(57)【要約】【課題】結晶性の高い酸化物を提供する。または、欠陥の少ない結晶構造を有する酸化物を提供する。または、欠陥準位密度の低い酸化物を提供する。または、不純物濃度の低い酸化物を提供する。または、前述の酸化物を成膜することが可能な成膜装置を提供する。【解決手段】ターゲットホルダと、基板ホルダと、第１の電源と、第２の電源と、を有し、ターゲットホルダは、第１の電源と電気的に接続され、基板ホルダは、第２の電源と電気的に接続され、第２の電源は、接地電位よりも高い電位を印加する機能を有する成膜装置である。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターゲットホルダと、基板ホルダと、第１の電源と、第２の電源と、を有し、
前記ターゲットホルダは、前記第１の電源と電気的に接続され、
前記基板ホルダは、前記第２の電源と電気的に接続され、
前記第２の電源は、接地電位よりも高い電位を印加する機能を有することを特徴とする成膜装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記第２の電源は、成膜時に生成されるプラズマ電位よりも高い電位を印加する機能を有することを特徴とする成膜装置。
【請求項３】
ターゲットホルダと、基板ホルダと、第１の導入口と、第２の導入口と、を有し、
前記第１の導入口は、前記基板ホルダよりも前記ターゲットホルダの近くに配置され、
前記第２の導入口は、前記ターゲットホルダよりも前記基板ホルダの近くに配置され、
前記第１の導入口は、第１のガスを導入する機能を有し、
前記第２の導入口は、第２のガスを導入する機能を有することを特徴とする成膜装置。
【請求項４】
請求項３において、
成膜時に、前記ターゲットホルダの近傍は前記第１のガスの濃度が高く、前記基板ホルダの近傍は前記第２のガスの濃度が高いことを特徴とする成膜装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
前記ターゲットホルダの正面から垂直距離で３０ｍｍの平面において、前記ターゲットホルダの正面に垂直方向の最大磁束密度が５０Ｇ以上１５０Ｇ以下であることを特徴とする成膜装置。
【請求項６】
第１のターゲットホルダと、第２のターゲットホルダと、基板ホルダと、第１の電源と、第２の電源と、を有し、
前記第１のターゲットホルダおよび前記第２のターゲットホルダは、前記第１の電源と電気的に接続され、
前記基板ホルダは、前記第２の電源と電気的に接続され、
前記第２の電源は、接地電位よりも高い電位を印加する機能を有することを特徴とする成膜装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記第２の電源は、成膜時に生成されるプラズマ電位よりも高い電位を印加する機能を有することを特徴とする成膜装置。
【請求項８】
第１のターゲットホルダと、第２のターゲットホルダと、基板ホルダと、第１の導入口と、第２の導入口と、を有し、
前記第１の導入口は、前記基板ホルダよりも前記第１のターゲットホルダおよび前記第２のターゲットホルダの近くに配置され、
前記第２の導入口は、前記第１のターゲットホルダおよび前記第２のターゲットホルダよりも前記基板ホルダの近くに配置され、
前記第１の導入口は、第１のガスを導入する機能を有し、
前記第２の導入口は、第２のガスを導入する機能を有することを特徴とする成膜装置。
【請求項９】
請求項８において、
成膜時に、前記第１のターゲットホルダおよび前記第２のターゲットホルダの近傍は前記第１のガスの濃度が高く、前記基板ホルダの近傍は前記第２のガスの濃度が高いことを特徴とする成膜装置。
【請求項１０】
請求項６乃至請求項９のいずれか一において、
前記第１のターゲットホルダの正面から垂直距離で３０ｍｍの平面において、前記第１のターゲットホルダの正面に垂直方向の最大磁束密度が５０Ｇ以上１５０Ｇ以下であることを特徴とする成膜装置。
【請求項１１】
請求項６乃至請求項１０のいずれか一において、
前記第２のターゲットホルダの正面から垂直距離で３０ｍｍの平面において、前記第２のターゲットホルダの正面に垂直方向の最大磁束密度が５０Ｇ以上１５０Ｇ以下であることを特徴とする成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の一態様は、成膜装置に関する。
【０００２】
または、本発明は、例えば、酸化物、トランジスタおよび半導体装置、ならびにそれらの作製方法に関する。または、本発明は、例えば、酸化物、表示装置、発光装置、照明装置、蓄電装置、記憶装置、撮像装置、プロセッサ、電子機器に関する。または、酸化物、表示装置、液晶表示装置、発光装置、記憶装置、電子機器の作製方法に関する。または、半導体装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、記憶装置、電子機器の駆動方法に関する。
【０００３】
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様の技術分野は、物、方法、または、作製方法に関するものである。または、本発明の一態様は、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）に関するものである。
【０００４】
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。表示装置、発光装置、照明装置、撮像装置、電気光学装置、半導体回路および電子機器は、半導体装置を有する場合がある。
【背景技術】
【０００５】
絶縁表面を有する基板上の半導体を用いて、トランジスタを構成する技術が注目されている。当該トランジスタは集積回路や表示装置のような半導体装置に広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体としてシリコンが知られている。
【０００６】
トランジスタの半導体に用いられるシリコンは、用途によって非晶質シリコンと多結晶シリコンとが使い分けられている。例えば、大型の表示装置を構成するトランジスタに適用する場合、大面積基板への成膜技術が確立されている非晶質シリコンを用いると好適である。一方、駆動回路と画素回路とを同一基板上に形成するような高機能の表示装置を構成するトランジスタに適用する場合、高い電界効果移動度を有するトランジスタを作製可能な多結晶シリコンを用いると好適である。多結晶シリコンは、非晶質シリコンに対し高温での熱処理、またはレーザ光処理を行うことで形成する方法が知られる。
【０００７】
近年では、酸化物半導体（代表的にはＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物）を用いたトランジスタの開発が活発化している。
【０００８】
酸化物半導体の歴史は古く、１９８８年には、結晶Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を半導体素子へ利用することが開示された（特許文献１参照。）。また、１９９５年には、酸化物半導体を用いたトランジスタが発明されており、その電気特性が開示された（特許文献２参照。）。
【０００９】
２０１３年には、あるグループによって非晶質Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物は、電子線を照射することにより結晶化が促進する不安定な構造であることが報告された（非特許文献１参照。）。また、彼らの作製した非晶質Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物は、高分解能透過電子顕微鏡によってオーダリングを確認できなかったと報告された。
【００１０】
２０１４年には、非晶質Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いたトランジスタと比べ、優れた電気特性および信頼性を有する、結晶性Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いたトランジスタについて報告された（非特許文献２参照。）。ここでは、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ−Ａｘｉｓ−Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物は、結晶粒界が明確に確認されないことが報告された。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開昭６３−２３９１１７
【特許文献２】特表平１１−５０５３７７
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｔ．  Ｋａｍｉｙａ，  Ｋｏｊｉ  Ｋｉｍｏｔｏ，  Ｎａｏｋｉ  Ｏｈａｓｈｉ，  Ｋａｔｓｕｍｉ  Ａｂｅ，  Ｙｕｉｃｈｉｒｏ  Ｈａｎｙｕ，  Ｈｉｄｅｙａ  ｋｕｍｏｍｉ，  Ｈｉｄｅｏ  Ｈｏｓｏｎｏ：  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  Ｔｈｅ  ２０ｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐｓ，  ２０１３，  ＡＭＤ２−５Ｌ
【非特許文献２】Ｓ．  Ｙａｍａｚａｋｉ：  Ｔｈｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，  ２０１４，  ｖｏｌ．６４（１０），  ｐｐ１５５−１６４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
結晶性の高い酸化物を提供することを課題の一とする。または、欠陥の少ない結晶構造を有する酸化物を提供することを課題の一とする。または、欠陥準位密度の低い酸化物を提供することを課題の一とする。または、新規な結晶構造を有する酸化物を提供することを課題の一とする。または、不純物濃度の低い酸化物を提供することを課題の一とする。または、前述の酸化物を成膜することが可能な成膜装置を提供することを課題の一とする。
【００１４】
または、酸化物を半導体に用いた半導体装置を提供することを課題の一とする。または、酸化物を半導体に用いた半導体装置を有するモジュールを提供することを課題の一とする。または、酸化物を半導体に用いた半導体装置、または酸化物を半導体に用いた半導体装置を有するモジュールを有する電子機器を提供することを課題の一とする。
【００１５】
電気特性の良好なトランジスタを提供することを課題の一とする。または、電気特性の安定したトランジスタを提供することを課題の一とする。または、高い周波数特性を有するトランジスタを提供することを課題の一とする。または、オフ時の電流の小さいトランジスタを提供することを課題の一とする。または、該トランジスタを有する半導体装置を提供することを課題の一とする。または、該半導体装置を有するモジュールを提供することを課題の一とする。または、該半導体装置、または該モジュールを有する電子機器を提供することを課題の一とする。
【００１６】
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】
【００１７】
（１）
本発明の一態様は、ターゲットホルダと、基板ホルダと、第１の電源と、第２の電源と、を有し、ターゲットホルダは、第１の電源と電気的に接続され、基板ホルダは、第２の電源と電気的に接続され、第２の電源は、接地電位よりも高い電位を印加する機能を有する成膜装置である。
【００１８】
（２）
本発明の一態様は、（１）において、第２の電源は、成膜時に生成されるプラズマ電位よりも高い電位を印加する機能を有する成膜装置である。
【００１９】
（３）
本発明の一態様は、ターゲットホルダと、基板ホルダと、第１の導入口と、第２の導入口と、を有し、第１の導入口は、基板ホルダよりもターゲットホルダの近くに配置され、第２の導入口は、ターゲットホルダよりも基板ホルダの近くに配置され、第１の導入口は、第１のガスを導入する機能を有し、第２の導入口は、第２のガスを導入する機能を有する成膜装置である。
【００２０】
（４）
本発明の一態様は、（３）において、成膜時に、ターゲットホルダの近傍は第１のガスの濃度が高く、基板ホルダの近傍は第２のガスの濃度が高い成膜装置である。
【００２１】
（５）
本発明の一態様は、（１）乃至（４）のいずれか一において、ターゲットホルダの正面から垂直距離で３０ｍｍの平面において、ターゲットホルダの正面に垂直方向の最大磁束密度が５０Ｇ以上１５０Ｇ以下の成膜装置である。
【００２２】
（６）
本発明の一態様は、第１のターゲットホルダと、第２のターゲットホルダと、基板ホルダと、第１の電源と、第２の電源と、を有し、第１のターゲットホルダおよび第２のターゲットホルダは、第１の電源と電気的に接続され、基板ホルダは、第２の電源と電気的に接続され、第２の電源は、接地電位よりも高い電位を印加する機能を有する成膜装置である。
【００２３】
（７）
本発明の一態様は、（６）において、第２の電源は、成膜時に生成されるプラズマ電位よりも高い電位を印加する機能を有する成膜装置である。
【００２４】
（８）
本発明の一態様は、第１のターゲットホルダと、第２のターゲットホルダと、基板ホルダと、第１の導入口と、第２の導入口と、を有し、第１の導入口は、基板ホルダよりも第１のターゲットホルダおよび第２のターゲットホルダの近くに配置され、第２の導入口は、第１のターゲットホルダおよび第２のターゲットホルダよりも基板ホルダの近くに配置され、第１の導入口は、第１のガスを導入する機能を有し、第２の導入口は、第２のガスを導入する機能を有する成膜装置である。
【００２５】
（９）
本発明の一態様は、（８）において、成膜時に、第１のターゲットホルダおよび第２のターゲットホルダの近傍は第１のガスの濃度が高く、基板ホルダの近傍は第２のガスの濃度が高い成膜装置である。
【００２６】
（１０）
本発明の一態様は、（６）乃至（９）のいずれか一において、第１のターゲットホルダの正面から垂直距離で３０ｍｍの平面において、第１のターゲットホルダの正面に垂直方向の最大磁束密度が５０Ｇ以上１５０Ｇ以下の成膜装置である。
【００２７】
（１１）
本発明の一態様は、（６）乃至（１０）のいずれか一において、第２のターゲットホルダの正面から垂直距離で３０ｍｍの平面において、第２のターゲットホルダの正面に垂直方向の最大磁束密度が５０Ｇ以上１５０Ｇ以下の成膜装置である。
【発明の効果】
【００２８】
結晶性の高い酸化物を提供することができる。または、欠陥の少ない結晶構造を有する酸化物を提供することができる。または、欠陥準位密度の低い酸化物を提供することができる。または、新規な結晶構造を有する酸化物を提供することができる。または、不純物濃度の低い酸化物を提供することができる。または、前述の酸化物を成膜することが可能な成膜装置を提供することができる。
【００２９】
または、酸化物を半導体に用いた半導体装置を提供することができる。または、酸化物を半導体に用いた半導体装置を有するモジュールを提供することができる。または、酸化物を半導体に用いた半導体装置、または酸化物を半導体に用いた半導体装置を有するモジュールを有する電子機器を提供することができる。
【００３０】
電気特性の良好なトランジスタを提供することができる。または、電気特性の安定したトランジスタを提供することができる。または、高い周波数特性を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ時の電流の小さいトランジスタを提供することができる。または、該トランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、該半導体装置を有するモジュールを提供することができる。または、該半導体装置、または該モジュールを有する電子機器を提供することができる。
【００３１】
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、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】
【００３２】
【図１】成膜装置の一例を示す上面図。
【図２】成膜装置の一例を示す断面図。
【図３】成膜装置の一例を示す断面図。
【図４】スパッタリング装置を説明する図。
【図５】スパッタリング装置を説明する図。
【図６】スパッタリング装置を説明する図。
【図７】スパッタリング装置を説明する図。
【図８】Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の組成を説明する三角図。
