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TWI484565B - 半導體膜，半導體元件，半導體裝置及其製造方法 - Google Patents

半導體膜，半導體元件，半導體裝置及其製造方法 Download PDF

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TWI484565B
TWI484565B TW100143587A TW100143587A TWI484565B TW I484565 B TWI484565 B TW I484565B TW 100143587 A TW100143587 A TW 100143587A TW 100143587 A TW100143587 A TW 100143587A TW I484565 B TWI484565 B TW I484565B
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semiconductor film
crystal structure
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山崎舜平
高橋正弘
丸山哲紀
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半導體能源研究所股份有限公司
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Description

半導體膜，半導體元件，半導體裝置及其製造方法
本發明係關於一種具有異質結構的半導體膜、一種使用具有異質結構的半導體膜的半導體元件以及一種使用具有異質結構的半導體膜的半導體裝置。
注意，在本發明說明中，半導體膜是指膜狀的半導體，半導體元件是指藉由利用半導體特性而工作的所有元件，並且半導體裝置是指使用半導體元件的所有裝置。因此，電光裝置、半導體電路及電子裝置都是半導體裝置。
近年來，使用半導體薄膜(厚度為幾nm到幾百nm左右)製造薄膜電晶體(TFT)的技術已經引人注目，其中該半導體薄膜形成於具有絕緣表面的基板上。薄膜電晶體已經廣泛地應用於電子裝置諸如IC或電光裝置等，並且特別是作為影像顯示裝置中的切換元件被要求急速開發。此外，多種多樣的金屬氧化物用於各種各樣的用途。例如，氧化銦是公知的材料，並已經被用作液晶顯示器等所需的透光電極材料。
一些金屬氧化物呈現半導體特性。作為這些呈現半導體特性的金屬氧化物，例如有氧化鎢、氧化錫、氧化銦、氧化鋅等。這種呈現半導體特性的金屬氧化物不但可以用於透明導電膜，而且還可以用於各種半導體元件諸如感測器或電晶體等。已知一種薄膜電晶體，其中將金屬氧化物形成為膜狀，而用作通道形成區域(專利文獻1和專利文獻2)。
[專利文獻1]日本專利申請公開第2007-123861號公報
[專利文獻2]日本專利申請公開第2007-96055號公報
半導體膜被期待具有穩定的特性且其不均勻性少。特別是，半導體元件被要求不均勻性少的特性。較佳的是，半導體膜的缺陷少，且具有均勻性。
明確而言，當使用氧化物半導體膜構成電晶體時，該電晶體的電特性受到與絕緣膜接觸的氧化物半導體膜的影響。特別是，當在結晶性低的區域中，氧化物半導體膜與閘電極一側的絕緣膜接觸時，有該電晶體的電特性降低的憂慮。
鑒於上述技術背景做出本發明。因此，本發明的目的之一是提供特性穩定的半導體膜。
或者，本發明的目的之一是提供特性穩定的半導體元件。
或者，本發明的目的之一是提供特性穩定的半導體裝置。
為了實現上述目的，本發明著眼於與絕緣表面接觸的半導體膜的表面，特別著眼於其結晶結構。然後，想到在與絕緣表面接觸一側的半導體膜的表面設置結晶性高的區域的結構，而解決上述課題。這是因為如下緣故：藉由採用在結晶性高的區域中半導體膜與絕緣表面接觸的結構，絕緣表面和半導體膜的介面的起因於懸空鍵的介面能階減少，從而可以實現良好的介面狀態。
明確而言，採用如下一種結構即可，該結構包括：其一方表面與絕緣表面接觸的包括具有c軸配向的第一結晶結構的結晶的晶種層；以及與該晶種層的另一方面結合的具有c軸配向的第二結晶結構的結晶接合氧化物半導體膜。藉由採用這種異質結構，可以使該半導體膜的電特性穩定化。另外，第一結晶結構是纖鋅礦型，而第二結晶結構是纖鋅礦之外的六方晶的結晶結構或YbFe2 O4 型結構、Yb2 Fe3 O7 型結構及其變形結構中任一個，即可。此外，具有c軸配向的第一結晶結構的結晶包括第一結晶結構的c軸在一定的方向(例如，與支撐晶種層的基板表面或晶種層表面等垂直的方向)上一致的結晶。
也就是說，本發明的一個方式是一種具有異質結構的半導體膜，包括：其一方表面與絕緣表面接觸，且包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層；以及與晶種層的另一方表面接觸，且包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜，其中，第一結晶結構是纖鋅礦型結晶結構，並且，第二結晶結構是纖鋅礦之外的六方晶。
此外，本發明的一個方式是一種具有異質結構的半導體膜，包括：其一方表面與絕緣表面接觸，且包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層；以及與晶種層的另一方表面接觸，且包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜，其中，第一結晶結構是纖鋅礦型結晶結構，並且，第二結晶結構是YbFe2 O4 型結構、Yb2 Fe3 O7 型結構及其變形結構中任一個。
根據上述本發明的一個方式，因為絕緣表面和包括具有c軸配向的第一結晶結構的結晶的晶種層彼此接觸地形成，所以不容易與絕緣表面接觸地形成電特性不穩定的非晶。再者，具備與包括具有c軸配向的第一結晶結構的結晶的晶種層接合的具有第二結晶結構的結晶成長的氧化物半導體膜。由此，半導體膜可以採用結晶性高的晶種層與絕緣表面接觸的結構，因此起因於懸空鍵的介面能階減少，而可以提供具備良好的介面狀態的具有異質結構的半導體膜。
本發明的一個方式是上述具有異質結構的半導體膜，其中晶種層的厚度為0.1nm以上且10nm以下。
本發明的一個方式是上述具有異質結構的半導體膜，其中晶種層包含氮化銦或氮化鎵。
本發明的一個方式是上述具有異質結構的半導體膜，其中晶種層包含鋅、銦、鎵、氧及氮。
本發明的一個方式是上述具有異質結構的半導體膜，其中晶種層包含0.1at.%以上且低於5at.%的氮。
本發明的一個方式是上述具有異質結構的半導體膜，其中氧化物半導體膜包含1×1017 /cm3 以上且低於5×1019 /cm3 的氮。
本發明的一個方式是一種具有異質結構的半導體元件，包括：閘電極；與閘電極接觸的第一絕緣膜；接觸於第一絕緣膜地與閘電極重疊的具有異質結構的半導體膜；以及與具有異質結構的半導體膜接觸的第二絕緣膜，其中，具有異質結構的半導體膜包括：與第一絕緣膜接觸且包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層；以及與第二絕緣膜接觸且包括具有c軸配向的第二結晶結構的各向異性結晶的氧化物半導體膜，第一結晶結構是纖鋅礦型結晶結構，並且，第二結晶結構是纖鋅礦之外的六方晶。
本發明的一個方式是一種具有異質結構的半導體元件，包括：閘電極；與閘電極接觸的第一絕緣膜；接觸於第一絕緣膜地與閘電極重疊的具有異質結構的半導體膜；以及與具有異質結構的半導體膜接觸的第二絕緣膜，其中，具有異質結構的半導體膜包括：與第一絕緣膜接觸且包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層；以及與第二絕緣膜接觸且包括具有c軸配向的第二結晶結構的各向異性結晶的氧化物半導體膜，第一結晶結構是纖鋅礦型結晶結構，並且，第二結晶結構是YbFe2 O4 型結構、Yb2 Fe3 O7 型結構及其變形結構中任一個。
根據上述本發明的一個方式，與接觸於閘電極的第一絕緣膜接觸地形成有包括具有c軸配向的第一結晶結構的結晶的晶種層。再者，具備包括具有各向異性地成長的結晶的氧化物半導體膜。由此，具有異質結構的半導體膜採用以良好的介面狀態與第一絕緣膜接觸，且與閘電極重疊的結構，所以可以提供電特性穩定的半導體元件。
此外，本發明的一個方式是使用上述半導體元件的半導體裝置。
根據上述本發明的一個方式，藉由使用應用以良好的介面狀態與絕緣膜接觸的具有異質結構的半導體膜的半導體元件，可以提供可靠性高的半導體裝置。
注意，在本發明說明中，具有c軸配向的結晶結構的層是指一種非單晶層，其中其結晶結構的c軸在大致垂直於半導體疊層的表面的方向上配向。
注意，本發明說明中，六方晶結構是指六晶族(six crystal families)中的結構，並且六方晶結構包括七晶系(seven crystal systems)中的三方晶系及六方晶系。此外，發光裝置是指影像顯示裝置、發光裝置或光源(包括照明裝置)。此外，該發光裝置在其範疇中還可包括以下模組：發光裝置安裝有連接器諸如FPC(Flexible Printed Circuit：撓性印刷電路)、TAB(Tape Automated Bonding：帶式自動接合)帶或TCP(Tape Carrier Package：帶式載體封裝)的模組；具有在TAB帶或TCP的端部上設置有印刷線路板的模組；以及藉由COG(Chip On Glass：玻璃上的晶片)方式在形成有發光元件的基板上直接安裝IC(積體電路)的模組。
根據本發明，可以提供特性穩定的半導體膜。
或者，根據本發明，可以提供特性穩定的半導體元件。
或者，根據本發明，可以提供特性穩定的半導體裝置。
參照圖式對實施方式進行詳細說明。但是，本發明不侷限於以下說明，而所屬技術領域的普通技術人員可以很容易地理解一個事實就是其方式及詳細內容在不脫離本發明的宗旨及其範圍的情況下可以被變換為各種各樣的形式。因此，本發明不應該被解釋為僅侷限在以下所示的實施方式所記載的內容中。注意，在下面說明的發明結構中，在不同的圖式中共同使用相同的圖式標記來表示相同的部分或具有相同功能的部分，而省略反復說明。
[實施方式1]
在本實施方式中，參照圖1A至圖6B說明一種半導體膜，該半導體膜具有包括其一方表面與絕緣表面接觸的晶種層以及與該晶種層的另一方表面接觸的氧化物半導體膜的異質結構，該晶種層包括具有c軸配向的第一結晶結構的結晶，並且該氧化物半導體膜包括具有c軸配向的第二結晶結構的各向異性結晶。
〈具有異質結構的半導體膜〉
圖1A及1B示出本實施方式所例示的具有異質結構的半導體膜的模式圖。
具有異質結構的半導體膜130包括晶種層131及氧化物半導體膜132。圖1A示出晶種層131與基板100上的絕緣表面102接觸地設置的具有異質結構的半導體膜130的方式。此外，圖1B示出晶種層131與基板100上的氧化物半導體膜132接觸地設置的具有異質結構的半導體膜130的方式。在上述兩種方式中，晶種層131包括具有c軸配向的第一結晶結構的結晶，氧化物半導體膜132包括具有c軸配向的第二結晶結構的各向異性結晶，並且晶種層131的結晶性比氧化物半導體膜132的結晶性高。
〈六方晶類的結晶結構〉
首先，說明六方晶類的結晶結構。
參照圖2A及2B說明第一結晶結構。第一結晶結構是纖鋅礦型。圖2A示出第一結晶結構的a-b面的結構，而圖2B示出以c軸方向為縱向方向的結構。
作為具備第一結晶結構的結晶的例子，例如可以舉出氧化鋅、氮化銦、氧化鎵等的結晶。此外，包含氮的氧化物半導體有時成為包括具有c軸配向的第一結晶結構的結晶的膜。
明確而言，包含5×1019 cm-3 以上，較佳包含1×1020 cm-3 以上且低於7at.%的氮的In-Ga-Zn-O膜成為包括具有c軸配向的第一結晶結構的結晶的膜。在金屬位元(metal site)中沒有規律地包括In、Ga及Zn。
