(57)【要約】【課題】不純物が混入しない酸化物半導体膜を成膜する成膜装置を提供することを課題とする。不純物が混入しない酸化物半導体膜を含む半導体装置の作製方法を提供することを課題とする。【解決手段】成膜装置を含む環境から不純物を排除することにより、成膜装置の外部から成膜装置内へ不純物を含む気体が漏洩（リーク）する現象を防げばよい。また、当該装置を用いて成膜した、不純物が低減された酸化物半導体層を半導体装置に適用すればよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成膜室と、
前記成膜室を囲うように配置された隔壁と、
前記成膜室と前記隔壁との間に空間と、を有し、
前記隔壁は水素原子を含む化合物の濃度が１ｐｐｍ以下であるガスを前記空間に供給する手段と、
前記空間内を大気圧以上の圧力とする圧力調整手段と、を有し、
前記成膜室はスパッタリング用金属酸化物ターゲットを固定するターゲット保持部、及び真空排気手段を有する成膜装置。
【請求項２】
請求項１において、
基板を加熱する加熱手段が設けられた基板保持部と、真空排気手段と、を備えたロードロック室を有する成膜装置。
【請求項３】
複数の成膜室と、
前記成膜室の少なくとも一つを囲うように配置された隔壁と、
前記成膜室の少なくとも一つと前記隔壁との間に空間と、
基板を加熱する加熱手段が設けられた基板保持部と、真空排気手段と、を備えたロードロック室と、を有し、
前記隔壁は水素原子を含む化合物の濃度が１ｐｐｍ以下であるガスを前記空間に供給する手段と、
前記空間内を大気圧以上の圧力とする圧力調整手段と、を有し、
前記成膜室の少なくとも一つはスパッタリング用ターゲットを固定するターゲット保持部、及び真空排気手段を備え、
前記成膜室の他の一つは、スパッタリング用金属酸化物ターゲットを固定するターゲット保持部を備え、
前記空間の中に、前記ロードロック室及び前記成膜室のそれぞれとゲートバルブを介して連結され、真空排気手段を有する搬送手段と、を備える成膜装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかにおいて、
前記水素原子を含む化合物の濃度が１ｐｐｍ以下であるガスが、希ガスを含む成膜装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、
前記水素原子を含む化合物の濃度が１ｐｐｍ以下であるガスが、アルゴンを含む成膜装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項において、
前記隔壁が、可撓性を有する袋体、又はチャンバーである成膜装置。
【請求項７】
水素原子を含む化合物の濃度が１ｐｐｍ以下であるガスが導入され大気圧以上の圧力に保たれた空間内に設けられ、真空排気された成膜室内に基板を導入し、
前記成膜室内に高純度のスパッタリング用ガスを導入し、
スパッタリング法を用いて、前記基板上に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８】
基板をロードロック室に搬入し、
前記ロードロック室を真空排気し、
前記基板に加熱処理を行い、
前記基板を、水素原子を含む化合物の濃度が１ｐｐｍ以下であるガスが導入され大気圧以上の圧力に保たれた空間内に設けられ真空排気された第１の成膜室に搬送し、
前記第１の成膜室内に高純度のスパッタリング用ガスを導入し、スパッタリング法を用いて、前記基板上にゲート絶縁膜を形成し、
前記第１の成膜室内を真空排気し、
前記基板を、前記空間内に設けられ真空排気された第２の成膜室に搬送し、
前記第２の成膜室内に高純度のスパッタリング用ガスを導入し、スパッタリング法を用いて、前記ゲート絶縁膜上に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９】
請求項８において、
前記酸化物半導体膜を形成した後、
前記第２の成膜室内を真空排気し、
前記基板を、前記空間内に設けられ真空排気された第３の成膜室に搬送し、
前記第３の成膜室内に高純度のスパッタリング用ガスを導入し、スパッタリング法を用いて、前記酸化物半導体膜上に導電膜を形成する、半導体装置の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は成膜装置に関する。半導体装置の作製方法に関する。
【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、表示装置などの電気光学装置、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】
近年、半導体装置に用いるＬＳＩやＣＰＵやメモリなど、半導体集積回路の開発が進められている。半導体集積回路は、例えば半導体ウェハなどの基板上にトランジスタやメモリと共に、接続端子である電極が形成された半導体装置の集合体である。
【０００４】
ＬＳＩやＣＰＵやメモリなどの半導体集積回路（ＩＣチップ）は、回路基板、例えばプリント配線板に実装され、様々な電子機器の部品の一つとして用いられる。
【０００５】
また、データの送受信が可能な半導体装置の開発が進められている。このような半導体装置は、無線タグ、ＲＦＩＤタグなどと呼ばれ、例えば半導体集積回路（ＩＣチップ）とアンテナを接続したものが実用化されている。
【０００６】
また、トランジスタに適用可能な半導体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。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、電子キャリア濃度が１０１８／ｃｍ３未満である酸化物半導体なるもので形成された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】
【０００７】
【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】
【０００８】
低消費電力の半導体装置を実現するためには、トランジスタなどの半導体装置のオフ電流は極めて低い値が要求される。上記特許文献に開示される薄膜トランジスタのオンオフ比は十分な値を得られていない。それは、電子キャリア濃度が１０１８／ｃｍ３未満であっても、酸化物半導体においては実質的にはｎ型であり、オフ電流の低減が困難であるためである。
【０００９】
酸化物半導体を用いたトランジスタのオフ電流を極めて低いレベルにまで低減するためには、酸化物半導体膜中及び、酸化物半導体膜に接する層中にＯＨ結合を有する化合物などの水素原子を含む化合物が不純物として混入せず、当該膜及び層中の水素原子の濃度が十分に低減されている必要がある。
【００１０】
しかし、成膜装置内を高真空に排気しても、例えば成膜装置の接続部等を介して大気が成膜装置の外部から装置内に漏洩（リーク）し、成膜装置内の不純物を十分に除去できていないことがある。このような成膜装置で成膜した膜は不純物を含む膜になってしまう。すなわち、大気中に置かれた成膜装置を用いて成膜した膜は、常に大気に含まれる不純物に汚染される可能性にさらされることになる。
【００１１】
また、成膜中に混入した不純物を膜内から除去する手段の一つとして、加熱処理が挙げられるが、半導体装置の作製工程に加熱処理を加えることで、工程数が増え、所要時間の増加、及び加熱を行うためにエネルギーの消費が増える等の課題がある。
【００１２】
また、種々の方法を講じても一旦成膜中に混入してしまった不純物、例えば水等の水素原子を含む化合物を膜内から完全に除去することは困難である。
【００１３】
本発明の一態様は、不純物が混入しない酸化物半導体膜を成膜する成膜装置を提供することを課題とする。本発明の一態様は、不純物が混入しない酸化物半導体膜を含む半導体装置の作製方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明は成膜装置を含む環境に着眼した。すなわち、成膜装置を含む環境から不純物を排除して、成膜装置の外部から成膜装置内へ不純物を含む気体が漏洩（リーク）する現象を防げばよい。また、当該装置を用いて成膜した酸化物半導体層を半導体装置に適用すればよい。
【００１５】
よって、本発明の一態様の成膜装置は、成膜室と、成膜室を囲うように配置された隔壁と、成膜室と隔壁との間に空間とを有する。また、隔壁は水素原子を含む化合物の濃度が１ｐｐｍ以下であるガスを空間に供給する手段と、空間内を大気圧以上の圧力とする圧力調整手段とを有する。さらに、成膜室はスパッタリング用金属酸化物ターゲットを固定するターゲット保持部、及び真空排気手段を有する成膜装置である。
【００１６】
隔壁に覆われた空間内を、水素原子を含む化合物の濃度が１ｐｐｍ以下のガスを用いて大気圧以上の圧力に保持することで、大気圧である大気から空間内に水素原子を含んだ化合物が浸入することを防ぎ、成膜室内部に水素原子を含んだ化合物が侵入することを効果的に防止することができる。
【００１７】
また、本発明の一態様は、上記成膜装置の内、基板を加熱する加熱手段が設けられた基板保持部と、真空排気手段と、を備えたロードロック室を有する成膜装置である。
【００１８】
上記成膜装置にロードロック室を加えることで、基板の搬入出時に成膜室が真空排気した状態を保持できるため、成膜室の清浄度を保つことができる。
【００１９】
また、本発明の一態様の成膜装置は複数の成膜室と、成膜室の少なくとも一つを囲うように配置された隔壁と、成膜室の少なくとも一つと隔壁との間に空間とを有する。また、基板を加熱する加熱手段が設けられた基板保持部と、真空排気手段と、を備えたロードロック室とを有する。さらに、隔壁は水素原子を含む化合物の濃度が１ｐｐｍ以下であるガスを空間に供給する手段と、空間内を大気圧以上の圧力とする圧力調整手段とを有する。また、成膜室の少なくとも一つはスパッタリング用ターゲットを固定するターゲット保持部、及び真空排気手段を備え、成膜室の他の一つは、スパッタリング用金属酸化物ターゲットを固定するターゲット保持部を備える。さらに、空間の中に、ロードロック室及び成膜室のそれぞれとゲートバルブを介して連結され、真空排気手段を有する搬送手段とを備える成膜装置である。
【００２０】
隔壁に覆われた空間内を、水素原子を含む化合物の濃度が１ｐｐｍ以下のガスを用いて大気圧以上の圧力に保持することで、大気圧である大気から空間内に水素原子を含んだ化合物が浸入することを防ぎ、複数の成膜室内部、及び搬送手段に水素原子を含んだ化合物が侵入することを効果的に防止することができる。
【００２１】
また、本発明の一態様は、上記成膜装置の内、水素原子を含む化合物の濃度が１ｐｐｍ以下であるガスが、希ガスを含む成膜装置である。
【００２２】
隔壁に覆われた空間内を満たすガスの主成分を希ガスとすることで、漏洩（リーク）により成膜装置に混入するガスの主成分を希ガスとすることができる。希ガスは酸化物半導体膜の成膜時の成膜ガスと同様に悪影響を与えないため、不純物の混入が極めて小さい半導体装置を作製することができる。
【００２３】
また、本発明の一態様は、上記成膜装置の内、水素原子を含む化合物の濃度が１ｐｐｍ以下であるガスが、アルゴンを含む成膜装置である。
【００２４】
隔壁に覆われた空間内を満たすガスの主成分をアルゴンとすることで、同じ希ガスであるヘリウムなどと比較して入手が容易であり、安価に実施することができる。
【００２５】
