(57)【要約】【課題】より安定した電気的特性の酸化インジウム亜鉛でなる酸化物半導体膜を提供する。また、当該酸化物半導体膜を用いることにより、半導体装置に安定した電気的特性を付与し、信頼性の高い半導体装置を提供する。【解決手段】酸化インジウム亜鉛でなる酸化物半導体膜において、当該酸化物半導体膜は、ａ−ｂ面が酸化物半導体膜表面に概略平行である六方晶の結晶構造と、ａ−ｂ面が該酸化物半導体膜表面に概略平行である菱面体晶の結晶構造と、を有する酸化物半導体膜である。【選択図】図２
2018011084.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲート電極と、
前記ゲート電極上の第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜の上面と接する非単結晶の酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜に電気的に接続するソース電極及びドレイン電極と、
前記酸化物半導体膜上の第２の絶縁膜と、を有し
前記第１の絶縁膜は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、または酸化ガリウムのいずれかを有し、
前記酸化物半導体膜は酸化インジウム亜鉛を有し、
前記酸化物半導体膜は、ａ−ｂ面が前記酸化物半導体膜表面に概略平行である六方晶の結晶構造と、ａ−ｂ面が前記酸化物半導体膜表面に概略平行である菱面体晶の結晶構造と、を有することを特徴とする表示装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記ゲート電極は、チタンまたは銅を有することを特徴とする表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
酸化物半導体膜、及び該酸化物半導体膜を用いる半導体装置に関する。
【０００２】
なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置
全般を指し、電気光学装置、半導体回路及び電子機器は全て半導体装置である。
【背景技術】
【０００３】
液晶表示装置に代表されるように、ガラス基板等に形成されるトランジスタはアモルファ
スシリコン、多結晶シリコンなどによって構成されている。アモルファスシリコンを用い
たトランジスタは、ガラス基板の大面積化に容易に対応することができる。しかし、アモ
ルファスシリコンを用いたトランジスタは、電界効果移動度が低いという欠点を有してい
る。また、多結晶シリコンを用いたトランジスタは電界効果移動度が高いが、ガラス基板
の大面積化には適していないという欠点を有している。
【０００４】
このような欠点を有するシリコンを用いたトランジスタに対して、酸化物半導体を用いて
トランジスタを作製し、電子デバイスや光デバイスに応用する技術が注目されている。例
えば酸化物半導体として、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｓｎなどを含むアモルファス（非晶質）の
酸化物を用いてトランジスタを作製する技術が特許文献１で開示されている。また、同様
のトランジスタを作製して表示装置の画素のスイッチング素子などに用いる技術が特許文
献２で開示されている。
【０００５】
また、このようなトランジスタに用いる酸化物半導体について、「酸化物半導体は不純物
に対して鈍感であり、膜中にはかなりの金属不純物が含まれていても問題がなく、ナトリ
ウムのようなアルカリ金属が多量に含まれる廉価なソーダ石灰ガラスも使える」といった
ことも述べられている（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１６５５２９号公報
【特許文献２】特開２００６−１６５５２８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】神谷、野村、細野、「アモルファス酸化物半導体の物性とデバイス開発の現状」、固体物理、２００９年９月号、Ｖｏｌ．４４、ｐｐ．６２１−６３３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、酸化物半導体膜がアモルファスのままであると、酸化物半導体膜に酸素欠損やダ
ングリングボンドが生じやすく、これら単独あるいは酸素欠損やダングリングボンドが水
素等と結合することにより膜中にキャリアを発生させてしまう。そのため、酸化物半導体
膜の電気伝導度等の電気的特性が変化する恐れがある。また、酸化物半導体膜を用いたト
ランジスタにとっても電気的特性が変化する要因となり、半導体装置の信頼性を低下させ
ることになる。
【０００９】
酸化物半導体膜の中でも、とりわけインジウム及び亜鉛を有する酸化物半導体膜である酸
化インジウム亜鉛（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｚｉｎｃ  Ｏｘｉｄｅ）膜は、移動度等の電気的特性
に優れており、トランジスタのチャネル領域を形成する有望な材料として期待されている
。しかしながらインジウム及び亜鉛を有する酸化物半導体膜がアモルファスの場合には、
上述したように、酸素欠損やダングリングボンドに起因した酸化物半導体膜に共通の課題
である電気的特性の変動による信頼性の低下の問題が残る。
【００１０】
その一方で、酸化物半導体膜の成膜過程において、当該酸化物半導体膜の結晶性を向上さ
せ電気的特性が改善することが明らかになりつつある。また酸化物半導体膜の成膜過程に
おいて、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタの信頼性を向上させることが、明らか
になりつつある。
【００１１】
このような問題に鑑み、電気的特性の安定した酸化インジウム亜鉛でなる酸化物半導体膜
を提供することを課題の一とする。また、当該酸化物半導体膜を用いることにより、半導
体装置に安定した電気的特性を付与し、信頼性の高い半導体装置を提供することを課題の
一とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
開示する発明の一態様は、酸化インジウム亜鉛でなる酸化物半導体膜において、酸化物半
導体膜は、ａ−ｂ面が酸化物半導体膜表面に概略平行である六方晶の結晶構造と、ａ−ｂ
面が該酸化物半導体膜表面に概略平行である菱面体晶の結晶構造と、を有する酸化物半導
体膜である。
【００１３】
開示する発明の一態様は、酸化インジウム亜鉛でなる酸化物半導体膜において、酸化物半
導体膜は、ａ−ｂ面が酸化物半導体膜表面に概略平行である六方晶の結晶構造と、ａ−ｂ
面が該酸化物半導体膜表面に概略平行である菱面体晶の結晶構造と、を有し、六方晶の結
晶構造は、Ｉｎ：Ｚｎ＝１：１の組成比を有する酸化物半導体の結晶構造であり、菱面体
晶の結晶構造は、Ｉｎ：Ｚｎ＝２：１の組成比を有する酸化物半導体の結晶構造である酸
化物半導体膜である。
【００１４】
開示する発明の一態様は、ゲート電極と、ゲート電極上に設けられた第１の絶縁膜と、第
１の絶縁膜上に設けられた酸化インジウム亜鉛でなる酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜
と接するように設けられたソース電極およびドレイン電極と、酸化物半導体膜上に設けら
れた第２の絶縁膜と、を有し、酸化物半導体膜は、ａ−ｂ面が酸化物半導体膜表面に概略
平行である六方晶の結晶構造と、ａ−ｂ面が該酸化物半導体膜表面に概略平行である菱面
体晶の結晶構造と、を有する半導体装置である。
【００１５】
開示する発明の一態様は、ゲート電極と、ゲート電極上に設けられた第１の絶縁膜と、第
１の絶縁膜上に設けられた酸化インジウム亜鉛でなる酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜
と接するように設けられたソース電極およびドレイン電極と、酸化物半導体膜上に設けら
れた第２の絶縁膜と、を有し、酸化物半導体膜は、ａ−ｂ面が酸化物半導体膜表面に概略
平行である六方晶の結晶構造と、ａ−ｂ面が該酸化物半導体膜表面に概略平行である菱面
体晶の結晶構造と、を有し、六方晶の結晶構造は、Ｉｎ：Ｚｎ＝１：１の組成比を有する
酸化物半導体の結晶構造であり、菱面体晶の結晶構造は、Ｉｎ：Ｚｎ＝２：１の組成比を
有する酸化物半導体の結晶構造である半導体装置である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の一態様で開示する酸化インジウム亜鉛でなる酸化物半導体膜は、安定した電気的
特性を有することができる。このような酸化インジウム亜鉛でなる酸化物半導体膜をトラ
ンジスタに用いることによって、安定した電気的特性を有する、信頼性の高い半導体装置
とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一態様に係る断面ＴＥＭ像。
【図２】本発明の一態様に係る電子線回折図。
【図３】本発明の一態様に係るＸＲＤスペクトル図。
【図４】本発明の一態様に係るＸＲＤスペクトル図。
【図５】本発明の一態様に係る半導体装置の作製工程を説明する断面図。
【図６】スパッタリング装置を説明する模式図である。
【図７】種結晶の結晶構造を説明する模式図である。
【図８】本発明の一態様に係る半導体装置の作製工程を説明する断面図。
【図９】本発明の一態様に係る半導体装置を説明する断面図。
【図１０】本発明の一態様を示すブロック図及び等価回路図。
【図１１】本発明の一態様を示す電子機器の外観図。
【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】
（実施の形態１）
本実施の形態では、酸化インジウム亜鉛でなる酸化物半導体膜（以下、酸化インジウム亜
鉛膜という）の構成について、図１乃至図４を用いて説明する。
【００２２】
本実施の形態に係る酸化インジウム亜鉛膜は、結晶構造を有する領域を含む。当該結晶構
造を有する領域は、ａ−ｂ面が酸化インジウム亜鉛膜表面に概略平行である六方晶の結晶
構造と、ａ−ｂ面が該酸化インジウム亜鉛膜表面に概略平行である菱面体晶の結晶構造と
、を有する。
【００２３】
ここで、実際に作製した、六方晶の結晶構造及び菱面体晶の結晶構造を有する酸化インジ
