ４）を、信号Ａの電位振幅（
Ｖ１−Ｖ２）より大きくしても良い。そうすることで、トランジスタの導通状態または非
導通状態に対して、信号Ａが与える影響と、信号Ｂが与える影響と、を同程度とすること
ができる場合がある。

信号Ａと信号Ｂが共にデジタル信号である場合、信号Ｂは、信号Ａと異なるデジタル値を
持つ信号であってもよい。この場合、トランジスタの制御を信号Ａと信号Ｂによって別々
に行うことができ、より高い機能を実現できる場合がある。例えば、トランジスタがｎチ
ャネル型である場合、信号Ａが電位Ｖ１であり、かつ、信号Ｂが電位Ｖ３である場合のみ
導通状態となる場合や、信号Ａが電位Ｖ２であり、かつ、信号Ｂが電位Ｖ４である場合の
み非導通状態となる場合には、一つのトランジスタでＮＡＮＤ回路やＮＯＲ回路等の機能
を実現できる場合がある。また、信号Ｂは、しきい値電圧ＶｔｈＡを制御するための信号
であってもよい。例えば、信号Ｂは、トランジスタを有する回路が動作している期間と、
当該回路が動作していない期間と、で電位が異なる信号であっても良い。信号Ｂは、回路
の動作モードに合わせて電位が異なる信号であってもよい。この場合、信号Ｂは信号Ａほ
ど頻繁には電位が切り替わらない場合がある。

信号Ａと信号Ｂが共にアナログ信号である場合、信号Ｂは、信号Ａと同じ電位のアナログ
信号、信号Ａの電位を定数倍したアナログ信号、または、信号Ａの電位を定数だけ加算も
しくは減算したアナログ信号等であってもよい。この場合、トランジスタのオン電流が向
上し、トランジスタを有する回路の動作速度を向上できる場合がある。信号Ｂは、信号Ａ
と異なるアナログ信号であってもよい。この場合、トランジスタの制御を信号Ａと信号Ｂ
によって別々に行うことができ、より高い機能を実現できる場合がある。

信号Ａがデジタル信号であり、信号Ｂがアナログ信号であってもよい。または信号Ａがア
ナログ信号であり、信号Ｂがデジタル信号であってもよい。

トランジスタの両方のゲート電極に固定電位を与える場合、トランジスタを、抵抗素子と
同等の素子として機能させることができる場合がある。例えば、トランジスタがｎチャネ
ル型である場合、固定電位Ｖａまたは固定電位Ｖｂを高く（低く）することで、トランジ
スタの実効抵抗を低く（高く）することができる場合がある。固定電位Ｖａ及び固定電位
Ｖｂを共に高く（低く）することで、一つのゲートしか有さないトランジスタによって得
られる実効抵抗よりも低い（高い）実効抵抗が得られる場合がある。

なお、トランジスタ１５０のその他の構成は、先に示すトランジスタ１００と同様であり
、同様の効果を奏する。

また、トランジスタ１５０上にさらに、絶縁膜を形成してもよい。図６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ
）に示すトランジスタ１５０は、導電膜１２０ａ、１２０ｂ、及び絶縁膜１１８上に絶縁
膜１２２を有する。

絶縁膜１２２は、トランジスタ等に起因する凹凸等を平坦化させる機能を有する。絶縁膜
１２２としては、絶縁性であればよく、無機材料または有機材料を用いて形成される。該
無機材料としては、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化シ
リコン膜、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜等が挙げられる。該有機材料として
は、例えば、アクリル樹脂、またはポリイミド樹脂等の感光性の樹脂材料が挙げられる。

＜２−４．トランジスタの構成例３＞
次に、図６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１５０と異なる構成について、図７を
用いて説明する。

図７（Ａ）（Ｂ）は、トランジスタ１６０の断面図である。なお、トランジスタ１６０の
上面図としては、図６（Ａ）に示すトランジスタ１５０と同様であるため、ここでの説明
は省略する。

図７（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタ１６０は、導電膜１１２の積層構造、導電膜１１２
の形状、及び絶縁膜１１０の形状がトランジスタ１５０と異なる。

トランジスタ１６０の導電膜１１２は、絶縁膜１１０上の導電膜１１２＿１と、導電膜１
１２＿１上の導電膜１１２＿２と、を有する。例えば、導電膜１１２＿１として、酸化物
導電膜を用いることにより、絶縁膜１１０に過剰酸素を添加することができる。上記酸化
物導電膜としては、スパッタリング法を用い、酸素ガスを含む雰囲気にて形成すればよい
。また、上記酸化物導電膜としては、例えば、インジウムと錫とを有する酸化物、タング
ステンとインジウムとを有する酸化物、タングステンとインジウムと亜鉛とを有する酸化
物、チタンとインジウムとを有する酸化物、チタンとインジウムと錫とを有する酸化物、
インジウムと亜鉛とを有する酸化物、シリコンとインジウムと錫とを有する酸化物、イン
ジウムとガリウムと亜鉛とを有する酸化物等が挙げられる。

また、図７（Ｂ）に示すように、開口部１４３において、導電膜１１２＿２と、導電膜１
０６とが接続される。開口部１４３を形成する際に、導電膜１１２＿１となる導電膜を形
成した後、開口部１４３を形成することで、図７（Ｂ）に示す形状とすることができる。
導電膜１１２＿１に酸化物導電膜を適用した場合、導電膜１１２＿２と、導電膜１０６と
が接続される構成とすることで、導電膜１１２と導電膜１０６との接続抵抗を低くするこ
とができる。

また、トランジスタ１６０の導電膜１１２及び絶縁膜１１０は、テーパー形状である。よ
り具体的には、導電膜１１２の下端部は、導電膜１１２の上端部よりも外側に形成される
。また、絶縁膜１１０の下端部は、絶縁膜１１０の上端部よりも外側に形成される。また
、導電膜１１２の下端部は、絶縁膜１１０の上端部と概略同じ位置に形成される。

トランジスタ１６０の導電膜１１２及び絶縁膜１１０をテーパー形状とすることで、トラ
ンジスタ１６０の導電膜１１２及び絶縁膜１１０が矩形の場合と比較し、絶縁膜１１６の
被覆性を高めることができるため好適である。

なお、トランジスタ１６０のその他の構成は、先に示すトランジスタ１５０と同様であり
、同様の効果を奏する。

＜２−５．半導体装置の作製方法＞
次に、図６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１５０の作製方法の一例について、図
８乃至図１０を用いて説明する。なお、図８乃至図１０は、トランジスタ１５０の作製方
法を説明するチャネル長方向、及びチャネル幅方向の断面図である。

まず、基板１０２上に導電膜１０６を形成する。次に、基板１０２、及び導電膜１０６上
に絶縁膜１０４を形成し、絶縁膜１０４上に金属酸化物膜を形成する。その後、金属酸化
物膜を島状に加工することで、金属酸化物１０８ａを形成する（図８（Ａ）参照）。

導電膜１０６としては、先に記載の材料を選択することで形成できる。本実施の形態にお
いては、導電膜１０６として、スパッタリング装置を用い、厚さ５０ｎｍのタングステン
膜と、厚さ４００ｎｍの銅膜との積層膜を形成する。

なお、導電膜１０６となる導電膜の加工方法としては、ウエットエッチング法及びドライ
エッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。本実施の形態では、ウエットエ
ッチング法にて銅膜をエッチングしたのち、ドライエッチング法にてタングステン膜をエ
ッチングすることで導電膜を加工し、導電膜１０６を形成する。

絶縁膜１０４としては、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法、パルスレーザー堆積（Ｐ
ＬＤ）法、印刷法、塗布法等を適宜用いて形成することができる。本実施の形態において
は、絶縁膜１０４として、ＰＥＣＶＤ装置を用い、厚さ４００ｎｍの窒化シリコン膜と、
厚さ５０ｎｍの酸化窒化シリコン膜とを形成する。

また、絶縁膜１０４を形成した後、絶縁膜１０４に酸素を添加してもよい。絶縁膜１０４
に添加する酸素としては、酸素ラジカル、酸素原子、酸素原子イオン、酸素分子イオン等
がある。また、添加方法としては、イオンドーピング法、イオン注入法、プラズマ処理法
等がある。また、絶縁膜上に酸素の脱離を抑制する膜を形成した後、該膜を介して絶縁膜
１０４に酸素を添加してもよい。

上述の酸素の脱離を抑制する膜として、インジウム、亜鉛、ガリウム、錫、アルミニウム
、クロム、タンタル、チタン、モリブデン、ニッケル、鉄、コバルト、またはタングステ
ンの１以上を有する導電膜あるいは半導体膜を用いて形成することができる。

また、プラズマ処理で酸素の添加を行う場合、マイクロ波で酸素を励起し、高密度な酸素
プラズマを発生させることで、絶縁膜１０４への酸素添加量を増加させることができる。

また、金属酸化物１０８ａを形成する際に、酸素ガスの他に、不活性ガス（例えば、ヘリ
ウムガス、アルゴンガス、キセノンガスなど）を混合させてもよい。なお、金属酸化物１
０８ａを形成する際の成膜ガス全体に占める酸素ガスの割合（以下、酸素流量比ともいう
）としては、０％以上３０％以下、好ましくは５％以上２０％以下である。

また、金属酸化物１０８ａの形成条件としては、基板温度を室温以上１８０℃以下、好ま
しくは基板温度を室温以上１４０℃以下とすればよい。金属酸化物１０８ａの形成時の基
板温度を、例えば、室温以上１４０℃未満とすると、生産性が高くなり好ましい。

また、金属酸化物１０８ａの厚さとしては、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３ｎ
ｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以上６０ｎｍ以下とすればよい。

なお、基板１０２として、大型のガラス基板（例えば、第６世代乃至第１０世代）を用い
る場合、金属酸化物１０８ａを成膜する際の基板温度を２００℃以上３００℃以下とした
場合、基板１０２が変形する（歪むまたは反る）場合がある。よって、大型のガラス基板
を用いる場合においては、金属酸化物１０８ａの成膜する際の基板温度を室温以上２００
℃未満とすることで、ガラス基板の変形を抑制することができる。

また、スパッタリングガスの高純度化も必要である。例えば、スパッタリングガスとして
用いる酸素ガスやアルゴンガスは、露点が−４０℃以下、好ましくは−８０℃以下、より
好ましくは−１００℃以下、より好ましくは−１２０℃以下にまで高純度化したガスを用
いることで金属酸化物に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。

また、スパッタリング法で金属酸化物を成膜する場合、スパッタリング装置におけるチャ
ンバーは、金属酸化物にとって不純物となる水等を可能な限り除去すべくクライオポンプ
のような吸着式の真空排気ポンプを用いて、高真空（５×１０^−７Ｐａから１×１０^−４
Ｐａ程度まで）に排気することが好ましい。特に、スパッタリング装置の待機時における
、チャンバー内のＨ_２Ｏに相当するガス分子（ｍ／ｚ＝１８に相当するガス分子）の分圧
を１×１０^−４Ｐａ以下、好ましく５×１０^−５Ｐａ以下とすることが好ましい。

