(57)【要約】【課題】パワーデバイスに適した酸化物半導体を用いた半導体装置を提供する。または、大きな電流を流すことのできる半導体装置を提供する。または、信頼性の高い半導体装置を提供する。【解決手段】絶縁表面上に半導体層と、半導体層上に、開口を備える第１の電極、及び第１の電極の開口の内側に第１の電極と離間して設けられた第２の電極と、第１の電極、第２の電極、及び半導体層上にゲート絶縁層と、ゲート絶縁層上に環状のゲート電極と、を有する半導体装置とする。さらに環状のゲート電極を、その内側の端部が第２の電極と重畳し、且つ、外側の端部が第１の電極と第２の電極と間の領域と重畳する形状とする。また当該酸化物半導体層に対して導電性を付与する元素（例えばリン）を添加する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁表面上に半導体層と、
前記半導体層上に、開口を備える第１の電極、及び前記第１の電極の前記開口の内側に前記第１の電極と離間して設けられた第２の電極と、
前記第１の電極、前記第２の電極、及び前記半導体層上にゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層上に環状のゲート電極と、を有し、
環状の前記ゲート電極における内側の端部は前記第２の電極と重畳し、且つ、外側の端部は前記第１の電極と前記第２の電極と間の領域と重畳する、
半導体装置。
【請求項２】
絶縁表面上に半導体層と、
前記半導体層上に、開口を備える第１の電極、及び前記第１の電極の前記開口の内側に前記第１の電極と離間して設けられた第２の電極と、
前記第１の電極、前記第２の電極、及び前記半導体層上にゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層上に環状のゲート電極と、を有し、
環状の前記ゲート電極における内側の端部は、前記第１の電極と前記第２の電極との間の領域と重畳し、且つ、外側の端部は前記第１の電極と重畳する、
半導体装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の半導体装置において、
前記半導体層は、酸化物半導体層を含む、
半導体装置。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体装置において、
前記半導体層は、前記絶縁表面側から順に酸化物半導体層、第１の酸化物層が積層された積層構造を含む、
半導体装置。
【請求項５】
請求項３に記載の半導体装置において、
前記半導体層は、前記絶縁表面側から順に第２の酸化物層、前記酸化物半導体層、第１の酸化物層が積層された積層構造を含む、
半導体装置。
【請求項６】
請求項３乃至請求項５のいずれか一に記載の半導体装置において、
前記酸化物半導体層における少なくとも前記第１の電極と前記第２の電極の間の領域と重なる部分は、前記酸化物半導体層に対して導電性を付与する元素を含む、
半導体装置。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体装置において、
前記導電性を付与する元素はリン、砒素、アンチモン、ホウ素、アルミニウム、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、インジウム、フッ素、塩素、水素、チタン、亜鉛のいずれかである、
半導体装置。
【請求項８】
請求項３乃至請求項７のいずれか一に記載の半導体装置において、
前記酸化物半導体層は、結晶領域を有する、
半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本発明は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関する。特に、本発明の一態様は、半導体装置に関する。
【０００２】
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す。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、パワーデバイス、パワーデバイスを有する集積回路、電源回路、又は電力変換回路のほか、電気光学装置、半導体回路、電子機器は、半導体装置に含まれる場合や、半導体装置を有している場合がある。
【背景技術】
【０００３】
パワーデバイスとして用いられる半導体装置には、シリコンを用いて作製されるパワーデバイスが広く流通している。しかし、シリコンを用いたパワーデバイスの性能は限界に近づいており、さらなる高性能化を実現することが困難となってきている。
【０００４】
また、シリコンはバンドギャップが小さいため、これを用いたパワーデバイスは動作範囲に限界がある。このため、近年ではバンドギャップの広いＳｉＣやＧａＮを用いたパワーデバイスの開発が進められている。
【０００５】
また、大電力向けのパワーデバイスとして用いられる半導体装置に酸化物半導体を用いることが開示されている（特許文献１、２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−９１３８２号公報
【特許文献２】特開２０１１−１７２２１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
大電力向けのパワーデバイスに適用されるトランジスタには、より高いドレイン電流を確保する構造が望まれる。
【０００８】
本発明の一態様は、パワーデバイスに適した酸化物半導体を用いた半導体装置などを提供することを課題の一とする。または、大きな電流を流すことのできる半導体装置などを提供することを課題の一とする。または、信頼性の高い半導体装置を提供することを課題の一とする。または、新規な半導体装置を提供することを課題の一とする。
【０００９】
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項の記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様は、絶縁表面上に半導体層と、半導体層上に、開口を備える第１の電極、及び第１の電極の開口の内側に第１の電極と離間して設けられた第２の電極と、第１の電極、第２の電極、及び半導体層上にゲート絶縁層と、ゲート絶縁層上に環状のゲート電極と、を有し、環状のゲート電極における内側の端部は第２の電極と重畳し、且つ、外側の端部は第１の電極と第２の電極と間の領域と重畳する、半導体装置である。
【００１１】
また、本発明の他の一態様は、絶縁表面上に半導体層と、半導体層上に、開口を備える第１の電極、及び第１の電極の開口の内側に第１の電極と離間して設けられた第２の電極と、第１の電極、第２の電極、及び半導体層上にゲート絶縁層と、ゲート絶縁層上に環状のゲート電極と、を有し、環状のゲート電極における内側の端部は、第１の電極と第２の電極との間の領域と重畳し、且つ、外側の端部は第１の電極と重畳する、半導体装置である。
【００１２】
また、上記半導体層は、酸化物半導体層を含むことが好ましい。
【００１３】
また、上記半導体層は、絶縁表面側から順に酸化物半導体層、第１の酸化物層が積層された積層構造を含むことが好ましい。
【００１４】
または、上記半導体層は、絶縁表面側から順に第２の酸化物層、酸化物半導体層、第１の酸化物層が積層された積層構造を含むことが好ましい。
【００１５】
また、上記酸化物半導体層における第１の電極と第２の電極の間の領域と重なる部分は、当該酸化物半導体層に対して導電性を付与する元素を含むことが好ましい。
【００１６】
また例えば、上記導電性を付与する元素はリン、砒素、アンチモン、ホウ素、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、フッ素、塩素、水素のいずれかであることが好ましい。
【００１７】
また、上記酸化物半導体層は、結晶領域を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、パワーデバイスに適した酸化物半導体を用いた半導体装置を提供できる。または、大きな電流を流すことのできる半導体装置を提供できる。または、信頼性の高い半導体装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施の形態に係る、トランジスタの構成例。
【図２】実施の形態に係る、積層構造を説明する図。
【図３】実施の形態に係る、バンド図を説明する図。
【図４】実施の形態に係る、バンド図を説明する図。
【図５】実施の形態に係る、トランジスタの構成例。
【図６】実施の形態に係る、トランジスタの構成例。
【図７】実施の形態に係る、トランジスタの構成例。
【図８】実施の形態に係る、トランジスタの構成例。
【図９】実施の形態に係る、トランジスタの構成例。
【図１０】実施の形態に係る、トランジスタの構成例。
【図１１】実施の形態に係る、トランジスタ作製方法を説明する図。
【図１２】実施の形態に係る、トランジスタ作製方法を説明する図。
【図１３】実施の形態に係る、トランジスタ作製方法を説明する図。
【図１４】実施の形態に係る、電力変換回路の構成例。
【図１５】実施の形態に係る、電力変換回路の構成例。
【図１６】実施の形態に係る、電源回路の構成例。
【図１７】実施の形態に係る、電源回路の構成例。
【図１８】実施の形態に係る、電子機器。
【図１９】酸化物半導体の断面透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）像および局所的なフーリエ変換像。
【図２０】酸化物半導体膜のナノビーム電子回折パターンを示す図、および透過電子回折測定装置の一例を示す図。
【図２１】透過電子回折測定による構造解析の結果を示す図、および平面ＴＥＭ像。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
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。また、同様の機能を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
【００２２】
なお、本明細書で説明する各図において、各構成の大きさ、層の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。
【００２３】
なお、本明細書等における「第１」、「第２」等の序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、数的に限定するものではない。
【００２４】
トランジスタは半導体素子の一種であり、電流や電圧の増幅や、導通または非導通を制御するスイッチング動作などを実現することができる。本明細書におけるトランジスタは、ＩＧＦＥＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を含む。
【００２５】
また、「ソース」や「ドレイン」の機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」の用語は、入れ替えて用いることができるものとする。
【００２６】
また、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジスタなどのスイッチング素子、抵抗素子、コイル、容量素子、その他の各種機能を有する素子などが含まれる。
【００２７】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置の構成例、及び作製方法例について、図面を参照して説明する。ここでは、半導体装置の一例として、トランジスタについて説明する。
【００２８】
［構成例］
図１（Ａ）は、本実施の形態で例示するトランジスタ１００の上面概略図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）中の切断線Ａ−Ｂで切断したときの断面概略図である。
【００２９】
トランジスタ１００は、基板１０１上に絶縁層１０７が設けられ、当該絶縁層１０７上に、少なくとも酸化物半導体層１１２ｂ含む酸化物積層１１０を有する。また酸化物積層１１０上に接して、開口部を備える第１の電極１０２と、第１の電極１０２の開口部の内側に設けられた第２の電極１０３とが、離間して設けられている。また第２の電極１０３、第１の電極１０２、及び酸化物積層１１０上にゲート絶縁層１０５が設けられ、ゲート絶縁層１０５上に環状のゲート電極１０６が設けられている。ここで、環状のゲート電極１０６は第２の電極１０３及び酸化物積層１１０のそれぞれの一部と重ねて設けられている。より具体的には、環状のゲート電極１０６は、その内側の端部が第２の電極１０３と重畳し、且つ、その外側の端部が酸化物積層１１０と重畳するように設けられている。
【００３０】
ここで、本明細書等において、環状の電極とは、上面から見て開口部を有する、閉じた形状の電極を指す。また環状の電極の内周および外周は円形である必要はなく、これらのうち少なくとも一方が多角形、楕円形など様々な形状を有しても良い。
【００３１】
また、ゲート絶縁層１０５及びゲート電極１０６を覆って絶縁層１０８が設けられている。さらに絶縁層１０８上に電極１０９ａ及び電極１０９ｂが設けられている。電極１０９ａは、絶縁層１０８及びゲート絶縁層１０５に形成された開口部を介して第２の電極１０３と電気的に接続される。また電極１０９ｂは、絶縁層１０８に形成された開口部を介してゲート電極１０６と電気的に接続される。
【００３２】
ここで、第１の電極１０２は、トランジスタのドレイン電極として機能する。また第２の電極１０３は、トランジスタのソース電極として機能する。
【００３３】
酸化物積層１１０は、ゲート絶縁層１０５に近い側から第１の酸化物層１１２ａ、酸化物半導体層１１２ｂ、及び第２の酸化物層１１２ｃが積層された積層構造を有している。ここで、酸化物積層１１０中の酸化物半導体層１１２ｂに主としてチャネルが形成され、電流が流れる。すなわちトランジスタ１００は、埋め込みチャネル構造を有しているとも言える。
【００３４】
また、酸化物半導体層１１２ｂにおいて、少なくとも第１の電極１０２と第２の電極１０３との間の領域と重なる部分には、酸化物半導体層１１２ｂに含まれる酸化物半導体に対して導電性を付与する元素が導入され、導電性が高められた領域１１３が形成されている。当該元素としては、好ましくはリンを用いることができる。
【００３５】
そのほか、酸化物半導体の導電性を高める元素としては、１５族元素（例えば窒素（Ｎ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ））や、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、インジウム（Ｉｎ）、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、水素（Ｈ）、チタン（Ｔｉ）、及び亜鉛（Ｚｎ）などが挙げられる。
【００３６】
トランジスタ１００は、第１の電極１０２と第２の電極１０３の間の領域と重なる酸化物積層１１０において、ドレイン電極として機能する第１の電極１０２の近傍にゲート電極１０６が設けられない領域、いわゆるオフセット領域を有している。したがって、オン状態としたとき、チャネルのドレイン側の端部における電界集中が抑制されることでドレイン耐圧が向上するため、信頼性の高いトランジスタ１００が実現できる。またゲート電極１０６と第１の電極１０２とが重ならない構成であるため、ゲート−ドレイン間の耐圧が向上し、高耐圧なトランジスタ１００を実現できる。
【００３７】
さらに、第２の電極１０３を囲うように第１の電極１０２を形成することで、一対の電極を平行に対向するように配置したトランジスタの構成に比べて、トランジスタ１００の占有面積に対するチャネル幅を大きくとることができる。このような構成は、大きな電流を流すことに適しており、パワーデバイスに好適に適用することができる。
【００３８】
さらに、上述したオフセット領域において、酸化物半導体層１１２ｂの導電性が高められた領域１１３を有しているため、オフセット領域を設けることによるオン電流の低下が効果的に抑制されている。その結果、ソースとドレイン間の直列抵抗が十分に低減され、これらの間により大きな電流を流すことができる。
【００３９】
また、酸化物半導体層１１２ｂとゲート絶縁層１０５の間に第１の酸化物層１１２ａを設ける構成とする。このようにゲート絶縁層１０５と、主としてチャネルが形成される酸化物半導体層１１２ｂとの界面が形成されない構成とすることにより、これらの界面におけるトラップ準位が形成されることがなく、またゲート絶縁層１０５中、酸化物半導体層１１２ｂ中へのトラップ準位の生成が抑制され、より信頼性の高いトランジスタとすることができる。
【００４０】
また同様に、酸化物半導体層１１２ｂと絶縁層１０７との間に第２の酸化物層１１２ｃを設ける構成とすることで、酸化物半導体層１１２ｂと絶縁層１０７との間に界面が形成されず、信頼性の高いトランジスタとすることができる。
【００４１】
［酸化物積層について］
以下では、本発明の一態様に含有される積層構造について説明する。
【００４２】
〈構成例〉
図２（Ａ）に示す積層構造は、絶縁層１０７と、ゲート絶縁層１０５の間に酸化物積層１１０を有して構成される。また、酸化物積層１１０は、第１の酸化物層１１２ａ、酸化物半導体層１１２ｂ、及び第２の酸化物層１１２ｃを含む。なお実際の断面構造において、第１の酸化物層１１２ａと酸化物半導体層１１２ｂの境界、及び酸化物半導体層１１２ｂと第２の酸化物層１１２ｃとの境界は明瞭ではない場合があるため、図２（Ａ）ではこれらの界面を破線で示している。
【００４３】
第１の酸化物層１１２ａ及び第２の酸化物層１１２ｃは、酸化物半導体層１１２ｂを構成する金属元素を一種以上含む酸化物層である。
