(57)【要約】【課題】使用者の疲労度合い、興奮状態等の心身状態に合わせて画像を調整することで、より低消費電力に表示可能な装置を提供する。【解決手段】使用者より情報を取り込む１つまたは複数のセンサ部と、前記１つまたは複数のセンサ部で取り込んだデータを数値処理してカオスアトラクタを算出するカオスアトラクタ生成部と、前記カオスアトラクタがカオスの定義条件に適合する程度を示す指数を算出するリアプノフ指数生成部と、を有する心身状態把握システム部を具備する電子機器に対して、前記１つまたは複数のセンサ部からの使用者の心身状態に関する情報に対応して、電子機器の出力を変更して省電力駆動する電子機器。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用者より情報を取り込む１つまたは複数のセンサ部と、
前記１つまたは複数のセンサ部で取り込んだデータを数値処理してカオスアトラクタを算出するカオスアトラクタ生成部と、
前記カオスアトラクタがカオスの定義条件に適合する程度を示す指数を算出するリアプノフ指数生成部と、
前記センサ部とは異なる経路で得られる情報取得部と、
を具備する電子機器に対して、
前記１つまたは複数のセンサ部からの使用者の心身状態に関する情報に対応して、電子機器の出力を変更することを特徴とする電子機器。
【請求項２】
請求項１において、前記１つまたは複数のセンサ部からの使用者の心身状態に関する情報に対応して、電子機器の出力を変更して省電力駆動させることを特徴とする電子機器。
【請求項３】
請求項１または２のいずれかにおいて、前記センサ部で取り込まれたデータとして、脈波、脳波、心拍、体温、音声、瞳孔の動き、瞳孔径の変化、指尖容積脈波、タッチパネルが検知する軌跡、加速度センサの検知する動き、表情、顔の大きさの変化（顏との距離）を用いることを特徴とする電子機器。
【請求項４】
請求項１または２のいずれかにおいて、前記電子機器は液晶ディスプレイを有することを特徴とする電子機器。
【請求項５】
請求項１または２のいずれかにおいて、前記電子機器はＥＬディスプレイを有することを特徴とする電子機器。
【請求項６】
請求項１または２のいずれかにおいて、前記電子機器は携帯端末であることを特徴とする電子機器。
【請求項７】
請求項１または２のいずれかにおいて、前記電子機器は表示装置の画素色に、ＲＧＢに加えてＲＧＢ以外の色を用いることを特徴とする電子機器。
【請求項８】
請求項７において、前記電子機器はＲＧＢ情報を４色以上に変換する時の端数の分散方法として、カオス・フラクタルもしくは乱数を用いることを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本発明は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関する。特に、本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法に関する。特に、本発明の一態様は、画像情報の処理および表示方法、プログラムおよびプログラムが記録された記録媒体を有する装置に関する。特に、本発明の一態様は、表示部を備える情報処理装置に処理された情報を含む画像を表示する画像情報の処理、表示方法および表示部を備える情報処理装置に処理された情報を含む画像を表示させるプログラム並びに当該プログラムが記録された記録媒体を有する情報処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディスプレイ等の半導体装置において、高解像度表示、高輝度表示と消費電力低減の全てが求められているが、単純に高解像度表示や高輝度表示を実現すると、消費電力は増加してしまう。
【０００３】
これらのトレードオフを解消するために採用されている消費電力低減方法には、様々な方法がある。例えば、消費電力の少ないＩＧＺＯ−ＴＦＴを採用し、アイドリングストップ駆動を効率良く使用することで、高解像度表示を保ったまま、消費電力を低減させることができる（非特許文献１）。
【０００４】
または、カラーの表現にＲ（Ｒｅｄ）、Ｇ（Ｇｒｅｅｎ）、Ｂ（Ｂｌｕｅ）の光の３原色を画素として用いるだけでなく、ＲＧＢ以外にＷ（Ｗｈｉｔｅ）を第４の画素として用いることで、高解像度表示を保ったまま、消費電力を低減させている（特許文献１）。
【０００５】
一方、使用者の状況をセンサで検知して、使用者固有のカオスアトラクタと、既に取得されたカオスアトラクタデータに対して、一定の類別がなされているカオスの定義条件と比較することにより、その時の使用者の心身の状態を把握することが可能である（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１３９８０９
【特許文献２】特開平４−２０８１３６
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｓ．Ａｍａｎｏ  ｅｔ  ａｌ．  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ  ｏｆ  ＳＩＤ’１０  Ｄｉｇｅｓｔ，  ４３，  ｐｐ６２６‐６２９（２０１０）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献１、２に記載されている半導体装置により、高精細、高輝度かつ低消費電力なディスプレイが提供されている。しかしながら、更なる高精細と低消費電力が求められており、実現が困難であった。
【０００９】
そこで本発明の一態様は、使用者の心身状態を取得して、出力画像を調整することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、使用者の心身状態を取得して、出力画像を適切に調整することで、省電力駆動を実現することを課題の一とする。または、本発明の一様態は、使用者の心身状態を取得して、酸化物半導体ＦＥＴの駆動にアイドリングストップ駆動を用いることで、省電力を実現することを課題の一とする。
【００１０】
または、本発明の一態様は、ＲＧＢ情報を４色以上に変換する時の端数の分散方法として、カオス・フラクタルもしくは乱数を用いることで自然な映像のまま省電力駆動することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、新規な半導体装置などを提供することを課題とする。
【００１１】
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、必ずしも、これらの課題の全てを解決する必要はない。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一様態に係る電子機器は、使用者より情報を取り込む１つまたは複数のセンサ部と、前記１つまたは複数のセンサ部で取り込んだデータを数値処理してカオスアトラクタを算出するカオスアトラクタ生成部と、前記カオスアトラクタがカオスの定義条件に適合する程度を示す指数を算出するリアプノフ指数生成部と、前記センサ部とは異なる経路で得られる情報取得部と、を具備する電子機器に対して、前記１つまたは複数のセンサ部からの使用者の心身状態に関する情報に対応して、電子機器の出力を変更する。
【００１３】
本発明の一様態に係る電子機器は、前記１つまたは複数のセンサ部からの使用者の心身状態に関する情報に対応して、電子機器の出力を変更して省電力駆動する。
【００１４】
本発明の一様態に係る電子機器は、前記センサ部で取り込まれたデータとして、脈波、脳波、心拍、体温、音声、瞳孔の動き、瞳孔径の変化、手の圧力、タッチパネルで検知された軌跡、加速度センサで検知された動き、表情、顔の大きさの変化（顏との距離）等を用いる。
【００１５】
本発明の一様態の電子機器は、液晶ディスプレイを有してもよい。
【００１６】
本発明の一様態の電子機器は、ＥＬディスプレイを有してもよい。
【００１７】
本発明の一様態の電子機器は、携帯端末でもよい。
【００１８】
本発明の一様態の電子機器は、酸化物半導体トランジスタをバックプレーンに用いてもよい。
【００１９】
本発明の一様態の電子機器は、アイドリングストップ駆動を用いてもよい。
【００２０】
本発明の一様態において、電子機器は、表示装置の画素色として、ＲＧＢに加えて、ＲＧＢ以外の色を用いる。
【００２１】
本発明の一様態において、電子機器はＲＧＢ情報を４色以上に変換する時の端数の分散方法として、カオス・フラクタルもしくは乱数を用いる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の一様態により、使用者の疲労状態、興奮状態に合わせて、適切な表示モードに切り替わる半導体装置を提供することができる。
【００２３】
本発明の一様態により、使用者の疲労状態、興奮状態に合わせて、適切な表示モードに切り替わる発光パネルを提供することができる。
【００２４】
本発明の一様態により、使用者の疲労状態、興奮状態に合わせて、適切な表示モードに切り替わる発光装置を有する半導体装置を提供することができる。
【００２５】
または、新規な半導体装置などを提供することが出来る。
【００２６】
なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
【００２７】
自然界や人工の世界では、予測可能な現象が多く見られる。天体の運行や人工衛星の位置を予測することも可能である。原因と結果の関係が明瞭である決定論的予測可能性こそが、科学の偉大成る力の一つである様に思われる。しかし、天気予報は、物理の法則に従う大気の運動の様に考えられるが、しばしば予報が外れることがある。天気予報のような、原因と結果が不明瞭である現象は、乱雑な要素を持つ系と言われており、基本的には、系を記述する完全なパラメータが明らかであれば、言い換えれば、系についての情報を十分収集可能であれば、正確な予測が可能であると信じられていた。
【００２８】
すなわち、乱雑性は、多自由度系に対する情報不足のために生ずる、と考えられていたのである。しかしながら、少数の自由度（３次元以上）しか持たない簡単な系ですら、乱雑な挙動を示す事があるという発見により、決定論的でありながら乱雑さが本質であるものが存在することが見出された。このような乱雑さをカオスと呼ぶ様になった。
【００２９】
しかし、カオスの概念は、未だ統一されているわけではない。進化論と同様にその定義は、広域にわたり、対象によってその概念は一人歩きしている感さえある。そのため、本明細書においては、あえて次のようにまとめる。カオスとは、決定論的な規則をもつ系であるにもかかわらず、非常に複雑な振舞が非線型として表れる結果、本質的にランダムになる現象を意味する。そして、一見、規則性、予測性のない乱雑な無秩序に見える現象の背後にも複雑な秩序や法則性が存在することを示している。
【００３０】
また、カオスの挙動を特徴づけるトポロジーをカオスアトラクタと呼び、これはカオスを生成するシステムの挙動が収束する数学的構造体である。これらの観点から、身体より検出される脈波は、カオス的振る舞いをすることが知られており、学会等においては、この分野における第一人者によって指尖脈波が示すカオスの心身情報として報告され、同時に同一人によりこのカオスを利用した医療診断方法が特許出願されている（特許文献２）。
【００３１】
本発明の一様態は、身体より採取した脈波、脳波、心拍、体温、音声、瞳孔の動き、瞳孔径の変化、手の圧力、タッチパネルで検知された軌跡、加速度センサで検知された動き、等を数値処理して得たカオスアトラクタと、このデータがカオスの定義条件に適合する程度を示すリアプノフ指数とが、身体の心身情報との相関があることを積極的に利用した応用装置である。また、使用者の心身の状態と相関のとれるものであれば、その他の情報であっても利用することができる。
【００３２】
この事に基づいて、使用者より採取した脈波及び、脳波、心拍、或いは、体温を数値処理して得たカオスアトラクタを生成することにより使用者情報を得る。このデータがカオスの定義条件に適合する程度を示す数値であるリアプノフ指数とから使用者の心身の状態を把握することが可能となる。この指尖脈波を得る手段の一例として赤外線発光ダイオードとフォトセンサとを組み合わせたセンサや半導体圧力センサを利用したものがある。
【００３３】
心身状態と指尖脈波のカオスアトラクタの関係は次のようである。指尖脈波のカオスアトラクタは精神心理状態を敏感に反映し、特有のトポロジーを示す。脈波から得られるカオスアトラクタは人に共通の基本構造の上に、個人特有の構造を持ち、更に精神心理状態や病気によって変化する。一般に精神心理状態や、生理状態が不安定になる、若しくは病気になると、アトラクタの全体構造が単純化、無構造化し、小さくなる。また、時系列的には、カオスアトラクタには機械的で単調な周期が現れる。すなわち、よりカオス的ではなくなる。健康状態では、全体構造は複雑でダイナミック、局所構造も巻き込み、ねじれ、スクリュー構造などの複雑な構造を示す。そして、カオスアトラクタは脱周期的になる。即ち、健康な生態はカオスであり、カオスで満ちている。意識を集中するとカオスアトラクタは複雑になり、巻き込み、ねじれなどの局所構造が現れ、或る域値以上のストレスがかかり、疲労すると構造は単純になり、局所構造が消失する。
【００３４】
この使用者の心身の情報を得ることを目的として、使用者の状況をセンサで検知してカオスアトラクタを取得することが可能なものとしては、音声、瞳孔の動き、瞳孔径の変化、指尖容積脈波、タッチパネルが検知する軌跡、加速度センサの検知する動き、などが挙げられる。
【００３５】
または、使用者の声量、体温、瞳孔、目の開き具合、息遣い、握力、タッチパネルへの圧力、顔の大きさ（パネルと顏との距離）などを検知して、使用者の興奮度合いを検知することもが可能である。
【００３６】
または、使用者の表情をカメラで認識することによって、喜怒哀楽や眠気、目の疲れ度合を検知することが可能である。
【００３７】
こうして得た使用者の情報を数値演算処理し、既に設定してあるレベルに見合うかどうかを判断し、その程度に合わせてリアプノフ指数を算出する。この数値演算処理ならびにリアプノフ指数の算出にはＣＰＵ処理を必要とするが、この処理法ならびに処理後のカオスアトラクタの表現は特に算出式、処理手続が固定されているわけではなく、任意に表現処理することができる。
【００３８】
また、リアプノフ指数を算出するために既に設定しているレベルはカオスアトラクタの分類整理の仕方により幾通りにも設定することができる。例えば『興奮状態』と『通常』と言う設定を行えば２段階であるが、この２段階に加えて『意識集中』と『意識散漫』を加えると合計４段階となり、この段階に対して使用環境を変化させるのでより複雑、より変化に富んだ半導体装置を実現することができる。
【００３９】
このような使用者からの情報に対応して、半導体装置の出力を変化させるとは、電子機器の一部、或いは、全体が可動、振動する若しくは、使用者に信号を送信する機能の度合の変化等に関する対応、使用中に電子機器から流れる音楽の種類、発光パネル上の表示の変化あるいは発光パネル上の輝度の変化等の使用者に対する半導体デバイス環境の変化等などが考えられる。
【００４０】
例えば、『意識集中』の状態の時は、知覚能力が高いため、パネルの輝度を多少下げても問題なく使用可能である。半導体装置がこの状態を感知した場合、電子機器のパネル輝度を下げることで省電力駆動が可能である。
【００４１】
逆に、『意識散漫』な状態の時は、知覚能力が低いため、背景の解像度、輝度などを下げても特に認識されない。その代り、文字などコントラストを付けるべき点だけ輝度を高くし、全体として消費電力を下げた駆動が可能である。また、上記以外のさまざまな対応も本発明の範囲内として適用可能である。
【００４２】
また、上記は主としてカオスの考え方が適用できる使用者からの情報に対して説明を行ってきたが、使用者から得ることができる情報がカオスの考え方に当てはまらない場合でも、事前に設定したレベルに使用者を振り分け、そのレベルに対応して、表示を変化させることができる。
【００４３】
具体的には、温度センサを利用して、使用者の体温をリアルタイム測定し、その体温をあらかじめ設定されているレベルに振り分ける。すなわち、３６℃以下、３６℃を越え３６．５℃以下、３６．５℃を越え３７℃以下ならびに３７℃以上の四つのレベルを設定しておき、使用者の体温がこの四つのレベルのどれに属するかで、使用者への対応を変化させることができる。
【００４４】
もしくは、カメラがとらえた顔の大きさ（パネルとの距離）が近い時は『興奮状態』にあり、距離が遠い、もしくはカメラがとらえた顔の向きがパネルとずれている場合は『意識散漫』と認識することができる。
【００４５】
以上のような考え方により、電子機器使用者の状態を数種類に場合分けし、その場合分けに従って、電子機器の対応を変化させることで、例えば一例として、使用者の興味を増進させることができる。また、使用者の状態はその時々によって変化するため、使用者の状態変化に従って出力が変化することで、一例として、よりいっそう使用者の興味を誘うことができるようになる。
【００４６】
使用者からの情報としては、上記体温以外に脈拍、呼吸数、顔面の表面温度あるいは体重等さまざまなものを利用でき、これらがカオスの考えに適応できても出来なくても、利用することができる。以下、本発明の様々な様態に対して説明を行う。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】実施の形態に係る半導体装置に対応するブロック図および、実施の形態に係る半導体装置の構成を説明する図。
【図２】トランジスタの一形態を説明する図。
【図３】トランジスタの作製方法の一形態を説明する断面図。
【図４】トランジスタの一形態を説明する図。
【図５】トランジスタの一形態を説明する断面図。
【図６】トランジスタの一形態を説明する上面図及び断面図。
【図７】トランジスタの一形態を説明する上面図及び断面図。
【図８】トランジスタのバンド構造を説明する図。
【図９】トランジスタの一形態を説明する上面図及び断面図。
【図１０】実施の形態に係る発光パネルの構成を説明する図。
【図１１】発光装置の斜視図。
【図１２】電子機器の図。
【図１３】ＣＡＡＣ−ＯＳの断面におけるＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像、およびＣＡＡＣ−ＯＳの断面模式図。
【図１４】ＣＡＡＣ−ＯＳの平面におけるＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像。
【図１５】ＣＡＡＣ−ＯＳおよび単結晶酸化物半導体のＸＲＤによる構造解析を説明する図。
【図１６】ＣＡＡＣ−ＯＳの電子回折パターンを示す図。
【図１７】Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の電子照射による結晶部の変化を示す図。
【図１８】ＣＡＡＣ−ＯＳおよびｎｃ−ＯＳの成膜モデルを説明する模式図。
【図１９】ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶、およびペレットを説明する図。
【図２０】ＣＡＡＣ−ＯＳの成膜モデルを説明する模式図。
【図２１】ＢＴストレス試験後のトランジスタのしきい値電圧の変動量の絶対値を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、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。また、以下に説明する実施の形態において、同一部分または同様の機能を有する部分には、同一の符号または同一のハッチパターン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。
【００４９】
なお、ある一つの実施の形態の中で述べる内容は、その実施の形態で述べる別の内容、または／および、一つ若しくは複数の別の実施の形態で述べる内容に対して、適用、組み合わせ、または置き換えなどを行うことが出来る。
【００５０】
なお、本明細書で説明する各図において、各構成の大きさ、膜の厚さ、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。
【００５１】
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。
【００５２】
また、本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が６０°以上１２０°以下の角度で配置されている状態をいう。
【００５３】
また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。
【００５４】
また、「ソース」や「ドレイン」の機能は、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」の用語は、入れ替えて用いることができるものとする。
【００５５】
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。
【００５６】
また、酸化物半導体膜を有するトランジスタはｎチャネル型トランジスタであるため、本明細書において、ゲート電圧が０Ｖの場合、ドレイン電流が流れていないとみなすことができるトランジスタを、ノーマリーオフ特性を有するトランジスタと定義する。また、ゲート電圧が０Ｖの場合、ドレイン電流が流れているとみなすことができるトランジスタを、ノーマリーオン特性を有するトランジスタと定義する。
【００５７】
なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、酸化物半導体膜（またはトランジスタがオン状態のときに酸化物半導体膜の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース（ソース領域またはソース電極）とドレイン（ドレイン領域またはドレイン電極）との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
【００５８】
チャネル幅とは、例えば、酸化物半導体膜（またはトランジスタがオン状態のときに酸化物半導体膜の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
【００５９】
なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅（以下、実効的なチャネル幅とよぶ。）と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅（以下、見かけ上のチャネル幅とよぶ。）と、が異なる場合がある。例えば、立体的な構造を有するトランジスタでは、実効的なチャネル幅が、トランジスタの上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつ立体的な構造を有するトランジスタでは、酸化物半導体膜の上面に形成されるチャネル領域の割合に対して、酸化物半導体膜の側面に形成されるチャネル領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも、実際にチャネルの形成される実効的なチャネル幅の方が大きくなる。
【００６０】
ところで、立体的な構造を有するトランジスタにおいては、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、酸化物半導体膜の形状が既知という仮定が必要である。したがって、酸化物半導体膜の形状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。
【００６１】
そこで、本明細書では、トランジスタの上面図において、酸化物半導体膜とゲート電極とが重なる領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さである見かけ上のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅（ＳＣＷ：Ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ  Ｃｈａｎｎｅｌ  Ｗｉｄｔｈ）」とよぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込みチャネル幅などは、断面ＴＥＭ像などを取得して、その画像を解析することなどによって、値を決定することができる。
【００６２】
なお、トランジスタの電界効果移動度や、チャネル幅当たりの電流値などを計算して求める場合、囲い込みチャネル幅を用いて計算する場合がある。その場合には、実効的なチャネル幅を用いて計算する場合とは異なる値をとる場合がある。
【００６３】
なお、本実施の形態は、基本原理の一例について述べたものである。したがって、本実施の形態の一部または全部について、実施の形態の一部また全部と、自由に組み合わせることや、適用することや、置き換えて実施することができる。
【００６４】
（実施の形態１）
以下では、本発明の一態様に係る半導体装置の例について説明する。
【００６５】
本実施の形態では、複数のセンサを内蔵したスマートフォン等の電子端末に適用した場合を説明する。図１（Ａ）は本発明の一様態に係るブロック図である。以下に、使用者よりセンサを用いた取り込んだデータに対応して、半導体装置の出力を変更する際のフローを説明する。まず、半導体装置内においては、使用者からの情報を収集するセンサ部１００から取り込まれたデータは数値演算処理部１０１にて、カオスアトラクタに変換される。次にこの変換産出されたカオスアトラクタを、リアプノフ指数算出部１０２で、既に定められている定義条件と比較し、その条件との適合の程度を表すリアプノフ指数を、半導体装置を制御するＣＰＵ１０３に送る。このＣＰＵ１０３の指示あるいは情報が、半導体装置の出力内容に変化を与える出力部１０４に届き、出力内容がその時の使用者の状況に対応して変化する。
【００６６】
このＣＰＵ１０３にはその他の情報として、半導体装置自身からの情報、或いは、それ以外の関連情報が情報取得部１０５から入力される。例えば、文字情報、動画情報、音声情報、気温、気圧、湿度、風速、雨量、日射量、花粉量、時刻、時間経過など、計算と通信によって取得可能な情報が入力されることがある。ＣＰＵ１０３ではこれらの複数の情報を処理して、様々な対応の変化の指示あるいは情報を出力部１０４に送ることで、半導体装置１０６は変化に富んだ対応をすることが可能となる。
【００６７】
図１（Ｂ）を用いて、本実施の形態におけるセンサ部１００に関して説明する。音声取得はマイク１５０をセンサ部としている。画像取得はカメラ１５１をセンサ部とし、瞳孔の動き、瞳孔径の変化、表情、顔の大きさの変化（パネルとの距離）等を取得している。加速度取得は加速度センサ１５２をセンサ部とし、使用者の移動、もしくは手の動きを取得している。体温は温度センサ１５３をセンサ部としている。
【００６８】
上記半導体装置１０６の外部にセンサ部を設ける例としては、脈波センサ、脳波センサ、心拍センサ、体温センサ、加速度センサ等のセンサを、別途使用者が装着し、半導体デバイスと通信を行うことで、数値演算処理部１０１に情報を送信する事が可能となる。
【００６９】
例えば、使用者の心身の状態が、『意識散漫』な状況にあるとき、振動、音声信号、画像信号、に対して変化させることで、１例としては、目がさめるような出力をすることもできる。逆の例としては、穏やかになるように出力を変化させることで、心身を休ませることもできる。
【００７０】
例えば、使用者の心身の状態が、『意識集中』な状況にあるとき、あまり出力を変化させずに集中を保たせることもできる。逆の例としては、更に変化を大きくして、より集中力が必要な状況とすることもできる。
【００７１】
例えば、『意識集中』の状態の時は、知覚能力が高いため、パネルの輝度を多少下げても問題なく使用可能である。半導体装置がこの状態を感知した場合、電子機器のパネル輝度を下げることで省電力駆動が可能である。
【００７２】
逆に、『意識散漫』な状態の時は、知覚能力が低いため、背景の解像度、輝度などを下げても特に認識されない。その代り、文字などコントラストを付けるべき点だけ輝度を高くし、全体として消費電力を下げた駆動が可能である。
【００７３】
本実施の形態においては、いずれもカオスの考えを適用させたが、特にこれに限定されることはなく、カオスの考えが適用出来ないものであっても、事前に特定の条件レベルを設定し、そのレベルに使用者を振り分けることで、カオスの考えを適用した場合と少し似た対応の変化を半導体装置に与えることができる。この場合は事前のレベル設定および、使用者からの情報の種類を変化させることで様々な対応を実現することができる。
【００７４】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【００７５】
（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様である半導体装置、及びその作製方法について図面を参照して説明する。本実施の形態に示すトランジスタ１０は、ボトムゲート構造のトランジスタである。
【００７６】
＜１．トランジスタの構造＞
図２（Ａ）乃至図２（Ｃ）に、半導体装置が有するトランジスタ１０の上面図及び断面図を示す。図２（Ａ）はトランジスタ１０の上面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の一点鎖線Ａ−Ｂ間の断面図、図２（Ｃ）は、図２（Ａ）の一点鎖線Ｃ−Ｄ間の断面図である。なお、図２（Ａ）では、明瞭化のため、基板１１、ゲート絶縁膜１５、保護膜２１などを省略している。
【００７７】
図２（Ａ）乃至図２（Ｃ）に示すトランジスタ１０は、基板１１上に設けられるゲート電極１３と、基板１１及びゲート電極１３上に形成されるゲート絶縁膜１５と、ゲート絶縁膜１５を介して、ゲート電極１３と重なる酸化物半導体膜１７と、酸化物半導体膜１７に接する一対の電極１９、２０とを有する。また、ゲート絶縁膜１５、酸化物半導体膜１７、及び一対の電極１９、２０上には、保護膜２１が形成される。
【００７８】
なお、保護膜２１は、酸化物半導体膜１７において、ゲート絶縁膜１５が接する面と反対側の面において接する。すなわち、保護膜２１は、酸化物半導体膜１７において、チャネルが形成される領域の反対側（以下、バックチャネル領域という。）において、酸化物半導体膜１７と接することで、酸化物半導体膜１７のバックチャネル領域を保護する機能を有する。
【００７９】
本実施の形態において、酸化物半導体膜１７と接する膜、代表的には、ゲート絶縁膜１５及び保護膜２１の少なくとも一方が、酸化物絶縁膜であり、該酸化物絶縁膜は、窒素を含み、且つ欠陥量の少ない。
【００８０】
窒素を含み、且つ欠陥量の少ない酸化物絶縁膜の代表例としては、酸化窒化シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜等がある。なお、酸化窒化シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多い膜を指し、窒化酸化シリコン膜、窒化酸化アルミニウム膜とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い膜を指す。
【００８１】
欠陥の少ない酸化物絶縁膜は、１００Ｋ以下のＥＳＲで測定して得られたスペクトルにおいてｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１のシグナル、ｇ値が２．００１以上２．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下の第３のシグナルが観測される。なお、第１のシグナル及び第２のシグナルのスプリット幅、並びに第２のシグナル及び第３のシグナルのスプリット幅は、ＸバンドのＥＳＲ測定において約５ｍＴである。また、ｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１のシグナル、ｇ値が２．００１以上２．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下である第３のシグナルのスピンの密度の合計が１×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満であり、代表的には１×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以上１×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満である。
【００８２】
なお、１００Ｋ以下のＥＳＲスペクトルにおいてｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１シグナル、ｇ値が２．００１以上２．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下の第３のシグナルは、窒素酸化物（ＮＯｘ、ｘは０以上２以下、好ましくは１以上２以下）起因のシグナルに相当する。窒素酸化物の代表例としては、一酸化窒素、二酸化窒素等がある。即ち、ｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１のシグナル、ｇ値が２．００１以上２．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下である第３のシグナルのスピンの密度の合計が少ないほど、酸化物絶縁膜に含まれる窒素酸化物の含有量が少ないといえる。
【００８３】
酸化物半導体膜１７に接するゲート絶縁膜１５及び保護膜２１の少なくとも一方が、上記のように、窒素酸化物の含有量が少ないと、ゲート絶縁膜１５または保護膜２１と、酸化物半導体膜１７との界面におけるキャリアのトラップを低減することが可能である。この結果、半導体装置に含まれるトランジスタのしきい値電圧のシフトを低減することが可能であり、トランジスタの電気特性の変動を低減することができる。
【００８４】
また、ゲート絶縁膜１５及び保護膜２１の少なくとも一方は、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）で測定される窒素濃度が６×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。この結果、ゲート絶縁膜１５及び保護膜２１の少なくとも一方において、窒素酸化物が生成されにくくなり、ゲート絶縁膜１５または保護膜２１と、酸化物半導体膜１７との界面におけるキャリアのトラップを低減することが可能である。また、半導体装置に含まれるトランジスタのしきい値電圧のシフトを低減することが可能であり、トランジスタの電気特性の変動を低減することができる。
【００８５】
なお、保護膜２１において、膜中に窒素酸化物及びアンモニアが含まれると、作製工程のプロセスにおける加熱処理において、反応式（Ａ−１）及び反応式（Ａ−２）が生じ、窒素酸化物が窒素ガスとなって脱離する。この結果、保護膜２１の窒素濃度及び窒素酸化物の含有量を低減することができる。また、ゲート絶縁膜１５若しくは保護膜２１と、酸化物半導体膜１７との界面におけるキャリアのトラップを低減することが可能である。また、半導体装置に含まれるトランジスタのしきい値電圧のシフトを低減することが可能であり、トランジスタの電気特性の変動を低減することができる。
【００８６】
【化１】
2015109076.tif 000003
【００８７】
【化２】
2015109076.tif 000004
【００８８】
ゲート絶縁膜１５または保護膜２１が、窒素を含み、且つ欠陥量の少ない酸化物絶縁膜を有するトランジスタ１０において、ゲートに正の電圧または負の電圧を印加するゲートＢＴストレス試験の前後における、試験時間（以下、ストレス時間ともいう。）に対するしきい値電圧の変動量の絶対値（｜ΔＶｔｈ｜）を表す累乗近似線Ｌ１を図２１に示す。なお、試験時間（ストレス時間）としきい値電圧の変動量をグラフにプロットすると、プロットされた値は累乗近似線で近似することができ、その累乗近似線は両対数グラフ上では直線となる。また、累乗近似線の指数は、両対数グラフにおける直線の傾きに相当する。図２１は両対数グラフであり、横軸はストレス時間の対数を表し、縦軸はしきい値電圧の変動量の絶対値の対数を表す。また、ストレス試験の条件としては、例えば半導体装置として表示装置を用いた場合、使用最高温度として６０℃、駆動最大電圧として３０Ｖを印加し、任意の時間、例えば１００時間のストレスを与える条件を用いることができる。
【００８９】
ここで、ゲートＢＴストレス試験の測定方法について説明する。はじめに、基板温度を任意の温度（以下、ストレス温度という。）に一定に維持し、トランジスタの初期特性におけるＶｇ−Ｉｄ特性を測定する。
【００９０】
次に、基板温度をストレス温度に維持したまま、トランジスタのソース電極及びドレイン電極として機能する一対の電極を同電位とし、当該一対の電極とは異なる電位をゲート電極に一定時間（以下、ストレス時間という。）印加する。次に、基板温度はストレス温度に維持したまま、トランジスタのＶｇ−Ｉｄ特性を測定する。この結果、ゲートＢＴストレス試験前後の電気特性におけるしきい値電圧及びシフト値の差を、変動量として得ることができる。
【００９１】
なお、ゲート電極に負の電圧を印加するストレス試験をマイナスゲートＢＴストレス試験（ダークマイナスストレス）といい、正の電圧を印加するストレス試験をプラスゲートＢＴストレス試験（ダークプラスストレス）という。また、光を照射しつつゲート電極に負の電圧を印加するストレス試験を光マイナスゲートＢＴストレス試験（フォトマイナスストレス）といい、正の電圧を印加するストレス試験を光プラスゲートＢＴストレス試験（フォトプラスストレス）という。
【００９２】
図２１において、両対数グラフ上では累乗近似線Ｌ１は直線となるため、横軸と縦軸の対数目盛の間隔が等しい場合、本実施の形態に示すトランジスタ１０における累乗近似線Ｌ１と、ストレス時間に対してしきい値電圧の変動量が無いときの直線、即ち図２１に示す、累乗関数の指数が０の破線Ｌ２とのなす角度θ１は、θ２の範囲内であり、且つストレス時間が０．１時間のときの｜ΔＶｔｈ｜が０．３Ｖ未満、好ましくは０．１Ｖ未満である。なお、θ２は、一点鎖線で囲まれる範囲であり、代表的には、｜ΔＶｔｈ｜が０．１Ｖときの直線から、プラス方向に２０°であり且つマイナス方向に３°の範囲の角度であり、即ち−３°以上２０°未満、好ましくは０°以上１５°未満である。なお、対数目盛の間隔が同じとは、例えば、横軸においてストレス時間が１０倍となる０．０１時間から０．１時間の間隔と、縦軸において、ΔＶｔｈが１０倍となる０．０１Ｖから０．１Ｖの間隔が等しい、ということである。また、θ２においてプラス方向とは、反時計まわりの方向である。
【００９３】
本実施の形態に示すトランジスタ１０のように、ストレス時間に対するしきい値電圧の変動量の絶対値（｜ΔＶｔｈ｜）を表す累乗近似線Ｌ１と破線Ｌ２とのなす角度θ１が小さいほど、経年変化によるしきい値電圧の変動量が小さく、信頼性の高いトランジスタである。
【００９４】
また、図２１において、横軸をｘ、縦軸をｙとすると、累乗近似線Ｌ１は、数式１で示すことができる。なお、ｂ、Ｃは定数であり、ｂは、累乗近似線Ｌ１の指数に相当する。
【００９５】
【数１】
2015109076.tif 000005
【００９６】
本実施の形態に示すトランジスタ１０における累乗近似線Ｌ１の指数ｂは、−０．１以上０．３以下、好ましくは０以上０．２以下であり、且つストレス時間が０．１時間のときのΔＶｔｈが０．３Ｖ未満、好ましくは０．１Ｖ未満である。
【００９７】
累乗近似線Ｌ１の指数ｂが小さい程、経年変化によるしきい値電圧の変動量が小さく、信頼性の高いトランジスタである。また、ストレス時間が０．１時間のときのΔＶｔｈが小さい程、動作初期時における信頼性が高いトランジスタである。この結果、累乗近似線Ｌ１の指数ｂが、−０．１以上０．３以下、好ましくは０以上０．２以下であり、且つストレス時間が０．１時間のときのΔＶｔｈが０．３Ｖ未満、好ましくは０．１Ｖ未満であるトランジスタは信頼性が高い。
【００９８】
以下に、トランジスタ１０の他の構成の詳細について説明する。
【００９９】
基板１１の材質などに大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有している必要がある。例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板等を、基板１１として用いてもよい。また、シリコンや炭化シリコンからなる単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム等の化合物半導体基板、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板等を適用することも可能であり、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板１１として用いてもよい。
【０１００】
また、基板１１として、可撓性基板を用い、可撓性基板上に直接、トランジスタ１０を形成してもよい。または、基板１１とトランジスタ１０の間に剥離層を設けてもよい。剥離層は、その上に半導体装置を一部あるいは全部完成させた後、基板１１より分離し、他の基板に転載するのに用いることができる。その際、トランジスタ１０は耐熱性の劣る基板や可撓性の基板にも転載できる。
【０１０１】
なお、基板１１及びゲート電極１３の間に下地絶縁膜を設けてもよい。下地絶縁膜としては、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、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム等がある。なお、下地絶縁膜として、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、酸化アルミニウム等を用いることで、基板１１から不純物、代表的にはアルカリ金属、水、水素等の酸化物半導体膜１７への拡散を抑制することができる。
【０１０２】
ゲート電極１３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等を用いて形成することができる。また、マンガン、ジルコニ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、ゲート電極１３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、窒化タンタル膜または窒化タングステン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等がある。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一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。
【０１０３】