また、本発明の一態様は、上記成膜装置の内、隔壁が、可撓性を有する袋体、又はチャンバーである成膜装置である。
【００２６】
上記隔壁を、可撓性を有する袋体で構成することで、金属等で構成されたチャンバーと比較して、既存の装置に上記効果を付与することが容易となる。また、上記隔壁を金属等で構成されたチャンバーとすることで、空間内の圧力を広い範囲で調整できる。
【００２７】
また、本発明の一態様は、水素原子を含む化合物の濃度が１ｐｐｍ以下であるガスが導入され大気圧以上の圧力に保たれた空間内に設けられ、真空排気された成膜室内に基板を導入し、成膜室内に高純度のスパッタリング用ガスを導入し、スパッタリング法を用いて、基板上に酸化物半導体膜を形成する、半導体装置の作製方法である。
【００２８】
上記方法により、成膜室内に水素原子を含む化合物の濃度が極めて低い環境で成膜することが可能となり、水素原子濃度が低減された酸化物半導体膜を形成することができる。
【００２９】
また、本発明の一態様は基板をロードロック室に搬入し、ロードロック室を真空排気し、基板に加熱処理を行い、基板を、水素原子を含む化合物の濃度が１ｐｐｍ以下であるガスが導入され大気圧以上の圧力に保たれた空間内に設けられ真空排気された第１の成膜室に搬送する。次いで第１の成膜室内に高純度のスパッタリング用ガスを導入し、スパッタリング法を用いて、基板上にゲート絶縁膜を形成し、第１の成膜室内を真空排気する。さらに基板を、空間内に設けられ真空排気された第２の成膜室に搬送し、第２の成膜室内に高純度のスパッタリング用ガスを導入し、スパッタリング法を用いて、ゲート絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成する、半導体装置の作製方法である。
【００３０】
上記基板加熱処理により基板に吸着した水素原子を含む化合物を脱離、排気することが可能である。さらに水素原子を含む化合物の濃度が極めて低い環境でゲート絶縁膜及び酸化物半導体膜を連続成膜することが可能となり、絶縁膜中、酸化物半導体膜中、及びその界面の水素原子濃度が低減された積層膜を形成することができる。
【００３１】
また、本発明の一態様は酸化物半導体膜を形成した後、第２の成膜室内を真空排気し、基板を、空間内に設けられ真空排気された第３の成膜室に搬送し、第３の成膜室内に高純度のスパッタリング用ガスを導入し、スパッタリング法を用いて、酸化物半導体膜上に導電膜を形成する、半導体装置の作製方法である。
【００３２】
上記方法により、基板を大気に触れさせずに、水素原子を含む化合物の濃度が極めて低い環境で、連続的に酸化物半導体膜と導電膜を形成することができ、酸化物半導体膜と導電膜の界面及び導電膜中の水素原子濃度が低減された半導体装置を作製することができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の一態様は、不純物が混入しない酸化物半導体膜を成膜する成膜装置を提供することができる。本発明の一態様は、不純物が混入しない酸化物半導体膜を含む半導体装置の作製方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一態様の成膜装置を説明する図。
【図２】本発明の一態様の連続成膜装置を説明する図。
【図３】本発明の一態様の作製方法で作製するトランジスタを説明する図。
【図４】本発明の一態様のトランジスタの作製方法を説明する図。
【図５】本発明の一態様のトランジスタの作製方法を説明する図。
【図６】本発明の一態様のトランジスタの作製方法を説明する図。
【図７】本発明の一態様の成膜装置を説明する図。
【図８】本発明の一態様の連続成膜装置を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下に、実施の態様について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本明細書で開示する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、本明細書の実施の形態及び実施例の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００３６】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様の成膜装置について図面を参照して説明する。
【００３７】
図１は本実施の形態の成膜装置の断面概略図である。
【００３８】
図１に示す成膜装置は、隔壁６０５の内部に成膜室１０３を備え、隔壁６０５と成膜室１０３との間に空間６０６を有する。
【００３９】
はじめに、成膜室１０３を囲う隔壁６０５の構成について説明する。
【００４０】
隔壁６０５は空間６０６にガスを供給するためのガス導入手段１０７ａ、圧力調整手段１０７ｂ、並びに搬入出口６０４ａを備える。
【００４１】
隔壁６０５は成膜室１０３と大気との間に空間６０６を形成するために設けられる。隔壁６０５は大気に含まれる不純物を透過しなければ良く、例えば鉄、アルミニウム、ステンレス等の金属で構成されても良いし、または大気に含まれる不純物を透過しない十分な厚さや、透過防止膜（バリア膜）を持つ、可撓性を有する袋体を用いることができる。なお、大気に含まれる不純物としては、酸化物半導体層を成膜する場合は例えば水など、水素原子を含む化合物をその例に挙げることができる。
【００４２】
搬入出口６０４ａは、被処理基板を隔壁６０５内に搬入及び搬出するための搬入出口である。搬入出口６０４ａは開閉可能な扉を有し、基板を搬入出するときに扉を開いて隔壁６０５に開口部を形成する。搬入出口６０４ａを開口することで、空間６０６の圧力が大気圧まで低下し、大気に含まれる不純物が空間６０６の封止ガスに拡散する恐れがある。従って、搬入出口６０４ａの開口後は空間６０６の封止ガスを高純度なガスで充分置換し、例えば、水素原子を含む化合物の濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下とすることが好ましい。
【００４３】
圧力調整手段１０７ｂは、例えば圧力センサとバルブ及び排気ラインで構成されていて良く、内部の圧力が設定値よりも高い場合はバルブを開け、また内部の圧力が設定値よりも低い場合はバルブを閉じることにより圧力を調整できる。
【００４４】
ガス導入手段１０７ａと圧力調整手段１０７ｂを用いて、空間６０６にアルゴンなどの希ガスからなる封止ガスを導入できる。この封止ガスには水素原子を含む化合物が含まれないことが望ましく、水素原子を含む化合物の濃度は１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下とすることが好ましい。
【００４５】
この封止ガスの一部は、成膜室１０３内の接続部や配管の継ぎ目などを介して、成膜室１０３の内部に漏洩（リーク）するが、リークする封止ガスの主たる成分はアルゴンなどの希ガスとなる。
【００４６】
また、隔壁６０５の接続部や配管の継ぎ目などを介して、大気中から空間６０６へ酸素や窒素、Ｈ２Ｏ等の水素原子を含む化合物が不純物として漏洩（リーク）するが、ガス導入手段１０７ａと圧力調整手段１０７ｂを用いて、空間６０６の圧力を大気圧より大きくすることにより、その影響を抑制することができる。
【００４７】
次に、成膜室１０３について説明する。成膜室１０３は、被処理基板である基板１１０を保持するための基板保持部２０１、基板加熱手段２０３、基板回転手段２０５、ターゲット保持部に保持されたスパッタリング用ターゲット２１１、防着板２１２、メインバルブ２１３、及び搬入出口６０４ｂ、を有する。なお、スパッタリング用ターゲット２１１と基板１１０の間にはシャッター（図示しない）が設けられている。また、電源２０９、ガス導入手段２１０、自動圧力制御装置２１５、及び排気手段２１７は、隔壁６０５の外部に配置され、配管等を用いて直接成膜室１０３へ接続されている。
【００４８】
排気手段２１７としては、例えばクライオポンプなどの排気手段を用いることが好ましい。酸化物半導体層を成膜する場合、膜中に混入する不純物の量を低く抑えることができるためである。
【００４９】
ガス導入手段２１０は、例えばマスフローコントローラ等で制御された電磁バルブ等を介してガス供給ラインに接続すればよい。マスフローコントローラを用いることにより、複数のガスの混合比が制御されたガスを成膜室１０３に導入できる。なお、成膜室１０３内に不純物が混入するのを防ぐため、成膜室１０３に導入するガスとしては高純度のガスを用いる。例えば、成膜室１０３内に導入されるこれらのガスは、装置内に導入される前にガス精製機により高純度化されたものを用いる。これにより、ガス中に含まれる水等の不純物を予め除去することができるため、装置内部にこれらの不純物が導入されるのを防ぐことができる。
【００５０】
基板保持部２０１は、基板１１０を保持する役割を有する。また、基板保持部２０１は、基板加熱手段２０３を備える。基板加熱手段２０３としては、例えば、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手段を用いてもよいし、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手段を用いてもよい。基板加熱手段２０３を設けることにより基板１１０を加熱しながら成膜を行うことができる。
【００５１】
基板回転手段２０５は基板１１０を回転できる。基板１１０を回転しながら成膜すると膜厚の均一性が高まるため好ましい。
【００５２】
防着板２１２は、成膜時に基板に付着しなかった成膜材料が、成膜室１０３の内壁に付着し、ゴミの発生原因となるのを防ぐ。防着板２１２の材料としては、鉄、アルミニウム、ステンレス等の金属を用いることができる。
【００５３】
なお、成膜室１０３は、基板保持部２０１周辺の壁面を加熱する手段（図示しない）を有していてもよい。定期的に成膜室の内壁を加熱し、内壁に吸着する不純物を脱離処理することで高真空を実現することができる。
【００５４】
搬入出口６０４ｂは被処理基板を成膜室１０３に搬入及び搬出するための搬入出口である。搬入出口６０４ｂは開閉可能な扉を有し、基板を搬入出するときに扉を開いて成膜室１０３に開口部を形成する。
【００５５】
なお、成膜室１０３は、基板１１０を成膜装置内に搬入するためのロードロック室と、ロードロック室から成膜室に基板を搬送するための搬送室とを備えていても良い。
【００５６】
次に、上述の、成膜室、搬送室、及びロードロック室を備えた成膜装置について説明する。
【００５７】
図７は、本実施の形態の成膜装置の側面概略図である。
【００５８】
図７に示す成膜装置１００は、ロードロック室１０１、及び隔壁１０５を有し、隔壁１０５内には、ロードロック室１０１と連結された搬送室１０２と、搬送室１０２に連結された成膜室１０３が設けられ、それぞれの連結部にはそれぞれゲートバルブが設けられている。また、隔壁１０５と、搬送室１０２及び成膜室１０３との間には、空間１０６を有する。また、隔壁１０５は空間１０６にガスを導入するためのガス導入手段１０７ａと圧力調整手段１０７ｂとを具備する。
【００５９】
ロードロック室１０１は、基板加熱手段を有する基板保持部１０９、排気手段２２２、及びガス導入手段（図示しない）を有する。なお、ロードロック室１０１は前記搬送室１０２に加えて、成膜装置の外部ともゲートバルブ１０４により隔てられている。
