JP5690125B2

JP5690125B2 - 半導体装置

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Inventors: 山崎　舜平; 舜平山崎; 秋元　健吾; 健吾秋元
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Description

半導体素子を用いた半導体装置、及び半導体装置の作製方法に関する。

なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指し、トランジスタ等の半導体素子、半導体素子を用いた半導体回路、電気光学装置、及び電子機器は全て半導体装置である。

酸化物半導体をチャネル形成領域に用いてトランジスタを作製し、該トランジスタを半導体回路、ＩＣ、電気光学装置、及び電子機器等に応用する技術が注目されている。

特にバンドギャップが広い酸化物半導体は可視光を透過するため、透光性を有する酸化物導電体を用いたゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極と組み合わせて、透光性を有するトランジスタを作製する試みがなされている。

例えば、酸化物半導体をチャネル形成領域に用いるトランジスタの一態様として、絶縁表面を有する基板上に、酸化亜鉛や、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体等を含む半導体薄膜（厚さ数〜数百ｎｍ程度）を用いてトランジスタを形成し、画像表示装置のスイッチング素子などに用いる技術が特許文献１及び特許文献２で開示されている。

また、酸化物半導体をチャネル形成領域（チャネル領域ともいう）に用いるトランジスタは、アモルファスシリコンを用いたトランジスタよりも高い電界効果移動度が得られている。また、酸化物半導体膜はスパッタリング法などによって形成が可能であり、多結晶シリコンを用いたトランジスタよりも製造工程が簡単である。

一方、可視光に対する透光性と、導電性を備える酸化物導電体は、液晶ディスプレイなどの表示装置で必要とされる透明電極材料に用いられている。可視光に対する透光性を有する酸化物導電体の多くは、広いバンドギャップを有する金属酸化物を含んでいる。

透光性を有する酸化物導電体としては、例えば、酸化インジウム酸化スズ合金（Ｉｎ_２Ｏ_３―ＳｎＯ_２、ＩＴＯと略記する）、酸化亜鉛、アルミニウムを添加した酸化亜鉛（ＡＺＯ）やガリウムを添加した酸化亜鉛（ＧＺＯ）などをその例に挙げることができる。

これらの透光性を有する酸化物導電体の多くは、不純物等が添加された酸化物半導体である。例えば、ＩＴＯにおいては錫が、ＡＺＯにおいてはアルミニウムが、ＧＺＯにおいてはガリウムが不純物として、添加されている。

また、前述の酸化物導電体をスパッタリング法で成膜する場合、成膜条件によって導電率が変化することも知られている。例えば、特許文献３及び特許文献４では、高い導電率を有する酸化物導電層を、水素を含む還元雰囲気で成膜する技術が開示されている。水素を含む還元雰囲気で成膜すると、水素や酸素欠損を含む酸化物導電膜が成膜され、酸化物導電膜の導電性が向上すると言われている。

なお、広いバンドギャップを持つ酸化物半導体の一例である酸化亜鉛が導電性を発現する理由について、非特許文献１は水素が形成する浅いドナー準位が寄与することを示唆している。

また、半導体装置の一態様である表示装置の画面の解像度は、ハイビジョン画質（ＨＤ、１３６６×７６８）、フルハイビジョン画質（ＦＨＤ、１９２０×１０８０）と高精細化の傾向にあり、解像度が３８４０×２０４８または４０９６×２１６０といった、いわゆる４Ｋデジタルシネマ用表示装置の開発も急がれている。

このような表示装置の高精細化に伴い、画素の微細化が著しい。特に中小型の表示装置では顕著である。

トランジスタを設けた画素をマトリクス状に配置したアクティブマトリクス型半導体装置では、画素の微細化に伴い、画素に占めるトランジスタの面積が高まり、所謂開口率の低下が問題になっている。そこで、透光性を有するトランジスタを用いて当該半導体装置の画素の開口率の向上を図り、液晶ディスプレイ、エレクトロルミネセンスディスプレイ（ＥＬディスプレイともいう）または電子ペーパーなどの表示装置に応用する技術が期待されている。

また、画素数の増加に伴い一画素当たりの書き込み時間が短くなり、トランジスタには動作特性の速さ、大きなオン電流等が求められている。加えて近年のエネルギーの枯渇問題もあって、消費電力を抑制した表示装置が求められている。その結果、ゲート電極の電位が０のときにオフ状態所謂ノーマリーオフの特性を有し、またオフ電流が低く無駄な漏れ電流が抑制されたトランジスタが求められている。

また、大型の表示装置においては、画面サイズが対角６０インチ以上、さらには、対角１２０インチ以上の画面サイズも視野に入れた開発が行われている。従って、画面サイズの大型化に伴う配線抵抗の増大を抑制する技術も求められている。

特開２００７−１２３８６１号公報特開２００７−９６０５５号公報特開平５−２７５７２７号公報特開平９−２９３６９３号公報

ＷＡＬＬＥ．Ｃ、「ＨｙｄｒｏｇｅｎａｓａＣａｕｓｅｏｆＤｏｐｉｎｇｉｎＺｉｎｃＯｘｉｄｅ」、ＰＨＹＳ．ＲＥＶ．ＬＥＴＴ．（ＰＨＹＳＩＣＡＬＲＥＶＩＥＷＬＥＴＴＥＲＳ）、Ｊｕｌｙ３１、２０００、Ｖｏｌ．８５、Ｎｏ．５、ｐｐ．１０１２−１０１５

以上のように、透光性を有するトランジスタにおいても消費電力の低減が求められる。本発明は、このような技術的背景のもとでなされたものである。

したがって、その目的は、透光性と所謂ノーマリーオフの特性を兼ね備えたトランジスタを提供することを課題の一とする。また、透光性とオフ電流が低減された特性を兼ね備えたトランジスタを提供することを課題の一とする。また、透光性とオン電流の損失が少ない特性を兼ね備えたトランジスタを提供することを課題の一とする。また、経時的な特性の変化が抑制されたトランジスタを提供することを課題の一とする。

なお、以下に開示する発明は、上記課題のいずれか一つを解決することを目的とする。

透光性を有するトランジスタを提供するには、透光性を有する導電膜を用いてゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極を作製する必要がある。また、トランジスタのオン電流の損失を減らすには、ソース電極、及びドレイン電極の導電性を高める必要がある。従って、トランジスタのソース電極、及びドレイン電極に透光性を有する導電層を用いる場合、酸化物導電層が好適であり、特に導電率を高める酸素欠損や不純物（例えば水素等）を含む酸化物導電層が高い導電率を有するため好適である。

また、透光性を有するトランジスタを提供するには、チャネル形成領域を含む半導体層に透光性が必要とされる。トランジスタの消費電力を低減するためには、ノーマリーオフの動作特性、並びにオフ電流が十分に抑制されたトランジスタ特性が必要とされる。従って、キャリア濃度が抑制され、且つ広いバンドギャップを有する酸化物半導体層がチャネル形成領域を含む半導体層に好適である。

しかし、導電率を高める効果を有する酸素欠損や不純物（例えば水素等）を含む酸化物導電層と、キャリア濃度が抑制され、且つ広いバンドギャップを有する酸化物半導体層を直接接続する構成とすると、以下の問題が生じる。

酸化物導電層と酸化物半導体層の界面を介して、酸化物導電層が含む水素等の不純物が酸化物半導体層に拡散すると、酸化物導電層の不純物濃度が低下し、酸化物半導体層の不純物濃度が高まる。その結果、酸化物導電層の不純物濃度の低下が導電率の低下を招き、トランジスタのオン電流の損失が大きくなる。また、酸化物半導体層の不純物濃度の上昇はキャリア濃度の上昇を招き、ノーマリーオフの動作特性とオフ電流が十分に抑制された特性を有するトランジスタの実現が困難になる。

また、酸化物導電層と酸化物半導体層の界面を介して、酸化物導電層が含む酸素欠損に酸化物半導体層から酸素が拡散すると、酸化物導電層の酸素欠損箇所が減少し、酸化物半導体層の酸素欠損箇所が増加する。酸化物導電層が含む酸素欠損箇所の減少は導電率の低下を招き、トランジスタのオン電流の損失が大きくなる。また、酸化物半導体層に生じた酸素欠損はキャリア濃度の上昇を招き、ノーマリーオフの特性とオフ電流が十分に抑制された特性を有するトランジスタの実現が困難になる。

そこで上記目的を達成するために、ソース電極、及びドレイン電極を形成する酸化物導電層が酸化物半導体層に電気的に接続する領域において、水素及び酸素の移動を抑制すればよい。

具体的には、チャネル形成領域を含む酸化物半導体層には、キャリア濃度が可能な限り抑制され、且つ広いバンドギャップを有する酸化物半導体を用い、該ソース電極、及び該ドレイン電極には、水素及び酸素欠損を含む酸化物導電体を用い、該酸化物導電層と該酸化物半導体層の間に水素及び酸素の拡散を阻害するバリア層を設け、当該バリア層を介して酸化物導電層と酸化物半導体層を電気的に接続する構成とすればよい。

すなわち、本発明の一態様は、透光性を有する基板の絶縁表面上に透光性を有するゲート電極と、ゲート電極上に第１の絶縁層を有し、第１の絶縁層上に高純度化された酸化物半導体層と、酸化物半導体層上にゲート電極と端部を重畳する第１の電極、及び第２の電極を有する半導体装置である。また、酸化物半導体層と第１の電極の間、及び酸化物半導体層と第２の電極の間にそれぞれ透光性を有するバリア層を有し、酸化物半導体層のチャネルが形成される領域の反対側の面に接する第２の絶縁層を有する半導体装置である。なお、酸化物半導体層のキャリア濃度が、１×１０^１４／ｃｍ^３未満であり、第１の電極、及び第２の電極は透光性を有し、抵抗率が２０００×１０^−６Ω・ｃｍ以下である酸化物導電体を含み、また、バリア層が窒化物を含む半導体装置である。

また、本発明の一態様は、ゲート電極と電気的に接続するゲート配線を有し、ゲート配線が金属を含む上記半導体装置である。

また、本発明の一態様は、第２の絶縁層に形成された開口を介して、第１の電極、または第２の電極と電気的に接続する信号線を有し、信号線が金属を含む上記半導体装置である。

また、本発明の一態様は、信号線上に第３の絶縁層を有し、第３の絶縁層と第１の絶縁層が周囲を囲んで接する上記半導体装置である。

また、本発明の一態様は、基板上に第１の容量電極と、第１の容量電極上に第１の絶縁層と、第１の絶縁層上に第２の容量電極を有する。また、第１の容量電極がゲート電極と同一の材料を含み、第２の容量電極が第１の電極及び第２の電極と同一の材料を含む半導体装置である。

また、本発明の一態様は、ゲート配線と信号線の交差部に第１の絶縁層、第２の絶縁層、並びに酸化物半導体層を挟む上記半導体装置である。

また、本発明の一態様は、透光性を有する基板の絶縁表面上に上記半導体装置と、第２のゲート電極と、第２のゲート電極上に第１の絶縁層と、第１の絶縁層上に酸化物半導体層と、酸化物半導体層のチャネル形成領域と重なるチャネル保護層と、チャネル保護層上に端部を有する第３の電極、及び第４の電極とを有する。また、第２のゲート電極はゲート配線と同一の材料からなり、チャネル保護層は前記第２の絶縁層と同一の材料からなり、第３の電極、及び第４の電極は信号線と同一の材料からなる半導体装置である。

また、本発明の一態様は、透光性を有する基板の絶縁表面上に透光性を有する酸化物導電体を含むゲート電極を形成し、ゲート電極上に第１の絶縁層を形成し、第１の絶縁層上に透光性を有する酸化物半導体層を形成し、不活性ガス雰囲気中で酸化物半導体層を設けた基板の温度を３５０℃以上７００℃以下に加熱処理し、酸化物半導体層を覆うバリア層を形成し、バリア層上に透光性を有する酸化物導電層を還元雰囲気で形成し、ゲート電極上に端部を重畳し、バリア層を介して酸化物半導体層に電気的に接続する第１の電極、及び第２の電極を形成し、酸化物半導体層と第１の電極、及び第２の電極上に第２の絶縁層を形成する、キャリア濃度が１×１０^１４／ｃｍ^３未満の酸化物半導体層と、抵抗率が２０００×１０^−６Ω・ｃｍ以下である酸化物導電層を有する半導体装置の作製方法である。

なお、本明細書において、透光性とは、少なくとも可視光の波長領域の光を透過する性質を指す。

また、ゲートとは、ゲート電極及びゲート配線の一部または全部のことをいう。ゲート配線とは、少なくとも一つのトランジスタのゲート電極と、別の電極や別の配線とを電気的に接続させるための配線のことをいい、例えば表示装置における走査線もゲート配線に含まれる。

またソースとは、ソース領域、ソース電極、及びソース配線の一部または全部のことをいう。ソース領域とは、半導体層のうち、抵抗率が一定値以下の領域のことをいう。ソース電極とは、半導体層にキャリアを供給する導電層のことをいう。ソース配線とは、少なくとも一つのトランジスタのソース電極と、別の電極や別の配線とを電気的に接続させるための配線のことをいい、例えば表示装置における信号線がソース電極に電気的に接続される場合にはソース配線に信号線も含まれる。

またドレインとは、ドレイン領域、ドレイン電極、及びドレイン配線の一部または全部のことをいう。ドレイン領域とは、半導体層のうち、抵抗率が一定値以下の領域のことをいう。ドレイン電極とは、半導体層からキャリアが流出する導電層のことをいう。ドレイン配線とは、少なくとも一つのトランジスタのドレイン電極と、別の電極や別の配線とを電気的に接続させるための配線のことをいい、例えば表示装置における信号線がドレイン電極に電気的に接続される場合にはドレイン配線に信号線も含まれる。

また、本書類（明細書、特許請求の範囲または図面など）において、トランジスタのソースとドレインは、トランジスタの構造や動作条件などによって互いに入れ替わるため、いずれがソースまたはドレインであるかを限定することが困難である。そこで、本書類（明細書、特許請求の範囲または図面など）においては、ソース及びドレインのいずれかから任意に選択した一方をソース及びドレインの一方と表記し、他方の端子をソース及びドレインの他方と表記する。

また、本明細書中において、窒化酸化珪素とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものであって、好ましくは、ＲＢＳ及びＨＦＳを用いて測定した場合に、組成範囲として酸素が５〜３０原子％、窒素が２０〜５５原子％、珪素が２５〜３５原子％、水素が１０〜３０原子％の範囲で含まれるものをいう。また、構成元素の含有比率は、その合計が１００原子％を超えない値をとる。

透光性とノーマリーオフの特性を有するトランジスタを提供できる。また、透光性とオフ電流が低減された特性を有するトランジスタを提供できる。また、透光性とオン電流の損失が少ない特性を有するトランジスタを提供できる。また、経時的な特性の変化が抑制され、信頼性に優れた、上述の透光性を有するトランジスタを提供できる。

実施の形態に係わる半導体装置を説明する図。酸化物半導体を用いたトランジスタの断面図。図２のＡ−Ａ’断面におけるエネルギーバンド図（模式図）。（Ａ）ゲート（ＧＥ１）に正の電位（Ｖ_Ｇ＞０）が与えられた状態を示し、（Ｂ）ゲート（ＧＥ１）に負の電位（Ｖ_Ｇ＜０）が与えられた状態を示す図。真空準位と金属の仕事関数（φ_Ｍ）、酸化物半導体の電子親和力（χ）の関係を示す図。実施の形態に係わる半導体装置を説明する図。実施の形態に係わる半導体装置の作製方法を説明する図。実施の形態に係わる半導体装置の端子を説明する図。実施の形態に係わるインバータ回路を説明する図。表示装置のブロック図を説明する図。信号線駆動回路の構成を説明する図。シフトレジスタの構成を説明する図。シフトレジスタの回路図及び動作を説明するタイミングチャート。実施の形態に係わる半導体装置を説明する図。実施の形態に係わる半導体装置を説明する図。実施の形態に係わる半導体装置の画素等価回路を説明する図。実施の形態に係わる半導体装置を説明する図。実施の形態に係わる半導体装置を説明する図。実施の形態に係わる半導体装置を説明する図。電子ペーパーの使用形態の例を説明する図。電子書籍の一例を示す外観図。テレビジョン装置及びデジタルフォトフレームの例を示す外観図。遊技機の例を示す外観図。携帯電話機の一例を示す外観図。

実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。

（実施の形態１）
本実施の形態では、半導体装置の一態様として可視光を透過するボトムゲート型のトランジスタについて、図１（Ａ−１）、図１（Ａ−２）、図１（Ｂ−１）、及び図１（Ｂ−２）を用いて説明する。

図１（Ａ−１）、及び図１（Ａ−２）は、透光性を有する導電膜を用いて、トランジスタの電極及び、当該トランジスタと接続する配線を形成する例を示す図である。

また、図１（Ｂ−１）、及び図１（Ｂ−２）は透光性を有する導電膜を用いてトランジスタの電極を形成し、金属を含む導電膜で当該トランジスタと接続する配線を形成する例を示す図である。

可視光を透過するボトムゲート型のトランジスタの構成の一態様を図１（Ａ−１）、及び図１（Ａ−２）に示す。図１（Ａ−１）はトランジスタの平面構成を示す上面図であり、図１（Ａ−２）はトランジスタの積層構成を示す断面図である。なお、図１（Ａ−１）におけるＰ１−Ｐ２の鎖線は、図１（Ａ−２）における断面Ｐ１−Ｐ２に相当する。

断面Ｐ１−Ｐ２は、トランジスタ１５１の積層構造を示している。トランジスタ１５１は、透光性を有する基板１００上に透光性を有する第１の導電層で形成されるゲート電極１１１ａと、ゲート電極１１１ａ上に透光性を有する第１の絶縁層１０２と、ゲート電極１１１ａ上の第１の絶縁層１０２に接してチャネル形成領域を含む透光性を有する酸化物半導体層１２３とを有する。

また、ゲート電極１１１ａ上に端部を重畳し、透光性を有する第２の導電層で形成される第１の電極１１５ａと第２の電極１１５ｂを有する。なお、第１の電極１１５ａはバリア層１１４ａを介して、また、第２の電極１１５ｂはバリア層１１４ｂを介して酸化物半導体層１２３に電気的に接続する。なお、第１の電極１１５ａと第２の電極１１５ｂはトランジスタ１５１のソース電極またはドレイン電極として機能する。

また、トランジスタ１５１は、第１の電極１１５ａ、第２の電極１１５ｂ、第１の絶縁層１０２、並びに酸化物半導体層１２３上に第２の絶縁層１０７を有する。

トランジスタ１５１を構成する全ての層は透光性を有するため、トランジスタ１５１は透光性を有する。

また、可視光を透過するボトムゲート型のトランジスタの構成の別の一態様を図１（Ｂ−１）、及び図１（Ｂ−２）に示す。図１（Ｂ−１）はトランジスタの平面構成を示す上面図であり、図１（Ｂ−２）はトランジスタの積層構成を示す断面図である。なお、図１（Ｂ−１）におけるＱ１−Ｑ２の鎖線は、図１（Ｂ−２）における断面Ｑ１−Ｑ２に相当する。

断面Ｑ１−Ｑ２は、トランジスタ１５２の積層構造を示している。トランジスタ１５２は、透光性を有する基板１００上に透光性を有するゲート電極１１１ａを有する。ゲート電極１１１ａは図示されていない金属を含むゲート配線層と接続されている。ゲート電極１１１ａ上に透光性を有する第１の絶縁層１０２と、ゲート電極１１１ａ上の第１の絶縁層１０２に接してチャネル形成領域を含む透光性を有する酸化物半導体層１２３とを有する。

また、ゲート電極１１１ａ上に端部を重畳し、透光性を有する第１の電極１１５ａと第２の電極１１５ｂを有する。なお、第１の電極１１５ａはバリア層１１４ａを介して、また、第２の電極１１５ｂはバリア層１１４ｂを介して酸化物半導体層１２３に電気的に接続する。なお、第１の電極１１５ａと第２の電極１１５ｂはトランジスタ１５２のソース電極またはドレイン電極として機能する。

