CN108473334A - 金属氧化物膜以及半导体装置 - Google Patents

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Abstract

金属氧化物膜包含铟、M(M是Al、Ga、Y或Sn)及锌，且包括在垂直于膜表面的方向上通过X射线衍射观察到具有起因于结晶结构的衍射强度的峰值的区域。此外，在垂直于膜表面的方向上在透射电子显微镜图像中观察到多个结晶部。该结晶部以外的区域的比率为20％以上且60％以下。

Description

金属氧化物膜以及半导体装置
技术领域
本发明的一个方式涉及一种金属氧化物膜及其制造方法。本发明的一个方式涉及一种使用金属氧化物膜的半导体装置。
注意，在本说明书等中，半导体装置是指能够通过利用半导体特性而工作的所有装置，晶体管、半导体电路等是半导体装置的一个方式。另外，运算装置、存储装置、成像装置、电光装置、发电装置(包括薄膜太阳能电池、有机薄膜太阳能电池等)及电子设备有时包括半导体装置。
背景技术
作为可用于晶体管的半导体材料，氧化物半导体受到瞩目。例如，专利文献1公开了如下半导体装置：层叠有多个氧化物半导体层，在该多个氧化物半导体层中，被用作沟道的氧化物半导体层的组成包含铟及镓，并且使铟的组成比镓的组成高，而场效应迁移率(有时，简单地称为迁移率或μFE)得到提高的半导体装置。
另外，非专利文献1公开了如下内容：包含铟、镓及锌的氧化物半导体具有以In1- xGa1+xO3(ZnO)m(-1≤x≤1，m为自然数)表示的同系物相(homologous phase)。此外，非专利文献1公开了同系物相的固溶区域(solid solution range)。例如，m＝1的情况下的同系物相的固溶区域在x为-0.33至0.08的范围内，并且m＝2的情况下的同系物相的固溶区域在x为-0.68至0.32的范围内。
[参考文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利申请公开第2014-7399号公报
[非专利文献]
[非专利文献1]M.Nakamura，N.Kimizuka，and T.Mohri，“The Phase Relationsin the In2O3-Ga2ZnO4-ZnO System at 1350℃”，J.Solid State Chem.，1991，Vol.93，pp.298-315
发明内容
本发明的一个方式的目的之一是提供一种包括结晶部的金属氧化物膜。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种物性的稳定性高的金属氧化物膜。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种电特性得到提高的金属氧化物膜。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种可以提高场效应迁移率的金属氧化物膜。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种新颖的金属氧化物膜。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种包括金属氧化物膜的可靠性高的半导体装置。
另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种可以以低温形成且物性的稳定性高的金属氧化物膜。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种可以以低温形成且可靠性高的半导体装置。
本发明的一个方式的目的之一是提供一种使用金属氧化物膜的柔性蓄电装置。
注意，这些目的的记载不妨碍其他目的的存在。此外，本发明的一个方式并不需要实现所有上述目的。另外，可以从说明书、附图、权利要求书等的记载抽取上述以外的目的。
本发明的一个方式是一种金属氧化物膜，包含铟、M(M是Al、Ga、Y或Sn)以及锌。金属氧化物膜还包括通过X射线衍射在垂直于膜表面的方向上观察到具有起因于结晶结构的衍射强度的峰值的区域。此外，在垂直于膜表面的方向上在透射电子显微镜图像中观察到多个结晶部。该结晶部以外的区域的比率为20％以上且60％以下或25％以上且小于100％。
优选的是，上述多个结晶部的在厚度方向上c轴取向的结晶部的比率比在其他方向上取向的结晶部的比率高。
第一图像是对截面TEM图像进行快速傅里叶变换而得到的图像。对第一图像进行只使周期性区域残留的掩模处理，然后进行快速傅立叶逆变换，由此得到第二图像。在此，从原始的图像减去的残留面积的比率为20％以上且小于60％或25％以上且小于100％。
当在垂直于金属氧化物膜的截面的方向上对具有10nm以上且50nm以下的厚度的金属氧化物膜的薄片进行束径为50nm以上的电子衍射时，优选观察到包括环状衍射图案以及与环状衍射图案重叠的两个第一斑点的第一电子衍射图案。此外，在对其进行束径为0.3nm以上且5nm以下的电子衍射时，优选观察到包括第一斑点及在圆周方向上分布的多个第二斑点的第二电子衍射图案。
两个第一斑点优选相对于中心对称。由第一直线与膜表面的法线方向形成的角度优选为0°以上且10°以下。第一直线穿过中心以及第一斑点的亮度最高的点。
在第一电子衍射图案中，环状衍射图案的亮度优选比环状图案与交叉于第一直线的第二直线的交点的第一斑点的亮度低。
第一斑点的亮度优选为环状图案与第二直线的交点的环状衍射图案的亮度的大于1倍且9倍以下。
本发明的一个方式是一种金属氧化物膜，包含铟、M(M是Al、Ga、Y或Sn)及锌。金属氧化物膜还包括通过X射线衍射在垂直于膜表面的方向上观察到具有起因于结晶结构的衍射强度的峰值的区域。在垂直于金属氧化物膜的截面的方向上对具有10nm以上且50nm以下的厚度的金属氧化物膜的薄片进行束径为50nm以上的电子衍射时，优选观察到包括环状衍射图案以及与环状衍射图案重叠的两个第一斑点的第一电子衍射图案。此外，在对其进行束径为0.3nm以上且5nm以下的电子衍射时，优选观察到包括第一斑点及在圆周方向上分布的多个第二斑点的第二电子衍射图案。
此外，上述第一斑点优选在圆周方向上分布。由穿过斑点的圆周方向的端部与电子衍射图案的中心的两个直线形成的角度优选为45度以下。
此外，本发明的其他方式是一种半导体装置，包括半导体层、栅极绝缘层以及栅极。半导体层的特征在于包括上述金属氧化物膜。
本发明的一个方式可以提供一种包括结晶部的金属氧化物膜。本发明的一个方式可以提供一种物性的稳定性高的金属氧化物膜。本发明的一个方式可以提供一种新颖的金属氧化物膜。本发明的一个方式可以提供一种应用金属氧化物膜的可靠性高的半导体装置。
本发明的一个方式可以提供一种可以以低温形成且物性的稳定性高的金属氧化物膜。本发明的一个方式可以提供一种以低温形成且可靠性高的半导体装置。
本发明的一个方式可以提供一种应用金属氧化物膜的柔性装置。
附图说明
图1A至图1C示出金属氧化物膜的XRD测量结果；
图2A至图2C是金属氧化物膜的截面观察图像；
图3A及图3B是金属氧化物膜的电子衍射图案；
图4A至图4D是金属氧化物膜的电子衍射图案；
图5是金属氧化物膜的电子衍射图案；
图6A及图6B是金属氧化物膜的电子衍射图案；
图7A1至图7D2是金属氧化物膜的电子衍射图案及亮度分布；
图8示出从金属氧化物膜的电子衍射图案估算的相对亮度；
图9A至图9C是金属氧化物膜的电子衍射图案；
图10示出金属氧化物膜的结晶部的取向偏差的结果；
图11A至图11D是金属氧化物膜的截面观察图像及解析后的截面观察图像；
图12A及图12B是晶体管的电特性的图；
图13A至图13C示出金属氧化物膜的TDS测量结果；
图14示出金属氧化物膜的SIMS测量结果；
图15A至图15C是用于过剩氧的移动的计算的模型图；
图16A至图16C是用于过剩氧的移动的计算的模型图；
图17A至图17C是用于过剩氧的移动的计算的模型图；
图18A至图18C是用于过剩氧的移动的计算的模型图；
图19是示出过剩氧的移动容易性的计算结果；
图20A至图20C是用于氧缺陷的移动的计算的模型图；
图21A至图21C是用于氧缺陷的移动的计算的模型图；
图22是示出氧缺陷的移动容易性的计算结果；
图23示出金属氧化物膜的ESR测量结果；
图24A及图24B示出金属氧化物膜的CPM测量结果；
图25示出晶体管的Id-Vg特性；
图26示出晶体管的Id-Vg特性；
图27示出界面态的密度；
图28A及图28B示出晶体管的Id-Vg特性；
图29A及图29B示出晶体管的缺陷态的计算结果及晶体管的电特性；
图30A至图30F示出晶体管的电特性；
图31A至图31C各自是说明氧化物半导体膜的原子个数比的范围的图；
图32是说明InMZnO4结晶的图；
图33是说明将氧化物半导体膜用于沟道区域的晶体管的能带图；
图34A至图34C是说明半导体装置的俯视图及截面图；
图35A至图35C是说明半导体装置的俯视图及截面图；
图36A及图36B是说明半导体装置的截面图；
图37A及图37B是说明半导体装置的截面图；
图38A及图38B是说明半导体装置的截面图；
图39A及图39B是说明半导体装置的截面图；
图40A及图40B是说明半导体装置的截面图；
图41A及图41B是说明半导体装置的截面图；
图42A及图42B是说明半导体装置的截面图；
图43A及图43B是说明半导体装置的截面图；
图44A及图44B是说明半导体装置的截面图；
图45A至图45C是能带图；
图46A至图46C是说明半导体装置的俯视图及截面图；
图47A至图47C是说明半导体装置的俯视图及截面图；
图48A至图48C是说明半导体装置的俯视图及截面图；
图49A至图49C是说明半导体装置的俯视图及截面图；
图50A及图50B是说明半导体装置的截面图；
图51A及图51B是说明半导体装置的截面图；
图52A至图52C是说明半导体装置的俯视图及截面图；
图53是说明半导体装置的截面图；
图54是说明半导体装置的截面图；
图55是说明半导体装置的截面图；
图56是示出显示装置的一个方式的俯视图；
图57是示出显示装置的一个方式的截面图；
图58是示出显示装置的一个方式的截面图；
图59是示出显示装置的一个方式的截面图；
图60A至图60D是说明EL层的形成方法的截面图；
图61是说明液滴喷射装置的示意图；
图62是示出显示装置的一个方式的截面图；
图63是示出显示装置的一个方式的截面图；
图64A至图64C是说明半导体装置的俯视图及截面图；
图65是说明半导体装置的截面图；
图66A至图66C是说明显示装置的方框图及电路图；
图67A至图67C是说明本发明的一个方式的电路图及时序图；
图68A至图68C是说明本发明的一个方式的图表及电路图；
图69A及图69B是说明本发明的一个方式的电路图及时序图；
图70A及图70B是说明本发明的一个方式的电路图及时序图；
图71A至图71E是说明本发明的一个方式的方框图、电路图及波形图；
图72A及图72B是说明本发明的一个方式的电路图及时序图；
图73A及图73B各自是说明本发明的一个方式的电路图；
图74A至图74C各自是说明本发明的一个方式的电路图；
图75是显示模块的图；
图76A至图76E是说明电子设备的图；
图77A至图77G是说明电子设备的图；
图78A及图78B是说明显示装置的立体图。
具体实施方式
参照附图对实施方式进行详细说明。注意，本发明不局限于以下说明，而所属技术领域的普通技术人员可以很容易地理解一个事实就是其方式及详细内容在不脱离本发明的宗旨及其范围的情况下可以被变换为各种各样的形式。因此，本发明不应该被解释为仅限定于以下所示的实施方式的记载内容中。
在下面说明的发明结构中，在不同的附图中共同使用相同的附图标记来表示相同的部分或具有相同功能的部分，而省略反复说明。另外，当表示具有相同功能的部分时有时使用相同的阴影线，而不特别附加附图标记。
在本说明书所说明的各附图中，有时为了明确起见，夸大表示各构成要素的大小、层的厚度、区域。因此，本发明并不一定限定于附图中的尺寸。
在本说明书等中使用的“第一”、“第二”等序数词是为了避免构成要素的混淆而附记的，而不是为了在数目方面上进行限定的。
晶体管是半导体元件的一种，可以进行电流或电压的放大、控制导通或非导通的开关工作等。本说明书中的晶体管包括IGFET(Insulated Gate Field EffectTransistor：绝缘栅场效应晶体管)和薄膜晶体管(TFT：Thin Film Transistor)。
另外，在使用极性不同的晶体管的情况或电路工作中的电流方向变化的情况等下，“源极”及“漏极”的功能有时互相调换。因此，在本说明书等中，可以互相调换使用“源极”和“漏极”。
在本说明书等中，金属氧化物(metal oxide)是指广义上的金属的氧化物。金属氧化物被分类为氧化物绝缘体、氧化物导电体(包括透明氧化物导电体)和氧化物半导体(0xide Semiconductor，也可以简称为OS)等。例如，在将金属氧化物用于晶体管的活性层的情况下，有时将该金属氧化物称为氧化物半导体。换言之，可以将OS FET换称为包含金属氧化物或氧化物半导体的晶体管。
此外，在本说明书等中，有时将包含氮的金属氧化物也称为金属氧化物(metaloxide)。此外，也可以将包含氮的金属氧化物称为金属氧氮化物(metal oxynitride)。
此外，在本说明书等中，有时记载CAAC(c-axis aligned crystal)或CAC(cloud-aligned composite)。注意，CAAC是指结晶结构的一个例子，CAC是指功能或材料构成的一个例子。
此外，在本说明书等中，CAC-OS或CAC-metal oxide在材料的一部分中具有导电体的功能，在材料的另一部分中具有介电质(或绝缘体)的功能，作为材料的整体具有半导体的功能。此外，在将CAC-OS或CAC-metal oxide用于晶体管的活性层的情况下，导电体具有使被用作载流子的电子(或空穴)流过的功能，介电质具有不使被用作载流子的电子流过的功能。通过导电体的功能和介电质的功能的互补作用，可以使CAC-OS或CAC-metal oxide具有开关功能(控制开启/关闭的功能)。通过在CAC-OS或CAC-metal oxide中使各功能分离，可以最大限度地提高各功能。
此外，在本说明书等中，CAC-OS或CAC-metal oxide包括导电体区域及介电质区域。导电体区域具有上述导电体的功能，介电质区域具有上述介电质的功能。此外，在材料中，导电体区域和介电质区域有时以纳米粒子级分离。另外，导电体区域和介电质区域有时在材料中不均匀地分布。此外，有时观察到其边缘模糊而以云状连接的导电体区域。
就是说，也可以将CAC-OS或CAC-metal oxide称为基质复合材料(matrixcomposite)或金属基质复合材料(metal matrix composite)。
另外，在CAC-OS或CAC-metal oxide中，导电体区域和介电质区域有时以0.5nm以上且10nm以下，优选为0.5nm以上且3nm以下的尺寸分散在材料中。
实施方式1
本发明的一个方式是包括两种结晶部的金属氧化物膜。一个是包括在厚度方向(也称为膜面方向或者与被形成膜的表面或膜表面垂直的方向)上取向的结晶的结晶部(也称为第一结晶部)。另一个是包括具有无秩序取向性的结晶的结晶部(也称为第一结晶部)。本发明的一个方式的金属氧化物膜包括这种两种结晶部。
为了简单起见，将具有特定取向性的结晶部和具有无秩序取向性的结晶部分别称为第一结晶部和第二结晶部进行说明，但是，有时第一结晶部和第二结晶部的结晶性和结晶的大小等没有特别的差异而不能区别。因此，有时可以不区别第一结晶部和第二结晶部而描述本发明的一个方式的金属氧化物膜。换言之，本发明的一个方式的金属氧化物膜也可以说是如下金属氧化物膜：包括多个结晶部，其中在垂直于膜表面的方向上取向的结晶部的比率高于在其他方向上取向的结晶部。
在第一结晶部中，特定的结晶面在厚度方向上取向。因此，当在大致垂直于膜的顶面的方向上对包括第一结晶部的金属氧化物膜进行X射线衍射(XRD：X-ray Diffraction)测量时，在指定的衍射角(2θ)处观察到来源于该第一结晶部的衍射峰值。注意，膜中的第一结晶部的比率越高衍射峰值越高，衍射峰值的高度(强度)有可能用于推测膜的结晶性的指标。
在本发明的一个方式的金属氧化物膜的厚度方向的截面的透射电子显微镜的观察图像中，观察到多个结晶部。在多个结晶部中，被观察的垂直于c轴的结晶面在厚度方向上取向的第一结晶部的比率高于在其他方向上取向的结晶部。
优选的是，金属氧化物膜中的通过透射电子显微镜观察的结晶部以外的区域的比率为20％以上且低于100％，优选为20％以上且80％以下，更优选为20％以上且60％以下。此外，优选的是，c轴在厚度方向上取向的第一结晶部以外的区域的比率为20％以上且60％以下，优选为30％以上且50％以下。通过在金属氧化物膜中以这种比率存在明确的结晶部以外的区域，金属氧化物膜可以具有氧透过性。因此，可以提高对金属氧化物膜进行供应氧的处理时的氧缺陷的降低效果。因此，通过将这种金属氧化物膜应用于晶体管等半导体装置，可以实现可靠性极高的半导体装置。
与使用包括具有取向性的第一结晶部的比率极高(例如75％或80％以上)的金属氧化物膜的晶体管相比，使用具有取向性的第一结晶部及没有取向性的第二结晶部混在一起的金属氧化物膜的晶体管的场效应迁移率尤其在栅电压较低的条件下得到增高。因此，通过使用该晶体管可以实现装置的驱动电压的降低且可以容易进行高频驱动等。此外，与结晶性极高的金属氧化物膜相比，这种金属氧化物膜的电流流过的各向异性得到降低，所以可以降低包括金属氧化物膜的半导体装置的电特性的偏差。
当对本发明的一个方式的金属氧化物膜在垂直于膜的截面方向上进行电子衍射测量时，得到包括起因于第一结晶部的电子衍射图案及起因于第二结晶部的电子衍射图案的衍射图案。
在起因于第一结晶部的电子衍射图案中观察到起因于结晶性的明确的斑点。该斑点在厚度方向上具有取向性。
第二结晶部是在膜中存在并具有无秩序取向的结晶部。因此，根据用于电子衍射的电子束的直径(束径)，即根据观察的区域的面积，观察到如下那样的不同的图像。
在使用充分大的电子束的直径(束径)(例如以上，或以上)而得到的选区电子衍射(SAED：Selected Area Electron Diffraction)的图案中观察到环状图案。该环状图案有时在径向方向上有亮度分布。选区电子衍射是电子衍射之一，其中对被选择的微小区域照射平行电子束。
在使用充分小的电子束的直径(束径)(例如0.3nm以上且以下或5nm以下)而得到的纳米束电子衍射(NBED：Nano Beam Electron Diffraction)的图案中，在选区电子衍射图案中观察的环状图案的位置上观察到圆周方向(也称为θ方向)上分布的多个斑点。换言之，在选区电子衍射图案中观察到的上述环状图案由该斑点的集合体形成。纳米束电子衍射是会聚束电子衍射之一，其中对样品照射将电子束会聚。
在本发明的一个方式的金属氧化物膜的截面的选区电子衍射图案中，来源于第一结晶部的第一斑点以及来源于第二结晶部的环状图案混在一起。在金属氧化物膜的截面的纳米束电子衍射图案中，来源于第一结晶部的第一斑点以及来源于第二结晶部的在圆周方向上分布的多个第二斑点混在一起。
在金属氧化物膜的选区电子衍射图案中，第一斑点在径向方向上与环重叠。此外，在纳米束电子衍射图案中，第一斑点在径向方向上与第二斑点重叠。
此外，来源于第一结晶部的第一斑点是来源于垂直于结晶的c轴的结晶面的衍射斑点。在结晶结构在垂直于c轴的方向上具有两个对称性的情况下，两个第一斑点相对于电子衍射图案的中心对称。注意，在电子衍射图案中有时观察到该第一斑点以外的来源于垂直于c轴的结晶面的斑点以及来源于垂直于c轴的结晶面以外的结晶面的斑点。
在环与第一斑点在径向方向上重叠的情况下，构成环的多个第二斑点可认为来源于与在不同的方向上取向的结晶部的c轴垂直的结晶面的衍射斑点。
在金属氧化物膜的选区电子衍射图案中，有时观察到直径不同的两个环状图案(从内侧称为第一环、第二环)。此时，来源于第一结晶部的第一斑点与位于内侧的环(第一环)重叠。此外，有时在与第二环重叠的位置上观察到来源于第一结晶部的其他斑点。
当在金属氧化物膜中具有特定取向性的第一结晶部的比率高时，得到各向异性更高的图案占优势的电子衍射图案。例如，在选区电子衍射图案中，与来源于第一结晶部的第一斑点的亮度相比，第一环及第二环的亮度相对低。此时，有时在与位于外侧的第二环重叠的位置上观察到与来源于第一结晶部的不同斑点(第三斑点)。由于第三斑点与第二环在径向方向上重叠，所以第三斑点及第二环都可以推定为来源于相同的结晶面的衍射。
这里，在纳米束电子衍射图案中，来源于第二结晶部的第二斑点的亮度(衍射强度)低于来源于上述第一结晶部的第一斑点的亮度。金属氧化物膜中的第一结晶部的比率越高，两个斑点之间的亮度的差异越大，因此这显示金属氧化物膜的结晶性。例如，相对于第二斑点的亮度，第一斑点的亮度大于1倍且10倍以下，优选大于1倍且9倍以下，更优选大于1倍且8倍以下，更优选为1.5倍以上且小于6倍，进一步优选为2倍以上且小于4倍。
本发明的一个方式的金属氧化物膜是包含铟、M(M为Al、Ga、Y或Sn)及锌的氧化物膜。这种氧化物膜的特征在于沿着c轴具有层状结构的结晶结构。此外，这种氧化物膜的特征在于具有半导体特性。
本发明的一个方式的金属氧化物膜可以用于形成有晶体管的沟道的半导体。
与使用只包括没有特定取向性的第二结晶部的金属氧化物膜的晶体管相比，使用具有特定取向性的第一结晶部与没有取向性的第二结晶部混在一起的金属氧化物膜的晶体管的特征在于：如上所述，能够提高电特性的稳定性、容易减少沟道长度等。
以下，对本发明的一个方式的更具体的例子进行说明。
[金属氧化物]
本发明的一个方式的金属氧化物膜包含铟(In)、M(M为Al、Ga、Y或Sn)以及锌(Zn)。M尤其优选为镓(Ga)。
当金属氧化物膜包含In时，例如其载流子迁移率(电子迁移率)得到提高。当金属氧化物膜包含Ga时，例如金属氧化物膜的能隙(Eg)变大。Ga是与氧的键能高的元素，Ga与氧的键能比In与氧的键能高。当金属氧化物膜包含Zn时，金属氧化物膜容易晶化。
本发明的一个方式的金属氧化物膜优选具有示出单一相(特别是同系物相)的结晶结构。例如，通过使金属氧化物膜的组成为In1+xM1-xO3(ZnO)y(x满足0＜x＜0.5，y为1附近)结构的组成，In的含有比率高于M，可以提高金属氧化物膜的载流子密度(电子迁移率)。
本发明的一个方式的金属氧化物膜在In1+xM1-xO3(ZnO)y(x满足O＜x＜0.5，y为1附近)结构中尤其优选具有In∶M∶Zn＝1.33∶0.67∶1(大致为In∶M∶Zn＝4∶2∶3)附近的组成。这种组成的金属氧化物膜可以兼具高载流子迁移率及高膜稳定性。
注意，金属氧化物膜的组成不局限于上述组成，也可以使用能够具有层状结晶结构的其他组成。
在本说明书等中，“附近”是指在某个金属原子M的原子个数比的±1的范围内，优选为±0.5的范围内即可。例如，在氧化物半导体膜的组成为In∶Ga∶Zn＝4∶2∶3且In为4的情况下，Ga为1以上且3以下(1≤Ga≤3)且Zn为2以上且4以下(2≤Zn≤4)，优选为Ga为1.5以上且2.5以下(1.5≤Ga≤2.5)且Zn为2以上且4以下(2≤Zn≤4)即可。
[金属氧化物膜的形成]
形成各包括金属氧化物膜的样品。在不同的条件下形成三种金属氧化物膜。首先，说明样品1至样品4的形成方法。
[样品1]
样品1是在玻璃衬底上形成有厚度为100nm左右的包含铟、镓及锌的金属氧化物膜的样品。用于样品1的金属氧化物膜在如下条件下形成：衬底温度为130℃，将流量为180sccm的氩气体和流量为20sccm的氧气体引入溅射装置的处理室内，将压力设定为0.6Pa，对包含铟、镓和锌的金属氧化物靶材(In∶Ga∶Zn＝4∶2∶4.1[原子数比])施加2.5kw的交流电力。由于相对于气体流量整体的氧流量的比率，有时将上述气体流量比记载为氧流量比。此时，样品1的形成条件下的氧流量比为10％。
[样品2]
样品2是在玻璃衬底上形成有厚度为100nm左右的金属氧化物膜的样品。用于样品2的金属氧化物膜除了衬底温度为170℃的条件以外都在与样品1相同的条件下形成。样品2的形成条件下的氧流量比为10％。
[样品3]
样品3是在玻璃衬底上形成有厚度为100nm左右的金属氧化物膜的样品。用于样品3的金属氧化物膜除了衬底温度为170℃，将流量为140sccm的氩气体和流量为60sccm的氧气体引入溅射装置的处理室内以外都在与样品1相同的条件下形成。样品3的形成条件下的氧流量比为30％。
[样品4]
样品4是在玻璃衬底上形成有厚度为100nm左右的金属氧化物膜的样品。用于样品4的金属氧化物膜在如下条件下形成：不加热衬底，将流量为20sccm的氩气体和流量为10sccm的氧气体引入溅射装置的处理室内，将压力设定为0.4Pa，对包含铟、镓和锌的金属氧化物靶材(In∶Ga∶Zn＝1∶1∶1[原子数比])施加0.2kw的交流电力。样品4的形成条件下的氧流量比为33％。
[X射线衍射测量]
图1A至图1C示出对于样品1至样品3进行XRD测量的结果。使用out-of-plane法之一的粉末法(也称为θ-2θ法)。θ-2θ法是如下方法：在改变X射线的入射角的同时，使与X射线源对置地设置的检测器的角度与入射角相同，来测量出X射线衍射强度的方法。注意，也可以使用out-of-plane法之一的GIXRD(Grazing-Incidence XRD：掠入射XRD)法(也称为薄膜法或Seemann-Bohlin(西曼-波林)法)，其中以从膜表面0.40°左右的角度使X射线入射，改变检测器的角度来测量出X射线衍射强度。在图1A至图1C的每个中横轴示出衍射角2θ，纵轴示出衍射强度(任意单位)。
如图1A至图1C所示，在每个样品中在2θ＝31°附近观察到衍射强度的峰值。从样品3观察到最高的峰值强度，然后是样品2及样品1的顺序。
观察到衍射强度峰值的衍射角(2θ＝31°附近)与单晶InGaZnO4的结构模型中的(009)面的衍射角一致。由于观察到上述峰值，而可以确认到每个样品都包括其c轴在厚度方向上取向的结晶部(以下，也称为具有取向性的结晶部或第一结晶部)。根据强度比较可知，样品3中的具有特定取向性的结晶部的比率最高，然后是样品2及样品1的顺序。
根据该结果可知：沉积时的衬底温度越高且氧流量比越大，结晶部的比率越高。
[截面观察]
图2A至图2C是样品1至样品3的透射电子显微镜(TEM：Transmission ElectronMicroscopy)图像。
在样品2及样品3中观察到原子在厚度方向上以层状排列的结晶部。样品2的在厚度方向上原子排列的区域的比率似乎比样品3大。虽然样品1也包括原子周期性地排列的区域，但是在厚度方向上排列的结晶部的比率与样品2及样品3相比不大。
[电子衍射]
接着，说明对样品1至样品4进行电子衍射测量的结果。在电子衍射测量中，取得以垂直于各样品的截面的方式入射电子束时的衍射图案。在测量中，电子束的直径从1nm变化至100nm。各样品的厚度大约为50nm。
以下示出各样品的电子衍射图案。注意，为了明确起见，这里示出的各电子衍射图案的对比度被调整。但是，在后面示出的衍射图案的亮度分析中，不使用附图中示出的调整对比度的图像数据而使用不调整对比度的图像数据。
这里，说明用于电子衍射的样品的厚度。电子衍射中使用的电子束径越大且样品的厚度越大，电子衍射图案具有厚度方向上的样品的信息。因此，通过不仅减少电子束的直径(束径)而且减少样品的厚度，可以得到局部区域的信息。另一方面，当样品的厚度过小时，例如是5nm以下的厚度时，只得到亚微观的区域的信息。因此，在该区域存在有亚微观的结晶部时得到的电子衍射图案与单晶的电子衍射图案同样。当亚微观的区域的分析不是目的时，样品的厚度优选为10nm以上且100nm以下，典型的是10nm以上且50nm以下。
[样品1]
图3A及图3B是样品1的电子衍射图案。图3A及图3B分别是电子束径为100nm及1nm的电子衍射图案。在图3A及图3B中，图案的中心的最亮的亮度点来源于入射的电子束，并是电子衍射图案的中心(也称为直接斑点)。
在图3A中，观察到其半径互不相同的两个环状衍射图案。按半径小的顺序将这些环称为第一环、第二环。可以确认到第一环的亮度比第二环高。另外，在与第一环重叠的位置上确认到以箭头所示的两个斑点(第一斑点)。
径向方向的第一环和中心之间的距离以及两个第一斑点和中心之间的距离与单晶InGaZnO4的结构模型中的(009)面的衍射斑点和其中心之间的距离大致一致。
观察到环状的衍射图案，由此可以确认到：在金属氧化物膜中，存在具有无秩序取向性的结晶部(以下，也称为没有特定取向性的结晶部或第二结晶部)。
此外，由于两个第一斑点以相对于电子衍射图案的中心点对称的方式配置，并且两个第一斑点的亮度大致相同，因此可以推测该来源于第一斑点的结晶部具有双重对称性。如上所述，两个第一斑点是起因于垂直于c轴的结晶面的衍射斑点，穿过两个第一斑点与中心的直线(以虚线表示的直线)的方向与结晶部的c轴的方向对齐。因为在图3A中，厚度方向是上下方向，所以可知在金属氧化物膜中，存在其c轴在膜厚度方向上取向的结晶部。
在图3B中，在图3A中示出的在第一环的位置上确认到分布为圆周状的多个斑点(第二斑点)。再者，也可以确认到两个第一斑点。
如图3B所示，在使进入样品的电子束径极小时，观察到分布为圆周状的多个第二斑点。由此可知金属氧化物膜包括其面方位无秩序地取向的多个亚微观结晶部。并且，也可以确认到由于观察区域增大，所以在图3A中观察到的第一环是由来源于该亚微观结晶部的多个衍射斑点连接而亮度被平均化引起的。
如此，可以确认到样品1的金属氧化物膜是包括具有特定取向性的结晶部和具有无秩序取向性的结晶部的膜。此外，来源于具有特定取向性的结晶部的第一斑点的亮度比第二斑点的亮度高，由此可确认到在膜中存在的结晶部中具有特定取向性的结晶部的存在比率高。
[样品2及样品3]
图4A及图4B示出样品2的电子衍射图案。图4C及图4D示出样品3的电子衍射图案。在图4A及图4C中束径为100nm。在图4B及图4D中束径为1nm。
如图4A及图4C所示，在样品2及样品3中，可以更明确地确认到来源于具有特定取向性的结晶部的两个第一斑点。该斑点的亮度按如下顺序高：样品3、样品2以及样品1。这示出具有特定取向性的结晶部的比率按上述顺序高。
如图4A及图4C所示，在样品2及样品3的每一个中，在与第二环重叠的位置上确认到其亮度比第一斑点低的两个斑点(第三斑点)。注意，如图3A所示，在样品1中对该第三斑点的亮度无法与第二环的亮度进行区别。在相对于第一斑点旋转90度的位置上观察到两个第三斑点。该第三斑点是来源于垂直于c轴的结晶面以外的面的衍射斑点。
此外，在图4C中，在以虚线围绕的区域，在相对于第一斑点旋转30度的位置及旋转60度的位置上也确认到亮度高的区域。由于明确地观察到第一斑点以外的衍射斑点，所以样品3是具有特定取向性的结晶部的比率高的膜，即是结晶性高的膜。
