(57)【要約】【課題】新規な酸化物半導体を提供する。【解決手段】Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎを表す。）と、Ｚｎと、を有し、酸化物半導体膜のＩｎ、Ｍ、及びＺｎの原子数の比は、インジウム、元素ＭおよびＺｎが、それぞれ（１＋α）（−１≦α≦１）、（１−α）、およびβ（βは正の実数）またはその近傍である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｉｎと、元素Ｍ（Ｍはアルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズを表す。）と、Ｚｎと、を有する酸化物半導体膜であって、
前記酸化物半導体膜の前記Ｉｎ、前記Ｍ、及び前記Ｚｎの原子数の比は、前記インジウム、前記元素Ｍおよび前記Ｚｎが、それぞれ（１＋α）（−１≦α≦１）、（１−α）、およびβ（βは正の実数）またはその近傍であることを特徴とする酸化物半導体膜。
【請求項２】
Ｉｎと、元素Ｍ（Ｍはアルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズを表す。）と、Ｚｎと、を有する酸化物半導体膜であって、
前記酸化物半導体膜の前記Ｉｎ、前記Ｍ、及び前記Ｚｎの原子数の比は、前記インジウム、前記元素Ｍおよび前記Ｚｎが、それぞれ（１＋α）（−１≦α≦１）、（１−α）、およびβ（βは正の非整数）またはその近傍であることを特徴とする酸化物半導体膜。
【請求項３】
請求項１または請求項２のいずれか一において、
前記酸化物半導体膜は層状構造を有することを特徴とする酸化物半導体膜。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の前記酸化物半導体膜を有することを特徴とするトランジスタ。
【請求項５】
請求項４に記載の前記トランジスタを有することを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項５に記載の前記半導体装置と、
表示素子と、を有することを特徴とする表示装置。
【請求項７】
請求項６に記載の表示装置と、タッチセンサと、を有する、ことを特徴とする表示モジュール。
【請求項８】
請求項１乃至請求項３に記載のいずれか一項の酸化物半導体膜、請求項４に記載のトランジスタ、請求項５に記載の半導体装置、請求項６に記載の表示装置、または請求項７に記載の表示モジュールと、
操作キーまたはバッテリと、を有する、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、酸化物半導体、または当該酸化物半導体の製造方法に関する。または、本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法に関する。
【０００２】
なお、本明細書等において、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す。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、半導体回路、演算装置、記憶装置は、半導体装置の一態様である。撮像装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、電気光学装置、発電装置（薄膜太陽電池、有機薄膜太陽電池等を含む）、及び電子機器は、半導体装置を有している場合がある。
【背景技術】
【０００３】
非特許文献１において、Ｉｎ１−ｘＧａ１＋ｘＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｘは−１≦ｘ≦１を満たす数、ｍは自然数）で表されるホモロガス相が存在することが述べられている。また、非特許文献１では、ホモロガス相の固溶域（ｓｏｌｉｄ  ｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｒａｎｇｅ）について述べられている。例えば、ｍ＝１の場合のホモロガス相の固溶域は、ｘが−０．３３から０．０８の範囲であることが述べられており、ｍ＝２の場合のホモロガス相の固溶域は、ｘが−０．６８から０．３２の範囲であることが述べられている。
【０００４】
また、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物半導体を用いてトランジスタを作製する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−９６０５５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｍ．  Ｎａｋａｍｕｒａ，  Ｎ．  Ｋｉｍｉｚｕｋａ，  ａｎｄ  Ｔ．  Ｍｏｈｒｉ、「Ｔｈｅ  Ｐｈａｓｅ  Ｒｅｌａｔｉｏｎｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｉｎ２Ｏ３−Ｇａ２ＺｎＯ４−ＺｎＯ  Ｓｙｓｔｅｍ  ａｔ  １３５０℃」、Ｊ．  Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｃｈｅｍ．、１９９１、Ｖｏｌ．９３，  ｐｐ．２９８−３１５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
非特許文献１では、ＩｎｘＺｎｙＧａｚＯｗの例が示されており、ｘ，ｙ及びｚがＺｎＧａ２Ｏ４近傍の組成、つまりｘ，ｙ及びｚが（ｘ，ｙ，ｚ）＝（０，１，２）に近い値を有する場合には、スピネル型の結晶構造が形成、あるいは混在しやすいことが記載されている。スピネル型の結晶構造を有する化合物として、ＡＢ２Ｏ４（Ａ及びＢは金属）で表される化合物が知られている。
【０００８】
しかしながら、スピネル型の結晶構造がＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物半導体中に形成、あるいは混在すると、当該Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物半導体を有する半導体装置（例えばトランジスタ）の電気特性または信頼性に悪影響を与える場合がある。
【０００９】
上述の問題に鑑み、本発明の一態様は、新規な酸化物半導体を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、半導体装置に良好な電気特性を付与することを課題の一とする。または、信頼性の高い半導体装置を提供することを課題の一とする。または、新規な構成の半導体装置を提供することを課題の一とする。または、新規な構成の表示装置を提供することを課題の一とする。
【００１０】
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、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。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】
【００１１】
本発明の一態様は、Ｉｎと、元素Ｍ（Ｍはアルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズを表す。）と、元素Ｍ’（Ｍ’はアルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズを表す。）と、Ｚｎと、を有する酸化物半導体膜である。
【００１２】
本発明の一態様は、Ｉｎと、元素Ｍ（Ｍはアルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズを表す。）と、Ｚｎと、を有する酸化物半導体膜であって、酸化物半導体膜のＩｎ、元素Ｍ、及びＺｎの原子数の比は、インジウム、元素ＭおよびＺｎが、それぞれ（１＋α）（−１≦α≦１）、（１−α）、およびβ（βは正の実数）またはその近傍である。
【００１３】
本発明の一態様は、Ｉｎと、元素Ｍ（Ｍはアルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズを表す。）と、Ｚｎと、を有する酸化物半導体膜であって、酸化物半導体膜のＩｎ、元素Ｍ、及びＺｎの原子数の比は、インジウム、元素ＭおよびＺｎが、それぞれ（１＋α）（−１≦α≦１）、（１−α）、およびβ（βは正の非整数）またはその近傍である。
【００１４】
上記構成において、酸化物半導体膜は層状構造を有する。
【００１５】
本発明の一態様は、上記構成の酸化物半導体膜を有するトランジスタである。
【００１６】
また、本発明の他の一態様は、上記のいずれかの酸化物半導体膜と、表示素子と、を有する表示装置である。また、本発明の他の一態様は、当該表示装置と、タッチセンサと、を有する、表示モジュールである。また、本発明の他の一態様は、上記のいずれかの酸化物半導体膜、上記の半導体装置、上記の表示装置、または上記の表示モジュールと、操作キーまたはバッテリと、を有する電子機器である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の一態様により、新規な酸化物半導体を提供することができる。または、本発明の一態様により、半導体装置に良好な電気特性を付与することができる。または、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。または、新規な構成の半導体装置を提供することができる。または、新規な構成の表示装置を提供することができる。
【００１８】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】酸化物半導体の原子数比を説明する図。
【図２】酸化物半導体の原子数比を説明する図。
【図３】酸化物半導体の原子数比を説明する図。
【図４】酸化物半導体の原子数比を説明する図。
【図５】酸化物半導体の原子数比を説明する図。
【図６】原子数比を説明する図を説明する図。
【図７】酸化物半導体の結晶を説明する図。
【図８】酸化物の評価方法を示すフローチャート。
【図９】Ｘ線回折による解析方法を説明する断面図。
【図１０】酸化物のＸ線回折による解析結果を示す図。
【図１１】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、ならびにＣＡＡＣ−ＯＳの制限視野電子回折パターンを示す図。
【図１２】ＣＡＡＣ−ＯＳの断面ＴＥＭ像、ならびに平面ＴＥＭ像およびその画像解析像。
【図１３】酸化物のＸ線回折による解析結果を示す図。
【図１４】非晶質ＩｎＧａＺｎＯ４の構造モデルを説明する図。
【図１５】計算によるＸＲＤの解析結果を示す図。
【図１６】ナノ結晶を有するＩｎＧａＺｎＯ４の構造モデルを説明する図。
【図１７】酸化物の電子回折パターンを示す図。
【図１８】酸化物の電子回折パターンを示す図。
【図１９】酸化物の電子回折パターンを示す図。
【図２０】ｎｃ−ＯＳの電子回折パターンを示す図、およびｎｃ−ＯＳの断面ＴＥＭ像。
【図２１】ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの断面ＴＥＭ像。
【図２２】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２３】ＣＡＡＣ−ＯＳの成膜方法を説明する図。
【図２４】ＩｎＭＺｎＯ４の結晶およびペレットを説明する図。
【図２５】ＣＡＡＣ−ＯＳの成膜方法を説明する図。
【図２６】ＣＡＡＣ−ＯＳの成膜方法を説明する図。
【図２７】粒子がペレットに付着する位置を説明する図。
【図２８】粒子がペレットに付着する位置を説明する図。
【図２９】半導体装置の一例を示す上面図及び断面図。
【図３０】半導体装置の一例を示す上面図及び断面図。
【図３１】半導体装置の一例を示す上面図及び断面図。
【図３２】半導体装置の一例を示す上面図及び断面図。
【図３３】半導体装置の一例を示す断面図。
【図３４】バンド構造を説明する図。
【図３５】半導体装置の一例を示す断面図。
【図３６】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図３７】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図３８】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図３９】酸化物半導体中に移動する酸素を表すモデル図。
【図４０】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図４１】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図４２】スパッタリング装置を説明する図。
【図４３】スパッタリング装置を説明する図。
【図４４】スパッタリング装置を説明する図。
【図４５】スパッタリング装置を説明する図。
【図４６】スパッタリング装置を説明する図。
【図４７】スパッタリング装置を説明する図。
【図４８】成膜装置の一例を示す上面図。
【図４９】成膜装置の一例を示す断面図。
【図５０】本発明の一態様に係る記憶装置を示す回路図。
【図５１】本発明の一態様に係る半導体装置を示すブロック図。
【図５２】本発明の一態様に係る半導体装置を示すブロック図。
【図５３】本発明の一態様に係る半導体装置を示す回路図、上面図および断面図。
【図５４】本発明の一態様に係る半導体装置を示す回路図および断面図。
【図５５】本発明の一態様に係る電子機器を示す斜視図。
【図５６】計算モデルを説明する図、および差電子密度の分布を説明する図。
【図５７】差電子密度の分布を説明する図。
【図５８】差電子密度の分布を説明する図。
【図５９】差電子密度の分布を説明する図。
【図６０】本実施の形態における酸化物半導体の構造モデルを説明する図。
【図６１】本実施の形態における酸化物半導体の構造モデルを説明する図。
【図６２】本実施の形態における酸化物半導体の構造モデルを説明する図。
【図６３】本実施の形態における酸化物半導体のモデルを説明する図。
【図６４】本実施の形態における酸素欠損（Ｖｏ）の形成エネルギーを説明する図。
【図６５】本実施の形態における酸化物半導体のモデルを説明する図。
【図６６】実施例に係る試料のＸＲＤ結果を説明する図。
【図６７】実施例に係る試料の断面ＴＥＭ像を説明する図。
【図６８】実施例に係る試料の断面ＴＥＭ像、およびＥＤＸ像を説明する図。
【図６９】実施例に係る試料の移動度を説明する図。
【図７０】実施例に係る酸化物半導体のホール移動度の測定結果およびバンドダイアグラムを説明する図。
【図７１】実施例に係る試料の上面構造、および断面構造を説明する図。
【図７２】実施例に係る試料の移動度、およびＳｈｉｆｔ値を説明する図。
【図７３】実施例に係る試料の断面ＴＥＭ像を説明する図。
【図７４】実施例に係る試料の断面ＴＥＭ像を説明する図。
【図７５】実施例に係る試料の断面ＴＥＭ像を説明する図。
【図７６】実施例に係る試料のＸＲＤ結果を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、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、以下の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。
【００２１】
また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、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。なお図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。
【００２２】
また、本明細書にて用いる「第１」、「第２」、「第３」という序数詞は、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ことを付記する。
【００２３】
また、本明細書において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。従って、明細書で説明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
【００２４】
また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン（ドレイン端子、ドレイン領域またはドレイン電極）とソース（ソース端子、ソース領域またはソース電極）の間にチャネル領域を有しており、ドレインとチャネル領域とソースとを介して電流を流すことができるものである。なお、本明細書等において、チャネル領域とは、電流が主として流れる領域をいう。
【００２５】
また、ソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、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、本明細書等においては、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。
【００２６】
また、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジスタなどのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、キャパシタ、その他の各種機能を有する素子などが含まれる。
【００２７】
また、本明細書等において、酸化窒化シリコン膜とは、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。
【００２８】
また、本明細書等において、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる場合がある。
【００２９】
また、本明細書等において、「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。したがって、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が−３０°以上３０°以下の角度で配置されている状態をいう。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。したがって、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。
【００３０】
また、本明細書等において、「膜」という用語と、「層」という用語とは、場合によっては、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。
【００３１】
なお、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分低い場合は「絶縁体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「絶縁体」は境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。したがって、本明細書に記載の「半導体」は、「絶縁体」と言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「絶縁体」は、「半導体」と言い換えることができる場合がある。
【００３２】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様である酸化物半導体について説明する。
【００３３】
本発明の一態様の酸化物半導体は、インジウム（Ｉｎ）と、Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎを表す。）と、Ｚｎ（亜鉛）と、を有する。特に、Ｍはガリウム（Ｇａ）であると好ましい。以下では、ＭをＧａとして説明する。
【００３４】
酸化物半導体がＩｎを有すると、例えば電子移動度（キャリア移動度）が高くなる。また、酸化物半導体がＧａを有すると、例えば酸化物半導体のエネルギーギャップ（Ｅｇ）が大きくなる。なお、Ｇａは、酸素との結合エネルギーが高い元素であり、酸素との結合エネルギーがＩｎよりも高い。また、酸化物半導体がＺｎを有すると、酸化物半導体の結晶化が起こり易い。
【００３５】
＜酸化物半導体の構造＞
以下では、酸化物半導体の構造について図８乃至図２２を用いて説明する。
【００３６】
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、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ  ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）および非晶質酸化物半導体などがある。
【００３７】
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およびｎｃ−ＯＳなどがある。
【００３８】
非晶質構造は、一般に、等方的であって不均質構造を持たない、準安定状態で原子の配置が固定化していない、結合角度が柔軟である、短距離秩序は有するが長距離秩序を有さない、などといわれている。
【００３９】
即ち、安定な酸化物半導体を完全な非晶質（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ  ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）酸化物半導体とは呼べない。また、等方的でない（例えば、微小な領域において周期構造を有する）酸化物半導体を、完全な非晶質酸化物半導体とは呼べない。一方、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、等方的でないが、鬆（ボイドともいう。）を有する不安定な構造である。不安定であるという点では、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、物性的に非晶質酸化物半導体に近い。
【００４０】
以下では、酸化物半導体を構造別にＸＲＤ測定、ナノビーム電子回折（ＮＢＥＤ：Ｎａｎｏ  Ｂｅａｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）パターンを測定、明視野像および回折パターンの複合解析像（高分解能ＴＥＭ像ともいう。）観察、および電子照射などの手法を用いて、酸化物半導体の構造について説明する。
【００４１】
まず、酸化物に対してＸ線を照射し、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）を測定する（図８ステップＳ１０１参照。）。なお、ＸＲＤの測定は、薄膜法を用いると酸化物を形成する基板などに起因したノイズを低減できるため好ましい。
【００４２】
以下では、薄膜法について説明する。まず、図９に示すように、基板１００上に酸化物１０６を有する試料を準備する。薄膜法では、試料の上面に対してＸ線源１７０を極小さい角度ωに配置する。Ｘ線源１７０としては、例えば、ＣｕＫα線または放射光Ｘ線を用いればよい。角度ωを小さくするほど、基板１００に起因したノイズは小さくなる。角度ωは、例えば、０．０１°以上２°以下、好ましくは０．０５°以上１．５°以下、さらに好ましくは０．０８°以上１°以下とすればよい。また、酸化物１０６を厚くするほど、基板１００に起因したノイズは小さくなる。例えば、酸化物１０６の厚さを５０ｎｍ以上、好ましくは１００ｎｍ以上、さらに好ましくは５００ｎｍ以上、より好ましくは１０００ｎｍ以上とする。
【００４３】
そして、試料の上面に対する検出部１７２の角度２θを変化させる。例えば、角度２θを、２°以上１４０°以下、３°以上１３０°以下、または３°以上１００°以下の範囲で変化させればよい。こうして、角度２θに対するＸ線回折強度を取得する。このとき、Ｘ線回折の測定時間を長くすることで、Ｘ線回折強度の積算値を大きくすることができる。例えば、２θを０．０１°刻みでステップさせて測定する場合、一点につき１秒以上２０秒以下、または３秒以上１５秒以下掛ければよい。
【００４４】
ここで、結晶構造に起因したピークが観測されるか否かを判定する（図８ステップＳ１０２参照。）。結晶構造に起因したピークが観測される場合、酸化物の構造は、例えば、単結晶構造、多結晶構造、ＣＡＡＣ構造、微結晶構造を有する酸化物などであると判定する（図８ステップＳ１０３参照。）。単結晶酸化物半導体、ＣＡＡＣ−ＯＳ、または多結晶酸化物半導体である酸化物は、結晶構造を有し、特定の結晶面に対して配向性を有する。例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳで表されるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のＸＲＤの解析結果を図１０に示す。
【００４５】
《ＣＡＡＣ−ＯＳ》
ここで、ＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。
【００４６】
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種である。
【００４７】
ＣＡＡＣ−ＯＳをＸ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって解析した場合について説明する。例えば、空間群Ｒ−３ｍに分類される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１１（Ａ）に示すように回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる。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では、結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳの膜を形成する面（被形成面ともいう。）、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。なお、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、空間群Ｆｄ−３ｍに分類される結晶構造に起因する。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳは、該ピークを示さないことが好ましい。
【００４８】
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳに対し、被形成面に平行な方向から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。そして、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１１（Ｂ）に示すように明瞭なピークは現れない。一方、単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４に対し、２θを５６°近傍に固定してφスキャンした場合、図１１（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。
【００４９】
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、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面に平行にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させると、図１１（Ｄ）に示すような回折パターン（制限視野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１１（Ｅ）に示す。図１１（Ｅ）より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、プローブ径が３００ｎｍの電子線を用いた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１１（Ｅ）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１１（Ｅ）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。
【００５０】
また、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像であっても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場合がある。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。
【００５１】
図１２（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などによって観察することができる。
【００５２】
図１２（Ａ）より、金属原子が層状に配列している領域であるペレットを確認することができる。ペレット一つの大きさは１ｎｍ以上のものや、３ｎｍ以上のものがあることがわかる。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。また、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。ペレットは、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面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。
【００５３】
また、図１２（Ｂ）および図１２（Ｃ）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１２（Ｄ）および図１２（Ｅ）は、それぞれ図１２（Ｂ）および図１２（Ｃ）を画像処理した像である。以下では、画像処理の方法について説明する。まず、図１２（Ｂ）を高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理することでＦＦＴ像を取得する。次に、取得したＦＦＴ像において原点を基準に、２．８ｎｍ−１から５．０ｎｍ−１の間の範囲を残すマスク処理する。次に、マスク処理したＦＦＴ像を、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ：Ｉｎｖｅｒｓｅ  Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理することで画像処理した像を取得する。こうして取得した像をＦＦＴフィルタリング像と呼ぶ。ＦＦＴフィルタリング像は、Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像から周期成分を抜き出した像であり、格子配列を示している。
【００５４】
図１２（Ｄ）では、格子配列の乱れた箇所を破線で示している。破線で囲まれた領域が、一つのペレットである。そして、破線で示した箇所がペレットとペレットとの連結部である。破線は、六角形状であるため、ペレットが六角形状であることがわかる。なお、ペレットの形状は、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合が多い。
【００５５】
図１２（Ｅ）では、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を点線で示し、格子配列の向きの変化を破線で示している。点線近傍においても、明確な結晶粒界を確認することはできない。点線近傍の格子点を中心に周囲の格子点を繋ぐと、歪んだ六角形や、五角形または／および七角形などが形成できる。即ち、格子配列を歪ませることによって結晶粒界の形成を抑制していることがわかる。これは、ＣＡＡＣ−ＯＳが、ａ−ｂ面方向において原子配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。
【００５６】
以上に示すように、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向性を有し、かつａ−ｂ面方向において複数のペレット（ナノ結晶）が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。よって、ＣＡＡＣ−ＯＳを、ＣＡＡ  ｃｒｙｓｔａｌ（ｃ−ａｘｉｓ−ａｌｉｇｎｅｄ  ａ−ｂ−ｐｌａｎｅ−ａｎｃｈｏｒｅｄ  ｃｒｙｓｔａｌ）を有する酸化物半導体と称することもできる。
【００５７】
ＣＡＡＣ−ＯＳは結晶性の高い酸化物半導体である。酸化物半導体の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、ＣＡＡＣ−ＯＳは不純物や欠陥（酸素欠損など）の少ない酸化物半導体ともいえる。
【００５８】
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。
【００５９】
酸化物半導体が不純物や欠陥を有する場合、光や熱などによって特性が変動する場合がある。例えば、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。例えば、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。
【００６０】
不純物および酸素欠損の少ないＣＡＡＣ−ＯＳは、キャリア密度の低い酸化物半導体である。具体的には、８×１０１１／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１０／ｃｍ３未満であり、１×１０−９／ｃｍ３以上のキャリア密度の酸化物半導体とすることができる。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、安定な特性を有する酸化物半導体であるといえる。
【００６１】
続いて、結晶構造に起因したピークが観測されない場合は図８ステップＳ１０４に移る。なお、結晶構造に起因したピークが観測されない場合でも、近接原子に起因した干渉を観測することができる場合がある。例えば、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳおよびｎｃ−ＯＳのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のＸＲＤの解析結果を、図１３（Ａ）に示す。
【００６２】
ここで、Ｘ線回折強度は、下式（１）で表されることが知られている。
【００６３】
【数１】
2017175101.tif 000003
【００６４】
Ｉｎｏｒｍは規格化Ｘ線回折強度、ｆは原子散乱因子、ρ０は平均数密度、ρ（ｒ）は数密度、Ｑは散乱ベクトル、ｒは距離を示す。
【００６５】
なお、Ｉｎｏｒｍは、下式（２）で表すことができる。
【００６６】
【数２】
2017175101.tif 000004
【００６７】
Ｉｏｂｓは、測定されたＸ線回折強度、ＩＣｏｍｐｔｏｎは非干渉性のコンプトン散乱の強度、Ｐは偏光補正因子（（１＋ｃｏｓ２θ２）／２）、ａは規格化因子、ｃは散乱ベクトルＱに依存しないバックグラウンドを仮定したモデルにおけるパラメータを示す。
【００６８】
なお、ａおよびｃをともにフィッティングにより算出する。フィッティングは、ｒ＜０．１５ｎｍで二体分布関数が０、かつ原子数密度が膜密度の測定値からの計算結果と一致する条件で行えばよい。ただし、ａはＫｒｏｇｈ−Ｍｏｅ−Ｎｏｒｍａｎ法によって算出し、ｃはフィッティングにより算出しても構わない。
【００６９】
また、干渉関数ｉ（Ｑ）は下式（３）で表すことができる。
【００７０】
【数３】
2017175101.tif 000005
【００７１】
そして、Ｑ・ｉ（Ｑ）のフーリエ変換から、二体分布関数を求めることができる。このようにして、図１３（Ａ）から図１３（Ｂ）を作成することができる。
【００７２】
図１３（Ｂ）によると、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳおよびｎｃ−ＯＳのいずれも、距離ｒが０．２ｎｍ程度の位置にピークが見られる。これは、酸化物１０６の金属原子と酸素原子との距離に相当する。また、距離ｒが０．３５ｎｍ程度の位置にもピークが見られる。これは、酸化物１０６の金属原子と金属原子との距離に相当する。一方、距離ｒが大きくなっていくほど、二体分布関数が１に近づいていくことがわかる。即ち、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳおよびｎｃ−ＯＳは、長距離秩序性を有さないことがわかる。
【００７３】
続いて、ＸＲＤの測定によって結晶構造に起因したピークが観測されない例について説明する。
【００７４】
図１４は、古典分子動力学計算によるｍｅｌｔ−ｑｕｅｎｃｈ法を用いて作製した非晶質ＩｎＧａＺｎＯ４の構造モデルの一例である。具体的には、４０００ＫでＩｎＧａＺｎＯ４を溶融させた後、０．２ナノ秒ごとに、２００Ｋずつ階段状に降温させて３００Ｋとした。なお、最終的に３００Ｋになるよう、４００Ｋの次の降温では１００Ｋだけ降温させた。古典分子動力学計算ソフトとしては、ＳＣＩＧＲＥＳＳ  ＭＥ２．０を用いた。また、ポテンシャルには、Ｂｏｒｎ−Ｍａｙｅｒ−Ｈｕｇｇｉｎｓポテンシャルを使用した。
【００７５】
非晶質ＩｎＧａＺｎＯ４の構造モデルに対し、シミュレーションソフトｊｅｍｓを用いて構造解析を行うと、図１５（Ａ）に示すＸＲＤの解析結果が得られる。なお、計算には、Ｘ線源として波長０．１５４１７８ｎｍのＣｕＫα線を用いた。また、直径５７．３ｍｍのＤｅｂｙｅ−Ｓｃｈｅｒｒｅｒカメラを用いた。
【００７６】
また、例えば、非晶質ＩｎＧａＺｎＯ４の構造モデル（図１６（Ａ）参照。）中に、複数の単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４の構造モデル（図１６（Ｂ１）および図１６（Ｂ２）参照。）を規則性なく配置したナノ結晶を有する構造モデルの一例を図１６（Ｃ）に示す。なお、図１６（Ｂ２）に示す構造モデルは、図１６（Ｂ１）に示した構造モデルより、単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４の構造モデルを視認しやすくしたものである。即ち、図１６（Ｂ１）は、図１６（Ｂ２）と同じ構造モデルである。
【００７７】
ナノ結晶を有する構造モデルに対し、シミュレーションソフトｊｅｍｓを用いて構造解析を行うと、図１５（Ｂ）に示すＸＲＤの解析結果が得られる。なお、計算の条件は上述した通りである。
【００７８】
図１５（Ａ）および図１５（Ｂ）より、非晶質ＩｎＧａＺｎＯ４の構造モデルのＸＲＤの解析結果と、ナノ結晶を有する構造モデルのＸＲＤの解析結果と、は２θが２０°以上４０°以下の極大値、および２θが４０°以上８０°以下の極大値を有する点などが共通している。なお、図１５（Ｂ）では、２θが１０°以下においてピークが観測される。該ピークは、有限の構造モデルの周期構造に起因するため、構造モデル自体の違いに起因するものではない。
【００７９】
上述した２θが２０°以上４０°以下の極大値、および２θが４０°以上８０°以下の極大値は、近接原子に起因した干渉によるものである。
【００８０】
以上に示したように、非晶質ＩｎＧａＺｎＯ４の構造モデル、およびナノ結晶を有する構造モデルは、ＸＲＤの測定によって、結晶構造に起因したピークを有さず、近接原子に起因した干渉を有することがわかる。
【００８１】
次に、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳおよびｎｃ−ＯＳに対し、プローブ径が０．３ｎｍ以上３ｎｍ以下の電子線を透過させ、ＮＢＥＤパターンを測定する（図８ステップＳ１０４参照。）。
【００８２】
ここで、結晶構造に起因したスポットが観測されない（ハローパターンが観測される）か、結晶構造に起因したスポットが観測されるかを判定する（図８ステップＳ１０５参照。）。結晶構造に起因したスポットが観測されない場合、酸化物の構造は非晶質であると判定する（図８ステップＳ１０６参照。）。非晶質である酸化物は、結晶構造を有さない。例えば、非晶質構造を有する酸化物の中には、非晶質半導体と判定される酸化物もある。
【００８３】
また、結晶構造に起因したスポットが観測される場合は図８ステップＳ１０７に移る。なお、結晶構造に起因したスポットが観測される場合でも、特定の結晶構造を同定できない場合がある。例えば、複数の結晶部を有し、これらの結晶部がそれぞれ特定の結晶面に対して配向性を有さない場合、様々な結晶面に起因したスポットが重なったような電子回折パターンが観測される。例えば、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳおよびｎｃ−ＯＳで表されるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の電子回折パターンを、それぞれ図１７（Ａ）および図１７（Ｂ）に示す。なお、電子回折パターンの測定は、プローブ径が１ｎｍの電子線を用いて行った。
【００８４】
図１７（Ａ）および図１７（Ｂ）より、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳおよびｎｃ−ＯＳは、円を描くように（リング状に）輝度の高い領域を有する電子回折パターンが観測される。また、リング状の領域内に複数のスポットを有する電子回折パターンが観測される。ｎｃ−ＯＳは、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳよりもスポットが明瞭であることがわかる。したがって、ｎｃ−ＯＳは、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳよりも結晶性が高い。
【００８５】
なお、電子回折の方法によっては、結晶構造を有する試料でも結晶構造に起因したスポットが観測される場合と、観測されない場合と、がある。また、観測方法によっては、結晶構造に起因したスポットの配置が異なる場合がある。ここでは、その例についてｎｃ−ＯＳを用いて説明する。例えば、図１８（Ａ）、図１８（Ｂ）、図１８（Ｃ）、図１８（Ｄ）、図１８（Ｅ）および図１８（Ｆ）は、それぞれプローブ径が１ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ、２５ｎｍ、５０ｎｍおよび１００ｎｍの電子線を用いて観測した電子回折パターンである。なお、ｎｃ−ＯＳの厚さは３４ｎｍとする。
【００８６】
図１８より、電子線のプローブ径が１０ｎｍ、５ｎｍ、１ｎｍと小さくなるほど、結晶構造に起因したスポットが明瞭になることがわかる。一方、２５ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍと大きくなるほど、結晶構造に起因したスポットが不明瞭になることがわかる。したがって、ｎｃ−ＯＳは、プローブ径が５ｎｍ以下の電子線を用いて観察した電子回折パターンにおいて、結晶構造に起因したスポットが確認されるが、プローブ径が２５ｎｍ以上の電子線を用いて観測した電子回折パターンにおいては、結晶構造に起因したスポットが観測されないことがわかる。即ち、結晶構造の解析には、適切なプローブ径を選択するべきである。
【００８７】
