氧化物半導體膜及半導體裝置的制造方法

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氧化物半導體膜及半導體裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的之一是提供一種導電率穩(wěn)定的氧化物半導體膜。另外，本發(fā)明的目的之一是通過使用該氧化物半導體膜，對半導體裝置賦予穩(wěn)定的電特性，提供一種可靠性高的半導體裝置。在包含銦(In)、鎵(Ga)以及鋅(Zn)的氧化物半導體膜中，具有在平行于氧化物半導體膜的被形成面的法向矢量的方向上一致的c軸取向的結晶區(qū)，c軸取向的結晶區(qū)的組成以In1+δGa1?δO3(ZnO)m(注意，0<δ<1，m＝1至3)表示，包括c軸取向的結晶區(qū)的整體的氧化物半導體膜的組成以InxGayO3(ZnO)m(注意，0<x<2，0<y<2，m＝1至3)表示。
【專利說明】
氧化物半導體膜及半導體裝置
[00011本申請是2012年4月10日提交的申請?zhí)枮?01210103353.5,發(fā)明名稱為"氧化物半導體膜及半導體裝置"的中國申請的分案申請，該申請要求2011年4月13日的優(yōu)先權。
技術領域
[0002]本發(fā)明涉及一種氧化物半導體膜及使用該氧化物半導體膜的半導體裝置。
[0003]注意，在本說明書中半導體裝置是指能夠利用半導體特性而工作的所有裝置，因此電光裝置、半導體電路以及電子設備都是半導體裝置。
【背景技術】
[0004] 以液晶顯示裝置為代表的形成在玻璃襯底等上的晶體管由非晶硅、多晶硅等構成。使用非晶硅的晶體管可以容易地對應玻璃襯底的大面積化。但是，使用非晶硅的晶體管具有場效應迀移率低的缺點。此外，使用多晶硅的晶體管雖然場效應迀移率高，但是具有不適于玻璃襯底的大面積化的缺點。
[0005] 與具有上述缺點的使用硅的晶體管相比，將使用氧化物半導體制造的晶體管用于電子裝置或光學裝置的技術受到注目。例如，專利文獻1公開一種技術，其中作為氧化物半導體使用包含111、21 1、6&、511等的非晶氧化物制造晶體管。此外，專利文獻2公開一種技術，其中制造如上同樣的晶體管，并將該晶體管用于顯示裝置的像素的開關元件等。
[0006] 另外，對于用于這種晶體管的氧化物半導體，已有如下說明："氧化物半導體對雜質是不敏感的，即使在氧化物半導體膜中包含大量金屬雜質也沒有問題，因此，也可以使用包含大量如鈉等堿金屬的廉價的鈉鈣玻璃"（參照非專利文獻1)。
[0007] [專利文獻1]日本專利申請公開2006-165529號公報 [0008][專利文獻2]日本專利申請公開2006-165528號公報
[0009] [非專利文獻1]神谷、野村、細野"非晶氧化物半導體的物性及裝置開發(fā)的現(xiàn)狀"、日本固體物理、2009年9月號、第44卷、第621-633頁
[0010] 但是，當氧化物半導體膜一直處于非晶狀態(tài)時，在氧化物半導體膜中容易產生氧缺陷、懸空鍵(dangling bond)，由于單獨的氧缺陷、懸空鍵或其與氫等的結合會導致膜中產生載流子。因此，有氧化物半導體膜的導電率等電特性發(fā)生變化的憂慮。另外，對使用氧化物半導體膜的晶體管而言也會成為電特性變化的主要原因，由此半導體裝置的可靠性被降低。

【發(fā)明內容】

[0011]鑒于上述問題，本發(fā)明的目的之一是提供一種電特性穩(wěn)定的氧化物半導體膜。另外，本發(fā)明的目的之一是通過使用該氧化物半導體膜，對半導體裝置賦予穩(wěn)定的電特性，而提供一種可靠性高的半導體裝置。
[0012]所公開的發(fā)明的一個方式是一種氧化物半導體膜，該氧化物半導體膜包含銦、鎵以及鋅且具有c軸取向的結晶區(qū)。另外，與膜整體為非晶結構的氧化物半導體膜相比，因為本發(fā)明的一個方式的氧化物半導體膜具有C軸取向的結晶區(qū)，所以是氧缺陷、懸空鍵或與懸空鍵等結合的氫、硼、氮以及磷等雜質被降低的高純度氧化物半導體膜。另外，通過確定C軸取向的結晶區(qū)的組成與包括C軸取向的結晶區(qū)的半導體膜整體的組成，可以實現(xiàn)具有穩(wěn)定的晶體結構的氧化物半導體膜。下面進行更詳細的說明。
[0013] 所公開的發(fā)明的一個方式是一種氧化物半導體膜，該氧化物半導體膜包含銦 (In)、鎵(Ga)以及鋅(Zn)，并且具有在平行于氧化物半導體膜的被形成面的法向矢量的方向上一致的c軸取向的結晶區(qū)，c軸取向的結晶區(qū)的組成以Ini +sGai-fi〇3(ZnO)m(注意，0〈δ〈1，m =1至3)表示，并且包括c軸取向的結晶區(qū)的整體的氧化物半導體膜的組成以InxGayO 3 (Zn0)m(注意，0〈x〈2,0〈y〈2，m= 1 至3)表示。
[0014] 所公開的發(fā)明的另一個方式是一種半導體裝置，該半導體裝置包括柵電極;與柵電極接觸的第一絕緣膜;與第一絕緣膜接觸的氧化物半導體膜；以及與氧化物半導體膜接觸的第二絕緣膜，其中，氧化物半導體膜包含銦（In)、鎵(Ga)以及鋅(Zn)并且具有在平行于氧化物半導體膜的被形成面的法向矢量的方向上一致的c軸取向的結晶區(qū)，c軸取向的結晶區(qū)的組成以Im+sGai-s〇3(ZnO)m(注意，0〈δ〈1，m=l至3)表示，并且包括c軸取向的結晶區(qū)的整體的氧化物半導體膜的組成以In xGay〇3(ZnO)m(注意，0〈1〈2,0〈7〈2，111=1至3)表示。
[0015] 在上述各結構中，優(yōu)選氧化物半導體膜中的硼(B)、磷(P)以及氮(N)濃度的合計為 5X IO19原子/立方厘米以下，硼(B)、磷(P)以及氮(N)濃度中的任何一個優(yōu)元素濃度為IX 1〇19原子/立方厘米以下，鋰(Li)濃度及鉀(K)濃度為5X IO15原子/立方厘米以下，鈉(Na)濃度為5X IO16原子/立方厘米以下。
[0016] 本發(fā)明的一個方式所公開的包含銦、鎵以及鋅的氧化物半導體膜能夠具有穩(wěn)定的電特性。通過將這種包含銦、鎵以及鋅的氧化物半導體膜用于晶體管，可以實現(xiàn)電特性穩(wěn)定且可靠性高的半導體裝置。
【附圖說明】
[0017] 圖IA和IB是有關本發(fā)明的一個方式的截面TEM圖像；
[0018] 圖2是說明有關本發(fā)明的一個方式的晶體結構的圖；
[0019] 圖3A和3B分別是有關本發(fā)明的一個方式的示意圖和有關本發(fā)明的一個方式的截面TEM圖像；
[0020] 圖4A至4E是說明有關本發(fā)明的一個方式的半導體裝置的制造工序的截面圖；
[0021 ]圖5是說明制造裝置的示意圖；
[0022] 圖6A至6C是有關本發(fā)明的一個方式的半導體裝置的截面圖；
[0023] 圖7A至7C是示出本發(fā)明的一個方式的框圖及等效電路圖；
[0024]圖8A至8D是不出本發(fā)明的一個方式的電子設備的外觀圖；
[0025] 圖9A至9C是示出實施例的自旋密度的結果的圖；
[0026] 圖10是示出實施例的自旋密度的結果的圖。
【具體實施方式】
[0027] 下面，將參照附圖詳細地說明本發(fā)明的實施方式。但是，本發(fā)明不局限于以下說明，而所屬技術領域的普通技術人員可以很容易地理解一個事實就是其方式及詳細內容在不脫離本發(fā)明的宗旨及其范圍的情況下可以被變換為各種各樣的形式。因此，本發(fā)明不應該被解釋為僅局限在以下所示的實施方式所記載的內容中。注意，在下面所說明的本發(fā)明的結構中，在不同的附圖之間共同使用同一附圖標記來表示同一部分或具有同一功能的部分，而省略其重復說明。
[0028]注意，在本說明書所說明的各附圖中，各結構的尺寸、層的厚度或者區(qū)域有時為了容易理解而放大表示。因此，不一定局限于其尺度。
[0029]注意，在本說明書中為了避免部件的混淆而使用諸如"第一"、"第二"和"第三"的詞語，但是此類詞語并非用來限定數(shù)目。因此，例如，"第一"能夠適當?shù)靥鎿Q為"第二"、"第三"等而說明。
[0030] 實施方式1