接著，說明第二結晶結構。第二結晶結構採用纖鋅礦之外的六方晶的結晶結構(非纖鋅礦結構)或YbFe2 O4 型結構、Yb2 Fe3 O7 型結構及其變形結構中任一個，即可。
例如，包含I×1017 /cm3 以上且低於5×1019 /cm3 的氮的In-Ga-Zn-O膜成為包括具有c軸配向的第二結晶結構的結晶的膜。包括具有c軸配向的第二結晶結構的結晶的In-Ga-Zn-O膜在a-b面上具有In-O的結晶面(包含銦和氧的結晶面)，In-O的結晶面和In-O的結晶面之間具有包含Ga及Zn的兩個層。注意，在包含Ga及Zn的兩個層中，一方層或兩者層包含Ga及Zn，即可。對於其位置沒有限制。
第一結晶結構及第二結晶結構都是六方晶類，並且在a-b面上原子位置為六角形。而且，具有第二結晶結構的結晶與具有第一結晶結構的結晶接觸，而具有第二結晶結構的結晶與具有第一結晶結構的結晶一致。
參照圖3A至3C示出在具有第一結晶結構的結晶上，其晶格常數與第一結晶結構相同的具有第二結晶結構的結晶與具有第一結晶結構的結晶一致的情況。圖3A示出第二結晶結構，圖3B示出第一結晶結構。此外，圖3C示出一種模式圖，該圖式模式地示出如下情況：具有第二結晶結構的結晶與具有第一結晶結構的結晶接觸，而具有第二結晶結構的結晶與具有第一結晶結構的結晶一致。
因此，作為晶種層，形成包括具有結晶性高，且容易晶化的c軸配向的第一結晶結構的結晶的層，接著，與該晶種層接觸地形成氧化物半導體膜，從而晶種層所包含的具有第一結晶結構的結晶發揮使該氧化物半導體膜的晶化為容易的效果。
〈晶種層〉
接著，說明晶種層。晶種層包括具有c軸配向的第一結晶結構的結晶。特別是，作為晶種層使用其結晶性比氧化物半導體膜高，且容易晶化的材料。藉由應用其結晶性高，且容易晶化的材料，可以提高與絕緣表面接觸的表面附近的結晶性，來防止電特性不穩定的非晶殘留的現象。
說明可用於晶種層的具有c軸配向的第一結晶結構的結晶。
作為具有c軸配向的第一結晶結構，並可用於晶種層的化合物的例子，例如可舉出氮化銦、氮化鎵等。此外，包含5×1019 cm-3 以上，較佳包含1×1020 cm-3 以上且低於7at.%的氮的氧化物半導體有時成為包括具有c軸配向的第一結晶結構的結晶的膜。
當將包含氮的氧化物半導體用於晶種層時，以氮濃度為5×1019 cm-3 以上，較佳為1×1020 cm-3 以上且低於7at.%的方式有意地使該氧化物半導體包含氮。有意地包含這個範圍內的氮的氧化物半導體層的能隙比不有意地包含氮的氧化物半導體層的能隙小，所以容易使載子流過。
注意，在c軸配向的第一結晶結構的HAADF(high-angle annular dark field：高角度環形暗視場)-STEM的實際觀察影像中，有時觀察到亮點互相交錯地出現的衍射影像。
圖4A示出根據c軸配向的第一結晶結構，藉由計算得到的HAADF-STEM的實際圖觀察像。
此外，圖4B示出使用只包含氮的成膜氣體形成的In-Ga-Zn-O膜的HAADF-STEM的實際觀察影像。
在圖4A或4B所示的HAADF-STEM的實際觀察影像中，都可以確認到包括具有雙週期性的層結構(two-layer cycle structure)的c軸配向的第一結晶結構。
另外，藉由濺射法，在石英玻璃基板上形成300nm厚的包含氮的In-Ga-Zn-O膜。成膜時的條件為如下：作為靶使用In：Ga：Zn=1：1：1[原子比]，將基板和靶之間的距離設定為60mm，使用DC電源，功率為0.5kW，壓力為0.4Pa。此外，成膜時的基板溫度為400℃，作為濺射氣體只使用氮，並且使氮以40sccm的流量流過到沉積室中。
〈氧化物半導體膜〉
接著，說明氧化物半導體膜。氧化物半導體膜是非單晶，並且它不是其整個部分處於非晶狀態的膜，而是其中至少包括具有c軸配向的第二結晶結構的結晶的膜，且還包括與晶種層接合的結晶。因為氧化物半導體膜不是其整個部分處於非晶狀態的膜，所以抑制電特性不穩定的非晶的形成。
以下說明可用於氧化物半導體膜的具有c軸配向的第二結晶結構的各向異性結晶。
作為第二結晶結構的例子，可舉出YbFe2 O4 型結構、Yb2 Fe3 O7 型結構或其變形結構。例如，三元類金屬氧化物的In-Ga-Zn-O具有第二結晶結構，並可用於氧化物半導體膜。另外，可用於氧化物半導體膜的In-Ga-Zn-O膜也可以包含1×1017 /cm3 以上且低於5×1019 /cm3 的氮。
已知的是，作為三元類金屬氧化物的In-Ga-Zn-O，有YbFe2 O4 型結構的InGaZnO4 、Yb2 Fe3 O7 型結構的In2 Ga2 ZnO7 等，還可能採用其變形結構(M. Nakamura，N. Kimizuka，and T. Mohri，“The Phase Relations in the In2 O3 -Ga2 ZnO4 -ZnO System at 1350℃”(In2 O3 -Ga2 ZnO4 -ZnO類在1350℃時的相位關係)，J. Solid State Chem.，1991，Vol.93，p.298-315)。注意，當以包含Yb的層為A層，而以包含Fe的層為B層時，YbFe2 O4 型結構具有ABB|ABB|ABB|的反復結構，並且作為其變形結構，例如可舉出ABBB|ABBB|的反復結構。此外，Yb2 Fe3 O7 型結構具有ABB|AB|ABB|AB|的反復結構，並且作為其變形結構，例如可舉出ABBB|ABB|ABBB|ABB|ABBB|ABB|的反復結構。
此外，作為氧化物半導體膜，可以使用：四元類金屬氧化物諸如In-Sn-Ga-Zn-O膜；三元類金屬氧化物諸如In-Ga-Zn-O膜、In-Sn-Zn-O膜、In-Al-Zn-O膜、Sn-Ga-Zn-O膜、Al-Ga-Zn-O膜、Sn-Al-Zn-O膜；二元類金屬氧化物諸如In-Zn-O膜、Sn-Zn-O膜、Al-Zn-O膜、In-Ga-O膜等。另外，上述氧化物半導體膜也可以包含矽。在此，例如，In-Ga-Zn-O膜是包含銦(In)、鎵(Ga)、鋅(Zn)的氧化物膜。
氧化物半導體膜的結晶與晶種層接合地成長。由此，具有異質結構的半導體膜可以在結晶性高的區域中與絕緣表面接觸，且起因於懸空鍵的介面能階減少，從而可以提供具備良好的介面狀態的具有異質結構的半導體膜。
注意，在c軸配向的第二結晶結構的HAADF(high-angle annular dark field：高角度環形暗視場)-STEM的實際觀察影像中，有時觀察到一種衍射影像，其中在每個三層中出現一個明亮的層。
圖5A示出根據c軸配向的第二結晶結構，藉由計算得到的HAADF-STEM的實際觀察影像。
此外，圖5B示出In-Ga-Zn-O膜的HAADF-STEM的實際觀察影像。
在圖5A或5B所示的HAADF-STEM的實際觀察影像中都可以確認到如下情況：在每個三層中出現一個明亮的層；以及採用具有九週期性的層結構(nine-layer cycle structure)的c軸配向的第二結晶結構。
另外，藉由濺射法，在石英玻璃基板上形成300nm厚的In-Ga-Zn-O膜。成膜時的條件為如下：作為靶使用In：Ga：Zn=1：1：1[原子比]，將基板和靶之間的距離設定為60mm，使用DC電源，功率為0.5kW，壓力為0.4Pa。此外，成膜時的基板溫度為400℃，作為濺射氣體只使用氧，並且使氧以40sccm的流量流過到沉積室中。
〈包括具有c軸配向的第二結晶結構的結晶的In-Ga-Zn-O膜及包括具有c軸配向的第一結晶結構的結晶的In-Ga-Zn-O-N膜〉
使用只包含氮的成膜氣體形成的In-Ga-Zn-O-N膜包括具有c軸配向的第一結晶結構的結晶，其結晶性高，並且該In-Ga-Zn-O-N膜適合於晶種層。此外，使用只包含氧的成膜氣體形成的In-Ga-Zn-O膜包括具有c軸配向的第二結晶結構的結晶，具有各向異性而容易成長，並且該In-Ga-Zn-O膜適合於氧化物半導體膜。
藉由X線衍射法確認到使用只包含氮的成膜氣體形成的In-Ga-Zn-O-N膜和使用只包含氧的成膜氣體形成的In-Ga-Zn-O膜一致的程度而得到的結果。
圖6A及6B示出藉由2θ法對使用只包含氮的成膜氣體形成的In-Ga-Zn-O-N膜和使用只包含氧的成膜氣體形成的In-Ga-Zn-O膜分別進行測量而得到的衍射影像。
根據圖6A所示的藉由平面外(Out-of-plane)法而得到的衍射影像，可以知道使用只包含氮的成膜氣體形成的In-Ga-Zn-O-N膜具有尖峰的衍射峰值，所以其結晶性優良。使用只包含氮的成膜氣體形成的In-Ga-Zn-O-N膜的衍射峰值和使用只包含氧的成膜氣體形成的In-Ga-Zn-O膜的衍射峰值較嚴格地一致。也就是說，可以確認到如下事實：與使用只包含氧的成膜氣體形成的In-Ga-Zn-O膜相同，使用只包含氮的成膜氣體形成的In-Ga-Zn-O-N膜是六方晶類，其晶格常數也彼此近似，並且該In-Ga-Zn-O-N膜適合於晶種層。
圖6B示出藉由平面內(In-Plane)法對使用只包含氮的成膜氣體形成的In-Ga-Zn-O-N膜和使用只包含氧的成膜氣體形成的In-Ga-Zn-O膜分別進行測量而得到的衍射影像。
根據圖6B所示的藉由平面內法而得到的衍射影像，可以確認到使用只包含氮的成膜氣體形成的In-Ga-Zn-O-N膜的c軸在大致垂直於具有絕緣表面的基板表面的方向上配向。據此，也可以確認到使用只包含氮的成膜氣體形成的In-Ga-Zn-O-N膜適合於使用只包含氧的成膜氣體形成的In-Ga-Zn-O膜的晶種層。
使用只包含氮的成膜氣體形成的In-Ga-Zn-O-N膜和使用只包含氧的成膜氣體形成的In-Ga-Zn-O膜都是藉由上述方法製造的。
在本實施方式所例示的具有異質結構的半導體膜中，包括具有c軸配向的第一結晶結構的結晶的晶種層與絕緣表面接觸地形成，因而電特性不穩定的非晶不容易與絕緣表面接觸地形成。再者，還具備氧化物半導體膜，其中具有c軸配向的第二結晶結構的結晶從包括具有c軸配向的第一結晶結構的結晶的晶種層有各向異性地成長。由此，具有異質結構的半導體膜在結晶性高的區域中與絕緣表面接觸，且起因於懸空鍵的介面能階減少，從而可以提供具備良好的介面狀態的具有異質結構的半導體膜。
另外，本實施方式可以與本發明說明所示的其他實施方式適當地組合而實施。
[實施方式2]
在本實施方式中，參照圖7A及7B以及圖8A至8C說明將具有異質結構的半導體膜用於通道的頂閘型電晶體的結構以及其製造方法。圖7B是說明半導體元件的結構的一個方式的電晶體結構的剖面圖，其相當於沿著俯視圖的圖7A的點劃線A-B的剖面圖。另外，在圖7A中，省略基板201、氧化物絕緣膜202、閘極絕緣膜207及絕緣膜209。圖8A至8C是說明圖7B所示的電晶體的製造製程的剖面圖。
圖7B所示的電晶體包括：形成在基板201上的氧化物絕緣膜202；形成在氧化物絕緣膜202上的具有異質結構的半導體膜205；形成在具有異質結構的半導體膜205上的用作源極電極及汲極電極的一對電極206；形成在氧化物絕緣膜202、具有異質結構的半導體膜205及一對電極206上的閘極絕緣膜207；以及隔著閘極絕緣膜207與具有異質結構的半導體膜205重疊的閘電極208。此外，也可以包括覆蓋閘極絕緣膜207及閘電極208的絕緣膜209。
在具有異質結構的半導體膜205中，與氧化物絕緣膜202接觸地層疊有包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜205a和與包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜205a接觸的包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層205b。
此外，在氧化物半導體膜205a中，將晶種層205b所包括的具有第一結晶結構的結晶用作晶種而具有第二結晶結構的結晶進行結晶成長。