また、第１の電極１１５ａ、第２の電極１１５ｂ、酸化物半導体層１２３、並びに第１の絶縁層１０２上に第２の絶縁層１０７を有する。信号線１１６ａは、第２の絶縁層１０７に形成した開口部１２７ａを介して第１の電極１１５ａと接続し、信号線１１６ｂは第２の絶縁層１０７に形成した開口部１２７ｂを介して第２の電極１１５ｂと接続する。

また、トランジスタ１５２は、信号線１１６ａ、信号線１１６ｂ、並びに第２の絶縁層１０７上に第３の絶縁層１０８を有する。また、第３の絶縁層１０８上に導電層１２９を設けてもよい。

なお、第２の絶縁層１０７に形成した開口部１２６ａ、及び開口部１２６ｂを介して、第１の絶縁層の一部である絶縁層１０２ａと第３の絶縁層１０８が互いに接する構成とする。絶縁層１０２ａを第３の絶縁層１０８と同種の絶縁層とすることで、互いに密着し、トランジスタ１５２の周囲を囲んで接する構成となる。

なお、トランジスタ１５２を構成する全ての層は透光性を有するため、トランジスタ１５２は透光性を有する。また、トランジスタ１５２の電極は、金属を含む導電膜で形成した配線と接続されているため、配線抵抗が抑制された半導体装置を構成できる。また、トランジスタ１５２は同種の絶縁層で周囲を囲まれているため、外部からの不純物の拡散が抑制され、優れた信頼性を有する。

また、導電層１２９を酸化物半導体層１２３のチャネル形成領域と重なる位置に設けることによって、バイアス−熱ストレス試験（以下、ＢＴ試験という）におけるトランジスタ１５２のしきい値電圧の変化量を低減することができる。なお、ＢＴ試験に用いるストレス条件としては、８５℃環境下、２×１０^６Ｖ／ｃｍ、１２時間を挙げることができる。

本実施の形態では、酸化物半導体層１２３としてキャリア濃度が１×１０^１４／ｃｍ^３未満に抑制され、広いバンドギャップを有する高純度化されたＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体を用いる。

高純度化され、キャリア濃度が１×１０^１４／ｃｍ^３未満好ましくは１×１０^１２／ｃｍ^３以下に抑制され、広いバンドギャップ（具体的には２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上、より好ましくは３ｅＶ以上）を有する酸化物半導体層をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、ゲート電極の電位が０のときにオフ状態（所謂ノーマリーオフの特性）になる。このような酸化物半導体を用いて作製されるトランジスタは、オフ電流が小さい。

なお、トランジスタのチャネルが形成される半導体層にキャリア濃度が１×１０^１４／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１２／ｃｍ^３以下に高純度化され、広いバンドギャップを有する酸化物半導体を適用する意義については、本実施の形態の最後に詳しく説明する。

酸化物半導体層としては、四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系層や、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系層、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系層、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系層、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系層、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系層、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系層や、二元系金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系層、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系層、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系層、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ系層、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ系層、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系層や、一元系金属酸化物である、Ｉｎ−Ｏ系層、Ｓｎ−Ｏ系層、Ｚｎ−Ｏ系層などの酸化物半導体層を用いることができる。また、上記酸化物半導体層にＳｉＯ_２を含んでもよい。

ＩｎＭＯ_３（ＺｎＯ）_ｍ（ｍ＞０）のように表記される酸化物半導体材料がある。ここで、Ｍはガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）などから選ばれた一の金属元素または複数の金属元素を示す。例えばＭとしては、Ｇａ、Ｇａ及びＡｌ、Ｇａ及びＦｅ、Ｇａ及びＮｉ、Ｇａ及びＭｎ、Ｇａ及びＣｏなどを適用することができる。ＭにＧａを用いた、ＩｎＧａＯ_３（ＺｎＯ）_ｍ（ｍ＞０）で表記される酸化物半導体は、上記したＩｎ―Ｇａ―Ｚｎ―Ｏ系酸化物半導体材料の代表例である。なお、上述の組成は結晶構造から導き出されるものであり、あくまでも一例に過ぎないことを付記する。

また、酸化物半導体層には、ＲＴＡ（ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌ：ラピッドサーマルアニール）法等で高温短時間の脱水または脱水素化処理をしたものを用いる。酸化物半導体層は、脱水化または脱水素化の工程により酸素欠損が生じる。従って、酸素欠損部に酸素が供給される必要がある。この過程を経て高純度化された酸化物半導体層となる。高純度化された酸化物半導体層のキャリア濃度は１×１０^１４／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１２／ｃｍ^３以下に抑制される。

本実施の形態では、ゲート電極１１１ａを含む第１の導電層と、第１の電極１１５ａ、及び第２の電極１１５ｂを含む第２の導電層を、透光性を有する導電膜で形成する。

なお、透光性を有する導電膜は、可視光の透過率が７５〜１００％である膜厚を指す。また、可視光に対して半透明の導電膜を用いてもよい。可視光に対して半透明とは可視光の透過率が５０〜７５％であることを指す。

また、ゲート電極、第１の電極、及び第２の電極として用いる透光性を有する導電膜の電気抵抗率は２００×１０^−６Ω・ｃｍ以上２０００×１０^−６Ω・ｃｍ以下、好ましくは２５０×１０^−６Ω・ｃｍ以上２０００×１０^−６Ω・ｃｍ以下とする。

透光性を有する導電膜としては、酸化物導電膜が好適である。具体的には、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物（以下、ＩＴＯと示す。）、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などを用いることができる。なお、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物は結晶性が抑制され、加工性に優れた非晶質な膜となる。また、酸化亜鉛、アルミニウムを添加した酸化亜鉛、ガリウムを添加した酸化亜鉛等を用いることができる。本実施の形態ではインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）を用いる。

透光性を有する酸化物導電層は、その組成、添加する不純物、並びに成膜条件により導電性を高めることができる。例えば、還元雰囲気で成膜されて酸素欠損が生じた酸化物導電層は導電性が向上する。また、不純物（例えば水素等を含む化合物等）が添加されることによって、酸化物導電層は非晶質となり加工性だけでなく、導電性も向上する。

本実施の形態では、バリア層１１４ａ、及びバリア層１１４ｂを窒化チタンで形成する。バリア層の厚みは１ｎｍ以上５０ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とし、透光性を有する。

バリア層１１４ａは、高純度化された酸化物半導体層１２３と第１の電極１１５ａの間に設けられ、バリア層１１４ｂは、高純度化された酸化物半導体層１２３と第２の電極１１５ｂの間に設けられる。バリア層１１４ａ、及びバリア層１１４ｂは水素及び酸素の拡散を阻害する層である。

バリア層１１４ａ、及びバリア層１１４ｂは、酸化物導電層が含む不純物（例えば、水素原子を含む不純物）が酸化物半導体層に拡散する現象を抑制する。また、バリア層１１４ａ、及びバリア層１１４ｂは、酸化物半導体層が含む酸素原子が酸化物導電層に拡散する現象を抑制する。

なお、バリア層１１４ａ、及びバリア層１１４ｂとしては、窒化チタン層の他、窒化タンタル層、窒化タングステン層、窒化モリブデン層など、導電性の窒化物層や、極薄い窒化珪素層、窒化アルミニウム層など、バリア性を有する窒化物層を用いることができる。

本実施の形態では、第１の絶縁層１０２に窒化珪素（ＳｉＮ_ｙ（ｙ＞０））上に、酸化珪素を積層した積層体を用いる。また、第２の絶縁層１０７に酸化珪素上に、窒化珪素（ＳｉＮ_ｙ（ｙ＞０））を積層した積層体を用いる。

窒化珪素層を用いることにより、トランジスタ１５１に設けた酸化物半導体層１２３に、外部から不純物が拡散して到達する現象を防止できる。

また、酸化物半導体層１２３と接する側の第１の絶縁層１０２、及び酸化物半導体層１２３と接する側の第２の絶縁層１０７に酸化珪素を用いることにより、酸化物半導体層１２３に生じた酸素欠損に酸素を補填できる。

なお、第１の絶縁層１０２、及び第２の絶縁層１０７を構成する酸化珪素、窒化珪素は透光性を有する。

なお、第１の絶縁層１０２としては、窒化酸化珪素層、酸化窒化珪素層、窒化珪素層または酸化珪素層の他、アルミニウム、タンタル、イットリウム、またはハフニウムの酸化物、窒化物、酸化窒化物、又は窒化酸化物の一種又はそれらの化合物を少なくとも２種以上含む化合物層を単層で、または積層して用いることもできる。

特に、第１の絶縁層１０２に酸化珪素より高い誘電率を有する絶縁層を用いると、ゲート絶縁層としての特性が向上するため好ましい。

また、基板１００は可視光を透過し、絶縁表面を有するものを用いる。例えば、ガラス基板、セラミック基板の他、作製工程の処理温度に耐えうる程度の耐熱性を有するプラスチック基板等を用いることができる。

ガラス基板としては、例えば、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス若しくはアルミノケイ酸ガラス等の無アルカリガラス基板を用いるとよい。他に、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。本実施の形態では、基板１００にアルミノホウケイ酸ガラスを用いる。

また、基板の大きさは、使用目的、製造装置等を勘案して、適宜決定すればよいが、第３世代（５５０ｍｍ×６５０ｍｍ）、第３．５世代（６００ｍｍ×７２０ｍｍ、または６２０ｍｍ×７５０ｍｍ）、第４世代（６８０ｍｍ×８８０ｍｍ、または７３０ｍｍ×９２０ｍｍ）、第５世代（１１００ｍｍ×１３００ｍｍ）、第６世代（１５００ｍｍ×１８５０ｍｍ）、第７世代（１８７０ｍｍ×２２００ｍｍ）、第８世代（２２００ｍｍ×２４００ｍｍ）、第９世代（２４００ｍｍ×２８００ｍｍ、２４５０ｍｍ×３０５０ｍｍ）、第１０世代（２９５０ｍｍ×３４００ｍｍ）等のガラス基板を用いることができる。

なお基板１００上に、下地膜として、窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜を、単層若しくは積層して形成することができる。下地膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、塗布法、印刷法等を適宜用いることができる。なお、膜中にリン（Ｐ）や硼素（Ｂ）がドープされていても良い。

ここでは、トランジスタのチャネルが形成される半導体層にキャリア濃度が１×１０^１４／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１２／ｃｍ^３以下に高純度化され、広いバンドギャップを有する酸化物半導体を適用する意義について説明する。

＜酸化物半導体の真性化＞
酸化物半導体において、ＤＯＳ（ｄｅｎｓｉｔｙｏｆｓｔａｔｅ）等の物性研究は多くなされているが、これらの研究は、局在準位そのものを十分に減らすという思想を含まない。開示する発明の一態様では、局在準位の原因たり得る水や水素を酸化物半導体中より除去することで、高純度化し、真性化（ｉ型化）した酸化物半導体を作製する。これは、局在準位そのものを十分に減らすという思想に立脚するものである。そして、これによって極めて優れた工業製品の製造を可能とするものである。

なお、水素や水などを除去する際には、同時に酸素が除去されてしまうことがある。このため、酸素欠乏により発生する金属の未結合手に対して酸素を供給し、酸素欠陥による局在準位を減少させることにより、酸化物半導体をさらに高純度化、真性化（ｉ型化）するのは好適である。たとえば、酸化物半導体を含むチャネル形成領域に密接して酸素過剰の酸化膜を形成し、２００℃〜４００℃、代表的には２５０℃程度の温度条件での熱処理を行うことで、当該酸化膜から酸化物半導体へ酸素を供給して、酸素欠陥による局在準位を低減させることが可能である。

酸化物半導体の特性を悪化させる要因は、過剰な水素による伝導帯下０．１ｅＶ〜０．２ｅＶの浅い準位や、酸素欠損による深い準位、などに起因するものと考えられる。これらの欠陥をなくすために、水素を徹底的に除去し、酸素を十分に供給する。

なお、酸化物半導体は一般にｎ型とされているが、開示する発明の一態様では、水や水素などの不純物を除去すると共に、酸化物半導体の構成元素である酸素を供給することでｉ型化を実現する。この点、シリコンなどのように不純物元素を添加してのｉ型化ではなく、従来にない技術思想を含むものといえる。

＜酸化物半導体を用いたトランジスタの電導機構＞
ここで、酸化物半導体を用いたトランジスタの電導機構につき、図２乃至図５を用いて説明する。なお、以下の説明では、理解の容易のため理想的な状況を仮定しており、そのすべてが現実の様子を反映しているとは限らない。また、以下の説明はあくまでも一考察に過ぎず、発明の有効性に影響を与えるものではないことを付記する。

図２は、酸化物半導体を用いたトランジスタの断面図である。ゲート電極（ＧＥ１）上にゲート絶縁層（ＧＩ）を介して酸化物半導体層（ＯＳ）が設けられ、その上にソース電極（Ｓ）及びドレイン電極（Ｄ）が設けられている。

図３には、図２のＡ−Ａ’断面におけるエネルギーバンド図（模式図）を示す。また、図３中の黒丸（●）は電子を示し、白丸（○）は正孔を示し、それぞれは電荷（−ｑ，＋ｑ）を有している。ドレイン電極に正の電圧（Ｖ_Ｄ＞０）を印加した上で、破線はゲート電極に電圧を印加しない場合（Ｖ_Ｇ＝０）、実線はゲート電極に正の電圧（Ｖ_Ｇ＞０）を印加する場合を示す。ゲート電極に電圧を印加しない場合は高いポテンシャル障壁のために電極から酸化物半導体側へキャリア（電子）が注入されず、電流を流さないオフ状態を示す。一方、ゲートに正の電圧を印加するとポテンシャル障壁が低下し、電流を流すオン状態を示す。

図４には、図２におけるＢ−Ｂ’の間におけるエネルギーバンド図（模式図）を示す。図４（Ａ）は、ゲート電極（ＧＥ１）に正の電位（Ｖ_Ｇ＞０）が与えられた状態であり、ソースとドレインとの間にキャリア（電子）が流れるオン状態を示している。また、図４（Ｂ）は、ゲート（ＧＥ１）に負の電位（Ｖ_Ｇ＜０）が印加された状態であり、オフ状態（少数キャリアは流れない状態）である場合を示す。

図５は、真空準位と金属の仕事関数（φ_Ｍ）、酸化物半導体の電子親和力（χ）の関係を示す。

常温において金属中の電子は縮退しており、フェルミ準位は伝導帯内に位置する。従来の酸化物半導体はｎ型であり、そのフェルミ準位（Ｅ_ｆ）は、バンドギャップ中央に位置する真性フェルミ準位（Ｅ_ｉ）から離れて、伝導帯寄りに位置している。なお、酸化物半導体において水素はドナーとなりｎ型化する要因の一つであることが知られている。

これに対して開示する発明の一態様に係る酸化物半導体は、ｎ型化の要因である水素を酸化物半導体から除去し、酸化物半導体の主成分以外の元素（不純物元素）が極力含まれないように高純度化することにより真性（ｉ型）とし、または真性とせんとしたものである。すなわち、不純物元素を添加してｉ型化するのでなく、水素や水等の不純物を極力除去することにより、高純度化された結果、真性（ｉ型）またはそれに近づけることを特徴としている。これにより、フェルミ準位（Ｅ_ｆ）は真性フェルミ準位（Ｅ_ｉ）と同程度とすることができる。

酸化物半導体のバンドギャップ（Ｅ_ｇ）は３．１５ｅＶで、電子親和力（χ）は４．３Ｖと言われている。ソース電極及びドレイン電極を構成するチタン（Ｔｉ）の仕事関数は、酸化物半導体の電子親和力（χ）とほぼ等しい。この場合、金属−酸化物半導体界面において、電子に対してショットキー型の障壁は形成されない。

このとき電子は、図４（Ａ）で示すように、ゲート絶縁層と高純度化された酸化物半導体との界面付近（酸化物半導体のエネルギー的に安定な最低部）を移動する。

また、図４（Ｂ）に示すように、ゲート電極（ＧＥ１）に負の電位が与えられると、少数キャリアであるホールは実質的にゼロであるため、電流は限りなくゼロに近い値となる。

このように酸化物半導体の主成分以外の元素（不純物元素）が極力含まれないように高純度化することにより、真性（ｉ型）とし、または実質的に真性となるため、ゲート絶縁層との界面特性が顕在化する。そのため、ゲート絶縁層には、酸化物半導体と良好な界面を形成できるものが要求される。具体的には、例えば、ＶＨＦ帯〜マイクロ波帯の電源周波数で生成される高密度プラズマを用いたＣＶＤ法で作製される絶縁層や、スパッタリング法で作製される絶縁層などを用いることが好ましい。

酸化物半導体を高純度化しつつ、酸化物半導体とゲート絶縁層との界面を良好なものとすることにより、例えば、トランジスタのチャネル幅Ｗが１×１０^４μｍ、チャネル長Ｌが３μｍの場合には、常温で、１０^−１３Ａ以下のオフ電流、０．１Ｖ／ｄｅｃ．のサブスレッショルドスイング値（Ｓ値）（ゲート絶縁層の厚さ：１００ｎｍ）が実現され得る。

このように、酸化物半導体の主成分以外の元素（不純物元素）が極力含まれないように高純度化することにより、トランジスタの動作を良好なものとすることができる。

このように透光性を有する材料で構成する本実施の形態のトランジスタは透光性を有する。

本実施の形態のトランジスタは、酸素欠損や不純物（例えば水素等）を含み、導電率が高められた酸化物導電層を用いてソース電極、及びドレイン電極を形成しているため、オン電流の損失が少ない。

広いバンドギャップを有し、キャリア濃度を１×１０^１４／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１２／ｃｍ^３以下に抑制された酸化物半導体を用いるため、本実施の形態のトランジスタはノーマリーオフの挙動を示し、そのオフ電流は低い。具体的には、チャネル幅１μｍあたりの室温でのオフ電流を１×１０^−１６Ａ／μｍ以下、さらには１ａＡ／μｍ（１×１０^−１８Ａ／μｍ）以下にすることが可能である。

なお、トランジスタのオフ電流の流れ難さをオフ抵抗率として表すことができる。オフ抵抗率とは、トランジスタがオフのときのチャネル形成領域の抵抗率であり、オフ抵抗率はオフ電流から算出することができる。

具体的には、オフ電流とドレイン電圧との値が分かればオームの法則からトランジスタがオフのときの抵抗値（オフ抵抗Ｒ）を算出することができる。そして、チャネル形成領域の断面積Ａとチャネル形成領域の長さ（ソースドレイン電極間の距離に相当する）Ｌが分かればρ＝ＲＡ／Ｌの式（Ｒはオフ抵抗）からオフ抵抗率ρを算出することができる。

ここで、断面積Ａは、チャネル形成領域の膜厚をｄとし、チャネル幅をＷとするとき、Ａ＝ｄＷから算出することができる。また、チャネル形成領域の長さＬはチャネル長Ｌである。以上のように、オフ電流からオフ抵抗率を算出することができる。

本実施の形態の酸化物半導体層を具備するトランジスタのオフ抵抗率は１×１０^９Ω・ｍ以上の優れた値を示す。

本実施の形態のトランジスタにおいて、酸化物導電層と高純度化された酸化物半導体層の間に水素及び酸素の拡散を阻害するバリア層を設けているため、酸化物導電層が含む不純物（例えば、水素原子を含む不純物）が酸化物半導体層に拡散する現象が抑制される。また、バリア層によって、酸化物半導体層が含む酸素原子が酸化物導電層に拡散する現象が抑制される。

本実施の形態で例示した透光性を有するトランジスタは、高純度化された酸化物半導体層がバリア層により保護されているため、ノーマリーオフの特性と、オフ電流が低減された特性を有し、また経時的に特性が変化し難く、信頼性に優れている。

なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。

（実施の形態２）
本実施の形態では、半導体装置の一態様として可視光を透過するボトムゲート型のトランジスタを適用した表示装置について図６を用いて説明する。また、可視光を透過するボトムゲート型のトランジスタの作製方法について、図７を用いて説明する。

