酸化物半導体膜、及び半導体装置
【課題】電気伝導度の安定した酸化物半導体膜を提供する。また、当該酸化物半導体膜を用いることにより、半導体装置に安定した電気的特性を付与し、信頼性の高い半導体装置を提供する。
【解決手段】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膜において、酸化物半導体膜は、酸化物半導体膜の被形成面の法線ベクトルに平行な方向に揃うｃ軸配向した結晶領域を有し、ｃ軸配向した結晶領域の組成が、Ｉｎ１＋δＧａ１−δＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ただし、０＜δ＜１、ｍ＝１〜３）で表され、ｃ軸配向した結晶領域を含む全体の酸化物半導体膜の組成が、ＩｎｘＧａｙＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ただし、０＜ｘ＜２、０＜ｙ＜２、ｍ＝１〜３）である。
【解決手段】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膜において、酸化物半導体膜は、酸化物半導体膜の被形成面の法線ベクトルに平行な方向に揃うｃ軸配向した結晶領域を有し、ｃ軸配向した結晶領域の組成が、Ｉｎ１＋δＧａ１−δＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ただし、０＜δ＜１、ｍ＝１〜３）で表され、ｃ軸配向した結晶領域を含む全体の酸化物半導体膜の組成が、ＩｎｘＧａｙＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ただし、０＜ｘ＜２、０＜ｙ＜２、ｍ＝１〜３）である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
酸化物半導体膜と、該酸化物半導体膜を用いる半導体装置に関する。
【０００２】
なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指し、電気光学装置、半導体回路及び電子機器は全て半導体装置である。
【背景技術】
【０００３】
液晶表示装置に代表されるように、ガラス基板等に形成されるトランジスタはアモルファスシリコン、多結晶シリコンなどによって構成されている。アモルファスシリコンを用いたトランジスタは、ガラス基板の大面積化に容易に対応することができる。しかし、アモルファスシリコンを用いたトランジスタは、電界効果移動度が低いという欠点を有している。また、多結晶シリコンを用いたトランジスタは電界効果移動度が高いが、ガラス基板の大面積化には適していないという欠点を有している。
【０００４】
このような欠点を有するシリコンを用いたトランジスタに対して、酸化物半導体を用いてトランジスタを作製し、電子デバイスや光デバイスに応用する技術が注目されている。例えば酸化物半導体として、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｓｎなどを含む非晶質酸化物を用いてトランジスタを作製する技術が特許文献１で開示されている。また、同様のトランジスタを作製して表示装置の画素のスイッチング素子などに用いる技術が特許文献２で開示されている。
【０００５】
また、このようなトランジスタに用いる酸化物半導体について、「酸化物半導体は不純物に対して鈍感であり、膜中にはかなりの金属不純物が含まれていても問題がなく、ナトリウムのようなアルカリ金属が多量に含まれる廉価なソーダ石灰ガラスも使える」といったことも述べられている（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１６５５２９号公報
【特許文献２】特開２００６−１６５５２８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】神谷、野村、細野、「アモルファス酸化物半導体の物性とデバイス開発の現状」、固体物理、２００９年９月号、Ｖｏｌ．４４、ｐ．６２１−６３３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、酸化物半導体膜がアモルファスのままであると、酸化物半導体膜に酸素欠損やダングリングボンドが生じやすく、これら単独あるいは水素等と結合することにより膜中にキャリアを発生させてしまう。そのため、酸化物半導体膜の電気伝導度等の電気的特性が変化する恐れがある。また、酸化物半導体膜を用いたトランジスタにとって電気的特性の変動の要因となり、半導体装置の信頼性を低下させることになる。
【０００９】
このような問題に鑑み、電気的特性の安定した酸化物半導体膜を提供することを課題の一とする。また、当該酸化物半導体膜を用いることにより、半導体装置に安定した電気的特性を付与し、信頼性の高い半導体装置を提供することを課題の一とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
開示する発明の一態様は、インジウム、ガリウム、及び亜鉛を含む酸化物半導体膜において、ｃ軸に配向した結晶領域を有した酸化物半導体膜である。また、全体が非晶質構造の酸化物半導体膜と比較してｃ軸に配向した結晶領域を有するので、酸素欠損やダングリングボンド、あるいはダングリングボンドなどに結合する水素、ボロン、窒素、リンなどの不純物が低減され、高純度化された酸化物半導体膜である。また、ｃ軸配向した結晶領域の組成と、ｃ軸配向した結晶領域を含む半導体膜全体の組成を決めることで、安定な結晶構造を有する酸化物半導体膜とすることができる。より詳細には以下の通りである。
【００１１】
開示する発明の一態様は、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膜において、酸化物半導体膜は、酸化物半導体膜の被形成面の法線ベクトルに平行な方向に揃うｃ軸配向した結晶領域を有し、ｃ軸配向した結晶領域の組成が、Ｉｎ１＋δＧａ１−δＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ただし、０＜δ＜１、ｍ＝１〜３）で表され、ｃ軸配向した結晶領域を含む全体の酸化物半導体膜の組成が、ＩｎｘＧａｙＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ただし、０＜ｘ＜２、０＜ｙ＜２、ｍ＝１〜３）で表される酸化物半導体膜である。
【００１２】
開示する発明の他の一態様は、ゲート電極と、ゲート電極と接する第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜に接する酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜に接する第２の絶縁膜と、を有し、酸化物半導体膜は、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び亜鉛（Ｚｎ）を含み、且つ酸化物半導体膜の被形成面の法線ベクトルに平行な方向に揃うｃ軸配向した結晶領域を有し、ｃ軸配向した結晶領域の組成が、Ｉｎ１＋δＧａ１−δＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ただし、０＜δ＜１、ｍ＝１〜３）で表され、ｃ軸配向した結晶領域を含む全体の酸化物半導体膜の組成が、ＩｎｘＧａｙＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ただし、０＜ｘ＜２、０＜ｙ＜２、ｍ＝１〜３）で表される半導体装置である。
【００１３】
上記各構成において、酸化物半導体膜は、ボロン（Ｂ）濃度、リン濃度（Ｐ）、及び窒素（Ｎ）濃度の合計が、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、ボロン（Ｂ）濃度、リン濃度（Ｐ）、及び窒素（Ｎ）濃度のいずれか一の元素が、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、リチウム（Ｌｉ）濃度、及びカリウム（Ｋ）濃度が５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、ナトリウム（Ｎａ）濃度が５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の一態様で開示するインジウム、ガリウム、及び亜鉛を含む酸化物半導体膜は、安定した電気的特性を有することができる。このようなインジウム、ガリウム、及び亜鉛を含む酸化物半導体膜をトランジスタに用いることによって、安定した電気的特性を有する、信頼性の高い半導体装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一態様に係る断面ＴＥＭ像。
【図２】本発明の一態様に係る結晶構造を説明する図。
【図３】本発明の一態様に係る模式図、及び本発明の一態様に係る断面ＴＥＭ像。
【図４】本発明の一態様に係る半導体装置の作製工程を説明する断面図。
【図５】製造装置を説明する模式図である。
【図６】本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。
【図７】本発明の一態様を示すブロック図及び等価回路図。
【図８】本発明の一態様を示す電子機器の外観図。
【図９】実施例におけるスピン密度の結果を示す図。
【図１０】実施例におけるスピン密度の結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する本発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。
【００１７】
なお、本明細書で説明する各図において、各構成の大きさ、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。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。
【００１８】
また、本明細書にて用いる第１、第２、第３などの用語は、構成要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではない。そのため、例えば、「第１の」を「第２の」または「第３の」などと適宜置き換えて説明することができる。
【００１９】
（実施の形態１）
本実施の形態では、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膜の構成について、図１乃至図３を用いて説明する。
【００２０】
本実施の形態に係るインジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び亜鉛（Ｚｎ）を含む酸化物半導体膜は、酸化物半導体膜の被形成面の法線ベクトルに平行な方向に揃うｃ軸配向した結晶領域を有し、ｃ軸配向した結晶領域の組成が、Ｉｎ１＋δＧａ１−δＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ただし、０＜δ＜１、ｍ＝１〜３）で表され、ｃ軸配向した結晶領域を含む全体の酸化物半導体膜の組成が、ＩｎｘＧａｙＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ただし、０＜ｘ＜２、０＜ｙ＜２、ｍ＝１〜３）で表される酸化物半導体膜である。
【００２１】
ここで、実際に作製した上記構造を有する酸化物半導体膜の断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で観察した結果（断面ＴＥＭ像）を図１（Ａ）、及び図１（Ｂ）に示す。
【００２２】
図１（Ａ）に示す断面ＴＥＭ像のサンプルは、基板１００上に、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び亜鉛（Ｚｎ）を含む金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子％比］）を用いて、スパッタリング法により室温にて膜厚５０ｎｍで酸化物半導体膜１０１を成膜し、その後酸素雰囲気下において、７００℃ １時間の熱処理を行ったものである。図１（Ａ）に示す断面ＴＥＭ像より、酸化物半導体膜１０１の上部に結晶領域１０２があることがわかる。なお、図１（Ｂ）に示す断面ＴＥＭ像は、図１（Ａ）に示す結晶領域１０２を拡大した図である。
【００２３】
図１（Ａ）、及び図１（Ｂ）に示す断面ＴＥＭ像より、酸化物半導体膜１０１内に層状に原子が配向した結晶領域１０２が、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膜中に複数観察される。
【００２４】
次に、図１（Ｂ）に示す断面ＴＥＭ像を用いて、層状に原子が配向した結晶面の間隔を算出したところ、被形成面の法線ベクトルに平行な方向の面間隔は０．２８８ｎｍであることがわかった。なお、結晶面の間隔の算出方法としては、ＦＦＴＭ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ Ｍａｐｐｉｎｇ）法を用いた。
【００２５】
ここで、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膜の一例であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜の結晶構造は、ＩｎＯ層とＧａＯ層またはＺｎＯ層がｃ軸方向に層状に積層した構造を構成している。その一つにＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）の組成にて格子定数ｃ＝２．６０７ｎｍの構造がある。図２にＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜の結晶構造の模式図を示す。図２は、白丸がＩｎ、灰色丸がＧａまたはＺｎ、黒丸が酸素（Ｏ）を示す。図２に示すように、ＩｎＯ２層（図中ＩｎＯ２ Ｌａｙｅｒ）、及びＧａＺｎＯ２層（図中ＧａＺｎＯ２ Ｌａｙｅｒ）が六角形の格子を有する結合の層がｃ軸方向に積層されている。なお、ｃ軸方向はａ−ｂ面に垂直である。
【００２６】
次に、図２に示した結晶構造を元にシミュレーションを行った。シミュレーションにより得られた模式図を図３（Ａ）に示す。また、図３（Ｂ）に図１（Ｂ）に示す結晶領域１０２のさらに拡大した結晶領域１０２の断面ＴＥＭ像を示す。
【００２７】
図３（Ａ）においては、像強度は原子番号の二乗に比例しており、白丸がＩｎ、灰色丸がＧａまたはＺｎを表す。また、図３（Ｂ）においては、黒い層状に見える領域がＩｎＯ層を示しており、黒い層状の間に位置する領域がＧａＯ層またはＺｎＯ層を示している。
【００２８】
このように、図３（Ａ）に示す模式図と、図３（Ｂ）に示す結晶領域１０２の断面ＴＥＭ像の原子配列の構造が概略一致していることが分かる。すなわち、図１（Ａ）、図１（Ｂ）、及び図３（Ｂ）に示した結晶領域１０２は図２の結晶構造を有している。
【００２９】
また、ｃ軸方向での単位格子の１つ、すなわち（００１）面間隔は、ｃ軸の格子定数ｃ＝２．６０７ｎｍに相当する。ここから、（００９）面間隔はｄ＝０．２８９７ｎｍに相当する。つまり、図１（Ｂ）に示した結晶領域１０２の層状に原子が配向した結晶面の被形成面の法線ベクトルに平行な方向の面間隔は０．２８８ｎｍであり、概ね（００９）面間隔のｄ＝０．２８９７ｎｍと一致することからもＩｎＧａＺｎＯ４の結晶構造を有することが分かる。すなわち、結晶領域１０２の組成はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子％比］である。
【００３０】
このように、結晶領域１０２は、図１（Ａ）、図１（Ｂ）、及び図３（Ｂ）に示す断面ＴＥＭ像より、ｃ軸配向し、かつａ−ｂ面に垂直な方向から見て三角形状または六角形状の原子配列を有し、ｃ軸においては、金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に配列しており、ａ−ｂ面においては、ａ軸またはｂ軸の向きが異なる（ｃ軸を中心に回転した）結晶領域１０２を含む酸化物半導体膜であり、本明細書等においては、該酸化物半導体膜は、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜とする。
【００３１】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜とは、広義に、非単結晶であって、そのａ−ｂ面に垂直な方向から見て、三角形、または、六角形、または正三角形、正六角形の原子配列を有し、且つ、ｃ軸方向に垂直な方向から見て、金属原子が層状、または、金属原子と酸素原子が層状に配列した相を含む材料をいう。
【００３２】
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は単結晶ではないが、また、非晶質のみから形成されているものでもない。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は結晶化した部分（結晶部分）、または結晶化した領域（結晶領域）を含むが、１つの結晶部分と他の結晶部分の境界、または１つの結晶領域と他の結晶領域の境界を明確に判別できないこともある。
【００３３】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を構成する酸素の一部は窒素で置換されてもよい。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を構成する個々の結晶部分のｃ軸は一定の方向（例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向）に揃っていてもよい。あるいは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を構成する個々の結晶部分のａ−ｂ面の法線ベクトルは一定の方向（例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに垂直な方向）を向いていてもよい。
【００３４】
このようなＣＡＡＣ−ＯＳ膜の例として、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃い、かつａｂ面に垂直な方向から観察すると三角形、または、六角形の原子配列が認められ、かつその膜断面を観察すると金属原子、または、金属原子と酸素原子（あるいは窒素原子）の層状配列が認められる材料を挙げることもできる。
【００３５】
ここで、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膜の化学量論的組成比について考えてみる。Ｉｎ、Ｇａは３価、Ｚｎは２価である。例えば、ＩｎをＧａに置換してもＩｎ、Ｇａともに３価であるため価数は変わらない。また、結晶構造は変化せずにＧａの量を減らし、Ｉｎを増やすことができる。
【００３６】
すなわち、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膜の化学量論的組成比が、Ｉｎ１＋δＧａ１−δＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ただし、０＜δ＜１、ｍ＝１〜３）で表され、ＩｎとＧａの組成比が化学量論的組成比からずれた場合においても、安定な結晶構造を維持することができる。
【００３７】
図３（Ｂ）に示す結晶構造も一部ＩｎとＧａが置換されている様子がわかる。結晶領域１０２中の領域１５０において、連続しているＩｎ（黒い層状に見える領域）の結晶構造の連続性が一部異なっている。また、領域１５０のコントラストはＧａまたはＺｎのコントラストと酷似しており、Ｚｎによる置換では価数が変化し、その結晶構造を維持できないため、Ｇａにより置換されていると示唆される。
【００３８】