また、ゲート電極１３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、酸化シリコンを含むインジウム錫酸化物等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。
【０１０４】
保護膜２１が窒素を含み、且つ欠陥量の少ない酸化物絶縁膜で形成される場合、ゲート絶縁膜１５は、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムまたはＧａ−Ｚｎ系金属酸化物などを用いればよく、積層または単層で設ける。なお、酸化物半導体膜１７との界面特性を向上させるため、ゲート絶縁膜１５において少なくとも酸化物半導体膜１７と接する領域は酸化物絶縁膜で形成することが好ましい。
【０１０５】
また、ゲート絶縁膜１５として、酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する絶縁膜を設けることで、酸化物半導体膜１７からの酸素の外部への拡散と、外部から酸化物半導体膜１７への水素、水等の侵入を防ぐことができる。酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する絶縁膜としては、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等がある。
【０１０６】
また、ゲート絶縁膜１５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トランジスタのゲートリークを低減できる。
【０１０７】
ゲート絶縁膜１５の厚さは、５ｎｍ以上４００ｎｍ以下、より好ましくは１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下、より好ましくは５０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下とするとよい。
【０１０８】
酸化物半導体膜１７は、少なくともＩｎ若しくはＺｎを含む金属酸化物で形成され、代表的には、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄ）等で形成される。
【０１０９】
なお、酸化物半導体膜１７がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたときＩｎとＭの原子数比率は、好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％以上、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％以上、Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。
【０１１０】
酸化物半導体膜１７は、エネルギーギャップが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。このように、エネルギーギャップの広い酸化物半導体を用いることで、トランジスタ１０のオフ電流を低減することができる。
【０１１１】
酸化物半導体膜１７の厚さは、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。
【０１１２】
酸化物半導体膜１７がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄ）の場合、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を成膜するために用いるスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比は、Ｉｎ≧Ｍ、Ｚｎ≧Ｍを満たすことが好ましい。このようなスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比として、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２が好ましい。なお、成膜される酸化物半導体膜１７の原子数比はそれぞれ、誤差として上記のスパッタリングターゲットに含まれる金属元素の原子数比のプラスマイナス４０％の変動を含む。
【０１１３】
酸化物半導体膜に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になると共に、酸素が脱離した格子（または酸素が脱離した部分）に酸素欠損を形成する。当該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合することで、キャリアである電子を生成する場合がある。従って、水素が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。
【０１１４】
このため、酸化物半導体膜１７は、酸素欠損と共に、水素ができる限り低減されていることが好ましい。具体的には、酸化物半導体膜１７において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。この結果、トランジスタ１０は、しきい値電圧がプラスとなる電気特性（ノーマリーオフ特性ともいう。）を有する。
【０１１５】
また、酸化物半導体膜１７において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物半導体膜１７において酸素欠損が増加し、ｎ型化してしまう。このため、酸化物半導体膜１７におけるシリコンや炭素の濃度（二次イオン質量分析法により得られる濃度）を、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。この結果、トランジスタ１０は、しきい値電圧がプラスとなる電気特性（ノーマリーオフ特性ともいう。）を有する。
【０１１６】
また、酸化物半導体膜１７において、二次イオン質量分析法により得られるアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。アルカリ金属及びアルカリ土類金属は、酸化物半導体と結合するとキャリアを生成する場合があり、トランジスタのオフ電流が増大してしまうことがある。このため、酸化物半導体膜１７のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。この結果、トランジスタ１０は、しきい値電圧がプラスとなる電気特性（ノーマリーオフ特性ともいう。）を有する。
【０１１７】
また、酸化物半導体膜１７に窒素が含まれていると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、当該酸化物半導体膜において、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、二次イオン質量分析法により得られる窒素濃度は、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にすることが好ましい。
【０１１８】
酸化物半導体膜１７の不純物を低減することで、酸化物半導体膜のキャリア密度を低減することができる。このため、酸化物半導体膜１７は、キャリア密度が１×１０１７個／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１５個／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１３個／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１１個／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【０１１９】
酸化物半導体膜１７として、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜を用いることで、さらに優れた電気特性を有するトランジスタを作製することができる。ここでは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い（酸素欠損の少ない）ことを高純度真性または実質的に高純度真性とよぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる場合がある。従って、当該酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、しきい値電圧がプラスとなる電気特性（ノーマリーオフ特性ともいう。）になりやすい。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、オフ電流が著しく小さく、ソース電極とドレイン電極間の電圧（ドレイン電圧）が１Ｖから１０Ｖの範囲において、オフ電流が、半導体パラメータアナライザの測定限界以下、すなわち１×１０−１３Ａ以下という特性を得ることができる。従って、当該酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる場合がある。
【０１２０】
以下では、酸化物半導体の構造について説明する。
【０１２１】
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体とに分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、微結晶酸化物半導体、非晶質酸化物半導体などがある。
【０１２２】
また別の観点では、酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体と、それ以外の結晶性酸化物半導体とに分けられる。結晶性酸化物半導体としては、単結晶酸化物半導体、ＣＡＡＣ−ＯＳ、多結晶酸化物半導体、微結晶酸化物半導体などがある。
【０１２３】
まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。なお、ＣＡＡＣ−ＯＳを、ＣＡＮＣ（Ｃ−Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
【０１２４】
ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向した複数の結晶部（ペレットともいう。）を有する酸化物半導体の一つである。
【０１２５】
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって、ＣＡＡＣ−ＯＳの明視野像と回折パターンとの複合解析像（高分解能ＴＥＭ像ともいう。）を観察すると、複数のペレットを確認することができる。一方、高分解能ＴＥＭ像ではペレット同士の境界、即ち結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を明確に確認することができない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳは、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。
【０１２６】
以下では、ＴＥＭによって観察したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。図１３（Ａ）に、試料面と略平行な方向から観察したＣＡＡＣ−ＯＳの断面の高分解能ＴＥＭ像を示す。高分解能ＴＥＭ像の観察には、球面収差補正（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ  Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ  Ｃｏｒｒｅｃｔｏｒ）機能を用いた。球面収差補正機能を用いた高分解能ＴＥＭ像を、特にＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像と呼ぶ。Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像の取得は、例えば、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡ＪＥＭ−ＡＲＭ２００Ｆなどによって行うことができる。
【０１２７】
図１３（Ａ）の領域（１）を拡大したＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を図１３（Ｂ）に示す。図１３（Ｂ）より、ペレットにおいて、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層の配列は、ＣＡＡＣ−ＯＳの膜を形成する面（被形成面ともいう。）または上面の凹凸を反映しており、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面または上面と平行となる。
【０１２８】
図１３（Ｂ）に示すように、ＣＡＡＣ−ＯＳは特徴的な原子配列を有する。図１３（Ｃ）は、特徴的な原子配列を、補助線で示したものである。図１３（Ｂ）および図１３（Ｃ）より、ペレット一つの大きさは１ｎｍ以上３ｎｍ以下程度であり、ペレットとペレットとの傾きにより生じる隙間の大きさは０．８ｎｍ程度であることがわかる。したがって、ペレットを、ナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）と呼ぶこともできる。
【０１２９】
ここで、Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像をもとに、基板５１２０上のＣＡＡＣ−ＯＳのペレット５１００の配置を模式的に示すと、レンガまたはブロックが積み重なったような構造となる（図１３（Ｄ）参照。）。図１３（Ｃ）で観察されたペレットとペレットとの間で傾きが生じている箇所は、図１３（Ｄ）に示す領域５１６１に相当する。
【０１３０】
また、図１４（Ａ）に、試料面と略垂直な方向から観察したＣＡＡＣ−ＯＳの平面のＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を示す。図１４（Ａ）の領域（１）、領域（２）および領域（３）を拡大したＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を、それぞれ図１４（Ｂ）、図１４（Ｃ）および図１４（Ｄ）に示す。図１４（Ｂ）、図１４（Ｃ）および図１４（Ｄ）より、ペレットは、金属原子が三角形状、四角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかしながら、異なるペレット間で、金属原子の配列に規則性は見られない。
【０１３１】
次に、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって解析したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、図１５（Ａ）に示すように回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に帰属されることから、ＣＡＡＣ−ＯＳの結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。
【０１３２】
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳのｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析では、２θが３１°近傍のピークの他に、２θが３６°近傍にもピークが現れる場合がある。２θが３６°近傍のピークは、ＣＡＡＣ−ＯＳ中の一部に、ｃ軸配向性を有さない結晶が含まれることを示している。より好ましいＣＡＡＣ−ＯＳは、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析では、２θが３１°近傍にピークを示し、２θが３６°近傍にピークを示さない。
【０１３３】
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳに対し、ｃ軸に略垂直な方向からＸ線を入射させるｉｎ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、２θが５６°近傍にピークが現れる。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（１１０）面に帰属される。ＣＡＡＣ−ＯＳの場合は、２θを５６°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸（φ軸）として試料を回転させながら分析（φスキャン）を行っても、図１５（Ｂ）に示すように明瞭なピークは現れない。これに対し、ＩｎＧａＺｎＯ４の単結晶酸化物半導体であれば、２θを５６°近傍に固定してφスキャンした場合、図１５（Ｃ）に示すように（１１０）面と等価な結晶面に帰属されるピークが６本観察される。したがって、ＸＲＤを用いた構造解析から、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ａ軸およびｂ軸の配向が不規則であることが確認できる。
【０１３４】
次に、電子回折によって解析したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、試料面に平行にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させると、図１６（Ａ）に示すような回折パターン（制限視野透過電子回折パターンともいう。）が現れる場合がある。この回折パターンには、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に起因するスポットが含まれる。したがって、電子回折によっても、ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれるペレットがｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることがわかる。一方、同じ試料に対し、試料面に垂直にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させたときの回折パターンを図１６（Ｂ）に示す。図１６（Ｂ）より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、電子回折によっても、ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれるペレットのａ軸およびｂ軸は配向性を有さないことがわかる。なお、図１６（Ｂ）における第１リングは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（０１０）面および（１００）面などに起因すると考えられる。また、図１６（Ｂ）における第２リングは（１１０）面などに起因すると考えられる。
【０１３５】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、欠陥準位密度の低い酸化物半導体である。酸化物半導体の欠陥としては、例えば、不純物に起因する欠陥や、酸素欠損などがある。したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳは、不純物濃度の低い酸化物半導体ということもできる。また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、酸素欠損の少ない酸化物半導体ということもできる。
【０１３６】
酸化物半導体に含まれる不純物は、キャリアトラップとなる場合や、キャリア発生源となる場合がある。また、酸化物半導体中の酸素欠損は、キャリアトラップとなる場合や、水素を捕獲することによってキャリア発生源となる場合がある。
【０１３７】
なお、不純物は、酸化物半導体の主成分以外の元素で、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などがある。例えば、シリコンなどの、酸化物半導体を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体から酸素を奪うことで酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径（または分子半径）が大きいため、酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。
【０１３８】
また、欠陥準位密度の低い（酸素欠損が少ない）酸化物半導体は、キャリア密度を低くすることができる。そのような酸化物半導体を、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶ。ＣＡＡＣ−ＯＳは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い。即ち、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体となりやすい。したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳを用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性（ノーマリーオンともいう。）になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体は、キャリアトラップが少ない。酸化物半導体のキャリアトラップに捕獲された電荷は、放出するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、不純物濃度が高く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体を用いたトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。一方、ＣＡＡＣ−ＯＳを用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。
