半导体装置以及包括该半导体装置的显示装置

技术领域

本发明的一个实施方式涉及一种具有氧化物半导体膜的半导体装置及该半导体装置的制造方法。本发明的一个实施方式涉及一种包括该半导体装置的显示装置。

注意，本发明的一个实施方式不局限于上述技术领域。本说明书等所公开的发明的一个实施方式的技术领域涉及一种物体、方法或制造方法。另外，本发明的一个实施方式涉及一种工序(process)、机器(machine)、产品(manufacture)或组合物(composition ofmatter)。本发明的一个实施方式尤其涉及一种半导体装置、显示装置、发光装置、蓄电装置、存储装置、其驱动方法或其制造方法。

在本说明书等中，半导体装置一般是指能够通过利用半导体特性工作的装置。晶体管、半导体电路、运算装置及存储装置等半导体元件都是半导体装置的一个实施方式。摄像装置、显示装置、液晶显示装置、发光装置、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)及电子设备可以包括半导体装置。

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包含铟及镓，并且使铟的比率比镓的比率高，而场效应迁移率(有时，简称为迁移率或μFE)得到提高的半导体装置。

非专利文献1公开了包含铟、镓及锌的氧化物半导体具有以In

[参照文献]

[专利文献]

[专利文献1]日本专利申请公开第2014-007399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 In

发明内容

将氧化物半导体膜用作沟道区域的晶体管的场效应迁移率优选尽量高。然而，当场效应迁移率得到提高时，该晶体管的特性有容易成为常开启状态的问题。注意，“常开启状态”是指即使不对栅电极施加电压也有沟道，而电流流过晶体管的状态。

此外，在将氧化物半导体膜用于沟道区域的晶体管中，形成在氧化物半导体膜中的氧缺陷对晶体管特性造成负面影响。例如，形成在氧化物半导体膜中的氧缺陷与氢键合以成为载流子供应源。产生在氧化物半导体膜中的载流子供应源导致具有氧化物半导体膜的晶体管的电特性变动，典型的是，导致包括氧化物半导体膜的晶体管的阈值电压的漂移。

例如，在氧化物半导体膜中的氧缺陷量过多时，晶体管的阈值电压向负方向漂移而晶体管具有常开启特性。因此，尤其是在氧化物半导体膜的沟道区域中，氧缺陷量优选少，或者为不呈现常开启特性的量。

鉴于上述问题，本发明的一个实施方式的目的是提高具有氧化物半导体膜的晶体管的场效应迁移率及可靠性。本发明的一个实施方式的其他目的是抑制具有氧化物半导体膜的晶体管的电特性变动来提高该晶体管的可靠性。本发明的一个实施方式的其他目的是提供一种低功耗的半导体装置。本发明的一个实施方式的其他目的是提供一种新颖的半导体装置。本发明的一个实施方式的其他目的是提供一种新颖的显示装置。

注意，上述目的的记载不妨碍其他目的的存在。本发明的一个实施方式并不需要实现所有上述目的。上述目的以外的目的从说明书等的记载看来是显而易见的，并可以从说明书等中抽取上述目的以外的目的。

本发明的一个实施方式是一种包括栅电极、栅电极上的绝缘膜、绝缘膜上的氧化物半导体膜以及氧化物半导体膜上的一对电极的半导体装置。氧化物半导体膜包括第一氧化物半导体膜、第一氧化物半导体膜上的第二氧化物半导体膜以及第二氧化物半导体膜上的第三氧化物半导体膜。第一氧化物半导体膜、第二氧化物半导体膜及第三氧化物半导体膜都包含相同的元素。第二氧化物半导体膜包括其结晶性比第一氧化物半导体膜和第三氧化物半导体膜中的一方或双方低的区域。

在上述实施方式中，优选的是，第一氧化物半导体膜、第二氧化物半导体膜及第三氧化物半导体膜分别独立地包含In、M(M为Al、Ga、Y或Sn)和Zn。在上述实施方式中，优选的是，In、M及Zn的原子个数比为In:M:Zn＝4:2:3或其附近，并且当In的比率为4时，M的比率为1.5以上且2.5以下，Zn的比率为2以上且4以下。在上述实施方式中，优选的是，In、M及Zn的原子个数比为In:M:Zn＝5:1:6或其附近，并且当In的比率为5时，M的比率为0.5以上且1.5以下，Zn的比率为5以上且7以下。

在上述实施方式中，第二氧化物半导体膜优选为包括包含In

在上述实施方式中，第二氧化物半导体膜优选包括比第一氧化物半导体膜和第三氧化物半导体膜中的一方或双方厚的区域。

在上述实施方式中，优选的是，第一氧化物半导体膜和第三氧化物半导体膜中的一方或双方包括结晶部，且该结晶部具有c轴取向性。

本发明的其他实施方式是一种包括上述实施方式中任一个所述的半导体装置以及显示元件的显示装置。本发明的其他实施方式是一种包括该显示装置以及触摸传感器的显示模块。本发明的其他实施方式是一种包括上述实施方式中任一个所述的半导体装置、显示装置或显示模块以及操作键或电池的电子设备。

本发明的其他方式是一种具有氧化物半导体膜的半导体装置的制造方法，其包括形成栅电极的步骤、在栅电极上形成绝缘膜的步骤、在绝缘膜上形成氧化物半导体膜的步骤以及在氧化物半导体膜上形成一对电极的步骤。形成氧化物半导体膜的步骤包括形成第一氧化物半导体膜的步骤、在第一氧化物半导体膜上形成第二氧化物半导体膜的步骤以及在第二氧化物半导体膜上形成第三氧化物半导体膜的步骤，并且，第一氧化物半导体膜、第二氧化物半导体膜及第三氧化物半导体膜使用溅射装置在真空中连续地形成。

在上述实施方式中，第二氧化物半导体膜优选在比第一氧化物半导体膜和第三氧化物半导体膜中的一方或双方低的氧分压下形成。

本发明的一个实施方式可以提高具有氧化物半导体膜的晶体管的场效应迁移率及可靠性。本发明的一个实施方式可以抑制具有氧化物半导体膜的晶体管的电特性变动并提高该晶体管的可靠性。本发明的一个实施方式可以提供一种低功耗的半导体装置。本发明的一个实施方式可以提供一种新颖的半导体装置。本发明的一个实施方式可以提供一种新颖的显示装置。

注意，上述效果的记载不妨碍其他效果的存在。本发明的一个实施方式并不需要实现所有上述效果。另外，从说明书、附图、权利要求书等的记载中可明显得知上述以外的效果，而可以从说明书、附图、权利要求书等的记载中抽取上述以外的效果。

附图说明

图1A至图1C是示出半导体装置的俯视图及截面图。

图2A至图2C是示出半导体装置的俯视图及截面图。

图3A至图3C是示出半导体装置的俯视图及截面图。

图4A至图4C是示出半导体装置的俯视图及截面图。

图5A至图5C是示出半导体装置的俯视图及截面图。

图6A至图6C是示出半导体装置的制造方法的截面图。

图7A至图7C是示出半导体装置的制造方法的截面图。

图8A至图8C是示出半导体装置的制造方法的截面图。

图9A至图9C是示出半导体装置的制造方法的截面图。

图10A和图10B是示出扩散到氧化物半导体膜中的氧或过剩氧的扩散路径的示意图。

图11A和图11B是示出氧化物半导体膜的顶面及截面的结构的示意图。

图12A和图12B是示出氧化物半导体膜的顶面及截面的结构的示意图。

图13A和图13B是示出氧化物半导体膜的顶面及截面的结构的示意图。

图14A和图14B是示出氧化物半导体膜的顶面及截面的结构的示意图。

图15示出氧化物半导体膜的原子个数比。

图16A和图16B示出溅射装置。

图17是其沟道区域包括氧化物半导体的晶体管的能带图。

图18A至图18C是氧化物半导体膜的截面TEM图像及截面HR-TEM图像。

图19A至图19C是氧化物半导体膜的截面TEM图像及截面HR-TEM图像。

图20A至图20C是氧化物半导体膜的截面TEM图像及截面HR-TEM图像。

图21A至图21C示出氧化物半导体膜的XRD测量结果及电子衍射图案。

图22A至图22C示出氧化物半导体膜的XRD测量结果及电子衍射图案。

图23A至图23C示出氧化物半导体膜的XRD测量结果及电子衍射图案。

图24A和图24B示出电子衍射图案。

图25示出电子衍射图案的线轮廓。

图26示出电子衍射图案的线轮廓、线轮廓的相对亮度R及线轮廓的半峰全宽。

图27A1、图27A2、图27B1、图27B2、图27C1和图27C2示出电子衍射图案及线轮廓。

图28示出从氧化物半导体膜的电子衍射图案估计的相对亮度。

图29A1、图29A2、图29B1、图29B2、图29C1和图29C2示出氧化物半导体膜的截面TEM图像及图像分析之后的截面TEM图像。

图30A至图30C示出氧化物半导体膜的SIMS测量结果。

图31是示出显示装置的一个实施方式的俯视图。

图32是示出显示装置的一个实施方式的截面图。

图33是示出显示装置的一个实施方式的截面图。

图34是示出显示装置的一个实施方式的截面图。

图35是示出显示装置的一个实施方式的截面图。

图36是示出显示装置的一个实施方式的截面图。

图37是示出显示装置的一个实施方式的截面图。

图38A至图38C是示出显示装置的方框图及电路图。

图39示出显示模块。

图40A至图40E示出电子设备。

图41A至图41G示出电子设备。

图42A和图42B是说明显示装置的立体图。

图43A和图43B示出氧化物半导体膜的XRD测量结果。

图44示出实施例的样品的截面的EDX面分析图像。

图45A和图45B示出实施例的样品的截面的BF-STEM图像。

图46A和图46B示出实施例的样品的XRD测量结果和XRD分析位置。

具体实施方式

下面，参照附图对实施方式进行说明。但是，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，就是实施方式可以以多个不同形式来实施，其方式和详细内容可以在不脱离本发明的宗旨及其范围的条件下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在下面的实施方式所记载的内容中。

在附图中，为便于清楚地说明，有时夸大表示大小、层的厚度或区域。因此，本发明并不一定限定于上述尺寸。此外，在附图中，示意性地示出理想的例子，因此本发明不局限于附图所示的形状或数值等。

注意，本说明书所使用的“第一”、“第二”、“第三”等序数词是为了避免构成要素的混淆而附加的，而不是为了在数目方面上进行限定的。

注意，在本说明书中，为方便起见，使用了“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示配置的词句，以参照附图说明构成要素的位置关系。另外，构成要素的位置关系根据描述各构成要素的方向适当地改变。因此，不局限于本说明书中所说明的词句，可以根据情况适当地更换。

在本说明书等中，晶体管是指至少包括栅极、漏极以及源极这三个端子的元件。此外，晶体管在漏极(漏极端子、漏区域或漏电极)与源极(源极端子、源区域或源电极)之间具有沟道区域，并且电流能够通过沟道区域流过漏极与源极之间。注意，在本说明书等中，沟道区域是指电流主要流过的区域。

另外，例如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相互调换。因此，在本说明书等中，“源极”和“漏极”可以相互调换。

注意，在本说明书等中，“电连接”包括通过“具有某种电作用的元件”连接的情况。在此，“具有某种电作用的元件”只要可以进行连接对象间的电信号的授收，就对其没有特别的限制。例如，“具有某种电作用的元件”不仅包括电极和布线，而且还包括晶体管等的开关元件、电阻元件、电感器、电容器、其他具有各种功能的元件等。

在本说明书等中，“平行”是指两条直线形成的角度为-10°以上且10°以下的状态，因此也包括该角度为-5°以上且5°以下的状态。“垂直”是指两条直线形成的角度为80°以上且100°以下的状态，因此也包括85°以上且95°以下的角度的状态。

在本说明书等中，可以将“膜”和“层”相互调换。例如，有时可以将“导电层”变换为“导电膜”。此外，例如，有时可以将“绝缘膜”变换为“绝缘层”。

在没有特别的说明的情况下，本说明书等中的关态电流(off-state current)是指处于关闭状态(也称为非导通状态及遮断状态)的晶体管的漏极电流。在没有特别的说明的情况下，n沟道晶体管的关闭状态是指栅极与源极间的电压(V

晶体管的关态电流有时取决于V

作为一个例子，设想一种n沟道晶体管，该n沟道晶体管的阈值电压V

在本说明书等中，有时以每沟道宽度W的电流值或每预定的沟道宽度(例如1μm)的电流值表示具有沟道宽度W的晶体管的关态电流。在为后者时，关态电流的单位有时以具有电流/长度的次元的单位(例如，A/μm)表示。

晶体管的关态电流有时取决于温度。在本说明书中，在没有特别的说明的情况下，本说明书中的关态电流有时表示在室温、60℃、85℃、95℃或125℃下的关态电流。或者，有时表示在保证包括该晶体管的半导体装置等的可靠性的温度下或者在包括该晶体管的半导体装置等被使用的温度(例如，5℃至35℃的范围内的温度)下的关态电流。“晶体管的关态电流为I以下”也可以是指在室温、60℃、85℃、95℃、125℃、保证包括该晶体管的半导体装置等的可靠性的温度下或者在包括该晶体管的半导体装置等被使用的温度(例如，5℃至35℃中的任一温度)下存在晶体管的关态电流为I以下的V

晶体管的关态电流有时取决于漏极与源极间的电压V

在上述关态电流的说明中，可以将漏极换称为源极。也就是说，关态电流有时指流在处于关闭状态的晶体管的源极的电流。

在本说明书等中，“泄漏电流”有时表示与关态电流相同的意思。在本说明书等中，关态电流例如有时指在晶体管关闭时流在源极与漏极间的电流。

在本说明书等中，晶体管的阈值电压是指在晶体管中形成沟道时的栅极电压(V

在本说明书等中，例如在导电性充分低时，“半导体”可以具有“绝缘体”的特性。此外，“半导体”与“绝缘体”的境界不清楚，因此有时不能精确地区别。由此，有时可以将本说明书等所记载的“半导体”换称为“绝缘体”。同样地，有时可以将本说明书等所记载的“绝缘体”换称为“半导体”。或者，有时可以将本说明书等所记载的“绝缘体”换称为“半绝缘体”。

在本说明书等中，例如在导电性充分高时，有时“半导体”具有“导电体”的特性。此外，“半导体”和“导电体”的境界不清楚，因此有时不能精确地区别。由此，有时可以将本说明书所记载的“半导体”换称为“导电体”。同样地，有时可以将本说明书所记载的“导电体”换称为“半导体”。

在本说明书等中，半导体中的杂质是指不是半导体的主要成分的元素。例如，浓度低于0.1atomic％的元素是杂质。如果半导体包含杂质，则有可能在其中形成态密度(Density of States：DOS)，例如载流子迁移率有可能降低或结晶性有可能降低。在半导体包含氧化物半导体时，改变半导体特性的杂质的例子包括第1族元素、第2族元素、第13族元素、第14族元素、第15族元素或主要成分之外的过渡金属，尤其包括氢(包含于水中)、锂、钠、硅、硼、磷、碳、氮。在半导体是氧化物半导体的情况下，有时例如由于氢等杂质的侵入导致氧缺陷的产生。此外，当半导体包括硅时，改变半导体特性的杂质的例子包括氧、除氢之外的第1族元素、第2族元素、第13族元素、第15族元素。

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(也可以简称为OS)等。例如，有时将被用于晶体管的活性层的金属氧化物称为氧化物半导体。换言之，OS FET为包含金属氧化物或氧化物半导体的晶体管。

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。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)。

在本说明书等中，有时记载“CAAC(c-axis aligned crystal)”或“CAC(cloud-aligned composite)”。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。

对氧化物半导体或金属氧化物的结晶结构的一个例子进行说明。注意，下面以使用In-Ga-Zn氧化物靶材(In：Ga：Zn＝4：2：4.1的原子个数比)且通过溅射法沉积的氧化物半导体为一个例子进行说明。将在100℃以上且130℃以下的衬底温度下使用上述靶材且通过溅射法形成的氧化物半导体称为sIGZO，而将在室温(R.T.)的衬底温度下使用上述靶材且通过溅射法形成的氧化物半导体称为tIGZO。例如，sIGZO具有nc(nano crystal)和CAAC中的一方或双方的结晶结构。此外，tIGZO具有nc的结晶结构。注意，在此指的室温(R.T.)包括对衬底不进行意图性的加热时的温度。

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。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。由于导电体的功能和介电质的功能的互补作用，CAC-OS或CAC-metal oxide可以具有开关功能(开启/关闭的功能)。在CAC-OS或CAC-metal oxide中，各功能的分离可以最大限度地提高各功能。

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。材料中的导电体区域和介电质区域有时以纳米粒子级分离。材料中的导电体区域和介电质区域有时不均匀地分布。在观察时，有时导电体区域以边缘模糊的方式云状地连接。

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)。

此外，在CAC-OS或CAC-metal oxide中，导电体区域和介电质区域有时均具有0.5nm以上且10nm以下的尺寸，优选具有0.5nm以上且3nm以下的尺寸且分散在材料中。

实施方式1

在本实施方式中，参照图1A至图1C、图2A至图2C、图3A至图3C、图4A至图4C、图5A至图5C、图6A至图6C、图7A至图7C、图8A至图8C、图9A至图9C以及图10A和图10B说明本发明的一个实施方式的半导体装置以及半导体装置的制造方法。

<1-1.半导体装置的结构例子1>

图1A是作为本发明的一个实施方式的半导体装置的晶体管100的俯视图。图1B是沿着图1A所示的点划线X1-X2的截面图，而图1C是沿着图1A所示的点划线Y1-Y2的截面图。注意，在图1A中，为了避免繁杂而不示出晶体管100的构成要素的一部分(例如，被用作栅极绝缘膜的绝缘膜等)。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1A同样地不示出构成要素的一部分。

晶体管100包括衬底102上的导电膜104、衬底102及导电膜104上的绝缘膜106、绝缘膜106上的氧化物半导体膜108、氧化物半导体膜108上的导电膜112a以及氧化物半导体膜108上的导电膜112b。此外，在晶体管100上，具体而言，在氧化物半导体膜108、导电膜112a及导电膜112b上形成有绝缘膜114、绝缘膜114上的绝缘膜116以及绝缘膜116上的绝缘膜118。

