特開 2022-189967 金属酸化物膜の作製方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022189967

(43)【公開日】2022-12-22

(54)【発明の名称】金属酸化物膜の作製方法

(51)【国際特許分類】

   C23C 14/08 20060101AFI20221215BHJP

   C23C 14/34 20060101ALI20221215BHJP

【ＦＩ】

C23C14/08

C23C14/34

【審査請求】有

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022174831

(22)【出願日】2022-10-31

(62)【分割の表示】P 2021065681の分割

【原出願日】2017-07-06

(31)【優先権主張番号】P 2016137190

(32)【優先日】2016-07-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(31)【優先権主張番号】P 2016144334

(32)【優先日】2016-07-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】000153878

【氏名又は名称】株式会社半導体エネルギー研究所

(72)【発明者】

【氏名】山崎 舜平

(72)【発明者】

【氏名】中島 基

(72)【発明者】

【氏名】馬場 晴之

(57)【要約】

【課題】新規な金属酸化物、または新規なスパッタリングターゲットを提供する。
【解決手段】導電性材料と、絶縁性材料と、を有するスパッタリングターゲットであって
、絶縁性材料は、元素Ｍ１（元素Ｍ１は、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂｅ、及びＢ
から選ばれる一種または複数種）を含む酸化物、窒化物または酸窒化物を有し、導電性材
料は、インジウムおよび亜鉛を含む酸化物、窒化物または酸窒化物を有し、導電性材料と
、絶縁性材料とは、互いに分離している、スパッタリングターゲットを用いて金属酸化物
膜を成膜する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

インジウム、亜鉛、及び元素Ｍ１を有する第１の領域と、インジウム及び亜鉛を有する第２の領域と、を有するスパッタリングターゲットを成膜室に配置し、
前記成膜室に、アルゴンガス及び酸素ガスを導入して、金属酸化物を成膜し、
前記元素Ｍ１は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂｅ、及びＢから選ばれる一種または複数種であり、
前記第２の領域に含まれるインジウムの割合は、前記第１の領域に含まれる元素Ｍ１の割合より高く、
前記第１の領域は、前記第２の領域より高抵抗であり、
前記金属酸化物を成膜する工程において、前記第１の領域からはじき出された第１のスパッタ粒子はインジウム、亜鉛、及び元素Ｍ１を有するクラスタを形成し、前記第２の領域からはじき出された第２のスパッタ粒子は、インジウム及び亜鉛を有するクラスタを形成する、金属酸化物膜の作製方法。

【請求項2】

インジウム、ガリウム、及び亜鉛を有する第１の領域と、インジウム及び亜鉛を有する第２の領域と、を有するスパッタリングターゲットを成膜室に配置し、
前記成膜室に、アルゴンガス及び酸素ガスを導入して、金属酸化物を成膜し、
前記第２の領域に含まれるインジウムの割合は、前記第１の領域に含まれるガリウムの割合より高く、
前記第１の領域は、前記第２の領域より高抵抗であり、
前記金属酸化物を成膜する工程において、前記第１の領域からはじき出された第１のスパッタ粒子はインジウム、ガリウム、及び亜鉛を有するクラスタを形成し、前記第２の領域からはじき出された第２のスパッタ粒子は、インジウム及び亜鉛を有するクラスタを形成する、金属酸化物膜の作製方法。

【請求項3】

請求項１又は２において、
前記第１の領域又は前記第２の領域は、微結晶構造を有する、金属酸化物膜の作製方法。

【請求項4】

請求項２において、
前記微結晶構造において、径は０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下の大きさを有する、金属酸化物膜の作製方法。

【請求項5】

請求項１乃至４のいずれか一において、
前記第１の領域及び前記第２の領域のそれぞれは粒子状である、金属酸化物膜の作製方法。

【請求項6】

請求項５において、
前記第１の領域及び前記第２の領域のそれぞれは、径が１０μｍ未満の大きさを有する、金属酸化物膜の作製方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本発明は、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。特
に、本発明の一態様は、金属酸化物、当該金属酸化物の製造方法、スパッタリングターゲ
ット、または当該スパッタリングターゲットの作製方法に関する。または、本発明の一態
様は、半導体装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、それらの
駆動方法、または、それらの製造方法に関する。

【0002】

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。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、半導体回路、演算装置、記憶
装置は、半導体装置の一態様である。撮像装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、電
気光学装置、発電装置（薄膜太陽電池、有機薄膜太陽電池等を含む）、及び電子機器は、
半導体装置を有している場合がある。

【背景技術】

【0003】

トランジスタに適用可能な半導体材料として、酸化物が注目されている。例えば、特許
文献１では、Ｉｎ－Ｚｎ－Ｇａ－Ｏ系酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ－Ｇａ－Ｍｇ－Ｏ系酸化物、Ｉ
ｎ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物、Ｉｎ－Ｓｎ－Ｏ系酸化物、Ｉｎ－Ｏ系酸化物、Ｉｎ－Ｇａ－Ｏ系
酸化物、及びＳｎ－Ｉｎ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物のうちのいずれかである非晶質酸化物を有す
る電界効果型トランジスタが開示されている。

【0004】

また、非特許文献１では、トランジスタの活性層として、Ｉｎ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物と、
Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物との２層積層の金属酸化物を有する構造が検討されている
。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第５１１８８１０号公報

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】Ｊｏｈｎ Ｆ． Ｗａｇｅｒ、「Ｏｘｉｄｅ ＴＦＴｓ：Ａ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ Ｒｅｐｏｒｔ」、Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ １／１６、ＳＩＤ ２０１６、 Ｊａｎ／Ｆｅｂ ２０１６、Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．１， ｐｐ．１６－２１

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１では、Ｉｎ－Ｚｎ－Ｇａ－Ｏ系酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ－Ｇａ－Ｍｇ－Ｏ系酸化
物、Ｉｎ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物、Ｉｎ－Ｓｎ－Ｏ系酸化物、Ｉｎ－Ｏ系酸化物、Ｉｎ－Ｇａ
－Ｏ系酸化物、及びＳｎ－Ｉｎ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物のうちのいずれかである非晶質酸化物
を用いて、トランジスタの活性層を形成している。言い換えると、トランジスタの活性層
は、上記酸化物のいずれか１つの非晶質酸化物を有している。トランジスタの活性層が、
上記非晶質酸化物のいずれか１つから構成された場合、トランジスタの電気特性の１つで
あるオン電流が低くなるといった問題がある。または、トランジスタの活性層が、上記非
晶質酸化物のいずれか１つから構成された場合、トランジスタの信頼性が悪くなるといっ
た問題がある。

【0008】

また、非特許文献１では、チャネル保護型のボトムゲート型のトランジスタにおいて、
トランジスタの活性層として、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物と、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物との２層積
層とし、チャネルが形成されるＩｎ－Ｚｎ酸化物の膜厚を１０ｎｍとすることで、高い電
界効果移動度（μ＝６２ｃｍ^２Ｖ^－１ｓ^－１）を実現している。一方で、トランジスタ特
性の一つであるＳ値（Ｓｕｂｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｓｗｉｎｇ、ＳＳともいう）が０．４
１Ｖ／ｄｅｃａｄｅと大きい。また、トランジスタ特性の一つである、しきい値電圧（Ｖ
ｔｈともいう）が－２．９Ｖであり、所謂ノーマリーオンのトランジスタ特性である。

【0009】

上述の問題に鑑み、本発明の一態様は、新規な金属酸化物を提供することを課題の一と
する。または、本発明の一態様は、新規なスパッタリングターゲットを提供することを課
題の一とする。または、本発明の一態様は、半導体装置に良好な電気特性を付与すること
を課題の一とする。または、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。
または、新規な構成の半導体装置を提供することを課題の一とする。または、新規な構成
の表示装置を提供することを課題の一とする。

【0010】

なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の
一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課
題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、
図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の一態様は、導電性材料と、絶縁性材料と、を有するスパッタリングターゲット
であって、絶縁性材料は、元素Ｍ１（元素Ｍ１は、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂｅ
、及びＢから選ばれる一種または複数種）を含む酸化物、窒化物または酸窒化物を有し、
導電性材料は、インジウムおよび亜鉛を含む酸化物、窒化物または酸窒化物を有し、導電
性材料と、絶縁性材料とは、互いに分離している、ことを特徴とするスパッタリングター
ゲットである。

【0012】

上記構成において、元素Ｍ１は、Ｇａである、ことが好ましい。

【0013】

本発明の一態様は、導電性材料と、絶縁性材料と、を有するスパッタリングターゲット
であって、絶縁性材料は、元素Ｍ１（元素Ｍ１は、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂｅ
、及びＢから選ばれる一種または複数種）を含む酸化物、窒化物または酸窒化物を有し、
導電性材料は、インジウムおよび亜鉛のいずれかまたは両方と、元素Ｍ２（元素Ｍ２は、
Ｔｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、及びＴａから選ばれる一種または複数種）を含
む酸化物、窒化物または酸窒化物を有し、導電性材料と、絶縁性材料とは、互いに分離し
ている、ことを特徴とするスパッタリングターゲットである。

【0014】

上記構成において、元素Ｍ１は、Ｇａであり、元素Ｍ２は、ＴｉまたはＧｅであること
が好ましい。

【0015】

また、本発明の一態様は、導電性材料と、絶縁性材料と、を有するスパッタリングター
ゲットであって、絶縁性材料は、元素Ｍ１（元素Ｍ１は、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｒ
、Ｂｅ、またはＢのいずれか二種以上）を含む酸化物、窒化物または酸窒化物を有し、導
電性材料は、インジウムおよび亜鉛のいずれかまたは両方を有し、導電性材料と、絶縁性
材料とは、互いに分離している、ことを特徴とするスパッタリングターゲットである。

【0016】

上記構成において、元素Ｍ１は、Ａｌ，ＧａまたはＳｉのいずれか二種以上であること
が好ましい。

【0017】

上記構成において、絶縁性材料は、さらに亜鉛を含むことが好ましい。

【0018】

上記構成において、導電性材料に含まれるインジウムの原子数比は、絶縁性材料に含ま
れる元素Ｍ１の原子数比よりも多いことが好ましい。上記構成において、導電性材料、及
び絶縁性材料は、それぞれ粒子状であることが好ましい。また、上記構成において、導電
性材料、及び絶縁性材料は、それぞれ径が１０μｍ未満、またはその近傍値である領域を
有することが好ましい。

【0019】

また、本発明の他の一態様は、絶縁性材料の原料である、元素Ｍ１（元素Ｍ１は、Ａｌ
、Ｇａ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂｅ、及びＢから選ばれる一種または複数種）の酸化物、及
び第１の亜鉛酸化物と、導電性材料の原料である、インジウム酸化物、及び第２の亜鉛酸
化物を秤量する工程と、元素Ｍ１の酸化物、及び第１の亜鉛酸化物を混ぜて第１の混合物
を作製する工程と、第１の混合物を成形しながら、加圧して第１の成形体を作製する工程
と、第１の成形体を焼成して、第１の焼成体を作製する工程と、第１の焼成体を粉末化し
て、第１の粉体を作製する工程と、インジウム酸化物、及び第２の亜鉛酸化物を混ぜて第
２の混合物を作製する工程と、第２の混合物を成形しながら、加圧して第２の成形体を作
製する工程と、第２の成形体を焼成して、第２の焼成体を作製する工程と、第２の焼成体
を粉末化して、第２の粉体を作製する工程と、第１の粉体と第２の粉体を混ぜて第３の混
合物を作製する工程と、第３の混合物を成形しながら、加圧して第３の成形体を作製する
工程と、を有し、第３の成形体を作製する工程の後、第３の成形体を焼成する工程を行わ
ない、ことを特徴とするスパッタリングターゲットの作製方法である。

【0020】

また、本発明の他の一態様は、スパッタリングターゲットの作製方法であって、絶縁性
材料の原料である、元素Ｍ１（元素Ｍ１は、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂｅ、及び
Ｂから選ばれる一種または複数種）の酸化物、及び第１の亜鉛酸化物と、導電性材料の原
料である、インジウム酸化物、及び第２の亜鉛酸化物を秤量する工程と、元素Ｍ１の酸化
物、及び第１の亜鉛酸化物を混ぜて第１の混合物を作製する工程と、第１の混合物を成形
しながら、加圧して第１の成形体を作製する工程と、第１の成形体を焼成して、第１の焼
成体を作製する工程と、第１の焼成体を粉末化して、第１の粉体を作製する工程と、イン
ジウム酸化物、及び第２の亜鉛酸化物を混ぜて第２の混合物を作製する工程と、第２の混
合物を成形しながら、加圧して第２の成形体を作製する工程と、第２の成形体を焼成して
、第２の焼成体を作製する工程と、第２の焼成体を粉末化して、第２の粉体を作製する工
程と、第１の粉体と第２の粉体を混ぜて第３の混合物を作製する工程と、第３の混合物を
成形しながら、加圧して第３の成形体を作製する工程と、第３の成形体を焼成して、第３
の焼成体を作製する工程と、を有し、第３の成形体を焼成する温度は、導電性材料の一部
と、絶縁性材料の一部とが、化合しない温度で行われる、ことを特徴とするスパッタリン
グターゲットの作製方法である。

【0021】

上記構成において、第３の成形体を焼成する温度は、第１の成形体を焼成する温度、及
び第２の成形体を焼成する温度より低いことが好ましい。

【0022】

また、本発明の他の一態様は、スパッタリングターゲットの作製方法であって、絶縁性
材料の原料である、元素Ｍ１（元素Ｍ１は、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂｅ、及び
Ｂから選ばれる一種または複数種）の酸化物と、導電性材料の原料である、インジウム酸
化物、亜鉛酸化物、及び元素Ｍ２（元素Ｍ２は、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ
、及びＴａから選ばれる一種または複数種）の酸化物を秤量する工程と、インジウム酸化
物、亜鉛酸化物、及び元素Ｍ２の酸化物を混ぜて第１の混合物を作製する工程と、第１の
混合物を成形しながら、加圧して第１の成形体を作製する工程と、第１の成形体を焼成し
て、第１の焼成体を作製する工程と、第１の焼成体を粉末化して、第１の粉体を作製する
工程と、第１の粉体と元素Ｍ１の酸化物を混ぜて第２の混合物を作製する工程と、第２の
混合物を成形しながら、加圧して第２の成形体を作製する工程と、を有し、第２の成形体
を作製する工程の後、第２の成形体を焼成する工程を行わない、ことを特徴とするスパッ
タリングターゲットの作製方法である。

【0023】

また、本発明の他の一態様は、スパッタリングターゲットの作製方法であって、絶縁性
材料の原料である、元素Ｍ１（元素Ｍ１は、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂｅ、及び
Ｂから選ばれる一種または複数種）の酸化物と、導電性材料の原料である、インジウム酸
化物、亜鉛酸化物、及び元素Ｍ２（元素Ｍ２は、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ
、及びＴａから選ばれる一種または複数種）の酸化物を秤量する工程と、インジウム酸化
物、亜鉛酸化物、及び元素Ｍ２の酸化物を混ぜて第１の混合物を作製する工程と、第１の
混合物を成形しながら、加圧して第１の成形体を作製する工程と、第１の成形体を焼成し
て、第１の焼成体を作製する工程と、第１の焼成体を粉末化して、第１の粉体を作製する
工程と、第１の粉体と元素Ｍ１の酸化物を混ぜて第２の混合物を作製する工程と、第２の
混合物を成形しながら、加圧して第２の成形体を作製する工程と、第２の成形体を焼成し
て、第２の焼成体を作製する工程と、を有し、第２の成形体を焼成する温度は、導電性材
料の一部と、絶縁性材料の一部とが、化合しない温度で行われる、ことを特徴とするスパ
ッタリングターゲットの作製方法である。

【0024】

また、本発明の他の一態様は、スパッタリングターゲットの作製方法であって、絶縁性
材料の原料である、元素Ｍ１Ａ（元素Ｍ１Ａは、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂｅ、
及びＢから選ばれる一種または複数種）の酸化物、及び元素Ｍ１Ｂ（元素Ｍ１Ｂは、Ａｌ
、Ｇａ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂｅ、及びＢから選ばれる一種または複数種であり、元素Ｍ
１Ａと異なる種類の元素を含む）の酸化物と、導電性材料の原料である、インジウム酸化
物及び亜鉛酸化物を秤量する工程と、元素Ｍ１Ａの酸化物、及び元素Ｍ１Ｂの酸化物を混
ぜて第１の混合物を作製する工程と、第１の混合物を成形しながら、加圧して第１の成形
体を作製する工程と、第１の成形体を焼成して、第１の焼成体を作製する工程と、第１の
焼成体を粉末化して、第１の粉体を作製する工程と、第１の粉体と、インジウム酸化物と
、亜鉛酸化物と、を混ぜて第２の混合物を作製する工程と、第２の混合物を成形しながら
、加圧して第２の成形体を作製する工程と、を有し、第２の成形体を作製する工程の後、
第２の成形体を焼成する工程を行わない、ことを特徴とするスパッタリングターゲットの
作製方法である。

【0025】

また、本発明の他の一態様は、スパッタリングターゲットの作製方法であって、絶縁性
材料の原料である、元素Ｍ１Ａ（元素Ｍ１Ａは、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂｅ、
及びＢから選ばれる一種または複数種）の酸化物、及び元素Ｍ１Ｂ（元素Ｍ１Ｂは、Ａｌ
、Ｇａ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂｅ、及びＢから選ばれる一種または複数種であり、元素Ｍ
１Ａと異なる種類の元素を含む）の酸化物と、導電性材料の原料である、インジウム酸化
物及び亜鉛酸化物を秤量する工程と、元素Ｍ１Ａの酸化物、及び元素Ｍ１Ｂの酸化物を混
ぜて第１の混合物を作製する工程と、第１の混合物を成形しながら、加圧して第１の成形
体を作製する工程と、第１の成形体を焼成して、第１の焼成体を作製する工程と、第１の
焼成体を粉末化して、第１の粉体を作製する工程と、第１の粉体と、インジウム酸化物と
、亜鉛酸化物と、を混ぜて第２の混合物を作製する工程と、第２の混合物を成形しながら
、加圧して第２の成形体を作製する工程と、第２の成形体を焼成して、第２の焼成体を作
製する工程と、を有し、第２の成形体を焼成する温度は、導電性材料の一部と、絶縁性材
料の一部が、化合しない温度で行われる、ことを特徴とするスパッタリングターゲットの
作製方法である。

【0026】

上記構成において、第２の成形体を焼成する温度は、第１の成形体を焼成する温度より
低いことが好ましい。

【0027】

上記構成において、絶縁性材料として、さらに亜鉛酸化物を用いてもよい。

【発明の効果】

【0028】

本発明の一態様により、新規な金属酸化物を提供することができる。または、本発明の
一態様により、新規なスパッタリングターゲットを提供することができる。または、本発
明の一態様により、半導体装置に良好な電気特性を付与することができる。または、信頼
性の高い半導体装置を提供することができる。または、新規な構成の半導体装置を提供す
ることができる。または、新規な構成の表示装置を提供することができる。

【0029】

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、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果
は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図
面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】スパッタリングターゲット及び当該スパッタリングターゲットを用いた成膜の模式図。

【図2】スパッタリングターゲット作製方法のフローチャート。

【図3】スパッタリングターゲット作製方法のフローチャート。

【図4】スパッタリングターゲット作製方法のフローチャート。

【図5】スパッタリングターゲット作製方法のフローチャート。

【図6】スパッタリング装置を説明する模式図。

【図7】本発明の一態様に係るスパッタリングターゲットを用いた成膜の模式図。

【図8】金属酸化物の構成を説明する概念図。

【図9】トランジスタ、および該トランジスタにおけるエネルギー準位の分布を説明する模式図。

【図10】トランジスタにおけるバンドダイアグラムのモデルを説明する図。

【図11】トランジスタにおけるバンドダイアグラムのモデルを説明する図。

【図12】半導体装置の一態様を示す上面図、断面図、及び断面概念図。

【図13】半導体装置の一態様を示す上面図、断面図、及び断面概念図。

【図14】半導体装置の一態様を示す上面図、断面図、及び断面概念図。

【図15】半導体装置の一態様を示す上面図、断面図、及び断面概念図。

【図16】半導体装置の一態様を示す上面図、断面図、及び断面概念図。

【図17】半導体装置の一態様を示す上面図、断面図、及び断面概念図。

【図18】半導体装置の一態様を示す上面図、断面図、及び断面概念図。

【図19】半導体装置の一態様を示す上面図、断面図、及び断面概念図。

【図20】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。

【図21】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。

【図22】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。

【図23】バンド構造を説明する図。

【図24】表示パネルの構成例を説明する図。

【図25】表示パネルの構成例を説明する図。

【発明を実施するための形態】

【0031】

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異
なる態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態
及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は
、以下の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。

【0032】

また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、明瞭化のために誇張されている
場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は、理想的な例を
模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。

【0033】

また、本明細書にて用いる「第１」、「第２」、「第３」という序数詞は、構成要素の
混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではないことを付記する。

【0034】

また、本明細書において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位
置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関
係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。従って、明細書で説明し
た語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。

【0035】

また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含
む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン（ドレイン端子、ドレイ
ン領域またはドレイン電極）とソース（ソース端子、ソース領域またはソース電極）の間
にチャネル領域を有しており、ドレインとチャネル領域とソースとを介して電流を流すこ
とができるものである。なお、本明細書等において、チャネル領域とは、電流が主として
流れる領域をいう。

【0036】

また、ソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路
動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明
細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとす
る。

【0037】

また、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するも
の」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するも
の」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない
。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジス
タなどのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、キャパシタ、その他の各種機能を有
する素子などが含まれる。

【0038】

また、本明細書等において、酸化窒化シリコン膜とは、その組成として、窒素よりも酸
素の含有量が多い膜を指し、窒化酸化シリコン膜とは、その組成として、酸素よりも窒素
の含有量が多い膜を指す。

【0039】

また、本明細書等において、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場合がある。

【0040】

また、本明細書等において、「膜」という用語と、「層」という用語とは、場合によっ
ては、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜
」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用
語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。

【0041】

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。

【0042】

なお、本明細書等において、ノーマリーオンとは、電源による電位の印加がない（０Ｖ
）ときにオン状態であることをいう。例えば、ノーマリーオンの特性とは、トランジスタ
のゲートに与える電圧が０Ｖの際に、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性をさす場合
がある。

【0043】

本明細書等において、金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）とは、広い表現での金属
の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体（透明酸化物導電体を含む
）、酸化物半導体（Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒまたは単にＯＳともいう）
などに分類される。例えば、トランジスタの活性層に金属酸化物を用いた場合、当該金属
酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、金属酸化物が増幅作用、整流作用
、及びスイッチング作用の少なくとも１つを有する場合、当該金属酸化物を、金属酸化物
半導体（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、略してＯＳと呼ぶこ
とができる。また、ＯＳ ＦＥＴと記載する場合においては、金属酸化物または酸化物半
導体を有するトランジスタと換言することができる。

【0044】

また、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘ
ｉｄｅ）と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物（ｍｅ
ｔａｌ ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。

【0045】

また、本明細書等において、エネルギーギャップとは、バンド構造における価電子帯上
端のエネルギー準位（Ｅｖ端）と、伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ端）とのエネルギ
ーの差を表す。また、エネルギーギャップをバンドギャップと読み替えてもよい。

【0046】

（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る金属酸化物、及び当該金属酸化物を成膜する
ためのスパッタリングターゲットについて説明する。

【0047】

本実施の形態に示す金属酸化物は、少なくともインジウムを含むことが好ましい。特に
インジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて元素Ｍ１（元素Ｍ１
は、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂｅ、及びＢから選ばれる一種または複数種）が含
まれている。さらに、元素Ｍ２（元素Ｍ２は、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、
及びＴａから選ばれる一種または複数種）が含まれていることが好ましい。

【0048】

ここで、金属酸化物が、インジウム、元素Ｍ１、元素Ｍ２、及び亜鉛を有する場合を考
える。なお、金属酸化物が有するインジウム、元素Ｍ１、元素Ｍ２、及び亜鉛の原子数比
のそれぞれの項を［Ｉｎ］、［Ｍ１］、［Ｍ２］、および［Ｚｎ］とする。

【0049】

＜スパッタリングターゲット＞
まず、図１を用いて金属酸化物をスパッタリング法で成膜するためのスパッタリングタ
ーゲットについて説明する。図１（Ａ）は、金属酸化物を、スパッタリング法を用いて成
膜するためのスパッタリングターゲット１０の断面図を示す。また、図１（Ｂ）は、スパ
ッタリングターゲット１０を用いて金属酸化物を成膜する様子を示す。

【0050】

スパッタリングターゲット１０は、絶縁性材料（誘電性材料ということもできる。）を
含む第１の領域１１と、導電性材料を含む第２の領域１２と、を有する。第１の領域１１
及び第２の領域１２は、互いに分離されている。ここで、第１の領域１１は、第２の領域
１２よりも高抵抗であることが好ましい。このように、スパッタリングターゲット１０は
、絶縁性領域（誘電性領域ということもできる。）として機能する第１の領域１１と、導
電性領域として機能する第２の領域１２と、に機能分離していることが好ましい。言い換
えると、スパッタリングターゲット１０には、絶縁性領域として機能する第１の領域１１
、導電性領域として機能する第２の領域１２という性質の異なる二つの相が存在する、と
いうこともできる。

【0051】

図１に示すように、第１の領域１１及び第２の領域１２は、それぞれ粒子状であること
が好ましい。第１の領域１１及び第２の領域１２は、それぞれ径が１０μｍ未満であるこ
とが好ましい。

【0052】

また、スパッタリングターゲット１０は、一部に結晶構造を有してもよい。例えば、微
結晶構造（ｎｃ（ｎａｎｏ－ｃｒｙｓｔａｌ）構造という場合もある。）または多結晶構
造を有してもよい。第１の領域１１および／または第２の領域１２が微結晶構造をとる場
合、径が０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下、または１ｎｍ以上２ｎｍ以下、またはその近傍値と
なることが好ましい。

【0053】

第１の領域１１は、上記の元素Ｍ１（元素Ｍ１は、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂ
ｅ、及びＢから選ばれる一種または複数種）または、元素Ｍ１および亜鉛の両方を含むこ
とが好ましい。また、第１の領域１１は、元素Ｍ１の酸化物または、元素Ｍ１と亜鉛の酸
化物が含まれる構成としてもよい。例えば、第１の領域１１は、Ｍ１酸化物、Ｍ１－Ｚｎ
酸化物、Ｉｎ－Ｍ１－Ｚｎ酸化物、またはＩｎ－Ｍ１－Ｍ２－Ｚｎ酸化物などを含む場合
がある。なお、第１の領域１１に元素Ｍ１または、元素Ｍ１と亜鉛の窒化物または酸窒化
物が含まれてもよい。例えば、第１の領域１１に窒化アルミニウム、または窒化シリコン
が含まれてもよい。ただし、第１の領域１１に含まれるＩｎ、元素Ｍ２の原子数比は、第
２の領域１２に含まれるＩｎ、元素Ｍ２の原子数比より小さいことが好ましい。

