(57)【要約】【課題】信頼性が高く、電気特性のばらつきの小さい酸化物半導体を用いた半導体装置を作製することを目的とし、膜厚均一性の高い酸化物半導体膜を形成するための半導体装置の作製方法、製造装置、及び該製造装置を用いた半導体装置の作製方法を提供することを課題の一とする。【解決手段】スパッタ装置を用いて膜厚均一性の高い酸化物半導体膜を形成するため、成膜室内を減圧雰囲気、好ましくは高真空とし、成膜中において基板の面全体に対して均一な電力が加わるように調節する製造装置を用いて膜厚均一性が±３％未満、好ましくは±２％以下である酸化物半導体膜を形成する。【選択図】図４
2014241409.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパッタ装置を用いて、基板上に膜厚均一性が±３％未満である酸化物半導体膜を形成する半導体装置の作製方法。
【請求項２】
スパッタ装置を用いて、基板上に膜厚均一性が±２％以下である酸化物半導体膜を形成する半導体装置の作製方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記酸化物半導体膜の膜厚均一性の制御は、成膜中に前記スパッタ装置の一部を揺動する手段、前記スパッタ装置の電源の調節、前記スパッタ装置の成膜室内の圧力の調節のうちの少なくとも一つに基づき行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一において、リークレートが１×１０−１０Ｐａ・ｍ３／秒以下である真空排気された前記スパッタ装置の成膜室に基板を導入した後、
前記成膜室に９９．９９９９９９％以上の純度である成膜ガスを導入し、
前記成膜ガスを用いてスパッタリングターゲットをスパッタリングして、前記基板上に酸化物半導体膜を成膜することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一において、前記酸化物半導体膜の成膜時の基板温度が、５０℃以上４５０℃以下であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項６】
基板上に膜厚均一性が±３％未満である酸化物半導体膜を有する半導体装置。
【請求項７】
請求項６において、前記酸化物半導体膜は、結晶性を有する領域を含み、前記領域は、ｃ軸が膜表面に概略垂直にそろっている結晶を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
スパッタ装置は、成膜ガスの供給源と、電源と、真空排気手段と、基板の加熱手段と、スパッタ装置の一部を揺動する手段とを有し、
酸化物半導体膜の膜厚均一性の制御を前記スパッタ装置の一部を揺動する手段、前記スパッタ装置の電源の調節、前記スパッタ装置の成膜室内の圧力の調節のうちの少なくとも一つに基づき行い、酸化物半導体膜の膜厚均一性を±３％未満とするスパッタ装置を含む半導体装置の製造装置。
【請求項９】
請求項８において、前記成膜ガスの供給源と、前記成膜室との間に精製機を有することを特徴する半導体装置の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
酸化物半導体を用いる半導体装置及びその作製方法、及び酸化物半導体膜の成膜装置に関する。
【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し、電気光学装置、半導体回路および電子機器は全て半導体装置である。
【背景技術】
【０００３】
絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（表示装置）のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜の材料としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。
【０００４】
例えば、トランジスタの活性層として、電子キャリア濃度が１０１８／ｃｍ３未満であるインジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び亜鉛（Ｚｎ）を含む酸化物半導体を用いたトランジスタが開示されており、酸化物半導体膜の成膜方法としてはスパッタリング法が最適とされている（特許文献１参照。）。
【０００５】
また、液晶表示装置に代表されるアクティブマトリクス型半導体装置においては、画面サイズが対角６０インチ以上と大型化する傾向にあり、さらには、対角１２０インチ以上の画面サイズも視野に入れた開発が行われている。加えて、画面の解像度も、ハイビジョン画質（ＨＤ、１３６６×７６８）、フルハイビジョン画質（ＦＨＤ、１９２０×１０８０）と高精細化の傾向にあり、解像度が３８４０×２０４８または４０９６×２１８０といった、いわゆる４Ｋデジタルシネマ用表示装置の開発も急がれている。
【０００６】
これら半導体装置の大型化に伴い、例えば液晶パネルを生産するためのガラス基板サイズは、第１世代と呼ばれる３００ｍｍ×４００ｍｍから、第３世代の５５０ｍｍ×６５０ｍｍ、第４世代の７３０ｍｍ×９２０ｍｍ、第５世代の１０００ｍｍ×１２００ｍｍ、第６世代の１４５０ｍｍ×１８５０ｍｍ、第７世代の１８７０ｍｍ×２２００ｍｍ、第８世代の２０００ｍｍ×２４００ｍｍ、第９世代の２４００ｍｍ×２８００ｍｍ、第１０世代の２８８０ｍｍ×３０８０ｍｍと大型化しており、今後も第１１世代、第１２世代へと、更なる大型化が予想される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−９６０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性は、基板面内、基板間及びロット間において、ばらつきが大きい場合があった。そこで、信頼性が高く、電気特性のばらつきの小さい酸化物半導体を用いた半導体装置を作製することを目的とし、膜厚均一性の高い酸化物半導体膜を形成するための半導体装置の作製方法、製造装置、及び該製造装置を用いた半導体装置の作製方法を提案する。
【０００９】
また、マザーガラスのような大きな面積のガラス基板を用いて、電気特性のばらつきの小さい半導体装置の大量生産を行うことの出来る製造装置を提供することを課題の一とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様は、スパッタ装置を用いて膜厚均一性の高い酸化物半導体膜を形成するため、成膜室内を減圧雰囲気、好ましくは高真空とし、成膜中において基板の面全体に対して均一な電力が加わるように調節する製造装置を用いて膜厚均一性が±３％未満、好ましくは±２％以下である酸化物半導体膜を形成することである。
【００１１】
膜厚均一性が±３％未満、好ましくは±２％以下である酸化物半導体膜を有する半導体装置は、基板面内、基板間及びロット間において、ばらつきが小さく、電気特性のばらつきの小さい酸化物半導体を用いた半導体装置とすることができる。
【００１２】
酸化物半導体膜の膜厚均一性のばらつきが大きいと、酸化物半導体膜に含まれる酸素欠損量がばらつくことに繋がり、信頼性の低下する恐れがある。従って、膜厚均一性が±３％未満、好ましくは±２％以下である酸化物半導体膜を実現することで、信頼性が高い半導体装置を実現することができる。
【００１３】
また、本発明の一態様は、基板上に膜厚均一性が±３％未満、好ましくは±２％以下である酸化物半導体膜を形成する半導体装置の作製方法であり、酸化物半導体膜の膜厚均一性の制御は、成膜中にスパッタ装置の一部を揺動する手段、スパッタ装置の電源の調節、スパッタ装置の成膜室内の圧力の調節のうちの少なくとも一つに基づき行うことである。成膜中にスパッタ装置の一部を揺動する手段は、特に限定されず、相対的にスパッタ装置の一部、または複数の部分を移動させることでプラズマ密度の均一化が図れればよい。
【００１４】
また、上記構成において、酸化物半導体膜の膜厚均一性を±３％未満とするためには、リークレートが１×１０−１０Ｐａ・ｍ３／秒以下である真空排気された前記スパッタ装置の成膜室に基板を導入した後、成膜室に９９．９９９９９９％以上の純度である成膜ガスを導入し、成膜ガスを用いてスパッタリングターゲットをスパッタリングして、基板上に酸化物半導体膜を成膜することが好ましい。
【００１５】
また、上記構成において、酸化物半導体膜の成膜時の基板温度が、５０℃以上４５０℃以下であることが好ましく、基板温度が高いと結晶性の高い酸化物半導体膜を得ることができる。また、該結晶性の高い酸化物半導体膜は、結晶性を有する領域を含み、該領域は、ｃ軸が膜表面に概略垂直にそろっている結晶を有するため、信頼性が高く、且つ電気特性のばらつきの小さい半導体装置を実現することもできる。なお、この結晶性の高い酸化物半導体膜をＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜と呼ぶ。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層の一つである。
【００１６】
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によってＣＡＡＣ−ＯＳ膜の明視野像および回折パターンの複合解析像（高分解能ＴＥＭ像ともいう。）を観察することで複数の結晶部を確認することができる。一方、高分解能ＴＥＭ像によっても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。
【００１７】
試料面と概略平行な方向からＣＡＡＣ−ＯＳ膜の断面の高分解能ＴＥＭ像を観察すると、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。一方、試料面と概略垂直な方向から、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の平面の高分解能ＴＥＭ像を観察すると、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。
【００１８】
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。
【００１９】
断面の高分解能ＴＥＭ像および平面の高分解能ＴＥＭ像より、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶部は配向性を有していることがわかる。
【００２０】
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、平面の高分解能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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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、前述の断面の高分解能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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
また、上記半導体装置の作製方法を実現する製造装置も本発明の一つであり、スパッタ装置は、成膜ガスの供給源と、電源と、真空排気手段と、基板の加熱手段と、スパッタ装置の一部を揺動する手段とを有し、酸化物半導体膜の膜厚均一性の制御をスパッタ装置の一部を揺動する手段、スパッタ装置の電源の調節、スパッタ装置の成膜室内の圧力の調節のうちの少なくとも一つに基づき行い、酸化物半導体膜の膜厚均一性を±３％未満とするスパッタ装置を含む半導体装置の製造装置である。
【００３２】
また、酸化物半導体膜の膜厚均一性を±３％未満とするためには、成膜ガスの純度も重要であり、成膜ガスの供給源と、成膜室との間に成膜ガスの純度を高純度とするための精製機を有することが好ましい。精製機から成膜室までの配管の長さは５ｍ以下、好ましくは１ｍ以下とする。
【００３３】
また、スパッタ装置の一部を揺動する手段とは、具体的には、マグネトロンスパッタリング法を用いるスパッタ装置の場合、ターゲットホルダの内部または下部に設けるマグネットを揺動する装置、またはターゲットホルダを揺動する装置、またはその両方を指している。酸化物半導体膜の膜厚均一性を±３％未満とするためには、マグネットを揺動する装置と、ターゲットホルダを揺動する装置をそれぞれ独立して操作することが好ましい。
【００３４】
特にマザーガラスのような大きな面積のガラス基板を用いてそのガラス基板上に膜をスパッタ装置で成膜する場合、スパッタリングターゲットは、複数設置され、ターゲットホルダに並べて配置されることになる。その場合、基板横方向、或いは基板縦方向においてターゲット同士の間隔が生じるため、たとえば、基板横方向の膜厚均一性と基板縦方向の膜厚均一性で差が生じる恐れがある。マグネットを揺動する装置と、ターゲットホルダを揺動する装置をそれぞれ独立して成膜中に揺動させることで、基板横方向の膜厚均一性と基板縦方向の膜厚均一性の差を低減することができ、それによって酸化物半導体膜の膜厚均一性を±３％未満とすることもできる。本明細書で膜厚均一性とは、１枚の基板に成膜を行い、成膜された膜の膜厚の面内分布を指している。エリプソ分光法による基板面のポイント毎の膜厚測定を行い、それらの結果から膜の面内分布、即ち膜厚均一性を算出する。例えば、５インチのガラス基板またはシリコンウェーハに膜厚１００ｎｍの酸化物半導体膜を成膜した後、基板の中央部における１００ｍｍ×１００ｍｍの領域内において２５ポイントの膜厚測定をエリプソメーターを用いて行う。酸化物半導体膜の膜厚の最大値、最小値、平均値をそれぞれＲｍａｘ、Ｒｍｉｎ、Ｒａｖｅとしたときに膜厚分布Ｘ（％）＝（Ｒｍａｘ−Ｒｍｉｎ）／Ｒａｖｅ×１００で算出される。例えば、膜厚均一性が±３％未満とは、２５ポイントの膜厚データのうち、膜厚分布Ｘの絶対値が３％未満であることを指している。