【００６０】
ロードロック室１０１は基板の搬入出を行う場所であると同時に、処理前の基板に対し予備加熱を行うことが可能である。またその内部は、排気手段２２２を用いて排気することができる。処理前の基板に対して、排気しながら予備加熱を行うことで基板に吸着した不純物を脱離し、排気することができる。なお、不純物としては、例えば水素、Ｈ２Ｏ等の水素原子を含む化合物や、炭素原子を含む化合物をその例に挙げることができる。予備加熱の温度は、室温以上６００℃以下であれば良く、１００℃以上４００℃以下であることが特に好ましい。
【００６１】
搬送室１０２は搬送ロボット１０８、及び排気手段２２０を有し、基板１１０をロードロック室１０１と成膜室１０３との間で搬送を行うための受け渡し室の役割を有している。
【００６２】
搬送室１０２に設けられた排気手段２２０により、搬送室内を真空排気することが可能である。搬送室内を真空排気することにより、予備加熱によって不純物を除去した基板の搬送時における再汚染を抑制することができる。
【００６３】
隔壁１０５は上記隔壁６０５と同様の役割を果たす。また、同様に、空間１０６は、上記空間６０６と同様の役割を果たす。すなわち隔壁１０５は、隔壁１０５に設けられたガス導入手段１０７ａと圧力調整手段１０７ｂにより、空間１０６内部に希ガスからなる封止ガスを導入して大気圧以上とすることができ、大気から空間１０６への不純物の混入を抑制する働きを有する。
【００６４】
搬送室１０２は成膜室１０３と同様に、隔壁１０５の内部に配置されている。従って前記成膜装置と同様、空間１０６にアルゴン等の希ガスからなる封止ガスを導入して大気圧以上とすることにより、搬送室１０２内の接続部や配管の継ぎ目などを介して、搬送室１０２の内部に漏洩（リーク）するガスの主たる成分はアルゴンなどの希ガスとなる。
【００６５】
次に、成膜装置１００を用いてガラス基板上に酸化物半導体膜を形成する方法について説明する。本実施の形態では、成膜室１０３でスパッタリング法を用いて酸化物半導体膜を成膜する場合について説明する。しかし、その膜種は酸化物半導体膜に限らず、スパッタリング用ターゲット２１１を変更することなどにより酸化物絶縁膜や窒化物絶縁膜なども成膜可能である。
【００６６】
成膜装置１００を用いることにより、酸化物半導体に主成分以外の不純物が極力含まれないように酸化物半導体を高純度化し、Ｉ型（真性）の酸化物半導体、又はＩ型（真性）に限りなく近い酸化物半導体にできる。すなわち、不純物を添加してＩ型化するのでなく、不純物を極力取り込まないことにより、高純度化されたＩ型（真性半導体）又はそれに近づけて酸化物半導体を成膜する。
【００６７】
高純度化された酸化物半導体中にはキャリアが極めて少なく（ゼロに近く）することができる。具体的には、キャリア濃度を１×１０１２／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満まで抑制できる。また、高純度化された酸化物半導体中の水素濃度は、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満である。
【００６８】
まず、隔壁１０５に設けられたガス導入手段１０７ａを用いて、空間１０６に水素原子を含む化合物の濃度が１ｐｐｍ以下のアルゴンからなる封止ガスを導入する。同時に圧力調整手段１０７ｂを用いて、空間１０６の圧力が大気圧以上になるように調整する。
【００６９】
なお、ここでは封止ガスとしてアルゴンを用いたが、必ずしもこれに限定されず、他の希ガスも用いることができる。
【００７０】
次に、搬送室１０２及び成膜室１０３内部を、それぞれに設けられた排気手段を用いて減圧する。
【００７１】
また、成膜室１０３の内壁に吸着する不純物を脱離処理するため、成膜室１０３の内壁を定期的に加熱処理してもよい。
【００７２】
次に、ロードロック室１０１と外部とを仕切るゲートバルブ１０４を開け、基板１１０をロードロック室１０１に搬入する。搬入後、ロードロック室１０１に接続された排気手段２２２を用いて室内を減圧すると共に、基板加熱手段を用いて基板１１０の予備加熱を行い、基板１１０に付着した不純物を脱離、排気する。
【００７３】
基板１１０に使用することができる基板に大きな制限はないが、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。
【００７４】
続いて、予備加熱を終えた基板１１０を、搬送ロボット１０８を用いて搬送室１０２を経由して成膜室１０３に搬入する。
【００７５】
まず、ロードロック室１０１と搬送室１０２を仕切るゲートバルブを開け、搬送ロボット１０８を用いて搬送室１０２に基板１１０を搬入し、上記ゲートバルブを閉じる。次いで搬送室１０２と成膜室１０３を仕切るゲートバルブを開け、同様に成膜室１０３に基板１１０を搬入する。
【００７６】
なお、基板１１０を搬出後、真空排気されたロードロック室１０１内部に希ガスを充填して大気圧以上としておいても良い。こうすることで、大気からロードロック室への不純物を含んだ大気成分の混入を抑制することができる。
【００７７】
基板１１０は、成膜室１０３内の基板保持部２０１に搬送される。基板保持部２０１にある基板ホルダ（図示しない）は、上下駆動機構によって上下に移動し、基板を固定することが可能である。なお、図７に示すように、フェイスダウン方式（基板の被成膜面が下を向いた状態で成膜する方式）を採用すると、基板１１０へのゴミの付着などを抑えることができるため、好ましい。
【００７８】
基板１１０を搬入後、搬送室１０２と成膜室１０３とを仕切るゲートバルブを閉じる。
【００７９】
成膜室１０３内の排気手段２１７、メインバルブ２１３、自動圧力制御装置２１５及びガス導入手段２１０を用いて成膜室１０３内の圧力を制御しながら、高純度のスパッタリング用のガスを導入し、スパッタリング法を用いて基板１１０に酸化物半導体膜を成膜する。
【００８０】
スパッタリングに用いる電源２０９は、ＤＣ（直流）であってもＲＦ（高周波）のいずれを用いても良い。例えば、成膜室１０３において、絶縁膜を成膜する場合には、ＲＦ電源を用いたＲＦスパッタリング法を用いれば良く、金属からなる導電膜を成膜する場合には、ＤＣ電源を用いたＤＣスパッタリング法を用いれば良い。
【００８１】
成膜終了後、排気手段２１７を用いて成膜室１０３内を再び排気することにより、清浄な状態に保たれる。成膜後に成膜室１０３内が清浄な状態に保たれることで、成膜された酸化物半導体膜表面に吸着する不純物は効果的に低減される。
【００８２】
そして、搬入時と同様に搬送ロボット１０８を用いて、成膜処理を終えた基板１１０を成膜室１０３から搬送室１０２を経由してロードロック室１０１内の基板保持部１０９に搬入する。搬送室１０２とロードロック室１０１とを仕切るゲートバルブを閉じた後、ロードロック室１０１に設けられた排気手段２２２を用いてロードロック室１０１の内圧を大気圧とする。その後、ロードロック室１０１と外部とを仕切るゲートバルブ１０４を開け、基板１１０を取り出す。
【００８３】
以上の工程でガラス基板上に酸化物半導体膜が成膜される。
【００８４】
なお、ロードロック室１０１と搬送室１０２との間で基板１１０を搬送する際、それぞれの内部を希ガスで充填し、大気圧以上の同一の圧力とした状態で基板搬送を行っても良い。こうすることで、基板搬送時における大気からロードロック室１０１への、不純物を含んだ大気成分の混入を抑制することができる。
【００８５】
以上のように、本実施の形態の成膜装置は、搬送室及び成膜室と大気を隔てる隔壁によって設けられた、希ガスからなる封止ガスを導入可能な空間を有している。この空間に水素原子を含む化合物の濃度が１ｐｐｍ以下の希ガスを主成分とする封止ガスを導入し、大気圧以上の圧力に調整することにより、水素原子を含む化合物が搬送室や成膜室へ混入することを防ぐことができる。
【００８６】
このような成膜装置を用いて酸化物半導体膜を成膜することで、酸化物半導体膜中及び、基板と酸化物半導体膜の界面に不純物が混入せず、水素濃度が十分に低減された高純度な酸化物半導体膜を形成することができる。例えばこのような高純度な酸化物半導体膜をトランジスタに適用することにより、オフ電流が低く、低消費電力のトランジスタを提供できる。
【００８７】
（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様の連続成膜装置について図面を参照して説明する。
【００８８】
図２は、本実施の形態の連続成膜装置の上面概略図である。
【００８９】
図２に示す連続成膜装置は、第１のロードロック室１１１、第２のロードロック室１３１、及び隔壁１３４を有する。さらに隔壁１３４内には、搬送室１１２、複数の成膜室（図２では、第１の成膜室１１３、第２の成膜室１１５、第３の成膜室１１７、第４の成膜室１２１、及び第５の成膜室１２７）、複数の加熱室（図２では、第１の加熱室１１９及び第２の加熱室１２３）、処理室１２５、基板待機室１２９、及び基板搬送手段１３３を有する。また、隔壁１３４と、搬送室１１２、複数の成膜室、複数の加熱室、処理室１２５、基板待機室１２９、及び基板搬送手段１３３との間には、空間１３５を有する。なお、図示しないが、本実施の形態の連続成膜装置は、装置の内壁を３００℃以上に加熱する手段を有する。
【００９０】
第１のロードロック室１１１、搬送室１１２、複数の成膜室、複数の加熱室、処理室１２５、基板待機室１２９、及び第２のロードロック室１３１は、それぞれ排気手段１１１１〜１１３１を有する。これらの排気手段は、各室の使用用途に応じて適宜排気装置を選定すればよく、例えば、吸着型のポンプを備えた排気手段や、ターボポンプにコールドトラップを備えた排気手段等が挙げられる。特に、吸着型のポンプを備えることが好ましい。吸着型のポンプとしては、例えば、クライオポンプ、スパッタイオンポンプ、チタンサブリメーションポンプ等の、吸着手段を有するポンプが挙げられる。
【００９１】
本実施の形態では、処理前の基板を収納する基板ホルダを有する場所として、第１のロードロック室１１１、処理済みの基板を収納する基板ホルダを有する場所として、第２のロードロック室１３１を設けたが、本発明の一態様の成膜装置は、これに限らず、一室で基板の搬入出を行っても良い。
【００９２】
また図示しないが、第１のロードロック室１１１は基板加熱手段を有する。排気手段１１１１、及び基板加熱手段を併用し、排気しながら処理前の基板の予備加熱を行うことで、基板に付着した不純物を脱離、排気することができる。
【００９３】
搬送室１１２は、基板搬送手段１３３を用いて基板をある一室から他の一室に搬送する受け渡し室の役割を有している。本実施の形態の連続成膜装置は、２つの基板搬送手段を有する構成としたが、基板搬送手段は１つ以上の任意の数だけ設ければ良い。
【００９４】
加熱室（第１の加熱室１１９及び第２の加熱室１２３）は、基板を加熱する手段を備えている。本実施の形態の連続成膜装置は、２つの加熱室を有する構成としたが、加熱室は１つ以上の任意の数だけ設ければ良い。
【００９５】
処理室１２５は、酸素ラジカル処理を行うことができる場所である。酸素ラジカルは、酸素を含むプラズマ発生装置により供給されてもよいし、オゾン発生装置により供給されてもよい。供給された酸素ラジカル又は酸素を薄膜に照射することによって膜表面を改質することができる。また、処理室で行う処理は、酸素ラジカル処理に限定されない。連続成膜装置において、処理室は必要でなければ設けなくても良いし、複数設けても良い。