【0054】

第２の領域１２は、インジウムおよび亜鉛のいずれかまたは両方を含むことが好ましい
。さらに、第２の領域１２は、上記の元素Ｍ２（元素Ｍ２は、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｖ、Ｎ
ｉ、Ｍｏ、Ｗ、及びＴａから選ばれる一種または複数種）を含むことが好ましい。また、
第２の領域１２は、インジウムおよび亜鉛のいずれかまたは両方を含む、酸化物、窒化物
、および／または酸窒化物が含まれる構成としてもよい。また、第２の領域１２は、元素
Ｍ２（元素Ｍ２は、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、及びＴａから選ばれる一種
または複数種）を含む、酸化物、窒化物、および／または酸窒化物が含まれる構成として
もよい。例えば、第２の領域１２に窒化タンタルが含まれてもよい。例えば、Ｉｎ酸化物
、Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｍ２酸化物、Ｚｎ－Ｍ２酸化物、またはＩｎ－
Ｚｎ－Ｍ２酸化物などを含む場合がある。

【0055】

ここで、スパッタリングターゲット１０は、絶縁性材料の一部と導電性材料の一部とは
化合しないことが好ましく、例えば、第１の領域１１に含まれる元素Ｍ１と第２の領域１
２に含まれるインジウムが化合しないことが好ましい。

【0056】

例えば、元素Ｍ１がＧａであり、元素Ｍ２がＴｉである場合、第１の領域１１は、Ｇａ
酸化物、Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物、またはＩｎ－Ｇａ－Ｔｉ－Ｚｎ酸
化物などのいずれかが含まれることが好ましく、第２の領域１２は、Ｉｎ酸化物、Ｚｎ酸
化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｔｉ酸化物、Ｚｎ－Ｔｉ酸化物、またはＩｎ－Ｚｎ－Ｔ
ｉ酸化物などが含まれることが好ましい。

【0057】

また、例えば、元素Ｍ１がＧａであり、元素Ｍ２がＧｅである場合、第１の領域１１は
、Ｇａ酸化物、Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物、またはＩｎ－Ｇａ－Ｇｅ－
Ｚｎ酸化物などのいずれかが含まれることが好ましく、第２の領域１２は、Ｉｎ酸化物、
Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｇｅ酸化物、Ｚｎ－Ｇｅ酸化物、またはＩｎ－Ｚ
ｎ－Ｇｅ酸化物などが含まれることが好ましい。

【0058】

また、例えば、元素Ｍ１がＧａ及びＡｌであり、元素Ｍ２がＴｉである場合、第１の領
域１１は、Ｇａ酸化物、Ａｌ酸化物、Ｇａ－Ａｌ酸化物、Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ａｌ－Ｚｎ
酸化物、Ｇａ－Ａｌ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ａｌ－Ｚｎ酸化物、
Ｉｎ－Ｇａ－Ａｌ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｇａ－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ａｌ－Ｔｉ－Ｚ
ｎ酸化物、またはＩｎ－Ｇａ－Ａｌ－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物などのいずれかが含まれることが
好ましく、第２の領域１２は、Ｉｎ酸化物、Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｔｉ
酸化物、Ｚｎ－Ｔｉ酸化物、またはＩｎ－Ｚｎ－Ｔｉ酸化物などが含まれることが好まし
い。

【0059】

また、例えば、元素Ｍ１がＧａであり、元素Ｍ２を含まない場合、第１の領域１１は、
Ｇａ酸化物、Ｇａ－Ｚｎ酸化物、またはＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物などのいずれかが含まれ
ることが好ましく、第２の領域１２は、Ｉｎ酸化物、Ｚｎ酸化物、またはＩｎ－Ｚｎ酸化
物などが含まれることが好ましい。

【0060】

また、スパッタリングターゲット１０から成膜された金属酸化物中に、絶縁性材料より
多く導電性材料が含まれることにより、よりキャリア移動度を高くすることができる。こ
のような金属酸化物を成膜するには、スパッタリングターゲット１０に含まれる導電性材
料に含まれるインジウムの原子数比を絶縁性材料に含まれる元素Ｍ１の原子数比より多く
することが好ましい。

【0061】

ここで、元素Ｍ２は、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎよりも価数が多い。例えば、元素Ｍ２とし
てＴｉを用いる場合、Ｚｎが２価であり、Ｉｎ及びＧａが３価であり、Ｔｉが４価である
。金属酸化物中に、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎよりも価数の多い元素Ｍ２（ここではＴｉ）を
用いることで、当該元素がキャリア供給源となり、スパッタリングターゲット１０を用い
て成膜した金属酸化物の元素Ｍ２を含む領域のキャリア密度を高くすることができる。ま
た、Ｔｉは、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎと比べて、酸素との結合力が強い。したがって、金属
酸化物中にＴｉを含有させる構造とすることで、酸素欠損の生成を抑制することができる
。したがって、スパッタリングターゲット１０を用いて成膜した金属酸化物をトランジス
タの半導体層に用いる場合、トランジスタの電界効果移動度を高め、且つ酸素欠損の生成
を抑制することで信頼性の高い半導体装置とすることができる。

【0062】

スパッタリングターゲット１０の組成としては、例えば、［Ｉｎ］：［Ｍ１］：［Ｍ２
］：［Ｚｎ］＝４：１：１：４［原子数比］、［Ｉｎ］：［Ｍ１］：［Ｍ２］：［Ｚｎ］
＝５：０．５：０．５：７［原子数比］、またはその近傍値の原子数比であるスパッタリ
ングターゲットを用いることが好ましい。例えば、元素Ｍ１がＧａ、元素Ｍ２がＴｉまた
はＧｅの場合、Ｉｎ：Ｇａ：Ｔｉ：Ｚｎ＝４：１：１：４［原子数比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｇ
ｅ：Ｚｎ＝４：１：１：４［原子数比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｔｉ：Ｚｎ＝５：０．５：０．５
：７［原子数比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｇｅ：Ｚｎ＝５：０．５：０．５：７［原子数比］、ま
たはその近傍値の原子数比である金属酸化物ターゲットを用いることが好ましい。また、
例えば、元素Ｍ２の原子数比は、元素Ｍ１の原子数比と同程度か、それより小さくするこ
とが好ましい。なお、スパッタリングターゲット１０の組成は上記に限られるものではな
い。

【0063】

なお、成膜される金属酸化物膜の原子数比は、上記のスパッタリングターゲットに含ま
れる金属元素の原子数比のプラスマイナス４０％の変動を含む。

【0064】

なお、本実施の形態に示すスパッタリングターゲット１０において、第１の領域１１に
元素Ｍ１として示す元素のうち２種類以上を含む構成としてもよい。また、本実施の形態
に示すスパッタリングターゲット１０において、第２の領域１２に元素Ｍ２を含まない構
成としてもよい。

【0065】

また、絶縁性材料として元素Ｍ１として示す元素のうち２種類以上が含まれることによ
り、スパッタリングターゲット１０を用いて成膜した金属酸化物の元素Ｍ１を含む領域の
エネルギーギャップを大きくすることができる場合がある。

【0066】

また、第１の領域１１及び第２の領域１２に亜鉛が含まれる構成にすることにより、ス
パッタリングターゲット１０を用いて成膜した金属酸化物膜において、少なくとも元素Ｍ
１を含む第１の成分の領域と、少なくともＩｎを含む第２の成分の領域の、両方に亜鉛を
含ませることができる。さらに、当該金属酸化物膜において、第１の成分の領域と、第２
の成分の領域の間に亜鉛を含ませることができる。このように金属酸化物膜に亜鉛を含ま
せることにより、亜鉛も導電パスとして、金属酸化物膜にキャリア（電子）が流れる。

【0067】

＜スパッタリングターゲットの作製方法＞
次に、図２乃至図４に示すフローチャートを用いてスパッタリングターゲット１０の作
製方法について説明する。

【0068】

まず、図２に示すフローチャートを用いて、スパッタリングターゲット１０の作製方法
について説明する。

【0069】

まずは、上記導電性材料の原料と、上記絶縁性材料の原料を秤量する（ステップＳ１０
１）。導電性材料の原料は、例えば元素Ｍ２としてＴｉを用いる場合、粉末状の、インジ
ウム酸化物、亜鉛酸化物、およびチタン酸化物などを用いることができる。なお、導電性
材料の原料はこれらに限定されることなく、例えば、粉末状の、元素Ｍ２の酸化物などを
適宜用いればよい。また、絶縁性材料の原料は、例えば元素Ｍ１としてＧａを用いる場合
、粉末状のＧａ酸化物などを用いることができる。なお、絶縁性材料の原料はこれらに限
定されることなく、例えば、粉末状の、元素Ｍ１の酸化物などを適宜用いればよい。なお
、上記では、各元素の酸化物を用いる例について示したが、酸窒化物、窒化物などを用い
てもよい。

【0070】

導電性材料の原料および絶縁性材料の原料の秤量は、例えば、粉末状のインジウム酸化
物、粉末状の元素Ｍ１の酸化物、粉末状の元素Ｍ２の酸化物、粉末状の亜鉛酸化物におけ
る、インジウム、元素Ｍ１、元素Ｍ２、亜鉛の原子数比が上記のように、［Ｉｎ］：［Ｍ
１］：［Ｍ２］：［Ｚｎ］＝４：１：１：４［原子数比］、または［Ｉｎ］：［Ｍ１］：
［Ｍ２］：［Ｚｎ］＝５：０．５：０．５：７［原子数比］などになるように秤量すれば
よい。

【0071】

導電性材料の原料および絶縁性材料の原料に純度の高いものを用いることで、後に不純
物濃度の低いスパッタリングターゲット１０を得やすくなる。具体的には、アルカリ金属
を、それぞれ１０重量ｐｐｍ未満、好ましくは５重量ｐｐｍ未満、さらに好ましくは２重
量ｐｐｍ未満とすることができる。また、アルカリ土類金属を、それぞれ５重量ｐｐｍ未
満、好ましくは２重量ｐｐｍ未満、さらに好ましくは１重量ｐｐｍ未満とすることができ
る。また、ハロゲンを、それぞれ１０重量ｐｐｍ未満、好ましくは５重量ｐｐｍ未満、さ
らに好ましくは２重量ｐｐｍ未満とすることができる。なお、これらの不純物濃度は、二
次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒ
ｏｍｅｔｒｙ）、グロー放電質量分析法（ＧＤＭＳ：Ｇｌｏｗ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｍ
ａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）または誘導結合プラズマ質量分析法（ＩＣＰ－ＭＳ
：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏ
ｍｅｔｒｙ）などによって測定すればよい。

【0072】

次に、秤量された導電性材料の原料を混ぜて混合物を作製する（ステップＳ１０２）。
例えば、粉末状の、インジウム酸化物、亜鉛酸化物、および元素Ｍ２の酸化物を混ぜて混
合物を作製する。以下、当該混合物を導電性材料の混合物という場合がある。

【0073】

次に、導電性材料の混合物を成形型に敷き詰めて、成形する（ステップＳ１０３）。成
形型に敷き詰めた混合物を、プレス装置などを用いて加圧することにより、成形体にする
ことができる。以下、当該成形体を導電性材料の成形体という場合がある。

【0074】

次に、導電性材料の成形体を焼成し、焼成体を作製する（ステップＳ１０４）。焼成に
は、炉（焼成炉または焼結炉ともいう。）を用いる。焼成は、希ガス、窒素ガス、または
酸素ガスのいずれか一または複数を含む雰囲気で行えばよい。以下、当該焼成体を導電性
材料の焼成体という場合がある。

【0075】

導電性材料の成形体を焼成する温度は、導電性材料に含まれる、インジウム、亜鉛、元
素Ｍ２（例えばＴｉ、Ｇｅなど）が化合して酸化物を形成する程度の温度、例えば、熱に
よって互いに反応し、原料と異なる化合物に変化する温度、であることが好ましい。例え
ば、導電性材料の成形体を焼成する温度を４００℃以上２５００℃以下、好ましくは９０
０℃以上１９００℃以下とする。

【0076】

このように導電性材料の成形体を焼成して、導電性材料に含まれる、インジウム、亜鉛
、元素Ｍ２を化合させて酸化物を形成することで、作製したスパッタリングターゲット１
０の第２の領域１２にインジウム、亜鉛、元素Ｍ２を多く含ませることができる。

【0077】

また、図２に示すフローチャートでは、成形及び加圧を行うステップＳ１０３と、焼成
を行うステップＳ１０４と、を別工程としているが、本実施の形態に示す方法はこれに限
られるものではない。例えば、混合物を成形型に入れて低温で焼成を行いながら、プレス
装置で加圧を行う構成としてもよい。

【0078】

次に、導電性材料の焼成体を粉砕して粉末化することで、粉体を作製する（ステップＳ
１０５）。以下、当該粉体を導電性材料の粉体という場合がある。

【0079】

次に、導電性材料の粉体と絶縁性材料の粉体を混ぜて混合物を作製する（ステップＳ１
０６）。ここで、絶縁性材料の粉体とは、ステップＳ１０１で秤量された絶縁性材料の原
料のことを指す。

【0080】

次に、導電性材料の粉体と絶縁性材料の粉体の混合物を成形型に敷き詰めて、成形する
（ステップＳ１０７）。成形型に敷き詰めた混合物を、プレス装置などを用いて加圧する
ことにより、成形体にすることができる。以下、当該成形体を導電性材料と絶縁性材料の
成形体という場合がある。

【0081】

図２のフローチャートに示すように、焼成などの高温の熱処理を用いずに、加圧のみで
導電性材料と絶縁性材料の成形体を作製することにより、上記導電性材料と、上記絶縁性
材料が化合しないようにすることができる。例えば、インジウムと、元素Ｍ１などが化合
しないようにすることができる。これにより、スパッタリングターゲット１０に、絶縁性
領域として機能する第１の領域１１と、導電性領域として機能する第２の領域１２と、を
互いに分離して設けることができる。

【0082】

さらに、予めステップＳ１０２からステップＳ１０５において、導電性材料となるイン
ジウム酸化物、亜鉛酸化物、および元素Ｍ２の酸化物を混合した粉体を作製しておくこと
で、導電性領域として機能する第２の領域１２に含まれる元素Ｍ２の量を多くすることが
できる。

【0083】

このように、スパッタリングターゲット１０の第２の領域１２に、Ｉｎ、及びＺｎより
も価数の多い元素Ｍ２を含ませることで、当該元素がキャリア供給源となり、スパッタリ
ングターゲット１０を用いて成膜した金属酸化物のキャリア密度を高くすることができる
。

【0084】

作製した導電性材料と絶縁性材料の成形体に対し、仕上げ処理を行うことで、スパッタ
リングターゲット１０を作製する。具体的には、導電性材料と絶縁性材料の成形体の長さ
、幅および厚さを調整するために、分断する、または研削する。また、表面に微小な凹凸
が存在することで、異常放電が起こることがあるため、表面の研磨処理を行う。研磨処理
は、化学機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉ
ｎｇ）によって行うと好ましい。

【0085】

なお、ステップＳ１０６で導電性材料の粉体と絶縁性材料の粉体を混ぜる際に、さらに
水と、有機物（分散剤およびバインダ）と、を混合し、スラリー化してもよい。スラリー
化して混合することにより、スパッタリングターゲット１０に含まれる第１の領域１１及
び第２の領域１２の径をより小さくすることができる。また、ステップＳ１０２で導電性
材料の原料を混ぜる際に同様の方法でスラリー化してもよい。

【0086】

この場合、ステップＳ１０３で成形するときにスラリーを流し込む成形型の底部に、一
または複数の吸引口を設けて、水などを吸引できる構成とする。また、成形型の底部にフ
ィルタを設け、導電性材料の原料の粉末を通さず、水および有機物を通す構成とする。具
体的には、織布またはフェルト上に多孔性の樹脂膜を付着させたフィルタなどを用いれば
よい。

【0087】

ステップＳ１０３では、成形型の底部に設けられたフィルタを介してスラリーから水な
どを吸引し、スラリーから水および有機物を除去することで、成形体を形成する。

【0088】

なお、得られた成形体は、僅かに水および有機物が残存するため、乾燥処理および有機
物の除去を行う。乾燥処理は自然乾燥により行うと成形体にひびが入りにくいため好まし
い。

【0089】

上記においては、導電性材料の粉体と絶縁性材料の粉体の混合物を加圧してスパッタリ
ングターゲット１０を作製したが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば
、加圧して作製した成形体を低温で焼成して焼成体を作製して、スパッタリングターゲッ
ト１０としてもよい。焼成には、炉（焼成炉または焼結炉ともいう。）を用いる。焼成は
、希ガス、窒素ガス、または酸素ガスのいずれか一または複数を含む雰囲気で行えばよい
。

【0090】

導電性材料と絶縁性材料の成形体を焼成する温度は、上記導電性材料と、上記絶縁性材
料が化合しない程度の温度、例えば、インジウムと、元素Ｍ１などが化合しない程度の温
度、具体的には、熱によって互いに反応し、原料とは異なる化合物に変化しない温度、で
あることが好ましい。よって、例えば、上記ステップＳ１０４の導電性材料の成形体を焼
成する温度より低い温度で、導電性材料と絶縁性材料の成形体を焼成すればよい。例えば
、導電性材料と絶縁性材料の成形体を焼成する温度を２００℃以上１０００℃未満とする
ことが好ましい。

【0091】

このように導電性材料と絶縁性材料の成形体を低温で焼成してスパッタリングターゲッ
ト１０を作製することにより、さらにスパッタリングターゲット１０の強度を向上させる
ことができる。

【0092】

なお、導電性材料と絶縁性材料の成形体を低温で焼成する工程を行う場合、ターゲット
の一部に上記導電性材料および／または上記絶縁性材料を含む合金が形成される場合もあ
る。

【0093】

また、上記のように混合物をスラリー化させてスパッタリングターゲット１０を作製す
る場合、低温での焼成を行うことによって、導電性材料と絶縁性材料の成形体に僅かに残
存した水及び有機物も除去することができる。

【0094】

また、低温焼成は、ステップＳ１０７の成形及び加圧を行うステップと必ずしも別工程
とする必要はない。例えば、混合物を成形型に入れて低温で焼成を行いながら、プレス装
置で加圧を行う構成としてもよい。

【0095】

また、図３に示すフローチャートを用いて、図２に示すものとは異なるスパッタリング
ターゲット１０の作製方法について説明する。図３に示すスパッタリングターゲット１０
の作製方法では、絶縁性材料の原料として、元素Ｍ１として選択可能なＡｌ、Ｇａ、Ｓｉ
、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂｅ、及びＢから２種以上を用いる場合について説明する。以下では、代
表的に、絶縁性材料の原料として、粉末状の、元素Ｍ１Ａ（元素Ｍ１Ａは、Ａｌ、Ｇａ、
Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂｅ、及びＢから選ばれる一種または複数種）の酸化物、及び元素Ｍ
１Ｂ（元素Ｍ１Ｂは、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂｅ、及びＢから選ばれる一種ま
たは複数種であり、元素Ｍ１Ａと異なる種類の元素を含む）の酸化物を用いる場合につい
て説明する。

【0096】

なお、図３に示すスパッタリングターゲット１０の作製方法は、ステップＳ１０１の後
に、ステップＳ１０２からステップＳ１０５の代わりに、ステップＳ２０２からステップ
Ｓ２０５を行っている点において、図２に示すスパッタリングターゲット１０の作製方法
と異なる。

【0097】

ステップＳ１０１で導電性材料の原料と、絶縁性材料の原料を秤量したのち、秤量され
た絶縁性材料の原料を混ぜて混合物を作製する（ステップＳ２０２）。例えば、元素Ｍ１
Ａの酸化物と、元素Ｍ１Ｂの酸化物を混ぜて混合物を作製する。以下、当該混合物を絶縁
性材料の混合物という場合がある。

【0098】

次に、絶縁性材料の混合物を成形型に敷き詰めて、成形する（ステップＳ２０３）。成
形型に敷き詰めた混合物を、プレス装置などを用いて加圧することにより、成形体にする
ことができる。以下、当該成形体を絶縁性材料の成形体という場合がある。

【0099】

次に、絶縁性材料の成形体を焼成し、焼成体を作製する（ステップＳ２０４）。焼成に
は、炉（焼成炉または焼結炉ともいう。）を用いる。焼成は、希ガス、窒素ガス、または
酸素ガスのいずれか一または複数を含む雰囲気で行えばよい。以下、当該焼成体を絶縁性
材料の焼成体という場合がある。

【0100】

絶縁性材料の成形体を焼成する温度は、絶縁性材料に含まれる、元素Ｍ１Ａ、元素Ｍ１
Ｂ（例えばＡｌ、Ｇａ、Ｓｉなど）が化合して酸化物を形成する程度の温度、例えば、熱
によって互いに反応し、原料と異なる化合物に変化する温度、であることが好ましい。例
えば、絶縁性材料成形体を焼成する温度を４００℃以上２９００℃以下、好ましくは９０
０℃以上２１００℃以下とする。

【0101】

このように絶縁性材料の成形体を焼成して、絶縁性材料に含まれる、元素Ｍ１Ａ、元素
Ｍ１Ｂを化合させて酸化物を形成することで、作製したスパッタリングターゲット１０の
第１の領域１１に元素Ｍ１Ａ、元素Ｍ１Ｂを多く含ませることができる。

【0102】

また、図３に示すフローチャートでは、成形及び加圧を行うステップＳ２０３と、焼成
を行うステップＳ２０４と、を別工程としているが、本実施の形態に示す方法はこれに限
られるものではない。例えば、混合物を成形型に入れて低温で焼成を行いながら、プレス
装置で加圧を行う構成としてもよい。

【0103】

次に、絶縁性材料の焼成体を粉砕して粉末化することで、粉体を作製する（ステップＳ
２０５）。以下、当該粉体を絶縁性材料の粉体という場合がある。

【0104】

次に、ステップＳ１０６において、導電性材料の粉体（例えば、粉末状のインジウム酸
化物及び亜鉛酸化物）と、ステップＳ２０５で作製した絶縁性材料の粉体と、を混ぜて混
合物を作製する。ここで、導電性材料の粉体とは、ステップＳ１０１で秤量された導電性
材料の原料のことを指す。以下の工程は図２に示すフローチャートと同様の方法を用いて
行うことができる。

【0105】

このように、予めステップＳ２０２からステップＳ２０５において、絶縁性材料となる
元素Ｍ１Ａ及び元素Ｍ１Ｂの酸化物を混合した粉体を作製しておくことで、第１の領域１
１に、元素Ｍ１として選択可能なＡｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂｅ、及びＢから２種
以上を含むスパッタリングターゲットを作製することができる。これにより、スパッタリ
ングターゲット１０を用いて成膜した金属酸化物膜において、元素Ｍ１を含む領域のエネ
ルギーギャップを大きくすることができる場合がある。

【0106】

また、図４に示すように、図２に示すスパッタリングターゲット１０の作製方法に図３
に示すステップＳ２０２からステップＳ２０５の工程を足し合わせてもよい。つまり、ス
テップＳ１０１の後にステップＳ１０２からステップＳ１０５と、ステップＳ２０２から
ステップＳ２０５と、を並行して行う。よって、ステップＳ１０１からステップＳ１０７
は図２に示す方法と同様の方法を用い、ステップＳ２０２からステップＳ２０５は図３に
示す方法と同様の方法を用いて行えばよい。なお、ステップＳ１０２からステップＳ１０
５の工程と、ステップＳ２０２からステップＳ２０５の工程は、どちらを先に行っても構
わない。

【0107】

また、図４に示すフローチャートに示す作製方法と同様の方法を用いて、第１の領域１
１及び第２の領域１２に亜鉛が含まれるスパッタリングターゲット１０を作製することが
できる。以下に、元素Ｍ１としてＧａを用い、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：
４［原子数比］の組成を有するスパッタリングターゲット１０を作製する例について、図
５を用いて説明する。なお、以下に示す作製方法は、これらの元素の種類及び組成に限ら
れるものではなく、元素の種類及び組成を適宜設定して同様の方法を用いてターゲットを
作製すればよい。

【0108】

原料の秤量については、粉末状の、インジウム酸化物、ガリウム酸化物、及び亜鉛酸化
物を準備して、上記のステップＳ１０１と同様の方法で行えばよい。ただし、第１の領域
１１及び第２の領域１２に亜鉛を含めるため、絶縁性材料に含める亜鉛酸化物を第１の亜
鉛酸化物とし、導電性材料に含める亜鉛酸化物を第２の亜鉛酸化物として、分割して秤量
する。

【0109】

よって、例えば、粉末状のインジウム酸化物、粉末状のガリウム酸化物、粉末状の第１
の亜鉛酸化物、粉末状の第２の亜鉛酸化物における、インジウム、ガリウム、第１の亜鉛
（以下、Ｚｎ１と表記する場合がある。）、及び第２の亜鉛（以下、Ｚｎ２と表記する場
合がある。）の原子数比が、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ１］：［Ｚｎ２］＝４：２：２
：２［原子数比］になるように秤量すればよい。

【0110】

次に、図５に示すステップＳ１０２からステップＳ１０５では、ステップＳ１０１で秤
量した粉末状のインジウム酸化物と、粉末状の第２の亜鉛酸化物を用いて、上記のステッ
プＳ１０２からステップＳ１０５と同様の方法で作製すればよい。ステップＳ１０２では
、粉末状のインジウム酸化物と、粉末状の第２の亜鉛酸化物を、［Ｉｎ］：［Ｚｎ２］＝
４：２［原子数比］で混ぜて混合物を作製する。

【0111】

上記においては、導電性材料の原料として、粉末状のインジウム酸化物と粉末状の第２
の亜鉛酸化物を、［Ｉｎ］：［Ｚｎ２］＝４：２［原子数比］で混合する例について示し
たが、本項に示す作製方法はこれに限られるものではなく、粉末状のインジウム酸化物と
粉末状の第２の亜鉛酸化物の混合量は適宜設定すればよい。例えば、［Ｉｎ］：［Ｚｎ２
］＝４：２［原子数比］で混合することで、これらの導電性材料の原料から形成される焼
成体のエネルギーギャップを２．７ｅＶ乃至３．２ｅＶ程度に調整することが好ましい。