【図９】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１０】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１１】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１２】ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの断面ＴＥＭ像。
【図１３】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１４】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。
【図１５】本発明の一態様に係るトランジスタの断面図。
【図１６】本発明の一態様に係るトランジスタの断面図。
【図１７】本発明の一態様に係る酸化物半導体を有する領域のバンド図。
【図１８】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。
【図１９】本発明の一態様に係るトランジスタの断面図。
【図２０】本発明の一態様に係るトランジスタの断面図。
【図２１】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。
【図２２】本発明の一態様に係るトランジスタの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、その形態およ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。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、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。なお、同様のものを指す際にはハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。なお、異なる符号の構成要素の記載を参照する場合、参照された構成要素の厚さ、組成、構造または形状などについての記載を適宜用いることができる。
【００３４】
なお、図において、大きさ、膜（層）の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。
【００３５】
なお、本明細書において、「膜」という表記と、「層」という表記と、を互いに入れ替えることが可能である。
【００３６】
また、電圧は、ある電位と、基準の電位（例えば接地電位（ＧＮＤ）またはソース電位）との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧を電位と言い換えることが可能である。一般的に、電位（電圧）は、相対的なものであり、基準の電位からの相対的な大きさによって決定される。したがって、「接地電位」などと記載されている場合であっても、電位が０Ｖであるとは限らない。例えば、回路で最も低い電位が、「接地電位」となる場合もある。または、回路で中間くらいの電位が、「接地電位」となる場合もある。その場合には、その電位を基準として、正の電位と負の電位が規定される。
【００３７】
なお、第１、第２として付される序数詞は便宜的に用いるものであり、工程順または積層順を示すものではない。そのため、例えば、「第１の」を「第２の」または「第３の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書などに記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。
【００３８】
なお、半導体の不純物とは、例えば、半導体を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が０．１原子％未満の元素は不純物である。不純物が含まれることにより、例えば、半導体にＤＯＳ（Ｄｅｎｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｓｔａｔｅ）が形成されることや、キャリア移動度が低下することや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第１５族元素、主成分以外の遷移金属などがあり、特に、例えば、水素（水にも含まれる）、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、例えば水素などの不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコンである場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１５族元素などがある。ただし、不純物以外にも、過剰に含まれた主成分の元素がＤＯＳの原因となる場合もある。その場合、微量（例えば０．００１原子％以上３原子％未満）の添加物によってＤＯＳを低くできる場合がある。なお、該添加物としては、上述した不純物となりうる元素を用いることもできる。
【００３９】
なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース（ソース領域またはソース電極）とドレイン（ドレイン領域またはドレイン電極）との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
【００４０】
チャネル幅とは、例えば、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
【００４１】
なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅（以下、実効的なチャネル幅と呼ぶ。）と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅（以下、見かけ上のチャネル幅と呼ぶ。）と、が異なる場合がある。例えば、立体的な構造を有するトランジスタでは、実効的なチャネル幅が、トランジスタの上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつ立体的な構造を有するトランジスタでは、半導体の側面に形成されるチャネル領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも、実際にチャネルの形成される実効的なチャネル幅の方が大きくなる。
【００４２】
ところで、立体的な構造を有するトランジスタにおいては、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。
【００４３】
そこで、本明細書では、トランジスタの上面図において、半導体とゲート電極とが互いに重なる領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さである見かけ上のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅（ＳＣＷ：Ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ  Ｃｈａｎｎｅｌ  Ｗｉｄｔｈ）」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込みチャネル幅などは、断面ＴＥＭ像などを取得して、その画像を解析することなどによって、値を決定することができる。
【００４４】
なお、トランジスタの電界効果移動度や、チャネル幅当たりの電流値などを計算して求める場合、囲い込みチャネル幅を用いて計算する場合がある。その場合には、実効的なチャネル幅を用いて計算する場合とは異なる値をとる場合がある。
【００４５】
なお、本明細書において、ＡがＢより迫り出した形状を有すると記載する場合、上面図または断面図において、Ａの少なくとも一端が、Ｂの少なくとも一端よりも外側にある形状を有することを示す場合がある。したがって、ＡがＢより迫り出した形状を有すると記載されている場合、例えば上面図において、Ａの一端が、Ｂの一端よりも外側にある形状を有すると読み替えることができる。
【００４６】
本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。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。
【００４７】
また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。
【００４８】
＜成膜装置１＞
以下では、本発明の一態様に係る成膜装置について説明する。
【００４９】
まずは、成膜時などに膜中に不純物の混入が少なく、結晶性の高い酸化物が成膜可能な成膜装置の構成について図１および図２を用いて説明する。
【００５０】
図１は、枚葉式マルチチャンバーの成膜装置２００の上面図を模式的に示している。成膜装置２００は、基板を収容するカセットポート２６１と、基板のアライメントを行うアライメントポート２６２と、を備える大気側基板供給室２０１と、大気側基板供給室２０１から、基板を搬送する大気側基板搬送室２０２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２０３ａ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２０３ｂと、真空中の基板の搬送を行う搬送室２０４と、基板の加熱を行う基板加熱室２０５と、ターゲットが配置され成膜を行う成膜室２０６ａ、成膜室２０６ｂおよび成膜室２０６ｃと、を有する。
【００５１】
また、大気側基板搬送室２０２は、ロードロック室２０３ａおよびアンロードロック室２０３ｂと接続され、ロードロック室２０３ａおよびアンロードロック室２０３ｂは、搬送室２０４と接続され、搬送室２０４は、基板加熱室２０５、成膜室２０６ａ、成膜室２０６ｂおよび成膜室２０６ｃと接続する。
【００５２】
なお、各室の接続部にはゲートバルブ２６４が設けられており、大気側基板供給室２０１と、大気側基板搬送室２０２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２０２および搬送室２０４は、搬送ロボット２６３を有し、基板を搬送することができる。
【００５３】
また、基板加熱室２０５は、プラズマ処理室を兼ねると好ましい。成膜装置２００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および基板加熱室は、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。
【００５４】
次に、図１に示す成膜装置２００の一点鎖線Ｘ１−Ｘ２、一点鎖線Ｙ１−Ｙ２、および一点鎖線Ｙ２−Ｙ３に相当する断面を図２に示す。
【００５５】
図２（Ａ）は、基板加熱室２０５と、搬送室２０４の断面を示しており、基板加熱室２０５は、基板を収容することができる複数の加熱ステージ２６５を有している。なお、基板加熱室２０５は、バルブを介して真空ポンプ２７０と接続されている。真空ポンプ２７０としては、例えば、ドライポンプ、およ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。
【００５６】
また、基板加熱室２０５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。
【００５７】
また、基板加熱室２０５は、マスフローコントローラ２８０を介して、精製機２８１と接続される。なお、マスフローコントローラ２８０および精製機２８１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２０５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、および希ガス（アルゴンなど）を用いる。
【００５８】
搬送室２０４は、搬送ロボット２６３を有している。搬送ロボット２６３は、各室へ基板を搬送することができる。また、搬送室２０４は、バルブを介して真空ポンプ２７０と、クライオポンプ２７１と、接続されている。このような構成とすることで、搬送室２０４は、大気圧から低真空または中真空（０．１から数百Ｐａ程度）まで真空ポンプ２７０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２７１を用いて排気される。
【００５９】
また、例えば、クライオポンプ２７１は、搬送室２０４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。
【００６０】
図２（Ｂ）は、成膜室２０６ｂと、搬送室２０４と、ロードロック室２０３ａの断面を示している。
【００６１】
ここで、図２（Ｂ）を用いて、成膜室（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。なお、以下においては、成膜室２０６ｂの構成について説明するが、成膜室２０６ａ及び成膜室２０６ｃについても、同様の構成にすることができる。図２（Ｂ）に示す成膜室２０６ｂは、ターゲットホルダ２６６と、基板ホルダ２６８と、電源２９１ａと、電源２９１ｂと、を有する。また、ターゲットホルダ２６６には、電源２９１ａが電気的に接続されている。基板ホルダ２６８には、基板２６９が支持されている。基板ホルダ２６８は、部材２８４を介して成膜室２０６ｂに固定される。部材２８４によって、ターゲットホルダ２６６と基板ホルダ２６８との距離を変更させることができる。また、基板ホルダ２６８には、電源２９１ｂが電気的に接続されている。その場合、基板ホルダ２６８と成膜室２０６ｂとが絶縁体などを介して電気的に分離されていることが好ましい。ただし、成膜室２０６ｂと電気的に接続されていてもよい場合がある。また、基板ホルダ２６８は、図示しないが、基板２６９を保持する基板保持機構や、基板２６９を背面から加熱するヒーター等を備えていてもよい。
【００６２】
また、成膜室２０６ｂは、第１の導入口２８３ａから、ガス加熱機構２８２ａを介してマスフローコントローラ２８０ａと接続され、ガス加熱機構２８２ａはマスフローコントローラ２８０ａを介して精製機２８１ａと接続される。ガス加熱機構２８２ａにより、成膜室２０６ｂに導入されるガスを４０℃以上４００℃以下に加熱することができる。なお、ガス加熱機構２８２ａ、マスフローコントローラ２８０ａ、および精製機２８１ａ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。また、成膜室２０６ｂは、第２の導入口２８３ｂから、ガス加熱機構２８２ｂを介してマスフローコントローラ２８０ｂと接続され、ガス加熱機構２８２ｂはマスフローコントローラ２８０ｂを介して精製機２８１ｂと接続される。ガス加熱機構２８２ｂにより、成膜室２０６ｂに導入されるガスを４０℃以上４００℃以下に加熱することができる。なお、ガス加熱機構２８２ｂ、マスフローコントローラ２８０ｂ、および精製機２８１ｂ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２０６ｂ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、および希ガス（アルゴンなど）を用いる。
【００６３】
成膜室２０６ｂにおいて、第１の導入口２８３ａと第２の導入口２８３ｂとは、それぞれ離して配置されることが好ましい。例えば、第１の導入口２８３ａを基板ホルダ２６８よりもターゲットホルダ２６６の近くに配置し、第２の導入口２８３ｂをターゲットホルダ２６６よりも基板ホルダ２６８の近くに配置すればよい。このような配置とすることにより、ターゲットホルダ２６６と基板ホルダ２６８との間で導入されるガスの濃度勾配を形成することができる。具体的には、第１の導入口２８３ａから酸素ガスを導入し、第２の導入口２８３ｂからアルゴンを導入することによって、基板ホルダ２６８からターゲットホルダ２６６にかけて、酸素の割合が高くなる（アルゴンの割合が低くなる）濃度勾配を形成することができる。このような濃度勾配を形成することによって、成膜時にターゲットの表面近傍で酸化反応を促進しつつ、安定なプラズマを生成することができる場合がある。また、第１の導入口２８３ａまたは／および第２の導入口２８３ｂから導入されるガスが加熱されていることが好ましい場合がある。例えば、第１の導入口２８３ａから導入されるガスが加熱されていることによって、成膜時にターゲットの表面における化学反応がいっそう促進される。
【００６４】
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２０６ｂ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、生じる放出ガスおよび外部リークの影響を低減できて好ましい。
