成膜装置的制作方法

本发明的一个方式涉及一种成膜装置。

另外，本发明例如涉及一种氧化物、晶体管、半导体装置及它们的制造方法。另外，本发明例如涉及一种氧化物、显示装置、发光装置、照明装置、蓄电装置、存储装置、摄像装置、处理器、电子设备。另外，本发明涉及一种氧化物、显示装置、液晶显示装置、发光装置、存储装置、电子设备的制造方法。此外，本发明涉及一种半导体装置、显示装置、液晶显示装置、发光装置、存储装置、电子设备的驱动方法。

注意，本发明的一个方式不局限于上述技术领域。本说明书等所公开的发明的一个方式的技术领域涉及一种物体、方法或制造方法。此外，本发明的一个方式涉及一种工序(process)、机器(machine)、产品(manufacture)或组合物(composition of matter)。

注意，本说明书等中的半导体装置是指能够通过利用半导体特性而工作的所有装置。显示装置、发光装置、照明装置、摄像装置、电光装置、半导体电路以及电子设备有时包括半导体装置。

背景技术：

使用在具有绝缘表面的衬底上的半导体来形成晶体管的技术受到关注。该晶体管被广泛地应用于如集成电路或显示装置等的半导体装置。作为可以应用于晶体管的半导体，已知的是硅。

作为用于晶体管的半导体的硅，根据用途适当地使用非晶硅或多晶硅。例如，当应用于构成大型显示装置的晶体管时，优选使用已确立了大面积衬底上的成膜技术的非晶硅。另一方面，当应用于构成在同一衬底上形成有驱动电路及像素电路的高功能的显示装置的晶体管时，优选使用可以制造具有高场效应迁移率的晶体管的多晶硅。作为多晶硅的形成方法，已知通过对非晶硅进行高温的热处理或激光处理来形成的方法。

近年来，对使用氧化物半导体(典型的是In-Ga-Zn氧化物)的晶体管积极地进行开发。

氧化物半导体的历史久远，1988年，公开了将结晶In-Ga-Zn氧化物应用于半导体元件(参照专利文献1)。此外，1995年，发明了使用氧化物半导体的晶体管，并公开了其电特性(参照专利文献2)。

2013年，有团体报告了非晶In-Ga-Zn氧化物具有当对其照射电子束时晶化被促进的不稳定的结构(参照非专利文献1)。此外，还报告了他们所形成的非晶In-Ga-Zn氧化物在利用高分辨率透射电子显微镜观察时没有观察到有序性。

此外，2014年，报告了具有比使用非晶In-Ga-Zn氧化物的晶体管更高的电特性及可靠性的使用结晶In-Ga-Zn氧化物的晶体管(参照非专利文献2)。其中报告了在具有CAAC-OS(C-Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor：c轴取向结晶氧化物半导体)的In-Ga-Zn氧化物中观察不到明确的晶界。

[专利文献1]日本专利申请公开第昭63-239117号公报

[专利文献2]日本PCT国际申请翻译第平11-505377号

[非专利文献1]T.Kamiya，Koji Kimoto，Naoki Ohashi，Katsumi Abe，Yuichiro Hanyu，Hideya kumomi，Hideo Hosono：Proceedings of The 20th International Display Workshops，2013，AMD2-5L

[非专利文献2]S.Yamazaki：The Electrochemical Society Transactions，2014，vol.64(10)，pp155-164

技术实现要素：

本发明的目的之一是提供一种结晶性高的氧化物。或者，本发明的目的之一是提供一种具有缺陷少的结晶结构的氧化物。或者，本发明的目的之一是提供一种缺陷能级密度低的氧化物。或者，本发明的目的之一是提供一种具有新颖的结晶结构的氧化物。或者，本发明的目的之一是提供一种杂质浓度低的氧化物。或者，本发明的目的之一是提供一种能够形成上述氧化物膜的成膜装置。

本发明的一个方式的目的之一是提供一种将氧化物用于半导体的半导体装置。此外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种包括将氧化物用于半导体的半导体装置的模块。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种包括具有将氧化物用于半导体的半导体装置或包括具有将氧化物用于半导体的半导体装置的模块的电子设备。

另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种电特性良好的晶体管。此外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种电特性稳定的晶体管。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种具有高频率特性的晶体管。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种关闭状态下的电流小的晶体管。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种包括该晶体管的半导体装置。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种包括该半导体装置的模块。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种包括该半导体装置或该模块的电子设备。

注意，这些目的的记载并不妨碍其他目的的存在。本发明的一个方式并不需要实现所有上述目的。另外，可以从说明书、附图、权利要求书等的记载得知并抽出上述以外的目的。

(1)

本发明的一个方式是一种成膜装置，该成膜装置包括靶材架、衬底架、第一电源及第二电源。在该成膜装置中，靶材架与第一电源电连接，衬底架与第二电源电连接，第二电源具有施加比接地电位高的电位的功能。

(2)

在(1)所述的本发明的一个方式的成膜装置中，第二电源具有施加比在形成膜期间生成的等离子体电位高的电位的功能。

(3)

本发明的一个方式是一种成膜装置，该成膜装置包括靶材架、衬底架、第一导入口以及第二导入口。在该成膜装置中，第一导入口配置得比衬底架更靠近靶材架，第二导入口配置得比靶材架更靠近衬底架，第一导入口具有导入第一气体的功能，第二导入口具有导入第二气体的功能。

(4)

在(3)所述的本发明的一个方式的成膜装置中，在形成膜期间，在靶材架附近第一气体的浓度高，在衬底架的附近第二气体的浓度高。

(5)

在(1)至(4)中任一个所述的本发明的一个方式的成膜装置中，在以垂直距离从靶材架的正面远离30mm的平面上，垂直于靶材架的正面的方向上的最大磁通密度为50G以上且150G以下。

(6)

本发明的一个方式是一种成膜装置，该成膜装置包括第一靶材架、第二靶材架、衬底架、第一电源以及第二电源，第一靶材架及第二靶材架与第一电源电连接，衬底架与第二电源电连接，第二电源具有施加比接地电位高的电位的功能。

(7)

在(6)所述的本发明的一个方式的成膜装置中，第二电源具有施加比在形成膜期间生成的等离子体电位高的电位的功能。

(8)

本发明的一个方式是一种成膜装置，该成膜装置包括第一靶材架、第二靶材架、衬底架、第一导入口以及第二导入口。在该成膜装置中，第一导入口配置得比衬底架更靠近第一靶材架及第二靶材架，第二导入口配置得比第一靶材架及第二靶材架更靠近衬底架，第一导入口具有导入第一气体的功能，第二导入口具有导入第二气体的功能。

(9)

在(8)所述的本发明的一个方式的成膜装置中，在形成膜期间，在第一靶材架及第二靶材架附近第一气体的浓度高，在衬底架附近第二气体的浓度高。

(10)

在(6)至(9)中任一个所述的本发明的一个方式的成膜装置中，在以垂直距离从第一靶材架的正面远离30mm的平面上，垂直于第一靶材架的正面的方向上的最大磁通密度为50G以上且150G以下。

(11)

在(6)至(10)中任一个所述的本发明的一个方式的成膜装置中，在以垂直距离从第二靶材架的正面远离30mm的平面上，垂直于第二靶材架的正面的方向上的最大磁通密度为50G以上且150G以下。

本发明可以提供一种结晶性高的氧化物。或者，本发明可以提供一种具有缺陷少的结晶结构的氧化物。或者，本发明可以提供一种缺陷能级密度低的氧化物。或者，本发明可以提供一种具有新颖的结晶结构的氧化物。或者，本发明可以提供一种杂质浓度低的氧化物。或者，本发明可以提供一种能够形成上述氧化物膜的成膜装置。

本发明可以提供一种将氧化物用于半导体的半导体装置。此外，本发明可以提供一种包括将氧化物用于半导体的半导体装置的模块。另外，本发明可以提供一种具有将氧化物用于半导体的半导体装置或包括将氧化物用于半导体的半导体装置的模块的电子设备。

本发明可以提供一种电特性良好的晶体管。此外，本发明可以提供一种电特性稳定的晶体管。另外，本发明的可以提供一种具有高频率特性的晶体管。另外，本发明可以提供一种关闭状态下的电流小的晶体管。另外，本发明可以提供一种包括该晶体管的半导体装置。另外，本发明可以提供一种包括该半导体装置的模块。另外，本发明可以提供一种包括该半导体装置或该模块的电子设备。

注意，这些效果的记载并不妨碍其他效果的存在。此外，本发明的一个方式并不需要具有所有上述效果。另外，可以从说明书、附图、权利要求书等的记载得知并抽出上述以外的效果。

附图说明

图1是示出成膜装置的一个例子的俯视图；

图2A至图2C是示出成膜装置的一个例子的截面图；

图3A至图3C是示出成膜装置的一个例子的截面图；

图4是说明溅射装置的图；

图5是说明溅射装置的图；

图6是说明溅射装置的图；

图7是说明溅射装置的图；

图8是说明In-M-Zn氧化物的组成的三角图；

图9A至图9E是说明利用XRD得到的CAAC-OS以及单晶氧化物半导体的结构分析的图、以及示出CAAC-OS的选区电子衍射图案的图；

图10A至图10E是CAAC-OS的截面TEM图像、平面TEM图像及经过分析获得的图像；

图11A至图11D是nc-OS的电子衍射图案以及nc-OS的截面TEM图像；

图12A和图12B是a-like OS的截面TEM图像；

图13是因电子照射导致的In-Ga-Zn氧化物的结晶部的变化的图；

图14A至图14C是根据本发明的一个方式的晶体管的俯视图及截面图；

图15A至图15F是根据本发明的一个方式的晶体管的截面图；

图16A至图16F是根据本发明的一个方式的晶体管的截面图；

图17是包括根据本发明的一个方式的氧化物半导体的区域的能带图；

图18A至图18C是根据本发明的一个方式的晶体管的俯视图及截面图；

图19A至图19F是根据本发明的一个方式的晶体管的截面图；

图20A至图20F是根据本发明的一个方式的晶体管的截面图；

图21A至图21C是根据本发明的一个方式的晶体管的俯视图及截面图；

图22A至图22F是根据本发明的一个方式的晶体管的截面图。

选择图为图4。

具体实施方式

将参照附图对本发明的实施方式进行详细的说明。注意，本发明不局限于以下说明，所属技术领域的普通技术人员可以很容易地理解一个事实就是其方式和详细内容可以被变换为各种形式。另外，本发明不应该被解释为仅限定在以下所示的实施方式所记载的内容中。注意，当利用附图说明发明结构时，表示相同对象的符号在不同的附图中共同使用。另外，有时使用相同的阴影图案表示相同的部分，而不特别附加符号。另外，在参照不同符号的构成要素的记载的情况下，可以适当地使用关于参照的构成要素的厚度、组成、结构或形状等的记载。

注意，在附图中，有时为了清楚了解而夸大尺寸、膜(层)的厚度或区域。

在本说明书中，可以互相调换“膜”和“层”。

另外，电压大多指某个电位与标准电位(例如，接地电位(GND)或源电位)之间的电位差。由此，可以将电压换称为电位。一般而言，电位(电压)是相对的，根据与基准电位之差决定。因此，在记载为“接地电位”等的情况下，电位也不局限于0V。例如，也有电路中的最低电位为“接地电位”的情况。或者，也有电路中的中间电位为“接地电位”的情况。在该情况下，以该电位为基准规定正电位及负电位。

另外，为方便起见，附加了第一、第二等序数词，而其并不表示工序顺序或叠层顺序。因此，例如可以将“第一”适当地替换为“第二”或“第三”等来进行说明。另外，本说明书等中所记载的序数词与用于指定本发明的一个方式的序数词有时不一致。

注意，半导体的杂质例如是指半导体的主要成分之外的元素。例如，浓度为低于0.1atomic％的元素是杂质。有时由于包含杂质而例如导致在半导体中形成DOS(Density of States：态密度)，载流子迁移率降低或结晶性降低等。在半导体是氧化物半导体时，作为改变半导体特性的杂质，例如有第1族元素、第2族元素、第13族元素、第14族元素、第15族元素或主要成分之外的过渡金属等，尤其是，例如有氢(包含在水中)、锂、钠、硅、硼、磷、碳、氮等。在氧化物半导体中，有时例如由于氢等杂质的混入导致氧缺损的产生。另外，在半导体是硅层时，作为改变半导体特性的杂质，例如有氧、除氢之外的第1族元素、第2族元素、第13族元素、第15族元素等。注意，除了杂质以外，有时由于包含过剩的主要成分的元素而成为形成DOS的原因。此时，有时可以因微量(例如，0.001原子％以上且低于3原子％)的添加物而降低DOS。注意，作为该添加物，可以使用上述可能成为杂质物的元素。

注意，沟道长度例如是指晶体管的俯视图中的半导体(或在晶体管处于导通状态时，在半导体中电流流过的部分)和栅电极互相重叠的区域或者其中形成沟道的区域中的源极(源区域或源电极)和漏极(漏区域或漏电极)之间的距离。另外，在一个晶体管中，沟道长度不一定是在所有区域中相同。也就是说，一个晶体管的沟道长度有时不局限于一个值。因此，在本说明书中，沟道长度是其中形成沟道的区域中的任一个值、最大值、最小值或平均值。

沟道宽度例如是指半导体(或在晶体管处于导通状态时，在半导体中电流流过的部分)和栅电极互相重叠的区域或者其中形成沟道的区域中的源极与漏极相对的部分的长度。另外，在一个晶体管中，沟道宽度不一定是在所有区域中相同。也就是说，一个晶体管的沟道宽度有时不局限于一个值。因此，在本说明书中，沟道宽度是其中形成沟道的区域中的任一个值、最大值、最小值或平均值。