なお、可視光を透過するボトムゲート型のトランジスタと共に作製可能なチャネル保護型のトランジスタの作製方法についても、図７を用いて説明する。

図６（Ａ）は、可視光を透過するボトムゲート型のトランジスタを適用した表示装置の画素部の上面図である。また、図６（Ｂ）は、可視光を透過するボトムゲート型のトランジスタを適用した表示装置の画素部の積層構成を示す断面図である。なお、図６（Ａ）におけるＡ１−Ａ２の鎖線は、図６（Ｂ）における断面Ａ１−Ａ２に相当し、図６（Ａ）におけるＢ１−Ｂ２の鎖線は、図６（Ｂ）における断面Ｂ１−Ｂ２に相当し、図６（Ａ）におけるＣ１−Ｃ２の鎖線は、図６（Ｂ）における断面Ｃ１−Ｃ２に相当し、図６（Ａ）におけるＤ１−Ｄ２の鎖線は、図６（Ｂ）における断面Ｄ１−Ｄ２に相当する。

断面Ａ１−Ａ２はトランジスタ１５３の積層構造を説明する図である。また、断面Ｄ１−Ｄ２はトランジスタ１５３の積層構造を断面Ａ１−Ａ２とは異なる断面から説明する図である。

トランジスタ１５３は、透光性を有する基板１００上にゲート電極１１１ａを有する。なお、ゲート電極１１１ａはゲート配線１１１ｃと電気的に接続されている。また、ゲート電極１１１ａ上に第１の絶縁層１０２を有し、ゲート電極１１１ａ上の第１の絶縁層１０２に接して酸化物半導体層１２３を有する。また、ゲート電極１１１ａ上に端部を重畳する第１の電極１１５ａ、及び第２の電極１１５ｂを有する。なお、第１の電極１１５ａと酸化物半導体層１２３の間にはバリア層１１４ａを有し、第２の電極１１５ｂと酸化物半導体層１２３の間にはバリア層１１４ｂを有する。

ゲート電極１１１ａ上で、酸化物半導体層１２３と第１の電極１１５ａとが重なる領域と、酸化物半導体層１２３と第２の電極１１５ｂとが重なる領域の間で、第２の絶縁層１０７と酸化物半導体層１２３は接する。第２の絶縁層１０７に開口部１２７を形成し、信号線１１６ａを設け、第２の絶縁層１０７及び信号線１１６ａ上に第３の絶縁層１０８を有し、第３の絶縁層１０８上に第４の絶縁層１０９を有する。また、第２の絶縁層１０７、第３の絶縁層１０８、及び第４の絶縁層１０９に形成した開口部１２８を介して第２の電極１１５ｂと電気的に接続する画素電極１２０を第４の絶縁層１０９上に有する。

断面Ｂ１−Ｂ２は容量部の積層構造を説明する図である。

容量部は基板１００上に設けられた第１の容量電極１１１ｂ上に、第１の絶縁層１０２及びバリア層１１４ｂを挟んでトランジスタ１５３の第２の電極１１５ｂが延在して形成されている。第１の容量電極１１１ｂは、トランジスタ１５３のゲート電極１１１ａと共に形成し、第１の絶縁層１０２、バリア層１１４ｂ、並びに第２の電極１１５ｂはトランジスタ１５３と共に作製できる。

第１の容量電極１１１ｂ及び第２の電極１１５ｂは透光性を有するため、容量部は透光性を有し、画素の開口率が低下しない。また、第１の容量電極１１１ｂ及び第２の電極１１５ｂの間隔が狭いため、大きな容量が得られる。

断面Ｃ１−Ｃ２はゲート配線１１１ｃと信号線１１６ａの交差部の断面構造を説明する図である。

基板１００上に設けられたゲート配線１１１ｃ上に第１の絶縁層１０２、酸化物半導体層１１３ｃ、第２の絶縁層１０７を挟んで信号線１１６ａが交差する。ゲート配線１１１ｃはトランジスタ１５３のゲート電極と接続する。

ゲート配線１１１ｃと信号線１１６ａの交差部において、その間隔が広げられているため、配線容量が低減されている。

次に、可視光を透過するボトムゲート型のトランジスタ１５３の作製方法について図７を用いて説明する。

図７（Ｄ）に示すトランジスタ１５３は、図６に示す表示装置の画素部に適用された可視光を透過するボトムゲート型のトランジスタと同じ構成を有する。

なお、図７（Ｄ）には、トランジスタ１５３と異なる構成を有するが、トランジスタ１５３と並行して同一基板上に作製可能なトランジスタ１５４も例示されている。

トランジスタ１５４は、ゲート配線１１１ｃと同一の材料からなるゲート電極１１１ｄを有し、信号線１１６ａと同一の材料で形成された第３の電極１１６ｃ、及び第４の電極１１６ｄを有する。また、トランジスタ１５４は、酸化物半導体層１１３ｃのチャネル形成領域上に絶縁層１０７ｃを有し、絶縁層１０７ｃはチャネル保護層として機能する。

なお、本実施の形態において、「Ａと同一の材料からなるＢ」とは、ＡとＢが同一の工程にて同一の材料から形成されることを指す。

本実施の形態では、基板１００にアルミノホウケイ酸ガラスを用いる。

はじめに、ゲート電極１１１ａ、ゲート電極１１１ｄ、並びにゲート電極と電気的に接続するゲート配線を形成する。本実施の形態では、ゲート電極１１１ａとなる導電層とゲート配線を含む導電層を合わせて第１の導電層と呼ぶ。なお、ゲート配線は図７には図示されていない。

本実施の形態では、ゲート配線及びゲート電極１１１ｄをチタン層とアルミニウム層とチタン層を積層した３層構造の導電層を用い、可視光を透過するゲート電極１１１ａとなる導電層にインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）を用いる。

基板１００上に、スパッタリング法を用いて、チタン層とアルミニウム層とチタン層を積層した３層構造の導電層を成膜する。次いで、第１のフォトリソグラフィ工程で形成したレジストマスクを用いて選択的にエッチングしてゲート電極１１１ｄ、及びゲート配線を形成する。なお、ゲート配線と同一の材料で形成するゲート電極１１１ｄは、トランジスタ１５４のゲート電極となる。

次に、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）を成膜し、第２のフォトリソグラフィ工程で形成したレジストマスクを用いて選択的にエッチングし、透光性を有するゲート電極１１１ａを形成する。なお、透光性を有するゲート電極１１１ａはトランジスタ１５３のゲート電極となる。

ゲート配線を形成する導電膜としては、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗなどの金属材料、または該金属材料を成分とする合金材料で形成する。また、Ａｌ、Ｃｕなどの金属膜の一方または双方にＣｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗなどの高融点金属膜を積層させた構成としても良い。また、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｎｄ、Ｓｃ、ＹなどＡｌ膜に生ずるヒロックやウィスカーの発生を防止する元素が添加されているＡｌ材料を用いることで耐熱性を向上させることが可能となる。

本実施の形態では、ゲート配線を形成した後に透光性を有するゲート電極を形成する場合について説明したが、透光性を有するゲート電極を形成した後にゲート配線を形成してもよい。

次に、第１の絶縁層１０２を形成する。本実施の形態では、窒化珪素層上に酸化珪素を積層して第１の絶縁層１０２を形成する。

第１の絶縁層１０２は酸化珪素層、酸化窒化珪素層、窒化酸化珪素層、窒化珪素層、酸化アルミニウム層、酸化タンタル層などの単層膜または積層膜を用いることができる。また、膜厚を５０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下とし、ＣＶＤ法やスパッタ法などで形成する。また、膜中にリン（Ｐ）や硼素（Ｂ）がドープされていても良い。

なお、第１の絶縁層１０２は酸化物半導体層と接する側に酸化物絶縁層を有する構成が好ましい。また、本実施の形態で用いる、不純物を除去することによりｉ型化または実質的にｉ型化された酸化物半導体（高純度化された酸化物半導体）は界面準位、界面電荷に対して極めて敏感であるため、絶縁層との界面は重要である。そのため高純度化された酸化物半導体に接する絶縁層は、高品質化が要求される。

次いで、酸化物半導体層を形成する。本実施の形態では、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体成膜用ターゲットをスパッタリングして成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系非単結晶膜から、酸化物半導体層を形成する。

酸化物半導体層の膜厚は５ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下、例えば１５ｎｍとする。

なお、酸化物半導体層を成膜する前に、アルゴンガスを導入してプラズマを発生させる逆スパッタを行い、第１の絶縁層１０２の表面に付着しているゴミを除去することが好ましい。

逆スパッタとは、アルゴン雰囲気下で基板にＲＦ電源を用いて電圧を印加してプラズマを形成して表面を改質する方法である。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウムなどを用いてもよい。また、アルゴン雰囲気に酸素、Ｎ_２Ｏなどを加えた雰囲気で行ってもよい。また、アルゴン雰囲気にＣｌ_２、ＣＦ_４などを加えた雰囲気で行ってもよい。

また、逆スパッタ処理後、大気に曝すことなく酸化物半導体膜を成膜することによって、第１の絶縁層１０２と酸化物半導体層の界面にゴミや水分が付着するのを防ぐことができる。

また、酸化物半導体膜は、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、又は希ガス（代表的にはアルゴン）及び酸素混合雰囲気下においてスパッタ法により形成することができる。また、スパッタ法を用いる場合、ＳｉＯ_２を２重量％以上１０重量％以下含むターゲットを用いて成膜を行い、酸化物半導体膜に結晶化を阻害するＳｉＯｘ（Ｘ＞０）を含ませても良い。

ここでは、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物半導体成膜用ターゲット（モル数比がＩｎ_２Ｏ_３：Ｇａ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝１：１：１［ｍｏｌ数比］、またはＩｎ_２Ｏ_３：Ｇａ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ数比］）を用いて、基板とターゲットの間との距離を１００ｍｍ、圧力０．６Ｐａ、直流（ＤＣ）電源０．５ｋＷ、酸素（酸素流量比率１００％）雰囲気下で成膜する。なお、パルス直流（ＤＣ）電源を用いると、ごみが軽減でき、膜厚分布も均一となるために好ましい。

この場合において、処理室内の残留水分を除去しつつ酸化物半導体膜を成膜することが好ましい。酸化物半導体膜に水素、水酸基又は水分が含まれないようにするためである。

本実施の形態で用いるマルチチャンバー型のスパッタリング装置は、珪素もしくは酸化珪素（人工石英）ターゲットと、酸化物半導体成膜用のターゲットを備えており、少なくとも、酸化物半導体成膜用のターゲットを設けた成膜室は、排気手段としてクライオポンプを有している。なお、クライオポンプに代えて、ターボ分子ポンプを用い、当該ターボ分子ポンプの吸気口上に水分などを吸着させるべくコールドトラップを設ける構成としても良い。

クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素原子や、Ｈ_２Ｏなど水素原子を含む化合物や、炭素原子や炭素原子を含む化合物等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物半導体膜に含まれる不純物の濃度を低減できる。

なお、酸化物半導体膜を第１の絶縁層１０２上に連続成膜するのが好ましい。

酸化物半導体膜を、成膜する際に用いるスパッタガスは水素、水、水酸基又は水素化物などの不純物が、濃度１ｐｐｍ程度、濃度１０ｐｐｂ程度まで除去された高純度ガスを用いることが好ましい。

また、酸化物半導体膜は基板を加熱しながら成膜してもよい。このとき基板温度を１００℃以上６００℃以下好ましくは２００℃以上４００℃以下とする。基板を加熱しながら成膜することにより、成膜した酸化物半導体膜に含まれる不純物濃度を低減することができる。

次に、第３のフォトリソグラフィ工程で形成したレジストマスクを用いて選択的にエッチングし、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系非単結晶からなる島状の酸化物半導体層１１３ａ、及び酸化物半導体層１１３ｃを形成する。

エッチングには、例えば、クエン酸やシュウ酸などの有機酸をエッチング液として用いることができる。島状の酸化物半導体層の端部をテーパー状にエッチングすることで、段差形状による配線の段切れを防ぐことができる。なお、ここでのエッチングは、ウェットエッチングに限定されずドライエッチングを用いてもよい。

次いで、島状の酸化物半導体層１１３ａ、及び酸化物半導体層１１３ｃを設けた基板に第１の加熱処理を施し、島状の酸化物半導体層の脱水化または脱水素化を行う。

なお、本明細書では、窒素、または希ガス等の不活性気体雰囲気下での加熱処理を脱水化または脱水素化のための加熱処理と呼ぶ。本明細書では、この加熱処理によってＨ_２として脱離させていることのみを脱水素化と呼んでいるわけではなく、Ｈ、水酸基などを脱離することを含めて脱水化または脱水素化と便宜上呼ぶこととする。

本実施の形態では、第１の加熱処理として、島状の酸化物半導体層を設けた基板の基板温度を温度Ｔに加熱する。温度Ｔは７００℃以下（若しくはガラス基板の歪点以下の温度）、好ましくは３５０℃以上５００℃以下で１分間以上１０分間以下程度のＲＴＡ（ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌ）処理で行う

第１の加熱処理に用いる不活性ガス雰囲気としては、窒素、または希ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン等）を主成分とする雰囲気であって、雰囲気中に、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、加熱処理装置に導入する不活性ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上、（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。

また、酸化物半導体層に対して脱水化または脱水素化をおこなう際は、酸化物半導体層を大気にさらすことなく、水または水素を再び混入させないことが重要である。

なお、第１の加熱処理を行う熱処理装置は電気炉や、加熱されたガスなどの媒体からの熱伝導、または熱輻射によって、被処理物を加熱する装置であっても良い。例えば、ＧＲＴＡ（ＧａｓＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（ＬａｍｐＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌ）装置を用いることができる。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置である。

ＲＴＡ法を用いれば、短時間に脱水化または脱水素化が行えるため、ガラス基板の歪点を超える温度でも処理することができる。また、ＧＲＴＡ装置は、高温のガスを用いて熱処理を行う装置である。

また、加熱処理は、このタイミングに限らず、フォトリソグラフィ工程や成膜工程の前後などで複数回行っても良い。

上記条件で脱水化または脱水素化を十分に行った酸化物半導体層は、昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ：ＴｈｅｒｍａｌＤｅｓｏｒｐｔｉｏｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）で４５０℃まで昇温して測定した際に、スペクトルに水分の脱離を示す２つのピークのうち、少なくとも２５０〜３００℃付近に現れる１つのピークは検出されない。

なお、酸化物半導体層は、成膜された段階では多くの未結合手を有する非晶質であるが、上記脱水化または脱水素化処理の第１の加熱処理を施すことで、近距離にある未結合手同士が結合し合い、秩序化された非晶質構造とすることができる。また、秩序化が発展すると、非晶質領域中に微結晶が点在した非晶質と微結晶の混合物が形成される。

なお、酸化物半導体層の第１の加熱処理は、島状の酸化物半導体層に加工する前の酸化物半導体膜に行うこともできる。その場合には、第１の加熱処理後に、加熱装置から基板を取り出し、島状の酸化物半導体層に加工するためのフォトリソグラフィ工程を行う。

なお、この段階の断面図を図７（Ａ）に示す。

次いで、バリア層１１４ａ、及びバリア層１１４ｂ、並びに第１の電極１１５ａ、及び第２の電極１１５ｂを形成する。

本実施の形態では、バリア層１１４ａ、及びバリア層１１４ｂとして窒化チタンを用い、第１の電極１１５ａ、及び第２の電極１１５ｂとなる第２の導電膜にインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）を用いる。

第１の絶縁層１０２上に形成した島状の酸化物半導体層１１３ａを覆って、バリア層となる窒化チタン膜を成膜し、窒化チタン膜上に可視光を透過する導電膜であるインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）膜を成膜する。なお、窒化チタン膜、及びインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）膜は、スパッタリング法により成膜することができる。

インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）膜は、還元雰囲気で成膜する。例えば、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）と酸化錫（ＳｎＯ_２）を重量比で８５：１５（＝Ｉｎ_２Ｏ_３：ＳｎＯ_２）で混合、焼結した直径３０２ｍｍのターゲットを用い、チャンバー内の圧力を０．４Ｐａとし、１Ｋｗの電力で、ＤＣスパッタリング法により成膜することができる。成膜ガスとしては、アルゴン、酸素、及び水素の混合ガスや、アルゴン、酸素、及び水蒸気の混合ガスを用いることができる。具体的には、アルゴン、酸素、及び水素を標準状態における体積比５０：１：１０（＝Ａｒ：Ｏ_２：Ｈ_２）で混合したガスを用いることができる。また、アルゴン、酸素、及び水蒸気を標準状態における体積比５０：１：１（＝Ａｒ：Ｏ_２：Ｈ_２Ｏ）で混合したガスを用いることができる。

水素や水蒸気を添加したガスを用いることにより、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）膜は非晶質となり加工性が向上する。また、還元雰囲気で成膜されて生じた酸素欠損と、添加された不純物（例えば水素、水素を含む化合物等）により導電性が向上する。

なお、脱水化または脱水素化された酸化物半導体層１１３ａはバリア層となる窒化チタン膜で覆われているため、透光性を有する導電膜の導電率を高めるための還元雰囲気に曝されることがない。

次いで、第４のフォトリソグラフィ工程で形成したレジストマスクを用いて選択的にエッチングして、バリア層１１４ａ、及びバリア層１１４ｂ並びに第１の電極１１５ａ、及び第２の電極１１５ｂを形成する。

なお、この段階の断面図を図７（Ｂ）に示す。

また、バリア層１１４ａ、及びバリア層１１４ｂ並びに第１の電極１１５ａ、及び第２の電極１１５ｂを形成する前に、第１の絶縁層１０２を選択的にエッチングし、ゲート配線、またはゲート電極に達するコンタクトホールを形成してもよい。ゲート配線、またはゲート電極に達するコンタクトホールを形成した後にバリア層となる窒化チタン膜と透光性を有する導電膜を形成すると、他の導電層を介することなくゲート配線、またはゲート電極と、窒化チタン膜と透光性を有する導電膜を直接接続できる。このような構成とすることで、接続に要するコンタクトホールの数を減らすことができる。接続に要するコンタクトホールの数が減ると、電気抵抗を小さくできるだけでなく、コンタクトホールが占有する面積も小さくできる。

次いで、第２の絶縁層１０７を第１の絶縁層１０２、酸化物半導体層１１３ａ及び酸化物半導体層１１３ｃ、第１の電極１１５ａ、及び第２の電極１１５ｂ上に形成する。第２の絶縁層１０７は無機絶縁層を含み、酸化珪素膜、窒化酸化珪素膜、酸化アルミニウム膜、または酸化窒化アルミニウム膜などを用いる。また、第２の絶縁層１０７は、少なくとも１ｎｍ以上の膜厚とし、スパッタリング法など、酸化物絶縁層に水、水素等の不純物を混入させない方法を適宜用いて形成することができる。この段階で、酸化物半導体層と第２の絶縁層１０７が接する領域が形成される。

ゲート電極に重畳し、第２の絶縁層１０７と第１の絶縁層１０２に接して挟まれる酸化物半導体層の領域がチャネル形成領域となる。第２の絶縁層１０７は酸化物半導体層のチャネル形成領域となる領域上に接して設けられ、チャネル保護層として機能する。

また、第２の絶縁層１０７は、Ｈ_２Ｏに代表される水素原子を含む化合物や炭素原子を含む化合物、もしくは水素原子や炭素原子等の不純物の含有量が少ない酸化物半導体層に接して設けられる。第２の絶縁層１０７は、水分や、水素イオンや、水酸基などの不純物を含まず、これらが外部から侵入することをブロックする。

本実施の形態では、第２の絶縁層１０７として酸化珪素を用いる。

第２の絶縁層１０７となる酸化珪素膜はスパッタリング法を用いて成膜する。成膜時の基板温度は室温以上６００℃以下、好ましくは２００℃以上４００℃以下とすればよく、本実施の形態では１００℃とする。酸化珪素膜のスパッタリング法による成膜は、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、または希ガス（代表的にはアルゴン）及び酸素混合雰囲気下において行うことができる。なお、スパッタ法で形成した酸化物絶縁層は特に緻密であり、接する層へ不純物が拡散する現象を抑制する保護膜として単層であっても利用することができる。また、リン（Ｐ）や硼素（Ｂ）をドープしたターゲットを用い、酸化物絶縁層にリン（Ｐ）や硼素（Ｂ）を添加することもできる。

