(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャリア密度が１×１０１２ｃｍ−３未満となる酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜の下方の、第１の電極と、
前記酸化物半導体膜の上方の、第２の電極と、
前記酸化物半導体膜の側面の、絶縁膜とを有し、
前記酸化物半導体膜の側面は、テーパを有し、
前記酸化物半導体膜の側面側の表層部は、結晶領域を有し、
前記結晶領域は、前記酸化物半導体膜の側面側の表面に対して、垂直な方向と沿うように、ｃ軸が配向した結晶を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
キャリア密度が１×１０１２ｃｍ−３未満となる酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜の下方の、第１の電極と、
前記酸化物半導体膜の上方の、第２の電極と、
前記酸化物半導体膜の側面の、絶縁膜とを有し、
前記酸化物半導体膜の側面は、テーパを有し、
前記酸化物半導体膜の側面側の表層部は、結晶領域を有し、
前記結晶領域は、前記酸化物半導体膜の側面側の表面に対して、垂直な方向と沿うように、ｃ軸が配向した結晶を有し、
前記酸化物半導体膜の側面側の表層部のキャリア移動度は、他の部分のキャリア移動度より高くなることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
水素濃度が１×１０１６ｃｍ−３以下となる酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜の下方の、第１の電極と、
前記酸化物半導体膜の上方の、第２の電極と、
前記酸化物半導体膜の側面の、絶縁膜とを有し、
前記酸化物半導体膜の側面は、テーパを有し、
前記酸化物半導体膜の側面側の表層部は、結晶領域を有し、
前記結晶領域は、前記酸化物半導体膜の側面側の表面に対して、垂直な方向と沿うように、ｃ軸が配向した結晶を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
水素濃度が１×１０１６ｃｍ−３以下となる酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜の下方の、第１の電極と、
前記酸化物半導体膜の上方の、第２の電極と、
前記酸化物半導体膜の側面の、絶縁膜とを有し、
前記酸化物半導体膜の側面は、テーパを有し、
前記酸化物半導体膜の側面側の表層部は、結晶領域を有し、
前記結晶領域は、前記酸化物半導体膜の側面側の表面に対して、垂直な方向と沿うように、ｃ軸が配向した結晶を有し、
前記酸化物半導体膜の側面側の表層部のキャリア移動度は、他の部分のキャリア移動度より高くなることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示する発明の技術分野は、酸化物半導体を用いたトランジスタ及び当該トランジスタを
有する半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を
構成する技術が注目されている。薄膜トランジスタは液晶テレビに代表されるような表示
装置に用いられている。薄膜トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン系半導
体材料が公知であるが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。
【０００３】
酸化物半導体の材料としては、酸化亜鉛又は酸化亜鉛を成分とするものが知られている。
そして、電子キャリア密度が１０１８ｃｍ−３未満である非晶質酸化物（酸化物半導体）
なるもので形成された薄膜トランジスタが開示されている（特許文献１乃至３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１６５５２７号公報
【特許文献２】特開２００６−１６５５２８号公報
【特許文献３】特開２００６−１６５５２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、大電力用途の半導体装置に用いるトランジスタは、高耐圧、高変換効率、高速
スイッチングなどの特性が必要となる。現在、これらの半導体装置の半導体材料としては
シリコンが採用されているが、上述の観点から、さらなる特性の向上が可能な新たな半導
体材料が求められている。
【０００６】
上述の諸特性を向上させる可能性がある半導体材料としては、例えば、炭化シリコンを挙
げることができる。炭化シリコンは、Ｓｉ−Ｃ結合の原子間距離が約０．１８ｎｍと短く
、結合エネルギーが高く、シリコンと比較して約３倍と大きなバンドギャップを有するた
め、半導体装置の耐圧向上、電力損失の低減などに有利であることが知られている。
【０００７】
ところが、炭化シリコンは、その性質上溶融させることが困難であるため、シリコンウェ
ハを製造する際に用いられるチョクラルスキー法（ＣＺ法）などの生産性の高い方法を用
いて製造することができないという問題がある。また、炭化シリコンには、マイクロパイ
プと呼ばれる欠陥の問題が存在する。これらの問題から、炭化シリコンを用いた半導体装
置の実用化は遅れている。
【０００８】
上述に鑑み、開示する発明の一態様では、生産性の高い新たな半導体材料を用いた大電力
向けの半導体装置を提供することを目的の一とする。または、新たな半導体材料を用いた
新たな構造の半導体装置を提供することを目的の一とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一形態は、酸化物半導体中で電子供与体（ドナー）となり得る不純物を除去する
ことで、真性又は実質的に真性な半導体であって、シリコン半導体よりもバンドギャップ
が大きい酸化物半導体でチャネル形成領域が形成される縦型トランジスタであり、酸化物
半導体の厚さが１μｍ以上、好ましくは３μｍより大、より好ましくは１０μｍ以上であ
る。
【００１０】
また、本発明の一形態は、酸化物半導体中で電子供与体（ドナー）となり得る不純物を除
去することで、真性又は実質的に真性な半導体であって、シリコン半導体よりもバンドギ
ャップが大きい酸化物半導体でチャネル形成領域が形成される縦型トランジスタであり、
酸化物半導体の厚さが１μｍ以上、好ましくは３μｍより大、より好ましくは１０μｍ以
上であり、酸化物半導体においてゲート絶縁膜に接する領域に結晶領域が形成される。
【００１１】
すなわち、本発明の一形態は、酸化物半導体に含まれる水素を低減し、好ましくは水素濃
度を１×１０１６ｃｍ−３以下とし、酸化物半導体に含まれる水素若しくはＯＨ基を除去
し、キャリア密度を１×１０１４ｃｍ−３未満、好ましくは１×１０１２ｃｍ−３未満、
さらに好ましくは測定限界以下の１×１０１１ｃｍ−３未満とした酸化物半導体膜でチャ
ネル形成領域が形成される縦型トランジスタである。
【００１２】
酸化物半導体のバンドギャップは２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上、より好ましく
は３ｅＶ以上として、ドナー水素等の不純物を極力低減し、キャリア密度を１×１０１４
ｃｍ−３未満、好ましくは１×１０１２ｃｍ−３未満、さらに好ましくは測定限界以下の
１×１０１１ｃｍ−３未満となるようにする。
【００１３】
このように高純度化された酸化物半導体を、トランジスタのチャネル形成領域に用いるこ
とで、ゲート絶縁膜と接する酸化物半導体の表面だけでなく、酸化物半導体の内部（酸化
物半導体膜全体）においてもチャネルを形成することが可能である。また、オフ状態にお
いては、空乏層が酸化物半導体の内部のより深い領域まで広がるため、オフ状態に流れる
オフ電流を低減することができる。更には、耐圧が高くなると共に、ホットキャリア劣化
が生じにくくなり、高電圧が印加される大電力用の半導体装置を作製することができる。
【００１４】
なお、本発明の一形態において、トランジスタのゲート電極は、環状であり、ゲート絶縁
膜を介して、ソース電極、酸化物半導体膜、及びドレイン電極を囲んでいる。このため、
チャネル幅は大きい。
【００１５】
また、本発明の一形態のトランジスタは、絶縁ゲート電界効果トランジスタ（Ｉｎｓｕｌ
ａｔｅｄ−Ｇａｔｅ  Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＩＧＦＥＴ）
）、パワーＭＯＳＦＥＴを含む。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の一形態によれば、水素濃度が低減され高純度化された酸化物半導体を用いること
で、トランジスタの動作を良好なものとすることができる。特に、耐圧を高め、ショート
チャネル効果を抑制し、オンオフ比を高めることができる。このため、当該トランジスタ
を用いることで、大電力用の半導体装置を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】トランジスタを説明する上面図及び断面図である。
【図２】トランジスタを説明する断面図である。
【図３】ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶構造を示す図である。
【図４】酸化物半導体を用いた縦型のトランジスタの縦断面図である。
【図５】図４に示すＡ−Ａ’断面におけるエネルギーバンド図（模式図）である。
【図６】真空準位と金属の仕事関数（φＭ）、酸化物半導体の電子親和力（χ）の関係を示す図である。
【図７】図４におけるＢ−Ｂ’の断面におけるエネルギーバンド図である。
【図８】（Ａ）ゲート（Ｇ１）に正の電位（＋ＶＧ）が印加された状態を示し、（Ｂ）ゲート（Ｇ１）に負の電位（−ＶＧ）が印加された状態示す図である。
【図９】最大空乏層幅及びデバイ長の計算結果を説明する図である。
【図１０】トランジスタの作製方法を説明する断面図である。
【図１１】トランジスタの作製方法を説明する断面図である。
【図１２】トランジスタの作製方法を説明する断面図である。
【図１３】太陽光発電システムの一例を説明する図である。
【図１４】デバイスシミュレータにより計算した結果を説明する図である。
【図１５】デバイスシミュレータにより計算した結果を説明する図である。
【図１６】デバイスシミュレータにより計算した結果を説明する図である。
【図１７】ＣＶ測定を説明する図である。
【図１８】ＣＶ測定の結果を説明する図である。
【図１９】酸化物半導体膜の断面ＴＥＭ写真である。
【図２０】酸化物半導体膜の断面ＴＥＭ写真である。
【図２１】酸化物半導体膜の断面ＴＥＭ写真及び電子線回折パターンである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。但し、本発明は以下の説明
に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々
に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施
の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する本発明の構
成において、同一部分また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。
【００１９】
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
。
【００２０】
また、本明細書にて用いる第１、第２、第３などの用語は、構成要素の混同を避けるため
に付したものであり、数的に限定するものではない。そのため、例えば、「第１の」を「
第２の」または「第３の」などと適宜置き換えて説明することができる。
【００２１】
また、電圧とは２点間における電位差のことをいい、電位とはある一点における静電場の
中にある単位電荷が持つ静電エネルギー（電気的な位置エネルギー）のことをいう。ただ
し、一般的に、ある一点における電位と基準となる電位（例えば接地電位）との電位差の
ことを、単に電位もしくは電圧と呼び、電位と電圧が同義語として用いられることが多い
。このため、本明細書では特に指定する場合を除き、電位を電圧と読み替えてもよいし、
電圧を電位と読み替えてもよいこととする。
【００２２】
（実施の形態１）
本実施の形態では、トランジスタの構造について、図１を用いて説明する。
【００２３】
図１（Ａ）はトランジスタ１４５の上面図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の一点鎖線Ａ
−Ｂの断面図に相当する。
【００２４】
図１（Ｂ）に示すように、基板１０１上に形成された絶縁膜１０３上に、第１の電極１０
５、酸化物半導体膜１０７、及び第２の電極１０９が積層される。なお、酸化物半導体膜
１０７の上面すべてに接して第２の電極１０９が積層される。また、第１の電極１０５、
酸化物半導体膜１０７、及び第２の電極１０９を覆うように、ゲート絶縁膜１１１が設け
られている。ゲート絶縁膜１１１上には、少なくとも酸化物半導体膜の側面と対向する第
３の電極１１３が設けられている。ゲート絶縁膜１１１及び第３の電極１１３上には層間
絶縁膜として機能する絶縁膜１１７が設けられている。絶縁膜１１７上には、開口部が形
成されており、開口部において第１の電極１０５と接続する配線１３１（図１（Ａ）参照
）、第２の電極１０９と接続する配線１２９、第３の電極１１３と接続する配線１２５が
形成される。なお、本明細書においては、膜の上面とは、基板１０１と平行な一対の面に
おいて、基板１０１と反対側に設けられる面のことをいう。
【００２５】
第１の電極１０５は、トランジスタ１４５のソース電極及びドレイン電極の一方として機
能する。第２の電極１０９は、トランジスタ１４５のソース電極及びドレイン電極の他方
として機能する。第３の電極１１３は、トランジスタ１４５のゲート電極として機能する
。
【００２６】
本実施の形態では、ゲート電極として機能する第３の電極１１３が環状であることを特徴
とする。ゲート電極として機能する第３の電極１１３を環状とすることで、トランジスタ
のチャネル幅を大きくすることができる。本実施の形態のトランジスタにおいて、チャネ
ル長Ｌは酸化物半導体膜の厚さであり、チャネル幅Ｗは第１の電極または第２の電極に接
する酸化物半導体膜の端部の長さである。なお、ここでは、第１の電極または第２の電極
