JP2016056446A - 酸化物の作製方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】トランジスタの半導体などに適用可能な、酸化物を作製する。特に、結晶粒界などの欠陥の少ない酸化物を作製する。
【解決手段】基板に平行方向の成分を有して磁場が加えられ、磁場は、１０Ｇ以上１００Ｇ以下となる領域を有し、ターゲットが結晶体または多結晶体であるマグネトロンスパッタ法を用いて、結晶体または多結晶体中の結晶をペレット状にしてプラズマ中を飛翔せしめて被形成面上に被形成面と平行または略平行に配列せしめて積層する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、酸化物、トランジスタおよび半導体装置、ならびにそれらの製造方法に関する。または、本発明は、例えば、酸化物、表示装置、発光装置、照明装置、蓄電装置、記憶装置、プロセッサ、電子機器に関する。または、酸化物、表示装置、液晶表示装置、発光装置、記憶装置、電子機器の製造方法に関する。または、半導体装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、記憶装置、電子機器の駆動方法に関する。
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関するものである。
なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。表示装置、発光装置、照明装置、電気光学装置、半導体回路および電子機器は、半導体装置を有する場合がある。
絶縁表面を有する基板上の半導体を用いて、トランジスタを構成する技術が注目されている。当該トランジスタは集積回路や表示装置のような半導体装置に広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体としてシリコンが知られている。
トランジスタの半導体に用いられるシリコンは、用途によって非晶質シリコンと多結晶シリコンとが使い分けられている。例えば、大型の表示装置を構成するトランジスタに適用する場合、大面積基板への成膜技術が確立されている非晶質シリコンを用いると好適である。一方、駆動回路と画素回路とを同一基板上に形成するような高機能の表示装置を構成するトランジスタに適用する場合、高い電界効果移動度を有するトランジスタを作製可能な多結晶シリコンを用いると好適である。多結晶シリコンは、非晶質シリコンに対し高温での熱処理、またはレーザ光処理を行うことで形成する方法が知られる。
近年は、非晶質酸化物半導体、および微結晶を有する非晶質酸化物半導体を用いたトランジスタが開示されている（特許文献１参照。）。酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、大型の表示装置を構成するトランジスタの半導体に用いることができる。また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、高い電界効果移動度を有するため、駆動回路と画素回路とを同一基板上に形成するような高機能の表示装置を実現できる。また、非晶質シリコンを用いたトランジスタの生産設備の一部を改良して利用することが可能であるため、設備投資を抑えられるメリットもある。
なお、１９８５年には、結晶Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の合成が報告されている（非特許文献１参照。）。また、１９９５年には、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物がホモロガス構造をとり、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍは自然数。）という組成式で記述されることが報告されている（非特許文献２参照。）。
また、２０１４年には、非晶質Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いたトランジスタと比べ、優れた電気特性および信頼性を有する、結晶性Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いたトランジスタについて報告されている（非特許文献３および非特許文献４参照。）。ここでは、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ−Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物は、結晶粒界が明確に確認されないことが報告されている。
また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいことが知られている。例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を応用した低消費電力のＣＰＵなどが開示されている（特許文献２参照。）。また、酸化物半導体からなる活性層で井戸型ポテンシャルを構成することにより、高い電界効果移動度を有するトランジスタが得られることが開示されている（特許文献３参照。）。
特開２００６−１６５５２８号公報 特開２０１２−２５７１８７号公報 特開２０１２−５９８６０号公報
Ｎ． Ｋｉｍｉｚｕｋａ， ａｎｄ Ｔ． Ｍｏｈｒｉ： Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ １９８５ ｖｏｌ．６０ ｐｐ．３８２−３８４ Ｎ． Ｋｉｍｉｚｕｋａ， Ｍ． Ｉｓｏｂｅ， ａｎｄ Ｍ． Ｎａｋａｍｕｒａ： Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ １９９５ ｖｏｌ．１１６ ｐ１７０−ｐ１７８ Ｓ． Ｙａｍａｚａｋｉ， Ｈ． Ｓｕｚａｗａ， Ｋ． Ｉｎｏｕｅ， Ｋ． Ｋａｔｏ， Ｔ． Ｈｉｒｏｈａｓｈｉ， Ｋ． Ｏｋａｚａｋｉ， ａｎｄ Ｎ． Ｋｉｍｉｚｕｋａ： Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ２０１４ ｖｏｌ．５３ ０４ＥＤ１８ Ｓ． Ｙａｍａｚａｋｉ， Ｔ． Ｈｉｒｏｈａｓｈｉ， Ｍ． Ｔａｋａｈａｓｈｉ， Ｓ． Ａｄａｃｈｉ， Ｍ． Ｔｓｕｂｕｋｕ， Ｊ． Ｋｏｅｚｕｋａ， Ｋ． Ｏｋａｚａｋｉ， Ｙ． Ｋａｎｚａｋｉ， Ｈ． Ｍａｔｓｕｋｉｚｏｎｏ， Ｓ． Ｋａｎｅｋｏ， Ｓ． Ｍｏｒｉ， ａｎｄ Ｔ． Ｍａｔｓｕｏ： Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ ８ Ａｐｒｉｌ ２０１４ ２１１
トランジスタの半導体などに適用可能な、酸化物を作製する方法を提供することを課題の一とする。特に、結晶粒界などの欠陥の少ない酸化物を作製する方法を提供することを課題の一とする。
または、酸化物を半導体に用いた半導体装置を提供することを課題の一とする。または、酸化物を半導体に用いた半導体装置を有するモジュールを提供することを課題の一とする。または、酸化物を半導体に用いた半導体装置、または酸化物を半導体に用いた半導体装置を有するモジュールを有する電子機器を提供することを課題の一とする。
電気特性の良好なトランジスタを提供することを課題の一とする。または、電気特性の安定したトランジスタを提供することを課題の一とする。または、高い周波数特性を有するトランジスタを提供することを課題の一とする。または、オフ時の電流の小さいトランジスタを提供することを課題の一とする。または、該トランジスタを有する半導体装置を提供することを課題の一とする。または、該半導体装置を有するモジュールを提供することを課題の一とする。または、該半導体装置、または該モジュールを有する電子機器を提供することを課題の一とする。または、新規な半導体装置を提供することを課題の一とする。または、新規なモジュールを提供することを課題の一とする。または、新規な電子機器を提供することを課題の一とする。
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
（１）本発明の一態様は、基板に平行方向の成分を有して磁場が加えられ、磁場は、磁束密度が１０Ｇ以上１００Ｇ以下となる領域を有し、ターゲットが結晶体または多結晶体であるマグネトロンスパッタ法を用いて、結晶体または多結晶体中の結晶をペレット状にしてプラズマ中を飛翔せしめて被形成面上に被形成面と平行または略平行に配列せしめて積層する酸化物の作製方法である。
（２）または、本発明の一態様は、（１）において、ペレット状の結晶はチャージアップしており、被形成面に対して、磁場が０．１Ｈｚ以上１ｋＨｚ以下のビートで回転または移動していることにより、ペレット状の結晶を被形成面に配列せしめる酸化物の作製方法である。
（３）または、本発明の一態様は、酸化物の作製方法であって、酸化物は、マグネトロンスパッタ法を用いて成膜され、マグネトロンスパッタ法は、第１のステップと、第２のステップとを有し、第１のステップおよび第２のステップにおいて、基板の上面に平行方向の成分を有する磁場が加えられ、マグネトロンスパッタ法において使用されるターゲットは、多結晶構造を有する領域を有し、ターゲットは、基板と向かい合って配置され、ターゲットは、結晶粒を有し、第１のステップにおいて、結晶粒の一部は、ペレット状になって、プラズマ中を飛翔し、第２のステップにおいて、ペレット状の結晶粒の一部は、基板の上面に、上面と平行または略平行に配列するように積層される酸化物の作製方法である。
（４）または、本発明の一態様は、スパッタリング装置を用いた酸化物の作製方法であって、第１のステップと、第２のステップと、第３のステップと、を有し、スパッタリング装置は、ターゲットと、基板と、マグネットユニットと、を有し、ターゲットは、インジウムと、亜鉛と、元素Ｍ（元素Ｍはアルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズ）と、酸素と、を有し、ターゲットは、多結晶構造を有する領域を有し、ターゲットは、基板と向かい合って配置され、マグネットユニットは、ターゲットの背面側に配置され、マグネットユニットは、ターゲット側にＮ極を有する第１のマグネットと、ターゲット側にＳ極を有する第２のマグネットと、台座と、を有し、第１のマグネットと第２のマグネットとの間に、磁場が形成されており、第１のステップは、基板とマグネットユニットとが、相対的に移動または回転するステップを有し、第１のステップは、ターゲットおよび基板間に電位差を与えることでプラズマを生成するステップを有し、第１のステップは、プラズマ中に生じたイオンを、ターゲットのおもて面側に衝突させることで、平板状酸化物を剥離させるステップを有し、平板状酸化物は、第１の層と、第２の層と、第３の層と、を有し、第１の層は、元素Ｍ、亜鉛および酸素を有し、第２の層は、インジウムおよび酸素を有し、第３の層は、元素Ｍ、亜鉛および酸素を有し、第２のステップは、平板状酸化物が、プラズマ中を通ることで負に帯電した後、結晶構造を維持したまま基板上面に近接するステップを有し、第３のステップは、磁場と電流との作用により、平板状酸化物が、基板上面を移動してから堆積するステップを有し、電流は基板からターゲットに向けて流れる酸化物の作製方法である。
（５）または、本発明の一態様は、（４）において、基板の上面における水平磁場の磁束密度が１０Ｇ以上１００Ｇ以下である酸化物の作製方法である。
（６）または、本発明の一態様は、（４）または（５）において、マグネットユニットは、台座の中央を回転軸として回転しており、マグネットユニットの回転速度が０．１Ｈｚ以上１ｋＨｚ以下である酸化物の作製方法である。
（７）または、本発明の一態様は、（４）乃至（６）のいずれか一において、平板状酸化物の側面にあるインジウム、元素Ｍまたは亜鉛と結合する酸素が負に帯電する酸化物の作製方法である。
（８）または、本発明の一態様は、（４）乃至（７）のいずれか一において、負に帯電した酸素同士を互いに反発させることで、平板状酸化物の形状を維持する酸化物の作製方法である。
（９）または、本発明の一態様は、（４）乃至（８）のいずれか一において、平板状酸化物は、基板上面を移動し、側面が既に堆積している平板状酸化物の側面と結合した後で基板上面に固着する酸化物の作製方法である。
（１０）または、本発明の一態様は、（４）乃至（９）のいずれか一において、平板状酸化物は、基板上面に堆積する際、基板上面の法線ベクトルとｃ軸との為す角が、−３０°以上３０°以下となる酸化物の作製方法である。
（１１）または、本発明の一態様は、（４）乃至（１０）のいずれか一において、ターゲットに含まれる結晶性酸化物の組成式がＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍは自然数。）である酸化物の作製方法である。
（１２）または、本発明の一態様は、（４）乃至（１１）のいずれか一において、イオンが、酸素の陽イオンである酸化物の作製方法である。
トランジスタの半導体などに適用可能な、酸化物を作製する方法を提供することができる。特に、結晶粒界などの欠陥の少ない酸化物を作製する方法を提供することができる。
または、酸化物を半導体に用いた半導体装置を提供することができる。または、酸化物を半導体に用いた半導体装置を有するモジュールを提供することができる。または、酸化物を半導体に用いた半導体装置、または酸化物を半導体に用いた半導体装置を有するモジュールを有する電子機器を提供することができる。
電気特性の良好なトランジスタを提供することができる。または、電気特性の安定したトランジスタを提供することができる。または、高い周波数特性を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ時の電流の小さいトランジスタを提供することができる。または、該トランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、該半導体装置を有するモジュールを提供することができる。または、該半導体装置、または該モジュールを有する電子機器を提供することができる。または、新規な半導体装置を提供することができる。または、新規なモジュールを提供することができる。または、新規な電子機器を提供することができる。
なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
成膜室の一例を示す断面図、およびマグネットユニットの一例を示す上面図。 成膜室の一例を示す断面図、およびマグネットユニットの一例を示す上面図。 ＣＡＡＣ−ＯＳの成膜モデルを説明する模式図、およびペレットを示す図。 ペレットを説明する図。 被形成面においてペレットに加わる力を説明する図。 被形成面におけるペレットの動きを説明する図。 ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を説明する図。 Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の組成を説明する三角図。 成膜装置の一例を示す上面図。 成膜装置の構成の一例を示す図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の回路図。 本発明の一態様に係る記憶装置の回路図。 本発明の一態様に係るＣＰＵを示すブロック図。 本発明の一態様に係る記憶素子の回路図。 本発明の一態様に係る表示装置の上面図および回路図。 本発明の一態様に係る電子機器を示す図。 ＰＬＤ法で成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のＴＥＭ像を示す図。 ＰＬＤ法で成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のＴＥＭ像を示す図。 ＰＬＤ法で成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のＴＥＭ像を示す図。 ＰＬＤ法で成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のＴＥＭ像を示す図。 ＰＬＤ法で成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のＴＥＭ像および電子回折パターンを示す図。 ＰＬＤ法で成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のＴＥＭ像および電子回折パターンを示す図。 ＰＬＤ法で成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の電子回折パターンを示す図。 ＰＬＤ法で成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の電子回折パターンを示す図。 ＰＬＤ法で成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のＸＲＤ装置による解析結果を示す図。 ＰＬＤ法で成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のＸＲＤ装置による解析結果を示す図。 ＣＡＡＣ−ＯＳの成膜モデルを説明する模式図。 Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の電子照射による結晶部の変化を示す図。 Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のＴＥＭ像を示す図。 Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のＴＥＭ像を示す図、および電子照射による結晶部の変化を示す図。 Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の水素濃度の深さ方向におけるプロファイル。 Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のＴＥＭ像を示す図、および電子回折パターンを示す図。 Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のＴＥＭ像を示す図、および電子回折パターンを示す図。 Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の電子照射による結晶部の変化を示す図、およびＴＥＭ像を示す図。 Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の電子照射による結晶部の変化を示す図、およびＴＥＭ像を示す図。 ＰＬＤ法で成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のＴＥＭ像を示す図。 ＰＬＤ法で成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のＡＤＦ−ＳＴＥＭ像および各元素マッピングを示す図。 ＰＬＤ法で成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いたトランジスタの電気特性を示す図。 ＰＬＤ法で成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いたトランジスタの電気特性を示す図。
本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる。なお、同様のものを指す際にはハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
なお、図において、大きさ、膜（層）の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。
また、電圧は、ある電位と、基準の電位（例えば接地電位（ＧＮＤ）またはソース電位）との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧を電位と言い換えることが可能である。
なお、第１、第２として付される序数詞は便宜的に用いるものであり、工程順または積層順を示すものではない。そのため、例えば、「第１の」を「第２の」または「第３の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書などに記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。
なお、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分低い場合は「絶縁体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「絶縁体」は境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。したがって、本明細書に記載の「半導体」は、「絶縁体」と言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「絶縁体」は、「半導体」と言い換えることができる場合がある。
また、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分高い場合は「導電体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「導電体」は境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。したがって、本明細書に記載の「半導体」は、「導電体」と言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「導電体」は、「半導体」と言い換えることができる場合がある。
なお、半導体の不純物とは、例えば、半導体を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が０．１原子％未満の元素は不純物である。不純物が含まれることにより、例えば、半導体にＤＯＳ（Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｔａｔｅ）が形成されることや、キャリア移動度が低下することや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第１族元素、第２族元素、第１４族元素、第１５族元素、主成分以外の遷移金属などがあり、特に、例えば、水素（水にも含まれる）、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、例えば水素などの不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコンである場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１５族元素などがある。
なお、本明細書において、Ａが濃度Ｂの領域を有する、と記載する場合、例えば、Ａのある領域における深さ方向全体の濃度がＢである場合、Ａのある領域における深さ方向の濃度の平均値がＢである場合、Ａのある領域における深さ方向の濃度の中央値がＢである場合、Ａのある領域における深さ方向の濃度の最大値がＢである場合、Ａのある領域における深さ方向の濃度の最小値がＢである場合、Ａのある領域における深さ方向の濃度の収束値がＢである場合、測定上Ａそのものの確からしい値の得られる領域における濃度がＢである場合などを含む。
また、本明細書において、Ａが大きさＢ、長さＢ、厚さＢ、幅Ｂまたは距離Ｂの領域を有する、と記載する場合、例えば、Ａのある領域における全体の大きさ、長さ、厚さ、幅、または距離がＢである場合、Ａのある領域における大きさ、長さ、厚さ、幅、または距離の平均値がＢである場合、Ａのある領域における大きさ、長さ、厚さ、幅、または距離の中央値がＢである場合、Ａのある領域における大きさ、長さ、厚さ、幅、または距離の最大値がＢである場合、Ａのある領域における大きさ、長さ、厚さ、幅、または距離の最小値がＢである場合、Ａのある領域における大きさ、長さ、厚さ、幅、または距離の収束値がＢである場合、測定上Ａそのものの確からしい値の得られる領域での大きさ、長さ、厚さ、幅、または距離がＢである場合などを含む。
なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース（ソース領域またはソース電極）とドレイン（ドレイン領域またはドレイン電極）との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
チャネル幅とは、例えば、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅（以下、実効的なチャネル幅と呼ぶ。）と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅（以下、見かけ上のチャネル幅と呼ぶ。）と、が異なる場合がある。例えば、立体的な構造を有するトランジスタでは、実効的なチャネル幅が、トランジスタの上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつ立体的な構造を有するトランジスタでは、半導体の上面に形成されるチャネル領域の割合に対して、半導体の側面に形成されるチャネル領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも、実際にチャネルの形成される実効的なチャネル幅の方が大きくなる。
ところで、立体的な構造を有するトランジスタにおいては、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。
そこで、本明細書では、トランジスタの上面図において、半導体とゲート電極とが互いに重なる領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さである見かけ上のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅（ＳＣＷ：Ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｗｉｄｔｈ）」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込みチャネル幅などは、断面ＴＥＭ像などを取得して、その画像を解析することなどによって、値を決定することができる。
なお、トランジスタの電界効果移動度や、チャネル幅当たりの電流値などを計算して求める場合、囲い込みチャネル幅を用いて計算する場合がある。その場合には、実効的なチャネル幅を用いて計算する場合とは異なる値をとる場合がある。
なお、本明細書において、ＡがＢより迫り出した形状を有すると記載する場合、上面図または断面図において、Ａの少なくとも一端が、Ｂの少なくとも一端よりも外側にある形状を有することを示す場合がある。したがって、ＡがＢより迫り出した形状を有すると記載されている場合、例えば上面図において、Ａの一端が、Ｂの一端よりも外側にある形状を有すると読み替えることができる。
＜スパッタリング装置＞
以下では、本発明の一態様に係るスパッタリング装置と、該スパッタリング装置を用いて結晶性を有する酸化物を成膜する方法について説明する。
図１（Ａ）は、スパッタリング装置である成膜室１０１の断面図である。図１（Ａ）に示す成膜室１０１は、ターゲットホルダ１２０と、バッキングプレート１１０と、ターゲット１００と、マグネットユニット１３０と、基板ホルダ１７０と、を有する。なお、ターゲット１００は、バッキングプレート１１０上に配置される。また、バッキングプレート１１０は、ターゲットホルダ１２０上に配置される。また、マグネットユニット１３０は、バッキングプレート１１０を介してターゲット１００下に配置される。また、基板ホルダ１７０は、ターゲット１００と向かい合って配置される。なお、本明細書では、複数のマグネット（磁石）を組み合わせたものをマグネットユニットと呼ぶ。マグネットユニットは、カソード、カソードマグネット、磁気部材、磁気部品などと呼びかえることができる。マグネットユニット１３０は、マグネット１３０Ｎと、マグネット１３０Ｓと、マグネットホルダ１３２と、を有する。なお、マグネットユニット１３０において、マグネット１３０Ｎおよびマグネット１３０Ｓは、マグネットホルダ１３２上に配置される。また、マグネット１３０Ｎは、マグネット１３０Ｓと間隔を開けて配置される。なお、成膜室１０１に基板１６０を搬入する場合、基板１６０は基板ホルダ１７０上に配置される。