また、ターゲットとして酸化珪素ターゲットまたは珪素ターゲットを用いることができ、特に珪素ターゲットが好ましい。珪素ターゲットを用いて、酸素、及び希ガス混合雰囲気下でスパッタリング法により成膜した酸化珪素膜は、珪素原子または酸素原子の未結合手（ダングリングボンド）を多く含んでいる。

本実施の形態で例示する酸化珪素を用いた第２の絶縁層１０７は未結合手を多く含むため、酸化物半導体層１１３ａ、酸化物半導体層１１３ｃに残存する不純物は、酸化物半導体層と第２の絶縁層１０７が接する界面を介して、第２の絶縁層１０７に拡散し易くなる。具体的には、酸化物半導体層に含まれる水素原子や、Ｈ_２Ｏなど水素原子を含む化合物が第２の絶縁層１０７に拡散移動し易くなる。

本実施の形態では、純度が６Ｎであり、柱状多結晶Ｂドープの珪素ターゲット（抵抗値０．０１Ωｃｍ）を用い、基板とターゲットの間との距離（Ｔ−Ｓ間距離）を８９ｍｍ、圧力０．４Ｐａ、直流（ＤＣ）電源６ｋＷ、酸素（酸素流量比率１００％）雰囲気下でパルスＤＣスパッタ法により成膜する。膜厚は３００ｎｍとする。

次いで、第５のフォトリソグラフィ工程で形成したレジストマスクを用いて選択的にエッチングして、第２の絶縁層に開口部１２６ａ、開口部１２６ｂ、開口部１２７ａを設ける。

次いで、信号線１１６ａ、第３の電極１１６ｃ、並びに第４の電極１１６ｄを形成する。まず、信号線１１６ａ、第３の電極１１６ｃ、並びに第４の電極１１６ｄとなる第３の導電層を成膜する。

第３の導電層としては、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗなどの金属材料、または該金属材料を成分とする合金材料で形成する。また、Ａｌ、Ｃｕなどの金属膜の一方または双方にＣｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗなどの高融点金属膜を積層させた構成としても良い。また、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｎｄ、Ｓｃ、ＹなどＡｌ膜に生ずるヒロックやウィスカーの発生を防止する元素が添加されているＡｌ材料を用いることで耐熱性を向上させることが可能となる。

第３の導電層として、チタン層とアルミニウム層とチタン層を積層した３層構造の導電膜を用いる。

第２の絶縁層１０７、絶縁層１０７ｃ、及び開口部を覆って、チタン層とアルミニウム層とチタン層を積層した３層構造の導電膜を、スパッタリング法を用いて成膜する。次いで、第６のフォトリソグラフィ工程で形成したレジストマスクを用いて選択的にエッチングして信号線１１６ａ、第３の電極１１６ｃ、並びに第４の電極１１６ｄを形成する。なお、信号線１１６ａと同一の材料で形成する第３の電極１１６ｃ、及び第４の電極１１６ｄは、トランジスタ１５４のソース電極またはドレイン電極となる。

なお、この段階の断面図を図７（Ｃ）に示す。

次いで、第３の絶縁層１０８を第２の絶縁層１０７上に形成する。なお、第３の絶縁層１０８としては、窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、または窒化アルミニウム膜などを用いることができる。

本実施の形態では、第３の絶縁層１０８として窒化珪素を用いる。第３の絶縁層１０８はＲＦスパッタ法を用いて形成できる。

第２の絶縁層１０７の形成後、第２の加熱処理（好ましくは２００℃以上４００℃以下、例えば２５０℃以上３５０℃以下）を希ガス雰囲気下、または窒素ガス雰囲気下で行ってもよい。

例えば、窒素ガス雰囲気下で２５０℃、１時間の第２の加熱処理を行う。第２の加熱処理を行うと、酸化物半導体層１１３ａ、及び酸化物半導体層１１３ｃの一部が第２の絶縁層１０７と接した状態で加熱され、また、酸化物半導体層１１３ａの他の一部はバリア層（１１４ａ及び１１４ｂ）と接し、酸化物半導体層１１３ｃの他の一部が信号線（１１６ａ、及び１１６ｂ）と接した状態で加熱される。

第１の加熱処理を施して脱水化または脱水素化された酸化物半導体層は、同時に酸素欠損が生じ、即ちＮ型化（Ｎ⁻化、Ｎ^＋化など）する。

Ｎ型化（Ｎ⁻化、Ｎ^＋化など）した酸化物半導体層が酸化物絶縁層と接した状態で第２の加熱処理を施されると酸素欠損が解消されて高抵抗化（ｉ型化）する。

このような工程を経て酸化物半導体層は高純度化される。また、高純度化された酸化物半導体層を用いて作製したトランジスタは、ゲート電極の電位が０のときにオフ状態（所謂ノーマリーオフの特性）のスイッチング素子を実現できる。

なお、トランジスタの電気特性のうち、特にしきい値電圧（Ｖｔｈ）は重要である。電界効果移動度が高くともしきい値電圧値が高い、或いはしきい値電圧値がマイナスであると、回路として制御することが困難である。しきい値電圧の絶対値が大きいトランジスタの場合には、駆動電圧が低い状態ではトランジスタとしてのスイッチング機能を果たすことができず、負荷となる恐れがある。

ｎチャネル型のトランジスタの場合、ゲート電圧に正の電圧を印加してはじめてチャネルが形成されて、ドレイン電流が流れ出すトランジスタが望ましい。駆動電圧を高くしないとチャネルが形成されないトランジスタや、負の電圧状態でもチャネルが形成されてドレイン電流が流れるトランジスタは、回路に用いるトランジスタとしては不向きである。なお、トランジスタのしきい値電圧値がマイナスであると、ゲート電圧が０Ｖでもソース電極とドレイン電極の間に電流が流れる、所謂ノーマリーオン特性となりやすい。

アクティブマトリクス型の表示装置においては、回路を構成するトランジスタの電気特性が重要であり、この電気特性が表示装置の性能を左右する。トランジスタを表示装置に用いる場合、０Ｖにできるだけ近い正のしきい値電圧をゲートに加えてチャネルが形成されることが表示装置には望ましい。

本実施の形態においては、酸化物半導体層１１３ａ、及び酸化物半導体層１１３ｃのチャネル形成領域が第２の絶縁層１０７と接した状態で加熱され、高抵抗化（ｉ型化）する。その結果、酸化物半導体層１１３ａを有するトランジスタ１５３、及び酸化物半導体層１１３ｃを有するトランジスタ１５４はノーマリーオフの特性を示すようになる。

また、酸化物半導体層に酸素親和性の強い金属導電層が接する場合、第２の加熱処理を行うと該金属導電層側に酸素が移動しやすくなり、該酸化物半導体層の金属導電層が接する領域はＮ型化する。

本実施の形態においては、酸化物半導体層１１３ｃの第３の電極１１６ｃが接する領域と、第４の電極１１６ｄが接する領域が加熱によりＮ型化する。

なお、第２の加熱処理を行うタイミングは、第６のフォトリソグラフィ工程の終了直後に限定されず、第５のフォトリソグラフィ工程よりも後の工程であれば特に限定されない。

以上の工程により、トランジスタ１５３、及びトランジスタ１５４を作製することができる。

本実施の形態の半導体素子の作製方法によれば、酸化物導電層と高純度化された酸化物半導体層の間に水素及び酸素の拡散を阻害するバリア層が設けられ、酸化物導電層が含む不純物（例えば、水素原子を含む不純物）が酸化物半導体層に拡散する現象が抑制された。半導体素子を作製できる。また、バリア層によって、酸化物半導体層が含む酸素原子が酸化物導電層に拡散する現象が抑制された半導体素子を作製できる。

また、本実施の形態で例示した半導体素子の作製方法によれば、高純度化された酸化物半導体層がバリア層により保護され、ノーマリ−オフの特性と、オフ電流が低減された特性を有し、また経時的に特性が変化し難く、信頼性に優れた透光性を有する半導体素子を作製できる。

（実施の形態３）
本実施の形態では、半導体装置と同一基板上に設けられる端子部の構成の一例を図８に示す。なお、図８において、図１と同じ箇所には同じ符号を用いて説明する。

図８（Ａ−１）、図８（Ａ−２）は、ゲート配線端子部の上面図及び断面図をそれぞれ図示している。図８（Ａ−１）は図８（Ａ−２）中のｊ−ｋ線に沿った断面図に相当する。

図８（Ａ−１）において、第１の端子４１１は入力端子として機能する接続用の端子である。第１の端子４１１は、ゲート配線と同一の材料で形成される導電層１１１ｅと、第２の導電層と同一の材料で形成される導電層１１５ｅが、バリア層１１４ｅを介して積層されている。なお、図示されていないが導電層１１１ｅはゲート配線と電気的に接続されている。

また、図８（Ｂ−１）、図８（Ｂ−２）は、ゲート配線端子部の上面図及び断面図をそれぞれ図示している。図８（Ｂ−１）は図８（Ｂ−２）中のｊ−ｋ線に沿った断面図に相当する。

図８（Ｂ−１）において、第２の端子４１２は入力端子として機能する接続用の端子である。第２の端子４１２は、ゲート配線と同一の材料で形成される導電層１１１ｆと、第２の導電層と同一の材料で形成される導電層１１５ｆが、バリア層１１４ｆを介して積層されている。導電層１１１ｆは第３の導電層と同一の材料で形成される導電層１１６と電気的に接続されている。また、図示されていないが導電層１１６は信号線と電気的に接続されている。

ゲート配線、信号線、共通電位線、及び電源供給線は画素密度に応じて複数本設けられるものである。また、端子部においては、ゲート配線と同電位の第１の端子、信号線と同電位の第２の端子、電源供給線と同電位の第３の端子、共通電位線と同電位の第４の端子などが複数並べられて配置される。それぞれの端子の数は、それぞれ任意な数で設ければ良いものとし、実施者が適宣決定すれば良い。

本実施の形態は他の実施の形態と自由に組み合わせることができる。

（実施の形態４）
本実施の形態では、酸化物半導体層のチャネル形成領域の上下に絶縁層を介して一対の電極層を配置する４端子構造のトランジスタを２つ用いてインバータ回路を構成する例を、図９を用いて以下に説明する。図９（Ａ）に示すトランジスタは、実施の形態１の図１に示したトランジスタ１５２と同様な方法で作成できる。なお、本実施の形態のインバータ回路は画素部を駆動する駆動回路に用いることができる。

画素部を駆動するための駆動回路は、例えば画素部の周辺に配置され、インバータ回路、容量、抵抗などを用いて構成する。インバータ回路の一態様には２つのｎチャネル型の特性を有するトランジスタを組み合わせて形成するものがある。例えば、エンハンスメント型トランジスタとデプレッション型トランジスタとを組み合わせて形成するもの（以下、ＥＤＭＯＳ回路という）と、エンハンスメント型トランジスタ同士で形成するもの（以下、ＥＥＭＯＳ回路という）がある。

駆動回路のインバータ回路の断面構造を図９（Ａ）に示す。

第１のトランジスタ４４０Ａは、基板４００上に第１の導電層で形成されるゲート電極４２１ａを有し、ゲート電極４２１ａ上に第１の絶縁層４０２に接してチャネル形成領域を含む酸化物半導体層４０４ａを有する。また、第２の導電層で形成され、ゲート電極４２１ａ上に端部を重畳し、酸化物半導体層４０４ａにバリア層を介して接する第１の電極４５５ａと第２の電極４５５ｂを有する。なお、第１の電極４５５ａと第２の電極４５５ｂは第１のトランジスタ４４０Ａのソース電極またはドレイン電極として機能する。また、第１の電極４５５ａ、第２の電極４５５ｂ、第１の絶縁層４０２、並びに酸化物半導体層４０４ａ上に、第２の絶縁層４２８を有し、第２の絶縁層４２８上に第３の導電層からなる電極４２２ａを有する。

第２のトランジスタ４４０Ｂは、基板４００上に第１の導電層で形成されるゲート電極４２１ｂを有し、ゲート電極４２１ｂ上に第１の絶縁層４０２に接してチャネル形成領域を含む酸化物半導体層４０４ｂを有する。また、第２の導電層で形成され、ゲート電極４２１ｂ上に端部を重畳し、酸化物半導体層４０４ｂにバリア層を介して接する第３の電極４５５ｃと第４の電極４５５ｄを有する。なお、第３の電極４５５ｃと第４の電極４５５ｄは第２のトランジスタ４４０Ｂのソース電極またはドレイン電極として機能する。また、第３の電極４５５ｃ、第４の電極４５５ｄ、第１の絶縁層４０２、並びに酸化物半導体層４０４ｂ上に、第２の絶縁層４２８を有し、第２の絶縁層４２８上に第３の導電層からなる電極４２２ｂを有する。

なお、第１のトランジスタ４４０Ａと第２のトランジスタ４４０Ｂは同一の導電膜で形成される第２の電極４５５ｂと第３の電極４５５ｃで電気的に接続されている。また、第３の電極４５５ｃは、コンタクトホール４０８を介して第２のトランジスタ４４０Ｂのゲート電極４２１ｂと接続されている。

第１のトランジスタ４４０Ａ及び第２のトランジスタ４４０Ｂは、実施の形態２で説明した方法を用いて作製できるため詳細な説明を省略する。なお、第１の絶縁層４０２にコンタクトホール４０８を形成した後に、第２の導電層を設け、コンタクトホール４０８を介して第３の電極４５５ｃと接続された第２の配線４１０ｂと第２の電極４５５ｂが直接接続する構成が好ましい。接続に要するコンタクトホールの数が少ないため、電気抵抗を小さくできるだけでなく、コンタクトホールが占有する面積を小さくできる。

第１のトランジスタ４４０Ａが有する第１の電極４５５ａと接続する第１の配線４１０ａは、負の電圧ＶＤＬが印加される電源線（負電源線）である。この電源線は、接地電位の電源線（接地電源線）としてもよい。

また、第２のトランジスタ４４０Ｂが有する第４の電極４５５ｄと接続する第３の配線４１０ｃは、正の電圧ＶＤＨが印加される電源線（正電源線）である。

また、駆動回路のインバータ回路の上面図を図９（Ｃ）に示す。図９（Ｃ）において、鎖線Ｚ１−Ｚ２で切断した断面が図９（Ａ）に相当する。

また、ＥＤＭＯＳ回路の等価回路を図９（Ｂ）に示す。図９（Ａ）に示す回路接続は、図９（Ｂ）に相当し、第１のトランジスタ４４０Ａをエンハンスメント型のｎチャネル型トランジスタとし、第２のトランジスタ４４０Ｂをデプレッション型のｎチャネル型トランジスタとする例である。

本実施の形態では、第１のトランジスタ４４０Ａ、及び第２のトランジスタ４４０Ｂの閾値を制御するため、高純度化された酸化物半導体層のチャネル形成領域の上に絶縁層を介して設けた第３の導電層からなる電極を用いる。具体的には、第１のトランジスタ４４０Ａをエンハンスメント型、第２のトランジスタ４４０Ｂをデプレッション型にするよう、それぞれの電極４２２ａと電極４２２ｂに電圧を与えればよい。

なお、図９（Ａ）及び図９（Ｃ）では、第２の配線４１０ｂは、第１の絶縁層４０２に形成されたコンタクトホール４０８を介してゲート電極４２１ｂと直接接続する例を示したが、特に限定されず、接続電極を別途設けて第２の配線４１０ｂとゲート電極４２１ｂとを電気的に接続してもよい。

以上のように、酸化物半導体層のチャネル形成領域の上に絶縁層を介して電極層を配置して、トランジスタの閾値を制御し、インバータ回路を構成できる。デュアルゲート構造によりトランジスタの閾値を制御することで、酸化物半導体膜を作り分けずにエンハンスメント型トランジスタとデプレッション型トランジスタを同一基板上に作製できるため作製工程が簡便である。

また、高純度化された酸化物半導体により高い電界効果移動度を有するトランジスタを用いて、動特性に優れたインバータ回路を提供できる。

また、本実施の形態は、他の実施の形態と自由に組み合わせることができる。

（実施の形態５）
本実施の形態では、画素部の透光性を有するトランジスタと同一基板上に、同一の工程で並行して作製できるトランジスタを有する駆動回路と、それを用いた表示装置の駆動方法の一例について以下に説明する。

画素部に配置するトランジスタは、実施の形態１または実施の形態２に従って形成する。また、実施の形態１または実施の形態２に示すトランジスタはｎチャネル型トランジスタであるため、駆動回路のうち、ｎチャネル型トランジスタで構成することができる駆動回路の一部を画素部のトランジスタと同一基板上に形成する。

アクティブマトリクス型表示装置のブロック図の一例を図１０（Ａ）に示す。表示装置の基板５３００上には、画素部５３０１、第１の走査線駆動回路５３０２、第２の走査線駆動回路５３０３、信号線駆動回路５３０４を有する。画素部５３０１には、複数の信号線が信号線駆動回路５３０４から延伸して配置され、複数の走査線が第１の走査線駆動回路５３０２、及び第２の走査線駆動回路５３０３から延伸して配置されている。なお走査線と信号線との交差領域には、各々、表示素子を有する画素がマトリクス状に配置されている。また、表示装置の基板５３００はＦＰＣ（ＦｌｅｘｉｂｌｅＰｒｉｎｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）等の接続部を介して、タイミング制御回路５３０５（コントローラ、制御ＩＣともいう）に接続されている。

図１０（Ａ）では、第１の走査線駆動回路５３０２、第２の走査線駆動回路５３０３、信号線駆動回路５３０４は、画素部５３０１と同じ基板５３００上に形成される。そのため、外部に設ける駆動回路等の部品の数が減るので、コストの低減を図ることができる。また、基板５３００外部に駆動回路を設けた場合、配線を延伸させる必要が生じ、配線間の接続数が増える。同じ基板５３００上に駆動回路を設けた場合、その配線間の接続数を減らすことができ、信頼性の向上、又は歩留まりの向上を図ることができる。

なお、タイミング制御回路５３０５は、第１の走査線駆動回路５３０２に対し、一例として、第１の走査線駆動回路用スタート信号（ＧＳＰ１）（スタート信号はスタートパルスともいう）、走査線駆動回路用クロック信号（ＧＣＫ１）を供給する。また、タイミング制御回路５３０５は、第２の走査線駆動回路５３０３に対し、一例として、第２の走査線駆動回路用スタート信号（ＧＳＰ２）、走査線駆動回路用クロック信号（ＧＣＫ２）を供給する。信号線駆動回路５３０４に、信号線駆動回路用スタート信号（ＳＳＰ）、信号線駆動回路用クロック信号（ＳＣＫ）、ビデオ信号用データ（ＤＡＴＡ）（単にビデオ信号ともいう）、ラッチ信号（ＬＡＴ）を供給するものとする。なお各クロック信号は、周期のずれた複数のクロック信号でもよいし、クロック信号を反転させた信号（ＣＫＢ）とともに供給されるものであってもよい。なお、第１の走査線駆動回路５３０２と第２の走査線駆動回路５３０３との一方を省略することが可能である。

図１０（Ｂ）では、駆動周波数が低い回路（例えば、第１の走査線駆動回路５３０２、第２の走査線駆動回路５３０３）を画素部５３０１と同じ基板５３００に形成し、信号線駆動回路５３０４を画素部５３０１とは別の基板に形成する構成について示している。当該構成により、単結晶半導体を用いたトランジスタと比較すると電界効果移動度が小さいトランジスタによって、基板５３００に形成する駆動回路を構成することができる。したがって、表示装置の大型化、工程数の削減、コストの低減、又は歩留まりの向上などを図ることができる。

また、実施の形態１または実施の形態２に示すトランジスタは、ｎチャネル型トランジスタである。図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）ではｎチャネル型トランジスタで構成する信号線駆動回路の構成、動作について一例を示し説明する。

信号線駆動回路は、シフトレジスタ５６０１、及びスイッチング回路５６０２を有する。スイッチング回路５６０２は、スイッチング回路５６０２＿１〜５６０２＿Ｎ（Ｎは自然数）という複数の回路を有する。スイッチング回路５６０２＿１〜５６０２＿Ｎは、各々、トランジスタ５６０３＿１〜５６０３＿ｋ（ｋは自然数）という複数のトランジスタを有する。トランジスタ５６０３＿１〜５６０３＿ｋは、Ｎチャネル型トランジスタである例を説明する。