【０１３９】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳは欠陥準位密度が低いため、光の照射などによって生成されたキャリアが、欠陥準位に捕獲されることが少ない。したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳを用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。
【０１４０】
次に、微結晶酸化物半導体について説明する。
【０１４１】
微結晶酸化物半導体は、高分解能ＴＥＭ像において、結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。微結晶酸化物半導体に含まれる結晶部は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、または１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の大きさであることが多い。特に、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、または１ｎｍ以上３ｎｍ以下の微結晶であるナノ結晶を有する酸化物半導体を、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼ぶ。ｎｃ−ＯＳは、例えば、高分解能ＴＥＭ像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。なお、ナノ結晶は、ＣＡＡＣ−ＯＳにおけるペレットと起源を同じくする可能性がある。そのため、以下ではｎｃ−ＯＳの結晶部をペレットと呼ぶ場合がある。
【０１４２】
ｎｃ−ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ−ＯＳは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、ｎｃ−ＯＳは、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。例えば、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットよりも大きい径のＸ線を用いるＸＲＤ装置を用いて構造解析を行うと、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットよりも大きいプローブ径（例えば５０ｎｍ以上）の電子線を用いる電子回折（制限視野電子回折ともいう。）を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットの大きさと近いかペレットより小さいプローブ径の電子線を用いるナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測される。また、ｎｃ−ＯＳに対しナノビーム電子回折を行うと、円を描くように（リング状に）輝度の高い領域が観測される場合がある。さらに、リング状の領域内に複数のスポットが観測される場合がある。
【０１４３】
このように、ペレット（ナノ結晶）間では結晶方位が規則性を有さないことから、ｎｃ−ＯＳを、ＲＡＮＣ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｌｉｇｎｅｄ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体、またはＮＡＮＣ（Ｎｏｎ−Ａｌｉｇｎｅｄ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
【０１４４】
ｎｃ−ＯＳは、非晶質酸化物半導体よりも規則性の高い酸化物半導体である。そのため、ｎｃ−ＯＳは、非晶質酸化物半導体よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、ｎｃ−ＯＳは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、ｎｃ−ＯＳは、ＣＡＡＣ−ＯＳと比べて欠陥準位密度が高くなる。
【０１４５】
次に、非晶質酸化物半導体について説明する。
【０１４６】
非晶質酸化物半導体は、膜中における原子配列が不規則であり、結晶部を有さない酸化物半導体である。石英のような無定形状態を有する酸化物半導体が一例である。
【０１４７】
非晶質酸化物半導体は、高分解能ＴＥＭ像において結晶部を確認することができない。
【０１４８】
非晶質酸化物半導体に対し、ＸＲＤ装置を用いた構造解析を行うと、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、非晶質酸化物半導体に対し、電子回折を行うと、ハローパターンが観測される。また、非晶質酸化物半導体に対し、ナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測されず、ハローパターンのみが観測される。
【０１４９】
非晶質構造については、様々な見解が示されている。例えば、原子配列に全く秩序性を有さない構造を完全な非晶質構造（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ  ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）と呼ぶ場合がある。また、最近接原子間距離または第２近接原子間距離まで秩序性を有し、かつ長距離秩序性を有さない構造を非晶質構造と呼ぶ場合もある。したがって、最も厳格な定義によれば、僅かでも原子配列に秩序性を有する酸化物半導体を非晶質酸化物半導体と呼ぶことはできない。また、少なくとも、長距離秩序性を有する酸化物半導体を非晶質酸化物半導体と呼ぶことはできない。よって、結晶部を有することから、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳおよびｎｃ−ＯＳを、非晶質酸化物半導体または完全な非晶質酸化物半導体と呼ぶことはできない。
【０１５０】
なお、酸化物半導体は、ｎｃ−ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する場合がある。そのような構造を有する酸化物半導体を、特に非晶質ライク酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼ぶ。
【０１５１】
ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において鬆（ボイドともいう。）が観察される場合がある。また、高分解能ＴＥＭ像において、明確に結晶部を確認することのできる領域と、結晶部を確認することのできない領域と、を有する。
【０１５２】
鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、不安定な構造である。以下では、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳが、ＣＡＡＣ−ＯＳおよびｎｃ−ＯＳと比べて不安定な構造であることを示すため、電子照射による構造の変化を示す。
【０１５３】
電子照射を行う試料として、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ（試料Ａと表記する。）、ｎｃ−ＯＳ（試料Ｂと表記する。）およびＣＡＡＣ−ＯＳ（試料Ｃと表記する。）を準備する。いずれの試料もＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である。
【０１５４】
まず、各試料の高分解能断面ＴＥＭ像を取得する。高分解能断面ＴＥＭ像により、各試料は、いずれも結晶部を有することがわかる。
【０１５５】
なお、どの部分を一つの結晶部と見なすかの判定は、以下のように行えばよい。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の単位格子は、Ｉｎ−Ｏ層を３層有し、またＧａ−Ｚｎ−Ｏ層を６層有する、計９層がｃ軸方向に層状に重なった構造を有することが知られている。これらの近接する層同士の間隔は、（００９）面の格子面間隔（ｄ値ともいう。）と同程度であり、結晶構造解析からその値は０．２９ｎｍと求められている。したがって、格子縞の間隔が０．２８ｎｍ以上０．３０ｎｍ以下である箇所を、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶部と見なすことができる。なお、格子縞は、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶のａ−ｂ面に対応する。
【０１５６】
図１７は、各試料の結晶部（２２箇所から４５箇所）の平均の大きさを調査した例である。ただし、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図１７より、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、電子の累積照射量に応じて結晶部が大きくなっていくことがわかる。具体的には、図１７中に（１）で示すように、ＴＥＭによる観察初期においては１．２ｎｍ程度の大きさだった結晶部（初期核ともいう。）が、累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２においては２．６ｎｍ程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳは、電子照射開始時から電子の累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２までの範囲で、結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。具体的には、図１７中の（２）および（３）で示すように、電子の累積照射量によらず、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳの結晶部の大きさは、それぞれ１．４ｎｍ程度および２．１ｎｍ程度であることがわかる。
【０１５７】
このように、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、電子照射によって結晶部の成長が見られる場合がある。一方、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳは、電子照射による結晶部の成長がほとんど見られないことがわかる。即ち、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて、不安定な構造であることがわかる。
【０１５８】
また、鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて密度の低い構造である。具体的には、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の７８．６％以上９２．３％未満となる。また、ｎｃ−ＯＳの密度およびＣＡＡＣ−ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の９２．３％以上１００％未満となる。単結晶の密度の７８％未満となる酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。
【０１５９】
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、菱面体晶構造を有する単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４の密度は６．３５７ｇ／ｃｍ３となる。よって、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの密度は５．０ｇ／ｃｍ３以上５．９ｇ／ｃｍ３未満となる。また、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、ｎｃ−ＯＳの密度およびＣＡＡＣ−ＯＳの密度は５．９ｇ／ｃｍ３以上６．３ｇ／ｃｍ３未満となる。
【０１６０】
なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合がある。その場合、任意の割合で組成の異なる単結晶を組み合わせることにより、所望の組成における単結晶に相当する密度を見積もることができる。所望の組成の単結晶に相当する密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して、加重平均を用いて見積もればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない種類の単結晶を組み合わせて見積もることが好ましい。
【０１６１】
以上のように、酸化物半導体は、様々な構造をとり、それぞれが様々な特性を有する。なお、酸化物半導体は、例えば、非晶質酸化物半導体、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ、微結晶酸化物半導体、ＣＡＡＣ−ＯＳのうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
【０１６２】
＜成膜モデル＞
以下では、ＣＡＡＣ−ＯＳおよびｎｃ−ＯＳの成膜モデルの一例について説明する。
【０１６３】
図１８（Ａ）は、スパッタリング法によりＣＡＡＣ−ＯＳが成膜される様子を示した成膜室内の模式図である。
【０１６４】
ターゲット５１３０は、バッキングプレートに接着されている。バッキングプレートを介してターゲット５１３０と向かい合う位置には、複数のマグネットが配置される。該複数のマグネットによって磁場が生じている。マグネットの磁場を利用して成膜速度を高めるスパッタリング法は、マグネトロンスパッタリング法と呼ばれる。
【０１６５】
基板５１２０は、ターゲット５１３０と向かい合うように配置しており、その距離ｄ（ターゲット−基板間距離（Ｔ−Ｓ間距離）ともいう。）は０．０１ｍ以上１ｍ以下、好ましくは０．０２ｍ以上０．５ｍ以下とする。成膜室内は、ほとんどが成膜ガス（例えば、酸素、アルゴン、または酸素を５体積％以上の割合で含む混合ガス）で満たされ、０．０１Ｐａ以上１００Ｐａ以下、好ましくは０．１Ｐａ以上１０Ｐａ以下に制御される。ここで、ターゲット５１３０に一定以上の電圧を印加することで、放電が始まり、プラズマが確認される。なお、ターゲット５１３０の近傍には磁場によって、高密度プラズマ領域が形成される。高密度プラズマ領域では、成膜ガスがイオン化することで、イオン５１０１が生じる。イオン５１０１は、例えば、酸素の陽イオン（Ｏ＋）やアルゴンの陽イオン（Ａｒ＋）などである。
【０１６６】
ここで、ターゲット５１３０は、複数の結晶粒を有する多結晶構造を有し、いずれかの結晶粒には劈開面が含まれる。図１９（Ａ）に、一例として、ターゲット５１３０に含まれるＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の構造を示す。なお、図１９（Ａ）は、ｂ軸に平行な方向からＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を観察した場合の構造である。図１９（Ａ）より、近接する二つのＧａ−Ｚｎ−Ｏ層において、それぞれの層における酸素原子同士が近距離に配置されていることがわかる。そして、酸素原子が負の電荷を有することにより、近接する二つのＧａ−Ｚｎ−Ｏ層の間には斥力が生じる。その結果、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶は、近接する二つのＧａ−Ｚｎ−Ｏ層の間に劈開面を有する。
【０１６７】
高密度プラズマ領域で生じたイオン５１０１は、電界によってターゲット５１３０側に加速され、やがてターゲット５１３０と衝突する。このとき、劈開面から平板状またはペレット状のスパッタ粒子であるペレット５１００ａおよびペレット５１００ｂが剥離し、叩き出される。なお、ペレット５１００ａおよびペレット５１００ｂは、イオン５１０１の衝突の衝撃によって、構造に歪みが生じる場合がある。
【０１６８】
ペレット５１００ａは、三角形、例えば正三角形の平面を有する平板状またはペレット状のスパッタ粒子である。また、ペレット５１００ｂは、六角形、例えば正六角形の平面を有する平板状またはペレット状のスパッタ粒子である。なお、ペレット５１００ａおよびペレット５１００ｂなどの平板状またはペレット状のスパッタ粒子を総称してペレット５１００と呼ぶ。ペレット５１００の平面の形状は、三角形、六角形に限定されない、例えば、三角形が複数個合わさった形状となる場合がある。例えば、三角形（例えば、正三角形）が２個合わさった四角形（例えば、ひし形）となる場合もある。
【０１６９】
ペレット５１００は、成膜ガスの種類などに応じて厚さが決定する。理由は後述するが、ペレット５１００の厚さは、均一にすることが好ましい。また、スパッタ粒子は厚みのないペレット状である方が、厚みのあるサイコロ状であるよりも好ましい。例えば、ペレット５１００は、厚さを０．４ｎｍ以上１ｎｍ以下、好ましくは０．６ｎｍ以上０．８ｎｍ以下とする。また、例えば、ペレット５１００は、幅を１ｎｍ以上３ｎｍ以下、好ましくは１．２ｎｍ以上２．５ｎｍ以下とする。ペレット５１００は、上述の図１７中の（１）で説明した初期核に相当する。例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を有するターゲット５１３０にイオン５１０１を衝突させると、図１９（Ｂ）に示すように、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層、Ｉｎ−Ｏ層およびＧａ−Ｚｎ−Ｏ層の３層を有するペレット５１００が剥離する。図１９（Ｃ）に、剥離したペレット５１００をｃ軸に平行な方向から観察した構造を示す。ペレット５１００は、二つのＧａ−Ｚｎ−Ｏ層（パン）と、Ｉｎ−Ｏ層（具）と、を有するナノサイズのサンドイッチ構造と呼ぶこともできる。
【０１７０】
ペレット５１００は、プラズマを通過する際に、側面が負または正に帯電する場合がある。ペレット５１００は、例えば、側面に位置する酸素原子が負に帯電する可能性がある。側面が同じ極性の電荷を有することにより、電荷同士の反発が起こり、平板状またはペレット状の形状を維持することが可能となる。なお、ＣＡＡＣ−ＯＳが、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である場合、インジウム原子と結合した酸素原子が負に帯電する可能性がある。または、インジウム原子、ガリウム原子または亜鉛原子と結合した酸素原子が負に帯電する可能性がある。また、ペレット５１００は、プラズマを通過する際に、プラズマ中のインジウム原子、ガリウム原子、亜鉛原子および酸素原子などと結合することで成長する場合がある。上述の図１７中の（２）と（１）の大きさの違いが、プラズマ中での成長分に相当する。ここで、基板５１２０が室温程度である場合、基板５１２０上におけるペレット５１００の成長が起こりにくいためｎｃ−ＯＳとなる（図１８（Ｂ）参照。）。室温程度で成膜できることから、基板５１２０が大面積である場合でもｎｃ−ＯＳの成膜が可能である。なお、ペレット５１００をプラズマ中で成長させるためには、スパッタリング法における成膜電力を高くすることが有効である。成膜電力を高くすることで、ペレット５１００の構造を安定にすることができる。
【０１７１】
図１８（Ａ）および図１８（Ｂ）に示すように、例えば、ペレット５１００は、プラズマ中を凧のように飛翔し、ひらひらと基板５１２０上まで舞い上がっていく。ペレット５１００は電荷を帯びているため、ほかのペレット５１００が既に堆積している領域が近づくと、斥力が生じる。ここで、基板５１２０の上面では、基板５１２０の上面に平行な向きの磁場（水平磁場ともいう。）が生じている。また、基板５１２０およびターゲット５１３０間には、電位差が与えられるため、基板５１２０からターゲット５１３０に向かう方向に電流が流れる。したがって、ペレット５１００は、基板５１２０の上面において、磁場および電流の作用によって、力（ローレンツ力）を受ける。このことは、フレミングの左手の法則によって理解できる。
【０１７２】
ペレット５１００は、原子一つと比べると質量が大きい。そのため、基板５１２０の上面を移動するためには何らかの力を外部から印加することが重要となる。その力の一つが磁場および電流の作用で生じる力である可能性がある。なお、ペレット５１００に、基板５１２０の上面を移動するために十分な力を与えるには、基板５１２０の上面において、基板５１２０の上面に平行な向きの磁場が１０Ｇ以上、好ましくは２０Ｇ以上、さらに好ましくは３０Ｇ以上、より好ましくは５０Ｇ以上となる領域を設けるとよい。または、基板５１２０の上面において、基板５１２０の上面に平行な向きの磁場が、基板５１２０の上面に垂直な向きの磁場の１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上、より好ましくは５倍以上となる領域を設けるとよい。
