JP6305683B2 - 酸化物半導体膜、トランジスタ、及び半導体装置 - Google Patents

酸化物半導体膜、トランジスタ、及び半導体装置 Download PDF

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Description

酸化物半導体膜、トランジスタ、半導体装置、及びそれらの作製方法に関する。
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、半導体回路および電子機器は全て半導体装置である。
絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタ（薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）ともいう）を構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（表示装置）のような電子デバイス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薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られている。
また、最近では、半導体薄膜の材料として酸化物半導体が注目されている。例えば、基板上にインジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び亜鉛（Ｚｎ）を含むアモルファス酸化物（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物）からなる半導体層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）。
特開２０１１−１８１８０１号公報
ところで、半導体装置において、高信頼性の達成は、製品化にむけて重要事項であり、特に半導体装置の電気特性の変動や低下は信頼性の低下を招く要因である。
半導体装置の電気特性の変動には、トランジスタのチャネル形成領域に用いる半導体膜の熱や光等に対する安定性が大きく影響する。
そこで、トランジスタの電気特性の変動を生じさせにくい、安定性の高い酸化物半導体膜を提供することを課題の一とする。
該酸化物半導体膜をチャネル形成領域に用いた電気的に安定な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。
該トランジスタを有する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。
本明細書で開示する発明において、酸化物半導体膜は、ｃ軸が表面に概略垂直である結晶部を含む酸化物半導体膜、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜である。本明細書においては、ｃ軸が表面に概略垂直である結晶部を含む酸化物半導体膜をＣＡＡＣ−ＯＳ膜という。
本明細書で開示する発明の構成の一形態は、インジウムを含む酸化物半導体膜であって、ｃ軸が表面に概略垂直である結晶部を含み、結晶部において、ｃ軸に垂直な面におけるインジウム及び酸素で構成される結晶配列部の長さが１．５ｎｍより長い酸化物半導体膜である。
本明細書で開示する発明の構成の他の一形態は、インジウムを含む酸化物半導体膜であって、ｃ軸が表面に概略垂直である結晶部を有し、結晶部において、ｃ軸に垂直な面におけるインジウム及び酸素で構成される結晶配列部の長さが２ｎｍ以上２０ｎｍ以下である酸化物半導体膜である。
本明細書で開示する発明の構成の他の一形態は、インジウムを含む酸化物半導体膜であって、複数の結晶部を含み、複数の結晶部はｃ軸配向しており、ｃ軸は酸化物半導体膜の表面に概略垂直であり、複数の結晶部において、ｃ軸に垂直な面におけるインジウム及び酸素で構成される結晶配列部の長さが１．５ｎｍより長い酸化物半導体膜である。
本明細書で開示する発明の構成の他の一形態は、インジウムを含む酸化物半導体膜であって、複数の結晶部を含み、複数の結晶部はｃ軸配向しており、ｃ軸は酸化物半導体膜の表面に概略垂直であり、複数の結晶部において、ｃ軸に垂直な面におけるインジウム及び酸素で構成される結晶配列部の長さが２ｎｍ以上２０ｎｍ以下である酸化物半導体膜である。
本明細書で開示する発明の構成の他の一形態は、上記構成において、酸化物半導体膜はガリウム及び亜鉛を含む酸化物半導体膜である。
本明細書で開示する発明の構成の他の一形態は、上記に記載の酸化物半導体膜をチャネル形成領域とするトランジスタである。
本明細書で開示する発明の構成の他の一形態は、上記に記載のトランジスタを含む回路を有する半導体装置である。
本明細書で開示する酸化物半導体膜（ＣＡＡＣ−ＯＳ膜）は、非晶質酸化物半導体膜と比較して、加熱処理を行っても膜中の金属元素の脱離が生じにくく、光応答性も低い。よって熱及び光に対して安定性が高い。
また、チャネル形成領域に用いる酸化物半導体膜は、酸素欠陥に代表される膜中の欠陥が低減されていることが好ましい。酸素欠陥に代表されるような欠陥は、酸化物半導体膜中でキャリアの供給源のように機能するため、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。酸素欠陥の量は、電子スピン共鳴法（ＥＳＲ：ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｓｐｉｎ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）により、酸化物半導体膜中の孤立電子の量をスピン密度として測定し、推定することができる。
本明細書で開示する酸化物半導体膜（ＣＡＡＣ−ＯＳ膜）は、スピン密度が低く、酸素欠陥の量が、非晶質酸化物半導体膜より、低減されている。
従って、本明細書で開示する酸化物半導体膜（ＣＡＡＣ−ＯＳ膜）をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、電気伝導度が安定しており、加熱や光照射に対してもより電気的に安定な特性を有する。
本発明の一形態は、酸化物半導体膜、該酸化物半導体膜を適用できるトランジスタ、若しくは該トランジスタを含んで構成される回路を有する半導体装置に関する。例えば、酸化物半導体でチャネル形成領域が形成される、トランジスタ若しくはトランジスタを含んで構成される回路を有する半導体装置に関する。例えば、ＬＳＩや、ＣＰＵや、電源回路に搭載されるパワーデバイスや、メモリ、サイリスタ、コンバータ、イメージセンサなどを含む半導体集積回路、液晶表示パネルに代表される電気光学装置や発光素子を有する発光表示装置を部品として搭載した電子機器に関する。
トランジスタの電気特性の変動を生じさせにくい、安定性の高い酸化物半導体膜を提供する。
該酸化物半導体膜をチャネル形成領域に用いた電気的に安定な特性を有するトランジスタを提供する。
該トランジスタを有する信頼性の高い半導体装置を提供する。
実施例試料のＴＥＭ像を示す図。 比較例試料のＴＥＭ像を示す図。 結晶部の構造の一形態を示す図。 実施例試料及び比較例試料のＸＲＤ結果を示す図。 半導体装置の一形態を説明する断面図。 電子機器を示す図。 電子機器を示す図。 電子機器を示す図。
以下では、本明細書に開示する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、本明細書に開示する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、本明細書に開示する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、第１、第２として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順又は積層順を示すものではない。また、本明細書において発明を特定するための事項として固有の名称を示すものではない。
