学系统216 ;光学系统216下的观察室220 ;设置于观察室220的照相装置218 及观察室 220下的胶片室222。照相装置218W朝向观察室220的内部的方式设置。另外，该透射电 子衍射测定装置也可W不包括胶片室222。
[029引此外，图18D示出图18C所示的透射电子衍射测定装置内部的结构。在透射电子 衍射测定装置内部中，从设置在电子枪室210的电子枪发射的电子经由光学系统212照射 到配置在样品室214中的物质228。穿过物质228的电子经由光学系统216入射到设置在 观察室220内部的巧光板232。在巧光板232上出现对应于所入射的电子的强度的图案，因 此可W测定透射电子衍射图案。
[0299] 因为照相装置218朝向巧光板232地设置，所W可W拍摄出现在巧光板232上的 图案。经过照相装置218的透镜的中央及巧光板232的中央的直线与巧光板232所形成的 角度例如为15。W上且80。W下，30°W上且75。W下或45。W上且70。W下。该角度 越小，由照相装置218拍摄的透射电子衍射图案的变形越大。但是，如果预先知道该角度， 贝1J能够校正所得到的透射电子衍射图案的变形。另外，有时也可W将照相装置218设置于 胶片室222。例如，也可WW与电子224的入射方向相对的方式将照相装置218设置于胶片 室222。在此情况下，可W从巧光板232的背面拍摄变形少的透射电子衍射图案。
[0300] 样品室214设置有用来固定作为样品的物质228的支架。支架使穿过物质228的 电子透过。例如，支架也可W具有在X轴、Y轴、Z轴等的方向上移动物质228的功能。支架 例如具有在InmW上且lOnmW下、5nmW上且50nmW下、lOnmW上且lOOnmW下、50nmW 上且500皿W下、100皿W上且1ymW下等的范围中移动物质的精度，即可。至于该些范 围，根据物质228的结构设定最适合的范围，即可。
[0301] 接着，说明使用上述透射电子衍射测定装置测定物质的透射电子衍射图案的方 法。
[0302] 例如，如图18D所示，通过改变作为纳米束的电子224的照射到物质的位置(进行 扫描)，可W确认到物质的结构逐渐变化。此时，如果物质228是CAAC-0S膜，则可W观察到 图18A所示的衍射图案。如果物质228是nc-OS膜，则可W观察到图18B所示的衍射图案。
[0303] 即使物质228是CAAC-0S膜，也有时部分地观察到与nc-OS膜等同样的衍射图案。 因此，有时可W由在一定区域中观察到CAAC-0S膜的衍射图案的区域所占的比例地称为 CAAC化率）表示CAAC-0S膜的优劣。例如，优良的CAAC-0S膜的CAAC化率为60%W上，优 选为80%W上，更优选为90%W上，进一步优选为95%W上。另外，将观察到与CAAC-0S膜 不同的衍射图案的区域的比例表示为非CAAC化率。
[0304] 作为一个例子，对具有刚完成成膜之后(表示为as-sputtered)的CAAC-0S膜的样 品的顶面W及具有在包含氧的气氛中W450°C进行加热处理之后的CAAC-0S膜的样品的顶 面进行扫描，来得到透射电子衍射图案。在此，W5nm/秒钟的速度进行扫描60秒钟来观察 衍射图案，并且，在每0. 5秒钟将观察到的衍射图案转换为静态图像，由此算出CAAC化率。 注意，作为电子线使用束径为Inm的纳米束。另外，对六个样品进行同样的测量。而且，通 过利用六个样品中的平均值算出CAAC化率。