另外，晶体管100是所谓沟道蚀刻型晶体管。

此外，氧化物半导体膜108包括绝缘膜106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以及氧化物半导体膜108_2上的氧化物半导体膜108_3。此外，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都包含相同的元素。例如，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优选分别独立地包含In、M(M为Al、Ga、Y或Sn)和Zn。

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优选分别独立地包括In的原子个数比大于M的原子个数比的区域。例如，氧化物半导体膜108_1的In、M及Zn的原子个数比优选为In:M:Zn＝4:2:3或其附近。此外，氧化物半导体膜108_2的In、M及Z的原子个数比优选为In:M:Zn＝4:2:3或其附近。此外，氧化物半导体膜108_3的In、M及Z的原子个数比优选为In:M:Zn＝4:2:3或其附近。作为在此的“附近”的范围，当In为4时，M的范围为1.5至2.5，并且Zn的范围为2至4。当氧化物半导体膜108_1、氧化物半导体膜108_2及氧化物半导体膜108_3的组成大致相同时，可以使用相同的溅射靶材，且可以抑制制造成本。

在氧化物半导体膜108_1、氧化物半导体膜108_2及氧化物半导体膜108_3分别独立地包括In的原子个数比大于M的原子个数比的区域时，晶体管100可以具有高场效应迁移率。具体而言，晶体管100的场效应迁移率可以超过10cm

例如，在生成栅极信号的栅极驱动器使用上述场效应迁移率高的晶体管时，可以使显示装置的边框宽度为窄。通过在显示装置所包括的供应来自信号线的信号的源极驱动器(尤其是，与源极驱动器所包括的移位寄存器的输出端子连接的解复用器)中使用上述场效应迁移率高的晶体管，可以减少与显示装置连接的布线数。

另一方面，即使氧化物半导体膜108_1、氧化物半导体膜108_2及氧化物半导体膜108_3分别独立地包括In的原子个数比大于M的原子个数比的区域，在氧化物半导体膜108_1、氧化物半导体膜108_2及氧化物半导体膜108_3的结晶性高的情况下，场效应迁移率也可能很低。

但是，在本发明的一个实施方式的半导体装置中，氧化物半导体膜108_2包括具有比氧化物半导体膜108_1和氧化物半导体膜108_3中的一方或双方低的结晶性的区域。此外，氧化物半导体膜108的结晶性例如可以通过X射线衍射(XRD：X-ray diffraction)或透射电子显微镜(TEM：transmission electron microscope)进行分析而决定。

在氧化物半导体膜108_2包括结晶性低的区域的情况下，发挥如下效果。

首先，将对在氧化物半导体膜108中可能形成的氧缺陷量进行说明。

形成在氧化物半导体膜108中的氧缺陷对晶体管特性造成影响而引起问题。例如，形成在氧化物半导体膜108中的氧缺陷与氢键合，而成为载流子供应源。产生在氧化物半导体膜108中的载流子供应源导致具有氧化物半导体膜108的晶体管100的电特性发生变动，典型为阈值电压的漂移。因此，氧化物半导体膜108中的氧缺陷越少越好。

于是，本发明的一个实施方式是氧化物半导体膜108附近的绝缘膜，具体而言，形成在氧化物半导体膜108上的绝缘膜114、116包含过剩氧的结构。氧或过剩氧从绝缘膜114、116移动到氧化物半导体膜108，因此能够减少氧化物半导体膜中的氧缺陷。

在此，将参照图10A和图10B对扩散到氧化物半导体膜108中的氧或过剩氧的路径进行说明。图10A和图10B是表示扩散到氧化物半导体膜108中的氧或过剩氧的扩散路径的示意图。图10A是沟道长度方向上的示意图，而图10B是沟道宽度方向上的示意图。

绝缘膜114、116的氧或过剩氧从上方，即经过氧化物半导体膜108_3而扩散到氧化物半导体膜108_2和氧化物半导体膜108_1中(图10A和图10B所示的路径1)。

或者，绝缘膜114、116的氧或过剩氧通过氧化物半导体膜108_1、氧化物半导体膜108_2及氧化物半导体膜108_3的每个侧面扩散到氧化物半导体膜108中(图10B所示的路径2)。

例如，在氧化物半导体膜108_3具有高结晶性时，经过图10A和图10B所示的路径1的氧或过剩氧的扩散有时被妨碍。另一方面，即使氧化物半导体膜108_3具有高结晶性，氧或过剩氧以图10B所示的路径2经过氧化物半导体膜108_1、氧化物半导体膜108_2及氧化物半导体膜108_3的每个侧面扩散到氧化物半导体膜108_1、氧化物半导体膜108_2及氧化物半导体膜108_3中。

因为氧化物半导体膜108_2包括其结晶性比氧化物半导体膜108_1及氧化物半导体膜108_3低的区域，所以该区域成为过剩氧的扩散路径，从而过剩氧可以以图10B所示的路径2扩散到其结晶性比氧化物半导体膜108_2高的氧化物半导体膜108_1及氧化物半导体膜108_3中。因此，为了使氧的扩散路径变宽，在氧化物半导体膜108_2的厚度优选比氧化物半导体膜108_1及氧化物半导体膜108_3大。虽然图10A和图10B未图示，但是在绝缘膜106包含氧或过剩氧的情况下，氧或过剩氧有可能从绝缘膜106还扩散到氧化物半导体膜108中。

如此，包括具有不同的结晶结构的氧化物半导体膜的叠层结构形成在本发明的一个实施方式的半导体装置中，且结晶性低的区域被用作过剩氧的扩散路径，由此半导体装置可以具有高可靠性。

此外，在只使用结晶性低的氧化物半导体膜构成氧化物半导体膜108的情况下，因附着或侵入到背沟道一侧，即相当于氧化物半导体膜108_3的区域的杂质(例如，氢或水分)，而可靠性可能下降。

侵入到氧化物半导体膜108中的氢或水分等杂质影响到晶体管特性，所以导致问题。因此，氧化物半导体膜108中的氢或水分等杂质量越少越优选。

于是，在本发明的一个实施方式中，氧化物半导体膜的上及下的氧化物半导体膜具有较高的结晶性来抑制侵入到氧化物半导体膜108的杂质。尤其是，氧化物半导体膜108_3的较高的结晶性可以抑制对导电膜112a、112b进行加工时的损伤。当对导电膜112a、112b进行加工时，氧化物半导体膜108的表面，即氧化物半导体膜108_3的表面暴露于蚀刻剂或蚀刻气体。但是，因为氧化物半导体膜108_3包括结晶性高的区域，所以该氧化物半导体膜108_3被用作蚀刻停止膜。

注意，作为氧化物半导体膜108优选使用杂质浓度低且缺陷态密度低的氧化物半导体膜，此时晶体管可以具有优良的电特性。这里，将杂质浓度低且缺陷态密度低(氧缺陷量少)的状态称为“高纯度本征”或“实质上高纯度本征”。因为高纯度本征或实质上高纯度本征的氧化物半导体膜具有较少的载流子发生源，所以可以具有低载流子密度。因此，在该氧化物半导体膜中形成有沟道区域的晶体管很少具有负阈值电压(很少成为常开启状态)。因为高纯度本征或实质上高纯度本征的氧化物半导体膜具有较低的缺陷态密度，所以有可能具有较低的陷阱态密度。此外，高纯度本征或实质上高纯度本征的氧化物半导体膜具有极小的关态电流，即便元件的沟道宽度W为1×10

通过包括其结晶性比氧化物半导体膜108_1及氧化物半导体膜108_3低的区域，氧化物半导体膜108_2有时具有高载流子密度。

当氧化物半导体膜108_2具有高载流子密度时，费米能级有时相对地高于氧化物半导体膜108_2的导带。由此，氧化物半导体膜108_2的导带底变低，氧化物半导体膜108_2的导带底与可能形成在栅极绝缘膜(在此，绝缘膜106)中的陷阱能级的能量差有时增大。该能量差的增大有时可以减少在栅极绝缘膜中被俘获的电荷并可以减少晶体管的阈值电压变动。此外，当氧化物半导体膜108_2具有高载流子密度时，氧化物半导体膜108可以具有高场效应迁移率。

作为氧化物半导体膜108_2，优选使用包括具有In

在图1A至图1C所示的晶体管100中，绝缘膜106被用作晶体管100的栅极绝缘膜，绝缘膜114、116、118被用作晶体管100的保护绝缘膜。此外，在晶体管100中，导电膜104被用作栅电极，导电膜112a被用作源电极，导电膜112b被用作漏电极。注意，在本说明书等中，有时将绝缘膜106称为第一绝缘膜，将绝缘膜114、116统称为第二绝缘膜，将绝缘膜118称为第三绝缘膜。

<1-2.半导体装置的构成要素>

以下，对本实施方式的半导体装置中的构成要素进行详细说明。

[衬底]

只要具有能够承受后续的加热处理的耐热性，就对衬底102的材料等没有特别的限制。例如，作为衬底102，可以使用玻璃衬底、陶瓷衬底、石英衬底、蓝宝石衬底等。另外，还可以使用硅或碳化硅的单晶半导体衬底或多晶半导体衬底、硅锗的化合物半导体衬底、SOI衬底等，并且也可以将设置有半导体元件的上述衬底中的任一个用作衬底102。当作为衬底102使用玻璃衬底时，可以使用具有如下尺寸的任一个的玻璃衬底：第六代(1500mm×1850mm)；第七代(1870mm×2200mm)；第八代(2200mm×2400mm)；第九代(2400mm×2800mm)；第十代(2950mm×3400mm)。由此，可以制造大型显示装置。

此外，作为衬底102，也可以使用柔性衬底，并且还可以在柔性衬底上直接形成晶体管100。或者，也可以在衬底102与晶体管100之间设置剥离层。在将形成在剥离层上的半导体装置的一部分或全部从衬底102分离并转置到其他衬底上时，可以使用剥离层。此时，也可以将晶体管100转置到耐热性低的衬底或柔性衬底上。

[导电膜]

被用作栅电极的导电膜104和被用作源电极及漏电极的导电膜112a及112b可以使用选自铬(Cr)、铜(Cu)、铝(Al)、金(Au)、银(Ag)、锌(Zn)、钼(Mo)、钽(Ta)、钛(Ti)、钨(W)、锰(Mn)、镍(Ni)、铁(Fe)、钴(Co)中的金属元素、以上述金属元素为成分的合金或者包含上述金属元素的组合的合金等形成。

另外，作为导电膜104、112a、112b，也可以使用包含铟和锡的氧化物(In-Sn氧化物)、包含铟和钨的氧化物(In-W氧化物)、包含铟、钨及锌的氧化物(In-W-Zn氧化物)、包含铟和钛的氧化物(In-Ti氧化物)、包含铟、钛及锡的氧化物(In-Ti-Sn氧化物)、包含铟和锌的氧化物(In-Zn氧化物)、包含铟、锡及硅的氧化物(In-Sn-Si氧化物)、包含铟、镓及锌的氧化物(In-Ga-Zn氧化物)等氧化物导电体或氧化物半导体。

在此，说明氧化物导电体。在本说明书等中，也可以将氧化物导电体称为OC(oxideconductor)。例如，在氧化物半导体中形成氧缺陷，对该氧缺陷添加氢而在导带附近形成施主能级。其结果，氧化物半导体的导电性增高，而氧化物半导体成为导电体。可以将成为导电体的氧化物半导体称为氧化物导电体。一般而言，由于氧化物半导体的能隙大，因此氧化物半导体使可见光透过。因为氧化物导电体是在导带附近具有施主能级的氧化物半导体，所以氧化物导电体中的起因于施主能级的吸收的影响小，而氧化物导电体具有与氧化物半导体大致相同的可见光透过性。

另外，也可以将Cu-X合金膜(X为Mn、Ni、Cr、Fe、Co、Mo、Ta或Ti)用于导电膜104、112a、112b。由于可以对Cu-X合金膜以湿蚀刻工序进行加工，因此使用Cu-X合金膜实现低制造成本。

在上述金属元素中，导电膜112a、112b尤其优选包含选自铜、钛、钨、钽和钼中的一个或多个元素。尤其是，优选将氮化钽膜用于导电膜112a、112b。该氮化钽膜具有导电性且具有对铜或氢的高阻挡性。因为从氮化钽膜本身很少释放氢，所以可以作为与氧化物半导体膜108接触的导电膜或氧化物半导体膜108的附近的导电膜最适合地使用氮化钽膜。因为可以降低导电膜112a、112b的电阻，所以作为导电膜112a、112b优选使用铜膜。

可以通过无电镀法形成导电膜112a、112b。作为通过该无电镀法可沉积的材料，例如可以使用选自Cu、Ni、Al、Au、Sn、Co、Ag和Pd中的一个或多个元素。因为可以降低导电膜的电阻，尤其优选使用Cu或Ag。

[被用作栅极绝缘膜的绝缘膜]

作为被用作晶体管100的栅极绝缘膜的绝缘膜106，可以通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD：plasma enhanced chemical vapor deposition)法、溅射法等形成包括如下膜中的至少一个的绝缘膜：氧化硅膜；氧氮化硅膜；氮氧化硅膜；氮化硅膜；氧化铝膜；氧化铪膜；氧化钇膜；氧化锆膜；氧化镓膜；氧化钽膜；氧化镁膜；氧化镧膜；氧化铈膜和氧化钕膜。注意，绝缘膜106也可以具有两层以上的叠层结构。

与被用作晶体管100的沟道区域的氧化物半导体膜108接触的绝缘膜106优选为氧化物绝缘膜，还优选具有氧含量超过化学计量组成的区域(过剩氧区域)。换言之，绝缘膜106能够释放氧。为了在绝缘膜106中设置过剩氧区域，例如在氧气氛下形成绝缘膜106或者在氧气氛下对所沉积的绝缘膜106进行加热处理。

当将氧化铪用于绝缘膜106时发挥如下效果。氧化铪的相对介电常数比氧化硅或氧氮化硅高。因此，使用氧化铪的绝缘膜106的厚度可以比使用氧化硅的绝缘膜106大，由此可以减少隧道电流引起的泄漏电流。即，可以提供关态电流小的晶体管。再者，与具有非晶结构的氧化铪相比，具有结晶结构的氧化铪具有高相对介电常数。因此，为了提供关态电流小的晶体管，优选使用具有结晶结构的氧化铪。结晶结构的例子包括单斜晶系结构或立方晶系结构等。注意，本发明的一个实施方式不局限于上述例子。

在本实施方式中，作为绝缘膜106形成氮化硅膜和氧化硅膜的叠层膜。氮化硅膜具有比氧化硅膜高的相对介电常数，并且氮化硅膜在得到与氧化硅膜相等的静电容量时需要的厚度较大。因此，在晶体管100的栅极绝缘膜包括氮化硅膜时，可以增加绝缘膜的厚度。因此，可以抑制晶体管100的绝缘耐压的下降并提高绝缘耐压来减少晶体管100的静电破坏。

[氧化物半导体膜]

氧化物半导体膜108可以使用上述材料形成。

当氧化物半导体膜108包含In-M-Zn氧化物时，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满足In＞M。这种溅射靶材的金属元素的原子个数比例如为In:M:Zn＝2:1:3、In:M:Zn＝3:1:2、In:M:Zn＝4:2:4.1、In:M:Zn＝5:1:6、In:M:Zn＝5:1:8、In:M:Zn＝6:1:6、In:M:Zn＝5:2:5。

当氧化物半导体膜108由In-M-Zn氧化物形成时，作为溅射靶材优选使用包含多晶的In-M-Zn氧化物的靶材。通过使用包含多晶的In-M-Zn氧化物的靶材，容易形成具有结晶性的氧化物半导体膜108。注意，所形成的氧化物半导体膜108中的原子个数比在±40％的范围内从上述溅射靶材的金属元素的原子个数比产生变化。例如，在使用具有4:2:4.1的In、Ga和Zn的原子个数比的溅射靶材时，所形成的氧化物半导体膜108中的In、Ga和Zn的原子个数比也可以为4:2:3或4:2:3的附近。

氧化物半导体膜108的能隙为2eV以上，优选为2.5eV以上。通过使用这样能隙较宽的氧化物半导体，可以降低晶体管100的关态电流。

氧化物半导体膜108还优选具有非单晶结构。非单晶结构例如包括下述c轴取向结晶氧化物半导体(CAAC-OS)、多晶结构、微晶结构及非晶结构。在非单晶结构中，非晶结构的缺陷态密度最高，而CAAC-OS的缺陷态密度最低。

[被用作保护绝缘膜的绝缘膜1]

绝缘膜114、116被用作晶体管100的保护绝缘膜。另外，绝缘膜114、116均具有对氧化物半导体膜108供应氧的功能。即，绝缘膜114、116包含氧。绝缘膜114是能够使氧透过的绝缘膜。注意，绝缘膜114还被用作在后面形成绝缘膜116时缓解对氧化物半导体膜108造成的损伤的膜。

作为绝缘膜114，可以使用厚度为5nm以上且150nm以下，优选为5nm以上且50nm以下的氧化硅膜、氧氮化硅膜等。

此外，绝缘膜114中的缺陷量优选较少，典型的是，对应于通过电子自旋共振(ESR：electron spin resonance)测得的起因于硅悬空键且在g＝2.001处出现的信号的自旋密度优选为3×10

从外部进入绝缘膜114的氧不是全部移动到绝缘膜114的外部，而是其一部分残留在绝缘膜114内部。另外，在有时氧进入绝缘膜114且绝缘膜114中含有的氧移动到绝缘膜114的外部的情况下，在绝缘膜114中发生氧的移动。在形成能够使氧透过的氧化物绝缘膜作为绝缘膜114时，可以使从设置在绝缘膜114上的绝缘膜116脱离的氧经由绝缘膜114移动到氧化物半导体膜108中。

此外，绝缘膜114可以使用起因于氮氧化物的态密度低的氧化物绝缘膜形成。注意，该起因于氮氧化物的态密度有时会形成在氧化物半导体膜的价带顶的能量(E

此外，在热脱附谱分析法(TDS：thermal desorption spectroscopy)中，氮氧化物的释放量少的氧氮化硅膜是氨释放量比氮氧化物多的膜，氨的释放量典型为1×10

氮氧化物(NO

当进行加热处理时，氮氧化物与氨及氧起反应。当进行加热处理时，绝缘膜114所包含的氮氧化物与绝缘膜116所包含的氨起反应，由此绝缘膜114所包含的氮氧化物减少。因此，在绝缘膜114与氧化物半导体膜108的界面不容易俘获电子。