【００６５】
また、成膜室２０６ｂは、バルブを介してターボ分子ポンプ２７２および真空ポンプ２７０と接続される。バルブは、例えば、ターゲットホルダ２６６よりも基板ホルダ２６８の近くに配置することが好ましい。なお、成膜室２０６ｂは、別のバルブを介して、さらにターボ分子ポンプおよび真空ポンプが接続されていることが好ましい（図示せず。）。バルブの配置を調整することにより、成膜室２０６ｂ内におけるガスの濃度勾配を精密に制御することが可能となる。
【００６６】
また、成膜室２０６ｂは、クライオトラップ２５１が設けられる。なお、クライオトラップ２５１は、成膜室２０６ｂ外に設けられてもよい。その場合、成膜室２０６ｂとクライオトラップ２５１と繋ぐ配管などを別途設ければよい。
【００６７】
クライオトラップ２５１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２７２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２５１が成膜室２０６ｂに設けられている。クライオトラップ２５１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２５１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。
【００６８】
なお、成膜室２０６ｂの排気方法は、これに限定されず、先の搬送室２０４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２０４の排気方法を成膜室２０６ｂ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。
【００６９】
なお、上述した搬送室２０４、基板加熱室２０５、および成膜室２０６ｂ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２０６ｂ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。
【００７０】
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２である気体分子（原子）の分圧は、１×１０−５Ｐａ以下、好ましくは３×１０−６Ｐａ以下、さらに好ましくは１×１０−６Ｐａ以下である。また、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。
【００７１】
なお、真空チャンバー内の全圧および分圧は、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。
【００７２】
また、上述した搬送室２０４、基板加熱室２０５、および成膜室２０６ｂ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。
【００７３】
例えば、上述した搬送室２０４、基板加熱室２０５、および成膜室２０６ｂ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、さらに好ましくは３×１０−７Ｐａ・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。
【００７４】
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および分圧から導出すればよい。
【００７５】
リークレートは、外部リークおよ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、外部リークおよび内部リークの両面から対策をとる必要がある。
【００７６】
例えば、成膜室２０６ｂ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。
【００７７】
また、成膜装置２００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、クロムおよびニッケルなどを含む合金に被覆して用いてもよい。鉄、クロムおよ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。
【００７８】
または、前述の成膜装置２００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。
【００７９】
成膜装置２００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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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、ダミー基板および成膜室内壁に膜を堆積させ、成膜室内の不純物およ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。
【００８３】
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。
【００８４】
具体的には、バッキングプレートとして、高い導電性およ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、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。
【００８５】
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。
【００８６】
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以下である酸化物を成膜することができる。
【００８７】
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以下である酸化物を成膜することができる。
【００８８】
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以下である酸化物を成膜することができる。
【００８９】
不純物およ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。そのような酸化物を、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物と呼ぶ。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。
【００９０】
また、昇温脱離ガス分光法（ＴＤＳ：Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析による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）およびｍ／ｚが４４である気体分子（原子）の放出量が、それぞれ１×１０１９個／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１８個／ｃｍ３以下である酸化物を成膜することができる。
【００９１】
成膜室２０６ｂにて成膜を行う際、ターゲットホルダ２６６には電源２９１ａから電位が印加される。また、基板ホルダ２６８には電源２９１ｂから電位が印加される。このとき、成膜室２０６ｂの内壁の電位は、例えば、接地電位とする。成膜室２０６ｂ内の圧力を０．０５Ｐａ以上２．００Ｐａ以下、好ましくは０．１０Ｐａ以上０．８０Ｐａ以下とし、電源２９１ａから負電位（接地電位よりも低い電位）を印加することで、ターゲットホルダ２６６の近傍にプラズマが生成される。このとき、プラズマ電位がターゲットホルダ２６６の電位よりも高いため、プラズマ中の陽イオンがターゲットホルダ２６６に向けて加速する。また、プラズマ電位は接地電位よりも高い電位であることが多いため、プラズマ中の陽イオンは、接地電位である個所に向けても加速する。プラズマ中の陽イオンが基板ホルダ２６８に向けて加速すると、成膜ダメージとなってしまう。そこで、基板ホルダ２６８には、電源２９１ｂからプラズマ電位と同じ電位か、高い電位を印加することが好ましい。こうすることで、成膜ダメージを低減することができる。
【００９２】
なお、成膜時の圧力を低くすることによって、プラズマ電位とターゲットホルダ２６６に印加される電位との電位差を大きくすることができる。該電位差を大きくするためには、例えば、０．４Ｐａ未満、好ましくは０．２Ｐａ未満、さらに好ましくは０．１Ｐａ未満の圧力とすればよい。その結果、高いエネルギーを持つ陽イオンをターゲットに衝突させることができる。高いエネルギーを持つ陽イオンがターゲットに衝突することにより、高いエネルギーを有するスパッタ粒子を生成することができる。スパッタ粒子のエネルギーが高くなることにより、結晶性の高い酸化物が成膜可能となる。また、スパッタ率を高くすることができる。
【００９３】
次に、図２（Ｂ）に示す搬送室２０４、およびロードロック室２０３ａと、図２（Ｃ）に示す大気側基板搬送室２０２、および大気側基板供給室２０１の詳細について以下説明を行う。なお、図２（Ｃ）は、大気側基板搬送室２０２、および大気側基板供給室２０１の断面を示している。
【００９４】
図２（Ｂ）に示す搬送室２０４については、図２（Ａ）に示す搬送室２０４の記載を参照する。
【００９５】
ロードロック室２０３ａは、基板受け渡しステージ２５２を有する。ロードロック室２０３ａ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２０３ａの圧力が大気圧になった時に、大気側基板搬送室２０２に設けられている搬送ロボット２６３から基板受け渡しステージ２５２に基板を受け取る。その後、ロードロック室２０３ａを真空引きし、減圧状態としたのち、搬送室２０４に設けられている搬送ロボット２６３が基板受け渡しステージ２５２から基板を受け取る。
【００９６】
また、ロードロック室２０３ａは、バルブを介して真空ポンプ２７０、およびクライオポンプ２７１と接続されている。真空ポンプ２７０、およびクライオポンプ２７１の排気系の接続方法は、搬送室２０４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１に示すアンロードロック室２０３ｂは、ロードロック室２０３ａと同様の構成とすることができる。
【００９７】
大気側基板搬送室２０２は、搬送ロボット２６３を有する。搬送ロボット２６３により、カセットポート２６１とロードロック室２０３ａ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２０２、および大気側基板供給室２０１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。
【００９８】
大気側基板供給室２０１は、複数のカセットポート２６１を有する。カセットポート２６１は、複数の基板を収容することができる。
【００９９】
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。また、結晶性の高い酸化物を形成することができる。
【０１００】
＜成膜装置２＞
以下では、上記の図１及び図２に示す成膜装置とは異なる構造の成膜室を有する成膜装置について図３を用いて説明する。
【０１０１】
図３は、図２と同様に、図３（Ａ）が基板加熱室２０５と、搬送室２０４の断面を示しており、図３（Ｂ）が成膜室２０６ｂと、搬送室２０４と、ロードロック室２０３ａの断面を示しており、図３（Ｃ）は、大気側基板搬送室２０２、および大気側基板供給室２０１の断面を示している。図３（Ａ）乃至（Ｃ）に示す成膜装置は、図３（Ｂ）に示す成膜室２０６ｂのみ、図２（Ａ）乃至（Ｃ）に示す成膜装置と構成が異なり、他の構成は図２（Ａ）乃至（Ｃ）に示す成膜装置と同様である。そのため、図３（Ａ）乃至（Ｃ）に示す成膜装置の構成については、図２（Ａ）乃至（Ｃ）に示す成膜装置の記載を参酌することができる。
【０１０２】
図３（Ｂ）に示す成膜室２０６ｂは、ターゲットホルダ２６６ａと、ターゲットホルダ２６６ｂと、部材２６７ａと、部材２６７ｂと、電源２９１ａａと、電源２９１ａｂと、を有する点において、図２（Ｂ）に示す成膜室２０６ｂと異なる。また、ターゲットホルダ２６６ａには、電源２９１ａａが電気的に接続されている。ターゲットホルダ２６６ｂには、電源２９１ａｂが電気的に接続されている。部材２６７ａは、ターゲットホルダ２６６ａの端部を覆うように配置される。部材２６７ｂは、ターゲットホルダ２６６ｂの端部を覆うように配置される。部材２６７ａおよび部材２６７ｂは、ターゲットシールドとしての機能を有する。また、図２（Ｂ）に示す成膜室２０６ｂと同様に、部材２８４によって、ターゲットホルダ２６６ａおよびターゲットホルダ２６６ｂと、基板ホルダ２６８と、の距離を変更させることができる。また、ターゲットホルダ２６６ａおよび／またはターゲットホルダ２６６ｂの上に抵抗体を配置してもよい。
【０１０３】
また、図３（Ｂ）に示す成膜室２０６ｂにおいても、第１の導入口２８３ａと第２の導入口２８３ｂとは、それぞれ離して配置されることが好ましい。例えば、第１の導入口２８３ａを基板ホルダ２６８よりもターゲットホルダ２６６ａおよびターゲットホルダ２６６ｂの近くに配置し、第２の導入口２８３ｂをターゲットホルダ２６６ａおよびターゲットホルダ２６６ｂよりも基板ホルダ２６８の近くに配置すればよい。このような配置とすることにより、ターゲットホルダ２６６ａおよびターゲットホルダ２６６ｂと、基板ホルダ２６８と、の間で導入されるガスの濃度勾配を形成することができる。具体的には、第１の導入口２８３ａから酸素ガスを導入し、第２の導入口２８３ｂからアルゴンを導入することによって、基板ホルダ２６８からターゲットホルダ２６６ａおよびターゲットホルダ２６６ｂにかけて、酸素の割合が高くなる（アルゴンの割合が低くなる）濃度勾配を形成することができる。このような濃度勾配を形成することによって、成膜時にターゲットの表面近傍で酸化反応を促進しつつ、安定なプラズマを生成することができる場合がある。また、第１の導入口２８３ａまたは／および第２の導入口２８３ｂから導入されるガスが加熱されていることが好ましい場合がある。例えば、第１の導入口２８３ａから導入されるガスが加熱されていることによって、成膜時にターゲットの表面における化学反応がいっそう促進される。
【０１０４】
また、図３（Ｂ）に示す成膜室２０６ｂにおいても、バルブを介してターボ分子ポンプ２７２および真空ポンプ２７０と接続される。バルブは、例えば、ターゲットホルダ２６６ａおよびターゲットホルダ２６６ｂよりも基板ホルダ２６８の近くに配置することが好ましい。なお、成膜室２０６ｂは、別のバルブを介して、さらにターボ分子ポンプおよび真空ポンプが接続されていることが好ましい（図示せず。）。バルブの配置を調整することにより、成膜室２０６ｂ内におけるガスの濃度勾配を精密に制御することが可能となる。
【０１０５】
また、図３（Ｂ）に示す成膜室２０６ｂにて成膜を行う際、ターゲットホルダ２６６ａには電源２９１ａａから、ターゲットホルダ２６６ｂには電源２９１ａｂから、電位が印加される。また、基板ホルダ２６８には電源２９１ｂから電位が印加される。このとき、成膜室２０６ｂの内壁の電位は、例えば、接地電位とする。成膜室２０６ｂ内の圧力を０．０５Ｐａ以上２．００Ｐａ以下、好ましくは０．１０Ｐａ以上０．８０Ｐａ以下とし、電源２９１ａから負電位（接地電位よりも低い電位）を印加することで、ターゲットホルダ２６６ａおよびターゲットホルダ２６６ｂの近傍にプラズマが生成される。このとき、プラズマ電位がターゲットホルダ２６６ａおよびターゲットホルダ２６６ｂの電位よりも高いため、プラズマ中の陽イオンがターゲットホルダ２６６ａおよびターゲットホルダ２６６ｂに向けて加速する。また、プラズマ電位は接地電位よりも高い電位であることが多いため、プラズマ中の陽イオンは、接地電位である個所に向けても加速する。プラズマ中の陽イオンが基板ホルダ２６８に向けて加速すると、成膜ダメージとなってしまう。そこで、基板ホルダ２６８には、電源２９１ｂからプラズマ電位と同じ電位か、高い電位を印加することが好ましい。こうすることで、成膜ダメージを低減することができる。
【０１０６】
なお、成膜時の圧力を低くすることによって、プラズマ電位とターゲットホルダ２６６ａおよびターゲットホルダ２６６ｂに印加される電位との電位差を大きくすることができる。該電位差を大きくするためには、例えば、０．４Ｐａ未満、好ましくは０．２Ｐａ未満、さらに好ましくは０．１Ｐａ未満の圧力とすればよい。その結果、高いエネルギーを持つ陽イオンをターゲットに衝突させることができる。高いエネルギーを持つ陽イオンがターゲットに衝突することにより、高いエネルギーを有するスパッタ粒子を生成することができる。スパッタ粒子のエネルギーが高くなることにより、結晶性の高い酸化物が成膜可能となる。また、スパッタ率を高くすることができる。