次に、ｃ軸配向した結晶領域１０２を含む酸化物半導体膜１０１の組成分析を行った結果を表１に示す。なお、組成分析は、誘導結合プラズマ質量分析法（ＩＣＰ−ＭＳ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ − Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を用いて行ったものである。また、酸化物半導体膜１０１の各元素は、原子％で表される。また、酸素（Ｏ）量については、酸化物半導体膜１０１を構成する酸化物が理想的な組成であるＩｎ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、ＺｎＯと仮定して算出している。
【００３９】
【表１】
【００４０】
ここで、表１に示した酸化物半導体膜１０１をＩｎで規格化すると表２に示す組成となる。
【００４１】
【表２】
【００４２】
表２より、ｃ軸配向した結晶領域１０２を含む酸化物半導体膜１０１の組成比は、概ねＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．７［原子％比］である。従って、一般式ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｎ（ｎは自然数）で表されるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体膜の構造と異なった構造をとることがある。すなわち、ＩｎｘＧａｙＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ただし、０＜ｘ＜２、０＜ｙ＜２、ｍ＝１〜３）で表される。
【００４３】
このように、ｃ軸配向した結晶領域１０２の組成比と、ｃ軸配向した結晶領域１０２を含む酸化物半導体膜１０１の組成比が異なる。すなわちｃ軸配向した結晶領域１０２は、膜全体の組成と比較し異なる組成比をとることがある。これは、酸化物半導体膜１０１を形成するときの形成温度、または、酸化物半導体膜１０１を形成した後の熱処理等によって、酸化物半導体膜１０１中の組成が変化したものと考えられる。
【００４４】
しかし、酸化物半導体膜１０１全体の組成が変化した場合においても、ｃ軸配向した結晶領域１０２は、安定な結晶構造を維持しているため、酸化物半導体膜１０１としては、安定な結晶構造を有する酸化物半導体膜とすることができる。
【００４５】
また、図１に示すｃ軸配向を示す結晶領域１０２を含む酸化物半導体膜１０１は、膜中の不純物濃度が低い。具体的には、酸化物半導体膜１０１において、Ｎ型の不純物となるリン（Ｐ）、ボロン（Ｂ）、窒素（Ｎ）の不純物を足し合わせた不純物濃度は、好ましくは、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、更に好ましくは、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることができる。
【００４６】
さらに、酸化物半導体膜１０１において、Ｎ型の不純物となるリン（Ｐ）、ボロン（Ｂ）、窒素（Ｎ）のいずれか一つの不純物が、好ましくは、１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、更に好ましくは、１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の不純物濃度とすることができる。
【００４７】
これは、ｃ軸配向した結晶領域１０２が安定な結晶構造を有するので、酸化物半導体膜１０１内の酸素欠損やダングリングボンド、あるいはダングリングボンドなどに結合する水素、ボロン、窒素、リンなどの不純物が低減されているためである。
【００４８】
ここで、実際に作製した図１に示した酸化物半導体膜１０１の不純物であるリン（Ｐ）濃度、ボロン（Ｂ）濃度、窒素（Ｎ）濃度の測定を行った。なお、不純物濃度の測定は二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）によるものである。
【００４９】
ＳＩＭＳ分析の結果、Ｐ濃度は、４．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、Ｂ濃度は、４．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、Ｎ濃度は、１．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、全ての元素の合計で、４．５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることがわかった。
【００５０】
このように、Ｎ型となりえる不純物を酸化物半導体膜１０１より徹底的に排除することにより、酸化物半導体膜１０１を高純度化することができる。
【００５１】
また、本実施の形態に係るインジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び亜鉛（Ｚｎ）を含む酸化物半導体膜は、上述した不純物であるＰ濃度、Ｂ濃度、及びＮ濃度以外にも、酸化物半導体膜中のアルカリ金属等の不純物の濃度が低減されていることが好ましい。例えば、酸化物半導体膜において、リチウムの濃度が５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、ナトリウムの濃度が５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、カリウムの濃度が５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【００５２】
アルカリ金属、及びアルカリ土類金属は酸化物半導体にとっては悪性の不純物であり、少ないほうがよい。特に、当該酸化物半導体膜をトランジスタに用いる場合、アルカリ金属のうちナトリウムは酸化物半導体膜に接する絶縁膜に拡散し、トランジスタの閾値電圧の変動などを引き起こす可能性がある。また酸化物半導体膜内において、金属と酸素の結合を分断し、あるいは結合中に割り込む。その結果、トランジスタ特性の劣化（例えば、ノーマリオン化（しきい値の負へのシフト）、移動度の低下等）をもたらす。加えて、特性のばらつきの原因ともなる。
【００５３】
よって、ｃ軸配向した結晶領域を含む酸化物半導体膜中の不純物を極めて低減し、アルカリ金属の濃度が５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、水素の濃度が５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることが好ましい。
【００５４】
以上説明したインジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び亜鉛（Ｚｎ）を含む酸化物半導体膜において、ｃ軸配向した結晶領域を含むことにより、全体が非晶質構造の酸化物半導体膜と比較して良好な結晶性を有するので、酸素欠損やダングリングボンド、あるいはダングリングボンドなどに結合する水素、ボロン、窒素、リンなどの不純物が低減されている。
【００５５】
これらの酸素欠損やダングリングボンド、あるいはダングリングボンドなどに結合する不純物は、酸化物半導体膜中でキャリアのトラップ、あるいはキャリアの供給源のように機能するため、当該酸化物半導体膜の電気伝導度が変動する原因となりうる。
【００５６】
したがって、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膜において、ｃ軸配向した結晶領域を含む酸化物半導体膜は、電気伝導度が安定しており、可視光や紫外光などの照射に対しても電気的に安定な構造を有することができる。
【００５７】
また、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膜において、ｃ軸配向した結晶領域の組成と、ｃ軸配向した結晶領域を含む全体の酸化物半導体膜の組成が決定されている。また、ｃ軸配向した結晶領域の組成は、その化学量論的組成比からのずれが生じても安定な構造とすることができる。このように各組成を決定することにより、安定した結晶構造を有する酸化物半導体膜とすることができる。
【００５８】
以上、本実施の形態に示す構成などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【００５９】
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１に示す、インジウム、ガリウム、及び亜鉛を含む酸化物半導体膜において、ｃ軸配向した結晶領域を含む酸化物半導体膜、及び当該酸化物半導体膜を有するトランジスタの作製方法について図４及び図５を用いて説明する。図４は、トップゲート構造のトランジスタ３２０の作製工程を示す断面図であり、図５は製造装置の構成の一形態である。また、本実施の形態においては、先の実施の形態１と異なり、ｃ軸配向した結晶領域を含む酸化物半導体膜は、２回に分けて形成する方法について例示する。
【００６０】
図４（Ｅ）は、トップゲート型のトランジスタ３２０の断面図であり、トランジスタ３２０は、絶縁表面を有する基板３００上に、絶縁膜３０１、チャネル形成領域を含む酸化物半導体膜３０９、ソース電極３０４ａ、ドレイン電極３０４ｂ、ゲート絶縁膜３０２、ゲート電極３１２、及び絶縁膜３１０ａを含む。酸化物半導体膜３０９の端部を覆ってソース電極３０４ａ、及びドレイン電極３０４ｂが設けられ、ソース電極３０４ａ、及びドレイン電極３０４ｂを覆うゲート絶縁膜３０２は、酸化物半導体膜３０９の一部に接する。該酸化物半導体膜３０９の一部上にゲート絶縁膜３０２を介してゲート電極３１２が設けられる。
【００６１】
また、ゲート絶縁膜３０２、及びゲート電極３１２上に絶縁膜３１０ａ、及び絶縁膜３１０ｂが設けられている。
【００６２】
以下、図４（Ａ）乃至図４（Ｅ）を用い、基板上にトランジスタ３２０を作製する工程を説明する。
【００６３】
まず、基板３００上に絶縁膜３０１を形成する（図４（Ａ）参照）。
【００６４】
基板３００は、フュージョン法やフロート法で作製される無アルカリガラス基板、本作製工程の処理温度に耐えうる耐熱性を有するプラスチック基板等を用いることができる。また、ステンレスなどの金属基板の表面に絶縁膜を設けた基板や、半導体基板の表面に絶縁膜を設けた基板を適用しても良い。基板３００がマザーガラスの場合、基板の大きさは、第１世代（３２０ｍｍ×４００ｍｍ）、第２世代（４００ｍｍ×５００ｍｍ）、第３世代（５５０ｍｍ×６５０ｍｍ）、第４世代（６８０ｍｍ×８８０ｍｍ、または７３０ｍｍ×９２０ｍｍ）、第５世代（１０００ｍｍ×１２００ｍｍまたは１１００ｍｍ×１２５０ｍｍ）、第６世代（１５００ｍｍ×１８００ｍｍ）、第７世代（１９００ｍｍ×２２００ｍｍ）、第８世代（２１６０ｍｍ×２４６０ｍｍ）、第９世代（２４００ｍｍ×２８００ｍｍ、または２４５０ｍｍ×３０５０ｍｍ）、第１０世代（２９５０ｍｍ×３４００ｍｍ）等を用いることができる。マザーガラスは、処理温度が高く、処理時間が長いと大幅に収縮するため、マザーガラスを使用して大量生産を行う場合、作製工程の加熱処理は、６００℃以下、好ましくは４５０℃以下とすることが望ましい。
【００６５】
絶縁膜３０１は、ＰＣＶＤ法またはスパッタリング法を用いて５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の膜厚で、酸化シリコン膜、酸化ガリウム膜、酸化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜、または窒化酸化シリコン膜から選ばれた一層またはこれらの積層を用いる。下地絶縁膜として用いられる絶縁膜３０１は、膜中（バルク中）に少なくとも化学量論的組成比を超える量の酸素が存在することが好ましく、例えば酸化シリコン膜を用いる場合には、ＳｉＯ２＋α（ただし、α＞０）とする。絶縁膜３０１の酸素含有量を多くすることで、後に形成する酸化物半導体膜に絶縁膜３０１より酸素を供給することができる。
【００６６】
また、絶縁膜３０１は、表面の平坦性を良好にすることが好ましい。例えば、絶縁膜３０１の平均面粗さ（Ｒａ）を０．１ｎｍ以上０．５ｎｍ未満とすることが好ましい。絶縁膜３０１の表面の平坦性が良好であると、後に形成する酸化物半導体膜の結晶性が向上する。
【００６７】
また、アルカリ金属などの不純物を含むガラス基板を用いる場合、アルカリ金属の侵入防止のため、絶縁膜３０１と基板３００との間に窒化物絶縁膜としてＰＣＶＤ法またはスパッタリング法で得られる窒化シリコン膜、窒化アルミニウム膜などを形成してもよい。ＬｉやＮａなどのアルカリ金属は、不純物であるため含有量を少なくすることが好ましい。
【００６８】
次いで、絶縁膜３０１上に膜厚１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の第１の酸化物半導体膜を形成する。
【００６９】
本実施の形態では、金属酸化物ターゲット（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子％比］）を用いて、基板とターゲットの間との距離を１７０ｍｍ、基板温度を４００℃、圧力を０．４Ｐａ、直流（ＤＣ）電源を５００Ｗ、酸素のみ、アルゴンのみ、又はアルゴン及び酸素雰囲気下で膜厚５ｎｍの第１の酸化物半導体膜を成膜する。
【００７０】
第１の酸化物半導体膜は、スパッタリング法を用いて、アルゴンガス、酸素ガス、またはアルゴンガスと酸素ガスの混合ガスなどを用いて、成膜することができる。なお、成膜時に基板を加熱することで、非晶質領域に対して結晶領域の占める割合の多い第１の酸化物半導体膜とすることができる。例えば、基板温度が１５０℃以上４５０℃以下とすればよい。好ましくは、基板温度が２００℃以上４００℃以下とする。
【００７１】
また、第１の酸化物半導体膜の形成雰囲気は、アルゴンガス、酸素ガス、またはアルゴンガスと酸素ガスの混合ガスを用いることができ、これらのガスは高純度ガスを用いるのが好適である。例えば、水素、水、水酸基、水素化物などの不純物が、濃度１ｐｐｍ以下（望ましくは濃度１０ｐｐｂ以下）にまで除去された高純度ガスを用いると良い。
【００７２】
また、成膜時のスパッタリング雰囲気中の酸素の流量を大きくすると好ましい。成膜時の酸素の流量を大きくすることで、第１の酸化物半導体膜中の酸素濃度を高くすることができる。例えば、総ガス流量に対する酸素の割合が、好ましくは１０％以上、より好ましくは３０％以上、特に好ましくは５０％以上とする。
【００７３】
基板温度を高めることによって、第１の酸化物半導体膜をより結晶化させることができる。
【００７４】
次いで、基板を配置するチャンバー雰囲気を窒素、または乾燥空気とし、第１の加熱処理を行う。第１の加熱処理の温度は、４００℃以上７５０℃以下とする。また、第１の加熱処理の加熱時間は１分以上２４時間以下とする。第１の加熱処理によって第１の酸化物半導体膜３０８ａを形成する（図４（Ａ）参照）。
【００７５】
次いで、第１の酸化物半導体膜３０８ａ上に１０ｎｍよりも厚い第２の酸化物半導体膜を形成する。
【００７６】
本実施の形態では、金属酸化物ターゲット（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子％比］）を用いて、基板とターゲットの間との距離を１７０ｍｍ、基板温度を４００℃、圧力を０．４Ｐａ、直流（ＤＣ）電源を５００Ｗ、酸素のみ、アルゴンのみ、又はアルゴン及び酸素雰囲気下で膜厚２５ｎｍの第２の酸化物半導体膜を成膜する。
【００７７】
次いで、基板を配置するチャンバー雰囲気を窒素、または乾燥空気とし、第２の加熱処理を行う。第２の加熱処理の温度は、４００℃以上７５０℃以下とする。また、第２の加熱処理の加熱時間は１分以上２４時間以下とする。第２の加熱処理によって第２の酸化物半導体膜３０８ｂを形成する（図４（Ｂ）参照）。
【００７８】
以上により、第１の酸化物半導体膜３０８ａと第２の酸化物半導体膜３０８ｂからなる酸化物半導体膜３０８が形成される。
【００７９】
第１の加熱処理、及び第２の加熱処理を７５０℃よりも高い温度で加熱処理を行うと、ガラス基板の収縮により酸化物半導体膜にクラック（厚さ方向に伸びるクラック）が形成されやすい。従って、第１の酸化物半導体膜形成後の加熱処理、例えば第１の加熱処理、及び第２の加熱処理の温度や、スパッタリング成膜時の基板温度などを、好ましくは７５０℃以下、さらに好ましくは４５０℃以下のプロセスとすることで、大面積のガラス基板上に信頼性の高いトランジスタを作製することができる。
【００８０】
また、絶縁膜３０１の形成から第２の加熱処理までの工程を大気に触れることなく連続的に行うことが好ましい。図５に絶縁膜３０１の形成から第２の加熱処理までの工程を大気に触れることなく連続的に行うことができる製造装置の上面図を例示する。
【００８１】
図５に示す製造装置は、枚葉式マルチチャンバー装置であり、スパッタリング室１０ａ、スパッタリング室１０ｂ、スパッタリング室１０ｃや、被処理基板を収容するカセットポート１４を３つ有する基板供給室１１や、ロードロック室１２ａ、アンロードロック室１２ｂや、搬送室１３や、基板加熱室１５などを有している。なお、基板供給室１１及び搬送室１３には、被処理基板を搬送するための搬送ロボットがそれぞれ配置されている。また、各チャンバー（スパッタリング室１０ａ、ロードロック室１２ａなど）を仕切るためのゲートバルブ１６が設けられている。スパッタリング室１０ａ、スパッタリング室１０ｂ、スパッタリング室１０ｃ、搬送室１３、及び基板加熱室１５は、水素及び水分をほとんど含まない雰囲気（不活性雰囲気、減圧雰囲気、乾燥空気雰囲気など）下に制御することが好ましく、例えば、水分については露点−４０℃以下、好ましくは露点−５０℃以下の乾燥窒素雰囲気とする。
【００８２】
また、スパッタリング室１０ａ、スパッタリング室１０ｂ、及びスパッタリング室１０ｃは、ターゲット交換、防着板などの交換時に、チャンバーを大気開放することがある。スパッタリング室を大気開放したあとは、チャンバー内の水素及び水分は、ほとんど含まない雰囲気とすることが好ましい。例えば、チャンバー大気開放後、チャンバーをベーキングし、チャンバー内に付着した水素、及び水分を取り除く作業や、ターゲット表面、または、防着板に付着した水素、水分を取り除くためにプレスパッタリング作業を行うことで、酸化物半導体膜中への不純物の混入を徹底的に排除することができる。
【００８３】
また、スパッタリング室１０ａ、スパッタリング室１０ｂ、及びスパッタリング室１０ｃは、クライオポンプ、ターボ分子ポンプにコールドトラップを取り付けたポンプなどを用いて、排気経路からのガスの逆流を防ぐ構造とすればよい。排気経路からのガスの混入は、酸化物半導体膜中の不純物濃度が上昇してしまうため、徹底的に排除する必要がある。
【００８４】
図５の製造装置を用いた作製工程の手順の一例としては、まず、カセットポート１４より、ロードロック室１２ａと搬送室１３を経て基板加熱室１５に移動させ、基板加熱室１５で被処理基板に付着している水分を真空ベークなどで除去し、その後、搬送室１３を経てスパッタリング室１０ｃに被処理基板を移動させ、スパッタリング室１０ｃ内で絶縁膜３０１を成膜する。そして、大気に触れることなく、搬送室１３を経てスパッタリング室１０ａに被処理基板を移動させ、スパッタリング室１０ａ内で膜厚５ｎｍの第１の酸化物半導体膜を成膜する。そして、大気に触れることなく、搬送室１３を経て基板加熱室１５に被処理基板を移動させ、第１の加熱処理を行い、第１の酸化物半導体膜３０８ａを形成する。そして、大気に触れることなく、搬送室１３を経てスパッタリング室１０ｂに被処理基板を移動させ、スパッタリング室１０ｂ内で膜厚１０ｎｍよりも厚い第２の酸化物半導体膜を成膜する。そして、大気に触れることなく、搬送室１３を経て基板加熱室１５に被処理基板を移動させ、第２の加熱処理を行い、第２の酸化物半導体膜３０８ｂを形成する。その後、搬送室１３、アンロードロック室１２ｂ、基板供給室１１を経てカセットポート１４へ被処理基板を移動させる。
【００８５】
このように、図５の製造装置を用いることによって絶縁膜３０１形成から第２の加熱処理まで大気に触れることなく、作製プロセスを進めることができる。
【００８６】