另外，根据晶体管的结构，有时实际上其中形成沟道的区域中的沟道宽度(下面称为实效沟道宽度)和晶体管的俯视图所示的沟道宽度(下面称为外观上的沟道宽度)不同。例如，在具有立体结构的晶体管中，有时因为实效沟道宽度大于晶体管的俯视图所示的外观上的沟道宽度，所以不能忽略其影响。例如，在具有微型且立体的结构的晶体管中，有时形成在半导体的侧面的沟道形成区域的比率增大。在此情况下，实际上其中形成沟道的实效沟道宽度大于俯视图所示的外观上的沟道宽度。

在具有立体结构的晶体管中，有时难以通过实测估计实效沟道宽度。例如，为了根据设计值估计实效沟道宽度，需要预先知道半导体的形状的假定。因此，当半导体的形状不清楚时，难以准确地测量实效沟道宽度。

因此，在本说明书中，有时将在晶体管的俯视图中半导体和栅电极互相重叠的区域中的源极与漏极相对的部分的长度，即外观上的沟道宽度称为“围绕沟道宽度(SCW：Surrounded Channel Width)”。另外，在本说明书中，在简单地描述为“沟道宽度”时，有时是指围绕沟道宽度或外观上的沟道宽度。或者，在本说明书中，在简单地描述为“沟道宽度”时，有时是指实效沟道宽度。注意，通过对截面TEM图像等进行分析等，可以决定沟道长度、沟道宽度、实效沟道宽度、外观上的沟道宽度、围绕沟道宽度等的值。

另外，在通过计算求得晶体管的场效应迁移率或每个沟道宽度的电流值等时，有时使用围绕沟道宽度来计算。在此情况下，该值有时与使用实效沟道宽度计算的值不同。

在本说明书中，“A具有其端部比B的端部突出的形状”有时意味着在俯视图或截面图中A的至少一个端部位于B的至少一个端部的外侧。因此，例如可以将“A具有其端部比B的端部突出的形状”的记载解释为在俯视图中A的一个端部位于B的一个端部的外侧。

在本说明书中，“平行”是指两条直线形成的角度为-10°以上且10°以下的状态。因此，也包括该角度为-5°以上且5°以下的状态。另外，“大致平行”是指两条直线形成的角度为-30°以上且30°以下的状态。另外，“垂直”是指两条直线的角度为80°以上且100°以下的状态。因此，也包括该角度为85°以上且95°以下的状态。另外，“大致垂直”是指两条直线形成的角度为60°以上且120°以下的状态。

在本说明书中，六方晶系包括三方晶系和菱方晶系。

<成膜装置1>

下面，对根据本发明的一个方式的成膜装置进行说明。

首先，参照图1及图2A至图2C说明在形成膜期间等杂质很少混入膜中且能够形成具有高结晶性的氧化物的成膜装置的结构。

图1示意性地示出单片式多室(single wafer multi-chamber)成膜装置200的俯视图。成膜装置200包括：具备收纳衬底的盒式接口(cassette port)261和进行衬底对准的对准接口(alignment port)262的大气侧衬底供应室201；从大气侧衬底供应室201传送衬底的大气侧衬底传送室202；进行衬底的搬入且将室内的压力从大气压切换为减压或从减压切换为大气压的装载闭锁室203a；进行衬底的搬出且将室内的压力从减压切换为大气压或从大气压切换为减压的卸载闭锁室203b；进行真空中的衬底的传送的传送室204；对衬底进行加热的衬底加热室205；以及配置有靶材且进行成膜的成膜室206a、成膜室206b及成膜室206c。

大气侧衬底传送室202与装载闭锁室203a以及卸载闭锁室203b连接，装载闭锁室203a以及卸载闭锁室203b与传送室204连接，传送室204与衬底加热室205、成膜室206a、成膜室206b以及成膜室206c连接。

在各室的连接部设置有闸阀264，可以独立地保持除了大气侧衬底供应室201及大气侧衬底传送室202以外的各室的真空状态。大气侧衬底传送室202及传送室204具有传送机器人263，可以传送衬底。

衬底加热室205优选兼作等离子体处理室。成膜装置200可以在处理之间以不暴露于大气的方式传送衬底，由此可以抑制杂质吸附到衬底上。另外，可以自由地决定成膜、加热处理等的顺序。传送室、成膜室、装载闭锁室、卸载闭锁室以及衬底加热室的数量不局限于上述数量，可以根据设置它们的空间或工序条件适当地决定。

接着，图2A至图2C示出沿着图1所示的成膜装置200的点划线X1-X2、点划线Y1-Y2及点划线Y2-Y3的截面。

图2A示出衬底加热室205和传送室204的截面，衬底加热室205具有能够收纳衬底的多个加热载物台265。衬底加热室205通过阀与真空泵270连接。作为真空泵270，例如可以使用干燥泵、机械增压泵等。

作为可以用于衬底加热室205的加热机构，例如也可以使用利用电阻发热体等进行加热的加热机构。或者，也可以使用利用被加热的气体等的介质的热传导或热辐射来进行加热的加热机构。例如，可以使用GRTA(Gas Rapid Thermal Anneal：气体快速热退火)、LRTA(Lamp Rapid Thermal Anneal：灯快速热退火)等的RTA(Rapid Thermal Anneal：快速热退火)。LRTA通过卤素灯、金卤灯、氙弧灯、碳弧灯、高压钠灯、高压汞灯等的灯发射的光(电磁波)的辐射来加热被处理物。GRTA利用高温气体进行加热处理。作为气体使用惰性气体。

衬底加热室205通过质量流量控制器280与精制器281连接。注意，虽然根据气体种类的数目决定质量流量控制器280和精制器281的数目，但是为了便于理解只示出一个质量流量控制器280和一个精制器281。作为导入到衬底加热室205中的气体，可以使用露点为-80℃以下，优选为-100℃以下的气体，例如可以使用氧气体、氮气体及稀有气体(氩等)。

传送室204具有传送机器人263。传送机器人263能够将衬底传送到各室。另外，传送室204通过阀与真空泵270及低温泵271连接。通过采用上述结构，传送室204使用真空泵270从大气压至低真空或中真空(0.1Pa至几百Pa左右)进行排气，切换阀，使用低温泵271从中真空至高真空或超高真空(0.1Pa至1×10^-7Pa)进行排气。

例如也可以使两个以上的低温泵271与传送室204并联连接。通过采用上述结构，即使一个低温泵在进行再生中也可以使用其他的低温泵进行排气。注意，上述再生是指释放在低温泵中积存的分子(或原子)的处理。当低温泵积存过多分子(或原子)时其排气能力降低，由此定期进行再生。

图2B示出成膜室206b、传送室204、装载闭锁室203a的截面。

在此，参照图2B对成膜室(包括溅射装置的成膜室)的具体情况进行说明。注意，下面对成膜室206b的结构进行说明，但是成膜室206a及成膜室206c可以采用与成膜室206b相同结构。图2B所示的成膜室206b包括靶材架266、衬底架268、电源291a及电源291b。另外，靶材架266与电源291a电连接。衬底架268支撑衬底269。衬底架268通过构件284固定于成膜室206b。可以利用构件284改变靶材架266与衬底架268之间的距离。另外，衬底架268与电源291b电连接。此时，衬底架268优选通过绝缘体等与成膜室206b电分离。注意，有时衬底架268可以与成膜室206b电连接。另外，虽然未图示，但是衬底架268也可以具有保持衬底269的衬底保持机构以及从其背面对衬底269进行加热的加热器等。

成膜室206b的第一导入口283a通过气体加热机构282a与质量流量控制器280a连接，气体加热机构282a通过质量流量控制器280a与精制器281a连接。利用气体加热机构282a可以将导入成膜室206b的气体加热至40℃以上且400℃以下。注意，虽然根据气体种类的数目决定气体加热机构282a、质量流量控制器280a和精制器281a的数目，但是为了便于理解只示出一个气体加热机构282a、质量流量控制器280a和精制器281a。成膜室206b的第二导入口283b通过气体加热机构282b与质量流量控制器280b连接，气体加热机构282b通过质量流量控制器280b与精制器281b连接。利用气体加热机构282b可以将导入成膜室206b的气体加热至40℃以上且400℃以下。注意，虽然根据气体种类的数目决定气体加热机构282b、质量流量控制器280b和精制器281b的数目，但是为了便于理解只示出一个气体加热机构282b、一个质量流量控制器280b和一个精制器281b。作为导入到成膜室206b的气体，优选使用露点为-80℃以下，优选为-100℃以下的气体，例如使用氧气体、氮气体及稀有气体(氩等)。

在成膜室206b中，优选分离地设置第一导入口283a及第二导入口283b。例如，将第一导入口283a配置得比衬底架268更靠近靶材架266，将第二导入口283b配置得比靶材架266更靠近衬底架268。通过采用上述的配置，可以将导入的气体的浓度梯度形成在靶材架266与衬底架268之间。具体地说，通过从第一导入口283a导入氧气体且从第二导入口283b导入氩，可以形成氧比率从衬底架268向靶材架266变高(即，氩比率变低)的浓度梯度。通过形成上述浓度梯度，有时可以在形成膜期间靶材的表面附近促进氧化反应的同时，生成稳定的等离子体。另外，有时优选从第一导入口283a或/及第二导入口283b导入的气体被加热。例如，通过从第一导入口283a导入的气体被加热，可以在形成膜期间进一步促进靶材的表面上的化学反应。

当在气体导入口的前面设置精制器时，将从精制器到成膜室206b的管道的长度设定为10m以下，优选为5m以下，更优选为1m以下。通过将管道的长度设定为10m以下、5m以下或1m以下，可以根据管道长度减少来自管道的释放气体的影响。再者，气体的管道优选使用内部由氟化铁、氧化铝或氧化铬等覆盖的金属管道。例如与SUS316L-EP管道相比，上述管道所释放的包含杂质的气体的量少，而可以降低杂质混入气体。作为管道的接头，优选使用高性能超小型金属垫片接头(UPG接头)。通过构成管道的全部都是金属材料，与使用树脂等的情况相比，可以降低所产生的释放气体及外部泄漏的影响，所以是优选的。

另外，成膜室206b通过阀与涡轮分子泵272及真空泵270连接。例如，优选将阀配置得比靶材架266更靠近衬底架268。另外，成膜室206b优选还通过其他阀与上述以外的涡轮分子泵及真空泵连接(未图示)。通过调整阀的配置，可以精密地控制成膜室206b内的气体的浓度梯度。

在成膜室206b中设置有低温冷阱251。低温冷阱251可以设置在成膜室206b的外部。在此情况下，可以另外设置用来成膜室206b与低温冷阱251连接的管道等。

低温冷阱251是能够吸附水等的熔点较高的分子(或原子)的机构。涡轮分子泵272能够稳定地排出大分子(或原子)且维修频度低，因此在生产率上占有优势，但是排氢、排水的能力较低。于是，为了提高排出水等的能力，将低温冷阱251设置在成膜室206b中。低温冷阱251的制冷机的温度为100K以下，优选为80K以下。当低温冷阱251具有多个制冷机时，通过使每个制冷机的温度为不同，可以高效率地进行排气，所以是优选的。例如，可以将第一阶段的制冷机的温度设定为100K以下，将第二阶段的制冷机的温度设定为20K以下。通过使用钛升华泵代替低温冷阱，有时可以进一步实现高真空。此外，通过使用离子泵代替低温冷阱或涡轮分子泵，有时可以进一步实现高真空。

成膜室206b的排气方法不局限于上述方法，也可以与上述传送室204的排气方法(利用低温泵及真空泵的排气方法)同样。当然，传送室204的排气方法也可以与成膜室206b(利用涡轮分子泵及真空泵的排气方法)同样。

优选将上述传送室204、衬底加热室205和成膜室206b的背压(全压)以及各气体分子(原子)的分压设定为如下。尤其是，为了防止杂质混入形成的膜，需要考虑成膜室206b的背压以及各气体分子(原子)的分压。

上述各室的背压(全压)为1×10^-4Pa以下，优选为3×10^-5Pa以下，更优选为1×10^-5Pa以下。上述各室的质量电荷比(m/z)是2的气体分子(原子)的分压为1×10^-5Pa以下，优选为3×10^-6Pa以下，更优选为1×10^-6Pa以下。上述各室的质量电荷比(m/z)是18的气体分子(原子)的分压为3×10^-5Pa以下，优选为1×10^-5Pa以下，更优选为3×10^-6Pa以下。此外，上述各室的m/z是28的气体分子(原子)的分压为3×10^-5Pa以下，优选为1×10^-5Pa以下，更优选为3×10^-6Pa以下。上述各室的m/z是44的气体分子(原子)的分压为3×10^-5Pa以下，优选为1×10^-5Pa以下，更优选为3×10^-6Pa以下。

真空腔室内的全压及分压可以使用质量分析器测量。例如，可以使用由ULVAC,Inc.制造的四极质量分析器(也称为Q-mass)Qulee CGM-051。

优选的是上述传送室204、衬底加热室205及成膜室206b的外部泄漏及内部泄漏少。

例如，上述传送室204、衬底加热室205及成膜室206b的泄漏率为3×10^-6Pa·m³/s以下，优选为1×10^-6Pa·m³/s以下，更优选为3×10^-7Pa·m³/s以下。m/z是18的气体分子(原子)的泄漏率为1×10^-7Pa·m³/s以下，优选为3×10^-8Pa·m³/s以下。m/z是28的气体分子(原子)的泄漏率为1×10^-5Pa·m³/s以下，优选为1×10^-6Pa·m³/s以下。m/z是44的气体分子(原子)的泄漏率为3×10^-6Pa·m³/s以下，优选为1×10^-6Pa·m³/s以下。

泄漏率可以根据利用上述质量分析器测量出的全压及分压算出。

泄漏率取决于外部泄漏及内部泄漏。外部泄漏是指由于微小的孔或密封不良等，气体从真空系统的外部流入的现象。内部泄漏起因于来自真空系统中的阀等隔板的泄漏或来自内部构件的释放气体。为了将泄漏率设定为上述数值以下，需要从外部泄漏及内部泄漏的两个方面采取措施。