ターゲットホルダ１２０とバッキングプレート１１０とは、ネジ（ボルトなど）を用いて固定されており、等電位となる。また、ターゲットホルダ１２０は、バッキングプレート１１０を介してターゲット１００を支持する機能を有する。
バッキングプレート１１０は、ターゲット１００を固定する機能を有する。
図１（Ａ）に、マグネットユニット１３０によって形成される磁力線１８０ａおよび磁力線１８０ｂを示す。
磁力線１８０ａは、ターゲット１００の上面近傍における水平磁場を形成する磁力線の一つである。ターゲット１００の上面近傍は、例えば、ターゲット１００の上面からの垂直距離が０ｍｍ以上１０ｍｍ以下、特に０ｍｍ以上５ｍｍ以下の領域である。なお、ターゲットの上面は、スパッタされる面を指す。例えば、ターゲットの向きに応じて、下面、側面、正面または被処理面などと呼びかえることができる。
磁力線１８０ｂは、マグネットユニット１３０の上面から、垂直距離ｄの位置に水平磁場を形成する磁力線の一つである。垂直距離ｄは、例えば、０ｍｍ以上２０ｍｍ以下または５ｍｍ以上１５ｍｍ以下である。なお、マグネットユニットの上面は、マグネットユニットのターゲット側の面を指す。例えば、マグネットユニットの向きに応じて、下面、側面または正面などと呼びかえることができる。
このとき、強力なマグネット１３０Ｎおよび強力なマグネット１３０Ｓを用いることで、基板１６０の上面近傍においても強い磁場を発生させることができる。具体的には、基板１６０の上面における水平磁場の磁束密度を１０Ｇ以上１００Ｇ以下、好ましくは１５Ｇ以上６０Ｇ以下、さらに好ましくは２０Ｇ以上４０Ｇ以下とすることができる。基板１６０の上面における水平磁場の磁束密度を上述の範囲とすることにより、後述する成膜モデルを実現することができる。なお、基板の上面は、成膜される面を指す。例えば、基板の向きに応じて、下面、側面、正面または被形成面などと呼びかえることができる。
なお、水平磁場の磁束密度の測定は、垂直磁場の磁束密度が０Ｇのときの値を測定すればよい。
成膜室１０１における磁場の磁束密度を上述の範囲とすることで、密度が高く、結晶性の高い酸化物を成膜することができる。また、得られる酸化物は、複数種の結晶相を含むことが少なく、ほとんど単一の結晶相を含む酸化物となる。
図１（Ｂ）に、マグネットユニット１３０の上面図を示す。マグネットユニット１３０は、円形または略円形のマグネット１３０Ｎと、円形または略円形のマグネット１３０Ｓと、がマグネットホルダ１３２に固定されていることわかる。そして、マグネットユニット１３０を、マグネットユニット１３０の上面における中央または略中央の法線ベクトルを回転軸として回転させることができる。例えば、マグネットユニット１３０を、０．１Ｈｚ以上１ｋＨｚ以下のビート（リズム、拍子、パルス、周波、周期またはサイクルなどと言い換えてもよい。）で回転させればよい。
したがって、ターゲット１００上の磁場の強い領域は、マグネットユニット１３０の回転とともに変化する。磁場の強い領域は高密度プラズマ領域となるため、その近傍においてターゲット１００のスパッタリング現象が起こりやすい。例えば、磁場の強い領域が特定の箇所となる場合、ターゲット１００の特定の領域のみが使用されることになる。一方、図１（Ｂ）に示すようにマグネットユニット１３０を回転させることで、ターゲット１００を均一に使用することができる。また、マグネットユニット１３０を回転させることによって、均一な厚さ、質を有する膜を成膜することができる。
また、マグネットユニット１３０を回転させることにより、基板１６０の上面における磁力線の向きも変化させることができる。
なお、ここではマグネットユニット１３０を回転させる例を示したが、本発明の一態様はこれに限定されるものではない。例えば、マグネットユニット１３０を上下または／および左右に揺動させても構わない。例えば、マグネットユニット１３０を、０．１Ｈｚ以上１ｋＨｚ以下のビートで移動させればよい。または、ターゲット１００を回転または移動させても構わない。例えば、ターゲット１００を、０．１Ｈｚ以上１ｋＨｚ以下のビートで回転または移動させればよい。または、基板１６０を回転させることで、相対的に基板１６０の上面における磁力線の向きを変化させても構わない。または、これらを組み合わせても構わない。
成膜室１０１は、バッキングプレート１１０の内部または下部などに水路を有してもよい。そして、水路に流体（空気、窒素、希ガス、水、オイルなど）を流すことで、スパッタ時にターゲット１００の温度の上昇による放電異常や、部材の変形による成膜室１０１の損傷などを抑制することができる。このとき、バッキングプレート１１０とターゲット１００とをボンディング材を介して密着させると、冷却性能が高まるため好ましい。
なお、ターゲットホルダ１２０とバッキングプレート１１０との間にガスケットを有すると、成膜室１０１内に外部や水路などから不純物が混入しにくくなるため好ましい。
マグネットユニット１３０において、マグネット１３０Ｎとマグネット１３０Ｓとは、それぞれターゲット１００側に異なる極を向けて配置されている。ここでは、マグネット１３０Ｎをターゲット１００側がＮ極となるように配置し、マグネット１３０Ｓをターゲット１００側がＳ極となるように配置する場合について説明する。ただし、マグネットユニット１３０におけるマグネットおよび極の配置は、この配置に限定されるものではない。また、図１（Ａ）の配置に限定されるものでもない。
成膜時、ターゲットホルダ１２０に接続する端子Ｖ１に印加される電位Ｖ１は、例えば、基板ホルダ１７０に接続する端子Ｖ２に印加される電位Ｖ２よりも低い電位である。また、基板ホルダ１７０に接続する端子Ｖ２に印加される電位Ｖ２は、例えば、接地電位である。また、マグネットホルダ１３２に接続する端子Ｖ３に印加される電位Ｖ３は、例えば、接地電位である。なお、端子Ｖ１、端子Ｖ２および端子Ｖ３に印加される電位は上記の電位に限定されない。また、ターゲットホルダ１２０、基板ホルダ１７０、マグネットホルダ１３２の全てに電位が印加されなくても構わない。例えば、基板ホルダ１７０が電気的に浮いていても構わない。なお、図１（Ａ）では、ターゲットホルダ１２０に接続する端子Ｖ１に電位Ｖ１を印加する、いわゆるＤＣスパッタリング法の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない。例えば、ターゲットホルダ１２０に、周波数が１３．５６ＭＨｚまたは２７．１２ＭＨｚなどの高周波電源を接続する、いわゆるＲＦスパッタリング法を用いても構わない。
また、図１（Ａ）では、バッキングプレート１１０およびターゲットホルダ１２０と、マグネットユニット１３０およびマグネットホルダ１３２と、は電気的に接続されない例を示したが、これに限定されない。例えば、バッキングプレート１１０およびターゲットホルダ１２０と、マグネットユニット１３０およびマグネットホルダ１３２と、が電気的に接続されており、等電位となっていても構わない。
また、得られる酸化物の結晶性をさらに高めるために、基板１６０の温度を高くしても構わない。基板１６０の温度を高くすることで、基板１６０の上面におけるスパッタ粒子のマイグレーションを助長させることができる。したがって、より密度が高く、より結晶性の高い酸化物を成膜することができる。なお、基板１６０の温度は、例えば、１００℃以上４５０℃以下、好ましくは１５０℃以上４００℃以下、さらに好ましくは１７０℃以上３５０℃以下とすればよい。
また、成膜ガス中の酸素分圧が高すぎると、複数種の結晶相を含む酸化物が成膜されやすいため、成膜ガスはアルゴンなどの希ガス（ほかにヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノンなど）と酸素との混合ガスを用いると好ましい。例えば、全体に占める酸素の割合を５０体積％未満、好ましくは３３体積％以下、さらに好ましくは２０体積％以下、より好ましくは１５体積％以下とすればよい。
また、ターゲット１００と基板１６０との垂直距離を、１０ｍｍ以上６００ｍｍ以下、好ましくは２０ｍｍ以上４００ｍｍ以下、さらに好ましくは３０ｍｍ以上２００ｍｍ以下、より好ましくは４０ｍｍ以上１００ｍｍ以下とする。ターゲット１００と基板１６０との垂直距離を上述の範囲まで近くすることで、スパッタ粒子が、基板１６０に到達するまでの間におけるエネルギーの低下を抑制できる場合がある。また、ターゲット１００と基板１６０との垂直距離を上述の範囲まで遠くすることで、スパッタ粒子の基板１６０への入射方向を垂直に近づけることができるため、スパッタ粒子の衝突による基板１６０へのダメージを小さくすることができる場合がある。
図２（Ａ）に、図１（Ａ）とは異なる成膜室の例を示す。
図２（Ａ）に示す成膜室１０１は、ターゲットホルダ１２０ａと、ターゲットホルダ１２０ｂと、バッキングプレート１１０ａと、バッキングプレート１１０ｂと、ターゲット１００ａと、ターゲット１００ｂと、マグネットユニット１３０ａと、マグネットユニット１３０ｂと、部材１４０と、基板ホルダ１７０と、を有する。なお、ターゲット１００ａは、バッキングプレート１１０ａ上に配置される。また、バッキングプレート１１０ａは、ターゲットホルダ１２０ａ上に配置される。また、マグネットユニット１３０ａは、バッキングプレート１１０ａを介してターゲット１００ａ下に配置される。また、ターゲット１００ｂは、バッキングプレート１１０ｂ上に配置される。また、バッキングプレート１１０ｂは、ターゲットホルダ１２０ｂ上に配置される。また、マグネットユニット１３０ｂは、バッキングプレート１１０ｂを介してターゲット１００ｂ下に配置される。
マグネットユニット１３０ａは、マグネット１３０Ｎ１と、マグネット１３０Ｎ２と、マグネット１３０Ｓと、マグネットホルダ１３２と、を有する。なお、マグネットユニット１３０ａにおいて、マグネット１３０Ｎ１、マグネット１３０Ｎ２およびマグネット１３０Ｓは、マグネットホルダ１３２上に配置される。また、マグネット１３０Ｎ１およびマグネット１３０Ｎ２は、マグネット１３０Ｓと間隔を開けて配置される。なお、マグネットユニット１３０ｂは、マグネットユニット１３０ａと同様の構造を有する。なお、成膜室１０１に基板１６０を搬入する場合、基板１６０は基板ホルダ１７０上に配置される。
ターゲット１００ａ、バッキングプレート１１０ａおよびターゲットホルダ１２０ａと、ターゲット１００ｂ、バッキングプレート１１０ｂおよびターゲットホルダ１２０ｂと、は部材１４０によって離間されている。なお、部材１４０は絶縁体であることが好ましい。ただし、部材１４０が導電体または半導体であっても構わない。また、部材１４０が、導電体または半導体の表面を絶縁体で覆ったものであっても構わない。
ターゲットホルダ１２０ａとバッキングプレート１１０ａとは、ネジ（ボルトなど）を用いて固定されており、等電位となる。また、ターゲットホルダ１２０ａは、バッキングプレート１１０ａを介してターゲット１００ａを支持する機能を有する。また、ターゲットホルダ１２０ｂとバッキングプレート１１０ｂとは、ネジ（ボルトなど）を用いて固定されており、等電位となる。また、ターゲットホルダ１２０ｂは、バッキングプレート１１０ｂを介してターゲット１００ｂを支持する機能を有する。
バッキングプレート１１０ａは、ターゲット１００ａを固定する機能を有する。また、バッキングプレート１１０ｂは、ターゲット１００ｂを固定する機能を有する。
図２（Ａ）に、マグネットユニット１３０ａによって形成される磁力線１８０ａおよび磁力線１８０ｂを示す。
磁力線１８０ａは、ターゲット１００ａの上面近傍における水平磁場を形成する磁力線の一つである。ターゲット１００ａの上面近傍は、例えば、ターゲット１００ａの上面からの垂直距離が０ｍｍ以上１０ｍｍ以下、特に０ｍｍ以上５ｍｍ以下の領域である。
磁力線１８０ｂは、マグネットユニット１３０ａの上面から、垂直距離ｄの位置に水平磁場を形成する磁力線の一つである。垂直距離ｄは、例えば、０ｍｍ以上２０ｍｍ以下または５ｍｍ以上１５ｍｍ以下である。
このとき、強力なマグネット１３０Ｎ１、マグネット１３０Ｎ２および強力なマグネット１３０Ｓを用いることで、基板１６０の上面近傍においても強い磁場を発生させることができる。具体的には、基板１６０の上面における水平磁場の磁束密度を１０Ｇ以上１００Ｇ以下、好ましくは１５Ｇ以上６０Ｇ以下、さらに好ましくは２０Ｇ以上４０Ｇ以下とすることができる。基板１６０の上面における水平磁場の磁束密度を上述の範囲とすることにより、後述する成膜モデルを実現することができる。
成膜室１０１における磁場の磁束密度を上述の範囲とすることで、密度が高く、結晶性の高い酸化物を成膜することができる。また、得られる酸化物は、複数種の結晶相を含むことが少なく、ほとんど単一の結晶相を含む酸化物となる。
なお、マグネットユニット１３０ｂもマグネットユニット１３０ａと同様の磁力線が形成される。
図２（Ｂ）に、マグネットユニット１３０ａおよびマグネットユニット１３０ｂの上面図を示す。マグネットユニット１３０ａは、長方形または略長方形のマグネット１３０Ｎ１と、長方形または略長方形のマグネット１３０Ｎ２と、長方形または略長方形のマグネット１３０Ｓと、がマグネットホルダ１３２に固定されていることわかる。そして、マグネットユニット１３０ａを、図２（Ｂ）に示す左右に揺動させることができる。例えば、マグネットユニット１３０ａを、０．１Ｈｚ以上１ｋＨｚ以下のビートで揺動させればよい。
したがって、ターゲット１００ａ上の磁場の強い領域は、マグネットユニット１３０ａの揺動とともに変化する。磁場の強い領域は高密度プラズマ領域となるため、その近傍においてターゲット１００ａのスパッタリング現象が起こりやすい。例えば、磁場の強い領域が特定の箇所となる場合、ターゲット１００ａの特定の領域のみが使用されることになる。一方、図２（Ｂ）に示すようにマグネットユニット１３０ａを揺動させることで、ターゲット１００ａを均一に使用することができる。また、マグネットユニット１３０ａを揺動させることによって、均一な厚さ、質を有する膜を成膜することができる。
また、マグネットユニット１３０ａを揺動させることにより、基板１６０の上面における磁力線の状態も変化させることができる。これは、マグネットユニット１３０ｂにおいても同様である。
なお、ここではマグネットユニット１３０ａおよびマグネットユニット１３０ｂを揺動させる例を示したが、本発明の一態様はこれに限定されるものではない。例えば、マグネットユニット１３０ａおよびマグネットユニット１３０ｂを回転させても構わない。例えば、マグネットユニット１３０ａおよびマグネットユニット１３０ｂを、０．１Ｈｚ以上１ｋＨｚ以下のビートで回転させればよい。または、ターゲット１００を回転または移動させても構わない。例えば、ターゲット１００を、０．１Ｈｚ以上１ｋＨｚ以下のビートで回転または移動させればよい。または、基板１６０を回転させることで、相対的に基板１６０の上面における磁力線の状態を変化させることができる。または、これらを組み合わせても構わない。
成膜室１０１は、バッキングプレート１１０ａおよびバッキングプレート１１０ｂの内部または下部などに水路を有してもよい。そして、水路に流体（空気、窒素、希ガス、水、オイルなど）を流すことで、スパッタ時にターゲット１００ａおよびターゲット１００ｂの温度の上昇による放電異常や、部材の変形による成膜室１０１の損傷などを抑制することができる。このとき、バッキングプレート１１０ａとターゲット１００ａとをボンディング材を介して密着させると、冷却性能が高まるため好ましい。また、バッキングプレート１１０ｂとターゲット１００ｂとをボンディング材を介して密着させると、冷却性能が高まるため好ましい。
なお、ターゲットホルダ１２０ａとバッキングプレート１１０ａとの間にガスケットを有すると、成膜室１０１内に外部や水路などから不純物が混入しにくくなるため好ましい。また、ターゲットホルダ１２０ｂとバッキングプレート１１０ｂとの間にガスケットを有すると、成膜室１０１内に外部や水路などから不純物が混入しにくくなるため好ましい。
マグネットユニット１３０ａにおいて、マグネット１３０Ｎ１およびマグネット１３０Ｎ２とマグネット１３０Ｓとはそれぞれターゲット１００ａ側に異なる極を向けて配置されている。ここでは、マグネット１３０Ｎ１およびマグネット１３０Ｎ２をターゲット１００ａ側がＮ極となるように配置し、マグネット１３０Ｓをターゲット１００ａ側がＳ極となるように配置する場合について説明する。ただし、マグネットユニット１３０ａにおけるマグネットおよび極の配置は、この配置に限定されるものではない。また、図２（Ａ）の配置に限定されるものでもない。これは、マグネットユニット１０３ｂについても同様である。
成膜時、ターゲットホルダ１２０ａに接続する端子Ｖ１と、ターゲットホルダ１２０ｂに接続する端子Ｖ４と、の間で、交互に電位の高低が入れ替わる電位を印加すればよい。また、基板ホルダ１７０に接続する端子Ｖ２に印加される電位Ｖ２は、例えば、接地電位である。また、マグネットホルダ１３２に接続する端子Ｖ３に印加される電位Ｖ３は、例えば、接地電位である。なお、端子Ｖ１、端子Ｖ２、端子Ｖ３および端子Ｖ４に印加される電位は上記の電位に限定されない。また、ターゲットホルダ１２０ａ、ターゲットホルダ１２０ｂ、基板ホルダ１７０、マグネットホルダ１３２の全てに電位が印加されなくても構わない。例えば、基板ホルダ１７０が電気的に浮いていても構わない。なお、図２（Ａ）では、ターゲットホルダ１２０ａに接続する端子Ｖ１と、ターゲットホルダ１２０ｂに接続する端子Ｖ４と、の間で、交互に電位の高低が入れ替わる電位を印加する、いわゆるＡＣスパッタリング法の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない。
また、図２（Ａ）では、バッキングプレート１１０ａおよびターゲットホルダ１２０ａと、マグネットユニット１３０ａおよびマグネットホルダ１３２と、は電気的に接続されない例を示したが、これに限定されない。例えば、バッキングプレート１１０ａおよびターゲットホルダ１２０ａと、マグネットユニット１３０ａおよびマグネットホルダ１３２と、が電気的に接続されており、等電位となっていても構わない。また、バッキングプレート１１０ｂおよびターゲットホルダ１２０ｂと、マグネットユニット１３０ｂおよびマグネットホルダ１３２と、は電気的に接続されない例を示したが、これに限定されない。例えば、バッキングプレート１１０ｂおよびターゲットホルダ１２０ｂと、マグネットユニット１３０ｂおよびマグネットホルダ１３２と、が電気的に接続されており、等電位となっていても構わない。
また、得られる酸化物の結晶性をさらに高めるために、基板１６０の温度を高くしても構わない。基板１６０の温度を高くすることで、基板１６０の上面におけるスパッタ粒子のマイグレーションを助長させることができる。したがって、より密度が高く、より結晶性の高い酸化物を成膜することができる。なお、基板１６０の温度は、例えば、１００℃以上４５０℃以下、好ましくは１５０℃以上４００℃以下、さらに好ましくは１７０℃以上３５０℃以下とすればよい。
また、成膜ガス中の酸素分圧が高すぎると、複数種の結晶相を含む酸化物が成膜されやすいため、成膜ガスはアルゴンなどの希ガス（ほかにヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノンなど）と酸素との混合ガスを用いると好ましい。例えば、全体に占める酸素の割合を５０体積％未満、好ましくは３３体積％以下、さらに好ましくは２０体積％以下、より好ましくは１５体積％以下とすればよい。
また、ターゲット１００ａと基板１６０との垂直距離を、１０ｍｍ以上６００ｍｍ以下、好ましくは２０ｍｍ以上４００ｍｍ以下、さらに好ましくは３０ｍｍ以上２００ｍｍ以下、より好ましくは４０ｍｍ以上１００ｍｍ以下とする。ターゲット１００ａと基板１６０との垂直距離を上述の範囲まで近くすることで、スパッタ粒子が、基板１６０に到達するまでの間におけるエネルギーの低下を抑制できる場合がある。また、ターゲット１００ａと基板１６０との垂直距離を上述の範囲まで遠くすることで、スパッタ粒子の基板１６０への入射方向を垂直に近づけることができるため、スパッタ粒子の衝突による基板１６０へのダメージを小さくすることができる場合がある。
また、ターゲット１００ｂと基板１６０との垂直距離を、１０ｍｍ以上６００ｍｍ以下、好ましくは２０ｍｍ以上４００ｍｍ以下、さらに好ましくは３０ｍｍ以上２００ｍｍ以下、より好ましくは４０ｍｍ以上１００ｍｍ以下とする。ターゲット１００ｂと基板１６０との垂直距離を上述の範囲まで近くすることで、スパッタ粒子が、基板１６０に到達するまでの間におけるエネルギーの低下を抑制できる場合がある。また、ターゲット１００ｂと基板１６０との垂直距離を上述の範囲まで遠くすることで、スパッタ粒子の基板１６０への入射方向を垂直に近づけることができるため、スパッタ粒子の衝突による基板１６０へのダメージを小さくすることができる場合がある。
＜酸化物＞
以下では本発明の一態様に係る酸化物について説明する。
＜酸化物半導体の構造＞
以下では、酸化物半導体の構造について説明する。なお、酸化物半導体とは、半導体の性質を有する酸化物をいう。
なお、本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が−３０°以上３０°以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が６０°以上１２０°以下の角度で配置されている状態をいう。
また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。
酸化物半導体は、非単結晶酸化物半導体と単結晶酸化物半導体とに大別される。非単結晶酸化物半導体とは、ＣＡＡＣ−ＯＳ、多結晶酸化物半導体、微結晶酸化物半導体、非晶質酸化物半導体などをいう。
まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。
ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向した複数の結晶部を有する酸化物半導体の一つである。
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって、ＣＡＡＣ−ＯＳの明視野像および回折パターンの複合解析像（高分解能ＴＥＭ像ともいう。）を観察することで複数の結晶部を確認することができる。一方、高分解能ＴＥＭ像によっても明確な結晶部同士の境界、即ち結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を確認することができない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳは、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。
試料面と略平行な方向から、ＣＡＡＣ−ＯＳの断面の高分解能ＴＥＭ像を観察すると、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層は、ＣＡＡＣ−ＯＳの膜を形成する面（被形成面ともいう。）または上面の凹凸を反映した形状であり、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面または上面と平行に配列する。
一方、試料面と略垂直な方向から、ＣＡＡＣ−ＯＳの平面の高分解能ＴＥＭ像を観察すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られない。
ＣＡＡＣ−ＯＳに対し、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）装置を用いて構造解析を行うと、例えばＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳのｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（０ ０ ９）面に帰属されることから、ＣＡＡＣ−ＯＳの結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。
なお、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳのｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、２θが３１°近傍のピークの他に、２θが３６°近傍にもピークが現れる場合がある。２θが３６°近傍のピークは、ＣＡＡＣ−ＯＳ中の一部に、ｃ軸配向性を有さない結晶が含まれることを示している。ＣＡＡＣ−ＯＳは、２θが３１°近傍にピークを示し、２θが３６°近傍にピークを示さないことが好ましい。
ＣＡＡＣ−ＯＳは、不純物濃度の低い酸化物半導体である。不純物は、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などの酸化物半導体の主成分以外の元素である。特に、シリコンなどの、酸化物半導体を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体から酸素を奪うことで酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径（または分子半径）が大きいため、酸化物半導体内部に含まれると、酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。なお、酸化物半導体に含まれる不純物は、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。
また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、欠陥準位密度の低い酸化物半導体である。例えば、酸化物半導体中の酸素欠損は、キャリアトラップとなることや、水素を捕獲することによってキャリア発生源となることがある。
不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い（酸素欠損の少ない）ことを、高純度真性または実質的に高純度真性と呼ぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。したがって、当該酸化物半導体を用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性（ノーマリーオンともいう。）になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体は、キャリアトラップが少ない。そのため、当該酸化物半導体を用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。なお、酸化物半導体のキャリアトラップに捕獲された電荷は、放出するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、不純物濃度が高く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体を用いたトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
また、ＣＡＡＣ−ＯＳを用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。
次に、微結晶酸化物半導体について説明する。