ウム亜鉛膜の断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｅｌｅｃｔ
ｒｏｎ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で観察した結果（断面ＴＥＭ像）を図１に示す。図１に
示す断面ＴＥＭ像では、層状に原子が配向した領域が、酸化インジウム亜鉛膜中に複数観
察される。
【００２４】
なお図１に示す酸化インジウム亜鉛膜の断面ＴＥＭ像のサンプルは、石英基板上に酸化イ
ンジウム亜鉛を５０ｎｍの膜厚で成膜したものである。酸化インジウム亜鉛膜の断面ＴＥ
Ｍ像は、Ｉｎ：Ｚｎ＝２：１の組成比の酸化インジウム亜鉛をターゲットにして、スパッ
タリング装置で成膜したものを成膜直後に観察したものである。スパッタリング装置での
成膜条件は、石英基板を２００℃に加熱した状態で、１００ＷのＤＣ電源、酸素の流量：
アルゴン及び酸素の混合気体の流量＝３：１０としたガスを用いて、成膜圧力を０．４Ｐ
ａとして行ったものである。
【００２５】
次いで、図１の六方晶の結晶構造及び菱面体晶の結晶構造を有する酸化インジウム亜鉛膜
断面に対して垂直に電子線を照射して得られた電子線回折パターンを図２（Ａ）及び図２
（Ｂ）に示す。ここで、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示す電子線回折パターンがサンプル
の断面となるので、パターンの垂直（縦）方向がｃ軸方向となる。
【００２６】
なお断面ＴＥＭ像及び電子線回折パターンは、株式会社日立ハイテクノロジーズ社製の透
過電子顕微鏡Ｈ−９０００ＮＡＲを用い、加速電圧を３００ｋＶとして８００万倍の倍率
で撮影したものである。
【００２７】
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示す電子線回折パターンは、結晶構造の逆格子点を表してい
る。試料が結晶構造を持つ場合にはスポット状（図中、Ａ点、Ｂ点、Ｃ点）になり、結晶
方位がランダムな多結晶構造またはアモルファス構造の場合にはリング状（同心円状とも
いう）となる。従って、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示す電子線回折パターンより、図１
に示す酸化インジウム亜鉛膜は結晶構造を有することがわかる。また図２（Ａ）及び図２
（Ｂ）に示す電子線回折パターンの違いは、結晶構造の違いを表している。
【００２８】
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示す電子線回折パターンにおいて、Ａ点、Ｂ点、Ｃ点の各回
折スポットは、電子線の入射による格子面からの回折スポットを表したものである。電子
線は、酸化インジウム亜鉛膜の断面に対して、垂直となる方向より入射させている。
【００２９】
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）のＡ点は、ほぼ紙面水平軸に対して概略垂直な軸上に位置する
。そのため、酸化インジウム亜鉛膜の当該結晶構造は、ａ軸及びｂ軸に平行な石英基板上
の平面に対して、概略垂直となるｃ軸方向に配向していることがわかる。すなわち、酸化
インジウム亜鉛膜は、石英基板に概略平行な平面である酸化インジウム亜鉛膜の表面に対
し、概略平行なａ軸及びｂ軸でなるａ−ｂ面を有する結晶構造を有することがわかる。
【００３０】
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示す電子線回折パターンにおいて、電子ビームを入射し、回
折せずに酸化インジウム亜鉛膜を透過した電子波の回折スポットを（０００）スポット（
電子線回折パターンの中心点：図中、Ｏ点）とする。各回折スポットと当該回折スポット
の間の（０００）スポットとのなす角は、各格子面の法線のなす角を表す。これらの角度
を調べることにより結晶構造を類推することができる。
【００３１】
具体的には、図２（Ａ）中のＡ点、Ｏ点、Ｂ点でなる角度ＡＯＢは、９０．０°である。
また、図２（Ｂ）中のＡ点、Ｏ点、Ｂ点でなる角度ＡＯＢは、６９．０°であり、Ａ点、
Ｏ点、Ｃ点でなる角度ＡＯＣは、３８．７°であり、Ｂ点、Ｏ点、Ｃ点でなる角度ＢＯＣ
は、３０．３°である。これらより類推すると、図２（Ａ）に示す電子線回折パターンは
菱面体晶（三方晶ともいう）であり、図２（Ｂ）に示す電子線回折パターンは六方晶であ
るとわかる。
【００３２】
従って、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示す電子線回折パターンから図１に示す酸化インジ
ウム亜鉛膜は、ａ−ｂ面が酸化物半導体膜の表面に概略平行である菱面体晶の結晶構造、
及びａ−ｂ面が酸化物半導体膜の表面に概略平行である六方晶の結晶構造を有するとわか
る。
【００３３】
さらに、各回折スポットと（０００）スポットとの距離［ｍ］をｒ（ｈｋｌ）、格子面間
隔［ｍ］をｄ（ｈｋｌ）、電子線の波長［ｍ］をλ、酸化インジウム亜鉛膜と回折パター
ン像が得られるフィルムとの間の距離（カメラ長）［ｍ］をＬとおけば以下の式（１）が
成り立つ。
【００３４】
ｒ（ｈｋｌ）×ｄ（ｈｋｌ）＝λ×Ｌ          （１）
【００３５】
なお電子線回折パターンの測定時、カメラ長Ｌは０．８に設定している。また電子線の波
長λは、式（２）より導出するものである。
【００３６】
λ＝（ｈ２／（２ｍＥ））１／２          （２）
【００３７】
式（２）より電子線の波長λは、２．７５×１０−１２ｍであることがわかる。なお式（
２）においてｈはプランク定数（６．６２６×１０−３４Ｊ・ｓ）であり、ｍは電子の静
止質量（９．１０×１０−３１ｋｇ）、Ｅは電子の加速エネルギーを表す。ここで、電子
の加速電圧を２００ｋＶに設定したので電子の加速エネルギーＥは２００×１０３×１．
６×１０−１９Ｊとなる。
【００３８】
上記の通り、電子線の波長λ及びカメラ長Ｌは既知なので、電子線回折パターンからｒ（
ｈｋｌ）を測定すれば格子面間隔ｄ（ｈｋｌ）を見積もることができる。見積もられた格
子面間隔ｄ（ｈｋｌ）を表１に示す。なお格子面間隔ｄ（ｈｋｌ）に対応するミラー指数
は、該当する可能性のある物質の既知の結晶データ、例えばＪＣＰＤＳカードを参照して
得られる指数である。
【００３９】
【表１】
2018011084.tif 000003
【００４０】
格子面間隔ｄ（ｈｋｌ）及びミラー指数による解析により、図２（Ａ）に示す電子線回折
パターンは、Ｉｎ：Ｚｎ＝２：１の組成比を有するＩｎ２ＺｎＯ４によるパターンであり
、図２（Ｂ）に示す電子線回折パターンはＩｎ：Ｚｎ＝１：１の組成比を有するＩｎ２Ｚ
ｎ２Ｏ５によるパターンであると推定される。なお図２（Ａ）に示す電子線回折パターン
において、得られる回折スポットのｃ軸方向のミラー指数である「ｌ」が３の倍数である
ことがわかる。当該結果からも、対称性を考慮すれば、図２（Ａ）に示す電子線回折パタ
ーンは菱面体晶（三方晶ともいう）のパターンであるとわかる。また図２（Ｂ）に示す電
子線回折パターンにおいて、得られる回折スポットのｃ軸方向のミラー指数である「ｌ」
が２の倍数であることがわかる。当該結果からも、対称性を考慮すれば、図２（Ｂ）に示
す電子線回折パターンは六方晶のパターンであるとわかる。
【００４１】
次いで表２には、ミラー指数が見積もられた２カ所の回折スポットと、当該回折スポット
の間の（０００）スポットと、を結んでなす角の角度を測定した結果を示す。なお表１及
び表２をみると、図２（Ａ）における菱面体晶と図２（Ｂ）における六方晶とは、格子面
間隔ｄ（ｈｋｌ）、ミラー指数が見積もられた各回折スポットと、当該回折スポットの間
の（０００）スポットと、を結んでなす角が異なることがわかる。
【００４２】
【表２】
2018011084.tif 000004
【００４３】
表２に示す結果と、前述の推定された既知の結晶データとの照合によって、図２（Ａ）に
示す電子線回折パターンは、Ｉｎ：Ｚｎ＝２：１の組成比を有するＩｎ２ＺｎＯ４による
パターンであり、図２（Ｂ）に示す電子線回折パターンはＩｎ：Ｚｎ＝１：１の組成比を
有するＩｎ２Ｚｎ２Ｏ５によるパターンであると同定される。
【００４４】
以上の図１及び図２（Ａ）、図２（Ｂ）の結果から、本実施の形態に係る酸化インジウム
亜鉛膜は、菱面体晶の結晶構造であるＩｎ２ＺｎＯ４、及び六方晶であるＩｎ２Ｚｎ２Ｏ
５を有する領域を含むことがわかる。すなわち、当該結晶構造を有する領域は、ａ−ｂ面
が酸化インジウム亜鉛膜表面に概略平行である六方晶のＩｎ２Ｚｎ２Ｏ５による結晶構造
と、ａ−ｂ面が該酸化インジウム亜鉛膜表面に概略平行である菱面体晶のＩｎ２ＺｎＯ４
による結晶構造と、を有するものである。
【００４５】
従って六方晶及び菱面体晶の結晶構造を含む酸化インジウム亜鉛膜は、全体がアモルファ
ス構造の酸化物半導体膜と比較して良好な結晶性を有するので、酸素欠損やダングリング
ボンド、あるいはダングリングボンドなどに結合する水素などの不純物が低減されている
。これらの酸素欠損やダングリングボンド、あるいはダングリングボンドなどに結合する
水素などは、酸化物半導体膜中でキャリアのトラップあるいはキャリアの供給源のように
機能するため、当該酸化物半導体膜の電気伝導度が変動する原因となりうる。よって、こ
れらが低減されている、六方晶及び菱面体晶の結晶構造を含む酸化物半導体膜は、電気伝
導度が安定しており、可視光や紫外光などの照射に対してもより電気的に安定な構造を有
することができる。
【００４６】
なお本実施の形態に係る酸化インジウム亜鉛膜は、菱面体晶及び六方晶の結晶構造を有す
る領域を複数含んでいても良く、それぞれの領域において、結晶構造のａ軸あるいはｂ軸
の方向は互いに異なっていてもよい。ただし、ａ軸あるいはｂ軸の方向が異なる領域どう
しが接しないようにすることで、互いの領域が接する界面に粒界を形成しないようにする
ことが好ましい。よって、六方晶の結晶構造及び菱面体晶の結晶構造を有する領域を覆う
ようにアモルファス構造の領域を有する酸化物半導体膜とすることが好ましい。
【００４７】
また、酸化インジウム亜鉛膜についてさらにＸ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−ｒａｙ  ｄｉｆｆｒ