において、面積の広い方と酸化物半導体膜の接する酸化物半導体膜の端部の長さをＷとす
る。本実施の形態では、トランジスタの酸化物半導体膜の上面形状はＷ１とＷ２を辺とす
る長方形であるため、チャネル幅Ｗは２Ｗ１及び２Ｗ２の和である。なお、トランジスタ
の酸化物半導体膜の上面形状が円形の場合は、酸化物半導体膜の半径ｒとした場合、チャ
ネル幅Ｗは２πｒである。
【００２７】
また、酸化物半導体膜１０７の厚さが、１μｍ以上、好ましくは３μｍより大、より好ま
しくは１０μｍ以上である。
【００２８】
また、本実施の形態のトランジスタは、酸化物半導体膜が真性であり、真性キャリア密度
がきわめて低いため、最大空乏層幅が極めて広くなり、空乏層が酸化物半導体膜の内部に
広がるトランジスタとなる。
【００２９】
なお、トランジスタは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を
有する素子であり、ドレイン領域とソース領域の間にチャネル形成領域を有しており、ド
レイン領域とチャネル形成領域とソース領域とを介して電流を流すことができる。ここで
、ソースとドレインとは、トランジスタの構造や動作条件などによって変わるため、いず
れがソースまたはドレインであるかを限定することが困難である。そこで、ソース及びド
レインとして機能する領域を、ソースもしくはドレインとよばない場合がある。その場合
、一例としては、それぞれを第１の端子、第２の端子と表記する場合がある。あるいは、
それぞれを第１の電極、第２の電極と表記する場合がある。あるいは、第１の領域、第２
の領域と表記する場合がある。
【００３０】
基板１０１は、少なくとも、後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必
要となる。基板１０１としては、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラス
などのガラス基板を用いることができる。
【００３１】
また、ガラス基板としては、後の加熱処理の温度が高い場合には、歪み点が７３０℃以上
のものを用いるとよい。また、ガラス基板には、例えば、アルミノシリケートガラス、ア
ルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスなどのガラス材料が用いられている
。一般に酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）と比較して酸化バリウム（ＢａＯ）を多く含ませること
で、より実用的な耐熱ガラスが得られる。このため、Ｂ２Ｏ３よりＢａＯを多く含むガラ
ス基板を用いることが好ましい。
【００３２】
なお、上記のガラス基板に代えて、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などの絶
縁体でなる基板を用いてもよい。他にも、結晶化ガラス基板などを用いることができる。
【００３３】
絶縁膜１０３は、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜など酸化物絶縁膜、または窒化シ
リコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、または窒化酸化アルミニウムなど
の窒化物絶縁膜で形成する。また、絶縁膜１０３は積層構造でもよく、例えば、基板１０
１側から上記した窒化物絶縁膜のいずれか一つ以上と、上記した酸化物絶縁膜のいずれか
一つ以上との積層構造とすることができる。
【００３４】
第１の電極１０５及び第２の電極１０９は、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタ
ン、モリブデン、タングステン、イットリウムから選ばれた金属元素、または上述した金
属元素を成分とする合金、上述した金属元素を組み合わせた合金などで形成する。また、
マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウムのいずれか一または複数から選択さ
れた金属元素を用いることができる。また、第１の電極１０５は、単層構造、または二層
以上の積層構造とすることができる。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造
、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、タングステン膜上にチタン膜を積層
する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上に重ねてアルミニウム膜を積層し、さらにそ
の上にチタン膜を形成する三層構造などが挙げられる。また、アルミニウムに、チタン、
タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元
素を単数、または複数組み合わせた膜、合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
【００３５】
また、第１の電極１０５及び第２の電極１０９として、インジウム錫酸化物、酸化タング
ステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チ
タンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸
化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有する導電性材料を適用
することもできる。また、上記透光性を有する導電性材料と、上記金属元素の積層構造と
することもできる。
【００３６】
酸化物半導体膜１０７としては、四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜
や、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｉｎ−
Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚ
ｎ−Ｏ膜や、二元系金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ａｌ−Ｚｎ
−Ｏ膜、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ膜や、Ｉｎ−Ｏ膜、Ｓｎ
−Ｏ膜、Ｚｎ−Ｏ膜などの酸化物半導体膜を用いることができる。また、上記酸化物半導
体膜中にＳｉＯ２を含んでもよい。
【００３７】
また、酸化物半導体膜１０７は、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される薄膜を
用いることができる。ここで、Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、ＭｎおよびＣｏから選ばれた一または
複数の金属元素を示す。例えばＭとして、Ｇａ、Ｇａ及びＡｌ、Ｇａ及びＭｎ、またはＧ
ａ及びＣｏなどがある。ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される構造の酸化物半
導体膜のうち、ＭとしてＧａを含む構造の酸化物半導体を、上記したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−
Ｏ酸化物半導体とよび、その薄膜をＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜ともよぶこととする。
【００３８】
本実施の形態で用いる酸化物半導体膜１０７は、酸化物半導体膜に含まれる水素を低減し
、好ましくは、酸化物半導体膜に含まれる水素が除去されている。即ち、酸化物半導体膜
の主成分以外の不純物が極力含まれないように高純度化されている。このときの酸化物半
導体膜１０７の水素濃度は、１×１０１６ｃｍ−３以下が好ましい。また、酸化物半導体
膜１０７のキャリア密度が１×１０１４ｃｍ−３未満、好ましくは１×１０１２ｃｍ−３
未満、さらに好ましくは測定限界以下の１×１０１１ｃｍ−３未満である。即ち、酸化物
半導体膜のキャリア密度は、限りなくゼロに近い。また、バンドギャップは２ｅＶ以上、
好ましくは２．５ｅＶ以上、より好ましくは３ｅＶ以上である。なお、酸化物半導体膜中
の水素濃度測定は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍ
ａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）で行うことができる。キャリア密度は、ホール効果
測定により測定することができる。
【００３９】
酸化物半導体膜１０７の厚さは、１μｍ以上、好ましくは３μｍより大、より好ましくは
１０μｍ以上とする。酸化物半導体膜１０７の厚さを厚くすることで、ショートチャネル
効果（しきい値の変動、オンオフ比の低減）を低減することができ、大電力用の半導体装
置を作製することができる。
【００４０】
ゲート絶縁膜１１１は、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸
化シリコン膜、または酸化アルミニウム膜を単層でまたは積層して形成することができる
。ゲート絶縁膜１１１は、酸化物半導体膜１０７と接する部分が酸素を含むことが好まし
く、特に好ましくは酸化シリコン膜により形成する。酸化シリコン膜を用いることで、酸
化物半導体膜１０７に酸素を供給することができ、特性を良好にすることができる。
【００４１】
また、ゲート絶縁膜１１１として、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯｘ（ｘ＞０））、
Ｎが添加されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯｘＮｙ（ｘ＞０，ｙ＞０））、ハフニ
ウムアルミネート（ＨｆＡｌＯｘ（ｘ＞０））、酸化ハフニウム、酸化イットリウムなど
のｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることでゲートリーク電流を低減できる。さらには、ｈｉｇｈ
−ｋ材料と、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン
膜、または酸化アルミニウム膜のいずれか一以上との積層構造とすることができる。ゲー
ト絶縁膜１１１の厚さは、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とするとよい。ゲート絶縁膜１１
１の厚さを厚くすることで、ゲートリーク電流を低減することができる。
【００４２】
ゲート電極として機能する第３の電極１１３は、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、
チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成
分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金膜などを用いて形成することがで
きる。また、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウムのいずれか一または複
数から選択された金属元素を用いてもよい。また、第３の電極１１３は、単層構造でも、
二層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、
アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミ
ニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造などがある。また、アル
ミニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカン
ジウムから選ばれた元素の膜、または複数組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いて
もよい。
【００４３】
また、ゲート電極として機能する第３の電極１１３は、インジウム錫酸化物、酸化タング
ステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チ
タンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸
化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有する導電性材料を適用
することもできる。また、上記透光性を有する導電性材料と、上記金属元素の積層構造と
することもできる。
【００４４】
次に、酸化物半導体膜１０７を有するトランジスタの動作についてエネルギーバンド図を
用いて説明する。
【００４５】
図４は、酸化物半導体を用いた縦型のトランジスタの縦断面図を示す。ドレイン電極（Ｄ
）上に酸化物半導体層（ＯＳ）が設けられ、酸化物半導体層（ＯＳ）上にソース電極（Ｓ
）が設けられ、ドレイン電極、酸化物半導体層、及びソース電極上にゲート絶縁膜（ＧＩ
）が設けられ、その上にゲート電極（ＧＥ１）が設けられている。
【００４６】
図５は、図４に示すＡ−Ａ’断面におけるエネルギーバンド図（模式図）を示す。図５（
Ａ）はソースとドレインの間の電圧を等電位（ＶＤ＝０Ｖ）とした場合を示し、図５（Ｂ
）は図４において、ゲート電圧に正の電圧（ＶＧ＞０）を加え、ソースに対しドレインに
正の電位（ＶＤ＞０）を加えた場合を示す。
【００４７】
図７は、図４におけるＢ−Ｂ’の断面におけるエネルギーバンド図（模式図）を示し、ゲ
ート電圧が０Ｖの場合の状態を示す。図８（Ａ）はゲート（Ｇ１）に正の電位（＋ＶＧ）
が印加された状態であり、ソース及びドレイン間にキャリア（電子）が流れるオン状態を
示している。また、図８（Ｂ）は、ゲート（Ｇ１）に負の電位（−ＶＧ）が印加された状
態であり、オフ状態である場合を示す。
【００４８】
図６は、真空準位と金属の仕事関数（φＭ）、酸化物半導体の電子親和力（χ）の関係を
示す。
【００４９】
室温において金属の自由電子縮退状態にあり、フェルミ準位は伝導帯内に位置する。一方
、従来の酸化物半導体は一般にｎ型であり、その場合のフェルミ準位（Ｅｆ）は、バンド
ギャップ中央に位置する真性フェルミ準位（Ｅｉ）から離れて、伝導帯寄りに位置してい
る。なお、酸化物半導体において水素の一部はドナーとなりｎ型化する一つの要因である