通过使用上述氧化物绝缘膜，绝缘膜114可以降低晶体管的阈值电压的漂移，从而可以降低晶体管的电特性的变动。

通过进行晶体管的制造工序的加热处理，典型的是300℃以上且低于350℃的加热处理，在绝缘膜114的100K以下的ESR光谱中，观察到g值为2.037以上且2.039以下处出现的第一信号、g值为2.001以上且2.003以下处出现的第二信号以及g值为1.964以上且1.966以下处出现的第三信号。在X带的ESR测定中获得的第一信号与第二信号的分割宽度(splitwidth)及第二信号与第三信号的分割宽度大约为5mT。另外，g值为2.037以上且2.039以下处出现的第一信号、g值为2.001以上且2.003以下处出现的第二信号以及g值为1.964以上且1.966以下处出现的第三信号的自旋密度的总和低于1×10

在100K以下的ESR谱中，g值为2.037以上且2.039以下处出现的第一信号、g值为2.001以上且2.003以下处出现的第二信号以及g值为1.964以上且1.966以下处出现的第三信号的自旋密度的总和相当于起因于氮氧化物(NO

另外，上述氧化物绝缘膜的利用SIMS测得的氮浓度为6×10

通过在衬底温度为220℃以上且350℃以下的情况下利用使用硅烷及一氧化二氮的PECVD法形成上述氧化物绝缘膜，可以形成致密且硬度高的膜。

绝缘膜116为以比化学计量组成高的比率包含氧的氧化物绝缘膜。氧的一部分通过加热从上述氧化物绝缘膜被释放。在TDS中，从氧化物绝缘膜被释放的氧量为1.0×10

作为绝缘膜116可以使用厚度为30nm以上且500nm以下，优选为50nm以上且400nm以下的氧化硅膜、氧氮化硅膜等。

此外，优选使绝缘膜116中的缺陷量较少，典型的是，对应于通过ESR测量的起因于硅的悬空键的g＝2.001处呈现的信号的自旋密度低于

1.5×10

另外，因为绝缘膜114、116可以使用相同种类材料形成，所以有时无法明确地确认到绝缘膜114与绝缘膜116之间的界面。因此，在本实施方式中，以虚线图示出绝缘膜114与绝缘膜116之间的界面。注意，在本实施方式中，虽然说明绝缘膜114与绝缘膜116的两层结构，但是不局限于此，例如，也可以采用绝缘膜114的单层结构。

[被用作保护绝缘膜的绝缘膜2]

绝缘膜118被用作晶体管100的保护绝缘膜。

绝缘膜118包含氢和氮中的一个或两个。另外，绝缘膜118包含氮及硅。此外，绝缘膜118具有阻挡氧、氢、水、碱金属、碱土金属等的功能。通过设置绝缘膜118，能够防止氧从氧化物半导体膜108扩散到外部、绝缘膜114、116所包含的氧扩散到外部、以及氢、水等从外部侵入氧化物半导体膜108中。

作为绝缘膜118，例如可以使用氮化物绝缘膜。该氮化物绝缘膜使用氮化硅、氮氧化硅、氮化铝、氮氧化铝等形成。

虽然上述所记载的导电膜、绝缘膜及氧化物半导体膜等各种膜可以利用溅射法或PECVD法形成，但是也可以利用例如热化学气相沉积(CVD：chemical vapor deposition)法等其他方法形成。作为热CVD法的例子，可以使用有机金属化学气相沉积(MOCVD：metalorganic chemical vapor deposition)法和原子层沉积(ALD：atomic layer deposition)法。

由于热CVD法不将等离子体用于成膜，因此具有不产生因等离子体损伤引起的缺陷的优点。在热CVD法中，将源气体引入到处理室内，将处理室内的压力设定为大气压或减压而在衬底上沉积膜。

此外，在ALD法中，将源气体引入到处理室内，将处理室内的压力设定为大气压或减压而在衬底上沉积膜。

通过MOCVD法或ALD法等热CVD法可以形成本实施方式所述的导电膜、绝缘膜及氧化物半导体膜等各种膜，例如，当形成In-Ga-Zn-O膜时，使用三甲基铟、三甲基镓及二甲基锌。三甲基铟的化学式为In(CH

例如，在使用利用ALD法的成膜装置形成氧化铪膜时，使用如下两种气体：用作氧化剂的臭氧(O

例如，在使用利用ALD法的成膜装置形成氧化铝膜时，使用两种气体，即用作氧化剂的H

例如，在使用利用ALD法的成膜装置形成氧化硅膜时，使六氯乙硅烷附着在被成膜面上，去除附着物所包含的氯，供应氧化性气体(O

例如，在使用利用ALD法的成膜装置形成钨膜时，使用WF

例如，在使用利用ALD法的成膜装置形成氧化物半导体膜如In-Ga-Zn-O膜时，使用In(CH

<1-3.半导体装置的结构例子2>

接着，使用图2A至图2C、图3A至图3C、图4A至图4C及图5A至图5C说明与图1A至图1C所示的晶体管100的变形例子。

图2A是作为本发明的一个实施方式的半导体装置的晶体管100A的俯视图。图2B是沿着图2A所示的点划线X1-X2的截面图，而图2C是沿着图2A所示的点划线Y1-Y2的截面图。

注意，图2A至图2C所示的晶体管100A是所谓沟道保护型晶体管。由此，本发明的一个实施方式的半导体装置可以具有沟道蚀刻型晶体管结构或沟道保护型晶体管结构。

在晶体管100A中，绝缘膜114、116具有开口141a、141b。此外，氧化物半导体膜108通过开口141a、141b与导电膜112a、112b连接。此外，绝缘膜118形成在导电膜112a、112b上。绝缘膜114、116被用作沟道保护膜。此外，晶体管100A的其他构成要素与上述晶体管100同样，并且可以得到与晶体管100同样的效果。

图3A是本发明的一个实施方式的半导体装置的晶体管100B的俯视图。图3B是沿着图3A所示的点划线X1-X2的截面图，而图3C是沿着图3A所示的点划线Y1-Y2的截面图。

晶体管100B包括衬底102上的导电膜104、衬底102及导电膜104上的绝缘膜106、绝缘膜106上的氧化物半导体膜108、氧化物半导体膜108上的导电膜112a、氧化物半导体膜108上的导电膜112b、氧化物半导体膜108、导电膜112a及导电膜112b上的绝缘膜114、绝缘膜114上的绝缘膜116、绝缘膜116上的导电膜120a、绝缘膜116上的导电膜120b以及绝缘膜116、导电膜120a及导电膜120b上的绝缘膜118。

绝缘膜114、116具有开口142a。绝缘膜106、114、116具有开口142b。导电膜120a通过开口142b与导电膜104电连接。此外，导电膜120b通过开口142a与导电膜112b电连接。

另外，在晶体管100B中，绝缘膜106被用作晶体管100B的第一栅极绝缘膜，绝缘膜114、116被用作晶体管100B的第二栅极绝缘膜，绝缘膜118被用作晶体管100B的保护绝缘膜。在晶体管100B中，导电膜104被用作第一栅电极，导电膜112a被用作源电极，导电膜112b被用作漏电极。在晶体管100B中，导电膜120a被用作第二栅电极，导电膜120b被用作显示装置的像素电极。

如图3C所示，导电膜120a通过开口142b与导电膜104电连接。因此，导电膜104和导电膜120a被施加相同的电位。

如图3C所示，氧化物半导体膜108位于与导电膜104及导电膜120a相对的位置，且夹在被用作栅电极的两个导电膜之间。导电膜120a的沟道长度方向上的长度及沟道宽度方向上的长度分别大于氧化物半导体膜108的沟道长度方向上的长度及沟道宽度方向上的长度。氧化物半导体膜108的整体隔着绝缘膜114、116被导电膜120a覆盖。

换言之，导电膜104与导电膜120a通过设置于绝缘膜106、114、116中的开口连接，并且导电膜104及导电膜120a都包括位于氧化物半导体膜108的端部的外侧的区域。

通过采用上述结构，晶体管100B所包括的氧化物半导体膜108被导电膜104及导电膜120a的电场电围绕。可以将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的如晶体管100B那样的晶体管的装置结构称为围绕沟道(S-channel：surrounded channel)结构。

因为晶体管100B具有S-channel结构，所以用来引起沟道的电场由被用作第一栅电极的导电膜104有效地施加到氧化物半导体膜108；由此，晶体管100B的电流驱动能力得到提高，从而可以得到较大的通态电流(on-state current)特性。由于可以增加通态电流，所以可以减小晶体管100B的尺寸。另外，由于晶体管100B具有氧化物半导体膜108由被用作第一栅电极的导电膜104及被用作第二栅电极的导电膜120a围绕的结构，所以可以提高晶体管100B的机械强度。

此外，可以将与上述导电膜104、112a、112b的材料同样的材料用于导电膜120a、120b。尤其是，作为导电膜120a、120b，优选使用氧化物导电膜(OC)。通过作为导电膜120a、120b使用氧化物导电膜，可以对绝缘膜114，116中添加氧。

晶体管100B的其他构成要素与上述晶体管100同样，并具有同样的效果。

图4A是本发明的一个实施方式的半导体装置的晶体管100C的俯视图，图4B是沿着图4A所示的点划线X1-X2的截面图，图4C是沿着图4A所示的点划线Y1-Y2的截面图。

晶体管100C与上述晶体管100B之间的不同之处在于导电膜112a、112b都具有三层结构。

晶体管100C的导电膜112a包括导电膜112a_1、导电膜112a_1上的导电膜112a_2以及导电膜112a_2上的导电膜112a_3。晶体管100C的导电膜112b包括导电膜112b_1、导电膜112b_1上的导电膜112b_2以及导电膜112b_2上的导电膜112b_3。

例如，导电膜112a_1、导电膜112b_1、导电膜112a_3及导电膜112b_3优选包含选自钛、钨、钽、钼、铟、镓、锡和锌中的一个或多个元素。此外，导电膜112a_2及导电膜112b_2优选包含选自铜、铝和银中的一个或多个元素。

具体而言，导电膜112a_1、导电膜112b_1、导电膜112a_3及导电膜112b_3可以使用In-Sn氧化物或In-Zn氧化物形成，而导电膜112a_2及导电膜112b_2可以使用铜形成。

因为可以降低导电膜112a、112b的布线电阻，且抑制对氧化物半导体膜108的铜的扩散，所以上述结构是优选的。此外，还因为可以降低导电膜112b与导电膜120b的接触电阻，所以上述结构是优选的。晶体管100C的其他构成要素与上述晶体管100同样，并具有同样的效果。

图5A是本发明的一个实施方式的半导体装置的晶体管100D的俯视图，图5B是沿着图5A所示的点划线X1-X2的截面图，图5C是沿着图5A所示的点划线Y1-Y2的截面图。

晶体管100D与上述晶体管100B之间的不同之处在于导电膜112a、112b都具有三层结构。此外，晶体管100D与上述晶体管100C之间的不同之处在于导电膜112a和112b的形状。

晶体管100D的导电膜112a包括导电膜112a_1、导电膜112a_1上的导电膜112a_2以及导电膜112a_2上的导电膜112a_3。晶体管100C的导电膜112b包括导电膜112b_1、导电膜112b_1上的导电膜112b_2以及导电膜112b_2上的导电膜112b_3。此外，导电膜112a_1、导电膜112a_2、导电膜112a_3、导电膜112b_1、导电膜112b_2及导电膜112b_3可以使用上述材料形成。

导电膜112a_1的端部具有位于导电膜112a_2的端部的外侧的区域。导电膜112a_3覆盖导电膜112a_2的顶面及侧面且具有与导电膜112a_1接触的区域。导电膜112b_1的端部具有位于导电膜112b_2的端部的外侧的区域。导电膜112b_3覆盖导电膜112b_2的顶面及侧面且具有与导电膜112b_1接触的区域。

因为可以降低导电膜112a、112b的布线电阻，且抑制对氧化物半导体膜108的铜的扩散，所以上述结构是优选的。另外，与上述晶体管100C相比，在晶体管100D中可以更有效地抑制铜的扩散。此外，还因为可以降低导电膜112b与导电膜120b的接触电阻，所以上述结构是优选的。晶体管100D的其他构成要素与上述晶体管100同样，并具有同样的效果。

本实施方式的晶体管的结构可以自由地组合。

<1-4.半导体装置的制造方法>

下面，参照图6A至图6C、图7A至图7C、图8A至图8C及图9A至图9C对本发明的一个实施方式的半导体装置的晶体管100B的制造方法进行说明。

图6A至图6C、图7A至图7C、图8A至图8C及图9A至图9C是示出半导体装置的制造方法的截面图。在图6A至图6C、图7A至图7C、图8A至图8C及图9A至图9C的每一个中，左侧是沟道长度方向上的截面图，右侧是沟道宽度方向上的截面图。

首先，在衬底102上形成导电膜，通过光刻工序及蚀刻工序进行加工，来形成被用作第一栅电极的导电膜104。接着，在导电膜104上形成被用作第一栅极绝缘膜的绝缘膜106(参照图6A)。

在本实施方式中，作为衬底102使用玻璃衬底。作为被用作第一栅电极的导电膜104，通过溅射法形成厚度为50nm的钛膜和厚度为200nm的铜膜。作为绝缘膜106，通过PECVD法形成厚度为400nm的氮化硅膜和厚度为50nm的氧氮化硅膜。

另外，上述氮化硅膜具有第一氮化硅膜、第二氮化硅膜及第三氮化硅膜的三层结构。该三层结构的例子为如下。

例如，第一氮化硅膜可以在如下条件下形成为50nm厚：作为源气体将流量为200sccm的硅烷、流量为2000sccm的氮以及流量为100sccm的氨气体供应到PECVD装置的反应室内，将反应室内的压力控制为100Pa，并使用27.12MHz的高频电源供应2000W的功率。

第二氮化硅膜可以在如下条件下形成为300nm厚：作为源气体将流量为200sccm的硅烷、流量为2000sccm的氮以及流量为2000sccm的氨气体供应到PECVD装置的反应室内，将反应室内的压力控制为100Pa，并使用27.12MHz的高频电源供应2000W的功率。

第三氮化硅膜可以在如下条件下形成为50nm厚：作为源气体将流量为200sccm的硅烷以及流量为5000sccm的氮供应到PECVD装置的反应室内，将反应室内的压力控制为100Pa，并使用27.12MHz的高频电源供应2000W的功率。

另外，可以在350℃以下的衬底温度下形成上述第一氮化硅膜、第二氮化硅膜及第三氮化硅膜。

在氮化硅膜采用上述三层结构时，例如在作为导电膜104使用包含铜的导电膜的情况下，能够得到如下效果。

第一氮化硅膜可以抑制从导电膜104的铜的扩散。第二氮化硅膜具有释放氢的功能，可以提高被用作栅极绝缘膜的绝缘膜的耐压。第三氮化硅膜释放少量的氢并可以抑制从第二氮化硅膜释放的氢的扩散。

接着，在绝缘膜106上形成氧化物半导体膜108_1_0、氧化物半导体膜108_2_0及氧化物半导体膜108_3_0(参照图6B和图6C)。

图6B是示出在绝缘膜106上形成氧化物半导体膜108_1_0、氧化物半导体膜108_2_0及氧化物半导体膜108_3_0时的成膜装置内的截面示意图。在图6B中，示意性地示出被用作成膜装置的溅射装置、在该溅射装置中设置的靶材191及在靶材191的下方形成的等离子体192。

首先，在绝缘膜106上形成氧化物半导体膜108_1_0。在形成氧化物半导体膜108_1_0时，在包含氧气体的气氛下进行等离子体放电。此时，氧被添加到在其上要形成氧化物半导体膜108_1_0的绝缘膜106。在形成氧化物半导体膜108_1_0时，还可以混合有惰性气体(例如，氦气体、氩气体、氙气体等)和该氧气体。用来形成氧化物半导体膜108_1_0的成膜气体整体中的氧气体的比率(氧流量比)为70％以上且100％以下，优选为80％以上且100％以下，更优选为90％以上且100％以下。

在图6B中，以虚线的箭头示意性地表示添加到绝缘膜106中的氧或过剩氧。在用来形成氧化物半导体膜108_1_0的氧流量比在于上述范围内时，可以对绝缘膜106中适当地添加氧。此外，在用来形成氧化物半导体膜108_1_0的氧流量比在于上述范围内时，氧化物半导体膜108_1_0可以具有更高的结晶性。

氧化物半导体膜108_1_0的厚度可以为1nm以上且小于20nm，优选为5nm以上且10nm以下。

下面，在氧化物半导体膜108_1_0上形成氧化物半导体膜108_2_0。氧化物半导体膜108_2_0使用惰性气体和氧气体中的一方或双方形成。形成氧化物半导体膜108_2_0时的氧流量比大于0％且为20％以下，优选为5％以上且15％以下。

在用来形成氧化物半导体膜108_2_0的氧流量比在于上述范围内时，氧化物半导体膜108_2_0可以具有更低的结晶性。

此外，氧化物半导体膜108_2_0的厚度可以为20nm以上且100nm以下，优选为20nm以上且50nm以下。

下面，在氧化物半导体膜108_2_0上形成氧化物半导体膜108_3_0。氧化物半导体膜108_3_0在包含氧气体的气氛下形成。形成氧化物半导体膜108_3_0时的氧流量比为70％以上且100％以下，优选为80％以上且100％以下，更优选为90％以上且100％以下。

在用来形成氧化物半导体膜108_3_0的氧流量比在于上述范围内时，可以对氧化物半导体膜108_2_0中适当地添加氧。在用来形成氧化物半导体膜108_3_0的氧流量比在于上述范围内时，氧化物半导体膜108_3_0可以具有更高的结晶性。

此外，氧化物半导体膜108_3_0的厚度可以为1nm以上且小于20nm，优选为5nm以上且15nm以下。

如上所述，用来形成氧化物半导体膜108_1_0及氧化物半导体膜108_3_0的氧流量比优选高于用来形成氧化物半导体膜108_2_0的氧流量比。换言之，氧化物半导体膜108_2_0优选在比氧化物半导体膜108_1_0和氧化物半导体膜108_3_0中的一方或双方低的氧分压下形成。