[0031] 在本實施方式中，參照圖IA至圖3B說明包含銦（In)、鎵(Ga)以及鋅(Zn)的氧化物半導體膜的結構。
[0032] 根據(jù)本實施方式的包含銦(In)、鎵(Ga)以及鋅(Zn)的氧化物半導體膜具有在平行于氧化物半導體膜的被形成面的法向矢量的方向上一致的c軸取向的結晶區(qū)，該c軸取向的結晶區(qū)的組成以Im+fiGai-s〇3(ZnO)m(注意，0〈δ〈1，m=l至3)表示，并且包括c軸取向的結晶區(qū) 的整體的氧化物半導體膜的組成以In xGay〇3(ZnO)m(注意，0〈1〈2,0〈7〈2，111=1至3)表示。
[0033] 在此，圖IA和IB不出通過透射電子顯微鏡（TEM : Transmi ss ion EI ectron Microscope)對實際制造的具有上述結構的氧化物半導體膜的截面進行觀察的結果(截面 TEM圖像）。
[0034]圖IA所示的截面TEM圖像的樣品是通過如下方法制造的：在室溫下通過濺射法使用包含銦（In)、鎵(Ga)以及鋅(Zn)的金屬氧化物革E材（In:Ga:Zn = I: 1:1[原子比])在襯底 100上形成厚度為50nm的氧化物半導體膜101，然后在氧氣氛下以700°C進行1小時的熱處理。由圖IA所示的截面TEM圖像可知，在氧化物半導體膜101的上部具有結晶區(qū)102。另外，圖 IB所示的截面TEM圖像是放大圖IA所示的結晶區(qū)102的圖。
[0035]由圖IA和IB所示的截面TEM圖像可知，在包含銦（In)、鎵(Ga)以及鋅(Zn)的氧化物半導體膜中觀察到多個在氧化物半導體膜101內原子取向為層狀的結晶區(qū)102。
[0036]接下來，當使用圖IB所示的截面TEM圖像計算出原子取向為層狀的晶面的間距時，算出在平行于被形成面的法向矢量的方向上的晶面間距為〇.288nm。另外，作為晶面的間距的算出方法使用FFTM(FastFourier Transform Mapping:多極快速傅里葉變換)法。
[0037] 在此，作為包含銦（In)、鎵(Ga)以及鋅(Zn)的氧化物半導體膜的一個例子的In-Ga-Zn-O膜的晶體結構為InO層和GaO層或ZnO層在c軸方向上層疊為層狀的結構。作為其中之一，有組成為InGaO 3 (ZnO)且晶格常數(shù)為c = 2.607nm的結構。圖2示出In-Ga-Zn-O膜的晶體結構的示意圖。在圖2中，白色圓點表示In，灰色圓點表示Ga或Zn，并且黑色圓點表示氧 (0)。如圖2所示那樣，InO 2層(附圖中的InO2層)和GaZnO2層(附圖中的GaZnO2層)為具有六角形的晶格的結合的層且在c軸方向上層疊。另外，c軸方向與a-b面垂直。
[0038] 接下來，根據(jù)圖2所示的晶體結構進行模擬實驗。圖3A示出通過模擬實驗而得到的示意圖。此外，圖3B示出對圖IB所示的結晶區(qū)102進一步進行放大了的結晶區(qū)102的截面TEM 圖像。
[0039] 在圖3A中，圖像的濃淡與原子序數(shù)的平方成比例，白色圓點表示In，灰色圓點表示 Ga或Zn。此外，在圖3B中，呈黑色層狀的區(qū)域表示InO層，位于黑色層狀之間的區(qū)域表示GaO 層或ZnO層。
[0040] 由此可知，圖3A所示的示意圖和圖3B所示的結晶區(qū)10 2的截面??Μ圖像的原子排列的結構大致一致。就是說，圖1A、圖IB以及圖3B所示的結晶區(qū)102具有圖2所示的晶體結構。
[0041] 另外，在c軸方向上的晶胞之一，即（001)晶面間距相當于c軸的晶格常數(shù)C = 2.607nm。由此，（009)晶面間距相當于d = 0.2897nm。就是說，圖IB所示的結晶區(qū)102的原子取向為層狀的晶面在平行于被形成面的法向矢量的方向上的晶面間距為〇.288nm，該數(shù)值與（009)晶面間距d = 0.2897nm大致一致，因此，可知結晶區(qū)102具有InGaZnO4的晶體結構。就是說，結晶區(qū)102的組成為In:Ga:Zn = l: 1:1[原子比]。
[0042]像這樣，由圖1A、圖IB以及圖3B所示的截面TEM圖像可知，結晶區(qū)102具有c軸取向并且在從垂直于a-b面的方向看時具有三角形狀或六角形狀的原子排列，在c軸上金屬原子排列為層狀或者金屬原子和氧原子排列為層狀，并且在a-b面上a軸或b軸的方向不同（即，以c軸為中心旋轉）。在本說明書等中，氧化物半導體膜包括上述結晶區(qū)102,并且是CAAC-OS (C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor:。軸取向結晶氧化物半導體)膜。 [0043]從廣義來講，CAAC-OS膜是指非單晶并包括如下相的材料，在該相中在從垂直于a_ b面的方向看時具有三角形、六角形、正三角形或正六角形的原子排列，并且從垂直于c軸的方向看時金屬原子排列為層狀或者金屬原子和氧原子排列為層狀。
[0044] 雖然CAAC-OS膜不是單晶，但是也不只由非晶形成。另外，雖然CAAC-OS膜包括晶化部分(結晶部分)或者晶化區(qū)域(結晶區(qū)），但是有時不能明確辨別一個結晶部分與其他結晶部分的邊界或者一個結晶區(qū)與其他結晶區(qū)的邊界。
[0045]另外，也可以用氮取代構成CAAC-OS膜的氧的一部分。此外，構成CAAC-OS膜的每個結晶部分的c軸也可以在固定方向（例如，平行于CAAC-OS膜的被形成面的法向矢量或表面的法向矢量的方向）上一致?；蛘?，構成CAAC-OS膜的每個結晶部分的a-b面的法向矢量也可以朝向固定方向（例如，垂直于CAAC-OS膜的被形成面的法向矢量或表面的法向矢量的方向）。
[0046] 作為上述CAAC-OS膜的例子，也可以舉出如下材料，在該材料中，c軸在平行于 CAAC-OS膜的被形成面的法向矢量或表面的法向矢量的方向上一致，并且在從垂直于a-b面的方向觀察時確認到三角形或六角形的原子排列，并且在觀察該膜的截面時確認到金屬原子的層狀排列或者金屬原子和氧原子(或氮原子)的層狀排列。
[0047] 在此，考慮包含銦（In)、鎵(Ga)以及鋅(Zn)的氧化物半導體膜的化學計量組成比。 In及Ga都是三價元素，Zn是二價元素。例如，即使以Ga置換In，因為In及Ga都是三價元素，所以價電子數(shù)也不變。此外，，可以在不改變晶體結構的狀態(tài)下減少Ga量而增加 In量。
[0048] 就是說，包含銦（In)、鎵(Ga)以及鋅(Zn)的氧化物半導體膜的化學計量組成比表示為Ini+sGai-s〇3(ZnO)m(注意，0〈δ〈1，m=l至3)，并且即使In和Ga的組成比與所述化學計量組成比不同，也可以維持穩(wěn)定的晶體結構。
[0049 ] 還從圖3B所示的晶體結構可以確認到部分In與Ga置換。在結晶區(qū)102中的區(qū)域150 中，連續(xù)的In(呈黑色層狀的區(qū)域）的晶體結構的連續(xù)性部分不同。此外，區(qū)域150的對比度與Ga或Zn的對比度酷似，當由Zn置換時價電子數(shù)發(fā)生變化，而不能維持原來的晶體結構，由此可以推測In被Ga置換。
[0050]接下來，表1表示對包括c軸取向的結晶區(qū)102的氧化物半導體膜101進行組成分析的結果。另外，組成分析是通過電感親合等離子體質譜（Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry: ICP-MS) 進行的。此外，氧化物半導體膜101 中的各元素由原子％表示。此外，在假設構成氧化物半導體膜101的氧化物為具有理想組成的In2O3Xa 2O3以及ZnO的情況下，計算氧(〇)含量。
[0051 ] 「耒 Π
[0054]在此，表2示出以In為基準時的表1所示的氧化物半導體膜101的組成。「00551 「串
[0057]由表2可知，包括c軸取向的結晶區(qū)102的氧化物半導體膜101的組成比大致為In: 6&:211=1:1:0.7[原子比]。因此，有時與以一般式11^03(211〇) 11(11是自然數(shù))表示的111-6&-Zn-O類氧化物半導體膜的結構不同，即表示為InxGa y〇3(ZnO)m(注意，0〈x〈2,0〈y〈2，m= 1至 3)〇
