半导体装置、显示装置、显示模块以及电子设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明的一个方式设及一种使用氧化物半导体膜的半导体装置及使用该半导体 装置的显示装置。
[0002] 注意，本发明的一个方式不局限于上述技术领域。本说明书等所公开的发明的一 个方式的技术领域设及一种物体、方法或制造方法。此外，本发明设及一种工序（process)、 机器（machine)、产品（manufacture)或组合物（compositionofmatter)。本发明的一个 方式尤其设及一种半导体装置、显示装置、发光装置、蓄电装置、存储装置、其驱动方法或其 制造方法。
[0003] 注意，在本说明书等中，半导体装置是指通过利用半导体特性而能够工作的所有 装置。除了晶体管等半导体元件之外，半导体电路、运算装置、存储装置都是半导体装置的 一个方式。摄像装置、显示装置、液晶显示装置、发光装置、电光装置、发电装置（包括薄膜 太阳能电池或有机薄膜太阳能电池等）及电子设备有时包括半导体装置。
【背景技术】
[0004] 通过利用形成在具有绝缘表面的衬底上的半导体薄膜来构成晶体管（也称为场 效应晶体管（FET)或薄膜晶体管（TFT))的技术受到关注。该晶体管被广泛地应用于如集 成电路（1C)及图像显示装置（显示装置）等的电子器件。作为可W应用于晶体管的半导 体薄膜，W娃为代表的半导体材料被周知。另外，作为其他材料，氧化物半导体受到关注。
[0005] 例如，公开了一种技术，其中作为氧化物半导体使用包含In、Zn、Ga、Sn等的非晶 氧化物制造晶体管(参照专利文献1)。另外，也公开了一种技术，其中使用氧化物薄膜制造 具有自对准的顶栅结构的晶体管(参照专利文献2 )。
[0006] [专利文献1]日本专利申请公开2006-165529号公报 [专利文献2]日本专利申请公开2009-278115号公报 作为使用氧化物半导体膜的晶体管，例如可W举出反交错型(也称为底栅结构）晶体管 或交错型(也称为顶栅结构）晶体管等。当将使用氧化物半导体膜的晶体管用于显示装置 时，使用反交错型的情况多于使用交错型晶体管的情况，该是因为反交错型的制造工序比 较简单且能够抑制其制造成本的原因。然而，有如下问题：随着在显示装置中屏幕的大型化 或者高清晰化(例如，W4kX化（水平方向的像素数为3840,垂直方向的像素数为2160)或 8kX4k(水平方向的像素数为7680,垂直方向的像素数为4320)为代表的高清晰显示装置） 日益进步，由此反交错型晶体管具有栅电极与源电极之间的寄生电容及栅电极与漏电极之 间的寄生电容，因该寄生电容而使信号迟延增大，该会导致显示装置的显示质量的降低。还 有如下问题；与使用交错型晶体管的情况相比，在使用反交错型晶体管的情况下晶体管所 占的面积大。于是，使用氧化物薄膜的交错型晶体管被要求开发具有稳定的半导体特性及 高可靠性的结构且可简单的制造工序制造的晶体管。
[0007] 此外，随着在显示装置中屏幕的大型化或者高清晰化日益进步，形成于显示装置 的像素中的晶体管和连接于该晶体管的电容元件的结构很重要。电容元件被用作储存被写 入像素中的数据的存储电容器。根据电容元件的结构，有因不能保持写入到像素中的数据 而使显示装置的显示质量劣化的问题。
【发明内容】