【００４４】
酸化物半導体層１１２ｂは、少なくともインジウム、亜鉛、及びＭ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、ＣｅまたはＨｆ等の金属）を含むＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物で表記される酸化物を含む。酸化物半導体層１１２ｂがインジウムを含むと、トランジスタのキャリア移動度が高くなるため好ましい。
【００４５】
酸化物半導体層１１２ｂの上層に位置する第１の酸化物層１１２ａは、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、ＣｅまたはＨｆ等の金属）で表記され、酸化物半導体層１１２ｂよりもＭの原子数比が高い酸化物を含む。具体的には、第１の酸化物層１１２ａとして、酸化物半導体層１１２ｂよりも前述の元素を１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上高い原子数比で含む酸化物層を用いる。前述の元素はインジウムよりも酸素と強く結合するため、酸素欠損が酸化物層に生じることを抑制する機能を有する。すなわち、第１の酸化物層１１２ａは酸化物半導体層１１２ｂよりも酸素欠損が生じにくい酸化物層である。
【００４６】
また、酸化物半導体層１１２ｂの下層に位置する第２の酸化物層１１２ｃは、第１の酸化物層１１２ａと同様にＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、ＣｅまたはＨｆ等の金属）で表記され、酸化物半導体層１１２ｂよりもＭの原子数比が高い酸化物を含む。具体的には、第２の酸化物層１１２ｃとして酸化物半導体層１１２ｂよりも前述の元素を１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上高い原子数比で含む酸化物層を用いる。したがって、第２の酸化物層１１２ｃは酸化物半導体層１１２ｂよりも酸素欠損が生じにくい酸化物層である。
【００４７】
酸化物半導体層１１２ｂの化学組成は、第１の酸化物層１１２ａと第２の酸化物層１１２ｃのそれとは異なるのが好ましい。具体的には、第１の酸化物層１１２ａ、酸化物半導体層１１２ｂ、第２の酸化物層１１２ｃが少なくともインジウム、亜鉛、及びＭ（Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、ＣｅまたはＨｆ等の金属）を含むＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、第１の酸化物層１１２ａをＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ１：ｚ１［原子数比］、酸化物半導体層１１２ｂをＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ２：ｙ２：ｚ２［原子数比］、第２の酸化物層１１２ｃをＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ３：ｙ３：ｚ３［原子数比］とすると、ｙ１／ｘ１およびｙ３／ｘ３がｙ２／ｘ２よりも大きくなることが好ましい。ｙ１／ｘ１およびｙ３／ｘ３はｙ２／ｘ２よりも１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上とする。このとき、酸化物半導体層１１２ｂにおいて、ｙ２がｘ２以上であるとトランジスタの電気特性を安定させることができる。ただし、ｙ２がｘ２の３倍以上になると、トランジスタの電界効果移動度が低下してしまうため、ｙ２はｘ２の３倍未満であることが好ましい。
【００４８】
なお、第１の酸化物層１１２ａがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、ＩｎとＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが２５ａｔｏｍｉｃ％以上、より好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％以上、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％以上とする。
【００４９】
また、酸化物半導体層１１２ｂがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、ＩｎとＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％以上、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％以上、Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。
【００５０】
また、第２の酸化物層１１２ｃがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、ＩｎとＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが２５ａｔｏｍｉｃ％以上、より好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％以上、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％以上とする。
【００５１】
なお、第１の酸化物層１１２ａと第２の酸化物層１１２ｃとは、異なる構成元素を含む層としてもよいし、同じ構成元素を同一の原子数比で、又は異なる原子数比で含む層としてもよい。
【００５２】
第１の酸化物層１１２ａ、酸化物半導体層１１２ｂ、第２の酸化物層１１２ｃには、例えばインジウム、亜鉛、及びガリウムを含んだ酸化物半導体を用いることができる。
【００５３】
第１の酸化物層１１２ａ、酸化物半導体層１１２ｂ、及び第２の酸化物層１１２ｃの各々の厚さは、トランジスタ１００に要求される電気的特性（出力電流など）に応じて設定すればよい。例えば、第１の酸化物層１１２ａの厚さは、３ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、より好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。また、酸化物半導体層１１２ｂの厚さは、３ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、より好ましくは３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。また、第２の酸化物層１１２ｃの厚さは、上記第１の酸化物層１１２ａまたは酸化物半導体層１１２ｂと同等かそれ以上の厚さとすることが好ましい。
【００５４】
上述したように、第１の酸化物層１１２ａ及び第２の酸化物層１１２ｃは、酸化物半導体層１１２ｂを構成する金属元素を一種以上含み、また、伝導帯下端のエネルギーが酸化物半導体層１１２ｂよりも、０．０５ｅＶ以上、０．０７ｅＶ以上、０．１ｅＶ以上、または０．１５ｅＶ以上であって、２ｅＶ以下、１ｅＶ以下、０．５ｅＶ以下、または０．４ｅＶ以下の範囲で真空準位に近い酸化物半導体で形成することが好ましい。
【００５５】
このような構造において、ゲート絶縁層１０５上に設けられるゲート電極に電界を印加すると、酸化物積層１１０のうち、伝導帯下端のエネルギーが最も小さい酸化物半導体層１１２ｂに主としてチャネルが形成される。すなわち、酸化物半導体層１１２ｂとゲート絶縁層１０５との間に第１の酸化物層１１２ａが形成されていることによって、トランジスタのチャネルをゲート絶縁層１０５と接しない構造とすることができる。換言すると、トランジスタのチャネルをゲート絶縁層１０５から離すことができる。
【００５６】
なお、第１の酸化物層１１２ａは、ゲート絶縁層としての機能を有していてもよい。第１の酸化物層１１２ａのバンドギャップが十分に大きい場合には半導体ではなく絶縁体である、もしくはそれに近い性質を有するため、ゲート絶縁層として機能させることができる。
【００５７】
図２（Ｂ）に示す積層構造は、酸化物半導体層１１２ｂ中に導電性が高められた領域１１３を有する。
【００５８】
ここでは、酸化物半導体層１１２ｂの中央部に導電性が高められた領域１１３を有している場合を示すが、当該領域が酸化物半導体層１１２ｂの厚さ方向の全域に渡って形成されていてもよいし、第１の酸化物層１１２ａ、または第２の酸化物層１１２ｃと接して形成されていてもよい。また、領域１１３が第１の酸化物層１１２ａ及び第２の酸化物層１１２ｃのいずれか一方または両方に及んで形成されていてもよい。
【００５９】
上述のように、領域１１３は酸化物半導体に対して導電性を付与する元素を含む領域である。当該元素としては、好ましくはリンを用いることができる。
【００６０】
酸化物半導体中に含まれるリンは酸化物半導体を構成する酸素と結合する。その結果、酸化物半導体中に酸素欠損が生じ、バンドギャップ中に不純物準位が形成され、当該不純物準位がドナーとなり電子を生成することでｎ型化することがある。すなわち、酸化物半導体中にリンを導入することにより、酸化物半導体をｎ型化させることができる。したがって、領域１１３をｎ型化領域と呼ぶこともできる。
【００６１】
上述したように、領域１１３に含まれる元素として、リン（Ｐ）のほか、１５族元素（例えば窒素（Ｎ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ））や、ホウ素（Ｂ）、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、及び水素（Ｈ）を用いることができる。
【００６２】
領域１１３における上記元素の濃度は、例えば１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。上記元素の導入に伴い領域１１３のキャリア密度が増大するが、上記濃度が低いとトランジスタのオン電流を増大させる効果が希薄になり、一方上記濃度が高すぎるとトランジスタのスイッチング特性が得られない（オフしない、またはピンチオフしない）などの不具合が生じる場合がある。
【００６３】
なお、酸化物積層１１０中の元素濃度は、二次イオン分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）で測定することができる。
【００６４】
上述の元素を酸化物半導体層１１２ｂに導入する方法としては、例えばイオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法などを用いることができる。
【００６５】
領域１１３において、上述した元素の濃度は、酸化物半導体層１１２ｂの厚さ方向に連続的な勾配を有していてもよい。ここで、厚さ方向における濃度分布において、濃度の最も高い領域が酸化物半導体層１１２ｂ内部に位置していることが好ましい。また、当該濃度が、酸化物半導体層１１２ｂから第１の酸化物層１１２ａに向かって連続的な勾配を有していてもよい。同様に当該濃度が、酸化物半導体層１１２ｂから第２の酸化物層１１２ｃに向かって連続的な勾配を有していてもよい。
【００６６】
このような構成とすることで、主として電流が流れる酸化物半導体層１１２ｂの導電性を効果的に高めることができる。このような積層構造をトランジスタのオフセット領域に設けることにより、トランジスタのソースとドレイン間の直列抵抗を効果的に低減することができる。
【００６７】
さらに、導電性が高められた領域１１３を酸化物半導体層１１２ｂの内部に設けることにより、当該領域１１３と絶縁層１０７の間に第２の酸化物層１１２ｃ及び酸化物半導体層１１２ｂの一部が挟持された構造とすることができる。したがって、絶縁層１０７を構成する元素（例えばシリコン）が主として電流経路となる領域１１３に混入することによる移動度の低下を抑制することができる。同様に、領域１１３とゲート絶縁層１０５との間に第１の酸化物層１１２ａ及び酸化物半導体層１１２ｂの一部が挟持された構造とすることができ、ゲート絶縁層１０５を構成する元素（例えばシリコン）が領域１１３に混入することによる移動度の低下を抑制することができる。
【００６８】
〈酸化物積層のバンド構造〉
酸化物積層１１０のバンド構造を説明する。
【００６９】
図３（Ａ）、（Ｂ）は図２（Ａ）で例示した積層構造の厚さ方向におけるエネルギーバンド構造を模式的に示している。
【００７０】
図３（Ａ）、（Ｂ）において、ＥｃＩ１、ＥｃＳ１、ＥｃＳ２、ＥｃＳ３、ＥｃＩ２はそれぞれゲート絶縁層１０５、第１の酸化物層１１２ａ、酸化物半導体層１１２ｂ、第２の酸化物層１１２ｃ、絶縁層１０７の伝導帯下端のエネルギーを模式的に示している。なおここでは便宜上、図２（Ａ）でのそれぞれの層の厚さは考慮していない。
【００７１】
ここで、真空準位（Ｅｖ）と伝導帯下端のエネルギーとの差（電子親和力ともいう）は、真空準位と価電子帯上端のエネルギーとの差（イオン化ポテンシャルともいう）からエネルギーギャップを引いた値となる。エネルギーギャップは、分光エリプソメータ（例えばＨＯＲＩＢＡ  ＪＯＢＩＮ  ＹＶＯＮ社  ＵＴ−３００）を用いて測定できる。また、真空準位と価電子帯上端のエネルギー差は、紫外線光電子分光分析（ＵＰＳ：Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）装置（例えばＰＨＩ社  ＶｅｒｓａＰｒｏｂｅ）を用いて測定できる。
【００７２】
図３（Ａ）に示すように、第１の酸化物層１１２ａ、酸化物半導体層１１２ｂ、第２の酸化物層１１２ｃにおいて、伝導帯下端のエネルギーはこれらの間に障壁が無く連続的に変化する。これは、第１の酸化物層１１２ａ、酸化物半導体層１１２ｂ、第２の酸化物層１１２ｃの組成が近似することにより、酸素が相互に拡散しやすく混合層とも呼ぶべき層が形成されているためと理解できる。
【００７３】
なお、図３（Ａ）では第１の酸化物層１１２ａ及び第２の酸化物層１１２ｃが同様のエネルギーギャップを有する酸化物層である場合について示したが、それぞれが異なるエネルギーギャップを有する酸化物層であっても構わない。例えば、ＥｃＳ３よりもＥｃＳ１が高いエネルギーを有する場合、バンド構造は、図３（Ｂ）のように示される。また、図示しないが、ＥｃＳ１よりもＥｃＳ３が高いエネルギーを有していても構わない。
【００７４】
図３（Ａ）、（Ｂ）より、酸化物積層１１０における酸化物半導体層１１２ｂがウェル（井戸）となり、チャネルが酸化物半導体層１１２ｂに形成されることがわかる。なお、酸化物積層は伝導帯下端のエネルギーが連続的に変化しているため、Ｕ字型井戸（Ｕ  Ｓｈａｒｐｅ  Ｗｅｌｌ）とも呼ぶことができる。またこのような構成を有するチャネルを埋め込みチャネルということもできる。
【００７５】
図４は、図２（Ｂ）で示した積層構造の厚さ方向におけるエネルギーバンド構造を模式的に示している。
【００７６】
図４において、ＥｃＳ２ａ、ＥｃＳ２ｂはそれぞれ、酸化物半導体層１１２ｂ、領域１１３における伝導帯下端のエネルギーを示している。領域１１３の伝導帯下端のエネルギーは酸化物半導体層１１２ｂよりも低いエネルギーとなる。
【００７７】
図４に示すように、酸化物半導体層１１２ｂと領域１１３において、伝導帯下端のエネルギーはこれらの間に障壁なく連続的に変化する。これは、領域１１３に含まれる導電性を付与する元素の濃度が厚さ方向に分布するためと理解できる。
【００７８】
また、酸化物半導体層１１２ｂを形成した後の熱処理などにより領域１１３に含有される上記元素が酸化物半導体層１１２ｂ中に拡散する場合がある。このような場合、領域１１３から第１の酸化物層１１２ａに向かって、または領域１１３から第２の酸化物層１１２ｃに向かって上記元素の濃度が連続的に変化する。その結果、図４に示すように、領域１１３と酸化物半導体層１１２ｂの間でも伝導帯下端のエネルギーに障壁がなく連続的に変化する。
【００７９】
図４より、酸化物積層１１０において、酸化物半導体層１１２ｂが第１のウェルを構成し、さらに酸化物半導体層１１２ｂ内の領域１１３が第２のウェルを構成する。すなわち、埋め込みチャネルの中にさらにウェルが構成されている。このように２つのウェルを有することから、このような構成を二重井戸（Ｄｏｕｂｌｅ  Ｗｅｌｌ）構造とも呼ぶことができる。酸化物半導体層１１２ｂ中にさらにウェルを有することにより、より大きな電流を流すことが可能となる。
【００８０】
さらに、領域１１３が構成するウェルが、第１の酸化物層１１２ａとゲート絶縁層１０５との界面、及び第２の酸化物層１１２ｃと絶縁層１０７との界面と隔絶されているため、これらの界面に生成されうるトラップ準位の影響が、トランジスタのキャリアの主な経路となる領域１１３に及ぶことを抑制することができる。
【００８１】
以上が酸化物積層のバンド構造についての説明である。
【００８２】
〈酸化物積層の形成〉
第１の酸化物層１１２ａ及び第２の酸化物層１１２ｃは、酸化物半導体層１１２ｂを構成する金属元素を一種以上含む酸化物であるから、酸化物積層１１０は主成分を共通して積層された酸化物積層ともいえる。酸化物積層１１０は、連続接合（ここでは、特に伝導帯下端のエネルギーが各層の間で連続的に変化するＵ字型の井戸構造）が形成されるように作製することが好ましい。なぜなら、各層の界面にトラップ中心や再結合中心のような欠陥準位を形成するような不純物が混在していると、エネルギーバンドの連続性が失われ、界面でキャリアがトラップあるいは再結合により消滅してしまうためである。
【００８３】
