TWI527225B - 半導體裝置及其製造方法 - Google Patents

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Description

半導體裝置及其製造方法
本發明係關於一種使用氧化物半導體的半導體裝置及其製造方法。
在本說明書中，半導體裝置指的是能夠藉由利用半導體特性而工作的所有裝置，因此電光裝置、半導體電路及電子裝置都是半導體裝置。
近年來，使用在具有絕緣表面的基板上形成的半導體薄膜(厚度為幾nm以上幾百nm以下左右)構成薄膜電晶體(TFT)的技術引起了人們的注意。薄膜電晶體廣泛應用於諸如IC和電光裝置之類的電子裝置，而且尤其期望它們作為影像顯示裝置的切換元件的迅速發展。金屬氧化物的種類繁多且其用途廣泛。氧化銦是已知材料，並被用作液晶顯示器等所需要的透光電極材料。
在金屬氧化物中有呈現半導體特性的金屬氧化物。作為呈現半導體特性的金屬氧化物，例如可以舉出氧化鎢、氧化錫、氧化銦、氧化鋅等，並且已知將這種呈現半導體特性的金屬氧化物用於通道形成區的薄膜電晶體(專利文獻1及專利文獻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
電晶體的電特性容易受到氧化物半導體層與接觸於氧化物半導體層的絕緣膜的介面狀態的影響。在電晶體的製造中或製造後，若氧化物半導體層與絕緣膜接觸的介面，即氧化物半導體層的閘極電極一側的介面處於非晶狀態，則這恐怕會導致電晶體的電特性的下降。
鑒於上述問題，本發明的目的之一在於：提供氧化物半導體層與絕緣膜接觸的介面，即氧化物半導體層的閘極電極一側的介面狀態優良的電晶體及其製造方法。
另外，本發明的目的之一還在於：提供其電特性的不均勻性低的電晶體及其製造方法。
對氧化物半導體層的介面附近添加氮，以使氧化物半導體層與接觸於該氧化物半導體層的絕緣膜(閘極絕緣層)的介面狀態優良。明確地說，在氧化物半導體層中形成氮的濃度梯度，而在與閘極絕緣層的介面設置氮含量多的區域。藉由上述氮的添加，可以在氧化物半導體層的介面附近形成結晶性高的區域，而得到穩定的介面狀態。
另外，也可以採用具有疊層結構的氧化物半導體層，而將包含氮的氧化物半導體層設置在與閘極絕緣層的介面。在氧化物半導體層具有疊層結構時，包含氮的氧化物半導體層的厚度為0.1nm以上10nm以下，較佳為1nm以上5nm以下。
另外，氧化物半導體層與接觸於該氧化物半導體層的絕緣膜(保護絕緣層)的介面附近較佳為氧含量多的區域。明確地說，在氧化物半導體層中形成氧的濃度梯度，而在與保護絕緣層的介面設置氧含量多的區域。
本發明的一個方式是一種半導體裝置，包括：閘極電極層；與所述閘極電極層接觸的第一絕緣層；與所述第一絕緣層接觸的氧化物半導體層；以及與所述氧化物半導體層接觸的第二絕緣層，其中氧化物半導體層具有離第一絕緣層越近，氮濃度越高的濃度梯度且具有離第二絕緣層越近，氧濃度越高的濃度梯度。
在上述結構中，其特徵之一在於：在氧化物半導體層中，與第一絕緣層的介面附近的區域的結晶性比其他區域高。但是，氧化物半導體層是非單晶，而不是氧化物半導體層整體處於非晶狀態(amorphous state)，在氧化物半導體層內至少具有呈c軸配向的結晶(也稱為CAAC:C Axis Aligned Crystal)。該結晶呈c軸配向，並且在從ab面、表面或介面的方向看時具有三角形狀或六角形狀的原子排列，在c軸上金屬原子排列為層狀或者金屬原子和氧原子排列為層狀，並且在ab面上a軸或b軸的方向不同(即，以c軸為中心旋轉)。在氧化物半導體層中，與接觸於閘極電極層的第一絕緣層的介面附近的區域具有呈c軸配向的纖鋅礦型結晶結構，而與第二絕緣層的介面附近的區域包含與纖鋅礦型不同的第二結晶型的六方晶系結晶。另外，在本說明書中，六方晶的結晶結構指的是六晶系(Crystal family)的，而包括七晶系(Crystal system)的三方晶和六方晶。
作為第二結晶型的六方晶系結晶的例子，可以舉出YbFe2O4型結構、Yb2Fe3O7型結構以及其變形型結構。
上述結構的特徵之一在於：第一絕緣層與氧化物半導體層的介面附近的氮濃度為5×1019/cm3以上20at%以下，較佳為1×1020/cm3以上且低於7at%；以及第二絕緣層與氧化物半導體層的介面附近的氮濃度為1×1017/cm3以上且低於5×1019/cm3。在氧化物半導體層中，與氮含量不多的區域相比，氮含量多的區域的能隙小，並且載子容易流動。因此，電晶體採用如下結構：氧化物半導體層的載子流動的區域的氮含量多，而載子不流動的區域的氮含量少。
對具有閘極電極層的電晶體的結構沒有特別的限制，例如，在頂閘型電晶體中，基底絕緣層相當於第二絕緣層。在頂閘型電晶體中，在第二絕緣層上有氧化物半導體層，在所述氧化物半導體層上有作為閘極絕緣層的第一絕緣層，並且在所述第一絕緣層上有閘極電極層。