[0058]如此，c軸取向的結晶區(qū)102的組成比和包括c軸取向的結晶區(qū)102的氧化物半導體膜101的組成比不同。換言之，C軸取向的結晶區(qū)102的組成比有時與膜整體的組成比不同。可以認為這是由于因形成氧化物半導體膜101時的形成溫度或者形成氧化物半導體膜101 之后的熱處理等導致氧化物半導體膜101中的組成發(fā)生變化的緣故。
[0059] 但是，即使在氧化物半導體膜101整體的組成發(fā)生變化的情況下，c軸取向的結晶區(qū)102也維持穩(wěn)定的晶體結構，因此可以將氧化物半導體膜101形成為具有穩(wěn)定的晶體結構的氧化物半導體膜。
[0060] 另外，在圖IA和IB所示的包括C軸取向的結晶區(qū)102的氧化物半導體膜101中，膜中的雜質濃度很低。具體而言，在氧化物半導體膜101中，優(yōu)選將N型雜質的磷(P)、硼(B)以及氮(N)的雜質的總雜質濃度設定為5 X IO19原子/立方厘米以下，更優(yōu)選為5 X IO18原子/立方厘米以下。
[0061] 再者，在氧化物半導體膜101中，優(yōu)選將N型雜質的磷(P)、硼(B)以及氮(N)中任一種雜質的雜質濃度設定為1. 〇 X 1〇19原子/立方厘米以下，更優(yōu)選為1. 〇 X 1〇18原子/立方厘米以下。
[0062] 這是因為如下緣故：因為c軸取向的結晶區(qū)102具有穩(wěn)定的晶體結構，所以氧化物半導體膜101內的氧缺陷、懸空鍵或與懸空鍵等結合的氫、硼、氮以及磷等雜質減少。
[0063] 在此，對實際制造的圖IA和IB所示的氧化物半導體膜101中的雜質磷(P)、硼(B)以及氮（N)進行濃度測量。另外，雜質濃度的測量是通過二次離子質譜分析法（SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometry)進行的。
[0064] 由SIMS分析的結果可知，P濃度為4.0 X IO16原子/立方厘米以下，B濃度為4.0 X 1〇17原子/立方厘米以下，N濃度為1.0 X IO17原子/立方厘米以下，并且所有元素的合計為 4.5X1016原子/立方厘米以下。
[0065] 像這樣，通過從氧化物半導體膜101徹底去除可能成為N型的雜質，可以實現(xiàn)氧化物半導體膜101的高純度化。
[0066] 此外，優(yōu)選的是，在根據(jù)本實施方式的包含銦(In)、鎵(Ga)以及鋅(Zn)的氧化物半導體膜中，除了上述雜質的P濃度、B濃度以及N濃度以外，氧化物半導體膜中的堿金屬等的雜質濃度被降低。例如，在氧化物半導體膜中，鋰濃度為5X IO15原子/立方厘米以下，優(yōu)選為 I X 1〇15原子/立方厘米以下，鈉濃度為5 X IO16原子/立方厘米以下，優(yōu)選為I X IO16原子/立方厘米以下，鉀濃度為5X IO15原子/立方厘米以下，優(yōu)選為IX IO15原子/立方厘米以下。
[0067] 因為對于氧化物半導體來說堿金屬及堿土金屬是惡性的雜質，所以優(yōu)選氧化物半導體所含有的堿金屬及堿土金屬量少。尤其是，當將該氧化物半導體膜用于晶體管時，有可能堿金屬中的鈉擴散到與氧化物半導體膜接觸的絕緣膜中而導致晶體管的閾值電壓的變動等。另外，在氧化物半導體膜中，鈉斷裂金屬與氧的鍵或者擠進鍵之中。其結果，導致晶體管特性的劣化(例如，常導通化（閾值向負一側偏移）、迀移率的降低等）。并且，還成為特性偏差的原因。
[0068]因此，優(yōu)選盡量減少包括c軸取向的結晶區(qū)的氧化物半導體膜中的雜質，將堿金屬的濃度設定為5 X IO16原子/立方厘米以下，將氫的濃度設定為5 X IO19原子/立方厘米以下。
[0069] 在以上所說明的包含銦（In)、鎵(Ga)以及鋅(Zn)的氧化物半導體膜中，因為通過包括c軸取向的結晶區(qū)而具有比膜整體為非晶結構的氧化物半導體膜良好的結晶性，所以氧缺陷、懸空鍵或與懸空鍵等結合的氫、硼、氮以及磷等雜質減少。
[0070] 因為這些氧缺陷、懸空鍵或與懸空鍵等結合的雜質在氧化物半導體膜中成為載流子的陷阱或載流子的供給源，所以有可能成為該氧化物半導體膜的導電率變動的原因。
[0071] 因此，在包含銦（In)、鎵(Ga)以及鋅(Zn)的氧化物半導體膜中，包括c軸取向的結晶區(qū)的氧化物半導體膜的導電率穩(wěn)定，可以具有即使受到可見光或紫外光等的照射也在電性上穩(wěn)定的結構。
[0072] 另外，在包含銦（In)、鎵(Ga)以及鋅(Zn)的氧化物半導體膜中，c軸取向的結晶區(qū) 的組成和包括c軸取向的結晶區(qū)的整體的氧化物半導體膜的組成都已被確定。此外，即使在 c軸取向的結晶區(qū)的組成比與化學計量組成比不同，c軸取向的結晶區(qū)也可以維持穩(wěn)定的結構。像這樣，通過確定每個組成，可以實現(xiàn)具有穩(wěn)定的晶體結構的氧化物半導體膜。
[0073] 以上，本實施方式所示的結構等可以與其他實施方式所示的結構、方法等適當?shù)?組合而使用。
[0074]實施方式2
[0075]在本實施方式中，將參照圖4A至4E及圖5說明實施方式1所示的包含銦、鎵以及鋅且具有c軸取向的結晶區(qū)的氧化物半導體膜以及具有該氧化物半導體膜的晶體管的制造方法。圖4A至4E是示出頂柵結構的晶體管320的制造工序的截面圖，而圖5是制造裝置的結構的一個方式。此外，與上述實施方式1不同，在本實施方式中示出分兩次形成包括c軸取向的結晶區(qū)的氧化物半導體膜的例子。
[0076]圖4E是頂柵結構的晶體管320的截面圖，其中晶體管320在具有絕緣表面的襯底 300上包括絕緣膜301、包括溝道形成區(qū)域的氧化物半導體膜309、源電極304a、漏電極304b、柵極絕緣膜302、柵電極312以及絕緣膜310a。以覆蓋氧化物半導體膜309的端部的方式設置有源電極304a及漏電極304b，并且覆蓋源電極304a及漏電極304b的柵極絕緣膜302與氧化物半導體膜309的一部分接觸。在該氧化物半導體膜309的一部分上隔著柵極絕緣膜302設置有柵電極312。
[0077]另外，在柵極絕緣膜302及柵電極312上設置有絕緣膜310a及絕緣膜310b。
[0078]下面，將參照圖4A至4E說明在襯底上制造晶體管320的工序。
[0079]首先，在襯底300上形成絕緣膜301 (參照圖4A)。
[0080]作為襯底300,可以使用通過熔融法或浮法制造的無堿玻璃襯底、具有可耐受本制造工序的處理溫度的耐熱性的塑料襯底等。此外，還可以使用在不銹鋼等金屬襯底的表面上設置有絕緣膜的襯底、在半導體襯底的表面上設置有絕緣膜的襯底。在襯底300為母板玻璃的情況下，襯底的尺寸可以采用第一代(320mm X 400mm)、第二代(400mm X 500mm)、第三代 (550mmX 650mm)、第四代（680mmX 880mm或730mmX 920mm)、第五代（1000 mmX 1200mm或 IlOOmmX 1250mm)、第六代（1500mmX 1800mm)、第七代（1900mmX 2200mm)、第八代（2160mmX 2460mm)、第九代（2400mmX 2800mm或2450mmX 3050mm)、第十代（2950mmX 3400mm)等。因為在處理溫度高且處理時間長時母板玻璃大幅度收縮，所以優(yōu)選的是，當使用母板玻璃進行批量生產時，將制造工序的加熱處理溫度設定為600 °C以下，優(yōu)選設定為450 °C以下。
[0081 ] 作為絕緣膜301，通過PCVD法、濺射法使用厚度為50nm以上且600nm以下的選自氧化硅膜、氧化鎵膜、氧化鋁膜、氮化硅膜、氧氮化硅膜、氧氮化鋁膜或氮氧化硅膜中的一層或疊層。用作基底絕緣膜的絕緣膜301優(yōu)選在其膜中（塊中）至少有超過化學計量組成比的量的氧，例如，當使用氧化硅膜時，使用Si0 2+a(注意，α>0)。通過增大絕緣膜301的含氧量，能夠從絕緣膜301對后面要形成的氧化物半導體膜供應氧。