例如，优选使用金属垫片对成膜室206b的开闭部分进行密封。金属垫片优选使用由氟化铁、氧化铝或氧化铬覆盖的金属。金属垫片的紧密性比O形环高，因此可以降低外部泄漏。通过利用钝态的由氟化铁、氧化铝、氧化铬等覆盖的金属，可以抑制从金属垫片释放的包含杂质的释放气体，由此可以降低内部泄漏。

作为构成成膜装置200的构件，使用包含杂质的释放气体少的铝、铬、钛、锆、镍或钒。另外，也可以使用上述构件覆盖含有铁、铬及镍等的合金。含有铁、铬及镍等的合金具有刚性，耐热且适于加工。在此，通过进行抛光等减少构件表面的凹凸以缩小表面积，可以减少释放气体。

或者，也可以使用氟化铁、氧化铝、氧化铬等覆盖上述成膜装置200的构件。

优选成膜装置200的构件优选尽量只由金属构成，例如当设置由石英等构成的观察窗(viewing window)等时，为了抑制释放气体，优选由较薄的氟化铁、氧化铝或氧化铬等覆盖表面。

虽然存在于成膜室内的吸附物吸附于内壁等而不影响到成膜室的压力，但是该吸附物成为对成膜室进行排气时产生的气体释放的原因。因此，虽然泄漏率与排气速度不相关，但是使用排气能力高的泵尽量地使存在于成膜室内的吸附物脱离预先进行排气是十分重要的。为了促进吸附物的脱离，也可以对成膜室进行烘烤。通过进行烘烤，可以将吸附物的脱离速度提高10倍左右。烘烤以100℃以上且450℃以下的温度进行即可。此时，通过一边将惰性气体导入成膜室一边去除吸附物，可以进一步提高仅通过排气不容易脱离的水等的脱离速度。通过将所导入的惰性气体加热至与烘烤温度相同程度的温度，可以进一步提高吸附物的脱离速度。这里，作为惰性气体优选使用稀有气体。根据形成的膜的种类，也可以使用氧等代替惰性气体。例如，当进行氧化物的成膜时，有时优选使用主要成分的氧。优选使用灯进行烘烤。

另外，优选通过导入被加热的稀有气体等惰性气体或氧等提高成膜室内的压力，并在经过一定时间之后再次对成膜室进行排气处理。可以由被加热的气体的导入使成膜室内的吸附物脱离，由此可以减少存在于成膜室内的杂质。有效的是将该处理反复进行2次以上且30次以下，优选为5次以上且15次以下。具体地，可以通过导入40℃以上且400℃以下，优选为50℃以上且200℃以下的惰性气体或氧等来使成膜室内的压力设定为0.1Pa以上且10kPa以下，优选为1Pa以上且1kPa以下，更优选为5Pa以上且100Pa以下，并将保持压力的期间设定为1分以上且300分以下，优选为5分以上且120分以下。然后，对成膜室进行排气5分以上且300分以下，优选为10分以上且120分以下。

另外，通过进行伪成膜也可以进一步提高吸附物的脱离速度。伪成膜是指通过溅射法等对伪衬底进行成膜以在伪衬底上及成膜室内壁形成膜，来将成膜室内的杂质及成膜室内壁的吸附物封闭在膜中。作为伪衬底优选使用释放气体少的衬底。通过进行伪成膜可以降低后面形成的膜中的杂质浓度。另外，可以与烘烤同时进行伪成膜。

靶材的表面温度为100℃以下，优选为50℃以下，更优选为室温程度(典型的是25℃)。对应大面积衬底的溅射装置大多使用大面积的靶材。但是，没有接缝地制造具有对应大面积的尺寸的靶材是困难的。在实际制造时，将多个靶材以尽量没有间隙的方式排列成较大的形状，但是无论怎样总会有微小的间隙。当靶材的表面温度升高时，有时锌等从该微小的间隙挥发，导致间隙渐渐变大。当间隙变大时，有时用于垫板的金属及用来将垫板与靶材粘合在一起的粘合构件的金属也被溅射，这成为导致杂质浓度变高的主要原因。因此，优选充分冷却靶材。

具体地，作为垫板使用具有高导电性及高散热性的金属(具体的是铜)。通过在垫板内形成水路并使充分量的冷却水流过水路，可以高效率地冷却靶材。

当靶材含有锌时，通过在氧气体气氛下进行成膜，等离子体损伤减轻，由此可以获得不容易发生锌挥发的氧化物。

通过使用上述成膜装置，可以形成利用二次离子质谱分析(SIMS：Secondary Ion Mass Spectrometry)测得的氢浓度为2×10²⁰atoms/cm³以下，优选为5×10¹⁹atoms/cm³以下，更优选为1×10¹⁹atoms/cm³以下，进一步优选为5×10¹⁸atoms/cm³以下的氧化物。

另外，可以形成利用SIMS测得的氮浓度低于5×10¹⁹atoms/cm³，优选为1×10¹⁹atoms/cm³以下，更优选为5×10¹⁸atoms/cm³以下，进一步优选为1×10¹⁸atoms/cm³以下的氧化物。

另外，可以形成利用SIMS测得的碳浓度低于5×10¹⁹atoms/cm³，优选为5×10¹⁸atoms/cm³以下，更优选为1×10¹⁸atoms/cm³以下，进一步优选为5×10¹⁷atoms/cm³以下的氧化物。

杂质及氧缺陷少的氧化物的载流子密度低。具体而言，可以使载流子密度小于8×10¹¹/cm³，优选小于1×10¹¹/cm³，更优选小于1×10¹⁰/cm³，且是1×10^-9/cm³以上。将这样的氧化物称为高纯度本征或实质上高纯度本征的氧化物。CAAC-OS的杂质浓度和缺陷态密度低。即，可以说CAAC-OS是具有稳定特性的氧化物。

另外，可以形成利用热脱附谱分析法(TDS：Thermal Desorption Spectroscopy)测得的m/z是2(氢分子等)的气体分子(原子)、m/z是18的气体分子(原子)、m/z是28的气体分子(原子)及m/z是44的气体分子(原子)的释放量都为1×10¹⁹/cm³以下，优选为1×10¹⁸/cm³以下的氧化物。

当在成膜室206b中形成膜时，从电源291a向靶材架266施加电位。另外，从电源291b向衬底架268施加电位。此时，例如将成膜室206b的内壁的电位设定为接地电位。通过将成膜室206b内的压力设定为0.05Pa以上且2.00Pa以下，优选为0.10Pa以上且0.80Pa以下且从电源291a供应负电位(比接地电位低的电位)，等离子体生成在靶材架266附近。此时，等离子体电位比靶材架266的电位高，等离子体中的阳离子向靶材架266被加速。另外，在很多情况下等离子体电位比接地电位高，因此等离子体中的阳离子也向具有接地电位的处被加速。当等离子体中的阳离子向衬底架268被加速时，会导致成膜损伤。于是，优选从电源291b对衬底架268施加与等离子体电位相同的电位或比等离子体电位高的电位。通过实现上述情况，可以降低成膜损伤。

另外，通过将形成膜时的压力设定为低，可以使等离子体电位与施加到靶材架266的电位之间的电位差大。为了使该电位差大，例如将形成膜时的压力设定为低于0.4Pa，优选为低于0.2Pa，更优选为低于0.1Pa。其结果是，可以使具有高能量的阳离子碰撞到靶材。通过具有高能量的阳离子碰撞到靶材，可以生成具有高能量的溅射粒子。由于溅射粒子具有高能量，可以形成高结晶性的氧化物。另外，可以提高溅射率。

接着，说明图2B所示的传送室204和装载闭锁室203a以及图2C所示的大气侧衬底传送室202和大气侧衬底供应室201的详细结构。图2C示出大气侧衬底传送室202和大气侧衬底供应室201的截面。

关于图2B所示的传送室204，参照图2A所示的传送室204的记载。

装载闭锁室203a具有衬底递送载物台252。装载闭锁室203a使压力从减压状态上升至大气压，当装载闭锁室203a的压力变为大气压时，大气侧衬底传送室202中设置的传送机器人263从衬底递送载物台252接收衬底。然后，在对装载闭锁室203a进行抽空而处于减压状态之后，设置在传送室204中的传送机器人263从衬底递送载物台252接收衬底。

装载闭锁室203a通过阀与真空泵270以及低温泵271连接。关于真空泵270、低温泵271的排气系统的连接方法，可以参照传送室204的连接方法，所以这里省略说明。图1所示的卸载闭锁室203b可以采用与装载闭锁室203a相同的结构。

大气侧衬底传送室202具有传送机器人263。通过传送机器人263可以进行盒式接口261和装载闭锁室203a之间的衬底的递送。另外，也可以在大气侧衬底传送室202、大气侧衬底供应室201的上方设置用来去除尘屑或微粒的机构如HEPA过滤器(High Efficiency Particulate Air Filter：高效空气净化器)等。

大气侧衬底供应室201具有多个盒式接口261。盒式接口261可以收纳多个衬底。

通过使用上述成膜装置，可以抑制杂质混入氧化物。并且，通过利用上述成膜装置形成接触于氧化物的膜，可以抑制杂质从接触于氧化物的膜混入氧化物。另外，可以形成结晶性高的氧化物。

<成膜装置2>

下面，参照图3A至图3C对具有与上述图1及图2A至图2C所示的成膜装置不同的结构的成膜室的成膜装置进行说明。

与图2A至图2C同样地，图3A示出衬底加热室205和传送室204的截面，图3B示出成膜室206b、传送室204、装载闭锁室203a的截面，图3C示出大气侧衬底传送室202和大气侧衬底供应室201的截面。图3A至图3C所示的成膜装置与图2A至图2C所示的成膜装置的不同之处只是图3B所示的成膜室206b，其他结构都是相同。由此，图3A至图3C所示的成膜装置的结构可以参考图2A至图2C所示的成膜装置。

图3B所示的成膜室206b与图2B所示的成膜室206b的不同之处在于：包括靶材架266a、靶材架266b、构件267a、构件267b、电源291aa以及电源291ab。靶材架266a与电源291aa电连接。靶材架266b与电源291ab电连接。构件267a以覆盖靶材架266a的端部的方式配置。构件267b以覆盖靶材架266b的端部的方式配置。构件267a及构件267b被用作靶材屏蔽。另外，与图2B所示的成膜室206b同样地，可以利用构件284改变靶材架266a及靶材架266b与衬底架268之间的距离。另外，也可以将电阻元件配置在靶材架266a及/或靶材架266b上。

在图3B所示的成膜室206b中，也优选分离地设置第一导入口283a及第二导入口283b。例如，将第一导入口283a配置得比衬底架268更靠近靶材架266a及靶材架266b，将第二导入口283b配置得比靶材架266a及靶材架266b更靠近衬底架268。通过采用上述的配置，可以将导入的气体的浓度梯度形成在衬底架268与靶材架266a及靶材架266b之间。具体地说，通过从第一导入口283a导入氧气体且从第二导入口283b导入氩，可以形成氧比率从衬底架268向靶材架266a及靶材架266b变高(即，氩比率变低)的浓度梯度。通过形成上述浓度梯度，有时可以在形成膜期间靶材的表面附近促进氧化反应的同时，生成稳定的等离子体。另外，有时优选从第一导入口283a或/及第二导入口283b导入的气体被加热。例如，通过从第一导入口283a导入的气体被加热，可以在形成膜期间靶材的表面上进一步促进化学反应。

另外，图3B所示的成膜室206b也通过阀与涡轮分子泵272及真空泵270连接。例如，优选将阀配置得比靶材架266a及靶材架266b更靠近衬底架268。另外，成膜室206b优选还通过其他阀与上述以外的涡轮分子泵及真空泵连接(未图示)。通过调整阀的配置，可以精密地控制成膜室206b内的气体的浓度梯度。

当在图3B所示的成膜室206b中形成膜时，从电源291aa向靶材架266a且从电源291ab向靶材架266b分别施加电位。另外，从电源291b向衬底架268施加电位。此时，例如将成膜室206b的内壁的电位设定为接地电位。通过将成膜室206b内的压力设定为0.05Pa以上且2.00Pa以下，优选为0.10Pa以上且0.80Pa以下且从电源291a供应负电位(比接地电位低的电位)，等离子体生成在靶材架266a及靶材架266b附近。此时，等离子体电位比靶材架266a及靶材架266b的电位高，等离子体中的阳离子向靶材架266a及靶材架266b被加速。另外，在很多情况下等离子体电位比接地电位高，因此等离子体中的阳离子也向具有接地电位的处被加速。当等离子体中的阳离子向衬底架268被加速时，会导致成膜损伤。于是，优选从电源291b对衬底架268施加与等离子体电位相同的电位或比等离子体电位高的电位。通过实现上述情况，可以降低成膜损伤。

另外，通过将形成膜时的压力设定为低，可以使等离子体电位与施加到靶材架266a及靶材架266b的电位之间的电位差大。为了使该电位差大，例如将形成膜时的压力设定为低于0.4Pa，优选为低于0.2Pa，更优选为低于0.1Pa。其结果是，可以使具有高能量的阳离子碰撞到靶材。通过具有高能量的阳离子碰撞到靶材，可以生成具有高能量的溅射粒子。由于溅射粒子具有高能量，可以形成高结晶性的氧化物。另外，可以提高溅射率。

通过使用上述成膜装置，可以抑制杂质混入氧化物。并且，通过利用上述成膜装置形成接触于氧化物的膜，可以抑制杂质从接触于氧化物的膜混入氧化物。另外，可以形成结晶性高的氧化物。

<溅射装置1>

下面，对根据本发明的一个方式的平行板型溅射装置进行说明。例如，可以将在本项中所说明的溅射装置用于上述图1、图2A至图2C所示的成膜装置的成膜室206a、206b及206c等。注意，为了容易理解或说明成膜时的工作，在附图中示出配置有衬底及靶材等的溅射装置。然而，衬底及靶材等是使用者设置的，所以有时根据本发明的一个方式的溅射装置不包括衬底及靶材。

