JP6741383B2 - トランジスタ及び表示装置 - Google Patents

Description

本発明の一態様は、金属酸化物に関する。

なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関する。特に、本発明の一態様は、金属酸化物、または当該金属酸化物の製造方法に関する。または、本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法に関する。

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

トランジスタに適用可能な半導体材料として、酸化物が注目されている。例えば、特許文献１では、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｏ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ系酸化物、及びＳｎ−Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物のうちのいずれかである非晶質酸化物を有する電界効果型トランジスタが開示されている。

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

特許第５１１８８１０号公報

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

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

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

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

なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。

本発明の一態様は、複数のエネルギーギャップを有する金属酸化物であって、金属酸化物は、伝導帯下端のエネルギー準位が高い第１の領域と、第１の領域よりも伝導帯下端のエネルギー準位が低い第２の領域と、を有し、第２の領域は、第１の領域よりもキャリアが多く、第１の領域と、第２の領域との伝導帯下端のエネルギー準位の差が０．２ｅＶ以上であり第１の領域のエネルギーギャップは、３．３ｅＶ以上４．０ｅＶ以下であり、第２の領域のエネルギーギャップは、２．２ｅＶ以上２．９ｅＶ以下である。

また、本発明の一態様は、複数のエネルギーギャップを有する金属酸化物であって、金属酸化物は、伝導帯下端のエネルギー準位が高い第１の領域と、第１の領域よりも伝導帯下端のエネルギー準位が低い第２の領域と、を有し、第１の領域は、Ｍ（Ｍは、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂｅ、及びＢから選ばれる少なくとも二種以上）酸化物、Ｍ窒化物またはＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を有し、第２の領域は、Ｉｎ酸化物、またはＩｎ−Ｚｎ酸化物を有する。

また、本発明の一態様は、第１のエネルギーギャップを有する第１の領域と第２のエネルギーギャップを有する第２の領域を含む金属酸化物であり、第１の領域は、第２の領域よりも伝導帯下端のエネルギー準位が高く、第１の領域は第１の金属元素の第１の酸化物を含み、第２の領域は第２の金属元素の第２の酸化物を含み、第１の酸化物は、エネルギーギャップを大きくするために第１の金属元素とは異なる第３の元素を含み、前記第２の領域が第３の元素を含む場合には、第１の領域における第３の元素の濃度は、第２の領域における第３の元素の濃度よりも高い。

上記態様において、第１の金属元素はＧａであり、第２の金属元素はＩｎであり、第３の元素はＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂｅ、及びＢから選ばれる少なくとも二種以上含むと好ましい。

上記態様において、第１の領域は更にＩｎとＺｎを含み、第２の領域は更にＺｎを含むと好ましい。

また、本発明の一態様は、上記金属酸化物と、ゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極と、を有する半導体装置である。

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

なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。

金属酸化物の構成を説明する概念図。 トランジスタ、および該トランジスタにおけるエネルギー準位の分布を説明する模式図。 トランジスタにおけるバンドダイアグラムのモデルを説明する図。 トランジスタにおけるバンドダイアグラムのモデルを説明する図。 半導体装置の一態様を示す上面図、断面図、及び断面概念図。 半導体装置の一態様を示す上面図、断面図、及び断面概念図。 半導体装置の一態様を示す上面図、断面図、及び断面概念図。 半導体装置の一態様を示す上面図、断面図、及び断面概念図。 半導体装置の一態様を示す上面図、断面図、及び断面概念図。 半導体装置の一態様を示す上面図、断面図、及び断面概念図。 半導体装置の一態様を示す上面図、断面図、及び断面概念図。 半導体装置の一態様を示す上面図、断面図、及び断面概念図。 半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。 半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。 半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。 バンド構造を説明する図。 表示パネルの構成例を説明する図。 表示パネルの構成例を説明する図。

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。

また、本明細書にて用いる「第１」、「第２」、「第３」という序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではないことを付記する。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

本明細書等において、金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）とは、広い表現での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体（透明酸化物導電体を含む）、酸化物半導体（Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒまたは単にＯＳともいう）などに分類される。例えば、トランジスタの活性層に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、金属酸化物が増幅作用、整流作用、及びスイッチング作用の少なくとも１つを有する場合、当該金属酸化物を、金属酸化物半導体（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、略してＯＳと呼ぶことができる。また、ＯＳ ＦＥＴと記載する場合においては、金属酸化物または酸化物半導体を有するトランジスタと換言することができる。

また、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。

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

本発明の一態様の金属酸化物は、少なくともＩｎを含むことが好ましい。特にＩｎ及びＺｎを含むことが好ましい。また、本発明の一態様の金属酸化物は、Ｉｎ及びＺｎに加えて、元素Ｍ（元素Ｍは、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂｅ、及びＢから選ばれる少なくとも２種）が含まれていてもよい。特に元素Ｍとしては、Ａｌ、Ｇａ、及びＳｉから選ばれる少なくとも２種であると好適である。元素Ｍとしては、Ａｌ及びＧａ、Ａｌ及びＳｉまたはＧａ及びＳｉの組み合わせが好ましい。

本発明の一態様の金属酸化物としては、例えば、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｚｎ酸化物、またはＩｎ−Ｇａ−Ｓｉ−Ｚｎ酸化物などが挙げられる。

なお、本発明の一態様の金属酸化物は、複数の成分を有する。

本発明の一態様の金属酸化物は、第１の領域と、第２の領域と、を有し、第１の領域には、Ｍ（Ｍは、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂｅ、及びＢから選ばれる少なくとも２種以上））酸化物およびＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を有し、第２の領域には、Ｉｎ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、から選ばれる一種または複数種を有する。特に、第１の領域には、第２の領域の伝導帯下端のエネルギー準位より、少なくとも０．２ｅＶ以上大きい伝導帯下端のエネルギー準位を有する金属酸化物を１乃至５０ａｔｏｍｉｃ％有することが好ましい。

また、Ｍ酸化物の中でも、Ａｌ、Ｓｉに関しては、窒化物に置き換えてもよい。具体的には、Ｍ酸化物を、窒化アルミニウム、または窒化シリコンに置き換えてもよい。

本発明の一態様の金属酸化物は、複数の成分により構成されるため、複数のエネルギーギャップを有する。より詳しくは、本発明の一態様の金属酸化物は、複数の伝導帯下端のエネルギー準位を有する。なお、場合によっては、複数の成分を複数の領域と言い換えてもよい。

本明細書において、エネルギーギャップとは、バンド構造における価電子帯上端のエネルギー準位（Ｅｖ端）と、伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ端）とのエネルギーの差を指し、バンドギャップとも言うことができる。

本発明の一態様の金属酸化物は、Ｅｃ端が高い第１の領域と、第１の領域よりもＥｃ端が低い第２の領域と、を有し、第２の領域は、第１の領域よりもキャリアが多く、第１の領域と、第２の領域とのＥｃ端の差が０．２ｅＶ以上である。また、第１の領域のエネルギーギャップは、３．３ｅＶ以上４．０ｅＶ以下であり、第２の領域のエネルギーギャップは、２．２ｅＶ以上２．９ｅＶ以下である。

ここで、金属酸化物がＩｎ、元素Ｍ、及びＺｎを有する構成について図１を用いて説明を行う。

＜金属酸化物の構成＞
図１は、本発明の一態様におけるＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ−Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）構成を有する金属酸化物の概念図である。なお、本明細書において、本発明の一態様である金属酸化物が、半導体の機能を有する場合、ＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ−Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）−ＯＳ（Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と定義する。

なお、ＣＡＣ−ＯＳは、マトリックス複合材（ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）、または金属マトリックス複合材（ｍｅｔａｌ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と称する場合もある。

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

例えば、ＣＡＣ構成を有するＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物とは、Ｉｎ酸化物（以下、ＩｎＯ_Ｘ１（Ｘ１は０よりも大きい実数）とする。）、またはＩｎ−Ｚｎ酸化物（以下、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２（Ｘ２、Ｙ２、およびＺ２は、それぞれ０よりも大きい実数）とする。）と、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（以下、Ｉｎ_Ｗ３Ｍ_Ｘ３Ｚｎ_Ｙ３Ｏ_Ｚ３（Ｗ３、Ｘ３、Ｙ３、およびＺ３は、それぞれ０よりも大きい実数とする。）と、Ｍ酸化物などと、に材料が分離することでモザイク状となり、モザイク状のＩｎＯ_Ｘ１またはＩｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、Ｉｎ_Ｗ３Ｍ_Ｘ３Ｚｎ_Ｙ３Ｏ_Ｚ３、Ｍ酸化物などが、膜中に分布した構成（以下、クラウド状ともいう。）である。

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

例えば、元素ＭがＡｌおよびＧａである場合、本発明の一態様の金属酸化物は、Ｇａ酸化物、Ｉｎ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｇａ−Ａｌ酸化物、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ａｌ酸化物、Ｉｎ−Ａｌ酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の中から選ばれる、少なくとも２以上を有する。特に、本発明の一態様の金属酸化物は、上記酸化物と、Ａｌを含む酸化物とＺｎを含む酸化物を組み合わせた、例えば、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ酸化物、またはＩｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物としてもよい。

また、元素ＭがＳｉおよびＧａである場合、本発明の一態様の金属酸化物は、Ｇａ酸化物、Ｉｎ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｇａ−Ｓｉ酸化物、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｓｉ酸化物、Ｉｎ−Ｓｉ酸化物、Ｉｎ−Ｓｉ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の中から選ばれる、少なくとも２以上を有する。特に、本発明の一態様の金属酸化物は、上記酸化物と、Ｓｉを含む酸化物とＺｎを含む酸化物を組み合わせた、例えば、Ｉｎ−Ｓｉ−Ｚｎ酸化物、またはＩｎ−Ｓｉ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物としてもよい。

すなわち、本発明の一態様の金属酸化物は、複数の材料または複数の成分を有する複合材料、あるいはコンポジット材料ともいえる。

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

つまり、ＣＡＣ構成を有するＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物は、元素Ｍを含む酸化物が主成分である領域と、ＩｎＯ_Ｘ１またはＩｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２が主成分である領域とが、混合している金属酸化物である。従って、金属酸化物を複合金属酸化物と記載する場合がある。

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

例えば、ＣＡＣ構成を有するＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物は、非単結晶構造を有する酸化物半導体であることが好ましい。非単結晶とは、単結晶を除く、非晶質体および多結晶体などを指す。非単結晶構造として、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）および非晶質酸化物半導体などがある。

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

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

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

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

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

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

ここで、本発明の一態様の金属酸化物が、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である場合について説明する。ＩｎＯ_Ｘ１またはＩｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２と、Ｉｎ_Ｗ３Ａｌ_Ｘ３Ｚｎ_Ｙ３Ｏ_Ｚ３またはＩｎ_ａＡｌ_ｂＧａ_ｃＺｎ_ｄＯ_ｅ（ａ、ｂ、ｃ、ｄ、及びｅは、それぞれ０よりも大きい実数とする。）と、に材料が分離することでモザイク状となる。

つまり、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ−ＯＳは、Ｉｎ_Ｗ３Ａｌ_Ｘ３Ｚｎ_Ｙ３Ｏ_Ｚ３またはＩｎ_ａＡｌ_ｂＧａ_ｃＺｎ_ｄＯ_ｅが主成分である領域と、ＩｎＯ_Ｘ１、またはＩｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２が主成分である領域と、が混合している構成を有する複合金属酸化物である。また、Ｉｎ_Ｗ３Ａｌ_Ｘ３Ｚｎ_Ｙ３Ｏ_Ｚ３またはＩｎ_ａＡｌ_ｂＧａ_ｃＺｎ_ｄＯ_ｅが主成分である領域と、ＩｎＯ_Ｘ１またはＩｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２が主成分である領域とは、周辺部が不明瞭である（ボケている）ため、明確な境界が観察できない場合がある。

例えば、図１に示す概念図において、領域００１がＩｎ_ｗ３Ａｌ_ｘ３Ｚｎ_ｙ３Ｏ_Ｚ３またはＩｎ_ａＡｌ_ｂＧａ_ｃＺｎ_ｄＯ_ｅを主成分とする領域に相当し、領域００２がＩｎＯ_Ｘ１またはＩｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２を主成分とする領域に相当する。なお、Ｉｎ_ｗ３Ａｌ_ｘ３Ｚｎ_ｙ３Ｏ_Ｚ３またはＩｎ_ａＡｌ_ｂＧａ_ｃＺｎ_ｄＯ_ｅを主成分とする領域、及びＩｎＯ_Ｘ１またはＩｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２を主成分とする領域を、それぞれナノ粒子と呼称してもよい。当該ナノ粒子は、粒子の径が０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、代表的には１ｎｍ以上２ｎｍ以下である。また、上記ナノ粒子は、周辺部が不明瞭である（ボケている）ため、明確な境界が観察できない場合がある。

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

なお、ＣＡＣ構成を有するＩｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物における結晶構造は、特に限定されない。また、領域００１、および領域００２は、それぞれ、異なる結晶構造を有していてもよい。例えば、ＣＡＣ構成を有するＩｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物は、非単結晶構造を有する酸化物半導体であることが好ましい。