如图4B及图4D所示，可知在束径极小的条件下在观察到第一环的位置上观察到第二斑点。此外，在样品2及样品3中也确认到在样品1中观察不到的第三斑点。
[样品4]
图5示出使用100nm的束径得到的样品4的电子衍射图案。
在样品4中观察到第一环，但是观察不到在样品1至样品3中观察到的第一斑点。由此可知，在样品4中具有来源于第一环的多个结晶部，且具有特定取向性的结晶部的比率与具有无秩序取向性的结晶部的比率相等。
[电子衍射图案的斑点的亮度]
第一环的亮度与第一斑点的亮度的差是为了推测具有特定取向性的结晶部的比率重要的信息。
图6A是放大图4C的图。这里，已知在理想的单晶InGaZnO4的电子衍射图案中，在径向方向上与第一环重叠的位置上，第一斑点以电子衍射图案的中心为中心旋转30度、90度、120度的位置(图6A中以虚线围绕的区域)上观察不到衍射斑点。换言之，可推测该区域的亮度来源于从金属氧化物膜中的具有特定取向性的结晶部以外的结晶部衍射的电子或者从膜中的结晶部以外的区域或衬底等区域散射的电子。注意，后面的散射电子由于推测在径向相等的位置上以相等的强度观察，所以这里可以忽略。因此，例如，第一斑点的亮度与相对于该斑点旋转90度的位置上的亮度的差是在了解具有特定取向性的结晶部的比率上是重要信息。
第一斑点的亮度与相对于第一斑点旋转规定角度的位置的亮度的差可以使用直接斑点的亮度作为参考进行斑点的亮度的归一化来求得。注意，直接斑点出现在电子衍射图案的中心。另外，由此可以进行各样品的相对比较。
图7A1示出样品1的电子衍射图案(与图3A相同)。图7A2示出对应于沿着线A-A’及B-B’的径向方向的归一化亮度的分布。线A-A’穿过第一斑点及直接斑点，线B-B’与线A-A’正交。如图7A2所示，观察到夹着直接斑点的峰值的两个峰值。两个峰值亮度在A-A’与B-B’之间有明确的差异。
图7B1及图7B2分别是样品2的电子衍射图案及归一化亮度的分布。图7C1及图7C2分别是样品3的电子衍射图案及归一化亮度的分布。与样品1相比，样品2的第一斑点的峰值亮度与相对于该第一斑点旋转90度的位置的峰值亮度之间的差异更大。此外，样品3与样品2相比该差异更大。
此外，在样品2及样品3的B-B’方向上，相当于第二环的位置上观察到峰值，这是在样品1中确认不到的峰值。明确地确认到样品2及样品3的结晶性比样品1高。
图7D1及图7D2分别是样品4的电子衍射图案及归一化亮度的分布。在样品4中，两个方向上的分布大致一致。换言之，样品4几乎不包括具有特定取向性的结晶部，而包括其结晶面无秩序地取向的多个结晶部。
当束径小时，由于在电子衍射图案中第一环出现为分散的亮度斑点的集合，所以与某个位置上的局部性亮度进行比较，有时不能精确地得到第一环的亮度。此时，如在图6B中以虚线所示，在有特定的宽度且长边方向与径向方向一致的长方形的区域，通过使用在长方形的宽度方向(图6B中的长方形的短边方向)上平均化的亮度的值，从径向方向的亮度的分布得到规定的位置的亮度。
当算出径向方向的亮度分布时，通过减去起因于来自样品的非弹性散射等的亮度成分作为背景噪声，可以进行准确度更高的比较。起因于非弹性散射的亮度成分呈现在径向方向上极宽的分布，因此也可以以直线近似算出背景噪声的亮度。例如，沿着对象峰值的尾划直线，可以减去位于该直线低亮度一侧的区域作为背景噪声。
这里，根据通过上述方法减去背景噪声的数据算出第一斑点的亮度及相对于第一斑点旋转90度的位置的亮度。然后将第一斑点的亮度除以相对于第一斑点旋转90度的位置的亮度，由此得到相对亮度R。
图8示出从在束径为100nm的条件下测量的样品1至样品4的电子衍射图案估算出相对亮度R的结果。
在样品4中，在两个位置上观察不到亮度差，相对亮度R为1。相对强度按样品3、样品2及样品1的顺序高。
当金属氧化物膜用于形成有晶体管的沟道的半导体膜时，相对亮度R的范围为如下：大于1倍且10倍以下，优选大于1倍且9倍以下，更优选大于1倍且8倍以下，更优选为1.2倍以上且8倍以下，更优选为1.5倍以上且6倍以下，更优选为2倍以上且6倍以下，进一步优选为2倍以上且4倍以下。通过将这种金属氧化物膜用于半导体层，可以同时实现电特性高的稳定性以及栅极电压较低的区域中的高场效应迁移率。
[取向方向的偏差]
包括在金属氧化物膜中的具有特定取向性的结晶部的取向性不是完全一致，并具有取向方向的偏差。以下说明该取向方向的偏差。
以如下方式可以对取向方向的偏差进行评价。首先，从多个不同区域得到金属氧化物膜的截面的电子衍射图案图像。然后，在所得到的图像中对经过电子衍射图案的中心及第一斑点的直线及金属氧化物膜的厚度方向的倾斜度进行测量。由此，可以估算包括在各区域的结晶部的取向方向的偏差。、
在该分析中，在电子束的直径为1nm的条件下，在平行于厚度方向上进行扫描的同时得到电子衍射图案作为动态图像。以100秒扫描250nm左右。
图9A至图9C示出样品1、样品2及样品3的每一个的摄像的动态图像的一部分的电子衍射图案。图9A至图9C分别示出9个电子衍射图案，每个图案的间隔大约为10秒。
在图9A至图9C中，以虚线示出经过第一斑点及电子衍射图案的中心的直线。如图9A至图9C所示，确认到在观察的区域结晶部的取向方向的偏差。
图10示出从图9A至图9C所示的各电子衍射图案估算的取向方向的分布图。横轴示出距离(摄像开始位置为测量的起点)。纵轴示出在相对距离测量的取向角度的平均值假定为0度时的取向角度。在图10中，顺时针方向为正。如图10所示，在各样品中取向方向的偏差的大小没有差异，在每个样品中偏差都在小于10度的范围内。
金属氧化物膜中的结晶部的取向方向也可以从在电子束的直径变大的条件下测量的电子衍射图案中的斑点的圆周方向的扩展估算。通过使电子束的直径变大来扩展测量范围，可以得到在测量范围中存在的结晶部的信息平均化的电子衍射图案。因此，取向方向的偏差越大斑点的圆周方向的扩展越大。此外，其亮度的圆周方向的分布反映具有特定取向性的结晶部的比率。
例如，如图6A所示，第一斑点不是完全的点或完全的圆形状，而是在圆周方向上扩展的近于椭圆形的形状。各将该斑点的圆周方向的端部与电子衍射图案的中心连接的两个直线之间的角度表示结晶部的取向方向的偏差。当第一斑点的端部不明确时，例如以第一斑点的亮度的最高的点为基准，1σ或2σ的位置为端部。在第一环与第一斑点的亮度的差异的情况下，根据从第一斑点的亮度减去第一环的亮度的亮度分布估算出结晶部的取向方向的偏差。注意，在使用该方法时，根据电子衍射图案的测量条件有时亮度越高斑点的扩展越大，其结果是，与实际上的取向的偏差相比估算出的偏差更大。
例如，以电子衍射图案的中心为中心的第一斑点的端部的中心角为0度以上且45度以下，优选为0度以上且40度以下，更优选为0度以上且35度以下，进一步优选为0度以上且30度以下。具有特定取向性的结晶部的比例越高，金属氧化物膜的电特性的稳定性越良好。
[结晶部的比率]
通过分析截面观察图像，可以估算出金属氧化物膜中的结晶部的比率。
对图像分析的方法进行说明。作为图像处理的方法，对以高分辨率TEM图像进行二维快速傅里叶变换(FFT：Fast Fourier Transform)处理而得到FFT图像。对所得到的FET图像以残留具有周期性的范围并除去其他范围的方式进行掩模处理。在掩模处理之后，对FFT图像进行二维快速傅立叶逆变换(IFFT：Inverse Fast Fourier Transform)处理而取得FFT滤波图像。
由此，可以得到仅抽出结晶部的实空间图像。在此，根据残留的图像的面积的比例可以估算出结晶部的比率。另外，通过从用于图像处理的区域(也称为原始的图像的面积)的面积减去残留的图像，可以估算出结晶部以外的部分的比率。
图11A及图11B示出样品3及样品1的图像处理前的截面TEM观察图像。图11C及图11D分别示出图像处理后的图像。在图像处理后的图像中，金属氧化物膜中的白色区域对应于包括结晶部的区域。
从图11C可知样品3的除包括结晶部的区域以外的面积比率大约为21.0％。从图11D估算出的样品1的除包括具有特定取向性的结晶部的区域以外的面积比率大约为39.8％。
当这样估算出的金属氧化物膜中的除结晶部以外的区域的比率为5％以上且低于20％时，金属氧化物膜具有极高的结晶性以及非常稳定的电特性，所以是优选的。此外，当金属氧化物膜中的除结晶部以外的区域的比率为20％以上且低于100％，优选为20％以上且90％以下，更优选为20％以上且80％以下，更优选为20％以上且60％以下，进一步优选为30％以上且50％以下时，该金属氧化物膜以适当的比率包括具有特定取向性的结晶部和具有无秩序取向性的结晶部，所以可以同时实现电特性的高稳定性和高迁移率。
在此，可以将在截面图像或根据图像分析等容易确认的结晶部以外的区域称为Lateral Growth Buffer Region(LGBR：横向生长缓冲区域)。此外，在截面TEM观察图像中，LGBR具有密集部分和稀疏部分，观察到稀疏部分通过横向生长连接密集部分。尤其是，LGBR是其面方位不规则、其尺寸极微细且彼此不同的多个结晶部的区域。该结晶部在电子束径(束径)大(例如以上或以上)的电子衍射图案中观察不到斑点，且在电子束径(束径)的极小(例如0.3nm以上且以下或5nm以下)的电子衍射图案中观察到斑点，该结晶部极微细。由此，可以发现结晶部的存在。
可以利用球面像差校正(Spherical Aberration Corrector)功能得到高分辨率TEM图像。尤其将利用球面像差校正功能获取的高分辨率TEM图像称为Cs校正高分辨率TEM图像。例如可以使用日本电子株式会社制造的原子分辨率分析型电子显微镜JEM-ARM200F等观察Cs校正高分辨率TEM图像。
[晶体管的电特性1]
以下说明使用样品1及样品3的金属氧化物制造晶体管，然后对它们的电特性进行测量的结果。
采用在实施方式2中例示出的图36A及图36B的晶体管结构。制造其半导体层的形成条件互不相同的样品A1、样品A2的两种样品。
[晶体管的制造]
首先，使用溅射装置在玻璃衬底上形成厚度为10nm的钛膜和厚度为100nm的铜膜。接着，利用光刻法对该导电膜进行加工。
接着，在衬底及导电膜上层叠形成四个绝缘膜。在真空中，利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)装置，连续地形成绝缘膜。作为绝缘膜使用厚度为50nm的氮化硅膜、厚度为300nm的氮化硅膜、厚度为50nm的氮化硅膜、厚度为50nm的氧氮化硅膜依次层叠。
接着，在绝缘膜上形成氧化物半导体膜，将该氧化物半导体膜加工为岛状，由此形成半导体层。作为氧化物半导体膜，形成厚度为40nm的氧化物半导体膜108。
在样品A1中，用于氧化物半导体膜的金属氧化物膜的形成条件与样品1相同。就是说，用于样品A1的金属氧化物膜在如下条件下形成：衬底温度为130℃；将流量为180sccm的氩气体和流量为20sccm的氧气体导入溅射装置的处理室中；将压力设定为0.6Pa；对包含铟、镓和锌的金属氧化物靶材(In∶Ga∶Zn＝4∶2∶4.1[原子个数比])施加2.5kw的交流电力。氧流量比为10％。金属氧化物膜的厚度为40nm左右。
在样品A2中，用于氧化物半导体膜的金属氧化物膜的形成条件与样品3相同。就是说，用于样品A2的金属氧化物膜在如下条件下形成：衬底温度为170℃；将流量为140sccm的氩气体和流量为60sccm的氧气体导入溅射装置的处理室中；将压力设定为0.6Pa；对包含铟、镓和锌的金属氧化物靶材(In∶Ga∶Zn＝4∶2∶4.1[原子个数比])施加2.5kw的交流电力。氧流量比为30％。金属氧化物膜的厚度为40nm左右。
接着，在绝缘膜及氧化物半导体层上形成绝缘膜。作为绝缘膜，利用PECVD装置形成厚度为150nm的氧氮化硅膜。
接着，进行加热处理。作为该加热处理，在氮和氧的混合气体气氛下以350℃进行1小时的加热处理。
接着，在绝缘膜的所希望的区域中形成开口。作为开口的形成方法，使用干蚀刻法。
接着，以覆盖开口的方式在绝缘膜上形成厚度为100nm的氧化物半导体膜，将该氧化物半导体膜加工为岛状，由此形成导电膜。在形成导电膜之后，连续地对与导电膜的下侧接触的绝缘膜进行加工，由此形成绝缘膜。
作为导电膜，形成厚度为100nm的氧化物半导体膜。作为该氧化物半导体膜采用两层的叠层结构。厚度为10nm的第一层氧化物半导体膜在如下条件下形成：衬底温度为170℃；将流量为200sccm的氧气体导入溅射装置的处理室中；压力为0.6Pa；对包含铟、镓和锌的金属氧化物靶材(In∶Ga∶Zn＝4∶2∶4.1[原子个数比])施加2.5kw的交流电力。厚度为90nm的第二层氧化物半导体膜在如下条件下形成：衬底温度为170℃；将流量为180sccm的氩气体和流量为20sccm氧气体导入溅射装置的处理室中；压力为0.6Pa；对包含铟、镓和锌的金属氧化物靶材(In∶Ga∶Zn＝4∶2∶4.1[原子个数比])施加2.5kw的交流电力。
接着，从氧化物半导体膜、绝缘膜及导电膜上进行等离子体处理。使用PECVD装置，在衬底温度为220℃且氩气体和氮气体的混合气氛下进行等离子体处理。
接着，在氧化物半导体膜、绝缘膜及导电膜上形成绝缘膜。作为绝缘膜，利用PECVD装置层叠形成厚度为100nm的氮化硅膜及厚度为300nm的氧氮化硅膜。
接着，在形成的绝缘膜上形成掩模，使用该掩模在绝缘膜中形成开口。
接着，以填充开口的方式形成导电膜，将该导电膜加工为岛状，由此形成将成为源电极及漏电极的导电膜。作为该导电膜，利用溅射装置形成厚度为10nm的钛膜和厚度为100nm的铜膜。
接着，在绝缘膜及导电膜上形成绝缘膜。作为绝缘膜，使用厚度为1.5μm的丙烯酸类感光树脂。
通过上述步骤，制造两种晶体管。
[晶体管的电特性]
接着，测量上面制造的样品A1及样品A2的晶体管的Id-Vg特性。
作为各晶体管的Id-Vg特性的测量条件，施加到被用作各晶体管的第一栅电极的导电膜的电压(以下，将该电压也称为栅电压(Vg))以及施加到被用作各晶体管的第二栅电极的导电膜的电压(以下，将该电压也称为背栅电压(Vbg))从-15V每隔0.25V变化到+20V。另外，将对被用作源电极的导电膜施加的电压(以下，将该电压也称为源电压(Vs))设定为0V(comm)，将对被用作漏电极的导电膜施加的电压(以下，将该电压也称为漏电压(Vd))设定为0.1V和20V。
图12A及图12B分别示出样品A1、样品A2的Id-Vg特性结果。在图12A及图12B中，第一纵轴表示Id(A)，第二纵轴表示场效应迁移率(μFE(cm2/Vs))，横轴表示Vg(V)。在图12A及图12B的每一个中，将五个晶体管的Id-Vg特性结果重叠而表示。
如图12A及图12B所示，确认到样品A1、样品A2都具有良好的电特性。样品A1的场效应迁移率比样品A2高。在较低的Vg(例如Vg为10V以下)的范围内上述趋向尤其显著。
就是说，可以确认到：在将其中包括具有取向性的结晶部和没有取向性的结晶部的金属氧化物膜用于其中形成沟道的半导体层时，晶体管具有高场效应迁移率。尤其是，可以确认到在栅极电压较低的条件下，晶体管具有高场效应迁移率及大漏极电流。
[氧透过性的评价]
说明对金属氧化物膜的氧透过性进行评价的结果。
制造以下所示的三个样品(样品Ref、样品B1及样品B2)。样品B1是包含与样品1相同的金属氧化物膜的样品，样品B2是包含与样品3相同的金属氧化物膜的样品。
[样品Ref]
样品Ref是在玻璃衬底上形成通过加热释放氧的氧氮化硅膜的样品。
首先在玻璃衬底上形成氧氮化硅膜。在如下条件下形成氧化硅膜：作为沉积气体使用流量为160sccm的SiH4和流量为4000sccm的N2O的混合气体；压力为200Pa；功率为1500W；衬底温度为220℃；利用等离子体CVD法。氧氮化硅膜的厚度为400nm左右。
接着，在氮气气氛下，以350℃进行加热处理1小时。
然后，通过溅射法形成含硅的铟锡氧化物膜(ITSO膜)。ITSO膜的厚度大约为5nm。
接着，对氧氮化硅膜进行氧添加处理。该氧添加条件为如下：利用灰化装置；衬底温度为100℃；将流量为300sccm的氧气体引入到处理室内；压力为25.06Pa；以及对设置在灰化装置内的平行板电极之间供应4750W的RF功率以对衬底一侧施加偏压。
然后，通过湿蚀刻法去除铟锡氧化物膜，形成样品Ref。
[样品B1]
样品B1与样品Ref的方法相同地以如下方式形成：形成氧氮化硅膜，且进行加热处理，形成铟锡氧化物膜，然后去除该膜。
加上，在氧氮化硅膜上与上述样品1相同的方法形成厚度大约为5nm的IGZO膜，由此制造样品B1。
[样品B2]
样品B2与样品Ref的方法相同地以如下方式形成：形成氧氮化硅膜，且进行加热处理，在形成铟锡氧化物膜之后去除。
加上，在氧氮化硅膜上与上述样品3相同的方法形成厚度大约为5nm的IGZO膜，由此制造样品B2。
[TDS测量]
通过热脱附谱分析法(TDS：Thermal Desorption Spectroscopy)对三个样品的氧分子(质量电荷比(M/z)为32)的释放量进行比较。
图13A至图13C分别示出样品Ref、样品B1以及样品B2的测量结果。在各附图中纵轴示出检测强度，横轴示出衬底温度。
从图13A所示的样品Ref的结果可确认到在100℃左右至350℃左右释放氧分子。此外，样品Ref在250℃左右具有峰值。
如图13B所示，在样品B1中在150℃左右开始释放氧，在350℃左右具有峰值，即使在更高的温度下也继续释放氧。换言之，用于样品B1的金属氧化物膜是容易透过氧的膜。
如图13C所示，虽然在样品B2中在200℃左右观察到具有峰值的氧的释放分布，但是与样品B1相比氧释放量极小。
根据以上的结果可以确认到：其中包括具有特定取向性的结晶部和具有无秩序取向性的结晶部且具有特定取向性的结晶部的比率低的金属氧化物膜是氧容易透过的膜，换言之，是氧容易扩散的膜。
[氧扩散的评价]
以下，对评价向金属氧化物膜的氧扩散的容易性的结果进行说明。
制造以下所示的两个样品(样品C1及样品C2)。
[样品C1]
首先，利用与上述样品1相同的方法在玻璃衬底上形成厚度为50nm左右的金属氧化物膜。
接着，利用等离子体CVD法在金属氧化物膜上层叠形成厚度为30nm左右的氧氮化硅膜、厚度为100nm左右的氧氮化硅膜、厚度为20nm左右的氧氮化硅膜。
然后，在氮气气氛下，以350℃进行加热处理1小时。
接着，利用溅射法形成厚度为5nm的铟锡氧化物膜。
接着，对氧氮化硅膜进行氧添加处理。在如下条件下进行氧添加处理：使用灰化装置；衬底温度为40℃；将流量为150sccm的氧气体(16O)和流量为100sccm的氧气体(18O)导入处理室内；将压力设定为15Pa；以及以对衬底一侧施加偏压的方式对设置于灰化装置内的平行板电极之间供应4500W的RF功率600秒。因为氧氮化硅膜以主要成分的水平包含氧气体(16O)，所以为了准确地测量出由于氧添加处理添加的氧量，利用氧气体(18O)。
接着，利用等离子体CVD法形成厚度为100nm左右的氮化硅膜。
然后，在氮气氛下以450℃进行1小时的加热处理，由此制造样品C1。
[样品C2]
样品C2是以其金属氧化物膜的形成条件与样品C1不同的方式制造的样品。在样品C2中，利用与上述样品3相同的方法形成厚度为50nm左右的金属氧化物膜。
[SIMS分析]
利用SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)分析测量出样品C1及样品C2的18O浓度。图14示出其结果。图14示出包括玻璃衬底(记载为glass)、金属氧化物膜(记载为IGZO)及氧氮化硅膜(记载为SiON)的区域的分析结果。注意，这里所示的分析结果示出从衬底一侧(也称为SSDP(Substrate Side Depth Profile：衬底一侧深度分布)-SIMS)分析的结果。
在样品C1及样品C2的每一个中，可确认到18O扩散到氧氮化硅膜及金属氧化物膜中。当对样品C1与样品C2进行比较时，与样品C1相比，18O扩散到样品C2的更深的位置。在样品C1中，18O扩散到25nm左右的深度。
根据以上的结果可以确认到：其中包括具有特定取向性的结晶部和具有无秩序取向性的结晶部且具有特定取向性的结晶部的比率低的金属氧化物膜是氧容易透过的膜，换言之，是氧容易扩散的膜。
[对氧化物半导体膜供应氧的概念]
接着，根据图15A至图15C、图16A至图16C、图17A至图17C、图18A至图18C、图19、图20A至图20C、图21A至图21C以及图22所示的模型图，以下说明对金属氧化物膜供应氧的概念。
这里，以IGZO膜为金属氧化物膜的一个例子，说明过剩氧(多于满足化学计量比的氧)及氧缺陷的移动的容易性。
在本实施方式中，通过结构最优化形成在原子个数比为In∶Ga∶Zn＝3∶1∶2的IGZO膜中的一个In-O面存在有一个过剩氧原子或氧缺陷的模型，利用NEB(Nudged ElasticBand：微动弹性带)法分别算出对沿着最小能量路径的中间结构的能量。
使用基于密度泛函论(DFT)的计算程序软件“OpenMX”进行计算。作为计算中用作参数的基底函数，使用赝原子局部基函数。该基底函数分为极化基底类STO(Slater TypeOrbital：斯莱特型轨道)。作为泛函使用GGA/PBE(Generalized-Gradient-Approximation(广义梯度近似)/Perdew-Burke-Ernzerhof)。将截止能量(cut-off energy)设定为200Ry。将取样k点的个数设定为5×5×3。
在对过剩氧的移动的容易性的计算中，将存在于计算模型内的原子的个数设定为85个，在对氧缺陷的移动的容易性的计算中，将存在于计算模型内的原子的个数设定为83个。
通过计算过剩氧或氧缺陷移动到各自的位置时需要越过的能垒的高度Eb，对过剩氧及氧缺陷的移动的容易性进行评价。就是说，移动时越过的能垒的高度Eb越高移动越难，移动时越过的能垒的高度Eb越低移动越容易。
(过剩氧的迁移)
首先，对过剩氧的移动进行说明。图15A至图15C、图16A至图16C、图17A至图17C以及图18A至图18C示出在原子个数比为In∶Ga∶Zn＝3∶1∶2的IGZO膜的一个In-O面存在有一个过剩氧的模型。
[(1)过剩氧的第一迁移]
图15A是IGZO膜的模型图。图15B是图15A所示的区域a1的放大模型图。图15C是从图15B所示的模型的过剩氧迁移的模型图。将从图15B至图15C的迁移称为过剩氧的第一迁移。在过剩氧的第一迁移中，过剩氧从InO2层扩散至(Ga，Zn)O层。
[(2)过剩氧的第二迁移]
图16A是IGZO膜的模型图。图16B是图16A所示的区域a2的放大模型图。图16C是从图16B所示的模型的过剩氧迁移的模型图。将从图16B至图16C的迁移称为过剩氧的第二迁移。在过剩氧的第二迁移中，过剩氧从第一(Ga，Zn)O层扩散至第二(Ga，Zn)O层。
[(3)过剩氧的第三迁移]
图17A是IGZO膜的模型图。图17B是图17A所示的区域a3的放大模型图。图17C是从图17B所示的模型的过剩氧迁移的模型图。将从图17B至图17C的迁移称为过剩氧的第三迁移。在过剩氧的第三迁移中，过剩氧沿着In层扩散。
[(4)过剩氧的第四迁移]
图18A是IGZO膜的模型图。图18B是图18A所示的区域a4的放大模型图。图18C是从图18B所示的模型的过剩氧迁移的模型图。将从图18B至图18C的迁移称为过剩氧的第四迁移。在过剩氧的第四迁移中，过剩氧越过In层扩散。
将图15B及图15C、图17B及图17C以及图18B及图18C中的编号为“1”的氧原子称为第一氧原子。将图15B及图15C、图17B及图17C以及图18B及图18C中的编号为“2”的氧原子称为第二氧原子。将图16B及图16C、图17B及图17C以及图18B及图18C中的编号为“3”的氧原子称为第三氧原子。将图16B及图16C中的编号为“4”的氧原子称为第四氧原子。
图19示出在上述四个迁移方式中的过剩氧的移动的容易性的计算结果。在图19中，横轴示出过剩氧的移动的路径长度，纵轴示出对于图15A至图15C、图16A至图16C、图17A至图17C以及图18A至图18C所示的状态下的能量的移动所需要的能量。
如图19所示，过剩氧的第一迁移的能垒的高度Eb的最大值(Ebmax)为0.62eV，过剩氧的第二迁移的能垒的高度Eb的最大值(Ebmax)为0.29eV，过剩氧的第三迁移的能垒的高度Eb的最大值(Ebmax)为0.53eV，过剩氧的第四迁移的能垒的高度Eb的最大值(Ebmax)为2.38eV。因此，过剩氧的第一迁移至第三迁移的能垒的高度Eb的最大值(Ebmax)比过剩氧的第四迁移低。因此，过剩氧的第一迁移至第三迁移所需要的能量比过剩氧的第四迁移所需要的能量小，过剩氧的第一迁移至第三迁移与过剩氧的第四迁移相比更容易会发生。
换言之，图15B、图17B及图18B所示的模型中的第一氧原子与向图18B及图18C所示的将第三氧原子推出去的方向上相比向图15B、图15C、图17B及图17C所示的将第二氧原子推出去的方向容易移动。
图16B的模型所示的第三氧原子如图16C所示向将第四氧原子推出去的方向容易移动。因此，可以说氧原子与越过铟原子的层而移动相比沿着铟原子的层容易移动。此外，可以说氧原子与越过铟原子的层而移动相比从InO2层向(Ga，Zn)O层以及从第一(Ga，Zn)O层向第二(Ga，Zn)O层容易移动。
[氧缺陷的移动]
接着，说明氧缺陷的移动。图20A至图20C以及图21A至图21C示出原子个数比为In∶Ga∶Zn＝3∶1∶2的IGZO膜的一个In-O面存在有一个氧缺陷的模型。
[(5)氧缺陷的第一迁移]
图20A是IGZO膜的模型图。图20B是图20A所示的区域a5的放大模型图。图20C是从图20B所示的模型图的氧缺陷迁移的模型图。将从图20B至图20C的迁移称为氧缺陷的第一迁移。在氧缺陷的第一迁移中，氧缺陷沿着In层扩散。
[(6)氧缺陷的第二迁移]
图21A是IGZO膜的模型图。图21B是图21A所示的区域a6的放大模型图。图21C是从图21B所示的模型图的氧缺陷迁移的模型图。将从图21B至图21C的迁移称为氧缺陷的第二迁移。在氧缺陷的第二迁移中，氧缺陷越过In层扩散。
图20B、图20C、图21B以及图21C中的虚线的圆表示氧缺陷。
图22示出在上述两个迁移方式中的氧缺陷的移动的容易性的计算结果。在图22中，横轴示出氧缺陷的移动的路径长度，纵轴示出对于图20B以及图21B所示的状态的能量的移动所需要的能量。
如图22所示，氧缺陷的第一迁移的能垒的高度Eb的最大值(Ebmax)为1.81eV，氧缺陷的第二迁移的能垒的高度Eb的最大值(Ebmax)为4.10eV。氧缺陷的第一迁移的能垒的高度Fb的最大值(Ebmax)比氧缺陷的第二迁移低。因此，氧缺陷的第一迁移所需要的能量比氧缺陷的第二迁移所需要的能量低。换言之，氧缺陷的第一迁移与氧缺陷的第二迁移相比更容易发生。
因此，与上述过剩氧的移动同样地，可以说氧缺陷与越过铟原子的层而移动相比沿着铟原子的层容易移动。
[迁移的温度依赖性]
接着，为了从别的侧面比较上述六个迁移方式的发生概率，对这些迁移的温度依赖性进行说明。
根据每单位时间的移动频度对这些迁移的温度依赖性进行比较。在此，将某个温度下的移动频度Z(每秒次数)使用在化学上稳定的位置中的氧原子的振荡数Zo(每秒次数)以以下算式表示。
[算式1]
注意，在算式1中，Ebmax表示各迁移中的能垒的高度Eb的最大值，k表示玻尔兹曼常数，T表示绝对温度，Zo表示稳定位置上的原子的振荡数。在本实施方式中，假设典型的德拜频率是Zo＝1.0×1013(每秒次数)而进行计算。
T＝300K(27℃)时的Z为如下。
(1)过剩氧的第一迁移T＝300K时Z＝3.9×102(每秒次数)。
(2)过剩氧的第二迁移T＝300K时Z＝1.2×108(每秒次数)。
(3)过剩氧的第三迁移T＝300K时Z＝1.2×104(每秒次数)。
(4)过剩氧的第四迁移T＝300K时Z＝1.0×10-27(每秒次数)。
(5)氧缺陷的第一迁移T＝300K时Z＝4.3×10-18(每秒次数)。
(6)氧缺陷的第二迁移T＝300K时Z＝1.4×10-56(每秒次数)。
T＝723K(450℃)时的Z为如下。
(1)过剩氧的第一迁移T＝723K时Z＝4.8×108(每秒次数)。
(2)过剩氧的第二迁移T＝723K时Z＝9.2×1010(每秒次数)。
(3)过剩氧的第三迁移T＝723K时Z＝2.0×109(每秒次数)。
(4)过剩氧的第四迁移T＝723K时Z＝2.5×10-4(每秒次数)。
(5)氧缺陷的第一迁移T＝723K时Z＝2.5(每秒次数)。
(6)氧缺陷的第二迁移T＝723K时Z＝2.5×10-16(每秒次数)。
由根据上述计算结果可以说在T＝300K下或T＝723K下，过剩氧与越过铟原子的层而移动相比沿着铟原子的层容易移动。此外，可以说在T＝300K下或T＝723K下，氧缺陷与越过铟原子的层而移动相比沿着铟原子的层容易移动。
在T＝300K下，沿着铟原子的层的过剩氧的移动、从InO2层向(Ga，Zn)O层的过剩氧的移动以及从第一(Ga，Zn)O层向第二(Ga，Zn)O层的过剩氧的移动容易发生，但是其他迁移方式不容易发生。在T＝723K下，与上述过剩氧的移动同样地，沿着铟原子的层的氧缺陷的移动也容易发生，但是过剩氧和氧缺陷都难以越过铟原子的层。
注意，在上述说明中说明了过剩氧或氧缺陷越过铟原子的层而移动的情况，但是在氧化物半导体膜中包含铟之外的金属情况下也可以采用同样的说明。
如上所述，过剩氧及氧缺陷都难以越过铟原子的层而移动，换言之，过剩氧及氧缺陷都难以向c轴方向上移动。
[向金属氧化物膜的氧扩散的容易性及膜中的杂质的降低方法]
以上的结果表示：具有特定取向性的结晶部的比率(密度)越高，在厚度方向上氧越不容易扩散，并且该密度越低在厚度方向上氧越容易扩散。关于向该金属氧化物膜中的氧的扩散容易性，可以进行如下的考察。
换言之，在其中包括具有特定取向性的结晶部和具有无秩序取向性的亚微观的结晶部的金属氧化物膜中，在截面观察图像中可以明显地确认的结晶部以外的区域(LGBR)会成为氧容易扩散的区域，即成为氧的扩散路径。因此，可认为：氧经过LGBR容易扩散到具有特定取向性的结晶部，因此可以减少膜中的氧缺陷量。
例如，通过以与金属氧化物膜接触的方式设置容易释放氧的氧化物膜并进行加热处理，从该氧化物膜释放的氧由于LGBR而在金属氧化物膜的厚度方向上扩散。并且，氧有可能经过LGBR从横方向扩散到具有特定取向性的结晶部。由此，充分的氧扩散到金属氧化物膜中的具有特定取向性的结晶部以及除此之外的区域，而可以有效地减少膜中的氧缺陷。
在金属氧化物膜中存在不与金属原子键合的氢原子时，该氢原子和氧原子键合，形成OH并被固定化。于是，以低温进行沉积来形成一定量(例如，1×1017cm-3左右)的氢原子被金属氧化物膜中的氧缺陷(Vo)俘获的状态(也称为VoH)，由此抑制OH的形成。另外，因为VoH产生载流子，所以处于一定量的载流子存在于金属氧化物膜中的状态。由此，可以形成载流子浓度得到提高的金属氧化物膜。在沉积时，氧缺陷也同时形成，但是，如上所述，经过LGBR导入氧可以减少上述氧缺陷。通过这样的方法，可以形成载流子浓度较高且氧缺陷充分减少了的金属氧化物膜。