可以将使用平行板型溅射装置的成膜方法称为PESP(parallel electrode SP)。

图4是作为平行板型溅射装置的成膜室的截面图。图4所示的成膜室包括靶材架120、垫板110、靶材100、磁铁单元130、衬底架170。此外，靶材100配置在垫板110上。垫板110配置在靶材架120上。磁铁单元130隔着垫板110配置在靶材100下。衬底架170以与靶材100面对的方式配置。此外，在本说明书中，将多个磁铁(磁石)的组合称为磁铁单元。磁铁单元也可以被称为阴极、阴极磁铁、磁力构件、磁力零件等。磁铁单元130包括磁铁130N、磁铁130S、磁铁架132。此外，在磁铁单元130中，磁铁130N及磁铁130S配置在磁铁架132上。磁铁130N以与磁铁130S间隔开的方式配置。当将衬底160搬入成膜室时，衬底160配置在衬底架170上。

靶材架120与垫板110由螺钉(螺栓等)被固定，被施加相同电位。靶材架120隔着垫板110支撑靶材100。

靶材100被固定于垫板110。例如，可以由包含铟等低熔点金属的粘合构件固定垫板110与靶材100。

成膜室也可以在垫板110的内部或下部等具有水路。通过使流体(空气、氮、稀有气体、水、油等)流过水路，可以抑制在进行溅射时靶材100的温度上升所引起的放电异常或者构件的变形所引起的成膜室的损伤等。此时，通过用粘合构件将垫板110与靶材100接合在一起，冷却性能得到提高，所以是优选的。

通过在靶材架120与垫板110之间设置垫片，杂质不容易从外部或水路等侵入成膜室，所以是优选的。

在磁铁单元130中，以彼此不同的极性朝向靶材100的方式配置磁铁130N及磁铁130S。在此说明磁铁130N的N极朝向靶材100，且磁铁130S的S极朝向靶材100的情况。注意，磁铁单元130中的磁铁及极性的配置不局限于此。此外，也不局限于图4所示的配置。

下面，对在衬底160上形成膜的方法进行说明。

首先，将成膜气体流过高真空下的成膜室内，利用真空泵调整压力。

接着，对连接于靶材架120的端子V1施加电位V1。另外，由于靶材架120与垫板110电连接，所以垫板110的电位与电位V1相同，从而将等离子体140生成在靶材100与衬底160之间。电位V1可以比施加到与衬底架170连接的端子V2的电位V2低。此时，施加到与衬底架170连接的端子V2的电位V2例如比接地电位高。施加到与磁铁架132连接的端子V3的电位V3例如为接地电位。注意，施加到端子V1、端子V2及端子V3的电位不局限于上述电位。例如，衬底架170也可以处于电浮动状态。注意，端子V1与可以控制施加的电位的电源电连接。作为电源，可以使用DC电源或RF电源。

磁铁单元130优选采用如下结构：在以垂直距离从靶材架120的正面(靶材一侧的面)远离30mm的平面上，垂直于靶材架120的正面的方向上的最大磁通密度为50G以上且150G以下。另外，通过降低最大磁通密度，可以使等离子体电位与施加到靶材架120的电位之间的电位差大。其结果是，可以使具有高能量的阳离子碰撞到靶材。通过具有高能量的阳离子碰撞到靶材，可以生成具有高能量的溅射粒子。通过溅射粒子具有高能量，可以形成高结晶性的氧化物。另外，可以提高溅射率。

当成膜气体中的氧分压过高时，容易形成包含多种结晶相的氧化物，因此优选作为成膜气体使用氩等稀有气体(氦、氖、氪、氙等)与氧的混合气体。例如，氧在整体中所占的比率低于50vol％，优选为33vol％以下，更优选为20vol％以下，进一步优选为15vol％以下即可。

另外，靶材100与衬底160之间的垂直距离为10mm以上且600mm以下，优选为20mm以上且400mm以下，更优选为30mm以上且200mm以下，进一步优选为40mm以上且100mm以下。通过在上述范围内使靶材100与衬底160之间的垂直距离较小，有时可以抑制溅射粒子到达衬底160之前能量降低。另外，通过在上述范围内使靶材100与衬底160之间的垂直距离较大，可以使溅射粒子入射到衬底160时的方向接近于垂直，因此有时可以减轻溅射粒子的碰撞所导致的衬底160的损伤。

图5示出包括与图4所示的溅射装置不同的溅射装置的成膜室的例子。

图5所示的成膜室包括靶材架120a、靶材架120b、垫板110a、垫板110b、靶材100a、靶材100b、磁铁单元130a、磁铁单元130b、构件142、衬底架170。靶材100a配置在垫板110a上。垫板110a配置在靶材架120a上。磁铁单元130a隔着垫板110a配置在靶材100a下。靶材100b配置在垫板110b上。垫板110b配置在靶材架120b上。磁铁单元130b隔着垫板110b配置在靶材100b下。

磁铁单元130a包括磁铁130N1、磁铁130N2、磁铁130S、磁铁架132。在磁铁单元130a中，磁铁130N1、磁铁130N2及磁铁130S配置在磁铁架132上。磁铁130N1及磁铁130N2以与磁铁130S间隔开的方式配置。磁铁单元130b具有与磁铁单元130a相同的结构。在将衬底160搬入成膜室时，衬底160配置在衬底架170上。

靶材100a、垫板110a及靶材架120a与靶材100b、垫板110b及靶材架120b由构件142隔开。构件142优选为绝缘体。注意，构件142也可以为导电体或半导体。此外，构件142也可以为由绝缘体覆盖导电体或半导体表面的构件。

靶材架120a与垫板110a由螺钉(螺栓等)被固定，被施加相同电位。靶材架120a隔着垫板110a支撑靶材100a。靶材架120b与垫板110b由螺钉(螺栓等)被固定，被施加相同电位。靶材架120b隔着垫板110b支撑靶材100b。

垫板110a固定靶材100a。垫板110b固定靶材100b。

磁铁单元130a例如采用将方形或大致方形的磁铁130N1、方形或大致方形的磁铁130N2及方形或大致方形的磁铁130S固定于磁铁架132的结构。磁铁单元130b也具有与上述相同的结构。

在磁铁单元130a中，以彼此不同的极性朝向靶材100a的方式配置磁铁130N1、磁铁130N2及磁铁130S。在此说明磁铁130N1、磁铁130N2的N极朝向靶材100a，且磁铁130S的S极朝向靶材100a的情况。注意，磁铁单元130a中的磁铁及极性的配置不局限于此。此外，也不局限于图5所示的配置。磁铁单元130b也与此相同。

成膜室也可以在垫板110a及垫板110b的内部或下部等具有水路。通过使流体(空气、氮、稀有气体、水、油等)流过水路，可以抑制在进行溅射时靶材100a及靶材100b的温度上升所引起的放电异常或者构件的变形所引起的成膜室的损伤等。此时，通过用粘合构件将垫板110a与靶材100a接合在一起，冷却性能得到提高，所以是优选的。另外，通过用粘合构件将垫板110b与靶材100b接合在一起，冷却性能得到提高，所以是优选的。

通过在靶材架120a与垫板110a之间设置垫片，杂质不容易从外部或水路等侵入成膜室，所以是优选的。通过在靶材架120b与垫板110b之间设置垫片，杂质不容易从外部或水路等侵入成膜室，所以是优选的。

在形成膜期间，施加到与靶材架120a连接的端子V1的电位V1与施加到与靶材架120b连接的端子的电位V4可以交替地变为高电位和低电位。另外，施加到与衬底架170连接的端子V2的电位V2例如比接地电位高。施加到与磁铁架132连接的端子V3的电位V3例如为接地电位。注意，施加到端子V1、端子V2、端子V3及端子V4的电位不局限于上述电位。另外，也可以并不所有的靶材架120a、靶材架120b、衬底架170和磁铁架132都被施加电位。例如，衬底架170也可以处于电浮动状态。在图5中示出施加到与靶材架120a连接的端子V1的电位与施加到与靶材架120b连接的端子V4的电位交替地变为高电位和低电位的所谓的AC溅射法的例子，但本发明的一个方式不局限于此。

在图5中，示出不使垫板110a及靶材架120a与磁铁单元130a及磁铁架132电连接的例子，但是不局限于此。例如，垫板110a及靶材架120a与磁铁单元130a及磁铁架132也可以电连接且被施加相同电位。另外，也示出不使垫板110b及靶材架120b与磁铁单元130b及磁铁架132电连接的例子，但是不局限于此。例如，垫板110b及靶材架120b与磁铁单元130b及磁铁架132也可以电连接且被施加相同电位。

为了进一步提高所得到的氧化物的结晶性，也可以提高衬底160的温度。通过提高衬底160的温度，可以促进衬底160的顶面的溅射粒子的迁移。因此，可以获得密度更高且结晶性更高的氧化物。注意，衬底160的温度例如为100℃以上且450℃以下，优选为150℃以上且400℃以下，更优选为170℃以上且350℃以下，即可。

当成膜气体中的氧分压过高时，容易形成包含多种结晶相的氧化物，因此优选作为成膜气体使用氩等稀有气体(氦、氖、氪、氙等)与氧的混合气体。例如，氧在整体中所占的比率低于50vol％，优选为33vol％以下，更优选为20vol％以下，进一步优选为15vol％以下即可。

另外，靶材100a与衬底160之间的垂直距离为10mm以上且600mm以下，优选为20mm以上且400mm以下，更优选为30mm以上且200mm以下，进一步优选为40mm以上且100mm以下。通过在上述范围内使靶材100a与衬底160之间的垂直距离较小，有时可以抑制溅射粒子到达衬底160之前能量降低。另外，通过在上述范围内使靶材100a与衬底160之间的垂直距离较大，可以使溅射粒子入射到衬底160时的方向接近于垂直，因此有时可以减轻溅射粒子的碰撞所导致的衬底160的损伤。

另外，靶材100b与衬底160之间的垂直距离为10mm以上且600mm以下，优选为20mm以上且400mm以下，更优选为30mm以上且200mm以下，进一步优选为40mm以上且100mm以下。通过在上述范围内使靶材100b与衬底160之间的垂直距离较小，有时可以抑制溅射粒子到达衬底160之前能量降低。另外，通过在上述范围内使靶材100b与衬底160之间的垂直距离较大，可以使溅射粒子入射到衬底160时的方向接近于垂直，因此有时可以减轻溅射粒子的碰撞所导致的衬底160的损伤。

<溅射装置2>

下面，对具有与上述平行板型溅射装置不同的结构的对向靶材式溅射装置进行说明。例如，可以将在本项中所说明的溅射装置用于上述图1、图3A至图3C所示的成膜装置的成膜室206a、206b及206c等。注意，为了容易理解或说明成膜时的工作，在附图中示出配置有衬底及靶材等的溅射装置。然而，衬底及靶材等是使用者设置的，所以有时根据本发明的一个方式的溅射装置不包括衬底及靶材。

可以将使用对向靶材式溅射装置的成膜方法称为VDSP(vapor deposition SP)。

图6示出包括溅射装置的成膜室的截面图的例子。图6是对向靶材式溅射装置。

图6是成膜室的截面示意图。图6所示的成膜室包括靶材100a及靶材100b、分别保持靶材100a及靶材100b的垫板110a及垫板110b、隔着垫板110a及垫板110b配置在靶材100a及靶材100b的背面的磁铁单元130a及磁铁单元130b。并且，还包括覆盖垫板110a的端部的构件122a及覆盖垫板110b的端部的构件122b。构件122a及构件122b能够被用作靶材屏蔽。衬底架170配置在靶材100a与靶材100b之间。在将衬底160搬入成膜室的情况下，将衬底160固定于衬底架170。

虽然未图示，但是垫板110a(垫板110b)由螺丝钉(螺栓等)被固定在靶材架，被施加相同的电位。另外，靶材架具有隔着垫板110a(垫板110b)支撑靶材100a(靶材100b)的功能。

靶材100a(靶材100b)被固定于垫板110a(垫板110b)。例如，可以由包含铟等低熔点金属的粘合构件固定垫板110a(垫板110b)与靶材100a(靶材100b)。

成膜室也可以在垫板110a(垫板110b)的内部或下部等具有水路。通过使流体(空气、氮、稀有气体、水、油等)流过水路，可以抑制在进行溅射时靶材100a(靶材100b)的温度上升所引起的放电异常或者构件的变形所引起的成膜室的损伤等。此时，通过用粘合构件将垫板110a(垫板110b)与靶材100a(靶材100b)接合在一起，冷却性能得到提高，所以是优选的。

通过在靶材架与垫板110a(垫板110b)之间设置垫片，杂质不容易从外部或水路等侵入成膜室，所以是优选的。

另外，如图6所示，垫板110a和垫板110b连接于用来施加电位的电源190。另外，优选将构件122a及构件122b与成膜室的内壁同样地设定为接地电位。优选采用施加到垫板110a的电位与施加到垫板110b的电位交替地变为高电位和低电位的所谓的AC电源。另外，图6示出使用AC电源作为电源190的例子，但是本发明的一个方式不局限于此。例如，电源190也可以采用RF电源或DC电源等。另外，也可以分别与垫板110a和垫板110b连接不同种类的电源。

衬底架170优选能够施加比接地电位高的电位。另外，衬底架170也可以处于接地电位的状态或电浮动状态。

衬底160的表面优选在不暴露于等离子体140的情况下进行成膜。离等离子体140远的区域是电位分布的梯度小的区域。就是说，衬底160不暴露于等离子体140下的强电场部，因此衬底160因等离子体140而产生少损伤，以可以降低缺陷。

在图6所示的结构中，靶材100a和靶材100b以彼此平行且相对的方式配置。另外，磁铁单元130a与磁铁单元130b以不同极性彼此相对的方式配置。此时，磁力线从磁铁单元130b向磁铁单元130a延伸。因此，在形成膜期间，等离子体140封闭在由磁铁单元130a和磁铁单元130b形成的磁场中。另外，在图6中，平行于靶材100a和靶材100b相对的方向地配置衬底架170及衬底160，但是也可以倾斜于靶材100a和靶材100b相对的方向地配置衬底架170及衬底160。例如，通过使衬底架170及衬底160倾斜30°以上且60°以下(典型为45°)，可以提高在形成膜期间垂直入射到衬底160的溅射粒子的比例。