微結晶酸化物半導体は、高分解能ＴＥＭ像において、結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。微結晶酸化物半導体に含まれる結晶部は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、または１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の大きさであることが多い。特に、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、または１ｎｍ以上３ｎｍ以下の微結晶であるナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）を有する酸化物半導体を、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼ぶ。また、ｎｃ−ＯＳは、例えば、高分解能ＴＥＭ像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。
ｎｃ−ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ−ＯＳは、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、ｎｃ−ＯＳは、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。例えば、ｎｃ−ＯＳに対し、結晶部よりも大きい径のＸ線を用いるＸＲＤ装置を用いて構造解析を行うと、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、ｎｃ−ＯＳに対し、結晶部よりも大きいプローブ径（例えば５０ｎｍ以上）の電子線を用いる電子回折（制限視野電子回折ともいう。）を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、ｎｃ−ＯＳに対し、結晶部の大きさと近いか結晶部より小さいプローブ径の電子線を用いるナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測される。また、ｎｃ−ＯＳに対しナノビーム電子回折を行うと、円を描くように（リング状に）輝度の高い領域が観測される場合がある。また、ｎｃ−ＯＳに対しナノビーム電子回折を行うと、リング状の領域内に複数のスポットが観測される場合がある。
ｎｃ−ＯＳは、非晶質酸化物半導体よりも規則性の高い酸化物半導体である。そのため、ｎｃ−ＯＳは、非晶質酸化物半導体よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、ｎｃ−ＯＳは、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、ｎｃ−ＯＳは、ＣＡＡＣ−ＯＳと比べて欠陥準位密度が高くなる。
次に、非晶質酸化物半導体について説明する。
非晶質酸化物半導体は、膜中における原子配列が不規則であり、結晶部を有さない酸化物半導体である。石英のような無定形状態を有する酸化物半導体が一例である。
非晶質酸化物半導体は、高分解能ＴＥＭ像において結晶部を確認することができない。
非晶質酸化物半導体に対し、ＸＲＤ装置を用いた構造解析を行うと、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、非晶質酸化物半導体に対し、電子回折を行うと、ハローパターンが観測される。また、非晶質酸化物半導体に対し、ナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測されず、ハローパターンが観測される。
なお、酸化物半導体は、ｎｃ−ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の物性を示す構造を有する場合がある。そのような構造を有する酸化物半導体を、特に非晶質ライク酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼ぶ。
ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において鬆（ボイドともいう。）が観察される場合がある。また、高分解能ＴＥＭ像において、明確に結晶部を確認することのできる領域と、結晶部を確認することのできない領域と、を有する。ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ＴＥＭによる観察程度の微量な電子照射によって、結晶化が起こり、結晶部の成長が見られる場合がある。一方、良質なｎｃ−ＯＳであれば、ＴＥＭによる観察程度の微量な電子照射による結晶化はほとんど見られない。
なお、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳおよびｎｃ−ＯＳの結晶部の大きさの計測は、高分解能ＴＥＭ像を用いて行うことができる。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶は層状構造を有し、Ｉｎ−Ｏ層の間に、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層を２層有する。ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の単位格子は、Ｉｎ−Ｏ層を３層有し、またＧａ−Ｚｎ−Ｏ層を６層有する、計９層がｃ軸方向に層状に重なった構造を有する。よって、これらの近接する層同士の間隔は、（０ ０ ９）面の格子面間隔（ｄ値ともいう。）と同程度であり、結晶構造解析からその値は０．２９ｎｍと求められている。そのため、高分解能ＴＥＭ像における格子縞に着目し、格子縞の間隔が０．２８ｎｍ以上０．３０ｎｍ以下である箇所においては、それぞれの格子縞がＩｎＧａＺｎＯ４の結晶のａ−ｂ面に対応する。
また、酸化物半導体は、構造ごとに密度が異なる場合がある。例えば、ある酸化物半導体の組成がわかれば、該組成と同じ組成における単結晶の密度と比較することにより、その酸化物半導体の構造を推定することができる。例えば、単結晶の密度に対し、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳの密度は７８．６％以上９２．３％未満となる。また、例えば、単結晶の密度に対し、ｎｃ−ＯＳの密度およびＣＡＡＣ−ＯＳの密度は９２．３％以上１００％未満となる。なお、単結晶の密度に対し密度が７８％未満となる酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。
上記について、具体例を用いて説明する。例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、菱面体晶構造を有する単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４の密度は６．３５７ｇ／ｃｍ３となる。よって、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳの密度は５．０ｇ／ｃｍ３以上５．９ｇ／ｃｍ３未満となる。また、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、ｎｃ−ＯＳの密度およびＣＡＡＣ−ＯＳの密度は５．９ｇ／ｃｍ３以上６．３ｇ／ｃｍ３未満となる。
なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合がある。その場合、任意の割合で組成の異なる単結晶を組み合わせることにより、所望の組成の単結晶に相当する密度を算出することができる。所望の組成の単結晶の密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して、加重平均を用いて算出すればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない種類の単結晶を組み合わせて算出することが好ましい。
＜酸化物半導体の物性＞
以下では、酸化物半導体の構造による物性の違いについて説明する。
試料Ａ、試料Ｂおよび試料Ｃを準備する。いずれの試料もＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である。
まず、試料Ａ乃至試料Ｃの高分解能断面ＴＥＭ像を取得する。高分解能断面ＴＥＭ像により、試料Ａ乃至試料Ｃは、いずれも結晶部を有することがわかる。
さらに、試料Ａ乃至試料Ｃの結晶部の大きさを計測する。結晶部の大きさを計測する方法については、酸化物半導体の構造に関する記載を参照する。図３５は、試料Ａ乃至試料Ｃの結晶部（２２箇所から４５箇所）の平均の大きさの変化を調査した例である。図３５より、試料Ａは、電子の累積照射量に応じて結晶部が大きくなっていくことがわかる。具体的には、ＴＥＭによる観察初期においては１．２ｎｍ程度の大きさだった結晶部が、累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２においては２．６ｎｍ程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、試料Ｂおよび試料Ｃは、電子照射開始時から電子の累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２になるまでの範囲で、電子の累積照射量によらず結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。
したがって、上述した分類によれば、試料Ａはａ−ｌｉｋｅ ＯＳであることがわかる。また、試料Ｂおよび試料Ｃは、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳではないことがわかる。なお、試料Ｂは、高分解能断面ＴＥＭ像より、ｎｃ−ＯＳであることが判明している。また、試料Ｃは、ＣＡＡＣ−ＯＳであることが判明している。
また、図３５に示す、試料Ａ乃至試料Ｃの結晶部の大きさの変化を線形近似して、電子の累積照射量０ｅ−／ｎｍ２まで外挿すると、結晶部の平均の大きさが正の値をとることがわかる。そのため、試料Ａ乃至試料Ｃの結晶部が、ＴＥＭによる観察前から存在していることがわかる。試料Ａ乃至試料Ｃの結晶部の大きさの変化などを表１に示す。
図３６に、試料Ａおよび試料Ｂの高分解能断面ＴＥＭ像を示す。ここで、図３６（Ａ）は電子照射開始時における試料Ａの高分解能断面ＴＥＭ像である。図３６（Ｂ）は電子照射後における試料Ａの高分解能断面ＴＥＭ像である。図３６（Ｃ）は電子照射開始時における試料Ｂの高分解能断面ＴＥＭ像である。図３６（Ｄ）は電子照射後における試料Ｂの高分解能断面ＴＥＭ像である。なお、累積電子照射は４．３×１０８ｅ−／ｎｍ２とした。
図３６（Ａ）および図３６（Ｂ）より、試料Ａは電子照射開始時から、縦方向に延伸する縞状の明領域が観察されることがわかる。また、明領域は、電子照射後に形状が変化することがわかる。なお、明領域は、鬆（ｖｏｉｄと表記する。）または低密度領域と推測される。一方、図３６（Ｃ）および図３６（Ｄ）より、試料Ｂは電子照射開始時および電子照射後において明領域は観察されない。
次に、ＴＥＭで観察する領域において、試料Ａの電子照射による結晶部の大きさの変化を計測する。なお、図３７（Ａ）は計測する領域を説明する。明領域の近傍を領域Ａと表記する。また、明領域と別の明領域との間を領域Ｂと表記する。また、明領域の観察されない試料Ａの下部を領域Ｃと表記する。
結果を図３７（Ｂ）に示す。図３７（Ｂ）より、領域Ａがもっとも結晶部の大きさの変化が大きく、次いで領域Ｂにおいて結晶部の大きさの変化が大きいことがわかる。また、領域Ｃにおいては、結晶部の大きさは、電子照射開始時と電子照射後でほとんど変化しないことがわかる。領域Ａおよび領域Ｂにおいて結晶部の大きさの変化が大きかったことは、高分解能断面ＴＥＭ像で観察される明領域に近いため、構造が不安定であったことに起因する可能性がある。
次に、スパッタリング法によって成膜条件を様々に変更して成膜した酸化物（試料Ｄ、試料Ｅ、試料Ｆ、試料Ｇ、試料Ｈ、試料Ｉおよび試料Ｊ）に対し、ｎｃ−ＯＳおよびａ−ｌｉｋｅ ＯＳを判定した。ただし、ＣＡＡＣ−ＯＳの成膜条件は含まない。ここでは、電子照射による結晶部の大きさの変化だけでなく、密度および硬さについても評価している。なお、密度の評価は、Ｘ線反射率（ＸＲＲ：Ｘ−Ｒａｙ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ）法などにより行うことができる。また、硬さの評価は、ＨＹＳＩＴＲＯＮ社製薄膜硬度測定装置ＴＲＩＢＯＳＣＯＰＥを用いたナノインデンテーション法などにより行うことができる。
また、高分解能断面ＴＥＭ像の観察は、以下のステップによって行う。まず、直径４００ｎｍの範囲を、電子線照射量５．５×１０４ｅ−／（ｎｍ２ｓ）で高分解能断面ＴＥＭ像を２分間観察する。次に、電子線照射量６．７×１０５ｅ−／（ｎｍ２ｓ）において、直径２３０ｎｍの範囲で１０分間の電子照射を行う。次に、電子線照射量５．５×１０４ｅ−／（ｎｍ２ｓ）において、直径４００ｎｍの範囲で２分間掛けて高分解能断面ＴＥＭ像を観察する。次に、電子線照射量６．７×１０５ｅ−／（ｎｍ２ｓ）において、直径２３０ｎｍの範囲で８分間の電子照射を行う。最後に、電子線照射量５．５×１０４ｅ−／（ｎｍ２ｓ）において、直径４００ｎｍの範囲で２分間掛けて高分解能断面ＴＥＭ像を観察する。以上のステップ中、高分解能断面ＴＥＭ像において、結晶部の大きさに変化がある場合、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳと判定する。一方、以上のステップ中、高分解能断面ＴＥＭ像において、結晶部の大きさに変化がない場合、ｎｃ−ＯＳと判定する。
成膜条件、および判定の結果を表２に示す。
なお、試料Ｄは、他の試料と異なる装置を用いている。
表２より、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳと判定された試料の密度は、５．０５ｇ／ｃｍ３から５．８５ｇ／ｃｍ３であった。また、ｎｃ−ＯＳと判定された試料の密度は、５．９１ｇ／ｃｍ３から６．１０ｇ／ｃｍ３であった。また、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳと判定された試料の硬さは、６．１２ＧＰａから７．６１ＧＰａであった。また、ｎｃ−ＯＳと判定された試料の硬さは、７．７７ＧＰａから７．８５ＧＰａであった。即ち、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳと比べて、ｎｃ−ＯＳは高密度、かつ硬質であることがわかる。
次に、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳとｎｃ−ＯＳとの性質を比較するため、新たに準備した試料Ｋおよび試料Ｌに対して二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）による深さ方向における水素濃度プロファイルの測定を行った。なお、試料Ｋは、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳである。また、試料Ｌは、試料Ｋと同じ条件で成膜したａ−ｌｉｋｅ ＯＳ上に、大気に暴露することなくｎｃ−ＯＳを成膜した積層構造である。
結果を図３８に示す。図３８（Ａ）に試料Ｋの水素濃度プロファイルを示し、図３８（Ｂ）に試料Ｌの水素濃度プロファイルを示す。図３８（Ａ）においては、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ中の水素濃度が１×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を超える領域を有することがわかる。一方、図３８（Ｂ）においては、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ中の水素濃度が５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３から２×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３となる領域を有し、またｎｃ−ＯＳ中の水素濃度が５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３から７×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３となる領域を有することがわかる。
したがって、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳはｎｃ−ＯＳと比べると成膜直後における水素濃度が高いことがわかる。また、ｎｃ−ＯＳでキャップすることによりａ−ｌｉｋｅ ＯＳ中の水素濃度が低くなることから、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは大気暴露時に大気中の水分などを吸収する性質を有することが示唆される。
＜成膜モデル＞
以下では、ＣＡＡＣ−ＯＳの成膜モデルの一例について説明する。
図３は、スパッタリング法によりＣＡＡＣ−ＯＳが成膜される様子を示した成膜室内の模式図である。
ターゲット２３０は、バッキングプレートに接着されている。バッキングプレートを介してターゲット２３０と向かい合う位置には、複数のマグネットが配置される。該複数のマグネットによって磁場が生じている。マグネットの配置や構成などについては、上述した成膜室の記載を参照する。マグネットの磁場を利用して成膜速度を高めるスパッタリング法は、マグネトロンスパッタリング法と呼ばれる。
ターゲット２３０は、多結晶構造を有し、いずれかの結晶粒には劈開面が含まれる。なお、劈開面の詳細については後述する。
基板２２０は、ターゲット２３０と向かい合うように配置しており、その距離ｄ（ターゲット−基板間距離（Ｔ−Ｓ間距離）ともいう。）は０．０１ｍ以上１ｍ以下、好ましくは０．０２ｍ以上０．５ｍ以下とする。成膜室内は、ほとんどが成膜ガス（例えば、酸素、アルゴン、または酸素を５体積％以上の割合で含む混合ガス）で満たされ、０．０１Ｐａ以上１００Ｐａ以下、好ましくは０．１Ｐａ以上１０Ｐａ以下に制御される。ここで、ターゲット２３０に一定以上の電圧を印加することで、放電が始まり、プラズマが確認される。なお、ターゲット２３０の近傍には磁場によって、高密度プラズマ領域が形成される。高密度プラズマ領域では、成膜ガスがイオン化することで、イオン２０１が生じる。イオン２０１は、例えば、酸素の陽イオン（Ｏ＋）やアルゴンの陽イオン（Ａｒ＋）などである。
イオン２０１は、電界によってターゲット２３０側に加速され、やがてターゲット２３０と衝突する。このとき、劈開面から平板状またはペレット状のスパッタ粒子であるペレット２００ａおよびペレット２００ｂが剥離し、叩き出される。なお、ペレット２００ａおよびペレット２００ｂは、イオン２０１の衝突の衝撃によって、構造に歪みが生じる場合がある。
ペレット２００ａは、三角形、例えば正三角形の平面を有する平板状またはペレット状のスパッタ粒子である。また、ペレット２００ｂは、六角形、例えば正六角形の平面を有する平板状またはペレット状のスパッタ粒子である。なお、ペレット２００ａおよびペレット２００ｂなどの平板状またはペレット状のスパッタ粒子を総称してペレットと呼ぶ。ペレットの平面の形状は、三角形、六角形に限定されない、例えば、三角形が複数個合わさった形状となる場合がある。例えば、三角形（正三角形）が２個合わさった四角形（ひし形）となる場合もある。
ペレットは、成膜ガスの種類などに応じて厚さが決定する。理由は後述するが、ペレットの厚さは、均一にすることが好ましい。また、スパッタ粒子は厚みのないペレット状である方が、厚みのあるサイコロ状であるよりも好ましい。例えば、ペレットは、厚さを０．４ｎｍ以上１ｎｍ以下、好ましくは０．６ｎｍ以上０．８ｎｍ以下とする。また、例えば、ペレットは、幅を１ｎｍ以上３ｎｍ以下、好ましくは１．２ｎｍ以上２ｎｍ以下とする。
ペレットは、プラズマを通過する際に電荷を受け取ることで、側面が負または正に帯電する場合がある。ペレットは、側面に酸素原子を有し、当該酸素原子が負に帯電する可能性がある。例えば、ペレット２００ａが、側面に負に帯電した酸素原子を有する例を図４に示す。このように、側面が同じ極性の電荷を帯びることにより、電荷同士の反発が起こり、平板状の形状を維持することが可能となる。なお、ＣＡＡＣ−ＯＳが、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である場合、インジウム原子と結合した酸素原子が負に帯電する可能性がある。または、インジウム原子、ガリウム原子または亜鉛原子と結合した酸素原子が負に帯電する可能性がある。
図３に示すように、例えば、ペレット２００ａは、プラズマ中を凧のように飛翔し、ひらひらと基板２２０上まで舞い上がっていく。ペレット２００ａは電荷を帯びているため、ほかのペレットが既に堆積している領域が近づくと、斥力が生じる。ここで、基板２２０の上面では、基板２２０の上面に平行な向きの磁場（水平磁場ともいう。）が生じている。また、基板２２０およびターゲット２３０間には、電位差が与えられているため、基板２２０からターゲット２３０に向けて電流が流れている。したがって、ペレット２００ａは、基板２２０の上面において、磁場および電流の作用によって、力（ローレンツ力）を受ける（図５参照。）。このことは、フレミングの左手の法則によって理解できる。
ペレットは、原子一つと比べると質量が大きい。そのため、基板２２０の上面を移動するためには何らかの力を外部から印加することが重要となる。その力の一つが磁場および電流の作用で生じる力である可能性がある。なお、ペレットに与える力を大きくするためには、基板２２０の上面において、基板２２０の上面に平行な向きの磁場の磁束密度が１０Ｇ以上、好ましくは２０Ｇ以上、さらに好ましくは３０Ｇ以上、より好ましくは５０Ｇ以上となる領域を設けるとよい。または、基板２２０の上面において、基板２２０の上面に平行な向きの磁場が、基板２２０の上面に垂直な向きの磁場の１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上、より好ましくは５倍以上となる領域を設けるとよい。
このとき、マグネットユニットまたは／および基板２２０が相対的に移動すること、または回転することによって、基板２２０の上面における水平磁場の向きは変化し続ける。したがって、基板２２０の上面において、ペレットは、様々な方向への力を受け、様々な方向へ移動することができる。
また、基板２２０は加熱されており、ペレットと基板２２０との間で摩擦などの抵抗が小さい状態となっている。その結果、図６（Ａ）に示すように、ペレット２００ａは、基板２２０の上面を滑空するように移動する。ペレット２００ａの移動は、平板面を基板２２０に向けた状態で起こる。その後、図６（Ｂ）に示すように、既に堆積しているほかのペレットの側面まで到達すると、側面同士が結合し、基板２２０に固着する。このとき、酸素原子が脱離する。脱離した酸素原子によって、ＣＡＡＣ−ＯＳ中の酸素欠損が埋まる場合があるため、欠陥準位密度の低いＣＡＡＣ−ＯＳとなる。
また、ペレットが基板２２０上で加熱されることにより、原子が再配列し、イオン２０１の衝突で生じた構造の歪みが緩和される。歪みの緩和されたペレットは、ほぼ単結晶となる。ペレットがほぼ単結晶となることにより、ペレット同士が結合した後に加熱されたとしても、ペレット自体の伸縮はほとんど起こり得ない。したがって、ペレット間の隙間が広がることで結晶粒界などの欠陥を形成し、クレバス化することがない。
ターゲット２３０をイオン２０１でスパッタした際に、ペレットだけでなく、酸化亜鉛などが飛び出す場合がある。酸化亜鉛はペレットよりも軽量であるため、先に基板２２０の上面に到達する。そして、０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、０．２ｎｍ以上５ｎｍ以下、または０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下の酸化亜鉛層２０２を形成する。図３４に断面模式図を示す。なお、基板２２０は説明を省略する。
図３４（Ａ）に示すように、酸化亜鉛層２０２上にはペレット２０５ａと、ペレット２０５ｂと、が堆積する。ここで、ペレット２０５ａとペレット２０５ｂとは、互いに側面が接するように配置している。また、ペレット２０５ｃは、ペレット２０５ｂ上に堆積した後、ペレット２０５ｂ上を滑るように移動する。また、ペレット２０５ａの別の側面において、酸化亜鉛とともにターゲットから飛び出した複数の粒子２０３が基板２２０の加熱により結晶化し、領域２０５ａ１を形成する。なお、複数の粒子２０３は、酸素、亜鉛、インジウムおよびガリウムなどを含む可能性がある。
そして、図３４（Ｂ）に示すように、領域２０５ａ１は、ペレット２０５ａと同化し、ペレット２０５ａ２となる。また、ペレット２０５ｃは、その側面がペレット２０５ｂの別の側面と接するように配置する。
次に、図３４（Ｃ）に示すように、さらにペレット２０５ｄがペレット２０５ａ２上およびペレット２０５ｂ上に堆積した後、ペレット２０５ａ２上およびペレット２０５ｂ上を滑るように移動する。また、ペレット２０５ｃの別の側面に向けて、さらにペレット２０５ｅが酸化亜鉛層２０２上を滑るように移動する。
そして、図３４（Ｄ）に示すように、ペレット２０５ｄは、その側面がペレット２０５ａ２の側面と接するように配置する。また、ペレット２０５ｅは、その側面がペレット２０５ｃの別の側面と接するように配置する。また、ペレット２０５ｄの別の側面において、酸化亜鉛とともにターゲットから飛び出した複数の粒子２０３が基板２２０の加熱により結晶化し、領域２０５ｄ１を形成する。
以上のように、堆積したペレット同士が接するように配置すること、およびペレットの側面において結晶成長が起こること、などを繰り返すことにより、基板２２０上にＣＡＡＣ−ＯＳを形成することができる。
また、ペレットの隙間が極めて小さくなることで、あたかも一つの大きなペレットが形成される場合がある。大きなペレットは、単結晶構造を有する。例えば、大きなペレットの大きさが、上面から見て１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下、１５ｎｍ以上１００ｎｍ以下、または２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下となる場合がある。したがって、トランジスタのチャネル形成領域が、大きなペレットよりも小さい場合、チャネル形成領域として単結晶構造を有する領域を用いることができる。また、ペレットが大きくなることで、トランジスタのチャネル形成領域、ソース領域およびドレイン領域として単結晶構造を有する領域を用いることができる場合がある。
このように、トランジスタのチャネル形成領域などが、単結晶構造を有する領域に形成されることによって、トランジスタの周波数特性を高くすることができる場合がある。
以上のようなモデルにより、ペレットが基板２２０上に堆積していくと考えられる。したがって、エピタキシャル成長とは異なり、被形成面が結晶構造を有さない場合においても、ＣＡＡＣ−ＯＳの成膜が可能であることがわかる。例えば、基板２２０の上面（被形成面）の構造が非晶質構造であっても、ＣＡＡＣ−ＯＳを成膜することは可能である。
また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、被形成面である基板２２０の上面に凹凸がある場合でも、その形状に沿ってペレットが配列することがわかる。例えば、基板２２０の上面が原子レベルで平坦な場合、ペレットはａｂ面と平行な平面である平板面を下に向けて並置するため、厚さが均一で平坦、かつ高い結晶性を有する層が形成される。そして、当該層がｎ段（ｎは自然数。）積み重なることで、ＣＡＡＣ−ＯＳを得ることができる。
一方、基板２２０の上面が凹凸を有する場合でも、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ペレットが凸面に沿って並置した層がｎ段（ｎは自然数。）積み重なった構造となる。基板２２０が凹凸を有するため、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ペレット間に隙間が生じやすい場合がある。ただし、ペレット間で分子間力が働き、凹凸があってもペレット間の隙間はなるべく小さくなるように配列する。したがって、凹凸があっても高い結晶性を有するＣＡＡＣ−ＯＳとすることができる。
したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳは、レーザ結晶化が不要であり、大面積のガラス基板などであっても均一な成膜が可能である。
このようなモデルによってＣＡＡＣ−ＯＳが成膜されるため、スパッタ粒子が厚みのないペレット状である方が好ましい。なお、スパッタ粒子が厚みのあるサイコロ状である場合、基板２２０上に向ける面が一定とならず、厚さや結晶の配向を均一にできない場合がある。
以上に示した成膜モデルにより、非晶質構造を有する被形成面上であっても、高い結晶性を有するＣＡＡＣ−ＯＳを得ることができる。
＜劈開面＞
以下では、ＣＡＡＣ−ＯＳの成膜モデルにおいて記載のターゲットの劈開面について説明する。
まずは、ターゲットの劈開面について図７を用いて説明する。図７に、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の構造を示す。なお、図７（Ａ）は、ｃ軸を上向きとし、ｂ軸に平行な方向からＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を観察した場合の構造を示す。また、図７（Ｂ）は、ｃ軸に平行な方向からＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を観察した場合の構造を示す。
ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の各結晶面における劈開に必要なエネルギーを、第一原理計算により算出する。なお、計算には、擬ポテンシャルと、平面波基底を用いた密度汎関数プログラム（ＣＡＳＴＥＰ）を用いる。なお、擬ポテンシャルには、ウルトラソフト型の擬ポテンシャルを用いる。また、汎関数には、ＧＧＡ ＰＢＥを用いる。また、カットオフエネルギーは４００ｅＶとする。
初期状態における構造のエネルギーは、セルサイズを含めた構造最適化を行った後に導出する。また、各面で劈開後の構造のエネルギーは、セルサイズを固定した状態で、原子配置の構造最適化を行った後に導出する。
図７に示したＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の構造をもとに、第１の面、第２の面、第３の面、第４の面のいずれかで劈開した構造を作製し、セルサイズを固定した構造最適化計算を行う。ここで、第１の面は、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層とＩｎ−Ｏ層との間の結晶面であり、（０ ０ １）面（またはａｂ面）に平行な結晶面である（図７（Ａ）参照。）。第２の面は、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層とＧａ−Ｚｎ−Ｏ層との間の結晶面であり、（０ ０ １）面（またはａｂ面）に平行な結晶面である（図７（Ａ）参照。）。第３の面は、（１ １ ０）面に平行な結晶面である（図７（Ｂ）参照。）。第４の面は、（１ ０ ０）面（またはｂｃ面）に平行な結晶面である（図７（Ｂ）参照。）。
以上のような条件で、各面で劈開後の構造のエネルギーを算出する。次に、劈開後の構造のエネルギーと初期状態における構造のエネルギーとの差を、劈開面の面積で除すことで、各面における劈開しやすさの尺度である劈開エネルギーを算出する。なお、構造のエネルギーは、構造に含まれる原子と電子に対して、電子の運動エネルギーと、原子間、原子−電子間、および電子間の相互作用と、を考慮したエネルギーである。
計算の結果、第１の面の劈開エネルギーは２．６０Ｊ／ｍ２、第２の面の劈開エネルギーは０．６８Ｊ／ｍ２、第３の面の劈開エネルギーは２．１８Ｊ／ｍ２、第４の面の劈開エネルギーは２．１２Ｊ／ｍ２であることがわかった（下表参照。）。
この計算により、図７に示したＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の構造において、第２の面における劈開エネルギーが最も低くなる。即ち、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層とＧａ−Ｚｎ−Ｏ層との間が最も劈開しやすい面（劈開面）であることがわかる。したがって、本明細書において、劈開面と記載する場合、最も劈開しやすい面である第２の面のことを示す。
Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層とＧａ−Ｚｎ−Ｏ層との間である第２の面に劈開面を有するため、図７（Ａ）に示すＩｎＧａＺｎＯ４の結晶は、二つの第２の面と等価な面で分離することができる。したがって、ターゲットにイオンなどを衝突させる場合、もっとも劈開エネルギーの低い面で劈開したウェハース状のユニット（我々はこれをペレットと呼ぶ。）が最小単位となって飛び出してくると考えられる。その場合、ＩｎＧａＺｎＯ４のペレットは、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層、Ｉｎ−Ｏ層およびＧａ−Ｚｎ−Ｏ層の３層となる。
また、第１の面（Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層とＩｎ−Ｏ層との間の結晶面であり、（０ ０ １）面（またはａｂ面）に平行な結晶面）よりも、第３の面（１ １ ０）面に平行な結晶面）、第４の面（（１ ０ ０）面（またはｂｃ面）に平行な結晶面）の劈開エネルギーが低いことから、ペレットの平面形状は三角形状または六角形状が多いことが示唆される。
なお、ターゲットから剥離したペレットは損傷領域を含むことが示唆される。ペレットに含まれる損傷領域は、損傷によって生じた欠陥に酸素を反応させることで修復できる場合がある。
以上の計算により、ホモロガス構造を有するＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を含むターゲットをスパッタすると、劈開面から剥離し、ペレットが形成されることがわかる。一方、劈開面を有さないターゲットの他の構造の領域をスパッタしてもペレットは形成されず、ペレットよりも微細な原子レベルの大きさのスパッタ粒子が形成される。該スパッタ粒子は、ペレットと比べて小さいため、スパッタリング装置に接続されている真空ポンプを介して排気されると考えられる。したがって、ホモロガス構造を有するＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を含むターゲットをスパッタした場合、様々な大きさ、形状の粒子が基板まで飛翔し、堆積することで成膜されるモデルは考えにくい。スパッタされたペレットが堆積してＣＡＡＣ−ＯＳを成膜する図３などに記載のモデルが道理に適っている。
このようにして成膜されたＣＡＡＣ−ＯＳの密度は、単結晶ＯＳと同程度の密度を有する。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４のホモロガス構造を有する単結晶ＯＳの密度は６．３６ｇ／ｃｍ３であるのに対し、同程度の原子数比であるＣＡＡＣ−ＯＳの密度は６．３ｇ／ｃｍ３程度となる。
＜組成＞
以下では、ＣＡＡＣ−ＯＳの組成について説明する。なお、組成の説明には、ＣＡＡＣ−ＯＳとなる酸化物半導体であるＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合を例示する。なお、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステンなどがある。
図８は、各頂点にＩｎ、ＭまたはＺｎを配置した三角図である。また、図中の［Ｉｎ］はＩｎの原子濃度を示し、［Ｍ］は元素Ｍの原子濃度を示し、［Ｚｎ］はＺｎの原子濃度を示す。
Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の結晶はホモロガス構造を有することが知られており、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍは自然数。）で示される。また、ＩｎとＭとを置き換えることが可能であるため、Ｉｎ１＋αＭ１−αＯ３（ＺｎＯ）ｍで示すこともできる。これは、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１＋α：１−α：１、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１＋α：１−α：２、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１＋α：１−α：３、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１＋α：１−α：４、および［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１＋α：１−α：５と表記した破線で示される組成である。なお、破線上の太線は、例えば、原料となる酸化物を混合し、１３５０℃で焼成した場合に固溶体となりうる組成である。
よって、上述の固溶体となりうる組成に近づけることで、大きい単結晶構造の領域を有するＣＡＡＣ−ＯＳを得ることができる。
ところで、ＣＡＡＣ−ＯＳを成膜する際には、被成膜面である基板表面の加熱、または空間加熱などの影響で、ソースとなるターゲットなどの組成と膜の組成とが異なる場合がある。例えば、酸化亜鉛は、酸化インジウムや酸化ガリウムなどと比べて昇華しやすいため、ソースと膜との組成のずれが生じやすい。したがって、あらかじめ組成の変化を考慮したソースを選択することが好ましい。なお、ソースと膜との組成のずれ量は、温度以外にも圧力や成膜に用いるガスなどの影響でも変化する。
＜成膜装置＞
以下では、上述したＣＡＡＣ−ＯＳを成膜することが可能な成膜室を有する成膜装置について説明する。
まずは、成膜時などに膜中に不純物の混入が少ない成膜装置の構成について図９および図１０を用いて説明する。
図９は、枚葉式マルチチャンバーの成膜装置７００の上面図を模式的に示している。成膜装置７００は、基板を収容するカセットポート７６１と、基板のアライメントを行うアライメントポート７６２と、を備える大気側基板供給室７０１と、大気側基板供給室７０１から、基板を搬送する大気側基板搬送室７０２と、基板の搬入を行い、かつ室内の圧力を大気圧から減圧、または減圧から大気圧へ切り替えるロードロック室７０３ａと、基板の搬出を行い、かつ室内の圧力を減圧から大気圧、または大気圧から減圧へ切り替えるアンロードロック室７０３ｂと、真空中の基板の搬送を行う搬送室７０４と、基板の加熱を行う基板加熱室７０５と、ターゲットが配置され成膜を行う成膜室７０６ａ、７０６ｂおよび７０６ｃと、を有する。なお、成膜室７０６ａ、７０６ｂおよび７０６ｃは、例えば、図１（Ａ）または図２（Ａ）などに示した成膜室１０１の構成を参酌することができる。
また、大気側基板搬送室７０２は、ロードロック室７０３ａおよびアンロードロック室７０３ｂと接続され、ロードロック室７０３ａおよびアンロードロック室７０３ｂは、搬送室７０４と接続され、搬送室７０４は、基板加熱室７０５、成膜室７０６ａ、成膜室７０６ｂおよび成膜室７０６ｃと接続する。
なお、各室の接続部にはゲートバルブ７６４が設けられており、大気側基板供給室７０１と、大気側基板搬送室７０２を除き、各室を独立して真空状態に保持することができる。また、大気側基板搬送室７０２および搬送室７０４は、搬送ロボット７６３を有し、基板を搬送することができる。
また、基板加熱室７０５は、プラズマ処理室を兼ねると好ましい。成膜装置７００は、処理と処理の間で基板を大気暴露することなく搬送することが可能なため、基板に不純物が吸着することを抑制できる。また、成膜や熱処理などの順番を自由に構築することができる。なお、搬送室、成膜室、ロードロック室、アンロードロック室および基板加熱室は、上述の数に限定されず、設置スペースやプロセス条件に合わせて、適宜最適な数を設けることができる。
次に、図９に示す成膜装置７００の一点鎖線Ｘ１−Ｘ２、一点鎖線Ｙ１−Ｙ２、および一点鎖線Ｙ２−Ｙ３に相当する断面を図１０に示す。
図１０（Ａ）は、基板加熱室７０５と、搬送室７０４の断面を示しており、基板加熱室７０５は、基板を収容することができる複数の加熱ステージ７６５を有している。なお、基板加熱室７０５は、バルブを介して真空ポンプ７７０と接続されている。真空ポンプ７７０としては、例えば、ドライポンプ、およびメカニカルブースターポンプ等を用いることができる。
また、基板加熱室７０５に用いることのできる加熱機構としては、例えば、抵抗発熱体などを用いて加熱する加熱機構としてもよい。または、加熱されたガスなどの媒体からの熱伝導または熱輻射によって、加熱する加熱機構としてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）などのＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）を用いることができる。ＬＲＴＡは、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する。ＧＲＴＡは、高温のガスを用いて熱処理を行う。ガスとしては、不活性ガスが用いられる。
また、基板加熱室７０５は、マスフローコントローラ７８０を介して、精製機７８１と接続される。なお、マスフローコントローラ７８０および精製機７８１は、ガス種の数だけ設けられるが、理解を容易にするため一つのみを示す。基板加熱室７０５に導入されるガスは、露点が−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下であるガスを用いることができ、例えば、酸素ガス、窒素ガス、および希ガス（アルゴンガスなど）を用いる。
搬送室７０４は、搬送ロボット７６３を有している。搬送ロボット７６３は、各室へ基板を搬送することができる。また、搬送室７０４は、バルブを介して真空ポンプ７７０と、クライオポンプ７７１と、接続されている。このような構成とすることで、搬送室７０４は、大気圧から低真空または中真空（０．１から数百Ｐａ程度）まで真空ポンプ７７０を用いて排気され、バルブを切り替えて中真空から高真空または超高真空（０．１Ｐａから１×１０−７Ｐａ）まではクライオポンプ７７１を用いて排気される。
また、例えば、クライオポンプ７７１は、搬送室７０４に対して２台以上並列に接続してもよい。このような構成とすることで、１台のクライオポンプがリジェネ中であっても、残りのクライオポンプを使って排気することが可能となる。なお、上述したリジェネとは、クライオポンプ内にため込まれた分子（または原子）を放出する処理をいう。クライオポンプは、分子（または原子）をため込みすぎると排気能力が低下してくるため、定期的にリジェネが行われる。
図１０（Ｂ）は、成膜室７０６ｂと、搬送室７０４と、ロードロック室７０３ａの断面を示している。
ここで、図１０（Ｂ）を用いて、成膜室（スパッタリング室）の詳細について説明する。図１０（Ｂ）に示す成膜室７０６ｂは、ターゲット７６６と、防着板７６７と、基板ステージ７６８と、を有する。なお、ここでは基板ステージ７６８には、基板７６９が設置されている。基板ステージ７６８は、図示しないが、基板７６９を保持する基板保持機構や、基板７６９を背面から加熱する背面ヒーター等を備えていてもよい。また、ターゲットの背後にマグネットユニットを備えていてもよい。
なお、基板ステージ７６８は、成膜時に床面に対して略垂直状態に保持され、基板受け渡し時には床面に対して略水平状態に保持される。なお、図１０（Ｂ）中において、破線で示す箇所が基板受け渡し時の基板ステージ７６８の保持される位置となる。このような構成とすることで成膜時に混入しうるゴミまたはパーティクルが、基板７６９に付着する確率を水平状態に保持するよりも抑制することができる。ただし、基板ステージ７６８を床面に対して垂直（９０°）状態に保持すると、基板７６９が落下する可能性があるため、基板ステージ７６８の床面に対する角度は、８０°以上９０°未満とすることが好ましい。
また、防着板７６７は、ターゲット７６６からスパッタリングされる粒子が不要な領域に推積することを抑制できる。また、防着板７６７は、累積されたスパッタリング粒子が剥離しないように、加工することが望ましい。例えば、表面粗さを増加させるブラスト処理、または防着板７６７の表面に凹凸を設けてもよい。
また、成膜室７０６ｂは、ガス加熱機構７８２を介してマスフローコントローラ７８０と接続され、ガス加熱機構７８２はマスフローコントローラ７８０を介して精製機７８１と接続される。ガス加熱機構７８２により、成膜室７０６ｂに導入されるガスを４０℃以上４００℃以下、好ましくは５０℃以上２００℃以下に加熱することができる。なお、ガス加熱機構７８２、マスフローコントローラ７８０、および精製機７８１は、ガス種の数だけ設けられるが、理解を容易にするため一つのみを示す。成膜室７０６ｂに導入されるガスは、露点が−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下であるガスを用いることができ、例えば、酸素ガス、窒素ガス、および希ガス（アルゴンガスなど）を用いる。
成膜室７０６ｂに、対向ターゲット式スパッタリング装置を適用してもよい。対向ターゲット式スパッタリング装置は、プラズマがターゲット間に閉じこめられるため、基板へのプラズマダメージを低減することができる。また、ターゲットの傾きによっては、スパッタリング粒子の基板への入射角度を浅くすることができるため、段差被覆性を高めることができる。
なお、成膜室７０６ｂに、平行平板型スパッタリング装置、イオンビームスパッタリング装置を適用しても構わない。
なお、ガスの導入口の直前に精製機を設ける場合、精製機から成膜室７０６ｂまでの配管の長さを１０ｍ以下、好ましくは５ｍ以下、さらに好ましくは１ｍ以下とする。配管の長さを１０ｍ以下、５ｍ以下または１ｍ以下とすることで、配管からの放出ガスの影響を長さに応じて低減できる。さらに、ガスの配管には、フッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどで内部が被覆された金属配管を用いるとよい。前述の配管は、例えばＳＵＳ３１６Ｌ−ＥＰ配管と比べ、不純物を含むガスの放出量が少なく、ガスへの不純物の入り込みを低減できる。また、配管の継手には、高性能超小型メタルガスケット継手（ＵＰＧ継手）を用いるとよい。また、配管を全て金属で構成することで、樹脂等を用いた場合と比べ、生じる放出ガスおよび外部リークの影響を低減できて好ましい。
また、成膜室７０６ｂは、バルブを介してターボ分子ポンプ７７２および真空ポンプ７７０と接続される。
また、成膜室７０６ｂは、クライオトラップ７５１が設けられる。
クライオトラップ７５１は、水などの比較的融点の高い分子（または原子）を吸着することができる機構である。ターボ分子ポンプ７７２は大きいサイズの分子（または原子）を安定して排気し、かつメンテナンスの頻度が低いため、生産性に優れる一方、水素や水の排気能力が低い。そこで、水などに対する排気能力を高めるため、クライオトラップ７５１が成膜室７０６ｂに接続された構成としている。クライオトラップ７５１の冷凍機の温度は１００Ｋ以下、好ましくは８０Ｋ以下とする。また、クライオトラップ７５１が複数の冷凍機を有する場合、冷凍機ごとに温度を変えると、効率的に排気することが可能となるため好ましい。例えば、１段目の冷凍機の温度を１００Ｋ以下とし、２段目の冷凍機の温度を２０Ｋ以下とすればよい。なお、クライオトラップに替えて、チタンサブリメーションポンプを用いることで、さらに高真空とすることができる場合がある。また、クライオポンプやターボ分子ポンプに替えてイオンポンプを用いることでもさらに高真空とすることができる場合がある。
なお、成膜室７０６ｂの排気方法は、これに限定されず、先の搬送室７０４に示す排気方法（クライオポンプと真空ポンプとの排気方法）と同様の構成としてもよい。もちろん、搬送室７０４の排気方法を成膜室７０６ｂと同様の構成（ターボ分子ポンプと真空ポンプとの排気方法）としてもよい。
なお、上述した搬送室７０４、基板加熱室７０５、および成膜室７０６ｂの背圧（全圧）、ならびに各気体分子（原子）の分圧は、以下の通りとすると好ましい。とくに、形成される膜中に不純物が混入され得る可能性があるので、成膜室７０６ｂの背圧、ならびに各気体分子（原子）の分圧には注意する必要がある。
上述した各室の背圧（全圧）は、１×１０−４Ｐａ以下、好ましくは３×１０−５Ｐａ以下、さらに好ましくは１×１０−５Ｐａ以下である。上述した各室の質量電荷比（ｍ／ｚ）が１８である気体分子（原子）の分圧は、３×１０−５Ｐａ以下、好ましくは１×１０−５Ｐａ以下、さらに好ましくは３×１０−６Ｐａ以下である。また、上述した各室のｍ／ｚが２８である気体分子（原子）の分圧は、３×１０−５Ｐａ以下、好ましくは１×１０−５Ｐａ以下、さらに好ましくは３×１０−６Ｐａ以下である。また、上述した各室のｍ／ｚが４４である気体分子（原子）の分圧は、３×１０−５Ｐａ以下、好ましくは１×１０−５Ｐａ以下、さらに好ましくは３×１０−６Ｐａ以下である。
なお、真空チャンバー内の全圧および分圧は、質量分析計を用いて測定することができる。例えば、株式会社アルバック製四重極形質量分析計（Ｑ−ｍａｓｓともいう。）Ｑｕｌｅｅ ＣＧＭ−０５１を用いればよい。
また、上述した搬送室７０４、基板加熱室７０５、および成膜室７０６ｂは、外部リークまたは内部リークが少ない構成とすることが望ましい。
例えば、上述した搬送室７０４、基板加熱室７０５、および成膜室７０６ｂのリークレートは、３×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下、好ましくは１×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下である。また、ｍ／ｚが１８である気体分子（原子）のリークレートが１×１０−７Ｐａ・ｍ３／ｓ以下、好ましくは３×１０−８Ｐａ・ｍ３／ｓ以下である。また、ｍ／ｚが２８である気体分子（原子）のリークレートが１×１０−５Ｐａ・ｍ３／ｓ以下、好ましくは１×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下である。また、ｍ／ｚが４４である気体分子（原子）のリークレートが３×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下、好ましくは１×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下である。
なお、リークレートに関しては、前述の質量分析計を用いて測定した全圧および分圧から導出すればよい。
リークレートは、外部リークおよび内部リークに依存する。外部リークは、微小な穴やシール不良などによって真空系外から気体が流入することである。内部リークは、真空系内のバルブなどの仕切りからの漏れや内部の部材からの放出ガスに起因する。リークレートを上述の数値以下とするために、外部リークおよび内部リークの両面から対策をとる必要がある。
例えば、成膜室７０６ｂの開閉部分はメタルガスケットでシールするとよい。メタルガスケットは、フッ化鉄、酸化アルミニウム、または酸化クロムによって被覆された金属を用いると好ましい。メタルガスケットはＯリングと比べ密着性が高く、外部リークを低減できる。また、フッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどによって被覆された金属の不動態を用いることで、メタルガスケットから放出される不純物を含む放出ガスが抑制され、内部リークを低減することができる。
また、成膜装置７００を構成する部材として、不純物を含む放出ガスの少ないアルミニウム、クロム、チタン、ジルコニウム、ニッケルまたはバナジウムを用いる。また、前述の部材を鉄、クロムおよびニッケルなどを含む合金に被覆して用いてもよい。鉄、クロムおよびニッケルなどを含む合金は、剛性があり、熱に強く、また加工に適している。ここで、表面積を小さくするために部材の表面凹凸を研磨などによって低減しておくと、放出ガスを低減できる。
または、前述の成膜装置７００の部材をフッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどで被覆してもよい。
成膜装置７００の部材は、極力金属のみで構成することが好ましく、例えば石英などで構成される覗き窓などを設置する場合も、放出ガスを抑制するために表面をフッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどで薄く被覆するとよい。
成膜室に存在する吸着物は、内壁などに吸着しているために成膜室の圧力に影響しないが、成膜室を排気した際のガス放出の原因となる。そのため、リークレートと排気速度に相関はないものの、排気能力の高いポンプを用いて、成膜室に存在する吸着物をできる限り脱離し、あらかじめ排気しておくことは重要である。なお、吸着物の脱離を促すために、成膜室をベーキングしてもよい。ベーキングすることで吸着物の脱離速度を１０倍程度大きくすることができる。ベーキングは１００℃以上４５０℃以下で行えばよい。このとき、不活性ガスを成膜室に導入しながら吸着物の除去を行うと、排気するだけでは脱離しにくい水などの脱離速度をさらに大きくすることができる。なお、導入する不活性ガスをベーキングの温度と同程度に加熱することで、吸着物の脱離速度をさらに高めることができる。ここで不活性ガスとして希ガスを用いると好ましい。また、成膜する膜種によっては不活性ガスの代わりに酸素などを用いても構わない。例えば、酸化物を成膜する場合は、主成分である酸素を用いた方が好ましい場合もある。なお、ベーキングは、ランプを用いて行うと好ましい。
または、加熱した希ガスなどの不活性ガスまたは酸素などを導入することで成膜室内の圧力を高め、一定時間経過後に再び成膜室を排気する処理を行うと好ましい。加熱したガスの導入により成膜室内の吸着物を脱離させることができ、成膜室内に存在する不純物を低減することができる。なお、この処理は２回以上３０回以下、好ましくは５回以上１５回以下の範囲で繰り返し行うと効果的である。具体的には、温度が４０℃以上４００℃以下、好ましくは５０℃以上２００℃以下である不活性ガスまたは酸素などを導入することで成膜室内の圧力を０．１Ｐａ以上１０ｋＰａ以下、好ましくは１Ｐａ以上１ｋＰａ以下、さらに好ましくは５Ｐａ以上１００Ｐａ以下とし、圧力を保つ期間を１分以上３００分以下、好ましくは５分以上１２０分以下とすればよい。その後、成膜室を５分以上３００分以下、好ましくは１０分以上１２０分以下の期間排気する。
また、ダミー成膜を行うことでも吸着物の脱離速度をさらに高めることができる。ダミー成膜とは、ダミー基板に対してスパッタリング法などによる成膜を行うことで、ダミー基板および成膜室内壁に膜を堆積させ、成膜室内の不純物および成膜室内壁の吸着物を膜中に閉じこめることをいう。ダミー基板は、放出ガスの少ない基板が好ましい。ダミー成膜を行うことで、後に成膜される膜中の不純物濃度を低減することができる。なお、ダミー成膜はベーキングと同時に行ってもよい。
次に、図１０（Ｂ）に示す搬送室７０４、およびロードロック室７０３ａと、図１０（Ｃ）に示す大気側基板搬送室７０２、および大気側基板供給室７０１の詳細について以下説明を行う。なお、図１０（Ｃ）は、大気側基板搬送室７０２、および大気側基板供給室７０１の断面を示している。
図１０（Ｂ）に示す搬送室７０４については、図１０（Ａ）に示す搬送室７０４の記載を参照する。
ロードロック室７０３ａは、基板受け渡しステージ７５２を有する。ロードロック室７０３ａは、減圧状態から大気まで圧力を上昇させ、ロードロック室７０３ａの圧力が大気圧になった時に、大気側基板搬送室７０２に設けられている搬送ロボット７６３から基板受け渡しステージ７５２に基板を受け取る。その後、ロードロック室７０３ａを真空引きし、減圧状態としたのち、搬送室７０４に設けられている搬送ロボット７６３が基板受け渡しステージ７５２から基板を受け取る。