【００９６】
基板待機室１２９は、連続成膜の工程中の基板を待機させておくことができる場所である。基板待機室１２９は、冷却手段を有していても良い。冷却手段を有することで、基板待機室において、成膜等のために熱された基板を十分に冷却することができる。冷却は、ヘリウム、ネオン、アルゴン等を基板待機室１２９に導入して行っても良い。なお、冷却に用いる窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスに、水、水素など水素原子を含む化合物が含まれないことが好ましい。または、窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（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。連続成膜装置において、基板待機室は必要でなければ設けなくても良い。
【００９７】
本発明の一態様の連続成膜装置は、複数の成膜室を有する。図２の連続成膜装置は、５つの成膜室（第１の成膜室１１３、第２の成膜室１１５、第３の成膜室１１７、第４の成膜室１２１、及び第５の成膜室１２７）を有する構成としたが、成膜室の数はこれに限定されず、連続成膜する膜の数に合わせて適宜定めればよい。
【００９８】
成膜室で行う成膜は、スパッタリング法、真空蒸着法、プラズマＣＶＤ法など、目的とする膜の種類に応じて、種々の成膜方法を用いることができる。例えば、第１の成膜室１１３ではスパッタリング法により窒化珪素膜、第２の成膜室１１５ではスパッタリング法により酸化珪素膜、第３の成膜室１１７、及び第４の成膜室１２１ではスパッタリング法により酸化物半導体膜、及び第５の成膜室１２７ではスパッタリング法により導電膜がそれぞれ成膜できる。
【００９９】
次に、ロードロック室以外の各室（搬送室１１２、複数の成膜室、複数の加熱室、処理室１２５及び基板待機室１２９）を囲う、隔壁１３４の構成について説明する。
【０１００】
隔壁１３４はロードロック室以外の各室と大気との間に空間１３５を形成するために設けられる。隔壁１３４は大気に含まれる不純物を透過しなければ良く、例えば鉄、アルミニウム、ステンレス等の金属で構成されても良いし、または大気に含まれる不純物を透過しない十分な厚さや、透過防止膜（バリア膜）を持つ、可撓性を有する袋体を用いることができる。なお、大気に含まれる不純物としては、酸化物半導体膜を成膜する場合は例えば水など、水素原子を含む化合物をその例に挙げることができる。
【０１０１】
図示しないが、隔壁１３４はガス導入手段と圧力調整手段を有する。
【０１０２】
圧力調整手段は、例えば圧力センサとバルブ及び排気ラインで構成されていて良く、内部の圧力が設定値よりも高い場合はバルブを開け、また内部の圧力が設定値よりも低い場合はバルブを閉じることにより圧力を調整できる。
【０１０３】
ガス導入手段と圧力調整手段を用いて、空間１３５にアルゴンなどの希ガスからなる封止ガスを導入できる。この封止ガスには水素原子を含む化合物が含まれないことが望ましく、水素原子を含む化合物の濃度は１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下とすることが好ましい。
【０１０４】
この封止ガスの一部は、ロードロック室以外の各室内の接続部や配管の継ぎ目などを介して、ロードロック室以外の各室の内部に漏洩（リーク）するが、リークする封止ガスの主たる成分はアルゴンなどの希ガスとなる。
【０１０５】
また、隔壁１３４の接続部や隔壁１３４に設けられた配管の継ぎ目などを介して、大気中から空間１３５へ酸素や窒素、Ｈ２Ｏ等の水素原子を含む化合物が不純物として漏洩（リーク）するが、ガス導入手段と圧力調整手段を用いて、空間１３５の圧力を大気圧より大きくすることにより、その影響を抑制することができる。
【０１０６】
なお、図８に示すように、酸化物半導体膜を成膜する第３の成膜室１１７を隔壁１３４ａで囲い、同様に第４の成膜室１２１を隔壁１３４ｂで囲う構成としてもよい。このような構成とすることで、成膜装置の大きさを図２の構成よりも小さくすることが可能となる。
【０１０７】
以上のように、本実施の形態の成膜装置は、搬送室、成膜室、加熱室、処理室及び基板待機室と大気を隔てるようにして隔壁によって設けられた、希ガスからなる封止ガスを導入可能な空間を有している。この空間に水素原子を含む化合物の濃度が１ｐｐｍ以下のガス、例えば希ガスを主成分とする封止ガスを導入し、大気圧以上の圧力に調整することにより、水素原子を含んだ化合物が搬送室、成膜室、加熱室、処理室及び基板待機室へ混入することを防ぐことができる。
【０１０８】
このような連続成膜装置を用いて大気開放せずに酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜に接する膜を連続して成膜処理を行うことで、酸化物半導体膜中、酸化物半導体に接する膜中、及びこれらの界面に水素原子を含む化合物が混入せず、水素原子濃度が十分に低減された高純度な酸化物半導体膜を積層することができる。また、当該積層膜を用いて半導体装置を作製することができる。例えばこのような高純度な酸化物半導体膜をトランジスタに適用することにより、オフ電流が低く、低消費電力のトランジスタを提供できる。
【０１０９】
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態２に示した連続成膜装置を用いてボトムゲート型のトランジスタを作製する方法について図２乃至図４を用いて説明する。本実施の形態では、半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタを作製する方法について説明する。
【０１１０】
本実施の形態で例示する半導体装置は、高純度化された酸化物半導体層を有する。実施の形態１又は２で例示する成膜装置を用いることにより、酸化物半導体に主成分以外の不純物が極力含まれないように酸化物半導体を高純度化し、Ｉ型（真性）の酸化物半導体、又はＩ型（真性）に限りなく近い酸化物半導体にできる。すなわち、不純物を添加してＩ型化するのでなく、不純物を極力取り込まないことにより、高純度化されたＩ型（真性半導体）又はそれに近づけて酸化物半導体を成膜する。従って、本実施の形態で作製するトランジスタは、高純度化及び電気的にＩ型（真性）化された酸化物半導体層を有する。
【０１１１】
高純度化された酸化物半導体中にはキャリアが極めて少なく（ゼロに近く）することができる。具体的には、キャリア濃度を１×１０１２／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満まで抑制できる。また、高純度化された酸化物半導体中の水素濃度は、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満である。
【０１１２】
実施の形態１又は２に例示する成膜装置を用いることで、酸化物半導体に含まれるキャリアを極めて少なく抑制できる。このような高純度化された酸化物半導体層をトランジスタのチャネル形成領域に適用することにより、オフ状態における電流値、所謂オフ電流を少なくすることができる。なお、オフ電流は少なければ少ないほど消費電力を低減できるため好ましい。
【０１１３】
本実施の形態で例示するボトムゲート型のトランジスタ３００の断面図を図３（Ａ）に示す。トランジスタ３００は、ゲート電極層３０３、第１のゲート絶縁層３０５、第２のゲート絶縁層３０７、高純度化された酸化物半導体層３１２、ソース電極層３１１ａ、ドレイン電極層３１１ｂ、絶縁層３１３、及び保護絶縁層３１５を有する。
【０１１４】
トランジスタ３００を実施の形態２で例示する連続成膜装置を用いて作製する方法について、図４を用いて説明する。
【０１１５】
まず、基板３０１上に導電膜を形成し、第１のフォトマスクを用いてレジストマスクを形成し、エッチングによりゲート電極層３０３を形成する（図４（Ａ））。
【０１１６】
基板３０１に使用することができる基板に大きな制限はないが、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。
【０１１７】
なお、下地となる絶縁層を基板３０１とゲート電極層３０３との間に設けてもよい。当該絶縁層には、基板３０１からの不純物元素（例えばＬｉ、Ｎａなどのアルカリ金属、及びＣａなどのアルカリ土類金属など）の拡散を防止する機能があり、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜などから選ればれた一または複数の膜による積層構造により形成することができる。
【０１１８】
ゲート電極層３０３を形成する導電膜の材料としては、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料またはこれらを主成分とする合金材料若しくは導電性酸化物を用いて、単層でまたは積層して形成することができる。
【０１１９】
また、ゲート電極層に銅を用いる場合は、下地となる層にＣｕ−Ｍｇ−Ａｌ合金を設け、その上に銅を形成する構成が好ましい。Ｃｕ−Ｍｇ−Ａｌ合金を設けることで、酸化膜などの下地と銅の密着性が高まる効果を奏する。
【０１２０】
また、ゲート電極層に、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。
【０１２１】
また、ゲート電極層とゲート絶縁層の間に、ゲート絶縁層に接する材料層を設けても良い。当該ゲート絶縁層に接する材料層としては、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｓｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＳｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｏ膜や、金属窒化膜（ＩｎＮ、ＺｎＮなど）を用いることができる。これらの膜は５ｅＶ、好ましくは５．５ｅＶ以上の仕事関数を有し、トランジスタの電気特性のしきい値電圧をプラスにすることができ、所謂ノーマリーオフのスイッチング素子を実現できる。
【０１２２】
例えば、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を用いる場合、少なくとも酸化物半導体層より高い窒素濃度、具体的には７原子％以上のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を用いる。
【０１２３】
次に、実施の形態２に示した連続成膜装置（図２参照）を用いて、ゲート絶縁層、酸化物半導体膜、及び導電膜を大気にさらすことなく連続成膜する。
【０１２４】
まず、隔壁１３４に設けられたガス導入手段を用いて、空間１３５に水素原子を含む化合物の濃度が１ｐｐｍ以下のアルゴンからなる封止ガスを導入する。同時に圧力調整手段を用いて、空間１３５の圧力が大気圧以上になるように調整する。空間１３５の圧力を大気圧以上に調整することで、水素原子を含む化合物の、空間１３５への混入を抑制することができる。
【０１２５】
なお、ここでは封止ガスとしてアルゴンを用いたが、必ずしもこれに限定されず、他の希ガスも用いることができる。
【０１２６】
