半導体装置及び半導体装置の作製方法
【課題】半導体デバイスに用いるのに好適な酸化物半導体の提供を目的の一とする。又は、それを用いた半導体装置の提供を目的の一とする。
【解決手段】Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体層をトランジスタのチャネル形成領域に用いた半導体装置であって、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体層は、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表される非晶質構造中に、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＝１）で表される結晶粒を含む構造を有する。
【解決手段】Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体層をトランジスタのチャネル形成領域に用いた半導体装置であって、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体層は、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表される非晶質構造中に、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＝１）で表される結晶粒を含む構造を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
酸化物半導体を用いた半導体装置及びその作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電界効果型トランジスタは、現在、最も広く用いられている半導体素子である。電界効果型トランジスタに用いられる材料は、その用途に応じて様々であるが、特に、シリコンを含む半導体材料が多く用いられている。
【０００３】
上記シリコンを用いた電界効果型トランジスタは、多くの用途に対して要求される特性を満たす。例えば、高速動作が必要な集積回路などの用途には単結晶シリコンを用いることで、その要求が満たされる。また、表示装置などの大面積用途に対しては、非晶質シリコンを用いることで、その要求を満たすことができる。
【０００４】
このように、シリコンは汎用性が高く、様々な用途に用いることが可能であるが、近年では半導体材料に対して、汎用性と共に一層の性能を求める傾向にある。例えば、大面積表示装置の高性能化という観点からは、スイッチング素子の高速動作を実現するために、大面積化が容易で、且つ非晶質シリコンを超える性能を有する半導体材料が求められている。
【０００５】
このような状況において、酸化物半導体を用いた電界効果型トランジスタ（ＦＥＴとも呼ぶ）に関する技術が注目されている。例えば、特許文献１には、ホモロガス化合物ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（Ｍ＝Ｉｎ、Ｆｅ、Ｇａ、又はＡｌ、ｍ＝１以上５０未満の整数）を用いた透明薄膜電界効果型トランジスタが開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎを含む非晶質酸化物半導体であって電子キャリア濃度が１０１８／ｃｍ３未満であるものを用いた電界効果型トランジスタが開示されている。なお、当該文献において、非晶質酸化物半導体の原子数の比は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：ｍ（ｍ＜６）である。
【０００７】
さらに、特許文献３には、微結晶を含む非晶質酸化物半導体を活性層とする電界効果型トランジスタが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１０３９５７号公報
【特許文献２】国際公開第０５／０８８７２６号
【特許文献３】特開２００６−１６５５２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献３においては、結晶状態における組成をＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＝６未満の整数）とする旨の開示がある。また、特許文献３の実施例１においては、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）４の場合について開示されている。しかしながら、このような酸化物半導体を用いる場合であっても、十分な特性が得られていないというのが実情であった。
【００１０】
上記問題点に鑑み、半導体デバイスに用いるのに好適な酸化物半導体の提供を目的の一とする。又は、それを用いた半導体装置の提供を目的の一とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
開示する発明においては、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表される非晶質構造中に、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＝１）で表される結晶粒を含ませて半導体装置を作製する。より具体的には、以下の通りである。
【００１２】
開示する発明の一は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体層をトランジスタのチャネル形成領域に用いた半導体装置であって、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体層は、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表される非晶質構造中に、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＝１）で表される結晶粒を含む構造を有することを特徴としている。
【００１３】
上記において、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体層中のＺｎの含有量（原子％）を、Ｉｎの含有量（原子％）未満かつＧａの含有量（原子％）未満とすることが好ましい。また、酸化物半導体層は、Ｚｎの含有量（原子％）がＩｎの含有量（原子％）以下かつＧａの含有量（原子％）以下のターゲットを用いたスパッタリング法により形成されたものであることが好ましい。また、上記において、結晶粒はｍ＝１に係る構造のみで形成されていることが好ましいが、ｍ＝１に係る構造が結晶粒の８０体積％以上を占める状況では、所定の特性を得ることが可能である。
【００１４】
開示する発明の他の一は、スパッタリング法を用いて、基板上に非晶質構造を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体層を形成し、酸化物半導体層に熱処理を施すことで、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表される非晶質構造中に、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＝１）で表される結晶粒を含む酸化物半導体層を形成し、結晶粒を含む酸化物半導体層をトランジスタのチャネル形成領域として用いることを特徴とする半導体装置の作製方法である。
【００１５】
上記において、非晶質構造を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体層中のＺｎの含有量（原子％）が、Ｉｎの含有量（原子％）未満かつＧａの含有量（原子％）未満となるように形成されることが好ましい。また、非晶質構造を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体層は、Ｚｎの含有量（原子％）がＩｎの含有量（原子％）以下かつＧａの含有量（原子％）以下のターゲットを用いたスパッタリング法により形成されることが好ましい。また、熱処理は、３５０℃以上の温度で行われることが好ましい。
【００１６】
なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指し、表示装置、半導体回路および電子機器は全て半導体装置に含まれる。
【発明の効果】
【００１７】
ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表される非晶質構造中に、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＝１）で表される結晶粒を含ませることで、酸化物半導体の電気的特性を向上させることができる。また、当該酸化物半導体を用いることで、優れた半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施の形態１に係る酸化物半導体層の作製工程を説明する図である。
【図２】非単結晶半導体層の組成分析結果を示す図である。
【図３】非単結晶半導体層の組成分析結果を示す図である。
【図４】酸化物半導体層のＢｒｉｇｈｔ−ｆｉｅｌｄ−ＳＴＥＭ像である。
【図５】酸化物半導体層のＢｒｉｇｈｔ−ｆｉｅｌｄ−ＳＴＥＭ像とＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像である。
【図６】結晶構造の拡大写真とモデル図である。
【図７】酸化物半導体層（ターゲットＢ）のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像である。
【図８】酸化物半導体（ＩｎＧａＺｎＯ４）の結晶構造を示す図である。
【図９】（Ｇａ、Ｚｎ）Ｏ２レイヤーにおけるＧａ及びＺｎの配置を示す図である。
【図１０】元素の配置に関するエネルギーの比較結果を示す図である。
【図１１】電子のＤＯＳとＰＤＯＳの計算結果を示す図である。
【図１２】伝導帯の底における電子の分布図である。
【図１３】ＥＶＯの幾何学的最適値の計算結果を示す図である。
【図１４】計算に係る具体的な組み合わせ（原子の配置）を示す図である。
【図１５】各組み合わせのエネルギーを示す図である。
【図１６】最も可能性が高い配置のモデル図である。
【図１７】実施の形態２に係る半導体装置の作製工程を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定されず、発明の趣旨から逸脱することなく形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者にとって自明である。また、異なる実施の形態に係る構成は、適宜組み合わせて用いることができる。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を用い、その繰り返しの説明は省略する。
【００２０】
（実施の形態１）
本実施の形態では、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表される非晶質構造中に、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＝１）で表される結晶粒を含む酸化物半導体層（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体層）を作製する方法について、図面を参照して説明する。
【００２１】
はじめに、被形成面上（ここでは基板１００上）にＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の非単結晶半導体層１０２を形成する（図１（ａ）参照）。例えば、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び亜鉛（Ｚｎ）を含む酸化物半導体ターゲットを用いたスパッタ法により、非単結晶半導体層１０２を形成することができる。スパッタの条件は、例えば、基板１００と酸化物半導体ターゲットとの距離を３０ｍｍ〜５００ｍｍ、圧力を０．１Ｐａ〜２．０Ｐａ、直流（ＤＣ）電源を０．２ｋＷ〜５．０ｋＷ（直径８インチのターゲット使用時）、雰囲気をアルゴン雰囲気、酸素雰囲気、又はアルゴンと酸素の混合雰囲気とすればよい。
【００２２】
ここでは、酸化物半導体ターゲットの組成比がＩｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１、基板１００と酸化物半導体ターゲットとの距離が１７０ｍｍ、圧力が０．４Ｐａ、直流（ＤＣ）電源が０．５ｋＷ、アルゴンガスの流量が１０ｓｃｃｍ、酸素ガスの流量が５ｓｃｃｍの条件で非単結晶半導体層１０２を形成した。
【００２３】
その後、上記の方法で作製した試料につき、誘導結合プラズマ質量分析法（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＩＣＰ−ＭＳ分析法）を用いて組成分析を行った。アルゴンガスの流量が１０ｓｃｃｍ、酸素ガスの流量が５ｓｃｃｍの条件で得られる非単結晶半導体層１０２の組成は、ＩｎＧａ０．９４Ｚｎ０．４０Ｏ３．３１であった。上記分析結果と併せて、アルゴンガスの流量が４０ｓｃｃｍ、酸素ガスの流量が０ｓｃｃｍの条件で作製した非単結晶半導体層の分析結果を図２に示す。
【００２４】
また、分析方法としてラザフォード後方散乱分析法（Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＲＢＳ分析法）を用いた場合の結果を図３に示す。
【００２５】