[0082]此外，優(yōu)選使絕緣膜301的表面的平坦性良好。例如，絕緣膜301的平均面粗糙度 (Ra)優(yōu)選為0.1 nm以上且低于0.5nm。當絕緣膜301的表面的平坦性良好時，后面要形成的氧化物半導體膜的結晶性得到提高。
[0083]另外，當使用包含堿金屬等的雜質的玻璃襯底時，為了防止堿金屬的侵入，也可以在絕緣膜301和襯底300之間作為氮化物絕緣膜通過PCVD法或濺射法來形成氮化硅膜、氮化鋁膜等。因為Li或Na等堿金屬為雜質，所以優(yōu)選含量少。
[0084]接下來，在絕緣膜301上形成厚度為Inm以上且IOnm以下的第一氧化物半導體膜。
[0085] 在本實施方式中，以如下條件形成厚度為5nm的第一氧化物半導體膜:使用金屬氧化物革E材（In-Ga-Zn-O類金屬氧化物祀材(In: Ga: Zn = 1: 1:1 [原子比]);襯底與祀材之間的距離為170mm;襯底溫度為400°C;壓力為0.4Pa;直流(DC)電源為500W;在只有氧、只有氬或氬及氧的氣氛下進行成膜處理。
[0086] 第一氧化物半導體膜可以通過濺射法使用氬氣體、氧氣體或氬氣體和氧氣體的混合氣體等進行成膜。另外，通過在成膜時加熱襯底，可以形成結晶區(qū)所占的比例比非晶區(qū)高的第一氧化物半導體膜。例如，可以將襯底溫度設定為150 °C以上且450°C以下即可。優(yōu)選的是，襯底溫度為200 °C以上且400 °C以下。
[0087] 另外，作為第一氧化物半導體膜的形成氣氛，可以使用氬氣體、氧氣體、或氬氣體和氧氣體的混合氣體，這些氣體優(yōu)選為高純度氣體。例如，優(yōu)選采用氫、水、羥基、氫化物等雜質被去除到I ppm以下(優(yōu)選為I Oppb以下）的濃度的高純度氣體。
[0088] 另外，增大成膜時的濺射氣氛下的氧流量是優(yōu)選的。通過增大成膜時的氧流量，可以提高第一氧化物半導體膜中的氧濃度。例如，對總氣體流量的氧比例優(yōu)選為10%以上，更優(yōu)選為30%以上，特別優(yōu)選為50%以上。
[0089] 通過提高襯底溫度，可以使第一氧化物半導體膜進一步晶化。
[0090] 接著，在將配置有襯底的處理室內的氣氛設定為氮或干燥空氣的情況下，進行第一加熱處理。將第一加熱處理的溫度設定為400°C以上且750°C以下。另外，將第一加熱處理的加熱時間設定為1分鐘以上且24小時以下。通過第一加熱處理形成第一氧化物半導體膜 308a (參照圖4A)。
[0091]接著，在第一氧化物半導體膜308a上形成厚于IOnm的第二氧化物半導體膜。
[0092] 在本實施方式中，以如下條件形成厚度為25nm的第二氧化物半導體膜:使用金屬氧化物祀材（In-Ga-Zn-O類金屬氧化物祀材(In: Ga: Zn = 1: 1:1 [原子比]);襯底與革E材之間的距離為170mm;襯底溫度為400 °C;壓力為0.4Pa;直流(DC)電源為500W;在只有氧、只有氬或氬及氧的氣氛下進行成膜處理。
[0093] 接著，在將配置有襯底的處理室內的氣氛設定為氮或干燥空氣的情況下，進行第二加熱處理。將第二加熱處理的溫度設定為400°C以上且750°C以下。另外，將第二加熱處理的加熱時間設定為1分鐘以上且24小時以下。通過第二加熱處理形成第二氧化物半導體膜 308b (參照圖4B)。
[0094]通過以上步驟形成由第一氧化物半導體膜308a和第二氧化物半導體膜308b構成的氧化物半導體膜308。
[0095]當使用高于750°C的溫度進行第一加熱處理及第二加熱處理時，由于玻璃襯底的收縮，氧化物半導體膜容易產生裂紋(在厚度方向上延伸的裂紋）。因此，優(yōu)選將形成第一氧化物半導體膜之后的加熱處理諸如第一加熱處理及第二加熱處理的溫度、通過濺射法進行成膜時的襯底溫度等設定為750°C以下，更優(yōu)選為450°C以下，由此可以在大面積玻璃襯底上制造可靠性尚的晶體管。
[0096]另外，優(yōu)選在不暴露于大氣的狀態(tài)下連續(xù)進行從絕緣層301的形成到第二加熱處理的工序。圖5示出能夠在不暴露于大氣的狀態(tài)下連續(xù)進行從絕緣層301的形成到第二加熱處理的工序的制造裝置的俯視圖。
[0097]圖5所示的制造裝置是板料送進方式多處理室裝置，包括濺射室10a、濺射室10b、濺射室l〇c、具有三個收納被處理襯底的盒式接口（cassette port)14的襯底供應室11、裝載鎖定室12a、卸載鎖定室12b、傳送室13以及襯底加熱室15等。另外，襯底供應室11及傳送室13分別配置有用來傳送被處理襯底的傳送機械。另外，還設置有用于隔離各處理室(濺射室IOa、裝載鎖定室12a等）的閘閥16。優(yōu)選將濺射室IOa、濺射室IOb、濺射室IOc、傳送室13以及襯底加熱室15控制為幾乎不包含氫及水分的氣氛(惰性氣氛、減壓氣氛以及干燥空氣氣氛等），例如，水分的露點為-40 °C以下，優(yōu)選為-50 °C以下的干燥氮氣氛。
[0098]另外，在交換靶材、防附著板等時，有時將濺射室IOa、濺射室I Ob以及濺射室I Oc的處理室暴露于大氣。在將濺射室暴露于大氣之后，優(yōu)選使處理室內的氣氛幾乎不包含氫及水分。例如，在將處理室暴露于大氣之后，通過烘烤處理室去除附著在處理室內的氫及水分，并且進行用來去除附著在靶材表面或防附著板的氫、水分的預濺射，可以徹底排除混入到氧化物半導體膜中的雜質。
[0099] 另外，在濺射室10a、濺射室IOb以及濺射室IOc中，采用如下結構即可:通過使用低溫栗、具備冷阱的渦輪分子栗等，防止氣體從排氣通路倒流。由于從排氣通路混入氣體導致氧化物半導體膜中的雜質濃度上升，因此必須要徹底排除從排氣通路混入的氣體。
[0100] 下面對使用圖5的制造裝置的制造步驟的一個例子進行說明。首先，將被處理襯底從盒式接口 14經過裝載鎖定室12a和傳送室13轉送到襯底加熱室15,在襯底加熱室15中通過真空烘烤等去除附著在被處理襯底上的水分，然后將被處理襯底經過傳送室13轉送到濺射室l〇c，在濺射室IOc內形成絕緣膜301。并且，在不暴露于大氣的狀態(tài)下，將被處理襯底經過傳送室13轉送到派射室10a，在派射室IOa內形成厚度為5nm的第一氧化物半導體膜。并且，在不暴露于大氣的狀態(tài)下，將被處理襯底經過傳送室13轉送到襯底加熱室15，進行第一加熱處理，形成第一氧化物半導體膜308a。并且，在不暴露于大氣的狀態(tài)下，將被處理襯底經過傳送室13轉送到派射室10b，在派射室IOb內形成厚度厚于IOnm的第二氧化物半導體膜。并且，在不暴露于大氣的狀態(tài)下，將被處理襯底經過傳送室13轉送到襯底加熱室15,進行第二加熱處理，形成第二氧化物半導體膜308b。然后，將被處理襯底經過傳送室13、卸載鎖定室12b以及襯底供應室11轉送到盒式接口 14。
[0101] 如上所述，通過使用圖5所示的制造裝置，可以在不暴露于大氣的狀態(tài)下進行從絕緣膜301的成膜到第二加熱處理的制造步驟。
[0102] 另外，在圖5所示的制造裝置中，通過改變?yōu)R射室的濺射靶材可以在不暴露于大氣的狀態(tài)下實現(xiàn)不同結構的工序。例如，可以將預先形成有絕緣膜301的襯底設置在盒式接口 14內，在不暴露于大氣的狀態(tài)下進行從第一氧化物半導體膜的成膜到第二加熱處理來形成氧化物半導體膜308,然后，在不暴露于大氣的狀態(tài)下，在派射室IOc內使用金屬祀材在氧化物半導體膜308上形成用來形成源電極及漏電極的導電膜。
[0103] 如上所述，通過使用圖5所示的板料送進方式多處理室裝置，可以連續(xù)進行絕緣膜 301、第一氧化物半導體膜308a以及第二氧化物半導體膜308b的成膜。
[0104] 注意，在附圖中，雖然在氧化物半導體膜308的說明中以虛線表示第一氧化物半導體膜308a與第二氧化物半導體膜308b之間的界面，但是并不存在明確的界面，只是為了易于說明而圖示的。