【0112】

また、図２などで示したように、導電性材料の原料に、元素Ｍ２を含めてもよい。例え
ば、元素Ｍ２として、Ｔｉ、Ｗ、またはＳｎなどを用いる場合、粉末状のチタン酸化物、
粉末状のタングステン酸化物、または粉末状の錫酸化物などを用いればよい。元素Ｍ２の
含有量は、元素Ｍ１（例えばＧａ）の含有量に対して、好ましくは０．０１ａｔｏｍｉｃ
％以上２ａｔｏｍｉｃ％以下、より好ましくは０．１ａｔｏｍｉｃ％以上０．５ａｔｏｍ
ｉｃ％以下、となるようにすればよい。このように、元素Ｍ２を不純物として、インジウ
ム酸化物及び第２の亜鉛酸化物を含む導電性材料の混合物に含ませる場合、当該導電性材
料の混合物から形成される焼成体における、元素Ｍ２によるエネルギーギャップの変動量
が０．３ｅＶ以下となることが好ましい。

【0113】

ステップＳ１０３からステップＳ１０５は上述の記載を参酌すればよい。ステップＳ１
０４でインジウム酸化物と第２の亜鉛酸化物からなる成形体を焼成する場合、成形体を焼
成する温度を４００℃以上１７００℃以下、好ましくは９００℃以上１５００℃以下とす
ればよい。例えば、成形体を焼成する温度を１４００℃程度にすればよい。

【0114】

次に、図５に示すステップＳ２０２からステップＳ２０５では、ステップＳ１０１で秤
量した粉末状のガリウム酸化物と、粉末状の第１の亜鉛酸化物を用いて、上記のステップ
Ｓ２０２からステップＳ２０５と同様の方法で作製すればよい。ステップＳ２０２では、
粉末状のガリウム酸化物と、粉末状の第１の亜鉛酸化物を、［Ｇａ］：［Ｚｎ１］＝２：
２［原子数比］で混ぜて混合物を作製する。

【0115】

上記においては、絶縁性材料の原料として、粉末状のガリウム酸化物と粉末状の第１の
亜鉛酸化物を、［Ｇａ］：［Ｚｎ１］＝２：２［原子数比］で混合する例について示した
が、本項に示す作製方法はこれに限られるものではない。例えば、Ｚｎ１の含有量が、Ｚ
ｎ１とＧａの含有量に対して、１５ａｔｏｍｉｃ％以上８５ａｔｏｍｉｃ％以下になるよ
うにすればよい。このように、エネルギーギャップ約５ｅＶのガリウム酸化物に、エネル
ギーギャップ約３ｅＶの亜鉛酸化物を混合することにより、これらの絶縁性材料の原料か
ら形成される焼成体のエネルギーギャップを調整することができる。

【0116】

ステップＳ２０３からステップＳ２０５は上述の記載を参酌すればよい。ステップＳ２
０４でガリウム酸化物と第１の亜鉛酸化物からなる成形体を焼成する場合、成形体を焼成
する温度を４００℃以上１７００℃以下、好ましくは９００℃以上１５００℃以下とすれ
ばよい。例えば、成形体を焼成する温度を１４００℃程度にすればよい。

【0117】

次に、図５に示すステップＳ１０６では、上記のステップＳ１０６と同様に、ステップ
Ｓ１０５で作製した導電性材料の粉体とステップＳ２０５で作製した絶縁性材料の粉体を
混ぜて混合物を作製する。

【0118】

次に、図５に示すステップＳ１０７では、上記のステップＳ１０７と同様に、導電性材
料と絶縁性材料の混合物を成形型に敷き詰めて、成形する。

【0119】

次に、図５に示すステップＳ１０８として低温焼成を行うことが好ましい。焼成には、
炉（焼成炉または焼結炉ともいう。）を用いる。焼成は、希ガス、窒素ガス、または酸素
ガスのいずれか一または複数を含む雰囲気で行えばよい。

【0120】

導電性材料と絶縁性材料の成形体を焼成する温度は、上記導電性材料と、上記絶縁性材
料が化合しない程度の温度、例えば、インジウムと、元素Ｍ１などがが化合しない程度の
温度、具体的には、熱によって互いに反応し、原料とは異なる化合物に変化しない温度、
であることが好ましい。よって、例えば、ステップＳ１０４及びステップＳ２０４の焼成
温度より低い温度で、導電性材料と絶縁性材料の成形体を焼成すればよい。例えば、ステ
ップＳ１０４及びステップＳ２０４の焼成温度より２００℃乃至３００℃程度低い温度で
、導電性材料と絶縁性材料の成形体を焼成すればよい。具体的には、導電性材料と絶縁性
材料の成形体を焼成する温度を２００℃以上１２００℃未満とすることが好ましい。

【0121】

このように導電性材料と絶縁性材料の成形体を低温で焼成してスパッタリングターゲッ
ト１０を作製することにより、さらにスパッタリングターゲット１０の強度を向上させる
ことができる。

【0122】

また、ステップＳ１０８の低温焼成は、ステップＳ１０７の成形及び加圧を行うステッ
プと必ずしも別工程とする必要はない。例えば、混合物を成形型に入れて低温で焼成を行
いながら、プレス装置で加圧を行う構成としてもよい。

【0123】

また、ステップＳ１０７終了時にスパッタリングターゲット１０の強度が十分高い場合
、ステップＳ１０８を行わず、ステップＳ１０７でフローを終了させてもよい。

【0124】

図５のフローチャートに示すように、導電性材料の原料と絶縁性材料の原料を別々に焼
成、粉末化して導電性材料の粉体と、絶縁性材料の粉体を作製した後は、焼成などの高温
の熱処理を用いずに、スパッタリングターゲット１０を作製する。これにより、上記導電
性材料と、上記絶縁性材料が化合しないように、例えば、インジウムと、元素Ｍ１などが
化合しないように、スパッタリングターゲット１０を作製することができる。よって、ス
パッタリングターゲット１０に、絶縁性領域として機能する第１の領域１１と、導電性領
域として機能する第２の領域１２と、を互いに分離して設けることができる。

【0125】

さらに、予めステップＳ１０２からステップＳ１０５において、導電性材料となるイン
ジウム酸化物および第２の亜鉛酸化物を混合した粉体を作製しておくことで、導電性領域
として機能する第２の領域１２に含まれるインジウム及び亜鉛の割合を高くすることがで
きる。また、予めステップＳ２０２からステップＳ２０５において、絶縁性材料となるガ
リウム酸化物および第１の亜鉛酸化物を混合した粉体を作製しておくことで、絶縁性領域
として機能する第１の領域１１に含まれるガリウム及び亜鉛の割合を高くすることができ
る。このようにして、スパッタリングターゲット１０の第１の領域１１及び第２の領域１
２に含まれる亜鉛の割合を高くすることができる。

【0126】

＜スパッタリング装置＞
次に、図６を用いて、スパッタリングターゲット１０を用いることができるスパッタリ
ング装置について説明する。図６（Ａ）は、スパッタリング装置が有する成膜室４１を説
明する断面図であり、図６（Ｂ）は、スパッタリング装置が有するマグネットユニット５
４ａ、及びマグネットユニット５４ｂの平面図である。

【0127】

図６（Ａ）に示す成膜室４１は、ターゲットホルダ５２ａと、ターゲットホルダ５２ｂ
と、バッキングプレート５０ａと、バッキングプレート５０ｂと、スパッタリングターゲ
ット１０ａと、スパッタリングターゲット１０ｂと、部材５８と、基板ホルダ６２と、を
有する。なお、スパッタリングターゲット１０ａは、バッキングプレート５０ａ上に配置
される。また、バッキングプレート５０ａは、ターゲットホルダ５２ａ上に配置される。
また、マグネットユニット５４ａは、バッキングプレート５０ａを介してスパッタリング
ターゲット１０ａ下に配置される。また、スパッタリングターゲット１０ｂは、バッキン
グプレート５０ｂ上に配置される。また、バッキングプレート５０ｂは、ターゲットホル
ダ５２ｂ上に配置される。また、マグネットユニット５４ｂは、バッキングプレート５０
ｂを介してスパッタリングターゲット１０ｂ下に配置される。

【0128】

図６（Ａ）、および図６（Ｂ）に示すように、マグネットユニット５４ａは、マグネッ
ト５４Ｎ１と、マグネット５４Ｎ２と、マグネット５４Ｓと、マグネットホルダ５６と、
を有する。なお、マグネットユニット５４ａにおいて、マグネット５４Ｎ１、マグネット
５４Ｎ２及びマグネット５４Ｓは、マグネットホルダ５６上に配置される。また、マグネ
ット５４Ｎ１及びマグネット５４Ｎ２は、マグネット５４Ｓと間隔を空けて配置される。
なお、マグネットユニット５４ｂは、マグネットユニット５４ａと同様の構造を有する。
なお、成膜室４１に基板６０を搬入する場合、基板６０は基板ホルダ６２に接して配置さ
れる。

【0129】

スパッタリングターゲット１０ａ、バッキングプレート５０ａ及びターゲットホルダ５
２ａと、スパッタリングターゲット１０ｂ、バッキングプレート５０ｂ及びターゲットホ
ルダ５２ｂと、は部材５８によって離間されている。なお、部材５８は絶縁体であること
が好ましい。ただし、部材５８が導電体または半導体であっても構わない。また、部材５
８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。

【0130】

ターゲットホルダ５２ａとバッキングプレート５０ａ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５２ａは、バッキングプレー
ト５０ａを介してスパッタリングターゲット１０ａを支持する機能を有する。また、ター
ゲットホルダ５２ｂとバッキングプレート５０ｂ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５２ｂは、バッキングプレート５０
ｂを介してスパッタリングターゲット１０ｂを支持する機能を有する。

【0131】

バッキングプレート５０ａは、スパッタリングターゲット１０ａを固定する機能を有す
る。また、バッキングプレート５０ｂは、スパッタリングターゲット１０ｂを固定する機
能を有する。

【0132】

なお、図６（Ａ）には、マグネットユニット５４ａによって形成される磁力線６４ａ、
６４ｂが明示されている。

【0133】

また、図６（Ｂ）に示すように、マグネットユニット５４ａは、長方形または略長方形
のマグネット５４Ｎ１と、長方形または略長方形のマグネット５４Ｎ２と、長方形または
略長方形のマグネット５４Ｓと、がマグネットホルダ５６に固定されている構成を有する
。そして、マグネットユニット５４ａを、図６（Ｂ）に示す矢印のように左右に揺動させ
ることができる。例えば、マグネットユニット５４ａ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。）
で揺動させればよい。

【0134】

スパッタリングターゲット１０ａ上の磁場は、マグネットユニット５４ａ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、その近傍においてスパッ
タリングターゲット１０ａのスパッタリング現象が起こりやすい。これは、マグネットユ
ニット５４ｂについても同様である。

【0135】

なお、図６では、平行平板型のスパッタリング装置を用いる例について示したが、本実
施の形態に係る金属酸化物の成膜方法はこれに限られるものではない。例えば、対向ター
ゲット型のスパッタリング装置を用いて金属酸化物を成膜してもよい。

【0136】

＜金属酸化物の成膜フロー＞
次に、スパッタリングターゲット１０を用いて、金属酸化物を成膜する方法について、
第１乃至第４の工程に分けて説明する。

【0137】

第１の工程は、成膜室に基板を配置する工程を有する。

【0138】

第１の工程としては、例えば、図６（Ａ）に示す成膜室４１が有する基板ホルダ６２に
基板６０を配置する。

【0139】

成膜時の基板６０の温度は、金属酸化物の電気的な性質に影響する。基板温度が高いほ
ど、金属酸化物の結晶性を高め、信頼性を高めることができる。一方、基板温度が低いほ
ど、金属酸化物の結晶性を低くし、キャリア移動度を高めることができる。特に、成膜時
の基板温度が低いほど、金属酸化物を有するトランジスタにおいて、低いゲート電圧（例
えば０Ｖより大きく２Ｖ以下）における電界効果移動度の向上が顕著となる。

【0140】

基板６０の温度としては、室温（２５℃）以上１５０℃以下、好ましくは室温以上１３
０℃以下とすればよい。基板温度を上記範囲とすることで、大面積のガラス基板（例えば
、第８世代から第１０世代のガラス基板）を用いる場合に好適である。特に、金属酸化物
の成膜時における基板温度を室温、別言すると意図的に加熱しない状態とすることで、基
板の撓みまたは歪みを抑制することができるため好適である。

【0141】

また、基板ホルダ６２に冷却機構等を設け、基板６０を冷却する構成としてもよい。

【0142】

また、基板６０の温度を１００℃以上１５０℃以下とすることにより、金属酸化物に付
着した水を除去することができる。このように不純物である水を除去することで、電界効
果移動度の向上を図りながら、信頼性の向上を図ることができる。

【0143】

また、基板６０の温度を１００℃以上１５０℃以下として水を除去することにより、ス
パッタリング装置に、過剰な熱による歪みが生じることを防ぐことができる。例えばＧ１
０等の大型基板は、そのサイズに応じて、基板温度の制限がある。従って、水の気化温度
（１００℃）より高く、かつ装置のメンテナビリティー、スループットの良い温度を可能
な範囲で適宜選択すればよい。これにより、半導体装置の生産性向上を図ることができる
。よって、生産性が安定するため、大規模な生産装置を導入しやすいので、大面積の基板
を用いた大型の表示装置を容易に製造することができる。

【0144】

また、基板６０の温度を室温以上１５０℃以下として成膜を行うことにより、金属酸化
物中の浅い欠陥準位（ｓＤＯＳともいう）の低減を図ることができる。

【0145】

第２の工程は、成膜室にガスを導入する工程を有する。

【0146】

第２の工程としては、例えば、図６（Ａ）に示す成膜室４１にガスを導入する。当該ガ
スとしては、アルゴンガス、酸素ガス及び窒素ガスのいずれか一または複数を導入すれば
よい。なお、アルゴンガスに代えてヘリウム、キセノン、クリプトン等の不活性ガスを用
いてもよい。

【0147】

酸素ガスを用いて金属酸化物を成膜する場合、酸素流量比が小さいほど、金属酸化物の
キャリア移動度を高めることができる。特に、酸素流量比が小さいほど、金属酸化物を有
するトランジスタにおいて、低いゲート電圧（例えば０Ｖより大きく２Ｖ以下の範囲）に
おける電界効果移動度の向上が顕著となる。

【0148】

酸素流量比は、金属酸化物の用途に応じた好ましい特性を得るために、０％以上３０％
以下の範囲で適宜設定することができる。このとき、例えば、成膜ガスをアルゴンガスと
酸素ガスの混合ガスにすることができる。さらに、成膜ガスに酸素ガスを含ませることに
より、成膜される金属酸化物の酸素欠損量を低減することができる。このように、酸素欠
損量を低減することで、金属酸化物の信頼性向上を図ることができる。

【0149】

例えば、電界効果移動度の高いトランジスタの半導体層に用いる場合には、金属酸化物
の成膜時における酸素流量比として、０％以上３０％以下、好ましくは５％以上２０％以
下とする。

【0150】

成膜ガスに窒素ガスを含めて成膜することにより、スパッタリングターゲット１０が窒
素を含まない構成であっても、窒素を有する金属酸化物を成膜することができる。窒素ガ
スを添加して窒素を有する金属酸化物を成膜する場合、窒素流量比を大きくし、窒素を含
む金属酸化物に十分な量の窒素を含ませることで、キャリア移動度を高めることができる
。

【0151】

窒素流量比は、窒素を有する金属酸化物の用途に応じた好ましい特性を得るために、１
０％以上１００％以下の範囲で適宜設定することができる。このとき、例えば、成膜ガス
を窒素ガスとアルゴンガスの混合ガスにすることができる。また、成膜ガスを、窒素ガス
と酸素ガスの混合ガスとしてもよいし、窒素ガスと酸素ガスとアルゴンガスの混合ガスと
してもよい。

【0152】

さらに、成膜ガスに窒素ガスを含ませることにより、成膜される窒素を有する金属酸化
物の酸素欠損に相当するサイトを窒素で補填し、窒素を有する金属酸化物の酸素欠損量を
低減することができる。このとき、スパッタリングターゲット１０に含まれる元素Ｍ１と
して酸素と結合力の強い元素（例えば、シリコン、アルミニウムなど）を用いている場合
、窒素を有する金属酸化物の酸素欠損に相当するサイトを、当該元素Ｍ１によって補填す
ることができる。このようにすることで、成膜ガス中の酸素を低減、または成膜ガスに酸
素を含まない構成としても、窒素を有する金属酸化物の酸素欠損量の低減を図ることがで
きる。さらに、窒素を有する金属酸化物中の酸素量を低減し、窒素量を増加させることに
より、窒素を有する金属酸化物のキャリア移動度を向上させることができる。

【0153】

また、スパッタリング時に成膜ガスとして酸素ガスを用いる場合、当該酸素ガスが負イ
オン化し、成膜中の金属酸化物に衝突して、当該金属酸化物が損傷する場合がある。これ
に対して上記のように、成膜ガス中の酸素を低減、または成膜ガスに酸素を含まない構成
とすることにより、金属酸化物が損傷することを防ぐことができる。

【0154】

なお、スパッタリングターゲット１０として窒素を含むターゲットを用いる場合には、
窒素を有する金属酸化物を成膜する場合でも、成膜ガスとして窒素を用いない構成にする
ことができる。

【0155】

また、スパッタリングガスの高純度化も必要である。例えば、スパッタリングガスとし
て用いる酸素ガス、窒素ガス、及びアルゴンガスは、露点が－４０℃以下、好ましくは－
８０℃以下、より好ましくは－１００℃以下、より好ましくは－１２０℃以下にまで高純
度化したガスを用いることで金属酸化物に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐこ
とができる。

【0156】

また、成膜室４１は、金属酸化物にとって不純物となる水等を可能な限り除去すべくク
ライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて高真空（５×１０^－７Ｐａから１
×１０^－４Ｐａ程度まで）排気することが好ましい。または、ターボ分子ポンプとコール
ドトラップを組み合わせて排気系からチャンバー内に気体、特に炭素または水素を含む気
体が逆流しないようにしておくことが好ましい。特に、スパッタリング装置の待機時にお
ける、チャンバー内のＨ_２Ｏに相当するガス分子（ｍ／ｚ＝１８に相当するガス分子）の
分圧を１×１０^－４Ｐａ以下とすることが好ましく、５×１０^－５Ｐａ以下とすることが
より好ましい。また、スパッタリング装置の放電時における、チャンバー内のＨ_２Ｏに相
当するガス分子（ｍ／ｚ＝１８に相当するガス分子）の分圧を５×１０^－５Ｐａ以下とす
ることが好ましく、１×１０^－５Ｐａ以下とすることがより好ましい。このようにして、
金属酸化物中に混入する不純物の低減を図ることにより、信頼性の高いトランジスタを実
現することができる。

【0157】

このように、水、水素等を低減した金属酸化物は、水素に起因するキャリアが少ないた
め、キャリア密度が低くなる。ただし、スパッタリングターゲット１０を用いた金属酸化
物は、キャリア供給源となる元素Ｍ２（例えば、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ
、及びＴａから選ばれる一種または複数種）を有する構成であるため、水素に起因するキ
ャリアが少なくても、キャリア密度を高めることができる。また、Ｔｉに代表される元素
Ｍ２は、水素に対してゲッタリング作用を有するため、キャリアとして機能する水素を低
減し、トランジスタの信頼性を向上させることができる。

【0158】

第３の工程は、スパッタリングターゲット１０に電圧を印加する工程を有する。

【0159】

第３の工程としては、例えば、図６（Ａ）に示すターゲットホルダ５２ａ及びターゲッ
トホルダ５２ｂに電圧を印加する。一例としては、ターゲットホルダ５２ａに接続する端
子Ｖ１に印加される電位を、基板ホルダ６２に接続する端子Ｖ２に印加される電位よりも
低い電位とする。また、ターゲットホルダ５２ｂに接続する端子Ｖ４に印加される電位を
、基板ホルダ６２に接続する端子Ｖ２よりも低い電位とする。また、基板ホルダ６２に接
続する端子Ｖ２に印加される電位を、接地電位とする。また、マグネットホルダ５６に接
続する端子Ｖ３に印加される電位を、接地電位とする。

【0160】

なお、端子Ｖ１、端子Ｖ２、端子Ｖ３、及び端子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５２、基板ホルダ６２、マグネットホルダ５６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６２が電気的にフローティ
ング状態であってもよい。なお、端子Ｖ１には、印加する電位の制御が可能な電源が電気
的に接続されているものとする。電源には、ＤＣ電源、ＡＣ電源、またはＲＦ電源を用い
ればよい。

【0161】

第４の工程は、スパッタリングターゲット１０から基板上に金属酸化物を堆積する工程
を有する。

【0162】

第４の工程としては、例えば、図６（Ａ）に示す成膜室４１中で、アルゴンガス、窒素
ガスまたは酸素ガスが電離し、陽イオンと電子とに分かれてプラズマを形成する。その後
、プラズマ中の陽イオンは、ターゲットホルダ５２ａ、５２ｂに印加された電位によって
、スパッタリングターゲット１０ａ、１０ｂに向けて加速される。陽イオンがスパッタリ
ングターゲット１０ａ、１０ｂに衝突することで、スパッタ粒子が生成され、基板６０に
スパッタ粒子が堆積する。

【0163】

金属酸化物膜の成膜中のスパッタリングターゲット１０近傍の模式図を図１（Ｂ）に示
す。図１（Ｂ）には、スパッタリングターゲット１０、プラズマ３０、陽イオン２０、第
１のスパッタ粒子１１ａ、及び第２のスパッタ粒子１２ａを示す。

【0164】

図１（Ｂ）では、アルゴンガス、酸素ガスまたは窒素ガスが電離し、陽イオン２０と電
子（図示しない）とに分かれてプラズマ３０を形成する。その後、プラズマ３０中の陽イ
オン２０は、スパッタリングターゲット１０に向けて加速する。陽イオン２０がスパッタ
リングターゲット１０に衝突することで、第１のスパッタ粒子１１ａ及び第２のスパッタ
粒子１２ａが生成され、スパッタリングターゲット１０から、第１のスパッタ粒子１１ａ
及び第２のスパッタ粒子１２ａが弾き出される。なお、第１のスパッタ粒子１１ａは、第
１の領域１１から弾き出されるため、元素Ｍ１（例えば、ガリウム、アルミニウム、シリ
コンなど）及び亜鉛のいずれか一種または複数種を多く含むクラスタを形成している場合
がある。また、第２のスパッタ粒子１２ａは、第２の領域１２から弾き出されるため、イ
ンジウム、亜鉛、及び元素Ｍ２のいずれか一種または複数種を多く含むクラスタを形成し
ている場合がある。

【0165】

絶縁性材料を含む第１の領域１１から飛び出した第１のスパッタ粒子１１ａと、導電性
材料を含む第２の領域１２から飛び出した第２のスパッタ粒子１２ａと、がそれぞれ飛び
出して基板上に堆積する。基板上では、第１のスパッタ粒子１１ａを含み、導電性が比較
的低い領域と、第２のスパッタ粒子１２ａを含み、導電性が比較的高い領域が偏在して形
成される。

【0166】

元素Ｍ１としてガリウムを用いる場合、図７に示すように、スパッタリングターゲット
１０の上面に析出部１３が形成される場合がある。析出部１３は、第１の領域１１に含ま
れるガリウムが主に析出したものであり、表面張力により球状または粒状に形成される場
合がある。よって、析出部１３に含まれるガリウムの原子数比は、第１の領域１１に含ま
れるガリウムの原子数比より大きい場合がある。また、析出部１３では、表面を覆うよう
に、亜鉛または亜鉛の酸化物などが形成される場合がある。

【0167】

スパッタリングターゲット１０の上面に露出した第１の領域１１に、アルゴンイオンな
どに代表される陽イオン２０が衝突すると、第１の領域１１から酸素が排出され、ガリウ
ム、亜鉛などの単体がスパッタリングターゲット１０の表面に形成される。ガリウムの単
体は融点が約３０℃と低いため、スパッタリング処理によって生じる熱により、形成され
たガリウムの単体は溶解する。溶融したガリウムは、表面張力によって凝集し、球状また
は粒状の析出部１３が形成される。

【0168】

ここで、ガリウム単体の融点近傍における、亜鉛のガリウムに対する固溶域は、１ａｔ
ｏｍｉｃ％程度である。このため、析出部１３の内部には亜鉛がほとんど存在せず、析出
部１３の表面を覆うように、亜鉛または亜鉛の酸化物などが形成される場合がある。

【0169】

析出部１３から飛び出した第１のスパッタ粒子１１ａは、第１の領域１１から飛び出し
た第１のスパッタ粒子１１ａより、多くのガリウムを含む場合が多い。このため、スパッ
タリングによって基板上に形成される、第１のスパッタ粒子１１ａを含む領域に含有され
るガリウムの量が多くなる。このようにして、第１のスパッタ粒子１１ａを含み、導電性
が比較的低い領域に含まれるガリウムの量を多くすることで、第２のスパッタ粒子１２ａ
を含み、導電性が比較的高い領域と、より分離させることができる。ただし、析出部１３
の表面には亜鉛も存在するので、基板上に形成される、第１のスパッタ粒子１１ａ含む領
域近傍に亜鉛も存在する。

【0170】

このとき、スパッタリング装置の成膜室の端子に印加する電力は高いことが好ましい。
例えば、２．５ｋＷ以上、具体的には４．５ｋＷ程度印加することが好ましい。このよう
に、スパッタ電力を大きくすることにより、析出部１３を、より大きな規模で形成するこ
とができるので、第１のスパッタ粒子１１ａを含み、導電性が比較的低い領域と、第２の
スパッタ粒子１２ａを含み、導電性が比較的高い領域とを、より分離させることができる
。このような金属酸化物膜をトランジスタに用いることにより、電界効果移動度の向上を
図ることができる。

【0171】

次に、上記スパッタリングターゲットを用いて成膜した金属酸化物について説明する。

【0172】

上記スパッタリングターゲットを用いて成膜した金属酸化物は、少なくともＩｎを含む
ことが好ましい。特にＩｎ及びＺｎを含むことが好ましい。また、上記スパッタリングタ
ーゲットを用いて成膜した金属酸化物は、Ｉｎ及びＺｎに加えて、元素Ｍ１（元素Ｍ１は
、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂｅ、及びＢから選ばれる一種または複数種）が含ま
れると好ましい。また、上記スパッタリングターゲットを用いて成膜した金属酸化物は、
さらに、元素Ｍ２（元素Ｍ２は、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、及びＴａから
選ばれる一種または複数種）が含まれると好ましい。元素Ｍ１としては、Ｇａが好ましい
。また、元素Ｍ２としては、ＴｉまたはＧｅが好ましい。

【0173】

上記スパッタリングターゲットを用いて成膜した金属酸化物としては、例えば、Ｉｎ－
Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｇａ－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物、またはＩｎ－Ｇａ－Ｇｅ－Ｚｎ酸化
物などが挙げられる。