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

また、ＩｎＯ_Ｘ１またはＩｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２が主成分である領域（図１における領域００２）は、Ｉｎ_Ｗ３Ａｌ_Ｘ３Ｚｎ_Ｙ３Ｏ_Ｚ３またはＩｎ_ａＡｌ_ｂＧａ_ｃＺｎ_ｄＯ_ｅが主成分である領域（図１における領域００１）と比較して、導電性が高い領域である。つまり、ＩｎＯ_Ｘ１またはＩｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２が主成分である領域を、キャリアが流れることにより、酸化物半導体としての導電性が発現する。従って、ＩｎＯ_Ｘ１またはＩｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２が主成分である領域が、酸化物半導体中にクラウド状に分布することで、高い電界効果移動度（μ）が実現できる。なお、ＩｎＯ_Ｘ１またはＩｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、などが主成分である領域は、導電体の性質に近い、半導体の領域ともいえる。

一方、Ｉｎ_Ｗ３Ａｌ_Ｘ３Ｚｎ_Ｙ３Ｏ_Ｚ３またはＩｎ_ａＡｌ_ｂＧａ_ｃＺｎ_ｄＯ_ｅが主成分である領域は、ＩｎＯ_Ｘ１またはＩｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２が主成分である領域と比較して、導電性が低い領域である。つまり、Ｉｎ_Ｗ３Ａｌ_Ｘ３Ｚｎ_Ｙ３Ｏ_Ｚ３またはＩｎ_ａＡｌ_ｂＧａ_ｃＺｎ_ｄＯ_ｅが主成分である領域が、金属酸化物中に分布することで、リーク電流を抑制し、良好なスイッチング動作を実現できる。なお、Ｉｎ_Ｗ３Ａｌ_Ｘ３Ｚｎ_Ｙ３Ｏ_Ｚ３またはＩｎ_ａＡｌ_ｂＧａ_ｃＺｎ_ｄＯ_ｅが主成分である領域は、絶縁体の性質に近い、半導体の領域ともいえる。また、Ｉｎ_Ｗ３Ａｌ_Ｘ３Ｚｎ_Ｙ３Ｏ_Ｚ３の導電性と、Ｉｎ_ａＡｌ_ｂＧａ_ｃＺｎ_ｄＯ_ｅの導電性と、を比較すると、ＡｌおよびＧａの酸化物を含むＩｎ_ａＡｌ_ｂＧａ_ｃＺｎ_ｄＯ_ｅの導電性の方が高い。

従って、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ−ＯＳを半導体素子に用いた場合、Ｉｎ_Ｗ３Ａｌ_Ｘ３Ｚｎ_Ｙ３Ｏ_Ｚ３またはＩｎ_ａＡｌ_ｂＧａ_ｃＺｎ_ｄＯ_ｅに起因する性質と、ＩｎＯ_Ｘ１またはＩｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２に起因する性質とが、相補的に作用することにより、高いオン電流（Ｉ_ｏｎ）、高い電界効果移動度（μ）、および、低いオフ電流（Ｉ_ｏｆｆ）を実現することができる。

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

＜金属酸化物を有するトランジスタ＞
続いて、上記金属酸化物を半導体としてトランジスタに用いる場合について、図２を用いて説明する。

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

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

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

例えば、チャネル部のＣＡＣ−ＯＳとして、ＣＡＣ構成を有するＩｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いる場合について説明する。ＣＡＣ構成を有するＩｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物は、領域００１として、領域００２よりもＡｌまたはＧａの濃度が高いＩｎ_Ｗ３Ａｌ_Ｘ３Ｚｎ_Ｙ３Ｏ_Ｚ３またはＩｎ_ａＡｌ_ｂＧａ_ｃＺｎ_ｄＯ_ｅを主成分とする領域と、領域００２として、領域００１よりもＩｎの濃度が高いＩｎＯ_Ｘ１またはＩｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２が主成分である領域と、に材料が分離することでモザイク状となり、Ｉｎ_Ｗ３Ａｌ_Ｘ３Ｚｎ_Ｙ３Ｏ_Ｚ３またはＩｎ_ａＡｌ_ｂＧａ_ｃＺｎ_ｄＯ_ｅと、ＩｎＯ_Ｘ１またはＩｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２が、膜中に分布した構成（クラウド状）である。なお、Ｉｎ_Ｗ３Ａｌ_Ｘ３Ｚｎ_Ｙ３Ｏ_Ｚ３またはＩｎ_ａＡｌ_ｂＧａ_ｃＺｎ_ｄＯ_ｅを主成分とする領域００１は、ＩｎＯ_Ｘ１またはＩｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２が主成分である領域００２よりも、大きなエネルギーギャップを有する。また、Ｉｎ_Ｗ３Ａｌ_Ｘ３Ｚｎ_Ｙ３Ｏ_Ｚ３のエネルギーギャップと、Ｉｎ_ａＡｌ_ｂＧａ_ｃＺｎ_ｄＯ_ｅのエネルギーギャップと、を比較すると、ＡｌおよびＧａの酸化物を含むＩｎ_ａＡｌ_ｂＧａ_ｃＺｎ_ｄＯ_ｅのエネルギーギャップの方が小さい。領域００１のエネルギーギャップは、３．３ｅＶ以上４．０ｅＶ以下であり、領域００２のエネルギーギャップは、２．２ｅＶ以上２．９ｅＶ以下である。

次に、図２（Ａ）に示すトランジスタの伝導モデルについて、図２（Ｂ）を用いて説明する。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示すトランジスタのソースとドレインとの間におけるエネルギー準位の分布を説明する模式図である。また、図２（Ｃ）は、図２（Ａ）に示すトランジスタにおいて、Ｘ−Ｘ’で示す実線上における伝導バンド図である。なお、各伝導バンド図において、実線は伝導帯下端のエネルギーを示す。また、Ｅ_ｆで示す一点破線は電子の擬フェルミ準位のエネルギーを示す。また、ここでは、第１のゲート電圧として、ゲートとソースとの間にマイナスの電圧を印加し、ソースとドレインとの間にドレイン電圧（Ｖ_ｄ＞０）を印加する場合を想定する。なお、図２においては、伝導帯下端のエネルギーをＣＢと記す。

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

また、図２（Ｃ）に示すように、第１のエネルギーギャップを有する領域００１は、第２のエネルギーギャップを有する領域００２より、エネルギーギャップが相対的に広いので、第１のエネルギーギャップを有する領域００１のＥｃ端は、第２のエネルギーギャップを有する領域００２のＥｃ端よりも相対的に高い位置に存在しうる。

ここで、本発明の一態様の金属酸化物が、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である構成を仮定する。

Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物において、Ａｌ酸化物は、Ｉｎ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物およびＧａ酸化物よりも絶縁性が高い。つまりＡｌ酸化物は、Ｉｎ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物およびＧａ酸化物よりもエネルギーギャップが大きい。このようにエネルギーギャップの大きなＡｌ酸化物を含有させる構成とすることで、第１のエネルギーギャップを有する領域のＥｃ端のエネルギーと、第２のエネルギーギャップを有する領域のＥｃ端のエネルギーとの差をより大きくすることができる。したがって、本発明の一態様の金属酸化物をトランジスタの半導体層に用いる場合、トランジスタの電界効果移動度を高め、且つ酸素欠損を抑制することで信頼性の高い半導体装置とすることができる。

なお、上記構成においては、Ａｌについて説明したが、Ａｌの代わりにＳｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、ＢｅおよびＢを用いてもよい。

また、上記構成の場合、第１のエネルギーギャップを有する領域００１の成分が、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物またはＩｎ−Ａｌ−Ｚｎ酸化物に起因し、第２のエネルギーギャップを有する領域００２の成分がＩｎ−Ｚｎ酸化物またはＩｎ酸化物に起因する場合がある。この場合、第１のエネルギーギャップは、３．３ｅＶ以上４．０ｅＶ以下であり、第２のエネルギーギャップは、２．２ｅＶ以上２．９ｅＶ以下である。なお、エネルギーギャップの値は、各材料の単膜をエリプソメータで測定して得られる値を用いることができる。

また、本発明の一態様の金属酸化物は、領域００１に由来する伝導帯下端のエネルギー準位と、領域００２に由来する伝導帯下端のエネルギー準位との差が、少なくとも０．２ｅＶ以上あると好ましい。ただし、第１のエネルギーギャップを有する領域００１に由来する価電子帯上端のエネルギーの位置と、第２のエネルギーギャップを有する領域００２に由来する価電子帯上端のエネルギーの位置が異なる場合があるので、領域００１に由来する伝導帯下端のエネルギー準位と、領域００２に由来する伝導帯下端のエネルギー準位との差が、好ましくは０．３ｅＶ以上、さらに好ましくは０．４ｅＶ以上であるとよい。

また、上記の仮定の場合、ＣＡＣ−ＯＳ中にキャリアが流れる際に、第２のエネルギーギャップ、すなわちエネルギーギャップの小さいＩｎ−Ｚｎ酸化物またはＩｎ酸化物に起因してキャリアが流れる。この際に、第２のエネルギーギャップから第１のエネルギーギャップ、すなわちエネルギーギャップの大きなＩｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物またはＩｎ−Ａｌ−Ｚｎ酸化物側にキャリアが溢れる。別言すると、エネルギーギャップの小さいＩｎ−Ｚｎ酸化物またはＩｎ酸化物の方がキャリアを生成しやすく、当該キャリアは、エネルギーギャップの大きいＩｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物またはＩｎ−Ａｌ−Ｚｎ酸化物に移動する。

なお、第１のバンドギャップ、すなわちエネルギーギャップの大きな領域のキャリア密度は、１×１０^１０ｃｍ^−３以上１×１０^１６ｃｍ^−３以下、好ましくは、１×１０^１５ｃｍ^−３程度である。また、第２のバンドギャップ、すなわちエネルギーギャップの小さい領域のキャリア密度は、１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３未満が好ましい。

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

次に、図２（Ｃ）に示す伝導バンド図と異なる伝導バンド図を図３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示す。なお、図３においては、伝導帯下端のエネルギーをＥｃと記す。

本発明の一態様の金属酸化物においては、基本的には、図３（Ａ）に示すように、領域００２が領域００１に挟まれたバンドを形成していればよい。または、領域００１が領域００２に挟まれたバンドを形成していればよい。

また、ＣＡＣ−ＯＳでは、第１のエネルギーギャップを有する領域００１と第２のエネルギーギャップを有する領域００２との接合部は、領域の凝集形態や組成に揺らぎが生じる場合がある。従って、図３（Ｂ）、および図３（Ｃ）に示すように、不連続ではなく、連続的にバンドが変化する場合がある。すなわち、ＣＡＣ−ＯＳ中にキャリアが流れる際に、第１のエネルギーギャップと、第２のエネルギーギャップとが連動すると言い換えても良い。

次に、図２（Ａ）に示すトランジスタおいて、Ｘ−Ｘ’で示す実線上におけるバンドダイアグラムのモデル図を、図４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示す。なお、第１のゲートに電圧を印加する場合、第２のゲートにも同じ電圧が印加されるとする。

図４（Ａ）には、第１のゲート電圧Ｖ_ｇとして、ゲートとソースとの間にプラスの電圧（Ｖ_ｇ＞０）を印加した状態（ＯＮＳｔａｔｅ）を示す。図４（Ｂ）には、第１のゲート電圧Ｖ_ｇを印加しない（Ｖ_ｇ＝０）状態を示す。図４（Ｃ）には、第１のゲート電圧Ｖ_ｇとして、ゲートとソースとの間にマイナスの電圧（Ｖ_ｇ＜０）を印加した状態（ＯＦＦＳｔａｔｅ）を示す。なお、各伝導バンド図において、実線は伝導帯下端のエネルギーＣＢを示す。また、Ｅ_ｆで示す一点鎖線は電子の擬フェルミ準位のエネルギーを示す。

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

図４（Ａ）に示すように、トランジスタをオン状態にする電位（Ｖ_ｇ＞０）が、第１のゲートに印加されると、伝導帯下端のエネルギーの低い第２のエネルギーギャップを有する領域００２が主な伝導経路となり、電子が流れると同時に、第１のエネルギーギャップを有する領域００１にも電子が流れる。このためトランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きなオン電流および高い電界効果移動度を得ることができる。

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

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

また、トランジスタには、膜中の水素濃度が低減された金属酸化物を用いることが好ましい。なお、膜中の水素濃度が低減された金属酸化物を、高純度真性または実質的に高純度真性と呼称する場合がある。高純度真性または実質的に高純度真性である金属酸化物は、水素に起因するキャリア（例えば、酸素欠損に水素が結合したＶ_ＯＨなど）が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。また、高純度真性または実質的に高純度真性である金属酸化物は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。

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

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

ここで、金属酸化物中における各不純物の影響について説明する。

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

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

また、金属酸化物に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損（Ｖ_ｏ）を形成する場合がある。該酸素欠損（Ｖ_ｏ）に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、水素が含まれている金属酸化物を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、金属酸化物中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、金属酸化物において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上３×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上３×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満とする。

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

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

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

＜金属酸化物の成膜方法＞
以下では、金属酸化物の成膜方法の一例について説明する。

金属酸化物を成膜する際の温度としては、好ましくは、室温（例えば２５℃）以上１７０℃以下、さらに好ましくは１００℃以上１５０℃未満とする。例えばＧ１０等の大型基板は、そのサイズに応じて、基板温度の制限がある。従って、水の気化温度（１００℃以上）より高く、かつ可能な範囲で装置のメンテナビリティー、スループットの良い温度を適宜選択すればよい。なお、室温とは、意図的に加熱しない状態を含む。

