(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こと。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こと。または、信頼性の高い半導体装置を提供すること。【解決手段】第１の酸化物層、第１の酸化物半導体層、第２の酸化物半導体層、及び第２の酸化物層が積層された酸化物積層を有し、第１の酸化物半導体層中に導電性を付与する元素を含む領域が、ソース電極として機能する電極と重畳し、且つドレイン電極として機能する電極と重畳しないように設けられた、半導体装置の構成とすればよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁表面上に第１の酸化物層、第１の酸化物半導体層、第２の酸化物半導体層、及び第２の酸化物層が順に積層した積層構造を含む酸化物積層と、
前記第２の酸化物層の一部と接し、前記第１の酸化物半導体層上で離間する第１の電極及び第２の電極と、
前記第２の酸化物層上にゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層上に前記酸化物積層と重なるゲート電極と、を有し、
前記第１の酸化物半導体層は、第１の領域と第２の領域と、を備え、
前記第２の領域は、側部及び底部が前記第１の領域に囲まれ、上部が前記第２の酸化物半導体層と接して設けられ、且つ、前記第１の電極と重畳し、且つ前記第２の電極と重畳しないように設けられ、且つ、酸化物半導体に対して導電性を付与する元素の濃度が、前記第１の領域よりも高い、
半導体装置。
【請求項２】
絶縁表面上に第１の酸化物層、第１の酸化物半導体層、第２の酸化物半導体層、及び第２の酸化物層が順に積層された積層構造を含む酸化物積層と、
前記第２の酸化物半導体層の上面の一部、及び前記第２の酸化物層の底面の一部と接し、前記第１の酸化物半導体層上で離間する第１の電極及び第２の電極と、
前記第２の酸化物層上にゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層上に前記酸化物積層と重なるゲート電極と、を有し、
前記第１の酸化物半導体層は、第１の領域と第２の領域と、を備え、
前記第２の領域は、側部及び底部が前記第１の領域に囲まれ、上部が前記第２の酸化物半導体層と接して設けられ、且つ、前記第１の電極と重畳し、且つ前記第２の電極と重畳しないように設けられ、且つ、酸化物半導体に対して導電性を付与する元素の濃度が、前記第１の領域よりも高い、
半導体装置。
【請求項３】
前記酸化物半導体に対して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、
請求項１または請求項２に記載の、半導体装置。
【請求項４】
前記第１の酸化物層、前記第２の酸化物層、前記第１の酸化物半導体層、および前記第２の酸化物半導体層は、それぞれＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆ）であり、
前記第１の酸化物層は、前記第１の酸化物半導体層よりも前記元素Ｍの含有割合が高く、
前記第２の酸化物層は、前記第２の酸化物半導体層よりも前記元素Ｍの含有割合が高い、
請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の、半導体装置。
【請求項５】
前記ゲート電極は、前記第１の電極と重畳し、且つ前記第２の電極と重畳しないように設けられた、
請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載の、半導体装置。
【請求項６】
前記ゲート電極は、前記第２の領域よりも前記第２の電極側に延在するように設けられた、
請求項５に記載の、半導体装置。
【請求項７】
前記第１の電極と重畳する領域において、
前記第２の酸化物半導体層の厚さが、１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下である、
請求項１乃至請求項６のいずれか一に記載の、半導体装置。
【請求項８】
前記第１の酸化物半導体層、及び前記第２の酸化物半導体層の少なくともいずれかは、結晶部を有する、
請求項１乃至請求項７のいずれか一に記載の、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、本発明は、例えば、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法に関する。特に、本発明は、例えば、酸化物半導体を有する半導体装置、表示装置、または、発光装置に関する。
【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。例えば、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ていたり、半導体装置を有していたりする場合がある。
【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、パワーデバイスにシリコンを用いた場合では、シリコンのバンドギャップが小さいため、高温での動作に限界がある。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などを提供することを課題の一とする。または、新規な半導体装置など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、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様は、絶縁表面上に第１の酸化物層、第１の酸化物半導体層、第２の酸化物半導体層、及び第２の酸化物層が順に積層した積層構造を含む酸化物積層と、第２の酸化物層の一部と接し、第１の酸化物半導体層上で離間する第１の電極及び第２の電極と、第２の酸化物層上にゲート絶縁層と、ゲート絶縁層上に酸化物積層と重なるゲート電極と、を有し、第１の酸化物半導体層は、第１の領域と第２の領域と、を備え、第２の領域は、側部及び底部が第１の領域に囲まれ、上部が第２の酸化物半導体層と接して設けられ、且つ、第１の電極と重畳し、且つ第２の電極と重畳しないように設けられ、且つ、酸化物半導体に対して導電性を付与する元素の濃度が、第１の領域よりも高い、半導体装置である。
【００１１】
また、本発明の他の一態様は、絶縁表面上に第１の酸化物層、第１の酸化物半導体層、第２の酸化物半導体層、及び第２の酸化物層が順に積層された積層構造を含む酸化物積層と、第２の酸化物半導体層の上面の一部、及び第２の酸化物層の底面の一部と接し、第１の酸化物半導体層上で離間する第１の電極及び第２の電極と、第２の酸化物層上にゲート絶縁層と、ゲート絶縁層上に酸化物積層と重なるゲート電極と、を有し、第１の酸化物半導体層は、第１の領域と第２の領域と、を備え、第２の領域は、側部及び底部が第１の領域に囲まれ、上部が第２の酸化物半導体層と接して設けられ、且つ、第１の電極と重畳し、且つ第２の電極と重畳しないように設けられ、且つ、酸化物半導体に対して導電性を付与する元素の濃度が、第１の領域よりも高い、半導体装置である。
【００１２】
また、上記酸化物半導体に対して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ことが好ましい。
【００１３】
また、上記第１の酸化物層、第２の酸化物層、第１の酸化物半導体層、および第２の酸化物半導体層は、それぞれＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆ）であり、第１の酸化物層は、第１の酸化物半導体層よりも元素Ｍの含有割合が高く、第２の酸化物層は、第２の酸化物半導体層よりも元素Ｍの含有割合が高いことが好ましい。
【００１４】
また、上記ゲート電極は、第１の電極と重畳し、且つ第２の電極と重畳しないように設けられていることが好ましい。さらに、上記ゲート電極は、第２の領域よりも第２の電極側に延在するように設けられているとよい。
【００１５】
また、第１の電極と重畳する領域において、第２の酸化物半導体層の厚さが、１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００１６】
また、上記第１の酸化物半導体層、及び第２の酸化物半導体層の少なくともいずれかは、結晶部を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
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することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施の形態に係る、半導体装置の構成例。
【図２】実施の形態に係る、酸化物積層の構成例及びバンド図。
【図３】実施の形態に係る、半導体装置の構成例。
【図４】実施の形態に係る、半導体装置の作製方法例を説明する図。
【図５】実施の形態に係る、半導体装置の作製方法例を説明する図。
【図６】実施の形態に係る、半導体装置の作製方法例を説明する図。
【図７】実施の形態に係る、半導体装置の作製方法例を説明する図。
【図８】実施の形態に係る、半導体装置の作製方法例を説明する図。
【図９】実施の形態に係る、半導体装置の作製方法例を説明する図。
【図１０】実施の形態に係る、半導体装置の構成例。
【図１１】実施の形態に係る、半導体装置の構成例。
【図１２】実施の形態に係る、半導体装置の作製方法例を説明する図。
【図１３】酸化物半導体の断面ＴＥＭ像および局所的なフーリエ変換像。
【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２０】透過電子回折測定による構造解析の一例を示す図、および平面ＴＥＭ像。
【図２１】実施例に係る、低抵抗領域の深さとバンドギャップの測定結果を示す図。
【図２２】実施例に係る、バンド構造を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
（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。
【００２７】
［構成例１］
［トランジスタの構成例］
図１に本構成例で例示するトランジスタ１００を示す。図１（Ａ）は、トランジスタ１００の上面概略図であり、図１（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ図１（Ａ）中に示す切断線Ａ１−Ａ２、Ｂ１−Ｂ２で切断した断面概略図である。なお、図１（Ａ）には明瞭化のため、主要な構成要素のみを示している。
【００２８】
図１に示す構成は、基板１０１上に設けられた絶縁層１０７上に、第１の酸化物層１１１、第１の酸化物半導体層１１２、第２の酸化物半導体層１１３、及び第２の酸化物層１１４が順に積層された積層構造を含む酸化物積層１１０を有する。また第２の酸化物層１１４の上面に接し、酸化物積層１１０上で離間する第１の電極１０２ａ、及び第２の電極１０２ｂを有する。また、第１の電極１０２ａ、第２の電極１０２ｂ、第２の酸化物層１１４の露出した面を覆うゲート絶縁層１０４と、ゲート絶縁層１０４上に酸化物積層１１０と重なるゲート電極１０５を有する。
【００２９】
また、ゲート絶縁層１０４、ゲート電極１０５を覆って絶縁層１０８と、絶縁層１０８上に絶縁層１０９が設けられている。さらに、絶縁層１０９上に、それぞれ絶縁層１０９、絶縁層１０８及びゲート絶縁層１０４に設けられた開口部において第１の電極１０２ａと電気的に接続する電極１０６ａと、第２の電極１０２ｂと電気的に接続する電極１０６ｂと、を有する。
【００３０】
ここで、第１の電極１０２ａは、トランジスタ１００のソース電極として機能する。また第２の電極１０２ｂは、トランジスタ１００のドレイン電極として機能する。
【００３１】
酸化物積層１１０は、基板１０１側から第１の酸化物層１１１、第１の酸化物半導体層１１２、第２の酸化物半導体層１１３、及び第２の酸化物層１１４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を構成するそれぞれの層のうち、第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３に主としてチャネルが形成される。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。
【００３２】
ここで、第２の酸化物層１１４は、ゲート絶縁層としての機能を有していてもよい。
【００３３】
また、第１の酸化物半導体層１１２は、第１の酸化物半導体層１１２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を含む第２の領域１１２ｂと、当該第２の領域１１２ｂよりも当該元素の濃度が低い第１の領域１１２ａと、を有する。当該元素としては、好ましくはリンが挙げられる。
【００３４】
そのほか、酸化物半導体に導電性を付与する上記元素としては、１５族元素（例えば砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ））や、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、窒素（Ｎ）、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）などを用いることができる。
【００３５】
第１の酸化物半導体層１１２中に上記元素を含む第２の領域１１２ｂを設けることにより、トランジスタ１００のオン状態におけるソース−ドレイン間の直列抵抗を低減することができ、その結果オン状態におけるソース−ドレイン間に流れる電流（オン電流ともいう）を高めることができる。
【００３６】
ここで、第２の領域１１２ｂは、第１の酸化物半導体層１１２の端部よりも内側の領域に設けられている。また、第１の酸化物半導体層１１２において、第２の領域１１２ｂは、その底部と側部が第１の領域１１２ａに囲まれるように設けられている。また、第２の領域１１２ｂの上部に第２の酸化物半導体層１１３が設けられている。
【００３７】
このように、第２の領域１１２ｂが第１の酸化物半導体層１１２の第１の領域１１２ａ、及び第２の酸化物半導体層１１３に囲まれるように設けられていることにより、第２の領域１１２ｂが第１の電極１０２ａ及び第２の電極１０２ｂと直接接触することがないため、トランジスタ１００のオフ状態におけるソース−ドレイン間のリーク電流（オフ電流ともいう）を低減しつつ、トランジスタ１００のオン電流を高めることができる。
【００３８】
ここで、トランジスタ１００の酸化物積層１１０における第１の電極１０２ａの近傍を拡大した断面概略図を図１（Ｄ１）に、第２の電極１０２ｂの近傍を拡大した断面概略図を図１（Ｄ２）にそれぞれ示す。
【００３９】
図１（Ｄ１）、（Ｄ２）に示すように、第２の領域１１２ｂは、ソース電極として機能する第１の電極１０２ａと重畳し、且つ、ドレイン電極として機能する第２の電極１０２ｂと重畳しないように設けられている。
【００４０】
図１（Ｄ１）に示すように、ソース電極として機能する第１の電極１０２ａと第２の領域１１２ｂとが重畳して設けられることにより、第２の酸化物層１１４及び第２の酸化物半導体層１１３を介して、第１の電極１０２ａから第２の領域１１２ｂにキャリアが供給されやすくなり、オン電流を増加させることができる。
【００４１】
ここで図１（Ｄ１）に示すように、チャネル長方向（電流の流れる向きに平行な方向）における第１の電極１０２ａと第２の領域１１２ｂとが重畳する長さを、Ｌｏｖとする。Ｌｏｖを長く設定するほど、第１の電極１０２ａから第２の領域１１２ｂに対してキャリアが供給されやすくなるため好ましい。
【００４２】
また、図１（Ｄ１）に示すように、第２の領域１１２ｂと第１の電極１０２ａとの間に、第２の酸化物半導体層１１３及び第２の酸化物層１１４が設けられている。このような構成とすることで、第２の領域１１２ｂと第１の電極１０２ａとが接しないため、トランジスタ１００のオン、オフ動作を確実なものとすることができ、さらにはノーマリーオフ型のトランジスタ１００を実現できる。
【００４３】
ここで、第１の電極１０２ａと第２の領域１１２ｂとが接しないよう、これらの距離を十分にとるために、第２の酸化物半導体層１１３の厚さを調整することが好ましい。例えば、第１の電極１０２ａと重なる領域において、第２の酸化物半導体層１１３の厚さを１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下とすると、オン電流を犠牲にすることなくトランジスタ１００のオン、オフ動作を確実なものとすることができ、さらにはノーマリーオフ型のトランジスタ１００を実現できる。
【００４４】
一方、図１（Ｄ２）に示すようにドレイン電極として機能する第２の電極１０２ｂと第２の領域１１２ｂとが重畳しないように設けられることにより、チャネルのドレイン端における電界集中が緩和され、トランジスタ１００の特性の劣化を抑制することができる。      
【００４５】
ここで、図１（Ｄ２）に示すように、チャネル長方向における第２の電極１０２ｂと第２の領域１１２ｂとの端部間の最短距離をＬｏｆｆ１とする。また第２の電極１０２ｂの酸化物積層１１０と接する面の高さと、第２の領域１１２ｂの上面の高さとの差を、Ｌｏｆｆ２とする。ここで、Ｌｏｆｆ２は第２の酸化物半導体層１１３の厚さ、及び第２の酸化物層１１４の厚さによって制御することができる。
【００４６】
ここで、第２の領域１１２ｂ中のキャリア濃度によっては、第２の電極１０２ｂと第２の領域１１２ｂとが重畳する場合、またはＬｏｆｆ１が小さい場合に、トランジスタ１００のオフ電流が増大してしまう場合がある。そのためＬｏｆｆ１を長く設定することが好ましい。また、Ｌｏｆｆ１が短い場合であっても、Ｌｏｆｆ２を長く設定することにより、第１の電極１０２ａと第２の電極１０２ｂとの距離を増大させることなく、トランジスタ１００のオフ電流を低減することができる。このように、Ｌｏｆｆ１及びＬｏｆｆ２の長さを調整することにより、トランジスタのオン電流を高めつつ、オフ電流を低減することができる。
【００４７】