形成氧化物半导体膜108_1_0、氧化物半导体膜108_2_0及氧化物半导体膜108_3_0时的衬底温度可以为室温(25℃)以上且200℃以下，优选为室温以上且130℃以下。将衬底温度设定为上述范围内是适合于大面积的玻璃衬底(例如，上述第8世代至第10世代的玻璃衬底)。尤其是，在将形成氧化物半导体膜108_1_0、氧化物半导体膜108_2_0及氧化物半导体膜108_3_0时的衬底温度设定为室温时，可以抑制衬底的变形或弯曲。

此外，因为可以防止杂质在各界面处被捕获，所以优选在真空中连续地形成氧化物半导体膜108_1_0、氧化物半导体膜108_2_0及氧化物半导体膜108_3_0。

另外，需要提高溅射气体的纯度。例如，作为用作溅射气体的氧气体或氩气体，使用露点为-40℃以下，优选为-80℃以下，更优选为-100℃以下，进一步优选为-120℃以下的高纯度化气体，由此可以尽可能地使侵入到氧化物半导体膜中的水分等最小。

在通过溅射法沉积氧化物半导体膜的情况下，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

在本实施方式中，氧化物半导体膜108_1_0通过溅射法使用In-Ga-Zn金属氧化物靶材(In:Ga:Zn＝4:2:4.1的原子个数比)形成。形成氧化物半导体膜108_1_0时的衬底温度为室温，并且作为成膜气体使用流量为200sccm的氧气体(氧流量比：100％)。

此外，氧化物半导体膜108_2_0通过溅射法使用In-Ga-Zn金属氧化物靶材(In:Ga:Zn＝4:2:4.1的原子个数比)形成。形成氧化物半导体膜108_2_0时的衬底温度为室温，并且作为成膜气体使用流量为20sccm的氧气体和流量为180sccm的氩气体(氧流量比：10％)。

氧化物半导体膜108_3_0通过溅射法使用In-Ga-Zn金属氧化物靶材(In:Ga:Zn＝4:2:4.1的原子个数比)形成。形成氧化物半导体膜108_3_0时的衬底温度为室温，并且作为成膜气体使用流量为200sccm的氧气体(氧流量比：100％)。

在氧化物半导体膜108_1_0及氧化物半导体膜108_3_0的成膜时的氧流量比与氧化物半导体膜108_2_0的成膜时的氧流量比不同时，可以形成具有多种结晶性的叠层膜。

接着，将氧化物半导体膜108_1_0、氧化物半导体膜108_2_0及氧化物半导体膜108_3_0_加工为所希望的形状，来形成岛状的氧化物半导体膜108_1、岛状的氧化物半导体膜108_2及岛状的氧化物半导体膜108_3。在本实施方式中，由氧化物半导体膜108_1、氧化物半导体膜108_2及氧化物半导体膜108_3构成氧化物半导体膜108(参照图7A)。

优选在形成氧化物半导体膜108之后进行加热处理(以下，称为第一加热处理)。通过进行第一加热处理，可以降低包含在氧化物半导体膜108中的氢、水等。以氢、水等的降低为目的的加热处理也可以在将氧化物半导体膜108加工为岛状之前进行。注意，第一加热处理是提高氧化物半导体膜的纯度的处理之一种。

第一加热处理例如可以在150℃以上且小于衬底的应变点的温度下，优选在200℃以上且450℃以下的温度下，更优选在250℃以上且350℃以下的温度下进行。

此外，可以将电炉、RTA装置等用于第一加热处理。在使用RTA装置时，如果加热时间短，则可以在衬底的应变点以上的温度下进行加热处理。由此，可以缩短加热时间。第一加热处理可以在氮、氧、超干燥空气(含水量为20ppm以下，优选为1ppm以下，更优选为10ppb以下的空气)或稀有气体(例如，氩、氦)的气氛下进行。上述氮、氧、超干燥空气或稀有气体优选不含有氢、水等。此外，在氮或稀有气体气氛下进行加热处理之后，还可以在氧或超干燥空气气氛下进行加热。其结果是，可以将氢、水等从氧化物半导体膜脱离，并可以将氧供应到氧化物半导体膜中。因此，可以减少氧化物半导体膜中的氧缺陷量。

接着，在绝缘膜106及氧化物半导体膜108上形成导电膜112(参照图7B)。

在本实施方式中，作为导电膜112，通过溅射法依次形成厚度为30nm的钛膜、厚度为200nm的铜膜、厚度为10nm的钛膜。

接着，通过将导电膜112加工为所希望的形状，形成岛状的导电膜112a、岛状的导电膜112b(参照图7C)。

在本实施方式中，使用湿蚀刻装置对导电膜112进行加工。注意，导电膜112的加工方法不局限于上述方法，例如也可以使用干蚀刻装置。

此外，也可以在形成导电膜112a、112b后洗涤氧化物半导体膜108(具体而言，氧化物半导体膜108_3)的表面(背沟道一侧)。例如可以使用磷酸等化学溶液进行该洗涤。使用磷酸等化学溶液的洗涤可以去除附着于氧化物半导体膜108_3表面的杂质(例如，包含在导电膜112a、112b中的元素)。注意，不一定必须进行该洗涤，有时不进行该洗涤。

在导电膜112a、112b的形成工序和/或上述洗涤工序中，氧化物半导体膜108的不被导电膜112a、112b覆盖的区域的厚度可能减小。

此外，在本发明的一个实施方式的半导体装置中，不被导电膜112a、112b覆盖的区域，就是说，氧化物半导体膜108_3是其结晶性得到提高的氧化物半导体膜。杂质(尤其是，用于导电膜112a、112b的构成元素)不容易扩散到结晶性高的氧化物半导体膜中。因此，可以提供一种可靠性高的半导体装置。

虽然图7C示出不被导电膜112a、112b覆盖的氧化物半导体膜108的表面，即氧化物半导体膜108_3的表面具有凹部的例子，但是本发明的一个实施方式不局限于该例子，不被导电膜112a、112b覆盖的氧化物半导体膜108的表面不一定需要具有凹部。

接着，在氧化物半导体膜108及导电膜112a、112b上形成绝缘膜114及绝缘膜116(参照图8A)。

注意，优选在形成绝缘膜114之后以不暴露于大气的方式连续地形成绝缘膜116。当在形成绝缘膜114之后以不暴露于大气的方式调整源气体的流量、压力、高频功率和衬底温度中的至少一个来连续地形成绝缘膜116时，可以降低绝缘膜114与绝缘膜116的界面的来自大气成分的杂质浓度。

例如，作为绝缘膜114，可以通过PECVD法形成氧氮化硅膜。此时，作为源气体，优选使用含有硅的沉积气体及氧化性气体。含有硅的沉积气体的典型例子包括硅烷、乙硅烷、丙硅烷、氟化硅烷。氧化性气体的例子包括一氧化二氮、二氧化氮。氧化性气体流量为沉积气体流量的20倍以上且5000倍以下，优选为40倍以上且100倍以下。

在本实施方式中，作为绝缘膜114，在如下条件下利用PECVD法形成氧氮化硅膜：将衬底102保持于220℃，作为源气体使用流量为50sccm的硅烷及流量为2000sccm的一氧化二氮，处理室内的压力为20Pa，并且以13.56MHz将100W的高频功率(作为功率密度为1.6×10

作为绝缘膜116，在如下条件下形成氧化硅膜或氧氮化硅膜：将设置于进行了真空抽气的PECVD装置的处理室内的衬底温度保持为180℃以上且350℃以下，将源气体导入处理室中并将处理室内的压力设定为100Pa以上且250Pa以下，优选为100Pa以上且200Pa以下，并且，对设置于处理室内的电极供应0.17W/cm

作为绝缘膜116的成膜条件，对具有上述压力的反应室中供应具有上述功率密度的高频功率，由此在等离子体中源气体的分解效率得到提高，氧自由基增加，并且源气体的氧化被促进，因此，绝缘膜116中的氧含量超过化学计量组成。在以上述温度范围内的衬底温度形成的膜中，硅与氧的键合力较弱，因此，通过后面工序的加热处理而使膜中的氧的一部分脱离。由此，可以形成氧含量超过化学计量组成且通过加热释放氧的一部分的氧化物绝缘膜。

另外，在绝缘膜116的形成工序中，绝缘膜114被用作氧化物半导体膜108的保护膜。因此，可以在减少对氧化物半导体膜108造成的损伤的同时使用功率密度高的高频功率形成绝缘膜116。

另外，在绝缘膜116的成膜条件中，当增加相对于氧化性气体的包含硅的沉积气体的流量时，可以减少绝缘膜116中的缺陷量。典型的是，能够形成缺陷量较少的氧化物绝缘膜，其中，通过ESR测得的起因于硅悬空键且在g＝2.001处出现的信号的自旋密度低于6×10

优选在形成绝缘膜114、116之后进行加热处理(以下，称为第二加热处理)。通过第二加热处理，可以降低包含于绝缘膜114、116中的氮氧化物。通过第二加热处理，可以将包含于绝缘膜114、116中的氧的一部分移动到氧化物半导体膜108，使得降低氧化物半导体膜108中的氧缺陷的量。

第二加热处理的温度典型地为低于400℃，优选为低于375℃，进一步优选为150℃以上且350℃以下。第二加热处理可以在氮、氧、超干燥空气(含水量为20ppm以下，优选为1ppm以下，优选为10ppb以下的空气)或稀有气体(例如，氩、氦)的气氛下进行。优选在上述氮、氧、超干燥空气或稀有气体中不含有氢、水等。在该加热处理中可以使用电炉、RTA等。

接着，在绝缘膜114、116中的所希望的区域中形成开口142a、142b(参照图8B)。

在本实施方式中，开口142a、142b使用干蚀刻装置形成。注意，开口142a到达导电膜112b，开口142b到达导电膜104。

接着，在绝缘膜116上形成导电膜120(参照图8C和图9A)。

图8C是在绝缘膜116上形成导电膜120时的成膜装置内的截面示意图。在图8C中，作为成膜装置使用溅射装置，并示意性地示出在该溅射装置中设置的靶材193及形成在靶材193的下方的等离子体194。

在形成导电膜120时，在包含氧气体的气氛下进行等离子体放电。此时，对在其上要形成导电膜120的绝缘膜116添加氧。在形成导电膜120时，还可以混合有惰性气体(例如，氦气体、氩气体、氙气体等)和该氧气体。

在形成导电膜120时，至少混合有氧气体。用于形成导电膜120的成膜气体中的氧气体比率高于0％且为100％以下，优选为10％以上且100％以下，更优选为30％以上且100％以下。

在图8C中，以虚线箭头示意性地示出添加到绝缘膜116中的氧或过剩氧。

在本实施方式中，通过溅射法使用In-Ga-Zn金属氧化物靶材(In:Ga:Zn＝4:2:4.1的原子个数比)形成导电膜120。

注意，虽然在本实施方式中在形成导电膜120时对绝缘膜116添加氧，但是添加氧的方法不局限于该例子。例如，也可以在形成导电膜120之后还对绝缘膜116添加氧。

作为对绝缘膜116添加氧的方法，例如可以使用包含铟、锡、硅的氧化物(In-Sn-Si氧化物，也称为ITSO)靶材(In

接着，通过将导电膜120加工为所希望的形状，形成岛状的导电膜120a、岛状的导电膜120b(参照图9B)。

在本实施方式中，使用湿蚀刻装置对导电膜120进行加工。

接着，在绝缘膜116、导电膜120a及120b上形成绝缘膜118(参照图9C)。

绝缘膜118包含氢和氮中的一方或双方。作为绝缘膜118，例如优选使用氮化硅膜。绝缘膜118例如可以通过溅射法或PECVD法形成。例如，当通过PECVD法形成绝缘膜118时，衬底温度低于400℃，优选为低于375℃，进一步优选为180℃以上且350℃以下。因为可以形成致密的膜，形成绝缘膜118时的衬底温度优选为上述范围内。另外，在形成绝缘膜118时的衬底温度为上述范围内时，绝缘膜114、116中的氧或者过剩氧可以移动到氧化物半导体膜108。

当作为绝缘膜118利用PECVD法形成氮化硅膜时，作为源气体优选使用包含硅的沉积气体、氮及氨。通过使用少于氮的氨，在等离子体中氨离解而产生活性种。该活性种将包括在包含硅的沉积气体中的硅与氢之间的键合及氮分子之间的三键切断。其结果是，可以形成缺陷少且致密的氮化硅膜，在该膜中促进硅与氮的键合，且硅与氢之间的键合少。如果氨量比氮量多，则包含硅的沉积气体及氮的分解不进展，因此形成不致密的氮化硅膜，在该膜中硅与氢之间的键合残留下来且缺陷增加。由此，在源气体中，将氮流量比设定为氨的5倍以上且50倍以下，优选为10倍以上且50倍以下。

在本实施方式中，作为绝缘膜118，通过利用PECVD装置并使用硅烷、氮及氨作为源气体，形成厚度为50nm的氮化硅膜。硅烷的流量为50sccm，氮的流量为5000sccm，氨的流量为100sccm。处理室的压力为100Pa，衬底温度为350℃，用27.12MHz的高频电源对平行板电极供应1000W的高频功率。PECVD装置是电极面积为6000cm

在导电膜120a、120b使用In-Ga-Zn金属氧化物靶材(In:Ga:Zn＝4:2:4.1的原子个数比)形成的情况下，绝缘膜118所包含的氢和氮中的一方或双方有时进入导电膜120a、120b中。此时，氢和氮中的一方或双方连接于导电膜120a、120b中的氧缺陷而导致导电膜120a、120b的电阻下降。

此外，也可以在形成绝缘膜118之后进行与上述第一加热处理及第二加热处理同等的加热处理(以下，称为第三加热处理)。

通过进行第三加热处理，绝缘膜116所包含的氧移动到氧化物半导体膜108中而填补氧化物半导体膜108中的氧缺陷。

通过上述工序，可以制造图3A至图3C所示的晶体管100B。

图1A至图1C所示的晶体管100可以通过在进行图8A所示的工序之后形成绝缘膜118来制造。图2A至图2C所示的晶体管100A可以通过改变导电膜112a、112b、绝缘膜114、116的形成顺序且追加在绝缘膜114、116中形成开口141a、141b的工序来制造。

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2

在本实施方式中，参照

本发明的一个实施方式的氧化物半导体膜优选至少包含铟及锌。除此之外，优选还包含铝、镓、钇或锡等。另外，也可以包含选自硼、硅、钛、铁、镍、锗、锆、钼、镧、铈、钕、铪、钽、钨或镁等中的一种或多种元素。

在此考虑氧化物半导体膜包含铟、元素M及锌的情况。元素M为铝、镓、钇或锡等。此外，元素M也可以为硼、硅、钛、铁、镍、锗、锆、钼、镧、铈、钕、铪、钽、钨、镁等。注意，作为元素M有时可以组合上述元素的两种以上。

<2-1.表示氧化物半导体膜的顶面及截面的示意图>

图11A及图11B、图12A及图12B、图13A及图13B、图14A及图14B示出本发明的一个实施方式的氧化物半导体膜的示意图。此外，图11A、图12A、图13A及图14A是氧化物半导体膜的顶面(a-b面方向)的示意图，图11B、图12B、图13B及图14B是在衬底(Sub.)上形成有氧化物半导体膜的截面(c轴方向)的示意图。

首先，参照图11A和图11B进行说明。

如图11A和图11B所示，本发明的一个实施方式的氧化物半导体膜包括区域A和区域B。就是说，本发明的一个实施方式的氧化物半导体膜是区域A和区域B混在一起的复合氧化物半导体。注意，区域A以In

注意，区域A的In浓度比区域B的In浓度高。换言之，区域A为In-rich，区域B为In-poor。例如，区域A的In浓度优选为区域B的In浓度的1.1倍以上，优选为2倍以上且10倍以下。

如图11A所示，区域A在a-b面方向上基本上以近于圆形的形状形成。如图11B所示，区域A在c轴方向上基本上以近于椭圆形的形状形成。换言之，区域A具有岛状形状，并被区域B围绕。如图11A和图11B所示，区域A在区域B中不均匀地分布。因此，两个以上的区域A可能以具有圆形或椭圆形连接的形状连接。注意，在所有区域A在c轴方向上连接的情况下，晶体管的开关特性会恶化(例如晶体管的关态电流增大)，因此区域A优选如图11A和图11B所示那样散布。

此外，区域A散布的比率可以通过改变复合氧化物半导体的形成条件或组成等调整。例如，可以形成如图12A和图12B所示那样的区域A的比率较低的复合氧化物半导体或如图13A和图13B所示那样的区域A的比率较高的复合氧化物半导体。在复合氧化物半导体中，区域A的比率不一定低于区域B的比率。在区域A的比率非常高的复合氧化物半导体中，根据所观察的范围，有时在区域A中形成有区域B。

例如，区域A的岛状的尺寸可以通过改变复合氧化物半导体的形成条件或组成调整。虽然在图11A和图11B、图12A和图12B及图13A和图13B的示意图中岛状区域具有各种尺寸，但是也有如图14A和图14B所示那样的尺寸大致相同的区域A散布的情况。

如图11A和图11B所示，区域A与区域B的边界有时不明确或者有时观察不到。区域A及区域B的厚度可以利用截面照片的EDX面分析图像进行评价。注意，在截面照片的EDX面分析图像中有时观察到0.1nm以上且5nm以下或0.3nm以上且3nm以下的尺寸的区域A。

因为区域A为In-rich，所以具有提高载流子迁移率的功能。因此，可以提高使用包括区域A的氧化物半导体膜的晶体管的通态电流及场效应迁移率。另一方面，因为区域B为In-poor，所以具有降低载流子迁移率的功能。因此，可以降低使用包括区域B的氧化物半导体膜的晶体管的关态电流。就是说，区域A有助于晶体管的通态电流及场效应迁移率，区域B有助于晶体管的开关特性。

如此，本发明的一个实施方式的氧化物半导体膜为复合氧化物半导体，其中区域A和区域B混在一起且具有互补发挥作用的不同的功能。例如，在本发明的一个实施方式的氧化物半导体膜为将Ga用作元素M的In-Ga-Zn氧化物(以下，称为IGZO)的情况下，可以将该氧化物半导体膜称为Complementary IGZO(简称：C/IGZO)。

另一方面，例如，在区域A和区域B以层状层叠的情况下，在区域A与区域B之间没有相互作用，或者不容易产生相互作用，因此区域A的功能与区域B的功能有时分别独立地发挥作用。此时，即使由于区域A可以提高场效应迁移率，晶体管的关态电流也可能增大。因此，在本发明的一个实施方式的氧化物半导体膜是上述复合氧化物半导体或C/IGZO的情况下，可以同时得到实现高场效应迁移率的功能以及实现优异的开关特性的功能。这是在本发明的一个实施方式的氧化物半导体膜中获得的优良的效果。