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

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

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

また、ターゲットとして、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ金属酸化物ターゲットを用いることができる。例えば、Ｉｎ：Ａｌ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：１：１：４［原子数比］、Ｉｎ：Ａｌ：Ｓｉ：Ｚｎ＝４：１：１：４［原子数比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｓｉ：Ｚｎ＝４：１：１：４［原子数比］、Ｉｎ：Ａｌ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：０．５：０．５：７［原子数比］、Ｉｎ：Ａｌ：Ｓｉ：Ｚｎ＝５：０．５：０．５：７［原子数比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｓｉ：Ｚｎ＝５：０．５：０．５：７［原子数比］、またはその近傍値の原子数比である金属酸化物ターゲットを用いることが好ましい。

また、スパッタリング装置において、ターゲット近傍に配置されたマグネットユニットを回転または移動させても構わない。例えば、成膜中にマグネットユニットを上下または／及び左右に揺動させることによって、本発明の一態様の金属酸化物を形成することができる。例えば、マグネットユニットを、０．１Ｈｚ以上１ｋＨｚ以下のビートで揺動させればよい。

また、例えば、スパッタリングガスとして、例えば酸素のガス比が１０％程度の酸素と希ガスとの混合ガスを用い、基板温度を例えば１３０℃とし、例えばＩｎ：Ａｌ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：０．５：０．５：７［原子数比］のＩｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ金属酸化物ターゲットの近傍（例えば裏面）に配置されたマグネットユニットを揺動させながら成膜を行うことで、本発明の一態様の金属酸化物を形成することができる。

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

（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様の金属酸化物を有する半導体装置、及び当該半導体装置の作製方法について、図５乃至図１６を参照して説明する。

＜２−１．半導体装置の構成例１＞
図５（Ａ）は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ１００Ａの上面図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し、図５（Ｃ）は、図５（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当する。また、図５（Ｄ）は、図５（Ｂ）に示す領域Ｐ１を拡大した断面概念図に相当する。

なお、図５（Ａ）において、煩雑になることを避けるため、トランジスタ１００Ａの構成要素の一部（ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜等）を省略して図示している。また、一点鎖線Ｘ１−Ｘ２方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｙ１−Ｙ２方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。なお、トランジスタの上面図においては、以降の図面においても図５（Ａ）と同様に、構成要素の一部を省略して図示する場合がある。

トランジスタ１００Ａは、基板１０２上の導電膜１０６と、基板１０２及び導電膜１０６上の絶縁膜１０４と、絶縁膜１０４上の金属酸化物１０８と、金属酸化物１０８上の導電膜１１２ａと、金属酸化物１０８上の導電膜１１２ｂと、金属酸化物１０８、導電膜１１２ａ、及び導電膜１１２ｂ上の絶縁膜１１４と、絶縁膜１１４上の絶縁膜１１６と、絶縁膜１１６上の導電膜１２０ａと、絶縁膜１１６上の導電膜１２０ｂと、を有する。

また、絶縁膜１０４は、開口部１５１を有し、絶縁膜１０４上には、開口部１５１を介して導電膜１０６と電気的に接続される導電膜１１２ｃが形成される。また、絶縁膜１１４及び絶縁膜１１６は、導電膜１１２ｂに達する開口部１５２ａと、導電膜１１２ｃに達する開口部１５２ｂとを有する。

金属酸化物１０８は、実施の形態１に示す本発明の一態様の金属酸化物を有する。ここで、図５（Ｄ）を用いて、本発明の一態様の金属酸化物と、導電膜との接続について説明を行う。

図５（Ｄ）の領域Ｐ１に示すように、金属酸化物１０８の上面及び側面と導電膜１１２ａが接するため、接触抵抗を低減できる。また、金属酸化物１０８は、図１に示すＣＡＣ構成を有するため、ＣＡＣ構成が有する領域００２、すなわち、導電性が高い領域と導電膜１１２ａとが接するため、さらに接触抵抗を低減できる。なお、図示していないが、金属酸化物１０８と、導電膜１１２ｂとの接続についても、領域Ｐ１と同様である。

本発明の一態様の金属酸化物は、高い導電性領域を有し、且つ導電膜との接触抵抗が低減されている。したがって、当該金属酸化物を有するトランジスタの電界効果移動度を高めることができる。

具体的には、トランジスタ１００Ａの電界効果移動度が５０ｃｍ^２／Ｖｓを超える、さらに好ましくはトランジスタ１００Ａの電界効果移動度が１００ｃｍ^２／Ｖｓを超えることが可能となる。

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

また、金属酸化物１０８中に混入する水素または水分などの不純物は、トランジスタ特性に影響を与えるため問題となる。したがって、金属酸化物１０８中のチャネル領域においては、水素または水分などの不純物が少ないほど好ましい。また、金属酸化物１０８中のチャネル領域に形成される酸素欠損は、トランジスタ特性に影響を与えるため問題となる。例えば、金属酸化物１０８のチャネル領域中に酸素欠損が形成されると、該酸素欠損に水素が結合し、キャリア供給源となる。金属酸化物１０８のチャネル領域中にキャリア供給源が生成されると、金属酸化物１０８を有するトランジスタ１００Ａの電気特性の変動、代表的にはしきい値電圧のシフトが生じる。したがって、金属酸化物１０８のチャネル領域においては、酸素欠損が少ないほど好ましい。

また、導電膜１１２ｃと導電膜１２０ａとは、開口部１５２ｂを介して電気的に接続され、導電膜１１２ｂと導電膜１２０ｂとは、開口部１５２ａを介して電気的に接続される。なお、導電膜１２０ａと、導電膜１２０ｂとは、同じ導電膜を加工することで形成される。

また、トランジスタ１００Ａの上には、絶縁膜１１８が設けられる。絶縁膜１１８は、絶縁膜１１６、導電膜１２０ａ、及び導電膜１２０ｂを覆うように形成される。

なお、トランジスタ１００Ａにおいて、絶縁膜１０４は、トランジスタ１００Ａの第１のゲート絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜１１４、１１６は、トランジスタ１００Ａの第２のゲート絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜１１８は、トランジスタ１００Ａの保護絶縁膜としての機能を有する。

また、トランジスタ１００Ａにおいて、導電膜１０６は、第１のゲート電極としての機能を有し、導電膜１２０ａは、第２のゲート電極としての機能を有し、導電膜１２０ｂは、表示装置に用いる画素電極としての機能を有する。また、トランジスタ１００Ａにおいて、導電膜１１２ａは、ソース電極としての機能を有し、導電膜１１２ｂは、ドレイン電極としての機能を有する。また、トランジスタ１００Ａにおいて、導電膜１１２ｃは接続電極としての機能を有する。なお、本明細書等において、絶縁膜１０４を第１の絶縁膜と、絶縁膜１１４、１１６を第２の絶縁膜と、絶縁膜１１８を第３の絶縁膜と、それぞれ呼称する場合がある。

また、図５（Ｃ）に示すように、第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ａは、接続電極として機能する導電膜１１２ｃを間に挟んで、第１のゲート電極として機能する導電膜１０６と電気的に接続される。よって、導電膜１０６と、導電膜１２０ａとは、同じ電位が与えられる。

また、図５（Ｃ）に示すように、金属酸化物１０８は、第１のゲート電極として機能する導電膜１０６と、第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ａのそれぞれと対向するように位置し、２つのゲート電極として機能する膜に挟まれている。導電膜１２０ａのチャネル長方向の長さ、及び導電膜１２０ａのチャネル幅方向の長さは、金属酸化物１０８のチャネル長方向の長さ、及び金属酸化物１０８のチャネル幅方向の長さよりもそれぞれ長く、金属酸化物１０８の全体は、絶縁膜１１４、１１６を介して導電膜１２０ａに覆われている。

別言すると、トランジスタ１００Ａのチャネル幅方向において、第１のゲート電極として機能する導電膜１０６及び第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ａは、第１のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜１０４及び第２のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜１１４、１１６を介して金属酸化物１０８を囲む構成である。

このような構成を有することで、トランジスタ１００Ａに含まれる金属酸化物１０８を、第１のゲート電極として機能する導電膜１０６及び第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ａの電界によって電気的に囲むことができる。トランジスタ１００Ａのように、第１のゲート電極及び第２のゲート電極の電界によって、チャネル領域が形成される金属酸化物を、電気的に囲むトランジスタのデバイス構造をＳｕｒｒｏｕｎｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ（Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造と呼ぶことができる。

トランジスタ１００Ａは、Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有するため、第１のゲート電極として機能する導電膜１０６によってチャネルを誘起させるための電界を効果的に金属酸化物１０８に印加することができるため、トランジスタ１００Ａの電流駆動能力が向上し、高いオン電流特性を得ることが可能となる。また、オン電流を高くすることが可能であるため、トランジスタ１００Ａを微細化することが可能となる。また、トランジスタ１００Ａは、金属酸化物１０８が第１のゲート電極として機能する導電膜１０６及び第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ａによって囲まれた構造を有するため、トランジスタ１００Ａの機械的強度を高めることができる。

＜２−２．半導体装置の構成例２＞
次に、図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ａの変形例について、図６乃至図８を用いて説明する。

まず、図６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）を用いて説明を行う。

図６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ａの変形例であるトランジスタ１００Ｂの上面図及び断面図である。また、図６（Ｄ）は、図６（Ｂ）に示す領域Ｐ２を拡大した断面概念図に相当する。

図６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ｂは、図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ａが有する金属酸化物１０８を２層の積層構造としている。より具体的には、トランジスタ１００Ｂが有する金属酸化物１０８は、金属酸化物１０８＿２と、金属酸化物１０８＿２上の金属酸化物１０８＿３と、を有する。

例えば、金属酸化物１０８が有する金属酸化物１０８＿２に、本発明の一態様の金属酸化物を用いることができる。

また、図６（Ｄ）の領域Ｐ２に示すように、金属酸化物１０８の上面及び側面と導電膜１１２ａが接するため、接触抵抗を低減できる。また、金属酸化物１０８が有する金属酸化物１０８＿２は、図１に示すＣＡＣ構成を有するため、ＣＡＣ構成が有する領域００２、すなわち、導電性が高い領域と導電膜１１２ａとが接するため、さらに接触抵抗を低減できる。また、導電性の低い金属酸化物、例えば、ワイドバンドギャップ（例えば、Ｅｇが３．３ｅＶ以上）の酸化物を金属酸化物１０８＿３に用いたとしても、金属酸化物１０８＿２の側面と、導電膜１１２ａとが接することで接触抵抗を、低減することができる。なお、図示していないが、金属酸化物１０８と、導電膜１１２ｂとの接続についても、領域Ｐ２と同様である。

次に、図７（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）を用いて説明を行う。

図７（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ａの変形例であるトランジスタ１００Ｃの上面図及び断面図である。また、図７（Ｄ）は、図７（Ｂ）に示す領域Ｐ３を拡大した断面概念図に相当する。

図７（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ｃは、図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ａが有する金属酸化物１０８を３層の積層構造としている。より具体的には、トランジスタ１００Ｃが有する金属酸化物１０８は、金属酸化物１０８＿１と、金属酸化物１０８＿１上の金属酸化物１０８＿２と、金属酸化物１０８＿２上の金属酸化物１０８＿３と、を有する。

例えば、金属酸化物１０８が有する金属酸化物１０８＿２に、本発明の一態様の金属酸化物を用いることができる。

また、図７（Ｄ）の領域Ｐ３に示すように、金属酸化物１０８の上面及び側面と導電膜１１２ａが接するため、接触抵抗を低減できる。また、金属酸化物１０８が有する金属酸化物１０８＿２は、図１に示すＣＡＣ構成を有するため、ＣＡＣ構成が有する領域００２、すなわち、導電性が高い領域と導電膜１１２ａとが接するため、さらに接触抵抗を低減できる。また、導電性の低い金属酸化物、例えば、ワイドバンドギャップ（例えば、Ｅｇが３．３ｅＶ以上）の酸化物を金属酸化物１０８＿１及び金属酸化物１０８＿３に用いたとしても、金属酸化物１０８＿２の側面と、導電膜１１２ａとが接することで接触抵抗を、低減することができる。なお、図示していないが、金属酸化物１０８と、導電膜１１２ｂとの接続についても、領域Ｐ３と同様である。

次に、図８（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）を用いて説明を行う。

図８（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ａの変形例であるトランジスタ１００Ｄの上面図及び断面図である。また、図８（Ｄ）は、図８（Ｂ）に示す領域Ｐ４を拡大した断面概念図に相当する。

図８（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ｄは、図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ａが有する金属酸化物１０８を３層の積層構造としている。より具体的には、トランジスタ１００Ｄが有する金属酸化物１０８は、金属酸化物１０８＿１と、金属酸化物１０８＿１上の金属酸化物１０８＿２と、金属酸化物１０８＿２上の金属酸化物１０８＿３と、を有する。