（実施の形態１）
本明細書で開示する発明に係る酸化物半導体膜は、ｃ軸が表面に概略垂直である結晶部を含む酸化物半導体（ＣＡＡＣ−ＯＳ）膜であり、結晶部において、ｃ軸に垂直な面におけるインジウム及び酸素で構成される結晶配列部の長さが１．５ｎｍより長い（好ましくは２ｎｍ以上２０ｎｍ以下である）酸化物半導体膜である。
本明細書で開示する発明に係る酸化物半導体膜は、結晶部において、少なくとも１．５ｎｍより長い（好ましくは２ｎｍ以上２０ｎｍ以下である）ｃ軸に垂直な面におけるインジウム及び酸素で構成される結晶配列部が認められるＣＡＡＣ−ＯＳ膜である。
酸化物半導体膜は、例えば非単結晶を有してもよい。非単結晶は、例えば、ＣＡＡＣ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）、多結晶、微結晶、非晶質部を有する。非晶質部は、微結晶、ＣＡＡＣよりも欠陥準位密度が高い。また、微結晶は、ＣＡＡＣよりも欠陥準位密度が高い。なお、ＣＡＡＣを有する酸化物半導体を、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼ぶ。
酸化物半導体膜は、例えばＣＡＡＣ−ＯＳを有してもよい。ＣＡＡＣ−ＯＳは、例えば、ｃ軸配向し、ａ軸または／およびｂ軸はマクロに揃っていない。
酸化物半導体膜は、例えば微結晶を有してもよい。なお、微結晶を有する酸化物半導体を、微結晶酸化物半導体と呼ぶ。微結晶酸化物半導体膜は、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ未満のサイズの微結晶（ナノ結晶ともいう。）を膜中に含む。
酸化物半導体膜は、例えば非晶質部を有してもよい。なお、非晶質部を有する酸化物半導体を、非晶質酸化物半導体と呼ぶ。非晶質酸化物半導体膜は、例えば、原子配列が無秩序であり、結晶成分を有さない。または、非晶質酸化物半導体膜は、例えば、完全な非晶質であり、結晶部を有さない。
なお、酸化物半導体膜が、ＣＡＡＣ−ＯＳ、微結晶酸化物半導体、非晶質酸化物半導体の混合膜であってもよい。混合膜は、例えば、非晶質酸化物半導体の領域と、微結晶酸化物半導体の領域と、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域と、を有する。また、混合膜は、例えば、非晶質酸化物半導体の領域と、微結晶酸化物半導体の領域と、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域と、の積層構造を有してもよい。
なお、酸化物半導体膜は、例えば、単結晶を有してもよい。
酸化物半導体膜は、複数の結晶部を有し、当該結晶部のｃ軸が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ることが好ましい。なお、異なる結晶部間で、それぞれａ軸およびｂ軸の向きが異なっていてもよい。そのような酸化物半導体膜の一例としては、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜がある。
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、例えば、結晶部を有している。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による観察像では、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜には明確な粒界（グレインバウンダリーともいう。）は確認できない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、粒界に起因する電子移動度の低下が抑制される。
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部は、例えば、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なるように揃い、かつａｂ面に垂直な方向から見て金属原子が三角形状または六角形状に配列し、ｃ軸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とが層状に配列している。なお、異なる結晶部間で、それぞれａ軸およびｂ軸の向きが異なっている。即ち、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、異なる結晶成分間でｃ軸は揃っているが、ａ軸及びｂ軸が揃っていないことからエピタキシャル成長でない膜である。本明細書において、単に垂直と記載する場合、８０°以上１００°以下、好ましくは８５°以上９５°以下の範囲も含まれることとする。また、単に平行と記載する場合、−１０°以上１０°以下、好ましくは−５°以上５°以下の範囲も含まれることとする。
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜において、結晶部の分布が一様でなくてもよい。例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形成過程において、酸化物半導体膜の表面側から結晶成長させる場合、被形成面の近傍に対し表面の近傍では結晶部の占める割合が高くなることがある。
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部のｃ軸は、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なるように揃うため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形状（被形成面の断面形状または表面の断面形状）によっては互いに異なる方向を向くことがある。また、結晶部は、成膜したとき、または成膜後に加熱処理などの結晶化処理を行ったときに形成される。従って、結晶部のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されたとき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なるように揃う。
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜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。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部の結晶構造の一例について、図３を用いて説明する。なお、特に断りがない限り、図３は上方向をｃ軸方向とし、ｃ軸方向と直交する面をａｂ面とする。本実施の形態では、インジウム、ガリウム、亜塩を含む酸化物半導体膜の結晶部に含まれる、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の結晶構造を例として示す。図３において、灰色の球はインジウム原子を、白色の球はガリウム原子又は亜鉛原子を、黒色の球は酸素原子を表しており、矢印はＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の結晶のｃ軸方向を表している。
図３に示すように、ｃ軸方向に配向したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の結晶構造において、インジウム及び酸素（Ｉｎ−Ｏ）は、ｃ軸に垂直な方向に連なって結晶配列している。本明細書に開示する発明に係るインジウム、ガリウム、亜塩を含む酸化物半導体膜は、結晶部において、このインジウム及び酸素で構成される結晶配列部の長さが、少なくとも１．５ｎｍより長い（好ましくは２ｎｍ以上２０ｎｍ以下である）膜である。