ａｃｔｉｏｎ）測定を行い、上記の図１及び図２（Ａ）、図２（Ｂ）の結果を補強する測
定結果を示す。
【００４８】
図３（Ａ）に酸化インジウム亜鉛膜について、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法を用いてＸＲ
Ｄスペクトルを測定した結果を示す。また図３（Ｂ）に比較例として、ガリウムを含む酸
化インジウム亜鉛（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｇａｌｌｉｕｍ  Ｚｉｎｃ  Ｏｘｉｄｅ：ＩＧＺＯ）
膜について、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法を用いてＸＲＤスペクトルを測定した結果を示
す。図３（Ａ）、図３（Ｂ）は、縦軸にＸ線回折強度（任意単位）をとり、横軸に回転角
２θ（ｄｅｇ．）をとって測定したものである。
【００４９】
また図３（Ａ）に示すＸＲＤスペクトルを測定した結果は、酸化インジウム亜鉛の成膜時
に基板の加熱温度を室温（Ｔｓｕｂ＝Ｒ．Ｔ．）、酸化インジウム亜鉛の成膜時に基板の
加熱温度を１００℃（Ｔｓｕｂ＝１００℃）、または酸化インジウム亜鉛の成膜時に基板
の加熱温度を２００℃（Ｔｓｕｂ＝２００℃）として、酸化インジウム亜鉛を成膜した際
の膜について、並べて示したものである。また図３（Ｂ）に示すＸＲＤスペクトルを測定
した結果は、ガリウムを含む酸化インジウム亜鉛の成膜時に基板の加熱温度を２００℃（
Ｔｓｕｂ＝２００℃）として、ガリウムを含む酸化インジウム亜鉛を成膜した際の膜につ
いて示したものである。なお基板である石英基板の温度以外について、酸化インジウム亜
鉛、及びガリウムを含む酸化インジウム亜鉛は、同じ条件である。
【００５０】
図３（Ａ）の基板の加熱温度を２００℃（Ｔｓｕｂ＝２００℃）として成膜した酸化イン
ジウム亜鉛膜では、２θ＝３０°近傍に強いピークが見られるのに対して、基板の加熱温
度を１００℃（Ｔｓｕｂ＝１００℃）及び室温（Ｔｓｕｂ＝Ｒ．Ｔ．）として成膜した酸
化インジウム亜鉛膜では、ほとんどピークが見られないことが分かる。同様に、図３（Ｂ
）の基板の加熱温度を２００℃（Ｔｓｕｂ＝２００℃）として成膜したガリウムを含む酸
化インジウム亜鉛膜でも、２θ＝３０°近傍のピークが見られないことが分かる。当該図
３（Ａ）のピークは、Ｉｎ２Ｚｎ２Ｏ５の結晶構造の（００８）面における回折に起因す
るものである。このことから、基板の加熱温度を２００℃（Ｔｓｕｂ＝２００℃）として
成膜した酸化インジウム亜鉛膜は、同じ基板加熱温度の条件で成膜したガリウムを含む酸
化インジウム亜鉛膜よりも結晶化しやすいことが分かる。
【００５１】
また図４（Ａ）には基板の加熱温度を２００℃（Ｔｓｕｂ＝２００℃）として成膜した成
膜直後の酸化インジウム亜鉛膜について、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法を用いてＸＲＤス
ペクトルを測定した結果を示し、図４（Ｂ）には基板の加熱温度を２００℃（Ｔｓｕｂ＝
２００℃）として成膜した成膜後に窒素及び酸素を含む雰囲気中で３５０℃の熱処理をし
た酸化インジウム亜鉛膜について、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法を用いてＸＲＤスペクト
ルを測定した結果を示す。熱処理の前後において、基板の加熱温度を２００℃（Ｔｓｕｂ
＝２００℃）として成膜した酸化インジウム亜鉛膜では、２θ＝３０°近傍に強いピーク
が見られるのが分かる。当該ピークは前述したように、Ｉｎ２Ｚｎ２Ｏ５の結晶構造の（
００８）面における回折に起因するものである。このことから、成膜後の結晶構造が安定
した結晶構造であることがわかる。
【００５２】
以上説明したＸ線回折測定により、本実施の形態に係る酸化インジウム亜鉛膜は、アモル
ファス構造の酸化物半導体膜と明確に異なり、結晶構造を有するものと言うことができる
。また本発明の一態様に係る酸化インジウム亜鉛膜は、同じ温度条件で成膜したガリウム
を有する酸化物半導体膜である酸化インジウム亜鉛膜と比較して、成膜する基板の温度が
低温であっても結晶構造を取りうることが可能である。なお本実施の形態に係る酸化イン
ジウム亜鉛膜の結晶構造は、ａ−ｂ面が酸化インジウム亜鉛膜表面に概略平行である六方
晶のＩｎ２Ｚｎ２Ｏ５による結晶構造と、ａ−ｂ面が該酸化インジウム亜鉛膜表面に概略
平行である菱面体晶のＩｎ２ＺｎＯ４による結晶構造と、を有するものである。
【００５３】
なお、本実施の形態に係る酸化インジウム亜鉛膜は、酸化物半導体膜中のアルカリ金属等
の不純物は低減されていることが好ましい。例えば、酸化物半導体膜において、リチウム
の濃度が５×１０１５ｃｍ−３以下、好ましくは１×１０１５ｃｍ−３以下、ナトリウム
の濃度が５×１０１６ｃｍ−３以下、好ましくは１×１０１６ｃｍ−３以下、さらに好ま
しくは１×１０１５ｃｍ−３以下、カリウムの濃度が５×１０１５ｃｍ−３以下、好まし
くは１×１０１５ｃｍ−３以下とする。
【００５４】
アルカリ金属、及びアルカリ土類金属は酸化物半導体にとっては悪性の不純物であり、少
ないほうがよい。特に、当該不純物を含む酸化物半導体膜をトランジスタに用いる場合、
アルカリ金属のうちナトリウムは酸化物半導体膜に接する絶縁膜に拡散し、トランジスタ
の閾値電圧の変動などを引き起こす可能性がある。また酸化物半導体膜内において、金属
と酸素の結合を分断し、あるいは結合中に割り込む。その結果、トランジスタ特性の劣化
（例えば、ノーマリオン化（しきい値の負へのシフト）、移動度の低下等）をもたらす。
加えて、特性のばらつきの原因ともなる。
【００５５】
よって、六方晶の結晶構造及び菱面体晶の結晶構造を有する酸化物半導体膜中の不純物を
極めて低減し、アルカリ金属の濃度を５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、水素の濃度
を５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることが好ましい。
【００５６】
以上説明した六方晶の結晶構造及び菱面体晶の結晶構造を有する酸化インジウム亜鉛膜は
、全体がアモルファス構造の酸化物半導体膜と比較して良好な結晶性を有するので、酸素
欠損やダングリングボンド、あるいはダングリングボンドなどに結合する水素などの不純
物が低減されている。これらの酸素欠損やダングリングボンド、あるいはダングリングボ
ンドなどに結合する水素などは、酸化物半導体膜中でキャリアのトラップ、あるいはキャ
リアの供給源のように機能するため、当該酸化物半導体膜の電気伝導度が変動する原因と
なりうる。よって、これらが低減されている、六方晶及び菱面体晶の結晶構造を含む酸化
物半導体膜は、電気伝導度が安定しており、可視光や紫外光などの照射に対してもより電
気的に安定な構造を有することができる。
【００５７】
以上、本実施の形態に示す構成などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み
合わせて用いることができる。
【００５８】
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１に示す、六方晶の結晶構造及び菱面体晶の結晶構造を有
する酸化インジウム亜鉛膜、及び当該酸化インジウム亜鉛膜を有するトランジスタの作製
方法について図５乃至図９を用いて説明する。図５は、半導体装置の構成の一形態である
、トップゲート構造のトランジスタ１２０の作製工程を示す断面図である。
【００５９】
まず、六方晶の結晶構造及び菱面体晶の結晶構造を有する酸化インジウム亜鉛膜を成膜す
る前に、図５（Ａ）に示すように、基板５１上に下地絶縁膜５３を形成することが好まし
い。
【００６０】
基板５１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５１としてガラス基板を用いる場合、歪み点が７３０℃以上のものを用いる
ことが好ましい。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る。なお、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。基板５１がマザーガラスの場
合、基板の大きさは、第１世代（３２０ｍｍ×４００ｍｍ）、第２世代（４００ｍｍ×５
００ｍｍ）、第３世代（５５０ｍｍ×６５０ｍｍ）、第４世代（６８０ｍｍ×８８０ｍｍ
、または７３０ｍｍ×９２０ｍｍ）、第５世代（１０００ｍｍ×１２００ｍｍまたは１１
００ｍｍ×１２５０ｍｍ）、第６世代（１５００ｍｍ×１８００ｍｍ）、第７世代（１９
００ｍｍ×２２００ｍｍ）、第８世代（２１６０ｍｍ×２４６０ｍｍ）、第９世代（２４
００ｍｍ×２８００ｍｍ、または２４５０ｍｍ×３０５０ｍｍ）、第１０世代（２９５０
ｍｍ×３４００ｍｍ）等を用いることができる。マザーガラスは、処理温度が高く、処理
時間が長いと大幅に収縮するため、マザーガラスを使用して大量生産を行う場合、作製工
程の加熱処理は、６００℃以下、好ましくは４５０℃以下とすることが望ましい。
【００６１】
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ることができる。他にも、結晶化ガラスなどを用いることができる
。さらには、シリコンウェハ等の半導体基板の表面や金属材料よりなる導電性の基板の表
面に絶縁層を形成したものを用いることもできる。
【００６２】
下地絶縁膜５３は、加熱処理により酸素の一部が放出する酸化物絶縁膜を用いて形成する
ことが好ましい。加熱処理により酸素の一部が放出する酸化物絶縁膜としては、化学量論
比を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を用いることが好ましい。加熱処理
により酸素の一部が放出する酸化物絶縁膜を下地絶縁膜５３に用いることで、後の工程で
加熱処理を行う際に酸化インジウム亜鉛膜に酸素を拡散させることができる。加熱処理に
より酸素の一部が放出する酸化物絶縁膜としては、代表的には、酸化シリコン、酸化窒化
シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、