また、ロードロック室７０３ａは、バルブを介して真空ポンプ７７０、およびクライオポンプ７７１と接続されている。真空ポンプ７７０、およびクライオポンプ７７１の排気系の接続方法は、搬送室７０４の接続方法を参考とすることで接続できるため、ここでの説明は省略する。なお、図９に示すアンロードロック室７０３ｂは、ロードロック室７０３ａと同様の構成とすることができる。
大気側基板搬送室７０２は、搬送ロボット７６３を有する。搬送ロボット７６３により、カセットポート７６１とロードロック室７０３ａとの基板の受け渡しを行うことができる。また、大気側基板搬送室７０２、および大気側基板供給室７０１の上方にＨＥＰＡフィルタ（Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ａｉｒ Ｆｉｌｔｅｒ）等のゴミまたはパーティクルを清浄化するための機構を設けてもよい。
大気側基板供給室７０１は、複数のカセットポート７６１を有する。カセットポート７６１は、複数の基板を収容することができる。
ターゲットは、表面温度が１００℃以下、好ましくは５０℃以下、さらに好ましくは室温程度（代表的には２５℃）とする。大面積の基板に対応するスパッタリング装置では大面積のターゲットを用いることが多い。ところが、大面積に対応した大きさのターゲットをつなぎ目なく作製することは困難である。現実には複数のターゲットをなるべく隙間のないように並べて大きな形状としているが、どうしても僅かな隙間が生じてしまう。こうした僅かな隙間から、ターゲットの表面温度が高まることで亜鉛などが揮発し、徐々に隙間が広がっていくことがある。隙間が広がると、バッキングプレートや接着に用いている金属がスパッタリングされることがあり、不純物濃度を高める要因となる。したがって、ターゲットは、十分に冷却されていることが好ましい。
具体的には、バッキングプレートとして、高い導電性および高い放熱性を有する金属（具体的には銅）を用いる。また、バッキングプレート内に水路を形成し、水路に十分な量の冷却水を流すことで、効率的にターゲットを冷却できる。
なお、ターゲットが亜鉛を含む場合、酸素ガス雰囲気で成膜することにより、プラズマダメージが軽減され、亜鉛の揮発が起こりにくい酸化物を得ることができる。
上述した成膜装置を用いることで、ＣＡＡＣ−ＯＳ中の水素濃度を、ＳＩＭＳにおいて、２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることができる。
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ中の窒素濃度を、ＳＩＭＳにおいて、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることができる。
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ中の炭素濃度を、ＳＩＭＳにおいて、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることができる。
また、ＣＡＡＣ−ＯＳを、昇温脱離ガス分光法（ＴＤＳ：Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析によるｍ／ｚが２（水素分子など）である気体分子（原子）、ｍ／ｚが１８である気体分子（原子）、ｍ／ｚが２８である気体分子（原子）およびｍ／ｚが４４である気体分子（原子）の放出量が、それぞれ１×１０１９個／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１８個／ｃｍ３以下とすることができる。
以上の成膜装置を用いることで、ＣＡＡＣ−ＯＳへの不純物の混入を抑制できる。さらには、以上の成膜装置を用いて、ＣＡＡＣ−ＯＳに接する膜を成膜することで、ＣＡＡＣ−ＯＳに接する膜からＣＡＡＣ−ＯＳへ不純物が混入することを抑制できる。
＜トランジスタ＞
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタについて説明する。
なお、本発明の一態様に係るトランジスタは、上述したＣＡＡＣ−ＯＳを有すると好ましい。
＜トランジスタ構造１＞
図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）は、本発明の一態様のトランジスタの上面図および断面図である。図１１（Ａ）は上面図であり、図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２、および一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図である。なお、図１１（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）に示すトランジスタは、基板４００上の導電体４１３と、基板４００上および導電体４１３上の凸部を有する絶縁体４０２と、絶縁体４０２の凸部上の半導体４０６ａと、半導体４０６ａ上の半導体４０６ｂと、半導体４０６ｂの上面および側面と接し、間隔を開けて配置された導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂと、半導体４０６ｂ上、導電体４１６ａ上および導電体４１６ｂ上の半導体４０６ｃと、半導体４０６ｃ上の絶縁体４１２と、絶縁体４１２上の導電体４０４と、導電体４１６ａ上、導電体４１６ｂ上および導電体４０４上の絶縁体４０８と、絶縁体４０８上の絶縁体４１８と、を有する。なお、ここでは、導電体４１３をトランジスタの一部としているが、これに限定されない。例えば、導電体４１３がトランジスタとは独立した構成要素であるとしてもよい。
なお、半導体４０６ｃは、Ａ３−Ａ４断面において、少なくとも半導体４０６ｂの上面および側面と接する。また、導電体４０４は、Ａ３−Ａ４断面において、半導体４０６ｃおよび絶縁体４１２を介して半導体４０６ｂの上面および側面と面する。また、導電体４１３は、絶縁体４０２を介して半導体４０６ｂの下面と面する。また、絶縁体４０２が凸部を有さなくても構わない。また、半導体４０６ｃを有さなくても構わない。また、絶縁体４０８を有さなくても構わない。また、絶縁体４１８を有さなくても構わない。
なお、半導体４０６ｂは、トランジスタのチャネル形成領域としての機能を有する。また、導電体４０４は、トランジスタの第１のゲート電極（フロントゲート電極ともいう。）としての機能を有する。また、導電体４１３は、トランジスタの第２のゲート電極（バックゲート電極ともいう。）としての機能を有する。また、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂは、トランジスタのソース電極およびドレイン電極としての機能を有する。また、絶縁体４０８は、バリア層としての機能を有する。絶縁体４０８は、例えば、酸素または／および水素をブロックする機能を有する。または、絶縁体４０８は、例えば、半導体４０６ａまたは／および半導体４０６ｃよりも、酸素または／および水素をブロックする能力が高い。
なお、絶縁体４０２は過剰酸素を含む絶縁体であると好ましい。
例えば、過剰酸素を含む絶縁体は、加熱処理によって酸素を放出する機能を有する絶縁体である。例えば、過剰酸素を含む酸化シリコン層は、加熱処理などによって酸素を放出することができる酸化シリコン層である。したがって、絶縁体４０２は膜中を酸素が移動可能な絶縁体である。即ち、絶縁体４０２は酸素透過性を有する絶縁体とすればよい。例えば、絶縁体４０２は、半導体４０６ａよりも酸素透過性の高い絶縁体とすればよい。
過剰酸素を含む絶縁体は、半導体４０６ｂ中の酸素欠損を低減させる機能を有する場合がある。半導体４０６ｂ中で酸素欠損は、ＤＯＳを形成し、正孔トラップなどとなる。また、酸素欠損のサイトに水素が入ることによって、キャリアである電子を生成することがある。したがって、半導体４０６ｂ中の酸素欠損を低減することで、トランジスタに安定した電気特性を付与することができる。
ここで、加熱処理によって酸素を放出する絶縁体は、ＴＤＳ分析にて、１００℃以上７００℃以下または１００℃以上５００℃以下の表面温度の範囲で１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上または１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上の酸素（酸素原子数換算）を放出することもある。
ここで、ＴＤＳ分析を用いた酸素の放出量の測定方法について、以下に説明する。
測定試料をＴＤＳ分析したときの気体の全放出量は、放出ガスのイオン強度の積分値に比例する。そして標準試料との比較により、気体の全放出量を計算することができる。
例えば、標準試料である所定の密度の水素を含むシリコン基板のＴＤＳ分析結果、および測定試料のＴＤＳ分析結果から、測定試料の酸素分子の放出量（ＮＯ２）は、下に示す式で求めることができる。ここで、ＴＤＳ分析で得られる質量電荷比３２で検出されるガスの全てが酸素分子由来と仮定する。ＣＨ３ＯＨの質量電荷比は３２であるが、存在する可能性が低いものとしてここでは考慮しない。また、酸素原子の同位体である質量数１７の酸素原子および質量数１８の酸素原子を含む酸素分子についても、自然界における存在比率が極微量であるため考慮しない。
ＮＯ２＝ＮＨ２／ＳＨ２×ＳＯ２×α
ＮＨ２は、標準試料から脱離した水素分子を密度で換算した値である。ＳＨ２は、標準試料をＴＤＳ分析したときのイオン強度の積分値である。ここで、標準試料の基準値を、ＮＨ２／ＳＨ２とする。ＳＯ２は、測定試料をＴＤＳ分析したときのイオン強度の積分値である。αは、ＴＤＳ分析におけるイオン強度に影響する係数である。上に示す式の詳細に関しては、特開平６−２７５６９７公報を参照する。なお、上記酸素の放出量は、電子科学株式会社製の昇温脱離分析装置ＥＭＤ−ＷＡ１０００Ｓ／Ｗを用い、標準試料として、例えば１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２の水素原子を含むシリコン基板を用いて測定する。
また、ＴＤＳ分析において、酸素の一部は酸素原子として検出される。酸素分子と酸素原子の比率は、酸素分子のイオン化率から算出することができる。なお、上述のαは酸素分子のイオン化率を含むため、酸素分子の放出量を評価することで、酸素原子の放出量についても見積もることができる。
なお、ＮＯ２は酸素分子の放出量である。酸素原子に換算したときの放出量は、酸素分子の放出量の２倍となる。
または、加熱処理によって酸素を放出する絶縁体は、過酸化ラジカルを含むこともある。具体的には、過酸化ラジカルに起因するスピン密度が、５×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以上であることをいう。なお、過酸化ラジカルを含む絶縁体は、ＥＳＲにて、ｇ値が２．０１近傍に非対称の信号を有することもある。
または、過剰酸素を含む絶縁体は、酸素が過剰な酸化シリコン（ＳｉＯＸ（Ｘ＞２））であってもよい。酸素が過剰な酸化シリコン（ＳｉＯＸ（Ｘ＞２））は、シリコン原子数の２倍より多い酸素原子を単位体積当たりに含むものである。単位体積当たりのシリコン原子数および酸素原子数は、ラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により測定した値である。
図１１（Ｂ）に示すように、半導体４０６ｂの側面は、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂと接する。また、導電体４０４の電界によって、半導体４０６ｂを電気的に取り囲むことができる（導電体から生じる電界によって、半導体を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ（ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。）。そのため、半導体４０６ｂの全体（バルク）にチャネルが形成される場合がある。ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造では、トランジスタのソース−ドレイン間に大電流を流すことができ、導通時の電流（オン電流）を高くすることができる。
高いオン電流が得られるため、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造は、微細化されたトランジスタに適した構造といえる。トランジスタを微細化できるため、該トランジスタを有する半導体装置は、集積度の高い、高密度化された半導体装置とすることが可能となる。例えば、トランジスタは、チャネル長が好ましくは４０ｎｍ以下、さらに好ましくは３０ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以下の領域を有し、かつ、トランジスタは、チャネル幅が好ましくは４０ｎｍ以下、さらに好ましくは３０ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以下の領域を有する。
また、導電体４１３に、ソース電極よりも低い電圧または高い電圧を印加し、トランジスタのしきい値電圧をプラス方向またはマイナス方向へ変動させてもよい。例えば、トランジスタのしきい値電圧をプラス方向に変動させることで、ゲート電圧が０Ｖであってもトランジスタが非導通状態（オフ状態）となる、ノーマリーオフが実現できる場合がある。なお、導電体４１３に印加する電圧は、可変であってもよいし、固定であってもよい。導電体４１３に印加する電圧を可変にする場合、電圧を制御する回路を導電体４１３と電気的に接続してもよい。
次に、半導体４０６ａ、半導体４０６ｂ、半導体４０６ｃなどに適用可能な半導体について説明する。
半導体４０６ｂは、例えば、インジウムを含む酸化物半導体である。半導体４０６ｂは、例えば、インジウムを含むと、キャリア移動度（電子移動度）が高くなる。また、半導体４０６ｂは、元素Ｍを含むと好ましい。元素Ｍは、好ましくは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステンなどがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。元素Ｍは、例えば、酸素との結合エネルギーが高い元素である。例えば、酸素との結合エネルギーがインジウムよりも高い元素である。または、元素Ｍは、例えば、酸化物半導体のエネルギーギャップを大きくする機能を有する元素である。また、半導体４０６ｂは、亜鉛を含むと好ましい。酸化物半導体は、亜鉛を含むと結晶化しやすくなる場合がある。
ただし、半導体４０６ｂは、インジウムを含む酸化物半導体に限定されない。半導体４０６ｂは、例えば、亜鉛スズ酸化物、ガリウムスズ酸化物などの、インジウムを含まず、亜鉛を含む酸化物半導体、ガリウムを含む酸化物半導体、スズを含む酸化物半導体などであっても構わない。
半導体４０６ｂは、例えば、エネルギーギャップが大きい酸化物を用いる。半導体４０６ｂのエネルギーギャップは、例えば、２．５ｅＶ以上４．２ｅＶ以下、好ましくは２．８ｅＶ以上３．８ｅＶ以下、さらに好ましくは３ｅＶ以上３．５ｅＶ以下とする。
例えば、半導体４０６ａおよび半導体４０６ｃは、半導体４０６ｂを構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から構成される酸化物半導体である。半導体４０６ｂを構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から半導体４０６ａおよび半導体４０６ｃが構成されるため、半導体４０６ａと半導体４０６ｂとの界面、および半導体４０６ｂと半導体４０６ｃとの界面において、界面準位が形成されにくい。
半導体４０６ａ、半導体４０６ｂおよび半導体４０６ｃは、少なくともインジウムを含むと好ましい。なお、半導体４０６ａがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％より高く、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％より高いとする。また、半導体４０６ｂがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％より高く、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％より高く、Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。また、半導体４０６ｃがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％より高く、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％より高くする。なお、半導体４０６ｃは、半導体４０６ａと同種の酸化物を用いても構わない。ただし、半導体４０６ａまたは／および半導体４０６ｃがインジウムを含まなくても構わない場合がある。例えば、半導体４０６ａまたは／および半導体４０６ｃが酸化ガリウムであっても構わない。
半導体４０６ｂは、半導体４０６ａおよび半導体４０６ｃよりも電子親和力の大きい酸化物を用いる。例えば、半導体４０６ｂとして、半導体４０６ａおよび半導体４０６ｃよりも電子親和力の０．０７ｅＶ以上１．３ｅＶ以下、好ましくは０．１ｅＶ以上０．７ｅＶ以下、さらに好ましくは０．１５ｅＶ以上０．４ｅＶ以下大きい酸化物を用いる。なお、電子親和力は、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差である。
なお、インジウムガリウム酸化物は、小さい電子親和力と、高い酸素ブロック性を有する。そのため、半導体４０６ｃがインジウムガリウム酸化物を含むと好ましい。ガリウム原子割合［Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）］は、例えば、７０％以上、好ましくは８０％以上、さらに好ましくは９０％以上とする。
なお、半導体４０６ａの組成は、図８に示した太線の組成の近傍であることが好ましい。なお、半導体４０６ｂの組成は、図８に示した太線の組成の近傍であることが好ましい。なお、半導体４０６ｃの組成は、図８に示した太線の組成の近傍であることが好ましい。こうすることで、トランジスタのチャネル形成領域を、単結晶構造を有する領域とすることができる。または、トランジスタのチャネル形成領域、ソース領域およびドレイン領域を、単結晶構造を有する領域とすることができる場合がある。トランジスタのチャネル形成領域が単結晶構造を有する領域とすることで、トランジスタの周波数特性を高くすることができる場合がある。
このとき、ゲート電圧を印加すると、半導体４０６ａ、半導体４０６ｂ、半導体４０６ｃのうち、電子親和力の大きい半導体４０６ｂにチャネルが形成される。
ここで、半導体４０６ａと半導体４０６ｂとの間には、半導体４０６ａと半導体４０６ｂとの混合領域を有する場合がある。また、半導体４０６ｂと半導体４０６ｃとの間には、半導体４０６ｂと半導体４０６ｃとの混合領域を有する場合がある。混合領域は、界面準位密度が低くなる。そのため、半導体４０６ａ、半導体４０６ｂおよび半導体４０６ｃの積層体は、それぞれの界面近傍において、エネルギーが連続的に変化する（連続接合ともいう。）バンド構造となる。
このとき、電子は、半導体４０６ａ中および半導体４０６ｃ中ではなく、半導体４０６ｂ中を主として移動する。上述したように、半導体４０６ａおよび半導体４０６ｂの界面における界面準位密度、半導体４０６ｂと半導体４０６ｃとの界面における界面準位密度を低くすることによって、半導体４０６ｂ中で電子の移動が阻害されることが少なく、トランジスタのオン電流を高くすることができる。
トランジスタのオン電流は、電子の移動を阻害する要因を低減するほど、高くすることができる。例えば、電子の移動を阻害する要因のない場合、効率よく電子が移動すると推定される。電子の移動は、例えば、チャネル形成領域の物理的な凹凸が大きい場合にも阻害される。
トランジスタのオン電流を高くするためには、例えば、半導体４０６ｂの上面または下面（被形成面、ここでは半導体４０６ａ）の、１μｍ×１μｍの範囲における二乗平均平方根（ＲＭＳ：Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）粗さが１ｎｍ未満、好ましくは０．６ｎｍ未満、さらに好ましくは０．５ｎｍ未満、より好ましくは０．４ｎｍ未満とすればよい。また、１μｍ×１μｍの範囲における平均面粗さ（Ｒａともいう。）が１ｎｍ未満、好ましくは０．６ｎｍ未満、さらに好ましくは０．５ｎｍ未満、より好ましくは０．４ｎｍ未満とすればよい。また、１μｍ×１μｍの範囲における最大高低差（Ｐ−Ｖともいう。）が１０ｎｍ未満、好ましくは９ｎｍ未満、さらに好ましくは８ｎｍ未満、より好ましくは７ｎｍ未満とすればよい。ＲＭＳ粗さ、ＲａおよびＰ−Ｖは、エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製走査型プローブ顕微鏡システムＳＰＡ−５００などを用いて測定することができる。
または、例えば、チャネルの形成される領域中の欠陥準位密度が高い場合にも、電子の移動は阻害される。
例えば、半導体４０６ｂが酸素欠損（ＶＯとも表記。）を有する場合、酸素欠損のサイトに水素が入り込むことでドナー準位を形成することがある。以下では酸素欠損のサイトに水素が入り込んだ状態をＶＯＨと表記する場合がある。ＶＯＨは電子を散乱するため、トランジスタのオン電流を低下させる要因となる。なお、酸素欠損のサイトは、水素が入るよりも酸素が入る方が安定する。したがって、半導体４０６ｂ中の酸素欠損を低減することで、トランジスタのオン電流を高くすることができる場合がある。
半導体４０６ｂの酸素欠損を低減するために、例えば、絶縁体４０２に含まれる過剰酸素を、半導体４０６ａを介して半導体４０６ｂまで移動させる方法などがある。この場合、半導体４０６ａは、酸素透過性を有する層（酸素を通過または透過させる層）であることが好ましい。
なお、トランジスタがｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有する場合、半導体４０６ｂの全体にチャネルが形成される。したがって、半導体４０６ｂが厚いほどチャネル領域は大きくなる。即ち、半導体４０６ｂが厚いほど、トランジスタのオン電流を高くすることができる。例えば、２０ｎｍ以上、好ましくは４０ｎｍ以上、さらに好ましくは６０ｎｍ以上、より好ましくは１００ｎｍ以上の厚さの領域を有する半導体４０６ｂとすればよい。ただし、半導体装置の生産性が低下する場合があるため、例えば、３００ｎｍ以下、好ましくは２００ｎｍ以下、さらに好ましくは１５０ｎｍ以下の厚さの領域を有する半導体４０６ｂとすればよい。
また、トランジスタのオン電流を高くするためには、半導体４０６ｃの厚さは小さいほど好ましい。例えば、１０ｎｍ未満、好ましくは５ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以下の領域を有する半導体４０６ｃとすればよい。一方、半導体４０６ｃは、チャネルの形成される半導体４０６ｂへ、隣接する絶縁体を構成する酸素以外の元素（水素、シリコンなど）が入り込まないようブロックする機能を有する。そのため、半導体４０６ｃは、ある程度の厚さを有することが好ましい。例えば、０．３ｎｍ以上、好ましくは１ｎｍ以上、さらに好ましくは２ｎｍ以上の厚さの領域を有する半導体４０６ｃとすればよい。また、半導体４０６ｃは、絶縁体４０２などから放出される酸素の外方拡散を抑制するために、酸素をブロックする性質を有すると好ましい。
また、信頼性を高くするためには、半導体４０６ａは厚く、半導体４０６ｃは薄いことが好ましい。例えば、１０ｎｍ以上、好ましくは２０ｎｍ以上、さらに好ましくは４０ｎｍ以上、より好ましくは６０ｎｍ以上の厚さの領域を有する半導体４０６ａとすればよい。半導体４０６ａの厚さを、厚くすることで、隣接する絶縁体と半導体４０６ａとの界面からチャネルの形成される半導体４０６ｂまでの距離を離すことができる。ただし、半導体装置の生産性が低下する場合があるため、例えば、２００ｎｍ以下、好ましくは１２０ｎｍ以下、さらに好ましくは８０ｎｍ以下の厚さの領域を有する半導体４０６ａとすればよい。
例えば、半導体４０６ｂと半導体４０６ａとの間に、例えば、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）において、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満のシリコン濃度となる領域を有する。また、半導体４０６ｂと半導体４０６ｃとの間に、ＳＩＭＳにおいて、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満のシリコン濃度となる領域を有する。
また、半導体４０６ｂの水素濃度を低減するために、半導体４０６ａおよび半導体４０６ｃの水素濃度を低減すると好ましい。半導体４０６ａおよび半導体４０６ｃは、ＳＩＭＳにおいて、２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の水素濃度となる領域を有する。また、半導体４０６ｂの窒素濃度を低減するために、半導体４０６ａおよび半導体４０６ｃの窒素濃度を低減すると好ましい。半導体４０６ａおよび半導体４０６ｃは、ＳＩＭＳにおいて、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の窒素濃度となる領域を有する。
上述の３層構造は一例である。例えば、半導体４０６ａまたは半導体４０６ｃのない２層構造としても構わない。または、半導体４０６ａの上もしくは下、または半導体４０６ｃ上もしくは下に、半導体４０６ａ、半導体４０６ｂおよび半導体４０６ｃとして例示した半導体のいずれか一を有する４層構造としても構わない。または、半導体４０６ａの上、半導体４０６ａの下、半導体４０６ｃの上、半導体４０６ｃの下のいずれか二箇所以上に、半導体４０６ａ、半導体４０６ｂおよび半導体４０６ｃとして例示した半導体のいずれか一を有するｎ層構造（ｎは５以上の整数）としても構わない。
基板４００としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板（イットリア安定化ジルコニア基板など）、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムなどの化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
また、基板４００として、可とう性基板を用いてもよい。なお、可とう性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可とう性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可とう性基板である基板４００に転置する方法もある。その場合には、非可とう性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。なお、基板４００として、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。また、基板４００が伸縮性を有してもよい。また、基板４００は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板４００の厚さは、例えば、５μｍ以上７００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上５００μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以上３００μｍ以下とする。基板４００を薄くすると、半導体装置を軽量化することができる。また、基板４００を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落下などによって基板４００上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。即ち、丈夫な半導体装置を提供することができる。