また、厚さが１０ｎｍ未満、および４５ｎｍのｎｃ−ＯＳに対し、プローブ径が１ｎｍの電子線を用いると、それぞれ図１９（Ａ）および図１９（Ｂ）に示す電子回折パターンを観測することができる。図１９（Ａ）に示すように、厚さが１０ｎｍ未満のｎｃ−ＯＳにおいて、スポットが略正六角状に配置された電子回折パターンが観測される。これは、厚さが１０ｎｍ未満の範囲において、ｎｃ−ＯＳが少なくとも一の結晶構造を有することを示す。また、図１９（Ｂ）に示すように、厚さが４５ｎｍのｎｃ−ＯＳにおいては、スポットの配置に秩序性は見られない。これは、ｎｃ−ＯＳは４５ｎｍの厚さの中に、複数の結晶構造を有することを示す。また、複数の結晶構造の向きがばらばらであることを示す。即ち、結晶構造の詳細な解析には、適切な厚さの試料を選択するべきである。ただし、厚さが４５ｎｍのｎｃ−ＯＳにおいても、結晶構造に起因したスポットを有することは明らかである。
【００８８】
次に、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳおよびｎｃ−ＯＳの高分解能ＴＥＭ像を観察する（図２０（Ｄ）および図２０（Ｅ）参照。）。ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳおよびｎｃ−ＯＳは、上述のとおり、結晶構造に起因した電子回折パターンが観測されるため、高分解能ＴＥＭ像によって結晶部（図２０（Ｅ）参照。）を確認することができる。
【００８９】
ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳおよびｎｃ−ＯＳに含まれる結晶部の大きさは、高分解能ＴＥＭ像を用いて計測することができる。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶は層状構造を有し、Ｉｎ−Ｏ層の間に、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層を２層有する。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。よって、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。そのため、高分解能ＴＥＭ像における格子縞に着目し、格子縞の間隔が０．２８ｎｍ以上０．３０ｎｍ以下である箇所においては、それぞれの格子縞がＩｎＧａＺｎＯ４の結晶のａ−ｂ面に対応すると見なせる。その格子縞の観察される領域のおける最大長を、酸化物の結晶部の大きさとする。なお、結晶部の大きさは、０．８ｎｍ以上のものを選択的に評価する。
【００９０】
図２２は、高分解能ＴＥＭ像により、ＣＡＡＣ−ＯＳ、ｎｃ−ＯＳおよびａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの結晶部（２０箇所から４０箇所）の平均の大きさの変化を調査した例である。ここで、電子照射により結晶サイズが大きくなるか否かを判定する（図８ステップＳ１０８参照。）。なお、結晶部の大きさは、結晶部の長手方向の長さを測定した。図２２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、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は、電子照射開始時から電子の累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２になるまでの範囲で、電子の累積照射量によらず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、結晶部の大きさの変化が１０％未満、より詳細には７％未満となることがわかる。
【００９１】
また、図２２に示す、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳおよびｎｃ−ＯＳの結晶部の大きさの変化を線形近似して、電子の累積照射量０ｅ−／ｎｍ２まで外挿すると、結晶部の平均の大きさが正の値をとることがわかる。そのため、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳおよびｎｃ−ＯＳの結晶部が、ＴＥＭによる観察前から存在していることがわかる。
【００９２】
従って、電子照射で結晶サイズが大きくなる酸化物を、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ、と判定する（図８ステップＳ１０９参照。）。また、電子照射で結晶サイズが大きくならない酸化物を、ｎｃ−ＯＳと判定する（図８ステップＳ１１０参照。）。
【００９３】
《ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ》
ここで、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳについて説明する。ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ｎｃ−ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。
【００９４】
図２１に、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの高分解能断面ＴＥＭ像を示す。ここで、図２１（Ａ）は電子照射開始時におけるａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの高分解能断面ＴＥＭ像である。図２１（Ｂ）は４．３×１０８ｅ−／ｎｍ２の電子（ｅ−）照射後におけるａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの高分解能断面ＴＥＭ像である。図２１（Ａ）および図２１（Ｂ）より、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは電子照射開始時から、縦方向に延伸する縞状の明領域が観察されることがわかる。また、明領域は、電子照射後に形状が変化することがわかる。なお、明領域は、鬆または低密度領域と推測される。
【００９５】
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。
【００９６】
試料として、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳを準備する。いずれの試料もＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である。
【００９７】
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。
【００９８】
なお、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、以下では、格子縞の間隔が０．２８ｎｍ以上０．３０ｎｍ以下である箇所を、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶部と見なした。なお、格子縞は、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶のａ−ｂ面に対応する。
【００９９】
図２２は、各試料の結晶部（２２箇所から３０箇所）の平均の大きさを調査した例である。なお、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図２２より、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ＴＥＭ像の取得などに係る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。図２２より、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、電子（ｅ−）の累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２においては１．９ｎｍ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。図２２より、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１．３ｎｍ程度および１．８ｎｍ程度であることがわかる。なお、電子線照射およびＴＥＭの観察は、日立透過電子顕微鏡Ｈ−９０００ＮＡＲを用いた。電子線照射条件は、加速電圧を３００ｋＶ、電流密度を６．７×１０５ｅ−／（ｎｍ２・ｓ）、照射領域の直径を２３０ｎｍとした。
【０１００】
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。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。
【０１０１】
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％未満である。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％未満である。単結晶の密度の７８％未満である酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。
【０１０２】
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である。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未満である。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未満である。
【０１０３】
なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合、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。
【０１０４】
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、ｎｃ−ＯＳ、ＣＡＡＣ−ＯＳのうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
【０１０５】
《ｎｃ−ＯＳ》
また、ここで、ｎｃ−ＯＳについて説明する。
【０１０６】
ｎｃ−ＯＳをＸＲＤによって解析した場合について説明する。例えば、ｎｃ−ＯＳに対し、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、配向性を示すピークが現れない。即ち、ｎｃ−ＯＳの結晶は配向性を有さない。
【０１０７】
また、例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するｎｃ−ＯＳを薄片化し、厚さが３４ｎｍの領域に対し、被形成面に平行にプローブ径が５０ｎｍの電子線を入射させると、図２０（Ａ）に示すようなリング状の回折パターン（ナノビーム電子回折パターン）が観測される。また、同じ試料にプローブ径が１ｎｍの電子線を入射させたときの回折パターン（ナノビーム電子回折パターン）を図２０（Ｂ）に示す。図２０（Ｂ）より、リング状の領域内に複数のスポットが観測される。したがって、ｎｃ−ＯＳは、プローブ径が５０ｎｍの電子線を入射させることでは秩序性が確認されないが、プローブ径が１ｎｍの電子線を入射させることでは秩序性が確認される。
【０１０８】
また、厚さが１０ｎｍ未満の領域に対し、プローブ径が１ｎｍの電子線を入射させると、図２０（Ｃ）に示すように、６点のスポットが略正六角状に配置された電子回折パターンを観測される場合がある。したがって、厚さが１０ｎｍ未満の範囲において、ｎｃ−ＯＳが秩序性の高い領域、即ち結晶を有することがわかる。なお、結晶が様々な方向を向いているため、規則的な電子回折パターンが観測されない領域もある。
【０１０９】
図２０（Ｅ）に、被形成面と略平行な方向から観察したｎｃ−ＯＳの断面のＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を示す。ｎｃ−ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において、補助線で示す箇所などのように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。ｎｃ−ＯＳに含まれる結晶部は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の大きさであり、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の大きさであることが多い。なお、結晶部の大きさが１０ｎｍより大きく１００ｎｍ以下である酸化物半導体を微結晶酸化物半導体（ｍｉｃｒｏ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼ぶことがある。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。
【０１１０】
このように、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、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。
【０１１１】
なお、ペレット（ナノ結晶）間で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。
【０１１２】
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、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳや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。
【０１１３】
＜１−３．ＣＡＡＣ−ＯＳの成膜方法＞
以下では、スパッタリング法によるＣＡＡＣ−ＯＳの成膜モデルの一例について説明する。
【０１１４】
図２３に示すように、成膜室内にはターゲット２４３０がある。ターゲット２４３０は、バッキングプレート２４１０に接着されている。バッキングプレート２４１０を介してターゲット２４３０と重なる位置には、マグネット２４５０が配置される。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２４３０に一定以上の電圧を印加することで、放電が始まり、プラズマを確認することができる。なお、ターゲット２４３０の近傍にはマグネット２４５０の磁場によって、高密度プラズマ領域が形成される。高密度プラズマ領域では、成膜ガスがイオン化することで、イオン２４０１が生じる。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。イオン２４０１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。
【０１１５】
ターゲット２４３０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。一例として、図２４（Ａ）に、ターゲット２４３０に含まれるＩｎＭＺｎＯ４（元素Ｍは、例えばアルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズ）の結晶構造を示す。なお、図２４（Ａ）は、ｂ軸に平行な方向から観察した場合のＩｎＭＺｎＯ４の結晶構造である。ＩｎＭＺｎＯ４の結晶では、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Ｍ−Ｚｎ−Ｏ層の間に斥力が生じている。そのため、ＩｎＭＺｎＯ４の結晶は、近接する二つのＭ−Ｚｎ−Ｏ層の間に劈開面を有する。
【０１１６】
高密度プラズマ領域で生じたイオン２４０１は、電界によってターゲット２４３０側に加速され、やがてターゲット２４３０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２４００が剥離する。なお、ペレット２４００の剥離に伴い、ターゲット２４３０から原子状粒子２４０３も弾き出される。原子状粒子２４０３は、原子１個または原子数個の集合体を有する。そのため、原子状粒子２４０３をａｔｏｍｉｃ  ｐａｒｔｉｃｌｅｓと呼ぶこともできる。
【０１１７】
ターゲットの表面における劈開の様子について、図２５に示す断面図を用いて説明する。図２５（Ａ）は、劈開面（破線部）を有するターゲット２４３０の断面図である。ターゲット２４３０にイオン２４０１が衝突すると、劈開面の端部から結合が切れ始める（図２５（Ｂ）参照。）。劈開した面同士は、同じ極性の電荷が存在することにより反発し合う。そのため、一度結合の切れた箇所における再結合は起こらない。そして、電荷による反発が進行することで、結合の切れた領域は徐々に広がっていく（図２５（Ｃ）参照。）。最終的には、ターゲット２４３０からペレット２４００が剥離する（図２５（Ｄ）参照。）。ペレット２４００は、図２４（Ａ）に示す二つの劈開面に挟まれた部分である。よって、ペレット２４００のみ抜き出すと、その断面は図２４（Ｂ）のようになり、上面は図２４（Ｃ）のようになることがわかる。なお、ペレット２４００は、イオン２４０１の衝突の衝撃によって、構造に歪みが生じる場合がある。
【０１１８】
図２３に示すように、ペレット２４００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。または、ペレット２４００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。ただし、ペレット２４００の形状は、三角形、六角形に限定されない。
【０１１９】
ペレット２４００は、成膜ガスの種類などに応じて厚さが決定する。例えば、ペレット２４００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２４００は、幅を１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以上５０ｎｍ以下、さらに好ましくは１ｎｍ以上３０ｎｍ以下、より好ましくは１ｎｍ以上６ｎｍ以下とする。
【０１２０】
ペレット２４００は、プラズマから電荷を受け取ることで、表面が負または正に帯電する場合がある。例えば、ペレット２４００がプラズマ中にあるＯ２−から負の電荷を受け取る場合がある。その場合、ペレット２４００の表面の酸素原子が負に帯電する。また、ペレット２４００は、プラズマ中で原子状粒子２４０３が側面に付着し、結合することで横成長（一次成長ともいう。）する場合がある。
【０１２１】
プラズマを通過したペレット２４００および原子状粒子２４０３は、基板２４２０の表面に達する。なお、原子状粒子２４０３の一部は、質量が小さいため真空ポンプなどによって外部に排出される場合がある。
【０１２２】
次に、基板２４２０の表面におけるペレット２４００および原子状粒子２４０３の堆積について図２６を用いて説明する。
【０１２３】
まず、一つ目のペレット２４００が基板２４２０に堆積する。ペレット２４００は平板状であるため、平面側を基板２４２０の表面に向けて堆積する。このとき、ペレット２４００の基板２４２０側の表面の電荷が、基板２４２０を介して抜ける。
【０１２４】
次に、二つ目のペレット２４００が、基板２４２０に達する。このとき、既に堆積しているペレット２４００の表面、および二つ目のペレット２４００の表面が電荷を帯びているため、互いに反発し合う力が生じる。その結果、二つ目のペレット２４００は、既に堆積しているペレット２４００上を避け、基板２４２０の表面の少し離れた場所に平面側を基板２４２０の表面に向けて堆積する。これを繰り返すことで、基板２４２０の表面には、無数のペレット２４００が一層分の厚みだけ堆積する。また、ペレット２４００間には、ペレット２４００の堆積していない領域が生じる（図２６（Ａ）参照。）。
【０１２５】
なお、距離が十分に近い場合、二つ目のペレット２４００は、既に堆積しているペレット２４００と相互作用を起こす。その結果、二つ目のペレット２４００は、既に堆積しているペレット２４００とａ軸およびｂ軸の向きが揃うようにｃ軸を中心に回転する場合がある。ただし、ペレット２４００間の相互作用は距離が離れるほど弱まるため、ペレット２４００の向きが揃った領域の大きさは、ペレット２４００間の相互作用が及ぶ領域の範囲内となる。例えば、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下または２０ｎｍ以上７０ｎｍ以下の範囲内でペレット２４００の向きが揃った領域が形成される。
【０１２６】
次に、プラズマからエネルギーを受け取った原子状粒子２４０３が基板２４２０の表面に達する。原子状粒子２４０３は、ペレット２４００の表面などの活性な領域には堆積することができない。そのため、原子状粒子２４０３は、ペレット２４００の堆積していない領域へ動き、ペレット２４００の側面に付着する。原子状粒子２４０３は、プラズマから受け取ったエネルギーにより結合手が活性状態となることで、ペレット２４００と化学的に連結して横成長部２４０２を形成する（図２６（Ｂ）参照。）。さらに、横成長部２４０２が横方向に成長（ラテラル成長または二次成長ともいう。）することで、横成長領域となりペレット２４００間を連結させる（図２６（Ｃ）参照。）。このように、ペレット２４００の堆積していない領域を埋めるまで横成長部２４０２が形成される。このメカニズムは、原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法の堆積メカニズムに類似する。
【０１２７】
したがって、ペレット２４００が離れて堆積した場合でも、ペレット２４００間を原子状粒子２４０３が二次成長しながら埋めるため、ターゲット２４３０から剥離した時点のペレット２４００よりも大きい結晶部（以下グレインと呼ぶ。）が形成される。そして、グレイン間においても原子状粒子２４０３が滑らかに結びつけることにより、明確な結晶粒界が形成されることがない。このようなメカニズムによって形成されることから、単結晶とも多結晶とも異なるグレイン間に歪みを有する結晶構造が形成される。グレイン間を埋める領域は、歪んでいるものの結晶構造の名残を残すため、該領域を指して非晶質構造と呼ぶのは適切ではないと考えられる。
【０１２８】
そして、グレインが繋がった層の上には、新たなペレット２４００が平面側を基板２４２０の表面に向けて堆積する（図２６（Ｄ）参照。）。そして、原子状粒子２４０３が、ペレット２４００の堆積していない領域を埋めるように堆積することで横成長部２４０２を形成する（図２６（Ｅ）参照。）。こうして、原子状粒子２４０３がペレット２４００の側面に付着し、横成長部２４０２が二次成長することで、二層目のペレット２４００間を連結させる（図２６（Ｆ）参照。）。これらは、図２６（Ａ）、図２６（Ｂ）および図２６（Ｃ）で説明したメカニズムと同様のメカニズムによって起こる。そして、ｍ層目（ｍは二以上の整数。）が形成されるまで成膜は続き、積層体を有する薄膜構造となる。
【０１２９】
なお、ペレット２４００の堆積の仕方は、基板２４２０の表面温度などによっても変化する。例えば、基板２４２０の表面温度が高いと、ペレット２４００が基板２４２０の表面で回転し、マイグレーションを起こす。その結果、ペレット２４００間が、原子状粒子２４０３を介さずに連結する割合が増加するため、より配向性の高いＣＡＡＣ−ＯＳとなる。ＣＡＡＣ−ＯＳを成膜する際の基板２４２０の表面温度は、１００℃以上５００℃未満、好ましくは１４０℃以上４５０℃未満、さらに好ましくは１７０℃以上４００℃未満である。したがって、基板２４２０として第８世代以上の大面積基板を用いた場合でも、ＣＡＡＣ−ＯＳの成膜に起因した反りなどはほとんど生じないことがわかる。
【０１３０】
一方、基板２４２０の表面温度が低いと、ペレット２４００が基板２４２０の表面で十分に回転できない。そのため、グレイン間でａ軸およびｂ軸の向きが不揃いとなり、その境界には欠陥が形成される可能性がある。
【０１３１】
ここまでは、ペレットが平板状である場合について説明した。例えば、ペレットがサイコロ状や柱状のような幅の小さなペレットである場合、基板の表面に達したペレットは様々な向きで堆積することになる。そして、ペレットは、それぞれが堆積した向きのまま側面に粒子が付着し、横成長部が二次成長を起こす。その結果、得られる薄膜における結晶の配向性が一様にならない可能性もある。
【０１３２】
また、上述した成膜モデルは、ターゲットが複数の結晶粒を有するＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のような複合酸化物の多結晶構造を有し、いずれかの結晶粒には劈開面が含まれる場合に限定されない。例えば、酸化インジウム、元素Ｍの酸化物および酸化亜鉛を有する混合物のターゲットを用いた場合にも適用することができる。
【０１３３】
混合物のターゲットは劈開面を有さないため、スパッタされるとターゲットからは原子状粒子が剥離する。成膜時には、ターゲット近傍にプラズマの強電界領域が形成されている。そのため、ターゲットから剥離した原子状粒子は、プラズマの強電界領域の作用で連結して横成長（一次成長）する。例えば、まず原子状粒子であるインジウムが連結して横成長してＩｎ−Ｏ層からなるナノ結晶となる。次に、それを補完するように上下にＭ−Ｚｎ−Ｏ層が結合する。このように、混合物のターゲットを用いた場合でも、ペレットが形成される可能性がある。そのため、混合物のターゲットを用いた場合でも、上述した成膜モデルを適用することができる。
【０１３４】
＜二次成長＞
以下では、ペレット２４００の横方向に原子状粒子２４０３が付着（結合または吸着ともいう。）し、二次成長することを説明する。
【０１３５】
図２７（Ａ）、図２７（Ｂ）、図２７（Ｃ）図２７（Ｄ）および図２７（Ｅ）は、ペレット２４００の構造と金属イオンが付着する位置を示す図である。なお、ペレット２４００としては、ＩｎＭＺｎＯ４の結晶構造から、化学量論的組成を保持しつつ、８４個の原子を抜き出したクラスタモデルを仮定している。なお、以下では元素Ｍがガリウムである場合について説明する。また、図２７（Ｆ）は、ペレット２４００をｃ軸に平行な方向から見た構造を示す。図２７（Ｇ）は、ペレット２４００をａ軸に平行な方向からみた構造を示す。
【０１３６】
金属イオンの付着する位置を、位置Ａ、位置Ｂ、位置ａ、位置ｂおよび位置ｃで示す。なお、位置Ａは、ペレット２４００上面において、ガリウム１個、亜鉛２個で囲まれた格子間サイトの上方である。位置Ｂは、ペレット２４００上面おいて、ガリウム２個、亜鉛１個で囲まれた格子間サイトの上方である。位置ａは、ペレット２４００側面のインジウムサイトである。位置ｂは、ペレット２４００側面において、Ｉｎ−Ｏ層と、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層との間の格子間サイトである。位置ｃは、ペレット２４００側面のガリウムサイトである。
【０１３７】
次に、仮定した位置Ａ、位置Ｂ、位置ａ、位置ｂおよび位置ｃに金属イオンを配置した場合の相対エネルギーを第一原理計算によって評価した。第一原理計算には、ＶＡＳＰ（Ｖｉｅｎｎａ  Ａｂ  ｉｎｉｔｉｏ  Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ  Ｐａｃｋａｇｅ）を用いた。また、交換相関ポテンシャルにはＰＢＥ（Ｐｅｒｄｅｗ−Ｂｕｒｋｅ−Ｅｒｎｚｅｒｈｏｆ）型の一般化勾配近似（ＧＧＡ：Ｇｅｎｅｒａｌｌｉｚｅｄ  Ｇｒａｄｉｅｎｔ  Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ）を用い、イオンのポテンシャルにはＰＡＷ（Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ  Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ  Ｗａｖｅ）法を用いた。また、カットオフエネルギーは４００ｅＶとし、ｋ点サンプリングはΓ点のみとした。下表に、位置Ａ、位置Ｂ、位置ａ、位置ｂおよび位置ｃに、インジウムイオン（Ｉｎ３＋）、ガリウムイオン（Ｇａ３＋）および亜鉛イオン（Ｚｎ２＋）を配置した場合の相対エネルギーを示す。なお、相対エネルギーは、計算したモデルにおいて、最もエネルギーが低いモデルのエネルギーを０ｅＶとしたときの相対値である。
【０１３８】
【表１】
2017175101.tif 000006
【０１３９】
その結果、金属イオンはいずれもペレット２４００の上面より、側面に付着しやすいことがわかった。特に、位置ａのインジウムサイトにおいては、インジウムイオンだけでなく、亜鉛イオンも最も付着しやすい結果が得られた。
【０１４０】
同様に、ペレット２４００への酸素イオン（Ｏ２−）の付着しやすさを評価した。図２８（Ａ）、図２８（Ｂ）、図２８（Ｃ）図２８（Ｄ）および図２８（Ｅ）は、ペレット２４００の構造と酸素イオンが付着する位置を示す図である。また、図２８（Ｆ）は、ペレット２４００をｃ軸に平行な方向から見た構造を示す。図２８（Ｇ）は、ペレット２４００をｂ軸に平行な方向からみた構造を示す。
【０１４１】
酸素イオンの付着する位置を、位置Ｃ、位置Ｄ、位置ｄ、位置ｅおよび位置ｆで示す。なお、位置Ｃは、ペレット２４００上面のガリウムと結合する位置である。位置Ｄは、ペレット２４００上面の亜鉛と結合する位置である。位置ｄは、ペレット２４００側面のインジウムと結合する位置である。位置ｅは、ペレット２４００側面のガリウムと結合する位置である。位置ｆは、ペレット２４００側面の亜鉛と結合する位置である。
【０１４２】
次に、仮定した位置Ｃ、位置Ｄ、位置ｄ、位置ｅおよび位置ｆに酸素イオンを配置した場合の相対エネルギーを第一原理計算によって評価する。下表に、位置Ｃ、位置Ｄ、位置ｄ、位置ｅおよび位置ｆに、酸素イオン（Ｏ２−）を配置した場合の相対エネルギーを示す。
【０１４３】
【表２】
2017175101.tif 000007
【０１４４】
その結果、酸素イオンもペレット２４００の上面より、側面に付着しやすいことがわかった。
【０１４５】
したがって、ペレット２４００に近づいた原子状粒子２４０３は、ペレット２４００の側面に優先的に付着していくことがわかる。即ち、ペレット２４００の側面に付着した原子状粒子２４０３によって、ペレット２４００の二次成長が起こる上述の成膜モデルは妥当性が高いといえる。
【０１４６】
＜原子数比を説明する図＞
次に、本発明の一態様の酸化物半導体が有する酸化物半導体の原子数比について説明する。
【０１４７】
ある物質が元素Ｘ、元素Ｙ、および元素Ｚを有する場合に、各元素の原子数比は図６を用いて示すことができる。元素Ｘ、元素Ｙ、および元素Ｚの原子数比を、ｘ、ｙ、およびｚを用いて、ｘ：ｙ：ｚと表す。ここで原子数比は座標（ｘ：ｙ：ｚ）として図６中に表すことができる。
【０１４８】
図６（Ａ）及び図６（Ｂ）には、Ｘ、Ｙ及びＺを頂点とする正三角形と、座標点の例として座標点Ｒ（４：２：１）を示す。それぞれの元素の原子数比は、各頂点に近いほど高く、遠いほど低い。また、図６（Ａ）に示すようにそれぞれの原子数比は、座標点から、その三角形の頂点の対辺までの垂線の長さの比であらわされる。例えば、元素Ｘの原子数比であれば、座標点から頂点Ｘの対辺、すなわち辺ＹＺまでの垂線２１の長さで表される。よって、図６に示す座標Ｒは、元素Ｘ、元素Ｙ及び元素Ｚの原子数比が垂線２１、垂線２２及び垂線２３の長さの比、すなわちｘ：ｙ：ｚ＝４：２：１であることを表す。また、頂点Ｘと座標点Ｒを通る直線が辺ＹＺと交わる点をγとする。この時、線分Ｙγの長さと線分γＺの長さの比をＹγ：γＺとすると、Ｙγ：γＺ＝（元素Ｚの原子数）：（元素Ｙの原子数）となる。すなわち、ｘ：ｙ：ｚ＝４：２：１の例では、Ｙγ：γＺ＝１：２となる。
【０１４９】
また、図６（Ｂ）に示すように、座標点Ｒを通り、三角形の３辺とそれぞれ平行な３つの直線を引く。この時３つの直線と３辺との交点を用いて、ｘ、ｙ、及びｚは図６（Ｂ）に示す通り表すことができる。
【０１５０】
＜酸化物半導体の原子数比＞
続いて、図１乃至図５を用いて、本発明に係る酸化物半導体が有するインジウム、元素Ｍ及び亜鉛の原子数比の好ましい範囲について説明する。なお、酸素の原子数比については記載しない。また、酸化物半導体が有するインジウム、元素Ｍ、及び亜鉛の原子数比のそれぞれの項を［Ｉｎ］、［Ｍ］、および［Ｚｎ］とする。
【０１５１】
図１、図２、図３、図４、および図５において、破線は、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：１の原子数比（−１≦α≦１）となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：２の原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：３の原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：４の原子数比となるライン、及び［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：５の原子数比となるラインを表す。
【０１５２】
また、一点鎖線は、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：βの原子数比（β≧０  ）となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：２：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：３：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：４：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：７：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝２：１：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝３：１：βの原子数比となるライン、及び［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：１：βの原子数比となるラインを表す。
【０１５３】
また、図１乃至図６に示す黒丸は、スピネル型の結晶構造を有するＺｎＭ２Ｏ４を示す座標である。
【０１５４】
図１では、本発明の一態様の酸化物半導体が有する、Ｉｎ、元素Ｍ、及びＺｎの原子数比の好ましい範囲の一例について示している。
【０１５５】
酸化物半導体中に複数の結晶構造が共存する場合がある（二相共存、三相共存など）。例えば、図４において、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：２：１、およびその近傍値である領域１７で表される場合、スピネル型の結晶構造と、層状構造の二相が共存しやすい。また、図４において、原子数比がＩｎを示す座標、またはその近傍値である領域１８で表される場合、Ｉｎ２Ｏ３の立方晶系ビックスバイト型の結晶構造と、層状構造の二相が共存しやすい。
【０１５６】
酸化物半導体中に複数の結晶構造が共存する場合、異なる結晶構造の間において、結晶粒界（グレインバウンダリーともいう）が形成され、酸化物半導体の電気特性、または信頼性が悪くなる場合がある。または、酸化物半導体中に複数の結晶構造が共存する場合、酸化物半導体のばらつきの要因ともなり得る。
【０１５７】
また、Ｉｎの含有率を多くすることで、酸化物半導体の電子移動度を高くすることができる。一方、酸化物半導体中にＩｎおよびＺｎが少なくなると、電子移動度が小さくなる蓋然性が高い。従って、図５において、原子数比が元素Ｍを示す座標、またはその近傍値である領域１９で表される場合は、絶縁性が高くなる可能性がある。
【０１５８】
従って、本発明の一態様の酸化物半導体は、領域１７、領域１８、領域１９を除いた、電子移動度が高く、かつ、層状構造を示す結晶構造である、図１の領域１０で示される原子数比を有するものとする。
【０１５９】
また、ここで、図７（Ａ）に［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：１となるＩｎＧａＺｎＯ４の結晶モデルを示す。［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：１となる酸化物半導体は、（ＩｎＯ２）−層が１層に対し、（ＧａＺｎＯ２）＋層が２層ずつ積み重なる層状構造を形成している。
【０１６０】
また、図７（Ｂ）に［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝４：２：３となるＩｎ１．３３Ｇａ０．６７ＺｎＯ４の結晶モデルを示す。ＩｎとＧａは、両原子とも３価であり、置換可能である。図７（Ｂ）に示す結晶モデルは、図７（Ａ）の（ＧａＺｎＯ２）＋層の一部のＧａがＩｎに置換され、（ＩｎγＧａ１−γＺｎＯ２）＋層となり、（ＩｎＯ２）−層が１層に対し、（ＩｎγＧａ１−γＺｎＯ２）＋層が２層ずつ積み重なる層状構造を形成している。さらに、図示しないが、Ｇａの組成が高くなると、（ＩｎＯ２）−層の一部のＩｎがＧａと置換され、（Ｉｎ１−γＧａγＯ２）−層と（ＧａＺｎＯ２）＋層の層状構造を形成し、結晶化する。
【０１６１】
つまり、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：１となる酸化物半導体は、α＝０の場合に、（ＩｎＯ２）−層が１層に対し、（ＧａＺｎＯ２）＋層が２層である層状構造に結晶化する。また、１≧α＞０の場合に、（ＩｎＯ２）−層が１層に対し、（ＩｎγＧａ１−γＺｎＯ２）＋層が２層である層状構造に結晶化する。さらに、０＞α≧−１の場合に、（Ｉｎ１−γＧａγＯ２）−層が１層に対し、（ＧａＺｎＯ２）＋層が２層である層状構造に結晶化する。
【０１６２】
従って、相図において、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｍ］＝（１＋α）：（１−α）で表されるラインに沿った領域で示される酸化物半導体は、層状構造を形成し、結晶化するため、同じ結晶構造となる蓋然性が高い。
【０１６３】
また、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：２となる酸化物半導体は、（ＩｎＯ２）−層が１層に対し、（ＧａＺｎＯ２）＋層が３層ずつ積み重なる層状構造を形成している。従って、［Ｚｎ］が整数となる場合、（ＩｎＯ２）−層と（ＧａＺｎＯ２）＋層が、周期的に積層された構造で層状構造を形成し、結晶となる。
【０１６４】
また、［Ｚｎ］が正の非整数である場合でも、層状構造を形成し、結晶化する場合がある。例えば、１＜［Ｚｎ］＜２の場合では、［Ｚｎ］＝１の場合に形成される層状構造と、［Ｚｎ］＝２の場合に形成される層状構造を有する層状構造を形成し、結晶化する。
【０１６５】
従って、本発明の一態様の酸化物半導体としては、図２に示す、領域１１、領域１２、領域１３、領域１４、および領域１５で示される原子数比を有することが好ましい。なお、領域１１は、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：１、またはその近傍値の原子数比を示している。領域１２は、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：２、またはその近傍値の原子数比を示している。領域１３は、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：３、またはその近傍値の原子数比を示している。領域１４は、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：４、またはその近傍値の原子数比を示している。領域１５は、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：５、またはその近傍値の原子数比を示している。
【０１６６】
特に、図３に示す領域１６で示される原子数比を有する酸化物半導体は、特性バラつき、および構造変化が少なく、また、高電子移動度であるため好適である。なお、領域１６は、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝４：２：３から［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝４：２：４．１、およびその近傍値を示している。
【０１６７】
なお、酸化物半導体が、層状構造を形成する条件は、原子数比によって一義的に定まらない。原子数比により、層状構造を形成するための難易の差はあるが、同じ原子数比であっても、形成条件により、層状構造になる場合も層状構造にならない場合もある。従って、図示する領域は、酸化物半導体が層状構造を形成することができる原子数比を示す領域であり、領域１０乃至領域１９の境界は厳密ではない。
【０１６８】
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。
【０１６９】
（実施の形態２）
本実施の形態においては、本発明の一態様の酸化物半導体を有する半導体装置、及び当該半導体装置の作製方法について、図２９乃至図４１を参照して説明する。
【０１７０】
＜２−１．半導体装置の構成例＞
図２９（Ａ）は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ２００の上面図であり、図２９（Ｂ）は、図２９（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し、図２９（Ｃ）は、図２９（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当する。なお、図２９（Ａ）において、煩雑になることを避けるため、トランジスタ２００の構成要素の一部（ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜等）を省略して図示している。また、一点鎖線Ｘ１−Ｘ２方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｙ１−Ｙ２方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。なお、トランジスタの上面図においては、以降の図面においても図２９（Ａ）と同様に、構成要素の一部を省略して図示する場合がある。
【０１７１】
トランジスタ２００は、基板２０２上のゲート電極として機能する導電膜２０４と、基板２０２及び導電膜２０４上の絶縁膜２０６と、絶縁膜２０６上の絶縁膜２０７と、絶縁膜２０７上の酸化物２０８と、酸化物２０８に電気的に接続されるソース電極として機能する導電膜２１２ａと、酸化物２０８に電気的に接続されるドレイン電極として機能する導電膜２１２ｂと、を有する。また、トランジスタ２００上、より詳しくは、導電膜２１２ａ、２１２ｂ及び酸化物２０８上には絶縁膜２１４、２１６、及び絶縁膜２１８が設けられる。絶縁膜２１４、２１６、及び絶縁膜２１８は、トランジスタ２００の保護絶縁膜としての機能を有する。
【０１７２】
また、絶縁膜２０６及び絶縁膜２０７は、トランジスタ２００のゲート絶縁膜としての機能を有する。
【０１７３】
酸化物２０８に、先の実施の形態１に示す酸化物半導体を用いることができる。本発明の一態様の酸化物半導体は、層状構造の結晶構造からなる酸化物半導体であるため、信頼性の高いトランジスタ２００とすることができる。