なお、第１の電極１０２ａ及び第２の電極１０２ｂとして、酸素と結合しやすい導電材料を用いることが好ましい。例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗなどを用いることができる。後のプロセス温度が比較的高くできることなどから、融点の比較的高いＷやＴｉを用いることが好ましい。なお、酸素と結合しやすい導電材料には、酸素が拡散しやすい材料も含まれる。
【００４８】
このような導電材料と酸化物積層１１０を接触させると、酸化物積層１１０中の酸素の一部が、酸素と結合しやすい導電材料側に取り込まれる。トランジスタの作製工程には、いくつかの加熱工程があることから、上記酸素の移動により、酸化物積層１１０において第１の電極１０２ａまたは第２の電極１０２ｂと接触した界面近傍の領域に酸素欠損が発生し、ｎ型化した領域（低抵抗領域ともいう）が形成される。当該低抵抗領域はトランジスタ１００のソースまたはドレインとして作用させることができる。
【００４９】
このように、酸化物積層１１０中の第１の電極１０２ａまたは第２の電極１０２ｂと接する領域に低抵抗領域を形成することにより、第１の電極１０２ａまたは第２の電極１０２ｂと酸化物積層１１０との接触抵抗が低減され、トランジスタ１００におけるソース−ドレイン間の寄生抵抗を低減できる。その結果、トランジスタのオン電流を増大させることができる。
【００５０】
ここで、酸素を十分に含み、高純度化された酸化物半導体膜は、バンドギャップが２．８ｅＶ〜３．２ｅＶ程度であり、少数キャリアが１×１０−９個／ｃｍ３程度と極めて少なく、多数キャリアはトランジスタのソースから来るのみである。そのため、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタはアバランシェブレークダウンがない。
【００５１】
そのため、数１０Ｖ、または数１００Ｖといった高い電圧で駆動した場合であっても、トランジスタのチャネル長に対してチャネル幅を極めて大きく設定することができる。その結果、トランジスタのオン電流をより高めることができる。例えばチャネル長に対するチャネル幅の比（Ｗ／Ｌ）を、１０３以上、さらには１０４以上、さらには１０５以上とした場合でも、良好なオンオフ動作が実現できる。例えば３０Ｖ以下で駆動させる場合、チャネル長を３μｍとしたときのチャネル幅は、１ｃｍ以上１０ｍ以下の範囲、例えば８０ｃｍとすればよい。
【００５２】
また、酸化物半導体はバンドギャップが大きいため、酸化物半導体を適用したトランジスタは、その電気的特性の温度依存性を極めて小さいものとすることができる。例えば半導体としてシリコンを用いた場合などに比べて、しきい値電圧やオン電流、オフ電流などの温度依存性が優れたトランジスタを実現できる。したがって、酸化物半導体を適用したトランジスタは高温動作に適しているといえる。
【００５３】
［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。
【００５４】
〔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１０４との間に酸化物積層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１１１、第１の酸化物半導体層１１２、第２の酸化物半導体層１１３、及び第２の酸化物層１１４を含む。なお、実際の断面構造において、第１の酸化物層１１１と第１の酸化物半導体層１１２との境界、第１の酸化物半導体層１１２と第２の酸化物半導体層１１３の境界、及び第２の酸化物半導体層１１３と第２の酸化物層１１４との境界は明瞭でない場合がある。特に、第１の酸化物半導体層１１２と第２の酸化物半導体層１１３とは組成が同一または近い場合ではその境界が不明瞭な場合が多いため、図２（Ａ）ではこれらの境界を破線で示している。
【００５５】
第１の酸化物層１１１及び第２の酸化物層１１４は、第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３を構成する金属元素を一種以上含む酸化物である。
【００５６】
第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３としては、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層を含む。第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３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。
【００５７】
第１の酸化物半導体層１１２と第２の酸化物半導体層１１３とは、同一の金属元素を含むことが好ましい。さらにはこれら金属元素の組成が等しい、または近い組成であることが好ましい。第１の酸化物半導体層１１２と第２の酸化物半導体層１１３の組成を揃えることにより、伝導帯下端のエネルギーをできるだけ近づけることができる。その結果、いずれかの層に電流経路が偏ることなくいずれの層も主たる電流経路として用いることができるため、トランジスタのソース−ドレイン間の直列抵抗を低減することができる。
【００５８】
第１の酸化物半導体層１１２の下層に位置する第１の酸化物層１１１としては、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、第１の酸化物半導体層１１２よりもＭの原子数比が高い酸化物層を含む。具体的には、第１の酸化物層１１１として、第１の酸化物半導体層１１２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１１１は第１の酸化物半導体層１１２よりも酸素欠損が生じにくい酸化物層である。
【００５９】
また第２の酸化物半導体層１１３の上層に位置する第２の酸化物層１１４としては、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、第２の酸化物半導体層１１３よりもＭの原子数比が高い酸化物層を含む。具体的には、第２の酸化物層１１４として、第２の酸化物半導体層１１３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２の酸化物層１１４は第２の酸化物半導体層１１３よりも酸素欠損が生じにくい酸化物層である。
【００６０】
つまり、第１の酸化物層１１１、第１の酸化物半導体層１１２、第２の酸化物半導体層１１３、及び第２の酸化物層１１４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１１１をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ１：ｚ１［原子数比］、第１の酸化物半導体層１１２または第２の酸化物半導体層１１３をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ２：ｙ２：ｚ２［原子数比］、第２の酸化物層１１４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、第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３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。
【００６１】
なお、第１の酸化物層１１１がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、ＩｎとＭの原子数比率は好ましくは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。
【００６２】
また、第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、ＩｎとＭの原子数比率は好ましくは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。
【００６３】
また、第２の酸化物層１１４がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、ＩｎとＭの原子数比率は好ましくは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。
【００６４】
なお、第１の酸化物層１１１と第２の酸化物層１１４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。
【００６５】
第１の酸化物層１１１、第１の酸化物半導体層１１２、第２の酸化物半導体層１１３、及び第２の酸化物層１１４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。
【００６６】
第１の酸化物層１１１、第１の酸化物半導体層１１２、第２の酸化物半導体層１１３、及び第２の酸化物層１１４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２の酸化物層１１４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、第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３のそれぞれの厚さは、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１の酸化物層１１１の厚さは、上記第２の酸化物層１１４、第１の酸化物半導体層１１２、または第２の酸化物半導体層１１３と同等かそれ以上の厚さとすることが好ましい。
【００６７】
また、第１の酸化物層１１１は、第１の酸化物半導体層１１２を構成する金属元素を一種以上含み、伝導帯下端のエネルギーが第１の酸化物半導体層１１２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。
【００６８】
同様に、第２の酸化物層１１４は、第２の酸化物半導体層１１３を構成する金属元素を一種以上含み、伝導帯下端のエネルギーが第２の酸化物半導体層１１３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。
【００６９】
このような構造において、ゲート絶縁層１０４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第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３に主としてチャネルが形成される。すなわち、第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３とゲート絶縁層１０４との間に第２の酸化物層１１４が設けら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１０４と接しない構造とすることができる。
【００７０】
なお、第２の酸化物層１１４は、ゲート絶縁層としての機能を有していてもよい。第２の酸化物層１１４のバンドギャップが十分に大きい場合には完全な半導体ではなく絶縁体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。
【００７１】
また図２（Ａ）に示す断面構造は、第１の酸化物半導体層１１２内に酸化物半導体に対して導電性を付与する元素を含む第２の領域１１２ｂが設けられている。また第２の領域１１２ｂよりも少なくとも絶縁層１０７側に、当該元素の濃度が第２の領域１１２ｂよりも低い第１の領域１１２ａが設けられている。また、第２の領域１１２ｂの上面は、第２の酸化物半導体層１１３と接している。
【００７２】
ここで、第１の領域１１２ａと第２の領域１１２ｂとは、その境界近傍において上記元素の濃度が連続的に変化するために、これらの境界が不明瞭な場合がある。そのため図２（Ａ）では、第１の領域１１２ａと第２の領域１１２ｂとの境界を点線で示している。
【００７３】
上述のように、第２の領域１１２ｂ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。
【００７４】
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、第２の領域１１２ｂをｎ型化領域と呼ぶこともできる。
【００７５】
第２の領域１１２ｂに含まれる元素として、リン（Ｐ）のほか、１５族元素（例えば砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ））や、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、窒素（Ｎ）、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）を用いてもよい。
【００７６】
上述の元素を第１の酸化物半導体層１１２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。
【００７７】
第２の領域１１２ｂ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第２の領域１１２ｂ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。
【００７８】
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。
【００７９】
第２の領域１１２ｂにおいて、上述した元素の濃度は、第１の酸化物半導体層１１２の厚さ方向に連続的な勾配を有していてもよい。ここで、第２の領域１１２ｂの厚さ方向における濃度分布について、濃度の最も高い領域が第１の酸化物半導体層１１２内の第２の酸化物半導体層１１３側に位置していることが好ましい。また、当該元素が、第１の酸化物半導体層１１２から第１の酸化物層１１１にまで拡散し、当該元素の濃度が絶縁層１０７に向かって厚さ方向に減少する連続的な勾配を有していてもよい。また同様に当該元素が、第１の酸化物半導体層１１２から第２の酸化物半導体層１１３にまで、または第２の酸化物層１１４にまで拡散し、当該元素の濃度がゲート絶縁層１０４に向かって厚さ方向に減少する連続的な勾配を有していてもよい。
【００８０】
このような構成とすることで、主として電流が流れる第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３の積層構造の内部にｎ型領域を埋め込むことができる。このような積層構造をトランジスタに適用することにより、トランジスタのソース−ドレイン間の直列抵抗を効果的に低減できる。
【００８１】
さらに、ｎ型化した第２の領域１１２ｂを第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３の積層構造の内部に設けることにより、当該第２の領域１１２ｂと絶縁層１０７との間に第１の酸化物層１１１及び第１の酸化物半導体層１１２中の第１の領域１１２ａ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第２の領域１１２ｂ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、第２の領域１１２ｂとゲート絶縁層１０４との間に第２の酸化物半導体層１１３及び第２の酸化物層１１４が挟持された構造とすることにより、ゲート絶縁層１０４を構成する元素（例えばシリコン）が第２の領域１１２ｂ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。
【００８２】
〔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。
【００８３】
図２（Ｂ）、（Ｃ）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の一部を模式的に示している。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）中の第２の領域１１２ｂを含まない領域に、図２（Ｃ）は第２の領域１１２ｂを含む領域に、それぞれ対応する。
【００８４】
図２（Ｂ）において、ＥｃＩ１は絶縁層１０７の伝導帯下端のエネルギーを模式的に示している。同様に、ＥｃＳ１は第１の酸化物層１１１、ＥｃＳ３は第２の酸化物層１１４、ＥｃＩ２はゲート絶縁層１０４の伝導帯下端のエネルギーを模式的に示している。またＥｃＳ２は、第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３のそれぞれ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）でのそれぞれの厚さは考慮されていない。
【００８５】
なお、図２（Ｂ）では第１の酸化物層１１１及び第２の酸化物層１１４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し、伝導帯下端のエネルギーが異なる酸化物層であってもよい。同様に、ここでは第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３が同様のエネルギーギャップを有する酸化物半導体層である場合について示したが、これらが異なるエネルギーギャップを有し、伝導帯下端のエネルギーが異なっていてもよい。
【００８６】
ここで、真空準位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。なお、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。
【００８７】
図２（Ｂ）に示すように、第１の酸化物層１１１と第１の酸化物半導体層１１２、及び第２の酸化物半導体層１１３と第２の酸化物層１１４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１１１と第１の酸化物半導体層１１２、及び第２の酸化物半導体層１１３と第２の酸化物層１１４のそれぞれ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、これらの間に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。