氧化物半導體膜205a所包括的具有第二結晶結構的結晶是六方晶。即，具有第二結晶結構的氧化物半導體膜205a包括與第一結晶結構不同的六方晶的結晶結構。第二結晶結構也可以是同系列。
此外，晶種層205b所包括的具有第一結晶結構的結晶是六方晶。
換言之，由於第一結晶結構及第二結晶結構都是六方晶，因此可以從c軸方向確認到六角形的晶格像。
注意，包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜205a、包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層205b都是非單晶，並且氧化物半導體膜不是其整個部分處於非晶狀態的膜，而具有c軸配向的結晶區域。
接著，參照圖8A至8C說明圖7B所示的電晶體的製造方法。
如圖8A所示，在基板201上形成氧化物絕緣膜202，然後在氧化物絕緣膜202上形成第一氧化物半導體膜203a，且在第一氧化物半導體膜203a上形成在後面成為晶種層的第二氧化物半導體膜203b。
基板201至少需要耐受後面的加熱處理的程度的耐熱性。當作為基板201使用玻璃基板時，使用其應變點為730℃以上的玻璃基板較佳。作為玻璃基板，例如使用鋁矽酸鹽玻璃、鋁硼矽酸鹽玻璃、鋇硼矽酸鹽玻璃等的玻璃材料。另外，使用包含B2 O3 和BaO的玻璃基板較佳，其中BaO的含量比B2 O3 的含量多。當進行批量生產時，作為基板201使用第8代(2160mm×2460mm)、第9代(2400mm×2800mm或2450mm×3050mm)及第10代(2950mm×3400mm)等的母玻璃較佳。如果處理溫度高，且處理時間長，母玻璃就大幅度地收縮。由此，當使用母玻璃進行批量生產時，將製造製程的加熱處理溫度設定為600℃以下，較佳設定為450℃以下。
注意，也可以使用由絕緣體構成的基板諸如陶瓷基板、石英基板、藍寶石基板等代替上述玻璃基板。除此之外，也可以使用晶化玻璃等。再者，也可以使用在矽晶片等的半導體基板的表面或由金屬材料構成的導電基板的表面上形成絕緣膜的材料。
另外，當將包含鹼金屬等的雜質的玻璃基板用作基板201時，為了防止鹼金屬的侵入，也可以在基板201和氧化物絕緣膜202之間形成氮化矽膜、氮化鋁膜等作為氮化物絕緣膜。也可以藉由CVD法、濺射法等形成氮化物絕緣膜。因為鋰、鈉、鉀等的鹼金屬是在後面形成的氧化物半導體膜中的雜質，所以較佳減少氮化物絕緣膜所包含的上述雜質。
使用藉由加熱釋放一部分的氧的氧化物絕緣膜形成氧化物絕緣膜202。作為藉由加熱釋放一部分的氧的氧化物絕緣膜，使用其氧含量多於化學計量比的氧化物絕緣膜較佳。藉由加熱釋放一部分的氧的氧化物絕緣膜可以藉由加熱使氧擴散在第一氧化物半導體膜203a及第二氧化物半導體膜203b中。典型地使用氧化矽、氧氮化矽、氮氧化矽、氧化鋁、氧氮化鋁、氧化鎵、氧化鉿、氧化釔等形成氧化物絕緣膜202。
包含比化學計量比多的氧的氧化物絕緣膜藉由加熱釋放一部分的氧。此時，利用TDS分析(Thermal Desorption Spectroscopy：熱脫附譜分析)的換算成氧原子時的氧的釋放量為1.0×1018 atoms/cm3 以上，較佳為1.0×1020 atoms/cm3 以上，更佳為3.0×1020 atoms/cm3 以上。
在此，下面說明利用TDS分析的換算成氧原子時的氧的釋放量的測量方法。
藉由TDS分析的氣體的釋放量與質譜的積分值成比例。由此，利用氧化物絕緣膜的光譜的積分值與標準樣品的參考值之比，來可以計算出氣體的釋放量。標準樣品的參考值是指含有預定原子的樣品的原子密度與光譜的積分值之比。
例如，根據標準樣品的含有預定密度的氫的矽晶片的TDS分析結果及氧化物絕緣膜的TDS分析結果，可以藉由算式1求得氧化物絕緣膜的氧分子的釋放量(N(O2 ))。在此，將藉由TDS分析獲取的以質量數32檢測出的所有質譜都假定為源於氧分子。雖然作為質量數32的物質，有CH3 OH，但是因為其存在的可能性低，所以在此不考慮。此外，因為包含氧原子的同位素的質量數17的氧原子及質量數18的氧原子的氧分子在自然界中存在的比率也非常微少，所以不考慮該氧分子。
N(O2 )=N(H2 )/S(H2 )×S(O2 )×α　(算式1)
N(H2 )是將從標準樣品脫離的氫分子換算成密度而得出的值。S(H2 )是對標準樣品進行TDS分析時的光譜的積分值。在此，標準樣品的標準值為N(H2 )/S(H2 )。S(O2 )是對氧化物絕緣膜進行TDS分析時得出的質譜的積分值。α是影響到TDS分析時的質譜強度的係數。算式1的詳細內容參照日本專利申請公開平6-275697號公報。注意，使用由電子科學株式會社製造的熱脫附裝置EMD-WA1000S/W，並將包含1×1016 atoms/cm3 的氫原子的矽晶片用作標準樣品，來對上述氧化物絕緣膜的氧的釋放量進行測量。
此外，在TDS分析中，一部分的氧被檢測為氧原子。根據氧分子的離子化率可以算出氧分子和氧原子的比率。注意，因為上述α還包括氧分子的離子化率，所以藉由對氧分子的釋放量進行評價，可以估計氧原子的釋放量。
另外，N(O2 )是氧分子的釋放量。在氧化物絕緣膜中，換算成氧原子時的氧的釋放量成為氧分子的釋放量的兩倍。
氧化物絕緣膜202的厚度為50nm以上，較佳為200nm以上且500nm以下。藉由將氧化物絕緣膜202形成得厚，可以增加從氧化物絕緣膜202釋放的氧量，且減少氧化物絕緣膜202與在後面形成的氧化物半導體膜介面的缺陷。
藉由濺射法、CVD法等形成氧化物絕緣膜202。另外，利用濺射法來容易形成藉由加熱釋放一部分的氧的氧化物絕緣膜，所以使用該氧化物絕緣膜較佳。
當利用濺射法形成藉由加熱釋放一部分的氧的氧化物絕緣膜時，較佳的是，成膜氣體中的氧量多，因此可以使用氧或氧和稀有氣體的混合氣體等。典型地是，較佳將成膜氣體中的氧濃度設定為6%以上且100%以下。
使用藉由加熱會具有第二結晶結構的六方晶的氧化物半導體膜形成第一氧化物半導體膜203a。
作為第一氧化物半導體膜203a，可以使用四元類金屬氧化物諸如In-Sn-Ga-Zn-O膜；三元類金屬氧化物諸如In-Ga-Zn-O膜、In-Sn-Zn-O膜、In-Al-Zn-O膜、Sn-Ga-Zn-O膜、Al-Ga-Zn-O膜、Sn-Al-Zn-O膜；二元類金屬氧化物諸如In-Zn-O膜、Sn-Zn-O膜、Al-Zn-O膜、In-Ga-O膜等。此外，上述氧化物半導體也可以包含SiO2 。在此，In-Ga-Zn-O膜例如是指包含銦(In)、鎵(Ga)、鋅(Zn)的氧化物膜。
注意，可以用作第一氧化物半導體膜203a的金屬氧化物的能隙為2eV以上，較佳為2.5eV以上，更佳為3eV以上。像這樣，藉由使用能隙寬的氧化物半導體，可以減少電晶體的截止電流。
藉由使用由加熱而會具有第一結晶結構的氧化物半導體膜，形成第二氧化物半導體膜203b。與會具有第二結晶結構的氧化物半導體膜相比，會具有第一結晶結構的氧化物半導體膜容易藉由加熱處理晶化，且其晶性也較高。
作為第二氧化物半導體膜203b，可以使用氧化鋅、氧氮化物半導體等。對作為第一氧化物半導體膜203a例舉的金屬氧化物添加5×1019 cm-3 以上，較佳添加1×1020 cm-3 以上且低於7at.%的氮，來可以形成氧氮化物半導體。
因為將第二氧化物半導體膜203b用作用來使第一氧化物半導體膜203a進行結晶成長的晶種，所以以進行結晶成長的厚度形成第二氧化物半導體膜203b，即可。典型地是，以單原子層以上且10nm以下的厚度，較佳以2nm以上且5nm以下的厚度形成第二氧化物半導體膜203b，即可。藉由使第二氧化物半導體膜203b的厚度減薄，可以提高成膜處理及加熱處理時的處理量。
可以藉由濺射法、塗敷法、印刷法、脈衝雷射蒸鍍法等分別形成第一氧化物半導體膜203a及第二氧化物半導體膜203b。當藉由濺射法形成第一氧化物半導體膜203a及第二氧化物半導體膜203b時，使用AC濺射裝置、DC濺射裝置及RF濺射裝置中任一個。
注意，當利用濺射並使用氧氮化物半導體來形成第二氧化物半導體膜203b時，藉由在形成第一氧化物半導體膜203a之後，切換引入到濺射裝置中的氣體的種類，即引入氮，可以形成氧氮化物半導體。換言之，可以連續地形成第一氧化物半導體膜203a及第二氧化物半導體膜203b，所以批量生產性高。
接著，進行第一加熱處理。第一加熱處理溫度為150℃以上且650℃以下，較佳為200℃以上且500℃以下。此外，第一加熱處理的加熱時間為1分鐘以上且24小時以下。另外，也可以在使第一加熱處理溫度逐漸上升之後，保持恆定的溫度。因為藉由使溫度從500℃以上上升的速度設定為0.5℃/h以上且3℃/h以下，第二氧化物半導體膜203b逐漸進行結晶成長，因此進一步提高結晶性。
在第一加熱處理中，較佳採用稀有氣體(典型地是氬)氣圍、氧氣圍、氮氣圍、乾燥空氣氣圍、稀有氣體(典型地是氬)和氧的混合氣圍或稀有氣體和氮的混合氣圍。明確而言，較佳採用氫等的雜質被去除到幾ppm左右或幾ppb左右的高純度氣體氣圍。
至於用於第一加熱處理的加熱處理裝置，沒有特別的限定，也可以具備利用電阻發熱體等的發熱體所產生的熱傳導或熱輻射對被處理物進行加熱的裝置。例如，可以使用電爐或如GRTA(Gas Rapid Thermal Anneal：氣體快速熱退火)裝置、LRTA(Lamp Rapid Thermal Anneal：燈快速熱退火)裝置等的RTA(Rapid Thermal Anneal：快速熱退火)裝置。LRTA裝置是利用從如鹵素燈、金鹵燈、氙弧燈、碳弧燈、高壓鈉燈或高壓汞燈等的燈發出的光(電磁波)的輻射對被處理物進行加熱的裝置。GRTA裝置是使用高溫的氣體進行加熱處理的裝置。
藉由第一加熱處理，結晶成長從第二氧化物半導體膜203b的表面向第一氧化物半導體膜203a開始進展。因為第二氧化物半導體膜203b容易晶化，所以第二氧化物半導體膜203b晶化，而成為包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層204b。此外，因為結晶成長從第二氧化物半導體膜203b的表面向第一氧化物半導體膜203a開始進展，所以形成具有c軸配向的結晶區域。換言之，晶種層204b所包括的具有第一結晶結構的結晶在a-b面上具有六角形的鍵。此外，具有六角形的鍵的結晶結構在厚度方向(c軸方向)上層疊而接合，且形成c軸配向。
藉由繼續進行第一加熱處理，將晶種層204b所包括的具有第一結晶結構的結晶用作晶種，第一氧化物半導體膜203a的結晶成長從與晶種層204b的介面向氧化物絕緣膜202進展。因為晶種層204b所包括的具有第一結晶結構的結晶具有c軸配向，所以藉由將晶種層204b所包括的具有第一結晶結構的結晶用作晶種，可以以與具有第一結晶結構的結晶的晶軸大致一致的方式在第一氧化物半導體膜203a中進行結晶成長。即，可以使第一氧化物半導體膜203a邊具有c軸配向邊進行結晶生長。也就是說，使第一氧化物半導體膜203a進行結晶成長而成的氧化物半導體膜204a所包括的具有第二結晶結構的結晶在a-b面上具有六角形的鍵。此外，具有六角形的鍵的結晶結構在厚度方向(c軸方向)上層疊而接合，且形成c軸配向。藉由上述製程，可以形成包括具有c軸配向的第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜204a(參照圖8B)。
注意，當藉由第一加熱處理，從第二氧化物半導體膜203b的表面向與其垂直的方向進行結晶成長時，包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜204a及包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層204b的c軸大致垂直於表面。