【０１７３】
このとき、マグネットと基板５１２０とが相対的に移動すること、または回転することによって、基板５１２０の上面における水平磁場の向きは変化し続ける。したがって、基板５１２０の上面において、ペレット５１００は、様々な方向から力を受け、様々な方向へ移動することができる。
【０１７４】
また、図１８（Ａ）に示すように基板５１２０が加熱されている場合、ペレット５１００と基板５１２０との間で摩擦などによる抵抗が小さい状態となっている。その結果、ペレット５１００は、基板５１２０の上面を滑空するように移動する。ペレット５１００の移動は、平板面を基板５１２０に向けた状態で起こる。その後、既に堆積しているほかのペレット５１００の側面まで到達すると、側面同士が結合する。このとき、ペレット５１００の側面にある酸素原子が脱離する。脱離した酸素原子によって、ＣＡＡＣ−ＯＳ中の酸素欠損が埋まる場合があるため、欠陥準位密度の低いＣＡＡＣ−ＯＳとなる。なお、基板５１２０の上面の温度は、例えば、１００℃以上５００℃未満、１５０℃以上４５０℃未満、または１７０℃以上４００℃未満とすればよい。したがって、基板５１２０が大面積である場合でもＣＡＡＣ−ＯＳの成膜は可能である。
【０１７５】
また、ペレット５１００は、基板５１２０上で加熱されることにより、原子が再配列し、イオン５１０１の衝突で生じた構造の歪みが緩和される。歪みの緩和されたペレット５１００は、ほとんど単結晶となる。ペレット５１００がほとんど単結晶となることにより、ペレット５１００同士が結合した後に加熱されたとしても、ペレット５１００自体の伸縮はほとんど起こり得ない。したがって、ペレット５１００間の隙間が広がることで結晶粒界などの欠陥を形成し、クレバス化することがない。
【０１７６】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、単結晶酸化物半導体が一枚板のようになっているのではなく、ペレット５１００（ナノ結晶）の集合体がレンガまたはブロックが積み重なったような配列をしている。また、ペレット５１００同士の間には結晶粒界を有さない。そのため、成膜時の加熱、成膜後の加熱または曲げなどで、ＣＡＡＣ−ＯＳに縮みなどの変形が生じた場合でも、局部応力を緩和する、または歪みを逃がすことが可能である。したがって、可とう性を有する半導体装置に用いることに適した構造である。なお、ｎｃ−ＯＳは、ペレット５１００（ナノ結晶）が無秩序に積み重なったような配列となる。
【０１７７】
ターゲット５１３０をイオン５１０１でスパッタした際に、ペレット５１００だけでなく、酸化亜鉛などが剥離する場合がある。酸化亜鉛はペレット５１００よりも軽量であるため、先に基板５１２０の上面に到達する。そして、０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、０．２ｎｍ以上５ｎｍ以下、または０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下の酸化亜鉛層５１０２を形成する。図２０に断面模式図を示す。
【０１７８】
図２０（Ａ）に示すように、酸化亜鉛層５１０２上にはペレット５１０５ａと、ペレット５１０５ｂと、が堆積する。ここで、ペレット５１０５ａとペレット５１０５ｂとは、互いに側面が接するように配置している。また、ペレット５１０５ｃは、ペレット５１０５ｂ上に堆積した後、ペレット５１０５ｂ上を滑るように移動する。また、ペレット５１０５ａの別の側面において、酸化亜鉛とともにターゲットから剥離した複数の粒子５１０３が、基板５１２０からの加熱により結晶化し、領域５１０５ａ１を形成する。なお、複数の粒子５１０３は、酸素、亜鉛、インジウムおよびガリウムなどを含む可能性がある。
【０１７９】
そして、図２０（Ｂ）に示すように、領域５１０５ａ１は、ペレット５１０５ａと一体化し、ペレット５１０５ａ２となる。また、ペレット５１０５ｃは、その側面がペレット５１０５ｂの別の側面と接するように配置する。
【０１８０】
次に、図２０（Ｃ）に示すように、さらにペレット５１０５ｄがペレット５１０５ａ２上およびペレット５１０５ｂ上に堆積した後、ペレット５１０５ａ２上およびペレット５１０５ｂ上を滑るように移動する。また、ペレット５１０５ｃの別の側面に向けて、さらにペレット５１０５ｅが酸化亜鉛層５１０２上を滑るように移動する。
【０１８１】
そして、図２０（Ｄ）に示すように、ペレット５１０５ｄは、その側面がペレット５１０５ａ２の側面と接するように配置する。また、ペレット５１０５ｅは、その側面がペレット５１０５ｃの別の側面と接するように配置する。また、ペレット５１０５ｄの別の側面において、酸化亜鉛とともにターゲット５１３０から剥離した複数の粒子５１０３が基板５１２０からの加熱により結晶化し、領域５１０５ｄ１を形成する。
【０１８２】
以上のように、堆積したペレット同士が接するように配置し、ペレットの側面において成長が起こることで、基板５１２０上にＣＡＡＣ−ＯＳが形成される。したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｎｃ−ＯＳよりも一つ一つのペレットが大きくなる。上述の図１７中の（３）と（２）の大きさの違いが、堆積後の成長分に相当する。
【０１８３】
また、ペレット同士の隙間が極めて小さくなることで、一つの大きなペレットが形成される場合がある。一つの大きなペレットは、単結晶構造を有する。例えば、ペレットの大きさが、上面から見て１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下、１５ｎｍ以上１００ｎｍ以下、または２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下となる場合がある。このとき、微細なトランジスタに用いる酸化物半導体において、チャネル形成領域が一つの大きなペレットに収まる場合がある。即ち、単結晶構造を有する領域をチャネル形成領域として用いることができる。また、ペレットが大きくなることで、単結晶構造を有する領域をトランジスタのチャネル形成領域、ソース領域およびドレイン領域として用いることができる場合がある。
【０１８４】
このように、トランジスタのチャネル形成領域などが、単結晶構造を有する領域に形成されることによって、トランジスタの周波数特性を高くすることができる場合がある。
【０１８５】
以上のようなモデルにより、ペレット５１００が基板５１２０上に堆積していくと考えられる。被形成面が結晶構造を有さない場合においても、ＣＡＡＣ−ＯＳの成膜が可能であることから、エピタキシャル成長とは異なる成長機構であることがわかる。また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、レーザ結晶化が不要であり、大面積のガラス基板などであっても均一な成膜が可能である。例えば、基板５１２０の上面（被形成面）の構造が非晶質構造（例えば非晶質酸化シリコン）であっても、ＣＡＡＣ−ＯＳを成膜することは可能である。
【０１８６】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、被形成面である基板５１２０の上面に凹凸がある場合でも、その形状に沿ってペレット５１００が配列することがわかる。例えば、基板５１２０の上面が原子レベルで平坦な場合、ペレット５１００はａ−ｂ面と平行な平面である平板面を下に向けて並置する。ペレット５１００の厚さが均一である場合、厚さが均一で平坦、かつ高い結晶性を有する層が形成される。そして、当該層がｎ段（ｎは自然数。）積み重なることで、ＣＡＡＣ−ＯＳを得ることができる。
【０１８７】
一方、基板５１２０の上面が凹凸を有する場合でも、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ペレット５１００が凹凸に沿って並置した層がｎ段（ｎは自然数。）積み重なった構造となる。基板５１２０が凹凸を有するため、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ペレット５１００間に隙間が生じやすい場合がある。ただし、この場合でも、ペレット５１００間で分子間力が働き、凹凸があってもペレット間の隙間はなるべく小さくなるように配列する。したがって、凹凸があっても高い結晶性を有するＣＡＡＣ−ＯＳとすることができる。
【０１８８】
このようなモデルによってＣＡＡＣ−ＯＳが成膜されるため、スパッタ粒子が厚みのないペレット状である方が好ましい。なお、スパッタ粒子が厚みのあるサイコロ状である場合、基板５１２０上に向ける面が一定とならず、厚さや結晶の配向を均一にできない場合がある。
【０１８９】
以上に示した成膜モデルにより、非晶質構造を有する被形成面上であっても、高い結晶性を有するＣＡＡＣ−ＯＳを得ることができる。
【０１９０】
酸化物半導体膜１７は、例えば非単結晶構造でもよい。非単結晶構造は、例えば、後述するＣＡＡＣ−ＯＳ、多結晶構造、後述する微結晶構造、または非晶質構造を含む。非単結晶構造において、非晶質構造は最も欠陥準位密度が高く、ＣＡＡＣ−ＯＳは最も欠陥準位密度が低い。
【０１９１】
なお、酸化物半導体膜１７が、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域、単結晶構造の領域の二種以上を有する混合膜であってもよい。混合膜は、例えば、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域、単結晶構造の領域のいずれか二種以上の領域を有する場合がある。また、混合膜は、例えば、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域、単結晶構造の領域のいずれか二種以上の領域の積層構造を有する場合がある。
【０１９２】
一対の電極１９、２０は、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタングステンからなる単体金属、またはこれを主成分とする合金を単層構造または積層構造として用いる。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、チタン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、タングステン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、銅−マグネシウム−アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、タングステン膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜または窒化チタン膜と、そのチタン膜または窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜または窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と、そのモリブデン膜または窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構造等がある。なお、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。
【０１９３】
なお、本実施の形態では、一対の電極１９、２０を酸化物半導体膜１７及び保護膜２１の間に設けたが、ゲート絶縁膜１５及び酸化物半導体膜１７の間に設けてもよい。
【０１９４】
ゲート絶縁膜１５が窒素を含み、且つ欠陥量の少ない酸化物絶縁膜で形成される場合、保護膜２１は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、またはＧａ−Ｚｎ系金属酸化物等を用いることができる。
【０１９５】
また、保護膜２１として、酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する絶縁膜を設けることで、酸化物半導体膜１７からの酸素の外部への拡散と、外部から酸化物半導体膜１７への水素、水等の侵入を防ぐことができる。酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する絶縁膜としては、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等がある。
【０１９６】
保護膜２１の厚さは、厚さ１５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下とするとよい。
【０１９７】
＜２．  トランジスタの作製方法＞
次に、図２に示すトランジスタ１０の作製方法について、図３を用いて説明する。なお、図３において、図２（Ａ）の一点破線Ａ−Ｂに示すチャネル長方向の断面図、及び一点破線Ｃ−Ｄに示すチャネル幅方向の断面図を用いて、トランジスタ１０の作製方法を説明する。
【０１９８】
トランジスタ１０を構成する膜（絶縁膜、酸化物半導体膜、金属酸化物膜、導電膜等）は、スパッタリング法、化学気相堆積（ＣＶＤ）法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法を用いて形成することができる。あるいは、塗布法や印刷法で形成することができる。成膜方法としては、スパッタリング法、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）法が代表的であるが、熱ＣＶＤ法でもよい。熱ＣＶＤ法の例として、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：有機金属化学気相堆積）法やＡＬＤ（原子層成膜）法を使ってもよい。
【０１９９】
熱ＣＶＤ法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、原料ガスと酸化剤を同時にチャンバー内に送り、基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで成膜を行う。このように、熱ＣＶＤ法は、プラズマを発生させない成膜方法であるため、プラズマダメージにより欠陥が生成されることが無いという利点を有する。
【０２００】
また、ＡＬＤ法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、反応のための原料ガスが順次にチャンバーに導入され、そのガス導入の順序を繰り返すことで成膜を行う。例えば、それぞれのスイッチングバルブ（高速バルブともよぶ）を切り替えて２種類以上の原料ガスを順番にチャンバーに供給し、複数種の原料ガスが混ざらないように第１の原料ガスと同時またはその後に不活性ガス（アルゴン、或いは窒素など）などを導入し、第２の原料ガスを導入する。なお、同時に不活性ガスを導入する場合には、不活性ガスはキャリアガスとなり、また、第２の原料ガスの導入時にも同時に不活性ガスを導入してもよい。また、不活性ガスを導入する代わりに真空排気によって第１の原料ガスを排出した後、第２の原料ガスを導入してもよい。第１の原料ガスが基板の表面に吸着して第１の単原子層を成膜し、後から導入される第２の原料ガスと反応して、第２の単原子層が第１の単原子層上に積層されて薄膜が形成される。
【０２０１】
このガス導入順序を制御しつつ所望の厚さになるまで複数回繰り返すことで、段差被覆性に優れた薄膜を形成することができる。薄膜の厚さは、ガス導入順序を繰り返す回数によって調節することができるため、精密な膜厚調節が可能であり、微細なトランジスタを作製する場合に適している。
【０２０２】
図３（Ａ）に示すように、基板１１上にゲート電極１３を形成する。
【０２０３】
ゲート電極１３の形成方法を以下に示す。はじめに、スパッタリング法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法、熱ＣＶＤ法等により導電膜を形成し、導電膜上にフォトリソグラフィ工程によりマスクを形成する。次に、該マスクを用いて導電膜の一部をエッチングして、ゲート電極１３を形成する。この後、マスクを除去する。
【０２０４】
なお、ゲート電極１３は、上記形成方法の代わりに、電解メッキ法、印刷法、インクジェット法等で形成してもよい。
【０２０５】
また、ＡＬＤを利用する成膜装置により導電膜としてタングステン膜を成膜することができる。この場合には、ＷＦ６ガスとＢ２Ｈ６ガスを順次繰り返し導入して初期タングステン膜を形成し、その後、ＷＦ６ガスとＨ２ガスを同時に導入してタングステン膜を形成する。なお、Ｂ２Ｈ６ガスに代えてＳｉＨ４ガスを用いてもよい。
【０２０６】
ここでは、厚さ１００ｎｍのタングステン膜をスパッタリング法により形成する。次に、フォトリソグラフィ工程によりマスクを形成し、当該マスクを用いてタングステン膜をドライエッチングして、ゲート電極１３を形成する。
【０２０７】
次に、基板１１及びゲート電極１３上にゲート絶縁膜１５を形成し、ゲート絶縁膜１５上であって、ゲート電極１３と重なる領域に酸化物半導体膜１７を形成する。
【０２０８】
ゲート絶縁膜１５は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法、熱ＣＶＤ法等で形成する。
【０２０９】
ゲート絶縁膜１５として酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形成する場合、原料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体及び酸化性気体を用いることが好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例としては、シラン、ジシラン、トリシラン、フッ化シラン等がある。酸化性気体としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素、二酸化窒素等がある。
【０２１０】
また、ゲート絶縁膜１５として酸化ガリウム膜を形成する場合、ＭＯＣＶＤ法を用いて形成することができる。
【０２１１】
また、ゲート絶縁膜１５として、ＭＯＣＶＤ法やＡＬＤ法などの熱ＣＶＤ法を用いて、酸化ハフニウム膜を形成する場合には、溶媒とハフニウム前駆体化合物を含む液体（ハフニウムアルコキシド溶液、代表的にはテトラキスジメチルアミドハフニウム（ＴＤＭＡＨ））を気化させた原料ガスと、酸化剤としてオゾン（Ｏ３）の２種類のガスを用いる。なお、テトラキスジメチルアミドハフニウムの化学式はＨｆ［Ｎ（ＣＨ３）２］４である。また、他の材料液としては、テトラキス（エチルメチルアミド）ハフニウムなどがある。
【０２１２】
また、ゲート絶縁膜１５として、ＭＯＣＶＤ法やＡＬＤ法などの熱ＣＶＤ法を用いて、酸化アルミニウム膜を形成する場合には、溶媒とアルミニウム前駆体化合物を含む液体（トリメチルアルミニウムＴＭＡなど）を気化させた原料ガスと、酸化剤としてＨ２Ｏの２種類のガスを用いる。なお、トリメチルアルミニウムの化学式はＡｌ（ＣＨ３）３である。また、他の材料液としては、トリス（ジメチルアミド）アルミニウム、トリイソブチルアルミニウム、アルミニウムトリス（２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオナート）などがある。
【０２１３】
また、ゲート絶縁膜１５として、ＭＯＣＶＤ法やＡＬＤ法などの熱ＣＶＤ法を用いて、酸化シリコン膜を形成する場合には、ヘキサクロロジシランを被成膜面に吸着させ、吸着物に含まれる塩素を除去し、酸化性ガス（Ｏ２、一酸化二窒素）のラジカルを供給して吸着物と反応させる。
【０２１４】
ここでは、ゲート絶縁膜１５として、プラズマＣＶＤ法により酸化窒化シリコン膜を形成する。
【０２１５】
酸化物半導体膜１７の形成方法について以下に説明する。ゲート絶縁膜１５上にスパッタリング法、塗布法、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法、レーザーアブレーション法、熱ＣＶＤ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フォトリソグラフィ工程によりマスクを形成した後、該マスクを用いて酸化物半導体膜の一部をエッチングすることで、図３（Ｂ）に示すように、ゲート絶縁膜１５上であって、ゲート電極１３の一部と重なるように素子分離された酸化物半導体膜１７を形成する。この後、マスクを除去する。
【０２１６】
また、酸化物半導体膜１７として印刷法を用いることで、素子分離された酸化物半導体膜１７を直接形成することができる。
【０２１７】
スパッタリング法で酸化物半導体膜を形成する場合、プラズマを発生させるための電源装置は、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。
【０２１８】
スパッタリングガスは、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気、酸素雰囲気、希ガス及び酸素の混合ガスを適宜用いる。なお、希ガス及び酸素の混合ガスの場合、希ガスに対して酸素のガス比を高めることが好ましい。
【０２１９】
また、ターゲットは、形成する酸化物半導体膜の組成にあわせて、適宜選択すればよい。
【０２２０】