[0105]另外，氧化物半導體膜308是通過成膜工序、加熱處理等而從氧化物半導體膜308 內徹底去除了水、氫、羥基、氫化物等的高純度氧化物半導體膜。該膜的氫濃度為5X IO19原子/立方厘米以下，優(yōu)選為5X IO18原子/立方厘米以下，更優(yōu)選為5 X IO17原子/立方厘米以下。
[0106] 另外，在氧化物半導體膜308中，N型雜質的磷(P)、硼(B)以及氮(N)的雜質濃度的合計優(yōu)選為5 X IO19原子/立方厘米以下，更優(yōu)選為5 X IO18原子/立方厘米以下。另外，N型雜質的磷(P)、硼(B)以及氮(N)中任一種雜質的雜質濃度優(yōu)選為1.0 X IO19原子/立方厘米以下，更優(yōu)選為1. 〇 X 1〇18原子/立方厘米以下。
[0107] 像這樣，通過從氧化物半導體膜308徹底去除可能成為N型的雜質，可以形成I型 (真性）的氧化物半導體膜308。
[0108] 接著，對氧化物半導體膜308進行加工來形成島狀氧化物半導體膜309(參照圖 4C)。作為氧化物半導體膜308的加工，可以在氧化物半導體膜308上形成所希望的形狀的掩模之后對該氧化物半導體膜308進行蝕刻。上述掩模可以利用光刻工序等方法形成。或者，也可以利用噴墨法等方法形成掩模。
[0109] 此外，氧化物半導體膜308的蝕刻可以采用干蝕刻或濕蝕刻。當然，也可以組合上述蝕刻使用。
[0110] 接著，在島狀氧化物半導體膜309上形成用來形成源電極及漏電極(包括使用與此相同的層形成的布線）的導電膜，并且對該導電膜進行加工來形成源電極304a及漏電極 304b(參照圖4C)。源電極304a及漏電極304b可以通過濺射法等并使用鉬、鈦、鉭、鎢、鋁、銅、釹以及鈧等金屬材料或包含上述金屬材料的合金材料的單層或疊層形成。
[0111]接著，形成與氧化物半導體膜309的一部分接觸且覆蓋源電極304a及漏電極304b 的柵極絕緣膜302(參照圖4D)。柵極絕緣膜302是通過等離子體CVD法或濺射法等形成的氧化物絕緣膜，使用氧化娃、氧氮化娃、氮氧化娃、氧化鋁、氧化鎵、氧氮化鋁、氮氧化鋁、氧化鉿或這些的混合材料以單層或疊層形成。柵極絕緣膜302的厚度為IOnm以上且200nm以下。 [0112]在本實施方式中，作為柵極絕緣膜302通過濺射法形成厚度為IOOnm的氧化硅膜。并且，在形成柵極絕緣膜302之后進行第三加熱處理。通過進行第三加熱處理，從柵極絕緣膜302向氧化物半導體膜309供應氧。第三加熱處理的條件如下舉出：在惰性氣氛、氧氣氛、氧和氮的混合氣氛下；加熱溫度為200°C以上400°C以下，優(yōu)選為250°C以上320°C以下。另外，將第三加熱處理的加熱時間設定為1分鐘以上且24小時以下。注意，當?shù)谌訜崽幚淼?加熱溫度高于320°C時，有可能使晶體管的導通特性降低。
[0113] 接著，在柵極絕緣膜302上形成導電膜，然后，通過光刻工序及蝕刻工序形成柵電極312(參照圖4E)。柵電極312夾著柵極絕緣膜302與氧化物半導體膜309的一部分重疊。柵電極312可以通過濺射法等使用鉬、鈦、鉭、鎢、鋁、銅、釹以及鈧等的金屬材料或包含上述金屬材料的合金材料以單層或疊層形成。
[0114] 接著，形成覆蓋柵電極312及柵極絕緣膜302的絕緣膜310a及絕緣膜310b(參照圖 4E)〇
[0115]絕緣膜310a及絕緣膜310b可以使用氧化娃、氮化娃、氧化鎵、氧氮化娃、氮氧化娃、氧化鋁、氮化鋁、氧氮化鋁、氮氧化鋁或這些材料的混合材料以單層或疊層形成。在本實施方式中，作為絕緣膜310a通過濺射法形成厚度為300nm的氧化硅膜，并且在氮氣氛下以250 °C進行1小時的加熱處理。然后，為了防止水分、堿金屬的侵入，作為絕緣膜310b通過濺射法形成氮化硅膜。因為Li、Na等堿金屬是雜質，所以其含量優(yōu)選少，將氧化物半導體膜309中的堿金屬的濃度設定為5 X IO16原子/立方厘米以下，優(yōu)選為5 X IO16原子/立方厘米以下。另外，在本實施方式中雖然示出絕緣膜310a和絕緣膜310b的兩層結構的例子，但是也可以采用單層結構。
[0116]通過以上工序形成頂柵結構的晶體管320。
[0117]在圖4E所示的晶體管320中，第一氧化物半導體膜308a或第二氧化物半導體膜 308b的至少一部分具有c軸取向的結晶區(qū)。因為通過包括c軸取向的結晶區(qū)而具有比膜整體為非晶結構的氧化物半導體膜良好的結晶性，所以氧缺陷、懸空鍵或與懸空鍵等結合的氫、硼、氮以及磷等雜質被降低。
[0118]因此，在包含銦（In)、鎵(Ga)以及鋅(Zn)的氧化物半導體膜中，包括c軸取向的結晶區(qū)的氧化物半導體膜可以具有在電性上穩(wěn)定的結構。
[0119] 以上，本實施方式所示的結構等可以與其他實施方式所示的結構、方法等適當?shù)?組合而使用。
[0120] 實施方式3
[0121] 在本實施方式中，參照圖6A至6C說明與上述實施方式2所示的頂柵結構的晶體管 320不同結構的晶體管。另外，使用同一附圖標記來表示與上述實施方式2所示的晶體管320 相同的結構，而省略其重復說明。
[0122] 在圖6A至6C所示的晶體管中，通過將實施方式1所示的包含銦、鎵以及鋅且包括c 軸取向的結晶區(qū)的氧化物半導體膜用于溝道形成區(qū)域，可以實現(xiàn)具有高可靠性的晶體管。
[0123] 圖6A所示的晶體管330包括:設置在襯底300上的絕緣膜301;設置在絕緣膜301上的源電極304a及漏電極304b;以與源電極304a及漏電極304b的上面及側面接觸的方式設置的氧化物半導體膜309;設置在氧化物半導體膜309上的柵極絕緣膜302;以與氧化物半導體膜309重疊的方式設置在柵極絕緣膜302上的柵電極312;以及設置在柵電極312上的絕緣膜 310a。也就是說，晶體管330與晶體管320的不同之處在于氧化物半導體膜309以與源電極 304a及漏電極304b的上面及側面接觸的方式設置。
[0124] 圖6B所示的晶體管340包括:設置在襯底300上的絕緣膜301;設置在絕緣膜301上的柵電極312;設置在柵電極312上的柵極絕緣膜302;設置在柵極絕緣膜302上的氧化物半導體膜309;以與氧化物半導體膜309的上面及側面接觸的方式設置的源電極304a及漏電極 304b;以及設置在氧化物半導體膜309上的絕緣膜310a。也就是說，晶體管340與晶體管320 的不同之處在于晶體管340是底柵結構，即電極312和柵極絕緣膜302設置在氧化物半導體膜309的下方。
[0125] 另外，圖6C所示的晶體管350包括:設置在襯底300上的絕緣膜301;設置在絕緣膜 301上的柵電極312;設置在柵電極312上的柵極絕緣膜302;設置在柵極絕緣膜302上的源電極304a及漏電極304b;以與源電極304a及漏電極304b的上面及側面接觸的方式設置的氧化物半導體膜309;以及設置在氧化物半導體膜309上的絕緣膜310a。也就是說，晶體管350與晶體管330的不同之處在于晶體管350是底柵結構，即柵電極312和柵極絕緣膜302設置在氧化物半導體膜309的下方。
[0126] 在圖6A至6C所示的晶體管330、晶體管340以及晶體管350中，氧化物半導體膜309 的至少一部分具有c軸取向的結晶區(qū)。因為通過包括c軸取向的結晶區(qū)而具有比膜整體為非晶結構的氧化物半導體膜良好的結晶性，所以氧缺陷、懸空鍵或與懸空鍵等結合的氫、硼、氮以及磷等雜質被降低。
[0127] 因此，在包含銦（In)、鎵(Ga)以及鋅(Zn)的氧化物半導體膜中，包括c軸取向的結晶區(qū)的氧化物半導體膜可以具有在電性上穩(wěn)定的結構。
[0128] 像這樣，本發(fā)明的氧化物半導體膜可以用于各種結構的晶體管。
[0129] 以上，本實施方式所示的結構、方法等可以與其他實施方式所示的結構、方法等適當?shù)亟M合而使用。
[0130] 實施方式4
[0131]在本實施方式中，參照圖7A至7C說明在同一襯底上至少具有驅動電路的一部分和配置在像素部中的晶體管的顯示裝置。
[0132] 作為配置在像素部中的晶體管，使用實施方式2或實施方式3所示的晶體管。此外，因為該晶體管容易實現(xiàn)η溝道型，所以將可以由η溝道型TFT構成的驅動電路的一部分形成在與像素部的晶體管相同的襯底上。像這樣，通過將上述實施方式2或實施方式3所示的晶體管用于像素部及驅動電路，可以提供可靠性高的顯示裝置。