【００３５】
本明細書において減圧雰囲気とは、圧力が１０Ｐａ以下のことを指す。また、不活性雰囲気とは、不活性ガス（窒素、希ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン）など）を主成分とする雰囲気であって、水素が含まれないことが好ましい。例えば、導入する不活性ガスの純度を、８Ｎ（９９．９９９９９９％）以上、好ましくは９Ｎ（９９．９９９９９９９％）以上とする。または、不活性雰囲気とは、不活性ガスを主成分とする雰囲気で、反応性ガスが０．１ｐｐｍ未満である雰囲気のことである。反応性ガスとは、半導体や金属などと反応するガスのことをいう。
【００３６】
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。
【００３７】
また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。
【発明の効果】
【００３８】
本発明の一態様により、安定した電気的特性と高い信頼性を有する半導体装置の作製方法を提供できる。また、安定した電気的特性と高い信頼性を有する半導体装置を実現する製造装置を提供できる。また、マザーガラスのような大きな基板を用いて、信頼性の高い半導体装置の大量生産を行うことの出来る製造装置を提供できる。また、安定した電気的特性と高い信頼性を有する半導体装置の作製方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一態様を示す半導体装置の作製工程を示す断面図である。
【図２】本発明の一態様を示す半導体装置の断面図である。
【図３】本発明の一態様を示す半導体装置の断面図である。
【図４】（Ａ）は本発明の一態様を示す製造装置の断面図であり、（Ｂ）はスパッタリングターゲットとターゲットホルダの配置の一例を示す模式図であり、（Ｃ）はマグネットとスパッタリングターゲットの配置の一例を示す模式図である。
【図５】本発明の一態様を示す製造装置の上面図である。
【図６】本発明の一態様を示す製造装置の断面図である。
【図７】本発明の一態様を示すブロック図及び等価回路図。
【図８】電子機器を示す図。
【図９】ＣＡＡＣ−ＯＳの成膜モデルを説明する模式図、ペレットおよびＣＡＡＣ−ＯＳの断面図。
【図１０】ｎｃ−ＯＳの成膜モデルを説明する模式図、およびペレットを示す図。
【図１１】ペレットを説明する図。
【図１２】被形成面においてペレットに加わる力を説明する図。
【図１３】被形成面におけるペレットの動きを説明する図。
【図１４】ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を説明する図。
【図１５】原子が衝突する前のＩｎＧａＺｎＯ４の構造などを説明する図。
【図１６】原子が衝突した後のＩｎＧａＺｎＯ４の構造などを説明する図。
【図１７】原子が衝突した後の原子の軌跡を説明する図。
【図１８】ＣＡＡＣ−ＯＳおよびターゲットの断面ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、その形態およ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。また、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。
【００４１】
（実施の形態１）
本実施の形態では、膜厚均一性が±３％未満である酸化物半導体膜を有する半導体装置の作製方法の一例、及び詳細な構成の一例について、図面を用いて説明する。
【００４２】
半導体装置の作製方法の一例について、図１を用いて説明する。
【００４３】
まず、基板４００上にゲート電極層４０２（これと同じ層で形成される配線を含む）を形成し、ゲート電極層４０２上にゲート絶縁層４０４を形成する（図１（Ａ）参照）。
【００４４】
基板４００の材質などに大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有している必要がある。例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイヤ基板等を、基板４００として用いることができる。また、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム等の化合物半導体基板、ＳＯＩ基板等を適用することも可能であり、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを基板４００として用いてもよい。
【００４５】
また、基板４００として、可撓性基板を用い、可撓性基板上に直接設けてトランジスタ３００を形成してもよい。または、基板４００とトランジスタ３００との間に剥離層を設けてもよい。剥離層は、その上に半導体装置の一部又は全部を完成させた後、基板４００から分離し、他の基板に転載するのに用いることができる。その際、トランジスタ３００は耐熱性の劣る基板や可撓性の基板に転載することができる。
【００４６】
なお、基板４００とゲート電極層４０２との間に下地絶縁層を設けてもよい。また、基板４００として半導体素子が設けられた基板を適用する場合、該下地絶縁層は層間絶縁層として機能することができる。
【００４７】
ゲート電極層４０２の材料は、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウム等の金属材料、又はこれらを主成分とする合金材料を用いて形成することができる。また、ゲート電極層４０２としてリン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコン膜に代表させる半導体膜、ニッケルシリサイド等のシリサイド膜を用いてもよい。ゲート電極層４０２は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。また、ゲート電極層４０２は、テーパ形状としてもよく、例えばテーパ角を１５°以上７０°以下とすればよい。ここで、テーパ角とは、テーパ形状を有する層の側面と、当該層の底面との間の角度を指す。
【００４８】
また、ゲート電極層４０２の材料は、酸化インジウム酸化スズ、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウムスズ酸化物、酸化インジウム酸化亜鉛、酸化珪素を添加したインジウムスズ酸化物等の導電性材料を適用することもできる。
【００４９】
または、ゲート電極層４０２の材料として、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、窒素を含むＩｎ−Ｓｎ系酸化物、窒素を含むＩｎ−Ｇａ系酸化物、窒素を含むＩｎ−Ｚｎ系酸化物、窒素を含むＳｎ系酸化物、窒素を含むＩｎ系酸化物、金属窒化物膜（窒化インジウム膜、窒化亜鉛膜、窒化タンタル膜、窒化タングステン膜など）を用いてもよい。これらの材料は、５電子ボルト以上の仕事関数を有するため、これらの材料を用いてゲート電極層４０２を形成することでトランジスタの電気特性においてしきい値電圧をプラスにすることができ、ノーマリオフのスイッチングトランジスタを実現できる。
【００５０】
ゲート絶縁層４０４は、プラズマＣＶＤ法、スパッタリング法等により、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化イットリウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ガリウム膜、酸化タンタル膜、酸化マグネシウム膜、酸化ランタン膜、酸化セリウム膜、及び酸化ネオジム膜を一種以上含む膜を適用することができる。ゲート絶縁層４０４は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。
【００５１】
なお、ゲート絶縁層４０４において、後に形成される酸化物半導体層４０８と接する領域は酸化物絶縁層であることが好ましく、化学量論的組成よりも過剰に酸素を含有する領域（酸素過剰領域）を有することが好ましい。ゲート絶縁層４０４に酸素過剰領域を設けるには、例えば、酸素雰囲気下にてゲート絶縁層４０４を形成すればよい。又は、成膜後のゲート絶縁層４０４に酸素を導入して、酸素過剰領域を形成してもよい。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。
【００５２】
次いで、ゲート絶縁層４０４上に、酸化物半導体膜を成膜し、島状に加工して酸化物半導体層４０８を形成する（図１（Ｂ）参照）。酸化物半導体層４０８は、少なくともインジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）及びＭ（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膜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。また、該酸化物半導体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、それらと共に、スタビライザーを含むことが好ましい。
【００５３】
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。
【００５４】
酸化物半導体層４０８を構成する酸化物半導体として、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を用いることができる。
【００５５】
なお、ここで、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分として有する酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素が入っていてもよい。
【００５６】
酸化物半導体層４０８は、単層構造としてもよいし、複数の酸化物半導体層が積層された構造としてもよい。例えば、酸化物半導体層４０８を、第１の酸化物半導体層と第２の酸化物半導体層の積層として、第１の酸化物半導体層と第２の酸化物半導体層に、異なる組成の金属酸化物を用いてもよい。例えば、第１の酸化物半導体層に三元系金属の酸化物を用い、第２の酸化物半導体層に二元系金属の酸化物を用いてもよい。また、例えば、第１の酸化物半導体層と第２の酸化物半導体層を、どちらも三元系金属の酸化物としてもよい。
【００５７】
また、第１の酸化物半導体層と第２の酸化物半導体層の構成元素を同一とし、両者の組成を異ならせてもよい。例えば、第１の酸化物半導体層の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１とし、第２の酸化物半導体層の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２としてもよい。
【００５８】
また、第１の酸化物半導体層と第２の酸化物半導体層に、結晶性の異なる酸化物半導体層を適用してもよい。すなわち、単結晶酸化物半導体層、多結晶酸化物半導体層、微結晶酸化物半導体層、非晶質酸化物半導体層、またはＣＡＡＣ−ＯＳ膜を適宜組み合わせた構成としてもよい。ただし、非晶質酸化物半導体層は水素などのドナーとなる不純物を吸収しやすく、また、酸素欠損が生じやすいためｎ型化されやすい。このため、チャネル側の酸化物半導体層は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜などの結晶性を有する酸化物半導体膜を適用することが好ましい。
【００５９】
ここで、微結晶酸化物半導体膜について説明する。
【００６０】
微結晶酸化物半導体膜は、高分解能ＴＥＭ像において、結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。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、高分解能ＴＥＭ像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
酸化物半導体膜の成膜方法は、マグネトロンスパッタリング装置を用い、成膜中にスパッタ装置の一部を揺動する手段、スパッタ装置の電源の調節、スパッタ装置の成膜室内の圧力の調節のうちの少なくとも一つに基づき、酸化物半導体膜の膜厚均一性の制御を行う。      
【００６４】
成膜中にスパッタ装置の一部を揺動する手段としては、少なくともマグネットを揺動させる装置を有するマグネトロンスパッタリング装置を用いる。また、成膜中にスパッタ装置の一部を揺動する手段として複数のターゲットが設けられたターゲットホルダを揺動する装置もさらに設け、それぞれ独立制御できるマグネトロンスパッタリング装置を用いることが好ましい。なお、酸化物半導体膜の膜厚均一性が±３％未満を下回り、さらには±２％以下とするためには、成膜中にスパッタ装置の一部を揺動する手段、スパッタ装置の電源の調節、スパッタ装置の成膜室内の圧力の調節を全て行うことが好ましい。
【００６５】
マグネトロンスパッタリング装置としては、同軸円筒マグネトロン方式や、ガン型マグネトロン方式や、プレーナ型マグネトロン方式などを用いることができる。ここではプレーナ型マグネトロン方式を用いる。
【００６６】