【0174】

なお、上記スパッタリングターゲットを用いて成膜した金属酸化物は、複数の成分を有
する。

【0175】

上記スパッタリングターゲットを用いて成膜した金属酸化物は、第１の成分と、第２の
成分と、を有し、第１の成分は、Ｍ１（Ｍ１は、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂｅ、
及びＢから選ばれる一種または複数種）酸化物、Ｍ１－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｍ１－Ｚｎ酸
化物、またはＩｎ－Ｍ１－Ｍ２－Ｚｎ酸化物（Ｍ２は、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍ
ｏ、Ｗ、及びＴａから選ばれる一種または複数種）を有し、第２の成分は、Ｉｎ酸化物、
Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｍ２酸化物、またはＩｎ－Ｍ２－Ｚｎ酸化物を有
する。

【0176】

また、Ｍ１酸化物の中でも、Ａｌ、Ｓｉに関しては、窒化物に置き換えてもよい。具体
的には、Ｍ１酸化物を、窒化アルミニウム、または窒化シリコンに置き換えてもよい。

【0177】

また、第１の成分と、第２の成分とは、混合する領域を有すると好ましい。なお、第１
の成分は、金属酸化物中に、１乃至５０ａｔｏｍｉｃ％有すると好ましい。また、第２の
成分は、金属酸化物中に、０．０１乃至５ａｔｏｍｉｃ％有すると好ましい。

【0178】

上記スパッタリングターゲットを用いて成膜した金属酸化物は、複数の成分により構成
されるため、複数のエネルギーギャップを有する。より詳しくは、上記スパッタリングタ
ーゲットを用いて成膜した金属酸化物は、複数のエネルギーバンドの伝導帯下端のエネル
ギー準位を有する。なお、場合によっては、複数の成分を複数の領域と言い換えてもよい
。

【0179】

別言すると、上記スパッタリングターゲットを用いて成膜した金属酸化物は、エネルギ
ーバンドの伝導帯下端のエネルギー準位が高い第１の領域と、第１の領域よりもエネルギ
ーバンドの伝導帯下端のエネルギー準位が低い第２の領域と、を有し、第２の領域は、第
１の領域よりもキャリアが多く、第１の領域と、第２の領域との伝導帯下端のエネルギー
準位の差が０．２ｅＶ以上である。

【0180】

ここで、金属酸化物がＩｎ、元素Ｍ１、元素Ｍ２、及びＺｎを有する構成について図８
を用いて説明を行う。

【0181】

＜金属酸化物の構成＞
図８は、本発明の一態様におけるＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ－Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓ
ｉｔｅ）構成を有する金属酸化物の概念図である。なお、本明細書において、本発明の一
態様である金属酸化物が、半導体の機能を有する場合、ＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ－Ａｌｉｇｎ
ｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）－ＯＳ（Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、また
はＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅと定義する。

【0182】

なお、ＣＡＣ－ＯＳ、またはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、マトリックス複合材
（ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）、または金属マトリックス複合材（ｍｅｔａｌ
ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と称する場合もある。従って、ＣＡＣ－ＯＳを、Ｃ
ｌｏｕｄ－Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ－ＯＳと称してもよい。

【0183】

ＣＡＣ－ＯＳとは、例えば、図８に示すように、金属酸化物を構成する元素が偏在する
ことで、各元素を主成分とする領域００１、および領域００２を形成し、各領域が、混合
し、モザイク状に形成される。つまり、金属酸化物を構成する元素が、０．５ｎｍ以上１
０ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上２ｎｍ以下、またはその近傍のサイズで偏在した材
料の一構成である。なお、以下では、金属酸化物において、一つあるいはそれ以上の金属
元素が偏在し、該金属元素を有する領域が、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは、
１ｎｍ以上２ｎｍ以下、またはその近傍のサイズで混合した状態をモザイク状、またはパ
ッチ状ともいう。

【0184】

例えば、ＣＡＣ構成を有するＩｎ－Ｍ１－Ｍ２－Ｚｎ酸化物とは、Ｉｎ酸化物（以下、
ＩｎＯ_Ｘ１（Ｘ１は０よりも大きい実数）とする。）、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物（以下、Ｉｎ_Ｘ
２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２（Ｘ２、Ｙ２、およびＺ２は、それぞれ０よりも大きい実数）とする。
）、またはＩｎ－Ｍ２－Ｚｎ酸化物（以下、Ｉｎ_Ｗ３Ｍ２_Ｘ３Ｚｎ_Ｙ３Ｏ_Ｚ３（Ｗ３、Ｘ
３、Ｙ３、およびＺ３は、それぞれ０よりも大きい実数）とする。）と、元素Ｍ１を含む
酸化物と、にそれぞれ材料が分離することでモザイク状となり、モザイク状のＩｎＯ_Ｘ１
、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎ_Ｗ３Ｍ２_Ｘ３Ｚｎ_Ｙ３Ｏ_Ｚ３と、元素Ｍ１を含む
酸化物とが、膜中に分布した構成（以下、クラウド状ともいう。）である。

【0185】

別言すると、本発明の一態様の金属酸化物は、Ｉｎ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－
Ｍ１酸化物、Ｉｎ－Ｍ１－Ｚｎ酸化物、Ｍ１－Ｚｎ酸化物、Ｍ１－Ｍ２酸化物、Ｍ２酸化
物、Ｉｎ－Ｍ２酸化物、Ｉｎ－Ｍ２－Ｚｎ酸化物、Ｍ２－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｍ１－Ｍ２
－Ｚｎ酸化物の中から選ばれる、少なくとも２以上の複数の酸化物または複数の成分を有
する。特に、２以上の複数の酸化物としては、Ｉｎを含む酸化物またはＩｎ及び元素Ｍ２
を含む酸化物と、元素Ｍ１を含む酸化物とのそれぞれから選択されると好ましい。

【0186】

例えば、元素Ｍ１がＧａであり、元素Ｍ２がＴｉである場合、本発明の一態様の金属酸
化物は、Ｉｎ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物、Ｇａ－Ｔｉ酸化物、Ｉｎ－Ｇａ酸化物、Ｉｎ－
Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ｔｉ酸化物、Ｉｎ－Ｔｉ酸化物、Ｉｎ－Ｔｉ－Ｚ
ｎ酸化物、Ｔｉ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｔｉ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物の中から選ばれる、少なく
とも２以上を有する。特に、本発明の一態様の金属酸化物は、上記酸化物のうち、Ｇａを
含む酸化物と、Ｔｉを含む酸化物と、Ｚｎを含む酸化物と、を組み合わせたＩｎ－Ｇａ－
Ｔｉ－Ｚｎ酸化物としてもよい。

【0187】

また、元素Ｍ１がＧａであり、元素Ｍ２がＧｅである場合、本発明の一態様の金属酸化
物は、Ｉｎ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物、Ｇａ－Ｇｅ酸化物、Ｉｎ－Ｇａ酸化物、Ｉｎ－Ｇ
ａ－Ｚｎ酸化物、Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ｇｅ酸化物、Ｉｎ－Ｇｅ酸化物、Ｉｎ－Ｇｅ－Ｚｎ
酸化物、Ｇｅ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｇａ－Ｇｅ－Ｚｎ酸化物の中から選ばれる、少なくと
も２以上を有する。特に、本発明の一態様の金属酸化物は、上記酸化物のうち、Ｇａを含
む酸化物と、Ｇｅを含む酸化物と、Ｚｎを含む酸化物と、を組み合わせたＩｎ－Ｇａ－Ｇ
ｅ－Ｚｎ酸化物としてもよい。

【0188】

なお、元素Ｍ１がＧａであり、元素Ｍ２を有しない構成としてもよい。この場合、本発
明の一態様の金属酸化物は、Ｉｎ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物、Ｇａ酸化物、Ｉｎ－Ｇａ酸
化物、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ｚｎ酸化物の中から選ばれる、少な
くとも２以上を有する。

【0189】

すなわち、本発明の一態様の金属酸化物は、複数の材料または複数の成分を有する複合
材料、あるいはコンポジット材料ともいえる。

【0190】

ここで、図８に示す概念が、ＣＡＣ構成を有するＩｎ－Ｍ１－Ｍ２－Ｚｎ酸化物である
と仮定する。その場合、領域００１が元素Ｍ１を含む酸化物を主成分とする領域、また、
領域００２がＩｎＯ_Ｘ１、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎ_Ｗ３Ｍ２_Ｘ３Ｚｎ_Ｙ３Ｏ
_Ｚ３を主成分とする領域であるといえる。このとき、領域００１と、領域００２とは、周
辺部が不明瞭である（ボケている）ため、それぞれ明確な境界が観察できない場合がある
。

【0191】

つまり、ＣＡＣ構成を有するＩｎ－Ｍ１－Ｍ２－Ｚｎ酸化物は、元素Ｍ１を含む酸化物
が主成分である領域と、ＩｎＯ_Ｘ１、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎ_Ｗ３Ｍ２_Ｘ３
Ｚｎ_Ｙ３Ｏ_Ｚ３が主成分である領域とが、混合している金属酸化物である。従って、金属
酸化物を複合金属酸化物と記載する場合がある。

【0192】

また、領域００１は、さらに亜鉛を含むことが好ましい。このとき、領域００１及び領
域００２で共通して亜鉛を含む。さらに、領域００１と領域００２の間の領域（例えば、
図８で灰色で示される領域に相当し、領域００１と領域００２の周辺部の不明瞭な領域な
ども含む。）にも亜鉛が含まれることが好ましい。亜鉛が金属酸化物中にクラウド状に広
がっており、領域００１と領域００２は、亜鉛が含まれる領域を介して連結されていると
いうこともできる。なお、領域００１と領域００２の間の領域に含まれる亜鉛の原子数比
は、領域００１または領域００２に含まれる亜鉛の原子数比より大きくなる場合がある。

【0193】

また、ＣＡＣ構成を有するＩｎ－Ｍ１－Ｍ２－Ｚｎ酸化物において、領域００１、及び
領域００２における結晶構造は、特に限定されない。また、領域００１、及び領域００２
は、それぞれ、異なる結晶構造を有していてもよい。

【0194】

例えば、ＣＡＣ構成を有するＩｎ－Ｍ１－Ｍ２－Ｚｎ酸化物は、非単結晶構造を有する
酸化物半導体であることが好ましい。非単結晶構造として、例えば、ＣＡＡＣ－ＯＳ、多
結晶酸化物半導体、ｎｃ－ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍ
ｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈ
ｏｕｓ－ｌｉｋｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）および非晶質酸化物半導
体などがある。

【0195】

なお、ＣＡＡＣ－ＯＳは、ＣＡＡＣ構造を有する。ＣＡＡＣ構造とは、ｃ軸配向性を有
し、かつａ－ｂ面方向において複数のナノ結晶が連結し、歪みを有した結晶構造の酸化物
半導体である。なお、歪みとは、複数のナノ結晶が連結する領域において、格子配列の揃
った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を
指す。

【0196】

ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合
がある。また、歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する場合がある
。従って、ＣＡＡＣ－ＯＳにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界（グレインバ
ウンダリーともいう）を確認することはできない。即ち、格子配列の歪みによって、結晶
粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、ＣＡＡＣ－ＯＳが、ａ－ｂ面方向に
おいて原子配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化
することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。

【0197】

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、異なるナ
ノ結晶間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。し
たがって、ｎｃ－ＯＳは、分析方法によっては、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳや非晶質酸化物半導
体と区別が付かない場合がある。

【0198】

ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物
半導体である。ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、鬆または低密度領域を有する。即ち、ａ－ｌｉｋ
ｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳおよびＣＡＡＣ－ＯＳと比べて、不安定な構造である。

【0199】

ここで、本発明の一態様の金属酸化物が、Ｉｎ－Ｇａ－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物である場合に
ついて説明する。ＩｎＯ_Ｘ１、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎ_Ｗ３Ｔｉ_Ｘ３Ｚｎ_Ｙ
３Ｏ_Ｚ３と、Ｉｎ_ａＧａ_ｂＴｉ_ｃＺｎ_ｄＯ_ｅ（ａ、ｂ、ｃ、ｄ、及びｅは、それぞれ０よ
りも大きい実数とする。）と、に材料が分離することでモザイク状となる。

【0200】

つまり、Ｉｎ－Ｇａ－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ－ＯＳは、Ｉｎ_ａＧａ_ｂＴｉ_ｃ
Ｚｎ_ｄＯ_ｅが主成分である領域と、ＩｎＯ_Ｘ１、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎ_Ｗ
３Ｔｉ_Ｘ３Ｚｎ_Ｙ３Ｏ_Ｚ３が主成分である領域と、が混合している構成を有する複合金属
酸化物である。また、Ｉｎ_ａＧａ_ｂＴｉ_ｃＺｎ_ｄＯ_ｅが主成分である領域と、ＩｎＯ_Ｘ１
、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎ_Ｗ３Ｔｉ_Ｘ３Ｚｎ_Ｙ３Ｏ_Ｚ３が主成分である領域
とは、周辺部が不明瞭である（ボケている）ため、明確な境界が観察できない場合がある
。

【0201】

例えば、図８に示す概念図において、領域００１がＩｎ_ａＧａ_ｂＴｉ_ｃＺｎ_ｄＯ_ｅを主
成分とする領域に相当し、領域００２がＩｎＯ_Ｘ１、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩ
ｎ_Ｗ３Ｔｉ_Ｘ３Ｚｎ_Ｙ３Ｏ_Ｚ３を主成分とする領域に相当する。なお、Ｉｎ_ａＧａ_ｂＴｉ
_ｃＺｎ_ｄＯ_ｅを主成分とする領域、及びＩｎＯ_Ｘ１、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩ
ｎ_Ｗ３Ｔｉ_Ｘ３Ｚｎ_Ｙ３Ｏ_Ｚ３を主成分とする領域を、それぞれナノ粒子と呼称してもよ
い。当該ナノ粒子は、粒子の径が０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、代表的には１ｎｍ以上２
ｎｍ以下である。また、上記ナノ粒子は、周辺部が不明瞭である（ボケている）ため、明
確な境界が観察できない場合がある。

【0202】

なお、領域００１、および領域００２のサイズは、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤ
Ｘ：Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を
用いて取得したＥＤＸマッピングで評価することができる。例えば、領域００１は、断面
写真のＥＤＸマッピングにおいて、領域００１の径が、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、ま
たは１ｎｍ以上２ｎｍ以下で観察される場合がある。また、領域の中心部から周辺部にか
けて、主成分である元素の密度は、徐々に小さくなる。例えば、ＥＤＸマッピングでカウ
ントできる元素の個数（以下、存在量ともいう）が、中心部から周辺部に向けて傾斜する
と、断面写真のＥＤＸマッピングにおいて、領域の周辺部が不明瞭な（ボケた）状態で観
察される。例えば、Ｉｎ_ａＧａ_ｂＴｉ_ｃＺｎ_ｄＯ_ｅが主成分である領域において、Ｇａ原
子は、中心部から周辺部にかけて徐々に減少し、代わりに、Ｉｎ原子、Ｔｉ原子、および
Ｚｎ原子が増加することで、Ｉｎ_Ｗ３Ｔｉ_Ｘ３Ｚｎ_Ｙ３Ｏ_Ｚ３が主成分である領域へと段
階的に変化する。従って、ＥＤＸマッピングにおいて、Ｉｎ_Ｗ３Ｔｉ_Ｘ３Ｚｎ_Ｙ３Ｏ_Ｚ３
が主成分である領域の周辺部は不明瞭な（ボケた）状態で観察される。

【0203】

なお、ＣＡＣ構成を有するＩｎ－Ｇａ－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物における結晶構造は、特に限
定されない。また、領域００１、および領域００２は、それぞれ、異なる結晶構造を有し
ていてもよい。例えば、ＣＡＣ構成を有するＩｎ－Ｇａ－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物は、非単結晶
構造を有する酸化物半導体であることが好ましい。

【0204】

なお、Ｉｎ－Ｇａ－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ－ＯＳにおける結晶性については
、電子線回折で評価することができる。例えば、電子線回折を用いてＩｎ－Ｇａ－Ｔｉ－
Ｚｎ酸化物を分析した場合、電子線回折パターン像において、リング状に輝度の高い領域
、およびリング状に輝度の高い領域内に、複数のスポットが観察される場合がある。

【0205】

なお、ＣＡＣ－ＯＳにおける結晶性を評価する場合、電子線のビーム径、すなわち観察
する領域の面積によって、異なるパターンが確認される場合がある。例えば、ＣＡＣ－Ｏ
Ｓにおける結晶性を評価する場合には、電子線のビーム径を１ｎｍΦ以上１００ｎｍΦ以
下で測定する、所謂ナノビーム電子線回折（ＮＢＥＤ：Ｎａｎｏ Ｂｅａｍ Ｅｌｅｃｔ
ｒｏｎ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）を用いると好適である。

【0206】

また、ＩｎＯ_Ｘ１、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎ_Ｗ３Ｔｉ_Ｘ３Ｚｎ_Ｙ３Ｏ_Ｚ３
が主成分である領域（図８における領域００２）は、Ｉｎ_ａＧａ_ｂＴｉ_ｃＺｎ_ｄＯ_ｅが主
成分である領域（図８における領域００１）と比較して、キャリア密度が大きい領域であ
る。つまり、ＩｎＯ_Ｘ１、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎ_Ｗ３Ｔｉ_Ｘ３Ｚｎ_Ｙ３Ｏ
_Ｚ３が主成分である領域を、キャリアが流れることにより、金属酸化物としての導電性が
発現する。従って、ＩｎＯ_Ｘ１、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎ_Ｗ３Ｔｉ_Ｘ３Ｚｎ
_Ｙ３Ｏ_Ｚ３が主成分である領域が、金属酸化物中にクラウド状に分布することで、高い電
界効果移動度（μ）が実現できる。なお、ＩｎＯ_Ｘ１、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、または
Ｉｎ_Ｗ３Ｔｉ_Ｘ３Ｚｎ_Ｙ３Ｏ_Ｚ３などが主成分である領域は、導電体の性質に近い、半導
体の領域ともいえる。

【0207】

一方、Ｉｎ_ａＧａ_ｂＴｉ_ｃＺｎ_ｄＯ_ｅなどが主成分である領域は、ＩｎＯ_Ｘ１、Ｉｎ_Ｘ
２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎ_Ｗ３Ｔｉ_Ｘ３Ｚｎ_Ｙ３Ｏ_Ｚ３が主成分である領域と比較し
て、キャリア密度が小さくなる。つまり、Ｉｎ_ａＧａ_ｂＴｉ_ｃＺｎ_ｄＯ_ｅなどが主成分で
ある領域が、金属酸化物中に分布することで、リーク電流を抑制し、良好なスイッチング
動作を実現できる。なお、Ｉｎ_ａＧａ_ｂＴｉ_ｃＺｎ_ｄＯ_ｅなどが主成分である領域は、絶
縁体の性質に近い、半導体の領域ともいえる。

【0208】

従って、Ｉｎ－Ｇａ－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ－ＯＳを半導体素子に用いた場
合、Ｉｎ_ａＧａ_ｂＴｉ_ｃＺｎ_ｄＯ_ｅなどに起因する性質と、ＩｎＯ_Ｘ１、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ
２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎ_Ｗ３Ｔｉ_Ｘ３Ｚｎ_Ｙ３Ｏ_Ｚ３に起因する性質とが、相補的に作用す
ることにより、高いオン電流（Ｉ_ｏｎ）、高い電界効果移動度（μ）、および、低いオフ
電流（Ｉ_ｏｆｆ）を実現することができる。

【0209】

また、上記のように、領域００１、領域００２、及び領域００１と領域００２の間の領
域に亜鉛を含ませることにより、亜鉛を導電パスとして、領域００１と領域００２を電気
的に連結させることができる。このようにして、亜鉛を導電パスとして、金属酸化物膜に
キャリア（電子）が流れる。

【0210】

また、Ｉｎ－Ｇａ－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ－ＯＳを用いた半導体素子は、信
頼性が高い。従って、Ｉｎ－Ｇａ－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ－ＯＳは、ディスプ
レイをはじめとするさまざまな半導体装置に最適である。

【0211】

＜金属酸化物を有するトランジスタ＞
続いて、上記金属酸化物を半導体としてトランジスタに用いる場合について、図９を用
いて説明する。

【0212】

なお、上記金属酸化物を半導体としてトランジスタに用いることで、電界効果移動度が
高く、かつ、スイッチング特性が高いトランジスタを実現することができる。また、信頼
性の高いトランジスタを実現することができる。

【0213】

図９（Ａ）は、上記金属酸化物をチャネル領域に用いたトランジスタの模式図である。
図９（Ａ）において、トランジスタは、ソースと、ドレインと、第１のゲートと、第２の
ゲートと、第１のゲート絶縁部と、第２のゲート絶縁部と、チャネル部と、を有する。ト
ランジスタは、ゲートに印加する電位によって、チャネル部の抵抗を制御することができ
る。即ち、第１のゲート、または第２のゲートに印加する電位によって、ソースとドレイ
ンとの間の導通（トランジスタがオン状態）・非導通（トランジスタがオフ状態）を制御
することができる。

【0214】

ここで、チャネル部は、第１のバンドギャップを有する領域００１と、第２のバンドギ
ャップを有する領域００２と、がクラウド状であるＣＡＣ－ＯＳを有している。なお、第
１のバンドギャップは、第２のバンドギャップよりも大きいものとする。

【0215】

例えば、チャネル部のＣＡＣ－ＯＳとして、ＣＡＣ構成を有するＩｎ－Ｇａ－Ｔｉ－Ｚ
ｎ酸化物を用いる場合について説明する。ＣＡＣ構成を有するＩｎ－Ｇａ－Ｔｉ－Ｚｎ酸
化物は、領域００１として、領域００２よりもＧａの濃度が高いＩｎ_ａＧａ_ｂＴｉ_ｃＺｎ
_ｄＯ_ｅを主成分とする領域と、領域００２として、領域００１よりもＩｎの濃度が高いＩ
ｎＯ_Ｘ１、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎ_Ｗ３Ｔｉ_Ｘ３Ｚｎ_Ｙ３Ｏ_Ｚ３が主成分で
ある領域と、に材料が分離することでモザイク状となり、Ｉｎ_ａＧａ_ｂＴｉ_ｃＺｎ_ｄＯ_ｅ
、ＩｎＯ_Ｘ１、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎ_Ｗ３Ｔｉ_Ｘ３Ｚｎ_Ｙ３Ｏ_Ｚ３が、膜
中に分布した構成（クラウド状）である。なお、Ｉｎ_ａＧａ_ｂＴｉ_ｃＺｎ_ｄＯ_ｅを主成分
とする領域００１は、ＩｎＯ_Ｘ１、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎ_Ｗ３Ｔｉ_Ｘ３Ｚ
ｎ_Ｙ３Ｏ_Ｚ３が主成分である領域００２よりも、大きなバンドギャップを有する。

【0216】

次に、図９（Ａ）に示すトランジスタの伝導モデルについて、図９（Ｂ）を用いて説明
する。図９（Ｂ）は、図９（Ａ）に示すトランジスタのソースとドレインとの間における
エネルギー準位の分布を説明する模式図である。また、図９（Ｃ）は、図９（Ａ）に示す
トランジスタにおいて、Ｘ－Ｘ’で示す実線上における伝導バンド図である。なお、各伝
導バンド図において、実線は伝導帯下端のエネルギーを示す。また、Ｅ_ｆで示す一点破線
は電子の擬フェルミ準位のエネルギーを示す。また、ここでは、第１のゲート電圧として
、ゲートとソースとの間にマイナスの電圧を印加し、ソースとドレインとの間にドレイン
電圧（Ｖ_ｄ＞０）を印加する場合を想定する。なお、図９においては、伝導帯下端のエネ
ルギーをＣＢと記す。

【0217】

図９（Ａ）に示すトランジスタに、マイナスのゲート電圧を印加すると、図９（Ｂ）に
示すように、ソースとドレインとの間に、領域００１に由来する伝導帯下端のエネルギー
ＣＢ_００１と、領域００２に由来する伝導帯下端のエネルギーＣＢ_００２と、が形成され
る。ここで、第１のバンドギャップは第２のバンドギャップよりも大きいため、伝導帯下
端のエネルギーＣＢ_００１におけるポテンシャル障壁は、伝導帯下端のエネルギーＣＢ_０
０２のポテンシャル障壁よりも大きい。つまり、チャネル部におけるポテンシャル障壁の
最大値は、領域００１に起因する値をとる。従って、ＣＡＣ－ＯＳをチャネル部に用いる
ことで、リーク電流を抑制し、スイッチング特性が高いトランジスタとすることができる
。

【0218】

また、図９（Ｃ）に示すように、第１のバンドギャップを有する領域００１は、第２の
バンドギャップを有する領域００２より、バンドギャップが相対的に広いので、第１のバ
ンドギャップを有する領域００１のＥｃ端は、第２のバンドギャップを有する領域００２
のＥｃ端よりも相対的に高い位置に存在しうる。

【0219】

ここで、本発明の一態様の金属酸化物が、Ｉｎ－Ｇａ－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ
：Ｔｉ：Ｚｎ＝５：０．５：０．５：７［原子数比］）である構成を仮定する。

【0220】

Ｉｎ－Ｇａ－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物において、Ｔｉは、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎよりも価数が
多い。具体的には、Ｚｎが２価であり、Ｉｎ及びＧａが３価であり、Ｔｉが４価である。
金属酸化物中に、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎよりも価数の多い元素（ここではＴｉ）を用いる
ことで、当該元素がキャリア供給源となり、金属酸化物のキャリア密度を高くすることが
できる。また、Ｔｉは、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎと比べて、酸素との結合力が強い。したが
って、金属酸化物中にＴｉを含有させる構造とすることで、酸素欠損の生成を抑制するこ
とができる。したがって、本発明の一態様の金属酸化物をトランジスタの半導体層に用い
る場合、トランジスタの電界効果移動度を高め、且つ酸素欠損を抑制することで信頼性の
高い半導体装置とすることができる。

【0221】

なお、上記構成においては、Ｔｉについて説明したが、Ｔｉの代わりにＧｅ、Ｓｎ、Ｖ
、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、及びＴａを用いてもよい。

【0222】

また、上記構成の場合、第１のバンドギャップを有する領域００１の成分が、Ｉｎ－Ｇ
ａ－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物に起因し、第２のバンドギャップを有する領域００２の成分がＩｎ
－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物に起因する場合がある。この場合、第１のバンドギャップは、３．３
ｅＶ、またはその近傍であり、第２のバンドギャップは、２．４ｅＶ、またはその近傍と
なる。なお、バンドギャップの値は、各材料の単膜をエリプソメータで測定して得られる
値を用いることができる。