ことが知られている。
【００５０】
これに対して本発明に係る酸化物半導体は、ｎ型不純物である水素を酸化物半導体から除
去し、酸化物半導体の主成分以外の不純物が極力含まれないように高純度化することによ
り真性（ｉ型）とし、又は真性型とせんとしたものである。すなわち、不純物を添加して
ｉ型化するのでなく、水素や水等の不純物を極力除去したことにより、高純度化されたｉ
型（真性半導体）又はそれに近づけることを特徴としている。そうすることにより、フェ
ルミ準位（Ｅｆ）は真性フェルミ準位（Ｅｉ）と同じレベルにまですることができる。
【００５１】
酸化物半導体のバンドギャップ（Ｅｇ）が３．１５ｅＶである場合、電子親和力（χ）は
４．３ｅＶと言われている。ソース電極及びドレイン電極を構成するチタン（Ｔｉ）の仕
事関数は、酸化物半導体の電子親和力（χ）とほぼ等しい。この場合、金属−酸化物半導
体界面において、電子に対してショットキー型の障壁は形成されない。
【００５２】
すなわち、金属の仕事関数（φＭ）と酸化物半導体の電子親和力（χ）がほぼ等しい場合
、両者が接触すると図５（Ａ）で示すようなエネルギーバンド図（模式図）が示される。
【００５３】
図５（Ｂ）において黒丸（●）は電子を示し、ドレインに正の電位が印加されると、電子
はバリア（ｈ）をこえて酸化物半導体に注入され、ドレインに向かって流れる。この場合
、バリア（ｈ）の高さは、ゲート電圧とドレイン電圧に依存して変化するが、正のドレイ
ン電圧が印加された場合には、電圧印加のない図５（Ａ）のバリア（ｈ）の高さすなわち
バンドギャップ（Ｅｇ）の１／２よりもバリア（ｈ）の高さは小さい値となる。
【００５４】
酸化物半導体層の厚さは１μｍ以上、好ましくは３μｍより大、より好ましくは１０μｍ
以上であり、また真性キャリア密度が少ない。このため、ゲート（Ｇ１）に正の電位（＋
ＶＧ）が印加された状態では、図８（Ａ）に示すように、酸化物半導体層の表面における
バンドの曲がりが少なく、伝導帯の下端がフェルミ準位に近づき、酸化物半導体層全体に
おいてエネルギー的に安定となる。このため、ゲート絶縁膜の近傍のみでなく、酸化物半
導体全体においても電子が流れやすくなり、酸化物半導体全体にチャネルが形成され、よ
り多くの電流を流すことができる。一方、ゲート（Ｇ１）に負の電位（−ＶＧ）が印加さ
れた状態では、少数キャリアであるホールは実質的にゼロであるため、電流は限りなく低
く、チャネルの単位面積あたりの電流が１００ａＡ／μｍ以下、好ましくは１０ａＡ／μ
ｍ以下、より好ましくは１ａＡ／μｍ以下とゼロに近い値となる。
【００５５】
ここで、酸化物半導体の真性キャリア密度について説明する。
【００５６】
半導体に含まれる真性キャリア密度ｎｉは、フェルミ・ディラック統計によるフェルミ・
ディラック分布をボルツマン分布の式で近似することで、求められる（数式１参照）。
【００５７】
【数１】
0005977328.tif 000002
【００５８】
近似式により求められる真性キャリア密度ｎｉは、伝導帯における実効状態密度Ｎｃ、価
電子帯における実効状態密度Ｎｖ、及びバンドギャップＥｇの関係式であり、数式１から
シリコンの真性キャリア密度ｎｉは１．４×１０１０ｃｍ−３、酸化物半導体（ここでは
、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜）の真性キャリア密度ｎｉは１．２×１０−７ｃｍ−３となる
。シリコンと比較して、酸化物半導体の真性キャリア密度が極端に低いことが分かる。
【００５９】
次に、ゲート（Ｇ１）に負の電位（−ＶＧ）を印加した場合の空乏層幅及びデバイ長につ
いて、以下に説明する。
【００６０】
ドナー密度Ｎｄの半導体と、絶縁物と、金属とで構成されるＭＯＳトランジスタに電圧を
印加したときに、半導体中に形成される最大空乏層幅ＴＤ  ＭＡＸは、数式２で求められ
る。
【００６１】
【数２】
0005977328.tif 000003
【００６２】
最大空乏層幅はドナー密度及びフェルミポテンシャルの関数で表され、フェルミポテンシ
ャルφＦは数式３で求められる。
【００６３】
【数３】
0005977328.tif 000004
【００６４】
また、ＭＯＳトランジスタのデバイ長ＬＤは数式４で求められる。
【００６５】
【数４】
0005977328.tif 000005
【００６６】
なお、εｓは酸化物半導体の比誘電率、ε０は真空の誘電率、Ｎｄはドナー密度、ｑは素
電荷、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度を示す。
【００６７】
シリコンのｎｉ（真性キャリア密度）を１．４×１０１０ｃｍ−３、εＳを１１．９とし
、酸化物半導体のｎｉを１．２×１０−７ｃｍ−３、εＳを１０として、シリコンを用い
たＭＯＳトランジスタ、酸化物半導体を用いたＭＯＳトランジスタ、それぞれの最大空乏
層幅、デバイ長を計算した結果を図９に示す。ここでのトランジスタは、チャネルが基板
表面に対して平行に形成される横型トランジスタの構造を用いて計算した。また、ここで
の最大空乏層幅は、基板に対して垂直方向に広がる空乏層の幅に相当する。なお、横型Ｍ
ＯＳトランジスタの空乏層の広がりは、縦型ＭＯＳトランジスタにおいても同様の傾向が
みられるとしている。
【００６８】
なお、シリコンの場合、ドナー密度は不純物（Ｐ）の密度に相当する。酸化物半導体の場
合、ドナーとしては酸素欠陥や水素が寄与する。
【００６９】
図９（Ａ）は、ドナー密度が１×１０１２ｃｍ−３から１×１０１８ｃｍ−３までの範囲
における酸化物半導体（ＯＳと示す。）及びシリコン（Ｓｉと示す。）の最大空乏層幅及
びデバイ長を示す。太実線１６１は酸化物半導体の最大空乏層幅を示し、太一点鎖線１６
３はシリコンの最大空乏層幅を示す。また、細実線１６５は酸化物半導体のデバイ長を示
し、細一点鎖線１６７はシリコンのデバイ長を示す。
【００７０】
図９（Ｂ）は、ドナー密度が１×１０−５ｃｍ−３から１×１０１ｃｍ−３までの範囲に
おける酸化物半導体の最大空乏層幅及びデバイ長を示す。なお、この密度範囲は、シリコ
ンの真性キャリア密度（ｎｉ＝１．４×１０１０ｃｍ−３）を下回るので、酸化物半導体
のみの計算結果を示す。太実線は酸化物半導体の最大空乏層幅を示し、細実線は酸化物半
導体のデバイ長を示す。
【００７１】
図９より、ドナー密度が低いほど、最大空乏層が広がり、デバイ長が増大することが分か
る。また、最大空乏層幅ＴＤ  ＭＡＸは真性キャリア密度ｎｉに依存し、ｎｉが少ない酸
化物半導体の方がシリコンよりも空乏層が広がることがわかる。また、酸化物半導体がｎ
型からｉ型になればなるほど、即ちドナー密度（Ｎｄ）が低減するほど、図９（Ｂ）に示
すように、最大空乏層幅が数十μｍから数千μｍ、デバイ長が数μｍから数百μｍと大幅
に増大し、空乏層が酸化物半導体全体に広がることがわかる。
【００７２】
以上のことから、酸化物半導体は、バンドギャップが広く、真性キャリア密度が低いため
、最大空乏層及びデバイ長が増大し、オフ状態においては酸化物半導体全体に空乏層が広
がるため、オフ電流を低減することができ、限りなくゼロに近くなる。
【００７３】
なお、このように酸化物半導体の主成分以外の不純物が極力含まれないように高純度化す
ることにより真性（ｉ型）とし、又は実質的に真性型とすることで、ゲート絶縁膜との界
面特性は顕在化する。そのためゲート絶縁膜は、酸化物半導体と良好な界面を形成できる
ものが好ましい。例えば、ＶＨＦ帯〜マイクロ波帯の電源周波数で生成される高密度プラ
ズマを用いたＣＶＤ法で作製される緻密な絶縁膜、又はスパッタリング法で作製される絶
縁膜を用いることが好ましい。さらには、ゲート絶縁膜とゲート電極との界面を良好にす
るため、ゲート絶縁膜の表面に、ＶＨＦ帯〜マイクロ波帯の電源周波数で生成される高密
度プラズマを用いたＣＶＤ法で作製される緻密な絶縁膜を形成してもよい。
【００７４】
このように、酸化物半導体の主成分以外の不純物が極力含まれないように高純度化するこ
とにより、オン電流が高く、オフ電流が低く、オンオフ比の高い、良好な動作特性を有す
るトランジスタとなる。
【００７５】
ここで、酸化物半導体を用いたトランジスタのドレイン耐性について説明する。
【００７６】
半導体中の電界があるしきい値に達すると、衝突イオン化が生じ、空乏層内で高電界によ
り加速されたキャリアが結晶格子に衝突し、電子と正孔の対を生成する。さらに電界が高
くなると、衝突イオン化により発生した電子と正孔の対もさらに電界によって加速され、
衝突イオン化を繰り返し、電流が指数関数的に増加するアバランシェ降伏が生じる。衝突
イオン化は、キャリア（電子、正孔）が半導体のバンドギャップ以上の運動エネルギーを
有することにより発生する。衝突イオン化の起こりやすさを示す衝突イオン化係数とバン
ドギャップには相関があり、バンドギャップが大きいほど衝突イオン化係数が小さくなる
傾向が知られている。
【００７７】
酸化物半導体のバンドギャップは、３．１５ｅＶであり、シリコンのバンドギャップの１
．１２ｅＶとくらべると、大きいため、アバランシェ降伏が起こりにくいと期待される。
このため、酸化物半導体を用いたトランジスタはドレイン耐圧が高くなり、高電界が印加
されてもオン電流の指数関数的急上昇が生じにくいと期待される。
【００７８】
次に、酸化物半導体を用いたトランジスタのホットキャリア劣化について説明する。
【００７９】
ホットキャリア劣化とは、高速に加速された電子がチャネル中のドレイン近傍でゲート酸
化膜中に注入されて固定電荷となったり、ゲート絶縁膜界面にトラップ準位を形成するこ
とにより、しきい電圧の変動やゲートリーク等のトランジスタ特性の劣化が生じることで
あり、ホットキャリア劣化の要因としては、チャネルホットエレクトロン注入（ＣＨＥ注
入）とドレインアバランシェホットキャリア注入（ＤＡＨＣ注入）がある。
【００８０】
シリコンはバンドギャップが狭いため、アバランシェ降伏によって雪崩的に電子が発生し
やすく、ゲート絶縁膜への障壁を越えられるほど高速に加速される電子数が増加する。し
かしながら、本実施の形態で示す酸化物半導体は、バンドギャップが広いため、アバラン
シェ降伏が生じにくく、シリコンと比べてホットキャリア劣化の耐性が高い。なお、高耐
圧材料の一つであるシリコンカーバイドのバンドキャップと酸化物半導体のバンドギャッ
プは同等であるため、ＳｉＣと同等の耐圧が期待される。
【００８１】
以上のことから、酸化物半導体を用いたトランジスタはドレイン耐圧が高く、具体的には
１００Ｖ以上、好ましくは５００Ｖ、好ましくは１ｋＶ以上のドレイン耐圧を有すること
が可能である。
【００８２】
ここで、トランジスタの代表例であるシリコンカーバイドと酸化物半導体の比較について
以下に示す。ここでは、シリコンカーバイドとして、４Ｈ−ＳｉＣを用いる。
【００８３】
酸化物半導体と４Ｈ−ＳｉＣはいくつかの共通点を有している。真性キャリア密度はその
一例である。常温におけるフェルミ・ディラック分布を用いると、酸化物半導体の真性キ
ャリア密度は１０−７ｃｍ−３程度と見積もられるが、これは、４Ｈ−ＳｉＣにおける６
．７×１０−１１ｃｍ−３と同様、極めて低い値である。
【００８４】
また、酸化物半導体のエネルギーバンドギャップは３．０〜３．５ｅＶであり、４Ｈ−Ｓ
ｉＣのエネルギーバンドギャップは３．２６ｅＶであるから、ワイドギャップ半導体とい
う点においても、酸化物半導体とシリコンカーバイドとは共通している。
【００８５】
しかしながら、酸化物半導体及びシリコンカーバイドにおいて、プロセス温度が大きく異
なる。シリコンカーバイドは例えば１５００℃〜２０００℃の活性化熱処理を必要とする
。一方、酸化物半導体は、３００〜５００℃（ガラス転移温度以下、最大でも７００℃程
度）の熱処理で作製することが可能であり、大面積基板上にトランジスタを作製すること
ができる。また、スループットを高めることができる。
【００８６】
ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴの作製工程においては、ドナーまたはアクセプターとなりうる不純
物（リン、ボロン等）のドーピング工程、及び活性化のための高温熱処理工程を含む。と
ころで、酸化物半導体はその電子親和力が比較的大きい。そのため、適切な仕事関数を持
つ金属を電極として選択することで、トランジスタ作製工程において不純物を添加しなく
とも電極とのオーミック接触を形成することができ、コンタクト部にｎ＋領域を形成しや
すい点で工程の簡略化を図れる。
【００８７】
なお、酸化物半導体において、バンドギャップ内のＤＯＳ（ｄｅｎｓｉｔｙ  ｏｆ  ｓｔ
ａｔｅ）等の物性研究は多くなされているが、これらの研究は、エネルギーギャップ中の
ＤＯＳそのものを十分に減らすという思想を含まない。本実施の形態では、ＤＯＳの原因
たり得る水や水素を酸化物半導体中より除去することで、高純度化した酸化物半導体を作
製する。これは、ＤＯＳそのものを十分に減らすという思想に基づくものである。そして
、これによって極めて優れた工業製品の製造を可能とするものである。
【００８８】
さらに、酸素欠乏により発生する金属の未結合手に対して酸素を供給し、酸素欠陥による
ＤＯＳを減少させることにより、いっそう高純度化された（ｉ型の）酸化物半導体とする
ことも可能である。たとえば、チャネル形成領域に密接して酸素過剰の酸化膜を形成し、
当該酸化膜から酸素を供給して、酸素欠陥によるＤＯＳを減少させることが可能である。
【００８９】
酸化物半導体の欠陥は、過剰な水素による伝導帯の下０．１〜０．２ｅＶの浅い準位や、
酸素の不足による深い準位、などに起因するものとされている。これらの欠陥を無くすた
めに、水素を徹底的に除去し、酸素を十分に供給する、という技術思想は正しいものであ
ろう。
【００９０】
また、酸化物半導体は一般にｎ型とされているが、本実施の形態では、不純物、特に水や
水素を除去することによりｉ型化を実現する。この点、シリコンなどのように不純物を添
加してのｉ型化ではなく、従来にない技術思想を含むものといえる。
【００９１】
また、酸化物半導体をｉ型化することにより、トランジスタの温度特性が良好であり、代
表的には、−２５℃から１５０℃までの温度範囲において、トランジスタの電流電圧特性
において、オン電流、オフ電流、電界効果移動度、Ｓ値、及びしきい値電圧の変動がほと
んどなく、温度による電流電圧特性の変動がほとんどない。
【００９２】
なお、本実施の形態で示す酸化物半導体を用いたトランジスタは、シリコンカーバイドを
用いたトランジスタと比較して、チャネル移動度がやや低いが、ドレイン電圧を高くする