[0008] 鉴于上述问题，本发明的一个方式的目的之一是提供一种包括使用氧化物半导体 的晶体管的新颖半导体装置。尤其是，本发明的一个方式的目的之一是提供一种包括使用 氧化物半导体的交错型晶体管的半导体装置。本发明的一个方式的其他目的之一是提供 一种半导体装置，其中包括使用氧化物半导体的交错型晶体管及连接于该晶体管的电容元 件。本发明的一个方式的其他目的之一是提供一种半导体装置，其中包括使用氧化物半导 体且通态电流大的晶体管。本发明的一个方式的其他目的之一是提供一种半导体装置，其 中包括使用氧化物半导体且关态电流小的晶体管。本发明的一个方式的其他目的之一是提 供一种半导体装置，其中包括使用氧化物半导体且占有面积小的晶体管。本发明的一个方 式的其他目的之一是提供一种半导体装置，其中包括使用氧化物半导体且具有稳定的电特 性的晶体管。本发明的一个方式的其他目的之一是提供一种半导体装置，其中包括使用氧 化物半导体且可靠性高的晶体管。本发明的一个方式的目的之一是提供一种新颖半导体装 置。本发明的一个方式的目的之一是提供一种新颖显示装置。
[0009] 注意，上述目的的记载不妨碍其他目的的存在。另外，本发明的一个方式并不需要 达到上述所有目的。上述W外的目的从说明书等的记载看来显而易见，且可W从说明书等 的记载中抽出上述W外的目的。
[0010] 本发明的一个方式是一种包括晶体管及电容元件的半导体装置，其中晶体管包 括；氧化物半导体膜；氧化物半导体膜上的栅极绝缘膜；栅极绝缘膜上的栅电极；栅电极上 的第二绝缘膜；第二绝缘膜上的第=绝缘膜；第=绝缘膜上的源电极；W及第=绝缘膜上 的漏电极，源电极与氧化物半导体膜电连接，漏电极与氧化物半导体膜电连接，电容元件包 括；第一导电膜；第二导电膜；W及第二绝缘膜，第一导电膜与栅电极设置在同一表面上， 第二导电膜与源电极及漏电极设置在同一表面上，第二绝缘膜设置在第一导电膜与第二导 电膜之间。详细的内容参照下面。
[0011] 本发明的一个方式是一种包括晶体管及电容元件的半导体装置，其中晶体管包 括；第一绝缘膜上的氧化物半导体膜；氧化物半导体膜上的栅极绝缘膜；栅极绝缘膜上的 栅电极；栅电极上的第二绝缘膜；第二绝缘膜上的第=绝缘膜；第=绝缘膜上的源电极；W 及第=绝缘膜上的漏电极，第一绝缘膜具有氧，第二绝缘膜具有氮，源电极与氧化物半导体 膜电连接，漏电极与氧化物半导体膜电连接，电容元件包括；第一导电膜；第二导电膜；W 及第二绝缘膜，第一导电膜与栅电极设置在同一表面上，第二导电膜与源电极及漏电极设 置在同一表面上，第二绝缘膜设置在第一导电膜与第二导电膜之间。
[0012] 另外，本发明的其他一个方式是一种包括晶体管及电容元件的半导体装置，其中 晶体管包括；第一绝缘膜上的第一栅电极；第一栅电极上的第一栅极绝缘膜；第一栅极绝 缘膜上的氧化物半导体膜；氧化物半导体膜上的第二栅极绝缘膜；第二栅极绝缘膜上的第 二栅电极；第二栅电极上的第二绝缘膜；第二绝缘膜上的第=绝缘膜；第=绝缘膜上的源 电极；W及第=绝缘膜上的漏电极，第一栅极绝缘膜具有氧，第二绝缘膜具有氮，源电极与 氧化物半导体膜电连接，漏电极与氧化物半导体膜电连接，电容元件包括；第一导电膜；第 二导电膜；w及第二绝缘膜，第一导电膜与第二栅电极设置在同一表面上，第二导电膜与源 电极及漏电极设置在同一表面上，第二绝缘膜设置在第一导电膜与第二导电膜之间。
[0013] 另外，在上述方式中，优选为如下；氧化物半导体膜包括第一区域及第二区域，第 一区域具有与栅电极重叠的区域，第二区域具有不与栅电极重叠的区域，第一区域具有杂 质元素浓度为第一浓度的部分，第二区域具有杂质元素浓度为第二浓度的部分，第一浓度 与第二浓度不同。另外，在上述方式中，优选为如下：氧化物半导体膜包括第一区域及第二 区域，第一区域具有与第二栅电极重叠的区域，第二区域具有不与第二栅电极重叠的区域， 第一区域具有杂质元素浓度为第一浓度的部分，第二区域具有杂质元素浓度为第二浓度的 部分，第一浓度与第二浓度不同。
[0014] 另外，在上述方式中，杂质元素优选具有氨、棚、碳、氮、氣、侣、娃、磯、氯W及稀有 气体元素中的一个W上。另外，在上述方式中，杂质元素优选具有氣及氨。