本明細書で開示する発明に係る酸化物半導体膜に用いる酸化物半導体としては、少なくともインジウム（Ｉｎ）を含む。特にＩｎと亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。また、該酸化物半導体膜を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすためのスタビライザーとして、それらに加えてガリウム（Ｇａ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてスズ（Ｓｎ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてハフニウム（Ｈｆ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてアルミニウム（Ａｌ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてジルコニウム（Ｚｒ）を有することが好ましい。
また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）のいずれか一種あるいは複数種を有してもよい。
例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯとも表記する）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を用いることができる。
なお、ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分として有する酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素が入っていてもよい。
また、酸化物半導体として、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０、且つ、ｍは整数でない）で表記される材料を用いてもよい。なお、Ｍは、Ｇａ、Ｆｅ、Ｍｎ及びＣｏから選ばれた一の金属元素又は複数の金属元素を示す。また、酸化物半導体として、Ｉｎ２ＳｎＯ５（ＺｎＯ）ｎ（ｎ＞０、且つ、ｎは整数）で表記される材料を用いてもよい。
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：２：１（＝２／５：２／５：１／５）、あるいはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２（＝１／２：１／６：１／３）の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。あるいは、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：３（＝１／３：１／６：１／２）あるいはＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：５（＝１／４：１／８：５／８）の原子数比のＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。
しかし、インジウムを含む酸化物半導体は、これらに限られず、必要とする半導体特性（移動度、しきい値、ばらつき等）に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とする半導体特性を得るために、キャリア濃度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。
なお、例えば、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝ａ：ｂ：ｃ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１）である酸化物の組成が、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝Ａ：Ｂ：Ｃ（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＝１）の酸化物の組成の近傍であるとは、ａ、ｂ、ｃが、（ａ−Ａ）２＋（ｂ−Ｂ）２＋（ｃ−Ｃ）２≦ｒ２を満たすことをいう。ｒとしては、例えば、０．０５とすればよい。他の酸化物でも同様である。
なお、酸化物半導体膜を構成する酸素の一部は窒素で置換されてもよい。
本明細書で開示する発明に係る酸化物半導体膜は、スパッタリング法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＣＶＤ法、パルスレーザ堆積法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等を用いて形成することができる。また、酸化物半導体膜は、スパッタリングターゲット表面に対し、概略垂直に複数の基板表面がセットされた状態で成膜を行うスパッタ装置を用いて形成してもよい。また、作製方法として、成膜時に加熱しながら表面に概略垂直にｃ軸配向した結晶部を形成する方法や、成膜後に熱処理などの結晶化処理を行うことにより表面に概略垂直にｃ軸配向した結晶部を形成する方法、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜上に成膜することにより表面に概略垂直にｃ軸配向した結晶部を有する酸化物半導体膜を形成する方法などを用いることができる。
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、例えば、多結晶である酸化物半導体スパッタリング用ターゲットを用い、スパッタリング法によって成膜する。当該スパッタリング用ターゲットにイオンが衝突すると、スパッタリング用ターゲットに含まれる結晶領域がａｂ面から劈開し、ａｂ面に平行な面を有する平板状またはペレット状のスパッタリング粒子として剥離することがある。この場合、当該平板状のスパッタリング粒子が、結晶状態を維持したまま基板に到達することで、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜することができる。
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜するために、以下の条件を適用することが好ましい。
成膜時の不純物混入を低減することで、不純物によって結晶状態が崩れることを抑制できる。例えば、成膜室内に存在する不純物濃度（水素、水、二酸化炭素および窒素など）を低減すればよい。また、成膜ガス中の不純物濃度を低減すればよい。具体的には、露点が−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下である成膜ガスを用いる。
また、成膜時の基板加熱温度を高めることで、基板到達後にスパッタリング粒子のマイグレーションが起こる。具体的には、基板加熱温度を１００℃以上７４０℃以下、好ましくは２００℃以上５００℃以下として成膜する。成膜時の基板加熱温度を高めることで、平板状のスパッタリング粒子が基板に到達した場合、基板上でマイグレーションが起こり、スパッタリング粒子の平らな面が基板に付着する。
また、成膜ガス中の酸素割合を高め、電力を最適化することで成膜時のプラズマダメージを軽減すると好ましい。成膜ガス中の酸素割合は、３０体積％以上、好ましくは１００体積％とする。
スパッタリング用ターゲットの一例として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ化合物ターゲットについて以下に示す。