【０１７４】
以下に、本実施の形態の半導体装置に含まれる構成要素について、詳細に説明する。
【０１７５】
［基板］
基板２０２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２０２として用いてもよい。また、シリコンや炭化シリコンを材料とした単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム等の化合物半導体基板、ＳＯＩ基板等を適用することも可能であり、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板２０２として用いてもよい。なお、基板２０２として、ガラス基板を用いる場合、第６世代（１５００ｍｍ×１８５０ｍｍ）、第７世代（１８７０ｍｍ×２２００ｍｍ）、第８世代（２２００ｍｍ×２４００ｍｍ）、第９世代（２４００ｍｍ×２８００ｍｍ）、第１０世代（２９５０ｍｍ×３４００ｍｍ）などの大面積基板を用いることで、大型の表示装置を作製することができる。このような大面積基板を用いることで製造コストを低減させることができるため好ましい。
【０１７６】
また、基板２０２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２００を形成してもよい。または、基板２０２とトランジスタ２００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２０２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２００を耐熱性の劣る基板や可撓性の基板にも転載できる。
【０１７７】
［ゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極として機能する導電膜］
ゲート電極として機能する導電膜２０４、及びソース電極として機能する導電膜２１２ａ、及びドレイン電極として機能する導電膜２１２ｂとしては、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）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それぞれ形成することができる。
【０１７８】
また、導電膜２０４、２１２ａ、２１２ｂ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を組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
【０１７９】
また、導電膜２０４、２１２ａ、２１２ｂには、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、酸化シリコンを添加した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。
【０１８０】
また、導電膜２０４、２１２ａ、２１２ｂには、Ｃｕ−Ｘ合金膜（Ｘは、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔａ、またはＴｉ）を適用してもよい。Ｃｕ−Ｘ合金膜を用いることで、ウエットエッチングプロセスで加工できるため、製造コストを抑制することが可能となる。
【０１８１】
［ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜］
トランジスタ２００のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜２０６、２０７としては、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ：（Ｐｌａｓｍａ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ））法、スパッタリング法等により、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化イットリウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ガリウム膜、酸化タンタル膜、酸化マグネシウム膜、酸化ランタン膜、酸化セリウム膜および酸化ネオジム膜を一種以上含む絶縁層を、それぞれ用いることができる。なお、絶縁膜２０６、２０７の積層構造とせずに、上述の材料から選択された単層の絶縁膜、または３層以上の絶縁膜を用いてもよい。
【０１８２】
また、絶縁膜２０６は、酸素の透過を抑制するブロッキング膜としての機能を有する。例えば、絶縁膜２０７、２１４、２１６及び／または酸化物２０８中に過剰の酸素を供給する場合において、絶縁膜２０６は酸素の透過を抑制することができる。
【０１８３】
なお、トランジスタ２００のチャネル領域として機能する酸化物２０８と接する絶縁膜２０７は、酸化物絶縁膜であることが好ましく、化学量論的組成よりも過剰に酸素を含有する領域（酸素過剰領域）を有することがより好ましい。別言すると、絶縁膜２０７は、酸素を放出することが可能な絶縁膜である。なお、絶縁膜２０７に酸素過剰領域を設けるには、例えば、酸素雰囲気下にて絶縁膜２０７を形成すればよい。または、成膜後の絶縁膜２０７に酸素を導入して、酸素過剰領域を形成してもよい。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理等を用いることができる。
【０１８４】
また、絶縁膜２０７として、酸化ハフニウムを用いる場合、以下の効果を奏する。酸化ハフニウムは、酸化シリコンや酸化窒化シリコンと比べて比誘電率が高い。したがって、酸化シリコンを用いた場合と比べて、絶縁膜２０７の膜厚を大きくできるため、トンネル電流によるリーク電流を小さくすることができる。すなわち、オフ電流の小さいトランジスタを実現することができる。さらに、結晶構造を有する酸化ハフニウムは、非晶質構造を有する酸化ハフニウムと比べて高い比誘電率を備える。したがって、オフ電流の小さいトランジスタとするためには、結晶構造を有する酸化ハフニウムを用いることが好ましい。結晶構造の例としては、単斜晶系や立方晶系などが挙げられる。ただし、本発明の一態様は、これらに限定されない。
【０１８５】
なお、本実施の形態では、絶縁膜２０６として窒化シリコン膜を形成し、絶縁膜２０７として酸化シリコン膜を形成する。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、酸化シリコン膜と同等の静電容量を得るのに必要な膜厚が大きいため、トランジスタ２００のゲート絶縁膜として、窒化シリコン膜を含むことで絶縁膜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２００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、トランジスタ２００の静電破壊を抑制することができる。
【０１８６】
［酸化物半導体］
酸化物２０８としては、実施の形態１に示す本発明の一態様の酸化物半導体を用いることができる。
【０１８７】
また、酸化物２０８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２００のオフ電流を低減することができる。
【０１８８】
また、酸化物２０８としては、キャリア密度の低い酸化物半導体を用いる。例えば、酸化物２０８は、キャリア密度が８×１０１１／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１０／ｃｍ３未満であり、１×１０−９／ｃｍ３以上とすればよい。
【０１８９】
なお、これらに限られず、必要とするトランジスタの半導体特性及び電気特性（電界効果移動度、しきい値電圧等）に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とするトランジスタの半導体特性を得るために、酸化物２０８のキャリア密度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。
【０１９０】
なお、酸化物２０８としては、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い酸化物半導体を用いることで、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好ましい。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。したがって、該酸化物半導体にチャネル領域が形成されるトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性（ノーマリーオンともいう。）になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体は、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は、オフ電流が著しく小さく、チャネル幅が１×１０６μｍでチャネル長Ｌが１０μｍの素子であっても、ソース電極とドレイン電極間の電圧（ドレイン電圧）が１Ｖから１０Ｖの範囲において、オフ電流が、半導体パラメータアナライザの測定限界以下、すなわち１×１０−１３Ａ以下という特性を得ることができる。
【０１９１】
したがって、上記高純度真性、または実質的に高純度真性の酸化物半導体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することができる。なお、酸化物半導体のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失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、トラップ準位密度の高い酸化物半導体にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。
【０１９２】
高純度真性の酸化物２０８としては、例えば、酸化物２０８がＩｎと、Ｇａと、Ｚｎと、を有する場合、Ｉｎと、Ｇａと、Ｚｎと、Ｏとの合計が９９．９７ａｔｏｍｉｃ％以上である領域を有すると好ましい。
【０１９３】
酸化物半導体に含まれる水素は、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。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して、キャリアである電子を生成することがある。したがって、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。このため、酸化物２０８は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２０８において、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる水素濃度を、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、より好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする。別言すると、酸化物２０８は、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満である領域を有する。
【０１９４】
また、酸化物２０８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２０８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２０８におけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物２０８との界面近傍のシリコンや炭素の濃度（ＳＩＭＳ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。
【０１９５】
また、酸化物２０８において、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、当該アルカリ金属または当該アルカリ土類金属が酸化物半導体と結合しキャリアを生成する場合がある。したがって、アルカリ金属またはアルカリ土類金属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。このため、酸化物２０８中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。具体的には、ＳＩＭＳにより得られる酸化物２０８中の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。
【０１９６】
また、酸化物２０８において、鉄、ニッケル、及びシリコンが含まれると、鉄ニッケル、及びシリコンが酸化物半導体と結合しキャリアを生成する場合がある。したがって、鉄、ニッケル、及びシリコン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。このため、酸化物２０８中の鉄、ニッケル、及びシリコンの濃度を低減することが好ましい。例えば、酸化物２０８中の鉄、ニッケル、及びシリコンの合計の不純物濃度を０．０３ａｔｏｍｉｃ％未満とすればよい。
【０１９７】
また、酸化物２０８において、窒素が含まれると、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、該酸化物半導体において、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、ＳＩＭＳ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。
【０１９８】
［トランジスタの保護絶縁膜として機能する絶縁膜］
絶縁膜２１４、２１６は、酸化物２０８に酸素を供給する機能を有する。また、絶縁膜２１８は、トランジスタ２００の保護絶縁膜としての機能を有する。また、絶縁膜２１４、２１６は、酸素を有する。また、絶縁膜２１４は、酸素を透過することのできる絶縁膜である。なお、絶縁膜２１４は、後に形成する絶縁膜２１６を形成する際の、酸化物２０８へのダメージ緩和膜としても機能する。
【０１９９】
絶縁膜２１４としては、厚さが５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上５０ｎｍ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。
【０２００】
また、絶縁膜２１４は、欠陥量が少ないことが好ましく、代表的には、ＥＳＲ測定により、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝２．００１に現れる信号のスピン密度が３×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。これは、絶縁膜２１４に含まれる欠陥密度が多いと、該欠陥に酸素が結合してしまい、絶縁膜２１４における酸素の透過量が減少してしまう。
【０２０１】
なお、絶縁膜２１４においては、外部から絶縁膜２１４に入った酸素が全て絶縁膜２１４の外部に移動せず、絶縁膜２１４にとどまる酸素もある。また、絶縁膜２１４に酸素が入ると共に、絶縁膜２１４に含まれる酸素が絶縁膜２１４の外部へ移動することで、絶縁膜２１４において酸素の移動が生じる場合もある。絶縁膜２１４として酸素を透過することができる酸化物絶縁膜を形成すると、絶縁膜２１４上に設けられる、絶縁膜２１６から脱離する酸素を、絶縁膜２１４を介して酸化物２０８に移動させることができる。
【０２０２】
また、絶縁膜２１４は、窒素酸化物に起因する準位密度が低い酸化物絶縁膜を用いて形成することができる。なお、当該窒素酸化物に起因する準位密度は、酸化物半導体膜の価電子帯の上端のエネルギー（Ｅｖ＿ｏｓ）と酸化物半導体膜の伝導帯の下端のエネルギー（Ｅｃ＿ｏｓ）の間に形成され得る場合がある。
【０２０３】
なお、窒素酸化物の放出量の少ない酸化窒化シリコン膜は、昇温脱離ガス分析法において、窒素酸化物の放出量よりアンモニアの放出量が多い膜であり、代表的にはアンモニア分子の放出量が１×１０１８分子／ｃｍ３以上５×１０１９分子／ｃｍ３以下である。なお、アンモニアの放出量は、膜の表面温度が５０℃以上６５０℃以下、好ましくは５０℃以上５５０℃以下の加熱処理による放出量とする。
【０２０４】
窒素酸化物（ＮＯｘ、ｘは０より大きく２以下、好ましくは１以上２以下）、代表的にはＮＯ２またはＮＯは、絶縁膜２１４などに準位を形成する。当該準位は、酸化物２０８のエネルギーギャップ内に位置する。そのため、窒素酸化物が、絶縁膜２１４及び酸化物２０８の界面に拡散すると、当該準位が絶縁膜２１４側において電子をトラップする場合がある。この結果、トラップされた電子が、絶縁膜２１４及び酸化物２０８界面近傍に留まるため、トランジスタのしきい値電圧をプラス方向にシフトさせてしまう。
【０２０５】
また、窒素酸化物は、加熱処理においてアンモニア及び酸素と反応する。絶縁膜２１４に含まれる窒素酸化物は、加熱処理において、絶縁膜２１６に含まれるアンモニアと反応するため、絶縁膜２１４に含まれる窒素酸化物が低減される。このため、絶縁膜２１４及び酸化物２０８の界面において、電子がトラップされにくい。
【０２０６】
絶縁膜２１４として、上記酸化物絶縁膜を用いることで、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。
【０２０７】
なお、トランジスタの作製工程の加熱処理、代表的には４００℃未満または３７５℃未満（好ましくは、３４０℃以上３６０℃以下）の加熱処理により、絶縁膜２１４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以下の第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。
【０２０８】
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より大きく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以下の第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。
【０２０９】
また、上記酸化物絶縁膜は、ＳＩＭＳで測定される窒素濃度が６×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。
【０２１０】
基板温度が２２０℃以上３５０℃以下であり、シラン及び一酸化二窒素を用いたＰＥＣＶＤ法を用いて、上記酸化物絶縁膜を形成することで、緻密であり、且つ硬度の高い膜を形成することができる。
【０２１１】
絶縁膜２１６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、昇温脱離ガス分光法（ＴＤＳ：Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）にて、酸素原子に換算しての酸素の放出量が１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／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。なお、上記ＴＤＳにおける膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲が好ましい。
【０２１２】
絶縁膜２１６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。
【０２１３】
また、絶縁膜２１６は、欠陥量が少ないことが好ましく、代表的には、ＥＳＲ測定により、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝２．００１に現れる信号のスピン密度が１．５×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満、さらには１×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。なお、絶縁膜２１６は、絶縁膜２１４と比較して酸化物２０８から離れているため、絶縁膜２１４より、欠陥密度が多くともよい。
【０２１４】
また、絶縁膜２１４、２１６は、同種の材料の絶縁膜を用いることができるため、絶縁膜２１４と絶縁膜２１６との界面が明確に確認できない場合がある。したがって、本実施の形態においては、絶縁膜２１４と絶縁膜２１６の界面を破線で図示している。なお、本実施の形態においては、絶縁膜２１４と絶縁膜２１６との２層構造について説明したが、これに限定されず、例えば、絶縁膜２１４または絶縁膜２１６の単層構造としてもよい。
【０２１５】
絶縁膜２１８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できる機能を有する。絶縁膜２１８を設けることで、酸化物２０８からの酸素の外部への拡散と、絶縁膜２１４、２１６に含まれる酸素の外部への拡散と、外部から酸化物２０８への水素、水等の入り込みを防ぐことができる。
【０２１６】
絶縁膜２１８としては、例えば、窒化物絶縁膜を用いることができる。該窒化物絶縁膜としては、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。なお、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。
【０２１７】
＜２−２．半導体装置の構成例＞
次に、図２９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２００と異なる構成例について、図３０（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）を用いて説明する。
【０２１８】
図３０（Ａ）は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ２５０の上面図であり、図３０（Ｂ）は、図３０（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し、図３０（Ｃ）は、図３０（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当する。
【０２１９】
トランジスタ２５０は、基板２０２上のゲート電極として機能する導電膜２０４と、基板２０２及び導電膜２０４上の絶縁膜２０６と、絶縁膜２０６上の絶縁膜２０７と、絶縁膜２０７上の酸化物２０８と、酸化物２０８上の絶縁膜２１４、２１６と、絶縁膜２１４、２１６に設けられる開口部２５１ａを介して酸化物２０８に電気的に接続されるソース電極として機能する導電膜２１２ａと、絶縁膜２１４、２１６に設けられる開口部２５１ｂを介して酸化物２０８に電気的に接続されるドレイン電極として機能する導電膜２１２ｂと、を有する。また、トランジスタ２５０上、より詳しくは、導電膜２１２ａ、２１２ｂ、及び絶縁膜２１６上には絶縁膜２１８が設けられる。絶縁膜２１４、２１６は、酸化物２０８の保護絶縁膜としての機能を有する。絶縁膜２１８は、トランジスタ２５０の保護絶縁膜としての機能を有する。
【０２２０】
先に示すトランジスタ２００においては、チャネルエッチ型の構造であったのに対し、図３０（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２５０は、チャネル保護型の構造である。このように、本発明の一態様の酸化物半導体は、チャネルエッチ型及びチャネル保護型の双方のトランジスタに適用することができる。その他の構成は、トランジスタ２００と同様であり、同様の効果を奏する。
【０２２１】
＜２−３．半導体装置の構成例＞
次に、図３０（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２５０と異なる構成例について、図３１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）を用いて説明する。
【０２２２】
図３１（Ａ）は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ２６０の上面図であり、図３１（Ｂ）は、図３１（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し、図３１（Ｃ）は、図３１（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当する。
【０２２３】
トランジスタ２６０は、基板２０２上のゲート電極として機能する導電膜２０４と、基板２０２及び導電膜２０４上の絶縁膜２０６と、絶縁膜２０６上の絶縁膜２０７と、絶縁膜２０７上の酸化物２０８と、酸化物２０８上の絶縁膜２１４、２１６と、酸化物２０８に電気的に接続されるソース電極として機能する導電膜２１２ａと、酸化物２０８に電気的に接続されるドレイン電極として機能する導電膜２１２ｂと、を有する。また、トランジスタ２６０上、より詳しくは、導電膜２１２ａ、２１２ｂ、及び絶縁膜２１６上には絶縁膜２１８が設けられる。絶縁膜２１４、２１６は、酸化物２０８の保護絶縁膜としての機能を有する。絶縁膜２１８は、トランジスタ２６０の保護絶縁膜としての機能を有する。
【０２２４】
トランジスタ２６０は、図３０（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２５０と絶縁膜２１４、２１６の形状が相違する。具体的には、トランジスタ２６０の絶縁膜２１４、２１６は、酸化物２０８のチャネル領域上に島状に設けられる。その他の構成は、トランジスタ２５０と同様であり、同様の効果を奏する。
【０２２５】
＜２−４．半導体装置の構成例＞
次に、図２９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２００と異なる構成例について、図３２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）を用いて説明する。
【０２２６】
図３２（Ａ）は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ２７０の上面図であり、図３２（Ｂ）は、図３２（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し、図３２（Ｃ）は、図３２（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当する。
【０２２７】
トランジスタ２７０は、基板２０２上の第１のゲート電極として機能する導電膜２０４と、基板２０２及び導電膜２０４上の絶縁膜２０６と、絶縁膜２０６上の絶縁膜２０７と、絶縁膜２０７上の酸化物２０８と、酸化物２０８上の絶縁膜２１４、２１６と、酸化物２０８に電気的に接続されるソース電極として機能する導電膜２１２ａと、酸化物２０８に電気的に接続されるドレイン電極として機能する導電膜２１２ｂと、導電膜２１２ａ、２１２ｂ及び絶縁膜２１６上の絶縁膜２１８と、絶縁膜２１８上の導電膜２２０ａ、２２０ｂと、を有する。
【０２２８】
また、トランジスタ２７０において、絶縁膜２１４、２１６及び絶縁膜２１８は、トランジスタ２７０の第２のゲート絶縁膜としての機能を有する。また、トランジスタ２７０において、導電膜２２０ａは、例えば、表示装置に用いる画素電極としての機能を有する。また、導電膜２２０ａは、絶縁膜２１４、２１６及び絶縁膜２１８に設けられる開口部２５２ｃを介して、導電膜２１２ｂと接続される。また、トランジスタ２７０において、導電膜２２０ｂは、第２のゲート電極（バックゲート電極ともいう）として機能する。
【０２２９】
また、図３２（Ｃ）に示すように導電膜２２０ｂは、絶縁膜２０６、２０７、絶縁膜２１４、２１６、及び絶縁膜２１８に設けられる開口部２５２ａ、２５２ｂにおいて、第１のゲート電極として機能する導電膜２０４に接続される。よって、導電膜２２０ｂと導電膜２０４とは、同じ電位が与えられる。
【０２３０】
なお、本実施の形態においては、開口部２５２ａ、２５２ｂを設け、導電膜２２０ｂと導電膜２０４を接続する構成について例示したが、これに限定されない。例えば、開口部２５２ａまたは開口部２５２ｂのいずれか一方の開口部のみを形成し、導電膜２２０ｂと導電膜２０４を接続する構成、または開口部２５２ａ及び開口部２５２ｂを設けずに、導電膜２２０ｂと導電膜２０４を接続しない構成としてもよい。なお、導電膜２２０ｂと導電膜２０４を接続しない構成の場合、導電膜２２０ｂと導電膜２０４には、それぞれ異なる電位を与えることができる。
【０２３１】
また、図３２（Ｂ）に示すように、酸化物２０８は、第１のゲート電極として機能する導電膜２０４と、第２のゲート電極として機能する導電膜２２０ｂのそれぞれと対向するように位置し、２つのゲート電極として機能する導電膜に挟まれている。第２のゲート電極として機能する導電膜２２０ｂのチャネル長方向の長さ及びチャネル幅方向の長さは、酸化物２０８のチャネル長方向の長さ及びチャネル幅方向の長さよりもそれぞれ長く、酸化物２０８の全体は、絶縁膜２１４、２１６及び絶縁膜２１８を介して導電膜２２０ｂに覆われている。また、第２のゲート電極として機能する導電膜２２０ｂと第１のゲート電極として機能する導電膜２０４とは、絶縁膜２０６、２０７、絶縁膜２１４、２１６、及び絶縁膜２１８に設けられる開口部２５２ａ、２５２ｂにおいて接続されるため、酸化物２０８のチャネル幅方向の側面は、絶縁膜２１４、２１６、及び絶縁膜２１８を介して第２のゲート電極として機能する導電膜２２０ｂと対向している。
【０２３２】
別言すると、トランジスタ２７０のチャネル幅方向において、第１のゲート電極として機能する導電膜２０４及び第２のゲート電極として機能する導電膜２２０ｂは、第１のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜２０６、２０７及び第２のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜２１４、２１６、及び絶縁膜２１８に設けられる開口部において接続すると共に、第１のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜２０６、２０７並びに第２のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜２１４、２１６、及び絶縁膜２１８を介して酸化物２０８を囲む構成である。
【０２３３】
このような構成を有することで、トランジスタ２７０に含まれる酸化物２０８を、第１のゲート電極として機能する導電膜２０４及び第２のゲート電極として機能する導電膜２２０ｂの電界によって電気的に囲むことができる。トランジスタ２７０のように、第１のゲート電極及び第２のゲート電極の電界によって、チャネル領域が形成される酸化物半導体を電気的に囲むトランジスタのデバイス構造をｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ  ｃｈａｎｎｅｌ（ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造と呼ぶことができる。
【０２３４】
トランジスタ２７０は、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有するため、第１のゲート電極として機能する導電膜２０４によってチャネルを誘起させるための電界を効果的に酸化物２０８に印加することができるため、トランジスタ２７０の電流駆動能力が向上し、高いオン電流特性を得ることが可能となる。また、オン電流を高くすることが可能であるため、トランジスタ２７０を微細化することが可能となる。また、トランジスタ２７０は、第１のゲート電極として機能する導電膜２０４及び第２のゲート電極として機能する導電膜２２０ｂによって囲まれた構造を有するため、トランジスタ２７０の機械的強度を高めることができる。
【０２３５】
＜２−５．半導体装置の構成例＞
次に、図３２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２７０と異なる構成例について、図３３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）を用いて説明する。
【０２３６】
図３３（Ａ）（Ｂ）は、図３２（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２７０の変形例の断面図である。また、図３３（Ｃ）（Ｄ）は、図３２（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２７０の変形例の断面図である。
【０２３７】
図３３（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタ２７０Ａは、図３２（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２７０が有する酸化物２０８を３層の積層構造としている。より具体的には、トランジスタ２７０Ａが有する酸化物２０８は、酸化物２０８ａと、酸化物２０８ｂと、酸化物２０８ｃと、を有する。
【０２３８】
図３３（Ｃ）（Ｄ）に示すトランジスタ２７０Ｂは、図３２（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２７０が有する酸化物２０８を２層の積層構造としている。より具体的には、トランジスタ２７０Ｂが有する酸化物２０８は、酸化物２０８ｂと、酸化物２０８ｃと、を有する。
【０２３９】
ここで、酸化物２０８及び酸化物２０８に接する絶縁膜のバンド構造について、図３４を用いて説明する。
【０２４０】
図３４（Ａ）は、絶縁膜２０７、酸化物２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、及び絶縁膜２１４を有する積層構造の膜厚方向のバンド構造の一例である。また、図３４（Ｂ）は、絶縁膜２０７、酸化物２０８ｂ、２０８ｃ、及び絶縁膜２１４を有する積層構造の膜厚方向のバンド構造の一例である。なお、バンド構造は、理解を容易にするため絶縁膜２０７、酸化物２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、及び絶縁膜２１４の伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ）を示す。
【０２４１】
また、図３４（Ａ）は、絶縁膜２０７、２１４として酸化シリコン膜を用い、酸化物２０８ａとして金属元素の原子数比を  ［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１．２の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体を用い、酸化物２０８ｂとして金属元素の原子数比を［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：４．１の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体を用い、酸化物２０８ｃとして金属元素の原子数比を［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１．２の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体を用いる構成のバンド図である。
【０２４２】
また、図３４（Ｂ）は、絶縁膜２０７、２１４として酸化シリコン膜を用い、酸化物２０８ｂとして金属元素の原子数比を［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：４．１の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体を用い、酸化物２０８ｃとして金属元素の原子数比を［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１．２の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体を用いる構成のバンド図である。
【０２４３】
図３４（Ａ）（Ｂ）に示すように、酸化物２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃにおいて、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようなバンド構造を有するためには、酸化物２０８ａと酸化物２０８ｂとの界面、または酸化物２０８ｂと酸化物２０８ｃとの界面において、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とする。
【０２４４】
酸化物２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃに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。
【０２４５】
図３４（Ａ）（Ｂ）に示す構成とすることで酸化物２０８ｂがウェル（井戸）となり、上記積層構造を用いたトランジスタにおいて、チャネル領域が酸化物２０８ｂに形成されることがわかる。
【０２４６】
なお、酸化物２０８ａ、２０８ｃを設けることにより、酸化物２０８ｂに形成されうるトラップ準位を酸化物２０８ｂより遠ざけることができる。
【０２４７】
また、トラップ準位がチャネル領域として機能する酸化物２０８ｂの伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ）より真空準位から遠くなることがあり、トラップ準位に電子が蓄積しやすくなってしまう。トラップ準位に電子が蓄積されることで、マイナスの固定電荷となり、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、トラップ準位が酸化物２０８ｂの伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ）より真空準位に近くなるような構成にすると好ましい。このようにすることで、トラップ準位に電子が蓄積しにくくなり、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。
【０２４８】
また、酸化物２０８ａ、２０８ｃは、酸化物２０８ｂよりも伝導帯下端のエネルギー準位が真空準位に近く、代表的には、酸化物２０８ｂの伝導帯下端のエネルギー準位と、酸化物２０８ａ、２０８ｃの伝導帯下端のエネルギー準位との差が、０．１５ｅＶ以上、または０．５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、または１ｅＶ以下である。すなわち、酸化物２０８ａ、２０８ｃの電子親和力と、酸化物２０８ｂの電子親和力との差が、０．１５ｅＶ以上、または０．５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、または１ｅＶ以下である。
【０２４９】
このような構成を有することで、酸化物２０８ｂが電流の主な経路となり、チャネル領域として機能する。また、酸化物２０８ａ、２０８ｃは、チャネル領域が形成される酸化物２０８ｂを構成する金属元素の一種以上から構成される酸化物半導体であるため、酸化物２０８ａと酸化物２０８ｂとの界面、または酸化物２０８ｂと酸化物２０８ｃ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。
【０２５０】
また、酸化物２０８ａ、２０８ｃは、チャネル領域の一部として機能することを防止するため、導電率が十分に低い材料を用いるものとする。例えば、酸化物半導体中にＩｎおよびＺｎが少なくなると、電子移動度が小さくなる。従って、先の実施の形態で説明した図５において、絶縁性が高くなる領域１９で示す原子数比を有する酸化物半導体を用いればよい。なお、領域１９は、Ｍを示す座標の原子数比、またはその近傍値である。
【０２５１】
または、酸化物２０８ａ、２０８ｃには、電子親和力（真空準位と伝導帯下端のエネルギー準位との差）が酸化物２０８ｂよりも小さく、伝導帯下端のエネルギー準位が酸化物２０８ｂの伝導帯下端エネルギー準位と差分（バンドオフセット）を有する材料を用いるものとする。また、ドレイン電圧の大きさに依存したしきい値電圧の差が生じることを抑制するためには、酸化物２０８ａ、２０８ｃの伝導帯下端のエネルギー準位が、酸化物２０８ｂの伝導帯下端のエネルギー準位よりも、真空準位に近い材料を用いると好適である。例えば、酸化物２０８ｂの伝導帯下端のエネルギー準位と、酸化物２０８ａ、２０８ｃの伝導帯下端のエネルギー準位との差が、０．２ｅＶ以上、好ましくは０．５ｅＶ以上とすることが好ましい。
【０２５２】
また、酸化物２０８ａ、２０８ｃは、膜中にスピネル型の結晶構造が含まれないことが好ましい。酸化物２０８ａ、２０８ｃの膜中にスピネル型の結晶構造を含む場合、該スピネル型の結晶構造と他の領域との界面において、導電膜２１２ａ、２１２ｂの構成元素が酸化物２０８ｂへ拡散してしまう場合がある。なお、酸化物２０８ａ、２０８ｃがＣＡＡＣ−ＯＳである場合、導電膜２１２ａ、２１２ｂの構成元素、例えば、銅元素のブロッキング性が高くなり好ましい。
【０２５３】
酸化物２０８ａ、２０８ｃの膜厚は、導電膜２１２ａ、２１２ｂの構成元素が酸化物２０８ｂに拡散することを抑制することのできる膜厚以上であって、絶縁膜２１４から酸化物２０８ｂへの酸素の供給を抑制する膜厚未満とする。例えば、酸化物２０８ａ、２０８ｃの膜厚が１０ｎｍ以上であると、導電膜２１２ａ、２１２ｂの構成元素が酸化物２０８ｂへ拡散するのを抑制することができる。また、酸化物２０８ａ、２０８ｃの膜厚を１００ｎｍ以下とすると、絶縁膜２１４から酸化物２０８ｂへ効果的に酸素を供給することができる。
【０２５４】
また、本実施の形態においては、酸化物２０８ａ、２０８ｃとして、金属元素の原子数比を［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１．２の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体を用いる構成について例示したが、これに限定されない。例えば、酸化物２０８ａ、２０８ｃとして、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１［原子数比］、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：３：２［原子数比］、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：３：４［原子数比］、または［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：３：６［原子数比］、またはその近傍となる金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体を用いてもよい。
【０２５５】
なお、酸化物半導体をスパッタリング装置にて成膜する場合、ターゲットの原子数比からずれた原子数比の膜が形成される。特に、成膜時の基板温度によっては、［Ｚｎ］において、ターゲットの原子数比よりも膜の原子数比が小さくなる場合がある。