【０１０７】
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。また、結晶性の高い酸化物を形成することができる。
【０１０８】
＜スパッタリング装置１＞
以下では、本発明の一態様に係る平行平板型のスパッタリング装置について説明する。本項目で説明するスパッタリング装置は、例えば、上記の図１、図２に示す成膜装置の成膜室２０６ａ、２０６ｂ及び２０６ｃなどに用いることができる。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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
図４は、平行平板型のスパッタリング装置を有する成膜室の断面図である。図４に示す成膜室は、ターゲットホルダ１２０と、バッキングプレート１１０と、ターゲット１００と、マグネットユニット１３０と、基板ホルダ１７０と、を有する。なお、ターゲット１００は、バッキングプレート１１０上に配置される。また、バッキングプレート１１０は、ターゲットホルダ１２０上に配置される。また、マグネットユニット１３０は、バッキングプレート１１０を介してターゲット１００下に配置される。また、基板ホルダ１７０は、ターゲット１００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１３０は、マグネット１３０Ｎと、マグネット１３０Ｓと、マグネットホルダ１３２と、を有する。なお、マグネットユニット１３０において、マグネット１３０Ｎおよびマグネット１３０Ｓは、マグネットホルダ１３２上に配置される。また、マグネット１３０Ｎは、マグネット１３０Ｓと間隔を空けて配置される。なお、成膜室に基板１６０を搬入する場合、基板１６０は基板ホルダ１７０上に配置される。
【０１１１】
ターゲットホルダ１２０とバッキングプレート１１０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１２０は、バッキングプレート１１０を介してターゲット１００を支持する機能を有する。
【０１１２】
また、バッキングプレート１１０には、ターゲット１００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１１０とターゲット１００とを固定することができる。
【０１１３】
成膜室は、バッキングプレート１１０の内部または下部などに水路を有してもよい。そして、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１００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１１０とターゲット１００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。
【０１１４】
なお、ターゲットホルダ１２０とバッキングプレート１１０との間にガスケットを有すると、成膜室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。
【０１１５】
マグネットユニット１３０において、マグネット１３０Ｎとマグネット１３０Ｓとは、それぞれターゲット１００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１３０Ｎをターゲット１００側がＮ極となるように配置し、マグネット１３０Ｓをターゲット１００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１３０におけるマグネットおよび極の配置は、この配置に限定されるものではない。また、図４に示す配置に限定されるものでもない。
【０１１６】
以下に、基板１６０に膜を作製する方法を説明する。
【０１１７】
まず、高真空の成膜室に、成膜ガスを流し、真空ポンプによって圧力を調整する。
【０１１８】
次に、ターゲットホルダ１２０に接続する端子Ｖ１に電位Ｖ１を印加する。なお、ターゲットホルダ１２０は、バッキングプレート１１０と電気的に接続されるため、バッキングプレート１１０の電位も同じになることで、ターゲット１００と基板１６０との間にプラズマ１４０を生成する。電位Ｖ１は、例えば、基板ホルダ１７０に接続する端子Ｖ２に印加される電位Ｖ２よりも低い電位にすればよい。このとき、基板ホルダ１７０に接続する端子Ｖ２に印加される電位Ｖ２は、例えば、接地電位より高い電位である。また、マグネットホルダ１３２に接続する端子Ｖ３に印加される電位Ｖ３は、例えば、接地電位である。なお、端子Ｖ１、端子Ｖ２および端子Ｖ３に印加される電位は上記の電位に限定されない。例えば、基板ホルダ１７０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。
【０１１９】
マグネットユニット１３０は、ターゲットホルダ１２０の正面（ターゲット側の面）から垂直距離で３０ｍｍの平面において、ターゲットホルダ１２０の正面と垂直方向の最大磁束密度が５０Ｇ以上１５０Ｇ以下となるような構成とすることが好ましい。最大磁束密度を低くすることによって、プラズマ電位とターゲットホルダ１２０に印加される電位との電位差を大きくすることができる。その結果、高いエネルギーを持つ陽イオンをターゲットに衝突させることができる。高いエネルギーを持つ陽イオンがターゲットに衝突することにより、高いエネルギーを有するスパッタ粒子を生成することができる。スパッタ粒子のエネルギーが高くなることにより、結晶性の高い酸化物が成膜可能となる。また、スパッタ率を高くすることができる。
【０１２０】
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。
【０１２１】
また、ターゲット１００と基板１６０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１００と基板１６０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１６０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１００と基板１６０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１６０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１６０へのダメージを小さくすることができる場合がある。
【０１２２】
図５に、図４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。
【０１２３】
図５に示す成膜室は、ターゲットホルダ１２０ａと、ターゲットホルダ１２０ｂと、バッキングプレート１１０ａと、バッキングプレート１１０ｂと、ターゲット１００ａと、ターゲット１００ｂと、マグネットユニット１３０ａと、マグネットユニット１３０ｂと、部材１４２と、基板ホルダ１７０と、を有する。なお、ターゲット１００ａは、バッキングプレート１１０ａ上に配置される。また、バッキングプレート１１０ａは、ターゲットホルダ１２０ａ上に配置される。また、マグネットユニット１３０ａは、バッキングプレート１１０ａを介してターゲット１００ａ下に配置される。また、ターゲット１００ｂは、バッキングプレート１１０ｂ上に配置される。また、バッキングプレート１１０ｂは、ターゲットホルダ１２０ｂ上に配置される。また、マグネットユニット１３０ｂは、バッキングプレート１１０ｂを介してターゲット１００ｂ下に配置される。
【０１２４】
マグネットユニット１３０ａは、マグネット１３０Ｎ１と、マグネット１３０Ｎ２と、マグネット１３０Ｓと、マグネットホルダ１３２と、を有する。なお、マグネットユニット１３０ａにおいて、マグネット１３０Ｎ１、マグネット１３０Ｎ２およびマグネット１３０Ｓは、マグネットホルダ１３２上に配置される。また、マグネット１３０Ｎ１およびマグネット１３０Ｎ２は、マグネット１３０Ｓと間隔を空けて配置される。なお、マグネットユニット１３０ｂは、マグネットユニット１３０ａと同様の構造を有する。なお、成膜室に基板１６０を搬入する場合、基板１６０は基板ホルダ１７０上に配置される。
【０１２５】
ターゲット１００ａ、バッキングプレート１１０ａおよびターゲットホルダ１２０ａと、ターゲット１００ｂ、バッキングプレート１１０ｂおよびターゲットホルダ１２０ｂと、は部材１４２によって離間されている。なお、部材１４２は絶縁体であることが好ましい。ただし、部材１４２が導電体または半導体であっても構わない。また、部材１４２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。
【０１２６】
ターゲットホルダ１２０ａとバッキングプレート１１０ａ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１２０ａは、バッキングプレート１１０ａを介してターゲット１００ａを支持する機能を有する。また、ターゲットホルダ１２０ｂとバッキングプレート１１０ｂ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１２０ｂは、バッキングプレート１１０ｂを介してターゲット１００ｂを支持する機能を有する。
【０１２７】
バッキングプレート１１０ａは、ターゲット１００ａを固定する機能を有する。また、バッキングプレート１１０ｂは、ターゲット１００ｂを固定する機能を有する。
【０１２８】
マグネットユニット１３０ａは、例えば、長方形または略長方形のマグネット１３０Ｎ１と、長方形または略長方形のマグネット１３０Ｎ２と、長方形または略長方形のマグネット１３０Ｓと、がマグネットホルダ１３２に固定されている構成を有する。マグネットユニット１３０ｂも同様の構成を有する。
【０１２９】
マグネットユニット１３０ａにおいて、マグネット１３０Ｎ１およびマグネット１３０Ｎ２とマグネット１３０Ｓとはそれぞれターゲット１００ａ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１３０Ｎ１およびマグネット１３０Ｎ２をターゲット１００ａ側がＮ極となるように配置し、マグネット１３０Ｓをターゲット１００ａ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１３０ａにおけるマグネットおよび極の配置は、この配置に限定されるものではない。また、図５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１３０ｂについても同様である。
【０１３０】
成膜室は、バッキングプレート１１０ａおよびバッキングプレート１１０ｂの内部または下部などに水路を有してもよい。そして、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１００ａおよびターゲット１００ｂ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１１０ａとターゲット１００ａ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１１０ｂとターゲット１００ｂ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。
【０１３１】
なお、ターゲットホルダ１２０ａとバッキングプレート１１０ａとの間にガスケットを有すると、成膜室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１２０ｂとバッキングプレート１１０ｂとの間にガスケットを有すると、成膜室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。
【０１３２】
成膜の際には、ターゲットホルダ１２０ａに接続する端子Ｖ１に印加される電位Ｖ１と、ターゲットホルダ１２０ｂに接続する端子Ｖ４に印加される電位Ｖ４は、交互に高低が入れ替わってもよい。また、基板ホルダ１７０に接続する端子Ｖ２に印加される電位Ｖ２は、例えば、接地電位より高い電位である。また、マグネットホルダ１３２に接続する端子Ｖ３に印加される電位Ｖ３は、例えば、接地電位である。なお、端子Ｖ１、端子Ｖ２、端子Ｖ３および端子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１２０ａ、ターゲットホルダ１２０ｂ、基板ホルダ１７０、マグネットホルダ１３２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１７０が電気的に浮いていても構わない。なお、図５では、ターゲットホルダ１２０ａ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１２０ｂに接続する端子Ｖ４に印加される電位の高低が交互に入れ替わる、いわゆるＡＣスパッタリング法の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない。
【０１３３】
また、図５では、バッキングプレート１１０ａおよびターゲットホルダ１２０ａと、マグネットユニット１３０ａおよびマグネットホルダ１３２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１１０ａおよびターゲットホルダ１２０ａと、マグネットユニット１３０ａおよびマグネットホルダ１３２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１１０ｂおよびターゲットホルダ１２０ｂと、マグネットユニット１３０ｂおよびマグネットホルダ１３２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１１０ｂおよびターゲットホルダ１２０ｂと、マグネットユニット１３０ｂおよびマグネットホルダ１３２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。
【０１３４】
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１６０の温度を高くしても構わない。基板１６０の温度を高くすることで、基板１６０の上面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１６０の温度は、例えば、１００℃以上４５０℃以下、好ましくは１５０℃以上４００℃以下、さらに好ましくは１７０℃以上３５０℃以下とすればよい。
【０１３５】
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。
【０１３６】
また、ターゲット１００ａと基板１６０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１００ａと基板１６０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１６０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１００ａと基板１６０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１６０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１６０へのダメージを小さくすることができる場合がある。
【０１３７】
また、ターゲット１００ｂと基板１６０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１００ｂと基板１６０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１６０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１００ｂと基板１６０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１６０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１６０へのダメージを小さくすることができる場合がある。
【０１３８】
＜スパッタリング装置２＞