磁铁单元130a(磁铁单元130b)优选采用如下结构：在以垂直距离从靶材架的正面(靶材一侧的面)远离30mm的平面上，垂直于靶材架的正面的方向上的最大磁通密度为50G以上且150G以下。另外，通过降低最大磁通密度，可以使等离子体电位与施加到靶材架的电位之间的电位差大。其结果是，可以使具有高能量的阳离子碰撞到靶材。通过具有高能量的阳离子碰撞到靶材，可以生成具有高能量的溅射粒子。由于溅射粒子具有高能量，可以形成高结晶性的氧化物。另外，可以提高溅射率。

图7所示的结构与图6所示的结构的不同之处在于：靶材100a与靶材100b不是以平行的方式配置，而是以其上侧之间的距离大于下侧之间的距离的方式倾斜(V字状)地配置。因此，关于靶材的配置以外的部分可以参照图6的说明。另外，磁铁单元130a和磁铁单元130b以磁铁的不同极性相对的方式配置。通过如图7所示那样配置靶材100a和靶材100b，可以提高到达衬底160的溅射粒子的比例，由此可以提高成膜速度。

另外，衬底架170配置在靶材与之间的区域上，但是也可以配置在其区域下。另外，也可以衬底架170配置在其区域上侧且下侧。通过在其区域下侧及上侧配置衬底架170，可以同时形成两个以上的衬底，由此可以提高生产率。另外，也可以将靶材100a与靶材100b彼此相对的区域的上侧或/及下侧称为靶材100a与靶材100b彼此相对的区域的一侧。

对向靶材式溅射装置即使在高真空下也能够稳定地生成等离子体。例如，在0.005Pa以上且0.09Pa以下也能够进行成膜。因此，可以降低成膜时混入的杂质的浓度。

通过利用对向靶材式溅射装置可以在高真空下进行成膜，而且能够形成因等离子体造成的损伤较少的膜，由此即使在衬底160的温度较低的情况下也可以形成结晶性高的膜。例如，在衬底160的温度为10℃以上且低于100℃的情况下也可以形成结晶性高的膜。

在上述对向靶材式溅射装置中，等离子体封闭在靶材间的磁场，所以可以减轻衬底的等离子体损伤。此外，根据靶材的倾斜可以减小溅射粒子对衬底的入射角度，所以可以提高形成膜的台阶覆盖性。另外，可以在高真空下进行成膜，所以可以降低混入膜中的杂质的浓度。

<组成>

下面，说明In-M-Zn氧化物的组成。注意，元素M为铝、镓、钇或锡等。作为可用作元素M的其他元素，有硼、硅、钛、铁、镍、锗、锆、钼、镧、铈、钕、铪、钽、钨、镁等。

In-M-Zn氧化物可以以InM_XZn_YO_Z(X、Y及Z分别表示非整数)表示。图8示出将In、M或Zn配置在各顶点上的三角图。注意，在图8中，[In]表示In的原子浓度，[M]表示M的原子浓度，[Zn]表示Zn的原子浓度。

In-M-Zn氧化物大致分为以InMO₃(ZnO)_m(m为整数)表示的同系物化合物及不以InMO₃(ZnO)_m(m为整数)表示的非同系物化合物。如图8中的白色圆圈所示，对In：M：Zn＝1：1：m的同系物化合物的组成有限制。另外，已报告同系物化合物在高温(1350℃左右)下处于热平衡状态，但是在低温下m偏离整数，并难以获得同系物化合物。另一方面，非同系物化合物可以通过以低于500℃，例如100℃以上且低于350℃的温度对衬底进行加热的溅射法而形成，因此在进行量产时其裕度宽，所以是优选的。

例如，以将元素M的一部分置换为In的In_1+aM_1-aO₃(ZnO)_m(m为整数，-1＜a＜1，排除a＝0的情况)表示的In-M-Zn氧化物是一种非同系物化合物。这是在图8中使用虚线且以[In]：[M]：[Zn]＝1+a：1-a：1、[In]：[M]：[Zn]＝1+a：1-a：2、[In]：[M]：[Zn]＝1+a：1-a：3、[In]：[M]：[Zn]＝1+a：1-a：4以及[In]：[M]：[Zn]＝1+a：1-a：5表示的组成的氧化物。另外，虚线上的粗线例如是在混合原料的氧化物而以1350℃进行烧成的情况下可能成为固溶体的组成。

通过与可能成为上述固溶体的组成相似，即使为非同系物化合物也可以提高In-M-Zn氧化物的结晶性。另外，在利用溅射法形成In-M-Zn氧化物的情况下，靶材的组成与膜的组成不同。例如，膜的原子数比成为“1：1：0.5至0.9或其近旁的值”、“1：1：0.8至1.1或其近旁的值”、“3：1：1至1.8或其近旁的值”、“4：2：2.6至4.1或其近旁的值”、“5：1：5.5至6.5或其近旁的值”、“1：3：1至1.8或其近旁的值”、“1：3：2.5至3.5或其近旁的值”以及“1：4：3.4至4.4或其近旁的值”。为了获得具有所希望的组成的膜，考虑组成的变化而选择靶材的组成，即可。在图8中例示出“4：2：2.6至4.1或其近旁的值”。使用具有上述范围的In-M-Zn氧化物的晶体管呈现稳定且优异的电特性。

如上所述，在实际上，在通过以低于500℃，例如100℃以上且低于350℃的温度对衬底进行加热的溅射法而形成的In-M-Zn氧化物中，Zn容易降低。另外，虽然比Zn的变化小但是In及M的比率产生变化，因此m偏离整数。就是说，m成为非整数。这是不能将该In-M-Zn氧化物称为同系物化合物，而可以称为非同系物化合物。非系物化合物的In-M-Zn氧化物的组成只并不局限于In_1+aM_1-aO₃(ZnO)_m(m为整数)所示的范围。例如，可以以In_1+aM_1-aO₃(ZnO)_n(n是m±0.2的范围下的非整数)表示In-M-Zn氧化物的组成。

另外，非同系物化合物的In-M-Zn氧化物有时包括m具有不同值的区域。例如，In-M-Zn氧化物有时包括m为1的区域及m为2的区域。在此情况下，例如可以表示为如下：在In_1+aM_1-aO₃(ZnO)_m下m为1.5。

<氧化物半导体的结构>

下面，对氧化物半导体的结构进行说明。

氧化物半导体被分为单晶氧化物半导体和非单晶氧化物半导体。作为非单晶氧化物半导体有CAAC-OS(c-axis-aligned crystalline oxide semiconductor)、多晶氧化物半导体、nc-OS(nanocrystalline oxide semiconductor)、a-like OS(amorphous-like oxide semiconductor)及非晶氧化物半导体等。

从其他观点看来，氧化物半导体被分为非晶氧化物半导体和结晶氧化物半导体。作为结晶氧化物半导体，有单晶氧化物半导体、CAAC-OS、多晶氧化物半导体以及nc-OS等。

一般而言，非晶结构具有如下特征：具有各向同性而不具有不均匀结构；处于亚稳态且原子的配置没有被固定化；键角不固定；具有短程有序性而不具有长程有序性；等。

就是说，不能将稳定的氧化物半导体称为完全非晶(completely amorphous)氧化物半导体。另外，不能将不具有各向同性(例如，在微小区域中具有周期结构)的氧化物半导体称为完全非晶氧化物半导体。另一方面，a-like OS不具有各向同性但却是具有空洞(void)的不稳定结构。在不稳定这一点上，a-like OS在物性上接近于非晶氧化物半导体。

<CAAC-OS>

首先，说明CAAC-OS。

CAAC-OS是包含多个c轴取向的结晶部(也称为颗粒)的氧化物半导体之一。

说明使用X射线衍射(XRD：X-Ray Diffraction)装置对CAAC-OS进行分析时的情况。例如，当利用out-of-plane法分析包含分类为空间群R-3m的InGaZnO₄结晶的CAAC-OS的结构时，如图9A所示，在衍射角(2θ)为31°附近出现峰值。由于该峰值来源于InGaZnO₄结晶的(009)面，由此可确认到在CAAC-OS中结晶具有c轴取向性，并且c轴朝向大致垂直于形成CAAC-OS的膜的面(也称为被形成面)或顶面的方向。注意，除了2θ为31°附近的峰值以外，有时在2θ为36°附近时也出现峰值。2θ为36°附近的峰值起因于分类为空间群Fd-3m的结晶结构。因此，优选的是，在CAAC-OS中不出现该峰值。

另一方面，当利用从平行于被形成面的方向使X射线入射到样品的in-plane法分析CAAC-OS的结构时，在2θ为56°附近出现峰值。该峰值来源于InGaZnO₄结晶的(110)面。并且，即使将2θ固定为56°附近并在以样品面的法线向量为轴(φ轴)旋转样品的条件下进行分析(φ扫描)，也如图9B所示的那样观察不到明确的峰值。另一方面，当对单晶InGaZnO₄将2θ固定为56°附近来进行φ扫描时，如图9C所示，观察到来源于相等于(110)面的结晶面的六个峰值。因此，由使用XRD的结构分析可以确认到CAAC-OS中的a轴和b轴的取向没有规律性。

接着，说明利用电子衍射分析的CAAC-OS。例如，当对包含InGaZnO₄结晶的CAAC-OS在平行于CAAC-OS的被形成面的方向上入射束径为300nm的电子束时，有可能出现图9D所示的衍射图案(也称为选区电子衍射图案)。在该衍射图案中包含起因于InGaZnO₄结晶的(009)面的斑点。因此，电子衍射也示出CAAC-OS所包含的颗粒具有c轴取向性，并且c轴朝向大致垂直于被形成面或顶面的方向。另一方面，图9E示出对相同的样品在垂直于样品面的方向上入射束径为300nm的电子束时的衍射图案。从图9E观察到环状的衍射图案。因此，使用束径为300nm的电子束的电子衍射也示出CAAC-OS所包含的颗粒的a轴和b轴不具有取向性。可以认为图9E中的第一环起因于InGaZnO₄结晶的(010)面和(100)面等。另外，可以认为图9E中的第二环起因于(110)面等。

另外，在利用透射电子显微镜(TEM：Transmission Electron Microscope)观察所获取的CAAC-OS的明视场图像与衍射图案的复合分析图像(也称为高分辨率TEM图像)中，可以观察到多个颗粒。然而，即使在高分辨率TEM图像中，有时也观察不到颗粒与颗粒之间的明确的边界，即晶界(grain boundary)。因此，可以说在CAAC-OS中，不容易发生起因于晶界的电子迁移率的降低。

图10A示出从大致平行于样品面的方向观察所获取的CAAC-OS的截面的高分辨率TEM图像。利用球面像差校正(Spherical Aberration Corrector)功能得到高分辨率TEM图像。尤其将利用球面像差校正功能获取的高分辨率TEM图像称为Cs校正高分辨率TEM图像。例如可以使用日本电子株式会社制造的原子分辨率分析型电子显微镜JEM-ARM200F等观察Cs校正高分辨率TEM图像。

从图10A可确认到其中金属原子排列为层状的颗粒。并且可知一个颗粒的尺寸为1nm以上或者3nm以上。因此，也可以将颗粒称为纳米晶(nc：nanocrystal)。另外，也可以将CAAC-OS称为具有CANC(C-Axis Aligned nanocrystals：c轴取向纳米晶)的氧化物半导体。颗粒反映CAAC-OS的被形成面或顶面的凸凹并平行于CAAC-OS的被形成面或顶面。

另外，图10B及图10C示出从大致垂直于样品面的方向观察所获取的CAAC-OS的平面的Cs校正高分辨率TEM图像。图10D及图10E是通过对图10B及图10C进行图像处理得到的图像。下面说明图像处理的方法。首先，通过对图10B进行快速傅里叶变换(FFT：Fast Fourier Transform)处理，获取FFT图像。接着，以保留所获取的FFT图像中的离原点2.8nm^-1至5.0nm^-1的范围的方式进行掩模处理。接着，对经过掩模处理的FFT图像进行快速傅立叶逆变换(IFFT：Inverse Fast Fourier Transform)处理而获取经过处理的图像。将所获取的图像称为FFT滤波图像。FFT滤波图像是从Cs校正高分辨率TEM图像中提取出周期分量的图像，其示出晶格排列。

在图10D中，以虚线示出晶格排列被打乱的部分。由虚线围绕的区域是一个颗粒。并且，以虚线示出的部分是颗粒与颗粒的联结部。虚线呈现六角形，由此可知颗粒为六角形。注意，颗粒的形状并不局限于正六角形，不是正六角形的情况较多。

在图10E中，以点线示出晶格排列一致的区域与其他晶格排列一致的区域之间的晶格排列的方向变化的部分，以虚线示出晶格排列的方向变化。在虚线附近也无法确认到明确的晶界。当以虚线附近的晶格点为中心连接周围的晶格点时，可以形成畸变的六角形、五角形或/及七角形等。即，可知通过使晶格排列畸变，可抑制晶界的形成。这可能是由于CAAC-OS可容许因如下原因而发生的畸变：a-b面方向上的原子排列的密度低或因金属元素被取代而使原子间的键合距离产生变化等。

如上所示，CAAC-OS具有c轴取向性，其多个颗粒(纳米晶)在a-b面方向上连结而结晶结构具有畸变。因此，也可以将CAAC-OS称为具有CAA crystal(c-axis-aligned a-b-plane-anchored crystal)的氧化物半导体。

CAAC-OS是结晶性高的氧化物半导体。氧化物半导体的结晶性有时因杂质的混入或缺陷的生成等而降低，因此，可以说CAAC-OS是杂质或缺陷(氧缺陷等)少的氧化物半导体。