此外，藉由該第一加熱處理，第一氧化物半導體膜203a及第二氧化物半導體膜203b所包含的氫被釋放，且氧化物絕緣膜202所包含的一部分的氧擴散到第一氧化物半導體膜203a、第二氧化物半導體膜203b以及氧化物絕緣膜202中的與第一氧化物半導體膜203a的介面附近。藉由該製程，可以減少第一氧化物半導體膜203a及第二氧化物半導體膜203b所包含的氧缺陷，並且藉由使氧擴散到氧化物絕緣膜202中的與第一氧化物半導體膜203a的介面附近，可以減少氧化物絕緣膜202與第一氧化物半導體膜203a的介面的缺陷。其結果是，可以形成氫濃度及氧缺陷減少的包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜204a及包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層204b。
此外，藉由當利用濺射法形成第一氧化物半導體膜203a及第二氧化物半導體膜203b時，將濺射裝置的處理室的洩漏率設定為1×10-10 Pa.m3 /秒鐘以下，可以減少在利用濺射法進行成膜的中途混入到第一氧化物半導體膜203a及第二氧化物半導體膜203b中的雜質諸如鹼金屬、氫等。另外，藉由作為排氣系統使用吸附真空泵(例如，低溫泵等)，可以減少鹼金屬、氫等的雜質從排氣系統倒流。
此外，也可以當形成第一氧化物半導體膜203a及第二氧化物半導體膜203b時，將加熱狀態下的氮氣體、氧氣體或氬氣體等引入到濺射裝置的處理室中而進行成膜。其結果是，可以減少第一氧化物半導體膜203a及第二氧化物半導體膜203b所包含的氫量。
此外，也可以在藉由濺射法形成第一氧化物半導體膜203a及第二氧化物半導體膜203b之前進行預加熱處理，以減少殘留在濺射裝置中、包括在靶表面或靶中的水分或氫。其結果是，可以減少第一氧化物半導體膜203a及第二氧化物半導體膜203b所包含的氫量。
藉由上述製程，可以形成包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜204a及包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層204b。換言之，可以形成具有異質結構的半導體膜。此外，可以減少包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜204a、包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層204b所包含的氫濃度及氧缺陷。因氧化物半導體和氫接合而一部分的氫成為施體，因此產生載子的電子。另外，氧化物半導體中的氧缺陷也與其同樣成為施體，因此產生作為載子的電子。為此，藉由減少包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜204a、包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層204b中的氫濃度及氧缺陷量，可以減少在後面形成的電晶體的臨界值電壓向負一側漂移。
接著，在包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層204b上形成掩模之後，使用該掩模對包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜204a、包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層204b選擇性地進行蝕刻，來形成包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜205a、包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層205b。注意，將包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜205a、包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層205b總稱為具有異質結構的半導體膜205。然後，去除掩模。
用來對包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜204a、包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層204b進行蝕刻的掩模可以適當地採用光刻製程、噴墨法、印刷法等而形成。此外，作為包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜204a、包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層204b的蝕刻，可以適當地採用濕蝕刻或乾蝕刻。
接著，形成與具有異質結構的半導體膜205接觸的一對電極206。接著，在氧化物絕緣膜202、具有異質結構的半導體膜205及一對電極206上形成閘極絕緣膜207。接著，在閘極絕緣膜207上形成閘電極208。此外，也可以在閘極絕緣膜207及閘電極208上形成絕緣膜209(參照圖8C)。
一對電極206用作源極電極和汲極電極。
一對電極206可以使用選自鋁、鉻、銅、鉭、鈦、鉬、鎢中的金屬元素、以上述金屬元素為成分的合金或組合上述金屬元素的合金等而形成。另外，也可以使用選自錳、鎂、鋯、鈹中的任何一種或多種金屬元素。此外，一對電極206可以具有單層結構或者兩層以上的疊層結構。例如，有包含矽的鋁膜的單層結構、在鋁膜上層疊有鈦膜的兩層結構、在氮化鈦膜上層疊有鈦膜的兩層結構、在氮化鈦膜上層疊有鎢膜的兩層結構、在氮化鉭膜上層疊有鎢膜的兩層結構以及鈦膜、在該鈦膜上層疊有鋁膜並且在該鋁膜上形成有鈦膜的三層結構等。另外，也可以使用組合鋁與選自鈦、鉭、鎢、鉬、鉻、釹和鈧中的元素的一種或多種而成的合金膜或氮化膜。另外，當作為一對電極206的材料的一種使用銅時，使用如下疊層即可：與具有異質結構的半導體膜205接觸地設置銅鎂鋁合金層，然後與該銅鎂鋁合金層接觸地設置銅層。
此外，一對電極206也可以使用透光導電材料形成，該透光導電材料可以應用銦錫氧化物、含有氧化鎢的銦氧化物、含有氧化鎢的銦鋅氧化物、含有氧化鈦的銦氧化物、含有氧化鈦的銦錫氧化物、銦鋅氧化物或添加有氧化矽的銦錫氧化物等。也可以採用上述透光導電材料和上述金屬元素的疊層結構。
藉由印刷法或噴墨法形成一對電極206。或者，藉由濺射法、CVD法、蒸鍍法等形成導電膜之後，在該導電膜上形成掩模，並對導電膜進行蝕刻，由此形成一對電極206。形成在導電膜上的掩模可以適當地利用印刷法、噴墨法、光刻法等而形成。
另外，在包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層204b上形成導電膜，使用多色調光掩模形成凹凸狀掩模，使用該掩模對包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜204a、包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層204b及導電膜進行蝕刻，然後藉由灰化使凹凸狀掩模分離，且使用該被分離的掩模對導電膜選擇性地進行蝕刻，從而可以形成具有異質結構的半導體膜205及一對電極206。藉由該製程，可以縮減光掩模數及光刻製程數。
使用氧化矽膜、氧氮化矽膜、氮化矽膜、氮氧化矽膜、氧化鋁膜、氧氮化鋁膜或氧化鎵膜的單層或疊層形成閘極絕緣膜207。較佳的是，閘極絕緣膜207中的與具有異質結構的半導體膜205接觸的部分包含氧，特別佳的是，與氧化物絕緣膜202同樣，利用藉由加熱釋放氧的氧化物絕緣膜形成閘極絕緣膜207。藉由使用氧化矽膜，可以在具有異質結構的半導體膜205中擴散氧，從而可以使特性良好。
此外，藉由作為閘極絕緣膜207使用high-k材料膜諸如矽酸鉿(HfSix Oy )膜、添加有氮的矽酸鉿(HfSix Oy Nz )膜、添加有氮的鋁酸鉿(HfAlx Oy Nz )膜、氧化鉿膜、氧化釔膜等，可以減少閘極洩漏。再者，還可以採用high-k材料膜和氧化矽膜、氧氮化矽膜、氮化矽膜、氮氧化矽膜、氧化鋁膜、氧氮化鋁膜及氧化鎵膜中的任一個以上的疊層結構。閘極絕緣膜207的厚度為1nm以上且300nm以下，更佳為5nm以上且50nm以下。
藉由濺射法、CVD法等形成閘極絕緣膜207。
另外，在形成閘極絕緣膜207之前，也可以使具有異質結構的半導體膜205的表面暴露於氧、臭氧、一氧化二氮等氧化氣體的電漿並使具有異質結構的半導體膜205的表面氧化，來減少氧缺陷。
閘電極208可以使用選自鋁、鉻、銅、鉭、鈦、鉬、鎢中的金屬元素、以上述金屬元素為成分的合金、組合上述金屬元素的合金等而形成。另外，也可以使用選自錳、鎂、鋯、鈹的任何一種或多種的金屬元素。此外，閘電極208可以具有單層結構或者兩層以上的疊層結構。例如，有包含矽的鋁膜的單層結構、在鋁膜上層疊有鈦膜的兩層結構、在氮化鈦膜上層疊有鈦膜的兩層結構、在氮化鈦膜上層疊有鎢膜的兩層結構、在氮化鉭膜上層疊有鎢膜的兩層結構以及鈦膜、在該鈦膜上層疊有鋁膜並且在該鋁膜上形成有鈦膜的三層結構等。另外，也可以使用組合鋁與選自鈦、鉭、鎢、鉬、鉻、釹和鈧中的元素的一種或多種而成的合金膜或氮化膜。
另外，閘電極208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，也可以使用上述透光導電材料和上述金屬元素的疊層結構。
此外，在閘電極208和閘極絕緣膜之間，較佳設置包含氮的In-Ga
-Zn-O膜、包含氮的In-Sn-O膜、包含氮的In-Ga-O膜、包含氮的In-Zn-O膜、包含氮的Sn-O膜、包含氮的In-O膜、金屬氮化膜(InN、ZnN等)作為與閘極絕緣膜接觸的材料層。這些膜具有5eV，較佳為5.5eV以上的功函數，可以使電晶體的電特性的臨界值電壓為正，從而可以實現所謂的常截止的切換元件。例如，當使用包含氮的In-Ga-Zn-O膜時，使用其氮濃度至少高於氧化物半導體膜203b的氮濃度的In-Ga-Zn-O膜，具體地，使用氮濃度為7at.%以上的In-Ga-Zn-O膜。
藉由印刷法或噴墨法形成閘電極208。或者，藉由濺射法、CVD法、蒸鍍法等形成導電膜之後，在該導電膜上形成掩模，並對導電膜進行蝕刻，由此形成閘電極208。形成在導電膜上的掩模可以適當地使用印刷法、噴墨法、光刻法等。
可以適當地使用作為閘極絕緣膜207舉出的絕緣膜形成絕緣膜209。此外，當作為絕緣膜209形成藉由濺射法而得到的氮化矽膜時，可以防止從外部侵入的水分、鹼金屬，可以減少具有異質結構的半導體膜205所包含的雜質量。
另外，在形成閘極絕緣膜207或絕緣膜209之後，也可以在幾乎不包含氫、水分的氣圍下(氮氣圍、氧氣圍、乾燥空氣氣圍(例如，至於水分，露點為-40℃以下，較佳為-60℃以下)等)進行加熱處理(溫度範圍為150℃以上且650℃以下，較佳為200℃以上且500℃以下)。
藉由上述製程，可以製造在通道中包括具有異質結構的半導體膜的電晶體，該半導體膜在a-b面上具有六角形的鍵，並具有c軸配向。
因為本實施方式所示的具有異質結構的半導體膜的與閘極絕緣膜的介面附近的區域中的結晶性及均勻性都高，所以電特性穩定，而可以得到可靠性高的電晶體。此外，藉由將在a-b面上具有六角形的鍵的c軸配向的具有異質結構的半導體膜用於電晶體的通道區域，可以製造一種電晶體，其中在對該電晶體照射光前後或在進行偏壓-熱壓力(BT)試驗前後，電晶體的臨界值電壓的變化量也少，並具有穩定的電特性。
[實施方式3]
在本實施方式中，參照圖9A至圖10C說明與實施方式2不同的頂閘型電晶體的結構及製造方法。本實施方式與實施方式2不同之處是在氧化物絕緣膜和具有異質結構的半導體膜之間設置一對電極。另外，沿著俯視圖的圖9A的點劃線C-D的剖面圖相當於圖9B。在圖9A中，省略基板201、氧化物絕緣膜202、閘極絕緣膜217及絕緣膜219。圖10A至10C是說明圖9B所示的電晶體的製造製程的剖面圖。