以下では、上記の平行平板型のスパッタリング装置とは、異なる構造を有する対向ターゲット式のスパッタリング装置について説明する。本項目で説明するスパッタリング装置は、例えば、上記の図１、図３に示す成膜装置の成膜室２０６ａ、２０６ｂ及び２０６ｃなどに用いることができる。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。
【０１３９】
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。
【０１４０】
図６に、スパッタリング装置を有する成膜室の断面図の例を示す。図６は、対向ターゲット式スパッタリング装置である。
【０１４１】
図６は、成膜室の断面模式図である。図６に示す成膜室は、ターゲット１００ａおよびターゲット１００ｂと、ターゲット１００ａおよびターゲット１００ｂをそれぞれ保持するバッキングプレート１１０ａおよびバッキングプレート１１０ｂと、バッキングプレート１１０ａおよびバッキングプレート１１０ｂを介してターゲット１００ａおよびターゲット１００ｂの背面にそれぞれ配置されるマグネットユニット１３０ａおよびマグネットユニット１３０ｂと、を有する。さらに、バッキングプレート１１０ａの端部を覆うように部材１２２ａと、バッキングプレート１１０ｂの端部を覆うように部材１２２ｂと、を有する。部材１２２ａおよび部材１２２ｂは、ターゲットシールドとしての機能を有する。また、基板ホルダ１７０は、ターゲット１００ａおよびターゲット１００ｂの間に配置される。なお、成膜室に基板１６０を入れる場合、基板１６０は基板ホルダ１７０によって固定される。
【０１４２】
図示しないが、バッキングプレート１１０ａ（バッキングプレート１１０ｂ）は、ターゲットホルダにネジ（ボルトなど）を用いて固定されており、等電位となる。また、ターゲットホルダは、バッキングプレート１１０ａ（バッキングプレート１１０ｂ）を介してターゲット１００ａ（ターゲット１００ｂ）を支持する機能を有する。
【０１４３】
また、バッキングプレート１１０ａ（バッキングプレート１１０ｂ）には、ターゲット１００ａ（ターゲット１００ｂ）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１１０ａ（バッキングプレート１１０ｂ）とターゲット１００ａ（ターゲット１００ｂ）とを固定することができる。
【０１４４】
成膜室は、バッキングプレート１１０ａ（バッキングプレート１１０ｂ）の内部または下部などに水路を有してもよい。そして、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１００ａ（ターゲット１００ｂ）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１１０ａ（バッキングプレート１１０ｂ）とターゲット１００ａ（ターゲット１００ｂ）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。
【０１４５】
なお、ターゲットホルダとバッキングプレート１１０ａ（バッキングプレート１１０ｂ）との間にガスケットを有すると、成膜室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。
【０１４６】
また、図６に示すように、バッキングプレート１１０ａおよびバッキングプレート１１０ｂには、電位を印加するための電源１９０が接続されている。また、部材１２２ａ及び部材１２２ｂは、成膜室の内壁と同じく、接地電位とすることが好ましい。バッキングプレート１１０ａに印加する電位とバッキングプレート１１０ｂ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６に示す電源１９０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１９０としてＲＦ電源、ＤＣ電源などを用いてもよい。または、バッキングプレート１１０ａおよびバッキングプレート１１０ｂに、それぞれ異なる種類の電源を接続してもよい。
【０１４７】
また、基板ホルダ１７０は接地電位よりも高い電位が印加できることが好ましい。また、基板ホルダ１７０は接地電位または浮遊電位の状態であってもよい。
【０１４８】
また、基板１６０の表面が、プラズマ１４０に曝されない状態で成膜することが好ましい。プラズマ１４０から離れた領域は、電位分布の勾配が小さい領域である。つまり、プラズマ１４０下の強電界部に基板１６０が曝されないため、基板１６０はプラズマ１４０による損傷が少なく、欠陥を低減することができる。
【０１４９】
図６に示す構成は、ターゲット１００ａとターゲット１００ｂ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１３０ａとマグネットユニット１３０ｂ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１３０ｂからマグネットユニット１３０ａに向かう。そのため、成膜時には、マグネットユニット１３０ａとマグネットユニット１３０ｂとで形成される磁場にプラズマ１４０が閉じ込められる。なお、図６では、ターゲット１００ａとターゲット１００ｂとが向かい合う方向に平行に基板ホルダ１７０および基板１６０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１７０および基板１６０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１６０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。
【０１５０】
マグネットユニット１３０ａ（マグネットユニット１３０ｂ）は、ターゲットホルダの正面（ターゲット側の面）から垂直距離で３０ｍｍの平面において、ターゲットホルダの正面と垂直方向の最大磁束密度が５０Ｇ以上１５０Ｇ以下となるような構成とすることが好ましい。最大磁束密度を低くすることによって、プラズマ電位とターゲットホルダに印加される電位との電位差を大きくすることができる。その結果、高いエネルギーを持つ陽イオンをターゲットに衝突させることができる。高いエネルギーを持つ陽イオンがターゲットに衝突することにより、高いエネルギーを有するスパッタ粒子を生成することができる。スパッタ粒子のエネルギーが高くなることにより、結晶性の高い酸化物が成膜可能となる。また、スパッタ率を高くすることができる。
【０１５１】
図７に示す構成は、ターゲット１００ａとターゲット１００ｂとが平行ではなく、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６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６の説明を参照する。また、マグネットユニット１３０ａとマグネットユニット１３０ｂとが異なる極が向かい合うように配置されている。ターゲット１００ａおよびターゲット１００ｂを、図７に示すような配置とすることで、基板１６０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。
【０１５２】
また、基板ホルダ１７０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、下側および上側に配置されても構わない。下側および上側に基板ホルダ１７０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１００ａとターゲット１００ｂとが向かい合う領域の上側または／および下側を、ターゲット１００ａとターゲット１００ｂとが向かい合う領域の側方と言い換えることができる。
【０１５３】
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。
【０１５４】
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ため、また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１６０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１６０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。
【０１５５】
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。
【０１５６】
＜組成＞
以下では、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の組成について説明する。なお、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。
【０１５７】
Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物は、ＩｎＭＸＺｎＹＯＺ（Ｘ、ＹおよびＺは、それぞれ非整数。）のように表すことができる。図８に各頂点にＩｎ、ＭまたはＺｎを配置した三角図を示す。なお、図中の［Ｉｎ］はＩｎの原子濃度を示し、［Ｍ］は元素Ｍの原子濃度を示し、［Ｚｎ］はＺｎの原子濃度を示す。
【０１５８】
Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物は、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍは整数。）で示されるホモロガス化合物と、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍは整数。）以外で示される非ホモロガス化合物と、に大別される。Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：ｍであるホモロガス化合物は、図８に白抜き丸で示したように、非常に限られた組成をとる。また、ホモロガス化合物は、高温（１３５０℃程度）における熱平衡状態が報告されているが、低温においては形成が困難である。ｍが整数からずれる。一方、非ホモロガス化合物は、例えば、５００℃未満、例えば、１００℃以上３５０℃未満の基板加熱を伴うスパッタリング法によって形成することが可能であるため量産におけるマージンが広く好ましい。
【０１５９】
例えば、元素Ｍの一部をＩｎで置き換えたＩｎ１＋αＭ１−αＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍは整数、−１＜α＜１、ただしα＝０は除く。）で示されるＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物は、非ホモロガス化合物の一種である。これは、図８において［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１＋α：１−α：１、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１＋α：１−α：２、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１＋α：１−α：３、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１＋α：１−α：４、および［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１＋α：１−α：５と表記した破線で示される組成である。なお、破線上の太線は、例えば、原料となる酸化物を混合し、１３５０℃で焼成した場合に固溶体となりうる組成である。
【０１６０】
上述の固溶体となりうる組成に近づけることで、非ホモロガス化合物であってもＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の結晶性を高くすることができる。なお、スパッタリング法によってＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を成膜する場合、ターゲットの組成と膜の組成とは異なる。膜の原子数比は、例えば、「１：１：０．５から０．９またはその近傍値）」、「１：１：０．８から１．１またはその近傍値」、「３：１：１から１．８またはその近傍値」、「４：２：２．６から４．１またはその近傍値」、「５：１：５．５から６．５またはその近傍値」、「１：３：１から１．８またはその近傍値」、「１：３：２．５から３．５またはその近傍値」、「１：４：３．４から４．４またはその近傍値」となる。所望の組成の膜を得るためには、組成の変化を考慮してターゲットの組成を選択すればよい。図８に、「４：２：２．６から４．１またはその近傍値」を例示する。この範囲のＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を用いたトランジスタは、安定かつ優れた電気特性を有する。
【０１６１】
このように、現実的には、５００℃未満、例えば、１００℃以上３５０℃未満の基板加熱を伴うスパッタリング法によって形成されたＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物は、Ｚｎが低減しやすい。また、Ｚｎほど大きくないが、Ｉｎおよび元素Ｍの割合も変化するため、ｍの部分が整数からずれる。即ち、ｍの部分が非整数となる。これはホモロガス化合物とはいえず、非ホモロガス化合物といえる。非ホモロガス化合物であるＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の組成はＩｎ１＋αＭ１−αＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍは整数。）で示された範囲のみをとるとは限らない。例えば、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の組成を、Ｉｎ１＋αＭ１−αＯ３（ＺｎＯ）ｎ（ｎはｍ±０．２の範囲における非整数。）で表すこともできる。
【０１６２】
また、非ホモロガス化合物であるＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物は、ｍの値が異なる領域を有する場合がある。例えば、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物は、ｍが１である領域と、ｍが２である領域と、を有する場合もある。このような場合は、例えば、Ｉｎ１＋αＭ１−αＯ３（ＺｎＯ）ｍにおいてｍが１．５であると表記することができる。
【０１６３】
＜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説明する。
【０１６４】
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。
【０１６５】
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。
【０１６６】
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。
【０１６７】
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。
【０１６８】
＜ＣＡＡＣ−ＯＳ＞
まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。
【０１６９】
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。
【０１７０】
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９（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。
【０１７１】
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９（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９（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。
【０１７２】
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９（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９（Ｅ）に示す。図９（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９（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９（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。
