TW202029498A - 氧化物半導體膜及半導體裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明的一個實施方式的目的之一是提供一種新穎的氧化物半導體膜。該氧化物半導體膜包含In、M(M表示Al、Ga、Y或Sn)及Zn且具有In1+xM1-xO3(ZnO)y(x滿足0<x<0.5，y大約為1)結構的固溶區域附近的組成。明確而言，該氧化物半導體膜的原子數比為In：M：Zn=4：2：3附近，在In的比例為4的情況下，M的比例為1.5以上且2.5以下且Zn的比例為2以上且4以下。

Description

氧化物半導體膜及半導體裝置
本發明係關於一種物體、方法或製造方法。或者，本發明係關於一種製程(process)、機器(machine)、產品(manufacture)或組成物(composition of matter)。本發明的一個實施方式尤其係關於一種氧化物半導體膜或者該氧化物半導體膜的製造方法。另外，本發明係關於一種半導體裝置、顯示裝置、液晶顯示裝置、發光裝置、蓄電裝置、記憶體裝置、它們的驅動方法或它們的製造方法。
注意，在本說明書等中，半導體裝置是指能夠藉由利用半導體特性而工作的所有裝置。電晶體等半導體元件、半導體電路、算術裝置及記憶體裝置是半導體裝置的一個實施方式。攝像裝置、顯示裝置、液晶顯示裝置、發光裝置、電光裝置、發電裝置(包括薄膜太陽能電池或有機薄膜太陽能電池等)及電子裝置有時包括半導體裝置。
在非專利文獻1中，描述以In1-xGa1+xO3(ZnO)m(-1
Figure 109108822-A0101-12-0001-5
x
Figure 109108822-A0101-12-0001-6
1，m為自然 數)表示的同系物相(homologous phase)的存在。此外，在非專利文獻1中，描述同系物相的固溶區域(solid solution range)。例如，描述m=1的情況下的同系物相的固溶區域在x為-0.33至0.08的範圍內，並且m=2的情況下的同系物相的固溶區域在x為-0.68至0.32的範圍內。
另外，公開了使用In-Ga-Zn類氧化物半導體製造電晶體的技術(例如，參照專利文獻1)。
[專利文獻1]日本專利申請公開第2007-96055號公報
[非專利文獻1]M. Nakamura, N. Kimizuka, and T. Mohri, “The Phase Relations in the In2O3-Ga2ZnO4-ZnO System at 1350℃”,J. Solid State Chem., 1991,Vol.93, pp.298-315
在非專利文獻1中示出InxZnyGazOw的例子，並且記載有在x、y及z具有ZnGa2O4附近的組成，亦即x、y及z具有(x，y，z)=(0，1，2)附近的值的情況下，容易形成或混入尖晶石型結晶結構。作為具有尖晶石型結晶結構的化合物，已知有以AB2O4(A及B為金屬)表示的化合物。
另一方面，如果尖晶石型結晶結構形成在或混在In-Ga-Zn類氧化物半導體膜中，包含該In-Ga-Zn類氧化物半導體膜的半導體裝置(例如，電晶體)的電特性或可靠性則有可能受到不良影響。
鑒於上述問題，本發明的一個實施方式的目的之一是提供一種新穎的氧化物半導體膜。另外，本發明的一個實施方式的目的之一是使半導體裝置具有良好的電特性。另外，本發明的一個實施方式的目的之一是提供一種可靠性高的半導體裝置。另外，本發明的一個實施方式的目的之一是提供一種具有新穎結構的半導體裝置。另外，本發明的一個實施方式的目的之一是提供一種具有新穎結構的顯示裝置。
注意，這些目的的記載不妨礙其他目的的存在。本發明的一個實施方式並不需要實現所有上述目的。另外，說明書、圖式以及申請專利範圍等的記載中顯然存在上述目的以外的目的，可以從說明書、圖式以及申請專利範圍等的記載中衍生上述目的以外的目的。
本發明的一個實施方式是一種包含In、M(M表示Al、Ga、Y或Sn)及Zn的氧化物半導體膜，其中，該氧化物半導體膜具有In1+xM1-xO3(ZnO)y(x滿足0<x<0.5，y大約為1)結構的固溶區域附近的組成。
在上述方式中，x較佳大約為0.33。
在上述方式中，較佳的是，氧化物半導體膜的原子數比為In：M：Zn=4：2：3附近，並且在In的比例為4的情況下，M的比例為1.5以上且2.5以下 且Zn的比例為2以上且4以下。
在上述方式中，較佳的是，利用濺射裝置形成氧化物半導體膜，濺射裝置包括多晶金屬氧化物靶材，多晶金屬氧化物靶材具有In：M：Zn=4：2：4.1附近的組成，並且在多晶金屬氧化物靶材的In的比例為4的情況下，M的比例為1.5以上且2.5以下且Zn的比例為3.1以上且5.1以下。
在上述方式中，較佳的是，氧化物半導體膜包括結晶部，並且該結晶部具有c軸配向性。
在上述方式中，氧化物半導體膜較佳為包括氫濃度低於1×1020atoms/cm3的區域。另外，在上述方式中，氧化物半導體膜較佳為包括In、M、Zn及O的總和為99.97atomic%以上的區域。另外，在上述方式中，氧化物半導體膜較佳為包括Fe、Ni及Si的總和低於0.03atomic%的區域。
本發明的其他的一個實施方式是一種包含In、M(M表示Al、Ga、Y或Sn)及Zn的氧化物半導體膜，該氧化物半導體膜包括：第一氧化物半導體膜；以及第一氧化物半導體膜上的第二氧化物半導體膜，其中，第一氧化物半導體膜具有In1+xM1-xO3(ZnO)y(x滿足0<x<0.5，y大約為1)結構的固溶區域附近的組成，並且，第二氧化物半導體膜包括具有In1+vM1-vO3(ZnO)w(v滿足-0.2
Figure 109108822-A0101-12-0004-7
v<0.2，w大約為1)結構的固溶區域附近的組成，且銦原子的比例比第一氧化物半導體膜的銦原子的比例小的區域。
在上述方式中，較佳的是，x大約為0.33，並且v大約為0。
在上述方式中，較佳的是，第一氧化物半導體膜的原子數比為In：M：Zn=4：2：3附近，第二氧化物半導體膜的原子數比為In：M：Zn=1：1：1附近，並且在第一氧化物半導體膜的In的比例為4的情況下，M的比例為1.5以上且2.5以下且Zn的比例為2以上且4以下。
在上述方式中，較佳的是，利用濺射裝置形成第一氧化物半導體膜及第二氧化物半導體膜，濺射裝置包括第一多晶金屬氧化物靶材及第二多晶金屬氧化物靶材，第一多晶金屬氧化物靶材具有In：M：Zn=4：2：4.1附近的組成，第二多晶金屬氧化物靶材具有In：M：Zn=1：1：1.2附近的組成，並且在第一多晶金屬氧化物靶材的In的比例為4的情況下，M的比例為1.5以上且2.5以下且Zn的比例為3.1以上且5.1以下。
在上述方式中，較佳的是，第一氧化物半導體膜包括結晶部，並且該結晶部具有c軸配向性。
在上述方式中，第一氧化物半導體膜較佳為包括氫濃度低於1×1020atoms/cm3的區域。另外，在上述方式中，第一氧化物半導體膜較佳為包括In、M、Zn及O的總和為99.97atomic%以上的區域。另外，在上述方式中，第一氧化物半導體膜較佳為包括Fe、Ni及Si的總和低於0.03atomic% 的區域。
本發明的其他的一個實施方式是一種半導體裝置，該半導體裝置包括：上述氧化物半導體膜中的任一個；接觸於氧化物半導體膜的閘極絕緣膜；接觸於閘極絕緣膜的閘極電極；電連接到氧化物半導體膜的源極電極；以及電連接到氧化物半導體膜的汲極電極。
本發明的其他的一個實施方式是一種顯示裝置，該顯示裝置包括：上述氧化物半導體膜中的任一個以及顯示元件。另外，本發明的其他的一個實施方式是一種顯示模組，該顯示模組包括該顯示裝置以及觸控感測器。另外，本發明的其他的一個實施方式是一種電子裝置，該電子裝置包括：上述氧化物半導體膜中的任一個、上述半導體裝置、上述顯示裝置或上述顯示模組；以及操作鍵或電池。
藉由本發明的一個實施方式能夠提供一種新穎的氧化物半導體膜。另外，藉由本發明的一個實施方式能夠使半導體裝置具有良好的電特性。另外，能夠提供一種可靠性高的半導體裝置。另外，能夠提供一種具有新穎結構的半導體裝置。另外，能夠提供一種具有新穎結構的顯示裝置。
注意，這些效果的記載不妨礙其他效果的存在。本發明的一個實施方式並不需要具有所有上述效果。另外，說明書、圖式以及申請專利範圍等的記載中顯然存在上述效果以外的效果，可以從說明書、圖式以及申請專 利範圍等的記載中衍生上述效果以外的效果。
11:區域
12:區域
21:垂線
22:垂線
23:垂線
200:電晶體
202:基板
204:導電膜
206:絕緣膜
206_1:絕緣膜
206_2:絕緣膜
206_3:絕緣膜
207:絕緣膜
208:氧化物半導體膜
208a:氧化物半導體膜
208b:氧化物半導體膜
208c:氧化物半導體膜
212:導電膜
212a:導電膜
212a_1:導電膜
212a_2:導電膜
212a_3:導電膜
212a_4:導電膜
212a_5:導電膜
212b:導電膜
212b_1:導電膜
212b_2:導電膜
212b_3:導電膜
212b_4:導電膜
212b_5:導電膜
214:絕緣膜
216:絕緣膜
218:絕緣膜
220a:導電膜
220b:導電膜
230:障壁膜
240:氧
250:電晶體
251a:開口部
251b:開口部
252a:開口部
252b:開口部
252c:開口部
260:電晶體
270:電晶體
270A:電晶體
270B:電晶體
300:靶材
300a:靶材
300b:靶材
301:沉積室
303b:磁鐵單元
310:底板
310a:底板
310b:底板
320:靶材架
320a:靶材架
320b:靶材架
322:靶材屏蔽
322a:靶材屏蔽
322b:靶材屏蔽
323:靶材屏蔽
330:磁鐵單元
330a:磁鐵單元
330b:磁鐵單元
330N:磁鐵
330N1:磁鐵
330N2:磁鐵
330S:磁鐵
332:磁鐵架
340:電漿
342:構件
360:基板
370:基板架
380a:磁力線
380b:磁力線
390:電源
391:電源
501:像素電路
502:像素部
504:驅動電路部
504a:閘極驅動器
504b:源極驅動器
506:保護電路
507:端子部
550:電晶體
552:電晶體
554:電晶體
560:電容器
562:電容器
570:液晶元件
572:發光元件
2000:觸控面板
2001:觸控面板
2501:顯示裝置
2502t:電晶體
2503c:電容器
2503t:電晶體
2504:掃描線驅動電路
2505:像素
2509:FPC
2510:基板
2510a:絕緣層
2510b:撓性基板
2510c:黏合層
2511:佈線
2519:端子
2521:絕緣層
2522:絕緣層
2528:隔壁
2529:液晶層
2530a:間隔物
2530b:間隔物
2531:絕緣層
2550:EL元件
2551:液晶元件
2560:密封層
2567:彩色層
2568:遮光層
2569:反射防止層
2570:基板
2570a:絕緣層
2570b:撓性基板
2570c:黏合層
2580:發光模組
2590:基板
2591:電極
2592:電極
2593:絕緣層
2594:佈線
2595:觸控感測器
2597:黏合層
2598:佈線
2599:連接層
2601:脈衝電壓輸出電路
2602:電流檢測電路
2603:電容器
2611:電晶體
2612:電晶體
2613:電晶體
2621:電極
2622:電極
2700:沉積装置
2701:大氣側基板供應室
2702:大氣側基板傳送室
2703a:負載鎖定室
2703b:卸載閉鎖室
2704:傳送室
2705:基板加熱室
2706a:沉積室
2706b:沉積室
2706c:沉積室
2751:低溫冷阱
2752:載物台
2761:盒式介面
2762:對準介面
2763:傳送機器人
2764:閘閥
2765:加熱載物台
2766:靶材
2766a:靶材
2766b:靶材
2767a:靶材屏蔽
2767b:靶材屏蔽
2768:基板架
2769:基板
2770:真空泵
2771:低溫泵
2772:渦輪分子泵
2780:質量流量控制器
2781:精製器
2782:氣體加熱機構
2784:可動構件
2790a:磁鐵單元
2790b:磁鐵單元
2791:電源
3000:沉積装置
3010:加工構件
3180:沉積室
3181a:原料供應部
3181b:原料供應部
3182:控制部
3182a:流量控制器
3182b:流量控制器
3182c:流量控制器
3182h:加熱機構
3183:導入口
3184:排出口
3185:排氣裝置
3186:支撐部
3187:加熱機構
3188:門
5100:顆粒
5120:基板
5161:區域
5200:顆粒
5201:離子
5202:橫向生長部
5203:粒子
5220:基板
5230:靶材
5240:電漿
5260:加熱機構
8000:顯示模組
8001:上蓋
8002:下蓋
8003:FPC
8004:觸控面板
8005:FPC
8006:顯示面板
8007:背光
8008:光源
8009:框架
8010:印刷電路板
8011:電池
9000:外殼
9001:顯示部
9003:揚聲器
9005:操作鍵
9006:連接端子
9007:感測器
9008:麥克風
9050:操作按鈕
9051:資訊
9052:資訊
9053:資訊
9054:資訊
9055:鉸鏈
9100:可攜式資訊終端
9101:可攜式資訊終端
9102:可攜式資訊終端
9200:可攜式資訊終端
9201:可攜式資訊終端
9500:顯示裝置
9501:顯示面板
9502:顯示區域
9503:區域
9511:軸部
9512:軸受部
在圖式中：
圖1為說明氧化物半導體膜的原子數比的圖；
圖2A和圖2B為相平衡圖；
圖3為說明靶材的原子數比與Zn的殘留率的關係的圖；
圖4A至圖4D是CAAC-OS的剖面的Cs校正高解析度TEM影像以及CAAC-OS的剖面示意圖；
圖5A至圖5D是CAAC-OS的平面的Cs校正高解析度TEM影像；
圖6A至圖6C示出CAAC-OS及單晶氧化物半導體的藉由XRD得到的結構分析；
圖7A和圖7B是CAAC-OS的電子繞射圖案；
圖8示出In-Ga-Zn氧化物的電子照射所引起的結晶部的變化；
圖9A至圖9C是說明CAAC-OS的成膜方法的圖；
圖10是說明InMZnO4的結晶的圖；
圖11A至圖11F是說明CAAC-OS的成膜方法的圖；
圖12A至圖12G是說明粒子附著到顆粒的位置的圖；
圖13A至圖13G是說明粒子附著到顆粒的位置的圖；
圖14A至圖14C是示出半導體裝置的一個例子的俯視圖及剖面圖；
圖15A至圖15C是示出半導體裝置的一個例子的俯視圖及剖面圖；
圖16A至圖16C是示出半導體裝置的一個例子的俯視圖及剖面圖；
圖17A至圖17C是示出半導體裝置的一個例子的俯視圖及剖面圖；
圖18A至圖18D是示出半導體裝置的一個例子的剖面圖；
圖19A和圖19B是說明能帶結構的圖；
圖20A至圖20D是示出半導體裝置的一個例子的剖面圖；
圖21A至圖21F是示出半導體裝置的製程的一個例子的剖面圖；
圖22A至圖22F是示出半導體裝置的製程的一個例子的剖面圖；
圖23A至圖23F是示出半導體裝置的製程的一個例子的剖面圖；
圖24A和圖24B是示出移動到氧化物半導體膜中的氧的模型圖；
圖25A至圖25F是示出半導體裝置的製程的一個例子的剖面圖；
圖26A至圖26F是示出半導體裝置的製程的一個例子的剖面圖；
圖27A和圖27B是說明濺射裝置的圖；
圖28A和圖28B是說明濺射裝置的圖；
圖29A至圖29C是說明濺射裝置的圖以及濺射靶材附近的電位分佈；
圖30是說明濺射裝置的圖；
圖31是說明濺射裝置的圖；
圖32A和圖32B是說明濺射裝置的圖；
圖33是示出沉積装置的一個例子的俯視圖；
圖34A至圖34C是示出沉積装置的一個例子的剖面圖；
圖35A至圖35C是說明顯示裝置的方塊圖及電路圖；
圖36A和圖36B是示出觸控面板的一個例子的透視圖；
圖37A和圖37B是示出顯示裝置的例子的剖面圖；
圖38是示出觸控感測器的一個例子的剖面圖；
圖39A和圖39B是示出觸控面板的一個例子的剖面圖；
圖40A和圖40B是觸控感測器的方塊圖及時序圖；
圖41是觸控感測器的電路圖；
圖42是說明顯示模組的圖；
圖43A至圖43G是說明電子裝置的圖；
圖44A和圖44B是顯示裝置的透視圖；
圖45是說明沉積装置的結構的圖；
圖46示出實施例的樣本的XRD結果；
圖47A和圖47B是實施例的樣本的剖面TEM影像；
圖48是示出實施例的樣本的測定座標的圖；
圖49示出實施例的樣本的XRD結果；
圖50示出實施例的樣本的XRD結果；
圖51示出實施例的樣本的XRD結果；
圖52示出實施例的樣本的XRD結果；
圖53示出實施例的樣本的XRD結果；
圖54示出實施例的樣本的SIMS結果；
圖55A和圖55B示出實施例的電晶體的Id-Vg特性；
圖56示出實施例的電晶體的閘極BT應力測試結果；
圖57A至圖57C示出實施例的電晶體的Id-Vg特性；
圖58A和圖58B是實施例的電晶體的剖面TEM影像；
圖59示出實施例的電晶體的Id-Vg特性；
圖60示出實施例的電晶體的閘極BT應力測試結果；
圖61A和圖61B示出實施例的電晶體的Id-Vd特性。
下面，參照圖式對實施方式進行說明。注意，所屬技術領域的通常知識者可以很容易地理解一個事實，就是實施方式可以以多個不同形式來實施，其方式和詳細內容可以在不脫離本發明的精神及其範圍的條件下被變換為各種各樣的形式。因此，本發明不應該被解釋為僅限定在以下所示的實施方式及實施例所記載的內容中。
在圖式中，為便於清楚地說明，有時誇大表示大小、層的厚度或區域。因此，本發明並不一定限定於上述尺寸。此外，在圖式中，示意性地示出理想的例子，因此本發明不侷限於圖式所示的形狀或數值等。
本說明書所使用的“第一”、“第二”、“第三”等序數詞是為了避免組件的混淆而附加的，而不是為了在數目方面上進行限定的。
在本說明書中，為了方便起見，使用“上”、“下”等表示配置的詞句以參照圖式說明組件的位置關係。另外，組件的位置關係根據描述各組件的方向適當地改變。因此，不侷限於本說明書中所說明的詞句，根據情況可以適當地更換。
在本說明書等中，電晶體是指至少包括閘極、汲極以及源極這三個端 子的元件。電晶體在汲極(汲極端子、汲極區域或汲極電極)與源極(源極端子、源極區域或源極電極)之間具有通道區域，並且電流能夠流過汲極、通道區域以及源極。注意，在本說明書等中，通道區域是指電流主要流過的區域。
另外，在使用極性不同的電晶體的情況或電路工作中的電流方向變化的情況等下，源極及汲極的功能有時互相調換。因此，在本說明書等中，源極和汲極可以互相調換。
在本說明書等中，“電連接”包括藉由“具有某種電作用的元件”連接的情況。在此，“具有某種電作用的元件”只要可以進行連接目標間的電信號的授受，就對其沒有特別的限制。例如，“具有某種電作用的元件”不僅包括電極和佈線，而且還包括電晶體等的切換元件、電阻元件、電感器、電容元件、其他具有各種功能的元件等。
在本說明書等中，“氧氮化矽膜”是指在其組成中含氧量多於含氮量的膜，而“氮氧化矽膜”是指在其組成中含氮量多於含氧量的膜。
注意，在本說明書等中，當利用圖式說明發明的結構時有時表示相同的部分的符號在不同的圖式中共同使用。
在本說明書等中，“平行”是指兩條直線形成的角度為-10°以上且10° 以下的狀態。因此，也包括該角度為-5°以上且5°以下的狀態。“大致平行”是指兩條直線形成的角度為-30°以上且30°以下的狀態。另外，“垂直”是指兩條直線形成的角度為80°以上且100°以下的狀態。因此也包括85°以上且95°以下的角度的狀態。“大致垂直”是指兩條直線形成的角度為60°以上且120°以下的狀態。
另外，在本說明書等中，根據情況，可以互相調換“膜”和“層”。例如，有時可以將“導電層”變換為“導電膜”。此外，有時可以將“絕緣膜”變換為“絕緣層”。
注意，例如當導電性充分低時，有時即使表示為“半導體”也具有“絕緣體”的特性。此外，“半導體”和“絕緣體”的邊境不太清楚，因此有時不能精確地區別。由此，有時可以將本說明書所記載的“半導體”換稱為“絕緣體”。同樣地，有時可以將本說明書所記載的“絕緣體”換稱為“半導體”。
實施方式1
在本實施方式中，對本發明的一個實施方式的氧化物半導體膜進行說明。
本發明的一個實施方式的氧化物半導體膜包含銦(In)、M(M表示Al、 Ga、Y或Sn)及鋅(Zn)。M尤其較佳為鎵(Ga)。以下，以M為Ga進行說明。
當氧化物半導體膜包含In時，例如其載子移動率(電子移動率)得到提高。當氧化物半導體膜包含Ga時，例如氧化物半導體膜的能隙(Eg)變大。Ga是與氧的鍵能高的元素，Ga與氧的鍵能比In與氧的鍵能高。當氧化物半導體膜包含Zn時，氧化物半導體膜容易晶化。
在此，參照圖1至圖13G對本發明的一個實施方式的氧化物半導體膜進行說明。
〈1-1.相平衡圖〉
圖1為示出本發明的一個實施方式的氧化物半導體膜的原子數比的相平衡圖的一個例子。
圖1例示出本發明的一個實施方式的氧化物半導體膜所包含的In、M及Zn的原子數比的較佳的範圍。注意，在圖1中不示出氧的原子數比。
本發明的一個實施方式的氧化物半導體膜包含In、M及Zn，其具有In1+xM1-xO3(ZnO)y(x滿足0<x<0.5，y大約為1)結構的固溶區域附近的組成。換而言之，本發明的一個實施方式的氧化物半導體膜具有圖1所示的區域11附近的組成。
作為本發明的一個實施方式的氧化物半導體膜的成膜方法，例如可以舉出濺射法、脈衝雷射沉積(PLD)法、電漿化學氣相沉積(PECVD)法、熱CVD(Chemical Vapor Deposition)法、ALD(Atomic Layer Deposition)法、真空蒸鍍法等。作為熱CVD法的例子，可以舉出MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金屬化學氣相沉積)法。本發明的一個實施方式的氧化物半導體膜在使用濺射裝置形成時，即使在大面積玻璃基板等上也可以均勻地進行成膜，所以尤其較佳的。
在此，使用圖2A和圖2B說明相平衡圖中的各元素的原子數比。圖2A和圖2B示出以X、Y及Z為頂點的正三角形以及作為座標點的例子的座標點R(4：2：1)。在此，各頂點分別表示元素X、Y及Z。各個原子數比越近於各頂點越高，越遠於各頂點越低。如圖2A所示，各個原子數比被表示為座標點與三角形的頂點的對邊之間的垂線的長度。例如，元素X被表示為座標點與頂點X的對邊亦即邊YZ之間的垂線21的長度。因此，圖2A和圖2B所示的座標R表示元素X、元素Y及元素Z的原子數比為垂線21、垂線22及垂線23的長度的比例，亦即x：y：z=4：2：1。另外，將經過頂點X和座標點R的直線與邊YZ交叉的點稱為γ。此時，當線Yγ的長度與線γZ的長度的比例由Yγ：γZ表示時，Yγ：γZ相當於(元素Z的原子個數)：(元素Y的原子個數)。
如圖2B所示，劃經過座標點R並分別與三角形的三個邊平行的三條直 線。此時，使用三條直線與三個邊的交點，如圖2B所示那樣表示x、y及z。
如非專利文獻1所記載，已知在包含In、元素M及Zn的氧化物中存在以InMO3(ZnO)m(m為自然數)表示的同系物相(同系物系)。圖1中的粗直線上的組成已知在將In2O3、M2O3及ZnO的粉末混合並以1350℃的溫度焙燒的情況下有可能包括在單一相的固溶區域內。
更明確而言，在圖1所示的相平衡圖中，虛線表示In：M：Zn=(1+α)：(1-α)：1結構(α滿足-1
Figure 109108822-A0101-12-0015-8
α
Figure 109108822-A0101-12-0015-9
1)的固溶區域、In：M：Zn=(1+α)：(1-α)：2結構的固溶區域、In：M：Zn=(1+α)：(1-α)：3結構的固溶區域、In：M：Zn=(1+α)：(1-α)：4結構的固溶區域及In：M：Zn=(1+α)：(1-α)：5結構的固溶區域。點劃線表示滿足In：M=1：1、In：M=1：2、In：M=1：3、In：M=1：7、In：M=2：1、In：M=3：1及In：M=5：1的線。
圖1的方形符號所示的座標相當於已知容易混入尖晶石型結晶結構的組成，亦即ZnM2O4。圖1的黑色圓圈符號所示的座標A相當於In：M：Zn=1.33：0.67：1(大致為In：M：Zn=4：2：3)的組成。圖1的三角形符號所示的座標B相當於In：M：Zn=1：1：1的組成。圖1所示的雙點劃線為連接表示In的座標與表示ZnM2O4的座標的直線。圖1所示的區域12為容易混入尖晶石型結晶結構的區域。
在非專利文獻1中，圖1所示的In：M：Zn=(1+α)：(1-α)：1結構的 固溶區域、In：M：Zn=(1+α)：(1-α)：2結構的固溶區域、In：M：Zn=(1+α)：(1-α)：3結構的固溶區域、In：M：Zn=(1+α)：(1-α)：4結構的固溶區域及In：M：Zn=(1+α)：(1-α)：5結構的固溶區域是在將In2O3、M2O3及ZnO的粉末混合並以1350℃的溫度焙燒時的平衡狀態下獲得的結果。
另一方面，使用濺射裝置等形成的氧化物半導體膜在不進行高溫(例如，1000℃以上且1500℃以下)的熱處理時有可能處於準平衡狀態。在此情況下，即使稍微超出非專利文獻1所示的有可能獲得單一相的固溶區域的範圍，也有可能獲得單一相。
另外，即使是In：M：Zn=(1+α)：(1-α)：1結構的固溶區域，如果座標接近區域12所示的容易混入尖晶石相的區域，有時在氧化物半導體膜中混入尖晶石型結晶結構，而不能形成單一相(例如，同系物相)的氧化物半導體膜。
另外，在其組成大幅度超出In：M：Zn=(1+α)：(1-α)：1結構的固溶區域，亦即示出單一相的化學計量比的情況下，有時在氧化物半導體膜中多個結晶結構共存(例如，二相共存、三相共存等)。當在氧化物半導體膜中多個結晶結構共存時，在不同的結晶結構之間形成晶界(grain boundary)，會導致氧化物半導體膜的電特性或者可靠性的下降。或者，當在氧化物半導體膜中多個結晶結構共存時，有可能導致氧化物半導體膜的結晶性等的 偏差。
因此，本發明的一個實施方式的氧化物半導體膜較佳為具有示出單一相(特別是同系物相)的結晶結構。
因此，在本發明的一個實施方式的氧化物半導體膜中，藉由將其組成設定為In1+xM1-xO3(ZnO)y(x滿足0<x<0.5，y大約為1)結構的固溶區域附近，來使In的含量多於M，由此可以使其組成遠離區域12所示的容易混入尖晶石相的區域，實現示出單一相的結晶結構。此外，藉由增加In的含量，可以提高氧化物半導體膜的載子移動率(電子移動率)。
本發明的一個實施方式的氧化物半導體膜在In1+xM1-xO3(ZnO)y(x滿足0<x<0.5，y大約為1)結構的固溶區域附近的組成中尤其較佳為具有圖1的黑色圓圈符號所示的座標A(In：M：Zn=1.33：0.67：1(大致為In：M：Zn=4：2：3))附近的組成。
在本說明書等中，“附近”是指某個金屬原子M的原子數比的±1的範圍，較佳為±0.5的範圍即可。例如，在氧化物半導體膜的組成為In：Ga：Zn=4：2：3的附近的情況下，Ga為1以上且3以下(1
Figure 109108822-A0101-12-0017-10
Ga
Figure 109108822-A0101-12-0017-11
3)且Zn為2以上且4以下(2
Figure 109108822-A0101-12-0017-12
Zn
Figure 109108822-A0101-12-0017-13
4)，較佳為Ga為1.5以上且2.5以下(1.5
Figure 109108822-A0101-12-0017-14
Ga
Figure 109108822-A0101-12-0017-15
2.5)且Zn為2以上且4以下(2
Figure 109108822-A0101-12-0017-16
Zn
Figure 109108822-A0101-12-0017-17
4)即可。另外，在本說明書等中，“大約”是指某個數值的±0.2的範圍。例如，“大約為1”表示0.8以上且1.2 以下。
另外，當利用濺射裝置形成氧化物半導體膜時，膜與靶材的原子數比有時稍微不同。尤其是，根據成膜時的基板溫度，膜中的Zn的原子數比有可能小於靶材中的Zn的原子數比。因此，本發明的一個實施方式的氧化物半導體膜在其範疇內包括其原子數比與靶材的原子數比稍微不同的氧化物半導體膜。注意，作為在濺射裝置中使用的靶材，較佳為使用多晶金屬氧化物靶材。
在此，說明調查包含In、Ga及Zn的靶材與使用該靶材藉由濺射法獲得的氧化物半導體膜之間的原子數比的關係的結果。表1示出所使用的靶材的原子數比與藉由濺射法獲得的氧化物半導體膜的原子數比。作為靶材使用多晶金屬氧化物靶材。
Figure 109108822-A0101-12-0018-185
Figure 109108822-A0101-12-0019-186
成膜條件為如下：沉積氣體為氬及氧，氧流量比為33%。氧流量比由氧流量/(氧流量+氬流量)×100[%]表示。壓力為0.4Pa至0.7Pa，基板溫度為200℃至300℃，電源功率為0.5kW(DC)。作為沉積装置，使用平行板型濺射裝置。
表1所示的膜的原子數比是使用ICP-MS(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry)進行評價而獲得的值。另外，表1中的膜的原子數比是以In為1或3而標準化，並算出Ga及Zn而獲得的值。
從表1所示的結果可知，In及Ga的膜中的原子數比與靶材中的原子數比的差異不大。另一方面，Zn的膜中的原子數比與靶材中的原子數比的差異很大。
因此，確認靶材的原子數比與膜中的Zn的殘留率的關係。圖3示出靶材的原子數比與Zn的殘留率的關係。圖3中的數字表示表1所示的靶材的In：Ga：Zn的原子數比。在圖3中，縱軸所示的Zn(Film)表示用In、Ga及Zn的原子數比的總和除以成膜之後的膜中的Zn的原子數比而獲得的 值，縱軸所示的Zn(Target)表示用靶材的In、Ga及Zn的原子數比的總和除以靶材中的Zn的原子數比而獲得的值。另外，在圖3中，縱軸所示的Zn(Film)/Zn(Target)×100表示氧化物半導體膜的Zn的殘留率。另外，在圖3中，橫軸所示的Zn(Film)/Ga(Film)表示用成膜之後的膜中的Ga的原子數比除以成膜之後的膜中的Zn的原子數比而獲得的值。
從圖3所示的結果可知，膜中的Zn對Ga的原子數比(Zn(Film)/Ga(Film))與Zn的殘留率(Zn(Film)/Zn(Target)×100)之間有相關關係。換而言之，Zn對Ga的值越小，Zn的殘留率越低。
另外，從圖3所示的結果可知，藉由濺射法獲得的氧化物半導體膜的Zn的殘留率為50%以上且90%以下。換而言之，成膜之後的氧化物半導體膜的Zn的原子數比有時比靶材的原子數比少得多。
例如，當想要獲得In：Ga：Zn=4：2：3的組成的氧化物半導體膜時，圖3中的橫軸的Zn(Film)/Ga(Film)的值為1.5。當Zn(Film)/Ga(Film)為1.5時，Zn的殘留率大致為74%，因此，將靶材的組成設定為In：Ga：Zn=4：2：4.1附近即可。