例えば、金属酸化物１０８が有する金属酸化物１０８＿２に、本発明の一態様の金属酸化物を用いることができる。また、図８（Ｄ）の領域Ｐ４に示すように、金属酸化物１０８の上面及び側面と導電膜１１２ａが接するため、接触抵抗を低減できる。また、金属酸化物１０８が有する金属酸化物１０８＿２は、図１に示すＣＡＣ構成を有するため、ＣＡＣ構成が有する領域００２、すなわち、導電性が高い領域と導電膜１１２ａとが接するため、さらに接触抵抗を低減できる。

また、トランジスタ１００Ｄは、トランジスタ１００Ｃと金属酸化物１０８＿３の配置される位置が異なり、トランジスタ１００Ｄが有する金属酸化物１０８＿３は、ソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜１１２ａ、１１２ｂの上に形成される。金属酸化物１０８＿３を導電膜１１２ａ、１１２ｂ上に配置することで、金属酸化物１０８＿２と、導電膜１１２ａ、１１２ｂとの接触抵抗をさらに、低減することができる。

図６乃至図８に示すように、本発明の一態様のトランジスタにおいては、金属酸化物を積層構造とすると好適である。

＜２−３．バンド構造＞
次に、金属酸化物１０８を積層構造とした場合のバンド構造について、図１６を用いて説明する。

絶縁膜１０４、金属酸化物１０８＿１、１０８＿２、１０８＿３、及び絶縁膜１１４のバンド構造、並びに、絶縁膜１０４、金属酸化物１０８＿２、１０８＿３、及び絶縁膜１１４のバンド構造を図１６に示す。

図１６（Ａ）は、絶縁膜１０４、金属酸化物１０８＿１、１０８＿２、１０８＿３、及び絶縁膜１１４を有する積層構造の膜厚方向のバンド構造の一例である。また、図１６（Ｂ）は、絶縁膜１０４、金属酸化物１０８＿２、１０８＿３、及び絶縁膜１１４を有する積層構造の膜厚方向のバンド構造の一例である。なお、バンド構造は、理解を容易にするため絶縁膜１０４、金属酸化物１０８＿１、１０８＿２、１０８＿３、及び絶縁膜１１４の伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ）を示す。

図１６（Ａ）に示すように、金属酸化物１０８＿１、１０８＿２、１０８＿３において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。また、図１６（Ｂ）に示すように、金属酸化物１０８＿２、１０８＿３において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようなバンド構造を有するためには、金属酸化物１０８＿１と金属酸化物１０８＿２との界面、及び金属酸化物１０８＿２と金属酸化物１０８＿３との界面において、トラップ中心や再結合中心のような欠陥準位を形成するような不純物が存在しないとする。

金属酸化物１０８＿１、１０８＿２、１０８＿３に連続接合を形成するためには、ロードロック室を備えたマルチチャンバー方式の成膜装置（スパッタリング装置）を用いて各膜を大気に触れさせることなく連続して積層することが必要となる。

図１６（Ａ）（Ｂ）に示す構成とすることで金属酸化物１０８＿２がウェル（井戸）となり、上記積層構造を用いたトランジスタにおいて、チャネル領域が金属酸化物１０８＿２に形成されることがわかる。

また、金属酸化物１０８＿２には、本発明の一態様の金属酸化物を適用することができる。したがって、図１６においては、金属酸化物１０８＿２のバンド構造をフラットな形状として図示しているが、金属酸化物１０８＿２のバンド構造は、実施の形態１で説明した図３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すバンド構造となる場合がある。

なお、金属酸化物１０８＿１、１０８＿３を設けることにより、金属酸化物１０８＿２に形成されうるトラップ準位を金属酸化物１０８＿１または金属酸化物１０８＿３に設けることができる。したがって、金属酸化物１０８＿２には、トラップ準位が形成され難い構造となる。

また、トラップ準位がチャネル領域として機能する金属酸化物１０８＿２の伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ）より真空準位から遠くなることがあり、トラップ準位に電子が蓄積しやすくなってしまう。トラップ準位に電子が蓄積されることで、マイナスの固定電荷となり、トランジスタのしきい値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。したがって、トラップ準位が金属酸化物１０８＿２の伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ）より真空準位に近くなるような構成にすると好ましい。このようにすることで、トラップ準位に電子が蓄積しにくくなり、トランジスタのオン電流を増大させることが可能であると共に、電界効果移動度を高めることができる。

また、金属酸化物１０８＿１、１０８＿３は、金属酸化物１０８＿２よりも伝導帯下端のエネルギー準位が真空準位に近く、代表的には、金属酸化物１０８＿２の伝導帯下端のエネルギー準位と、金属酸化物１０８＿１、１０８＿３の伝導帯下端のエネルギー準位との差が、０．１５ｅＶ以上、または０．５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、または１ｅＶ以下である。すなわち、金属酸化物１０８＿１、１０８＿３の電子親和力と、金属酸化物１０８＿２の電子親和力との差が、０．１５ｅＶ以上、または０．５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、または１ｅＶ以下である。

このような構成を有することで、金属酸化物１０８＿２が主な電流経路となる。すなわち、金属酸化物１０８＿２は、チャネル領域としての機能を有し、金属酸化物１０８＿１、１０８＿３は、酸化物絶縁膜としての機能を有する。また、金属酸化物１０８＿１、１０８＿３は、チャネル領域が形成される金属酸化物１０８＿２を構成する金属元素の一種以上及び元素Ｍから構成される金属酸化物を用いると好ましい。このような構成とすることで、金属酸化物１０８＿１と金属酸化物１０８＿２との界面、及び金属酸化物１０８＿２と金属酸化物１０８＿３との界面において、界面散乱が起こりにくい。従って、該界面においてはキャリアの動きが阻害されないため、トランジスタの電界効果移動度が高くなる。

また、金属酸化物１０８＿１、１０８＿３は、チャネル領域の一部として機能することを防止するため、導電率が十分に低い材料を用いるものとする。そのため、金属酸化物１０８＿１、１０８＿３を、その物性及び／または機能から、それぞれ酸化物絶縁膜とも呼べる。または、金属酸化物１０８＿１、１０８＿３には、電子親和力（真空準位と伝導帯下端のエネルギー準位との差）が金属酸化物１０８＿２よりも小さく、伝導帯下端のエネルギー準位が金属酸化物１０８＿２の伝導帯下端のエネルギー準位と差分（バンドオフセット）を有する材料を用いるものとする。また、ドレイン電圧の大きさに依存したしきい値電圧の差が生じることを抑制するためには、金属酸化物１０８＿１、１０８＿３の伝導帯下端のエネルギー準位が、金属酸化物１０８＿２の伝導帯下端のエネルギー準位よりも真空準位に近い材料を用いると好適である。例えば、金属酸化物１０８＿２の伝導帯下端のエネルギー準位と、金属酸化物１０８＿１、１０８＿３の伝導帯下端のエネルギー準位との差が、０．２ｅＶ以上、好ましくは０．５ｅＶ以上とすることが好ましい。

また、金属酸化物１０８＿１、１０８＿３は、膜中にスピネル型の結晶構造が含まれないことが好ましい。金属酸化物１０８＿１、１０８＿３の膜中にスピネル型の結晶構造を含む場合、該スピネル型の結晶構造と他の領域との界面において、導電膜１２０ａ、１２０ｂの構成元素が金属酸化物１０８＿２へ拡散してしまう場合がある。なお、金属酸化物１０８＿１、１０８＿３がＣＡＡＣ−ＯＳである場合、導電膜１２０ａ、１２０ｂの構成元素、例えば、銅元素のブロッキング性が高くなり好ましい。

なお、金属酸化物１０８＿１、１０８＿３として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］の金属酸化物ターゲット、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］の金属酸化物ターゲット、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：６［原子数比］の金属酸化物ターゲットなどを用いて形成することができる。

＜２−４．半導体装置の構成例３＞
次に、先に説明したトランジスタと異なる態様の構成のトランジスタについて、図９を用いて説明する。

図９（Ａ）は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ２００Ａの上面図であり、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し、図９（Ｃ）は、図９（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当する。また、図９（Ｄ）は、図９（Ｂ）に示す領域Ｐ５を拡大した断面概念図に相当する。

図９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２００Ａは、所謂トップゲート構造のトランジスタである。

トランジスタ２００Ａは、基板２０２上の導電膜２０６と、基板２０２及び導電膜２０６上の絶縁膜２０４と、絶縁膜２０４上の金属酸化物２０８と、金属酸化物２０８上の絶縁膜２１０と、絶縁膜２１０上の導電膜２１２と、絶縁膜２０４、金属酸化物２０８、及び導電膜２１２上の絶縁膜２１６と、を有する。

また、金属酸化物２０８は、本発明の一態様の金属酸化物を用いると好ましい。

なお、金属酸化物２０８は、導電膜２１２と重なり、且つ絶縁膜２１０と接する領域２０８ｉと、絶縁膜２１６と重なる領域２０８ｎと、を有する。また、領域２０８ｎは、領域２０８ｉよりもキャリア密度が高い領域を有する。すなわち、金属酸化物２０８は、キャリア密度の異なる複数の領域を有する。また、領域２０８ｎを、ソース領域またはドレイン領域と呼称することもできる。

ここで、図９（Ｄ）を用いて、領域２０８ｉと、領域２０８ｎとの接続について説明を行う。

図９（Ｄ）の領域Ｐ５に示すように、領域２０８ｉの側面と領域２０８ｎの側面とが接するため、接触抵抗を低減できる。また、金属酸化物２０８が有する領域２０８ｉは、図１に示すＣＡＣ構成を有するため、ＣＡＣ構成が有する領域００２、すなわち、導電性が高い領域と領域２０８ｎ、すなわちソース領域とが接するため、さらに接触抵抗を低減できる。なお、図示していないが、領域２０８ｉの他方の側面と、領域２０８ｎの側面との接続についても領域Ｐ５と同様である。

本発明の一態様の金属酸化物は、高い導電性領域を有し、且つソース領域またはドレイン領域との接続抵抗が低減されている。したがって、当該金属酸化物を有するトランジスタの電界効果移動度を高めることができる。

また、領域２０８ｎは、絶縁膜２１６と接する。絶縁膜２１６は、窒素または水素を有する。そのため、絶縁膜２１６中の窒素または水素が領域２０８ｎ中に添加される。領域２０８ｎは、絶縁膜２１６から窒素または水素が添加されることで、キャリア密度が高くなる。

また、トランジスタ２００Ａは、絶縁膜２１６上の絶縁膜２１８と、絶縁膜２１６、２１８に設けられた開口部２４１ａを介して、領域２０８ｎに電気的に接続される導電膜２２０ａと、絶縁膜２１６、２１８に設けられた開口部２４１ｂを介して、領域２０８ｎに電気的に接続される導電膜２２０ｂと、を有していてもよい。

また、図９（Ｃ）に示すように、絶縁膜２０４及び絶縁膜２１０には、開口部２４３が設けられる。また、導電膜２０６は、開口部２４３を介して導電膜２１２と、電気的に接続される。よって、導電膜２０６と導電膜２１２には、同じ電位が与えられる。また、開口部２４３を設けずに、導電膜２０６と、導電膜２１２と、に異なる電位を与えてもよい。

なお、導電膜２０６は、第１のゲート電極（ボトムゲート電極ともいう）としての機能を有し、導電膜２１２は、第２のゲート電極（トップゲート電極ともいう）としての機能を有する。また、絶縁膜２０４は、第１のゲート絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜２１０は、第２のゲート絶縁膜としての機能を有する。

このように、図９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２００Ａは、金属酸化物２０８の上下にゲート電極として機能する導電膜を有する構造である。トランジスタ２００Ａに示すように、本発明の一態様の半導体装置には、２つ以上のゲート電極を設けてもよい。

また、図９（Ｃ）に示すように、金属酸化物２０８は、第１のゲート電極として機能する導電膜２０６と、第２のゲート電極として機能する導電膜２１２のそれぞれと対向するように位置し、２つのゲート電極として機能する導電膜に挟まれている。

また、導電膜２１２のチャネル幅方向の長さは、金属酸化物２０８のチャネル幅方向の長さよりも長く、金属酸化物２０８のチャネル幅方向全体は、絶縁膜２１０を介して導電膜２１２に覆われている。また、導電膜２１２と導電膜２０６とは、絶縁膜２０４及び絶縁膜２１０に設けられる開口部２４３において接続されるため、金属酸化物２０８のチャネル幅方向の側面の一方は、絶縁膜２１０を介して導電膜２１２と対向している。

別言すると、トランジスタ２００Ａのチャネル幅方向において、導電膜２０６及び導電膜２１２は、絶縁膜２０４及び絶縁膜２１０に設けられる開口部２４３において接続すると共に、絶縁膜２０４及び絶縁膜２１０を介して金属酸化物２０８を取り囲む構成である。すなわち、トランジスタ２００Ａは、先に示すＳ−ｃｈａｎｎｅｌ構造である。

＜２−５．半導体装置の構成例４＞
次に、図９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２００Ａの変形例について、図１０乃至図１２を用いて説明する。

まず、図１０（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）を用いて説明を行う。

図１０（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、図９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２００Ａの変形例であるトランジスタ２００Ｂの上面図及び断面図である。また、図１０（Ｄ）は、図１０（Ｂ）に示す領域Ｐ６を拡大した断面概念図に相当する。