、チャネル幅（Ｗ）を大きくすることで、トランジスタの電流値を高め、デバイス特性を
向上させることができる。
【００９３】
本実施の形態の技術思想は、酸化物半導体中に、さらに不純物を加えることをせずに、逆
に不本意に存在する水、水素という不純物を意図的に除去することにより、酸化物半導体
自体を高純度化することである。すなわち、ドナー準位を構成する水または水素を除去し
、さらに酸素欠陥を低減し、酸化物半導体を構成する主成分材料の酸素を十分に供給する
ことにより、酸化物半導体を高純度化することである。
【００９４】
酸化物半導体を成膜することで１０２０ｃｍ−３のレベルの水素がＳＩＭＳ（二次イオン
質量分析）で測定される。このドナー準位の原因となる水または水素を意図的に除去し、
さらに水または水素の除去に伴い同時に減少してしまう酸素（酸化物半導体の成分の一つ
）を酸化物半導体に加えることにより、酸化物半導体を高純度化し、電気的にｉ型（真性
）半導体とする。
【００９５】
また、本実施の形態においては、酸化物半導体中の水、水素の量は少なければ少ないほど
好ましく、キャリアも少なければ少ないほど良い。すなわち、キャリア密度は１×１０１
４ｃｍ−３未満、好ましくは１×１０１２ｃｍ−３未満、さらに好ましくは測定限界以下
の１×１０１１ｃｍ−３未満が求められる。更には本実施の形態の技術思想的には、ゼロ
に近いまたはゼロが理想である。酸化物半導体のキャリアを低減し、好ましくは無くして
しまうことで、トランジスタにおいて酸化物半導体はソースから供給されたキャリア（電
子）を通過させる通路（パス）として機能させる。その結果、酸化物半導体は高純度化し
たｉ型（真性）半導体であり、キャリアがない、または極めて少なくせしめることにより
、トランジスタのオフ状態ではオフ電流を極めて低くできるというのが本実施の形態の技
術思想である。
【００９６】
また、酸化物半導体は通路（パス）として機能し、酸化物半導体自体がキャリアを有さな
い、または極めて少ないように高純度化したｉ型（真性）とすると、キャリアは電極のソ
ース、ドレインにより供給される。供給の程度は、酸化物半導体の電子親和力χおよびフ
ェルミレベル、理想的には真性フェルミレベルと一致したフェルミレベルとソース、ドレ
インの電極の仕事関数よりも、バリアハイト（障壁高さ）が主に寄与する。
【００９７】
ところで、チャネルが基板と概略平行に形成される横型トランジスタにおいては、チャネ
ルのほかにソース及びドレインを設ける必要があり、基板におけるトランジスタの占有面
積が大きくなってしまい、微細化の妨げとなる。しかしながら、縦型トランジスタにおい
ては、ソース、チャネル、及びドレインを積層するため、基板表面における占有面積を低
減することができる。この結果、トランジスタの微細化が可能である。
【００９８】
このように、酸化物半導体膜の主成分以外の不純物、代表的には水素、水、水酸基または
水素化物などが極力含まれないように高純度化することにより、トランジスタの動作を良
好なものとすることができる。特に、耐圧を高め、ショートチャネル効果を抑制し、オン
オフ比を高めることができる。
【００９９】
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１と比較して、信頼性が高く、電界効果移動度が高いトラ
ンジスタの構造について、図２及び図３を用いて説明する。
【０１００】
本実施の形態では、図２（Ａ）に示すような第１の電極１０５及び第２の電極１０９の間
に設けられる酸化物半導体膜１５１ａにおいて、表層部に結晶領域１５７を有することを
特徴とする。酸化物半導体膜１５１ａ及びゲート絶縁膜１１１の界面近傍の拡大図を図２
（Ｂ）に示す。
【０１０１】
酸化物半導体膜１５１ａは、非晶質を主たる構成とする非晶質領域１５５と、酸化物半導
体膜１５１ａの表層部に形成される結晶領域１５７とを有する。なお、表層部とは、表面
からの距離（深さ）が酸化物半導体膜の厚さの１０％以下である領域である。
【０１０２】
ここで、非晶質領域１５５は、非晶質酸化物半導体膜を主たる構成としている。なお、「
主たる」とは、例えば、５０％以上を占める状態をいい、この場合には、非晶質酸化物半
導体膜が体積％（または重量％）で５０％以上を占める状態をいうものとする。つまり、
非晶質酸化物半導体膜以外にも、酸化物半導体膜の結晶などを含むことがあるが、その含
有率は体積％（または重量％）で５０％未満であることが望ましいがこれらの範囲に限定
される必要はない。
【０１０３】
酸化物半導体膜の材料としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ酸化物半導体膜を用いる場合には、上
記の非晶質領域１５５の組成は、Ｚｎの含有量（原子％）が、ＩｎまたはＧａの含有量（
原子％）以上となるようにするのが好適である。このような組成とすることにより、所定
の組成の結晶領域１５７を形成することが容易になるためである。
【０１０４】
表層部の結晶領域１５７の結晶は、酸化物半導体膜１５１ａの表面に対して略垂直な方向
にｃ軸（ｃ−ａｘｉｓ）が配向した結晶であり、当該結晶が隣接している。例えば、Ｉｎ
−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体材料を用いる場合には、結晶領域１５７の結晶は、Ｉ
ｎＧａＺｎＯ４結晶のｃ軸が酸化物半導体膜１５１ａの表面に対して略垂直な方向に配向
したものとなる。なお、「表層部（表面の近傍）」とは、例えば、表面からの距離（深さ
）が２０ｎｍ以下の領域をいう。
【０１０５】
上記ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶は、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎのいずれかを含有し、ａ軸（ａ−ａｘ
ｉｓ）およびｂ軸（ｂ−ａｘｉｓ）に平行なレイヤーの積層構造として捉えることができ
る（図３参照）。すなわち、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶は、Ｉｎを含有する第１のレイヤー
と、Ｉｎを含有する第２のレイヤーと、Ｉｎを含有する第３のレイヤーと、がｃ軸方向に
積層された構造を備える。
【０１０６】
ＩｎＧａＺｎＯ４結晶の電気伝導は、主としてＩｎによって制御されるため、Ｉｎを含有
する第１のレイヤー乃至第３のレイヤーの、ａ軸およびｂ軸に平行な方向に関する電気特
性は良好である。これは、Ｉｎを含有する第１のレイヤー乃至第３のレイヤーのいずれか
一以上では、一のＩｎの５ｓ軌道が、隣接するＩｎの５ｓ軌道と重なりを有することによ
り、キャリアパスが形成されるためである。
【０１０７】
このような結晶が配向することで、酸化物半導体膜１５１ａの電気的特性にも影響が現れ
る。具体的には、例えば、酸化物半導体膜１５１ａの表面と平行な方向の電気特性が向上
する。これは、ＩｎＧａＺｎＯ４結晶のｃ軸が酸化物半導体膜１５１ａの表面に対して略
垂直な方向に配向しており、ＩｎＧａＺｎＯ４結晶において、ａ軸およびｂ軸に平行な方
向に電流が流れるためである。
【０１０８】
なお、結晶領域１５７の結晶構造は上記に限定されず、他の結晶構造の結晶を含んでいて
も良い。例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体材料を用いる場合には、ＩｎＧ
ａＺｎＯ４の結晶に加え、Ｉｎ２Ｇａ２ＺｎＯ７、ＩｎＧａＺｎ５Ｏ８等の結晶などを含
んでいても良い。もちろん、結晶領域１５７全体に渡ってＩｎＧａＺｎＯ４の結晶が存在
する場合には、より効果的であり、好適である。
【０１０９】
以上において説明したように、酸化物半導体膜１５１ａでは、表層部に結晶領域１５７を
有することで、良好な電気特性を実現できる。特に、結晶領域１５７が、ＩｎＧａＺｎＯ
４結晶のｃ軸が酸化物半導体膜１５１ａの表面に対して略垂直な方向に配向したものを含
んで構成される場合には、ＩｎＧａＺｎＯ４結晶の電気特性によって、酸化物半導体膜１
５１ａ表層部におけるキャリア移動度が上昇する。このため、当該酸化物半導体膜１５１
ａを有するトランジスタの電界効果移動度が上昇し、良好な電気特性を実現できる。
【０１１０】
また、結晶領域１５７は、非晶質領域１５５と比較して安定であるため、これを酸化物半
導体膜１５１ａの表層部に有することで、非晶質領域１５５に不純物（例えば水素、水、
水酸基または水素化物など）が取り込まれることを低減することが可能である。このため
、酸化物半導体膜１５１ａの信頼性を向上させることができる。
【０１１１】
以上の工程により酸化物半導体膜中の水素の濃度を低減し、高純度化することができる。
それにより酸化物半導体膜の安定化を図ることができる。また、ガラス転移温度以下の加
熱処理で、キャリア密度が極端に低く、バンドギャップの広い酸化物半導体膜を形成する
ことができる。このため、大面積基板を用いてトランジスタを作製することができるため
、量産性を高めることができる。また、当該水素濃度が低減され高純度化された酸化物半
導体膜を用いることで、耐圧が高く、ショートチャネル効果に強く、オンオフ比の高いト
ランジスタを作製することができる。
【０１１２】
（実施の形態３）
本実施の形態では、耐熱性の高いトランジスタについて、図１を用いて説明する。
【０１１３】
図１に示す基板１０１において、放熱性の高い基板を用いることで、耐熱性の高いトラン
ジスタを作製することができる。放熱性の高い基板としては、半導体基板、金属基板、プ
ラスチック等があり、半導体基板の代表例としては、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などの化合物半導体基板等があ
る。金属基板の代表例としては、アルミニウム基板、銅基板、ステンレス基板等がある。
プラスチック基板の代表例としては、カーボン繊維、金属繊維、金属片等を有するプラス
チックがある。なお、半導体基板、金属基板、及びプラスチック基板は、これらに限定さ
れず放熱性の高いものであれば、適宜用いることができる。
【０１１４】
また、図１に示す絶縁膜１０３として、熱伝導率の高い絶縁膜を形成することで、耐熱性
の高いトランジスタを作製することができる。熱伝導率の高い絶縁膜としては、窒化アル
ミウム膜、窒化酸化アルミニウム膜、窒化シリコン膜等がある。
【０１１５】
また、図１に示す第１の電極１０５と絶縁膜１０３の間に半導体膜を設けてもよい。半導
体膜の代表例としては、シリコン膜、ゲルマニウム膜、シリコンカーバイド膜、ＤＬＣ（
Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ）膜等がある。
【０１１６】
なお、以上の構成のいずれか一つ以上を用いることで、耐熱性の高いトランジスタを作製
することができる。
【０１１７】
（実施の形態４）
本実施の形態では、第１の電極１０５及び第２の電極１０９において、仕事関数の異なる
材料を用いて形成することを特徴とするトランジスタについて説明する。
【０１１８】
本実施の形態では、第１の電極１０５及び第２の電極１０９の一方が、酸化物半導体の電
子親和力以下の仕事関数の導電材料で形成され、第１の電極１０５及び第２の電極１０９
の他方が、酸化物半導体の電子親和力より大きい仕事関数の導電材料で形成される。
【０１１９】
例えば、酸化物半導体の電子親和力（χ）が４．３ｅＶである場合、酸化物半導体の電子
親和力よりも大きい仕事関数の導電性材料の例として、タングステン（Ｗ）、モリブデン
（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）などを用いること
ができる。また、仕事関数が酸化物半導体の電子親和力以下である導電性材料の例として
、チタン（Ｔｉ）、イットリウム（Ｙ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）
、銀（Ａｇ）、ジルコニウム（Ｚｒ）などを用いることができる。
【０１２０】
はじめに、ドレインとして機能する電極を酸化物半導体の電子親和力より仕事関数の大き
い導電性材料で形成し、ソースとして機能する電極を酸化物半導体の電子親和力以下の仕
事関数の導電性材料で形成する場合について、説明する。
【０１２１】
ドレインとして機能する電極を形成する導電性材料の仕事関数をφｍｄとし、ソースとし
て機能する電極を形成する導電性材料の仕事関数φｍｓとし、仕事関数φｍｓ、電子親和
力χ、及び仕事関数φｍｄの関係が、数式５で示す関係となるようにする。
φｍｓ≦χ＜φｍｄ      （数５）
【０１２２】
このように、ソースとして機能する電極の仕事関数が、酸化物半導体の電子親和力以下で
あるため、トランジスタがオン状態における障壁（例えば図５（Ｂ）のｈ）を低減でき、
低いゲート電圧でオン状態となり、大電流を流すことができる。
【０１２３】
一方、仕事関数φｍｄ、電子親和力χ、及び仕事関数φｍｓの関係が、数式６で示す関係
となるようにする。
φｍｄ≦χ＜φｍｓ      （数６）
【０１２４】
このように、ソースとして機能する電極の仕事関数が、酸化物半導体の電子親和力より大
きいため、トランジスタの障壁が高くなる。このため、オフ状態における電流を低減する
ことができる。
【０１２５】
なお、ソースとして機能する電極を第１の電極１０５及び第２の電極１０９の一方とし、
ドレインとして機能する電極を第１の電極１０５及び第２の電極１０９の他方とすること
ができる。
【０１２６】
以上のことから、第１の電極１０５及び第２の電極１０９の一方が、酸化物半導体の電子
親和力以下の仕事関数の導電材料で形成され、第１の電極１０５及び第２の電極１０９の
他方が、酸化物半導体の電子親和力より大きい仕事関数の導電材料で形成されることで、
トランジスタのオン特性またはオフ特性を向上させることができる。
【０１２７】
（実施の形態５）
本実施の形態では、図１または図２に示すトランジスタの製造工程について、図１０を用
いて説明する。
【０１２８】
図１０（Ａ）に示すように、基板１０１上に絶縁膜１０３を形成し、絶縁膜１０３上に第
１の電極１０５を形成する。第１の電極１０５は、トランジスタのソース電極及びドレイ
ン電極の一方として機能する。
【０１２９】
絶縁膜１０３は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、塗布法などで形成することができる。
【０１３０】
なお、スパッタリング法で絶縁膜１０３を形成する場合、処理室内に残留する水素、水、
水酸基または水素化物などを除去しつつ絶縁膜１０３を形成することが好ましい。これは