ＩｎＯＸ粉末、ＧａＯＹ粉末およびＺｎＯＺ粉末を所定のｍｏｌ数で混合し、加圧処理後、１０００℃以上１５００℃以下の温度で加熱処理をすることで多結晶であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ化合物ターゲットとする。なお、Ｘ、ＹおよびＺは任意の正数である。ここで、所定のｍｏｌ数比は、例えば、ＩｎＯＸ粉末、ＧａＯＹ粉末およびＺｎＯＺ粉末が、２：２：１、８：４：３、３：１：１、１：１：１、４：２：３または３：１：２である。なお、粉末の種類、およびその混合するｍｏｌ数比は、作製するスパッタリング用ターゲットによって適宜変更すればよい。
また、本明細書で開示する発明に係る結晶部を有する酸化物半導体膜では、表面の平坦性を高めればより高い移動度を得ることができる。表面の平坦性を高めるためには、平坦な表面上に酸化物半導体膜を形成することが好ましく、具体的には、平均面粗さ（Ｒａ）が１ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下、より好ましくは０．１ｎｍ以下の表面上に形成するとよい。
なお、Ｒａとは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２００１（ＩＳＯ４２８７：１９９７）で定義されている算術平均粗さを曲面に対して適用できるよう三次元に拡張したものであり、「基準面から指定面までの偏差の絶対値を平均した値」で表現でき、以下の式にて定義される。
ここで、指定面とは、粗さ計測の対象となる面であり、座標（（ｘ１，ｙ１，ｆ（ｘ１，ｙ１）），（ｘ１，ｙ２，ｆ（ｘ１，ｙ２）），（ｘ２，ｙ１，ｆ（ｘ２，ｙ１）），（ｘ２，ｙ２，ｆ（ｘ２，ｙ２）））の４点で表される四角形の領域とし、指定面をｘｙ平面に投影した長方形の面積をＳ０、基準面の高さ（指定面の平均の高さ）をＺ０とする。Ｒａは原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）にて測定可能である。
本明細書で開示する酸化物半導体膜（ＣＡＡＣ−ＯＳ膜）は、非晶質酸化物半導体膜と比較して、加熱処理を行っても膜中の金属元素の脱離が生じにくく、光応答性も低い。よって熱及び光に対して安定性が高い。
また、本明細書で開示する酸化物半導体膜（ＣＡＡＣ−ＯＳ膜）は、スピン密度が低く、酸素欠陥の量が、非晶質酸化物半導体膜より、低減されている。
従って、本明細書で開示する酸化物半導体膜（ＣＡＡＣ−ＯＳ膜）をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、電気伝導度が安定しており、加熱や光照射に対してもより電気的に安定な特性を有する。
従って、該酸化物半導体膜をチャネル形成領域に用いたトランジスタを有する信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
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。
（実施の形態２）
本明細書で開示する発明に係る半導体装置に設けられるトランジスタは、そのチャネル形成領域に、実施の形態１で示した、ｃ軸が表面に概略垂直である結晶部を含み、ｃ軸に垂直な面におけるインジウム及び酸素で構成される結晶配列部の長さが１．５ｎｍより長い（好ましくは２ｎｍ以上２０ｎｍ以下である）ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いる。
本明細書で開示する発明に係る半導体装置に設けられるトランジスタの構造は特に限定されず、例えばトップゲート構造、又はボトムゲート構造のスタガ型及びプレーナ型などを適用することができる。また、トランジスタはチャネル形成領域が一つ形成されるシングルゲート構造でも、２つ形成されるダブルゲート構造もしくは３つ形成されるトリプルゲート構造などのマルチゲート構造であってもよい。また、チャネル形成領域の上下にゲート絶縁膜を介して配置された２つのゲート電極層を有する、デュアルゲート型でもよい。
本明細書で開示する発明に係る半導体装置に設けられるトランジスタの例を図５（Ａ）乃至（Ｅ）に示す。図５（Ａ）乃至（Ｅ）に示すトランジスタは、酸化物半導体膜４０３として、実施の形態１で示した、ｃ軸が表面に概略垂直である結晶部を含み、ｃ軸に垂直な面におけるインジウム及び酸素で構成される結晶配列部の長さが１．５ｎｍより長い（好ましくは２ｎｍ以上２０ｎｍ以下である）ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いる。
図５（Ａ）に示すトランジスタ４１０は、ボトムゲート構造のトランジスタの一つであり、逆スタガ型トランジスタともいう。
トランジスタ４１０は、絶縁表面を有する基板４００上に、ゲート電極層４０１、ゲート絶縁膜４０２、酸化物半導体膜４０３、ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂを含む。また、トランジスタ４１０を覆い、酸化物半導体膜４０３に積層する絶縁膜４０７が設けられている。
図５（Ｂ）に示すトランジスタ４２０は、チャネル保護型（チャネルストップ型ともいう）と呼ばれるボトムゲート構造の一つであり逆スタガ型トランジスタともいう。
トランジスタ４２０は、絶縁表面を有する基板４００上に、ゲート電極層４０１、ゲート絶縁膜４０２、酸化物半導体膜４０３、酸化物半導体膜４０３のチャネル形成領域を覆うチャネル保護層として機能する絶縁膜４２７、ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂを含む。また、トランジスタ４２０を覆って絶縁膜４０７が設けられている。
図５（Ｃ）示すトランジスタ４３０はボトムゲート型のトランジスタであり、絶縁表面を有する基板である基板４００上に、ゲート電極層４０１、ゲート絶縁膜４０２、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ、及び酸化物半導体膜４０３を含む。また、トランジスタ４３０を覆い、酸化物半導体膜４０３に接する絶縁膜４０７が設けられている。
トランジスタ４３０においては、ゲート絶縁膜４０２は基板４００及びゲート電極層４０１上に接して設けられ、ゲート絶縁膜４０２上にソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂが接して設けられている。そして、ゲート絶縁膜４０２、及びソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ上に酸化物半導体膜４０３が設けられている。
図５（Ｄ）に示すトランジスタ４４０は、トップゲート構造のトランジスタの一つである。トランジスタ４４０は、絶縁表面を有する基板４００上に、絶縁膜４３７、酸化物半導体膜４０３、ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂ、ゲート絶縁膜４０２、ゲート電極層４０１を含み、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂは、ゲート絶縁膜４０２、絶縁膜４０７及び絶縁膜４１５に形成された開口において酸化物半導体膜４０３と電気的に接続している。
図５（Ｅ）に示すトランジスタ４５０は、トップゲート構造のトランジスタの一つである。トランジスタ４５０は、絶縁表面を有する基板４００上に、絶縁膜４３７、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ、酸化物半導体膜４０３、ゲート絶縁膜４０２、及びゲート電極層４０１を含む。