なお、酸化物半導体膜を形成する際に、例えば、スパッタリング法を用いる場合、基板温度を１５０℃以上７５０℃以下、好ましくは１５０℃以上４５０℃以下、さらに好ましくは２００℃以上３５０℃以下として、酸化物半導体膜を成膜することで、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を形成することができる。
【０２２１】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜するために、以下の条件を適用することが好ましい。
【０２２２】
成膜時の不純物混入を抑制することで、不純物によって結晶状態が崩れることを抑制できる。例えば、成膜室内に存在する不純物濃度（水素、水、二酸化炭素及び窒素など）を低減すればよい。また、成膜ガス中の不純物濃度を低減すればよい。具体的には、露点が−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下である成膜ガスを用いる。
【０２２３】
また、成膜ガス中の酸素割合を高め、電力を最適化することで成膜時のプラズマダメージを軽減すると好ましい。成膜ガス中の酸素割合は、３０体積％以上、好ましくは１００体積％とする。
【０２２４】
スパッタリング用ターゲットの一例として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系金属酸化物ターゲットについて以下に示す。
【０２２５】
また、酸化物半導体膜を形成した後、加熱処理を行い、酸化物半導体膜の脱水素化または脱水化をしてもよい。加熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上基板歪み点未満、好ましくは２５０℃以上４５０℃以下、更に好ましくは３００℃以上４５０℃以下とする。
【０２２６】
加熱処理は、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、または窒素を含む不活性ガス雰囲気で行う。または、不活性ガス雰囲気で加熱した後、酸素雰囲気で加熱してもよい。なお、上記不活性雰囲気及び酸素雰囲気に水素、水などが含まれないことが好ましい。処理時間は３分〜２４時間とする。
【０２２７】
該加熱処理は、電気炉、ＲＴＡ装置等を用いることができる。ＲＴＡ装置を用いることで、短時間に限り、基板の歪み点以上の温度で熱処理を行うことができる。そのため加熱処理時間を短縮することができる。
【０２２８】
酸化物半導体膜を加熱しながら成膜することで、さらには酸化物半導体膜を形成した後、加熱処理を行うことで、酸化物半導体膜において、水素濃度を２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることができる。
【０２２９】
ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化物半導体膜、例えばＩｎＧａＺｎＯＸ（Ｘ＞０）膜を成膜する場合には、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを順次繰り返し導入してＩｎＯ２層を形成し、その後、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを同時に導入してＧａＯ層を形成し、更にその後Ｚｎ（ＣＨ３）２とＯ３ガスを同時に導入してＺｎＯ層を形成する。なお、これらの層の順番はこの例に限らない。また、これらのガスを混ぜてＩｎＧａＯ２層やＩｎＺｎＯ２層、ＧａＩｎＯ層、ＺｎＩｎＯ層、ＧａＺｎＯ層などの混合化合物層を形成してもよい。なお、Ｏ３ガスに変えてＡｒ等の不活性ガスでバブリングしたＨ２Ｏガスを用いてもよいが、Ｈを含まないＯ３ガスを用いる方が好ましい。また、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスにかえて、Ｉｎ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いてもよい。また、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスにかえて、Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いてもよい。また、Ｚｎ（ＣＨ３）２ガスを用いてもよい。
【０２３０】
ここでは、スパッタリング法により、厚さ３５ｎｍの酸化物半導体膜を形成した後、当該酸化物半導体膜上にマスクを形成し、酸化物半導体膜の一部を選択的にエッチングする。次に、マスクを除去した後、窒素及び酸素を含む混合ガス雰囲気で加熱処理を行うことで、酸化物半導体膜１７を形成する。
【０２３１】
なお、加熱処理は、３５０℃より高く６５０℃以下、好ましくは４５０℃以上６００℃以下で行うことで、後述するＣＡＡＣ化率が、７０％以上１００％未満、好ましくは８０％以上１００％未満、好ましくは９０％以上１００％未満、より好ましくは９５％以上９８％以下である酸化物半導体膜を得ることができる。また、水素、水等の含有量が低減された酸化物半導体膜を得ることが可能である。すなわち、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜を形成することができる。
【０２３２】
次に、図３（Ｃ）に示すように、一対の電極１９、２０を形成する。
【０２３３】
一対の電極１９、２０の形成方法を以下に示す。はじめに、スパッタリング法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法、熱ＣＶＤ法等で導電膜を形成する。次に、該導電膜上にフォトリソグラフィ工程によりマスクを形成する。次に、該マスクを用いて導電膜をエッチングして、一対の電極１９、２０を形成する。この後、マスクを除去する。
【０２３４】
ここでは、厚さ５０ｎｍのタングステン膜、厚さ４００ｎｍのアルミニウム膜、及び厚さ１００ｎｍのチタン膜を順にスパッタリング法により積層する。次に、チタン膜上にフォトリソグラフィ工程によりマスクを形成し、当該マスクを用いてタングステン膜、アルミニウム膜、及びチタン膜をドライエッチングして、一対の電極１９、２０を形成する。
【０２３５】
なお、一対の電極１９、２０を形成した後、加熱処理を行ってもよい。当該加熱処理としては酸化物半導体膜１７を形成した後に行う加熱処理と同様の条件を用いて行うことができる。
【０２３６】
また、一対の電極１９、２０を形成した後、エッチング残渣を除去するため、洗浄処理をすることが好ましい。この洗浄処理を行うことで、一対の電極１９、２０の短絡を抑制することができる。当該洗浄処理は、ＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ  Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）溶液などのアルカリ性の溶液、フッ酸、シュウ酸、リン酸などの酸性の溶液、または水を用いて行うことができる。
【０２３７】
次に、酸化物半導体膜１７及び一対の電極１９、２０上に保護膜２１を形成する。保護膜２１は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法等により形成することができる。
【０２３８】
保護膜２１として、窒素を含み、且つ欠陥量の少ない酸化物絶縁膜を形成する場合、窒素を含み、且つ欠陥量の少ない酸化物絶縁膜の一例として、酸化窒化シリコン膜をＣＶＤ法を用いて形成することができる。この場合、原料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体及び酸化性気体を用いることが好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例としては、シラン、ジシラン、トリシラン、フッ化シラン等がある。酸化性気体としては、一酸化二窒素、二酸化窒素等がある。
【０２３９】
また、堆積性気体に対する酸化性気体を２０倍より大きく１００倍未満、好ましくは４０倍以上８０倍以下とし、処理室内の圧力を１００Ｐａ未満、好ましくは５０Ｐａ以下とするＣＶＤ法を用いることで、窒素を含み、且つ欠陥量の少ない酸化物絶縁膜を形成することができる。
【０２４０】
ここでは、基板１１を保持する温度を２２０℃とし、流量５０ｓｃｃｍのシラン及び流量２０００ｓｃｃｍの一酸化二窒素を原料ガスとし、処理室内の圧力を２０Ｐａとし、平行平板電極に供給する高周波電力を１３．５６ＭＨｚ、１００Ｗ（電力密度としては１．６×１０−２Ｗ／ｃｍ２）とするプラズマＣＶＤ法を用いて、酸化窒化シリコン膜を形成する。
【０２４１】
次に、加熱処理を行ってもよい。該加熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上基板歪み点未満、好ましくは２００℃以上４５０℃以下、更に好ましくは３００℃以上４５０℃以下とする。当該加熱処理により、保護膜２１に含まれる水、水素等を放出させることが可能である。
【０２４２】
ここでは、窒素及び酸素を含む混合ガス雰囲気で、３５０℃、１時間の加熱処理を行う。
【０２４３】
次に、加熱処理を行ってもよい。該加熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上基板歪み点未満、好ましくは２００℃以上４５０℃以下、更に好ましくは３００℃以上４５０℃以下とする。
【０２４４】
以上の工程により、しきい値電圧のシフトが低減されたトランジスタを作製することができる。また、電気特性の変動が低減されたトランジスタを作製することができる。
【０２４５】
＜変形例１＞
図２に示すトランジスタ１０の変形例について、図４を用いて説明する。本変形例で説明するトランジスタは、ゲート絶縁膜または保護膜が積層構造である例について説明する。
【０２４６】
酸化物半導体膜を用いたトランジスタにおいて、酸化物半導体膜に含まれる酸素欠損は、トランジスタの電気特性の不良に繋がる。例えば、膜中に酸素欠損が含まれている酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナス方向に変動しやすく、ノーマリーオン特性となりやすい。これは、酸化物半導体に含まれる酸素欠損に起因して電荷が生じてしまい、低抵抗化するためである。
【０２４７】
また、酸化物半導体膜に酸素欠損が含まれると、経時変化やバイアス温度ストレス試験（以下、ＢＴ（Ｂｉａｓ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）ストレス試験ともいう。）により、トランジスタの電気特性、代表的にはしきい値電圧の変動量が増大してしまうという問題がある。
【０２４８】
このため、保護膜の一部として、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を設けることで、しきい値電圧のマイナスシフトを抑制した、優れた電気特性を有するトランジスタを作製することができる。また、経時変化や光ＢＴストレス試験による電気特性の変動の少ない、信頼性の高いトランジスタを作製することができる。
【０２４９】
図４（Ａ）に示すトランジスタ１０ａは、保護膜２１が多層構造である。具体的には、保護膜２１は、酸化物絶縁膜２３、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜２５、及び窒化物絶縁膜２７を有し、酸化物半導体膜１７に接する酸化物絶縁膜２３は、トランジスタ１０のゲート絶縁膜１５及び保護膜２１の少なくとも一方に用いることが可能な、窒素を含み、且つ欠陥量の少ない酸化物絶縁膜である。
【０２５０】
酸化物絶縁膜２５は、化学量論的組成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て形成する。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜は、加熱により酸素の一部が脱離する。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜は、ＴＤＳ分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である酸化物絶縁膜である。上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、好ましく１００℃以上５００℃以下の範囲が好ましい。
【０２５１】
酸化物絶縁膜２５としては、厚さが３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下の、酸化シリコン、酸化窒化シリコン等を用いることができる。
【０２５２】
酸化物絶縁膜２５としては、プラズマＣＶＤ装置の真空排気された処理室内に載置された基板を１８０℃以上２８０℃以下、さらに好ましくは２００℃以上２４０℃以下に保持し、処理室に原料ガスを導入して処理室内における圧力を１００Ｐａ以上２５０Ｐａ以下、さらに好ましくは１００Ｐａ以上２００Ｐａ以下とし、処理室内に設けられる電極に０．１７Ｗ／ｃｍ２以上０．５Ｗ／ｃｍ２以下、さらに好ましくは０．２５Ｗ／ｃｍ２以上０．３５Ｗ／ｃｍ２以下の高周波電力を供給する条件により、酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形成する。
【０２５３】
酸化物絶縁膜２５の原料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体及び酸化性気体を用いることが好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例としては、シラン、ジシラン、トリシラン、フッ化シラン等がある。酸化性気体としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素、二酸化窒素等がある。
【０２５４】
酸化物絶縁膜２５の成膜条件として、上記圧力の反応室において上記パワー密度の高周波電力を供給することで、プラズマ中で原料ガスの分解効率が高まり、酸素ラジカルが増加し、原料ガスの酸化が進むため、酸化物絶縁膜２５中における酸素含有量が化学量論比よりも多くなる。一方、基板温度が、上記温度で形成された膜では、シリコンと酸素の結合力が弱いため、後の工程の加熱処理により膜中の酸素の一部が脱離する。この結果、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含み、加熱により酸素の一部が脱離する酸化物絶縁膜を形成することができる。また、酸化物半導体膜１７上に酸化物絶縁膜２３が設けられている。このため、酸化物絶縁膜２５の形成工程において、酸化物絶縁膜２３が酸化物半導体膜１７の保護膜となる。この結果、酸化物半導体膜１７へのダメージを低減しつつ、パワー密度の高い高周波電力を用いて酸化物絶縁膜２５を形成することができる。また、のちの加熱処理工程において、酸化物絶縁膜２５に含まれる酸素の一部を酸化物半導体膜１７に移動させ、酸化物半導体膜１７に含まれる酸素欠損量をさらに低減することができる。
【０２５５】
窒化物絶縁膜２７は、少なくとも、水素及び酸素のブロッキング効果を有する膜を用いる。さらに、好ましくは、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキング効果を有する。窒化物絶縁膜２７を設けることで、酸化物半導体膜１７からの酸素の外部への拡散と、外部から酸化物半導体膜１７への水素、水等の侵入を防ぐことができる。
【０２５６】
窒化物絶縁膜２７としては、厚さが５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下、好ましくは１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下の、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム等がある。
【０２５７】
なお、窒化物絶縁膜２７の代わりに、酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜を設けてもよい。酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜としては、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等がある。
【０２５８】
窒化物絶縁膜２７は、スパッタリング法、ＣＶＤ法等を用いて形成することができる。
【０２５９】
窒化物絶縁膜２７としてプラズマＣＶＤ法により窒化シリコン膜を形成する場合、シリコンを含む堆積性気体、窒素、及びアンモニアを原料ガスとして用いる。原料ガスとして、窒素と比較して少量のアンモニアを用いることで、プラズマ中でアンモニアが解離し、活性種が発生する。当該活性種が、シリコンを含む堆積性気体に含まれるシリコン及び水素の結合、及び窒素の三重結合を切断する。この結果、シリコン及び窒素の結合が促進され、シリコン及び水素の結合が少なく、欠陥が少なく、緻密な窒化シリコン膜を形成することができる。一方、原料ガスにおいて、窒素に対するアンモニアの量が多いと、シリコンを含む堆積性気体及び窒素それぞれの分解が進まず、シリコン及び水素結合が残存してしまい、欠陥が増大した、且つ粗な窒化シリコン膜が形成されてしまう。これらのため、原料ガスにおいて、アンモニアに対する窒素の流量比を５以上５０以下、好ましくは１０以上５０以下とすることが好ましい。
【０２６０】
図４（Ｂ）に示すトランジスタ１０ｂは、ゲート絶縁膜１５が、窒化物絶縁膜２９と、窒素を含む酸化物絶縁膜３１が積層されており、酸化物半導体膜１７に接する酸化物絶縁膜３１は、窒素を含み、且つ欠陥量の少ない酸化物絶縁膜である。
【０２６１】
窒化物絶縁膜２９としては、水、水素等のブロッキング効果を有する膜を用いることが好ましい。または、窒化物絶縁膜２９として、欠陥量の少ない膜を用いることが好ましい。窒化物絶縁膜２９の代表例としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム等がある。
【０２６２】
なお、窒化物絶縁膜２９に窒化シリコン膜を用いることで、以下の効果を得ることができる。窒化シリコン膜は、酸化シリコン膜と比較して比誘電率が高く、同等の静電容量を得るのに必要な膜厚が大きいため、ゲート絶縁膜１５を物理的に厚膜化することができる。よって、トランジスタ１０ｂの絶縁耐圧の低下を抑制、さらには絶縁耐圧を向上させて、半導体装置の静電破壊を抑制することができる。
【０２６３】
酸化物半導体膜を用いたトランジスタにおいて、ゲート絶縁膜１５中に捕獲準位（界面準位ともいう。）があると、トランジスタのしきい値電圧の変動、代表的にはしきい値電圧のシフトの原因となる。この結果、トランジスタごとに電気特性がばらつくという問題がある。このため、窒化物絶縁膜２９に欠陥量の少ない窒化シリコン膜を用いることで、しきい値電圧のシフト、及びトランジスタの電気特性のばらつきを低減することができる。
【０２６４】
また、窒化物絶縁膜２９を積層構造で形成してもよい。例えば、第１の窒化シリコン膜として、欠陥が少ない窒化シリコン膜とし、第１の窒化シリコン膜上に、水素分子放出量及びアンモニア分子放出量の少ない窒化シリコン膜を第２の窒化シリコン膜を設けることで、ゲート絶縁膜１５として、欠陥が少なく、且つ水素分子及びアンモニア分子の放出量の少ないゲート絶縁膜を形成することができる。この結果、ゲート絶縁膜１５に含まれる水素及び窒素が、酸化物半導体膜１７へ移動することを抑制できる。
【０２６５】
このような窒化物絶縁膜２９は、２段階の形成方法を用いて窒化シリコン膜を積層して形成することが好ましい。はじめに、シラン、窒素、及びアンモニアの混合ガスを原料ガスとして用いたプラズマＣＶＤ法により、欠陥量の少ない第１の窒化シリコン膜を形成する。次に、前述の窒化物絶縁膜２７のような原料ガスの流量比を用いることで、水素分子放出量及びアンモニア分子放出量の少ない窒化シリコン膜を第２の窒化シリコン膜として形成することができる。
【０２６６】
＜変形例２＞
図２に示すトランジスタ１０の変形例について、図５を用いて説明する。図２に示すトランジスタ１０は、チャネルエッチ型のトランジスタであったが、本変形例で説明するトランジスタ１０ｃは、チャネル保護型のトランジスタである。
【０２６７】
図５（Ａ）に示すトランジスタ１０ｃは、基板１１上に設けられるゲート電極１３と、基板１１及びゲート電極１３上に形成されるゲート絶縁膜１５と、ゲート絶縁膜１５を介して、ゲート電極１３と重なる酸化物半導体膜１７と、ゲート絶縁膜１５及び酸化物半導体膜１７上の絶縁膜３３と、該絶縁膜の開口部において酸化物半導体膜１７に接する一対の電極１９、２０とを有する。
【０２６８】
なお、図５（Ｂ）に示すトランジスタ１０ｄのように、酸化物半導体膜１７上に形成される絶縁膜３５と、絶縁膜３５上に端部が形成され、且つ酸化物半導体膜１７と接する一対の電極１９、２０とを有する。
【０２６９】
トランジスタ１０ｃ、１０ｄは、一対の電極１９、２０を形成する際、酸化物半導体膜１７が絶縁膜３３、３５に部分的に覆われているため、一対の電極１９、２０を形成するエッチングによって、酸化物半導体膜１７はダメージを受けない。さらに、絶縁膜３３、３５を、窒素を有し、且つ欠陥量の少ない酸化物絶縁膜とすることで、電気特性の変動が抑制され、信頼性が向上されたトランジスタを作製することができる。
【０２７０】
＜変形例３＞
図２に示すトランジスタの変形例について、図６を用いて説明する。図２に示すトランジスタ１０は、一つのゲート電極を備えたトランジスタであったが、本変形例で説明するトランジスタ１０ｅは、酸化物半導体膜を挟む２つのゲート電極を有する。