信号線駆動回路の接続関係について、スイッチング回路５６０２＿１を例にして説明する。トランジスタ５６０３＿１〜５６０３＿ｋの第１端子は、各々、配線５６０４＿１〜５６０４＿ｋと接続される。トランジスタ５６０３＿１〜５６０３＿ｋの第２端子は、各々、信号線Ｓ１〜Ｓｋと接続される。トランジスタ５６０３＿１〜５６０３＿ｋのゲートは、配線５６０５＿１と接続される。

シフトレジスタ５６０１は、配線５６０５＿１〜５６０５＿Ｎに順番にＨレベル（Ｈ信号、高電源電位レベル、ともいう）の信号を出力し、スイッチング回路５６０２＿１〜５６０２＿Ｎを順番に選択する機能を有する。

スイッチング回路５６０２＿１は、配線５６０４＿１〜５６０４＿ｋと信号線Ｓ１〜Ｓｋとの導通状態（第１端子と第２端子との間の導通）を制御する機能、即ち配線５６０４＿１〜５６０４＿ｋの電位を信号線Ｓ１〜Ｓｋに供給するか否かを制御する機能を有する。このように、スイッチング回路５６０２＿１は、セレクタとしの機能を有する。またトランジスタ５６０３＿１〜５６０３＿ｋは、各々、配線５６０４＿１〜５６０４＿ｋと信号線Ｓ１〜Ｓｋとの導通状態を制御する機能、即ち配線５６０４＿１〜５６０４＿ｋの電位を信号線Ｓ１〜Ｓｋに供給する機能を有する。このように、トランジスタ５６０３＿１〜５６０３＿ｋは、各々、スイッチとしての機能を有する。

なお、配線５６０４＿１〜５６０４＿ｋには、各々、ビデオ信号用データ（ＤＡＴＡ）が入力される。ビデオ信号用データ（ＤＡＴＡ）は、画像情報又は画像信号に応じたアナログ信号である場合が多い。

次に、図１１（Ａ）の信号線駆動回路の動作について、図１１（Ｂ）のタイミングチャートを参照して説明する。図１１（Ｂ）には、信号Ｓｏｕｔ＿１〜Ｓｏｕｔ＿Ｎ、及び信号Ｖｄａｔａ＿１〜Ｖｄａｔａ＿ｋの一例を示す。信号Ｓｏｕｔ＿１〜Ｓｏｕｔ＿Ｎは、各々、シフトレジスタ５６０１の出力信号の一例であり、信号Ｖｄａｔａ＿１〜Ｖｄａｔａ＿ｋは、各々、配線５６０４＿１〜５６０４＿ｋに入力される信号の一例である。なお、信号線駆動回路の１動作期間は、表示装置における１ゲート選択期間に対応する。１ゲート選択期間は、一例として、期間Ｔ１〜期間ＴＮに分割される。期間Ｔ１〜ＴＮは、各々、選択された行に属する画素にビデオ信号用データ（ＤＡＴＡ）を書き込むための期間である。

期間Ｔ１〜期間ＴＮにおいて、シフトレジスタ５６０１は、Ｈレベルの信号を配線５６０５＿１〜５６０５＿Ｎに順番に出力する。例えば、期間Ｔ１において、シフトレジスタ５６０１は、ハイレベルの信号を配線５６０５＿１に出力する。すると、トランジスタ５６０３＿１〜５６０３＿ｋはオンになるので、配線５６０４＿１〜５６０４＿ｋと、信号線Ｓ１〜Ｓｋとが導通状態になる。このとき、配線５６０４＿１〜５６０４＿ｋには、Ｄａｔａ（Ｓ１）〜Ｄａｔａ（Ｓｋ）が入力される。Ｄａｔａ（Ｓ１）〜Ｄａｔａ（Ｓｋ）は、各々、トランジスタ５６０３＿１〜５６０３＿ｋを介して、選択される行に属する画素のうち、１列目〜ｋ列目の画素に書き込まれる。こうして、期間Ｔ１〜ＴＮにおいて、選択された行に属する画素に、ｋ列ずつ順番にビデオ信号用データ（ＤＡＴＡ）が書き込まれる。

以上のように、ビデオ信号用データ（ＤＡＴＡ）が複数の列ずつ画素に書き込まれることによって、ビデオ信号用データ（ＤＡＴＡ）の数、又は配線の数を減らすことができる。よって、外部回路との接続数を減らすことができる。また、ビデオ信号が複数の列ずつ画素に書き込まれることによって、書き込み時間を長くすることができ、ビデオ信号の書き込み不足を防止することができる。

なお、シフトレジスタ５６０１及びスイッチング回路５６０２としては、実施の形態１または実施の形態２に示すトランジスタで構成される回路を用いることが可能である。この場合、シフトレジスタ５６０１が有する全てのトランジスタの極性をＮチャネル型、又はＰチャネル型のいずれかの極性のみで構成することができる。

なお、走査線駆動回路の構成について説明する。走査線駆動回路は、シフトレジスタを有している。また場合によってはレベルシフタやバッファ等を有していても良い。走査線駆動回路において、シフトレジスタにクロック信号（ＣＬＫ）及びスタートパルス信号（ＳＰ）が入力されることによって、選択信号が生成される。生成された選択信号はバッファにおいて緩衝増幅され、対応する走査線に供給される。走査線には、１ライン分の画素のトランジスタのゲート電極が接続されている。そして、１ライン分の画素のトランジスタを一斉にＯＮにしなくてはならないので、バッファは大きな電流を流すことが可能なものが用いられる。

走査線駆動回路、信号線駆動回路のシフトレジスタについて、図１２及び図１３を参照して説明する。シフトレジスタは、第１のパルス出力回路１０＿１乃至第Ｎのパルス出力回路１０＿Ｎ（Ｎは３以上の自然数）を有している（図１２（Ａ）参照）。図１２（Ａ）に示すシフトレジスタの第１のパルス出力回路１０＿１乃至第Ｎのパルス出力回路１０＿Ｎには、第１の配線１１より第１のクロック信号ＣＫ１、第２の配線１２より第２のクロック信号ＣＫ２、第３の配線１３より第３のクロック信号ＣＫ３、第４の配線１４より第４のクロック信号ＣＫ４が供給される。また第１のパルス出力回路１０＿１では、第５の配線１５からのスタートパルスＳＰ１（第１のスタートパルス）が入力される。また２段目以降の第ｎのパルス出力回路１０＿ｎ（ｎは、２以上Ｎ以下の自然数）では、一段前段のパルス出力回路からの信号（前段信号ＯＵＴ（ｎ−１）という）（ｎは２以上の自然数）が入力される。また第１のパルス出力回路１０＿１では、２段後段の第３のパルス出力回路１０＿３からの信号が入力される。同様に、２段目以降の第ｎのパルス出力回路１０＿ｎでは、２段後段の第（ｎ＋２）のパルス出力回路１０＿（ｎ＋２）からの信号（後段信号ＯＵＴ（ｎ＋２）という）が入力される。したがって、各段のパルス出力回路からは、後段及び／または二つ前段のパルス出力回路に入力するための第１の出力信号（ＯＵＴ（１）（ＳＲ）〜ＯＵＴ（Ｎ）（ＳＲ））、別の回路等に入力される第２の出力信号（ＯＵＴ（１）〜ＯＵＴ（Ｎ））が出力される。なお、図１２（Ａ）に示すように、シフトレジスタの最終段の２つの段には、後段信号ＯＵＴ（ｎ＋２）が入力されないが、一例としては、別途第６の配線１６より第２のスタートパルスＳＰ２、第７の配線１７より第３のスタートパルスＳＰ３をそれぞれ入力する構成とすればよい。または、別途シフトレジスタの内部で生成された信号であってもよい。例えば、画素部へのパルス出力に寄与しない第（Ｎ＋１）のパルス出力回路１０＿（Ｎ＋１）、第（Ｎ＋２）のパルス出力回路１０＿（Ｎ＋２）を設け（ダミー段ともいう）、当該ダミー段より第２のスタートパルス（ＳＰ２）及び第３のスタートパルス（ＳＰ３）に相当する信号を生成する構成としてもよい。

なお、クロック信号（ＣＫ）は、一定の間隔でＨレベルとＬレベル（Ｌ信号、低電源電位レベル、ともいう）を繰り返す信号である。ここで、第１のクロック信号（ＣＫ１）〜第４のクロック信号（ＣＫ４）は、順に１／４周期分遅延している。本実施の形態では、第１のクロック信号（ＣＫ１）〜第４のクロック信号（ＣＫ４）を利用して、パルス出力回路の駆動の制御等を行う。なお、クロック信号は、入力される駆動回路に応じて、ＧＣＫ、ＳＣＫということもあるが、ここではＣＫとして説明を行う

第１の入力端子２１、第２の入力端子２２及び第３の入力端子２３は、第１の配線１１〜第４の配線１４のいずれかと電気的に接続されている。例えば、図１２（Ａ）において、第１のパルス出力回路１０＿１は、第１の入力端子２１が第１の配線１１と電気的に接続され、第２の入力端子２２が第２の配線１２と電気的に接続され、第３の入力端子２３が第３の配線１３と電気的に接続されている。また、第２のパルス出力回路１０＿２は、第１の入力端子２１が第２の配線１２と電気的に接続され、第２の入力端子２２が第３の配線１３と電気的に接続され、第３の入力端子２３が第４の配線１４と電気的に接続されている。

第１のパルス出力回路１０＿１〜第Ｎのパルス出力回路１０＿Ｎの各々は、第１の入力端子２１、第２の入力端子２２、第３の入力端子２３、第４の入力端子２４、第５の入力端子２５、第１の出力端子２６、第２の出力端子２７を有しているとする（図１２（Ｂ）参照）。第１のパルス出力回路１０＿１において、第１の入力端子２１に第１のクロック信号ＣＫ１が入力され、第２の入力端子２２に第２のクロック信号ＣＫ２が入力され、第３の入力端子２３に第３のクロック信号ＣＫ３が入力され、第４の入力端子２４にスタートパルスが入力され、第５の入力端子２５に後段信号ＯＵＴ（３）が入力され、第１の出力端子２６より第１の出力信号ＯＵＴ（１）（ＳＲ）が出力され、第２の出力端子２７より第２の出力信号ＯＵＴ（１）が出力されていることとなる。また、図示していないが、パルス出力回路は、電源線５１、電源線５２、及び電源線５３と接続されている。

次に、パルス出力回路の具体的な回路構成の一例について、図１２（Ｃ）で説明する。

第１のパルス出力回路１０＿１は、第１のトランジスタ３１〜第１１のトランジスタ４１を有している（図１２（Ｃ）参照）。また、上述した第１の入力端子２１〜第５の入力端子２５、及び第１の出力端子２６、第２の出力端子２７に加え、第１の高電源電位ＶＤＤが供給される電源線５１、第２の高電源電位ＶＣＣが供給される電源線５２、低電源電位ＶＳＳが供給される電源線５３から、第１のトランジスタ３１〜第１１のトランジスタ４１に信号、または電源電位が供給される。ここで図１２（Ｃ）の各電源線の電源電位の大小関係は、第１の高電源電位ＶＤＤ＞第２の高電源電位ＶＣＣ＞低電源電位ＶＳＳ（ＶＣＣはＶＤＤより低電位であり、ＶＳＳはＶＣＣよりも低電位である）とする。なお、第１のクロック信号（ＣＫ１）〜第４のクロック信号（ＣＫ４）は、一定の間隔でＨレベルとＬレベルを繰り返す信号であるが、ＨレベルのときＶＤＤ、ＬレベルのときＶＳＳであるとする。なお電源線５２の電位ＶＣＣを、電源線５１の電位ＶＤＤより低くすることにより、動作に影響を与えることなく、トランジスタのゲート電極に印加される電位を低く抑えることができ、トランジスタのしきい値のシフトを低減し、劣化を抑制することができる。

図１２（Ｃ）において第１のトランジスタ３１は、第１端子が電源線５１に電気的に接続され、第２端子が第９のトランジスタ３９の第１端子に電気的に接続され、ゲート電極が第４の入力端子２４に電気的に接続されている。第２のトランジスタ３２は、第１端子が電源線５３に電気的に接続され、第２端子が第９のトランジスタ３９の第１端子に電気的に接続され、ゲート電極が第４のトランジスタ３４のゲート電極に電気的に接続されている。第３のトランジスタ３３は、第１端子が第１の入力端子２１に電気的に接続され、第２端子が第１の出力端子２６に電気的に接続されている。第４のトランジスタ３４は、第１端子が電源線５３に電気的に接続され、第２端子が第１の出力端子２６に電気的に接続されている。第５のトランジスタ３５は、第１端子が電源線５３に電気的に接続され、第２端子が第２のトランジスタ３２のゲート電極及び第４のトランジスタ３４のゲート電極に電気的に接続され、ゲート電極が第４の入力端子２４に電気的に接続されている。第６のトランジスタ３６は、第１端子が電源線５２に電気的に接続され、第２端子が第２のトランジスタ３２のゲート電極及び第４のトランジスタ３４のゲート電極に電気的に接続され、ゲート電極が第５の入力端子２５に電気的に接続されている。第７のトランジスタ３７は、第１端子が電源線５２に電気的に接続され、第２端子が第８のトランジスタ３８の第２端子に電気的に接続され、ゲート電極が第３の入力端子２３に電気的に接続されている。第８のトランジスタ３８は、第１端子が第２のトランジスタ３２のゲート電極及び第４のトランジスタ３４のゲート電極に電気的に接続され、ゲート電極が第２の入力端子２２に電気的に接続されている。第９のトランジスタ３９は、第１端子が第１のトランジスタ３１の第２端子及び第２のトランジスタ３２の第２端子に電気的に接続され、第２端子が第３のトランジスタ３３のゲート電極及び第１０のトランジスタ４０のゲート電極に電気的に接続され、ゲート電極が電源線５２に電気的に接続されている。第１０のトランジスタ４０は、第１端子が第１の入力端子２１に電気的に接続され、第２端子が第２の出力端子２７に電気的に接続され、ゲート電極が第９のトランジスタ３９の第２端子に電気的に接続されている。第１１のトランジスタ４１は、第１端子が電源線５３に電気的に接続され、第２端子が第２の出力端子２７に電気的に接続され、ゲート電極が第２のトランジスタ３２のゲート電極及び第４のトランジスタ３４のゲート電極に電気的に接続されている。

図１２（Ｃ）において、第３のトランジスタ３３のゲート電極、第１０のトランジスタ４０のゲート電極、及び第９のトランジスタ３９の第２端子の接続箇所をノードＡとする。また、第２のトランジスタ３２のゲート電極、第４のトランジスタ３４のゲート電極、第５のトランジスタ３５の第２端子、第６のトランジスタ３６の第２端子、第８のトランジスタ３８の第１端子、及び第１１のトランジスタ４１のゲート電極の接続箇所をノードＢとする（図１３（Ａ）参照）。

なお、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り、ドレイン領域とソース領域の間にチャネル領域を有しており、ドレイン領域とチャネル領域とソース領域とを介して電流を流すことが出来る。ここで、ソースとドレインとは、トランジスタの構造や動作条件等によって変わるため、いずれがソースまたはドレインであるかを限定することが困難である。そこで、ソース及びドレインとして機能する領域を、ソースもしくはドレインと呼ばない場合がある。その場合、一例としては、それぞれを第１端子、第２端子と表記する場合がある。

ここで、図１３（Ａ）に示したパルス出力回路を複数具備するシフトレジスタのタイミングチャートについて図１３（Ｂ）に示す。なおシフトレジスタが走査線駆動回路である場合、図１３（Ｂ）中の期間６１は垂直帰線期間であり、期間６２はゲート選択期間に相当する。

なお、図１３（Ａ）に示すように、ゲート電極に第２の高電源電位ＶＣＣが印加される第９のトランジスタ３９を設けておくことにより、ブートストラップ動作の前後において、以下のような利点がある。

ゲート電極に第２の高電源電位ＶＣＣが印加される第９のトランジスタ３９がない場合、ブートストラップ動作によりノードＡの電位が上昇すると、第１のトランジスタ３１の第２端子であるソースの電位が上昇していき、第１の高電源電位ＶＤＤより大きくなる。そして、第１のトランジスタ３１のソースが第１端子側、即ち電源線５１側に切り替わる。そのため、第１のトランジスタ３１においては、ゲートとソースの間、ゲートとドレインの間ともに、大きなバイアス電圧が印加されるために大きなストレスがかかり、トランジスタの劣化の要因となりうる。そこで、ゲート電極に第２の高電源電位ＶＣＣが印加される第９のトランジスタ３９を設けておくことにより、ブートストラップ動作によりノードＡの電位は上昇するものの、第１のトランジスタ３１の第２端子の電位の上昇を生じないようにすることができる。つまり、第９のトランジスタ３９を設けることにより、第１のトランジスタ３１のゲートとソースの間に印加される負のバイアス電圧の値を小さくすることができる。よって、本実施の形態の回路構成とすることにより、第１のトランジスタ３１のゲートとソースの間に印加される負のバイアス電圧も小さくできるため、ストレスによる第１のトランジスタ３１の劣化を抑制することができる。

なお、第９のトランジスタ３９を設ける箇所については、第１のトランジスタ３１の第２端子と第３のトランジスタ３３のゲートとの間に第１端子と第２端子を介して接続されるように設ける構成であればよい。なお、本実施形態でのパルス出力回路を複数具備するシフトレジスタの場合、走査線駆動回路より段数の多い信号線駆動回路では、第９のトランジスタ３９を省略してもよく、トランジスタ数を削減する利点がある。

なお第１のトランジスタ３１乃至第１１のトランジスタ４１の半導体層として、酸化物半導体を用いることにより、トランジスタのオフ電流を低減すると共に、オン電流及び電界効果移動度を高めることが出来る。また、劣化の度合いを低減することが出来るため、回路内の誤動作を低減することができる。また酸化物半導体を用いたトランジスタは、アモルファスシリコンを用いたトランジスタに比べ、ゲート電極に高電位が印加されることによるトランジスタの劣化の程度が小さい。そのため、第２の高電源電位ＶＣＣを供給する電源線に、第１の高電源電位ＶＤＤを供給しても同様の動作が得られ、且つ回路間を引き回す電源線の数を低減することができるため、回路の小型化を図ることが出来る。

なお、第７のトランジスタ３７のゲート電極に第３の入力端子２３によって供給されるクロック信号、第８のトランジスタ３８のゲート電極に第２の入力端子２２によって供給されるクロック信号は、第７のトランジスタのゲート電極に第２の入力端子２２によって供給されるクロック信号、第８のゲート電極に第３の入力端子２３によって供給されるクロック信号となるように、結線関係を入れ替えても同様の作用を奏する。なお、図１３（Ａ）に示すシフトレジスタにおいて、第７のトランジスタ３７及び第８のトランジスタ３８が共にオンの状態から、第７のトランジスタ３７がオフ、第８のトランジスタ３８がオンの状態、次いで第７のトランジスタ３７がオフ、第８のトランジスタ３８がオフの状態とすることによって、第２の入力端子２２及び第３の入力端子２３の電位が低下することで生じる、ノードＢの電位の低下が第７のトランジスタ３７のゲート電極の電位の低下、及び第８のトランジスタ３８のゲート電極の電位の低下に起因して２回生じることとなる。一方、図１３（Ａ）に示すシフトレジスタにおいて、第７のトランジスタ３７及び第８のトランジスタ３８が共にオンの状態から、第７のトランジスタ３７がオン、第８のトランジスタ３８がオフの状態、次いで、第７のトランジスタ３７がオフ、第８のトランジスタ３８がオフの状態とすることによって、第２の入力端子２２及び第３の入力端子２３の電位が低下することで生じるノードＢの電位の低下を、第８のトランジスタ３８のゲート電極の電位の低下による一回に低減することができる。そのため、第７のトランジスタ３７のゲート電極に第３の入力端子２３からクロック信号ＣＫ３が供給され、第８のトランジスタ３８のゲート電極に第２の入力端子２２からクロック信号ＣＫ２が供給される結線関係とすることが好適である。なぜなら、ノードＢの電位の変動回数が低減され、ノイズを低減することが出来るからである。