酸化イットリウム等の膜を用いることができる。
【００６３】
下地絶縁膜５３は、５０ｎｍ以上、好ましくは２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下とする。下
地絶縁膜５３を厚くすることで、下地絶縁膜５３からの酸素放出量を増加させることがで
きると共に、その増加によって下地絶縁膜５３及び後に形成される酸化インジウム亜鉛膜
との界面における欠陥を低減することが可能である。
【００６４】
下地絶縁膜５３は、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成する。なお、加熱処理によ
り酸素の一部が放出する酸化物絶縁膜は、スパッタリング法を用いることで容易に形成す
ることができる。加熱処理により酸素の一部を放出する酸化物絶縁膜をスパッタリング法
により形成する場合は、成膜ガス中の酸素量が高いことが好ましく、酸素、または酸素及
び希ガスの混合ガス等を用いることができる。代表的には、成膜ガス中の酸素濃度を６％
以上１００％以下にすることが好ましい。
【００６５】
また、下地絶縁膜５３は、必ずしも加熱処理により酸素の一部が放出する酸化物絶縁膜を
用いて形成する必要はなく、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウムなどを
用いて窒化物絶縁膜を形成してもよい。また、下地絶縁膜５３は、上記の酸化物絶縁膜と
窒化物絶縁膜の積層構造としてもよく、その場合には窒化物絶縁膜上に酸化物絶縁膜を設
けることが好ましい。下地絶縁膜５３として窒化物絶縁膜を用いることにより、アルカリ
金属などの不純物を含むガラス基板を用いる場合、アルカリ金属などの酸化インジウム亜
鉛膜への侵入を防止できる。リチウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属は、酸化
インジウム亜鉛に対して悪性の不純物であるために酸化インジウム亜鉛膜中の含有量を少
なくすることが好ましい。窒化物絶縁膜は、ＣＶＤ法、スパッタリング法等で形成するこ
とができる。
【００６６】
次に、図５（Ｂ）に示すように、スパッタリング装置を用いたスパッタリング法により、
下地絶縁膜５３上に厚さ３０ｎｍ以上５０μｍ以下の六方晶の結晶構造及び菱面体晶の結
晶構造を有する酸化インジウム亜鉛膜５５を成膜する。
【００６７】
ここで、スパッタリング装置の処理室について、図６（Ａ）を用いて説明する。処理室３
１には、排気手段３３及びガス供給手段３５が接続される。また、処理室３１内には、基
板支持体４０及びターゲット４１が設けられる。ターゲット４１は、電源装置３７に接続
される。
【００６８】
処理室３１は、ＧＮＤに接続されている。また、処理室３１のリークレートを１×１０−
１０Ｐａ・ｍ３／秒以下とすることで、スパッタリング法により成膜する膜への不純物の
混入を低減することができる。
【００６９】
リークレートを低くするには、外部リークのみならず内部リークを低減する必要がある。
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は
、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。
【００７０】
外部リークを減らすには、処理室３１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、酸化クロムなどの不動態に
よって被覆された金属材料を用いることで、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、内部リークも低減することができる。
【００７１】
処理室３１の内壁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。あるいは、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
ロムなどの不動態で被覆してもよい。
【００７２】
処理室３１の内部に設ける部材は、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、酸化クロムなどの不動態で薄く被覆するとよい。
【００７３】
さらに、スパッタリングガスを処理室３１に導入する直前に、スパッタリングガスの精製
機を設けることが好ましい。このとき、精製機から処理室３１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。
【００７４】
シリンダから処理室３１まで、スパッタリングガスを流すための配管にはフッ化鉄、酸化
アルミニウム、酸化クロムなどの不動態で内部が被覆された金属配管を用いることが好ま
しい。前述の配管は、例えばＳＵＳ３１６Ｌ−ＥＰ配管と比べ、水素を含むガスの放出量
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
を低減できるため好ましい。
【００７５】
処理室３１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
。そこで、水の排気能力の高いクライオポンプ及び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。
【００７６】
処理室３１の内側に存在する吸着物は、内壁に吸着しているために処理室３１の圧力に影
響しないが、処理室３１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、処理室３１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、処理室３１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。
【００７７】
排気手段３３は、処理室３１内の不純物を排気すると共に、処理室３１内の圧力を制御す
ることができる。排気手段３３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。上記吸着型の真空ポンプを用いることで、酸化インジウム亜鉛膜に含まれる水素の量
を低減することができる。
【００７８】
なお、酸化インジウム亜鉛膜に含まれる水素は、水素原子の他、水素分子、水、水酸基、
または水素化物として含まれる場合もある。
【００７９】
ガス供給手段３５は、ターゲットをスパッタリングするためのガスを処理室３１内に供給
する手段である。ガス供給手段３５は、ガスが充填されたシリンダ、圧力調整弁、ストッ
プバルブ、マスフローコントローラ等で構成されている。なお、ガス供給手段３５に精製
機を設けることで、処理室３１内に導入するガスに含まれる不純物を低下することができ
る。ターゲットをスパッタリングするガスとしては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセ
ノン、クリプトン等の希ガスを用いる。または、上記希ガスの一と、酸素との混合ガスを
用いることができる。
【００８０】
電源装置３７は、ＲＦ電源装置、ＡＣ電源装置、ＤＣ電源装置等を適宜用いることができ
る。なお、図示しないがターゲットを支持するターゲット支持体の内部または外側にマグ
ネットを設けると、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、成膜速
度の向上及び基板へのプラズマダメージを低減できる。当該方法は、マグネトロンスパッ
タリング法とよばれる。更には、マグネトロンスパッタリング法において、マグネットを
回転可能にすると、磁界の偏りを低減できるため、ターゲットの使用効率が高まり、かつ
基板の面内における膜質のばらつきを低減できる。
【００８１】
基板支持体４０は、ＧＮＤに接続されている。基板支持体４０にはヒータが設けられてい
る。ヒータとしては、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱輻射によって、被処
理物を加熱する装置を用いることができる。
【００８２】
ターゲット４１としては、亜鉛を含む金属酸化物ターゲットを用いることが好ましい。タ
ーゲット４１は、二元系金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系金属酸化物のターゲットを用
いることができる。Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系金属酸化物のターゲットは、一例として、Ｉｎ２Ｏ
３：ＺｎＯ＝１：１［ｍｏｌ数比］の組成比を有するターゲットを用いることができるが
、Ｉｎ２Ｏ３：ＺｎＯのモル数比はこれに限定されない。
【００８３】
なお、ターゲット４１と基板５１との間隔（Ｔ−Ｓ間距離）は、原子量の小さい原子が優
先的に基板５１上の下地絶縁膜５３に到着することが可能な間隔とすることが好ましい。
【００８４】
図６（Ａ）に示すように、スパッタリング装置の処理室３１において、下地絶縁膜５３が
形成された基板５１を基板支持体４０上に設置する。次に、ガス供給手段３５から処理室
３１にターゲット４１をスパッタリングするガスを導入する。ターゲット４１の純度は、
９９．９％以上、好ましくは９９．９９％以上のものを用いる。次に、ターゲット４１に
接続される電源装置３７に電力を供給する。この結果、ガス供給手段３５から処理室３１
に導入されたスパッタリングガスのイオン４３及び電子が、ターゲット４１をスパッタリ
ングする。
【００８５】
ここで、ターゲット４１及び基板５１の間隔を、原子量の小さい原子が優先的に基板５１
上の下地絶縁膜５３に到着し堆積することが可能な間隔としておくことにより、拡大部５
０として図６（Ｂ）に示すように、ターゲット４１に含まれる原子において、原子量の少
ない原子４５が、原子量の大きい原子４７より優先的に基板側へ移動することができる。
【００８６】
亜鉛は、インジウムよりも原子量が小さい。このため、亜鉛が優先的に下地絶縁膜５３上
に堆積する。また、成膜時の雰囲気に酸素を含み、基板支持体４０には、成膜時に基板及
び堆積膜を加熱するヒータが設けられるため、下地絶縁膜５３上に堆積した亜鉛が酸化さ
れ、亜鉛を含む六方晶または菱面体晶の結晶構造の種結晶５５ａ、代表的には酸化亜鉛を