【0223】

また、本発明の一態様の金属酸化物は、領域００１に由来する伝導帯下端のエネルギー
準位と、領域００２に由来する伝導帯下端のエネルギー準位との差が、少なくとも０．２
ｅＶ以上あると好ましい。ただし、領域００１に由来する価電子帯上端のエネルギーの位
置と、領域００２に由来する価電子帯上端のエネルギーの位置が異なる場合があるので、
領域００１に由来する伝導帯下端のエネルギー準位と、領域００２に由来する伝導帯下端
のエネルギー準位との差は、好ましくは０．３ｅＶ以上、さらに好ましくは０．４ｅＶ以
上であるとよい。

【0224】

また、上記の仮定の場合、ＣＡＣ－ＯＳ中にキャリアが流れる際に、第２のバンドギャ
ップ、すなわちナローギャップを有するＩｎ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物、またはＩｎ－Ｔ
ｉ－Ｚｎ酸化物に起因してキャリアが流れる。この際に、第２のバンドギャップから第１
のバンドギャップ、すなわちワイドギャップを有するＩｎ－Ｇａ－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物側に
キャリアが溢れる。別言すると、ナローギャップを有するＩｎ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物
、またはＩｎ－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物の方がキャリアを生成しやすく、当該キャリアは、ワイ
ドギャップを有するＩｎ－Ｇａ－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物に移動する。

【0225】

なお、上述したナローギャップを有するＩｎ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物、及びＩｎ－Ｔ
ｉ－Ｚｎ酸化物の中でも、Ｉｎ－Ｔｉ－Ｚｎ酸化物は、Ｉｎ酸化物、及びＩｎ－Ｚｎ酸化
物よりも、さらにナローギャップを有する場合がある。よって、Ｉｎ酸化物、またはＩｎ
－Ｚｎ酸化物よりも、さらにキャリア密度を高くすることができる。

【0226】

なお、第１のバンドギャップ、すなわちワイドギャップを有する領域のキャリア密度は
、１×１０^１０ｃｍ^－３以上１×１０^１６ｃｍ^－３以下、好ましくは、１×１０^１５ｃｍ
^－３程度である。また、第２のバンドギャップ、すなわちナローギャップを有する領域の
キャリア密度は、１×１０^１８ｃｍ^－３以上１×１０^２１ｃｍ^－３未満が好ましい。

【0227】

なお、チャネルを形成する金属酸化物中において、領域００１と、領域００２とは、モ
ザイク状であり、領域００１、および領域００２は不規則に偏在している。そのため、Ｘ
－Ｘ’で示す実線上における伝導バンド図は一例である。

【0228】

次に、図９（Ｃ）に示す伝導バンド図と異なる伝導バンド図を図１０（Ａ）（Ｂ）（Ｃ
）に示す。

【0229】

本発明の一態様の金属酸化物においては、基本的には、図１０（Ａ）に示すように、領
域００２が領域００１に挟まれたバンドを形成していればよい。または、領域００１が領
域００２に挟まれたバンドを形成していればよい。

【0230】

また、ＣＡＣ－ＯＳでは、第１のバンドギャップを有する領域００１と第２のバンドギ
ャップを有する領域００２との接合部は、領域の凝集形態や組成に揺らぎが生じる場合が
ある。従って、図１０（Ｂ）、および図１０（Ｃ）に示すように、不連続ではなく、連続
的にバンドが変化する場合がある。すなわち、ＣＡＣ－ＯＳ中にキャリアが流れる際に、
第１のバンドギャップと、第２のバンドギャップとが連動すると言い換えても良い。

【0231】

次に、図９（Ａ）に示すトランジスタおいて、Ｘ－Ｘ’で示す実線上におけるバンドダ
イアグラムのモデル図を、図１１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示す。なお、第１のゲートに電圧
を印加する場合、第２のゲートにも同じ電圧が印加されるとする。

【0232】

図１１（Ａ）には、第１のゲート電圧Ｖ_ｇとして、ゲートとソースとの間にプラスの電
圧（Ｖ_ｇ＞０）を印加した状態（ＯＮ Ｓｔａｔｅ）を示す。図１１（Ｂ）には、第１の
ゲート電圧Ｖ_ｇを印加しない（Ｖ_ｇ＝０）状態を示す。図１１（Ｃ）には、第１のゲート
電圧Ｖ_ｇとして、ゲートとソースとの間にマイナスの電圧（Ｖ_ｇ＜０）を印加した状態（
ＯＦＦ Ｓｔａｔｅ）を示す。なお、各伝導バンド図において、実線は伝導帯下端のエネ
ルギーを示す。また、Ｅ_ｆで示す一点鎖線は電子の擬フェルミ準位のエネルギーを示す。

【0233】

ＣＡＣ－ＯＳをチャネル部に有するトランジスタは、第１のバンドギャップを有する領
域００１と第２のバンドギャップを有する領域００２とが、電気的に相互作用を及ぼす。
別言すると、第１のバンドギャップを有する領域００１と第２のバンドギャップを有する
領域００２とが、相補的に機能する。

【0234】

図１１（Ａ）に示すように、トランジスタをオン状態にする電位（Ｖ_ｇ＞０）が、第１
のゲートに印加されると、Ｅｃ端の低い第２のバンドギャップを有する領域００２が主な
伝導経路となり、電子が流れると同時に、第１のバンドギャップを有する領域００１にも
電子が流れる。このためトランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きな
オン電流および高い電界効果移動度を得ることができる。

【0235】

一方、図１１（Ｂ）、および図１１（Ｃ）に示すように、第１のゲートにしきい値電圧
未満の電圧（Ｖ_ｇ≦０）を印加することで、第１のバンドギャップを有する領域００１は
、誘電体（絶縁体）として振る舞うので、領域００１中の伝導経路は遮断される。また、
第２のバンドギャップを有する領域００２は、第１のバンドギャップを有する領域００１
と接している。従って、第１のバンドギャップを有する領域００１は、自らに加えて第２
のバンドギャップを有する領域００２へ電気的に相互作用を及ぼし、第２のバンドギャッ
プを有する領域００２中の伝導経路すらも遮断する。これでチャネル部全体が非導通状態
となり、トランジスタはオフ状態となる。

【0236】

以上の説明により、トランジスタにＣＡＣ－ＯＳを用いることで、トランジスタの動作
時、例えば、ゲートと、ソースまたはドレインとの間に電位差が生じた時に、ゲートと、
ソースまたはドレインと、の間のリーク電流を低減または防止することができる。

【0237】

また、トランジスタには、膜中の水素濃度が低減された金属酸化物を用いることが好ま
しい。なお、膜中の水素濃度が低減された金属酸化物を、高純度真性または実質的に高純
度真性と呼称する場合がある。高純度真性または実質的に高純度真性である金属酸化物は
、水素に起因するキャリア（例えば、酸素欠損に水素が存在するＶ_ｏＨなど）が少ないた
め、キャリア密度を低くすることができる。また、高純度真性または実質的に高純度真性
である金属酸化物は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある
。

【0238】

なお、高純度真性または実質的に高純度真性である金属酸化物は、水素に起因するキャ
リアが少ないため、キャリア密度が低くなる。ただし、本発明の一態様の金属酸化物は、
キャリア供給源となる元素（例えば、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、及びＴａ
から選ばれる一種または複数種）を有する構成であるため、水素に起因するキャリアが少
なくても、キャリア密度を高めることができる。

【0239】

また、金属酸化物のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失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、トラップ準位密度の高い
金属酸化物にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合が
ある。

【0240】

従って、トランジスタの電気特性を安定にするためには、金属酸化物中の不純物濃度を
低減することが有効である。また、金属酸化物中の不純物濃度を低減するためには、近接
する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、アルカリ金属
等がある。

【0241】

ここで、金属酸化物中における各不純物の影響について説明する。

【0242】

金属酸化物において、第１４族元素の一つである炭素が含まれると、金属酸化物におい
て欠陥準位が形成される。このため、金属酸化物における炭素の濃度と、金属酸化物との
界面近傍の炭素の濃度（二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ
Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる濃度）を、２×１０^１８ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする。

【0243】

また、金属酸化物にアルカリ金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成す
る場合がある。従って、アルカリ金属が含まれている金属酸化物を用いたトランジスタは
ノーマリーオン特性となりやすい。このため、金属酸化物中のアルカリ金属の濃度を低減
することが好ましい。具体的には、ＳＩＭＳにより得られる金属酸化物中のアルカリ金属
の濃度を、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは２×１０^１６ａｔｏｍｓ／
ｃｍ^３以下とする。

【0244】

また、金属酸化物に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため
、酸素欠損（Ｖ_ｏ）を形成する場合がある。該酸素欠損（Ｖ_ｏ）に水素が入ることで、キ
ャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素
と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、水素が含まれている金
属酸化物を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、金属酸化
物中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、金属酸化物におい
て、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上３×１０
^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上３×１０
^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満とする。

【0245】

なお、金属酸化物中の酸素欠損（Ｖ_ｏ）は、酸素を金属酸化物に導入することで、低減
することができる。つまり、金属酸化物中の酸素欠損（Ｖ_ｏ）に、酸素が補填されること
で、酸素欠損（Ｖ_ｏ）は消失する。従って、金属酸化物中に、酸素を拡散させることで、
トランジスタの酸素欠損（Ｖ_ｏ）を低減し、信頼性を向上させることができる。

【0246】

なお、酸素を金属酸化物に導入する方法として、例えば、金属酸化物に接して、化学量
論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物を設けることができる。つまり、酸
化物には、化学量論的組成よりも酸素が過剰に存在する領域（以下、過剰酸素領域ともい
う）が形成されていることが好ましい。特に、トランジスタに金属酸化物を用いる場合、
トランジスタ近傍の下地膜や、層間膜などに、過剰酸素領域を有する酸化物を設けること
で、トランジスタの酸素欠損を低減し、信頼性を向上させることができる。

【0247】

不純物が十分に低減された金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いること
で、安定した電気特性を付与することができる。

【0248】

なお、本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜、組み合わせて用
いることができる。

【0249】

（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様の金属酸化物を有する半導体装置、及び当該半導体
装置の作製方法について、図１２乃至図２３を参照して説明する。

【0250】

＜２－１．半導体装置の構成例１＞
図１２（Ａ）は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ１００Ａの上面図で
あり、図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１－Ｘ２間における切断面の断面
図に相当し、図１２（Ｃ）は、図１２（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１－Ｙ２間における切断面
の断面図に相当する。また、図１２（Ｄ）は、図１２（Ｂ）に示す領域Ｐ１を拡大した断
面概念図に相当する。

【0251】

なお、図１２（Ａ）において、煩雑になることを避けるため、トランジスタ１００Ａの
構成要素の一部（ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜等）を省略して図示している。また
、一点鎖線Ｘ１－Ｘ２方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｙ１－Ｙ２方向をチャネル幅方向
と呼称する場合がある。なお、トランジスタの上面図においては、以降の図面においても
図１２（Ａ）と同様に、構成要素の一部を省略して図示する場合がある。

【0252】

トランジスタ１００Ａは、基板１０２上の導電膜１０６と、基板１０２及び導電膜１０
６上の絶縁膜１０４と、絶縁膜１０４上の金属酸化物１０８と、金属酸化物１０８上の導
電膜１１２ａと、金属酸化物１０８上の導電膜１１２ｂと、金属酸化物１０８、導電膜１
１２ａ、及び導電膜１１２ｂ上の絶縁膜１１４と、絶縁膜１１４上の絶縁膜１１６と、絶
縁膜１１６上の導電膜１２０ａと、絶縁膜１１６上の導電膜１２０ｂと、を有する。

【0253】

また、絶縁膜１０４は、開口部１５１を有し、絶縁膜１０４上には、開口部１５１を介
して導電膜１０６と電気的に接続される導電膜１１２ｃが形成される。また、絶縁膜１１
４及び絶縁膜１１６は、導電膜１１２ｂに達する開口部１５２ａと、導電膜１１２ｃに達
する開口部１５２ｂとを有する。

【0254】

金属酸化物１０８は、実施の形態１に示す本発明の一態様の金属酸化物を有する。ここ
で、図１２（Ｄ）を用いて、本発明の一態様の金属酸化物と、導電膜との接続について説
明を行う。

【0255】

図１２（Ｄ）の領域Ｐ１に示すように、金属酸化物１０８の上面及び側面と導電膜１１
２ａが接するため、接触抵抗を低減できる。また、金属酸化物１０８は、図８に示すＣＡ
Ｃ構成を有するため、ＣＡＣ構成が有する領域００２、すなわち、導電性が高い領域と導
電膜１１２ａとが接するため、さらに接触抵抗を低減できる。なお、図示していないが、
金属酸化物１０８と、導電膜１１２ｂとの接続についても、領域Ｐ１と同様である。

【0256】

本発明の一態様の金属酸化物は、高い導電性領域を有し、且つ導電膜との接触抵抗が低
減されている。したがって、当該金属酸化物を有するトランジスタの電界効果移動度を高
めることができる。

【0257】

例えば、トランジスタ１００Ａの電界効果移動度が５０ｃｍ^２／Ｖｓを超える、さらに
好ましくはトランジスタ１００Ａの電界効果移動度が１００ｃｍ^２／Ｖｓを超えることが
可能となる。

【0258】

例えば、上記の電界効果移動度が高いトランジスタを、表示装置が有するゲート信号を
生成するゲートドライバに用いることで、額縁幅の狭い（狭額縁ともいう）表示装置を提
供することができる。また、上記の電界効果移動度が高いトランジスタを、表示装置が有
する信号線からの信号の供給を行うソースドライバ（とくに、ソースドライバが有するシ
フトレジスタの出力端子に接続されるデマルチプレクサ）に用いることで、表示装置に接
続される配線数が少ない表示装置を提供することができる。

【0259】

また、金属酸化物１０８中に混入する水素または水分などの不純物は、トランジスタ特
性に影響を与えるため問題となる。したがって、金属酸化物１０８中のチャネル領域にお
いては、水素または水分などの不純物が少ないほど好ましい。また、金属酸化物１０８中
のチャネル領域に形成される酸素欠損は、トランジスタ特性に影響を与えるため問題とな
る。例えば、金属酸化物１０８のチャネル領域中に酸素欠損が形成されると、該酸素欠損
に水素が結合し、キャリア供給源となる。金属酸化物１０８のチャネル領域中にキャリア
供給源が生成されると、金属酸化物１０８を有するトランジスタ１００Ａの電気特性の変
動、代表的にはしきい値電圧のシフトが生じる。したがって、金属酸化物１０８のチャネ
ル領域においては、酸素欠損が少ないほど好ましい。

【0260】

また、導電膜１１２ｃと導電膜１２０ａとは、開口部１５２ｂを介して電気的に接続さ
れ、導電膜１１２ｂと導電膜１２０ｂとは、開口部１５２ａを介して電気的に接続される
。なお、導電膜１２０ａと、導電膜１２０ｂとは、同じ導電膜を加工することで形成され
る。

【0261】

また、トランジスタ１００Ａの上には、絶縁膜１１８が設けられる。絶縁膜１１８は、
絶縁膜１１６、導電膜１２０ａ、及び導電膜１２０ｂを覆うように形成される。

【0262】

なお、トランジスタ１００Ａにおいて、絶縁膜１０４は、トランジスタ１００Ａの第１
のゲート絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜１１４、１１６は、トランジスタ１００Ａの
第２のゲート絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜１１８は、トランジスタ１００Ａの保護
絶縁膜としての機能を有する。

【0263】

また、トランジスタ１００Ａにおいて、導電膜１０６は、第１のゲート電極としての機
能を有し、導電膜１２０ａは、第２のゲート電極としての機能を有し、導電膜１２０ｂは
、表示装置に用いる画素電極としての機能を有する。また、トランジスタ１００Ａにおい
て、導電膜１１２ａは、ソース電極としての機能を有し、導電膜１１２ｂは、ドレイン電
極としての機能を有する。また、トランジスタ１００Ａにおいて、導電膜１１２ｃは接続
電極としての機能を有する。なお、本明細書等において、絶縁膜１０４を第１の絶縁膜と
、絶縁膜１１４、１１６を第２の絶縁膜と、絶縁膜１１８を第３の絶縁膜と、それぞれ呼
称する場合がある。

【0264】

また、図１２（Ｃ）に示すように、第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ａは
、接続電極として機能する導電膜１１２ｃを間に挟んで、第１のゲート電極として機能す
る導電膜１０６と電気的に接続される。よって、導電膜１０６と、導電膜１２０ａとは、
同じ電位が与えられる。

【0265】

また、図１２（Ｃ）に示すように、金属酸化物１０８は、第１のゲート電極として機能
する導電膜１０６と、第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ａのそれぞれと対向
するように位置し、２つのゲート電極として機能する膜に挟まれている。導電膜１２０ａ
のチャネル長方向の長さ、及び導電膜１２０ａのチャネル幅方向の長さは、金属酸化物１
０８のチャネル長方向の長さ、及び金属酸化物１０８のチャネル幅方向の長さよりもそれ
ぞれ長く、金属酸化物１０８の全体は、絶縁膜１１４、１１６を介して導電膜１２０ａに
覆われている。

【0266】

別言すると、トランジスタ１００Ａのチャネル幅方向において、第１のゲート電極とし
て機能する導電膜１０６及び第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ａは、第１の
ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜１０４及び第２のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜
１１４、１１６を介して金属酸化物１０８を囲む構成である。

【0267】

このような構成を有することで、トランジスタ１００Ａに含まれる金属酸化物１０８を
、第１のゲート電極として機能する導電膜１０６及び第２のゲート電極として機能する導
電膜１２０ａの電界によって電気的に囲むことができる。トランジスタ１００Ａのように
、第１のゲート電極及び第２のゲート電極の電界によって、チャネル領域が形成される金
属酸化物を、電気的に囲むトランジスタのデバイス構造をＳｕｒｒｏｕｎｄｅｄ ｃｈａ
ｎｎｅｌ（Ｓ－ｃｈａｎｎｅｌ）構造と呼ぶことができる。

【0268】

トランジスタ１００Ａは、Ｓ－ｃｈａｎｎｅｌ構造を有するため、第１のゲート電極と
して機能する導電膜１０６によってチャネルを誘起させるための電界を効果的に金属酸化
物１０８に印加することができるため、トランジスタ１００Ａの電流駆動能力が向上し、
高いオン電流特性を得ることが可能となる。また、オン電流を高くすることが可能である
ため、トランジスタ１００Ａを微細化することが可能となる。また、トランジスタ１００
Ａは、金属酸化物１０８が第１のゲート電極として機能する導電膜１０６及び第２のゲー
ト電極として機能する導電膜１２０ａによって囲まれた構造を有するため、トランジスタ
１００Ａの機械的強度を高めることができる。

【0269】

＜２－２．半導体装置の構成例２＞
次に、図１２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）に示すトランジスタ１００Ａの変形例について
、図１３乃至図１５を用いて説明する。

【0270】

まず、図１３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）を用いて説明を行う。

【0271】

図１３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、図１２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ａ
の変形例であるトランジスタ１００Ｂの上面図及び断面図である。また、図１３（Ｄ）は
、図１３（Ｂ）に示す領域Ｐ２を拡大した断面概念図に相当する。

【0272】

図１３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ｂは、図１２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）
に示すトランジスタ１００Ａが有する金属酸化物１０８を２層の積層構造としている。よ
り具体的には、トランジスタ１００Ｂが有する金属酸化物１０８は、金属酸化物１０８＿
２と、金属酸化物１０８＿２上の金属酸化物１０８＿３と、を有する。

【0273】

例えば、金属酸化物１０８が有する金属酸化物１０８＿２に、本発明の一態様の金属酸
化物を用いることができる。

【0274】

また、図１３（Ｄ）の領域Ｐ２に示すように、金属酸化物１０８の上面及び側面と導電
膜１１２ａが接するため、接触抵抗を低減できる。また、金属酸化物１０８が有する金属
酸化物１０８＿２は、図８に示すＣＡＣ構成を有するため、ＣＡＣ構成が有する領域００
２、すなわち、導電性が高い領域と導電膜１１２ａとが接するため、さらに接触抵抗を低
減できる。また、導電性の低い金属酸化物、例えば、ワイドバンドギャップ（例えば、Ｅ
ｇが３．３ｅＶ以上）の酸化物を金属酸化物１０８＿３に用いたとしても、金属酸化物１
０８＿２の側面と、導電膜１１２ａとが接することで接触抵抗を、低減することができる
。なお、図示していないが、金属酸化物１０８と、導電膜１１２ｂとの接続についても、
領域Ｐ２と同様である。

【0275】

次に、図１４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）を用いて説明を行う。

【0276】

図１４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、図１２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ａ
の変形例であるトランジスタ１００Ｃの上面図及び断面図である。また、図１４（Ｄ）は
、図１４（Ｂ）に示す領域Ｐ３を拡大した断面概念図に相当する。

【0277】

図１４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ｃは、図１２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）
に示すトランジスタ１００Ａが有する金属酸化物１０８を３層の積層構造としている。よ
り具体的には、トランジスタ１００Ｃが有する金属酸化物１０８は、金属酸化物１０８＿
１と、金属酸化物１０８＿１上の金属酸化物１０８＿２と、金属酸化物１０８＿２上の金
属酸化物１０８＿３と、を有する。

【0278】

例えば、金属酸化物１０８が有する金属酸化物１０８＿２に、本発明の一態様の金属酸
化物を用いることができる。

【0279】

また、図１４（Ｄ）の領域Ｐ３に示すように、金属酸化物１０８の上面及び側面と導電
膜１１２ａが接するため、接触抵抗を低減できる。また、金属酸化物１０８が有する金属
酸化物１０８＿２は、図８に示すＣＡＣ構成を有するため、ＣＡＣ構成が有する領域００
２、すなわち、導電性が高い領域と導電膜１１２ａとが接するため、さらに接触抵抗を低
減できる。また、導電性の低い金属酸化物、例えば、ワイドバンドギャップ（例えば、Ｅ
ｇが３．３ｅＶ以上）の酸化物を金属酸化物１０８＿１及び金属酸化物１０８＿３に用い
たとしても、金属酸化物１０８＿２の側面と、導電膜１１２ａとが接することで接触抵抗
を、低減することができる。なお、図示していないが、金属酸化物１０８と、導電膜１１
２ｂとの接続についても、領域Ｐ３と同様である。

【0280】

次に、図１５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）を用いて説明を行う。

【0281】

図１５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、図１２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ａ
の変形例であるトランジスタ１００Ｄの上面図及び断面図である。また、図１５（Ｄ）は
、図１５（Ｂ）に示す領域Ｐ４を拡大した断面概念図に相当する。

【0282】

図１５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１００Ｄは、図１２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）
に示すトランジスタ１００Ａが有する金属酸化物１０８を３層の積層構造としている。よ
り具体的には、トランジスタ１００Ｄが有する金属酸化物１０８は、金属酸化物１０８＿
１と、金属酸化物１０８＿１上の金属酸化物１０８＿２と、金属酸化物１０８＿２上の金
属酸化物１０８＿３と、を有する。

【0283】

例えば、金属酸化物１０８が有する金属酸化物１０８＿２に、本発明の一態様の金属酸
化物を用いることができる。また、図１５（Ｄ）の領域Ｐ４に示すように、金属酸化物１
０８の上面及び側面と導電膜１１２ａが接するため、接触抵抗を低減できる。また、金属
酸化物１０８が有する金属酸化物１０８＿２は、図８に示すＣＡＣ構成を有するため、Ｃ
ＡＣ構成が有する領域００２、すなわち、キャリア密度が高い領域と導電膜１１２ａとが
接するため、さらに接触抵抗を低減できる。

【0284】

また、トランジスタ１００Ｄは、トランジスタ１００Ｃと金属酸化物１０８＿３の配置
される位置が異なり、トランジスタ１００Ｄが有する金属酸化物１０８＿３は、ソース電
極及びドレイン電極として機能する導電膜１１２ａ、１１２ｂの上に形成される。金属酸
化物１０８＿３を導電膜１１２ａ、１１２ｂ上に配置することで、金属酸化物１０８＿２
と、導電膜１１２ａ、１１２ｂとの接触抵抗をさらに、低減することができる。

【0285】

図１３乃至図１５に示すように、本発明の一態様のトランジスタにおいては、金属酸化
物を積層構造とすると好適である。

【0286】

＜２－３．バンド構造＞
次に、金属酸化物１０８を積層構造とした場合のバンド構造について、図２３を用いて
説明する。

【0287】

絶縁膜１０４、金属酸化物１０８＿１、１０８＿２、１０８＿３、及び絶縁膜１１４の
バンド構造、並びに、絶縁膜１０４、金属酸化物１０８＿２、１０８＿３、及び絶縁膜１
１４のバンド構造を図２３に示す。

【0288】

図２３（Ａ）は、絶縁膜１０４、金属酸化物１０８＿１、１０８＿２、１０８＿３、及
び絶縁膜１１４を有する積層構造の膜厚方向のバンド構造の一例である。また、図２３（
Ｂ）は、絶縁膜１０４、金属酸化物１０８＿２、１０８＿３、及び絶縁膜１１４を有する
積層構造の膜厚方向のバンド構造の一例である。なお、バンド構造は、理解を容易にする
ため絶縁膜１０４、金属酸化物１０８＿１、１０８＿２、１０８＿３、及び絶縁膜１１４
の伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ）を示す。

【0289】

図２３（Ａ）に示すように、金属酸化物１０８＿１、１０８＿２、１０８＿３において
、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。また、図２３（Ｂ）に示すように
、金属酸化物１０８＿２、１０８＿３において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらか
に変化する。換言すると、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。この
ようなバンド構造を有するためには、金属酸化物１０８＿１と金属酸化物１０８＿２との
界面、または金属酸化物１０８＿２と金属酸化物１０８＿３との界面において、トラップ
中心や再結合中心のような欠陥準位を形成するような不純物が存在しないとする。

【0290】

金属酸化物１０８＿１、１０８＿２、１０８＿３に連続接合を形成するためには、ロー
ドロック室を備えたマルチチャンバー方式の成膜装置（スパッタリング装置）を用いて各
膜を大気に触れさせることなく連続して積層することが必要となる。

【0291】

図２３（Ａ）（Ｂ）に示す構成とすることで金属酸化物１０８＿２がウェル（井戸）と
なり、上記積層構造を用いたトランジスタにおいて、チャネル領域が金属酸化物１０８＿
２に形成されることがわかる。

【0292】

また、金属酸化物１０８＿２には、本発明の一態様の金属酸化物を適用することができ
る。したがって、図２３においては、金属酸化物１０８＿２のバンド構造をフラットな形
状として図示しているが、金属酸化物１０８＿２のバンド構造は、実施の形態１で説明し
た図１０（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すバンド構造となる場合がある。

【0293】

なお、金属酸化物１０８＿１、１０８＿３を設けることにより、金属酸化物１０８＿２
に形成されうるトラップ準位を金属酸化物１０８＿１または金属酸化物１０８＿３に設け
ることができる。したがって、金属酸化物１０８＿２には、トラップ準位が形成され難い
構造となる。