このように、第１の出力端子２６及び第２の出力端子２７の電位をＬレベルに保持する期間に、ノードＢに定期的にＨレベルの信号が供給される構成とすることにより、パルス出力回路の誤動作を抑制することができる。

（実施の形態６）
本実施の形態では、本発明の半導体装置の一例として、実施の形態１または実施の形態２と同様に形成したトランジスタを画素部、さらには駆動回路に用いて表示機能を有する半導体装置（表示装置ともいう）を作製することができる。また、実施の形態１または実施の形態２と同様に形成したトランジスタを用いた駆動回路の一部または全体を、画素部と同じ基板上に一体形成し、システムオンパネルを形成することができる。

表示装置は表示素子を含む。表示素子としては液晶素子（液晶表示素子ともいう）、発光素子（発光表示素子ともいう）を用いることができる。発光素子は、電流または電圧によって輝度が制御される素子をその範疇に含んでおり、具体的には無機ＥＬ（ＥｌｅｃｔｒｏＬｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）素子、有機ＥＬ素子等が含まれる。また、電子インクなど、電気的作用によりコントラストが変化する表示媒体も適用することができる。

また、表示装置は、表示素子が封止された状態にあるパネルと、該パネルにコントローラを含むＩＣ等を実装した状態にあるモジュールとを含む。さらに本発明の一態様は、該表示装置を作製する過程における、表示素子が完成する前の一形態に相当する素子基板に関し、該素子基板は、電流を表示素子に供給するための手段を複数の各画素に備える。素子基板は、具体的には、表示素子の画素電極層のみが形成された状態であっても良いし、画素電極層となる導電膜を成膜した後であって、エッチングして画素電極層を形成する前の状態であっても良いし、あらゆる形態があてはまる。

なお、本明細書中における表示装置とは、画像表示デバイス、表示デバイス、もしくは光源（照明装置含む）を指す。また、コネクター、例えばＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅｐｒｉｎｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔ）もしくはＴＡＢ（ＴａｐｅＡｕｔｏｍａｔｅｄＢｏｎｄｉｎｇ）テープもしくはＴＣＰ（ＴａｐｅＣａｒｒｉｅｒＰａｃｋａｇｅ）が取り付けられたモジュール、ＴＡＢテープやＴＣＰの先にプリント配線板が設けられたモジュール、または表示素子にＣＯＧ（ＣｈｉｐＯｎＧｌａｓｓ）方式によりＩＣ（集積回路）が直接実装されたモジュールも全て表示装置に含むものとする。

本実施の形態では、本発明の半導体装置の一形態に相当する液晶表示パネルの外観及び断面について、図１４を用いて説明する。図１４は、第１の基板４００１上に実施の形態２と同様に形成したトランジスタ４０１０、４０１１、及び液晶素子４０１３を、第１の基板４００１と第２の基板４００６との間にシール材４００５によって封止した、パネルの上面図であり、図１４（Ｂ）は、図１４（Ａ１）（Ａ２）のＭ−Ｎにおける断面図に相当する。

第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２と、走査線駆動回路４００４とを囲むようにして、シール材４００５が設けられている。また画素部４００２と、走査線駆動回路４００４の上に第２の基板４００６が設けられている。よって画素部４００２と、走査線駆動回路４００４とは、第１の基板４００１とシール材４００５と第２の基板４００６によって、液晶層４００８と共に封止されている。また第１の基板４００１上のシール材４００５によって囲まれている領域とは異なる領域に、別途用意された基板上に単結晶半導体膜又は多結晶半導体膜で形成された信号線駆動回路４００３が実装されている。

なお、別途形成した駆動回路の接続方法は、特に限定されるものではなく、ＣＯＧ法、ワイヤボンディング法、或いはＴＡＢ法などを用いることができる。図１４（Ａ１）は、ＣＯＧ法により信号線駆動回路４００３を実装する例であり、図１４（Ａ２）は、ＴＡＢ法により信号線駆動回路４００３を実装する例である。

また第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２と、走査線駆動回路４００４は、トランジスタを複数有しており、図１４（Ｂ）では、画素部４００２に含まれるトランジスタ４０１０と、走査線駆動回路４００４に含まれるトランジスタ４０１１とを例示している。トランジスタ４０１０、４０１１上には絶縁層４０２０、４０２１が設けられている。

トランジスタ４０１０、４０１１は、例えば実施の形態１または実施の形態２に示すトランジスタを適用することができる。本実施の形態において、トランジスタ４０１０、４０１１はｎチャネル型トランジスタである。

また、液晶素子４０１３が有する画素電極層４０３０は、トランジスタ４０１０と電気的に接続されている。そして液晶素子４０１３の対向電極層４０３１は第２の基板４００６上に形成されている。画素電極層４０３０と対向電極層４０３１と液晶層４００８とが重なっている部分が、液晶素子４０１３に相当する。なお、画素電極層４０３０、対向電極層４０３１はそれぞれ配向膜として機能する絶縁層４０３２、４０３３が設けられ、絶縁層４０３２、４０３３を介して液晶層４００８を挟持している。

なお、第１の基板４００１、第２の基板４００６としては、ガラス、金属（代表的にはステンレス）、セラミックス、プラスチックを用いることができる。プラスチックとしては、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒｇｌａｓｓ−ＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ）板、ＰＶＦ（ポリビニルフルオライド）フィルム、ポリエステルフィルムまたはアクリル樹脂フィルムを用いることができる。また、アルミニウムホイルをＰＶＦフィルムやポリエステルフィルムで挟んだ構造のシートを用いることもできる。

またスペーサ４０３５は絶縁膜を選択的にエッチングすることで得られる柱状のスペーサであり、画素電極層４０３０と対向電極層４０３１との間の距離（セルギャップ）を制御するために設けられている。なお球状のスペーサを用いていても良い。また、対向電極層４０３１は、トランジスタ４０１０と同一基板上に設けられる共通電位線と導電性粒子を介して電気的に接続される。なお、導電性粒子はシール材４００５に含有させる。

また、配向膜を用いないブルー相を示す液晶を用いてもよい。ブルー相は液晶相の一つであり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリック相から等方相へ転移する直前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発現しないため、温度範囲を改善するために５重量％以上のカイラル剤を混合させた液晶組成物を用いて液晶層４００８を形成する。ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、応答速度が１０μｓ〜１００μｓと短く、光学的等方性であるため配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい。

なお本実施の形態は透過型液晶表示装置の例であるが、本発明の一態様は反射型液晶表示装置でも半透過型液晶表示装置でも適用できる。

また、本実施の形態の液晶表示装置では、基板の外側（視認側）に偏光板を設け、内側に着色層、表示素子に用いる電極層という順に設ける例を示すが、偏光板は基板の内側に設けてもよい。また、偏光板と着色層の積層構造も本実施の形態に限定されず、偏光板及び着色層の材料や作製工程条件によって適宜設定すればよい。また、ブラックマトリクスとして機能する遮光膜を設けてもよい。

また、本実施の形態では、トランジスタ起因の表面凹凸を低減するため、及びトランジスタの信頼性を向上させるため、実施の形態１または実施の形態２で得られたトランジスタを保護膜や平坦化絶縁膜として機能する絶縁層（絶縁層４０２０、絶縁層４０２１）で覆う構成となっている。なお、保護膜は、大気中に浮遊する有機物や金属物、水蒸気などの汚染不純物の侵入を防ぐためのものであり、緻密な膜が好ましい。保護膜は、スパッタ法を用いて、酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、又は窒化酸化アルミニウム膜の単層、又は積層で形成すればよい。本実施の形態では保護膜をスパッタ法で形成する例を示すが、特に限定されず種々の方法で形成すればよい。

また、保護膜を形成した後に、インジウム、ガリウム、及び亜鉛を含む酸化物半導体層のアニール（３００℃〜４００℃）を行ってもよい。

また、平坦化絶縁膜として絶縁層４０２１を形成する。絶縁層４０２１としては、ポリイミド、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂等の、耐熱性を有する有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用いることができる。シロキサン系樹脂は、置換基としては有機基（例えばアルキル基やアリール基）やフルオロ基を用いても良い。また、有機基はフルオロ基を有していても良い。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、絶縁層４０２１を形成してもよい。

なおシロキサン系樹脂とは、シロキサン系材料を出発材料として形成されたＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む樹脂に相当する。

絶縁層４０２１の形成法は、特に限定されず、その材料に応じて、スパッタ法、ＳＯＧ法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法、スクリーン印刷、オフセット印刷等）、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイフコーター等を用いることができる。絶縁層４０２１を材料液を用いて形成する場合、ベークする工程で同時に、インジウム、ガリウム、及び亜鉛を含む酸化物半導体層のアニール（３００℃〜４００℃）を行ってもよい。絶縁層４０２１の焼成工程とインジウム、ガリウム、及び亜鉛を含む酸化物半導体層のアニールを兼ねることで効率よく半導体装置を作製することが可能となる。

画素電極層４０３０、対向電極層４０３１は、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物（以下、ＩＴＯと示す。）、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有する導電性材料を用いることができる。

また、画素電極層４０３０、対向電極層４０３１として、導電性高分子（導電性ポリマーともいう）を含む導電性組成物を用いて形成することができる。導電性組成物を用いて形成した画素電極層は、シート抵抗が１００００Ω／□以下、波長５５０ｎｍにおける透光率が７０％以上であることが好ましい。また、導電性組成物に含まれる導電性高分子の抵抗率が０．１Ω・ｃｍ以下であることが好ましい。

導電性高分子としては、いわゆるπ電子共役系導電性高分子を用いることができる。例えば、ポリアニリンまたはその誘導体、ポリピロールまたはその誘導体、ポリチオフェンまたはその誘導体、若しくはこれらの２種以上の共重合体などがあげられる。

また別途形成された信号線駆動回路４００３と、走査線駆動回路４００４と、画素部４００２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ４０１８から供給されている。

本実施の形態では、接続端子電極４０１５が、液晶素子４０１３が有する画素電極層４０３０と同じ導電膜から形成され、端子電極４０１６は、トランジスタ４０１１のソース電極層及びドレイン電極層と同じ導電膜で形成されている。

接続端子電極４０１５は、ＦＰＣ４０１８が有する端子と、異方性導電膜４０１９を介して電気的に接続されている。

また図１４においては、信号線駆動回路４００３を別途形成し、第１の基板４００１に実装している例を示しているが、本実施の形態はこの構成に限定されない。走査線駆動回路を別途形成して実装しても良いし、信号線駆動回路の一部または走査線駆動回路の一部のみを別途形成して実装しても良い。

図１５は、本発明の一態様を適用して作製されるトランジスタ基板２６００を用いて半導体装置として液晶表示モジュールを構成する一例を示している。

図１５は液晶表示モジュールの一例であり、トランジスタ基板２６００と対向基板２６０１がシール材２６０２により固着され、その間にトランジスタ等を含む画素部２６０３、液晶層を含む表示素子２６０４、着色層２６０５が設けられ表示領域を形成している。着色層２６０５はカラー表示を行う場合に必要であり、ＲＧＢ方式の場合は、赤、緑、青の各色に対応した着色層が各画素に対応して設けられている。トランジスタ基板２６００と対向基板２６０１の外側には偏光板２６０６、偏光板２６０７、拡散板２６１３が配設されている。光源は冷陰極管２６１０と反射板２６１１により構成され、回路基板２６１２は、フレキシブル配線基板２６０９によりトランジスタ基板２６００の配線回路部２６０８と接続され、コントロール回路や電源回路などの外部回路が組みこまれている。また偏光板と、液晶層との間に位相差板を有した状態で積層してもよい。

液晶表示モジュールには、ＴＮ（ＴｗｉｓｔｅｄＮｅｍａｔｉｃ）モード、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＦＦＳ（ＦｒｉｎｇｅＦｉｅｌｄＳｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＭＶＡ（Ｍｕｌｔｉ−ｄｏｍａｉｎＶｅｒｔｉｃａｌＡｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＰＶＡ（ＰａｔｔｅｒｎｅｄＶｅｒｔｉｃａｌＡｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＡＳＭ（ＡｘｉａｌｌｙＳｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｉｇｎｅｄＭｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（ＯｐｔｉｃａｌｌｙＣｏｍｐｅｎｓａｔｅｄＢｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（ＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌ）モードなどを用いることができる。

以上の工程により、動作の安定性に優れたトランジスタを搭載した表示装置を作製できる。本実施の形態の液晶表示装置は動作の安定性に優れたトランジスタを搭載しているため信頼性が高い。

本実施の形態の表示装置は、画素部に透光性を有するトランジスタを有し、開口率が高い。また、酸素欠損や不純物（例えば水素等）を含み、導電率が高められた酸化物導電層を用いてソース電極、及びドレイン電極を形成しているため、オン電流の損失が少ない。

また、本実施の形態の表示装置の画素部及び駆動回路に設けたトランジスタは、広いバンドギャップを有し、キャリア濃度を１×１０^１４／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１２／ｃｍ^３以下に抑制された酸化物半導体を用いるため、ノーマリーオフの挙動を示し、そのオフ電流は低い。具体的には、チャネル幅１μｍあたりの室温でのオフ電流を１×１０^−１６Ａ／μｍ以下、さらには１ａＡ／μｍ（１×１０^−１８Ａ／μｍ）以下にすることが可能である。

その結果、漏れ電流が抑制され省電力化された表示装置を提供できる。また、オン電流とオフ電流の比が大きい表示装置を提供できる。また、コントラストが優れ、表示品位が高い表示装置を提供できる。

また、本実施の形態の表示装置は、高純度化された酸化物半導体層を用いた電界効果移動度が高いトランジスタを搭載しているため、高速に動作し、動画の表示特性や、高精細な表示が可能である。

本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。

（実施の形態７）
本実施の形態では、本発明の半導体装置の一例として発光表示装置を示す。表示装置の有する表示素子としては、本実施の形態ではエレクトロルミネッセンスを利用する発光素子を用いて示す。エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子は、発光材料が有機化合物であるか、無機化合物であるかによって区別され、一般的に、前者は有機ＥＬ素子、後者は無機ＥＬ素子と呼ばれている。

有機ＥＬ素子は、発光素子に電圧を印加することにより、一対の電極から電子及び正孔がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして、それらキャリア（電子及び正孔）が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このような発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。

無機ＥＬ素子は、その素子構成により、分散型無機ＥＬ素子と薄膜型無機ＥＬ素子とに分類される。分散型無機ＥＬ素子は、発光材料の粒子をバインダ中に分散させた発光層を有するものであり、発光メカニズムはドナー準位とアクセプター準位を利用するドナー−アクセプター再結合型発光である。薄膜型無機ＥＬ素子は、発光層を誘電体層で挟み込み、さらにそれを電極で挟んだ構造であり、発光メカニズムは金属イオンの内殻電子遷移を利用する局在型発光である。なお、本実施の形態では、発光素子として有機ＥＬ素子を用いて説明する。

図１６は、本発明の一態様を適用した半導体装置の例としてデジタル時間階調駆動を適用可能な画素構成の一例を示す図である。なお、図中のＯＳは酸化物半導体（ＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を用いたトランジスタであることを示している。

デジタル時間階調駆動を適用可能な画素の構成及び画素の動作について説明する。本実施の形態では実施の形態１または実施の形態２で示した酸化物半導体層（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系膜）をチャネル形成領域に用いるｎチャネル型のトランジスタを１つの画素に２つ用いる例を示す。

画素６４００は、スイッチング用トランジスタ６４０１、駆動用トランジスタ６４０２、発光素子６４０４及び容量素子６４０３を有している。スイッチング用トランジスタ６４０１はゲートが走査線６４０６に接続され、第１電極（ソース電極及びドレイン電極の一方）が信号線６４０５に接続され、第２電極（ソース電極及びドレイン電極の他方）が駆動用トランジスタ６４０２のゲートに接続されている。駆動用トランジスタ６４０２は、ゲートが容量素子６４０３を介して電源線６４０７に接続され、第１電極が電源線６４０７に接続され、第２電極が発光素子６４０４の第１電極（画素電極層）に接続されている。発光素子６４０４の第２電極は共通電極６４０８に相当する。共通電極６４０８は、同一基板上に形成される共通電位線と電気的に接続される。

なお、発光素子６４０４の第２電極（共通電極６４０８）には低電源電位が設定されている。なお、低電源電位とは、電源線６４０７に設定される高電源電位を基準にして低電源電位＜高電源電位を満たす電位であり、低電源電位としては例えばＧＮＤ、０Ｖなどが設定されていても良い。この高電源電位と低電源電位との電位差を発光素子６４０４に印加して、発光素子６４０４に電流を流して発光素子６４０４を発光させるため、高電源電位と低電源電位との電位差が発光素子６４０４の順方向しきい値電圧以上となるようにそれぞれの電位を設定する。

なお、容量素子６４０３は駆動用トランジスタ６４０２のゲート容量を代用して省略することも可能である。駆動用トランジスタ６４０２のゲート容量については、チャネル領域とゲート電極層との間で容量が形成されていてもよい。なお、実施の形態１及び２で示したトランジスタはオフ電流が極めて低いので、容量素子６４０３の容量を少なくすることや、容量素子を設けない構成とすることが可能である。

ここで、電圧入力電圧駆動方式の場合には、駆動用トランジスタ６４０２のゲートには、駆動用トランジスタ６４０２が十分にオンするか、オフするかの二つの状態となるようなビデオ信号を入力する。つまり、駆動用トランジスタ６４０２は線形領域で動作させる。駆動用トランジスタ６４０２は線形領域で動作させるため、電源線６４０７の電圧よりも高い電圧を駆動用トランジスタ６４０２のゲートにかける。なお、信号線６４０５には、（電源線電圧＋駆動用トランジスタ６４０２のＶｔｈ）以上の電圧をかける。

また、デジタル時間階調駆動に代えて、アナログ階調駆動を行う場合、信号の入力を異ならせることで、図１６と同じ画素構成を用いることができる。

アナログ階調駆動を行う場合、駆動用トランジスタ６４０２のゲートに発光素子６４０４の順方向電圧＋駆動用トランジスタ６４０２のＶｔｈ以上の電圧をかける。発光素子６４０４の順方向電圧とは、所望の輝度とする場合の電圧を指しており、少なくとも順方向しきい値電圧を含む。なお、駆動用トランジスタ６４０２が飽和領域で動作するようなビデオ信号を入力することで、発光素子６４０４に電流を流すことができる。駆動用トランジスタ６４０２を飽和領域で動作させるため、電源線６４０７の電位は、駆動用トランジスタ６４０２のゲート電位よりも高くする。ビデオ信号をアナログとすることで、発光素子６４０４にビデオ信号に応じた電流を流し、アナログ階調駆動を行うことができる。

なお、図１６に示す画素構成は、これに限定されない。例えば、図１６に示す画素に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、トランジスタ又は論理回路などを追加してもよい。

次に、発光素子の構成について、図１７を用いて説明する。本実施の形態では、駆動用トランジスタがｎ型の場合を例に挙げて、画素の断面構造について説明する。図１７（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）の半導体装置に用いられる駆動用トランジスタ７００１、７０１１、７０２１は、実施の形態１または実施の形態２で示すトランジスタと同様に作製できる。

発光素子は発光を取り出すために少なくとも陽極又は陰極の一方が透明であればよい。そして、基板上にトランジスタ及び発光素子を形成し、基板とは逆側の面から発光を取り出す上面射出や、基板側の面から発光を取り出す下面射出や、基板側の面及び基板とは反対側の面から発光を取り出す両面射出構造の発光素子があり、本発明の一態様の画素構成はどの射出構造の発光素子にも適用することができる。

下面射出構造の発光素子について図１７（Ａ）を用いて説明する。

駆動用トランジスタ７０１１がｎ型で、発光素子７０１２から発せられる光が第１の電極７０１３側に射出する場合の、画素の断面図を示す。図１７（Ａ）では、駆動用トランジスタ７０１１のソース電極またはドレイン電極と電気的に接続された透光性を有する導電膜７０１７上に、発光素子７０１２の第１の電極７０１３が形成されており、第１の電極７０１３上にＥＬ層７０１４、第２の電極７０１５が順に積層されている。

透光性を有する導電膜７０１７としては、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有する導電膜を用いることができる。