【０１７３】
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（高分解能ＴＥＭ像ともいう。）を観察すると、複数のペレットを確認することができる。一方、高分解能ＴＥＭ像で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。
【０１７４】
図１０（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。
【０１７５】
図１０（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。
【０１７６】
また、図１０（Ｂ）および図１０（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１０（Ｄ）および図１０（Ｅ）は、それぞれ図１０（Ｂ）および図１０（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１０（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。
【０１７７】
図１０（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。
【０１７８】
図１０（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。
【０１７９】
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。
【０１８０】
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。
【０１８１】
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。
【０１８２】
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。
【０１８３】
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。
【０１８４】
＜ｎｃ−ＯＳ＞
次に、ｎｃ−ＯＳについて説明する。
【０１８５】
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。
【０１８６】
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１１（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１１（Ｂ）に示す。図１１（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。
【０１８７】
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１１（Ｃ）に示すように、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。
【０１８８】
図１１（Ｄ）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（ｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  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。
【０１８９】
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。
【０１９０】
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。
【０１９１】
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。
【０１９２】
＜ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ＞
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。
【０１９３】
図１２に、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの高分解能断面ＴＥＭ像を示す。ここで、図１２（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１２（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１２（Ａ）および図１２（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。
【０１９４】
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。
【０１９５】
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。
【０１９６】
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。
【０１９７】
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。
【０１９８】
図１３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１３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１３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１３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。
【０１９９】
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。
【０２００】
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。
【０２０１】
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。
【０２０２】
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。
【０２０３】
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。
【０２０４】
＜トランジスタ１＞
図１４（Ａ）、図１４（Ｂ）および図１４（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１４（Ａ）は上面図であり、図１４（Ｂ）および図１４（Ｃ）は、それぞれ図１４（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２、および一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図である。なお、図１４（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。
【０２０５】
図１４（Ａ）、図１４（Ｂ）および図１４（Ｃ）に示すトランジスタは、基板４００上の導電体４１３と、基板４００上および導電体４１３上の絶縁体４０２と、絶縁体４０２上の絶縁体４０６ａと、絶縁体４０６ａ上の半導体４０６ｂと、半導体４０６ｂの上面および側面と接し、間隔を空けて配置された導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂと、導電体４１６ａ上および導電体４１６ｂ上の絶縁体４１０と、半導体４０６ｂ上および絶縁体４１０上の絶縁体４０６ｃと、絶縁体４０６ｃ上の絶縁体４１２と、絶縁体４１２上の導電体４０４と、導電体４０４上の絶縁体４０８と、を有する。なお、ここでは、導電体４１３をトランジスタの一部としているが、これに限定されない。例えば、導電体４１３がトランジスタとは独立した構成要素であってもよい。また、トランジスタが絶縁体４０８および絶縁体４１０のいずれか一以上を有さなくてもよい。
【０２０６】
なお、図１４（Ｂ）および図１４（Ｃ）に示す断面図において、絶縁体４１０の上面が基板４００の背面に平行であるように示しているが、平行でなくてもよい。例えば、絶縁体４１０の上面が、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂの凹凸に沿った形状を有していてもよい。
【０２０７】
なお、導電体４０４は、Ａ３−Ａ４断面において、絶縁体４１２を介して半導体４０６ｂの上面および側面と面する領域を有する。また、導電体４１３は、絶縁体４０２を介して半導体４０６ｂの下面と面する領域を有する。
【０２０８】
なお、半導体４０６ｂは、トランジスタのチャネル形成領域としての機能を有する。また、導電体４０４は、トランジスタの第１のゲート電極（フロントゲート電極ともいう。）としての機能を有する。また、導電体４１３は、トランジスタの第２のゲート電極（バックゲート電極ともいう。）としての機能を有する。また、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂは、トランジスタのソース電極およびドレイン電極としての機能を有する。
【０２０９】
図１４（Ｃ）に示すように、導電体４０４または／および導電体４１３の電界によって、半導体４０６ｂを電気的に取り囲むことができる（導電体から生じる電界によって、半導体を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ  ｃｈａｎｎｅｌ（ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。）。そのため、半導体４０６ｂの全体（上面、下面および側面）にチャネルが形成される。ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造では、トランジスタのソース−ドレイン間に大電流を流すことができ、導通時の電流（オン電流）を高くすることができる。
【０２１０】
なお、トランジスタがｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有する場合、半導体４０６ｂの側面にもチャネルが形成される。したがって、半導体４０６ｂが厚いほどチャネル領域は大きくなる。即ち、半導体４０６ｂが厚いほど、トランジスタのオン電流を高くすることができる。また、半導体４０６ｂが厚いほど、キャリアの制御性の高い領域の割合が増えるため、サブスレッショルドスイング値を小さくすることができる。例えば、１０ｎｍ以上、好ましくは２０ｎｍ以上、さらに好ましくは４０ｎｍ以上、より好ましくは６０ｎｍ以上、より好ましくは１００ｎｍ以上の厚さの領域を有する半導体４０６ｂとすればよい。ただし、半導体装置の生産性が低下する場合があるため、例えば、３００ｎｍ以下、好ましくは２００ｎｍ以下、さらに好ましくは１５０ｎｍ以下の厚さの領域を有する半導体４０６ｂとすればよい。なお、チャネル形成領域が縮小していくと、半導体４０６ｂが薄いほうがトランジスタの電気特性が向上する場合もある。よって、半導体４０６ｂの厚さが１０ｎｍ未満であってもよい。
【０２１１】
高いオン電流が得られるため、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造は、微細化されたトランジスタに適した構造といえる。トランジスタを微細化できるため、該トランジスタを有する半導体装置は、集積度の高い、高密度化された半導体装置とすることが可能となる。例えば、トランジスタは、チャネル長が好ましくは４０ｎｍ以下、さらに好ましくは３０ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以下の領域を有し、かつ、トランジスタは、チャネル幅が好ましくは４０ｎｍ以下、さらに好ましくは３０ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以下の領域を有する。
【０２１２】
基板４００としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板（イットリア安定化ジルコニア基板など）、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムなどを材料とした化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
【０２１３】
また、基板４００として、可とう性基板を用いてもよい。なお、可とう性基板上に装置を設ける方法としては、非可とう性の基板上に装置を作製した後、装置を剥離し、可とう性基板である基板４００に転置する方法もある。その場合には、非可とう性基板と装置との間に剥離層を設けるとよい。なお、基板４００として、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。また、基板４００が伸縮性を有してもよい。また、基板４００は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板４００の厚さは、例えば、５μｍ以上７００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上５００μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以上３００μｍ以下とする。基板４００を薄くすると、半導体装置を軽量化することができる。また、基板４００を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落下などによって基板４００上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。即ち、丈夫な半導体装置を提供することができる。
【０２１４】
可とう性基板である基板４００としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維などを用いることができる。可とう性基板である基板４００は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可とう性基板である基板４００としては、例えば、線膨張率が１×１０−３／Ｋ以下、５×１０−５／Ｋ以下、または１×１０−５／Ｋ以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリルなどがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可とう性基板である基板４００として好適である。
【０２１５】
導電体４１３としては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む合金、銅およびチタンを含む合金、銅およびマンガンを含む合金、インジウム、スズおよび酸素を含む化合物、チタンおよび窒素を含む化合物などを用いてもよい。
【０２１６】
絶縁体４０２としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体４０２としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。
【０２１７】
半導体４０６ｂが酸化物半導体である場合、絶縁体４０２は過剰酸素を有する絶縁体であることが好ましい。なお、過剰酸素とは、絶縁体中などに存在し、かつ絶縁体などと結合していない（遊離した）酸素、または絶縁体などとの結合エネルギーの低い酸素をいう。
【０２１８】
過剰酸素を有する絶縁体は、昇温脱離ガス分光法分析（ＴＤＳ分析）にて、１００℃以上７００℃以下または１００℃以上５００℃以下の表面温度の範囲で１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上または１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上の酸素（酸素原子数換算）を放出することもある。
【０２１９】
ＴＤＳ分析を用いた酸素の放出量の測定方法について、以下に説明する。
【０２２０】
測定試料をＴＤＳ分析したときの気体の全放出量は、放出ガスのイオン強度の積分値に比例する。そして標準試料との比較により、気体の全放出量を計算することができる。
【０２２１】