有する六方晶または菱面体晶の結晶構造の種結晶が形成される。
【００８７】
六方晶または菱面体晶の結晶構造の種結晶５５ａ、例えば亜鉛を含む六方晶の結晶構造の
種結晶は、ａ−ｂ面において六角形の格子を有する結合を有する。亜鉛を含む六方晶の結
晶構造の種結晶の場合、亜鉛を含み、ａ−ｂ面が酸化インジウム亜鉛膜表面に概略平行で
あり、ｃ軸が該酸化インジウム亜鉛膜表面に垂直である六方晶のウルツ鉱構造の結晶を有
する。
【００８８】
ここで、亜鉛を含み、ａ−ｂ面において六角形の格子を有する結合を有し、ａ−ｂ面が酸
化インジウム亜鉛膜表面に概略平行であり、ｃ軸が該酸化インジウム亜鉛膜表面に垂直で
ある六方晶の結晶構造の結晶について、図７を用いて説明する。ここでは、亜鉛を含む六
方晶の結晶構造の結晶の代表例として、酸化亜鉛を用いて説明し、黒丸が亜鉛、白丸が酸
素を示す。図７（Ａ）は、ａ−ｂ面における、六方晶の結晶構造を有する酸化亜鉛の模式
図であり、図７（Ｂ）は、紙面の縦方向をｃ軸方向とした、六方晶の結晶構造を有する酸
化亜鉛の模式図である。図７（Ａ）に示すように、ａ−ｂ面における上平面において、亜
鉛及び酸素が六角形をなす結合をしている。また、図７（Ｂ）に示すように、亜鉛及び酸
素がなす六角形の格子を有する結合を有する層が積層され、ｃ軸方向はａ−ｂ面に垂直で
ある。種結晶５５ａは、ａ−ｂ面において六角形の格子を有する結合を有する層をｃ軸方
向に１原子層以上有する。
【００８９】
なお種結晶５５ａは、亜鉛を含む六方晶の結晶構造の種結晶の他にも、亜鉛を含む菱面体
晶の結晶構造の種結晶を有し、この場合種結晶５５ａは、ａ−ｂ面において四角形の格子
を有する結合を有する。亜鉛を含む菱面体晶の結晶構造の種結晶の場合、亜鉛を含み、ａ
−ｂ面が酸化インジウム亜鉛膜表面に概略平行であり、ｃ軸が該酸化インジウム亜鉛膜表
面に非垂直である菱面体晶の結晶構造の結晶を有する。
【００９０】
連続して、ターゲット４１をスパッタリングガスでスパッタリングすることで、種結晶５
５ａ上にターゲットに含まれる原子が堆積するが、このとき種結晶５５ａを核として結晶
成長するため、種結晶５５ａ上に六方晶の結晶構造を有する酸化インジウム亜鉛膜５５ｂ
を形成することができる。なお、基板５１は、基板支持体４０に設けられるヒータによっ
て加熱されるため、種結晶５５ａを核とし、被表面に堆積する原子が酸化されつつ結晶成
長する。
【００９１】
酸化インジウム亜鉛膜５５ｂは、六方晶または菱面体晶の結晶構造の種結晶５５ａを核と
し、ターゲット４１の表面における原子量の大きい原子、及び種結晶５５ａの形成の後に
スパッタリングされた原子量の小さい原子が酸化されつつ結晶成長するため、種結晶５５
ａと同様に、ａ−ｂ面において六角形または四角形の格子を有する結合を有し、ａ−ｂ面
が酸化インジウム亜鉛膜表面に概略平行である結晶構造を有する領域を含む。なお、図５
（Ｂ）では、種結晶５５ａと酸化インジウム亜鉛膜５５ｂの界面を点線で示し、酸化イン
ジウム亜鉛膜の積層構造を説明しているが、明確な界面が存在しているのではなく、あく
まで分かりやすく説明するために図示している。
【００９２】
このときのヒータによる基板の加熱温度は１００℃より大きく４００℃以下、好ましくは
２５０℃以上３５０℃以下とする。１００℃より大きく４００℃以下、好ましくは２５０
℃以上３５０℃以下に基板を加熱しながら成膜をすることによって、成膜と同時に加熱処
理がなされるので、六方晶の結晶構造及び菱面体晶の結晶構造を有する酸化インジウム亜
鉛膜を成膜することができる。なお、スパッタリング時における被成膜面の温度は、２５
０℃以上基板の熱処理上限温度以下とする。
【００９３】
なお、スパッタリングガスは、希ガス（代表的にはアルゴン）、酸素、希ガス及び酸素の
混合ガスを適宜用いる。また、スパッタリングガスには、水素、水、水酸基または水素化
物などの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。
【００９４】
なお、基板支持体４０及びターゲット４１を有する処理室の圧力を０．４Ｐａ以下とする
ことで、六方晶の結晶構造及び菱面体晶の結晶構造を有する酸化インジウム亜鉛膜の表面
及び膜中への、アルカリ金属、水素等の不純物の混入を低減することができる。
【００９５】
また、スパッタリング装置の処理室のリークレートを１×１０−１０Ｐａ・ｍ３／秒以下
とすることで、スパッタリング法による成膜途中における六方晶の結晶構造及び菱面体晶
の結晶構造を有する酸化インジウム亜鉛膜への、アルカリ金属、水素、水、水酸基または
水素化物等の不純物の混入を低減することができる。また、排気系として吸着型の真空ポ
ンプを用いることで、排気系からアルカリ金属、水素、水、水酸基または水素化物等の不
純物の逆流を低減することができる。
【００９６】
また、ターゲット４１の純度を、９９．９９％以上とすることで六方晶の結晶構造及び菱
面体晶の結晶構造を有する酸化インジウム亜鉛膜に混入するアルカリ金属、水素、水、水
酸基または水素化物等を低減することができる。また、当該ターゲットを用いることで、
酸化インジウム亜鉛膜５５において、リチウムの濃度を５×１０１５ｃｍ−３以下、好ま
しくは１×１０１５ｃｍ−３以下、ナトリウムの濃度を５×１０１６ｃｍ−３以下、好ま
しくは１×１０１６ｃｍ−３以下、さらに好ましくは１×１０１５ｃｍ−３以下、カリウ
ムの濃度を５×１０１５ｃｍ−３以下、好ましくは１×１０１５ｃｍ−３以下とすること
ができる。
【００９７】
上記の成膜方法では、同一のスパッタリング工程において、ターゲットに含まれる原子量
の違いを利用し、原子量の小さい亜鉛を優先的に酸化絶縁膜に堆積させ、種結晶を形成す
ると共に、種結晶上に原子量の大きいインジウム等を結晶成長させつつ堆積させるため、
複数の工程を経ずとも、六方晶の結晶構造及び菱面体晶の結晶構造を有する酸化インジウ
ム亜鉛膜を形成することができる。
【００９８】
上記の酸化インジウム亜鉛膜５５の成膜方法では、スパッタリング法によって、種結晶５
５ａと酸化インジウム亜鉛膜５５ｂとを一括で成膜しながら結晶化したが、本実施の形態
に係る酸化物半導体膜は必ずしもこのように成膜する必要はない。たとえば、種結晶と酸
化インジウム亜鉛膜の成膜と結晶化をそれぞれ別々に行っても良い。
【００９９】
以下に、図８を用いて、種結晶と酸化インジウム亜鉛膜の成膜と結晶化をそれぞれ別々に
行う方法について説明する。また、以下のように六方晶の結晶構造及び菱面体晶の結晶構
造を有する酸化インジウム亜鉛膜を成膜する方法を、本明細書中で２ｓｔｅｐ法とよぶ場
合がある。
【０１００】
まず、下地絶縁膜５３上に膜厚１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の第１の酸化インジウム亜鉛膜を
形成する。第１の酸化インジウム亜鉛膜の形成は、スパッタリング法を用い、そのスパッ
タリング法による成膜時の基板温度は２００℃以上４００℃以下とすることが好ましい。
その他の成膜条件については、上記の酸化インジウム亜鉛膜の成膜方法と同様である。
【０１０１】
次いで、基板を配置するチャンバー雰囲気を窒素、または乾燥空気とし、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℃以下とする。第１の加熱処理に
よって、第１の酸化インジウム亜鉛膜を結晶化し、種結晶５６ａを形成する（図８（Ａ）
参照）。
【０１０２】
第１の加熱処理の温度にもよるが、第１の加熱処理によって、膜表面から結晶化が起こり
、膜の表面から内部に向かって結晶成長し、六方晶の結晶構造及び菱面体晶の結晶構造を
有する酸化物半導体膜が得られる。第１の加熱処理によって、亜鉛と酸素が膜表面に多く
集まり、上平面において六角形及び四角形をなす結合をしている亜鉛と酸素からなるグラ
フェンタイプの二次元結晶が最表面に１層または複数層形成され、これが膜厚方向に成長
して重なり積層となる。加熱処理の温度を上げると表面から内部、そして内部から底部と
結晶成長が進行する。
【０１０３】
また、下地絶縁膜５３に加熱処理により酸素の一部が放出される酸化インジウム亜鉛膜を
用いることにより、第１の加熱処理によって、下地絶縁膜５３中の酸素を種結晶５６ａと
の界面またはその近傍（界面からプラスマイナス５ｎｍ）に拡散させて、種結晶５６ａの
酸素欠損を低減することができる。
【０１０４】
次いで、種結晶５６ａ上に１０ｎｍよりも厚い第２の酸化インジウム亜鉛膜を形成する。
第２の酸化インジウム亜鉛膜の形成は、スパッタリング法を用い、その成膜時における基
板温度は２００℃以上４００℃以下とする。その他の成膜条件については、上記の酸化イ
ンジウム亜鉛膜の成膜方法と同様である。
【０１０５】
次いで、基板を配置するチャンバー雰囲気を窒素、または乾燥空気とし、第２の加熱処理
を行う。第２の加熱処理の温度は、４００℃以上７５０℃以下とする。第２の加熱処理に
よって、第２の酸化インジウム亜鉛膜を結晶化し、酸化インジウム亜鉛膜５６ｂを形成す
る（図８（Ｂ）参照）。第２の加熱処理は、窒素雰囲気下、酸素雰囲気下、或いは窒素と
酸素の混合雰囲気下で行うことにより、酸化インジウム亜鉛膜５６ｂの高密度化及び酸素
欠損数の減少を図る。第２の加熱処理によって、種結晶５６ａを核として膜厚方向、即ち
底部から内部に結晶成長が進行して六方晶の結晶構造及び菱面体晶の結晶構造を有する酸
化インジウム亜鉛膜５６ｂが形成される。このようにして、種結晶５６ａと酸化インジウ
ム亜鉛膜５６ｂとからなる酸化インジウム亜鉛膜５６が形成される。図８（Ｂ）では、種
結晶５６ａと酸化インジウム亜鉛膜５６ｂの界面を点線で示し、酸化インジウム亜鉛膜と
説明しているが、明確な界面が存在しているのではなく、あくまで分かりやすく説明する
ために図示している。
【０１０６】
また、下地絶縁膜５３の形成から第２の加熱処理までの工程を大気に触れることなく連続
的に行うことが好ましい。下地絶縁膜５３の形成から第２の加熱処理までの工程は、水素
及び水分をほとんど含まない雰囲気（不活性雰囲気、減圧雰囲気、乾燥空気雰囲気など）
下に制御することが好ましく、例えば、水分については露点−４０℃以下、好ましくは露
点−５０℃以下の乾燥窒素雰囲気とすることが好ましい。
【０１０７】
上記の成膜方法では、原子量の小さい原子を優先的に酸化絶縁膜に堆積させる成膜方法と