図２及び図３から、非単結晶半導体層では、ターゲットの組成と比較して、Ｇａ及びＺｎの含有量が小さくなる傾向にあることが分かる。また、作製条件や分析方法等によって、非単結晶半導体層の分析結果が異なっている。
【００２６】
次に、上記非単結晶半導体層に対して、３５０℃〜８００℃（好ましくは５００〜７５０℃）で１０分〜２００分程度の熱処理を施す。これにより、非晶質構造中に、結晶粒１０４を含む酸化物半導体層１０６が得られる（図１（ｂ）参照）。上記酸化物半導体層１０６を用いて作製される薄膜トランジスタの電気特性は、ゲート電圧±２０Ｖにおいて、オンオフ比が１０９以上、移動度が１０ｃｍ２／Ｖｓ以上と良好である。なお、ここでは、７００℃、１時間の条件で熱処理を行っている。
【００２７】
上記熱処理の後、酸化物半導体層１０６の構造を分析した。具体的には上記試料の断面につき、ＳＴＥＭ（ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）像の観察を行った。
【００２８】
図４に、上記試料のＢｒｉｇｈｔ−ｆｉｅｌｄ−ＳＴＥＭ像を示す。図４（ａ）は、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．５）のターゲット（以下、ターゲットＡ）を用いて作製した試料のＳＴＥＭ像であり、図４（ｂ）は、上記試料との比較のため、ターゲットのみをＩｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：２（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１）（以下、ターゲットＢ）に変更して作製した試料のＳＴＥＭ像である。
【００２９】
図４から、上記の方法で作製した酸化物半導体層１０６は、非晶質構造中に結晶粒１０４を含む構造を有していることが分かる。
【００３０】
なお、図４（ａ）と図４（ｂ）との比較から分かるように、ターゲット中のＺｎの含有量が少ない場合には、ターゲット中のＺｎの含有量が多い場合と比較して結晶成長の速度が緩やかである。これを利用することにより、結晶成長の制御性を向上させることができる。例えば、非単結晶半導体層１０２中のＺｎの含有量（原子％）を、Ｉｎの含有量（原子％）未満かつＧａの含有量（原子％）未満としてやれば、良好な酸化物半導体層１０６を制御性良く形成することができる。一方で、結晶成長速度を重視する場合には、非単結晶半導体層１０２中の亜鉛の含有量を増加させてやればよい。
【００３１】
次に、より微細な領域のＳＴＥＭ像観察を行った。図５に、ターゲットＡを用いて作製した試料のＳＴＥＭ像を示す。図５（ａ）がＢｒｉｇｈｔ−ｆｉｅｌｄ−ＳＴＥＭ像、図５（ｂ）がＨＡＡＤＦ（ｈｉｇｈ−ａｎｇｌｅ ａｎｎｕｌａｒ ｄａｒｋ ｆｉｅｌｄ）−ＳＴＥＭ像である。図５（ａ）からは規則的な構造が読み取れるが、各原子の位置を特定する事は困難であり、結晶方位も判別できない。一方、図５（ｂ）では、各原子に対応する白い点の位置が明確に判別できる。また、図５（ｂ）中の右下の領域には、非晶質構造が残存していることが分かる。
【００３２】
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。図５（ｂ）においては明るい点がＩｎ、暗い点がＧａ又はＺｎである。
【００３３】
次に、図６を参照して、上記結晶構造についての考察を行う。ここで、図６中の左図（写真）は、図５（ｂ）の拡大図（拡大写真）である。また、図６中の右図は、ＩｎＧａＺｎＯ４（ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍにおけるｍ＝１に対応）を［１００］方向から見た結晶構造のモデル図である。図６中の左図と右図との対比により、ターゲットＡを用いて作製した試料における結晶粒は、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）１の結晶構造を有していることが分かる。なお、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体においては、Ｉｎ及びＧａが電気伝導に寄与していると考えられるため、電気的特性を良好に保つためには、Ｉｎ及びＧａの比率が高い結晶構造、すなわち、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍにおいてｍ＝１である結晶構造の比率が高いほど好ましいといえる。
【００３４】
図７に、ターゲットＢを用いて作製した試料のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像を示す。明るい点が規則的に配列され、線状になっている様子が分かる。該明るい点によって形成される線と線との間隔は、約０．９ｎｍ、約１．１５ｎｍ、約１．４ｎｍである。これは、それぞれ、ｍ＝１、ｍ＝２、ｍ＝３の結晶構造におけるインジウムの間隔に相当する。すなわち、ターゲットＢを用いて作製した試料においては、少なくともｍ＝１〜３までの複数の組成の結晶を有しているといえる。
【００３５】
上述したように、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体においてはＩｎ及びＧａが電気伝導に寄与しているため、Ｉｎ及びＧａの比率が低い状況（すなわち、ｍが大きい状況）では、その電気的特性は悪化する。そこで、ｍ＝１に係る構造の割合を高めておくことで、電気的特性を良好に保つことが可能である。具体的には、ｍ＝１である結晶構造が、結晶構造全体の８０体積％以上を占めることが好ましい。より好ましくは９０体積％以上である。
【００３６】
ｍ＝１である結晶構造の割合を高める方法の一としては、Ｚｎの含有量が小さいターゲットを用いて、Ｚｎの含有量が小さい非単結晶半導体層１０２を形成する方法がある。例えば、非単結晶半導体層１０２中のＺｎの含有量（原子％）を、Ｉｎの含有量（原子％）未満かつＧａの含有量（原子％）未満としてやれば良い。このように、非単結晶半導体層１０２中のＺｎの含有量を低減しておくことで、電気的に良好な特性の結晶構造を得ることができる。
【００３７】
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体の電子状態は十分に解明されておらず、この電子状態の解明が酸化物半導体の電気特性の理解へとつながるものと考えられる。そこで、以下においては、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体について行った第一原理計算の計算結果及び考察を示す。なお、以下の計算結果は結晶構造に基づいて行ったものであるが、非晶質構造中に結晶粒が含まれる構造においても同様に理解することができる。
【００３８】
図８に、計算によるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体（ＩｎＧａＺｎＯ４）の結晶構造を示す。ＩｎＧａＺｎＯ４結晶構造の単位格子は２１個の原子によって構成されるが、ここではＧａの配置を調べるため、８４個の原子で構成される単位（２×２×１）にまで拡張して計算を行った。
【００３９】
計算は、ＣＡＳＴＥＰを用いて行っている。ＣＡＳＴＥＰは、密度汎関数理論（ＤＦＴ）と平面波−擬ポテンシャル法に基づいた第一原理計算プログラムである。ここでは交換相関汎関数として、ＧＧＡ（一般化勾配近似（ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ−ｇｒａｄｉｅｎｔ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ）及びＰＢＥ（Ｐｅｒｄｅｗ−Ｂｕｒｋｅ−Ｅｒｎｚｅｒｈｏｆ）を選択した。また、カットオフエネルギー（ｃｕｔ−ｏｆｆ ｅｎｅｒｇｙ）を５００ｅＶ、ｋ−ｐｏｉｎｔを３×３×１とした。
【００４０】
図８から、単位格子は、２つの（Ｇａ、Ｚｎ）Ｏ２レイヤーと１つのＩｎＯ２レイヤーから構成されていることが分かる。なお、ここでは簡単のため、所定の原子配置を有する単位格子の繰り返しによる結晶構造を想定した。
【００４１】
図９に、単位格子中の２つの（Ｇａ、Ｚｎ）Ｏ２レイヤーにおけるＧａ及びＺｎの配置を示す。図９では、単位格子を２×２倍に拡張した構造を示している。また、図中の太線は単位格子を示す。図９（ａ）は上部レイヤー（Ｕｐｐｅｒ Ｌａｙｅｒ）及び下部レイヤー（Ｌｏｗｅｒ Ｌａｙｅｒ）にそれぞれ２つのＧａが配置された場合を示しており、図９（ｂ）は上部レイヤーに一つのＧａが配置され、下部レイヤーに３つのＧａが配置された場合を示している。
【００４２】
図９（ａ）に示す場合には、各レイヤー内におけるＧａの配置は縞状となる。つまり、各レイヤー内においてＧａは互いに平行な線状の配置をとる。
【００４３】
また、上部レイヤーと下部レイヤーの組み合わせを考えると、Ｇａの配置は平行配置と交差配置の２つのパターンに分けられる。平行配置とは、上部レイヤーと下部レイヤーのＧａによるラインが互いに平行となる場合をいい、交差配置とは、上部レイヤーと下部レイヤーのＧａによるラインが交差する場合をいう。平行配置の場合には、例えば、Ｕ１＋Ｌ１やＵ１＋Ｌ４のような２通りの組み合わせが考えられる。一方で、交差配置の場合には、回転対称となるため、例えばＵ１＋Ｌ２のような１通りの組み合わせが存在するに過ぎない。つまり、図９（ａ）に示す場合には、計３通りの組み合わせがあるということになる。
【００４４】
図９（ｂ）に示す場合、上部レイヤーと下部レイヤーの組み合わせとしては、例えばＵ７＋Ｌ７やＵ７＋Ｌ１０のような２通りが考えられる。なお、全てのＧａが上部レイヤー又は下部レイヤーのいずれか一方に入る場合、その組み合わせは１通りである（Ｕ１１＋Ｌ１１：図示せず）。よって、Ｇａの配置については計６通りの組み合わせを考えればよい。
【００４５】
次に、上記の６通りの配置に関するエネルギーの比較結果を図１０に示す。ＩｎＧａＺｎＯ４の最低エネルギーは、上部レイヤー及び下部レイヤーにそれぞれ２つのＧａが配置される場合に現れる。より具体的には、Ｕ１＋Ｌ１のような構造である。
【００４６】
この構造（最低エネルギーとなる構造）に係る電子状態に関して、より詳細な計算を行った。図１１に、上記構造における電子のＤＯＳ（ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｓｔａｔｅ）とＰＤＯＳ（ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｓｔａｔｅ）の計算結果を示す。図１１より、Ｇａが最も支配的であり、次いでＩｎの影響が大きいことが分かる。
【００４７】
次に、伝導帯の底の軌道関数Ψから、伝導帯の底における電子の存在確率｜Ψ｜２を計算した。図１２にその分布図を示す。ここで、図１２（ａ）はＩｎ面（ＩｎＯ２レイヤー中）における電子の存在確率を表し、図１２（ｂ）は（Ｇａ、Ｚｎ）Ｏ２レイヤーにおける電子の存在確率を表している。Ｉｎの軌道が分離している点が興味深い。
【００４８】
図１２（ｂ）から、Ｇａ周辺では電子の存在確率が高く、Ｚｎ周辺では電子の存在確率が低くなっていることが分かる。また、電気伝導のパスはＩｎ面のみでなく、（Ｇａ、Ｚｎ）Ｏ２レイヤー中にも存在しているように見える。このことから、ＩｎＧａＺｎＯ４の電気伝導にはＧａが大きく寄与しているものと考察される。Ｇａの軌道は、Ｉｎの軌道に作用し、また、（Ｇａ、Ｚｎ）Ｏ２レイヤーに係る電気伝導に寄与するようである。
【００４９】
ＩｎＧａＺｎＯ４の特徴の一として、電気伝導率の許容度の高さが挙げられる。これは、酸素空孔（欠陥）の発生確率に起因するものと思われる。プロセスにおいて加えられる酸素の量によって電気伝導度が様々に変化するためである。そこで、このメカニズムを解明すべく、酸素空孔の生成エネルギーを計算した。
【００５０】
なお、密度汎関数理論（ＤＦＴ）に基づく計算においては、酸素空孔欠陥のエネルギー準位は未だ議論の対象となっている。例えば、ＬＤＡ（局所密度近似（Ｌｏｃａｌ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ））やＧＧＡのような関数によって得られるバンドギャップは、実測値より小さくなる傾向にある。このように、スケーリング法については未だ議論がなされているため、ここでは単純にスケーリング法無しのＧＧＡ関数を用いることとした。これにより、人為的な現象が除去されて、現象の本質を把握し得ると考えられる。
【００５１】
酸素空孔のエネルギー（ＥＶＯ）は次のように定義される。
ＥＶＯ＝Ｅ（ＡｍＯｎ―１）＋Ｅ（Ｏ）−Ｅ（ＡｍＯｎ）
ここで、ＥＶＯは酸素分子のエネルギーの１／２であり、Ｅ（ＡｍＯｎ―１）は酸素空孔を有するＡｍＯｎ―１のエネルギーを意味する。Ａは任意の元素を表している。
【００５２】
図１３に、酸素空孔を有する構造におけるＥＶＯの幾何学的最適値の計算結果を示す。ここで、格子定数は理想的な結晶のものを用いた。ＥＶＯが高いということは、すなわち、熱平衡状態における酸素空孔の密度が低いことを意味する。なお、図１３においては、Ｉｎ２Ｏ３、ＺｎＯ、Ｇａ２Ｏ３のＥＶＯについても併せて示している。Ｉｎ２Ｏ３、ＺｎＯ、Ｇａ２Ｏ３の結晶構造はそれぞれ、ビックスバイト（ｂｉｘｂｙｔｅ）型、ウルツ鉱（ｗｕｒｔｚｉｔｅ）型、β−Ｇａ型である。
【００５３】
ＩｎＧａＺｎＯ４におけるＥＶＯは酸素空孔周辺の元素によって変化する。具体的には、以下の３通りの構造モデルが考えられる。モデル１は、ある酸素空孔が、１個のＺｎと３個のＩｎ原子によって囲まれているモデルである。モデル２は、ある酸素空孔が、１個のＧａと３個のＩｎ原子によって囲まれているモデルである。モデル３は、ある酸素空孔が、２個のＺｎと２個のＧａ原子によって囲まれているモデルである。図１３からは、ＩｎＧａＺｎＯ４におけるＥＶＯが、酸素空孔周辺のＧａ数の増加と共に増大することが読み取れる。また、Ｇａ２Ｏ３のＥＶＯが最も大きくなっており、ＧａとＯとは強固に結合していると言える。