、絶縁膜１０３に水素、水、水酸基または水素化物などが含まれないようにするためであ
る。処理室内に残留する水素、水、水酸基または水素化物などを除去するためには、吸着
型の真空ポンプを用いることが好ましい。吸着型の真空ポンプとしては、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
、排気手段としては、ターボ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
ライオポンプを用いて排気した処理室では、不純物、特に水素、水、水酸基または水素化
物などが排気されるため、当該処理室で絶縁膜１０３を形成すると、絶縁膜１０３に含ま
れる不純物の濃度を低減できる。
【０１３１】
また、絶縁膜１０３を形成する際に用いるスパッタガスは、水素、水、水酸基または水素
化物などの不純物が濃度ｐｐｍ程度、濃度ｐｐｂ程度まで除去された高純度ガスを用いる
ことが好ましい。
【０１３２】
スパッタリング法にはスパッタ用電源に高周波電源を用いるＲＦスパッタリング法、直流
電源を用いるＤＣスパッタリング法、さらにパルス的にバイアスを与えるパルスＤＣスパ
ッタリング法がある。ＲＦスパッタリング法は主に絶縁膜を形成する場合に用いられ、Ｄ
Ｃスパッタリング法は主に金属膜を形成する場合に用いられる。
【０１３３】
また、材料の異なるターゲットを複数設置できる多元スパッタ装置もある。多元スパッタ
装置は、同一チャンバーで異なる材料の膜を積層形成することも、同一チャンバーで複数
種類の材料を同時に放電させて形成することもできる。
【０１３４】
また、チャンバー内部に磁石機構を備えたマグネトロンスパッタリング法を用いるスパッ
タ装置や、グロー放電を使わずマイクロ波を用いて発生させたプラズマを用いるＥＣＲス
パッタリング法を用いるスパッタ装置がある。
【０１３５】
また、スパッタリング法として、成膜中にターゲット物質とスパッタガス成分とを化学反
応させてそれらの化合物薄膜を形成するリアクティブスパッタリング法や、成膜中に基板
にも電圧をかけるバイアススパッタリング法を用いることもできる。
【０１３６】
本明細書のスパッタリングにおいては、上記したスパッタリング装置及びスパッタリング
方法を適宜用いることができる。
【０１３７】
本実施の形態では、基板１０１を処理室へ搬送し、水素、水、水酸基または水素化物など
が除去された高純度酸素を含むスパッタガスを導入し、シリコンターゲットを用いて、基
板１０１に絶縁膜１０３として、酸化シリコン膜を形成する。なお、絶縁膜１０３を形成
する際は、基板１０１は加熱されていてもよい。
【０１３８】
例えば、石英（好ましくは合成石英）を用い、基板温度１０８℃、基板とターゲットの間
との距離（Ｔ−Ｓ間距離）を６０ｍｍ、圧力０．４Ｐａ、高周波電源１．５ｋＷ、酸素及
びアルゴン（酸素流量２５ｓｃｃｍ：アルゴン流量２５ｓｃｃｍ＝１：１）雰囲気下でＲ
Ｆスパッタリング法により酸化シリコン膜を形成する。膜厚は１００ｎｍとするとよい。
なお、石英（好ましくは合成石英）に代えてシリコンターゲットを用いることができる。
なお、スパッタガスとして、酸素、または酸素及びアルゴンの混合ガスを用いて行う。
【０１３９】
また、絶縁膜１０３を積層構造で形成する場合、例えば、酸化シリコン膜と基板との間に
水素、水、水酸基または水素化物などが除去された高純度窒素を含むスパッタガス及びシ
リコンターゲットを用いて窒化シリコン膜を形成する。この場合においても、酸化シリコ
ン膜と同様に、処理室内に残留する水素、水、水酸基または水素化物などを除去しつつ窒
化シリコン膜を形成することが好ましい。なお、当該工程において、基板１０１は加熱さ
れていてもよい。
【０１４０】
絶縁膜１０３として窒化シリコン膜及び酸化シリコン膜を積層する場合、窒化シリコン膜
と酸化シリコン膜を同じ処理室において、共通のシリコンターゲットを用いて形成するこ
とができる。先に窒素を含むスパッタガスを導入して、処理室内に装着されたシリコンタ
ーゲットを用いて窒化シリコン膜を形成し、次に酸素を含むスパッタガスに切り替えて同
じシリコンターゲットを用いて酸化シリコン膜を形成する。窒化シリコン膜及び酸化シリ
コン膜を大気に曝露せずに連続して形成することができるため、窒化シリコン膜表面に水
素、水、水酸基または水素化物などの不純物が吸着することを防止することができる。
【０１４１】
第１の電極１０５は、基板１０１上に導電膜をスパッタリング法、ＣＶＤ法、または真空
蒸着法で形成し、当該導電膜上にフォトリソグラフィ工程によりレジストマスク形成し、
当該レジストマスクを用いて導電膜をエッチングして、形成することができる。または、
フォトリソグラフィ工程を用いず、印刷法、インクジェット法で第１の電極１０５を形成
することで、工程数を削減することができる。なお、第１の電極１０５の端部をテーパ形
状とすると、後に形成されるゲート絶縁膜の被覆性が向上するため好ましい。第１の電極
１０５の端部と絶縁膜１０３のなす角の角度を３０°以上６０°以下、好ましくは４０°
以上５０°以下とすることで、後に形成されるゲート絶縁膜の被覆性を向上させることが
できる。
【０１４２】
本実施の形態では、第１の電極１０５となる導電膜として、スパッタリング法により膜厚
５０ｎｍのチタン膜を形成し、厚さ１００ｎｍのアルミニウム膜を形成し、厚さ５０ｎｍ
のチタン膜を形成する。次に、フォトリソグラフィ工程により形成したレジストマスクを
用いてエッチングして、第１の電極１０５を形成する。
【０１４３】
次に、図１０（Ｂ）に示すように、第１の電極１０５上に酸化物半導体膜１０７及び第２
の電極１０９を形成する。酸化物半導体膜１０７はトランジスタのチャネル形成領域とし
て機能し、第２の電極１０９はトランジスタのソース電極及びドレイン電極の他方として
機能する。
【０１４４】
ここで、酸化物半導体膜１０７及び第２の電極１０９の作製方法について、説明する。
【０１４５】
基板１０１及び第１の電極１０５上にスパッタリング法、塗布法、印刷法等により酸化物
半導体膜を形成する。次に、酸化物半導体膜上に導電膜を形成する。本実施の形態では、
スパッタリング法により酸化物半導体膜を形成する。
【０１４６】
酸化物半導体膜１０７に水素がなるべく含まれないようにするために、前処理として、ス
パッタリング装置の予備加熱室で第１の電極１０５が形成された基板１０１を予備加熱し
、基板１０１に吸着した水素、水、水酸基または水素化物などの不純物を脱離し排気する
ことが好ましい。なお、予備加熱室に設ける排気手段はクライオポンプが好ましい。なお
、この予備加熱の処理は省略することもできる。またこの予備加熱は、後に形成するゲー
ト絶縁膜１１１の形成前の基板１０１に行ってもよいし、後に形成する第３の電極１１３
形成前の基板１０１に行ってもよい。
【０１４７】
なお、酸化物半導体膜をスパッタリング法により形成する前に、アルゴンガスを導入して
プラズマを発生させる逆スパッタを行い、第１の電極１０５の表面に付着しているパーテ
ィクルを除去することで、第１の電極１０５及び酸化物半導体膜の界面における抵抗を低
減することができるため好ましい。逆スパッタとは、ターゲット側に電圧を印加せずに、
アルゴン雰囲気下で基板側に高周波電源を用いて電圧を印加して基板近傍にプラズマを形
成して表面を改質する方法である。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウムなどを
用いてもよい。
【０１４８】
本実施の形態では、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系金属酸化物ターゲットを用いたスパッタリン
グ法により酸化物半導体膜を形成する。また、酸化物半導体膜は、希ガス（代表的にはア
ルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、または希ガス（代表的にはアルゴン）及び酸素雰囲気
下においてスパッタリング法により形成することができる。また、スパッタリング法を用
いる場合、ＳｉＯ２を２重量％以上１０重量％以下含むターゲットを用いて形成してもよ
い。
【０１４９】
酸化物半導体膜を形成する際に用いるスパッタガスは水素、水、水酸基または水素化物な
どの不純物が、濃度ｐｐｍ程度、濃度ｐｐｂ程度まで除去された高純度ガスを用いること
が好ましい。
【０１５０】
酸化物半導体膜をスパッタリング法で作製するためのターゲットとして、酸化亜鉛を主成
分とする金属酸化物のターゲットを用いることができる。また、金属酸化物のターゲット
の他の例としては、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む金属酸化物ターゲット（組成比として、
Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１［ｍｏｌ数比］を用いることができる。ま
た、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む金属酸化物ターゲットとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：
１：２［ａｔｏｍ比］、またはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：４［ａｔｏｍ比］の組成比を
有するターゲットを用いることもできる。金属酸化物ターゲットの充填率は９０％以上１
００％以下、好ましくは９５％以上９９．９％以下である。充填率の高い金属酸化物ター
ゲットを用いて形成した酸化物半導体膜は緻密な膜となる。
【０１５１】
酸化物半導体膜は、減圧状態に保持された処理室内に基板を保持し、処理室内に残留する
水を除去しつつ、水素、水、水酸基または水素化物などが除去されたスパッタリングガス
を導入し、金属酸化物をターゲットとして基板１０１上に酸化物半導体膜を形成する。処
理室内に残留する水素、水、水酸基または水素化物などを除去するためには、吸着型の真
空ポンプを用いることが好ましい。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、排気手段としては、ターボポンプに
コールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて排気した処理室
は、例えば、水素、水、水酸基または水素化物など（より好ましくは炭素原子を含む化合
物も含む。）が排気されるため、酸化物半導体膜に含まれる不純物の濃度を低減できる。
また、基板を加熱しながら酸化物半導体膜を形成してもよい。
【０１５２】
本実施の形態では、酸化物半導体膜の成膜条件の一例として、基板温度は室温、基板とタ
ーゲットの間との距離を１１０ｍｍ、圧力０．４Ｐａ、直流（ＤＣ）電源０．５ｋＷ、酸
素及びアルゴン（酸素流量１５ｓｃｃｍ：アルゴン流量３０ｓｃｃｍ）雰囲気下の条件が
適用される。なお、パルス直流（ＤＣ）電源を用いると、成膜時に発生する粉状物質（パ
ーティクル、ゴミともいう。）が軽減でき、膜厚分布も均一となるために好ましい。酸化
物半導体膜の厚さは、１μｍ以上、好ましくは３μｍより大、より好ましくは１０μｍ以
上とする。なお、適用する酸化物半導体膜材料により適切な厚みは異なり、材料に応じて
適宜厚みを選択すればよい。
【０１５３】
第２の電極１０９となる導電膜は、第１の電極１０５の材料及び手法を適宜用いることが
できる。ここでは、第２の電極１０９となる導電膜として、厚さ５０ｎｍのチタン膜、厚
さ１００ｎｍのアルミニウム膜、及び厚さ５０ｎｍのチタン膜を順に積層する。
【０１５４】
次に、フォトリソグラフィ工程により導電膜上にレジストマスクを形成し、当該レジスト
マスクを用いて第２の電極１０９となる導電膜及び酸化物半導体膜１０７となる酸化物半
導体膜をエッチングして、島状の第２の電極１０９及び島状の酸化物半導体膜１０７を形
成する。なお、フォトリソグラフィ工程により形成したレジストマスクの代わりに、イン
クジェット法を用いてレジストマスクを作製することで、工程数を削減することができる
。当該エッチングにより、第２の電極１０９及び酸化物半導体膜１０７の端部と、第１の
電極１０５の表面となす角の角度を３０°以上６０°以下、好ましくは４０°以上５０°
以下とすることで、後に形成されるゲート絶縁膜の被覆性を向上させることができるため
好ましい。
【０１５５】
なお、ここでの導電膜及び酸化物半導体膜のエッチングは、ドライエッチングでもウェッ
トエッチングでもよく、両方を用いてもよい。所望の形状の酸化物半導体膜１０７及び第
２の電極１０９を形成するために、材料に合わせてエッチング条件（エッチング液、エッ
チング時間、温度など）を適宜調節する。
【０１５６】
なお、第２の電極１０９となる導電膜及び酸化物半導体膜と、第１の電極１０５とのエッ
チングレートが異なる場合は、第１の電極１０５のエッチングレートが低く、第２の電極
１０９となる導電膜及び酸化物半導体膜のエッチングレートの高い条件を選択する。また
は、酸化物半導体膜のエッチングレートが低く、第２の電極１０９となる導電膜のエッチ
ングレートの高い条件を選択して、第２の電極１０９となる導電膜をエッチングした後、
第１の電極１０５のエッチングレートが低く、酸化物半導体膜のエッチングレートの高い
条件を選択する。
【０１５７】
酸化物半導体膜をウェットエッチングするエッチング液としては、燐酸と酢酸と硝酸を混
ぜた溶液、アンモニア過水（過酸化水素：アンモニア水：水＝５：２：２）などを用いる
ことができる。また、ＩＴＯ０７Ｎ（関東化学社製）を用いてもよい。
【０１５８】
また、ウェットエッチング後のエッチング液はエッチングされた材料とともに洗浄によっ
て除去される。その除去された材料を含むエッチング液の廃液を精製し、含まれる材料を
再利用してもよい。当該エッチング後の廃液から酸化物半導体膜に含まれるインジウムな
どの材料を回収して再利用することにより、資源を有効活用し低コスト化することができ
る。
【０１５９】
また、酸化物半導体膜をドライエッチングする際に用いるエッチングガスとしては、塩素
を含むガス（塩素系ガス、例えば塩素（Ｃｌ２）、塩化硼素（ＢＣｌ３）、塩化珪素（Ｓ
ｉＣｌ４）、四塩化炭素（ＣＣｌ４）など）が好ましい。
【０１６０】
また、フッ素を含むガス（フッ素系ガス、例えば四弗化炭素（ＣＦ４）、六弗化硫黄（Ｓ
Ｆ６）、三弗化窒素（ＮＦ３）、トリフルオロメタン（ＣＨＦ３）など）、臭化水素（Ｈ
Ｂｒ）、酸素（Ｏ２）、これらのガスにヘリウム（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）などの希ガ