次に、あらかじめゲート電極層３０３が形成された基板３０１を連続成膜装置の第１のロードロック室１１１に搬入する。そして、排気手段１１１１を用いて第１のロードロック室１１１内を減圧する。さらに基板加熱手段を用いて基板３０１の予備加熱を行い、基板３０１に付着した不純物（例えば水素原子やＨ２Ｏなどの水素原子を含む化合物など）を脱離、排気する。
【０１２７】
連続成膜装置において、基板３０１は、搬送室１１２を経由して、ある部屋から別の部屋まで搬送される。搬送室１１２内の圧力は、クライオポンプなどの排気手段１１１２を用いて、真空排気されている。なお、空間１３５をアルゴンで満たすことにより、搬送室１１２の内部に装置の接続部や配管の継ぎ目を介して漏洩（リーク）するガス中の不純物濃度が極めて低減されている。そのため、搬送室１１２内部は不純物が低減された、極めて清浄な状態にある。また、定期的に装置の内壁を加熱し、内壁に吸着する不純物を脱離処理することで高真空を実現できる。
【０１２８】
基板３０１を、基板搬送手段１３３を用いて、第１の成膜室１１３に搬送する。次いで、クライオポンプなどの排気手段１１１３を用いて第１の成膜室１１３の内圧を制御しながら高純度のスパッタリング用のガスを導入し、スパッタリング法を用いて、基板３０１及びゲート電極層３０３上に第１のゲート絶縁層３０５となる窒化珪素膜を成膜する。成膜終了後に第１の成膜室１１３内は、排気手段１１１３を用いて再び排気され、第１の成膜室１１３内が清浄な状態に保たれる。成膜後に第１の成膜室１１３内が清浄に保たれることで、第１のゲート絶縁層３０５の膜中及び界面に含まれる不純物は効果的に低減される。
【０１２９】
そして、基板３０１を第１の成膜室１１３から第２の成膜室１１５に搬送し、スパッタリング法を用いて第１のゲート絶縁層３０５上に酸化珪素膜を成膜して、第２のゲート絶縁層３０７を形成する。成膜前後において、第２の成膜室１１５内は、排気手段１１１５を用いて排気され清浄な状態に保たれる。
【０１３０】
本実施の形態で作製する半導体装置に用いるＩ型化又は実質的にＩ型化された酸化物半導体は、界面準位及び界面電荷に対して極めて敏感であるため、酸化物半導体層とゲート絶縁層との界面は半導体装置の特性を制御する上で重要である。そのため高純度化された酸化物半導体に接する第２のゲート絶縁層３０７は、不純物や固定電荷を含まず、高品質な絶縁層であることが要求される。ここで、空間１３５をアルゴンで満たすことにより、第１の成膜室１１３及び第２の成膜室１１５の内部に、装置の接続部や配管の継ぎ目を介して漏洩（リーク）するガス中の不純物濃度が極めて低減されている。そのため、第１の成膜室１１３及び第２の成膜室１１５内部は不純物が低減された、極めて清浄な状態にある。このような成膜室内で積層された窒化珪素膜と酸化珪素膜は、不純物濃度が抑制されたゲート絶縁層として機能する。
【０１３１】
本実施の形態では、ゲート絶縁層を、窒化珪素膜と酸化珪素膜の積層構造としたが、ゲート絶縁層はこれに限らず、窒化珪素膜、酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、酸化アルミニウム膜等の単層又は積層構造とすることができる。後に形成する酸化物半導体層と接する層は酸化物絶縁膜を用いることが好ましい。ゲート絶縁層の形成方法としてはプラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いることができるが、層中に水素が多量に含まれないようにするためには、スパッタリング法で成膜することが好ましい。ゲート絶縁層の厚さは特に限定されないが、例えば、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることができる。
【０１３２】
次に、基板３０１を、第２の成膜室１１５から第３の成膜室１１７に搬送し、第２のゲート絶縁層３０７上に、スパッタリング法を用いて、酸化物半導体膜３０９を成膜する。処理前後において、第３の成膜室１１７は排気手段１１１７を用いて真空排気されている。また、空間１３５をアルゴンで満たすことにより、装置の接続部や配管の継ぎ目を介して第３の成膜室１１７内部に漏洩（リーク）するガス中の不純物濃度が極めて低減されている。そのため、第３の成膜室１１７内部は不純物が低減された、極めて清浄な状態にある。成膜前後に清浄に保たれた成膜室で酸化物半導体膜３０９を成膜するため、酸化物半導体膜３０９に含まれる不純物は効果的に低減される。
【０１３３】
酸化物半導体膜３０９に用いる酸化物半導体は、四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体や、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体や、二元系金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ系酸化物半導体や、Ｉｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体などを用いることができる。また、上記酸化物半導体にＩｎとＧａとＳｎとＺｎ以外の元素、例えばＳｉＯ２を含んでもよい。ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体とは、少なくともＩｎとＧａとＺｎを含む酸化物であり、その組成比に特に制限はない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の元素を含んでもよい。
【０１３４】
酸化物半導体膜は、非単結晶であり、且つ酸化物半導体膜全体が非晶質状態（アモルファス状態）ではない。酸化物半導体膜全体が非晶質状態（アモルファス状態）ではないため、電気特性が不安定な非晶質の形成が抑制される。
【０１３５】
また、酸化物半導体膜３０９は、化学式ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０、且つｍは自然数ではない）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Ｇａ及びＣｏなどがある。
【０１３６】
また、酸化物半導体としてＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料を用いる場合、用いるターゲットの組成比は、原子数比で、Ｉｎ：Ｚｎ＝５０：１〜１：２（モル数比に換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝２５：１〜１：４）、好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝２０：１〜１：１（モル数比に換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１０：１〜２：１）、さらに好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝１５：１〜１．５：１（モル数比に換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１５：２〜３：４）とする。例えば、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体の形成に用いるターゲットは、原子数比がＩｎ：Ｚｎ：Ｏ＝Ｘ：Ｙ：Ｚのとき、Ｚ＞１．５Ｘ＋Ｙとする。
【０１３７】
本実施の形態では、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物ターゲットを用いてスパッタリング法により酸化物半導体膜３０９を成膜する。この段階での断面図が図４（Ｂ）に相当する。酸化物半導体膜３０９は、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、又は希ガスと酸素の混合雰囲気下において形成することができる。
【０１３８】
酸化物半導体膜３０９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は、例えば、組成比として、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１［ｍｏｌ数比］（すなわち、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．５［ａｔｏｍ比］）を用いることができる。また、他にも、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［ａｔｏｍ比］、又はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：２［ａｔｏｍ比］の組成比を有するターゲットを用いてもよい。酸化物ターゲットの充填率は９０．０％以上１００％以下、好ましくは９５．０％以上９９．９％である。充填率の高い金属酸化物ターゲットを用いることにより、成膜した酸化物半導体膜は緻密な膜となる。また、ターゲットの純度は９９．９９％以上が好ましく、特にＮａ、Ｌｉ等のアルカリ金属及びＣａなどのアルカリ土類金属などの不純物は低減されているものが好ましい。
【０１３９】
酸化物半導体膜３０９を成膜する際に用いるスパッタリング用のガスは水素、水、水酸基又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。
【０１４０】
成膜条件の一例としては、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％）雰囲気下の条件が適用される。なお、パルス直流電源を用いると、成膜時に発生する粉状物質（パーティクル、ごみともいう）が軽減でき、膜厚分布も均一となるために好ましい。減圧状態に保持された成膜室内に基板を保持し、基板温度を１００℃以上６００℃以下、好ましくは１５０℃以上４５０℃以下、より好ましくは２００℃以上４００℃以下とする。特に、２５０℃以上３２０℃以下の範囲が脱水化に好適である。基板を加熱しながら成膜することにより、成膜した酸化物半導体膜に含まれる不純物濃度を低減することができる。また、スパッタリングによる損傷が軽減される。
【０１４１】
なお、酸化物半導体膜中に含まれる、Ｌｉ、Ｎａなどのアルカリ金属、及びＣａなどのアルカリ土類金属などの不純物は低減されていることが好ましい。具体的には、ＳＩＭＳにより検出されるＬｉが５×１０１５ｃｍ−３以下、好ましくは１×１０１５ｃｍ−３以下、Ｎａが５×１０１５ｃｍ−３以下、好ましくは１×１０１５ｃｍ−３以下、Ｋは５×１０１５ｃｍ−３以下、好ましくは１×１０１５ｃｍ−３以下であることが好ましい。
【０１４２】
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。特にアルカリ金属のうち、Ｎａは酸化物半導体に接する絶縁膜が酸化物であった場合、その中に拡散し、Ｎａ＋となる。また、酸化物半導体内において、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、ノーマリーオン化（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。このような問題は、特に酸化物半導体中の水素の濃度が十分に低い場合において顕著となる。したがって、酸化物半導体中の水素の濃度が５×１０１９ｃｍ−３以下、特に５×１０１８ｃｍ−３以下である場合には、アルカリ金属の濃度を上記の値にすることが強く求められる。