連続接合を形成するためには、ロードロック室を備えたマルチチャンバー方式の成膜装置（例えばスパッタリング装置）を用いて各層を大気に触れさせることなく連続して積層することが好ましい。スパッタリング装置における各チャンバーは、酸化物半導体にとって不純物となる水等を可能な限り除去すべくクライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて高真空排気（例えば１×１０−４Ｐａ以下５×１０−７Ｐａ以上）することが好ましい。または、ターボ分子ポンプとコールドトラップを組み合わせて排気系からチャンバー内に気体が逆流しないようにしておくことが好ましい。
【００８４】
高純度真性酸化物半導体を得るためには、チャンバー内を高真空排気するのみならずスパッタガスの高純度化も必要である。スパッタガスとして用いる酸素ガスやアルゴンガスは、露点が−４０℃以下、好ましくは−８０℃以下、より好ましくは−１００℃以下にまで高純度化することで酸化物半導体に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。
【００８５】
酸化物半導体層１１２ｂの上層または下層に設けられる第１の酸化物層１１２ａ及び第２の酸化物層１１２ｃはバリア層として機能し、酸化物積層１１０に接する絶縁層（絶縁層１０７及びゲート絶縁層１０５）と、酸化物積層１１０との界面に形成されるトラップ準位の影響が、トランジスタのキャリアの主な経路（キャリアパス）となる酸化物半導体層１１２ｂへと及ぶことを抑制することができる。
【００８６】
例えば、酸化物半導体層に含まれる酸素欠損は、酸化物半導体のエネルギーギャップ内の深いエネルギー位置に存在する局在準位として働く。このような局在準位にキャリアがトラップされることで、トランジスタの信頼性が低下するため、酸化物半導体層に含まれる酸素欠損を低減することが必要となる。酸化物積層１１０においては、酸化物半導体層１１２ｂと比較して酸素欠損の生じにくい酸化物層を酸化物半導体層１１２ｂの上下に接して設けることで、酸化物半導体層１１２ｂにおける酸素欠損を低減することができる。例えば、酸化物半導体層１１２ｂは、一定光電流測定法（ＣＰＭ：Ｃｏｎｓｔａｎｔ  Ｐｈｏｔｏｃｕｒｒｅｎｔ  Ｍｅｔｈｏｄ）により測定された局在準位による吸収係数を１×１０−３／ｃｍ未満、あるいはは１×１０−４／ｃｍ未満とすることができる。
【００８７】
また、酸化物半導体層１１２ｂが、インジウム、亜鉛、Ｍ、および酸素以外の元素を有する絶縁層（例えば酸化シリコン膜を含む下地絶縁層）と接する場合、２層の界面に界面準位が形成され、該界面準位はチャネルを形成することがある。このような場合、しきい値電圧の異なる第２のトランジスタが出現し、トランジスタの見かけ上のしきい値電圧が変動することがある。しかしながら、酸化物積層１１０においては酸化物半導体層１１２ｂを構成する金属元素を一種以上含んで第２の酸化物層１１２ｃが構成されるため、第２の酸化物層１１２ｃと酸化物半導体層１１２ｂの界面に界面準位を形成しにくくなる。よって第２の酸化物層１１２ｃを設けることにより、トランジスタのしきい値電圧などの電気特性のばらつきを低減することができる。
【００８８】
また、ゲート絶縁層１０５と酸化物半導体層１１２ｂとの界面にチャネルが形成される場合、該界面で界面散乱が起こり、トランジスタの電界効果移動度が低下する。しかしながら、酸化物積層１１０においては、酸化物半導体層１１２ｂを構成する金属元素を一種以上含んで第１の酸化物層１１２ａが構成されるため、酸化物半導体層１１２ｂと第１の酸化物層１１２ａとの界面ではキャリアの散乱が起こりにくく、トランジスタの電界効果移動度を高くすることができる。
【００８９】
また、第１の酸化物層１１２ａ及び第２の酸化物層１１２ｃは、酸化物積層１１０に接する絶縁層（絶縁層１０７、ゲート絶縁層１０５）の構成元素が、酸化物半導体層１１２ｂへ混入して、不純物による準位が形成されることを抑制するためのバリア層としても機能する。
【００９０】
例えば、酸化物積層１１０に接する絶縁層１０７、又はゲート絶縁層１０５として、シリコンを含む絶縁層を用いる場合、該絶縁層中のシリコン、又は絶縁層中に混入されうる炭素が、第１の酸化物層１１２ａ又は第２の酸化物層１１２ｃの中へ界面から数ｎｍ程度まで混入することがある。シリコン、炭素等の不純物が酸化物半導体層１１２ｂ中に入ると、不純物準位を形成し、不純物準位がドナーとなり電子を生成することでｎ型化することがある。
【００９１】
しかしながら、第１の酸化物層１１２ａ及び第２の酸化物層１１２ｃの膜厚が、数ｎｍよりも厚ければ、シリコン、炭素等の不純物が酸化物半導体層１１２ｂにまで到達しないため、不純物準位の影響は低減される。
【００９２】
ここで、酸化物半導体層１１２ｂに含まれるシリコンの濃度は３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは３×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。また、酸化物半導体層１１２ｂに含まれる炭素の濃度は３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは３×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。特に酸化物半導体層１１２ｂに第１４族元素であるシリコン又は炭素ができるだけ混入しないように、第１の酸化物層１１２ａ及び第２の酸化物層１１２ｃで、キャリアパスとなる酸化物半導体層１１２ｂを挟む、または囲む構成とすることが好ましい。すなわち、酸化物半導体層１１２ｂに含まれるシリコン及び炭素の濃度は、第１の酸化物層１１２ａ及び第２の酸化物層１１２ｃに含まれるシリコン及び炭素の濃度よりも低いことが好ましい。
【００９３】
なお、酸化物半導体層中の不純物濃度は二次イオン分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）で測定することができる。
【００９４】
なお、第１の酸化物層１１２ａ及び第２の酸化物層１１２ｃと、酸化シリコン膜などの絶縁膜との界面近傍には、不純物や欠陥に起因したトラップ準位が形成され得る。第１の酸化物層１１２ａ及び第２の酸化物層１１２ｃがあることにより、酸化物半導体層１１２ｂと当該トラップ準位とを遠ざけることができる。ただし、ＥｃＳ１またはＥｃＳ３と、ＥｃＳ２とのエネルギー差が小さい場合、酸化物半導体層１１２ｂの電子が該エネルギー差を越えてトラップ準位に達することがある。トラップ準位に電子が捕獲されることで、絶縁膜界面にマイナスの固定電荷が生じ、トランジスタのしきい値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。
【００９５】
したがって、ＥｃＳ１及びＥｃＳ３と、ＥｃＳ２とのエネルギー差を、それぞれ０．１ｅＶ以上、好ましくは０．１５ｅＶ以上とすることで、トランジスタのしきい値電圧の変動が低減され、安定した電気特性を得ることができる。
【００９６】
酸化物積層１１０を構成する各酸化物層は、少なくともインジウム（Ｉｎ）を含むターゲットを用い、スパッタリング法、好ましくはＤＣスパッタリング法で成膜する。スパッタリングターゲットにインジウムを含ませることで導電性が高まるため、ＤＣスパッタリング法で成膜することを容易なものとする。
【００９７】
第１の酸化物層１１２ａ及び第２の酸化物層１１２ｃを構成する材料は、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、ＣｅまたはＨｆ等の金属）で表記される材料を用いる。Ｍとしては、Ｇａを用いることが好ましい。例えばＩｎＧａＸＺｎＹＯＺ（Ｘ＝３以上６以下、Ｙ＝１以上１０以下、Ｚ＞０）で表記される材料を用いることが好ましい。但し、含ませるＧａの割合が多い、具体的にはＩｎＧａＸＺｎＹＯＺで表記できる材料でＹ＝１０を超えると成膜時に粉が発生する恐れがあり、スパッタリング法で成膜することが困難となるため不適である。
【００９８】
なお、第１の酸化物層１１２ａ及び第２の酸化物層１１２ｃは、酸化物半導体層１１２ｂに用いる材料よりもインジウムの原子数比が少ない材料を用いる。酸化物層中のインジウムやガリウムなどの含有量は、飛行時間型二次イオン質量分析法（ＴＯＦ−ＳＩＭＳ）や、Ｘ線電子分光法（ＸＰＳ）で見積もることができる。
【００９９】
酸化物積層１１０を構成する各酸化物層は非単結晶でもよい。非単結晶とは、ＣＡＡＣ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）、多結晶、微結晶、非晶質などが挙げられる。非単結晶において、非晶質は最も欠陥準位密度が高く、ＣＡＡＣは最も欠陥準位密度が低い。なお、ＣＡＡＣ酸化物半導体膜については、後に詳細に説明する。
【０１００】
微結晶酸化物膜は、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ未満のサイズの微結晶（ナノ結晶ともいう）を膜中に含む。ナノ結晶酸化物半導体の詳細については後述する。
【０１０１】
非晶質酸化物膜は、原子配列が無秩序であり、結晶成分のない領域を有している。膜全体が完全な非晶質な場合もある。非結晶酸化物半導体膜の詳細については後述する。
【０１０２】
なお、酸化物積層１１０を構成する各酸化物層が、ＣＡＡＣ酸化物、微結晶酸化物、非晶質酸化物の混合膜であってもよい。例えば、非晶質領域と微結領域と、ＣＡＡＣ領域を有してもよい。あるいは、非晶質領域と微結晶領域とＣＡＡＣ領域の積層構造を有してもよい。
【０１０３】
なお、酸化物積層１１０を構成する各酸化物層は単結晶でよい。
【０１０４】
第２の酸化物層１１２ｃは、絶縁層１０７の構成元素（例えば、シリコン）を不純物として含有することで、結晶性が低下する場合がある。但し、チャネルを形成する酸化物半導体層１１２ｂは、結晶部を有することが好ましい。結晶性の低い第２の酸化物層１１２ｃ上に結晶部を有する酸化物半導体層１１２ｂを積層する場合、当該酸化物積層を、結晶構造の異なるヘテロ構造と呼ぶことができる。
【０１０５】
また、第１の酸化物層１１２ａは結晶部を有していることが好ましい。結晶部を有する酸化物半導体層１１２ｂ上に第１の酸化物層１１２ａを成膜すると、第１の酸化物層１１２ａも結晶構造を有する膜になりやすく、その場合には、酸化物半導体層１１２ｂと第１の酸化物層１１２ａの境界を断面ＴＥＭ（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）観察では判別することが困難となる場合もある。ただし、第２の酸化物層１１２ｃの結晶性は酸化物半導体層１１２ｂよりも低い場合が多く、結晶性の程度で境界を判別できると言える。
【０１０６】
〈酸化物の結晶性について〉
なお、酸化物積層１１０において、少なくとも酸化物半導体層１１２ｂは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜であることが好ましい。また、第１の酸化物層１１２ａ、酸化物半導体層１１２ｂ及び第２の酸化物層１１２ｃの全てがＣＡＡＣ−ＯＳ膜であることが好ましい。
【０１０７】
本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。
【０１０８】
以下では、酸化物半導体膜の構造について説明する。
【０１０９】
酸化物半導体膜は、非単結晶酸化物半導体膜と単結晶酸化物半導体膜とに大別される。非単結晶酸化物半導体膜とは、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜、多結晶酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、非晶質酸化物半導体膜などをいう。
【０１１０】
まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜について説明する。
【０１１１】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、ｃ軸配向した複数の結晶部を有する酸化物半導体膜の一つである。
【０１１２】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜をＴＥＭによって観察すると、明確な結晶部同士の境界、即ち結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を確認することができない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。
【０１１３】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を、試料面と概略平行な方向からＴＥＭによって観察（断面ＴＥＭ観察）すると、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の膜を形成する面（被形成面ともいう。）または上面の凹凸を反映した形状であり、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または上面と平行に配列する。
【０１１４】
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を、試料面と概略垂直な方向からＴＥＭによって観察（平面ＴＥＭ観察）すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られない。
【０１１５】
図１９（ａ）は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の断面ＴＥＭ像である。また、図１９（ｂ）は、図１９（ａ）をさらに拡大した断面ＴＥＭ像であり、理解を容易にするために原子配列を強調表示している。
【０１１６】
図１９（ｃ）は、図１９（ａ）のＡ−Ｏ−Ａ’間において、丸で囲んだ領域（直径約４ｎｍ）の局所的なフーリエ変換像である。図１９（ｃ）より、各領域においてｃ軸配向性が確認できる。また、Ａ−Ｏ間とＯ−Ａ’間とでは、ｃ軸の向きが異なるため、異なるグレインであることが示唆される。また、Ａ−Ｏ間では、ｃ軸の角度が１４．３°、１６．６°、２６．４°のように少しずつ連続的に変化していることがわかる。同様に、Ｏ−Ａ’間では、ｃ軸の角度が−１８．３°、−１７．６°、−１５．９°と少しずつ連続的に変化していることがわかる。
【０１１７】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し電子回折を行うと、原子の配向性を示すスポットが観測される。例えばＣＡＡＣ−ＯＳ膜の上面に対し、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の電子線を用いる電子回折（ナノビーム電子回折ともいう）を行うと、スポットが観測される（図２０（Ａ）参照。）。
【０１１８】
断面ＴＥＭ観察および平面ＴＥＭ観察より、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶部は配向性を有していることがわかる。
【０１１９】
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれるほとんどの結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさである。従って、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部は、一辺が１０ｎｍ未満、５ｎｍ未満または３ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさの場合も含まれる。ただし、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる複数の結晶部が連結することで、一つの大きな結晶領域を形成する場合がある。例えば、平面ＴＥＭ像において、２５００ｎｍ２以上、５μｍ２以上または１０００μｍ２以上となる結晶領域が観察される場合がある。
【０１２０】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）装置を用いて構造解析を行うと、例えばＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に帰属されることから、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に概略垂直な方向を向いていることが確認できる。
【０１２１】
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、ｃ軸に概略垂直な方向からＸ線を入射させるｉｎ−ｐｌａｎｅ法による解析では、２θが５６°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（１１０）面に帰属される。ＩｎＧａＺｎＯ４の単結晶酸化物半導体膜であれば、２θを５６°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸（φ軸）として試料を回転させながら分析（φスキャン）を行うと、（１１０）面と等価な結晶面に帰属されるピークが６本観察される。これに対し、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の場合は、２θを５６°近傍に固定してφスキャンした場合でも、明瞭なピークが現れない。
【０１２２】
以上のことから、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜では、異なる結晶部間ではａ軸およびｂ軸の配向は不規則であるが、ｃ軸配向性を有し、かつｃ軸が被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向を向いていることがわかる。従って、前述の断面ＴＥＭ観察で確認された層状に配列した金属原子の各層は、結晶のａｂ面に平行な面である。