[0133] 圖7Α示出有源矩陣型顯示裝置的框圖的一個例子。在顯示裝置的襯底500上包括像素部501、第一掃描線驅動電路502、第二掃描線驅動電路503以及信號線驅動電路504。在像素部501中配置有從信號線驅動電路504延伸的多個信號線以及從第一掃描線驅動電路 502及第二掃描線驅動電路503延伸的多個掃描線。此外，在掃描線與信號線的交叉區(qū)中以矩陣狀設置有分別具有顯示元件的像素。另外，顯示裝置的襯底500通過FPC(Flexible Printed Circuit:柔性印刷電路)等的連接部連接到時序控制電路(也稱為控制器、控制 1C)。
[0134] 圖7A所示的第一掃描線驅動電路502、第二掃描線驅動電路503以及信號線驅動電路504形成在與像素部501相同的襯底500上。由此，設置在外部的驅動電路等的構件的數(shù)量減少，所以可以實現(xiàn)成本的降低。另外，在將驅動電路設置在襯底500的外部時，需要延伸布線，而使布線之間的連接數(shù)量增加。當在同一襯底500上設置驅動電路時，可以減少該布線之間的連接數(shù)，從而可以謀求提高可靠性或成品率。
[0135] 另外，圖7B示出像素部的電路結構的一個例子。在此，示出VA方式的液晶顯示面板的像素結構。
[0136] 在該像素結構中，一個像素具有多個像素電極層，并且晶體管連接到各像素電極層。各晶體管通過不同柵極信號驅動。就是說，在以多疇設計的像素中，獨立地控制施加到各像素電極層的信號。
[0137] 晶體管516的柵極布線512和晶體管517的柵極布線513彼此分離，以便能夠被提供不同的柵極信號。另一方面，晶體管516和晶體管517共同使用用作數(shù)據(jù)線的源電極層或漏電極層514。作為晶體管516及晶體管517,可以適當?shù)乩蒙鲜鰧嵤┓绞剿镜木w管。由此可以提供可靠性高的液晶顯示面板。
[0138] 與晶體管516連接的第一像素電極層和與晶體管517連接的第二像素電極層具有不同的形狀，并且被狹縫彼此分離。第二像素電極層以圍繞擴展為V字型的第一像素電極層的外側的方式形成。通過利用晶體管516及晶體管517使施加到第一像素電極層和第二像素電極層的電壓時序不同，來控制液晶的取向。晶體管516連接到柵極布線512,晶體管517連接到柵極布線513。通過對柵極布線512和柵極布線513施加不同的柵極信號，可以使晶體管 516及晶體管517的工作時序互不相同。
[0139] 另外，由電容布線510、用作電介質的柵極絕緣膜以及與第一像素電極層或第二像素電極層連接的電容電極形成存儲電容器。
[0140] 通過使第一像素電極層、液晶層以及對置電極層重疊，形成第一液晶元件518。此外，通過使第二像素電極層、液晶層以及對置電極層重疊，形成第二液晶元件519。此外，該像素結構是在一個像素中設置有第一液晶元件518和第二液晶元件519的多疇結構。
[0141] 此外，圖7B所示的像素結構不局限于此。例如，也可以還對圖7B所示的像素追加開關、電阻元件、電容元件、晶體管、傳感器或邏輯電路等。
[0142] 另外，圖7C示出與圖7B所示的像素結構不同的電路結構的一個例子。在此，示出使用有機EL元件的顯示面板的像素結構。
[0143] 在有機EL元件中，通過對發(fā)光元件施加電壓，電子和空穴從一對電極分別注入到包含發(fā)光有機化合物的層，而產生電流。然后，通過使這些載流子（電子和空穴）重新結合，發(fā)光有機化合物達到激發(fā)態(tài)，并且當該激發(fā)態(tài)恢復到基態(tài)時，獲得發(fā)光。根據(jù)這種機理，該發(fā)光元件被稱為電流激勵型發(fā)光元件。
[0144] 下面對可以驅動有機EL元件的像素的結構及像素的動作進行說明。這里示出在一個像素中使用兩個將本發(fā)明的氧化物半導體膜用于溝道形成區(qū)域的η溝道型晶體管的例子。
[0145] 像素520包括開關晶體管521、驅動晶體管522、發(fā)光元件524以及電容元件523。在開關晶體管521中，柵電極層與掃描線526連接，第一電極(源電極層或漏電極層的一方)與信號線525連接，并且第二電極(源電極層或漏電極層的另一方)與驅動晶體管522的柵電極層連接。在驅動晶體管522中，柵電極層通過電容元件523與電源線527連接，第一電極與電源線527連接，第二電極與發(fā)光元件524的第一電極(像素電極)連接。發(fā)光元件524的第二電極相當于共同電極528。共同電極528與形成在同一襯底上的共同電位線連接。
[0146] 作為開關晶體管521及驅動晶體管522,可以適當?shù)乩脤嵤┓绞?或實施方式3所示的晶體管。由此可以提供使用可靠性高的有機EL元件的顯示面板。
[0147] 另外，將發(fā)光元件524的第二電極(共同電極528)設定為低電源電位。這里，低電源電位是指以電源線527所設定的高電源電位為基準滿足"低電源電位〈高電源電位"的關系的電位，作為低電源電位例如也可以設定為GND、0V等。因為將該高電源電位與低電源電位的電位差施加到發(fā)光元件524上來使電流流過發(fā)光元件524,以使發(fā)光元件524發(fā)光，所以以使高電源電位與低電源電位的電位差成為發(fā)光元件524的正向閾值電壓以上的方式設定各種電位。
[0148] 另外，還可以使用驅動晶體管522的柵極電容代替電容元件523而省略電容元件 523。至于驅動晶體管522的柵極電容，也可以在溝道形成區(qū)域和柵電極層之間形成電容。
[0149] 當進行模擬灰度級驅動時，對驅動晶體管522的柵電極層施加發(fā)光元件524的正向電壓+驅動晶體管522的Vth以上的電壓。發(fā)光元件524的正向電壓是指設定為所希望的亮度時的電壓，至少包含正向閾值電壓。另外，通過輸入使驅動晶體管522在飽和區(qū)域中工作的視頻信號，可以使電流流過發(fā)光元件524。為了使驅動晶體管522在飽和區(qū)域中工作，使電源線527的電位高于驅動晶體管522的柵極電位。通過采用模擬方式的視頻信號，可以在發(fā)光元件524中使與視頻信號對應的電流流過，而進行模擬灰度級驅動。
[0150]此外，圖7C所示的像素結構不局限于此。例如，還可以對圖7C所示的像素追加開關、電阻元件、電容元件、傳感器、晶體管或邏輯電路等。
[0151] 像這樣，上述實施方式2或實施方式3所示的晶體管用于像素部及驅動電路，并且用于該晶體管的溝道形成區(qū)域的氧化物半導體膜的至少一部分具有c軸取向的結晶區(qū)，因此該晶體管是具有高可靠性的晶體管。因此，可以提供可靠性高的顯示裝置。
[0152] 以上，本實施方式所示的結構、方法等可以與其他實施方式所示的結構、方法等適當?shù)亟M合而使用。
[0153] 實施方式5
[0154] 本說明書所公開的半導體裝置可以應用于多種電子設備(包括游戲機）。作為電子設備，例如可以舉出電視裝置(也稱為電視或電視接收機）、用于計算機等的顯示器、數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機等影像拍攝裝置、數(shù)碼相框、移動電話機(也稱為移動電話、移動電話裝置）、便攜式游戲機、便攜式信息終端、聲音再現(xiàn)裝置、彈子機(pachinko machine)等大型游戲機等。以下，對具備在上述實施方式4中說明的顯示裝置的電子設備的例子進行說明。
[0155] 圖8A表示便攜式信息終端，其包括主體1001、框體1002、顯示部1003a和顯示部 1003b等。顯示部1003b是觸控面板，通過觸摸顯示在顯示部1003b上的鍵盤按鈕1004,可以操作屏幕且輸入文字。當然，也可以采用顯示部1003a是觸控面板的結構。通過將上述實施方式2或實施方式3所示的晶體管用作開關元件制造液晶面板或有機發(fā)光面板，并將其用于顯示部1003a、顯示部1003b，可以實現(xiàn)可靠性高的便攜式信息終端。