また、図５の製造装置は、スパッタリング室のスパッタリングターゲットを変更することで、異なる構成の大気に触れることのないプロセスを実現できる。例えば、予め絶縁膜３０１を形成した基板をカセットポート１４に設置し、第１の酸化物半導体膜の成膜から第２の加熱処理を行う工程までを大気に触れずに進めて、酸化物半導体膜３０８を形成し、その後、大気に触れることなく、スパッタリング室１０ｃ内で金属ターゲットを用いてソース電極およびドレイン電極を形成するための導電膜を酸化物半導体膜３０８に成膜することもできる。
【００８７】
このように、図５に示す枚葉式マルチチャンバー装置を用いて、絶縁膜３０１、第１の酸化物半導体膜３０８ａ、及び第２の酸化物半導体膜３０８ｂの成膜を連続的に行うことができる。
【００８８】
なお、図では、第１の酸化物半導体膜３０８ａと第２の酸化物半導体膜３０８ｂの界面を点線で示し、酸化物半導体膜３０８としているが、明確な界面が存在しているのではなく、あくまでも分かりやすく説明するために図示している。
【００８９】
また、酸化物半導体膜３０８は、成膜プロセス、加熱処理等により酸化物半導体膜３０８内より徹底的に水、水素、水酸基、水素化物などが除去された高純度化された酸化物半導体膜である。その水素濃度は、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、望ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より望ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。
【００９０】
また、酸化物半導体膜３０８は、Ｎ型の不純物となるリン（Ｐ）、ボロン（Ｂ）、Ｎ（窒素）の不純物を足し合わせた不純物濃度は、好ましくは、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、更に好ましくは、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。また、Ｎ型の不純物となるリン（Ｐ）、ボロン（Ｂ）、Ｎ（窒素）のいずれか一つの不純物が、好ましくは、１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、更に好ましくは、１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。
【００９１】
このように、Ｎ型となりえる不純物を酸化物半導体膜３０８より徹底的に排除することにより、酸化物半導体膜３０８をＩ型（真性）にすることができる。
【００９２】
次いで、酸化物半導体膜３０８を加工して島状の酸化物半導体膜３０９を形成する（図４（Ｃ）参照）。酸化物半導体膜３０８の加工は、所望の形状のマスクを酸化物半導体膜３０８上に形成した後、当該酸化物半導体膜３０８をエッチングすることによって行うことができる。上述のマスクは、フォトリソグラフィなどの方法を用いて形成することができる。または、インクジェット法などの方法を用いてマスクを形成しても良い。
【００９３】
なお、酸化物半導体膜３０８のエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよい。もちろん、これらを組み合わせて用いてもよい。
【００９４】
次いで、島状の酸化物半導体膜３０９上に、ソース電極、及びドレイン電極（これと同じ層で形成される配線を含む）を形成するための導電膜を形成し、当該導電膜を加工して、ソース電極３０４ａ、及びドレイン電極３０４ｂを形成する（図４（Ｃ）参照）。ソース電極３０４ａ、及びドレイン電極３０４ｂは、スパッタリング法等により、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料又はこれらを含む合金材料を用いて、単層で又は積層して形成することができる。
【００９５】
次いで、酸化物半導体膜３０９の一部と接し、且つ、ソース電極３０４ａ、及びドレイン電極３０４ｂを覆うゲート絶縁膜３０２を形成する（図４（Ｄ）参照）。ゲート絶縁膜３０２は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いた酸化物絶縁膜であり、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、又はこれらの混合材料を用いて単層で又は積層して形成する。ゲート絶縁膜３０２の膜厚は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。
【００９６】
本実施の形態では、ゲート絶縁膜３０２として、スパッタリング法を用いて１００ｎｍの酸化シリコン膜を用いる。そして、ゲート絶縁膜３０２の形成後に第３の加熱処理を行う。第３の加熱処理によって、ゲート絶縁膜３０２から酸化物半導体膜３０９への酸素供給が行われる。第３の加熱処理の条件は、不活性雰囲気、酸素雰囲気、酸素と窒素の混合雰囲気下で、２００℃以上４００℃以下、好ましくは２５０℃以上３２０℃以下とする。また、第３の加熱処理の加熱時間は１分以上２４時間以下とする。なお、第３の加熱処理の加熱温度を３２０℃より高くするとトランジスタのオン特性の低下が生じる可能性がある。
【００９７】
次いで、ゲート絶縁膜３０２上に導電膜を形成した後、フォトリソグラフィ工程、及びエッチング工程によりゲート電極３１２を形成する（図４（Ｅ）参照）。ゲート電極３１２は、ゲート絶縁膜３０２を介して酸化物半導体膜３０９の一部と重なる。ゲート電極３１２は、スパッタリング法等により、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料又はこれらを含む合金材料を用いて、単層で又は積層して形成することができる。
【００９８】
次いで、ゲート電極３１２およびゲート絶縁膜３０２を覆う絶縁膜３１０ａ、及び絶縁膜３１０ｂを形成する（図４（Ｅ）参照）。
【００９９】
絶縁膜３１０ａ、及び絶縁膜３１０ｂは、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、又はこれらの混合材料を用いて単層で又は積層して形成することができる。本実施の形態では、絶縁膜３１０ａとしてスパッタリング法で得られる３００ｎｍの酸化シリコン膜を用い、窒素雰囲気下で２５０℃、１時間の加熱処理を行う。その後、水分の侵入防止や、アルカリ金属の侵入防止のため、絶縁膜３１０ｂとしてスパッタリング法で得られる窒化シリコン膜を形成する。ＬｉやＮａなどのアルカリ金属は、不純物であるため含有量を少なくすることが好ましく、酸化物半導体膜３０９中に５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、の濃度とする。なお、本実施の形態では絶縁膜３１０ａ、及び絶縁膜３１０ｂの２層構造とする例を示したが、単層構造としてもよい。
【０１００】
以上の工程でトップゲート型のトランジスタ３２０が形成される。
【０１０１】
図４（Ｅ）に示すトランジスタ３２０において、第１の酸化物半導体膜３０８ａ、または第２の酸化物半導体膜３０８ｂは、少なくとも一部がｃ軸配向した結晶領域を有している。ｃ軸配向した結晶領域を含むことにより、全体が非晶質構造の酸化物半導体膜と比較して良好な結晶性を有するので、酸素欠損やダングリングボンド、あるいはダングリングボンドなどに結合する水素、ボロン、窒素、リンなどの不純物が低減されている。
【０１０２】
したがって、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膜において、ｃ軸配向した結晶領域を含む酸化物半導体膜は、電気的に安定な構造を有することができる。
【０１０３】
以上、本実施の形態に示す構成などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【０１０４】
（実施の形態３）
本実施の形態では、先の実施の形態２に示したトップゲート構造のトランジスタ３２０と異なる構成のトランジスタについて図６を用いて説明する。また、先の実施の形態２に示したトランジスタ３２０と同様の構成については、同様の符号を用い、その繰り返しの説明は省略する。
【０１０５】
図６（Ａ）乃至図６（Ｃ）に示すトランジスタは、実施の形態１に示すインジウム、ガリウム、及び亜鉛を含み、且つｃ軸配向した結晶領域を有する酸化物半導体膜を、チャネル形成領域に用いることで高い信頼性を有するトランジスタを実現することができる。
【０１０６】
図６（Ａ）に示すトランジスタ３３０は、基板３００上に設けられた絶縁膜３０１と、絶縁膜３０１上に設けられたソース電極３０４ａ、及びドレイン電極３０４ｂと、ソース電極３０４ａ、及びドレイン電極３０４ｂの上面及び側面と接するように設けられた酸化物半導体膜３０９と、酸化物半導体膜３０９上に設けられたゲート絶縁膜３０２と、酸化物半導体膜３０９と重畳してゲート絶縁膜３０２上に設けられたゲート電極３１２と、ゲート電極３１２上に設けられた絶縁膜３１０ａとを有する。つまり、トランジスタ３３０は、酸化物半導体膜３０９がソース電極３０４ａ、及びドレイン電極３０４ｂの上面及び側面と接するように設けられている点において、トランジスタ３２０と異なる。
【０１０７】
図６（Ｂ）に示すトランジスタ３４０は、基板３００上に設けられた絶縁膜３０１と、絶縁膜３０１上に設けられたゲート電極３１２と、ゲート電極３１２上に設けられたゲート絶縁膜３０２と、ゲート絶縁膜３０２上に設けられた酸化物半導体膜３０９と、酸化物半導体膜３０９の上面及び側面と接するように設けられたソース電極３０４ａ、及びドレイン電極３０４ｂと、酸化物半導体膜３０９上に設けられた絶縁膜３１０ａとを有する。つまり、トランジスタ３４０は、ゲート電極３１２とゲート絶縁膜３０２が酸化物半導体膜３０９の下に設けられた、ボトムゲート構造である点において、トランジスタ３２０と異なる。
【０１０８】
また、図６（Ｃ）に示すトランジスタ３５０は、基板３００上に設けられた絶縁膜３０１と、絶縁膜３０１上に設けられたゲート電極３１２と、ゲート電極３１２上に設けられたゲート絶縁膜３０２と、ゲート絶縁膜３０２上に設けられたソース電極３０４ａ及びドレイン電極３０４ｂと、ソース電極３０４ａ及びドレイン電極３０４ｂの上面及び側面と接するように設けられた酸化物半導体膜３０９と、酸化物半導体膜３０９上に設けられた絶縁膜３１０ａとを有する。つまり、トランジスタ３５０は、ゲート電極３１２とゲート絶縁膜３０２が酸化物半導体膜３０９の下に設けられた、ボトムゲート構造である点において、トランジスタ３３０と異なる。
【０１０９】
なお、図６（Ａ）乃至図６（Ｃ）に示すトランジスタ３３０、トランジスタ３４０、及びトランジスタ３５０において、酸化物半導体膜３０９の少なくとも一部がｃ軸配向した結晶領域を有している。ｃ軸配向した結晶領域を含むことにより、全体が非晶質構造の酸化物半導体膜と比較して良好な結晶性を有するので、酸素欠損やダングリングボンド、あるいはダングリングボンドなどに結合する水素、ボロン、窒素、リンなどの不純物が低減されている。
【０１１０】
したがって、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膜において、ｃ軸配向した結晶領域を含む酸化物半導体膜は、電気的に安定な構造を有することができる。
【０１１１】
このように、本発明の酸化物半導体膜は、さまざまな構造のトランジスタに適用することができる。
【０１１２】
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【０１１３】
（実施の形態４）
本実施の形態では、同一基板上に少なくとも駆動回路の一部と、画素部に配置するトランジスタ有する表示装置について図７を用いて以下に説明する。
【０１１４】
画素部に配置するトランジスタは、実施の形態２、または実施の形態３に示したトランジスタを用いる。また、当該トランジスタはｎチャネル型とすることが容易なので、駆動回路のうち、ｎチャネル型ＴＦＴで構成することができる駆動回路の一部を画素部のトランジスタと同一基板上に形成する。このように、画素部や駆動回路に先の実施の形態２、または実施の形態３に示すトランジスタを用いることにより、信頼性の高い表示装置を提供することができる。
【０１１５】
アクティブマトリクス型表示装置のブロック図の一例を図７（Ａ）に示す。表示装置の基板５００上には、画素部５０１、第１の走査線駆動回路５０２、第２の走査線駆動回路５０３、信号線駆動回路５０４を有する。画素部５０１には、複数の信号線が信号線駆動回路５０４から延伸して配置され、複数の走査線が第１の走査線駆動回路５０２、及び第２の走査線駆動回路５０３から延伸して配置されている。なお走査線と信号線との交差領域には、各々、表示素子を有する画素がマトリクス状に設けられている。また、表示装置の基板５００はＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等の接続部を介して、タイミング制御回路（コントローラ、制御ＩＣともいう）に接続されている。
【０１１６】
図７（Ａ）では、第１の走査線駆動回路５０２、第２の走査線駆動回路５０３、信号線駆動回路５０４は、画素部５０１と同じ基板５００上に形成される。そのため、外部に設ける駆動回路等の部品の数が減るので、コストの低減を図ることができる。また、基板５００外部に駆動回路を設けた場合、配線を延伸させる必要が生じ、配線間の接続数が増える。同じ基板５００上に駆動回路を設けた場合、その配線間の接続数を減らすことができ、信頼性の向上、又は歩留まりの向上を図ることができる。
【０１１７】
また、画素部の回路構成の一例を図７（Ｂ）に示す。ここでは、ＶＡ型液晶表示パネルの画素構造を示す。
【０１１８】
この画素構造は、一つの画素に複数の画素電極層が有り、それぞれの画素電極層にトランジスタが接続されている。各トランジスタは、異なるゲート信号で駆動されるように構成されている。すなわち、マルチドメイン設計された画素において、個々の画素電極層に印加する信号を、独立して制御する構成を有している。
【０１１９】
トランジスタ５１６のゲート配線５１２と、トランジスタ５１７のゲート配線５１３は、異なるゲート信号を与えることができるように分離されている。一方、データ線として機能するソース電極層又はドレイン電極層５１４は、トランジスタ５１６とトランジスタ５１７で共通に用いられている。トランジスタ５１６とトランジスタ５１７は先の実施の形態に示すトランジスタを適宜用いることができる。これにより、信頼性の高い液晶表示パネルを提供することができる。
【０１２０】
トランジスタ５１６と接続する第１の画素電極層と、トランジスタ５１７と接続する第２の画素電極層の形状は異なっており、スリットによって分離されている。Ｖ字型に広がる第１の画素電極層の外側を囲むように第２の画素電極層が形成されている。第１の画素電極層と第２の画素電極層に印加する電圧のタイミングを、トランジスタ５１６及びトランジスタ５１７により異ならせることで、液晶の配向を制御している。トランジスタ５１６はゲート配線５１２と接続し、トランジスタ５１７はゲート配線５１３と接続している。ゲート配線５１２とゲート配線５１３は異なるゲート信号を与えることで、トランジスタ５１６とトランジスタ５１７の動作タイミングを異ならせることができる。
【０１２１】
また、容量配線５１０と、誘電体として機能するゲート絶縁膜と、第１の画素電極層または第２の画素電極層と接続する容量電極とで保持容量を形成する。
【０１２２】
第１の画素電極層と液晶層と対向電極層が重なり合うことで、第１の液晶素子５１８が形成されている。また、第２の画素電極層と液晶層と対向電極層が重なり合うことで、第２の液晶素子５１９が形成されている。また、一画素に第１の液晶素子５１８と第２の液晶素子５１９が設けられたマルチドメイン構造である。
【０１２３】
なお、図７（Ｂ）に示す画素構成は、これに限定されない。例えば、図７（Ｂ）に示す画素に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、トランジスタ、センサ、又は論理回路などを追加してもよい。
【０１２４】
また、図７（Ｂ）に示す画素構成と異なる回路構成の一例を図７（Ｃ）に示す。ここでは、有機ＥＬ素子を用いた表示パネルの画素構造を示す。
【０１２５】
有機ＥＬ素子は、発光素子に電圧を印加することにより、一対の電極から電子および正孔がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして、それらキャリア（電子および正孔）が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このような発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。
【０１２６】
有機ＥＬ素子を駆動可能な画素の構成及び画素の動作について説明する。ここでは本発明の酸化物半導体膜をチャネル形成領域に用いるｎチャネル型のトランジスタを１つの画素に２つ用いる例を示す。
【０１２７】
画素５２０は、スイッチング用トランジスタ５２１、駆動用トランジスタ５２２、発光素子５２４及び容量素子５２３を有している。スイッチング用トランジスタ５２１は、ゲート電極層が走査線５２６に接続され、第１電極（ソース電極層及びドレイン電極層の一方）が信号線５２５に接続され、第２電極（ソース電極層及びドレイン電極層の他方）が駆動用トランジスタ５２２のゲート電極層に接続されている。駆動用トランジスタ５２２は、ゲート電極層が容量素子５２３を介して電源線５２７に接続され、第１電極が電源線５２７に接続され、第２電極が発光素子５２４の第１電極（画素電極）に接続されている。発光素子５２４の第２電極は共通電極５２８に相当する。共通電極５２８は、同一基板上に形成される共通電位線に接続される。
【０１２８】
スイッチング用トランジスタ５２１および駆動用トランジスタ５２２は実施の形態２、または実施の形態３に示すトランジスタを適宜用いることができる。これにより、信頼性の高い有機ＥＬ素子を用いた表示パネルを提供することができる。
【０１２９】
なお、発光素子５２４の第２電極（共通電極５２８）には低電源電位が設定されている。なお、低電源電位とは、電源線５２７に設定される高電源電位を基準にして低電源電位＜高電源電位を満たす電位であり、低電源電位としては例えばＧＮＤ、０Ｖなどが設定されていても良い。この高電源電位と低電源電位との電位差を発光素子５２４に印加して、発光素子５２４に電流を流して発光素子５２４を発光させるため、高電源電位と低電源電位との電位差が発光素子５２４の順方向しきい値電圧以上となるようにそれぞれの電位を設定する。
【０１３０】
なお、容量素子５２３は、駆動用トランジスタ５２２のゲート容量を代用して省略することも可能である。駆動用トランジスタ５２２のゲート容量については、チャネル形成領域とゲート電極層との間で容量が形成されていてもよい。
【０１３１】
ここで、アナログ階調駆動を行う場合、駆動用トランジスタ５２２のゲート電極層に発光素子５２４の順方向電圧 ＋ 駆動用トランジスタ５２２のＶｔｈ以上の電圧をかける。発光素子５２４の順方向電圧とは、所望の輝度とする場合の電圧を指しており、少なくとも順方向しきい値電圧を含む。なお、駆動用トランジスタ５２２が飽和領域で動作するようなビデオ信号を入力することで、発光素子５２４に電流を流すことができる。駆動用トランジスタ５２２を飽和領域で動作させるため、電源線５２７の電位は、駆動用トランジスタ５２２のゲート電位よりも高くする。ビデオ信号をアナログとすることで、発光素子５２４にビデオ信号に応じた電流を流し、アナログ階調駆動を行うことができる。
【０１３２】
なお、図７（Ｃ）に示す画素構成は、これに限定されない。例えば、図７（Ｃ）に示す画素に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、センサ、トランジスタ又は論理回路などを追加してもよい。
【０１３３】
このように、画素部や駆動回路に先の実施の形態２、または実施の形態３に示すトランジスタを用いており、当該トランジスタのチャネル形成領域に用いる酸化物半導体膜の少なくとも一部がｃ軸配向した結晶領域を有しており、高い信頼性を有するトランジスタである。従って、信頼性の高い表示装置を提供することができる。
【０１３４】