【００８８】
図２（Ｂ）より、酸化物積層１１０における第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３がウェル（井戸）となり、酸化物積層１１０を用いたトランジスタにおいて、チャネルが第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３に形成されることがわかる。なお、酸化物積層１１０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  Ｓｈａｐｅ  Ｗｅｌｌ）とも呼ぶことができる。またこのような構成で形成されたチャネルを埋め込みチャネルということもできる。
【００８９】
図２（Ｃ）において、ＥｃＳ２ａは第１の酸化物半導体層１１２中の第１の領域１１２ａ、及び第２の酸化物半導体層１１３における伝導帯下端のエネルギーであり、ＥｃＳ２ｂは第１の酸化物半導体層１１２中の第２の領域１１２ｂにおける伝導帯下端のエネルギーを示している。ＥｃＳ２ｂはＥｃＳ２ａよりも低いエネルギーとなる。
【００９０】
図２（Ｃ）に示すように、第１の領域１１２ａと第２の領域１１２ｂ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なく連続的に変化する。これは第２の領域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の濃度が厚さ方向に広がりを有しているためと理解できる。
【００９１】
また、第２の酸化物半導体層１１３を形成した後の熱処理などにより第２の領域１１２ｂに含有される上記元素が第２の酸化物半導体層１１３中に拡散する場合がある。このような場合、第２の領域１１２ｂから第２の酸化物半導体層１１３の向きに上記元素の濃度が連続的に変化する。その結果、図２（Ｃ）に示すように、第２の領域１１２ｂと第２の酸化物半導体層１１３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。
【００９２】
図２（Ｃ）より、酸化物積層１１０において、第１の酸化物半導体層１１２中の第１の領域１１２ａと第２の酸化物半導体層１１３が第１のウェルを構成し、さらに第１の酸化物半導体層１１２中の第２の領域１１２ｂ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形成されている。このように２段階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。第１の酸化物半導体層１１２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。
【００９３】
さらに、第２の領域１１２ｂが構成するウェルが、第１の酸化物層１１１と絶縁層１０７との界面、及び第２の酸化物層１１４とゲート絶縁層１０４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るトラップ準位の影響が、トランジスタのキャリアの主要な経路となる第２の領域１１２ｂに及ぶことを抑制することができる。
【００９４】
以上が酸化物積層のバンド構造についての説明である。
【００９５】
〔酸化物積層の形成〕
第１の酸化物層１１１及び第２の酸化物層１１４は、第１の酸化物半導体層１１２または第２の酸化物半導体層１１３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。主成分を共通として積層された酸化物積層は、各層を単に積層するのではなく、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。
【００９６】
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（５×１０−７Ｐａ〜１×１０−４Ｐａ程度まで）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。
【００９７】
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したガスを用い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。
【００９８】
第１の酸化物半導体層１１２の下層に設けられる第１の酸化物層１１１、及び第２の酸化物半導体層１１３の上層に設けられる第２の酸化物層１１４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１０４）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）となる第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３へと及ぶことを抑制することができる。
【００９９】
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顕在化する。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、第１の酸化物半導体層１１２や第２の酸化物半導体層１１３と比較して酸素欠損の生じにくい酸化物層を第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３の上下に接して設けることで、第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３における酸素欠損を低減することができる。例えば、第１の酸化物半導体層１１２や第２の酸化物半導体層１１３は、一定電流測定法（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、好ましくは１×１０−４／ｃｍ未満とすることができる。
【０１００】
また、第１の酸化物半導体層１１２が、構成元素の異なる絶縁層（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、第１の酸化物層１１１が第１の酸化物半導体層１１２を構成する金属元素を一種以上含んで構成されるため、第１の酸化物層１１１と第１の酸化物半導体層１１２の界面に界面準位を形成しにくくなる。よって第１の酸化物層１１１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。
【０１０１】
また、ゲート絶縁層１０４と第２の酸化物半導体層１１３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、第２の酸化物層１１４が第２の酸化物半導体層１１３を構成する金属元素を一以上含んで構成されるため、第２の酸化物半導体層１１３と第２の酸化物層１１４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。
【０１０２】
また、第１の酸化物層１１１及び第２の酸化物層１１４は、酸化物積層１１０に接する絶縁層（絶縁層１０７またはゲート絶縁層１０４）の構成元素が、第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３に混入して、不純物により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。
【０１０３】
例えば、酸化物積層１１０に接する絶縁層１０７、またはゲート絶縁層１０４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、または絶縁層中に混入されうる炭素などの不純物が、第１の酸化物層１１１又は第２の酸化物層１１４の中へ界面から数ｎｍ程度にまで混入することがある。シリコン、炭素等の不純物が第１の酸化物半導体層１１２や第２の酸化物半導体層１１３中に混入すると、不純物準位を形成し、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。
【０１０４】
しかしながら、第１の酸化物層１１１及び第２の酸化物層１１４の厚さが数ｎｍよりも厚ければ、混入したシリコン、炭素等の不純物が第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３にまで到達しないため、不純物準位の影響は低減される。
【０１０５】
ここで、第１の酸化物半導体層１１２中の第１の領域１１２ａ、及び第２の酸化物半導体層１１３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、第１の酸化物半導体層１１２中の第１の領域１１２ａ、及び第２の酸化物半導体層１１３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。特に第１の酸化物半導体層１１２中の第１の領域１１２ａ、及び第２の酸化物半導体層１１３に第１４族元素であるシリコン又は炭素が多く混入しないように、第１の酸化物層１１１及び第２の酸化物層１１４で、キャリアパスとなる第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３を挟む、または囲む構成とすることが好ましい。すなわち、第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３に含まれるシリコン及び炭素の濃度は、第１の酸化物層１１１及び第２の酸化物層１１４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。
【０１０６】
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で測定することができる。
【０１０７】
なお、第１の酸化物層１１１または第２の酸化物層１１４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１１１及び第２の酸化物層１１４が存在することにより、第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３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、第１の酸化物半導体層１１２または第２の酸化物半導体層１１３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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
積層構造を構成する各酸化物層は、少なくともインジウム（Ｉｎ）を含み、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ことのできるスパッタリングターゲットを用いて成膜する。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。
【０１１０】
第１の酸化物層１１１及び第２の酸化物層１１４を構成する材料は、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（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Ｘ＝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。
【０１１１】
なお、第１の酸化物層１１１及び第２の酸化物層１１４は、第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３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）で比較できる。
【０１１２】
多層構造を構成する各酸化物層（第１の酸化物層１１１、第１の酸化物半導体層１１２、第２の酸化物半導体層１１３、及び第２の酸化物層１１４）は、例えば非単結晶を有してもよい。非単結晶は、例えば、ＣＡＡＣ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）、多結晶、微結晶、非晶質を有する。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については、後に詳細に説明する。
【０１１３】
多層構造を構成する各酸化物層は、例えば微結晶を有してもよい。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を膜中に含む酸化物を有している。
【０１１４】
多層構造を構成する各酸化物層は、例えば非晶質を有してもよい。非晶質酸化物膜は、例えば、原子配列が無秩序であり、結晶成分のない酸化物を有している。または、非晶質酸化物膜は、例えば、完全な非晶質であり、結晶部を有さない酸化物を有している。
【０１１５】
なお、多層構造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。混合膜は、例えば、非晶質酸化物の領域と、微結晶酸化物の領域と、ＣＡＡＣ酸化物の領域と、を有する。また、混合膜は、例えば、非晶質酸化物の領域と、微結晶酸化物の領域と、ＣＡＡＣ酸化物の領域と、の積層構造を有してもよい。
【０１１６】
なお、多層構造を構成する各酸化物層は、例えば、単結晶を有してもよい。
【０１１７】
多層構造を構成する各酸化物層は、複数の結晶部を有し、当該結晶部のｃ軸が被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃っていることが好ましい。なお、異なる結晶部間で、それぞれａ軸およびｂ軸の向きが異なっていてもよい。そのような酸化物半導体膜の一例としては、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜がある。
【０１１８】
第１の酸化物層１１１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、非晶質構造を有する場合がある。但し、チャネルを形成する第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３は、結晶部を有することが好ましい。非晶質構造を有する第１の酸化物層１１１上に結晶部を有する第１の酸化物半導体層１１２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。
【０１１９】
また、第２の酸化物層１１４は、非晶質構造としてもよいし、結晶部を有していてもよい。但し、結晶部を有する第２の酸化物半導体層１１３上に第２の酸化物層１１４を成膜すると、第２の酸化物層１１４も結晶部を有する膜になりやすく、その場合には、第２の酸化物半導体層１１３と第２の酸化物層１１４の境界を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）などによる断面観察では判別することが困難となる場合もある。但し、第１の酸化物層１１１の結晶性は第１の酸化物半導体層１１２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場合が多い。
【０１２０】
〔酸化物の結晶性について〕
なお、酸化物積層１１０において、少なくとも第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３のいずれか一方は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜であることが好ましい。
【０１２１】
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。
【０１２２】
以下では、酸化物半導体膜の構造について説明する。
【０１２３】
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。
【０１２４】
まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜について説明する。
【０１２５】
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。
【０１２６】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
図１３（ａ）は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の断面ＴＥＭ像である。また、図１３（ｂ）は、図１３（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。
【０１３０】
図１３（ｃ）は、図１３（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１３（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。
【０１３１】
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、電子回折を行うと、配向性を示すスポット（輝点）が観測される。例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の上面に対し、例えば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１９（Ａ）参照。）。
【０１３２】
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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
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。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
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。
【０１４０】