[0305] 图19A示出各样品的CAAC化率。刚完成成膜之后的CAAC-0S膜的CAAC化率为 75. 7% (非CAAC化率为24. 3%)。此外，进行450°C的加热处理之后的CAAC-0S膜的CAAC化 率为85. 3% (非CAAC化率为14. 7%)。由此可知，与刚完成成膜之后相比，450°C的加热处理 之后的CAAC化率更高。也就是说，可W知道高温(例如400°CW上）下的加热处理降低非 CAAC化率(提高CAAC化率)。此外，可知在进行低于500°C的加热处理时也可W得到具有高 CAAC化率的CAAC-0S膜。
[0306] 在此，与CAAC-0S膜不同的衍射图案的大部分是与nc-OS膜同样的衍射图案。此 夕F，在测量区域中观察不到非晶氧化物半导体膜。由此可知，通过加热处理，具有与nc-OS 膜同样的结构的区域受到相邻的区域的结构的影响而重新排列，因此该区域被CAAC化。
[0307] 图19B和图19C是刚完成成膜之后及450°C的加热处理之后的CAAC-0S膜的平面 TEM图像。通过对图19B和图19C进行比较，可W知道450°C的加热处理之后的CAAC-0S膜 的膜质更均匀。也就是说，可W知道通过高温的加热处理提高CAAC-0S膜的膜质。
[030引通过采用该种测量方法，有时可W对具有多种结构的氧化物半导体膜进行结构分 析。
[0309] 通过使用具有上述结构中的任一个结构的氧化物半导体膜，可W构成根据本发明 的一个方式的半导体装置。
[0310] <成膜模型〉 下面，说明CAAC-0S及nc-OS的成膜模型。
[0311] 图40A是示出利用瓣射法形成CAAC-0S的情况的成膜室中的示意图。
[0312] 祀材1130被粘合到垫板上。祀材1130及垫板下配置有多个磁体。由该多个磁体 在祀材1130上产生磁场。利用磁体的磁场提高成膜速度的瓣射法被称为磁控瓣射法。
[0313] 祀材1130具有多晶结构，其中至少一个晶粒包括解理面。另外，关于解理面将在 后面详细地说明。
[0314] W与祀材1130相对的方式配置有衬底1120,其间的距离d(也称为祀材-衬底间 距离（T-S间距离））是0. 01mW上且ImW下，优选是0. 02mW上且0. 5mW下。成膜室的大 部分充满着成膜气体(例如，氧、氣或W50vol. %W上的比率包含氧的混合气体)，且成膜室 的压力被控制为0. 01化W上且lOOPaW下，优选为0.IPaW上且10化W下。在此，当对祀 材1130施加一定值W上的电压时，开始放电，确认到等离子体。另外，由祀材1130上的磁 场形成高密度等离子体区域。在高密度等离子体区域中，因成膜气体的离子化而产生离子 1101。离子1101例如是氧的阳离子（0+)或氣的阳离子（Ar+)等。
[0315] 离子1101因电场而向祀材1130 -侧加速，然后碰撞到祀材1130。此时，平板状或 颗粒状的瓣射粒子的颗粒1100a及颗粒110化从解理面剥离，然后被打出来。另外，有时因 离子1101碰撞时的冲击而在颗粒1100a及颗粒110化的结构中产生应变。
[0316] 颗粒1100a是具有S角形，例如正S角形的平面的平板状或颗粒状的瓣射粒子。 此外，颗粒110化是具有六角形，例如正六角形的平面的平板状或颗粒状的瓣射粒子。注 意，将颗粒1100a及颗粒110化等的平板状或颗粒状的瓣射粒子总称为颗粒1100。颗粒 1100的平面形状不局限于S角形、六角形。例如，有时成为组合两个W上且六个W下的S角 形而成的形状。例如，有时也成为组合两个S角形(正S角形）而成的四角形(菱形)。
[0317] 颗粒1100的厚度取决于成膜气体的种类等。颗粒1100的厚度优选均匀，其理由 将在后面描述。此外，关于瓣射粒子的形状，与厚度大的色子状相比，优选采用厚度小的颗 粒状。