酸化物半導体膜の膜厚均一性を±３％未満とするためには、酸化物半導体膜を成膜する際、できる限り膜中に含まれる水素濃度を低減させることが好ましい。水素濃度を低減させるには、例えば、スパッタリング法を用いて成膜を行う場合には、成膜室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、より好ましくは−１２０℃以下にまで高純度化したガスを用いることで酸化物半導体層４０８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。
【００６７】
また、酸化物半導体膜の膜厚均一性を±３％未満とすることで、ｃ軸が膜表面に概略垂直にそろっている結晶を形成させやすくすることができ、スピネル構造の結晶を含まない膜とすることができる。ｃ軸が膜表面に概略垂直にそろっている結晶と、スピネル構造の結晶とが混在すると膜質のばらつきが発生する恐れがあるため、スピネル構造の結晶が形成されない酸化物半導体膜の成膜条件とすることが好ましい。
【００６８】
また、成膜室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプ、例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また、ターボ分子ポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプは、例えば、水素分子、水（Ｈ２Ｏ）など水素原子を含む化合物（より好ましくは炭素原子を含む化合物も）等の排気能力が高いため、クライオポンプを用いて排気した成膜室で成膜した膜中に含まれる不純物の濃度を低減できる。
【００６９】
また、酸化物半導体膜の膜厚均一性を±３％未満とするためには、酸化物半導体膜をスパッタリング法で成膜する場合、成膜に用いる金属酸化物ターゲットの相対密度（充填率）は９０％以上１００％以下、好ましくは９５％以上９９．９％以下とする。相対密度の高い金属酸化物ターゲットを用いることにより、成膜される膜を緻密な膜とすることができる。
【００７０】
なお、基板４００を高温に保持した状態で酸化物半導体膜を形成することも、酸化物半導体膜中に含まれうる不純物濃度を低減し、酸化物半導体膜の膜厚均一性を±３％未満とするのに有効である。基板４００を加熱する温度としては、５０℃以上４５０℃以下とすればよく、好ましくは基板温度が２００℃以上３５０℃以下とすればよい。
【００７１】
酸化物半導体膜成膜後、又は島状の酸化物半導体層４０８に加工後、熱処理を行う。熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上４００℃以下、より好ましくは３２０℃以上３７０℃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、又は減圧雰囲気で行えばよい。また、熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気で熱処理を行った後に、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。ここでの熱処理によって、酸化物半導体層４０８及びゲート絶縁層４０４の少なくとも一から水素や水などの不純物を除去することができる。前述の通り、酸化物半導体をチャネルとするトランジスタ３００に安定した電気特性を付与するためには、酸化物半導体層４０８中の不純物濃度を低減し、酸化物半導体層を真性又は実質的に真性とすることが有効である。
【００７２】
次いで、酸化物半導体層４０８上にソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂ（これと同じ層で形成される配線を含む）となる導電膜を成膜し、これを加工してソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂを形成する。
【００７３】
ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂには、酸素と結合し易い導電材料を好ましく用いることができる。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、融点の高いＷを用いることが特に好ましい。なお、酸素と結合し易い導電材料には、酸素が拡散し易い材料も含まれる。
【００７４】
このような導電材料と酸化物半導体層４０８を接触させると、酸化物半導体層４０８中の酸素が、酸素と結合し易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、酸化物半導体層４０８においてソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂと接触した界面近傍の領域に酸素欠損が発生し、ｎ型化した領域を形成することができる。該ｎ型化した領域はトランジスタ３００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。
【００７５】
なお、ｎ型化した領域には、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂの構成元素が混入することがある。また、ｎ型化した領域に接するソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂでは、一部酸素の濃度が高い領域が形成されうる。また、ｎ型化した領域に接するソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂでは、酸化物半導体層４０８の構成元素が混入することがある。すなわち、酸化物半導体層４０８とソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂとが接触する界面近傍には、当該接触した２層の混合領域又は混合層と呼ぶことのできる箇所が形成されることもある。
【００７６】
次いで、酸化物半導体層４０８、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂ上に、絶縁層４１４を形成する。絶縁層４１４としては、酸化物絶縁層を用いることが好ましく、例えば、酸化シリコン層、酸化窒化シリコン層、又は酸化アルミニウム層を適用することが好ましい。
【００７７】
絶縁層４１４として酸化物絶縁層を設けた場合、該絶縁層４１４を形成後に熱処理を行うことが好ましい。熱処理によって、酸化物絶縁層である絶縁層４１４に含まれる酸素の一部を酸化物半導体層４０８に酸素を移動させ、酸化物半導体層４０８中の酸素欠損に酸素を供給することが可能である。この結果、酸化物半導体層４０８に含まれる酸素欠損量を低減することができる。熱処理の条件は、酸化物半導体膜成膜後又は島状の酸化物半導体層４０８に加工後の熱処理と同様とすることができる。
【００７８】
また、絶縁層４１４は、積層構造としてもよい。例えば、酸化物半導体層４０８に接する酸化物絶縁層と、該酸化物絶縁層上の窒化物絶縁層との積層構造としてもよい。窒化物絶縁層としては、窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層等を用いることができる。
【００７９】
以上によって、本実施の形態のトランジスタ３００を形成することができる。
【００８０】
図２に半導体装置の構成例を示す。図２（Ａ）は、トランジスタ３００の平面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＸ１−Ｙ１における断面図であり、図２（Ｃ）は図２（Ａ）のＶ１−Ｗ１における断面図である。なお、図２（Ａ）では、煩雑になることを避けるため、構成要素の一部（例えば、絶縁層４１４）を省略して図示している。
【００８１】
図２に示すトランジスタ３００は、基板４００上に設けられたゲート電極層４０２と、ゲート電極層４０２上のゲート絶縁層４０４と、ゲート絶縁層４０４上に設けられ、ゲート電極層４０２と重なる酸化物半導体層４０８と、酸化物半導体層４０８と電気的に接続するソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂと、を含む。
【００８２】
酸化物半導体層４０８、ソース電極層４１０ａ及びドレイン電極層４１０ｂ上に設けられる絶縁層４１４をトランジスタ３００の構成要素に含めてもよい。酸化物半導体層４０８においてチャネルが形成される領域と接する絶縁層４１４には、酸素を含む絶縁層（酸化物絶縁層）、換言すると酸素を放出することが可能な絶縁層を用いることが好ましい。酸素を放出することが可能な絶縁層４１４から、酸化物半導体層４０８のチャネルに酸素を供給することで、酸化物半導体層４０８の膜中又は界面の酸素欠損を低減することが可能となるためである。なお、酸素を放出することが可能な絶縁層としては、例えば、酸化シリコン層、酸化窒化シリコン層、又は酸化アルミニウム層を適用することができる。
【００８３】
酸化物半導体層４０８においてチャネルが形成される領域は、水素が可能な限り低減されていることが好ましい。具体的には、酸化物半導体層４０８において、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる水素濃度を、２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【００８４】
酸素欠損が補填され、水素が低減された酸化物半導体層４０８は、高純度真性化、又は実質的に高純度真性化された酸化物半導体層といえる。真性、又は実質的に真性である酸化物半導体は、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。また、真性又は実質的に真性である酸化物半導体は、ドナーの要因である欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度を低減することができる。
【００８５】
また、高純度真性、又は実質的に高純度真性である酸化物半導体層４０８は、オフ電流が著しく小さく、チャネル幅が１×１０６μｍでチャネル長Ｌ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。
【００８６】
また、成膜中において基板の面全体に対して均一な電力が加わるように調節する製造装置を用いて膜厚均一性が±３％未満、好ましくは±２％以下である酸化物半導体膜とすることができる。
【００８７】
従って、当該酸化物半導体層４０８にチャネル領域が形成されるトランジスタ３００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。
【００８８】
また、上記本実施の形態では、ボトムゲート構造のトランジスタを用いて説明したが、本発明の一態様はこれに限られるものではなく、酸化物半導体膜上にゲート電極を有するトップゲート構造のトランジスタ、酸化物半導体膜上下にゲート電極を有するデュアルゲート構造のトランジスタ等に適用することが可能である。また、チャネル保護型のトランジスタに適用してもよい。
【００８９】
例えば、図３（Ａ）に示すように酸化物半導体膜を積層としたボトムゲート構造のトランジスタ３３０としてもよい。酸化物半導体膜として第１の酸化物半導体膜４０８ａと第２の酸化物半導体膜４０８ｂとの積層としている。この積層もそれぞれ膜厚均一性が±３％未満、好ましくは±２％以下である酸化物半導体膜とする。また、保護膜４１５を絶縁層４１４上に設けている。保護膜４１５は、窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層等の窒化物絶縁層を用いる。
【００９０】
また、図３（Ｂ）にデュアルゲート構造のトランジスタ３７０の一例を示す。デュアルゲート構造のトランジスタ３７０は、酸化物半導体膜として第１の酸化物半導体膜４０８ａと第２の酸化物半導体膜４０８ｂとの積層としている。この積層もそれぞれ膜厚均一性が±３％未満、好ましくは±２％以下である酸化物半導体膜とする。また、酸化物半導体膜上方のゲート電極４１６は、酸化物半導体膜下方のゲート電極層４０２と電気的に接続し、同電位とすることが好ましい。
【００９１】
（実施の形態２）
本実施の形態では、膜厚均一性が±３％未満である酸化物半導体膜を形成する製造装置の一例を、図４を用いて説明する。
【００９２】
図４（Ａ）に成膜室の一例について説明する。図４（Ａ）に示す成膜室１０は、マグネトロンスパッタリング装置と呼ばれ、堆積速度が高く、基板へのプラズマダメージが少なく、かつ膜質も良好となる。
【００９３】
成膜室１０は、ターゲット３２と、ターゲットを支持するターゲットホルダ３４と、ターゲットホルダ３４を揺動する装置５９と、ターゲットホルダ３４の内部または下部にマグネット（３５ａ−ｄ）と、マグネット（３５ａ−ｄ）を揺動する装置６０と、ターゲットホルダ３４に整合器５２を介して電力を供給するＲＦ電源５０と、内部に基板ヒータ４４が埋め込まれた基板４０を支える基板ホルダ４２と、シャッター軸４６を軸として回転可能なシャッター板４８と、成膜ガスを供給する成膜ガス供給源５６と、成膜ガス供給源５６と成膜室１０の間に設けられた精製機５４と、成膜室１０に接続した真空ポンプ５８と、を有する。ターゲットホルダ３４の内部または下部にマグネット（３５ａ−ｄ）を設けると、ターゲット周辺に高密度のプラズマを閉じこめることができて好ましい。ここで、成膜室１０、ＲＦ電源５０、シャッター軸４６、シャッター板４８及び基板ホルダ４２はＧＮＤに接続される。ただし、目的に応じて成膜室１０、シャッター軸４６、シャッター板４８及び基板ホルダ４２のいずれか一以上を電気的に浮かせてもよい。
【００９４】
また、基板４０として、比較的大きなガラス基板を用いる場合、金属酸化物のスパッタリングターゲットは製造上サイズの大きさが限られているため、複数のスパッタリングターゲットを並べて用いることになる。図４（Ｂ）には、一つのターゲットホルダ３４に４つのターゲット群を設ける例を示す。
【００９５】