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、鉄やニッケルなどの重金属、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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
次に、多結晶酸化物半導体膜について説明する。
【０１４５】
多結晶酸化物半導体膜は、ＴＥＭによる観察像で、結晶粒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、例えば、ＴＥＭによる観察像で、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。また、多結晶酸化物半導体膜は、ＴＥＭによる観察像で、結晶粒界を確認できる場合がある。
【０１４６】
多結晶酸化物半導体膜は、複数の結晶粒を有し、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。また、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、またはそのほかのピークが現れる場合がある。
【０１４７】
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場合がある。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る。多結晶酸化物半導体膜は、結晶粒界が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る場合がある。
【０１４８】
次に、微結晶酸化物半導体膜について説明する。
【０１４９】
微結晶酸化物半導体膜は、ＴＥＭによる観察像では、明確に結晶部を確認することができない場合がある。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。また、ｎｃ−ＯＳ膜は、例えば、ＴＥＭによる観察像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。
【０１５０】
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、スポットが観測される。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対しナノビーム電子回折を行うと、円を描くように（リング状に）輝度の高い領域が観測される場合がある。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１９（Ｂ）参照。）。
【０１５１】
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。ただし、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、ｎｃ−ＯＳ膜は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜と比べて欠陥準位密度が高くなる。
【０１５２】
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場合がある。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る場合がある。従って、ｎｃ−ＯＳ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場合がある。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くなる場合がある。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となり、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場合がある。
【０１５３】
次に、非晶質酸化物半導体膜について説明する。
【０１５４】
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、結晶部を有さない酸化物半導体膜である。石英のような無定形状態を有する酸化物半導体膜が一例である。
【０１５５】
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。
【０１５６】
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。
【０１５７】
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。
【０１５８】
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。
【０１５９】
従って、非晶質酸化物半導体膜は、ｎｃ−ＯＳ膜と比べて、さらにキャリア密度が高くなる場合がある。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くなる場合がある。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。
【０１６０】
次に、単結晶酸化物半導体膜について説明する。
【０１６１】
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くなる場合がある。従って、単結晶酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、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。
【０１６２】
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。
【０１６３】
なお、酸化物半導体膜は、例えば、非晶質酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
【０１６４】
酸化物半導体膜が複数の構造を有する場合、ナノビーム電子回折を用いることで構造解析が可能となる場合がある。
【０１６５】
図１９（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。
【０１６６】
また、図１９（Ｄ）に、図１９（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が、光学系１２を介して試料室１４に配置された物質２８に照射される。物質２８を通過した電子は、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。
【０１６７】
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。カメラ１８のレンズの中央、および蛍光板３２の中央を通る直線と、カメラ１８のレンズの中央を通り、床面と垂直な直線と、の為す角度は、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。該角度が小さいほど、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、あらかじめ該角度がわかっていれば、得られた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場合がある。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。
【０１６８】
試料室１４には、試料である物質２８を固定するためのホルダが設置されている。ホルダは、物質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、例えば、物質２８をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸などに移動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精度を有すればよい。これらの範囲は、物質２８の構造によって最適な範囲を設定すればよい。
【０１６９】
次に、上述した透過電子回折測定装置を用いて、物質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。
【０１７０】
例えば、図１９（Ｄ）に示すように物質におけるナノビームである電子２４の照射位置を変化させる（スキャンする）ことで、物質の構造が変化していく様子を確認することができる。このとき、物質２８がＣＡＡＣ−ＯＳ膜であれば、図１９（Ａ）に示したような回折パターンが観測される。または、物質２８がｎｃ−ＯＳ膜であれば、図１９（Ｂ）に示したような回折パターンが観測される。
【０１７１】
ところで、物質２８がＣＡＡＣ−ＯＳ膜であったとしても、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、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の良否は、一定の範囲におけるＣＡＡＣ−ＯＳ膜の回折パターンが観測される領域の割合（ＣＡＡＣ化率ともいう。）で表すことができる場合がある。例えば、良質なＣＡＡＣ−ＯＳ膜であれば、ＣＡＡＣ化率は、５０％以上、好ましくは８０％以上、さらに好ましくは９０％以上、より好ましくは９５％以上となる。なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜と異なる回折パターンが観測される領域を非ＣＡＡＣ化率と表記する。
【０１７２】
一例として、成膜直後（ａｓ−ｓｐｕｔｔｅｒｄと表記。）、または酸素を含む雰囲気における４５０℃加熱処理後のＣＡＡＣ−ＯＳ膜を有する各試料の上面に対し、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６０秒間スキャンしながら回折パターンを観測し、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。なお、同様の測定は６試料に対して行った。そしてＣＡＡＣ化率の算出には、６試料における平均値を用いた。
【０１７３】
各試料におけるＣＡＡＣ化率を図２０（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高いＣＡＡＣ化率を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜が得られることがわかる。
【０１７４】
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酸化物半導体膜は、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、隣接する領域の構造の影響を受けて再配列し、ＣＡＡＣ化していることが示唆される。
【０１７５】
図２０（Ｂ）および図２０（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２０（Ｂ）と図２０（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、高い温度における加熱処理によって、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の膜質が向上することがわかる。
【０１７６】
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となる場合がある。
【０１７７】
なお、酸化物積層１１０において、第１の酸化物層１１１を非晶質構造として、該非晶質構造の表面からＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜して第１の酸化物半導体層１１２としてもよい。
【０１７８】
〔ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の成膜方法〕
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、例えば、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。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。
【０１７９】
平板状のスパッタリング粒子は、例えば、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未満である。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。
【０１８０】
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。
【０１８１】
成膜時の基板温度を高めることで、基板到達後にスパッタリング粒子のマイグレーションが起こる。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、平板状のスパッタリング粒子が基板に到達した場合、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が正に帯電することで、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ため、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。
【０１８２】
成膜時の不純物混入を低減することで、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。
【０１８３】
また、成膜ガス中の酸素割合を高め、電力を最適化することで成膜時のプラズマダメージを軽減すると好ましい。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。
【０１８４】
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。
【０１８５】
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または熱輻射によって、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。
【０１８６】
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。
【０１８７】
ＩｎＯＸ粉末、ＧａＯＹ粉末及びＺｎＯＺ粉末を所定のｍｏｌ数比で混合し、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は任意の正数である。ここで、所定のｍｏｌ数比は、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、作製するスパッタリング用ターゲットによって適宜変更すればよい。
【０１８８】
または、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、以下の方法により形成する。
【０１８９】
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。
【０１９０】
次に、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。加熱処理の温度は、３５０℃以上７４０℃以下、好ましくは４５０℃以上６５０℃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、第１の酸化物半導体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第１の酸化物半導体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。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、第１の酸化物半導体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。
【０１９１】
第１の酸化物半導体膜は、厚さが１ｎｍ以上１０ｎｍ未満であることにより、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。
【０１９２】
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。
【０１９３】
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。加熱処理の温度は、３５０℃以上７４０℃以下、好ましくは４５０℃以上６５０℃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、第２の酸化物半導体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第２の酸化物半導体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。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、第２の酸化物半導体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。
【０１９４】
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。
【０１９５】
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。
【０１９６】
次に、例えば、基板加熱しないことなどにより被形成面が低温（例えば、１３０℃未満、１００℃未満、７０℃未満または室温（２０℃〜２５℃）程度）である場合の酸化物膜の形成方法について説明する。
【０１９７】
被形成面が低温の場合、スパッタ粒子は被成膜面に不規則に降り注ぐ。スパッタ粒子は、例えば、マイグレーションをしないため、既に他のスパッタ粒子が堆積している領域も含め、無秩序に堆積していく。即ち、堆積して得られる酸化物膜は、例えば、厚さが均一でなく、結晶の配向も無秩序になる場合がある。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。