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【０１３５】
（実施の形態５）
本明細書に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器（遊技機も含む）に適用することができる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置（テレビ、またはテレビジョン受信機ともいう）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ等のカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などが挙げられる。上記実施の形態４で説明した表示装置を具備する電子機器の例について説明する。
【０１３６】
図８（Ａ）は、携帯型の情報端末であり、本体１００１、筐体１００２、表示部１００３ａ、表示部１００３ｂなどによって構成されている。表示部１００３ｂはタッチパネルとなっており、表示部１００３ｂに表示されるキーボードボタン１００４に触れることで画面操作や、文字入力を行うことができる。勿論、表示部１００３ａをタッチパネルとして構成してもよい。先の実施の形態２、または実施の形態３で示したトランジスタをスイッチング素子として液晶パネルや有機発光パネルを作製して表示部１００３ａ、表示部１００３ｂに適用することにより、信頼性の高い携帯型の情報端末とすることができる。
【０１３７】
図８（Ａ）に示す携帯型の情報端末は、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示する機能、カレンダー、日付又は時刻などを表示部に表示する機能、表示部に表示した情報を操作又は編集する機能、様々なソフトウェア（プログラム）によって処理を制御する機能、等を有することができる。また、筐体の裏面や側面に、外部接続用端子（イヤホン端子、ＵＳＢ端子など）、記録媒体挿入部などを備える構成としてもよい。
【０１３８】
また、図８（Ａ）に示す携帯型の情報端末は、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。無線により、電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とすることも可能である。
【０１３９】
図８（Ｂ）は、携帯音楽プレイヤーであり、本体１０２１には表示部１０２３と、耳に装着するための固定部１０２２と、スピーカー、操作ボタン１０２４、外部メモリスロット１０２５等が設けられている。先の実施の形態２、または実施の形態３で示したトランジスタをスイッチング素子として液晶パネルや有機発光パネルを作製して表示部１０２３に適用することにより、より信頼性の高い携帯音楽プレイヤーとすることができる。
【０１４０】
さらに、図８（Ｂ）に示す携帯音楽プレイヤーにアンテナやマイク機能や無線機能を持たせ、携帯電話と連携させれば、乗用車などを運転しながらワイヤレスによるハンズフリーでの会話も可能である。
【０１４１】
図８（Ｃ）は、携帯電話であり、筐体１０３０及び筐体１０３１の二つの筐体で構成されている。筐体１０３１には、表示パネル１０３２、スピーカー１０３３、マイクロフォン１０３４、ポインティングデバイス１０３６、カメラ用レンズ１０３７、外部接続端子１０３８などを備えている。また、筐体１０３０には、携帯電話の充電を行う太陽電池セル１０４０、外部メモリスロット１０４１などを備えている。また、アンテナは筐体１０３１内部に内蔵されている。先の実施の形態２、または実施の形態３で示したトランジスタを表示パネル１０３２に適用することにより、信頼性の高い携帯電話とすることができる。
【０１４２】
また、表示パネル１０３２はタッチパネルを備えており、図８（Ｃ）には映像表示されている複数の操作キー１０３５を点線で示している。なお、太陽電池セル１０４０で出力される電圧を各回路に必要な電圧に昇圧するための昇圧回路も実装している。
【０１４３】
例えば、昇圧回路などの電源回路に用いられるパワートランジスタも先の実施の形態２、または実施の形態３に示したトランジスタの酸化物半導体膜の膜厚を２μｍ以上５０μｍ以下とすることで形成することができる。
【０１４４】
表示パネル１０３２は、使用形態に応じて表示の方向が適宜変化する。また、表示パネル１０３２と同一面上にカメラ用レンズ１０３７を備えているため、テレビ電話が可能である。スピーカー１０３３及びマイクロフォン１０３４は音声通話に限らず、テレビ電話、録音、再生などが可能である。さらに、筐体１０３０と筐体１０３１は、スライドし、図８（Ｃ）のように展開している状態から重なり合った状態とすることができ、携帯に適した小型化が可能である。
【０１４５】
外部接続端子１０３８はＡＣアダプタ及びＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能であり、充電及びパーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能である。また、外部メモリスロット１０４１に記録媒体を挿入し、より大量のデータ保存及び移動に対応できる。
【０１４６】
また、上記機能に加えて、赤外線通信機能、テレビ受信機能などを備えたものであってもよい。
【０１４７】
図８（Ｄ）は、テレビジョン装置の一例を示している。テレビジョン装置１０５０は、筐体１０５１に表示部１０５３が組み込まれている。表示部１０５３により、映像を表示することが可能である。また、ここでは、ＣＰＵを内蔵したスタンド１０５５により筐体１０５１を支持した構成を示している。先の実施の形態２、または実施の形態３で示したトランジスタを表示部１０５３に適用することにより、信頼性の高いテレビジョン装置１０５０とすることができる。
【０１４８】
テレビジョン装置１０５０の操作は、筐体１０５１が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機により行うことができる。また、リモコン操作機に、当該リモコン操作機から出力する情報を表示する表示部を設ける構成としてもよい。
【０１４９】
なお、テレビジョン装置１０５０は、受信機やモデムなどを備えた構成とする。受信機により一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線または無線による通信ネットワークに接続することにより、一方向（送信者から受信者）または双方向（送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など）の情報通信を行うことも可能である。
【０１５０】
また、テレビジョン装置１０５０は、外部接続端子１０５４や、記憶媒体再生録画部１０５２、外部メモリスロットを備えている。外部接続端子１０５４は、ＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能であり、パーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能である。記憶媒体再生録画部１０５２では、ディスク状の記録媒体を挿入し、記録媒体に記憶されているデータの読み出し、記録媒体への書き込みが可能である。また、外部メモリスロットに差し込まれた外部メモリ１０５６にデータ保存されている画像や映像などを表示部１０５３に映し出すことも可能である。
【０１５１】
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【実施例１】
【０１５２】
本実施例においては、インジウム、ガリウム、及び亜鉛を含む酸化物半導体膜において、酸化物半導体膜の成膜条件を変更することで、全体が非晶質構造の酸化物半導体膜（ａｍｏ−ＯＳ、試料１）と、開示する発明の一態様であるｃ軸に配向した結晶領域を有した酸化物半導体膜（ＣＡＡＣ−ＯＳ、試料２及び試料３）を作製し、酸化物半導体膜中の酸素欠損について評価を行った。各試料の詳細は以下の通りである。
【０１５３】
（試料１）
石英基板上にスパッタリング法にてＩＧＺＯ膜を１００ｎｍ形成した。その後ＩＧＺＯ膜を４５０℃×１時間、Ｎ２雰囲気（Ｎ２＝１００％）にて熱処理を行った。その後、該ＩＧＺＯ膜上にプラズマＣＶＤ法にてＳｉＯＮ膜を４００ｎｍ形成した。なお、ＩＧＺＯ膜の成膜条件は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の金属酸化物ターゲットを用い、Ａｒ／Ｏ２＝９０／１０ｓｃｃｍ（Ｏ２ガス流量比１０％）、成膜圧力＝０．６Ｐａ、成膜電力＝５ｋｗ（ＤＣ）、基板温度＝１７０℃の条件とした。また、ＳｉＯＮ膜の成膜条件は、ＳｉＨ４／Ｎ２Ｏ＝３０／４０００ｓｃｃｍ、成膜圧力＝２００Ｐａ、成膜電力＝１５０Ｗ（ＲＦ）、基板温度＝２２０℃の条件とした。
【０１５４】
（試料２）
石英基板上にスパッタリング法にてＩＧＺＯ膜を１００ｎｍ形成した。その後ＩＧＺＯ膜を４５０℃×１時間、Ｎ２雰囲気（Ｎ２＝１００％）にて熱処理を行った。その後、該ＩＧＺＯ膜上にプラズマＣＶＤ法にてＳｉＯＮ膜を４００ｎｍ形成した。なお、ＩＧＺＯ膜の成膜条件は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の金属酸化物ターゲットを用い、Ａｒ／Ｏ２＝５０／５０ｓｃｃｍ（Ｏ２ガス流量比５０％）、成膜圧力＝０．６Ｐａ、成膜電力＝５ｋｗ（ＤＣ）、基板温度＝１７０℃の条件とした。また、ＳｉＯＮ膜の成膜条件は、試料１と同じ条件とした。
【０１５５】
（試料３）
石英基板上にスパッタリング法にてＩＧＺＯ膜を１００ｎｍ形成した。その後ＩＧＺＯ膜を４５０℃×１時間、Ｎ２雰囲気（Ｎ２＝１００％）にて熱処理を行った。その後、該ＩＧＺＯ膜上にプラズマＣＶＤ法にてＳｉＯＮ膜を４００ｎｍ形成した。なお、ＩＧＺＯ膜の成膜条件は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の金属酸化物ターゲットを用い、Ａｒ／Ｏ２＝０／１００ｓｃｃｍ（Ｏ２ガス流量比１００％）、成膜圧力＝０．６Ｐａ、成膜電力＝２ｋｗ（ＤＣ）、基板温度＝１７０℃の条件とした。また、ＳｉＯＮ膜の成膜条件は、試料１及び試料２と同じ条件とした。
【０１５６】
上記、試料１乃至試料３に対して、ＳｉＯＮ成膜後、３００℃×１時間、Ｎ２雰囲気（Ｎ２＝１００％）にて熱処理後、及び３００℃×１時間、Ｎ２＋Ｏ２雰囲気（Ｎ２＝８０％、Ｏ２＝２０％）にて熱処理後に、それぞれ酸化物半導体膜中の酸素欠損の評価を行った。
【０１５７】
なお、酸化物半導体膜中の酸素欠損は、電子スピン共鳴（ＥＳＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｉｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）によって評価できる。
【０１５８】
試料１乃至試料３におけるスピン密度の結果を図９及び図１０に示す。なお、スピン密度の測定条件は、温度２５℃、μ波パワー２０ｍＷ、９．２ＧＨｚ、磁場の向きは膜面に平行、検出下限１．０×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３とした。
【０１５９】
図９（Ａ）は試料１におけるスピン密度の結果を、図９（Ｂ）は試料２におけるスピン密度の結果を、図９（Ｃ）は試料３におけるスピン密度の結果を、それぞれ示す。また、図９（Ａ）、図９（Ｂ）、及び図９（Ｃ）において、上段がＳｉＯＮ成膜後、中段が３００℃×１時間、Ｎ２雰囲気（Ｎ２＝１００％）にて熱処理後、下段が３００℃×１時間、Ｎ２＋Ｏ２雰囲気（Ｎ２＝８０％、Ｏ２＝２０％）にて熱処理後のスピン密度の結果を表す。なお、図９において、横軸がｇ−ｆａｃｔｏｒ（ｇ値ともいう）を表し、縦軸が強度を表す。
【０１６０】
図１０は、図９（Ａ）、図９（Ｂ）、及び図９（Ｃ）に示したスピン密度の結果を棒グラフにした図である。
【０１６１】
図９及び図１０より、ＳｉＯＮ成膜後において、試料１は２．３×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３のスピン密度であり、試料２は２．１×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３のスピン密度であり、試料３は８．９×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３のスピン密度であった。また、３００℃×１時間、Ｎ２雰囲気にて熱処理後において、試料１は２．４×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３のスピン密度であり、試料２及び試料３は検出下限以下であった。また、３００℃×１時間、Ｎ２＋Ｏ２雰囲気にて熱処理後において、試料１は１．７×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３のスピン密度であり、試料２及び試料３は検出下限以下であった。
【０１６２】
これらの結果より、全体が非晶質構造の酸化物半導体膜（ａｍｏ−ＯＳ、試料１）と、開示する発明の一態様であるｃ軸に配向した結晶領域を有した酸化物半導体膜（ＣＡＡＣ−ＯＳ、試料２及び試料３）では、膜中の酸素欠損が異なる結果が示された。また、試料１においては、ＳｉＯＮ成膜後に３００℃×１時間、Ｎ２＋Ｏ２雰囲気にて熱処理を行った条件については、スピン密度の低下、すなわち酸化物半導体膜中の酸素欠損がＳｉＯＮ膜中、または熱処理雰囲気中の酸素により一部補填される様子が確認されるが、完全に酸化物半導体膜中の酸素欠損を補填することが出来ていない。一方、試料２及び試料３においては、ＳｉＯＮ成膜後に熱処理を行うことにより、スピン密度が低下し検出下限以下、すなわち酸化物半導体膜中の酸素欠損がＳｉＯＮ膜中、または熱処理雰囲気中の酸素により酸化物半導体膜中の酸素欠損が補填された結果が確認された。
【０１６３】
したがって、開示する発明の一態様であるｃ軸に配向した結晶領域を有した酸化物半導体膜（ＣＡＡＣ−ＯＳ）は、ＥＳＲによって、酸素欠損に起因する信号を有さない酸化物半導体膜と言い換えることができる。
【符号の説明】
【０１６４】
１０ａ スパッタリング室
１０ｂ スパッタリング室
１０ｃ スパッタリング室
１１ 基板供給室
１２ａ ロードロック室
１２ｂ アンロードロック室
１３ 搬送室
１４ カセットポート
１５ 基板加熱室
１６ ゲートバルブ
１００ 基板
１０１ 酸化物半導体膜
１０２ 結晶領域
１５０ 領域
３００ 基板
３０１ 絶縁膜
３０２ ゲート絶縁膜
３０４ａ ソース電極
３０４ｂ ドレイン電極
３０８ 酸化物半導体膜
３０８ａ 酸化物半導体膜
３０８ｂ 酸化物半導体膜
３０９ 酸化物半導体膜
３１０ａ 絶縁膜
３１０ｂ 絶縁膜
３１２ ゲート電極
３２０ トランジスタ
３３０ トランジスタ
３４０ トランジスタ
３５０ トランジスタ
５００ 基板
５０１ 画素部
５０２ 走査線駆動回路
５０３ 走査線駆動回路
５０４ 信号線駆動回路
５１０ 容量配線
５１２ ゲート配線
５１３ ゲート配線
５１４ ドレイン電極層
５１６ トランジスタ
５１７ トランジスタ
５１８ 液晶素子
５１９ 液晶素子
５２０ 画素
５２１ スイッチング用トランジスタ
５２２ 駆動用トランジスタ
５２３ 容量素子
５２４ 発光素子
５２５ 信号線
５２６ 走査線
５２７ 電源線
５２８ 共通電極
１００１ 本体
１００２ 筐体
１００３ａ 表示部
１００３ｂ 表示部
１００４ キーボードボタン
１０２１ 本体
１０２２ 固定部
１０２３ 表示部
１０２４ 操作ボタン
１０２５ 外部メモリスロット
１０３０ 筐体
１０３１ 筐体
１０３２ 表示パネル
１０３３ スピーカー
１０３４ マイクロフォン
１０３５ 操作キー
１０３６ ポインティングデバイス
１０３７ カメラ用レンズ
１０３８ 外部接続端子
１０４０ 太陽電池セル
１０４１ 外部メモリスロット
１０５０ テレビジョン装置
１０５１ 筐体
１０５２ 記憶媒体再生録画部
１０５３ 表示部
１０５４ 外部接続端子
１０５５ スタンド
１０５６ 外部メモリ
【技術分野】
【０００１】
酸化物半導体膜と、該酸化物半導体膜を用いる半導体装置に関する。
【０００２】
なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指し、電気光学装置、半導体回路及び電子機器は全て半導体装置である。
【背景技術】
【０００３】
液晶表示装置に代表されるように、ガラス基板等に形成されるトランジスタはアモルファスシリコン、多結晶シリコンなどによって構成されている。アモルファスシリコンを用いたトランジスタは、ガラス基板の大面積化に容易に対応することができる。しかし、アモルファスシリコンを用いたトランジスタは、電界効果移動度が低いという欠点を有している。また、多結晶シリコンを用いたトランジスタは電界効果移動度が高いが、ガラス基板の大面積化には適していないという欠点を有している。
【０００４】
このような欠点を有するシリコンを用いたトランジスタに対して、酸化物半導体を用いてトランジスタを作製し、電子デバイスや光デバイスに応用する技術が注目されている。例えば酸化物半導体として、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｓｎなどを含む非晶質酸化物を用いてトランジスタを作製する技術が特許文献１で開示されている。また、同様のトランジスタを作製して表示装置の画素のスイッチング素子などに用いる技術が特許文献２で開示されている。
【０００５】
また、このようなトランジスタに用いる酸化物半導体について、「酸化物半導体は不純物に対して鈍感であり、膜中にはかなりの金属不純物が含まれていても問題がなく、ナトリウムのようなアルカリ金属が多量に含まれる廉価なソーダ石灰ガラスも使える」といったことも述べられている（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１６５５２９号公報
【特許文献２】特開２００６−１６５５２８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】神谷、野村、細野、「アモルファス酸化物半導体の物性とデバイス開発の現状」、固体物理、２００９年９月号、Ｖｏｌ．４４、ｐ．６２１−６３３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、酸化物半導体膜がアモルファスのままであると、酸化物半導体膜に酸素欠損やダングリングボンドが生じやすく、これら単独あるいは水素等と結合することにより膜中にキャリアを発生させてしまう。そのため、酸化物半導体膜の電気伝導度等の電気的特性が変化する恐れがある。また、酸化物半導体膜を用いたトランジスタにとって電気的特性の変動の要因となり、半導体装置の信頼性を低下させることになる。
【０００９】
このような問題に鑑み、電気的特性の安定した酸化物半導体膜を提供することを課題の一とする。また、当該酸化物半導体膜を用いることにより、半導体装置に安定した電気的特性を付与し、信頼性の高い半導体装置を提供することを課題の一とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
開示する発明の一態様は、インジウム、ガリウム、及び亜鉛を含む酸化物半導体膜において、ｃ軸に配向した結晶領域を有した酸化物半導体膜である。また、全体が非晶質構造の酸化物半導体膜と比較してｃ軸に配向した結晶領域を有するので、酸素欠損やダングリングボンド、あるいはダングリングボンドなどに結合する水素、ボロン、窒素、リンなどの不純物が低減され、高純度化された酸化物半導体膜である。また、ｃ軸配向した結晶領域の組成と、ｃ軸配向した結晶領域を含む半導体膜全体の組成を決めることで、安定な結晶構造を有する酸化物半導体膜とすることができる。より詳細には以下の通りである。
【００１１】