[031引当颗粒1100穿过等离子体中时有时接受电荷而其侧面带负电或带正电。颗粒 1100的侧面具有氧原子，且该氧原子可能带负电。例如，图42示出颗粒1100a的侧面具有 带负电的氧原子的例子。像该样，当侧面带相同极性的电荷时，电荷互相排斥，从而可W维 持平板形状。另外，当CAAC-0S是In-Ga-化氧化物时，与铜原子键合的氧原子可能带负电。 或者，与铜原子、嫁原子及锋原子键合的氧原子可能带负电。
[0319] 如图40A所示，例如颗粒1100像风拳那样在等离子体中飞到衬底1120上。因为 颗粒1100带电荷，所W在它靠近其他颗粒1100已沉积的区域时产生斥力。在此，在衬底 1120的顶面上产生平行于衬底1120的顶面的磁场。此外，因为在衬底1120和祀材1130之 间有电位差，所W电流从衬底1120向祀材1130流动。因此，颗粒1100在衬底1120的顶面 上受到磁场及电流的作用所引起的力量(洛伦兹力）（参照图43)。该可W利用弗莱明的左 手定则理解。为了增大施加到颗粒1100的力量，优选在衬底1120的顶面上设置平行于衬 底1120的顶面的磁场为10GW上，优选为20GW上，更优选为30GW上，进一步优选为50G W上的区域。或者，优选在衬底1120的顶面上设置平行于衬底1120的顶面的磁场为垂直 于衬底1120的顶面的磁场的1. 5倍W上，优选为2倍W上，更优选为3倍W上，进一步优选 为5倍W上的区域。
[0320] 另外，衬底1120被加热，因此颗粒1100与衬底1120之间的摩擦等的阻力小。其 结果是，如图44A所示，颗粒1100在衬底1120的顶面下滑。颗粒1100在平板面朝向衬底 1120的状态下移动。然后，如图44B所示，在该颗粒1100到达已沉积的其他颗粒1100的侧 面时，它们的侧面彼此键合。此时，颗粒1100的侧面的氧原子脱离。由于有时脱离的氧原 子填补CAAC-0S中的氧缺陷，因此形成缺陷态密度低的CAAC-0S。
[0321] 此外，通过在衬底1120上加热颗粒1100,原子重新排列，而缓和离子1101的碰撞 所引起的结构的应变。应变得到缓和的颗粒1100实质上为单晶。当颗粒1100实质上为单 晶时，即使颗粒1100在彼此键合之后被加热也几乎不发生颗粒1100本身的伸缩。因此，不 发生颗粒1100之间的空隙的放大导致晶界等缺陷的形成而成为裂隙（crevasse)的情况。 此外，可W认为在空隙中摊铺具有伸缩性的金属原子等，且它们像高速公路那样连接方向 偏离的颗粒1100的侧面。
[0322] 可W认为根据上述模型颗粒1100沉积到衬底1120上。因此，可知的是；与外延成 长不同地，在被形成面没有结晶结构时也可W形成CAAC-0S。例如，即使衬底1120的顶面 (被形成面）的结构是非晶结构，也可W形成CAAC-0S。
[0323] 此外，可W知道；当形成CAAC-0S时，不仅在被形成面的衬底1120的顶面为平坦面 的情况，而且在顶面为凹凸状的情况下，颗粒1100也根据其形状排列。例如，如果衬底1120 的顶面在原子级别上平坦，则会形成厚度均匀、平坦且具有高结晶性的层，因为颗粒1100 W平行于ab面的平板面朝下的方式配置。而且，通过层叠n个（n是自然数）该层，可W得 到CAAC-0S(参照图 40B)。
[0324] 另一方面，即使衬底1120的顶面为凹凸状，CAAC-0S也具有层叠n个（n是自然数） 颗粒1100沿着凸面并列配置的层的结构。由于衬底1120为凹凸状，因此有时在CAAC-0S 中容易产生颗粒1100之间的空隙。但是，因为在颗粒1100之间产生分子间力，所W即使在 凹凸状的表面上，颗粒也W在颗粒之间的空隙尽可能小的方式排列。由此，即使成膜表面为 凹凸状也可W形成具有高结晶性的CAAC-0S(参照图40C)。
[032引因此，CAAC-0S不需要激光晶化，所W在大面积的玻璃衬底等上也可W均匀地进行 成膜。