比較して、成膜時の基板温度が低くても、良好な六方晶の結晶構造及び菱面体晶の結晶構
造を有する酸化インジウム亜鉛膜を形成することができる。なお、上記の２ｓｔｅｐ法を
用いて成膜した、酸化インジウム亜鉛膜５６も、原子量の小さい原子を優先的に酸化絶縁
膜に堆積させる成膜方法を用いて成膜した酸化インジウム亜鉛膜５５と同程度の結晶性を
有し、電気伝導度も安定している。よって、どちらの方法で成膜した酸化インジウム亜鉛
膜を用いても、安定した電気的特性を有する、信頼性の高い半導体装置を提供することが
できる。なお、以下の工程においては、酸化インジウム亜鉛膜５５を用いてトランジスタ
１２０を作製する工程を説明するが、もちろん同様に酸化インジウム亜鉛膜５６も用いる
ことができる。
【０１０８】
以上の工程により、下地絶縁膜５３上に種結晶５５ａと酸化インジウム亜鉛膜５５ｂの積
層からなる酸化インジウム亜鉛膜５５を成膜することができる。次に、基板５１に加熱処
理を施して、酸化インジウム亜鉛膜５５から水素を放出させると共に、下地絶縁膜５３に
含まれる酸素の一部を、酸化インジウム亜鉛膜５５と、下地絶縁膜５３と酸化インジウム
亜鉛膜５５の界面近傍と、に拡散させることが好ましい。
【０１０９】
加熱処理温度は、酸化インジウム亜鉛膜５５から水素を放出させると共に、下地絶縁膜５
３に含まれる酸素の一部を放出させ、さらには酸化インジウム亜鉛膜５５に拡散させる温
度が好ましく、代表的には、１５０℃以上基板５１の歪み点未満、好ましくは２５０℃以
上４５０℃以下とする。なお、加熱処理温度は、六方晶の結晶構造及び菱面体晶の結晶構
造を有する酸化物半導体膜の成膜温度より高くすることで、下地絶縁膜５３に含まれる酸
素の一部をより多く放出させることができる。
【０１１０】
加熱処理は、水素及び水分をほとんど含まない、不活性ガス雰囲気、酸素雰囲気、窒素雰
囲気、酸素と窒素の混合雰囲気などで行うことが好ましい。不活性ガス雰囲気としては、
代表的には、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン、クリプトン等の希ガス雰囲気で行
うことが好ましい。また、加熱処理の加熱時間は１分以上２４時間以下とする。
【０１１１】
当該加熱処理により、酸化インジウム亜鉛膜５５から水素を放出させると共に、下地絶縁
膜５３に含まれる酸素の一部を、酸化インジウム亜鉛膜５５と、下地絶縁膜５３と酸化イ
ンジウム亜鉛膜５５の界面近傍と、に拡散させることができる。当該工程により、酸化イ
ンジウム亜鉛膜５５中に含まれる酸素欠損を低減することができる。この結果、水素濃度
及び酸素欠損が低減された六方晶の結晶構造及び菱面体晶の結晶構造を有する酸化物半導
体である酸化インジウム亜鉛膜を形成することができる。
【０１１２】
次に、図５（Ｃ）に示すように、酸化インジウム亜鉛膜５５上にマスクを形成し、当該マ
スクを用いて酸化インジウム亜鉛膜５５を選択的にエッチングして、酸化インジウム亜鉛
膜５９を形成する。この後、マスクは除去する。
【０１１３】
酸化インジウム亜鉛膜５５をエッチングするためのマスクは、フォトリソグラフィ法、イ
ンクジェット法、印刷法等を適宜用いて作製することができる。また、酸化インジウム亜
鉛膜５５のエッチングはウエットエッチングまたはドライエッチングを適宜用いることが
できる。
【０１１４】
次に、図５（Ｄ）に示すように、酸化インジウム亜鉛膜５９に接するソース電極６１ａ及
びドレイン電極６１ｂを形成する。
【０１１５】
ソース電極６１ａ及びドレイン電極６１ｂ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、マンガン、ジルコニ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か、上述した金属元素を組み合わせた合金などを用
いて形成することができる。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金属元素を単数または複数組
み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。また、ソース電極６１ａ及びドレイ
ン電極６１ｂ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、Ｃｕ−Ｍｇ−Ａｌ合金膜上に銅膜を積層する２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、窒化チタン膜上にチタン膜を積層する
二層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜上にタ
ングステ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。
【０１１６】
また、ソース電極６１ａ及びドレイン電極６１ｂ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。
【０１１７】
ソース電極６１ａ及びドレイン電極６１ｂは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法等で
導電膜を形成した後、該導電膜上にマスクを形成して導電膜をエッチングして形成する。
導電膜上に形成するマスクは印刷法、インクジェット法、フォトリソグラフィ法を適宜用
いることができる。また、ソース電極６１ａ及びドレイン電極６１ｂは、印刷法またはイ
ンクジェット法により直接形成することもできる。
【０１１８】
ここでは、酸化インジウム亜鉛膜５９及び下地絶縁膜５３上に導電膜を成膜した後、導電
膜を所定の形状にエッチングしてソース電極６１ａ及びドレイン電極６１ｂを形成する。
【０１１９】
なお、酸化インジウム亜鉛膜５５上に導電膜を形成した後、多階調フォトマスクを用いて
、酸化インジウム亜鉛膜５５及び導電膜のエッチングを行って、酸化インジウム亜鉛膜５
９、ソース電極６１ａ及びドレイン電極６１ｂを形成しても良い。このように、凹凸状の
マスクを形成し、当該マスクを用いて酸化インジウム亜鉛膜５５及び導電膜をエッチング
した後、アッシングにより凹凸状のマスクを分離し、当該分離されたマスクにより導電膜
を選択的にエッチングすることで、酸化インジウム亜鉛膜５９、ソース電極６１ａ及びド
レイン電極６１ｂを形成することができる。当該工程により、フォトマスク数及びフォト
リソグラフィ工程数を削減することができる。
【０１２０】
次に、図５（Ｅ）に示すように、酸化インジウム亜鉛膜５９、ソース電極６１ａ及びドレ
イン電極６１ｂ上にゲート絶縁膜６３を形成する。
【０１２１】
ゲート絶縁膜６３は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、窒化酸化シリコ
ン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、または酸化ガリウムを単層でまたは積層
して形成することができる。なお、ゲート絶縁膜６３は、酸化インジウム亜鉛膜５９と接
する部分が酸素を含むことが好ましく、特に好ましくは下地絶縁膜５３と同様に加熱処理
により酸素を放出する酸化物絶縁膜を用いて形成する。酸素を放出する酸化物絶縁膜とし
て酸化シリコン膜を用いることで、後の工程で加熱処理を行う際に酸化インジウム亜鉛膜
５９に酸素を拡散させることができ、トランジスタ１２０の特性を良好にすることができ
る。
【０１２２】
また、ゲート絶縁膜６３として、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯｘ）、窒素が添加さ
れたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙＮｚ）、窒素が添加されたハフニウムアルミ
ネート（ＨｆＡｌｘＯｙＮｚ）、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を低減できる。さらには、ｈｉｇｈ−ｋ材料と、酸化シ
リコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化
窒化アルミニウム、及び酸化ガリウム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６３の厚さは、１ｎｍ以上３００ｎｍ以下、より好ましくは５ｎｍ以上５
０ｎｍ以下とするとよい。ゲート絶縁膜６３の厚さを５ｎｍ以上とすることで、ゲートリ
ーク電流を低減することができる。
【０１２３】
なお、ゲート絶縁膜６３を形成する前に、酸化インジウム亜鉛膜５９の表面を、酸素、オ
ゾン、一酸化二窒素等の酸化性ガスのプラズマに曝し、酸化インジウム亜鉛膜５９の表面
を酸化し、酸素欠損を低減してもよい。
【０１２４】
次に、ゲート絶縁膜６３上であって、酸化インジウム亜鉛膜５９と重畳する領域にゲート
電極６５を形成する。
【０１２５】
ゲート電極６５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、マンガン、ジルコニ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
とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金などを用いて形成することができる
。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金属元素を単数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。また、ゲート電極６５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、窒化チタン膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタ
ン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜上にタングステン膜を積層
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。
【０１２６】
また、ゲート電極６５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、Ｉ
ｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系金属酸化物をターゲットとし、窒素を含む雰囲気中でスパッタリン
グすることにより得られる化合物導電体を用いても良い。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。
【０１２７】
さらに、ゲート電極６５上に保護膜として絶縁膜６９を形成してもよい（図５（Ｅ）参照
）。また、ゲート絶縁膜６３及び絶縁膜６９にコンタクトホールを形成した後、ソース電
極６１ａ及びドレイン電極６１ｂに接続する配線を形成してもよい。
【０１２８】
絶縁膜６９は、ゲート絶縁膜６３と同様の絶縁膜を適宜用いて形成することができる。ま
た、絶縁膜６９としてスパッタリング法で得られる窒化シリコン膜を形成すると、外部か
らの水分やアルカリ金属の侵入を防止することが可能であり、酸化インジウム亜鉛膜５９
の不純物の含有量を低減することができる。
【０１２９】
なお、ゲート絶縁膜６３の形成の後、または絶縁膜６９の形成の後、加熱処理を行っても
よい。当該加熱処理によって、酸化インジウム亜鉛膜５９から水素を放出させると共に、
下地絶縁膜５３、ゲート絶縁膜６３または絶縁膜６９に含まれる酸素の一部を、酸化イン
ジウム亜鉛膜５９と、下地絶縁膜５３と酸化インジウム亜鉛膜５９の界面近傍と、ゲート
絶縁膜６３と酸化インジウム亜鉛膜５９の界面近傍と、に拡散させることができる。当該
工程により、酸化インジウム亜鉛膜５９中に含まれる酸素欠損を低減することができると
共に、酸化インジウム亜鉛膜５９と下地絶縁膜５３、または酸化インジウム亜鉛膜５９と
ゲート絶縁膜６３の界面における酸素欠損を低減することができる。この結果、水素濃度
及び酸素欠損が低減された酸化インジウム亜鉛膜５９を形成することができる。
【０１３０】
以上の工程により、六方晶の結晶構造及び菱面体晶の結晶構造を有する酸化インジウム亜
鉛膜をチャネル領域に有するトランジスタ１２０を作製することができる。図５（Ｅ）に
示すように、トランジスタ１２０は、基板５１上に設けられた下地絶縁膜５３と、下地絶
縁膜５３上に設けられた酸化インジウム亜鉛膜５９と、酸化インジウム亜鉛膜５９の上面
及び側面と接するように設けられたソース電極６１ａ及びドレイン電極６１ｂと、酸化イ
ンジウム亜鉛膜５９上に設けられたゲート絶縁膜６３と、酸化インジウム亜鉛膜５９と重
畳してゲート絶縁膜６３上に設けられたゲート電極６５と、ゲート電極６５上に設けられ
た絶縁膜６９とを有する。
【０１３１】
トランジスタ１２０に用いられている六方晶の結晶構造及び菱面体晶の結晶構造を有する
酸化物半導体である酸化インジウム亜鉛膜は、全体がアモルファス構造の酸化物半導体膜
と比較して良好な結晶性を有するので、酸素欠損やダングリングボンド、あるいはダング
リングボンドなどに結合する水素などの不純物が低減されている。これらの酸素欠損に代
表されるような欠損やダングリングボンド、あるいはダングリングボンドなどに結合する
水素などは、酸化物半導体膜中でキャリアのトラップあるいはキャリアの供給源のように
機能するため、当該酸化物半導体膜の電気伝導度が変動する原因となりうる。よって、こ
れらが低減されている、六方晶の結晶構造及び菱面体晶の結晶構造を有する酸化インジウ
ム亜鉛膜は、電気伝導度が安定しており、可視光や紫外光などの照射に対してもより電気
的に安定な構造を有する。このような六方晶の結晶構造及び菱面体晶の結晶構造を有する
酸化インジウム亜鉛膜をトランジスタに用いることによって、安定した電気的特性を有す
る、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０１３２】
また、本発明の一態様に係る半導体装置は、図５に示すトランジスタ１２０に限られるも
のではない。例えば、図９（Ａ）に示すトランジスタ１３０のような構造としても良い。
トランジスタ１３０は、基板５１上に設けられた下地絶縁膜５３と、下地絶縁膜５３上に
設けられたソース電極６１ａ及びドレイン電極６１ｂと、ソース電極６１ａ及びドレイン
電極６１ｂの上面及び側面と接するように設けられた酸化インジウム亜鉛膜５９と、酸化
インジウム亜鉛膜５９上に設けられたゲート絶縁膜６３と、酸化インジウム亜鉛膜５９と
重畳してゲート絶縁膜６３上に設けられたゲート電極６５と、ゲート電極６５上に設けら
れた絶縁膜６９とを有する。つまり、トランジスタ１３０は、酸化インジウム亜鉛膜５９
がソース電極６１ａ及びドレイン電極６１ｂの上面及び側面と接するように設けられてい
る点において、トランジスタ１２０と異なる。
【０１３３】
また、図９（Ｂ）に示すトランジスタ１４０のような構造としても良い。トランジスタ１
４０は、基板５１上に設けられた下地絶縁膜５３と、下地絶縁膜５３上に設けられたゲー
ト電極６５と、ゲート電極６５上に設けられたゲート絶縁膜６３と、ゲート絶縁膜６３上
に設けられた酸化インジウム亜鉛膜５９と、酸化インジウム亜鉛膜５９の上面及び側面と
接するように設けられたソース電極６１ａ及びドレイン電極６１ｂと、酸化インジウム亜
鉛膜５９上に設けられた絶縁膜６９とを有する。つまり、トランジスタ１４０は、ゲート
電極６５とゲート絶縁膜６３が酸化インジウム亜鉛膜５９の下に設けられた、ボトムゲー
ト構造である点において、トランジスタ１２０と異なる。
【０１３４】
また、図９（Ｃ）に示すトランジスタ１５０のような構造としても良い。トランジスタ１
５０は、基板５１上に設けられた下地絶縁膜５３と、下地絶縁膜５３上に設けられたゲー
ト電極６５と、ゲート電極６５上に設けられたゲート絶縁膜６３と、ゲート絶縁膜６３上
に設けられたソース電極６１ａ及びドレイン電極６１ｂと、ソース電極６１ａ及びドレイ
ン電極６１ｂの上面及び側面と接するように設けられた酸化インジウム亜鉛膜５９と、酸
化インジウム亜鉛膜５９上に設けられた絶縁膜６９とを有する。つまり、トランジスタ１
５０は、ゲート電極６５とゲート絶縁膜６３が酸化インジウム亜鉛膜５９の下に設けられ
た、ボトムゲート構造である点において、トランジスタ１３０と異なる。
【０１３５】
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適
宜組み合わせて用いることができる。
【０１３６】
（実施の形態３）
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。
【０１３７】
画素部に配置するトランジスタは、実施の形態２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チャネル型のトランジ
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トランジスタを用いること
により、信頼性の高い表示装置を提供することができる。
【０１３８】
アクティブマトリクス型表示装置のブロック図の一例を図１０（Ａ）に示す。表示装置の
基板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
。
【０１３９】
図１０（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５
００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。
【０１４０】
また、画素部の回路構成の一例を図１０（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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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５
１７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。これにより、信頼性の高い液晶表示パ
ネルを提供することができる。
【０１４３】
トランジスタ５１６と接続する第１の画素電極層と、トランジスタ５１７と接続する第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に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。
【０１４４】
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の画素電極層と接続する容量電極とで保持容量を形成する。
【０１４５】
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。
【０１４６】
なお、図１０（Ｂ）に示す画素構成は、これに限定されない。例えば、図１０（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。
【０１４７】
また、画素部の回路構成の一例を図１０（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。
【０１４８】
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。
【０１４９】
有機ＥＬ素子を駆動可能な画素の構成及び画素の動作について説明する。ここでは酸化イ
ンジウム亜鉛膜をチャネル領域に用いる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。
【０１５０】
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５
２７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に接続される。
【０１５１】
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は実施の形態２に示
すトランジスタを適宜用いることができる。これにより、信頼性の高い有機ＥＬ素子を用
いた表示パネルを提供することができる。
【０１５２】
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。
【０１５３】
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。