開示する発明の一態様は、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膜において、酸化物半導体膜は、酸化物半導体膜の被形成面の法線ベクトルに平行な方向に揃うｃ軸配向した結晶領域を有し、ｃ軸配向した結晶領域の組成が、Ｉｎ１＋δＧａ１−δＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ただし、０＜δ＜１、ｍ＝１〜３）で表され、ｃ軸配向した結晶領域を含む全体の酸化物半導体膜の組成が、ＩｎｘＧａｙＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ただし、０＜ｘ＜２、０＜ｙ＜２、ｍ＝１〜３）で表される酸化物半導体膜である。
【００１２】
開示する発明の他の一態様は、ゲート電極と、ゲート電極と接する第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜に接する酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜に接する第２の絶縁膜と、を有し、酸化物半導体膜は、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び亜鉛（Ｚｎ）を含み、且つ酸化物半導体膜の被形成面の法線ベクトルに平行な方向に揃うｃ軸配向した結晶領域を有し、ｃ軸配向した結晶領域の組成が、Ｉｎ１＋δＧａ１−δＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ただし、０＜δ＜１、ｍ＝１〜３）で表され、ｃ軸配向した結晶領域を含む全体の酸化物半導体膜の組成が、ＩｎｘＧａｙＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ただし、０＜ｘ＜２、０＜ｙ＜２、ｍ＝１〜３）で表される半導体装置である。
【００１３】
上記各構成において、酸化物半導体膜は、ボロン（Ｂ）濃度、リン濃度（Ｐ）、及び窒素（Ｎ）濃度の合計が、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、ボロン（Ｂ）濃度、リン濃度（Ｐ）、及び窒素（Ｎ）濃度のいずれか一の元素が、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、リチウム（Ｌｉ）濃度、及びカリウム（Ｋ）濃度が５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、ナトリウム（Ｎａ）濃度が５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の一態様で開示するインジウム、ガリウム、及び亜鉛を含む酸化物半導体膜は、安定した電気的特性を有することができる。このようなインジウム、ガリウム、及び亜鉛を含む酸化物半導体膜をトランジスタに用いることによって、安定した電気的特性を有する、信頼性の高い半導体装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一態様に係る断面ＴＥＭ像。
【図２】本発明の一態様に係る結晶構造を説明する図。
【図３】本発明の一態様に係る模式図、及び本発明の一態様に係る断面ＴＥＭ像。
【図４】本発明の一態様に係る半導体装置の作製工程を説明する断面図。
【図５】製造装置を説明する模式図である。
【図６】本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。
【図７】本発明の一態様を示すブロック図及び等価回路図。
【図８】本発明の一態様を示す電子機器の外観図。
【図９】実施例におけるスピン密度の結果を示す図。
【図１０】実施例におけるスピン密度の結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する本発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。
【００１７】
なお、本明細書で説明する各図において、各構成の大きさ、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。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。
【００１８】
また、本明細書にて用いる第１、第２、第３などの用語は、構成要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではない。そのため、例えば、「第１の」を「第２の」または「第３の」などと適宜置き換えて説明することができる。
【００１９】
（実施の形態１）
本実施の形態では、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膜の構成について、図１乃至図３を用いて説明する。
【００２０】
本実施の形態に係るインジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び亜鉛（Ｚｎ）を含む酸化物半導体膜は、酸化物半導体膜の被形成面の法線ベクトルに平行な方向に揃うｃ軸配向した結晶領域を有し、ｃ軸配向した結晶領域の組成が、Ｉｎ１＋δＧａ１−δＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ただし、０＜δ＜１、ｍ＝１〜３）で表され、ｃ軸配向した結晶領域を含む全体の酸化物半導体膜の組成が、ＩｎｘＧａｙＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ただし、０＜ｘ＜２、０＜ｙ＜２、ｍ＝１〜３）で表される酸化物半導体膜である。
【００２１】
ここで、実際に作製した上記構造を有する酸化物半導体膜の断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で観察した結果（断面ＴＥＭ像）を図１（Ａ）、及び図１（Ｂ）に示す。
【００２２】
図１（Ａ）に示す断面ＴＥＭ像のサンプルは、基板１００上に、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び亜鉛（Ｚｎ）を含む金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子％比］）を用いて、スパッタリング法により室温にて膜厚５０ｎｍで酸化物半導体膜１０１を成膜し、その後酸素雰囲気下において、７００℃ １時間の熱処理を行ったものである。図１（Ａ）に示す断面ＴＥＭ像より、酸化物半導体膜１０１の上部に結晶領域１０２があることがわかる。なお、図１（Ｂ）に示す断面ＴＥＭ像は、図１（Ａ）に示す結晶領域１０２を拡大した図である。
【００２３】
図１（Ａ）、及び図１（Ｂ）に示す断面ＴＥＭ像より、酸化物半導体膜１０１内に層状に原子が配向した結晶領域１０２が、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膜中に複数観察される。
【００２４】
次に、図１（Ｂ）に示す断面ＴＥＭ像を用いて、層状に原子が配向した結晶面の間隔を算出したところ、被形成面の法線ベクトルに平行な方向の面間隔は０．２８８ｎｍであることがわかった。なお、結晶面の間隔の算出方法としては、ＦＦＴＭ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ Ｍａｐｐｉｎｇ）法を用いた。
【００２５】
ここで、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膜の一例であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜の結晶構造は、ＩｎＯ層とＧａＯ層またはＺｎＯ層がｃ軸方向に層状に積層した構造を構成している。その一つにＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）の組成にて格子定数ｃ＝２．６０７ｎｍの構造がある。図２にＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜の結晶構造の模式図を示す。図２は、白丸がＩｎ、灰色丸がＧａまたはＺｎ、黒丸が酸素（Ｏ）を示す。図２に示すように、ＩｎＯ２層（図中ＩｎＯ２ Ｌａｙｅｒ）、及びＧａＺｎＯ２層（図中ＧａＺｎＯ２ Ｌａｙｅｒ）が六角形の格子を有する結合の層がｃ軸方向に積層されている。なお、ｃ軸方向はａ−ｂ面に垂直である。
【００２６】
次に、図２に示した結晶構造を元にシミュレーションを行った。シミュレーションにより得られた模式図を図３（Ａ）に示す。また、図３（Ｂ）に図１（Ｂ）に示す結晶領域１０２のさらに拡大した結晶領域１０２の断面ＴＥＭ像を示す。
【００２７】
図３（Ａ）においては、像強度は原子番号の二乗に比例しており、白丸がＩｎ、灰色丸がＧａまたはＺｎを表す。また、図３（Ｂ）においては、黒い層状に見える領域がＩｎＯ層を示しており、黒い層状の間に位置する領域がＧａＯ層またはＺｎＯ層を示している。
【００２８】
このように、図３（Ａ）に示す模式図と、図３（Ｂ）に示す結晶領域１０２の断面ＴＥＭ像の原子配列の構造が概略一致していることが分かる。すなわち、図１（Ａ）、図１（Ｂ）、及び図３（Ｂ）に示した結晶領域１０２は図２の結晶構造を有している。
【００２９】
また、ｃ軸方向での単位格子の１つ、すなわち（００１）面間隔は、ｃ軸の格子定数ｃ＝２．６０７ｎｍに相当する。ここから、（００９）面間隔はｄ＝０．２８９７ｎｍに相当する。つまり、図１（Ｂ）に示した結晶領域１０２の層状に原子が配向した結晶面の被形成面の法線ベクトルに平行な方向の面間隔は０．２８８ｎｍであり、概ね（００９）面間隔のｄ＝０．２８９７ｎｍと一致することからもＩｎＧａＺｎＯ４の結晶構造を有することが分かる。すなわち、結晶領域１０２の組成はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子％比］である。
【００３０】
このように、結晶領域１０２は、図１（Ａ）、図１（Ｂ）、及び図３（Ｂ）に示す断面ＴＥＭ像より、ｃ軸配向し、かつａ−ｂ面に垂直な方向から見て三角形状または六角形状の原子配列を有し、ｃ軸においては、金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に配列しており、ａ−ｂ面においては、ａ軸またはｂ軸の向きが異なる（ｃ軸を中心に回転した）結晶領域１０２を含む酸化物半導体膜であり、本明細書等においては、該酸化物半導体膜は、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜とする。
【００３１】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜とは、広義に、非単結晶であって、そのａ−ｂ面に垂直な方向から見て、三角形、または、六角形、または正三角形、正六角形の原子配列を有し、且つ、ｃ軸方向に垂直な方向から見て、金属原子が層状、または、金属原子と酸素原子が層状に配列した相を含む材料をいう。
【００３２】
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は単結晶ではないが、また、非晶質のみから形成されているものでもない。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は結晶化した部分（結晶部分）、または結晶化した領域（結晶領域）を含むが、１つの結晶部分と他の結晶部分の境界、または１つの結晶領域と他の結晶領域の境界を明確に判別できないこともある。
【００３３】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を構成する酸素の一部は窒素で置換されてもよい。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を構成する個々の結晶部分のｃ軸は一定の方向（例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向）に揃っていてもよい。あるいは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を構成する個々の結晶部分のａ−ｂ面の法線ベクトルは一定の方向（例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに垂直な方向）を向いていてもよい。
【００３４】
このようなＣＡＡＣ−ＯＳ膜の例として、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃い、かつａｂ面に垂直な方向から観察すると三角形、または、六角形の原子配列が認められ、かつその膜断面を観察すると金属原子、または、金属原子と酸素原子（あるいは窒素原子）の層状配列が認められる材料を挙げることもできる。
【００３５】
ここで、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膜の化学量論的組成比について考えてみる。Ｉｎ、Ｇａは３価、Ｚｎは２価である。例えば、ＩｎをＧａに置換してもＩｎ、Ｇａともに３価であるため価数は変わらない。また、結晶構造は変化せずにＧａの量を減らし、Ｉｎを増やすことができる。
【００３６】
すなわち、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膜の化学量論的組成比が、Ｉｎ１＋δＧａ１−δＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ただし、０＜δ＜１、ｍ＝１〜３）で表され、ＩｎとＧａの組成比が化学量論的組成比からずれた場合においても、安定な結晶構造を維持することができる。
【００３７】
図３（Ｂ）に示す結晶構造も一部ＩｎとＧａが置換されている様子がわかる。結晶領域１０２中の領域１５０において、連続しているＩｎ（黒い層状に見える領域）の結晶構造の連続性が一部異なっている。また、領域１５０のコントラストはＧａまたはＺｎのコントラストと酷似しており、Ｚｎによる置換では価数が変化し、その結晶構造を維持できないため、Ｇａにより置換されていると示唆される。
【００３８】
次に、ｃ軸配向した結晶領域１０２を含む酸化物半導体膜１０１の組成分析を行った結果を表１に示す。なお、組成分析は、誘導結合プラズマ質量分析法（ＩＣＰ−ＭＳ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ − Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を用いて行ったものである。また、酸化物半導体膜１０１の各元素は、原子％で表される。また、酸素（Ｏ）量については、酸化物半導体膜１０１を構成する酸化物が理想的な組成であるＩｎ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、ＺｎＯと仮定して算出している。
【００３９】
【表１】
【００４０】
ここで、表１に示した酸化物半導体膜１０１をＩｎで規格化すると表２に示す組成となる。
【００４１】
【表２】
【００４２】
表２より、ｃ軸配向した結晶領域１０２を含む酸化物半導体膜１０１の組成比は、概ねＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．７［原子％比］である。従って、一般式ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｎ（ｎは自然数）で表されるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体膜の構造と異なった構造をとることがある。すなわち、ＩｎｘＧａｙＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ただし、０＜ｘ＜２、０＜ｙ＜２、ｍ＝１〜３）で表される。
【００４３】
このように、ｃ軸配向した結晶領域１０２の組成比と、ｃ軸配向した結晶領域１０２を含む酸化物半導体膜１０１の組成比が異なる。すなわちｃ軸配向した結晶領域１０２は、膜全体の組成と比較し異なる組成比をとることがある。これは、酸化物半導体膜１０１を形成するときの形成温度、または、酸化物半導体膜１０１を形成した後の熱処理等によって、酸化物半導体膜１０１中の組成が変化したものと考えられる。
【００４４】
しかし、酸化物半導体膜１０１全体の組成が変化した場合においても、ｃ軸配向した結晶領域１０２は、安定な結晶構造を維持しているため、酸化物半導体膜１０１としては、安定な結晶構造を有する酸化物半導体膜とすることができる。
【００４５】
また、図１に示すｃ軸配向を示す結晶領域１０２を含む酸化物半導体膜１０１は、膜中の不純物濃度が低い。具体的には、酸化物半導体膜１０１において、Ｎ型の不純物となるリン（Ｐ）、ボロン（Ｂ）、窒素（Ｎ）の不純物を足し合わせた不純物濃度は、好ましくは、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、更に好ましくは、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることができる。
【００４６】
さらに、酸化物半導体膜１０１において、Ｎ型の不純物となるリン（Ｐ）、ボロン（Ｂ）、窒素（Ｎ）のいずれか一つの不純物が、好ましくは、１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、更に好ましくは、１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の不純物濃度とすることができる。
【００４７】
これは、ｃ軸配向した結晶領域１０２が安定な結晶構造を有するので、酸化物半導体膜１０１内の酸素欠損やダングリングボンド、あるいはダングリングボンドなどに結合する水素、ボロン、窒素、リンなどの不純物が低減されているためである。
【００４８】
ここで、実際に作製した図１に示した酸化物半導体膜１０１の不純物であるリン（Ｐ）濃度、ボロン（Ｂ）濃度、窒素（Ｎ）濃度の測定を行った。なお、不純物濃度の測定は二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）によるものである。
【００４９】
ＳＩＭＳ分析の結果、Ｐ濃度は、４．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、Ｂ濃度は、４．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、Ｎ濃度は、１．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、全ての元素の合計で、４．５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることがわかった。
【００５０】
このように、Ｎ型となりえる不純物を酸化物半導体膜１０１より徹底的に排除することにより、酸化物半導体膜１０１を高純度化することができる。
【００５１】
また、本実施の形態に係るインジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び亜鉛（Ｚｎ）を含む酸化物半導体膜は、上述した不純物であるＰ濃度、Ｂ濃度、及びＮ濃度以外にも、酸化物半導体膜中のアルカリ金属等の不純物の濃度が低減されていることが好ましい。例えば、酸化物半導体膜において、リチウムの濃度が５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、ナトリウムの濃度が５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、カリウムの濃度が５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【００５２】
アルカリ金属、及びアルカリ土類金属は酸化物半導体にとっては悪性の不純物であり、少ないほうがよい。特に、当該酸化物半導体膜をトランジスタに用いる場合、アルカリ金属のうちナトリウムは酸化物半導体膜に接する絶縁膜に拡散し、トランジスタの閾値電圧の変動などを引き起こす可能性がある。また酸化物半導体膜内において、金属と酸素の結合を分断し、あるいは結合中に割り込む。その結果、トランジスタ特性の劣化（例えば、ノーマリオン化（しきい値の負へのシフト）、移動度の低下等）をもたらす。加えて、特性のばらつきの原因ともなる。