【００５４】
ＩｎＧａＺｎＯ４が非晶質の状態にある場合には、上記３通りのモデルに加え、より可能性の高い構造が存在する。そして、各構造におけるＥＶＯはわずかに異なる。ＩｎＧａＺｎＯ４中のＧａの割合が増大することにより、酸素空孔の密度は低下し、ＩｎＧａＺｎＯ４中のＧａの割合が低下することにより、酸素空孔の密度は増大する。
【００５５】
このように、非単結晶半導体層１０２中のＧａの割合を高めることにより、酸素空孔の密度を低減することができる。つまり、電気的特性の良好なＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体を得ることができる。電気伝導に寄与するＩｎの存在を考えると、Ｉｎの割合を低減することは好ましくないから、非単結晶半導体層１０２中のＺｎの割合を低くしてやることが好ましい。例えば、非単結晶半導体層１０２中のＺｎの含有量（原子％）を、Ｉｎの含有量（原子％）未満かつＧａの含有量（原子％）未満としてやれば良い。このように、非単結晶半導体層１０２中のＺｎの含有量を低減しておくことで、電気的に良好な特性の酸化物半導体層を得ることができる。
【００５６】
本実施の形態により、高性能な酸化物半導体層を提供することができる。なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。
【００５７】
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１において行ったＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体層に関する考察をさらに進めた結果について、図面を参照して説明する。
【００５８】
実施の形態１において、ＩｎＧａＺｎＯ４結晶構造の単位格子は、２つの（Ｇａ、Ｚｎ）Ｏ２レイヤーと１つのＩｎＯ２レイヤーから構成されていることが示された。これを受け、本実施の形態では、Ｇａ及びＺｎの配置についてのより詳細な検討を行った。具体的には、図９に示したように上部レイヤーと下部レイヤーの組み合わせをいくつか考え、２つの（Ｇａ、Ｚｎ）Ｏ２レイヤーにおけるＧａ及びＺｎの配置と、エネルギーとの関係について、計算及び考察を行った。
【００５９】
計算を行った具体的な組み合わせ（原子の配置）を図１４に示す。本実施の形態においては、最近接に係る同種原子の数に着目してこれらの組み合わせを選択した。例えば、図１４（ａ）の組み合わせは、上部レイヤーと下部レイヤーにそれぞれＧａとＺｎが分離して配置されることにより、最近接に係る同種原子の数をゼロとしたものである。また、図１４（ｂ）の組み合わせは、最近接位置に同種原子が２個存在する場合であり、図１４（ｃ）の組み合わせは、最近接位置に同種原子が１．５個存在する場合であり、図１４（ｄ）の組み合わせは、最近接位置に同種原子が１個存在する場合である。計算条件は実施の形態１において示したものと同じとした。
【００６０】
計算結果を図１５に示す。図１５では、最もエネルギーの低い構造を原点（エネルギーが０ｅＶ）として、各構造のエネルギーを示している。
【００６１】
本実施の形態において調査した配置は、多数の配置のうちのごく一部であるが、図１５の結果から、ＧａとＺｎの配置の傾向を読み取ることができる。図１５の結果は、同種元素の凝集度合が小さくなるに従って、エネルギー的に安定になる事を示すものと考えられる。つまり、ＩｎＧａＺｎＯ４結晶構造において、ＧａやＺｎは、ＧａＯやＺｎＯとして凝集するのではなく、ＧａとＺｎが互いに混ざり合った配置を取ると結論できる。図１６には、最も可能性が高い配置（図１５（ｄ）に対応）のモデル図を示す。
【００６２】
なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。
【００６３】
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態１などに示す方法を用いて作製した酸化物半導体層を用いた半導体装置の作製工程の一例について、図１７を参照して説明する。なお、本実施の形態において、実施の形態１などと同様の内容についての詳細な説明は省略する。
【００６４】
はじめに、絶縁表面を有する基板２００上にゲート電極２０２を形成し、続いて当該ゲート電極２０２上にゲート絶縁層２０４を形成した後、酸化物半導体層２０６と酸化物半導体層２０７を積層して形成する（図１７（ａ）参照）。
【００６５】
絶縁表面を有する基板２００としては、例えば、液晶表示装置などに使用される可視光透過性を有するガラス基板を用いることができる。上記のガラス基板は無アルカリガラス基板であることが好ましい。無アルカリガラス基板には、例えば、アルミノシリケートガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスなどのガラス材料が用いられている。他にも、絶縁表面を有する基板２００として、樹脂基板、セラミックス基板、石英基板やサファイア基板などの絶縁体でなる絶縁性基板、珪素などの半導体材料でなる半導体基板の表面を絶縁材料で被覆したもの、金属やステンレスなどの導電体でなる導電性基板の表面を絶縁材料で被覆したもの、などを用いることができる。半導体装置の大面積化という観点からは、特に、ガラス基板を用いることが好ましい。また、所定の耐熱性を有していることが好ましい。
【００６６】
ゲート電極２０２は、導電層を基板２００全面に形成した後、フォトリソグラフィ法により形成されたレジストマスクを用いて、該導電層を選択的にエッチングすることにより形成することができる。この際、後に形成されるゲート絶縁層２０４の被覆性を向上し、段切れを防止するために、ゲート電極２０２の端部がテーパー形状となるようエッチングすることが好ましい。なお、ゲート電極２０２にはゲート配線等、上記導電層によって形成される電極や配線が含まれるものとする。
【００６７】
ゲート電極２０２は、アルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）などの低抵抗導電性材料で形成することが望ましい。なお、配線及び電極としてアルミニウムを用いる場合、アルミニウム単体では耐熱性が低く、腐蝕しやすい等の問題点があるため、耐熱性導電性材料と組み合わせて形成することが好ましい。
【００６８】
上記の耐熱性導電性材料としては、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、Ｎｄ（ネオジム）、スカンジウム（Ｓｃ）から選ばれた元素、または上述した元素を成分とする合金か、上述した元素を組み合わせた合金、または上述した元素を成分とする窒化物などを用いることができる。これらの耐熱性導電性材料からなる膜とアルミニウム（又は銅）を積層させて、配線や電極を形成することができる。
【００６９】
ゲート絶縁層２０４は、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化タンタル膜等で形成することができる。また、これらの膜を積層させて設けてもよい。これらの膜は、スパッタ法等を用いて２０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下の膜厚で形成することができる。例えば、ゲート絶縁層２０４として、スパッタ法により酸化シリコン膜を１００ｎｍの厚さで形成する。なお、ゲート絶縁層２０４はトランジスタのゲート絶縁層として機能すればよく、作製方法や膜厚などについても上記の数値範囲に限定して解釈されるものではない。
【００７０】
なお、ゲート絶縁層２０４上に酸化物半導体層２０６を形成する前に、ゲート絶縁層２０４の表面にプラズマ処理を行ってもよい。プラズマ処理を行うことにより、ゲート絶縁層２０４の表面に付着しているゴミを除去することができる。
【００７１】
上記のプラズマ処理は、真空状態のチャンバーにアルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガスを導入し、被処理物（ここでは、ゲート絶縁層２０４が形成された基板２００）にバイアス電圧を印加してプラズマ状態を形成することにより行うことができる。この場合、プラズマ中には電子とＡｒの陽イオンが存在し、陰極方向（基板２００側）にＡｒの陽イオンが加速される。加速されたＡｒの陽イオンがゲート絶縁層２０４の表面に衝突することによって、当該ゲート絶縁層２０４の表面がスパッタエッチングされ、その表面を改質することができる。なお、アルゴンガスに代えて、ヘリウムガスを用いてもよい。また、アルゴン雰囲気に酸素、水素、窒素等を加えた雰囲気で行ってもよい。また、アルゴン雰囲気に塩素（Ｃｌ２）や四弗化炭素（ＣＦ４）などを加えた雰囲気で行ってもよい。このようなプラズマ処理を「逆スパッタ」と呼ぶこともある。
【００７２】
酸化物半導体層２０６は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系非単結晶半導体層で形成することができる。例えば、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び亜鉛（Ｚｎ）を含む酸化物半導体ターゲット（Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１）を用いたスパッタ法で、酸化物半導体層２０６を形成する。スパッタの条件等については実施の形態１などを参照すればよい。
【００７３】
なお、上記スパッタにおいてパルス直流（ＤＣ）電源を用いると、ごみが軽減でき、膜厚分布も均一となるため好ましい。また、上述したプラズマ処理を行った後、大気に曝すことなく酸化物半導体層２０６を形成することにより、ゲート絶縁層２０４と酸化物半導体層２０６の界面にゴミや水分が付着することを抑制することができる。酸化物半導体層２０６の膜厚は、５ｎｍ〜５００ｎｍ程度とすればよい。
【００７４】
酸化物半導体層２０７は、酸化物半導体層２０６と同様にＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系非単結晶半導体層で形成することができる。例えば、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物半導体ターゲット（Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１）を用いたスパッタ法で、酸化物半導体層２０６上に酸化物半導体層２０７を形成することができる。この際に、酸化物半導体層２０６を大気に曝すことなく酸化物半導体層２０７を連続して形成することが好ましい。スパッタの条件は、例えば、温度を２０℃〜１００℃、圧力を０．１Ｐａ〜２．０Ｐａ、電力を２５０Ｗ〜３ｋＷ（８インチφ時）とすることができる。また、雰囲気中にアルゴンガスを導入すると良い。
【００７５】
酸化物半導体層２０６と酸化物半導体層２０７の成膜条件は異ならせることが好ましい。例えば、酸化物半導体層２０６の成膜条件においては、酸化物半導体層２０７の成膜条件より、アルゴンガスの流量に対する酸素ガスの流量の比を大きくする。具体的には、酸化物半導体層２０７の成膜条件は、希ガス（アルゴン、又はヘリウムなど）雰囲気下、または、酸素ガス１０％以下、希ガス９０％以上の雰囲気下とし、酸化物半導体層２０６の成膜条件は、酸素雰囲気下、または、希ガスに対する酸素ガスの流量比が１以上の雰囲気下とする。このようにすることで、酸化物半導体層２０６より電気伝導の高い酸化物半導体層２０７を形成することができる。
【００７６】
酸化物半導体層２０６や酸化物半導体層２０７を形成する際のスパッタ法としては、スパッタ用電源に高周波電源を用いるＲＦスパッタ法や、ＤＣスパッタ法、パルス的に直流バイアスを加えるパルスＤＣスパッタ法などを用いることができる。
【００７７】
また、材料の異なるターゲットを複数設置できる多元スパッタ装置を用いてもよい。多元スパッタ装置では、同一チャンバーで異なる膜を積層形成することも、同一チャンバーで複数種類の材料を同時にスパッタして一の膜を形成することもできる。さらに、チャンバー内部に磁界発生機構を備えたマグネトロンスパッタ装置を用いる方法（マグネトロンスパッタ法）や、マイクロ波を用いて発生させたプラズマを用いるＥＣＲスパッタ法等を用いてもよい。また、成膜中にターゲット物質とスパッタガス成分とを化学反応させてそれらの化合物を形成するリアクティブスパッタ法や、成膜中に基板にも電圧をかけるバイアススパッタ法等を用いてもよい。
【００７８】
なお、本実施の形態では、酸化物半導体層２０６と酸化物半導体層２０７を積層させる場合の一例について説明しているが、開示する発明はこれに限定されない。例えば、酸化物半導体層２０７を設けない構成（酸化物半導体層２０６のみを形成する構成）としても良い。
【００７９】
次に、酸化物半導体層２０７上にレジストマスク２０８を形成し、当該レジストマスク２０８を用いて酸化物半導体層２０６及び酸化物半導体層２０７を選択的にエッチングして島状の酸化物半導体層２１０及び島状の酸化物半導体層２１１を形成する（図１７（ｂ）参照）。
【００８０】
上記のエッチングとしては、ウエットエッチングを用いると良い。例えば、ＩＴＯ０７Ｎ（関東化学社製）、又は酢酸と硝酸と燐酸との混合液を用いたウエットエッチングにより、酸化物半導体層２０６及び酸化物半導体層２０７の不要な部分を除去して、島状の酸化物半導体層２１０及び島状の酸化物半導体層２１１を形成する。なお、上記エッチングの後にはレジストマスク２０８は除去する。また、ウエットエッチングに用いるエッチャントは酸化物半導体層２０６及び酸化物半導体層２０７をエッチングできるものであればよく、上述したものに限られない。もちろん、上記のエッチングとしてドライエッチングを用いても良い。