[0326] 由于根据该种模型形成CAAC-0S，因此瓣射粒子优选是厚度小的颗粒状。另外，当 瓣射粒子是厚度大的色子状时，朝向衬底1120的面不固定，所W有时不能获得均匀的厚度 或结晶取向。
[0327] 根据上述成膜模型，即使在具有非晶结构的被形成面上也可W形成具有高结晶性 的CAAC-0S。
[032引另外，除了颗粒1100之外，还可W利用具有氧化锋粒子的成膜模型说明CAAC-0S。
[0329] 氧化锋粒子的质量比颗粒1100小，所W比颗粒1100早到达衬底1120。在衬底 1120的顶面上，氧化锋粒子优先在水平方向上进行晶体生长来形成薄的氧化锋层。该氧化 锋层具有C轴取向性。该氧化锋层的结晶的C轴朝向平行于衬底1120的法线向量的方向。 该氧化锋层具有使CAAC-0S生长的种子层的功能，因此具有提高CAAC-0S的结晶性的功能。 另外，该氧化锋层的厚度为0.InmW上且5nmW下，大多为InmW上且3nmW下。该氧化锋 层的厚度足够薄，所W几乎观察不到晶界。
[0330] 因此，为了形成结晶性高的CAAC-0S，优选使用W比化学计量组成高的比率包含锋 的祀材。
[0331] 同样地，nc-OS可W利用图41所示的成膜模型理解。注意，图41和图40A的不同 点仅在于衬底1120是否被加热。
[0332] 因此，衬底1120没有被加热，因此颗粒1100与衬底1120之间的摩擦等的阻力很 大。其结果是，颗粒1100不能在衬底1120的顶面上下滑，因此不规则地飘落到衬底1120 的顶面上而形成nc-OS。
[0333] <解理面〉 下面，对在CAAC-0S的成膜模型中所说明的祀材的解理面进行说明。
[0334]首先，参照图45A和45B说明祀材的解理面。图45A和45B示出InGa&i〇4的结晶 的结构。另外，图45A示出将C轴朝向上面并从平行于b轴的方向观察InGa化〇4的结晶时 的结构。此外，图45B是从平行于C轴的方向观察InGa化〇4的结晶时的结构。
[033引通过第一原理计算算出InGa化04的结晶的各结晶面的解理所需要的能量。注意， 至于计算，采用使用腰势和平面波基底的密度泛函程序（CASTEP)。注意，作为腰势使用超软 型腰势。此外，作为泛函使用GGA/PBE。另外，将截止能量设定为400eV。
[0336] 在进行包括单元尺寸的结构最适化之后导出初期状态下的结构的能量。此外，在 固定单元尺寸的状态下进行原子配置的结构最适化，之后导出在各表面上解理之后的结构 的能量。
[0337] 根据图45A和45B所示的InGa化〇4的结晶的结构，制造在第一面、第二面、第S面 和第四面中的任一个上解理的结构并进行固定单元尺寸的结构最适化计算。在此，第一面 是Ga-Zn-0层和In-0层之间的结晶面，且是平行于（001)面(或油面）的结晶面(参照图 45A)。第二面是Ga-Zn-〇层和Ga-Zn-〇层之间的结晶面，且是平行于（001)面(或油面）的 结晶面(参照图45A)。第S面是平行于（110)面的结晶面(参照图45B)。第四面是平行于 (100)面(或be面）的结晶面(参照图45B)。
[033引W上述条件算出在各表面上解理之后的结构的能量。接着，通过解理之后的结构 的能量和初期状态下的结构的能量之间的差除W解理面的面积，算出每个面的解理容易性 的指标的解理能量。注意，结构的能量根据结构所包括的原子和电子算出，就是说，在计算 中，考虑到电子的运动能W及原子之间、原子-电子之间和电子之间的互相作用。
[0339] 由计算的结果可知，第一面的解理能量为2. 60J/m2,第二面的解理能量为0. 68J/ m2,第S面的解理能量为2. 18J/m2,第四面的解理能量为2. 12J/m2 (参照表1)。