本実施の形態においては、金属酸化物１０８ａの形成条件を以下とする。

金属酸化物１０８ａの形成条件を、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ金属酸化物ターゲットを用いて、ス
パッタリング法により形成する。また、金属酸化物１０８ａの形成時の基板温度と、酸素
流量比は、適宜、設定することができる。また、チャンバー内の圧力を０．６Ｐａとし、
スパッタリング装置内に設置された金属酸化物ターゲットに２５００ＷのＡＣ電力を供給
することで、酸化物を成膜する。

なお、成膜した金属酸化物を、金属酸化物１０８ａに加工するには、ウエットエッチング
法及びドライエッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。

また、金属酸化物１０８ａを形成した後、加熱処理を行い、金属酸化物１０８ａの脱水素
化または脱水化をしてもよい。加熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上基板の歪み
点未満、または２５０℃以上４５０℃以下、または３００℃以上４５０℃以下である。

加熱処理は、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン、クリプトン等の希ガス、または窒
素を含む不活性雰囲気で行うことができる。または、不活性雰囲気で加熱した後、酸素雰
囲気で加熱してもよい。なお、上記不活性雰囲気及び酸素雰囲気に水素、水などが含まれ
ないことが好ましい。処理時間は３分以上２４時間以下とすればよい。

該加熱処理は、電気炉、ＲＴＡ装置等を用いることができる。ＲＴＡ装置を用いることで
、短時間に限り、基板の歪み点以上の温度で熱処理を行うことができる。そのため加熱処
理時間を短縮することができる。

金属酸化物を加熱しながら成膜する、または金属酸化物を形成した後、加熱処理を行うこ
とで、金属酸化物において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を５×１０^１９ａｔｏｍｓ
／ｃｍ^３以下、または１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、５×１０^１８ａｔｏｍｓ／
ｃｍ^３以下、または１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、または５×１０^１７ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ^３以下、または１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とすることができる。

次に、絶縁膜１０４及び金属酸化物１０８ａ上に絶縁膜１１０＿０を形成する。（図８（
Ｂ）参照）。

絶縁膜１１０＿０としては、酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を、プラズマ化学
気相堆積装置（ＰＥＣＶＤ装置、または単にプラズマＣＶＤ装置という）を用いて形成す
ることができる。この場合、原料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体及び酸化性気
体を用いることが好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例としては、シラン、ジシ
ラン、トリシラン、フッ化シラン等がある。酸化性気体としては、酸素、オゾン、一酸化
二窒素、二酸化窒素等がある。

また、絶縁膜１１０＿０として、堆積性気体の流量に対する酸化性気体の流量を２０倍よ
り大きく１００倍未満、または４０倍以上８０倍以下とし、処理室内の圧力を１００Ｐａ
未満、または５０Ｐａ以下とするＰＥＣＶＤ装置を用いることで、欠陥量の少ない酸化窒
化シリコン膜を形成することができる。

また、絶縁膜１１０＿０として、ＰＥＣＶＤ装置の真空排気された処理室内に載置された
基板を２８０℃以上４００℃以下に保持し、処理室に原料ガスを導入して処理室内におけ
る圧力を２０Ｐａ以上２５０Ｐａ以下、さらに好ましくは１００Ｐａ以上２５０Ｐａ以下
とし、処理室内に設けられる電極に高周波電力を供給する条件により、絶縁膜１１０＿０
として、緻密である酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形成することができる。

また、絶縁膜１１０＿０を、マイクロ波を用いたＰＥＣＶＤ法を用いて形成してもよい。
マイクロ波とは３００ＭＨｚから３００ＧＨｚの周波数域を指す。マイクロ波は、電子温
度が低く、電子エネルギーが小さい。また、供給された電力において、電子の加速に用い
られる割合が少なく、より多くの分子の解離及び電離に用いられることが可能であり、密
度の高いプラズマ（高密度プラズマ）を励起することができる。このため、被成膜面及び
堆積物へのプラズマダメージが少なく、欠陥の少ない絶縁膜１１０＿０を形成することが
できる。

また、絶縁膜１１０＿０を、有機シランガスを用いたＣＶＤ法を用いて形成することがで
きる。有機シランガスとしては、珪酸エチル（ＴＥＯＳ：化学式Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_４）
、テトラメチルシラン（ＴＭＳ：化学式Ｓｉ（ＣＨ_３）_４）、テトラメチルシクロテトラ
シロキサン（ＴＭＣＴＳ）、オクタメチルシクロテトラシロキサン（ＯＭＣＴＳ）、ヘキ
サメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）、トリエトキシシラン（ＳｉＨ（ＯＣ_２Ｈ_５）_３）、ト
リスジメチルアミノシラン（ＳｉＨ（Ｎ（ＣＨ_３）_２）_３）などのシリコン含有化合物を
用いることができる。有機シランガスを用いたＣＶＤ法を用いることで、被覆性の高い絶
縁膜１１０＿０を形成することができる。

本実施の形態では絶縁膜１１０＿０として、ＰＥＣＶＤ装置を用い、厚さ１００ｎｍの酸
化窒化シリコン膜を形成する。

次に、絶縁膜１１０＿０上の所望の位置に、リソグラフィによりマスクを形成した後、絶
縁膜１１０＿０、及び絶縁膜１０４の一部をエッチングすることで、導電膜１０６に達す
る開口部１４３を形成する（図８（Ｃ）参照）。

開口部１４３の形成方法としては、ウエットエッチング法及びドライエッチング法のいず
れか一方または双方を用いればよい。本実施の形態においては、ドライエッチング法を用
い、開口部１４３を形成する。

次に、開口部１４３を覆うように、導電膜１０６及び絶縁膜１１０＿０上に導電膜１１２
＿０を形成する。また、導電膜１１２＿０として、例えば金属酸化膜を用いる場合、導電
膜１１２＿０の形成時に絶縁膜１１０＿０中に酸素が添加される場合がある（図８（Ｄ）
参照）。

なお、図８（Ｄ）において、絶縁膜１１０＿０中に添加される酸素を矢印で模式的に表し
ている。また、開口部１４３を覆うように、導電膜１１２＿０を形成することで、導電膜
１０６と、導電膜１１２＿０とが電気的に接続される。

導電膜１１２＿０として、金属酸化膜を用いる場合、導電膜１１２＿０の形成方法として
は、スパッタリング法を用い、形成時に酸素ガスを含む雰囲気で形成することが好ましい
。形成時に酸素ガスを含む雰囲気で導電膜１１２＿０を形成することで、絶縁膜１１０＿
０中に酸素を好適に添加することができる。なお、導電膜１１２＿０の形成方法としては
、スパッタリング法に限定されず、その他の方法、例えばＡＬＤ法を用いてもよい。

本実施の形態においては、導電膜１１２＿０として、スパッタリング法を用いて、膜厚が
１００ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物であるＩＧＺＯ膜（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４
．１（原子数比）を成膜する。また、導電膜１１２＿０の形成前、または導電膜１１２＿
０の形成後に、絶縁膜１１０＿０中に酸素添加処理を行ってもよい。当該酸素添加処理の
方法としては、絶縁膜１０４の形成後に行うことのできる酸素の添加処理と同様とすれば
よい。

次に、導電膜１１２＿０上の所望の位置に、リソグラフィ工程によりマスク１４０を形成
する（図９（Ａ）参照）。

次に、マスク１４０上から、エッチングを行い、導電膜１１２＿０、及び絶縁膜１１０＿
０を加工する。また、導電膜１１２＿０及び絶縁膜１１０＿０の加工後に、マスク１４０
を除去する。導電膜１１２＿０、及び絶縁膜１１０＿０を加工することで、島状の導電膜
１１２、及び島状の絶縁膜１１０が形成される（図９（Ｂ）参照）。

本実施の形態においては、ドライエッチング法を用い、導電膜１１２＿０、及び絶縁膜１
１０＿０を加工する。

なお、導電膜１１２、及び絶縁膜１１０の加工の際に、導電膜１１２が重畳しない領域の
金属酸化物１０８ａの膜厚が薄くなる場合がある。または、導電膜１１２、及び絶縁膜１
１０の加工の際に、金属酸化物１０８ａが重畳しない領域の絶縁膜１０４の膜厚が薄くな
る場合がある。また、導電膜１１２＿０、及び絶縁膜１１０＿０の加工の際に、エッチャ
ントまたはエッチングガス（例えば、塩素など）が金属酸化物１０８ａ中に添加される、
あるいは導電膜１１２＿０、または絶縁膜１１０＿０の構成元素が金属酸化物１０８中に
添加される場合がある。

次に、絶縁膜１０４、金属酸化物１０８、及び導電膜１１２上に絶縁膜１１６を形成する
。なお、絶縁膜１１６を形成することで、絶縁膜１１６と接する金属酸化物１０８ａの一
部は、領域１０８ｎとなる。ここで、導電膜１１２と重畳する金属酸化物１０８ａは、金
属酸化物１０８とする。（図９（Ｃ）参照）。

絶縁膜１１６としては、先に記載の材料を選択することで形成できる。本実施の形態にお
いては、絶縁膜１１６として、ＰＥＣＶＤ装置を用い、厚さ１００ｎｍの窒化酸化シリコ
ン膜を形成する。また、当該窒化酸化シリコン膜の形成時において、プラズマ処理と、成
膜処理との２つのステップを２２０℃の温度で行う。当該プラズマ処理としては、成膜前
に流量１００ｓｃｃｍのアルゴンガスと、流量１０００ｓｃｃｍの窒素ガスとを、チャン
バー内に導入し、チャンバー内の圧力を４０Ｐａとし、ＲＦ電源（２７．１２ＭＨｚ）に
１０００Ｗの電力を供給する。また、成膜処理としては、流量５０ｓｃｃｍのシランガス
と、流量５０００ｓｃｃｍの窒素ガスと、流量１００ｓｃｃｍのアンモニアガスとを、チ
ャンバー内に導入し、チャンバー内の圧力を１００Ｐａとし、ＲＦ電源（２７．１２ＭＨ
ｚ）に１０００Ｗの電力を供給する。

絶縁膜１１６として、窒化酸化シリコン膜を用いることで、絶縁膜１１６に接する領域１
０８ｎに窒化酸化シリコン膜中の窒素または水素を供給することができる。また、絶縁膜
１１６の形成時の温度を上述の温度とすることで、絶縁膜１１０に含まれる過剰酸素が外
部に放出されるのを抑制することができる。

次に、絶縁膜１１６上に絶縁膜１１８を形成する（図１０（Ａ）参照）。

絶縁膜１１８としては、先に記載の材料を選択することで形成できる。本実施の形態にお
いては、絶縁膜１１８として、ＰＥＣＶＤ装置を用い、厚さ３００ｎｍの酸化窒化シリコ
ン膜を形成する。

次に、絶縁膜１１８の所望の位置に、リソグラフィによりマスクを形成した後、絶縁膜１
１８及び絶縁膜１１６の一部をエッチングすることで、領域１０８ｎに達する開口部１４
１ａ、１４１ｂを形成する（図１０（Ｂ）参照）。