【０２７１】
図６（Ａ）乃至図６（Ｃ）に、半導体装置が有するトランジスタ１０ｅの上面図及び断面図を示す。図６（Ａ）はトランジスタ１０ｅの上面図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の一点鎖線Ａ−Ｂ間の断面図であり、図６（Ｃ）は、図６（Ａ）の一点鎖線Ｃ−Ｄ間の断面図である。なお、図６（Ａ）では、明瞭化のため、基板１１、ゲート絶縁膜１５、保護膜２１などを省略している。
【０２７２】
図６（Ａ）乃至図６（Ｃ）に示すトランジスタ１０ｅは、チャネルエッチ型のトランジスタであり、基板１１上に設けられるゲート電極１３と、基板１１及びゲート電極１３上に形成されるゲート絶縁膜１５と、ゲート絶縁膜１５を介して、ゲート電極１３と重なる酸化物半導体膜１７と、酸化物半導体膜１７に接する一対の電極１９、２０とを有する。また、ゲート絶縁膜１５、酸化物半導体膜１７、及び一対の電極１９、２０上に、酸化物絶縁膜２３、酸化物絶縁膜２５、及び窒化物絶縁膜２７で構成される保護膜２１と、保護膜２１上に形成されるゲート電極３７とを有する。ゲート電極３７は、ゲート絶縁膜１５及び保護膜２１に設けられた開口部４２、４３においてゲート電極１３と接続する。なお、ここでは、ゲート絶縁膜１５として、窒化物絶縁膜２９及び酸化物絶縁膜３１が積層されている。また、保護膜２１としては、酸化物絶縁膜２３、酸化物絶縁膜２５、及び窒化物絶縁膜２７が積層されている。
【０２７３】
ゲート絶縁膜１５及び保護膜２１には複数の開口部を有する。代表的には、図６（Ｃ）に示すように、チャネル幅方向において、酸化物半導体膜１７を挟む開口部４２、４３を有する。即ち、酸化物半導体膜１７の側面の外側に開口部４２、４３を有する。開口部４２、４３において、ゲート電極１３及びゲート電極３７が接続する。即ち、チャネル幅方向において、ゲート電極１３及びゲート電極３７は、ゲート絶縁膜１５及び保護膜２１を介して酸化物半導体膜１７を囲む。また、当該開口部４２、４３の側面において、ゲート電極３７は酸化物半導体膜１７の側面と対向する。
【０２７４】
なお、図６（Ｃ）に示すように、チャネル幅方向において、酸化物半導体膜１７の側面とゲート電極３７とが対向することで、さらには、チャネル幅方向において、ゲート電極１３及びゲート電極３７が、ゲート絶縁膜１５及び保護膜２１を介して酸化物半導体膜１７を囲むことで、酸化物半導体膜１７においてキャリアの流れる領域が、ゲート絶縁膜１５及び保護膜２１と酸化物半導体膜１７との界面のみでなく、酸化物半導体膜１７の内部においてもキャリアが流れるため、トランジスタ１０ｅにおけるキャリアの移動量が増加する。この結果、トランジスタ１０ｅのオン電流が大きくなる共に、電界効果移動度が高くなる。また、ゲート電極３７の電界が酸化物半導体膜１７の側面、または側面及びその近傍を含む端部に影響するため、酸化物半導体膜１７の側面または端部における寄生チャネルの発生を抑制することができる。
【０２７５】
＜変形例４＞
図２に示すトランジスタ１０の変形例について、図７を用いて説明する。図２に示すトランジスタ１０は、酸化物半導体膜が単層であったが、本変形例で説明するトランジスタ１０ｆ、１０ｇは、多層膜を有する。
【０２７６】
図７（Ａ）乃至図７（Ｃ）に、半導体装置が有するトランジスタ１０ｆの上面図及び断面図を示す。図７（Ａ）はトランジスタ１０ｆの上面図であり、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の一点鎖線Ａ−Ｂ間の断面図であり、図７（Ｃ）は、図７（Ａ）の一点鎖線Ｃ−Ｄ間の断面図である。なお、図７（Ａ）では、明瞭化のため、基板１１、ゲート絶縁膜１５、保護膜２１などを省略している。
【０２７７】
図７（Ａ）に示すトランジスタ１０ｆは、ゲート絶縁膜１５を介して、ゲート電極１３と重なる多層膜４５と、多層膜４５に接する一対の電極１９、２０とを有する。また、ゲート絶縁膜１５、多層膜４５、及び一対の電極１９、２０上には、保護膜２１が形成される。
【０２７８】
本実施の形態に示すトランジスタ１０ｆにおいて、多層膜４５は、酸化物半導体膜１７及び酸化物半導体膜４６を有する。即ち、多層膜４５は２層構造である。また、酸化物半導体膜１７の一部がチャネル領域として機能する。また、多層膜４５に接するように、保護膜２１が形成されている。
【０２７９】
酸化物半導体膜４６は、酸化物半導体膜１７を構成する元素の一種以上から構成される酸化物半導体膜である。このため、酸化物半導体膜１７と酸化物半導体膜４６との界面において、界面散乱が起こりにくい。従って、該界面においてはキャリアの動きが阻害されないため、トランジスタの電界効果移動度が高くなる。
【０２８０】
酸化物半導体膜４６は、少なくともＩｎ若しくはＺｎを含む金属酸化物で形成され、代表的には、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄ）であり、且つ酸化物半導体膜１７よりも伝導帯の下端のエネルギーが真空準位に近く、代表的には、酸化物半導体膜４６の伝導帯の下端のエネルギーと、酸化物半導体膜１７の伝導帯の下端のエネルギーとの差が、０．０５ｅＶ以上、０．０７ｅＶ以上、０．１ｅＶ以上、または０．１５ｅＶ以上、且つ２ｅＶ以下、１ｅＶ以下、０．５ｅＶ以下、または０．４ｅＶ以下である。即ち、酸化物半導体膜４６の電子親和力と、酸化物半導体膜１７の電子親和力との差が、０．０５ｅＶ以上、０．０７ｅＶ以上、０．１ｅＶ以上、または０．１５ｅＶ以上、且つ２ｅＶ以下、１ｅＶ以下、０．５ｅＶ以下、または０．４ｅＶ以下である。
【０２８１】
酸化物半導体膜４６は、Ｉｎを含むことで、キャリア移動度（電子移動度）が高くなるため好ましい。
【０２８２】
酸化物半導体膜４６として、Ａｌ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄをＩｎより高い原子数比で有することで、以下の効果を有する場合がある。（１）酸化物半導体膜４６のエネルギーギャップを大きくする。（２）酸化物半導体膜４６の電子親和力を小さくする（３）外部からの不純物の拡散を低減する。（４）酸化物半導体膜１７と比較して、絶縁性が高くなる。（５）Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄは、酸素との結合力が強い金属元素であるため、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄをＩｎより高い原子数比で有することで、酸素欠損が生じにくくなる。
【０２８３】
酸化物半導体膜４６がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたときＩｎとＭの原子数比率は、好ましくは、Ｉｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％以上、さらに好ましくは、Ｉｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％以上とする。
【０２８４】
また、酸化物半導体膜１７及び酸化物半導体膜４６が、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（ＭはＧａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄ）の場合、酸化物半導体膜１７と比較して、酸化物半導体膜４６に含まれるＭ（Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄ）の原子数比が大きく、代表的には、酸化物半導体膜１７に含まれる上記原子と比較して、１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上高い原子数比である。
【０２８５】
また、酸化物半導体膜１７及び酸化物半導体膜４６が、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄ）の場合、酸化物半導体膜４６をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ１：ｚ１［原子数比］、酸化物半導体膜１７をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ２：ｙ２：ｚ２［原子数比］とすると、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２よりも大きく、好ましくは、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２よりも１．５倍以上である。さらに好ましくは、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２よりも２倍以上大きく、より好ましくは、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２よりも３倍以上大きい。このとき、酸化物半導体膜において、ｙ２がｘ２以上であると、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタに安定した電気特性を付与できるため好ましい。ただし、ｙ２がｘ２の３倍以上になると、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタの電界効果移動度が低下してしまうため、ｙ２はｘ２の３倍未満であると好ましい。
【０２８６】
酸化物半導体膜１７がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（Ｍは、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄ）の場合、酸化物半導体膜１７を成膜するために用いるターゲットにおいて、金属元素の原子数比をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ１：ｚ１とすると、ｘ１／ｙ１は、１／３以上６以下、さらには１以上６以下であって、ｚ１／ｙ１は、１／３以上６以下、さらには１以上６以下であることが好ましい。なお、ｚ１／ｙ１を１以上６以下とすることで、酸化物半導体膜１７としてＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されやすくなる。ターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２等がある。
【０２８７】
酸化物半導体膜４６がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（Ｍは、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄ）の場合、酸化物半導体膜４６を成膜するために用いるターゲットにおいて、金属元素の原子数比をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ２：ｙ２：ｚ２とすると、ｘ２／ｙ２＜ｘ１／ｙ１であって、ｚ２／ｙ２は、１／３以上６以下、さらには１以上６以下であることが好ましい。なお、ｚ２／ｙ２を１以上６以下とすることで、酸化物半導体膜４６としてＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されやすくなる。ターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：６、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：８、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：４、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：５、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：６等がある。
【０２８８】
なお、酸化物半導体膜１７及び酸化物半導体膜４６の原子数比はそれぞれ、誤差として上記の原子数比のプラスマイナス４０％の変動を含む。
【０２８９】
酸化物半導体膜４６の厚さは、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍとする。
【０２９０】
また、酸化物半導体膜４６は、酸化物半導体膜１７と同様に、例えば非単結晶構造でもよい。非単結晶構造は、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ、多結晶構造、微結晶構造、または非晶質構造を含む。
【０２９１】
酸化物半導体膜４６は、例えば非晶質構造でもよい。非晶質構造の酸化物半導体膜は、例えば、原子配列が無秩序であり、結晶成分を有さない。または、非晶質構造の酸化物膜は、例えば、完全な非晶質構造であり、結晶部を有さない。
【０２９２】
なお、酸化物半導体膜１７及び酸化物半導体膜４６によって、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域、単結晶構造の領域の二種以上を有する混合膜を構成してもよい。混合膜は、例えば、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域、単結晶構造の領域のいずれか二種以上の領域を有する場合がある。また、混合膜は、例えば、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域、単結晶構造の領域のいずれか二種以上の領域の積層構造を有する場合がある。
【０２９３】
ここでは、酸化物半導体膜１７及び保護膜２１の間に、酸化物半導体膜４６が設けられている。このため、酸化物半導体膜４６と保護膜２１の間において、不純物及び欠陥によりトラップ準位が形成されても、当該トラップ準位と酸化物半導体膜１７との間には隔たりがある。この結果、酸化物半導体膜１７を流れる電子がトラップ準位に捕獲されにくく、トランジスタのオン電流を増大させることが可能であると共に、電界効果移動度を高めることができる。また、トラップ準位に電子が捕獲されると、該電子がマイナスの固定電荷となってしまう。この結果、トランジスタのしきい値電圧が変動してしまう。しかしながら、酸化物半導体膜１７とトラップ準位との間に隔たりがあるため、トラップ準位における電子の捕獲を低減することが可能であり、しきい値電圧の変動を低減することができる。
【０２９４】
また、酸化物半導体膜４６は、外部からの不純物を遮蔽することが可能であるため、外部から酸化物半導体膜１７へ移動する不純物量を低減することが可能である。また、酸化物半導体膜４６は、酸素欠損を形成しにくい。これらのため、酸化物半導体膜１７における不純物濃度及び酸素欠損量を低減することが可能である。
【０２９５】
なお、酸化物半導体膜１７及び酸化物半導体膜４６は、各膜を単に積層するのではなく連続接合（ここでは特に伝導帯の下端のエネルギーが各膜の間で連続的に変化する構造）が形成されるように作製する。すなわち、各膜の界面において、トラップ中心や再結合中心のような欠陥準位を形成するような不純物が存在しないように積層構造とする。仮に、積層された酸化物半導体膜１７及び酸化物半導体膜４６の間に不純物が混在していると、エネルギーバンドの連続性が失われ、界面でキャリアがトラップされ、あるいは再結合して、消滅してしまう。
【０２９６】
連続接合を形成するためには、ロードロック室を備えたマルチチャンバー方式の成膜装置（スパッタリング装置）を用いて各膜を大気に触れさせることなく連続して積層することが必要となる。スパッタリング装置における各チャンバーは、酸化物半導体膜にとって不純物となる水等を可能な限り除去すべくクライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて高真空排気（５×１０−７Ｐａ以上１×１０−４Ｐａ位程度まで）することが好ましい。または、ターボ分子ポンプとコールドトラップを組み合わせて排気系からチャンバー内に気体、特に炭素または水素を含む気体が逆流しないようにしておくことが好ましい。
【０２９７】
なお、多層膜４５の代わりに、図７（Ｄ）に示すトランジスタ１０ｇのように、多層膜４８を有してもよい。
【０２９８】
多層膜４８は、酸化物半導体膜４７、酸化物半導体膜１７、及び酸化物半導体膜４６が順に積層されている。即ち、多層膜４８は３層構造である。また、酸化物半導体膜１７がチャネル領域として機能する。
【０２９９】
また、ゲート絶縁膜１５及び酸化物半導体膜４７が接する。即ち、ゲート絶縁膜１５と酸化物半導体膜１７との間に、酸化物半導体膜４７が設けられている。
【０３００】
また、酸化物半導体膜４６及び保護膜２１が接する。即ち、酸化物半導体膜１７と保護膜２１との間に、酸化物半導体膜４６が設けられている。
【０３０１】
酸化物半導体膜４７は、酸化物半導体膜４６と同様の材料及び形成方法を適宜用いることができる。
【０３０２】
酸化物半導体膜４７は、酸化物半導体膜１７より膜厚が小さいと好ましい。酸化物半導体膜４７の厚さを１ｎｍ以上５ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以上３ｎｍ以下とすることで、トランジスタのしきい値電圧の変動量を低減することが可能である。
【０３０３】
本実施の形態に示すトランジスタ１０ｇは、酸化物半導体膜１７及び保護膜２１の間に、酸化物半導体膜４６が設けられている。このため、酸化物半導体膜４６と保護膜２１の間において、不純物及び欠陥によりトラップ準位が形成されても、当該トラップ準位と酸化物半導体膜１７との間には隔たりがある。この結果、酸化物半導体膜１７を流れる電子がトラップ準位に捕獲されにくく、トランジスタのオン電流を増大させることが可能であると共に、電界効果移動度を高めることができる。また、トラップ準位に電子が捕獲されると、該電子がマイナスの固定電荷となってしまう。この結果、トランジスタのしきい値電圧が変動してしまう。しかしながら、酸化物半導体膜１７とトラップ準位との間に隔たりがあるため、トラップ準位における電子の捕獲を低減することが可能であり、しきい値電圧の変動を低減することができる。
【０３０４】
また、酸化物半導体膜４６は、外部からの不純物を遮蔽することが可能であるため、外部から酸化物半導体膜１７へ移動する不純物量を低減することが可能である。また、酸化物半導体膜４６は、酸素欠損を形成しにくい。これらのため、酸化物半導体膜１７における不純物濃度及び酸素欠損量を低減することが可能である。
【０３０５】
また、ゲート絶縁膜１５と酸化物半導体膜１７との間に、酸化物半導体膜４７が設けられており、酸化物半導体膜１７と保護膜２１との間に、酸化物半導体膜４６が設けられているため、酸化物半導体膜４７と酸化物半導体膜１７との界面近傍におけるシリコンや炭素の濃度、酸化物半導体膜１７におけるシリコンや炭素の濃度、または酸化物半導体膜４６と酸化物半導体膜１７との界面近傍におけるシリコンや炭素の濃度を低減することができる。
【０３０６】
このような構造を有するトランジスタ１０ｇは、酸化物半導体膜１７を含む多層膜４８において欠陥が極めて少ないため、トランジスタの電気特性を向上させることが可能であり、代表的には、オン電流の増大及び電界効果移動度の向上が可能である。また、ストレス試験の一例であるＢＴストレス試験及び光ＢＴストレス試験におけるしきい値電圧の変動量が少なく、信頼性が高い。
【０３０７】
なお、図７（Ａ）乃至図７（Ｃ）に示すトランジスタ１０ｆに、ゲート電極３７を設けたトランジスタ１０ｈを作製することができる（図７（Ｅ）参照。）。または、図７（Ｄ）に示すトランジスタ１０ｇに、ゲート電極３７を設けたトランジスタ１０ｉを作製することができる（図７（Ｆ）参照。）。
【０３０８】
＜トランジスタのバンド構造＞
次に、図７（Ａ）乃至図７（Ｃ）に示すトランジスタ１０ｆに設けられる多層膜４５、及び図７（Ｄ）に示すトランジスタ１０ｇに設けられる多層膜４８のバンド構造について、図８を用いて説明する。
【０３０９】
ここでは、例として、酸化物半導体膜１７としてエネルギーギャップが３．１５ｅＶであるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用い、酸化物半導体膜４６としてエネルギーギャップが３．５ｅＶであるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物とする。エネルギーギャップは、分光エリプソメータ（ＨＯＲＩＢＡ  ＪＯＢＩＮ  ＹＶＯＮ社  ＵＴ−３００）を用いて測定できる。
【０３１０】
酸化物半導体膜１７及び酸化物半導体膜４６の真空準位と価電子帯上端のエネルギー差（イオン化ポテンシャルともいう。）は、それぞれ８ｅＶ及び８．２ｅＶである。なお、真空準位と価電子帯上端のエネルギー差は、紫外線光電子分光分析（ＵＰＳ：Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）装置（ＰＨＩ社  ＶｅｒｓａＰｒｏｂｅ）を用いて測定できる。
【０３１１】
したがって、酸化物半導体膜１７及び酸化物半導体膜４６の真空準位と伝導帯下端のエネルギー差（電子親和力ともいう。）は、それぞれ４．８５ｅＶ及び４．７ｅＶである。
【０３１２】