【０２５６】
従って、酸化物２０８ａ、２０８ｃとして、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１［原子数比］の金属酸化物ターゲットを用いる場合、酸化物２０８ａ、２０８ｃは、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：θ１（０＜θ１≦２）：θ２（０＜θ２≦３）となる場合がある。また、酸化物２０８ａ、２０８ｃとして、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：３：４［原子数比］の金属酸化物ターゲットを用いる場合、酸化物２０８ａ、２０８ｃは、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：θ３（１≦θ３≦５）：θ４（２≦θ４≦６）となる場合がある。また、酸化物２０８ａ、２０８ｃとして、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：３：６［原子数比］の金属酸化物ターゲットを用いる場合、酸化物２０８ａ、２０８ｃは、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：θ５（１≦θ５≦５）：θ６（４≦θ６≦８）となる場合がある。
【０２５７】
また、ターゲットの原子数比からずれた原子数比の酸化物が成膜されることで、成膜された酸化物の組成が広く分布することで、基板面内におけるばらつきが小さくなる。従って、酸化物の組成範囲を広くすることで、電気特性、および信頼性が優れたトランジスタを提供することができる。
【０２５８】
また、トランジスタ２００、２７０が有する酸化物２０８と、トランジスタ２７０Ａ、２７０Ｂが有する酸化物２０８ｃと、は図面において、導電膜２１２ａ、２１２ｂから露出した領域の酸化物半導体が薄くなる、別言すると酸化物半導体の一部が凹部を有する形状について例示している。ただし、本発明の一態様はこれに限定されず、導電膜２１２ａ、２１２ｂから露出した領域の酸化物半導体が凹部を有さなくてもよい。この場合の一例を図３５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）に示す。図３５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）は、半導体装置の一例を示す断面図である。なお、図３５（Ａ）（Ｂ）は、先に示すトランジスタ２００の酸化物２０８が凹部を有さない構造であり、図３５（Ｃ）（Ｄ）は、先に示すトランジスタ２７０Ｂの酸化物２０８が凹部を有さない構造である。
【０２５９】
また、本実施の形態に係るトランジスタは、上記の構造のそれぞれを自由に組み合わせることが可能である。
【０２６０】
＜２−６．半導体装置の作製方法＞
次に、本発明の一態様の半導体装置の作製方法について、図面を用いて説明する。
【０２６１】
なお、本発明の一態様の半導体装置が有する、導電膜、絶縁膜、酸化物半導体などの様々な膜は、スパッタリング法、化学気相堆積（ＣＶＤ）法、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、真空蒸着法、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ）法、を用いて形成することができる。ただし、これに限定されず、例えば、塗布法、印刷法、熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、または原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成してもよい。熱ＣＶＤ法の例としてＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて、導電膜、絶縁膜、酸化物半導体などを形成してもよい。
【０２６２】
熱ＣＶＤ法は、プラズマを使わない成膜方法のため、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。
【０２６３】
熱ＣＶＤ法は、原料ガスと酸化剤を同時にチャンバー内に送り、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、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ってもよい。
【０２６４】
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ってもよい。例えば、それぞれのスイッチングバルブ（高速バルブとも呼ぶ）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の層が第１の層上に積層されて薄膜が形成される。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ＦＥＴを作製する場合に適している。
【０２６５】
ＭＯＣＶＤ法などの熱ＣＶＤ法は、上記実施形態の導電膜、絶縁膜、酸化物半導体、金属酸化膜などの様々な膜を形成することができ、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を成膜する場合には、トリメチルインジウム、トリメチルガリウム、及びジメチル亜鉛を用いる。なお、トリメチルインジウムの化学式は、Ｉｎ（ＣＨ３）３である。また、トリメチルガリウムの化学式は、Ｇａ（ＣＨ３）３である。また、ジメチル亜鉛の化学式は、Ｚｎ（ＣＨ３）２である。また、これらの組み合わせに限定されず、トリメチルガリウムに代えてトリエチルガリウム（化学式Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３）を用いることもでき、ジメチル亜鉛に代えてジエチル亜鉛（化学式Ｚｎ（Ｃ２Ｈ５）２）を用いることもできる。
【０２６６】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により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、テトラキスジメチルアミドハフニウム（ＴＤＭＡＨ）などのハフニウムアミド）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。
【０２６７】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により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。
【０２６８】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により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。
【０２６９】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置によりタングステン膜を成膜する場合には、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。
【０２７０】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化物半導体、例えばＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ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Ｉｎ−Ｏ層を形成し、その後、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを導入してＧａＯ層を形成し、更にその後Ｚｎ（ＣＨ３）２ガスとＯ３ガスを導入して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、これらのガスを用いてＩｎ−Ｇａ−Ｏ層やＩｎ−Ｚｎ−Ｏ層、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層などの混合化合物層を形成しても良い。なお、Ｏ３ガスに変えてＡｒ等の不活性ガスで水をバブリングして得られたＨ２Ｏガスを用いても良いが、Ｈを含まないＯ３ガスを用いる方が好ましい。また、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスの代わりに、Ｉｎ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いても良い。また、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスの代わりに、Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いても良い。また、Ｚｎ（ＣＨ３）２ガスを用いても良い。
【０２７１】
［半導体装置の作製方法１］
まず、本発明の一態様の半導体装置である図３３（Ｃ）（Ｄ）に示す、トランジスタ２７０Ｂの作製方法について、図３６乃至図３８を用いて説明する。なお、図３６（Ａ）乃至図３６（Ｆ）、図３７（Ａ）乃至図３７（Ｆ）、及び図３８（Ａ）乃至図３８（Ｆ）は、半導体装置の作製方法を説明する断面図である。また、図３６（Ａ）（Ｃ）（Ｅ）、図３７（Ａ）（Ｃ）（Ｅ）、及び図３８（Ａ）（Ｃ）（Ｅ）は、チャネル長方向の断面図であり、図３６（Ｂ）（Ｄ）（Ｆ）、図３７（Ｂ）（Ｄ）（Ｆ）、及び図３８（Ｂ）（Ｄ）（Ｆ）は、チャネル幅方向の断面図である。
【０２７２】
まず、基板２０２上に導電膜を形成し、該導電膜をリソグラフィ工程及びエッチング工程を行い加工して、ゲート電極として機能する導電膜２０４を形成する。次に、導電膜２０４上にゲート絶縁膜として機能する絶縁膜２０６、２０７を形成する（図３６（Ａ）（Ｂ）参照）。
【０２７３】
本実施の形態では、基板２０２としてガラス基板を用い、ゲート電極として機能する導電膜２０４として厚さ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。また、絶縁膜２０６として厚さ４００ｎｍの窒化シリコン膜をＰＥＣＶＤ法により形成し、絶縁膜２０７として厚さ５０ｎｍの酸化窒化シリコン膜をＰＥＣＶＤ法により形成する。
【０２７４】
なお、絶縁膜２０６としては、窒化シリコン膜の積層構造とすることができる。具体的には、絶縁膜２０６を、第１の窒化シリコン膜と、第２の窒化シリコン膜と、第３の窒化シリコン膜との３層積層構造とすることができる。該３層積層構造の一例としては、以下のように形成することができる。
【０２７５】
第１の窒化シリコン膜としては、例えば、流量２００ｓｃｃｍのシラン、流量２０００ｓｃｃｍの窒素、及び流量１００ｓｃｃｍのアンモニアガスを原料ガスとしてＰＥ−ＣＶＤ装置の反応室に供給し、反応室内の圧力を１００Ｐａに制御し、２７．１２ＭＨｚの高周波電源を用いて２０００Ｗの電力を供給して、厚さが５０ｎｍとなるように形成すればよい。
【０２７６】
第２の窒化シリコン膜としては、流量２００ｓｃｃｍのシラン、流量２０００ｓｃｃｍの窒素、及び流量２０００ｓｃｃｍのアンモニアガスを原料ガスとしてＰＥＣＶＤ装置の反応室に供給し、反応室内の圧力を１００Ｐａに制御し、２７．１２ＭＨｚの高周波電源を用いて２０００Ｗの電力を供給して、厚さが３００ｎｍとなるように形成すればよい。
【０２７７】
第３の窒化シリコン膜としては、流量２００ｓｃｃｍのシラン、及び流量５０００ｓｃｃｍの窒素を原料ガスとしてＰＥＣＶＤ装置の反応室に供給し、反応室内の圧力を１００Ｐａに制御し、２７．１２ＭＨｚの高周波電源を用いて２０００Ｗの電力を供給して、厚さが５０ｎｍとなるように形成すればよい。
【０２７８】
なお、上記第１の窒化シリコン膜、第２の窒化シリコン膜、及び第３の窒化シリコン膜形成時の基板温度は３５０℃以下とすることができる。
【０２７９】
絶縁膜２０６を、窒化シリコン膜の３層の積層構造とすることで、例えば、導電膜２０４に銅（Ｃｕ）を含む導電膜を用いる場合において、以下の効果を奏する。
【０２８０】
第１の窒化シリコン膜は、導電膜２０４からの銅（Ｃｕ）元素の拡散を抑制することができる。第２の窒化シリコン膜は、水素を放出する機能を有し、ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜の耐圧を向上させることができる。第３の窒化シリコン膜は、第３の窒化シリコン膜からの水素放出が少なく、且つ第２の窒化シリコン膜からの放出される水素の拡散を抑制することができる。
【０２８１】
絶縁膜２０７としては、後に形成される酸化物２０８（より具体的には、酸化物２０８ｂ）との界面特性を向上させるため、酸素を含む絶縁膜で形成されると好ましい。
【０２８２】
次に、絶縁膜２０７上に、酸化物半導体の積層膜を形成し、該積層膜を所望の形状に加工することで、酸化物２０８ｂ及び酸化物２０８ｃを有する、島状の酸化物２０８を形成する（図３６（Ｃ）（Ｄ）参照）。
【０２８３】
酸化物２０８を成膜する際の温度としては、室温以上３４０℃未満、好ましくは室温以上３００℃以下、より好ましくは１００℃以上２５０℃以下、さらに好ましくは１００℃以上２００℃以下である。酸化物２０８を加熱して成膜することで、酸化物２０８の結晶性を高めることができる。一方で、基板２０２として、大型のガラス基板（例えば、第６世代乃至第１０世代）を用いる場合、酸化物２０８を成膜する際の温度を１５０℃以上３４０℃未満とした場合、基板２０２が変形する（歪むまたは反る）場合がある。よって、大型のガラス基板を用いる場合においては、酸化物２０８の成膜する際の温度を１００℃以上１５０℃未満とすることで、ガラス基板の変形を抑制することができる。
【０２８４】
なお、酸化物２０８ｂと、酸化物２０８ｃの成膜時の基板温度は、同じでも異なっていてもよい。ただし、酸化物２０８ｂと、酸化物２０８ｃとの、基板温度を同じとすることで、製造コストを低減することができるため好適である。
【０２８５】
本実施の形態では、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ金属酸化物ターゲット（［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：４．１［原子数比］）を用いて、スパッタリング法により酸化物２０８ｂとなる酸化物半導体を成膜し、その後真空中で連続して、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ金属酸化物ターゲット（［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１．２［原子数比］）を用いて、スパッタリング法により酸化物２０８ｃとなる酸化物半導体を成膜する。また、酸化物２０８となる酸化物半導体の成膜時の基板温度を１７０℃とする。また、酸化物２０８となる酸化物半導体の成膜時の成膜ガスとしては、酸素と、アルゴンと、を用いる。
【０２８６】
また、酸化物２０８ｂとして、絶縁性が高いＧＺＯ膜またはＧａＯｘ膜を用いてもよい。なお、ＧａＯｘ膜の成膜条件は、スパッタリングターゲットとしてＧａ２Ｏ３のターゲットを用い、高周波（ＲＦ）電力を印加する。なお、成膜ガスとしては、酸素と、アルゴンとを用いるとよい。また、ＧＺＯ膜の成膜条件は、スパッタリングターゲットとして、ＧａとＺｎとを含むターゲットを用い、高周波（ＲＦ）電力を印加する。なお、成膜ガスとしては、酸素と、アルゴンとを用いるとよい。
【０２８７】
なお、スパッタリング法で酸化物半導体を成膜する場合、スパッタリングガスは、希ガス（代表的にはアルゴン）、酸素、希ガス及び酸素の混合ガスを適宜用いる。なお、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。また、スパッタリングガスの高純度化も必要である。例えば、スパッタリングガスとして用いる酸素ガスやアルゴンガスは、露点が−４０℃以下、好ましくは−８０℃以下、より好ましくは−１００℃以下、より好ましくは−１２０℃以下にまで高純度化したガスを用いることで酸化物半導体に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。
【０２８８】
また、スパッタリング法で酸化物半導体を成膜する場合、スパッタリングガスは、酸素を含むと好ましい。酸化物半導体を成膜する際に、スパッタリングガスとして酸素を含むと、酸化物半導体の成膜と同時に、下層の膜（ここでは、絶縁膜２０７中）に、酸素を添加することが可能となる。したがって、絶縁膜２０７中に酸素過剰領域を設けることが可能となる。
【０２８９】
また、スパッタリング法で酸化物半導体を成膜する場合、スパッタリング装置におけるチャンバーは、酸化物半導体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（５×１０−７Ｐａから１×１０−４Ｐａ程度まで）排気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。
【０２９０】
次に、絶縁膜２０７及び酸化物２０８上にソース電極及びドレイン電極となる、導電膜２１２をスパッタリング法によって形成する（図３６（Ｅ）（Ｆ）参照）。
【０２９１】
本実施の形態では、導電膜２１２として、厚さ５０ｎｍのタングステン膜と、厚さ４００ｎｍのアルミニウム膜とが順に積層された積層膜をスパッタリング法により成膜する。なお、本実施の形態においては、導電膜２１２の２層の積層構造としたが、これに限定されない。例えば、導電膜２１２として、厚さ５０ｎｍのタングステン膜と、厚さ４００ｎｍのアルミニウム膜と、厚さ１００ｎｍのチタン膜とが順に積層された３層の積層構造としてもよい。
【０２９２】
次に、導電膜２１２を所望の形状に加工することで、それぞれ互いに分離された導電膜２１２ａ、２１２ｂを形成する（図３７（Ａ）（Ｂ）参照）。
【０２９３】
なお、本実施の形態においては、ドライエッチング装置を用い、導電膜２１２を加工する。ただし、導電膜２１２の加工方法としては、これに限定されず、例えば、ウエットエッチング装置を用いてもよい。なお、ウエットエッチング装置を用いて、導電膜２１２を加工するよりも、ドライエッチング装置を用いて導電膜２１２を加工した方が、より微細なパターンを形成することができる。一方で、ドライエッチング装置を用いて、導電膜２１２を加工するよりも、ウエットエッチング装置を用いて導電膜２１２を加工した方が、製造コストを低減することができる。
【０２９４】
また、導電膜２１２ａ、２１２ｂの形成後に、酸化物２０８（より具体的には酸化物２０８ｃ）の表面（バックチャネル側）を洗浄してもよい。当該洗浄方法としては、例えば、リン酸等の薬液を用いた洗浄が挙げられる。リン酸等の薬液を用いて洗浄を行うことで、酸化物２０８ｃの表面に付着した不純物（例えば、導電膜２１２ａ、２１２ｂに含まれる元素等）を除去することができる。なお、当該洗浄を必ずしも行う必要はなく、場合によっては、洗浄を行わなくてもよい。
【０２９５】
また、導電膜２１２ａ、２１２ｂの形成工程、及び上記洗浄工程のいずれか一方または双方において、酸化物２０８の導電膜２１２ａ、２１２ｂから露出した領域が、薄くなる場合がある。例えば、酸化物２０８ｂよりも酸化物２０８ｃの膜厚が薄くなる領域が形成される場合がある。
【０２９６】
次に、酸化物２０８、及び導電膜２１２ａ、２１２ｂ上に絶縁膜２１４、及び絶縁膜２１６を形成する（図３７（Ｃ）（Ｄ）参照）。
【０２９７】
なお、絶縁膜２１４を形成した後、大気に曝すことなく、連続的に絶縁膜２１６を形成することが好ましい。絶縁膜２１４を形成後、大気開放せず、原料ガスの流量、圧力、高周波電力及び基板温度の一以上を調整して、絶縁膜２１６を連続的に形成することで、絶縁膜２１４と絶縁膜２１６との界面において大気成分由来の不純物濃度を低減することができるとともに、絶縁膜２１４、２１６に含まれる酸素を酸化物２０８に移動させることが可能となり、酸化物２０８の酸素欠損量を低減することが可能となる。
【０２９８】
例えば、絶縁膜２１４として、ＰＥＣＶＤ法を用いて、酸化窒化シリコン膜を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。また、上記の堆積性気体の流量に対して酸化性気体の流量を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ＰＥＣＶＤ法を用いることで、絶縁膜２１４が、窒素を含み、且つ欠陥量の少ない絶縁体となる。
【０２９９】
本実施の形態においては、絶縁膜２１４として、基板２０２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ＰＥＣＶＤ法を用いて、酸化窒化シリコン膜を形成する。
【０３００】
絶縁膜２１６としては、ＰＥＣＶＤ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３５０℃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。
【０３０１】
絶縁膜２１６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、絶縁膜２１６中における酸素含有量が化学量論的組成よりも多くなる。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。
【０３０２】
なお、絶縁膜２１６の形成工程において、絶縁膜２１４が酸化物２０８の保護膜となる。したがって、酸化物２０８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絶縁膜２１６を形成することができる。
【０３０３】
なお、絶縁膜２１６の成膜条件において、酸化性気体に対するシリコンを含む堆積性気体の流量を増加することで、絶縁膜２１６の欠陥量を低減することが可能である。代表的には、ＥＳＲ測定により、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝２．００１に現れる信号のスピン密度が６×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満、好ましくは３×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１．５×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下である欠陥量の少ない酸化物絶縁層を形成することができる。この結果トランジスタの信頼性を高めることができる。
【０３０４】
また、絶縁膜２１４、２１６を成膜した後に、加熱処理（以下、第１の加熱処理とする）を行うと好適である。第１の加熱処理により、絶縁膜２１４、２１６に含まれる窒素酸化物を低減することができる。また、第１の加熱処理により、絶縁膜２１４、２１６に含まれる酸素の一部を酸化物２０８に移動させ、酸化物２０８に含まれる酸素欠損量を低減することができる。
【０３０５】
なお、酸化物２０８の原子数比が、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：β、−１≦α≦１、かつβが正の非整数である場合、酸化物中に、少なくとも第１の層状構造と第２の層状構造を有する。第１の層状構造と第２の層状構造が混在する領域において、配向性が乱れ、原子間の結合エネルギーが弱くなる。そこで、酸素は、当該領域を移動経路とし、酸化物２０８中に拡散する。従って、βが正の整数である場合よりも、酸素が拡散しやすくなるため、酸化物２０８に含まれる酸素欠損量をより低減することができる。
【０３０６】
第１の加熱処理の温度は、代表的には、４００℃未満、好ましくは３７５℃未満、さらに好ましくは、１５０℃以上３５０℃以下とする。第１の加熱処理は、窒素、酸素、超乾燥空気（水の含有量が２０ｐｐｍ以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）、または希ガス（アルゴン、ヘリウム等）の雰囲気下で行えばよい。なお、上記窒素、酸素、超乾燥空気、または希ガスに水素、水等が含まれないことが好ましい該加熱処理には、電気炉、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置等を用いることができる。
【０３０７】
次に、絶縁膜２１６上にバリア膜２３０を形成し、バリア膜２３０を介して、絶縁膜２１６、２１４、または酸化物２０８に酸素２４０を添加する（図３７（Ｅ）（Ｆ）参照）。
【０３０８】
なお、図３７（Ｅ）（Ｆ）において、絶縁膜２１４または絶縁膜２１６中に添加される酸素を模式的に破線の矢印で示している。
【０３０９】
バリア膜２３０は、酸素を透過し、且つ酸素の放出を抑制する機能を有する。バリア膜２３０としては、例えば、酸素と、金属（インジウム、亜鉛、チタン、アルミニウム、タングステン、タンタル、モリブデン、ハフニウム、またはイットリウムの中から選ばれる少なくとも一以上）と、を有する。特にバリア膜２３０としては、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯともいう）、インジウムスズシリコン酸化物（以下ＩＴＳＯともいう）または酸化インジウムであると、凹凸に対する被覆性が良好であるため好ましい。または、バリア膜２３０に、先に記載の酸化物半導体（例えば、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１［原子数比］、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：３：２［原子数比］、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：３：４［原子数比］、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：３：６［原子数比］、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：３［原子数比］、またはその近傍の原子数比となる酸化物半導体など）を用いてもよい。
【０３１０】
また、バリア膜２３０としては、スパッタリング法を用いて形成することができる。また、バリア膜２３０の膜厚が薄い場合、絶縁膜２１６から外部に放出されうる酸素を抑制するのが困難になる場合がある。一方で、バリア膜２３０の膜厚が厚い場合、絶縁膜２１６中に好適に酸素を添加できない場合がある。したがって、バリア膜２３０の厚さとしては、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下、または２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすると好ましい。本実施の形態では、バリア膜２３０として、厚さ５ｎｍのＩＴＳＯを成膜する。
【０３１１】
また、バリア膜２３０を介して絶縁膜２１６に酸素２４０を添加する方法としては、イオンドーピング法、イオン注入法、プラズマ処理法等がある。また、酸素２４０を添加する装置または添加する条件によっては、絶縁膜２１６の下方に位置する絶縁膜２１４、または酸化物２０８にも酸素２４０を添加できる場合がある。また、酸素２４０としては、過剰酸素または酸素ラジカル等が挙げられる。また、酸素２４０を添加する際に、基板側にバイアスを印加することで効果的に酸素２４０を絶縁膜２１６に添加することができる。上記バイアスとしては、例えば、アッシング装置を用い、当該アッシング装置が有する一対の電極間に印加するバイアスの電力密度を１Ｗ／ｃｍ２以上５Ｗ／ｃｍ２以下とすればよい。絶縁膜２１６上にバリア膜２３０を設けて酸素２４０を添加することで、バリア膜２３０が絶縁膜２１６から酸素が脱離することを抑制する保護膜として機能する。このため、絶縁膜２１６により多くの酸素を添加することができる。
【０３１２】
また、バリア膜２３０を介して絶縁膜２１６に酸素２４０を添加した後に、加熱処理（以下、第２の加熱処理とする）を行ってもよい。第２の加熱処理としては、先に記載の第１の加熱処理と同様とすることができる。
【０３１３】
次に、バリア膜２３０を除去し、絶縁膜２１６の表面を露出させた後に、絶縁膜２１６上に絶縁膜２１８を形成する（図３８（Ａ）（Ｂ）参照）。
【０３１４】
なお、バリア膜２３０を除去する際に、絶縁膜２１６の一部も除去される場合がある。また、バリア膜２３０の除去方法としては、ドライエッチング法、ウエットエッチング法、またはドライエッチング法とウエットエッチング法を組み合わせる方法等が挙げられる。本実施の形態においては、ウエットエッチング法を用いて、バリア膜２３０を除去する。バリア膜２３０の除去方法として、ウエットエッチング法を用いる方が、製造コストを抑制できるため好適である。
【０３１５】
絶縁膜２１８としては、例えば、スパッタリング法またはＰＥＣＶＤ法を用いて形成することができる。例えば、絶縁膜２１８をＰＥＣＶＤ法で成膜する場合、基板温度は４００℃未満、好ましくは３７５℃未満、さらに好ましくは１８０℃以上３５０℃以下である。絶縁膜２１８を成膜する場合の基板温度を、上述の範囲にすることで、緻密な膜を形成できるため好ましい。また、絶縁膜２１８を成膜する場合の基板温度を、上述の範囲にすることで、絶縁膜２１４、２１６中の酸素または過剰酸素を、酸化物２０８に移動させることが可能となる。
【０３１６】
また、絶縁膜２１８形成後に、先に記載の第２の加熱処理と同等の加熱処理（以下、第３の加熱処理とする）を行ってもよい。このように、酸素２４０を絶縁膜２１６に添加した後に、４００℃未満、好ましくは３７５℃未満、さらに好ましくは１８０℃以上３５０℃以下の温度で、加熱処理を行うことで、絶縁膜２１６中の酸素または過剰酸素を酸化物２０８（特に酸化物２０８ｂ）中に移動させ、酸化物２０８中の酸素欠損を補填することができる。
【０３１７】
ここで、酸化物２０８中に移動する酸素について、図３９を用いて説明を行う。図３９は、絶縁膜２１８成膜時の基板温度（代表的には３７５℃未満）、または絶縁膜２１８の形成後の第３の加熱処理（代表的には３７５℃未満）によって、酸化物２０８中に移動する酸素を表すモデル図である。なお、図３９中において、酸化物２０８中に移動する酸素（酸素ラジカル、酸素原子、または酸素分子）を破線の矢印で表している。
【０３１８】
図３９に示す酸化物２０８は、酸化物２０８に接する膜（ここでは、絶縁膜２０７、及び絶縁膜２１４）から酸素が移動することで、酸素欠損が補填される。特に、本発明の一態様の半導体装置において、酸化物２０８のスパッタリング成膜時に、酸素ガスを用い、絶縁膜２０７中に酸素を添加するため、絶縁膜２０７は過剰酸素領域を有する。また、バリア膜２３０を介して酸素を添加するため、絶縁膜２１４、２１６は過剰酸素領域を有する。よって、該過剰酸素領域を有する絶縁膜に挟まれた酸化物２０８は、酸化物２０８中の酸素欠損を好適に補填することが可能となる。
【０３１９】
また、絶縁膜２０７の下方には、絶縁膜２０６が設けられており、絶縁膜２１４、２１６の上方には、絶縁膜２１８が設けられている。絶縁膜２０６、２１８を酸素透過性が低い材料、例えば、窒化シリコン等により形成することで、絶縁膜２０７、２１４、２１６中に含まれる酸素を酸化物２０８側に閉じ込めることができるため、好適に酸化物２０８に酸素を移動させることが可能となる。
【０３２０】
また、絶縁膜２１８としてＰＥＣＶＤ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ことが好ましい。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。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、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倍以上５０倍以下、１０倍以上５０倍以下とすることが好ましい。
【０３２１】
本実施の形態においては、絶縁膜２１８として、ＰＥＣＶＤ装置を用いて、シラン、窒素、及びアンモニアを原料ガスとして用いて、厚さ５０ｎｍの窒化シリコン膜を形成する。流量は、シランが５０ｓｃｃｍ、窒素が５０００ｓｃｃｍであり、アンモニアが１００ｓｃｃｍである。処理室の圧力を１００Ｐａ、基板温度を３５０℃とし、２７．１２ＭＨｚの高周波電源を用いて１０００Ｗの高周波電力を平行平板電極に供給する。ＰＥＣＶＤ装置は電極面積が６０００ｃｍ２である平行平板型のＰＥＣＶＤ装置であり、供給した電力を単位面積あたりの電力（電力密度）に換算すると１．７×１０−１Ｗ／ｃｍ２である。
【０３２２】
次に、絶縁膜２１８上にリソグラフィ工程によりマスクを形成し、絶縁膜２１４、２１６、２１８の所望の領域に開口部２５２ｃを形成する。また、絶縁膜２１８上にリソグラフィ工程によりマスクを形成し、絶縁膜２０６、２０７、２１４、２１６、２１８の所望の領域に開口部２５２ａ、２５２ｂを形成する。なお、開口部２５２ｃは、導電膜２１２ｂに達するように形成される。また、開口部２５２ａ、２５２ｂは、それぞれ導電膜２０４に達するように形成される（図３８（Ｃ）（Ｄ）参照）。
【０３２３】
なお、開口部２５２ａ、２５２ｂと開口部２５２ｃとを、同じ工程で形成してもよく、異なる工程で形成してもよい。開口部２５２ａ、２５２ｂと開口部２５２ｃとを同じ工程で形成する場合、例えば、グレートーンマスクまたはハーフトーンマスクを用いて形成することができる。また、開口部２５２ａ、２５２ｂを複数回に分けて形成してもよい。例えば、事前に絶縁膜２０６、２０７に開口部を形成しておき、その後、当該開口部上の絶縁膜２１４、２１６、２１８を開口すればよい。
【０３２４】
次に、開口部２５２ａ、２５２ｂ、２５２ｃを覆うように絶縁膜２１８上に導電膜を形成し、当該導電膜を所望の形状に加工することで、導電膜２２０ａ、２２０ｂを形成する（図３８（Ｅ）（Ｆ）参照。）
【０３２５】
導電膜２２０ａ、２２０ｂとなる導電膜としては、例えば、インジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、錫（Ｓｎ）の中から選ばれた一種を含む材料を用いることができる。とくに、導電膜２２０ａ、２２０ｂとしては、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウムスズ酸化物、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物、インジウムスズシリコン酸化物（ＩＴＳＯ）などの透光性を有する導電性材料を用いることができる。また、導電膜２２０ａ、２２０ｂとなる導電膜としては、例えば、スパッタリング法を用いて形成することができる。本実施の形態においては、膜厚１１０ｎｍのＩＴＳＯをスパッタリング法で形成する。
【０３２６】
以上の工程で図３３（Ｃ）（Ｄ）に示すトランジスタ２７０Ｂを作製することができる。
【０３２７】
また、トランジスタ２７０Ｂの全ての作製工程において、基板温度を４００℃未満、好ましくは３７５℃未満、さらに好ましくは１８０℃以上３５０℃以下とすることで、大面積の基板を用いても基板の変形（歪みまたは反り）を極めて少なくすることができるため好適である。なお、トランジスタ２７０Ｂの作製工程において、基板温度が高くなる工程としては、代表的には、絶縁膜２０６、２０７の成膜時の基板温度（４００℃未満、好ましくは２５０℃以上３５０℃以下）、酸化物２０８の成膜時の基板温度（室温以上３４０℃未満、好ましくは１００℃以上２００℃以下、さらに好ましくは１００℃以上１５０℃未満）、絶縁膜２１６、２１８の成膜時の基板温度（４００℃未満、好ましくは３７５℃未満、さらに好ましくは１８０℃以上３５０℃以下）、酸素２４０を添加後の第１の加熱処理または第２の加熱処理（４００℃未満、好ましくは３７５℃未満、さらに好ましくは１８０℃以上３５０℃以下）などが挙げられる。
【０３２８】
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。
【０３２９】
［半導体装置の作製方法２］
次に、先に示す［半導体装置の作製方法１］と異なる作製方法について、以下説明する。
【０３３０】
まず、［半導体装置の作製方法１］と同様に、図３７（Ｃ）（Ｄ）に示す工程まで行う。次に、図３７（Ｅ）（Ｆ）に示す、バリア膜２３０を形成し、酸素２４０の添加を行わない。その後、図３８（Ａ）（Ｂ）に示す工程を行わずに、図３８（Ｃ）（Ｄ）、及び図３８（Ｅ）（Ｆ）の工程を行う。
【０３３１】
この場合、バリア膜２３０としては、先に記載した材料の中でも絶縁性の高い材料を選択すればよい。本作製方法で用いるバリア膜２３０としては、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、または酸化イットリウムを用いると好ましい。
【０３３２】
バリア膜２３０として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、または酸化イットリウムをスパッタリング法にて成膜する場合、スパッタリングガスとして、少なくとも酸素を含むと好ましい。バリア膜２３０の形成時において、スパッタリングガスに酸素を用いることで、当該酸素がプラズマ中で酸素ラジカルとなり、当該酸素または当該酸素ラジカルのいずれか一方または双方が、絶縁膜２１６中に添加される場合がある。よって、図３７（Ｅ）（Ｆ）に示す酸素２４０を添加する工程を行わなくても良い。別言すると、バリア膜２３０の成膜時において、酸素添加処理と、バリア膜２３０の成膜とを同時に行うことが可能となる。なお、バリア膜２３０は、バリア膜２３０の成膜時（特に成膜初期）においては、酸素を添加する機能を有するが、バリア膜２３０の形成後（特に成膜後期）においては、酸素をブロックする機能を有する。
【０３３３】
また、バリア膜２３０として、例えば、酸化アルミニウムをスパッタリング法にて成膜する場合、絶縁膜２１６と、バリア膜２３０との界面近傍に混合層を形成する場合がある。例えば、絶縁膜２１６が酸化窒化シリコン膜の場合、該混合層としては、ＡｌｘＳｉｙＯｚが形成されうる。なお、該混合層が過剰酸素領域を有していてもよい。
【０３３４】
また、バリア膜２３０として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、または酸化イットリウムを用いる場合、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、及び酸化イットリウムは、高い絶縁性を有し、且つ高い酸素バリア性を有する。よって、図３８（Ａ）（Ｂ）に示す絶縁膜２１８を成膜する工程を行わなくてもよい。よって、バリア膜２３０を除去せずに、絶縁膜２１８の代わりに、そのまま用いてもよい。
【０３３５】
また、バリア膜２３０の成膜時の基板温度を４００℃未満、好ましくは３７５℃未満、さらに好ましくは１８０℃以上３５０℃以下とすることで、絶縁膜２１６中に添加された酸素または過剰酸素を酸化物２０８中に移動させることができる。
【０３３６】
このように、バリア膜２３０として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、または酸化イットリウムを用いることで、半導体装置の製造工程を短くすることが可能となり、製造コストを抑制することができる。
【０３３７】
［半導体装置の作製方法３］
次に、本発明の一態様の半導体装置である図３０（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２５０の作製方法について、図４０及び図４１を用いて説明する。なお、図４０（Ａ）乃至図４０（Ｆ）、及び図４１（Ａ）乃至図４１（Ｆ）は、半導体装置の作製方法を説明する断面図である。また、図４０（Ａ）（Ｃ）（Ｅ）、及び図４１（Ａ）（Ｃ）（Ｅ）は、チャネル長方向の断面図であり、図４０（Ｂ）（Ｄ）（Ｆ）、及び図４１（Ｂ）（Ｄ）（Ｆ）は、チャネル幅方向の断面図である。
【０３３８】
まず、基板２０２上に、導電膜２０４、絶縁膜２０６、２０７、酸化物２０８、絶縁膜２１４、２１６、バリア膜２３０を形成する（図４０（Ａ）（Ｂ）参照）。
【０３３９】
導電膜２０４、絶縁膜２０６、２０７、酸化物２０８、絶縁膜２１４、２１６、バリア膜２３０としては、［半導体装置の作製方法１］の記載を参酌して形成すればよい。
【０３４０】
次に、バリア膜２３０を介して絶縁膜２１４に酸素２４０を添加する（図４０（Ｃ）（Ｄ）参照）。
【０３４１】
次に、バリア膜２３０を除去する。その後、絶縁膜２１６上にリソグラフィ工程によりマスクを形成し、絶縁膜２１４及び絶縁膜２１６の所望の領域に開口部２５１ａ、２５１ｂを形成する。なお、開口部２５１ａ、２５１ｂは、酸化物２０８に達する（図４０（Ｅ）（Ｆ）参照）。
【０３４２】
次に、開口部２５１ａ、２５１ｂを覆うように、絶縁膜２１６上に導電膜２１２を形成する（図４１（Ａ）（Ｂ）参照）。
【０３４３】
次に、導電膜２１２上にリソグラフィ工程によりマスクを形成し、該導電膜を所望の形状に加工することで、導電膜２１２ａ、２１２ｂを形成する（図４１（Ｃ）（Ｄ）参照）。
【０３４４】
次に、絶縁膜２１６、及び導電膜２１２ａ、２１２ｂ上に絶縁膜２１８を形成する（図４１（Ｅ）（Ｆ）参照）。
【０３４５】
以上の工程で図３０（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２５０を作製することができる。
【０３４６】
なお、図３１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２６０としては、開口部２５１ａ、２５１ｂを形成する工程において、酸化物２０８のチャネル領域上にのみ、絶縁膜２１４及び絶縁膜２１６を形成する構成とすることで作製することができる。
【０３４７】
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。
【０３４８】
（実施の形態３）
本実施の形態においては、本発明の一態様の酸化物を成膜することができるスパッタリング装置及び成膜装置について、図４２乃至図４９を用いて説明する。なお、以下に示すスパッタリング装置では、理解を容易にするため、または成膜時における動作を説明するため、基板およびターゲットなどを配置した状態で示す。ただし、基板およびターゲットなどは、使用者が設置する物であるため、本発明の一態様に係るスパッタリング装置が基板およびターゲットを有さない場合もある
【０３４９】
＜３−１．スパッタリング装置＞
スパッタリング装置としては、例えば平行平板型スパッタリング装置、及び対向ターゲット式スパッタリング装置を用いることができる。なお、平行平板型スパッタリング装置を用いた成膜法を、ＰＥＳＰ（ｐａｒａｌｌｅｌ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ＳＰ）と呼ぶこともできる。また、対向ターゲット式スパッタリング装置を用いた成膜法を、ＶＤＳＰ（ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ＳＰ）と呼ぶこともできる。
【０３５０】
［平行平板型スパッタリング装置（ＰＥＳＰ）］