絶縁表面を有する基板４００に使用することができる基板に大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板などの電子工業用に使われる各種ガラス基板を用いることが出来る。なお、基板としては、熱膨張係数が２５×１０−７／℃以上５０×１０−７／℃以下（好ましくは、３０×１０−７／℃以上４０×１０−７／℃以下）であり、歪み点が６５０℃以上７５０℃以下（好ましくは、７００℃以上７４０℃以下）である基板を用いることが好ましい。
第５世代（１０００ｍｍ×１２００ｍｍまたは１３００ｍｍ×１５００ｍｍ）、第６世代（１５００ｍｍ×１８００ｍｍ）、第７世代（１８７０ｍｍ×２２００ｍｍ）、第８世代（２２００ｍｍ×２５００ｍｍ）、第９世代（２４００ｍｍ×２８００ｍｍ）、第１０世代（２８８０ｍｍ×３１３０ｍｍ）などの大型ガラス基板を用いる場合、半導体装置の作製工程における加熱処理などで生じる基板の縮みによって、微細な加工が困難になる場合ある。そのため、前述したような大型ガラス基板を基板として用いる場合、縮みの少ないものを用いることが好ましい。例えば、基板として、好ましくは４５０℃、さらに好ましくは５００℃の温度で１時間加熱処理を行った後の縮み量が２０ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｍ以下、さらに好ましくは５ｐｐｍ以下である大型ガラス基板を用いればよい。
または、基板４００として、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。また、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、ＳＯＩ基板などを適用することもできる。これらの基板上に半導体素子が設けられたものを用いてもよい。
また、基板４００として、可撓性基板を用いて半導体装置を作製してもよい。可撓性を有する半導体装置を作製するには、可撓性基板上に酸化物半導体膜４０３を含むトランジスタ４４０を直接作製してもよいし、他の作製基板に酸化物半導体膜４０３を含むトランジスタ４４０を作製し、その後、該作製基板から剥離し、可撓性基板に転置してもよい。なお、作製基板から剥離し、可撓性基板に転置するために、作製基板と酸化物半導体膜を含むトランジスタ４４０との間に剥離層を設けるとよい。
絶縁膜４３７としては、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムなどの酸化物絶縁膜、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウムなどの窒化物絶縁膜、又はこれらの混合材料を用いて形成することができる。
ゲート電極層４０１は、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、クロム、ネオジム、スカンジウム等の金属材料またはこれらを主成分とする合金材料を用いて形成することができる。また、ゲート電極層４０１としてリン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコン膜に代表される半導体膜、ニッケルシリサイドなどのシリサイド膜を用いてもよい。ゲート電極層４０１は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。
また、ゲート電極層４０１は、酸化インジウム酸化スズ、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、酸化インジウム酸化亜鉛、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。また、上記導電性材料と、上記金属材料の積層構造とすることもできる。
また、ゲート電極層４０１として、窒素を含む金属酸化物、具体的には、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｓｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＳｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｏ膜や、金属窒化膜（ＩｎＮ、ＳｎＮなど）を用いることができる。
ゲート絶縁膜４０２は、スパッタリング法、又は成膜ガスを用いたＣＶＤ法を用いて形成することができる。ＣＶＤ法としては、ＬＰＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法などを用いて形成することができ、また他の方法としては、塗布膜なども用いることができる。
ゲート絶縁膜４０２は、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を用いて形成することができる。
また、ゲート絶縁膜４０２は酸化ハフニウム、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯｘＮｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、ハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、酸化ランタンなどのｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることでゲートリーク電流を低減できる。さらに、ゲート絶縁膜４０２は、単層構造としても良いし、積層構造としても良い。
ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂは、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等を用いることができる。また、Ａｌ、Ｃｕなどの金属膜の下側又は上側の一方または双方にＴｉ、Ｍｏ、Ｗなどの高融点金属膜またはそれらの金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）を積層させた構成としても良い。また、ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂに用いる導電膜としては、導電性の金属酸化物で形成しても良い。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム酸化スズ（Ｉｎ２Ｏ３―ＳｎＯ２）、酸化インジウム酸化亜鉛（Ｉｎ２Ｏ３―ＺｎＯ）またはこれらの金属酸化物材料に酸化シリコンを含ませたものを用いることができる。
絶縁膜４０７、４１５、４２７は、プラズマＣＶＤ法、スパッタリング法、又は蒸着法等により成膜することができる。
絶縁膜４０７、４１５、４２７としては、例えば、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、又は酸化ガリウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化マグネシウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ランタン膜、酸化バリウム膜、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、窒化酸化アルミニウム膜などの無機絶縁膜などの単層又は積層を用いることができる。
また、トランジスタ上にトランジスタ起因の表面凹凸を低減するために平坦化絶縁膜を形成してもよい。平坦化絶縁膜としては、ポリイミド、アクリル、ベンゾシクロブテン系樹脂、等の有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、平坦化絶縁膜を形成してもよい。
本明細書で開示する酸化物半導体膜（ＣＡＡＣ−ＯＳ膜）４０３は、非晶質酸化物半導体膜と比較して、加熱処理を行っても膜中の金属元素の脱離が生じにくく、光応答性も低い。よって熱及び光に対して安定性が高い。