【０１２３】
なお、結晶部は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜した際、または加熱処理などの結晶化処理を行った際に形成される。上述したように、結晶のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向に配向する。従って、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形状をエッチングなどによって変化させた場合、結晶のｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または上面の法線ベクトルと平行にならないこともある。
【０１２４】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜中において、ｃ軸配向した結晶部の分布が均一でなくてもよい。例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶部が、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の上面近傍からの結晶成長によって形成される場合、上面近傍の領域は、被形成面近傍の領域よりもｃ軸配向した結晶部の割合が高くなることがある。また、不純物の添加されたＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、不純物が添加された領域が変質し、部分的にｃ軸配向した結晶部の割合の異なる領域が形成されることもある。
【０１２５】
なお、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、２θが３１°近傍のピークの他に、２θが３６°近傍にもピークが現れる場合がある。２θが３６°近傍のピークは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜中の一部に、ｃ軸配向性を有さない結晶が含まれることを示している。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、２θが３１°近傍にピークを示し、２θが３６°近傍にピークを示さないことが好ましい。
【０１２６】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、不純物濃度の低い酸化物半導体膜である。不純物は、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などの酸化物半導体膜の主成分以外の元素である。特に、シリコンなどの、酸化物半導体膜を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体膜から酸素を奪うことで酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケル、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径（または分子半径）が大きいため、酸化物半導体膜内部に含まれると、酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。なお、酸化物半導体膜に含まれる不純物は、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。
【０１２７】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜である。例えば、酸化物半導体膜中の酸素欠損は、キャリアトラップとなることや、水素を捕獲することによってキャリア発生源となることがある。
【０１２８】
不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い（酸素欠損の少ない）ことを、高純度真性または実質的に高純度真性と呼ぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。従って、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性（ノーマリーオンともいう。）になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリアトラップが少ない。そのため、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。なお、酸化物半導体膜のキャリアトラップに捕獲された電荷は、放出するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、不純物濃度が高く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
【０１２９】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。
【０１３０】
次に、多結晶酸化物半導体膜について説明する。
【０１３１】
多結晶酸化物半導体膜は、ＴＥＭによる観察像で、結晶粒とその粒界を確認することができる。多結晶酸化物半導体膜に含まれる結晶粒は、２ｎｍ以上３００ｎｍ以下、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下または５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の粒径であることが多い。
【０１３２】
多結晶酸化物半導体膜は、複数の結晶粒を有する。当該複数の結晶粒間において結晶の方位が異なっている場合がある。多結晶酸化物半導体膜に対しＸＲＤ装置を用いて構造解析を行うと、例えばＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有する多結晶酸化物半導体膜のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、２θが３１°近傍のピーク、２θが３６°近傍のピークが現れる。
【０１３３】
多結晶酸化物半導体膜は高い結晶性を有するため、高い電子移動度を有する。従って多結晶酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、高い電界効果移動度を有する。ただし多結晶酸化物半導体膜は、結晶粒界に不純物が偏析する場合がある。また、多結晶酸化物半導体膜の結晶粒界は欠陥準位となり、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合があるため、多結晶酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いたトランジスタと比べて、電気特性の変動が大きく、信頼性の低いトランジスタとなりやすい。
【０１３４】
次に、微結晶酸化物半導体膜について説明する。
【０１３５】
微結晶酸化物半導体膜は、ＴＥＭによる観察像では、通常明確に結晶部を確認することができない。微結晶酸化物半導体膜に含まれる結晶部は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、または１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の大きさであることが多い。特に、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、または１ｎｍ以上３ｎｍ以下の微結晶であるナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）を有する酸化物半導体膜を、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜と呼ぶ。
【０１３６】
ｎｃ−ＯＳ膜は、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ−ＯＳ膜は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。従って、ｎｃ−ＯＳ膜は、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体膜と区別が付かない場合がある。例えば、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、結晶部よりも大きい径のＸ線を用いるＸＲＤ装置を用いて構造解析を行うと、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、結晶部よりも大きいプローブ径（例えば５０ｎｍ以上）の電子線を用いる電子回折（制限視野電子回折ともいう。）を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、結晶部の大きさと近いか結晶部より小さいプローブ径の電子線を用いるナノビーム電子回折を行うと、円周状に分布した複数のスポットが観察される。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対しナノビーム電子回折を行うと、リング状の領域内に複数のスポットが観測される場合がある（図２０（Ｂ）参照。）。
【０１３７】
ｎｃ−ＯＳ膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも規則性の高い酸化物半導体膜である。そのためｎｃ−ＯＳ膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が低くなる。上述したように、ｎｃ−ＯＳ膜では異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのためｎｃ−ＯＳ膜は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜と比べて欠陥準位密度が高くなる。
【０１３８】
従ってｎｃ−ＯＳ膜は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜と比べてキャリア密度が高くなる傾向にある。キャリア密度が高い酸化物半導体膜は、電子移動度が高くなりやすい。従って、ｎｃ−ＯＳ膜を用いたトランジスタは、一般的に高い電界効果移動度を有する。また、ｎｃ−ＯＳ膜は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜と比べて欠陥準位密度が高いため、キャリアトラップが多い。従って、ｎｃ−ＯＳ膜を用いたトランジスタは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いたトランジスタと比べて電気特性の変動が大きく、信頼性の低いトランジスタとなる。ただし、ｎｃ−ＯＳ膜は、比較的不純物が多く含まれていても形成することができるため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜よりも形成が容易であり、用途によっては好適に用いることができる場合がある。そのため、ｎｃ−ＯＳ膜を用いたトランジスタを有する半導体装置は、生産性高く作製することができる。
【０１３９】
次に、非晶質酸化物半導体膜について説明する。
【０１４０】
非晶質酸化物半導体膜は、膜中における原子配列が不規則であり、結晶部を有さず、石英のように無定形領域を有する。
【０１４１】
非晶質酸化物半導体膜は、ＴＥＭによる観察像で、結晶部を確認することができない。
【０１４２】
非晶質酸化物半導体膜に対しＸＲＤ装置を用いた構造解析を行うと、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、非晶質酸化物半導体膜に対し電子回折を行うと、ハローパターンが観測される。また、非晶質酸化物半導体膜に対しナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測されず、ハローパターンが観測される。
【０１４３】
非晶質酸化物半導体膜は、水素などの不純物を高い濃度で含む酸化物半導体膜である。また、非晶質酸化物半導体膜は、欠陥準位密度の高い酸化物半導体膜である。
【０１４４】
不純物濃度が高く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体膜は、キャリアトラップやキャリア発生源が多い酸化物半導体膜である。
【０１４５】
従って、非晶質酸化物半導体膜は、ｎｃ−ＯＳ膜と比べて、キャリア密度が高い。そのため、非晶質酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、ノーマリーオンの電気特性になりやすい。従って、ノーマリーオンの電気特性が求められるトランジスタに好適に用いることができる場合がある。非晶質酸化物半導体膜は欠陥準位密度が高いため、キャリアトラップが多い。従って、非晶質酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜やｎｃ−ＯＳ膜を用いたトランジスタと比べて、電気特性の変動が大きく、信頼性の低いトランジスタとなる。
【０１４６】
次に、単結晶酸化物半導体膜について説明する。
【０１４７】
単結晶酸化物半導体膜は不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い（酸素欠損が少ない）酸化物半導体膜である。そのため、キャリア密度を低くすることができる。従って単結晶酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、ノーマリーオンの電気特性になることが少ない。また、単結晶酸化物半導体膜は不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低いため、キャリアトラップが少ない。従って、単結晶酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。
【０１４８】
なお、酸化物半導体膜は、欠陥が少ないと密度が高くなる。また、酸化物半導体膜は、結晶性が高いと密度が高くなる。また、酸化物半導体膜は、水素などの不純物濃度が低いと密度が高くなる。単結晶酸化物半導体膜は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜よりも密度が高い。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、微結晶酸化物半導体膜よりも密度が高い。また、多結晶酸化物半導体膜は、微結晶酸化物半導体膜よりも密度が高い。また、微結晶酸化物半導体膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも密度が高い。
【０１４９】
〈ナノビーム電子回折による結晶構造解析〉
酸化物半導体膜が複数の結晶構造を有する場合、ナノビーム電子回折を用いることで構造解析が可能である。
【０１５０】
図２０（Ｃ）に、電子銃室１０と、電子銃室１０の下の光学系１２と、光学系１２の下の試料室１４と、試料室１４の下の光学系１６と、光学系１６の下の観察室２０と、観察室２０に設置されたカメラ１８と、観察室２０の下のフィルム室２２とを有する透過電子回折測定装置を示す。カメラ１８は、観察室２０内部に向けて設置される。なお、フィルム室２２を有さなくても構わない。
【０１５１】
図２０（Ｄ）に、図２０（Ｃ）で示した透過電子回折測定装置内部の構造を示す。透過電子回折測定装置内部では、電子銃室１０に設置された電子銃から放出された電子２４が、光学系１２を介して試料室１４に配置された試料２８に照射される。試料２８を通過した電子２４は、光学系１６を介して観察室２０内部に設置された蛍光板３２に入射する。蛍光板３２では、入射した電子の強度に応じたパターンが現れることで透過電子回折パターンを測定することができる。
【０１５２】
カメラ１８は、蛍光板３２を向いて設置されており、蛍光板３２に現れたパターンを撮影することが可能である。電子線の入射方向に対する、カメラ１８のレンズの中央と蛍光板３２の中央を通る直線の角度は、例えば、１５°以上８０°以下、３０°以上７５°以下、または４５°以上７０°以下とする。該角度が大きいほど、カメラ１８で撮影される透過電子回折パターンは歪みが大きくなる。ただし、透過電子回折パターンの歪みを補正することも可能である。なお、カメラ１８をフィルム室２２に設置しても構わない。例えば、カメラ１８をフィルム室２２に、電子２４の入射方向と対向するように設置してもよい。この場合、蛍光板３２の裏面から歪みの少ない透過電子回折パターンを撮影することができる。
【０１５３】
試料室１４には、試料２８を固定するためのホルダが設置されている。ホルダは、試料２８を通過する電子を透過するような構造をしている。ホルダは試料２８をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に沿って移動、あるいは回転させる機能を有していてもよい。ホルダの移動機能は、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、１００ｎｍ以上１μｍ以下などの範囲で移動させることができればよい。これらの範囲は、試料２８の構造によって最適な範囲を設定すればよい。
【０１５４】
次に、上述した透過電子回折測定装置を用いて、試料の透過電子回折パターンを測定する方法について説明する。
【０１５５】