可とう性基板である基板４００としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維などを用いることができる。可とう性基板である基板４００は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可とう性基板である基板４００としては、例えば、線膨張率が１×１０−３／Ｋ以下、５×１０−５／Ｋ以下、または１×１０−５／Ｋ以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリルなどがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可とう性基板である基板４００として好適である。
導電体４１３としては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。
絶縁体４０２としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体４０２としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。
絶縁体４０２は、基板４００からの不純物の拡散を防止する役割を有してもよい。また、半導体４０６ｂが酸化物半導体である場合、絶縁体４０２は、半導体４０６ｂに酸素を供給する役割を担うことができる。
導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂとしては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。
絶縁体４１２としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体４１２としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。
導電体４０４としては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。
絶縁体４０８としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。絶縁体４０８は、好ましくは酸化アルミニウム、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。
絶縁体４１８としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体４１８としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。
なお、図１１では、トランジスタの第１のゲート電極である導電体４０４と第２のゲート電極である導電体４１３とが、電気的に接続しない例を示したが、本発明の一態様に係るトランジスタの構造はこれに限定されない。例えば、図１２（Ａ）に示すように、導電体４０４と導電体４１３とが電気的に接続する構造であっても構わない。このような構成とすることで、導電体４０４と導電体４１３とに同じ電位が供給されるため、トランジスタのスイッチング特性を向上させることができる。または、図１２（Ｂ）に示すように、導電体４１３を有さない構造であっても構わない。
また、図１３（Ａ）は、トランジスタの上面図の一例である。図１３（Ａ）の一点鎖線Ｆ１−Ｆ２および一点鎖線Ｆ３−Ｆ４に対応する断面図の一例を図１３（Ｂ）に示す。なお、図１３（Ａ）では、理解を容易にするため、絶縁体などの一部を省略して示す。
また、図１１などではソース電極およびドレイン電極として機能する導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂが半導体４０６ｂの上面および側面、絶縁体４０２の上面などと接する例を示したが、本発明の一態様に係るトランジスタの構造はこれに限定されない。例えば、図１３に示すように、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂが半導体４０６ｂの上面のみと接する構造であっても構わない。
また、図１３（Ｂ）に示すように、絶縁体４１８上に絶縁体４２８を有してもよい。絶縁体４２８は、上面が平坦な絶縁体であると好ましい。なお、絶縁体４２８は、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体４２８としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。絶縁体４２８の上面を平坦化するために、化学機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法などによって平坦化処理を行ってもよい。
または、絶縁体４２８は、樹脂を用いてもよい。例えば、ポリイミド、ポリアミド、アクリル、シリコーンなどを含む樹脂を用いればよい。樹脂を用いることで、絶縁体４２８の上面を平坦化処理しなくてもよい場合がある。また、樹脂は短い時間で厚い膜を成膜することができるため、生産性を高めることができる。
また、図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）に示すように、絶縁体４２８上に導電体４２４ａおよび導電体４２４ｂを有してもよい。導電体４２４ａおよび導電体４２４ｂは、例えば、配線としての機能を有する。また、絶縁体４２８が開口部を有し、該開口部を介して導電体４１６ａと導電体４２４ａとが電気的に接続しても構わない。また、絶縁体４２８が別の開口部を有し、該開口部を介して導電体４１６ｂと導電体４２４ｂとが電気的に接続しても構わない。このとき、それぞれの開口部内に導電体４２６ａ、導電体４２６ｂを有しても構わない。
導電体４２４ａおよび導電体４２４ｂとしては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。
図１３に示すトランジスタは、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂは、半導体４０６ｂの側面と接しない。したがって、第１のゲート電極として機能する導電体４０４から半導体４０６ｂの側面に向けて印加される電界が、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂによって遮蔽されにくい構造である。また、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂは、絶縁体４０２の上面と接しない。そのため、絶縁体４０２から放出される過剰酸素（酸素）が導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂを酸化させるために消費されない。したがって、絶縁体４０２から放出される過剰酸素（酸素）を、半導体４０６ｂの酸素欠損を低減するために効率的に利用することのできる構造である。即ち、図１３に示す構造のトランジスタは、高いオン電流、高い電界効果移動度、低いサブスレッショルドスイング値、高い信頼性などを有する優れた電気特性のトランジスタである。
図１４（Ａ）および図１４（Ｂ）は、本発明の一態様のトランジスタの上面図および断面図である。図１４（Ａ）は上面図であり、図１４（Ｂ）は、図１４（Ａ）に示す一点鎖線Ｇ１−Ｇ２、および一点鎖線Ｇ３−Ｇ４に対応する断面図である。なお、図１４（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
トランジスタは、図１４に示すように、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂを有さず、導電体４２６ａおよび導電体４２６ｂと、半導体４０６ｂとが接する構造であっても構わない。この場合、半導体４０６ｂまたは／および半導体４０６ａの、少なくとも導電体４２６ａおよび導電体４２６ｂと接する領域に低抵抗領域４２３ａ（低抵抗領域４２３ｂ）を設けると好ましい。低抵抗領域４２３ａおよび低抵抗領域４２３ｂは、例えば、導電体４０４などをマスクとし、半導体４０６ｂまたは／および半導体４０６ａに不純物を添加することで形成すればよい。なお、導電体４２６ａおよび導電体４２６ｂが、半導体４０６ｂの孔（貫通しているもの）または窪み（貫通していないもの）に設けられていても構わない。導電体４２６ａおよび導電体４２６ｂが、半導体４０６ｂの孔または窪みに設けられることで、導電体４２６ａおよび導電体４２６ｂと、半導体４０６ｂとの接触面積が大きくなるため、接触抵抗の影響を小さくすることができる。即ち、トランジスタのオン電流を大きくすることができる。
＜トランジスタ構造２＞
図１５（Ａ）および図１５（Ｂ）は、本発明の一態様のトランジスタの上面図および断面図である。図１５（Ａ）は上面図であり、図１５（Ｂ）は、図１５（Ａ）に示す一点鎖線Ｊ１−Ｊ２、および一点鎖線Ｊ３−Ｊ４に対応する断面図である。なお、図１５（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
図１５（Ａ）および図１５（Ｂ）に示すトランジスタは、基板６００上の導電体６０４と、導電体６０４上の絶縁体６１２と、絶縁体６１２上の半導体６０６ａと、半導体６０６ａ上の半導体６０６ｂと、半導体６０６ｂ上の半導体６０６ｃと、半導体６０６ａ、半導体６０６ｂおよび半導体６０６ｃと接し、間隔を開けて配置された導電体６１６ａおよび導電体６１６ｂと、半導体６０６ｃ上、導電体６１６ａ上および導電体６１６ｂ上の絶縁体６１８と、を有する。なお、導電体６０４は、絶縁体６１２を介して半導体６０６ｂの下面と面する。また、絶縁体６１２が凸部を有しても構わない。また、基板６００と導電体６０４の間に絶縁体を有しても構わない。該絶縁体は、絶縁体４０２や絶縁体４０８についての記載を参照する。また、半導体６０６ａを有さなくても構わない。また、絶縁体６１８を有さなくても構わない。
なお、半導体６０６ｂは、トランジスタのチャネル形成領域としての機能を有する。また、導電体６０４は、トランジスタの第１のゲート電極（フロントゲート電極ともいう。）としての機能を有する。また、導電体６１６ａおよび導電体６１６ｂは、トランジスタのソース電極およびドレイン電極としての機能を有する。
なお、絶縁体６１８は過剰酸素を含む絶縁体であると好ましい。
なお、基板６００は、基板４００についての記載を参照する。また、導電体６０４は、導電体４０４についての記載を参照する。また、絶縁体６１２は、絶縁体４１２についての記載を参照する。また、半導体６０６ａは、半導体４０６ｃについての記載を参照する。また、半導体６０６ｂは、半導体４０６ｂについての記載を参照する。また、半導体６０６ｃは、半導体４０６ａについての記載を参照する。また、導電体６１６ａおよび導電体６１６ｂは、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂについての記載を参照する。また、絶縁体６１８は、絶縁体４０２についての記載を参照する。
なお、絶縁体６１８上には、表示素子が設けられていてもよい。例えば、画素電極、液晶層、共通電極、発光層、有機ＥＬ層、陽極、陰極などが設けられていてもよい。表示素子は、例えば、導電体６１６ａなどと接続されている。
また、図１６（Ａ）は、トランジスタの上面図の一例である。図１６（Ａ）の一点鎖線Ｋ１−Ｋ２および一点鎖線Ｋ３−Ｋ４に対応する断面図の一例を図１６（Ｂ）に示す。なお、図１６（Ａ）では、理解を容易にするため、絶縁体などの一部を省略して示す。
なお、半導体の上に、チャネル保護膜として機能させることができる絶縁体を配置してもよい。例えば、図１６に示すように、導電体６１６ａおよび導電体６１６ｂと、半導体６０６ｃとの間に、絶縁体６２０を配置してもよい。その場合、導電体６１６ａ（導電体６１６ｂ）と半導体６０６ｃとは、絶縁体６２０中の開口部を介して接続される。絶縁体６２０は、絶縁体６１８についての記載を参照すればよい。
なお、図１５（Ｂ）や図１６（Ｂ）において、絶縁体６１８の上に、導電体６１３を配置してもよい。その場合の例を図１７（Ａ）および図１７（Ｂ）に示す。なお、導電体６１３については、導電体４１３についての記載を参照する。また、導電体６１３には、導電体６０４と同じ電位や同じ信号が供給されてもよいし、異なる電位や信号が供給されてもよい。例えば、導電体６１３に、一定の電位を供給して、トランジスタのしきい値電圧を制御してもよい。つまり、導電体６１３は、第２のゲート電極としての機能を有することができる。また、導電体６１３などによってｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を形成していても構わない。
＜ＰＬＤ法＞
以下では、上述した成膜モデルとは異なる成膜メカニズムを有するＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物について説明する。
試料の作製方法を説明する。まず、シリコン基板を準備する。次に、熱酸化膜を１００ｎｍの厚さで形成する。次に、ＰＬＤ法によって、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を成膜することで試料を作製する。
なお、ターゲットとしては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］である多結晶Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いる。また、ターゲットのアブレーションには、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ装置を用いた波長が２６６ｎｍのレーザ光を、出力０．１Ｗ、パルス周波数１０Ｈｚで用いる。
また、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の成膜は、圧力を変えて４条件とした。試料１はターボ分子ポンプで排気したままの圧力である２．６×１０−５Ｐａとして成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物であり、試料２は酸素ガスを用い圧力を１．０×１０−３Ｐａとして成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物であり、試料３は酸素ガスを用い圧力を０．７Ｐａとして成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物であり、試料４は酸素ガスを用い圧力を７．０Ｐａとして成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である。なお、成膜時間は各３０分、基板温度は室温とした。
次に、試料１乃至試料４の高分解能断面ＴＥＭ像を取得した。なお、高分解能断面ＴＥＭ像の取得は、日立透過電子顕微鏡Ｈ−９０００ＮＡＲを用い、加速電圧３００ｋＶで行った。
図２４に、試料１の高分解能断面ＴＥＭ像を示す。なお、図２４（Ａ）は、膜の厚さ方向の全体が収まる倍率で取得した高分解能断面ＴＥＭ像である。図２４（Ａ）より、膜の厚さは７０ｎｍ程度であった。また、図２４（Ｂ）および図２４（Ｃ）は、それぞれ膜の最上部および膜の最下部が収まる倍率で取得した高分解能断面ＴＥＭ像である。また、図２４（Ｄ）、図２４（Ｅ）および図２４（Ｆ）は、それぞれ膜の最上部、膜の中央部および膜の最下部をさらに高倍率で取得した高分解能断面ＴＥＭ像である。
図２５に、試料２の高分解能断面ＴＥＭ像を示す。なお、図２５（Ａ）は、膜の厚さ方向の全体が収まる倍率で取得した高分解能断面ＴＥＭ像である。図２５（Ａ）より、膜の厚さは６８ｎｍ程度であった。また、図２５（Ｂ）および図２５（Ｃ）は、それぞれ膜の最上部および膜の最下部が収まる倍率で取得した高分解能断面ＴＥＭ像である。また、図２５（Ｄ）、図２５（Ｅ）および図２５（Ｆ）は、それぞれ膜の最上部、膜の中央部および膜の最下部をさらに高倍率で取得した高分解能断面ＴＥＭ像である。
図２６に、試料３の高分解能断面ＴＥＭ像を示す。なお、図２６（Ａ）は、膜の厚さ方向の全体が収まる倍率で取得した高分解能断面ＴＥＭ像である。図２６（Ａ）より、膜の厚さは５６ｎｍ程度であった。また、図２６（Ｂ）および図２６（Ｃ）は、それぞれ膜の最上部および膜の最下部が収まる倍率で取得した高分解能断面ＴＥＭ像である。また、図２６（Ｄ）、図２６（Ｅ）および図２６（Ｆ）は、それぞれ膜の最上部、膜の中央部および膜の最下部をさらに高倍率で取得した高分解能断面ＴＥＭ像である。
図２７に、試料４の高分解能断面ＴＥＭ像を示す。なお、図２７（Ａ）および図２７（Ｂ）は、膜の厚さ方向の全体が収まる倍率で取得した高分解能断面ＴＥＭ像である。図２７（Ａ）および図２７（Ｂ）より、膜の厚さは２６ｎｍ程度であった。また、図２７（Ｃ）および図２７（Ｄ）は、それぞれ膜の最上部および膜の最下部が収まる倍率で取得した高分解能断面ＴＥＭ像である。
さらに、試料１乃至試料４の任意の領域に対し、ナノビーム電子回折による回折パターンを取得した。なお、ナノビーム電子回折による回折パターンの取得は、日立電界放出形透過電子顕微鏡ＨＦ−２０００を用い、加速電圧を２００ｋＶ、プローブ径を１ｎｍ、カメラ長を０．８ｍとして行った。また、ナノビーム電子回折の取得箇所を示す高分解能断面ＴＥＭ像の取得は、日立透過電子顕微鏡Ｈ−９０００ＮＡＲを用い、加速電圧３００ｋＶで行った。
図２８（Ａ）に、試料１の高分解能断面ＴＥＭ像を示す。また、図２８（Ｂ）、図２８（Ｃ）および図２８（Ｄ）には、それぞれ図２８（Ａ）のナノビーム電子回折の測定領域１、測定領域２および測定領域３に対応する回折パターンを示す。
図２８（Ｂ）を解析すると、スポットＡのｄ値は０．２７８ｎｍ、スポットＢのｄ値は０．０９５ｎｍ、スポットＣのｄ値は０．１０８ｎｍであった。これは、菱面体晶を有するＩｎＧａＺｎＯ４における、（１ ０ ２）面（Ａ´と表記する。）のｄ値０．２７９ｎｍ、（３ −３ ０）面（Ｂ´と表記する。）のｄ値０．０９５ｎｍ、（２ −３ −２）面（Ｃ´と表記する。）のｄ値０．１０７ｎｍとよく一致する。また、∠ＡＯＢは６０．２°、∠ＡＯＣは７９．９°、∠ＢＯＣは１９．７°であった。これは、∠Ａ´ＯＢ´の６０．８°、∠Ａ´ＯＣ´の８０．４°、∠Ｂ´ＯＣ´の１９．７°ともよく一致する。したがって、図２８（Ｂ）に示す回折パターンは、菱面体晶を有するＩｎＧａＺｎＯ４に帰属することができる。即ち、図２８（Ｂ）の測定領域の近傍は、菱面体晶を有するＩｎＧａＺｎＯ４の結晶部の可能性がある。なお、菱面体晶を有するＩｎＧａＺｎＯ４に関するデータは、ＪＣＰＤＳカードＮｏ．３８−１１０４を参照した。
なお、図２８（Ｂ）を、六方晶を有するＩｎ２Ｇａ２ＺｎＯ７に対しての帰属を試みると、（１ ０ −２）面（Ａ´と表記する。）のｄ値０．２８１ｎｍ、（３ −３ １）面（Ｂ´と表記する。）のｄ値０．０９５ｎｍ、（２ −３ ３）面（Ｃ´と表記する。）のｄ値０．１０８ｎｍとよく一致する。また、∠Ａ´ＯＢ´の６１．０°、∠Ａ´ＯＣ´の８０．６°、∠Ｂ´ＯＣ´の１９．６°ともよく一致する。したがって、図２８（Ｂ）に示す回折パターンは、六方晶を有するＩｎ２Ｇａ２ＺｎＯ７に帰属することができる。即ち、図２８（Ｂ）の測定領域の近傍は、六方晶を有するＩｎ２Ｇａ２ＺｎＯ７の結晶部の可能性がある。なお、六方晶を有するＩｎ２Ｇａ２ＺｎＯ７に関するデータは、ＪＣＰＤＳカードＮｏ．３８−１０９７を参照した。
また、図２８（Ｃ）を解析すると、スポットＤのｄ値は０．１６６ｎｍ、スポットＥのｄ値は０．１４３ｎｍ、スポットＦのｄ値は０．２７５ｎｍであった。これは、菱面体晶を有するＩｎＧａＺｎＯ４における、（１ １ ０）面（Ｄ´と表記する。）のｄ値０．１６５ｎｍ、（２ ０ ２）面（Ｅ´と表記する。）のｄ値０．１４２ｎｍ、（１ −１ ２）面（Ｆ´と表記する。）のｄ値０．２７９ｎｍとよく一致する。また、∠ＤＯＥは３２．１°、∠ＤＯＦは８９．７°、∠ＥＯＦは５７．６°であった。これは、∠Ｄ´ＯＥ´の３０．６°、∠Ｄ´ＯＦ´の９０．０°、∠Ｅ´ＯＦ´の５９．４°ともよく一致する。したがって、図２８（Ｃ）に示す回折パターンは、菱面体晶を有するＩｎＧａＺｎＯ４に帰属することができる。即ち、図２８（Ｃ）の測定領域の近傍は、菱面体晶を有するＩｎＧａＺｎＯ４の結晶部の可能性がある。
なお、図２８（Ｃ）を、六方晶を有するＩｎ２Ｇａ２ＺｎＯ７に対しての帰属を試みると、（２ −１ ０）面（Ｄ´と表記する。）のｄ値０．１６５ｎｍ、（２ −２ ４）面（Ｅ´と表記する。）のｄ値０．１４１ｎｍ、（０ −１ ４）面（Ｆ´と表記する。）のｄ値０．２６７ｎｍとよく一致する。また、∠Ｄ´ＯＥ´の３１．８°、∠Ｄ´ＯＦ´の９０．０°、∠Ｅ´ＯＦ´の５８．２°ともよく一致する。したがって、図２８（Ｃ）に示す回折パターンは、六方晶を有するＩｎ２Ｇａ２ＺｎＯ７に帰属することができる。即ち、図２８（Ｃ）の測定領域の近傍は、六方晶を有するＩｎ２Ｇａ２ＺｎＯ７の結晶部の可能性がある。
また、図２８（Ｄ）を解析すると、リング状の領域内に複数のスポットが観測されることから、ｎｃ−ＯＳの回折パターンであることがわかる。ここでは、このような領域を、便宜上ｎｃ−ＯＳ部と呼ぶ。
さらに試料１の別の観察箇所において、ナノビーム電子回折を測定し、回折パターンを取得した。図３９（Ａ）は、試料１の高分解能断面ＴＥＭ像を示す。また、図３９（Ｂ）および図３９（Ｃ）には、それぞれ図３９（Ａ）のナノビーム電子回折の測定領域１および測定領域２に対応する回折パターンおよびスポットの帰属を示す。測定領域１における回折パターンは、六方晶を有するＩｎ２Ｇａ２ＺｎＯ７の［６３１］方向から電子を入射させたときの回折パターンに帰属することができる。また、測定領域２は、ｎｃ−ＯＳの回折パターンであることがわかる。
図２８および図３９より、試料１は、結晶部間で回折パターンが異なることがわかる。また、結晶構造に帰属することが可能なスポットの観察されない領域は、ｎｃ−ＯＳの構造を有することがわかる。また、図２４に示す高分解能断面ＴＥＭ像などより、異なる結晶部間、および結晶部とｎｃ−ＯＳ部との間において、明確な結晶粒界を確認することができない。このような特徴から、試料１は、微結晶構造に分類することができる。
次に、試料２に対して、ナノビーム電子回折の回折パターンを測定した。図２９（Ａ）に、試料２の高分解能断面ＴＥＭ像を示す。また、図２９（Ｂ）、図２９（Ｃ）および図２９（Ｄ）には、それぞれ図２９（Ａ）のナノビーム電子回折の測定領域１、測定領域２および測定領域３に対応する回折パターンを示す。
図２９（Ｂ）を解析すると、スポットＧのｄ値は０．２７７ｎｍであった。また、そのほかには明確なスポットが確認されず、特定の結晶構造に帰属することは困難であった。
また、図２９（Ｃ）を解析すると、スポットＨのｄ値は０．１３８ｎｍ、スポットＩのｄ値は０．１４０ｎｍ、スポットＪのｄ値は０．１６２ｎｍであった。これは、菱面体晶を有するＩｎＧａＺｎＯ４における、（１ ０ −１７）面（Ｈ´と表記する。）のｄ値０．１３５ｎｍ、（２ ０ −４）面（Ｉ´と表記する。）のｄ値０．１４０ｎｍ、（１ ０ １３）面（Ｊ´と表記する。）のｄ値０．１６２ｎｍとよく一致する。また、∠ＨＯＩは４９．６°、∠ＨＯＪは１１５．９°、∠ＩＯＪは６６．３°であった。これは、∠Ｈ´ＯＩ´の４９．４°、∠Ｈ´ＯＪ´の１１６．６°、∠Ｉ´ＯＪ´の６７．２°ともよく一致する。したがって、図２９（Ｃ）に示す回折パターンは、菱面体晶を有するＩｎＧａＺｎＯ４に帰属することができる。即ち、図２９（Ｃ）の測定領域の近傍は、菱面体晶を有するＩｎＧａＺｎＯ４の結晶部の可能性がある。なお、図２９（Ｃ）の測定領域の近傍についても、図２８（Ｂ）および図２８（Ｃ）の測定領域の近傍と同様に、六方晶を有するＩｎ２Ｇａ２ＺｎＯ７の結晶部の可能性がある。
また、図２９（Ｄ）を解析すると、リング状の領域内に複数のスポットが観測されることから、ｎｃ−ＯＳの回折パターンであることがわかる。
さらに試料２の別の観察箇所において、ナノビーム電子回折を測定し、回折パターンを取得した。図４０（Ａ）は、試料２の高分解能断面ＴＥＭ像を示す。また、図４０（Ｂ）および図４０（Ｃ）には、それぞれ図４０（Ａ）のナノビーム電子回折の測定領域１および測定領域２に対応する回折パターンおよびスポットの帰属を示す。測定領域１における回折パターンは、六方晶を有するＩｎ２Ｇａ２ＺｎＯ７の［６３１］方向から電子を入射させたときの回折パターンに帰属することができる。また、測定領域２は、ｎｃ−ＯＳの回折パターンであることがわかる。
図２９および図４０より、試料２は、結晶部間で回折パターンが異なることがわかる。また、結晶構造に帰属することが可能なスポットの観察されない領域は、ｎｃ−ＯＳの構造を有することがわかる。また、図２５に示す高分解能断面ＴＥＭ像などより、異なる結晶部間、および結晶部とｎｃ−ＯＳ部との間において、明確な結晶粒界を確認することができない。このような特徴から、試料２は、微結晶構造に分類することができる。
次に、試料３に対して、ナノビーム電子回折の回折パターンを測定した。図３０（Ａ）、図３０（Ｂ）および図３０（Ｃ）には、それぞれ試料３の最上部、中央部および最下部のナノビーム電子回折の測定領域に対応する回折パターンを示す。
図３０（Ａ）、図３０（Ｂ）および図３０（Ｃ）を解析すると、リング状の領域内に複数のスポットが観測されることから、ｎｃ−ＯＳの回折パターンであることがわかる。したがって、試料３は、ｎｃ−ＯＳ構造を有することがわかる。また、図２６に示す高分解能断面ＴＥＭ像などより、試料３は比較的均質なｎｃ−ＯＳ構造に分類することができる。
さらに試料３に対して、結晶部の大きさを計測する。図４１（Ａ）は、試料３の結晶部（３０箇所から３５箇所）の平均の大きさの変化を調査した例である。図４１（Ａ）より、試料３は、電子照射開始時から電子の累積照射量が７．６×１０８ｅ−／ｎｍ２になるまでの範囲で、電子の累積照射量によらず結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。なお、図４１（Ｂ）に、電子照射開始時における高分解能断面ＴＥＭ像、および囲み部を拡大した高分解能断面ＴＥＭ像を示す。図４１（Ｂ）より、試料３を拡大することで図の矢印に挟まれたような結晶部を確認することができる。また、図４１（Ｃ）に、７．６×１０８ｅ−／ｎｍ２の電子照射後における高分解能断面ＴＥＭ像、および囲み部を拡大した高分解能断面ＴＥＭ像を示す。図４１（Ｃ）においても、結晶部を確認することができる。
次に、試料４に対して、ナノビーム電子回折の回折パターンを測定した。図３１（Ａ）、図３１（Ｂ）および図３１（Ｃ）には、それぞれ試料４の最上部、中央部および最下部のナノビーム電子回折の測定領域に対応する回折パターンを示す。
図３１（Ａ）、図３１（Ｂ）および図３１（Ｃ）を解析すると、リング状の領域内に複数のスポットが観測されることから、ｎｃ−ＯＳの回折パターンであることがわかる。また、図２７に示す高分解能断面ＴＥＭ像などより、試料４は一部に鬆を有することがわかる。したがって、試料４は、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ構造に分類することができる。
さらに試料４に対して、結晶部の大きさを計測する。図４２（Ａ）は、試料４の結晶部（２０箇所から３０箇所）の平均の大きさの変化を調査した例である。図４２（Ａ）より、試料４は、電子照射開始時から電子の累積照射量が７．６×１０８ｅ−／ｎｍ２になるまでの範囲で、電子の累積照射量によって結晶部の大きさに変化が見られる。なお、図４２（Ｂ）に、電子照射開始時における高分解能断面ＴＥＭ像、および囲み部を拡大した高分解能断面ＴＥＭ像を示す。図４２（Ｂ）より、試料４を拡大することで図の矢印に挟まれたような結晶部を確認することができる。また、図４２（Ｃ）に、９．４×１０７ｅ−／ｎｍ２の電子照射後における高分解能断面ＴＥＭ像、および囲み部を拡大した高分解能断面ＴＥＭ像を示す。図４２（Ｃ）においても、結晶部を確認することができる。また、結晶部の大きさ図４２（Ｂ）と比べて大きくなっていることがわかる。また、図４２（Ｄ）に、７．６×１０８ｅ−／ｎｍ２の電子照射後における高分解能断面ＴＥＭ像、および囲み部を拡大した高分解能断面ＴＥＭ像を示す。図４２（Ｄ）においても、結晶部を確認することができる。また、結晶部の大きさは図４２（Ｃ）と比べて小さくなっていることがわかる。