本發明的一個實施方式的氧化物半導體膜較佳為後述的CAAC-OS。另外，CAAC-OS尤其較佳為不包含尖晶石型結晶結構。例如，藉由對氧化物半導體膜進行X射線繞射(XRD：X-Ray Diffraction)分析，可以評價該氧 化物半導體膜是否包含尖晶石型結晶結構。
〈1-2.氧化物半導體的結構〉
接著，對本發明的一個實施方式的氧化物半導體膜所包含的氧化物半導體的結構進行說明。
氧化物半導體被分為單晶氧化物半導體和非單晶氧化物半導體。作為非單晶氧化物半導體有CAAC-OS(C-Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor：c軸配向結晶氧化物半導體)、多晶氧化物半導體、nc-OS(nanocrystalline Oxide Semiconductor：奈米晶氧化物半導體)、a-like OS(amorphous like Oxide Semiconductor)以及非晶氧化物半導體等。
從其他觀點看來，氧化物半導體被分為非晶氧化物半導體和結晶氧化物半導體。作為結晶氧化物半導體有單晶氧化物半導體、CAAC-OS、多晶氧化物半導體以及nc-OS等。
作為非晶結構的定義，一般而言，已知：它處於亞穩態並沒有被固定化，具有各向同性而不具有不均勻結構等。也可以換句話說為非晶結構的鍵角不固定，具有短程有序，而不具有長程有序。
從相反的觀點來看，不能將實質上穩定的氧化物半導體稱為完全非晶(completely amorphous)氧化物半導體。另外，不能將不具有各向同性(例 如，在微小區域中具有週期結構)的氧化物半導體稱為完全非晶氧化物半導體。注意，a-like OS在微小區域中具有週期結構，但是同時具有空洞(也稱為void)，並具有不穩定的結構。因此，a-like OS在物性上近乎於非晶氧化物半導體。
[CAAC-OS]
首先，對CAAC-OS進行說明。
CAAC-OS是包含多個c軸配向的結晶部(也稱為顆粒)的氧化物半導體之一。
在利用穿透式電子顯微鏡(TEM：Transmission Electron Microscope)觀察所得到的CAAC-OS的明視野影像與繞射圖案的複合分析影像(也稱為高解析度TEM影像)中，觀察到多個顆粒。然而，在高解析度TEM影像中，觀察不到顆粒與顆粒之間的明確的邊界，亦即晶界(grain boundary)。因此，可以說在CAAC-OS中，不容易發生起因於晶界的電子移動率的降低。
下面，對利用TEM觀察的CAAC-OS進行說明。圖4A示出從大致平行於樣本面的方向觀察所得到的CAAC-OS的剖面的高解析度TEM影像。利用球面像差校正(Spherical Aberration Corrector)功能得到高解析度TEM影像。將利用球面像差校正功能所得到的高解析度TEM影像特別稱為Cs校正高解析度TEM影像。例如可以使用日本電子株式會社製造的原子解析度 分析型電子顯微鏡JEM-ARM200F等得到Cs校正高解析度TEM影像。
圖4B示出將圖4A中的區域(1)放大的Cs校正高解析度TEM影像。由圖4B可以確認到在顆粒中金屬原子排列為層狀。各金屬原子層具有反映了形成CAAC-OS膜的面(也稱為被形成面)或CAAC-OS膜的頂面的凸凹的配置並以平行於CAAC-OS的被形成面或頂面的方式排列。
如圖4B所示，CAAC-OS具有特有的原子排列。圖4C是以輔助線示出特有的原子排列的圖。由圖4B和圖4C可知，一個顆粒的尺寸為1nm以上且3nm以下左右，由顆粒與顆粒之間的傾斜產生的空隙的尺寸為0.8nm左右。因此，也可以將顆粒稱為奈米晶(nc：nanocrystal)。另外，可以將CAAC-OS稱為具有CANC(C-Axis Aligned nanocrystals：c軸配向奈米晶)的氧化物半導體。
在此，根據Cs校正高解析度TEM影像，將基板5120上的CAAC-OS的顆粒5100的配置示意性地表示為堆積磚塊或塊體的結構(參照圖4D)。在圖4C中觀察到的在顆粒與顆粒之間產生傾斜的部分相當於圖4D所示的區域5161。
圖5A示出從大致垂直於樣本面的方向觀察所得到的CAAC-OS的平面的Cs校正高解析度TEM影像。圖5B、圖5C和圖5D分別示出將圖5A中的區域(1)、區域(2)和區域(3)放大的Cs校正高解析度TEM影像。由 圖5B、圖5C和圖5D可知在顆粒中金屬原子排列為三角形狀、四角形狀或六角形狀。但是，在不同的顆粒之間金屬原子的排列沒有規律性。
接著，說明使用XRD裝置進行分析的CAAC-OS。例如，當利用out-of-plane法分析包含InGaZnO4結晶的CAAC-OS的結構時，如圖6A所示，在繞射角(2θ)為31°附近時常出現峰值。由於該峰值來源於InGaZnO4結晶的(009)面，由此可知CAAC-OS中的結晶具有c軸配向性，並且c軸朝向大致垂直於被形成面或頂面的方向。
注意，當利用out-of-plane法分析CAAC-OS的結構時，除了2θ為31°附近的峰值以外，有時在2θ為36°附近時也出現峰值。2θ為36°附近的峰值表示CAAC-OS中的一部分包含不具有c軸配向性的結晶。較佳的是，在利用out-of-plane法分析的CAAC-OS的結構中，在2θ為31°附近時出現峰值而在2θ為36°附近時不出現峰值。
另一方面，當利用從大致垂直於c軸的方向使X射線入射到樣本的in-plane法分析CAAC-OS的結構時，在2θ為56°附近時出現峰值。該峰值來源於InGaZnO4結晶的(110)面。在CAAC-OS中，即使將2θ固定為56°附近並在以樣本面的法線向量為軸(Φ軸)旋轉樣本的條件下進行分析(Φ掃描)，也如圖6B所示的那樣觀察不到明確的峰值。相比之下，在InGaZnO4的單晶氧化物半導體中，在將2θ固定為56°附近來進行Φ掃描時，如圖6C所示的那樣觀察到來源於相等於(110)面的結晶面的六個峰值。因此，由 使用XRD的結構分析可以確認到CAAC-OS中的a軸和b軸的配向沒有規律性。
接著，說明利用電子繞射進行分析的CAAC-OS。例如，當對包含InGaZnO4結晶的CAAC-OS在平行於樣本面的方向上入射束徑為300nm的電子線時，可能會獲得圖7A所示的繞射圖案(也稱為選區穿透式電子繞射圖案)。在該繞射圖案中包含起因於InGaZnO4結晶的(009)面的斑點。因此，由電子繞射也可知CAAC-OS所包含的顆粒具有c軸配向性，並且c軸朝向大致垂直於被形成面或頂面的方向。另一方面，圖7B示出對相同的樣本在垂直於樣本面的方向上入射束徑為300nm的電子線時的繞射圖案。由圖7B觀察到環狀的繞射圖案。因此，由電子繞射也可知CAAC-OS所包含的顆粒的a軸和b軸不具有配向性。可以認為圖7B中的第一環起因於InGaZnO4結晶的(010)面和(100)面等。另外，可以認為圖7B中的第二環起因於(110)面等。
如上所述，CAAC-OS是結晶性高的氧化物半導體。因為氧化物半導體的結晶性有時因雜質的混入或缺陷的生成等而降低，所以從相反的觀點來看，可以說CAAC-OS是雜質或缺陷(氧缺陷等)少的氧化物半導體。
此外，雜質是指氧化物半導體的主要成分以外的元素，諸如氫、碳、矽和過渡金屬元素等。例如，與氧的鍵合力比構成氧化物半導體的金屬元素強的矽等元素會奪取氧化物半導體中的氧，由此打亂氧化物半導體的原 子排列，導致結晶性下降。另外，由於鐵或鎳等的重金屬、氬、二氧化碳等的原子半徑(或分子半徑)大，所以會打亂氧化物半導體的原子排列，導致結晶性下降。
當氧化物半導體包含雜質或缺陷時，其特性有時因光或熱等會發生變動。包含於氧化物半導體的雜質有時會成為載子陷阱或載子發生源。另外，氧化物半導體中的氧缺陷有時會成為載子陷阱或因俘獲氫而成為載子發生源。
雜質及氧缺陷少的CAAC-OS是載子密度低的氧化物半導體。明確而言，可以使載子密度小於8×1011/cm3，較佳為小於1×1011/cm3，更佳為小於1×1010/cm3，且是1×10-9/cm3以上。將這樣的氧化物半導體稱為高純度本質或實質上高純度本質的氧化物半導體。CAAC-OS的雜質濃度和缺陷能階密度低。亦即，可以說CAAC-OS是具有穩定特性的氧化物半導體。
[nc-OS]
接著說明nc-OS。
在nc-OS的高解析度TEM影像中有能夠觀察到結晶部的區域和觀察不到明確的結晶部的區域。nc-OS所包含的結晶部的尺寸大多為1nm以上且10nm以下或1nm以上且3nm以下。注意，有時將其結晶部的尺寸大於10nm且是100nm以下的氧化物半導體稱為微晶氧化物半導體。例如，在nc-OS 的高解析度TEM影像中，有時無法明確地觀察到晶界。注意，奈米晶的來源有可能與CAAC-OS中的顆粒相同。因此，下面有時將nc-OS的結晶部稱為顆粒。
在nc-OS中，微小的區域(例如1nm以上且10nm以下的區域，特別是1nm以上且3nm以下的區域)中的原子排列具有週期性。另外，nc-OS在不同的顆粒之間觀察不到結晶定向的規律性。因此，在膜整體中觀察不到配向性。所以，有時nc-OS在某些分析方法中與a-like OS或非晶氧化物半導體沒有差別。例如，當利用使用其束徑比顆粒大的X射線的out-of-plane法對nc-OS進行結構分析時，檢測不到表示結晶面的峰值。在使用其束徑比顆粒大(例如，50nm以上)的電子射線對nc-OS進行電子繞射時，觀察到類似光暈圖案的繞射圖案。另一方面，在使用其束徑近於顆粒或者比顆粒小的電子射線對nc-OS進行奈米束電子繞射時，觀察到斑點。另外，在nc-OS的奈米束電子繞射圖案中，有時觀察到如圓圈那樣的(環狀的)亮度高的區域。而且，在nc-OS的奈米束電子繞射圖案中，有時還觀察到環狀的區域內的多個斑點。
如此，由於在顆粒(奈米晶)之間結晶定向都沒有規律性，所以也可以將nc-OS稱為包含RANC(Random Aligned nanocrystals：無規配向奈米晶)的氧化物半導體或包含NANC(Non-Aligned nanocrystals：無配向奈米晶)的氧化物半導體。
nc-OS是規律性比非晶氧化物半導體高的氧化物半導體。因此，nc-OS的缺陷能階密度比a-like OS或非晶氧化物半導體低。但是，在nc-OS中的不同的顆粒之間觀察不到晶體配向的規律性。所以，nc-OS的缺陷能階密度比CAAC-OS高。
[a-like OS]
a-like OS是具有介於nc-OS與非晶氧化物半導體之間的結構的氧化物半導體。
在a-like OS的高解析度TEM影像中有時觀察到空洞。另外，在高解析度TEM影像中，有能夠明確地觀察到結晶部的區域和不能觀察到結晶部的區域。
由於a-like OS包含空洞，所以其結構不穩定。為了證明與CAAC-OS及nc-OS相比a-like OS具有不穩定的結構，下面示出電子照射所導致的結構變化。
作為進行電子照射的樣本，準備a-like OS(記載為樣本A)、nc-OS(記載為樣本B)和CAAC-OS(記載為樣本C)。每個樣本都是In-Ga-Zn氧化物。
首先，取得各樣本的高解析度剖面TEM影像。由高解析度剖面TEM影像可知，每個樣本都具有結晶部。
注意，如下那樣決定將哪個部分作為一個結晶部。例如，已知InGaZnO4結晶的單位晶格具有包括三個In-O層和六個Ga-Zn-O層的九個層在c軸方向上以層狀層疊的結構。這些彼此靠近的層的間隔與(009)面的晶格表面間隔(也稱為d值)是幾乎相等的，由結晶結構分析求出其值為0.29nm。由此，可以將晶格條紋的間隔為0.28nm以上且0.30nm以下的部分作為InGaZnO4結晶部。每個晶格條紋對應於InGaZnO4結晶的a-b面。
圖8示出調查了各樣本的結晶部(22個部分至45個部分)的平均尺寸的例子。注意，結晶部尺寸對應於上述晶格條紋的長度。由圖8可知，在a-like OS中，結晶部根據電子的累積照射量逐漸變大。明確而言，如圖8中的(1)所示，可知在利用TEM的觀察初期尺寸為1.2nm左右的結晶部(也稱為初始晶核)在累積照射量為4.2×108e-/nm2時生長到2.6nm左右。另一方面，可知nc-OS和CAAC-OS在開始電子照射時到電子的累積照射量為4.2×108e-/nm2的範圍內，結晶部的尺寸都沒有變化。明確而言，如圖8中的(2)及(3)所示，可知無論電子的累積照射量如何，nc-OS及CAAC-OS的平均結晶部尺寸都分別為1.4nm左右及2.1nm左右。
如此，有時電子照射引起a-like OS中的結晶部的生長。另一方面，可知在nc-OS和CAAC-OS中，幾乎沒有電子照射所引起的結晶部的生長。也就是說，a-like OS與CAAC-OS及nc-OS相比具有不穩定的結構。
此外，由於a-like OS包含空洞，所以其密度比nc-OS及CAAC-OS低。具體地，a-like OS的密度為具有相同組成的單晶氧化物半導體的78.6%以上且小於92.3%。nc-OS的密度及CAAC-OS的密度為具有相同組成的單晶氧化物半導體的92.3%以上且小於100%。注意，難以形成其密度小於單晶氧化物半導體的密度的78%的氧化物半導體。
例如，在原子數比滿足In：Ga：Zn=1：1：1的氧化物半導體中，具有菱方晶系結構的單晶InGaZnO4的密度為6.357g/cm3。因此，例如，在原子數比滿足In：Ga：Zn=1：1：1的氧化物半導體中，a-like OS的密度為5.0g/cm3以上且小於5.9g/cm3。另外，例如，在原子數比滿足In：Ga：Zn=1：1：1的氧化物半導體中，nc-OS的密度和CAAC-OS的密度為5.9g/cm3以上且小於6.3g/cm3。
注意，有時不存在相同組成的單晶氧化物半導體。此時，藉由以任意比例組合組成不同的單晶氧化物半導體，可以估計出相當於所希望的組成的單晶氧化物半導體的密度。根據組成不同的單晶氧化物半導體的組合比例使用加權平均計算出相當於所希望的組成的單晶氧化物半導體的密度即可。注意，較佳為儘可能減少所組合的單晶氧化物半導體的種類來計算密度。
如上所述，氧化物半導體具有各種結構及各種特性。注意，氧化物半導體例如可以是包括非晶氧化物半導體、a-like OS、nc-OS和CAAC-OS中的兩種以上的疊層膜。
〈1-3.CAAC-OS的成膜方法〉
接著，對CAAC-OS的成膜方法的一個例子進行說明。
圖9A是沉積室內的示意圖。CAAC-OS可以利用濺射法形成。
如圖9A所示，基板5220與靶材5230彼此相對地配置。在基板5220與靶材5230之間有電漿5240。另外，在基板5220下部設置有加熱機構5260。雖然未圖示，但是靶材5230被貼合到底板上。在隔著底板與靶材5230相對的位置配置有多個磁鐵。利用磁鐵的磁場提高沉積速度的濺射法被稱為磁控濺射法。
基板5220與靶材5230的距離d(也稱為靶材與基板之間的距離(T-S間距離))為0.01m以上且1m以下，較佳為0.02m以上且0.5m以下。沉積室內幾乎被沉積氣體(例如，氧、氬或包含5vol%以上的氧的混合氣體)充滿，並且沉積室內的壓力被控制為0.01Pa以上且100Pa以下，較佳為0.1Pa以上且10Pa以下。在此，藉由對靶材5230施加一定程度以上的電壓，開始放電且確認到電漿5240。由磁場在靶材5230附近形成高密度電漿區域。在高密度電漿區域中，因沉積氣體的離子化而產生離子5201。離子5201例如是氧的陽離子(O+)或氬的陽離子(Ar+)等。
靶材5230具有包括多個晶粒的多晶結構，其中至少一個晶粒包括劈開 面。作為一個例子，圖10示出靶材5230所包含的InMZnO4(元素M例如是Al、Ga、Y或Sn)的結晶結構。圖10是從平行於b軸的方向觀察時的InMZnO4的結晶結構。在InMZnO4結晶中，由於氧原子具有負電荷，在靠近的兩個M-Zn-O層之間產生斥力。因此，InMZnO4結晶在靠近的兩個M-Zn-O層之間具有劈開面。
在高密度電漿區域產生的離子5201由電場向靶材5230一側被加速而碰撞到靶材5230。此時，作為平板狀或顆粒狀的濺射粒子的顆粒5200從劈開面剝離(參照圖9A)。顆粒5200是被圖10所示的兩個劈開面夾著的部分。因此，可知若只將顆粒5200抽出，其剖面則成為如圖9B所示的那樣，其頂面則成為如圖9C所示的那樣。另外，顆粒5200的結構有時會因離子5201碰撞的衝擊而產生畸變。此外，隨著顆粒5200的剝離，粒子5203也從靶材5230被彈出。粒子5203具有一個原子或幾個原子的集合體。由此，粒子5203也可以稱為原子狀粒子(atomic particles)。
顆粒5200是具有三角形(例如正三角形)的平面的平板狀或顆粒狀的濺射粒子。或者，顆粒5200是具有六角形(例如正六角形)的平面的平板狀或顆粒狀的濺射粒子。注意，顆粒5200的形狀不侷限於三角形或六角形。例如，有時為組合多個三角形的形狀。例如，有時也成為組合兩個三角形(例如，正三角形)而成的四角形(例如，菱形)。
顆粒5200的厚度取決於沉積氣體的種類等。例如，顆粒5200的厚度為 0..4nm以上且1nm以下，較佳為0.6nm以上且0.8nm以下。另外，例如，顆粒5200的寬度為1nm以上且100nm以下，較佳為2nm以上且50nm以下，更佳為3nm以上且30nm以下。例如，使離子5201碰撞到具有In-M-Zn氧化物的靶材5230。由此，具有M-Zn-O層、In-O層及M-Zn-O層的三層的顆粒5200剝離。
顆粒5200有時在經過電漿5240時其表面帶負電或正電。例如，顆粒5200有時從電漿5240中的O2-接收負電荷。其結果，有時顆粒5200的表面的氧原子帶負電。此外，顆粒5200有時在經過電漿5240時，藉由與電漿5240中的銦、元素M、鋅或氧等鍵合而生長。
經過電漿5240的顆粒5200及粒子5203到達基板5220的表面。此外，粒子5203的一部分由於質量小所以有時藉由真空泵等排出到外部。
接著，參照圖11A至圖11F說明在基板5220的表面沉積的顆粒5200及粒子5203。
首先，第一個顆粒5200沉積在基板5220上。由於顆粒5200是平板狀，所以以其平面一側朝向基板5220的表面的方式沉積。此時，顆粒5200的基板5220一側的表面的電荷穿過基板5220釋放。
接著，第二個顆粒5200到達基板5220。此時，由於已經沉積了的顆粒 5200的表面及第二個顆粒5200的表面帶電荷，所以互相排斥。其結果，第二個顆粒5200避開已經沉積了的顆粒5200上，而在基板5220的表面的離第一個顆粒5200較遠的部分以其平面一側朝向基板5220的表面的方式沉積。藉由反復進行上述沉積，在基板5220的表面沉積無數個顆粒5200，該沉積的厚度相當於一層。此外，在顆粒5200之間產生未沉積顆粒5200的區域(參照圖11A)。
接著，從電漿接收能量的粒子5203到達基板5220的表面。粒子5203不能沉積在顆粒5200的表面等活性區域上。由此，粒子5203移動到未沉積顆粒5200的區域並附著於顆粒5200的側面。粒子5203的鍵藉由從電漿接收能量而處於活性狀態，並在化學上與顆粒5200鍵合而形成橫向生長部5202(參照圖11B)。
並且，橫向生長部5202在橫向方向上生長(也稱為橫向生長)，由此將顆粒5200之間連接(參照圖11C)。如此，橫向生長部5202形成到填滿未沉積顆粒5200的區域為止。該機制類似於原子層沉積(ALD：Atomic Layer Deposition)法的沉積機制。
因此，當顆粒5200以朝向彼此不同的方向的方式沉積時，粒子5203橫向生長來填入顆粒5200間，因此不形成明確的晶界。此外，由於在顆粒5200間粒子5203平滑地連接，所以形成與單晶及多晶都不同的結晶結構。換言之，形成在微小的結晶區域(顆粒5200)間具有應變的結晶結構。如 此，由於填入結晶區域間的區域為具有應變的結晶區域，所以可以認為將該區域稱為非晶結構是不宜的。
接著，其他的顆粒5200以平面一側朝向基板5220的表面的方式沉積(參照圖11D)。另外，粒子5203以填入未沉積顆粒5200的區域的方式沉積而形成橫向生長部5202(參照圖11E)。由此，粒子5203附著於顆粒5200的側面，橫向生長部5202在橫向方向上生長，而使第二層的顆粒5200間連接(參照圖11F)。成膜直到形成第m層(m為二以上的整數)為止進行，形成包含疊層體的薄膜結構。
此外，顆粒5200的沉積機制根據基板5220的表面溫度等而變化。例如，在基板5220的表面溫度較高時，顆粒5200在基板5220的表面發生遷移。其結果，由於顆粒5200之間直接連接而不夾著粒子5203的比例增加，所以成為配向性更高的CAAC-OS。在形成CAAC-OS時的基板5220的表面溫度為室溫以上且低於340℃，較佳為室溫以上且300℃以下，更佳為100℃以上且250℃以下，進一步較佳為100℃以上且200℃以下。因此，即使作為基板5220使用第八代以上的大面積基板，也幾乎不產生CAAC-OS的成膜所引起的翹曲等。
另一方面，在基板5220的表面溫度較低時，顆粒5200在基板5220的表面不容易發生遷移。其結果，由於顆粒5200的沉積而成為配向性低的nc-OS等。在nc-OS中，由於顆粒5200帶負電，有可能顆粒5200以彼此隔 有一定間隔的方式沉積。因此，雖然nc-OS的配向性較低，但因其略有規律性，所以與非晶氧化物半導體相比具有緻密的結構。
在CAAC-OS中，當顆粒彼此之間的間隙極小時，有時形成有一個大顆粒。在一個大顆粒內具有單晶結構。例如，從頂面看來顆粒的尺寸有時為10nm以上且200nm以下、15nm以上且100nm以下或20nm以上且50nm以下。
如上述成膜模型那樣，可以認為顆粒沉積於基板的表面。由於即使被形成面不具有結晶結構，也能夠形成CAAC-OS，所以可知作為與磊晶生長不同的上述成膜模型是很妥當的。此外，借助於上述成膜模型，CAAC-OS及nc-OS在大面積的玻璃基板等上也能夠均勻地進行成膜。例如，即使基板表面(被形成面)結構為非晶結構(例如非晶氧化矽)，也能夠形成CAAC-OS。
此外，可知即使在基板表面(被形成面)為凹凸狀的情況下，顆粒也沿著其形狀排列。
另外，根據上述成膜模型可知，為了形成結晶性高的CAAC-OS，只要採用如下方法即可：首先，為了增加平均自由徑而在更高真空狀態下進行成膜。接著，為了減少基板附近的損傷而減弱電漿的能量。然後，對被形成面施加熱能，以每次進行成膜都要消除電漿損傷。
另外，上述成膜模型不侷限於使用如下靶材，亦即具有含有多個晶粒的In-M-Zn氧化物等複合氧化物的多晶結構且其中任一晶粒包含劈開面的靶材的情況。例如，也可以應用於使用含有氧化銦、元素M的氧化物以及氧化鋅的混合物靶材的情況。
因為混合物靶材沒有劈開面，所以濺射時原子狀粒子從靶材剝離。當進行成膜時，在靶材附近形成有電漿的強電場區域。由此，從靶材剝離了的原子狀粒子因電漿的強電場區域的作用而鍵合併進行橫向生長。例如，首先，作為原子狀粒子的銦鍵合而進行橫向生長，由此形成由In-O層構成的奈米晶。接著，以補充該奈米晶的方式在上下方向上鍵合M-Zn-O層。如此，即使在使用混合物靶材的情況下，也有可能形成顆粒。由此，即使在使用混合物靶材的情況下，也可以應用上述成膜模型。
但是，當在靶材附近沒形成電漿的強電場區域時，僅從靶材剝離了的原子狀粒子沉積在基板表面上。在此情況下，有時在基板表面原子狀粒子進行橫向生長。但是，原子狀粒子的方向不一致，由此所得到的薄膜的結晶的配向性也不一致。也就是說，成為nc-OS等。
〈1-4.橫向生長〉
下面，對在顆粒5200的橫向方向上粒子5203附著(也稱為鍵合或吸附)而橫向生長的情況進行說明。
圖12A、圖12B、圖12C、圖12D及圖12E是示出顆粒5200的結構及金屬離子附著的位置的圖。此外，作為顆粒5200假設從InMZnO4的結晶結構在保持化學計量組成的情況下抽出84個原子的團簇模型(cluster model)。注意，下面以原子M為Ga而進行說明。此外，圖12F示出從平行於c軸的方向看顆粒5200時的結構。圖12G示出從平行於a軸的方向看顆粒5200時的結構。
以位置A、位置B、位置a、位置b及位置c示出金屬離子的附著位置。位置A為顆粒5200頂面的由一個鎵、兩個鋅圍繞的晶格間位點(site)的上方。位置B為顆粒5200頂面的由兩個鎵、一個鋅圍繞的晶格間位點的上方。位置a為顆粒5200側面的銦位點。位置b為顆粒5200側面的In-O層與Ga-Zn-O層之間的晶格間位點。位置c為顆粒5200側面的鎵位點。
接著，利用第一原理計算對在所假設的位置A、位置B、位置a、位置b及位置c配置金屬離子的情況的相對能量進行評價。在計算中，使用第一原理計算軟體的VASP(Vienna Ab initio Simulation Package)。此外，作為交換相關勢使用PBE(Perdew-Burke-Ernzerhof)型的廣義梯度近似(GGA：Generallized Gradient Approximation)，作為離子勢能使用PAW(Projector Augmented Wave：投影綴加波)法。此外，將截止能量設定為400eV，k點取樣只為Γ點。表2示出在位置A、位置B、位置a、位置b及位置c配置銦離子(In3+)、鎵離子(Ga3+)及鋅離子(Zn2+)的情況的相對能量。此外， 相對能量是在計算模型中能量最低的模型的能量為0eV時的相對值。
Figure 109108822-A0101-12-0039-187
從上述結果可知，金屬離子與顆粒5200頂面相比容易附著於側面。尤其是，在位置a的銦位點，不僅是銦離子，而且是鋅離子也最容易附著。
同樣地，對氧離子(O2-)的對於顆粒5200的附著性進行評價。圖13A、圖13B、圖13C、圖13D及圖13E是示出顆粒5200的結構及氧離子附著的位置的圖。此外，圖13F示出從平行於c軸的方向來看顆粒5200的結構。圖13G示出從平行於b軸的方向來看顆粒5200的結構。
以位置C、位置D、位置d、位置e及位置f示出氧離子的附著位置。位置C為與顆粒5200頂面的鎵鍵合的位置。位置D為與顆粒5200頂面的鋅鍵合的位置。位置d為與顆粒5200側面的銦鍵合的位置。位置e為與顆 粒5200側面的鎵鍵合的位置。位置f為與顆粒5200側面的鋅鍵合的位置。
接著，利用第一原理計算對在所假定的位置C、位置D、位置d、位置e及位置f配置氧離子的情況的相對能量進行評價。表3示出在位置C、位置D、位置d、位置e及位置f配置氧離子(O2-)的情況的相對能量。
Figure 109108822-A0101-12-0040-188
從上述結果可知氧離子也與顆粒5200頂面相比容易附著於側面。
因此可知，接近於顆粒5200的粒子5203優先附著於顆粒5200的側面。亦即，可以說由附著於顆粒5200的側面的粒子5203發生顆粒5200的橫向生長的上述成膜模型是很妥當的。
可以認為顆粒5200根據以上模型沉積於基板5220的表面。即使被形成面不具有結晶結構，也能夠形成CAAC-OS，由此可知這是與磊晶生長不同的生長機制。此外，CAAC-OS及nc-OS在大面積的玻璃基板等上也能夠均勻地進行成膜。例如，即使基板5220的表面(被形成面)結構為非晶結構(例 如非晶氧化矽)，也能夠形成CAAC-OS。
此外，可知即使在基板5220的表面(被形成面)為凹凸狀的情況下，顆粒5200也根據其形狀排列。
藉由本發明的一個實施方式，可以實現不包含尖晶石型結晶結構或者尖晶石型結晶結構極少的氧化物半導體膜。另外，可以提供包含該氧化物半導體膜的高可靠性的半導體裝置。
本實施方式所示的結構可以與其他實施方式或其他實施例所示的結構適當地組合而實施。
實施方式2
在本實施方式中，參照圖14A至圖26F對包含本發明的一個實施方式的氧化物半導體膜的半導體裝置及該半導體裝置的製造方法進行說明。
〈2-1.半導體裝置的結構實例〉
圖14A是作為本發明的一個實施方式的半導體裝置的電晶體200的俯視圖，圖14B相當於沿著圖14A所示的點劃線X1-X2的切斷面的剖面圖，圖14C相當於沿著圖14A所示的點劃線Y1-Y2的切斷面的剖面圖。注意，在圖14A中，為了方便起見，省略電晶體200的組件的一部分(被用作閘 極絕緣膜的絕緣膜等)。此外，有時將點劃線X1-X2方向稱為通道長度方向，將點劃線Y1-Y2方向稱為通道寬度方向。注意，有時在後面的電晶體的俯視圖中也與圖14A同樣地省略組件的一部分。
電晶體200包括：基板202上的用作閘極電極的導電膜204；基板202及導電膜204上的絕緣膜206；絕緣膜206上的絕緣膜207；絕緣膜207上的氧化物半導體膜208；與氧化物半導體膜208電連接的用作源極電極的導電膜212a；以及與氧化物半導體膜208電連接的用作汲極電極的導電膜212b。另外，在電晶體200上，更明確而言，在導電膜212a、212b及氧化物半導體膜208上設置有絕緣膜214、216、218。絕緣膜214、216、218具有作為電晶體200的保護絕緣膜的功能。
此外，絕緣膜206及絕緣膜207具有作為電晶體200的閘極絕緣膜的功能。
作為氧化物半導體膜208可以使用上述實施方式1所示的氧化物半導體膜。由於本發明的一個實施方式的氧化物半導體膜不包含尖晶石型結晶結構或者尖晶石型結晶結構極少，所以可以提供高可靠性的電晶體200。
接著，對本實施方式的半導體裝置所包括的組件進行詳細的說明。
[基板]
雖然對基板202的材料等沒有特別的限制，但是至少需要能夠承受後續的加熱處理的耐熱性。例如，作為基板202，可以使用玻璃基板、陶瓷基板、石英基板、藍寶石基板等。另外，還可以使用以矽或碳化矽為材料的單晶半導體基板或多晶半導體基板、以矽鍺等為材料的化合物半導體基板、SOI(Silicon On Insulator：絕緣層上覆矽)基板等，並且也可以將設置有半導體元件的上述基板用作基板202。當作為基板202使用玻璃基板時，藉由使用第六代(1500mm×1850mm)、第七代(1870mm×2200mm)、第八代(2200mm×2400mm)、第九代(2400mm×2800mm)、第十代(2950mm×3400mm)等的大面積基板，可以製造大型顯示裝置。藉由使用這種大面積基板，可以降低製造成本，所以是較佳的。
作為基板202，也可以使用撓性基板，並且在撓性基板上直接形成電晶體200。或者，也可以在基板202與電晶體200之間設置剝離層。剝離層可以在如下情況下使用，亦即在剝離層上製造半導體裝置的一部分或全部，然後將其從基板202分離並轉置到其他基板上的情況。此時，也可以將電晶體200轉置到耐熱性低的基板或撓性基板上。
[被用作閘極電極、源極電極及汲極電極的導電膜]
被用作閘極電極的導電膜204、被用作源極電極的導電膜212a及被用作汲極電極的導電膜212b可以使用選自鉻(Cr)、銅(Cu)、鋁(Al)、金(Au)、銀(Ag)、鋅(Zn)、鉬(Mo)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、鎢(W)、錳(Mn)、鎳(Ni)、鐵(Fe)、鈷(Co)中的金屬元素、以上述金屬元素為成分的合 金或者組合上述金屬元素的合金等形成。
此外，導電膜204、212a、212b可以具有單層結構或者兩層以上的疊層結構。例如，可以舉出包含矽的鋁膜的單層結構、在鋁膜上層疊鈦膜的兩層結構、在氮化鈦膜上層疊鈦膜的兩層結構、在氮化鈦膜上層疊鎢膜的兩層結構、在氮化鉭膜或氮化鎢膜上層疊鎢膜的兩層結構以及依次層疊鈦膜、鋁膜和鈦膜的三層結構等。另外，還可以使用組合鋁與選自鈦、鉭、鎢、鉬、鉻、釹、鈧中的一種或多種而形成的合金膜或氮化膜。
導電膜204、212a、212b也可以使用銦錫氧化物、包含氧化鎢的銦氧化物、包含氧化鎢的銦鋅氧化物、包含氧化鈦的銦氧化物、包含氧化鈦的銦錫氧化物、銦鋅氧化物、添加有氧化矽的銦錫氧化物等透光導電材料。