まず、平行平板型スパッタリング装置について、説明する。図４２（Ａ）は、平行平板型スパッタリング装置を有する成膜室３０１の断面図である。図４２（Ａ）に示す成膜室３０１は、ターゲットホルダ３２０と、バッキングプレート３１０と、ターゲット３００と、マグネットユニット３３０と、基板ホルダ３７０と、を有する。なお、ターゲット３００は、バッキングプレート３１０上に配置される。また、バッキングプレート３１０は、ターゲットホルダ３２０上に配置される。また、マグネットユニット３３０は、バッキングプレート３１０を介してターゲット３００下に配置される。また、基板ホルダ３７０は、ターゲット３００と向かい合って配置される。なお、本明細書では、複数のマグネット（磁石）を組み合わせたものをマグネットユニットと呼ぶ。マグネットユニットは、カソード、カソードマグネット、磁気部材、磁気部品などと呼びかえることができる。マグネットユニット３３０は、マグネット３３０Ｎと、マグネット３３０Ｓと、マグネットホルダ３３２と、を有する。なお、マグネットユニット３３０において、マグネット３３０Ｎ及びマグネット３３０Ｓは、マグネットホルダ３３２上に配置される。また、マグネット３３０Ｎは、マグネット３３０Ｓと間隔を空けて配置される。なお、成膜室３０１に基板３６０を搬入する場合、基板３６０は基板ホルダ３７０上に配置される。
【０３５１】
ターゲットホルダ３２０とバッキングプレート３１０とは、ネジ（ボルトなど）を用いて固定されており、等電位となる。また、ターゲットホルダ３２０は、バッキングプレート３１０を介してターゲット３００を支持する機能を有する。
【０３５２】
また、バッキングプレート３１０には、ターゲット３００が固定される。例えば、インジウムなどの低融点金属を含むボンディング材によってバッキングプレート３１０とターゲット３００とを固定することができる。
【０３５３】
図４２（Ａ）に、マグネットユニット３３０によって形成される磁力線３８０ａ及び磁力線３８０ｂを示す。
【０３５４】
磁力線３８０ａは、ターゲット３００の近傍における水平磁場を形成する磁力線の一つである。ターゲット３００の近傍は、例えば、ターゲット３００の上面から垂直距離が０ｍｍ以上１０ｍｍ以下、特に０ｍｍ以上５ｍｍ以下の領域である。
【０３５５】
磁力線３８０ｂは、マグネットユニット３３０の上面から、垂直距離ｄにおける水平磁場を形成する磁力線の一つである。垂直距離ｄは、例えば、０ｍｍ以上２０ｍｍ以下または５ｍｍ以上１５ｍｍ以下である。
【０３５６】
このとき、強力なマグネット３３０Ｎ及び強力なマグネット３３０Ｓを用いることで、基板３６０の近傍においても強い磁場を発生させることができる。具体的には、基板３６０の近傍における水平磁場の磁束密度を１０Ｇ以上１００Ｇ以下、好ましくは１５Ｇ以上６０Ｇ以下、さらに好ましくは２０Ｇ以上４０Ｇ以下とすることができる。
【０３５７】
なお、水平磁場の磁束密度の測定は、垂直磁場の磁束密度が０Ｇのときの値を測定すればよい。
【０３５８】
成膜室３０１における磁場の磁束密度を上述の範囲とすることで、密度が高く、結晶性の高い酸化物を成膜することができる。また、得られる酸化物は、複数種の結晶相を含むことが少なく、ほとんど単一の結晶相を含む酸化物となる。
【０３５９】
図４２（Ｂ）に、マグネットユニット３３０の上面図を示す。マグネットユニット３３０は、円形または略円形のマグネット３３０Ｎと、円形または略円形のマグネット３３０Ｓと、がマグネットホルダ３３２に固定されている。そして、マグネットユニット３３０を、マグネットユニット３３０の上面における中央または略中央の法線ベクトルを回転軸として回転させることができる。例えば、マグネットユニット３３０を、０．１Ｈｚ以上１ｋＨｚ以下のビート（リズム、拍子、パルス、周波、周期またはサイクルなどと言い換えてもよい。）で回転させればよい。
【０３６０】
したがって、ターゲット３００上の磁場の強い領域は、マグネットユニット３３０の回転とともに変化する。磁場の強い領域は高密度プラズマ領域となるため、その近傍においてターゲット３００のスパッタリング現象が起こりやすい。例えば、磁場の強い領域が特定の箇所となる場合、ターゲット３００の特定の領域のみが使用されることになる。一方、図４２（Ｂ）に示すようにマグネットユニット３３０を回転させることで、ターゲット３００を均一に使用することができる。また、マグネットユニット３３０を回転させることによって、均一な厚さを有する膜、及び均一な質を有する膜とすることができる。
【０３６１】
また、マグネットユニット３３０を回転させることにより、基板３６０の近傍における磁力線の向きも変化させることができる。
【０３６２】
なお、ここではマグネットユニット３３０を回転させる例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、マグネットユニット３３０を上下または／及び左右に揺動させても構わない。例えば、マグネットユニット３３０を、０．１Ｈｚ以上１ｋＨｚ以下のビートで揺動させればよい。または、ターゲット３００を回転または移動させても構わない。例えば、ターゲット３００を、０．１Ｈｚ以上１ｋＨｚ以下のビートで回転または移動させればよい。または、基板３６０を回転させることで、相対的に基板３６０の近傍における磁力線の向きを変化させても構わない。または、これらを組み合わせても構わない。
【０３６３】
成膜室３０１は、バッキングプレート３１０の内部または下部などに水路を有してもよい。そして、該水路に流体（空気、窒素、希ガス、水、オイルなど）を流すことで、スパッタ時にターゲット３００の温度の上昇による放電異常や、部材の変形による成膜室３０１の損傷などを抑制することができる。このとき、バッキングプレート３１０とターゲット３００とをボンディング材を介して密着させると、冷却性能が高まるため好ましい。
【０３６４】
なお、ターゲットホルダ３２０とバッキングプレート３１０との間にガスケットを有すると、成膜室３０１内に外部や水路などから不純物が混入しにくくなるため好ましい。
【０３６５】
マグネットユニット３３０において、マグネット３３０Ｎとマグネット３３０Ｓとは、それぞれターゲット３００側に異なる極を向けて配置されている。ここでは、マグネット３３０Ｎをターゲット３００側がＮ極となるように配置し、マグネット３３０Ｓをターゲット３００側がＳ極となるように配置する場合について説明する。ただし、マグネットユニット３３０におけるマグネット及び極の配置は、この配置に限定されるものではない。また、図４２（Ａ）の配置に限定されるものでもない。
【０３６６】
成膜時、ターゲットホルダ３２０に接続する端子Ｖ１に印加される電位は、例えば、基板ホルダ３７０に接続する端子Ｖ２に印加される電位よりも低い電位である。また、基板ホルダ３７０に接続する端子Ｖ２に印加される電位は、例えば、接地電位である。また、マグネットホルダ３３２に接続する端子Ｖ３に印加される電位は、例えば、接地電位である。なお、端子Ｖ１、端子Ｖ２及び端子Ｖ３に印加される電位は上記の電位に限定されない。また、ターゲットホルダ３２０、基板ホルダ３７０、マグネットホルダ３３２の全てに電位が印加されなくても構わない。例えば、基板ホルダ３７０が電気的に浮いていても構わない。なお、端子Ｖ１には、印加する電位の制御が可能な電源が電気的に接続されているものとする。電源には、ＤＣ電源またはＲＦ電源を用いればよい。
【０３６７】
プラズマ３４０中の陽イオンは、ターゲットホルダ３２０に接続する端子Ｖ１に印加された電位によってターゲット３００に向けて加速される。陽イオンがターゲット３００に衝突することで、スパッタ粒子が生成され、基板３６０に堆積する。
【０３６８】
また、図４２（Ａ）では、バッキングプレート３１０及びターゲットホルダ３２０と、マグネットユニット３３０及びマグネットホルダ３３２と、が電気的に接続されない例を示したが、これに限定されない。例えば、バッキングプレート３１０及びターゲットホルダ３２０と、マグネットユニット３３０及びマグネットホルダ３３２と、が電気的に接続されており、等電位となっていても構わない。
【０３６９】
また、得られる酸化物の結晶性をさらに高めるために、基板３６０の温度を高くしても構わない。基板３６０の温度を高くすることで、基板３６０の近傍におけるスパッタ粒子のマイグレーションを助長させることができる。したがって、より密度が高く、より結晶性の高い酸化物を成膜することができる。なお、基板３６０の温度は、例えば、室温以上５４０℃未満、好ましくは室温以上５００℃以下、より好ましくは１００℃以上４５０℃以下、さらに好ましくは１００℃以上４００℃以下である。
【０３７０】
また、成膜ガス中の酸素分圧が高すぎると、複数種の結晶相を含む酸化物が成膜されやすいため、成膜ガスはアルゴンなどの希ガス（ほかにヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノンなど）と酸素との混合ガスを用いると好ましい。例えば、全体に占める酸素の割合を５０体積％未満、好ましくは３３体積％以下、さらに好ましくは２０体積％以下、より好ましくは１５体積％以下とすればよい。
【０３７１】
また、ターゲット３００と基板３６０との垂直距離を、１０ｍｍ以上６００ｍｍ以下、好ましくは２０ｍｍ以上４００ｍｍ以下、さらに好ましくは３０ｍｍ以上２００ｍｍ以下、より好ましくは４０ｍｍ以上１００ｍｍ以下とする。ターゲット３００と基板３６０との垂直距離を上述の範囲まで近くすることで、スパッタ粒子が、基板３６０に到達するまでの間におけるエネルギーの低下を抑制できる場合がある。また、ターゲット３００と基板３６０との垂直距離を上述の範囲まで遠くすることで、スパッタ粒子の基板３６０への入射方向を垂直に近づけることができるため、スパッタ粒子の衝突による基板３６０へのダメージを小さくすることができる場合がある。
【０３７２】
図４３（Ａ）に、図４２（Ａ）とは異なるスパッタリング装置を有する成膜室の例を示す。
【０３７３】
図４３（Ａ）に示す成膜室３０１は、ターゲットホルダ３２０ａと、ターゲットホルダ３２０ｂと、バッキングプレート３１０ａと、バッキングプレート３１０ｂと、ターゲット３００ａと、ターゲット３００ｂと、マグネットユニット３３０ａと、マグネットユニット３３０ｂと、部材３４２と、基板ホルダ３７０と、を有する。なお、ターゲット３００ａは、バッキングプレート３１０ａ上に配置される。また、バッキングプレート３１０ａは、ターゲットホルダ３２０ａ上に配置される。また、マグネットユニット３３０ａは、バッキングプレート３１０ａを介してターゲット３００ａ下に配置される。また、ターゲット３００ｂは、バッキングプレート３１０ｂ上に配置される。また、バッキングプレート３１０ｂは、ターゲットホルダ３２０ｂ上に配置される。また、マグネットユニット３３０ｂは、バッキングプレート３１０ｂを介してターゲット３００ｂ下に配置される。
【０３７４】
マグネットユニット３３０ａは、マグネット３３０Ｎ１と、マグネット３３０Ｎ２と、マグネット３３０Ｓと、マグネットホルダ３３２と、を有する。なお、マグネットユニット３３０ａにおいて、マグネット３３０Ｎ１、マグネット３３０Ｎ２及びマグネット３３０Ｓは、マグネットホルダ３３２上に配置される。また、マグネット３３０Ｎ１及びマグネット３３０Ｎ２は、マグネット３３０Ｓと間隔を空けて配置される。なお、マグネットユニット３３０ｂは、マグネットユニット３３０ａと同様の構造を有する。なお、成膜室３０１に基板３６０を搬入する場合、基板３６０は基板ホルダ３７０に接して配置される。
【０３７５】
ターゲット３００ａ、バッキングプレート３１０ａ及びターゲットホルダ３２０ａと、ターゲット３００ｂ、バッキングプレート３１０ｂ及びターゲットホルダ３２０ｂと、は部材３４２によって離間されている。なお、部材３４２は絶縁体であることが好ましい。ただし、部材３４２が導電体または半導体であっても構わない。また、部材３４２が、導電体または半導体の表面を絶縁体で覆ったものであっても構わない。
【０３７６】
ターゲットホルダ３２０ａとバッキングプレート３１０ａとは、ネジ（ボルトなど）を用いて固定されており、等電位となる。また、ターゲットホルダ３２０ａは、バッキングプレート３１０ａを介してターゲット３００ａを支持する機能を有する。また、ターゲットホルダ３２０ｂとバッキングプレート３１０ｂとは、ネジ（ボルトなど）を用いて固定されており、等電位となる。また、ターゲットホルダ３２０ｂは、バッキングプレート３１０ｂを介してターゲット３００ｂを支持する機能を有する。
【０３７７】
バッキングプレート３１０ａは、ターゲット３００ａを固定する機能を有する。また、バッキングプレート３１０ｂは、ターゲット３００ｂを固定する機能を有する。
【０３７８】
図４３（Ａ）に、マグネットユニット３３０ａによって形成される磁力線３８０ａ及び磁力線３８０ｂを示す。
【０３７９】
磁力線３８０ａは、ターゲット３００ａの近傍における水平磁場を形成する磁力線の一つである。ターゲット３００ａの近傍は、例えば、ターゲット３００ａから垂直距離が０ｍｍ以上１０ｍｍ以下、特に０ｍｍ以上５ｍｍ以下の領域である。
【０３８０】
磁力線３８０ｂは、マグネットユニット３３０ａの上面から、垂直距離ｄにおける水平磁場を形成する磁力線の一つである。垂直距離ｄは、例えば、０ｍｍ以上２０ｍｍ以下または５ｍｍ以上１５ｍｍ以下である。
【０３８１】
このとき、強力なマグネット３３０Ｎ１、強力なマグネット３３０Ｎ２及び強力なマグネット３３０Ｓを用いることで、基板３６０の近傍においても強い磁場を発生させることができる。具体的には、基板３６０の近傍における水平磁場の磁束密度を１０Ｇ以上１００Ｇ以下、好ましくは１５Ｇ以上６０Ｇ以下、さらに好ましくは２０Ｇ以上４０Ｇ以下とすることができる。
【０３８２】
成膜室３０１における磁場の磁束密度を上述の範囲とすることで、密度が高く、結晶性の高い酸化物を成膜することができる。また、得られる酸化物は、複数種の結晶相を含むことが少なく、ほとんど単一の結晶相を含む酸化物となる。
【０３８３】
なお、マグネットユニット３３０ｂもマグネットユニット３３０ａと同様の磁力線が形成される。
【０３８４】
図４３（Ｂ）に、マグネットユニット３３０ａ及びマグネットユニット３３０ｂの上面図を示す。マグネットユニット３３０ａは、長方形または略長方形のマグネット３３０Ｎ１と、長方形または略長方形のマグネット３３０Ｎ２と、長方形または略長方形のマグネット３３０Ｓと、がマグネットホルダ３３２に固定されている構成を有する。そして、マグネットユニット３３０ａを、図４３（Ｂ）に示すように左右に揺動させることができる。例えば、マグネットユニット３３０ａを、０．１Ｈｚ以上１ｋＨｚ以下のビートで揺動させればよい。
【０３８５】
したがって、ターゲット３００ａ上の磁場の強い領域は、マグネットユニット３３０ａの揺動とともに変化する。磁場の強い領域は高密度プラズマ領域となるため、その近傍においてターゲット３００ａのスパッタリング現象が起こりやすい。例えば、磁場の強い領域が特定の箇所となる場合、ターゲット３００ａの特定の領域のみが使用されることになる。一方、図４３（Ｂ）に示すようにマグネットユニット３３０ａを揺動させることで、ターゲット３００ａを均一に使用することができる。また、マグネットユニット３３０ａを揺動させることによって、均一な厚さを有する膜、及び均一な質を有する膜とすることができる。
【０３８６】
また、マグネットユニット３３０ａを揺動させることにより、基板３６０の近傍における磁力線の状態も変化させることができる。これは、マグネットユニット３３０ｂにおいても同様である。
【０３８７】
なお、ここではマグネットユニット３３０ａ及びマグネットユニット３３０ｂを揺動させる例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、マグネットユニット３３０ａ及びマグネットユニット３３０ｂを回転させても構わない。例えば、マグネットユニット３３０ａ及びマグネットユニット３３０ｂを、０．１Ｈｚ以上１ｋＨｚ以下のビートで回転させればよい。または、ターゲット３００を回転または移動させても構わない。例えば、ターゲット３００を、０．１Ｈｚ以上１ｋＨｚ以下のビートで回転または移動させればよい。または、基板３６０を回転させることで、相対的に基板３６０の上面における磁力線の状態を変化させることができる。または、これらを組み合わせても構わない。
【０３８８】
成膜室３０１は、バッキングプレート３１０ａ及びバッキングプレート３１０ｂの内部または下部などに水路を有してもよい。そして、該水路に流体（空気、窒素、希ガス、水、オイルなど）を流すことで、スパッタ時にターゲット３００ａ及びターゲット３００ｂの温度の上昇による放電異常や、部材の変形による成膜室３０１の損傷などを抑制することができる。このとき、バッキングプレート３１０ａとターゲット３００ａとをボンディング材を介して密着させると、冷却性能が高まるため好ましい。また、バッキングプレート３１０ｂとターゲット３００ｂとをボンディング材を介して密着させると、冷却性能が高まるため好ましい。
【０３８９】
なお、ターゲットホルダ３２０ａとバッキングプレート３１０ａとの間にガスケットを有すると、成膜室３０１内に外部や水路などから不純物が混入しにくくなるため好ましい。また、ターゲットホルダ３２０ｂとバッキングプレート３１０ｂとの間にガスケットを有すると、成膜室３０１内に外部や水路などから不純物が混入しにくくなるため好ましい。
【０３９０】
マグネットユニット３３０ａにおいて、マグネット３３０Ｎ１及びマグネット３３０Ｎ２とマグネット３３０Ｓとはそれぞれターゲット３００ａ側に異なる極を向けて配置されている。ここでは、マグネット３３０Ｎ１及びマグネット３３０Ｎ２をターゲット３００ａ側がＮ極となるように配置し、マグネット３３０Ｓをターゲット３００ａ側がＳ極となるように配置する場合について説明する。ただし、マグネットユニット３３０ａにおけるマグネット及び極の配置は、この配置に限定されるものではない。また、図４３（Ａ）の配置に限定されるものでもない。これは、マグネットユニット３３０ｂについても同様である。
【０３９１】
成膜時、ターゲットホルダ３２０ａに接続する端子Ｖ１に印加される電位と、ターゲットホルダ３２０ｂに接続する端子Ｖ４に印加される電位は、交互に高低が入れ替わってもよい。また、基板ホルダ３７０に接続する端子Ｖ２に印加される電位は、例えば、接地電位である。また、マグネットホルダ３３２に接続する端子Ｖ３に印加される電位は、例えば、接地電位である。なお、端子Ｖ１、端子Ｖ２、端子Ｖ３及び端子Ｖ４に印加される電位は上記の電位に限定されない。また、ターゲットホルダ３２０ａ、ターゲットホルダ３２０ｂ、基板ホルダ３７０、マグネットホルダ３３２の全てに電位が印加されなくても構わない。例えば、基板ホルダ３７０がフローティング状態であってもよい。なお、図４３（Ａ）では、ターゲットホルダ３２０ａに接続する端子Ｖ１に印加される電位と、ターゲットホルダ３２０ｂに接続する端子Ｖ４に印加される電位は、交互に高低が入れ替わる、いわゆるＡＣスパッタリング法の例を示したが、これに限定されない。
【０３９２】
また、図４３（Ａ）では、バッキングプレート３１０ａ及びターゲットホルダ３２０ａと、マグネットユニット３３０ａ及びマグネットホルダ３３２と、は電気的に接続されない例を示したが、これに限定されない。例えば、バッキングプレート３１０ａ及びターゲットホルダ３２０ａと、マグネットユニット３３０ａ及びマグネットホルダ３３２と、が電気的に接続されており、等電位となっていても構わない。また、バッキングプレート３１０ｂ及びターゲットホルダ３２０ｂと、マグネットユニット３３０ｂ及びマグネットホルダ３３２と、は電気的に接続されない例を示したが、これに限定されない。例えば、バッキングプレート３１０ｂ及びターゲットホルダ３２０ｂと、マグネットユニット３３０ｂ及びマグネットホルダ３３２と、が電気的に接続されており、等電位となっていても構わない。
【０３９３】
また、得られる酸化物の結晶性をさらに高めるために、基板３６０の温度を高くしても構わない。基板３６０の温度を高くすることで、基板３６０の近傍におけるスパッタ粒子のマイグレーションを助長させることができる。したがって、より密度が高く、より結晶性の高い酸化物を成膜することができる。なお、基板３６０の温度は、例えば、室温以上４４０℃未満、好ましくは室温以上４００℃以下、より好ましくは１５０℃以上３００℃以下、さらに好ましくは１００℃以上２００℃以下である。
【０３９４】
また、成膜ガス中の酸素分圧が高すぎると、複数種の結晶相を含む酸化物が成膜されやすいため、成膜ガスはアルゴンなどの希ガス（ほかにヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノンなど）と酸素との混合ガスを用いると好ましい。
【０３９５】
例えば、全体に占める酸素の割合を５０体積％未満、好ましくは３３体積％以下、さらに好ましくは２０体積％以下、より好ましくは１５体積％以下とすればよい。
【０３９６】
また、ターゲット３００ａと基板３６０との垂直距離を、１０ｍｍ以上６００ｍｍ以下、好ましくは２０ｍｍ以上４００ｍｍ以下、さらに好ましくは３０ｍｍ以上２００ｍｍ以下、より好ましくは４０ｍｍ以上１００ｍｍ以下とする。ターゲット３００ａと基板３６０との垂直距離を上述の範囲まで近くすることで、スパッタ粒子が、基板３６０に到達するまでの間におけるエネルギーの低下を抑制できる場合がある。また、ターゲット３００ａと基板３６０との垂直距離を上述の範囲まで遠くすることで、スパッタ粒子の基板３６０への入射方向を垂直に近づけることができるため、スパッタ粒子の衝突による基板３６０へのダメージを小さくすることができる場合がある。
【０３９７】
また、ターゲット３００ｂと基板３６０との垂直距離を、１０ｍｍ以上６００ｍｍ以下、好ましくは２０ｍｍ以上４００ｍｍ以下、さらに好ましくは３０ｍｍ以上２００ｍｍ以下、より好ましくは４０ｍｍ以上１００ｍｍ以下とする。ターゲット３００ｂと基板３６０との垂直距離を上述の範囲まで近くすることで、スパッタ粒子が、基板３６０に到達するまでの間におけるエネルギーの低下を抑制できる場合がある。また、ターゲット３００ｂと基板３６０との垂直距離を上述の範囲まで遠くすることで、スパッタ粒子の基板３６０への入射方向を垂直に近づけることができるため、スパッタ粒子の衝突による基板３６０へのダメージを小さくすることができる場合がある。
【０３９８】
［対向ターゲット式スパッタリング装置（ＶＤＳＰ）］
次に、対向ターゲット式スパッタリング装置について、説明する。図４４（Ａ）は、対向ターゲット式スパッタリング装置を有する成膜室の断面図である。図４４（Ａ）に示す成膜室は、ターゲット３００ａ及びターゲット３００ｂと、ターゲット３００ａ及びターゲット３００ｂをそれぞれ保持するバッキングプレート３１０ａ及びバッキングプレート３１０ｂと、バッキングプレート３１０ａ及びバッキングプレート３１０ｂを介してターゲット３００ａ及びターゲット３００ｂの背面にそれぞれ配置されるマグネットユニット３３０ａ及びマグネットユニット３３０ｂと、を有する。また、基板ホルダ３７０は、ターゲット３００ａ及びターゲット３００ｂの間に配置される。なお、成膜室に基板３６０を搬入したのち、基板３６０は基板ホルダ３７０に固定される。
【０３９９】
また、図４４（Ａ）に示すように、バッキングプレート３１０ａ及びバッキングプレート３１０ｂには、電位を印加するための電源３９０及び電源３９１が接続されている。バッキングプレート３１０ａに印加する電位と、バッキングプレート３１０ｂに印加する電位の高低が交互に入れ替わる、いわゆるＡＣ電源を用いると好ましい。また、図４４（Ａ）に示す電源３９０及び電源３９１はＡＣ電源を用いた例を示しているが、これに限られない。例えば、電源３９０及び電源３９１としてＲＦ電源、ＤＣ電源などを用いてもよい。または、電源３９０と電源３９１とで、異なる種類の電源を用いてもよい。
【０４００】
また、基板ホルダ３７０はＧＮＤに接続されていることが好ましい。また、基板ホルダ３７０はフローティングの状態であってもよい。
【０４０１】
図４４（Ｂ）及び図４４（Ｃ）は、図４４（Ａ）の一点鎖線Ａ−Ｂ間におけるプラズマ３４０の電位分布を示している。図４４（Ｂ）に示す電位分布は、バッキングプレート３１０ａに高電位を印加し、バッキングプレート３１０ｂに低電位を印加した状態を示す。即ち、ターゲット３００ｂに向けて陽イオンが加速される。図４４（Ｃ）に示す電位分布は、バッキングプレート３１０ａに低電位を印加し、バッキングプレート３１０ｂに高電位を印加した状態を示す。即ち、ターゲット３００ａに向けて陽イオンが加速される。図４４（Ｂ）と、図４４（Ｃ）と、の状態を交互に入れ替わるようにして成膜することができる。
【０４０２】
また、基板３６０の表面に、プラズマ３４０が十分到達している状態で成膜することが好ましい。例えば、図４４（Ａ）に示すように、基板ホルダ３７０及び基板３６０がプラズマ３４０中に配置された状態が好ましい。特にプラズマ３４０中における陽光柱の領域に、基板ホルダ３７０及び基板３６０が入るように配置することが好ましい。プラズマ３４０中の陽光柱の領域は、図４４（Ｂ）及び図４４（Ｃ）に示す電位分布において、Ａ−Ｂ間の中間付近にある、電位分布の勾配が小さい領域である。つまり、図４４（Ａ）に示すように、プラズマ３４０における陽光柱の領域に基板３６０を配置することによって、プラズマ３４０下の強電界部に基板３６０が曝されないため、基板３６０はプラズマ３４０による損傷が少なく、欠陥を低減することができる。
【０４０３】
また、図４４（Ａ）に示すように、基板ホルダ３７０及び基板３６０がプラズマ３４０中に配置された状態で成膜することにより、ターゲット３００ａ及びターゲット３００ｂの使用効率が高くなるため好ましい。
【０４０４】
図４４（Ａ）に示すように、基板ホルダ３７０と、ターゲット３００ａと、の水平距離をＬ１とし、基板ホルダ３７０と、ターゲット３００ｂと、の水平距離をＬ２とする。Ｌ１及びＬ２の長さは、それぞれ基板３６０と同等の長さであることが好ましい。また、上述したように、基板３６０がプラズマ３４０の陽光柱の領域に入るように、Ｌ１及びＬ２の距離を適宜調節することが好ましい。例えば、Ｌ１及びＬ２は、それぞれ１０ｍｍ以上２００ｍｍ以下とすればよい。
【０４０５】
図４４（Ａ）に示す構成は、ターゲット３００ａとターゲット３００ｂとが平行に向かい合って配置されている。また、マグネットユニット３３０ａとマグネットユニット３３０ｂとが、異なる極を向かい合わせるように配置されている。このとき、磁力線は、マグネットユニット３３０ｂからマグネットユニット３３０ａに向かう。そのため、成膜時には、マグネットユニット３３０ａとマグネットユニット３３０ｂとで形成される磁場にプラズマ３４０が閉じ込められる。基板ホルダ３７０及び基板３６０は、ターゲット３００ａとターゲット３００ｂとが向かい合っている間の領域（ターゲット間領域ともいう。）に配置される。なお、図４４（Ａ）では、ターゲット３００ａとターゲット３００ｂとが向かい合う方向に平行に基板ホルダ３７０及び基板３６０を配置しているが、傾けて配置してもよい。例えば、基板ホルダ３７０及び基板３６０を３０°以上６０°以下（代表的には４５°）傾けることによって、成膜時に基板３６０に垂直入射するスパッタ粒子の割合を高くすることができる。
【０４０６】
図４５に示す構成は、ターゲット３００ａとターゲット３００ｂとが互いに平行ではなく、傾いた状態で向かい合って（Ｖ字状に）配置されている点が図４４（Ａ）に示した構成と異なる。よって、ターゲットの配置以外については、図４４（Ａ）の説明を参照する。また、マグネットユニット３３０ａとマグネットユニット３３０ｂとが異なる極が向かい合うように配置されている。基板ホルダ３７０及び基板３６０は、ターゲット間領域に配置される。ターゲット３００ａ及びターゲット３００ｂを、図４５に示すような配置とすることで、基板３６０に到達するスパッタ粒子の割合が高くなるため、堆積速度を高くすることができる。
【０４０７】
また、図４４（Ａ）では、基板ホルダ３７０及び基板３６０がプラズマ３４０中に配置された状態を示したが、これに限られない。例えば図４６に示すように、基板ホルダ３７０及び基板３６０が、プラズマ３４０の外側に配置されていてもよい。基板３６０がプラズマ３４０の高電界領域に曝されないことによって、プラズマ３４０による損傷を低減させることができる。ただし、プラズマ３４０から基板３６０を離すほど、ターゲット３００ａ及びターゲット３００ｂの使用効率が低くなってしまう。また、基板ホルダ３７０の位置は、図４６に示すように可変とする構成が好ましい。
【０４０８】
また、基板ホルダ３７０は、ターゲット間領域の上側に配置されるが、下側に配置されても構わない。また、下側及び上側に配置されても構わない。下側及び上側に基板ホルダ３７０を配置することにより、二以上の基板を同時に成膜することができるため、生産性を高めることができる。なお、ターゲット３００ａとターゲット３００ｂとが向かい合う領域の上側または／及び下側を、ターゲット３００ａとターゲット３００ｂとが向かい合う領域の側方と言い換えることができる。
【０４０９】
対向ターゲット式スパッタリング装置は、高真空であってもプラズマを安定に生成することができる。例えば、０．００５Ｐａ以上０．０９Ｐａ以下でも成膜が可能である。そのため、成膜時に混入する不純物の濃度を低減することができる。
【０４１０】
対向ターゲット式スパッタリング装置を用いることによって、高真空での成膜が可能となる、またはプラズマによる損傷の少ない成膜が可能となるため、基板３６０の温度が低い場合でも結晶性の高い膜を成膜することができる。例えば、基板３６０の温度が、１０℃以上１００℃未満であっても結晶性の高い膜を成膜することができる。
【０４１１】
図４７（Ａ）に、対向ターゲット式スパッタリング装置の別の例を示す。
【０４１２】
図４７（Ａ）は、対向ターゲット式スパッタリング装置における成膜室の断面模式図である。図４４（Ａ）に示す成膜室とは異なり、ターゲットシールド３２２及びターゲットシールド３２３が設けられている。また、バッキングプレート３１０ａ及びバッキングプレート３１０ｂと接続する電源３９１を有する。
【０４１３】
また、図４７（Ａ）に示すように、ターゲットシールド３２２及びターゲットシールド３２３は、ＧＮＤに接続されている。つまり、電源３９１の電位が与えられたバッキングプレート３１０ａ及びバッキングプレート３１０ｂと、ＧＮＤが与えられたターゲットシールド３２２及びターゲットシールド３２３と、の間に印加される電位差によって、プラズマ３４０が形成される。
【０４１４】
また、基板３６０の表面に、プラズマ３４０が十分到達している状態で成膜することが好ましい。例えば、図４７（Ａ）に示すように、基板ホルダ３７０及び基板３６０がプラズマ３４０中に配置された状態が好ましい。特にプラズマ３４０中における陽光柱の領域に、基板ホルダ３７０及び基板３６０が入るように配置することが好ましい。プラズマ中の陽光柱の領域は、電位分布の勾配が小さい領域である。つまり、図４７（Ａ）に示すように、プラズマ３４０における陽光柱の領域に基板３６０を配置することによって、プラズマ３４０下の強電界部に基板３６０が曝されないため、基板３６０はプラズマ３４０による損傷が少なく、良好な膜質の酸化物を得ることができる。
【０４１５】
また、図４７（Ａ）に示すように基板ホルダ３７０及び基板３６０がプラズマ３４０中に配置された状態で成膜することにより、ターゲット３００ａ及びターゲット３００ｂの使用効率が高くなるため好ましい。
【０４１６】
また、図４７（Ａ）に示すように、基板ホルダ３７０と、ターゲット３００ａと、の水平距離をＬ１とし、基板ホルダ３７０と、ターゲット３００ｂと、の水平距離をＬ２とする。Ｌ１及びＬ２の長さは、それぞれ基板３６０のサイズと同等の長さであることが好ましい。また、上述したように、基板３６０がプラズマ３４０の陽光柱の領域に入るように、Ｌ１及びＬ２の距離を適宜調節することが好ましい。
【０４１７】
また、図４７（Ａ）では、基板ホルダ３７０及び基板３６０がプラズマ３４０中に配置された状態を示したが、これに限られない。例えば図４７（Ｂ）に示すように、基板ホルダ３７０及び基板３６０が、プラズマ３４０の外側に配置されていてもよい。基板３６０がプラズマ３４０の高電界領域に曝されないことによって、プラズマ３４０による損傷を低減させることができる。ただし、プラズマ３４０から基板３６０を離すほど、ターゲット３００ａ及びターゲット３００ｂの使用効率が低くなってしまう。また、基板ホルダ３７０の位置は、図４７（Ｂ）に示すように可変とする構成が好ましい。
【０４１８】
また、図４７（Ｂ）に示すように、基板ホルダ３７０は、ターゲット３００ａとターゲット３００ｂとが向かい合う領域の上側に配置されるが、下側に配置されても構わない。また、下側及び上側に配置されても構わない。下側及び上側に基板ホルダ３７０を配置することにより、二以上の基板を同時に成膜することができるため、生産性を高めることができる。
【０４１９】
以上に示した対向ターゲット式スパッタリング装置は、プラズマがターゲット間の磁場に閉じこめられるため、基板へのプラズマダメージを低減することができる。また、ターゲットの傾きによって、基板へのスパッタ粒子の入射角度を浅くすることができるため、堆積される膜の段差被覆性を高めることができる。また、高真空における成膜が可能であるため、膜に混入する不純物の濃度を低減することができる。
【０４２０】
なお、成膜室に、平行平板型スパッタリング装置、イオンビームスパッタリング装置を適用しても構わない。
【０４２１】
＜３−２．成膜装置＞
以下では、本発明の一態様の酸化物を成膜することが可能なスパッタリング装置を有する成膜室を持つ成膜装置について説明する。
【０４２２】
まず、成膜時などに膜中に不純物の混入が少ない成膜装置の構成について図４８及び図４９を用いて説明する。
【０４２３】
図４８は、枚葉式マルチチャンバーの成膜装置２７００の上面図を模式的に示している。成膜装置２７００は、基板を収容するカセットポート２７６１と、基板のアライメントを行うアライメントポート２７６２と、を備える大気側基板供給室２７０１と、大気側基板供給室２７０１から、基板を搬送する大気側基板搬送室２７０２と、基板の搬入を行い、かつ室内の圧力を大気圧から減圧、または減圧から大気圧へ切り替えるロードロック室２７０３ａと、基板の搬出を行い、かつ室内の圧力を減圧から大気圧、または大気圧から減圧へ切り替えるアンロードロック室２７０３ｂと、真空中の基板の搬送を行う搬送室２７０４と、基板の加熱を行う基板加熱室２７０５と、ターゲットが配置され成膜を行う成膜室２７０６ａ、成膜室２７０６ｂ及び成膜室２７０６ｃと、を有する。なお、成膜室２７０６ａ、成膜室２７０６ｂ及び成膜室２７０６ｃは、後述する成膜室の構成を参酌することができる。
【０４２４】
また、大気側基板搬送室２７０２は、ロードロック室２７０３ａ及びアンロードロック室２７０３ｂと接続され、ロードロック室２７０３ａ及びアンロードロック室２７０３ｂは、搬送室２７０４と接続され、搬送室２７０４は、基板加熱室２７０５、成膜室２７０６ａ、成膜室２７０６ｂ及び成膜室２７０６ｃと接続する。
【０４２５】
なお、各室の接続部にはゲートバルブ２７６４が設けられており、大気側基板供給室２７０１と、大気側基板搬送室２７０２を除き、各室を独立して真空状態に保持することができる。また、大気側基板搬送室２７０２及び搬送室２７０４は、搬送ロボット２７６３を有し、基板を搬送することができる。
【０４２６】
また、基板加熱室２７０５は、プラズマ処理室を兼ねると好ましい。成膜装置２７００は、処理と処理の間で基板を大気暴露することなく搬送することが可能なため、基板に不純物が吸着することを抑制できる。また、成膜や熱処理などの順番を自由に構築することができる。なお、搬送室、成膜室、ロードロック室、アンロードロック室及び基板加熱室は、上述の数に限定されず、設置スペースやプロセス条件に合わせて、適宜最適な数を設けることができる。
【０４２７】
次に、図４８に示す成膜装置２７００の一点鎖線Ｖ１−Ｖ２、一点鎖線Ｗ１−Ｗ２、及び一点鎖線Ｗ２−Ｗ３に相当する断面を図４９に示す。
【０４２８】
図４９（Ａ）は、基板加熱室２７０５と、搬送室２７０４の断面を示しており、基板加熱室２７０５は、基板を収容することができる複数の加熱ステージ２７６５を有している。なお、基板加熱室２７０５は、バルブを介して真空ポンプ２７７０と接続されている。真空ポンプ２７７０としては、例えば、ドライポンプ、及びメカニカルブースターポンプ等を用いることができる。
【０４２９】
また、基板加熱室２７０５に用いることのできる加熱機構としては、例えば、抵抗発熱体などを用いて加熱する加熱機構としてもよい。または、加熱されたガスなどの媒体からの熱伝導または熱輻射によって、加熱する加熱機構としてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ  Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ  Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）などのＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）を用いることができる。ＬＲＴＡは、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する。ＧＲＴＡは、高温のガスを用いて熱処理を行う。ガスとしては、不活性ガスが用いられる。
【０４３０】
また、基板加熱室２７０５は、マスフローコントローラ２７８０を介して、精製機２７８１と接続される。なお、マスフローコントローラ２７８０及び精製機２７８１は、ガス種の数だけ設けられるが、理解を容易にするため一つのみを示す。基板加熱室２７０５に導入されるガスは、露点が−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下であるガスを用いることができ、例えば、酸素ガス、窒素ガス、及び希ガス（アルゴンガスなど）を用いる。
【０４３１】
搬送室２７０４は、搬送ロボット２７６３を有している。搬送ロボット２７６３は、各室へ基板を搬送することができる。また、搬送室２７０４は、バルブを介して真空ポンプ２７７０と、クライオポンプ２７７１と、接続されている。このような構成とすることで、搬送室２７０４は、大気圧から低真空または中真空（０．１Ｐａ程度）まで真空ポンプ２７７０を用いて排気され、バルブを切り替えて中真空から高真空または超高真空（０．１Ｐａから１×１０−７Ｐａ）まではクライオポンプ２７７１を用いて排気される。
【０４３２】
また、例えば、クライオポンプ２７７１は、搬送室２７０４に対して２台以上並列に接続してもよい。このような構成とすることで、１台のクライオポンプがリジェネ中であっても、残りのクライオポンプを使って排気することが可能となる。なお、上述したリジェネとは、クライオポンプ内にため込まれた分子（または原子）を放出する処理をいう。クライオポンプは、分子（または原子）をため込みすぎると排気能力が低下してくるため、定期的にリジェネが行われる。
【０４３３】
図４９（Ｂ）は、成膜室２７０６ｂと、搬送室２７０４と、ロードロック室２７０３ａの断面を示している。
【０４３４】
ここで、図４９（Ｂ）を用いて、スパッタリング装置を有する成膜室の詳細について説明する。図４９（Ｂ）に示す成膜室２７０６ｂは、ターゲット２７６６ａと、ターゲット２７６６ｂと、ターゲットシールド２７６７ａと、ターゲットシールド２７６７ｂと、マグネットユニット２７９０ａと、マグネットユニット２７９０ｂと、基板ホルダ２７６８と、電源２７９１と、を有する。図示しないが、ターゲット２７６６ａ及びターゲット２７６６ｂは、それぞれバッキングプレートを介してターゲットホルダに固定される。また、ターゲット２７６６ａ及びターゲット２７６６ｂには、電源２７９１が電気的に接続されている。マグネットユニット２７９０ａ及びマグネットユニット２７９０ｂは、それぞれターゲット２７６６ａ及びターゲット２７６６ｂの背面に配置される。ターゲットシールド２７６７ａ及びターゲットシールド２７６７ｂは、それぞれターゲット２７６６ａ及びターゲット２７６６ｂの端部を囲うように配置される。なお、ここでは基板ホルダ２７６８には、基板２７６９が支持されている。基板ホルダ２７６８は、可変部材２７８４を介して成膜室２７０６ｂに固定される。可変部材２７８４によって、ターゲット２７６６ａとターゲット２７６６ｂとの間の領域（ターゲット間領域ともいう。）まで基板ホルダ２７６８を移動させることができる。例えば、基板２７６９を支持した基板ホルダ２７６８をターゲット間領域に配置することによって、プラズマによる損傷を低減できる場合がある。また、基板ホルダ２７６８は、図示しないが、基板２７６９を保持する基板保持機構や、基板２７６９を背面から加熱するヒーター等を備えていてもよい。
【０４３５】
また、ターゲットシールド２７６７によって、ターゲット２７６６からスパッタリングされる粒子が不要な領域に堆積することを抑制できる。ターゲットシールド２７６７は、累積されたスパッタ粒子が剥離しないように、加工することが望ましい。例えば、表面粗さを増加させるブラスト処理、またはターゲットシールド２７６７の表面に凹凸を設けてもよい。
【０４３６】
また、成膜室２７０６ｂは、ガス加熱機構２７８２を介してマスフローコントローラ２７８０と接続され、ガス加熱機構２７８２はマスフローコントローラ２７８０を介して精製機２７８１と接続される。ガス加熱機構２７８２により、成膜室２７０６ｂに導入されるガスを４０℃以上４００℃以下、好ましくは５０℃以上２００℃以下に加熱することができる。なお、ガス加熱機構２７８２、マスフローコントローラ２７８０、及び精製機２７８１は、ガス種の数だけ設けられるが、理解を容易にするため一つのみを示す。成膜室２７０６ｂに導入されるガスは、露点が−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下であるガスを用いることができ、例えば、酸素ガス、窒素ガス、及び希ガス（アルゴンガスなど）を用いる。
【０４３７】
なお、ガスの導入口の直前に精製機を設ける場合、精製機から成膜室２７０６ｂまでの配管の長さを１０ｍ以下、好ましくは５ｍ以下、さらに好ましくは１ｍ以下とする。配管の長さを１０ｍ以下、５ｍ以下または１ｍ以下とすることで、配管からの放出ガスの影響を長さに応じて低減できる。さらに、ガスの配管には、フッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどで内部が被覆された金属配管を用いるとよい。前述の配管は、例えばＳＵＳ３１６Ｌ−ＥＰ配管と比べ、不純物を含むガスの放出量が少なく、ガスへの不純物の入り込みを低減できる。また、配管の継手には、高性能超小型メタルガスケット継手（ＵＰＧ継手）を用いるとよい。また、配管を全て金属で構成することで、樹脂等を用いた場合と比べ、生じる放出ガス及び外部リークの影響を低減できて好ましい。
【０４３８】
また、成膜室２７０６ｂは、バルブを介してターボ分子ポンプ２７７２及び真空ポンプ２７７０と接続される。
【０４３９】
また、成膜室２７０６ｂは、クライオトラップ２７５１が設けられる。
【０４４０】
クライオトラップ２７５１は、水などの比較的融点の高い分子（または原子）を吸着することができる機構である。ターボ分子ポンプ２７７２は大きいサイズの分子（または原子）を安定して排気し、かつメンテナンスの頻度が低いため、生産性に優れる一方、水素や水の排気能力が低い。そこで、水などに対する排気能力を高めるため、クライオトラップ２７５１が成膜室２７０６ｂに接続された構成としている。クライオトラップ２７５１の冷凍機の温度は１００Ｋ以下、好ましくは８０Ｋ以下とする。また、クライオトラップ２７５１が複数の冷凍機を有する場合、冷凍機ごとに温度を変えると、効率的に排気することが可能となるため好ましい。例えば、１段目の冷凍機の温度を１００Ｋ以下とし、２段目の冷凍機の温度を２０Ｋ以下とすればよい。なお、クライオトラップに替えて、チタンサブリメーションポンプを用いることで、さらに高真空とすることができる場合がある。また、クライオポンプやターボ分子ポンプに替えてイオンポンプを用いることでもさらに高真空とすることができる場合がある。