試料４において、結晶部の大きさが一度大きくなり、その後小さくなったことから、電子照射により成長した結晶部が、さらなる電子照射により壊れた可能性を示している。
試料３および試料４の結晶部の大きさの変化などを表４に示す。
図３２および図３３は、試料１乃至試料４のＸＲＤ装置を用いた解析結果である。ＸＲＤ装置を用いた解析は、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法の一種である粉末法（θ−２θ法ともいう。）と、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法の一種であるＧＩＸＲＤ（Ｇｒａｚｉｎｇ−Ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ ＸＲＤ）法（薄膜法またはＳｅｅｍａｎｎ−Ｂｏｈｌｉｎ法ともいう。）と、によって行った。なお、θー２θ法は、Ｘ線の入射角を変化させるとともに、Ｘ線源に対向して設けられる検出器の角度を入射角と同じにしてＸ線回折強度を測定する方法である。また、ＧＩＸＲＤ法は、Ｘ線の入射角をごく浅い角度に固定し、Ｘ線源に対向して設けられる検出器の角度を変化させてＸ線回折強度を測定する方法である。なお、ＧＩＸＲＤ法では、入射角を０．４０°に固定して解析を行った。
図３２（Ａ）は試料１のθ−２θ法による解析結果を示し、図３２（Ｂ）は試料２のθ−２θ法による解析結果を示し、図３２（Ｃ）は試料３のθ−２θ法による解析結果を示し、図３２（Ｄ）は試料４のθ−２θ法による解析結果を示す。また、図３３（Ａ）は試料１のＧＩＸＲＤ法による解析結果を示し、図３３（Ｂ）は試料２のＧＩＸＲＤ法による解析結果を示し、図３３（Ｃ）は試料３のＧＩＸＲＤ法による解析結果を示し、図３３（Ｄ）は試料４のＧＩＸＲＤ法による解析結果を示す。
試料１は、θ−２θ法によって２θが３２°から３５°の間にやや鋭いピークが観測された。また、試料１は、ＧＩＸＲＤ法によって、２θが３３°から３４°の間に鋭いピークが観測された。これらの位置に現れるピークに対応する結晶面を明確に帰属することはできなかった。そのため、複数の結晶面を示すピークが合わさっている可能性が高い。また、試料２および試料３は、θ−２θ法によって、２θが２５°から４０°の間にブロードなピークが観測された。また、試料２および試料３は、ＧＩＸＲＤ法によっても、２θが２５°から４０°の間にブロードなピークが観測された。これらのピークは、近距離秩序性を反映したピークである可能性が高い。また、試料４は、θ−２θ法によって、明確なピークが観測されなかった。これは、試料４の膜の厚さが薄いことに起因する可能性が高い。一方、試料４は、ＧＩＸＲＤ法によって、２θが２５°から４０°の間にブロードなピークが観測された。このピークも、近距離秩序性を反映したピークである可能性が高い。
ＰＬＤ法では、レーザ光によって原子状の粒子、イオン状の粒子、分子状の粒子またはクラスタ状の粒子などがターゲットより飛び出すことが知られている。この前提のもと、ＰＬＤ法で成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の結晶性の違いについて、以下に考察を述べる。
試料１および試料２は、成膜時の圧力が低い。そのため、クラスタ状で飛び出した粒子が、そのまま被形成面に堆積する割合は比較的高くなる。また、クラスタ状の粒子は、結晶構造を維持したまま被形成面に堆積するため、膜に結晶部が形成される可能性が高い。なお、ＰＬＤ法では、クラスタ状の粒子は、プラズマ中を通過しないため、帯電しない。また、ＰＬＤ法では、マグネットによる磁場が生じないため、被形成面をクラスタ状の粒子が移動するための力は与えられない。よって、図３などを用いて説明した成膜モデルとは異なり、クラスタ状の粒子が被形成面に規則的に堆積することはないといえる。即ち、異なる結晶部間では、配向性も異なってくる。
また、試料３では、成膜時の圧力が高いことによって、クラスタ状の粒子の平均自由行程が、試料１および試料２の成膜時よりも短くなる。そのため、クラスタ状の粒子が、被形成面に堆積する割合が比較的低くなり、原子状の粒子などの小さい粒子がそのまま被形成面に堆積する割合が高くなる。しかし、そのような状態で堆積されたとしても、ナノビーム電子回折の回折パターンにおいてリング状の領域内に複数のスポットが観測されることから、被形成面におけるマイグレーションにより、ある程度の秩序性を持つｎｃ−ＯＳ構造となることがわかる。
また、試料４では、成膜時の圧力がさらに高いことによって、クラスタ状の粒子の平均自由行程が、試料１および試料２の成膜時よりも短くなる。また、試料３の成膜時よりも原子状の粒子などがそのまま被形成面に堆積する量も少なくなる。したがって、被形成面に堆積する粒子は、堆積するまでの間に何らかの衝突を起こし、エネルギーが低下した粒子となる。即ち、被形成面上におけるマイグレーションなども起こりにくくなり、密度の低い膜が成膜される。
以上は、ＰＬＤ法により室温で成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の解析結果である。以下に、ＰＬＤ法により加熱成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の解析結果を説明する。なお、加熱成膜の温度は、基板表面近傍に配置した熱電対を用いて測定した。
図４３（Ａ）および図４３（Ｂ）は、基板表面温度を３００℃として成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の断面ＴＥＭ像である。なお、そのほかの成膜条件は試料３と同様である。図４３（Ａ）および図４３（Ｂ）に示すＴＥＭ像は、球面収差補正（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ Ｃｏｒｒｅｃｔｏｒ）機能を用いて観察した。ＴＥＭ像の取得には、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡ＪＥＭ−ＡＲＭ２００Ｆを用いた。なお、図４３（Ｂ）は、図４３（Ａ）の囲み部を拡大したＴＥＭ像である。
図４３（Ａ）および図４３（Ｂ）より、ＰＬＤ法により加熱成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物には、表面の凹凸および膜内部のムラが見られた。また、加熱成膜であってもＣＡＡＣ−ＯＳ構造は確認されなかった。
図４３（Ｂ）と同じ測定箇所において、高角度散乱暗視野走査透過顕微鏡法（ＡＤＦ−ＳＴＥＭ：Ａｎｎｕｌａｒ Ｄａｒｋ−Ｆｉｅｌｄ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）による観察像を図４４（Ａ）に、ＥＤＸ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ Ｘ−Ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）によるマッピングを図４４（Ｂ）、図４４（Ｃ）、図４４（Ｄ）および図４４（Ｅ）に示す。なお、図４４（Ｂ）はインジウムのマッピングを示し、図４４（Ｃ）はガリウムのマッピングを示し、図４４（Ｄ）は亜鉛のマッピングを示し、図４４（Ｅ）は酸素のマッピングを示す。
図４４（Ａ）に示す明るい領域には、図４４（Ｂ）および図４４（Ｅ）より、インジウムを含む酸化物が偏析している。したがって、加熱成膜による表面の凹凸および膜内部のムラは、インジウムを含む酸化物の偏析によることがわかる。
以上に示したように、ＰＬＤ法を用いて成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物は、微結晶構造、ｎｃ−ＯＳ構造またはａ−ｌｉｋｅ ＯＳ構造を有するが、ＣＡＡＣ−ＯＳ構造を有さない可能性がある。これは、図３などを用いて説明した成膜モデルによって理解することができる。なお、特許文献１などで報告されている微結晶を含む非晶質酸化物は、ＰＬＤ法を用いて成膜されていることが明記されている。そのため、ここで報告したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物と同様の酸化物である可能性がある。ただし、ここで報告したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物は、ナノビーム電子回折などにより非晶質構造は確認されていないため、異なる酸化物である可能性もある。
＜トランジスタの電気特性＞
以下では、ＰＬＤ法により成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いたトランジスタの電気特性について説明する。
トランジスタの構造は、図１２（Ｂ）に示したトランジスタの構造と同様である。よって、以下では図１２（Ｂ）などの符号を用いて説明する。ただし、半導体４０６ａおよび半導体４０６ｃは形成していない。なお、半導体４０６ｂは、厚さを３５ｎｍとした。また、絶縁体４１２は、酸化シリコンを用い、厚さを４０ｎｍとした。
図４５（Ａ）、図４５（Ｂ）および図４５（Ｃ）に、半導体４０６ｂとして、それぞれＰＬＤ法により上述した試料２の条件、試料３の条件または試料４の条件で成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いたトランジスタのドレイン電圧Ｖｄ４ＶにおけるＩｄ−Ｖｇ特性を示す。チャネル長は５０μｍ、チャネル幅は２００μｍとした。ここで、Ｉｄはドレイン電流を示し、Ｖｇはゲート電圧を示す。
また、図４６に、ＰＬＤ法により試料３の条件で成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いたトランジスタのＩｄ−Ｖｄ特性を示す。チャネル長は５０μｍ、チャネル幅は２００μｍとした。
以上により、試料３の条件で成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いたトランジスタは、良好な電気特性を有することがわかった。また、試料２の条件および試料４の条件は、試料３の条件と比べてオン電流が小さいことがわかった。
＜半導体装置＞
以下では、本発明の一態様に係る半導体装置を例示する。
＜回路＞
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタを利用した回路の一例について説明する。
〔ＣＭＯＳインバータ〕
図１８（Ａ）に示す回路図は、ｐチャネル型のトランジスタ２２００とｎチャネル型のトランジスタ２１００を直列に接続し、かつそれぞれのゲートを接続した、いわゆるＣＭＯＳインバータの構成を示している。トランジスタ２１００は、酸化物半導体を用いたトランジスタである。
〔ＣＭＯＳアナログスイッチ〕
また図１８（Ｂ）に示す回路図は、トランジスタ２１００とトランジスタ２２００のそれぞれのソースとドレインを接続した構成を示している。このような構成とすることで、いわゆるＣＭＯＳアナログスイッチとして機能させることができる。
〔記憶装置の例〕
本発明の一態様に係るトランジスタを用いた、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置（記憶装置）の一例を図１９に示す。
図１９（Ａ）に示す半導体装置は、第１の半導体を用いたトランジスタ３２００と第２の半導体を用いたトランジスタ３３００、および容量素子３４００を有している。なお、トランジスタ３３００としては、上述したトランジスタを用いることができる。
トランジスタ３３００は、酸化物半導体を用いたトランジスタである。トランジスタ３３００のオフ電流が小さいことにより、半導体装置の特定のノードに長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、またはリフレッシュ動作の頻度が極めて少なくすることが可能となるため、消費電力の低い半導体装置となる。
図１９（Ａ）において、第１の配線３００１はトランジスタ３２００のソースと電気的に接続され、第２の配線３００２はトランジスタ３２００のドレインと電気的に接続される。また、第３の配線３００３はトランジスタ３３００のソース、ドレインの一方と電気的に接続され、第４の配線３００４はトランジスタ３３００のゲートと電気的に接続されている。そして、トランジスタ３２００のゲート、およびトランジスタ３３００のソース、ドレインの他方は、容量素子３４００の電極の一方と電気的に接続され、第５の配線３００５は容量素子３４００の電極の他方と電気的に接続されている。
図１９（Ａ）に示す半導体装置は、トランジスタ３２００のゲートの電位が保持可能という特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第４の配線３００４の電位を、トランジスタ３３００が導通状態となる電位にして、トランジスタ３３００を導通状態とする。これにより、第３の配線３００３の電位が、トランジスタ３２００のゲート、および容量素子３４００の電極の一方と電気的に接続するノードＦＧに与えられる。即ち、トランジスタ３２００のゲートには、所定の電荷が与えられる（書き込み）。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷（以下Ｌｏｗレベル電荷、Ｈｉｇｈレベル電荷という。）のどちらかが与えられるものとする。その後、第４の配線３００４の電位を、トランジスタ３３００が非導通状態となる電位にして、トランジスタ３３００を非導通状態とすることにより、ノードＦＧに電荷が保持される（保持）。
トランジスタ３３００のオフ電流は極めて小さいため、ノードＦＧの電荷は長期間にわたって保持される。
次に情報の読み出しについて説明する。第１の配線３００１に所定の電位（定電位）を与えた状態で、第５の配線３００５に適切な電位（読み出し電位）を与えると、第２の配線３００２は、ノードＦＧに保持された電荷量に応じた電位をとる。これは、トランジスタ３２００をｎチャネル型とすると、トランジスタ３２００のゲートにＨｉｇｈレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｈは、トランジスタ３２００のゲートにＬｏｗレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｌより低くなるためである。ここで、見かけ上のしきい値電圧とは、トランジスタ３２００を「導通状態」とするために必要な第５の配線３００５の電位をいうものとする。したがって、第５の配線３００５の電位をＶｔｈ＿ＨとＶｔｈ＿Ｌの間の電位Ｖ０とすることにより、ノードＦＧに与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、ノードＦＧにＨｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線３００５の電位がＶ０（＞Ｖｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ３２００は「導通状態」となる。一方、ノードＦＧにＬｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線３００５の電位がＶ０（＜Ｖｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ３２００は「非導通状態」のままである。このため、第２の配線３００２の電位を判別することで、ノードＦＧに保持されている情報を読み出すことができる。
なお、メモリセルをアレイ状に配置する場合、読み出し時には、所望のメモリセルの情報を読み出さなくてはならない。ほかのメモリセルの情報を読み出さないためには、ノードＦＧに与えられた電荷によらずトランジスタ３２００が「非導通状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｈより低い電位を第５の配線３００５に与えればよい。または、ノードＦＧに与えられた電荷によらずトランジスタ３２００が「導通状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｌより高い電位を第５の配線３００５に与えればよい。
図１９（Ｂ）に示す半導体装置は、トランジスタ３２００を有さない点で図１９（Ａ）に示した半導体装置と異なる。この場合も図１９（Ａ）に示した半導体装置と同様の動作により情報の書き込みおよび保持動作が可能である。
図１９（Ｂ）に示す半導体装置における、情報の読み出しについて説明する。トランジスタ３３００が導通状態になると、浮遊状態である第３の配線３００３と容量素子３４００とが導通し、第３の配線３００３と容量素子３４００の間で電荷が再分配される。その結果、第３の配線３００３の電位が変化する。第３の配線３００３の電位の変化量は、容量素子３４００の電極の一方の電位（または容量素子３４００に蓄積された電荷）によって、異なる値をとる。
例えば、容量素子３４００の電極の一方の電位をＶ、容量素子３４００の容量をＣ、第３の配線３００３が有する容量成分をＣＢ、電荷が再分配される前の第３の配線３００３の電位をＶＢ０とすると、電荷が再分配された後の第３の配線３００３の電位は、（ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ）／（ＣＢ＋Ｃ）となる。したがって、メモリセルの状態として、容量素子３４００の電極の一方の電位がＶ１とＶ０（Ｖ１＞Ｖ０）の２つの状態をとるとすると、電位Ｖ１を保持している場合の第３の配線３００３の電位（＝（ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ１）／（ＣＢ＋Ｃ））は、電位Ｖ０を保持している場合の第３の配線３００３の電位（＝（ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ０）／（ＣＢ＋Ｃ））よりも高くなることがわかる。
そして、第３の配線３００３の電位を所定の電位と比較することで、情報を読み出すことができる。
この場合、メモリセルを駆動させるための駆動回路に上記第１の半導体が適用されたトランジスタを用い、トランジスタ３３００として第２の半導体が適用されたトランジスタを駆動回路上に積層して配置する構成とすればよい。
以上に示した半導体装置は、酸化物半導体を用いたオフ電流の極めて小さいトランジスタを適用することで、長期にわたって記憶内容を保持することが可能となる。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、またはリフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力の低い半導体装置を実現することができる。また、電力の供給がない場合（ただし、電位は固定されていることが好ましい）であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。
また、該半導体装置は、情報の書き込みに高い電圧が不要であるため、素子の劣化が起こりにくい。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行わないため、絶縁体の劣化といった問題が全く生じない。即ち、本発明の一態様に係る半導体装置は、従来の不揮発性メモリで問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上した半導体装置である。さらに、トランジスタの導通状態、非導通状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作が可能となる。
＜ＣＰＵ＞
以下では、上述したトランジスタや上述した記憶装置などの半導体装置を含むＣＰＵについて説明する。
図２０は、上述したトランジスタを一部に用いたＣＰＵの一例の構成を示すブロック図である。
図２０に示すＣＰＵは、基板１１９０上に、ＡＬＵ１１９１（ＡＬＵ：Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ ｌｏｇｉｃ ｕｎｉｔ、演算回路）、ＡＬＵコントローラ１１９２、インストラクションデコーダ１１９３、インタラプトコントローラ１１９４、タイミングコントローラ１１９５、レジスタ１１９６、レジスタコントローラ１１９７、バスインターフェース１１９８、書き換え可能なＲＯＭ１１９９、およびＲＯＭインターフェース１１８９を有している。基板１１９０は、半導体基板、ＳＯＩ基板、ガラス基板などを用いる。ＲＯＭ１１９９およびＲＯＭインターフェース１１８９は、別チップに設けてもよい。もちろん、図２０に示すＣＰＵは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際のＣＰＵはその用途によって多種多様な構成を有している。例えば、図２０に示すＣＰＵまたは演算回路を含む構成を一つのコアとし、当該コアを複数含み、それぞれのコアが並列で動作するような構成としてもよい。また、ＣＰＵが内部演算回路やデータバスで扱えるビット数は、例えば８ビット、１６ビット、３２ビット、６４ビットなどとすることができる。
バスインターフェース１１９８を介してＣＰＵに入力された命令は、インストラクションデコーダ１１９３に入力され、デコードされた後、ＡＬＵコントローラ１１９２、インタラプトコントローラ１１９４、レジスタコントローラ１１９７、タイミングコントローラ１１９５に入力される。
ＡＬＵコントローラ１１９２、インタラプトコントローラ１１９４、レジスタコントローラ１１９７、タイミングコントローラ１１９５は、デコードされた命令に基づき、各種制御を行なう。具体的にＡＬＵコントローラ１１９２は、ＡＬＵ１１９１の動作を制御するための信号を生成する。また、インタラプトコントローラ１１９４は、ＣＰＵのプログラム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク状態から判断し、処理する。レジスタコントローラ１１９７は、レジスタ１１９６のアドレスを生成し、ＣＰＵの状態に応じてレジスタ１１９６の読み出しや書き込みを行なう。
また、タイミングコントローラ１１９５は、ＡＬＵ１１９１、ＡＬＵコントローラ１１９２、インストラクションデコーダ１１９３、インタラプトコントローラ１１９４、およびレジスタコントローラ１１９７の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタイミングコントローラ１１９５は、基準クロック信号ＣＬＫ１を元に、内部クロック信号ＣＬＫ２を生成する内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号ＣＬＫ２を上記各種回路に供給する。
図２０に示すＣＰＵでは、レジスタ１１９６に、メモリセルが設けられている。レジスタ１１９６のメモリセルとして、上述したトランジスタや記憶装置などを用いることができる。
図２０に示すＣＰＵにおいて、レジスタコントローラ１１９７は、ＡＬＵ１１９１からの指示に従い、レジスタ１１９６における保持動作の選択を行う。即ち、レジスタ１１９６が有するメモリセルにおいて、フリップフロップによるデータの保持を行うか、容量素子によるデータの保持を行うかを、選択する。フリップフロップによるデータの保持が選択されている場合、レジスタ１１９６内のメモリセルへの、電源電圧の供給が行われる。容量素子におけるデータの保持が選択されている場合、容量素子へのデータの書き換えが行われ、レジスタ１１９６内のメモリセルへの電源電圧の供給を停止することができる。
図２１は、レジスタ１１９６として用いることのできる記憶素子１２００の回路図の一例である。記憶素子１２００は、電源遮断で記憶データが揮発する回路１２０１と、電源遮断で記憶データが揮発しない回路１２０２と、スイッチ１２０３と、スイッチ１２０４と、論理素子１２０６と、容量素子１２０７と、選択機能を有する回路１２２０と、を有する。回路１２０２は、容量素子１２０８と、トランジスタ１２０９と、トランジスタ１２１０と、を有する。なお、記憶素子１２００は、必要に応じて、ダイオード、抵抗素子、インダクタなどのその他の素子をさらに有していてもよい。
ここで、回路１２０２には、上述した記憶装置を用いることができる。記憶素子１２００への電源電圧の供給が停止した際、回路１２０２のトランジスタ１２０９のゲートにはＧＮＤ（０Ｖ）、またはトランジスタ１２０９がオフする電位が入力され続ける構成とする。例えば、トランジスタ１２０９のゲートが抵抗等の負荷を介して接地される構成とする。
スイッチ１２０３は、一導電型（例えば、ｎチャネル型）のトランジスタ１２１３を用いて構成され、スイッチ１２０４は、一導電型とは逆の導電型（例えば、ｐチャネル型）のトランジスタ１２１４を用いて構成した例を示す。ここで、スイッチ１２０３の第１の端子はトランジスタ１２１３のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ１２０３の第２の端子はトランジスタ１２１３のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ１２０３はトランジスタ１２１３のゲートに入力される制御信号ＲＤによって、第１の端子と第２の端子の間の導通または非導通（つまり、トランジスタ１２１３の導通状態または非導通状態）が選択される。スイッチ１２０４の第１の端子はトランジスタ１２１４のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ１２０４の第２の端子はトランジスタ１２１４のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ１２０４はトランジスタ１２１４のゲートに入力される制御信号ＲＤによって、第１の端子と第２の端子の間の導通または非導通（つまり、トランジスタ１２１４の導通状態または非導通状態）が選択される。
トランジスタ１２０９のソースとドレインの一方は、容量素子１２０８の一対の電極のうちの一方、およびトランジスタ１２１０のゲートと電気的に接続される。ここで、接続部分をノードＭ２とする。トランジスタ１２１０のソースとドレインの一方は、低電源電位を供給することのできる配線（例えばＧＮＤ線）に電気的に接続され、他方は、スイッチ１２０３の第１の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの一方）と電気的に接続される。スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）はスイッチ１２０４の第１の端子（トランジスタ１２１４のソースとドレインの一方）と電気的に接続される。スイッチ１２０４の第２の端子（トランジスタ１２１４のソースとドレインの他方）は電源電位ＶＤＤを供給することのできる配線と電気的に接続される。スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）と、スイッチ１２０４の第１の端子（トランジスタ１２１４のソースとドレインの一方）と、論理素子１２０６の入力端子と、容量素子１２０７の一対の電極のうちの一方と、は電気的に接続される。ここで、接続部分をノードＭ１とする。容量素子１２０７の一対の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位（ＧＮＤ等）または高電源電位（ＶＤＤ等）が入力される構成とすることができる。容量素子１２０７の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線（例えばＧＮＤ線）と電気的に接続される。容量素子１２０８の一対の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位（ＧＮＤ等）または高電源電位（ＶＤＤ等）が入力される構成とすることができる。容量素子１２０８の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線（例えばＧＮＤ線）と電気的に接続される。
なお、容量素子１２０７および容量素子１２０８は、トランジスタや配線の寄生容量等を積極的に利用することによって省略することも可能である。