また、本明細書で開示する酸化物半導体膜（ＣＡＡＣ−ＯＳ膜）４０３は、スピン密度が低く、酸素欠陥の量が、非晶質酸化物半導体膜より、低減されている。
従って、本明細書で開示する酸化物半導体膜（ＣＡＡＣ−ＯＳ膜）４０３をチャネル形成領域に用いたトランジスタ４１０、４２０、４３０、４４０、４５０は、電気伝導度が安定しており、加熱や光照射に対してもより電気的に安定な特性を有する。
従って、該酸化物半導体膜をチャネル形成領域に用いたトランジスタを有する信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
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。
（実施の形態３）
本明細書において開示する発明の一形態であるトランジスタは、様々な機能を有する半導体装置に適用することができる。例えば記憶装置、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、カスタムＬＳＩ、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）等のＬＳＩに適用することができる。
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、テレビ、モニタ等の表示装置、照明装置、デスクトップ型或いはノート型のパーソナルコンピュータ、ワードプロセッサ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）などの記録媒体に記憶された静止画又は動画を再生する画像再生装置、ポータブルＣＤプレーヤ、ラジオ、テープレコーダ、ヘッドホンステレオ、ステレオ、コードレス電話子機、トランシーバ、携帯無線機、携帯電話、自動車電話、携帯型ゲーム機、電卓、携帯情報端末、電子手帳、電子書籍、電子翻訳機、音声入力機器、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、電気シェーバ、電子レンジ等の高周波加熱装置、電気炊飯器、電気洗濯機、電気掃除機、エアコンディショナーなどの空調設備、食器洗い器、食器乾燥器、衣類乾燥器、布団乾燥器、電気冷蔵庫、電気冷凍庫、電気冷凍冷蔵庫、ＤＮＡ保存用冷凍庫、煙感知器、放射線測定器、透析装置等の医療機器、などが挙げられる。さらに、誘導灯、信号機、ベルトコンベア、エレベータ、エスカレータ、産業用ロボット、電力貯蔵システム等の産業機器も挙げられる。また、石油を用いたエンジンや、非水系二次電池からの電力を用いて電動機により推進する移動体なども、電気機器の範疇に含まれるものとする。上記移動体として、例えば、電気自動車（ＥＶ）、内燃機関と電動機を併せ持ったハイブリッド車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ）、これらのタイヤ車輪を無限軌道に変えた装軌車両、電動アシスト自転車を含む原動機付自転車、自動二輪車、電動車椅子、ゴルフ用カート、小型又は大型船舶、潜水艦、ヘリコプター、航空機、ロケット、人工衛星、宇宙探査機や惑星探査機、宇宙船が挙げられる。これらの電子機器の具体例を図６に示す。
図６（Ａ）は、表示部を有するテーブル９０００を示している。テーブル９０００は、筐体９００１に表示部９００３が組み込まれており、表示部９００３により映像を表示することが可能である。なお、４本の脚部９００２により筐体９００１を支持した構成を示している。また、電力供給のための電源コード９００５を筐体９００１に有している。
本明細書において開示する発明の一形態であるトランジスタは、表示部９００３に用いることが可能であり、電子機器に高い信頼性を付与することができる。
表示部９００３は、タッチ入力機能を有しており、テーブル９０００の表示部９００３に表示された表示ボタン９００４を指などで触れることで、画面操作や、情報を入力することができ、また他の家電製品との通信を可能とする、又は制御を可能とすることで、画面操作により他の家電製品をコントロールする制御装置としてもよい。例えば、イメージセンサ機能を有する半導体装置を用いれば、表示部９００３にタッチ入力機能を持たせることができる。
また、筐体９００１に設けられたヒンジによって、表示部９００３の画面を床に対して垂直に立てることもでき、テレビジョン装置としても利用できる。狭い部屋においては、大きな画面のテレビジョン装置は設置すると自由な空間が狭くなってしまうが、テーブルに表示部が内蔵されていれば、部屋の空間を有効に利用することができる。
図６（Ｂ）は、携帯音楽プレーヤであり、本体３０２１には表示部３０２３と、耳に装着するための固定部３０２２と、スピーカ、操作ボタン３０２４、外部メモリスロット３０２５等が設けられている。本明細書において開示する発明の一形態であるトランジスタ、または該トランジスタを用いたメモリを、本体３０２１に内蔵されているメモリやＣＰＵなどに適用することにより、より省電力化された携帯音楽プレイヤー（ＰＤＡ）とすることができる。
さらに、図６（Ｂ）に示す携帯音楽プレーヤ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。
図６（Ｃ）はコンピュータであり、ＣＰＵを含む本体９２０１、筐体９２０２、表示部９２０３、キーボード９２０４、外部接続ポート９２０５、ポインティングデバイス９２０６等を含む。コンピュータは、本発明の一態様を用いて作製される半導体装置をその表示部９２０３に用いることにより作製される。本明細書において開示する発明の一形態であるトランジスタを用いたＣＰＵを利用すれば、省電力化されたコンピュータとすることが可能となる。
図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は２つ折り可能なタブレット型端末である。図７（Ａ）は、開いた状態であり、タブレット型端末は、筐体９６３０、表示部９６３１ａ、表示部９６３１ｂ、表示モード切り替えスイッチ９０３４、電源スイッチ９０３５、省電力モード切り替えスイッチ９０３６、留め具９０３３、操作スイッチ９０３８を有する。
図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示すような携帯機器においては、画像データの一時記憶などにメモリとしてＳＲＡＭまたはＤＲＡＭが使用されている。例えば、本明細書において開示する発明の一形態であるトランジスタを用いた半導体装置をメモリとして使用することができる。該半導体装置をメモリに採用することによって、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減することができる。
また、表示部９６３１ａは、一部をタッチパネルの領域９６３２ａとすることができ、表示された操作キー９６３８にふれることでデータ入力をすることができる。なお、表示部９６３１ａにおいては、一例として半分の領域が表示のみの機能を有する構成、もう半分の領域がタッチパネルの機能を有する構成を示しているが該構成に限定されない。表示部９６３１ａの全ての領域がタッチパネルの機能を有する構成としても良い。例えば、表示部９６３１ａの全面をキーボードボタン表示させてタッチパネルとし、表示部９６３１ｂを表示画面として用いることができる。
また、表示部９６３１ｂにおいても表示部９６３１ａと同様に、表示部９６３１ｂの一部をタッチパネルの領域９６３２ｂとすることができる。また、タッチパネルのキーボード表示切り替えボタン９６３９が表示されている位置に指やスタイラスなどでふれることで表示部９６３１ｂにキーボードボタン表示することができる。
また、タッチパネルの領域９６３２ａとタッチパネルの領域９６３２ｂに対して同時にタッチ入力することもできる。