【０４４１】
なお、成膜室２７０６ｂの排気方法は、これに限定されず、先の搬送室２７０４に示す排気方法（クライオポンプと真空ポンプとの排気方法）と同様の構成としてもよい。もちろん、搬送室２７０４の排気方法を成膜室２７０６ｂと同様の構成（ターボ分子ポンプと真空ポンプとの排気方法）としてもよい。
【０４４２】
なお、上述した搬送室２７０４、基板加熱室２７０５、及び成膜室２７０６ｂの背圧（全圧）、ならびに各気体分子（原子）の分圧は、以下の通りとすると好ましい。とくに、形成される膜中に不純物が混入され得る可能性があるので、成膜室２７０６ｂの背圧、ならびに各気体分子（原子）の分圧には注意する必要がある。
【０４４３】
上述した各室の背圧（全圧）は、１×１０−４Ｐａ以下、好ましくは３×１０−５Ｐａ以下、さらに好ましくは１×１０−５Ｐａ以下である。上述した各室の質量電荷比（ｍ／ｚ）が１８である気体分子（原子）の分圧は、３×１０−５Ｐａ以下、好ましくは１×１０−５Ｐａ以下、さらに好ましくは３×１０−６Ｐａ以下である。また、上述した各室のｍ／ｚが２８である気体分子（原子）の分圧は、３×１０−５Ｐａ以下、好ましくは１×１０−５Ｐａ以下、さらに好ましくは３×１０−６Ｐａ以下である。また、上述した各室のｍ／ｚが４４である気体分子（原子）の分圧は、３×１０−５Ｐａ以下、好ましくは１×１０−５Ｐａ以下、さらに好ましくは３×１０−６Ｐａ以下である。
【０４４４】
なお、真空チャンバー内の全圧及び分圧は、質量分析計を用いて測定することができる。例えば、株式会社アルバック製四重極形質量分析計（Ｑ−ｍａｓｓともいう。）Ｑｕｌｅｅ  ＣＧＭ−０５１を用いればよい。
【０４４５】
また、上述した搬送室２７０４、基板加熱室２７０５、及び成膜室２７０６ｂは、外部リークまたは内部リークが少ない構成とすることが望ましい。
【０４４６】
例えば、上述した搬送室２７０４、基板加熱室２７０５、及び成膜室２７０６ｂのリークレートは、３×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下、好ましくは１×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下である。また、ｍ／ｚが１８である気体分子（原子）のリークレートが１×１０−７Ｐａ・ｍ３／ｓ以下、好ましくは３×１０−８Ｐａ・ｍ３／ｓ以下である。また、ｍ／ｚが２８である気体分子（原子）のリークレートが１×１０−５Ｐａ・ｍ３／ｓ以下、好ましくは１×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下である。また、ｍ／ｚが４４である気体分子（原子）のリークレートが３×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下、好ましくは１×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下である。
【０４４７】
なお、リークレートに関しては、前述の質量分析計を用いて測定した全圧及び分圧から導出すればよい。
【０４４８】
リークレートは、外部リーク及び内部リークに依存する。外部リークは、微小な穴やシール不良などによって真空系外から気体が流入することである。内部リークは、真空系内のバルブなどの仕切りからの漏れや内部の部材からの放出ガスに起因する。リークレートを上述の数値以下とするために、外部リーク及び内部リークの両面から対策をとる必要がある。
【０４４９】
例えば、成膜室２７０６ｂの開閉部分はメタルガスケットでシールするとよい。メタルガスケットは、フッ化鉄、酸化アルミニウム、または酸化クロムによって被覆された金属を用いると好ましい。メタルガスケットはＯリングと比べ密着性が高く、外部リークを低減できる。また、フッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどによって被覆された金属の不動態を用いることで、メタルガスケットから放出される不純物を含む放出ガスが抑制され、内部リークを低減することができる。
【０４５０】
また、成膜装置２７００を構成する部材として、不純物を含む放出ガスの少ないアルミニウム、クロム、チタン、ジルコニウム、ニッケルまたはバナジウムを用いる。また、前述の部材を鉄、クロム及びニッケルなどを含む合金に被覆して用いてもよい。鉄、クロム及びニッケルなどを含む合金は、剛性があり、熱に強く、また加工に適している。ここで、表面積を小さくするために部材の表面凹凸を研磨などによって低減しておくと、放出ガスを低減できる。
【０４５１】
または、前述の成膜装置２７００の部材をフッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどで被覆してもよい。
【０４５２】
成膜装置２７００の部材は、極力金属のみで構成することが好ましく、例えば石英などで構成される覗き窓などを設置する場合も、放出ガスを抑制するために表面をフッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどで薄く被覆するとよい。
【０４５３】
成膜室に存在する吸着物は、内壁などに吸着しているために成膜室の圧力に影響しないが、成膜室を排気した際のガス放出の原因となる。そのため、リークレートと排気速度に相関はないものの、排気能力の高いポンプを用いて、成膜室に存在する吸着物をできる限り脱離し、あらかじめ排気しておくことは重要である。なお、吸着物の脱離を促すために、成膜室をベーキングしてもよい。ベーキングすることで吸着物の脱離速度を１０倍程度大きくすることができる。ベーキングは１００℃以上４５０℃以下で行えばよい。このとき、不活性ガスを成膜室に導入しながら吸着物の除去を行うと、排気するだけでは脱離しにくい水などの脱離速度をさらに大きくすることができる。なお、導入する不活性ガスをベーキングの温度と同程度に加熱することで、吸着物の脱離速度をさらに高めることができる。ここで不活性ガスとして希ガスを用いると好ましい。また、成膜する膜種によっては不活性ガスの代わりに酸素などを用いても構わない。例えば、酸化物を成膜する場合は、主成分である酸素を用いた方が好ましい場合もある。なお、ベーキングは、ランプを用いて行うと好ましい。
【０４５４】
または、加熱した希ガスなどの不活性ガスまたは酸素などを導入することで成膜室内の圧力を高め、一定時間経過後に再び成膜室を排気する処理を行うと好ましい。加熱したガスの導入により成膜室内の吸着物を脱離させることができ、成膜室内に存在する不純物を低減することができる。なお、この処理は２回以上３０回以下、好ましくは５回以上１５回以下の範囲で繰り返し行うと効果的である。具体的には、温度が４０℃以上４００℃以下、好ましくは５０℃以上２００℃以下である不活性ガスまたは酸素などを導入することで成膜室内の圧力を０．１Ｐａ以上１０ｋＰａ以下、好ましくは１Ｐａ以上１ｋＰａ以下、さらに好ましくは５Ｐａ以上１００Ｐａ以下とし、圧力を保つ期間を１分以上３００分以下、好ましくは５分以上１２０分以下とすればよい。その後、成膜室を５分以上３００分以下、好ましくは１０分以上１２０分以下の期間排気する。
【０４５５】
また、ダミー成膜を行うことでも吸着物の脱離速度をさらに高めることができる。ダミー成膜とは、ダミー基板に対してスパッタリング法などによる成膜を行うことで、ダミー基板及び成膜室内壁に膜を堆積させ、成膜室内の不純物及び成膜室内壁の吸着物を膜中に閉じこめることをいう。ダミー基板は、放出ガスの少ない基板が好ましい。ダミー成膜を行うことで、後に成膜される膜中の不純物濃度を低減することができる。なお、ダミー成膜はベーキングと同時に行ってもよい。
【０４５６】
次に、図４９（Ｂ）に示す搬送室２７０４、及びロードロック室２７０３ａと、図４９（Ｃ）に示す大気側基板搬送室２７０２、及び大気側基板供給室２７０１の詳細について以下説明を行う。なお、図４９（Ｃ）は、大気側基板搬送室２７０２、及び大気側基板供給室２７０１の断面を示している。
【０４５７】
図４９（Ｂ）に示す搬送室２７０４については、図４９（Ａ）に示す搬送室２７０４の記載を参照する。
【０４５８】
ロードロック室２７０３ａは、基板受け渡しステージ２７５２を有する。ロードロック室２７０３ａは、減圧状態から大気まで圧力を上昇させ、ロードロック室２７０３ａの圧力が大気圧になった時に、大気側基板搬送室２７０２に設けられている搬送ロボット２７６３から基板受け渡しステージ２７５２に基板を受け取る。その後、ロードロック室２７０３ａを真空引きし、減圧状態としたのち、搬送室２７０４に設けられている搬送ロボット２７６３が基板受け渡しステージ２７５２から基板を受け取る。
【０４５９】
また、ロードロック室２７０３ａは、バルブを介して真空ポンプ２７７０、及びクライオポンプ２７７１と接続されている。真空ポンプ２７７０、及びクライオポンプ２７７１の排気系の接続方法は、搬送室２７０４の接続方法を参考とすることで接続できるため、ここでの説明は省略する。なお、図４８に示すアンロードロック室２７０３ｂは、ロードロック室２７０３ａと同様の構成とすることができる。
【０４６０】
大気側基板搬送室２７０２は、搬送ロボット２７６３を有する。搬送ロボット２７６３により、カセットポート２７６１とロードロック室２７０３ａとの基板の受け渡しを行うことができる。また、大気側基板搬送室２７０２、及び大気側基板供給室２７０１の上方にＨＥＰＡフィルタ（Ｈｉｇｈ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ａｉｒ  Ｆｉｌｔｅｒ）等のゴミまたはパーティクルを清浄化するための機構を設けてもよい。
【０４６１】
大気側基板供給室２７０１は、複数のカセットポート２７６１を有する。カセットポート２７６１は、複数の基板を収容することができる。
【０４６２】
ターゲットは、表面温度が１００℃以下、好ましくは５０℃以下、さらに好ましくは室温程度（代表的には２５℃）とする。大面積の基板に対応するスパッタリング装置では大面積のターゲットを用いることが多い。ところが、大面積に対応した大きさのターゲットをつなぎ目なく作製することは困難である。現実には複数のターゲットをなるべく隙間のないように並べて大きな形状としているが、どうしても僅かな隙間が生じてしまう。こうした僅かな隙間から、ターゲットの表面温度が高まることで亜鉛などが揮発し、徐々に隙間が広がっていくことがある。隙間が広がると、バッキングプレートや、バッキングプレートとターゲットとの接合に用いているボンディング材の金属がスパッタリングされることがあり、不純物濃度を高める要因となる。したがって、ターゲットは、十分に冷却されていることが好ましい。
【０４６３】
具体的には、バッキングプレートとして、高い導電性及び高い放熱性を有する金属（具体的には銅）を用いる。また、バッキングプレート内に水路を形成し、該水路に十分な量の冷却水を流すことで、効率的にターゲットを冷却できる。
【０４６４】
なお、ターゲットが亜鉛を含む場合、酸素ガス雰囲気で成膜することにより、プラズマダメージが軽減され、亜鉛の揮発が起こりにくい酸化物を得ることができる。
【０４６５】
上述した成膜装置を用いることで、水素濃度が、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）において、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、さらに好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である酸化物半導体を成膜することができる。
【０４６６】
また、窒素濃度が、ＳＩＭＳにおいて、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である酸化物半導体を成膜することができる。
【０４６７】
また、炭素濃度が、ＳＩＭＳにおいて、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である酸化物半導体を成膜することができる。
【０４６８】
不純物及び酸素欠損の少ない酸化物は、キャリア密度の低い酸化物である。具体的には、キャリア密度を８×１０１１／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１０／ｃｍ３未満であり、１×１０−９／ｃｍ３以上とすることができる。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、安定な特性を有する酸化物であるといえる。
【０４６９】
また、ＴＤＳによるｍ／ｚが２（水素分子など）である気体分子（原子）、ｍ／ｚが１８である気体分子（原子）、ｍ／ｚが２８である気体分子（原子）及びｍ／ｚが４４である気体分子（原子）の放出量が、それぞれ１×１０１９／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１８／ｃｍ３以下である酸化物半導体を成膜することができる。
【０４７０】
以上の成膜装置を用いることで、酸化物への不純物の混入を抑制できる。さらには、以上の成膜装置を用いて、酸化物に接する膜を成膜することで、酸化物に接する膜から酸化物へ不純物が混入することを抑制できる。
【０４７１】
以上、本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態または他の実施例に示す構成と適宜、組み合わせて用いることができる。
【０４７２】
（実施の形態４）
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した半導体装置の回路の一例について説明する。
【０４７３】
＜記憶装置１＞
本発明の一態様に係るトランジスタを用いた、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置（記憶装置）の一例を図５０に示す。
【０４７４】
図５０（Ａ）に示す半導体装置は、第１の半導体を用いたトランジスタ３２００と第２の半導体を用いたトランジスタ３３００、および容量素子３４００を有している。なお、トランジスタ３３００としては、上述のトランジスタ２００などと同様のトランジスタを用いることができる。
【０４７５】
トランジスタ３３００は、オフ電流の小さいトランジスタが好ましい。トランジスタ３３００は、例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタを用いることができる。トランジスタ３３００のオフ電流が小さいことにより、半導体装置の特定のノードに長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、またはリフレッシュ動作の頻度が極めて少なくすることが可能となるため、消費電力の低い半導体装置となる。
【０４７６】
図５０（Ａ）において、第１の配線３００１はトランジスタ３２００のソースと電気的に接続され、第２の配線３００２はトランジスタ３２００のドレインと電気的に接続される。また、第３の配線３００３はトランジスタ３３００のソース、ドレインの一方と電気的に接続され、第４の配線３００４はトランジスタ３３００のゲートと電気的に接続されている。そして、トランジスタ３２００のゲート、およびトランジスタ３３００のソース、ドレインの他方は、容量素子３４００の電極の一方と電気的に接続され、第５の配線３００５は容量素子３４００の電極の他方と電気的に接続されている。
【０４７７】
図５０（Ａ）に示す半導体装置は、トランジスタ３２００のゲートの電位が保持可能という特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
【０４７８】
情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第４の配線３００４の電位を、トランジスタ３３００が導通状態となる電位にして、トランジスタ３３００を導通状態とする。これにより、第３の配線３００３の電位が、トランジスタ３２００のゲート、および容量素子３４００の電極の一方と電気的に接続するノードＦＧに与えられる。即ち、トランジスタ３２００のゲートには、所定の電荷が与えられる（書き込み）。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷（以下Ｌｏｗレベル電荷、Ｈｉｇｈレベル電荷という。）のどちらかが与えられるものとする。その後、第４の配線３００４の電位を、トランジスタ３３００が非導通状態となる電位にして、トランジスタ３３００を非導通状態とすることにより、ノードＦＧに電荷が保持される（保持）。
【０４７９】
トランジスタ３３００のオフ電流が小さいため、ノードＦＧの電荷は長期間にわたって保持される。
【０４８０】
次に情報の読み出しについて説明する。第１の配線３００１に所定の電位（定電位）を与えた状態で、第５の配線３００５に適切な電位（読み出し電位）を与えると、第２の配線３００２は、ノードＦＧに保持された電荷量に応じた電位をとる。これは、トランジスタ３２００をｎチャネル型とすると、トランジスタ３２００のゲートにＨｉｇｈレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｈは、トランジスタ３２００のゲートにＬｏｗレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｌより低くなるためである。ここで、見かけ上のしきい値電圧とは、トランジスタ３２００を「導通状態」とするために必要な第５の配線３００５の電位をいうものとする。したがって、第５の配線３００５の電位をＶｔｈ＿ＨとＶｔｈ＿Ｌの間の電位Ｖ０とすることにより、ノードＦＧに与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、ノードＦＧにＨｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線３００５の電位がＶ０（＞Ｖｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ３２００は「導通状態」となる。一方、ノードＦＧにＬｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線３００５の電位がＶ０（＜Ｖｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ３２００は「非導通状態」のままである。このため、第２の配線３００２の電位を判別することで、ノードＦＧに保持されている情報を読み出すことができる。
【０４８１】
なお、メモリセルをアレイ状に配置する場合、読み出し時には、所望のメモリセルの情報を読み出さなくてはならない。例えば、情報を読み出さないメモリセルにおいては、ノードＦＧに与えられた電荷によらずトランジスタ３２００が「非導通状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｈより低い電位を第５の配線３００５に与えることで所望のメモリセルの情報のみを読み出せる構成とすればよい。または、情報を読み出さないメモリセルにおいては、ノードＦＧに与えられた電荷によらずトランジスタ３２００が「導通状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｌより高い電位を第５の配線３００５に与えることで所望のメモリセルの情報のみを読み出せる構成とすればよい。
【０４８２】
なお、上記においては、２種類の電荷をノードＦＧに保持する例について示したが、本発明に係る半導体装置はこれに限られるものではない。例えば、半導体装置のノードＦＧに３種類以上の電荷を保持できる構成としてもよい。このような構成とすることにより、当該半導体装置を多値化して記憶容量の増大を図ることができる。
【０４８３】
＜記憶装置２＞
図５０（Ｂ）に示す半導体装置は、トランジスタ３２００を有さない点で図５０（Ａ）に示した半導体装置と異なる。この場合も図５０（Ａ）に示した半導体装置と同様の動作により情報の書き込みおよび保持動作が可能である。
【０４８４】
図５０（Ｂ）に示す半導体装置における、情報の読み出しについて説明する。トランジスタ３３００が導通状態になると、浮遊状態である第３の配線３００３と容量素子３４００とが導通し、第３の配線３００３と容量素子３４００の間で電荷が再分配される。その結果、第３の配線３００３の電位が変化する。第３の配線３００３の電位の変化量は、容量素子３４００の電極の一方の電位（または容量素子３４００に蓄積された電荷）によって、異なる値をとる。
【０４８５】
例えば、容量素子３４００の電極の一方の電位をＶ、容量素子３４００の容量をＣ、第３の配線３００３が有する容量成分をＣＢ、電荷が再分配される前の第３の配線３００３の電位をＶＢ０とすると、電荷が再分配された後の第３の配線３００３の電位は、（ＣＢ×ＶＢ０＋ＣＶ）／（ＣＢ＋Ｃ）となる。したがって、メモリセルの状態として、容量素子３４００の電極の一方の電位がＶ１とＶ０（Ｖ１＞Ｖ０）の２つの状態をとるとすると、電位Ｖ１を保持している場合の第３の配線３００３の電位（＝（ＣＢ×ＶＢ０＋ＣＶ１）／（ＣＢ＋Ｃ））は、電位Ｖ０を保持している場合の第３の配線３００３の電位（＝（ＣＢ×ＶＢ０＋ＣＶ０）／（ＣＢ＋Ｃ））よりも高くなることがわかる。
【０４８６】
そして、第３の配線３００３の電位を所定の電位と比較することで、情報を読み出すことができる。
【０４８７】
この場合、メモリセルを駆動させるための駆動回路に上記第１の半導体が適用されたトランジスタを用い、トランジスタ３３００として第２の半導体が適用されたトランジスタを駆動回路上に積層して配置する構成とすればよい。
【０４８８】
以上に示した半導体装置は、酸化物半導体を用いたオフ電流の小さいトランジスタを適用することで、長期にわたって記憶内容を保持することが可能となる。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、またはリフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力の低い半導体装置を実現することができる。また、電力の供給がない場合（ただし、電位は固定されていることが好ましい）であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。
【０４８９】
また、該半導体装置は、情報の書き込みに高い電圧が不要であるため、素子の劣化が起こりにくい。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行わないため、絶縁体の劣化といった問題が生じない。即ち、本発明の一態様に係る半導体装置は、従来の不揮発性メモリで問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上した半導体装置である。さらに、トランジスタの導通状態、非導通状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作が可能となる。
【０４９０】
（実施の形態５）
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタや上述した記憶装置などの半導体装置を含むＣＰＵの一例について説明する。
【０４９１】
＜ＣＰＵの構成＞
図５１は、上述したトランジスタを一部に用いたＣＰＵの一例の構成を示すブロック図である。
【０４９２】
図５１に示すＣＰＵは、基板１１９０上に、ＡＬＵ１１９１（ＡＬＵ：Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ  ｌｏｇｉｃ  ｕｎｉｔ、演算回路）、ＡＬＵコントローラ１１９２、インストラクションデコーダ１１９３、インタラプトコントローラ１１９４、タイミングコントローラ１１９５、レジスタ１１９６、レジスタコントローラ１１９７、バスインターフェース１１９８、書き換え可能なＲＯＭ１１９９、およびＲＯＭインターフェース１１８９を有している。基板１１９０は、半導体基板、ＳＯＩ基板、ガラス基板などを用いる。ＲＯＭ１１９９およびＲＯＭインターフェース１１８９は、別チップに設けてもよい。もちろん、図５１に示すＣＰＵは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際のＣＰＵはその用途によって多種多様な構成を有している。例えば、図５１に示すＣＰＵまたは演算回路を含む構成を一つのコアとし、当該コアを複数含み、それぞれのコアが並列で動作するような構成としてもよい。また、ＣＰＵが内部演算回路やデータバスで扱えるビット数は、例えば８ビット、１６ビット、３２ビット、６４ビットなどとすることができる。
【０４９３】
バスインターフェース１１９８を介してＣＰＵに入力された命令は、インストラクションデコーダ１１９３に入力され、デコードされた後、ＡＬＵコントローラ１１９２、インタラプトコントローラ１１９４、レジスタコントローラ１１９７、タイミングコントローラ１１９５に入力される。
【０４９４】
ＡＬＵコントローラ１１９２、インタラプトコントローラ１１９４、レジスタコントローラ１１９７、タイミングコントローラ１１９５は、デコードされた命令に基づき、各種制御を行なう。具体的にＡＬＵコントローラ１１９２は、ＡＬＵ１１９１の動作を制御するための信号を生成する。また、インタラプトコントローラ１１９４は、ＣＰＵのプログラム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク状態から判断し、処理する。レジスタコントローラ１１９７は、レジスタ１１９６のアドレスを生成し、ＣＰＵの状態に応じてレジスタ１１９６の読み出しや書き込みを行なう。
【０４９５】
また、タイミングコントローラ１１９５は、ＡＬＵ１１９１、ＡＬＵコントローラ１１９２、インストラクションデコーダ１１９３、インタラプトコントローラ１１９４、およびレジスタコントローラ１１９７の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタイミングコントローラ１１９５は、基準クロック信号を元に、内部クロック信号を生成する内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号を上記各種回路に供給する。
【０４９６】
図５１に示すＣＰＵでは、レジスタ１１９６に、メモリセルが設けられている。レジスタ１１９６のメモリセルとして、上述したトランジスタや記憶装置などを用いることができる。
【０４９７】
図５１に示すＣＰＵにおいて、レジスタコントローラ１１９７は、ＡＬＵ１１９１からの指示に従い、レジスタ１１９６における保持動作の選択を行う。即ち、レジスタ１１９６が有するメモリセルにおいて、フリップフロップによるデータの保持を行うか、容量素子によるデータの保持を行うかを、選択する。フリップフロップによるデータの保持が選択されている場合、レジスタ１１９６内のメモリセルへの、電源電圧の供給が行われる。容量素子におけるデータの保持が選択されている場合、容量素子へのデータの書き換えが行われ、レジスタ１１９６内のメモリセルへの電源電圧の供給を停止することができる。
【０４９８】
図５２は、レジスタ１１９６として用いることのできる記憶素子１２００の回路図の一例である。記憶素子１２００は、電源遮断で記憶データが揮発する回路１２０１と、電源遮断で記憶データが揮発しない回路１２０２と、スイッチ１２０３と、スイッチ１２０４と、論理素子１２０６と、容量素子１２０７と、選択機能を有する回路１２２０と、を有する。回路１２０２は、容量素子１２０８と、トランジスタ１２０９と、トランジスタ１２１０と、を有する。なお、記憶素子１２００は、必要に応じて、ダイオード、抵抗素子、インダクタなどのその他の素子をさらに有していてもよい。
【０４９９】
ここで、回路１２０２には、上述した記憶装置を用いることができる。記憶素子１２００への電源電圧の供給が停止した際、回路１２０２のトランジスタ１２０９のゲートにはＧＮＤ（０Ｖ）、またはトランジスタ１２０９がオフする電位が入力され続ける構成とする。例えば、トランジスタ１２０９のゲートが抵抗等の負荷を介して接地される構成とする。
【０５００】
スイッチ１２０３は、一導電型（例えば、ｎチャネル型）のトランジスタ１２１３を用いて構成され、スイッチ１２０４は、一導電型とは逆の導電型（例えば、ｐチャネル型）のトランジスタ１２１４を用いて構成した例を示す。ここで、スイッチ１２０３の第１の端子はトランジスタ１２１３のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ１２０３の第２の端子はトランジスタ１２１３のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ１２０３はトランジスタ１２１３のゲートに入力される制御信号ＲＤによって、第１の端子と第２の端子の間の導通または非導通（つまり、トランジスタ１２１３の導通状態または非導通状態）が選択される。スイッチ１２０４の第１の端子はトランジスタ１２１４のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ１２０４の第２の端子はトランジスタ１２１４のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ１２０４はトランジスタ１２１４のゲートに入力される制御信号ＲＤによって、第１の端子と第２の端子の間の導通または非導通（つまり、トランジスタ１２１４の導通状態または非導通状態）が選択される。
【０５０１】
トランジスタ１２０９のソースとドレインの一方は、容量素子１２０８の一対の電極のうちの一方、およびトランジスタ１２１０のゲートと電気的に接続される。ここで、接続部分をノードＭ２とする。トランジスタ１２１０のソースとドレインの一方は、低電源電位を供給することのできる配線（例えばＧＮＤ線）に電気的に接続され、他方は、スイッチ１２０３の第１の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの一方）と電気的に接続される。スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）はスイッチ１２０４の第１の端子（トランジスタ１２１４のソースとドレインの一方）と電気的に接続される。スイッチ１２０４の第２の端子（トランジスタ１２１４のソースとドレインの他方）は電源電位ＶＤＤを供給することのできる配線と電気的に接続される。スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）と、スイッチ１２０４の第１の端子（トランジスタ１２１４のソースとドレインの一方）と、論理素子１２０６の入力端子と、容量素子１２０７の一対の電極のうちの一方と、は電気的に接続される。ここで、接続部分をノードＭ１とする。容量素子１２０７の一対の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位（ＧＮＤ等）または高電源電位（ＶＤＤ等）が入力される構成とすることができる。容量素子１２０７の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線（例えばＧＮＤ線）と電気的に接続される。容量素子１２０８の一対の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位（ＧＮＤ等）または高電源電位（ＶＤＤ等）が入力される構成とすることができる。容量素子１２０８の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線（例えばＧＮＤ線）と電気的に接続される。
【０５０２】
なお、容量素子１２０７および容量素子１２０８は、トランジスタや配線の寄生容量等を積極的に利用することによって省略することも可能である。
【０５０３】
トランジスタ１２０９のゲートには、制御信号ＷＥが入力される。スイッチ１２０３およびスイッチ１２０４は、制御信号ＷＥとは異なる制御信号ＲＤによって第１の端子と第２の端子の間の導通状態または非導通状態を選択され、一方のスイッチの第１の端子と第２の端子の間が導通状態のとき他方のスイッチの第１の端子と第２の端子の間は非導通状態となる。
【０５０４】
トランジスタ１２０９のソースとドレインの他方には、回路１２０１に保持されたデータに対応する信号が入力される。図５２では、回路１２０１から出力された信号が、トランジスタ１２０９のソースとドレインの他方に入力される例を示した。スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）から出力される信号は、論理素子１２０６によってその論理値が反転された反転信号となり、回路１２２０を介して回路１２０１に入力される。
【０５０５】
なお、図５２では、スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）から出力される信号は、論理素子１２０６および回路１２２０を介して回路１２０１に入力する例を示したがこれに限定されない。スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）から出力される信号が、論理値を反転させられることなく、回路１２０１に入力されてもよい。例えば、回路１２０１内に、入力端子から入力された信号の論理値が反転した信号が保持されるノードが存在する場合に、スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）から出力される信号を当該ノードに入力することができる。
【０５０６】
また、図５２において、記憶素子１２００に用いられるトランジスタのうち、トランジスタ１２０９以外のトランジスタは、酸化物半導体以外の半導体でなる膜または基板１１９０にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。例えば、シリコン膜またはシリコン基板にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。また、記憶素子１２００に用いられるトランジスタ全てを、チャネルが酸化物半導体で形成されるトランジスタとすることもできる。または、記憶素子１２００は、トランジスタ１２０９以外にも、チャネルが酸化物半導体で形成されるトランジスタを含んでいてもよく、残りのトランジスタは酸化物半導体以外の半導体でなる層または基板１１９０にチャネルが形成されるトランジスタとすることもできる。
【０５０７】
図５２における回路１２０１には、例えばフリップフロップ回路を用いることができる。また、論理素子１２０６としては、例えばインバータやクロックドインバータ等を用いることができる。
【０５０８】
本発明の一態様に係る半導体装置では、記憶素子１２００に電源電圧が供給されない間は、回路１２０１に記憶されていたデータを、回路１２０２に設けられた容量素子１２０８によって保持することができる。
【０５０９】
また、酸化物半導体にチャネルが形成されるトランジスタはオフ電流が極めて小さい。例えば、酸化物半導体にチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流は、結晶性を有するシリコンにチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流に比べて著しく低い。そのため、当該トランジスタをトランジスタ１２０９として用いることによって、記憶素子１２００に電源電圧が供給されない間も容量素子１２０８に保持された信号は長期間にわたり保たれる。こうして、記憶素子１２００は電源電圧の供給が停止した間も記憶内容（データ）を保持することが可能である。
【０５１０】
また、スイッチ１２０３およびスイッチ１２０４を設けることによって、プリチャージ動作を行うことを特徴とする記憶素子であるため、電源電圧供給再開後に、回路１２０１が元のデータを保持しなおすまでの時間を短くすることができる。
【０５１１】
また、回路１２０２において、容量素子１２０８によって保持された信号はトランジスタ１２１０のゲートに入力される。そのため、記憶素子１２００への電源電圧の供給が再開された後、容量素子１２０８によって保持された信号に応じてトランジスタ１２１０の状態（導通状態、または非導通状態）が決まり、回路１２０２から読み出すことができる。それ故、容量素子１２０８に保持された信号に対応する電位が多少変動していても、元の信号を正確に読み出すことが可能である。
【０５１２】
このような記憶素子１２００を、プロセッサが有するレジスタやキャッシュメモリなどの記憶装置に用いることで、電源電圧の供給停止による記憶装置内のデータの消失を防ぐことができる。また、電源電圧の供給を再開した後、短時間で電源供給停止前の状態に復帰することができる。よって、プロセッサ全体、もしくはプロセッサを構成する一つ、または複数の論理回路において、短い時間でも電源停止を行うことができるため、消費電力を抑えることができる。
【０５１３】
記憶素子１２００をＣＰＵに用いる例として説明したが、記憶素子１２００は、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、カスタムＬＳＩ等のＬＳＩ、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）デバイスにも応用可能である。また、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）やＣＰＬＤ（Ｃｏｍｐｌｅｘ  ＰＬＤ）などのプログラマブル論理回路（ＰＬＤ：Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｌｏｇｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅ）等のＬＳＩにも応用可能である。
【０５１４】
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
【０５１５】
（実施の形態６）
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した表示装置について、図５３および図５４を用いて説明する。
【０５１６】
＜表示装置の構成＞
表示装置に用いられる表示素子としては液晶素子（液晶表示素子ともいう。）、発光素子（発光表示素子ともいう。）などを用いることができる。発光素子は、電流または電圧によって輝度が制御される素子をその範疇に含んでおり、具体的には無機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）、有機ＥＬなどを含む。以下では、表示装置の一例としてＥＬ素子を用いた表示装置（ＥＬ表示装置）および液晶素子を用いた表示装置（液晶表示装置）について説明する。
【０５１７】
なお、以下に示す表示装置は、表示素子が封止された状態にあるパネルと、該パネルにコントローラを含むＩＣなどを実装した状態にあるモジュールとを含む。
【０５１８】
また、以下に示す表示装置は画像表示デバイス、または光源（照明装置含む）を指す。また、コネクター、例えばＦＰＣ、ＴＣＰが取り付けられたモジュール、ＴＣＰの先にプリント配線板を有するモジュールまたは表示素子にＣＯＧ方式によりＩＣ（集積回路）が直接実装されたモジュールも全て表示装置に含むものとする。
【０５１９】
図５３は、本発明の一態様に係るＥＬ表示装置の一例である。図５３（Ａ）に、ＥＬ表示装置の画素の回路図を示す。図５３（Ｂ）は、ＥＬ表示装置全体を示す上面図である。また、図５３（Ｃ）は、図５３（Ｂ）の一点鎖線Ｍ−Ｎの一部に対応するＭ−Ｎ断面である。
【０５２０】
図５３（Ａ）は、ＥＬ表示装置に用いられる画素の回路図の一例である。
【０５２１】
なお、本明細書等においては、能動素子（トランジスタ、ダイオードなど）、受動素子（容量素子、抵抗素子など）などが有するすべての端子について、その接続先を特定しなくても、当業者であれば、発明の一態様を構成することは可能な場合がある。つまり、接続先を特定しなくても、発明の一態様が明確であるといえる。そして、接続先が特定された内容が、本明細書等に記載されている場合、接続先を特定しない発明の一態様が、本明細書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。特に、端子の接続先として複数の箇所が想定される場合には、その端子の接続先を特定の箇所に限定する必要はない。したがって、能動素子（トランジスタ、ダイオードなど）、受動素子（容量素子、抵抗素子など）などが有する一部の端子についてのみ、その接続先を特定することによって、発明の一態様を構成することが可能な場合がある。
【０５２２】
なお、本明細書等においては、ある回路について、少なくとも接続先を特定すれば、当業者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。または、ある回路について、少なくとも機能を特定すれば、当業者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。つまり、機能を特定すれば、発明の一態様が明確であるといえる。そして、機能が特定された発明の一態様が、本明細書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。したがって、ある回路について、機能を特定しなくても、接続先を特定すれば、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。または、ある回路について、接続先を特定しなくても、機能を特定すれば、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。
【０５２３】
図５３（Ａ）に示すＥＬ表示装置は、スイッチ素子７４３と、トランジスタ７４１と、容量素子７４２と、発光素子７１９と、を有する。
【０５２４】
なお、図５３（Ａ）などは、回路構成の一例であるため、さらに、トランジスタを追加することが可能である。逆に、図５３（Ａ）の各ノードにおいて、トランジスタ、スイッチ、受動素子などを追加しないようにすることも可能である。
【０５２５】
トランジスタ７４１のゲートはスイッチ素子７４３の一端および容量素子７４２の一方の電極と電気的に接続される。トランジスタ７４１のソースは容量素子７４２の他方の電極と電気的に接続され、発光素子７１９の一方の電極と電気的に接続される。トランジスタ７４１のドレインは電源電位ＶＤＤが与えられる。スイッチ素子７４３の他端は信号線７４４と電気的に接続される。発光素子７１９の他方の電極は定電位が与えられる。なお、定電位は接地電位ＧＮＤまたはそれより小さい電位とする。
【０５２６】
スイッチ素子７４３としては、トランジスタを用いると好ましい。トランジスタを用いることで、画素の面積を小さくでき、解像度の高いＥＬ表示装置とすることができる。また、スイッチ素子７４３として、トランジスタ７４１と同一工程を経て作製されたトランジスタを用いると、ＥＬ表示装置の生産性を高めることができる。なお、トランジスタ７４１または／およびスイッチ素子７４３としては、例えば、上述したトランジスタを適用することができる。
【０５２７】
図５３（Ｂ）は、ＥＬ表示装置の上面図である。ＥＬ表示装置は、基板７００と、基板７５０と、シール材７３４と、駆動回路７３５と、駆動回路７３６と、画素７３７と、ＦＰＣ７３２と、を有する。シール材７３４は、画素７３７、駆動回路７３５および駆動回路７３６を囲むように基板７００と基板７５０との間に配置される。なお、駆動回路７３５または／および駆動回路７３６をシール材７３４の外側に配置しても構わない。