図１０（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２００Ｂは、図９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２００Ａが有する金属酸化物２０８を２層の積層構造としている。より具体的には、トランジスタ２００Ｂが有する金属酸化物２０８は、領域２０８ｉ＿１と、領域２０８ｉ＿１上の領域２０８ｉ＿２と、絶縁膜２１６と重なる領域２０８ｎと、を有する。

例えば、金属酸化物２０８が有する領域２０８ｉ＿２に、本発明の一態様の金属酸化物を用いることができる。

図１０（Ｄ）の領域Ｐ６に示すように、領域２０８ｉ＿２の側面と領域２０８ｎの側面とが接するため、接触抵抗を低減できる。また、金属酸化物２０８が有する領域２０８ｉ＿２は、図１に示すＣＡＣ構成を有するため、ＣＡＣ構成が有する領域００２、すなわち、導電性が高い領域と領域２０８ｎ、すなわちソース領域とが接するため、さらに接触抵抗を低減できる。なお、図示していないが、領域２０８ｉ＿２の他方の側面と、領域２０８ｎの側面との接続についても領域Ｐ６と同様である。

次に、図１１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）を用いて説明を行う。

図１１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、図９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２００Ａの変形例であるトランジスタ２００Ｃの上面図及び断面図である。また、図１１（Ｄ）は、図１１（Ｂ）に示す領域Ｐ７を拡大した断面概念図に相当する。

図１１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２００Ｃは、図９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２００Ａが有する金属酸化物２０８を３層の積層構造としている。より具体的には、トランジスタ２００Ｃが有する金属酸化物２０８は、領域２０８ｉ＿１と、領域２０８ｉ＿１上の領域２０８ｉ＿２と、領域２０８ｉ＿２上の領域２０８ｉ＿３と、絶縁膜２１６と重なる領域２０８ｎと、を有する。

例えば、金属酸化物２０８が有する領域２０８ｉ＿２に、本発明の一態様の金属酸化物を用いることができる。

図１１（Ｄ）の領域Ｐ７に示すように、領域２０８ｉ＿２の側面と領域２０８ｎの側面とが接するため、接触抵抗を低減できる。また、金属酸化物２０８が有する領域２０８ｉ＿２は、図１に示すＣＡＣ構成を有するため、ＣＡＣ構成が有する領域００２、すなわち、導電性が高い領域と領域２０８ｎ、すなわちソース領域とが接するため、さらに接触抵抗を低減できる。なお、図示していないが、領域２０８ｉ＿２の他方の側面と、領域２０８ｎの側面との接続についても領域Ｐ７と同様である。

次に、図１２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）を用いて説明を行う。

図１２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、図９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２００Ａの変形例であるトランジスタ２００Ｄの上面図及び断面図である。また、図１２（Ｄ）は、図１２（Ｂ）に示す領域Ｐ８を拡大した断面概念図に相当する。

図１２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２００Ｄは、図９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２００Ａが有する金属酸化物２０８を３層の積層構造としている。より具体的には、トランジスタ２００Ｄが有する金属酸化物２０８は、領域２０８ｉ＿１と、領域２０８ｉ＿１上の領域２０８ｉ＿２と、領域２０８ｉ＿２上の領域２０８ｉ＿３と、絶縁膜２１６と重なる領域２０８ｎと、を有する。

例えば、金属酸化物２０８が有する領域２０８ｉ＿２に、本発明の一態様の金属酸化物を用いることができる。なお、領域Ｐ８に示すように、領域２０８ｉ＿２の側面と領域２０８ｎの側面とが接するため、接触抵抗を低減できる。また、金属酸化物２０８が有する領域２０８ｉ＿２は、図１に示すＣＡＣ構成を有するため、ＣＡＣ構成が有する領域００２、すなわち、導電性が高い領域と領域２０８ｎ、すなわちソース領域とが接するため、さらに接触抵抗を低減できる。なお、図示していないが、領域２０８ｉ＿２の他方の側面と、領域２０８ｎの側面との接続についても領域Ｐ８と同様である。

なお、トランジスタ２００Ｄが有する金属酸化物２０８は、トランジスタ２００Ｃが有する金属酸化物２０８と、領域２０８ｉ＿３の形状が異なる。具体的には、トランジスタ２００Ｄが有する金属酸化物２０８は、領域２０８ｉ＿１の側面、及び領域２０８ｉ＿２の側面を領域２０８ｉ＿３によって、覆う形状である。当該形状とすることで、領域２０８ｉ＿１の側面及び領域２０８ｉ＿２の側面と、絶縁膜２１０とが接しない構造となる。当該構造とすることで、領域２０８ｉ＿１及び領域２０８ｉ＿２中、特に領域２０８ｉ＿２中に入り込みうる不純物を抑制することができるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

図１０乃至図１２に示すように、本発明の一態様のトランジスタにおいては、金属酸化物を積層構造とすると好適である。なお、金属酸化物を積層構造とした場合のバンド構造については、＜２−３．バンド構造＞を参照すればよい。

＜２−６．半導体装置の構成要素＞
以下では、本実施の形態の半導体装置に含まれる構成要素について、詳細に説明する。

［基板］
基板１０２、２０２の材質などに大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有している必要がある。例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板等を、基板１０２、２０２として用いてもよい。また、シリコンや炭化シリコンを材料とした単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム等の化合物半導体基板、ＳＯＩ基板等を適用することも可能であり、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板１０２、２０２として用いてもよい。なお、基板１０２、２０２として、ガラス基板を用いる場合、第６世代（１５００ｍｍ×１８５０ｍｍ）、第７世代（１８７０ｍｍ×２２００ｍｍ）、第８世代（２２００ｍｍ×２４００ｍｍ）、第９世代（２４００ｍｍ×２８００ｍｍ）、第１０世代（２９５０ｍｍ×３４００ｍｍ）等の大面積基板を用いることで、大型の表示装置を作製することができる。

また、基板１０２、２０２として、可撓性基板を用い、可撓性基板上に直接、トランジスタを形成してもよい。または、基板１０２、２０２とトランジスタの間に剥離層を設けてもよい。剥離層は、その上に半導体装置を一部あるいは全部完成させた後、基板１０２、２０２より分離し、他の基板に転載するのに用いることができる。その際、トランジスタは耐熱性の劣る基板や可撓性の基板にも転載できる。

［導電膜］
第１のゲート電極として機能する導電膜１０６、２０６、ソース電極として機能する導電膜１１２ａ、２２０ａ、ドレイン電極として機能する導電膜１１２ｂ、２２０ｂ、接続電極として機能する導電膜１１２ｃ、第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ａ、２１２、及び画素電極として機能する導電膜１２０ｂとしては、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）から選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いてそれぞれ形成することができる。

また、導電膜１０６、１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１２０ａ、１２０ｂ、２０６、２２０ａ、２２０ｂ、２１２には、インジウムと錫とを有する酸化物、タングステンとインジウムとを有する酸化物、タングステンとインジウムと亜鉛とを有する酸化物、チタンとインジウムとを有する酸化物、チタンとインジウムと錫とを有する酸化物、インジウムと亜鉛とを有する酸化物、シリコンとインジウムと錫とを有する酸化物、インジウムとガリウムと亜鉛とを有する酸化物等の酸化物導電体を適用してもよい。

特に、導電膜１２０ａ、２１２には、上述の酸化物導電体を好適に用いることができる。なお、本明細書等において、酸化物導電体をＯＣ（Ｏｘｉｄｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼称してもよい。酸化物導電体としては、例えば、酸化物半導体に酸素欠損を形成し、該酸素欠損に水素を添加すると、伝導帯近傍にドナー準位が形成される。この結果、酸化物半導体は、導電性が高くなり導電体化する。導電体化された酸化物半導体を、酸化物導電体ということができる。一般に、酸化物半導体は、エネルギーギャップが大きいため、可視光に対して透光性を有する。一方、酸化物導電体は、伝導帯近傍にドナー準位を有する酸化物半導体である。したがって、酸化物導電体は、ドナー準位による吸収の影響は小さく、可視光に対して酸化物半導体と同程度の透光性を有する。

また、導電膜１０６、１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１２０ａ、１２０ｂ、２０６、２２０ａ、２２０ｂ、２１２には、Ｃｕ−Ｘ合金膜（Ｘは、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔａ、またはＴｉ）を適用してもよい。Ｃｕ−Ｘ合金膜を用いることで、ウエットエッチングプロセスで加工できるため、製造コストを抑制することが可能となる。

特に、導電膜１１２ａ、１１２ｂ、２２０ａ、２２０ｂには、上述のＣｕ−Ｘ合金膜を好適に用いることができる。Ｃｕ−Ｘ合金膜としては、Ｃｕ−Ｍｎ合金膜が特に好ましい。

［第１のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜］
トランジスタの第１のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜１０４、２０４としては、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ：（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ））法、スパッタリング法等により、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化イットリウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ガリウム膜、酸化タンタル膜、酸化マグネシウム膜、酸化ランタン膜、酸化セリウム膜および酸化ネオジム膜を一種以上含む絶縁層を、それぞれ用いることができる。なお、絶縁膜１０４、２０４としては、上述の材料から選択された単層の絶縁膜、または２層以上の絶縁膜を用いてもよい。

なお、トランジスタのチャネル領域として機能する金属酸化物１０８、２０８と接する絶縁膜には、酸化物絶縁膜を用いることが好ましく、化学量論的組成よりも過剰に酸素を含有する領域（過剰酸素領域）を有することがより好ましい。

ただし、上記構成に限定されず、金属酸化物１０８、２０８と接する絶縁膜に、窒化物絶縁膜を用いる構成としてもよい。当該構成の一例としては、窒化シリコン膜を形成し、当該窒化シリコン膜の表面に酸素プラズマ処理などを行うことで、窒化シリコン膜の表面を酸化させる構成などが挙げられる。なお、窒化シリコン膜の表面に酸素プラズマ処理などを行った場合、窒化シリコン膜の表面は原子レベルで酸化されている場合があるため、トランジスタの断面の観察等を行っても、酸化膜が観察されない可能性がある。すなわち、トランジスタの断面の観察を行った場合、窒化シリコン膜と、金属酸化物とが、接しているように観察される場合がある。特に、実施の形態１に示す本発明の一態様の金属酸化物はエネルギーギャップの大きい領域を有するので金属酸化物１０８または２０８と窒化シリコン膜とが、接する構成としても良い。

なお、窒化シリコン膜は、酸化シリコン膜と比較して比誘電率が高く、酸化シリコン膜と同等の静電容量を得るのに必要な膜厚が大きいため、トランジスタのゲート絶縁膜として、窒化シリコン膜を含むことで絶縁膜を厚膜化することができる。よって、トランジスタの絶縁耐圧の低下を抑制、さらには絶縁耐圧を向上させて、トランジスタの静電破壊を抑制することができる。

また、絶縁膜１０４、２０４として、酸化ハフニウムを用いる場合、以下の効果を奏する。酸化ハフニウムは、酸化シリコンや酸化窒化シリコンと比べて比誘電率が高い。したがって、酸化シリコンを用いた場合と比べて、絶縁膜１０４、２０４の膜厚を大きくできるため、トンネル電流によるリーク電流を小さくすることができる。すなわち、オフ電流の小さいトランジスタを実現することができる。さらに、結晶構造を有する酸化ハフニウムは、非晶質構造を有する酸化ハフニウムと比べて高い比誘電率を備える。したがって、オフ電流の小さいトランジスタとするためには、結晶構造を有する酸化ハフニウムを用いることが好ましい。結晶構造の例としては、単斜晶系や立方晶系などが挙げられる。ただし、本発明の一態様は、これらに限定されない。

［金属酸化物］
金属酸化物１０８、２０８としては、実施の形態１に示す本発明の一態様の金属酸化物を用いることができる。

また、金属酸化物１０８、２０８は、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上、より好ましくは３ｅＶ以上である。このように、エネルギーギャップの広い金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。

また、金属酸化物１０８、２０８の厚さは、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。

なお、必要とするトランジスタの半導体特性を得るために、金属酸化物１０８、２０８のキャリア密度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、密度等を適切なものとすることが好ましい。

［第２のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜］
絶縁膜１１４、１１６、２１０は、トランジスタの第２のゲート絶縁膜として機能する。また、絶縁膜１１４、１１６、２１０は、金属酸化物１０８、２０８に酸素を供給する機能を有する。すなわち、絶縁膜１１４、１１６、２１０は、酸素を有する。また、絶縁膜１１４は、酸素を透過することのできる絶縁膜である。なお、絶縁膜１１４は、後に形成する絶縁膜１１６を形成する際の、金属酸化物１０８へのダメージ緩和膜としても機能する。

絶縁膜１１４としては、厚さが５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の酸化シリコン、酸化窒化シリコン等を用いることができる。

また、絶縁膜１１４は、欠陥量が少ないことが好ましく、代表的には、電子スピン共鳴（ＥＳＲ測定）により、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝２．００１に現れる信号のスピン密度が３×１０^１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下であることが好ましい。これは、絶縁膜１１４に含まれる欠陥密度が多いと、該欠陥に酸素が結合してしまい、絶縁膜１１４における酸素の透過量が減少してしまうためである。