【００８１】
次に、島状の酸化物半導体層２１１上に導電層２１２を形成する（図１７（ｃ）参照）。
【００８２】
導電層２１２は、スパッタ法や真空蒸着法等を用いて、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、Ｎｄ（ネオジム）、スカンジウム（Ｓｃ）から選ばれた元素を含む金属、上述の元素を成分とする合金、上述した元素を組み合わせた合金、または、上述の元素を成分とする窒化物等からなる材料で形成することができる。なお、本実施の形態においては、導電層２１２の形成後に熱処理（例えば、３５０℃〜８００℃（好ましくは５００〜７５０℃））を行うから、導電層２１２に所定の耐熱性を持たせることが好ましい。
【００８３】
例えば、上記導電層２１２をチタン膜の単層構造で形成することができる。また、導電層２１２を積層構造としても良く、例えば、アルミニウム膜とチタン膜との積層構造とすることができる。また、チタン膜と、ネオジムを含むアルミニウム（Ａｌ−Ｎｄ）膜と、チタン膜の３層構造としてもよい。さらに、導電層２１２を、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造としてもよい。
【００８４】
次に、導電層２１２上にレジストマスク２１４ａ、レジストマスク２１４ｂ、レジストマスク２１４ｃを形成し、導電層２１２を選択的にエッチングして、導電層２１６ａ、導電層２１６ｂ、導電層２１８を形成すると共に、島状の酸化物半導体層２１１をエッチングして導電率の高い半導体領域２１５ａ、導電率の高い半導体領域２１５ｂを形成し、島状の酸化物半導体層２１０の一部（表面付近の一部）を除去（チャネルエッチ）する（図１７（ｄ）参照）。
【００８５】
島状の酸化物半導体層２１０の一部、及び島状の酸化物半導体層２１１の一部が除去されて形成される凹部２２０は、導電層２１６ａと導電層２１６ｂの間、及び導電率の高い半導体領域２１５ａと導電率の高い半導体領域２１５ｂの間の領域にあたる。そのため、導電層２１６ａはトランジスタのソース電極又はドレイン電極の一方として機能し、導電層２１６ｂはトランジスタのソース電極又はドレイン電極の他方として機能する。図１７（ｄ）に示すように、酸化物半導体層２１０の一部、及び島状の酸化物半導体層２１１の一部を除去して凹部２２０を形成することにより、導電層２１６ａと導電層２１６ｂとの絶縁を確実なものとすることができる。また、導電層２１８は、トランジスタ等を電気的に接続する配線として機能する。
【００８６】
上記のエッチングとしては、ドライエッチングを用いると良い。ドライエッチングを用いることで、ウエットエッチングを用いる場合と比較して配線構造などの微細化が可能となる。また、ドライエッチングを用いることにより、エッチングの制御性が良いため、島状の酸化物半導体層２１０の除去（凹部２２０の形成）を制御性良く行うことができる。ドライエッチングに用いることができるガスとしては、塩素（Ｃｌ２）、塩化硼素（ＢＣｌ３）、塩化珪素（ＳｉＣｌ４）、四塩化炭素（ＣＣｌ４）などの塩素系ガスや、四弗化炭素（ＣＦ４）、弗化硫黄（ＳＦ６）、弗化窒素（ＮＦ３）、トリフルオロメタン（ＣＨＦ３）などのフッ素系ガス、臭化水素（ＨＢｒ）、酸素（Ｏ２）、これらのガスにヘリウム（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）などの希ガスを添加したガス、などがある。もちろん、上記エッチングとしてウエットエッチングを用いても良い。
【００８７】
また、導電層２１２の材料として、島状の酸化物半導体層２１０、又は島状の酸化物半導体層２１１よりエッチングレートが高い材料を用いることが好ましい。これは、導電層２１２、島状の酸化物半導体層２１０、及び島状の酸化物半導体層２１１を一回でエッチングする場合、島状の酸化物半導体層２１０、又は島状の酸化物半導体層２１１のエッチングレートを導電層２１２のエッチングレートより小さくすることで、島状の酸化物半導体層２１０が過度にエッチングされることを抑制することができるためである。
【００８８】
なお、上記エッチングの後にはレジストマスク２１４ａ、レジストマスク２１４ｂ、レジストマスク２１４ｃは除去する。
【００８９】
その後、所定の温度条件（例えば、３５０℃〜８００℃（好ましくは５００〜７５０℃））で熱処理を行う。なお、絶縁表面を有する基板２００としてガラス基板を用いる場合には、ガラス基板の歪み点以下の温度条件で熱処理を行う必要がある。熱処理の雰囲気は、大気雰囲気や窒素雰囲気とすれば良い。この熱処理により、島状の酸化物半導体層２１０中に酸化物半導体の結晶粒が成長し、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表される非晶質構造中に、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＝１）で表される結晶粒を含む酸化物半導体層（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体層）を得ることができる。
【００９０】
なお、非晶質構造の酸化物半導体は熱などによって容易に結晶構造の酸化物半導体へと変化するため、非晶質構造の比率が高い場合には、トランジスタの信頼性が低下する傾向にある。信頼性向上の観点からは、非晶質構造が９０体積％以下（好ましくは８０体積％以下、より好ましくは６０体積％以下）となるように熱処理を行う。
【００９１】
熱処理の時間は熱処理の温度との関係で適宜変更することができるが、例えば、７００℃の温度条件においては、０．５〜２時間程度とすればよい。また、熱処理に適した温度条件は目的とする酸化物半導体の組成によって異なるから、所望の酸化物半導体層が得られる条件であれば特に限定されない。
【００９２】
上記の熱処理は、拡散炉、抵抗加熱炉などの加熱炉、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、マイクロ波加熱装置などを用いて行うことができる。酸化物半導体に吸収される波長の光（電磁波）を照射することで熱処理に代えても良い。つまり、光（電磁波）の照射によって、非晶質構造中に結晶粒を含む構造を実現しても良い。この場合、光源としては、短波長を発振できるレーザー発振器や、紫外線ランプ等を用いればよい。
【００９３】
このように、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表される非晶質構造中に、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＝１）で表される結晶粒を含む酸化物半導体層をトランジスタのチャネル形成領域として用いることで、高性能な半導体装置を提供することができる。
【００９４】
ここで、電気的に良好な特性の酸化物半導体層を実現するためには、例えば、酸化物半導体中のＺｎの含有量（原子％）を、Ｉｎの含有量（原子％）未満かつＧａの含有量（原子％）未満としてやることが好ましい。このような組成とすることにより、良好な特性を有する酸化物半導体層を得ることができる。
【００９５】
なお、上述のような、Ｚｎの含有量（原子％）がＩｎの含有量（原子％）未満かつＧａの含有量（原子％）未満である酸化物半導体層は、目的とする組成に近いターゲットを用いたスパッタリング法によって形成することができる。この場合、図２及び図３を考慮すると、ターゲットの組成と比較して、形成された酸化物半導体層中におけるＺｎが低下する割合はＩｎ及びＧａよりも大きいから、例えば、Ｚｎの含有量（原子％）が、Ｉｎの含有量（原子％）未満かつＧａの含有量（原子％）未満である酸化物半導体層を形成するためには、Ｚｎの含有量（原子％）とＩｎ又はＧａの含有量（原子％）が等しいターゲットを用いてもよい。つまり、ターゲットとしては、Ｚｎの含有量（原子％）がＩｎの含有量（原子％）以下かつＧａの含有量（原子％）以下のものを用いればよい。
【００９６】
ここで、本実施の形態においては、上記熱処理を島状の酸化物半導体層２１０の形成後に行う場合の一例について示しているが、熱処理を行うタイミングは、酸化物半導体層２０６の形成後であれば特に限定する必要はない。また、成膜の段階で非晶質構造中に複数の結晶粒を含む構造（非晶質構造中に複数の結晶粒が分散された構造）が得られるのであれば、熱処理は不要である。
【００９７】
なお、露出している島状の酸化物半導体層２１０の凹部２２０に対しては、酸素ラジカル処理を行ってもよい。酸素ラジカル処理を行うことにより島状の酸化物半導体層２１０をチャネル形成領域とする薄膜トランジスタをノーマリーオフとすることが容易になる。また、ラジカル処理を行うことにより、島状の酸化物半導体層２１０のエッチングによるダメージを回復することができる。ラジカル処理は、Ｏ２、Ｎ２Ｏ、酸素を含むＮ２、Ｈｅ、Ａｒなどの雰囲気下で行うことが好ましい。また、上記雰囲気にＣｌ２、ＣＦ４を加えた雰囲気下で行ってもよい。なお、ラジカル処理は、基板２００側にバイアス電圧を印加せずに行うことが好ましい。
【００９８】
次に、ゲート電極２０２、島状の酸化物半導体層２１０、導電率の高い半導体領域２１５ａ、導電率の高い半導体領域２１５ｂ、導電層２１６ａ、導電層２１６ｂ等を含む薄膜トランジスタ２５０を覆うように、保護絶縁層２２２を形成する（図１７（ｅ）参照）。保護絶縁層２２２としては、スパッタ法などを用いて、窒化シリコン、酸化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化タンタルなどの材料を含む層を形成すればよい。
【００９９】
その後、各種電極や配線を形成することで半導体装置が完成する。
【０１００】
本実施の形態により、高性能な半導体装置を提供することができる。なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。
【符号の説明】
【０１０１】
１００ 基板
１０２ 非単結晶半導体層
１０４ 結晶粒
１０６ 酸化物半導体層
２００ 基板
２０２ ゲート電極
２０４ ゲート絶縁層
２０６ 酸化物半導体層
２０７ 酸化物半導体層
２０８ レジストマスク
２１０ 酸化物半導体層
２１１ 酸化物半導体層
２１２ 導電層
２１４ａ レジストマスク
２１４ｂ レジストマスク
２１４ｃ レジストマスク
２１５ａ 半導体領域
２１５ｂ 半導体領域
２１６ａ 導電層
２１６ｂ 導電層
２１８ 導電層
２２０ 凹部
２２２ 保護絶縁層
２５０ 薄膜トランジスタ
【技術分野】
【０００１】
酸化物半導体を用いた半導体装置及びその作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電界効果型トランジスタは、現在、最も広く用いられている半導体素子である。電界効果型トランジスタに用いられる材料は、その用途に応じて様々であるが、特に、シリコンを含む半導体材料が多く用いられている。
【０００３】
上記シリコンを用いた電界効果型トランジスタは、多くの用途に対して要求される特性を満たす。例えば、高速動作が必要な集積回路などの用途には単結晶シリコンを用いることで、その要求が満たされる。また、表示装置などの大面積用途に対しては、非晶質シリコンを用いることで、その要求を満たすことができる。
【０００４】
このように、シリコンは汎用性が高く、様々な用途に用いることが可能であるが、近年では半導体材料に対して、汎用性と共に一層の性能を求める傾向にある。例えば、大面積表示装置の高性能化という観点からは、スイッチング素子の高速動作を実現するために、大面積化が容易で、且つ非晶質シリコンを超える性能を有する半導体材料が求められている。
【０００５】
このような状況において、酸化物半導体を用いた電界効果型トランジスタ（ＦＥＴとも呼ぶ）に関する技術が注目されている。例えば、特許文献１には、ホモロガス化合物ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（Ｍ＝Ｉｎ、Ｆｅ、Ｇａ、又はＡｌ、ｍ＝１以上５０未満の整数）を用いた透明薄膜電界効果型トランジスタが開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎを含む非晶質酸化物半導体であって電子キャリア濃度が１０１８／ｃｍ３未満であるものを用いた電界効果型トランジスタが開示されている。なお、当該文献において、非晶質酸化物半導体の原子数の比は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：ｍ（ｍ＜６）である。
【０００７】
さらに、特許文献３には、微結晶を含む非晶質酸化物半導体を活性層とする電界効果型トランジスタが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１０３９５７号公報
【特許文献２】国際公開第０５／０８８７２６号
【特許文献３】特開２００６−１６５５２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献３においては、結晶状態における組成をＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＝６未満の整数）とする旨の開示がある。また、特許文献３の実施例１においては、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）４の場合について開示されている。しかしながら、このような酸化物半導体を用いる場合であっても、十分な特性が得られていないというのが実情であった。