【００５３】
よって、ｃ軸配向した結晶領域を含む酸化物半導体膜中の不純物を極めて低減し、アルカリ金属の濃度が５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、水素の濃度が５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることが好ましい。
【００５４】
以上説明したインジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び亜鉛（Ｚｎ）を含む酸化物半導体膜において、ｃ軸配向した結晶領域を含むことにより、全体が非晶質構造の酸化物半導体膜と比較して良好な結晶性を有するので、酸素欠損やダングリングボンド、あるいはダングリングボンドなどに結合する水素、ボロン、窒素、リンなどの不純物が低減されている。
【００５５】
これらの酸素欠損やダングリングボンド、あるいはダングリングボンドなどに結合する不純物は、酸化物半導体膜中でキャリアのトラップ、あるいはキャリアの供給源のように機能するため、当該酸化物半導体膜の電気伝導度が変動する原因となりうる。
【００５６】
したがって、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膜において、ｃ軸配向した結晶領域を含む酸化物半導体膜は、電気伝導度が安定しており、可視光や紫外光などの照射に対しても電気的に安定な構造を有することができる。
【００５７】
また、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膜において、ｃ軸配向した結晶領域の組成と、ｃ軸配向した結晶領域を含む全体の酸化物半導体膜の組成が決定されている。また、ｃ軸配向した結晶領域の組成は、その化学量論的組成比からのずれが生じても安定な構造とすることができる。このように各組成を決定することにより、安定した結晶構造を有する酸化物半導体膜とすることができる。
【００５８】
以上、本実施の形態に示す構成などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【００５９】
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１に示す、インジウム、ガリウム、及び亜鉛を含む酸化物半導体膜において、ｃ軸配向した結晶領域を含む酸化物半導体膜、及び当該酸化物半導体膜を有するトランジスタの作製方法について図４及び図５を用いて説明する。図４は、トップゲート構造のトランジスタ３２０の作製工程を示す断面図であり、図５は製造装置の構成の一形態である。また、本実施の形態においては、先の実施の形態１と異なり、ｃ軸配向した結晶領域を含む酸化物半導体膜は、２回に分けて形成する方法について例示する。
【００６０】
図４（Ｅ）は、トップゲート型のトランジスタ３２０の断面図であり、トランジスタ３２０は、絶縁表面を有する基板３００上に、絶縁膜３０１、チャネル形成領域を含む酸化物半導体膜３０９、ソース電極３０４ａ、ドレイン電極３０４ｂ、ゲート絶縁膜３０２、ゲート電極３１２、及び絶縁膜３１０ａを含む。酸化物半導体膜３０９の端部を覆ってソース電極３０４ａ、及びドレイン電極３０４ｂが設けられ、ソース電極３０４ａ、及びドレイン電極３０４ｂを覆うゲート絶縁膜３０２は、酸化物半導体膜３０９の一部に接する。該酸化物半導体膜３０９の一部上にゲート絶縁膜３０２を介してゲート電極３１２が設けられる。
【００６１】
また、ゲート絶縁膜３０２、及びゲート電極３１２上に絶縁膜３１０ａ、及び絶縁膜３１０ｂが設けられている。
【００６２】
以下、図４（Ａ）乃至図４（Ｅ）を用い、基板上にトランジスタ３２０を作製する工程を説明する。
【００６３】
まず、基板３００上に絶縁膜３０１を形成する（図４（Ａ）参照）。
【００６４】
基板３００は、フュージョン法やフロート法で作製される無アルカリガラス基板、本作製工程の処理温度に耐えうる耐熱性を有するプラスチック基板等を用いることができる。また、ステンレスなどの金属基板の表面に絶縁膜を設けた基板や、半導体基板の表面に絶縁膜を設けた基板を適用しても良い。基板３００がマザーガラスの場合、基板の大きさは、第１世代（３２０ｍｍ×４００ｍｍ）、第２世代（４００ｍｍ×５００ｍｍ）、第３世代（５５０ｍｍ×６５０ｍｍ）、第４世代（６８０ｍｍ×８８０ｍｍ、または７３０ｍｍ×９２０ｍｍ）、第５世代（１０００ｍｍ×１２００ｍｍまたは１１００ｍｍ×１２５０ｍｍ）、第６世代（１５００ｍｍ×１８００ｍｍ）、第７世代（１９００ｍｍ×２２００ｍｍ）、第８世代（２１６０ｍｍ×２４６０ｍｍ）、第９世代（２４００ｍｍ×２８００ｍｍ、または２４５０ｍｍ×３０５０ｍｍ）、第１０世代（２９５０ｍｍ×３４００ｍｍ）等を用いることができる。マザーガラスは、処理温度が高く、処理時間が長いと大幅に収縮するため、マザーガラスを使用して大量生産を行う場合、作製工程の加熱処理は、６００℃以下、好ましくは４５０℃以下とすることが望ましい。
【００６５】
絶縁膜３０１は、ＰＣＶＤ法またはスパッタリング法を用いて５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の膜厚で、酸化シリコン膜、酸化ガリウム膜、酸化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜、または窒化酸化シリコン膜から選ばれた一層またはこれらの積層を用いる。下地絶縁膜として用いられる絶縁膜３０１は、膜中（バルク中）に少なくとも化学量論的組成比を超える量の酸素が存在することが好ましく、例えば酸化シリコン膜を用いる場合には、ＳｉＯ２＋α（ただし、α＞０）とする。絶縁膜３０１の酸素含有量を多くすることで、後に形成する酸化物半導体膜に絶縁膜３０１より酸素を供給することができる。
【００６６】
また、絶縁膜３０１は、表面の平坦性を良好にすることが好ましい。例えば、絶縁膜３０１の平均面粗さ（Ｒａ）を０．１ｎｍ以上０．５ｎｍ未満とすることが好ましい。絶縁膜３０１の表面の平坦性が良好であると、後に形成する酸化物半導体膜の結晶性が向上する。
【００６７】
また、アルカリ金属などの不純物を含むガラス基板を用いる場合、アルカリ金属の侵入防止のため、絶縁膜３０１と基板３００との間に窒化物絶縁膜としてＰＣＶＤ法またはスパッタリング法で得られる窒化シリコン膜、窒化アルミニウム膜などを形成してもよい。ＬｉやＮａなどのアルカリ金属は、不純物であるため含有量を少なくすることが好ましい。
【００６８】
次いで、絶縁膜３０１上に膜厚１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の第１の酸化物半導体膜を形成する。
【００６９】
本実施の形態では、金属酸化物ターゲット（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子％比］）を用いて、基板とターゲットの間との距離を１７０ｍｍ、基板温度を４００℃、圧力を０．４Ｐａ、直流（ＤＣ）電源を５００Ｗ、酸素のみ、アルゴンのみ、又はアルゴン及び酸素雰囲気下で膜厚５ｎｍの第１の酸化物半導体膜を成膜する。
【００７０】
第１の酸化物半導体膜は、スパッタリング法を用いて、アルゴンガス、酸素ガス、またはアルゴンガスと酸素ガスの混合ガスなどを用いて、成膜することができる。なお、成膜時に基板を加熱することで、非晶質領域に対して結晶領域の占める割合の多い第１の酸化物半導体膜とすることができる。例えば、基板温度が１５０℃以上４５０℃以下とすればよい。好ましくは、基板温度が２００℃以上４００℃以下とする。
【００７１】
また、第１の酸化物半導体膜の形成雰囲気は、アルゴンガス、酸素ガス、またはアルゴンガスと酸素ガスの混合ガスを用いることができ、これらのガスは高純度ガスを用いるのが好適である。例えば、水素、水、水酸基、水素化物などの不純物が、濃度１ｐｐｍ以下（望ましくは濃度１０ｐｐｂ以下）にまで除去された高純度ガスを用いると良い。
【００７２】
また、成膜時のスパッタリング雰囲気中の酸素の流量を大きくすると好ましい。成膜時の酸素の流量を大きくすることで、第１の酸化物半導体膜中の酸素濃度を高くすることができる。例えば、総ガス流量に対する酸素の割合が、好ましくは１０％以上、より好ましくは３０％以上、特に好ましくは５０％以上とする。
【００７３】
基板温度を高めることによって、第１の酸化物半導体膜をより結晶化させることができる。
【００７４】
次いで、基板を配置するチャンバー雰囲気を窒素、または乾燥空気とし、第１の加熱処理を行う。第１の加熱処理の温度は、４００℃以上７５０℃以下とする。また、第１の加熱処理の加熱時間は１分以上２４時間以下とする。第１の加熱処理によって第１の酸化物半導体膜３０８ａを形成する（図４（Ａ）参照）。
【００７５】
次いで、第１の酸化物半導体膜３０８ａ上に１０ｎｍよりも厚い第２の酸化物半導体膜を形成する。
【００７６】
本実施の形態では、金属酸化物ターゲット（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子％比］）を用いて、基板とターゲットの間との距離を１７０ｍｍ、基板温度を４００℃、圧力を０．４Ｐａ、直流（ＤＣ）電源を５００Ｗ、酸素のみ、アルゴンのみ、又はアルゴン及び酸素雰囲気下で膜厚２５ｎｍの第２の酸化物半導体膜を成膜する。
【００７７】
次いで、基板を配置するチャンバー雰囲気を窒素、または乾燥空気とし、第２の加熱処理を行う。第２の加熱処理の温度は、４００℃以上７５０℃以下とする。また、第２の加熱処理の加熱時間は１分以上２４時間以下とする。第２の加熱処理によって第２の酸化物半導体膜３０８ｂを形成する（図４（Ｂ）参照）。
【００７８】
以上により、第１の酸化物半導体膜３０８ａと第２の酸化物半導体膜３０８ｂからなる酸化物半導体膜３０８が形成される。
【００７９】
第１の加熱処理、及び第２の加熱処理を７５０℃よりも高い温度で加熱処理を行うと、ガラス基板の収縮により酸化物半導体膜にクラック（厚さ方向に伸びるクラック）が形成されやすい。従って、第１の酸化物半導体膜形成後の加熱処理、例えば第１の加熱処理、及び第２の加熱処理の温度や、スパッタリング成膜時の基板温度などを、好ましくは７５０℃以下、さらに好ましくは４５０℃以下のプロセスとすることで、大面積のガラス基板上に信頼性の高いトランジスタを作製することができる。
【００８０】
また、絶縁膜３０１の形成から第２の加熱処理までの工程を大気に触れることなく連続的に行うことが好ましい。図５に絶縁膜３０１の形成から第２の加熱処理までの工程を大気に触れることなく連続的に行うことができる製造装置の上面図を例示する。
【００８１】
図５に示す製造装置は、枚葉式マルチチャンバー装置であり、スパッタリング室１０ａ、スパッタリング室１０ｂ、スパッタリング室１０ｃや、被処理基板を収容するカセットポート１４を３つ有する基板供給室１１や、ロードロック室１２ａ、アンロードロック室１２ｂや、搬送室１３や、基板加熱室１５などを有している。なお、基板供給室１１及び搬送室１３には、被処理基板を搬送するための搬送ロボットがそれぞれ配置されている。また、各チャンバー（スパッタリング室１０ａ、ロードロック室１２ａなど）を仕切るためのゲートバルブ１６が設けられている。スパッタリング室１０ａ、スパッタリング室１０ｂ、スパッタリング室１０ｃ、搬送室１３、及び基板加熱室１５は、水素及び水分をほとんど含まない雰囲気（不活性雰囲気、減圧雰囲気、乾燥空気雰囲気など）下に制御することが好ましく、例えば、水分については露点−４０℃以下、好ましくは露点−５０℃以下の乾燥窒素雰囲気とする。
【００８２】
また、スパッタリング室１０ａ、スパッタリング室１０ｂ、及びスパッタリング室１０ｃは、ターゲット交換、防着板などの交換時に、チャンバーを大気開放することがある。スパッタリング室を大気開放したあとは、チャンバー内の水素及び水分は、ほとんど含まない雰囲気とすることが好ましい。例えば、チャンバー大気開放後、チャンバーをベーキングし、チャンバー内に付着した水素、及び水分を取り除く作業や、ターゲット表面、または、防着板に付着した水素、水分を取り除くためにプレスパッタリング作業を行うことで、酸化物半導体膜中への不純物の混入を徹底的に排除することができる。
【００８３】
また、スパッタリング室１０ａ、スパッタリング室１０ｂ、及びスパッタリング室１０ｃは、クライオポンプ、ターボ分子ポンプにコールドトラップを取り付けたポンプなどを用いて、排気経路からのガスの逆流を防ぐ構造とすればよい。排気経路からのガスの混入は、酸化物半導体膜中の不純物濃度が上昇してしまうため、徹底的に排除する必要がある。
【００８４】
図５の製造装置を用いた作製工程の手順の一例としては、まず、カセットポート１４より、ロードロック室１２ａと搬送室１３を経て基板加熱室１５に移動させ、基板加熱室１５で被処理基板に付着している水分を真空ベークなどで除去し、その後、搬送室１３を経てスパッタリング室１０ｃに被処理基板を移動させ、スパッタリング室１０ｃ内で絶縁膜３０１を成膜する。そして、大気に触れることなく、搬送室１３を経てスパッタリング室１０ａに被処理基板を移動させ、スパッタリング室１０ａ内で膜厚５ｎｍの第１の酸化物半導体膜を成膜する。そして、大気に触れることなく、搬送室１３を経て基板加熱室１５に被処理基板を移動させ、第１の加熱処理を行い、第１の酸化物半導体膜３０８ａを形成する。そして、大気に触れることなく、搬送室１３を経てスパッタリング室１０ｂに被処理基板を移動させ、スパッタリング室１０ｂ内で膜厚１０ｎｍよりも厚い第２の酸化物半導体膜を成膜する。そして、大気に触れることなく、搬送室１３を経て基板加熱室１５に被処理基板を移動させ、第２の加熱処理を行い、第２の酸化物半導体膜３０８ｂを形成する。その後、搬送室１３、アンロードロック室１２ｂ、基板供給室１１を経てカセットポート１４へ被処理基板を移動させる。
【００８５】
このように、図５の製造装置を用いることによって絶縁膜３０１形成から第２の加熱処理まで大気に触れることなく、作製プロセスを進めることができる。
【００８６】
また、図５の製造装置は、スパッタリング室のスパッタリングターゲットを変更することで、異なる構成の大気に触れることのないプロセスを実現できる。例えば、予め絶縁膜３０１を形成した基板をカセットポート１４に設置し、第１の酸化物半導体膜の成膜から第２の加熱処理を行う工程までを大気に触れずに進めて、酸化物半導体膜３０８を形成し、その後、大気に触れることなく、スパッタリング室１０ｃ内で金属ターゲットを用いてソース電極およびドレイン電極を形成するための導電膜を酸化物半導体膜３０８に成膜することもできる。
【００８７】
このように、図５に示す枚葉式マルチチャンバー装置を用いて、絶縁膜３０１、第１の酸化物半導体膜３０８ａ、及び第２の酸化物半導体膜３０８ｂの成膜を連続的に行うことができる。
【００８８】
なお、図では、第１の酸化物半導体膜３０８ａと第２の酸化物半導体膜３０８ｂの界面を点線で示し、酸化物半導体膜３０８としているが、明確な界面が存在しているのではなく、あくまでも分かりやすく説明するために図示している。
【００８９】
また、酸化物半導体膜３０８は、成膜プロセス、加熱処理等により酸化物半導体膜３０８内より徹底的に水、水素、水酸基、水素化物などが除去された高純度化された酸化物半導体膜である。その水素濃度は、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、望ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より望ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。
【００９０】
また、酸化物半導体膜３０８は、Ｎ型の不純物となるリン（Ｐ）、ボロン（Ｂ）、Ｎ（窒素）の不純物を足し合わせた不純物濃度は、好ましくは、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、更に好ましくは、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。また、Ｎ型の不純物となるリン（Ｐ）、ボロン（Ｂ）、Ｎ（窒素）のいずれか一つの不純物が、好ましくは、１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、更に好ましくは、１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。
【００９１】
このように、Ｎ型となりえる不純物を酸化物半導体膜３０８より徹底的に排除することにより、酸化物半導体膜３０８をＩ型（真性）にすることができる。
【００９２】
次いで、酸化物半導体膜３０８を加工して島状の酸化物半導体膜３０９を形成する（図４（Ｃ）参照）。酸化物半導体膜３０８の加工は、所望の形状のマスクを酸化物半導体膜３０８上に形成した後、当該酸化物半導体膜３０８をエッチングすることによって行うことができる。上述のマスクは、フォトリソグラフィなどの方法を用いて形成することができる。または、インクジェット法などの方法を用いてマスクを形成しても良い。
【００９３】
なお、酸化物半導体膜３０８のエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよい。もちろん、これらを組み合わせて用いてもよい。
【００９４】
次いで、島状の酸化物半導体膜３０９上に、ソース電極、及びドレイン電極（これと同じ層で形成される配線を含む）を形成するための導電膜を形成し、当該導電膜を加工して、ソース電極３０４ａ、及びドレイン電極３０４ｂを形成する（図４（Ｃ）参照）。ソース電極３０４ａ、及びドレイン電極３０４ｂは、スパッタリング法等により、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料又はこれらを含む合金材料を用いて、単層で又は積層して形成することができる。
【００９５】
次いで、酸化物半導体膜３０９の一部と接し、且つ、ソース電極３０４ａ、及びドレイン電極３０４ｂを覆うゲート絶縁膜３０２を形成する（図４（Ｄ）参照）。ゲート絶縁膜３０２は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いた酸化物絶縁膜であり、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、又はこれらの混合材料を用いて単層で又は積層して形成する。ゲート絶縁膜３０２の膜厚は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。
【００９６】
本実施の形態では、ゲート絶縁膜３０２として、スパッタリング法を用いて１００ｎｍの酸化シリコン膜を用いる。そして、ゲート絶縁膜３０２の形成後に第３の加熱処理を行う。第３の加熱処理によって、ゲート絶縁膜３０２から酸化物半導体膜３０９への酸素供給が行われる。第３の加熱処理の条件は、不活性雰囲気、酸素雰囲気、酸素と窒素の混合雰囲気下で、２００℃以上４００℃以下、好ましくは２５０℃以上３２０℃以下とする。また、第３の加熱処理の加熱時間は１分以上２４時間以下とする。なお、第３の加熱処理の加熱温度を３２０℃より高くするとトランジスタのオン特性の低下が生じる可能性がある。
【００９７】
次いで、ゲート絶縁膜３０２上に導電膜を形成した後、フォトリソグラフィ工程、及びエッチング工程によりゲート電極３１２を形成する（図４（Ｅ）参照）。ゲート電極３１２は、ゲート絶縁膜３０２を介して酸化物半導体膜３０９の一部と重なる。ゲート電極３１２は、スパッタリング法等により、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料又はこれらを含む合金材料を用いて、単層で又は積層して形成することができる。
【００９８】
次いで、ゲート電極３１２およびゲート絶縁膜３０２を覆う絶縁膜３１０ａ、及び絶縁膜３１０ｂを形成する（図４（Ｅ）参照）。
【００９９】