圖9B所示的電晶體包括：形成在基板201上的氧化物絕緣膜202；形成在氧化物絕緣膜202上的用作源極電極及汲極電極的一對電極216；覆蓋氧化物絕緣膜202及用作源極電極及汲極電極的一對電極216的具有異質結構的半導體膜215；形成在氧化物絕緣膜202、一對電極216及具有異質結構的半導體膜215上的閘極絕緣膜217；以及隔著閘極絕緣膜217與具有異質結構的半導體膜215重疊的閘電極218。此外，也可以包括覆蓋閘極絕緣膜217及閘電極218的絕緣膜219。再者，也可以在絕緣膜219的開口部中包括與一對電極216接觸的一對佈線220。
在具有異質結構的半導體膜215中，層疊有與氧化物絕緣膜202及一對電極216接觸的包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜215a和與包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜215a接觸的包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層215b。
此外，將包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層215b用作晶種，而包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜215a進行結晶成長。
包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜215a是六方晶，即具有與第一結晶結構不同的六方晶的結晶結構。第二結晶結構也可以是同系列。
由於與實施方式2同樣，包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層及包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜都是六方晶，因此可以從c軸方向確認到晶格像。
注意，包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜215a、包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層215b都是非單晶，並且氧化物半導體膜不是其整個部分處於非晶狀態的膜，而具有c軸配向的結晶區域。
接著，參照圖10A至10C說明圖9B所示的電晶體的製造方法。
如圖10A所示，與實施方式2同樣，在基板201上形成氧化物絕緣膜202。接著，在氧化物絕緣膜202上形成一對電極216。接著，在一對電極216及氧化物絕緣膜202上形成第一氧化物半導體膜213a及在後面成為晶種層的第二氧化物半導體膜213b。
可以適當地使用與實施方式2所示的一對電極206同樣的材料及製造方法形成一對電極216。
可以適當地使用與實施方式2所示的第一氧化物半導體膜203a及第二氧化物半導體膜203b同樣的材料及製造方法形成第一氧化物半導體膜213a及第二氧化物半導體膜213b。
接著，與實施方式2同樣進行第一加熱處理。藉由第一加熱處理，結晶成長從第二氧化物半導體膜213b的表面向第一氧化物半導體膜213a開始進展，然後第二氧化物半導體膜213b成為包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層214b。此外，包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層214b具有c軸配向的結晶。
藉由繼續進行第一加熱處理，將晶種層214b所包括的具有第一結晶結構的結晶用作晶種，第一氧化物半導體膜213a的結晶成長從與晶種層214b的介面向氧化物絕緣膜202進展，然後在氧化物半導體膜214a中形成具有第二結晶結構的結晶。此外，包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜214a具有c軸配向的結晶(參照圖10B)。
藉由上述製程，可以形成包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜214a、包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層214b。
接著，在包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層214b上形成掩模之後，使用該掩模對包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜214a、包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層214b選擇性地進行蝕刻，來形成包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜215a、包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層215b。注意，將包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜215a、包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層215b總稱為具有異質結構的半導體膜215。然後，去除掩模。
接著，在氧化物絕緣膜202、一對電極216及具有異質結構的半導體膜215上形成閘極絕緣膜217。然後，在閘極絕緣膜217上形成閘電極218。
此後，在閘極絕緣膜217及閘電極218上形成絕緣膜219。接著，當在絕緣膜219上形成掩模之後，對閘極絕緣膜217及絕緣膜219的一部分進行蝕刻，來形成開口部。然後，也可以形成藉由開口部與一對電極216連接的佈線220(參照圖10C)。
可以藉由適當地使用與實施方式2所示的閘極絕緣膜207同樣的材料及製造方法形成閘極絕緣膜217。
可以藉由適當地使用與實施方式2所示的閘電極208同樣的材料及製造方法形成閘電極218。
可以藉由適當地使用與實施方式2所示的絕緣膜209同樣的材料及製造方法形成絕緣膜219。
可以藉由適當地使用與一對電極216同樣的材料及製造方法形成佈線220。
藉由上述製程，可以製造一種在通道區域中包括具有異質結構的半導體膜的電晶體，該半導體膜包括在a-b面上具有六角形的鍵的c軸配向的六方晶結構的結晶區域。
因為本實施方式所示的具有異質結構的半導體膜的與閘極絕緣膜的介面附近的區域中的結晶性及均勻性都高，所以電特性穩定，而可以得到可靠性高的電晶體。此外，藉由將包括在a-b面上具有六角形的鍵的c軸配向的六方晶結構的結晶的具有異質結構的半導體膜用於電晶體的通道區域，可以製造一種電晶體，其中在對該電晶體照射光前後或在進行偏壓-熱壓力(BT)試驗前後，電晶體的臨界值電壓的變化量也少，並具有穩定的電特性。
另外，本實施方式可以與其他實施方式適當地組合而實施。
[實施方式4]
在本實施方式中，參照圖11A至圖12D說明與實施方式2及實施方式3不同的電晶體的結構及製造方法。本實施方式與實施方式2及實施方式3不同之處是在氧化物絕緣膜和閘極絕緣膜之間設置閘電極。換言之，在實施方式2及實施方式3中，使用頂閘型電晶體進行說明，但是在本實施方式中，對底閘型電晶體進行說明。另外，沿著俯視圖的圖11A的點劃線E-F的剖面圖相當於圖11B。在圖11A中，省略基板201、氧化物絕緣膜202、閘極絕緣膜227及絕緣膜229。圖12A至12D是說明圖11B所示的電晶體的製造製程的剖面圖。
圖11B所示的電晶體包括：形成在基板201上的氧化物絕緣膜202；形成在氧化物絕緣膜202上的閘電極228；覆蓋氧化物絕緣膜202及閘電極228的閘極絕緣膜227；隔著閘極絕緣膜227與閘電極228重疊的具有異質結構的半導體膜225；以及與具有異質結構的半導體膜225接觸的用作源極電極及汲極電極的一對電極226。此外，也可以包括：覆蓋閘極絕緣膜227、具有異質結構的半導體膜225及一對電極226的絕緣膜229。
在具有異質結構的半導體膜225中，層疊有與閘極絕緣膜227接觸的包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層225b和與包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層225b接觸的包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜225c。
此外，將晶種層225b所包括的具有第一結晶結構的結晶用作晶種，而在氧化物半導體膜225c中具有第二結晶結構的結晶進行結晶成長。
晶種層225c所包括的具有第二結晶結構的結晶是六方晶。即，具有與第一結晶結構不同的六方晶的結晶結構。此外，晶種層225b所包括的具有第一結晶結構的結晶是六方晶。
由於與實施方式2同樣，第一結晶結構及第二結晶結構都是六方晶，因此可以從c軸方向確認到六角形的晶格像。
包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層225b及包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜225c都是非單晶，並且氧化物半導體膜不是其整個部分處於非晶狀態的膜，而具有c軸配向的結晶區域。
接著，參照圖12A至12D說明圖11B所示的電晶體的製造方法。
如圖12A所示，與實施方式2同樣，在基板201上形成氧化物絕緣膜202。接著，在氧化物絕緣膜202上形成閘電極228。其次，在氧化物絕緣膜202及閘電極228上形成閘極絕緣膜227。然後，在閘極絕緣膜227上形成第一氧化物半導體膜223b。
可以適當地使用與實施方式2所示的閘電極208及閘極絕緣膜207同樣的材料及製造方法形成閘電極228及閘極絕緣膜227。
可以適當地使用與實施方式2所示的第二氧化物半導體膜203b同樣的材料及製造方法形成在後面成為晶種層的第一氧化物半導體膜223b。
接著，與實施方式2同樣進行第一加熱處理。藉由第一加熱處理，結晶成長從第一氧化物半導體膜223b的表面向閘極絕緣膜227進展，然後成為包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層224b。此外，包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層224b包括c軸配向的結晶區域。
接著，在包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層224b上形成第二氧化物半導體膜223c(參照圖12B)。可以適當地使用與實施方式2所示的第一氧化物半導體膜203a同樣的材料及製造方法形成第二氧化物半導體膜223c。
接著，進行第二加熱處理。藉由該加熱處理，結晶成長從與包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層224b的介面向第二氧化物半導體膜223c開始進展，然後第二氧化物半導體膜223c成為包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜224c。此外，包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜224c包括c軸配向的結晶區域(參照圖12C)。