絶縁膜１１８及び絶縁膜１１６をエッチングする方法としては、ウエットエッチング法及
びドライエッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。本実施の形態において
は、ドライエッチング法を用い、絶縁膜１１８、及び絶縁膜１１６を加工する。

次に、開口部１４１ａ、１４１ｂを覆うように、領域１０８ｎ及び絶縁膜１１８上に導電
膜を形成し、当該導電膜を所望の形状に加工することで導電膜１２０ａ、１２０ｂを形成
する（図１０（Ｃ）参照）。

導電膜１２０ａ、１２０ｂとしては、先に記載の材料を選択することで形成できる。本実
施の形態においては、導電膜１２０ａ、１２０ｂとして、スパッタリング装置を用い、厚
さ５０ｎｍのタングステン膜と、厚さ４００ｎｍの銅膜との積層膜を形成する。

なお、導電膜１２０ａ、１２０ｂとなる導電膜の加工方法としては、ウエットエッチング
法及びドライエッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。本実施の形態では
、ウエットエッチング法にて銅膜をエッチングしたのち、ドライエッチング法にてタング
ステン膜をエッチングすることで導電膜を加工し、導電膜１２０ａ、１２０ｂを形成する
。

続いて、導電膜１２０ａ、１２０ｂ、及び絶縁膜１１８を覆って絶縁膜１２２を形成する
。

以上の工程により、図６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１５０を作製することが
できる。

なお、トランジスタ１５０を構成する膜（絶縁膜、金属酸化物膜、導電膜等）としては、
上述の形成方法の他、スパッタリング法、化学気相堆積（ＣＶＤ）法、真空蒸着法、パル
スレーザー堆積（ＰＬＤ）法、ＡＬＤ法を用いて形成することができる。あるいは、塗布
法や印刷法で形成することができる。成膜方法としては、スパッタリング法、プラズマ化
学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）法が代表的であるが、熱ＣＶＤ法でもよい。熱ＣＶＤ法の例と
して、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）法が挙げられる。

熱ＣＶＤ法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、原料ガスと酸化剤を同時にチャ
ンバー内に送り、基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで成膜を行
う。このように、熱ＣＶＤ法は、プラズマを発生させない成膜方法であるため、プラズマ
ダメージにより欠陥が生成されることが無いという利点を有する。

ＭＯＣＶＤ法などの熱ＣＶＤ法は、上記記載の導電膜、絶縁膜、金属酸化物膜などの膜を
形成することができる。

例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化ハフニウム膜を形成する場合には、溶媒と
ハフニウム前駆体を含む液体（ハフニウムアルコキシドや、テトラキスジメチルアミドハ
フニウム（ＴＤＭＡＨ、Ｈｆ［Ｎ（ＣＨ_３）_２］_４）やテトラキス（エチルメチルアミド
）ハフニウムなどのハフニウムアミド）を気化させた原料ガスと、酸化剤としてオゾン（
Ｏ_３）の２種類のガスを用いる。

また、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化アルミニウム膜を形成する場合には、溶媒と
アルミニウム前駆体を含む液体（トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ、Ａｌ（ＣＨ_３）_３）
など）を気化させた原料ガスと、酸化剤としてＨ_２Ｏの２種類のガスを用いる。他の材料
としては、トリス（ジメチルアミド）アルミニウム、トリイソブチルアルミニウム、アル
ミニウムトリス（２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオナート）などが
ある。

また、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化シリコン膜を形成する場合には、ヘキサクロ
ロジシランを被成膜面に吸着させ、酸化性ガス（Ｏ_２、一酸化二窒素）のラジカルを供給
して吸着物と反応させる。

また、ＡＬＤを利用する成膜装置によりタングステン膜を成膜する場合には、ＷＦ_６ガス
とＢ_２Ｈ_６ガスを順次導入して初期タングステン膜を形成し、その後、ＷＦ_６ガスとＨ_２
ガスとを用いてタングステン膜を形成する。なお、Ｂ_２Ｈ_６ガスに代えてＳｉＨ_４ガスを
用いてもよい。

また、ＡＬＤを利用する成膜装置により金属酸化物、例えばＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を成
膜する場合には、Ｉｎ（ＣＨ_３）_３ガスとＯ_３ガスを用いてＩｎ−Ｏ層を形成し、その後
、Ｇａ（ＣＨ_３）_３ガスとＯ_３ガスとを用いてＧａＯ層を形成し、更にその後Ｚｎ（ＣＨ
_３）_２ガスとＯ_３ガスとを用いてＺｎＯ層を形成する。なお、これらの層の順番はこの例
に限らない。また、これらのガスを用いてＩｎ−Ｇａ−Ｏ層やＩｎ−Ｚｎ−Ｏ層、Ｇａ−
Ｚｎ−Ｏ層などの混合化合物層を形成しても良い。なお、Ｏ_３ガスに代えてＡｒ等の不活
性ガスで水をバブリングして得られたＨ_２Ｏガスを用いても良いが、Ｈを含まないＯ_３ガ
スを用いる方が好ましい。

＜２−５．トランジスタの構成例４＞
図１１（Ａ）は、トランジスタ３００Ａの上面図であり、図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）
に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し、図１１（Ｃ）は、図１１
（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当する。なお、図１１（
Ａ）において、煩雑になることを避けるため、トランジスタ３００Ａの構成要素の一部（
ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜等）を省略して図示している。また、一点鎖線Ｘ１−
Ｘ２方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｙ１−Ｙ２方向をチャネル幅方向と呼称する場合が
ある。なお、トランジスタの上面図においては、以降の図面においても図１１（Ａ）と同
様に、構成要素の一部を省略して図示する場合がある。

図１１に示すトランジスタ３００Ａは、基板３０２上の導電膜３０４と、基板３０２及び
導電膜３０４上の絶縁膜３０６と、絶縁膜３０６上の絶縁膜３０７と、絶縁膜３０７上の
金属酸化物３０８と、金属酸化物３０８上の導電膜３１２ａと、金属酸化物３０８上の導
電膜３１２ｂと、を有する。また、トランジスタ３００Ａ上、より詳しくは、導電膜３１
２ａ、３１２ｂ及び金属酸化物３０８上には絶縁膜３１４、３１６、及び絶縁膜３１８が
設けられる。

なお、トランジスタ３００Ａにおいて、絶縁膜３０６、３０７は、トランジスタ３００Ａ
のゲート絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜３１４、３１６、３１８は、トランジスタ３
００Ａの保護絶縁膜としての機能を有する。また、トランジスタ３００Ａにおいて、導電
膜３０４は、ゲート電極としての機能を有し、導電膜３１２ａは、ソース電極としての機
能を有し、導電膜３１２ｂは、ドレイン電極としての機能を有する。

なお、本明細書等において、絶縁膜３０６、３０７を第１の絶縁膜と、絶縁膜３１４、３
１６を第２の絶縁膜と、絶縁膜３１８を第３の絶縁膜と、それぞれ呼称する場合がある。

図１１に示すトランジスタ３００Ａは、チャネルエッチ型のトランジスタ構造である。本
発明の一態様の金属酸化物は、チャネルエッチ型のトランジスタに好適に用いることがで
きる。

＜２−６．トランジスタの構成例５＞
図１２（Ａ）は、トランジスタ３００Ｂの上面図であり、図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）
に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し、図１２（Ｃ）は、図１２
（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当する。

図１２に示すトランジスタ３００Ｂは、基板３０２上の導電膜３０４と、基板３０２及び
導電膜３０４上の絶縁膜３０６と、絶縁膜３０６上の絶縁膜３０７と、絶縁膜３０７上の
金属酸化物３０８と、金属酸化物３０８上の絶縁膜３１４と、絶縁膜３１４上の絶縁膜３
１６と、絶縁膜３１４及び絶縁膜３１６に設けられる開口部３４１ａを介して金属酸化物
３０８に電気的に接続される導電膜３１２ａと、絶縁膜３１４及び絶縁膜３１６に設けら
れる開口部３４１ｂを介して金属酸化物３０８に電気的に接続される導電膜３１２ｂとを
有する。また、トランジスタ３００Ｂ上、より詳しくは、導電膜３１２ａ、３１２ｂ、及
び絶縁膜３１６上には絶縁膜３１８が設けられる。

なお、トランジスタ３００Ｂにおいて、絶縁膜３０６、３０７は、トランジスタ３００Ｂ
のゲート絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜３１４、３１６は、金属酸化物３０８の保護
絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜３１８は、トランジスタ３００Ｂの保護絶縁膜として
の機能を有する。また、トランジスタ３００Ｂにおいて、導電膜３０４は、ゲート電極と
しての機能を有し、導電膜３１２ａは、ソース電極としての機能を有し、導電膜３１２ｂ
は、ドレイン電極としての機能を有する。

図１１に示すトランジスタ３００Ａにおいては、チャネルエッチ型の構造であったのに対
し、図１２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ３００Ｂは、チャネル保護型の構造で
ある。本発明の一態様の金属酸化物は、チャネル保護型のトランジスタにも好適に用いる
ことができる。

＜２−７．トランジスタの構成例６＞
図１３（Ａ）は、トランジスタ３００Ｃの上面図であり、図１３（Ｂ）は、図１３（Ａ）
に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し、図１３（Ｃ）は、図１３
（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当する。

図１３に示すトランジスタ３００Ｃは、図１２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ３
００Ｂと絶縁膜３１４、３１６の形状が相違する。具体的には、トランジスタ３００Ｃの
絶縁膜３１４、３１６は、金属酸化物３０８のチャネル形成領域上に島状に設けられる。
その他の構成は、トランジスタ３００Ｂと同様である。

＜２−８．トランジスタの構成例７＞
図１４（Ａ）は、トランジスタ３００Ｄの上面図であり、図１４（Ｂ）は、図１４（Ａ）
に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し、図１４（Ｃ）は、図１４
（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当する。

図１４に示すトランジスタ３００Ｄは、基板３０２上の導電膜３０４と、基板３０２及び
導電膜３０４上の絶縁膜３０６と、絶縁膜３０６上の絶縁膜３０７と、絶縁膜３０７上の
金属酸化物３０８と、金属酸化物３０８上の導電膜３１２ａと、金属酸化物３０８上の導
電膜３１２ｂと、金属酸化物３０８、及び導電膜３１２ａ、３１２ｂ上の絶縁膜３１４と
、絶縁膜３１４上の絶縁膜３１６と、絶縁膜３１６上の絶縁膜３１８と、絶縁膜３１８上
の導電膜３２０ａ、３２０ｂと、を有する。

なお、トランジスタ３００Ｄにおいて、絶縁膜３０６、３０７は、トランジスタ３００Ｄ
の第１のゲート絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜３１４、３１６、３１８は、トランジ
スタ３００Ｄの第２のゲート絶縁膜としての機能を有する。また、トランジスタ３００Ｄ
において、導電膜３０４は、第１のゲート電極としての機能を有し、導電膜３２０ａは、
第２のゲート電極としての機能を有し、導電膜３２０ｂは、表示装置に用いる画素電極と
しての機能を有する。また、導電膜３１２ａは、ソース電極としての機能を有し、導電膜
３１２ｂは、ドレイン電極としての機能を有する。