【０１５４】
ここで、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５２
４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。
【０１５５】
なお、図１０（Ｃ）に示す画素構成は、これに限定されない。例えば、図１０（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。
【０１５６】
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適
宜組み合わせて用いることができる。
【０１５７】
（実施の形態４）
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。
【０１５８】
図１１（Ａ）は、携帯型の情報端末であり、本体１００１、筐体１００２、表示部１００
３ａ、１００３ｂなどによって構成されている。表示部１００３ｂはタッチパネルとなっ
ており、表示部１００３ｂに表示されるキーボードボタン１００４に触れることで画面操
作や、文字入力を行うことができる。勿論、表示部１００３ａをタッチパネルとして構成
してもよい。先の実施の形態で示したトランジスタをスイッチング素子として液晶パネル
や有機発光パネルを作製して表示部１００３ａ、１００３ｂに適用することにより、信頼
性の高い携帯型の情報端末とすることができる。
【０１５９】
図１１（Ａ）に示す携帯型の情報端末は、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など
）を表示する機能、カレンダー、日付又は時刻などを表示部に表示する機能、表示部に表
示した情報を操作又は編集する機能、様々なソフトウェア（プログラム）によって処理を
制御する機能、等を有することができる。また、筐体の裏面や側面に、外部接続用端子（
イヤホン端子、ＵＳＢ端子など）、記録媒体挿入部などを備える構成としてもよい。
【０１６０】
また、図１１（Ａ）に示す携帯型の情報端末は、無線で情報を送受信できる構成としても
よい。無線により、電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロード
する構成とすることも可能である。
【０１６１】
図１１（Ｂ）は、携帯音楽プレイヤーであり、本体１０２１には表示部１０２３と、耳に
装着するための固定部１０２２と、スピーカー、操作ボタン１０２４、外部メモリスロッ
ト１０２５等が設けられている。先の実施の形態で示したトランジスタをスイッチング素
子として液晶パネルや有機発光パネルを作製して表示部１０２３に適用することにより、
より信頼性の高い携帯音楽プレイヤーとすることができる。
【０１６２】
さらに、図１１（Ｂ）に示す携帯音楽プレイヤーにアンテナやマイク機能や無線機能を持
たせ、携帯電話と連携させれば、乗用車などを運転しながらワイヤレスによるハンズフリ
ーでの会話も可能である。
【０１６３】
図１１（Ｃ）は、携帯電話であり、筐体１０３０及び筐体１０３１の二つの筐体で構成さ
れている。筐体１０３１には、表示パネル１０３２、スピーカー１０３３、マイクロフォ
ン１０３４、ポインティングデバイス１０３６、カメラ用レンズ１０３７、外部接続端子
１０３８などを備えている。また、筐体１０３０には、携帯電話の充電を行う太陽電池セ
ル１０４０、外部メモリスロット１０４１などを備えている。また、アンテナは筐体１０
３１内部に内蔵されている。先の実施の形態で示したトランジスタを表示パネル１０３２
に適用することにより、信頼性の高い携帯電話とすることができる。
【０１６４】
また、表示パネル１０３２はタッチパネルを備えており、図１１（Ｃ）には映像表示され
ている複数の操作キー１０３５を点線で示している。なお、太陽電池セル１０４０で出力
される電圧を各回路に必要な電圧に昇圧するための昇圧回路も実装している。
【０１６５】
例えば、昇圧回路などの電源回路に用いられるパワートランジスタも先の実施の形態に示
したトランジスタの酸化物半導体膜の膜厚を２μｍ以上５０μｍ以下とすることで形成す
ることができる。
【０１６６】
表示パネル１０３２は、使用形態に応じて表示の方向が適宜変化する。また、表示パネル
１０３２と同一面上にカメラ用レンズ１０３７を備えているため、テレビ電話が可能であ
る。スピーカー１０３３及びマイクロフォン１０３４は音声通話に限らず、テレビ電話、
録音、再生などが可能である。さらに、筐体１０３０と筐体１０３１は、スライドし、図
１１（Ｃ）のように展開している状態から重なり合った状態とすることができ、携帯に適
した小型化が可能である。
【０１６７】
外部接続端子１０３８はＡＣアダプタ及びＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能
であり、充電及びパーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能である。また、外部
メモリスロット１０４１に記録媒体を挿入し、より大量のデータ保存及び移動に対応でき
る。
【０１６８】
また、上記機能に加えて、赤外線通信機能、テレビ受信機能などを備えたものであっても
よい。
【０１６９】
図１１（Ｄ）は、テレビジョン装置の一例を示している。テレビジョン装置１０５０は、
筐体１０５１に表示部１０５３が組み込まれている。表示部１０５３により、映像を表示
することが可能である。また、ここでは、ＣＰＵを内蔵したスタンド１０５５により筐体
１０５１を支持した構成を示している。先の実施の形態で示したトランジスタを表示部１
０５３に適用することにより、信頼性の高いテレビジョン装置１０５０とすることができ
る。
【０１７０】
テレビジョン装置１０５０の操作は、筐体１０５１が備える操作スイッチや、別体のリモ
コン操作機により行うことができる。また、リモコン操作機に、当該リモコン操作機から
出力する情報を表示する表示部を設ける構成としてもよい。
【０１７１】
なお、テレビジョン装置１０５０は、受信機やモデムなどを備えた構成とする。受信機に
より一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線または無線に
よる通信ネットワークに接続することにより、一方向（送信者から受信者）または双方向
（送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など）の情報通信を行うことも可能である。
【０１７２】
また、テレビジョン装置１０５０は、外部接続端子１０５４や、記憶媒体再生録画部１０
５２、外部メモリスロットを備えている。外部接続端子１０５４は、ＵＳＢケーブルなど
の各種ケーブルと接続可能であり、パーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能で
ある。記憶媒体再生録画部１０５２では、ディスク状の記録媒体を挿入し、記録媒体に記
憶されているデータの読み出し、記録媒体への書き込みが可能である。また、外部メモリ
スロットに差し込まれた外部メモリ１０５６にデータ保存されている画像や映像などを表
示部１０５３に映し出すことも可能である。
【０１７３】
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適
宜組み合わせて用いることができる。
【符号の説明】
【０１７４】
３１    処理室
３３    排気手段
３５    ガス供給手段
３７    電源装置
４０    基板支持体
４１    ターゲット
４３    イオン
４５    原子
４７    原子
５０    拡大部
５１    基板
５３    下地絶縁膜
５５    酸化インジウム亜鉛膜
５５ａ    種結晶
５５ｂ    酸化インジウム亜鉛膜
５６ａ    種結晶
５６ｂ    酸化インジウム亜鉛膜
５６    酸化インジウム亜鉛膜
５９    酸化インジウム亜鉛膜
６１ａ    ソース電極
６１ｂ    ドレイン電極
６３    ゲート絶縁膜
６５    ゲート電極
６９    絶縁膜
１２０    トランジスタ
１３０    トランジスタ
１４０    トランジスタ
１５０    トランジスタ
５００    基板
５０１    画素部
５０２    走査線駆動回路
５０３    走査線駆動回路
５０４    信号線駆動回路
５１０    容量配線
５１２    ゲート配線
５１３    ゲート配線
５１４    ドレイン電極層
５１６    トランジスタ
５１７    トランジスタ
５１８    液晶素子
５１９    液晶素子
５２０    画素
５２１    スイッチング用トランジスタ
５２２    駆動用トランジスタ
５２３    容量素子
５２４    発光素子
５２５    信号線
５２６    走査線
５２７    電源線
５２８    共通電極
１００１    本体
１００２    筐体
１００３ａ    表示部
１００３ｂ    表示部
１００４    キーボードボタン
１０２１    本体
１０２２    固定部
１０２３    表示部
１０２４    操作ボタン
１０２５    外部メモリスロット
１０３０    筐体
１０３１    筐体
１０３２    表示パネル
１０３３    スピーカー
１０３４    マイクロフォン
１０３５    操作キー
１０３６    ポインティングデバイス
１０３７    カメラ用レンズ
１０３８    外部接続端子
１０４０    太陽電池セル
１０４１    外部メモリスロット
１０５０    テレビジョン装置
１０５１    筐体
１０５２    記憶媒体再生録画部
１０５３    表示部
１０５４    外部接続端子
１０５５    スタンド
１０５６    外部メモリ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2018011084.tif 000011
【図８】
2018011084.tif 000012
【図９】
2018011084.tif 000013
【図１０】
2018011084.tif 000014
【図１１】
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