【００１０】
上記問題点に鑑み、半導体デバイスに用いるのに好適な酸化物半導体の提供を目的の一とする。又は、それを用いた半導体装置の提供を目的の一とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
開示する発明においては、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表される非晶質構造中に、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＝１）で表される結晶粒を含ませて半導体装置を作製する。より具体的には、以下の通りである。
【００１２】
開示する発明の一は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体層をトランジスタのチャネル形成領域に用いた半導体装置であって、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体層は、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表される非晶質構造中に、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＝１）で表される結晶粒を含む構造を有することを特徴としている。
【００１３】
上記において、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体層中のＺｎの含有量（原子％）を、Ｉｎの含有量（原子％）未満かつＧａの含有量（原子％）未満とすることが好ましい。また、酸化物半導体層は、Ｚｎの含有量（原子％）がＩｎの含有量（原子％）以下かつＧａの含有量（原子％）以下のターゲットを用いたスパッタリング法により形成されたものであることが好ましい。また、上記において、結晶粒はｍ＝１に係る構造のみで形成されていることが好ましいが、ｍ＝１に係る構造が結晶粒の８０体積％以上を占める状況では、所定の特性を得ることが可能である。
【００１４】
開示する発明の他の一は、スパッタリング法を用いて、基板上に非晶質構造を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体層を形成し、酸化物半導体層に熱処理を施すことで、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表される非晶質構造中に、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＝１）で表される結晶粒を含む酸化物半導体層を形成し、結晶粒を含む酸化物半導体層をトランジスタのチャネル形成領域として用いることを特徴とする半導体装置の作製方法である。
【００１５】
上記において、非晶質構造を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体層中のＺｎの含有量（原子％）が、Ｉｎの含有量（原子％）未満かつＧａの含有量（原子％）未満となるように形成されることが好ましい。また、非晶質構造を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体層は、Ｚｎの含有量（原子％）がＩｎの含有量（原子％）以下かつＧａの含有量（原子％）以下のターゲットを用いたスパッタリング法により形成されることが好ましい。また、熱処理は、３５０℃以上の温度で行われることが好ましい。
【００１６】
なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指し、表示装置、半導体回路および電子機器は全て半導体装置に含まれる。
【発明の効果】
【００１７】
ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表される非晶質構造中に、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＝１）で表される結晶粒を含ませることで、酸化物半導体の電気的特性を向上させることができる。また、当該酸化物半導体を用いることで、優れた半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施の形態１に係る酸化物半導体層の作製工程を説明する図である。
【図２】非単結晶半導体層の組成分析結果を示す図である。
【図３】非単結晶半導体層の組成分析結果を示す図である。
【図４】酸化物半導体層のＢｒｉｇｈｔ−ｆｉｅｌｄ−ＳＴＥＭ像である。
【図５】酸化物半導体層のＢｒｉｇｈｔ−ｆｉｅｌｄ−ＳＴＥＭ像とＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像である。
【図６】結晶構造の拡大写真とモデル図である。
【図７】酸化物半導体層（ターゲットＢ）のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像である。
【図８】酸化物半導体（ＩｎＧａＺｎＯ４）の結晶構造を示す図である。
【図９】（Ｇａ、Ｚｎ）Ｏ２レイヤーにおけるＧａ及びＺｎの配置を示す図である。
【図１０】元素の配置に関するエネルギーの比較結果を示す図である。
【図１１】電子のＤＯＳとＰＤＯＳの計算結果を示す図である。
【図１２】伝導帯の底における電子の分布図である。
【図１３】ＥＶＯの幾何学的最適値の計算結果を示す図である。
【図１４】計算に係る具体的な組み合わせ（原子の配置）を示す図である。
【図１５】各組み合わせのエネルギーを示す図である。
【図１６】最も可能性が高い配置のモデル図である。
【図１７】実施の形態２に係る半導体装置の作製工程を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定されず、発明の趣旨から逸脱することなく形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者にとって自明である。また、異なる実施の形態に係る構成は、適宜組み合わせて用いることができる。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を用い、その繰り返しの説明は省略する。
【００２０】
（実施の形態１）
本実施の形態では、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表される非晶質構造中に、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＝１）で表される結晶粒を含む酸化物半導体層（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体層）を作製する方法について、図面を参照して説明する。
【００２１】
はじめに、被形成面上（ここでは基板１００上）にＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の非単結晶半導体層１０２を形成する（図１（ａ）参照）。例えば、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び亜鉛（Ｚｎ）を含む酸化物半導体ターゲットを用いたスパッタ法により、非単結晶半導体層１０２を形成することができる。スパッタの条件は、例えば、基板１００と酸化物半導体ターゲットとの距離を３０ｍｍ〜５００ｍｍ、圧力を０．１Ｐａ〜２．０Ｐａ、直流（ＤＣ）電源を０．２ｋＷ〜５．０ｋＷ（直径８インチのターゲット使用時）、雰囲気をアルゴン雰囲気、酸素雰囲気、又はアルゴンと酸素の混合雰囲気とすればよい。
【００２２】
ここでは、酸化物半導体ターゲットの組成比がＩｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１、基板１００と酸化物半導体ターゲットとの距離が１７０ｍｍ、圧力が０．４Ｐａ、直流（ＤＣ）電源が０．５ｋＷ、アルゴンガスの流量が１０ｓｃｃｍ、酸素ガスの流量が５ｓｃｃｍの条件で非単結晶半導体層１０２を形成した。
【００２３】
その後、上記の方法で作製した試料につき、誘導結合プラズマ質量分析法（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＩＣＰ−ＭＳ分析法）を用いて組成分析を行った。アルゴンガスの流量が１０ｓｃｃｍ、酸素ガスの流量が５ｓｃｃｍの条件で得られる非単結晶半導体層１０２の組成は、ＩｎＧａ０．９４Ｚｎ０．４０Ｏ３．３１であった。上記分析結果と併せて、アルゴンガスの流量が４０ｓｃｃｍ、酸素ガスの流量が０ｓｃｃｍの条件で作製した非単結晶半導体層の分析結果を図２に示す。
【００２４】
また、分析方法としてラザフォード後方散乱分析法（Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＲＢＳ分析法）を用いた場合の結果を図３に示す。
【００２５】
図２及び図３から、非単結晶半導体層では、ターゲットの組成と比較して、Ｇａ及びＺｎの含有量が小さくなる傾向にあることが分かる。また、作製条件や分析方法等によって、非単結晶半導体層の分析結果が異なっている。
【００２６】
次に、上記非単結晶半導体層に対して、３５０℃〜８００℃（好ましくは５００〜７５０℃）で１０分〜２００分程度の熱処理を施す。これにより、非晶質構造中に、結晶粒１０４を含む酸化物半導体層１０６が得られる（図１（ｂ）参照）。上記酸化物半導体層１０６を用いて作製される薄膜トランジスタの電気特性は、ゲート電圧±２０Ｖにおいて、オンオフ比が１０９以上、移動度が１０ｃｍ２／Ｖｓ以上と良好である。なお、ここでは、７００℃、１時間の条件で熱処理を行っている。
【００２７】
上記熱処理の後、酸化物半導体層１０６の構造を分析した。具体的には上記試料の断面につき、ＳＴＥＭ（ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）像の観察を行った。
【００２８】
図４に、上記試料のＢｒｉｇｈｔ−ｆｉｅｌｄ−ＳＴＥＭ像を示す。図４（ａ）は、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．５）のターゲット（以下、ターゲットＡ）を用いて作製した試料のＳＴＥＭ像であり、図４（ｂ）は、上記試料との比較のため、ターゲットのみをＩｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：２（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１）（以下、ターゲットＢ）に変更して作製した試料のＳＴＥＭ像である。
【００２９】
図４から、上記の方法で作製した酸化物半導体層１０６は、非晶質構造中に結晶粒１０４を含む構造を有していることが分かる。
【００３０】
なお、図４（ａ）と図４（ｂ）との比較から分かるように、ターゲット中のＺｎの含有量が少ない場合には、ターゲット中のＺｎの含有量が多い場合と比較して結晶成長の速度が緩やかである。これを利用することにより、結晶成長の制御性を向上させることができる。例えば、非単結晶半導体層１０２中のＺｎの含有量（原子％）を、Ｉｎの含有量（原子％）未満かつＧａの含有量（原子％）未満としてやれば、良好な酸化物半導体層１０６を制御性良く形成することができる。一方で、結晶成長速度を重視する場合には、非単結晶半導体層１０２中の亜鉛の含有量を増加させてやればよい。
【００３１】
次に、より微細な領域のＳＴＥＭ像観察を行った。図５に、ターゲットＡを用いて作製した試料のＳＴＥＭ像を示す。図５（ａ）がＢｒｉｇｈｔ−ｆｉｅｌｄ−ＳＴＥＭ像、図５（ｂ）がＨＡＡＤＦ（ｈｉｇｈ−ａｎｇｌｅ ａｎｎｕｌａｒ ｄａｒｋ ｆｉｅｌｄ）−ＳＴＥＭ像である。図５（ａ）からは規則的な構造が読み取れるが、各原子の位置を特定する事は困難であり、結晶方位も判別できない。一方、図５（ｂ）では、各原子に対応する白い点の位置が明確に判別できる。また、図５（ｂ）中の右下の領域には、非晶質構造が残存していることが分かる。
【００３２】
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。図５（ｂ）においては明るい点がＩｎ、暗い点がＧａ又はＺｎである。
【００３３】
次に、図６を参照して、上記結晶構造についての考察を行う。ここで、図６中の左図（写真）は、図５（ｂ）の拡大図（拡大写真）である。また、図６中の右図は、ＩｎＧａＺｎＯ４（ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍにおけるｍ＝１に対応）を［１００］方向から見た結晶構造のモデル図である。図６中の左図と右図との対比により、ターゲットＡを用いて作製した試料における結晶粒は、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）１の結晶構造を有していることが分かる。なお、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体においては、Ｉｎ及びＧａが電気伝導に寄与していると考えられるため、電気的特性を良好に保つためには、Ｉｎ及びＧａの比率が高い結晶構造、すなわち、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍにおいてｍ＝１である結晶構造の比率が高いほど好ましいといえる。
【００３４】