虽然图11A和图11B示出在衬底上形成有氧化物半导体膜的例子，但是本发明的一个实施方式不局限于该例子，并也可以在衬底与氧化物半导体膜之间形成有基底膜或层间膜等绝缘膜、或者氧化物半导体膜等其他半导体膜。

<2-2.氧化物半导体膜的原子个数比>

下面，参照图15对本发明的一个实施方式的氧化物半导体膜的原子个数比进行说明。

可以使用图15所示的相图表示物质中的元素X、元素Y及元素Z的原子个数比。元素X、元素Y及元素Z的原子个数比以x:y:z表示。该原子个数比可以在图15中以坐标(x:y:z)表示。此外，在图15中，未记载氧的原子个数比。

在图15中，虚线表示原子个数比[In]:[M]:[Zn]为(1+α):(1-α):1的(-1≤α≤1)的线、原子个数比[In]:[M]:[Zn]为(1+α):(1-α):2的线、原子个数比[In]:[M]:[Zn]为(1+α):(1-α):3的线、原子个数比[In]:[M]:[Zn]为(1+α):(1-α):4的线及原子个数比[In]:[M]:[Zn]为(1+α):(1-α):5的线。

点划线表示原子个数比[In]:[M]:[Zn]为1:1:β(β≥0)的线、原子个数比[In]:[M]:[Zn]为1:2:β的线、原子个数比[In]:[M]:[Zn]为1:3:β的线、原子个数比[In]:[M]:[Zn]为1:4:β的线、原子个数比[In]:[M]:[Zn]为2:1:β的线、原子个数比[In]:[M]:[Zn]为5:1:β的线及原子个数比[In]:[M]:[Zn]为1:7:β的线。

图15所示的具有[In]:[M]:[Zn]＝0:2:1的原子个数比或其附近的原子个数比的氧化物半导体膜易具有尖晶石型结晶结构。

图15所示的区域A是In的比率较高的区域([In]:[M]:[Zn]＝x:y:z(x＞0，y≥0，z≥0)的区域)中的In、M及Zn的原子个数比的优选的范围的一个例子。注意，区域A包括原子个数比[In]:[M]:[Zn]为(1+γ):0:(1-γ)(-1＜γ≤1)的线。

图15所示的区域B是In的比率比区域A低的区域([In]:[M]:[Zn]＝m:n:l(m＞0，n≥0，l≥0))中的In、M及Zn的原子个数比的优选的范围的一个例子。此外，区域B包括[In]:[M]:[Zn]＝4:2:3至4.1的原子个数比及其附近。该附近包括[In]:[M]:[Zn]＝5:3:4的原子个数比。此外，区域B包括[In]:[M]:[Zn]＝5:1:6的原子个数比及其附近。具有以区域B表示的原子个数比的氧化物半导体膜是结晶性高的氧化物半导体膜。

另外，当利用溅射装置形成氧化物半导体膜时，有时形成与靶材的原子个数比不同的原子个数比的膜。尤其是，根据成膜时的衬底温度，所沉积的膜中的[Zn]的原子个数比有可能小于靶材中的[Zn]的原子个数比。

<2-3.溅射装置>

在此，参照图16A和图16B说明溅射装置的一个例子。

图16A是说明溅射装置的成膜室2501的截面图，图16B是溅射装置的磁铁单元2530a及磁铁单元2530b的平面图。

图16A所示的成膜室2501包括靶材架2520a、靶材架2520b、垫板2510a、垫板2510b、靶材2500a、靶材2500b、构件2542、衬底架2570。靶材2500a配置在垫板2510a上。垫板2510a配置在靶材架2520a上。磁铁单元2530a隔着垫板2510a配置在靶材2500a下。靶材2500b配置在垫板2510b上。垫板2510b配置在靶材架2520b上。磁铁单元2530b隔着垫板2510b配置在靶材2500b下。

如图16A及图16B所示，磁铁单元2530a包括磁铁2530N1、磁铁2530N2、磁铁2530S及磁铁架2532。在磁铁单元2530a中，磁铁2530N1、磁铁2530N2及磁铁2530S配置在磁铁架2532上。磁铁2530N1、磁铁2530N2与磁铁2530S间有间隔。磁铁单元2530b具有与磁铁单元2530a相同的结构。在将衬底2560搬入成膜室2501时，衬底2560与衬底架2570接触地配置。

靶材2500a、垫板2510a及靶材架2520a与靶材2500b、垫板2510b及靶材架2520b由构件2542隔开。构件2542优选为绝缘体。构件2542也可以为导电体或半导体。构件2542也可以为其表面被绝缘体覆盖的导电体或半导体。

靶材架2520a与垫板2510a被螺钉(例如，螺栓)固定，并具有相同电位。靶材架2520a具有隔着垫板2510a支撑靶材2500a的功能。靶材架2520b与垫板2510b被螺钉(例如，螺栓)固定，并具有相同电位。靶材架2520b具有隔着垫板2510b支撑靶材2500b的功能。

垫板2510a具有固定靶材2500a的功能。垫板2510b具有固定靶材2500b的功能。

在图16A中，示出由磁铁单元2530a形成的磁力线2580a和磁力线2580b。

如图16B所示，磁铁单元2530a具有将方形或大致方形的磁铁2530N1、方形或大致方形的磁铁2530N2及方形或大致方形的磁铁2530S固定于磁铁架2532的结构。如图16B的箭头所示，可以在水平方向上摆动磁铁单元2530a。例如，磁铁单元2530a也可以以0.1Hz以上且1kHz以下的拍子摆动。

靶材2500a上的磁场随着磁铁单元2530a的摆动而变化。由于磁场强的区域成为高密度等离子体区域，所以其附近容易发生靶材2500a的溅射。磁铁单元2530b也与此相同。

在此，考虑到靶材2500a及靶材2500b均为In-Ga-Zn氧化物靶材的情况。例如，靶材2500a及靶材2500b具有In:Ga:Zn＝4:2:4.1的原子个数比。在使用具有上述靶材的溅射装置的情况下，可以以下述方式假设本发明的一个实施方式的氧化物半导体膜的成膜模型。

导入到溅射装置的气体是氩气体和氧气体。此外，施加到与靶材架2520a连接的端子V1的电位低于施加到与衬底架2570连接的端子V2的电位。施加到与靶材架2520b连接的端子V4的电位低于施加到与衬底架2570连接的端子V2的电位。施加到与衬底架2570连接的端子V2的电位为接地电位。施加到与磁铁架2532连接的端子V3的电位为接地电位。

注意，施加到端子V1、端子V2、端子V3及端子V4的电位不局限于上述电位。可以不对靶材架2520、衬底架2570、磁铁架2532中的全部施加电位。例如，衬底架2570也可以处于电浮动状态。注意，端子V1被假设与可以控制施加的电位的电源电连接。作为电源，可以使用DC电源、AC电源或RF电源。

首先，在成膜室2501中，氩气体或氧气体发生电离，分为阳离子和电子而形成等离子体。等离子体中的阳离子因施加到靶材架2520a的电位V1及施加到靶材架2520b的电位V4而向靶材2500a、靶材2500b被加速。当阳离子碰撞到靶材2500a、靶材2500b时，被溅射的粒子沉积在衬底2560上。

在靶材2500a、2500b为In-Ga-Zn氧化物靶材的情况下，通过阳离子碰撞到靶材2500a、2500b，相对原子质量比In轻的Ga及Zn优先地从靶材2500a、2500b弹出沉积在衬底2560上。由于Ga及Zn被脱离，因此In偏析在靶材2500a、2500b的表面上。然后，在靶材2500a、2500b的表面上偏析的In从靶材2500a、2500b弹出沉积在衬底2560上。

如图11A和图11B、图12A和图12B、图13A和图13B或图14A和图14B所示的区域A和区域B混在一起的复合氧化物半导体被假设在上述成膜模型之后形成。

<2-4.氧化物半导体膜的载流子密度>

以下，说明氧化物半导体膜的载流子密度。

给氧化物半导体膜的载流子密度带来影响的因子的例子包括氧化物半导体膜中的氧缺陷(V

随着氧化物半导体膜中的氧缺陷增多，而在氢与该氧缺陷键合(也可以将该状态称为V

下面，对在沟道区域中使用氧化物半导体膜的晶体管进行说明。

为了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，优选减少氧化物半导体膜的载流子密度。为了降低氧化物半导体膜的载流子密度，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的状态。高纯度本征的氧化物半导体膜的载流子密度低于8×10

另一方面，为了增加晶体管的通态电流或提高晶体管的场效应迁移率，优选增加氧化物半导体膜的载流子密度。为了增加氧化物半导体膜的载流子密度，稍微增加氧化物半导体膜的杂质浓度或缺陷态密度。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I

实质上本征的氧化物半导体膜的载流子密度优选为1×10

通过使用上述实质上本征的氧化物半导体膜，也可以提高晶体管的可靠性。在此，使用图17说明在沟道区域中使用氧化物半导体膜的晶体管的可靠性得到提高的理由。图17是在其沟道区域中包括氧化物半导体膜的晶体管的能带图。

在图17中，GE、GI、OS及SD分别表示栅电极、栅极绝缘膜、氧化物半导体膜及源电极或漏电极。就是说，图17示出栅电极、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17中，作为栅极绝缘膜及氧化物半导体膜，分别使用氧化硅膜及In-Ga-Zn氧化物。有可能形成在氧化硅膜中的缺陷的迁移能级(εf)被假设形成在离栅极绝缘膜的导带底约3.1eV的位置。此外，将在栅极电压(V

如图17所示，当在栅极电压的施加中载流子被热激发时，载流子被缺陷能级(附图中的X)俘获，缺陷能级的荷电状态从正(“+”)变为中性(“0”)。就是说，当对氧化硅膜的费米能级(E

当使用电子亲和势不同的氧化物半导体膜时，有可能栅极绝缘膜与氧化物半导体膜的界面的费米能级产生变化。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或该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能级(图17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。该能量差的增大使被栅极绝缘膜俘获的电荷减少。例如，有可能形成在上述氧化硅膜中的缺陷能级的荷电状态变化变少，而可以减少由栅极偏压热(GBT：gate bias temperature)压力所导致的晶体管的阈值电压变动。

另外，当将氧化物半导体膜用于晶体管的沟道区域时，可以减少晶界处的载流子散射等，因此晶体管可以具有高场效应迁移率。此外，晶体管可以具有高可靠性。

被氧化物半导体膜的缺陷能级俘获的电荷到消失需要较长的时间，并有可能像固定电荷那样动作。因此，在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有可能具有不稳定的电特性。

为了得到晶体管的稳定的电特性，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，优选降低与该氧化物半导体膜相邻的膜中的杂质浓度。作为杂质的例子有氢、氮、碱金属、碱土金属、铁、镍、硅。

在此，说明氧化物半导体膜中的杂质的影响。

在氧化物半导体膜包含第14族元素之一的硅或碳时，在氧化物半导体膜中形成缺陷能级。因此，将氧化物半导体膜中及与氧化物半导体膜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2×10

当氧化物半导体膜包含碱金属或碱土金属时，有时形成缺陷能级而形成载流子。因此，包括包含碱金属或碱土金属的氧化物半导体膜的晶体管容易成为常开启状态。由此，优选降低氧化物半导体膜中的碱金属或碱土金属的浓度。具体而言，将通过SIMS测得的氧化物半导体膜中的碱金属或碱土金属的浓度设定为1×10

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而成为水，因此有时形成氧缺陷。因为氢进入该氧缺陷，所以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，包括包含氢的氧化物半导体膜的晶体管容易成为常开启状态。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，将利用SIMS测得的氢浓度设定为低于1×10

在将杂质浓度得到足够降低的氧化物半导体膜用于晶体管的沟道形成区域时，晶体管可以具有稳定的电特性。

氧化物半导体膜的能隙优选为2eV以上或2.5eV以上。

<2-5.氧化物半导体的结构>

接着，说明氧化物半导体的结构。

氧化物半导体被分为单晶氧化物半导体和非单晶氧化物半导体。作为非单晶氧化物半导体有c-axis-aligned crystalline oxide semiconductor(CAAC-OS)、多晶氧化物半导体、nanocrystalline oxide semiconductor(nc-OS)、amorphous-like oxidesemiconductor(a-like OS)及非晶氧化物半导体等。

从其他观点看来，氧化物半导体被分为非晶氧化物半导体和结晶氧化物半导体。作为结晶氧化物半导体，有单晶氧化物半导体、CAAC-OS、多晶氧化物半导体以及nc-OS等。

一般而言，例如非晶结构被认为：具有各向同性而不具有不均匀结构；处于亚稳态且没有被固定的原子配置；具有灵活的键角；具有短程有序而不具有长程有序。

即，不能将稳定的氧化物半导体认为完全非晶(completely amorphous)氧化物半导体。另外，不能将不具有各向同性(例如，在微小区域中具有周期结构)的氧化物半导体认为完全非晶氧化物半导体。另一方面，不具有各向同性的a-like OS具有空洞(void)的不稳定结构。在不稳定这一点上，a-like OS在物性上接近于非晶氧化物半导体。

[CAAC-OS]

首先，说明CAAC-OS。

CAAC-OS是氧化物半导体之一并具有多个c轴取向的结晶部(也称为颗粒)。

CAAC-OS是结晶性高的氧化物半导体。氧化物半导体的结晶性有时因杂质的侵入或缺陷的生成等而降低。由此可以说CAAC-OS中的杂质或缺陷(例如，氧缺陷)少。

此外，杂质是指氧化物半导体的主要成分以外的元素，诸如氢、碳、硅和过渡金属元素等。例如，与氧的键合力比构成氧化物半导体的金属元素强的元素(具体地是硅等)会从氧化物半导体中夺取氧，由此打乱氧化物半导体的原子排列，降低氧化物半导体的结晶性。另外，由于铁或镍等重金属、氩、二氧化碳等具有大原子半径(或分子半径)，所以会打乱氧化物半导体的原子排列并降低结晶性。

[nc-OS]

接着，对nc-OS进行说明。

说明使用XRD装置对nc-OS进行的分析。当利用out-of-plane法分析nc-OS的结构时，不出现表示取向性的峰值。换言之，nc-OS的结晶不具有取向性。

nc-OS是规律性比非晶氧化物半导体高的氧化物半导体。因此，nc-OS的缺陷态密度比a-like OS及非晶氧化物半导体低。注意，在nc-OS中的不同的颗粒之间没有晶体取向的规律性。所以，有时nc-OS的缺陷态密度比CAAC-OS高。

[a-like OS]

a-like OS具有nc-OS的结构与非晶氧化物半导体的结构之间的结构。

a-like OS包含空洞或低密度区域。由于a-like OS包含空洞，所以其结构不稳定。

此外，由于a-like OS包含空洞，所以其密度比nc-OS及CAAC-OS低。具体地，a-likeOS的密度为具有相同组成的单晶氧化物半导体的78.6％以上且低于92.3％。nc-OS的密度及CAAC-OS的密度为具有相同组成的单晶氧化物半导体的92.3％以上且低于100％。难以形成其密度低于单晶氧化物半导体的密度的78％的氧化物半导体。

例如，在是In、Ga和Zn的原子个数比为1:1:1的氧化物半导体的情况下，具有菱方晶系结构的单晶InGaZnO

当在单晶态中不存在具有相同组成的氧化物半导体时，通过以任意比例组合组成不同的单晶氧化物半导体，可以估计出相当于所希望的组成的单晶氧化物半导体的密度。可以根据组成不同的单晶氧化物半导体的组合比例使用加权平均估计出具有所希望的组成的单晶氧化物半导体的密度。注意，优选尽可能减少所组合的单晶氧化物半导体的种类来估计密度。

如上所述，氧化物半导体具有各种结构及各种特性。在本发明的一个实施方式的氧化物半导体膜中，非晶氧化物半导体、a-like OS、nc-OS和CAAC-OS中的两种以上也可以混在一起。以下示出这种情况的一个例子。

本发明的一个实施方式的氧化物半导体膜可以包括两种结晶部，即在氧化物半导体膜中两种结晶部混在一起。结晶部之一种(也称为第一结晶部)是在膜厚度方向(也称为与膜面方向或被形成膜的表面或膜表面垂直的方向)上具有取向性的结晶部，即具有c轴取向性的结晶部。结晶部之另一种(也称为第二结晶部)是没有c轴取向性而具有无规取向的结晶部。

虽然为了简单起见，结晶部分成为两种：具有c轴取向性的第一结晶部和没有c轴取向性的第二结晶部，但是，因这些结晶部的结晶性和结晶的大小等没有特别的差异，而第一结晶部和第二结晶部有时不能区别。就是说，有时可以无区别第一结晶部和第二结晶部地描述本发明的一个实施方式的氧化物半导体膜。

例如，本发明的一个实施方式的氧化物半导体膜包括多个结晶部，结晶部的至少一个也可以具有c轴取向性。在存在于膜中的结晶部中，没有c轴取向性的结晶部的比率也可以比具有c轴取向性的结晶部高。例如，在膜厚度方向上的本发明的一个实施方式的氧化物半导体膜的截面的透射电子显微镜的图像中，有时观察到多个结晶部，并以比具有c轴取向性的第一结晶部多的比率观察到没有c轴取向性的第二结晶部。换言之，本发明的一个实施方式的氧化物半导体膜的没有c轴取向性的第二结晶部的比率较高。

在氧化物半导体膜中的没有c轴取向性的第二结晶部的比率较高时，可以得到如下效果。

当在氧化物半导体膜附近设置有充分的氧供应源时，没有c轴取向性的第二结晶部有可能被用作氧的扩散路径。因此，当在氧化物半导体膜附近设置有充分的氧供应源时，可以将氧经过没有c轴取向性的第二结晶部从供应源供应到具有c轴取向性的第一结晶部。因此，可以减少氧化物半导体膜中的氧缺陷量。在将这种氧化物半导体膜用作晶体管的半导体膜时，可以得到高可靠性和高场效应迁移率。