【０１４３】
酸化物半導体膜３０９を成膜した後、酸化物半導体膜３０９に、酸化ラジカル処理を行うことが好ましい。本実施の形態では、処理室１２５で酸素ラジカル処理を行う。処理前後において、処理室１２５は排気手段１１２５を用いて真空排気されている。また、空間１３５をアルゴンで満たすことにより、処理室１２５内部に装置の接続部や配管の継ぎ目を介して漏洩（リーク）するガス中の不純物濃度が極めて低減されている。そのため、処理室１２５内部は不純物が低減された、極めて清浄な状態にある。
【０１４４】
酸素ラジカルは、酸素を含むプラズマ発生装置により供給されてもよいし、オゾン発生装置により供給されてもよい。供給された酸素ラジカル又は酸素を薄膜に照射することによって膜表面を改質することができる。酸素ラジカル処理の代わりに、アルゴンと酸素のラジカル処理を行ってもよい。アルゴンと酸素のラジカル処理とは、アルゴンガスと酸素ガスを導入してプラズマを発生させて薄膜表面の改質を行うことである。
【０１４５】
アルゴンと酸素のラジカル処理の一例について説明する。電界が印加され放電プラズマが発生している反応空間中のアルゴン原子（Ａｒ）は、放電プラズマ中の電子により励起又は電離され、アルゴンラジカル（Ａｒ＊）やアルゴンイオン（Ａｒ＋）や電子となる。アルゴンラジカル（Ａｒ＊）はエネルギーの高い準安定状態にあり、周辺にある同種又は異種の原子と反応し、それらの原子を励起又は電離させて安定状態に戻ろうとして雪崩現象的に反応が発生する。その時に周辺に酸素があると、酸素原子（Ｏ）が励起又は電離され、酸素ラジカル（Ｏ＊）や酸素イオン（Ｏ＋）となる。その酸素ラジカル（Ｏ＊）が被処理物である薄膜表面の材料と反応し、表面改質が行われる。なお、不活性ガスのラジカルは、反応性ガスのラジカルと比較して準安定状態が長く維持されるという特徴があり、そのためプラズマを発生させるのに不活性ガスを用いるのが一般的である。
【０１４６】
次に、基板３０１を、第５の成膜室１２７に搬送し、酸化物半導体膜３０９上に、スパッタリング法を用いて、導電膜３１０を成膜する（図４（Ｃ））。処理前後において、第５の成膜室１２７は排気手段１１２７を用いて真空排気されている。また、空間１３５をアルゴンで満たすことにより、第５の成膜室１２７内部に装置の接続部や配管の継ぎ目を介して漏洩（リーク）するガス中の不純物濃度が極めて低減されている。そのため、第５の成膜室１２７内部は不純物が低減された、極めて清浄な状態にある。
【０１４７】
導電膜の材料としては、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗからから選ばれた元素、または上述した元素を成分とする合金か、上述した元素を組み合わせた合金等を用いることができる。また、Ａｌ膜、Ｃｕ膜などの金属膜の下側又は上側の一方または双方にＴｉ膜、Ｍｏ膜、Ｗ膜などの高融点金属膜を積層させた構成としても良い。また、Ａｌ膜に生ずるヒロックやウィスカーの発生を防止する元素（Ｓｉ、Ｎｄ、Ｓｃなど）が添加されているＡｌ材料を用いることで耐熱性を向上させることが可能となる。また導電膜は、導電性の金属酸化物を用いて形成しても良い。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム酸化スズ合金（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２、ＩＴＯと略記する）、酸化インジウム酸化亜鉛合金（Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ）またはこれらの金属酸化物材料に酸化珪素を含ませたものを用いることができる。
【０１４８】
次に、連続成膜処理が終了した基板３０１を当該連続成膜装置外で処理を行うため、第２のロードロック室１３１に搬送する。第２のロードロック室１３１の内圧を大気圧まで戻した後、基板を搬出する。
【０１４９】
なお、連続成膜の工程中に、ある部屋から搬出された基板を、次の成膜や処理を行う部屋に搬入する前に別の場所で待機させる必要が生じた場合は、基板待機室１２９に基板を搬入すれば良い。基板待機室１２９は排気手段１１２９を用いて真空排気されている。また、空間１３５をアルゴンで満たすことにより、基板待機室１２９内部に装置の接続部や配管の継ぎ目を介して漏洩（リーク）するガス中の不純物濃度が極めて低減されている。そのため、基板待機室１２９内部は不純物が低減された、極めて清浄な状態にある。
【０１５０】
次に、導電膜３１０上に第２のフォトマスクを用いてレジストマスクを形成し、エッチングにより不要な導電膜３１０、及び酸化物半導体膜３０９を除去する。次いで、第３のフォトマスクを用いて、酸化物半導体層のチャネル形成領域と重畳する導電膜をエッチングし、ソース電極層３１１ａ、及びドレイン電極層３１１ｂを形成する。なお、この段階の断面図を図４（Ｄ）に示す。
【０１５１】
次いで、酸化物半導体層に第１の加熱処理を行う。この第１の加熱処理によって酸化物半導体層の脱水化または脱水素化を行うことができる。第１の加熱処理の温度は、４００℃以上７５０℃以下、または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、酸化物半導体層に対して窒素雰囲気下４５０℃において１時間の加熱処理を行い、酸化物半導体層３１２を得る。
【０１５２】
なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、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てもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ  Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ  Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置を用いることができる。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。高温のガスには、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。
【０１５３】
例えば、第１の加熱処理として、６５０℃〜７００℃の高温に加熱した不活性ガス中に基板を移動させて入れ、数分間加熱した後、基板を移動させて高温に加熱した不活性ガス中から出すＧＲＴＡを行ってもよい。
【０１５４】
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、アルゴン等の希ガスに、水、水素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、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（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。
【０１５５】
また、第１の加熱処理で酸化物半導体層を加熱した後、同じ炉に高純度の酸素ガス、高純度のＮ２Ｏガス、又は超乾燥エア（露点が−４０℃以下、好ましくは−６０℃以下）を導入してもよい。酸素ガスまたはＮ２Ｏガスに、水、水素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酸素ガスまたはＮ２Ｏガスの純度を、６Ｎ以上好ましくは７Ｎ以上（即ち、酸素ガスまたはＮ２Ｏガス中の不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。酸素ガス又はＮ２Ｏガスの作用により、脱水化または脱水素化処理による不純物の排除工程によって同時に減少してしまった酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素を供給することによって、酸化物半導体層を高純度化及び電気的にＩ型（真性）化する。
【０１５６】
その後、再び第１のロードロック室１１１から基板３０１を搬入し、予備加熱を行った後、処理室１２５にて、Ｎ２Ｏ、Ｎ２、またはＡｒなどのガスを用いたプラズマ処理を行い、露出している酸化物半導体層の表面に付着した吸着水などを除去してもよい。プラズマ処理を行った場合、大気に触れることなく、酸化物半導体層の一部に接する保護絶縁層となる絶縁層３１３を形成できる。
【０１５７】
絶縁層３１３は、少なくとも１ｎｍ以上の膜厚とし、スパッタリング法など、絶縁層３１３に水、水素等の不純物を混入させない方法を適宜用いて形成することができる。絶縁層３１３に水素が含まれると、その水素の酸化物半導体層への侵入、又は水素による酸化物半導体層中の酸素の引き抜き、が生じ酸化物半導体層３１２のバックチャネルが低抵抗化（Ｎ型化）してしまい、寄生チャネルが形成されるおそれがある。よって、絶縁層３１３はできるだけ水素を含まない膜になるように、成膜方法に水素を用いないことが重要である。
【０１５８】
絶縁層３１３の成膜は第１の成膜室１１３で行う。第１の成膜室１１３は排気手段１１１３を用いて真空排気されている。また、空間１３５をアルゴンで満たすことにより、成膜室内部に装置の接続部や配管の継ぎ目を介して漏洩（リーク）するガス中の不純物濃度が極めて低減されている。そのため、成膜室内部は不純物が低減された、極めて清浄な状態にある。
【０１５９】
酸化物半導体層３１２に接して形成する絶縁層３１３は、水分や、水素イオンや、ＯＨ−などの不純物を含まず、これらが外部から侵入することを防ぐ無機絶縁膜を用いる。特に、酸化物絶縁膜を用いることが好ましい。代表的には酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜、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を用いる。
【０１６０】
本実施の形態では、絶縁層３１３として膜厚２００ｎｍの酸化珪素膜を、スパッタリング法を用いて成膜する。成膜時の基板温度は、室温以上５００℃以下とすれば良い。酸化珪素膜のスパッタリング法による成膜は、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、または希ガスと酸素の混合雰囲気下において行うことができる。絶縁層３１３を、成膜する際に用いるスパッタリング用のガスは水素、水、水酸基又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。スパッタリング用ターゲットとしては、酸化珪素ターゲットまたは珪素ターゲットを用いることができる。例えば、珪素ターゲットを用いて、酸素を含む雰囲気下でスパッタ法により酸化珪素膜を形成することができる。
【０１６１】
次いで、第２の加熱処理を第１の加熱室１１９にて行う。なお、第１の加熱室１１９は排気手段１１１９を用いて真空排気されている。また、空間１３５をアルゴンで満たすことにより、加熱室内部に装置の接続部や配管の継ぎ目を介して漏洩（リーク）するガス中の不純物濃度が極めて低減されている。そのため、加熱室内部は不純物が低減された、極めて清浄な状態にある。第２の加熱処理は不活性ガス雰囲気下、または酸素ガス雰囲気下で、好ましくは２００℃以上４００℃以下、例えば２５０℃以上３５０℃以下で行う。例えば、窒素雰囲気下で２５０℃、１時間の第２の加熱処理を行う。第２の加熱処理を行うと、酸化物半導体層の一部（チャネル形成領域）が絶縁層３１３と接した状態で加熱される。