【０１９８】
また、例えば、成膜時の圧力が高い場合、飛翔中のスパッタ粒子は、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。スパッタ粒子は、飛翔中に他の粒子と衝突する（再スパッタされる）ことで、結晶構造が崩れる場合がある。例えば、スパッタ粒子は、他の粒子と衝突することで、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）される場合がある。このとき、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場合がある。
【０１９９】
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、液体を用いて成膜する方法の場合、またはターゲットなどの固体を気体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飛翔し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では、ターゲットから放出された原子、分子、イオン、ラジカル、クラスターなどが飛翔し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。
【０２００】
以上が酸化物積層についての説明である。
【０２０１】
［変形例］
以下では、図１に示すトランジスタとは、構成の一部が異なる変形例について説明する。
【０２０２】
図３に本変形例で例示するトランジスタ１５０を示す。図３（Ａ）は、トランジスタ１５０の上面概略図であり、図３（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ図３（Ａ）中に示す切断線Ｃ１−Ｃ２、Ｄ１−Ｄ２で切断した断面概略図である。なお図３（Ａ）には明瞭化のため、主要な構成要素のみを示している。
【０２０３】
トランジスタ１５０は、ゲート電極１０５の形状が異なる点で上記構成例１と相違しており、そのほかの部分は共通である。
【０２０４】
トランジスタ１５０のゲート電極１０５は、第１の電極１０２ａと重畳し、且つ第２の電極１０２ｂと重畳しないように設けられている。
【０２０５】
このように、ドレイン電極として機能しうる第２の電極１０２ｂとゲート電極１０５とが重ならないように離間して設けることにより、ゲート−ドレイン間の耐圧を向上させることができる。したがって極めて高い電圧でトランジスタ１５０を駆動した場合でも高い信頼性を確保することができる。
【０２０６】
また、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、第１の酸化物半導体層１１２中の第２の領域１１２ｂは、その第２の電極１０２ｂ側の端部が、ゲート電極１０５よりも内側に設けられることが好ましい。換言すると、ゲート電極１０５は第２の領域１１２ｂよりも第２の電極１０２ｂ側に延在するように設けることが好ましい。なお、ゲート電極１０５、及び第２の領域１１２ｂの、第２の電極１０２ｂ側のそれぞれの端部が、一致するように設けられていてもよい。
【０２０７】
ｎ型化された第２の領域１１２ｂを、ゲート電極１０５よりも内側に設けることで、トランジスタ特性がノーマリーオンとなってしまうことを抑制できる。このとき、ソース−ドレイン間においてゲート電極１０５が重畳している長さをゲート長とすると、ゲート電極１０５と第２の領域１１２ｂとが重なる領域におけるソース−ドレイン間方向の長さを、例えばゲート長以下、好ましくは０．８倍以下、より好ましくは０．５倍以下とする。
【０２０８】
本変形例の構成とすることで、ゲート−ドレイン耐圧が向上し、より高い電流を流すことができる高信頼性のトランジスタを実現できる。また、ノーマリーオフ型のトランジスタを実現できる。
【０２０９】
以上が本変形例についての説明である。
【０２１０】
［作製方法例１］
以下では、本発明の一態様の半導体装置の作製方法の一例について、図面を参照して説明する。
【０２１１】
［トランジスタの作製方法例］
ここでは、上記変形例で例示したトランジスタ１５０の作製方法例について説明する。図４及び図５は、作製工程に係る断面概略図である。
【０２１２】
〔絶縁層１０７の形成〕
まず、基板１０１上に絶縁層１０７を形成する。
【０２１３】
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、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１５０の第１の電極１０２ａ、第２の電極１０２ｂ、またはゲート電極１０５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。
【０２１４】
なお、トランジスタに大きな電流を流す際に発熱が問題となる場合には、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。
【０２１５】
絶縁層１０７としては、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。または、基板１０１の表面を熱酸化して形成した酸化膜を絶縁層１０７として用いてもよい。
【０２１６】
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、酸素を含む絶縁層を用いるものとする。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。
【０２１７】
本実施の形態のトランジスタ１５０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。
【０２１８】
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中、酸化物層中、酸化シリコン中、または酸化窒化シリコン中を移動可能な酸素、または、本来の化学量論比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。
【０２１９】
絶縁層１０７は、少なくとも後に形成される酸化物積層１１０への酸素の供給源となりえる酸素を含む材料で形成することが好ましい。また、過剰に酸素を含む膜とすることが好ましい。
【０２２０】
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、成膜後の絶縁層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。
【０２２１】
例えば、成膜後の絶縁層１０７に酸素（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）を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成する。酸素の導入方法としては、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、プラズマ処理等を用いることができる。酸素導入処理には、酸素を含むガスを用いることができる。酸素を含むガスとしては、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、酸素導入処理において、酸素を含むガスに希ガスを含ませてもよい。
【０２２２】
〔第１の酸化物層１１１、第１の酸化物半導体層１１２の形成〕
次いで、絶縁層１０７上に第１の酸化物層１１１、第１の酸化物半導体層１１２を順に積層する（図４（Ａ））。第１の酸化物層１１１及び第１の酸化物半導体層１１２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。
【０２２３】
第１の酸化物層１１１及び第１の酸化物半導体層１１２、並びに後に形成する第２の酸化物半導体層１１３及び第２の酸化物層１１４には、上記構成例１で例示した材料を用いることができる。
【０２２４】
例えば、第１の酸化物層１１１には、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：６：４［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝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。
【０２２５】
また例えば第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３には、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝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。
【０２２６】
また、例えば第２の酸化物層１１４には、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：６：４［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝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。
【０２２７】
なお、例えば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。
【０２２８】
なお、各層の組成は上述の原子数比に限られない。但し、第１の酸化物半導体層１１２は第１の酸化物層１１１よりもインジウムの含有量を多くするとよく、第２の酸化物半導体層１１３は第２の酸化物層１１４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重金属の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多い組成となる酸化物はインジウムがガリウムと同量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。また、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。
【０２２９】
そのため、第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３にインジウムの含有量の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。また絶縁層との界面側にガリウム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。
【０２３０】
また、第１の酸化物層１１１、第１の酸化物半導体層１１２、第２の酸化物半導体層１１３、及び第２の酸化物層１１４として用いることのできる酸化物半導体は、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、第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３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。
【０２３１】
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。
【０２３２】
例えば酸化物、特に酸化物半導体として、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。
【０２３３】
但し、上記構成例１で詳細を記したように、第１の酸化物層１１１は第１の酸化物半導体層１１２よりも電子親和力が大きくなるように、また、第２の酸化物層１１４は第２の酸化物半導体層１１３よりも電子親和力が大きくなるように、それぞれの材料を選択する。
【０２３４】
なお、酸化物積層１１０を構成する各層の成膜には、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。
【０２３５】
なお、第１の酸化物層１１１を成膜後、第１の酸化物半導体層１１２の成膜前に、第１の酸化物層１１１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１の酸化物層１１１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該過剰な酸素を第１の酸化物半導体層１１２へ供給することができる。また第２の酸化物半導体層１１３の成膜工程後における熱処理によって該過剰な酸素を第２の酸化物半導体層１１３へ供給することもできる。その結果、第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３の酸素欠損を効果的に低減することができる。
【０２３６】
第１の酸化物層１１１に添加する酸素の量としては、代表的には、イオン注入法において、ドーズ量は５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上１×１０１７ａｔｏｍｓ／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５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上、さらには１×１０１５ａｔｏｍｓ／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、１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下、さらには５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下、さらには２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下が好ましい。
【０２３７】
なお、第１の酸化物層１１１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、少なくとも第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３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、第１の酸化物層１１１の成膜後であって、第１の酸化物半導体層１１２の成膜前に行うことが好ましい。
【０２３８】
〔第２の領域１１２ｂの形成〕
続いて、第１の酸化物半導体層１１２上に、レジストマスク１２１を形成する。レジストマスク１２１は、第１の酸化物半導体層１１２の第２の領域１１２ｂとなる領域以外を覆って形成する。
【０２３９】
続いて、第１の酸化物半導体層１１２のレジストマスク１２１に覆われていない領域に、元素１２２を導入する（図４（Ｂ））。
【０２４０】
元素１２２としては、リン（Ｐ）のほか、１５族元素（例えば砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ））や、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、窒素（Ｎ）、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）を用いてもよい。
【０２４１】
また、導入する元素１２２は、ラジカル、原子、分子、又はイオンのいずれかを少なくとも含んでいればよい。
【０２４２】
上述の元素を第１の酸化物半導体層１１２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。または、上記元素１２２を含む雰囲気下における熱処理やプラズマ処理を行ってもよい。
【０２４３】
元素１２２の導入において、第１の酸化物半導体層１１２の第１の酸化物層１１１との界面に元素１２２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、第１の酸化物半導体層１１２の厚さ方向において、最も元素１２２の濃度の高い領域が、第１の酸化物半導体層１１２の表面近傍（例えば表面から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１２２を導入することが好ましい。または、元素１２２の濃度の最も高い領域が、第１の酸化物半導体層１１２表面から第１の酸化物半導体層１１２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１２２を導入することが好ましい。
【０２４４】
このような方法により元素１２２を導入することで、第１の酸化物半導体層１１２中にｎ型領域である第２の領域１１２ｂと、第２の領域１１２ｂよりも元素１２２の濃度の低い第１の領域１１２ａを形成することができる。ここで、第１の領域１１２ａは好ましくはｉ型または実質的にｉ型であることが好ましい。
【０２４５】
元素１２２を導入後、レジストマスク１２１を除去する。
【０２４６】
〔第２の酸化物半導体層１１３、第２の酸化物層１１４の形成〕
次いで、第１の酸化物半導体層１１２上に、第２の酸化物半導体層１１３、及び第２の酸化物層１１４を順に積層する（図４（Ｃ））。この段階で、酸化物積層１１０が形成される。
【０２４７】
第２の酸化物半導体層１１３及び第２の酸化物層１１４は、上述の材料及び方法を用いて形成することができる。
【０２４８】
ここで、第２の酸化物半導体層１１３及び第２の酸化物層１１４の形成後、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。また、当該加熱処理により、絶縁層１０７から酸化物積層１１０に対して酸素を供給することができる。
【０２４９】
なお、上記熱処理は、少なくとも第１の酸化物半導体層１１２を形成した後であればどの段階で行ってもよく、また複数回繰り返し行ってもよい。例えば、第１の酸化物半導体層１１２の形成直後、第２の酸化物層１１４の形成直後、またはそれ以降の段階で行ってもよい。
【０２５０】