スを添加したガス、などを用いることができる。
【０１６１】
ドライエッチング法としては、平行平板型ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈ
ｉｎｇ）法や、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ：誘導
結合型プラズマ）エッチング法を用いることができる。所望の加工形状にエッチングでき
るように、エッチング条件（コイル型の電極に印加される電力量、基板側の電極に印加さ
れる電力量、基板側の電極温度など）を適宜調節する。
【０１６２】
本実施の形態では、エッチャントとしてアンモニア過水を用いて、第２の電極１０９とな
る導電膜をエッチングした後、燐酸と酢酸と硝酸を混ぜた溶液で酸化物半導体膜をエッチ
ングして、酸化物半導体膜１０７を形成する。
【０１６３】
次に、本実施の形態では、第１の加熱処理を行う。第１の加熱処理の温度は、４００℃以
上７５０℃以下、好ましくは４００℃以上基板の歪み点未満とする。ここでは、加熱処理
装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半導体膜に対して窒素、希ガスなどの不
活性ガス雰囲気下において４５０℃、１時間の加熱処理を行った後、大気に触れさせない
ことで、酸化物半導体膜への水素、水、水酸基または水素化物などの再侵入を防ぐことが
可能であり水素濃度が低減され高純度化され、ｉ型化または実質的にｉ型化された酸化物
半導体膜を得ることができる。即ち、この第１の加熱処理によって酸化物半導体膜１０７
の脱水化及び脱水素化の少なくとも一方を行うことができる。
【０１６４】
なお、第１の加熱処理においては、窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴンなどの希ガ
スに、水素、水、水酸基または水素化物などが含まれないことが好ましい。または、加熱
処理装置に導入する窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴンなどの希ガスの純度を、６
Ｎ（９９．９９９９％）以上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上、（即ち不純
物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
【０１６５】
また、第１の加熱処理の条件、または酸化物半導体膜の材料によっては、酸化物半導体膜
が結晶化せず、図１（Ｂ）に示す酸化物半導体膜１０７となる。このような条件の一つは
、加熱温度が４００℃以上５５０℃未満、好ましくは４００℃以上５００℃未満である。
また、このような条件の一つは、スパッタリング法により形成されるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−
Ｏ系の酸化物半導体の場合は、ターゲットのＩｎの含有量（原子％）及びＧａの含有量（
原子％）に対して、Ｚｎの含有量（原子％）が１未満（代表的にはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１
：１：０．５）の場合、酸化物半導体膜は結晶化せず、図１（Ｂ）に示す酸化物半導体膜
１０７となる。
【０１６６】
また、第１の加熱条件、または酸化物半導体膜の材料によっては、酸化物半導体膜は結晶
化し、結晶を有する酸化物半導体膜となる場合もある。例えば、結晶化率が９０％以上、
または８０％以上の結晶を有する酸化物半導体膜となる場合もある。
【０１６７】
また、第１の加熱条件、または酸化物半導体膜の材料によっては、非晶質の酸化物半導体
膜の表層部に結晶領域が形成される酸化物半導体膜となる場合もある。このような条件の
一つは、加熱温度が５００℃以上７５０℃以下、好ましくは５５０℃以上基板の歪み点未
満である。また、このような条件の一つは、スパッタリング法により形成されるＩｎ−Ｇ
ａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体の場合は、ターゲットのＩｎの含有量（原子％）及びＧａ
の含有量（原子％）に対して、Ｚｎの含有量（原子％）が１以上（代表的にはＩｎ：Ｇａ
：Ｚｎ＝１：１：１）の場合、図２（Ｂ）に示すような、酸化物半導体膜の表層部に結晶
領域１５７を有する酸化物半導体膜１５１ａとなる。
【０１６８】
また、酸化物半導体膜の第１の加熱処理は、島状の酸化物半導体膜を形成する前の酸化物
半導体膜に行ってもよい。その場合には、第１の加熱処理後に、加熱装置から基板を取り
出し、フォトリソグラフィ工程を行う。
【０１６９】
なお、酸化物半導体膜に対する脱水化、脱水素化の効果を奏する加熱処理は、酸化物半導
体膜を形成した後、酸化物半導体膜上に第２の電極となる導電膜を積層した後、第１の電
極、酸化物半導体膜及び第２の電極上にゲート絶縁膜を形成した後、またはゲート電極を
形成した後のいずれで行ってもよい。
【０１７０】
次に、図１０（Ｃ）に示すように、第１の電極１０５、酸化物半導体膜１０７、第２の電
極１０９上にゲート絶縁膜１１１を形成する。
【０１７１】
不純物を除去することによりｉ型化または実質的にｉ型化された酸化物半導体膜（水素濃
度が低減され高純度化された酸化物半導体膜）は界面準位、界面電荷に対して極めて敏感
であるため、ゲート絶縁膜１１１との界面は重要である。そのため高純度化された酸化物
半導体膜に接するゲート絶縁膜１１１は、高品質化が要求される。
【０１７２】
例えば、μ波（２．４５ＧＨｚ）を用いた高密度プラズマＣＶＤにより、緻密で絶縁耐圧
の高い高品質な絶縁膜を形成できるので好ましい。水素濃度が低減され高純度化された酸
化物半導体膜と高品質ゲート絶縁膜とが密接することにより、界面準位を低減して界面特
性を良好なものとすることができるからである。
【０１７３】
もちろん、ゲート絶縁膜として良質な絶縁膜を形成できるものであれば、スパッタリング
法やプラズマＣＶＤ法など他の成膜方法を適用することができる。また、ゲート絶縁膜の
形成後の加熱処理によってゲート絶縁膜の膜質、酸化物半導体膜との界面特性が改質され
る絶縁膜であっても良い。いずれにしても、ゲート絶縁膜としての膜質が良好であること
は勿論のこと、酸化物半導体膜との界面準位密度を低減し、良好な界面を形成できるもの
であれば良い。
【０１７４】
さらに、８５℃、２×１０６Ｖ／ｃｍ、１２時間のゲートバイアス・熱ストレス試験（Ｂ
Ｔ試験）においては、不純物が酸化物半導体膜に添加されていると、不純物と酸化物半導
体膜の主成分との結合が、強電界（Ｂ：バイアス）と高温（Ｔ：温度）により切断され、
生成された未結合手がしきい値電圧（Ｖｔｈ）のドリフトを誘発することとなる。
【０１７５】
これに対して、酸化物半導体膜の不純物、特に水素や水などを極力除去し、上記のように
ゲート絶縁膜との界面特性を良好にすることにより、ＢＴ試験に対しても安定なトランジ
スタを得ることを可能としている。
【０１７６】
スパッタリング法でゲート絶縁膜１１１を形成することでゲート絶縁膜１１１中の水素濃
度を低減することができる。スパッタリング法により酸化シリコン膜を形成する場合には
、ターゲットとしてシリコンターゲットまたは石英ターゲットを用い、スパッタガスとし
て酸素または、酸素及びアルゴンの混合ガスを用いて行う。
【０１７７】
なお、酸化物半導体膜に接して設けられる絶縁膜にハロゲン元素（例えば、フッ素または
塩素）を含ませ、または酸化物半導体膜を露出させた状態でハロゲン元素を含むガス雰囲
気中でのプラズマ処理によって酸化物半導体膜にハロゲン元素を含ませ、酸化物半導体膜
または該酸化物半導体膜に接して設けられる絶縁膜との界面に存在しうる、水素、水、水
酸基又は水素化物（水素化合物ともいう）などの不純物を排除してもよい。絶縁膜にハロ
ゲン元素を含ませる場合には、該絶縁膜中におけるハロゲン元素濃度は、５×１０１８ｃ
ｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３程度とすればよい。
【０１７８】
また、上記したように酸化物半導体膜中または酸化物半導体膜とこれに接する絶縁膜との
界面にハロゲン元素を含ませ、酸化物半導体膜と接して設けられた絶縁膜が酸化物絶縁膜
である場合には、酸化物半導体膜と接しない側の酸化物絶縁膜を、窒素物絶縁膜で覆うこ
とが好ましい。すなわち、酸化物半導体膜に接する酸化物絶縁膜の上に接して窒化シリコ
ン膜などを設ければよい。このような構造とすることで、水素、水、水酸基又は水素化物
などの不純物が酸化物絶縁膜に侵入することを低減することができる。
【０１７９】
ゲート絶縁膜１１１は、第１の電極１０５、酸化物半導体膜１０７、及び第２の電極１０
９側から酸化シリコン膜と窒化シリコン膜を積層した構造とすることもできる。例えば、
第１のゲート絶縁膜として膜厚５ｎｍ以上３００ｎｍ以下の酸化シリコン膜（ＳｉＯｘ（
ｘ＞０））を形成し、第１のゲート絶縁膜上に第２のゲート絶縁膜としてスパッタリング
法により膜厚５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の窒化シリコン膜（ＳｉＮｙ（ｙ＞０））を積
層して、膜厚１００ｎｍのゲート絶縁膜としてもよい。本実施の形態では、圧力０．４Ｐ
ａ、高周波電源１．５ｋＷ、酸素及びアルゴン（酸素流量２５ｓｃｃｍ：アルゴン流量２
５ｓｃｃｍ＝１：１）雰囲気下でＲＦスパッタリング法により膜厚１００ｎｍの酸化シリ
コン膜を形成する。
【０１８０】
次に、不活性ガス雰囲気下、または酸素ガス雰囲気下で第２の加熱処理（好ましくは２０
０℃以上４００℃以下、例えば２５０℃以上３５０℃以下）を行う。当該加熱処理により
、第１の加熱処理で発生した酸素欠陥に酸素を供給することで、ドナーとなる酸素欠陥を
低減し、化学量論比を満たす構成とすることが可能であり、酸化物半導体膜１０７をｉ型
化または実質的にｉ型化にすることができる。なお、当該第２の加熱処理は、のちに形成
される第３の電極１１３、絶縁膜１１７、または配線１２５、１２９のいずれかを形成し
た後に行ってもよい。当該加熱処理により、酸化物半導体膜中に含まれる水素若しくは水
をゲート絶縁膜に拡散させることができる。
【０１８１】
次に、ゲート絶縁膜１１１上にゲート電極として機能する第３の電極１１３を形成する。
【０１８２】
第３の電極１１３は、ゲート絶縁膜１１１上に第３の電極１１３となる導電膜をスパッタ
リング法、ＣＶＤ法、または真空蒸着法で形成し、当該導電膜上にフォトリソグラフィ工
程によりレジストマスクを形成し、当該レジストマスクを用いて導電膜をエッチングして
、形成することができる。
【０１８３】
本実施の形態では、厚さ１５０ｎｍのチタン膜をスパッタリング法により形成した後、フ
ォトリソグラフィ工程により形成したレジストマスクを用いてエッチングして、第３の電
極１１３を形成する。
【０１８４】
以上の工程で、水素濃度が低減され高純度化された酸化物半導体膜１０７を有するトラン
ジスタ１４５を形成することができる。
【０１８５】
次に、図１１（Ａ）に示すように、ゲート絶縁膜１１１及び第３の電極１１３上に絶縁膜
１１７を形成した後、コンタクトホール１１９、１２３を形成する。
【０１８６】
絶縁膜１１７は、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、または酸
化窒化アルミニウム膜などの酸化物絶縁膜、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化
アルミニウム膜、または窒化酸化アルミニウム膜などの窒化物絶縁膜を用いる。または、
酸化物絶縁膜及び窒化物絶縁膜の積層とすることもできる。
【０１８７】
絶縁膜１１７は、スパッタリング法、ＣＶＤ法などで形成する。なお、スパッタリング法
で絶縁膜１１７を形成する場合、基板１０１を１００℃〜４００℃の温度に加熱し、水素
、水、水酸基または水素化物などが除去された高純度窒素を含むスパッタガスを導入しシ
リコンターゲットを用いて絶縁膜を形成してもよい。この場合においても、処理室内に残
留する水素、水、水酸基または水素化物などを除去しつつ絶縁膜を形成することが好まし
い。
【０１８８】
なお、絶縁膜１１７の形成後、さらに、大気中、１００℃以上２００℃以下、１時間以上
３０時間以下での加熱処理を行ってもよい。この加熱処理によって、ノーマリーオフとな
るトランジスタを得ることができる。よって表示装置や半導体装置の信頼性を向上できる
。
【０１８９】
コンタクトホール１１９、１２３は、フォトリソグラフィ工程によりレジストマスクを形
成し、選択的にエッチングを行ってゲート絶縁膜１１１及び絶縁膜１１７の一部を除去し
て、第１の電極１０５、第２の電極１０９、及び第３の電極１１３に達するコンタクトホ
ール１１９、１２３を形成する。
【０１９０】
次に、ゲート絶縁膜１１１、及びコンタクトホール１１９、１２３上に導電膜を形成した
後、フォトリソグラフィ工程により形成したレジストマスクを用いてエッチングして、配
線１２５、１２９を形成する（図１１（Ｂ）参照）。なお、レジストマスクをインクジェ
ット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスク
を使用しないため、製造コストを削減できる。
【０１９１】
配線１２５、１２９は、第１の電極１０５と同様に形成することができる。
【０１９２】
なお、第３の電極１１３及び配線１２５、１２９の間に平坦化のための平坦化絶縁膜を設
けてもよい。平坦化絶縁膜の代表例としては、ポリイミド、アクリル、ベンゾシクロブテ
ン、ポリアミド、エポキシなどの、耐熱性を有する有機材料を用いることができる。また
上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リ
ンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）などがある。なお、これらの材料で形成され
る絶縁膜を複数積層させることで、平坦化絶縁膜を形成してもよい。
【０１９３】
なおシロキサン系樹脂とは、シロキサン系材料を出発材料として形成されたＳｉ−Ｏ−Ｓ
ｉ結合を含む樹脂に相当する。シロキサン系樹脂は置換基としては有機基（例えばアルキ
ル基やアリール基）やフルオロ基を用いてもよい。また、有機基はフルオロ基を有してい
てもよい。
【０１９４】
平坦化絶縁膜の形成法は、特に限定されず、その材料に応じて、スパッタリング法、ＳＯ