[0015] 另外，在上述方式中，第二区域优选具有接触于第二绝缘膜的区域。另外，在上述 方式中，第二区域优选具有杂质元素浓度比第一区域高的区域。另外，在上述方式中，第一 区域优选具有结晶性比第二区域高的区域。
[0016] 另外，在上述方式中，氧化物半导体膜优选具有氧、In、化及M(M为Ti、Ga、Y、Zr、 La、Ce、Nd或Hf)。另外，在上述方式中，氧化物半导体膜优选包括结晶部，结晶部优选具有 C轴取向性及C轴平行于氧化物半导体膜的被形成面的法线向量的部分。
[0017] 另外，本发明的其他一个方式是一种包括上述方式中的任一所记载的半导体装置 及显示元件的显示装置。另外，本发明的其他一个方式是一种包括该显示装置及触摸传感 器的显示模块。另外，本发明的其他一个方式是一种电子设备，它包括；上述方式中的任一 所记载的半导体装置、上述显示装置或上述显示模块；W及操作键或电池。
[0018] 通过本发明的一个方式，可W提供一种包括使用氧化物半导体的晶体管的新颖半 导体装置。尤其是，通过本发明的一个方式，可W提供一种包括使用氧化物半导体的交错型 晶体管的半导体装置。此外，可W提供一种半导体装置，其中包括使用氧化物半导体的交错 型晶体管及连接于该晶体管的电容元件。此外，可W提供一种半导体装置，其中包括使用氧 化物半导体且通态电流大的晶体管。此外，可W提供一种半导体装置，其中包括使用氧化物 半导体且关态电流小的晶体管。此外，可W提供一种半导体装置，其中包括使用氧化物半导 体且占有面积小的晶体管。本发明的一个方式的其他目的之一是提供一种半导体装置，其 中包括使用氧化物半导体且具有稳定的电特性的晶体管。此外，可W提供一种半导体装置， 其中包括使用氧化物半导体且可靠性高的晶体管。此外，可W提供一种新颖半导体装置。此 夕F，可W提供一种新颖显示装置。
[0019] 注意，该些效果的记载不妨碍其他效果的存在。此外，本发明的一个方式并不需要 具有所有上述效果。另外，从说明书、附图、权利要求书等的记载看来除该些效果外的效果 是显然的，从而可W从说明书、附图、权利要求书等的记载中抽出除该些效果外的效果。
【附图说明】
[0020] 图1A至1D是示出半导体装置的一个方式的俯视图及截面图； 图2是示出半导体装置的一个方式的截面图； 图3A至3D是示出半导体装置的一个方式的截面图； 图4A和4B是示出半导体装置的一个方式的截面图； 图5A至5D是示出半导体装置的一个方式的俯视图及截面图； 图6是示出半导体装置的一个方式的截面图； 图7A至7D是示出半导体装置的一个方式的截面图； 图8A至8D是示出半导体装置的一个方式的截面图； 图9A至9D是示出半导体装置的一个方式的截面图； 图10是示出半导体装置的一个方式的截面图； 图11A至11C是示出半导体装置的一个方式的截面图W及示出能带结构的一个方式的 图； 图12A至12H是示出半导体装置的制造工序的一个例子的截面图； 图13A至13F是示出半导体装置的制造工序的一个例子的截面图； 图14A至14F是示出半导体装置的制造工序的一个例子的截面图； 图15A至15F是示出半导体装置的制造工序的一个例子的截面图； 图16A至16F是示出半导体装置的制造工序的一个例子的截面图； 图17A至17C是氧化物半导体的截面TEM图像及局部性的傅立叶变换图像； 图18A至18D是示出氧化物半导体膜的纳米束电子衍射图案的图W及透过电子衍射测 量装置的一个例子的图； 图19A至19C是示出利用透过电子衍射测量的结构分析的一个例子的图化及平面TEM图像； 图20是说明计算模型的图； 图21A和21B是说明初期状态及最终状态的图； 图22是说明活化能的图； 图23A和23B是说明初期状态及最终状态的图； 图24是说明活化能的图； 图25是说明VaH的迁移能级的图； 