ここで、酸化物積層１１０を形成した後に、酸化物積層１１０の結晶性を向上させるための処理を施してもよい。少なくとも第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３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。
【０２５１】
酸化物積層１１０の結晶性を向上させるための処理として、エネルギービームを照射した加熱処理を行うことが好ましい。エネルギービームの代表例はレーザ光である。酸化物積層１１０に照射す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。
【０２５２】
酸化物積層１１０を加熱するレーザ光の波長は、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を有する短波長であることが好ましい。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）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。
【０２５３】
続いて、フォトリソグラフィ法等を用いて酸化物積層１１０の不要な部分をエッチングし、酸化物積層１１０を島状に加工する（図４（Ｄ））。
【０２５４】
このとき、第１の酸化物半導体層１１２中の第２の領域１１２ｂの側面が、上記エッチングにより露出しないようにすることが好ましい。
【０２５５】
以上の工程により、島状の酸化物積層１１０を形成することができる。
【０２５６】
〔第１の電極１０２ａ、第２の電極１０２ｂの形成〕
【０２５７】
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１０２ａ及び第２の電極１０２ｂを形成する（図５（Ａ））。
【０２５８】
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。
【０２５９】
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１１１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１１１は当該エッチングによる影響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。
【０２６０】
また、導電膜のエッチングにドライエッチングを用いた場合には、酸化物積層１１０の表面、または絶縁層１０７の表面にエッチング残渣が付着する場合がある。その場合、エッチング残渣を除去するため、洗浄処理をすることが好ましい。当該洗浄処理を行うことで、第１の電極１０２ａと第２の電極１０２ｂの短絡を抑制することができる。当該洗浄処理は、ＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ  Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）溶液などのアルカリ性の溶液、希フッ酸、シュウ酸、リン酸などの酸性の溶液を用いて行うことができる。
【０２６１】
ここで、上記と同様の加熱処理を行ってもよい。
【０２６２】
〔ゲート絶縁層１０４の形成〕
続いて、酸化物積層１１０、第１の電極１０２ａ及び第２の電極１０２ｂ上にゲート絶縁層１０４を形成する。
【０２６３】
ゲート絶縁層１０４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１０４は、上記材料の積層膜を用いてもよい。ゲート絶縁層１０４は、スパッタリング法、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。
【０２６４】
ゲート絶縁層１０４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有していてもよく、酸素を含む絶縁層を用いることが好ましい。
【０２６５】
ゲート絶縁層１０４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、第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３中の酸素欠損を低減できる。
【０２６６】
〔ゲート電極１０５の形成〕
次に、ゲート絶縁層１０４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１０５を形成する（図５（Ｂ））。
【０２６７】
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。
【０２６８】
ここでは図５（Ｂ）に示すように、ゲート電極１０５が第１の電極１０２ａと重畳し、且つ第２の電極１０２ｂと重畳しないように設ける例を示している。またこのとき、ゲート電極１０５が第２の領域１１２ｂよりも第２の電極１０２ｂ側に延在するように設けることが好ましい。
【０２６９】
なお、図１で例示したトランジスタ１００を作製する場合には、ゲート電極１０５の形状を、第１の電極１０２ａ及び第２の電極１０２ｂの両方と重畳するように加工すればよく、それ以外の工程は、本作製方法例１を援用することができる。
【０２７０】
ゲート電極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、第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３中の酸素欠損を低減できる。
【０２７１】
〔絶縁層１０８、絶縁層１０９の形成〕
続いて、ゲート絶縁層１０４及びゲート電極１０５上に絶縁層１０８と絶縁層１０９を順に積層する。
【０２７２】
絶縁層１０８及び絶縁層１０９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。なお絶縁層１０８及び絶縁層１０９は、上記材料の積層膜を用いてもよい。絶縁層１０８及び絶縁層１０９は、スパッタリング法、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。
【０２７３】
ここで、絶縁層１０８として、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）層を用いることが好ましい。酸素に対する透過性の低い層の材料としては、酸化アルミニウムや、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。ゲート絶縁層１０４を覆って酸素に対する透過性の低い絶縁層１０８を設けることにより、その後の加熱処理によって絶縁層１０７、または絶縁層１０７及びゲート絶縁層１０４から放出される酸素が、絶縁層１０８を介して外部に放出されることを抑制し、当該酸素を効率的に酸化物積層１１０に供給することができる。
【０２７４】
または、絶縁層１０８として酸化物積層１１０への酸素の供給源となり得る酸素を含む（過剰の酸素を含む）層とし、絶縁層１０９として酸素に対する透過性の低い層としてもよい。このとき、加熱処理によって絶縁層１０８から放出される酸素が絶縁層１０９を介して外部に放出されることが抑制され、より効率的に当該酸素を酸化物積層１１０に供給することができる。
【０２７５】
絶縁層１０８、または絶縁層１０８及び絶縁層１０９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、第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３中の酸素欠損を低減できる。
【０２７６】
続いて、絶縁層１０９及び絶縁層１０８を選択的にエッチングし、第１の電極１０２ａに達する開口部、及び第２の電極１０２ｂに達する開口部を形成する。
【０２７７】
続いて、絶縁層１０９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、第１の電極１０２ａと電気的に接続する電極１０６ａ、及び第２の電極１０２ｂと電気的に接続する電極１０６ｂを形成する（図５（Ｃ））。
【０２７８】
導電膜の材料としては、第１の電極１０２ａ、第２の電極１０２ｂ、またはゲート電極１０５に用いる材料を適用できる。
【０２７９】
また、電極１０６ａ及び電極１０６ｂ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、第１の酸化物半導体層１１２及び第２の酸化物半導体層１１３中の酸素欠損を低減できる。
【０２８０】
以上の工程により、トランジスタ１５０を作製することができる。
【０２８１】
以上が本作製方法例についての説明である。
【０２８２】
［変形例１］
以下では、上記トランジスタの作製方法例とは一部が異なるトランジスタの作製方法例について説明する。なお以下では主に上記と相違する点について説明し、上記と共通する部分については、説明を省略する場合がある。
【０２８３】
まず、上記と同様に基板１０１上に絶縁層１０７、第１の酸化物層１１１、第１の酸化物半導体層１１２を形成する。続いて、第１の酸化物半導体層１１２上にレジストマスク１２１を形成する。続いて、第１の酸化物半導体層１１２の一部に該レジストマスク１２１の開口部を介して元素１２２を導入し、第１の酸化物半導体層１１２に元素１２２を含む第２の領域１１２ｂと、元素１２２の濃度の低い第１の領域１１２ａを形成する（図６（Ａ））。
【０２８４】
元素１２２の導入後、レジストマスク１２１を除去する。
【０２８５】
続いて、フォトリソグラフィ法等を用いて、第１の酸化物層１１１及び第１の酸化物半導体層１１２の不要な部分をエッチングし、第１の酸化物層１１１及び第１の酸化物半導体層１１２を島状に加工する（図６（Ｂ））。
【０２８６】
続いて、第１の酸化物半導体層１１２を覆って、第２の酸化物半導体層１１３及び第２の酸化物層１１４を成膜する。その後、フォトリソグラフィ法等を用いて第２の酸化物半導体層１１３及び第２の酸化物層１１４の不要な部分をエッチングし、第２の酸化物半導体層１１３及び第２の酸化物層１１４を島状に加工する（図６（Ｃ））。
【０２８７】
このとき、図６（Ｃ）に示すように、第２の酸化物半導体層１１３及び第２の酸化物層１１４の積層体が、第１の酸化物層１１１及び第１の酸化物半導体層１１２の側面を覆うように加工することが好ましい。このような加工を行うことで、第１の酸化物半導体層１１２の端部が露出することがないため、第１の酸化物半導体層１１２の端部から酸素が脱離して酸素欠損が生じてしまうことを抑制できる。
【０２８８】
これ以降の工程は、上記作製方法例を参酌できる。すなわち、上記と同様の方法を用いて第１の電極１０２ａ、第２の電極１０２ｂ、ゲート絶縁層１０４、ゲート電極１０５、絶縁層１０８、絶縁層１０９、電極１０６ａ及び電極１０６ｂを順次形成する。
【０２８９】
以上の工程により、トランジスタ１６０を作製することができる（図６（Ｄ））。
【０２９０】
トランジスタ１６０は、上記トランジスタ１５０と比較して、酸化物積層１１０の端部の形状が異なる点で相違している。具体的には、第２の酸化物半導体層１１３及び第２の酸化物層１１４が、第１の酸化物層１１１及び第１の酸化物半導体層１１２の端部を覆うように設けられている。
【０２９１】
以上が本変形例１についての説明である。
【０２９２】
［変形例２］
以下では、上記トランジスタの作製方法例及び上記変形例１とは一部が異なるトランジスタの作製方法例について説明する。なお以下では主に上記と相違する点について説明し、上記と共通する部分については、説明を省略する場合がある。
【０２９３】
まず、上記と同様に基板１０１上に絶縁層１０７、第１の酸化物層１１１、第１の酸化物半導体層１１２を形成する。
【０２９４】
続いて、フォトリソグラフィ法等を用いて、第１の酸化物層１１１及び第１の酸化物半導体層１１２の不要な部分をエッチングし、第１の酸化物層１１１及び第１の酸化物半導体層１１２を島状に加工する（図７（Ａ））。
【０２９５】
続いて、第１の酸化物半導体層１１２上に、レジストマスク１２１を形成する。その後、第１の酸化物半導体層１１２の一部に該レジストマスク１２１の開口部を介して元素１２２を導入し、第１の酸化物半導体層１１２に元素１２２を含む第２の領域１１２ｂと、元素１２２の濃度の低い第１の領域１１２ａを形成する（図７（Ｂ））。
【０２９６】
元素１２２の導入後、レジストマスク１２１を除去する。
【０２９７】
続いて、第１の酸化物半導体層１１２を覆って、第２の酸化物半導体層１１３及び第２の酸化物層１１４を成膜する。その後、フォトリソグラフィ法等を用いて第２の酸化物半導体層１１３及び第２の酸化物層１１４の不要な部分をエッチングし、第２の酸化物半導体層１１３及び第２の酸化物層１１４を島状に加工する（図７（Ｃ））。
【０２９８】
このとき、上記変形例１と同様に、第２の酸化物半導体層１１３及び第２の酸化物層１１４の積層体が、第１の酸化物層１１１及び第１の酸化物半導体層１１２の側面を覆うように加工することが好ましい。
【０２９９】
これ以降の工程は、上記作製方法例を参酌できる。すなわち、上記と同様の方法を用いて第１の電極１０２ａ、第２の電極１０２ｂ、ゲート絶縁層１０４、ゲート電極１０５、絶縁層１０８、絶縁層１０９、電極１０６ａ及び電極１０６ｂを順次形成する。
【０３００】
以上の工程により、トランジスタ１６０を作製することができる（図７（Ｄ））。ここで、図７（Ｄ）に示すトランジスタ１６０は、上記変形例１で例示した図６（Ｄ）に示すトランジスタ１６０と同様の構成となる。
【０３０１】
以上が本変形例についての説明である。
【０３０２】
［変形例３］
以下では上記トランジスタの作製方法例及び上記各変形例とは一部が異なるトランジスタの作製方法例について説明する。なお以下では主に上記と相違する点について説明し、上記と共通する部分については、説明を省略する場合がある。
【０３０３】
まず、上記と同様に基板１０１上に絶縁層１０７、第１の酸化物層１１１、第１の酸化物半導体層１１２を形成する。続いて、第１の酸化物半導体層１１２上にレジストマスク１２１を形成する。続いて、第１の酸化物半導体層１１２の一部に該レジストマスク１２１の開口部を介して元素１２２を導入し、第１の酸化物半導体層１１２に元素１２２を含む第２の領域１１２ｂと、元素１２２の濃度の低い第１の領域１１２ａを形成する（図８（Ａ））。
【０３０４】
元素１２２の導入後、レジストマスク１２１を除去する。
【０３０５】
続いて、フォトリソグラフィ法等を用いて、第１の酸化物半導体層１１２の不要な部分をエッチングし、第１の酸化物半導体層１１２を島状に加工する（図８（Ｂ））。
【０３０６】
第１の酸化物半導体層１１２のエッチングには、第１の酸化物層１１１とエッチング速度の選択比が十分に大きい条件を用いることが好ましい。なお、第１の酸化物層１１１と第１の酸化物半導体層１１２の組成が近い場合や、エッチングの選択比が十分に大きくとれない場合などでは、第１の酸化物層１１１がエッチングされ、一部が薄膜化する場合がある。
【０３０７】
続いて、第１の酸化物層１１１及び第１の酸化物半導体層１１２を覆って、第２の酸化物半導体層１１３及び第２の酸化物層１１４を成膜する。その後、フォトリソグラフィ法等を用いて第１の酸化物層１１１、第２の酸化物半導体層１１３、第２の酸化物層１１４の不要な部分をエッチングし、第１の酸化物層１１１、第２の酸化物半導体層１１３、及び第２の酸化物層１１４を島状に加工する（図８（Ｃ））。
【０３０８】
このとき、第２の酸化物半導体層１１３及び第２の酸化物層１１４の積層体が、第１の酸化物半導体層１１２の側面を覆うように加工することが好ましい。このような加工を行うことで、第１の酸化物半導体層１１２の端部が露出することがないため、第１の酸化物半導体層１１２の端部から酸素が脱離して酸素欠損が生じてしまうことを抑制できる。
【０３０９】
これ以降の工程は、上記作製方法例を参酌できる。すなわち、上記と同様の方法を用いて第１の電極１０２ａ、第２の電極１０２ｂ、ゲート絶縁層１０４、ゲート電極１０５、絶縁層１０８、絶縁層１０９、電極１０６ａ及び電極１０６ｂを順次形成する。
【０３１０】
以上の工程により、トランジスタ１７０を作製することができる（図８（Ｄ））。
【０３１１】
トランジスタ１７０は、酸化物積層１１０の端部の形状が異なる点で、上記トランジスタ１５０及びトランジスタ１６０と相違している。具体的には、第２の酸化物半導体層１１３が第１の酸化物半導体層１１２の側面を覆い、且つ第１の酸化物層１１１の上面の一部に接して設けられている。
【０３１２】
以上が本変形例３についての説明である。
【０３１３】
［変形例４］
以下では、上記トランジスタの作製方法例及び上記各変形例とは一部が異なるトランジスタの作製方法例について説明する。なお以下では主に上記と相違する点について説明し、上記と共通する部分については、説明を省略する場合がある。
【０３１４】
まず、上記と同様に基板１０１上に絶縁層１０７、第１の酸化物層１１１、第１の酸化物半導体層１１２を形成する。
【０３１５】
続いて、フォトリソグラフィ法等を用いて、第１の酸化物半導体層１１２の不要な部分をエッチングし、第１の酸化物半導体層１１２を島状に加工する（図９（Ａ））。当該エッチングについては、上記変形例３を参酌できる。
【０３１６】
続いて、第１の酸化物層１１１及び第１の酸化物半導体層１１２上にレジストマスク１２１を形成する。その後、第１の酸化物半導体層１１２の一部に該レジストマスク１２１の開口部を介して元素１２２を導入し、第１の酸化物半導体層１１２に元素１２２を含む第２の領域１１２ｂと、元素１２２の濃度の低い第１の領域１１２ａを形成する（図９（Ｂ））。
【０３１７】
元素１２２の導入後、レジストマスク１２１を除去する。
【０３１８】
続いて、第１の酸化物層１１１及び第１の酸化物半導体層１１２を覆って、第２の酸化物半導体層１１３及び第２の酸化物層１１４を成膜する。その後、フォトリソグラフィ法等を用いて第１の酸化物層１１１、第２の酸化物半導体層１１３、第２の酸化物層１１４の不要な部分をエッチングし、第１の酸化物層１１１、第２の酸化物半導体層１１３、及び第２の酸化物層１１４を島状に加工する。
【０３１９】
このとき変形例３と同様に、第２の酸化物半導体層１１３及び第２の酸化物層１１４の積層体が、第１の酸化物半導体層１１２の側面を覆うように加工することが好ましい。