図７に、ターゲットＢを用いて作製した試料のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像を示す。明るい点が規則的に配列され、線状になっている様子が分かる。該明るい点によって形成される線と線との間隔は、約０．９ｎｍ、約１．１５ｎｍ、約１．４ｎｍである。これは、それぞれ、ｍ＝１、ｍ＝２、ｍ＝３の結晶構造におけるインジウムの間隔に相当する。すなわち、ターゲットＢを用いて作製した試料においては、少なくともｍ＝１〜３までの複数の組成の結晶を有しているといえる。
【００３５】
上述したように、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体においてはＩｎ及びＧａが電気伝導に寄与しているため、Ｉｎ及びＧａの比率が低い状況（すなわち、ｍが大きい状況）では、その電気的特性は悪化する。そこで、ｍ＝１に係る構造の割合を高めておくことで、電気的特性を良好に保つことが可能である。具体的には、ｍ＝１である結晶構造が、結晶構造全体の８０体積％以上を占めることが好ましい。より好ましくは９０体積％以上である。
【００３６】
ｍ＝１である結晶構造の割合を高める方法の一としては、Ｚｎの含有量が小さいターゲットを用いて、Ｚｎの含有量が小さい非単結晶半導体層１０２を形成する方法がある。例えば、非単結晶半導体層１０２中のＺｎの含有量（原子％）を、Ｉｎの含有量（原子％）未満かつＧａの含有量（原子％）未満としてやれば良い。このように、非単結晶半導体層１０２中のＺｎの含有量を低減しておくことで、電気的に良好な特性の結晶構造を得ることができる。
【００３７】
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体の電子状態は十分に解明されておらず、この電子状態の解明が酸化物半導体の電気特性の理解へとつながるものと考えられる。そこで、以下においては、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体について行った第一原理計算の計算結果及び考察を示す。なお、以下の計算結果は結晶構造に基づいて行ったものであるが、非晶質構造中に結晶粒が含まれる構造においても同様に理解することができる。
【００３８】
図８に、計算によるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体（ＩｎＧａＺｎＯ４）の結晶構造を示す。ＩｎＧａＺｎＯ４結晶構造の単位格子は２１個の原子によって構成されるが、ここではＧａの配置を調べるため、８４個の原子で構成される単位（２×２×１）にまで拡張して計算を行った。
【００３９】
計算は、ＣＡＳＴＥＰを用いて行っている。ＣＡＳＴＥＰは、密度汎関数理論（ＤＦＴ）と平面波−擬ポテンシャル法に基づいた第一原理計算プログラムである。ここでは交換相関汎関数として、ＧＧＡ（一般化勾配近似（ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ−ｇｒａｄｉｅｎｔ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ）及びＰＢＥ（Ｐｅｒｄｅｗ−Ｂｕｒｋｅ−Ｅｒｎｚｅｒｈｏｆ）を選択した。また、カットオフエネルギー（ｃｕｔ−ｏｆｆ ｅｎｅｒｇｙ）を５００ｅＶ、ｋ−ｐｏｉｎｔを３×３×１とした。
【００４０】
図８から、単位格子は、２つの（Ｇａ、Ｚｎ）Ｏ２レイヤーと１つのＩｎＯ２レイヤーから構成されていることが分かる。なお、ここでは簡単のため、所定の原子配置を有する単位格子の繰り返しによる結晶構造を想定した。
【００４１】
図９に、単位格子中の２つの（Ｇａ、Ｚｎ）Ｏ２レイヤーにおけるＧａ及びＺｎの配置を示す。図９では、単位格子を２×２倍に拡張した構造を示している。また、図中の太線は単位格子を示す。図９（ａ）は上部レイヤー（Ｕｐｐｅｒ Ｌａｙｅｒ）及び下部レイヤー（Ｌｏｗｅｒ Ｌａｙｅｒ）にそれぞれ２つのＧａが配置された場合を示しており、図９（ｂ）は上部レイヤーに一つのＧａが配置され、下部レイヤーに３つのＧａが配置された場合を示している。
【００４２】
図９（ａ）に示す場合には、各レイヤー内におけるＧａの配置は縞状となる。つまり、各レイヤー内においてＧａは互いに平行な線状の配置をとる。
【００４３】
また、上部レイヤーと下部レイヤーの組み合わせを考えると、Ｇａの配置は平行配置と交差配置の２つのパターンに分けられる。平行配置とは、上部レイヤーと下部レイヤーのＧａによるラインが互いに平行となる場合をいい、交差配置とは、上部レイヤーと下部レイヤーのＧａによるラインが交差する場合をいう。平行配置の場合には、例えば、Ｕ１＋Ｌ１やＵ１＋Ｌ４のような２通りの組み合わせが考えられる。一方で、交差配置の場合には、回転対称となるため、例えばＵ１＋Ｌ２のような１通りの組み合わせが存在するに過ぎない。つまり、図９（ａ）に示す場合には、計３通りの組み合わせがあるということになる。
【００４４】
図９（ｂ）に示す場合、上部レイヤーと下部レイヤーの組み合わせとしては、例えばＵ７＋Ｌ７やＵ７＋Ｌ１０のような２通りが考えられる。なお、全てのＧａが上部レイヤー又は下部レイヤーのいずれか一方に入る場合、その組み合わせは１通りである（Ｕ１１＋Ｌ１１：図示せず）。よって、Ｇａの配置については計６通りの組み合わせを考えればよい。
【００４５】
次に、上記の６通りの配置に関するエネルギーの比較結果を図１０に示す。ＩｎＧａＺｎＯ４の最低エネルギーは、上部レイヤー及び下部レイヤーにそれぞれ２つのＧａが配置される場合に現れる。より具体的には、Ｕ１＋Ｌ１のような構造である。
【００４６】
この構造（最低エネルギーとなる構造）に係る電子状態に関して、より詳細な計算を行った。図１１に、上記構造における電子のＤＯＳ（ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｓｔａｔｅ）とＰＤＯＳ（ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｓｔａｔｅ）の計算結果を示す。図１１より、Ｇａが最も支配的であり、次いでＩｎの影響が大きいことが分かる。
【００４７】
次に、伝導帯の底の軌道関数Ψから、伝導帯の底における電子の存在確率｜Ψ｜２を計算した。図１２にその分布図を示す。ここで、図１２（ａ）はＩｎ面（ＩｎＯ２レイヤー中）における電子の存在確率を表し、図１２（ｂ）は（Ｇａ、Ｚｎ）Ｏ２レイヤーにおける電子の存在確率を表している。Ｉｎの軌道が分離している点が興味深い。
【００４８】
図１２（ｂ）から、Ｇａ周辺では電子の存在確率が高く、Ｚｎ周辺では電子の存在確率が低くなっていることが分かる。また、電気伝導のパスはＩｎ面のみでなく、（Ｇａ、Ｚｎ）Ｏ２レイヤー中にも存在しているように見える。このことから、ＩｎＧａＺｎＯ４の電気伝導にはＧａが大きく寄与しているものと考察される。Ｇａの軌道は、Ｉｎの軌道に作用し、また、（Ｇａ、Ｚｎ）Ｏ２レイヤーに係る電気伝導に寄与するようである。
【００４９】
ＩｎＧａＺｎＯ４の特徴の一として、電気伝導率の許容度の高さが挙げられる。これは、酸素空孔（欠陥）の発生確率に起因するものと思われる。プロセスにおいて加えられる酸素の量によって電気伝導度が様々に変化するためである。そこで、このメカニズムを解明すべく、酸素空孔の生成エネルギーを計算した。
【００５０】
なお、密度汎関数理論（ＤＦＴ）に基づく計算においては、酸素空孔欠陥のエネルギー準位は未だ議論の対象となっている。例えば、ＬＤＡ（局所密度近似（Ｌｏｃａｌ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ））やＧＧＡのような関数によって得られるバンドギャップは、実測値より小さくなる傾向にある。このように、スケーリング法については未だ議論がなされているため、ここでは単純にスケーリング法無しのＧＧＡ関数を用いることとした。これにより、人為的な現象が除去されて、現象の本質を把握し得ると考えられる。
【００５１】
酸素空孔のエネルギー（ＥＶＯ）は次のように定義される。
ＥＶＯ＝Ｅ（ＡｍＯｎ―１）＋Ｅ（Ｏ）−Ｅ（ＡｍＯｎ）
ここで、ＥＶＯは酸素分子のエネルギーの１／２であり、Ｅ（ＡｍＯｎ―１）は酸素空孔を有するＡｍＯｎ―１のエネルギーを意味する。Ａは任意の元素を表している。
【００５２】
図１３に、酸素空孔を有する構造におけるＥＶＯの幾何学的最適値の計算結果を示す。ここで、格子定数は理想的な結晶のものを用いた。ＥＶＯが高いということは、すなわち、熱平衡状態における酸素空孔の密度が低いことを意味する。なお、図１３においては、Ｉｎ２Ｏ３、ＺｎＯ、Ｇａ２Ｏ３のＥＶＯについても併せて示している。Ｉｎ２Ｏ３、ＺｎＯ、Ｇａ２Ｏ３の結晶構造はそれぞれ、ビックスバイト（ｂｉｘｂｙｔｅ）型、ウルツ鉱（ｗｕｒｔｚｉｔｅ）型、β−Ｇａ型である。
【００５３】
ＩｎＧａＺｎＯ４におけるＥＶＯは酸素空孔周辺の元素によって変化する。具体的には、以下の３通りの構造モデルが考えられる。モデル１は、ある酸素空孔が、１個のＺｎと３個のＩｎ原子によって囲まれているモデルである。モデル２は、ある酸素空孔が、１個のＧａと３個のＩｎ原子によって囲まれているモデルである。モデル３は、ある酸素空孔が、２個のＺｎと２個のＧａ原子によって囲まれているモデルである。図１３からは、ＩｎＧａＺｎＯ４におけるＥＶＯが、酸素空孔周辺のＧａ数の増加と共に増大することが読み取れる。また、Ｇａ２Ｏ３のＥＶＯが最も大きくなっており、ＧａとＯとは強固に結合していると言える。
【００５４】
ＩｎＧａＺｎＯ４が非晶質の状態にある場合には、上記３通りのモデルに加え、より可能性の高い構造が存在する。そして、各構造におけるＥＶＯはわずかに異なる。ＩｎＧａＺｎＯ４中のＧａの割合が増大することにより、酸素空孔の密度は低下し、ＩｎＧａＺｎＯ４中のＧａの割合が低下することにより、酸素空孔の密度は増大する。
【００５５】
このように、非単結晶半導体層１０２中のＧａの割合を高めることにより、酸素空孔の密度を低減することができる。つまり、電気的特性の良好なＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体を得ることができる。電気伝導に寄与するＩｎの存在を考えると、Ｉｎの割合を低減することは好ましくないから、非単結晶半導体層１０２中のＺｎの割合を低くしてやることが好ましい。例えば、非単結晶半導体層１０２中のＺｎの含有量（原子％）を、Ｉｎの含有量（原子％）未満かつＧａの含有量（原子％）未満としてやれば良い。このように、非単結晶半導体層１０２中のＺｎの含有量を低減しておくことで、電気的に良好な特性の酸化物半導体層を得ることができる。
【００５６】
本実施の形態により、高性能な酸化物半導体層を提供することができる。なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。
【００５７】
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１において行ったＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体層に関する考察をさらに進めた結果について、図面を参照して説明する。
【００５８】
実施の形態１において、ＩｎＧａＺｎＯ４結晶構造の単位格子は、２つの（Ｇａ、Ｚｎ）Ｏ２レイヤーと１つのＩｎＯ２レイヤーから構成されていることが示された。これを受け、本実施の形態では、Ｇａ及びＺｎの配置についてのより詳細な検討を行った。具体的には、図９に示したように上部レイヤーと下部レイヤーの組み合わせをいくつか考え、２つの（Ｇａ、Ｚｎ）Ｏ２レイヤーにおけるＧａ及びＺｎの配置と、エネルギーとの関係について、計算及び考察を行った。
【００５９】
計算を行った具体的な組み合わせ（原子の配置）を図１４に示す。本実施の形態においては、最近接に係る同種原子の数に着目してこれらの組み合わせを選択した。例えば、図１４（ａ）の組み合わせは、上部レイヤーと下部レイヤーにそれぞれＧａとＺｎが分離して配置されることにより、最近接に係る同種原子の数をゼロとしたものである。また、図１４（ｂ）の組み合わせは、最近接位置に同種原子が２個存在する場合であり、図１４（ｃ）の組み合わせは、最近接位置に同種原子が１．５個存在する場合であり、図１４（ｄ）の組み合わせは、最近接位置に同種原子が１個存在する場合である。計算条件は実施の形態１において示したものと同じとした。
【００６０】
計算結果を図１５に示す。図１５では、最もエネルギーの低い構造を原点（エネルギーが０ｅＶ）として、各構造のエネルギーを示している。
【００６１】
本実施の形態において調査した配置は、多数の配置のうちのごく一部であるが、図１５の結果から、ＧａとＺｎの配置の傾向を読み取ることができる。図１５の結果は、同種元素の凝集度合が小さくなるに従って、エネルギー的に安定になる事を示すものと考えられる。つまり、ＩｎＧａＺｎＯ４結晶構造において、ＧａやＺｎは、ＧａＯやＺｎＯとして凝集するのではなく、ＧａとＺｎが互いに混ざり合った配置を取ると結論できる。図１６には、最も可能性が高い配置（図１５（ｄ）に対応）のモデル図を示す。
【００６２】
なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。
【００６３】
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態１などに示す方法を用いて作製した酸化物半導体層を用いた半導体装置の作製工程の一例について、図１７を参照して説明する。なお、本実施の形態において、実施の形態１などと同様の内容についての詳細な説明は省略する。
【００６４】
はじめに、絶縁表面を有する基板２００上にゲート電極２０２を形成し、続いて当該ゲート電極２０２上にゲート絶縁層２０４を形成した後、酸化物半導体層２０６と酸化物半導体層２０７を積層して形成する（図１７（ａ）参照）。