因为具有特定取向性的结晶部以外的区域在沉积时构成具有无秩序取向性的亚微观的结晶部，所以在金属氧化物膜中观察不到明显的晶界。该微小的结晶部位于具有特定取向性的多个结晶部之间。该极小的结晶部由于沉积时的热而在横方向上生成，由此与相邻的具有特定取向性的结晶部键合。该亚微观的结晶部还被用作产生载流子的区域。由此可认为：通过将具有这样结构的金属氧化物膜适用于晶体管，可以显著地提高晶体管的场效应迁移率。
另外，优选的是，在形成金属氧化物膜，在其上形成氧化硅膜等氧化物绝缘膜之后，在氧气气氛下进行等离子体处理。由于这样的处理，除了可以对膜中供应氧以外，还可以降低氢浓度。例如，在等离子体处理中，有时残留在处理室内的氟也同时掺杂到金属氧化物膜中。该氟以带负电荷的氟原子的状态存在，由于库仑力而与带正电荷的氢原子键合，形成HF。在该等离子体处理中，HF释放到金属氧化物膜的外部，其结果是，可以降低金属氧化物膜中的氢浓度。另外，在等离子体处理中，有时氧原子和氢键合成H2O而释放到膜的外部。
另外，考虑在金属氧化物膜上层叠氧化硅膜(或氧氮化硅膜)的结构。氧化硅膜中的氟等卤素元素有可能与膜中的氢键合并以电中性的HF的状态存在，因此不影响到金属氧化物膜的电特性。有时产生Si-F键合，这也是电中性的。氧化硅膜中的HF被认为不影响到氧的扩散。
可认为：由于以上的机理而减少金属氧化物膜中的氧缺陷，且减少膜中的不与金属原子键合的氢，因此可以提高可靠性。另外，可以认为在金属氧化物膜的载流子浓度为一定程度以上时，电特性得到提高。
[利用ESR的测量]
以下说明利用电子自旋共振法(ESR：Electron Spin Resonance)的金属氧化物膜中的缺陷态的测量结果。
利用ESR对金属氧化物膜的缺陷态进行测量。通过在放置样品的空间产生磁场且对样品照射微波进行ESR分析。改变磁通密度(H0)及/或微波的微波频率(v)，由样品吸收的微波的频率(v)及磁通密度(H0)使用于等式g＝hv/μBH0中以得到参数的g因子。注意，h是普朗克常数，μB是玻尔磁子(Bohr magneton)，h和μB都是常数。
通过ESR测得的信号中对应于g因子为1.93附近(1.89以上且1.96以下)的信号的自旋密度表示氧缺陷(V0)的个数。
以下制造下述两个样品(样品D1及样品D2)且对其进行测量。ESR测量在形成金属氧化物膜的工序之后进行三次。
[样品的制造]
首先，在石英衬底上形成金属氧化物膜。在样品D1中，利用与上述样品1相同的方法形成厚度为40nm左右的金属氧化物膜。在样品D2中，利用与上述样品2相同的方法形成厚度为40nm左右的金属氧化物膜。
在这阶段中进行第一次ESR测量。
接着，利用等离子体CVD法在金属氧化物膜上层叠形成厚度为30nm左右的氧氮化硅膜、厚度为100nm左右的氧氮化硅膜、厚度为20nm左右的氧氮化硅膜。
在这阶段中进行第二次ESR测量。
然后，在氮气气氛下，以350℃进行加热处理1小时。
接着，形成厚度为100nm的氧化物半导体膜。作为该氧化物半导体膜采用两层的叠层结构。厚度为10nm的第一层氧化物半导体膜在如下条件下形成：衬底温度为170℃；将流量为200sccm的氧气体导入溅射装置的处理室中；压力为0.6Pa；对包含铟、镓和锌的金属氧化物靶材(In∶Ga∶Zn＝4∶2∶4.1[原子个数比])施加2.5kw的交流电力。厚度为90nm的第二层氧化物半导体膜在如下条件下形成：衬底温度为170℃；将流量为180sccm的氩气体和流量为20sccm氧气体导入溅射装置的处理室中；压力为0.6Pa；对包含铟、镓和锌的金属氧化物靶材(In∶Ga∶Zn＝4∶2∶4.1[原子个数比])施加2.5kw的交流电力。
接着，利用等离子体CVD法形成厚度为100nm左右的氮化硅膜。
然后，在氮气气氛下，以250℃进行加热处理1小时。
接着，通过湿蚀刻去除氮化硅膜及直接在氮化硅膜下的2层的氧化物半导体膜。
在这阶段中进行第三次ESR测量。
[ESR测量结果]
图23示出g因子出现在1.9附近的信号的自旋密度的结果。从左侧示出各样品的第一次测量、第二次测量、第三次测量的结果。
在每个样品中，根据在形成金属氧化物膜之后立刻进行的第一次测量结果，自旋密度为测量下限以下。在形成氧氮化硅膜之后立刻进行的第二次测量中自旋密度上升。从该结果可推测在沉积氧氮化硅膜时的金属氧化物膜的损伤导致金属氧化物膜中的氧缺陷的增大。但是，在形成氧化物半导体膜且进行加热处理之后，自旋密度再次为测量下限以下。这表示通过氧化物半导体膜的形成以及此后的加热处理降低金属氧化物中的氧缺陷。
当对样品D1与样品D2进行比较时，形成氧氮化硅膜之后立刻测量的样品D1的自旋密度比样品D2高。但是，样品D1也在此后的氧化物半导体膜的形成及加热处理可以充分降低氧缺陷。
[利用CPM的测量]
以下，利用恒定光电流法(CPM：Constant Photocurrent Method)测量金属氧化物膜中的缺陷态。
CPM测量是如下方法：在各波长中，在对设置于样品中的两个电极之间施加电压的状态下以使光电流值固定的方式调整照射到端子间的样品面的光量且根据照射光量导出吸收系数的方法。在CPM测量中，当样品有缺陷时，对应于存在缺陷的能级的能量(根据波长换算出)的吸收系数增加。通过用定数乘以该吸收系数的增加值，能够导出样品的深缺陷态密度(也称为dDOS)。
通过从利用CPM测量得到的吸收系数的曲线去除起因于带尾的被称为乌尔巴赫带尾(Urbach tail)的吸收系数，可以利用下述算式算出起因于缺陷态的吸收系数。在此，α(E)表示各能量的吸收系数，αu表示乌尔巴赫带尾引起的吸收系数。
[算式2]
[样品的制造]
以下制造下述两个样品(样品E1、样品E2)且对其进行测量。
首先，在玻璃衬底上形成金属氧化物膜。在样品E1中，利用与上述样品1相同的方法形成厚度为100nm左右的金属氧化物膜。在样品E2中，利用与上述样品2相同的方法形成厚度为100nm左右的金属氧化物膜。
接着，利用等离子体CVD法在金属氧化物膜上层叠形成厚度为30nm左右的氧氮化硅膜、厚度为100nm左右的氧氮化硅膜、厚度为20nm左右的氧氮化硅膜。
然后，在氮气气氛下，以350℃进行加热处理1小时。
接着，形成厚度为100nm的氧化物半导体膜。作为该氧化物半导体膜采用两层的叠层结构。在如下条件下形成厚度为10nm的第一层的氧化物半导体膜：衬底温度为170℃；将流量为200sccm的氧气体导入溅射装置的处理室中；压力为0.6Pa；对包含铟、镓和锌的金属氧化物靶材(In∶Ga∶Zn＝4∶2∶4.1[原子个数比])施加2.5kw的交流电力。在如下条件下形成厚度为90nm的第二层的氧化物半导体膜：衬底温度为170℃；将流量为180sccm的氩气体和流量为20sccm的氧气体导入溅射装置的处理室中；压力为0.6Pa；对包含铟、镓和锌的金属氧化物靶材(In∶Ga∶Zn＝4∶2∶4.1[原子个数比])施加2.5kw的交流电力。
然后，在氮和氧的混合气体气氛下以350℃进行1小时的加热处理。
然后，利用湿蚀刻法蚀刻并去除氧化物半导体膜。
接着，形成氧氮化硅膜。在如下条件下利用等离子体CVD法形成氧氮化硅膜：作为沉积气体使用流量为160sccm的SiH4和流量为4000sccm的N2O的混合气体；压力为200Pa；功率为1500W；衬底温度为220℃。氧氮化硅膜的厚度为400nm左右。
接着，利用光刻法在氧氮化硅膜中形成开口。
接着，利用溅射法形成厚度为50nm左右的Ti膜、厚度为400nm左右的Al膜和厚度为100nm左右的Ti膜的叠层膜。然后，利用光刻法对该叠层膜进行加工来形成电极。
然后，在氮气气氛下，以250℃进行第二加热处理1小时。
通过以上的工序，制造样品E1及样品E2。
[CPM测量结果]
图24A及图24B分别示出样品E1及样品E2的CPM测量结果。横轴示出光能量，纵轴示出吸收系数。图24A及图24B所示的粗线表示各样品的吸收系数的曲线，虚线表示切线，细线表示在光学上测量的吸收系数。
从图24A估算出的样品E1的乌尔巴赫带尾值为68.63meV，从吸收系数的曲线除去起因于乌尔巴赫带尾的吸收系数而得到的吸收系数，即起因于缺陷的吸收系数的值为1.36×10-3cm-1。另一方面，从图24B估算出的样品E2的乌尔巴赫带尾值为68.70meV，起因于缺陷的吸收系数的值为1.21×10-3cm-1。
从上述结果可知，样品1的金属氧化物膜的缺陷态与样品2的金属氧化物膜的缺陷态没有明确的差异。
[使用晶体管特性的缺陷态的评价方法]
还可以根据将金属氧化物膜用作半导体层的晶体管的电特性估计出金属氧化物膜的缺陷态。以下，说明：评价晶体管的界面态密度，且在考虑该界面态密度和被界面态俘获的电子数Ntrap的情况下预测出亚阈值泄漏电流的方法。
例如，通过比较晶体管的漏极电流-栅极电压(Id-Vg)特性的实测值与漏极电流-栅极电压(Id-Vg)的计算，可以评价被界面态俘获的电子数Ntrap。
图25示出源极电压Vs＝0V，漏极电压Vd＝0.1V时的通过计算得到的理想Id-Vg特性、以及晶体管的实测的Id-Vg特性。在晶体管的测量结果中，只标绘出容易测量出漏极电流Id的1×10-13A以上的值。
与通过计算得到的理想的Id-Vg特性相比，实际测量的Id-Vg特性的相对于栅极电压Vg的漏极电流Id的变化缓慢。这是因为电子被位于导带底的能量(记载为Ec)附近的浅缺陷太俘获。在此，通过使用费米分布函数考虑被浅界面态俘获的(每单位面积或每单位能量的)电子数Ntrap，可以更严格地估计出界面态密度Nit。
首先，对使用图26所示的示意性的Id-Vg特性评价被界面陷阱态俘获的电子数Ntrap的方法进行说明。虚线示出通过计算得到的没有陷阱态的理想的Id-Vg特性。将虚线中的漏极电流从Id1变为Id2时的栅极电压Vg的变化称为ΔVid。另外，实线示出实测的Id-Vg特性。将实线中的漏极电流从Id1变为Id2时的栅极电压Vg的变化称为ΔVex将在漏极电流为Id1及Id2时要观察的界面的电位分别称为φit1、φit2，将该变化量称为Δφit。
在图26中，实测的倾斜度比计算小，由此可知ΔVex常比ΔVid大。此时，ΔVex与ΔVid之间的差异表示在浅界面态中俘获电子时需要的电位差。因此，可以以下述算式(1)表示被俘获的电子所引起的电荷的变化量ΔQtrap。
[算式3]
ΔQtrap＝-Ctg(ΔVex-ΔVid) …(1)
Ctg表示每面积的绝缘体和半导体的合成电容。可以使用被俘获的(每单位面积或每单位能量的)电子数Ntrap以算式(2)表示ΔQtrap。此外，q表示元电荷。
[算式4]
ΔQtrap＝-qNtrapΔφit …(2)
通过联立算式(1)与算式(2)，可以得到算式(3)。
[算式5]
-Ctg(ΔVex-ΔVid)＝-qNtrapΔφit …(3)
接着，通过取算式3的Δφit的极限0，可以得到算式(4)。
[算式6]
就是说，可以通过使用理想的Id-Vg特性、实测的Id-Vg特性及算式(4)，可以估计出在界面被俘获的电子数Ntrap。注意，可以通过使用上述器件仿真器的计算，求得漏极电流与界面处的电位的关系。
可以以算式(5)表示每单位面积和单位能量的电子数Ntrap与界面态密度Nit之间的关系。
[算式7]
在此，f(E)表示费米分布函数。通过由算式(5)拟合从算式(4)得到的Ntrap，决定Nit。通过使用设定该Nit的器件仿真器计算得到包括Id＜0.1pA的传输特性。
接着，在图27中，以白色圆圈示出将算式(4)适用于图25所示的实测的Id-Vg特性，抽取Ntrap的结果。在此，图27中的纵轴表示离半导体导带底Ec的费米能量Ef。从虚线可知，Ec的正下位置为极大值。当作为算式(5)中的Nit假设算式(6)中的尾端分布时，如图27的虚线那样，可以以非常高的准确度拟合Ntrap，作为拟合参考值得到峰值Nta＝1.67×1013cm-2/eV、以及特性宽度Wta＝0.105eV。
[算式8]
接着，图28A及图28B示出通过将所得到的界面态的拟合曲线反馈到使用器件仿真器的计算来倒算Id-Vg特性的结果。图28A示出通过在漏极电压Vd为0.1V及1.8V时的计算得到的Id-Vg特性、以及在漏极电压Vd为0.1V及1.8V时的晶体管的实测Id-Vg特性。图28B是以图28A的漏极电流Id为对数的图表。
通过计算得到的曲线与实测值的图标大致一致，由此可知计算值和测量值具有高再现值。由此可知，作为计算出浅缺陷态密度的方法，上述方法是充分妥当的。
[样品的制造]
以下制造四个样品(样品F1至F4)且测量其金属氧化物膜中的缺陷态密度。
各样品的制造工序除了金属氧化物膜(氧化物半导体膜)的沉积条件以外可以援用上述样品A1的制造方法。
在样品F1中，用于氧化物半导体膜的金属氧化物膜的形成条件与样品1相同。就是说，用于样品F1的金属氧化物膜在如下条件下形成：衬底温度为130℃；将流量为180sccm的氩气体和流量为20sccm的氧气体导入溅射装置的处理室中；将压力设定为0.6Pa；对包含铟、镓和锌的金属氧化物靶材(In∶Ga∶Zn＝4∶2∶4.1[原子个数比])施加2.5kw的交流电力。氧流量比为10％。金属氧化物膜的厚度为40nm左右。
在样品F2中，用于氧化物半导体膜的金属氧化物膜在如下条件下形成：衬底温度为130℃；将流量为140sccm的氩气体和流量为60sccm的氧气体导入溅射装置的处理室中；将压力设定为0.6Pa；对包含铟、镓和锌的金属氧化物靶材(In∶Ga∶Zn＝4∶2∶4.1[原子个数比])施加2.5kw的交流电力。氧流量比为10％。金属氧化物膜的厚度为40nm左右。
在样品F3中，用于氧化物半导体膜的金属氧化物膜的形成条件与样品2相同。就是说，用于样品F3的金属氧化物膜在如下条件下形成：衬底温度为170℃；将流量为180sccm的氩气体和流量为20sccm的氧气体导入溅射装置的处理室中；将压力设定为0.6Pa；对包含铟、镓和锌的金属氧化物靶材(In∶Ga∶Zn＝4∶2∶4.1[原子个数比])施加2.5kw的交流电力。氧流量比为10％。金属氧化物膜的厚度为40nm左右。
在样品F4中，用于氧化物半导体膜的金属氧化物膜的形成条件与样品3相同。就是说，用于样品F4的金属氧化物膜在如下条件下形成：衬底温度为170℃；将流量为140sccm的氩气体和流量为60sccm的氧气体导入溅射装置的处理室中；将压力设定为0.6Pa；对包含铟、镓和锌的金属氧化物靶材(In∶Ga∶Zn＝4∶2∶4.1[原子个数比])施加2.5kw的交流电力。氧流量比为30％。金属氧化物膜的厚度为40nm左右。
所制造的晶体管的每一个具有6μm左右的沟道长度以及50μm左右的沟道宽度。
[缺陷态密度]
图29A示出对根据上述方法比较电特性与理想的计算值而计算出样品F1至F4的缺陷态密度的结果。
从结果可确认到样品F1的缺陷态密度降低到样品F2至样品F4的大约一半。
根据以上的结果可知：通过采用在低温且低氧流量的条件下形成金属氧化物膜，氧透过性得到提高，在晶体管的制造工序中扩散的氧量增大，因此金属氧化物膜中及金属氧化物膜和绝缘膜之间的界面的氧缺陷等缺陷减少。
[晶体管的电特性2]
以下制造能够流过大电流的晶体管且比较其通态电流(on-state current)。
采用在实施方式2中例示出的图36A及图36B的晶体管结构。在此，制造其半导体层的形成条件互不相同的样品G1、样品G2、样品G3及样品G4的四种样品。
[晶体管的制造]
样品G1的晶体管以与上述样品F1相同的方法制造。同样地，样品G2、样品G3以及样品G4分别以与上述样品F2、上述样品F3以及上述样品F4相同的方法制造。
所制造的晶体管的每一个具有2μm左右的沟道长度以及20μm左右的沟道宽度。
[晶体管的通态电流]
图29B示出各样品的晶体管的通态电流。测量出在栅极电压Vg为10V且漏极电压Vd为5V时的漏极电流。
如图29B所示，可确认到样品G1的通态电流比其他样品高得多。
根据以上的结果可知：通过采用在低温且低氧流量的条件下形成金属氧化物膜，氧透过性得到提高，在晶体管的制造工序中扩散的氧量增大，因此金属氧化物膜中及金属氧化物膜和绝缘膜之间的界面的氧缺陷等缺陷减少。并且可确认到，由于这样的效果而降低缺陷态密度，这引起晶体管的通态电流的明显的增高。
如此，可以将通态电流大的晶体管适当地用于能够高速进行容量的充放电的开关。典型地，可以将其适当地用于解复用器电路等。
解复用器电路是将一个输入信号分割为两个以上的信号并输出的电路。通过将适用这样晶体管的解复用器电路配置在显示装置的信号线驱动电路和信号线之间，可以缩减在利用IC安装信号线驱动电路时的端子个数，因此可以实现可以进行更高速的工作且窄边框的显示装置。
[晶体管的电特性3]
以下制造微细的晶体管且比较其电特性。
采用在实施方式2中例示出的图36A及图36B的晶体管结构。在此，制造其半导体层的形成条件互不相同的样品H1、样品H2及样品H3的三种样品。
[晶体管的制造]
样品H1、H2及H3的制造工序除了金属氧化物膜(氧化物半导体膜)的沉积条件以外可以援用上述样品A1的制造方法。
在样品H1中，用于氧化物半导体膜的金属氧化物膜的形成条件与样品1相同。就是说，用于样品H1的金属氧化物膜在如下条件下形成：衬底温度为130℃；将流量为180sccm的氩气体和流量为20sccm的氧气体导入溅射装置的处理室中；将压力设定为0.6Pa；对包含铟、镓和锌的金属氧化物靶材(In∶Ga∶Zn＝4∶2∶4.1[原子个数比])施加2.5kw的交流电力。氧流量比为10％。金属氧化物膜的厚度为40nm左右。
在样品H2中，用于氧化物半导体膜的金属氧化物膜的形成条件与样品3相同。就是说，用于样品H2的金属氧化物膜在如下条件下形成：衬底温度为170℃；将流量为140sccm的氩气体和流量为60sccm的氧气体导入溅射装置的处理室中；将压力设定为0.6Pa；对包含铟、镓和锌的金属氧化物靶材(In∶Ga∶Zn＝4∶2∶4.1[原子个数比])施加2.5kw的交流电力。氧流量比为30％。金属氧化物膜的厚度为40nm左右。
在样品H3中，用于氧化物半导体膜的金属氧化物膜在如下条件下形成：衬底温度为170℃；将流量为100sccm的氩气体和流量为100sccm的氧气体导入溅射装置的处理室中；将压力设定为0.6Pa；对包含铟、镓和锌的金属氧化物靶材(In∶Ga∶Zn＝1∶1∶1.2[原子个数比])施加2.5kw的交流电力。氧流量比为50％。金属氧化物膜的厚度为40nm左右。
使用各样品形成尺寸不同的两个晶体管。一个是沟道长度L为2um且沟道宽度W为3μm的晶体管，另一个是沟道长度L为3μm且沟道宽度W为3μm的晶体管。
[晶体管的电特性]
作为各晶体管的Id-Vg特性的测量条件，施加到被用作各晶体管的第一栅电极的导电膜的电压(以下，将该电压也称为栅电压(Vg))以及施加到被用作各晶体管的第二栅电极的导电膜的电压(以下，将该电压也称为背栅电压(Vbg))从-15V每隔0.25V变化到+20V。施加到被用作源电极的导电膜的电压(以下，将该电压也称为源极电压(Vs))为0V(comm)，施加到被用作漏电极的导电膜的电压(以下，将该电压也称为漏极电压(Vd))为1V和10V。
图30A、图30B及图30C分别示出样品H1、H2、H3的沟道长度L为2μm以及沟道宽度为3μm的晶体管的Id-Vg特性。图30D、图30E及图30F分别示出样品H1、H2、H3的沟道长度L为3μm且沟道宽度为3μm的晶体管的Id-Vg特性。样品H1、样品H2及样品H3的测量次数分别是2、3及3。
从图30A至图30F所示的结果可确认到从包括沟道长度为2μm的微细的晶体管的各样品都得到良好的晶体管特性。
当着眼于场效应迁移率时，样品H1最高，随其后是样品H2和样品H3。当对沟道长度L为2μm的各晶体管的场效应迁移率的最大值进行比较时，样品H1是样品H2的2倍左右，样品H1是样品H3的6倍左右。
当着眼于场效应迁移率的分布时，样品H1在栅极电压较低(例如5V以下)区域急剧上升。
从上述结果可确认到，在金属氧化物膜的组成中铟的比率高时提高场效应迁移率，且在低温、低氧流量的金属氧化物膜的沉积条件下显著提高场效应迁移率。例如，图30A所示的场效应迁移率为30cm2/Vs以上的数值相当于使用低温多晶硅形成的p沟道晶体管的数值，作为使用氧化物半导体形成的晶体管，具有以往没有的高场效应迁移率。
[金属氧化物膜的沉积方法]
以下，对本发明的一个方式的金属氧化物膜的沉积方法进行说明。
在包含氧的气氛下，在对衬底进行加热的同时利用溅射法可以形成在本发明的一个方式中使用的金属氧化物膜。
金属氧化物膜的沉积时的衬底温度为80℃以上且150℃以下，优选为100℃以上且150℃以下，典型为130℃。通过提高衬底温度，可以形成更多的具有取向性的结晶部。
沉积时的氧的流量比(氧分压)优选为1％以上且低于33％，更优选为5％以上且30％以下，进一步优选为5％以上且20％以下，还优选为5％以上且15％以下，典型地优选为10％。通过降低氧流量，在膜中可以包含更多的具有无秩序取向性的结晶部。
因此，通过将沉积时的衬底温度和沉积时的氧流量设定为上述范围，可以得到其中包括具有特定取向性的结晶部和具有无秩序取向性的结晶部的金属氧化物膜。此外，通过对衬底温度和氧流量在上述范围内进行最优化，可以控制具有特定取向性的结晶部和具有无秩序取向性的结晶部的存在比率。
可以用于金属氧化物膜的形成的氧化物靶材不局限于In-Ga-Zn类氧化物，例如可以使用In-M-Zn类氧化物(M是Al、Ga、Y或Sn)。
当使用包含具有多个晶粒的多晶氧化物的溅射靶材形成包含结晶部的金属氧化物膜作为金属氧化物膜时，与使用不包含多晶氧化物的溅射靶材的情况相比，更容易得到具有结晶性的金属氧化物膜。
以下，说明关于金属氧化物膜的形成机理的一个考察。当溅射靶材具有多个晶粒，该晶粒具有层状结构，在该晶粒中存在容易劈开的界面时，通过使离子碰撞到该溅射靶材，有时晶粒劈开而得到平板状或颗粒状的溅射粒子。可认为：由于所得到平板状或颗粒状的溅射粒子沉积在衬底上，而形成具有纳米晶的金属氧化物膜。另外，可认为：通过加热衬底，在衬底表面上该纳米晶彼此的键合或重新排列发展，因此容易形成包含具有特定取向性的结晶部的金属氧化物膜。
注意，在此说明利用溅射法的方法，通过利用溅射法容易控制结晶性，所以是优选的。但是，除了溅射法之外，例如可以举出脉冲激光沉积(PLD)法、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法、热CVD(Chemical Vapor Deposition)法、ALD(Atomic Layer Deposition)法、真空蒸镀法等。作为热CVD法的例子，可以举出MOCVD(Metal Organic Chemical VaporDeposition：有机金属化学气相沉积)法。
[金属氧化物膜的组成及结构]
可以将本发明的一个方式的金属氧化物膜用于晶体管等半导体装置。以下，尤其说明具有半导体特性的金属氧化物膜(以下，称为氧化物半导体膜)。
[组成]
首先，说明氧化物半导体膜的组成。
如上所述，氧化物半导体膜包含铟(In)、M(M表示Al、Ga、Y或Sn)、Zn(锌)。
元素M为铝、镓、钇或锡，但是作为可用于元素M的元素，除了使用上述元素以外，还可以使用硼、硅、钛、铁、镍、锗、锆、钼、镧、铈、钕、铪、钽、钨、镁等。作为元素M可以组合多个上述元素。
接着，使用图31A至图31C说明本发明的一个方式的氧化物半导体膜所包含的铟、元素M及锌的优选的原子个数比范围。注意，在图31A至图31C中，没有记载氧的原子个数比。将氧化物半导体膜所包含的铟、元素M及锌的原子个数比的各项分别称为[In]、[M]及[Zn]。
在图31A至图31C中，虚线表示[In]∶[M]∶[Zn]＝(1+α)∶(1-α)∶1的原子个数比(-1≤α≤1)的线、[In]∶[M]∶[Zn]＝(1+α)∶(1-α)∶2的原子个数比的线、[In]∶[M]∶[Zn]＝(1+α)∶(1-α)∶3的原子个数比的线、[In]∶[M]∶[Zn]＝(1+α)∶(1-α)∶4的原子个数比的线及[In]∶[M]∶[Zn]＝(1+α)∶(1-α)∶5的原子个数比的线。
点划线表示[In]∶[M]∶[Zn]＝1∶1∶β的原子个数比的(β≥0)的线、[In]∶[M]∶[Zn]＝1∶2∶β的原子个数比的线、[In]∶[M]∶[Zn]＝1∶3∶β的原子个数比的线、[In]∶[M]∶[Zn]＝1∶4∶β的原子个数比的线、[In]∶[M]∶[Zn]＝2∶1∶β的原子个数比的线及[In]∶[M]∶[Zn]＝5∶1∶β的原子个数比的线。
图31A至图31C所示的具有[In]∶[M]∶[Zn]＝0∶2∶1的原子个数比或其附近值的氧化物半导体膜易具有尖晶石型结晶结构。
图31A和图31B示出本发明的一个方式的氧化物半导体膜所包含的铟、元素M及锌的优选的原子个数比范围的例子。
作为一个例子，图32示出[In]∶[M]∶[Zn]＝1∶1∶1的InMZnO4的结晶结构。图32是在从平行于b轴的方向上观察时的InMZnO4的结晶结构。图32所示的包含M、Zn、氧的层(以下、(M，Zn)层)中的金属元素表示元素M或锌。此时，元素M和锌的比例相同。元素M和锌可以相互置换，其排列不规则。
InMZnO4具有层状结晶结构(也称为层状结构)，如图32所示，包含铟及氧的层(下面称为In层)∶包含元素M、锌及氧的(M，Zn)层＝1∶2。
铟和元素M可以相互置换。因此，可以用铟取代(M，Zn)层中的元素M，将该层表示为(In，M，Zn)层。在此情况下，具有In层∶(In，M，Zn)层＝1∶2的层状结构。
具有[In]∶[M]∶[Zn]＝1∶1∶2的原子个数比的氧化物具有In层∶(M，Zn)层＝1∶3的层状结构。就是说，当[Zn]相对于[In]及[M]增大时，在氧化物晶化的情况下，相对于In层的(M，Zn)层的比例增加。
注意，在氧化物中，在In层∶(M，Zn)层＝1∶非整数时，有时具有多种In层∶(M，Zn)层＝1∶整数的层状结构。例如，在[In]∶[M]∶[Zn]＝1∶1∶1.5的情况下，有时具有In层∶(M，Zn)层＝1∶2的层状结构和In层∶(M，Zn)层＝1∶3的层状结构混在一起的结构。
例如，当使用溅射装置形成氧化物半导体膜时，形成其原子个数比与靶材的原子个数比错开的膜。尤其是，根据沉积时的衬底温度，有时膜的[Zn]小于靶材的[Zn]。
有时在氧化物半导体膜中，多个相共存(例如，二相共存、三相共存等)。例如，在原子个数比接近[In]∶[M]∶[Zn]＝0∶2∶1的情况下，尖晶石型结晶结构和层状结晶结构的二相容易共存。在原子个数比接近[In]∶[M]∶[Zn]＝1∶0∶0的情况下，方铁锰矿型结晶结构和层状结晶结构的二相容易共存。当在氧化物半导体膜中多个相共存时，在不同的结晶结构之间有时形成晶界(也称为grain boundary)。
另一方面，当氧化物半导体膜的铟含量及锌含量变低时，载流子迁移率变低。因此，在是[In]∶[M]∶[Zn]＝0∶1∶0的原子个数比及其附近值的原子个数比(例如，图31C中的区域C)的情况下，绝缘性变高。
因此，本发明的一个方式的氧化物半导体优选具有图31A的以区域A表示的原子个数比，此时该氧化物半导体膜易具有载流子迁移率高且晶界少的层状结构。
图31B中的区域B示出[In]∶[M]∶[Zn]＝4∶2∶3至4.1的原子个数比及其附近值。附近值例如包含[In]∶[M]∶[Zn]＝5∶3∶4的原子个数比。具有以区域B表示的原子个数比的氧化物半导体膜尤其是具有高的结晶性及优异的载流子迁移率的氧化物半导体膜。
注意，氧化物半导体膜形成层状结构的条件不是根据原子个数比唯一决定的。根据原子个数比，形成层状结构的难以有差异。另一方面，即使在原子个数比相同的情况下，也根据形成条件，有时具有层状结构，有时不具有层状结构。因此，图示的区域各自是表示氧化物半导体膜具有层状结构时的原子个数比的区域，区域A至C的境界不严格。
[将氧化物半导体膜用于晶体管的结构]
接着，说明将氧化物半导体膜用于晶体管的结构。
通过将氧化物半导体膜用于晶体管，例如，与将多晶硅用于沟道区域的晶体管相比，可以减少晶界中的载流子散乱等，因此可以实现场效应迁移率高的晶体管。
本发明的一个方式的氧化物半导体膜是其中包括具有特定取向性的结晶部和具有无秩序取向性的结晶部的膜。通过使用这样的具有结晶性的氧化物半导体膜，可以实现具有高场效应迁移率和高可靠性的晶体管。
[氧化物半导体的载流子密度]
以下，说明氧化物半导体膜的载流子密度。
作为给氧化物半导体膜的载流子密度带来影响的因子，可以举出氧化物半导体膜中的氧缺陷(Vo)或氧化物半导体膜中的杂质等。
当氧化物半导体膜中的氧缺陷增多时，氢与该氧缺陷键合(也可以将该状态称为VoH)，而缺陷态密度增高。或者，当氧化物半导体膜中的杂质增多时，起因于该杂质的增多，缺陷态密度也增高。由此，可以通过控制氧化物半导体膜中的缺陷态密度，控制氧化物半导体膜的载流子密度。
下面，对将氧化物半导体膜用于沟道区域的晶体管进行说明。
在以抑制晶体管的阈值电压的负向漂移或降低晶体管的关态电流为目的的情况下，优选减少氧化物半导体膜的载流子密度。在以降低氧化物半导体膜的载流子密度为目的的情况下，可以降低氧化物半导体膜中的杂质浓度以降低缺陷态密度。在本说明书等中，将杂质浓度低且缺陷态密度低的状态称为“高纯度本征”或“实质上高纯度本征”。高纯度本征的氧化物半导体膜的载流子密度低于8×1015cm-3，优选低于1×1011cm-3，更优选低于1×1010cm-3，且为1×10-9cm-3以上，即可。
另一方面，在以增加晶体管的通态电流或提高晶体管的场效应迁移率为目的的情况下，优选增加氧化物半导体膜的载流子密度。在以增加氧化物半导体膜的载流子密度为目的的情况下，稍微增加氧化物半导体膜的杂质浓度，或者稍微增高氧化物半导体膜的缺陷态密度即可。或者，优选缩小氧化物半导体膜的带隙即可。例如，在得到晶体管的Id-Vg特性的导通/截止比的范围中，杂质浓度稍高或缺陷态密度稍高的氧化物半导体膜可以被看作实质上本征。此外，因电子亲和力大而带隙小的热激发电子(载流子)密度增高的氧化物半导体膜可以被看作实质上本征。另外，在使用电子亲和力较大的氧化物半导体膜的情况下，晶体管的阈值电压更低。
上述载流子密度增高的氧化物半导体膜稍微被n型化。因此，也可以将载流子密度增高的氧化物半导体膜称为“Slightly-n”。
实质上本征的氧化物半导体膜的载流子密度优选为1×105cm-3以上且低于1×1018cm-3，进一步优选为1×107cm-3以上且1×1017cm-3以下，进一步优选为1×109cm-3以上且5×1016cm-3以下，进一步优选为1×1010cm-3以上且1×1016cm-3以下，进一步优选为1×1011cm-3以上且1×1015cm-3以下。
另外，通过使用上述实质上本征的氧化物半导体膜，有时晶体管的可靠性得到提高。在此，使用图33说明将氧化物半导体膜用于沟道区域的晶体管的可靠性得到提高的理由。图33是说明将氧化物半导体膜用于沟道区域的晶体管中的能带的图。