[0156]圖8A所示的便攜式信息終端可以具有如下功能：顯示各種信息(靜止圖像、動態(tài)圖像、文字圖像等）；將日歷、日期或時刻等顯示在顯示部上;對顯示在顯示部上的信息進行操作或編輯;利用各種軟件(程序)控制處理;等。另外，也可以采用在框體的背面或側面具備外部連接端子(耳機端子、USB端子等）、記錄介質插入部等的結構。
[0157] 另外，圖8A所示的便攜式信息終端可以采用以無線方式發(fā)送且接收信息的結構。還可以采用以無線方式從電子書閱讀器服務器購買所希望的書籍數(shù)據(jù)等并下載的結構。
[0158] 圖8B是便攜式音樂播放機，其中主體1021包括顯示部1023、用來戴在耳朵上的固定部分1022、揚聲器、操作按鈕1024以及外部存儲器插槽1025等。通過將上述實施方式2或實施方式3所示的晶體管用作開關元件制造液晶面板或有機發(fā)光面板，并將其用于顯示部 1023,可以實現(xiàn)可靠性高的便攜式音樂播放機。
[0159]另外，當對圖8B所示的便攜式音樂播放機添加天線、麥克風功能及無線功能且與移動電話一起使用時，可以在開車等的同時進行無線免提通話。
[0160] 圖8C示出移動電話，由框體10 30及框體10 31的兩個框體構成?？蝮w10 31具備顯示面板1032、揚聲器1033、麥克風1034、定位裝置1036、影像拍攝用透鏡1037、外部連接端子 1038等。另外，框體1030具備進行移動電話的充電的太陽能電池元件1040、外部存儲器插槽 1041等。另外，天線內置于框體1031內部。通過將上述實施方式2或實施方式3所示的晶體管用于顯示面板1032,可以實現(xiàn)可靠性高的移動電話。
[0161] 另外，顯示面板1032具備觸控面板，在圖8C中，使用虛線示出作為映像被顯示出來的多個操作鍵1035。另外，還安裝有用來將由太陽能電池元件1040輸出的電壓升壓到各電路所需的電壓的升壓電路。
[0162] 例如，通過將上述實施方式2或實施方式3所示的晶體管的氧化物半導體膜的膜厚度設定為2μπι以上且50μπι以下，可以形成用于升壓電路等的電源電路的功率晶體管。
[0163] 顯示面板1032根據(jù)使用方式適當?shù)馗淖冿@示的方向。另外，由于在與顯示面板 1032同一面上設置有影像拍攝用透鏡1037,所以可以實現(xiàn)可視電話。揚聲器1033及麥克風 1034不局限于音頻通話，還可以進行可視通話、錄音、再生等。再者，框體1030和框體1031滑動而可以處于如圖8C那樣的展開狀態(tài)和重疊狀態(tài)，所以可以實現(xiàn)便于攜帶的小型化。
[0164] 外部連接端子1038可以與AC適配器及各種電纜如USB電纜等連接，由此可以進行充電及與個人計算機等的數(shù)據(jù)通訊。另外，通過將記錄介質插入外部存儲器插槽1041，可以對應于更大量數(shù)據(jù)的保存及移動。
[0165] 另外，除了上述功能之外，還可以具有紅外線通信功能、電視接收功能等。
[0166] 圖8D示出電視裝置的一個例子。在電視裝置1050中，框體1051組裝有顯示部1053。可以用顯示部1053顯示圖像。此外，在此示出利用安裝有CPU的支架1055支撐框體1051的結構。通過將上述實施方式2或實施方式3所示的晶體管用于顯示部1053,可以實現(xiàn)可靠性高的電視裝置1050。
[0167] 可以通過框體1051所具備的操作開關或另行提供的遙控操作機進行電視裝置 1050的操作。此外，也可以采用在遙控操作機中設置顯示從該遙控操作機輸出的信息的顯示部的結構。
[0168] 另外，電視裝置1050采用具備接收機、調制解調器等的結構。可以通過利用接收機接收一般的電視廣播。再者，通過調制解調器連接到有線或無線方式的通信網絡，可以進行單向（從發(fā)送者到接收者)或雙向（在發(fā)送者和接收者之間或在接收者之間等)的信息通訊。
[0169] 另外，電視裝置1050具備外部連接端子1054、記錄媒體再現(xiàn)錄像部1052、外部儲存器插槽。外部連接端子1054可以與各種電纜如USB電纜等連接，由此可以進行與個人計算機等的數(shù)據(jù)通訊。通過將盤狀記錄媒體插入記錄媒體再現(xiàn)錄像部1052中，可以進行對儲存在記錄媒體中的數(shù)據(jù)的讀出以及對記錄媒體的寫入。另外，也可以將插入外部儲存器插槽中的外部存儲器1056所存儲的圖像或影像等顯示在顯示部1053上。
[0170] 以上，本實施方式所示的結構、方法等可以與其他實施方式所示的結構、方法等適當?shù)亟M合而使用。
[0171] 實施例1
[0172] 在本實施例中，在包含銦、鎵以及鋅的氧化物半導體膜中，通過改變氧化物半導體膜的成膜條件，形成膜整體為非晶結構的氧化物半導體膜(amo-OS，樣品1)和所公開的發(fā)明的一個方式的具有c軸取向的結晶區(qū)的氧化物半導體膜(CAAC-0S，樣品2及樣品3)，對于氧化物半導體膜中的氧缺陷進行評價。下面詳細說明各樣品。
[0173] (樣品 1)
[0174] 通過濺射法在石英襯底上形成厚度為IOOnm的IGZO膜。然后，在N2氣氛(N2 = 100%) 下對IGZO膜進行450°C Xl小時的熱處理。然后，在該IGZO膜上通過等離子體CVD法形成厚度為400nm的SiON膜。另外，IGZO膜的成膜條件為如下:使用111:6 &:211=1:1:1的金屬氧化物靶材，Ar/02為90/10s CCm(02氣體流量比為10% )，成膜壓力為0 · 6Pa，成膜電力為5kw(DC)，襯底溫度為170 °C。另外，SiON膜的成膜條件為如下= SiHVN2O為30/4000SCCm，成膜壓力為200Pa，成膜電力為150W(RF)，襯底溫度為220°C。
[0175] (樣品 2)
[0176] 通過濺射法在石英襯底上形成厚度為IOOnm的IGZO膜。然后，在N2氣氛(N2 = 100%) 下對IGZO膜進行450°C Xl小時的熱處理。然后，在該IGZO膜上通過等離子體CVD法形成厚度為400nm的SiON膜。另外，IGZO膜的成膜條件為如下:使用111:6 &:211=1:1:1的金屬氧化物靶材，Ar/02為50/50sccm(0 2氣體流量比為50% )，成膜壓力為0 · 6Pa，成膜電力為5kw(DC)，襯底溫度為170°C。另外，SiON膜的成膜條件與樣品1相同。
[0177] (樣品 3)
[0178] 通過濺射法在石英襯底上形成厚度為IOOnm的IGZO膜。然后，在N2氣氛(N2 = 100%) 下對IGZO膜進行450°C Xl小時的熱處理。然后，在該IGZO膜上通過等離子體CVD法形成厚度為400nm的SiON膜。另外，IGZO膜的成膜條件為如下:使用111:6 &:211=1:1:1的金屬氧化物靶材，Ar/02為0/100sccm(02氣體流量比為100%)，成膜壓力為0.6Pa，成膜電力為2kw(DC)，襯底溫度為170°C。另外，SiON膜的成膜條件與樣品1及樣品2相同。
[0179] 對上述樣品1至樣品3,在形成SiON膜之后，在N2氣氛(N2 = 100%)下進行300°CX1 小時的熱處理之后，并且在N2+〇2氣氛(N2 = 80%，02 = 20% )下進行300°C X 1小時的熱處理之后，分別進行氧化物半導體膜中的氧缺陷的評價。
[0180]另外，氧化物半導體膜中的氧缺陷可以利用電子自旋共振(ESR:Electron Spin Resonance)進行評價。
[0181] 圖9A至9C及圖10示出樣品1至樣品3的自旋密度的結果。另外，自旋密度的測量條件為如下:溫度為25°C，μ波功率為20mW，9.2GHz，磁場方向與膜表面平行，檢測下限為1.0 X IO17轉/立方厘米。
[0182] 圖9A表示樣品1的自旋密度的結果，圖9B表示樣品2的自旋密度的結果，并且圖9C 表示樣品3的自旋密度的結果。另外，在圖9A至9C中，最上面的曲線表示SiON膜的成膜之后的自旋密度的結果，中間的曲線表示在N 2氣氛(N2 = 100 % )下進行300°C X 1小時的熱處理之后的自旋密度的結果，并且下面的曲線表示在N2+O2氣氛(N2 = 80%，〇2 = 20%)下進行300"€ Xl小時的熱處理之后的自旋密度的結果。另外，在圖9A至9C中，橫軸表示g-因子(也稱為g 值），縱軸表示強度。