【００６５】
絶縁表面を有する基板２００としては、例えば、液晶表示装置などに使用される可視光透過性を有するガラス基板を用いることができる。上記のガラス基板は無アルカリガラス基板であることが好ましい。無アルカリガラス基板には、例えば、アルミノシリケートガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスなどのガラス材料が用いられている。他にも、絶縁表面を有する基板２００として、樹脂基板、セラミックス基板、石英基板やサファイア基板などの絶縁体でなる絶縁性基板、珪素などの半導体材料でなる半導体基板の表面を絶縁材料で被覆したもの、金属やステンレスなどの導電体でなる導電性基板の表面を絶縁材料で被覆したもの、などを用いることができる。半導体装置の大面積化という観点からは、特に、ガラス基板を用いることが好ましい。また、所定の耐熱性を有していることが好ましい。
【００６６】
ゲート電極２０２は、導電層を基板２００全面に形成した後、フォトリソグラフィ法により形成されたレジストマスクを用いて、該導電層を選択的にエッチングすることにより形成することができる。この際、後に形成されるゲート絶縁層２０４の被覆性を向上し、段切れを防止するために、ゲート電極２０２の端部がテーパー形状となるようエッチングすることが好ましい。なお、ゲート電極２０２にはゲート配線等、上記導電層によって形成される電極や配線が含まれるものとする。
【００６７】
ゲート電極２０２は、アルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）などの低抵抗導電性材料で形成することが望ましい。なお、配線及び電極としてアルミニウムを用いる場合、アルミニウム単体では耐熱性が低く、腐蝕しやすい等の問題点があるため、耐熱性導電性材料と組み合わせて形成することが好ましい。
【００６８】
上記の耐熱性導電性材料としては、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、Ｎｄ（ネオジム）、スカンジウム（Ｓｃ）から選ばれた元素、または上述した元素を成分とする合金か、上述した元素を組み合わせた合金、または上述した元素を成分とする窒化物などを用いることができる。これらの耐熱性導電性材料からなる膜とアルミニウム（又は銅）を積層させて、配線や電極を形成することができる。
【００６９】
ゲート絶縁層２０４は、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化タンタル膜等で形成することができる。また、これらの膜を積層させて設けてもよい。これらの膜は、スパッタ法等を用いて２０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下の膜厚で形成することができる。例えば、ゲート絶縁層２０４として、スパッタ法により酸化シリコン膜を１００ｎｍの厚さで形成する。なお、ゲート絶縁層２０４はトランジスタのゲート絶縁層として機能すればよく、作製方法や膜厚などについても上記の数値範囲に限定して解釈されるものではない。
【００７０】
なお、ゲート絶縁層２０４上に酸化物半導体層２０６を形成する前に、ゲート絶縁層２０４の表面にプラズマ処理を行ってもよい。プラズマ処理を行うことにより、ゲート絶縁層２０４の表面に付着しているゴミを除去することができる。
【００７１】
上記のプラズマ処理は、真空状態のチャンバーにアルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガスを導入し、被処理物（ここでは、ゲート絶縁層２０４が形成された基板２００）にバイアス電圧を印加してプラズマ状態を形成することにより行うことができる。この場合、プラズマ中には電子とＡｒの陽イオンが存在し、陰極方向（基板２００側）にＡｒの陽イオンが加速される。加速されたＡｒの陽イオンがゲート絶縁層２０４の表面に衝突することによって、当該ゲート絶縁層２０４の表面がスパッタエッチングされ、その表面を改質することができる。なお、アルゴンガスに代えて、ヘリウムガスを用いてもよい。また、アルゴン雰囲気に酸素、水素、窒素等を加えた雰囲気で行ってもよい。また、アルゴン雰囲気に塩素（Ｃｌ２）や四弗化炭素（ＣＦ４）などを加えた雰囲気で行ってもよい。このようなプラズマ処理を「逆スパッタ」と呼ぶこともある。
【００７２】
酸化物半導体層２０６は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系非単結晶半導体層で形成することができる。例えば、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び亜鉛（Ｚｎ）を含む酸化物半導体ターゲット（Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１）を用いたスパッタ法で、酸化物半導体層２０６を形成する。スパッタの条件等については実施の形態１などを参照すればよい。
【００７３】
なお、上記スパッタにおいてパルス直流（ＤＣ）電源を用いると、ごみが軽減でき、膜厚分布も均一となるため好ましい。また、上述したプラズマ処理を行った後、大気に曝すことなく酸化物半導体層２０６を形成することにより、ゲート絶縁層２０４と酸化物半導体層２０６の界面にゴミや水分が付着することを抑制することができる。酸化物半導体層２０６の膜厚は、５ｎｍ〜５００ｎｍ程度とすればよい。
【００７４】
酸化物半導体層２０７は、酸化物半導体層２０６と同様にＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系非単結晶半導体層で形成することができる。例えば、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物半導体ターゲット（Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１）を用いたスパッタ法で、酸化物半導体層２０６上に酸化物半導体層２０７を形成することができる。この際に、酸化物半導体層２０６を大気に曝すことなく酸化物半導体層２０７を連続して形成することが好ましい。スパッタの条件は、例えば、温度を２０℃〜１００℃、圧力を０．１Ｐａ〜２．０Ｐａ、電力を２５０Ｗ〜３ｋＷ（８インチφ時）とすることができる。また、雰囲気中にアルゴンガスを導入すると良い。
【００７５】
酸化物半導体層２０６と酸化物半導体層２０７の成膜条件は異ならせることが好ましい。例えば、酸化物半導体層２０６の成膜条件においては、酸化物半導体層２０７の成膜条件より、アルゴンガスの流量に対する酸素ガスの流量の比を大きくする。具体的には、酸化物半導体層２０７の成膜条件は、希ガス（アルゴン、又はヘリウムなど）雰囲気下、または、酸素ガス１０％以下、希ガス９０％以上の雰囲気下とし、酸化物半導体層２０６の成膜条件は、酸素雰囲気下、または、希ガスに対する酸素ガスの流量比が１以上の雰囲気下とする。このようにすることで、酸化物半導体層２０６より電気伝導の高い酸化物半導体層２０７を形成することができる。
【００７６】
酸化物半導体層２０６や酸化物半導体層２０７を形成する際のスパッタ法としては、スパッタ用電源に高周波電源を用いるＲＦスパッタ法や、ＤＣスパッタ法、パルス的に直流バイアスを加えるパルスＤＣスパッタ法などを用いることができる。
【００７７】
また、材料の異なるターゲットを複数設置できる多元スパッタ装置を用いてもよい。多元スパッタ装置では、同一チャンバーで異なる膜を積層形成することも、同一チャンバーで複数種類の材料を同時にスパッタして一の膜を形成することもできる。さらに、チャンバー内部に磁界発生機構を備えたマグネトロンスパッタ装置を用いる方法（マグネトロンスパッタ法）や、マイクロ波を用いて発生させたプラズマを用いるＥＣＲスパッタ法等を用いてもよい。また、成膜中にターゲット物質とスパッタガス成分とを化学反応させてそれらの化合物を形成するリアクティブスパッタ法や、成膜中に基板にも電圧をかけるバイアススパッタ法等を用いてもよい。
【００７８】
なお、本実施の形態では、酸化物半導体層２０６と酸化物半導体層２０７を積層させる場合の一例について説明しているが、開示する発明はこれに限定されない。例えば、酸化物半導体層２０７を設けない構成（酸化物半導体層２０６のみを形成する構成）としても良い。
【００７９】
次に、酸化物半導体層２０７上にレジストマスク２０８を形成し、当該レジストマスク２０８を用いて酸化物半導体層２０６及び酸化物半導体層２０７を選択的にエッチングして島状の酸化物半導体層２１０及び島状の酸化物半導体層２１１を形成する（図１７（ｂ）参照）。
【００８０】
上記のエッチングとしては、ウエットエッチングを用いると良い。例えば、ＩＴＯ０７Ｎ（関東化学社製）、又は酢酸と硝酸と燐酸との混合液を用いたウエットエッチングにより、酸化物半導体層２０６及び酸化物半導体層２０７の不要な部分を除去して、島状の酸化物半導体層２１０及び島状の酸化物半導体層２１１を形成する。なお、上記エッチングの後にはレジストマスク２０８は除去する。また、ウエットエッチングに用いるエッチャントは酸化物半導体層２０６及び酸化物半導体層２０７をエッチングできるものであればよく、上述したものに限られない。もちろん、上記のエッチングとしてドライエッチングを用いても良い。
【００８１】
次に、島状の酸化物半導体層２１１上に導電層２１２を形成する（図１７（ｃ）参照）。
【００８２】
導電層２１２は、スパッタ法や真空蒸着法等を用いて、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、Ｎｄ（ネオジム）、スカンジウム（Ｓｃ）から選ばれた元素を含む金属、上述の元素を成分とする合金、上述した元素を組み合わせた合金、または、上述の元素を成分とする窒化物等からなる材料で形成することができる。なお、本実施の形態においては、導電層２１２の形成後に熱処理（例えば、３５０℃〜８００℃（好ましくは５００〜７５０℃））を行うから、導電層２１２に所定の耐熱性を持たせることが好ましい。
【００８３】
例えば、上記導電層２１２をチタン膜の単層構造で形成することができる。また、導電層２１２を積層構造としても良く、例えば、アルミニウム膜とチタン膜との積層構造とすることができる。また、チタン膜と、ネオジムを含むアルミニウム（Ａｌ−Ｎｄ）膜と、チタン膜の３層構造としてもよい。さらに、導電層２１２を、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造としてもよい。
【００８４】
次に、導電層２１２上にレジストマスク２１４ａ、レジストマスク２１４ｂ、レジストマスク２１４ｃを形成し、導電層２１２を選択的にエッチングして、導電層２１６ａ、導電層２１６ｂ、導電層２１８を形成すると共に、島状の酸化物半導体層２１１をエッチングして導電率の高い半導体領域２１５ａ、導電率の高い半導体領域２１５ｂを形成し、島状の酸化物半導体層２１０の一部（表面付近の一部）を除去（チャネルエッチ）する（図１７（ｄ）参照）。
【００８５】
島状の酸化物半導体層２１０の一部、及び島状の酸化物半導体層２１１の一部が除去されて形成される凹部２２０は、導電層２１６ａと導電層２１６ｂの間、及び導電率の高い半導体領域２１５ａと導電率の高い半導体領域２１５ｂの間の領域にあたる。そのため、導電層２１６ａはトランジスタのソース電極又はドレイン電極の一方として機能し、導電層２１６ｂはトランジスタのソース電極又はドレイン電極の他方として機能する。図１７（ｄ）に示すように、酸化物半導体層２１０の一部、及び島状の酸化物半導体層２１１の一部を除去して凹部２２０を形成することにより、導電層２１６ａと導電層２１６ｂとの絶縁を確実なものとすることができる。また、導電層２１８は、トランジスタ等を電気的に接続する配線として機能する。
【００８６】
上記のエッチングとしては、ドライエッチングを用いると良い。ドライエッチングを用いることで、ウエットエッチングを用いる場合と比較して配線構造などの微細化が可能となる。また、ドライエッチングを用いることにより、エッチングの制御性が良いため、島状の酸化物半導体層２１０の除去（凹部２２０の形成）を制御性良く行うことができる。ドライエッチングに用いることができるガスとしては、塩素（Ｃｌ２）、塩化硼素（ＢＣｌ３）、塩化珪素（ＳｉＣｌ４）、四塩化炭素（ＣＣｌ４）などの塩素系ガスや、四弗化炭素（ＣＦ４）、弗化硫黄（ＳＦ６）、弗化窒素（ＮＦ３）、トリフルオロメタン（ＣＨＦ３）などのフッ素系ガス、臭化水素（ＨＢｒ）、酸素（Ｏ２）、これらのガスにヘリウム（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）などの希ガスを添加したガス、などがある。もちろん、上記エッチングとしてウエットエッチングを用いても良い。
【００８７】
また、導電層２１２の材料として、島状の酸化物半導体層２１０、又は島状の酸化物半導体層２１１よりエッチングレートが高い材料を用いることが好ましい。これは、導電層２１２、島状の酸化物半導体層２１０、及び島状の酸化物半導体層２１１を一回でエッチングする場合、島状の酸化物半導体層２１０、又は島状の酸化物半導体層２１１のエッチングレートを導電層２１２のエッチングレートより小さくすることで、島状の酸化物半導体層２１０が過度にエッチングされることを抑制することができるためである。
【００８８】
なお、上記エッチングの後にはレジストマスク２１４ａ、レジストマスク２１４ｂ、レジストマスク２１４ｃは除去する。
【００８９】