藉由上述製程，可以形成包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層224b及包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜224c。
接著，在包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜224c上形成掩模之後，使用該掩模對包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層224b及包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜224c選擇性地進行蝕刻，來形成包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層225b及包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜225c。注意，將包括具有第一結晶結構的結晶的晶種層225b及包括具有第二結晶結構的結晶的氧化物半導體膜225c總稱為具有異質結構的半導體膜225。然後，去除掩模。
接著，與實施方式2相同地形成一對電極226。
接著，也可以在閘極絕緣膜227、一對電極226及具有異質結構的半導體膜225上形成絕緣膜229(參照圖12D)。
可以藉由適當地使用與實施方式2所示的絕緣膜209同樣的材料及製造方法形成絕緣膜229。
藉由上述製程，可以製造一種在通道區域中包括具有異質結構的半導體膜的電晶體，該半導體膜包括在a-b面上具有六角形的鍵的c軸配向的六方晶結構的結晶區域。
注意，雖然在本實施方式中，使用通道蝕刻型電晶體進行說明，但是本實施方式也可以應用於通道保護型電晶體。
因為具有異質結構的半導體膜的與閘極絕緣膜的介面附近的區域中的結晶性及均勻性都高，所以電特性穩定，而可以得到可靠性高的電晶體。此外，藉由將包括在a-b面上具有六角形的鍵的c軸配向的六方晶結構的結晶的具有異質結構的半導體膜用於電晶體的通道區域，可以製造一種電晶體，其中在對該電晶體照射光前後或在進行偏壓-熱壓力(BT)試驗前後，電晶體的臨界值電壓的變化量也少，並具有穩定的電特性。
注意，氧氮化物半導體的能隙比氧化物半導體的能隙小，所以容易使載子流過。因此，藉由使用氧氮化物半導體膜形成與閘極絕緣膜227接觸的第一氧化物半導體膜223b，可以製造具有良好的電特性的電晶體。
另外，本實施方式可以與其他實施方式適當地組合而實施。
[實施方式5]
在本實施方式中，下面說明在同一基板上製造至少具有驅動電路的一部分和配置在像素部中的電晶體的顯示裝置的例子。
根據實施方式2或實施方式3形成配置在像素部中的電晶體。此外，因為實施方式2或實施方式3所示的電晶體是n通道型電晶體，所以將驅動電路中的可以由n通道型電晶體構成的驅動電路的一部分形成在與像素部的電晶體同一基板上。
圖13A示出主動矩陣型顯示裝置的方塊圖的一例。在顯示裝置的基板5300上包括：像素部5301；第一掃描線驅動電路5302；第二掃描線驅動電路5303；信號線驅動電路5304。在像素部5301中配置有從信號線驅動電路5304延伸的多個信號線以及從第一掃描線驅動電路5302及第二掃描線驅動電路5303延伸的多個掃描線。此外，在掃描線與信號線的交叉區中分別配置有顯示元件的像素設置為矩陣狀。另外，顯示裝置的基板5300藉由FPC(撓性印刷電路)等的連接部連接於時序控制電路(也稱為控制器、控制IC)。
在圖13A中，在與像素部5301相同的基板5300上形成第一掃描線驅動電路5302、第二掃描線驅動電路5303、信號線驅動電路5304。由此，設置在外部的驅動電路等的構件的數量減少，所以可以實現成本的降低。另外，當在基板5300的外部設置驅動電路時，需要使佈線延伸，且佈線之間的連接數量增加。當在同一基板5300上設置驅動電路時，可以減少該佈線之間的連接數，從而可以謀求提高可靠性或良率。
另外，圖13B表示像素部的電路結構的一例。在此，示出VA方式的液晶顯示面板的像素結構。
在該像素結構中，一個像素具有多個像素電極層，並且電晶體連接到各像素電極層。各電晶體藉由不同的閘極信號而驅動。就是說，在以多域設計的像素中，獨立地控制施加到各像素電極層的信號。
電晶體628的閘極佈線602和電晶體629的閘極佈線603彼此分離，以便能夠被提供不同的閘極信號。另一方面，電晶體628和電晶體629共同使用用作資料線的源極電極層或汲極電極層616。作為電晶體628及電晶體629，可以適當地利用實施方式2或實施方式3的電晶體。
第一像素電極層和第二像素電極層具有不同的形狀，並且被狹縫彼此分離。第二像素電極層形成為圍繞擴展為V字型的第一像素電極層的外側。藉由利用電晶體628及電晶體629使施加到第一像素電極層和第二像素電極層的電壓時序不同，來控制液晶的配向。電晶體628連接到閘極佈線602，電晶體629連接到閘極佈線603。藉由對閘極佈線602和閘極佈線603施加不同的閘極信號，可以使電晶體628及電晶體629的工作時序互不相同。
另外，設置電容佈線690，並形成將閘極絕緣層用作電介質且與第一像素電極層或第二像素電極層電連接的電容電極及儲存電容器。
藉由使第一像素電極層、液晶層以及對置電極層彼此重疊，形成第一液晶元件651。此外，藉由使第二像素電極層、液晶層以及對置電極層彼此重疊，形成第二液晶元件652。此外，這是在一個像素中設置有第一液晶元件651和第二液晶元件652的多疇結構。
此外，圖13B所示的像素結構不侷限於此。例如，也可以還對圖13B所示的像素追加開關、電阻元件、電容元件、電晶體、感測器或邏輯電路等。
此外，雖然在本實施方式中示出了VA方式的液晶顯示面板的例子，但也可以應用於具有各種各樣方式的液晶顯示裝置，而沒有特別的限制。例如，可以應用於水平電場方式(也稱為IPS方式)，在該水平場方式中，作為改善視野角特性的方法，將與基板的主表面水平的方向的電場施加到液晶層。
例如，作為IPS方式的液晶顯示面板，使用不使用對準膜的呈現藍相的液晶較佳。藍相是液晶相中之一種，當使膽固醇相液晶的溫度升高時，在即將由膽固醇相轉變成均質相之前呈現。由於藍相只出現在較窄的溫度範圍內，所以為了改善溫度範圍而將混合有5wt.%以上的手性試劑的液晶組成物用於液晶元件的液晶層。由於包含呈現藍相的液晶和手性試劑的液晶組成物的回應速度短，即為1msec以下，並且其具有光學各向同性，所以不需要配向處理，從而視角依賴性小。
另外，還有如下驅動技術：為了改善液晶顯示裝置的動態影像特性，作為背光燈使用多個LED(發光二極體)光源或多個EL光源等來構成面光源，並使構成面光源的各光源獨立地在一個圖框期間內進行間歇點亮驅動(例如，場序制方式等)。作為面光源，可以使用三種以上的LED或白色發光的LED。當利用呈現不同顏色的三種以上的光源(R(紅色)、G(綠色)、B(藍色))作為面光源時，即使不使用濾色片也可以進行彩色顯示。另外，當利用白色發光的LED作為面光源時，設置濾色片來進行彩色顯示。由於可以獨立地控制多個LED，因此也可以按照液晶層的光學調變的切換時序使LED的發光時序同步。因為可以部分地關斷LED，所以尤其是在進行一個畫面中的黑色顯示區所占的比率高的影像顯示的情況下，可以得到耗電量減少的效果。
另外，圖13C示出像素部的電路結構的一例。在此，示出使用有機EL元件的顯示面板的像素結構。
在有機EL元件中，藉由對發光元件施加電壓，電子及電洞分別從一對電極注入到包括具有發光性的有機化合物的層中，以使電流流過。因這些載子(電子及電洞)重新結合，而具有發光性的有機化合物形成激發狀態，並且，當從該激發狀態回到基態時發光。由於這種機理，上述發光元件被稱為電流激發型發光元件。
圖13C是作為半導體裝置的例子示出可以應用數位時間灰階級驅動的像素結構的一例的圖。
對可以應用數位時間灰階級驅動的像素的結構以及像素的工作進行說明。在此示出在一個像素中使用兩個n通道型電晶體的例子，在該n通道型電晶體中將氧化物半導體層用於通道形成區域。
像素6400包括開關電晶體6401、驅動電晶體6402、發光元件6404以及電容元件6403。在開關電晶體6401中，閘電極層與掃描線6406連接，第一電極(源極電極層和汲極電極層中的一方)與信號線6405連接，並且第二電極(源極電極層和汲極電極層中的另一方)與驅動電晶體6402的閘電極層連接。在驅動電晶體6402中，閘電極層藉由電容元件6403與電源線6407連接，第一電極與電源線6407連接，第二電極與發光元件6404的第一電極(像素電極)連接。發光元件6404的第二電極相當於共同電極6408。共同電極6408與形成在同一基板上的共同電位線電連接。
另外，將發光元件6404的第二電極(共同電極6408)設定為低電源電位。這裡，低電源電位是指以電源線6407所設定的高電源電位為基準滿足“低電源電位<高電源電位”的關係的電位。作為低電源電位例如也可以設定為GND、0V等。將該高電源電位與低電源電位的電位差施加到發光元件6404上，為了在發光元件6404中使電流流過以使發光元件6404發光，以使高電源電位與低電源電位的電位差成為發光元件6404的正向臨界值電壓以上的方式設定各種電位。
另外，還可以使用驅動電晶體6402的閘極電容代替電容元件6403而省略電容元件6403。至於驅動電晶體6402的閘極電容，也可以在通道形成區域與閘電極層之間形成有電容。
在此，當採用電壓輸入電壓驅動方式時，對驅動電晶體6402的閘電極層輸入能夠使驅動電晶體6402充分導通或截止的兩個狀態的視頻信號。亦即，使驅動電晶體6402在線形區中工作。由於使驅動電晶體6402在線形區中工作，所以將比電源線6407的電壓高的電壓施加到驅動電晶體6402的閘電極層。另外，對信號線6405施加電源線電壓+驅動電晶體6402的Vth以上的電壓。
另外，當進行模擬灰階級驅動而代替數位時間灰階級驅動時，藉由使信號的輸入不同，可以使用與圖13C相同的像素結構。
當進行模擬灰階級驅動時，對驅動電晶體6402的閘電極層施加發光元件6404的正向電壓+驅動電晶體6402的Vth以上的電壓。發光元件6404的正向電壓是指實現所希望的亮度時的電壓，至少包括正向臨界值電壓。另外，藉由輸入使驅動電晶體6402在飽和區中工作的視頻信號，可以在發光元件6404中使電流流過。為了使驅動電晶體6402在飽和區中工作，將電源線6407的電位設定為高於驅動電晶體6402的閘極電位。藉由採用模擬方式的視頻信號，可以在發光元件6404中使與視頻信號對應的電流流過，而進行模擬灰階級驅動。
此外，圖13C所示的像素結構不侷限於此。例如，也可以還對圖13C所示的像素追加開關、電阻元件、電容元件、感測器、電晶體或邏輯電路等。
接著，參照圖14A至14C說明發光元件的結構。在此，以發光元件驅動電晶體為n通道型的情況為例子對像素的剖面結構進行說明。用於圖14A、14B和14C的半導體裝置的發光元件驅動電晶體7011、7021、7001可以與實施方式4所示的電晶體同樣地製造，並且該發光元件驅動電晶體7011、7021、7001是將包含氮的氧化物半導體層用於通道區域的電晶體。
發光元件的第一電極及第二電極中的至少一方使用透射可見光的導電膜形成，而從發光元件取出光。當著眼於取出發光的方向的結構時，有如下結構：不經過形成有發光元件及電晶體的基板而從基板上的形成有該發光元件的一側取出發光的頂部發射結構；經過形成有發光元件的基板而向沒形成有該發光元件的一側發射光的底部發射結構；從基板上的形成有該發光元件的一側以及沒形成有發光元件的一側取出發光的雙面發射結構。並且，圖13C所示的像素結構可以應用於任一種發射結構的發光元件。
使用圖14A說明底部發射結構的發光元件。底部發射結構的發光元件沿圖14A的箭頭所示的方向發射光。
在圖14A中示出發光元件驅動電晶體7011利用實施方式4所示的n通道型電晶體的例子，但是沒有特別的限制。