【０３２０】
これ以降の工程は、上記作製方法例を参酌できる。すなわち、上記と同様の方法を用いて第１の電極１０２ａ、第２の電極１０２ｂ、ゲート絶縁層１０４、ゲート電極１０５、絶縁層１０８、絶縁層１０９、電極１０６ａ及び電極１０６ｂを順次形成する。
【０３２１】
以上の工程により、トランジスタ１７０を作製することができる（図９（Ｄ））。ここで、図９（Ｄ）に示すトランジスタ１７０は、上記変形例３で例示した図７（Ｄ）に示すトランジスタ１７０と同様の構成となる。
【０３２２】
以上が本変形例についての説明である。
【０３２３】
上記実施の形態で開示された、金属膜、半導体膜、無機絶縁膜など様々な膜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法の例としてＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を使ってもよい。
【０３２４】
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。
【０３２５】
熱ＣＶＤ法は、原料ガスと酸化剤を同時にチャンバー内に送り、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで成膜を行ってもよい。
【０３２６】
また、ＡＬＤ法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、反応のための原料ガスが順次にチャンバーに導入され、そのガス導入の順序を繰り返すことで成膜を行ってもよい。例えば、それぞれのスイッチングバルブ（高速バルブとも呼ぶ）を切り替えて２種類以上の原料ガスを順番にチャンバーに供給し、複数種の原料ガスが混ざらないように第１の原料ガスと同時またはその後に不活性ガス（アルゴン、或いは窒素など）などを導入し、第２の原料ガスを導入する。なお、同時に不活性ガスを導入する場合には、不活性ガスはキャリアガスとなり、また、第２の原料ガスの導入時にも同時に不活性ガスを導入してもよい。また、不活性ガスを導入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。このガス導入順序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、ガス導入順序を繰り返す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。
【０３２７】
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、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。なお、トリメチルインジウムの化学式は、Ｉｎ（ＣＨ３）３である。また、トリメチルガリウムの化学式は、Ｇａ（ＣＨ３）３である。また、ジメチル亜鉛の化学式は、Ｚｎ（ＣＨ３）２である。また、これらの組み合わせに限定されず、トリメチルガリウムに代えてトリエチルガリウム（化学式Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３）を用いることもでき、ジメチル亜鉛に代えてジエチル亜鉛（化学式Ｚｎ（Ｃ２Ｈ５）２）を用いることもできる。
【０３２８】
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、溶媒とハフニウム前駆体化合物を含む液体（ハフニウムアルコキシド溶液、代表的にはテトラキスジメチルアミドハフニウム（ＴＤＭＡＨ））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。なお、テトラキスジメチルアミドハフニウムの化学式はＨｆ［Ｎ（ＣＨ３）２］４である。また、他の材料液としては、テトラキス（エチルメチルアミド）ハフニウムなどがある。
【０３２９】
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、溶媒とアルミニウム前駆体化合物を含む液体（トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）など）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。なお、トリメチルアルミニウムの化学式はＡｌ（ＣＨ３）３である。また、他の材料液としては、トリス（ジメチルアミド）アルミニウム、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。
【０３３０】
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。
【０３３１】
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。
【０３３２】
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、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを順次繰り返し導入してＩｎ−Ｏ層を形成し、その後、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを同時に導入してＧａＯ層を形成し、更にその後Ｚｎ（ＣＨ３）２とＯ３ガスを同時に導入してＺｎＯ層を形成する。なお、これらの層の順番はこの例に限らない。また、これらのガスを混ぜてＩｎ−Ｇａ−Ｏ層やＩｎ−Ｚｎ−Ｏ層、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層などの混合化合物層を形成してもよい。なお、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が、Ｈを含まないＯ３ガスを用いる方が好ましい。また、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスにかえて、Ｉｎ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いてもよい。また、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスにかえて、Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いてもよい。また、Ｚｎ（ＣＨ３）２ガスを用いてもよい。
【０３３３】
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。
【０３３４】
（実施の形態２）
本実施の形態では、上記実施の形態１とは異なる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。なお以下では、上記実施の形態１と共通する部分については説明を省略する場合がある。
【０３３５】
［構成例２］
［トランジスタの構成例］
図１０に本構成例で例示するトランジスタ２００を示す。図１０（Ａ）は、トランジスタ２００の上面概略図であり、図１０（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ図１０（Ａ）中に示す切断線Ｅ１−Ｅ２、Ｆ１−Ｆ２で切断した断面概略図である。なお、図１０（Ａ）には明瞭化のため、主要な構成要素のみを示している。
【０３３６】
図１０に示す構成は、基板１０１上に設けられた絶縁層１０７上に、第１の酸化物層１１１、第１の酸化物半導体層１１２、第２の酸化物半導体層１１３、及び第２の酸化物層１１４が順に積層された積層構造を含む酸化物積層１１０を有する。また第２の酸化物半導体層１１３の上面の一部、及び第２の酸化物層１１４の下面の一部と接し、第１の酸化物半導体層１１２上で離間する第１の電極１０２ａと、第２の電極１０２ｂを有する。また第２の酸化物層１１４上にゲート絶縁層１０４と、ゲート絶縁層１０４上に酸化物積層１１０と重なるゲート電極１０５を有する。
【０３３７】
また、ゲート電極１０５を覆って絶縁層１０８と、絶縁層１０８上に絶縁層１０９が設けられている。さらに、絶縁層１０９上に、それぞれ絶縁層１０９、絶縁層１０８に設けられた開口部において第１の電極１０２ａと電気的に接続する電極１０６ａと、第２の電極１０２ｂと電気的に接続する電極１０６ｂと、を有する。
【０３３８】
第１の酸化物半導体層１１２は、第１の酸化物半導体層１１２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を含む第２の領域１１２ｂと、当該第２の領域よりも当該元素の濃度が低い第１の領域１１２ａとを有する。
【０３３９】
また第２の領域１１２ｂは、第１の酸化物半導体層１１２の端部よりも内側の領域に設けられている。また、第１の酸化物半導体層１１２において、第２の領域１１２ｂは、その底部と側部を第１の領域１１２ａに囲まれるように設けられている。また、第２の領域１１２ｂの上部に第２の酸化物半導体層１１３が設けられている。
【０３４０】
ここで、第１の電極１０２ａ及び第２の電極１０２ｂが、それぞれチャネルが形成される第２の酸化物半導体層１１３の上面に接して設けられている。その結果、第１の電極１０２ａまたは第２の電極１０２ｂと第２の酸化物半導体層１１３との間に第２の酸化物層１１４を設ける構成に比べてオン状態におけるソース−ドレイン間の直列抵抗が低減され、より大きな電流を流すことができる。
【０３４１】
ここで、第１の電極１０２ａと第２の領域１１２ｂとが接しないよう、これらの距離を十分にとるために、第２の酸化物半導体層１１３の厚さを調整することが好ましい。例えば、第１の電極１０２ａと重なる領域において、第２の酸化物半導体層１１３の厚さを１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下とすると、オン電流を犠牲にすることなくトランジスタ２００のオン、オフ動作を確実なものとすることができ、さらにはノーマリーオフ型のトランジスタ２００を実現できる。
【０３４２】
また、第２の酸化物層１１４の端部は、絶縁層１０８に接して設けられている。ここで、絶縁層１０８として過剰な酸素を含む層を用いた場合、熱処理などにより絶縁層１０８から放出される酸素を、第２の酸化物層１１４を介して第２の酸化物半導体層１１３に供給することができる。その結果、第２の酸化物半導体層１１３や、第１の酸化物半導体層１１２中の酸素欠損を低減することができる。一方、絶縁層１０８として酸素に対するバリア性を有する層を用いた場合には、熱処理などにより第２の酸化物層１１４の端部から酸素が放出されてしまうことを抑制できる。
【０３４３】
［変形例］
以下では、図１０に示すトランジスタとは構成の一部が異なる変形例について説明する。
【０３４４】
図１１に本変形例で例示するトランジスタ２１０の断面概略図を示す。
【０３４５】
トランジスタ２１０は、ゲート電極１０５、ゲート絶縁層１０４及び第２の酸化物層１１４の形状が異なる点で、図１０に示すトランジスタ２００と相違しており、そのほかの部分は共通である。
【０３４６】
トランジスタ２１０のゲート電極１０５は、第１の電極１０２ａと重畳し、且つ第２の電極１０２ｂと重畳しないように設けられている。
【０３４７】
このように、ドレイン電極として機能しうる第２の電極１０２ｂとゲート電極１０５とが重ならないように離間して設けることにより、ゲート−ドレイン間の耐圧を向上させることができる。したがってこのような構成とすることで、極めて高い電圧でトランジスタ２１０を駆動した場合でも高い信頼性を確保することができる。
【０３４８】
また、図１１に示すように、第１の酸化物半導体層１１２中の第２の領域１１２ｂは、その第２の電極１０２ｂ側の端部が、ゲート電極１０５よりも内側に設けられることが好ましい。すなわち、ゲート電極１０５は第２の領域１１２ｂよりも第２の電極１０２ｂ側に延在するように設けることが好ましい。なお、ゲート電極１０５、及び第２の領域１１２ｂの、第２の電極１０２ｂ側のそれぞれの端部が、一致するように設けられていてもよい。
【０３４９】
ｎ型化された第２の領域１１２ｂを、ゲート電極１０５よりも内側に設けることで、トランジスタ特性がノーマリーオンとなってしまうことを抑制できる。このとき、ソース−ドレイン間においてゲート電極１０５が重畳している長さをゲート長とすると、ゲート電極１０５と第２の領域１１２ｂとが重なる領域におけるソース−ドレイン間方向の長さを、例えばゲート長以下、好ましくは０．８倍以下、より好ましくは０．５倍以下とする。
【０３５０】
また、第２の酸化物層１１４及びゲート絶縁層１０４は、ゲート電極１０５よりも外側の領域にまで延在し、第１の電極１０２ａ及び第２の電極１０２ｂの一部と重なるように設けられている。このような構成とすることで、第２の酸化物層１１４が第２の酸化物半導体層１１３を確実に覆うことができる。また図１１に示すように、第２の酸化物層１１４及びゲート絶縁層１０４を島状に加工し、これらの端部が電極１０６ａ及び電極１０６ｂよりもゲート電極１０５側に設けることで、電極１０６ａ及び電極１０６ｂと第２の酸化物層１１４が接することがないため、電極１０６ａ及び電極１０６ｂにより第２の酸化物層１１４中の酸素が引き抜かれてしまうことを防ぐことができる。
【０３５１】
本変形例の構成とすることで、ゲート−ドレイン耐圧が向上し、より高い電流を流すことができる高信頼性のトランジスタを実現できる。また、ノーマリーオフ型のトランジスタを実現できる。
【０３５２】
以上が本変形例についての説明である。
【０３５３】
［作製方法例２］
以下では、本発明の一態様の半導体装置の作製方法の一例について、図面を参照して説明する。なお、実施の形態１と共通する部分は、説明を省略する場合がある。
【０３５４】
［トランジスタの作製方法例］
以下では、上記構成例２で例示したトランジスタ２００の作製方法について説明する。
【０３５５】
まず、基板１０１上に絶縁層１０７、第１の酸化物層１１１、第１の酸化物半導体層１１２を形成する。続いて、第１の酸化物半導体層１１２上にレジストマスク１２１を形成する。続いて、第１の酸化物半導体層１１２の一部に該レジストマスク１２１の開口部を介して元素１２２を導入し、第１の酸化物半導体層１１２に元素１２２を含む第２の領域１１２ｂと、元素１２２の濃度の低い第１の領域１１２ａを形成する。元素１２２の導入後、レジストマスク１２１を除去する。
【０３５６】
続いて、第１の酸化物半導体層１１２上に第２の酸化物半導体層１１３を形成する。その後、フォトリソグラフィ法等を用いて、第１の酸化物層１１１、第１の酸化物半導体層１１２、及び第２の酸化物半導体層１１３の不要な部分をエッチングし、第１の酸化物層１１１、第１の酸化物半導体層１１２、及び第２の酸化物半導体層１１３を島状に加工する（図１２（Ａ））。
【０３５７】
続いて、第１の酸化物層１１１、第１の酸化物半導体層１１２、及び第２の酸化物半導体層１１３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１０２ａ及び第２の電極１０２ｂを形成する（図１２（Ｂ））。
【０３５８】
ここで、導電膜のエッチングの際に、第２の酸化物半導体層１１３の上部がエッチングされ、第２の酸化物半導体層１１３の一部が薄くなる場合がある。したがって、第２の酸化物半導体層１１３は、当該エッチングによる影響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。
【０３５９】
また、導電膜のエッチングにドライエッチングを用いた場合には、第１の酸化物層１１１、第１の酸化物半導体層１１２、第２の酸化物半導体層１１３、及び絶縁層１０７の表面にエッチング残渣が付着する場合がある。その場合、エッチング残渣を除去するため、洗浄処理をすることが好ましい。当該洗浄処理を行うことで、第１の電極１０２ａと第２の電極１０２ｂの短絡を抑制することができる。洗浄処理は、ＴＭＡＨ溶液などのアルカリ性の溶液、希フッ酸、シュウ酸、リン酸などの酸性の溶液を用いて行うことができる。
【０３６０】
特に、第２の酸化物半導体層１１３の表面にエッチング残渣が残存していると、後に形成する第２の酸化物層１１４との界面に意図しない界面準位が形成されてしまい、トランジスタの電気的特性や信頼性に悪影響を及ぼす恐れがあるため、当該洗浄処理を行うことは特に有効である。
【０３６１】
続いて、第２の酸化物層１１４、ゲート絶縁層１０４、及び導電膜を順に成膜する。その後フォトリソグラフィ法等を用いて第２の酸化物層１１４、ゲート絶縁層１０４、及び導電膜の不要な部分をエッチングし、同一パターンに加工された第２の酸化物層１１４、ゲート絶縁層１０４、及びゲート電極１０５を形成する（図１２（Ｃ））。
【０３６２】
ここで、第２の酸化物層１１４、ゲート絶縁層１０４、及びゲート電極１０５は、同一のレジストマスクを用いて加工してもよいし、ゲート電極１０５を形成した後にレジストマスクを除去し、ゲート電極１０５をエッチングマスク（ハードマスクともいう）として用いて第２の酸化物層１１４及びゲート絶縁層１０４を加工してもよい。いずれにしても、一つのフォトマスクを用いて第２の酸化物層１１４、ゲート絶縁層１０４、及びゲート電極１０５を加工できる。そのため、例えば実施の形態１の作製方法例１で例示した方法に対して、使用するフォトマスクを増やすことなく加工を行うことができる。
【０３６３】
これ以降の工程は、実施の形態１を参酌できる。すなわち、上記と同様の方法を用いて絶縁層１０８、絶縁層１０９、電極１０６ａ及び電極１０６ｂを順次形成する。
【０３６４】
以上の工程により、トランジスタ２００を作製することができる（図１２（Ｄ））。
【０３６５】
なお、元素１２２を導入した後に、第１の酸化物層１１１及び第１の酸化物半導体層１１２を島状に加工し、その後第２の酸化物半導体層１１３を成膜して、当該第２の酸化物半導体層１１３を、上記第１の酸化物層１１１及び第１の酸化物半導体層１１２の端部を覆うように島状に加工してもよい。
【０３６６】
また、元素１２２を導入した後に、第１の酸化物半導体層１１２のみを島状に加工し、その後第２の酸化物半導体層１１３を成膜して、当該第２の酸化物半導体層１１３及び第１の酸化物層１１１で第１の酸化物半導体層１１２を囲むように、当該第２の酸化物半導体層１１３及び第１の酸化物層１１１を島状に加工してもよい。