なお、絶縁膜１１４においては、外部から絶縁膜１１４に入った酸素が全て絶縁膜１１４の外部に移動せず、絶縁膜１１４にとどまる酸素もある。また、絶縁膜１１４に酸素が入ると共に、絶縁膜１１４に含まれる酸素が絶縁膜１１４の外部へ移動することで、絶縁膜１１４において酸素の移動が生じる場合もある。絶縁膜１１４として酸素を透過することができる酸化物絶縁膜を形成すると、絶縁膜１１４上に設けられる、絶縁膜１１６から脱離する酸素を、絶縁膜１１４を介して金属酸化物１０８に移動させることができる。

また、絶縁膜１１４は、窒素酸化物に起因する準位密度が低い酸化物絶縁膜を用いて形成することができる。なお、当該窒素酸化物に起因する準位密度は、金属酸化物の価電子帯の上端のエネルギー（Ｅｖ＿ｏｓ）と金属酸化物の伝導帯の下端のエネルギー（Ｅｃ＿ｏｓ）の間に形成され得る場合がある。上記酸化物絶縁膜として、窒素酸化物の放出量が少ない酸化窒化シリコン膜、または窒素酸化物の放出量が少ない酸化窒化アルミニウム膜等を用いることができる。

なお、窒素酸化物の放出量の少ない酸化窒化シリコン膜は、昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ：Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）において、窒素酸化物の放出量よりアンモニアの放出量が多い膜であり、代表的にはアンモニアの放出量が１×１０^１８ｃｍ^−３以上５×１０^１９ｃｍ^−３以下である。なお、アンモニアの放出量は、膜の表面温度が５０℃以上６５０℃以下、好ましくは５０℃以上５５０℃以下の加熱処理による放出量とする。

窒素酸化物（ＮＯ_ｘ、ｘは０を越えて２以下、好ましくは１以上２以下）、代表的にはＮＯ_２またはＮＯは、絶縁膜１１４などに準位を形成する。当該準位は、金属酸化物１０８のエネルギーギャップ内に位置する。そのため、窒素酸化物が、絶縁膜１１４及び金属酸化物１０８の界面に拡散すると、当該準位が絶縁膜１１４側において電子をトラップする場合がある。この結果、トラップされた電子が、絶縁膜１１４及び金属酸化物１０８界面近傍に留まるため、トランジスタのしきい値電圧をプラス方向にシフトさせてしまう。

また、窒素酸化物は、加熱処理においてアンモニア及び酸素と反応する。絶縁膜１１４に含まれる窒素酸化物は、加熱処理において、絶縁膜１１６に含まれるアンモニアと反応するため、絶縁膜１１４に含まれる窒素酸化物が低減される。このため、絶縁膜１１４及び金属酸化物１０８の界面において、電子がトラップされにくい。

絶縁膜１１４として、上記酸化物絶縁膜を用いることで、トランジスタのしきい値電圧のシフトを低減することが可能であり、トランジスタの電気特性の変動を低減することができる。

なお、トランジスタの作製工程の加熱処理、代表的には３００℃以上３５０℃未満の加熱処理により、絶縁膜１１４は、１００Ｋ以下のＥＳＲで測定して得られたスペクトルにおいてｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１のシグナル、ｇ値が２．００１以上２．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下の第３のシグナルが観測される。なお、第１のシグナル及び第２のシグナルのスプリット幅、並びに第２のシグナル及び第３のシグナルのスプリット幅は、ＸバンドのＥＳＲ測定において約５ｍＴである。また、ｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１のシグナル、ｇ値が２．００１以上２．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下である第３のシグナルのスピンの密度の合計が１×１０^１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３未満であり、代表的には１×１０^１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以上１×１０^１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３未満である。

なお、１００Ｋ以下のＥＳＲスペクトルにおいて、ｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１のシグナル、ｇ値が２．００１以上２．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下である第３のシグナルのスピンの密度の合計は、窒素酸化物（ＮＯ_ｘ、ｘは０より大きく２以下、好ましくは１以上２以下）起因のシグナルのスピンの密度の合計に相当する。窒素酸化物の代表例としては、一酸化窒素、二酸化窒素等がある。即ち、ｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１のシグナル、ｇ値が２．００１以上２．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下である第３のシグナルのスピンの密度の合計が少ないほど、酸化物絶縁膜に含まれる窒素酸化物の含有量が少ないといえる。

また、上記酸化物絶縁膜は、ＳＩＭＳで測定される窒素濃度が６×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である。

基板温度が２２０℃以上３５０℃以下であり、シラン及び一酸化二窒素を用いたＰＥＣＶＤ法を用いて、上記酸化物絶縁膜を形成することで、緻密であり、且つ硬度の高い膜を形成することができる。

絶縁膜１１６、２１０は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を用いて形成すると好適である。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜は、加熱により酸素の一部が脱離する。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜は、ＴＤＳ分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、好ましくは３．０×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である酸化物絶縁膜である。なお、上記ＴＤＳにおける膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲が好ましい。

絶縁膜１１６、２１０としては、厚さが３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下の、酸化シリコン、酸化窒化シリコン等を用いることができる。

また、絶縁膜１１６、２１０は、欠陥量が少ないことが好ましく、代表的には、ＥＳＲ測定により、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝２．００１に現れる信号のスピン密度が１．５×１０^１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３未満、さらには１×１０^１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下であることが好ましい。なお、絶縁膜１１６は、絶縁膜１１４と比較して金属酸化物１０８から離れているため、絶縁膜１１４より、欠陥密度が多くともよい。

また、絶縁膜１１４、１１６は、同種の材料の絶縁膜を用いることができるため、絶縁膜１１４と絶縁膜１１６の界面が明確に確認できない場合がある。したがって、本実施の形態においては、絶縁膜１１４と絶縁膜１１６の界面は、破線で図示している。なお、本実施の形態においては、絶縁膜１１４と絶縁膜１１６の２層構造について説明したが、これに限定されず、例えば、絶縁膜１１４の単層構造、あるいは３層以上の積層構造としてもよい。

［保護絶縁膜として機能する絶縁膜］
絶縁膜１１８、２１６は、トランジスタの保護絶縁膜として機能する。

絶縁膜１１８、２１６は、水素及び窒素のいずれか一方または双方を有する。または、絶縁膜１１８、２１６は、窒素及びシリコンを有する。また、絶縁膜１１８、２１６は、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキングできる機能を有する。絶縁膜１１８、２１６を設けることで、金属酸化物１０８、２０８からの酸素の外部への拡散と、絶縁膜１１４、１１６、２１０に含まれる酸素の外部への拡散と、外部から金属酸化物１０８、２０８への水素、水等の入り込みを防ぐことができる。

絶縁膜１１８、２１６としては、例えば、窒化物絶縁膜を用いることができる。該窒化物絶縁膜としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム等がある。

なお、上記記載の、導電膜、絶縁膜、金属酸化物、金属膜などの様々な膜は、スパッタリング法やＰＥＣＶＤ法により形成することができるが、他の方法、例えば、熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成してもよい。熱ＣＶＤ法の例としてＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、またはＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などが挙げられる。

熱ＣＶＤ法は、プラズマを使わない成膜方法のため、プラズマダメージにより欠陥が生成されることが無いという利点を有する。

熱ＣＶＤ法は、原料ガスと酸化剤を同時にチャンバー内に送り、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで成膜を行ってもよい。

また、ＡＬＤ法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、反応のための原料ガスが順次チャンバーに導入され、そのガス導入の順序を繰り返すことで成膜を行ってもよい。

ＭＯＣＶＤ法、ＡＬＤ法などの熱ＣＶＤ法は、上記実施形態の導電膜、絶縁膜、金属酸化物などの様々な膜を形成することができる。

＜２−７．半導体装置の作製方法＞
次に、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ２００Ｃの作製方法について、図１３乃至図１５を用いて説明する。

なお、図１３（Ａ）乃至図１３（Ｄ）、図１４（Ａ）乃至図１４（Ｃ）、及び図１５（Ａ）乃至図１５（Ｃ）は、半導体装置の作製方法を説明する断面図である。また、図１３（Ａ）乃至図１３（Ｄ）、図１４（Ａ）乃至図１４（Ｃ）、及び図１５（Ａ）乃至図１５（Ｃ）において、左側がチャネル長方向の断面図であり、右側がチャネル幅方向の断面図である。

まず、基板２０２上に導電膜２０６を形成する。次に、基板２０２、及び導電膜２０６上に絶縁膜２０４を形成し、絶縁膜２０４上に第１の金属酸化物と、第２の金属酸化物と、第３の金属酸化物とを形成する。その後、第１の金属酸化物、第２の金属酸化物、及び第３の金属酸化物を島状に加工することで、金属酸化物２０８＿１ａ、金属酸化物２０８＿２ａ、及び金属酸化物２０８＿３ａを形成する（図１３（Ａ）参照）。

導電膜２０６としては、先に記載の材料を選択することで形成できる。本実施の形態においては、導電膜２０６として、スパッタリング装置を用い、厚さ５０ｎｍのタングステン膜と、厚さ４００ｎｍの銅膜との積層膜を形成する。

なお、導電膜２０６となる導電膜の加工方法としては、ウエットエッチング法及びドライエッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。本実施の形態では、ウエットエッチング法にて銅膜をエッチングしたのち、ドライエッチング法にてタングステン膜をエッチングすることで導電膜を加工し、導電膜２０６を形成する。

絶縁膜２０４としては、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法、印刷法、塗布法等を適宜用いて形成することができる。本実施の形態においては、絶縁膜２０４として、ＰＥＣＶＤ装置を用い、厚さ４００ｎｍの窒化シリコン膜と、厚さ５０ｎｍの酸化窒化シリコン膜とを形成する。

また、絶縁膜２０４を形成した後、絶縁膜２０４に酸素を添加してもよい。絶縁膜２０４に添加する酸素としては、酸素ラジカル、酸素原子、酸素原子イオン、酸素分子イオン等がある。また、添加方法としては、イオンドーピング法、イオン注入法、プラズマ処理法等がある。また、絶縁膜２０４上に酸素の脱離を抑制する膜を形成した後、該膜を介して絶縁膜２０４に酸素を添加してもよい。

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

また、プラズマ処理で酸素の添加を行う場合、マイクロ波で酸素を励起し、高密度な酸素プラズマを発生させることで、絶縁膜２０４への酸素添加量を増加させることができる。

金属酸化物２０８＿１ａ、金属酸化物２０８＿２ａ、及び金属酸化物２０８＿３ａは、スパッタリング装置を用いて真空中で連続して形成されると好ましい。金属酸化物２０８＿１ａ、金属酸化物２０８＿２ａ、及び金属酸化物２０８＿３ａを、スパッタリング装置を用いて真空中で連続して形成することで、各界面に付着しうる不純物（例えば、水素、水など）を抑制することができる。

また、金属酸化物２０８＿２ａの形成条件としては、金属酸化物２０８＿１ａ及び金属酸化物２０８＿３ａのいずれか一方または双方よりも、低い酸素分圧で形成されると好ましい。

また、金属酸化物２０８＿１ａ、金属酸化物２０８＿２ａ、及び金属酸化物２０８＿３ａを形成する際に、酸素ガスに、不活性ガス（例えば、ヘリウムガス、アルゴンガス、キセノンガスなど）を混合させてもよい。なお、金属酸化物２０８＿１ａを形成する際の成膜ガス全体に占める酸素ガスの割合（以下、酸素流量比ともいう）としては、７０％以上１００％以下、好ましくは８０％以上１００％以下、さらに好ましくは９０％以上１００％以下である。また、金属酸化物２０８＿２ａを形成する際の酸素流量比としては、０％より大きく３０％以下、好ましくは５％以上１５％以下である。また、金属酸化物２０８＿３ａを形成する際の酸素流量比としては、７０％以上１００％以下、好ましくは８０％以上１００％以下、さらに好ましくは９０％以上１００％以下である。

なお、金属酸化物２０８＿２ａの形成条件としては、金属酸化物２０８＿１ａ及び金属酸化物２０８＿３ａのいずれか一方または双方よりも、低い基板温度で形成してもよい。

具体的には、金属酸化物２０８＿２ａの形成条件としては、基板温度を室温以上１５０℃未満、好ましくは室温以上１４０℃以下とすればよい。また、金属酸化物２０８＿１ａ及び金属酸化物２０８＿３ａの形成条件としては、基板温度を室温以上３００℃以下、好ましくは基板温度を室温以上２００℃以下とすればよい。ただし、金属酸化物２０８＿１ａ、金属酸化物２０８＿２ａ、及び金属酸化物２０８＿３ａの形成時の基板温度を同一（例えば、室温以上１５０℃未満）とした方が、生産性が高くなり好ましい。

上記のような形成条件とすることで、金属酸化物２０８＿２ａを、金属酸化物２０８＿１ａ及び金属酸化物２０８＿３ａよりも結晶性が低い領域を有する構成とすることができる。

また、金属酸化物２０８＿１ａの厚さとしては、１ｎｍ以上２０ｎｍ未満、好ましくは５ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすればよい。また、金属酸化物２０８＿２ａの厚さとしては、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすればよい。また、金属酸化物２０８＿３ａの厚さとしては、１ｎｍ以上２０ｎｍ未満、好ましくは５ｎｍ以上１５ｎｍ以下とすればよい。