また、発光素子の第１の電極７０１３は様々な材料を用いることができる。例えば、第１の電極７０１３を陰極として用いる場合には、仕事関数が小さい材料、具体的には、例えば、ＬｉやＣｓ等のアルカリ金属、及びＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ等のアルカリ土類金属、及びこれらを含む合金（Ｍｇ：Ａｇ、Ａｌ：Ｌｉなど）の他、ＹｂやＥｒ等の希土類金属等が好ましい。図１７（Ａ）では、第１の電極７０１３の膜厚は、可視光を透過する程度（好ましくは、５ｎｍ〜３０ｎｍ程度）とする。例えば２０ｎｍの膜厚を有するアルミニウム膜を、第１の電極７０１３として用いる。

なお、透光性を有する導電膜とアルミニウム膜を積層成膜した後、選択的にエッチングして透光性を有する導電膜７０１７と第１の電極７０１３を形成してもよく、この場合、同じマスクを用いてエッチングすることができるため、好ましい。

また、隔壁７０１９は、保護絶縁層７０３５、オーバーコート層７０３４及び絶縁層７０３２に形成され、且つ、ドレイン電極層に達するコンタクトホール上に、透光性を有する導電膜７０１７を介して配置する。なお、第１の電極７０１３の周縁部は、隔壁で覆ってもよい。隔壁７０１９は、ポリイミド、アクリル樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂等の有機樹脂膜、無機絶縁膜または有機ポリシロキサンを用いて形成する。隔壁７０１９は、特に感光性の樹脂材料を用い、第１の電極７０１３上に開口部を形成し、その開口部の側壁が連続した曲率を持って形成される傾斜面となるように形成することが好ましい。隔壁７０１９として感光性の樹脂材料を用いる場合、レジストマスクを形成する工程を省略することができる。

また、第１の電極７０１３及び隔壁７０１９上に形成するＥＬ層７０１４は、少なくとも発光層を含めば良く、単数の層で構成されていても、複数の層が積層されるように構成されていてもどちらでも良い。ＥＬ層７０１４を複数の層で構成し、第１の電極７０１３を陰極として用いる場合は、第１の電極７０１３上に電子注入層、電子輸送層、発光層、ホール輸送層、ホール注入層の順に積層する。なおこれらの内、発光層以外の層を全て設ける必要はない。

また、上記積層順に限定されず、第１の電極７０１３を陽極として用いる場合は、第１の電極７０１３上にホール注入層、ホール輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層の順に積層してもよい。ただし、消費電力を比較する場合、第１の電極７０１３を陰極として機能させ、第１の電極７０１３上に電子注入層、電子輸送層、発光層、ホール輸送層、ホール注入層の順に積層するほうが、駆動回路部の電圧上昇を抑制でき、消費電力を少なくできるため好ましい。

また、ＥＬ層７０１４上に形成する第２の電極７０１５としては、様々な材料を用いることができる。例えば、第２の電極７０１５を陽極として用いる場合、仕事関数が大きい材料、例えば、ＺｒＮ、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｃｒ等や、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯなどの透明導電性材料が好ましい。また、第２の電極７０１５上に遮蔽膜７０１６、例えば光を遮光する金属、光を反射する金属等を用いる。本実施の形態では、第２の電極７０１５としてＩＴＯ膜を用い、遮蔽膜７０１６としてＴｉ膜を用いる。

第１の電極７０１３及び第２の電極７０１５で、発光層を含むＥＬ層７０１４を挟んでいる領域が発光素子７０１２に相当する。図１７（Ａ）に示した素子構造の場合、発光素子７０１２から発せられる光は、矢印で示すように第１の電極７０１３側に射出する。

なお、図１７（Ａ）において、発光素子７０１２から発せられる光は、カラーフィルタ層７０３３を通過し、絶縁層７０３２、ゲート絶縁層７０３０、及び基板７０１０を通過して射出させる。

カラーフィルタ層７０３３はインクジェット法などの液滴吐出法や、印刷法、フォトリソグラフィ技術を用いたエッチング方法などでそれぞれ形成する。

また、カラーフィルタ層７０３３はオーバーコート層７０３４で覆われ、さらに保護絶縁層７０３５によって覆う。なお、図１７（Ａ）ではオーバーコート層７０３４は薄い膜厚で図示したが、オーバーコート層７０３４は、アクリル樹脂などの樹脂材料を用い、カラーフィルタ層７０３３に起因する凹凸を平坦化する機能を有している。

次に、両面射出構造の発光素子について、図１７（Ｂ）を用いて説明する。

図１７（Ｂ）では、駆動用トランジスタ７０２１のソース電極またはドレイン電極と電気的に接続された透光性を有する導電膜７０２７上に、発光素子７０２２の第１の電極７０２３が形成されており、第１の電極７０２３上にＥＬ層７０２４、第２の電極７０２５が順に積層されている。

透光性を有する導電膜７０２７としては、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有する導電膜を用いることができる。

また、第１の電極７０２３は様々な材料を用いることができる。例えば、第１の電極７０２３を陰極として用いる場合、仕事関数が小さい材料、具体的には、例えば、ＬｉやＣｓ等のアルカリ金属、及びＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ等のアルカリ土類金属、及びこれらを含む合金（Ｍｇ：Ａｇ、Ａｌ：Ｌｉなど）の他、ＹｂやＥｒ等の希土類金属等が好ましい。金属膜を第１の電極７０２３に用いる場合、その膜厚は光を透過する程度（好ましくは、５ｎｍ〜３０ｎｍ程度）とする。例えば、第１の電極７０２３を陰極に用いる場合、２０ｎｍの膜厚を有するアルミニウム膜を適用できる。

なお、透光性を有する導電膜と透光性を有する金属膜を積層成膜した後、選択的にエッチングして透光性を有する導電膜７０２７と第１の電極７０２３を形成してもよく、この場合、同じマスクを用いてエッチングすることができ、好ましい。

また、隔壁７０２９は、保護絶縁層７０４５、オーバーコート層７０４４及び絶縁層７０４２に形成され、且つドレイン電極層に達するコンタクトホール上に、透光性を有する導電膜７０２７を介して配置する。なお、第１の電極７０２３の周縁部は、隔壁で覆ってもよい。隔壁７０２９は、ポリイミド、アクリル樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂等の有機樹脂膜、無機絶縁膜または有機ポリシロキサンを用いて形成する。隔壁７０２９は、特に感光性の樹脂材料を用い、第１の電極７０２３上に開口部を形成し、その開口部の側壁が連続した曲率を持って形成される傾斜面となるように形成することが好ましい。隔壁７０２９として感光性の樹脂材料を用いる場合、レジストマスクを形成する工程を省略することができる。

また、第１の電極７０２３及び隔壁７０２９上に形成するＥＬ層７０２４は、発光層を含めば良く、単数の層で構成されていても、複数の層が積層されるように構成されていてもどちらでも良い。ＥＬ層７０２４を複数の層で構成し、第１の電極７０２３を陰極として用いる場合は、電子注入層、電子輸送層、発光層、ホール輸送層、ホール注入層の順に積層する。なおこれらの層を全て設ける必要はない。

また、上記積層順に限定されず、第１の電極７０２３を陽極として用いる場合は、第１の電極７０２３上にホール注入層、ホール輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層の順に積層してもよい。ただし、消費電力を比較する場合、第１の電極７０２３を陰極として用い、第１の電極７０２３上に電子注入層、電子輸送層、発光層、ホール輸送層、ホール注入層の順に積層するほうが駆動回路部の電圧上昇を抑制でき、消費電力が少ないため好ましい。

また、ＥＬ層７０２４上に形成する第２の電極７０２５としては、様々な材料を用いることができる。例えば、第２の電極７０２５を陽極として用いる場合、仕事関数が大きい材料、例えば、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯなどの透明導電性材料を好ましく用いることができる。本実施の形態では、第２の電極７０２５を陽極として用い、酸化珪素を含むＩＴＯ膜を形成する。

第１の電極７０２３及び第２の電極７０２５で、発光層を含むＥＬ層７０２４を挟んでいる領域が発光素子７０２２に相当する。図１７（Ｂ）に示した素子構造の場合、発光素子７０２２から発せられる光は、矢印で示すように第２の電極７０２５側と第１の電極７０２３側の両方に射出する。

なお、図１７（Ｂ）において、発光素子７０２２から第１の電極７０２３側に発せられる一方の光は、カラーフィルタ層７０４３を通過し、絶縁層７０４２、ゲート絶縁層７０４０、及び基板７０２０を通過して射出させる。

カラーフィルタ層７０４３はインクジェット法などの液滴吐出法や、印刷法、フォトリソグラフィ技術を用いたエッチング方法などでそれぞれ形成する。

また、カラーフィルタ層７０４３はオーバーコート層７０４４で覆われ、さらに保護絶縁層７０４５によって覆う。

ただし、両面射出構造の発光素子を用い、どちらの表示面もフルカラー表示とする場合、第２の電極７０２５側からの光はカラーフィルタ層７０４３を通過しないため、別途カラーフィルタ層を備えた封止基板を第２の電極７０２５上方に設けることが好ましい。

次に、上面射出構造の発光素子について、図１７（Ｃ）を用いて説明する。

図１７（Ｃ）に、駆動用トランジスタ７００１がｎ型で、発光素子７００２から発せられる光が第２の電極７００５側に抜ける場合の、画素の断面図を示す。図１７（Ｃ）では、駆動用トランジスタ７００１のソース電極またはドレイン電極と電気的に接続された発光素子７００２の第１の電極７００３が形成されており、第１の電極７００３上にＥＬ層７００４、第２の電極７００５が順に積層されている。

また、第１の電極７００３は様々な材料を用いることができる。例えば、第１の電極７００３を陰極として用いる場合、仕事関数が小さい材料、具体的には、例えば、ＬｉやＣｓ等のアルカリ金属、及びＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ等のアルカリ土類金属、及びこれらを含む合金（Ｍｇ：Ａｇ、Ａｌ：Ｌｉなど）の他、ＹｂやＥｒ等の希土類金属等が好ましい。

また、隔壁７００９は、保護絶縁層７０５２及び絶縁層７０５５に形成され、且つ、ドレイン電極層に達するコンタクトホール上に、第１の電極７００３を介して配置する。なお、第１の電極７００３の周縁部を、隔壁で覆ってもよい。隔壁７００９は、ポリイミド、アクリル樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂等の有機樹脂膜、無機絶縁膜または有機ポリシロキサンを用いて形成する。隔壁７００９は、特に感光性の樹脂材料を用い、第１の電極７００３上に開口部を形成し、その開口部の側壁が連続した曲率を持って形成される傾斜面となるように形成することが好ましい。隔壁７００９として感光性の樹脂材料を用いる場合、レジストマスクを形成する工程を省略することができる。

また、第１の電極７００３及び隔壁７００９上に形成するＥＬ層７００４は、少なくとも発光層を含めば良く、単数の層で構成されていても、複数の層が積層されるように構成されていてもどちらでも良い。ＥＬ層７００４を複数の層で構成し、第１の電極７００３を陰極として用いる場合は、電子注入層、電子輸送層、発光層、ホール輸送層、ホール注入層の順に積層する。なお、これらの層を全て設ける必要はない。

また、上記積層順に限定されず、第１の電極７００３を陽極として用いる場合は、第１の電極７００３上にホール注入層、ホール輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層の順に積層に積層してもよい。

例えば、Ｔｉ膜、アルミニウム膜、Ｔｉ膜を積層した第１の電極７００３を陽極とし、第１の電極７００３上に、ホール注入層、ホール輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層の順に積層し、その上にＭｇ：Ａｇ合金薄膜とＩＴＯとの積層を形成する。

なお、駆動用トランジスタ７００１がｎ型の場合、第１の電極７００３上に電子注入層、電子輸送層、発光層、ホール輸送層、ホール注入層の順に積層するほうが、駆動回路における電圧上昇を抑制することができ、消費電力を少なくできるため好ましい。

第２の電極７００５は可視光を透過する透光性を有する導電性材料を用いて形成し、例えば酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有する導電膜を用いても良い。

第１の電極７００３及び第２の電極７００５で発光層を含むＥＬ層７００４を挟んでいる領域が発光素子７００２に相当する。図１７（Ｃ）に示した画素の場合、発光素子７００２から発せられる光は、矢印で示すように第２の電極７００５側に射出する。

平坦化絶縁層７０５３は、ポリイミド、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂等の樹脂材料を用いることができる。また上記樹脂材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、平坦化絶縁層７０５３を形成してもよい。平坦化絶縁層７０５３の形成法は、特に限定されず、その材料に応じて、スパッタ法、ＳＯＧ法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法、スクリーン印刷、オフセット印刷等）、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイフコーター等を用いることができる。

また、図１７（Ｃ）の構造においては、フルカラー表示を行う場合、例えば発光素子７００２として緑色発光素子とし、隣り合う一方の発光素子を赤色発光素子とし、もう一方の発光素子を青色発光素子とする。また、３種類の発光素子だけでなく白色素子を加えた４種類の発光素子でフルカラー表示ができる発光表示装置を作製してもよい。

また、図１７（Ｃ）の構造においては、配置する複数の発光素子を全て白色発光素子として、発光素子７００２上方にカラーフィルタなどを有する封止基板を配置する構成とし、フルカラー表示ができる発光表示装置を作製してもよい。白色などの単色の発光を示す材料を形成し、カラーフィルタや色変換層を組み合わせることによりフルカラー表示を行うことができる。

もちろん単色発光の表示を行ってもよい。例えば、白色発光を用いて照明装置を形成してもよいし、単色発光を用いてエリアカラータイプの発光装置を形成してもよい。

また、必要があれば、円偏光板などの偏光フィルムなどの光学フィルムを設けてもよい。

なお、ここでは、発光素子として有機ＥＬ素子について述べたが、発光素子として無機ＥＬ素子を設けることも可能である。

なお、発光素子の駆動を制御するトランジスタ（駆動用トランジスタ）と発光素子が電気的に接続されている例を示したが、駆動用トランジスタと発光素子との間に電流制御用トランジスタが接続されている構成であってもよい。

なお本実施の形態で示す半導体装置は、図１７に示した構成に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。

次に、実施の形態１または実施の形態２に示すトランジスタを適用した半導体装置の一形態に相当する発光表示パネル（発光パネルともいう）の外観及び断面について、図１８を用いて説明する。図１８は、第１の基板上に形成されたトランジスタ及び発光素子を、第２の基板との間にシール材によって封止した、パネルの上面図であり、図１８（Ｂ）は、図１８（Ａ）のＨ−Ｉにおける断面図に相当する。

第１の基板４５０１上に設けられた画素部４５０２、信号線駆動回路４５０３ａ、４５０３ｂ、及び走査線駆動回路４５０４ａ、４５０４ｂを囲むようにして、シール材４５０５が設けられている。また画素部４５０２、信号線駆動回路４５０３ａ、４５０３ｂ、及び走査線駆動回路４５０４ａ、４５０４ｂの上に第２の基板４５０６が設けられている。よって画素部４５０２、信号線駆動回路４５０３ａ、４５０３ｂ、及び走査線駆動回路４５０４ａ、４５０４ｂは、第１の基板４５０１とシール材４５０５と第２の基板４５０６とによって、充填材４５０７と共に密封されている。このように外気に曝されないように気密性が高く、脱ガスの少ない保護フィルム（貼り合わせフィルム、紫外線硬化樹脂フィルム等）やカバー材でパッケージング（封入）することが好ましい。

また第１の基板４５０１上に設けられた画素部４５０２、信号線駆動回路４５０３ａ、４５０３ｂ、及び走査線駆動回路４５０４ａ、４５０４ｂは、トランジスタを複数有しており、図１８（Ｂ）では、画素部４５０２に含まれるトランジスタ４５１０と、信号線駆動回路４５０３ａに含まれるトランジスタ４５０９とを例示している。

トランジスタ４５０９、４５１０は、酸化物半導体層（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系膜）を含む信頼性の高い実施の形態１または実施の形態２に示すトランジスタを適用することができる。本実施の形態において、トランジスタ４５０９、４５１０はｎチャネル型トランジスタである。

絶縁層４５４４上において駆動回路用のトランジスタ４５０９の酸化物半導体層のチャネル形成領域と重なる位置に導電層４５４０が設けられている。導電層４５４０を酸化物半導体層のチャネル形成領域と重なる位置に設けることによって、ＢＴ試験前後におけるトランジスタ４５０９のしきい値電圧の変化量を低減することができる。また、導電層４５４０は、電位がトランジスタ４５０９のゲート電極層と同じでもよいし、異なっていても良く、第２のゲート電極層として機能させることもできる。また、導電層４５４０の電位がＧＮＤ、０Ｖ、或いはフローティング状態であってもよい。

また４５１１は発光素子に相当し、発光素子４５１１が有する画素電極である第１の電極層４５１７は、トランジスタ４５１０のソース電極層またはドレイン電極層と電気的に接続されている。なお発光素子４５１１の構成は、第１の電極層４５１７、電界発光層４５１２、第２の電極層４５１３の積層構造であるが、本実施の形態に示した構成に限定されない。発光素子４５１１から取り出す光の方向などに合わせて、発光素子４５１１の構成は適宜変えることができる。

隔壁４５２０は、有機樹脂膜、無機絶縁膜または有機ポリシロキサンを用いて形成する。特に感光性の材料を用い、第１の電極層４５１７上に開口部を形成し、その開口部の側壁が連続した曲率を持って形成される傾斜面となるように形成することが好ましい。

電界発光層４５１２は、単数の層で構成されていても、複数の層が積層されるように構成されていてもどちらでも良い。

発光素子４５１１に酸素、水素、水分、二酸化炭素等が侵入しないように、第２の電極層４５１３及び隔壁４５２０上に保護膜を形成してもよい。保護膜としては、窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、ＤＬＣ膜等を形成することができる。

また、信号線駆動回路４５０３ａ、４５０３ｂ、走査線駆動回路４５０４ａ、４５０４ｂ、または画素部４５０２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ４５１８ａ、４５１８ｂから供給されている。

本実施の形態では、接続端子電極４５１５が、発光素子４５１１が有する第１の電極層４５１７と同じ導電膜から形成され、端子電極４５１６は、トランジスタ４５０９が有するソース電極層及びドレイン電極層と同じ導電膜から形成されている。

接続端子電極４５１５は、ＦＰＣ４５１８ａが有する端子と、異方性導電膜４５１９を介して電気的に接続されている。

発光素子４５１１からの光の取り出し方向に位置する第２の基板は透光性でなければならない。その場合には、ガラス板、プラスチック板、ポリエステルフィルムまたはアクリル樹脂フィルムのような透光性を有する材料を用いる。

また、充填材４５０７としては窒素やアルゴンなどの不活性な気体の他に、紫外線硬化樹脂または熱硬化樹脂を用いることができ、ＰＶＣ（ポリビニルクロライド）、アクリル樹脂、ポリイミド、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ＰＶＢ（ポリビニルブチラル）またはＥＶＡ（エチレンビニルアセテート）を用いることができる。本実施の形態は充填材として窒素を用いる。

また、必要であれば、発光素子の射出面に偏光板、又は円偏光板（楕円偏光板を含む）、位相差板（λ／４板、λ／２板）、カラーフィルタなどの光学フィルムを適宜設けてもよい。また、偏光板又は円偏光板に反射防止膜を設けてもよい。例えば、表面の凹凸により反射光を拡散し、映り込みを低減できるアンチグレア処理を施すことができる。

信号線駆動回路４５０３ａ、４５０３ｂ、及び走査線駆動回路４５０４ａ、４５０４ｂは、別途用意された基板上に単結晶半導体膜又は多結晶半導体膜によって形成された駆動回路で実装されていてもよい。また、信号線駆動回路のみ、或いは一部、又は走査線駆動回路のみ、或いは一部のみを別途形成して実装しても良く、本実施の形態は図１８の構成に限定されない。

以上の工程により、動作の安定性に優れたトランジスタを搭載した表示装置を作製できる。本実施の形態の発光表示装置は動作の安定性に優れたトランジスタを搭載しているため信頼性が高い。

なお、本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示した構成を適宜組み合わせて用いることができることとする。