Ｇ法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法、スクリ
ーン印刷、オフセット印刷など）、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター
、ナイフコーターなどを用いることができる。
【０１９５】
上記のように酸化物半導体膜中の水素の濃度を低減し、高純度化することができる。それ
により酸化物半導体膜の安定化を図ることができる。また、ガラス転移温度以下の加熱処
理で、キャリア密度が極端に少なく、バンドギャップの広い酸化物半導体膜を形成するこ
とができる。このため、大面積基板を用いてトランジスタを作製することができるため、
量産性を高めることができる。また、当該水素濃度が低減され高純度化された酸化物半導
体膜を用いることで、耐圧が高く、ショートチャネル効果に強く、オンオフ比の高いトラ
ンジスタを作製することができる。
【０１９６】
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能
である。
【０１９７】
（実施の形態６）
本実施の形態では、実施の形態２に示すトランジスタの作製方法について、図１０及び図
１２を用いて説明する。
【０１９８】
実施の形態５と同様に、図１０（Ａ）に示すように、基板１０１上に絶縁膜１０３及び第
１の電極１０５を形成する。次に、図１０（Ｂ）に示すように、第１の電極１０５上に酸
化物半導体膜１０７及び第２の電極１０９を形成する。
【０１９９】
次に、第１の加熱処理を行う。本実施の形態における第１の加熱処理は、上記実施の形態
における第１の加熱処理とは異なるものであり、当該加熱処理によって、図１２に示すよ
うに、表層部に結晶領域１５７が形成される酸化物半導体膜１５１ａを形成することがで
きる。
【０２００】
本実施の形態では、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導及び熱輻射の少なくとも一方に
よって被処理物を加熱する装置を用いて第１の加熱処理を行う。ここで、加熱処理の温度
は５００℃以上７５０℃以下、好ましくは５５０℃以上基板の歪み点未満とすることが好
適である。なお、加熱処理温度の上限に関し、発明の本質的な部分からの要求はないが、
加熱処理温度の上限は基板１０１の耐熱性の範囲内とする必要がある。また、加熱処理の
時間は、１分以上１０分以下とすることが好適である。上述のようなＲＴＡ処理を適用す
ることで、短時間に加熱処理を行うことができるため、基板１０１に対する熱の影響を小
さくすることができる。つまり、加熱処理を長時間行う場合と比較して、加熱処理温度の
上限を引き上げることが可能である。また、酸化物半導体膜の表面近傍に、所定の構造の
結晶領域を選択的に形成することが可能である。
【０２０１】
本実施の形態で用いることができる加熱装置としては、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ  Ｒａｐｉｄ  
Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ  Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａ
ｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置などのＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装
置などがある。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアー
クランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプ
から発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置である。ＧＲＴＡ装置は
、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。気体には、アルゴンなどの希ガス、ま
たは窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられる。
【０２０２】
例えば、第１の加熱処理として、６５０℃〜７００℃の高温に加熱した窒素または希ガス
などの不活性ガス雰囲気に基板を移動し、数分間加熱した後、高温に加熱した不活性ガス
中から基板を出すＧＲＴＡを行ってもよい。ＧＲＴＡを用いると短時間での高温加熱処理
が可能となる。
【０２０３】
なお、第１の加熱処理においては、窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴンなどの希ガ
スに、水素、水、水酸基または水素化物などが含まれないことが好ましい。または、加熱
処理装置に導入する窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴンなどの希ガスの純度を、６
Ｎ（９９．９９９９％）以上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上、（即ち不純
物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
【０２０４】
なお、上記の加熱処理は、酸化物半導体膜を形成した後であればいずれのタイミングで行
ってもよいが、脱水化または脱水素化を促進させるためには、酸化物半導体膜１０７の表
面に他の構成要素を設ける前に行うのが好適である。また、上記の加熱処理は、一回に限
らず、複数回行っても良い。
【０２０５】
この後、実施の形態５と同様に、ゲート絶縁膜と、ゲート電極として機能する第３の電極
を形成してトランジスタを作製する。
【０２０６】
酸化物半導体膜１５１ａの表面に結晶領域１５７を有することで、ソース及びドレイン間
の抵抗が低減すると共に、酸化物半導体膜１５１ａ表面におけるキャリア移動度が向上す
る。このため、当該酸化物半導体膜１５１ａを有するトランジスタの電界効果移動度が高
く、良好な電気特性を実現できる。
【０２０７】
また、結晶領域１５７は、非晶質領域１５５と比較して安定であるため、これを酸化物半
導体膜１５１の表面近傍に有することで、非晶質領域１５５に不純物（例えば水素、水、
水酸基または水素化物など）が取り込まれることを低減することが可能である。このため
、酸化物半導体膜１５１ａの信頼性を向上させることができる。
【０２０８】
以上の工程により酸化物半導体膜中の水素の濃度を低減し、高純度化することができる。
それにより酸化物半導体膜の安定化を図ることができる。また、ガラス転移温度以下の加
熱処理で、キャリア密度が極端に少なく、バンドギャップの広い酸化物半導体膜を形成す
ることができる。このため、大面積基板を用いてトランジスタを作製することができるた
め、量産性を高めることができる。また、当該水素濃度が低減され高純度化された酸化物
半導体膜を用いることで、耐圧が高く、ショートチャネル効果に強く、オンオフ比の高い
トランジスタを作製することができる。
【０２０９】
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能
である。
【０２１０】
（実施の形態７）
本実施の形態では、図１に示すトランジスタの製造工程について、図１０を用いて説明す
る。
【０２１１】
実施の形態５と同様に、図１０（Ａ）に示すように、基板１０１上に絶縁膜１０３を成膜
し、島状の第１の電極１０５を形成する。
【０２１２】
次に、図１０（Ｂ）に示すように、島状の第１の電極１０５上に酸化物半導体膜１０７及
び島状の第２の電極１０９を形成する。
【０２１３】
なお、酸化物半導体膜をスパッタリング法により形成する前に、アルゴンガスを導入して
プラズマを発生させる逆スパッタを行い、第１の電極１０５の表面に付着しているパーテ
ィクルを除去することで、第１の電極１０５及び酸化物半導体膜の界面における抵抗を低
減することができるため好ましい。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウムなどを
用いてもよい。
【０２１４】
基板１０１及び第１の電極１０５上にスパッタリング法により酸化物半導体膜を形成する
。次に、酸化物半導体膜上に導電膜を形成する。
【０２１５】
本実施の形態では、酸化物半導体膜をＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系金属酸化物ターゲットを用
いたスパッタリング法により形成する。本実施の形態では、減圧状態に保持された処理室
内に基板を保持し、基板を室温以上４００℃未満の温度に加熱する。処理室内に残留する
水素、水、水酸基または水素化物などを除去しつつ、水素、水、水酸基または水素化物な
どが除去されたスパッタガスを導入し、金属酸化物をターゲットとして基板１０１及び第
１の電極１０５上に酸化物半導体膜を形成する。処理室内に残留する水素、水、水酸基ま
たは水素化物などを除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい。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、排気手段としては、ターボ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。クライオポンプを用いて排気した処理室は、例えば、水素、水、水酸基または
水素化物（より好ましくは炭素原子を含む化合物も含む。）が排気されるため、当該処理
室で形成した酸化物半導体膜に含まれる不純物の濃度を低減できる。また、クライオポン
プにより処理室内に残留する水素、水、水酸基または水素化物などを除去しながらスパッ
タリングを行うことで、基板温度が室温から４００℃未満でも、ドナーとなる水素原子、
水などの不純物を低減することが可能であり、化学量論比を満たす構成であるｉ型または
実質的にｉ型の酸化物半導体膜を形成することができる。
【０２１６】
本実施の形態では、基板とターゲットの間との距離を１００ｍｍ、圧力０．６Ｐａ、直流
（ＤＣ）電源０．５ｋＷ、酸素（酸素流量比率１００％）雰囲気下での成膜条件が適用さ
れる。なお、パルス直流（ＤＣ）電源を用いると、成膜時に発生する粉状物質（パーティ
クル、ゴミともいう。）が軽減でき、膜厚分布も均一となるために好ましい。酸化物半導
体膜は好ましくは３０ｎｍ以上３０００ｎｍ以下とする。なお、適用する酸化物半導体膜
材料により適切な厚みは異なり、材料に応じて適宜厚みを選択すればよい。
【０２１７】
次に、第２の電極１０９となる導電膜を、第１の電極１０５の材料及び手法を用いて形成
する。
【０２１８】
次に、実施の形態５と同様に、第２の電極１０９となる導電膜及び酸化物半導体膜１０７
となる酸化物半導体膜をエッチングして、第２の電極１０９及び酸化物半導体膜１０７を
形成する。所望の形状の酸化物半導体膜１０７及び第２の電極１０９を形成するために、
材料に合わせてエッチング条件（エッチング液、エッチング時間、温度など）を適宜調節
する。
【０２１９】
次に、図１０（Ｃ）に示すように、実施の形態５と同様に、第１の電極１０５、酸化物半
導体膜１０７、第２の電極１０９上にゲート絶縁膜１１１を形成する。なお、本実施の形
態では、酸化物半導体膜中に含まれる水素濃度が低減されているため、ゲート絶縁膜１１
１を形成する前に、実施の形態６に示す第１の加熱処理は行わなくともよい。ゲート絶縁
膜１１１は、酸化物半導体膜１０７との界面特性が良好なものとすることが好ましく、μ
波（２．４５ＧＨｚ）を用いた高密度プラズマＣＶＤで緻密なゲート絶縁膜１１１を形成
することで、緻密で絶縁耐圧の高い高品質な絶縁膜を形成できるので好ましい。また、ゲ
ート絶縁膜として良質な絶縁膜を形成できるものであれば、スパッタリング法やプラズマ
ＣＶＤ法など他の形成方法を適用することができる。さらには、スパッタリング法やプラ
ズマＣＶＤ法で形成した絶縁膜の表面に、μ波（２．４５ＧＨｚ）を用いた高密度プラズ
マを照射することで、更に緻密で絶縁耐圧の高い高品質なゲート絶縁膜を形成できるので
好ましい。
【０２２０】
なお、ゲート絶縁膜１１１を形成する前に逆スパッタを行い、少なくとも酸化物半導体膜
１０７の表面に付着しているレジスト残渣などを除去することが好ましい。
【０２２１】
また、ゲート絶縁膜１１１を形成する前にＮ２Ｏ、Ｎ２、またはＡｒなどのガスを用いた
プラズマ処理によって露出している酸化物半導体膜の表面に付着した水素、水、水酸基ま
たは水素化物などを除去してもよい。また、酸素とアルゴンの混合ガスを用いてプラズマ
処理を行ってもよい。プラズマ処理を行った場合、大気に触れることなく、酸化物半導体
膜の一部に接するゲート絶縁膜１１１を形成することが好ましい。
【０２２２】
また、ゲート絶縁膜１１１に、水素、水、水酸基または水素化物などがなるべく含まれな
いようにするために、前処理として、スパッタリング装置の予備加熱室で第１の電極１０
５から第２の電極１０９まで形成された基板１０１を予備加熱し、基板１０１に吸着した
水素、水、水酸基または水素化物などの不純物を脱離し排気することが好ましい。または
、ゲート絶縁膜１１１を形成した後、基板１０１を、スパッタリング装置の予備加熱室で
予備加熱して、基板１０１に吸着した水素、水、水酸基または水素化物などの不純物を脱
離し排気することが好ましい。なお、予備加熱の温度としては、１００℃以上４００℃以
下好ましくは１５０℃以上３００℃以下である。なお、予備加熱室に設ける排気手段はク
ライオポンプが好ましい。なお、この予備加熱の処理は省略することもできる。
【０２２３】
ゲート絶縁膜１１１は、第１の電極１０５、酸化物半導体膜１０７、及び第２の電極１０
９側から酸化シリコン膜と窒化シリコン膜とを積層した構造とすることもできる。例えば
、第１のゲート絶縁膜としてスパッタリング法により膜厚５ｎｍ以上３００ｎｍ以下の酸
化シリコン膜（ＳｉＯｘ（ｘ＞０））を形成し、第１のゲート絶縁膜上に第２のゲート絶
縁膜として膜厚５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の窒化シリコン膜（ＳｉＮｙ（ｙ＞０））を
積層して、ゲート絶縁膜とする。
【０２２４】
次に、図１０（Ｃ）に示すように、実施の形態５と同様に、ゲート絶縁膜１１１上にゲー
ト電極として機能する第３の電極１１３を形成する。
【０２２５】
以上の工程で、水素濃度が低減された酸化物半導体膜１０７を有するトランジスタ１４５