ターゲット群３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄは、それぞれ複数の金属酸化物のスパッタリングターゲット、たとえば１つのターゲット群３個、即ち、４つのターゲット群で合計１２個のパーツで構成される。
【００９６】
また、図４（Ｃ）に基板をセットし、成膜中にスパッタ装置の一部を揺動させた状態とし、その時の成膜室の一部断面の模式図を示す。図４（Ｃ）は、図４（Ｂ）の鎖線Ｘ−Ｙで切断した模式図である。
【００９７】
図４（Ｃ）では、マグネット（３５ａ−ｄ）とターゲットホルダ３４の両方をそれぞれ揺動させている例を示している。スパッタ装置の一部を揺動とは、マグネット（３５ａ−ｄ）またはターゲットホルダ３４の両方或いは一方を上下、または左右に移動（回転も含む）させることを言う。例えば、マグネットを０．１Ｈｚ以上１ｋＨｚ以下の周期またはサイクルで移動させることを揺動と呼ぶ。
【００９８】
例えば、ターゲット群３２ａと、ターゲット群３２ｂとの間には隙間ができないように他の部材が配置されるが、その間の部分にはターゲットが存在しないため、その部分に対応する基板の位置の膜厚は薄くなる恐れがある。
【００９９】
マグネット（３５ａ−ｄ）はマグネット（３５ａ−ｄ）を揺動する装置６０によって揺動させ、ターゲットホルダ３４はターゲットホルダ３４を揺動する装置によって揺動させる。それぞれ独立にマグネット（３５ａ−ｄ）とターゲットホルダ３４を揺動させることで各ターゲット群の間にも均一なプラズマ空間が形成され、プラズマ密度を均一化させることができる。
【０１００】
また、真空ポンプ５８は、一台に限定されず複数台設けてもよい。例えば、粗引き用ポンプと高真空用ポンプを並列または直列に接続しても構わない。また、成膜ガス供給源５６及び精製機５４を複数設けても構わない。例えば、成膜ガス種の数に応じて、成膜ガス供給源及び精製機のセットを増加させることができる。増設した成膜ガス供給源及び精製機のセットは、成膜室１０に直接接続してもよく、その場合、各々の精製機と成膜室１０との間に成膜ガス流量を制御するためのマスフローコントローラを設けてもよい。または、増設した成膜ガス供給源及び精製機のセットは成膜室１０と精製機５４との間を結ぶ配管に接続しても構わない。
【０１０１】
また、ここではＲＦ電源をスパッタリング用電源として用いたが、必ずしもＲＦ電源に限定されるものではなく、用途によってＤＣ電源またはＡＣ電源に代えてもよく、二種類以上の電源を切り替え可能として設けてもよい。ＤＣ電源またはＡＣ電源を用いる場合、電源とターゲットホルダとの間の整合器は不要になる。また、基板ホルダ４２には、基板を支えるためのチャック機構を設ける必要がある。チャック機構には、静電チャック方式及びクランプ方式などがある。なお、基板サイズがあまり大きくなく割れる問題がないのであれば、膜質、膜厚の基板面内の均一性を高めるために、基板ホルダに回転機構を設けてもよい。
【０１０２】
また、基板ホルダを複数設けて、一度に複数枚の基板を成膜可能な成膜室としても構わない。また、シャッター軸４６、シャッター板４８を設けない構成としても構わない。図４（Ａ）では、ターゲットが基板の下にある構成としたが、ターゲットが基板の上にある構成や横にある構成としても構わない。
【０１０３】
また、成膜室１０は、リークレートが１×１０−１０Ｐａ・ｍ３／秒以下であることが好ましい。成膜室のリークレートを１×１０−１０Ｐａ・ｍ３／秒以下とすることで、成膜での膜中に混入する水素を低減することができる。
【０１０４】
リークは、大きく外部リーク及び内部リークに分かれる。外部リークとは、微小な穴やシール不良などによって真空系の外から気体が流入することである。内部リークとは、真空系内のバルブなどの仕切りからの漏れや内部の部材からの放出ガスに起因する。リークレートを１×１０−１０Ｐａ・ｍ３／秒以下とするために、外部リーク及び内部リークの両面から対策をとる必要がある。
【０１０５】
例えば、成膜室の開閉部分はメタルガスケットでシールするとよい。メタルガスケットは、フッ化鉄、酸化アルミニウム、または酸化クロムによって被覆された金属材料を用いると好ましい。メタルガスケットはＯリングと比べ密着性が高く、外部リークを低減できる。また、フッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどによって被覆された金属材料の不動態を用いることで、メタルガスケットから生じる水素を含む放出ガスが抑制され、内部リークを低減することができる。
【０１０６】
成膜装置を構成する部材として、水素を含む放出ガスの少ないアルミニウム、クロム、チタン、ジルコニウム、ニッケルまたはバナジウムを用いる。また、前述の材料を鉄、クロム及びニッケルなどを含む合金材料に被覆して用いてもよい。鉄、クロム及びニッケルなどを含む合金材料は、剛性があり、熱に強く、また加工に適している。ここで、表面積を小さくするために部材の表面凹凸を研磨などによって低減しておくと、放出ガスを低減できる。
【０１０７】
または、前述の成膜装置の部材をフッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどで被覆してもよい。
【０１０８】
成膜装置の部材は、極力金属材料のみで構成することが好ましく、例えば石英などで構成される覗き窓などを設置する場合も、放出ガスを抑制するために表面をフッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどで薄く被覆するとよい。
【０１０９】
ここで、成膜ガスを導入する直前に精製機を設けてもよい。このとき、精製機から成膜室までの配管の長さを５ｍ以下、好ましくは１ｍ以下とする。配管の長さを５ｍ以下または１ｍ以下とすることで、配管からの放出ガスの影響を長さに応じて低減できる。
【０１１０】
さらに、成膜ガスの配管には、フッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどで内部が被覆された金属配管を用いるとよい。前述の配管は、例えばＳＵＳ３１６Ｌ−ＥＰ配管と比べ、水素を含む放出ガスの量が少なく、成膜ガスへの不純物の混入を低減できる。また、配管の継手には、高性能超小型メタルガスケット継手（ＵＰＧ継手）を用いるとよい。また、配管の材料を全て金属材料で構成することで、樹脂等を用いた場合と比べ、生じる放出ガス及び外部リークの影響を低減できて好ましい。
【０１１１】
成膜室の排気は、ドライポンプなどの粗引きポンプと、スパッタイオンポンプ、ターボ分子ポンプ及びクライオポンプなどの高真空ポンプとを適宜組み合わせて行うとよい。ターボ分子ポンプは大きいサイズの分子の排気が優れる一方、水素や水の排気能力が低い。さらに、水の排気能力の高いクライオポンプまたは水素の排気能力の高いスパッタイオンポンプを組み合わせることが有効となる。
【０１１２】
成膜室に存在する吸着物は、吸着しているために成膜室の圧力に影響しないが、成膜室を排気した際のガス放出の原因となる。そのため、リークレートと排気速度に相関はないが、排気能力の高いポンプを用いて、成膜室に存在する吸着物をできる限り脱離し、予め排気しておくことが重要である。なお、吸着物の脱離を促すために、成膜室をベーキングしてもよい。ベーキングすることで吸着物の脱離速度を１０倍程度大きくすることができる。ベーキングは１００℃以上４５０℃以下で行えばよい。このとき、不活性ガスを導入しながら吸着物の除去を行うと、排気するだけでは脱離しにくい水などの脱離速度をさらに大きくすることができる。
【０１１３】
図４（Ａ）に示す成膜装置を用いて、マグネットを揺動する装置６０と、ターゲットホルダを揺動する装置５９をそれぞれ独立して成膜中に揺動させることで、基板横方向の膜厚均一性と基板縦方向の膜厚均一性の差を低減することができ、それによって成膜する酸化物半導体膜の膜厚均一性を±３％未満とすることができる。
【０１１４】
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態２に示した成膜室を少なくとも一つ有する枚葉式マルチチャンバーの製造装置の例を図５、及び図６に示す。
【０１１５】
図５は、枚葉式マルチチャンバーの成膜装置４０００の上面図を模式的に示している。成膜装置４０００は、基板を収容するカセットポート４１０１と、基板のアライメントを行うアライメントポート４１０２と、を備える大気側基板供給室４００１と、大気側基板供給室４００１から、基板を搬送する大気側基板搬送室４００２と、基板の搬入を行い、且つ室内の圧力を大気圧から減圧、または減圧から大気圧へ切り替えるロードロック室４００３ａと、基板の搬出を行い、且つ室内の圧力を減圧から大気圧、または大気圧から減圧へ切り替えるアンロードロック室４００３ｂと、真空中の基板の搬送を行う搬送室４００４と、基板の加熱を行う基板加熱室４００５と、ターゲットが配置され成膜を行う成膜室４００６ａ、４００６ｂ、４００６ｃ、４００６ｄと、を有する。
【０１１６】
なお、カセットポート４１０１は、図５に示すように複数（図５においては、３つ）有していても良い。
【０１１７】
また、大気側基板搬送室４００２は、ロードロック室４００３ａ及びアンロードロック室４００３ｂと接続され、ロードロック室４００３ａ及びアンロードロック室４００３ｂは、搬送室４００４と接続され、搬送室４００４は、基板加熱室４００５、成膜室４００６ａ、４００６ｂ、４００６ｃ、４００６ｄと接続する。
【０１１８】
なお、各室の接続部にはゲートバルブ４１０４が設けられており、大気側基板供給室４００１と、大気側基板搬送室４００２を除き、各室を独立して真空状態に保持することができる。また、大気側基板搬送室４００２及び搬送室４００４は、基板搬送ロボット４１０３を有し、ガラス基板を搬送することができる。
【０１１９】
また、基板加熱室４００５は、プラズマ処理室を兼ねると好ましい。成膜装置４０００は、処理と処理の間で基板を大気暴露することなく搬送することが可能なため、基板に不純物が吸着することを抑制できる。また、成膜や加熱処理などの順番を自由に構築することができる。なお、搬送室、成膜室、ロードロック室、アンロードロック室および基板加熱室は、上述の数に限定されず、設置スペースやプロセス条件に合わせて、適宜最適な数を設けることができる。
【０１２０】
次に、図５に示す成膜装置４０００の一点鎖線Ａ１−Ａ２、Ｂ１−Ｂ２、及びＢ２−Ｂ３に相当する断面を図６に示す。
【０１２１】
図６（Ａ）は、基板加熱室４００５と、搬送室４００４の断面を示しており、基板加熱室４００５は、基板を格納することができる複数の加熱ステージ４１０５を有している。なお、図６（Ａ）において、加熱ステージ４１０５は、７段の構成について示すが、これに限定されず、１段以上７段未満の構成や８段以上の構成としてもよい。加熱ステージ４１０５の段数を増やすことで複数の基板を同時に加熱処理できるため、生産性が向上するため好ましい。また、基板加熱室４００５は、バルブを介して真空ポンプ４２００と接続されている。真空ポンプ４２００としては、例えば、ドライポンプ、およびメカニカルブースターポンプ等を用いることができる。
【０１２２】
また、基板加熱室４００５に用いることのできる加熱機構としては、例えば、抵抗発熱体などを用いて加熱する加熱機構としてもよい。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、加熱する加熱機構としてもよい。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。
【０１２３】
また、基板加熱室４００５は、マスフローコントローラ４３００を介して、精製機４３０１と接続される。なお、マスフローコントローラ４３００及び精製機４３０１は、ガス種の数だけ設けられるが、簡単のため一つのみを示す。基板加熱室４００５に導入されるガスは、露点が−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下であるガスを用いることができ、例えば、酸素ガス、窒素ガス、及び希ガス（アルゴンガスなど）を用いる。
【０１２４】
搬送室４００４は、基板搬送ロボット４１０３を有している。基板搬送ロボット４１０３は、複数の可動部と、基板を保持するアームと、を有し、各室へ基板を搬送することができる。また、搬送室４００４は、バルブを介して真空ポンプ４２００と、クライオポンプ４２０１と、接続されている。このような構成とすることで、搬送室４００４は、大気圧から低真空または中真空（０．１Ｐａ〜数１００Ｐａ程度）まで真空ポンプ４２００を用いて排気され、バルブを切り替えて中真空から高真空または超高真空（０．１Ｐａ〜１×１０−７Ｐａ）まではクライオポンプ４２０１を用いて排気される。
【０１２５】
また、例えば、クライオポンプ４２０１は、搬送室４００４に対して２台以上並列に接続しても良い。このような構成とすることで、１台のクライオポンプがリジェネ中であっても、残りのクライオポンプを使って排気することが可能となる。なお、上述したリジェネとは、クライオポンプ内にため込まれた分子（または原子）を放出する処理をいう。クライオポンプは、分子（または原子）をため込みすぎると排気能力が低下してくるため、定期的にリジェネが行われる。
【０１２６】
図６（Ｂ）は、成膜室４００６ｂと、搬送室４００４と、ロードロック室４００３ａの断面を示している。
【０１２７】
ここで、図６（Ｂ）を用いて、成膜室（スパッタリング室）の詳細について説明する。  図６（Ｂ）に示す成膜室４００６ｂは、ターゲット４１０６と、ターゲットホルダ４１１２と、ターゲットホルダを揺動する装置４１１３と、マグネット４１１４と、マグネットを揺動する装置４１１５と、防着板４１０７と、基板ステージ４１０８と、を有する。なお、ここでは基板ステージ４１０８には、ガラス基板４１０９が設置されている。基板ステージ４１０８は、図示しないが、ガラス基板４１０９を保持する基板保持機構や、ガラス基板４１０９を裏面から加熱する裏面ヒーター等を備えていても良い。