【０５２８】
図５３（Ｃ）は、図５３（Ｂ）の一点鎖線Ｍ−Ｎの一部に対応するＥＬ表示装置の断面図である。
【０５２９】
図５３（Ｃ）には、トランジスタ７４１として、基板７００上の導電体７０５と、導電体７０５が埋め込まれた絶縁体７０１、絶縁体７０１上の絶縁体７０２（絶縁体７０２ａ、絶縁体７０２ｂ、および絶縁体７０２ｃ）と、絶縁体７０２上の半導体７０３（半導体７０３ａ、半導体７０３ｂ、および半導体７０３ｃ）と、半導体７０３上の導電体７０７ａおよび導電体７０７ｂと、半導体７０３上の絶縁体７０６と、絶縁体７０６上の導電体７０４を有する構造を示す。なお、トランジスタ７４１の構造は一例であり、図５３（Ｃ）に示す構造と異なる構造であっても構わない。
【０５３０】
したがって、図５３（Ｃ）に示すトランジスタ７４１において、導電体７０４および導電体７０５はゲート電極としての機能を有し、絶縁体７０２および絶縁体７０６はゲート絶縁体としての機能を有し、導電体７０７ａおよび導電体７０７ｂはソース電極またはドレイン電極としての機能を有する。なお、半導体７０３は、光が当たることで電気特性が変動する場合がある。したがって、導電体７０５、導電体７０４のいずれか一以上が遮光性を有すると好ましい。
【０５３１】
図５３（Ｃ）には、容量素子７４２として、絶縁体７１０上の導電体７１４ａと、導電体７１４ａ上の絶縁体７１４ｂと、絶縁体７１４ｂ上の導電体７１４ｃと、を有する構造を示す。
【０５３２】
容量素子７４２において、導電体７１４ａは一方の電極として機能し、導電体７１４ｃは他方の電極として機能する。
【０５３３】
図５３（Ｃ）に示す容量素子７４２は、占有面積当たりの容量が大きい容量素子である。したがって、図５３（Ｃ）は表示品位の高いＥＬ表示装置である。
【０５３４】
トランジスタ７４１および容量素子７４２上には、絶縁体７２０が配置される。ここで、絶縁体７１０および絶縁体７２０は、トランジスタ７４１のソースとして機能する領域７０７ａに達する開口部を有してもよい。絶縁体７２０上には、導電体７８１が配置される。導電体７８１は、絶縁体７１０および絶縁体７２０の開口部を介してトランジスタ７４１と電気的に接続している。
【０５３５】
導電体７８１上には、導電体７８１に達する開口部を有する隔壁７８４が配置される。隔壁７８４上には、隔壁７８４の開口部で導電体７８１と接する発光層７８２が配置される。発光層７８２上には、導電体７８３が配置される。導電体７８１、発光層７８２および導電体７８３の重なる領域が、発光素子７１９となる。
【０５３６】
ここまでは、ＥＬ表示装置の例について説明した。次に、液晶表示装置の例について説明する。
【０５３７】
図５４（Ａ）は、液晶表示装置の画素の構成例を示す回路図である。図５４に示す画素は、トランジスタ７５１と、容量素子７５２と、一対の電極間に液晶の充填された素子（液晶素子）７５３とを有する。
【０５３８】
トランジスタ７５１では、ソース、ドレインの一方が信号線７５５に電気的に接続され、ゲートが走査線７５４に電気的に接続されている。
【０５３９】
容量素子７５２では、一方の電極がトランジスタ７５１のソース、ドレインの他方に電気的に接続され、他方の電極が共通電位を供給する配線に電気的に接続されている。
【０５４０】
液晶素子７５３では、一方の電極がトランジスタ７５１のソース、ドレインの他方に電気的に接続され、他方の電極が共通電位を供給する配線に電気的に接続されている。なお、上述した容量素子７５２の他方の電極が電気的に接続する配線に与えられる共通電位と、液晶素子７５３の他方の電極に与えられる共通電位とが異なる電位であってもよい。
【０５４１】
なお、液晶表示装置も、上面図はＥＬ表示装置と同様として説明する。図５３（Ｂ）の一点鎖線Ｍ−Ｎに対応する液晶表示装置の断面図を図５４（Ｂ）に示す。図５４（Ｂ）において、ＦＰＣ７３２は、端子７３１を介して配線７３３ａと接続される。なお、配線７３３ａは、トランジスタ７５１を構成する導電体または半導体のいずれかと同種の導電体または半導体を用いてもよい。
【０５４２】
トランジスタ７５１は、トランジスタ７４１についての記載を参照する。また、容量素子７５２は、容量素子７４２についての記載を参照する。なお、図５４（Ｂ）には、図５３（Ｃ）の容量素子７４２に対応した容量素子７５２の構造を示したが、これに限定されない。
【０５４３】
なお、トランジスタ７５１の半導体に酸化物半導体を用いた場合、極めてオフ電流の小さいトランジスタとすることができる。したがって、容量素子７５２に保持された電荷がリークしにくく、長期間に渡って液晶素子７５３に印加される電圧を維持することができる。そのため、動きの少ない動画や静止画の表示の際に、トランジスタ７５１をオフ状態とすることで、トランジスタ７５１の動作のための電力が不要となり、消費電力の小さい液晶表示装置とすることができる。また、容量素子７５２の占有面積を小さくできるため、開口率の高い液晶表示装置、または高精細化した液晶表示装置を提供することができる。
【０５４４】
トランジスタ７５１および容量素子７５２上には、絶縁体７２１が配置される。ここで、絶縁体７２１は、トランジスタ７５１に達する開口部を有する。絶縁体７２１上には、導電体７９１が配置される。導電体７９１は、絶縁体７２１の開口部を介してトランジスタ７５１と電気的に接続する。
【０５４５】
導電体７９１上には、配向膜として機能する絶縁体７９２が配置される。絶縁体７９２上には、液晶層７９３が配置される。液晶層７９３上には、配向膜として機能する絶縁体７９４が配置される。絶縁体７９４上には、スペーサ７９５が配置される。スペーサ７９５および絶縁体７９４上には、導電体７９６が配置される。導電体７９６上には、基板７９７が配置される。
【０５４６】
なお、液晶の駆動方式としては、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ  Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＳＴＮ（Ｓｕｐｅｒ  Ｔｗｉｓｔｅｄ  Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ  Ｆｉｅｌｄ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＭＶＡ（Ｍｕｌｔｉ−ｄｏｍａｉｎ  Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ  Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＡＳＶ（Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｓｕｐｅｒ  Ｖｉｅｗ）モード、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ  Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  ａｌｉｇｎｅｄ  Ｍｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ  Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ  Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＥＣＢ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＰＤＬＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ゲストホストモード、ブルー相（Ｂｌｕｅ  Ｐｈａｓｅ）モードなどを用いることができる。ただし、これに限定されず、駆動方法として様々なものを用いることができる。
【０５４７】
上述した構造を有することで、占有面積の小さい容量素子を有する表示装置を提供することができる、または、表示品位の高い表示装置を提供することができる。または、高精細の表示装置を提供することができる。
【０５４８】
例えば、本明細書等において、表示素子、表示素子を有する装置である表示装置、発光素子、および発光素子を有する装置である発光装置は、様々な形態を用いること、または様々な素子を有することができる。表示素子、表示装置、発光素子または発光装置は、例えば、白色、赤色、緑色または青色などの発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）、トランジスタ（電流に応じて発光するトランジスタ）、電子放出素子、液晶素子、電子インク、電気泳動素子、グレーティングライトバルブ（ＧＬＶ）、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）、ＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）を用いた表示素子、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、ＤＭＳ（デジタル・マイクロ・シャッター）、ＩＭＯＤ（インターフェロメトリック・モジュレーション）素子、シャッター方式のＭＥＭＳ表示素子、光干渉方式のＭＥＭＳ表示素子、エレクトロウェッティング素子、圧電セラミックディスプレイ、カーボンナノチューブを用いた表示素子などの少なくとも一つを有している。これらの他にも、電気的または磁気的作用により、コントラスト、輝度、反射率、透過率などが変化する表示媒体を有していても良い。
【０５４９】
ＥＬ素子を用いた表示装置の一例としては、ＥＬディスプレイなどがある。電子放出素子を用いた表示装置の一例としては、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）またはＳＥＤ方式平面型ディスプレイ（ＳＥＤ：Ｓｕｒｆａｃｅ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｅｍｉｔｔｅｒ  Ｄｉｓｐｌａｙ）などがある。液晶素子を用いた表示装置の一例としては、液晶ディスプレイ（透過型液晶ディスプレイ、半透過型液晶ディスプレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶ディスプレイ、投射型液晶ディスプレイ）などがある。電子インクまたは電気泳動素子を用いた表示装置の一例としては、電子ペーパーなどがある。なお、半透過型液晶ディスプレイや反射型液晶ディスプレイを実現する場合には、画素電極の一部、または、全部が、反射電極としての機能を有するようにすればよい。例えば、画素電極の一部または全部が、アルミニウム、銀、などを有するようにすればよい。さらに、その場合、反射電極の下に、ＳＲＡＭなどの記憶回路を設けることも可能である。これにより、さらに、消費電力を低減することができる。
【０５５０】
なお、ＬＥＤを用いる場合、ＬＥＤの電極や窒化物半導体の下に、グラフェンやグラファイトを配置してもよい。グラフェンやグラファイトは、複数の層を重ねて、多層膜としてもよい。このように、グラフェンやグラファイトを設けることにより、その上に、窒化物半導体、例えば、結晶を有するｎ型ＧａＮ半導体などを容易に成膜することができる。さらに、その上に、結晶を有するｐ型ＧａＮ半導体などを設けて、ＬＥＤを構成することができる。なお、グラフェンやグラファイトと、結晶を有するｎ型ＧａＮ半導体との間に、ＡｌＮ層を設けてもよい。なお、ＬＥＤが有するＧａＮ半導体は、ＭＯＣＶＤで成膜してもよい。ただし、グラフェンを設けることにより、ＬＥＤが有するＧａＮ半導体は、スパッタリング法で成膜することも可能である。
【０５５１】
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
【０５５２】
（実施の形態７）
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した電子機器について説明する。
【０５５３】
＜電子機器＞
本発明の一態様に係る半導体装置は、表示機器、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  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ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半導体装置を用いることができる電子機器として、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍端末、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等のカメラ、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、プリンタ複合機、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５５に示す。
【０５５４】
図５５（Ａ）は携帯型ゲーム機であり、筐体９０１、筐体９０２、表示部９０３、表示部９０４、マイクロフォン９０５、スピーカー９０６、操作キー９０７、スタイラス９０８等を有する。なお、図５５（Ａ）に示した携帯型ゲーム機は、２つの表示部９０３と表示部９０４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。
【０５５５】
図５５（Ｂ）は携帯データ端末であり、第１筐体９１１、第２筐体９１２、第１表示部９１３、第２表示部９１４、接続部９１５、操作キー９１６等を有する。第１表示部９１３は第１筐体９１１に設けられており、第２表示部９１４は第２筐体９１２に設けられている。そして、第１筐体９１１と第２筐体９１２とは、接続部９１５により接続されており、第１筐体９１１と第２筐体９１２の間の角度は、接続部９１５により変更が可能である。第１表示部９１３における映像を、接続部９１５における第１筐体９１１と第２筐体９１２との間の角度にしたがって、切り替える構成としてもよい。また、第１表示部９１３および第２表示部９１４の少なくとも一方に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしてもよい。なお、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することができる。または、位置入力装置としての機能は、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加することができる。
【０５５６】
図５５（Ｃ）はノート型パーソナルコンピュータであり、筐体９２１、表示部９２２、キーボード９２３、ポインティングデバイス９２４等を有する。
【０５５７】
図５５（Ｄ）は電気冷凍冷蔵庫であり、筐体９３１、冷蔵室用扉９３２、冷凍室用扉９３３等を有する。
【０５５８】
図５５（Ｅ）はビデオカメラであり、第１筐体９４１、第２筐体９４２、表示部９４３、操作キー９４４、レンズ９４５、接続部９４６等を有する。操作キー９４４およびレンズ９４５は第１筐体９４１に設けられており、表示部９４３は第２筐体９４２に設けられている。そして、第１筐体９４１と第２筐体９４２とは、接続部９４６により接続されており、第１筐体９４１と第２筐体９４２の間の角度は、接続部９４６により変更が可能である。表示部９４３における映像を、接続部９４６における第１筐体９４１と第２筐体９４２との間の角度にしたがって切り替える構成としてもよい。
【０５５９】
図５５（Ｆ）は乗用車であり、車体９５１、車輪９５２、ダッシュボード９５３、ライト９５４等を有する。
【０５６０】
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
【０５６１】
なお、以上の実施の形態において、本発明の一態様について述べた。ただし、本発明の一態様は、これらに限定されない。つまり、本実施の形態などでは、様々な発明の態様が記載されているため、本発明の一態様は、特定の態様に限定されない。例えば、本発明の一態様として、トランジスタのチャネル形成領域、ソース領域、ドレイン領域などが、酸化物半導体を有する場合の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない。場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソース領域、ドレイン領域などは、様々な半導体を有していてもよい。場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソース領域、ドレイン領域などは、例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウム、または、有機半導体などの少なくとも一つを有していてもよい。または例えば、場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソース領域、ドレイン領域などは、酸化物半導体を有していなくてもよい。
【０５６２】
（実施の形態８）
本実施の形態では、本発明の一態様である酸化物半導体について説明する。
【０５６３】
本発明の一態様の酸化物半導体は、インジウム（Ｉｎ）と、Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎを表す。）と、Ｚｎ（亜鉛）と、を有する。特に、Ｍはガリウム（Ｇａ）であると好ましい。以下では、ＭをＧａとして説明する。
【０５６４】
ここで、酸化物半導体の組成において、Ｉｎの割合が大きくなった場合の、伝導機構について説明する。
【０５６５】
＜１．酸化物半導体中の伝導帯におけるキャリア分布の解析＞
はじめに、酸化物半導体中の伝導帯におけるキャリア分布に対して、Ｉｎの原子数比［Ｉｎ］が与える影響を調べるために、［Ｉｎ］が異なる酸化物半導体のモデルを用いて計算を行った。具体的な計算内容を以下に示す。
【０５６６】
まず、電気的に中性な条件で原子位置、および格子形状について構造最適化を行った。続いて、最適化された構造が電気的に中性な状態と、該構造に１電子追加した状態との電子密度の差（差電子密度）について、解析を行った。なお、差電子密度は、単位格子に一個のキャリア電子が存在するときの伝導帯の電子密度に対応する。
【０５６７】
計算条件を下表に示す。また、計算に用いたモデルを図５６（Ａ）に示す。なお、該モデルとして、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１の酸化物半導体結晶モデルを用いた。
【０５６８】
【表３】
2017175101.tif 000008
【０５６９】
次に、各原子に帰属される電子数をＮＰＡ（ｎａｔｕｒａｌ  ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ  ａｎａｌｙｓｉｓ）により、解析した。最適化された構造が電気的に中性な状態と、該構造に１電子追加した状態とにおいて、ＮＰＡで求められる各原子に帰属される電子数の差を解析することで、伝導帯のキャリア分布における各原子の寄与を定量化した。
【０５７０】
その結果を、下表に示す。なお、平面波波動関数から原子位置を中心とした波動関数に射影するための基底関数として、Ｗｅｌｌ−Ｔｅｍｐｅｒｅｄ  Ｂａｓｉｓ  Ｓｅｔｓを使用した。
【０５７１】
【表４】
2017175101.tif 000009
【０５７２】
同様に、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝５：３：４の酸化物半導体結晶モデルを用いて、各原子に帰属される電子数を、ＮＰＡにより、解析した。その結果を、下表に示す。［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝５：３：４の酸化物半導体結晶モデルは、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１の酸化物半導体結晶モデル中の一部のＧａ原子が、Ｉｎ原子と置き換わった構造である。従って、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝５：３：４の酸化物半導体結晶モデルは、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１の酸化物半導体結晶モデルよりも、Ｉｎの原子数比が大きく、Ｇａの原子数比が小さい。
【０５７３】
【表５】
2017175101.tif 000010
【０５７４】
伝導帯中の占有電子数は、金属原子上で大きくなっており、電子キャリアは金属原子近傍に分布する蓋然性が高いため、金属原子を中心とした伝導経路が形成されていると考えられる。また、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝５：３：４の酸化物半導体結晶モデルにおいて、（Ｇａ、Ｚｎ）Ｏ層で置き換わったＩｎ原子上で、最も伝導帯中の占有電子数が高くなることがわかった。つまり、伝導帯中のキャリアの移動にＩｎ原子の寄与は大きいと考えられる。
【０５７５】
ここで、図５６（Ｃ）、図５７（Ａ）、図５７（Ｂ）、図５８（Ａ）、図５８（Ｂ）、図５９（Ａ）、および図５９（Ｂ）に、差電子密度の空間分布を示す。
【０５７６】
図５６（Ｃ）は、図５６（Ａ）のＡ１−Ａ２（ＩｎＯ２層）で示すａｂ面方向の差電子密度の分布である。差電子密度が高い領域は、原子間領域に広がっており、Ｉｎ原子周辺の電子分布とつながっている。該Ｉｎ原子は、Ａ１−Ａ２で示すａｂ面外にある原子であり、空間的に広がった電子分布は、Ａ１−Ａ２で示すａｂ面上で、Ｉｎ原子周辺の電子分布と、他のＩｎ原子周辺の電子分布が重なっている。該電子分布の重なる領域（図中に白の矢印で示す領域）の電子密度は、９．３５×１０−３［ａ０−３］である。また、Ｏ原子周辺は、電子分布が低い。従って、Ａ１−Ａ２で示すａｂ面においては、Ｉｎ原子周辺の電子分布とつながる差電子密度が高い領域が、伝導帯中のキャリアの伝導経路となっていると考えられる。
【０５７７】
図５７（Ａ）は、図５６（Ａ）のＢ１−Ｂ２（（Ｇａ、Ｚｎ）Ｏ層）で示すａｂ面方向の差電子密度の分布である。図５７（Ｂ）は、図５７（Ａ）において、図中、黒の矢印で示したＧａ原子をＩｎ原子と置き換えた［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝５：３：４の酸化物半導体結晶モデルにおける（Ｇａ、Ｚｎ）Ｏ層のａｂ面方向の差電子密度の分布である。
【０５７８】
図５７（Ａ）に示すように、Ｇａ原子、およびＺｎ原子に由来する電子分布が３方向に広がり、電子分布は、Ｇａ原子とＺｎ原子との間の領域で重なる。また、Ｏ原子周辺は、電子分布が低い。従って、Ｇａ原子、およびＺｎ原子に由来する電子分布が重なる領域が、伝導帯中のキャリアの伝導経路となっていると考えられる。
【０５７９】
また、図５７（Ｂ）では、Ｇａ原子、Ｚｎ原子、およびＧａ原子と置き換わったＩｎ原子に由来する電子分布が３方向に広がり、該電子分布は、各金属原子との間の領域で重なる。特に、Ｇａ原子と置き換わったＩｎ原子周辺の電子密度が、Ｇａ原子の電子密度よりも、広がって存在する。
【０５８０】
金属原子の間において、金属原子由来の電子分布の重なる領域（図中に白の矢印で示す領域）の電子密度は、図５７（Ａ）では１．４８×１０−３［ａ０−３］であり、一方、図５７（Ｂ）では１．７８×１０−３［ａ０−３］である。つまり、Ｇａ原子と置き換わったＩｎ原子周辺の電子分布により、該Ｉｎ原子とＧａ原子との間の領域、および該Ｉｎ原子とＺｎ原子との間の領域の電子密度が増加している。従って、原子組成において、Ｉｎの割合が大きくなると、原子間領域のキャリア密度が増加し、キャリアが金属原子の間の移動が容易となり、移動度が向上すると考えられる。
【０５８１】
次に、図５８（Ａ）、および図５９（Ａ）は、図５６（Ｂ）のＣ１−Ｃ２で示すａｃ面方向の差電子密度の分布である。図５８（Ｂ）は、図５８（Ａ）において、図中、黒の矢印で示したＧａ原子をＩｎ原子と置き換えた［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝５：３：４の酸化物半導体結晶モデルにおけるａｃ面方向の差電子密度の分布である。また、図５９（Ｂ）は、図５９（Ａ）において、図中、黒の矢印で示したＧａ原子をＩｎ原子と置き換えた［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝５：３：４の酸化物半導体結晶モデルにおけるａｃ面方向の差電子密度の分布である。
【０５８２】
図５８（Ａ）、および図５９（Ａ）に示すように、Ｉｎ原子、Ｇａ原子、およびＺｎ原子に由来する電子分布が広がり、該電子分布は、各金属原子との間の領域で重なる。従って、Ｉｎ原子、Ｇａ原子、およびＺｎ原子に由来する電子分布が重なる領域が、伝導帯中のキャリアの伝導経路となっていると考えられる。
【０５８３】
また、図５８（Ｂ）、および図５９（Ｂ）では、Ｇａ原子、Ｚｎ原子、およびＧａ原子と置き換わったＩｎ原子に由来する電子分布が広がり、該電子分布は、各金属原子との間の領域で重なる。特に、Ｇａ原子と置き換わったＩｎ原子周辺の電子密度が、Ｇａ原子の電子密度よりも、広がって存在する。
【０５８４】
金属原子の間において、金属原子由来の電子分布の重なる領域（図中に白の矢印で示す領域）の電子密度は、図５８（Ａ）では１．０５×１０−３［ａ０−３］であり、一方、図５８（Ｂ）では９．４５×１０−３［ａ０−３］である。また、金属原子の間において、金属原子由来の電子分布の重なる領域（図中に白の矢印で示す領域）の電子密度は、図５９（Ａ）では１．１０×１０−３［ａ０−３］であり、一方、図５９（Ｂ）では１．１６×１０−３［ａ０−３］である。つまり、Ｇａ原子と置き換わったＩｎ原子の電子分布により、該Ｉｎ原子とＧａ原子との間の領域、および該Ｉｎ原子とＺｎ原子との間の領域の電子密度が増加している。従って、原子組成において、Ｉｎの割合が大きくなると、原子間領域のキャリア密度が増加し、キャリアが金属原子の間の移動が容易となり、移動度が向上すると考えられる。
【０５８５】
以上より、本実施の形態における酸化物半導体は、原子数比において、［Ｉｎ］が大きくなると、（Ｇａ、Ｚｎ）Ｏ層のＧａ、またはＺｎがＩｎと置換され、金属原子の間の領域の電子密度が増加し、キャリアが金属原子の間の移動が容易となり、移動度が向上することがわかった。
【０５８６】
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。
【０５８７】
（実施の形態９）
本実施の形態では、本発明の一態様である酸化物半導体について説明する。
【０５８８】
本発明の一態様の酸化物半導体は、インジウム（Ｉｎ）と、Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎを表す。）と、Ｚｎ（亜鉛）と、を有する。特に、Ｍはガリウム（Ｇａ）であると好ましい。以下では、ＭをＧａとして説明する。
【０５８９】
ここで、ＩｎＧａＺｎＯ４の組成に対する酸素欠損（Ｖｏ）の生じ易さについて説明する。
【０５９０】
＜１．計算モデルと計算方法＞
まず、基準となる組成の結晶モデルと、基準となるモデルに対してＩｎの含有量が多い結晶モデル、およびＧａの含有量が多い結晶モデルと、を用いて計算を行った。
【０５９１】
具体的には、基準となる結晶モデルとして、図６０（Ａ）に示す、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１の結晶構造１３００を用いた。
【０５９２】
Ｉｎの含有量が多い結晶モデルとして、図６０（Ｂ）に示す、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝５：３：４の結晶構造１３０２を用いた。結晶構造１３０２は結晶構造１３００に示す結晶構造において、ＧａＺｎＯ２層にＩｎが固溶している結晶構造である。なお、図中矢印が指すＩｎは、ＧａＺｎＯ２層に固溶しているＩｎである。
【０５９３】
Ｇａの含有量が多い結晶モデルとして、図６０（Ｃ）に示す、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝３：５：４の結晶構造１３０４のモデルを用いた。なお、結晶構造１３０４は、結晶構造１３００に示す結晶構造において、ＩｎＯ２層にＧａが固溶している結晶構造である。なお、図中矢印が指すＧａは、ＩｎＯ２層に固溶しているＧａである。
【０５９４】
各結晶構造において、以下の式（４）より、酸素欠損（Ｖｏ）の形成エネルギーＥｆｏｒｍ（Ｖｏ）が求められる。Ｅｆｏｒｍ（Ｖｏ）は、酸素欠損（Ｖｏ）が生じる際に必要なエネルギーであり、小さいほど酸素欠損（Ｖｏ）が形成されやすい。
【０５９５】
【数４】
2017175101.tif 000011
【０５９６】
ここで、Ｅｔｏｔ（Ｖｏ）は酸素欠損（Ｖｏ）を有する系の全エネルギー、Ｅｔｏｔ（ｂｕｌｋ）は完全結晶の全エネルギー、μｏは酸素原子の化学ポテンシャルを示す。なお、μｏは、酸素が過剰に供給された状態とするために、酸素分子から求めた。
【０５９７】
具体的な計算内容を以下に示す。また、原子緩和計算には、第一原理電子状態計算パッケージＶＡＳＰ（Ｖｉｅｎｎａ  ａｂ  ｉｎｉｔｉｏ  ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ  ｐａｃｋａｇｅ）を用いて行った。計算条件を下表に示す。
【０５９８】
【表６】
2017175101.tif 000012
【０５９９】
＜２．ＩｎＯ２層に形成される酸素欠損（Ｖｏ）について＞
図６１（Ａ）乃至図６１（Ｅ）に、ＩｎＯ２層における酸素欠損（Ｖｏ）形成前の酸素の局所構造１３１０乃至局所構造１３１８を示す。なお、図６１（Ｂ）に示す局所構造１３１２は、図６１（Ａ）に示す局所構造１３１０において、ＧａＺｎＯ２層のＧａをＩｎと置き換えた構造である。図６１（Ｃ）に示す局所構造１３１４は、局所構造１３１０において、ＩｎＯ２層のＩｎをＧａと置き換えた構造である。図６１（Ｅ）に示す局所構造１３１８は、図６１（Ｄ）に示す局所構造１３１６において、ＩｎＯ２層のＩｎをＧａと置き換えた構造である。なお、図中矢印は置き換えた原子を示す。
【０６００】
［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１の結晶構造１３００において、局所構造１３１０、および局所構造１３１６に含まれる酸素原子が脱離した場合に酸素欠損（Ｖｏ）を生じる。
【０６０１】
［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝５：３：４の結晶構造１３０２において、局所構造１３１０、局所構造１３１２、および局所構造１３１６に含まれる酸素原子が脱離した場合に酸素欠損（Ｖｏ）を生じる。
【０６０２】
［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝３：５：４の結晶構造１３０４において、局所構造１３１０、局所構造１３１４、局所構造１３１６、および局所構造１３１８に含まれる酸素原子が脱離した場合に酸素欠損（Ｖｏ）を生じる。
【０６０３】
各結晶構造の各局所構造において、ＩｎＯ２層における酸素欠損（Ｖｏ）の形成エネルギーＥｆｏｒｍ（Ｖｏ）を計算した。計算結果を下表に示す。なお、形成エネルギーＥｆｏｒｍ（Ｖｏ）の単位は［ｅＶ］とする。
【０６０４】
【表７】
2017175101.tif 000013
【０６０５】
計算結果より、局所構造が同じであれば、酸素欠損（Ｖｏ）の形成エネルギーＥｆｏｒｍ（Ｖｏ）は、組成に依存しないことが確認できる。
【０６０６】
また、［Ｉｎ］が大きい結晶構造１３０２において、ＧａをＩｎに置き換えた局所構造１３１２は、局所構造１３１０よりも、酸素欠損（Ｖｏ）の形成エネルギーＥｆｏｒｍ（Ｖｏ）が小さいことが確認できる。これは、酸素との結合が強いＧａを、酸素との結合が弱いＩｎに置き換えたためである。
【０６０７】
一方、［Ｇａ］が大きい結晶構造１３０４において、ＩｎをＧａに置き換えた局所構造１３１４、および局所構造１３１８は、局所構造１３１０、および局所構造１３１６と、酸素欠損（Ｖｏ）の形成エネルギーＥｆｏｒｍ（Ｖｏ）は同程度である。つまり、ＩｎＯ２層に、Ｇａが固溶しても、酸素欠損（Ｖｏ）のできやすさは変化しないことが確認できた。
【０６０８】
これは、ＧａＺｎＯ２層におけるＧａとＯとの結合距離が、約１．８×１０−１乃至１．９×１０−１ｎｍであるのに対し、ＩｎＯ２層に固溶したＧａとＯとの結合距離が、約２．０×１０−１ｎｍと、結合距離が長いため、結合エネルギーが小さいことが考えられる。また、ＧａＺｎＯ２層では金属は歪んだ５配位となるのに対して、ＩｎＯ２層では金属は６配位となり、１配位子あたりの結合エネルギーがＧａＺｎＯ２層の時よりも小さくなることが考えられる。これらから、ＩｎＯ２層に固溶したＧａとＯの結合の強さは、ＩｎＯ２層のＩｎとＯの結合の強さはほぼ同じと推測される。
【０６０９】
＜３．ＧａＺｎＯ２層に形成される酸素欠損（Ｖｏ）について＞
図６２（Ａ）乃至図６２（Ｅ）に、ＧａＺｎＯ２層における酸素欠損（Ｖｏ）形成前の酸素の局所構造１３２０乃至局所構造１３２８を示す。なお、図６２（Ｂ）に示す局所構造１３２２は、図６２（Ａ）に示す局所構造１３２０において、ＧａＺｎＯ２層のＧａをＩｎと置き換えた構造である。図６２（Ｄ）に示す局所構造１３２６は、図６２（Ｃ）に示す局所構造１３２４において、ＧａＺｎＯ２層のＧａをＩｎと置き換えた構造である。図６２（Ｅ）に示す局所構造１３２８は、図６２（Ｃ）に示す局所構造１３２４において、ＧａＺｎＯ２層のＧａをＩｎと置き換えた構造である。なお、図中矢印は置き換えた原子を示す。
【０６１０】
［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１の結晶構造１３００において、局所構造１３２０、および局所構造１３２４に含まれる酸素原子が脱離した場合に酸素欠損（Ｖｏ）を生じる。
【０６１１】
［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝５：３：４の結晶構造１３０２において、局所構造１３２０、局所構造１３２２、局所構造１３２４、局所構造１３２６、および局所構造１３２８に含まれる酸素原子が脱離した場合に酸素欠損（Ｖｏ）を生じる。
【０６１２】
［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝３：５：４の結晶構造１３０４において、局所構造１３２０、および局所構造１３２４の局所構造に含まれる酸素原子が脱離した場合に酸素欠損（Ｖｏ）を生じる。
【０６１３】
各結晶構造の各局所構造において、ＧａＺｎＯ２層における酸素欠損（Ｖｏ）の形成エネルギーＥｆｏｒｍ（Ｖｏ）を計算した。計算結果を下表に示す。なお、形成エネルギーＥｆｏｒｍ（Ｖｏ）の単位は［ｅＶ］とする。
【０６１４】
【表８】
2017175101.tif 000014
【０６１５】
計算結果より、局所構造が同じであれば、酸素欠損（Ｖｏ）の形成エネルギーＥｆｏｒｍ（Ｖｏ）は、組成に依存しないことが確認できる。
【０６１６】
［Ｉｎ］が大きい結晶構造１３０２において、ＧａをＩｎに置き換えた局所構造１３２２、及び局所構造１３２６は、局所構造１３２０、局所構造１３２４よりも、それぞれ、酸素欠損（Ｖｏ）の形成エネルギーＥｆｏｒｍ（Ｖｏ）が小さいことが確認できる。これは、酸素との結合が強いＧａを、酸素との結合が弱いＩｎに置き換えたためである。
【０６１７】
一方、ｃ軸方向のＧａをＩｎに置き換えた局所構造１３２８は、局所構造１３２４よりも、酸素欠損（Ｖｏ）の形成エネルギーＥｆｏｒｍ（Ｖｏ）は大きいことが確認できる。これは、局所構造１３２４における酸素は、ｃ軸方向にあるＧａとは結合距離が離れているため、結合エネルギーが小さいが、局所構造１３２８における酸素は、ｃ軸方向にあるＩｎとは結合距離が離れていても、Ｉｎの原子半径が大きいため、結合エネルギーが大きくなる。従って、局所構造１３２８における酸素原子は脱離しにくくなり、酸素欠損（Ｖｏ）ができにくいと考えられる。
【０６１８】
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。
【０６１９】
（実施の形態１０）
本実施の形態では、本発明の一態様である酸化物半導体について説明する。
【０６２０】
本発明の一態様の酸化物半導体は、インジウム（Ｉｎ）と、Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎを表す。）と、Ｚｎ（亜鉛）と、を有する。特に、Ｍはガリウム（Ｇａ）であると好ましい。以下では、ＭをＧａとして説明する。
【０６２１】
ここで、ＩｎＧａＺｎＯ４の原子数比に対する酸素欠損（Ｖｏ）の生じ易さについて説明する。
【０６２２】
＜１．計算モデルと計算方法＞
まず、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］：［Ｏ］＝１：１：１：４の結晶構造において、図６３（Ａ）および（Ｂ）に示す、ＧａおよびＺｎの配列が異なる２種類のモデルを用いて計算を行った。なお、図６３（Ａ）および（Ｂ）は、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］：［Ｏ］＝１：１：１：４の結晶構造のうち、Ｇａ、Ｚｎ、Ｏで構成された層を、結晶構造のｃ軸方向から見た図である。ＧａおよびＺｎが凝集したモデルとして、図６３（Ａ）に示すモデル５００を用いた。また、図中破線で囲む領域５１０は、Ｚｎが凝集している領域を有し、計算に用いた範囲である。この範囲に対して三次元周期境界条件を適用し、計算を実施している。また、基準となるＧａおよびＺｎが規則的に配列したモデルとして、図６３（Ｂ）に示すモデル５０２を用いた。
【０６２３】
ここで、図６３（Ｃ）に、図６３（Ａ）および図６３（Ｂ）のモデルにおいて、Ｇａ、Ｚｎ、Ｏで構成された層に存在するＯに対するＺｎの配位数を示す。なお、ｃ軸方向のＺｎ−Ｏ間と比較し、ａｂ面方向のＺｎ−Ｏの原子間距離は短く結合が強いが、ここでは、区別しない。
【０６２４】
続いて、欠陥のないモデルからＧａ、Ｚｎ、Ｏで構成される層に存在するＯ原子を１個取り除くことで、酸素欠損（Ｖｏ）を有するモデルを作成した。酸素欠損（Ｖｏ）を有するモデルにおいて、先の実施の形態において示した式（４）より、酸素欠損（Ｖｏ）の形成エネルギーＥｆｏｒｍ（Ｖｏ）が求められる。
【０６２５】
具体的な計算内容を以下に示す。また、原子緩和計算には、第一原理電子状態計算パッケージＶＡＳＰ（Ｖｉｅｎｎａ  ａｂ  ｉｎｉｔｉｏ  ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ  ｐａｃｋａｇｅ）を用いて行った。計算条件を下表に示す。
【０６２６】
【表９】
2017175101.tif 000015
【０６２７】
図６４（Ａ）および図６４（Ｂ）に、Ｏに対する配位数と、算出した酸素欠損（Ｖｏ）の形成エネルギーとの関係を示す。図６４（Ａ）には、Ｏに対するＺｎの配位数に対し、算出した酸素欠損（Ｖｏ）の形成エネルギーをプロットしたグラフを示す。また、図６４（Ｂ）には、Ｏに対するＧａの配位数に対し、算出した酸素欠損（Ｖｏ）の形成エネルギーをプロットしたグラフを示す。なお、形成エネルギーＥｆｏｒｍ（Ｖｏ）の単位は［ｅＶ］とする。
【０６２８】
モデル５０２において、酸素欠損（Ｖｏ）の形成エネルギーの値は、ｃ軸方向にＺｎが配位した場合と、ｃ軸方向にＧａが配位した場合と、の２点が算出された。
【０６２９】
また、図６４（Ａ）より、モデル５００において、Ｚｎの配位数が多いＯほど、酸素欠損（Ｖｏ）の形成エネルギーが小さい傾向がある。つまり、Ｚｎの配位数が多いＯほど、欠損しやすい傾向があることが確認できた。一方、図６４（Ｂ）より、モデル５００において、Ｇａの配位数が多いＯほど、酸素欠損（Ｖｏ）の形成エネルギーが大きい傾向がある。つまり、Ｇａの配位数が多いＯほど、欠損しにくい傾向があることが確認できた。従って、Ｇａとの配位数が多い酸素原子は脱離しにくくなり、酸素欠損（Ｖｏ）ができにくいと考えられる。
【０６３０】
ここで、Ｚｎの配位数が４である酸素（図６５中に矢印で示す）は、ＩＧＺＯの組成の中でＺｎの割合が増えるにしたがって出現しやすくなると考えられる。そこで、原子数比において、Ｚｎの割合が大きい［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：３の結晶構造を用いて、Ｚｎの配位数が４である酸素について、酸素欠損の形成エネルギーの計算を行った。計算は、図６５に示すモデル５２０において、実線で囲む範囲を、奥行き方向に２倍したモデルを用い、上述した第一原理電子状態計算パッケージＶＡＳＰを用いて行った。計算条件を下表に示す。
【０６３１】
【表１０】
2017175101.tif 000016
【０６３２】
なお、モデル５２０における（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ層内のＧａは、図６５に示すように、３価のイオンがジグザグ（図中破線で示す）に配置されると仮定した。
【０６３３】
モデル５２０において、Ｚｎの配位数が４である酸素に対し、酸素欠損の形成エネルギーの計算を行った。その結果、酸素欠損の形成エネルギーは３．３８ｅＶ、または３．４２ｅＶとなった。これはモデル５００におけるＺｎの配位数が４である酸素よりも大きな値となっている。
【０６３４】
ここで、Ｚｎ−Ｏ間の結合長を表１１に示す。
【０６３５】
【表１１】
2017175101.tif 000017
【０６３６】
表１１より、モデル５２０の結合長はＺｎＯとの差が０．００４ｎｍ以下である。一方、モデル５００の結合長はＺｎＯとの差が、０．００７ｎｍ以上０．０１ｎｍ以下である。従って、ＺｎＯとモデル５００との結合長の差は、ＺｎＯとモデル５２０との結合長の差よりも、大きい。また、酸素欠損の形成エネルギーにおいても、モデル５２０の値は、ＺｎＯの値と、ほぼ同値である。一方、モデル５００の値は、ＺｎＯの値よりも、比較的小さい。
【０６３７】
従って、モデル５００中のＺｎ−Ｏは最適な結合長にはなっておらず、Ｚｎ−Ｏの結合エネルギーが小さくなるため、Ｚｎの配位数が４である酸素がより欠損しやすくなっていると考えられる。
【０６３８】
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。
【実施例１】
【０６３９】
本実施例では、本発明の一態様である酸化物半導体の結晶性及び組成について、評価を行った。なお、本実施例においては、試料１Ａと、試料１Ｂを作製した。試料１Ａが比較用の酸化物半導体であり、試料１Ｂが本発明の一態様の酸化物半導体である。
【０６４０】
まず、本実施例で作製した試料１Ａ及び試料１Ｂについて、説明する。
【０６４１】
試料１Ａ及び試料１Ｂは、ガラス基板上に膜厚１００ｎｍの酸化物半導体が形成された構造である。なお、試料１Ａ及び試料１Ｂにおいて、酸化物半導体の成膜条件は、ターゲットの組成、および処理室内の圧力以外は同一条件とした。
【０６４２】
試料１Ａは、スパッタリング法を用いて、ガラス基板上に酸化物半導体を１００ｎｍ成膜した。スパッタリングガスは、酸素流量が１００ｓｃｃｍ、アルゴン流量が１００ｓｃｃｍ（Ｏ２＝５０％、Ａｒ＝５０％）として、スパッタリング装置の処理室内に供給し、処理室内の圧力を０．３Ｐａに制御して、２．５ｋＷのＡＣ電源を供給して成膜した。なお、酸化物半導体を成膜する際の基板温度は、１７０℃とした。また、ターゲット組成が［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１．２であるターゲットを用いた。