[0183] 圖10表示圖9A至9C所示的自旋密度的結果的條形圖。
[0184] 由圖9A至9C及圖10可知，在SiON膜的成膜之后，樣品1的自旋密度為2.3 ΧΙΟ1%/ 立方厘米，樣品2的自旋密度為2.1 X IO18轉/立方厘米，并且樣品3的自旋密度為8.9 X IO17 轉/立方厘米。另外，在N2氣氛下進行300°C Xl小時的熱處理之后，樣品1的自旋密度為2.4 X IO18轉/立方厘米，并且樣品2及樣品3的自旋密度為檢測下限以下。另外，在N2+0 2氣氛下進行300°C Xl小時的熱處理之后，樣品1的自旋密度為1.7 X IO18轉/立方厘米，并且樣品2及樣品3的自旋密度為檢測下限以下。
[0185] 根據(jù)上述結果，在膜整體為非晶結構的氧化物半導體膜(amo-OS，樣品1)和所公開的發(fā)明的一個方式的具有c軸取向的結晶區(qū)的氧化物半導體膜(CAAC-0S，樣品2及樣品3)之間，膜中的氧缺陷互不相同。此外，在樣品1中，可以確認到SiON膜的成膜之后的在N 2+02氣氛下進行300°C Xl小時的熱處理之后自旋密度下降，即氧化物半導體膜中的部分氧缺陷被 SiON膜中或熱處理氣氛中的氧填補，但是無法完全填補氧化物半導體膜中的氧缺陷。另一方面，在樣品2及樣品3中，可以確認到通過在SiON膜的成膜之后進行熱處理，自旋密度降低到檢測下限以下，即氧化物半導體膜中的氧缺陷被SiON膜中或熱處理氣氛中的氧填補。
[0186] 因此，可以說所公開的發(fā)明的一個方式的具有c軸取向的結晶區(qū)的氧化物半導體膜(CAAC-OS)是不出現(xiàn)氧缺陷的ESR信號的氧化物半導體膜。
[0187] 符號說明
[0188] l〇a 濺射室
[0189] IOb 濺射室
[0190] IOc 濺射室
[0191] 11 襯底供應室
[0192] 12a 裝載鎖定室
[0193] 12b 卸載鎖定室
[0194] 13 傳送室
[0195] 14 盒式接口
[0196] 15 襯底加熱室
[0197] 16 閘閥
[0198] 100 襯底
[0199] 101 氧化物半導體膜
[0200] 102 結晶區(qū)
[0201] 150 區(qū)域
[0202] 300 襯底
[0203] 301 絕緣膜
[0204] 302 柵極絕緣膜
[0205] 304a 源電極
[0206] 304b 漏電極
[0207] 308 氧化物半導體膜
[0208] 308a 氧化物半導體膜
[0209] 308b 氧化物半導體膜
[0210] 309 氧化物半導體膜
[0211] 310a 絕緣膜
[0212] 310b 絕緣膜
[0213] 312 柵電極
[0214] 320 晶體管
[0215] 330 晶體管
[0216] 340 晶體管
[0217] 350 晶體管
[0218] 500 襯底
[0219] 501 像素部
[0220] 502 掃描線驅動電路
[0221] 503 掃描線驅動電路
[0222] 504 信號線驅動電路
[0223] 510 電容布線
[0224] 512 柵極布線
[0225] 513 柵極布線
[0226] 514 漏電極層
[0227] 516 晶體管
[0228] 517 晶體管
[0229] 518 液晶元件
[0230] 519 液晶元件
[0231 ] 520 像素
[0232] 521 開關晶體管
[0233] 522 驅動晶體管
[0234] 523 電容元件
[0235] 524 發(fā)光元件
[0236] 525 信號線
[0237] 526 掃描線
[0238] 527 電源線
[0239] 528 共同電極
[0240] 1001 主體
[0241] 1〇〇2 框體
[0242] 1003a 顯示部
[0243] 1003b 顯示部
[0244] 1〇〇4 鍵盤按鈕
[0245] 1021 主體
[0246] 1022 固定部分
[0247] 1023 顯示部
[0248] 1024 操作按鈕
[0249] 1025 外部存儲器插槽
[0250] 1030 框體
[0251] 1031 框體
[0252] 1032 顯示面板
[0253] 1033 揚聲器
[0254] 1034 麥克風
[0255] 1035 操作鍵
[0256] 1036 定位裝置
[0257] 1037 影像拍攝用透鏡
[0258] 1038 外部連接端子
[0259] 1040 太陽能電池元件
[0260] 1041 外部存儲器插槽
[0261] 1050 電視裝置
[0262] 1051 框體
[0263] 1052 記錄媒體再現(xiàn)錄像部
[0264] 1053 顯示部
[0265] 1054 外部連接端子
[0266] 1055 支架
[0267] 1056 外部存儲器
【主權項】
1. 一種氧化物半導體膜，包括：在所述氧化物半導體膜上部的結晶區(qū)，所述結晶區(qū)包括晶體，其中所述結晶區(qū)的組成以Im+sGai-處(ZnO) m表示，滿足0〈δ〈1和m=l至3,并且其中，所述結晶區(qū)的組成比與所述氧化物半導體膜的組成比不同。2. 根據(jù)權利要求1所述的氧化物半導體膜，其中所述氧化物半導體膜在電子自旋共振評價中不出現(xiàn)顯示氧缺陷的信號。3. 根據(jù)權利要求1所述的氧化物半導體膜，其中通過熱處理形成所述結晶區(qū)。4. 根據(jù)權利要求1所述的氧化物半導體膜，其中所述氧化物半導體膜的所述組成以InxGay03(Zn0) m表示，并且滿足00〈2、0〈7〈2以及!11=1至3。5. 根據(jù)權利要求1所述的氧化物半導體膜，其中所述晶體的c軸大致沿平行于所述氧化物半導體膜的被形成面的法向矢量的方向取向。6. -種半導體裝置，包括：柵電極；所述柵電極上的第一絕緣膜；所述第一絕緣膜上的氧化物半導體膜；以及所述氧化物半導體膜上的第二絕緣膜，其中所述氧化物半導體膜包括在所述氧化物半導體膜上部的結晶區(qū)，所述結晶區(qū)的組成以Im+sGai-s〇3 (ZnO)m表示，滿足0〈δ〈1和m=l至3,并且其中所述結晶區(qū)的組成比與所述氧化物半導體膜的組成比不同。7. -種半導體裝置，包括：第一絕緣膜；所述第一絕緣膜上的氧化物半導體膜；所述氧化物半導體膜上的第二絕緣膜；以及所述第二絕緣膜上的柵電極，其中所述氧化物半導體膜包括在所述氧化物半導體膜上部的結晶區(qū)，所述結晶區(qū)的組成以Im+sGai-s〇3 (ZnO)m表示，滿足0〈δ〈1和m=l至3,并且其中所述結晶區(qū)的組成比與所述氧化物半導體膜的組成比不同。8. 根據(jù)權利要求6或7所述的半導體裝置，其中所述氧化物半導體膜在電子自旋共振評價中不出現(xiàn)顯示氧缺陷的信號。9. 根據(jù)權利要求6或7所述的半導體裝置，其中通過熱處理形成所述結晶區(qū)。10. 根據(jù)權利要求6或7所述的半導體裝置，其中所述氧化物半導體膜的所述組成以InxGay03(Zn0) m表示，并且滿足00〈2、0〈7〈2以及!11=1至3。
【文檔編號】H01L29/786GK106057865SQ201610663376
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2012年4月10日公開號201610663376.X, CN 106057865 A, CN 106057865A, CN 201610663376, CN-A-106057865, CN106057865 A, CN106057865A, CN201610663376, CN201610663376.X
【發(fā)明人】高橋正弘, 秋元健吾, 山崎舜平
【申請人】株式會社半導體能源研究所

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