【０１２８】
なお、マグネットを揺動する装置４１１５がマグネット４１１４を揺動する方向は紙面に垂直な方向である。また、装置４１１３がターゲットホルダ及びターゲットを揺動する方向も紙面に垂直な方向である。
【０１２９】
また、マグネット４１１４は、基板面に対して見た時の形状は、棒状の形状であり、断面形状は、実施の形態２に示した図４（Ｃ）に示した形状である。また、ターゲット４１０６が図４（Ｂ）のように複数配置されている場合、一つのターゲット群に１つのマグネット４１１４を配置すればよく、４つのターゲット群を配置する場合には合計４つのマグネットを配置する。
【０１３０】
また、図６（Ｂ）では、ターゲットホルダを揺動する装置４１１３は、マグネット４１１４側に設けた例を示しているが設置位置は、特に限定されず、基板側に設けてもよい。また、マグネットを揺動する装置４１１５の設置位置についても限定されず、プラズマ密度の均一化が図れればよい。ターゲットホルダを揺動する装置４１１３及びマグネットを揺動する装置４１１５をそれぞれ独立に揺動させることで、各ターゲット群の間にも均一なプラズマ空間が形成され、プラズマ密度を均一化させることができる。従って、成膜室４００６ｂで成膜すると、膜厚均一性が±３％未満、好ましくは±２％以下である酸化物半導体膜を成膜することができる。
【０１３１】
なお、基板ステージ４１０８は、成膜時に床面に対して概略垂直状態に保持され、基板受け渡し時には床面に対して概略水平状態に保持される。なお、  図６（Ｂ）中において、破線で示す箇所が基板受け渡し時の基板ステージ４１０８の保持される位置となる。このような構成とすることで成膜時に混入しうるゴミまたはパーティクルが、ガラス基板４１０９に付着する確率を水平状態に保持するよりも抑制することができる。ただし、基板ステージ４１０８を床面に対して垂直（９０°）状態に保持すると、ガラス基板４１０９が落下する可能性があるため、基板ステージ４１０８は、８０°以上９０°未満とすることが好ましい。
【０１３２】
また、防着板４１０７は、ターゲット４１０６からスパッタリングされる粒子が不要な領域に推積することを抑制できる。また、防着板４１０７は、累積されたスパッタリング粒子が剥離しないように、加工することが望ましい。例えば、表面粗さを増加させるブラスト処理、または防着板４１０７の表面に凹凸を設けても良い。
【０１３３】
また、成膜室４００６ｂは、ガス加熱機構４３０２を介してマスフローコントローラ４３００と接続され、ガス加熱機構４３０２はマスフローコントローラ４３００を介して精製機４３０１と接続される。ガス加熱機構４３０２により、成膜室４００６ｂに導入されるガスを４０℃以上４００℃以下、好ましくは５０℃以上２００℃以下に加熱することができる。なお、ガス加熱機構４３０２、マスフローコントローラ４３００、および精製機４３０１は、ガス種の数だけ設けられるが、簡単のため一つのみを示す。成膜室４００６ｂに導入されるガスは、露点が−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下であるガスを用いることができ、例えば、酸素ガス、窒素ガス、及び希ガス（アルゴンガスなど）を用いる。
【０１３４】
また、成膜室４００６ｂは、バルブを介してターボ分子ポンプ４２０２および真空ポンプ４２００と接続される。
【０１３５】
また、成膜室４００６ｂは、クライオトラップ４１１０が設けられる。
【０１３６】
クライオトラップ４１１０は、水などの比較的融点の高い分子（または原子）を吸着することができる機構である。ターボ分子ポンプ４２０２は大きいサイズの分子（または原子）を安定して排気し、かつメンテナンスの頻度が低いため、生産性に優れる一方、水素や水の排気能力が低い。そこで、水などに対する排気能力を高めるため、クライオトラップ４１１０が成膜室４００６ｂに接続された構成としている。クライオトラップ４１１０の冷凍機の温度は１００Ｋ以下、好ましくは８０Ｋ以下とする。また、クライオトラップ４１１０が複数の冷凍機を有する場合、冷凍機ごとに温度を変えると、効率的に排気することが可能となるため好ましい。例えば、１段目の冷凍機の温度を１００Ｋ以下とし、２段目の冷凍機の温度を２０Ｋ以下とすればよい。
【０１３７】
なお、成膜室４００６ｂの排気方法は、これに限定されず、先の搬送室４００４に示す排気方法（クライオポンプと真空ポンプとの排気方法）と同様の構成としてもよい。もちろん、搬送室４００４の排気方法を成膜室４００６ｂと同様の構成（ターボ分子ポンプと真空ポンプとの排気方法）と同様の構成としてもよい。
【０１３８】
なお、上述した搬送室４００４、基板加熱室４００５、及び成膜室４００６ｂの背圧（全圧）、ならびに各気体分子（原子）の分圧は、以下の通りとすると好ましい。とくに、成膜室４００６ｂの背圧、ならびに各気体分子（原子）の分圧は、形成される膜中に混入され得る可能性があるので、注意する必要がある。
【０１３９】
上述した各室の背圧（全圧）は、１×１０−４Ｐａ以下、好ましくは３×１０−５Ｐａ以下、さらに好ましくは１×１０−５Ｐａ以下である。上述した各室の質量電荷比（ｍ／ｚ）が１８である気体分子（原子）の分圧は、３×１０−５Ｐａ以下、好ましくは１×１０−５Ｐａ以下、さらに好ましくは３×１０−６Ｐａ以下である。また、上述した各室のｍ／ｚが２８である気体分子（原子）の分圧は、３×１０−５Ｐａ以下、好ましくは１×１０−５Ｐａ以下、さらに好ましくは３×１０−６Ｐａ以下である。また、上述した各室のｍ／ｚが４４である気体分子（原子）の分圧は、３×１０−５Ｐａ以下、好ましくは１×１０−５Ｐａ以下、さらに好ましくは３×１０−６Ｐａ以下である。
【０１４０】
なお、真空チャンバー内の全圧および分圧は、質量分析計を用いて測定することができる。例えば、株式会社アルバック製四重極形質量分析計（Ｑ−ｍａｓｓともいう。）Ｑｕｌｅｅ  ＣＧＭ−０５１を用いればよい。
【０１４１】
また、上述した搬送室４００４、基板加熱室４００５、及び成膜室４００６ｂは、外部リークまたは内部リークが少ない構成とすることが望ましい。
【０１４２】
例えば、上述した搬送室４００４、基板加熱室４００５、及び成膜室４００６ｂのリークレートは、３×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下、好ましくは１×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下である。また、ｍ／ｚが１８である気体分子（原子）のリークレートが１×１０−７Ｐａ・ｍ３／ｓ以下、好ましくは３×１０−８Ｐａ・ｍ３／ｓ以下である。また、ｍ／ｚが２８である気体分子（原子）のリークレートが１×１０−５Ｐａ・ｍ３／ｓ以下、好ましくは１×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下である。また、ｍ／ｚが４４である気体分子（原子）のリークレートが３×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下、好ましくは１×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下である。
【０１４３】
なお、リークレートに関しては、前述の質量分析計を用いて測定した全圧および分圧から導出すればよい。
【０１４４】
リークレートは、外部リークおよび内部リークに依存する。外部リークは、微小な穴やシール不良などによって真空系外から気体が流入することである。内部リークは、真空系内のバルブなどの仕切りからの漏れや内部の部材からの放出ガスに起因する。リークレートを上述の数値以下とするために、外部リークおよび内部リークの両面から対策をとる必要がある。
【０１４５】
例えば、成膜室４００６ｂの開閉部分はメタルガスケットでシールするとよい。メタルガスケットは、フッ化鉄、酸化アルミニウム、または酸化クロムによって被覆された金属を用いると好ましい。メタルガスケットはＯリングと比べ密着性が高く、外部リークを低減できる。また、フッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどによって被覆された金属の不動態を用いることで、メタルガスケットから放出される不純物を含む放出ガスが抑制され、内部リークを低減することができる。
【０１４６】
また、成膜装置４０００を構成する部材として、不純物を含む放出ガスの少ないアルミニウム、クロム、チタン、ジルコニウム、ニッケルまたはバナジウムを用いる。
【０１４７】
成膜室に存在する吸着物は、内壁などに吸着しているために成膜室の圧力に影響しないが、成膜室を排気した際のガス放出の原因となる。そのため、リークレートと排気速度に相関はないものの、排気能力の高いポンプを用いて、成膜室に存在する吸着物をできる限り脱離し、あらかじめ排気しておくことは重要である。なお、吸着物の脱離を促すために、成膜室をベーキングしてもよい。ベーキングすることで吸着物の脱離速度を１０倍程度大きくすることができる。ベーキングは１００℃以上４５０℃以下で行えばよい。このとき、不活性ガスを成膜室に導入しながら吸着物の除去を行うと、排気するだけでは脱離しにくい水などの脱離速度をさらに大きくすることができる。なお、導入する不活性ガスをベーキングの温度と同程度に加熱することで、吸着物の脱離速度をさらに高めることができる。ここで不活性ガスとして希ガスを用いると好ましい。また、成膜する膜種によっては不活性ガスの代わりに酸素などを用いても構わない。例えば、酸化物半導体層を成膜する場合は、主成分である酸素を用いた方が好ましい場合もある。
【０１４８】
次に、図６（Ｂ）に示す搬送室４００４、及びロードロック室４００３ａと、図６（Ｃ）に示す大気側基板搬送室４００２、及び大気側基板供給室４００１の詳細について以下説明を行う。なお、図６（Ｃ）は、大気側基板搬送室４００２、及び大気側基板供給室４００１の断面を示している。
【０１４９】
図６（Ｂ）に示す搬送室４００４は、図６（Ａ）に示す搬送室４００４の記載を参酌することができるので、ここでの説明は省略する。
【０１５０】
ロードロック室４００３ａは、基板受け渡しステージ４１１１を有する。ロードロック室４００３ａは、減圧状態から大気まで圧力を上昇させ、ロードロック室４００３ａの圧力が大気圧になった時に、大気側基板搬送室４００２に設けられている基板搬送ロボット４１０３から基板受け渡しステージ４１１１に基板を受け取る。その後、ロードロック室４００３ａを真空引きし、減圧状態としたのち、搬送室４００４に設けられている基板搬送ロボット４１０３が基板受け渡しステージ４１１１から基板を受け取る。
【０１５１】
また、ロードロック室４００３ａは、バルブを介して真空ポンプ４２００、及びクライオポンプ４２０１と接続されている。真空ポンプ４２００、及びクライオポンプ４２０１の排気系の接続方法は、搬送室４００４の接続方法を参考とすることで接続できるため、ここでの説明は省略する。なお、図５に示すアンロードロック室４００３ｂは、ロードロック室４００３ａと同様の構成とすることができる。
【０１５２】
大気側基板搬送室４００２は、基板搬送ロボット４１０３を有する。基板搬送ロボット４１０３により、カセットポート４１０１とロードロック室４００３ａとの基板の受け渡しを行うことができる。また、大気側基板搬送室４００２、及び大気側基板供給室４００１の上方にＨＥＰＡフィルター（Ｈｉｇｈ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ａｉｒ  Ｆｉｌｔｅｒ）等のゴミまたはパーティクルを清浄化するための機構を設けてもよい。
【０１５３】
大気側基板供給室４００１は、複数のカセットポート４１０１を有する。カセットポート４１０１は、複数の基板を格納することができる。
【０１５４】
以上の成膜装置を用いて、膜厚均一性が±３％未満である酸化物半導体膜を成膜することで、安定した電気的特性と高い信頼性を有する半導体装置を実現する製造装置を実現できる。
【０１５５】
本実施の形態では、枚葉式マルチチャンバーの製造装置の例を示したが、特に限定されず、複数の成膜装置を一直線上に配置する、いわゆるインライン型の製造装置にすることもできることは言うまでもない。インライン型の製造装置を用いれば、マザーガラスのような大きな基板を用いて、信頼性の高い半導体装置の大量生産を行うことの出来る製造装置を実現できる。
【０１５６】
（実施の形態４）
本実施の形態では、同一基板上に少なくとも駆動回路の一部と、画素部に配置するトランジスタを作製する例について以下に説明する。
【０１５７】
画素部に配置するトランジスタは、実施の形態１に従って形成する。また、当該トランジスタはｎチャネル型とすることが容易なので、駆動回路のうち、ｎチャネル型トランジスタで構成することができる駆動回路の一部を画素部のトランジスタと同一基板上に形成する。このように、画素部や駆動回路に先の実施の形態に示す成膜装置及び製造装置を用いて膜厚均一性が±３％未満である酸化物半導体膜を用いると、電気特性のバラツキの少ないトランジスタを作製でき、表示品質の高い表示装置を提供することができる。
【０１５８】
アクティブマトリクス型表示装置のブロック図の一例を図７（Ａ）に示す。表示装置の基板５００上には、画素部５０１、第１の走査線駆動回路５０２、第２の走査線駆動回路５０３、信号線駆動回路５０４を有する。画素部５０１には、複数の信号線が信号線駆動回路５０４から延伸して配置され、複数の走査線が第１の走査線駆動回路５０２、及び第２の走査線駆動回路５０３から延伸して配置されている。なお走査線と信号線との交差領域には、各々、表示素子を有する画素がマトリクス状に設けられている。また、表示装置の基板５００はＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  Ｐｒｉｎｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）等の接続部を介して、タイミング制御回路（コントローラ、制御ＩＣともいう）に接続されている。