トランジスタ１２０９のゲートには、制御信号ＷＥが入力される。スイッチ１２０３およびスイッチ１２０４は、制御信号ＷＥとは異なる制御信号ＲＤによって第１の端子と第２の端子の間の導通状態または非導通状態を選択され、一方のスイッチの第１の端子と第２の端子の間が導通状態のとき他方のスイッチの第１の端子と第２の端子の間は非導通状態となる。
トランジスタ１２０９のソースとドレインの他方には、回路１２０１に保持されたデータに対応する信号が入力される。図２１では、回路１２０１から出力された信号が、トランジスタ１２０９のソースとドレインの他方に入力される例を示した。スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）から出力される信号は、論理素子１２０６によってその論理値が反転された反転信号となり、回路１２２０を介して回路１２０１に入力される。
なお、図２１では、スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）から出力される信号は、論理素子１２０６および回路１２２０を介して回路１２０１に入力する例を示したがこれに限定されない。スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）から出力される信号が、論理値を反転させられることなく、回路１２０１に入力されてもよい。例えば、回路１２０１内に、入力端子から入力された信号の論理値が反転した信号が保持されるノードが存在する場合に、スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）から出力される信号を当該ノードに入力することができる。
また、図２１において、記憶素子１２００に用いられるトランジスタのうち、トランジスタ１２０９以外のトランジスタは、酸化物半導体以外の半導体でなる膜または基板１１９０にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。例えば、シリコン膜またはシリコン基板にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。また、記憶素子１２００に用いられるトランジスタ全てを、チャネルが酸化物半導体で形成されるトランジスタとすることもできる。または、記憶素子１２００は、トランジスタ１２０９以外にも、チャネルが酸化物半導体で形成されるトランジスタを含んでいてもよく、残りのトランジスタは酸化物半導体以外の半導体でなる層または基板１１９０にチャネルが形成されるトランジスタとすることもできる。
図２１における回路１２０１には、例えばフリップフロップ回路を用いることができる。また、論理素子１２０６としては、例えばインバータやクロックドインバータ等を用いることができる。
本発明の一態様に係る半導体装置では、記憶素子１２００に電源電圧が供給されない間は、回路１２０１に記憶されていたデータを、回路１２０２に設けられた容量素子１２０８によって保持することができる。
また、酸化物半導体にチャネルが形成されるトランジスタはオフ電流が極めて小さい。例えば、酸化物半導体にチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流は、結晶性を有するシリコンにチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流に比べて著しく低い。そのため、当該トランジスタをトランジスタ１２０９として用いることによって、記憶素子１２００に電源電圧が供給されない間も容量素子１２０８に保持された信号は長期間にわたり保たれる。こうして、記憶素子１２００は電源電圧の供給が停止した間も記憶内容（データ）を保持することが可能である。
また、スイッチ１２０３およびスイッチ１２０４を設けることによって、プリチャージ動作を行うことを特徴とする記憶素子であるため、電源電圧供給再開後に、回路１２０１が元のデータを保持しなおすまでの時間を短くすることができる。
また、回路１２０２において、容量素子１２０８によって保持された信号はトランジスタ１２１０のゲートに入力される。そのため、記憶素子１２００への電源電圧の供給が再開された後、容量素子１２０８によって保持された信号を、トランジスタ１２１０の状態（導通状態、または非導通状態）に変換して、回路１２０２から読み出すことができる。それ故、容量素子１２０８に保持された信号に対応する電位が多少変動していても、元の信号を正確に読み出すことが可能である。
このような記憶素子１２００を、プロセッサが有するレジスタやキャッシュメモリなどの記憶装置に用いることで、電源電圧の供給停止による記憶装置内のデータの消失を防ぐことができる。また、電源電圧の供給を再開した後、短時間で電源供給停止前の状態に復帰することができる。よって、プロセッサ全体、もしくはプロセッサを構成する一つ、または複数の論理回路において、短い時間でも電源停止を行うことができるため、消費電力を抑えることができる。
記憶素子１２００をＣＰＵに用いる例として説明したが、記憶素子１２００は、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、カスタムＬＳＩ、ＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）等のＬＳＩ、ＲＦ−ＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）にも応用可能である。
＜表示装置＞
以下では、本発明の一態様に係る表示装置の構成例について説明する。
［構成例］
図２２（Ａ）には、本発明の一態様に係る表示装置の上面図を示す。また、図２２（Ｂ）には、本発明の一態様に係る表示装置の画素に液晶素子を用いた場合における画素回路を示す。また、図２２（Ｃ）には、本発明の一態様に係る表示装置の画素に有機ＥＬ素子を用いた場合における画素回路を示す。
画素に用いるトランジスタは、上述したトランジスタを用いることができる。ここでは、ｎチャネル型のトランジスタを用いる例を示す。なお、画素に用いたトランジスタと、同一工程を経て作製したトランジスタを駆動回路として用いても構わない。このように、画素や駆動回路に上述したトランジスタを用いることにより、表示品位が高い、または／および信頼性の高い表示装置となる。
アクティブマトリクス型表示装置の一例を図２２（Ａ）に示す。表示装置の基板５０００上には、画素部５００１、第１の走査線駆動回路５００２、第２の走査線駆動回路５００３、信号線駆動回路５００４が配置される。画素部５００１は、複数の信号線によって信号線駆動回路５００４と電気的に接続され、複数の走査線によって第１の走査線駆動回路５００２、および第２の走査線駆動回路５００３と電気的に接続される。なお、走査線と信号線とによって区切られる領域には、それぞれ表示素子を有する画素が配置されている。また、表示装置の基板５０００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）に電気的に接続されている。
第１の走査線駆動回路５００２、第２の走査線駆動回路５００３および信号線駆動回路５００４は、画素部５００１と同じ基板５０００上に形成される。そのため、駆動回路を別途作製する場合と比べて、表示装置を作製するコストを低減することができる。また、駆動回路を別途作製した場合、配線間の接続数が増える。したがって、同じ基板５０００上に駆動回路を設けることで、配線間の接続数を減らすことができ、信頼性の向上、または／および歩留まりの向上を図ることができる。
〔液晶表示装置〕
また、画素の回路構成の一例を図２２（Ｂ）に示す。ここでは、ＶＡ型液晶表示装置の画素などに適用することができる画素回路を示す。
この画素回路は、一つの画素に複数の画素電極を有する構成に適用できる。それぞれの画素電極は異なるトランジスタに接続され、各トランジスタは異なるゲート信号で駆動できるように構成されている。これにより、マルチドメイン設計された画素の個々の画素電極に印加する信号を、独立して制御できる。
トランジスタ５０１６の走査線５０１２と、トランジスタ５０１７の走査線５０１３には、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、信号線５０１４は、トランジスタ５０１６とトランジスタ５０１７で共通に用いられている。トランジスタ５０１６とトランジスタ５０１７は上述したトランジスタを適宜用いることができる。これにより、表示品位が高い、または／および信頼性の高い液晶表示装置を提供することができる。
トランジスタ５０１６と電気的に接続する第１の画素電極と、トランジスタ５０１７と電気的に接続する第２の画素電極の形状について説明する。第１の画素電極と第２の画素電極とは分離されている。なお、第１の画素電極および第２の画素電極の形状としては、特に限定は無い。例えば、第１の画素電極は、Ｖ字状とすればよい。
トランジスタ５０１６のゲート電極は走査線５０１２と電気的に接続され、トランジスタ５０１７のゲート電極は走査線５０１３と電気的に接続されている。走査線５０１２と走査線５０１３に異なるゲート信号を与えてトランジスタ５０１６とトランジスタ５０１７の動作タイミングを異ならせ、液晶の配向を制御することができる。
また、容量線５０１０と、誘電体として機能するゲート絶縁体と、第１の画素電極または第２の画素電極と電気的に接続する容量電極とで容量素子を形成してもよい。
マルチドメイン構造は、一画素に第１の液晶素子５０１８と第２の液晶素子５０１９を備える。第１の液晶素子５０１８は第１の画素電極と対向電極とその間の液晶層とで構成され、第２の液晶素子５０１９は第２の画素電極と対向電極とその間の液晶層とで構成される。
なお、本発明の一態様に係る表示装置は、図２２（Ｂ）に示す画素回路に限定されない。例えば、図２２（Ｂ）に示す画素回路に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、トランジスタ、センサー、または論理回路などを追加してもよい。
〔有機ＥＬパネル〕
画素の回路構成の他の一例を図２２（Ｃ）に示す。ここでは、有機ＥＬ素子を用いた表示装置の画素構造を示す。
有機ＥＬ素子は、発光素子に電圧を印加することにより、有機ＥＬ素子が有する一対の電極の一方から電子が、他方から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、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。
図２２（Ｃ）は、画素回路の一例を示す図である。ここでは１つの画素にｎチャネル型のトランジスタを２つ用いる例を示す。なお、ｎチャネル型のトランジスタには、上述したトランジスタを用いることができる。また、当該画素回路は、デジタル時間階調駆動を適用することができる。
適用可能な画素回路の構成およびデジタル時間階調駆動を適用した場合の画素の動作について説明する。
画素５０２０は、スイッチング用トランジスタ５０２１、駆動用トランジスタ５０２２、発光素子５０２４および容量素子５０２３を有する。スイッチング用トランジスタ５０２１は、ゲート電極が走査線５０２６に接続され、第１電極（ソース電極、ドレイン電極の一方）が信号線５０２５に接続され、第２電極（ソース電極、ドレイン電極の他方）が駆動用トランジスタ５０２２のゲート電極に接続されている。駆動用トランジスタ５０２２は、ゲート電極が容量素子５０２３を介して電源線５０２７に接続され、第１電極が電源線５０２７に接続され、第２電極が発光素子５０２４の第１電極（画素電極）に接続されている。発光素子５０２４の第２電極は共通電極５０２８に相当する。共通電極５０２８は、同一基板上に形成される共通電位線と電気的に接続される。
スイッチング用トランジスタ５０２１および駆動用トランジスタ５０２２は上述したトランジスタを用いることができる。これにより、表示品位の高い、または／および信頼性の高い有機ＥＬ表示装置となる。
発光素子５０２４の第２電極（共通電極５０２８）の電位は低電源電位に設定する。なお、低電源電位とは、電源線５０２７に供給される高電源電位より低い電位であり、例えばＧＮＤ、０Ｖなどを低電源電位として設定することができる。発光素子５０２４の順方向のしきい値電圧以上となるように高電源電位と低電源電位を設定し、その電位差を発光素子５０２４に印加することにより、発光素子５０２４に電流を流して発光させる。なお、発光素子５０２４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、容量素子５０２３は駆動用トランジスタ５０２２のゲート容量を代用することにより省略できる場合がある。駆動用トランジスタ５０２２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との間で容量が形成されていてもよい。
次に、駆動用トランジスタ５０２２に入力する信号について説明する。電圧入力電圧駆動方式の場合、駆動用トランジスタ５０２２がオンまたはオフの二つの状態となるようなビデオ信号を、駆動用トランジスタ５０２２に入力する。なお、駆動用トランジスタ５０２２を線形領域で動作させるために、電源線５０２７の電圧よりも高い電圧を駆動用トランジスタ５０２２のゲート電極に与える。また、信号線５０２５には、電源線電圧に駆動用トランジスタ５０２２のしきい値電圧Ｖｔｈを加えた値以上の電圧をかける。
アナログ階調駆動を行う場合、駆動用トランジスタ５０２２のゲート電極に発光素子５０２４の順方向電圧に駆動用トランジスタ５０２２のしきい値電圧Ｖｔｈを加えた値以上の電圧をかける。なお、駆動用トランジスタ５０２２が飽和領域で動作するようにビデオ信号を入力し、発光素子５０２４に電流を流す。また、駆動用トランジスタ５０２２を飽和領域で動作させるために、電源線５０２７の電位を、駆動用トランジスタ５０２２のゲート電位より高くする。ビデオ信号をアナログとすることで、発光素子５０２４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。
なお、本発明の一態様に係る表示装置は、図２２（Ｃ）に示す画素構成に限定されない。例えば、図２２（Ｃ）に示す画素回路にスイッチ、抵抗素子、容量素子、センサー、トランジスタまたは論理回路などを追加してもよい。
図２２で例示した回路に上述したトランジスタを適用する場合、低電位側にソース電極（第１の電極）、高電位側にドレイン電極（第２の電極）がそれぞれ電気的に接続される構成とする。さらに、制御回路等により第１のゲート電極の電位を制御し、第２のゲート電極にはソース電極に与える電位よりも低い電位など、上記で例示した電位を入力可能な構成とすればよい。
＜電子機器＞
本発明の一態様に係る半導体装置は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置（代表的にはＤＶＤ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置）に用いることができる。その他に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる電子機器として、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍端末、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）、ナビゲーションシステム、音響再生装置（カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等）、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ払い機（ＡＴＭ）、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図２３に示す。
図２３（Ａ）は携帯型ゲーム機であり、筐体９０１、筐体９０２、表示部９０３、表示部９０４、マイクロフォン９０５、スピーカー９０６、操作キー９０７、スタイラス９０８等を有する。なお、図２３（Ａ）に示した携帯型ゲーム機は、２つの表示部９０３と表示部９０４とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない。
図２３（Ｂ）は携帯データ端末であり、第１筐体９１１、第２筐体９１２、第１表示部９１３、第２表示部９１４、接続部９１５、操作キー９１６等を有する。第１表示部９１３は第１筐体９１１に設けられており、第２表示部９１４は第２筐体９１２に設けられている。そして、第１筐体９１１と第２筐体９１２とは、接続部９１５により接続されており、第１筐体９１１と第２筐体９１２の間の角度は、接続部９１５により変更が可能である。第１表示部９１３における映像を、接続部９１５における第１筐体９１１と第２筐体９１２との間の角度にしたがって、切り替える構成としてもよい。また、第１表示部９１３および第２表示部９１４の少なくとも一方に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしてもよい。なお、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することができる。または、位置入力装置としての機能は、フォトセンサーとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加することができる。
図２３（Ｃ）はノート型パーソナルコンピュータであり、筐体９２１、表示部９２２、キーボード９２３、ポインティングデバイス９２４等を有する。
図２３（Ｄ）は電気冷凍冷蔵庫であり、筐体９３１、冷蔵室用扉９３２、冷凍室用扉９３３等を有する。
図２３（Ｅ）はビデオカメラであり、第１筐体９４１、第２筐体９４２、表示部９４３、操作キー９４４、レンズ９４５、接続部９４６等を有する。操作キー９４４およびレンズ９４５は第１筐体９４１に設けられており、表示部９４３は第２筐体９４２に設けられている。そして、第１筐体９４１と第２筐体９４２とは、接続部９４６により接続されており、第１筐体９４１と第２筐体９４２の間の角度は、接続部９４６により変更が可能である。表示部９４３における映像を、接続部９４６における第１筐体９４１と第２筐体９４２との間の角度にしたがって切り替える構成としてもよい。
図２３（Ｆ）は自動車であり、車体９５１、車輪９５２、ダッシュボード９５３、ライト９５４等を有する。
１００ ターゲット
１００ａ ターゲット
１００ｂ ターゲット
１０１ 成膜室
１０３ｂ マグネットユニット
１１０ バッキングプレート
１１０ａ バッキングプレート
１１０ｂ バッキングプレート
１２０ ターゲットホルダ
１２０ａ ターゲットホルダ
１２０ｂ ターゲットホルダ
１３０ マグネットユニット
１３０ａ マグネットユニット
１３０ｂ マグネットユニット
１３０Ｎ マグネット
１３０Ｎ１ マグネット
１３０Ｎ２ マグネット
１３０Ｓ マグネット
１３２ マグネットホルダ
１４０ 部材
１６０ 基板
１７０ 基板ホルダ
１８０ａ 磁力線
１８０ｂ 磁力線
２００ａ ペレット
２００ｂ ペレット
２０１ イオン
２０２ 酸化亜鉛層
２０３ 粒子
２０５ａ ペレット
２０５ａ１ 領域
２０５ａ２ ペレット
２０５ｂ ペレット
２０５ｃ ペレット
２０５ｄ ペレット
２０５ｄ１ 領域
２０５ｅ ペレット
２２０ 基板
２３０ ターゲット
４００ 基板
４０２ 絶縁体
４０４ 導電体
４０６ａ 半導体
４０６ｂ 半導体
４０６ｃ 半導体
４０８ 絶縁体
４１２ 絶縁体
４１３ 導電体
４１６ａ 導電体
４１６ｂ 導電体
４１８ 絶縁体
４２３ａ 低抵抗領域
４２３ｂ 低抵抗領域
４２４ａ 導電体
４２４ｂ 導電体
４２６ａ 導電体
４２６ｂ 導電体
４２８ 絶縁体
６００ 基板
６０４ 導電体
６０６ａ 半導体
６０６ｂ 半導体
６０６ｃ 半導体
６１２ 絶縁体
６１３ 導電体
６１６ａ 導電体
６１６ｂ 導電体
６１８ 絶縁体
６２０ 絶縁体
７００ 成膜装置
７０１ 大気側基板供給室
７０２ 大気側基板搬送室
７０３ａ ロードロック室
７０３ｂ アンロードロック室
７０４ 搬送室
７０５ 基板加熱室
７０６ａ 成膜室
７０６ｂ 成膜室
７０６ｃ 成膜室
７５１ クライオトラップ
７５２ ステージ
７６１ カセットポート
７６２ アライメントポート
７６３ 搬送ロボット
７６４ ゲートバルブ
７６５ 加熱ステージ
７６６ ターゲット
７６７ 防着板
７６８ 基板ステージ
７６９ 基板
７７０ 真空ポンプ
７７１ クライオポンプ
７７２ ターボ分子ポンプ
７８０ マスフローコントローラ
７８１ 精製機
７８２ ガス加熱機構
９０１ 筐体
９０２ 筐体
９０３ 表示部
９０４ 表示部
９０５ マイクロフォン
９０６ スピーカー
９０７ 操作キー
９０８ スタイラス
９１１ 筐体
９１２ 筐体
９１３ 表示部
９１４ 表示部
９１５ 接続部
９１６ 操作キー
９２１ 筐体
９２２ 表示部
９２３ キーボード
９２４ ポインティングデバイス
９３１ 筐体
９３２ 冷蔵室用扉
９３３ 冷凍室用扉
９４１ 筐体
９４２ 筐体
９４３ 表示部
９４４ 操作キー
９４５ レンズ
９４６ 接続部
９５１ 車体
９５２ 車輪
９５３ ダッシュボード
９５４ ライト
１１８９ ＲＯＭインターフェース
１１９０ 基板
１１９１ ＡＬＵ
１１９２ ＡＬＵコントローラ
１１９３ インストラクションデコーダ
１１９４ インタラプトコントローラ
１１９５ タイミングコントローラ
１１９６ レジスタ
１１９７ レジスタコントローラ
１１９８ バスインターフェース
１１９９ ＲＯＭ
１２００ 記憶素子
１２０１ 回路
１２０２ 回路
１２０３ スイッチ
１２０４ スイッチ
１２０６ 論理素子
１２０７ 容量素子
１２０８ 容量素子
１２０９ トランジスタ
１２１０ トランジスタ
１２１３ トランジスタ
１２１４ トランジスタ
１２２０ 回路
２１００ トランジスタ
２２００ トランジスタ
３００１ 配線
３００２ 配線
３００３ 配線
３００４ 配線
３００５ 配線
３２００ トランジスタ
３３００ トランジスタ
３４００ 容量素子
５０００ 基板
５００１ 画素部
５００２ 走査線駆動回路
５００３ 走査線駆動回路
５００４ 信号線駆動回路
５０１０ 容量線
５０１２ 走査線
５０１３ 走査線
５０１４ 信号線
５０１６ トランジスタ
５０１７ トランジスタ
５０１８ 液晶素子
５０１９ 液晶素子
５０２０ 画素
５０２１ スイッチング用トランジスタ
５０２２ 駆動用トランジスタ
５０２３ 容量素子
５０２４ 発光素子
５０２５ 信号線
５０２６ 走査線
５０２７ 電源線
５０２８ 共通電極

Claims (12)

  1. 基板に平行方向の成分を有して磁場が加えられ、
    前記磁場は、磁束密度が１０Ｇ以上１００Ｇ以下となる領域を有し、
    ターゲットが結晶体または多結晶体であるマグネトロンスパッタ法を用いて、前記結晶体または前記多結晶体中の結晶をペレット状にしてプラズマ中を飛翔せしめて被形成面上に前記被形成面と平行または略平行に配列せしめて積層することを特徴とする酸化物の作製方法。
  2. 請求項１において、
    前記ペレット状の結晶はチャージアップしており、
    前記被形成面に対して、前記磁場が０．１Ｈｚ以上１ｋＨｚ以下のビートで回転または移動していることにより、前記ペレット状の結晶を前記被形成面に配列せしめることを特徴とする酸化物の作製方法。
  3. 酸化物の作製方法であって、
    前記酸化物は、マグネトロンスパッタ法を用いて成膜され、
    前記マグネトロンスパッタ法は、第１のステップと、第２のステップとを有し、
    前記第１のステップおよび前記第２のステップにおいて、基板の上面に平行方向の成分を有する磁場が加えられ、
    前記マグネトロンスパッタ法において使用されるターゲットは、多結晶構造を有する領域を有し、
    前記ターゲットは、前記基板と向かい合って配置され、
    前記ターゲットは、結晶粒を有し、
    前記第１のステップにおいて、前記結晶粒は、ペレット状になって、プラズマ中を飛翔し、
    前記第２のステップにおいて、前記ペレット状の結晶粒は、前記基板の上面に、前記上面と平行または略平行に配列するように積層されることを特徴とする酸化物の作製方法。
  4. スパッタリング装置を用いた酸化物の作製方法であって、
    第１のステップと、第２のステップと、第３のステップと、を有し、
    前記スパッタリング装置は、ターゲットと、基板と、マグネットユニットと、を有し、
    前記ターゲットは、インジウムと、亜鉛と、元素Ｍ（元素Ｍはアルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズ）と、酸素と、を有し、
    前記ターゲットは、多結晶構造を有する領域を有し、
    前記ターゲットは、前記基板と向かい合って配置され、
    前記マグネットユニットは、前記ターゲットの背面側に配置され、前記マグネットユニットは、前記ターゲット側にＮ極を有する第１のマグネットと、前記ターゲット側にＳ極を有する第２のマグネットと、台座と、を有し、
    前記第１のマグネットと前記第２のマグネットとの間に、磁場が形成されており、
    前記第１のステップは、前記基板と前記マグネットユニットとが、相対的に移動または回転するステップを有し、
    前記第１のステップは、前記ターゲットおよび前記基板間に電位差を与えることでプラズマを生成するステップを有し、
    前記第１のステップは、前記プラズマ中に生じたイオンを、前記ターゲットのおもて面側に衝突させることで、平板状酸化物を剥離させるステップを有し、
    前記平板状酸化物は、第１の層と、第２の層と、第３の層と、を有し、
    前記第１の層は、元素Ｍ、亜鉛および酸素を有し、
    前記第２の層は、インジウムおよび酸素を有し、
    前記第３の層は、元素Ｍ、亜鉛および酸素を有し、
    前記第２のステップは、前記平板状酸化物が、前記プラズマ中を通ることで負に帯電した後、結晶構造を維持したまま前記基板上面に近接するステップを有し、
    前記第３のステップは、前記磁場と、電流との作用により、前記平板状酸化物が、前記基板上面を移動してから堆積するステップを有し、
    前記電流は、前記基板から前記ターゲットに向けて流れることを特徴とする酸化物の作製方法。
  5. 請求項４において、
    前記基板の上面における水平磁場の磁束密度が１０Ｇ以上１００Ｇ以下であることを特徴とする酸化物の作製方法。
  6. 請求項４または請求項５において、
    前記マグネットユニットは、前記台座の中央を回転軸として回転しており、
    前記マグネットユニットの回転速度が０．１Ｈｚ以上１ｋＨｚ以下であることを特徴とする酸化物の作製方法。
  7. 請求項４乃至請求項６のいずれか一において、
    前記平板状酸化物の側面にあるインジウム、元素Ｍまたは亜鉛と結合する酸素が負に帯電することを特徴とする酸化物の作製方法。
  8. 請求項４乃至請求項７のいずれか一において、
    前記負に帯電した酸素同士を互いに反発させることで、前記平板状酸化物の形状を維持することを特徴とする酸化物の作製方法。
  9. 請求項４乃至請求項８のいずれか一において、
    前記平板状酸化物は、前記基板上面を移動し、側面が既に堆積している前記平板状酸化物の側面と結合した後で前記基板上面に固着することを特徴とする酸化物の作製方法。
  10. 請求項４乃至請求項９のいずれか一において、
    前記平板状酸化物は、前記基板上面に堆積する際、前記基板上面の法線ベクトルとｃ軸との為す角が、−３０°以上３０°以下となることを特徴とする酸化物の作製方法。
  11. 請求項４乃至請求項１０のいずれか一において、
    前記ターゲットに含まれる結晶性酸化物の組成式がＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍは自然数。）であることを特徴とする酸化物の作製方法。
  12. 請求項４乃至請求項１１のいずれか一において、
    前記イオンが、酸素の陽イオンであることを特徴とする酸化物の作製方法。
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