例えば、図２０（Ｄ）に示すように、電子２４の照射位置を変化させて（スキャンする）測定する。試料２８がＣＡＡＣ−ＯＳ膜であれば、図２０（Ａ）に示したような回折パターンが観測される。試料２８がｎｃ−ＯＳ膜であれば、図２０（Ｂ）に示したような回折パターンが観測される。
【０１５６】
試料２８がＣＡＡＣ−ＯＳ膜の場合でも、ＣＡＡＣ領域以外の領域に電子２４が走査され、部分的にｎｃ−ＯＳ膜などと同様の回折パターンが観測される場合がある。したがって、膜中におけるＣＡＡＣ領域の割合（ＣＡＡＣ化率ともいう）を求めることができる。例えば、高度にＣＡＡＣ化されているＯＳ膜であれば、ＣＡＡＣ化率は５０％以上、あるいは８０％以上、さらに９０％以上、あるいは９５％以上に達する。なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜と異なる回折パターンが観測される領域の割合を非ＣＡＡＣ化率と表記する。
【０１５７】
一例として、成膜直後（ａｓ−ｓｐｕｔｔｅｒｄと表記）、および酸素を含む雰囲気における４５０℃加熱処理後のＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、スキャンしながら透過電子回折パターンを取得した。ここでは、５ｎｍ／秒の速度で試料を床面に沿って移動させながら６０秒間電子線をスキャンし、観測された回折パターンを０．５秒ごとに静止画に変換することで、ＣＡＡＣ化率を導出した。なお、電子線としては、プローブ径が１ｎｍのナノビームを用いた。同様の測定を６試料に対して行い、その平均値をＣＡＡＣ化率として採用した。
【０１５８】
各試料におけるＣＡＡＣ化率を図２１（Ａ）に示す。成膜直後のＣＡＡＣ−ＯＳ膜のＣＡＡＣ化率は７５．７％（非ＣＡＡＣ化率は２４．３％）であった。また、４５０℃加熱処理後のＣＡＡＣ−ＯＳ膜のＣＡＡＣ化率は８５．３％（非ＣＡＡＣ化率は１４．７％）であった。成膜直後と比べて、４５０℃加熱処理後のＣＡＡＣ化率が高いことがわかる。即ち、高い温度（例えば４００℃以上）における加熱処理によって、非ＣＡＡＣ化率が低くなる（ＣＡＡＣ化率が高くなる）ことがわかる。また、５００℃未満の加熱処理においてもＣＡＡＣ化率が向上することがわかる。
【０１５９】
ここで、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜と異なる回折パターンのほとんどはｎｃ−ＯＳ膜と同様の回折パターンであった。また、測定領域において非晶質の回折パターンを確認することができなかった。したがって、加熱処理によって、ｎｃ−ＯＳ膜と同様の構造を有する領域が再配列し、ＣＡＡＣ化していることが示唆される。
【０１６０】
図２１（Ｂ）および図２１（Ｃ）は、成膜直後および４５０℃加熱処理後のＣＡＡＣ−ＯＳ膜の平面ＴＥＭ像である。図２１（Ｂ）と図２１（Ｃ）とを比較することにより、４５０℃加熱処理後のＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、膜質がより均質であることがわかる。即ち、加熱処理によって、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の膜質が向上することがわかる。
【０１６１】
このような測定方法を用いれば、複数の構造を有する酸化物半導体膜の構造解析が可能である。
【０１６２】
〈ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の成膜方法〉
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、多結晶である酸化物半導体スパッタリング用ターゲットを用い、スパッタリング法によって成膜することができる。当該スパッタリング用ターゲットにイオンが衝突すると、スパッタリング用ターゲットに含まれる結晶領域がａ−ｂ面から劈開し、ａ−ｂ面に平行な面を有する平板状またはペレット状のスパッタリング粒子として剥離することがある。この場合、当該平板状のスパッタリング粒子が、結晶状態を維持したまま基板に到達することで、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜することができる。
【０１６３】
平板状のスパッタリング粒子は、ａ−ｂ面に平行な面の円相当径が３ｎｍ以上１０ｎｍ以下、厚さ（ａ−ｂ面に垂直な方向の長さ）が０．７ｎｍ以上１ｎｍ未満と考えられる。なお、平板状のスパッタリング粒子は、ａ−ｂ面に平行な面が正三角形または正六角形であってもよい。ここで、面の円相当径とは、面の面積と等しい正円の直径をいう。
【０１６４】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜するために、以下の条件を適用することが好ましい。
【０１６５】
一つは成膜時の基板温度を高めることである具体的には、基板温度を１００℃以上７４０℃以下、好ましくは２００℃以上５００℃以下として成膜する。成膜時の基板温度を高めることで、以下のようなメカニズムによってＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成される可能性がある。すなわち、平板状のスパッタリング粒子が基板に到達し、基板上でマイグレーションが起こり、スパッタリング粒子の平らな面が基板に付着する。このとき、スパッタリング粒子は正に帯電しているので、スパッタリング粒子同士が反発しながら基板に付着する。従って、スパッタリング粒子が偏って不均一に重なることがなく、厚さの均一なＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜することができる。
【０１６６】
二つ目は、成膜時の不純物混入を低減させることである。これにより、不純物によって結晶状態が崩れることを抑制できる。例えば、成膜室内に存在する不純物濃度（水素、水、二酸化炭素及び窒素など）を低減すればよい。また、成膜ガス中の不純物濃度を低減すればよい。具体的には、露点が−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下である成膜ガスを用いる。
【０１６７】
三つ目は、成膜ガス中の酸素割合を高め、電力を最適化することである。これにより、成膜時のプラズマダメージが軽減される。成膜ガス中の酸素割合は、３０体積％以上、好ましくは１００体積％とする。
【０１６８】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜した後、加熱処理を行ってもよい。加熱処理の温度は、１００℃以上７４０℃以下、好ましくは２００℃以上５００℃以下とする。また、加熱処理の時間は１分以上２４時間以下、好ましくは６分以上４時間以下とする。また、加熱処理は、不活性雰囲気または酸化性雰囲気で行えばよい。好ましくは、不活性雰囲気で加熱処理を行った後、酸化性雰囲気で加熱処理を行う。不活性雰囲気での加熱処理により、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の不純物濃度を短時間で低減することができる。一方、不活性雰囲気での加熱処理によりＣＡＡＣ−ＯＳ膜に酸素欠損が生成されることがある。その場合、酸化性雰囲気での加熱処理によって該酸素欠損を低減することができる。また、加熱処理を行うことで、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶性をさらに高めることができる。なお、加熱処理は１０００Ｐａ以下、１００Ｐａ以下、１０Ｐａ以下または１Ｐａ以下の減圧下で行ってもよい。減圧下では、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の不純物濃度をさらに短時間で低減することができる。
【０１６９】
加熱処理は、例えば抵抗発熱体やランプなどを用いて加熱する加熱機構、または、加熱されたガスなどの媒体からの熱伝導によって加熱する加熱機構、例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ  Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ  Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）などのＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）を用いることができる。ＬＲＴＡ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。ＧＲＴＡは、高温のガスを用いて熱処理を行う。ガスとしては、不活性ガスが用いられる。ＲＴＡ装置を用いることによって、処理時間が短縮することができるので、量産する上では好ましい。また、加熱処理はインライン型の加熱装置を用いて行ってもよい。
【０１７０】
スパッタリング用ターゲットの一例として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲットについて以下に示す。
【０１７１】
ＩｎＯＸ粉末、ＧａＯＹ粉末及びＺｎＯＺ粉末を混合し、加圧処理後、１０００℃以上１５００℃以下の温度で加熱処理をすることで多結晶であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲットとする。なお、Ｘ、Ｙ及びＺは正数である。ここで、混合モル比は、例えば、ＩｎＯＸ粉末、ＧａＯＹ粉末及びＺｎＯＺ粉末が、２：２：１、８：４：３、３：１：１、１：１：１、４：２：３、１：１：２、３：１：４、１：３：１、１：３：２、１：３：４、１：６：２、１：６：４、１：６：５、１：６：８または３：１：２である。なお、粉末の種類、及びその混合するｍｏｌ数比は膜の組成に応じて適宜変更すればよい。
【０１７２】
または、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は以下の方法により形成する。
【０１７３】
まず、第１の酸化物半導体膜を１ｎｍ以上１０ｎｍ未満の厚さで成膜する。第１の酸化物半導体膜はスパッタリング法を用いて成膜する。具体的には、基板温度を１００℃以上５００℃以下、好ましくは１５０℃以上４５０℃以下とし、成膜ガス中の酸素割合を３０体積％以上、好ましくは１００体積％として成膜する。
【０１７４】
次に、上述したように加熱処理を行い、第１の酸化物半導体膜を結晶性の高い第１のＣＡＡＣ−ＯＳ膜とする。
【０１７５】
第１の酸化物半導体膜は、厚さが１ｎｍ以上１０ｎｍ未満であるので、厚さが１０ｎｍ以上である場合と比べ、加熱処理によって容易に結晶化させることができる。
【０１７６】
次に、第１の酸化物半導体膜と同じ組成である第２の酸化物半導体膜を１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚さで成膜する。第２の酸化物半導体膜はスパッタリング法を用いて成膜する。具体的には、基板温度を１００℃以上５００℃以下、好ましくは１５０℃以上４５０℃以下とし、成膜ガス中の酸素割合を３０体積％以上、好ましくは１００体積％として成膜する。
【０１７７】
次に、加熱処理を行い、第２の酸化物半導体膜を第１のＣＡＡＣ−ＯＳ膜から固相成長させることで、結晶性の高い第２のＣＡＡＣ−ＯＳ膜とする。この加熱処理も上述したように行えばよい。
【０１７８】
以上のようにして、合計の厚さが１０ｎｍ以上であるＣＡＡＣ−ＯＳ膜を形成することができる。当該ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を、酸化物積層における酸化物半導体層として好適に用いることができる。
【０１７９】
このような形成方法によって得られる酸化物半導体膜は、例えば、非晶質表面、非晶質絶縁表面、非晶質酸化物表面などであっても、高い結晶性を有する。
【０１８０】
〈他のモルフォルジーを有する酸化物膜の作製方法〉
例えば被形成面を低温（例えば、１３０℃未満、１００℃未満、７０℃未満または室温（２０℃以上２５℃以下）程度）である場合、スパッタ粒子は被成膜面に不規則に堆積する。これは、堆積したスパッタ粒子がマイグレーションをしないためである。さらにその上にスパッタ粒子が堆積するため、得られる酸化物膜は、厚さが均一でなく、結晶の配向も無秩序になりやすい。このようにして得られた酸化物膜は、スパッタ粒子の結晶性をある程度維持するため、結晶部（ナノ結晶）を有する。
【０１８１】
また、例えば、成膜時の圧力が高い場合、放出されたスパッタ粒子はアルゴンなどの他の粒子（原子、分子、イオン、ラジカルなど）と衝突する頻度が高まる。他の粒子と衝突する（再スパッタされる）ことで、結晶構造が崩れ、平板状の形状を維持することができず、細分化（例えば各原子に分かれた状態）される。スパッタ粒子から分かれた各原子が被形成面に堆積していくことで、非晶質酸化物膜が形成される。
【０１８２】
また、多結晶酸化物を有するターゲットを用いたスパッタリング法ではなく、ターゲットなどの固体を気化することで成膜する方法の場合、各原子に分かれた状態で放出されて被形成面に堆積するため、非晶質酸化物膜が形成される場合がある。また、例えばレーザアブレーション法を用いると、ターゲットから放出された原子、分子、イオン、ラジカル、クラスターなどが被形成面に堆積するため非晶質酸化物膜を形成することができる。
【０１８３】
［変形例］
以下では、図１に示したトランジスタ１００の変形例について説明する。
【０１８４】
〈変形例１〉
図５（Ａ）、（Ｂ）に本変形例で例示するトランジスタの上面概略図を示す。
【０１８５】
図５（Ａ）に示すように第２の電極１０３の外周、ゲート電極１０６の内周及び外周、並びに第１の電極１０２の内周の角部の形状を円弧状にしてもよい。また、図５（Ｂ）に示すように、当該形状がそれぞれ円となるようにしてもよい。第１の電極１０２、第２の電極１０３、及びゲート電極１０６をこのような形状とすることで、トランジスタのチャネル長を均一にすることができるため、電気特性のばらつきを低減することができる。
【０１８６】
〈変形例２〉
図６は、本変形例で例示するトランジスタの上面概略図である。
【０１８７】
図６のように、複数の開口部を介して電極１０９ｂとゲート電極１０６とを電気的に接続する構成としてもよい。このような構成とすることで、電極１０９ｂとゲート電極１０６との接触抵抗を低減できる。
【０１８８】
〈変形例３〉
図７（Ａ）は本変形例で例示するトランジスタの上面概略図であり、図７（Ｂ）は図７（Ａ）中の切断線Ｃ−Ｄにおける断面概略図である。ここで例示するトランジスタは図１で例示したトランジスタと比較して、主にゲート電極１０６と第１と第２の電極（１０２、１０３）との位置関係が相違している。
【０１８９】
環状のゲート電極１０６は第１の電極１０２及び酸化物積層１１０のそれぞれの一部と重ねて設けられている。より具体的には、環状のゲート電極１０６は、その内側の端部が酸化物積層１１０と重畳し、且つ、その外側の端部が第１の電極１０２と重畳するように設けられている。したがって、第２の電極１０３側にゲート電極１０６が酸化物積層１１０と重畳しないオフセット領域が形成されている。
【０１９０】
図７で例示するトランジスタは、第１の電極１０２がソース電極として機能し、第２の電極１０３がドレイン電極として機能する。このように、図１で例示したトランジスタ１００とはソース及びドレインの機能が反転した構成とすることもできる。
【０１９１】
〈変形例４〉
図８は本変形例で例示するトランジスタの断面概略図である。
【０１９２】
図８に示すトランジスタは、ゲート絶縁層１０５上にゲート電極１０６と同一の導電性材料からなる電極１２１及び電極１２２を有する。
【０１９３】
電極１２１はゲート絶縁層１０５に設けられた開口部を介して、第１の電極１０２と電気的に接続する。電極１２１を設けることにより第１の電極１０２の配線抵抗を低減することができるため、より大きな電流を流すことが可能となる。
【０１９４】
また、電極１２２は第２の電極１０３と電極１０９ａとの間に設けられ、これらと電気的に接続する。このような構成とすることにより、トランジスタの作製工程において、絶縁層１０８に開口部を形成する際に同時にゲート絶縁層１０５をエッチングする必要がないため、加工条件の自由度が高まるため好ましい。
【０１９５】
〈変形例５〉
図９（Ａ）は本変形例で例示するトランジスタの上面概略図であり、図９（Ｂ）は図９（Ａ）中の切断線Ｅ−Ｆで切断した断面概略図である。
【０１９６】
図９に示すトランジスタは、ドレイン電極として機能する第１の電極１０２と、ソース電極として機能する第２の電極１０３とが対向して平行に配置された構成である。また、ゲート電極１０６の一端は第２の電極１０３と重畳して設けられ、他端が酸化物積層１１０と重畳して設けられている。したがって、第１の電極１０２側にゲート電極１０６が酸化物積層１１０と重畳しないオフセット領域が形成されている。
【０１９７】
なお、図９では酸化物積層１１０の端部を示していないが、酸化物積層１１０を島状に加工した構成とすることもできる。
【０１９８】
以上が変形例についての説明である。
【０１９９】
〈応用例〉
図１０は、図１で例示したトランジスタ１００を同一基板上に複数配置し、これらを並列接続する応用例を示す断面概略図である。
【０２００】
図１０では、縦３個、横３個の合計９個のトランジスタ１００が、マトリクス状に配置されている。なお、トランジスタ１００の数及び配置はこれに限られず、必ずしもマトリクス状に配置する必要はない。
【０２０１】
複数のトランジスタ１００で共通する第１の電極１０２には複数の開口部が設けられ、当該開口部の内側に第２の電極１０３が設けられている。また電極１０９ａは、それぞれのトランジスタ１００の第２の電極１０３と電気的に接続する。また電極１０９ｂは、それぞれのトランジスタ１００のゲート電極１０６と電気的に接続する。