在图33中，GE表示栅电极，GI表示栅极绝缘膜，OS表示氧化物半导体膜，SD表示源电极或漏电极。就是说，图33是栅电极、栅极绝缘膜、氧化物半导体膜、与氧化物半导体膜接触的源电极或漏电极的能带的一个例子。
在图33中，作为栅极绝缘膜使用氧化硅膜，将In-Ga-Zn氧化物用于氧化物半导体膜的结构。有可能形成在氧化硅膜中的缺陷的迁移能级(εf)会形成在离栅极绝缘膜的导带底有3.1eV左右的位置，栅极电压(Vg)为30V时的氧化物半导体与氧化硅膜的界面处的氧化硅膜的费米能级(Ef)会形成在离栅极绝缘膜的导带底有3.6eV左右的位置。氧化硅膜的费米能级依赖于栅极电压而变动。例如，通过增大栅极电压，氧化物半导体膜与氧化硅膜之间的界面处的氧化硅膜的费米能级(Ef)变低。图33中的白色圆圈表示电子(载流子)，图33中的X表示氧化硅膜中的缺陷态。
如图33所示，在被施加栅极电压的状态下，例如，在载流子被热激发时，载流子被缺陷态(附图中的X)俘获，缺陷态的每一个的荷电状态从正(“+”)变为中性(“0”)。就是说，当氧化硅膜的费米能级(Ef)加上述热激发的能级的值比缺陷的迁移能级(ef)高时，氧化硅膜中的缺陷态的荷电状态从正变为中性，晶体管的阈值电压向正方向变动。
当使用电子亲和势不同的氧化物半导体膜时，有时栅极绝缘膜与氧化物半导体膜的界面的费米能级的形成深度不同。当使用电子亲和势较大的氧化物半导体膜时，在栅极绝缘膜与氧化物半导体膜的界面附近栅极绝缘膜的导带底相对提高。此时，有可能形成在栅极绝缘膜中的缺陷态(图33中的X)相对提高，因此栅极绝缘膜的费米能级与氧化物半导体膜的费米能级的能量差变大。当该能量差变大时，被栅极绝缘膜俘获的电荷变少。例如，有可能形成在上述氧化硅膜中的缺陷态的荷电状态变化变少，而可以减少栅极偏压热(Gate Bias Temperature：也称为GBT)压力中的晶体管的阈值电压的变动。
此外，被氧化物半导体膜的缺陷态俘获的电荷到消失需要较长的时间，有时像固定电荷那样动作。因此，有时在杂质浓度高且缺陷态密度高的氧化物半导体膜中形成有沟道区域的晶体管的电特性不稳定。
因此，为了使晶体管的电特性稳定，降低氧化物半导体膜中的杂质浓度是有效的。为了降低氧化物半导体膜中的杂质浓度，优选还降低靠近的膜中的杂质浓度。作为杂质有氢、氮、碱金属、碱土金属、铁、镍、硅等。
在此，说明氧化物半导体膜中的各杂质的影响。
在氧化物半导体包含第14族元素之一的硅或碳时，在氧化物半导体膜中形成缺陷态。因此，将氧化物半导体膜中的硅或碳的浓度、与氧化物半导体膜之间的界面附近的硅或碳的浓度(通过二次离子质谱分析法(SIMS：Secondary Ion Mass Spectrometry)测得的浓度)设定为2×1018atoms/cm3以下，优选为2×1017atoms/cm3以下。
另外，当氧化物半导体膜包含碱金属或碱土金属时，有时形成缺陷态而形成载流子。因此，使用包含碱金属或碱土金属的氧化物半导体膜的晶体管容易具有常开启特性。由此，优选降低氧化物半导体中的碱金属或碱土金属的浓度。具体而言，使通过SIMS测得的氧化物半导体膜中的碱金属或碱土金属的浓度为1×1018atoms/cm3以下，优选为2×1016atoms/cm3以下。
当氧化物半导体膜包含氮时，产生作为载流子的电子，并载流子密度增加，而氧化物半导体膜容易被n型化。其结果，将含有氮的氧化物半导体膜用于半导体的晶体管容易成为常开启特性。例如，利用SIMS测得的氧化物半导体中的氮浓度优选小于5×1019atoms/cm3、更优选为5×1018atoms/cm3以下，进一步优选为1×1018atoms/cm3以下，还优选为5×1017atoms/cm3以下。
包含在氧化物半导体膜中的氢与键合于金属原子的氧起反应生成水，因此有时形成氧缺陷。当氢进入该氧缺陷时，有时产生作为载流子的电子。另外，有时由于氢的一部分与键合于金属原子的氧键合，产生作为载流子的电子。因此，使用包含氢的氧化物半导体膜的晶体管容易具有常开启特性。由此，优选尽可能减少氧化物半导体膜中的氢。具体而言，在氧化物半导体膜中，利用SIMS测得的氢浓度低于1×1020atoms/cm3，优选低于1×1019atoms/cm3，更优选低于5×1018atoms/cm3，进一步优选低于1×1018atoms/cm3。
通过将杂质被充分降低的氧化物半导体膜用于晶体管的沟道形成区域，可以使晶体管具有稳定的电特性。
氧化物半导体膜的能隙优选为2eV以上、2.5eV以上或3eV以上。
氧化物半导体膜的厚度为3nm以上且200nm以下，优选为3nm以上且100nm以下，更优选为3nm以上且60nm以下。
在氧化物半导体膜是In-M-Zn氧化物的情况下，用来形成In-M-Zn氧化物的溅射靶材的金属元素的原子个数比优选为In∶M∶Zn＝1∶1∶0.5、In∶M∶Zn＝1∶1∶1、In∶M∶Zn＝1∶1∶1.2、In∶M∶Zn＝2∶1∶1.5、In∶M∶Zn＝2∶1∶2.3、In∶M∶Zn＝2∶1∶3、In∶M∶Zn＝3∶1∶2、In∶M∶Zn＝4∶2∶4.1、In∶M∶Zn＝5∶1∶7等。
本实施方式可以将其至少一部分与本说明书所记载的其他实施方式适当的组合而实施。
实施方式2
在本实施方式中，对能够用于本发明的一个方式的半导体装置的晶体管进行详细说明。
在本实施方式中，参照图34A至图34C、图35A至图35C、图36A及图36B、图37A及图37B、图38A及图38B、图39A及图39B、图40A及图40B、图41A及图41B、图42A及图42B、图43A及图43B、图44A及图44B以及图45A至图45C对顶栅结构的晶体管进行说明。
[晶体管的结构例子1]
图34A是晶体管100的俯视图，图34B是图34A的点划线X1-X2间的截面图，图34C是图34A的点划线Y1-Y2间的截面图。此外，在图34A中，为了简化起见，省略绝缘膜110等的构成要素。注意，有时在晶体管的俯视图中，在后面的附图中，与图34A同样地省略构成要素的一部分。此外，有时将点划线X1-X2方向称为沟道长度(L)方向，将点划线Y1-Y2方向称为沟道宽度(W)方向。
图34A至图34C所示的晶体管100包括衬底102上的绝缘膜104、绝缘膜104上的氧化物半导体膜108、氧化物半导体膜108上的绝缘膜110、绝缘膜110上的导电膜112、绝缘膜104、氧化物半导体膜108及导电膜112上的绝缘膜116。氧化物半导体膜108包括与导电膜112重叠的沟道区域108i、与绝缘膜116接触的源区域108s、与绝缘膜116接触的漏区域108d。
绝缘膜116具有氮或氢。通过绝缘膜116与源区域108s及漏区域108d接触，绝缘膜116中的氮或氢添加到源区域108s及漏区域108d中。源区域108s及漏区域108d通过被添加氮或氢，载流子密度得到提高。
晶体管100也可以包括绝缘膜116上的绝缘膜118、通过设置在绝缘膜116、118中的开口141a与源区域108s电连接的导电膜120a、通过设置在绝缘膜116、118中的开口141b与漏区域108d电连接的导电膜120b。
在本说明书等中，有时将绝缘膜104、绝缘膜110、绝缘膜116、绝缘膜118分别称为第一绝缘膜、第二绝缘膜、第三绝缘膜、第四绝缘膜。此外，导电膜112具有栅电极的功能，导电膜120a具有源电极的功能，导电膜120b具有漏电极的功能。
绝缘膜110具有栅极绝缘膜的功能。此外，绝缘膜110包括过剩氧区域。通过绝缘膜110包括过剩氧区域，在氧化物半导体膜108所包括的沟道区域108i中能够供应过剩氧。因此，由于能够由过剩氧填补会形成在沟道区域108i中的氧缺陷，所以可以提供可靠性高的半导体装置。
此外，为了在氧化物半导体膜108中供应过剩氧，也可以向形成在氧化物半导体膜108的下方的绝缘膜104供应过剩氧。此时，包含在绝缘膜104中的过剩氧有可能供应给氧化物半导体膜108所包括的源区域108s及漏区域108d。当对源区域108s及漏区域108d供应过剩氧时，有时源区域108s及漏区域108d的电阻会上升。
另一方面，当形成在氧化物半导体膜108上的绝缘膜110包含过剩氧时，可以只对沟道区域108i选择性地供应过剩氧。或者，可以在对沟道区域108i、源区域108s及漏区域108d供应过剩氧之后，选择性地提高源区域108s及漏区域108d的载流子密度，可以抑制源区域108s及漏区域108d的电阻上升。
氧化物半导体膜108所包括的源区域108s及漏区域108d分别优选具有形成氧缺陷的元素或与氧缺陷键合的元素。作为形成该氧缺陷的元素或与氧缺陷键合的元素，典型地可举出氢、硼、碳、氮、氟、磷、硫、氯、钛、稀有气体等。此外，作为稀有气体元素的典型例子，有氦、氖、氩、氪以及氙等。当上述形成氧缺陷的元素中的一个或多个包含在绝缘膜116中时，该元素从绝缘膜116扩散至源区域108s及漏区域108d中。或者，通过杂质添加处理将上述形成氧缺陷的元素添加到源区域108s及漏区域108d中。
当杂质元素添加到氧化物半导体膜中时，氧化物半导体膜中的金属元素与氧的键合被切断而形成氧缺陷。或者，当对氧化物半导体膜添加杂质元素时，氧化物半导体膜中的与金属元素键合的氧与杂质元素键合，氧从金属元素脱离，而形成氧缺陷。其结果是，在氧化物半导体膜中载流子密度增高且导电率得到提高。
接着，对图34A至图34C所示的半导体装置的构成要素进行详细说明。
[衬底]
可以将具有能够承受制造工序中的热处理的程度的耐热性的材料用于衬底102。
具体而言，可以将无碱玻璃、钠钙玻璃、钾玻璃、水晶玻璃、石英或蓝宝石等用于衬底。另外，也可以使用无机绝缘膜。作为该无机绝缘膜，例如可以举出氧化硅膜、氮化硅膜、氧氮化硅膜、氧化铝膜等。
上述无碱玻璃的厚度例如为0.2mm以上且0.7mm以下即可。或者，通过对无碱玻璃进行抛光，实现上述厚度即可。
作为无碱玻璃，可以使用第六世代(1500mm×1850mm)、第七世代(1870mm×2200mm)、第八世代(2200mm×2400mm)、第九世代(2400mm×2800mm)、第十世代(2950mm×3400mm)等面积大的玻璃衬底。由此，可以制造大型显示装置。
另外，还可以使用以硅或碳化硅为材料的单晶半导体衬底或多晶半导体衬底、以硅锗等为材料的化合物半导体衬底、SOI衬底等作为衬底102。
作为衬底102也可以使用金属等无机材料。作为金属等无机材料可以举出不锈钢或铝等。
作为衬底102也可以使用树脂、树脂薄膜或塑料等有机材料。作为该树脂薄膜，可举出聚酯、聚烯烃、聚酰胺(尼龙、芳族聚酰胺等)、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚氨酯、丙烯酸树脂、环氧树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚醚砜(PES)或具有硅氧烷键合的树脂等。
作为衬底102，也可以使用组合无机材料与有机材料的复合材料。作为该复合材料，可举出使金属板或薄板状的玻璃板与树脂薄膜贴合的材料、将纤维状的金属、粒子状的金属、纤维状的玻璃或粒子状的玻璃分散在树脂薄膜的材料或将纤维状的树脂、粒子状的树脂分散在无机材料的材料等。
衬底102为至少可以支撑在其上或下形成的膜或层的构件即可，也可以是绝缘膜、半导体膜、导电膜中的一个或多个。
[第一绝缘膜]
绝缘膜104可以通过适当地利用溅射法、CVD法、蒸镀法、脉冲激光沉积(PLD)法、印刷法、涂敷法等形成。绝缘膜104例如可以是氧化物绝缘膜及/或氮化物绝缘膜的单层或叠层。注意，为了提高绝缘膜104与氧化物半导体膜108的界面特性，绝缘膜104中的至少与氧化物半导体膜108接触的区域优选使用氧化物绝缘膜形成。另外，通过作为绝缘膜104使用因加热而释放氧的氧化物绝缘膜，可以利用加热处理使绝缘膜104所包含的氧移动到氧化物半导体膜108中。
绝缘膜104的厚度可以为50nm以上、100nm以上且3000nm以下或200nm以上且1000nm以下。通过增加绝缘膜104的厚度，可以使绝缘膜104的氧释放量增加，而能够减少绝缘膜104与氧化物半导体膜108之间的界面态，并且减少包含在氧化物半导体膜108的沟道区域108i中的氧缺陷。
绝缘膜104例如可以使用氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化铪、氧化镓或者Ga-Zn氧化物等，并且以叠层或单层设置。在本实施方式中，作为绝缘膜104，使用氮化硅膜和氧氮化硅膜的叠层结构。如此，在绝缘膜104具有叠层结构时，作为下侧的层使用氮化硅膜，作为上侧的层使用氧氮化硅膜，由此可以对氧化物半导体膜108高效地供应氧。
[氧化物半导体膜]
作为氧化物半导体膜108可以使用实施方式1中说明的金属氧化物膜。
由于通过溅射法形成氧化物半导体膜108，可以提高膜密度，所以是优选的。在通过溅射法形成氧化物半导体膜108的情况下，作为溅射气体，适当地使用稀有气体(典型的是氩)、氧或者稀有气体和氧的混合气体。另外，需要进行溅射气体的高纯度化。例如，作为用作溅射气体的氧气体或氩气体，使用露点为-60℃以下，优选为-100℃以下的高纯度气体，由此可以尽可能地防止水分等混入氧化物半导体膜108中。
另外，在通过溅射法形成氧化物半导体膜108的情况下，优选使用低温泵等吸附式真空抽气泵对溅射装置的处理室进行高真空抽气(抽空到5×10-7Pa至1×10-4Pa左右)以尽可能地去除对氧化物半导体膜108来说是杂质的水等。尤其是，在溅射装置的待机时处理室内的相当于H2O的气体分子(相当于m/z＝18的气体分子)的分压为1×10-4Pa以下，优选为5×10-5Pa以下。
[第二绝缘膜]
绝缘膜110用作晶体管100的栅极绝缘膜。此外，绝缘膜110具有对氧化物半导体膜108供应氧的功能，尤其是对沟道区域108i供应氧的功能。例如，绝缘膜110可以使用氧化物绝缘膜或氮化物绝缘膜的单层或叠层形成。注意，为了提高与氧化物半导体膜108的界面特性，绝缘膜110中的至少与氧化物半导体膜108接触的区域优选使用氧化物绝缘膜形成。作为绝缘膜110例如可以使用氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅等。
绝缘膜110的厚度可以为5nm以上且400nm以下、5nm以上且300nm以下或者10nm以上且250nm以下。
绝缘膜110的缺陷优选少，典型的是通过电子自旋共振法(ESR：Electron SpinResonance)观察的信号优选少。例如，作为上述信号可举出在g值为2.001时观察的E’中心。此外，E’中心起因于硅的悬空键。作为绝缘膜110使用起因于E’中心的自旋密度为3×1017spins/cm3以下、优选为5×1016spins/cm3以下的氧化硅膜或氧氮化硅膜即可。
在绝缘膜110中有时观察到除了上述信号以外起因于二氧化氮(NO2)的信号。该信号因N的核自旋而***成三个信号，各个g值为2.037以上且2.039以下(第一信号)、g值为2.001以上且2.003以下(第二信号)及g值为1.964以上且1.966以下(第三信号)。
例如，作为绝缘膜110优选使用起因于二氧化氮(NO2)的自旋密度为1×1017spins/cm3以上且低于1×1018spins/cm3的绝缘膜。
二氧化氮(NO2)等氮氧化物(NOx)在绝缘膜110中形成能级。该能级位于氧化物半导体膜108的能隙中。由此，当氮氧化物(NOx)扩散到绝缘膜110与氧化物半导体膜108的界面时，有时该能级在绝缘膜110一侧俘获电子。其结果是，被俘获的电子留在绝缘膜110与氧化物半导体膜108的界面附近，由此使晶体管的阈值电压向正方向漂移。因此，当作为绝缘膜110使用氮氧化物的含量少的膜时，可以降低晶体管的阈值电压的漂移。
作为氮氧化物(NOx)的释放量少的绝缘膜例如可以使用氧氮化硅膜。该氧氮化硅膜是在热脱附谱分析法(TDS：Thermal Desorption Spectroscopy)中氨释放量比氮氧化物(NOx)的释放量多的膜，典型的是氨释放量为1×1018/cm3以上且5×1019/cm3以下。此外，上述氨释放量为TDS中的加热处理温度为50℃以上且650℃以下或50℃以上且550℃以下的范围内的总量。
由于当进行加热处理时，氮氧化物(NOx)与氨及氧起反应，所以通过使用氨释放量多的绝缘膜可以减少氮氧化物(NOx)。
当使用SIMS对绝缘膜110进行分析时，膜中的氮浓度优选为6×1020atoms/cm3以下。
此外，作为绝缘膜110也可以使用硅酸铪(HfSiOx)、添加有氮的硅酸铪(HfSixOyNz)、添加有氮的铝酸铪(HfAlxOyNz)、氧化铪等high-k材料。
[第三绝缘膜]
绝缘膜116包含氮或氢。此外，绝缘膜116也可以包含氟。作为绝缘膜116例如可举出氮化物绝缘膜。该氮化物绝缘膜可以使用氮化硅、氮氧化硅、氧氮化硅、氮氟化硅、氟氮化硅等形成。绝缘膜116中的氢浓度优选为1×1022atoms/cm3以上。此外，绝缘膜116与氧化物半导体膜108的源区域108s及漏区域108d接触。因此，与绝缘膜116接触的源区域108s及漏区域108d中的杂质(氮或氢)浓度变高，由此可以提高源区域108s及漏区域108d的载流子密度。
[第四绝缘膜]
作为绝缘膜118可以使用氧化物绝缘膜。此外，作为绝缘膜118可以使用氧化物绝缘膜与氮化物绝缘膜的叠层膜。绝缘膜118例如可以使用氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氧化铝、氧化铪、氧化镓或Ga-Zn氧化物等。
绝缘膜118优选被用作来自外部的氢或水等的阻挡膜。
绝缘膜118的厚度可以为30nm以上且500nm以下或100nm以上且400nm以下。
[导电膜]
通过利用溅射法、真空蒸镀法、脉冲激光沉积(PLD)法及热CVD法等，可以形成导电膜112、120a、120b。此外，作为导电膜112、120a、120b都可以使用具有导电性的金属膜、具有反射可见光的功能的导电膜或具有使可见光透过的功能的导电膜。
具有导电性的金属膜可以使用包含选自铝、金、铂、银、铜、铬、钽、钛、钼、钨、镍、铁、钴、钯或锰中的金属元素的材料。或者，也可以使用包含上述金属元素的合金。
作为上述具有导电性的金属膜，具体而言可以使用在钛膜上层叠铜膜的两层结构、在氮化钛膜上层叠铜膜的两层结构、在氮化钽膜上层叠铜膜的两层结构、在钛膜上层叠铜膜并在其上形成钛膜的三层结构等。尤其是，通过使用包含铜元素的导电膜，可以降低电阻，所以是优选的。此外，作为包含铜元素的导电膜，可举出包含铜及锰的合金膜。能够通过利用湿蚀刻法对该合金膜进行加工，所以是优选的。
作为导电膜112、120a、120b，优选使用氮化钽膜。该氮化钽膜具有导电性且具有对铜或氢的高阻挡性。此外，因为从氮化钽膜本身释放的氢少，所以可以作为与氧化物半导体膜108接触的金属膜或氧化物半导体膜108的附近的金属膜适合地使用氮化钽膜。
作为上述具有导电性的导电膜也可以使用导电高分子或导电聚合物。
上述具有反射可见光的功能的导电膜可以使用包含选自金、银、铜和钯中的金属元素的材料。尤其是，由于通过使用包含银元素的导电膜，可以提高对可见光的反射率，所以是优选的。
上述具有使可见光透过的功能的导电膜可以使用包含选自铟、锡、锌、镓和硅中的元素的材料。具体而言，可举出In氧化物、Zn氧化物、In-Sn氧化物(也称为ITO)、In-Sn-Si氧化物(也称为ITSO)、In-Zn氧化物、In-Ga-Zn氧化物等。
上述具有使可见光透过的功能的导电膜也可以使用包含石墨烯或石墨的膜。可以形成含有氧化石墨烯的膜，然后通过使含有氧化石墨烯的膜还原来形成含有石墨烯的膜。作为还原方法，可以举出利用加热的方法以及利用还原剂的方法等。
可以通过无电镀法形成导电膜112、120a、120b。作为通过该无电镀法可形成的材料，例如可以使用选自Cu、Ni、Al、Au、Sn、Co、Ag和Pd中的一个或多个。尤其是，由于在使用Cu或Ag时，可以降低导电膜的电阻，所以是优选的。
当通过无电镀法形成导电膜时，也可以在该导电膜下形成扩散防止膜，以便防止该导电膜的构成元素扩散到外部。此外，也可以在该扩散防止膜与该导电膜之间形成能够使导电膜生长的种子层。上述扩散防止膜例如可以利用溅射法形成。此外，该扩散防止膜例如可以使用氮化钽膜或氮化钛膜。此外，上述种子层可以利用无电镀法形成。此外，该种子层可以使用与利用无电镀法形成的导电膜的材料同样的材料。
作为导电膜112，可以使用以In-Ga-Zn氧化物为代表的氧化物半导体。该氧化物半导体通过从绝缘膜116供应氮或氢提高载流子密度。换言之，氧化物半导体用作氧化物导电体(OC：Oxide Conductor)。因此，氧化物半导体可以用作栅电极。
例如，作为导电膜112的结构可举出氧化物导电体(OC)的单层结构、金属膜的单层结构或氧化物导电体(OC)及金属膜的叠层结构等。
当作为导电膜112的结构使用具有遮光性的金属膜的单层结构或氧化物导电体(OC)及具有遮光性的金属膜的叠层结构时，由于可以阻挡光到达形成在导电膜112的下方的沟道区域108i，所以是优选的。此外，当作为导电膜112的结构使用氧化物半导体或氧化物导电体(OC)及具有遮光性的金属膜的叠层结构时，在氧化物半导体或氧化物导电体(OC)上形成金属膜(例如，钛膜、钨膜等)，金属膜中的构成元素扩散到氧化物半导体或氧化物导电体(OC)一侧而低电阻化、因形成金属膜时的损伤(例如，溅射损伤等)而低电阻化或者在金属膜中扩散氧化物半导体或氧化物导电体(OC)中的氧，由此形成氧缺陷而低电阻化。
导电膜112、120a、120b的厚度可以为30nm以上且500nm以下或100nm以上且400nm以下。
[晶体管的结构例子2]
接着，将参照图35A至图35C对与图34A至图34C所示的晶体管不同的结构进行说明。
图35A是晶体管100A的俯视图，图35B是图35A的点划线X1-X2间的截面图，图35C是图35A的点划线Y1-Y2间的截面图。
图35A至图35C所示的晶体管100A包括衬底102上的导电膜106、导电膜106上的绝缘膜104、绝缘膜104上的氧化物半导体膜108、氧化物半导体膜108上的绝缘膜110、绝缘膜110上的导电膜112、绝缘膜104、氧化物半导体膜108及导电膜112上的绝缘膜116。氧化物半导体膜108包括与导电膜112重叠的沟道区域108i、与绝缘膜116接触的源区域108s、与绝缘膜116接触的漏区域108d。
晶体管100A除了上述晶体管100的构成要素以外还包括导电膜106、开口143。
开口143设置在绝缘膜104、110中。此外，导电膜106通过开口143与导电膜112电连接。因此，对导电膜106及导电膜112施加同一电位。此外，也可以不设置开口143，而对导电膜106、导电膜112施加不同电位。或者，也可以不设置开口143，且将导电膜106用作遮光膜。例如，通过使用遮光性材料形成导电膜106，可以抑制光从下方照射到沟道区域108i。
当采用晶体管100A的结构时，导电膜106具有第一栅电极(也称为底栅电极)的功能，且导电膜112具有第二栅电极(也称为顶栅电极)的功能。此外，绝缘膜104具有第一栅极绝缘膜的功能，且绝缘膜110具有第二栅极绝缘膜的功能。
导电膜106可以使用与上述导电膜112、120a、120b同样的材料。尤其是，通过导电膜106使用包含铜的材料形成，可以降低电阻，所以是优选的。例如，优选的是导电膜106、导电膜120a、120b都采用在氮化钛膜、氮化钽膜或钨膜上设置铜膜的叠层结构。此时，通过将晶体管100A用于显示装置的像素晶体管和驱动晶体管中的一个或两个，可以降低产生在导电膜106与导电膜120a之间的寄生电容以及产生在导电膜106与导电膜120b之间的寄生电容。因此，不仅将导电膜106、导电膜120a及导电膜120b用于晶体管100A的第一栅电极、源电极及漏电极，而且也可以用于显示装置的电源供应布线、信号供应布线或连接布线等。
如此，与上述晶体管100不同地，图35A至图35C所示的晶体管100A具有在氧化物半导体膜108的上下包括被用作栅电极的导电膜的结构。如晶体管100A所示，在本发明的一个方式的半导体装置中，也可以设置多个栅电极。
如图35B及图35C所示，氧化物半导体膜108位于与被用作第一栅电极的导电膜106及被用作第二栅电极的导电膜112的每一个相对的位置，夹在两个被用作栅电极的导电膜之间。
在沟道宽度方向上，导电膜112的长度比氧化物半导体膜108大，并且氧化物半导体膜108整体夹着绝缘膜110被导电膜112覆盖。导电膜112和导电膜106在形成于绝缘膜104及绝缘膜110中的开口143连接，因此在沟道宽度方向上，氧化物半导体膜108的一个侧面夹着绝缘膜110与导电膜112相对。
换言之，在晶体管100A的沟道宽度方向上，导电膜106及导电膜112在形成于绝缘膜104及绝缘膜110中的开口143连接，并夹着绝缘膜104及绝缘膜110围绕氧化物半导体膜108。
通过采用上述结构，可以利用被用作第一栅电极的导电膜106及被用作第二栅电极的导电膜112的电场电围绕晶体管100A所包括的氧化物半导体膜108。如晶体管100A那样，可以将利用第一栅电极及第二栅电极的电场电围绕形成有沟道区域的氧化物半导体膜108的晶体管的装置结构称为Surrounded channel(S-channel：围绕沟道)结构。
因为晶体管100A具有S-channel结构，所以可以使用导电膜106或导电膜112对氧化物半导体膜108有效地施加用来引起沟道的电场。由此，晶体管100A的电流驱动能力得到提高，从而可以得到高的通态电流特性。此外，由于可以增加通态电流，所以可以使晶体管100A微型化。另外，由于晶体管100A具有被导电膜106及导电膜112围绕的结构，所以可以提高晶体管100A的机械强度。
在晶体管100A的沟道宽度方向上，可以在氧化物半导体膜108的没有形成开口143的一侧形成与开口143不同的开口。
此外，如晶体管100A那样，在晶体管包括其间设置有半导体膜的一对栅电极的情况下，也可以对一个栅电极供应信号A，并且对另一个栅电极供应固定电位Vb。另外，也可以对一个栅电极供应信号A，并且对另一个栅电极供应信号B。另外，也可以对一个栅电极供应固定电位Va，并且对另一个栅电极供应固定电位Vb。
信号A例如为用来控制导通/非导通状态的信号。信号A也可以为具有电位V1或者电位V2(V1＞V2)的两种电位的数字信号。例如，可以将电位V1设定为高电源电位且将电位V2设定为低电源电位。信号A也可以为模拟信号。
固定电位Vb例如为用来控制晶体管的阈值电压VthA的电位。固定电位Vb可以为电位V1或者电位V2。此时，不需要另外设置用来产生固定电位Vb的电位产生电路，所以是优选的。固定电位Vb也可以为与电位V1或者电位V2不同的电位。通过降低固定电位Vb，有时可以提高阈值电压VthA。其结果，有时可以降低栅极与源极之间的电压Vgs为0V时的漏极电流，而可以降低包括晶体管的电路的泄漏电流。例如，可以使固定电位Vb低于低电源电位。另一方面，通过提高固定电位Vb，有时可以降低阈值电压VthA。其结果，有时可以提高栅极与源极之间的电压Vgs为高电源电位时的漏极电流，而可以提高包括晶体管的电路的工作速度。例如，可以使固定电位Vb高于低电源电位。
信号B例如为用来控制晶体管的导通/非导通状态的信号。信号B也可以为具有电位V3或者电位V4(V3＞V4)的两种电位的数字信号。例如，可以将电位V3设定为高电源电位且将电位V4设定为低电源电位。信号B也可以为模拟信号。
在信号A与信号B都是数字信号的情况下，信号B也可以为具有与信号A相同的数字值的信号。此时，有时可以增加晶体管的通态电流，而可以提高包括晶体管的电路的工作速度。此时，信号A的电位V1及电位V2也可以与信号B的电位V3及电位V4不同。例如，当对应于被输入信号B的栅极的栅极绝缘膜的厚度大于对应于被输入信号A的栅极的栅极绝缘膜时，可以使信号B的电位振幅(V3-V4)大于信号A的电位振幅(V1-V2)。由此，有时可以使信号A及信号B给晶体管的导通状态或非导通状态带来的影响大致相同。
在信号A与信号B都是数字信号的情况下，信号B也可以为具有与信号A不同的数字值的信号。此时，有时可以分别利用信号A及信号B控制晶体管，而可以实现更高的功能。例如，当晶体管为n沟道晶体管时，在仅在信号A为电位V1且信号B为电位V3时该晶体管处于导通状态的情况下或者在仅在信号A为电位V2且信号B为电位V4时该晶体管处于非导通状态的情况下，有时可以由一个晶体管实现NAND电路或NOR电路等的功能。另外，信号B也可以为用来控制阈值电压VthA的信号。例如，信号B也可以在包括晶体管的电路工作的期间与该电路不工作的期间具有不同电位。信号B也可以根据电路的工作模式具有不同电位。此时，信号B有可能没有信号A那么频繁地切换电位。
在信号A与信号B都是模拟信号的情况下，信号B也可以具有与信号A相同的电位的模拟信号、用常数乘以信号A的电位而得的模拟信号、或者将常数加到信号A的电位或从信号A的电位减去常数而得的模拟信号等。此时，有时可以增加晶体管的通态电流，而提高包括晶体管的电路的工作速度。信号B也可以为与信号A不同的模拟信号。此时，有时可以分别利用信号A及信号B控制晶体管，而可以实现更高的功能。
信号A也可以为数字信号，信号B也可以为模拟信号。或者，信号A也可以为模拟信号，信号B也可以为数字信号。
当对晶体管的两个栅电极供应固定电位时，有时可以将晶体管用作相当于电阻元件的元件。例如，当晶体管为n沟道晶体管时，通过提高(降低)固定电位Va或固定电位Vb，有时可以降低(提高)晶体管的实效电阻。通过提高(降低)固定电位Va和固定电位Vb，有时可以获得比只具有一个栅极的晶体管低(高)的实效电阻。
晶体管100A的其他构成要素与上述晶体管100相同，并发挥相同的效果。
在晶体管100A上还可以形成绝缘膜。图36A及图36B示出此时的一个例子。图36A及图36B是晶体管100B的截面图。晶体管100B的俯视图由于与图35A所示的晶体管100A同样，所以在此省略其说明。
图36A及图36B所示的晶体管100B在导电膜120a、120b、绝缘膜122上包括绝缘膜122。晶体管100B的上述以外的构成要素与晶体管100A相同，并且发挥同样的效果。
绝缘膜122具有使起因于晶体管等的凹凸等平坦的功能。绝缘膜122只要具有绝缘性即可，使用无机材料或有机材料形成。作为该无机材料，可以举出氧化硅膜、氧氮化硅膜、氮氧化硅膜、氮化硅膜、氧化铝膜、氮化铝膜等。作为该有机材料，例如可以举出丙烯酸树脂或聚酰亚胺树脂等感光性树脂材料。
[晶体管的结构例子3]
接着，参照图37A及图37B、图38A及图38B以及图39A及图39B对与图35A至图35C所示的晶体管不同的结构进行说明。
图37A及图37B是晶体管100C的截面图，图38A及图38B是晶体管100D的截面图，图39A及图39B是晶体管100E的截面图。此外，晶体管100C、晶体管100D及晶体管100E的俯视图与图35A所示的晶体管100A同样，所以在此省略说明。