此外，杂质是指氧化物半导体的主要成分以外的元素，诸如氢、碳、硅和过渡金属元素等。例如，与氧的键合力比构成氧化物半导体的金属元素强的硅等元素会夺取氧化物半导体中的氧，由此打乱氧化物半导体的原子排列，导致结晶性下降。另外，由于铁或镍等重金属、氩、二氧化碳等的原子半径(或分子半径)大，所以会打乱氧化物半导体的原子排列，导致结晶性下降。

当氧化物半导体包含杂质或缺陷时，其特性有时会因光或热等发生变动。例如，包含于氧化物半导体的杂质有时会成为载流子陷阱或载流子发生源。例如，氧化物半导体中的氧缺陷有时会成为载流子陷阱或因俘获氢而成为载流子发生源。

杂质及氧缺陷少的CAAC-OS是载流子密度低的氧化物半导体。具体而言，可以使用载流子密度低于8×10¹¹/cm³，优选低于1×10¹¹/cm³，更优选低于1×10¹⁰/cm³，且是1×10^-9/cm³以上的氧化物半导体。将这样的氧化物半导体称为高纯度本征或实质上高纯度本征的氧化物半导体。CAAC-OS的杂质浓度和缺陷态密度低。即，可以说CAAC-OS是具有稳定特性的氧化物半导体。

<nc-OS>

接着，对nc-OS进行说明。

说明使用XRD对nc-OS进行分析的情况。例如，当利用out-of-plane法分析nc-OS的结构时，不出现表示取向性的峰值。换言之，nc-OS的结晶不具有取向性。

另外，例如，当使包含InGaZnO₄结晶的nc-OS薄片化，并在平行于被形成面的方向上使束径为50nm的电子束入射到厚度为34nm的区域时，观察到如图11A所示的环状衍射图案(纳米束电子衍射图案)。另外，图11B示出将束径为1nm的电子束入射到相同的样品时的衍射图案(纳米束电子衍射图案)。从图11B观察到环状区域内的多个斑点。因此，nc-OS在入射束径为50nm的电子束时观察不到秩序性，但是在入射束径为1nm的电子束时确认到秩序性。

另外，当使束径为1nm的电子束入射到厚度小于10nm的区域时，如图11C所示，有时观察到斑点被配置为准正六角形的电子衍射图案。由此可知，nc-OS在厚度小于10nm的范围内包含秩序性高的区域，即结晶。注意，因为结晶朝向各种各样的方向，所以也有观察不到有规律性的电子衍射图案的区域。

图11D示出从大致平行于被形成面的方向观察到的nc-OS的截面的Cs校正高分辨率TEM图像。在nc-OS的高分辨率TEM图像中有如由辅助线所示的部分那样能够观察到结晶部的区域和观察不到明确的结晶部的区域。nc-OS所包含的结晶部的尺寸为1nm以上且10nm以下，尤其大多为1nm以上且3nm以下。注意，有时将其结晶部的尺寸大于10nm且100nm以下的氧化物半导体称为微晶氧化物半导体(microcrystalline oxide semiconductor)。例如，在nc-OS的高分辨率TEM图像中，有时无法明确地观察到晶界。注意，纳米晶的来源有可能与CAAC-OS中的颗粒相同。因此，下面有时将nc-OS的结晶部称为颗粒。

如此，在nc-OS中，微小的区域(例如1nm以上且10nm以下的区域，特别是1nm以上且3nm以下的区域)中的原子排列具有周期性。另外，nc-OS在不同的颗粒之间观察不到结晶取向的规律性。因此，在膜整体中观察不到取向性。所以，有时nc-OS在某些分析方法中与a-like OS或非晶氧化物半导体没有差别。

另外，由于在颗粒(纳米晶)之间结晶取向没有规律性，所以也可以将nc-OS称为包含RANC(Random Aligned nanocrystals：无规取向纳米晶)的氧化物半导体或包含NANC(Non-Aligned nanocrystals：无取向纳米晶)的氧化物半导体。

nc-OS是规律性比非晶氧化物半导体高的氧化物半导体。因此，nc-OS的缺陷态密度比a-like OS或非晶氧化物半导体低。但是，在nc-OS中的不同的颗粒之间观察不到晶体取向的规律性。所以，nc-OS的缺陷态密度比CAAC-OS高。

<a-like OS>

a-like OS是具有介于nc-OS与非晶氧化物半导体之间的结构的氧化物半导体。

图12A和图12B示出a-like OS的高分辨率截面TEM图像。图12A示出电子照射开始时的a-like OS的高分辨率截面TEM图像。图12B示出照射4.3×10⁸e^-/nm²的电子(e^-)之后的a-like OS的高分辨率截面TEM图像。由图12A和图12B可知，a-like OS从电子照射开始时被观察到在纵向方向上延伸的条状明亮区域。另外，可知明亮区域的形状在照射电子之后变化。明亮区域被估计为空洞或低密度区域。

由于a-like OS包含空洞，所以其结构不稳定。为了证明与CAAC-OS及nc-OS相比a-like OS具有不稳定的结构，下面示出电子照射所导致的结构变化。

作为样品，准备a-like OS、nc-OS和CAAC-OS。每个样品都是In-Ga-Zn氧化物。

首先，取得各样品的高分辨率截面TEM图像。由高分辨率截面TEM图像可知，每个样品都具有结晶部。

已知InGaZnO₄结晶的单位晶格具有所包括的三个In-O层和六个Ga-Zn-O层共计九个层在c轴方向上以层状层叠的结构。这些彼此靠近的层之间的间隔与(009)面的晶格表面间隔(也称为d值)几乎相等，由结晶结构分析求出其值为0.29nm。由此，以下可以将晶格条纹的间隔为0.28nm以上且0.30nm以下的部分看作InGaZnO₄结晶部。晶格条纹对应于InGaZnO₄结晶的a-b面。

图13示出调查了各样品的结晶部(22至30处)的平均尺寸的例子。注意，结晶部尺寸对应于上述晶格条纹的长度。由图13可知，在a-like OS中，结晶部根据有关取得TEM图像等的电子的累积照射量逐渐变大。由图13可知，在利用TEM的观察初期尺寸为1.2nm左右的结晶部(也称为初始晶核)在电子(e^-)的累积照射量为4.2×10⁸e^-/nm²时生长到1.9nm左右。另一方面，可知nc-OS和CAAC-OS在开始电子照射时到电子的累积照射量为4.2×10⁸e^-/nm²的范围内，结晶部的尺寸都没有变化。由图13可知，无论电子的累积照射量如何，nc-OS及CAAC-OS的结晶部尺寸分别为1.3nm左右及1.8nm左右。此外，使用日立透射电子显微镜H-9000NAR进行电子束照射及TEM的观察。作为电子束照射条件，加速电压为300kV；电流密度为6.7×10⁵e^-/(nm²·s)；照射区域的直径为230nm。

如此，有时电子照射引起a-like OS中的结晶部的生长。另一方面，在nc-OS和CAAC-OS中，几乎没有电子照射所引起的结晶部的生长。也就是说，a-like OS与CAAC-OS及nc-OS相比具有不稳定的结构。

此外，由于a-like OS包含空洞，所以其密度比nc-OS及CAAC-OS低。具体地，a-like OS的密度为具有相同组成的单晶氧化物半导体的78.6％以上且低于92.3％。nc-OS的密度及CAAC-OS的密度为具有相同组成的单晶氧化物半导体的92.3％以上且低于100％。注意，难以形成其密度低于单晶氧化物半导体的密度的78％的氧化物半导体。

例如，在原子个数比满足In:Ga:Zn＝1:1:1的氧化物半导体中，具有菱方晶系结构的单晶InGaZnO₄的密度为6.357g/cm³。因此，例如，在原子个数比满足In:Ga:Zn＝1:1:1的氧化物半导体中，a-like OS的密度为5.0g/cm³以上且低于5.9g/cm³。另外，例如，在原子个数比满足In:Ga:Zn＝1:1:1的氧化物半导体中，nc-OS的密度和CAAC-OS的密度为5.9g/cm³以上且低于6.3g/cm³。

注意，当不存在相同组成的单晶氧化物半导体时，通过以任意比例组合组成不同的单晶氧化物半导体，可以估计出相当于所希望的组成的单晶氧化物半导体的密度。根据组成不同的单晶氧化物半导体的组合比例使用加权平均估计出相当于所希望的组成的单晶氧化物半导体的密度即可。注意，优选尽可能减少所组合的单晶氧化物半导体的种类来估计密度。

如上所述，氧化物半导体具有各种结构及各种特性。注意，氧化物半导体例如可以是包括非晶氧化物半导体、a-like OS、nc-OS和CAAC-OS中的两种以上的叠层膜。

<晶体管1>

图14A、图14B及图14C为本发明的一个方式的晶体管的俯视图及截面图。图14A为俯视图，图14B及图14C为沿着图14A所示的点划线A1-A2以及点划线A3-A4的截面图。另外，在图14A的俯视图中，为了明确起见，省略构成要素的一部分。

图14A、图14B及图14C所示的晶体管包括：衬底400上的导电体413；衬底400及导电体413上的绝缘体402；绝缘体402上的绝缘体406a；绝缘体406a上的半导体406b；与半导体406b的顶面及侧面接触且间隔开地配置的导电体416a及导电体416b；导电体416a及导电体416b上的绝缘体410；半导体406b及绝缘体410上的绝缘体406c；绝缘体406c上的绝缘体412；绝缘体412上的导电体404；以及导电体404上的绝缘体408。注意，虽然在此导电体413为晶体管的一部分，但是不局限于此。例如，导电体413也可以是独立于晶体管的构成要素。另外，晶体管也可以不具有绝缘体408及绝缘体410中的一个以上。

另外，虽然在图14B及图14C所示的截面图中示出绝缘体410的顶面平行于衬底400的背面的例子，但是也可以不平行。例如，绝缘体410的顶面也可以具有沿着导电体416a及导电体416b的凹凸的形状。

此外，导电体404在A3-A4间的截面中具有隔着绝缘体412面对半导体406b的顶面及侧面的区域。另外，导电体413具有隔着绝缘体402面对半导体406b的底面的区域。

注意，能够将半导体406b用作晶体管的沟道形成区域。另外，能够将导电体404用作晶体管的第一栅电极(也称为前栅电极)。此外，能够将导电体413用作晶体管的第二栅电极(也称为背栅电极)。另外，能够将导电体416a及导电体416b用作晶体管的源电极及漏电极。

如图14C所示，可以由导电体404或/及导电体413的电场电围绕半导体406b(将由导电体的电场电围绕半导体的晶体管结构称为surrounded channel(s-channel)结构)。因此，沟道形成在整个半导体406b中(顶面、底面及侧面)。在s-channel结构中，可以使大电流流过在晶体管的源极与漏极间，由此可以提高导通时的电流(通态电流，on-state current)。

注意，当晶体管具有s-channel结构时，沟道还形成在半导体406b的侧面上。因此，半导体406b的厚度越大，沟道形成区域越大。即，半导体406b越厚，越能够提高晶体管的通态电流。另外，因为半导体406b越厚，载流子的控制性高的区域的比率越增加，所以可以减小亚阈值摆幅值。例如，半导体406b可以具有其厚度为10nm以上，优选为20nm以上，进一步优选为40nm以上，进一步优选为60nm以上，进一步优选为100nm以上的区域。注意，半导体装置的生产率有时会下降，因此，例如，半导体406b可以具有其厚度为300nm以下，优选为200nm以下，更优选为150nm以下的区域。注意，当沟道形成区域缩小时，有时半导体406b越薄，晶体管的电特性越提高。因此，半导体406b的厚度可以小于10nm。

由于可以得到高通态电流，因此可以说s-channel结构是适合于微型晶体管的结构。包括微型晶体管的半导体装置可以具有高集成度及高密度。例如，晶体管包括其沟道长度优选为40nm以下，更优选为30nm以下，进一步优选为20nm以下的区域以及其沟道宽度优选为40nm以下，更优选为30nm以下，进一步优选为20nm以下的区域。

例如，作为衬底400可以使用绝缘体衬底、半导体衬底或导电体衬底。例如，作为绝缘体衬底可以举出玻璃衬底、石英衬底、蓝宝石衬底、稳定氧化锆衬底(氧化钇稳定氧化锆衬底等)、树脂衬底等。例如，作为半导体衬底，可以举出由硅或锗等构成的单一材料的半导体衬底、或者作为其材料使用碳化硅、硅锗、砷化镓、磷化铟、氧化锌或氧化镓等的化合物半导体衬底等。并且，还可以举出在上述半导体衬底内部具有绝缘体区域的半导体衬底，例如为SOI(Silicon On Insulator：绝缘体上硅)衬底等。作为导电体衬底，可以举出石墨衬底、金属衬底、合金衬底、导电树脂衬底等。或者，可以举出包含金属的氮化物的衬底、包含金属的氧化物的衬底等。再者，还可以举出设置有导电体或半导体的绝缘体衬底、设置有导电体或绝缘体的半导体衬底、设置有半导体或绝缘体的导电体衬底等。或者，也可以使用在这些衬底上设置有元件的衬底。作为设置在衬底上的元件，可以举出电容元件、电阻元件、开关元件、发光元件、存储元件等。

另外，作为衬底400也可以使用柔性衬底。另外，作为在柔性衬底上设置装置的方法，也可以举出如下方法：在不具有柔性的衬底上形成装置之后，剥离装置而将该装置转置到柔性衬底的衬底400上。在此情况下，优选在不具有柔性的衬底与装置之间设置剥离层。另外，作为衬底400，也可以使用包含纤维的薄片、薄膜或箔等。另外，衬底400也可以具有伸缩性。另外，衬底400可以具有在停止弯曲或拉伸时恢复为原来的形状的性质。或者，也可以具有不恢复为原来的形状的性质。衬底400的厚度例如为5μm以上且700μm以下，优选为10μm以上且500μm以下，更优选为15μm以上且300μm以下。通过将衬底400形成得薄，可以实现半导体装置的轻量化。另外，通过将衬底400形成得薄，即便在使用玻璃等的情况下，衬底400有时也会具有伸缩性，或者具有在停止弯曲或拉伸时恢复为原来的形状的性质。因此，可以缓和因掉落等而衬底400上的半导体装置受到的冲击等。也就是说，能够提供一种耐久性高的半导体装置。