【０２０２】
このように複数のトランジスタ１００を並列に接続することで、より大きな電流を流すことができる。また図１０に示すように、同一基板上にトランジスタ１００を複数配置することで、最終形態（モールドされたチップなど）を小型化することができる。
【０２０３】
なお、図１０では酸化物積層１１０をそれぞれのトランジスタ１００の間で分断することなく、一つの連続した酸化物積層１１０を複数のトランジスタ１００間で共通に用いた構成を示しているが、それぞれのトランジスタ１００の間で酸化物積層１１０を分断するように島状に加工してもよい。
【０２０４】
以上が本応用例についての説明である。
【０２０５】
本実施の形態は、本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【０２０６】
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１で例示したトランジスタの作製方法例について説明する。
【０２０７】
［作製方法例］
図１１及び図１２を用いて実施の形態１で例示したトランジスタ１００の作製方法例について説明する。図１１及び図１２は作製工程に係る断面概略図である。
【０２０８】
〈絶縁層１０７の形成〉
まず、基板１０１上に絶縁層１０７を形成する。
【０２０９】
基板１０１は、作製工程中にかかる熱に対して耐熱性を有する基板を用いる。例えば、ガラス基板、金属基板、合金基板、またはシリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板などを用いることができる。また、基板１０１に他のトランジスタなどのデバイスが形成された基板を用いてもよい。この場合、トランジスタ１００の第１の電極１０２、第２の電極１０３、またはゲート電極１０６の少なくとも一つが上記他のデバイスと電気的に接続するように形成してもよい。
【０２１０】
トランジスタに大きな電流を流す際に発熱が問題になる場合には、基板１０１として熱伝導性の高い材料を用いることが好ましい。例えば、金属基板、合金基板、半導体基板などを用いることができる。
【０２１１】
なお、基板１０１においてトランジスタ１００を含む素子や回路を作製したあとで、素子や回路などを剥離してから、別の基板に貼り付けてもよい。別の基板として、例えば、ＰＶＦ（ポリビニルフロライド）、ポリエステルまたはアクリル等を有するプラスチック基板や、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ−Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ）等をその例に挙げることができる。このような基板を用いることにより、トランジスタを含む回路が形成された大面積の半導体装置を折り曲げることも可能となるため、好適である。
【０２１２】
絶縁層１０７は、プラズマＣＶＤ法やスパッタリング法などの方法により、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルなどの酸素を含む絶縁膜を用いて形成することができる。
【０２１３】
絶縁層１０７は、基板１０１からの不純物の拡散を防止する役割を有するほか、酸化物積層１１０に酸素を供給する役割を担うため、酸素を含む絶縁層が好適に用いられる。また、上述のように基板１０１が他のデバイスが形成された基板である場合、絶縁層１０７は層間絶縁層としての機能も有する。その場合は、表面が平坦になるようにＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法等で平坦化処理を行うことが好ましい。
【０２１４】
本実施の形態のトランジスタ１００において、酸素を含有する絶縁層１０７が、酸化物半導体層を含む積層構造（酸化物積層１１０）の下方に設けられている。このような構成とすることで、絶縁層１０７に含まれる酸素を、チャネル形成領域へ供給することが可能となる。絶縁層１０７は、化学量論的組成よりも過剰に酸素を含有する領域を有することが好ましい。絶縁層１０７が過剰に酸素を含有することで、チャネル形成領域への酸素の供給がより促進されうる。
【０２１５】
なお、本明細書等において、過剰な酸素とは、加熱処理により酸化物半導体層や、酸化シリコン、または酸化窒化シリコンなどの酸化物層中を移動可能な酸素、または、本来の化学量論的組成にある酸素よりも過剰に存在する酸素、または、酸素の不足によるＶｏ（酸素ベーカンシー（空孔））を満たすまたは充填する機能を有する酸素を示す。
【０２１６】
絶縁層１０７に酸素を過剰に含有させるには、例えば、酸素雰囲気下にて絶縁層１０７の成膜を行えばよい。または、絶縁層１０７に酸素を導入して酸素を過剰に含有させてもよく、双方の手段を組み合わせてもよい。
【０２１７】
絶縁層１０７に酸素を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成する場合、例えば少なくとも酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオンのいずれかを含むガスをイオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理等によって導入する。前記ガスとしては、酸素、一酸化二窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができる。また、前記ガスに希ガスを含ませてもよい。
【０２１８】
〈酸化物積層１１０の形成〉
次いで、絶縁層１０７上に第２の酸化物層１１２ｃ、酸化物半導体層１１２ｂ、及び第１の酸化物層１１２ａを順に積層し、酸化物積層１１０を形成する。酸化物積層１１０は、スパッタリング法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、またはＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等を用いて成膜する（図１１（Ａ））。
【０２１９】
第１の酸化物層１１２ａ、酸化物半導体層１１２ｂ、及び第２の酸化物層１１２ｃには、実施の形態１で例示した材料を用いることができる。
【０２２０】
第１の酸化物層１１２ａには、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、１：３：２、１：６：４、１：９：６［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、又はその近傍の組成を有する酸化物を用いることが好ましい。
【０２２１】
酸化物半導体層１１２ｂには、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、３：１：２［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、又はその近傍の組成を有する酸化物を用いることが好ましい。
【０２２２】
第２の酸化物層１１２ｃには、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、１：３：２、１：６：４、１：９：６［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、又はその近傍の組成を有する酸化物を用いることが好ましい。
【０２２３】
なお、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝ａ：ｂ：ｃ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１）である酸化物の組成が、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝Ａ：Ｂ：Ｃ（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＝１）の酸化物の組成の近傍であるとは、ａ、ｂ、ｃが、（ａ−Ａ）２＋（ｂ−Ｂ）２＋（ｃ−Ｃ）２≦ｒ２を満たすことをいう。ｒとしては、例えば０．０５とすればよい。
【０２２４】
なお、各層の組成は上述の原子数比に限られない。但し、酸化物半導体層１１２ｂは、第１の酸化物層１１２ａ及び第２の酸化物層１１２ｃよりもインジウムの含有量を多くするとよい。酸化物半導体では主としてインジウムのｓ軌道がキャリア伝導に寄与しており、インジウムの含有量を多くすることにより、より多くのｓ軌道が重なるため、インジウムがガリウムよりも多い組成となる酸化物はインジウムがガリウムと同等または少ない組成となる酸化物と比較して移動度が高くなる。一方、ガリウムはインジウムと比較して酸素欠損の形成エネルギーが大きく酸素欠損を生じにくいため、ガリウムの含有量の多い酸化物は安定した特性を備える。
【０２２５】
そのため、酸化物半導体層１１２ｂにインジウムの含有量が多い酸化物を用いることで、高い電界効果移動度を備えるトランジスタを実現することができる。これに対し、絶縁層との界面側にガリウムの含有量の多い酸化物を用いることで、トランジスタの信頼性を高めることが可能となる。
【０２２６】
また、第１の酸化物層１１２ａ、酸化物半導体層１１２ｂ、及び第２の酸化物層１１２ｃとして用いることのできる酸化物は、少なくともインジウム（Ｉｎ）もしくは亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。または、ＩｎとＺｎの双方を含むことが好ましい。特に、酸化物半導体層１１２ｂがインジウムを含有すると、トランジスタのキャリア移動度を高めることができ、亜鉛を含有すると、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を形成しやすくなるため好ましい。また、酸化物半導体層を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすため、インジウム及び亜鉛と共に、スタビライザーを含むことが好ましい。
【０２２７】
スタビライザーとしては、ガリウム（Ｇａ）、スズ（Ｓｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、アルミニウム（Ａｌ）、またはジルコニウム（Ｚｒ）等がある。また、他のスタビライザーとしては、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）等がある。
【０２２８】
例えば酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ酸化物、Ａｌ−Ｚｎ酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ酸化物、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ酸化物を用いることができる。
【０２２９】
但し、実施の形態１に詳細を記したように、第１の酸化物層１１２ａ及び第２の酸化物層１１２ｃは、酸化物半導体層１１２ｂよりも電子親和力が大きくなるように材料を選択する。
【０２３０】
なお、酸化物積層１１０の成膜には、スパッタリング法を用いることが好ましい。スパッタリング法としては、ＲＦスパッタリング法、ＤＣスパッタリング法、ＡＣスパッタリング法等を用いることができる。特に、成膜時に発生するゴミを低減でき、且つ膜厚分布も均一とすることからＤＣスパッタリング法を用いることが好ましい。
【０２３１】
なお、酸化物半導体層１１２ｂの成膜前に、第２の酸化物層１１２ｃに対して酸素を導入してもよい。当該酸素導入処理により、第２の酸化物層１１２ｃが過剰に酸素を含有し、その後の成膜工程後における熱処理によって酸素を酸化物半導体層１１２ｂへ供給することができる。その結果、酸化物半導体層１１２ｂの酸素欠損を効果的に低減することが可能となる。
【０２３２】
第２の酸化物層１１２ｃに添加する酸素のドーズ量は、代表的には、イオン注入法において、５×１０１４／ｃｍ２以上１×１０１７／ｃｍ２以下が好ましい。後に形成される酸化物半導体膜の酸素欠損を低減できる程度の酸素を添加することが好ましく、代表的にはドーズ量は５×１０１４／ｃｍ２以上、さらには１×１０１５／ｃｍ２以上である。一方、酸素の添加量が多ければ多い程処理時間が長くなり、量産性が低下するため、１×１０１７／ｃｍ２以下、さらには５×１０１６／ｃｍ２以下、さらには２×１０１６／ｃｍ２以下が好ましい。
【０２３３】
なお、第２の酸化物層１１２ｃは酸素の導入処理によって非晶質化する場合がある。酸化物積層１１０において、酸化物半導体層１１２ｂは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜とすることが好ましい。よって、当該酸素の導入処理は、酸化物半導体層１１２ｂの成膜前に行うことが好ましい。
【０２３４】
酸化物積層１１０を形成後、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下の温度で、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。また、加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上含む雰囲気で行ってもよい。加熱処理によって、酸化物半導体層１１２ｂを含む酸化物積層１１０の結晶性を高め、さらに絶縁層１０７及び酸化物積層１１０から水素や水などの不純物を除去することができる。酸化物半導体層１１２ｂの結晶性を向上させることで、トランジスタの電気特性を向上させることができる。
【０２３５】
酸化物積層１１０の結晶性を向上させるための加熱処理として、エネルギービームを照射して加熱処理を行っても良い。エネルギービームの代表例はレーザ光である。レーザ光としては、パルスレーザ光が好ましい。酸化物積層１１０が形成された基板に熱的なダメージを与えることなく、かつレーザ光の照射領域を瞬間的に結晶化可能な温度に加熱することが可能となるためである。
【０２３６】
レーザ光は、酸化物積層１１０でレーザ光が吸収されるように、酸化物積層１１０に含まれる酸化物半導体のバンドギャップ以上のエネルギーの波長を有することが好ましい。そのような波長を有するレーザ光の光源の一例としては、エキシマレーザを用いることができる。エキシマレーザとして、ＸｅＣｌ（３０８ｎｍ）、ＫｒＦ（２４８ｎｍ）、ＡｒＦ（１９３ｎｍ）レーザなどを用いることができる。また、ＹＡＧレーザなどの第３高調波を用いてもよい。
【０２３７】
酸化物積層１１０を島状に加工する場合には、酸化物積層１１０を成膜した後にフォトリソグラフィ法を用いて不要な部分をエッチングする。またこのとき、第２の酸化物層１１２ｃの形成後、酸化物半導体層１１２ｂの形成後、または第１の酸化物層１１２ａの形成後のいずれかの時点で加工を行ってもよい。例えば、第２の酸化物層１１２ｃと酸化物半導体層１１２ｂを積層した後に第１の加工を行って島状に加工された第２の酸化物層１１２ｃと酸化物半導体層１１２ｂの積層体を作製し、これを覆うように第１の酸化物層１１２ａを形成した後、第１の酸化物層１１２ａを島状に加工する第２の加工を行なってもよい。このように加工を行うことで、酸化物半導体層１１２ｂの側面が露出しないため、当該側面から不純物が混入することや、当該側面から酸素が放出してしまうことを抑制できる。
【０２３８】
〈第１の電極１０２、第２の電極１０３の形成〉
続いて、酸化物積層１１０上に導電膜を成膜し、不要な部分をエッチングすることにより、第１の電極１０２及び第２の電極１０３を形成する。
【０２３９】
導電膜の材料としては、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗなどの金属、または上述の金属を含む合金を用いることができる。該導電膜はスパッタリング法などにより形成することができる。
【０２４０】
ここで、導電膜のエッチングの際に、酸化物積層１１０の上部がエッチングされ、第１の酸化物層１１２ａの一部が薄くなる、または消失する場合がある。したがって、第１の酸化物層１１２ａは当該エッチングを考慮して成膜時の厚さを設定しておくことが好ましい。
【０２４１】
ここで、上記と同様の加熱処理を行ってもよい。
【０２４２】
〈ゲート絶縁層１０５の形成〉
続いて、酸化物積層１１０、第１の電極１０２、及び第２の電極１０３上にゲート絶縁層１０５を形成する（図１１（Ｂ））。
【０２４３】
ゲート絶縁層１０５の材料としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルなどを用いることができる。なお、ゲート絶縁層１０５は、上記材料の積層であってもよい。ゲート絶縁層１０５は、スパッタ法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法などを用いて形成することができる。
【０２４４】
ゲート絶縁層１０５は上記絶縁層１０７と同様、酸化物積層１１０への不純物の拡散を防止する役割を有するほか、酸化物積層１１０に酸素を供給する役割を担うため、酸素を含む絶縁層を用いることが好ましい。
【０２４５】
ゲート絶縁層１０５の形成後、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は上記と同様の条件で行うことができる。加熱処理により、酸化物積層１１０を囲む酸素を含む層から、酸化物積層１１０中に効果的に酸素が供給され、酸化物半導体層１１２ｂ中の酸素欠損を低減できる。
【０２４６】
〈ゲート電極１０６の形成〉
次に、ゲート絶縁層１０５上に導電膜を形成し、不要な部分をエッチングすることにより、ゲート電極１０６を形成する（図１１（Ｃ））。
【０２４７】