【０１６２】
以上の工程を経ることによって、酸化物半導体層に対して第１の加熱処理を行って水素、水分、水酸基又は水素化物（水素化合物ともいう）などの不純物を酸化物半導体層より意図的に排除し、かつ不純物の排除工程によって同時に減少してしまう酸化物半導体を構成する主成分材料の一つである酸素を供給することができる。よって、酸化物半導体層は高純度化及び電気的にＩ型（真性）化する。
【０１６３】
絶縁層３１３上にさらに保護絶縁層３１５を形成してもよい。例えば、ＲＦスパッタ法を用いて窒化珪素膜を形成する。ＲＦスパッタ法は、量産性がよいため、保護絶縁層の成膜方法として好ましい。保護絶縁層は、水分などの不純物を含まず、これらが外部から侵入することをブロックする無機絶縁膜を用い、窒化珪素膜、窒化アルミニウム膜などを用いる。本実施の形態では、保護絶縁層３１５を、窒化珪素膜を用いて形成する。
【０１６４】
絶縁層３１３の成膜時と同様に、保護絶縁層３１５を成膜する第１の成膜室１１３内は排気手段１１１３を用いて真空排気されている。また、空間１３５をアルゴンで満たすことにより、成膜室内部に装置の接続部や配管の継ぎ目を介して漏洩（リーク）するガス中の不純物濃度が極めて低減されている。そのため、成膜室内部は不純物が低減された、極めて清浄な状態にある。
【０１６５】
以上の工程でトランジスタ３００が形成される。なお、この段階の断面図を図４（Ｅ）に示す。
【０１６６】
以上のように、実施の形態２で示した連続成膜装置を用いてトランジスタを作製することで、酸化物半導体層中、酸化物半導体に接する層中、及びこれらの界面に不純物が混入せず、水素原子濃度が十分に低減された高純度な酸化物半導体層を有するトランジスタを作製することができる。また、酸化物半導体層に接する層も不純物が低減されているため、酸化物半導体層は高純度に保たれる。本実施の形態で例示する方法を用いて作製する高純度な酸化物半導体層を有するトランジスタはオフ電流が低く、このトランジスタを用いることにより低消費電力の半導体装置を実現できる。
【０１６７】
（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態２に示した連続成膜装置を用いて、実施の形態３で説明したトランジスタとは異なる構成を有するトランジスタを作製する方法について図２、図３、及び図５を用いて説明する。本実施の形態では、酸化物半導体層を用いた半導体装置を作製する方法について説明する。
【０１６８】
本実施の形態で例示するボトムゲート型のトランジスタ４００の断面図を図３（Ｂ）に示す。トランジスタ４００は、ゲート電極層３０３、第１のゲート絶縁層３０５、第２のゲート絶縁層３０７、高純度化された酸化物半導体層３０８、ソース電極層３１４ａ、ドレイン電極層３１４ｂ、絶縁層３１３、及び保護絶縁層３１５を有する。
【０１６９】
トランジスタ４００を実施の形態２で例示する連続成膜装置を用いて作製する方法について、図５を用いて説明する。まず、実施の形態３と同様の方法で、基板３０１上に導電膜を形成し、第１のフォトマスクを用いてレジストマスクを形成し、エッチングによりゲート電極層３０３を形成する。なお、この段階の断面図を図５（Ａ）に示す。
【０１７０】
次に、実施の形態２に示した連続成膜装置（図２参照）を用いて、ゲート絶縁層（第１のゲート絶縁層３０５、第２のゲート絶縁層３０７）及び酸化物半導体膜３０６を大気にさらすことなく連続成膜する。ゲート絶縁層及び酸化物半導体膜３０６の成膜は、実施の形態３と同様の方法で行えば良い。なお、この段階の断面図を図５（Ｂ）に示す。
【０１７１】
次に、連続成膜装置外において、第２のフォトマスクを用いてレジストマスクを形成し、フォトリソグラフィ工程により酸化物半導体膜３０６を、島状の酸化物半導体層３０８に加工する。酸化物半導体層３０８を形成するためのレジストマスクは、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、製造コストを低減できる。なお、この段階の断面図を図５（Ｃ）に示す。
【０１７２】
なお、ここでの酸化物半導体膜３０６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。例えば、酸化物半導体膜３０６のウェットエッチングに用い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。
【０１７３】
次いで、酸化物半導体層に第１の加熱処理を行う。この第１の加熱処理によって酸化物半導体層の脱水化または脱水素化を行うことができる。第１の加熱処理の温度は、４００℃以上７５０℃以下、または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、酸化物半導体層に対して窒素雰囲気下４５０℃において１時間の加熱処理を行った後、大気に触れることなく、酸化物半導体層への水や水素の再混入を防ぎ、酸化物半導体層３０８を得る。
【０１７４】
なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、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てもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ  Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ  Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置を用いることができる。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。高温のガスには、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。
【０１７５】
例えば、第１の加熱処理として、６５０℃〜７００℃の高温に加熱した不活性ガス中に基板を移動させて入れ、数分間加熱した後、基板を移動させて高温に加熱した不活性ガス中から出すＧＲＴＡを行ってもよい。
【０１７６】
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、アルゴン等の希ガスに、水、水素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、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（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。
【０１７７】
また、第１の加熱処理で酸化物半導体層を加熱した後、同じ炉に高純度の酸素ガス、高純度のＮ２Ｏガス、又は超乾燥エア（露点が−４０℃以下、好ましくは−６０℃以下）を導入してもよい。酸素ガスまたはＮ２Ｏガスに、水、水素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酸素ガスまたはＮ２Ｏガスの純度を、６Ｎ以上好ましくは７Ｎ以上（即ち、酸素ガスまたはＮ２Ｏガス中の不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。酸素ガス又はＮ２Ｏガスの作用により、脱水化または脱水素化処理による不純物の排除工程によって同時に減少してしまった酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素を供給することによって、酸化物半導体層を高純度化及び電気的にＩ型（真性）化する。
【０１７８】
また、酸化物半導体層の第１の加熱処理は、島状の酸化物半導体層に加工する前の酸化物半導体膜に行うこともできる。その場合には、第１の加熱処理後に、加熱処理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。
【０１７９】
なお、第１の加熱処理は、上記以外にも、酸化物半導体膜成膜後であれば、酸化物半導体層上にソース電極層及びドレイン電極層を積層させた後、あるいは、ソース電極層及びドレイン電極層上に絶縁層を形成した後に行っても良い。
【０１８０】
また、ゲート絶縁層にコンタクトホールを形成する場合、その工程は酸化物半導体層に第１の加熱処理を行う前でも行った後に行ってもよい。
【０１８１】
次に、第２のゲート絶縁層３０７及び酸化物半導体層３０８上に、スパッタリング法を用いて、導電膜を成膜する。そして、第３のフォトマスクを用いて導電膜上にレジストマスクを形成し、選択的にエッチングを行って、ソース電極層３１４ａ、及びドレイン電極層３１４ｂを形成する。なお、この段階の断面図を図５（Ｄ）に示す。
【０１８２】
その後、Ｎ２Ｏ、Ｎ２、またはＡｒなどのガスを用いたプラズマ処理を行い、露出している酸化物半導体層の表面に付着した吸着水などを除去してもよい。
【０１８３】
そして、実施の形態２と同様の方法で、酸化物半導体層の一部に接する絶縁層３１３として酸化珪素膜を成膜し、絶縁層３１３上に保護絶縁層３１５として窒化珪素膜を成膜する。
【０１８４】
次いで、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２００℃以上４００℃以下、例えば２５０℃以上３５０℃以下）を行う。例えば、窒素雰囲気下で２５０℃、１時間の第２の加熱処理を行う。第２の加熱処理を行うと、酸化物半導体層の一部（チャネル形成領域）が絶縁層３１３と接した状態で加熱される。
【０１８５】
以上の工程でトランジスタ４００が形成される。なお、この段階の断面図を図５（Ｅ）に示す。
【０１８６】
以上のように、実施の形態２で示した連続成膜装置を用いてトランジスタを作製することで、酸化物半導体層中、酸化物半導体に接する層中、及びこれらの界面に不純物が混入せず、水素原子濃度が十分に低減された高純度な酸化物半導体層を有するトランジスタを作製することができる。また、酸化物半導体層に接するゲート絶縁層、導電層も不純物が低減されているため、酸化物半導体層は高純度に保たれる。本実施の形態で例示する方法を用いて作製する高純度な酸化物半導体層を有するトランジスタはオフ電流が低く、このトランジスタを用いることにより低消費電力の半導体装置を実現できる。
【０１８７】
（実施の形態５）
本実施の形態では、実施の形態２に示した連続成膜装置を用いて、実施の形態３、及び実施の形態４で説明した半導体装置とは異なる構成を有するトランジスタを作製する方法について図２、図３、及び図６を用いて説明する。本実施の形態では、特に、結晶領域を有する酸化物半導体層を用いたトランジスタを作製する方法について説明する。
【０１８８】
本実施の形態で作製方法を説明するトランジスタの断面図を図３（Ｃ）に示す。トランジスタ５００は、ゲート電極層３０３、第１のゲート絶縁層３０５、第２のゲート絶縁層３０７、第１の酸化物半導体層４０６、第２の酸化物半導体層４０８、ソース電極層４１１ａ、ドレイン電極層４１１ｂ、絶縁層３１３、及び保護絶縁層３１５を有する。なお、第１の酸化物半導体層４０６、及び第２の酸化物半導体層４０８は結晶化している。