なお、金属酸化物２０８＿１ａ、金属酸化物２０８＿２ａ、及び金属酸化物２０８＿３ａを加熱して成膜することで、金属酸化物２０８＿１ａ、金属酸化物２０８＿２ａ、及び金属酸化物２０８＿３ａの結晶性を高めることができる。一方で、基板２０２として、大型のガラス基板（例えば、第６世代乃至第１０世代）を用いる場合、金属酸化物２０８＿１ａ、金属酸化物２０８＿２ａ、及び金属酸化物２０８＿３ａを成膜する際の基板温度を２００℃以上３００℃以下とした場合、基板２０２が変形する（歪むまたは反る）場合がある。よって、大型のガラス基板を用いる場合においては、金属酸化物２０８＿１ａ、金属酸化物２０８＿２ａ、及び金属酸化物２０８＿３ａの成膜する際の基板温度を１００℃以上２００℃未満とすることで、ガラス基板の変形を抑制することができる。

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

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

なお、第１の金属酸化物、第２の金属酸化物、及び第３の金属酸化物を、金属酸化物２０８＿１ａ、金属酸化物２０８＿２ａ、及び金属酸化物２０８＿３ａに加工するには、ウエットエッチング法及びドライエッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。

また、金属酸化物２０８＿１ａ、金属酸化物２０８＿２ａ、及び金属酸化物２０８＿３ａを形成した後、加熱処理を行い、金属酸化物２０８＿１ａ、金属酸化物２０８＿２ａ、及び金属酸化物２０８＿３ａの脱水素化または脱水化をしてもよい。加熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上基板の歪み点未満、または２５０℃以上４５０℃以下、または３００℃以上４５０℃以下である。

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

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

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

次に、絶縁膜２０４及び金属酸化物２０８＿３ａ上に絶縁膜２１０＿０を形成する。（図１３（Ｂ）参照）。

絶縁膜２１０＿０としては、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、または窒化シリコン膜を、プラズマ化学気相堆積装置（ＰＥＣＶＤ装置、または単にプラズマＣＶＤ装置という）を用いて形成することができる。この場合、原料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体及び酸化性気体を用いることが好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例としては、シラン、ジシラン、トリシラン、フッ化シラン等がある。酸化性気体としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素、二酸化窒素等がある。

また、絶縁膜２１０＿０として、堆積性気体の流量に対する酸化性気体の流量を２０倍より大きく１００倍未満、または４０倍以上８０倍以下とし、処理室内の圧力を１００Ｐａ未満、または５０Ｐａ以下とするＰＥＣＶＤ装置を用いることで、欠陥量の少ない酸化窒化シリコン膜を形成することができる。

また、絶縁膜２１０＿０として、ＰＥＣＶＤ装置の真空排気された処理室内に載置された基板を２８０℃以上４００℃以下に保持し、処理室に原料ガスを導入して処理室内における圧力を２０Ｐａ以上２５０Ｐａ以下、さらに好ましくは１００Ｐａ以上２５０Ｐａ以下とし、処理室内に設けられる電極に高周波電力を供給する条件により、緻密である酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形成することができる。

また、絶縁膜２１０＿０を、マイクロ波を用いたＰＥＣＶＤ法を用いて形成してもよい。マイクロ波とは３００ＭＨｚから３００ＧＨｚの周波数域を指す。マイクロ波は、電子温度が低く、電子エネルギーが小さい。また、供給された電力において、電子の加速に用いられる割合が少なく、より多くの分子の解離及び電離に用いられることが可能であり、密度の高いプラズマ（高密度プラズマ）を励起することができる。このため、被成膜面及び堆積物へのプラズマダメージが少なく、欠陥の少ない絶縁膜２１０＿０を形成することができる。

本実施の形態では絶縁膜２１０＿０として、ＰＥＣＶＤ装置を用い、厚さ１００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を形成する。

次に、絶縁膜２１０＿０上の所望の位置に、リソグラフィによりマスクを形成した後、絶縁膜２１０＿０、及び絶縁膜２０４の一部をエッチングすることで、導電膜２０６に達する開口部２４３を形成する（図１３（Ｃ）参照）。

開口部２４３の形成方法としては、ウエットエッチング法及びドライエッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。本実施の形態においては、ドライエッチング法を用い、開口部２４３を形成する。

次に、開口部２４３を覆うように、導電膜２０６及び絶縁膜２１０＿０上に導電膜２１２＿０を形成する。また、導電膜２１２＿０として、例えば金属酸化膜を用いる場合、導電膜２１２＿０の形成時に絶縁膜２１０＿０中に酸素が添加される場合がある（図１３（Ｄ）参照）。

なお、図１３（Ｄ）において、絶縁膜２１０＿０中に添加される酸素を矢印で模式的に表している。また、開口部２４３を覆うように、導電膜２１２＿０を形成することで、導電膜２０６と、導電膜２１２＿０とが電気的に接続される。

導電膜２１２＿０として、金属酸化膜を用いる場合、導電膜２１２＿０の形成方法としては、スパッタリング法を用い、形成時に酸素ガスを含む雰囲気で形成することが好ましい。形成時に酸素ガスを含む雰囲気で導電膜２１２＿０を形成することで、絶縁膜２１０＿０中に酸素を好適に添加することができる。なお、導電膜２１２＿０の形成方法としては、スパッタリング法に限定されず、その他の方法、例えばＡＬＤ法を用いてもよい。

本実施の形態においては、導電膜２１２＿０として、スパッタリング法を用いて、膜厚が１００ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１（原子数比））を成膜する。また、導電膜２１２＿０の形成前、または導電膜２１２＿０の形成後に、絶縁膜２１０＿０中に酸素添加処理を行ってもよい。当該酸素添加処理の方法としては、絶縁膜２０４の形成後に行うことのできる酸素の添加処理と同様とすればよい。

次に、導電膜２１２＿０上の所望の位置に、リソグラフィ工程によりマスク２４０を形成する（図１４（Ａ）参照）。

次に、マスク２４０上から、エッチングを行い、導電膜２１２＿０、及び絶縁膜２１０＿０を加工する。また、導電膜２１２＿０及び絶縁膜２１０＿０の加工後に、マスク２４０を除去する。導電膜２１２＿０、及び絶縁膜２１０＿０を加工することで、島状の導電膜２１２、及び島状の絶縁膜２１０が形成される（図１４（Ｂ）参照）。

本実施の形態においては、ドライエッチング法を用い、導電膜２１２＿０、及び絶縁膜２１０＿０を加工する。

なお、導電膜２１２＿０、及び絶縁膜２１０＿０の加工の際に、導電膜２１２が重畳しない領域の金属酸化物２０８の膜厚が薄くなる場合がある。または、導電膜２１２＿０、及び絶縁膜２１０＿０の加工の際に、金属酸化物２０８が重畳しない領域の絶縁膜２０４の膜厚が薄くなる場合がある。また、導電膜２１２＿０、及び絶縁膜２１０＿０の加工の際に、エッチャントまたはエッチングガス（例えば、塩素など）が金属酸化物２０８中に添加される、あるいは導電膜２１２＿０、または絶縁膜２１０＿０の構成元素が金属酸化物２０８中に添加される場合がある。

次に、絶縁膜２０４、金属酸化物２０８、及び導電膜２１２上に絶縁膜２１６を形成する。なお、絶縁膜２１６を形成することで、絶縁膜２１６と接する金属酸化物２０８は、領域２０８ｎとなる。また、導電膜２１２と重畳する金属酸化物２０８中には、領域２０８ｉ＿１、領域２０８ｉ＿２、及び領域２０８ｉ＿３が形成される。（図１４（Ｃ）参照）。

絶縁膜２１６としては、先に記載の材料を選択することで形成できる。本実施の形態においては、絶縁膜２１６として、ＰＥＣＶＤ装置を用い、厚さ１００ｎｍの窒化酸化シリコン膜を形成する。また、当該窒化酸化シリコン膜の形成時において、プラズマ処理と、成膜処理との２つのステップを２２０℃の温度で行う。当該プラズマ処理としては、成膜前に流量１００ｓｃｃｍのアルゴンガスと、流量１０００ｓｃｃｍの窒素ガスとを、チャンバー内に導入し、チャンバー内の圧力を４０Ｐａとし、ＲＦ電源（２７．１２ＭＨｚ）に１０００Ｗの電力を供給する。また、成膜処理としては、流量５０ｓｃｃｍのシランガスと、流量５０００ｓｃｃｍの窒素ガスと、流量１００ｓｃｃｍのアンモニアガスとを、チャンバー内に導入し、チャンバー内の圧力を１００Ｐａとし、ＲＦ電源（２７．１２ＭＨｚ）に１０００Ｗの電力を供給する。

絶縁膜２１６として、窒化酸化シリコン膜を用いることで、絶縁膜２１６に接する領域２０８ｎに窒化酸化シリコン膜中の窒素または水素を供給することができる。また、絶縁膜２１６の形成時の温度を上述の温度とすることで、絶縁膜２１０に含まれる過剰酸素が外部に放出されるのを抑制することができる。

次に、絶縁膜２１６上に絶縁膜２１８を形成する（図１５（Ａ）参照）。

絶縁膜２１８としては、先に記載の材料を選択することで形成できる。本実施の形態においては、絶縁膜２１８として、ＰＥＣＶＤ装置を用い、厚さ３００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を形成する。

次に、絶縁膜２１８の所望の位置に、リソグラフィによりマスクを形成した後、絶縁膜２１８及び絶縁膜２１６の一部をエッチングすることで、領域２０８ｎに達する開口部２４１ａ、２４１ｂを形成する（図１５（Ｂ）参照）。

絶縁膜２１８及び絶縁膜２１６をエッチングする方法としては、ウエットエッチング法及びドライエッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。本実施の形態においては、ドライエッチング法を用い、絶縁膜２１８、及び絶縁膜２１６を加工する。

次に、開口部２４１ａ、２４１ｂを覆うように、領域２０８ｎ及び絶縁膜２１８上に導電膜を形成し、当該導電膜を所望の形状に加工することで導電膜２２０ａ、２２０ｂを形成する（図１５（Ｃ）参照）。

導電膜２２０ａ、２２０ｂとしては、先に記載の材料を選択することで形成できる。本実施の形態においては、導電膜２２０ａ、２２０ｂとして、スパッタリング装置を用い、厚さ５０ｎｍのタングステン膜と、厚さ４００ｎｍの銅膜との積層膜を形成する。

なお、導電膜２２０ａ、２２０ｂとなる導電膜の加工方法としては、ウエットエッチング法及びドライエッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。本実施の形態では、ウエットエッチング法にて銅膜をエッチングしたのち、ドライエッチング法にてタングステン膜をエッチングすることで導電膜を加工し、導電膜２２０ａ、２２０ｂを形成する。

以上の工程により、図１１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２００Ｃを作製することができる。

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

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

なお、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。

（実施の形態３）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を用いた表示装置の表示部等に用いることのできる表示パネルの一例について、図１７及び図１８を用いて説明する。以下で例示する表示パネルは、反射型の液晶素子と、発光素子との双方を有し、透過モードと反射モードの両方の表示を行うことのできる、表示パネルである。なお、本発明の一態様の金属酸化物、及び当該金属酸化物を有するトランジスタは、表示装置の画素のトランジスタ、または表示装置を駆動させるドライバ、あるいは表示装置にデータを供給するＬＳＩ等に好適に用いることができる。

＜３−１．表示パネルの構成例＞
図１７は、本発明の一態様の表示パネル６００の斜視概略図である。表示パネル６００は、基板６５１と基板６６１とが貼り合わされた構成を有する。図１７では、基板６６１を破線で明示している。

表示パネル６００は、表示部６６２、回路６５９、配線６６６等を有する。基板６５１には、例えば回路６５９、配線６６６、及び画素電極として機能する導電膜６６３等が設けられる。また図１７では基板６５１上にＩＣ６７３とＦＰＣ６７２が実装されている例を示している。そのため、図１７に示す構成は、表示パネル６００とＦＰＣ６７２及びＩＣ６７３を有する表示モジュールと言うこともできる。

回路６５９は、例えば走査線駆動回路として機能する回路を用いることができる。

配線６６６は、表示部６６２や回路６５９に信号や電力を供給する機能を有する。当該信号や電力は、ＦＰＣ６７２を介して外部、またはＩＣ６７３から配線６６６に入力される。

また、図１７では、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）方式等により、基板６５１にＩＣ６７３が設けられている例を示している。ＩＣ６７３は、例えば走査線駆動回路、または信号線駆動回路などとしての機能を有するＩＣを適用できる。なお表示パネル６００が走査線駆動回路及び信号線駆動回路として機能する回路を備える場合や、走査線駆動回路や信号線駆動回路として機能する回路を外部に設け、ＦＰＣ６７２を介して表示パネル６００を駆動するための信号を入力する場合などでは、ＩＣ６７３を設けない構成としてもよい。また、ＩＣ６７３を、ＣＯＦ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｆｉｌｍ）方式等により、ＦＰＣ６７２に実装してもよい。

図１７には、表示部６６２の一部の拡大図を示している。表示部６６２には、複数の表示素子が有する導電膜６６３がマトリクス状に配置されている。導電膜６６３は、可視光を反射する機能を有し、後述する液晶素子６４０の反射電極として機能する。

また、図１７に示すように、導電膜６６３は開口を有する。さらに導電膜６６３よりも基板６５１側に、発光素子６６０を有する。発光素子６６０からの光は、導電膜６６３の開口を介して基板６６１側に射出される。