導電膜の材料としては、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ａｇ、Ｔａ及びＷなどの金属、または上述の金属を含む合金を用いることができる。該導電膜はスパッタリング法などにより形成することができる。
【０２４８】
ゲート電極１０６の形成後、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は上記と同様の条件で行うことができる。加熱処理により、酸化物積層１１０を囲む酸素を含む層から、酸化物積層１１０中に効果的に酸素が供給され、酸化物半導体層１１２ｂ中の酸素欠損を低減できる。
【０２４９】
〈領域１１３の形成〉
ここで酸化物積層１１０は、第１の電極１０２と第２の電極１０３の間に、ゲート電極１０６に覆われていない領域を有する。すなわち、第１の電極１０２と第２の電極１０３の間に、第１の電極１０２、第２の電極１０３、およびゲート電極１０６のいずれにも覆われていない領域を有する。当該領域に対して、酸化物半導体に導電性を付与する元素１１５を導入することにより、酸化物積層１１０中に領域１１３を形成する（図１１（Ｄ））。
【０２５０】
例えば、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法などを用いて、酸化物積層１１０中に元素１１５を添加する。このとき、第１の電極１０２、第２の電極１０３及びゲート電極１０６が遮蔽物となり、自己整合的に上述の領域に元素を添加することができる。
【０２５１】
元素１１５としては、実施の形態１で例示した元素を用いることができる。このとき、導入する元素１１５はラジカル、原子、またはイオンのいずれかの状態を少なくとも含む。
【０２５２】
ここで、酸化物半導体層１１２ｂの第２の酸化物層１１２ｃとの界面に元素１１５が達しないように導入の条件を設定することが好ましい。また、添加される元素の濃度が最も高い領域が酸化物半導体層１１２ｂの中央部に位置するようにすることが好ましい。より具体的には、元素１１５の濃度の最も高い領域が、酸化物半導体層１１２ｂの表面から２０ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以下、より好ましくは５ｎｍ以下の範囲に位置するように元素１１５を導入することが好ましい。または、元素１１５の濃度の最も高い領域が、酸化物半導体層１１２ｂの表面から酸化物半導体層１１２ｂの厚さの３／４以下、好ましくは１／２以下、より好ましくは１／４以下の範囲に位置するように、元素１１５を導入することが好ましい。
【０２５３】
このような方法により元素１１５を導入することで、酸化物半導体層１１２ｂ中にｎ型領域である領域１１３を形成することができる。ここで、酸化物半導体層１１２ｂ内の領域１１３以外の部分は、ｉ型または実質的にｉ型であることが好ましい。
【０２５４】
このようにして、酸化物半導体層１１２ｂ中に導電性が高められた領域１１３を形成することができる。
【０２５５】
なお、領域１１３の形成後、上述したレーザ光の照射を行い、酸化物積層１１０の結晶性を高めることが好ましい。さらにレーザ光の照射により、添加した元素のうち導電性に寄与していないものを活性化させ、導電性をより高めることもできる。レーザ光は、基板の全面ではなく、照射したい領域に対して選択的に照射しても良い。もしくは基板１０１がレーザ光に対して透光性を有している場合には基板１０１の裏面側から照射してもよい。
【０２５６】
なお、レーザ光の照射条件によっては、酸化物半導体層１１２ｂ中からの酸素が脱離してしまう場合があるため、チャネルが形成される領域（ゲート電極１０６と重なる領域）にはレーザ光の照射を行わないことが好ましい。
【０２５７】
また、領域１１３の形成後、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は上記と同様の条件で行うことができる。加熱処理により、領域１１３に導入された元素の活性化を図り、領域１１３の導電性を高めることができる。また加熱処理により、酸化物積層１１０を囲む酸素を含む層から、酸化物積層１１０中に効果的に酸素が供給され、酸化物半導体層１１２ｂ中の酸素欠損を低減できる。
【０２５８】
〈絶縁層１０８の形成〉
続いて、ゲート絶縁層１０５、ゲート電極１０６上に絶縁層１０８を形成する（図１２（Ａ））。
【０２５９】
絶縁層１０８は、絶縁層１０７、ゲート絶縁層１０５と同様の材料、方法を用いて形成することができる。
【０２６０】
ここで、絶縁層１０８を２層とし、酸化物積層１１０側に酸化物積層１１０への酸素の供給源となりえる酸素を含む（過剰の酸素を含む）層を設け、その上層に酸素に対する透過性の低い（酸素に対するバリア性を有する）層を設けることが好ましい。酸素に対する透過性の低い層の材料としては、例えば、窒化シリコン、窒化酸化シリコンなどの窒化物が挙げられる。
【０２６１】
絶縁層１０８の形成後、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は上記と同様の条件で行うことができる。加熱処理により、酸化物積層１１０を囲む酸素を含む層から、酸化物積層１１０中に効果的に酸素が供給され、酸化物半導体層１１２ｂ中の酸素欠損を低減できる。
【０２６２】
〈電極１０９ａ、電極１０９ｂの形成〉
続いて、絶縁層１０８を選択的にエッチングし、ゲート電極１０６に達する開口部、及び第２の電極１０３に達する開口部を形成する。
【０２６３】
続いて、絶縁層１０８上に導電膜を形成し、不要な部分をエッチングにより除去することにより、電極１０９ａ及び電極１０９ｂを形成する（図１２（Ｂ））。
【０２６４】
当該導電膜の材料としては、第１の電極１０２、第２の電極１０３、及びゲート電極１０６に用いることのできる材料を適用できる。
【０２６５】
電極１０９ａ及び電極１０９ｂの形成後、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は上記と同様の条件で行うことができる。加熱処理により、酸化物積層１１０を囲む酸素を含む層から、酸化物積層１１０中に効果的に酸素が供給され、酸化物半導体層１１２ｂ中の酸素欠損を低減できる。
【０２６６】
以上の工程により、トランジスタ１００を作製することができる。
【０２６７】
［変形例］
上記では、領域１１３の形成のための元素１１５の添加を、ゲート電極１０６の形成後に行う方法について説明したが、領域１１３の形成を異なる時点で行うこともできる。
【０２６８】
図１３（Ａ）に示すように、ゲート絶縁層１０５を形成した後であってゲート電極１０６の形成前に、元素１１５の添加を行ってもよい。このとき、少なくとも酸化物半導体層１１２ｂにおける、第１の電極１０２及び第２の電極１０３と重ならない部分に領域１１３が形成される。
【０２６９】
その後、上記作製方法例に基づいて作製したトランジスタの断面概略図が１３（Ｂ）となる。図１３（Ｂ）に示すように、酸化物半導体層１１２ｂのゲート電極１０６と重なる部分にも領域１１３が形成されている。この部分は主としてチャネルが形成される領域であるため、この領域の導電性が高められることでトランジスタのオン抵抗が低減され、より大きな電流を流すことができるトランジスタを実現できる。
【０２７０】
なお、ゲート絶縁層１０５を形成した後であってゲート電極１０６の形成前の時点と、ゲート電極１０６を形成した後の時点の、二度に渡って元素１１５の添加を行ってもよい。その結果、ドレイン近傍のオフセット領域における導電性を、上記よりもさらに高めることができる。
【０２７１】
上記実施の形態で開示された、金属膜、半導体膜、無機絶縁膜などはスパッタ法やプラズマＣＶＤ法により形成することができるが、他の方法、例えば、熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成してもよい。熱ＣＶＤ法としてＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いてもよい。
【０２７２】
熱ＣＶＤ法はプラズマを使わない成膜方法のため、プラズマダメージにより欠陥が生成されることが無いという利点を有する。
【０２７３】
熱ＣＶＤ法では、原料ガスと酸化剤を同時にチャンバー内に送り、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで成膜を行ってもよい。
【０２７４】
また、ＡＬＤ法では、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、反応のための複数の原料ガスを順次にチャンバーに導入して成膜を行ってもよい。例えば、第１の原料ガスをチャンバーに供給して製膜を行った後、不活性ガス（アルゴン、或いは窒素など）を導入し、第２の原料ガスを導入し、製膜を行う。これにより、複数のガスの混合を避けることができる。なお、原料ガスとともに不活性ガスをキャリアガスとして導入してもよい。また、不活性ガスを導入して第１の原料ガスを排気する代わりに、真空排気によって第１の原料ガスを排出した後、第２の原料ガスを導入してもよい。第１の原料ガスが基板の表面に吸着して第１の層を成膜し、後から導入される第２の原料ガスと反応して、第２の層が第１の層上に積層されて薄膜が形成される。ガス導入順序などを制御しつつ所望の厚さになるまで複数回繰り返すことで、段差被覆性に優れた薄膜を形成することができる。薄膜の厚さは、各膜の形成回数によって調節することができるため、精密な膜厚調節が可能であり、微細なＦＥＴを作製する場合に適している。
【０２７５】
ＭＯＣＶＤ法やＡＬＤ法などの熱ＣＶＤ法は、これまでに記載した実施形態に開示された金属膜、半導体膜、無機絶縁膜など様々な膜を形成することができる。例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を成膜する場合には、トリメチルインジウム、トリメチルガリウム、及びジメチル亜鉛を用いる。また、トリエチルガリウムやジエチル亜鉛を用いることもできる。
【０２７６】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化ハフニウム膜を形成する場合には、ハフニウム前駆体（ハフニウムアルコキシドやハフニウムテトラキスジメチルアミド（ＴＤＭＡＨ、Ｈｆ［Ｎ（ＣＨ３）２］４）などのハフニウムアミド）溶液を気化させた原料ガスと、酸化剤としてオゾン（Ｏ３）の２種類のガスを用いる。また、他の前駆体としては、ハフニウムテトラキス（エチルメチルアミド）などがある。
【０２７７】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化アルミニウム膜を形成する場合には、アルミニウム前駆体（トリメチルアルミニウムなど）溶液を気化させた原料ガスと、酸化剤としてＨ２Ｏの２種類のガスを用いる。他のアルミニウム前駆体としては、アルミニウムトリス（ジメチルアミド）、トリイソブチルアルミニウム、アルミニウムトリス（２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオナート）などがある。
【０２７８】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化シリコン膜を形成する場合には、ヘキサクロロジシランを被成膜面に吸着させ、吸着物に含まれる塩素を除去し、酸化性ガス（Ｏ２、一酸化二窒素）のラジカルを供給して吸着物と反応させる。
【０２７９】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置によりタングステン膜を成膜する場合には、ＷＦ６ガスとＢ２Ｈ６ガスを順次繰り返し導入して初期タングステン膜を形成し、その後、ＷＦ６ガスとＨ２ガスを同時に導入してタングステン膜を形成する。なお、Ｂ２Ｈ６ガスに代えてＳｉＨ４ガスを用いてもよい。
【０２８０】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化物半導体膜、例えばＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を成膜する場合には、トリメチルインジウムガスとＯ３ガスを順次導入してＩｎ−Ｏ層を形成し、その後、トリメチルガリウムガスとＯ３ガスを順次導入してＧａＯ層を形成し、更にその後ジメチル亜鉛とＯ３ガスを順次導入してＺｎＯ層を形成する。なお、これらの層の積層順はこの例に限らない。また、原料ガスを用いてＩｎ−Ｇａ−Ｏ層やＩｎ−Ｚｎ−Ｏ層、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層などの混合酸化物層を形成してもよい。なお、Ｏ３ガスはＨを含まないのが好ましい。また、Ｏ３ガスに変えてＡｒ等の不活性ガスでバブリングして得られたＨ２Ｏガスを用いてもよい。また、トリエチルインジウムガスやトリメチルガリウムガスを用いてもよい。
【０２８１】
本実施の形態は、本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【０２８２】
（実施の形態３）
本実施の形態では本発明の一態様の半導体装置の一形態として、上記実施の形態で例示したトランジスタを具備するインバータ及びコンバータ等の電力変換回路の構成例について説明する。
【０２８３】
［ＤＣＤＣコンバータ］
図１４（Ａ）に示すＤＣＤＣコンバータ５０１は、電力変換回路の一例であり、チョッパー回路を用いた高圧型のＤＣＤＣコンバータである。ＤＣＤＣコンバータ５０１は、容量素子５０２、トランジスタ５０３、制御回路５０４、ダイオード５０５、コイル５０６及び容量素子５０７を有する。
【０２８４】
ＤＣＤＣコンバータ５０１は、制御回路５０４によるトランジスタ５０３のスイッチング動作により動作する。ＤＣＤＣコンバータ５０１により、入力端子ＩＮ１とＩＮ２に印加される入力電圧Ｖ１は、出力端子ＯＵＴ１とＯＵＴ２より降圧されたＶ２として負荷５０８に出力できる。ＤＣＤＣコンバータ５０１が具備するトランジスタ５０３には、上記実施の形態で例示した半導体装置を適用することができる。そのため、スイッチング動作によって大きな出力電流を流すことができ、且つオフ電流を低減することができる。したがって消費電力が低減され、高速な動作が可能なＤＣＤＣコンバータを実現できる。
【０２８５】
図１４（Ａ）では非絶縁型の電力変換回路の一例としてチョッパー回路を用いた降圧型のＤＣＤＣコンバータを示したが、他にもチョッパー回路を用いた昇圧型のＤＣＤＣコンバータ、チョッパー回路を用いた昇圧降圧型のＤＣＤＣコンバータが具備するトランジスタにも上記実施の形態で例示した半導体装置を適用することができる。そのため、スイッチング動作によって大きな出力電流を流すことができ、且つオフ電流を低減することができる。したがって消費電力が低減され、高速な動作が可能なＤＣＤＣコンバータを実現できる。
【０２８６】
次いで図１４（Ｂ）に示すＤＣＤＣコンバータ５１１は、電力変換回路の一例であり、ここでは絶縁型の電力変換回路であるフライバックコンバータの回路構成例を示す。ＤＣＤＣコンバータ５１１は、容量素子５１２、トランジスタ５１３、制御回路５１４、一次コイル及び二次コイルを具備する変圧器５１５、ダイオード５１６及び容量素子５１７を有する。
【０２８７】
図１４（Ｂ）に示すＤＣＤＣコンバータ５１１は、制御回路５１４によるトランジスタ５１３のスイッチング動作により動作する。ＤＣＤＣコンバータ５１１により、入力端子ＩＮ１とＩＮ２に印加される入力電圧Ｖ１は、出力端子ＯＵＴ１とＯＵＴ２より昇圧または降圧されたＶ２として負荷５１８に出力できる。ＤＣＤＣコンバータ５１１が具備するトランジスタ５１３には、上記実施の形態で例示した半導体装置を適用することができる。そのため、スイッチング動作によって大きな出力電流を流すことができ、且つオフ電流を低減することができる。したがって消費電力が低減され、高速な動作が可能なＤＣＤＣコンバータを実現できる。
【０２８８】
なお、フォワード型のＤＣＤＣコンバータが具備するトランジスタにも上記実施の形態で例示した半導体装置を適用することができる。
【０２８９】
図１５に示すインバータ６０１は、フルブリッジ型のインバータの一例である。インバータ６０１は、トランジスタ６０２、トランジスタ６０３、トランジスタ６０４、トランジスタ６０５、及び制御回路６０６を有する。
【０２９０】
図１５に示すインバータ６０１は、制御回路６０６によるトランジスタ６０２乃至６０５のスイッチング動作により動作する。入力端子ＩＮ１とＩＮ２に印加される直流電圧Ｖ１は、出力端子ＯＵＴ１とＯＵＴ２より交流電圧Ｖ２として出力することができる。インバータ６０１が具備するトランジスタ６０２乃至６０５には、上記実施の形態で例示した半導体装置を適用することができる。そのため、スイッチング動作により大きな出力電流を流すことができ、且つオフ電流を低減することができる。したがって消費電力が低減され、高速な動作が可能なインバータとすることができる。
【０２９１】
本実施の形態は、本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【０２９２】
（実施の形態４）
本実施の形態では本発明の一態様の半導体装置の一形態として、上記実施の形態で例示したトランジスタを具備する電源回路の構成例について説明する。
【０２９３】
図１６に、本発明の一態様に係る電源回路４００の構成を、一例として示す。図１６に示す電源回路４００は、制御回路４１３と、パワースイッチ４０１と、パワースイッチ４０２と、電圧調整部４０３と、を有する。
【０２９４】
電源回路４００には、電源４１６から電圧が供給されており、パワースイッチ４０１及びパワースイッチ４０２は、電圧調整部４０３への上記電圧の入力を制御する機能を有する。
【０２９５】