[0340] [表1]
【主权项】
1. 一种半导体装置，包括： 晶体管，包括： 第一绝缘膜上的氧化物半导体膜； 所述氧化物半导体膜上的栅极绝缘膜； 所述栅极绝缘膜上的栅电极； 所述栅电极上的第二绝缘膜； 所述第二绝缘膜上的第三绝缘膜； 所述第三绝缘膜上的源电极；以及 所述第三绝缘膜上的漏电极， 其中，所述第一绝缘膜包含氧， 所述第二绝缘膜包含氮， 所述源电极与所述氧化物半导体膜电连接， 并且，所述漏电极与所述氧化物半导体膜电连接，以及 电容元件，包括： 第一导电膜； 第二导电膜；以及 所述第二绝缘膜， 其中，所述第一导电膜与所述栅电极设置在同一表面上， 所述第二导电膜与所述源电极及所述漏电极设置在同一表面上， 并且，所述第二绝缘膜设置在所述第一导电膜与所述第二导电膜之间。
2. 根据权利要求1所述的半导体装置， 其中所述氧化物半导体膜包含氧、In、Zn及M， 并且M为Ti、Ga、Y、Zr、La、Ce、Nd或Hf。
3. 根据权利要求I所述的半导体装置， 其中所述氧化物半导体膜包括结晶部， 并且所述结晶部的c轴取向为平行于所述氧化物半导体膜的被形成面的法线向量。
4. 根据权利要求1所述的半导体装置， 其中所述氧化物半导体膜包括第一区域及第二区域， 所述第一区域与所述栅电极重叠， 所述第二区域不与所述栅电极重叠， 并且所述第二区域与所述第二绝缘膜接触。
5. 根据权利要求1所述的半导体装置， 其中所述氧化物半导体膜包括第一区域及第二区域， 所述第一区域与所述栅电极重叠， 所述第二区域不与所述栅电极重叠， 并且所述第一区域的结晶性比所述第二区域的结晶性高。
6. 根据权利要求1所述的半导体装置， 其中所述氧化物半导体膜包括第一区域及第二区域， 所述第一区域与所述栅电极重叠， 所述第二区域不与所述栅电极重叠， 所述第一区域具有杂质元素浓度为第一浓度的部分， 所述第二区域具有所述杂质元素浓度为第二浓度的部分， 所述杂质元素包括氢、硼、碳、氮、氟、铝、硅、磷、氯以及稀有气体元素中的一个以上， 并且所述第一浓度与所述第二浓度不同。
7. 根据权利要求1所述的半导体装置， 其中所述氧化物半导体膜包括第一区域及第二区域， 所述第一区域与所述栅电极重叠， 所述第二区域不与所述栅电极重叠， 所述第一区域具有杂质元素浓度为第一浓度的部分， 所述第二区域具有所述杂质元素浓度为第二浓度的部分， 所述杂质元素包括氢、硼、碳、氮、氟、铝、硅、磷、氯以及稀有气体元素中的一个以上， 并且所述第二浓度比所述第一浓度高。
8. 根据权利要求1所述的半导体装置， 其中所述氧化物半导体膜包括第一区域及第二区域， 所述第一区域与所述栅电极重叠， 所述第二区域不与所述栅电极重叠， 所述第一区域具有氩浓度为第一浓度的部分， 所述第二区域具有氩浓度为第二浓度的部分， 并且所述第二浓度比所述第一浓度高。
9. 一种包括权利要求1所述的半导体装置及显示元件的显示装置。
10. -种包括权利要求9所述的显示装置及触摸传感器的显示模块。
11. 一种半导体装置，包括： 晶体管，包括： 第一绝缘膜上的第一栅电极； 所述第一栅电极上的第一栅极绝缘膜； 所述第一栅极绝缘膜上的氧化物半导体膜； 所述氧化物半导体膜上的第二栅极绝缘膜； 所述第二栅极绝缘膜上的第二栅电极； 所述第二栅电极上的第二绝缘膜； 所述第二绝缘膜上的第三绝缘膜； 所述第三绝缘膜上的源电极；以及 所述第三绝缘膜上的漏电极， 其中，所述第一栅极绝缘膜包含氧， 所述第二绝缘膜包含氮， 所述源电极与所述氧化物半导体膜电连接， 并且，所述漏电极与所述氧化物半导体膜电连接，以及 电容元件，包括： 第一导电膜； 第二导电膜；以及 所述第二绝缘膜， 其中，所述第一导电膜与所述第二栅电极设置在同一表面上， 所述第二导电膜与所述源电极及所述漏电极设置在同一表面上， 并且，所述第二绝缘膜设置在所述第一导电膜与所述第二导电膜之间。