图37A及图37B所示的晶体管100C与晶体管100A的不同之处在于导电膜112的叠层结构、导电膜112的形状及绝缘膜110的形状。
晶体管100C的导电膜112包括绝缘膜110上的导电膜112_1、导电膜112_1上的导电膜112_2。例如，通过作为导电膜112_1使用氧化物导电膜，可以对绝缘膜110添加过剩氧。上述氧化物导电膜可以利用溅射法在含氧气的气氛下形成。此外，作为上述氧化物导电膜例如可以举出包含铟和锡的氧化物、包含钨和铟的氧化物、包含钨和铟和锌的氧化物、包含钛和铟的氧化物、包含钛和铟和锡的氧化物、包含铟和锌的氧化物、包含硅和铟和锡的氧化物、包含铟和镓和锌的氧化物等。
如图37B所示，在开口143中，导电膜112_2与导电膜106连接。当形成开口143时，在形成将成为导电膜112_1的导电膜之后，形成开口143，由此可以实现图37B所示的形状。当对导电膜112_1使用氧化物导电膜时，通过采用导电膜112_2与导电膜106连接的结构，可以降低导电膜112与导电膜106的接触电阻。
晶体管100C的导电膜112及绝缘膜110为锥形形状。更具体而言，导电膜112的下端部形成在导电膜112的上端部的外侧。此外，绝缘膜110的下端部形成在绝缘膜110的上端部的外侧。另外，导电膜112的下端部形成在与绝缘膜110的上端部大致相同的位置上。
通过如晶体管100C将导电膜112及绝缘膜110形成为锥形形状，与晶体管100A的导电膜112及绝缘膜110形成为矩形形状的情况相比，可以提高绝缘膜116的覆盖性，所以是优选的。
晶体管100C的其他构成要素与上述晶体管100A相同，并发挥相同的效果。
图38A及图38B所示的晶体管100D与晶体管100A的不同之处在于导电膜112的叠层结构、导电膜112的形状及绝缘膜110的形状。
晶体管100D的导电膜112包括绝缘膜110上的导电膜112_1、导电膜112_1上的导电膜112_2。此外，导电膜112_1的下端部形成在导电膜112_2的下端部的外侧。例如，使用相同的掩模对导电膜112_1、导电膜112_2、绝缘膜110进行加工，利用湿蚀刻法对导电膜112_2进行加工，利用干蚀刻法对导电膜112_1及绝缘膜110进行加工，可以实现上述结构。
通过采用晶体管100D的结构，有时在氧化物半导体膜108中形成区域108f。区域108f形成在沟道区域108i与源区域108s之间及沟道区域108i与漏区域108d之间。
区域108f用作高电阻区域和低电阻区域中的任何一个。高电阻区域是指具有与沟道区域108i相等的电阻，且不与用作栅电极的导电膜112重叠的区域。当区域108f为高电阻区域时，区域108f具有所谓偏置区域的功能。当区域108f具有偏置区域的功能时，为了抑制晶体管100D的通态电流的降低，在沟道长度(L)方向上使区域108f设定为1μm以下，即可。
低电阻区域是指其电阻比沟道区域108i低且比源区域108s及漏区域108d高的区域。当区域108f为低电阻区域时，区域108f具有所谓LDD(Lightly Doped Drain)区域的功能。当区域108f具有LDD区域的功能时，可以实现漏区域的电场缓和，可以降低起因于漏区域的电场的晶体管的阈值电压的变动。
当区域108f为LDD区域时，例如从绝缘膜116对区域108f供应氮、氢和氟中的1个以上或者将绝缘膜110及导电膜112_1用作掩模从导电膜112_1的上方添加杂质元素，该杂质经过导电膜112_1及绝缘膜110添加到氧化物半导体膜108，由此可以形成区域108f。
如图38B所示，在开口143中，导电膜112_2与导电膜106连接。
晶体管100D的其他构成要素与上述晶体管100A相同，并发挥相同的效果。
图39A及图39B所示的晶体管100E与晶体管100A的不同之处在于导电膜112的叠层结构、导电膜112的形状及绝缘膜110的形状。
晶体管100E的导电膜112包括绝缘膜110上的导电膜112_1、导电膜112_1上的导电膜112_2。此外，导电膜112_1的下端部形成在导电膜112_2的下端部的外侧。另外，绝缘膜110的下端部形成在导电膜112_1的下端部的外侧。例如，使用相同的掩模对导电膜112_1、导电膜112_2、绝缘膜110进行加工，利用湿蚀刻法对导电膜112_2及导电膜112_1进行加工，利用干蚀刻法对绝缘膜110进行加工，可以实现上述结构。
此外，与晶体管100D同样地，在晶体管100E中有时在氧化物半导体膜108中形成区域108f。区域108f形成在沟道区域108i与源区域108s之间及沟道区域108i与漏区域108d之间。
如图39B所示，在开口143中，导电膜112_2与导电膜106连接。
晶体管100E的其他构成要素与上述晶体管100A相同，并发挥相同的效果。
[晶体管的结构例子4]
接着，参照图40A及图40B、图41A及图41B、图42A及图42B、图43A及图43B以及图44A及图44B对与图35A至图35C所示的晶体管100A不同的结构进行说明。
图40A及图40B是晶体管100F的截面图，图41A及图41B是晶体管100G的截面图，图42A及图42B是晶体管100H的截面图，图43A及图43B是晶体管100J的截面图，图44A及图44B是晶体管100K的截面图。此外，晶体管100F、晶体管100G、晶体管100H、晶体管100J及晶体管100K的俯视图由于与图35A所示的晶体管100A同样，所以在此省略说明。
晶体管100F、晶体管100G、晶体管100H、晶体管100J及晶体管100K与上述晶体管100A的不同之处在于氧化物半导体膜108的结构。其他的构成要素与上述晶体管100A相同，并发挥相同的效果。
图40A及图40B所示的晶体管100F所包括的氧化物半导体膜108包括绝缘膜104上的氧化物半导体膜108_1、氧化物半导体膜108_1上的氧化物半导体膜108_2、氧化物半导体膜108_2上的氧化物半导体膜108_3。此外，沟道区域108i、源区域108s及漏区域108d分别是氧化物半导体膜108_1、氧化物半导体膜108_2及氧化物半导体膜108_3的三层的叠层结构。
图41A及图41B所示的晶体管100G所包括的氧化物半导体膜108包括绝缘膜104上的氧化物半导体膜108_2、氧化物半导体膜108_2上的氧化物半导体膜108_3。此外，沟道区域108i、源区域108s及漏区域108d分别是氧化物半导体膜108_2及氧化物半导体膜108_3的两层的叠层结构。
图42A及图42B所示的晶体管100H所包括的氧化物半导体膜108包括绝缘膜104上的氧化物半导体膜108_1、氧化物半导体膜108_1上的氧化物半导体膜108_2。此外，沟道区域108i、源区域108s及漏区域108d分别是氧化物半导体膜108_1及氧化物半导体膜108_2的两层的叠层结构。
图43A及图43B所示的晶体管100J所包括的氧化物半导体膜108包括绝缘膜104上的氧化物半导体膜108_1、氧化物半导体膜108_1上的氧化物半导体膜108_2、氧化物半导体膜108_2上的氧化物半导体膜108_3。此外，沟道区域108i是氧化物半导体膜108_1、氧化物半导体膜108_2及氧化物半导体膜108_3的三层的叠层结构，源区域108s及漏区域108d分别是氧化物半导体膜108_1及氧化物半导体膜108_2的两层的叠层结构。此外，在晶体管100J的沟道宽度(W)方向上的截面中，氧化物半导体膜108_3覆盖氧化物半导体膜108_1及氧化物半导体膜108_2的侧面。
图44A及图44B所示的晶体管100K所包括的氧化物半导体膜108包括绝缘膜104上的氧化物半导体膜108_2、氧化物半导体膜108_2上的氧化物半导体膜108_3。此外，沟道区域108i是氧化物半导体膜108_2及氧化物半导体膜108_3的两层的叠层结构，源区域108s及漏区域108d分别是氧化物半导体膜108_2的单层结构。此外，在晶体管100K的沟道宽度(W)方向上的截面中，氧化物半导体膜108_3覆盖氧化物半导体膜108_2的侧面。
在沟道区域108i的沟道宽度(W)方向的侧面或其附近，由于受到加工时的损伤而容易形成缺陷(例如氧缺陷)，或者由于杂质附着等而容易被污染。因此，即使沟道区域108i实质上本征，也通过施加电场等的压力使沟道区域108i的沟道宽度(W)方向的侧面或其附近活化，从而容易成为低电阻(n型)区域。此外，当沟道区域108i的沟道宽度(W)方向的侧面或其附近为n型区域时，由于该n型区域成为载流子的路径，因此有时会形成寄生沟道。
在晶体管100J及晶体管100K中，使沟道区域108i为叠层结构，沟道宽度(W)方向上的沟道区域108i的侧面由叠层的一个层覆盖。通过采用该结构，可以抑制沟道区域108i的侧面或其附近的缺陷或者降低杂质附着在沟道区域108i的侧面或其附近。
[带结构]
这里，参照图45A至图45C对绝缘膜104、氧化物半导体膜108_1、108_2、108_3及绝缘膜110的带结构、绝缘膜104、氧化物半导体膜108_2、108_3及绝缘膜110的带结构以及绝缘膜104、氧化物半导体膜108_1、108_2及绝缘膜110的带结构进行说明。此外，图45A至图45C都是沟道区域108i的带结构。
图45A是包括绝缘膜104、氧化物半导体膜108_1、108_2、108_3及绝缘膜110的叠层结构的膜厚度方向的带结构的一个例子。此外，图45B是包括绝缘膜104、氧化物半导体膜108_2、108_3及绝缘膜110的叠层结构的膜厚度方向的带结构的一个例子。此外，图45C是包括绝缘膜104、氧化物半导体膜108_1、108_2及绝缘膜110的叠层结构的膜厚度方向的带结构的一个例子。此外，在带结构中，为了容易理解，示出绝缘膜104、氧化物半导体膜108_1、108_2、108_3及绝缘膜110的导带底能级(Ec)。
在图45A的带结构中，作为绝缘膜104、110使用氧化硅膜，作为氧化物半导体膜108_1使用利用金属元素的原子个数比为In∶Ga∶Zn＝1∶3∶2的金属氧化物靶材而形成的氧化物半导体膜，作为氧化物半导体膜108_2使用利用金属元素的原子个数比为In∶Ga∶Zn＝4∶2∶4.1的金属氧化物靶材而形成的氧化物半导体膜，作为氧化物半导体膜108_3使用利用金属元素的原子个数比为In∶Ga∶Zn＝1∶3∶2的金属氧化物靶材而形成的氧化物半导体膜。
在图45B的带结构中，作为绝缘膜104、110使用氧化硅膜，作为氧化物半导体膜108_2使用利用金属元素的原子个数比为In∶Ga∶Zn＝4∶2∶4.1的金属氧化物靶材而形成的氧化物半导体膜，作为氧化物半导体膜108_3使用利用金属元素的原子个数比为In∶Ga∶Zn＝1∶3∶2的金属氧化物靶材而形成的氧化物半导体膜。
在图45C的带结构中，作为绝缘膜104、110使用氧化硅膜，作为氧化物半导体膜108_1使用利用金属元素的原子个数比为In∶Ga∶Zn＝1∶3∶2的金属氧化物靶材而形成的氧化物半导体膜，作为氧化物半导体膜108_2使用利用金属元素的原子个数比为In∶Ga∶Zn＝4∶2∶4.1的金属氧化物靶材而形成的氧化物半导体膜。
如图45A所示，在氧化物半导体膜108_1、108_2、108_3中，导带底能级平缓地变化。此外，如图45B所示，在氧化物半导体膜108_2、108_3中，导带底能级平缓地变化。此外，如图45C所示，在氧化物半导体膜108_1、108_2中，导带底能级平缓地变化。换言之，导带底能级连续地变化或连续接合。为了实现这种带结构，使在氧化物半导体膜108_1与氧化物半导体膜108_2之间的界面处或氧化物半导体膜108_2与氧化物半导体膜108_3之间的界面处不存在形成陷阱中心或复合中心等缺陷态的杂质。
为了在氧化物半导体膜108_1、108_2、108_3中形成连续接合，需要使用具备装载闭锁室的多室方式的沉积装置(溅射装置)在不使各膜暴露于大气的情况下连续地层叠。
通过采用图45A至图45C所示的结构，氧化物半导体膜108_2成为阱(well)，并且在使用上述叠层结构的晶体管中，沟道区域形成在氧化物半导体膜108_2中。
通过设置氧化物半导体膜108_1、108_3，可以使有可能形成在氧化物半导体膜108_2中的缺陷态远离氧化物半导体膜108_2。
有时与用作沟道区域的氧化物半导体膜108_2的导带底能级(Ec)相比，缺陷态离真空能级更远，而电子容易积累在缺陷态中。当电子积累在缺陷态中时，成为负固定电荷，导致晶体管的阈值电压向正方向漂移。因此，优选采用缺陷态比氧化物半导体膜108_2的导带底能级(Ec)更接近于真空能级的结构。通过采用上述结构，电子不容易积累在缺陷态，所以能够增大晶体管的通态电流，并且还能够提高场效应迁移率。
氧化物半导体膜108_1、108_3的每一个与氧化物半导体膜108_2相比导带底的能级更接近于真空能级，典型的是，氧化物半导体膜108_2的导带底能级与氧化物半导体膜108_1、108_3的每一个的导带底能级之差为0.15eV以上或0.5eV以上，且为2eV以下或1eV以下。换言之，氧化物半导体膜108_1、108_3的每一个的电子亲和势与氧化物半导体膜108_2的电子亲和势之差为0.15eV以上或0.5eV以上，且为2eV以下或1eV以下。
通过具有上述结构，氧化物半导体膜108_2成为主要的电流路径。就是说，氧化物半导体膜108_2被用作沟道区域，氧化物半导体膜108_1、108_3被用作氧化物绝缘膜。此外，氧化物半导体膜108_1、108_3优选都使用形成沟道区域的氧化物半导体膜108_2所包含的金属元素中的一种以上。通过采用上述结构，在氧化物半导体膜108_1与氧化物半导体膜108_2之间的界面处或在氧化物半导体膜108_2与氧化物半导体膜108_3之间的界面处不容易产生界面散射。由此，在该界面处载流子的移动不被阻碍，因此晶体管的场效应迁移率得到提高。
注意，为了防止氧化物半导体膜108_1、108_3的每一个被用作沟道区域的一部分，氧化物半导体膜108_1、108_3使用导电率足够低的材料。因此，根据其物性及/或功能可以将氧化物半导体膜108_1、108_3称为氧化物绝缘膜。或者，氧化物半导体膜108_1、108_3使用其电子亲和势(真空能级与导带底能级之差)低于氧化物半导体膜108_2且其导带底能级与氧化物半导体膜108_2的导带底能级有差异(能带偏移(offset))的材料。此外，为了抑制产生起因于漏电压值的阈值电压之间的差异，氧化物半导体膜108_1、108_3优选使用其导带底能级比氧化物半导体膜108_2的导带底能级更接近于真空能级材料。例如，氧化物半导体膜108_2的导带底能级与氧化物半导体膜108_1、108-3的每一个的导带底能级之差优选为0.2eV以上，更优选为0.5eV以上。
在氧化物半导体膜108_1、108_3中优选不具有尖晶石型结晶结构。在氧化物半导体膜108_1、108_3中具有尖晶石型结晶结构时，导电膜120a、120b的构成元素有时会在该尖晶石型结晶结构与其他区域之间的界面处扩散到氧化物半导体膜108_2中。注意，在氧化物半导体膜108_1、108_3为后面说明的CAAC-OS的情况下，阻挡导电膜120a、120b的构成元素如铜元素的性质得到提高，所以是优选的。
另外，在本实施方式中，示出作为氧化物半导体膜108_1、108_3的每一个使用利用其金属元素的原子个数比为In∶Ga∶Zn＝1∶3∶2的金属氧化物靶材形成的氧化物半导体膜的结构，但是不局限于此。例如，作为氧化物半导体膜108_1、108_3的每一个，也可以使用如下氧化物半导体膜：利用In∶Ga∶Zn＝1∶1∶1[原子个数比]、In∶Ga∶Zn＝1∶1∶1.2[原子个数比]、In∶Ga∶Zn＝1∶3∶4[原子个数比]、In∶Ga∶Zn＝1∶3∶6[原子个数比]、In∶Ga∶Zn＝1∶4∶5[原子个数比]、In∶Ga∶Zn＝1∶5∶6[原子个数比]或者In∶Ga∶Zn＝1∶10∶1[原子个数比]的金属氧化物靶材形成的氧化物半导体膜。或者，作为氧化物半导体膜108_1、108_3的每一个，也可以使用利用金属元素的原子个数比为Ga∶Zn＝10∶1的金属氧化物靶材形成的氧化物半导体膜。在此情况下，当作为氧化物半导体膜108_2使用利用金属元素的原子个数比为In∶Ga∶Zn＝1∶1∶1的金属氧化物靶材形成的氧化物半导体膜，作为氧化物半导体膜108_1、108_3使用利用金属元素的原子个数比为Ga∶Zn＝10∶1的金属氧化物靶材形成的氧化物半导体膜时，可以使氧化物半导体膜108_2的导带底能级与氧化物半导体膜108_1、108_3的导带底能级之间的差异为0.6eV以上，所以是优选的。
当作为氧化物半导体膜108_1、108_3使用利用In∶Ga∶Zn＝1∶1∶1[原子个数比]的金属氧化物靶材形成的氧化物半导体膜时，在氧化物半导体膜108_1、108_3中有时为In∶Ga∶Zn＝1∶β1(0＜β1≤2)∶β2(0＜β2≤2)。另外，当作为氧化物半导体膜108_1、108_3使用利用In∶Ga∶Zn＝1∶3∶4[原子个数比]的金属氧化物靶材形成的氧化物半导体膜时，在氧化物半导体膜108_1、108_3中有时为In∶Ga∶Zn＝1∶β3(1≤β3≤5)∶β4(2≤β4≤6)。另外，当作为氧化物半导体膜108_1、108_3使用利用In∶Ga∶Zn＝1∶3∶6[原子个数比]的金属氧化物靶材形成的氧化物半导体膜时，在氧化物半导体膜108_1、108_3中有时为In∶Ga∶Zn＝1∶β5(1≤β5≤5)∶β6(4≤β6≤8)。
本实施方式的至少一部分可以与本说明书所记载的其他实施方式适当地组合而实施。
实施方式3
在本实施方式中，对能够用于本发明的一个方式的半导体装置的晶体管进行详细说明。
在本实施方式中，参照图46A至图46C至图52A至图52C对底栅型晶体管进行说明。
[晶体管的结构例子1]
图46A是晶体管300A的俯视图，图46B相当于沿着图46A所示的点划线X1-X2的切断面的截面图，图46C相当于沿着图46A所示的点划线Y1-Y2的切断面的截面图。此外，在图46A中，为了方便起见，省略晶体管300A的构成要素的一部分(用作栅极绝缘膜的绝缘膜等)而进行图示。此外，有时将点划线X1-X2方向称为沟道长度方向，将点划线Y1-Y2方向称为沟道宽度方向。注意，有时在后面的晶体管的俯视图中也与图46A同样地省略构成要素的一部分。
图46A至图46C所示的晶体管300A包括衬底302上的导电膜304、衬底302及导电膜304上的绝缘膜306、绝缘膜306上的绝缘膜307、绝缘膜307上的氧化物半导体膜308、氧化物半导体膜308上的导电膜312a、氧化物半导体膜308上的导电膜312b。此外，在晶体管300A上，更具体而言，导电膜312a、312b及氧化物半导体膜308上设置有绝缘膜314、316及绝缘膜318。
在晶体管300A中，绝缘膜306、307具有晶体管300A的栅极绝缘膜的功能，绝缘膜314、316、318具有晶体管300A的保护绝缘膜的功能。此外，在晶体管300A中，导电膜304具有栅电极的功能，导电膜312a具有源电极的功能，导电膜312b具有漏电极的功能。
注意，在本说明书等中，有时分别将绝缘膜306、307称为第一绝缘膜，将绝缘膜314、316称为第二绝缘膜，将绝缘膜318称为第三绝缘膜。
图46A至图46C所示的晶体管300A是沟道蚀刻型晶体管结构。本发明的一个方式的氧化物半导体膜能够应用于沟道蚀刻型晶体管。
[晶体管的结构例子2]
图47A是晶体管300B的俯视图，图47B相当于图47A所示的点划线X1-X2的切断面的截面图，图47C相当于图47A所示的切断面的点划线Y1-Y2的截面图。
图47A至图47C所示的晶体管300B包括衬底302上的导电膜304、衬底302及导电膜304上的绝缘膜306、绝缘膜306上的绝缘膜307、绝缘膜307上的氧化物半导体膜308、氧化物半导体膜308上的绝缘膜314、绝缘膜314上的绝缘膜316、通过设置在绝缘膜314及绝缘膜316中的开口341a与氧化物半导体膜308电连接的导电膜312a、通过设置在绝缘膜314及绝缘膜316中的开口341b与氧化物半导体膜308电连接的导电膜312b。此外，在晶体管300B上，更详细而言，导电膜312a、312b及绝缘膜316上设置有绝缘膜318。
在晶体管300B中，绝缘膜306、307具有晶体管300B的栅极绝缘膜的功能，绝缘膜314、316具有氧化物半导体膜308的保护绝缘膜的功能，绝缘膜318具有晶体管300B的保护绝缘膜的功能。此外，在晶体管300B中，导电膜304具有栅电极的功能，导电膜312a具有源电极的功能，导电膜312b具有漏电极的功能。
图46A至图46C所示的晶体管300A具有沟道蚀刻型结构，而图47A至图47C所示的晶体管300B具有沟道保护型结构。本发明的一个方式的氧化物半导体膜也能够应用于沟道保护型晶体管。
[晶体管的结构例子3]
图48A是晶体管300C的俯视图，图48B相当于图48A所示的点划线X1-X2的切断面的截面图，图48C相当于图48A所示的点划线Y1-Y2的切断面的截面图。
图48A至图48C所示的晶体管300C与图47A至图47C所示的晶体管300B的不同之处在于绝缘膜314、316的形状。具体而言，晶体管300C的绝缘膜314、316以岛状设置在氧化物半导体膜308的沟道区域上。其他构成要素与晶体管300B相同。
[晶体管的结构例子4]
图49A是晶体管300D的俯视图，图49B相当于图49A所示的点划线X1-X2的切断面的截面图，图49C相当于图49A所示的点划线Y1-Y2的切断面的截面图。
图49A至图49C所示的晶体管300D包括衬底302上的导电膜304、衬底302及导电膜304上的绝缘膜306、绝缘膜306上的绝缘膜307、绝缘膜307上的氧化物半导体膜308、氧化物半导体膜308上的导电膜312a、氧化物半导体膜308上的导电膜312b、氧化物半导体膜308及导电膜312a、312b上的绝缘膜314、绝缘膜314上的绝缘膜316、绝缘膜316上的绝缘膜318、绝缘膜318上的导电膜320a、320b。
在晶体管300D中，绝缘膜306、307具有晶体管300D的第一栅极绝缘膜的功能，绝缘膜314、316、318具有晶体管300D的第二栅极绝缘膜的功能。此外，在晶体管300D中，导电膜304具有第一栅电极的功能，导电膜320a具有第二栅电极的功能，导电膜320b具有用于显示装置的像素电极的功能。此外，导电膜312a具有源电极的功能，导电膜312b具有漏电极的功能。
如图49C所示，导电膜320a在设置在绝缘膜306、307、314、316、318中的开口342b、342c与导电膜304连接。因此，对导电膜320a和导电膜304施加相同的电位。
在晶体管300D中示出设置开口342b、342c，且导电膜320a与导电膜304连接的结构，但不局限于此。例如，也可以采用仅形成开口342b和开口342c中的任一个而使导电膜320a与导电膜304连接的结构，或者，不设置开口342b和开口342c而不使导电膜320a与导电膜304连接的结构。当采用不使导电膜320a与导电膜304连接的结构时，可以对导电膜320a和导电膜304施加不同的电位。
导电膜320b通过设置在绝缘膜314、316、318中的开口342a与导电膜312b连接。
晶体管300D具有上述S-channel结构。
[晶体管的结构例子5]
图31A至图31C所示的晶体管300A所包括的氧化物半导体膜308也可以具有叠层结构。图50A及图50B以及图51A及图51B示出此时的一个例子。
图50A及图50B是晶体管300E的截面图，图51A及图51B是晶体管300F的截面图。此外，晶体管300E、300F的俯视图与图46A所示的晶体管300A的俯视图相同。
图50A及图50B所示的晶体管300E所包括的氧化物半导体膜308包括氧化物半导体膜308_1、氧化物半导体膜308_2、氧化物半导体膜308_3。此外，图51A及图51B所示的晶体管300F所包括的氧化物半导体膜308包括氧化物半导体膜308_2、氧化物半导体膜308_3。
作为导电膜304、绝缘膜306、绝缘膜307、氧化物半导体膜308、氧化物半导体膜308_1、氧化物半导体膜308_2、氧化物半导体膜308_3、导电膜312a、312b、绝缘膜314、绝缘膜316、绝缘膜318及导电膜320a、320b，可以使用与上述导电膜106、绝缘膜116、绝缘膜114、氧化物半导体膜108、氧化物半导体膜108_1、氧化物半导体膜108_2、氧化物半导体膜108_3、导电膜120a、120b、绝缘膜104、绝缘膜118、绝缘膜116及导电膜112相同的材料。
[晶体管的结构例子6]
图52A是晶体管300G的俯视图，图52B相当于图52A所示的点划线X1-X2的切断面的截面图，图52C相当于图52A所示的点划线Y1-Y2的切断面的截面图。
图52A至图52C所示的晶体管300G包括衬底302上的导电膜304、衬底302及导电膜304上的绝缘膜306、绝缘膜306上的绝缘膜307、绝缘膜307上的氧化物半导体膜308、氧化物半导体膜308上的导电膜312a、氧化物半导体膜308上的导电膜312b、氧化物半导体膜308、导电膜312a及导电膜312b上的绝缘膜314、绝缘膜314上的绝缘膜316、绝缘膜316上的导电膜320a、绝缘膜316上的导电膜320b。
绝缘膜306及绝缘膜307具有开口351，在绝缘膜306及绝缘膜307上形成有通过开口351与导电膜304电连接的导电膜312c。此外，绝缘膜314及绝缘膜316包括到达导电膜312b的开口352a、到达导电膜312c的开口352b。
氧化物半导体膜308包括导电膜304一侧的氧化物半导体膜308_2、氧化物半导体膜308_2上的氧化物半导体膜308_3。
晶体管300G上设置有绝缘膜318。绝缘膜318以覆盖绝缘膜316、导电膜320a及导电膜320b的方式形成。
在晶体管300G中，绝缘膜306、307具有晶体管300G的第一栅极绝缘膜的功能，绝缘膜314、316具有晶体管300G的第二栅极绝缘膜的功能，绝缘膜318具有晶体管300G的保护绝缘膜的功能。此外，在晶体管300G中，导电膜304具有第一栅电极的功能，导电膜320a具有第二栅电极的功能，导电膜320b具有用于显示装置的像素电极的功能。此外，在晶体管300G中，导电膜312a具有源电极的功能，导电膜312b具有漏电极的功能。此外，在晶体管300G中，导电膜312c具有连接电极的功能。
晶体管300G具有上述S-channel结构。
此外，也可以自由地组合晶体管300A至300G的结构。
本实施方式的至少一部分可以与本说明书所记载的其他实施方式适当地组合而实施。
实施方式4
在本实施方式中，参照图53、图53及图55说明包括本发明的一个方式的金属氧化物膜的半导体装置。
<半导体装置的结构例子1>
图53是实施方式3所示的晶体管300D及实施方式2所示的晶体管100B具有叠层结构时的一个例子的沟道长度(L)方向的截面图。
通过晶体管300D、晶体管100B具有叠层结构，可以缩小晶体管的配置面积。
例如，通过将图53的结构用于显示装置的像素部，可以提高该显示装置的像素密度。例如，在显示装置的像素密度超过1000ppi(pixel per inch)或者显示装置的像素密度为2000ppi时，通过采用如图53所示的配置，可以提高像素的开口率。注意，ppi是指示出每英寸的像素数的单位。
此外，通过使晶体管300D及晶体管100B为叠层结构，成为其一部分与上述结构不同的结构。
例如，在图53中，晶体管300D的结构与上述结构在以下处不同。
图53所示的晶体管300D在绝缘膜318与导电膜320a之间包括绝缘膜319、绝缘膜110a。
绝缘膜319可以使用绝缘膜314或绝缘膜316所示的材料。设置绝缘膜319以使氧化物半导体膜108与绝缘膜318不接触。此外，绝缘膜110a对与绝缘膜110相同的绝缘膜进行加工来形成。此外，晶体管330D所包括的导电膜320a、晶体管100B所包括的导电膜112对相同的导电膜进行加工来形成。
图53所示的晶体管100B包括导电膜312c代替导电膜106。此外，图53所示的晶体管100B包括绝缘膜314、316、318、319代替绝缘膜104。通过使用晶体管300D所包括的绝缘膜314、316、318、319代替绝缘膜104，可以缩短晶体管的制造工序。
在图53中，晶体管300D的导电膜120b与导电膜344连接。此外，导电膜344通过设置在绝缘膜122中的开口342与导电膜120b电连接。此外，可以对导电膜344应用能够用于导电膜320a的材料。此外，导电膜344具有显示装置的像素电极的功能。
在图53中，说明晶体管300D、晶体管100B为叠层结构的情况，但是不局限于此。例如，也可以采用图驰及图55所示的结构。
<半导体装置的结构例子2>
图54是晶体管950及实施方式2所示的晶体管100A为叠层结构时的一个例子的沟道长度(L)方向的截面图。
图54所示的晶体管950包括衬底952、衬底952上的绝缘膜954、绝缘膜954上的半导体膜956、半导体膜956上的绝缘膜958、绝缘膜958上的导电膜960、绝缘膜954、半导体膜956及导电膜960上的绝缘膜962、绝缘膜962上的绝缘膜964、与半导体膜956电连接的导电膜966a、966b。此外，晶体管950上设置有绝缘膜968。
半导体膜956具有硅。尤其是，半导体膜956优选具有结晶硅。晶体管950是所谓使用低温多晶硅的晶体管。例如，通过在显示装置的驱动电路部中使用低温多晶硅的晶体管，可以得到高场效应迁移率，所以是优选的。此外，例如在显示装置的像素部中使用晶体管300A可以减低功耗，所以是优选的。
衬底952可以使用玻璃衬底或塑料衬底等。此外，绝缘膜954具有晶体管950的基底绝缘膜的功能。作为绝缘膜954例如可以使用氧化硅膜、氮化硅膜、氧氮化硅膜、氮氧化硅膜等。绝缘膜958具有晶体管950的栅极绝缘膜的功能。绝缘膜958可以使用在绝缘膜954的说明中举出的材料。导电膜960具有晶体管950的栅电极的功能。导电膜960可以使用与上述实施方式所示的导电膜312a、312b、120a、120b等相同的材料。绝缘膜962、964、968具有晶体管950的保护绝缘膜的功能。此外，导电膜966a、966b具有晶体管950的源电极及漏电极的功能。导电膜966a、966b可以使用与上述实施方式所示的导电膜312a、312b、120a、120b等相同的材料。
晶体管950与晶体管300A之间设置有绝缘膜970及绝缘膜972。绝缘膜970具有阻挡膜的功能。具体而言，形成绝缘膜970以防止晶体管950所包括的杂质诸如氢等进入晶体管300A一侧。此外，绝缘膜972具有晶体管300A的基底绝缘膜的功能。
绝缘膜970例如优选使用氢的释放量少且能够抑制氢的扩散的材料。作为该材料，可以举出氮化硅、氧化铝等。此外，绝缘膜972例如优选具有过剩氧。绝缘膜972可以使用绝缘膜314、316所使用的材料。