图26是示出显示装置的一个方式的俯视图； 图27是示出显示装置的一个方式的截面图； 图28是示出显示装置的一个方式的截面图； 图29A和29B是说明发光装置的像素部的结构的图； 图30A至30D是半导体装置的截面图； 图31A至31C是显示装置的俯视图及电路图； 图32A和32B是显示装置的电路图及时序图； 图33A和33B是显示装置的电路图及时序图； 图34A和34B是显示装置的电路图及时序图； 图35A和35B是显示装置的电路图及时序图； 图36是说明显示模块的图； 图37A至37H是说明电子设备的图； 图38A和38B是实施例中的截面TEM图像； 图39是说明电阻率的温度依赖性的图； 图40A至40C是说明CAAC-OS的成膜模型的示意图、颗粒及CAAC-OS的截面图； 图41是说明nc-OS的成膜模型的示意图，其中示出颗粒； 图42是说明颗粒的图； 图43是说明在被形成面上施加到颗粒的力量的图； 图44A和44B是说明被形成面上的颗粒的举动的图； 图45A和45B是说明InGa化〇4的结晶的图； 图46A和46B是示出原子碰撞之前的InGa化〇4的结构等的图； 图47A和47B是示出原子碰撞之后的InGa化〇4的结构等的图； 图48A和48B是示出原子碰撞之后的原子的轨迹的图； 图49A和49B是CAAC-OS膜W及祀材的截面HAADF-STEM图像。
【具体实施方式】
[0021] 下面，参照附图对实施方式进行说明。但是，所属技术领域的普通技术人员可W很 容易地理解一个事实，就是实施方式可多个不同形式来实施，其方式和详细内容可W 在不脱离本发明的宗旨及其范围的条件下被变换为各种各样的形式。因此，本发明不应该 被解释为仅限定在下面的实施方式所记载的内容中。
[0022] 在附图中，为便于清楚地说明，有时夸大表示大小、层的厚度或区域。因此，本发明 并不一定限定于上述尺寸。此外，在附图中，示意性地示出理想的例子，因此本发明不局限 于附图所示的形状或数值等。
[0023] 本说明书所使用的"第一"、"第二"、"第等序数词是为了避免构成要素的混淆 而附加的，而不是为了在数目方面上进行限定的。
[0024] 在本说明书中，为了方便起见，使用"上""下"等表示配置的词句W参照【附图说明】 构成要素的位置关系。另外，构成要素的位置关系根据描述各构成要素的方向适当地改变。 因此，不局限于本说明书中所说明的词句，根据情况可W适当地更换。
[00巧]在本说明书等中，晶体管是指至少包括栅电极、漏极W及源极该=个端子的元件。 晶体管在漏极(漏极端子、漏极区域或漏电极）与源极(源极端子、源极区域或源电极）之间 具有沟道区域，并且电流能够流过漏极、沟道区域W及源极。注意，在本说明书等中，沟道区 域是指电流主要流过的区域。
[0026] 在使用极性不同的晶体管的情况或电路工作中的电流方向变化的情况等下，"源 极"及"漏极"的功能有时互相调换。因此，在本说明书中，"源极"和"漏极"可W互相调换。
[0027] 另外，在本说明书等中，"电连接"包括通过"具有某种电作用的元件"连接的情况。 在此，"具有某种电作用的元件"只要可W进行连接对象间的电信号的授受，就对其没有特 别的限制。例如，"具有某种电作用的元件"不仅包括电极和布线，而且还包括晶体管等的开 关元件、电阻元件、电感器、电容器、其他具有各种功能的元件等。
[0028] 实施方式1 在本实施方式中，参照图1A至图16F说明将晶体管及电容元件设置在同一衬底上的半 导体装置W及该半导体装置的制造方法的一个例子。
[0029]〈半导体装置的结构1〉 图1A至1D示出将晶体管及电容元件设置在同一衬底上的半导体装置的一个例子。注 意，该晶体管采用顶栅结构。