12. 根据权利要求11所述的半导体装置， 其中所述氧化物半导体膜包含氧、In、Zn及M， 并且M为Ti、Ga、Y、Zr、La、Ce、Nd或Hf。
13. 根据权利要求11所述的半导体装置， 其中所述氧化物半导体膜包括结晶部， 并且所述结晶部的c轴取向为平行于所述氧化物半导体膜的被形成面的法线向量。
14. 根据权利要求11所述的半导体装置， 其中所述氧化物半导体膜包括第一区域及第二区域， 所述第一区域与所述第二栅电极重叠， 所述第二区域不与所述第二栅电极重叠， 并且所述第二区域与所述第二绝缘膜接触。
15. 根据权利要求11所述的半导体装置， 其中所述氧化物半导体膜包括第一区域及第二区域， 所述第一区域与所述第二栅电极重叠， 所述第二区域不与所述第二栅电极重叠， 并且所述第一区域的结晶性比所述第二区域的结晶性高。
16. 根据权利要求11所述的半导体装置， 其中所述氧化物半导体膜包括第一区域及第二区域， 所述第一区域与所述第二栅电极重叠， 所述第二区域不与所述第二栅电极重叠， 所述第一区域具有杂质元素浓度为第一浓度的部分， 所述第二区域具有所述杂质元素浓度为第二浓度的部分， 所述杂质元素包括氢、硼、碳、氮、氟、铝、硅、磷、氯以及稀有气体元素中的一个以上， 并且所述第一浓度与所述第二浓度不同。
17. 根据权利要求11所述的半导体装置， 其中所述氧化物半导体膜包括第一区域及第二区域， 所述第一区域与所述第二栅电极重叠， 所述第二区域不与所述第二栅电极重叠， 所述第一区域具有杂质元素浓度为第一浓度的部分， 所述第二区域具有所述杂质元素浓度为第二浓度的部分， 所述杂质元素包括氢、硼、碳、氮、氟、铝、硅、磷、氯以及稀有气体元素中的一个以上， 并且所述第二浓度比所述第一浓度高。
18. 根据权利要求11所述的半导体装置， 其中所述氧化物半导体膜包括第一区域及第二区域， 所述第一区域与所述第二栅电极重叠， 所述第二区域不与所述第二栅电极重叠， 所述第一区域具有氩浓度为第一浓度的部分， 所述第二区域具有氩浓度为第二浓度的部分， 并且所述第二浓度比所述第一浓度高。
19. 一种包括权利要求11所述的半导体装置及显示元件的显示装置。
20. -种包括权利要求19所述的显示装置及触摸传感器的显示模块。
【专利摘要】本发明题为半导体装置、显示装置、显示模块以及电子设备。本发明的一个方式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电容元件。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；第二绝缘膜上的第三绝缘膜；以及第三绝缘膜上的源电极及漏电极，源电极及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；以及该第二绝缘膜，第一导电膜与栅电极设置在同一表面上，该第二导电膜与源电极及漏电极设置在同一表面上，该第二绝缘膜设置在第一导电膜与第二导电膜之间。
【IPC分类】H01L27-12, H01L29-786
【公开号】CN104821338
【申请号】CN201510060315
【发明人】山崎舜平, 冈崎健一, 片山雅博, 中田昌孝
【申请人】株式会社半导体能源研究所
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年2月5日
【公告号】DE102015201707A1, US20150221678