なお、電源４１６から出力される電圧が交流電圧である場合、図１６に示すように、電圧調整部４０３への第１電位の入力を制御するパワースイッチ４０１と、電圧調整部４０３への第２電位の入力を制御するパワースイッチ４０２とを、電源回路４００に設ける。電源４１６から出力される電圧が直流電圧である場合、図１６に示すように、パワースイッチ４０１とパワースイッチ４０２とを電源回路４００に設けてもよいし、或いは、第２電位を接地電位とし、パワースイッチ４０２を設けずにパワースイッチ４０１を電源回路４００に設けてもよい。
【０２９６】
そして、本発明の一態様では、パワースイッチ４０１及びパワースイッチ４０２として、耐圧性の高いトランジスタを用いる。例えば上記トランジスタとして、実施の形態１で例示したトランジスタを用いることができる。
【０２９７】
パワースイッチ４０１及びパワースイッチ４０２として、上記酸化物積層を有する酸化物半導体膜を用いることにより、高い出力電流を流すことが可能で、且つ耐圧を高めることができる。
【０２９８】
上記トランジスタを用いることで、炭化珪素や窒化ガリウムなどを活性層に用いた電界効果トランジスタよりも、パワースイッチ４０１またはパワースイッチ４０２のスイッチングを高速にすることができ、それにより、スイッチングに起因する電力損失を小さく抑えることができる。
【０２９９】
電圧調整部４０３は、パワースイッチ４０１及びパワースイッチ４０２を介して電源４１６から電圧が入力されると、当該電圧の調整を行う機能を有する。具体的に、電圧調整部４０３における電圧の調整とは、交流電圧を直流電圧に変換すること、電圧の高さを変えること、電圧の高さを平滑化すること、のいずれか一つまたは複数を含む。
【０３００】
電圧調整部４０３において調整された電圧は、負荷４１７と制御回路４１３に与えられる。
【０３０１】
また、図１６に示す電源回路４００では、蓄電装置４０４と、補助電源４０５と、電圧発生回路４０６と、トランジスタ４０７乃至トランジスタ４１０と、容量素子４１４と、容量素子４１５とを有する。
【０３０２】
蓄電装置４０４は、電圧調整部４０３から与えられた電力を、一時的に蓄える機能を有する。具体的に蓄電装置４０４は、電圧調整部４０３から与えられた電圧を用いて、電力を蓄えることができるキャパシタ、二次電池などの蓄電部を有する。
【０３０３】
補助電源４０５は、蓄電装置４０４から出力が可能な電力が不足しているときに、制御回路４１３の動作に要する電力を、補う機能を有する。補助電源４０５として、一次電池などを用いることができる。
【０３０４】
電圧発生回路４０６は、蓄電装置４０４または補助電源４０５から出力される電圧を用いて、パワースイッチ４０１及びパワースイッチ４０２のスイッチングを制御するための電圧を、生成する機能を有する。具体的に電圧発生回路４０６は、パワースイッチ４０１及びパワースイッチ４０２をオンにするための電圧を生成する機能と、パワースイッチ４０１及びパワースイッチ４０２をオフにするための電圧を生成する機能とを有する。
【０３０５】
無線信号入力回路４１１は、トランジスタ４０７乃至トランジスタ４１０のスイッチングに従ってパワースイッチ４０１及びパワースイッチ４０２を制御する機能を有する。
【０３０６】
具体的に、無線信号入力回路４１１は、外部から与えられる、パワースイッチ４０１及びパワースイッチ４０２の動作状態を制御するための無線信号に重畳した命令を電気信号に変換する入力部と、上記電気信号に含まれる命令をデコードし、トランジスタ４０７乃至トランジスタ４１０のスイッチングを、上記命令に従って制御するための信号を生成する信号処理部と、を有する。
【０３０７】
トランジスタ４０７乃至トランジスタ４１０は、無線信号入力回路４１１において生成された信号に従って、スイッチングを行う。具体的に、トランジスタ４０８及びトランジスタ４１０がオンであるとき、電圧発生回路４０６で生成された、パワースイッチ４０１及びパワースイッチ４０２をオンにするための電圧が、パワースイッチ４０１及びパワースイッチ４０２に与えられる。この状態において、トランジスタ４０８及びトランジスタ４１０をオフにすると、パワースイッチ４０１及びパワースイッチ４０２に、パワースイッチ４０１及びパワースイッチ４０２をオンにするための上記電圧が与えられた状態が維持される。引き続いて、トランジスタ４０７及びトランジスタ４０９をオンにすると、電圧発生回路４０６で生成された、パワースイッチ４０１及びパワースイッチ４０２をオフにするための電圧が、パワースイッチ４０１及びパワースイッチ４０２に与えられる。この状態において、トランジスタ４０７及びトランジスタ４０９をオフにすると、パワースイッチ４０１及びパワースイッチ４０２に、パワースイッチ４０１及びパワースイッチ４０２をオフにするための上記電圧が与えられた状態が維持される。
【０３０８】
そして、本発明の一態様では、上記電圧がパワースイッチ４０１及びパワースイッチ４０２に与えられた動作状態を維持するために、トランジスタ４０７乃至トランジスタ４１０に、オフ電流の著しく小さいトランジスタを用いる。上記構成により、電圧発生回路４０６において、パワースイッチ４０１及びパワースイッチ４０２の動作状態を定めるための電圧の生成を停止しても、パワースイッチ４０１及びパワースイッチ４０２の動作状態を維持することができる。よって、電圧発生回路４０６における消費電力を削減し、延いては電源回路４００における消費電力を小さく抑えることができる。
【０３０９】
なお、トランジスタ４０７乃至トランジスタ４１０にバックゲートを設け、バックゲートに電位を与えることにより、トランジスタ４０７乃至トランジスタ４１０の閾値電圧を制御してもよい。
【０３１０】
バンドギャップがシリコンの２倍以上であるワイドギャップ半導体を活性層に用いたトランジスタは、オフ電流が著しく小さいので、トランジスタ４０７乃至トランジスタ４１０に用いるのに好適である。上記ワイドギャップ半導体として、例えば、酸化物半導体などを用いることができる。
【０３１１】
なお、電子供与体（ドナー）となる水分または水素などの不純物が低減され、なおかつ酸素欠損が低減されることにより高純度化された酸化物半導体（ｐｕｒｉｆｉｅｄ  ＯＳ）は、ｉ型（真性半導体）又はｉ型に限りなく近い。そのため、高純度化された酸化物半導体膜を用いることにより、トランジスタのオフ電流を小さくすることができる。よって、高純度化された酸化物半導体膜を用いたトランジスタを、トランジスタ４０７乃至トランジスタ４１０に用いることで、電圧発生回路４０６における消費電力を削減し、電源回路４００における消費電力を小さく抑える効果を高めることができる。
【０３１２】
具体的に、高純度化された酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタのオフ電流が小さいことは、いろいろな実験により証明できる。例えば、チャネル幅が１×１０６μｍでチャネル長が１０μｍの素子であっても、ソース電極とドレイン電極間の電圧（ドレイン電圧）が１Ｖから１０Ｖの範囲において、オフ電流が、半導体パラメータアナライザの測定限界以下、すなわち１×１０−１３Ａ以下という特性を得ることができる。この場合、オフ電流をトランジスタのチャネル幅当りのオフ電流は、１００ｚＡ／μｍ以下であることが分かる。例えば、容量素子と高純度化された酸化物半導体膜をチャネル形成領域に用いたトランジスタとを接続して、容量素子に流入または容量素子から流出する電荷を当該トランジスタで制御する回路を用い、容量素子の単位時間あたりの電荷量の推移から当該トランジスタのオフ電流を測定した場合、該トランジスタのソース電極とドレイン電極間の電圧が３Ｖの場合に、数十ｙＡ／μｍという、さらに小さいオフ電流が得られる。従って、高純度化された酸化物半導体膜をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、オフ電流が、結晶性を有するシリコンを用いたトランジスタに比べて著しく小さいと言える。
【０３１３】
また、酸化物半導体の中でもＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物などは、炭化シリコンまたは窒化ガリウムと異なり、スパッタリング法や湿式法により電気的特性の優れたトランジスタを作製することが可能であり、量産性に優れるといった利点がある。また、炭化シリコンまたは窒化ガリウムとは異なり、上記酸化物半導体Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物は室温でも成膜が可能なため、ガラス基板上への成膜、或いはシリコンを用いた集積回路上に電気的特性の優れたトランジスタを作製することが可能である。また、基板の大型化にも対応が可能である。
【０３１４】
容量素子４１４は、トランジスタ４０７及びトランジスタ４０８がオフであるとき、パワースイッチ４０１に与えられている電圧を、保持する機能を有する。また、容量素子４１５は、トランジスタ４０９及びトランジスタ４１０がオフであるとき、パワースイッチ４０２に与えられている電圧を、保持する機能を有する。容量素子４１４及び４１５の一対の電極の一方は、無線信号入力回路４１１に接続される。なお、図１７に示すように、容量素子４１４及び４１５を設けなくてもよい。
【０３１５】
そして、パワースイッチ４０１及びパワースイッチ４０２がオンであるとき、電源４１６から電圧調整部４０３への電圧の供給が行われる。そして、上記電圧により、蓄電装置４０４には電力が蓄積される。
【０３１６】
また、パワースイッチ４０１及びパワースイッチ４０２がオフであるとき、電源４１６から電圧調整部４０３への電圧の供給が停止する。よって、蓄電装置４０４への電力の供給は行われないが、本発明の一態様では、上述したように、蓄電装置４０４または補助電源４０５に蓄えられている電力を用いて、制御回路４１３を動作させることができる。すなわち、本発明の一態様に係る電源回路４００では、制御回路４１３によるパワースイッチ４０１及びパワースイッチ４０２の動作状態の制御を行いつつ、電圧調整部４０３への電圧の供給を停止することができる。そして、電圧調整部４０３への電圧の供給を停止することで、負荷４１７への電圧の供給が行われないときに、電圧調整部４０３が有する容量の充放電により電力が消費されるのを防ぐことができ、それにより、電源回路４００の消費電力を小さく抑えることができる。
【０３１７】
（実施の形態５）
本発明の一態様に係る半導体装置（電力変換回路、電源回路などを含む）は、機器への電力の供給を制御するのに適しており、特に大きな電力が必要な機器に好適に用いることができる。例えば、モーターなどの電力によりその駆動が制御される駆動部を備える機器や、電力により加熱または冷却を制御する機器などに好適に用いることができる。
【０３１８】
本発明の一態様に係る半導体装置を用いることのできる電子機器として、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置（代表的にはＤＶＤ：Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置）などがある。その他に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる電子機器として、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯情報端末、電子書籍、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、ゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）、ナビゲーションシステム、音響再生装置（カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等）、複写機、ファクシミリ、プリンター、プリンター複合機、現金自動預け入れ払い機（ＡＴＭ）、自動販売機、電子レンジ等の高周波加熱装置、電気炊飯器、電気洗濯機、扇風機、ドライヤー、エアコンディショナーなどの空調設備、エレベータやエスカレータなどの昇降設備、電気冷蔵庫、電気冷凍庫、電気冷凍冷蔵庫、電動ミシン、電動工具、半導体試験装置、などが挙げられる。また、本発明の一態様に係る半導体装置は、電力を用いて電動機により推進する移動体に用いられていてもよい。上記移動体には、自動車（自動二輪車、三輪以上の普通自動車）、電動アシスト自転車を含む原動機付自転車、航空機、船舶、鉄道車両などが、その範疇に含まれる。また、食品、家電製品、上記移動体、鉄鋼、半導体機器、土木、建築、建設などのあらゆる分野で用いられる産業用ロボットの駆動の制御に用いることもできる。
【０３１９】
以下では、電子機器の具体例を図１８に示す。
【０３２０】
図１８（Ａ）は電子レンジ１４００であり、筐体１４０１と、被処理物を載置するための処理室１４０２と、表示部１４０３と、操作盤などの入力装置１４０４と、筐体１４０１の内部に設置されている高周波発生装置から発生した電磁波を、処理室１４０２に供給する照射部１４０５とを、有する。
【０３２１】
本発明の一態様に係る半導体装置は、例えば、高周波発生装置への電力の供給を制御する電源回路に用いることができる。
【０３２２】
図１８（Ｂ）は洗濯機１４１０であり、筐体１４１１と、筐体１４１１内に設けられた洗濯槽の入り口を、開閉させる開閉部１４１２と、操作盤などの入力装置１４１３と、洗濯槽の給水口１４１４とを、有する。
【０３２３】
本発明の一態様に係る半導体装置は、例えば、洗濯槽の回転を制御するモーターへの電力の供給を制御する回路に用いることができる。
【０３２４】
図１８（Ｃ）は、電気冷凍冷蔵庫の一例である。図１８（Ｃ）に示す電子機器は、筐体１４５１と、冷蔵室用扉１４５２と、冷凍室用扉１４５３と、を備える。
【０３２５】
図１８（Ｃ）に示す電子機器は、筐体１４５１の内部に本発明の一態様である半導体装置を有する。上記構成にすることにより、例えば、筐体１４５１内部の温度に応じて、または冷蔵室用扉１４５２及び冷凍室用扉１４５３の開閉に従って、筐体１４５１内の半導体装置に対する電源電圧の供給を制御できる。
【０３２６】
図１８（Ｄ）は、エアコンディショナーの一例である。図１８（Ｄ）に示す電子機器は、室内機１４６０及び室外機１４６４により構成される。
【０３２７】
室内機１４６０は、筐体１４６１と、送風口１４６２と、を備える。
【０３２８】
図１８（Ｄ）に示す電子機器は、筐体１４６１の内部に本発明の一態様である半導体装置を有する。上記構成にすることにより、例えば、リモートコントローラからの信号に従って、または室内の温度や湿度に応じて、筐体１４６１内の半導体装置に対する電源電圧の供給を制御できる。
【０３２９】
また、本発明の一態様の半導体装置は、室外機１４６４が有するファンの回転を制御するモーターへの電力の供給を制御する回路にも用いることができる。
【０３３０】
なお、図１８（Ｄ）では、室内機と室外機で構成されるセパレート型のエアコンディショナーを例示しているが、室内機の機能と室外機の機能とを１つの筐体に有するエアコンディショナーであってもよい。
【０３３１】
本実施の形態は、本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【０３３２】
１０    電子銃室
１２    光学系
１４    試料室
１６    光学系
１８    カメラ
２０    観察室
２２    フィルム室
２４    電子
２８    試料
３２    蛍光板
１００    トランジスタ
１０１    基板
１０２    電極
１０３    電極
１０５    ゲート絶縁層
１０６    ゲート電極
１０７    絶縁層
１０８    絶縁層
１０９ａ    電極
１０９ｂ    電極
１１０    酸化物積層
１１２ａ    酸化物層
１１２ｂ    酸化物半導体層
１１２ｃ    酸化物層
１１３    領域
１１５    元素
１２１    電極
１２２    電極
４００    電源回路
４０１    パワースイッチ
４０２    パワースイッチ
４０３    電圧調整部
４０４    蓄電装置
４０５    補助電源
４０６    電圧発生回路
４０７    トランジスタ
４０８    トランジスタ
４０９    トランジスタ
４１０    トランジスタ
４１１    無線信号入力回路
４１３    制御回路
４１４    容量素子
４１５    容量素子
４１６    電源
４１７    負荷
５０１    ＤＣＤＣコンバータ
５０２    容量素子
５０３    トランジスタ
５０４    制御回路
５０５    ダイオード
５０６    コイル
５０７    容量素子
５０８    負荷
５１１    ＤＣＤＣコンバータ
５１２    容量素子
５１３    トランジスタ
５１４    制御回路
５１５    変圧器
５１６    ダイオード
５１７    容量素子
５１８    負荷
６０１    インバータ
６０２    トランジスタ
６０３    トランジスタ
６０４    トランジスタ
６０５    トランジスタ
６０６    制御回路
１４００    電子レンジ
１４０１    筐体
１４０２    処理室
１４０３    表示部
１４０４    入力装置
１４０５    照射部
１４１０    洗濯機
１４１１    筐体
１４１２    開閉部
１４１３    入力装置
１４１４    給水口
１４５１    筐体
１４５２    冷蔵室用扉
１４５３    冷凍室用扉
１４６０    室内機
１４６１    筐体
１４６２    送風口
１４６４    室外機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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