また、図１４（Ｃ）に示すように導電膜３２０ａは、絶縁膜３０６、３０７、３１４、３
１６、３１８に設けられる開口部３４２ｂ、３４２ｃにおいて、導電膜３０４に接続され
る。よって、導電膜３２０ａと導電膜３０４とは、同じ電位が与えられる。

なお、トランジスタ３００Ｄにおいては、開口部３４２ｂ、３４２ｃを設け、導電膜３２
０ａと導電膜３０４を接続する構成について例示したが、これに限定されない。例えば、
開口部３４２ｂまたは開口部３４２ｃのいずれか一方の開口部のみを形成し、導電膜３２
０ａと導電膜３０４を接続する構成、または開口部３４２ｂ及び開口部３４２ｃを設けず
に、導電膜３２０ａと導電膜３０４を接続しない構成としてもよい。なお、導電膜３２０
ａと導電膜３０４とを接続しない構成の場合、導電膜３２０ａと導電膜３０４には、それ
ぞれ異なる電位を与えることができる。

また、導電膜３２０ｂは、絶縁膜３１４、３１６、３１８に設けられる開口部３４２ａを
介して、導電膜３１２ｂと接続される。

なお、トランジスタ３００Ｄは、先に説明のＳ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有する。

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み
合わせて実施することができる。

（実施の形態３）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を用いた表示装置の表示部等に用いるこ
とのできる表示パネルの一例について、図１６及び図１７を用いて説明する。以下で例示
する表示パネルは、反射型の液晶素子と、発光素子との双方を有し、透過モードと反射モ
ードの両方の表示を行うことのできる、表示パネルである。なお、本発明の一態様の金属
酸化物、及び当該金属酸化物を有するトランジスタは、表示装置の画素のトランジスタ、
または表示装置を駆動させるドライバ、あるいは表示装置にデータを供給するＬＳＩ等に
好適に用いることができる。

＜表示パネルの構成例＞
図１６は、本発明の一態様の表示パネル６００の斜視概略図である。表示パネル６００は
、基板６５１と基板６６１とが貼り合わされた構成を有する。図１６では、基板６６１を
破線で明示している。

表示パネル６００は、表示部６６２、回路６５９、配線６６６等を有する。基板６５１に
は、例えば回路６５９、配線６６６、及び画素電極として機能する導電膜６６３等が設け
られる。また図１６では基板６５１上にＩＣ６７３とＦＰＣ６７２が実装されている例を
示している。そのため、図１６に示す構成は、表示パネル６００とＦＰＣ６７２及びＩＣ
６７３を有する表示モジュールと言うこともできる。

回路６５９は、例えば走査線駆動回路として機能する回路を用いることができる。

配線６６６は、表示部や回路６５９に信号や電力を供給する機能を有する。当該信号や電
力は、ＦＰＣ６７２を介して外部、またはＩＣ６７３から配線６６６に入力される。

また、図１６では、ＣＯＧ（ＣｈｉｐＯｎＧｌａｓｓ）方式等により、基板６５１にＩＣ
６７３が設けられている例を示している。ＩＣ６７３は、例えば走査線駆動回路、または
信号線駆動回路などとしての機能を有するＩＣを適用できる。なお表示パネル６００が走
査線駆動回路及び信号線駆動回路として機能する回路を備える場合や、走査線駆動回路や
信号線駆動回路として機能する回路を外部に設け、ＦＰＣ６７２を介して表示パネル６０
０を駆動するための信号を入力する場合などでは、ＩＣ６７３を設けない構成としてもよ
い。また、ＩＣ６７３を、ＣＯＦ（ＣｈｉｐＯｎＦｉｌｍ）方式等により、ＦＰＣ６７２
に実装してもよい。

図１６には、表示部６６２の一部の拡大図を示している。表示部６６２には、複数の表示
素子が有する導電膜６６３がマトリクス状に配置されている。導電膜６６３は、可視光を
反射する機能を有し、後述する液晶素子６４０の反射電極として機能する。

また、図１６に示すように、導電膜６６３は開口を有する。さらに導電膜６６３よりも基
板６５１側に、発光素子６６０を有する。発光素子６６０からの光は、導電膜６６３の開
口を介して基板６６１側に射出される。

＜断面構成例＞
図１７に、図１６で例示した表示パネルの、ＦＰＣ６７２を含む領域の一部、回路６５９
を含む領域の一部、及び表示部６６２を含む領域の一部をそれぞれ切断したときの断面の
一例を示す。

表示パネルは、基板６５１と基板６６１の間に、絶縁膜６２０を有する。また基板６５１
と絶縁膜６２０の間に、発光素子６６０、トランジスタ６０１、トランジスタ６０５、ト
ランジスタ６０６、着色層６３４等を有する。また絶縁膜６２０と基板６６１の間に、液
晶素子６４０、着色層６３１等を有する。また基板６６１と絶縁膜６２０は接着層６４１
を介して接着され、基板６５１と絶縁膜６２０は接着層６４２を介して接着されている。

トランジスタ６０６は、液晶素子６４０と電気的に接続し、トランジスタ６０５は、発光
素子６６０と電気的に接続する。トランジスタ６０５とトランジスタ６０６は、いずれも
絶縁膜６２０の基板６５１側の面上に形成されているため、これらを同一の工程を用いて
作製することができる。

基板６６１には、着色層６３１、遮光膜６３２、絶縁膜６２１、及び液晶素子６４０の共
通電極として機能する導電膜６１３、配向膜６３３ｂ、絶縁膜６１７等が設けられている
。絶縁膜６１７は、液晶素子６４０のセルギャップを保持するためのスペーサとして機能
する。

絶縁膜６２０の基板６５１側には、絶縁膜６８１、絶縁膜６８２、絶縁膜６８３、絶縁膜
６８４、絶縁膜６８５等の絶縁層が設けられている。絶縁膜６８１は、その一部が各トラ
ンジスタのゲート絶縁層として機能する。絶縁膜６８２、絶縁膜６８３、及び絶縁膜６８
４は、各トランジスタを覆って設けられている。また絶縁膜６８４を覆って絶縁膜６８５
が設けられている。絶縁膜６８４及び絶縁膜６８５は、平坦化層としての機能を有する。
なお、ここではトランジスタ等を覆う絶縁層として、絶縁膜６８２、絶縁膜６８３、絶縁
膜６８４の３層を有する場合について示しているが、これに限られず４層以上であっても
よいし、単層、または２層であってもよい。また平坦化層として機能する絶縁膜６８４は
、不要であれば設けなくてもよい。

また、トランジスタ６０１、トランジスタ６０５、及びトランジスタ６０６は、一部がゲ
ートとして機能する導電膜６５４、一部がソース又はドレインとして機能する導電膜６５
２、半導体膜６５３を有する。ここでは、同一の導電膜を加工して得られる複数の層に、
同じハッチングパターンを付している。

液晶素子６４０は反射型の液晶素子である。液晶素子６４０は、導電膜６３５、液晶層６
１２、導電膜６１３が積層された積層構造を有する。また導電膜６３５の基板６５１側に
接して、可視光を反射する導電膜６６３が設けられている。導電膜６６３は開口６５５を
有する。また導電膜６３５及び導電膜６１３は可視光を透過する材料を含む。また液晶層
６１２と導電膜６３５の間に配向膜６３３ａが設けられ、液晶層６１２と導電膜６１３の
間に配向膜６３３ｂが設けられている。また、基板６６１の外側の面には、偏光板６５６
を有する。

液晶素子６４０において、導電膜６６３は可視光を反射する機能を有し、導電膜６１３は
可視光を透過する機能を有する。基板６６１側から入射した光は、偏光板６５６により偏
光され、導電膜６１３、液晶層６１２を透過し、導電膜６６３で反射する。そして液晶層
６１２及び導電膜６１３を再度透過して、偏光板６５６に達する。このとき、導電膜６６
３と導電膜６１３の間に与える電圧によって液晶の配向を制御し、光の光学変調を制御す
ることができる。すなわち、偏光板６５６を介して射出される光の強度を制御することが
できる。また光は着色層６３１によって特定の波長領域以外の光が吸収されることにより
、取り出される光は、例えば赤色を呈する光となる。

発光素子６６０は、ボトムエミッション型の発光素子である。発光素子６６０は、絶縁膜
６２０側から導電膜６４３、ＥＬ層６４４、及び導電膜６４５ｂの順に積層された積層構
造を有する。また導電膜６４５ｂを覆って導電膜６４５ａが設けられている。導電膜６４
５ｂは可視光を反射する材料を含み、導電膜６４３及び導電膜６４５ａは可視光を透過す
る材料を含む。発光素子６６０が発する光は、着色層６３４、絶縁膜６２０、開口６５５
、導電膜６１３等を介して、基板６６１側に射出される。

ここで、図１７に示すように、開口６５５には可視光を透過する導電膜６３５が設けられ
ていることが好ましい。これにより、開口６５５と重なる領域においてもそれ以外の領域
と同様に液晶層６１２が配向するため、これらの領域の境界部で液晶の配向不良が生じ、
意図しない光が漏れてしまうことを抑制できる。

ここで、基板６６１の外側の面に配置する偏光板６５６として直線偏光板を用いてもよい
が、円偏光板を用いることもできる。円偏光板としては、例えば直線偏光板と１／４波長
位相差板を積層したものを用いることができる。これにより、外光反射を抑制することが
できる。また、偏光板の種類に応じて、液晶素子６４０に用いる液晶素子のセルギャップ
、配向、駆動電圧等を調整することで、所望のコントラストが実現されるようにすればよ
い。

また導電膜６４３の端部を覆う絶縁膜６４６上には、絶縁膜６４７が設けられている。絶
縁膜６４７は、絶縁膜６２０と基板６５１が必要以上に接近することを抑制するスペーサ
としての機能を有する。またＥＬ層６４４や導電膜６４５ａを遮蔽マスク（メタルマスク
）を用いて形成する場合には、当該遮蔽マスクが被形成面に接触することを抑制する機能
を有していてもよい。なお、絶縁膜６４７は不要であれば設けなくてもよい。

トランジスタ６０５のソース又はドレインの一方は、導電膜６４８を介して発光素子６６
０の導電膜６４３と電気的に接続されている。

トランジスタ６０６のソース又はドレインの一方は、接続部６０７を介して導電膜６６３
と電気的に接続されている。導電膜６６３と導電膜６３５は接して設けられ、これらは電
気的に接続されている。ここで、接続部６０７は、絶縁膜６２０に設けられた開口を介し
て、絶縁膜６２０の両面に設けられる導電層同士を接続する部分である。

基板６５１と基板６６１とが重ならない領域には、接続部６０４が設けられている。接続
部６０４は、接続層６４９を介してＦＰＣ６７２と電気的に接続されている。接続部６０
４は接続部６０７と同様の構成を有している。接続部６０４の上面は、導電膜６３５と同
一の導電膜を加工して得られた導電層が露出している。これにより、接続部６０４とＦＰ
Ｃ６７２とを接続層６４９を介して電気的に接続することができる。