另外，作為導電膜204、212a、212b，也可以應用Cu-X合金膜(X為Mn、Ni、Cr、Fe、Co、Mo、Ta或Ti)。藉由使用Cu-X合金膜，可以以濕蝕刻製程進行加工，從而可以抑制製造成本。
[被用作閘極絕緣膜的絕緣膜]
作為用作電晶體200的閘極絕緣膜的絕緣膜206、207，可以使用藉由電漿增強化學氣相沉積(PECVD：Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)法、濺射法等形成的包括氧化矽膜、氧氮化矽膜、氮氧化矽膜、氮化矽膜、氧化鋁膜、氧化鉿膜、氧化釔膜、氧化鋯膜、氧化鎵膜、氧化鉭膜、氧化 鎂膜、氧化鑭膜、氧化鈰膜和氧化釹膜中的一種以上的絕緣層。注意，也可以使用上述材料的單層或三層以上的絕緣膜，而不採用絕緣膜206、207的疊層結構。
絕緣膜206具有抑制氧透過的障壁膜的功能。例如，當對絕緣膜207、214、216和/或氧化物半導體膜208供應過量氧時，絕緣膜206能夠抑制氧透過。
接觸於用作電晶體200的通道形成區域的氧化物半導體膜208的絕緣膜207較佳為氧化物絕緣膜，並且該絕緣膜207較佳為包括氧含量超過化學計量組成的區域(過量氧區域)。換言之，絕緣膜207是能夠釋放氧的絕緣膜。此外，為了在絕緣膜207中設置過量氧區域，例如在氧氛圍下形成絕緣膜207即可。或者，也可以對成膜後的絕緣膜207引入氧而形成過量氧區域。作為氧的引入方法，可以使用離子植入法、離子摻雜法、電漿浸沒離子佈植技術、電漿處理等。
此外，當絕緣膜207使用氧化鉿時發揮如下效果。氧化鉿的相對介電常數比氧化矽或氧氮化矽高。因此，藉由使用氧化鉿，與使用氧化矽的情況相比，可以使絕緣膜207的厚度變大，由此，可以減少穿隧電流引起的洩漏電流。亦即，可以實現關態電流(off-state current)小的電晶體。再者，與具有非晶結構的氧化鉿相比，具有結晶結構的氧化鉿具有高相對介電常數。因此，為了形成關態電流小的電晶體，較佳為使用具有結晶結構的氧 化鉿。作為結晶結構的例子，可以舉出單斜晶系或立方晶系等。注意，本發明的一個實施方式不侷限於此。
注意，在本實施方式中，作為絕緣膜206形成氮化矽膜，作為絕緣膜207形成氧化矽膜。與氧化矽膜相比，氮化矽膜的相對介電常數較高且為了得到與氧化矽膜相等的靜電容量所需要的厚度較大，因此，藉由使電晶體200的閘極絕緣膜包括氮化矽膜，可以增加絕緣膜的物理厚度。因此，可以藉由抑制電晶體200的絕緣耐壓的下降並提高絕緣耐壓來抑制電晶體200的靜電破壞。
[氧化物半導體膜]
作為氧化物半導體膜208，可以使用實施方式1所示的本發明的一個實施方式的氧化物半導體膜。
氧化物半導體膜208的能隙為2eV以上，較佳為2.5eV以上，更佳為3eV以上。如此，藉由使用能隙較寬的氧化物半導體，可以降低電晶體200的關態電流。
作為氧化物半導體膜208使用載子密度較低的氧化物半導體膜。例如，氧化物半導體膜208的載子密度低於8×1011/cm3，較佳為低於1×1011/cm3，更佳為低於1×1010/cm3，為1×10-9/cm3以上即可。
本發明不侷限於上述記載，可以根據所需的電晶體的半導體特性及電特性(場效移動率、臨界電壓等)來使用具有適當的組成的材料。另外，較佳為適當地設定氧化物半導體膜208的載子密度、雜質濃度、缺陷密度、金屬元素與氧的原子數比、原子間距離、密度等，以得到所需的電晶體的半導體特性。
藉由作為氧化物半導體膜208使用雜質濃度低且缺陷能階密度低的氧化物半導體膜，可以製造具有更優良的電特性的電晶體，所以是較佳的。這裡，將雜質濃度低且缺陷能階密度低(氧缺陷少)的狀態稱為“高純度本質”或“實質上高純度本質”。因為高純度本質或實質上高純度本質的氧化物半導體膜的載子發生源較少，所以可以降低載子密度。因此，在該氧化物半導體膜中形成有通道區域的電晶體很少具有負臨界電壓的電特性(也稱為常開啟特性)。因為高純度本質或實質上高純度本質的氧化物半導體膜具有較低的缺陷能階密度，所以有可能具有較低的陷阱態密度。高純度本質或實質上高純度本質的氧化物半導體膜的關態電流顯著低，即便是通道寬度為1×106μm且通道長度L為10μm的元件，當源極電極與汲極電極間的電壓(汲極電壓)在1V至10V的範圍時，關態電流也可以為半導體參數分析儀的測定極限以下，亦即1×10-13A以下。
因此，在上述高純度本質或實質上高純度本質的氧化物半導體膜中形成有通道區域的電晶體可以是電特性變動小且可靠性高的電晶體。此外，被氧化物半導體膜的陷阱能階俘獲的電荷到消失需要較長的時間，有時像 固定電荷那樣動作。因此，有時在陷阱態密度高的氧化物半導體膜中形成有通道區域的電晶體的電特性不穩定。作為雜質有氫、氮、鹼金屬、鹼土金屬、鐵、鎳、矽等。
例如，在氧化物半導體膜208包含In、Ga及Zn的情況下，高純度本質的氧化物半導體膜208較佳為包含In、Ga、Zn和O的總和為99.97atomic%以上的區域。
包含在氧化物半導體膜中的氫與鍵合於金屬原子的氧起反應生成水，與此同時在發生氧脫離的晶格(或氧脫離的部分)中形成氧缺陷。當氫進入該氧缺陷時，有時產生作為載子的電子。另外，有時由於氫的一部分與鍵合於金屬原子的氧鍵合，產生作為載子的電子。因此，使用包含氫的氧化物半導體膜的電晶體容易具有常開啟特性。由此，較佳為儘可能減少氧化物半導體膜208中的氫。明確而言，在氧化物半導體膜208中，利用二次離子質譜(SIMS：Secondary Ion Mass Spectrometry)測得的氫濃度低於1×1020atoms/cm3，較佳為低於1×1019atoms/cm3，更佳為低於5×1018atoms/cm3，進一步較佳為低於1×1018atoms/cm3。換而言之，氧化物半導體膜208包含藉由SIMS測定出的氫濃度低於1×1020atoms/cm3的區域。
當氧化物半導體膜208包含第14族元素之一的矽或碳時，在氧化物半導體膜208中氧缺陷增加，使得氧化物半導體膜208被n型化。因此，氧化物半導體膜208中的矽或碳的濃度以及與氧化物半導體膜208的介面附近的 矽或碳的濃度(利用SIMS測得的濃度)為2×1018atoms/cm3以下，較佳為2×1017atoms/cm3以下。
另外，當氧化物半導體膜208包含鹼金屬或鹼土金屬時，有時該鹼金屬或該鹼土金屬與氧化物半導體膜中的氧等鍵合而形成載子。因此，使用包含鹼金屬或鹼土金屬的氧化物半導體膜的電晶體容易具有常開啟特性。由此，較佳為降低氧化物半導體膜208中的鹼金屬或鹼土金屬的濃度。明確而言，使藉由SIMS測得的氧化物半導體膜208中的鹼金屬或鹼土金屬的濃度為1×1018atoms/cm3以下，較佳為2×1016atoms/cm3以下。
另外，當氧化物半導體膜208包含鐵、鎳及矽時，有時鐵、鎳及矽與氧化物半導體膜中的氧等鍵合而形成載子。因此，使用包含鐵、鎳及矽的氧化物半導體膜的電晶體容易具有常開啟特性。由此，較佳為降低氧化物半導體膜208中的鐵、鎳及矽的濃度。例如，使氧化物半導體膜208中的鐵、鎳及矽的總和的雜質濃度低於0.03atomic%即可。
當氧化物半導體膜208包含氮時，產生作為載子的電子，並載子密度增加，使得氧化物半導體膜208容易被n型化。其結果，使用含有氮的氧化物半導體膜的電晶體容易具有常開啟特性。因此，較佳為儘可能地減少氧化物半導體膜中的氮，例如，利用SIMS測得的氮濃度較佳為5×1018atoms/cm3以下。
〈被用作電晶體的保護絕緣膜的絕緣膜〉
絕緣膜214、216具有對氧化物半導體膜208供應氧的功能。絕緣膜218具有電晶體200的保護絕緣膜的功能。絕緣膜214、216包含氧。此外，絕緣膜214是能夠使氧透過的絕緣膜。另外，當在後面形成絕緣膜216時，絕緣膜214還被用作緩和對氧化物半導體膜208造成的損傷的膜。
作為絕緣膜214，可以使用厚度為5nm以上且150nm以下，較佳為5nm以上且50nm以下的氧化矽膜、氧氮化矽膜等。
此外，較佳為使絕緣膜214中的缺陷量較少，典型的是，藉由電子自旋共振(ESR：Electron Spin Resonance)測得的起因於矽懸空鍵且在g=2.001處出現的信號的自旋密度較佳為3×1017spins/cm3以下。這是因為，若絕緣膜214的缺陷密度高，氧則與該缺陷鍵合，而使絕緣膜214中的氧的透過量減少。
在絕緣膜214中，有時從外部進入絕緣膜214的氧不是全部移動到絕緣膜214的外部，而是其一部分殘留在絕緣膜214內部。另外，有時在氧從外部進入絕緣膜214的同時，絕緣膜214所含有的氧移動到絕緣膜214的外部，由此在絕緣膜214中發生氧的移動。在形成能夠使氧透過的氧化物絕緣膜作為絕緣膜214時，可以使從設置在絕緣膜214上的絕緣膜216脫離的氧經過絕緣膜214而移動到氧化物半導體膜208中。
此外，絕緣膜214可以使用起因於氮氧化物的態密度低的氧化物絕緣膜形成。注意，該起因於氮氧化物的態密度有時會形成在氧化物半導體膜的價帶頂的能量(EV_OS)與氧化物半導體膜的導帶底的能量(EC_OS)之間。作為上述氧化物絕緣膜，可以使用氮氧化物的釋放量少的氧氮化矽膜或氮氧化物的釋放量少的氧氮化鋁膜等。
此外，在熱脫附譜分析法中，氮氧化物的釋放量少的氧氮化矽膜是氨釋放量比氮氧化物的釋放量多的膜，典型的是氨分子的釋放量為1×1018分子/cm3以上且5×1019分子/cm3以下。注意，該氨釋放量是在進行膜表面溫度為50℃以上且650℃以下，較佳為50℃以上且550℃以下的加熱處理時的釋放量。
氮氧化物(NOx，x為大於0且2以下，較佳為1以上且2以下)，典型的是NO2或NO在絕緣膜214等中形成能階。該能階位於氧化物半導體膜208的能隙中。由此，當氮氧化物擴散到絕緣膜214與氧化物半導體膜208的介面時，有時該能階在絕緣膜214一側俘獲電子。其結果，被俘獲的電子留在絕緣膜214與氧化物半導體膜208的介面附近，由此使電晶體的臨界電壓向正方向漂移。
另外，當進行加熱處理時，氮氧化物與氨及氧起反應。當進行加熱處理時，絕緣膜214所包含的氮氧化物與絕緣膜216所包含的氨起反應，由此絕緣膜214所包含的氮氧化物減少。因此，在絕緣膜214與氧化物半導體膜 208的介面不容易俘獲電子。
藉由作為絕緣膜214使用上述氧化物絕緣膜，可以降低電晶體的臨界電壓的漂移，從而可以降低電晶體的電特性的變動。
藉由電晶體的製程中的加熱處理，典型的是低於400℃或者低於375℃(較佳為340℃以上且360℃以下)的加熱處理，在利用100K以下的ESR對絕緣膜214進行測量而得到的ESR譜中，觀察到g值為2.037以上且2.039以下的第一信號、g值為2.001以上且2.003以下的第二信號以及g值為1.964以上且1.966以下的第三信號。在X帶的ESR測定中，第一信號與第二信號之間的分割寬度(split width)及第二信號與第三信號之間的分割寬度為5mT左右。另外，g值為2.037以上且2.039以下的第一信號、g值為2.001以上且2.003以下的第二信號以及g值為1.964以上且1.966以下的第三信號的自旋密度的總和低於1×1018spins/cm3，典型為1×1017spins/cm3以上且低於1×1018spins/cm3。
在100K以下的ESR譜中，g值為2.037以上且2.039以下的第一信號、g值為2.001以上且2.003以下的第二信號以及g值為1.964以上且1.966以下的第三信號相當於起因於氮氧化物(NOx，x大於0且2以下，較佳為1以上且2以下)的信號。作為氮氧化物的典型例子，有一氧化氮、二氧化氨等。亦即，g值為2.037以上且2.039以下的第一信號、g值為2.001以上且2.003以下的第二信號以及g值為1.964以上且1.966以下的第三信號的自 旋密度的總數越少，氧化物絕緣膜中的氮氧化物含量越少。
另外，上述氧化物絕緣膜的利用SIMS測得的氮濃度為6×1020atoms/cm3以下。
藉由在基板溫度為220℃以上且350℃以下的情況下利用使用矽烷及一氧化二氮的PECVD法形成上述氧化物絕緣膜，可以形成緻密且硬度高的膜。
絕緣膜216使用其氧含量超過化學計量組成的氧化物絕緣膜形成。藉由加熱，氧的一部分從氧含量超過化學計量組成的氧化物絕緣膜中脫離。在熱脫附譜(TDS：Thermal Desorption Spectroscopy)分析中，其氧含量超過化學計量組成的氧化物絕緣膜的換算為氧原子的氧釋放量為1.0×1019atoms/cm3以上，較佳為3.0×1020atoms/cm3以上。注意，在上述TDS中，膜的表面溫度較佳為100℃以上且700℃以下，或者100℃以上且500℃以下。
作為絕緣膜216可以使用厚度為30nm以上且500nm以下，較佳為50nm以上且400nm以下的氧化矽膜、氧氮化矽膜等。
此外，較佳為使絕緣膜216中的缺陷量較少，典型的是，藉由ESR測得的起因於矽懸空鍵且在g=2.001處出現的信號的自旋密度低於1.5×1018spins/cm3，更佳為1×1018spins/cm3以下。由於絕緣膜216與絕緣膜214 相比離氧化物半導體膜208更遠，所以絕緣膜216的缺陷密度也可以高於絕緣膜214。
另外，因為絕緣膜214、216可以使用相同種類材料形成，所以有時無法明確地確認到絕緣膜214與絕緣膜216的介面。因此，在本實施方式中，以虛線圖示出絕緣膜214與絕緣膜216的介面。注意，在本實施方式中，雖然說明絕緣膜214與絕緣膜216的兩層結構，但是不侷限於此，例如，也可以採用絕緣膜214或絕緣膜216的單層結構。
絕緣膜218具有阻擋氧、氫、水、鹼金屬、鹼土金屬等的功能。藉由設置絕緣膜218，能夠防止氧從氧化物半導體膜208擴散到外部並能夠防止絕緣膜214、216所包含的氧擴散到外部，還能夠抑制氫、水等從外部侵入氧化物半導體膜208中。
作為絕緣膜218，例如可以使用氮化物絕緣膜。作為該氮化物絕緣膜，有氮化矽、氮氧化矽、氮化鋁、氮氧化鋁等。另外，也可以設置對氧、氫、水等具有阻擋效果的氧化物絕緣膜代替對氧、氫、水、鹼金屬、鹼土金屬等具有阻擋效果的氮化物絕緣膜。作為對氧、氫、水等具有阻擋效果的氧化物絕緣膜，有氧化鋁膜、氧氮化鋁膜、氧化鎵膜、氧氮化鎵膜、氧化釔膜、氧氮化釔膜、氧化鉿膜、氧氮化鉿膜等。
〈2-2.半導體裝置的結構實例〉
接著，參照圖15A至圖15C說明與圖14A至圖14C所示的電晶體200不同的結構實例。
圖15A是作為本發明的一個實施方式的半導體裝置的電晶體250的俯視圖，圖15B相當於沿著圖15A所示的點劃線X1-X2的切斷面的剖面圖，圖15C相當於沿著圖15A所示的點劃線Y1-Y2的切斷面的剖面圖。
電晶體250包括：基板202上的用作閘極電極的導電膜204；基板202及導電膜204上的絕緣膜206；絕緣膜206上的絕緣膜207；絕緣膜207上的氧化物半導體膜208；氧化物半導體膜208上的絕緣膜214、216；藉由設置在絕緣膜214及絕緣膜216中的開口部251a與氧化物半導體膜208電連接的用作源極電極的導電膜212a；以及藉由設置在絕緣膜214及絕緣膜216中的開口部251b與氧化物半導體膜208電連接的用作汲極電極的導電膜212b。另外，在電晶體250上，更詳細而言，在導電膜212a、212b及絕緣膜216上設置有絕緣膜218。絕緣膜214及絕緣膜216具有作為氧化物半導體膜208的保護絕緣膜的功能。絕緣膜218具有作為電晶體250的保護絕緣膜的功能。
上面所示的電晶體200採用通道蝕刻型結構，而圖15A至圖15C所示的電晶體250採用通道保護型結構。如此，可以將本發明的一個實施方式的半導體裝置用於通道蝕刻型電晶體和通道保護型電晶體。其他組件與電晶體200相同，具有同樣的效果。
〈2-3.半導體裝置的結構實例〉
接著，參照圖16A至圖16C說明與圖15A至圖15C所示的電晶體250不同的結構實例。
圖16A是作為本發明的一個實施方式的半導體裝置的電晶體260的俯視圖，圖16B相當於沿著圖16A所示的點劃線X1-X2的切斷面的剖面圖，圖16C相當於沿著圖16A所示的點劃線Y1-Y2的切斷面的剖面圖。
電晶體260包括：基板202上的用作閘極電極的導電膜204；基板202及導電膜204上的絕緣膜206；絕緣膜206上的絕緣膜207；絕緣膜207上的氧化物半導體膜208；氧化物半導體膜208上的絕緣膜214、絕緣膜216；與氧化物半導體膜208電連接的用作源極電極的導電膜212a；以及與氧化物半導體膜208電連接的用作汲極電極的導電膜212b。此外，在電晶體260上，更詳細而言，在導電膜212a、212b及絕緣膜216上設置有絕緣膜218。絕緣膜214及絕緣膜216具有作為氧化物半導體膜208的保護絕緣膜的功能。絕緣膜218具有作為電晶體260的保護絕緣膜的功能。
電晶體260與圖15A至圖15C所示的電晶體250的不同之處在於絕緣膜214、216的形狀。明確而言，電晶體260的絕緣膜214、216以島狀設置在氧化物半導體膜208的通道區域上。其他組件與電晶體250相同，具有同樣的效果。
〈2-4.半導體裝置的結構實例〉
接著，參照圖17A至圖17C說明與圖14A至圖14C所示的電晶體200不同的結構實例。
圖17A是作為本發明的一個實施方式的半導體裝置的電晶體270的俯視圖，圖17B相當於沿著圖17A所示的點劃線X1-X2的切斷面的剖面圖，圖17C相當於沿著圖17A所示的點劃線Y1-Y2的切斷面的剖面圖。
電晶體270包括：基板202上的用作第一閘極電極的導電膜204；基板202及導電膜204上的絕緣膜206；絕緣膜206上的絕緣膜207；絕緣膜207上的氧化物半導體膜208；氧化物半導體膜208上的絕緣膜214、絕緣膜216；與氧化物半導體膜208電連接的用作源極電極的導電膜212a；與氧化物半導體膜208電連接的用作汲極電極的導電膜212b；導電膜212a、212b以及絕緣膜216上的絕緣膜218；以及絕緣膜218上的導電膜220a、220b。
在電晶體270中，絕緣膜214、216、218具有作為電晶體270的第二閘極絕緣膜的功能。在電晶體270中，導電膜220a例如具有用於顯示裝置的像素電極的功能。導電膜220a藉由設置於絕緣膜214、216、218中的開口部252c與導電膜212b連接。另外，在電晶體270中，導電膜220b具有作為第二閘極電極(也稱為背閘極電極)的功能。
如圖17C所示，導電膜220b藉由設置於絕緣膜206、207、214、216、218中的開口部252a、252b連接到用作第一閘極電極的導電膜204。因此，相同的電位被施加到導電膜220b和導電膜204。
在本實施方式中例示出設置開口部252a、252b使導電膜220b與導電膜204連接的結構，但是不侷限於此。例如，也可以採用僅形成開口部252a和開口部252b中的任一個而使導電膜220b與導電膜204連接的結構，或者，不設置開口部252a和開口部252b而不使導電膜220b與導電膜204連接的結構。當採用不使導電膜220b與導電膜204連接的結構時，可以對導電膜220b和導電膜204施加不同的電位。
如圖17B所示，氧化物半導體膜208與用作第一閘極電極的導電膜204及用作第二閘極電極的導電膜220b的每一個相對，並被夾在兩個用作閘極電極的導電膜之間。用作第二閘極電極的導電膜220b的通道長度方向的長度及通道寬度方向的長度分別大於氧化物半導體膜208的通道長度方向的長度及通道寬度方向的長度，並且，導電膜220b隔著絕緣膜214、216、218覆蓋整個氧化物半導體膜208。此外，因為用作第二閘極電極的導電膜220b藉由設置於絕緣膜206、207、214、216、218中的開口部252a、252b連接到用作第一閘極電極的導電膜204，所以氧化物半導體膜208的通道寬度方向的側面隔著絕緣膜214、216、218與用作第二閘極電極的導電膜220b相對。
換言之，在電晶體270的通道寬度方向上，用作第一閘極電極的導電 膜204與用作第二閘極電極的導電膜220b藉由設置於用作第一閘極絕緣膜的絕緣膜206、207及用作第二閘極絕緣膜的絕緣膜214、216、218中的開口部相互連接，並且，該導電膜204及該導電膜220b隔著用作第一閘極絕緣膜的絕緣膜206、207及用作第二閘極絕緣膜的絕緣膜214、216、218圍繞氧化物半導體膜208。
藉由採用上述結構，利用用作第一閘極電極的導電膜204及用作第二閘極電極的導電膜220b的電場電圍繞電晶體270所包括的氧化物半導體膜208。如電晶體270所示，可以將利用第一閘極電極及第二閘極電極的電場電圍繞形成有通道區域的氧化物半導體膜的電晶體的裝置結構稱為surrounded channel(s-channel)結構。
因為電晶體270具有s-channel結構，所以可以藉由利用用作第一閘極電極的導電膜204對氧化物半導體膜208有效地施加用來引起通道的電場。由此，電晶體270的電流驅動能力得到提高，從而可以得到較高的通態電流(on-state current)特性。此外，由於可以增加通態電流，所以可以使電晶體270微型化。另外，由於電晶體270具有被用作第一閘極電極的導電膜204及用作第二閘極電極的導電膜220b圍繞的結構，所以可以提高電晶體270的機械強度。
〈2-5.半導體裝置的結構實例〉
接著，參照圖18A至圖18D說明與圖17A至圖17C所示的電晶體270 不同的結構實例。
圖18A和圖18B是圖17B和圖17C所示的電晶體270的變形實例的剖面圖。圖18C和圖18D是圖17B和圖17C所示的電晶體270的變形實例的剖面圖。
圖18A和圖18B所示的電晶體270A除了氧化物半導體膜208具有三層結構之外具有與圖17B和圖17C所示的電晶體270相同的結構。明確而言，電晶體270A的氧化物半導體膜208包括氧化物半導體膜208a、氧化物半導體膜208b以及氧化物半導體膜208c。
圖18C和圖18D所示的電晶體270B除了氧化物半導體膜208具有兩層結構之外具有與圖17B和圖17C所示的電晶體270相同的結構。明確而言，電晶體270B的氧化物半導體膜208包括氧化物半導體膜208b及氧化物半導體膜208c。
在此，參照圖19A和圖19B說明氧化物半導體膜208a、208b、208c以及接觸於氧化物半導體膜208b、208c的絕緣膜的能帶結構。
圖19A示出疊層體的膜厚度方向上的能帶結構的一個例子，該疊層體包括絕緣膜207、氧化物半導體膜208a、208b、208c以及絕緣膜214。圖19B示出疊層體的膜厚度方向上的能帶結構的一個例子，該疊層體包括絕緣膜 207、氧化物半導體膜208b、208c以及絕緣膜214。在能帶結構中，為了容易理解，示出絕緣膜207、氧化物半導體膜208a、208b、208c及絕緣膜214的導帶底的能階(Ec)。
在圖19A的能帶圖中，作為絕緣膜207、214使用氧化矽膜，作為氧化物半導體膜208a使用利用金屬元素的原子數比為In：Ga：Zn=1：1：1.2的金屬氧化物靶材而形成的氧化物半導體膜，作為氧化物半導體膜208b使用利用金屬元素的原子數比為In：Ga：Zn=4：2：4.1的金屬氧化物靶材而形成的氧化物半導體膜，作為氧化物半導體膜208c使用利用金屬元素的原子數比為In：Ga：Zn=1：1：1.2的金屬氧化物靶材而形成的氧化物半導體膜。
在圖19B的能帶圖中，作為絕緣膜207、214使用氧化矽膜，作為氧化物半導體膜208b使用利用金屬元素的原子數比為In：Ga：Zn=4：2：4.1的金屬氧化物靶材而形成的氧化物半導體膜，作為氧化物半導體膜208c使用利用金屬元素的原子數比為In：Ga：Zn=1：1：1.2的金屬氧化物靶材而形成的氧化物半導體膜。
如圖19A和圖19B所示，在氧化物半導體膜208a、208b、208c中，導帶底的能階平緩地變化。也可以說連續地變化或連續接合。為了實現這種能帶結構，使在氧化物半導體膜208a與氧化物半導體膜208b的介面處或氧化物半導體膜208b與氧化物半導體膜208c的介面處不存在形成陷阱中心或再結合中心等缺陷能階的雜質。
為了在氧化物半導體膜208a與氧化物半導體膜208b之間及在氧化物半導體膜208b與氧化物半導體膜208c之間形成連續接合，需要使用具備負載鎖定室的多室沉積装置(濺射裝置)以使各膜不暴露於大氣中的方式連續地層疊。
藉由採用圖19A和圖19B所示的結構，氧化物半導體膜208b成為井(well)，並且在使用上述疊層結構的電晶體中，通道區域形成在氧化物半導體膜208b中。
藉由設置氧化物半導體膜208a、208c，可以使有可能形成在氧化物半導體膜208b中的陷阱能階遠離氧化物半導體膜208b。
有時與用作通道區域的氧化物半導體膜208b的導帶底能階(Ec)相比，陷阱能階離真空能階更遠，而在陷阱能階中容易積累電子。當電子積累在陷阱能階中時，成為負固定電荷，導致電晶體的臨界電壓向正方向漂移。因此，較佳為採用陷阱能階比氧化物半導體膜208b的導帶底能階(Ec)更接近於真空能階的結構。藉由採用上述結構，電子不容易積累在陷阱能階，所以能夠增大電晶體的通態電流，並且還能夠提高場效移動率。
氧化物半導體膜208a、208c與氧化物半導體膜208b相比導帶底的能階更接近於真空能階，典型的是，氧化物半導體膜208b的導帶底能階與氧化 物半導體膜208a、208c的導帶底能階之差為0.15eV以上或0.5eV以上，且為2eV以下或1eV以下。換言之，氧化物半導體膜208a、208c的電子親和力與氧化物半導體膜208b的電子親和力之差為0.15eV以上或0.5eV以上，且為2eV以下或1eV以下。
藉由具有上述結構，氧化物半導體膜208b成為電流的主要路徑並被用作通道區域。此外，由於氧化物半導體膜208a、208c包括形成有通道區域的氧化物半導體膜208b所包含的金屬元素中的一種以上，所以在氧化物半導體膜208a與氧化物半導體膜208b的介面處或在氧化物半導體膜208b與氧化物半導體膜208c的介面處不容易產生介面散射。由此，在該介面處載子的移動不被阻礙，因此電晶體的場效移動率得到提高。
注意，為了防止氧化物半導體膜208a、208c被用作通道區域的一部分，氧化物半導體膜208a、208c使用導電率夠低的材料。或者，氧化物半導體膜208a、208c使用其電子親和力(真空能階與導帶底能階之差)低於氧化物半導體膜208b且其導帶底能階與氧化物半導體膜208b的導帶底能階有差異(能帶偏移)的材料。此外，為了抑制產生起因於汲極電壓值的臨界電壓之間的差異，氧化物半導體膜208a、208c較佳為使用其導帶底能階比氧化物半導體膜208b的導帶底能階更接近於真空能階0.2eV以上，較佳為0.5eV以上的材料。
在氧化物半導體膜208a、208c中較佳為不包含尖晶石型結晶結構。在 氧化物半導體膜208a、208c中包含尖晶石型結晶結構時，導電膜212a、212b的構成元素有時會擴散到氧化物半導體膜208b中的該尖晶石型結晶結構與其他區域的介面處。注意，在氧化物半導體膜208a、208c為CAAC-OS的情況下，阻擋導電膜212a、212b的構成元素如銅元素的性能得到提高，所以是較佳的。
氧化物半導體膜208a、208c的厚度大於或等於足以抑制導電膜212a、212b的構成元素擴散到氧化物半導體膜208b的厚度且小於從絕緣膜214向氧化物半導體膜208b的氧的供應被抑制的厚度。例如，當氧化物半導體膜208a、208c的厚度為10nm以上時，能夠抑制導電膜212a、212b的構成元素擴散到氧化物半導體膜208b。另外，當氧化物半導體膜208a、208c的厚度為100nm以下時，能夠有效地從絕緣膜214向氧化物半導體膜208b供應氧。
在本實施方式中，雖然氧化物半導體膜208a、208c使用金屬元素的原子數比為In：Ga：Zn=1：1：1.2的金屬氧化物靶材形成，但是不侷限於此。例如，氧化物半導體膜208a、208c可以使用In：Ga：Zn=1：1：1[原子數比]、In：Ga：Zn=1：3：2[原子數比]、In：Ga：Zn=1：3：4[原子數比]或者In：Ga：Zn=1：3：6[原子數比]的金屬氧化物靶材形成。
當氧化物半導體膜208a、208c使用In：Ga：Zn=1：1：1[原子數比]的金屬氧化物靶材形成時，氧化物半導體膜208a、208c有可能具有In：Ga：Zn=1：β1(0<β1
Figure 109108822-A0101-12-0064-18
2)：β2(0<β2
Figure 109108822-A0101-12-0064-19
3)的原子數比。另外，當氧化物半導體 膜208a、208c使用In：Ga：Zn=1：3：4[原子數比]的金屬氧化物靶材形成時，氧化物半導體膜208a、208c有可能具有In：Ga：Zn=1：β3(1
Figure 109108822-A0101-12-0065-20
β3
Figure 109108822-A0101-12-0065-21
5)：β4(2
Figure 109108822-A0101-12-0065-26
β4
Figure 109108822-A0101-12-0065-27
6)的原子數比。另外，當氧化物半導體膜208a、208c使用In：Ga：Zn=1：3：6[原子數比]的金屬氧化物靶材形成時，氧化物半導體膜208a、208c有可能具有In：Ga：Zn=1：β5(1
Figure 109108822-A0101-12-0065-22
β5
Figure 109108822-A0101-12-0065-23
5)：β6(4
Figure 109108822-A0101-12-0065-24
β6
Figure 109108822-A0101-12-0065-25
8)的原子數比。
另外，在圖式中，電晶體200、270所包含的氧化物半導體膜208及電晶體270A、270B所包含的氧化物半導體膜208c的從導電膜212a、212b露出的區域的厚度薄，亦即氧化物半導體膜的一部分具有凹部。然而，本發明的一個實施方式不侷限於此，氧化物半導體膜的從導電膜212a、212b露出的區域也可以不具有凹部。圖20A至圖20D示出該種情況的例子。圖20A至圖20D是半導體裝置的一個例子的剖面圖。圖20A和圖20B示出上述電晶體200的氧化物半導體膜208不具有凹部時的結構，圖20C和圖20D示出上述電晶體270B的氧化物半導體膜208不具有凹部時的結構。
本實施方式的電晶體的結構可以自由地相互組合。
〈2-6.半導體裝置的製造方法〉
下面，參照圖式說明本發明的一個實施方式的半導體裝置的製造方法。
注意，本發明的一個實施方式的半導體裝置所包含的導電膜、絕緣膜、 氧化物半導體膜等各種膜可以利用濺射法、化學氣相沉積(CVD)法、電漿化學氣相沉積(PECVD)法、真空蒸鍍法、脈衝雷射沉積(PLD)法形成。注意，不侷限於此，例如也可以使用塗佈法、印刷法、熱CVD(Chemical Vapor Deposition)法或原子層沉積(ALD：Atomic Layer Deposition)法形成。作為熱CVD法的例子，可以舉出MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金屬化學氣相沉積)法等。可以利用MOCVD法形成導電膜、絕緣膜、氧化物半導體膜等。
由於熱CVD法是不使用電漿的成膜方法，因此具有不產生因電漿損傷引起的缺陷的優點。
可以以如下方法進行利用熱CVD法的成膜：將源氣體及氧化劑同時供應到腔室內，將腔室內的壓力設定為大氣壓或減壓，使其在基板附近或在基板上產生反應而沉積在基板上。