在图54中，采用晶体管950不与晶体管300A重叠的结构，但是不局限于此，例如也可以以晶体管950的沟道区域与晶体管300A的沟道区域重叠的方式配置。图55示出此时的一个例子。图55是晶体管950及晶体管300A为叠层结构时的一个例子的沟道长度(L)方向的截面图。通过采用图55所示的结构，可以进一步缩小晶体管的配置面积。
此外，虽然未图示，但是也可以使晶体管950及实施方式2及3所示的其他晶体管(例如，晶体管100A至100K及晶体管300A至3006)为叠层结构。
如上所述，本发明的一个方式的金属氧化物膜也可以适当地使用于层叠有各种形状的晶体管的结构。
本实施方式的至少一部分可以与本说明书所记载的其他实施方式适当地组合而实施。
实施方式5
在本实施方式中，使用图56、图57、图58、图59、图60A至图60D、图61、图62以及图63说明包括在前面的实施方式中例示的晶体管的显示装置的一个例子。
图56是示出显示装置的一个例子的俯视图。图56所示的显示装置700包括：设置在第一衬底701上的像素部702；设置在第一衬底701上的源极驱动电路部704及栅极驱动电路部706；以围绕像素部702、源极驱动电路部704及栅极驱动电路部706的方式设置的密封剂712；以及以与第一衬底701对置的方式设置的第二衬底705。注意，由密封剂712密封第一衬底701及第二衬底705。也就是说，像素部702、源极驱动电路部704及栅极驱动电路部706被第一衬底701、密封剂712及第二衬底705密封。注意，虽然在图56中未图示，但是在第一衬底701与第二衬底705之间设置有显示元件。
另外，在显示装置700中，在第一衬底701上的不由密封剂712围绕的区域中设置有分别电连接于像素部702、源极驱动电路部704、栅极驱动电路部706及栅极驱动电路部706的FPC(Flexible printed circuit：柔性印刷电路)端子部708。另外，FPC端子部708连接于FPC716，并且通过FPC716对像素部702、源极驱动电路部704及栅极驱动电路部706供应各种信号等。另外，像素部702、源极驱动电路部704、栅极驱动电路部706以及FPC端子部708各与信号线710连接。由FPC716供应的各种信号等是通过信号线710供应到像素部702、源极驱动电路部704、栅极驱动电路部706以及FPC端子部708的。
另外，也可以在显示装置700中设置多个栅极驱动电路部706。另外，作为显示装置700，虽然示出将源极驱动电路部704及栅极驱动电路部706形成在与像素部702相同的第一衬底701上的例子，但是并不局限于该结构。例如，可以只将栅极驱动电路部706形成在第一衬底701上，或者可以只将源极驱动电路部704形成在第一衬底701上。此时，也可以采用将形成有源极驱动电路或栅极驱动电路等的衬底(例如，由单晶半导体膜、多晶半导体膜形成的驱动电路衬底)形成于第一衬底701的结构。另外，对另行形成的驱动电路衬底的连接方法没有特别的限制，而可以采用COG(Chip On Glass：玻璃覆晶封装)方法、引线键合方法等。
另外，显示装置700所包括的像素部702、源极驱动电路部704及栅极驱动电路部706包括多个晶体管。
另外，显示装置700可以包括各种元件。作为该元件，例如可以举出电致发光(EL)元件(包含有机物及无机物的EL元件、有机EL元件、无机EL元件、LED等)、发光晶体管元件(根据电流发光的晶体管)、电子发射元件、液晶元件、电子墨水元件、电泳元件、电湿润(electrowetting)元件、等离子体显示面板(PDP)、MEMS(微电子机械***)、显示器(例如光栅光阀(GLV)、数字微镜设备(DMD)、数码微快门(DMS)元件、干涉调制(IMOD)元件等)、压电陶瓷显示器等。
此外，作为使用EL元件的显示装置的一个例子，有EL显示器等。作为使用电子发射元件的显示装置的一个例子，有场致发射显示器(FED)或SED方式平面型显示器(SED：Surface-conduction Electron-emitter Display、表面传导电子发射显示器)等。作为使用液晶元件的显示装置的一个例子，有液晶显示器(透射式液晶显示器、半透射式液晶显示器、反射式液晶显示器、直观式液晶显示器、投射式液晶显示器)等。作为使用电子墨水元件或电泳元件的显示装置的一个例子，有电子纸等。注意，当实现半透射式液晶显示器或反射式液晶显示器时，使像素电极的一部分或全部具有反射电极的功能，即可。例如，使像素电极的一部分或全部包含铝、银等，即可。并且，此时也可以将SRAM等存储电路设置在反射电极下。由此，可以进一步降低功耗。
作为显示装置700的显示方式，可以采用逐行扫描方式或隔行扫描方式等。另外，作为当进行彩色显示时在像素中控制的颜色要素，不局限于RGB(R表示红色，G表示绿色，B表示蓝色)这三种颜色。例如，可以由R像素、G像素、B像素及W(白色)像素的四个像素构成。或者，如PenTile排列，也可以由RGB中的两个颜色构成一个颜色要素，并根据颜色要素选择不同的两个颜色来构成。或者可以对RGB追加黄色(yellow)、青色(cyan)、品红色(magenta)等中的一种以上的颜色。另外，各个颜色要素的点的显示区域的大小可以不同。但是，所公开的发明不局限于彩色显示的显示装置，而也可以应用于黑白显示的显示装置。
另外，为了将白色光(W)用于背光(有机EL元件、无机EL元件、LED、荧光灯等)使显示装置进行全彩色显示，也可以使用着色层(也称为滤光片)。作为着色层，例如可以适当地组合红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)、黄色(Y)等而使用。通过使用着色层，可以与不使用着色层的情况相比进一步提高颜色再现性。此时，也可以通过设置包括着色层的区域和不包括着色层的区域，将不包括着色层的区域中的白色光直接用于显示。通过部分地设置不包括着色层的区域，在显示明亮的图像时，有时可以减少着色层所引起的亮度降低而减少功耗两成至三成左右。但是，在使用有机EL元件或无机EL元件等自发光元件进行全彩色显示时，也可以从具有各发光颜色的元件发射R、G、B、Y、W。通过使用自发光元件，有时与使用着色层的情况相比进一步减少功耗。
此外，作为彩色化的方式，除了经过滤色片将来自上述白色光的发光的一部分转换为红色、绿色及蓝色的方式(滤色片方式)之外，还可以使用分别使用红色、绿色及蓝色的发光的方式(三色方式)以及将来自蓝色光的发光的一部分转换为红色或绿色的方式(颜色转换方式或量子点方式)。
在本实施方式中，使用图57至图59说明作为显示元件使用液晶元件及EL元件的结构。图57及图58各自是沿着图56所示的点划线Q-R的截面图，作为显示元件使用液晶元件的结构。另外，图59是沿着图56所示的点划线Q-R的截面图，作为显示元件使用EL元件的结构。
下面，首先说明图57、图58以及图59所示的共同部分，接着说明不同的部分。
[显示装置的共同部分的说明]
图57、图58以及图59所示的显示装置700包括：引绕布线部711；像素部702；源极驱动电路部704；以及FPC端子部708。另外，引绕布线部711包括信号线710。另外，像素部702包括晶体管750及电容器790。另外，源极驱动电路部704包括晶体管752。
晶体管750及晶体管752都具有与上述晶体管100B同样的结构。晶体管750及晶体管752也可以都采用使用上述实施方式所示的其他晶体管的结构。
在本实施方式中使用的晶体管包括高度纯化且氧缺陷的形成被抑制的氧化物半导体膜。该晶体管可以降低关态电流。因此，可以延长图像信号等电信号的保持时间，在开启电源的状态下也可以延长写入间隔。因此，可以降低刷新工作的频度，由此可以发挥抑制功耗的效果。
另外，在本实施方式中使用的晶体管能够得到较高的场效应迁移率，因此能够进行高速驱动。例如，通过将这种能够进行高速驱动的晶体管用于液晶显示装置，可以在同一衬底上形成像素部的开关晶体管及用于驱动电路部的驱动晶体管。也就是说，因为作为驱动电路不需要另行使用由硅片等形成的半导体装置，所以可以缩减半导体装置的构件数。另外，在像素部中也可以通过使用能够进行高速驱动的晶体管提供高品质的图像。
电容器790包括：通过对与晶体管750所包括的用作第一栅电极的导电膜相同的导电膜进行加工而形成的下部电极；以及通过对与晶体管750所包括的用作源电极及漏电极的导电膜相同的导电膜进行加工而形成的上部电极。另外，在下部电极与上部电极之间设置有：通过形成与晶体管750所包括的用作第一栅极绝缘膜的绝缘膜相同的绝缘膜而形成的绝缘膜；以及通过形成与晶体管750的用作保护绝缘膜的绝缘膜相同的绝缘膜而形成的绝缘膜。就是说，电容器790具有将用作电介质膜的绝缘膜夹在一对电极之间的叠层型结构。
另外，在图57、图58以及图59中，在晶体管750、晶体管752及电容器790上设置有平坦化绝缘膜770。
图57、图58以及图59各自示出像素部702所包括的晶体管750及源极驱动电路部704所包括的晶体管752使用相同的结构的晶体管的结构，但是不局限于此。例如，像素部702及源极驱动电路部704也可以使用不同晶体管。具体而言，可以举出像素部702使用顶栅极型晶体管，且源极驱动电路部704使用底栅极型晶体管的结构，或者像素部702使用底栅极型晶体管，且源极驱动电路部704使用顶栅极型晶体管的结构等。此外，也可以将上述源极驱动电路部704换称为栅极驱动电路部。
信号线710与用作晶体管750、752的源电极及漏电极的导电膜在同一工序中形成。作为信号线710，例如，当使用包含铜元素的材料时，起因于布线电阻的信号延迟等较少，而可以实现大屏幕的显示。
另外，FPC端子部708包括连接电极760、各向异性导电膜780及FPC716。连接电极760与用作晶体管750、752的源电极及漏电极的导电膜在同一工序中形成。另外，连接电极760与FPC716所包括的端子通过各向异性导电膜780电连接。
另外，作为第一衬底701及第二衬底705，例如可以使用玻璃衬底。另外，作为第一衬底701及第二衬底705，也可以使用具有柔性的衬底。作为该具有柔性的衬底，例如可以举出塑料衬底等。
另外，在第一衬底701与第二衬底705之间设置有结构体778。结构体778是通过选择性地对绝缘膜进行蚀刻而得到的柱状的间隔物，用来控制第一衬底701与第二衬底705之间的距离(液晶盒厚(cell gap))。另外，作为结构体778，也可以使用球状的间隔物。
另外，在第二衬底705一侧，设置有用作黑矩阵的遮光膜738、用作滤色片的着色膜736、与遮光膜738及着色膜736接触的绝缘膜734。
[使用液晶元件的显示装置的结构例子]
图57所示的显示装置700包括液晶元件775。液晶元件775包括导电膜772、导电膜774及液晶层776。导电膜774设置在第二衬底705一侧并被用作对置电极。图57所示的显示装置700可以通过由施加到导电膜772与导电膜774之间的电压改变液晶层776的取向状态，由此控制光的透过及非透过而显示图像。
导电膜772电连接到晶体管750所具有的被用作源电极及漏电极的导电膜。导电膜772形成在平坦化绝缘膜770上并被用作像素电极，即显示元件的一个电极。
作为导电膜772，可以使用对可见光具有透光性的导电膜或对可见光具有反射性的导电膜。作为对可见光具有透光性的导电膜，例如，优选使用包含选自铟(In)、锌(Zn)、锡(Sn)中的一种的材料。作为对可见光具有反射性的导电膜，例如，优选使用包含铝或银的材料。
在导电膜772使用对于可见光具有反射性的导电膜时，显示装置700为反射型液晶显示装置。此外，在导电膜772使用对于可见光具有透光性的导电膜时，显示装置700为透射型液晶显示装置。
通过改变导电膜772上的结构，可以改变液晶元件的驱动方式。图58示出此时的一个例子。此外，图58所示的显示装置700是作为液晶元件的驱动方式使用水平电场方式(例如，FFS模式)的结构的一个例子。在图58所示的结构的情况下，导电膜772上设置有绝缘膜773，绝缘膜773上设置有导电膜774。此时，导电膜774具有公共电极的功能，可以由隔着绝缘膜773在导电膜772与导电膜774之间产生的电场控制液晶层776的取向状态。
注意，虽然在图57及图58中未图示，但是也可以分别在导电膜772和导电膜774中的一个或两个与液晶层776接触的一侧设置取向膜。此外，虽然在图57及图58中未图示，但是也可以适当地设置偏振构件、相位差构件、抗反射构件等光学构件(光学衬底)等。例如，也可以使用利用偏振衬底及相位差衬底的圆偏振。此外，作为光源，也可以使用背光、侧光等。
在作为显示元件使用液晶元件的情况下，可以使用热致液晶、低分子液晶、高分子液晶、高分子分散型液晶、铁电液晶、反铁电液晶等。这些液晶材料根据条件呈现出胆甾相、近晶相、立方相、手征向列相、均质相等。
此外，在采用横向电场方式的情况下，也可以使用不使用取向膜的呈现蓝相的液晶。蓝相是液晶相的一种，是指当使胆甾型液晶的温度上升时即将从胆甾相转变到均质相之前出现的相。因为蓝相只在较窄的温度范围内出现，所以将其中混合了几wt％以上的手征试剂的液晶组合物用于液晶层，以扩大温度范围。由于包含呈现蓝相的液晶和手征试剂的液晶组成物的响应速度快，并且其具有光学各向同性。由此，包含呈现蓝相的液晶和手征试剂的液晶组成物不需要取向处理。另外，因不需要设置取向膜而不需要摩擦处理，因此可以防止由于摩擦处理而引起的静电破坏，由此可以降低制造工序中的液晶显示装置的不良和破损。此外，呈现蓝相的液晶材料的视角依赖性小。
另外，当作为显示元件使用液晶元件时，可以使用：TN(Twisted Nematic：扭曲向列)模式、IPS(In-Plane-Switching：平面内转换)模式、FFS(Fringe Field Switching：边缘电场转换)模式、ASM(Axially Symmetric aligned Micro-cell：轴对称排列微单元)模式、OCB(Optically Compensated Birefringence：光学补偿弯曲)模式、FLC(Ferroelectric Liquid Crystal：铁电性液晶)模式以及AFLC(AntiFerroelectricLiquid Crystal：反铁电性液晶)模式等。
另外，显示装置也可以使用常黑型液晶显示装置，例如采用垂直取向(VA)模式的透过型液晶显示装置。作为垂直取向模式，可以举出几个例子，例如可以使用MVA(Multi-Domain Vertical Alignment：多畴垂直取向)模式、PVA(Patterned Vertical Alignment：垂直取向构型)模式、ASV模式等。
[使用发光元件的显示装置]
图59所示的显示装置700包括发光元件782。发光元件782包括导电膜772、EL层786及导电膜788。图59所示的显示装置700通过发光元件782所包括的EL层786发光，可以显示图像。此外，EL层786具有有机化合物或量子点等无机化合物。
作为可以用于有机化合物的材料，可以举出荧光性材料或磷光性材料等。此外，作为可以用于量子点的材料，可以举出胶状量子点、合金型量子点、核壳(Core Shell)型量子点、核型量子点等。另外，也可以使用包含第12族与第16族、第13族与第15族或第14族与第16族的元素群的材料。或者，可以使用包含镉(Cd)、硒(Se)、锌(Zn)、硫(S)、磷(P)、铟(In)、碲(Te)、铅(Pb)、镓(Ga)、砷(As)、铝(Al)等元素的量子点材料。
上述有机化合物及无机化合物例如可以利用蒸镀法(包括真空蒸镀法)、液滴喷射法(也称为喷墨法)、涂敷法、凹版印刷法等方法形成。此外，作为EL层786也可以包含低分子材料、中分子材料(包括低聚物、树枝状聚合物)或者高分子材料。
这里，参照图60A至图60D说明液滴喷射法形成EL层786的方法。图60A至图60D是说明EL层786的形成方法的截面图。
首先，在平坦化绝缘膜770上形成导电膜772，以覆盖导电膜772的一部分的方式形成绝缘膜730(参照图60A)。
接着，在作为绝缘膜730的开口的导电膜772的露出部利用液滴喷射装置783喷射液滴784，来形成包含组成物的层785。液滴784是包含溶剂的组成物，附着于导电膜772上(参照图60B)。
此外，也可以在减压下进行喷射液滴784的工序。
接着，通过去除包含组成物的层785中的溶剂而使其固化，形成EL层786(参照图60C)。
作为去除溶剂的方法，可以进行干燥工序或加热工序。
接着，在EL层786上形成导电膜788，形成发光元件782(参照图60D)。
如上所述，通过利用液滴喷射法形成EL层786，可以选择性地喷射组成物，因此可以减少材料的损失。另外，由于不需要经过用来进行形状的加工的光刻工序等，所以可以使工序简化，从而可以以低成本形成EL层。
另外，上述的液滴喷射法为包括如下单元的总称，该单元为具有组成物的喷射口的喷嘴或者具有一个或多个喷嘴的头等液滴喷射单元。
接着，参照图61说明在液滴喷射法中利用的液滴喷射装置。图61是说明液滴喷射装置1400的示意图。
液滴喷射装置1400包括液滴喷射单元1403。液滴喷射单元1403包括头1405、头1412。
通过由计算机1410控制与头1405、头1412连接的控制单元1407，可以描画预先编程了的图案。
另外，作为描画的时机，例如可以以形成在衬底1402上的标记1411为基准而进行描画。或者，也可以以衬底1402的边缘为基准而确定基准点。在此，利用成像单元1404检测出标记1411，将通过图像处理单元1409转换为数字信号的标记1411利用计算机1410识别而产生控制信号，以将该控制信号传送至控制单元1407。
作为成像单元1404，可以利用使用电荷耦合器(CCD)、互补型金属氧化物半导体(CMOS)的图像传感器等。另外，在衬底1402上需要形成的图案的数据存储于存储媒体1408，可以基于该数据将控制信号传送至控制单元1407，来分别控制液滴喷射单元1403的头1405、头1412等各头。喷射的材料分别从材料供应源1413、材料供应源1414通过管道供应到头1405、头1412。
头1405的内部包括以虚线1406所示的填充液状材料的空间及喷射口的喷嘴。在此未图示，但是头1412具有与头1405相同的内部结构。通过将头1405的喷嘴的尺寸与头1412的喷嘴的尺寸不同，可以使用不同的材料同时描画具有不同的宽度的图案。使用一个头可以喷射多种发光材料且描画图案，于是在对广区域描画图案的情况下，为了提高处理量，同时使用多个喷嘴喷射同一发光材料而可以描画图案。在使用大型衬底的情况下，头1405和头1412在图61所示的箭头的X、Y或Z的方向上自由地对衬底进行扫描，可以自由地设定描画的区域，由此可以在一个衬底上描画多个相同的图案。
另外，可以在减压下进行喷射组成物的工序。可以在加热衬底的状态下喷射组成物。在喷射组成物之后，进行干燥工序和烧成工序中的一个或两个。干燥工序及烧成工序都是一种加热处理的工序，各工序的目的、温度及时间不同。干燥工序及烧成工序在常压或减压下通过激光的照射、快速热退火或加热炉的使用等进行。注意，对进行该加热处理的时机、加热处理的次数没有特别的限制。为了进行良好的干燥工序及烧成工序，其温度依赖于衬底的材料及组成物的性质。
如上所述，可以利用液滴喷射装置形成EL层786。
再次次到图59所示的显示装置700的说明。
在图59所示的显示装置700中，在平坦化绝缘膜770及导电膜772上设置有绝缘膜730。绝缘膜730覆盖导电膜772的一部分。发光元件782采用顶部发射结构。因此，导电膜788具有透光性且使EL层786发射的光透过。注意，虽然在本实施方式中例示出顶部发射结构，但是不局限于此。例如，也可以应用于向导电膜772一侧发射光的底部发射结构或向导电膜772一侧及导电膜788一侧的双方发射光的双面发射结构。
另外，在与发光元件782重叠的位置上设置有着色膜736，并在与绝缘膜730重叠的位置、引绕布线部711及源极驱动电路部704中设置有遮光膜738。着色膜736及遮光膜738被绝缘膜734覆盖。由密封膜732填充发光元件782与绝缘膜734之间。注意，虽然例示出在图59所示的显示装置700中设置着色膜736的结构，但是并不局限于此。例如，在通过分别涂布来形成EL层786时，也可以采用不设置着色膜736的结构。
[在显示装置中设置输入输出装置的结构例子]
也可以在图58及图59所示的显示装置700中设置输入输出装置。作为该输入输出装置例如可以举出触摸屏等。
图62示出在图58所示的显示装置700中设置触摸屏791的结构，图63示出在图59所示的显示装置700中设置触摸屏791的结构。
图62是在图58所示的显示装置700中设置触摸屏791的截面图，图63是在图59所示的显示装置700中设置触摸屏791的截面图。
首先，以下说明图62及图63所示的触摸屏791。
图62及图63所示的触摸屏791是设置在衬底705与着色膜736之间的所谓In-Cell型触摸屏。触摸屏791在形成遮光膜738及着色膜736之前形成在衬底705一侧即可。
触摸屏791包括遮光膜738、绝缘膜792、电极793、电极794、绝缘膜795、电极796、绝缘膜797。例如，通过接近手指或触屏笔等检测对象，可以检测出电极793与电极794的互电容的变化。
此外，在图62及图63所示的晶体管750的上方示出电极793、电极794的交叉部。电极796通过设置在绝缘膜795中的开口与夹住电极794的两个电极793电连接。此外，在图62及图63中示出设置有电极796的区域设置在像素部702中的结构，但是不局限于此，例如也可以形成在源极驱动电路部704中。
电极793及电极794设置在与遮光膜738重叠的区域。此外，如图63所示，电极793优选以不与发光元件782重叠的方式设置。此外，如图62所示，电极793优选以不与液晶元件775重叠的方式设置。换言之，电极793在与发光元件782及液晶元件775重叠的区域具有开口。也就是说，电极793具有网格形状。通过采用这种结构，电极793可以具有不遮断发光元件782所发射的光的结构。或者，电极793也可以具有不遮断透过液晶元件775的光的结构。因此，由于因配置触摸屏791而导致的亮度下降极少，所以可以实现可见度高且功耗得到降低的显示装置。此外，电极794也可以具有相同的结构。
电极793及电极794由于不与发光元件782重叠，所以电极793及电极794可以使用可见光的透过率低的金属材料。或者，电极793及电极794由于不与液晶元件775重叠，所以电极793及电极794可以使用可见光的透过率低的金属材料。
因此，与使用可见光的透过率高的氧化物材料的电极相比，可以降低电极793及电极794的电阻，由此可以提高触摸屏的传感器灵敏度。
例如，电极793、794、796也可以使用导电纳米线。该纳米线的直径平均值可以为1nm以上且100nm以下，优选为5nm以上且50nm以下，更优选为5nm以上且25nm以下。此外，作为上述纳米线可以使用Ag纳米线、Cu纳米线、Al纳米线等金属纳米线或碳纳米管等。例如，在作为电极664、665、667中的任一个或全部使用Ag纳米线的情况下，能够实现89％以上的可见光透过率及40Ω/平方以上且100Ω/平方以下的薄层电阻值。
虽然在图62及图63中示出In-Cell型触摸屏的结构，但是不局限于此。例如，也可以采用形成在显示装置700上的所谓On-Cell型触摸屏或贴合于显示装置700而使用的所谓Out-Cell型触摸屏。
如此，本发明的一个方式的显示装置可以与各种方式的触摸屏组合而使用。
本实施方式的至少一部分可以与本说明书所记载的其他实施方式适当地组合而实施。
实施方式6
在本实施方式中，说明本发明的一个方式的半导体装置的一个例子。在本实施方式中示出的晶体管是适用于微型化的晶体管。
图64A至图64C示出晶体管200的俯视图。图64A是晶体管200的俯视图。注意，为了明确起见，在图64A中省略一部分的膜。图64B是沿着图64A所示的点划线X1-X2的截面图，图64C是沿着Y1-Y2的截面图。
晶体管200包括：被用作栅电极的导电体205(导电体205a及导电体205b)及导电体260(导电体260a及导电体260b)；被用作栅极绝缘层的绝缘体220、绝缘体222、绝缘体224及绝缘体250；具有其中形成沟道的区域的氧化物半导体230(氧化物半导体230a、氧化物半导体230b及氧化物半导体230c)；被用作源极和漏极中的一个的导电体240a；被用作源极和漏极中的另一个的导电体240b；包含过剩氧的绝缘体280。
氧化物半导体230包括氧化物半导体230a、氧化物半导体230a上的氧化物半导体230b、以及氧化物半导体230b上的氧化物半导体230c。当使晶体管200导通时，电流主要流过氧化物半导体230b(形成沟道)。另一方面，在氧化物半导体230a及氧化物半导体230c中，有时在与氧化物半导体230b之间的界面附近(有时成为混合区域)电流流过，但是其他区域被用作绝缘体。
在图64A至图64C的结构中，被用作栅电极的导电体260具有包括导电体260a及导电体260b的叠层结构。另外，在被用作栅电极的导电体260上包括绝缘体270。
导电体205可以使用包含选自钼、钛、钽、钨、铝、铜、铬、钕、钪中的元素的金属膜或以上述元素为成分的金属氮化物膜(氮化钛膜、氮化钼膜、氮化钨膜)等。或者，也可以使用铟锡氧化物、包含氧化钨的铟氧化物、包含氧化钨的铟锌氧化物、包含氧化钛的铟氧化物、包含氧化钛的铟锡氧化物、铟锌氧化物、添加有氧化硅的铟锡氧化物等导电材料。
例如，作为导电体205a可以使用具有对氢的阻挡性的导电体的氮化钽等，作为导电体205b可以层叠导电性高的钨。通过使用该组合，可以在保持作为布线的导电性的同时抑制氢扩散到氧化物半导体230。在图64A至图64C中，示出导电体205a和导电体205b的两层结构，但是也可以不局限于此，既可以是单层又可以是三层以上的叠层结构。
绝缘体220及绝缘体224的每一个优选为氧化硅膜或氧氮化硅膜等包含氧的绝缘体。尤其是，作为绝缘体224优选使用包含过剩氧(含有超过化学计量组成的氧)的绝缘体。通过以与构成晶体管200的氧化物接触的方式设置上述包含过剩氧的绝缘体，可以填补氧化物中的氧缺陷。注意，绝缘体220及绝缘体224不一定必须要使用相同材料形成。
作为绝缘体222，例如优选使用包含氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氧化铝、氧化铪、氧化钽、氧化锆、锆钛酸铅(PZT)、钛酸锶(SrTiO3)或(Ba，Sr)TiO3(BST)等所谓的high-k材料的绝缘体的单层或叠层。或者，例如也可以对这些绝缘体添加氧化铝、氧化铋、氧化锗、氧化铌、氧化硅、氧化钛、氧化钨、氧化钇、氧化锆。此外，也可以对这些绝缘体进行氮化处理。还可以在上述绝缘体上层叠氧化硅、氧氮化硅或氮化硅。
绝缘体222也可以具有两层以上的叠层结构。此时，不局限于使用相同材料构成的叠层结构，也可以是使用不同材料形成的叠层结构。
当在绝缘体220和绝缘体224之间包括包含high-k材料的绝缘体222时，在特定条件下，绝缘体222俘获电子，可以增大阈值电压。就是说，绝缘体222有时带负电。
例如，当将氧化硅用于绝缘体220及绝缘体224，将氧化铪、氧化铝、氧化钽等电子俘获态多的材料用于绝缘体222时，在比半导体装置的使用温度或保存温度高的温度(例如，125℃以上且450℃以下，典型的是150℃以上且300℃以下)下保持导电体205的电位高于源电极或漏电极的电位的状态10毫秒以上，典型是1分钟以上，由此电子从构成晶体管200的氧化物向导电体205移动。此时，移动的电子的一部分被绝缘体222的电子俘获态俘获。
在绝缘体222的电子俘获态俘获所需要的电子的晶体管的阈值电压向正一侧漂移。通过控制导电体205的电压可以控制电子的俘获量，由此可以控制阈值电压。通过采用该结构，晶体管200成为在栅极电压为0V的情况下也处于非导通状态(也称为关闭状态)的常关闭型晶体管。
另外，俘获电子的处理在晶体管的制造过程中进行即可。例如，在形成与晶体管的源极导电体或漏极导电体连接的导电体之后、前工序(薄片处理)结束之后、薄片切割工序之后或者封装之后等发货之前的任一个阶段进行俘获电子的处理即可。
通过适当地调整绝缘体220、绝缘体222、绝缘体224的厚度，可以控制阈值电压。另外，本发明的一个方式可以提供一种关闭状态时的泄漏电流小的晶体管。另外，本发明的一个方式可以提供一种具有稳定的电特性的晶体管。另外，本发明的一个方式可以提供一种通态电流大的晶体管。另外，本发明的一个方式可以提供一种亚阈值摆幅值小的晶体管。另外，本发明的一个方式可以提供一种可靠性高的晶体管。
氧化物半导体230a、氧化物半导体230b及氧化物半导体230c使用In-M-Zn氧化物(M为Al、Ga、Y或Sn)等金属氧化物形成。作为氧化物半导体230，也可以使用In-Ga氧化物、In-Zn氧化物。
作为绝缘体250，例如可以使用包含氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氧化铝、氧化铪、氧化钽、氧化锆、锆钛酸铅(PZT)、钛酸锶(SrTiO3)或(Ba，Sr)TiO3(BST)等所谓的high-k材料的绝缘体的单层或叠层。或者，例如也可以对这些绝缘体添加氧化铝、氧化铋、氧化锗、氧化铌、氧化硅、氧化钛、氧化钨、氧化钇、氧化锆。此外，也可以对这些绝缘体进行氮化处理。还可以在上述绝缘体上层叠氧化硅、氧氮化硅或氮化硅。
另外，与绝缘体224同样，作为绝缘体250优选使用其氧含量超过满足化学计量组成的氧化物绝缘体。通过以与氧化物半导体230接触的方式设置上述包含过剩氧的绝缘体，可以减小氧化物半导体230中的氧缺陷。
绝缘体250可以使用氧化铝、氧氮化铝、氧化镓、氧氮化镓、氧化钇、氧氮化钇、氧化铪、氧氮化铪、氮化硅等对于氧或氢具有阻挡性的绝缘膜。当使用这种材料形成绝缘体时，绝缘体被用作防止从氧化物半导体230释放氧或从外部混入氢等杂质的层。
绝缘体250也可以具有与绝缘体220、绝缘体222及绝缘体224同样的叠层结构。当作为绝缘体250具有在电子俘获态俘获所需要的电子的绝缘体时，晶体管200的阈值电压可以向正一侧漂移。通过采用该结构，晶体管200成为在栅极电压为0V的情况下也处于非导通状态(也称为关闭状态)的常关闭型晶体管。
另外，在图64A至图64C所示的半导体装置中，可以在氧化物半导体230和导电体260之间除了绝缘体250以外还可以设置阻挡膜。或者，作为氧化物半导体230c，使用具有阻挡性的材料。
例如，通过以与氧化物半导体230接触的方式设置包含过剩氧的绝缘膜，且由阻挡膜包围这些膜，可以使氧化物为与化学计量组成大致一致的状态或者超过化学计量组成的氧的过饱和状态。此外，可以防止对氧化物半导体230侵入氢等杂质。
导电体240a和导电体240b中的一个被用作源电极，另一个被用作漏电极。
导电体240a和导电体240b可以使用铝、钛、铬、镍、铜、钇、锆、钼、银、钽或钨等金属或者以这些元素为主要成分的合金。在附图中，导电体240a和导电体240b都具有单层结构，但是也可以采用两层以上的叠层结构。