また、表示モード切り替えスイッチ９０３４は、縦表示又は横表示などの表示の向きを切り替え、白黒表示やカラー表示の切り替えなどを選択できる。省電力モード切り替えスイッチ９０３６は、タブレット型端末に内蔵している光センサで検出される使用時の外光の光量に応じて表示の輝度を最適なものとすることができる。タブレット型端末は光センサだけでなく、ジャイロ、加速度センサ等の傾きを検出するセンサなどの他の検出装置を内蔵させてもよい。
また、図７（Ａ）では表示部９６３１ｂと表示部９６３１ａの表示面積が同じ例を示しているが特に限定されず、一方のサイズともう一方のサイズが異なっていてもよく、表示の品質も異なっていてもよい。例えば一方が他方よりも高精細な表示を行える表示パネルとしてもよい。
図７（Ｂ）は、閉じた状態であり、タブレット型端末は、筐体９６３０、太陽電池９６３３、充放電制御回路９６３４、バッテリー９６３５、ＤＣＤＣコンバータ９６３６を有する。なお、図７（Ｂ）では充放電制御回路９６３４の一例としてバッテリー９６３５、ＤＣＤＣコンバータ９６３６を有する構成について示している。
なお、タブレット型端末は２つ折り可能なため、未使用時に筐体９６３０を閉じた状態にすることができる。従って、表示部９６３１ａ、表示部９６３１ｂを保護できるため、耐久性に優れ、長期使用の観点からも信頼性の優れたタブレット型端末を提供できる。
また、この他にも図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示したタブレット型端末は、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タッチ入力操作又は編集するタッチ入力機能、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。
タブレット型端末の表面に装着された太陽電池９６３３によって、電力をタッチパネル、表示部、又は映像信号処理部等に供給することができる。なお、太陽電池９６３３は、筐体９６３０の片面又は両面に設けることができ、バッテリー９６３５の充電を効率的に行う構成とすることができるため好適である。なおバッテリー９６３５としては、リチウムイオン電池を用いると、小型化を図れる等の利点がある。
また、図７（Ｂ）に示す充放電制御回路９６３４の構成、及び動作について図７（Ｃ）にブロック図を示し説明する。図７（Ｃ）には、太陽電池９６３３、バッテリー９６３５、ＤＣＤＣコンバータ９６３６、コンバータ９６３７、スイッチＳＷ１乃至ＳＷ３、表示部９６３１について示しており、バッテリー９６３５、ＤＣＤＣコンバータ９６３６、コンバータ９６３７、スイッチＳＷ１乃至ＳＷ３が、図７（Ｂ）に示す充放電制御回路９６３４に対応する箇所となる。
まず外光により太陽電池９６３３により発電がされる場合の動作の例について説明する。太陽電池９６３３で発電した電力は、バッテリー９６３５を充電するための電圧となるようＤＣＤＣコンバータ９６３６で昇圧又は降圧がなされる。そして、表示部９６３１の動作に太陽電池９６３３からの電力が用いられる際にはスイッチＳＷ１をオンにし、コンバータ９６３７で表示部９６３１に必要な電圧に昇圧又は降圧をすることとなる。また、表示部９６３１での表示を行わない際には、ＳＷ１をオフにし、ＳＷ２をオンにしてバッテリー９６３５の充電を行う構成とすればよい。
なお太陽電池９６３３については、発電手段の一例として示したが、特に限定されず、圧電素子（ピエゾ素子）や熱電変換素子（ペルティエ素子）などの他の発電手段によるバッテリー９６３５の充電を行う構成であってもよい。例えば、無線（非接触）で電力を送受信して充電する無接点電力伝送モジュールや、また他の充電手段を組み合わせて行う構成としてもよい。
図８（Ａ）において、テレビジョン装置８０００は、筐体８００１に表示部８００２が組み込まれており、表示部８００２により映像を表示し、スピーカ部８００３から音声を出力することが可能である。本明細書において開示する発明の一形態であるトランジスタを表示部８００２に用いることが可能である。
表示部８００２は、液晶表示装置、有機ＥＬ素子などの発光素子を各画素に備えた発光装置、電気泳動表示装置、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＰＤＰ（Ｐｌａｓｍａ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｐａｎｅｌ）などの、半導体表示装置を用いることができる。
テレビジョン装置８０００は、受信機やモデムなどを備えていてもよい。テレビジョン装置８０００は、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又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）又は双方向（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。
また、テレビジョン装置８０００は、情報通信を行うためのＣＰＵや、メモリを備えていてもよい。テレビジョン装置８０００は、本明細書において開示する発明の一形態であるトランジスタを用いたメモリやＣＰＵを用いることが可能である。
図８（Ａ）において、室内機８２００及び室外機８２０４を有するエアコンディショナーは、本明細書において開示する発明の一形態であるトランジスタを用いたＣＰＵを適用した電気機器の一例である。具体的に、室内機８２００は、筐体８２０１、送風口８２０２、ＣＰＵ８２０３等を有する。図８（Ａ）において、ＣＰＵ８２０３が、室内機８２００に設けられている場合を例示しているが、ＣＰＵ８２０３は室外機８２０４に設けられていてもよい。或いは、室内機８２００と室外機８２０４の両方に、ＣＰＵ８２０３が設けられていてもよい。本明細書において開示する発明の一形態であるトランジスタを用いたＣＰＵは、酸化物半導体を用いたＣＰＵであるため、耐熱性に優れており、信頼性の高いエアコンディショナーを実現できる。
図８（Ａ）において、電気冷凍冷蔵庫８３００は、酸化物半導体を用いたＣＰＵを備える電気機器の一例である。具体的に、電気冷凍冷蔵庫８３００は、筐体８３０１、冷蔵室用扉８３０２、冷凍室用扉８３０３、ＣＰＵ８３０４等を有する。図８（Ａ）では、ＣＰＵ８３０４が、筐体８３０１の内部に設けられている。本明細書において開示する発明の一形態であるトランジスタを用いたＣＰＵを電気冷凍冷蔵庫８３００のＣＰＵ８３０４に適用することによって省電力化が図れる。
図８（Ｂ）において、電気機器の一例である電気自動車の例を示す。電気自動車９７００には、二次電池９７０１が搭載されている。二次電池９７０１の電力は、制御回路９７０２により出力が調整されて、駆動装置９７０３に供給される。制御回路９７０２は、図示しないＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ等を有する処理装置９７０４によって制御される。本明細書において開示する発明の一形態であるトランジスタを用いたＣＰＵを電気自動車９７００のＣＰＵに適用することによって省電力化が図れる。
駆動装置９７０３は、直流電動機若しくは交流電動機単体、又は電動機と内燃機関と、を組み合わせて構成される。処理装置９７０４は、電気自動車９７００の運転者の操作情報（加速、減速、停止など）や走行時の情報（上り坂や下り坂等の情報、駆動輪にかかる負荷情報など）の入力情報に基づき、制御回路９７０２に制御信号を出力する。制御回路９７０２は、処理装置９７０４の制御信号により、二次電池９７０１から供給される電気エネルギーを調整して駆動装置９７０３の出力を制御する。交流電動機を搭載している場合は、図示していないが、直流を交流に変換するインバータも内蔵される。
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。
本実施例では、酸化物半導体膜の結晶状態について観察を行った。なお、試料として実施例試料及び比較例試料を作製した。