另外，也可以以如下方法進行利用ALD法的成膜：將腔室內的壓力設定為大氣壓或減壓，將用於反應的源氣體依次引入腔室，然後按該順序反復地引入氣體。例如，藉由切換各開關閥(也稱為高速閥)來將兩種以上的源氣體依次供應到腔室內。例如，為了防止多種源氣體混合，在引入第一源氣體的同時或之後引入惰性氣體(氬或氮等)等，然後引入第二源氣體。注意，當同時引入第一源氣體及惰性氣體時，惰性氣體被用作載子氣體，此外，可以在引入第二源氣體的同時引入惰性氣體。另外，也可以不 引入惰性氣體而藉由真空抽氣將第一源氣體排出，然後引入第二源氣體。第一源氣體附著於基板表面上，以形成第一層；然後第二源氣體被引入以與該第一層起反應；其結果，第二層層疊於第一層上，從而形成薄膜。藉由按該順序反復多次地引入氣體直到獲得所希望的厚度為止，可以形成步階覆蓋性良好的薄膜。由於薄膜的厚度可以根據按順序反復引入氣體的次數來進行調節，因此，ALD法可以精確地調節厚度而適用於製造微型FET。
藉由MOCVD法等熱CVD法可以形成上述實施方式所記載的導電膜、絕緣膜、氧化物半導體膜、金屬氧化膜等各種膜，例如，當形成In-Ga-Zn-O膜時，使用三甲基銦、三甲基鎵及二甲基鋅。三甲基銦的化學式為In(CH3)3。三甲基鎵的化學式為Ga(CH3)3。另外，二甲基鋅的化學式為Zn(CH3)2。另外，不侷限於上述組合，也可以使用三乙基鎵(化學式為Ga(C2H5)3)代替三甲基鎵，並使用二乙基鋅(化學式為Zn(C2H5)2)代替二甲基鋅。
例如，在使用利用ALD法的沉積装置形成氧化鉿膜時，使用如下兩種氣體：藉由使包含溶劑和鉿前體化合物的液體(鉿醇鹽、四二甲基醯胺鉿(TDMAH)等鉿醯胺)氣化而得到的源氣體；以及用作氧化劑的臭氧(O3)。此外，四二甲基醯胺鉿的化學式為Hf[N(CH3)2]4。另外，作為其它材料液有四(乙基甲基醯胺)鉿等。
例如，在使用利用ALD法的沉積装置形成氧化鋁膜時，使用如下兩種氣體：藉由使包含溶劑和鋁前體化合物的液體(三甲基鋁(TMA)等)氣 化而得到的源氣體；以及用作氧化劑的H2O。此外，三甲基鋁的化學式為Al(CH3)3。另外，作為其它材料液有三(二甲基醯胺)鋁、三異丁基鋁、鋁三(2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酮)等。
例如，在使用利用ALD法的沉積装置形成氧化矽膜時，使六氯乙矽烷附著於被成膜面上，去除附著物所包含的氯，供應氧化性氣體(O2、一氧化二氮)的自由基使其與附著物起反應。
例如，在使用利用ALD法的沉積装置形成鎢膜時，依次反復引入WF6氣體和B2H6氣體形成初始鎢膜，然後使用WF6氣體和H2氣體形成鎢膜。注意，也可以使用SiH4氣體代替B2H6氣體。
例如，在使用利用ALD法的沉積装置形成氧化物半導體膜如In-Ga-ZnO膜時，使用In(CH3)3氣體和O3氣體形成In-O層，使用Ga(CH3)3氣體和O3氣體形成GaO層，然後使用Zn(CH3)2氣體和O3氣體形成ZnO層。注意，這些層的順序不侷限於上述例子。此外，也可以混合這些氣體來形成混合化合物層如In-Ga-O層、In-Zn-O層、Ga-Zn-O層等。注意，雖然也可以使用利用Ar等惰性氣體進行起泡而得到的H2O氣體代替O3氣體，但是較佳為使用不包含H的O3氣體。另外，也可以使用In(C2H5)3氣體代替In(CH3)3氣體。也可以使用Ga(C2H5)3氣體代替Ga(CH3)3氣體。也可以使用Zn(CH3)2氣體。
[半導體裝置的製造方法1]
首先，參照圖21A至圖23F對本發明的一個實施方式的半導體裝置的圖18C和圖18D所示的電晶體270B的製造方法進行說明。圖21A至圖21F、圖22A至圖22F及圖23A至圖23F是說明半導體裝置的製造方法的剖面圖。另外，圖21A、圖21C、圖21E、圖22A、圖22C、圖22E、圖23A、圖23C及圖23E是通道長度方向的剖面圖，圖21B、圖21D、圖21F、圖22B、圖22D、圖22F、圖23B、圖23D及圖23F是通道寬度方向的剖面圖。
首先，在基板202上形成導電膜，藉由光微影製程及蝕刻製程對該導電膜進行加工，來形成用作閘極電極的導電膜204。接著，在導電膜204上形成用作閘極絕緣膜的絕緣膜206、207(參照圖21A和圖21B)。
在本實施方式中，作為基板202使用玻璃基板。作為用作閘極電極的導電膜204，藉由濺射法形成厚度為100nm的鎢膜。作為絕緣膜206，藉由PECVD法形成厚度為400nm的氮化矽膜，作為絕緣膜207藉由PECVD法形成厚度為50nm的氧氮化矽膜。
作為絕緣膜206，可以採用氮化矽膜的疊層結構。明確而言，作為絕緣膜206，可以採用第一氮化矽膜、第二氮化矽膜及第三氮化矽膜的三層結構。該三層結構例如可以如下所示那樣形成。
可以在如下條件下形成厚度為50nm的第一氮化矽膜：例如，作為源氣 體使用流量為200sccm的矽烷、流量為2000sccm的氮以及流量為100sccm的氨氣體，向PECVD設備的反應室內供應該源氣體，將反應室內的壓力控制為100Pa，使用27.12MHz的高頻電源供應2000W的功率。
可以在如下條件下形成厚度為300nm的第二氮化矽膜：作為源氣體使用流量為200sccm的矽烷、流量為2000sccm的氮以及流量為2000sccm的氨氣體，向PECVD設備的反應室內供應該源氣體，將反應室內的壓力控制為100Pa，使用27.12MHz的高頻電源供應2000W的功率。
可以在如下條件下形成厚度為50nm的第三氮化矽膜：作為源氣體使用流量為200sccm的矽烷以及流量為5000sccm的氮，向PECVD設備的反應室內供應該源氣體，將反應室內的壓力控制為100Pa，使用27.12MHz的高頻電源供應2000W的功率。
另外，可以將形成上述第一氮化矽膜、第二氮化矽膜及第三氮化矽膜時的基板溫度設定為350℃以下。
藉由作為絕緣膜206採用氮化矽膜的三層結構，例如在作為導電膜204使用包含銅(Cu)的導電膜的情況下，能夠發揮如下效果。
第一氮化矽膜可以抑制銅(Cu)元素從導電膜204擴散。第二氮化矽膜具有釋放氫的功能，可以提高用作閘極絕緣膜的絕緣膜的耐壓。第三氮 化矽膜是氫的釋放量少且可以抑制從第二氮化矽膜釋放的氫擴散的膜。
作為絕緣膜207，為了提高絕緣膜207與後面形成的氧化物半導體膜208(更明確而言，氧化物半導體膜208b)的介面特性，較佳為使用包含氧的絕緣膜形成。
接著，在絕緣膜207上形成氧化物半導體膜的疊層膜，將該疊層膜加工為所希望的形狀，由此形成包含氧化物半導體膜208b及氧化物半導體膜208c的島狀氧化物半導體膜208(參照圖21C和圖21D)。
氧化物半導體膜208的成膜溫度為室溫以上且低於340℃，較佳為室溫以上且300℃以下，更佳為100℃以上且250℃以下，進一步較佳為100℃以上且200℃以下。藉由在加熱的同時形成氧化物半導體膜208，可以提高氧化物半導體膜208的結晶性。另一方面，當作為基板202使用大型玻璃基板(例如，第六代至第十代)時，在氧化物半導體膜208的成膜溫度為150℃以上且低於340℃的情況下，基板202有可能變形(應變或翹曲)。因此，在使用大型玻璃基板的情況下，藉由將氧化物半導體膜208的成膜溫度設定為100℃以上且低於150℃，可以抑制玻璃基板的變形。
氧化物半導體膜208b與氧化物半導體膜208c的成膜時的基板溫度可以相同，也可以不同。然而，藉由使氧化物半導體膜208b與氧化物半導體膜208c的基板溫度相同，可以降低製造成本，所以是較佳的。
在本實施方式中，使用In-Ga-Zn金屬氧化物靶材(In：Ga：Zn=4：2：4.1[原子數比])藉由濺射法形成將成為氧化物半導體膜208b的氧化物半導體膜，此後在真空中連續地使用In-Ga-Zn金屬氧化物靶材(In：Ga：Zn=1：1：1.2[原子數比])藉由濺射法形成將成為氧化物半導體膜208c的氧化物半導體膜。另外，將將成為氧化物半導體膜208的氧化物半導體膜的成膜時的基板溫度設定為170℃。另外，作為將成為氧化物半導體膜208的氧化物半導體膜的沉積氣體使用氧及氬。
另外，在藉由濺射法形成氧化物半導體膜的情況下，作為濺射氣體，適當地使用稀有氣體(典型的是氬)、氧、稀有氣體和氧的混合氣體。此外，當採用混合氣體時，較佳為增高相對於稀有氣體的氧氣體比例。另外，需要進行濺射氣體的高度純化。例如，作為用作濺射氣體的氧氣體或氬氣體，使用露點為-40℃以下，較佳為-80℃以下，更佳為-100℃以下，進一步較佳為-120℃以下的高純度氣體，由此可以儘可能地防止水分等混入氧化物半導體膜。
另外，在藉由濺射法形成氧化物半導體膜的情況下，濺射氣體較佳為包含氧。當形成氧化物半導體膜時，在濺射氣體包含氧的情況下，可以在形成氧化物半導體膜的同時對其下的膜(在此，為絕緣膜207)添加氧。由此，可以在絕緣膜207中形成過量氧區域。
另外，在藉由濺射法形成氧化物半導體膜的情況下，較佳為使用低溫泵等吸附式真空抽氣泵對濺射裝置的腔室進行高真空抽氣(抽空到5×10-7Pa至1×10-4Pa左右)以儘可能地去除對氧化物半導體膜來說是雜質的水等。或者，較佳為組合渦輪分子泵和冷阱來防止氣體，尤其是包含碳或氫的氣體從抽氣系統倒流到腔室內。
接著，在絕緣膜207及氧化物半導體膜208上藉由濺射法形成將成為源極電極及汲極電極的導電膜212(參照圖21E和圖21F)。
在本實施方式中，作為導電膜212，藉由濺射法形成依次層疊有厚度為50nm的鎢膜和厚度為400nm的鋁膜的疊層膜。注意，在本實施方式中，作為導電膜212採用兩層的疊層結構，但不侷限於此。例如，作為導電膜212可以採用依次層疊有厚度為50nm的鎢膜、厚度為400nm的鋁膜和厚度為100nm的鈦膜的三層結構。
接著，藉由將導電膜212加工為所希望的形狀，形成彼此分離的導電膜212a、212b(參照圖22A和圖22B)。
在本實施方式中，使用乾蝕刻裝置對導電膜212進行加工。然而，導電膜212的加工方法不侷限於此，例如也可以使用濕蝕刻裝置。與濕蝕刻裝置相比，當使用乾蝕刻裝置對導電膜212進行加工時，可以形成更微細的圖案。另一方面，與乾蝕刻裝置相比，當使用濕蝕刻裝置對導電膜212 進行加工時，可以降低製造成本。
此外，也可以在形成導電膜212a、212b後洗滌氧化物半導體膜208(更明確而言，氧化物半導體膜208c)的表面(背後通道一側)。作為洗滌方法，例如可以舉出使用磷酸等藥液的洗滌。藉由使用磷酸等藥液進行洗滌，可以去除附著於氧化物半導體膜208c表面的雜質(例如，包含在導電膜212a、212b中的元素等)。注意，不一定必須進行該洗滌，根據情況可以不進行該洗滌。
另外，在導電膜212a、212b的形成過程和/或上述洗滌製程中，有時氧化物半導體膜208的從導電膜212a、212b露出的區域有時變薄。例如，有時形成氧化物半導體膜208c的厚度比氧化物半導體膜208b薄的區域。
接著，在氧化物半導體膜208及導電膜212a、212b上形成絕緣膜214、絕緣膜216(參照圖22C和圖22D)。
較佳的是，在形成絕緣膜214之後，在不暴露於大氣的狀態下連續地形成絕緣膜216。在形成絕緣膜214之後，在不暴露於大氣的狀態下，調節源氣體的流量、壓力、高頻功率和基板溫度中的一個以上而連續地形成絕緣膜216，由此可以減少絕緣膜214與絕緣膜216的介面處的來源於大氣成分的雜質濃度，並且可以使包含於絕緣膜214、216中的氧移動到氧化物半導體膜208中，從而可以降低氧化物半導體膜208中的氧缺陷的量。
例如，作為絕緣膜214，藉由PECVD法可以形成氧氮化矽膜。此時，作為源氣體，較佳為使用含有矽的沉積氣體及氧化性氣體。含有矽的沉積氣體的典型例子為矽烷、乙矽烷、丙矽烷、氟化矽烷等。作為氧化性氣體，有一氧化二氮、二氧化氮等。另外，藉由在如下條件下利用PECVD法，可以形成包含氮且缺陷量少的絕緣膜214：在相對於上述沉積氣體流量的氧化性氣體流量大於20倍且小於100倍，較佳為40倍以上且80倍以下，並且，處理室內的壓力低於100Pa，較佳為50Pa以下。
在本實施方式中，作為絕緣膜214，在如下條件下利用PECVD法形成氧氮化矽膜：保持基板202的溫度為220℃，作為源氣體使用流量為50sccm的矽烷及流量為2000sccm的一氧化二氮，處理室內的壓力為20Pa，並且，供應到平行板電極的高頻功率為13.56MHz、100W(功率密度為1.6×10-2W/cm2)。
作為絕緣膜216，在如下條件下形成氧化矽膜或氧氮化矽膜：將設置於進行了真空抽氣的PECVD設備的處理室內的基板溫度保持為180℃以上且350℃以下，將源氣體引入處理室中並將處理室內的壓力設定為100Pa以上且250Pa以下，較佳為100Pa以上且200Pa以下，並且，對設置於處理室內的電極供應0.17W/cm2以上且0.5W/cm2以下，較佳為0.25W/cm2以上且0.35W/cm2以下的高頻功率。
在絕緣膜216的成膜條件中，對具有上述壓力的反應室中供應具有上述功率密度的高頻功率，由此在電漿中源氣體的分解效率得到提高，氧自由基增加，且促進源氣體的氧化，使得絕緣膜216中的含氧量超過化學計量組成。另一方面，在以上述溫度範圍內的基板溫度形成的膜中，由於矽與氧的鍵合力較弱，因此，藉由後面製程的加熱處理而使膜中的氧的一部分脫離。其結果，可以形成含氧量超過化學計量組成且藉由加熱釋放氧的一部分的氧化物絕緣膜。
在絕緣膜216的形成製程中，絕緣膜214被用作氧化物半導體膜208的保護膜。因此，可以在減少對氧化物半導體膜208造成的損傷的同時使用功率密度高的高頻功率形成絕緣膜216。
另外，在絕緣膜216的成膜條件中，藉由增加相對於氧化性氣體的包含矽的沉積氣體的流量，可以減少絕緣膜216中的缺陷量。典型的是，能夠形成缺陷量較少的氧化物絕緣層，其中藉由ESR測得的起因於矽懸空鍵且在g=2.001處出現的信號的自旋密度低於6×1017spins/cm3，較佳為3×1017spins/cm3以下，更佳為1.5×1017spins/cm3以下。其結果，能夠提高電晶體的可靠性。
較佳為在形成絕緣膜214、216之後進行加熱處理(以下，稱為第一加熱處理)。藉由第一加熱處理，可以降低包含於絕緣膜214、216中的氮氧化物。此外，藉由第一加熱處理，可以將絕緣膜214、216中的氧的一部分移 動到氧化物半導體膜208中以降低氧化物半導體膜208中的氧缺陷的量。
將第一加熱處理的溫度典型地設定為低於400℃，較佳為低於375℃，進一步較佳為150℃以上且350℃以下。第一加熱處理可以在氮、氧、超乾燥空氣(含水量為20ppm以下，較佳為1ppm以下，較佳為10ppb以下的空氣)或稀有氣體(氬、氦等)的氛圍下進行。在該加熱處理中，較佳為在上述氮、氧、超乾燥空氣或稀有氣體中不含有氫、水等，並可以使用電爐、RTA(Rapid Thermal Anneal：快速熱退火)裝置等進行該加熱處理。
接著，在絕緣膜216上形成障壁膜230，並隔著障壁膜230對絕緣膜216、214或者氧化物半導體膜208添加氧240(參照圖22E和圖22F)。
在圖22E和圖22F中，由虛線的箭頭示意性地表示添加到絕緣膜214或絕緣膜216的氧。
障壁膜230具有透過氧並抑制氧的釋放的功能。障壁膜230例如包含氧及金屬(銦、鋅、鈦、鋁、鎢、鉭、鉬、鉿和釔中的至少一個)。尤其是，當障壁膜230包含銦錫氧化物(也稱為ITO)、銦錫矽氧化物(In-Sn-Si氧化物：以下也稱為ITSO)或者氧化銦時，凹凸的覆蓋性得到提高，所以是較佳的。或者，障壁膜230也可以使用上述氧化物半導體膜(例如，In：Ga：Zn=1：1：1[原子數比]、In：Ga：Zn=1：3：2[原子數比]、In：Ga：Zn=1：3：4[原子數比]、In：Ga：Zn=1：3：6[原子數比]、In：Ga：Zn=4：2：3[原子數 比]等)。
障壁膜230可以藉由濺射法形成。當障壁膜230的厚度薄時，有時難以抑制氧從絕緣膜216釋放到外部。另一方面，當障壁膜230的厚度厚時，有時不能有效地對絕緣膜216添加氧。因此，障壁膜230的厚度較佳為1nm以上且20nm以下或者2nm以上且10nm以下。在本實施方式中，作為障壁膜230形成厚度為5nm的ITSO。
作為隔著障壁膜230對絕緣膜216添加氧240的方法，有離子摻雜法、離子植入法、電漿處理法等。另外，根據添加氧240的裝置或添加條件，有時還可以對絕緣膜216之下的絕緣膜214或者氧化物半導體膜208添加氧240。另外，作為氧240，可以舉出過量氧或者氧自由基等。另外，當添加氧240時，藉由對基板一側施加偏壓，可以有效地將氧240添加到絕緣膜216。當施加偏壓時，例如使用灰化裝置，可以將施加到該灰化裝置所包括的一對電極之間的偏壓的功率密度設定為1W/cm2以上且5W/cm2以下。藉由在絕緣膜216上設置障壁膜230並添加氧240，障壁膜230起到抑制氧從絕緣膜216脫離的作為保護膜的作用。由此，可以對絕緣膜216添加更多的氧。
在隔著障壁膜230對絕緣膜216添加氧240之後，也可以進行加熱處理(以下，稱為第二加熱處理)。第二加熱處理可以與上述第一加熱處理同樣地進行。
接著，去除障壁膜230並使絕緣膜216的表面露出，然後在絕緣膜216上形成絕緣膜218(參照圖23A和圖23B)。
注意，當去除障壁膜230時，有時絕緣膜216的一部分也被去除。作為障壁膜230的去除方法，可以舉出乾蝕刻法、濕蝕刻法或者組合乾蝕刻法和濕蝕刻法的方法等。在本實施方式中，藉由濕蝕刻法去除障壁膜230。當藉由濕蝕刻法去除障壁膜230時，可以抑制製造成本，所以是較佳的。
絕緣膜218例如可以藉由濺射法或PECVD法形成。例如，當藉由PECVD法形成絕緣膜218時，使基板溫度低於400℃，較佳為低於375℃，進一步較佳為180℃以上且350℃以下。藉由將絕緣膜218的成膜時的基板溫度設定為上述範圍，可以形成緻密的膜，所以是較佳的。另外，藉由將絕緣膜218的成膜時的基板溫度設定為上述範圍，可以將絕緣膜214、216中的氧或者過量氧移動到氧化物半導體膜208。
在形成絕緣膜218之後，也可以進行與上述第二加熱處理同等的加熱處理(以下，稱為第三加熱處理)。如此，在將氧240添加到絕緣膜216之後，以低於400℃，較佳為低於375℃，進一步較佳為180℃以上且350℃以下的溫度進行加熱處理，可以將絕緣膜216中的氧或者過量氧移動到氧化物半導體膜208(尤其是氧化物半導體膜208b)中，由此可以填補氧化物半導體膜208中的氧缺陷。
在此，參照圖24A和圖24B對移動到氧化物半導體膜208中的氧進行說明。圖24A和圖24B為示出因形成絕緣膜218時的基板溫度(典型的是低於375℃)或者形成絕緣膜218之後第三加熱處理(典型的是低於375℃)而移動到氧化物半導體膜208中的氧的模型圖。注意，在圖24A和圖24B中，由虛線的箭頭表示移動到氧化物半導體膜208中的氧(氧自由基、氧原子或者氧分子)。
當氧從接觸於圖24A和圖24B所示的氧化物半導體膜208的膜(在此，為絕緣膜207及絕緣膜214)移動到氧化物半導體膜208時，氧缺陷被填補。尤其是，在本發明的一個實施方式的半導體裝置中，在藉由濺射法形成氧化物半導體膜208時，由於使用氧氣體對絕緣膜207添加氧，因此絕緣膜207包含過量氧區域。另外，由於隔著障壁膜230添加氧，所以絕緣膜214、216包含過量氧區域。如此，由於氧化物半導體膜208夾在該包含過量氧區域的絕緣膜之間，因此可以被有效地填補氧缺陷。
另外，在絕緣膜207之下設置有絕緣膜206，在絕緣膜214、216之上設置有絕緣膜218。藉由使用氧透過性低的材料，例如，氮化矽等形成絕緣膜206、218，可以將絕緣膜207、214、216所包含的氧封閉在氧化物半導體膜208一側，所以可以有效地將氧移動到氧化物半導體膜208。
例如，當作為絕緣膜218利用PECVD法形成氮化矽膜時，作為源氣體較佳為使用包含矽的沉積氣體、氮及氨。藉由使用少於氮的氨，在電漿中 氨離解而產生活性種。該活性種將包括在包含矽的沉積氣體中的矽與氫之間的鍵合及氮分子之間的三鍵切斷。其結果，可以促進矽與氮的鍵合，而可以形成矽與氫的鍵合少、缺陷少且緻密的氮化矽膜。另一方面，在氨量比氮量多時，包含矽的沉積氣體及氮的分解不進展，矽與氫的鍵合會殘留下來，而導致形成缺陷增加且不緻密的氮化矽膜。由此，在源氣體中，將相對於氨的氮流量比設定為5倍以上且50倍以下，較佳為10倍以上且50倍以下。
在本實施方式中，作為絕緣膜218，藉由利用PECVD設備並使用矽烷、氮及氨作為源氣體，形成厚度為50nm的氮化矽膜。矽烷的流量為50sccm，氮的流量為5000sccm，氨的流量為100sccm。將處理室的壓力設定為100Pa，將基板溫度設定為350℃，用27.12MHz的高頻電源對平行板電極供應1000W的高頻功率。PECVD設備是電極面積為6000cm2的平行板型PECVD設備，並且，將所供應的功率的換算為每單位面積的功率(功率密度)為1.7×10-1W/cm2。
接著，藉由光微影製程在絕緣膜218上形成遮罩，在絕緣膜214、216、218的所希望的區域中形成開口部252c。此外，藉由光微影製程在絕緣膜218上形成遮罩，在絕緣膜206、207、214、216、218的所希望的區域中形成開口部252a、252b。開口部252c以到達導電膜212b的方式形成。此外，開口部252a、252b以都到達導電膜204的方式形成(參照圖23C和圖23D)。
開口部252a、252b及開口部252c可以以同一製程形成，也可以以不同製程形成。當以同一製程形成開口部252a、252b及開口部252c時，例如可以使用灰色調遮罩或半色調遮罩形成。另外，也可以分多次形成開口部252a、252b。例如，也可以預先在絕緣膜206、207中形成開口部，然後對該開口部上的絕緣膜214、216、218進行開口。
接著，以覆蓋開口部252a、252b、252c的方式在絕緣膜218上形成導電膜，且將該導電膜加工為所希望的形狀，來形成導電膜220a及220b(參照圖23E和圖23F)。
作為將成為導電膜220a、220b的導電膜，例如可以使用包含選自銦(In)、鋅(Zn)和錫(Sn)中的一種的材料。導電膜220a、220b尤其可以使用包含氧化鎢的銦氧化物、包含氧化鎢的銦鋅氧化物、包含氧化鈦的銦氧化物、包含氧化鈦的銦錫氧化物、銦錫氧化物(ITO)、銦鋅氧化物、銦錫矽氧化物(ITSO)等透光導電材料。將成為導電膜220a、220b的導電膜例如可以藉由濺射法形成。在本實施方式中，藉由濺射法形成厚度為110nm的ITSO。
藉由上述步驟，可以製造圖18C和圖18D所示的電晶體270B。
在電晶體270B的整個製程中，藉由使基板溫度低於400℃，較佳為低於375℃，更佳為180℃以上且350℃以下，即使使用大面積的基板，也可 以抑制基板的變形(應變或翹曲)，所以是較佳的。在電晶體270B的製程中，絕緣膜206、207的成膜時的溫度(低於400℃，較佳為250℃以上且350℃以下)、氧化物半導體膜208的成膜時的溫度(室溫以上且低於340℃，較佳為100℃以上且200℃以下，更佳為100℃以上且低於150℃)、絕緣膜216、218的成膜時的溫度(低於400℃，較佳為低於375℃，進一步較佳為180℃以上且350℃以下)、添加氧240之後的第一加熱處理或者第二加熱處理的溫度(低於400℃，較佳為低於375℃，更佳為180℃以上且350℃以下)等被施加到基板。
本實施方式所示的結構、方法可以與其他實施方式例示的結構、方法適當地組合而實施。
[半導體裝置的製造方法2]
接著，對與上述[半導體裝置的製造方法1]不同的製造方法進行說明。
首先，與[半導體裝置的製造方法1]同樣，進行直到圖22C和圖22D為止的製程。接著，如圖22E和圖22F所示，形成障壁膜230並不添加氧240。然後，進行圖23C和圖23D及圖23E和圖23F所示的製程，而不進行圖23A和圖23B所示的製程。
在此情況下，障壁膜230選擇上述材料中的高絕緣性的材料形成即可。在本製造方法中，障壁膜230較佳為使用氧化鋁、氧化鉿或者氧化釔。
當作為障壁膜230藉由濺射法形成氧化鋁、氧化鉿或者氧化釔時，濺射氣體較佳為至少包含氧。在形成障壁膜230時的濺射氣體包含氧的情況下，該氧在電漿中成為氧自由基，該氧和/或氧自由基有時添加到絕緣膜216中。因此，可以不進行圖22E和圖22F所示的添加氧240的製程。換而言之，當形成障壁膜230時，可以同時進行氧添加處理及障壁膜230的成膜。注意，障壁膜230在障壁膜230的成膜時(尤其是成膜初期)具有添加氧的功能，而在形成障壁膜230之後(尤其是成膜後期)具有阻擋氧的功能。
另外，例如，當作為障壁膜230藉由濺射法形成氧化鋁時，有時在絕緣膜216與障壁膜230之間的介面附近形成混合層。例如，在絕緣膜216為氧氮化矽膜的情況下，作為該混合層有可能形成AlxSiyOz。注意，該混合層也可以包含過量氧區域。
另外，當作為障壁膜230使用氧化鋁、氧化鉿或者氧化釔時，由於氧化鋁、氧化鉿及氧化釔具有高絕緣性及高氧阻擋性，因此可以不進行圖23A和圖23B所示的形成絕緣膜218的製程。因此，可以使用障壁膜230代替絕緣膜218，而不需要去除障壁膜230。
另外，藉由使障壁膜230的成膜時的基板溫度低於400℃，較佳為低於375℃，更佳為180℃以上且350℃以下，可以將添加到絕緣膜216中的氧或者過量氧移動到氧化物半導體膜208中。
如此，藉由作為障壁膜230使用氧化鋁、氧化鉿或者氧化釔，可以縮短半導體裝置的製程，而可以抑制製造成本。
[半導體裝置的製造方法3]
下面，參照圖25A至圖26F詳細地說明作為本發明的一個實施方式的半導體裝置的圖15A至圖15C所示的電晶體250的製造方法。圖25A至圖26F是說明半導體裝置的製造方法的剖面圖。圖25A、圖25C、圖25E、圖26A、圖26C及圖26E是通道長度方向的剖面圖，圖25B、圖25D、圖25F、圖26B、圖26D及圖26F是通道寬度方向的剖面圖。
首先，在基板202上形成導電膜204、絕緣膜206、207、氧化物半導體膜208、絕緣膜214、216及障壁膜230(參照圖25A和圖25B)。
導電膜204、絕緣膜206、207、氧化物半導體膜208、絕緣膜214、216及障壁膜230參照[半導體裝置的製造方法1]的記載形成即可。
接著，隔著障壁膜230對絕緣膜214添加氧240(參照圖25C和圖25D)。
接著，去除障壁膜230。然後，藉由光微影製程在絕緣膜214上形成遮罩，並在絕緣膜214及絕緣膜216的所希望的區域中形成開口部251a、251b。開口部251a、251b到達氧化物半導體膜208(參照圖25E和圖25F)。
接著，以覆蓋開口部251a、251b的方式在絕緣膜214上形成導電膜212(參照圖26A和圖26B)。
藉由光微影製程在導電膜212上形成遮罩並將該導電膜加工為所希望的形狀，由此形成導電膜212a、212b(參照圖26C和圖26D)。
接著，在絕緣膜214及導電膜212a、212b上形成絕緣膜218(參照圖26E和圖26F)。
藉由上述製程，能夠製造圖15A至圖15C所示的電晶體250。
圖16A至圖16C所示的電晶體260可以經如下製程形成：當形成開口部251a、251b時，僅在氧化物半導體膜208的通道區域上形成絕緣膜214及絕緣膜216。
本實施方式所示的結構、方法可以與其他實施方式或其他實施所示的結構、方法適當地組合而實施。
實施方式3
在本實施方式中，參照圖27A至圖34C對能夠形成本發明的一個實施 方式的氧化物半導體膜的濺射裝置及沉積装置進行說明。注意，為了說明成膜時的工作，在圖式中示出配置有基板及靶材等的濺射裝置。然而，基板及靶材等是實施者適當地設置的，所以有時濺射裝置不包括基板及靶材。
〈3-1.濺射裝置〉
作為濺射裝置，例如可以使用平行板型濺射裝置及對向靶材型濺射裝置。可以將使用平行板型濺射裝置的成膜方法稱為PESP(parallel electrode sputtering)。另外，可以將使用對向靶材型濺射裝置的成膜方法稱為VDSP(vapor deposition sputtering)。
〈平行板型濺射裝置(PESP)〉
首先，對平行板型濺射裝置進行說明。圖27A是平行板型濺射裝置的沉積室301的剖面圖。圖27A所示的沉積室301包括靶材架320、底板310、靶材300、磁鐵單元330、基板架370。此外，靶材300配置在底板310上。底板310配置在靶材架320上。磁鐵單元330隔著底板310配置在靶材300下。基板架370以與靶材300面對的方式配置。此外，在本說明書中，將多個磁鐵(磁石)的組合稱為磁鐵單元。磁鐵單元也可以被稱為陰極、陰極磁鐵、磁力構件、磁力零件等。磁鐵單元330包括磁鐵330N、磁鐵330S、磁鐵架332。此外，在磁鐵單元330中，磁鐵330N及磁鐵330S配置在磁鐵架332上。磁鐵330N以與磁鐵330S間隔開的方式配置。當將基板360搬入沉積室301時，基板360與基板架370接觸。
靶材架320與底板310由螺釘(螺栓等)被固定，被施加相同電位。靶材架320隔著底板310支撐靶材300。
靶材300被固定於底板310。例如，可以由包含銦等低熔點金屬的黏合構件固定底板310與靶材300。
圖27A示出由磁鐵單元330形成的磁力線380a及磁力線380b。
磁力線380a為形成靶材300的附近的水平磁場的磁力線之一。靶材300的附近例如是指從靶材300的頂面的垂直距離為0mm以上且10mm以下，尤其是0mm以上且5mm以下的區域。
磁力線380b為在離磁鐵單元330頂面有垂直距離d的平面上形成水平磁場的磁力線之一。垂直距離d例如為0mm以上且20mm以下或者5mm以上且15mm以下。
此時，藉由使用磁力大的磁鐵330N及磁力大的磁鐵330S，也可以在基板360的附近產生大磁場。明確而言，可以將基板360附近的水平磁場的磁通密度設定為10G以上且100G以下，較佳為15G以上且60G以下，更佳為20G以上且40G以下。
注意，水平磁場的磁通密度可以採用垂直磁場的磁通密度為0G時的 值。
藉由將沉積室301中的磁場的磁通密度設定為上述範圍，可以獲得高密度且高結晶性的氧化物半導體膜。另外，所得到的氧化物半導體膜很少包含多種結晶相，而包含實質上單一的結晶相。
圖27B示出磁鐵單元330的俯視圖。在磁鐵單元330中，將圓形或大致圓形的磁鐵330N及圓形或大致圓形的磁鐵330S固定在磁鐵架332上。磁鐵單元330可以以磁鐵單元330的頂面的中央或大致中央的法線向量為旋轉軸而旋轉。例如，磁鐵單元330以0.1Hz以上且1kHz以下的拍子(也可以說節奏、脈衝、頻率、週期或循環等)旋轉即可。
因此，靶材300上的磁場強的區域隨著磁鐵單元330的旋轉變化。由於磁場強的區域成為高密度電漿區域，所以其附近容易發生靶材300的濺射現象。例如，在磁場強的區域為特定部分時，只使用靶材300的特定區域。相比之下，如圖27B所示，藉由使磁鐵單元330旋轉，可以均勻地使用靶材300。此外，藉由使磁鐵單元330旋轉，可以形成具有均勻的厚度及品質的膜。
藉由使磁鐵單元330旋轉，也可以改變基板360附近的磁力線的方向。
這裡，示出使磁鐵單元330旋轉的例子，但不侷限於此。例如，也可 以在上下或/及左右方向上擺動磁鐵單元330。例如，以0.1Hz以上且1kHz以下的拍子擺動磁鐵單元330即可。或者，也可以使靶材300旋轉或移動。例如，以0.1Hz以上且1kHz以下的拍子使靶材300旋轉或移動即可。或者，藉由使基板360旋轉，也可以相對地改變基板360附近的磁力線的方向。或者，也可以組合上述方法。