絶縁膜３１０ａ、及び絶縁膜３１０ｂは、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、又はこれらの混合材料を用いて単層で又は積層して形成することができる。本実施の形態では、絶縁膜３１０ａとしてスパッタリング法で得られる３００ｎｍの酸化シリコン膜を用い、窒素雰囲気下で２５０℃、１時間の加熱処理を行う。その後、水分の侵入防止や、アルカリ金属の侵入防止のため、絶縁膜３１０ｂとしてスパッタリング法で得られる窒化シリコン膜を形成する。ＬｉやＮａなどのアルカリ金属は、不純物であるため含有量を少なくすることが好ましく、酸化物半導体膜３０９中に５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、の濃度とする。なお、本実施の形態では絶縁膜３１０ａ、及び絶縁膜３１０ｂの２層構造とする例を示したが、単層構造としてもよい。
【０１００】
以上の工程でトップゲート型のトランジスタ３２０が形成される。
【０１０１】
図４（Ｅ）に示すトランジスタ３２０において、第１の酸化物半導体膜３０８ａ、または第２の酸化物半導体膜３０８ｂは、少なくとも一部がｃ軸配向した結晶領域を有している。ｃ軸配向した結晶領域を含むことにより、全体が非晶質構造の酸化物半導体膜と比較して良好な結晶性を有するので、酸素欠損やダングリングボンド、あるいはダングリングボンドなどに結合する水素、ボロン、窒素、リンなどの不純物が低減されている。
【０１０２】
したがって、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膜において、ｃ軸配向した結晶領域を含む酸化物半導体膜は、電気的に安定な構造を有することができる。
【０１０３】
以上、本実施の形態に示す構成などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【０１０４】
（実施の形態３）
本実施の形態では、先の実施の形態２に示したトップゲート構造のトランジスタ３２０と異なる構成のトランジスタについて図６を用いて説明する。また、先の実施の形態２に示したトランジスタ３２０と同様の構成については、同様の符号を用い、その繰り返しの説明は省略する。
【０１０５】
図６（Ａ）乃至図６（Ｃ）に示すトランジスタは、実施の形態１に示すインジウム、ガリウム、及び亜鉛を含み、且つｃ軸配向した結晶領域を有する酸化物半導体膜を、チャネル形成領域に用いることで高い信頼性を有するトランジスタを実現することができる。
【０１０６】
図６（Ａ）に示すトランジスタ３３０は、基板３００上に設けられた絶縁膜３０１と、絶縁膜３０１上に設けられたソース電極３０４ａ、及びドレイン電極３０４ｂと、ソース電極３０４ａ、及びドレイン電極３０４ｂの上面及び側面と接するように設けられた酸化物半導体膜３０９と、酸化物半導体膜３０９上に設けられたゲート絶縁膜３０２と、酸化物半導体膜３０９と重畳してゲート絶縁膜３０２上に設けられたゲート電極３１２と、ゲート電極３１２上に設けられた絶縁膜３１０ａとを有する。つまり、トランジスタ３３０は、酸化物半導体膜３０９がソース電極３０４ａ、及びドレイン電極３０４ｂの上面及び側面と接するように設けられている点において、トランジスタ３２０と異なる。
【０１０７】
図６（Ｂ）に示すトランジスタ３４０は、基板３００上に設けられた絶縁膜３０１と、絶縁膜３０１上に設けられたゲート電極３１２と、ゲート電極３１２上に設けられたゲート絶縁膜３０２と、ゲート絶縁膜３０２上に設けられた酸化物半導体膜３０９と、酸化物半導体膜３０９の上面及び側面と接するように設けられたソース電極３０４ａ、及びドレイン電極３０４ｂと、酸化物半導体膜３０９上に設けられた絶縁膜３１０ａとを有する。つまり、トランジスタ３４０は、ゲート電極３１２とゲート絶縁膜３０２が酸化物半導体膜３０９の下に設けられた、ボトムゲート構造である点において、トランジスタ３２０と異なる。
【０１０８】
また、図６（Ｃ）に示すトランジスタ３５０は、基板３００上に設けられた絶縁膜３０１と、絶縁膜３０１上に設けられたゲート電極３１２と、ゲート電極３１２上に設けられたゲート絶縁膜３０２と、ゲート絶縁膜３０２上に設けられたソース電極３０４ａ及びドレイン電極３０４ｂと、ソース電極３０４ａ及びドレイン電極３０４ｂの上面及び側面と接するように設けられた酸化物半導体膜３０９と、酸化物半導体膜３０９上に設けられた絶縁膜３１０ａとを有する。つまり、トランジスタ３５０は、ゲート電極３１２とゲート絶縁膜３０２が酸化物半導体膜３０９の下に設けられた、ボトムゲート構造である点において、トランジスタ３３０と異なる。
【０１０９】
なお、図６（Ａ）乃至図６（Ｃ）に示すトランジスタ３３０、トランジスタ３４０、及びトランジスタ３５０において、酸化物半導体膜３０９の少なくとも一部がｃ軸配向した結晶領域を有している。ｃ軸配向した結晶領域を含むことにより、全体が非晶質構造の酸化物半導体膜と比較して良好な結晶性を有するので、酸素欠損やダングリングボンド、あるいはダングリングボンドなどに結合する水素、ボロン、窒素、リンなどの不純物が低減されている。
【０１１０】
したがって、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膜において、ｃ軸配向した結晶領域を含む酸化物半導体膜は、電気的に安定な構造を有することができる。
【０１１１】
このように、本発明の酸化物半導体膜は、さまざまな構造のトランジスタに適用することができる。
【０１１２】
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【０１１３】
（実施の形態４）
本実施の形態では、同一基板上に少なくとも駆動回路の一部と、画素部に配置するトランジスタ有する表示装置について図７を用いて以下に説明する。
【０１１４】
画素部に配置するトランジスタは、実施の形態２、または実施の形態３に示したトランジスタを用いる。また、当該トランジスタはｎチャネル型とすることが容易なので、駆動回路のうち、ｎチャネル型ＴＦＴで構成することができる駆動回路の一部を画素部のトランジスタと同一基板上に形成する。このように、画素部や駆動回路に先の実施の形態２、または実施の形態３に示すトランジスタを用いることにより、信頼性の高い表示装置を提供することができる。
【０１１５】
アクティブマトリクス型表示装置のブロック図の一例を図７（Ａ）に示す。表示装置の基板５００上には、画素部５０１、第１の走査線駆動回路５０２、第２の走査線駆動回路５０３、信号線駆動回路５０４を有する。画素部５０１には、複数の信号線が信号線駆動回路５０４から延伸して配置され、複数の走査線が第１の走査線駆動回路５０２、及び第２の走査線駆動回路５０３から延伸して配置されている。なお走査線と信号線との交差領域には、各々、表示素子を有する画素がマトリクス状に設けられている。また、表示装置の基板５００はＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等の接続部を介して、タイミング制御回路（コントローラ、制御ＩＣともいう）に接続されている。
【０１１６】
図７（Ａ）では、第１の走査線駆動回路５０２、第２の走査線駆動回路５０３、信号線駆動回路５０４は、画素部５０１と同じ基板５００上に形成される。そのため、外部に設ける駆動回路等の部品の数が減るので、コストの低減を図ることができる。また、基板５００外部に駆動回路を設けた場合、配線を延伸させる必要が生じ、配線間の接続数が増える。同じ基板５００上に駆動回路を設けた場合、その配線間の接続数を減らすことができ、信頼性の向上、又は歩留まりの向上を図ることができる。
【０１１７】
また、画素部の回路構成の一例を図７（Ｂ）に示す。ここでは、ＶＡ型液晶表示パネルの画素構造を示す。
【０１１８】
この画素構造は、一つの画素に複数の画素電極層が有り、それぞれの画素電極層にトランジスタが接続されている。各トランジスタは、異なるゲート信号で駆動されるように構成されている。すなわち、マルチドメイン設計された画素において、個々の画素電極層に印加する信号を、独立して制御する構成を有している。
【０１１９】
トランジスタ５１６のゲート配線５１２と、トランジスタ５１７のゲート配線５１３は、異なるゲート信号を与えることができるように分離されている。一方、データ線として機能するソース電極層又はドレイン電極層５１４は、トランジスタ５１６とトランジスタ５１７で共通に用いられている。トランジスタ５１６とトランジスタ５１７は先の実施の形態に示すトランジスタを適宜用いることができる。これにより、信頼性の高い液晶表示パネルを提供することができる。
【０１２０】
トランジスタ５１６と接続する第１の画素電極層と、トランジスタ５１７と接続する第２の画素電極層の形状は異なっており、スリットによって分離されている。Ｖ字型に広がる第１の画素電極層の外側を囲むように第２の画素電極層が形成されている。第１の画素電極層と第２の画素電極層に印加する電圧のタイミングを、トランジスタ５１６及びトランジスタ５１７により異ならせることで、液晶の配向を制御している。トランジスタ５１６はゲート配線５１２と接続し、トランジスタ５１７はゲート配線５１３と接続している。ゲート配線５１２とゲート配線５１３は異なるゲート信号を与えることで、トランジスタ５１６とトランジスタ５１７の動作タイミングを異ならせることができる。
【０１２１】
また、容量配線５１０と、誘電体として機能するゲート絶縁膜と、第１の画素電極層または第２の画素電極層と接続する容量電極とで保持容量を形成する。
【０１２２】
第１の画素電極層と液晶層と対向電極層が重なり合うことで、第１の液晶素子５１８が形成されている。また、第２の画素電極層と液晶層と対向電極層が重なり合うことで、第２の液晶素子５１９が形成されている。また、一画素に第１の液晶素子５１８と第２の液晶素子５１９が設けられたマルチドメイン構造である。
【０１２３】
なお、図７（Ｂ）に示す画素構成は、これに限定されない。例えば、図７（Ｂ）に示す画素に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、トランジスタ、センサ、又は論理回路などを追加してもよい。
【０１２４】
また、図７（Ｂ）に示す画素構成と異なる回路構成の一例を図７（Ｃ）に示す。ここでは、有機ＥＬ素子を用いた表示パネルの画素構造を示す。
【０１２５】
有機ＥＬ素子は、発光素子に電圧を印加することにより、一対の電極から電子および正孔がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして、それらキャリア（電子および正孔）が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このような発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。
【０１２６】
有機ＥＬ素子を駆動可能な画素の構成及び画素の動作について説明する。ここでは本発明の酸化物半導体膜をチャネル形成領域に用いるｎチャネル型のトランジスタを１つの画素に２つ用いる例を示す。
【０１２７】
画素５２０は、スイッチング用トランジスタ５２１、駆動用トランジスタ５２２、発光素子５２４及び容量素子５２３を有している。スイッチング用トランジスタ５２１は、ゲート電極層が走査線５２６に接続され、第１電極（ソース電極層及びドレイン電極層の一方）が信号線５２５に接続され、第２電極（ソース電極層及びドレイン電極層の他方）が駆動用トランジスタ５２２のゲート電極層に接続されている。駆動用トランジスタ５２２は、ゲート電極層が容量素子５２３を介して電源線５２７に接続され、第１電極が電源線５２７に接続され、第２電極が発光素子５２４の第１電極（画素電極）に接続されている。発光素子５２４の第２電極は共通電極５２８に相当する。共通電極５２８は、同一基板上に形成される共通電位線に接続される。
【０１２８】
スイッチング用トランジスタ５２１および駆動用トランジスタ５２２は実施の形態２、または実施の形態３に示すトランジスタを適宜用いることができる。これにより、信頼性の高い有機ＥＬ素子を用いた表示パネルを提供することができる。
【０１２９】
なお、発光素子５２４の第２電極（共通電極５２８）には低電源電位が設定されている。なお、低電源電位とは、電源線５２７に設定される高電源電位を基準にして低電源電位＜高電源電位を満たす電位であり、低電源電位としては例えばＧＮＤ、０Ｖなどが設定されていても良い。この高電源電位と低電源電位との電位差を発光素子５２４に印加して、発光素子５２４に電流を流して発光素子５２４を発光させるため、高電源電位と低電源電位との電位差が発光素子５２４の順方向しきい値電圧以上となるようにそれぞれの電位を設定する。
【０１３０】
なお、容量素子５２３は、駆動用トランジスタ５２２のゲート容量を代用して省略することも可能である。駆動用トランジスタ５２２のゲート容量については、チャネル形成領域とゲート電極層との間で容量が形成されていてもよい。
【０１３１】
ここで、アナログ階調駆動を行う場合、駆動用トランジスタ５２２のゲート電極層に発光素子５２４の順方向電圧 ＋ 駆動用トランジスタ５２２のＶｔｈ以上の電圧をかける。発光素子５２４の順方向電圧とは、所望の輝度とする場合の電圧を指しており、少なくとも順方向しきい値電圧を含む。なお、駆動用トランジスタ５２２が飽和領域で動作するようなビデオ信号を入力することで、発光素子５２４に電流を流すことができる。駆動用トランジスタ５２２を飽和領域で動作させるため、電源線５２７の電位は、駆動用トランジスタ５２２のゲート電位よりも高くする。ビデオ信号をアナログとすることで、発光素子５２４にビデオ信号に応じた電流を流し、アナログ階調駆動を行うことができる。
【０１３２】
なお、図７（Ｃ）に示す画素構成は、これに限定されない。例えば、図７（Ｃ）に示す画素に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、センサ、トランジスタ又は論理回路などを追加してもよい。
【０１３３】
このように、画素部や駆動回路に先の実施の形態２、または実施の形態３に示すトランジスタを用いており、当該トランジスタのチャネル形成領域に用いる酸化物半導体膜の少なくとも一部がｃ軸配向した結晶領域を有しており、高い信頼性を有するトランジスタである。従って、信頼性の高い表示装置を提供することができる。
【０１３４】
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【０１３５】
（実施の形態５）
本明細書に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器（遊技機も含む）に適用することができる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置（テレビ、またはテレビジョン受信機ともいう）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ等のカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などが挙げられる。上記実施の形態４で説明した表示装置を具備する電子機器の例について説明する。
【０１３６】
図８（Ａ）は、携帯型の情報端末であり、本体１００１、筐体１００２、表示部１００３ａ、表示部１００３ｂなどによって構成されている。表示部１００３ｂはタッチパネルとなっており、表示部１００３ｂに表示されるキーボードボタン１００４に触れることで画面操作や、文字入力を行うことができる。勿論、表示部１００３ａをタッチパネルとして構成してもよい。先の実施の形態２、または実施の形態３で示したトランジスタをスイッチング素子として液晶パネルや有機発光パネルを作製して表示部１００３ａ、表示部１００３ｂに適用することにより、信頼性の高い携帯型の情報端末とすることができる。
【０１３７】
図８（Ａ）に示す携帯型の情報端末は、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示する機能、カレンダー、日付又は時刻などを表示部に表示する機能、表示部に表示した情報を操作又は編集する機能、様々なソフトウェア（プログラム）によって処理を制御する機能、等を有することができる。また、筐体の裏面や側面に、外部接続用端子（イヤホン端子、ＵＳＢ端子など）、記録媒体挿入部などを備える構成としてもよい。
【０１３８】
また、図８（Ａ）に示す携帯型の情報端末は、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。無線により、電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とすることも可能である。
【０１３９】
図８（Ｂ）は、携帯音楽プレイヤーであり、本体１０２１には表示部１０２３と、耳に装着するための固定部１０２２と、スピーカー、操作ボタン１０２４、外部メモリスロット１０２５等が設けられている。先の実施の形態２、または実施の形態３で示したトランジスタをスイッチング素子として液晶パネルや有機発光パネルを作製して表示部１０２３に適用することにより、より信頼性の高い携帯音楽プレイヤーとすることができる。
【０１４０】
さらに、図８（Ｂ）に示す携帯音楽プレイヤーにアンテナやマイク機能や無線機能を持たせ、携帯電話と連携させれば、乗用車などを運転しながらワイヤレスによるハンズフリーでの会話も可能である。
【０１４１】
図８（Ｃ）は、携帯電話であり、筐体１０３０及び筐体１０３１の二つの筐体で構成されている。筐体１０３１には、表示パネル１０３２、スピーカー１０３３、マイクロフォン１０３４、ポインティングデバイス１０３６、カメラ用レンズ１０３７、外部接続端子１０３８などを備えている。また、筐体１０３０には、携帯電話の充電を行う太陽電池セル１０４０、外部メモリスロット１０４１などを備えている。また、アンテナは筐体１０３１内部に内蔵されている。先の実施の形態２、または実施の形態３で示したトランジスタを表示パネル１０３２に適用することにより、信頼性の高い携帯電話とすることができる。
【０１４２】
また、表示パネル１０３２はタッチパネルを備えており、図８（Ｃ）には映像表示されている複数の操作キー１０３５を点線で示している。なお、太陽電池セル１０４０で出力される電圧を各回路に必要な電圧に昇圧するための昇圧回路も実装している。
【０１４３】
例えば、昇圧回路などの電源回路に用いられるパワートランジスタも先の実施の形態２、または実施の形態３に示したトランジスタの酸化物半導体膜の膜厚を２μｍ以上５０μｍ以下とすることで形成することができる。
【０１４４】
表示パネル１０３２は、使用形態に応じて表示の方向が適宜変化する。また、表示パネル１０３２と同一面上にカメラ用レンズ１０３７を備えているため、テレビ電話が可能である。スピーカー１０３３及びマイクロフォン１０３４は音声通話に限らず、テレビ電話、録音、再生などが可能である。さらに、筐体１０３０と筐体１０３１は、スライドし、図８（Ｃ）のように展開している状態から重なり合った状態とすることができ、携帯に適した小型化が可能である。
【０１４５】
外部接続端子１０３８はＡＣアダプタ及びＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能であり、充電及びパーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能である。また、外部メモリスロット１０４１に記録媒体を挿入し、より大量のデータ保存及び移動に対応できる。
【０１４６】
また、上記機能に加えて、赤外線通信機能、テレビ受信機能などを備えたものであってもよい。
【０１４７】
図８（Ｄ）は、テレビジョン装置の一例を示している。テレビジョン装置１０５０は、筐体１０５１に表示部１０５３が組み込まれている。表示部１０５３により、映像を表示することが可能である。また、ここでは、ＣＰＵを内蔵したスタンド１０５５により筐体１０５１を支持した構成を示している。先の実施の形態２、または実施の形態３で示したトランジスタを表示部１０５３に適用することにより、信頼性の高いテレビジョン装置１０５０とすることができる。
【０１４８】