＜３−２．断面構成例＞
図１８に、図１７で例示した表示パネルの、ＦＰＣ６７２を含む領域の一部、回路６５９を含む領域の一部、及び表示部６６２を含む領域の一部をそれぞれ切断したときの断面の一例を示す。

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

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

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

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

また、トランジスタ６０１、トランジスタ６０５、及びトランジスタ６０６は、一部がゲートとして機能する導電膜６５４、一部がソース又はドレインとして機能する導電膜６５２、半導体膜６５３を有する。ここでは、同一の導電膜を加工して得られる複数の層に、同じハッチングパターンを付している。

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

液晶素子６４０において、導電膜６６３は可視光を反射する機能を有し、導電膜６１３は可視光を透過する機能を有する。基板６６１側から入射した光は、偏光板６５６により偏光され、導電膜６１３、液晶層６１２を透過し、導電膜６６３で反射する。そして液晶層６１２及び導電膜６１３を再度透過して、偏光板６５６に達する。このとき、導電膜６６３及び導電膜６３５と導電膜６１３の間に与える電圧によって液晶の配向を制御し、光の光学変調を制御することができる。すなわち、偏光板６５６を介して射出される光の強度を制御することができる。また光は着色層６３１によって特定の波長領域以外の光が吸収されることにより、取り出される光は、例えば赤色を呈する光となる。

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

ここで、図１８に示すように、開口６５５には可視光を透過する導電膜６３５が設けられていることが好ましい。これにより、開口６５５と重なる領域においてもそれ以外の領域と同様に液晶が配向するため、これらの領域の境界部で液晶の配向不良が生じ、意図しない光が漏れてしまうことを抑制できる。

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

また導電膜６４３の端部を覆う絶縁膜６４６の一部に接して、絶縁膜６４７が設けられている。絶縁膜６４７は、絶縁膜６２０と基板６５１が必要以上に接近することを抑制するスペーサとしての機能を有する。またＥＬ層６４４や導電膜６４５ａを遮蔽マスク（メタルマスク）を用いて形成する場合には、当該遮蔽マスクが被形成面に接触することを抑制する機能を有していてもよい。なお、絶縁膜６４７は不要であれば設けなくてもよい。

トランジスタ６０５のソース又はドレインの一方は、導電膜６４８を介して発光素子６６０の導電膜６４３と電気的に接続されている。

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

基板６５１と基板６６１が重ならない領域には、接続部６０４が設けられている。接続部６０４は、接続層６４９を介してＦＰＣ６７２と電気的に接続されている。接続部６０４は接続部６０７と同様の構成を有している。接続部６０４の上面は、導電膜６３５と同一の導電膜を加工して得られた導電層が露出している。これにより、接続部６０４とＦＰＣ６７２とを接続層６４９を介して電気的に接続することができる。

接着層６４１が設けられる一部の領域には、接続部６８７が設けられている。接続部６８７において、導電膜６３５と同一の導電膜を加工して得られた導電層と、導電膜６１３の一部が、接続体６８６により電気的に接続されている。したがって、基板６６１側に形成された導電膜６１３に、基板６５１側に接続されたＦＰＣ６７２から入力される信号または電位を、接続部６８７を介して供給することができる。

接続体６８６としては、例えば導電性の粒子を用いることができる。導電性の粒子としては、有機樹脂またはシリカなどの粒子の表面を金属材料で被覆したものを用いることができる。金属材料としてニッケルや金を用いると接触抵抗を低減できるため好ましい。またニッケルをさらに金で被覆するなど、２種類以上の金属材料を層状に被覆させた粒子を用いることが好ましい。また接続体６８６として、弾性変形、または塑性変形する材料を用いることが好ましい。このとき導電性の粒子である接続体６８６は、図１８に示すように上下方向に潰れた形状となる場合がある。こうすることで、接続体６８６と、これと電気的に接続する導電層との接触面積が増大し、接触抵抗を低減できるほか、接続不良などの不具合の発生を抑制することができる。

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

図１８では、回路６５９の例としてトランジスタ６０１が設けられている例を示している。

図１８では、トランジスタ６０１及びトランジスタ６０５の例として、チャネルが形成される半導体膜６５３を２つのゲートで挟持する構成が適用されている。一方のゲートは導電膜６５４により、他方のゲートは絶縁膜６８２を介して半導体膜６５３と重なる導電膜６２３により構成されている。このような構成とすることで、トランジスタのしきい値電圧を制御することができる。このとき、２つのゲートを接続し、これらに同一の信号を供給することによりトランジスタを駆動してもよい。このようなトランジスタは他のトランジスタと比較して電界効果移動度を高めることが可能であり、オン電流を増大させることができる。その結果、高速駆動が可能な回路を作製することができる。さらには、回路部の占有面積を縮小することが可能となる。オン電流の大きなトランジスタを適用することで、表示パネルを大型化、または高精細化したときに配線数が増大したとしても、各配線における信号遅延を低減することが可能であり、表示ムラを抑制することができる。

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

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

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

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

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

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

＜３−３．各構成要素について＞
以下では、上記に示す各構成要素について説明する。

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

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

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

［接続層］
接続層としては、異方性導電フィルム（ＡＣＦ：Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｆｉｌｍ）や、異方性導電ペースト（ＡＣＰ：Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｐａｓｔｅ）などを用いることができる。

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

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

以上が各構成要素についての説明である。

＜３−４．作製方法例＞
ここでは、可撓性を有する基板を用いた表示パネルの作製方法の例について説明する。

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

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

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

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

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

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

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

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

例えば、支持基板としてガラスを用い、絶縁層としてポリイミドなどの有機樹脂を用いることができる。このとき、レーザ光等を用いて有機樹脂の一部を局所的に加熱する、または鋭利な部材により物理的に有機樹脂の一部を切断、または貫通すること等により剥離の起点を形成し、ガラスと有機樹脂の界面で剥離を行ってもよい。また、上記の有機樹脂としては、感光性の材料を用いると、開口部などの形状を容易に作製しやすいため好適である。また、上記のレーザ光としては、例えば、可視光線から紫外線の波長領域の光であることが好ましい。例えば波長が２００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の光、好ましくは波長が２５０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下の光を用いることができる。特に、波長３０８ｎｍのエキシマレーザを用いると、生産性に優れるため好ましい。また、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第三高調波である波長３５５ｎｍのＵＶレーザなどの固体ＵＶレーザ（半導体ＵＶレーザともいう）を用いてもよい。

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

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

以上が可撓性を有する表示パネルを作製する方法についての説明である。

なお、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。

Ｐ１ 領域
Ｐ２ 領域
Ｐ３ 領域
Ｐ４ 領域
Ｐ５ 領域
Ｐ６ 領域
Ｐ７ 領域
Ｐ８ 領域
００１ 領域
００２ 領域
１００Ａ トランジスタ
１００Ｂ トランジスタ
１００Ｃ トランジスタ
１００Ｄ トランジスタ
１０２ 基板
１０４ 絶縁膜
１０６ 導電膜
１０８ 金属酸化物
１０８＿１ 金属酸化物
１０８＿２ 金属酸化物
１０８＿３ 金属酸化物
１１２ａ 導電膜
１１２ｂ 導電膜
１１２ｃ 導電膜
１１４ 絶縁膜
１１６ 絶縁膜
１１８ 絶縁膜
１２０ａ 導電膜
１２０ｂ 導電膜
１５１ 開口部
１５２ａ 開口部
１５２ｂ 開口部
２００Ａ トランジスタ
２００Ｂ トランジスタ
２００Ｃ トランジスタ
２００Ｄ トランジスタ
２０２ 基板
２０４ 絶縁膜
２０６ 導電膜
２０８ 金属酸化物
２０８＿１ａ 金属酸化物
２０８＿２ａ 金属酸化物
２０８＿３ａ 金属酸化物
２０８ｉ 領域
２０８ｉ＿１ 領域
２０８ｉ＿２ 領域
２０８ｉ＿３ 領域
２０８ｎ 領域
２１０ 絶縁膜
２１０＿０ 絶縁膜
２１２ 導電膜
２１２＿０ 導電膜
２１６ 絶縁膜
２１８ 絶縁膜
２２０ａ 導電膜
２２０ｂ 導電膜
２４０ マスク
２４１ａ 開口部
２４１ｂ 開口部
２４３ 開口部
６００ 表示パネル
６０１ トランジスタ
６０４ 接続部
６０５ トランジスタ
６０６ トランジスタ
６０７ 接続部
６１２ 液晶層
６１３ 導電膜
６１７ 絶縁膜
６２０ 絶縁膜
６２１ 絶縁膜
６２３ 導電膜
６３１ 着色層
６３２ 遮光膜
６３３ａ 配向膜
６３３ｂ 配向膜
６３４ 着色層
６３５ 導電膜
６４０ 液晶素子
６４１ 接着層
６４２ 接着層
６４３ 導電膜
６４４ ＥＬ層
６４５ａ 導電膜
６４５ｂ 導電膜
６４６ 絶縁膜
６４７ 絶縁膜
６４８ 導電膜
６４９ 接続層
６５１ 基板
６５２ 導電膜
６５３ 半導体膜
６５４ 導電膜
６５５ 開口
６５６ 偏光板
６５９ 回路
６６０ 発光素子
６６１ 基板
６６２ 表示部
６６３ 導電膜
６６６ 配線
６７２ ＦＰＣ
６７３ ＩＣ
６８１ 絶縁膜
６８２ 絶縁膜
６８３ 絶縁膜
６８４ 絶縁膜
６８５ 絶縁膜
６８６ 接続体
６８７ 接続部

Claims (10)

1. 金属酸化物と、前記金属酸化物に接する一対の電極と、前記金属酸化物と接する絶縁体と、前記絶縁体を介して前記金属酸化物と重畳するゲート電極と、を有し、
   前記金属酸化物は、
   第１の領域と第２の領域を有し、
   前記第１の領域と前記第２の領域はモザイク状に混合しており、
   前記第２の領域の伝導帯下端のエネルギー準位は、前記第１の領域の伝導帯下端のエネルギー準位より０．２ｅＶ以上低く、
   前記第１の領域のエネルギーギャップは、３．３ｅＶ以上４．０ｅＶ以下であり、
   前記第２の領域のエネルギーギャップは、２．２ｅＶ以上２．９ｅＶ以下である、
   トランジスタ。
2. 金属酸化物と、前記金属酸化物に接する一対の電極と、前記金属酸化物と接する絶縁体と、前記絶縁体を介して前記金属酸化物と重畳するゲート電極と、を有し、
   前記金属酸化物は、
   第１の領域と第２の領域を有し、
   前記第１の領域と前記第２の領域はモザイク状に混合しており、
   前記第２の領域の伝導帯下端のエネルギー準位は、前記第１の領域の伝導帯下端のエネルギー準位より低く、
   前記第１の領域は、Ｍ（Ｍは、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂｅ、及びＢから選ばれる少なくとも二種以上）酸化物、Ｍ窒化物またはＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を有し、
   前記第２の領域は、Ｉｎ酸化物、またはＩｎ−Ｚｎ酸化物を有する、
   トランジスタ。
3. 金属酸化物と、前記金属酸化物に接する一対の電極と、前記金属酸化物と接する絶縁体と、前記絶縁体を介して前記金属酸化物と重畳するゲート電極と、を有し、
   前記金属酸化物は、
   第１のエネルギーギャップを有する第１の領域と第２のエネルギーギャップを有する第２の領域と、を有し、
   前記第１の領域と前記第２の領域はモザイク状に混合しており、
   前記第１の領域の伝導帯下端のエネルギー準位は、前記第２の領域の伝導帯下端のエネルギー準位よりも高く、
   前記第１の領域は第１の金属元素の第１の酸化物を含み、
   前記第２の領域は第２の金属元素の第２の酸化物を含み、
   前記第１の酸化物は、前記第１の金属元素とは異なる第３の元素を含み、
   前記第２の酸化物は、前記第２の金属元素とは異なる第３の元素を含み、
   前記第１の領域における前記第３の元素の濃度は、前記第２の領域における前記第３の元素の濃度よりも高い、
   トランジスタ。
4. 請求項３において、
   前記第１の金属元素はＧａであり、前記第２の金属元素はＩｎであり、前記第３の元素はＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂｅ、及びＢから選ばれる少なくとも二種以上含む、トランジスタ。
5. 請求項３または請求項４において、
   前記第１の領域は更にＩｎとＺｎを含み、前記第２の領域は更にＺｎを含む、トランジスタ。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項において、
   前記金属酸化物は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域において原子配列に周期性を有する、トランジスタ。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項において、
   電子線回折を用いて前記金属酸化物は分析した場合、電子線回折パターン像において、リング状に輝度の高い領域内に、複数のスポットが観察される、トランジスタ。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載のトランジスタを有する表示装置であって、
   表示部を有し、
   前記表示部の画素トランジスタとして前記トランジスタを有する、表示装置。
9. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載のトランジスタを有する表示装置であって、
   表示部を有し、
   前記表示部の駆動トランジスタとして前記トランジスタを有する、表示装置。
10. 請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載のトランジスタを有する表示装置であって、
    表示部と、ゲートドライバと、を有し、
    前記ゲートドライバが前記トランジスタを有する、表示装置。