例如，柔性衬底的衬底400可以使用金属、合金、树脂、玻璃或其纤维等。柔性衬底的衬底400的线膨胀系数越低，因环境而发生的变形越得到抑制，所以是优选的。例如，柔性衬底的衬底400可以使用线膨胀系数为1×10^-3/K以下、5×10^-5/K以下或1×10^-5/K以下的材料。例如，作为树脂可以举出聚酯、聚烯烃、聚酰胺(尼龙、芳族聚酰胺等)、聚酰亚胺、聚碳酸酯、丙烯酸树脂等。尤其是芳族聚酰胺的线膨胀系数较低，因此柔性衬底的衬底400优选使用芳族聚酰胺。

作为导电体413，例如可以使用包含硼、氮、氧、氟、硅、磷、铝、钛、铬、锰、钴、镍、铜、锌、镓、钇、锆、钼、钌、银、铟、锡、钽和钨中的一种以上的导电体的单层或叠层。例如，也可以使用包含上述元素的合金或化合物，还可以使用包含铝的合金、包含铜及钛的合金、包含铜及锰的合金、包含铟、锡及氧的化合物、包含钛及氮的化合物等。

例如，作为绝缘体402可以使用包含硼、碳、氮、氧、氟、镁、铝、硅、磷、氯、氩、镓、锗、钇、锆、镧、钕、铪或钽的绝缘体的单层或叠层。例如，作为绝缘体402可以使用氧化铝、氧化镁、氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化镓、氧化锗、氧化钇、氧化锆、氧化镧、氧化钕、氧化铪或氧化钽。

在半导体406b为氧化物半导体的情况下，绝缘体402优选为具有过剩氧的绝缘体。注意，过剩氧是指：存在于绝缘体中等，并不与绝缘体等键合(即已游离)的氧；或者与绝缘体等的键合能量低的氧。

具有过剩氧的绝缘体有时在热脱附谱分析(TDS分析)中，在表面温度为100℃以上且700℃以下或者100℃以上且500℃以下的范围内释放1×10¹⁸atoms/cm³以上、1×10¹⁹atoms/cm³以上或1×10²⁰atoms/cm³以上的氧(换算为氧原子)。

下面说明利用TDS分析来测量氧释放量的方法。

对测量样品进行TDS分析时的气体的总释放量与释放气体的离子强度的积分值成正比。并且，通过对该测量样品与标准样品进行比较，可以计算出气体的总释放量。

例如，根据作为标准样品的含有指定密度的氢的硅衬底的TDS分析结果以及测量样品的TDS分析结果，可以通过下面所示的算式求出测量样品中的氧分子的释放量(N_O2)。在此，假设通过TDS分析而得到的质荷比32的气体都来源于氧分子。虽然CH₃OH的质荷比为32，但因为CH₃OH存在的可能性较低，所以在这里不考虑。另外，包含作为氧原子的同位素的质量数17的氧原子及质量数18的氧原子的氧分子也在自然界的存在比率极低，所以不考虑。

N_O2＝N_H2/S_H2×S_O2×α

N_H2是以密度换算从标准样品脱离的氢分子的值。S_H2是对标准样品进行TDS分析时的离子强度的积分值。在此，将标准样品的基准值设定为N_H2/S_H2。S_O2是对测量样品进行TDS分析而得到的离子强度的积分值。α是在TDS分析中影响到离子强度的系数。关于上面所示的算式的详细内容，可以参照日本专利申请公开第平6-275697公报。注意，上述氧的释放量是使用由日本电子科学公司(ESCO Ltd.)制造的热脱附装置EMD-WA1000S/W，并以包含一定量的氢原子的硅衬底为标准样品而测量的。

另外，在TDS分析中，氧的一部分作为氧原子被检测出。氧分子与氧原子的比例可以从氧分子的电离率算出。另外，因为上述α包括氧分子的电离率，所以通过评估氧分子的释放量，可以估算出氧原子的释放量。

注意，N_O2是氧分子的释放量。换算为氧原子时的释放量是氧分子的释放量的2倍。

或者，通过加热处理释放氧的绝缘体有时包含过氧化自由基。具体而言，起因于过氧化自由基的自旋密度为5×10¹⁷spins/cm³以上。另外，包含过氧化自由基的绝缘体有时在电子自旋共振法(ESR：Electron Spin Resonance)中在g值为2.01近旁时具有非对称的信号。

作为导电体416a及导电体416b，例如可以使用包含硼、氮、氧、氟、硅、磷、铝、钛、铬、锰、钴、镍、铜、锌、镓、钇、锆、钼、钌、银、铟、锡、钽和钨中的一种以上的导电体的单层或叠层。例如，也可以使用包含上述元素的合金或化合物，还可以使用包含铝的合金、包含铜及钛的合金、包含铜及锰的合金、包含铟、锡及氧的化合物、包含钛及氮的化合物等。

作为绝缘体410，例如可以使用包含硼、碳、氮、氧、氟、镁、铝、硅、磷、氯、氩、镓、锗、钇、锆、镧、钕、铪或钽的绝缘体的单层或叠层。作为绝缘体410，例如可以使用氧化铝、氧化镁、氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化镓、氧化锗、氧化钇、氧化锆、氧化镧、氧化钕、氧化铪或氧化钽。

注意，绝缘体410优选包括相对介电常数低的绝缘体。例如，绝缘体410优选包含氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅或树脂等。作为树脂，例如可以举出聚酯、聚烯烃、聚酰胺(尼龙、芳族聚酰胺等)、聚酰亚胺、聚碳酸酯或丙烯酸等。

例如，作为绝缘体412可以使用包含硼、碳、氮、氧、氟、镁、铝、硅、磷、氯、氩、镓、锗、钇、锆、镧、钕、铪或钽的绝缘体的单层或叠层。例如，作为绝缘体402可以使用氧化铝、氧化镁、氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化镓、氧化锗、氧化钇、氧化锆、氧化镧、氧化钕、氧化铪或氧化钽。

在半导体406b为氧化物半导体的情况下，绝缘体412优选为具有过剩氧的绝缘体。

作为导电体404，例如可以使用包含硼、氮、氧、氟、硅、磷、铝、钛、铬、锰、钴、镍、铜、锌、镓、钇、锆、钼、钌、银、铟、锡、钽和钨中的一种以上的导电体的单层或叠层。例如，也可以使用包含上述元素的合金或化合物，还可以使用包含铝的合金、包含铜及钛的合金、包含铜及锰的合金、包含铟、锡及氧的化合物、包含钛及氮的化合物等。

绝缘体408例如是氢透过性低(具有阻挡氢的性质)的绝缘体。

由于其原子半径等较小，所以氢容易扩散在绝缘体中(扩散系数较大)。例如，密度低的绝缘体具有较高的氢透过性。换言之，密度高的绝缘体具有较低的氢透过性。密度低的绝缘体不一定需要是指其整体的密度低的绝缘体，还是指其一部分的密度低的绝缘体。这是因为密度低的区域成为氢的路径的缘故。可能使氢透过的密度不局限于一个值，典型地可以举出低于2.6g/cm³的值等。作为密度低的绝缘体，例如有：氧化硅和氧氮化硅等无机绝缘体；以及聚酯、聚烯烃、聚酰胺(尼龙、芳族聚酰胺等)、聚酰亚胺、聚碳酸酯和丙烯酸树脂等有机绝缘体等。作为密度高的绝缘体，例如有氧化镁、氧化铝、氧化锗、氧化镓、氧化钇、氧化锆、氧化镧、氧化钕、氧化铪及氧化钽等。注意，密度低的绝缘体及密度高的绝缘体不局限于上述绝缘体。例如，在上述绝缘体中，也可以包含选自硼、氮、氟、氖、磷、氯和氩中的一种以上的元素。

另外，具有晶界的绝缘体有时具有较高的氢透过性。换言之，不具有晶界(或者晶界少)的绝缘体不容易使氢透过。例如，非多晶绝缘体(非晶绝缘体等)的氢透过性比多晶绝缘体低。

另外，与氢的键合能量高的绝缘体有时具有较低的氢透过性。例如，与氢键合而形成氢化合物的绝缘体只要具有在装置的制造工序或装置的工作中的温度下不使氢脱离的程度的键合能量，就可以包括在氢透过性低的绝缘体的范围内。例如，在200℃以上且1000℃以下、300℃以上且1000℃以下、或者400℃以上且1000℃以下形成氢化合物的绝缘体有时具有较低的氢透过性。另外，例如，其氢脱离温度为200℃以上且1000℃以下、300℃以上且1000℃以下、或者400℃以上且1000℃以下的形成氢化合物的绝缘体有时具有较低的氢透过性。另一方面，其氢脱离温度为20℃以上且400℃以下、20℃以上300℃以下、或者20℃以上且200℃以下的形成氢化合物的绝缘体有时具有较高的氢透过性。另外，有时将容易脱离的氢或已游离的氢称为过剩氢。

另外，绝缘体408例如是氧透过性低(具有阻挡氧的性质)的绝缘体。

另外，绝缘体408例如是水透过性低(具有阻挡水的性质)的绝缘体。

注意，也可以不形成导电体413(参照图15A和图15B)。另外，绝缘体412及绝缘体406c也可以具有其端部从导电体404的端部突出的形状(参照图15C和图15D)。另外，绝缘体412及绝缘体406c也可以具有其端部没有从导电体404的端部突出的形状(参照图15E和图15F)。另外，A1-A2截面中的导电体413的宽度也可以大于半导体406b的宽度(参照图16A和图16B)。另外，导电体413也可以通过开口部与导电体404接触(参照图16C和图16D)。此外，也可以不设置导电体404(参照图16E和图16F)。

以下，对绝缘体406a、半导体406b及绝缘体406c进行说明。

通过在半导体406b的上下配置绝缘体406a及绝缘体406c，有时可以提高晶体管的电特性。

绝缘体406a、半导体406b及绝缘体406c优选包括CAAC-OS。

半导体406b例如是包含铟的氧化物。例如，在半导体406b包含铟时，其载流子迁移率(电子迁移率)得到提高。此外，半导体406b优选包含元素M。元素M优选是铝、镓、钇或锡等。作为可用作元素M的其他元素，有硼、硅、钛、铁、镍、锗、锆、钼、镧、铈、钕、铪、钽、钨及镁等。注意，作为元素M有时也可以组合多个上述元素。元素M例如是与氧的键能高的元素。元素M例如是与氧的键能高于铟的元素。或者，元素M例如是具有增大氧化物的能隙的功能的元素。此外，半导体406b优选包含锌。当氧化物包含锌时，有时容易晶化。

注意，半导体406b不局限于包含铟的氧化物。半导体406b例如也可以是锌锡氧化物或镓锡氧化物等不包含铟且包含锌、镓或锡的氧化物等。

作为半导体406b例如使用能隙大的氧化物。半导体406b的能隙例如是2.5eV以上且4.2eV以下，优选为2.8eV以上且3.8eV以下，更优选为3eV以上且3.5eV以下。

例如，绝缘体406a及绝缘体406c是包含除了氧之外的一种以上或两种以上的构成半导体406b的元素的氧化物。因为绝缘体406a及绝缘体406c包含除了氧之外的一种以上或两种以上的构成半导体406b的元素，所以不容易在绝缘体406a与半导体406b的界面以及半导体406b与绝缘体406c的界面处形成缺陷能级。

绝缘体406a、半导体406b及绝缘体406c优选至少包含铟。另外，在绝缘体406a是In-M-Zn氧化物的情况下，在In和M的总和为100atomic％时，优选的是，In低于50atomic％，M高于50atomic％，更优选的是，In低于25atomic％，M高于75atomic％。此外，在半导体406b是In-M-Zn氧化物的情况下，在In和M的总和为100atomic％时，优选的是，In高于25atomic％，M低于75atomic％，更优选的是，In高于34atomic％，M低于66atomic％。此外，在绝缘体406c是In-M-Zn氧化物的情况下，在In和M的总和为100atomic％时，优选的是，In低于50atomic％，M高于50atomic％，更优选的是，In低于25atomic％，M高于75atomic％。另外，绝缘体406c也可以使用与绝缘体406a相同的种类的氧化物。注意，绝缘体406a及/或绝缘体406c有时也可以不包含铟。例如，绝缘体406a及/或绝缘体406c也可以包含氧化镓。绝缘体406a、半导体406b及绝缘体406c所包含的各元素的原子数也可以不是简单的整数比。

作为半导体406b使用其电子亲和势大于绝缘体406a及绝缘体406c的氧化物。例如，作为半导体406b使用如下氧化物，该氧化物的电子亲和势比绝缘体406a及绝缘体406c大0.07eV以上且1.3eV以下，优选大0.1eV以上且0.7eV以下，更优选大0.15eV以上且0.4eV以下。注意，电子亲和势是真空能级和导带底之间的能量差。

注意，铟镓氧化物具有较小的电子亲和势及较高的氧阻挡性。因此，绝缘体406c优选包含铟镓氧化物。镓原子的比率[Ga/(In+Ga)]例如为70％以上，优选为80％以上，更优选为90％以上。

此时，若施加栅电压，沟道则形成在绝缘体406a、半导体406b和绝缘体406c中的电子亲和势最大的半导体406b中。

在此，有时在绝缘体406a与半导体406b之间具有绝缘体406a和半导体406b的混合区域。另外，有时在半导体406b与绝缘体406c之间具有半导体406b和绝缘体406c的混合区域。混合区域的缺陷态密度低。因此，在绝缘体406a、半导体406b和绝缘体406c的叠层体的能带图中，各层之间的界面及界面附近的能量连续地变化(也称为连续接合)(参照图17)。注意，有时无法明确地区分绝缘体406a、半导体406b及绝缘体406c的各边界。