接着層６４１が設けられる一部の領域には、接続部６８７が設けられている。接続部６８
７において、導電膜６３５と同一の導電膜を加工して得られた導電層と、導電膜６１３の
一部が、接続体６８６により電気的に接続されている。したがって、基板６６１側に形成
された導電膜６１３に、基板６５１側に接続されたＦＰＣ６７２から入力される信号また
は電位を、接続部６８７を介して供給することができる。

接続体６８６としては、例えば導電性の粒子を用いることができる。導電性の粒子として
は、有機樹脂またはシリカなどの粒子の表面を金属材料で被覆したものを用いることがで
きる。金属材料としてニッケルや金を用いると接触抵抗を低減できるため好ましい。また
ニッケルをさらに金で被覆するなど、２種類以上の金属材料を層状に被覆させた粒子を用
いることが好ましい。また接続体６８６として、弾性変形、または塑性変形する材料を用
いることが好ましい。このとき導電性の粒子である接続体６８６は、図１７に示すように
上下方向に潰れた形状となる場合がある。こうすることで、接続体６８６と、これと電気
的に接続する導電層との接触面積が増大し、接触抵抗を低減できるほか、接続不良などの
不具合の発生を抑制することができる。

接続体６８６は、接着層６４１に覆われるように配置することが好ましい。例えば、硬化
前の接着層６４１に、接続体６８６を分散させておけばよい。

図１７では、回路６５９の例としてトランジスタ６０１が設けられている例を示している
。

図１７では、トランジスタ６０１及びトランジスタ６０５の例として、チャネルが形成さ
れる半導体膜６５３を２つのゲートで挟持する構成が適用されている。一方のゲートは導
電膜６５４により、他方のゲートは絶縁膜６８２を介して半導体膜６５３と重なる導電膜
６２３により構成されている。このような構成とすることで、トランジスタのしきい値電
圧を制御することができる。このとき、２つのゲートを接続し、これらに同一の信号を供
給することによりトランジスタを駆動してもよい。このようなトランジスタは他のトラン
ジスタと比較して電界効果移動度を高めることが可能であり、オン電流を増大させること
ができる。その結果、高速駆動が可能な回路を作製することができる。さらには、回路部
の占有面積を縮小することが可能となる。オン電流の大きなトランジスタを適用すること
で、表示パネルを大型化、または高精細化したときに配線数が増大したとしても、各配線
における信号遅延を低減することが可能であり、表示ムラを抑制することができる。

なお、回路６５９が有するトランジスタと、表示部６６２が有するトランジスタは、同じ
構造であってもよい。また回路６５９が有する複数のトランジスタは、全て同じ構造であ
ってもよいし、異なる構造のトランジスタを組み合わせて用いてもよい。また、表示部６
６２が有する複数のトランジスタは、全て同じ構造であってもよいし、異なる構造のトラ
ンジスタを組み合わせて用いてもよい。

各トランジスタを覆う絶縁膜６８２、絶縁膜６８３のうち少なくとも一方は、水や水素な
どの不純物が拡散しにくい材料を用いることが好ましい。すなわち、絶縁膜６８２または
絶縁膜６８３はバリア膜として機能させることができる。このような構成とすることで、
トランジスタに対して外部から不純物が拡散することを効果的に抑制することが可能とな
り、信頼性の高い表示パネルを実現できる。

基板６６１側において、着色層６３１、遮光膜６３２を覆って絶縁膜６２１が設けられて
いる。絶縁膜６２１は、平坦化層としての機能を有していてもよい。絶縁膜６２１により
、導電膜６１３の表面を概略平坦にできるため、液晶層６１２の配向状態を均一にできる
。

表示パネル６００を作製する方法の一例について説明する。例えば剥離層を有する支持基
材上に、導電膜６３５、導電膜６６３、絶縁膜６２０を順に形成し、その後、トランジス
タ６０５、トランジスタ６０６、発光素子６６０等を形成した後、接着層６４２を用いて
基板６５１と支持基材を貼り合せる。その後、剥離層と絶縁膜６２０、及び剥離層と導電
膜６３５のそれぞれの界面で剥離することにより、支持基材及び剥離層を除去する。また
これとは別に、着色層６３１、遮光膜６３２、導電膜６１３等をあらかじめ形成した基板
６６１を準備する。そして基板６５１または基板６６１に液晶を滴下し、接着層６４１に
より基板６５１と基板６６１を貼り合せることで、表示パネル６００を作製することがで
きる。

剥離層としては、絶縁膜６２０及び導電膜６３５との界面で剥離が生じる材料を適宜選択
することができる。特に、剥離層としてタングステンなどの高融点金属材料を含む層と当
該金属材料の酸化物を含む層を積層して用い、剥離層上の絶縁膜６２０として、窒化シリ
コンや酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン等を複数積層した層を用いることが好ましい
。剥離層に高融点金属材料を用いると、これよりも後に形成する層の形成温度を高めるこ
とが可能で、不純物の濃度が低減され、信頼性の高い表示パネルを実現できる。

導電膜６３５としては、金属酸化物、または金属窒化物等の酸化物または窒化物を用いる
ことが好ましい。金属酸化物を用いる場合には、水素、ボロン、リン、窒素、及びその他
の不純物の濃度、並びに酸素欠損量の少なくとも一が、トランジスタに用いる半導体層に
比べて高められた材料を、導電膜６３５に用いればよい。

＜各構成要素について＞
以下では、上記に示す各構成要素について説明する。なお、先の実施の形態に示す機能と
同様の機能を有する構成についての説明は省略する。

〔接着層〕
接着層としては、紫外線硬化型等の光硬化型接着剤、反応硬化型接着剤、熱硬化型接着剤
、嫌気型接着剤などの各種硬化型接着剤を用いることができる。これら接着剤としてはエ
ポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、イミド
樹脂、ＰＶＣ（ポリビニルクロライド）樹脂、ＰＶＢ（ポリビニルブチラル）樹脂、ＥＶ
Ａ（エチレンビニルアセテート）樹脂等が挙げられる。特に、エポキシ樹脂等の透湿性が
低い材料が好ましい。また、二液混合型の樹脂を用いてもよい。また、接着シート等を用
いてもよい。

また、上記樹脂に乾燥剤を含んでいてもよい。例えば、アルカリ土類金属の酸化物（酸化
カルシウムや酸化バリウム等）のように、化学吸着によって水分を吸着する物質を用いる
ことができる。または、ゼオライトやシリカゲル等のように、物理吸着によって水分を吸
着する物質を用いてもよい。乾燥剤が含まれていると、水分などの不純物が素子に侵入す
ることを抑制でき、表示パネルの信頼性が向上するため好ましい。

また、上記樹脂に屈折率の高いフィラーや光散乱部材を混合することにより、光取り出し
効率を向上させることができる。例えば、酸化チタン、酸化バリウム、ゼオライト、ジル
コニウム等を用いることができる。

〔接続層〕
接続層としては、異方性導電フィルム（ＡＣＦ：Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｃｏｎｄｕｃ
ｔｉｖｅＦｉｌｍ）や、異方性導電ペースト（ＡＣＰ：Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｃｏｎ
ｄｕｃｔｉｖｅＰａｓｔｅ）などを用いることができる。

〔着色層〕
着色層に用いることのできる材料としては、金属材料、樹脂材料、顔料または染料が含ま
れた樹脂材料などが挙げられる。

〔遮光層〕
遮光層として用いることのできる材料としては、カーボンブラック、チタンブラック、金
属、金属酸化物、複数の金属酸化物の固溶体を含む複合酸化物等が挙げられる。遮光層は
、樹脂材料を含む膜であってもよいし、金属などの無機材料の薄膜であってもよい。また
、遮光層に、着色層の材料を含む膜の積層膜を用いることもできる。例えば、ある色の光
を透過する着色層に用いる材料を含む膜と、他の色の光を透過する着色層に用いる材料を
含む膜との積層構造を用いることができる。着色層と遮光層の材料を共通化することで、
装置を共通化できるほか工程を簡略化できるため好ましい。

以上が各構成要素についての説明である。

＜作製方法例＞
ここでは、可撓性を有する基板を用いた表示パネルの作製方法の例について説明する。

ここでは、表示素子、回路、配線、電極、着色層や遮光層などの光学部材、及び絶縁層等
が含まれる層をまとめて素子層と呼ぶこととする。例えば、素子層は表示素子を含み、表
示素子の他に表示素子と電気的に接続する配線、画素や回路に用いるトランジスタなどの
素子を備えていてもよい。

また、ここでは、表示素子が完成した（作製工程が終了した）段階において、素子層を支
持し、可撓性を有する部材のことを、基板と呼ぶこととする。例えば、基板には、厚さが
１０ｎｍ以上３００μｍ以下の、極めて薄いフィルム等も含まれる。

可撓性を有し、絶縁表面を備える基板上に素子層を形成する方法としては、代表的には以
下に挙げる２つの方法がある。一つは、基板上に直接、素子層を形成する方法である。も
う一つは、基板とは異なる支持基材上に素子層を形成した後、素子層と支持基材を剥離し
、素子層を基板に転置する方法である。なお、ここでは詳細に説明しないが、上記２つの
方法に加え、可撓性を有さない基板上に素子層を形成し、当該基板を研磨等により薄くす
ることで可撓性を持たせる方法もある。

基板を構成する材料が、素子層の形成工程にかかる熱に対して耐熱性を有する場合には、
基板上に直接、素子層を形成すると、工程が簡略化されるため好ましい。このとき、基板
を支持基材に固定した状態で素子層を形成すると、装置内、及び装置間における搬送が容
易になるため好ましい。

また、素子層を支持基材上に形成した後に、基板に転置する方法を用いる場合、まず支持
基材上に剥離層と絶縁層を積層し、当該絶縁層上に素子層を形成する。続いて、支持基材
と素子層の間で剥離し、素子層を基板に転置する。このとき、支持基材と剥離層の界面、
剥離層と絶縁層の界面、または剥離層中で剥離が生じるような材料を選択すればよい。こ
の方法では、支持基材や剥離層に耐熱性の高い材料を用いることで、素子層を形成する際
にかかる温度の上限を高めることができ、より信頼性の高い素子を有する素子層を形成で
きるため、好ましい。

例えば剥離層として、タングステンなどの高融点金属材料を含む層と、当該金属材料の酸
化物を含む層を積層して用い、剥離層上の絶縁層として、酸化シリコン、窒化シリコン、
酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコンなどを複数積層した層を用いることが好ましい。

素子層と支持基材とを剥離する方法としては、機械的な力を加えることや、剥離層をエッ
チングすること、または剥離界面に液体を浸透させることなどが、一例として挙げられる
。または、剥離界面を形成する２層の熱膨張係数の違いを利用し、加熱または冷却するこ
とにより剥離を行ってもよい。