例えば、標準試料である所定の密度の水素を含むシリコン基板のＴＤＳ分析結果、および測定試料のＴＤＳ分析結果から、測定試料の酸素分子の放出量（ＮＯ２）は、下に示す式で求めることができる。ここで、ＴＤＳ分析で得られる質量電荷比３２で検出されるガスの全てが酸素分子由来と仮定する。ＣＨ３ＯＨの質量電荷比は３２であるが、存在する可能性が低いものとしてここでは考慮しない。また、酸素原子の同位体である質量数１７の酸素原子および質量数１８の酸素原子を含む酸素分子についても、自然界における存在比率が極微量であるため考慮しない。
【０２２２】
ＮＯ２＝ＮＨ２／ＳＨ２×ＳＯ２×α
【０２２３】
ＮＨ２は、標準試料から脱離した水素分子を密度で換算した値である。ＳＨ２は、標準試料をＴＤＳ分析したときのイオン強度の積分値である。ここで、標準試料の基準値を、ＮＨ２／ＳＨ２とする。ＳＯ２は、測定試料をＴＤＳ分析したときのイオン強度の積分値である。αは、ＴＤＳ分析におけるイオン強度に影響する係数である。上に示す式の詳細に関しては、特開平６−２７５６９７公報を参照する。なお、上記酸素の放出量は、電子科学株式会社製の昇温脱離分析装置ＥＭＤ−ＷＡ１０００Ｓ／Ｗを用い、標準試料として一定量の水素原子を含むシリコン基板を用いて測定する。
【０２２４】
また、ＴＤＳ分析において、酸素の一部は酸素原子として検出される。酸素分子と酸素原子の比率は、酸素分子のイオン化率から算出することができる。なお、上述のαは酸素分子のイオン化率を含むため、酸素分子の放出量を評価することで、酸素原子の放出量についても見積もることができる。
【０２２５】
なお、ＮＯ２は酸素分子の放出量である。酸素原子に換算したときの放出量は、酸素分子の放出量の２倍となる。
【０２２６】
または、加熱処理によって酸素を放出する絶縁体は、過酸化ラジカルを含むこともある。具体的には、過酸化ラジカルに起因するスピン密度が、５×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以上であることをいう。なお、過酸化ラジカルを含む絶縁体は、電子スピン共鳴法（ＥＳＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｉｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）にて、ｇ値が２．０１近傍に非対称の信号を有することもある。
【０２２７】
導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂとしては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む合金、銅およびチタンを含む合金、銅およびマンガンを含む合金、インジウム、スズおよび酸素を含む化合物、チタンおよび窒素を含む化合物などを用いてもよい。
【０２２８】
絶縁体４１０としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体４１０としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。
【０２２９】
なお、絶縁体４１０は、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体４１０は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。
【０２３０】
絶縁体４１２としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体４０２としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。
【０２３１】
半導体４０６ｂが酸化物半導体である場合、絶縁体４１２は過剰酸素を有する絶縁体であることが好ましい。
【０２３２】
導電体４０４としては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む合金、銅およびチタンを含む合金、銅およびマンガンを含む合金、インジウム、スズおよび酸素を含む化合物、チタンおよび窒素を含む化合物などを用いてもよい。
【０２３３】
絶縁体４０８は、例えば、水素透過性の低い（水素をバリアする性質の）絶縁体である。
【０２３４】
水素は、原子半径などが小さいため絶縁体中を拡散しやすい（拡散係数が大きい）。例えば、密度の低い絶縁体は、水素透過性が高くなる。言い換えれば、密度の高い絶縁体は水素透過性が低くなる。密度の低い絶縁体は、絶縁体全体の密度が低い必要はなく、部分的に密度が低い場合も含む。これは、密度の低い領域が水素の経路となるためである。水素を透過しうる密度は一意には定まらないが、代表的には２．６ｇ／ｃｍ３未満などが挙げられる。密度の低い絶縁体としては、例えば、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンなどの無機絶縁体、ならびにポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネートおよびアクリルなどの有機絶縁体などがある。密度の高い絶縁体としては、例えば、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化ゲルマニウム、酸化ガリウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルなどがある。なお、密度の低い絶縁体および密度の高い絶縁体は、上述の絶縁体に限定されない。例えば、これらの絶縁体に、ホウ素、窒素、フッ素、ネオン、リン、塩素またはアルゴンから選ばれた一種以上の元素が含まれていてもよい。
【０２３５】
また、結晶粒界を有する絶縁体は、水素透過性が高い場合がある。言い換えれば、結晶粒界を有さない（または結晶粒界が少ない）絶縁体は水素を透過させにくい。例えば、非多結晶絶縁体（非晶質絶縁体など）は、多結晶絶縁体と比べて水素透過性が低くなる。
【０２３６】
また、水素との結合エネルギーが高い絶縁体は、水素透過性が低い場合がある。例えば、水素と結合して水素化合物を作る絶縁体が、装置の作製工程または装置の動作における温度で水素を脱離しない程度の結合エネルギーを有すれば、水素透過性の低い絶縁体といえる。例えば、２００℃以上１０００℃以下、３００℃以上１０００℃以下、または４００℃以上１０００℃以下で水素化合物を作る絶縁体は、水素透過性が低い場合がある。また、例えば、水素の脱離温度が、２００℃以上１０００℃以下、３００℃以上１０００℃以下、または４００℃以上１０００℃以下である水素化合物を作る絶縁体は、水素透過性が低い場合がある。一方、水素の脱離温度が、２０℃以上４００℃以下、２０℃以上３００℃以下、または２０℃以上２００℃以下である水素化合物を作る絶縁体は、水素透過性が高い場合がある。また、容易に脱離する水素、および遊離した水素を過剰水素と呼ぶ場合がある。
【０２３７】
また、絶縁体４０８は、例えば、酸素透過性の低い（酸素をバリアする性質の）絶縁体である。
【０２３８】
また、絶縁体４０８は、例えば、水の透過性の低い（水をバリアする性質の）絶縁体である。
【０２３９】
なお、導電体４１３を形成しなくてもよい（図１５（Ａ）および図１５（Ｂ）参照。）。また、絶縁体４１２および絶縁体４０６ｃが導電体４０４から迫り出した形状としてもよい（図１５（Ｃ）および図１５（Ｄ）参照。）。また、絶縁体４１２および絶縁体４０６ｃが導電体４０４から迫り出さない形状としてもよい（図１５（Ｅ）および図１５（Ｆ）参照。）。また、Ａ１−Ａ２断面における導電体４１３の幅が、半導体４０６ｂよりも大きくてもよい（図１６（Ａ）および図１６（Ｂ）参照。）。また、導電体４１３と導電体４０４とが開口部を介して接していてもよい（図１６（Ｃ）および図１６（Ｄ）参照。）また、導電体４０４を設けなくてもよい（図１６（Ｅ）および図１６（Ｆ）参照。）。
【０２４０】
以下では、絶縁体４０６ａ、半導体４０６ｂおよび絶縁体４０６ｃについて説明する。
【０２４１】
半導体４０６ｂの上下に絶縁体４０６ａおよび絶縁体４０６ｃを配置することで、トランジスタの電気特性を向上させることができる場合がある。
【０２４２】
絶縁体４０６ａはＣＡＡＣ−ＯＳを有することが好ましい。半導体４０６ｂはＣＡＡＣ−ＯＳを有することが好ましい。絶縁体４０６ｃはＣＡＡＣ−ＯＳを有することが好ましい。
【０２４３】
半導体４０６ｂは、例えば、インジウムを含む酸化物である。半導体４０６ｂは、例えば、インジウムを含むと、キャリア移動度（電子移動度）が高くなる。また、半導体４０６ｂは、元素Ｍを含むと好ましい。元素Ｍは、好ましくは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。元素Ｍは、例えば、酸素との結合エネルギーが高い元素である。例えば、酸素との結合エネルギーがインジウムよりも高い元素である。または、元素Ｍは、例えば、酸化物のエネルギーギャップを大きくする機能を有する元素である。また、半導体４０６ｂは、亜鉛を含むと好ましい。酸化物は、亜鉛を含むと結晶化しやすくなる場合がある。
【０２４４】
ただし、半導体４０６ｂは、インジウムを含む酸化物に限定されない。半導体４０６ｂは、例えば、亜鉛スズ酸化物、ガリウムスズ酸化物などの、インジウムを含まず、亜鉛を含む酸化物、ガリウムを含む酸化物、スズを含む酸化物などであっても構わない。
【０２４５】
半導体４０６ｂは、例えば、エネルギーギャップが大きい酸化物を用いる。半導体４０６ｂのエネルギーギャップは、例えば、２．５ｅＶ以上４．２ｅＶ以下、好ましくは２．８ｅＶ以上３．８ｅＶ以下、さらに好ましくは３ｅＶ以上３．５ｅＶ以下とする。
【０２４６】
例えば、絶縁体４０６ａおよび絶縁体４０６ｃは、半導体４０６ｂを構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から構成される酸化物である。半導体４０６ｂを構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から絶縁体４０６ａおよび絶縁体４０６ｃが構成されるため、絶縁体４０６ａと半導体４０６ｂとの界面、および半導体４０６ｂと絶縁体４０６ｃとの界面において、欠陥準位が形成されにくい。
【０２４７】
絶縁体４０６ａ、半導体４０６ｂおよび絶縁体４０６ｃは、少なくともインジウムを含むと好ましい。なお、絶縁体４０６ａがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％より高く、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％より高いとする。また、半導体４０６ｂがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％より高く、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％より高く、Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。また、絶縁体４０６ｃがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％より高く、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％より高くする。なお、絶縁体４０６ｃは、絶縁体４０６ａと同種の酸化物を用いても構わない。ただし、絶縁体４０６ａまたは／および絶縁体４０６ｃがインジウムを含まなくても構わない場合がある。例えば、絶縁体４０６ａまたは／および絶縁体４０６ｃが酸化ガリウムであっても構わない。なお、絶縁体４０６ａ、半導体４０６ｂおよび絶縁体４０６ｃに含まれる各元素の原子数が、簡単な整数比にならなくても構わない。
【０２４８】
半導体４０６ｂは、絶縁体４０６ａおよび絶縁体４０６ｃよりも電子親和力の大きい酸化物を用いる。例えば、半導体４０６ｂとして、絶縁体４０６ａおよび絶縁体４０６ｃよりも電子親和力の０．０７ｅＶ以上１．３ｅＶ以下、好ましくは０．１ｅＶ以上０．７ｅＶ以下、さらに好ましくは０．１５ｅＶ以上０．４ｅＶ以下大きい酸化物を用いる。なお、電子親和力は、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差である。
【０２４９】
なお、インジウムガリウム酸化物は、小さい電子親和力と、高い酸素ブロック性を有する。そのため、絶縁体４０６ｃがインジウムガリウム酸化物を含むと好ましい。ガリウム原子割合［Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）］は、例えば、７０％以上、好ましくは８０％以上、さらに好ましくは９０％以上とする。
【０２５０】
このとき、ゲート電圧を印加すると、絶縁体４０６ａ、半導体４０６ｂ、絶縁体４０６ｃのうち、電子親和力の大きい半導体４０６ｂにチャネルが形成される。
【０２５１】
ここで、絶縁体４０６ａと半導体４０６ｂとの間には、絶縁体４０６ａと半導体４０６ｂとの混合領域を有する場合がある。また、半導体４０６ｂと絶縁体４０６ｃとの間には、半導体４０６ｂと絶縁体４０６ｃとの混合領域を有する場合がある。混合領域は、欠陥準位密度が低くなる。そのため、絶縁体４０６ａ、半導体４０６ｂおよび絶縁体４０６ｃの積層体は、それぞれの界面近傍において、エネルギーが連続的に変化する（連続接合ともいう。）バンド図となる（図１７参照。）。なお、絶縁体４０６ａ、半導体４０６ｂおよび絶縁体４０６ｃは、それぞれの界面を明確に判別できない場合がある。
【０２５２】
このとき、電子は、絶縁体４０６ａ中および絶縁体４０６ｃ中ではなく、半導体４０６ｂ中を主として移動する。なお、絶縁体４０６ａおよび絶縁体４０６ｃは、単独で存在した場合には導体、半導体または絶縁体のいずれの性質も取りうるが、トランジスタの動作時においてはチャネルを形成しない領域を有する。具体的には、絶縁体４０６ａと半導体４０６ｂとの界面近傍、および絶縁体４０６ｃと半導体４０６ｂとの界面近傍のみにチャネルが形成され、そのほかの領域にはチャネルが形成されない。したがって、トランジスタの動作上は絶縁体と呼ぶことができるため、本明細書中では半導体および導電体ではなく絶縁体と表記する。ただし、絶縁体４０６ａと、半導体４０６ｂと、絶縁体４０６ｃと、は相対的な物性の違いによって半導体と絶縁体とを呼び分けられるだけであって、例えば、絶縁体４０６ａまたは絶縁体４０６ｃとして用いることのできる絶縁体を、半導体４０６ｂとして用いることができる場合がある。上述したように、絶縁体４０６ａと半導体４０６ｂとの界面における欠陥準位密度、および半導体４０６ｂと絶縁体４０６ｃとの界面における欠陥準位密度を低くすることによって、半導体４０６ｂ中で電子の移動が阻害されることが少なく、トランジスタのオン電流を高くすることができる。
【０２５３】
また、トランジスタのオン電流は、電子の移動を阻害する要因を低減するほど、高くすることができる。例えば、電子の移動を阻害する要因のない場合、効率よく電子が移動すると推定される。電子の移動は、例えば、チャネル形成領域の物理的な凹凸が大きい場合にも阻害される。
【０２５４】
トランジスタのオン電流を高くするためには、例えば、半導体４０６ｂの上面または下面（被形成面、ここでは絶縁体４０６ａの上面）の、１μｍ×１μｍの範囲における二乗平均平方根（ＲＭＳ：Ｒｏｏｔ  Ｍｅａｎ  Ｓｑｕａｒｅ）粗さが１ｎｍ未満、好ましくは０．６ｎｍ未満、さらに好ましくは０．５ｎｍ未満、より好ましくは０．４ｎｍ未満とすればよい。また、１μｍ×１μｍの範囲における平均面粗さ（Ｒａともいう。）が１ｎｍ未満、好ましくは０．６ｎｍ未満、さらに好ましくは０．５ｎｍ未満、より好ましくは０．４ｎｍ未満とすればよい。また、１μｍ×１μｍの範囲における最大高低差（Ｐ−Ｖともいう。）が１０ｎｍ未満、好ましくは９ｎｍ未満、さらに好ましくは８ｎｍ未満、より好ましくは７ｎｍ未満とすればよい。ＲＭＳ粗さ、ＲａおよびＰ−Ｖは、エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製走査型プローブ顕微鏡システムＳＰＡ−５００などを用いて測定することができる。
【０２５５】
また、トランジスタのオン電流を高くするためには、絶縁体４０６ｃの厚さは小さいほど好ましい。例えば、１０ｎｍ未満、好ましくは５ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以下の領域を有する絶縁体４０６ｃとすればよい。一方、絶縁体４０６ｃは、チャネルの形成される半導体４０６ｂへ、隣接する絶縁体を構成する酸素以外の元素（水素、シリコンなど）が入り込まないようブロックする機能を有する。そのため、絶縁体４０６ｃは、ある程度の厚さを有することが好ましい。例えば、０．３ｎｍ以上、好ましくは１ｎｍ以上、さらに好ましくは２ｎｍ以上の厚さの領域を有する絶縁体４０６ｃとすればよい。また、絶縁体４０６ｃは、絶縁体４０２などから放出される酸素の外方拡散を抑制するために、酸素をブロックする性質を有すると好ましい。