在第一结晶部中，特定的结晶面在膜厚度方向上取向。因此，当在大致垂直于包括第一结晶部的氧化物半导体膜的顶面的方向上进行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。另一方面，即使氧化物半导体膜包括第一结晶部，也由于支撑衬底所导致的X射线的散乱或背景噪声的上升而有时观察不到充分的衍射峰值。此外，氧化物半导体膜中的第一结晶部的比率越高，衍射峰值的高度(强度)越大，因此衍射峰值的高度(强度)可以是推测氧化物半导体膜的结晶性的指标。

作为氧化物半导体膜的结晶性的评价方法之一，可以举出电子衍射法。例如，当对本发明的一个实施方式的截面进行电子衍射测量，并观察到其氧化物半导体膜的电子衍射图案时，观察到具有起因于第一结晶部的衍射斑点的第一区域以及具有起因于第二结晶部的衍射斑点的第二区域。

包括起因于第一结晶部的衍射斑点的第一区域来源于具有c轴取向性的结晶部。包括起因于第二结晶部的衍射斑点的第二区域来源于没有取向性的结晶部或具有无规取向的结晶部。因此，有时，根据用于电子衍射的电子束径，即观察区域的面积，观察到不同的图案。在本说明书等中，将以1nmφ以上且100nmφ以下的电子束径进行测量的电子衍射称为纳米束电子衍射(NBED：nano beam electron diffraction)。

注意，也可以利用与NBED不同的方法评价本发明的一个实施方式的氧化物半导体膜的结晶性。作为氧化物半导体膜的结晶性的评价方法的例子，可以举出电子衍射、X射线衍射、中子衍射等。在电子衍射中，除了上述NBED以外，还可以优选使用透射电子显微镜(TEM：transmission electron microscopy)、扫描型电子显微镜(SEM：scanning electronmicroscopy)、会聚束电子衍射(CBED：convergent beam electron diffraction)、选区电子衍射(SAED：selected-area electron diffraction)等。

在NBED中，在使用束径较大的电子束(例如，25nmφ以上且100nmφ以下或50nmφ以上且100nmφ以下)得到的纳米束电子衍射图案中，观察到环状的图案。该环状的图案有时在径向方向上有线轮廓。另一方面，在使用束径较小的电子束(例如，1nmφ以上且10nmφ以下)得到的NBED的电子衍射图案中，有时在上述环状的图案位置上观察到分布在圆周方向(也称为θ方向)上的多个斑点。就是说，在使用束径较大的电子束得到的环状的图案是由上述多个斑点的集合体形成的。

<2-6.氧化物半导体膜的结晶性的评价<

以下，制造各包括氧化物半导体膜的三个样品(样品X1至样品X3)，对三个样品各个的结晶性进行评价。在不同的条件下形成三种氧化物半导体膜。首先，说明样品X1至样品X3的制造方法。

[样品X1]

样品X1是在玻璃衬底上形成有厚度为100nm左右的氧化物半导体膜的样品。该氧化物半导体膜包含铟、镓及锌。样品X1的氧化物半导体膜的形成条件为如下：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的原子个数比)施加2.5kW的交流电力。样品X1的制造条件下的氧流量比为30％。

[样品X2]

样品X2是在玻璃衬底上形成有厚度为100nm左右的氧化物半导体膜的样品。样品X2的氧化物半导体膜的形成条件为如下：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。样品X2的制造条件下的氧流量比为10％。氧流量比以外的条件与上述样品X1的条件相同。

[样品X3]

样品X3是在玻璃衬底上形成有厚度为100nm左右的氧化物半导体膜的样品。样品X3中的氧化物半导体膜的形成条件为如下：衬底温度为室温；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。样品X3的制造条件下的氧流量比为10％。衬底温度和氧流量比以外的条件与上述样品X1的条件相同。

表1示出样品X1至样品X3的形成条件。

[表1]

接着，对样品X1至样品X3的结晶性进行评价。在本实施方式中，通过进行截面TEM观察、XRD测量及电子衍射，评价结晶性。

[截面TEM观察]

图18A至图18C、图19A至图19C以及图20A至图20C示出样品X1至样品X3的截面TEM观察结果。注意，图18A和图18B是样品X1的截面TEM图像，图19A和图19B是样品X2的截面TEM图像，图20A和图20B是样品X3的截面TEM图像。

图18C、图19C及图20C分别是样品X1、样品X2及样品X3的截面的高分辨率透射电子显微镜(HR-TEM：High Resolution-TEM)图像。可以利用球面像差校正(SphericalAberration Corrector)得到截面HR-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。

如图18A至图18C及图19A至图19C所示，在样品X1及样品X2中，观察到原子在膜厚度方向上排列为层状的结晶部。尤其是，在HR-TEM图像中，容易观察到原子排列为层状的结晶部。如图20A至图20C所示，在样品X3中，难以观察到原子在膜厚度方向上排列为层状的状态。

[XRD测量]

接着，对各样品的XRD测量结果进行说明。

图21A、图22A及图23A分别示出样品X1、样品X2及样品X3的XRD测量结果。

XRD测量使用out-of-plane法之一的粉末法(也称为θ-2θ法)进行。注意，在θ-2θ法中，在改变X射线的入射角，且与X射线源对置的检测器的角度与入射角相同时，测量出X射线衍射强度。另外，也可以使用out-of-plane法之一的掠入射XRD(GIXRD：grazing-incidence XRD)法(也称为薄膜法或Seemann-Bohlin(西曼-波林)法)。GIXRD法是测量X射线衍射强度的一种方法，其中X射线使用各种角度的检测器从膜表面0.40°左右的角度入射。在图21A、图22A及图23A中，纵轴以任意单位表示衍射强度，横轴表示角度2θ。

如图21A及图22A所示，在样品X1及样品X2中，观察到2θ＝31°附近的衍射强度的峰值。另一方面，如图23A所示，在样品X3中，难以观察到2θ＝31°附近的衍射强度的峰值，或者2θ＝31°附近的衍射强度的峰值极小或者没有2θ＝31°附近的衍射强度的峰值。

观察到衍射强度的峰值的衍射角(2θ＝31°附近)与单晶InGaZnO

[电子衍射]

接着，说明对样品X1至样品X3进行电子衍射测量的结果。在电子衍射测量中，将在垂直于各样品的截面的方向上入射的电子束照射到各样品来取得电子衍射图案。将电子束径设定为1nmφ及100nmφ。

在电子衍射中，随着入射的电子束径较大且样品的厚度较大，在电子衍射图案中容易表示纵深方向的信息。因此，通过减小电子束径及样品的纵深方向的厚度，可以得到局部区域的信息。另一方面，在样品的纵深方向的厚度过小的情况(例如，样品的纵深方向的厚度为5nm以下)下，只能得到极微小的区域的信息。因此，在结晶存在于极微小的区域时得到的电子衍射图案有时与单晶的电子衍射图案相同。当极微小的区域的分析不是目的时，优选将样品的纵深方向的厚度例如设定为10nm以上且100nm以下，典型的是，设定为10nm以上且50nm以下。

图21B和图21C示出样品X1的电子衍射图案。图22B和图22C示出样品X2的电子衍射图案。图23B和图23C示出样品X3的电子衍射图案。

图21B和图21C、图22B和图22C、图23B和图23C所示的电子衍射图案是为了明确起见电子衍射图案而调整了对比度的图像数据。在图21B和图21C、图22B和图22C、图23B和图23C中，图案中央的最亮的亮点是起因于入射的电子束的，是电子衍射图案的中心(也称为直接斑点或透过波)。

如图21B所示，在入射的电子束径为1nmφ时，可以观察到分布为圆周状的多个斑点。由此可知氧化物半导体膜包含面方位在各种方向取向的多个极微小的结晶部。如图21C所示，在入射的电子束径为100nmφ时，来自结晶部的多个衍射斑点的连接的亮度被平均化而成为环状的衍射图案。在图21C中，观察到其半径互不相同的两个环状衍射图案。按半径的顺序上升将这些衍射图案称为第一环、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亮度高的两个斑点(称为第一区域)。

径向方向上的从中心到第一环的距离与径向方向上的从中心到单晶InGaZnO

如图21C所示，观察到环状的衍射图案，由此可知在氧化物半导体膜中，存在在各种方向上取向的结晶部(以下，也称为没有c轴取向性的结晶部或第二结晶部)。

由于两个第一区域以相对于电子衍射图案的中心点对称的方式配置，并且其亮度大致相同，因此可以推测两个第一区域具有双重对称性。如上所述，因为两个第一区域是起因于c轴取向的衍射斑点，所以穿过两个第一区域与中心的直线的方向与结晶部的c轴的方向一致。图21C中的厚度方向是垂直方向，由此可知，存在其c轴在氧化物半导体膜中的厚度方向上取向的结晶部。

如此，可以确认到样品X1的氧化物半导体膜是其中包括具有c轴取向性的结晶部和没有c轴取向性的结晶部的膜。

图22B和图22C、图23B和图23C所示的电子衍射图案中的结果与图21B和图21C所示的电子衍射图案大致相同。起因于c轴取向的两个斑点(第一区域)的亮度按样品X1、样品X2、样品X3的顺序明亮，所以可知具有c轴取向性的结晶部的比率按上述顺序高。

[氧化物半导体膜的结晶性的定量化方法]

接着，使用图24A和图24B、图25及图26说明氧化物半导体膜的结晶性的定量化方法的一个例子。

首先，准备电子衍射图案(参照图24A)。

图24A示出在使用100nmφ的电子束径对厚度为100nm的氧化物半导体膜进行测量来得到的电子衍射图案。图24B示出对图24A所示的电子衍射图案进行对比调整来得到的电子衍射图案。

在图24B中，在直接斑点的上下观察到两个明显的斑点(第一区域)。这两个斑点(第一区域)起因于与InGaZnO

在此，在电子衍射图案中，以重叠的方式观察到包括起因于具有c轴取向性的结晶部的衍射斑点的第一区域及具有起因于第二结晶部的衍射斑点的第二区域。因此，通过取得包括第一区域的线轮廓以及包括第二区域的线轮廓并进行比较，可以进行氧化物半导体膜的结晶性的定量化。

使用图25说明包括第一区域的线轮廓以及包括第二区域的线轮廓。

图25示出在对InGaZnO

图25所示的区域A-A’包括经过起因于具有c轴取向性的第一结晶部的两个衍射斑点和直接斑点的直线。图25所示的区域B-B’及区域C-C’都包括经过没有观察到起因于具有c轴取向性的第一结晶部的衍射斑点的区域和直接斑点的直线。区域A-A’和区域B-B’或C-C’之间的角度大约为34°，具体而言，30°以上且38°以下，优选为32°以上且36°以下，更优选为33°以上且35°以下。

按照氧化物半导体膜的结构，线轮廓具有图26所示的趋势。图26说明线轮廓并表示相对亮度R及线轮廓的半峰全宽(FWHM：full width at half maximum)。

图26所示的相对亮度R是区域A-A’中的亮度的积分强度除以区域B-B’中的亮度的积分强度或区域C-C’中的亮度的积分强度来得到的。区域A-A’、区域B-B’及区域C-C’中的亮度的积分强度是除去出现在中央位置的直接斑点背景噪声得到的。

在计算出相对亮度R时，可以定量地规定c轴取向的强度。例如，如图26所示，在单晶氧化物半导体膜中，区域A-A’的起因于具有c轴取向性的第一结晶部的衍射斑点的峰值强度大，在区域B-B’及区域C-C’中观察不到起因于具有c轴取向性的第一结晶部的衍射斑点，因此，相对亮度R为大于1。相对亮度R按单晶、只有CAAC(后面将说明CAAC的详细内容)、CAAC+纳米晶、纳米晶、非晶的顺序降低。尤其是，在没有特定的取向的纳米晶及非晶中，相对亮度R为1。

随着结晶的周期性变高，起因于具有c轴取向性的第一结晶部的光谱强度变大，且该光谱的半峰全宽也变小。因此，单晶的半峰全宽最小，按只有CAAC、CAAC+纳米晶、纳米晶的顺序半峰全宽增大。非晶的半峰全宽非常大，且其轮廓被称为“光晕”。

[利用线轮廓的分析]

如上所述，第一区域的亮度的积分强度与第二区域的亮度的积分强度之间的强度比是对具有取向性的结晶部的比率的推测来说是重要的信息。

于是，利用线轮廓对上述样品X1至样品X3的电子衍射图案进行分析。

图27A1、图27A2示出利用线轮廓的样品X1分析结果。图27B1、图27B2示出利用线轮廓的样品X2分析结果。图27C1、图27C2示出利用线轮廓的样品X3分析结果。

图27A1示出其中区域A-A’、区域B-B’及区域C-C’被描述的图21C所示的电子衍射图案。图27B1示出其中区域A-A’、区域B-B’及区域C-C’被描述的图22C所示的电子衍射图案，图27C1示出其中区域A-A’、区域B-B’及区域C-C’被描述的图23C所示的电子衍射图案。

可以参照直接斑点的亮度对轮廓进行归一化来求得区域A-A’、区域B-B’及区域C-C’。注意，直接斑点出现在电子衍射图案的中心。可以以该区域进行各样品的相对比较。

当算出亮度分布时，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。由于起因于非弹性散射的亮度成分呈现在径向方向上极宽的轮廓，因此也可以以直线近似算出背景噪声的亮度。例如，沿着对象的峰值的尾划直线，可以减去位于该直线低亮度一侧的区域作为背景噪声。

在此，根据利用上述方法减去背景噪声的数据计算出区域A-A’、区域B-B’及区域C-C’中的各亮度的积分强度。然后，区域A-A’的亮度的积分强度除以区域B-B’的亮度的积分强度或区域C-C’的亮度的积分强度来得到相对亮度R。

图28示出样品X1至样品X3的相对亮度R。在图28中，在利用图27A2、图27B2、图27C2各个中的亮度轮廓中的直接斑点之左右的光谱中，求得区域A-A’的亮度的积分强度除以区域B-B’的亮度的积分强度的值以及区域A-A’的亮度的积分强度除以区域C-C’的亮度的积分强度的值。

如图28所示，样品X1至样品X3的相对亮度为如下。样品X1的相对亮度R为25.00。样品X2的相对亮度R为3.04。样品X3的相对亮度R为1.05。注意，相对亮度R是4个位置上的亮度的平均值。如此，相对亮度R按样品X1、样品X2、样品X3的顺序高。

在将本发明的一个实施方式的氧化物半导体膜用作晶体管的被形成沟道的半导体膜时，相对亮度R大于1且为40以下，优选大于1且为10以下，更优选大于1且为3以下。通过将这种氧化物半导体膜用作半导体膜，可以同时实现电特性的高稳定性以及栅极电压较低的区域中的高场效应迁移率。

<2-7.结晶部的比率>

通过分析截面TEM图像，可以估计出氧化物半导体膜中的结晶部的比率。

对图像分析的方法进行说明。通过如下方式进行图像分析。首先，对高分辨率的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FFT图像以去除具有周期性的区域之外的区域的方式进行掩模处理。然后，对FFT图像进行二维傅立叶逆变换(IFFT：inverse fast Fourier transform)处理而取得FFT滤波图像。

如此，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率可以估计出结晶部的比率。另外，通过从用于计算的区域(也称为原来的图像的面积)的面积减去残留的图像的面积，可以估计出结晶部以外的部分的比率。

图29A1示出样品X1的截面TEM图像。图29A2示出通过对样品X1的截面TEM图像进行图像分析得到的图像。图29B1示出样品X2的截面TEM图像。图29B2示出通过对样品X2的截面TEM图像进行图像分析得到的图像。图29C1示出样品X3的截面TEM图像。图29C2示出通过对样品X3的截面TEM图像进行图像分析得到的图像。

通过分析得到的图像中的氧化物半导体膜中的白色区域对应于包括具有取向性的结晶部的区域。黑色区域对应于包括没有取向性的结晶部或在各种方向上取向的结晶部的区域。

根据图29A2所示的结果，样品X1中的除包括具有取向性的结晶部的区域以外的面积的比率为43.1％左右。根据图29B2所示的结果，样品X2中的除包括具有取向性的结晶部的区域以外的面积的比率为61.7％左右。根据图29C2所示的结果，样品X3中的除包括具有取向性的结晶部的区域以外的面积的比率为89.5％左右。

当这样估计出的氧化物半导体膜中的除具有取向性的结晶部以外的部分的比率为5％以上且低于40％时，其氧化物半导体膜是具有极高的结晶性的膜，不容易形成氧缺陷，其电特性非常稳定，所以是优选的。另一方面，当氧化物半导体膜中的除具有取向性的结晶部以外的部分的比率为40％以上且低于100％，优选为60％以上且90％以下时，在该氧化物半导体膜中，具有取向性的结晶部和没有取向性的结晶部以适当的比例混在一起，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TEM图像或通过分析得到的截面TEM图像中容易观察到的结晶部以外的区域称为横向生长缓冲区域(LGBR：lateral growth buffer region)。

<2-8.向氧化物半导体膜的氧扩散<

以下，对向氧化物半导体膜的氧扩散的容易性的评价结果进行说明。

在此，制造以下的三个样品(样品Y1至样品Y3)。

[样品Y1]

首先，利用与上述样品X1相同的方法在玻璃衬底上形成厚度为50nm左右的氧化物半导体膜。接着，利用PECVD法在氧化物半导体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。注意，在以下的说明中，有时将氧化物半导体膜和氧氮化硅膜分别记载为OS和GI。

接着，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In-Sn-Si氧化物膜。

接着，对氧氮化硅膜添加氧。在如下条件下使用灰化装置进行氧添加处理：衬底温度为40℃；将流量为150sccm的氧气体(

接着，利用PECVD法形成厚度为100nm左右的氮化硅膜。

[样品Y2]

样品Y2是以其氧化物半导体膜的成膜条件与样品Y1不同的方式制造的样品。在样品Y2中，利用以与上述样品X2相同的方法形成厚度为50nm左右的氧化物半导体膜。

[样品Y3]

样品Y3是以其氧化物半导体膜的成膜条件与样品Y1不同的方式制造的样品。在样品Y3中，利用以与上述样品X3相同的方法形成厚度为50nm左右的氧化物半导体膜。

通过以上的工序，制造样品Y1至样品Y3。

[SIMS分析]

利用二次离子质谱分析法(SIMS)分析测量出样品Y1至样品Y3的

图30A至图30C示出SIMS测量结果。图30A、图30B及图30C分别示出样品Y1、样品Y2及样品Y3的SIMS测量结果。

图30A至图30C示出包括GI及OS的区域的分析结果。注意，图30A至图30C示出从衬底一侧进行SIMS分析(也称为衬底一侧深度分布(SSDP：substrate side depth profile)-SIMS)的结果。