[0030] 图1A是半导体装置所具有的晶体管100的俯视图，图1B是半导体装置所具有的 电容元件150的俯视图，图1C是沿着图1A的点划线X1-X2的截面图，图1D是沿着图1B的 点划线X3-X4的截面图。注意，为了方便起见，在图1A及1B中省略衬底102、绝缘膜104、 绝缘膜108、绝缘膜118、绝缘膜120等。还注意，在后面的晶体管及电容元件的俯视图中也 有时与图1A及1B同样地省略构成要素的一部分。此外，有时将点划线X1-X2的方向称为 沟道长度方向，而将点划线Y1-Y2的方向称为沟道宽度方向。
[0031] 图1A及1C所示的晶体管100包括；形成在衬底102上的绝缘膜108 ;绝缘膜108 上的氧化物半导体膜110 ;氧化物半导体膜110上的绝缘膜112 ;隔着绝缘膜112与氧化物 半导体膜110重叠的导电膜114;覆盖氧化物半导体膜110、绝缘膜112及导电膜114的绝缘 膜118 ;绝缘膜118上的绝缘膜120 ;通过设置在绝缘膜118及绝缘膜120中的开口部140a 连接于氧化物半导体膜110的导电膜122 及通过设置在绝缘膜118及绝缘膜120中的 开口部14化连接于氧化物半导体膜110的导电膜124。此外，也可W在晶体管100上设置 覆盖绝缘膜120、导电膜122及导电膜124的绝缘膜128。
[0032] 在图1C中，绝缘膜108具有绝缘膜108a及绝缘膜108a上的绝缘膜108b的叠层 结构。导电膜114具有导电膜114a及导电膜114a上的导电膜114b的叠层结构。导电膜 122具有导电膜122a及导电膜122a上的导电膜12化的叠层结构。导电膜124具有导电膜 124a及导电膜124a上的导电膜124b的叠层结构。
[003引在晶体管100中，导电膜114具有栅电极地称为顶栅电极)的功能，导电膜122具 有源电极和漏电极中之一的功能，导电膜124具有源电极和漏电极中之另一的功能。另外， 在晶体管100中，绝缘膜108具有氧化物半导体膜110的基底膜的功能，绝缘膜112具有栅 极绝缘膜的功能。
[0034]此外，图1B及1D所示的电容元件150包括；形成在衬底102上的绝缘膜108;绝缘 膜108上的绝缘膜112 ;绝缘膜112上的导电膜116 ;覆盖绝缘膜108、绝缘膜112及导电膜 116的绝缘膜118 ;绝缘膜118上的绝缘膜120 及在设置于绝缘膜120中的开口部140c 中隔着绝缘膜118与导电膜116重叠的导电膜126。此外，也可W在电容元件150上设置覆 盖绝缘膜120及导电膜126的绝缘膜128。
[00巧]在图1D中，绝缘膜108具有绝缘膜108a及绝缘膜108a上的绝缘膜108b的叠层 结构。导电膜116具有导电膜116a及导电膜116a上的导电膜11化的叠层结构。导电膜 126具有导电膜126a及导电膜126a上的导电膜12化的叠层结构。
[0036] 电容元件150是在一对电极之间夹持电介质的结构。更详细地说，一对电极中之 一个是导电膜116, 一对电极中之另一个是导电膜126,在导电膜116与导电膜126之间的 绝缘膜118被用作电介质。
[0037] 用作晶体管100的栅电极的导电膜114及用作电容元件150的一对电极中之一个 的导电膜116通过相同工序形成，它们的至少一部分形成在同一表面上。用作晶体管100 的源电极及漏电极的导电膜122及导电膜124W及用作电容元件150的一对电极中之另一 个的导电膜126通过相同工序形成，导电膜122、124和126的至少一部分形成在同一表面 上。
[003引如此，通过W相同工序形成用作晶体管100及电容元件150的各电极的导电膜，可 w减少制造成本。
[0039] 另外，在电容元件150中，绝缘膜120具有开口部140c。由此，在绝缘膜118和绝 缘膜120层叠的绝缘膜中可W只使绝缘膜118用作电介质。通过采用上述结构，可W增大 电容元件150的容量值。由此，可W增大显示装置的容量值。