例如，可以层叠钛膜和铝膜。另外，也可以采用在钨膜上层叠铝膜的两层结构、在铜-镁-铝合金膜上层叠铜膜的两层结构、在钛膜上层叠铜膜的两层结构、在钨膜上层叠铜膜的两层结构。
另外，也可以使用：在钛膜或氮化钛膜上层叠铝膜或铜膜并在其上形成钛膜或氮化钛膜的三层结构、在钼膜或氮化钼膜上层叠铝膜或铜膜而并在其上形成钼膜或氮化钼膜的三层结构等。另外，可使用包含氧化铟、氧化锡或氧化锌的透明导电材料。
被用作栅电极的导电体260例如可以使用选自铝、铬、铜、钽、钛、钼、钨中的金属、以上述金属为成分的合金或组合上述金属的合金等而形成。另外，也可以使用选自锰、锆中的一个或多个的金属。此外，也可以使用以掺杂有磷等杂质元素的多晶硅为代表的半导体、镍硅化物等硅化物。
例如，在铝膜上层叠钛膜的两层结构。另外，也可以采用在氮化钛膜上层叠钛膜的两层结构、在氮化钛膜上层叠钨膜的两层结构、在氮化钽膜或氮化钨膜上层叠钨膜的两层结构。
还有在钛膜上层叠铝膜，在其上层叠钛膜的三层结构等。此外，也可以使用组合铝与选自钛、钽、钨、钼、铬、钕、钪中的一种或多种元素的合金膜或氮化膜。
作为导电体260，也可以使用铟锡氧化物、包含氧化钨的铟氧化物、包含氧化钨的铟锌氧化物、包含氧化钛的铟氧化物、包含氧化钛的铟锡氧化物、铟锌氧化物、添加有氧化硅的铟锡氧化物等具有透光性的导电材料。另外，可以采用上述具有透光性的导电材料和上述金属的叠层结构。
导电体260a利用热CVD法、MOCVD法或ALD法形成。尤其是，优选使用原子层沉积(ALD：Atomic Layer Deposition)法形成导电体260a。通过使用ALD法等进行形成可以减少绝缘体250所受到的等离子体所导致的损伤。另外，可以提高覆盖性，所以是优选的。因此，可以提供一种可靠性高的晶体管200。
另外，导电体260b使用钽、钨、铜、铝等导电性高的材料形成。
以覆盖导电体260的方式形成绝缘体270，当将氧脱离的氧化物材料用于绝缘体280时，作为绝缘体270使用对氧具有阻挡性的物质，以防止由于脱离的氧导电体260氧化。
例如，作为绝缘体270可以使用氧化铝等金属氧化物。以防止导电体260的氧化的程度的厚度形成绝缘体270即可。例如，以1nm以上且10nm以下、优选为3nm以上且7nm以下的厚度形成绝缘体270。
因此，可以抑制导电体260的氧化，并从绝缘体280向氧化物半导体230有效地供应脱离的氧。
在晶体管200的上方设置绝缘体280。作为绝缘体280优选使用其氧含量超过化学计量组成的氧化物。就是说，在绝缘体280中，优选形成有比满足化学计量组成的氧多的氧存在的区域(以下，也称为过剩氧区域)。尤其是，在将氧化物半导体用于晶体管200时，作为晶体管200附近的层间膜等形成具有过剩氧区域的绝缘体，降低晶体管200的氧缺陷，而可以提高晶体管200的可靠性。
作为具有过剩氧区域的绝缘体，具体而言，优选使用由于加热而一部分的氧脱离的氧化物材料。通过加热使氧脱离的氧化物是指在TDS分析中换算为氧原子的氧的脱离量为1.0×1018atoms/cm3以上，优选为3.0×1020atoms/cm3以上的氧化物膜。另外，进行上述TDS分析时的膜的表面温度优选在100℃以上且700℃以下，或者100℃以上且500℃以下的范围内。
例如，作为这种材料，优选使用包含氧化硅或氧氮化硅的材料。另外，也可以使用金属氧化物。注意，在本说明书中，“氧氮化硅”是指氧含量多于氮含量的材料，“氮氧化硅”是指氮含量多于氧含量的材料。
覆盖晶体管200的绝缘体280也可以被用作覆盖其下方的凹凸形状的平坦化膜。
[应用例子]
以下，说明层叠使用其组成互不相同的晶体管的情况的例子。
图65所示的半导体装置包括晶体管400、晶体管200以及电容器410。
晶体管200是其沟道形成在包含氧化物半导体的半导体层中的晶体管。因为晶体管200的关态电流小，所以通过将该晶体管用于半导体装置(存储装置)，可以长期保持存储内容。换言之，因为可以形成不需要刷新工作或刷新工作的频度极低的半导体装置(存储装置)，所以可以充分降低功耗。
如图65所示，半导体装置包括晶体管400、晶体管200以及电容器410。晶体管200设置在晶体管400的上方，在晶体管400和晶体管200的上方设置有电容器410。
晶体管400设置在衬底401上，并且包括导电体406、绝缘体404、衬底401的一部分的半导体区域402、被用作源区域及漏区域的低电阻区域408a及低电阻区域408b。
晶体管400可以为p沟道晶体管或n沟道晶体管。
半导体区域402的其中形成沟道的区域或其附近的区域、被用作源区域及漏区域的低电阻区域408a及低电阻区域408b等优选包含硅类半导体等半导体，更优选包含单晶硅。另外，可以包含含有Ge(锗)、SiGe(硅锗)、GaAs(砷化镓)、GaAlAs(镓铝砷)等的材料。此外，也可以使用对晶格施加应力，改变晶面间距而控制有效质量的硅。此外，晶体管400也可以是使用GaAs和GaAlAs等的HEMT(High Electron Mobility Transistor：高电子迁移率晶体管)。
在低电阻区域408a及低电阻区域408b中，除了适用于半导体区域402的半导体材料之外，还包含砷、磷等赋予n型导电性的元素或硼等赋予p型导电性的元素。
作为被用作栅电极的导电体406，可以使用包含砷、磷等赋予n型导电性的元素或硼等赋予p型导电性的元素的硅等半导体材料、金属材料、合金材料或金属氧化物材料等导电材料。
通过利用导电体的材料决定功函数，可以调整阈值电压。具体而言，作为导电体优选使用氮化钛或氮化钽等材料。为了兼具导电性和埋入性，作为导电体优选使用钨或铝等金属材料的叠层，尤其在耐热性方面上优选使用钨。
图65所示的晶体管400是一个例子而已，不局限于该结构，根据电路结构或驱动方法使用适当的晶体管即可。
以覆盖晶体管400的方式依次层叠有绝缘体420、绝缘体422、绝缘体424及绝缘体426。
作为绝缘体420、绝缘体422、绝缘体424及绝缘体426，例如可以使用氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧氮化铝、氮氧化铝、氮化铝等。
绝缘体422被用作使因设置在其下方的晶体管400等而产生的台阶平坦化的平坦化膜。为了提高平坦性，也可以通过利用化学机械抛光(CMP：Chemical MechanicalPolishing)法等的平坦化处理使绝缘体422的顶面平坦化。
作为绝缘体424，例如优选使用具有阻挡性的膜，以防止氢或杂质从衬底401或晶体管400等扩散到设置晶体管200的区域。
例如，作为具有对氢的阻挡性的膜的一个例子，可以使用通过CVD法形成的氮化硅。在此，当氢扩散到晶体管200等的具有氧化物半导体的半导体元件时，该半导体元件的特性有时降低。因此，优选在晶体管200和晶体管400之间使用抑制氢的扩散的膜。抑制氢的扩散的膜具体的是氢的脱离量少的膜。
氢的脱离量例如可以利用热脱附谱分析法(TDS(Thermal DesorptionSpectroscopy))等测量。例如，在TDS分析中的50℃至500℃的范围内，当将换算为氢原子的脱离量换算为绝缘体424的每个面积的量时，绝缘体424中的氢的脱离量为10×1015atoms/cm2以下，优选为5×1015atoms/cm2以下，即可。
绝缘体426的介电常数优选比绝缘体424低。例如，绝缘体426的相对介电常数优选低于4，更优选低于3。此外，例如，绝缘体424的相对介电常数优选为绝缘体426的相对介电常数的0.7倍以下，更优选为0.6倍以下。通过将介电常数低的材料用于层间膜，可以降低产生在布线之间的寄生电容。
在绝缘体420、绝缘体422、绝缘体424及绝缘体426中埋入与电容器410或晶体管200电连接的导电体428及导电体430等。导电体428及导电体430都被用作插头或布线。注意，如后面说明，有时使用同一附图标记表示被用作插头或布线的多个导电体。此外，在本说明书等中，布线和电连接到该布线的插头也可以是一个构成要素。就是说，有时导电体的一部分被用作电极，或者有时导电体的一部分被用作插头。
作为各插头、布线(导电体428及导电体430等)的材料可以使用金属材料、合金材料、金属氮化物材料或金属氧化物材料等的导电材料的单层或叠层。优选使用兼具耐热性和导电性的钨或钼等高熔点材料，尤其优选使用钨。或者，优选使用铝或铜等低电阻导电材料。通过使用低电阻导电材料可以降低布线电阻。
导电体428及导电体430优选包括具有对氢的阻挡性的导电体。尤其是，优选在具有对氢的阻挡性的绝缘体424的开口部中形成具有对氢的阻挡性的导电体。由于该结构，利用阻挡层可以分离晶体管400和晶体管200，而可以抑制氢从晶体管400扩散到晶体管200。
作为具有对氢的阻挡性的导电体，例如可以使用氮化钽等。通过层叠氮化钽和导电性高的钨，可以在保持作为布线的导电性的同时抑制从晶体管400的氢扩散。在此情况下，优选的是，具有对氢的阻挡性的氮化钽层与具有对氢的阻挡性的绝缘体424接触。
在绝缘体426及导电体430上也可以设置布线层。例如，在图65中依次层叠有绝缘体450、绝缘体452及绝缘体454。在绝缘体450、绝缘体452及绝缘体454中形成有导电体456。导电体456被用作插头或布线。导电体456可以利用与导电体428及导电体430相同的材料形成。
导电体456优选使用铝或铜等低电阻导电材料形成。通过使用低电阻导电材料，可以降低布线电阻。当作为导电体456使用铜时，优选层叠用来抑制铜扩散的导电体。作为抑制铜扩散的导电体，例如可以使用钽、氮化钽等包含钽的合金、钌及包含钌的合金等。
例如，作为绝缘体450优选使用抑制铜扩散或具有对氧及氢的阻挡性的绝缘体。例如，作为抑制铜扩散的膜的一个例子，可以使用氮化硅。因此，绝缘体450可以使用与绝缘体424相同的材料。
尤其是，优选的是，以与抑制铜扩散的绝缘体450所具有的开口接触的方式设置抑制铜扩散的导电体，在抑制铜扩散的导电体上层叠铜。由于该结构，而可以抑制铜扩散到布线周围。
在绝缘体454上依次层叠有绝缘体458、绝缘体210、绝缘体212及绝缘体214。绝缘体458、绝缘体210、绝缘体212和绝缘体214中的任一个或全部优选使用抑制铜扩散或具有对氧及氢的阻挡性的物质形成。
绝缘体458及绝缘体212例如优选使用抑制铜的扩散的膜或者防止氢或杂质从形成有衬底401或晶体管400的区域等扩散到形成有晶体管200的区域的具有阻挡性的膜形成。因此，绝缘体458及绝缘体212可以使用与绝缘体424的形成相同的材料。
绝缘体210可以使用与绝缘体420相同的材料。例如，作为绝缘体210，可以使用氧化硅膜或氧氮化硅膜等。
例如，作为绝缘体214优选使用氧化铝、氧化铪、氧化钽等金属氧化物。
尤其是，氧化铝的不使氧、以及导致晶体管的电特性变动的氢、水分等杂质透过膜的阻挡效果高。因此，在晶体管的制造工序中或制造晶体管之后，氧化铝可以防止氢、水分等杂质混入晶体管200。另外，可以防止氧从构成晶体管200的氧化物释放。因此，氧化铝适用于晶体管200的保护膜。
在绝缘体214上形成绝缘体216。绝缘体216可以使用与绝缘体420相同的材料。例如，作为绝缘体216，可以使用氧化硅膜或氧氮化硅膜等。
在绝缘体458、绝缘体210、绝缘体212、绝缘体214及绝缘体216中埋入导电体218及构成晶体管200的导电体205等。导电体218被用作与电容器410或晶体管400电连接的插头或布线。导电体218可以使用与导电体428及导电体430相同的材料形成。
尤其是，与绝缘体458、绝缘体212及绝缘体214接触的区域的导电体218优选为抑制铜扩散或具有对氧、氢及水的阻挡性的导电体。由于该结构，可以利用抑制铜扩散或具有对氧、氢及水的阻挡性的层完全分离晶体管400和晶体管200。就是说，可以抑制铜从导电体456扩散，并可以抑制氢从晶体管400扩散到晶体管200。
在绝缘体214的上方设置有晶体管200及绝缘体280。图65所示的晶体管200是一个例子而已，不局限于该结构，根据电路结构或驱动方法使用适当的晶体管即可。
在绝缘体280上依次层叠有绝缘体282、绝缘体284及绝缘体470。在绝缘体220、绝缘体222、绝缘体224、绝缘体280、绝缘体282、绝缘体284及绝缘体470中埋入导电体244等。在晶体管200所包括的导电体240a和导电体240b等导电体上设置与上层的导电体连接的导电体245等。导电体244被用作与电容器410、晶体管200或晶体管400电连接的插头或布线。导电体244可以使用与导电体428及导电体430相同的材料形成。
绝缘体282和绝缘体284中的一个或两个优选使用具有对氧或氢的阻挡性的物质。因此，绝缘体282可以使用与绝缘体214相同的材料。绝缘体284可以使用与绝缘体212相同的材料。
例如，绝缘体282优选使用氧化铝、氧化铪、氧化钽等金属氧化物。
尤其是，氧化铝的不使氧、以及导致晶体管的电特性的变动的氢、水分等杂质透过膜的阻挡效果高。因此，在晶体管的制造工序中或制造晶体管之后，氧化铝可以防止氢、水分等杂质混入晶体管200。另外，可以防止氧从构成晶体管200的氧化物释放。因此，氧化铝适用于晶体管200的保护膜。
作为绝缘体284优选使用具有阻挡性的膜，以防止氢或杂质从设置电容器410的区域扩散到设置晶体管200的区域。因此，绝缘体284可以使用与绝缘体424相同的材料。
例如，作为具有对氢的阻挡性的膜的一个例子，可以使用通过CVD法形成的氮化硅。在此，当氢扩散到晶体管200等的具有氧化物半导体的半导体元件时，该半导体元件的特性有时降低。因此，优选在晶体管200和晶体管400之间使用抑制氢的扩散的膜。抑制氢的扩散的膜具体的是氢的脱离量少的膜。
因此，可以由绝缘体210、绝缘体212和绝缘体214的叠层结构与绝缘体282和绝缘体284的叠层结构夹住晶体管200及包含过剩氧区域的绝缘体280。绝缘体210、绝缘体212、绝缘体214、绝缘体282及绝缘体284具有抑制氧或氢及水等杂质的扩散的阻挡性。
可以抑制从绝缘体280及晶体管200释放的氧扩散到形成有电容器410或晶体管400的层。或者，可以抑制氢及水等杂质从绝缘体282的上方的层及绝缘体214的下方的层扩散到晶体管200。
就是说，可以将氧从绝缘体280的过剩氧区域高效地供应到晶体管200中的其中形成沟道的氧化物，而可以减少氧缺陷。另外，可以防止由于杂质而在晶体管200中的其中形成沟道的氧化物中形成氧缺陷。因此，可以将晶体管200中的其中形成沟道的氧化物形成为缺陷态密度低且特性稳定的氧化物半导体。就是说，在抑制晶体管200的电特性变动的同时，可以提高可靠性。
在绝缘体470的上方形成有电容器410及导电体474。电容器410形成在绝缘体470上，并包括导电体462、绝缘体480、绝缘体482、绝缘体484及导电体466。导电体474被用作与电容器410、晶体管200或晶体管400电连接的插头或布线。
作为导电体462可以使用金属材料、合金材料、金属氧化物材料等导电材料。优选使用兼具耐热性和导电性的钨或钼等高熔点材料，尤其优选使用钨。当与导电体等其他结构同时形成该导电体462时，使用低电阻金属材料的铜或铝等即可。
导电体474可以使用与被用作电容器的电极的导电体462相同的材料形成。
在导电体474及导电体462上形成绝缘体480、绝缘体482、绝缘体484。作为绝缘体480、绝缘体482及绝缘体484例如可以使用氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧氮化铝、氮氧化铝、氮化铝、氧化铪、氧氮化铪、氮氧化铪、氮化铪等。在附图中，采用三层结构，也可以采用单层、两层或四层以上的叠层结构。
例如，优选的是，作为绝缘体480及绝缘体484使用氧氮化硅等介电强度大的材料，作为绝缘体484使用氧化铝等介电常数高(high-k)的材料与氧氮化硅等介电强度大的材料的叠层结构。由于该结构，电容器410包含介电常数高(high-k)的绝缘体，而可以确保充分的电容，在包括介电强度大的绝缘体时绝缘强度得到提高而可以抑制电容器410的静电放电。
在导电体462上隔着绝缘体480、绝缘体482及绝缘体484形成导电体466。作为导电体466可以使用金属材料、合金材料、金属氧化物材料等导电材料。优选使用兼具耐热性和导电性的钨或钼等高熔点材料，尤其优选使用钨。当与导电体等其他结构同时形成时，使用低电阻金属材料的铜或铝等即可。
例如，如图65所示，以覆盖导电体462的顶面及侧面的方式形成绝缘体480、绝缘体482及绝缘体484。并且，隔着绝缘体480、绝缘体482及绝缘体484以覆盖导电体462的顶面及侧面的方式形成导电体466。
就是说，在导电体462的侧面还形成电容，因此可以增加电容器的每投影面积的电容。因此，能够实现半导体装置的小面积化、高集成化以及微型化。
在导电体466及绝缘体484上形成有绝缘体460。绝缘体460可以使用与绝缘体420相同的材料形成。覆盖电容器410的绝缘体460也可以被用作覆盖其下方的凹凸形状的平坦化膜。
以上是应用例子的说明。
本实施方式的至少一部分可以与本说明书所记载的其他实施方式适当地组合而实施。
实施方式7
在本实施方式中，使用图66A至图66C说明包括本发明的一个方式的半导体装置的显示装置。
[显示装置的电路结构]
图66A所示的显示装置包括：具有显示元件的像素的区域(以下称为像素部502)；配置在像素部502外侧并具有用来驱动像素的电路的电路部(以下称为驱动电路部504)；各自具有保护元件的功能的电路(以下称为保护电路506)；以及端子部507。此外，也可以不设置保护电路506。
驱动电路部504的一部分或全部与像素部502优选形成在同一衬底上。由此，可以减少构件的数量及端子的数量。当驱动电路部504的一部分或全部与像素部502不形成在同一衬底上时，驱动电路部504的一部分或全部可以通过COG或TAB(Tape AutomatedBonding：卷带自动结合)安装。
像素部502包括用来驱动配置为X行(X为2以上的自然数)Y列(Y为2以上的自然数)的多个显示元件的电路(以下称为像素电路501)，驱动电路部504包括输出用来选择像素的信号(扫描信号)的电路(以下称为栅极驱动器504a)以及供应用来驱动像素中的显示元件的信号(数据信号)的电路(以下称为源极驱动器504b)等驱动电路。
栅极驱动器504a具有移位寄存器等。栅极驱动器504a通过端子部507接收用来驱动移位寄存器的信号并输出信号。例如，栅极驱动器504a被输入起始脉冲信号、时钟信号等并输出脉冲信号。栅极驱动器504a具有控制被供应扫描信号的布线(以下称为扫描线GL_1至GL_X)的电位的功能。另外，也可以设置多个栅极驱动器504a，并通过多个栅极驱动器504a各别控制扫描线GL_1至GL_X。或者，栅极驱动器504a具有供应初始化信号的功能。但是，不局限于此，栅极驱动器504a也可以供应其他信号。
源极驱动器504b具有移位寄存器等。源极驱动器504b通过端子部507接收用来驱动移位寄存器的信号和从其中得出数据信号的信号(图像信号)。源极驱动器504b具有根据图像信号生成写入到像素电路501的数据信号的功能。另外，源极驱动器504b具有依照由于起始脉冲信号、时钟信号等的输入产生的脉冲信号来控制数据信号的输出的功能。另外，源极驱动器504b具有控制被供应数据信号的布线(以下称为数据线DL_1至DL_Y)的电位的功能。或者，源极驱动器504b具有供应初始化信号的功能。但是，不局限于此，源极驱动器504b可以供应其他信号。
源极驱动器504b例如使用多个模拟开关等来构成。源极驱动器504b通过依次使多个模拟开关开启而可以输出对图像信号进行时间分割所得到的信号作为数据信号。此外，也可以使用移位寄存器等构成源极驱动器504b。
脉冲信号及数据信号分别通过被供应扫描信号的多个扫描线GL之一及被供应数据信号的多个数据线DL之一被输入到多个像素电路501的每一个。另外，栅极驱动器504a控制多个像素电路501的每一个中的数据信号的写入及保持。例如，脉冲信号通过扫描线GL_m(m是X以下的自然数)从栅极驱动器504a被输入到第m行第n列的像素电路501，数据信号根据扫描线GL_m的电位通过数据线DL_n(n是Y以下的自然数)从源极驱动器504b被输入到第m行第n列的像素电路501。
图66A所示的保护电路506例如连接于作为栅极驱动器504a和像素电路501之间的布线的扫描线GL。或者，保护电路506连接于作为源极驱动器504b和像素电路501之间的布线的数据线DL。或者，保护电路506可以连接于栅极驱动器504a和端子部507之问的布线。或者，保护电路506可以连接于源极驱动器504b和端子部507之间的布线。此外，端子部507是指设置有用来从外部的电路对显示装置输入电力、控制信号及图像信号的端子的部分。
保护电路506是在对与其连接的布线供应一定范围之外的电位时使该布线与其他布线之间导通的电路。
如图66A所示，通过对像素部502和驱动电路部504设置保护电路506，可以提高显示装置对因ESD(Electro Static Discharge：静电放电)等而产生的过电流的耐性。但是，保护电路506的结构不局限于此，例如，也可以采用将栅极驱动器504a与保护电路506连接的结构或将源极驱动器504b与保护电路506连接的结构。或者，也可以采用将端子部507与保护电路506连接的结构。
另外，虽然在图66A中示出由栅极驱动器504a和源极驱动器504b形成驱动电路部504的例子，但不局限于此。例如，也可以只形成栅极驱动器504a并安装另外准备的形成有源极驱动电路的衬底(例如，由单晶半导体膜或多晶半导体膜形成的驱动电路衬底)。
另外，图66A所示的多个像素电路501例如可以采用图66B所示的结构。
图66B所示的像素电路501包括液晶元件570、晶体管550以及电容器560。可以将前面的实施方式所示的晶体管适用于晶体管550。
根据像素电路501的规格适当地设定液晶元件570的一对电极中的一个的电位。根据被写入的数据设定液晶元件570的取向状态。此外，也可以对多个像素电路501的每一个所具有的液晶元件570的一对电极中的一个供应公共电位。此外，对一个行内的像素电路501所具有的液晶元件570的一对电极之一供应的电位可以不同于对另一行内的像素电路501所具有的液晶元件570的一对电极之一供应的电位。
例如，作为包括液晶元件570的显示装置的驱动方法也可以使用如下模式：TN模式；STN模式；VA模式；ASM(Axially Symmetric aligned Micro-cell：轴对称排列微单元)模式；OCB(Optically Compensated Birefringence：光学补偿弯曲)模式；FLC(Ferroelectric Liquid Crystal：铁电性液晶)模式；AFLC(AntiFerroelectric LiquidCrystal：反铁电液晶)模式；MVA模式；PVA(Patterned Vertical Alignment：垂直取向构型)模式；IPS模式；FFS模式或TBA(Transverse Bend Alignment：横向弯曲取向)模式等。另外，作为显示装置的驱动方法，除了上述驱动方法之外，还有ECB(ElectricallyControlled Birefringence：电控双折射)模式、PDLC(Polymer Dispersed LiquidCrystal：聚合物分散液晶)模式、PNLC(Polymer Network Liquid Crystal：聚合物网络液晶)模式、宾主模式等。但是，不局限于此，作为液晶元件及其驱动方式可以使用各种液晶元件及驱动方式。
在第m行第n列的像素电路501中，晶体管550的源电极和漏电极中的一个与数据线DL_n电连接，源电极和漏电极中的另一个与液晶元件570的一对电极中的另一个电极电连接。晶体管550的栅电极与扫描线GL_m电连接。晶体管550具有通过被开启或关闭而控制数据信号的写入的功能。
电容器560的一对电极中的一个电极与被供应电位的布线(以下，称为电位供应线VL)电连接，另一个电极与液晶元件570的一对电极中的另一个电极电连接。此外，根据像素电路501的规格适当地设定电位供应线VL的电位。电容器560具有储存被写入的数据的存储电容器的功能。
例如，在包括图66B所示的像素电路501的显示装置中，通过图66A所示的栅极驱动器504a依次选择各行的像素电路501，并使晶体管550开启而写入数据信号。
当晶体管550被关闭时，被写入数据的像素电路501成为保持状态。通过按行依次进行上述步骤，可以显示图像。
图66A所示的多个像素电路501例如可以采用图66C所示的结构。
图66C所示的像素电路501包括晶体管552、554、电容器562以及发光元件572。可以将前面的实施方式所示的晶体管应用于晶体管552和晶体管554中的一个或两个。
晶体管552的源电极和漏电极中的一个电连接于被供应数据信号的布线(以下，称为数据线DL_n)。并且，晶体管552的栅电极电连接于被供应栅极信号的布线(以下，称为扫描线GL_m)。
晶体管552具有通过被开启或关闭而控制数据信号的写入的功能。
电容器562的一对电极中的一个电极电连接于被供应电位的布线(以下，称为电位供应线VL_a)，另一个电极电连接于晶体管552的源电极和漏电极中的另一个。
电容器562具有储存被写入的数据的存储电容器的功能。
晶体管554的源电极和漏电极中的一个电连接于电位供应线VL_a。并且，晶体管554的栅电极电连接于晶体管552的源电极和漏电极中的另一个。
发光元件572的阳极和阴极中的一个电连接于电位供应线VL_b，另一个电连接于晶体管554的源电极和漏电极中的另一个。
作为发光元件572，例如可以使用有机电致发光元件(也称为有机EL元件)等。注意，发光元件572并不局限于有机EL元件，也可以使用由无机材料构成的无机EL元件。
此外，电位供应线VL_a和电位供应线VL_b中的一个被供应高电源电位VDD，另一个被供应低电源电位VSS。
例如，在包括图66C所示的像素电路501的显示装置中，通过图66A所示的栅极驱动器504a依次选择各行的像素电路501，并使晶体管552开启而写入数据信号。
当晶体管552被关闭时，被写入数据的像素电路501成为保持状态。并且，流过晶体管554的源电极与漏电极之间的电流量根据写入的数据信号的电位被控制，发光元件572以对应于流过的电流量的亮度发光。通过按行依次进行上述步骤，可以显示图像。
本实施方式可以将其至少一部分与本说明书所记载的其他实施方式适当的组合而实施。
实施方式8
在本实施方式中，参照图67A至图67C、图68A至图68C、图69A及图69B以及图70A及图70B对能够应用上述实施方式所说明的晶体管的电路结构的例子进行说明。
[反相器电路的结构例子]
图67A示出可适用于驱动电路所包括的移位寄存器及缓冲器等的反相器的电路图。反相器800将供应到输入端子IN的信号的逻辑反转而成的信号输出到输出端子OUT。反相器800包括多个OS晶体管。信号SBG是能够切换OS晶体管的电特性的信号。
图67B是反相器800的一个例子。反相器800包括OS晶体管810及OS晶体管820。反相器800可以只使用n沟道型晶体管，所以与使用CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor：互补金属氧化物半导体)制造反相器(CMOS反相器)的情况相比，可以以低成本制造反相器800。
另外，包括OS晶体管的反相器800也可以设置在由Si晶体管构成的CMOS上。因为反相器800可以与CMOS电路重叠，所以可以抑制追加反相器800导致的电路面积的增大。
OS晶体管810、820都包括被用作前栅极的第一栅极、被用作背栅极的第二栅极、被用作源极和漏极中的一个的第一端子以及被用作源极和漏极中的另一个的第二端子。
OS晶体管810的第一栅极与第二端子连接。OS晶体管810的第二栅极与供应信号SBG的布线连接。OS晶体管810的第一端子与供应电压VDD的布线连接。OS晶体管810的第二端子与输出端子OUT连接。
OS晶体管820的第一栅极与输入端子IN连接。OS晶体管820的第二栅极与输入端子IN连接。OS晶体管820的第一端子与输出端子OUT连接。OS晶体管820的第二端子与供应电压VSS的布线连接。
图67C是用来说明反相器800的工作的时序图。图67C的时序图示出输入端子IN的信号波形、输出端子OUT的信号波形、信号SBG的信号波形以及OS晶体管810的阈值电压的变化。
通过将信号SBG施加到OS晶体管810的第二栅极，可以控制OS晶体管810的阈值电压。
信号SBG具有用来使阈值电压向负方向漂移的电压VBG_A以及用来使阈值电压向正方向漂移的电压VBG_B。通过对第二栅极施加电压VBG_A，可以使OS晶体管810的阈值电压向负方向漂移而成为阈值电压VTH_A。另外，通过对第二栅极施加电压VBG_B，可以使OS晶体管810的阈值电压向正方向漂移而成为阈值电压VTH_B。
为了使上述说明可视化，图68A示出晶体管的电特性之一的Id-Vg曲线。
通过将第二栅极的电压提高到电压VBG_A，可以将示出上述OS晶体管810的电特性的曲线向图68A中的以虚线840表示的曲线漂移。另外，通过将第二栅极的电压降低到电压VBG_B，可以将示出上述OS晶体管810的电特性的曲线向图68A中的以实线841表示的曲线漂移。通过将信号SBG切换为电压VBG_A或电压VBG_B，如图68A所示，可以使OS晶体管810的阈值电压向正方向漂移或向负方向漂移。
通过使阈值电压向正方向漂移而成为阈值电压VTH_B，可以使OS晶体管810处于电流不容易流过的状态。图68B视觉性地示出此时的状态。
如图68B所示，可以使流过OS晶体管810的电流IB极小。因此，在施加到输入端子IN的信号为高电平而OS晶体管820成为开启状态(ON)时，可以急剧降低输出端子OUT的电压。
如图68B所示，可以使OS晶体管810处于电流不容易流过的状态，所以可以在图67C所示的时序图中使输出端子的信号波形831产生急剧的变化。因为可以减少流过供应电压VDD的布线与供应电压VSS的布线之间的贯通电流，所以可以以低功耗进行工作。
另外，通过使阈值电压向负方向漂移而成为阈值电压VTH_A，可以使OS晶体管810处于电流容易流过的状态。图68C视觉性地示出此时的状态。如图68C所示，可以将此时流过的电流IA设定为至少大于电流IB的值。因此，在施加到输入端子IN的信号为低电平而OS晶体管820成为关闭状态(OFF)时，可以急剧提高输出端子OUT的电压。如图68C所示，可以使OS晶体管810处于电流容易流过的状态，所以可以在图67C所示的时序图中使输出端子的信号波形832产生急剧的变化。
注意，信号SBG对OS晶体管810的阈值电压的控制优选在切换OS晶体管820的状态之前，即在时刻T1和T2之前进行。例如，如图67C所示，优选在将施加到输入端子IN的信号切换为高电平的时刻T1之前将OS晶体管810的阈值电压从阈值电压VTH_A切换为阈值电压VTH_B。另外，如图67C所示，优选在将施加到输入端子IN的信号切换为低电平的时刻T2之前将OS晶体管810的阈值电压从阈值电压VTH_B切换为阈值电压VTH_A。