沉積室301也可以在底板310的內部或下部等具有溝槽部。藉由使流體(空氣、氮、稀有氣體、水、油等)流過該溝槽部，可以抑制在進行濺射時靶材300的溫度上升所引起的放電異常或者構件的變形所引起的沉積室301的損傷等。此時，藉由用黏合構件將底板310與靶材300接合在一起，冷卻性能得到提高，所以是較佳的。
藉由在靶材架320與底板310之間設置墊片，雜質不容易從外部或溝槽部等侵入沉積室301，所以是較佳的。
在磁鐵單元330中，以彼此不同的極性朝向靶材300的方式配置磁鐵330N及磁鐵330S。在此說明磁鐵330N的N極朝向靶材300，且磁鐵330S的S極朝向靶材300的情況。注意，磁鐵單元330中的磁鐵及極性的配置不侷限於此。此外，也不侷限於圖27A所示的配置。
在進行成膜時，施加到與靶材架320連接的端子V1的電位V1例如比施加到與基板架370連接的端子V2的電位V2低。施加到與基板架370連 接的端子V2的電位V2例如為接地電位。施加到與磁鐵架332連接的端子V3的電位V3例如為接地電位。注意，施加到端子V1、端子V2及端子V3的電位不侷限於上述電位。另外，也可以不對靶材架320、基板架370和磁鐵架332中的全部施加電位。例如，基板架370也可以處於浮動狀態。在圖27A中示出對與靶材架320連接的端子V1施加電位V1的所謂的DC濺射法的例子，但不侷限於此。例如，也可以使用將頻率為13.56MHz或27.12MHz等高頻電源連接到靶材架320的所謂的RF濺射法。
在圖27A中，示出不使底板310及靶材架320與磁鐵單元330及磁鐵架332電連接的例子，但是不侷限於此。例如，底板310及靶材架320與磁鐵單元330及磁鐵架332也可以電連接且被施加相同電位。
為了進一步提高所得到的氧化物半導體膜的結晶性，也可以提高基板360的溫度。藉由提高基板360的溫度，可以促進基板360附近的濺射粒子的遷移。因此，可以獲得密度更高且結晶性更高的氧化物半導體膜。注意，基板360的溫度例如為室溫以上且低於340℃，較佳為室溫以上且300℃以下，更佳為100℃以上且250℃以下，進一步較佳為100℃以上且200℃以下。
另外，靶材300與基板360之間的垂直距離為10mm以上且600mm以下，較佳為20mm以上且400mm以下，更佳為30mm以上且200mm以下，進一步較佳為40mm以上且100mm以下。藉由在上述範圍內使靶材300與基板360之間的垂直距離較小，有時可以抑制濺射粒子到達基板360之前能 量降低。另外，藉由在上述範圍內使靶材300與基板360之間的垂直距離較大，可以使濺射粒子入射到基板360時的方向接近於垂直，因此有時可以減輕濺射粒子的碰撞所導致的基板360的損傷。
圖28A示出與圖27A不同的沉積室的例子。
圖28A所示的沉積室301包括靶材架320a、靶材架320b、底板310a、底板310b、靶材300a、靶材300b、磁鐵單元330a、磁鐵單元330b、構件342、基板架370。靶材300a配置在底板310a上。底板310a配置在靶材架320a上。磁鐵單元330a隔著底板310a配置在靶材300a下。靶材300b配置在底板310b上。底板310b配置在靶材架320b上。磁鐵單元330b隔著底板310b配置在靶材300b下。
磁鐵單元330a包括磁鐵330N1、磁鐵330N2、磁鐵330S、磁鐵架332。在磁鐵單元330a中，磁鐵330N1、磁鐵330N2及磁鐵330S配置在磁鐵架332上。磁鐵330N1及磁鐵330N2以與磁鐵330S間隔開的方式配置。磁鐵單元330b具有與磁鐵單元330a相同的結構。在將基板360搬入沉積室301時，基板360與基板架370接觸。
靶材300a、底板310a及靶材架320a與靶材300b、底板310b及靶材架320b由構件342隔開。構件342較佳為絕緣體。注意，構件342也可以為導電體或半導體。此外，構件342也可以為由絕緣體覆蓋導電體或半導體表 面的構件。
靶材架320a與底板310a由螺釘(螺栓等)被固定，被施加相同電位。靶材架320a隔著底板310a支撐靶材300a。靶材架320b與底板310b由螺釘(螺栓等)被固定，被施加相同電位。靶材架320b隔著底板310b支撐靶材300b。
底板310a固定靶材300a。底板310b固定靶材300b。
圖28A示出由磁鐵單元330a形成的磁力線380a及磁力線380b。
磁力線380a為形成靶材300a附近的水平磁場的磁力線之一。靶材300a附近例如是指從靶材300a的垂直距離為0mm以上且10mm以下，尤其是0mm以上且5mm以下的區域。
磁力線380b為在離磁鐵單元330a頂面有垂直距離d的平面上形成水平磁場的磁力線之一。垂直距離d例如為0mm以上且20mm以下或者5mm以上且15mm以下。
此時，藉由使用磁力大的磁鐵330N1、磁力大的磁鐵330N2及磁力大的磁鐵330S，也可以在基板360附近產生大磁場。明確而言，可以將基板360附近的水平磁場的磁通密度設定為10G以上且100G以下，較佳為15G以上 且60G以下，更佳為20G以上且40G以下。
藉由將沉積室301中的磁場的磁通密度設定為上述範圍，可以獲得高密度且高結晶性的氧化物半導體膜。另外，所得到的氧化物半導體膜很少包含多種結晶相，而包含實質上單一的結晶相。
磁鐵單元330b也形成與磁鐵單元330a相同的磁力線。
圖28B示出磁鐵單元330a及磁鐵單元330b的俯視圖。在磁鐵單元330a中，將方形或大致方形的磁鐵330N1、方形或大致方形的磁鐵330N2及方形或大致方形的磁鐵330S固定在磁鐵架332上。如圖28B所示可以在左右方向上擺動磁鐵單元330a。例如，以0.1Hz以上且1kHz以下的拍子擺動磁鐵單元330a即可。
因此，靶材300a上的磁場強的區域隨著磁鐵單元330a的擺動變化。由於磁場強的區域成為高密度電漿區域，所以其附近容易發生靶材300a的濺射現象。例如，在磁場強的區域為特定部分時，只使用靶材300a的特定區域。相比之下，如圖28B所示，藉由使磁鐵單元330a擺動，可以均勻地使用靶材300a。此外，藉由使磁鐵單元330a擺動，可以形成具有均勻的厚度及品質的膜。
藉由使磁鐵單元330a擺動，也可以改變基板360附近的磁力線的狀態。 磁鐵單元330b也是相同的。
這裡，示出使磁鐵單元330a及磁鐵單元330b擺動的例子，但不侷限於此。例如，也可以使磁鐵單元330a及磁鐵單元330b旋轉。例如，以0.1Hz以上且1kHz以下的拍子使磁鐵單元330a及磁鐵單元330b旋轉即可。或者，也可以使靶材300旋轉或移動。例如，以0.1Hz以上且1kHz以下的拍子使靶材300旋轉或移動即可。或者，藉由使基板360旋轉，可以相對地改變基板360的頂面的磁力線的狀態。或者，也可以組合上述方法。
沉積室301也可以在底板310a及底板310b的內部或下部等具有溝槽部。藉由使流體(空氣、氮、稀有氣體、水、油等)流過溝槽部，可以抑制在進行濺射時靶材300a及靶材300b的溫度上升所引起的放電異常或者構件的變形所引起的沉積室301的損傷等。此時，藉由用黏合構件將底板310a與靶材300a接合在一起，冷卻性能得到提高，所以是較佳的。藉由用黏合構件將底板310b與靶材300b接合在一起，冷卻性能得到提高，所以是較佳的。
藉由在靶材架320a與底板310a之間設置墊片，雜質不容易從外部或溝槽部等侵入沉積室301，所以是較佳的。此外，藉由在靶材架320b與底板310b之間設置墊片，雜質不容易從外部或溝槽部等侵入沉積室301，所以是較佳的。
在磁鐵單元330a中，以彼此不同的極性朝向靶材300a的方式配置磁鐵330N1、磁鐵330N2及磁鐵330S。在此說明磁鐵330N1、磁鐵330N2的N極朝向靶材300a，且磁鐵330S的S極朝向靶材300a的情況。注意，磁鐵單元330a中的磁鐵及極性的配置不侷限於此。此外，也不侷限於圖28A所示的配置。磁鐵單元330b也是相同的。
在進行成膜時，施加在連接於靶材架320a的端子V1與連接於靶材架320b的端子V4之間電位高低互相調換的電位即可。施加到與基板架370連接的端子V2的電位V2例如為接地電位。施加到與磁鐵架332連接的端子V3的電位V3例如為接地電位。注意，施加到端子V1、端子V2、端子V3及端子V4的電位不侷限於上述電位。也可以不對靶材架320a、靶材架320b、基板架370和磁鐵架332中的全部施加電位。例如，基板架370也可以處於浮動狀態。在圖28A中示出施加在連接於靶材架320a的端子V1與連接於靶材架320b的端子V4之間電位高低互相調換的電位的所謂的AC濺射法的例子，但不侷限於此。
在圖28A中，示出不使底板310a及靶材架320a與磁鐵單元330a及磁鐵架332電連接的例子，但是不侷限於此。例如，底板310a及靶材架320a與磁鐵單元330a及磁鐵架332也可以電連接且被施加相同電位。在圖28A中，示出不使底板310b及靶材架320b與磁鐵單元330b及磁鐵架332電連接的例子，但是不侷限於此。例如，底板310a及靶材架320b與磁鐵單元330b及磁鐵架332也可以電連接且被施加相同電位。
為了進一步提高所得到的氧化物半導體膜的結晶性，也可以提高基板360的溫度。藉由提高基板360的溫度，可以促進基板360附近的濺射粒子的遷移。因此，可以獲得密度更高且結晶性更高的氧化物半導體膜。注意，基板360的溫度例如為室溫以上且低於340℃，較佳為室溫以上且300℃以下，更佳為100℃以上且250℃以下，進一步較佳為100℃以上且200℃以下。
另外，靶材300a與基板360之間的垂直距離為10mm以上且600mm以下，較佳為20mm以上且400mm以下，更佳為30mm以上且200mm以下，進一步較佳為40mm以上且100mm以下。藉由在上述範圍內使靶材300a與基板360之間的垂直距離較小，有時可以抑制濺射粒子到達基板360之前能量降低。另外，藉由在上述範圍內使靶材300a與基板360之間的垂直距離較大，可以使濺射粒子入射到基板360時的方向接近於垂直，因此有時可以減輕濺射粒子的碰撞所導致的基板360的損傷。
另外，靶材300b與基板360之間的垂直距離為10mm以上且600mm以下，較佳為20mm以上且400mm以下，更佳為30mm以上且200mm以下，進一步較佳為40mm以上且100mm以下。藉由在上述範圍內使靶材300b與基板360之間的垂直距離較小，有時可以抑制濺射粒子到達基板360之前能量降低。另外，藉由在上述範圍內使靶材300b與基板360之間的垂直距離較大，可以使濺射粒子入射到基板360時的方向接近於垂直，因此有時可以減輕濺射粒子的碰撞所導致的基板360的損傷。
[對向靶材型濺射裝置(VDSP)]
接著，對對向靶材型濺射裝置進行說明。圖29A是對向靶材型濺射裝置的沉積室的剖面圖。圖29A所示的沉積室包括靶材300a及靶材300b、分別保持靶材300a及靶材300b的底板310a及底板310b、隔著底板310a及底板310b配置在靶材300a及靶材300b的背面的磁鐵單元330a及磁鐵單元330b。基板架370配置在靶材300a與靶材300b之間。在將基板360搬入沉積室之後，將基板360固定於基板架370。
如圖29A所示，底板310a和底板310b連接於用來施加電位的電源390和電源391。較佳為使用所謂的AC電源，其中以在連接於底板310a的電源390與連接於底板310b的電源391之間交替轉換電位的高低的方式施加電位。圖29A示出使用AC電源作為電源390和電源391的例子，但是不侷限於此。例如，也可以使用RF電源、DC電源等作為電源390和電源391。或者，作為電源390和電源391也可以使用不同種類的電源。
基板架370較佳為連接於GND。另外，基板架370也可以處於浮動狀態。
圖29B和圖29C示出沿圖29A的點劃線A-B間的電漿340的電位分佈。圖29B示出對底板310a施加高電位且對底板310b施加低電位時的電位分佈。就是說，使陽離子向靶材300b加速前進。圖29C示出對底板310a施加 低電位且對底板310b施加高電位時的電位分佈。就是說，使陽離子向靶材300a加速前進。本發明的一個實施方式的氧化物半導體膜可以以圖29B和圖29C所示的狀態交替轉換的方式而形成。
另外，較佳為在電漿340完全到達基板360的表面的狀態下形成本發明的一個實施方式的氧化物半導體膜。例如，如圖29A所示，較佳為在電漿340中配置有基板架370及基板360的狀態。特別較佳為在電漿340的正柱區中配置有基板架370及基板360。電漿340的正柱區相當於在圖29B和圖29C所示的電位分佈中位於A-B間的中間附近的電位分佈梯度小的區域。就是說，如圖29A所示，在電漿340的正柱區中配置基板360，使得基板360不被暴露於電漿340中的強電場部，由此基板360因電漿340受到的損傷少，可以減少缺陷。
另外，因為可以提高靶材300a及靶材300b的使用效率，所以較佳為如圖29A所示那樣在電漿340中配置有基板架370及基板360的狀態下形成膜。
如圖29A所示，以L1為基板架370與靶材300a之間的水平距離，並以L2為基板架370與靶材300b之間的水平距離。L1和L2的長度較佳為都與基板360的一邊長相等。另外，如上所述，較佳為適當地調整L1和L2以使基板360位於電漿340的正柱區中。例如，L1和L2都可以為10mm以上且200mm以下。
在圖29A所示的結構中，靶材300a和靶材300b以彼此平行且相對的方式配置。另外，磁鐵單元330a和磁鐵單元330b以異極相對的方式配置。此時，磁力線從磁鐵單元330b向磁鐵單元330a延伸。因此，當進行成膜時，電漿340封閉在由磁鐵單元330a和磁鐵單元330b形成的磁場。基板架370及基板360被配置在靶材300a與靶材300b相對的區域(也稱為靶材間區域)。另外，在圖29A中，平行於靶材300a和靶材300b相對的方向地配置基板架370及基板360，但是也可以傾斜於靶材300a和靶材300b相對的方向地配置基板架370及基板360。例如，藉由使基板架370及基板360傾斜30°以上且60°以下(典型為45°)，可以提高在形成膜時垂直入射到基板360的濺射粒子的比率。
圖30所示的結構與圖29A所示的結構的不同點是：在圖30中，靶材300a和靶材300b以不是平行而是傾斜地相對的方式(V字型狀地)配置。因此，就靶材的配置方式以外的點參照圖29A的說明。另外，磁鐵單元330a和磁鐵單元330b以異極相對的方式配置。基板架370及基板360被配置在靶材間區域。藉由如圖30所示那樣配置靶材300a和靶材300b，可以提高到達基板360的濺射粒子的比例，由此可以提高沉積速度。
另外，在圖29A中，示出將基板架370及基板360配置在電漿340中的狀態，但是不侷限於此。例如，如圖31所示，也可以將基板架370及基板360配置在電漿340的外側。藉由使基板360不暴露於電漿340的高電場區域中，可以減少由電漿340導致的損傷。但是，基板360離電漿340越遠， 靶材300a及靶材300b的使用效率越低。另外，如圖31所示，基板架370的位置較佳為可變。
另外，基板架370配置在靶材間區域的上側，但是也可以配置在該區域的下側。另外，也可以配置在下側和上側的兩者。藉由將基板架370配置在該區域的下側和上側，可以對兩個以上的基板同時進行成膜，由此可以提高生產率。
對向靶材型濺射裝置即使在高真空下也可以穩定地生成電漿。例如，在0.005Pa以上且0.09Pa以下也可以進行成膜。因此，可以降低在進行成膜時混入的雜質的濃度。
藉由使用對向靶材型濺射裝置，可以在高真空下進行成膜，或者可以進行由電漿導致的損傷少的成膜，所以即使在基板360的溫度低的情況下也可以形成結晶性高的膜。例如，即使在基板360的溫度為室溫以上且低於100℃的情況下也可以形成結晶性高的膜。
圖32A示出對向靶材型濺射裝置的其他的例子。
圖32A是對向靶材型濺射裝置的沉積室的剖面示意圖。與圖29A所示的沉積室不同，圖32A所示的沉積室包括靶材屏蔽322及靶材屏蔽323。此外，還包括與底板310a及底板310b連接的電源391。
如圖32A所示，靶材屏蔽322及靶材屏蔽323連接到GND。換而言之，在被供應電源391的電位的底板310a及底板310b與被供應GND的靶材屏蔽322及靶材屏蔽323之間施加的電位差形成電漿340。
另外，較佳為在電漿340完全到達基板360的表面的狀態下形成本發明的一個實施方式的氧化物半導體膜。例如，如圖32A所示，較佳為在電漿340中配置有基板架370及基板360的狀態。特別較佳為在電漿340的正柱區中配置有基板架370及基板360。電漿的正柱區相當於電位分佈梯度小的區域。就是說，如圖32A所示，在電漿340的正柱區中配置基板360，使得基板360不被暴露於電漿340中的強電場部，由此基板360因電漿340受到的損傷少，可以獲得膜質良好的氧化物。
另外，因為可以提高靶材300a及靶材300b的使用效率，所以較佳為如圖32A所示那樣在電漿340中配置有基板架370及基板360的狀態下形成膜。
如圖32A所示，以L1為基板架370與靶材300a之間的水平距離，並以L2為基板架370與靶材300b之間的水平距離。L1和L2的長度較佳為都與基板360的一邊長相等。另外，如上所述，較佳為適當地調整L1和L2以使基板360位於電漿340的正柱區中。
另外，在圖32A中，示出將基板架370及基板360配置在電漿340中的 狀態，但是不侷限於此。例如，如圖32B所示，也可以將基板架370及基板360配置在電漿340的外側。藉由使基板360不暴露於電漿340的高電場區域中，可以減少由電漿340導致的損傷。但是，基板360離電漿340越遠，靶材300a及靶材300b的使用效率越低。另外，如圖32B所示，基板架370的位置較佳為可變。
另外，如圖32B所示，基板架370配置在靶材間區域的上側，但是也可以配置在該區域的下側。另外，也可以配置在下側和上側的兩者。藉由將基板架370配置在該區域的下側和上側，可以對兩個以上的基板同時進行成膜，由此可以提高生產率。
在上述對向靶材型濺射裝置中，電漿封閉在靶材間的磁場，所以可以減輕基板的電漿損傷。此外，根據靶材的傾斜可以減小濺射粒子對基板的入射角度，所以可以提高沉積膜的步階覆蓋性。另外，可以在高真空下進行成膜，所以可以降低混入膜中的雜質的濃度。
在沉積室中，也可以設置平行板型濺射裝置、離子束濺射裝置。
〈3-2.沉積装置〉
下面說明具備能夠形成本發明的一個實施方式的氧化物半導體膜的沉積室的沉積装置的結構。
首先，參照圖33至圖34C說明在成膜時等雜質很少混入膜中的沉積装置的結構。
圖33示意性地示出單片式多室(single wafer multi-chamber)沉積装置2700的俯視圖。沉積装置2700包括：具備收納基板的盒式介面(cassette port)2761和進行基板對準的對準介面(alignment port)2762的大氣側基板供應室2701；從大氣側基板供應室2701傳送基板的大氣側基板傳送室2702；進行基板的搬入且將室內的壓力從大氣壓切換為減壓或從減壓切換為大氣壓的負載鎖定室2703a；進行基板的搬出且將室內的壓力從減壓切換為大氣壓或從大氣壓切換為減壓的卸載閉鎖室2703b；進行真空中的基板的傳送的傳送室2704；對基板進行加熱的基板加熱室2705；以及配置有靶材且進行成膜的沉積室2706a、沉積室2706b及沉積室2706c。關於沉積室2706a、沉積室2706b及沉積室2706c的結構，可以參照上述沉積室。
大氣側基板傳送室2702與負載鎖定室2703a以及卸載閉鎖室2703b連接，負載鎖定室2703a以及卸載閉鎖室2703b與傳送室2704連接，傳送室2704與基板加熱室2705、沉積室2706a、沉積室2706b以及沉積室2706c連接。
在各室的連接部設置有閘閥2764，可以獨立地保持除了大氣側基板供應室2701及大氣側基板傳送室2702以外的各室的真空狀態。大氣側基板傳送室2702及傳送室2704具有傳送機器人2763，可以傳送基板。
基板加熱室2705較佳為兼作電漿處理室。沉積装置2700可以在處理之間以不暴露於大氣的方式傳送基板，由此可以抑制雜質吸附到基板上。另外，可以自由地決定成膜、加熱處理等的順序。傳送室、沉積室、負載鎖定室、卸載閉鎖室以及基板加熱室的數量不侷限於上述數量，可以根據設置它們的空間或製程條件適當地決定。
接著，圖34A至圖34C示出沿著圖33所示的沉積装置2700的點劃線V1-V2、點劃線W1-W2及點劃線W2-W3的剖面。
圖34A示出基板加熱室2705和傳送室2704的剖面，基板加熱室2705具有能夠收納基板的多個加熱載物台2765。基板加熱室2705藉由閥與真空泵2770連接。作為真空泵2770，例如可以使用乾燥泵、機械增壓泵等。
作為可以用於基板加熱室2705的加熱機構，例如也可以使用利用電阻發熱體等進行加熱的加熱機構。或者，也可以使用利用被加熱的氣體等的介質的熱傳導或熱輻射來進行加熱的加熱機構。例如，可以使用GRTA(Gas Rapid Thermal Anneal：氣體快速熱退火)、LRTA(Lamp Rapid Thermal Anneal：燈快速熱退火)等的RTA(Rapid Thermal Anneal：快速熱退火)。LRTA藉由鹵素燈、金屬鹵化物燈、氙弧燈、碳弧燈、高壓鈉燈、高壓汞燈等的燈發射的光(電磁波)的輻射來加熱被處理物。GRTA利用高溫氣體進行加熱處理。作為氣體使用惰性氣體。
基板加熱室2705藉由質量流量控制器2780與精製器2781連接。注意，雖然根據氣體種類的數目決定質量流量控制器2780和精製器2781的數目，但是為了便於理解只示出一個質量流量控制器2780和一個精製器。作為導入到基板加熱室2705中的氣體，可以使用露點為-80℃以下，較佳為-100℃以下的氣體，例如可以使用氧氣體、氮氣體及稀有氣體(氬氣體等)。
傳送室2704具有傳送機器人2763。傳送機器人2763能夠將基板傳送到各室。傳送室2704藉由閥與真空泵2770以及低溫泵2771連接。藉由採用上述結構，將傳送室2704使用真空泵2770從大氣壓抽空到低真空或中真空(幾百Pa至0.1Pa左右)，然後切換閥，使用低溫泵2771從中真空抽空到高真空或超高真空(0.1Pa至1×10-7Pa左右)。
例如也可以使兩個以上的低溫泵2771與傳送室2704並聯連接。藉由採用上述結構，即使一個低溫泵在進行再生中也可以使用其他的低溫泵進行排氣。注意，上述再生是指釋放在低溫泵中積存的分子(或原子)的處理。當低溫泵積存過多分子(或原子)時其排氣能力降低，由此定期進行再生。
圖34B示出沉積室2706b、傳送室2704、負載鎖定室2703a的剖面。
在此，參照圖34B說明沉積室(濺射室)的詳細結構。圖34B所示的沉積室2706b包括靶材2766a、靶材2766b、靶材屏蔽2767a、靶材屏蔽2767b、 磁鐵單元2790a、磁鐵單元2790b、基板架2768及電源2791。雖然未圖示，但是靶材2766a及靶材2766b都隔著底板固定於靶材架。靶材2766a及靶材2766b與電源2791電連接。磁鐵單元2790a及磁鐵單元2790b分別配置在靶材2766a及靶材2766b的背面上。靶材屏蔽2767a及靶材屏蔽2767b分別以圍繞靶材2766a及靶材2766b的端部的方式配置。在此，基板架2768支撐基板2769。基板架2768隔著可動構件2784固定於沉積室2706b。可以由可動構件2784將基板架2768移動到靶材2766a與靶材2766b之間的區域(也稱為靶材間區域)。例如，藉由將支撐基板2769的基板架2768配置在靶材間區域，有時可以減輕電漿所引起的損傷。雖然未圖示，但是基板架2768也可以具備保持基板2769的基板保持機構或從背面對基板2769進行加熱的背面加熱器等。
靶材屏蔽2767a及靶材屏蔽2767b可以抑制從靶材2766a及靶材2766b濺射出的粒子沉積在不希望的區域。另外，較佳為對靶材屏蔽2767a及靶材屏蔽2767b進行加工來防止沉積的濺射粒子剝離。例如，可以進行使表面粗糙度增加的噴砂處理或者在靶材屏蔽2767a及靶材屏蔽2767b的表面設置凹凸。
沉積室2706b藉由氣體加熱機構2782與質量流量控制器2780連接，氣體加熱機構2782藉由質量流量控制器2780與精製器2781連接。利用氣體加熱機構2782可以將導入到沉積室2706b的氣體加熱為40℃以上且400℃以下，較佳為50℃以上且200℃以下。注意，雖然根據氣體種類的數目決定 氣體加熱機構2782、質量流量控制器2780和精製器2781的數目，但是為了便於理解只示出一個氣體加熱機構2782、一個質量流量控制器2780和一個精製器2781。作為導入到沉積室2706b的氣體，較佳為使用露點為-80℃以下，較佳為-100℃以下的氣體，例如使用氧氣體、氮氣體及稀有氣體(氬氣體等)。
當在氣體導入口的前面設置精製器時，將從精製器到沉積室2706b的管道的長度設定為10m以下，較佳為5m以下，更佳為1m以下。藉由將管道的長度設定為10m以下、5m以下或1m以下，可以根據管道長度減少來自管道的釋放氣體的影響。再者，氣體的管道較佳為使用內部由氟化鐵、氧化鋁或氧化鉻等覆蓋的金屬管道。例如與SUS316L-EP管道相比，上述管道所釋放的包含雜質的氣體的量少，而可以降低雜質混入氣體。作為管道的接頭，較佳為使用高性能超小型金屬墊片接頭(UPG接頭)。藉由使用金屬構成管道的全部，與使用樹脂等的情況相比，可以降低所產生的釋放氣體及外部洩漏的影響，所以是較佳的。
沉積室2706b藉由閥與渦輪分子泵2772以及真空泵2770連接。
在沉積室2706b中設置有低溫冷阱2751。
低溫冷阱2751是能夠吸附水等的熔點較高的分子(或原子)的機構。渦輪分子泵2772能夠穩定地排出大分子(或原子)且維修頻率低，因此在 生產率上佔有優勢，但是排氫、排水的能力較低。於是，為了提高排出水等的能力，採用低溫冷阱2751與沉積室2706b連接的結構。低溫冷阱2751的製冷機的溫度為100K以下，較佳為80K以下。當低溫冷阱2751具有多個製冷機時，藉由使每個製冷機的溫度為不同，可以高效率地進行排氣，所以是較佳的。例如，可以將第一階段的製冷機的溫度設定為100K以下，將第二階段的製冷機的溫度設定為20K以下。藉由使用鈦昇華泵代替低溫冷阱，有時可以進一步實現高真空。此外，藉由使用離子泵代替低溫冷阱及渦輪分子泵，有時可以進一步實現高真空。
沉積室2706b的排氣方法不侷限於上述方法，也可以與上述傳送室2704的排氣方法(利用低溫泵及真空泵的排氣方法)同樣。當然，傳送室2704的排氣方法也可以與沉積室2706b(利用渦輪分子泵及真空泵的排氣方法)同樣。
較佳為將上述傳送室2704、基板加熱室2705和沉積室2706b的背壓(全壓)以及各氣體分子(原子)的分壓設定為如下。尤其是，為了防止雜質混入形成的膜，需要考慮沉積室2706b的背壓以及各氣體分子(原子)的分壓。
上述各室的背壓(全壓)為1×10-4Pa以下，較佳為3×10-5Pa以下，更佳為1×10-5Pa以下。上述各室的質量電荷比(m/z)是18的氣體分子(原子)的分壓為3×10-5Pa以下，較佳為1×10-5Pa以下，更佳為3×10-6Pa以下。此外， 上述各室的m/z是28的氣體分子(原子)的分壓為3×10-5Pa以下，較佳為1×10-5Pa以下，更佳為3×10-6Pa以下。上述各室的m/z是44的氣體分子(原子)的分壓為3×10-5Pa以下，較佳為1×10-5Pa以下，更佳為3×10-6Pa以下。
真空腔室內的全壓及分壓可以使用質量分析器測量。例如，使用由ULVAC,Inc.製造的四極質量分析器(也稱為Q-mass)Qulee CGM-051即可。
較佳的是上述傳送室2704、基板加熱室2705及沉積室2706b的外部洩漏及內部洩漏少。
例如，上述傳送室2704、基板加熱室2705及沉積室2706b的洩漏率為3×10-6Pa．m3/s以下，較佳為1×10-6Pa．m3/s以下。m/z是18的氣體分子(原子)的洩漏率為1×10-7Pa．m3/s以下，較佳為3×10-8Pa．m3/s以下。m/z是28的氣體分子(原子)的洩漏率為1×10-5Pa．m3/s以下，較佳為1×10-6Pa．m3/s以下。m/z是44的氣體分子(原子)的洩漏率為3×10-6Pa．m3/s以下，較佳為1×10-6Pa．m3/s以下。
洩漏率可以根據利用上述質量分析器測量出的全壓及分壓算出。
洩漏率取決於外部洩漏及內部洩漏。外部洩漏是指由於微小的孔或密封不良等，氣體從真空系統的外部流入的現象。內部洩漏起因於來自真空系統中的閥等隔板的洩漏或來自內部構件的釋放氣體。為了將洩漏率設定 為上述數值以下，需要從外部洩漏及內部洩漏的兩個方面採取措施。
例如，較佳為使用金屬墊片對沉積室2706b的開閉部分進行密封。金屬墊片較佳為使用由氟化鐵、氧化鋁或氧化鉻覆蓋的金屬。金屬墊片的緊密性比O形環高，因此可以降低外部洩漏。藉由利用鈍態的由氟化鐵、氧化鋁、氧化鉻等覆蓋的金屬，可以抑制從金屬墊片釋放的包含雜質的釋放氣體，由此可以降低內部洩漏。
作為構成沉積装置2700的構件，使用包含雜質的釋放氣體少的鋁、鉻、鈦、鋯、鎳或釩。也可以使用上述構件覆蓋含有鐵、鉻及鎳等的合金。含有鐵、鉻及鎳等的合金具有剛性，耐熱且適於加工。在此，藉由進行拋光等減少構件表面的凹凸以縮小表面積，可以減少釋放氣體。
或者，也可以使用氟化鐵、氧化鋁、氧化鉻等覆蓋上述沉積装置2700的構件。
較佳為沉積装置2700的構件儘量只由金屬構成，例如當設置由石英等構成的觀察窗(viewing window)等時，為了抑制釋放氣體，較佳為由較薄的氟化鐵、氧化鋁或氧化鉻等覆蓋表面。
雖然存在於沉積室內的吸附物吸附於內壁等而不影響到沉積室的壓力，但是該吸附物成為對沉積室進行排氣時產生的氣體釋放的原因。因此， 雖然洩漏率與排氣速度不相關，但是使用排氣能力高的泵儘量地使存在於沉積室內的吸附物脫離預先進行排氣是十分重要的。為了促進吸附物的脫離，也可以對沉積室進行烘烤。藉由進行烘烤，可以將吸附物的脫離速度提高10倍左右。烘烤以100℃以上且450℃以下的溫度進行即可。此時，藉由一邊將惰性氣體導入沉積室一邊去除吸附物，可以進一步提高僅藉由排氣不容易脫離的水等的脫離速度。藉由將所導入的惰性氣體加熱至與烘烤溫度相同程度的溫度，可以進一步提高吸附物的脫離速度。這裡，作為惰性氣體較佳為使用稀有氣體。根據形成的膜的種類，也可以使用氧等代替惰性氣體。例如，當進行氧化物的成膜時，有時較佳為使用主要成分的氧。較佳為使用燈進行烘烤。
另外，較佳為藉由導入被加熱的稀有氣體等惰性氣體或氧等提高沉積室內的壓力，並在經過一定時間之後再次對沉積室進行排氣處理。可以由被加熱的氣體的導入使沉積室內的吸附物脫離，由此可以減少存在於沉積室內的雜質。有效的是將該處理反復進行2次以上且30次以下，較佳為5次以上且15次以下。具體地，藉由導入40℃以上且400℃以下，較佳為50℃以上且200℃以下的惰性氣體或氧等來使沉積室內的壓力設定為0.1Pa以上且10kPa以下，較佳為1Pa以上且1kPa以下，更佳為5Pa以上且100Pa以下，並將保持壓力的期間設定為1分以上且300分以下，較佳為5分以上且120分以下，即可。然後，對沉積室進行排氣5分以上且300分以下，較佳為10分以上且120分以下。