また、支持基材と絶縁層の界面で剥離が可能な場合には、剥離層を設けなくてもよい。

例えば、支持基材としてガラスを用い、絶縁層としてポリイミドなどの有機樹脂を用いる
ことができる。このとき、レーザ光等を用いて有機樹脂の一部を局所的に加熱する、また
は鋭利な部材により物理的に有機樹脂の一部を切断、または貫通すること等により剥離の
起点を形成し、ガラスと有機樹脂の界面で剥離を行ってもよい。また、上記の有機樹脂と
しては、感光性の材料を用いると、開口部などの形状を容易に作製しやすいため好適であ
る。また、上記のレーザ光としては、例えば、可視光線から紫外線の波長領域の光である
ことが好ましい。例えば波長が２００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の光、好ましくは波長が２
５０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下の光を用いることができる。特に、波長３０８ｎｍのエキシ
マレーザを用いると、生産性に優れるため好ましい。また、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第三高
調波である波長３５５ｎｍのＵＶレーザなどの固体ＵＶレーザ（半導体ＵＶレーザともい
う）を用いてもよい。

または、支持基材と有機樹脂からなる絶縁層の間に発熱層を設け、当該発熱層を加熱する
ことにより、当該発熱層と絶縁層の界面で剥離を行ってもよい。発熱層としては、電流を
流すことにより発熱する材料、光を吸収することにより発熱する材料、磁場を印加するこ
とにより発熱する材料など、様々な材料を用いることができる。例えば発熱層としては、
半導体、金属、絶縁体から選択して用いることができる。

なお、上述した方法において、有機樹脂からなる絶縁層は、剥離後に基板として用いるこ
とができる。

以上が可撓性を有する表示パネルを作製する方法についての説明である。

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み
合わせて実施することができる。

本実施例では、各種測定方法を用い、基板上に成膜した本発明の一態様である金属酸化物
について測定を行った結果について説明する。なお、本実施例においては、試料１Ａを作
製した。

＜試料の構成と作製方法＞
以下では、本発明の一態様に係る試料１Ａについて説明する。試料１Ａは、基板と、基板
上の金属酸化物と、を有する。

次に、試料１Ａの作製方法について、説明する。

まず、基板として、ガラス基板を用いた。続いて、スパッタリング装置を用いて、基板上
に金属酸化物として、厚さ１００ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を形成した。成膜条件は
、基板温度を１３０℃とし、スパッタガスとして酸素（Ｏ_２）流量を３０ｓｃｃｍ、およ
びアルゴン（Ａｒ）流量を２７０ｓｃｃｍとすることで、酸素流量比を１０％とした。ま
た、チャンバー内の圧力を０．６Ｐａとし、ターゲットには、金属酸化物ターゲット（Ｉ
ｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）を用いた。また、スパッタリング装置内
に設置された金属酸化物ターゲットに２５００ＷのＡＣ電力を供給することで、金属酸化
物を成膜した。

以上の工程により、本実施例の試料１Ａを作製した。

＜Ｘ線回折による解析＞
本項目では、ガラス基板上の金属酸化物を、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−ｒａｙｄｉｆｆｒａ
ｃｔｉｏｎ）測定を行った結果について説明する。なお、ＸＲＤ装置として、Ｂｒｕｋｅ
ｒ社製Ｄ８ＡＤＶＡＮＣＥを用いた。また、条件は、Ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による
θ／２θスキャンにて、走査範囲を１５ｄｅｇ．乃至５０ｄｅｇ．、ステップ幅を０．０
２ｄｅｇ．、走査速度を３．０ｄｅｇ．／分とした。

図１８に、Ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法を用いてＸＲＤスペクトルを測定した結果を示す
。

図１８に示すＸＲＤスペクトルは、わずかに２θ＝３１°付近のピーク強度が検出された
。なお、２θ＝３１°付近のピークは、被形成面または上面に略垂直方向に対してｃ軸に
配向した結晶性Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯともいう。）であることに
由来することが分かっている。

従って、試料１Ａは、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯとなる領域を有することが確認できた。

＜ＴＥＭ像および電子線回折＞
本項目では、試料１Ａを、ＨＡＡＤＦ（Ｈｉｇｈ−ＡｎｇｌｅＡｎｎｕｌａｒＤａｒｋＦ
ｉｅｌｄ）−ＳＴＥＭ（ＳｃａｎｎｉｎｇＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＭ
ｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって観察、および解析した結果について説明する（以下、ＨＡ
ＡＤＦ−ＳＴＥＭによって取得した像は、ＴＥＭ像ともいう。）。

なお、ＴＥＭ像は、球面収差補正機能を用いて観察した。また、ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像
の撮影には、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡ＪＥＭ−ＡＲＭ２００Ｆを用
いて、加速電圧２００ｋＶ、ビーム径約０．１ｎｍφの電子線を照射して行った。

また、本項目では、試料１Ａをプローブ径が１ｎｍの電子線（ナノビーム電子線ともいう
。）を照射することで、電子線回折パターンを取得した結果について説明する。

また、電子線回折パターンの観察は、電子線を照射しながら０秒の位置から３５秒の位置
まで一定の速度で移動させながら行った。

図１９（Ａ）に試料１Ａの断面におけるＴＥＭ像（以下、断面ＴＥＭともいう）を示す。

ここで、例えば、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、試料面に平行
にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させると、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶の（００９
）面に起因するスポットが含まれる回折パターンが見られることが分かっている。つまり
、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向
いていることがわかる。一方、同じ試料に対し、試料面に垂直にプローブ径が３００ｎｍ
の電子線を入射させると、リング状の回折パターンが確認される。つまり、ＣＡＡＣ−Ｏ
Ｓは、ａ軸およびｂ軸は配向性を有さないことがわかる。

また、微結晶を有する金属酸化物（特に、半導体と同等の機能を有する場合に、ｎａｎｏ
ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｏｘｉｄｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒとする。以下、ｎｃ−Ｏ
Ｓという。）に対し、大きいプローブ径（例えば５０ｎｍ以上）の電子線を用いる電子線
回折を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。また、微結晶を有す
る金属酸化物に対し、小さいプローブ径の電子線（例えば５０ｎｍ未満）を用いるナノビ
ーム電子線回折を行うと、輝点（スポット）が観測される。また、微結晶を有する金属酸
化物に対しナノビーム電子線回折を行うと、円を描くように（リング状に）輝度の高い領
域が観測される場合がある。さらに、リング状の領域に複数の輝点が観測される場合があ
る。

試料１Ａは、図１９（Ａ）に示すように、断面ＴＥＭ観察結果より、ＣＡＡＣ構造、およ
び微結晶（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ。以下、ｎｃともいう）が観察された。また、図１９
（Ｂ）に示すように、試料１Ａに対する電子解析パターンの結果は、円を描くように（リ
ング状に）輝度の高い領域が観測できた。また、リング状の領域に複数のスポットが観測
できた。また、（００９）面に起因するスポットが含まれる回折パターンもわずかに見ら
れた。

なお、上述したような断面ＴＥＭ像および平面ＴＥＭ像において観察される特徴は、金属
酸化物の構造を一面的に捉えたものである。

従って、試料１Ａは、ｎｃ構造とＣＡＡＣ構造との少なくとも二種の結晶構造を有する複
合材であり、アモルファス構造の金属酸化物とも、単結晶構造の金属酸化物とも明確に異
なる性質を有することが分かった。

以上より、試料１Ａの電子線回折パターンは、リング状に輝度の高い領域と、該リング領
域に複数の輝点を有する。従って、試料１Ａは、電子線回折パターンが、微結晶、および
ＣＡＡＣ構造を有する金属酸化物になり、平面方向、および断面方向において、配向性は
有さないことが分かった。

＜ＴＥＭ像の画像解析＞
本項目では、試料１Ａを、ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭによって観察、および解析した結果につ
いて、図２１を用いて説明する。

以下では、平面におけるＴＥＭ像（以下、平面ＴＥＭともいう）の画像解析を行った結果
について説明する。図２１（Ａ）には、試料１Ａの平面ＴＥＭ像を、図２１（Ｂ）には、
平面ＴＥＭ像を画像処理した像を示す。

画像処理、および画像解析の方法について説明する。まず、画像処理として、図２１に示
す平面ＴＥＭ像を高速フーリエ変換（ＦＦＴ：ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒ
ｍ）処理することでＦＦＴ像を取得した。次に、取得したＦＦＴ像を、２．８ｎｍ^−１か
ら５．０ｎｍ^−１の範囲を残してマスク処理を行った。次に、マスク処理したＦＦＴ像を
、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ：ＩｎｖｅｒｓｅＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆ
ｏｒｍ）処理することでＦＦＴフィルタリング像を取得した。

画像解析として、まず、ＦＦＴフィルタリング像から格子点を抽出した。格子点の抽出は
、以下の手順で行った。まず、ＦＦＴフィルタリング像のノイズを除去する処理を行った
。ノイズを除去する処理として、半径０．０５ｎｍの範囲における輝度を下式によって平
滑化した。

ここで、Ｓ＿Ｉｎｔ（ｘ，ｙ）は座標（ｘ，ｙ）における平滑化された輝度を示し、ｒは
座標（ｘ，ｙ）と座標（ｘ’，ｙ’）との距離を示し、Ｉｎｔ（ｘ’，ｙ’）は、座標（
ｘ’，ｙ’）における輝度を示す。なお、ｒが０のときは、ｒを１として計算した。

次に、格子点の探索を行った。格子点の条件は、半径０．２２ｎｍ内の全ての格子点候補
よりも輝度が高い座標とした。ここでは、格子点候補が抽出された。なお、半径０．２２
ｎｍ内であれば、ノイズによる格子点の誤検出の頻度を小さくすることができる。また、
ＴＥＭ像では格子点間に一定の距離があるため、半径０．２２ｎｍ内には二つ以上の格子
点が含まれる可能性は低い。

次に、抽出された格子点候補を中心に、半径０．２２ｎｍ内で最も輝度の高い座標を抽出
し、格子点候補を更新した。格子点候補の抽出を繰り返し、新たな格子点候補が現れなく
なったときの座標を格子点として認定した。同様に、認定された格子点から０．２２ｎｍ
よりも離れた位置において、新たな格子点の認定を行うことで、全ての範囲で格子点を認
定した。得られた複数の格子点は、まとめて格子点群と呼ぶ。

次に、抽出した格子点群から六角形格子の角度を導出する方法について、図２０（Ａ）、
図２０（Ｂ）および図２０（Ｃ）に示す模式図、ならびに図２０（Ｄ）に示すフローチャ
ートを用いて説明する。まず、基準格子点を定め、その最近接である６点の近接格子点を
結び、六角形格子を形成した（図２０（Ａ）、図２０（Ｄ）ステップＳ１０１参照。）。
その後、該六角形格子の中心点である基準格子点から頂点である各格子点までの距離の平
均値Ｒを導出した。算出したＲを各頂点までの距離とし、基準格子点を中心点とした正六
角形を形成した（図２０（Ｄ）ステップＳ１０２参照。）。このとき、正六角形の各頂点
と、それぞれに最も近い近接格子点との距離を距離ｄ１、距離ｄ２、距離ｄ３、距離ｄ４
、距離ｄ５および距離ｄ６とする（図２０（Ｄ）ステップＳ１０３参照。）。次に、正六
角形を、中心点を基準に０．１°刻みで０°から６０°まで回転させ、回転した正六角形
と六角形格子との平均のずれ［Ｄ＝（ｄ１＋ｄ２＋ｄ３＋ｄ４＋ｄ５＋ｄ６）／６］を算
出した（図２０（Ｄ）ステップＳ１０４参照。）。そして、平均のずれＤが最小となると
きの正六角形の回転角度θを求め、六角形格子の角度とした（図２０（Ｄ）ステップＳ１
０５）。