（実施の形態８）
本実施の形態では、本発明の半導体装置の一例である表示装置として電子ペーパーの例を示す。

図１９は、本発明の一態様を適用した表示装置の例としてアクティブマトリクス型の電子ペーパーを示す。表示装置に用いられるトランジスタ５８１としては、実施の形態１または実施の形態２と同様に作製できる。

図１９の電子ペーパーは、ツイストボール表示方式を用いた表示装置の例である。ツイストボール表示方式とは、白と黒に塗り分けられた球形粒子を表示素子に用いる電極層である第１の電極層及び第２の電極層の間に配置し、第１の電極層及び第２の電極層に電位差を生じさせての球形粒子の向きを制御することにより、表示を行う方法である。

トランジスタ５８１のソース電極層又はドレイン電極層は、第１の電極層５８７と絶縁層５８５に形成された開口を介して接しており電気的に接続している。第１の電極層５８７と第２の電極層５８８との間には、黒色領域５９０ａと白色領域５９０ｂと、黒色領域５９０ａと白色領域５９０ｂの周りに設けられ液体で満たされているキャビティ５９４とを有する球形粒子５８９が設けられており、球形粒子５８９の周囲は樹脂等の充填材５９５で充填されている（図１９参照。）。なお、図１９において５８０は基板、５８３は層間絶縁膜、５８４は保護膜、５９６は基板である。

また、ツイストボールの代わりに、電気泳動素子を用いることも可能である。透明な液体と、正に帯電した白い微粒子と負に帯電した黒い微粒子とを封入した直径１０μｍ〜２００μｍ程度のマイクロカプセルを用いる。第１の電極層と第２の電極層との間に設けられるマイクロカプセルは、第１の電極層と第２の電極層によって、電場が与えられると、白い微粒子と、黒い微粒子が逆の方向に移動し、白または黒を表示することができる。この原理を応用した表示素子が電気泳動表示素子であり、電気泳動表示素子を用いたデバイスは一般的に電子ペーパーとよばれている。電気泳動表示素子は、液晶表示素子に比べて反射率が高いため、補助ライトは不要であり、また消費電力が小さく、薄暗い場所でも表示部を認識することが可能である。また、表示部に電源が供給されない場合であっても、一度表示した像を保持することが可能である。従って、例えば電源供給源となる電波発信源から表示機能付き半導体装置（単に表示装置、又は表示装置を具備する半導体装置ともいう）を遠ざけた場合であっても、表示された像を保存しておくことが可能となる。

以上の工程により、動作の安定性に優れたトランジスタを搭載した電子ペーパーを作製できる。本実施例の電子ペーパーは動作の安定性に優れたトランジスタを搭載しているため信頼性が高い。

本実施の形態は、実施の形態１または実施の形態２に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。

（実施の形態９）
本発明の一態様の表示装置は、電子ペーパーとして適用することができる。電子ペーパーは、情報を表示するものであればあらゆる分野の電子機器に用いることが可能である。例えば、電子ペーパーを用いて、電子書籍（電子ブック）、ポスター、電車などの乗り物の車内広告、クレジットカード等の各種カードにおける表示等に適用することができる。電子機器の一例を図２０、図２１に示す。

図２０（Ａ）は、電子ペーパーで作られたポスター２６３１を示している。広告媒体が紙の印刷物である場合には、広告の交換は人手によって行われるが、本発明の一態様を適用した電子ペーパーを用いれば短時間で広告の表示を変えることができる。また、表示も崩れることなく安定した画像が得られる。なお、ポスターは無線で情報を送受信できる構成としてもよい。

また、図２０（Ｂ）は、電車などの乗り物の車内広告２６３２を示している。広告媒体が紙の印刷物である場合には、広告の交換は人手によって行われるが、本発明の一態様を適用した電子ペーパーを用いれば人手を多くかけることなく短時間で広告の表示を変えることができる。また表示も崩れることなく安定した画像が得られる。なお、車内広告は無線で情報を送受信できる構成としてもよい。

また、図２１は、電子書籍２７００を示している。例えば、電子書籍２７００は、筐体２７０１及び筐体２７０３の２つの筐体で構成されている。筐体２７０１及び筐体２７０３は、軸部２７１１により一体とされており、該軸部２７１１を軸として開閉動作を行うことができる。このような構成により、紙の書籍のような動作を行うことが可能となる。

筐体２７０１には表示部２７０５が組み込まれ、筐体２７０３には表示部２７０７が組み込まれている。表示部２７０５及び表示部２７０７は、続き画面を表示する構成としてもよいし、異なる画面を表示する構成としてもよい。異なる画面を表示する構成とすることで、例えば右側の表示部（図２１では表示部２７０５）に文章を表示し、左側の表示部（図２１では表示部２７０７）に画像を表示することができる。

また、図２１では、筐体２７０１に操作部などを備えた例を示している。例えば、筐体２７０１において、電源２７２１、操作キー２７２３、スピーカ２７２５などを備えている。操作キー２７２３により、頁を送ることができる。なお、筐体の表示部と同一面にキーボードやポインティングディバイスなどを備える構成としてもよい。また、筐体の裏面や側面に、外部接続用端子（イヤホン端子、ＵＳＢ端子、またはＡＣアダプタ及びＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能な端子など）、記録媒体挿入部などを備える構成としてもよい。さらに、電子書籍２７００は、電子辞書としての機能を持たせた構成としてもよい。

また、電子書籍２７００は、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。無線により、電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とすることも可能である。

上記実施の形態で示したトランジスタを用いて、動作の安定性に優れたトランジスタを搭載した表示装置を作製できる。動作の安定性に優れたトランジスタを搭載した表示装置は信頼性が高い。

（実施の形態１０）
本発明の一態様に係る半導体装置は、さまざまな電子機器（遊技機も含む）に適用することができる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置（テレビ、またはテレビジョン受信機ともいう）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などが挙げられる。

図２２（Ａ）は、テレビジョン装置９６００を示している。テレビジョン装置９６００は、筐体９６０１に表示部９６０３が組み込まれている。表示部９６０３により、映像を表示することが可能である。また、本実施の形態では、スタンド９６０５により筐体９６０１を支持した構成を示している。

テレビジョン装置９６００の操作は、筐体９６０１が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機９６１０により行うことができる。リモコン操作機９６１０が備える操作キー９６０９により、チャンネルや音量の操作を行うことができ、表示部９６０３に表示される映像を操作することができる。また、リモコン操作機９６１０に、当該リモコン操作機９６１０から出力する情報を表示する表示部９６０７を設ける構成としてもよい。

なお、テレビジョン装置９６００は、受信機やモデムなどを備えた構成とする。受信機により一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線または無線による通信ネットワークに接続することにより、一方向（送信者から受信者）または双方向（送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など）の情報通信を行うことも可能である。

図２２（Ｂ）は、デジタルフォトフレーム９７００を示している。例えば、デジタルフォトフレーム９７００は、筐体９７０１に表示部９７０３が組み込まれている。表示部９７０３は、各種画像を表示することが可能であり、例えばデジタルカメラなどで撮影した画像データを表示させることで、通常の写真立てと同様に機能させることができる。

なお、デジタルフォトフレーム９７００は、操作部、外部接続用端子（ＵＳＢ端子、ＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能な端子など）、記録媒体挿入部などを備える構成とする。これらの構成は、表示部と同一面に組み込まれていてもよいが、側面や裏面に備えるとデザイン性が向上するため好ましい。例えば、デジタルフォトフレームの記録媒体挿入部に、デジタルカメラで撮影した画像データを記憶したメモリを挿入して画像データを取り込み、取り込んだ画像データを表示部９７０３に表示させることができる。

また、デジタルフォトフレーム９７００は、無線で情報を送受信出来る構成としてもよい。無線により、所望の画像データを取り込み、表示させる構成とすることもできる。

図２３（Ａ）は携帯型遊技機であり、筐体９８８１と筐体９８９１の２つの筐体で構成されており、連結部９８９３により、開閉可能に連結されている。筐体９８８１には表示部９８８２が組み込まれ、筐体９８９１には表示部９８８３が組み込まれている。また、図２３（Ａ）に示す携帯型遊技機は、その他、スピーカ部９８８４、記録媒体挿入部９８８６、ＬＥＤランプ９８９０、入力手段（操作キー９８８５、接続端子９８８７、センサ９８８８（力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、におい又は赤外線を測定する機能を含むもの）、マイクロフォン９８８９）等を備えている。もちろん、携帯型遊技機の構成は上述のものに限定されず、少なくとも本発明の一態様に係る半導体装置を備えた構成であればよく、その他付属設備が適宜設けられた構成とすることができる。図２３（Ａ）に示す携帯型遊技機は、記録媒体に記録されているプログラム又はデータを読み出して表示部に表示する機能や、他の携帯型遊技機と無線通信を行って情報を共有する機能を有する。なお、図２３（Ａ）に示す携帯型遊技機が有する機能はこれに限定されず、様々な機能を有することができる。

図２３（Ｂ）は大型遊技機であるスロットマシン９９００を示している。スロットマシン９９００は、筐体９９０１に表示部９９０３が組み込まれている。また、スロットマシン９９００は、その他、スタートレバーやストップスイッチなどの操作手段、コイン投入口、スピーカなどを備えている。もちろん、スロットマシン９９００の構成は上述のものに限定されず、少なくとも本発明の一態様に係る半導体装置を備えた構成であればよく、その他付属設備が適宜設けられた構成とすることができる。

図２４は、携帯電話機１０００を示している。携帯電話機１０００は、筐体１００１に組み込まれた表示部１００２の他、操作ボタン１００３、外部接続ポート１００４、スピーカ１００５、マイク１００６などを備えている。

図２４に示す携帯電話機１０００は、表示部１００２を指などで触れることで、情報を入力することができる。また、電話を掛ける、或いはメールを打つなどの操作は、表示部１００２を指などで触れることにより行うことができる。

表示部１００２の画面は主として３つのモードがある。第１は、画像の表示を主とする表示モードであり、第２は、文字等の情報の入力を主とする入力モードである。第３は表示モードと入力モードの２つのモードが混合した表示＋入力モードである。

例えば、電話を掛ける、或いはメールを作成する場合は、表示部１００２を文字の入力を主とする文字入力モードとし、画面に表示させた文字の入力操作を行えばよい。この場合、表示部１００２の画面のほとんどにキーボードまたは番号ボタンを表示させることが好ましい。

また、携帯電話機１０００内部に、ジャイロ、加速度センサ等の傾きを検出するセンサを有する検出装置を設けることで、携帯電話機１０００の向き（縦か横か）を判断して、表示部１００２の画面表示を自動的に切り替えるようにすることができる。

また、画面モードの切り替えは、表示部１００２を触れること、又は筐体１００１の操作ボタン１００３の操作により行われる。また、表示部１００２に表示される画像の種類によって切り替えるようにすることもできる。例えば、表示部に表示する画像信号が動画のデータであれば表示モード、テキストデータであれば入力モードに切り替える。

また、入力モードにおいて、表示部１００２の光センサで検出される信号を検知し、表示部１００２のタッチ操作による入力が一定期間ない場合には、画面のモードを入力モードから表示モードに切り替えるように制御してもよい。

表示部１００２は、イメージセンサとして機能させることもできる。例えば、表示部１００２に掌や指を触れることで、掌紋、指紋等を撮像することで、本人認証を行うことができる。また、表示部に近赤外光を発光するバックライトまたは近赤外光を発光するセンシング用光源を用いれば、指静脈、掌静脈などを撮像することもできる。

上記実施の形態で示したトランジスタを用いて、動作の安定性に優れたトランジスタを搭載した表示装置を作製できる。以上の電子機器は動作の安定性に優れたトランジスタを搭載しているため、信頼性が高い。

１０パルス出力回路
１１配線
１２配線
１３配線
１４配線
１５配線
１６配線
１７配線
２１入力端子
２２入力端子
２３入力端子
２４入力端子
２５入力端子
２６出力端子
２７出力端子
３１トランジスタ
３２トランジスタ
３３トランジスタ
３４トランジスタ
３５トランジスタ
３６トランジスタ
３７トランジスタ
３８トランジスタ
３９トランジスタ
４０トランジスタ
４１トランジスタ
５１電源線
５２電源線
５３電源線
６１期間
６２期間
１００基板
１０２絶縁層
１０２ａ絶縁層
１０７絶縁層
１０７ｃ絶縁層
１０８絶縁層
１０９絶縁層
１１１ａゲート電極
１１１ｂ容量電極
１１１ｃゲート配線
１１１ｄゲート電極
１１１ｅ導電層
１１１ｆ導電層
１１３ａ酸化物半導体層
１１３ｃ酸化物半導体層
１１４ａバリア層
１１４ｂバリア層
１１４ｅバリア層
１１４ｆバリア層
１１５ａ電極
１１５ｂ電極
１１５ｅ導電層
１１５ｆ導電層
１１６導電層
１１６ａ信号線
１１６ｂ信号線
１１６ｃ電極
１１６ｄ電極
１２０画素電極
１２３酸化物半導体層
１２６ａ開口部
１２６ｂ開口部
１２７開口部
１２７ａ開口部
１２７ｂ開口部
１２８開口部
１２９導電層
１５１トランジスタ
１５２トランジスタ
１５３トランジスタ
１５４トランジスタ
４００基板
４０２絶縁層
４０４ａ酸化物半導体層
４０４ｂ酸化物半導体層
４０８コンタクトホール
４１０ａ配線
４１０ｂ配線
４１０ｃ配線
４１１端子
４１２端子
４２１ａゲート電極
４２１ｂゲート電極
４２２ａ電極
４２２ｂ電極
４２８絶縁層
４４０Ａトランジスタ
４４０Ｂトランジスタ
４５５ａ電極
４５５ｂ電極
４５５ｃ電極
４５５ｄ電極
５８０基板
５８１トランジスタ
５８３層間絶縁膜
５８４保護膜
５８５絶縁層
５８７電極層
５８８電極層
５８９球形粒子
５９０ａ黒色領域
５９０ｂ白色領域
５９４キャビティ
５９５充填材
５９６基板
１０００携帯電話機
１００１筐体
１００２表示部
１００３操作ボタン
１００４外部接続ポート
１００５スピーカ
１００６マイク
２６００トランジスタ基板
２６０１対向基板
２６０２シール材
２６０３画素部
２６０４表示素子
２６０５着色層
２６０６偏光板
２６０７偏光板
２６０８配線回路部
２６０９フレキシブル配線基板
２６１０冷陰極管
２６１１反射板
２６１２回路基板
２６１３拡散板
２６３１ポスター
２６３２車内広告
２７００電子書籍
２７０１筐体
２７０３筐体
２７０５表示部
２７０７表示部
２７１１軸部
２７２１電源
２７２３操作キー
２７２５スピーカ
４００１基板
４００２画素部
４００３信号線駆動回路
４００４走査線駆動回路
４００５シール材
４００６基板
４００８液晶層
４０１０トランジスタ
４０１１トランジスタ
４０１３液晶素子
４０１５接続端子電極
４０１６端子電極
４０１８ＦＰＣ
４０１９異方性導電膜
４０２０絶縁層
４０２１絶縁層
４０３０画素電極層
４０３１対向電極層
４０３２絶縁層
４０３３絶縁層
４０３５スペーサ
４５０１基板
４５０２画素部
４５０３ａ信号線駆動回路
４５０３ｂ信号線駆動回路
４５０４ａ走査線駆動回路
４５０４ｂ走査線駆動回路
４５０５シール材
４５０６基板
４５０７充填材
４５０９トランジスタ
４５１０トランジスタ
４５１１発光素子
４５１２電界発光層
４５１３電極層
４５１５接続端子電極
４５１６端子電極
４５１７電極層
４５１８ａＦＰＣ
４５１９異方性導電膜
４５２０隔壁
４５４０導電層
４５４４絶縁層
５３００基板
５３０１画素部
５３０２走査線駆動回路
５３０３走査線駆動回路
５３０４信号線駆動回路
５３０５タイミング制御回路
５６０１シフトレジスタ
５６０２スイッチング回路
５６０３トランジスタ
５６０４配線
５６０５配線
６４００画素
６４０１スイッチング用トランジスタ
６４０２駆動用トランジスタ
６４０３容量素子
６４０４発光素子
６４０５信号線
６４０６走査線
６４０７電源線
６４０８共通電極
７００１駆動用トランジスタ
７００２発光素子
７００３電極
７００４ＥＬ層
７００５電極
７００９隔壁
７０１０基板
７０１１駆動用トランジスタ
７０１２発光素子
７０１３電極
７０１４ＥＬ層
７０１５電極
７０１６遮蔽膜
７０１７導電膜
７０１９隔壁
７０２０基板
７０２１駆動用トランジスタ
７０２２発光素子
７０２３電極
７０２４ＥＬ層
７０２５電極
７０２７導電膜
７０２９隔壁
７０３０ゲート絶縁層
７０３２絶縁層
７０３３カラーフィルタ層
７０３４オーバーコート層
７０３５保護絶縁層
７０４０ゲート絶縁層
７０４２絶縁層
７０４３カラーフィルタ層
７０４４オーバーコート層
７０４５保護絶縁層
７０５２保護絶縁層
７０５３平坦化絶縁層
７０５５絶縁層
９６００テレビジョン装置
９６０１筐体
９６０３表示部
９６０５スタンド
９６０７表示部
９６０９操作キー
９６１０リモコン操作機
９７００デジタルフォトフレーム
９７０１筐体
９７０３表示部
９８８１筐体
９８８２表示部
９８８３表示部
９８８４スピーカ部
９８８５操作キー
９８８６記録媒体挿入部
９８８７接続端子
９８８８センサ
９８８９マイクロフォン
９８９０ＬＥＤランプ
９８９１筐体
９８９３連結部
９９００スロットマシン
９９０１筐体
９９０３表示部

Claims

透光性を有する基板の絶縁表面上に透光性を有するゲート電極と、
前記ゲート電極上に第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層上に酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層上に第１の電極、及び第２の電極と、
前記酸化物半導体層と前記第１の電極の間、及び前記酸化物半導体層と前記第２の電極の間にそれぞれ透光性を有するバリア層と、
前記酸化物半導体層に接する第２の絶縁層と、
を有し、
前記酸化物半導体層のキャリア濃度が、１×１０^１４／ｃｍ^３未満であり、
前記第１の電極、及び前記第２の電極は透光性を有し、抵抗率が２０００×１０^−６Ω・ｃｍ以下である酸化物導電層を含み、
前記バリア層が窒化物を含み、
前記第２の絶縁層に設けられた開口を介して、前記第１の電極、または前記第２の電極と電気的に接続された第１の配線を有し、
前記第１の配線上に第３の絶縁層を有し、
前記第３の絶縁層は、前記第１の絶縁層と接する領域を有し、
前記第１の絶縁層は、第１の材料を有し、
前記第３の絶縁層は、前記第１の材料と同じ材料を有することを特徴とする半導体装置。
透光性を有する基板の絶縁表面上に透光性を有するゲート電極と、
前記ゲート電極上に第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層上に酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層上に第１の電極、及び第２の電極と、
前記酸化物半導体層と前記第１の電極の間、及び前記酸化物半導体層と前記第２の電極の間にそれぞれ透光性を有するバリア層と、
前記酸化物半導体層に接する第２の絶縁層と、
を有し、
前記酸化物半導体層のキャリア濃度が、１×１０^１４／ｃｍ^３未満であり、
前記第１の電極、及び前記第２の電極は透光性を有し、抵抗率が２０００×１０^−６Ω・ｃｍ以下である酸化物導電層を含み、
前記バリア層が窒化物を含み、
前記第２の絶縁層に設けられた開口を介して、前記第１の電極、または前記第２の電極と電気的に接続された第１の配線を有し、
前記第１の配線上に第３の絶縁層を有し、
前記第１の絶縁層は、第１の層と前記第１の層上の第２の層とを有し、
前記第３の絶縁層は、前記第２の層の側面と接する領域を有し、
前記第３の絶縁層は、前記第１の層の上面と接する領域を有し、
前記第１の層は、第１の材料を有し、
前記第３の絶縁層は、前記第１の材料と同じ材料を有することを特徴とする半導体装置。
請求項２において、
前記第２の層は、前記第１の材料と異なる第２の材料を有し、
前記第２の絶縁層は、前記第２の材料と同じ材料を有することを特徴とする半導体装置。