另外，藉由進行偽成膜也可以進一步提高吸附物的脫離速度。偽成膜是指藉由濺射法等對偽基板進行成膜以在偽基板上及沉積室內壁沉積膜，來將沉積室內的雜質及沉積室內壁的吸附物封閉在膜中。作為偽基板較佳為使用釋放氣體少的基板。藉由進行偽成膜可以降低後面形成的膜中的雜質濃度。另外，可以與烘烤同時進行偽成膜。
接著，說明圖34B所示的傳送室2704和負載鎖定室2703a以及圖34C所示的大氣側基板傳送室2702和大氣側基板供應室2701的詳細結構。圖34C示出大氣側基板傳送室2702和大氣側基板供應室2701的剖面。
關於圖34B所示的傳送室2704，參照圖34A所示的傳送室2704的記載。
負載鎖定室2703a具有基板遞送載物台2752。負載鎖定室2703a將壓力從減壓上升到大氣壓，當將負載鎖定室2703a的壓力上升到大氣壓時，基板遞送載物台2752從設置在大氣側基板傳送室2702中的傳送機器人2763接收基板。然後，在對負載鎖定室2703a進行抽空而處於減壓狀態之後，設置在傳送室2704中的傳送機器人2763從基板遞送載物台2752接收基板。
負載鎖定室2703a藉由閥與真空泵2770以及低溫泵2771連接。關於真空泵2770、低溫泵2771的排氣系統的連接方法，可以參照傳送室2704的連接方法，所以這裡省略說明。圖33所示的卸載閉鎖室2703b可以採用與負載鎖定室2703a相同的結構。
大氣側基板傳送室2702具有傳送機器人2763。藉由傳送機器人2763可以進行盒式介面2761和負載鎖定室2703a之間的基板的遞送。也可以在大氣側基板傳送室2702、大氣側基板供應室2701的上方設置用來去除塵屑或微粒的機構如HEPA過濾器(High Efficiency Particulate Air Filter：高效率粒子空氣濾器)等。
大氣側基板供應室2701具有多個盒式介面2761。盒式介面2761可以收納多個基板。
靶材的表面溫度為100℃以下，較佳為50℃以下，更佳為室溫程度(典型的是25℃)。對應大面積基板的濺射裝置大多使用大面積的靶材。但是，沒有接縫地製造具有對應大面積的尺寸的靶材是困難的。在實際製造時，將多個靶材以儘量沒有間隙的方式排列成較大的形狀，但是無論怎樣總會有微小的間隙。當靶材的表面溫度升高時，有時鋅等從該微小的間隙揮發，導致間隙漸漸變大。當間隙變大時，有時用於底板及用來黏合底板與靶材的黏合構件的金屬也被濺射，這成為導致雜質濃度變高的主要原因。因此，較佳為充分冷卻靶材。
具體地，作為底板使用具有高導電性及高散熱性的金屬(具體的是銅)。藉由在底板內形成溝槽部並使充分量的冷卻水流過該溝槽部，可以高效率地冷卻靶材。
藉由使用上述沉積装置，可以形成利用SIMS測得的氫濃度低於1×1020atoms/cm3，較佳為低於1×1019atoms/cm3，更佳為低於5×1018atoms/cm3，進一步較佳為低於1×1018atoms/cm3的氧化物半導體膜。
另外，可以形成利用SIMS測得的氮濃度為5×1018atoms/cm3以下，較佳為1×1018atoms/cm3以下的氧化物半導體膜。
另外，可以形成利用SIMS測得的碳濃度為2×1018atoms/cm3以下，較佳為2×1017atoms/cm3以下的氧化物半導體膜。
雜質及氧缺陷少的氧化物半導體膜的載子密度低。明確而言，可以使載子密度小於8×1011/cm3，較佳為小於1×1011/cm3，更佳為小於1×1010/cm3，且是1×10-9/cm3以上。將這樣的氧化物半導體稱為高純度本質或實質上高純度本質的氧化物半導體。該氧化物半導體膜的雜質濃度和缺陷能階密度低。亦即，可以說該氧化物半導體膜是具有穩定特性的氧化物半導體膜。
另外，可以形成利用TDS測得的m/z是2(氫分子等)的氣體分子(原子)、m/z是18的氣體分子(原子)、m/z是28的氣體分子(原子)及m/z是44的氣體分子(原子)的釋放量都為1×1019個/cm3以下，較佳為1×1018個/cm3以下的氧化物半導體膜。
藉由使用上述沉積装置，可以抑制雜質混入氧化物半導體膜。並且，藉由利用上述沉積装置形成接觸於氧化物半導體膜的膜，可以抑制雜質從接觸於氧化物半導體膜的膜混入氧化物半導體膜。
本實施方式所示的結構可以與其他實施方式或其他實施例所示的結構適當地組合而實施。
實施方式4
在本實施方式中，使用圖35A至圖35C說明包括本發明的一個實施方式的半導體裝置的顯示裝置。
〈4.顯示裝置〉
圖35A所示的顯示裝置包括：具有顯示元件的像素的區域(以下稱為像素部502)；配置在像素部502外側並具有用來驅動像素的電路的電路部(以下稱為驅動電路部504)；具有保護元件的功能的電路(以下稱為保護電路506)；以及端子部507。此外，也可以不設置保護電路506。
驅動電路部504的一部分或全部與像素部502較佳為形成在同一基板上。由此，可以減少構件的數量或端子的數量。當驅動電路部504的一部分或全部與像素部502不形成在同一基板上時，驅動電路部504的一部分或全部可以藉由COG或TAB(Tape Automated Bonding：捲帶自動接合)安裝。
像素部502包括用來驅動配置為X行(X為2以上的自然數)Y列(Y為2以上的自然數)的多個顯示元件的電路(以下稱為像素電路501)，驅動電路部504包括輸出用來選擇像素的信號(掃描信號)的電路(以下稱為閘極驅動器504a)以及供應用來驅動像素中的顯示元件的信號(資料信號)的電路(以下稱為源極驅動器504b)等驅動電路。
閘極驅動器504a具有移位暫存器等。閘極驅動器504a藉由端子部507接收用來驅動移位暫存器的信號並輸出信號。例如，閘極驅動器504a被輸入起動脈衝信號、時脈信號等並輸出脈衝信號。閘極驅動器504a具有控制被供應掃描信號的佈線(以下稱為掃描線GL_1至GL_X)的電位的功能。另外，也可以設置多個閘極驅動器504a，並藉由多個閘極驅動器504a各別控制掃描線GL_1至GL_X。或者，閘極驅動器504a具有供應初始化信號的功能。但是，不侷限於此，閘極驅動器504a也可以供應其他信號。
源極驅動器504b具有移位暫存器等。源極驅動器504b藉由端子部507接收用來驅動移位暫存器的信號和從其中得出資料信號的信號(影像信號)。源極驅動器504b具有根據影像信號生成寫入到像素電路501的資料信號的功能。另外，源極驅動器504b具有響應於由於起動脈衝信號、時脈信號等的輸入產生的脈衝信號來控制資料信號的輸出的功能。另外，源極驅動器504b具有控制被供應資料信號的佈線(以下稱為資料線DL_1至DL_Y)的電位的功能。或者，源極驅動器504b具有供應初始化信號的功能。但是， 不侷限於此，源極驅動器504b可以供應其他信號。
源極驅動器504b例如使用多個類比開關等來構成。源極驅動器504b藉由依次使多個類比開關開啟而可以輸出對影像信號進行時間分割所得到的信號作為資料信號。此外，也可以使用移位暫存器等構成源極驅動器504b。
脈衝信號及資料信號分別藉由被供應掃描信號的多個掃描線GL之一及被供應資料信號的多個資料線DL之一被輸入到多個像素電路501的每一個。另外，閘極驅動器504a控制多個像素電路501的每一個中的資料信號的寫入及保持。例如，脈衝信號藉由掃描線GL_m(m是X以下的自然數)從閘極驅動器504a被輸入到第m行第n列的像素電路501，資料信號根據掃描線GL_m的電位藉由資料線DL_n(n是Y以下的自然數)從源極驅動器504b被輸入到第m行第n列的像素電路501。
圖35A所示的保護電路506例如連接於作為閘極驅動器504a和像素電路501之間的佈線的掃描線GL。或者，保護電路506連接於作為源極驅動器504b和像素電路501之間的佈線的資料線DL。或者，保護電路506可以連接於閘極驅動器504a和端子部507之間的佈線。或者，保護電路506可以連接於源極驅動器504b和端子部507之間的佈線。此外，端子部507是指設置有用來從外部的電路對顯示裝置輸入電源、控制信號及影像信號的端子的部分。
保護電路506是在對與其連接的佈線供應一定範圍之外的電位時使該佈線與其他佈線之間導通的電路。
如圖35A所示，藉由對像素部502和驅動電路部504設置保護電路506，可以提高顯示裝置對因ESD(Electro Static Discharge：靜電放電)等而產生的過電流的耐性。但是，保護電路506的結構不侷限於此，例如，也可以採用將閘極驅動器504a與保護電路506連接的結構或將源極驅動器504b與保護電路506連接的結構。或者，也可以採用將端子部507與保護電路506連接的結構。
另外，雖然在圖35A中示出由閘極驅動器504a和源極驅動器504b形成驅動電路部504的例子，但不侷限於此。例如，也可以只形成閘極驅動器504a並安裝形成有另外準備的源極驅動電路的基板(例如，由單晶半導體膜或多晶半導體膜形成的驅動電路基板)。
另外，圖35A所示的多個像素電路501例如可以採用圖35B所示的結構。
圖35B所示的像素電路501包括液晶元件570、電晶體550以及電容器560。可以將前面的實施方式所示的電晶體適用於電晶體550。
根據像素電路501的規格適當地設定液晶元件570的一對電極中的一個電極的電位。根據被寫入的資料設定液晶元件570的配向狀態。此外，也可以對多個像素電路501的每一個所具有的液晶元件570的一對電極中的一個電極供應共用電位。此外，對一個行內的像素電路501所具有的液晶元件570的一對電極之一供應的電位可以不同於對另一行內的像素電路501所具有的液晶元件570的一對電極之一供應的電位。
例如，作為包括液晶元件570的顯示裝置的驅動方法也可以使用如下模式：TN(Twisted Nematic：扭曲向列)模式；STN(Super Twisted Nematic：超扭曲向列)模式；VA(Vertical Alignment：垂直配向)模式；MVA(Multi-Domain Vertical Alignment：多域垂直配向)模式；PVA(Patterned Vertical Alignment：垂直配向構型)模式；IPS(In-Plane-Switching：平面轉換)模式；FFS(Fringe Field Switching：邊緣場切換)模式；ASM(Axially Symmetric Aligned Micro-cell：軸對稱排列微單元)模式；OCB(Optically Compensated Birefringence：光學補償彎曲)模式；FLC(Ferroelectric Liquid Crystal：鐵電性液晶)模式；AFLC(AntiFerroelectric Liquid Crystal：反鐵電液晶)模式；或TBA(Transverse Bend Alignment：橫向彎曲配向)模式等。
另外，作為顯示裝置的驅動方法，除了上述驅動方法之外，還有ECB(Electrically Controlled Birefringence：電控雙折射)模式、PDLC(Polymer Dispersed Liquid Crystal：聚合物分散液晶)模式、PNLC(Polymer Network Liquid Crystal：聚合物網路液晶)模式、賓主模式等。但是，不侷限於此，作為液 晶元件及其驅動方式可以使用各種液晶元件及驅動方式。
在第m行第n列的像素電路501中，電晶體550的源極電極和汲極電極中的一個與資料線DL_n電連接，源極和汲極中的另一個與液晶元件570的一對電極中的另一個電極電連接。此外，電晶體550的閘極電極與掃描線GL_m電連接。電晶體550具有藉由被開啟或關閉而控制資料信號的寫入的功能。
電容器560的一對電極中的一個電極與被供應電位的佈線(以下，稱為電位供應線VL)電連接，另一個電極與液晶元件570的一對電極中的另一個電極電連接。此外，根據像素電路501的規格適當地設定電位供應線VL的電位。電容器560具有儲存被寫入的資料的儲存電容器的功能。
例如，在包括圖35B所示的像素電路501的顯示裝置中，藉由圖35A所示的閘極驅動器504a依次選擇各行的像素電路501，並使電晶體550開啟而寫入資料信號。
當電晶體550被關閉時，被寫入資料的像素電路501成為保持狀態。藉由按行依次進行上述步驟，可以顯示影像。
圖35A所示的多個像素電路501例如可以採用圖35C所示的結構。
圖35C所示的像素電路501包括電晶體552及554、電容器562以及發光元件572。可以將前面的實施方式所示的電晶體應用於電晶體552和/或電晶體554。
電晶體552的源極電極和汲極電極中的一個電連接於被供應資料信號的佈線(資料線DL_n)。並且，電晶體552的閘極電極電連接於被供應閘極信號的佈線(掃描線GL_m)。
電晶體552具有藉由被開啟或關閉而控制資料信號的寫入的功能。
電容器562的一對電極中的一個電極電連接於被供應電位的佈線(以下，稱為電位供應線VL_a)，另一個電極電連接於電晶體552的源極電極和汲極電極中的另一個。
電容器562具有儲存被寫入的資料的儲存電容器的功能。
電晶體554的源極電極和汲極電極中的一個電連接於電位供應線VL_a。並且，電晶體554的閘極電極電連接於電晶體552的源極電極和汲極電極中的另一個。
發光元件572的陽極和陰極中的一個電連接於電位供應線VL_b，另一個電連接於電晶體554的源極電極和汲極電極中的另一個。
作為發光元件572，例如可以使用有機電致發光元件(也稱為有機EL元件)等。注意，發光元件572並不侷限於有機EL元件，也可以為由無機材料構成的無機EL元件。
此外，電位供應線VL_a和電位供應線VL_b中的一個被施加高電源電位VDD，另一個被施加低電源電位VSS。
例如，在包括圖35C所示的像素電路501的顯示裝置中，藉由圖35A所示的閘極驅動器504a依次選擇各行的像素電路501，並使電晶體552開啟而寫入資料信號。
當電晶體552被關閉時，被寫入資料的像素電路501成為保持狀態。並且，流過電晶體554的源極電極與汲極電極之間的電流量根據寫入的資料信號的電位被控制，發光元件572以對應於流過的電流量的亮度發光。藉由按行依次進行上述步驟，可以顯示影像。
另外，在本實施方式中，雖然作為顯示裝置的顯示元件的例子示出了包括液晶元件570及發光元件572的結構，但不侷限於此，顯示裝置也可以包括各種各樣的元件。
上述顯示裝置例如包括液晶元件、EL元件(包含有機材料和無機材料 的EL元件、有機EL元件或無機EL元件)、LED(白色LED、紅色LED、綠色LED、藍色LED等)、電晶體(根據電流而發光的電晶體)、電子發射元件、電子墨水、電泳元件、柵光閥(GLV)、電漿顯示器(PDP)、使用微機電系統(MEMS)的顯示元件、數位微鏡裝置(DMD)、數位微快門(DMS)、MIRASOL(在日本註冊的商標)、IMOD(干涉測量調節)元件、快門方式的MEMS顯示元件、光干涉方式的MEMS顯示元件、電潤濕(electrowetting)元件、壓電陶瓷顯示器和使用碳奈米管的顯示元件等中的至少一個。除此之外，還可以包括其對比度、亮度、反射率、透射率等因電或磁作用變化的顯示媒體。作為使用電子發射元件的顯示裝置的例子，有場致發射顯示器(FED)或SED方式平面型顯示器(SED：Surface-conduction Electron-emitter Display：表面傳導電子發射顯示器)等。作為使用液晶元件的顯示裝置的例子，有液晶顯示器(透射式液晶顯示器、半透射式液晶顯示器、反射式液晶顯示器、直觀式液晶顯示器、投射式液晶顯示器)等。作為使用電子墨水或電泳元件的顯示裝置的一個例子，有電子紙等。注意，當實現半透射式液晶顯示器或反射式液晶顯示器時，使像素電極的一部分或全部具有反射電極的功能，即可。例如，使像素電極的一部分或全部包含鋁、銀等，即可。此時，也可以將SRAM等記憶體電路設置在反射電極下。由此，可以進一步降低功耗。
此外，作為本實施方式的顯示裝置的顯示方式，可以採用逐行掃描方式或隔行掃描方式等。此外，作為當進行彩色顯示時在像素中控制的顏色要素，不侷限於RGB(R表示紅色，G表示綠色，B表示藍色)這三種顏色。 例如，可以由R像素、G像素、B像素及W(白色)像素的四個像素構成。或者，如PenTile排列那樣，也可以由RGB中的兩個顏色構成一個顏色要素，並根據顏色要素選擇不同的兩個顏色來構成。或者可以對RGB追加黃色(yellow)、青色(cyan)、洋紅色(magenta)等中的一種以上的顏色。另外，各個顏色要素的點的顯示區域的大小可以不同。但是，所公開的發明不侷限於彩色顯示的顯示裝置，而也可以應用於黑白顯示的顯示裝置。
另外，在顯示裝置中，可以從背光(有機EL元件、無機EL元件、LED、螢光燈等)射出白色光(W)。此外，也可以在顯示裝置中設置彩色層(也稱為濾光片)。作為彩色層，例如可以適當地組合紅色(R)、綠色(G)、藍色(B)、黃色(Y)等而使用。藉由使用彩色層，可以與不使用彩色層的情況相比進一步提高顏色再現性。此時，也可以藉由設置包括彩色層的區域和不包括彩色層的區域，將不包括彩色層的區域中的白色光直接用於顯示。藉由部分地設置不包括彩色層的區域，在顯示明亮的影像時，有時可以減少彩色層所引起的亮度降低而減少功耗兩成至三成左右。但是，在使用有機EL元件或無機EL元件等自發光元件進行全彩色顯示時，也可以從具有各發光顏色的元件發射R、G、B、Y、白色(W)。藉由使用自發光元件，有時與使用彩色層的情況相比進一步減少功耗。
本實施方式所示的結構可以與其他實施方式或實施例所示的結構適當地組合而實施。
實施方式5
在本實施方式中，參照圖36A至圖41說明包括本發明的一個實施方式的半導體裝置的顯示裝置以及在該顯示裝置安裝輸入裝置的電子裝置。
〈5-1.觸控面板〉
注意，在本實施方式中，作為電子裝置的一個例子，對組合顯示裝置與輸入裝置而成的觸控面板2000進行說明。另外，作為輸入裝置的一個例子，對使用觸控感測器的情況進行說明。
圖36A及圖36B是觸控面板2000的透視圖。在圖36A及圖36B中，為了明確起見，示出觸控面板2000的典型的組件。
觸控面板2000包括顯示裝置2501及觸控感測器2595(參照圖36B)。此外，觸控面板2000包括基板2510、基板2570以及基板2590。另外，基板2510、基板2570以及基板2590都具有撓性。注意，基板2510、基板2570和基板2590中的任一個或全部可以不具有撓性。
顯示裝置2501包括基板2510上的多個像素以及能夠向該像素供應信號的多個佈線2511。多個佈線2511被引導在基板2510的外周部，其一部分構成端子2519。端子2519與FPC2509(1)電連接。
基板2590包括觸控感測器2595以及與觸控感測器2595電連接的多個佈線2598。多個佈線2598被引導在基板2590的外周部，其一部分構成端子。並且，該端子與FPC2509(2)電連接。另外，為了明確起見，在圖36B中以實線示出設置在基板2590的背面一側(與基板2510相對的面一側)的觸控感測器2595的電極以及佈線等。
作為觸控感測器2595，例如可以適用電容式觸控感測器。作為電容式觸控感測器，可以舉出表面型電容式觸控感測器、投影型電容式觸控感測器等。
作為投影型電容式觸控感測器，主要根據驅動方法的不同而分為自電容式觸控感測器、互電容式等觸控感測器。當採用互電容式觸控感測器時，可以同時檢測出多個點，所以是較佳的。
注意，圖36B所示的觸控感測器2595是採用了投影型電容式觸控感測器的結構。
另外，觸控感測器2595可以適用可檢測出手指等檢測物件的靠近或接觸的各種感測器。
投影型電容式觸控感測器2595包括電極2591及電極2592。電極2591電連接於多個佈線2598之中的任何一個，而電極2592電連接於多個佈線2598之中的任何其他一個。
如圖36A及圖36B所示，電極2592具有在一個方向上配置的多個四邊形在角部相互連接的形狀。
電極2591是四邊形且在與電極2592延伸的方向交叉的方向上反復地配置。
佈線2594與其間夾著電極2592的兩個電極2591電連接。此時，電極2592與佈線2594的交叉部的面積較佳為儘可能小。由此，可以減少沒有設置電極的區域的面積，從而可以降低穿透率的偏差。其結果，可以降低透過觸控感測器2595的光的亮度的偏差。
注意，電極2591及電極2592的形狀不侷限於此，可以具有各種形狀。例如，也可以採用如下結構：將多個電極2591配置為其間儘量沒有間隙，並隔著絕緣層間隔開地設置多個電極2592，以形成不重疊於電極2591的區域。此時，藉由在相鄰的兩個電極2592之間設置與這些電極電絕緣的虛擬電極，可以減少穿透率不同的區域的面積，所以是較佳的。
注意，作為電極2591、電極2592、佈線2598等導電膜的材料，亦即為 構成觸控面板的佈線及電極的材料，可以舉出含有氧化銦、氧化錫或氧化鋅等的透明導電膜(例如，ITO膜等)。另外，作為可用於構成觸控面板的佈線及電極的材料，例如較佳為使用低電阻材料。例如，可以使用銀、銅、鋁、碳奈米管、石墨烯、鹵化金屬(鹵化銀等)等。並且，也可以使用由多個極細(例如，直徑為幾nm)的導電體構成的金屬奈米線。或者，也可以使用使導電體為網狀的金屬網格(metal mesh)。例如，可以使用Ag奈米線、Cu奈米線、Al奈米線、Ag網格、Cu網格以及Al網格等。例如，在將Ag奈米線用於構成觸控面板的佈線及電極的情況下，可見光穿透率可以為89%以上，片電阻值可以為40Ω/cm2以上且100Ω/cm2以下。此外，作為可用於上述構成觸控面板的佈線及電極的材料的例子舉出的金屬奈米線、金屬網格、碳奈米管、石墨烯等具有較高的可見光穿透率，所以可以用作用於顯示元件的電極(例如，像素電極或共用電極等)。
〈5-2.顯示裝置〉
接著，參照圖37A和圖37B說明顯示裝置2501的詳細內容。圖37A和圖37B是沿著圖36B所示的點劃線X1-X2切斷的剖面圖。
顯示裝置2501包括多個配置為矩陣狀的像素。該像素包括顯示元件以及驅動該顯示元件的像素電路。
[作為顯示元件使用EL元件的結構]
首先，參照圖37A對作為顯示元件使用EL元件的結構進行說明。注意， 在以下說明中，示出使用發射白色光的EL元件的情況，但是EL元件不侷限於此。例如，可以以相鄰的像素分別射出不同的顏色的光的方式使用發光顏色不同的EL元件。
作為基板2510及基板2570，例如，可以適當地使用水蒸氣穿透率為10-5g/(m2．day)以下，較佳為10-6g/(m2．day)以下的具有撓性的材料。或者，較佳為將其熱膨脹率大致相同的材料用於基板2510及基板2570。例如，線性膨脹係數較佳為1×10-3/K以下，更佳為5×10-5/K以下，進一步較佳為1×10-5/K以下。
注意，基板2510是疊層體，其中包括防止雜質擴散到EL元件的絕緣層2510a、撓性基板2510b以及貼合絕緣層2510a與撓性基板2510b的黏合層2510c。另外，基板2570是疊層體，其中包括防止雜質擴散到EL元件的絕緣層2570a、撓性基板2570b以及貼合絕緣層2570a與撓性基板2570b的黏合層2570c。
黏合層2510c及黏合層2570c例如可以使用聚酯、聚烯烴、聚醯胺(尼龍、芳族聚醯胺等)、聚醯亞胺、聚碳酸酯、丙烯酸樹脂、聚氨酯、環氧樹脂或具有矽氧烷鍵合的樹脂等。
此外，在基板2510與基板2570之間包括密封層2560。密封層2560較佳為具有比空氣大的折射率。此外，如圖37A所示，當在密封層2560一側 提取光時，密封層2560可以兼作光學元件。
另外，可以在密封層2560的外周部形成密封材料。藉由使用該密封材料，可以在由基板2510、基板2570、密封層2560及密封材料圍繞的區域中配置EL元件2550。注意，作為密封層2560，可以填充惰性氣體(氮或氬等)。此外，可以在該惰性氣體內設置乾燥劑而吸收水分等。另外，作為上述密封材料，例如較佳為使用環氧類樹脂或玻璃粉。此外，作為用於密封材料的材料，較佳為使用不使水分或氧透過的材料。
另外，圖37A所示的顯示裝置2501包括像素2505。此外，像素2505包括發光模組2580、EL元件2550以及可以向該EL元件2550供應電力的電晶體2502t。注意，電晶體2502t被用作像素電路的一部分。
此外，發光模組2580包括EL元件2550以及彩色層2567。另外，EL元件2550包括下部電極、上部電極以及下部電極與上部電極之間的EL層。
另外，在密封層2560被設置於提取光一側的情況下，密封層2560接觸於EL元件2550及彩色層2567。
彩色層2567位於與EL元件2550重疊的位置。由此，EL元件2550所發射的光的一部分透過彩色層2567，而向圖37A中的箭頭所示的方向上被射出到發光模組2580的外部。
此外，在顯示裝置2501中，在發射光的方向上設置遮光層2568。遮光層2568以圍繞彩色層2567的方式設置。
彩色層2567具有使特定波長區的光透過的功能即可，例如，可以使用使紅色波長區的光透過的濾色片、使綠色波長區的光透過的濾色片、使藍色波長區的光透過的濾色片以及使黃色波長區的光透過的濾色片等。每個濾色片可以藉由印刷法、噴墨法、利用光微影技術的蝕刻法等並使用各種材料形成。
另外，在顯示裝置2501中設置有絕緣層2521。絕緣層2521覆蓋電晶體2502t等。此外，絕緣層2521具有使起因於像素電路的凹凸平坦的功能。另外，可以使絕緣層2521具有抑制雜質擴散的功能。由此，能夠抑制由於雜質擴散而電晶體2502t等的可靠性降低。
此外，EL元件2550被形成於絕緣層2521的上方。另外，以與EL元件2550所包括的下部電極的端部重疊的方式設置分隔壁2528。此外，可以在分隔壁2528上形成控制基板2510與基板2570的間隔的間隔物。
另外，掃描線驅動電路2504包括電晶體2503t及電容器2503c。注意，可以將驅動電路與像素電路經同一製程形成在同一基板上。
另外，在基板2510上設置有能夠供應信號的佈線2511。此外，在佈線2511上設置有端子2519。另外，FPC2509(1)電連接到端子2519。此外，FPC2509(1)具有供應視訊信號、時脈信號、啟動信號、重設信號等的功能。另外，FPC2509(1)也可以安裝有印刷線路板(PWB)。
注意，將前面的實施方式所示的電晶體適用作電晶體2502t和/或電晶體2503t，即可。在本實施方式中使用的電晶體包括被高度純化且氧缺陷的形成被抑制的氧化物半導體膜。該電晶體可以降低關閉狀態下的電流(關態電流)。因此，可以延長影像信號等電信號的保持時間，在開啟狀態下還可以延長寫入間隔。因此，可以降低更新工作的頻率，從而可以發揮抑制功耗的效果。另外，在本實施方式所使用的電晶體中，能夠得到較高的場效移動率，因此能夠進行高速驅動。例如，藉由將這種能夠進行高速驅動的電晶體用於顯示裝置2501，可以在同一基板上形成像素電路的切換電晶體和用於驅動電路的驅動電晶體。亦即，因為作為驅動電路不需要另行使用由矽晶圓等形成的半導體裝置，所以可以減少半導體裝置的部件數。另外，藉由在像素電路中也使用能夠進行高速驅動的電晶體，能夠提供品質高的影像。
[作為顯示元件使用液晶元件的結構]
接著，參照圖37B對作為顯示元件使用液晶元件的結構進行說明。注意，在以下說明中，說明反射外部光而進行顯示的反射型液晶顯示裝置，但是液晶顯示裝置不侷限於此。例如，也可以設置光源(背光、側光等) 而構成透射型液晶顯示裝置或者半透型液晶顯示裝置。
圖37B所示的顯示裝置2501與圖37A所示的顯示裝置2501的不同之處是如下。其他結構與圖37A所示的顯示裝置2501是同樣的。
圖37B所示的顯示裝置2501的像素2505包括液晶元件2551以及能夠向液晶元件2551供應電力的電晶體2502t。
另外，液晶元件2551包括下部電極(還稱為像素電極)、上部電極以及下部電極與上部電極之間的液晶層2529。可以藉由對下部電極與上部電極之間施加電壓而改變液晶元件2551中的液晶層2529的配向狀態。此外，在液晶層2529中設置有間隔物2530a以及間隔物2530b。另外，雖然在圖37B中未圖示，但可以在上部電極和下部電極的與液晶層2529接觸的一側的表面設置配向膜。
作為液晶層2529，可以使用熱致液晶、低分子液晶、高分子液晶、聚合物分散液晶、鐵電液晶、反鐵電液晶等。這些液晶材料根據條件呈現出膽固醇相、層列相、立方相、手性向列相、各向同性相等。另外，在採用橫向電場型液晶顯示裝置的情況下，也可以使用不需要配向膜的呈現藍相的液晶。當使用呈現藍相的液晶時，可以不設置配向膜，由此也不需要摩擦處理。因此，能夠防止由於摩擦處理引起的靜電破壞，從而能夠降低製程中的液晶顯示裝置的不良和損壞。
間隔物2530a、2530b可以對絕緣膜選擇性地進行蝕刻來得到。間隔物2530a、2530b是用來控制基板2510與基板2570之間的距離(單元間隙)而設置的。注意，間隔物2530a、2530b的尺寸可以互不相同，並且，間隔物2530a、2530b較佳為具有柱狀或球狀。此外，在圖37B中，雖然示出將間隔物2530a、2530b設置於基板2570一側的結構，但不侷限於此，可以在基板2510一側設置。
另外，液晶元件2551的上部電極被設置於基板2570一側。此外，該上部電極與彩色層2567及遮光層2568之間設置有絕緣層2531。絕緣層2531具有使起因於彩色層2567及遮光層2568的凹凸平坦的功能。作為絕緣層2531，例如可以使用有機樹脂膜。此外，液晶元件2551的下部電極具有反射電極的功能。圖37B所示的顯示裝置2501是反射型液晶顯示裝置，其中藉由在下部電極反射外部光並使該光經過彩色層2567而進行顯示。注意，在構成透射型液晶顯示裝置的情況下，作為下部電極設置透明電極。
另外，圖37B所示的顯示裝置2501包括絕緣層2522。絕緣層2522覆蓋電晶體2502t等。注意，絕緣層2522具有使起因於像素電路的凹凸平坦的功能以及在液晶元件的下部電極上形成凹凸的功能。由此，能夠在下部電極的表面上形成凹凸。因此，當外部光入射到下部電極時，可以使該光在下部電極的表面產生漫反射，從而可以提高可見度。注意，在構成透射型液晶顯示裝置的情況下，也可以不設置上述凹凸。
〈5-3.觸控感測器〉
接著，參照圖38說明觸控感測器2595的詳細內容。圖38是沿著圖36B所示的點劃線X3-X4切斷的剖面圖。
觸控感測器2595包括：在基板2590上配置為交錯形狀的電極2591及電極2592；覆蓋電極2591及電極2592的絕緣層2593；以及使相鄰的電極2591電連接的佈線2594。
電極2591及電極2592使用具有透光性的導電材料形成。作為具有透光性的導電材料，可以使用氧化銦、銦錫氧化物、銦鋅氧化物、氧化鋅、添加有鎵的氧化鋅等導電氧化物。此外，還可以使用含有石墨烯的膜。含有石墨烯的膜例如可以藉由使包含氧化石墨烯的膜還原而形成。作為還原方法，可以舉出進行加熱的方法等。
例如，藉由濺射法將具有透光性的導電材料形成在基板2590上，然後藉由光微影法等各種圖案化技術去除無需的部分，由此可以形成電極2591及電極2592。
另外，作為用於絕緣層2593的材料，例如除了丙烯酸樹脂、環氧樹脂等樹脂、具有矽氧烷鍵的樹脂之外，還可以使用氧化矽、氧氮化矽、氧化鋁等無機絕緣材料。
另外，達到電極2591的開口設置在絕緣層2593中，並且佈線2594與相鄰的電極2591電連接。由於透光導電材料可以提高觸控面板的開口率，因此可以適用於佈線2594。另外，因為其導電性高於電極2591及電極2592的材料可以減少電阻，所以可以適用於佈線2594。