在圖14A中，在與發光元件驅動電晶體7011的源極電極層或汲極電極層電連接的具有透光性的第一電極7017上按順序層疊有EL層7014、第二電極7015。
作為第一電極7017採用透射可見光的導電膜。作為透射可見光的導電膜，例如可以舉出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(以下稱為ITO)、銦鋅氧化物、添加有氧化矽的銦錫氧化物等。另外，也可以使用具有透射光的厚度(較佳是5nm至30nm左右)的金屬薄膜。例如，也可以將厚度為20nm的鋁膜層疊於其他的具有透光性的導電膜上。
作為第二電極7015使用高效地反射EL層7014所發射的光的材料較佳。這是因為可以提高光提取效率的緣故。另外，也可以採用疊層結構的第二電極7015。例如，可以使用如下疊層結構：在與EL層7014接觸的一側使用透射可見光的導電膜，並在另一側使用進行遮光的膜。作為進行遮光的膜，較佳利用高效地反射EL層所發射的光的金屬膜等，但是例如也可以使用添加有黑顏料的樹脂等。
這裡，將第一電極7017及第二電極7015中的任一方用作陽極，並將另一方用作陰極。作為用作陽極的電極使用功函數大的物質較佳，作為用作陰極的電極使用功函數小的物質較佳。
作為功函數大的材料，例如，可以使用ZrN、Ti、W、Ni、Pt、Cr等或銦錫氧化物(ITO：Indium Tin Oxide)、銦鋅氧化物(Indium Zinc Oxide)等。作為功函數小的材料，可以使用Li或Cs等的鹼金屬；Mg、Ca、Sr等的鹼土金屬；包含任何這些元素的合金(Mg:Ag、Al:Li等)；Yb或Er等的稀土金屬等。
另外，當比較耗電量時，藉由將第一電極7017用作陰極且將第二電極7015用作陽極，可以抑制驅動電路部的電壓上升且減少耗電量，因此這是較佳的。
EL層7014至少包括發光層即可，而既可以由單層構成，又可以由多個層的疊層構成。作為由多個層構成的結構，例如可以舉出從陽極一側層疊有電洞注入層、電洞傳輸層、發光層、電子傳輸層及電子注入層的結構。注意，不一定需要將發光層之外的層的全部都設置在EL層7014中。此外，也可以重複設置發光層之外的層。明確而言，既可以EL層7014中層疊設置多個發光層，也可以與電子注入層重疊地設置電洞注入層。另外，可以適當地提供電荷產生層、電子中繼層等的其他結構作為中間層。
另外，發光元件7012具有覆蓋第一電極7017的端部的分隔壁7019。分隔壁7019可以使用聚醯亞胺、丙烯酸樹脂、聚醯胺、環氧樹脂等的有機樹脂膜、無機絕緣膜或有機聚矽氧烷膜。尤其佳的是，使用感光樹脂材料形成分隔壁7019，並將分隔壁7019的側面形成為具有連續曲率的傾斜面。當作為分隔壁7019使用感光樹脂材料時，可以省略形成抗蝕劑掩模的製程。另外，也可以使用無機絕緣膜來形成分隔壁。藉由使用無機絕緣膜作為分隔壁，可以減少分隔壁所包含的水分量。
此外，在發光元件7012與基板7010之間設置有濾色片層7033(參照圖14A)。藉由作為發光元件7012應用白色發光的結構，可以使發光元件7012所發射的光經過濾色片層7033且經過第二閘極絕緣層7031、第一閘極絕緣層7030及基板7010而射出。
也可以形成多種濾色片層7033，例如，可以在每個像素中設置紅色濾光片層、藍色濾光片層、綠色濾光片層等。此外，濾色片層7033分別使用噴墨法等的液滴噴射法、印刷法、或者利用光微影技術的蝕刻方法等形成。
另外，使用外敷層7034覆蓋濾色片層7033，並且使用保護絕緣層7035覆蓋外敷層7034。另外，雖然在圖14A中外敷層7034的厚度薄，但是外敷層7034使用丙烯酸樹脂等的樹脂材料，且具有使起因於濾色片層7033的凹凸平坦化的功能。
另外，形成在第二閘極絕緣層7031、絕緣層7032、濾色片層7033、外敷層7034及保護絕緣層7035中且到達汲極電極層的接觸孔配置在與分隔壁7019重疊的位置上。
接著，使用圖14B說明雙面發射結構的發光元件。雙面發射結構的發光元件沿圖14B的箭頭所示的方向發射光。
在圖14B中示出發光元件驅動電晶體7021利用實施方式4所示的n通道型電晶體的例子，但是沒有特別的限制。
在圖14B中，在與發光元件驅動電晶體7021的源極電極層或汲極電極層電連接的具有透光性的第一電極7027上按順序層疊有EL層7024、第二電極7025。
作為第一電極7027及第二電極7025採用透射可見光的導電膜。作為透射可見光的導電膜，可以應用能夠用於圖14A的第一電極7017的材料。因此，對其詳細說明援用第一電極7017的說明。
這裡，將第一電極7027及第二電極7025中的任一方用作陽極，並將另一方用作陰極。作為用作陽極的電極使用功函數大的物質較佳，作為用作陰極的電極使用功函數小的物質較佳。
EL層7024既可以由單層構成，又可以由多個層的疊層構成。作為EL層7024，可以應用能夠用於圖14A的EL層7014的結構及材料。因此，對其詳細說明援用EL層7014的說明。
另外，發光元件7022具有覆蓋第一電極7027的端部的分隔壁7029。作為分隔壁7029，可以應用能夠用於圖14A的分隔壁7019的結構及材料。因此，對其詳細說明援用分隔壁7019的說明。
另外，當採用圖14B所示的元件結構時，從發光元件7022發射的光如箭頭所示那樣向第二電極7025一側和第一電極7027一側這兩側出射，並且，向第一電極7027一側發射的一方的光經過第二閘極絕緣層7041、絕緣層7042、第一閘極絕緣層7040及基板7020而射出。
另外，在圖14B的結構中，當進行全彩色顯示時，例如以發光元件7022為綠色發光元件，以相鄰的一方的發光元件為紅色發光元件，以另一方的發光元件為藍色發光元件。另外，也可以製造利用上述三種發光元件和白色發光元件的四種發光元件來實現全彩色顯示的發光顯示裝置。
接著，使用圖14C說明頂部發射結構的發光元件。頂部發射結構的發光元件沿圖14C的箭頭所示的方向發射光。
在圖14C中示出發光元件驅動電晶體7001利用實施方式4所示的n通道型電晶體的例子，但是沒有特別的限制。
在圖14C中，在與發光元件驅動電晶體7001的源極電極層或汲極電極層電連接的第一電極7003上按順序層疊有EL層7004、第二電極7005。
作為第一電極7003使用高效地反射EL層7004所發射的光的材料較佳。這是因為可以提高光提取效率的緣故。另外，也可以採用疊層結構的第一電極7003。例如，可以使用如下疊層結構：在與EL層7004接觸的一側使用透射可見光的導電膜，並在另一側使用進行遮光的膜。作為進行遮光的膜，較佳利用高效地反射EL層所發射的光的金屬膜等，但是例如也可以使用添加有黑顏料的樹脂等。
作為第二電極7005採用透射可見光的導電膜。作為透射可見光的導電膜，可以應用能夠用於圖14A的第一電極7017的材料。因此，對其詳細說明援用第一電極7017的說明。
這裡，將第一電極7003及第二電極7005中的一方用作陽極，並將另一方用作陰極。作為用作陽極的電極使用功函數大的物質較佳，作為用作陰極的電極使用功函數小的物質較佳。
EL層7004既可以由單層構成，又可以由多個層的疊層構成。作為EL層7004，可以應用能夠用於圖14A的EL層7014的結構及材料。因此，對其詳細說明援用EL層7014的說明。
另外，發光元件7002具有覆蓋第一電極7003的端部的分隔壁7009。作為分隔壁7009，可以應用能夠用於圖14A的分隔壁7019的結構及材料。因此，對其詳細說明援用分隔壁7019的說明。
另外，在圖14C中，發光元件驅動電晶體7001的源極電極層或汲極電極層藉由設置在保護絕緣層7052及絕緣層7055中的接觸孔與第一電極7003電連接。作為平坦化絕緣層7053，可以使用聚醯亞胺、丙烯酸樹脂、苯並環丁烯、聚醯胺、環氧樹脂等的樹脂材料。另外，除了上述樹脂材料之外，還可以使用低介電常數材料(low-k材料)、矽氧烷類樹脂等。另外，也可以藉由層疊多個由這些材料形成的絕緣膜來形成平坦化絕緣層7053。對平坦化絕緣層7053的形成方法沒有特別的限制，而可以根據其材料利用濺射法、SOG法、旋塗、浸漬、噴塗、液滴噴射法(噴墨法、絲網印刷、膠版印刷等)等的方法。
另外，在圖14C的結構中，當進行全彩色顯示時，例如以發光元件7002為綠色發光元件，以相鄰的一方的發光元件為紅色發光元件，以另一方的發光元件為藍色發光元件。另外，也可以製造利用上述三種發光元件和白色發光元件的四種發光元件來實現全彩色顯示的發光顯示裝置。
另外，在圖14C的結構中，也可以以所配置的所有多個發光元件為白色發光元件，且在發光元件7002的上方配置具有濾色片等的密封基板，以製造能夠進行全彩色顯示的發光顯示裝置。藉由形成顯示白色等的單色發光的材料並組合濾色片、顏色轉換層來可以進行全彩色顯示。
當然也可以進行單色發光的顯示。例如，既可以使用白色發光形成照明裝置，又可以使用單色發光形成區域彩色型發光裝置。
另外，若有需要，也可以設置圓偏光板等的偏振薄膜等的光學薄膜。
注意，雖然在此示出了控制發光元件的驅動的電晶體(發光元件驅動電晶體)與發光元件電連接的例子，但是也可以採用在發光元件驅動電晶體和發光元件之間連接有電流控制電晶體的結構。
另外，本實施方式所示的半導體裝置不侷限於圖14A至圖14C所示的結構而可以根據本發明的技術思想進行各種變形。
[實施方式6]
本發明說明所公開的半導體裝置可以應用於多種電子裝置(包括遊戲機)。作為電子裝置，例如可以舉出電視裝置(也稱為電視或電視接收機)、用於電腦等的顯示器、數位相機、數碼攝像機等影像拍攝裝置、數碼相框、行動電話機(也稱為行動電話、行動電話裝置)、可攜式遊戲機、可攜式資訊終端、聲音再現裝置、彈子機等大型遊戲機等。以下，對具備在上述實施方式中說明的顯示裝置的電子裝置的例子進行說明。
圖15A表示可攜式資訊終端，其包括主體3001、外殼3002、顯示部3003a和3003b等。顯示部3003b是帶有觸摸輸入功能的面板。藉由觸摸在顯示部3003b上顯示的鍵盤按鈕3004，可操作螢幕且可輸入文字。不必說，顯示部3003a也可以是帶有觸摸輸入功能的面板。藉由將實施方式2至實施方式4所示的電晶體用作切換元件，而製造實施方式5所示的液晶面板或有機發光面板，並將其應用於顯示部3003a、3003b，可以提供可攜式資訊終端。
圖15A所示的可攜式資訊終端可以具有如下功能：顯示各種各樣的資訊(靜態影像、動態影像、文字影像等)；將日曆、日期或時刻等顯示在顯示部上；對顯示在顯示部上的資訊進行操作或編輯；藉由各種各樣的軟體(程式)控制處理等。此外，可以在外殼的背面或側面上提供外接端子(耳機端子、USB端子等)、記錄媒體插入部分等。
此外，圖15A所示的可攜式資訊終端也可以無線地發送和接收資訊。藉由無線通信，可從電子圖書伺服器購買並下載所希望的圖書資料等。
另外，圖15A所示的可攜式資訊終端可以將兩個顯示部3003a、3003b之中的一方卸下。圖15B示出將顯示部卸下的狀態。藉由還作為顯示部3003a採用帶有觸摸輸入功能的面板，可以減輕攜帶時的重量，並可以在一隻手上拿著外殼3002並用另一隻手進行操作，由此這是方便的。
再者，也可以對圖15B所示的外殼3002提供天線、擴音器功能及無線通信功能，來將其用作行動電話機。
圖15C示出行動電話機的一例。圖15C所示的行動電話機5005除了組裝到外殼中的顯示部5001之外，還具備安裝在鉸鏈5002上的顯示面板5003、操作按鈕5004、揚聲器、麥克風等。
在圖15C所示的行動電話機5005中，顯示面板5003滑動而重疊於顯示部5001，並且該顯示面板5003被用作具有透光性的覆蓋物。顯示面板5003採用在實施方式5中用圖14B表示的從基板一側的表面及與基板相反一側的表面提取光的雙面發射結構的發光元件。
另外，由於顯示面板5003採用雙面發射結構的發光元件，因此即使在重疊於顯示部5001的狀態下也可以進行顯示，從而使用者可以用顯示部5001及顯示面板5003兩者進行顯示，且能夠視覺確該兩者的顯示。顯示面板5003是具有透光性且透射顯示面板看見背後景物的面板。例如，用顯示部5001顯示地圖，並且用顯示面板5003顯示使用者的所在地點，來可以提供容易識別現在地點的狀態。