【0294】

また、トラップ準位がチャネル領域として機能する金属酸化物１０８＿２の伝導帯下端
のエネルギー準位（Ｅｃ）より真空準位から遠くなることがあり、トラップ準位に電子が
蓄積しやすくなってしまう。トラップ準位に電子が蓄積されることで、マイナスの固定電
荷となり、トランジスタのしきい値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。したがって、
トラップ準位が金属酸化物１０８＿２の伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ）より真空準
位に近くなるような構成にすると好ましい。このようにすることで、トラップ準位に電子
が蓄積しにくくなり、トランジスタのオン電流を増大させることが可能であると共に、電
界効果移動度を高めることができる。

【0295】

また、金属酸化物１０８＿１、１０８＿３は、金属酸化物１０８＿２よりも伝導帯下端
のエネルギー準位が真空準位に近く、代表的には、金属酸化物１０８＿２の伝導帯下端の
エネルギー準位と、金属酸化物１０８＿１、１０８＿３の伝導帯下端のエネルギー準位と
の差が、０．１５ｅＶ以上、または０．５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、または１ｅＶ以下
である。すなわち、金属酸化物１０８＿１、１０８＿３の電子親和力と、金属酸化物１０
８＿２の電子親和力との差が、０．１５ｅＶ以上、または０．５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以
下、または１ｅＶ以下である。

【0296】

このような構成を有することで、金属酸化物１０８＿２が主な電流経路となる。すなわ
ち、金属酸化物１０８＿２は、チャネル領域としての機能を有し、金属酸化物１０８＿１
、１０８＿３は、酸化物絶縁膜としての機能を有する。また、金属酸化物１０８＿１、１
０８＿３は、チャネル領域が形成される金属酸化物１０８＿２を構成する金属元素の一種
以上から構成される金属酸化物を用いると好ましい。このような構成とすることで、金属
酸化物１０８＿１と金属酸化物１０８＿２との界面、または金属酸化物１０８＿２と金属
酸化物１０８＿３との界面において、界面散乱が起こりにくい。従って、該界面において
はキャリアの動きが阻害されないため、トランジスタの電界効果移動度が高くなる。

【0297】

また、金属酸化物１０８＿１、及び金属酸化物１０８＿３は、チャネル領域の一部とし
て機能することを防止するため、導電率が十分に低い材料を用いるものとする。そのため
、金属酸化物１０８＿１、１０８＿３を、その物性及び／または機能から、それぞれ酸化
物絶縁膜とも呼べる。または、金属酸化物１０８＿１、１０８＿３には、電子親和力（真
空準位と伝導帯下端のエネルギー準位との差）が金属酸化物１０８＿２よりも小さく、伝
導帯下端のエネルギー準位が金属酸化物１０８＿２の伝導帯下端のエネルギー準位と差分
（バンドオフセット）を有する材料を用いるものとする。また、ドレイン電圧の大きさに
依存したしきい値電圧の差が生じることを抑制するためには、金属酸化物１０８＿１、１
０８＿３の伝導帯下端のエネルギー準位が、金属酸化物１０８＿２の伝導帯下端のエネル
ギー準位よりも真空準位に近い材料を用いると好適である。例えば、金属酸化物１０８＿
２の伝導帯下端のエネルギー準位と、金属酸化物１０８＿１、及び金属酸化物１０８＿３
の伝導帯下端のエネルギー準位との差が、０．２ｅＶ以上、好ましくは０．５ｅＶ以上と
することが好ましい。

【0298】

また、金属酸化物１０８＿１、１０８＿３は、膜中にスピネル型の結晶構造が含まれな
いことが好ましい。金属酸化物１０８＿１、１０８＿３の膜中にスピネル型の結晶構造を
含む場合、該スピネル型の結晶構造と他の領域との界面において、導電膜１２０ａ、１２
０ｂの構成元素が金属酸化物１０８＿２へ拡散してしまう場合がある。なお、金属酸化物
１０８＿１、１０８＿３がＣＡＡＣ－ＯＳである場合、導電膜１２０ａ、１２０ｂの構成
元素、例えば、銅元素のブロッキング性が高くなり好ましい。

【0299】

なお、金属酸化物１０８＿１、１０８＿３として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原
子数比］の金属酸化物ターゲット、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］の金属酸
化物ターゲット、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：６［原子数比］の金属酸化物ターゲットな
どを用いて形成することができる。

【0300】

＜２－４．半導体装置の構成例３＞
次に、先に説明したトランジスタと異なる態様の構成のトランジスタについて、図１６
を用いて説明する。

【0301】

図１６（Ａ）は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ２００Ａの上面図で
あり、図１６（Ｂ）は、図１６（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１－Ｘ２間における切断面の断面
図に相当し、図１６（Ｃ）は、図１６（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１－Ｙ２間における切断面
の断面図に相当する。また、図１６（Ｄ）は、図１６（Ｂ）に示す領域Ｐ５を拡大した断
面概念図に相当する。

【0302】

図１６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２００Ａは、所謂トップゲート構造のト
ランジスタである。

【0303】

トランジスタ２００Ａは、基板２０２上の導電膜２０６と、基板２０２及び導電膜２０
６上の絶縁膜２０４と、絶縁膜２０４上の金属酸化物２０８と、金属酸化物２０８上の絶
縁膜２１０と、絶縁膜２１０上の導電膜２１２と、絶縁膜２０４、金属酸化物２０８、及
び導電膜２１２上の絶縁膜２１６と、を有する。

【0304】

また、金属酸化物２０８は、本発明の一態様の金属酸化物を用いると好ましい。

【0305】

なお、金属酸化物２０８は、導電膜２１２と重なり、且つ絶縁膜２１０と接する領域２
０８ｉと、絶縁膜２１６と重なる領域２０８ｎと、を有する。また、領域２０８ｎは、領
域２０８ｉよりもキャリア密度が高い領域を有する。すなわち、金属酸化物２０８は、キ
ャリア密度の異なる複数の領域を有する。また、領域２０８ｎを、ソース領域またはドレ
イン領域と呼称することもできる。

【0306】

ここで、図１６（Ｄ）を用いて、領域２０８ｉと、領域２０８ｎとの接続について説明
を行う。

【0307】

図１６（Ｄ）の領域Ｐ５に示すように、領域２０８ｉの側面と領域２０８ｎの側面とが
接するため、接触抵抗を低減できる。また、金属酸化物２０８が有する領域２０８ｉは、
図８に示すＣＡＣ構成を有するため、ＣＡＣ構成が有する領域００２、すなわち、導電性
が高い領域と領域２０８ｎ、すなわちソース領域とが接するため、さらに接触抵抗を低減
できる。なお、図示していないが、領域２０８ｉの他方の側面と、領域２０８ｎの側面と
の接続についても領域Ｐ５と同様である。

【0308】

本発明の一態様の金属酸化物は、高い導電性領域を有し、且つソース領域またはドレイ
ン領域との接触抵抗が低減されている。したがって、当該金属酸化物を有するトランジス
タの電界効果移動度を高めることができる。

【0309】

また、領域２０８ｎは、絶縁膜２１６と接する。絶縁膜２１６は、窒素または水素を有
する。そのため、絶縁膜２１６中の窒素または水素が領域２０８ｎ中に添加される。領域
２０８ｎは、絶縁膜２１６から窒素または水素が添加されることで、キャリア密度が高く
なる。

【0310】

また、トランジスタ２００Ａは、絶縁膜２１６上の絶縁膜２１８と、絶縁膜２１６、２
１８に設けられた開口部２４１ａを介して、領域２０８ｎに電気的に接続される導電膜２
２０ａと、絶縁膜２１６、２１８に設けられた開口部２４１ｂを介して、領域２０８ｎに
電気的に接続される導電膜２２０ｂと、を有していてもよい。

【0311】

また、図１６（Ｃ）に示すように、絶縁膜２０４及び絶縁膜２１０には、開口部２４３
が設けられる。また、導電膜２０６は、開口部２４３を介して導電膜２１２と、電気的に
接続される。よって、導電膜２０６と導電膜２１２には、同じ電位が与えられる。また、
開口部２４３を設けずに、導電膜２０６と、導電膜２１２と、に異なる電位を与えてもよ
い。

【0312】

なお、導電膜２０６は、第１のゲート電極（ボトムゲート電極ともいう）としての機能
を有し、導電膜２１２は、第２のゲート電極（トップゲート電極ともいう）としての機能
を有する。また、絶縁膜２０４は、第１のゲート絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜２１
０は、第２のゲート絶縁膜としての機能を有する。

【0313】

このように、図１６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２００Ａは、金属酸化物２
０８の上下にゲート電極として機能する導電膜を有する構造である。トランジスタ２００
Ａに示すように、本発明の一態様の半導体装置には、２つ以上のゲート電極を設けてもよ
い。

【0314】

また、図１６（Ｃ）に示すように、金属酸化物２０８は、第１のゲート電極として機能
する導電膜２０６と、第２のゲート電極として機能する導電膜２１２のそれぞれと対向す
るように位置し、２つのゲート電極として機能する導電膜に挟まれている。

【0315】

また、導電膜２１２のチャネル幅方向の長さは、金属酸化物２０８のチャネル幅方向の
長さよりも長く、金属酸化物２０８のチャネル幅方向全体は、絶縁膜２１０を介して導電
膜２１２に覆われている。また、導電膜２１２と導電膜２０６とは、絶縁膜２０４及び絶
縁膜２１０に設けられる開口部２４３において接続されるため、金属酸化物２０８のチャ
ネル幅方向の側面の一方は、絶縁膜２１０を介して導電膜２１２と対向している。

【0316】

別言すると、トランジスタ２００Ａのチャネル幅方向において、導電膜２０６及び導電
膜２１２は、絶縁膜２０４及び絶縁膜２１０に設けられる開口部２４３において接続する
と共に、絶縁膜２０４及び絶縁膜２１０を介して金属酸化物２０８を取り囲む構成である
。すなわち、トランジスタ２００Ａは、先に示すＳ－ｃｈａｎｎｅｌ構造である。

【0317】

＜２－５．半導体装置の構成例４＞
次に、図１６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２００Ａの変形例について、図１
７乃至図１９を用いて説明する。

【0318】

まず、図１７（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）を用いて説明を行う。

【0319】

図１７（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、図１６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２００Ａ
の変形例であるトランジスタ２００Ｂの上面図及び断面図である。また、図１７（Ｄ）は
、図１７（Ｂ）に示す領域Ｐ６を拡大した断面概念図に相当する。

【0320】

図１７（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２００Ｂは、図１６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）
に示すトランジスタ２００Ａが有する金属酸化物２０８を２層の積層構造としている。よ
り具体的には、トランジスタ２００Ｂが有する金属酸化物２０８は、領域２０８ｉ＿１と
、領域２０８ｉ＿１上の領域２０８ｉ＿２と、絶縁膜２１６と重なる領域２０８ｎと、を
有する。

【0321】

例えば、金属酸化物２０８が有する領域２０８ｉ＿２に、本発明の一態様の金属酸化物
を用いることができる。

【0322】

図１７（Ｄ）の領域Ｐ６に示すように、領域２０８ｉ＿２の側面と領域２０８ｎの側面
とが接するため、接触抵抗を低減できる。また、金属酸化物２０８が有する領域２０８ｉ
＿２は、図８に示すＣＡＣ構成を有するため、ＣＡＣ構成が有する領域００２、すなわち
、導電性が高い領域と領域２０８ｎ、すなわちソース領域とが接するため、さらに接触抵
抗を低減できる。なお、図示していないが、領域２０８ｉ＿２の他方の側面と、領域２０
８ｎの側面との接続についても領域Ｐ６と同様である。

【0323】

次に、図１８（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）を用いて説明を行う。

【0324】

図１８（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、図１６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２００Ａ
の変形例であるトランジスタ２００Ｃの上面図及び断面図である。また、図１８（Ｄ）は
、図１８（Ｂ）に示す領域Ｐ７を拡大した断面概念図に相当する。

【0325】

図１８（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２００Ｃは、図１６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）
に示すトランジスタ２００Ａが有する金属酸化物２０８を３層の積層構造としている。よ
り具体的には、トランジスタ２００Ｃが有する金属酸化物２０８は、領域２０８ｉ＿１と
、領域２０８ｉ＿１上の領域２０８ｉ＿２と、領域２０８ｉ＿２上の領域２０８ｉ＿３と
、絶縁膜２１６と重なる領域２０８ｎと、を有する。

【0326】

例えば、金属酸化物２０８が有する領域２０８ｉ＿２に、本発明の一態様の金属酸化物
を用いることができる。

【0327】

図１８（Ｄ）の領域Ｐ７に示すように、領域２０８ｉ＿２の側面と領域２０８ｎの側面
とが接するため、接触抵抗を低減できる。また、金属酸化物２０８が有する領域２０８ｉ
＿２は、図８に示すＣＡＣ構成を有するため、ＣＡＣ構成が有する領域００２、すなわち
、導電性が高い領域と領域２０８ｎ、すなわちソース領域とが接するため、さらに接触抵
抗を低減できる。なお、図示していないが、領域２０８ｉ＿２の他方の側面と、領域２０
８ｎの側面との接続についても領域Ｐ７と同様である。

【0328】

次に、図１９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）を用いて説明を行う。

【0329】

図１９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、図１６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２００Ａ
の変形例であるトランジスタ２００Ｄの上面図及び断面図である。また、図１９（Ｄ）は
、図１９（Ｂ）に示す領域Ｐ８を拡大した断面概念図に相当する。

【0330】

図１９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２００Ｄは、図１６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）
に示すトランジスタ２００Ａが有する金属酸化物２０８を３層の積層構造としている。よ
り具体的には、トランジスタ２００Ｄが有する金属酸化物２０８は、領域２０８ｉ＿１と
、領域２０８ｉ＿１上の領域２０８ｉ＿２と、領域２０８ｉ＿２上の領域２０８ｉ＿３と
、絶縁膜２１６と重なる領域２０８ｎと、を有する。

【0331】

例えば、金属酸化物２０８が有する領域２０８ｉ＿２に、本発明の一態様の金属酸化物
を用いることができる。なお、領域Ｐ８に示すように、領域２０８ｉ＿２の側面と領域２
０８ｎの側面とが接するため、接触抵抗を低減できる。また、金属酸化物２０８が有する
領域２０８ｉ＿２は、図８に示すＣＡＣ構成を有するため、ＣＡＣ構成が有する領域００
２、すなわち、キャリア密度が高い領域と領域２０８ｎ、すなわちソース領域とが接する
ため、さらに接触抵抗を低減できる。なお、図示していないが、領域２０８ｉ＿２の他方
の側面と、領域２０８ｎの側面との接続についても領域Ｐ８と同様である。

【0332】

なお、トランジスタ２００Ｄが有する金属酸化物２０８は、トランジスタ２００Ｃが有
する金属酸化物２０８と、領域２０８ｉ＿３の形状が異なる。具体的には、トランジスタ
２００Ｄが有する金属酸化物２０８は、領域２０８ｉ＿１の側面、及び領域２０８ｉ＿２
の側面を領域２０８ｉ＿３によって、覆う形状である。当該形状とすることで、領域２０
８ｉ＿１の側面及び領域２０８ｉ＿２の側面と、絶縁膜２１０とが接しない構造となる。
当該構造とすることで、領域２０８ｉ＿１及び領域２０８ｉ＿２中、特に領域２０８ｉ＿
２中に入り込みうる不純物を抑制することができるため、信頼性の高い半導体装置を提供
することができる。

【0333】

図１７乃至図１９に示すように、本発明の一態様のトランジスタにおいては、金属酸化
物を積層構造とすると好適である。なお、金属酸化物を積層構造とした場合のバンド構造
については、＜２－３．バンド構造＞を参照すればよい。

【0334】

＜２－６．半導体装置の構成要素＞
以下では、本実施の形態の半導体装置に含まれる構成要素について、詳細に説明する。

【0335】

［基板］
基板１０２、２０２の材質など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必要がある。例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英
基板、サファイア基板等を、基板１０２、２０２として用いてもよい。また、シリコンや
炭化シリコンを材料とした単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム
等の化合物半導体基板、ＳＯＩ基板等を適用することも可能であり、これらの基板上に半
導体素子が設けられたものを、基板１０２、２０２として用いてもよい。なお、基板１０
２、２０２として、ガラス基板を用いる場合、第６世代（１５００ｍｍ×１８５０ｍｍ）
、第７世代（１８７０ｍｍ×２２００ｍｍ）、第８世代（２２００ｍｍ×２４００ｍｍ）
、第９世代（２４００ｍｍ×２８００ｍｍ）、第１０世代（２９５０ｍｍ×３４００ｍｍ
）等の大面積基板を用いることで、大型の表示装置を作製することができる。

【0336】

また、基板１０２、２０２として、可撓性基板を用い、可撓性基板上に直接、トランジ
スタを形成してもよい。または、基板１０２、２０２とトランジスタの間に剥離層を設け
てもよい。剥離層は、その上に半導体装置を一部あるいは全部完成させた後、基板１０２
、２０２より分離し、他の基板に転載するのに用いることができる。その際、トランジス
タは耐熱性の劣る基板や可撓性の基板にも転載できる。

【0337】

［導電膜］
第１のゲート電極として機能する導電膜１０６、２０６、ソース電極として機能する導
電膜１１２ａ、２２０ａ、ドレイン電極として機能する導電膜１１２ｂ、２２０ｂ、接続
電極として機能する導電膜１１２ｃ、第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ａ、
２１２、及び画素電極として機能する導電膜１２０ｂとしては、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃ
ｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、モリブデン（Ｍ
ｏ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、マンガン（Ｍｎ）、ニ
ッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）から選ばれた金属元素、または上述した
金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いてそれぞれ
形成することができる。

【0338】

また、導電膜１０６、１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１２０ａ、１２０ｂ、２０６、
２２０ａ、２２０ｂ、２１２には、インジウムと錫とを有する酸化物、タングステンとイ
ンジウムとを有する酸化物、タングステンとインジウムと亜鉛とを有する酸化物、チタン
とインジウムとを有する酸化物、チタンとインジウムと錫とを有する酸化物、インジウム
と亜鉛とを有する酸化物、シリコンとインジウムと錫とを有する酸化物、インジウムとガ
リウムと亜鉛とを有する酸化物等の酸化物導電体を適用してもよい。

【0339】

特に、導電膜１２０ａ、２１２には、上述の酸化物導電体を好適に用いることができる
。なお、本明細書等において、酸化物導電体をＯＣ（Ｏｘｉｄｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）
と呼称してもよい。酸化物導電体としては、例えば、酸化物半導体に酸素欠損を形成し、
該酸素欠損に水素を添加すると、伝導帯近傍にドナー準位が形成される。この結果、酸化
物半導体は、導電性が高くなり導電体化する。導電体化された酸化物半導体を、酸化物導
電体ということができる。一般に、酸化物半導体は、エネルギーギャップが大きいため、
可視光に対して透光性を有する。一方、酸化物導電体は、伝導帯近傍にドナー準位を有す
る酸化物半導体である。したがって、酸化物導電体は、ドナー準位による吸収の影響は小
さく、可視光に対して酸化物半導体と同程度の透光性を有する。

【0340】

また、導電膜１０６、１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１２０ａ、１２０ｂ、２０６、
２２０ａ、２２０ｂ、２１２には、Ｃｕ－Ｘ合金膜（Ｘは、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃ
ｏ、Ｍｏ、Ｔａ、またはＴｉ）を適用してもよい。Ｃｕ－Ｘ合金膜を用いることで、ウエ
ットエッチングプロセスで加工できるため、製造コストを抑制することが可能となる。

【0341】

特に、導電膜１１２ａ、１１２ｂ、２２０ａ、２２０ｂには、上述のＣｕ－Ｘ合金膜を
好適に用いることができる。Ｃｕ－Ｘ合金膜としては、Ｃｕ－Ｍｎ合金膜が特に好ましい
。

【0342】

［第１のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜］
トランジスタの第１のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜１０４、２０４としては、プ
ラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ：（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａ
ｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ））法、スパッタリング法等により、酸化シリコ
ン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜
、酸化ハフニウム膜、酸化イットリウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ガリウム膜、酸化
タンタル膜、酸化マグネシウム膜、酸化ランタン膜、酸化セリウム膜および酸化ネオジム
膜を一種以上含む絶縁層を、それぞれ用いることができる。なお、絶縁膜１０４、２０４
としては、上述の材料から選択された単層の絶縁膜、または２層以上の絶縁膜を用いても
よい。

【0343】

なお、トランジスタのチャネル領域として機能する金属酸化物１０８、２０８と接する
絶縁膜には、酸化物絶縁膜を用いることが好ましく、化学量論的組成よりも過剰に酸素を
含有する領域（酸素過剰領域）を有することがより好ましい。

【0344】

ただし、上記構成に限定されず、金属酸化物１０８、２０８と接する絶縁膜に、窒化物
絶縁膜を用いる構成としてもよい。当該構成の一例としては、窒化シリコン膜を形成し、
当該窒化シリコン膜の表面に酸素プラズマ処理などを行うことで、窒化シリコン膜の表面
を酸化させる構成などが挙げられる。なお、窒化シリコン膜の表面に酸素プラズマ処理な
どを行った場合、窒化シリコン膜の表面は原子レベルで酸化されている場合があるため、
トランジスタの断面の観察等を行っても、酸化膜が観察されない可能性がある。すなわち
、トランジスタの断面の観察を行った場合、窒化シリコン膜と、金属酸化物とが、接して
いるように観察される場合がある。

【0345】

なお、窒化シリコン膜は、酸化シリコン膜と比較して比誘電率が高く、酸化シリコン膜
と同等の静電容量を得るのに必要な膜厚が大きいため、トランジスタのゲート絶縁膜とし
て、窒化シリコン膜を含むことで絶縁膜を厚膜化することができる。よって、トランジス
タの絶縁耐圧の低下を抑制、さらには絶縁耐圧を向上させて、トランジスタの静電破壊を
抑制することができる。

【0346】

また、絶縁膜１０４、２０４として、酸化ハフニウムを用いる場合、以下の効果を奏す
る。酸化ハフニウムは、酸化シリコンや酸化窒化シリコンと比べて比誘電率が高い。した
がって、酸化シリコンを用いた場合と比べて、絶縁膜１０４、２０４の膜厚を大きくでき
るため、トンネル電流によるリーク電流を小さくすることができる。すなわち、オフ電流
の小さいトランジスタを実現することができる。さらに、結晶構造を有する酸化ハフニウ
ムは、非晶質構造を有する酸化ハフニウムと比べて高い比誘電率を備える。したがって、
オフ電流の小さいトランジスタとするためには、結晶構造を有する酸化ハフニウムを用い
ることが好ましい。結晶構造の例としては、単斜晶系や立方晶系などが挙げられる。ただ
し、本発明の一態様は、これらに限定されない。

【0347】

［金属酸化物］
金属酸化物１０８、２０８としては、実施の形態１に示す本発明の一態様の金属酸化物
を用いることができる。

【0348】

また、金属酸化物１０８、２０８は、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２
．５ｅＶ以上、より好ましくは３ｅＶ以上である。このように、エネルギーギャップの広
い金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。

【0349】

また、金属酸化物１０８、２０８の厚さは、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３
ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。

【0350】

なお、必要とするトランジスタの半導体特性を得るために、金属酸化物１０８、２０８
のキャリア密度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、密度等を適切なも
のとすることが好ましい。

【0351】

［第２のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜］
絶縁膜１１４、１１６、２１０は、トランジスタの第２のゲート絶縁膜として機能する
。また、絶縁膜１１４、１１６、２１０は、金属酸化物１０８、２０８に酸素を供給する
機能を有する。すなわち、絶縁膜１１４、１１６、２１０は、酸素を有する。また、絶縁
膜１１４は、酸素を透過することのできる絶縁膜である。なお、絶縁膜１１４は、後に形
成する絶縁膜１１６を形成する際の、金属酸化物１０８へのダメージ緩和膜としても機能
する。

【0352】

絶縁膜１１４としては、厚さが５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上５０
ｎｍ以下の酸化シリコン、酸化窒化シリコン等を用いることができる。

【0353】

また、絶縁膜１１４は、欠陥量が少ないことが好ましく、代表的には、電子スピン共鳴
（ＥＳＲ）測定により、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝２．００１に現れ
る信号のスピン密度が３×１０^１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下であることが好ましい。これ
は、絶縁膜１１４に含まれる欠陥密度が多いと、該欠陥に酸素が結合してしまい、絶縁膜
１１４における酸素の透過量が減少してしまうためである。

【0354】

なお、絶縁膜１１４においては、外部から絶縁膜１１４に入った酸素が全て絶縁膜１１
４の外部に移動せず、絶縁膜１１４にとどまる酸素もある。また、絶縁膜１１４に酸素が
入ると共に、絶縁膜１１４に含まれる酸素が絶縁膜１１４の外部へ移動することで、絶縁
膜１１４において酸素の移動が生じる場合もある。絶縁膜１１４として酸素を透過するこ
とができる酸化物絶縁膜を形成すると、絶縁膜１１４上に設けられる、絶縁膜１１６から
脱離する酸素を、絶縁膜１１４を介して金属酸化物１０８に移動させることができる。

【0355】

また、絶縁膜１１４は、窒素酸化物に起因する準位密度が低い酸化物絶縁膜を用いて形
成することができる。なお、当該窒素酸化物に起因する準位密度は、金属酸化物の価電子
帯の上端のエネルギー（Ｅｖ＿ｏｓ）と金属酸化物の伝導帯の下端のエネルギー（Ｅｃ＿
ｏｓ）の間に形成され得る場合がある。上記酸化物絶縁膜として、窒素酸化物の放出量が
少ない酸化窒化シリコン膜、または窒素酸化物の放出量が少ない酸化窒化アルミニウム膜
等を用いることができる。

【0356】

なお、窒素酸化物の放出量の少ない酸化窒化シリコン膜は、昇温脱離ガス分析法（ＴＤ
Ｓ：Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）において、窒
素酸化物の放出量よりアンモニアの放出量が多い膜であり、代表的にはアンモニアの放出
量が１×１０^１８ｃｍ^－３以上５×１０^１９ｃｍ^－３以下である。なお、アンモニアの放
出量は、膜の表面温度が５０℃以上６５０℃以下、好ましくは５０℃以上５５０℃以下の
加熱処理による放出量とする。