【０１５９】
図７（Ａ）では、第１の走査線駆動回路５０２、第２の走査線駆動回路５０３、信号線駆動回路５０４は、画素部５０１と同じ基板５００上に形成される。そのため、外部に設ける駆動回路等の部品の数が減るので、コストの低減を図ることができる。また、基板５００外部に駆動回路を設けた場合、配線を延伸させる必要が生じ、配線間の接続数が増える。同じ基板５００上に駆動回路を設けた場合、その配線間の接続数を減らすことができ、信頼性の向上、又は歩留まりの向上を図ることができる。
【０１６０】
また、画素部の回路構成の一例を図７（Ｂ）に示す。ここでは、ＶＡ型液晶表示パネルの画素構造を示す。
【０１６１】
この画素構造は、一つの画素に複数の画素電極層が有り、それぞれの画素電極層にトランジスタが接続されている。各トランジスタは、異なるゲート信号で駆動されるように構成されている。すなわち、マルチドメイン設計された画素において、個々の画素電極層に印加する信号を、独立して制御する構成を有している。
【０１６２】
トランジスタ５１６のゲート配線５１２と、トランジスタ５１７のゲート配線５１３には、異なるゲート信号を与えることができるように分離されている。一方、データ線として機能するソース電極層又はドレイン電極層５１４は、トランジスタ５１６とトランジスタ５１７で共通に用いられている。トランジスタ５１６とトランジスタ５１７は先の実施の形態に示すトランジスタを適宜用いることができる。トランジスタの酸化物半導体膜に先の実施の形態に示す成膜装置及び製造装置を用いて膜厚均一性が±３％未満である酸化物半導体膜を用いると、電気特性のバラツキの少ないトランジスタを作製でき、表示品質の高い液晶表示装置を提供することができる。
【０１６３】
トランジスタ５１６と電気的に接続する第１の画素電極層と、トランジスタ５１７と電気的に接続する第２の画素電極層の形状は異なっており、スリットによって分離されている。Ｖ字型に広がる第１の画素電極層の外側を囲むように第２の画素電極層が形成されている。第１の画素電極層と第２の画素電極層に印加する電圧のタイミングを、トランジスタ５１６及びトランジスタ５１７により異ならせることで、液晶の配向を制御している。トランジスタ５１６はゲート配線５１２と接続し、トランジスタ５１７はゲート配線５１３と接続している。ゲート配線５１２とゲート配線５１３は異なるゲート信号を与えることで、トランジスタ５１６とトランジスタ５１７の動作タイミングを異ならせることができる。
【０１６４】
また、容量配線５１０と、誘電体として機能するゲート絶縁膜と、第１の画素電極層または第２の画素電極層と電気的に接続する容量電極とで保持容量を形成する。
【０１６５】
第１の画素電極層と液晶層と対向電極層が重なり合うことで、第１の液晶素子５１８が形成されている。また、第２の画素電極層と液晶層と対向電極層が重なり合うことで、第２の液晶素子５１９が形成されている。また、一画素に第１の液晶素子５１８と第２の液晶素子５１９が設けられたマルチドメイン構造である。
【０１６６】
なお、図７（Ｂ）に示す画素構成は、これに限定されない。例えば、図７（Ｂ）に示す画素に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、トランジスタ、センサ、又は論理回路などを追加してもよい。
【０１６７】
また、画素部の回路構成の一例を図７（Ｃ）に示す。ここでは、有機ＥＬ素子を用いた表示パネルの画素構造を示す。
【０１６８】
有機ＥＬ素子は、発光素子に電圧を印加することにより、一対の電極から電子および正孔がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして、それらキャリア（電子および正孔）が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このような発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。
【０１６９】
図７（Ｃ）は、半導体装置の例としてデジタル時間階調駆動を適用可能な画素構成の一例を示す図である。
【０１７０】
デジタル時間階調駆動を適用可能な画素の構成及び画素の動作について説明する。ここでは酸化物半導体層をチャネル形成領域に用いるｎチャネル型のトランジスタを１つの画素に２つ用いる例を示す。
【０１７１】
画素５２０は、スイッチング用トランジスタ５２１、駆動用トランジスタ５２２、発光素子５２４及び容量素子５２３を有している。スイッチング用トランジスタ５２１は、ゲート電極層が走査線５２６に接続され、第１電極（ソース電極層及びドレイン電極層の一方）が信号線５２５に接続され、第２電極（ソース電極層及びドレイン電極層の他方）が駆動用トランジスタ５２２のゲート電極層に接続されている。駆動用トランジスタ５２２は、ゲート電極層が容量素子５２３を介して電源線５２７に接続され、第１電極が電源線５２７に接続され、第２電極が発光素子５２４の第１電極（画素電極）に接続されている。発光素子５２４の第２電極は共通電極５２８に相当する。共通電極５２８は、同一基板上に形成される共通電位線と電気的に接続される。
【０１７２】
スイッチング用トランジスタ５２１および駆動用トランジスタ５２２は先の実施の形態に示すトランジスタを適宜用いることができる。トランジスタの酸化物半導体膜に先の実施の形態に示す成膜装置及び製造装置を用いて膜厚均一性が±３％未満である酸化物半導体膜を用いると、電気特性のバラツキの少ないトランジスタを作製でき、表示品質の高い表示装置を提供することができる。
【０１７３】
なお、発光素子５２４の第２電極（共通電極５２８）には低電源電位が設定されている。なお、低電源電位とは、電源線５２７に設定される高電源電位を基準にして低電源電位＜高電源電位を満たす電位であり、低電源電位としては例えばＧＮＤ、０Ｖなどが設定されていても良い。この高電源電位と低電源電位との電位差を発光素子５２４に印加して、発光素子５２４に電流を流して発光素子５２４を発光させるため、高電源電位と低電源電位との電位差が発光素子５２４の順方向しきい値電圧以上となるようにそれぞれの電位を設定する。
【０１７４】
なお、容量素子５２３は駆動用トランジスタ５２２のゲート容量を代用して省略することも可能である。駆動用トランジスタ５２２のゲート容量については、チャネル形成領域とゲート電極層との間で容量が形成されていてもよい。
【０１７５】
ここで、電圧入力電圧駆動方式の場合には、駆動用トランジスタ５２２のゲート電極層には、駆動用トランジスタ５２２が十分にオンするか、オフするかの二つの状態となるようなビデオ信号を入力する。つまり、駆動用トランジスタ５２２は線形領域で動作させる。駆動用トランジスタ５２２は線形領域で動作させるため、電源線５２７の電圧よりも高い電圧を駆動用トランジスタ５２２のゲート電極層にかける。なお、信号線５２５には、（電源線電圧＋駆動用トランジスタ５２２のＶｔｈ）以上の電圧をかける。
【０１７６】
また、デジタル時間階調駆動に代えて、アナログ階調駆動を行う場合、信号の入力を異ならせることで、図７（Ｃ）と同じ画素構成を用いることができる。
【０１７７】
アナログ階調駆動を行う場合、駆動用トランジスタ５２２のゲート電極層に発光素子５２４の順方向電圧＋駆動用トランジスタ５２２のＶｔｈ以上の電圧をかける。発光素子５２４の順方向電圧とは、所望の輝度とする場合の電圧を指しており、少なくとも順方向しきい値電圧を含む。なお、駆動用トランジスタ５２２が飽和領域で動作するようなビデオ信号を入力することで、発光素子５２４に電流を流すことができる。駆動用トランジスタ５２２を飽和領域で動作させるため、電源線５２７の電位は、駆動用トランジスタ５２２のゲート電位よりも高くする。ビデオ信号をアナログとすることで、発光素子５２４にビデオ信号に応じた電流を流し、アナログ階調駆動を行うことができる。
【０１７８】
なお、図７（Ｃ）に示す画素構成は、これに限定されない。例えば、図７（Ｃ）に示す画素に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、センサ、トランジスタ又は論理回路などを追加してもよい。
【０１７９】
（実施の形態５）
本明細書に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器（遊技機も含む）に適用することができる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置（テレビ、またはテレビジョン受信機ともいう）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ等のカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などが挙げられる。上記実施の形態で説明した表示装置を具備する電子機器の例について説明する。
【０１８０】
図８（Ａ）は携帯型情報端末である。図８（Ａ）に示す携帯型情報端末は、筐体９３００と、ボタン９３０１と、マイクロフォン９３０２と、表示部９３０３と、スピーカ９３０４と、カメラ９３０５と、を具備し、携帯型電話機としての機能を有する。本発明の一態様は本体内部にある表示部９３０３に本発明の一形態を適用することができる。表示部９３０３のトランジスタの酸化物半導体膜に先の実施の形態に示す成膜装置及び製造装置を用いて膜厚均一性が±３％未満である酸化物半導体膜を用いると、電気特性のバラツキの少ないトランジスタを作製でき、表示品質の高い表示部９３０３を提供することができる。
【０１８１】
なお、表示部９３０３は、一部または全部をタッチパネルとすることができ、表示された操作キーに触れることでゲームや、通話の設定などを行うことができる。
【０１８２】
図８（Ｂ）は、ディスプレイである。図８（Ｂ）に示すディスプレイは、筐体９３１０と、表示部９３１１と、を具備する。本発明の一態様は表示部９３１１に適用することができる。表示部９３１１のトランジスタの酸化物半導体膜に先の実施の形態に示す成膜装置及び製造装置を用いて膜厚均一性が±３％未満である酸化物半導体膜を用いると、電気特性のバラツキの少ないトランジスタを作製でき、表示品質の高い表示部９３１１を提供することができる。
【０１８３】
図８（Ｃ）は、デジタルスチルカメラである。図８（Ｃ）に示すデジタルスチルカメラは、筐体９３２０と、ボタン９３２１と、マイクロフォン９３２２と、表示部９３２３と、を具備する。本発明の一態様は表示部９３２３に適用することができる。
【０１８４】
なお、表示部９３２３は、一部または全部をタッチパネルとすることができ、表示された操作キーに触れることで静止画撮影または動画撮影などの撮影の設定などを行うことができる。本発明の一態様はタッチパネルとした場合にも表示部９３２３に適用することができる。
【０１８５】
図８（Ｄ）は２つ折り可能な携帯情報端末である。図８（Ｄ）に示す２つ折り可能な携帯情報端末は、筐体９６３０、表示部９６３１ａ、表示部９６３１ｂ、留め具９６３３、操作スイッチ９６３８、を有する。本発明の一態様は表示部９６３１ａおよび表示部９６３１ｂに適用することができる。
【０１８６】
なお、表示部９６３１ａまたは／および表示部９６３１ｂは、一部または全部をタッチパネルとすることができ、表示された操作キーに触れることでデータ入力などを行うことができる。本発明の一態様はタッチパネルとした場合にも表示部９６３１ａおよび表示部９６３１ｂに適用することができる。
【０１８７】
本発明の一態様に係る半導体装置を用いることで、安定した電気的特性と高い信頼性を有する電子機器を提供することができる。
【０１８８】
（実施の形態６）
本実施の形態では、ＣＡＡＣ−ＯＳおよびｎｃ−ＯＳの成膜モデルについて説明する。
【０１８９】
図９（Ａ）は、スパッタリング法によりＣＡＡＣ−ＯＳが成膜される様子を示した成膜室内の模式図である。
【０１９０】
ターゲット５１３０は、バッキングプレート上に接着されている。ターゲット５１３０およびバッキングプレート下には、複数のマグネットが配置される。該複数のマグネットによって、ターゲット５１３０上には磁場が生じている。マグネットの磁場を利用して成膜速度を高めるスパッタリング法は、マグネトロンスパッタリング法と呼ばれる。マグネットを揺動させることで、相対的に基板上面における磁力線の状態を変化させることができる。ターゲット５１３０上の磁場の強い領域は、マグネットの揺動とともに変化する。磁場の強い領域は高密度プラズマ領域となるため、その近傍においてターゲット５１３０のスパッタリング現象が起こりやすい。例えば、磁場の強い領域が特定の箇所となる場合、ターゲット５１３０の特定の領域のみが使用されることになる。また、マグネットを揺動させることで、ターゲット５１３０を均一に使用することができる。マグネットを揺動させることによって、均一な厚さ、質を有する膜を成膜することができる。
【０１９１】
ターゲット５１３０は、多結晶構造を有し、いずれかの結晶粒には劈開面が含まれる。なお、劈開面の詳細については後述する。
【０１９２】
基板５１２０は、ターゲット５１３０と向かい合うように配置しており、その距離ｄ（ターゲット−基板間距離（Ｔ−Ｓ間距離）ともいう。）は０．０１ｍ以上１ｍ以下、好ましくは０．０２ｍ以上０．５ｍ以下とする。成膜室内は、ほとんどが成膜ガス（例えば、酸素、アルゴン、または酸素を５０体積％以上の割合で含む混合ガス）で満たされ、０．０１Ｐａ以上１００Ｐａ以下、好ましくは０．１Ｐａ以上１０Ｐａ以下に制御される。ここで、ターゲット５１３０に一定以上の電圧を印加することで、放電が始まり、プラズマが確認される。なお、ターゲット５１３０上の磁場によって、高密度プラズマ領域が形成される。高密度プラズマ領域では、成膜ガスがイオン化することで、イオン５１０１が生じる。イオン５１０１は、例えば、酸素の陽イオン（Ｏ＋）やアルゴンの陽イオン（Ａｒ＋）などである。