電極2592延在一個方向上，多個電極2592設置為條紋狀。此外，佈線2594以與電極2592交叉的方式設置。
夾著一個電極2592設置有一對電極2591。另外，佈線2594電連接一對電極2591。
另外，多個電極2591並不需要必須設置在與一個電極2592正交的方向上，也可以設置為形成大於0°且小於90°的角。
此外，一個佈線2598與電極2591或電極2592電連接。另外，將佈線2598的一部分用作端子。作為佈線2598，例如可以使用金屬材料諸如鋁、金、鉑、銀、鎳、鈦、鎢、鉻、鉬、鐵、鈷、銅或鈀等或者包含該金屬材料的合金材料。
另外，也可以藉由設置覆蓋絕緣層2593及佈線2594的絕緣層，來保護觸控感測器2595。
此外，連接層2599電連接佈線2598與FPC2509(2)。
作為連接層2599，可以使用異方性導電膜(ACF：Anisotropic Conductive Film)或異方性導電膏(ACP：Anisotropic Conductive Paste)等。
〈5-4.觸控面板〉
接著，參照圖39A說明觸控面板2000的詳細內容。圖39A是沿著圖36A所示的點劃線X5-X6切斷的剖面圖。
圖39A所示的觸控面板2000是將圖37A所說明的顯示裝置2501與圖38所說明的觸控感測器2595貼合在一起的結構。
另外，圖39A所示的觸控面板2000除了圖37A所說明的結構之外還包括黏合層2597及抗反射層2569。
黏合層2597以與佈線2594接觸的方式設置。注意，黏合層2597以使觸控感測器2595重疊於顯示裝置2501的方式將基板2590貼合到基板2570。此外，黏合層2597較佳為具有透光性。另外，作為黏合層2597，可以使用熱固性樹脂或紫外線硬化性樹脂。例如，可以使用丙烯酸類樹脂、氨酯類樹脂、環氧類樹脂或矽氧烷類樹脂。
抗反射層2569設置在重疊於像素的位置上。作為抗反射層2569，例如可以使用圓偏光板。
接著，參照圖39B對與圖39A所示的結構不同的結構的觸控面板進行說明。
圖39B是觸控面板2001的剖面圖。圖39B所示的觸控面板2001與圖39A所示的觸控面板2000的不同之處在於相對於顯示裝置2501的觸控感測器2595的位置。在這裡對不同的結構進行詳細的說明，而對可以使用同樣的結構的部分援用觸控面板2000的說明。
彩色層2567位於EL元件2550的下方。此外，圖39B所示的EL元件2550將光射出到設置有電晶體2502t的一側。由此，EL元件2550所發射的光的一部分透過彩色層2567，而向圖39B中的箭頭所示的方向被射出到發光模組2580的外部。
另外，觸控感測器2595被設置於顯示裝置2501的基板2510一側。
黏合層2597位於基板2510與基板2590之間，並將顯示裝置2501和觸控感測器2595貼合在一起。
如圖39A及圖39B所示，光可以從發光元件穿過基板2510和基板2570 中的一個或兩個而射出。
〈5-5.觸控面板的驅動方法〉
接著，參照圖40A及圖40B對觸控面板的驅動方法的一個例子進行說明。
圖40A是示出互電容式觸控感測器的結構的方塊圖。在圖40A中，示出脈衝電壓輸出電路2601、電流檢測電路2602。另外，在圖40A中，以X1至X6的6個佈線表示被施加有脈衝電壓的電極2621，並以Y1至Y6的6個佈線表示檢測電流的變化的電極2622。此外，圖40A示出由於使電極2621與電極2622重疊而形成的電容器2603。注意，電極2621與電極2622的功能可以互相調換。
脈衝電壓輸出電路2601是用來依次將脈衝電壓施加到X1至X6的佈線的電路。藉由對X1至X6的佈線施加脈衝電壓，在形成電容器2603的電極2621與電極2622之間產生電場。藉由利用該產生於電極之間的電場由於被遮蔽等而使電容器2603的互電容產生變化，可以檢測出被檢測體的靠近或接觸。
電流檢測電路2602是用來檢測電容器2603的互電容變化所引起的Y1至Y6的佈線的電流變化的電路。在Y1至Y6的佈線中，如果沒有被檢測體的靠近或接觸，所檢測的電流值則沒有變化，而另一方面，在由於所檢 測的被檢測體的靠近或接觸而互電容減少的情況下，檢測到電流值減少的變化。另外，藉由積分電路等檢測電流即可。
接著，圖40B示出圖40A所示的互電容式觸控感測器中的輸入/輸出波形的時序圖。在圖40B中，在一個圖框期間進行各行列中的被檢測體的檢測。另外，在圖40B中，示出沒有檢測出被檢測體(未觸摸)和檢測出被檢測體(觸摸)的兩種情況。此外，關於Y1至Y6的佈線，示出對應於所檢測出的電流值的電壓值的波形。
依次對X1至X6的佈線施加脈衝電壓，Y1至Y6的佈線的波形根據該脈衝電壓而變化。當不存在被檢測體的靠近或接觸時，Y1至Y6的波形根據X1至X6的佈線的電壓變化而產生變化。另一方面，在存在被檢測體靠近或接觸的部分的電流值減少，因而與其相應的電壓值的波形也產生變化。
如此，藉由檢測互電容的變化，可以檢測出被檢測體的靠近或接觸。
〈5-6.感測器電路〉
另外，作為觸控感測器，圖40A雖然示出在佈線的交叉部只設置電容器2603的被動方式觸控感測器的結構，但是也可以採用包括電晶體和電容器的主動方式觸控感測器。圖41示出主動方式觸控感測器所包括的感測器電路的一個例子。
圖41所示的感測器電路包括電容器2603、電晶體2611、電晶體2612及電晶體2613。
對電晶體2613的閘極施加信號G2，對源極和汲極中的一個施加電壓VRES，並且另一個與電容器2603的一個電極及電晶體2611的閘極電連接。電晶體2611的源極和汲極中的一個與電晶體2612的源極和汲極中的一個電連接，對另一個施加電壓VSS。對電晶體2612的閘極施加信號G1，源極和汲極中的另一個與佈線ML電連接。對電容器2603的另一個電極施加電壓VSS。
接下來，對圖41所述的感測器電路的工作進行說明。首先，藉由作為信號G2施加使電晶體2613成為開啟狀態的電位，與電晶體2611的閘極連接的節點n被施加對應於電壓VRES的電位。接著，藉由作為信號G2施加使電晶體2613成為關閉狀態的電位，節點n的電位被保持。
接著，由於手指等被檢測體的靠近或接觸，電容器2603的互電容產生變化，而節點n的電位隨其從VRES變化。
在讀出工作中，對信號G1施加使電晶體2612成為開啟狀態的電位。流過電晶體2611的電流，亦即流過佈線ML的電流根據節點n的電位而產生變化。藉由檢測該電流，可以檢測出被檢測體的靠近或接觸。
可以將前面的實施方式所示的電晶體適用作電晶體2611、電晶體2612及電晶體2613。尤其是藉由將前面的實施方式所示的電晶體用作電晶體2613，能夠長期間保持節點n的電位，由此可以減少對節點n再次供應VRES的工作(更新工作)的頻率。
本實施方式所示的結構可以與其他實施方式或實施例所示的結構適當地組合而實施。
實施方式6
在本實施方式中，參照圖42至圖44B對包括本發明的一個實施方式的半導體裝置的顯示模組、電子裝置及顯示裝置進行說明。
〈6-1.顯示模組〉
圖42所示的顯示模組8000在上蓋8001與下蓋8002之間包括連接於FPC8003的觸控面板8004、連接於FPC8005的顯示面板8006、背光8007、框架8009、印刷電路板8010、電池8011。
例如可以將本發明的一個實施方式的氧化物半導體膜或半導體裝置用於顯示面板8006。
上蓋8001及下蓋8002可以根據觸控面板8004及顯示面板8006的尺寸 可以適當地改變形狀或尺寸。
觸控面板8004能夠是電阻膜式觸控面板或電容式觸控面板，並且能夠被形成為與顯示面板8006重疊。此外，也可以使顯示面板8006的相對基板(密封基板)具有觸控面板的功能。另外，也可以在顯示面板8006的各像素內設置光感測器，而形成光學觸控面板。
背光8007具有光源8008。注意，雖然在圖42中例示出在背光8007上配置光源8008的結構，但是不侷限於此。例如，可以在背光8007的端部設置光源8008，並使用光擴散板。當使用有機EL元件等自發光型發光元件時，或者當使用反射式面板等時，可以採用不設置背光8007的結構。
框架8009除了具有保護顯示面板8006的功能以外還具有用來遮斷因印刷電路板8010的工作而產生的電磁波的電磁屏蔽的功能。此外，框架8009也可以具有散熱板的功能。
印刷電路板8010具有電源電路以及用來輸出視訊信號及時脈信號的信號處理電路。作為對電源電路供應電力的電源，既可以採用外部的商業電源，又可以採用另行設置的電池8011的電源。當使用商業電源時，可以省略電池8011。
此外，在顯示模組8000中還可以設置偏光板、相位差板、稜鏡片等構 件。
〈6-2.電子裝置〉
圖43A至圖43G是示出電子裝置的圖。這些電子裝置可以包括外殼9000、顯示部9001、揚聲器9003、操作鍵9005(包括電源開關或操作開關)、連接端子9006、感測器9007(該感測器具有測量如下因素的功能：力、位移、位置、速度、加速度、角速度、轉速、距離、光、液、磁、溫度、化學物質、聲音、時間、硬度、電場、電流、電壓、電力、輻射線、流量、濕度、傾斜度、振動、氣味或紅外線)、麥克風9008等。
圖43A至圖43G所示的電子裝置可以具有各種功能。例如，可以具有如下功能：將各種資訊(靜態影像、動態影像、文字影像等)顯示在顯示部上的功能；觸控面板的功能；顯示日曆、日期或時間等的功能；藉由利用各種軟體(程式)控制處理的功能；進行無線通訊的功能；藉由利用無線通訊功能來連接到各種電腦網路的功能；藉由利用無線通訊功能，進行各種資料的發送或接收的功能；讀出儲存在存儲介質中的程式或資料來將其顯示在顯示部上的功能；等。注意，圖43A至圖43G所示的電子裝置可具有的功能不侷限於上述功能，而可以具有各種功能。另外，雖然在圖43A至圖43G中未圖示，但是電子裝置可以包括多個顯示部。此外，也可以在該電子裝置中設置照相機等而使其具有如下功能：拍攝靜態影像的功能；拍攝動態影像的功能；將所拍攝的影像儲存在存儲介質(外部存儲介質或內置於照相機的存儲介質)中的功能；將所拍攝的影像顯示在顯示部上的 功能；等。
下面，詳細地說明圖43A至圖43G所示的電子裝置。
圖43A是示出可攜式資訊終端9100的透視圖。可攜式資訊終端9100所包括的顯示部9001具有撓性。因此，可以沿著所彎曲的外殼9000的彎曲面組裝顯示部9001。另外，顯示部9001具備觸控感測器，而可以用手指或觸控筆等觸摸螢幕來進行操作。例如，藉由觸摸顯示於顯示部9001上的圖示，可以啟動應用程式。
圖43B是示出可攜式資訊終端9101的透視圖。可攜式資訊終端9101例如具有電話機、電子筆記本和資訊閱讀裝置等中的一種或多種的功能。明確而言，可以將其用作智慧手機。注意，揚聲器9003、連接端子9006、感測器9007等在可攜式資訊終端9101中未圖示，但可以設置在與圖43A所示的可攜式資訊終端9100同樣的位置上。另外，可攜式資訊終端9101可以將文字或影像資訊顯示在其多個面上。例如，可以將三個操作按鈕9050(還稱為操作圖示或只稱為圖示)顯示在顯示部9001的一個面上。另外，可以將由虛線矩形表示的資訊9051顯示在顯示部9001的另一個面上。此外，作為資訊9051的例子，可以舉出提示收到來自電子郵件、SNS(Social Networking Services：社交網路服務)或電話等的資訊的顯示；電子郵件或SNS等的標題；電子郵件或SNS等的發送者姓名；日期；時間；電量；以及天線接收強度等。或者，可以在顯示有資訊9051的位置上顯示操作按鈕 9050等代替資訊9051。
圖43C是示出可攜式資訊終端9102的透視圖。可攜式資訊終端9102具有將資訊顯示在顯示部9001的三個以上的面上的功能。在此，示出資訊9052、資訊9053、資訊9054分別顯示於不同的面上的例子。例如，可攜式資訊終端9102的使用者能夠在將可攜式資訊終端9102放在上衣口袋裡的狀態下確認其顯示(這裡是資訊9053)。明確而言，將打來電話的人的電話號碼或姓名等顯示在能夠從可攜式資訊終端9102的上方觀看這些資訊的位置。使用者可以確認到該顯示而無需從口袋裡拿出可攜式資訊終端9102，由此能夠判斷是否接電話。
圖43D是示出手錶型可攜式資訊終端9200的透視圖。可攜式資訊終端9200可以執行行動電話、電子郵件、文章的閱讀及編輯、音樂播放、網路通信、電腦遊戲等各種應用程式。此外，顯示部9001的顯示面被彎曲，能夠在所彎曲的顯示面上進行顯示。另外，可攜式資訊終端9200可以進行被通信標準化的近距離無線通訊。例如，藉由與可進行無線通訊的耳麥相互通信，可以進行免提通話。此外，可攜式資訊終端9200包括連接端子9006，可以藉由連接器直接與其他資訊終端進行資料的交換。另外，也可以藉由連接端子9006進行充電。此外，充電工作也可以利用無線供電進行，而不藉由連接端子9006。
圖43E至圖43G是示出能夠折疊的可攜式資訊終端9201的透視圖。另 外，圖43E是展開狀態的可攜式資訊終端9201的透視圖，圖43F是從展開狀態和折疊狀態中的一個狀態變為另一個狀態的中途的狀態的可攜式資訊終端9201的透視圖，圖43G是折疊狀態的可攜式資訊終端9201的透視圖。可攜式資訊終端9201在折疊狀態下可攜性好，在展開狀態下因為具有無縫拼接的較大的顯示區域而其顯示的一覽性強。可攜式資訊終端9201所包括的顯示部9001由鉸鏈9055所連接的三個外殼9000來支撐。藉由鉸鏈9055使兩個外殼9000之間彎折，可以從可攜式資訊終端9201的展開狀態可逆性地變為折疊狀態。例如，可以以1mm以上且150mm以下的曲率半徑使可攜式資訊終端9201彎曲。
圖44A和圖44B是包括多個顯示面板的顯示裝置的透視圖。圖44A是多個顯示面板被捲繞時的透視圖，圖44B是展開多個顯示面板時的透視圖。
圖44A和圖44B所示的顯示裝置9500包括多個顯示面板9501、軸部9511、軸承部9512。多個顯示面板9501都包括顯示區域9502、具有透光性的區域9503。
多個顯示面板9501具有撓性。以其一部分互相重疊的方式設置相鄰的兩個顯示面板9501。例如，可以重疊相鄰的兩個顯示面板9501的各具有透光性的區域9503。藉由使用多個顯示面板9501，可以實現螢幕大的顯示裝置。另外，根據使用情況可以捲繞顯示面板9501，所以可以實現通用性高的顯示裝置。
圖44A和圖44B示出相鄰的顯示面板9501的顯示區域9502彼此分開的情況，但是不侷限於此，例如，也可以藉由沒有間隙地重疊相鄰的顯示面板9501的顯示區域9502，實現連續的顯示區域9502。
本實施方式所示的電子裝置包括用來顯示某些資訊的顯示部。注意，本發明的一個實施方式的半導體裝置也可以應用於不包括顯示部的電子裝置。另外，雖然在本實施方式中示出了電子裝置的顯示部具有撓性且可以在彎曲的顯示面上進行顯示的結構或能夠使其顯示部折疊的結構，但不侷限於此，也可以採用不具有撓性且在平面部上進行顯示的結構。
本實施方式所示的結構可以與其他實施方式或實施例所示的結構適當地組合而使用。
實施方式7
在本實施方式中，使用圖45對可用於本發明的一個實施方式的顯示模組的製造的沉積装置進行說明。
圖45是說明可用於本發明的一個實施方式的顯示模組的製造的沉積装置3000的圖。沉積装置3000是成批式(batch-type)ALD裝置的一個例子。
〈7-1.沉積装置的結構例子〉
本實施方式中說明的沉積装置3000包括沉積室3180及與沉積室3180連接的控制部3182(參照圖45)。
控制部3182包括提供控制信號的控制裝置(未圖示)以及被提供控制信號的流量控制器3182a、流量控制器3182b及流量控制器3182c。例如，可以將高速閥用於流量控制器。明確而言，藉由使用ALD用閥等可以精密地控制流量。另外，還包括流量控制器及控制管道溫度的加熱機構3182h。
流量控制器3182a被供應控制信號、第一原料及惰性氣體，並能夠根據控制信號供應第一原料或惰性氣體。
流量控制器3182b被供應控制信號、第二原料及惰性氣體，並能夠根據控制信號供應第二原料或惰性氣體。
流量控制器3182c被供應控制信號，並能夠根據控制信號連接到排氣裝置3185。
[原料供應部]
另外，原料供應部3181a能夠供應第一原料，並與流量控制器3182a連接。
原料供應部3181b能夠供應第二原料，並與流量控制器3182b連接。
可以將汽化器或加熱單元等用於原料供應部。由此，可以由固體原料或液體原料生成氣體原料。
另外，原料供應部不侷限於兩個，也可以具有三個以上的原料供應部。
〈原料〉
第一原料可以使用各種物質。例如，可以將揮發性有機金屬化合物、金屬醇鹽等用於第一原料。可以將與第一原料起反應的各種物質用於第二原料。例如，可以將有助於氧化反應的物質、有助於還原反應的物質、有助於付加反應的物質、有助於分解反應的物質或有助於水解反應的物質等用於第二原料。
另外，可以使用自由基等。例如，可以將原料供應給電漿源而使用電漿等。明確而言，可以使用氧自由基、氮自由基等。
另外，與第一原料組合使用的第二原料較佳為使用在接近室溫的溫度起反應的原料。例如，較佳為使用反應溫度為室溫以上且200℃以下，更佳為50℃以上且150℃以下的原料。
〈排氣裝置〉
排氣裝置3185具有排氣功能並與流量控制器3182c連接。另外，可以在排出口3184與流量控制器3182c之間設置捕捉排出物質的阱。另外，利用去除裝置去除排出的氣體等。
[控制部]
控制部3182供應控制流量控制器的控制信號或控制加熱機構的控制信號等。例如，在第一步驟中，將第一原料供應至加工構件的表面。並且，在第二步驟中，供應與第一原料起反應的第二原料。由此，第一原料與第二原料發生反應，反應生成物沉積於加工構件3010的表面。
另外，沉積於加工構件3010的表面的反應生成物的量可以藉由反復進行第一步驟和第二步驟來控制。
另外，供應至加工構件3010的第一原料的量受限於加工構件3010的表面能夠吸附的量。例如，以第一原料的單分子層形成於加工構件3010的表面上的方式選擇條件，藉由使形成的第一原料的單分子層與第二原料發生反應，可以形成極均勻的含有第一原料與第二原料的反應生成物的層。
由此，可以在表面具有複雜結構的加工構件3010的表面上將各種材料沉積成膜。例如，可以在加工構件3010上形成厚度為3nm以上且200nm以下的膜。
例如，當加工構件3010的表面形成有被稱為針孔的小孔等時，藉由將材料沉積到針孔內可以填埋針孔。
另外，利用排氣裝置3185將剩餘的第一原料或第二原料從沉積室3180排出。例如，可以邊導入氬或氮等惰性氣體邊進行排氣。
[沉積室]
沉積室3180包括供應第一原料、第二原料及惰性氣體的導入口3183以及排出第一原料、第二原料及惰性氣體的排出口3184。
沉積室3180包括：能夠支撐一個或多個加工構件3010的支撐部3186、能夠加熱加工構件的加熱機構3187、能夠打開或關閉加工構件3010的搬入及搬出區域的門3188。
例如，可以將電阻加熱器或紅外線燈等用於加熱機構3187。加熱機構3187具有例如加熱至80℃以上，100℃以上或150℃以上的功能。加熱機構3187例如將加工構件3010加熱為室溫以上且200℃以下，較佳為50℃以上且150℃以下。
另外，沉積室3180也可以具有壓力調整器及壓力檢測器。
[支撐部]
支撐部3186支撐一個或多個加工構件3010。由此，例如可以在每次處理中在一個或多個加工構件3010上形成絕緣膜。
〈7-2.膜的例子〉
對能夠利用本實施方式中說明的沉積装置3000形成的膜的例子進行說明。
例如，可以形成含有氧化物、氮化物、氟化物、硫化物、三元化合物、金屬或聚合物的膜。
例如，可以形成含有氧化鋁、氧化鉿、矽酸鋁、矽酸鉿、氧化鑭、氧化矽、鈦酸鍶、氧化鉭、氧化鈦、氧化鋅、氧化鈮、氧化鋯、氧化錫、氧化釔、氧化鈰、氧化鈧、氧化鉺、氧化釩或氧化銦等材料的膜。
例如，可以形成含有氮化鋁、氮化鉿、氮化矽、氮化鉭、氮化鈦、氮化鈮、氮化鉬、氮化鋯或氮化鎵等材料的膜。
例如，可以形成含有銅、鉑、釕、鎢、銥、鈀、鐵、鈷或鎳等材料的膜。
例如，可以形成含有硫化鋅、硫化鍶、硫化鈣、硫化鉛、氟化鈣、氟化鍶或氟化鋅等材料的膜。
例如，可以形成含有如下材料的膜：含有鈦及鋁的氮化物；含有鈦及鋁的氧化物；含有鋁及鋅的氧化物；含有錳及鋅的硫化物；含有鈰及鍶的硫化物；含有鉺及鋁的氧化物；含有釔及鋯的氧化物；等等。
注意，本實施方式可以與本說明書所示的其他實施方式或實施例適當地組合。
實施例1
在本實施例中，對本發明的一個實施方式的氧化物半導體膜的結晶性及組成進行評價。在本實施例中，製造樣本A1至A5及樣本B1至B5。樣本A1至A5為對比氧化物半導體膜，樣本B1至B5為本發明的一個實施方式的氧化物半導體膜。
〈1-1.樣本A1至A5及樣本B1至B5〉
首先，對在本實施例中製造的樣本A1至A5及樣本B1至B5進行說明。
樣本A1至A5及樣本B1至B5為在玻璃基板上形成有100nm厚的氧化物半導體膜的結構。注意，樣本A1至A5及樣本B1至B5的氧化物半導體膜的成膜條件及靶材的組成不同。表4示出樣本A1至A5及樣本B1至B5的主要成膜條件。樣本A1至A5及樣本B1至B5都利用平行板型濺射裝置 形成。作為在樣本A1至A5及樣本B1至B5的成膜中施加到靶材的電源，使用AC電源。
Figure 109108822-A0101-12-0156-5
如表4所示，在對比樣本A1至A5中使用In：Ga：Zn=1：1：1.2[原子數比]的靶材，在本發明的一個實施方式的樣本B1至B5中，使用In：Ga：Zn=4：2：4.1[原子數比]的靶材。
〈1-2.靶材的組成和膜的組成〉
接著，對表4所示的用於樣本A1至A5的靶材的組成與使用該靶材形成的樣本A3的膜的組成進行分析。同樣地，對用於樣本B1至B5的靶材的組成與使用該靶材形成的樣本B3的膜的組成進行分析。表5示出用於樣本 A1至A5的靶材的組成及樣本A3的膜的組成。另外，表6示出用於樣本B1至B5的靶材的組成及樣本B3的膜的組成。
Figure 109108822-A0101-12-0157-6
Figure 109108822-A0101-12-0157-7
當對靶材的組成進行分析時，利用ICP-MS對靶材的碎片進行評價。當對膜的組成進行分析時，利用X射線光電子能譜(XPS：X-Ray Photoelectron Spectroscopy)分析法對利用濺射法形成的膜進行評價。
如表5及表6所示，使用In：Ga：Zn=1：1：1.2[原子數比]的靶材形成的樣本A3的膜的組成大致為In：Ga：Zn=1：1：1[原子數比]。另外，使用In：Ga：Zn=4：2：4.1[原子數比]的靶材形成的樣本B3的膜的組成大致為In： Ga：Zn=4：2：3[原子數比]。
〈1-3.利用XRD的結晶性評價〉
接著，利用XRD對上述樣本A1至A5及樣本B1至B5的結晶性進行評價。圖46示出XRD結果。作為XRD裝置，使用多功能薄膜材料評價X射線繞射儀D8 DISCOVER Hybrid(美國布魯克AXS公司製造)。圖46所示的XRD結果是利用out-of-plane法所獲得的分析結果。
如圖46所示，在樣本A1至A5及樣本B1至B5中都出現2θ=31°附近的峰值。2θ=31°附近的峰值來源於InGaZnO4結晶的(009)面，由此可知各樣本的氧化物半導體膜的結晶具有c軸配向性，並且c軸朝向大致垂直於被形成面或頂面的方向。此外，與樣本A1至A5相比，樣本B1至B5的2θ=31°附近的峰值強度高。另外，在對比樣本(樣本A1至A5)及本發明的一個實施方式的樣本(樣本B1至B5)中，在增加氧流量的成膜條件下2θ=31°附近的峰值強度高。
另外，如圖46所示，對比樣本A3、樣本A4及樣本A5在2θ=36°附近出現峰值。2θ=36°附近的峰值可認為來源於尖晶石相。另一方面，在本發明的一個實施方式的樣本B1至B5中，即使增加成膜時的氧流量，也在膜中觀察不到對應於尖晶石相的峰值。這表示與使用In：Ga：Zn=1：1：1.2[原子數比]的靶材形成的氧化物半導體膜相比，在使用In：Ga：Zn=4：2：4.1[原子數比]的靶材形成的氧化物半導體膜中不容易形成尖晶石相。
〈1-4.使用剖面TEM影像的結晶性評價〉
接著，觀察在上面製造的樣本A3及樣本B3的剖面TEM影像。圖47A和圖47B示出剖面TEM影像。圖47A為樣本A3的剖面TEM影像，圖47B為樣本B3的剖面TEM影像。
如圖47A和圖47B所示，與樣本A3相比，在本發明的一個實施方式的樣本B3中觀察到具有c軸配向性的結晶的明確的晶格像。由此確認到使用In：Ga：Zn=4：2：4.1[原子數比]的靶材形成的氧化物半導體膜具有高結晶性。
本實施例所示的結構可以與其他實施方式或其他實施例所示的結構適當地組合而實施。
實施例2
在本實施例中，對本發明的一個實施方式的氧化物半導體膜的結晶性進行評價。在本實施例中，製造樣本C1至C4、樣本D1至D4、樣本E1和E2及樣本F1至F6。樣本C1至C4及樣本F1至F6為本發明的一個實施方式的氧化物半導體膜，樣本D1至D4及樣本E1和E2為對比氧化物半導體膜。
〈2-1.樣本C1至C4、樣本D1至D4、樣本E1和E2及樣本F1至F6〉
首先，對在本實施例中製造的各樣本進行說明。
樣本C1至C4為在玻璃基板上形成有100nm厚的氧化物半導體膜的結構。樣本D1至D4為在玻璃基板上形成有100nm厚的氧化物半導體膜的結構。樣本E1和E2為在玻璃基板上形成有100nm厚的氧化物半導體膜的結構。樣本F1至F6為在玻璃基板上形成有50nm厚的第一氧化物半導體膜及第一氧化物半導體膜上的50nm厚的第二氧化物半導體膜的結構。注意，上述各樣本的形成氧化物半導體膜時的基板溫度、靶材及疊層結構不同。表7和表8示出樣本C1至C4、樣本D1至D4、樣本E1和E2及樣本F1至F6的主要成膜條件。上述各樣本都利用平行板型濺射裝置形成。作為在上述各樣本的成膜中施加到靶材的電源，使用AC電源。另外，作為用於上述各樣本的玻璃基板的尺寸為600mm×720mm。
Figure 109108822-A0101-12-0160-8
Figure 109108822-A0101-12-0161-9
Figure 109108822-A0101-12-0161-10
()內的數值表示In：Ga：Zn的膜中的組成[原子數比]
在表8所示的樣本F1至F4中，第一氧化物半導體膜(In：Ga：Zn=4：2：3[原子數比])的成膜條件與表7所示的樣本C1至C4相同，第二氧化物半導體膜(In：Ga：Zn=1：1：1[原子數比])的成膜條件與表7所示的樣本D1至D4相同。在表8所示的樣本F5和F6中，第一氧化物半導體膜(In：Ga：Zn=4：2：3[原子數比])的成膜條件與表7所示的樣本C1至C4相同，第二氧化物半導體膜(In：Ga：Zn=1：1：1[原子數比])的成膜條件與表7所示的樣本E1和E2相同。
〈2-2.利用XRD的結晶性評價〉
接著，利用XRD對上述各樣本的結晶性進行評價。圖48示出進行XRD分析的600mm×720mm尺寸的玻璃基板的座標。在圖48中，由圓圈表示的B、E、H示出進行XRD分析的座標。
圖49至圖53示出XRD結果。在此，使用與實施例1相同的XRD裝置。圖49至圖53所示的XRD結果是利用out-of-plane法所獲得的分析結果。圖49為樣本C1至樣本C4的XRD結果，圖50為樣本D1至樣本D4的XRD結果，圖51為樣本E1及樣本E2的XRD結果，圖52為樣本F1至樣本F4的XRD結果，圖53為樣本F5及樣本F6的XRD結果。
如圖49至圖53所示，在本發明的一個實施方式的樣本C1至C4及樣本F1至F6中確認到示出CAAC-OS的2θ=31°附近的明確的峰值。另外，在本發明的一個實施方式的樣本C1至C4及樣本F1至F6中確認不到起因於尖晶石相的2θ=36°附近的峰值。
如表7、表8及圖49至圖53所示，本發明的一個實施方式的氧化物半導體膜在成膜時的基板溫度為100℃以上且170℃以下的範圍內具有c軸配向性及高結晶性。尤其是，在樣本C4、樣本F3及樣本F4中，600mm×720mm面內(圖48至圖53所示的B、E、H)的分佈偏差少，具有良好的結晶性。
本實施例所示的結構可以與其他實施方式或其他實施例所示的結構適當地組合而實施。
實施例3
在本實施例中，對靶材及使用該靶材形成的氧化物半導體膜的氫濃度進行分析。在本實施例中，製造樣本G1至G4及樣本H1至H4。樣本G1至G4為本發明的一個實施方式的氧化物半導體膜，樣本H1至H4為對比氧化物半導體膜。
〈3-1.靶材的氫濃度〉
表9示出在本實施例中使用的靶材的氫濃度。靶材的氫濃度是利用SIMS測得的。
Figure 109108822-A0101-12-0163-11
〈3-2.樣本G1至G4及樣本H1至H4〉
首先，對在本實施例中製造的各樣本進行說明。
樣本G1至G4為在玻璃基板上形成有100nm厚的氧化物半導體膜的結構。樣本H1至H4為在玻璃基板上形成有100nm厚的氧化物半導體膜的結構。注意，上述各樣本的形成氧化物半導體膜時的基板溫度及靶材不同。表10示出樣本G1至G4及樣本H1至H4的主要成膜條件。上述各樣本都利用平行板型濺射裝置形成。作為在各樣本的成膜中施加到靶材的電源，使用AC電源。
Figure 109108822-A0101-12-0164-12
〈3-3.利用SIMS的膜中H濃度評價〉
接著，利用SIMS對上述各樣本的膜中的H濃度進行評價。圖54示出各樣本的SIMS結果。
如圖54所示，本發明的一個實施方式的樣本G1至G4的氫濃度在膜中深度20nm附近大致為3.0×1019atoms/cm3。對比樣本H1至H4的氫濃度在膜中深度20nm附近大致為5.0×1019atoms/cm3。與樣本H1至H4相比，本發明的一個實施方式的氧化物半導體膜的樣本G1至G4的氫濃度低。
另外，在樣本G1至G4及樣本H1至H4中，成膜時的基板溫度不對氧化物半導體膜中的氫濃度造成很大影響。
本實施例所示的結構可以與其他實施方式或其他實施例所示的結構適當地組合而實施。
實施例4
在本實施例中，製造相當於圖18C和圖18D所示的電晶體270B的電晶體，對該電晶體的Id-Vg特性進行評價。在本實施例中，製造以下所示的樣本J1及J2進行評價。樣本J1及J2各包括通道長度L=6μm且通道寬度W=50μm的十個電晶體。
下面，對本實施例中製造的樣本進行說明。注意，在以下說明中，使 用圖18C和圖18D所示的電晶體270B的符號進行說明。
〈4-1.樣本J1的製造方法〉
首先，在基板202上形成導電膜204。作為基板202使用玻璃基板。作為導電膜204藉由使用濺射裝置形成100nm厚的鎢膜。
接著，在基板202及導電膜204上形成絕緣膜206、207。作為絕緣膜206藉由使用PECVD設備形成400nm厚的氮化矽膜。作為絕緣膜207藉由使用PECVD設備形成50nm厚的氧氮化矽膜。
絕緣膜206的成膜條件為如下：基板溫度為350℃；將流量為200sccm的矽烷氣體、流量為2000sccm的氮氣體及流量為100sccm的氨氣體引入到腔室內；壓力為100Pa；以及對設置在PECVD設備內的平行板電極之間供應2000W的RF功率，形成50nm厚的氮化矽膜，接著，將氨流量改變為2000sccm，形成300nm厚的氮化矽膜，接著，將氨流量改變為100sccm，形成50nm厚的氮化矽膜。
絕緣膜207的成膜條件為如下：基板溫度為350℃；將流量為20sccm的矽烷氣體及流量為3000sccm的一氧化二氮氣體引入到腔室內；壓力為40Pa；以及對設置在PECVD設備內的平行板電極之間供應100W的RF功率。