テレビジョン装置１０５０の操作は、筐体１０５１が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機により行うことができる。また、リモコン操作機に、当該リモコン操作機から出力する情報を表示する表示部を設ける構成としてもよい。
【０１４９】
なお、テレビジョン装置１０５０は、受信機やモデムなどを備えた構成とする。受信機により一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線または無線による通信ネットワークに接続することにより、一方向（送信者から受信者）または双方向（送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など）の情報通信を行うことも可能である。
【０１５０】
また、テレビジョン装置１０５０は、外部接続端子１０５４や、記憶媒体再生録画部１０５２、外部メモリスロットを備えている。外部接続端子１０５４は、ＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能であり、パーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能である。記憶媒体再生録画部１０５２では、ディスク状の記録媒体を挿入し、記録媒体に記憶されているデータの読み出し、記録媒体への書き込みが可能である。また、外部メモリスロットに差し込まれた外部メモリ１０５６にデータ保存されている画像や映像などを表示部１０５３に映し出すことも可能である。
【０１５１】
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【実施例１】
【０１５２】
本実施例においては、インジウム、ガリウム、及び亜鉛を含む酸化物半導体膜において、酸化物半導体膜の成膜条件を変更することで、全体が非晶質構造の酸化物半導体膜（ａｍｏ−ＯＳ、試料１）と、開示する発明の一態様であるｃ軸に配向した結晶領域を有した酸化物半導体膜（ＣＡＡＣ−ＯＳ、試料２及び試料３）を作製し、酸化物半導体膜中の酸素欠損について評価を行った。各試料の詳細は以下の通りである。
【０１５３】
（試料１）
石英基板上にスパッタリング法にてＩＧＺＯ膜を１００ｎｍ形成した。その後ＩＧＺＯ膜を４５０℃×１時間、Ｎ２雰囲気（Ｎ２＝１００％）にて熱処理を行った。その後、該ＩＧＺＯ膜上にプラズマＣＶＤ法にてＳｉＯＮ膜を４００ｎｍ形成した。なお、ＩＧＺＯ膜の成膜条件は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の金属酸化物ターゲットを用い、Ａｒ／Ｏ２＝９０／１０ｓｃｃｍ（Ｏ２ガス流量比１０％）、成膜圧力＝０．６Ｐａ、成膜電力＝５ｋｗ（ＤＣ）、基板温度＝１７０℃の条件とした。また、ＳｉＯＮ膜の成膜条件は、ＳｉＨ４／Ｎ２Ｏ＝３０／４０００ｓｃｃｍ、成膜圧力＝２００Ｐａ、成膜電力＝１５０Ｗ（ＲＦ）、基板温度＝２２０℃の条件とした。
【０１５４】
（試料２）
石英基板上にスパッタリング法にてＩＧＺＯ膜を１００ｎｍ形成した。その後ＩＧＺＯ膜を４５０℃×１時間、Ｎ２雰囲気（Ｎ２＝１００％）にて熱処理を行った。その後、該ＩＧＺＯ膜上にプラズマＣＶＤ法にてＳｉＯＮ膜を４００ｎｍ形成した。なお、ＩＧＺＯ膜の成膜条件は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の金属酸化物ターゲットを用い、Ａｒ／Ｏ２＝５０／５０ｓｃｃｍ（Ｏ２ガス流量比５０％）、成膜圧力＝０．６Ｐａ、成膜電力＝５ｋｗ（ＤＣ）、基板温度＝１７０℃の条件とした。また、ＳｉＯＮ膜の成膜条件は、試料１と同じ条件とした。
【０１５５】
（試料３）
石英基板上にスパッタリング法にてＩＧＺＯ膜を１００ｎｍ形成した。その後ＩＧＺＯ膜を４５０℃×１時間、Ｎ２雰囲気（Ｎ２＝１００％）にて熱処理を行った。その後、該ＩＧＺＯ膜上にプラズマＣＶＤ法にてＳｉＯＮ膜を４００ｎｍ形成した。なお、ＩＧＺＯ膜の成膜条件は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の金属酸化物ターゲットを用い、Ａｒ／Ｏ２＝０／１００ｓｃｃｍ（Ｏ２ガス流量比１００％）、成膜圧力＝０．６Ｐａ、成膜電力＝２ｋｗ（ＤＣ）、基板温度＝１７０℃の条件とした。また、ＳｉＯＮ膜の成膜条件は、試料１及び試料２と同じ条件とした。
【０１５６】
上記、試料１乃至試料３に対して、ＳｉＯＮ成膜後、３００℃×１時間、Ｎ２雰囲気（Ｎ２＝１００％）にて熱処理後、及び３００℃×１時間、Ｎ２＋Ｏ２雰囲気（Ｎ２＝８０％、Ｏ２＝２０％）にて熱処理後に、それぞれ酸化物半導体膜中の酸素欠損の評価を行った。
【０１５７】
なお、酸化物半導体膜中の酸素欠損は、電子スピン共鳴（ＥＳＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｉｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）によって評価できる。
【０１５８】
試料１乃至試料３におけるスピン密度の結果を図９及び図１０に示す。なお、スピン密度の測定条件は、温度２５℃、μ波パワー２０ｍＷ、９．２ＧＨｚ、磁場の向きは膜面に平行、検出下限１．０×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３とした。
【０１５９】
図９（Ａ）は試料１におけるスピン密度の結果を、図９（Ｂ）は試料２におけるスピン密度の結果を、図９（Ｃ）は試料３におけるスピン密度の結果を、それぞれ示す。また、図９（Ａ）、図９（Ｂ）、及び図９（Ｃ）において、上段がＳｉＯＮ成膜後、中段が３００℃×１時間、Ｎ２雰囲気（Ｎ２＝１００％）にて熱処理後、下段が３００℃×１時間、Ｎ２＋Ｏ２雰囲気（Ｎ２＝８０％、Ｏ２＝２０％）にて熱処理後のスピン密度の結果を表す。なお、図９において、横軸がｇ−ｆａｃｔｏｒ（ｇ値ともいう）を表し、縦軸が強度を表す。
【０１６０】
図１０は、図９（Ａ）、図９（Ｂ）、及び図９（Ｃ）に示したスピン密度の結果を棒グラフにした図である。
【０１６１】
図９及び図１０より、ＳｉＯＮ成膜後において、試料１は２．３×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３のスピン密度であり、試料２は２．１×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３のスピン密度であり、試料３は８．９×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３のスピン密度であった。また、３００℃×１時間、Ｎ２雰囲気にて熱処理後において、試料１は２．４×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３のスピン密度であり、試料２及び試料３は検出下限以下であった。また、３００℃×１時間、Ｎ２＋Ｏ２雰囲気にて熱処理後において、試料１は１．７×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３のスピン密度であり、試料２及び試料３は検出下限以下であった。
【０１６２】
これらの結果より、全体が非晶質構造の酸化物半導体膜（ａｍｏ−ＯＳ、試料１）と、開示する発明の一態様であるｃ軸に配向した結晶領域を有した酸化物半導体膜（ＣＡＡＣ−ＯＳ、試料２及び試料３）では、膜中の酸素欠損が異なる結果が示された。また、試料１においては、ＳｉＯＮ成膜後に３００℃×１時間、Ｎ２＋Ｏ２雰囲気にて熱処理を行った条件については、スピン密度の低下、すなわち酸化物半導体膜中の酸素欠損がＳｉＯＮ膜中、または熱処理雰囲気中の酸素により一部補填される様子が確認されるが、完全に酸化物半導体膜中の酸素欠損を補填することが出来ていない。一方、試料２及び試料３においては、ＳｉＯＮ成膜後に熱処理を行うことにより、スピン密度が低下し検出下限以下、すなわち酸化物半導体膜中の酸素欠損がＳｉＯＮ膜中、または熱処理雰囲気中の酸素により酸化物半導体膜中の酸素欠損が補填された結果が確認された。
【０１６３】
したがって、開示する発明の一態様であるｃ軸に配向した結晶領域を有した酸化物半導体膜（ＣＡＡＣ−ＯＳ）は、ＥＳＲによって、酸素欠損に起因する信号を有さない酸化物半導体膜と言い換えることができる。
【符号の説明】
【０１６４】
１０ａ スパッタリング室
１０ｂ スパッタリング室
１０ｃ スパッタリング室
１１ 基板供給室
１２ａ ロードロック室
１２ｂ アンロードロック室
１３ 搬送室
１４ カセットポート
１５ 基板加熱室
１６ ゲートバルブ
１００ 基板
１０１ 酸化物半導体膜
１０２ 結晶領域
１５０ 領域
３００ 基板
３０１ 絶縁膜
３０２ ゲート絶縁膜
３０４ａ ソース電極
３０４ｂ ドレイン電極
３０８ 酸化物半導体膜
３０８ａ 酸化物半導体膜
３０８ｂ 酸化物半導体膜
３０９ 酸化物半導体膜
３１０ａ 絶縁膜
３１０ｂ 絶縁膜
３１２ ゲート電極
３２０ トランジスタ
３３０ トランジスタ
３４０ トランジスタ
３５０ トランジスタ
５００ 基板
５０１ 画素部
５０２ 走査線駆動回路
５０３ 走査線駆動回路
５０４ 信号線駆動回路
５１０ 容量配線
５１２ ゲート配線
５１３ ゲート配線
５１４ ドレイン電極層
５１６ トランジスタ
５１７ トランジスタ
５１８ 液晶素子
５１９ 液晶素子
５２０ 画素
５２１ スイッチング用トランジスタ
５２２ 駆動用トランジスタ
５２３ 容量素子
５２４ 発光素子
５２５ 信号線
５２６ 走査線
５２７ 電源線
５２８ 共通電極
１００１ 本体
１００２ 筐体
１００３ａ 表示部
１００３ｂ 表示部
１００４ キーボードボタン
１０２１ 本体
１０２２ 固定部
１０２３ 表示部
１０２４ 操作ボタン
１０２５ 外部メモリスロット
１０３０ 筐体
１０３１ 筐体
１０３２ 表示パネル
１０３３ スピーカー
１０３４ マイクロフォン
１０３５ 操作キー
１０３６ ポインティングデバイス
１０３７ カメラ用レンズ
１０３８ 外部接続端子
１０４０ 太陽電池セル
１０４１ 外部メモリスロット
１０５０ テレビジョン装置
１０５１ 筐体
１０５２ 記憶媒体再生録画部
１０５３ 表示部
１０５４ 外部接続端子
１０５５ スタンド
１０５６ 外部メモリ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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膜において、
前記酸化物半導体膜は、前記酸化物半導体膜の被形成面の法線ベクトルに平行な方向に揃うｃ軸配向した結晶領域を有し、
前記ｃ軸配向した結晶領域の組成が、
Ｉｎ１＋δＧａ１−δＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ただし、０＜δ＜１、ｍ＝１〜３）で表され、
前記ｃ軸配向した結晶領域を含む全体の前記酸化物半導体膜の組成が、
ＩｎｘＧａｙＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ただし、０＜ｘ＜２、０＜ｙ＜２、ｍ＝１〜３）で表される酸化物半導体膜。
【請求項２】
請求項１において、
前記酸化物半導体膜は、ボロン（Ｂ）濃度、リン濃度（Ｐ）、及び窒素（Ｎ）濃度の合計が、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である酸化物半導体膜。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記酸化物半導体膜は、ボロン（Ｂ）濃度、リン濃度（Ｐ）、及び窒素（Ｎ）濃度のいずれか一の元素が、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である酸化物半導体膜。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一において、
前記酸化物半導体膜は、リチウム（Ｌｉ）濃度、及びカリウム（Ｋ）濃度が５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である酸化物半導体膜。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
前記酸化物半導体膜は、ナトリウム（Ｎａ）濃度が５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である酸化物半導体膜。
【請求項６】
ゲート電極と、
前記ゲート電極と接する第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜に接する酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜に接する第２の絶縁膜と、を有し、
前記酸化物半導体膜は、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び亜鉛（Ｚｎ）を含み、且つ前記酸化物半導体膜の被形成面の法線ベクトルに平行な方向に揃うｃ軸配向した結晶領域を有し、
前記ｃ軸配向した結晶領域の組成が、
Ｉｎ１＋δＧａ１−δＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ただし、０＜δ＜１、ｍ＝１〜３）で表され、
前記ｃ軸配向した結晶領域を含む全体の前記酸化物半導体膜の組成が、
ＩｎｘＧａｙＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ただし、０＜ｘ＜２、０＜ｙ＜２、ｍ＝１〜３）
で表される半導体装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記酸化物半導体膜は、ボロン（Ｂ）濃度、リン濃度（Ｐ）、及び窒素（Ｎ）濃度の合計が、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である半導体装置。
【請求項８】
請求項６または請求項７において、
前記酸化物半導体膜は、ボロン（Ｂ）濃度、リン濃度（Ｐ）、及び窒素（Ｎ）濃度のいずれか一の元素が、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である半導体装置。
【請求項９】
請求項６乃至請求項８のいずれか一において、
前記酸化物半導体膜は、リチウム（Ｌｉ）濃度、及びカリウム（Ｋ）濃度が５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である半導体装置。
【請求項１０】
請求項６乃至請求項９のいずれか一において、
前記酸化物半導体膜は、ナトリウム（Ｎａ）濃度が５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である半導体装置。
【請求項１】
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膜において、
前記酸化物半導体膜は、前記酸化物半導体膜の被形成面の法線ベクトルに平行な方向に揃うｃ軸配向した結晶領域を有し、
前記ｃ軸配向した結晶領域の組成が、
Ｉｎ１＋δＧａ１−δＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ただし、０＜δ＜１、ｍ＝１〜３）で表され、
前記ｃ軸配向した結晶領域を含む全体の前記酸化物半導体膜の組成が、
ＩｎｘＧａｙＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ただし、０＜ｘ＜２、０＜ｙ＜２、ｍ＝１〜３）で表される酸化物半導体膜。
【請求項２】
請求項１において、
前記酸化物半導体膜は、ボロン（Ｂ）濃度、リン濃度（Ｐ）、及び窒素（Ｎ）濃度の合計が、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である酸化物半導体膜。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記酸化物半導体膜は、ボロン（Ｂ）濃度、リン濃度（Ｐ）、及び窒素（Ｎ）濃度のいずれか一の元素が、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である酸化物半導体膜。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一において、
前記酸化物半導体膜は、リチウム（Ｌｉ）濃度、及びカリウム（Ｋ）濃度が５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である酸化物半導体膜。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
前記酸化物半導体膜は、ナトリウム（Ｎａ）濃度が５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である酸化物半導体膜。
【請求項６】
ゲート電極と、
前記ゲート電極と接する第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜に接する酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜に接する第２の絶縁膜と、を有し、
前記酸化物半導体膜は、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び亜鉛（Ｚｎ）を含み、且つ前記酸化物半導体膜の被形成面の法線ベクトルに平行な方向に揃うｃ軸配向した結晶領域を有し、
前記ｃ軸配向した結晶領域の組成が、
Ｉｎ１＋δＧａ１−δＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ただし、０＜δ＜１、ｍ＝１〜３）で表され、
前記ｃ軸配向した結晶領域を含む全体の前記酸化物半導体膜の組成が、
ＩｎｘＧａｙＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ただし、０＜ｘ＜２、０＜ｙ＜２、ｍ＝１〜３）
で表される半導体装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記酸化物半導体膜は、ボロン（Ｂ）濃度、リン濃度（Ｐ）、及び窒素（Ｎ）濃度の合計が、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である半導体装置。
【請求項８】
請求項６または請求項７において、
前記酸化物半導体膜は、ボロン（Ｂ）濃度、リン濃度（Ｐ）、及び窒素（Ｎ）濃度のいずれか一の元素が、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である半導体装置。
【請求項９】
請求項６乃至請求項８のいずれか一において、
前記酸化物半導体膜は、リチウム（Ｌｉ）濃度、及びカリウム（Ｋ）濃度が５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である半導体装置。
【請求項１０】
請求項６乃至請求項９のいずれか一において、
前記酸化物半導体膜は、ナトリウム（Ｎａ）濃度が５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である半導体装置。
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−２３１１３３（Ｐ２０１２−２３１１３３Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−９０１６７（Ｐ２０１２−９０１６７）
【出願日】平成２４年４月１１日（２０１２．４．１１）
【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２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年４月１１日（２０１２．４．１１）
【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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