【0357】

窒素酸化物（ＮＯ_ｘ、ｘは０を越えて２以下、好ましくは１以上２以下）、代表的には
ＮＯ_２またはＮＯは、絶縁膜１１４などに準位を形成する。当該準位は、金属酸化物１０
８のエネルギーギャップ内に位置する。そのため、窒素酸化物が、絶縁膜１１４及び金属
酸化物１０８の界面に拡散すると、当該準位が絶縁膜１１４側において電子をトラップす
る場合がある。この結果、トラップされた電子が、絶縁膜１１４及び金属酸化物１０８界
面近傍に留まるため、トランジスタのしきい値電圧をプラス方向にシフトさせてしまう。

【0358】

また、窒素酸化物は、加熱処理においてアンモニア及び酸素と反応する。絶縁膜１１４
に含まれる窒素酸化物は、加熱処理において、絶縁膜１１６に含まれるアンモニアと反応
するため、絶縁膜１１４に含まれる窒素酸化物が低減される。このため、絶縁膜１１４及
び金属酸化物１０８の界面において、電子がトラップされにくい。

【0359】

絶縁膜１１４として、上記酸化物絶縁膜を用いることで、トランジスタのしきい値電圧
のシフトを低減することが可能であり、トランジスタの電気特性の変動を低減することが
できる。

【0360】

なお、トランジスタの作製工程の加熱処理、代表的には３００℃以上３５０℃未満の加
熱処理により、絶縁膜１１４は、１００Ｋ以下のＥＳＲで測定して得られたスペクトルに
おいてｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１のシグナル、ｇ値が２．００１以上２
．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下の第３のシグ
ナルが観測される。なお、第１のシグナル及び第２のシグナルのスプリット幅、並びに第
２のシグナル及び第３のシグナルのスプリット幅は、ＸバンドのＥＳＲ測定において約５
ｍＴである。また、ｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１のシグナル、ｇ値が２．
００１以上２．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下
である第３のシグナルのスピンの密度の合計が１×１０^１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３未満であ
り、代表的には１×１０^１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以上１×１０^１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３未
満である。

【0361】

なお、１００Ｋ以下のＥＳＲスペクトルにおいて、ｇ値が２．０３７以上２．０３９以
下の第１のシグナル、ｇ値が２．００１以上２．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値
が１．９６４以上１．９６６以下である第３のシグナルのスピンの密度の合計は、窒素酸
化物（ＮＯ_ｘ、ｘは０より大きく２以下、好ましくは１以上２以下）起因のシグナルのス
ピンの密度の合計に相当する。窒素酸化物の代表例としては、一酸化窒素、二酸化窒素等
がある。即ち、ｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１のシグナル、ｇ値が２．００
１以上２．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下であ
る第３のシグナルのスピンの密度の合計が少ないほど、酸化物絶縁膜に含まれる窒素酸化
物の含有量が少ないといえる。

【0362】

また、上記酸化物絶縁膜は、ＳＩＭＳで測定される窒素濃度が６×１０^２０ａｔｏｍｓ
／ｃｍ^３以下である。

【0363】

基板温度が２２０℃以上３５０℃以下であり、シラン及び一酸化二窒素を用いたＰＥＣ
ＶＤ法を用いて、上記酸化物絶縁膜を形成することで、緻密であり、且つ硬度の高い膜を
形成することができる。

【0364】

絶縁膜１１６、２１０は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物
絶縁膜を用いて形成すると好適である。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を
含む酸化物絶縁膜は、加熱により酸素の一部が脱離する。化学量論的組成を満たす酸素よ
りも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜は、ＴＤＳ分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱
離量が１．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、好ましくは３．０×１０^２０ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ^３以上である酸化物絶縁膜である。なお、上記ＴＤＳにおける膜の表面温度とし
ては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲が好ましい。

【0365】

絶縁膜１１６、２１０としては、厚さが３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは５０
ｎｍ以上４００ｎｍ以下の、酸化シリコン、酸化窒化シリコン等を用いることができる。

【0366】

また、絶縁膜１１６、２１０は、欠陥量が少ないことが好ましく、代表的には、ＥＳＲ
測定により、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝２．００１に現れる信号のス
ピン密度が１．５×１０^１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３未満、さらには１×１０^１８ｓｐｉｎｓ
／ｃｍ^３以下であることが好ましい。なお、絶縁膜１１６は、絶縁膜１１４と比較して金
属酸化物１０８から離れているため、絶縁膜１１４より、欠陥密度が多くともよい。

【0367】

また、絶縁膜１１４、１１６は、同種の材料の絶縁膜を用いることができるため、絶縁
膜１１４と絶縁膜１１６の界面が明確に確認できない場合がある。したがって、本実施の
形態においては、絶縁膜１１４と絶縁膜１１６の界面は、破線で図示している。なお、本
実施の形態においては、絶縁膜１１４と絶縁膜１１６の２層構造について説明したが、こ
れに限定されず、例えば、絶縁膜１１４の単層構造、あるいは３層以上の積層構造として
もよい。

【0368】

［保護絶縁膜として機能する絶縁膜］
絶縁膜１１８、２１６は、トランジスタの保護絶縁膜として機能する。

【0369】

絶縁膜１１８、２１６は、水素及び窒素のいずれか一方または双方を有する。または、
絶縁膜１１８、２１６は、窒素及びシリコンを有する。また、絶縁膜１１８、２１６は、
酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキングできる機能を有する
。絶縁膜１１８、２１６を設けることで、金属酸化物１０８、２０８からの酸素の外部へ
の拡散と、絶縁膜１１４、１１６、２１０に含まれる酸素の外部への拡散と、外部から金
属酸化物１０８、２０８への水素、水等の入り込みを防ぐことができる。

【0370】

絶縁膜１１８、２１６としては、例えば、窒化物絶縁膜を用いることができる。該窒化
物絶縁膜としては、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
ミニウム等がある。

【0371】

なお、上記記載の、導電膜、絶縁膜、金属酸化物、金属膜などの様々な膜は、スパッタ
リング法やＰＥＣＶＤ法により形成することができるが、他の方法、例えば、熱ＣＶＤ（
Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成してもよい。熱Ｃ
ＶＤ法の例としてＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐ
ｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、またはＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏ
ｓｉｔｉｏｎ）法などが挙げられる。

【0372】

熱ＣＶＤ法は、プラズマを使わない成膜方法のため、プラズマダメージにより欠陥が生
成されることが無いという利点を有する。

【0373】

熱ＣＶＤ法は、原料ガスと酸化剤を同時にチャンバー内に送り、チャンバー内を大気圧
または減圧下とし、基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで成膜を
行ってもよい。

【0374】

また、ＡＬＤ法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、反応のための原料ガスが
順次チャンバーに導入され、そのガス導入の順序を繰り返すことで成膜を行ってもよい。

【0375】

ＭＯＣＶＤ法、ＡＬＤ法などの熱ＣＶＤ法は、上記実施形態の導電膜、絶縁膜、金属酸
化物などの様々な膜を形成することができる。

【0376】

＜２－７．半導体装置の作製方法＞
次に、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ２００Ｃの作製方法について、
図２０乃至図２２を用いて説明する。

【0377】

なお、図２０（Ａ）乃至図２０（Ｄ）、図２１（Ａ）乃至図２１（Ｃ）、及び図２２（
Ａ）乃至図２２（Ｃ）は、半導体装置の作製方法を説明する断面図である。また、図２０
（Ａ）乃至図２０（Ｄ）、図２１（Ａ）乃至図２１（Ｃ）、及び図２２（Ａ）乃至図２２
（Ｃ）において、左側がチャネル長方向の断面図であり、右側がチャネル幅方向の断面図
である。

【0378】

まず、基板２０２上に導電膜２０６を形成する。次に、基板２０２、及び導電膜２０６
上に絶縁膜２０４を形成し、絶縁膜２０４上に第１の金属酸化物と、第２の金属酸化物と
、第３の金属酸化物とを形成する。その後、第１の金属酸化物、第２の金属酸化物、及び
第３の金属酸化物を島状に加工することで、金属酸化物２０８＿１ａ、金属酸化物２０８
＿２ａ、及び金属酸化物２０８＿３ａを形成する（図２０（Ａ）参照）。

【0379】

導電膜２０６としては、先に記載の材料を選択することで形成できる。本実施の形態に
おいては、導電膜２０６として、スパッタリング装置を用い、厚さ５０ｎｍのタングステ
ン膜と、厚さ４００ｎｍの銅膜との積層膜を形成する。

【0380】

なお、導電膜２０６となる導電膜の加工方法としては、ウエットエッチング法及びドラ
イエッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。本実施の形態では、ウエット
エッチング法にて銅膜をエッチングしたのち、ドライエッチング法にてタングステン膜を
エッチングすることで導電膜を加工し、導電膜２０６を形成する。

【0381】

絶縁膜２０４としては、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法、パルスレーザー堆積（
ＰＬＤ）法、印刷法、塗布法等を適宜用いて形成することができる。本実施の形態におい
ては、絶縁膜２０４として、ＰＥＣＶＤ装置を用い、厚さ４００ｎｍの窒化シリコン膜と
、厚さ５０ｎｍの酸化窒化シリコン膜とを形成する。

【0382】

また、絶縁膜２０４を形成した後、絶縁膜２０４に酸素を添加してもよい。絶縁膜２０
４に添加する酸素としては、酸素ラジカル、酸素原子、酸素原子イオン、酸素分子イオン
等がある。また、添加方法としては、イオンドーピング法、イオン注入法、プラズマ処理
法等がある。また、絶縁膜２０４上に酸素の脱離を抑制する膜を形成した後、該膜を介し
て絶縁膜２０４に酸素を添加してもよい。

【0383】

上述の酸素の脱離を抑制する膜として、インジウム、亜鉛、ガリウム、錫、アルミニウ
ム、クロム、タンタル、チタン、モリブデン、ニッケル、鉄、コバルト、またはタングス
テンの１以上を有する導電膜あるいは半導体膜を用いて形成することができる。

【0384】

また、プラズマ処理で酸素の添加を行う場合、マイクロ波で酸素を励起し、高密度な酸
素プラズマを発生させることで、絶縁膜２０４への酸素添加量を増加させることができる
。

【0385】

金属酸化物２０８＿１ａ、金属酸化物２０８＿２ａ、及び金属酸化物２０８＿３ａは、
スパッタリング装置を用いて真空中で連続して形成されると好ましい。金属酸化物２０８
＿１ａ、金属酸化物２０８＿２ａ、及び金属酸化物２０８＿３ａを、スパッタリング装置
を用いて真空中で連続して形成することで、各界面に付着しうる不純物（例えば、水素、
水など）を抑制することができる。

【0386】

ここで、金属酸化物２０８＿２ａとなる膜の成膜は、上記のスパッタリングターゲット
１０を用いた成膜方法で成膜を行えばよい。

【0387】

また、金属酸化物２０８＿２ａの形成条件としては、金属酸化物２０８＿１ａ及び金属
酸化物２０８＿３ａのいずれか一方または双方よりも、低い酸素分圧で形成されると好ま
しい。

【0388】

また、金属酸化物２０８＿１ａ、金属酸化物２０８＿２ａ、及び金属酸化物２０８＿３
ａを形成する際に、酸素ガスに、不活性ガス（例えば、ヘリウムガス、アルゴンガス、キ
セノンガスなど）を混合させてもよい。なお、金属酸化物２０８＿１ａを形成する際の成
膜ガス全体に占める酸素ガスの割合（以下、酸素流量比ともいう）としては、７０％以上
１００％以下、好ましくは８０％以上１００％以下、さらに好ましくは９０％以上１００
％以下である。また、金属酸化物２０８＿２ａを形成する際の酸素流量比としては、０％
より大きく３０％以下、好ましくは５％以上１５％以下である。また、金属酸化物２０８
＿３ａを形成する際の酸素流量比としては、７０％以上１００％以下、好ましくは８０％
以上１００％以下、さらに好ましくは９０％以上１００％以下である。

【0389】

なお、金属酸化物２０８＿２ａの形成条件としては、金属酸化物２０８＿１ａ及び金属
酸化物２０８＿３ａのいずれか一方または双方よりも、低い基板温度で形成してもよい。

【0390】

具体的には、金属酸化物２０８＿２ａの形成条件としては、基板温度を室温以上１５０
℃未満、好ましくは室温以上１４０℃以下とすればよい。また、金属酸化物２０８＿１ａ
及び金属酸化物２０８＿３ａの形成条件としては、基板温度を室温以上３００℃以下、好
ましくは基板温度を室温以上２００℃以下とすればよい。ただし、金属酸化物２０８＿１
ａ、金属酸化物２０８＿２ａ、及び金属酸化物２０８＿３ａの形成時の基板温度を同一（
例えば、室温以上１５０℃未満）とした方が、生産性が高くなり好ましい。

【0391】

上記のような形成条件とすることで、金属酸化物２０８＿２ａを、金属酸化物２０８＿
１ａ及び金属酸化物２０８＿３ａよりも結晶性が低い領域を有する構成とすることができ
る。

【0392】

また、金属酸化物２０８＿１ａの厚さとしては、１ｎｍ以上２０ｎｍ未満、好ましくは
５ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすればよい。また、金属酸化物２０８＿２ａの厚さとしては、
２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすればよい。また
、金属酸化物２０８＿３ａの厚さとしては、１ｎｍ以上２０ｎｍ未満、好ましくは５ｎｍ
以上１５ｎｍ以下とすればよい。

【0393】

なお、金属酸化物２０８を加熱して成膜することで、金属酸化物２０８の結晶性を高め
ることができる。一方で、基板２０２として、大型のガラス基板（例えば、第６世代乃至
第１０世代）を用いる場合、金属酸化物２０８を成膜する際の基板温度を２００℃以上３
００℃以下とした場合、基板２０２が変形する（歪むまたは反る）場合がある。よって、
大型のガラス基板を用いる場合においては、金属酸化物２０８の成膜する際の基板温度を
１００℃以上２００℃未満とすることで、ガラス基板の変形を抑制することができる。

【0394】

また、スパッタリングガスの高純度化も必要である。例えば、スパッタリングガスとし
て用いる酸素ガスやアルゴンガスは、露点が－４０℃以下、好ましくは－８０℃以下、よ
り好ましくは－１００℃以下、より好ましくは－１２０℃以下にまで高純度化したガスを
用いることで金属酸化物に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。

【0395】

また、スパッタリング法で金属酸化物を成膜する場合、スパッタリング装置におけるチ
ャンバーは、金属酸化物にとって不純物となる水等を可能な限り除去すべくクライオポン
プのような吸着式の真空排気ポンプを用いて、高真空（５×１０^－７Ｐａから１×１０^－
４Ｐａ程度まで）に排気することが好ましい。特に、スパッタリング装置の待機時におけ
る、チャンバー内のＨ_２Ｏに相当するガス分子（ｍ／ｚ＝１８に相当するガス分子）の分
圧を１×１０^－４Ｐａ以下、好ましく５×１０^－５Ｐａ以下とすることが好ましい。

【0396】

なお、第１の金属酸化物、第２の金属酸化物、及び第３の金属酸化物を、金属酸化物２
０８＿１ａ、金属酸化物２０８＿２ａ、及び金属酸化物２０８＿３ａに加工するには、ウ
エットエッチング法及びドライエッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。

【0397】

また、金属酸化物２０８＿１ａ、金属酸化物２０８＿２ａ、及び金属酸化物２０８＿３
ａを形成した後、加熱処理を行い、金属酸化物２０８＿１ａ、金属酸化物２０８＿２ａ、
及び金属酸化物２０８＿３ａの脱水素化または脱水化をしてもよい。加熱処理の温度は、
代表的には、１５０℃以上基板の歪み点未満、または２５０℃以上４５０℃以下、または
３００℃以上４５０℃以下である。

【0398】

加熱処理は、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン、クリプトン等の希ガス、または
窒素を含む不活性ガス雰囲気で行うことができる。または、不活性ガス雰囲気で加熱した
後、酸素雰囲気で加熱してもよい。なお、上記不活性雰囲気及び酸素雰囲気に水素、水な
どが含まれないことが好ましい。処理時間は３分以上２４時間以下とすればよい。

【0399】

該加熱処理は、電気炉、ＲＴＡ装置等を用いることができる。ＲＴＡ装置を用いること
で、短時間に限り、基板の歪み点以上の温度で熱処理を行うことができる。そのため加熱
処理時間を短縮することができる。

【0400】

金属酸化物を加熱しながら成膜する、または金属酸化物を形成した後、加熱処理を行う
ことで、金属酸化物において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を５×１０^１９ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ^３以下、または１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、５×１０^１８ａｔｏｍｓ
／ｃｍ^３以下、または１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、または５×１０^１７ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ^３以下、または１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とすることができる。

【0401】

次に、絶縁膜２０４及び金属酸化物２０８上に絶縁膜２１０＿０を形成する。（図２０
（Ｂ）参照）。

【0402】

絶縁膜２１０＿０としては、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、または窒化シリコ
ン膜を、プラズマ化学気相堆積装置（ＰＥＣＶＤ装置、または単にプラズマＣＶＤ装置と
いう）を用いて形成することができる。この場合、原料ガスとしては、シリコンを含む堆
積性気体及び酸化性気体を用いることが好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例と
しては、シラン、ジシラン、トリシラン、フッ化シラン等がある。酸化性気体としては、
酸素、オゾン、一酸化二窒素、二酸化窒素等がある。

【0403】

また、絶縁膜２１０＿０として、堆積性気体の流量に対する酸化性気体の流量を２０倍
より大きく１００倍未満、または４０倍以上８０倍以下とし、処理室内の圧力を１００Ｐ
ａ未満、または５０Ｐａ以下とするＰＥＣＶＤ装置を用いることで、欠陥量の少ない酸化
窒化シリコン膜を形成することができる。

【0404】

また、絶縁膜２１０＿０として、ＰＥＣＶＤ装置の真空排気された処理室内に載置され
た基板を２８０℃以上４００℃以下に保持し、処理室に原料ガスを導入して処理室内にお
ける圧力を２０Ｐａ以上２５０Ｐａ以下、さらに好ましくは１００Ｐａ以上２５０Ｐａ以
下とし、処理室内に設けられる電極に高周波電力を供給する条件により、緻密である酸化
シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形成することができる。

【0405】

また、絶縁膜２１０＿０を、マイクロ波を用いたＰＥＣＶＤ法を用いて形成してもよい
。マイクロ波とは３００ＭＨｚから３００ＧＨｚの周波数域を指す。マイクロ波は、電子
温度が低く、電子エネルギーが小さい。また、供給された電力において、電子の加速に用
いられる割合が少なく、より多くの分子の解離及び電離に用いられることが可能であり、
密度の高いプラズマ（高密度プラズマ）を励起することができる。このため、被成膜面及
び堆積物へのプラズマダメージが少なく、欠陥の少ない絶縁膜２１０＿０を形成すること
ができる。

【0406】

本実施の形態では絶縁膜２１０＿０として、ＰＥＣＶＤ装置を用い、厚さ１００ｎｍの
酸化窒化シリコン膜を形成する。

【0407】

次に、絶縁膜２１０＿０上の所望の位置に、リソグラフィによりマスクを形成した後、
絶縁膜２１０＿０、及び絶縁膜２０４の一部をエッチングすることで、導電膜２０６に達
する開口部２４３を形成する（図２０（Ｃ）参照）。

【0408】

開口部２４３の形成方法としては、ウエットエッチング法及びドライエッチング法のい
ずれか一方または双方を用いればよい。本実施の形態においては、ドライエッチング法を
用い、開口部２４３を形成する。

【0409】

次に、開口部２４３を覆うように、導電膜２０６及び絶縁膜２１０＿０上に導電膜２１
２＿０を形成する。また、導電膜２１２＿０として、例えば金属酸化膜を用いる場合、導
電膜２１２＿０の形成時に絶縁膜２１０＿０中に酸素が添加される場合がある（図２０（
Ｄ）参照）。

【0410】

なお、図２０（Ｄ）において、絶縁膜２１０＿０中に添加される酸素を矢印で模式的に
表している。また、開口部２４３を覆うように、導電膜２１２＿０を形成することで、導
電膜２０６と、導電膜２１２＿０とが電気的に接続される。

【0411】

導電膜２１２＿０として、金属酸化膜を用いる場合、導電膜２１２＿０の形成方法とし
ては、スパッタリング法を用い、形成時に酸素ガスを含む雰囲気で形成することが好まし
い。形成時に酸素ガスを含む雰囲気で導電膜２１２＿０を形成することで、絶縁膜２１０
＿０中に酸素を好適に添加することができる。なお、導電膜２１２＿０の形成方法として
は、スパッタリング法に限定されず、その他の方法、例えばＡＬＤ法を用いてもよい。

【0412】

本実施の形態においては、導電膜２１２＿０として、スパッタリング法を用いて、膜厚
が１００ｎｍのＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１（原子数比
））を成膜する。また、導電膜２１２＿０の形成前、または導電膜２１２＿０の形成後に
、絶縁膜２１０＿０中に酸素添加処理を行ってもよい。当該酸素添加処理の方法としては
、絶縁膜２０４の形成後に行うことのできる酸素の添加処理と同様とすればよい。

【0413】

次に、導電膜２１２＿０上の所望の位置に、リソグラフィ工程によりマスク２４０を形
成する（図２１（Ａ）参照）。

【0414】

次に、マスク２４０上から、エッチングを行い、導電膜２１２＿０、及び絶縁膜２１０
＿０を加工する。また、導電膜２１２＿０及び絶縁膜２１０＿０の加工後に、マスク２４
０を除去する。導電膜２１２＿０、及び絶縁膜２１０＿０を加工することで、島状の導電
膜２１２、及び島状の絶縁膜２１０が形成される（図２１（Ｂ）参照）。

【0415】

本実施の形態においては、ドライエッチング法を用い、導電膜２１２＿０、及び絶縁膜
２１０＿０を加工する。

【0416】

なお、導電膜２１２＿０、及び絶縁膜２１０＿０の加工の際に、導電膜２１２が重畳し
ない領域の金属酸化物２０８の膜厚が薄くなる場合がある。または、導電膜２１２＿０、
及び絶縁膜２１０＿０の加工の際に、金属酸化物２０８が重畳しない領域の絶縁膜２０４
の膜厚が薄くなる場合がある。また、導電膜２１２＿０、及び絶縁膜２１０＿０の加工の
際に、エッチャントまたはエッチングガス（例えば、塩素など）が金属酸化物２０８中に
添加される、あるいは導電膜２１２＿０、または絶縁膜２１０＿０の構成元素が金属酸化
物２０８中に添加される場合がある。

【0417】

次に、絶縁膜２０４、金属酸化物２０８、及び導電膜２１２上に絶縁膜２１６を形成す
る。なお、絶縁膜２１６を形成することで、絶縁膜２１６と接する金属酸化物２０８は、
領域２０８ｎとなる。また、導電膜２１２と重畳する金属酸化物２０８中には、領域２０
８ｉ＿１、領域２０８ｉ＿２、及び領域２０８ｉ＿３が形成される。（図２１（Ｃ）参照
）。

【0418】

絶縁膜２１６としては、先に記載の材料を選択することで形成できる。本実施の形態に
おいては、絶縁膜２１６として、ＰＥＣＶＤ装置を用い、厚さ１００ｎｍの窒化酸化シリ
コン膜を形成する。また、当該窒化酸化シリコン膜の形成時において、プラズマ処理と、
成膜処理との２つのステップを２２０℃の温度で行う。当該プラズマ処理としては、成膜
前に流量１００ｓｃｃｍのアルゴンガスと、流量１０００ｓｃｃｍの窒素ガスとを、チャ
ンバー内に導入し、チャンバー内の圧力を４０Ｐａとし、ＲＦ電源（２７．１２ＭＨｚ）
に１０００Ｗの電力を供給する。また、成膜処理としては、流量５０ｓｃｃｍのシランガ
スと、流量５０００ｓｃｃｍの窒素ガスと、流量１００ｓｃｃｍのアンモニアガスとを、
チャンバー内に導入し、チャンバー内の圧力を１００Ｐａとし、ＲＦ電源（２７．１２Ｍ
Ｈｚ）に１０００Ｗの電力を供給する。

【0419】

絶縁膜２１６として、窒化酸化シリコン膜を用いることで、絶縁膜２１６に接する領域
２０８ｎに窒化酸化シリコン膜中の窒素または水素を供給することができる。また、絶縁
膜２１６の形成時の温度を上述の温度とすることで、絶縁膜２１０に含まれる過剰酸素が
外部に放出されるのを抑制することができる。

【0420】

次に、絶縁膜２１６上に絶縁膜２１８を形成する（図２２（Ａ）参照）。

【0421】

絶縁膜２１８としては、先に記載の材料を選択することで形成できる。本実施の形態に
おいては、絶縁膜２１８として、ＰＥＣＶＤ装置を用い、厚さ３００ｎｍの酸化窒化シリ
コン膜を形成する。

【0422】

次に、絶縁膜２１８の所望の位置に、リソグラフィによりマスクを形成した後、絶縁膜
２１８及び絶縁膜２１６の一部をエッチングすることで、領域２０８ｎに達する開口部２
４１ａ、２４１ｂを形成する（図２２（Ｂ）参照）。

【0423】

絶縁膜２１８及び絶縁膜２１６をエッチングする方法としては、ウエットエッチング法
及びドライエッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。本実施の形態におい
ては、ドライエッチング法を用い、絶縁膜２１８、及び絶縁膜２１６を加工する。

【0424】

次に、開口部２４１ａ、２４１ｂを覆うように、領域２０８ｎ及び絶縁膜２１８上に導
電膜を形成し、当該導電膜を所望の形状に加工することで導電膜２２０ａ、２２０ｂを形
成する（図２２（Ｃ）参照）。

【0425】

導電膜２２０ａ、２２０ｂとしては、先に記載の材料を選択することで形成できる。本
実施の形態においては、導電膜２２０ａ、２２０ｂとして、スパッタリング装置を用い、
厚さ５０ｎｍのタングステン膜と、厚さ４００ｎｍの銅膜との積層膜を形成する。

【0426】

なお、導電膜２２０ａ、２２０ｂとなる導電膜の加工方法としては、ウエットエッチン
グ法及びドライエッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。本実施の形態で
は、ウエットエッチング法にて銅膜をエッチングしたのち、ドライエッチング法にてタン
グステン膜をエッチングすることで導電膜を加工し、導電膜２２０ａ、２２０ｂを形成す
る。

【0427】

以上の工程により、図１８（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ２００Ｃを作製する
ことができる。

【0428】

なお、トランジスタを構成する膜（絶縁膜、金属酸化物、導電膜等）としては、上述の
形成方法の他、スパッタリング法、化学気相堆積（ＣＶＤ）法、真空蒸着法、パルスレー
ザー堆積（ＰＬＤ）法、ＡＬＤ法を用いて形成することができる。あるいは、塗布法や印
刷法で形成することができる。成膜方法としては、スパッタリング法、プラズマ化学気相
堆積（ＰＥＣＶＤ）法が代表的であるが、熱ＣＶＤ法でもよい。熱ＣＶＤ法の例として、
有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）法が挙げられる。