此时，电子不是在绝缘体406a及绝缘体406c中而主要在半导体406b中移动。另外，绝缘体406a及绝缘体406c在单独存在时可以具有导体、半导体或绝缘体中的任一种性质，但在晶体管工作时其分别具有不形成沟道的区域。具体而言，沟道仅形成于绝缘体406a与半导体406b的界面附近以及绝缘体406c与半导体406b的界面附近，其他的区域不形成沟道。因此，当晶体管工作时可以将406a及406c称为绝缘体，因此在本说明书中不将其记作半导体及导电体而记作绝缘体。但是，绝缘体406a、半导体406b、绝缘体406c仅是因为相对性的物性不同而将其分称为半导体和绝缘体，因此，例如，有时也可以将能够用于绝缘体406a或绝缘体406c的绝缘体用作半导体406b。如上所述，通过降低绝缘体406a与半导体406b的界面处的缺陷态密度以及半导体406b与绝缘体406c的界面处的缺陷态密度，在半导体406b中妨碍电子移动的情况减少，从而可以提高晶体管的通态电流。

越减少妨碍电子移动的因素，越能够提高晶体管的通态电流。例如，在没有妨碍电子移动的因素的情况下，推测电子高效率地移动。例如，在沟道形成区域中的物理性凹凸较大的情况下也会发生电子移动的妨碍。

为了提高晶体管的通态电流，例如，半导体406b的顶面或底面(被形成面，在此为绝缘体406a的顶面)的1μm×1μm的范围内的均方根(RMS：Root Mean Square)粗糙度为低于1nm，优选为低于0.6nm，更优选为低于0.5nm，进一步优选为低于0.4nm，即可。另外，其1μm×1μm的范围内的平均表面粗糙度(也称为Ra)为低于1nm，优选为低于0.6nm，更优选为低于0.5nm，进一步优选为低于0.4nm，即可。其1μm×1μm的范围内的最大高低差(也称为P-V)为低于10nm，优选为低于9nm，更优选为低于8nm，进一步优选为低于7nm。RMS粗糙度、Ra以及P-V可以通过使用由精工电子纳米科技(SII Nano Technology)有限公司制造的扫描探针显微镜SPA-500等测定。

此外，为了提高晶体管的通态电流，绝缘体406c的厚度越小越好。例如，绝缘体406c具有其厚度为低于10nm，优选为5nm以下，更优选为3nm以下的区域。另一方面，绝缘体406c具有阻挡构成相邻的绝缘体的氧之外的元素(氢、硅等)侵入形成有沟道的半导体406b中的功能。因此，绝缘体406c优选具有一定程度的厚度。例如，绝缘体406c可以具有其厚度为0.3nm以上，优选为1nm以上，更优选为2nm以上的区域。另外，为了抑制从绝缘体402等释放的氧向外扩散，绝缘体406c优选具有阻挡氧的性质。

此外，为了提高可靠性，绝缘体406a优选为厚且绝缘体406c优选为薄。例如，绝缘体406a可以具有其厚度例如为10nm以上，优选为20nm以上，更优选为40nm以上，进一步优选为60nm以上的区域。通过将绝缘体406a形成得厚，可以拉开从相邻的绝缘体与绝缘体406a的界面至形成有沟道的半导体406b的距离。注意，因为半导体装置的生产率可能会下降，所以绝缘体406a具有其厚度例如为200nm以下，优选为120nm以下，更优选为80nm以下的区域。

例如在半导体406b与绝缘体406a之间例如具有通过二次离子质谱分析法(SIMS：Secondary Ion Mass Spectrometry)得到的硅浓度为1×10¹⁶atoms/cm³以上且1×10¹⁹atoms/cm³以下，优选为1×10¹⁶atoms/cm³以上且5×10¹⁸atoms/cm³以下，更优选为1×10¹⁶atoms/cm³以上且2×10¹⁸atoms/cm³以下的区域。此外，在半导体406b与绝缘体406c之间具有通过SIMS得到的硅浓度为1×10¹⁶atoms/cm³以上且1×10¹⁹atoms/cm³以下，优选为1×10¹⁶atoms/cm³以上且5×10¹⁸atoms/cm³以下，更优选为1×10¹⁶atoms/cm³以上且2×10¹⁸atoms/cm³以下的区域。

另外，半导体406b包括通过SIMS得到的氢浓度为1×10¹⁶atoms/cm³以上且2×10²⁰atoms/cm³以下，优选为1×10¹⁶atoms/cm³以上且5×10¹⁹atoms/cm³以下，更优选为1×10¹⁶atoms/cm³以上且1×10¹⁹atoms/cm³以下，进一步优选为1×10¹⁶atoms/cm³以上且5×10¹⁸atoms/cm³以下的区域。为了降低半导体406b的氢浓度，优选降低绝缘体406a及绝缘体406c的氢浓度。绝缘体406a及绝缘体406c具有通过SIMS得到的氢浓度为1×10¹⁶atoms/cm³以上且2×10²⁰atoms/cm³以下，优选为1×10¹⁶atoms/cm³以上且5×10¹⁹atoms/cm³以下，更优选为1×10¹⁶atoms/cm³以上且1×10¹⁹atoms/cm³以下，进一步优选为1×10¹⁶atoms/cm³以上且5×10¹⁸atoms/cm³以下的区域。此外，半导体406b具有通过SIMS得到的氮浓度为1×10¹⁵atoms/cm³以上且5×10¹⁹atoms/cm³以下，优选为1×10¹⁵atoms/cm³以上且5×10¹⁸atoms/cm³以下，更优选为1×10¹⁵atoms/cm³以上且1×10¹⁸atoms/cm³以下，进一步优选为1×10¹⁵atoms/cm³以上且5×10¹⁷atoms/cm³以下的区域。为了降低半导体406b的氮浓度，优选降低绝缘体406a及绝缘体406c的氮浓度。绝缘体406a及绝缘体406c具有通过SIMS得到的氮浓度为1×10¹⁵atoms/cm³以上且5×10¹⁹atoms/cm³以下，优选为1×10¹⁵atoms/cm³以上且5×10¹⁸atoms/cm³以下，更优选为1×10¹⁵atoms/cm³以上且1×10¹⁸atoms/cm³以下，进一步优选为1×10¹⁵atoms/cm³以上且5×10¹⁷atoms/cm³以下的区域。

上述三层结构是一个例子。例如，也可以采用没有绝缘体406a或绝缘体406c的两层结构。或者，也可以采用在绝缘体406a上或下、或者在绝缘体406c上或下设置作为绝缘体406a、半导体406b和绝缘体406c例示的半导体中的任何一个半导体的四层结构。或者，也可以采用在绝缘体406a上、绝缘体406a下、绝缘体406c上、绝缘体406c下中的任何两个以上的位置设置作为绝缘体406a、半导体406b和绝缘体406c例示的半导体中的任何一个以上的半导体的n层结构(n为5以上的整数)。

<晶体管2>

图18A至图18C是根据本发明的一个方式的晶体管的俯视图及截面图。图18A是俯视图，图18B是沿图18A中的点划线F1-F2所示的部分的截面图，图18C是沿图18A中的点划线F3-F4所示的部分的截面图。另外，在图18A的俯视图中，为了明确起见，省略构成要素的一部分。

图18A至图18C所示的晶体管包括：衬底500上的导电体513；衬底500上的其顶面的高度与导电体513一致的绝缘体503；导电体513及绝缘体503上的绝缘体502；绝缘体502上的绝缘体506a；绝缘体506a上的半导体506b；与半导体506b的顶面接触且间隔开地配置的导电体516a及导电体516b；绝缘体502、半导体506b、导电体516a及导电体516b上的绝缘体506c；绝缘体506c上的绝缘体512；绝缘体512上的导电体504；以及导电体504上的绝缘体508。注意，虽然在此导电体513为晶体管的一部分，但是不局限于此。例如，导电体513也可以是独立于晶体管的构成要素。另外，晶体管也可以不包括绝缘体508。此外，晶体管还可以在导电体516a与绝缘体506c之间或/及导电体516b与绝缘体506c之间包括绝缘体。关于该绝缘体，参照绝缘体410的记载。

关于衬底500，参照衬底400的记载。关于导电体513，参照导电体413的记载。关于绝缘体502，参照绝缘体402的记载。关于绝缘体506a，参照绝缘体406a的记载。关于半导体506b，参照半导体406b的记载。关于导电体516a，参照导电体416a的记载。关于导电体516b，参照导电体416b的记载。关于绝缘体506c，参照绝缘体406c的记载。关于绝缘体512，参照绝缘体412的记载。关于导电体504，参照导电体404的记载。关于绝缘体508，参照绝缘体408的记载。

作为绝缘体503，例如可以使用包含硼、碳、氮、氧、氟、镁、铝、硅、磷、氯、氩、镓、锗、钇、锆、镧、钕、铪或钽的绝缘体的单层或叠层。作为绝缘体503，例如可以使用氧化铝、氧化镁、氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化镓、氧化锗、氧化钇、氧化锆、氧化镧、氧化钕、氧化铪或氧化钽。

如图18C所示，晶体管具有s-channel结构。另外，在该结构中，来自导电体504及导电体513的电场不容易在半导体506b的侧面被导电体516a及导电体516b等阻碍。

注意，也可以不形成导电体513(参照图19A和图19B)。另外，绝缘体512及绝缘体506c也可以具有其端部从导电体504的端部突出的形状(参照图19C和图19D)。另外，绝缘体512及绝缘体506c也可以具有其端部没有从导电体504的端部突出的形状(参照图19E和图19F)。另外，F1-F2截面中的导电体513的宽度也可以大于半导体506b的宽度(参照图20A和图20B)。另外，导电体513也可以通过开口部与导电体504接触(参照图20C和图20D)。此外，也可以不设置导电体504(参照图20E和图20F)。

<晶体管3>

图21A、图21B及图21C为本发明的一个方式的晶体管的俯视图及截面图。图21A为俯视图，图21B及图21C为沿着图21A所示的点划线G1-G2以及点划线G3-G4的截面图。另外，在图21A的俯视图中，为了明确起见，省略构成要素的一部分。

图21A、图21B及图21C所示的晶体管包括：衬底600上的导电体613；衬底600上的与导电体613的顶面高度一致的绝缘体603；导电体613及绝缘体603上的绝缘体602；绝缘体602上的绝缘体606a；绝缘体606a上的半导体606b；半导体606b上的绝缘体606c；绝缘体606c上的绝缘体612；绝缘体612上的导电体604；具有与导电体604的侧面及半导体606b的顶面接触的区域的绝缘体620；以及绝缘体602、半导体606b、导电体604及绝缘体620上的绝缘体608。注意，虽然在此导电体613为晶体管的一部分，但是不局限于此。例如，导电体613也可以是独立于晶体管的构成要素。晶体管也可以不具有绝缘体608。

半导体606b包括区域607a和区域607b。区域607a及区域607b以夹着半导体606b的与导电体604重叠的区域的方式配置。区域607a及区域607b具有比半导体606b的其他区域的电阻低的区域。区域607a及区域607b具有晶体管的源区域及漏区域的功能。

另外，也可以在绝缘体608上配置绝缘体618。绝缘体618及绝缘体608具有两个开口部。两个开口部分别到达区域607a及区域607b。两个开口部分别被填有导电体616a及导电体616b。此时，绝缘体620具有防止导电体616a及导电体616b与导电体604导通的功能。

关于衬底600，参照衬底400的记载。关于导电体613，参照导电体413的记载。关于绝缘体602，参照绝缘体402的记载。关于绝缘体603，参照绝缘体503的记载。关于绝缘体606a，参照绝缘体406a的记载。关于半导体606b，参照半导体406b的记载。关于导电体616a，参照导电体416a的记载。关于导电体616b，参照导电体416b的记载。关于绝缘体606c，参照绝缘体406c的记载。关于绝缘体612，参照绝缘体412的记载。关于导电体604，参照导电体404的记载。关于绝缘体608，参照绝缘体408的记载。

作为绝缘体620，例如可以使用包含硼、碳、氮、氧、氟、镁、铝、硅、磷、氯、氩、镓、锗、钇、锆、镧、钕、铪或钽的绝缘体的单层或叠层。例如，作为绝缘体620可以使用氧化铝、氧化镁、氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化镓、氧化锗、氧化钇、氧化锆、氧化镧、氧化钕、氧化铪或氧化钽。

作为绝缘体618，例如可以使用包含硼、碳、氮、氧、氟、镁、铝、硅、磷、氯、氩、镓、锗、钇、锆、镧、钕、铪或钽的绝缘体的单层或叠层。例如，作为绝缘体618可以使用氧化铝、氧化镁、氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化镓、氧化锗、氧化钇、氧化锆、氧化镧、氧化钕、氧化铪或氧化钽。

如图21C所示，晶体管具有s-channel结构。另外，在该结构中，来自导电体604及导电体613的电场不容易在半导体606b的侧面被导电体616a及导电体616b等阻碍。

注意，也可以不形成导电体613(参照图22A及图22B)。另外，导电体613与导电体604也可以通过开口部接触(参照图22C及图22D)。另外，可以使用依次层叠了绝缘体602a、绝缘体602b及绝缘体602c的层叠膜代替绝缘体602(参照图22E及图22F)。

作为绝缘体602a、绝缘体602b及绝缘体602c，例如可以使用包含硼、碳、氮、氧、氟、镁、铝、硅、磷、氯、氩、镓、锗、钇、锆、镧、钕、铪或钽的绝缘体的单层或叠层。例如，绝缘体602a及绝缘体602c可以使用氧化硅或氧氮化硅，绝缘体602b可以使用氧化铝、氧化镁、氮氧化硅、氮化硅、氧化镓、氧化锗、氧化钇、氧化锆、氧化镧、氧化钕、氧化铪或氧化钽。绝缘体602b优选具有载流子陷阱。此时，通过对导电体613施加电位，利用绝缘体602b的载流子陷阱捕获电子等，由此可以使晶体管的阈值电压漂移。例如，通过使晶体管的阈值电压漂移至正方向，可以使晶体管的电特性变为常关闭。