【０６４３】
試料１Ｂは、スパッタリング法を用いて、ガラス基板上に酸化物半導体を１００ｎｍ成膜した。スパッタリングガスは、酸素流量が１００ｓｃｃｍ、アルゴン流量が１００ｓｃｃｍ（Ｏ２＝５０％、Ａｒ＝５０％）として、スパッタリング装置の処理室内に供給し、処理室内の圧力を０．６Ｐａに制御して、２．５ｋＷのＡＣ電源を供給して成膜した。なお、酸化物半導体を成膜する際の基板温度は、１７０℃とした。また、試料１Ｂはターゲット組成が［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：４．１であるターゲットを用いた。
【０６４４】
次に、上述の試料１Ａおよび試料１Ｂの結晶性を評価するために、ＸＲＤを行った。ＸＲＤの結果を図６６に示す。なお、ＸＲＤとしては、多機能薄膜材料評価Ｘ線回折装置Ｄ８  ＤＩＳＣＯＶＥＲ  Ｈｙｂｒｉｄ（Ｂｒｕｋｅｒ  ＡＸＳ社製）を用いた。また、図６６に示すＸＲＤの結果は、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析結果である。なお、図６６（Ａ）には試料１ＡのＸＲＤ測定結果を、図６６（Ｂ）には試料１ＢのＸＲＤ測定結果を示す。
【０６４５】
図６６（Ａ）および図６６（Ｂ）示すように、試料１Ａおよび試料１Ｂには、それぞれ２θ＝３１°近傍に結晶性を示すピークが見られた。２θ＝３１°近傍のピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に帰属されることから、いずれの試料も酸化物半導体の結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に概略垂直な方向を向いていることが示唆された。また、試料１Ａおよび試料１Ｂを比較すると、試料１Ｂの方が、２θ＝３１°近傍のピーク強度が高いことが分かった。
【０６４６】
次に、上記作製した試料１ＢのＨＡＡＤＦ（ｈｉｇｈ−ａｎｇｌｅ  ａｎｎｕｌａｒ  ｄａｒｋ  ｆｉｅｌｄ）−ＳＴＥＭ像の観察を行った。なお、ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ観察においては、原子番号の二乗に比例した輝度で原子を観察することができる。ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像においては、原子番号の２乗に比例したコントラストが得られるため、明るい点ほど重い原子を示すことになる。
【０６４７】
また、試料１Ｃとして、試料１Ｂを１３５０度、窒素雰囲気下で加熱を行った。図６７（Ａ）に、試料１Ｃの断面像を、図６７（Ｂ）に試料１Ｂの断面像を示す。
【０６４８】
図６７（Ａ）において、各原子に対応する白い点の位置に、規則的な構造が見られ、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１の酸化物半導体と同様の層状構造を形成していることが確認できた。なお、明るい点がＩｎ、暗い点がＧａ又はＺｎである。また、明るい点と暗い点の中間の輝度の点において、Ｉｎが（ＧａＺｎＯ２）＋層に固溶していることが確認できた。
【０６４９】
また、図６７（Ｂ）において、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１の酸化物半導体と比較するとＩｎが（ＧａＺｎＯ２）＋層に固溶するため、コントラストが弱くなっているが、輝度の強い（ＩｎＯ２）−層と輝度の弱い（ＩｎｘＧａ１−ｘＺｎＯ２）＋層の積層構造が確認できた。従って、試料１Ｂは組成が変わりつつもＩｎＧａＺｎＯ４と同様の層状構造を有することが確認された。
【０６５０】
以上より、図６７（Ａ）および図６７（Ｂ）に示すように、試料１Ｂおよび試料１Ｃは、ｃ軸配向性を有する結晶の明確な格子像が観察された。
【０６５１】
以上、本実施例に示す構成は、他の実施の形態または他の実施例に記載の構成と適宜組み合わせて用いることができる。
【実施例２】
【０６５２】
本実施例では、本発明の一態様である酸化物半導体の結晶構造、および移動度について評価を行った。なお、本実施例においては、試料として結晶構造、または原子数比が異なる４種の酸化物半導体を作製した。
【０６５３】
＜１．各試料の構成と作製方法＞
試料として、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１のＣＡＡＣ構造を有する酸化物半導体、および［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：３のＣＡＡＣ構造を有する酸化物半導体を作製した。また、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１の単結晶構造を有する酸化物半導体、および［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：３の単結晶構造を有する酸化物半導体を作製した。
【０６５４】
［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１のＣＡＡＣ構造を有する酸化物半導体、および［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：３のＣＡＡＣ構造を有する酸化物半導体は、スパッタリング法を用いて、Ｓｉ基板上に酸化物半導体を１００ｎｍの厚さで成膜した。
【０６５５】
［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１の単結晶構造を有する酸化物半導体、および［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：３の単結晶構造を有する酸化物半導体は、スパッタリング法を用いて、ＹＳＺ基板上に酸化物半導体を１００ｎｍの厚さで成膜した。その後、酸素雰囲気にて、１２００℃で１時間焼成することにより作成した。
【０６５６】
＜２．各試料の結晶構造について＞
上記作製した各試料のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像の観察を行った結果を図６８（Ａ）に示す。
【０６５７】
［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１のＣＡＡＣ構造を有する酸化物半導体において、各原子に対応する白い点の位置に、規則的な構造が見られ、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１の単結晶構造を有する酸化物半導体と同様の層状構造を形成していることが確認できた。なお、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１の単結晶構造を有する酸化物半導体のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像において、鎖線で囲む明るい点がＩｎ、一点鎖線で囲む暗い点がＧａ又はＺｎである。
【０６５８】
また、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：３のＣＡＡＣ構造を有する酸化物半導体、および［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：３の単結晶構造を有する酸化物半導体においても、各原子に対応する白い点の位置に、規則的な構造が確認できた。
【０６５９】
また、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：３の単結晶構造を有する酸化物半導体のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像において、鎖線で囲む層と、一点鎖線で囲む層との輝度スペクトルを積算し、相対強度を比較した。その結果を、下表に示した。
【０６６０】
【表１２】
2017175101.tif 000018
【０６６１】
ここで、散乱強度、原子弾性散乱振幅の二乗、および高角散乱の場合における原子番号の二乗は、比例関係にある。従って、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：３の単結晶構造を有する酸化物半導体の一点鎖線で囲む層において、Ｇａ、またはＺｎの一部が、Ｉｎと置き換わっていると推測できた。
【０６６２】
そこで、ＳＥＭ−ＥＤＸ（Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘｒａｙ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：３の単結晶構造を有する酸化物半導体の元素分析を行った。その結果を図６８（Ｂ）にＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像と並べて示す。
【０６６３】
図６８（Ｂ）において、各層のＳＥＭ−ＥＤＸスペクトルは原子数比で表されており、比較的輝度が小さい層からも、１５パーセント程度のＩｎが検出されることが確認できた。
【０６６４】
＜３．各試料の移動度について＞
続いて、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１のＣＡＡＣ構造を有する酸化物半導体、および［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：３のＣＡＡＣ構造を有する酸化物半導体の移動度について評価することで、酸化物半導体の原子数比が移動度に与える影響を評価した。
【０６６５】
また、各試料の移動度の測定は、ホール効果装置（ＲｅｓｉＴｅｓｔ８３００シリーズ：（株）東陽テクニカ製）を用いて、ホール効果測定により行った。その結果を図６９（Ａ）に示す。
【０６６６】
同じキャリア濃度である場合、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：３のＣＡＡＣ構造を有する酸化物半導体の移動度は、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１のＣＡＡＣ構造を有する酸化物半導体の移動度の、１．０倍以上、１．３倍以下であることがわかった。特に、キャリア濃度が高くなると、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：３のＣＡＡＣ構造を有する酸化物半導体の移動度と、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１のＣＡＡＣ構造を有する酸化物半導体の移動度の差が大きくなる傾向があることがわかった。
【０６６７】
続いて、移動度に対し、原子固有の価数の違いにより形成されるランダムポテンシャルによる電子散乱の影響を確認するため、式（５）を用いて、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１のＣＡＡＣ構造を有する酸化物半導体の電子移動度（μＧａＺｎ）に対する［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：３のＣＡＡＣ構造の酸化物半導体の電子移動度（μＩｎＧａＺｎ）の比率（以下、電子移動度比（μＩｎＧａＺｎ／μＧａＺｎ）とする。）を求めた。
【０６６８】
【数５】
2017175101.tif 000019
【０６６９】
ここで、ρＧａＺｎは（Ｇａ、Ｚｎ）Ｏ層中のカチオン数密度、ρＩｎＧａＺｎは（Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ）Ｏ層中のカチオン数密度とする。なお、添え字のＧａＺｎは、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１のＣＡＡＣ構造を有する酸化物半導体の値を表し、ＩｎＧａＺｎは［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：３のＣＡＡＣ構造の酸化物半導体の値を表わすものとする。また、εは、比誘電率、ｍ＊は有効質量とする。添え字の「ＧａＺｎ」と「ＩｎＧａＺｎ」はＩｎ−ｒｉｃｈとｎｏｎ−Ｉｎ−ｒｉｃｈをそれぞれ表わしている。ここで、ρ、ε、およびｍ＊の値は、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１のＣＡＡＣ構造を有する酸化物半導体と、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：３のＣＡＡＣ構造を有する酸化物半導体とは、同じであると仮定した。
【０６７０】
また、ｆＺｎ、およびｆＧａは、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１のＣＡＡＣ構造を有する酸化物半導体における、（Ｇａ、Ｚｎ）Ｏ層のＧａとＺｎイオンにおけるそれぞれの原子占有率を表わす。ｇＩｎ、ｇＺｎ、およびｇＧａは、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：３のＣＡＡＣ構造の酸化物半導体における、（Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ）Ｏ層のＩｎとＧａとＺｎイオンの原子占有率を表わす。また、γＩｎ／Ｇａは、Ｚｎを基準としたＩｎのＧａに対する相対実効価数の比を表わす。なお、ここでは、ｆＺｎ＝１／２、およびｆＧａ＝１／２である。また、ｇＩｎ＝１／６、ｇＺｎ＝１／３、およびｇＧａ＝１／２である。
【０６７１】
ここで、相対実効価数の比（γＩｎ／Ｇａ）に対する電子移動度比（μＩｎＧａＺｎ／μＧａＺｎ）を、図６９（Ｂ）に示す。図６９（Ｂ）の結果より、相対実効価数の比γＩｎ／Ｇａが１よりも小さい場合、ＧａとＺｎの価数の違いによるポテンシャル散乱は抑制され、電子移動度比（μＩｎＧａＺｎ／μＧａＺｎ）は１．０倍以上、１．３倍以下となることが確認できた。
【０６７２】
図６９（Ａ）、および図６９（Ｂ）の結果より、相対実効価数の比γＩｎ／Ｇａが１よりも小さい場合、ＧａとＺｎの価数の違いによるポテンシャル散乱は抑制され、電子移動度は増加すると推測できる。
【０６７３】
以上より、ＣＡＡＣ構造を有する酸化物半導体は、原子数比において、［Ｉｎ］が大きくなると、ＣＡＡＣ構造における（Ｇａ、Ｚｎ）Ｏ層のＧａ、またはＺｎがＩｎと置換され、ランダムポテンシャルによる散乱頻度が減少することにより、移動度が向上することがわかった。
【０６７４】
以上、本実施例に示す構成は、他の実施の形態または他の実施例に記載の構成と適宜組み合わせて用いることができる。
【実施例３】
【０６７５】
本実施例では、本発明の一態様である酸化物半導体の移動度について評価を行った。なお、本実施例においては、試料として原子数比が異なる４種の酸化物半導体を作製した。
【０６７６】
＜１．各試料の構成と作製方法＞
試料３Ａ、試料３Ｂ、試料３Ｃ、および試料３Ｄとして、スパッタリング法を用いて、Ｓｉ基板上に酸化物半導体を１００ｎｍの厚さで成膜した。成膜ガスは、流量２０ｓｃｃｍのアルゴン（Ａｒ）、および流量１０ｓｃｃｍの酸素（Ｏ２）を用いた。また、反応室の圧力を０．４Ｐａとし、基板表度を２００℃、ＤＣ電源により２００Ｗの電圧を印加することで成膜した。
【０６７７】
試料３Ａとして、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝３：１：２の酸化物半導体のターゲットを用いて酸化物半導体を作製した。試料３Ｂとして、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：４．１の酸化物半導体のターゲットを用いて酸化物半導体を作製した。試料３Ｃとして、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１の酸化物半導体のターゲットを用いて酸化物半導体を作製した。試料３Ｄとして、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝５：１：６の酸化物半導体のターゲットを用いて酸化物半導体を作製した。
【０６７８】
なお、試料３Ａ、試料３Ｂ、および試料３Ｃは、（ＩｎＯ２）−層が１層に対し、（ＧａＺｎＯ２）＋層が２層ずつ積み重なる層状構造を形成する。また、試料３Ｄは、（ＩｎＯ２）−層が１層に対し、（ＧａＺｎＯ２）＋層が３層ずつ積み重なる層状構造を形成する。
【０６７９】
＜２．各試料の移動度について＞
続いて、試料３Ａ、試料３Ｂ、試料３Ｃ、および試料３Ｄの移動度について評価することで、酸化物半導体の原子数比、および結晶構造が移動度に与える影響を評価した。
【０６８０】
なお、試料３Ａ、試料３Ｂ、試料３Ｃ、および試料３Ｄの移動度の測定は、ホール効果装置（ＲｅｓｉＴｅｓｔ８３００シリーズ：（株）東陽テクニカ製）を用いて、ホール効果測定により行った。その結果を図７０（Ａ）に示す。
【０６８１】
図７０（Ａ）より、同じ結晶構造を有する試料３Ａ、試料３Ｂ、および試料３Ｃにおいて、組成においてＩｎの割合が大きくなると、キャリア濃度に対する酸化物半導体の移動度は、大きくなる傾向があることがわかった。
【０６８２】
また、組成におけるＩｎの割合が、ほぼ同等であっても、結晶構造が異なる試料３Ｂと試料３Ｄとでは、キャリア濃度に対する酸化物半導体の移動度が異なることがわかった。これは、Ｚｎの割合が大きくなると、（ＩｎＯ２）−層が一層に対する（ＧａＺｎＯ２）＋層の割合が大きくなることが考えられる。また、試料３Ｃでは、ＧａとＺｎとの比率が等しいため、ＧａとＺｎの価数の違いによるポテンシャル散乱が発生し、より移動度が低下していると考えられる。
【０６８３】
＜３．各試料のエネルギーバンドダイアグラムについて＞
【０６８４】
次に、試料３Ａ、試料３Ｂ、試料３Ｃ、および試料３Ｄにおけるバンドギャップを、エリプソメトリー法を用いて求めた。また、試料３Ａ、試料３Ｂ、試料３Ｃ、および試料３Ｄにおけるイオン化ポテンシャルを、紫外光電子分光法（ＵＰＳ）を用いて求めた。その結果を図７０（Ｂ）に示す。
【０６８５】
実測値として試料３Ａのバンドギャップは２．８ｅＶであった。実測値として試料３Ｂのバンドギャップは３．０ｅＶであった。実測値として試料３Ｃのバンドギャップは３．１ｅＶであった。また、実測値として試料３Ｄのバンドギャップは２．７ｅＶであった。
【０６８６】
図７０（Ｂ）に示すように、酸化物半導体において、バンドギャップが小さいほど、高移動度となる傾向があることがわかった。
【０６８７】
以上、本実施例に示す構成は、他の実施の形態または他の実施例に記載の構成と適宜組み合わせて用いることができる。
【実施例４】
【０６８８】
本実施例では、本発明の一態様である酸化物半導体を用いて、トランジスタを形成し、トランジスタのしきい値、および電界効果移動度について評価を行った。なお、本実施例においては、試料４Ａ乃至試料４Ｈとして、チャネルが形成される酸化物半導体の原子数比が異なる８種のトランジスタを作製した。
【０６８９】
＜トランジスタ構造＞
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタについて説明する。図７１（Ａ）、図７１（Ｂ）、および図７１（Ｃ）は、本発明の一態様に係るトランジスタの上面図および断面図である。図７１（Ａ）は上面図であり、図７１（Ｂ）は、図７１（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２に対応する断面図であり、図７１（Ｃ）は、一点鎖線Ｙ１−Ｙ２に対応する断面図である。また、一点鎖線Ｘ１−Ｘ２方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｙ１−Ｙ２方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。なお、図７１（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
【０６９０】
基板４１４上に設けられたトランジスタ４００は、ゲート電極として機能する導電体４６０、および絶縁体４１６に埋め込まれた導電体４０５と、およびゲート絶縁層として機能する絶縁体４２０、絶縁体４２２、絶縁体４２４と、および絶縁体４５０と、チャネルが形成される領域を有する酸化物４３０と、ソースまたはドレインの一方として機能する導電体４４０ａと、ソースまたはドレインの他方として機能する導電体４４０ｂと、を有する。
【０６９１】
また、酸化物４３０は、酸化物４３０ａと、酸化物４３０ａ上の酸化物４３０ｂと、酸化物４３０ｂ上の酸化物４３０ｃと、を有する。なお、トランジスタ４００をオンさせると、主として酸化物４３０ｂに電流が流れる（チャネルが形成される）。一方、酸化物４３０ａおよび酸化物４３０ｃは、酸化物４３０ｂとの界面近傍（混合領域となっている場合もある）は電流が流れる場合があるものの、そのほかの領域は絶縁体として機能する場合がある。
【０６９２】
そこで、試料４Ａ乃至試料４Ｈにおいて、スパッタリング法を用いて、Ｉｎ、Ｇａ、およびＺｎを含む酸化物４３０を成膜した。なお、下表には、酸化物４３０ａ、酸化物４３０ｂ、および酸化物４３０ｃからなる酸化物４３０を成膜する際に用いたターゲットの原子数比を示した。
【０６９３】
【表１３】
2017175101.tif 000020
【０６９４】
なお、チャネル長は、０．８μｍ、チャネル幅は０．８μｍとした。また、ゲート絶縁膜として絶縁体４５０を、酸化窒化シリコンを厚さ２０ｎｍで形成した。
【０６９５】
＜各トランジスタの電界効果移動度およびしきい値＞
試料４Ａ、乃至試料４Ｈの電界効果移動度、およびしきい値電圧を測定した。電界効果移動度の結果を図７２（Ａ）に示す。また、しきい値電圧からのＳｈｉｆｔを算出した結果を図７２（Ｂ）に示す。
【０６９６】
ここで、本明細書におけるしきい値電圧及びＳｈｉｆｔ値について説明する。しきい値電圧は、ゲート電圧Ｖｇ［Ｖ］を横軸、ドレイン電流の平方根Ｉｄ１／２［Ａ］を縦軸としてプロットしたＶｇ−Ｉｄ曲線において、曲線上の傾きが最大である点における接線と、Ｉｄ１／２＝０の直線（すなわちＶｇ軸）との交点におけるゲート電圧と定義する。
【０６９７】
また、Ｉｄ−Ｖｇ特性におけるドレイン電流の立ち上がりのゲート電圧をＳｈｉｆｔと呼ぶ。本明細書におけるＳｈｉｆｔは、ゲート電圧Ｖｇ［Ｖ］を横軸、ドレイン電流Ｉｄ［Ａ］の対数を縦軸としてプロットしたＶｇ−Ｉｄ曲線において、曲線上の傾きが最大である点における接線と、Ｉｄ＝１．０×１０−１２［Ａ］の直線との交点におけるゲート電圧と定義する。
【０６９８】
図７２（Ａ）により、酸化物４３０ｂにおいて、［Ｉｎ］の増加に伴い、電界効果移動度が向上する傾向があることがわかった。一方で、図７２（Ｂ）により、しきい値については、［Ｉｎ］が増加することでマイナスシフト傾向（ノーマリーオン化）があることがわかった。
【０６９９】
以上より、Ｉｎ、Ｇａ、およびＺｎを含む酸化物半導体は、原子数比において、［Ｉｎ］が大きくなると、電界効果移動度が向上することがわかった。
【０７００】
以上、本実施例に示す構成は、他の実施の形態または他の実施例に記載の構成と適宜組み合わせて用いることができる。
【実施例５】
【０７０１】
本実施例では、本発明の一態様である酸化物半導体の結晶性及び組成について、評価を行った。なお、本実施例においては、試料５Ａ乃至試料５Ｆを作製した。
【０７０２】
まず、本実施例で作製した試料５Ａ乃至試料５Ｃについて、説明する。
【０７０３】
試料５Ａ乃至試料５Ｃは、原料を混合し、焼成した固体である。なお、試料５Ａは、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１の酸化物半導体として作成した。また、試料５Ｂは、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：２の酸化物半導体として作成した。試料５Ｃは、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１．５の酸化物半導体として作成した。
【０７０４】
試料５Ａ乃至試料５Ｃの作成方法としては、まず、Ｉｎ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、およびＺｎＯを原料とし、所定の割合で、ジルコニア製のボールと容器を用いて混合した。ただし、上記原料の純度はＩｎ２Ｏ３が４Ｎ（９９．９９％）、Ｇａ２Ｏ３が３Ｎ（９９．９％）、ＺｎＯが５Ｎ（９９．９９９％）であるものを用いた。続いて、混合物をアルミナるつぼに入れた後、１２５０℃で焼成することにより、固体を得ることで、試料５Ａ乃至５Ｃを作製した。
【０７０５】
続いて、本実施例で作製した試料５Ｄ、試料５Ｅ、および試料５Ｆについて、説明する。
【０７０６】
試料５Ｄは、Ｓｉ基板上に膜厚１００ｎｍの酸化物半導体が形成された構造である。また、試料５Ｅ、および試料５Ｆは、石英基板上に膜厚１００ｎｍの酸化物半導体が形成された構造である。試料５Ｄ、５Ｅおよび試料５Ｆの作成方法として、スパッタリング法を用いて成膜した。
【０７０７】
試料５Ｄは、スパッタリングガスとして、酸素流量３０ｓｃｃｍ（Ｏ２＝１００％）を、スパッタリング装置の処理室内に供給した。また、試料５Ｄは、処理室内の圧力を０．４Ｐａに制御して、０．２ｋＷのＤＣ電源を供給して成膜した。また、酸化物半導体を成膜する際の基板温度は、３００℃とした。
【０７０８】
なお、試料５Ｄは、ターゲット組成が［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１．５であるターゲットを用いた。
【０７０９】
試料５Ｅ、および試料５Ｆは、スパッタリングガスとして、酸素流量２４ｓｃｃｍ、およびアルゴン流量８ｓｃｃｍ（Ｏ２＝７５％、Ａｒ＝２５％）を、スパッタリング装置の処理室内に供給した。また、試料５Ｅ、および試料５Ｆは、処理室内の圧力を０．４Ｐａに制御して、０．２ｋＷのＤＣ電源を供給して成膜した。また、酸化物半導体を成膜する際の基板温度は、３００℃とした。その後、試料５Ｅには、基板温度６００℃、Ｎ２：Ｏ２＝４：１の雰囲気中で１時間熱処理を行った。
【０７１０】
なお、試料５Ｅは、ターゲット組成が［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：２であるターゲットを用いた。また、試料５Ｆは、ターゲット組成が［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１であるターゲットを用いた。
【０７１１】
ここで、作製した試料５Ｆの酸化物半導体の各元素の濃度をＩＣＰ−ＭＳ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を用いて評価した。その結果、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１．００：０．９９：０．５６であった。従って、スパッタリング法を用いて、酸化物半導体を成膜した場合、成膜に用いたターゲットと比較して、成膜した酸化物半導体は、Ｚｎの原子数比が減少していることが分かった。
【０７１２】
続いて、上記作製した試料５Ａ乃至試料５ＥのＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像の観察を行った。図７３（Ａ）に、試料５Ａの断面像を、図７３（Ｂ）に試料５Ｂの断面像を、図７４（Ａ）、および図７４（Ｂ）に、試料５Ｃの断面像を、図７５（Ａ）に試料５Ｄの断面像を、図７５（Ｂ）に試料５Ｅの断面像を、を示す。
【０７１３】
図７３（Ａ）、図７３（Ｂ）、図７４（Ａ）、図７４（Ｂ）、図７５（Ａ）、および図７５（Ｂ）において、各原子に対応する白い点の位置に、規則的な構造が見られ、層状構造を形成していることが確認できた。なお、ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像において、明るい点がＩｎ、暗い点がＧａ又はＺｎである。
【０７１４】
図７３（Ａ）に示す試料５Ａでは、Ｉｎ−Ｏ層の間の（Ｇａ，Ｚｎ）−Ｏ層の数が２層の層状構造をとることが確認できた。また、図７３（Ｂ）に示す試料５Ｂでは、Ｉｎ−Ｏ層の間の（Ｇａ，Ｚｎ）−Ｏ層の数が３層の層状構造をとることが確認できた。
【０７１５】
特に、図７４（Ａ）、および図７４（Ｂ）に示す試料５Ｃでは、Ｉｎ−Ｏ層の間の（Ｇａ，Ｚｎ）−Ｏ層の数が２と３のものが混在しながら層状構造をとることが確認できた。
【０７１６】
また、図７５（Ａ）、図７５（Ｂ）においても、輝度の強い（ＩｎＯ２）−層と輝度の弱い（ＩｎｘＧａ１−ｘＺｎＯ２）＋層の積層構造が確認できた。従って、試料５Ｄ、および試料５Ｅにおいても、組成が変わりつつもＩｎＧａＺｎＯ４と同様の層状構造を有することが確認された。
【０７１７】
さらに、図７５（Ａ）に示す試料５Ｄでは、Ｉｎ−Ｏ層の間の（Ｇａ，Ｚｎ）−Ｏ層の数が２層の層状構造をとることが確認できた。また、図７５（Ｂ）に示す試料５Ｅでは、Ｉｎ−Ｏ層の間の（Ｇａ，Ｚｎ）−Ｏ層の数が２と３のものが混在しながら層状構造をとることが確認できた。
【０７１８】
従って、（ＩｎＧａＯ３）ｎ（ＺｎＯ）ｍは組成式の中で、ｍ／ｎが厳密な整数でない場合でも、結晶構造として層状の構造をとることが明らかとなった。
【０７１９】
次に、上述の試料５Ａ乃至試料５Ｅの結晶性を評価するために、ＸＲＤ測定を行った。試料５Ａ乃至試料ＣのＸＲＤの測定結果を、図７６（Ａ）に示す。また、試料５ＤのＸＲＤの測定結果を、図７６（Ｂ）に示す。試料５ＥのＸＲＤの測定結果を、図７６（Ｃ）に示す。なお、ＸＲＤとしては、図７６（Ａ）は、Ｘ線回折装置Ｄ８  ＡＤＶＡＮＣＥ（Ｂｒｕｋｅｒ  ＡＸＳ社製）を用いた。また、図７６（Ｂ）、および図７６（Ｃ）は、多機能薄膜材料評価Ｘ線回折装置Ｄ８  ＤＩＳＣＯＶＥＲ  Ｈｙｂｒｉｄ（Ｂｒｕｋｅｒ  ＡＸＳ社製）を用いた。また、図７６に示すＸＲＤの測定結果は、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析結果である。
【０７２０】
図７６（Ａ）に示すように、試料５Ａは、ＩｎＧａＺｎＯ４に属する結晶性ピークを示すことが分かった。また、試料５Ｂは、ＩｎＧａＺｎ２Ｏ５に属する結晶性ピークを示すことが分かった。また、試料５Ｃに対応する中段図は、ＩｎＧａＺｎＯ４に属する結晶性ピークとＩｎＧａＺｎ２Ｏ５に属する結晶性ピークの両方を有することが分かった。
【０７２１】
また、図７６（Ｂ）、および図７６（Ｃ）にも、示すように、試料５Ｄ、および試料５Ｅには、それぞれ２θ＝３１°近傍に結晶化を示すピークが見られた。２θ＝３１°近傍のピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に帰属されることから、いずれの試料も酸化物半導体の結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に概略垂直な方向を向いていることが示唆された。従って、試料５Ｄ、および試料５Ｅでは、酸化物半導体の結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に概略垂直な方向を向いていることが示唆された。
【０７２２】
以上、本実施例に示す構成は、他の実施の形態または他の実施例に記載の構成と適宜組み合わせて用いることができる。
【符号の説明】
【０７２３】
１０    領域
１１    領域
１２    領域
１３    領域
１４    領域
１５    領域
１６    領域
１７    領域
１８    領域
１９    領域
２１    垂線
２２    垂線
２３    垂線
１００    基板
１０６    酸化物
１７０    Ｘ線源
１７２    検出部
２００    トランジスタ
２０２    基板
２０４    導電膜
２０６    絶縁膜
２０７    絶縁膜
２０８    酸化物
２０８ａ    酸化物
２０８ｂ    酸化物
２０８ｃ    酸化物
２１２    導電膜
２１２ａ    導電膜
２１２ｂ    導電膜
２１４    絶縁膜
２１６    絶縁膜
２１８    絶縁膜
２２０ａ    導電膜
２２０ｂ    導電膜
２３０    バリア膜
２４０    酸素
２５０    トランジスタ
２５１ａ    開口部
２５１ｂ    開口部
２５２ａ    開口部
２５２ｂ    開口部
２５２ｃ    開口部
２６０    トランジスタ
２７０    トランジスタ
２７０Ａ    トランジスタ
２７０Ｂ    トランジスタ
３００    ターゲット
３００ａ    ターゲット
３００ｂ    ターゲット
３０１    成膜室
３１０    バッキングプレート
３１０ａ    バッキングプレート
３１０ｂ    バッキングプレート
３２０    ターゲットホルダ
３２０ａ    ターゲットホルダ
３２０ｂ    ターゲットホルダ
３２２    ターゲットシールド
３２３    ターゲットシールド
３３０    マグネットユニット
３３０ａ    マグネットユニット
３３０ｂ    マグネットユニット
３３０Ｎ    マグネット
３３０Ｎ１    マグネット
３３０Ｎ２    マグネット
３３０Ｓ    マグネット
３３２    マグネットホルダ
３４０    プラズマ
３４２    部材
３６０    基板
３７０    基板ホルダ
３８０ａ    磁力線
３８０ｂ    磁力線
３９０    電源
３９１    電源
４００    トランジスタ
４０５    導電体
４１４    基板
４１６    絶縁体
４２０    絶縁体
４２２    絶縁体
４２４    絶縁体
４３０    酸化物
４３０ａ    酸化物
４３０ｂ    酸化物
４３０ｃ    酸化物
４４０ａ    導電体
４４０ｂ    導電体
４５０    絶縁体
４６０    導電体
５００    モデル
５０２    モデル
５１０    領域
５２０    モデル
７００    基板
７０１    絶縁体
７０２    絶縁体
７０３    半導体
７０４    導電体
７０５    導電体
７０６    絶縁体
７０７ａ    導電体
７０７ｂ    導電体
７１０    絶縁体
７１４ａ    導電体
７１４ｂ    絶縁体
７１４ｃ    導電体
７１９    発光素子
７２０    絶縁体
７２１    絶縁体
７３１    端子
７３２    ＦＰＣ
７３３ａ    配線
７３４    シール材
７３５    駆動回路
７３６    駆動回路
７３７    画素
７４１    トランジスタ
７４２    容量素子
７４３    スイッチ素子
７４４    信号線
７５０    基板
７５１    トランジスタ
７５２    容量素子
７５３    液晶素子
７５４    走査線
７５５    信号線
７８１    導電体
７８２    発光層
７８３    導電体
７８４    隔壁
７９１    導電体
７９２    絶縁体
７９３    液晶層
７９４    絶縁体
７９５    スペーサ
７９６    導電体
７９７    基板
９０１    筐体
９０２    筐体
９０３    表示部
９０４    表示部
９０５    マイクロフォン
９０６    スピーカー
９０７    操作キー
９０８    スタイラス
９１１    筐体
９１２    筐体
９１３    表示部
９１４    表示部
９１５    接続部
９１６    操作キー
９２１    筐体
９２２    表示部
９２３    キーボード
９２４    ポインティングデバイス
９３１    筐体
９３２    冷蔵室用扉
９３３    冷凍室用扉
９４１    筐体
９４２    筐体
９４３    表示部
９４４    操作キー
９４５    レンズ
９４６    接続部
９５１    車体
９５２    車輪
９５３    ダッシュボード
９５４    ライト
１１８９    ＲＯＭインターフェース
１１９０    基板
１１９１    ＡＬＵ
１１９２    ＡＬＵコントローラ
１１９３    インストラクションデコーダ
１１９４    インタラプトコントローラ
１１９５    タイミングコントローラ
１１９６    レジスタ
１１９７    レジスタコントローラ
１１９８    バスインターフェース
１１９９    ＲＯＭ
１２００    記憶素子
１２０１    回路
１２０２    回路
１２０３    スイッチ
１２０４    スイッチ
１２０６    論理素子
１２０７    容量素子
１２０８    容量素子
１２０９    トランジスタ
１２１０    トランジスタ
１２１３    トランジスタ
１２１４    トランジスタ
１２２０    回路
１３００    結晶構造
１３０２    結晶構造
１３０４    結晶構造
１３１０    局所構造
１３１２    局所構造
１３１４    局所構造
１３１６    局所構造
１３１８    局所構造
１３２０    局所構造
１３２２    局所構造
１３２４    局所構造
１３２６    局所構造
１３２８    局所構造
２４００    ペレット
２４０１    イオン
２４０２    横成長部
２４０３    原子状粒子
２４１０    バッキングプレート
２４２０    基板
２４３０    ターゲット
２４５０    マグネット
２７００    成膜装置
２７０１    大気側基板供給室
２７０２    大気側基板搬送室
２７０３ａ    ロードロック室
２７０３ｂ    アンロードロック室
２７０４    搬送室
２７０５    基板加熱室
２７０６ａ    成膜室
２７０６ｂ    成膜室
２７０６ｃ    成膜室
２７５１    クライオトラップ
２７５２    ステージ
２７６１    カセットポート
２７６２    アライメントポート
２７６３    搬送ロボット
２７６４    ゲートバルブ
２７６５    加熱ステージ
２７６６    ターゲット
２７６６ａ    ターゲット
２７６６ｂ    ターゲット
２７６７    ターゲットシールド
２７６７ａ    ターゲットシールド
２７６７ｂ    ターゲットシールド
２７６８    基板ホルダ
２７６９    基板
２７７０    真空ポンプ
２７７１    クライオポンプ
２７７２    ターボ分子ポンプ
２７８０    マスフローコントローラ
２７８１    精製機
２７８２    ガス加熱機構
２７８４    可変部材
２７９０ａ    マグネットユニット
２７９０ｂ    マグネットユニット
２７９１    電源
３００１    配線
３００２    配線
３００３    配線
３００４    配線
３００５    配線
３２００    トランジスタ
３３００    トランジスタ
３４００    容量素子
【図１】
2017175101.tif 000021
【図２】
2017175101.tif 000022
【図３】
2017175101.tif 000023
【図４】
2017175101.tif 000024
【図５】
2017175101.tif 000025
【図６】
2017175101.tif 000026
【図７】
2017175101.tif 000027
【図８】
2017175101.tif 000028
【図９】
2017175101.tif 000029
【図１０】
2017175101.tif 000030
【図１１】
2017175101.tif 000031
【図１２】
2017175101.tif 000032
【図１３】
2017175101.tif 000033
【図１４】
2017175101.tif 000034
【図１５】
2017175101.tif 000035
【図１６】
2017175101.tif 000036
【図１７】
2017175101.tif 000037
【図１８】
2017175101.tif 000038
【図１９】
2017175101.tif 000039
【図２０】
2017175101.tif 000040
【図２１】
2017175101.tif 000041
【図２２】
2017175101.tif 000042
【図２３】
2017175101.tif 000043
【図２４】
2017175101.tif 000044
【図２５】
2017175101.tif 000045
【図２６】
2017175101.tif 000046
【図２７】
2017175101.tif 000047
【図２８】
2017175101.tif 000048
【図２９】
2017175101.tif 000049
【図３０】
2017175101.tif 000050
【図３１】
2017175101.tif 000051
【図３２】
2017175101.tif 000052
【図３３】
2017175101.tif 000053
【図３４】
2017175101.tif 000054
【図３５】
2017175101.tif 000055
【図３６】
2017175101.tif 000056
【図３７】
2017175101.tif 000057
【図３８】
2017175101.tif 000058
【図３９】
2017175101.tif 000059
【図４０】
2017175101.tif 000060
【図４１】
2017175101.tif 000061
【図４２】
2017175101.tif 000062
【図４３】
2017175101.tif 000063
【図４４】
2017175101.tif 000064
【図４５】
2017175101.tif 000065
【図４６】
2017175101.tif 000066
【図４７】
2017175101.tif 000067
【図４８】
2017175101.tif 000068
【図４９】
2017175101.tif 000069
【図５０】
2017175101.tif 000070
【図５１】
2017175101.tif 000071
【図５２】
2017175101.tif 000072
【図５３】
2017175101.tif 000073
【図５４】
2017175101.tif 000074
【図５５】
2017175101.tif 000075
【図５６】
2017175101.tif 000076
【図５７】
2017175101.tif 000077
【図５８】
2017175101.tif 000078
【図５９】
2017175101.tif 000079
【図６０】
2017175101.tif 000080
【図６１】
2017175101.tif 000081
【図６２】
2017175101.tif 000082
【図６３】
2017175101.tif 000083
【図６４】
2017175101.tif 000084
【図６５】
2017175101.tif 000085
【図６６】
2017175101.tif 000086
【図６７】
2017175101.tif 000087
【図６８】
2017175101.tif 000088
【図６９】
2017175101.tif 000089
【図７０】
2017175101.tif 000090
【図７１】
2017175101.tif 000091
【図７２】
2017175101.tif 000092
【図７３】
2017175101.tif 000093
【図７４】
2017175101.tif 000094
【図７５】
2017175101.tif 000095
【図７６】
2017175101.tif 000096