【０１９３】
イオン５１０１は、電界によってターゲット５１３０側に加速され、やがてターゲット５１３０と衝突する。このとき、劈開面から平板状又はペレット状のスパッタ粒子であるペレット５１００ａおよびペレット５１００ｂが剥離し、叩き出される。なお、ペレット５１００ａおよびペレット５１００ｂは、イオン５１０１の衝突の衝撃によって、構造に歪みが生じる場合がある。
【０１９４】
ペレット５１００ａは、三角形、例えば正三角形の平面を有する平板状又はペレット状のスパッタ粒子である。また、ペレット５１００ｂは、六角形、例えば正六角形の平面を有する平板状又はペレット状のスパッタ粒子である。なお、ペレット５１００ａおよびペレット５１００ｂなどの平板状又はペレット状のスパッタ粒子を総称してペレット５１００と呼ぶ。ペレット５１００の平面の形状は、三角形、六角形に限定されない、例えば、三角形が２個以上６個以下合わさった形状となる場合がある。例えば、三角形（正三角形）が２個合わさった四角形（ひし形）となる場合もある。
【０１９５】
ペレット５１００は、成膜ガスの種類などに応じて厚さが決定する。理由は後述するが、ペレット５１００の厚さは、均一にすることが好ましい。また、スパッタ粒子は厚みのないペレット状である方が、厚みのあるサイコロ状であるよりも好ましい。
【０１９６】
ペレット５１００は、プラズマを通過する際に電荷を受け取ることで、側面が負または正に帯電する場合がある。ペレット５１００は、側面に酸素原子を有し、当該酸素原子が負に帯電する可能性がある。例えば、ペレット５１００ａが、側面に負に帯電した酸素原子を有する例を図１１に示す。このように、側面が同じ極性の電荷を帯びることにより、電荷同士の反発が起こり、平板状の形状を維持することが可能となる。なお、ＣＡＡＣ−ＯＳが、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である場合、インジウム原子と結合した酸素原子が負に帯電する可能性がある。または、インジウム原子、ガリウム原子または亜鉛原子と結合した酸素原子が負に帯電する可能性がある。
【０１９７】
図９（Ａ）に示すように、例えば、ペレット５１００は、プラズマ中を凧のように飛翔し、ひらひらと基板５１２０上まで舞い上がっていく。ペレット５１００は電荷を帯びているため、ほかのペレット５１００が既に堆積している領域が近づくと、斥力が生じる。ここで、基板５１２０の面付近では、基板５１２０の面に平行な向きの磁場が生じている。また、基板５１２０およびターゲット５１３０間には、電位差が与えられているため、基板５１２０からターゲット５１３０に向けて電流が流れている。したがって、ペレット５１００は、基板５１２０の面において、磁場および電流の作用によって、力（ローレンツ力）を受ける（図１２参照。）。このことは、フレミングの左手の法則によって理解できる。なお、ペレット５１００に与える力を大きくするためには、基板５１２０の面において、基板５１２０の面に平行な向きの磁場が１０Ｇ以上、好ましくは２０Ｇ以上、さらに好ましくは３０Ｇ以上、より好ましくは５０Ｇ以上となる領域を設けるとよい。または、基板５１２０の面において、基板５１２０の面に平行な向きの磁場が、基板５１２０の面に垂直な向きの磁場の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、より好ましくは５倍以上となる領域を設けるとよい。
【０１９８】
また、基板５１２０は加熱されており、ペレット５１００と基板５１２０との間で摩擦などの抵抗が小さい状態となっている。その結果、図１３（Ａ）に示すように、ペレット５１００は、基板５１２０の上面を滑空するように移動する。ペレット５１００の移動は、平板面を基板５１２０に向けた状態で起こる。マグネットなどの揺動により、基板の面における磁力線の状態は変化する。磁場および電流の作用で生じる力などにより、ペレット５１００が移動する。その後、図１３（Ｂ）に示すように、既に堆積しているほかのペレット５１００の側面まで到達すると、側面同士が結合する。このとき、ペレット５１００の側面にある酸素原子が脱離する。脱離した酸素原子によって、ＣＡＡＣ−ＯＳ中の酸素欠損が埋まる場合があるため、欠陥準位密度の低いＣＡＡＣ−ＯＳとなる。
【０１９９】
また、ペレット５１００が基板５１２０上で加熱されることにより、原子が再配列し、イオン５１０１の衝突で生じた構造の歪みが緩和される。歪みの緩和されたペレット５１００は、ほぼ単結晶となる。ペレット５１００がほぼ単結晶となることにより、ペレット５１００同士が結合した後に加熱されたとしても、ペレット５１００自体の伸縮はほとんど起こり得ない。したがって、ペレット５１００間の隙間が広がることで結晶粒界などの欠陥を形成し、クレバス化することがない。また、隙間には、伸縮性のある金属原子などが敷き詰められ、向きのずれたペレット５１００同士の側面を高速道路のように繋いでいると考えられる。
【０２００】
以上のようなモデルにより、ペレット５１００が基板５１２０上に堆積していくと考えられる。したがって、エピタキシャル成長とは異なり、被形成面が結晶構造を有さない場合においても、ＣＡＡＣ−ＯＳの成膜が可能であることがわかる。例えば、基板５１２０の面（被形成面）の構造が非晶質構造であっても、ＣＡＡＣ−ＯＳを成膜することは可能である。
【０２０１】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、平坦面に対してだけでなく、被形成面である基板５１２０の面に凹凸がある場合でも、その形状に沿ってペレット５１００が配列することがわかる。例えば、基板５１２０の面が原子レベルで平坦な場合、ペレット５１００はａｂ面と平行な平面である平板面を下に向けて並置するため、厚さが均一で平坦、かつ高い結晶性を有する層が形成される。そして、当該層がｎ段（ｎは自然数。）積み重なることで、ＣＡＡＣ−ＯＳを得ることができる（図９（Ｂ）参照。）。
【０２０２】
一方、基板５１２０の面が凹凸を有する場合でも、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ペレット５１００が凸面に沿って並置した層がｎ段（ｎは自然数。）積み重なった構造となる。基板５１２０が凹凸を有するため、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ペレット５１００間に隙間が生じやすい場合がある。ただし、ペレット５１００間で分子間力が働き、凹凸があってもペレット間の隙間はなるべく小さくなるように配列する。したがって、凹凸があっても高い結晶性を有するＣＡＡＣ−ＯＳとすることができる（図９（Ｃ）参照。）。
【０２０３】
したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳは、レーザ結晶化が不要であり、大面積のガラス基板などであっても均一な成膜が可能である。
【０２０４】
このようなモデルによってＣＡＡＣ−ＯＳが成膜されるため、スパッタ粒子が厚みのないペレット状である方が好ましい。なお、スパッタ粒子が厚みのあるサイコロ状である場合、基板５１２０上に向ける面が一定とならず、厚さや結晶の配向を均一にできない場合がある。
【０２０５】
以上に示した成膜モデルにより、非晶質構造を有する被形成面上であっても、高い結晶性を有するＣＡＡＣ−ＯＳを得ることができる。
【０２０６】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ペレット５１００のほかに酸化亜鉛粒子を有する成膜モデルによっても説明することができる。
【０２０７】
酸化亜鉛粒子は、ペレット５１００よりも質量が小さいため、先に基板５１２０に到達する。基板５１２０の面において、酸化亜鉛粒子は、水平方向に優先的に結晶成長することで薄い酸化亜鉛層を形成する。該酸化亜鉛層は、ｃ軸配向性を有する。なお、該酸化亜鉛層の結晶のｃ軸は、基板５１２０の法線ベクトルに平行な方向を向く。該酸化亜鉛層は、ＣＡＡＣ−ＯＳを成長させるためのシード層の役割を果たすため、ＣＡＡＣ−ＯＳの結晶性を高める機能を有する。なお、該酸化亜鉛層は、厚さが０．１ｎｍ以上５ｎｍ以下、ほとんどが１ｎｍ以上３ｎｍ以下となる。該酸化亜鉛層は十分薄いため、結晶粒界をほとんど確認することができない。
【０２０８】
したがって、結晶性の高いＣＡＡＣ−ＯＳを成膜するためには、化学量論的組成よりも高い割合で亜鉛を含むターゲットを用いることが好ましい。
【０２０９】
同様に、ｎｃ−ＯＳは、図１０に示す成膜モデルによって理解することができる。なお、図１０と図９（Ａ）との違いは、基板５１２０の加熱の有無のみである。
【０２１０】
したがって、基板５１２０は加熱されておらず、ペレット５１００と基板５１２０との間で摩擦などの抵抗が大きい状態となっている。その結果、ペレット５１００は、基板５１２０の面を滑空するように移動することができないため、不規則に降り積もっていくことでｎｃ−ＯＳを得ることができる。
【０２１１】
＜劈開面＞
以下では、ＣＡＡＣ−ＯＳの成膜モデルにおいて記載のターゲットの劈開面について説明する。
【０２１２】
まずは、ターゲットの劈開面について図１４を用いて説明する。図１４に、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の構造を示す。なお、図１４（Ａ）は、ｃ軸を上向きとし、ｂ軸に平行な方向からＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を観察した場合の構造を示す。また、図１４（Ｂ）は、ｃ軸に平行な方向からＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を観察した場合の構造を示す。
【０２１３】
ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の各結晶面における劈開に必要なエネルギーを、第一原理計算により算出する。なお、計算には、擬ポテンシャルと、平面波基底を用いた密度汎関数プログラム（ＣＡＳＴＥＰ）を用いる。なお、擬ポテンシャルには、ウルトラソフト型の擬ポテンシャルを用いる。また、汎関数には、ＧＧＡ  ＰＢＥを用いる。また、カットオフエネルギーは４００ｅＶとする。
【０２１４】
初期状態における構造のエネルギーは、セルサイズを含めた構造最適化を行った後に導出する。また、各面で劈開後の構造のエネルギーは、セルサイズを固定した状態で、原子配置の構造最適化を行った後に導出する。
【０２１５】
図１４に示したＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の構造をもとに、第１の面、第２の面、第３の面、第４の面のいずれかで劈開した構造を作製し、セルサイズを固定した構造最適化計算を行う。ここで、第１の面は、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層とＩｎ−Ｏ層との間の結晶面であり、（００１）面（またはａｂ面）に平行な結晶面である（図１４（Ａ）参照。）。第２の面は、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層とＧａ−Ｚｎ−Ｏ層との間の結晶面であり、（００１）面（またはａｂ面）に平行な結晶面である（図１４（Ａ）参照。）。第３の面は、（１１０）面に平行な結晶面である（図１４（Ｂ）参照。）。第４の面は、（１００）面（またはｂｃ面）に平行な結晶面である（図１４（Ｂ）参照。）。
【０２１６】
以上のような条件で、各面で劈開後の構造のエネルギーを算出する。次に、劈開後の構造のエネルギーと初期状態における構造のエネルギーとの差を、劈開面の面積で除すことで、各面における劈開しやすさの尺度である劈開エネルギーを算出する。なお、構造のエネルギーは、構造に含まれる原子と電子に対して、電子の運動エネルギーと、原子間、原子−電子間、および電子間の相互作用と、を考慮したエネルギーである。
【０２１７】
計算の結果、第１の面の劈開エネルギーは２．６０Ｊ／ｍ２、第２の面の劈開エネルギーは０．６８Ｊ／ｍ２、第３の面の劈開エネルギーは２．１８Ｊ／ｍ２、第４の面の劈開エネルギーは２．１２Ｊ／ｍ２であることがわかった（下表参照。）。
【０２１８】
【表１】
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【０２１９】
この計算により、図１４に示したＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の構造において、第２の面における劈開エネルギーが最も低くなる。即ち、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層とＧａ−Ｚｎ−Ｏ層との間が最も劈開しやすい面（劈開面）であることがわかる。したがって、本明細書において、劈開面と記載する場合、最も劈開しやすい面である第２の面のことを示す。
【０２２０】
Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層とＧａ−Ｚｎ−Ｏ層との間である第２の面に劈開面を有するため、図１４（Ａ）に示すＩｎＧａＺｎＯ４の結晶は、二つの第２の面と等価な面で分離することができる。したがって、ターゲットにイオンなどを衝突させる場合、もっとも劈開エネルギーの低い面で劈開したウェハース状のユニット（我々はこれをペレットと呼ぶ。）が最小単位となって飛び出してくると考えられる。その場合、ＩｎＧａＺｎＯ４のペレットは、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層、Ｉｎ−Ｏ層およびＧａ−Ｚｎ−Ｏ層の３層となる。