【０３６７】
また、図１１に示すトランジスタ２１０を作製する場合には、第２の酸化物半導体層１１３及びゲート絶縁層１０４の積層体と、ゲート電極１０５とを別々に加工することにより作製することができる。例えば、第２の酸化物半導体層１１３及びゲート絶縁層１０４の加工を行った後に、ゲート電極１０５となる導電膜を成膜し、ゲート電極１０５の加工を行う。または、第２の酸化物半導体層１１３、ゲート絶縁層１０４及びゲート電極１０５となる導電膜を成膜し、ゲート電極１０５の加工を行った後に、第２の酸化物半導体層１１３及びゲート絶縁層１０４の加工を行ってもよい。またその場合には、ハーフトーンマスク（グレートーンマスクともいう）を用いて加工してもよい。
【０３６８】
以上が本作製方法例２についての説明である。
【０３６９】
（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。
【０３７０】
［ＤＣＤＣコンバータ］
図１４（Ａ）に示すＤＣＤＣコンバータ５０１は、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。
【０３７１】
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。
【０３７２】
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。
【０３７３】
次いで図１４（Ｂ）に示すＤＣＤＣコンバータ５１１は、一例として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。
【０３７４】
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。
【０３７５】
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。
【０３７６】
図１５に示すインバータ６０１は、一例としてフルブリッジ型のインバータである。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。
【０３７７】
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。
【０３７８】
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。
【０３７９】
（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。
【０３８０】
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。
【０３８１】
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。
【０３８２】
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、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に設けてもよいし、或いは、第２電位を接地電位とし、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を設けずに、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を電源回路４００に設けてもよい。
【０３８３】
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。
【０３８４】
パワースイッチ４０１及びパワースイッチ４０２として、上記結晶構造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。
【０３８５】
上記トランジスタ材料を活性層に用いた電界効果トランジスタを、パワースイッチ４０１またはパワースイッチ４０２に用いることで、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。
【０３８６】
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。
【０３８７】
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。
【０３８８】
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。
【０３８９】
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。
【０３９０】
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。
【０３９１】
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。
【０３９２】
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。
【０３９３】
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。
【０３９４】
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。また、トランジスタ４０８及びトランジスタ４１０がオフであるとき、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。また、トランジスタ４０７及びトランジスタ４０９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。また、トランジスタ４０８及びトランジスタ４１０がオフであるとき、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。
【０３９５】
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。
【０３９６】
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。
【０３９７】
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。
【０３９８】
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、水分または水素などの不純物濃度が十分に低減され、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。
【０３９９】
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で規格化したオフ電流は、１００ｚＡ／μｍ以下であることが分かる。また、容量素子と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て、オフ電流の測定を行った。当該測定では、上記トランジスタに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、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。その結果、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ことが分かった。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。
【０４００】
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。
【０４０１】
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。
【０４０２】
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。
【０４０３】
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。
【０４０４】
（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。
【０４０５】
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。
【０４０６】
以下では、電子機器の具体例を図１８に示す。
【０４０７】
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。
【０４０８】
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。
【０４０９】
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。
【０４１０】
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。
【０４１１】
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。
【０４１２】
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。
【０４１３】
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。
【０４１４】
室内機１４６０は、筐体１４６１と、送風口１４６２と、を備える。
【０４１５】
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。
【０４１６】
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。
【０４１７】
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。
【０４１８】
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。
【実施例】
【０４１９】
本実施例では、酸化物積層のバンド構造について調べた。
【０４２０】
［エネルギーギャップ］
まず、酸化物半導体膜に対してイオン注入を異なる条件で行った試料を作製し、それぞれの試料に対してエネルギーギャップを測定した。
【０４２１】
〔試料の作製〕
試料の基板として石英基板を用いた。基板表面上に厚さ約１００ｎｍの酸化物半導体膜を成膜した。酸化物半導体膜の成膜は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］である多結晶のスパッタリングターゲットを用いたスパッタリング法を用いた。
【０４２２】
続いて、酸化物半導体膜に対して、イオン注入法を用いてリンの注入を行った。リンの注入は、加速電圧を１０ｋＶ、２０ｋＶ、及び３０ｋＶの３条件とし、リンのドーズ量を１×１０１２ｃｍ−２、１×１０１３ｃｍ−２、１×１０１４ｃｍ−２、５×１０１４ｃｍ−２、１×１０１５ｃｍ−２、３×１０１５ｃｍ−２、５×１０１５ｃｍ−２の７条件とした。
【０４２３】
〔エリプソメトリーによる評価〕
作製した各試料に対して、エリプソメトリー法によりバンドギャップを算出した。ここで、酸化物半導体膜としては、基板側からリンのドープされていない第１層（Ｌ１）とリンのドープされた第２層（Ｌ２）の積層構造を仮定した。イオン注入の条件と第２層（Ｌ２）の厚さの関係を図２１の上段に、またイオン注入の条件と第２層（Ｌ２）のバンドギャップの関係を図２１の下段にそれぞれ示す。
【０４２４】
なお、図２１の下段の各図中に示す破線は、リンの注入を行っていない試料におけるバンドギャップ（３．２２ｅＶ）を示している。
【０４２５】
図２１の上段より、加速電圧が高いほど、また注入量が多いほど、リンがドープされ低抵抗化した領域が深さ方向に広がる傾向があることが確認できた。
【０４２６】
図２１の下段より、注入量が多いほどバンドギャップが小さくなる傾向があることが確認できた。また加速電圧が低いほど深さ方向の分布小さくなり、その結果注入量に対するバンドギャップの変化量が大きい傾向があることが分かった。
【０４２７】
［バンド構造］
以下では、上記とは異なる試料を作製し、紫外光電子分光法（ＵＰＳ）を用いて評価した。
【０４２８】
〔試料の作製〕
試料の基板として、シリコンウェハを用いた。まず、シリコン基板上の酸化膜を希フッ酸により除去したあと、シリコン基板上に厚さ約１０ｎｍの第１の酸化物膜、及び厚さ約２５ｎｍの第１の酸化物半導体膜を連続して成膜した。第１の酸化物膜の成膜はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子数比］である多結晶のスパッタリングターゲットを用いたスパッタリング法を用いた。第１の酸化物半導体膜の成膜は、上記と同様に行った。
【０４２９】
続いて、第１の酸化物半導体膜に対し、イオン注入法によりリンを注入した。リンの注入は、加速電圧を１０ｋＶとし、リンのドーズ量を１×１０１４ｃｍ−２の条件で行った。
【０４３０】
続いて、厚さ約１０ｎｍの第２の酸化物半導体膜、及び厚さ約１０ｎｍの第２の酸化物膜を連続して成膜した。第２の酸化物半導体膜の成膜は、上記第１の酸化物半導体膜の成膜と同様に行い、第２の酸化物膜の成膜は、上記第１の酸化物膜の成膜と同様に行った。
【０４３１】
〔ＵＰＳによる評価〕
作製した試料について、ＵＰＳを用いて真空準位と価電子帯上端のエネルギー差（イオン化ポテンシャルともいう。）を測定した。測定は、試料表面からスパッタリング法によりエッチングしながら行うことで、イオン化ポテンシャルの深さ方向の分布を調べた。
【０４３２】
図２２に、ＵＰＳによって求めたスパッタ時間に対する真空準位と価電子帯上端のエネルギー差（Ｅｖ）を示す。また図２２に示す破線は、Ｅｖの値から推定した、各膜の境界を示している。
【０４３３】
また図２２には、当該Ｅｖと、上記エリプソメトリー法によって求めたバンドギャップの値とを用いて算出した真空準位と伝導帯下端のエネルギー差（Ｅｃ）を示している。ここで、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］である多結晶のスパッタリングターゲットを用いて成膜した膜（ＩＧＺＯ（１１１）と表記する）についてはバンドギャップを３．２２ｅＶとし、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子数比］である多結晶のスパッタリングターゲットを用いて成膜した膜（ＩＧＺＯ（１３２）と表記する）についてはバンドギャップを３．５０ｅＶとした。
【０４３４】
図２２に示すように、ＵＰＳによって求めたＩＧＺＯ（１１１）内の真空準位と価電子帯上端のエネルギー差（Ｅｖ）は、リンの注入の有無に寄らず、ほぼ一定の値（約８．０ｅＶ）であった。
【０４３５】
また、図２２に示すように、真空準位と伝導帯下端エネルギー差（Ｅｃ）は、ＩＧＺＯ（１３２）が最も小さく、次いでＩＧＺＯ（１１１）、リンを注入したＩＧＺＯ（１１１）の順に大きいことが確認できた。ここでＩＧＺＯ（１３２）とＩＧＺＯ（１１１）の伝導帯下端のエネルギーの差は約０．２８ｅＶであり、ＩＧＺＯ（１１１）とリンを注入したＩＧＺＯ（１１１）の伝導帯下端のエネルギーの差は約０．２４ｅＶであった。
【０４３６】
以上の結果から、本発明の一態様の酸化物積層が２段階のウェルを有することが確認できた。
【０４３７】
本実施例は、少なくともその一部を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】
【０４３８】
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    物質
３２    蛍光板
１００    トランジスタ
１０１    基板
１０２    電極
１０２ａ    電極
１０２ｂ    電極
１０４    ゲート絶縁層
１０５    ゲート電極
１０６ａ    電極
１０６ｂ    電極
１０７    絶縁層
１０８    絶縁層
１０９    絶縁層
１１０    酸化物積層
１１１    酸化物層
１１２    酸化物半導体層
１１２ａ    領域
１１２ｂ    領域
１１３    酸化物半導体層
１１４    酸化物層
１２１    レジストマスク
１２２    元素
１５０    トランジスタ
１６０    トランジスタ
１７０    トランジスタ
２００    トランジスタ
２１０    トランジスタ
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】
2014179597.tif 000003
【図２】
2014179597.tif 000004
【図３】
2014179597.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014179597.tif 000009
【図８】
2014179597.tif 000010
【図９】
2014179597.tif 000011
【図１０】
2014179597.tif 000012
【図１１】
2014179597.tif 000013
【図１２】
2014179597.tif 000014
【図１４】
2014179597.tif 000015
【図１５】
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【図１６】
2014179597.tif 000017
【図１７】
2014179597.tif 000018
【図１８】
2014179597.tif 000019
【図２１】
2014179597.tif 000020
【図２２】
2014179597.tif 000021
【図１３】
2014179597.tif 000022
【図１９】
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【図２０】
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