接著，在絕緣膜207上形成氧化物半導體膜208。作為氧化物半導體膜208，利用濺射裝置在真空中連續地形成第一氧化物半導體膜208b及第二氧化物半導體膜208c。在以下說明中，將第一氧化物半導體膜208b稱為IGZO-1，將第二氧化物半導體膜208c稱為IGZO-2。
作為IGZO-1，形成10nm厚的In-Ga-Zn氧化物膜(以下，稱為IGZO膜)。IGZO-1的成膜條件為如下：基板溫度為170℃；將流量為140sccm的氬氣體及流量為60sccm的氧氣體引入到腔室內；壓力為0.6Pa；以及對多晶金屬氧化物濺射靶材(In：Ga：Zn=4：2：4.1[原子數比])供應2500W的AC功率。
作為IGZO-2，形成15nm厚的IGZO膜。IGZO-2的成膜條件為如下：基板溫度為170℃；將流量為100sccm的氬氣體及流量為100sccm的氧氣體引入到腔室內；壓力為0.2Pa；以及對多晶金屬氧化物濺射靶材(In：Ga：Zn=1：1：1.2[原子數比])供應2500W的AC功率。
接著，在絕緣膜207及氧化物半導體膜208上形成導電膜212a、212b。作為導電膜212a、212b，藉由使用濺射裝置在真空中連續地形成50nm厚的鎢膜、400nm厚的鋁膜以及100nm厚的鈦膜。
接著，在絕緣膜207、氧化物半導體膜208以及導電膜212a、212b上形成絕緣膜214及絕緣膜216。作為絕緣膜214藉由使用PECVD設備形成50nm厚的氧氮化矽膜。作為絕緣膜216藉由使用PECVD設備形成400nm厚的氧 氮化矽膜。注意，絕緣膜214及絕緣膜216藉由使用PECVD設備在真空中連續地形成。
絕緣膜214的成膜條件為如下：基板溫度為220℃；將流量為50sccm的矽烷氣體及流量為2000sccm的一氧化二氮氣體引入到腔室內；壓力為20Pa；以及對設置在PECVD設備內的平行板電極之間供應100W的RF功率。絕緣膜216的成膜條件為如下：基板溫度為220℃；將流量為160sccm的矽烷氣體及流量為4000sccm的一氧化二氮氣體引入到腔室內；壓力為200Pa；以及對設置在PECVD設備內的平行板電極之間供應1500W的RF功率。
接著，進行第一加熱處理。作為該第一加熱處理，在氮氣體氛圍下以350℃進行一個小時的加熱處理。
接著，藉由使用濺射裝置在絕緣膜216上形成5nm厚的ITSO膜。該ITSO膜的成膜條件為如下：基板溫度為室溫；將流量為72sccm的氬氣體、流量為5sccm的氧氣體引入到腔室內；壓力為0.15Pa；以及對設置在濺射裝置內的金屬氧化物靶材(In2O3：SnO2：SiO2=85：10：5[wt.%])供應1000W的DC功率。
接著，經由ITSO膜對氧化物半導體膜208及絕緣膜214、216進行氧添加處理。該氧添加處理的條件為如下：利用灰化裝置；基板溫度為40℃； 將流量為250sccm的氧氣體引入到腔室內；壓力為15Pa；以及對設置在灰化裝置內的平行板電極之間供應4500W的RF功率120秒鐘以對基板一側施加偏壓。
接著，去除ITSO膜，使絕緣膜216露出。ITSO膜的去除方法為如下：在利用濕蝕刻裝置，使用濃度為5%的草酸水溶液進行300秒鐘的蝕刻之後，使用濃度為0.5%的氫氟酸進行15秒鐘的蝕刻。
接著，在絕緣膜216上形成絕緣膜218。作為絕緣膜218利用PECVD設備形成100nm厚的氮化矽膜。絕緣膜218的成膜條件為如下：基板溫度為350℃；將流量為50sccm的矽烷氣體、流量為5000sccm的氮氣體及流量為100sccm的氨氣體引入到腔室內；壓力為100Pa；以及對設置在PECVD設備內的平行板電極之間供應1000W的27.12MHz的高頻功率。
接著，形成到達導電膜212b的開口部252c以及到達導電膜204的開口部252a、252b。開口部252a、252b及252c藉由使用乾蝕刻裝置形成。
接著，以覆蓋開口部252a、252b、252c的方式在絕緣膜218上形成導電膜，且對該導電膜進行加工，來形成導電膜220a及220b。作為導電膜220a及220b藉由使用濺射裝置形成100nm厚的ITSO膜。用於該ITSO膜的靶材的組成與用於上面所示的ITSO膜的成膜的靶材相同。
接著，進行第二加熱處理。作為該第二加熱處理，在氮氣體氛圍下以250℃進行一個小時的加熱處理。
經過上述製程，製造本實施例的樣本J1。樣本J1的製程中的最高溫度為350℃。
〈4-2.樣本J2的製造方法〉
樣本J2的製程與上面所示的樣本J1的製程的不同之處在於氧化物半導體膜208的成膜條件。其他製程與樣本J1相同。
作為樣本J2的氧化物半導體膜208，利用濺射裝置在真空中連續地形成第一氧化物半導體膜208b及第二氧化物半導體膜208c。在以下說明中，將第一氧化物半導體膜208b稱為IGZO-1a，將第二氧化物半導體膜208c稱為IGZO-2a。
作為IGZO-1a，形成10nm厚的IGZO膜。IGZO-1a的成膜條件為如下：基板溫度為130℃；將流量為140sccm的氬氣體及流量為60sccm的氧氣體引入到腔室內；壓力為0.6Pa；以及對多晶金屬氧化物濺射靶材(In：Ga：Zn=4：2：4.1[原子數比])供應2500W的AC功率。
作為IGZO-2a，形成15nm厚的IGZO膜。IGZO-2a的成膜條件為如下：基板溫度為130℃；將流量為100sccm的氬氣體及流量為100sccm的氧氣體 引入到腔室內；壓力為0.2Pa；以及對多晶金屬氧化物濺射靶材(In：Ga：Zn=1：1：1.2[原子數比])供應2500W的AC功率。
換而言之，樣本J1和樣本J2的不同之處在於形成氧化物半導體膜208時的基板溫度。
經過上述製程，製造本實施例的樣本J2。樣本J2的製程中的最高溫度為350℃。
〈4-3.Id-Vg特性的結果〉
接著，對上述樣本J1及樣本J2的Id-Vg特性進行測定。圖55A和圖55B示出樣本J1及樣本J2的Id-Vg特性。在圖55A和圖55B中，由第一縱軸表示Id(A)，由第二縱軸表示μFE(cm2/Vs)，由橫軸表示Vg(V)。圖55A示出樣本J1的Id-Vg特性，圖55B示出樣本J2的Id-Vg特性。
作為對用作電晶體270B的第一閘極電極的導電膜204施加的電壓(以下，也稱為閘極電壓(Vg))及對用作第二閘極電極的導電膜220b施加的電壓(Vbg)，以每次增加0.25V的方式從-15V施加到20V。另外，將對用作源極電極的導電膜212a施加的電壓(以下，也稱為源極電壓(Vs))設定為0V(comm)，將對用作汲極電極的導電膜212b施加的電壓(以下，也稱為汲極電壓(Vd))設定為0.1V或20V。
由圖55A和圖55B所示的結果確認到不管氧化物半導體膜208的成膜時的基板溫度是170℃還是130℃，電特性都良好。
〈4-4.GBT測試〉
接著，對上述樣本J1及樣本J2進行可靠性評價。作為可靠性評價，利用偏壓-熱應力測試(以下，稱為GBT(Gate Bias Temperature)測試)。
本實施例的GBT測試的條件為如下：閘極電壓(Vg)為±30V；汲極電壓(Vd)及源極電壓(Vs)都為0V(comm)；應力溫度為60℃；以及應力施加時間為一個小時，並且在黑暗環境及光照射環境(使用白色LED照射10000 lx左右的光)的兩種環境下進行GBT測試。就是說，將電晶體的源極電極和汲極電極的電位設定為相同的電位，並且在一定的時間(在此為一個小時)內對閘極電極施加與源極電極及汲極電極不同的電位。
另外，將施加到閘極電極的電位比源極電極及汲極電極的電位高的情況稱為正應力，而將施加到閘極電極的電位比源極電極及汲極電極的電位低的情況稱為負應力。因此，根據應力的情況及測定環境，在正GBT(黑暗)、負GBT(黑暗)、正GBT(光照射)以及負GBT(光照射)的四種條件下進行可靠性評價。另外，下面有時將正GBT(黑暗)表示為PBTS(Positive Bias Temperature Stress)，將負GBT(黑暗)表示為NBTS(Nagative Bias Temperature Stress)，將正GBT(光照射)表示為PBITS(Positive Bias Illuminations Temperature Stress)，將負GBT(光照射)表示為NBITS(Nagative Bias Illuminations Temperature Stress)。
圖56示出樣本J1及樣本J2的GBT測試的結果。在圖56中，由縱軸表示電晶體的臨界電壓的變化量(△Vth)及漂移值的變化量(△Shift)，由橫軸表示各樣本的名稱、製程條件等。注意，漂移值是指在電晶體的汲極電流(Id)-閘極電壓(Vg)特性中，以對數表示的汲極電流(Id)的最大傾斜度的切線與1×10-12A的軸的交點上的閘極電壓(Vg)。△Shift是指漂移值的變化量。
從圖56所示的結果可知，樣本J1及樣本J2都在GBT測試中臨界電壓的變化量(△Vth)及漂移值的變化量(△Shift)為±2V以內。由此確認到包括本發明的一個實施方式的氧化物半導體膜的電晶體具有高可靠性。
本實施例所示的結構可以與其他實施方式或其他實施例所示的結構適當地組合而實施。
實施例5
在本實施例中，製造相當於圖18C和圖18D所示的電晶體270B的電晶體，對該電晶體的Id-Vg特性及該電晶體的剖面觀察進行評價。
在本實施例中，製造以下所示的樣本K1至K3進行評價。樣本K1包 括通道長度L=3μm且通道寬度W=5μm的電晶體，樣本K2包括通道長度L=3μm且通道寬度W=50μm的電晶體，樣本K3包括通道長度L=6μm且通道寬度W=50μm的電晶體。樣本K1至K3的不同之處僅在於電晶體的尺寸，以相同的製程製造。
下面，對本實施例中製造的樣本進行說明。注意，在以下說明中，使用圖18C和圖18D所示的電晶體270B的符號進行說明。
〈5-1.樣本K1至K3的製造方法〉
首先，在基板202上形成導電膜204。作為基板202使用玻璃基板。作為導電膜204藉由使用濺射裝置形成100nm厚的鎢膜。
接著，在基板202及導電膜204上形成絕緣膜206、207。作為絕緣膜206藉由使用PECVD設備形成400nm厚的氮化矽膜。作為絕緣膜207藉由使用PECVD設備形成50nm厚的氧氮化矽膜。
絕緣膜206的成膜條件為如下：基板溫度為350℃；將流量為200sccm的矽烷氣體、流量為2000sccm的氮氣體及流量為100sccm的氨氣體引入到腔室內；壓力為100Pa；以及對設置在PECVD設備內的平行板電極之間供應2000W的RF功率，形成50nm厚的氮化矽膜(以下，稱為絕緣膜206_1)，接著，將氨流量改變為2000sccm，形成300nm厚的氮化矽膜(以下，稱為絕緣膜206_2)，接著，將氨流量改變為100sccm，形成50nm厚的氮化矽膜 (以下，稱為絕緣膜206_3)。
絕緣膜207的成膜條件為如下：基板溫度為350℃；將流量為20sccm的矽烷氣體及流量為3000sccm的一氧化二氮氣體引入到腔室內；壓力為40Pa；以及對設置在PECVD設備內的平行板電極之間供應100W的RF功率。
接著，在絕緣膜207上形成氧化物半導體膜208。作為氧化物半導體膜208，利用濺射裝置在真空中連續地形成第一氧化物半導體膜208b及第二氧化物半導體膜208c。在以下說明中，將第一氧化物半導體膜208b稱為IGZO-1，將第二氧化物半導體膜208c稱為IGZO-2。
作為IGZO-1，形成10nm厚的IGZO膜。IGZO-1的成膜條件為如下：基板溫度為170℃；將流量為35sccm的氬氣體及流量為15sccm的氧氣體引入到腔室內；壓力為0.2Pa；以及對多晶金屬氧化物濺射靶材(In：Ga：Zn=4：2：4.1[原子數比])供應1500W的AC功率。
作為IGZO-2，形成20nm厚的IGZO膜。IGZO-2的成膜條件為如下：基板溫度為170℃；將流量為25sccm的氬氣體及流量為25sccm的氧氣體引入到腔室內；壓力為0.2Pa；以及對多晶金屬氧化物濺射靶材(In：Ga：Zn=1：1：1.2[原子數比])供應500W的AC功率。
接著，在絕緣膜207及氧化物半導體膜208上形成導電膜212a、212b。
導電膜212a、212b為50nm厚的鎢膜(以下，稱為導電膜212a_1及導電膜212b_1)、30nm厚的氮化鉭膜(以下，稱為導電膜212a_2及導電膜212b_2)、200nm厚的銅膜(以下，稱為導電膜212a_3及導電膜212b_3)、30nm厚的氮化鉭膜(以下，稱為導電膜212a_4及導電膜212b_4)及50nm厚的鈦膜(以下，稱為導電膜212a_5及導電膜212b_5)的疊層結構。
導電膜212a、212b的形成方法為如下：首先，藉由使用濺射裝置形成50nm厚的鎢膜、30nm厚的氮化鉭膜及200nm厚的銅膜。然後，在銅膜上塗佈光阻劑，使用濕蝕刻裝置去除銅膜中的所希望的區域，並且去除光阻劑。之後，使用濺射裝置在氮化鉭膜及銅膜上形成30nm厚的氮化鉭膜及50nm厚的鈦膜。並且，在鈦膜上塗佈光阻劑，使用乾蝕刻裝置去除鈦膜、氮化鉭膜及鎢膜中的所希望的區域。
接著，對氧化物半導體膜208的表面(背後通道一側)進行洗滌。當進行洗滌時，使用旋轉洗滌(spin cleaning)裝置對氧化物半導體膜208及導電膜212a、212b塗佈藉由將磷酸(濃度為85vol.%)用水稀釋成1/100來獲得的磷酸水溶液15秒種。
接著，在絕緣膜207、氧化物半導體膜208以及導電膜212a、212b上形成絕緣膜214及絕緣膜216。作為絕緣膜214藉由使用PECVD設備形成30nm 厚的氧氮化矽膜。作為絕緣膜216藉由使用PECVD設備形成400nm厚的氧氮化矽膜。注意，絕緣膜214及絕緣膜216藉由使用PECVD設備在真空中連續地形成。
絕緣膜214的成膜條件為如下：基板溫度為220℃；將流量為50sccm的矽烷氣體及流量為2000sccm的一氧化二氮氣體引入到腔室內；壓力為20Pa；以及對設置在PECVD設備內的平行板電極之間供應100W的RF功率。絕緣膜216的成膜條件為如下：基板溫度為220℃；將流量為160sccm的矽烷氣體及流量為4000sccm的一氧化二氮氣體引入到腔室內；壓力為200Pa；以及對設置在PECVD設備內的平行板電極之間供應1500W的RF功率。
接著，進行第一加熱處理。作為該第一加熱處理，在氮氣體氛圍下以350℃進行一個小時的加熱處理。
接著，藉由使用濺射裝置在絕緣膜216上形成6nm厚的ITSO膜。該ITSO膜的成膜條件為如下：基板溫度為室溫；將流量為72sccm的氬氣體、流量為5sccm的氧氣體引入到腔室內；壓力為0.15Pa；以及對設置在濺射裝置內的金屬氧化物靶材(In2O3：SnO2：SiO2=85：10：5[wt.%])供應1000W的DC功率。
接著，經由ITSO膜對氧化物半導體膜208及絕緣膜214、216進行氧添 加處理。該氧添加處理的條件為如下：利用灰化裝置；基板溫度為100℃；將流量為300sccm的氧氣體引入到腔室內；壓力為25.06Pa；以及對設置在灰化裝置內的平行板電極之間供應4750W的RF功率60秒鐘以對基板一側施加偏壓。
接著，去除ITSO膜，使絕緣膜216露出。ITSO膜的去除方法為如下：在利用濕蝕刻裝置，使用濃度為5%的草酸水溶液進行300秒鐘的蝕刻之後，使用濃度為0.5%的氫氟酸進行15秒鐘的蝕刻。
接著，在絕緣膜216上形成絕緣膜218。作為絕緣膜218利用PECVD設備形成100nm厚的氮化矽膜。絕緣膜218的成膜條件為如下：基板溫度為350℃；將流量為50sccm的矽烷氣體、流量為5000sccm的氮氣體及流量為100sccm的氨氣體引入到腔室內；壓力為100Pa；以及對設置在PECVD設備內的平行板電極之間供應1000W的27.12MHz的高頻功率。
接著，形成到達導電膜212b的開口部252c以及到達導電膜204的開口部252a、252b。開口部252a、252b及252c藉由使用乾蝕刻裝置形成。
接著，以覆蓋開口部252a、252b、252c的方式在絕緣膜218上形成導電膜，且對該導電膜進行加工，來形成導電膜220a及220b。作為導電膜220a及220b藉由使用濺射裝置形成100nm厚的ITSO膜。用於該ITSO膜的靶材的組成與用於上面所示的ITSO膜的成膜的靶材相同。
接著，進行第二加熱處理。作為該第二加熱處理，在氮氣體氛圍下以250℃進行一個小時的加熱處理。
經過上述製程，製造本實施例的樣本K1至K3。樣本K1至K3的製程中的最高溫度為350℃。
〈5-2.Id-Vg特性的結果〉
接著，對上述樣本K1至樣本K3的Id-Vg特性進行測定。圖57A至圖57C示出樣本K1至樣本K3的Id-Vg特性。圖57A示出樣本K1的Id-Vg特性。圖57B示出樣本K2的Id-Vg特性。圖57C示出樣本K3的Id-Vg特性。在圖57A至圖57C中，由第一縱軸表示Id(A)，由第二縱軸表示μFE(cm2/Vs)，由橫軸表示Vg(V)。
作為對用作電晶體270B的第一閘極電極的導電膜204施加的電壓(以下，也稱為閘極電壓(Vg))及對用作第二閘極電極的導電膜220b施加的電壓(Vbg)，以每次增加0.25V的方式從-15V施加到20V。另外，將對用作源極電極的導電膜212a施加的電壓(以下，也稱為源極電壓(Vs))設定為0V(comm)，將對用作汲極電極的導電膜212b施加的電壓(以下，也稱為汲極電壓(Vd))設定為0.1V或20V。
從圖57A至圖57C所示的結果可知，在本實施例中製造的樣本K1至 K3具有良好的電特性。尤其是，在本實施例中製造的樣本K1至K3為常關閉型電晶體，移動率高，為30cm2/Vs左右。
〈5-3.樣本K2的剖面觀察〉
接著，觀察上述樣本K2的剖面。使用穿透式電子顯微鏡(TEM：Transmission Electron Microscope)觀察剖面。
圖58A和圖58B示出樣本K2的剖面TEM影像。圖58A為以20，000倍的倍率觀察電晶體270B整體的剖面TEM影像，圖58B為以50，000倍的倍率觀察導電膜212a附近的剖面TEM影像。如圖58A和圖58B所示，在本實施例中製造的樣本K2具有良好的剖面形狀。尤其可確認到導電膜212a_1、導電膜212a_2、導電膜212a_4及導電膜212a_5包圍被用作導電膜212a_3的銅膜。
本實施例所示的結構可以與其他實施方式或其他實施例所示的結構適當地組合而實施。
實施例6
在本實施例中，製造相當於圖18C和圖18D所示的電晶體270B的電晶體，對該電晶體的Id-Vg特性及Id-Vd特性進行評價並進行閘極BT應力測試。
在本實施例中，製造以下所示的樣本L1進行評價。樣本L1包括通道長度L=3μm且通道寬度W=5μm的多個電晶體及通道長度L=6μm且通道寬度W=5μm的多個電晶體。
下面，對本實施例中製造的樣本進行說明。注意，在以下說明中，使用圖18C和圖18D所示的電晶體270B的符號進行說明。
〈6-1.樣本L1的製造方法〉
首先，在基板202上形成導電膜204。作為基板202使用玻璃基板。作為導電膜204藉由使用濺射裝置形成100nm厚的鎢膜。
接著，在基板202及導電膜204上形成絕緣膜206、207。作為絕緣膜206藉由使用PECVD設備形成400nm厚的氮化矽膜。作為絕緣膜207藉由使用PECVD設備形成15nm厚的氧氮化矽膜。
絕緣膜206的成膜條件為如下：基板溫度為350℃；將流量為200sccm的矽烷氣體、流量為2000sccm的氮氣體及流量為100sccm的氨氣體引入到腔室內；壓力為100Pa；以及對設置在PECVD設備內的平行板電極之間供應2000W的RF功率，形成50nm厚的氮化矽膜，接著，將氨流量改變為2000sccm，形成300nm厚的氮化矽膜，接著，將氨流量改變為100sccm，形成50nm厚的氮化矽膜。
絕緣膜207的成膜條件為如下：基板溫度為350℃；將流量為20sccm的矽烷氣體及流量為3000sccm的一氧化二氮氣體引入到腔室內；壓力為40Pa；以及對設置在PECVD設備內的平行板電極之間供應100W的RF功率。
接著，在絕緣膜207上形成氧化物半導體膜208。作為氧化物半導體膜208，利用濺射裝置在真空中連續地形成第一氧化物半導體膜208b及第二氧化物半導體膜208c。在以下說明中，將第一氧化物半導體膜208b稱為IGZO-1，將第二氧化物半導體膜208c稱為IGZO-2。
作為IGZO-1，形成10nm厚的IGZO膜。IGZO-1的成膜條件為如下：基板溫度為170℃；將流量為35sccm的氬氣體及流量為15sccm的氧氣體引入到腔室內；壓力為0.2Pa；以及對多晶金屬氧化物濺射靶材(In：Ga：Zn=4：2：4.1[原子數比])供應1500W的AC功率。
作為IGZO-2，形成20nm厚的IGZO膜。IGZO-2的成膜條件為如下：基板溫度為170℃；將流量為25sccm的氬氣體及流量為25sccm的氧氣體引入到腔室內；壓力為0.2Pa；以及對多晶金屬氧化物濺射靶材(In：Ga：Zn=1：1：1.2[原子數比])供應500W的AC功率。
接著，進行第一加熱處理。在該第一加熱處理中，在氮氣體氛圍下以 350℃進行1小時的處理，然後，在氮氣體和氧氣體的混合氣體氛圍下以350℃進行1小時的處理。
接著，在絕緣膜207及氧化物半導體膜208上形成導電膜212a、212b。
導電膜212a、212b為30nm厚的鈦膜、200nm厚的銅膜及50nm厚的鈦膜的疊層結構。
導電膜212a、212b的形成方法為如下：首先，藉由使用濺射裝置形成30nm厚的鈦膜及200nm厚的銅膜。然後，在銅膜上塗佈光阻劑，使用濕蝕刻裝置去除銅膜中的所希望的區域，並且去除光阻劑。之後，使用濺射裝置在鈦膜及銅膜上形成50nm厚的鈦膜。並且，在鈦膜上塗佈光阻劑，使用乾蝕刻裝置去除鈦膜中的所希望的區域。
接著，對氧化物半導體膜208的表面(背後通道一側)進行洗滌。當進行洗滌時，使用旋轉洗滌(spin cleaning)裝置對氧化物半導體膜208及導電膜212a、212b塗佈藉由將磷酸(濃度為85vol.%)用水稀釋成1/100來獲得的磷酸水溶液15秒種。
接著，在絕緣膜207、氧化物半導體膜208以及導電膜212a、212b上形成絕緣膜214及絕緣膜216。作為絕緣膜214藉由使用PECVD設備形成30nm厚的氧氮化矽膜。作為絕緣膜216藉由使用PECVD設備形成400nm厚的氧 氮化矽膜。注意，絕緣膜214及絕緣膜216藉由使用PECVD設備在真空中連續地形成。
絕緣膜214的成膜條件為如下：基板溫度為220℃；將流量為50sccm的矽烷氣體及流量為2000sccm的一氧化二氮氣體引入到腔室內；壓力為20Pa；以及對設置在PECVD設備內的平行板電極之間供應100W的RF功率。絕緣膜216的成膜條件為如下：基板溫度為220℃；將流量為160sccm的矽烷氣體及流量為4000sccm的一氧化二氮氣體引入到腔室內；壓力為200Pa；以及對設置在PECVD設備內的平行板電極之間供應1500W的RF功率。
接著，進行第二加熱處理。作為該第二加熱處理，在氮氣體氛圍下以350℃進行一個小時的加熱處理。
接著，藉由使用濺射裝置在絕緣膜216上形成6nm厚的ITSO膜。該ITSO膜的成膜條件為如下：基板溫度為室溫；將流量為72sccm的氬氣體、流量為5sccm的氧氣體引入到腔室內；壓力為0.15Pa；以及對設置在濺射裝置內的金屬氧化物靶材(In2O3：SnO2：SiO2=85：10：5[wt.%])供應1000W的DC功率。
接著，經由ITSO膜對氧化物半導體膜208及絕緣膜214、216進行氧添加處理。該氧添加處理的條件為如下：利用灰化裝置；基板溫度為100℃； 將流量為300sccm的氧氣體引入到腔室內；壓力為25.06Pa；以及對設置在灰化裝置內的平行板電極之間供應4750W的RF功率60秒鐘以對基板一側施加偏壓。
接著，去除ITSO膜，使絕緣膜216露出。ITSO膜的去除方法為如下：在利用濕蝕刻裝置，使用濃度為5%的草酸水溶液進行300秒鐘的蝕刻之後，使用濃度為0.5%的氫氟酸進行15秒鐘的蝕刻。
接著，在絕緣膜216上形成絕緣膜218。作為絕緣膜218利用PECVD設備形成100nm厚的氮化矽膜。絕緣膜218的成膜條件為如下：基板溫度為350℃；將流量為50sccm的矽烷氣體、流量為5000sccm的氮氣體及流量為100sccm的氨氣體引入到腔室內；壓力為100Pa；以及對設置在PECVD設備內的平行板電極之間供應1000W的27.12MHz的高頻功率。
接著，形成到達導電膜212b的開口部252c以及到達導電膜204的開口部252a、252b。開口部252a、252b及252c藉由使用乾蝕刻裝置形成。
接著，以覆蓋開口部252a、252b、252c的方式在絕緣膜218上形成導電膜，且對該導電膜進行加工，來形成導電膜220a及220b。作為導電膜220a及220b藉由使用濺射裝置形成100nm厚的ITSO膜。用於該ITSO膜的靶材的組成與用於上面所示的ITSO膜的成膜的靶材相同。
接著，進行第三加熱處理。作為該第三加熱處理，在氮氣體氛圍下以250℃進行一個小時的加熱處理。
經過上述製程，製造本實施例的樣本L1。樣本L1的製程中的最高溫度為350℃。
〈6-2.Id-Vg特性的結果〉
接著，對上述樣本L1的Id-Vg特性進行測定。圖59示出樣本L1的Id-Vg特性。注意，圖59示出樣本L1所包括的通道長度L=3μm且通道寬度W=5μm的電晶體的Id-Vg特性。在圖59中，由第一縱軸表示Id(A)，由第二縱軸表示μFE(cm2/Vs)，由橫軸表示Vg(V)。
Id-Vg特性的測定條件與實施例5相同。
從圖59所示的結果可知，在本實施例中製造的樣本L1具有良好的電特性。尤其是，在本實施例中製造的樣本L1為常關閉型電晶體，移動率高，為30cm2/Vs左右。
〈6-3.GBT測試結果〉
接著，對上述樣本L1進行GBT測試。GBT測試的條件與實施例4相同。圖60示出樣本L1的GBT測試結果。圖60示出樣本L1所包括的通道長度L=3μm且通道寬度W=5μm的電晶體的GBT測試結果。
從圖60所示的結果可知，樣本L1在GBT測試中臨界電壓的變化量(△Vth)為±1V以內。由此確認到包括本發明的一個實施方式的氧化物半導體膜的電晶體具有高可靠性。
〈6-4.Id-Vd特性結果〉
接著，對樣本L1的Id-Vd特性進行評價。圖61A和圖61B示出樣本L1的Id-Vd特性結果。圖61A示出樣本L1所包括的通道長度L=3μm且通道寬度W=5μm的電晶體的測定結果，圖61B示出樣本L1所包括的通道長度L=6μm且通道寬度W=5μm的電晶體的測定結果。
樣本L1所包括的L/W=3/5μm的電晶體的Id-Vd特性的測定條件為如下：源極電位為接地電位(GND)，汲極電位為10V，閘極電位為3.16V。樣本L1所包括的L/W=6/5μm的電晶體的Id-Vd特性的測定條件為如下：源極電位為接地電位(GND)，汲極電壓為10V，閘極電位為4.62V。
如圖61A和圖61B所示，在本實施例中製造的樣本L1的Id-Vd特性的飽和特性高。Id-Vd特性的飽和特性得到提高的電晶體例如較佳為用於有機EL顯示裝置等的驅動用FET。
本實施例所示的結構可以與其他實施方式或其他實施例所示的結構適當地組合而實施。
11:區域
12:區域

Claims (14)

  1. 一種氧化物半導體膜的製造方法，包括：
    基板以與多晶金屬氧化物靶材面對的方式配置在濺射裝置中；以及
    在該基板與該多晶金屬氧化物靶材之間生成電漿，
    其中，該多晶金屬氧化物靶材具有In：M：Zn=4：2：4.1附近的組成，
    該M為Al、Ga、Y或Sn，
    在該多晶金屬氧化物靶材的該In的比例為4的情況下，該M的比例為1.5以上且2.5以下且該Zn的比例為3.1以上且5.1以下，
    該氧化物半導體膜具有In1+xM1-xO3(ZnO)y結構的固溶區域附近的組成，
    x滿足0<x<0.5，
    y大約為1，
    並且，該氧化物半導體膜具有單一相的結晶結構。
  2. 根據申請專利範圍第1項之製造方法，
    其中該氧化物半導體膜具有In：M：Zn=4：2：3附近的原子數比，
    並且在該In的比例為4的情況下，該M的比例為1.5以上且2.5以下且該Zn的比例為2以上且4以下。
  3. 根據申請專利範圍第1項之製造方法，
    其中該氧化物半導體膜包括結晶部，
    並且該結晶部具有c軸配向性。
  4. 根據申請專利範圍第1項之製造方法，其中該氧化物半導體膜包括氫濃度低於1×1020atoms/cm3的區域。
  5. 根據申請專利範圍第1項之製造方法，其中該氧化物半導體膜包括 該In、該M、該Zn及O原子的總和為99.97atomic%以上的區域。
  6. 根據申請專利範圍第1項之製造方法，其中該氧化物半導體膜包括Fe、Ni及Si原子的總和低於0.03atomic%的區域。
  7. 一種包括申請專利範圍第1項之製造方法製造的該氧化物半導體膜的半導體裝置。
  8. 一種氧化物半導體膜的製造方法，包括：
    用第一多晶金屬氧化物靶材形成第一膜；以及
    用第二多晶金屬氧化物靶材在該第一膜上形成第二膜，
    其中，該第一膜和該第二膜的每一個包括In、M及Zn，
    該M為Al、Ga、Y或Sn，
    該第一膜具有In1+xM1-xO3(ZnO)y結構的固溶區域附近的組成，
    該第二膜包括具有In1+vM1-vO3(ZnO)w結構的固溶區域附近的組成且銦原子的比例比該第一膜小的區域，
    x滿足0<x<0.5，
    y大約為1，
    v滿足-0.2
    Figure 109108822-A0101-13-0002-184
    v<0.2，
    w大約為1，
    並且，該第一膜包括該In、該M、該Zn及O原子的總和為99.97atomic%以上的區域，
    該第一多晶金屬氧化物靶材具有In：M：Zn=4：2：4.1附近的組成，
    該第二多晶金屬氧化物靶材具有In：M：Zn=1：1：1.2附近的組成，
    並且在該第一多晶金屬氧化物靶材的該In的比例為4的情況下，該M 的比例為1.5以上且2.5以下且該Zn的比例為3.1以上且5.1以下。
  9. 根據申請專利範圍第8項之製造方法，
    其中x大約為0.33，
    並且v大約為0。
  10. 根據申請專利範圍第8項之製造方法，
    其中該第一膜具有In：M：Zn=4：2：3附近的原子數比，
    該第二膜具有In：M：Zn=1：1：1附近的原子數比，
    並且在該第一膜的該In的比例為4的情況下，該M的比例為1.5以上且2.5以下且該Zn的比例為2以上且4以下。
  11. 根據申請專利範圍第8項之製造方法，
    其中該第一膜包括結晶部，
    並且該結晶部具有c軸配向性。
  12. 根據申請專利範圍第8項之製造方法，其中該第一膜包括氫濃度低於1×1020atoms/cm3的區域。
  13. 根據申請專利範圍第8項之製造方法，其中該第一膜包括氫濃度低於1×1019atoms/cm3的區域。
  14. 根據申請專利範圍第8項之製造方法，其中該第一膜包括Fe、Ni及Si原子的總和低於0.03atomic%的區域。
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