図８（Ａ）は、トランジスタ１０ｆに含まれる多層膜４５のバンド構造の一部を模式的に示している。ここでは、ゲート絶縁膜１５及び保護膜２１を酸化シリコン膜とし、多層膜４５と酸化シリコン膜を接して設けた場合について説明する。なお、図８（Ａ）に表すＥｃＩ１は酸化シリコン膜の伝導帯下端のエネルギーを示し、ＥｃＳ１は酸化物半導体膜１７の伝導帯下端のエネルギーを示し、ＥｃＳ２は酸化物半導体膜４６の伝導帯下端のエネルギーを示し、ＥｃＩ２は酸化シリコン膜の伝導帯下端のエネルギーを示す。また、ＥｃＩ１は、図７（Ｂ）に示すゲート絶縁膜１５に相当し、ＥｃＩ２は、図７（Ｂ）に示す保護膜２１に相当する。
【０３１３】
図８（Ａ）に示すように、酸化物半導体膜１７及び酸化物半導体膜４６において、伝導帯下端のエネルギーは障壁が無くなだらかに変化する。換言すると、連続的に変化するともいうことができる。これは、多層膜４５は、酸化物半導体膜１７と共通の元素を含み、酸化物半導体膜１７及び酸化物半導体膜４６の間で、酸素が相互に移動することで混合層が形成されるためであるということができる。
【０３１４】
図８（Ａ）より、多層膜４５の酸化物半導体膜１７がウェル（井戸）となり、多層膜４５を用いたトランジスタにおいて、チャネル領域が酸化物半導体膜１７に形成されることがわかる。なお、多層膜４５は、伝導帯下端のエネルギーが連続的に変化しているため、酸化物半導体膜１７と酸化物半導体膜４６とが連続接合している、ともいえる。
【０３１５】
なお、図８（Ａ）に示すように、酸化物半導体膜４６と、保護膜２１との界面近傍には、不純物や欠陥に起因したトラップ準位が形成され得るものの、酸化物半導体膜４６が設けられることにより、酸化物半導体膜１７と該トラップ準位とを遠ざけることができる。ただし、ＥｃＳ１とＥｃＳ２とのエネルギー差が小さい場合、酸化物半導体膜１７の電子が該エネルギー差を越えてトラップ準位に達することがある。トラップ準位に電子が捕獲されることで、絶縁膜界面にマイナスの固定電荷が生じ、トランジスタのしきい値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。したがって、ＥｃＳ１とＥｃＳ２とのエネルギー差を、０．１ｅＶ以上、好ましくは０．１５ｅＶ以上とすると、トランジスタのしきい値電圧の変動が低減され、安定した電気特性となるため好適である。
【０３１６】
また、図８（Ｂ）は、トランジスタ１０ｆの多層膜４５のバンド構造の一部を模式的に示し、図８（Ａ）に示すバンド構造の変形例である。ここでは、ゲート絶縁膜１５及び保護膜２１を酸化シリコン膜とし、多層膜４５と酸化シリコン膜を接して設けた場合について説明する。なお、図８（Ｂ）に表すＥｃＩ１は酸化シリコン膜の伝導帯下端のエネルギーを示し、ＥｃＳ１は酸化物半導体膜１７の伝導帯下端のエネルギーを示し、ＥｃＩ２は酸化シリコン膜の伝導帯下端のエネルギーを示す。また、ＥｃＩ１は、図７（Ｂ）に示すゲート絶縁膜１５に相当し、ＥｃＩ２は、図７（Ｂ）に示す保護膜２１に相当する。
【０３１７】
図７（Ａ）乃至図７（Ｃ）に示すトランジスタにおいて、一対の電極１９、２０の形成時に多層膜４５の上方、すなわち酸化物半導体膜４６がエッチングされる場合がある。一方、酸化物半導体膜１７の上面は、酸化物半導体膜４６の成膜時に酸化物半導体膜１７と酸化物半導体膜４６の混合層が形成される場合がある。
【０３１８】
例えば、酸化物半導体膜１７が、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、またはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物をスパッタリングターゲットに用いて成膜した酸化物半導体膜であり、酸化物半導体膜４６が、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、またはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：６［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物をスパッタリングターゲットに用いて成膜した酸化物半導体膜である場合、酸化物半導体膜１７よりも酸化物半導体膜４６のＧａの含有量が多いため、酸化物半導体膜１７の上面には、ＧａＯｘ層または酸化物半導体膜１７よりもＧａを多く含む混合層が形成されうる。
【０３１９】
したがって、酸化物半導体膜４６がエッチングされた場合においても、ＥｃＳ１のＥｃＩ２側の伝導帯下端のエネルギーが高くなり、図８（Ｂ）に示すバンド構造のようになる場合がある。
【０３２０】
図８（Ｂ）に示すバンド構造のようになる場合、チャネル領域の断面観察時において、多層膜４５は、酸化物半導体膜１７のみと見かけ上観察される場合がある。しかしながら、実質的には、酸化物半導体膜１７上には、酸化物半導体膜１７よりもＧａを多く含む混合層が形成されているため、該混合層を１．５層として、捉えることができる。なお、該混合層は、例えば、ＥＤＸ分析等によって、多層膜４５に含有する元素を測定した場合、酸化物半導体膜１７の上方の組成を分析することで確認することができる。例えば、酸化物半導体膜１７の上方の組成が、酸化物半導体膜１７中の組成よりもＧａの含有量が多い構成となることで確認することができる。
【０３２１】
図８（Ｃ）は、トランジスタ１０ｇの多層膜４８のバンド構造の一部を模式的に示している。ここでは、ゲート絶縁膜１５及び保護膜２１を酸化シリコン膜とし、多層膜４８と酸化シリコン膜を接して設けた場合について説明する。なお、図８（Ｃ）に表すＥｃＩ１は酸化シリコン膜の伝導帯下端のエネルギーを示し、ＥｃＳ１は酸化物半導体膜１７の伝導帯下端のエネルギーを示し、ＥｃＳ２は酸化物半導体膜４６の伝導帯下端のエネルギーを示し、ＥｃＳ３は酸化物半導体膜４７の伝導帯下端のエネルギーを示し、ＥｃＩ２は酸化シリコン膜の伝導帯下端のエネルギーを示す。また、ＥｃＩ１は、図７（Ｄ）に示すゲート絶縁膜１５に相当し、ＥｃＩ２は、図７（Ｄ）に示す保護膜２１に相当する。
【０３２２】
図８（Ｃ）に示すように、酸化物半導体膜４７、酸化物半導体膜１７、及び酸化物半導体膜４６において、伝導帯下端のエネルギーは障壁が無くなだらかに変化する。換言すると、連続的に変化するともいうことができる。これは、多層膜４８は、酸化物半導体膜１７と共通の元素を含み、酸化物半導体膜１７及び酸化物半導体膜４７の間で、酸化物半導体膜１７及び酸化物半導体膜４６の間で、酸素が相互に移動することで混合層が形成されるためであるということができる。
【０３２３】
図８（Ｃ）より、多層膜４８の酸化物半導体膜１７がウェル（井戸）となり、多層膜４８を用いたトランジスタにおいて、チャネル領域が酸化物半導体膜１７に形成されることがわかる。なお、多層膜４８は、伝導帯下端のエネルギーが連続的に変化しているため、酸化物半導体膜４７と、酸化物半導体膜１７と、酸化物半導体膜４６とが連続接合している、ともいえる。
【０３２４】
なお、酸化物半導体膜１７及び保護膜２１の界面近傍、並びに酸化物半導体膜１７及びゲート絶縁膜１５の界面近傍には、不純物や欠陥に起因したトラップ準位が形成され得るものの、図８（Ｃ）に示すように、酸化物半導体膜４６、酸化物半導体膜４７が設けられることにより、酸化物半導体膜１７と該トラップ準位とを遠ざけることができる。ただし、ＥｃＳ１とＥｃＳ２とのエネルギー差、及びＥｃＳ１とＥｃＳ３とのエネルギー差が小さい場合、酸化物半導体膜１７の電子が該エネルギー差を越えてトラップ準位に達することがある。トラップ準位に電子が捕獲されることで、絶縁膜界面でマイナスの固定電荷が生じ、トランジスタのしきい値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。したがって、ＥｃＳ１とＥｃＳ２とのエネルギー差、及びＥｃＳ１とＥｃＳ３とのエネルギー差を、０．１ｅＶ以上、好ましくは０．１５ｅＶ以上とすると、トランジスタのしきい値電圧の変動が低減され、安定した電気特性となるため好適である。
【０３２５】
なお、本実施の形態に示す構成及び方法などは、他の実施の形態に示す構成及び方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【０３２６】
＜変形例５＞
図２に示すトランジスタの変形例について、図９を用いて説明する。本変形例に示すトランジスタ１０ｊは、多階調マスクを用いて形成された酸化物半導体膜１７ａ及び一対の電極１９ａ、２０ａを有する。
【０３２７】
多階調マスクを用いることで、複数の厚さを有するレジストマスクを形成することが可能であり、該レジストマスクを用い、酸化物半導体膜１７ａを形成した後、酸素プラス゛マ等にレジストマスクを曝すことで、レジストマスクの一部が除去され、一対の電極を形成するためのレジストマスクとなる。このため、酸化物半導体膜１７ａ及び一対の電極１９ａ、２０ａの作製工程におけるフォトリソグラフィ工程数を削減することができる。
【０３２８】
なお、多階調マスクを用いて形成した酸化物半導体膜１７ａは、平面形状において一対の電極１９ａ、２０ａの外側に一部が露出した形状となる。
【０３２９】
なお、本実施の形態に示す構成及び方法などは、他の実施の形態に示す構成及び方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【０３３０】
（実施の形態３）
本実施の形態では、表示モジュール、電子機器について述べる。表示モジュール、電子機器では、他の実施の形態で述べた内容を利用して構成されている。
【０３３１】
図１０は、本発明の一態様に係る発光装置（表示モジュール）の画素配置の一例である。図１０はＲＧＢＷの４色駆動でフルカラー表示を行う画素１４０の一部の上面図である。なお、ＲＧＢＷの４色駆動とする場合には、３色映像信号から４色映像信号への変換のための駆動回路が必要である。
【０３３２】
酸化物半導体ＦＥＴをバックプレーンに用いる場合、アイドリングストップ駆動によって消費電力を低減することが可能である。
【０３３３】
図１０において、点線で囲まれた領域がＲ画素領域１４１であり、発光素子の発光層（または蛍光層）となるＧ画素領域１４２、Ｂ画素領域１４４、及びＷ画素領域１４３、が互いに重ならないように間隔を開けて形成されている。
【０３３４】
ＲＧＢＷのそれぞれの画素領域の有機材料層はそれぞれ一対の電極に挟まれて４つの発光素子を構成しており、その発光素子の一対の電極間に電圧を印加することでそれぞれの発光素子が赤色発光、緑色発光、青色発光、或いは白色発光に発光する。
【０３３５】
有機材料層には、トリプレット化合物を含む材料を用いることもできる。
【０３３６】
また、白色発光する発光素子の有機材料層に関しては、複数の色素、例えばＲＧＢの各色素がドープされた単一の発光層、或いは異なる色素を含む２層以上の積層からなる発光層を用いることができる。白色発光する有機ＥＬ素子の構造としては様々なものがあり、例えば、高分子材料からなる発光層を用いる場合、ホール輸送性のポリビニルカルバゾール（ＰＶＫ）に電子輸送性の１，３，４−オキサジアゾール誘導体（ＰＢＤ）を分散させてもよい。また、ＰＶＫに３０ｗｔ％のＰＢＤを電子輸送剤として分散し、４種類の色素（ＴＰＢ、クマリン６、ＤＣＭ１、ナイルレッド）を適当量分散することで白色発光が得られる。また、低分子材料からなる発光層を用いる場合、ＣｕＰｃ、α−ＮＰＤ、白金を中心金属とした有機金属錯体（Ｐｔ（ｐｐｙ）ａｃａｃ）を含むＣＢＰ、ＢＣＰ、ＢＣＰ：Ｌｉを順に積層した構造を用いることができる。この積層を用いた発光素子は、青色発光と、有機金属錯体からの燐光発光と、前記有機金属錯体のエキシマー状態からの発光とを共に発して白色発光を生成する。なお、ＣＢＰは、４，４’−Ｎ，Ｎ’−ジカルバゾリル−ビフェニルの略称である。Ｐｔ（ｐｐｙ）ａｃａｃで代表されるトリプレット化合物は発光効率がよく、大型サイズのパネルに有効である。
【０３３７】
また、白色発光する発光素子の有機材料層として複数の色素がドープされた単一の発光層を用いる場合、少なくとも２種以上の発光中心材料が含有された発光素子とし、複数の発光中心材料のうち、少なくとも１種以上を燐光発光材料とし、少なくとも１種以上を蛍光発光材料とすることもできる。
【０３３８】
また、青色発光する発光素子の材料層として、青緑色発光する無機材料（ＳｒＳ：Ｃｅ、ＳｒＳ：Ｃｕなど）や白色発光する無機材料（ＳｒＳ：Ｃｅ，Ｅｕや、ＳｒＳ：Ｃｅ，Ｋ，Ｅｕや、ＺｎＳ：Ｐｒ，Ｔｂなど）を用い、その発光素子に着色フィルター（色補正フィルターとも呼ぶ）を用いて青色発光としてもよい。
【０３３９】
このように、無機材料を発光層に用いた発光素子と有機材料を発光層に用いた発光素子とを同一基板上に形成し、それぞれの発光素子特性をうまく組み合わせて用いることでフルカラーの再現範囲が広い表示を行うことができる。
【０３４０】
本実施の形態で示す発光素子は、電界発光層を挟持する一対の電極層間に電圧を印加することで発光が得られるが、直流駆動又は交流駆動のいずれにおいても動作することができる。
【０３４１】
また、本実施の形態で示す画素構成は、パッシブ型の表示装置またはアクティブ型の表示装置のいずれにおいても適用することができる。
【０３４２】
また、本実施の形態で示す画素構成は、液晶ディスプレイにおいても適用することができる。
【０３４３】
図１０では、ＲＧＢＷの４種類の画素を用いた例を示しているが、ＲＧＢやその他の画素を用いても構わない。図１１は、本発明の一態様に係る発光装置（表示モジュール）の外観の一例を示す、斜視図である。図１１に示す発光装置は、パネル１６０１と、コントローラ、電源回路、画像処理回路、画像メモリ、ＣＰＵなどが設けられた回路基板１６０２と、接続部１６０３とを有している。パネル１６０１は、画素が複数設けられた画素部１６０４と、複数の画素を行ごとに選択する駆動回路１６０５と、選択された行内の画素への画像信号Ｓｉｇの入力を制御する駆動回路１６０６とを有する。
【０３４４】
回路基板１６０２から、接続部１６０３を介して、各種信号と、電源の電位とが、パネル１６０１に入力される。接続部１６０３には、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  Ｐｒｉｎｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）などを用いることができる。また、接続部１６０３にＣＯＦテープを用いる場合、回路基板１６０２内の一部の回路、或いはパネル１６０１が有する駆動回路１６０５や駆動回路１６０６の一部などを別途用意したチップに形成しておき、ＣＯＦ（Ｃｈｉｐ  Ｏｎ  Ｆｉｌｍ）法を用いて当該チップをＣＯＦテープに接続しておいても良い。
【０３４５】
なお、パネル１６０１の上には、タッチセンサが設けられていてもよい。タッチセンサは、パネル１６０１とは別の基板を用いて構成されていてもよいが、パネル１６０１が有する基板に、設けられていてもよい。
【０３４６】
本発明の一態様に係る発光装置は、表示装置、ノート型パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置（代表的にはＤＶＤ：Ｄｉｇｉｔａｌ  ＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｃ等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置）に用いることができる。その他に、本発明の一態様に係る発光装置を用いることができる電子機器として、携帯電話、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、電子書籍、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのカメラ、ゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）、ナビゲーションシステム、音響再生装置（カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等）、複写機、ファクシミリ、プリンター、プリンター複合機、現金自動預け入れ払い機（ＡＴＭ）、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図１２に示す。
【０３４７】
図１２（Ａ）は表示装置であり、筐体５００１、表示部５００２、支持台５００３等を有する。本発明の一態様に係る発光装置は、表示部５００２に用いることができる。なお、表示装置には、パーソナルコンピュータ用、ＴＶ放送受信用、広告表示用などの全ての情報表示用表示装置が含まれる。
【０３４８】
図１２（Ｂ）は携帯情報端末であり、筐体５２０１、表示部５２０２、操作キー５２０３等を有する。本発明の一態様に係る発光装置は、表示部５２０２に用いることができる。
【０３４９】
図１２（Ｃ）は表示装置であり、曲面を有する筐体５７０１、表示部５７０２等を有する。本発明の一態様に係る発光装置に可撓性を有する基板を用いることで、曲面を有する筐体５７０１に支持された表示部５７０２に、当該発光装置を用いることができ、フレキシブルかつ軽くて使い勝手の良い表示装置を提供することができる。
【０３５０】
図１２（Ｄ）は携帯型ゲーム機であり、筐体５３０１、筐体５３０２、表示部５３０３、表示部５３０４、マイクロホン５３０５、スピーカー５３０６、操作キー５３０７、スタイラス５３０８等を有する。本発明の一態様に係る発光装置は、表示部５３０３または表示部５３０４に用いることができる。表示部５３０３または表示部５３０４に本発明の一態様に係る発光装置を用いることで、ユーザーの使用感に優れ、品質の低下が起こりにくい携帯型ゲーム機を提供することができる。なお、図１２（Ｄ）に示した携帯型ゲーム機は、２つの表示部５３０３と表示部５３０４とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない。
【０３５１】
図１２（Ｅ）は電子書籍であり、筐体５６０１、表示部５６０２等を有する。本発明の一態様に係る発光装置は、表示部５６０２に用いることができる。そして、可撓性を有する基板を用いることで、発光装置に可撓性を持たせることができるので、フレキシブルかつ軽くて使い勝手の良い電子書籍を提供することができる。
【０３５２】
図１２（Ｆ）は携帯電話であり、筐体５９０１に、表示部５９０２、マイク５９０７、スピーカー５９０４、カメラ５９０３、外部接続部５９０６、操作用のボタン５９０５が設けられている。表示部５９０２に、本発明の一態様に係る発光装置を用いることできる。また、本発明の一態様に係る発光装置を、可撓性を有する基板に形成した場合、図１２（Ｆ）に示すような曲面を有する表示部５９０２に当該発光装置を適用することが可能である。
【０３５３】
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【符号の説明】
【０３５４】
１０    トランジスタ
１０ａ    トランジスタ
１０ｂ    トランジスタ
１０ｃ    トランジスタ
１０ｄ    トランジスタ
１０ｅ    トランジスタ
１０ｆ    トランジスタ
１０ｇ    トランジスタ
１０ｈ    トランジスタ
１０ｉ    トランジスタ
１０ｊ    トランジスタ
１１    基板
１３    ゲート電極
１５    ゲート絶縁膜
１７    酸化物半導体膜
１７ａ    酸化物半導体膜
１９    電極
１９ａ    電極
２０    電極
２０ａ    電極
２１    保護膜
２３    酸化物絶縁膜
２５    酸化物絶縁膜
２７    窒化物絶縁膜
２９    窒化物絶縁膜
３１    酸化物絶縁膜
３３    絶縁膜
３５    絶縁膜
３７    ゲート電極
４２    開口部
４３    開口部
４５    多層膜
４６    酸化物半導体膜
４７    酸化物半導体膜
４８    多層膜
５０    トランジスタ
５０ａ    トランジスタ
５０ｂ    トランジスタ
５０ｃ    トランジスタ
１００  センサ部
１０１  数値演算処理部
１０２  リアプノフ指数算出部
１０３  ＣＰＵ
１０４  出力部
１０５  情報取得部
１０６  半導体装置
１５０  マイク
１５１  カメラ
１５２  加速度センサ
１５３  温度センサ
１６０１  パネル
１６０２  回路基板
１６０３  接続部
１６０４  画素部
１６０５  駆動回路
１６０６  駆動回路
５００１  筐体
５００２  表示部
５００３  支持台
５１２０  基板
５２０１  筐体
５２０２  表示部
５２０３  操作キー
５３０１  筐体
５３０２  筐体
５３０３  表示部
５３０４  表示部
５３０５  マイクロホン
５３０６  スピーカー
５３０７  操作キー
５３０８  スタイラス
５６０１  筐体
５６０２  表示部
５７０１  筐体
５７０２  表示部
５９０１  筐体
５９０２  表示部
５９０３  カメラ
５９０４  スピーカー
５９０５  ボタン
５９０６  外部接続部
５９０７  マイク
【図１】
2015109076.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１７】
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【図１８】
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【図２０】
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【図２１】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１９】
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