ガラス基板上に、酸化物半導体膜としてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］の酸化物ターゲットを用いたスパッタリング法により、膜厚２００ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を形成した。
実施例試料の成膜条件は、酸素（酸素＝１００ｓｃｃｍ）雰囲気下、圧力０．６Ｐａ、電源電力２ｋＷ、基板温度１７０℃とした。
比較例試料の成膜条件は、アルゴン及び酸素（アルゴン：酸素＝１０ｓｃｃｍ：９０ｓｃｃｍ）雰囲気下、圧力０．６Ｐａ、電源電力５ｋＷ、基板温度１７０℃とした。
以上の工程で得られた実施例試料、及び比較例試料において、端面を切り出し、高分解能透過電子顕微鏡（日立ハイテクノロジー製「Ｈ９０００−ＮＡＲ」：ＴＥＭ）で加速電圧を３００ｋＶとし、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜の断面観察を行った。図１に実施例試料、図２に比較例試料の倍率８００万倍のＴＥＭ像を示す。
また、実施例試料及び比較例試料において、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜のＸ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）測定を行った。ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法を用いてＸＲＤスペクトルを測定した実施例試料の結果を図４（Ａ）、比較例試料の結果を図（Ｂ）に示す。図４（Ａ）（Ｂ）において、縦軸はｘ線回折強度（任意単位）であり、横軸は回転角２θ（ｄｅｇ．）である。なお、ＸＲＤスペクトルの測定は、Ｂｒｕｋｅｒ ＡＸＳ社製Ｘ線回折装置Ｄ８ ＡＤＶＡＮＣＥを用いた。
実施例試料は、図１のＴＥＭ像に示すように、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜において、表面に概略垂直なｃ軸を有し、ｃ軸に垂直な方向に１．５ｎｍより長い層状の結晶部が確認できる。なお、図１において結晶部は点線で囲まれた領域であり、実施例試料のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜におけるインジウム及び酸素で構成される結晶配列部の長さとは図１中の矢印の長さである。さらに、図４（Ａ）に示すようにＸＲＤスペクトルにおいて、２θ＝３１°近傍に、ＩｎＧａＺｎＯ４結晶の（００９）面における回折に起因するピークが見られている。
一方、比較例試料は、図２のＴＥＭ像に示すように、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜において、表面に概略垂直なｃ軸を有している結晶が確認できない。また、図４（Ｂ）に示すようにＸＲＤスペクトルでも該結晶を示すピークが見られない。
実施例試料の酸化物半導体膜は、ｃ軸が表面に概略垂直である結晶部を含み、結晶部において、ｃ軸に垂直な面におけるインジウム及び酸素で構成される結晶配列部の長さが１．５ｎｍより長い。このような酸化物半導体膜を用いることにより、安定な電気特性を有するトランジスタ、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
４００ 基板
４０１ ゲート電極層
４０２ ゲート絶縁膜
４０３ 酸化物半導体膜
４０５ａ ソース電極層
４０５ｂ ドレイン電極層
４０７ 絶縁膜
４１０ トランジスタ
４１５ 絶縁膜
４２０ トランジスタ
４２７ 絶縁膜
４３０ トランジスタ
４３７ 絶縁膜
４４０ トランジスタ
４５０ トランジスタ
３０２１ 本体
３０２２ 固定部
３０２３ 表示部
３０２４ 操作ボタン
３０２５ 外部メモリスロット
８０００ テレビジョン装置
８００１ 筐体
８００２ 表示部
８００３ スピーカ部
８２００ 室内機
８２０１ 筐体
８２０２ 送風口
８２０３ ＣＰＵ
８２０４ 室外機
８３００ 電気冷凍冷蔵庫
８３０１ 筐体
８３０２ 冷蔵室用扉
８３０３ 冷凍室用扉
８３０４ ＣＰＵ
９０００ テーブル
９００１ 筐体
９００２ 脚部
９００３ 表示部
９００４ 表示ボタン
９００５ 電源コード
９０３３ 留め具
９０３４ スイッチ
９０３５ 電源スイッチ
９０３６ スイッチ
９０３８ 操作スイッチ
９２０１ 本体
９２０２ 筐体
９２０３ 表示部
９２０４ キーボード
９２０５ 外部接続ポート
９２０６ ポインティングデバイス
９６３０ 筐体
９６３１ 表示部
９６３１ａ 表示部
９６３１ｂ 表示部
９６３２ａ 領域
９６３２ｂ 領域
９６３３ 太陽電池
９６３４ 充放電制御回路
９６３５ バッテリー
９６３６ ＤＣＤＣコンバータ
９６３７ コンバータ
９６３８ 操作キー
９６３９ ボタン
９７００ 電気自動車
９７０１ 二次電池
９７０２ 制御回路
９７０３ 駆動装置
９７０４ 処理装置

Claims (6)

  1. 酸化物半導体膜において、
    前記酸化物半導体膜はインジウム、ガリウム及び亜鉛を有し、
    前記酸化物半導体膜が有するインジウム、ガリウム、亜鉛の原子数比は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝８：４：３または３：１：１であり、
    前記酸化物半導体膜の表面に垂直なｃ軸を有する第１の結晶部と、
    前記第１の結晶部において、前記第１の結晶部のｃ軸に垂直な面におけるインジウム及び酸素を含む第１の結晶配列部と、
    前記酸化物半導体膜の表面に垂直なｃ軸を有する第２の結晶部と、
    前記第２の結晶部において、前記第２の結晶部のｃ軸に垂直な面におけるインジウム及び酸素を含む第２の結晶配列部と、を有し、
    前記第１の結晶部と前記第２の結晶部間で、それぞれａ軸及びｂ軸の向きが異なり、
    前記第１の結晶配列部及び前記第２の結晶配列部の長さがそれぞれ１．５ｎｍより長いことを特徴とする酸化物半導体膜。
  2. 酸化物半導体膜において、
    前記酸化物半導体膜は、インジウム、ガリウム及び亜鉛を有し、
    前記酸化物半導体膜が有するインジウム、ガリウム、亜鉛の原子数比は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝８：４：３または３：１：１であり、
    前記酸化物半導体膜表面近傍の第１の領域と、
    前記酸化物半導体膜被形成面近傍の第２の領域と、を有し、
    前記第１の領域における、前記酸化物半導体膜の表面に垂直なｃ軸を有するすべての結晶部が占める割合は、前記第２の領域における、前記酸化物半導体膜の表面に垂直なｃ軸を有するすべての結晶部が占める割合より高く、
    前記結晶部において、前記結晶部のｃ軸に垂直な面におけるインジウム及び酸素を含む結晶配列部を有し、
    前記結晶配列部の長さが１．５ｎｍより長いことを特徴とする酸化物半導体膜。
  3. 請求項１において、
    前記第１の結晶配列部及び前記第２の結晶配列部の長さがそれぞれ２ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることを特徴とする酸化物半導体膜。
  4. 請求項２において、
    前記結晶配列部の長さが２ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることを特徴とする酸化物半導体膜。
  5. 請求項１乃至４のいずれか一項における酸化物半導体膜をチャネル形成領域に用いたことを特徴とするトランジスタ。
  6. 請求項５に記載のトランジスタを含む回路を有することを特徴とする半導体装置。
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