注意，虽然图67C的时序图示出根据施加到输入端子IN的信号切换信号SBG的结构，但是也可以采用别的结构。例如，可以采用使处于浮动状态的OS晶体管810的第二栅极保持用来控制阈值电压的电压的结构。图69A示出能够实现该结构的电路结构的一个例子。
在图69A中，除了图67B所示的电路结构之外还包括OS晶体管850。OS晶体管850的第一端子与OS晶体管810的第二栅极连接。OS晶体管850的第二端子与供应电压VBG_B(或电压VBG_A)的布线连接。OS晶体管850的第一栅极与供应信号SF的布线连接。OS晶体管850的第二栅极与供应电压VBG_B(或电压VBG_A)的布线连接。
参照图69B的时序图对图69A的工作进行说明。
在将施加到输入端子IN的信号切换为高电平的时刻T3之前，将用来控制OS晶体管810的阈值电压的电压施加到OS晶体管810的第二栅极。将信号SF设定为高电平而OS晶体管850成为开启状态，对节点NBG施加用来控制阈值电压的电压VBG_B。
在节点NBG成为电压VBG_B之后，使OS晶体管850处于关闭状态。因为OS晶体管850的关态电流极小，所以通过使其维持关闭状态，可以保持节点NBG所保持的电压VBG_B。因此，对OS晶体管850的第二栅极施加电压VBG_B的工作的次数减少，所以可以减少改写电压VBG_B所需要的功耗。
注意，虽然在图67B及图69A的电路结构中示出通过外部控制对OS晶体管810的第二栅极施加电压的结构，但是也可以采用别的结构。例如，也可以采用基于施加到输入端子IN的信号生成用来控制阈值电压的电压而将其施加到OS晶体管810的第二栅极的结构。图70A示出能够实现该结构的电路结构的一个例子。
图70A示出在图67B所示的电路结构中的输入端子IN与OS晶体管810的第二栅极之间追加CMOS反相器860的结构。CMOS反相器860的输入端子与输入端子IN连接。CMOS反相器860的输出端子与OS晶体管810的第二栅极连接。
参照图70B的时序图对图70A的工作进行说明。图70B的时序图示出输入端子IN的信号波形、输出端子OUT的信号波形、CMOS反相器860的输出波形IN_B以及OS晶体管810的阈值电压的变化。
作为使施加到输入端子IN的信号的逻辑反转的信号的输出波形IN_B可以被用作用来控制OS晶体管810的阈值电压的信号。因此，如图68A至图68C所说明，可以控制OS晶体管810的阈值电压。例如，在图70B所示的时刻T4，施加到输入端子IN的信号为高电平而OS晶体管820成为开启状态。此时，输出波形IN_B为低电平。因此，可以使OS晶体管810处于电流不容易流过的状态，所以可以急剧降低输出端子OUT的电压上升。
另外，在图70B所示的时刻T5，施加到输入端子IN的信号为低电平而OS晶体管820成为关闭状态。此时，输出波形IN_B为高电平。因此，可以使OS晶体管810处于电流容易流过的状态，所以可以急剧提高输出端子OUT的电压。
如上所述，在本实施方式的结构中，根据输入端子IN的信号的逻辑而切换包括OS晶体管的反相器的背栅极的电压。通过采用该结构，可以控制OS晶体管的阈值电压。通过根据施加到输入端子IN的信号控制OS晶体管的阈值电压，可以使输出端子OUT的电压产生急剧的变化。另外，可以减少供应电源电压的布线之间的贯通电流。因此，可以实现低功耗化。
本实施方式可以将其至少一部分与本说明书所记载的其他实施方式适当的组合而实施。
实施方式9
在本实施方式中，参照图71A至图71E、图72A及图72B、图73A及图73B以及图74A至图74C对将上述实施方式所说明的包括氧化物半导体的晶体管(OS晶体管)用于多个电路的半导体装置的例子进行说明。
[半导体装置的电路结构例子]
图71A是半导体装置900的方框图。半导体装置900包括电源电路901、电路902、电压生成电路903、电路904、电压生成电路905及电路906。
电源电路901是生成基准电位VORG的电路。电压VORG不局限于一个电压，也可以为多个电压。电压VORG是可以基于从半导体装置900的外部被施加的电压V0而生成的。半导体装置900可以基于从外部被施加的一个电源电压而生成电压VORG。因此，即使不从外部输入多个电源电压，半导体装置900也可以工作。
电路902、904及906是基于不同的电源电压而工作的电路。例如，电路902的电源电压是基于电压VORG和电压VSS(VORG＞VSS)而被施加的电压。例如，电路904的电源电压是基于电压VPOG和电压VSS(VPOG＞VORG)而被施加的电压。例如，电路906的电源电压是基于电压VORG、电压VSS和电压VNEG(VORG＞VSS＞VNEG)而被施加的电压。另外，如果将电压VSS设定为与接地电位(GND)同等的电位，可以减少电源电路901生成的电压的种类。
电压生成电路903是生成电压VPOG的电路。电压生成电路903可以基于从电源电路901被施加的电压VORG而生成电压VPOG。因此，包括电路904的半导体装置900可以基于从外部被施加的一个电源电压而工作。
电压生成电路905是生成电压VNEG的电路。电压生成电路905可以基于从电源电路901被施加的电压VORG而生成电压VNEG。因此，包括电路906的半导体装置900可以基于从外部被施加的一个电源电压而工作。
图71B是基于电压VPOG而工作的电路904的一个例子，图71C是用来使电路904工作的信号波形的一个例子。
图71B示出晶体管911。施加到晶体管911的栅极的信号例如基于电压VPOG和电压VSS而生成。该信号在进行使晶体管911成为导通状态的工作时为电压VPOG，在进行使其成为非导通状态的工作时为电压VSS。如图71C所示，电压VPOG高于电压VORG。因此，晶体管911可以更确实地使源极(S)与漏极(D)之间成为导通状态。其结果，可以实现误动作得到减少的电路904。
图71D是基于电压VNEG而工作的电路906的一个例子，图71E是用来使电路906工作的信号波形的一个例子。
图71D示出具有背栅极的晶体管912。施加到晶体管912的栅极的信号例如基于电压VORG和电压VSS而生成。该信号在进行使晶体管912成为导通状态的工作时基于电压VORG而生成，且在进行使其成为非导通状态的工作时基于电压VSS而生成。另外，施加到晶体管912的背栅极的信号基于电压VNEG而生成。如图71E所示，电压VNEG低于电压VSS(GND)。因此，可以使晶体管912的阈值电压向正方向漂移。所以，可以更确实地使晶体管912成为非导通状态，由此可以减少流过源极(S)与漏极(D)之间的电流。其结果，可以实现误动作得到减少且功耗低的电路906。
另外，电压VNEG也可以直接被施加到晶体管912的背栅极。或者，可以基于电压VORG和电压VNEG生成施加到晶体管912的栅极的信号，而将该信号施加到晶体管912的背栅极。
另外，图72A和图72B示出图71D和图71E的变形例子。
在图72A所示的电路图中，在电压生成电路905与电路906之间包括能够通过控制电路921控制其导通状态的晶体管922。晶体管922是n沟道型OS晶体管。控制电路921所输出的控制信号SBG是控制晶体管922的导通状态的信号。另外，电路906所包括的晶体管912A、912B是与晶体管922相同的OS晶体管。
图72B的时序图示出控制信号SBG的电位及节点NBG的电位变化。节点NBG的电位表示晶体管912A及912B的背栅极的电位状态。在控制信号SBG为高电平时，晶体管922成为导通状态，节点NBG成为电压VNEG。然后，在控制信号SBG为低电平时，节点NBG处于电浮动状态。因为晶体管922是OS晶体管，所以关态电流小。因此，即使节点NBG处于电浮动状态，也可以保持被施加的电压VNEG。
另外，图73A示出能够应用于上述电压生成电路903的电路结构的一个例子。图73A所示的电压生成电路903是包括二极管D1至D5、电容器C1至C5及反相器INV的5级电荷泵。时钟信号CLK直接或者通过反相器INV被施加到电容器C1至C5。当反相器INV的电源电压基于电压VORG和电压VSS而被施加的电压时，可以得到通过供应时钟信号CLK升压到电压VORG的5倍的正电压的电压VPOG。注意，二极管D1至D5的正向电压为0V。另外，通过改变电荷泵的级数，可以得到所希望的电压VPOG。
另外，图73B示出能够应用于上述电压生成电路905的电路结构的一个例子。图73B所示的电压生成电路905是包括二极管D1至D5、电容器C1至C5及反相器INV的4级电荷泵。时钟信号CLK直接或者通过反相器INV被施加到电容器C1至C5。当反相器INV的电源电压基于电压VORG和电压VSS而被施加的电压时，可以得到通过供应时钟信号CLK从接地电位即电压VSS降压到电压VORG的4倍的负电压的电压VNEG。注意，二极管D1至D5的正向电压为0V。另外，通过改变电荷泵的级数，可以得到所希望的电压VNEG。
注意，上述电压生成电路903的电路结构不局限于图73A所示的电路图的结构。图74A至图74C示出电压生成电路903的变形例子。在图74A至图74C所示的电压生成电路903A至电压生成电路903C中，改变供应到各布线的电压或者改变元件的配置，由此可以实现电压生成电路903的变形例子。
图74A所示的电压生成电路903A包括晶体管M1至M10、电容器C11至C14以及反相器INV1。时钟信号CLK直接或通过反相器INV1被供应到晶体管M1至M10的栅极。通过施加时钟信号CLK可以得到升压到电压VORG的4倍的正电压的电压VPOG。另外，通过改变电荷泵的级数，可以得到所希望的电压VPOG。在图74A所示的电压生成电路903A中，通过作为晶体管M1至M10都采用OS晶体管可以减少关态电流，而可以抑制保持在电容器C11至C14中的电荷的泄漏。因此，可以将电压VORG高效地升压到电压VPOG。
另外，图74B所示的电压生成电路903B包括晶体管M11至M14、电容器C15、C16以及反相器INV2。时钟信号CLK直接或通过反相器INV2被供应到晶体管M11至M14的栅极。通过施加时钟信号CLK可以得到升压到电压VORG的2倍的正电压的电压VPOG。在图74B所示的电压生成电路903B中，通过作为晶体管M11至M14采用OS晶体管可以减少关态电流，而可以抑制保持在电容器C15、C16中的电荷的泄漏。因此，可以将电压VORG高效地升压到电压VPOG。
另外，图74C所示的电压生成电路903C包括电感器Ind1、晶体管M15、二极管D6及电容器C17。晶体管M15的导通状态被控制信号EN控制。可以得到通过控制信号EN使电压VORG升压的电压VPOG。因为在图74C所示的电压生成电路903C中使用电感器Ind1进行升压，所以可以以高转换效率进行升压。
如上所述，在本实施方式的结构中，可以在半导体装置内部生成包括在该半导体装置中的电路所需要的电压。因此，可以减少从半导体装置的外部被施加的电源电压的个数。
本实施方式可以将其至少一部分与本说明书所记载的其他实施方式适当的组合而实施。
实施方式10
在本实施方式中，参照图75、图76A至图76E、图77至图77G以及图78A及图78B对包括本发明的一个方式的半导体装置的显示模块、电子设备进行说明。
[显示模块]
图75所示的显示模块7000在上盖7001与下盖7002之间包括连接于FPC7003的触摸屏7004、连接于FPC7005的显示面板7006、背光7007、框架7009、印刷电路板7010、电池7011。
例如可以将本发明的一个方式的半导体装置用于显示面板7006。
上盖7001及下盖7002可以根据触摸屏7004及显示面板7006的尺寸适当地改变形状或尺寸。
触摸屏7004能够是电阻膜式触摸屏或电容式触摸屏，并且能够被形成为与显示面板7006重叠。此外，也可以使显示面板7006的对置衬底(密封衬底)具有触摸屏的功能。另外，也可以在显示面板7006的各像素内设置光传感器，而形成光学触摸屏。
背光7007具有光源7008。注意，虽然在图75中例示出在背光7007上配置光源7008的结构，但是不局限于此。例如，可以在背光7007的端部设置光源7008，并使用光扩散板。当使用有机EL元件等自发光型发光元件时，或者当使用反射式面板等时，可以采用不设置背光7007的结构。
框架7009除了具有保护显示面板7006的功能以外还具有用来遮断因印刷电路板7010的工作而产生的电磁波的电磁屏蔽的功能。此外，框架7009也可以具有散热板的功能。
印刷电路板7010具有电源电路以及用来输出视频信号及时钟信号的信号处理电路。作为对电源电路供应电力的电源，既可以采用外部的商业电源，又可以采用利用另行设置的电池7011的电源。当使用商业电源时，可以省略电池7011。
此外，在显示模块7000中还可以设置偏振片、相位差板、棱镜片等构件。
[电子设备1]
此外，图76A至图76E示出电子设备的一个例子。
图76A是安装有取景器8100的照相机8000的外观图。
照相机8000包括框体8001、显示部8002、操作按钮8003、快门按钮8004等。另外，照相机8000安装有可装卸的镜头8006。
在此，照相机8000具有能够从框体8001拆卸下镜头8006而交换的结构，镜头8006和框体也可以被形成为一体。
通过按下快门按钮8004，照相机8000可以进行成像。另外，显示部8002被用作触摸屏，也可以通过触摸显示部8002进行成像。
照相机8000的框体8001包括具有电极的嵌入器，除了可以与取景器8100连接以外，还可以与闪光灯装置等连接。
取景器8100包括框体8101、显示部8102以及按钮8103等。
框体8101包括嵌合到照相机8000的嵌入器的嵌入器，可以将取景器8100安装到照相机8000。另外，该嵌入器包括电极，可以将从照相机8000经过该电极接收的图像等显示到显示部8102上。
按钮8103被用作电源按钮。通过利用按钮8103，可以切换显示部8102的显示或非显示。
本发明的一个方式的显示装置可以适用于照相机8000的显示部8002及取景器8100的显示部8102。
另外，在图76A中，照相机8000与取景器8100是分开且可拆卸的电子设备，但是也可以在照相机8000的框体8001中内置有具备显示装置的取景器。
此外，图76B是示出头戴显示器8200的外观的图。
头戴显示器8200包括安装部8201、透镜8202、主体8203、显示部8204以及电缆8205等。另外，在安装部8201中内置有电池8206。
通过电缆8205，将电力从电池8206供应到主体8203。主体8203具备无线接收器等，能够将所接收的图像数据等的图像信息显示到显示部8204上。另外，通过利用设置在主体8203中的相机捕捉使用者的眼球及眼睑的动作，并根据该信息算出使用者的视点的坐标，可以利用使用者的视点作为输入方法。
另外，也可以对安装部8201的被使用者接触的位置设置多个电极。主体8203也可以具有通过检测出根据使用者的眼球的动作而流过电极的电流，识别使用者的视点的功能。此外，主体8203可以具有通过检测出流过该电极的电流来监视使用者的脉搏的功能。安装部8201可以具有温度传感器、压力传感器、加速度传感器等各种传感器，也可以具有将使用者的生物信息显示在显示部8204上的功能。另外，主体8203也可以检测出使用者的头部的动作等，并与使用者的头部的动作等同步地使显示在显示部8204上的图像变化。
可以对显示部8204适用本发明的一个方式的显示装置。
图76C至图76E是示出头戴显示器8300的外观的图。头戴显示器8300包括框体8301、显示部8302、带状的固定工具8304以及一对透镜8305。
使用者可以通过透镜8305看到显示部8302上的显示。优选的是，弯曲配置显示部8302。通过弯曲配置显示部8302，使用者可以感受高真实感。注意，在本实施方式中，例示出设置一个显示部8302的结构，但是不局限于此，例如也可以采用设置两个显示部8302的结构。此时，在将每个显示部配置在使用者的每个眼睛一侧时，可以进行利用视差的三维显示等。
可以将本发明的一个方式的显示装置适用于显示部8302。因为包括本发明的一个方式的半导体装置的显示装置具有极高的分辨率，所以即使如图76E那样地使用透镜8305放大，也可以不使使用者看到像素而可以显示现实感更高的映像。
[电子设备2]
接着，图77A至图77G示出与图76A至图76E所示的电子设备不同的电子设备的例子。
图77A至图77G所示的电子设备包括框体9000、显示部9001、扬声器9003、操作键9005(包括电源开关或操作开关)、连接端子9006、传感器9007(该传感器具有测量如下因素的功能：力、位移、位置、速度、加速度、角速度、转速、距离、光、液、磁、温度、化学物质、声音、时间、硬度、电场、电流、电压、电力、辐射线、流量、湿度、倾斜度、振动、气味或红外线)、麦克风9008等。
图77A至图77G所示的电子设备具有各种功能。例如，将各种信息(静态图像、动态图像、文字图像等)显示在显示部上的功能；触控面板的功能；显示日历、日期或时间等的功能；通过利用各种软件(程序)控制处理的功能；进行无线通信的功能；通过利用无线通信功能来连接到各种计算机网络的功能；通过利用无线通信功能，进行各种数据的发送或接收的功能；读出储存在存储介质中的程序或数据来将其显示在显示部上的功能；等。注意，图77A至图77G所示的电子设备可具有的功能不局限于上述功能，而可以具有各种功能。另外，虽然在图77A至图77G中未图示，但是电子设备可以包括多个显示部。此外，也可以在该电子设备中设置照相机等而使其具有如下功能：拍摄静态图像的功能；拍摄动态图像的功能；将所拍摄的图像储存在存储介质(外部存储介质或内置于照相机的存储介质)中的功能；将所拍摄的图像显示在显示部上的功能；等。
下面，详细地说明图77A至图77G所示的电子设备。
图77A是示出电视装置9100的透视图。可以将例如是50英寸以上或100英寸以上的大型的显示部9001组装到电视装置9100。
图77B是示出便携式信息终端9101的透视图。便携式信息终端9101例如具有电话机、电子笔记本和信息阅读装置等中的一种或多种的功能。具体而言，可以将其用作智能手机。另外，便携式信息终端9101可以设置有扬声器9003、连接端子9006、传感器9007等。另外，便携式信息终端9101可以将文字及图像信息显示在其多个面上。例如，可以将三个操作按钮9050(还称为操作图标或只称为图标)显示在显示部9001的一个面上。另外，可以将由虚线矩形表示的信息9051显示在显示部9001的另一个面上。此外，作为信息9051的例子，可以举出提示收到来自电子邮件、SNS(Social Networking Services：社交网络服务)或电话等的信息的显示；电子邮件或SNS等的标题；电子邮件或SNS等的发送者姓名；日期；时间；电量；以及天线接收强度等。或者，可以在显示有信息9051的位置上显示操作按钮9050等代替信息9051。
图77C是示出便携式信息终端9102的透视图。便携式信息终端9102具有将信息显示在显示部9001的三个以上的面上的功能。在此，示出信息9052、信息9053、信息9054分别显示于不同的面上的例子。例如，便携式信息终端9102的使用者能够在将便携式信息终端9102放在上衣口袋里的状态下确认其显示(这里是信息9053)。具体而言，将打来电话的人的电话号码或姓名等显示在能够从便携式信息终端9102的上方观看这些信息的位置。使用者可以确认到该显示而无需从口袋里拿出便携式信息终端9102，由此能够判断是否接电话。
图77D是示出手表型便携式信息终端9200的透视图。便携式信息终端9200可以执行移动电话、电子邮件、文章的阅读及编辑、音乐播放、网络通信、电脑游戏等各种应用程序。此外，显示部9001的显示面被弯曲，能够在所弯曲的显示面上进行显示。另外，便携式信息终端9200可以进行被通信标准化的近距离无线通信。例如，通过与可进行无线通信的耳麦相互通信，可以进行免提通话。此外，便携式信息终端9200包括连接端子9006，可以通过连接器直接与其他信息终端进行数据的交换。另外，也可以通过连接端子9006进行充电。此外，充电工作也可以利用无线供电进行，而不通过连接端子9006。
图77E至图77G是示出能够折叠的便携式信息终端9201的透视图。另外，图77E是展开状态的便携式信息终端9201的透视图，图77F是从展开状态和折叠状态中的一个状态变为另一个状态的中途的状态的便携式信息终端9201的透视图，图77G是折叠状态的便携式信息终端9201的透视图。便携式信息终端9201在折叠状态下可携带性好，在展开状态下因为具有无缝拼接的较大的显示区域而其显示的一览性强。便携式信息终端9201所包括的显示部9001由铰链9055所连接的三个框体9000来支撑。通过铰链9055使两个框体9000之间弯折，可以从便携式信息终端9201的展开状态可逆性地变为折叠状态。例如，可以以1mm以上且150mm以下的曲率半径使便携式信息终端9201弯曲。
接着，图78A和图78B示出与图76A至图76E、图77A至图77G所示的电子设备不同的电子设备的例子。图78A和图78B是包括多个显示面板的显示装置的透视图。图78A是多个显示面板被卷绕时的透视图，图78B是展开多个显示面板时的透视图。
图78A和图78B所示的显示装置9500包括多个显示面板9501、轴部9511、轴承部9512。多个显示面板9501都包括显示区域9502、具有透光性的区域9503。
多个显示面板9501具有柔性。以其一部分互相重叠的方式设置相邻的两个显示面板9501。例如，可以重叠相邻的两个显示面板9501的各具有透光性的区域9503。通过使用多个显示面板9501，可以实现屏幕大的显示装置。另外，根据使用情况可以卷绕显示面板9501，所以可以实现通用性高的显示装置。
图78A和图78B示出相邻的显示面板9501的显示区域9502彼此分开的情况，但是不局限于此，例如，也可以通过没有间隙地重叠相邻的显示面板9501的显示区域9502，实现连续的显示区域9502。
本实施方式所示的电子设备具有包括用来显示某些信息的显示部的特征。注意，本发明的一个方式的半导体装置也可以应用于不包括显示部的电子设备。
本实施方式可以将其至少一部分与本说明书所记载的其他实施方式适当的组合而实施。
符号说明
100：晶体管；100A：晶体管；100B：晶体管；100C：晶体管；100D：晶体管；100E：晶体管；100F：晶体管；100G：晶体管；100H：晶体管；100J：晶体管；100K：晶体管；102：衬底；104：绝缘膜；106：导电膜；108：氧化物半导体膜；108_1：氧化物半导体膜；108_2：氧化物半导体膜；108_3：氧化物半导体膜；108d：漏区域；108f：区域；108i：沟道区域；108s：源区域；110：绝缘膜；110a绝缘膜；112：导电膜；112_1：导电膜；112_2：导电膜；114：绝缘膜；116：绝缘膜；118：绝缘膜；120a：导电膜；120b：导电膜；122：绝缘膜；141a：开口；141b：开口；143：开口；200：晶体管；205：导电体；205a：导电体；205b：导电体；210：绝缘体；212：绝缘体；214：绝缘体；216：绝缘体；218：导电体；220：绝缘体；222：绝缘体；224：绝缘体；230：氧化物半导体；230a：氧化物半导体；230b：氧化物半导体；230c：氧化物半导体；240a：导电体；240b：导电体；244：导电体；245：导电体；250：绝缘体；260：导电体；260a：导电体；260b：导电体；270：绝缘体；280：绝缘体；282：绝缘体；284：绝缘体；300A：晶体管；300B：晶体管；300C：晶体管；300D：晶体管；300E：晶体管；300F：晶体管；300G：晶体管；302：衬底；304：导电膜；306：绝缘膜；307：绝缘膜；308：氧化物半导体膜；308_1：氧化物半导体膜；308_2：氧化物半导体膜；308_3：氧化物半导体膜；312a：导电膜；312b：导电膜；312c：导电膜；314：绝缘膜；316：绝缘膜；318：绝缘膜；319：绝缘膜；320a：导电膜；320b：导电膜；330D：晶体管；341a：开口；341b：开口；342：开口；342a：开口；342b：开口；342c：开口；344：导电膜；351：开口；352a：开口；352b：开口；400：晶体管；401：衬底；402：半导体区域；404：绝缘体；406：导电体；408a：低电阻区域；408b：低电阻区域；410：电容器；420：绝缘体；422：绝缘体；424：绝缘体；426：绝缘体；428：导电体；430：导电体；450：绝缘体；452：绝缘体；454：绝缘体；456：导电体；458：绝缘体；460：绝缘体；462：导电体；466：导电体；470：绝缘体；474：导电体；480：绝缘体；482：绝缘体；484：绝缘体；501：像素电路；502：像素部；504：驱动电路部；504a：栅极驱动器；504b：源极驱动器；506：保护电路；507：端子部；550：晶体管；552：晶体管；554：晶体管；560：电容器；562：电容器；570：液晶元件；572：发光元件；664：电极；665：电极；667：电极；700：显示装置；701：衬底；702：像素部；704：源极驱动电路部；705：衬底；706：栅极驱动电路部；708：FPC端子部；710：信号线；711：布线部；712：密封剂；716：FPC；730：绝缘膜；732：密封膜；734：绝缘膜；736：着色膜；738：遮光膜；750：晶体管；752：晶体管；760：连接电极；770：平坦化绝缘膜；772：导电膜；773：绝缘膜；774：导电膜；775：液晶元件；776：液晶层；778：结构体；780：各向异性导电膜；782：发光元件；783：液滴喷射装置；784：液滴；785：层；786：EL层；788：导电膜；790：电容器；791：触摸屏；792：绝缘膜；793：电极；794：电极；795：绝缘膜；796：电极；797：绝缘膜；800：反相器；810：OS晶体管；820：OS晶体管；831：信号波形；832：信号波形；840：虚线；841：实线；850：OS晶体管；860：CMOS反相器；900：半导体装置；901：电源电路；902：电路；903：电压生成电路；903A：电压生成电路；903B：电压生成电路；903C：电压生成电路；904：电路；905：电压生成电路；906：电路；911：晶体管；912：晶体管；912A：晶体管；912B：晶体管；921：控制电路；922：晶体管；950：晶体管；952：衬底；954：绝缘膜；956：半导体膜；958：绝缘膜；960：导电膜；962：绝缘膜；964：绝缘膜；966a：导电膜；966b：导电膜；968：绝缘膜；970：绝缘膜；972：绝缘膜；1400：液滴喷射装置；1402：衬底；1403：液滴喷射单元；1404：成像单元；1405：头；1406：虚线；1407：控制单元；1408：存储媒体；1409：图像处理单元；1410：计算机；1411：标记；1412：头；1413：材料供应源；1414：材料供应源；7000：显示模块；7001：上盖；7002：下盖；7003：FPC；7004：触摸屏；7005：FPC；7006：显示面板；7007：背光；7008：光源；7009：框架；7010：印刷电路板；7011：电池；8000：照相机；8001：外壳；8002：显示部；8003：操作按钮；8004：快门按钮；8006：镜头；8100：取景器；8101：外壳；8102：显示部；8103：按钮；8200：头戴显示器；8201：安装部；8202：透镜；8203：主体；8204：显示部；8205：电缆；8206：电池；8300：头戴显示器；8301：外壳；8302：显示部；8304：固定工具；8305：透镜；9000：外壳；9001：显示部；9003：扬声器；9005：操作键；9006：连接端子；9007：传感器；9008：麦克风；9050：操作按钮；9051：信息；9052：信息；9053：信息；9054：信息；9055：铰链；9100：电视装置；9101：便携式信息终端；9102：便携式信息终端；9200：便携式信息终端；9201：便携式信息终端；9500：显示装置；9501：显示面板；9502：显示区域；9503：区域；9511：轴部；9512：轴承部
本申请基于2015年12月29日提交到日本专利局的日本专利申请No.2015-257710以及2016年6月24日提交到日本专利局的日本专利申请No.2016-125478，通过引用将其完整内容并入在此。

Claims (8)

1.一种金属氧化物膜，包含：
铟；
M，M是Al、Ga、Y或Sn；以及
锌，
其中，通过X射线衍射在垂直于所述金属氧化物膜的表面的方向上观察到具有起因于结晶结构的衍射强度的峰值，
在垂直于所述金属氧化物膜的所述表面的方向上在透射电子显微镜图像中观察到多个结晶部，
并且，所述多个结晶部以外的区域的比率为20％以上且60％以下。
2.根据权利要求1所述的金属氧化物膜，其中所述多个结晶部的在厚度方向上c轴取向的结晶部的比率比其他方向上取向的结晶部的比率高。
3.根据权利要求1所述的金属氧化物膜，
其中在以对截面TEM图像进行快速傅里叶变换而得到的图像的第一图像在使周期性区域残留的掩模处理后进行快速傅立叶逆变换的方式得到的第二图像中，从原始的图像减去的残留面积的比率为20％以上且小于60％。
4.根据权利要求1所述的金属氧化物膜，
其中当在垂直于所述金属氧化物膜的截面的方向上对具有10nm以上且50nm以下的厚度的所述金属氧化物膜的薄片进行束径为50nm以上的电子衍射时，观察到包括环状衍射图案以及与所述环状衍射图案重叠的两个第一斑点的第一电子衍射图案，
并且在对其进行束径为0.3nm以上且5nm以下的电子衍射时，观察到包括所述两个第一斑点及在圆周方向上分布的多个第二斑点的第二电子衍射图案。
5.根据权利要求4所述的金属氧化物膜，
其中所述两个第一斑点相对于中心对称，
第一直线与所述金属氧化物膜的所述表面的法线方向之间的角度为0°以上且10°以下，
并且所述第一直线穿过所述中心以及所述两个第一斑点的亮度最高的点。
6.根据权利要求5所述的金属氧化物膜，
其中在所述第一电子衍射图案中，所述环状衍射图案的亮度比所述环状衍射图案与交叉于所述第一直线的第二直线的交点的所述两个第一斑点的亮度低。
7.根据权利要求6所述的金属氧化物膜，
其中所述两个第一斑点的亮度为所述环状衍射图案与所述第二直线的交点的所述环状衍射图案的亮度的大于1倍且9倍以下。
8.一种半导体装置，包括：
半导体层；
栅极绝缘层；以及
栅极，
其中，所述半导体层包括权利要求1所述的金属氧化物膜。
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