[0040] 接着，图2示出沿着图1A所示的晶体管100的点划线Y1-Y2 (沟道宽度方向）的 截面图。
[00川如图2所示，在沟道宽度方向上导电膜114a的端部位于导电膜114b的端部的外 侦U。绝缘膜112的端部位于导电膜114a的端部的外侧。绝缘膜108b在不与绝缘膜112重 叠的区域中具有凹部。通过采用上述结构，可W提高绝缘膜118、绝缘膜120及绝缘膜128 的覆盖性。
[0042] 接着，下面详细地说明晶体管100所具有的氧化物半导体膜110。
[0043] 在晶体管100的氧化物半导体膜110中，不与导电膜114重叠的区域包含形成氧 缺损的元素。下面，将形成氧缺损的元素称为杂质元素进行说明。作为杂质元素的典型例 子，有氨、棚、碳、氮、氣、侣、娃、磯、氯W及稀有气体元素等。作为稀有气体元素的典型例子， 有氮、氛、氣、氯W及氣等。
[0044] 当将杂质元素添加到氧化物半导体膜时，氧化物半导体膜中的金属元素与氧的键 合被切断，W形成氧缺损。或者，当将杂质元素添加到氧化物半导体膜时，键合于氧化物半 导体膜中的金属元素的氧与杂质元素键合，氧从金属元素脱离，由此形成氧缺损。其结果 是，氧化物半导体膜的载流子密度变高，由此导电性变高。
[0045] 当对添加了杂质元素形成有氧缺损的氧化物半导体添加氨时，氨进入氧缺损处而 在导带附近形成施主能级。其结果是，氧化物半导体的导电性增高，而成为导电体。可W将 成为导电体的氧化物半导体称为氧化物导电体。一般而言，由于氧化物半导体的能隙大，所 W对可见光具有透光性。另一方面，氧化物导电体是在导带附近具有施主能级的氧化物半 导体。因此，起因于该施主能级的吸收的影响小，而对可见光具有与氧化物半导体相同程度 的透光性。
[0046] 在此，关于使用氧化物导电体形成的膜下称为氧化物导电体膜)，参照图39说 明其电阻率的温度依存性。
[0047] 在此，制造具有氧化物导电体膜的样品。作为氧化物导电体膜，制造如下氧化物 导电体膜；氧化物半导体膜与氮化娃膜接触而成的氧化物导电体膜（〇C_SiNy);在渗杂装置 中将氣添加到氧化物半导体膜且与氮化娃膜接触而成的氧化物导电体膜（〇C_Ar dope+ SiN,);在等离子体处理装置中使氧化物半导体膜暴露于氣等离子体且与氮化娃膜接触而形 成的氧化物导电体膜（〇C_Ar plasma+SiNy)。另外，氮化娃膜包含氨。
[004引下面说明包含氧化物导电体膜（0C_SiNy)的样品的制造方法。在通过等离子体CVD法将400nm厚的氧氮化娃膜形成在玻璃衬底上之后，将氧氮化娃膜暴露于氧等离子体，然 后对氧氮化娃膜添加氧离子，来形成由于加热而释放氧的氧氮化娃膜。接着，通过使用原子 个数比为In:Ga:化=1:1:1. 2的瓣射祀材的瓣射法在由于加热而释放氧的氧氮化娃膜上形 成lOOnm厚的In-Ga-化氧化物膜，在450°C的氮气氛下对该氧化物膜进行加热处理，然后在 450°C的氮及氧的混合气体气氛下进行加热处理。然后，通过等离子体CVD法形成lOOnm厚 的氮化娃膜。然后，在350°C的氮及氧的混合气体气氛下进行加热处理。
[0049] 下面说明包含氧化物导电体膜（0C_Ardope+SiN,)的样品的制造方法。在通过等 离子体CVD法将400nm厚的氧氮化娃膜形成在玻璃衬底上之后，将氧氮化娃膜暴露于氧等 离子体，然后对氧氮化娃膜添加氧离子，来形成由于加热而释放氧的氧氮化娃膜。接着，通 过使用原子个数比为In:Ga:化=1:1:1. 2的瓣射祀材的瓣射法在由于加热而释放氧的氧氮 化娃膜上形成lOOnm厚的In-Ga-化氧化物膜，在450°C的氮气氛下对该氧化物膜进行加热 处理，然后在450°C的氮及氧的混合气