在图30A至图30C中，灰色虚线示出不进行加热处理的样品的分布，黑色虚线示出进行350℃的加热处理的样品的分布，黑色实线示出进行450℃的加热处理的样品的分布。

在样品Y1至样品Y3的每一个中，可以确认到

根据以上的结果，可以确认到包括具有取向性的结晶部和没有取向性的结晶部且具有取向性的结晶部的比率低的氧化物半导体膜是氧容易透过的膜，换言之，氧容易扩散的膜。另外，可以确认到：通过进行350℃及450℃的加热处理，GI膜中的氧扩散到OS中。

以上的结果表示具有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。关于氧化物半导体膜中的氧的扩散容易性，可以进行如下的考察。

在包括具有取向性的结晶部和没有取向性的极微小的结晶部的氧化物半导体膜中，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：在氧化物半导体膜附近设置有充分的氧供应源的情况下，氧经过LGBR容易扩散到具有取向性的结晶部，因此可以减少膜中的氧缺陷量。

例如，通过以与氧化物半导体膜接触的方式设置容易释放氧的氧化膜并进行加热处理，从该氧化膜释放的氧经过LGBR而在氧化物半导体膜的厚度方向上扩散。并且，氧有可能经过LGBR在横方向上供应到具有取向性的结晶部。由此，充分的氧供应到氧化物半导体膜中的具有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。

例如，在氧化物半导体膜中存在不与金属原子键合的氢原子的情况下，该氢原子和氧原子键合，并且有时OH被形成并被固定化。于是，以低温进行成膜来形成一定量(例如，1×10

此外，通过对氧化物半导体膜适当地导入氧，可以降低氧化物半导体膜中的氧缺陷(V

因为具有取向性的结晶部以外的区域在成膜时形成没有取向性的极微小的结晶部，所以在氧化物半导体膜中观察不到明显的晶界。该极微小的结晶部位于具有取向性的多个结晶部之间。该微小的结晶部由于成膜时的热而在横方向上生成，由此与相邻的具有取向性的结晶部键合。该极微小的结晶部还被用作产生载流子的区域。具有这样结构的氧化物半导体膜被期待在被用于晶体管时提高晶体管的场效应迁移率。

另外，优选的是，在形成氧化物半导体膜，且在该氧化物半导体膜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。该处理可以对膜中供应氧并降低氢浓度。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氧化物半导体膜中。该氟作为带负电荷的氟原子存在，由于库仑力而与带正电荷的氢原子键合，产生HF。在该等离子体处理中，HF释放到氧化物半导体膜的外部，其结果是，可以降低氧化物半导体膜中的氢浓度。在等离子体处理中，有时与氧原子及氢原子键合的H

考虑在氧化物半导体膜上层叠氧化硅膜(或氧氮化硅膜)的结构。氧化硅膜中的氟与膜中的氢键合并作为电中性的HF存在，因此不影响到氧化物半导体膜的电特性。有时产生Si-F键合，这也是电中性的。氧化硅膜中的HF不影响到氧的扩散。

根据上述机理而减少氧化物半导体膜中的氧缺陷，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。另外因为在氧化物半导体膜的载流子密度为一定程度以上，所以可以认为电特性得到提高。

<2-9.氧化物半导体膜的沉积方法<

以下，对本发明的一个实施方式的氧化物半导体膜的沉积方法进行说明。

通过包含氧的气氛下的溅射法，可以形成本发明的一个实施方式的氧化物半导体膜。

可以用于氧化物半导体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具有作为氧化物半导体膜的结晶部的氧化物半导体膜时，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氧化物半导体膜。

以下，进行氧化物半导体膜的沉积机理的一个考察。

当溅射靶材包括均具有层状结构的多个晶粒及晶粒容易劈开的界面时，通过使离子碰撞到该溅射靶材，有可能晶粒劈开而得到平板状或颗粒状的溅射粒子。由于所得到的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氧化物半导体膜。另外，可认为：在加热衬底时在衬底表面上该纳米晶彼此键合或重新排列，因此容易形成包含具有取向性的结晶部的氧化物半导体膜。

注意，假设利用溅射法来进行上述考察。因为容易调整结晶性，所以优选利用溅射法。除了溅射法之外，例如可以举出脉冲激光沉积(PLD：pulsed laser deposition)法、等离子体增强化学气相沉积(PECVD：plasma-enhanced chemical vapor deposition)法、热化学气相沉积(CVD：chemical vapor deposition)法、原子层沉积(ALD：atomic layerdeposition)法、真空蒸镀法等。作为热CVD法的例子，可以举出有机金属化学气相沉积(MOCVD：metal organic chemical vapor deposition)法。

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3

在本实施方式中，使用图31、图32、图33、图34、图35、图36及图37说明包括在上述实施方式中例示的晶体管的显示装置的一个例子。

图31是示出显示装置的一个例子的俯视图。图31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。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31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。

在显示装置700中，在与第一衬底701上的由密封剂712围绕的区域不同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及栅极驱动电路部706的柔性印刷电路(FPC：flexible printed circuit)端子部708。另外，FPC端子部708连接于FPC716，并且各种信号等从FPC716供应到像素部702、源极驱动电路部704及栅极驱动电路部706。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。从FPC716供应的各种信号等通过信号线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。

另外，也可以在显示装置700中设置多个栅极驱动电路部706。显示装置700不局限于在此表示的将源极驱动电路部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。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，也可以将在其上形成有源极驱动电路或栅极驱动电路等的衬底(例如，使用单晶半导体膜、多晶半导体膜形成的驱动电路衬底)形成于第一衬底701。另外，对另行准备的驱动电路衬底的连接方法没有特别的限制，而可以采用玻璃覆晶封装(COG：chip on glass)方法、引线键合方法等。

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。作为该多个晶体管可以使用本发明的一个实施方式的半导体装置的晶体管。

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(例如，包含有机物及无机物的EL元件、有机EL元件、无机EL元件、LED)、发光晶体管(根据电流发光的晶体管)元件、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)、微电子机械系统(MEMS)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。

包括EL元件的显示装置的一个例子是EL显示器等。使用电子发射元件的显示装置的一个例子是场致发射显示器(FED)或SED方式平面型显示器(SED：surface-conductionelectron-emitter display、表面传导电子发射显示器)等。使用液晶元件的显示装置的一个例子是液晶显示器(透过型液晶显示器、半透过型液晶显示器、反射型液晶显示器、直观型液晶显示器、投射型液晶显示器)等。使用电子墨水元件或电泳元件的显示装置的一个例子是电子纸等。在半透过型液晶显示器或反射型液晶显示器中，像素电极的一部分或全部被用作反射电极。例如，像素电极的一部分或全部也可以包含铝、银等。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的显示系统，可以采用逐行扫描系统或隔行扫描系统等。另外，作为当进行彩色显示时在像素中控制的颜色要素，不局限于三种颜色：R、G及B(R、G及B分别对应于红色、绿色及蓝色)。例如，可以使用R像素、G像素、B像素及W(白色)像素的四个像素。或者，如PenTile排列，也可以由R、G及B中的两个颜色构成一个颜色要素。两个颜色根据颜色要素而不同。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，也可以使用着色层(也称为滤光片)来得到将白色光(W)用于背光(例如，有机EL元件、无机EL元件、LED、荧光灯)的全彩色显示的显示装置。例如，可以适当地组合红色(R)着色层、绿色(G)着色层、蓝色(B)着色层、黄色(Y)着色层等。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，可以抑制着色层所引起的明亮的图像的亮度降低而减少功耗20％至30％左右。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，元件也可以发射各颜色的R、G、B、Y及W的光。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。

作为彩色化系统，也可以使用下述系统中的任一个：经过滤色片将白色光的一部分转换为红色、绿色及蓝色的上述滤色片系统；使用红色、绿色及蓝色的发光的三色系统；以及将蓝色光的一部分转换为红色或绿色的颜色转换系统或量子点系统。

在本实施方式中，使用图32及图34说明作为显示元件包括液晶元件的结构及作为显示元件包括EL元件的结构。图32是沿着图31所示的点划线Q-R的截面图，并示出作为显示元件包括液晶元件的结构。图34是沿着图31所示的点划线Q-R的截面图，并示出作为显示元件使用EL元件的结构。

首先说明图32及图34所示的共同部分，接着说明不同的部分。

<3-1.显示装置的共同部分<

图32及图34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。引绕布线部711包括信号线710。像素部702包括晶体管750及电容器790。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100D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。该晶体管可以具有低关态电流。因此，可以在长时间保持图像信号等电信号，且在开启状态下也可以设定较长的写入间隔。因此，可以降低刷新工作的频度，由此抑制功耗。

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，在包括进行高速驱动的晶体管的液晶显示装置中，可以在同一衬底上形成像素部中的开关晶体管及驱动电路部中的驱动晶体管。也就是说，因为作为驱动电路不需要另行采用使用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，通过在像素部中使用能够进行高速驱动的晶体管，可以提供高品质的图像。

电容器790包括下部电极及上部电极。通过将导电膜加工为用作晶体管750的第一栅电极的导电膜的步骤形成下部电极。通过将导电膜加工为用作晶体管750的源电极及漏电极的导电膜的步骤形成上部电极。在下部电极与上部电极之间设置有通过形成成为用作晶体管750的第一栅极绝缘膜的绝缘膜的绝缘膜的步骤形成的绝缘膜。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。

在图32及图34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。

可以使用具有耐热性的有机材料如聚酰亚胺树脂、丙烯酸树脂、聚酰亚胺酰胺树脂、苯并环丁烯树脂、聚酰胺树脂、环氧树脂等形成平坦化绝缘膜770。此外，也可以通过层叠由这些材料形成的多个绝缘膜，形成平坦化绝缘膜770。另外，也可以采用不设置平坦化绝缘膜770的结构。

在图32及图34中示出像素部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具有相同的结构，但是本发明的一个实施方式不局限于此。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，可以采用像素部702使用交错型晶体管，且源极驱动电路部704使用实施方式1所示的反交错型晶体管的结构，或者像素部702使用实施方式1所示的反交错型晶体管，且源极驱动电路部704使用交错型晶体管的结构。此外，也可以将“源极驱动电路部704”换称为“栅极驱动电路部”。

信号线710通过与用作晶体管750、752的源电极及漏电极的导电膜相同的工序形成。当使用包含铜元素的材料形成信号线710时，起因于布线电阻的信号延迟等较少，从而可以实现大屏幕的显示。

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通过与用作晶体管750、752的源电极及漏电极的导电膜相同的工序形成。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。

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。该具有柔性的衬底的例子是塑料衬底等。

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。

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。

<3-2.使用液晶元件的显示装置的结构例子<

图32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32所示的显示装置700可以通过由根据施加到导电膜772与导电膜774之间的电压改变的液晶层776的取向状态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。导电膜772具有反射电极的功能。图32所示的显示装置700是由导电膜772反射外光来经过着色膜736进行显示的所谓反射型彩色液晶显示装置。

作为导电膜772，可以使用使可见光透过的导电膜或反射可见光的导电膜。例如，优选将包含选自铟(In)、锌(Zn)、锡(Sn)中的一种的材料用于使可见光透过的导电膜。例如，优选将包含铝或银的材料用于反射可见光的导电膜。在本实施方式中，作为导电膜772使用反射可见光的导电膜。

虽然图32示出将导电膜772与被用作晶体管750的漏电极的导电膜连接的例子，但是本发明的一个实施方式不局限于该例子。例如，如图33所示，导电膜772也可以通过被用作连接电极的导电膜777与被用作晶体管750的漏电极的导电膜电连接。此外，导电膜777通过对与被用作晶体管750的第二栅电极的导电膜相同的导电膜进行加工的步骤形成，所以可以在不追加制造工序的状态下形成导电膜777。

另外，显示装置700不局限于图32所示的例子，该例子中示出反射型彩色液晶显示装置，而也可以是将使可视光透过的导电膜用作导电膜772的透过型彩色液晶显示装置。或者，显示装置700也可以是组合反射型彩色液晶显示装置和透过型彩色液晶显示装置的所谓半透过型彩色液晶显示装置。

图35示出透过型彩色液晶显示装置的一个例子。图35是沿着图31所示的点划线Q-R的截面图，且示出包括作为显示元件的液晶元件的结构。此外，图35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35所示的结构中，被用作像素电极的导电膜772上设置有绝缘膜773，绝缘膜773上设置有导电膜774。在这种结构中，导电膜774具有公共电极的功能，可以通过绝缘膜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32及图35中未图示，但是也可以分别在导电膜772和/或导电膜774与液晶层776接触的一侧设置取向膜。此外，虽然在图32及图35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％以上的手征材料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材料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材料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。

当作为显示元件使用液晶元件时，可以使用：扭曲向列(TN：twisted nematic)模式、平面内转换(IPS：in-plane-switching)模式、边缘电场转换(FFS：fringe fieldswitching)模式、轴对称排列微单元(ASM：axially symmetric aligned micro-cell)模式、光学补偿双折射(OCB：optical compensated birefringence)模式、铁电性液晶(FLC：ferroelectric liquid crystal)模式以及反铁电性液晶(AFLC：anti-ferroelectricliquid crystal)模式等。

另外，也可以使用常黑型液晶显示装置，例如采用垂直取向(VA：verticalalignment)模式的透过型液晶显示装置。作为垂直取向模式，有几个例子，例如可以使用多畴垂直取向(MVA：multi-domain vertical alignment)模式、垂直取向构型(PVA：patterned vertical alignment)模式、ASV模式等。

<3-3.包括发光元件的显示装置>

图34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34所示的显示装置700可以通过利用来自发光元件782的EL层786的光而显示图像。此外，EL层786含有有机化合物或量子点等无机化合物。

可以用于有机化合物的材料的例子包括荧光性材料或磷光性材料等。可以用于量子点的材料的例子包括胶状量子点、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族的元素、包含第13族与第15族的元素或包含第14族与第16族的元素的材料。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。

在图34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具有顶部发射结构。因此，导电膜788具有透光性且使从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。

将着色膜736与发光元件782重叠地设置，并将遮光膜738与绝缘膜730重叠地设置于引绕布线部711及源极驱动电路部704中。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。显示装置700的结构不局限于图34中的设置有着色膜736的例子。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。

<3-4.在显示装置中设置输入输出装置的结构例子>

也可以在图34及图35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36示出图34所示的显示装置700包括触摸屏791的结构，而图37示出图35所示的显示装置700包括触摸屏791的结构。

图36是在图34所示的显示装置700中设置触摸屏791的截面图，而图37是在图35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36及图37所示的触摸屏791。

图36及图37所示的触摸屏791是设置在第二衬底705与着色膜736之间的所谓In-Cell型触摸屏。触摸屏791在形成着色膜736之前形成在第二衬底705一侧。

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，在接近手指或触屏笔等检测对象时，可以检测出电极793与电极794的互电容的变化。

在图36及图37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36及图37中示出设置有电极796的区域设置在像素部702中的结构作为例子，但是本发明的一个实施方式不局限于此。例如，设置有电极796的区域也可以设置在源极驱动电路部704中。

电极793及电极794设置在与遮光膜738重叠的区域。如图36所示，电极793优选不与发光元件782重叠。如图37所示，电极793优选不与液晶元件775重叠。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不遮断发光元件782所发射的光。或者，电极793不遮断透过液晶元件775的光。因此，由于即使配置触摸屏791，亮度下降也极少，所以可以得到可见度高且功耗得到降低的显示装置。此外，电极794也可以具有与电极793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。作为纳米线可以使用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，在将Ag纳米线用于电极793、794、796中的任一个或全部的情况下，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36及图37中示出in-cell型触摸屏的结构，但是本发明的一个实施方式不局限于此。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的所谓out-cell型触摸屏。

如此，本发明的一个实施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4

在本实施方式中，使用图38A至图38C说明包括本发明的一个实施方式的半导体装置的显示装置。

<4.显示装置的电路结构<

图38A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)、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的一部分或全部不形成在形成有像素部502的衬底上时，驱动电路部504的一部分或全部可以通过COG或卷带自动结合(TAB：tapeautomated bonding)安装。

像素部502包括用来驱动配置为X(X为2以上的自然数)行Y(Y为2以上的自然数)列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包括移位寄存器等。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来分别控制扫描线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可以供应其他信号。

源极驱动器504b具有移位寄存器等。除了用来驱动移位寄存器的信号之外，源极驱动器504b通过端子部507接收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具有响应于由起始脉冲信号、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例如包括多个模拟开关。通过依次使多个模拟开关开启，源极驱动器504b可以输出对图像信号进行时间分割而得到的信号作为数据信号。此外，源极驱动器504b也可以包括移位寄存器。

多个像素电路501的每一个分别通过被供应扫描信号的多个扫描线GL之一而被输入脉冲信号，并通过被供应数据信号的多个数据线DL之一而被输入数据信号。另外，多个像素电路501的每一个通过栅极驱动器504a来控制数据信号的数据的写入及保持。例如，通过扫描线GL_m(m是X以下的自然数)从栅极驱动器504a对第m行第n列的像素电路501输入脉冲信号，并根据扫描线GL_m的电位而通过数据线DL_n(n是Y以下的自然数)从源极驱动器504b对第m行第n列的像素电路501输入数据信号。

图38A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之间的布线。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源、控制信号及图像信号的端子的部分。

保护电路506在与其连接的布线被供应一定范围之外的电位时使该布线和其他布线电连接。

如图38A所示，设置于像素部502和驱动电路部504的保护电路506可以提高显示装置对因静电放电(ESD：electro static discharge)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，保护电路506可以连接到栅极驱动器504a或将源极驱动器504b。或者，也可以采用将端子部507与保护电路506连接的结构。

本发明的一个实施方式不局限于图38A所示的例子，其中驱动电路部504包括栅极驱动器504a和源极驱动器504b。例如，也可以只形成栅极驱动器504a并安装另外准备的在其上形成有源极驱动电路的衬底(例如，使用单晶半导体膜或多晶半导体膜形成的驱动电路衬底)。

图38A所示的多个像素电路501例如都可以采用图38B所示的结构。

图38B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。作为晶体管550，可以使用前面的实施方式所示的晶体管。

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。液晶元件570的取向状态取决于被写入的数据。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，像素电路501中的液晶元件570的一对电极之一供应的电位也可以在行之间不同。