次に、平面ＴＥＭ像の観察範囲において、六角形格子の角度が３０°となる割合が最も高
くなるように調整した。ここで、半径１ｎｍの範囲において、六角形格子の角度の平均値
を算出した。続いて、画像処理を経て得られた平面ＴＥＭ像を、領域が有する六角形格子
の角度に応じ、色、または濃淡で表示した。図２１に示す平面ＴＥＭ像を画像処理した像
は、図２１に示す平面ＴＥＭ像を上述の方法により画像解析し、六角形格子の角度に応じ
た濃淡を示した像である。つまり平面ＴＥＭ像を画像処理した像は、平面ＴＥＭ像のＦＦ
Ｔフィルタリング像において、特定波数領域を色分けすることにより、各特定波数領域の
格子点の向きを抽出した画像である。

図２１（Ａ）より、試料１Ａは、ｎｃが観察された。また、図２１（Ｂ）より、数ｎｍか
ら数十ｎｍの広範囲にわたり六角形の向きが同じ向きを示す領域（ＣＡＡＣ−ＯＳ）と、
六角形の向きがランダムであり、モザイク状に分布している領域（ｎｃ−ＯＳ）とを有す
ることがわかった。

＜元素分析＞
本項目では、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ：ＥｎｅｒｇｙＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅ
Ｘ−ｒａｙｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用い、ＥＤＸマッピングを取得し、評価するこ
とによって、試料１Ａの元素分析を行った結果について説明する。なお、ＥＤＸ測定には
、元素分析装置として日本電子株式会社製エネルギー分散型Ｘ線分析装置ＪＥＤ−２３０
０Ｔを用いる。なお、試料から放出されたＸ線の検出にはＳｉドリフト検出器を用いる。

ＥＤＸ測定では、試料の分析対象領域の各点に電子線照射を行い、これにより発生する試
料の特性Ｘ線のエネルギーと発生回数を測定し、各点に対応するＥＤＸスペクトルを得る
。本実施例では、各点のＥＤＸスペクトルのピークを、Ｉｎ原子のＬ殻への電子遷移、Ｇ
ａ原子のＫ殻への電子遷移、Ｚｎ原子のＫ殻への電子遷移及びＯ原子のＫ殻への電子遷移
に帰属させ、各点におけるそれぞれの原子の比率を算出する。これを試料の分析対象領域
について行うことにより、各原子の比率の分布が示されたＥＤＸマッピングを得ることが
できる。

図２２には、試料１Ａの断面ＴＥＭ像、およびＥＤＸマッピングを示す。また、図２３に
は、試料１Ａの平面ＴＥＭ像、およびＥＤＸマッピングを示す。なお、ＥＤＸマッピング
は、範囲において、測定元素が多いほど明るくなり、測定元素が少ないほど暗くなるよう
に、明暗で元素の割合を示した。また、図２３に示すＥＤＸマッピングの倍率は７２０万
倍とした。

図２２（Ａ）は断面ＴＥＭ像、図２３（Ａ）は平面ＴＥＭ像である。

図２２（Ｂ）は断面におけるＯ原子のＥＤＸマッピング、図２３（Ｂ）は平面におけるＯ
原子のＥＤＸマッピングである。なお、図２２（Ｂ）に示すＥＤＸマッピングにおける全
原子に対するＯ原子の比率は、３２．７６乃至７３．０８［ａｔｏｍｉｃ％］の範囲とし
た。図２３（Ｂ）に示すＥＤＸマッピングにおける全原子に対するＯ原子の比率は、２１
．５７乃至６１．５６［ａｔｏｍｉｃ％］の範囲とした。

図２２（Ｃ）は断面におけるＺｎ原子のＥＤＸマッピング、図２３（Ｃ）は平面における
Ｚｎ原子のＥＤＸマッピングである。なお、図２２（Ｃ）に示すＥＤＸマッピングにおけ
る全原子に対するＺｎ原子の比率は、６．１３乃至２８．４５［ａｔｏｍｉｃ％］の範囲
とした。図２３（Ｃ）に示すＥＤＸマッピングにおける全原子に対するＺｎ原子の比率は
、７．５乃至３１．９０［ａｔｏｍｉｃ％］の範囲とした。

図２２（Ｄ）は断面におけるＧａ原子のＥＤＸマッピング、図２３（Ｄ）は平面における
Ｇａ原子のＥＤＸマッピングである。なお、図２２（Ｄ）に示すＥＤＸマッピングにおけ
る全原子に対するＧａ原子の比率は、０．００乃至２１．１４［ａｔｏｍｉｃ％］の範囲
とした。図２３（Ｄ）に示すＥＤＸマッピングにおける全原子に対するＧａ原子の比率は
、１．２８乃至２３．６３［ａｔｏｍｉｃ％］の範囲とした。

図２２（Ｅ）は断面におけるＩｎ原子のＥＤＸマッピング、図２３（Ｅ）は平面における
Ｉｎ原子のＥＤＸマッピングである。なお、図２２（Ｅ）に示すＥＤＸマッピングにおけ
る全原子に対するＩｎ原子の比率は、９．６１乃至４０．１０［ａｔｏｍｉｃ％］の範囲
とした。図２３（Ｅ）に示すＥＤＸマッピングにおける全原子に対するＩｎ原子の比率は
、１３．８３乃至４５．１０［ａｔｏｍｉｃ％］の範囲とした。

図２２（Ａ）、図２２（Ｂ）、図２２（Ｃ）、図２２（Ｄ）、図２３（Ａ）、図２３（Ｂ
）、および図２３（Ｄ）に示すＥＤＸマッピングでは、画像に相対的な明暗の分布が見ら
れ、試料１Ａにおいて、各原子が分布を持って存在している様子が確認できた。

また、図２２（Ａ）、図２２（Ｂ）、図２２（Ｃ）、図２２（Ｄ）、図２３（Ａ）、図２
３（Ｂ）、および図２３（Ｄ）において各原子が偏在している領域のサイズは、０．５ｎ
ｍ以上１０ｎｍ以下、または１ｎｍ以上３ｎｍ以下で観察された。

以上より、ＣＡＣ−ＯＳは、金属元素が均一に分布したＩＧＺＯ化合物とは異なる構造で
あり、ＩＧＺＯ化合物と異なる性質を有することが分かった。つまり、ＣＡＣ−ＯＳは、
Ｉｎ_ａＧａ_ｂＺｎ_ｃＯ_ｄなどが主成分である領域と、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩ
ｎＯ_Ｘ１が主成分である領域と、に互いに相分離し、各元素を主成分とする領域がモザイ
ク状である構造を有することが確認できた。

従って、ＣＡＣ−ＯＳを半導体素子に用いた場合、Ｉｎ_ａＧａ_ｂＺｎ_ｃＯ_ｄなどに起因す
る性質と、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１に起因する性質とが、相補的に作
用することにより、高いオン電流（Ｉ_ｏｎ）、高い電界効果移動度（μ）、および低いオ
フ電流（Ｉ_ｏｆｆ）を実現することが期待できる。また、ＣＡＣ−ＩＧＺＯを用いた半導
体素子は、信頼性が高い。従って、ＣＡＣ−ＯＳは、ディスプレイをはじめとするさまざ
まな半導体装置に最適である。

本実施例は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態、または他の実
施例と適宜組み合わせて実施することができる。

本実施例では、本発明の一態様である、金属酸化物１０８を有するトランジスタ１５０を
作製し、電気特性および信頼性試験を行った。なお、本実施例においては、金属酸化物１
０８を有するトランジスタ１５０として、試料２Ａを作製した。

＜試料の構成と作製方法＞
以下では、本発明の一態様に係る試料２Ａについて説明する。試料２Ａとして、実施の形
態２、および図９乃至図１１で説明した作成方法により、図６の構造を有するトランジス
タ１５０を作製した。

なお、試料２Ａは、実施の形態２にて説明した作製方法により作製した。また、金属酸化
物１０８の成膜工程において、成膜条件は、基板温度を１３０℃とし、スパッタガスとし
て酸素（Ｏ_２）流量を３０ｓｃｃｍ、およびアルゴン（Ａｒ）流量を２７０ｓｃｃｍとす
ることで、酸素流量比を１０％とした。また、チャンバー内の圧力を０．６Ｐａとし、タ
ーゲットには、金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］
）を用いた。また、スパッタリング装置内に設置された金属酸化物ターゲットに２５００
ＷのＡＣ電力を供給した。

なお、トランジスタ１５０のチャネル長は２μｍ、チャネル幅は３μｍ（以下、Ｌ／Ｗ＝
２／３μｍともいう）、またはチャネル長は２μｍ、チャネル幅は５０μｍ（以下、Ｌ／
Ｗ＝２／５０μｍともいう）とした。

＜トランジスタの電気特性＞
次に、上記作製した試料２Ａのトランジスタ（Ｌ／Ｗ＝２／３μｍ）の電気特性を測定し
た。測定結果を図２４に示す。

なお、トランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性の測定条件としては、第１のゲート電極として機能
する導電膜１１２に印加する電圧（以下、ゲート電圧（Ｖｇ）ともいう）、及び第２のゲ
ート電極として機能する導電膜１０６に印加する電圧（Ｖｂｇ）ともいう）を、−１０Ｖ
から＋１０Ｖまで０．２５Ｖのステップで印加した。また、ソース電極として機能する導
電膜１２０ａに印加する電圧（以下、ソース電圧（Ｖ_ｓ）ともいう）を０Ｖ（ｃｏｍｍ）
とし、ドレイン電極として機能する導電膜１２０ｂに印加する電圧（以下、ドレイン電圧
（Ｖｄ）ともいう）を、０．１Ｖ及び２０Ｖとした。

［トランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性］
ここで、トランジスタのドレイン電流−ゲート電圧特性（Ｉｄ−Ｖｇ特性）について説明
する。図２５（Ａ）はトランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性の一例を説明する図である。なお、
図２５（Ａ）において、理解を簡単にするためにトランジスタの活性層には、多結晶シリ
コンを用いた場合を想定している。また、図２５（Ａ）において、縦軸がＩｄを横軸がＶ
ｇをそれぞれ表す。