を形成することができる。
【０２２６】
上記のように酸化物半導体膜を形成する際に、反応雰囲気中に残留する水素、水、水酸基
または水素化物などを除去することで、該酸化物半導体膜中の水素濃度を低減することが
できる。それにより酸化物半導体膜の安定化を図ることができる。
【０２２７】
次に、図１１（Ａ）に示すように、実施の形態５と同様に、ゲート絶縁膜１１１及び第３
の電極１１３上に絶縁膜１１７を形成した後、コンタクトホール１１９、１２３を形成す
る。なお、絶縁膜１１７の形成後、さらに、実施の形態６と同様に、大気中、１００℃以
上２００℃以下、１時間以上３０時間以下での加熱処理を行ってもよい。この加熱処理に
よって、ノーマリーオフとなるトランジスタを得ることができる。よって表示装置や半導
体装置の信頼性を向上できる。
【０２２８】
次に、図１１（Ｂ）に示すように、実施の形態５と同様に、配線１２５、１２９を形成す
る。
【０２２９】
なお、第３の電極１１３及び配線１２５、１２９の間に平坦化のための平坦化絶縁膜を設
けてもよい。
【０２３０】
上記のように酸化物半導体膜を形成するに際し、反応雰囲気中に残留する水素、水、水酸
基または水素化物などを除去することで、該酸化物半導体膜中の水素の濃度を低減し、高
純度化することができる。それにより酸化物半導体膜の安定化を図ることができる。また
、ガラス転移温度以下の加熱処理で、キャリア密度が極端に少なく、バンドギャップの広
い酸化物半導体膜を形成することができる。このため、大面積基板を用いてトランジスタ
を作製することができるため、量産性を高めることができる。また、当該水素濃度が低減
され高純度化された酸化物半導体膜を用いることで、耐圧が高く、ショートチャネル効果
に強く、オンオフ比の高いトランジスタを作製することができる。
【０２３１】
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能
である。
【０２３２】
（実施の形態８）
実施の形態１乃至実施の形態７に示すトランジスタを有する回路を用いた形態について説
明する。
【０２３３】
実施の形態１乃至実施の形態７に示すトランジスタは、オンオフ比が高く、耐圧が高く、
劣化が少ないため、エアコン、冷蔵庫、炊飯器、太陽光発電システムなどのインバータ技
術を応用した家電製品、ノート型のコンピュータをはじめとするバッテリ駆動型携帯情報
端末機器、ストロボなどの電力増幅装置、電気自動車、ＤＣ／ＤＣ（直流／直流）コンバ
ータ回路、モータ制御回路、オーディオ増幅器、ロジック回路、スイッチ回路、高周波リ
ニア増幅器などに用いることができる。
【０２３４】
ここで、実施の形態１乃至実施の形態７に示すトランジスタを用いて構成されるインバー
タを備えた太陽光発電システムの一例について、図１３を参照して説明する。なお、ここ
では、住宅等に設置される太陽光発電システムの構成の一例について示す。
【０２３５】
図１３に示す住宅用の太陽光発電システムは、太陽光発電の状況に応じて、電力の供給方
式を変更するシステムである。例えば、晴天時など太陽光発電が行われる状況においては
、太陽光発電により生じた電力を家庭内で消費し、また、余剰電力は電力会社からの配電
線４１４に供給する。一方、太陽光発電による電力が不足する夜間や雨天時には、配電線
４１４から電気の供給を受けて、それを家庭内で消費する。
【０２３６】
図１３に示す住宅用の太陽光発電システムは、太陽光を電力（直流）に変換する太陽電池
パネル４００や、その電力を直流から交流に変換するインバータ４０４などを含む。イン
バータ４０４から出力される交流電力は、各種の電気器具４１０を動作させる電力として
使用される。
【０２３７】
余分な電力は、配電線４１４を通じて家庭外に供給される。すなわち、当該システムを利
用して電力の売却が可能である。直流開閉器４０２は、太陽電池パネル４００とインバー
タ４０４との接続または遮断を選択するために設けられている。また、交流開閉器４０８
は、配電線４１４と接続されるトランス４１２と、分電盤４０６との接続または遮断を選
択するために設けられている。
【０２３８】
上記のインバータに、開示する発明の半導体装置を適用することで、信頼性が高く、安価
な太陽光発電システムを実現することができる。
【０２３９】
本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることが
できる。
【実施例１】
【０２４０】
本実施例では、ショートチャネル効果が生じにくく、オンオフ比の高いトランジスタの酸
化物半導体膜の厚さ及びチャネル幅について二次元デバイスシミュレータを用いて計算し
た結果を、図１４乃至図１６を用いて説明する。なお、ここでは、デバイスシミュレータ
としてＳｉｌｖａｃｏ社のＡｔｌａｓを用いた。
【０２４１】
はじめに、計算を行ったトランジスタの構造について、図１を用いて説明する。第１の電
極１０５及び第２の電極１０９は、酸化物半導体膜１０７とオーミック接触が可能な材料
（代表的にはチタン）を想定し、仕事関数を４．３ｅＶとした。酸化物半導体膜１０７を
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜とし、電子親和力を４．３ｅＶとした。ゲート絶縁膜１１１を厚
さ１００ｎｍのＳｉＯ２とした。また、酸化物半導体膜１０７の厚さをＬとし、図１（Ａ
）のＷ２を１μｍに固定し、Ｗ１及びＬを変化させて計算を行った。
【０２４２】
デバイスシミュレータにより、オンオフ比を計算し、オンオフ比が１×１０７の動作を示
すＬ及びＷ１の関係を直線２０１で示し、オンオフ比が１×１０７以上の動作を示すＬ及
びＷ１の領域をハッチング２０３で示した（図１４（Ａ）参照）。また、Ｖｄｓ（ソース
ドレイン電圧）が１０Ｖと０．１Ｖそれぞれのしきい値電圧の差（以下、ΔＶｔｈと示す
。）を計算し、ΔＶｔｈが−０．５ＶのときのＬ及びＷ１の関係を直線２１１で示し、Δ
Ｖｔｈが−１ＶのときのＬ及びＷ１の関係を破線２１３で示し、ΔＶｔｈが−２Ｖのとき
のＬ及びＷ１の関係を破線２１５で示した。また、ΔＶｔｈが−０．５Ｖ以下の領域をハ
ッチング２１７で示し、ΔＶｔｈが−０．５Ｖより大きく−１Ｖ以下の領域をハッチング
２１９で示した（図１４（Ｂ）参照）。
【０２４３】
図１４（Ａ）のハッチング２０３で示す領域を満たすＬ及びＷ１の関係を満たすことで、
トランジスタのオンオフ比を高めることができる。更には、図１４（Ｂ）のハッチング２
１９で示す領域を満たすＬ及びＷ１の関係、より好ましくは図１４（Ｂ）のハッチング２
１７で示す領域を満たすＬ及びＷ１の関係を満たすことで、トランジスタのオンオフ比を
高めると共に、ショートチャネル効果を抑制することができる。
【０２４４】
次に、図１５（Ａ）および図１６（Ａ）に、Ｌを１μｍ、Ｗ１を０．７μｍ、第２の電極
１０９の幅０．５μｍとしたときの酸化物半導体におけるキャリア密度分布を示し、図１
５（Ｂ）及び図１６（Ｂ）にＬを１μｍ、Ｗ１を１．２μｍ、第２の電極１０９の幅１．
０μｍとしたときの酸化物半導体におけるキャリア密度分布を示す。なお、図１５はＶＧ
Ｓ（ゲートソース電圧）を−２Ｖとしたオフ状態のキャリア密度分布を示し、図１６はＶ
ＧＳ（ゲートソース電圧）を＋２Ｖとしたオン状態のキャリア密度分布を示す。また、ゲ
ート電極として機能する第３の電極１１３がゲート絶縁膜１１１を介して第２の電極１０
９上を覆っているが、これはシミュレーションの図形を簡略化するためであり、シミュレ
ーション結果には影響はない。
【０２４５】
図１５（Ａ）に示すトランジスタは、キャリア密度の低い領域（キャリア密度１×１０−
６〜１×１０−１０ｃｍ−３）が酸化物半導体膜１０７の中央まで広がっているため、図
１５（Ｂ）と比較してオフ状態においてオフ電流を低減することができる。図１６（Ａ）
及び図１６（Ｂ）はそれぞれ、酸化物半導体膜１０７の表面だけでなく中央においても電
子密度が高く、ゲート絶縁膜と接する酸化物半導体膜の表面だけでなく、酸化物半導体膜
の内部にまでチャネル形成領域が形成されていることが分かる。以上のことから、本実施
例に示すトランジスタは、オン電流を高めることが可能であることが分かる。
【実施例２】
【０２４６】
本実施例では、酸化物半導体のキャリア密度について、図１７及び図１８を用いて説明す
る。
【０２４７】
はじめに、容量電圧（ＣＶ）測定に用いた試料の構造について、図１７を用いて説明する
。
【０２４８】
ガラス基板５０１上に厚さ３００ｎｍのチタン膜５０３をスパッタリング法により形成し
、その上に厚さ１００ｎｍの窒化チタン膜５０５をスパッタリング法により形成した。
【０２４９】
窒化チタン膜５０５上に酸化物半導体膜５０７として、厚さ２０００ｎｍのＩｎ−Ｇａ−
Ｚｎ−Ｏ膜をスパッタリング法により形成した。このときの堆積条件は、スパッタガスと
して流量３０ｓｃｃｍのＡｒ、流量１５ｓｃｃｍの酸素を用い、ターゲット及び基板間隔
を６０ｍｍとし、直流（ＤＣ）電源０．５ｋＷ、成膜温度を室温とした。
【０２５０】
次に、ＣＶＤ法により厚さ３００ｎｍの酸化窒化シリコン膜５０９を形成し、その上に厚
さ３００ｎｍの銀膜５１１を形成した。
【０２５１】
次に、当該試料をＣＶ測定した結果を図１８（Ａ）に示し、図１８（Ａ）に示す測定結果
から電圧に対するＣ−２の曲線を図１８（Ｂ）に示す。ここで、試料の弱反転状態でのＣ
−２の曲線の傾きを数式７に代入することで、キャリア密度を求めることができる。なお
、図１８（Ｂ）においてＣ−２の曲線を実線で示し、弱反転状態でのＣ−２の傾きを破線
で示す。傾きは１．９６×１０１８Ｃ−２Ｖ−１であった。
【０２５２】
【数７】
0005977328.tif 000006
【０２５３】
なお、ｅは素電荷、εｓは酸化物半導体の比誘電率、ε０は真空の誘電率、ｎはキャリア
密度である。
【０２５４】
数式７から、本実施例の酸化物半導体のキャリア密度は、６×１０１０ｃｍ−３であった
。このことから、本実施例に示す酸化物半導体のキャリア密度が極めて低いことがわかる
。
【実施例３】
【０２５５】
本実施例では、加熱処理により脱水化または脱水素化した酸化物半導体膜について、ＴＥ
Ｍ分析法を用いて解析した結果について図１９乃至図２１を用いて説明する。
【０２５６】
はじめに試料の作製方法について、説明する。
【０２５７】
基板６０１上にスパッタリング法により酸化物半導体膜を成膜した。
【０２５８】
ここでは、基板６０１として、ＥａｇｌｅＸＧ基板（コーニング社製）を用いた。酸化物
半導体膜は、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１の金属酸化物ターゲットを使
用して、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜６０３を堆積した。当該試料を比較例である試料Ｂとす
る。
【０２５９】
次に、電気炉装置を用い窒素ガス雰囲気中で６５０℃、６０分間の加熱処理を行った。加
熱処理を行った酸化物半導体膜を酸化物半導体膜６０５とする。当該試料を試料Ａとする
。
【０２６０】
それぞれの試料の結晶状態を調べるために、高分解能透過電子顕微鏡（日立製作所製「Ｈ
９０００−ＮＡＲ」：ＴＥＭ）を用いて、加速電圧を３００ｋＶとし、断面の結晶状態の
観察を行った。図１９に試料Ａの断面写真を示し、図２０に試料Ｂの断面写真を示す。な
お、図１９（Ａ）、図２０（Ａ）は低倍写真（２００万倍）、図１９（Ｂ）、図２０（Ｂ
）は高倍写真（４００万倍）である。
【０２６１】
図１９に示す６５０℃で６０分間、電気炉での加熱処理を行った試料Ａは、その断面にお
いて、表層部に連続した格子像が観察された。特に図１９（Ｂ）の高倍写真では、白枠で
囲んだ領域に明瞭な格子像が観察され、揃った結晶の存在が示唆されている。このことか
ら、６５０℃で６０分間、電気炉での加熱処理においてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜の表層部
は結晶化し、結晶領域を有するようになることが明らかとなった。なお、表層部を除くそ
の他の領域においては、連続した明瞭な格子像は観察されず、非晶質領域の所々に微結晶
粒子が浮いている様子が確認された。微結晶の粒子サイズは２ｎｍ以上４ｎｍ以下の所謂
ナノクリスタルであった。
【０２６２】
一方、図２０（試料Ｂ）の断面写真からは膜厚方向のどの領域においても明瞭な格子像は
観察されず、非晶質であることが確認された。
【０２６３】
次に、６５０℃で６０分間、電気炉での加熱処理を行った試料Ａの表層部の拡大写真を図
２１（Ａ）に示し、結晶領域の電子線回折パターンを図２１（Ｂ）〜図２１（Ｆ）に示す
。表層部の拡大写真（図２１（Ａ））には、格子像が並ぶ方向を示した１〜５の矢印が示
してあり、膜の表面に対して垂直方向に結晶が成長していることがわかる。図２１（Ｂ）
、図２１（Ｃ）、図２１（Ｄ）、図２１（Ｅ）、図２１（Ｆ）に示す電子線回折パターン
はそれぞれ、矢印番号の１、２、３、４、５の位置で観測されたもので、Ｃ軸方向の配向
が確認されている。また、この電子線回折パターンと既知の格子定数を比較した結果、結
晶構造はＩｎＧａＺｎＯ４であることが判明した。
【０２６４】
以上の解析結果により、６５０℃で６０分間、電気炉での加熱処理を行った試料は、その
表層部に結晶領域が存在することが確認できた。
【図１】
0005977328.tif 000007
【図２】
0005977328.tif 000008
【図３】
0005977328.tif 000009
【図４】
0005977328.tif 000010
【図５】
0005977328.tif 000011
【図６】
0005977328.tif 000012
【図７】
0005977328.tif 000013
【図８】
0005977328.tif 000014
【図９】
0005977328.tif 000015
【図１０】
0005977328.tif 000016
【図１１】
0005977328.tif 000017
【図１２】
0005977328.tif 000018
【図１３】
0005977328.tif 000019
【図１４】
0005977328.tif 000020
【図１５】
0005977328.tif 000021
【図１６】
0005977328.tif 000022
【図１７】
0005977328.tif 000023
【図１８】
0005977328.tif 000024
【図１９】
0005977328.tif 000025
【図２０】
0005977328.tif 000026
【図２１】
0005977328.tif 000027