例如，包括液晶元件570的显示装置的驱动方法的例子包括TN模式、STN模式、VA模式、轴对称排列微单元(ASM)模式、光学补偿弯曲(OCB)模式、铁电性液晶(FLC)模式、反铁电液晶(AFLC)模式、MVA模式、垂直取向构型(PVA)模式、IPS模式、FFS模式或横向弯曲取向(TBA)模式等。另外，显示装置的驱动方法的其他例子包括电控双折射(ECB)模式、聚合物分散液晶(PDLC)模式、聚合物网络液晶(PNLC)模式、宾主模式等。不局限于此，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连接。晶体管550的栅电极与扫描线GL_m电连接。晶体管550被构成为通过被开启或关闭而控制是否写入数据信号。

电容器560的一对电极中的一个与被供应电位的布线(以下，称为电位供应线VL)电连接，另一个与液晶元件570的一对电极中的另一个电连接。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被用作储存被写入的数据的存储电容器。

例如，在包括图38B所示的像素电路501的显示装置中，通过图38A所示的栅极驱动器504a按行依次选择像素电路501来使晶体管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38A所示的多个像素电路501例如可以采用图38C所示的结构。

图38C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用作晶体管552和/或晶体管554。

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被构成为通过被开启或关闭而控制是否写入数据信号。

电容器562的一对电极中的一个电连接于被供应电位的布线(以下，称为电位供应线VL_a)，另一个电连接于晶体管552的源电极和漏电极中的另一个。

电容器562被用作储存被写入的数据的存储电容器。

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。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，发光元件572的阳极和阴极中的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并不局限于此，也可以使用包括无机材料的无机EL元件。

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V

例如，在包括图38C所示的像素电路501的显示装置中，通过图38A中的栅极驱动器504a按行依次选择像素电路501来使晶体管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5

在本实施方式中，参照图39、图40A至图40E、图41A至图41G、图42A和图42B对包括本发明的一个实施方式的半导体装置的显示模块及电子设备进行说明。

<5-1.显示模块>

在图39所示的显示模块7000中，在上盖7001与下盖7002之间设置有连接于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实施方式的半导体装置用于显示面板7006。

上盖7001及下盖7002的形状及尺寸可以根据触摸屏7004及显示面板7006的尺寸适当地改变。

触摸屏7004能够是电阻膜式触摸屏或电容式触摸屏，并与显示面板7006重叠。此外，显示面板7006的对置衬底(密封衬底)可以具有触摸屏的功能。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包括光源7008。本发明的一个实施方式不局限于在背光7007上配置光源7008的图39的结构。例如，可以采用在背光7007的端部设置光源7008，并还设置光扩散板的结构。当使用有机EL元件等自发光型发光元件时，或者当采用反射式面板等时，不一定需要设置背光7007。

框架7009保护显示面板7006，并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。框架7009也可以被用作散热板。

印刷电路板7010包括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，可以使用外部的商业电源或另行设置的电池7011。当使用商业电源时，可以省略电池7011。

显示模块7000还可以设置有偏振片、相位差板、棱镜片等构件。

<5-2.电子设备1>

接着，图40A至图40E示出电子设备的例子。

图40A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，可装卸的镜头8006安装在照相机8000。

虽然在此照相机8000的镜头8006能够从框体8001拆卸下而交换，但是镜头8006也可以包括在框体8001中。

通过按下快门按钮8004，照相机8000可以进行成像。另外，也可以通过触摸被用作触摸屏的显示部8002进行成像。

照相机8000的框体8001包括具有电极的嵌入器，由此取景器8100、闪光灯装置等可以连接到框体8001。

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连接到照相机8000。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在显示部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的开启或关闭。

本发明的一个实施方式的显示装置可以用于照相机8000的显示部8002及取景器8100的显示部8102。

虽然在图40A中照相机8000与取景器8100是分开且可拆卸的电子设备，但是照相机8000的框体8001也可以包括具有显示装置的取景器。

图40B是头戴显示器8200的外观图。

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。安装部8201包括电池8206。

通过电缆8205，将电力从电池8206供应到主体8203。主体8203包括无线接收器等，将所接收的图像数据等的图像数据显示在显示部8204上。通过利用主体8203中的相机捕捉使用者的眼球及眼睑的动作，然后使用该数据算出使用者的视点的坐标，来利用使用者的视点作为输入方法。

安装部8201也可以包括与使用者接触的多个电极。主体8203也可以被构成为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。主体8203可以被构成为通过检测出流过该电极的电流来监视使用者的脉搏。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，使得将使用者的生物信息显示在显示部8204上。主体8203也可以被构成为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上的图像移动。

可以对显示部8204使用本发明的一个实施方式的显示装置。

图40C至图40E是头戴显示器8300的外观图。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，显示部8302弯曲。当显示部8302弯曲时，使用者可以感受图像的高真实感。虽然本实施方式所示的结构具有一个显示部8302，但是显示部8302的个数不局限于一个。例如，也可以设置两个显示部8302，此时，通过将一个显示部设置在使用者的一个眼睛一侧，可以实现利用视差的三维显示等。

可以将本发明的一个实施方式的显示装置用于显示部8302。包括本发明的一个实施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40E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图像。

<5-3.电子设备2>

接着，图41A至图41G示出与图40A至图40E所示的电子设备不同的电子设备的例子。

图41A至图41G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41A至图41G的电子设备具有各种功能，例如：将各种信息(例如，静态图像、动态图像、文字图像)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。注意，图41A至图41G的电子设备的功能不局限于此，电子设备可以具有各种功能。虽然在图41A至图41G中未图示，但是电子设备也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)中的功能以及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41A至图41G所示的电子设备。

图41A是示出电视装置9100的立体图。电视装置9100可以包括例如是50英寸以上或100英寸以上的大型的显示部9001。

图41B是便携式信息终端9101的立体图。便携式信息终端9101例如被用作电话机、电子笔记本和信息阅读装置中的一种或多种。具体而言，可以将便携式信息终端9101用作智能手机。另外，便携式信息终端9101可以包括扬声器、连接端子、传感器等。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。作为信息9051的例子，有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的标题及发送者；日期；时间；电量；以及天线接收强度。或者，也可以显示操作按钮9050等代替信息9051。

图41C是便携式信息终端9102的立体图。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，信息9052、信息9053、信息9054分别显示于不同的面上。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41D是手表型便携式信息终端9200的立体图。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。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。便携式信息终端9200可以作为通信标准采用近距离无线通信。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，而不使用连接端子9006。

图41E、图41F和图41G分别是能够折叠的便携式信息终端9201的展开状态、从展开状态变为折叠状态或从折叠状态变为展开状态、以及折叠状态的立体图。便携式信息终端9201在折叠状态下可携带性好，在便携式信息终端9201处于展开状态时，无缝拼接的大显示区域的一览性高。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42A和图42B示出与图40A至图40E、图41A至图41G所示的电子设备不同的电子设备的例子。图42A和图42B是包括多个显示面板的显示装置的立体图。在图42A的立体图中多个显示面板被卷绕，在图42B的立体图中多个显示面板被展开。

图42A和图42B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、透光区域9503。

多个显示面板9501均具有柔性。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的各透光区域9503。通过使用多个显示面板9501，可以实现屏幕大的显示装置。因为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。

虽然在图42A和图42B中相邻的显示面板9501的显示区域9502彼此分开，但是不局限于该结构，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，来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，本发明的一个实施方式的半导体装置也可以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。

实施例1

在本实施例中，对能够用于本发明的一个实施方式的半导体装置的氧化物半导体膜的结晶性进行评价。在本实施例中，制造样品A1及样品A2。

[样品A1]

在样品A1中，在玻璃衬底上设置有厚度为100nm的氧化物半导体膜。样品A1的氧化物半导体膜在如下条件下形成：衬底温度为室温；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(具有In:Ga:Zn＝4:2:4.1的原子个数比)施加2.5kW的交流电力。可以将上述气体流量比记载为氧流量比，其表示相对于气体流量整体的氧流量的比率。样品A1的制造条件下的氧流量比为10％。

[样品A2]

在样品A2中，在玻璃衬底上设置有厚度为100nm的氧化物半导体膜。样品A2的氧化物半导体膜在如下条件下形成：衬底温度为室温；将流量为200sccm的氩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(具有In:Ga:Zn＝4:2:4.1的原子个数比)施加2.5kW的交流电力。样品A2的制造条件下的氧流量比为100％。

如此，在样品A1与样品A2之间的不同之处在于氧化物半导体膜的形成时的氧流量比。此外，被用于样品A1及样品A2的玻璃衬底是尺寸为600mm×720mm，厚度为0.7mm的大型玻璃衬底。

[XRD测量]

接着，通过XRD测量对形成在所制造的样品A1及样品A2中的氧化物半导体膜的结晶性进行评价。

图43A示出样品A1的XRD测量结果，图43B示出样品A2的XRD测量结果。对各样品的玻璃衬底中的三个点进行XRD测量。

将out-of-plane法之一种的粉末法(也称为θ-2θ法)用于XRD测量。在θ-2θ法中，在改变X射线的入射角并使与X射线源对置的检测器的角度等于入射角的同时，测量出X射线衍射强度。在图43A和图43B中，纵轴以任意单位表示衍射强度，横轴表示角度2θ。此外，图43A和图43B示出XRD的三个分布。

如图43A所示，从样品A1难以观察到2θ＝31°附近的衍射强度的峰值，观察到2θ＝31°附近的极小的衍射强度的峰值，或者观察不到2θ＝31°附近的衍射强度的峰值。另一方面，如图43B所示，在样品A2中，观察到2θ＝31°附近的明确的衍射强度的峰值。

观察到衍射强度的峰值的衍射角(2θ＝31°附近)与单晶InGaZnO

从上述结果可知，通过改变氧化物半导体膜的形成时的氧流量比，可以改变氧化物半导体膜的结晶性。由此可知，氧化物半导体膜的形成时的氧流量比越大，氧化物半导体膜的结晶性越高。

本实施例所示的结构可以与其他实施例或实施方式适当地组合。

实施例2

在本实施例中，将说明利用上述实施方式所示的方法形成的In-Ga-Zn氧化物膜(以下，称为IGZO膜)的元素分析及结晶性评价的结果。

通过使用In-Ga-Zn氧化物(具有In:Ga:Zn＝4:2:4.1的原子个数比)靶材的溅射法，在玻璃衬底上以所希望的厚度为100nm形成本实施例的样品B1的IGZO膜。在包含180sccm的氩气体及20sccm的氧气体的气氛下形成IGZO膜，其中将压力控制为0.6Pa，衬底温度为室温，施加2.5kW的交流电力。

通过能量分散型X射线分析法(EDX：energy dispersive X-ray spectroscopy)对样品B1的IGZO膜的截面进行测量。使用JEOL Ltd.制造的原子分辨率分析电子显微镜JEM-ARM200F在将加速电压设定为200kV，照射束径大致为0.1nmφ的电子束的条件下进行EDX测量。作为元素分析装置使用能量分散型X射线分析装置JED-2300T。使用硅漂移探测器来检测从样品B1发射的X射线。

在EDX测量中，对样品B1的分析对象区域的各点照射电子束，并测量因该照射而发生的样品的特性X射线的能量及发生次数，来获得各点的EDX谱。在本实施例中，各点的EDX谱的峰值归属于In原子、Ga原子、Zn原子及O原子中的电子的迁移，并算出各点的各原子的比率。通过样品B1的分析对象区域中的上述步骤，可以获得示出各原子的比率分布的EDX面分析图像。

图44示出样品B1中的IGZO膜截面的In原子的EDX面分析图像。图44所示的EDX面分析图像示出IGZO膜的各点的In原子的比率[atomic％]。图44中的颜色较浓的区域的In原子的比率较低，最低的比率为10.85atomic％。图44中的颜色较淡的区域的In原子的比率较高，最高的比率为25.21atomic％。

图44所示的EDX面分析图像示出浓淡的分布，其表示In原子偏析在IGZO膜的截面。在此，很多EDX面分析图像中的颜色较淡的区域具有大致圆形或大致椭圆形。此外，确认到多个具有大致圆形或大致椭圆形的区域连接而成的区域。换言之，具有大致圆形或大致椭圆形的区域以网状形成。如上所述，颜色较淡的区域是In浓度较高的区域，对应于上述实施方式所示的区域A。注意，区域A都没有大得横穿或纵穿分析对象区域，形成为岛状且被颜色较浓的区域(对应于上述实施方式所示的区域B)围绕。在区域A与区域B之间形成有颜色浓度中间的区域，在有的部分中区域A与区域B的边界不明确。此外，很多具有大致圆形或大致椭圆形的区域A具有0.1nm以上且5nm以下的范围左右的尺寸。

如此，样品B1的IGZO膜是形成有In-rich的区域A和In-poor的区域B的复合氧化物半导体。区域A有助于晶体管的通态电流及场效应迁移率，区域B有助于晶体管的开关特性，因此通过使用该复合氧化物半导体，可以制造具有良好的电特性的晶体管。

此外，因为区域A形成为岛状且被区域B围绕，可以抑制晶体管的源极与漏极通过区域A连接而导致关态电流的增大。

与样品B1不同，在包含140sccm的氩气体及60sccm的氧气体的气氛下形成IGZO膜而制造样品C1，其中衬底温度为170℃。注意，样品C1的IGZO膜的其他形成条件与样品B1同样。

对样品B1和样品C1的截面的明场-扫描透射电子显微镜(BF-STEM：bright-fieldscanning transmission electron microscopy)图像以2,000,000倍的倍率进行拍摄。图45A示出样品B1的BF-STEM图像，图45B示出样品C1的BF-STEM图像。

如图45A所示，虽然面积小，但是在样品B1的IGZO膜中，形成有层状结晶部且确认到具有c轴取向性的结晶部。另一方面，在图45B所示的样品C1的IGZO膜中，形成有比样品B1大的面积的层状结晶部。由此，在确认到In原子的偏析的样品B1的IGZO膜中也观察到这种层状结晶部。也可知，通过提高IGZO形成时的氧流量比并提高衬底温度，有可能提高IGZO膜的结晶性。

以不同的氧流量和不同的衬底温度形成IGZO膜来制造更多的样品，且对它们进行结晶性的评价。这些样品的IGZO膜以10％(20sccm的氧气体和180sccm氩气体)、30％(60sccm的氧气体和140sccm氩气体)、50％(100sccm的氧气体和100sccm的氩气体)、70％(140sccm的氧气体和60sccm的氩气体)或100％(200sccm的氧气体)的氧流量比室温、130℃或170℃的衬底温度形成。此外，各样品的IGZO膜的其他形成条件与样品B1的IGZO膜同样。

各样品的IGZO膜的结晶性的评价利用XRD测量。使用out-of-plane法之一种的粉末法(也称为θ-2θ法)进行XRD测量。在θ-2θ法中，在改变X射线的入射角并使与X射线源对置的检测器的角度等于入射角的同时，测量出X射线衍射强度。

图46A示出各样品的XRD测量结果。如图46B所示，对各样品的玻璃衬底中的三个点进行测量。

在图46A中，纵轴以任意单位表示衍射强度，横轴表示角度2θ。此外，对应于图46B的三个点的XRD的三个分布在图46A的各图表中显示在一起。

如图46A所示，从在与样品B1的IGZO膜同样的条件下形成的IGZO膜难以观察到2θ＝31°附近的衍射强度的峰值，观察到2θ＝31°附近的极小的衍射强度的峰值，或者观察不到2θ＝31°附近的衍射强度的峰值。另一方面，从在与样品C1同样的条件下形成的IGZO膜，在2θ＝31°附近确认到衍射强度的明确的峰值。

注意，观察到衍射强度的峰值的衍射角(2θ＝31°附近)与单晶InGaZnO

另一方面，难以通过XRD测量判断是否在与样品B1同样的条件下形成的IGZO膜包括具有c轴取向性的结晶部。但是，如图45A所示，通过拍摄BF-STEM图像等，可以确认到微小的区域中的具有c轴取向性的结晶部。

如图46A所示，IGZO膜的形成时的氧流量比或衬底温度越高，XRD的分布的峰值越尖锐。因此可知，在IGZO膜的形成时的氧流量比或衬底温度越高时，可以形成结晶性越高的IGZO膜。

本实施例所示的结构可以与其他实施例或实施方式适当地组合。

符号说明

100：晶体管，100A：晶体管，100B：晶体管，100C：晶体管，100D：晶体管，102：衬底，104：导电膜，106：绝缘膜，108：氧化物半导体膜，108_1：氧化物半导体膜，108_1_0：氧化物半导体膜，108_2：氧化物半导体膜，108_2_0：氧化物半导体膜，108_3：氧化物半导体膜，108_3_0：氧化物半导体膜，112：导电膜，112a：导电膜，112a_1：导电膜，112a_2：导电膜，112a_3：导电膜，112b：导电膜，112b_1：导电膜，112b_2：导电膜，112b_3：导电膜，114：绝缘膜，116：绝缘膜，118：绝缘膜，120：导电膜，120a：导电膜，120b：导电膜，141a：开口，141b：开口，142a：开口，142b：开口，191：靶材，192：等离子体，193：靶材，194：等离子体，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，700：显示装置，701：第一衬底，702：像素部，704：源极驱动电路部，705：第二衬底，706：栅极驱动电路部，708：FPC端子部，710：信号线，711：引绕布线部，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，777：导电膜，778：结构体，780：各向异性导电膜，782：发光元件，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，2500a：靶材，2500b：靶材，2501：成膜室，2510a：垫板，2510b：垫板，2520：靶材支架，2520a：靶材支架，2520b：靶材支架，2530a：磁铁单元，2530b：磁铁单元，2530N1：磁铁，2530N2：磁铁，2530S：磁铁，2532：磁铁架，2542：构件，2560：衬底，2570：衬底支架，2580a：磁力线，2580b：磁力线，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：框体，8002：显示部，8003：操作按钮，8004：快门按钮，8006：镜头，8100：取景器，8101：框体，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：框体，8302：显示部，8304：固定工具，8305：透镜，9000：框体，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2016年3月4日提交到日本专利局的日本专利申请No.2016-041739、2016年3月11日提交到日本专利局的日本专利申请No.2016-048706、2016年6月24日提交到日本专利局的日本专利申请No.2016-125377以及2016年6月24日提交到日本专利局的日本专利申请No.2016-125381，通过引用将其完整内容并入在此。