その後、所定の温度条件（例えば、３５０℃〜８００℃（好ましくは５００〜７５０℃））で熱処理を行う。なお、絶縁表面を有する基板２００としてガラス基板を用いる場合には、ガラス基板の歪み点以下の温度条件で熱処理を行う必要がある。熱処理の雰囲気は、大気雰囲気や窒素雰囲気とすれば良い。この熱処理により、島状の酸化物半導体層２１０中に酸化物半導体の結晶粒が成長し、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表される非晶質構造中に、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＝１）で表される結晶粒を含む酸化物半導体層（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体層）を得ることができる。
【００９０】
なお、非晶質構造の酸化物半導体は熱などによって容易に結晶構造の酸化物半導体へと変化するため、非晶質構造の比率が高い場合には、トランジスタの信頼性が低下する傾向にある。信頼性向上の観点からは、非晶質構造が９０体積％以下（好ましくは８０体積％以下、より好ましくは６０体積％以下）となるように熱処理を行う。
【００９１】
熱処理の時間は熱処理の温度との関係で適宜変更することができるが、例えば、７００℃の温度条件においては、０．５〜２時間程度とすればよい。また、熱処理に適した温度条件は目的とする酸化物半導体の組成によって異なるから、所望の酸化物半導体層が得られる条件であれば特に限定されない。
【００９２】
上記の熱処理は、拡散炉、抵抗加熱炉などの加熱炉、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、マイクロ波加熱装置などを用いて行うことができる。酸化物半導体に吸収される波長の光（電磁波）を照射することで熱処理に代えても良い。つまり、光（電磁波）の照射によって、非晶質構造中に結晶粒を含む構造を実現しても良い。この場合、光源としては、短波長を発振できるレーザー発振器や、紫外線ランプ等を用いればよい。
【００９３】
このように、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表される非晶質構造中に、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＝１）で表される結晶粒を含む酸化物半導体層をトランジスタのチャネル形成領域として用いることで、高性能な半導体装置を提供することができる。
【００９４】
ここで、電気的に良好な特性の酸化物半導体層を実現するためには、例えば、酸化物半導体中のＺｎの含有量（原子％）を、Ｉｎの含有量（原子％）未満かつＧａの含有量（原子％）未満としてやることが好ましい。このような組成とすることにより、良好な特性を有する酸化物半導体層を得ることができる。
【００９５】
なお、上述のような、Ｚｎの含有量（原子％）がＩｎの含有量（原子％）未満かつＧａの含有量（原子％）未満である酸化物半導体層は、目的とする組成に近いターゲットを用いたスパッタリング法によって形成することができる。この場合、図２及び図３を考慮すると、ターゲットの組成と比較して、形成された酸化物半導体層中におけるＺｎが低下する割合はＩｎ及びＧａよりも大きいから、例えば、Ｚｎの含有量（原子％）が、Ｉｎの含有量（原子％）未満かつＧａの含有量（原子％）未満である酸化物半導体層を形成するためには、Ｚｎの含有量（原子％）とＩｎ又はＧａの含有量（原子％）が等しいターゲットを用いてもよい。つまり、ターゲットとしては、Ｚｎの含有量（原子％）がＩｎの含有量（原子％）以下かつＧａの含有量（原子％）以下のものを用いればよい。
【００９６】
ここで、本実施の形態においては、上記熱処理を島状の酸化物半導体層２１０の形成後に行う場合の一例について示しているが、熱処理を行うタイミングは、酸化物半導体層２０６の形成後であれば特に限定する必要はない。また、成膜の段階で非晶質構造中に複数の結晶粒を含む構造（非晶質構造中に複数の結晶粒が分散された構造）が得られるのであれば、熱処理は不要である。
【００９７】
なお、露出している島状の酸化物半導体層２１０の凹部２２０に対しては、酸素ラジカル処理を行ってもよい。酸素ラジカル処理を行うことにより島状の酸化物半導体層２１０をチャネル形成領域とする薄膜トランジスタをノーマリーオフとすることが容易になる。また、ラジカル処理を行うことにより、島状の酸化物半導体層２１０のエッチングによるダメージを回復することができる。ラジカル処理は、Ｏ２、Ｎ２Ｏ、酸素を含むＮ２、Ｈｅ、Ａｒなどの雰囲気下で行うことが好ましい。また、上記雰囲気にＣｌ２、ＣＦ４を加えた雰囲気下で行ってもよい。なお、ラジカル処理は、基板２００側にバイアス電圧を印加せずに行うことが好ましい。
【００９８】
次に、ゲート電極２０２、島状の酸化物半導体層２１０、導電率の高い半導体領域２１５ａ、導電率の高い半導体領域２１５ｂ、導電層２１６ａ、導電層２１６ｂ等を含む薄膜トランジスタ２５０を覆うように、保護絶縁層２２２を形成する（図１７（ｅ）参照）。保護絶縁層２２２としては、スパッタ法などを用いて、窒化シリコン、酸化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化タンタルなどの材料を含む層を形成すればよい。
【００９９】
その後、各種電極や配線を形成することで半導体装置が完成する。
【０１００】
本実施の形態により、高性能な半導体装置を提供することができる。なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。
【符号の説明】
【０１０１】
１００ 基板
１０２ 非単結晶半導体層
１０４ 結晶粒
１０６ 酸化物半導体層
２００ 基板
２０２ ゲート電極
２０４ ゲート絶縁層
２０６ 酸化物半導体層
２０７ 酸化物半導体層
２０８ レジストマスク
２１０ 酸化物半導体層
２１１ 酸化物半導体層
２１２ 導電層
２１４ａ レジストマスク
２１４ｂ レジストマスク
２１４ｃ レジストマスク
２１５ａ 半導体領域
２１５ｂ 半導体領域
２１６ａ 導電層
２１６ｂ 導電層
２１８ 導電層
２２０ 凹部
２２２ 保護絶縁層
２５０ 薄膜トランジスタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体層をトランジスタのチャネル形成領域に用いた半導体装置であって、
前記Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体層は、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表される非晶質構造中に、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＝１）で表される結晶粒を含む構造を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体層中のＺｎの含有量（原子％）を、Ｉｎの含有量（原子％）未満かつＧａの含有量（原子％）未満としたことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記酸化物半導体層は、Ｚｎの含有量（原子％）がＩｎの含有量（原子％）以下かつＧａの含有量（原子％）以下のターゲットを用いたスパッタリング法により形成されたものであることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
スパッタリング法を用いて、基板上に非晶質構造を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体層を形成し、
前記酸化物半導体層に熱処理を施すことで、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表される非晶質構造中に、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＝１）で表される結晶粒を含む酸化物半導体層を形成し、
前記結晶粒を含む酸化物半導体層をトランジスタのチャネル形成領域として用いることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項５】
請求項４において、
前記非晶質構造を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体層中のＺｎの含有量（原子％）が、Ｉｎの含有量（原子％）未満かつＧａの含有量（原子％）未満となるように形成されることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項６】
請求項４又は５において、
前記非晶質構造を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体層は、Ｚｎの含有量（原子％）がＩｎの含有量（原子％）以下かつＧａの含有量（原子％）以下のターゲットを用いたスパッタリング法により形成されることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項４乃至６のいずれか一において、
前記熱処理は、３５０℃以上の温度で行われることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１】
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体層をトランジスタのチャネル形成領域に用いた半導体装置であって、
前記Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体層は、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表される非晶質構造中に、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＝１）で表される結晶粒を含む構造を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体層中のＺｎの含有量（原子％）を、Ｉｎの含有量（原子％）未満かつＧａの含有量（原子％）未満としたことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記酸化物半導体層は、Ｚｎの含有量（原子％）がＩｎの含有量（原子％）以下かつＧａの含有量（原子％）以下のターゲットを用いたスパッタリング法により形成されたものであることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
スパッタリング法を用いて、基板上に非晶質構造を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体層を形成し、
前記酸化物半導体層に熱処理を施すことで、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表される非晶質構造中に、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＝１）で表される結晶粒を含む酸化物半導体層を形成し、
前記結晶粒を含む酸化物半導体層をトランジスタのチャネル形成領域として用いることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項５】
請求項４において、
前記非晶質構造を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体層中のＺｎの含有量（原子％）が、Ｉｎの含有量（原子％）未満かつＧａの含有量（原子％）未満となるように形成されることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項６】
請求項４又は５において、
前記非晶質構造を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体層は、Ｚｎの含有量（原子％）がＩｎの含有量（原子％）以下かつＧａの含有量（原子％）以下のターゲットを用いたスパッタリング法により形成されることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項４乃至６のいずれか一において、
前記熱処理は、３５０℃以上の温度で行われることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図１０】
【図１１】
【図１３】
【図１５】
【図１７】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１２】
【図１４】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図１０】
【図１１】
【図１３】
【図１５】
【図１７】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１２】
【図１４】
【図１６】
【公開番号】特開２０１０−１５３８０２（Ｐ２０１０−１５３８０２Ａ）
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５１７２５（Ｐ２００９−２５１７２５）
【出願日】平成２１年１１月２日（２００９．１１．２）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月２日（２００９．１１．２）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
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