【0429】

熱ＣＶＤ法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、原料ガスと酸化剤を同時にチ
ャンバー内に送り、基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで成膜を
行う。このように、熱ＣＶＤ法は、プラズマを発生させない成膜方法であるため、プラズ
マダメージにより欠陥が生成されることが無いという利点を有する。

【0430】

なお、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み
合わせて用いることができる。

【0431】

（実施の形態３）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を用いた表示装置の表示部等に用いる
ことのできる表示パネルの一例について、図２４及び図２５を用いて説明する。以下で例
示する表示パネルは、反射型の液晶素子と、発光素子との双方を有し、透過モードと反射
モードの両方の表示を行うことのできる、表示パネルである。なお、本発明の一態様の金
属酸化物、及び当該金属酸化物を有するトランジスタは、表示装置の画素のトランジスタ
、または表示装置を駆動させるドライバ、あるいは表示装置にデータを供給するＬＳＩ等
に好適に用いることができる。

【0432】

＜３－１．表示パネルの構成例＞
図２４は、本発明の一態様の表示パネル６００の斜視概略図である。表示パネル６００
は、基板６５１と基板６６１とが貼り合わされた構成を有する。図２４では、基板６６１
を破線で明示している。

【0433】

表示パネル６００は、表示部６６２、回路６５９、配線６６６等を有する。基板６５１
には、例えば回路６５９、配線６６６、及び画素電極として機能する導電膜６６３等が設
けられる。また図２４では基板６５１上にＩＣ６７３とＦＰＣ６７２が実装されている例
を示している。そのため、図２４に示す構成は、表示パネル６００とＦＰＣ６７２及びＩ
Ｃ６７３を有する表示モジュールと言うこともできる。

【0434】

回路６５９は、例えば走査線駆動回路として機能する回路を用いることができる。

【0435】

配線６６６は、表示部６６２や回路６５９に信号や電力を供給する機能を有する。当該
信号や電力は、ＦＰＣ６７２を介して外部、またはＩＣ６７３から配線６６６に入力され
る。

【0436】

また、図２４では、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）方式等により、基板６５１
にＩＣ６７３が設けられている例を示している。ＩＣ６７３は、例えば走査線駆動回路、
または信号線駆動回路などとしての機能を有するＩＣを適用できる。なお表示パネル６０
０が走査線駆動回路及び信号線駆動回路として機能する回路を備える場合や、走査線駆動
回路や信号線駆動回路として機能する回路を外部に設け、ＦＰＣ６７２を介して表示パネ
ル６００を駆動するための信号を入力する場合などでは、ＩＣ６７３を設けない構成とし
てもよい。また、ＩＣ６７３を、ＣＯＦ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｆｉｌｍ）方式等により、Ｆ
ＰＣ６７２に実装してもよい。

【0437】

図２４には、表示部６６２の一部の拡大図を示している。表示部６６２には、複数の表
示素子が有する導電膜６６３がマトリクス状に配置されている。導電膜６６３は、可視光
を反射する機能を有し、後述する液晶素子６４０の反射電極として機能する。

【0438】

また、図２４に示すように、導電膜６６３は開口を有する。さらに導電膜６６３よりも
基板６５１側に、発光素子６６０を有する。発光素子６６０からの光は、導電膜６６３の
開口を介して基板６６１側に射出される。

【0439】

＜３－２．断面構成例＞
図２５に、図２４で例示した表示パネルの、ＦＰＣ６７２を含む領域の一部、回路６５
９を含む領域の一部、及び表示部６６２を含む領域の一部をそれぞれ切断したときの断面
の一例を示す。

【0440】

表示パネルは、基板６５１と基板６６１の間に、絶縁膜６２０を有する。また基板６５
１と絶縁膜６２０の間に、発光素子６６０、トランジスタ６０１、トランジスタ６０５、
トランジスタ６０６、着色層６３４等を有する。また絶縁膜６２０と基板６６１の間に、
液晶素子６４０、着色層６３１等を有する。また基板６６１と絶縁膜６２０は接着層６４
１を介して接着され、基板６５１と絶縁膜６２０は接着層６４２を介して接着されている
。

【0441】

トランジスタ６０６は、液晶素子６４０と電気的に接続し、トランジスタ６０５は、発
光素子６６０と電気的に接続する。トランジスタ６０５とトランジスタ６０６は、いずれ
も絶縁膜６２０の基板６５１側の面上に形成されているため、これらを同一の工程を用い
て作製することができる。

【0442】

基板６６１には、着色層６３１、遮光膜６３２、絶縁膜６２１、及び液晶素子６４０の
共通電極として機能する導電膜６１３、配向膜６３３ｂ、絶縁膜６１７等が設けられてい
る。絶縁膜６１７は、液晶素子６４０のセルギャップを保持するためのスペーサとして機
能する。

【0443】

絶縁膜６２０の基板６５１側には、絶縁膜６８１、絶縁膜６８２、絶縁膜６８３、絶縁
膜６８４、絶縁膜６８５等の絶縁層が設けられている。絶縁膜６８１は、その一部が各ト
ランジスタのゲート絶縁層として機能する。絶縁膜６８２、絶縁膜６８３、及び絶縁膜６
８４は、各トランジスタを覆って設けられている。また絶縁膜６８４を覆って絶縁膜６８
５が設けられている。絶縁膜６８４及び絶縁膜６８５は、平坦化層としての機能を有する
。なお、ここではトランジスタ等を覆う絶縁層として、絶縁膜６８２、絶縁膜６８３、絶
縁膜６８４の３層を有する場合について示しているが、これに限られず４層以上であって
もよいし、単層、または２層であってもよい。また平坦化層として機能する絶縁膜６８４
は、不要であれば設けなくてもよい。

【0444】

また、トランジスタ６０１、トランジスタ６０５、及びトランジスタ６０６は、一部が
ゲートとして機能する導電膜６５４、一部がソース又はドレインとして機能する導電膜６
５２、半導体膜６５３を有する。ここでは、同一の導電膜を加工して得られる複数の層に
、同じハッチングパターンを付している。

【0445】

液晶素子６４０は反射型の液晶素子である。液晶素子６４０は、導電膜６３５、液晶層
６１２、導電膜６１３が積層された積層構造を有する。また導電膜６３５の基板６５１側
に接して、可視光を反射する導電膜６６３が設けられている。導電膜６６３は開口６５５
を有する。また導電膜６３５及び導電膜６１３は可視光を透過する材料を含む。また液晶
層６１２と導電膜６３５の間に配向膜６３３ａが設けられ、液晶層６１２と導電膜６１３
の間に配向膜６３３ｂが設けられている。また、基板６６１の外側の面には、偏光板６５
６を有する。

【0446】

液晶素子６４０において、導電膜６６３は可視光を反射する機能を有し、導電膜６１３
は可視光を透過する機能を有する。基板６６１側から入射した光は、偏光板６５６により
偏光され、導電膜６１３、液晶層６１２を透過し、導電膜６６３で反射する。そして液晶
層６１２及び導電膜６１３を再度透過して、偏光板６５６に達する。このとき、導電膜６
６３及び導電膜６３５と導電膜６１３の間に与える電圧によって液晶の配向を制御し、光
の光学変調を制御することができる。すなわち、偏光板６５６を介して射出される光の強
度を制御することができる。また光は着色層６３１によって特定の波長領域以外の光が吸
収されることにより、取り出される光は、例えば赤色を呈する光となる。

【0447】

発光素子６６０は、ボトムエミッション型の発光素子である。発光素子６６０は、絶縁
膜６２０側から導電膜６４３、ＥＬ層６４４、及び導電膜６４５ｂの順に積層された積層
構造を有する。また導電膜６４５ｂを覆って導電膜６４５ａが設けられている。導電膜６
４５ｂは可視光を反射する材料を含み、導電膜６４３及び導電膜６４５ａは可視光を透過
する材料を含む。発光素子６６０が発する光は、着色層６３４、絶縁膜６２０、開口６５
５、導電膜６１３等を介して、基板６６１側に射出される。

【0448】

ここで、図２５に示すように、開口６５５には可視光を透過する導電膜６３５が設けら
れていることが好ましい。これにより、開口６５５と重なる領域においてもそれ以外の領
域と同様に液晶が配向するため、これらの領域の境界部で液晶の配向不良が生じ、意図し
ない光が漏れてしまうことを抑制できる。

【0449】

ここで、基板６６１の外側の面に配置する偏光板６５６として直線偏光板を用いてもよ
いが、円偏光板を用いることもできる。円偏光板としては、例えば直線偏光板と１／４波
長位相差板を積層したものを用いることができる。これにより、外光反射を抑制すること
ができる。また、偏光板の種類に応じて、液晶素子６４０に用いる液晶素子のセルギャッ
プ、配向、駆動電圧等を調整することで、所望のコントラストが実現されるようにすれば
よい。

【0450】

また導電膜６４３の端部を覆う絶縁膜６４６上には、絶縁膜６４７が設けられている。
絶縁膜６４７は、絶縁膜６２０と基板６５１が必要以上に接近することを抑制するスペー
サとしての機能を有する。またＥＬ層６４４や導電膜６４５ａを遮蔽マスク（メタルマス
ク）を用いて形成する場合には、当該遮蔽マスクが被形成面に接触することを抑制する機
能を有していてもよい。なお、絶縁膜６４７は不要であれば設けなくてもよい。

【0451】

トランジスタ６０５のソース又はドレインの一方は、導電膜６４８を介して発光素子６
６０の導電膜６４３と電気的に接続されている。

【0452】

トランジスタ６０６のソース又はドレインの一方は、接続部６０７を介して導電膜６６
３と電気的に接続されている。導電膜６６３と導電膜６３５は接して設けられ、これらは
電気的に接続されている。ここで、接続部６０７は、絶縁膜６２０に設けられた開口を介
して、絶縁膜６２０の両面に設けられる導電層同士を接続する部分である。

【0453】

基板６５１の基板６６１と重ならない領域には、接続部６０４が設けられている。接続
部６０４は、接続層６４９を介してＦＰＣ６７２と電気的に接続されている。接続部６０
４は接続部６０７と同様の構成を有している。接続部６０４の上面は、導電膜６３５と同
一の導電膜を加工して得られた導電層が露出している。これにより、接続部６０４とＦＰ
Ｃ６７２とを接続層６４９を介して電気的に接続することができる。

【0454】

接着層６４１が設けられる一部の領域には、接続部６８７が設けられている。接続部６
８７において、導電膜６３５と同一の導電膜を加工して得られた導電層と、導電膜６１３
の一部が、接続体６８６により電気的に接続されている。したがって、基板６６１側に形
成された導電膜６１３に、基板６５１側に接続されたＦＰＣ６７２から入力される信号ま
たは電位を、接続部６８７を介して供給することができる。

【0455】

接続体６８６としては、例えば導電性の粒子を用いることができる。導電性の粒子とし
ては、有機樹脂またはシリカなどの粒子の表面を金属材料で被覆したものを用いることが
できる。金属材料としてニッケルや金を用いると接触抵抗を低減できるため好ましい。ま
たニッケルをさらに金で被覆するなど、２種類以上の金属材料を層状に被覆させた粒子を
用いることが好ましい。また接続体６８６として、弾性変形、または塑性変形する材料を
用いることが好ましい。このとき導電性の粒子である接続体６８６は、図２５に示すよう
に上下方向に潰れた形状となる場合がある。こうすることで、接続体６８６と、これと電
気的に接続する導電層との接触面積が増大し、接触抵抗を低減できるほか、接続不良など
の不具合の発生を抑制することができる。

【0456】

接続体６８６は、接着層６４１に覆われるように配置することが好ましい。例えば、硬
化前の接着層６４１に接続体６８６を分散させておけばよい。

【0457】

図２５では、回路６５９の例としてトランジスタ６０１が設けられている例を示してい
る。

【0458】

図２５では、トランジスタ６０１及びトランジスタ６０５の例として、チャネルが形成
される半導体膜６５３を２つのゲートで挟持する構成が適用されている。一方のゲートは
導電膜６５４により、他方のゲートは絶縁膜６８２を介して半導体膜６５３と重なる導電
膜６２３により構成されている。このような構成とすることで、トランジスタのしきい値
電圧を制御することができる。このとき、２つのゲートを接続し、これらに同一の信号を
供給することによりトランジスタを駆動してもよい。このようなトランジスタは他のトラ
ンジスタと比較して電界効果移動度を高めることが可能であり、オン電流を増大させるこ
とができる。その結果、高速駆動が可能な回路を作製することができる。さらには、回路
部の占有面積を縮小することが可能となる。オン電流の大きなトランジスタを適用するこ
とで、表示パネルを大型化、または高精細化したときに配線数が増大したとしても、各配
線における信号遅延を低減することが可能であり、表示ムラを抑制することができる。

【0459】

なお、回路６５９が有するトランジスタと、表示部６６２が有するトランジスタは、同
じ構造であってもよい。また回路６５９が有する複数のトランジスタは、全て同じ構造で
あってもよいし、異なる構造のトランジスタを組み合わせて用いてもよい。また、表示部
６６２が有する複数のトランジスタは、全て同じ構造であってもよいし、異なる構造のト
ランジスタを組み合わせて用いてもよい。

【0460】

各トランジスタを覆う絶縁膜６８２、絶縁膜６８３のうち少なくとも一方は、水や水素
などの不純物が拡散しにくい材料を用いることが好ましい。すなわち、絶縁膜６８２また
は絶縁膜６８３はバリア膜として機能させることができる。このような構成とすることで
、トランジスタに対して外部から不純物が拡散することを効果的に抑制することが可能と
なり、信頼性の高い表示パネルを実現できる。

【0461】

基板６６１側において、着色層６３１、遮光膜６３２を覆って絶縁膜６２１が設けられ
ている。絶縁膜６２１は、平坦化層としての機能を有していてもよい。絶縁膜６２１によ
り、導電膜６１３の表面を概略平坦にできるため、液晶層６１２の配向状態を均一にでき
る。

【0462】

表示パネル６００を作製する方法の一例について説明する。例えば剥離層を有する支持
基板上に、導電膜６３５、導電膜６６３、絶縁膜６２０を順に形成し、その後、トランジ
スタ６０５、トランジスタ６０６、発光素子６６０等を形成した後、接着層６４２を用い
て基板６５１と支持基板を貼り合せる。その後、剥離層と絶縁膜６２０、及び剥離層と導
電膜６３５のそれぞれの界面で剥離することにより、支持基板及び剥離層を除去する。ま
たこれとは別に、着色層６３１、遮光膜６３２、導電膜６１３等をあらかじめ形成した基
板６６１を準備する。そして基板６５１または基板６６１に液晶を滴下し、接着層６４１
により基板６５１と基板６６１を貼り合せることで、表示パネル６００を作製することが
できる。

【0463】

剥離層としては、絶縁膜６２０及び導電膜６３５との界面で剥離が生じる材料を適宜選
択することができる。特に、剥離層としてタングステンなどの高融点金属材料を含む層と
当該金属材料の酸化物を含む層を積層して用い、剥離層上の絶縁膜６２０として、窒化シ
リコンや酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン等を複数積層した層を用いることが好まし
い。剥離層に高融点金属材料を用いると、これよりも後に形成する層の形成温度を高める
ことが可能で、不純物の濃度が低減され、信頼性の高い表示パネルを実現できる。

【0464】

導電膜６３５としては、金属酸化物、または金属窒化物等の酸化物または窒化物を用い
ることが好ましい。金属酸化物を用いる場合には、水素、ボロン、リン、窒素、及びその
他の不純物の濃度、並びに酸素欠損量の少なくとも一が、トランジスタに用いる半導体層
に比べて高められた材料を、導電膜６３５に用いればよい。

【0465】

＜３－３．各構成要素について＞
以下では、上記に示す各構成要素について説明する。

【0466】

［接着層］
接着層としては、紫外線硬化型等の光硬化型接着剤、反応硬化型接着剤、熱硬化型接着
剤、嫌気型接着剤などの各種硬化型接着剤を用いることができる。これら接着剤としては
エポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、イミ
ド樹脂、ＰＶＣ（ポリビニルクロライド）樹脂、ＰＶＢ（ポリビニルブチラル）樹脂、Ｅ
ＶＡ（エチレンビニルアセテート）樹脂等が挙げられる。特に、エポキシ樹脂等の透湿性
が低い材料が好ましい。また、二液混合型の樹脂を用いてもよい。また、接着シート等を
用いてもよい。

【0467】

また、上記樹脂に乾燥剤を含んでいてもよい。例えば、アルカリ土類金属の酸化物（酸
化カルシウムや酸化バリウム等）のように、化学吸着によって水分を吸着する物質を用い
ることができる。または、ゼオライトやシリカゲル等のように、物理吸着によって水分を
吸着する物質を用いてもよい。乾燥剤が含まれていると、水分などの不純物が素子に侵入
することを抑制でき、表示パネルの信頼性が向上するため好ましい。

【0468】

また、上記樹脂に屈折率の高いフィラーや光散乱部材を混合することにより、光取り出
し効率を向上させることができる。例えば、酸化チタン、酸化バリウム、ゼオライト、ジ
ルコニウム等を用いることができる。

【0469】

［接続層］
接続層としては、異方性導電フィルム（ＡＣＦ：Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｃｏｎｄｕ
ｃｔｉｖｅ Ｆｉｌｍ）や、異方性導電ペースト（ＡＣＰ：Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｃ
ｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｐａｓｔｅ）などを用いることができる。

【0470】

［着色層］
着色層に用いることのできる材料としては、金属材料、樹脂材料、顔料または染料が含
まれた樹脂材料などが挙げられる。

【0471】

［遮光層］
遮光層として用いることのできる材料としては、カーボンブラック、チタンブラック、
金属、金属酸化物、複数の金属酸化物の固溶体を含む複合酸化物等が挙げられる。遮光層
は、樹脂材料を含む膜であってもよいし、金属などの無機材料の薄膜であってもよい。ま
た、遮光層に、着色層の材料を含む膜の積層膜を用いることもできる。例えば、ある色の
光を透過する着色層に用いる材料を含む膜と、他の色の光を透過する着色層に用いる材料
を含む膜との積層構造を用いることができる。着色層と遮光層の材料を共通化することで
、装置を共通化できるほか工程を簡略化できるため好ましい。

【0472】

以上が各構成要素についての説明である。

【0473】

＜３－４．作製方法例＞
ここでは、可撓性を有する基板を用いた表示パネルの作製方法の例について説明する。

【0474】

ここでは、表示素子、回路、配線、電極、着色層や遮光層などの光学部材、及び絶縁層
等が含まれる層をまとめて素子層と呼ぶこととする。例えば、素子層は表示素子を含み、
表示素子の他に表示素子と電気的に接続する配線、画素や回路に用いるトランジスタなど
の素子を備えていてもよい。

【0475】

また、ここでは、表示素子が完成した（作製工程が終了した）段階において、素子層を
支持し、可撓性を有する部材のことを、基板と呼ぶこととする。例えば、基板には、厚さ
が１０ｎｍ以上３００μｍ以下の、極めて薄いフィルム等も含まれる。

【0476】

可撓性を有し、絶縁表面を備える基板上に素子層を形成する方法としては、代表的には
以下に挙げる２つの方法がある。一つは、基板上に直接、素子層を形成する方法である。
もう一つは、基板とは異なる支持基板上に素子層を形成した後、素子層と支持基板を剥離
し、素子層を基板に転置する方法である。なお、ここでは詳細に説明しないが、上記２つ
の方法に加え、可撓性を有さない基板上に素子層を形成し、当該基板を研磨等により薄く
することで可撓性を持たせる方法もある。

【0477】

基板を構成する材料が、素子層の形成工程にかかる熱に対して耐熱性を有する場合には
、基板上に直接、素子層を形成すると、工程が簡略化されるため好ましい。このとき、基
板を支持基板に固定した状態で素子層を形成すると、装置内、及び装置間における搬送が
容易になるため好ましい。

【0478】

また、素子層を支持基板上に形成した後に、基板に転置する方法を用いる場合、まず支
持基板上に剥離層と絶縁層を積層し、当該絶縁層上に素子層を形成する。続いて、支持基
板と素子層の間で剥離し、素子層を基板に転置する。このとき、支持基板と剥離層の界面
、剥離層と絶縁層の界面、または剥離層中で剥離が生じるような材料を選択すればよい。
この方法では、支持基板や剥離層に耐熱性の高い材料を用いることで、素子層を形成する
際にかかる温度の上限を高めることができ、より信頼性の高い素子を有する素子層を形成
できるため、好ましい。

【0479】

例えば剥離層として、タングステンなどの高融点金属材料を含む層と、当該金属材料の
酸化物を含む層を積層して用い、剥離層上の絶縁層として、酸化シリコン、窒化シリコン
、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコンなどを複数積層した層を用いることが好ましい。

【0480】

素子層と支持基板とを剥離する方法としては、機械的な力を加えることや、剥離層をエ
ッチングすること、または剥離界面に液体を浸透させることなどが、一例として挙げられ
る。または、剥離界面を形成する２層の熱膨張率の違いを利用し、加熱または冷却するこ
とにより剥離を行ってもよい。

【0481】

また、支持基板と絶縁層の界面で剥離が可能な場合には、剥離層を設けなくてもよい。

【0482】

例えば、支持基板としてガラスを用い、絶縁層としてポリイミドなどの有機樹脂を用い
ることができる。このとき、レーザ光等を用いて有機樹脂の一部を局所的に加熱する、ま
たは鋭利な部材により物理的に有機樹脂の一部を切断、または貫通すること等により剥離
の起点を形成し、ガラスと有機樹脂の界面で剥離を行ってもよい。また、上記の有機樹脂
としては、感光性の材料を用いると、開口部などの形状を容易に作製しやすいため好適で
ある。また、上記のレーザ光としては、例えば、可視光線から紫外線の波長領域の光であ
ることが好ましい。例えば波長が２００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の光、好ましくは波長が
２５０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下の光を用いることができる。特に、波長３０８ｎｍのエキ
シマレーザを用いると、生産性に優れるため好ましい。また、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第三
高調波である波長３５５ｎｍのＵＶレーザなどの固体ＵＶレーザ（半導体ＵＶレーザとも
いう）を用いてもよい。

【0483】

または、支持基板と有機樹脂からなる絶縁層の間に発熱層を設け、当該発熱層を加熱す
ることにより、当該発熱層と絶縁層の界面で剥離を行ってもよい。発熱層としては、電流
を流すことにより発熱する材料、光を吸収することにより発熱する材料、磁場を印加する
ことにより発熱する材料など、様々な材料を用いることができる。例えば発熱層としては
、半導体、金属、絶縁体から選択して用いることができる。

【0484】

なお、上述した方法において、有機樹脂からなる絶縁層は、剥離後に基板として用いる
ことができる。

【0485】

以上が可撓性を有する表示パネルを作製する方法についての説明である。

【0486】

なお、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み
合わせて用いることができる。

【符号の説明】

【0487】

Ｐ１ 領域
Ｐ２ 領域
Ｐ３ 領域
Ｐ４ 領域
Ｐ５ 領域
Ｐ６ 領域
Ｐ７ 領域
Ｐ８ 領域
００１ 領域
００２ 領域
１０ スパッタリングターゲット
１０ａ スパッタリングターゲット
１０ｂ スパッタリングターゲット
１１ 領域
１１ａ スパッタ粒子
１２ 領域
１２ａ スパッタ粒子
１３ 析出部
２０ 陽イオン
３０ プラズマ
４１ 成膜室
５０ａ バッキングプレート
５０ｂ バッキングプレート
５２ ターゲットホルダ
５２ａ ターゲットホルダ
５２ｂ ターゲットホルダ
５４ａ マグネットユニット
５４ｂ マグネットユニット
５４Ｎ１ マグネット
５４Ｎ２ マグネット
５４Ｓ マグネット
５６ マグネットホルダ
５８ 部材
６０ 基板
６２ 基板ホルダ
６４ａ 磁力線
６４ｂ 磁力線
１００Ａ トランジスタ
１００Ｂ トランジスタ
１００Ｃ トランジスタ
１００Ｄ トランジスタ
１０２ 基板
１０４ 絶縁膜
１０６ 導電膜
１０８ 金属酸化物
１０８＿１ 金属酸化物
１０８＿２ 金属酸化物
１０８＿３ 金属酸化物
１１２ａ 導電膜
１１２ｂ 導電膜
１１２ｃ 導電膜
１１４ 絶縁膜
１１６ 絶縁膜
１１８ 絶縁膜
１２０ａ 導電膜
１２０ｂ 導電膜
１５１ 開口部
１５２ａ 開口部
１５２ｂ 開口部
２００Ａ トランジスタ
２００Ｂ トランジスタ
２００Ｃ トランジスタ
２００Ｄ トランジスタ
２０２ 基板
２０４ 絶縁膜
２０６ 導電膜
２０８ 金属酸化物
２０８＿１ａ 金属酸化物
２０８＿２ａ 金属酸化物
２０８＿３ａ 金属酸化物
２０８ｉ 領域
２０８ｉ＿１ 領域
２０８ｉ＿２ 領域
２０８ｉ＿３ 領域
２０８ｎ 領域
２１０ 絶縁膜
２１０＿０ 絶縁膜
２１２ 導電膜
２１２＿０ 導電膜
２１６ 絶縁膜
２１８ 絶縁膜
２２０ａ 導電膜
２２０ｂ 導電膜
２４０ マスク
２４１ａ 開口部
２４１ｂ 開口部
２４３ 開口部
６００ 表示パネル
６０１ トランジスタ
６０４ 接続部
６０５ トランジスタ
６０６ トランジスタ
６０７ 接続部
６１２ 液晶層
６１３ 導電膜
６１７ 絶縁膜
６２０ 絶縁膜
６２１ 絶縁膜
６２３ 導電膜
６３１ 着色層
６３２ 遮光膜
６３３ａ 配向膜
６３３ｂ 配向膜
６３４ 着色層
６３５ 導電膜
６４０ 液晶素子
６４１ 接着層
６４２ 接着層
６４３ 導電膜
６４４ ＥＬ層
６４５ａ 導電膜
６４５ｂ 導電膜
６４６ 絶縁膜
６４７ 絶縁膜
６４８ 導電膜
６４９ 接続層
６５１ 基板
６５２ 導電膜
６５３ 半導体膜
６５４ 導電膜
６５５ 開口
６５６ 偏光板
６５９ 回路
６６０ 発光素子
６６１ 基板
６６２ 表示部
６６３ 導電膜
６６６ 配線
６７２ ＦＰＣ
６７３ ＩＣ
６８１ 絶縁膜
６８２ 絶縁膜
６８３ 絶縁膜
６８４ 絶縁膜
６８５ 絶縁膜
６８６ 接続体
６８７ 接続部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】