【０２２１】
また、第１の面（Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層とＩｎ−Ｏ層との間の結晶面であり、（００１）面（またはａｂ面）に平行な結晶面）よりも、第３の面（（１１０）面に平行な結晶面）、第４の面（（１００）面（またはｂｃ面）に平行な結晶面）の劈開エネルギーが低いことから、ペレットの平面形状は三角形状または六角形状が多いことが示唆される。
【０２２２】
次に、古典分子動力学計算により、ターゲットとしてホモロガス構造を有するＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を仮定し、当該ターゲットをアルゴン（Ａｒ）または酸素（Ｏ）によりスパッタした場合の劈開面について評価する。計算に用いたＩｎＧａＺｎＯ４の結晶（２６８８原子）の断面構造を図１５（Ａ）に、上面構造を図１５（Ｂ）に示す。なお、図１５（Ａ）に示す固定層は、位置が変動しないよう原子の配置を固定した層である。また、図１５（Ａ）に示す温度制御層は、常に一定の温度（３００Ｋ）とした層である。
【０２２３】
古典分子動力学計算には、富士通株式会社製Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｅｘｐｌｏｒｅｒ５．０を用いる。なお、初期温度を３００Ｋ、セルサイズを一定、時間刻み幅を０．０１フェムト秒、ステップ数を１０００万回とする。計算では、当該条件のもと、原子に３００ｅＶのエネルギーを与え、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶のａｂ面に垂直な方向からセルに原子を入射させる。
【０２２４】
図１６（Ａ）は、図１５に示したＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するセルにアルゴンが入射してから９９．９ピコ秒（ｐｓｅｃ）後の原子配列を示す。また、図１６（Ｂ）は、セルに酸素が入射してから９９．９ピコ秒後の原子配列を示す。なお、図１６では、図１５（Ａ）に示した固定層の一部を省略して示す。
【０２２５】
図１６（Ａ）より、アルゴンがセルに入射してから９９．９ピコ秒までに、図１４（Ａ）に示した第２の面に対応する劈開面から亀裂が生じる。したがって、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶に、アルゴンが衝突した場合、最上面を第２の面（０番目）とすると、第２の面（２番目）に大きな亀裂が生じることがわかる。
【０２２６】
一方、図１６（Ｂ）より、酸素がセルに入射してから９９．９ピコ秒までに、図１４（Ａ）に示した第２の面に対応する劈開面から亀裂が生じることがわかる。ただし、酸素が衝突した場合は、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の第２の面（１番目）において大きな亀裂が生じることがわかる。
【０２２７】
したがって、ホモロガス構造を有するＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を含むターゲットの上面から原子（イオン）が衝突すると、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶は第２の面に沿って劈開し、平板状の粒子（ペレット）が剥離することがわかる。また、このとき、ペレットの大きさは、アルゴンを衝突させた場合よりも、酸素を衝突させた場合の方が小さくなることがわかる。
【０２２８】
なお、上述の計算から、剥離したペレットは損傷領域を含むことが示唆される。ペレットに含まれる損傷領域は、損傷によって生じた欠陥に酸素を反応させることで修復できる場合がある。
【０２２９】
そこで、衝突させる原子の違いによって、ペレットの大きさが異なることについて調査する。
【０２３０】
図１７（Ａ）に、図１５に示したＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するセルにアルゴンが入射した後、０ピコ秒から０．３ピコ秒までにおける各原子の軌跡を示す。したがって、図１７（Ａ）は、図１５から図１６（Ａ）の間の期間に対応する。
【０２３１】
図１７（Ａ）より、アルゴンが第１層（Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層）のガリウム（Ｇａ）と衝突すると、当該ガリウムが第３層（Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層）の亜鉛（Ｚｎ）と衝突した後、当該亜鉛が第６層（Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層）の近傍まで到達することがわかる。なお、ガリウムと衝突したアルゴンは、外に弾き飛ばされる。したがって、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を含むターゲットにアルゴンを衝突させた場合、図１５（Ａ）における第２の面（２番目）に亀裂が入ると考えられる。
【０２３２】
また、図１７（Ｂ）に、図１５に示したＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するセルに酸素が入射した後、０ピコ秒から０．３ピコ秒までにおける各原子の軌跡を示す。したがって、図１７（Ｂ）は、図１５から図１６（Ａ）の間の期間に対応する。
【０２３３】
一方、図１７（Ｂ）より、酸素が第１層（Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層）のガリウム（Ｇａ）と衝突すると、当該ガリウムが第３層（Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層）の亜鉛（Ｚｎ）と衝突した後、当該亜鉛が第５層（Ｉｎ−Ｏ層）まで到達しないことがわかる。なお、ガリウムと衝突した酸素は、外に弾き飛ばされる。したがって、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を含むターゲットに酸素を衝突させた場合、図１５（Ａ）における第２の面（１番目）に亀裂が入ると考えられる。
【０２３４】
本計算からも、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶は、原子（イオン）が衝突した場合、劈開面から剥離することが示唆される。
【０２３５】
また、亀裂の深さの違いを保存則の観点から検討する。エネルギー保存則および運動量保存則は、式（１）および式（２）のように示すことができる。ここで、Ｅは衝突前のアルゴンまたは酸素の持つエネルギー（３００ｅＶ）、ｍＡはアルゴンまたは酸素の質量、ｖＡは衝突前のアルゴンまたは酸素の速度、ｖ’Ａは衝突後のアルゴンまたは酸素の速度、ｍＧａはガリウムの質量、ｖＧａは衝突前のガリウムの速度、ｖ’Ｇａは衝突後のガリウムの速度である。
【０２３６】
【数１】
2014241409.tif 000004
【０２３７】
【数２】
2014241409.tif 000005
【０２３８】
アルゴンまたは酸素の衝突が弾性衝突であると仮定すると、ｖＡ、ｖ’Ａ、ｖＧａおよびｖ’Ｇａの関係は式（３）のように表すことができる。
【０２３９】
【数３】
2014241409.tif 000006
【０２４０】
式（１）、式（２）および式（３）より、ｖＧａを０とすると、アルゴンまたは酸素が衝突した後のガリウムの速度ｖ’Ｇａは、式（４）のように表すことができる。
【０２４１】
【数４】
2014241409.tif 000007
【０２４２】
式（４）において、ｍＡにアルゴンの質量または酸素の質量を代入し、それぞれの原子が衝突した後のガリウムの速度を比較する。アルゴンおよび酸素の衝突前に持つエネルギーが同じである場合、アルゴンが衝突した場合の方が、酸素が衝突した場合よりも１．２４倍ガリウムの速度が高いことがわかる。したがって、ガリウムの持つエネルギーもアルゴンが衝突した場合の方が、酸素が衝突した場合よりも速度の二乗分だけ高くなる。
【０２４３】
アルゴンを衝突させた場合の方が、酸素を衝突させた場合よりも、衝突後のガリウムの速度（エネルギー）が高くなることがわかる。したがって、アルゴンを衝突させた場合の方が、酸素を衝突させた場合よりも深い位置に亀裂が生じたと考えられる。
【０２４４】
以上の計算により、ホモロガス構造を有するＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を含むターゲットをスパッタすると、劈開面から剥離し、ペレットが形成されることがわかる。一方、劈開面を有さないターゲットの他の構造の領域をスパッタしてもペレットは形成されず、ペレットよりも微細な原子レベルの大きさのスパッタ粒子が形成される。該スパッタ粒子は、ペレットと比べて小さいため、スパッタリング装置に接続されている真空ポンプを介して排気されると考えられる。したがって、ホモロガス構造を有するＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を含むターゲットをスパッタした場合、様々な大きさ、形状の粒子が基板まで飛翔し、堆積することで成膜されるモデルは考えにくい。スパッタされたペレットが堆積してＣＡＡＣ−ＯＳを成膜する図９（Ａ）などに記載のモデルが道理に適っている。
【０２４５】
このようにして成膜されたＣＡＡＣ−ＯＳの密度は、単結晶ＯＳと同程度の密度を有する。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４のホモロガス構造を有する単結晶ＯＳの密度は６．３６ｇ／ｃｍ３であるのに対し、同程度の原子数比であるＣＡＡＣ−ＯＳの密度は６．３ｇ／ｃｍ３程度となる。
【０２４６】
図１８に、スパッタリング法で成膜したＣＡＡＣ−ＯＳであるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（図１８（Ａ）参照。）、およびそのターゲット（図１８（Ｂ）参照。）の断面における原子配列を示す。原子配列の観察には、高角散乱環状暗視野走査透過電子顕微鏡法（ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ：Ｈｉｇｈ−Ａｎｇｌｅ  Ａｎｎｕｌａｒ  Ｄａｒｋ  Ｆｉｅｌｄ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）を用いる。なお、ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭでは、各原子の像強度は原子番号の二乗に比例する。したがって、原子番号の近いＺｎ（原子番号３０）とＧａ（原子番号３１）とは、ほとんど区別できない。ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭには、日立走査透過電子顕微鏡ＨＤ−２７００を用いる。
【０２４７】
図１８（Ａ）および図１８（Ｂ）を比較すると、ＣＡＡＣ−ＯＳと、ターゲットは、ともにホモロガス構造を有しており、それぞれの原子の配置が対応していることがわかる。したがって、図９（Ａ）などの成膜モデルに示したように、ターゲットの結晶構造が転写されることでＣＡＡＣ−ＯＳが成膜されることがわかる。
【符号の説明】
【０２４８】
４００    基板
４０２    ゲート電極層
４０４    ゲート絶縁層
４０８    酸化物半導体層
４０８ａ    酸化物半導体膜
４０８ｂ    酸化物半導体膜
４１０ａ    ソース電極層
４１０ｂ    ドレイン電極層
４１４    絶縁層
４１５    保護膜
４１６    ゲート電極
４０００    成膜装置
４００１    大気側基板供給室
４００２    大気側基板搬送室
４００３ａ    ロードロック室
４００３ｂ    アンロードロック室
４００４    搬送室
４００５    基板加熱室
４００６ａ    成膜室
４００６ｂ    成膜室
４００６ｃ    成膜室
４００６ｄ    成膜室
４１０１    カセットポート
４１０２    アライメントポート
４１０３    基板搬送ロボット
４１０４    ゲートバルブ
４１０５    加熱ステージ
４１０６    ターゲット
４１０７    防着板
４１０８    基板ステージ
４１０９    ガラス基板
４１１０    クライオトラップ
４１１１    ステージ
４１１２    ターゲットホルダ
４１１３    装置
４１１４    マグネット
４１１５    装置
４２００    真空ポンプ
４２０１    クライオポンプ
４２０２    ターボ分子ポンプ
４３００    マスフローコントローラ
４３０１    精製機
４３０２    ガス加熱機構
５１００    ペレット
５１００ａ    ペレット
５１００ｂ    ペレット
５１０１    イオン
５１２０    基板
５１３０    ターゲット
【図１】
2014241409.tif 000008
【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】
2014241409.tif 000023
【図１７】
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【図１８】
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