【０２５６】
また、信頼性を高くするためには、絶縁体４０６ａは厚く、絶縁体４０６ｃは薄いことが好ましい。例えば、１０ｎｍ以上、好ましくは２０ｎｍ以上、さらに好ましくは４０ｎｍ以上、より好ましくは６０ｎｍ以上の厚さの領域を有する絶縁体４０６ａとすればよい。絶縁体４０６ａの厚さを、厚くすることで、隣接する絶縁体と絶縁体４０６ａとの界面からチャネルの形成される半導体４０６ｂまでの距離を離すことができる。ただし、半導体装置の生産性が低下する場合があるため、例えば、２００ｎｍ以下、好ましくは１２０ｎｍ以下、さらに好ましくは８０ｎｍ以下の厚さの領域を有する絶縁体４０６ａとすればよい。
【０２５７】
例えば、半導体４０６ｂと絶縁体４０６ａとの間に、例えば、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）において、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のシリコン濃度となる領域を有する。また、半導体４０６ｂと絶縁体４０６ｃとの間に、ＳＩＭＳにおいて、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のシリコン濃度となる領域を有する。
【０２５８】
また、半導体４０６ｂは、ＳＩＭＳにおいて、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の水素濃度となる領域を有する。また、半導体４０６ｂの水素濃度を低減するために、絶縁体４０６ａおよび絶縁体４０６ｃの水素濃度を低減すると好ましい。絶縁体４０６ａおよび絶縁体４０６ｃは、ＳＩＭＳにおいて、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の水素濃度となる領域を有する。また、半導体４０６ｂは、ＳＩＭＳにおいて、１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の窒素濃度となる領域を有する。また、半導体４０６ｂの窒素濃度を低減するために、絶縁体４０６ａおよび絶縁体４０６ｃの窒素濃度を低減すると好ましい。絶縁体４０６ａおよび絶縁体４０６ｃは、ＳＩＭＳにおいて、１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の窒素濃度となる領域を有する。
【０２５９】
上述の３層構造は一例である。例えば、絶縁体４０６ａまたは絶縁体４０６ｃのない２層構造としても構わない。または、絶縁体４０６ａの上もしくは下、または絶縁体４０６ｃ上もしくは下に、絶縁体４０６ａ、半導体４０６ｂおよび絶縁体４０６ｃとして例示した半導体のいずれか一を有する４層構造としても構わない。または、絶縁体４０６ａの上、絶縁体４０６ａの下、絶縁体４０６ｃの上、絶縁体４０６ｃの下のいずれか二箇所以上に、絶縁体４０６ａ、半導体４０６ｂおよび絶縁体４０６ｃとして例示した半導体のいずれか一以上を有するｎ層構造（ｎは５以上の整数）としても構わない。
【０２６０】
＜トランジスタ２＞
図１８（Ａ）、図１８（Ｂ）および図１８（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１８（Ａ）は上面図であり、図１８（Ｂ）および図１８（Ｃ）は、それぞれ図１８（Ａ）に示す一点鎖線Ｆ１−Ｆ２、および一点鎖線Ｆ３−Ｆ４に対応する断面図である。なお、図１８（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。
【０２６１】
図１８（Ａ）、図１８（Ｂ）および図１８（Ｃ）に示すトランジスタは、基板５００上の導電体５１３と、基板５００上にあり、導電体５１３と上面の高さの揃った絶縁体５０３と、導電体５１３上および絶縁体５０３上の絶縁体５０２と、絶縁体５０２上の絶縁体５０６ａと、絶縁体５０６ａ上の半導体５０６ｂと、半導体５０６ｂの上面と接し、間隔を空けて配置された導電体５１６ａおよび導電体５１６ｂと、絶縁体５０２上、半導体５０６ｂ上、導電体５１６ａ上および導電体５１６ｂ上の絶縁体５０６ｃと、絶縁体５０６ｃ上の絶縁体５１２と、絶縁体５１２上の導電体５０４と、導電体５０４上の絶縁体５０８と、を有する。なお、ここでは、導電体５１３をトランジスタの一部としているが、これに限定されない。例えば、導電体５１３がトランジスタとは独立した構成要素であってもよい。また、トランジスタが絶縁体５０８を有さなくてもよい。また、トランジスタの、導電体５１６ａと絶縁体５０６ｃとの間、または／および導電体５１６ｂと絶縁体５０６ｃとの間に、絶縁体を有してもよい。該絶縁体は、絶縁体４１０についての記載を参酌する。
【０２６２】
基板５００は、基板４００の記載を参照する。導電体５１３は、導電体４１３の記載を参照する。絶縁体５０２は、絶縁体４０２の記載を参照する。絶縁体５０６ａは、絶縁体４０６ａの記載を参照する。半導体５０６ｂは、半導体４０６ｂの記載を参照する。導電体５１６ａは、導電体４１６ａの記載を参照する。導電体５１６ｂは、導電体４１６ｂの記載を参照する。絶縁体５０６ｃは、絶縁体４０６ｃの記載を参照する。絶縁体５１２は、絶縁体４１２の記載を参照する。導電体５０４は、導電体４０４の記載を参照する。絶縁体５０８は、絶縁体４０８の記載を参照する。
【０２６３】
絶縁体５０３としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体５０３としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。
【０２６４】
図１８（Ｃ）に示すように、トランジスタはｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有する。また、導電体５０４および導電体５１３からの電界が、半導体５０６ｂの側面において導電体５１６ａおよび導電体５１６ｂなどによって阻害されにくい構造である。
【０２６５】
なお、導電体５１３を形成しなくてもよい（図１９（Ａ）および図１９（Ｂ）参照。）。また、絶縁体５１２、絶縁体５０６ｃが導電体５０４から迫り出した形状としてもよい（図１９（Ｃ）および図１９（Ｄ）参照。）。また、絶縁体５１２、絶縁体５０６ｃが導電体５０４から迫り出さない形状としてもよい（図１９（Ｅ）および図１９（Ｆ）参照。）。また、Ｆ１−Ｆ２断面における導電体５１３の幅が、半導体５０６ｂよりも大きくてもよい（図２０（Ａ）および図２０（Ｂ）参照。）。また、導電体５１３と導電体５０４とが開口部を介して接していてもよい（図２０（Ｃ）および図２０（Ｄ）参照。）また、導電体５０４を設けなくてもよい（図２０（Ｅ）および図２０（Ｆ）参照。）。
【０２６６】
＜トランジスタ３＞
図２１（Ａ）、図２１（Ｂ）および図２１（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２１（Ａ）は上面図であり、図２１（Ｂ）および図２１（Ｃ）は、それぞれ図２１（Ａ）に示す一点鎖線Ｇ１−Ｇ２、および一点鎖線Ｇ３−Ｇ４に対応する断面図である。なお、図２１（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。
【０２６７】
図２１（Ａ）、図２１（Ｂ）および図２１（Ｃ）に示すトランジスタは、基板６００上の導電体６１３と、基板６００上にあり、導電体６１３と上面の高さの揃った絶縁体６０３と、導電体６１３上および絶縁体６０３上の絶縁体６０２と、絶縁体６０２上の絶縁体６０６ａと、絶縁体６０６ａ上の半導体６０６ｂと、半導体６０６ｂ上の絶縁体６０６ｃと、絶縁体６０６ｃ上の絶縁体６１２と、絶縁体６１２上の導電体６０４と、導電体６０４の側面、および半導体６０６ｂの上面と接する領域を有する絶縁体６２０と、絶縁体６０２上、半導体６０６ｂ上、導電体６０４上、絶縁体６２０上の絶縁体６０８と、を有する。なお、ここでは、導電体６１３をトランジスタの一部としているが、これに限定されない。例えば、導電体６１３がトランジスタとは独立した構成要素であってもよい。また、トランジスタが絶縁体６０８を有さなくてもよい。
【０２６８】
半導体６０６ｂは、領域６０７ａと、領域６０７ｂと、を有する。領域６０７ａおよび領域６０７ｂは、半導体６０６ｂの導電体６０４と半導体６０６ｂとが互いに重なる領域を挟んで配置される。領域６０７ａおよび領域６０７ｂは、そのほかの半導体６０６ｂの領域よりも抵抗の低い領域を有する。領域６０７ａおよび領域６０７ｂは、それぞれトランジスタのソース領域およびドレイン領域としての機能を有する。
【０２６９】
また、絶縁体６０８上には、絶縁体６１８を配置してもよい。絶縁体６１８および絶縁体６０８は、繋がった二つの開口部を有する。二つの開口部は、それぞれ領域６０７ａおよび領域６０７ｂに達する。二つの開口部には、それぞれ導電体６１６ａおよび導電体６１６ｂが埋め込まれている。このとき、絶縁体６２０は、導電体６１６ａおよび導電体６１６ｂと、導電体６０４と、が導通することを抑制する機能を有する。
【０２７０】
基板６００は、基板４００の記載を参照する。導電体６１３は、導電体４１３の記載を参照する。絶縁体６０２は、絶縁体４０２の記載を参照する。絶縁体６０３は、絶縁体５０３の記載を参照する。絶縁体６０６ａは、絶縁体４０６ａの記載を参照する。半導体６０６ｂは、半導体４０６ｂの記載を参照する。導電体６１６ａは、導電体４１６ａの記載を参照する。導電体６１６ｂは、導電体４１６ｂの記載を参照する。絶縁体６０６ｃは、絶縁体４０６ｃの記載を参照する。絶縁体６１２は、絶縁体４１２の記載を参照する。導電体６０４は、導電体４０４の記載を参照する。絶縁体６０８は、絶縁体４０８の記載を参照する。
【０２７１】
絶縁体６２０としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体６２０としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。
【０２７２】
絶縁体６１８としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体６１８としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。
【０２７３】
図２１（Ｃ）に示すように、トランジスタはｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有する。また、導電体６０４および導電体６１３からの電界が、半導体６０６ｂの側面において導電体６１６ａおよび導電体６１６ｂなどによって阻害されにくい構造である。
【０２７４】
なお、導電体６１３を形成しなくてもよい（図２２（Ａ）および図２２（Ｂ）参照。）。また、導電体６１３と導電体６０４とが開口部を介して接していてもよい（図２２（Ｃ）および図２２（Ｄ）参照。）。また、絶縁体６０２に代えて、絶縁体６０２ａと、絶縁体６０２ｂと、絶縁体６０２ｃと、がこの順に重なった積層膜を用いてもよい（図２２（Ｅ）および図２２（Ｆ）参照。）。
【０２７５】
絶縁体６０２ａ、絶縁体６０２ｂおよび絶縁体６０２ｃとしては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体６０２ａおよび絶縁体６０２ｃとしては酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを用い、絶縁体６０２ｂとしては酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。絶縁体６０２ｂは、キャリアトラップを有することが好ましい。このとき、導電体６１３に電位を印加することで、絶縁体６０２ｂのキャリアトラップに電子などをトラップさせ、トランジスタのしきい値電圧を変動させることができる。例えば、トランジスタのしきい値電圧をプラス方向に変動させることによって、電気特性をノーマリーオフにすることができる。
【符号の説明】
【０２７６】
１００    ターゲット
１００ａ    ターゲット
１００ｂ    ターゲット
１１０    バッキングプレート
１１０ａ    バッキングプレート
１１０ｂ    バッキングプレート
１２０    ターゲットホルダ
１２０ａ    ターゲットホルダ
１２０ｂ    ターゲットホルダ
１２２ａ    部材
１２２ｂ    部材
１３０    マグネットユニット
１３０ａ    マグネットユニット
１３０ｂ    マグネットユニット
１３０Ｎ    マグネット
１３０Ｎ１    マグネット
１３０Ｎ２    マグネット
１３０Ｓ    マグネット
１３２    マグネットホルダ
１４０    プラズマ
１４２    部材
１６０    基板
１７０    基板ホルダ
１９０    電源
２００    成膜装置
２０１    大気側基板供給室
２０２    大気側基板搬送室
２０３ａ    ロードロック室
２０３ｂ    アンロードロック室
２０４    搬送室
２０５    基板加熱室
２０６ａ    成膜室
２０６ｂ    成膜室
２０６ｃ    成膜室
２５１    クライオトラップ
２５２    ステージ
２６１    カセットポート
２６２    アライメントポート
２６３    搬送ロボット
２６４    ゲートバルブ
２６５    加熱ステージ
２６６    ターゲットホルダ
２６６ａ    ターゲットホルダ
２６６ｂ    ターゲットホルダ
２６７ａ    部材
２６７ｂ    部材
２６８    基板ホルダ
２６９    基板
２７０    真空ポンプ
２７１    クライオポンプ
２７２    ターボ分子ポンプ
２８０    マスフローコントローラ
２８０ａ    マスフローコントローラ
２８０ｂ    マスフローコントローラ
２８１    精製機
２８１ａ    精製機
２８１ｂ    精製機
２８２ａ    ガス加熱機構
２８２ｂ    ガス加熱機構
２８３ａ    第１の導入口
２８３ｂ    第２の導入口
２８４    部材
２９１ａ    電源
２９１ａａ    電源
２９１ａｂ    電源
２９１ｂ    電源
４００    基板
４０２    絶縁体
４０４    導電体
４０６ａ    絶縁体
４０６ｂ    半導体
４０６ｃ    絶縁体
４０８    絶縁体
４１０    絶縁体
４１２    絶縁体
４１３    導電体
４１６ａ    導電体
４１６ｂ    導電体
５００    基板
５０２    絶縁体
５０３    絶縁体
５０４    導電体
５０６ａ    絶縁体
５０６ｂ    半導体
５０６ｃ    絶縁体
５０８    絶縁体
５１２    絶縁体
５１３    導電体
５１６ａ    導電体
５１６ｂ    導電体
６００    基板
６０２    絶縁体
６０２ａ    絶縁体
６０２ｂ    絶縁体
６０２ｃ    絶縁体
６０３    絶縁体
６０４    導電体
６０６ａ    絶縁体
６０６ｂ    半導体
６０６ｃ    絶縁体
６０７ａ    領域
６０７ｂ    領域
６０８    絶縁体
６１２    絶縁体
６１３    導電体
６１６ａ    導電体
６１６ｂ    導電体
６１８    絶縁体
６２０    絶縁体
【図１】
2017043843.tif 000003
【図２】
2017043843.tif 000004
【図３】
2017043843.tif 000005
【図４】
2017043843.tif 000006
【図５】
2017043843.tif 000007
【図６】
2017043843.tif 000008
【図７】
2017043843.tif 000009
【図１３】
2017043843.tif 000010
【図１４】
2017043843.tif 000011
【図１５】
2017043843.tif 000012
【図１６】
2017043843.tif 000013
【図１７】
2017043843.tif 000014
【図１８】
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【図１９】
2017043843.tif 000016
【図２０】
2017043843.tif 000017
【図２１】
2017043843.tif 000018
【図２２】
2017043843.tif 000019
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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