【０１８９】
トランジスタ５００を実施の形態２で例示する連続成膜装置を用いて作製する方法について、図６を用いて説明する。
【０１９０】
まず、基板３０１上に導電膜を形成し、第１のフォトリソグラフィ工程により、ゲート電極層３０３を形成する。
【０１９１】
次に、実施の形態２に示した連続成膜装置（図２参照）を用いて、第１のゲート絶縁層３０５、及び第２のゲート絶縁層３０７を形成する。なお、この段階の断面図を図６（Ａ）に示す。
【０１９２】
次に、基板３０１を、第２の成膜室１１５から第３の成膜室１１７に搬送し、第２のゲート絶縁層３０７上に、結晶領域を有する酸化物半導体膜を形成する。本実施の形態では酸化物半導体膜を２回に分けて成膜し、２回に分けて加熱処理を行う。このような成膜方法を適用することで、膜厚の厚い結晶領域、即ち、膜表面に垂直にｃ軸配向した結晶領域を有する酸化物半導体膜が形成できる。なお、このような方法を用いることで、下地部材の材料が酸化物、窒化物、金属など材料を問わず、酸化物半導体に結晶領域を形成することができる。
【０１９３】
第１の酸化物半導体膜を、スパッタリング法を用いて成膜する。なお、第１の酸化物半導体膜を成膜する第３の成膜室１１７内は排気手段を用いて真空排気されている。また、アルゴンを主成分とした封止ガスで空間１３５を満たすことにより、成膜室内部に装置の接続部や配管の継ぎ目を介して漏洩（リーク）するガス中の不純物濃度は極めて低減される。そのため、成膜室内部は不純物が低減された、極めて清浄な状態にある。
【０１９４】
第１の酸化物半導体膜に用いる酸化物半導体としては、実施の形態３に挙げた酸化物半導体を用いることができる。
【０１９５】
第１の酸化物半導体膜は、のちに形成する第２の酸化物半導体膜を結晶成長させるための種として用いるため、結晶成長する厚さとすればよく、代表的には一原子層以上３０ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以上５ｎｍ以下でよい。第１の酸化物半導体膜の厚さを薄くすることで成膜処理及び加熱処理におけるスループットを高めることができる。
【０１９６】
次に、基板３０１を、第３の成膜室１１７から第１の加熱室１１９に搬送し、第１の加熱処理を行い、第１の酸化物半導体膜の表面を含む領域に結晶領域（板状結晶を含む）を形成する。第１の加熱処理によって、表面を含む領域に結晶領域（板状結晶を含む）を有する第１の酸化物半導体膜４０５が形成される。（図６（Ｂ））。
【０１９７】
第１の加熱処理は、窒素、酸素、希ガス、または乾燥空気の雰囲気下で行う。第１の加熱処理の温度は、４５０℃以上８５０℃以下、好ましくは５５０℃以上７５０℃以下とする。また、加熱時間は１分以上２４時間以下とする。
【０１９８】
第１の加熱室１１９は、室温以上８５０℃以下に加熱できる手段を有することが好ましい。
【０１９９】
なお、第３の成膜室１１７が基板加熱手段を有している場合は、第１の酸化物半導体膜を加熱しながら成膜することで、結晶成長を促すことができる。成膜中に第１の酸化物半導体膜の結晶を成長させることで、第１の加熱処理を省略することができる。基板加熱条件としては、基板３０１を４５０℃以上８５０℃以下、好ましくは５５０℃以上７５０℃以下に加熱すればよい。
【０２００】
次に、基板を第１の加熱室１１９から第４の成膜室１２１に搬送し、第１の酸化物半導体膜よりも厚い第２の酸化物半導体膜を、スパッタリング法を用いて形成する。なお、第２の酸化物半導体膜を成膜する第４の成膜室１２１内は排気手段を用いて真空排気されている。また、空間１３５を、アルゴンを主成分とした封止ガスで満たすことにより、第４の成膜室１２１内部に装置の接続部や配管の継ぎ目を介して漏洩（リーク）するガス中の不純物濃度が極めて低減されている。そのため、第４の成膜室１２１内部は不純物が低減された、極めて清浄な状態にある。
【０２０１】
第２の酸化物半導体膜に用いる酸化物半導体としては、実施の形態３に挙げた酸化物半導体を用いることができる。
【０２０２】
第２の酸化物半導体膜の膜厚は、作製するデバイスによって最適な膜厚を実施者が決定すればよい。
【０２０３】
第４の成膜室１２１が基板加熱手段を有している場合は、第２の酸化物半導体膜を加熱しながら成膜しても良い。
【０２０４】
次に、基板３０１を、第４の成膜室１２１から第２の加熱室１２３に搬送し、第２の加熱処理を行う。なお、第２の加熱室１２３内は排気手段を用いて真空排気されている。また、空間１３５を、アルゴンを主成分とした封止ガスで満たすことにより、第２の加熱室１２３内部に装置の接続部や配管の継ぎ目を介して漏洩（リーク）するガス中の不純物濃度が極めて低減されている。そのため、第２の加熱室１２３内部は不純物が低減された、極めて清浄な状態にある。
【０２０５】
第２の加熱処理は４５０℃以上８５０℃以下、好ましくは６００℃以上７００℃以下の温度で行う。第１の酸化物半導体膜４０５を結晶成長の種として、上方に結晶成長させ、第２の酸化物半導体膜の全体を結晶化させ、結果として膜厚の厚い結晶領域を有する第２の酸化物半導体膜４０７を形成する。なお、この段階の断面図を図６（Ｂ）に示す。
【０２０６】
また、図６（Ｂ）、図６（Ｃ）、図６（Ｄ）、及び図６（Ｅ）に、結晶領域を有する第１の酸化物半導体膜４０５、及び結晶領域を有する第２の酸化物半導体膜４０７の界面を点線で示したが、第１の酸化物半導体膜４０５及び結晶領域を有する第２の酸化物半導体膜４０７の境界が判別できず、同一の層とみなせることもある。
【０２０７】
また、第１の酸化物半導体膜４０５及び第２の酸化物半導体膜４０７を成膜した後に、第２の酸化物半導体膜４０７の表面に、酸化ラジカル処理を行う事が好ましい。本実施の形態では、処理室１２５で酸素ラジカル処理を行う。酸化ラジカル処理は実施の形態３と同様の方法で行うことができる。
【０２０８】
次に、基板３０１を、第５の成膜室１２７に搬送し、第２の酸化物半導体膜４０７上に、スパッタリング法を用いて、導電膜４０９を成膜する。導電膜４０９は実施の形態３で示した導電膜３１０と同様の材料、方法を用いて形成することができる。よって、詳細については、実施の形態３の記載を参酌することができる。なお、この段階の断面図を図６（Ｃ）に示す。
【０２０９】
そして、連続成膜が完了した基板３０１を第２のロードロック室１３１に搬送し、連続成膜装置から基板を搬出する。
【０２１０】
次に、実施の形態３と同様の方法で、第２のフォトマスクを用いたフォトリソグラフィ工程及びエッチングにより、第１の酸化物半導体層４０６、第２の酸化物半導体層４０８、ソース電極層４１１ａ、及びドレイン電極層４１１ｂを形成する。なお、この段階の断面図を図６（Ｄ）に示す。
【０２１１】
次いで、実施の形態３と同様の材料、方法で、絶縁層３１３として酸化硅素膜を形成し、保護絶縁層３１５として窒化硅素膜を成膜する。
【０２１２】
以上の工程で、結晶領域を有する酸化物半導体層を用いたトランジスタ５００を作製できる。なお、この段階の断面図を図６（Ｅ）に示す。
【０２１３】
なお、本実施の形態では、２層の酸化物半導体膜を用いて結晶領域を有する酸化物半導体膜を形成する場合について説明したが、結晶領域を有する酸化物半導体膜が、単層でも、３層以上であっても良い。
【０２１４】
単層の酸化物半導体膜を用いて結晶領域を有する酸化物半導体膜を成膜する場合は、例えば、第３の成膜室１１７において、酸化物半導体膜を形成し、第１の加熱室１１９において加熱処理を行えばよい。また、基板３０１を加熱し結晶化を促しながら成膜しても良い。また、処理室１２５において、成膜後の酸化物半導体膜に酸化ラジカル処理を行っても良い。
【０２１５】
なお、結晶領域を有する酸化物半導体膜を、結晶領域を有する島状の酸化物半導体層に加工してから、その上に導電層を形成する工程を用いてトランジスタを作製する場合は、酸化物半導体層の形成を除いて実施の形態４に示した方法を適用することができる。よって、詳細については、実施の形態４の記載を参酌することができる。
【０２１６】
以上のように、実施の形態２で示した連続成膜装置を用いてトランジスタを作製することで、酸化物半導体層中、酸化物半導体に接する層中、及びこれらの界面に不純物が混入せず、水素原子濃度が十分に低減された高純度な酸化物半導体層を有するトランジスタを作製することができる。また、酸化物半導体層に接するゲート絶縁層、導電層も不純物が低減されているため、酸化物半導体層は高純度に保たれる。本実施の形態で例示する方法を用いて作製する高純度な酸化物半導体層を有するトランジスタはオフ電流が低く、このトランジスタを用いることにより低消費電力の半導体装置を実現できる。
【符号の説明】
【０２１７】
１００    成膜装置
１０１    ロードロック室
１０２    搬送室
１０３    成膜室
１０４    ゲートバルブ
１０５    隔壁
１０６    空間
１０７ａ    ガス導入手段
１０７ｂ    圧力調整手段
１０８    搬送ロボット
１０９    基板保持部
１１０    基板
１１１    第１のロードロック室
１１２    搬送室
１１３    第１の成膜室
１１５    第２の成膜室
１１７    第３の成膜室
１１９    第１の加熱室
１２１    第４の成膜室
１２３    第２の加熱室
１２５    処理室
１２７    第５の成膜室
１２９    基板待機室
１３３    基板搬送手段
１３１    第２のロードロック室
１３４    隔壁
１３４ａ    隔壁
１３４ｂ    隔壁
１３５    空間
２０１    基板保持部
２０３    基板加熱手段
２０５    基板回転手段
２０９    電源
２１０    ガス導入手段
２１１    スパッタリング用ターゲット
２１２    防着板
２１３    メインバルブ
２１５    自動圧力制御装置
２１７    排気手段
２２０    排気手段
２２２    排気手段
３００    トランジスタ
３０１    基板
３０３    ゲート電極層
３０５    第１のゲート絶縁層
３０６    酸化物半導体膜
３０７    第２のゲート絶縁層
３０８    酸化物半導体層
３０９    酸化物半導体膜
３１０    導電膜
３１１ａ    ソース電極層
３１１ｂ    ドレイン電極層
３１２    酸化物半導体層
３１３    絶縁層
３１４ａ    ソース電極層
３１４ｂ    ドレイン電極層
３１５    保護絶縁層
４００    トランジスタ
４０５    第１の酸化物半導体膜
４０６    第１の酸化物半導体層
４０７    第２の酸化物半導体膜
４０８    第２の酸化物半導体層
４０９    導電膜
４１１ａ    ソース電極層
４１１ｂ    ドレイン電極層
５００    トランジスタ
６０４ａ    搬入出口
６０４ｂ    搬入出口
６０５    隔壁
６０６    空間
１１１１    排気手段
１１１２    排気手段
１１１３    排気手段
１１１５    排気手段
１１１７    排気手段
１１１９    排気手段
１１２１    排気手段
１１２３    排気手段
１１２５    排気手段
１１２７    排気手段
１１２９    排気手段
１１３１    排気手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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