図２５（Ａ）に示すように、Ｉｄ−Ｖｇ特性は、大きく分けて３つの領域に分けられる。
１つ目の領域をオフ領域（ＯＦＦｒｅｇｉｏｎ）と、２つ目の領域をサブスレッショルド
領域（ｓｕｂｔｈｒｅｓｈｏｌｄｒｅｇｉｏｎ）と、３つ目の領域をオン領域（ＯＮｒｉ
ｇｉｏｎ）と、それぞれ呼称する。また、サブスレッショルド領域とオン領域との境界の
ゲート電圧をしきい値電圧（Ｖｔｈ）と呼称する。

トランジスタの特性としては、オフ領域のドレイン電流（オフ電流またはＩｏｆｆともい
う）が低く、オン領域のドレイン電流（オン電流またはＩｏｎともいう）が高い方が望ま
しい。なお、トランジスタのオン電流については、電界効果移動度を指標とする場合が多
い。電界効果移動度の詳細については後述する。

また、トランジスタを低い電圧で駆動させるためには、サブスレッショルド領域でのＩｄ
−Ｖｇ特性の傾きが急峻である方が望ましい。サブスレッショルド領域のＩｄ−Ｖｇ特性
の変化の大きさを表わす指標として、ＳＳ（ｓｕｂｔｈｒｅｓｈｏｌｄｓｗｉｎｇ）また
はＳ値などと呼称される。なお、Ｓ値は、以下の式（１）で表される。

Ｓ値は、サブスレッショルド領域において、ドレイン電流が１桁変化するのに必要なゲー
ト電圧の変化量の最小値である。Ｓ値が小さいほど、オンとオフとのスイッチング動作を
急峻に行うことができる。

［トランジスタのＩｄ−Ｖｄ特性］
次に、トランジスタのドレイン電流−ドレイン電圧特性（Ｉｄ−Ｖｄ特性）について説明
する。図２５（Ｂ）はトランジスタのＩｄ−Ｖｄ特性の一例を説明する図である。また、
図２５（Ｂ）において、縦軸がＩｄを横軸がＶｄをそれぞれ表す。

図２５（Ｂ）に示すように、オン領域は、さらに２つの領域に分けられる。１つ目の領域
を線形領域（Ｌｉｎｅａｒｒｅｇｉｏｎ）と、２つ目の領域を飽和領域（Ｓａｔｕｒｅａ
ｔｉｏｎｒｅｇｉｏｎ）と、それぞれ呼称する。線形領域は、ドレイン電流がドレイン電
圧の上昇に伴って放物線状に大きくなる。一方で飽和領域は、ドレイン電圧が変化しても
ドレイン電流が大きく変化しない。なお、真空管に準じて、線形領域を３極管領域と、飽
和領域を５極管領域と、それぞれ呼称する場合がある。

また、線形領域とは、Ｖｄに対してＶｇが大きい（Ｖｄ＜Ｖｇ）状態を指す場合がある。
また、飽和領域とは、Ｖｇに対してＶｄが大きい（Ｖｇ＜Ｖｄ）状態を指す場合がある。
ただし、実際には、トランジスタのしきい値電圧を考慮する必要がある。よって、トラン
ジスタのしきい値電圧を差分した値（Ｖｄ＜Ｖｇ−Ｖｔｈ）を線形領域とする場合がある
。同様に、トランジスタのしきい値電圧を差分した値（Ｖｇ−Ｖｔｈ＜Ｖｄ）を飽和領域
とする場合がある。

トランジスタのＩｄ−Ｖｄ特性において、飽和領域の電流が一定であるような特性を、「
飽和性が良い」と表現する場合がある。トランジスタの飽和性の良さは、特に有機ＥＬデ
ィスプレイへの応用で重要である。例えば、飽和性が良いトランジスタを有機ＥＬディス
プレイの画素のトランジスタに用いることで、ドレイン電圧が変化しても画素の明るさの
変化を抑制することができる。

［ドレイン電流の解析モデル］
次に、ドレイン電流の解析モデルについて説明する。ドレイン電流の解析モデルとしては
、Ｇｒａｄｕａｌｃｈａｎｎｅｌ近似（ＧＣＡ）に基づくドレイン電流の解析式が知られ
ている。ＧＣＡに基づくとトランジスタのドレイン電流は、以下の式（２）で表される。

数式（２）において、上が線形領域におけるドレイン電流の式であり、下が飽和領域にお
けるドレイン電流の式である。数式（２）において、Ｉｄはドレイン電流、μは活性層の
移動度、Ｌはトランジスタのチャネル長、Ｗはトランジスタのチャネル幅、Ｃｏｘはゲー
ト容量、Ｖｇはゲート電圧、Ｖｄはドレイン電圧、Ｖｔｈはトランジスタのしきい値電圧
を、それぞれ表す。

［電界効果移動度］
次に、電界効果移動度について説明する。トランジスタの電流駆動力の指標として、電界
効果移動度が用いられる。上述したように、トランジスタのオン領域は線形領域と飽和領
域に分かれる。それぞれの領域の特性から、ＧＣＡに基づくドレイン電流の解析式に基づ
いてトランジスタの電界効果移動度を算出することができる。区別する必要のあるときは
、それぞれ線形移動度（Ｌｉｎｅａｒｍｏｂｉｌｉｔｙ）、飽和移動度（Ｓａｔｕｒａｔ
ｉｏｎｍｏｂｉｌｉｔｙ）と呼ばれる。線形移動度は、以下の式（３）で表され、飽和移
動度は、以下の式（４）で表される。

本明細書等においては、式（３）及び式（４）から算出される曲線を、移動度曲線と呼称
する。図２６に、ＧＣＡに基づくドレイン電流の解析式から計算した移動度曲線を示す。
なお、図２６では、ＧＣＡが有効であるとした場合のＶｄ＝１０ＶのＩｄ−Ｖｇ特性と、
線形移動度及び飽和移動度の移動度曲線とを、それぞれ重ねて示している。

図２６においては、ＧＣＡに基づくドレイン電流の解析式からＩｄ−Ｖｇ特性を計算して
いる。移動度曲線の形状は、トランジスタの内部の様子を理解するための手がかりとなる
。

図２４に、試料２ＡのＩｄ−Ｖｇ特性結果、および電界効果移動度を示す。実線はＶｄが
２０Ｖの時のＩｄ、一点鎖線は、Ｖｄが０．１Ｖの時のＩｄを示す。また、破線は、電界
効果移動度を示す。なお、図２４において、第１縦軸がＩｄ［Ａ］を、第２縦軸が電界効
果移動度（μＦＥ［ｃｍ^２／Ｖ_ｓ］）を、横軸がＶｇ［Ｖ］を、それぞれ表す。また、電
界効果移動度については、Ｖｄを２０Ｖとして測定した値から算出した。

図２４より、試料２Ａは、０Ｖ付近の立ち上がりがよく、高いオン電流（Ｉ_ｏｎ）を示す
ことがわかった。また、高い電界効果移動度を有することが分かった。

従って、本発明の一態様の金属酸化物を、トランジスタに用いることで、高いオン電流（
Ｉ_ｏｎ）、および高い電界効果移動度を有することが分かった。これは、金属酸化物中の
キャリア密度が高いことに起因すると推測できる。

本実施例は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態、または他の実
施例と適宜組み合わせて実施することができる。

００１領域
００２領域
１００トランジスタ
１０２基板
１０４絶縁膜
１０６導電膜
１０８金属酸化物
１０８ａ金属酸化物
１０８ｉ領域
１０８ｎ領域
１１０絶縁膜
１１０＿０絶縁膜
１１２導電膜
１１２＿０導電膜
１１２＿１導電膜
１１２＿２導電膜
１１６絶縁膜
１１８絶縁膜
１２０ａ導電膜
１２０ｂ導電膜
１２２絶縁膜
１４０マスク
１４１ａ開口部
１４１ｂ開口部
１４３開口部
１５０トランジスタ
１６０トランジスタ
３００Ａトランジスタ
３００Ｂトランジスタ
３００Ｃトランジスタ
３００Ｄトランジスタ
３０２基板
３０４導電膜
３０６絶縁膜
３０７絶縁膜
３０８金属酸化物
３１２ａ導電膜
３１２ｂ導電膜
３１４絶縁膜
３１６絶縁膜
３１８絶縁膜
３２０ａ導電膜
３２０ｂ導電膜
３４１ａ開口部
３４１ｂ開口部
３４２ａ開口部
３４２ｂ開口部
３４２ｃ開口部
６００表示パネル
６０１トランジスタ
６０４接続部
６０５トランジスタ
６０６トランジスタ
６０７接続部
６１２液晶層
６１３導電膜
６１７絶縁膜
６２０絶縁膜
６２１絶縁膜
６２３導電膜
６３１着色層
６３２遮光膜
６３３ａ配向膜
６３３ｂ配向膜
６３４着色層
６３５導電膜
６４０液晶素子
６４１接着層
６４２接着層
６４３導電膜
６４４ＥＬ層
６４５ａ導電膜
６４５ｂ導電膜
６４６絶縁膜
６４７絶縁膜
６４８導電膜
６４９接続層
６５１基板
６５２導電膜
６５３半導体膜
６５４導電膜
６５５開口
６５６偏光板
６５９回路
６６０発光素子
６６１基板
６６２表示部
６６３導電膜
６６６配線
６７２ＦＰＣ
６７３ＩＣ
６８１絶縁膜
６８２絶縁膜
６８３絶縁膜
６８４絶縁膜
６８５絶縁膜
６８６接続体
６８７接続部

Claims (6)

1. 第１の領域と、第２の領域とが混在している金属酸化物をチャネル領域に有するトランジスタであって、
   前記第１の領域は、Ｉｎ、Ｚｎ及び元素Ｍを有し、
   前記第２の領域は、Ｉｎ、Ｚｎ及び元素Ｍを有し、
   元素Ｍは、ガリウム、アルミニウム、シリコン、ホウ素、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムのいずれか一を含むトランジスタ。
2. 第１の領域と、第２の領域とが混在している金属酸化物をチャネル領域に有するトランジスタであって、
   前記第１の領域は、Ｉｎ、Ｚｎ及び元素Ｍを有し、
   前記第２の領域は、Ｉｎ、Ｚｎ及び元素Ｍを有し、
   元素Ｍは、ガリウム、アルミニウム、シリコン、ホウ素、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムのいずれか一を含み、
   前記第１の領域は、前記第２の領域よりエネルギーバンドの伝導帯下端が低いトランジスタ。
3. 請求項１又は請求項２において、
   前記第２の領域は、前記第１の領域よりもの元素Ｍの濃度が高く、前記第１の領域は、前記第２の領域よりもＩｎの濃度が高い、トランジスタ。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のトランジスタを有する表示装置であって、
   前記表示装置は、基板上に表示部と、前記表示部を駆動させるドライバと、を有し、
   前記ドライバは前記トランジスタを有する、表示装置。
5. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のトランジスタを有する表示装置であって、
   前記表示装置は、基板上に走査線駆動回路と、表示部と、を有し、
   前記走査線駆動回路は前記トランジスタを有する、表示装置。
6. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のトランジスタを有する表示装置であって、
   前記表示装置は、基板上に信号線駆動回路と、表示部と、を有し、
   前記信号線駆動回路は前記トランジスタを有する、表示装置。

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