另外，當在行動電話機5005上設置攝像元件並將其用作可視電話時，可以一邊顯示複數的對方的臉，一邊與複數的對方進行對話，由此可以進行電視會議等。例如，藉由在顯示面板5003上顯示單個或複數的對方的臉，並在顯示部5001上顯示另一對方的臉，使用者可以看兩名以上的對方的臉且進行對話。
另外，藉由用手指等觸摸顯示面板5003上表示的觸摸輸入按鈕5006，可以輸入資訊。此外，可以將顯示面板5003滑動並用手指等觸摸操作按鈕5004來打電話或進行電子郵件的輸入等的操作。
圖15D示出電視裝置的一例。在電視裝置9600中，外殼9601組裝有顯示部9603。利用顯示部9603可以顯示映射。此外，在此示出利用安裝有CPU的支架9605支撐外殼9601的結構。藉由將實施方式2至實施方式4所示的電晶體應用於顯示部9603，可以提供電視裝置9600。
可以藉由利用外殼9601所具備的操作開關或另行提供的遙控操作機進行電視裝置9600的操作。另外，也可以採用在遙控操作機中設置顯示部的結構，該顯示部顯示從該遙控操作機輸出的資訊。
另外，電視裝置9600採用具備接收機、數據機等的結構。可以藉由利用接收機接收一般的電視廣播。再者，藉由數據機連接到有線或無線方式的通信網路，也可以進行單向(從發送者到接收者)或雙向(在發送者和接收者之間或在接收者之間等)的資訊通信。
另外，電視裝置9600具備外部連接端子9604、記錄媒體再現錄影部9602、外部儲存槽。外部連接端子9604可以與USB電纜等各種電纜連接，並可以進行與個人電腦等的資料通信。藉由將盤狀記錄媒體插入記錄媒體再現錄影部9602中，可以進行對儲存在記錄媒體中的資料的讀出以及對記錄媒體的寫入。另外，也可以將插入外部儲存槽中的外部記憶體9606所儲存的影像或影像等顯示在顯示部9603上。
以上，本實施方式所示的結構、方法等可以與其他實施方式所示的結構、方法等適當地組合而使用。
100．．．基板
102．．．絕緣表面
130．．．半導體膜
131．．．晶種層
132．．．氧化物半導體膜
201．．．基板
202．．．氧化物絕緣膜
203a．．．氧化物半導體膜
203b．．．氧化物半導體膜
204a．．．氧化物半導體膜
204b．．．晶種層
205．．．半導體膜
205a．．．氧化物半導體膜
205b．．．晶種層
206．．．電極
207．．．閘極絕緣膜
208．．．閘電極
209．．．絕緣膜
213a．．．氧化物半導體膜
213b．．．氧化物半導體膜
214a．．．氧化物半導體膜
214b．．．晶種層
215．．．半導體膜
215a．．．氧化物半導體膜
215b．．．晶種層
216．．．電極
217．．．閘極絕緣膜
218．．．閘電極
219．．．絕緣膜
220．．．佈線
223b．．．氧化物半導體膜
223c．．．氧化物半導體膜
224b．．．晶種層
224c．．．氧化物半導體膜
225．．．半導體膜
225b．．．晶種層
225c．．．氧化物半導體膜
226．．．電極
227．．．閘極絕緣膜
228．．．閘電極
229．．．絕緣膜
602．．．閘極佈線
603．．．閘極佈線
616．．．汲極電極層
628．．．電晶體
629．．．電晶體
651．．．液晶元件
652．．．液晶元件
690．．．電容佈線
3001．．．主體
3002．．．外殼
3003a．．．顯示部
3003b．．．顯示部
3004．．．鍵盤按鈕
5001．．．顯示部
5002．．．鉸鏈
5003．．．顯示面板
5004．．．操作按鈕
5005．．．行動電話機
5006．．．觸摸輸入按鈕
5300．．．基板
5301．．．像素部
5302．．．掃描線驅動電路
5303．．．掃描線驅動電路
5304．．．信號線驅動電路
6400．．．像素
6401．．．開關電晶體
6402．．．驅動電晶體
6403．．．電容元件
6404．．．發光元件
6405．．．信號線
6406．．．掃描線
6407．．．電源線
6408．．．共同電極
7001．．．發光元件驅動電晶體
7002．．．發光元件
7003．．．電極
7004．．．EL層
7005．．．電極
7009．．．分隔壁
7010．．．基板
7011．．．發光元件驅動電晶體
7012．．．發光元件
7014．．．EL層
7015．．．電極
7017．．．電極
7019．．．分隔壁
7020．．．基板
7021．．．發光元件驅動電晶體
7022．．．發光元件
7024．．．EL層
7025．．．電極
7027．．．電極
7029．．．分隔壁
7030．．．閘極絕緣層
7031．．．閘極絕緣層
7032．．．絕緣層
7033．．．濾色片層
7034．．．外敷層
7035．．．保護絕緣層
7040．．．閘極絕緣層
7041．．．閘極絕緣層
7042．．．絕緣層
7052．．．保護絕緣層
7053．．．平坦化絕緣層
7055．．．絕緣層
9600．．．電視裝置
9601．．．外殼
9602．．．記錄媒體再現錄影部
9603．．．顯示部
9604．．．外部連接端子
9605．．．支架
9606．．．外部記憶體
在圖式中：
圖1A及1B是說明根據實施方式的具有異質結構的半導體膜的圖；
圖2A及2B是說明根據實施方式的第一結晶結構的模式圖；
圖3A至3C是說明根據實施方式的具有異質結構的半導體膜的圖；
圖4A及4B是說明根據實施方式的結晶結構的HAADF-STEM的實際觀察影像；
圖5A及5B是說明根據實施方式的結晶結構的HAADF-STEM的實際觀察影像；
圖6A及6B是說明根據實施方式的結晶結構的X線衍射測量的衍射影像；
圖7A及7B是說明根據實施方式的電晶體的結構的圖；
圖8A至8C是說明根據實施方式的電晶體的製造方法的圖；
圖9A及9B是說明根據實施方式的電晶體的結構的圖；
圖10A至10C是說明根據實施方式的電晶體的製造方法的圖；
圖11A及11B是說明根據實施方式的電晶體的結構的圖；
圖12A至12D是說明根據實施方式的電晶體的製造方法的圖；
圖13A至13C是說明根據實施方式的方塊圖及等效電路圖的圖；
圖14A至14C是說明根據實施方式的像素部的結構的剖面圖；
圖15A至15D是說明根據實施方式的電子裝置的圖。
100．．．基板
102．．．絕緣表面
130．．．半導體膜
131．．．晶種層
132．．．氧化物半導體膜

Claims (19)

  1. 一種具有異質結構的半導體膜，包括：絕緣表面上的第一半導體層，該第一半導體層包括具有第一結晶結構的第一結晶；以及該第一半導體層上的第二半導體層，該第二半導體層包括氧化物半導體，該氧化物半導體包括具有第二結晶結構的第二結晶，其中：該第一半導體層與該絕緣表面接觸；該第二半導體層與該第一半導體層接觸；該第一半導體層具有比該第二半導體層高的結晶性；該第一結晶結構是纖鋅礦型結構；該第二結晶結構是該纖鋅礦型結構之外的六方晶結構，並且其中，該第一半導體層包含濃度為0.1at.%以上且低於5at.%的氮。
  2. 根據申請專利範圍第1項之具有異質結構的半導體膜，其中該第一半導體層的厚度為0.1nm以上且10nm以下。
  3. 根據申請專利範圍第1項之具有異質結構的半導體膜，其中該第一半導體層包含氮化銦或氮化鎵。
  4. 根據申請專利範圍第1項之具有異質結構的半導體膜，其中該第一半導體層包含鋅、銦、鎵、氧及氮。
  5. 根據申請專利範圍第1項之具有異質結構的半導體 膜，其中該第二半導體層包含濃度為1×1017 /cm3 以上且低於5×1019 /cm3 的氮。
  6. 一種具有異質結構的半導體膜，包括：絕緣表面上的第一半導體層，該第一半導體層包括具有第一結晶結構的第一結晶；以及該第一半導體層上的第二半導體層，該第二半導體層包括氧化物半導體，該氧化物半導體包括具有第二結晶結構的第二結晶，其中：該第一半導體層與該絕緣表面接觸；該第二半導體層與該第一半導體層接觸；該第一半導體層具有比該第二半導體層高的結晶性；該第一結晶結構是纖鋅礦型結構；該第二結晶結構是YbFe2 O4 結構或Yb2 Fe3 O7 結構，並且其中，該第一半導體層包含濃度為0.1at.%以上且低於5at.%的氮。
  7. 根據申請專利範圍第6項之具有異質結構的半導體膜，其中該第一半導體層的厚度為0.1nm以上且10nm以下。
  8. 根據申請專利範圍第6項之具有異質結構的半導體膜，其中該第一半導體層包含氮化銦或氮化鎵。
  9. 根據申請專利範圍第6項之具有異質結構的半導體膜，其中該第一半導體層包含鋅、銦、鎵、氧及氮。
  10. 根據申請專利範圍第6項之具有異質結構的半導體膜，其中該第二半導體層包含濃度為1×1017 /cm3 以上且低於5×1019 /cm3 的氮。
  11. 一種具有異質結構的半導體元件，包括：閘電極上的閘極絕緣層；該閘極絕緣層上的第一半導體層，該第一半導體層包括具有第一結晶結構的第一結晶；以及該第一半導體層上的第二半導體層，該第二半導體層包括氧化物半導體，該氧化物半導體包括分別具有c軸配向的第二結晶結構的各向異性結晶，其中：該第一半導體層與該閘極絕緣層接觸；該第二半導體層與該第一半導體層接觸；該第一半導體層具有比該第二半導體層高的結晶性；該第一結晶結構是纖鋅礦型結構；該c軸配向的第二結晶結構是該纖鋅礦型結構之外的六方晶結構，並且其中，該第一半導體層包含濃度為0.1at.%以上且低於5at.%的氮。
  12. 一種包括根據申請專利範圍第11項之半導體元件的半導體裝置。
  13. 一種具有異質結構的半導體元件，包括：閘電極上的閘極絕緣層；該閘極絕緣層上的第一半導體層，該第一半導體層包 括具有第一結晶結構的第一結晶；以及該第一半導體層上的第二半導體層，該第二半導體層包括氧化物半導體，該氧化物半導體包括分別具有c軸配向的第二結晶結構的各向異性結晶，其中：該第一半導體層與該閘極絕緣層接觸；該第二半導體層與該第一半導體層接觸；該第一半導體層具有比該第二半導體層高的結晶性；該第一結晶結構是纖鋅礦型結構；該c軸配向的第二結晶結構是YbFe2 O4 結構或Yb2 Fe3 O7 結構，並且其中，該第一半導體層包含濃度為0.1at.%以上且低於5at.%的氮。
  14. 一種包括根據申請專利範圍第13項之半導體元件的半導體裝置。
  15. 一種半導體裝置的製造方法，包括如下步驟：形成包括具有第一結晶結構的第一結晶的第一半導體層；在該第一半導體層上形成第二半導體層，該第二半導體層包括氧化物半導體，該氧化物半導體包括具有第二結晶結構的第二結晶；以及對該第一半導體層及該第二半導體層進行熱處理以在該第二半導體層中從與該第一半導體層的介面進行結晶成長，從而在該第二半導體層中形成c軸配向的第二結晶結 構，其中：該第一半導體層具有比該第二半導體層高的結晶性；該第一結晶結構是纖鋅礦型結構；該第二結晶結構是該纖鋅礦型結構之外的六方晶結構，並且其中，該第一半導體層包含濃度為0.1at.%以上且低於5at.%的氮。
  16. 根據申請專利範圍第15項之半導體裝置的製造方法，其中該第一半導體層的厚度為0.1nm以上且10nm以下。
  17. 根據申請專利範圍第15項之半導體裝置的製造方法，其中該第一半導體層包含氮化銦或氮化鎵。
  18. 根據申請專利範圍第15項之半導體裝置的製造方法，其中該第一半導體層包含鋅、銦、鎵、氧及氮。
  19. 根據申請專利範圍第15項之半導體裝置的製造方法，其中該第二半導體層包含濃度為1×1017 /cm3 以上且低於5×1019 /cm3 的氮。
TW100143587A 2010-11-30 2011-11-28 半導體膜，半導體元件，半導體裝置及其製造方法 TWI484565B (zh)

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