另外，在底閘型電晶體中，保護絕緣層相當於第二絕緣層。在底閘型電晶體中，在閘極電極層上有作為閘極絕緣層的第一絕緣層，在所述第一絕緣層上有氧化物半導體層，並且在所述氧化物半導體層上有作為保護絕緣層的第二絕緣層。
在電晶體的氧化物半導體層中，與包含氮的區域的結晶性比不包含氮的區域的結晶性高，並且在與閘極絕緣層的介面起因於懸空鍵的介面能階減少，而可以實現良好的介面狀態。
藉由使氧化物半導體層與接觸於該氧化物半導體層的絕緣膜的介面狀態優良，可以得到電特性(場效應遷移率、閾值等)進一步提高的電晶體。因為與閘極絕緣層的介面附近的區域的結晶性比其他區域高且均勻性也高，所以可以得到電特性的不均勻性少的電晶體。
以下，參照圖式對本發明的實施方式進行詳細說明。但是，本發明不侷限於以下說明，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和詳細內容可以被變換為各種形式。此外，本發明不應該被解釋為僅限定在以下所示的實施方式所記載的內容中。
實施方式1
在本實施方式中，以下示出圖1A所示的頂閘型電晶體的製造方法的一個例子。
首先，在基板100上形成基底絕緣層101。
作為基板100，使用鋁矽酸鹽玻璃、鋁硼矽酸鹽玻璃、鋇硼矽酸鹽玻璃等玻璃材料。從批量生產的觀點來看，基板100較佳為第八代(2160mm×2460mm)、第九代(2400mm×2800mm或2450mm×3050mm)或第十代(2950mm×3400mm)等的母體玻璃。因為在處理溫度高且處理時間長時母體玻璃大幅度收縮，所以較佳的是，在使用母體玻璃進行批量生產時製造製程的加熱處理為600℃以下，較佳為450℃以下。
作為基底絕緣層101，使用CVD法或濺射法等形成氧化矽、氧氮化矽、氮氧化矽、氧化鋁、氧氮化鋁、氧化鎵、氧化鉿、氧化釔等的單層或疊層。
接著，在基底絕緣層101上形成氧化物半導體層102。氧化物半導體層102使用AC濺射設備、DC濺射設備以及RF濺射設備中的任何一個而形成。作為氧化物半導體層102，可以使用如下材料：四元金屬氧化物的In-Sn-Ga-Zn-O膜、三元金屬氧化物的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、二元金屬氧化物的In-Zn-O膜、Sn-Zn-O膜、Al-Zn-O膜、In-Ga-O膜等。此外，還可以使上述氧化物半導體含有Si02。這裏，例如，In-Ga-Zn-O膜是指含有銦(In)、鎵(Ga)以及鋅(Zn)的氧化物膜。
另外，在形成氧化物半導體層時，藉由將濺射設備的處理室的壓力設定為0.4Pa以下，可以降低向被成膜面及被成膜物的鹼金屬或氫等雜質的混入。另外，作為包含在被成膜物中的氫，除了氫原子以外，還有氫分子、水、羥基或氫化物。
另外，在形成氧化物半導體層時，將基板與靶材之間的距離(T-S間距離)設定為40mm以上300mm以下(較佳為60mm以上)。
另外，在利用濺射法形成氧化物半導體層時，將被成膜面的溫度設定為150℃以上450℃以下，較佳設定為250℃以上320℃以下。250℃是如下溫度：防止向被成膜物中的水或氫等雜質的混入，並將雜質釋放到處理室內的氣相的溫度。另外，將利用濺射法形成膜時的被成膜面的溫度的上限設定為基板的熱處理上限溫度或成膜物的上限溫度(在超過該溫度時成膜中的成分大幅度變化的溫度)。
另外，在形成氧化物半導體層時，藉由將濺射設備的處理室的洩漏率設定為1×10-10Pa‧m3/秒以下，可以減少利用濺射法形成膜時的向氧化物半導體層中的鹼金屬或氫化物等雜質的混入。另外，藉由作為排氣系統使用吸附真空泵(如低溫泵等)，可以降低鹼金屬、氫原子、氫分子、水、羥基或氫化物等的雜質從排氣系統倒流。
另外，在形成氧化物半導體層時，也可以將引入到濺射設備的處理室的氣體如氮氣、氧氣或氬氣等在被加熱的狀態下引入而形成膜。
另外，也可以在形成氧化物半導體層之前進行預加熱處理，以去除殘留在濺射設備內壁、靶表面及靶材料中的水分或氫。作為預加熱處理，有在減壓下對成膜處理室進行200℃至600℃的加熱的方法以及一邊進行加熱一邊反復氮或惰性氣體的引入和排氣的方法等。作為此時的靶材冷卻液，較佳使用油脂等而不使用水。雖然當不加熱地反復進行氮的引入和排氣時也可以獲得一定效果，但是更佳一邊加熱一邊反復進行氮的引入和排氣。
基底絕緣層101及氧化物半導體層較佳在不被暴露於大氣的狀態下連續形成。例如，使用多室方式的成膜設備。藉由連續地形成膜，可以不被大氣成分或懸浮在大氣中的雜質元素污染地形成各疊層介面。
在形成氧化物半導體層之後，根據需要，也可以在幾乎不包含氫及水分的氣圍中(氮氣圍、氧氣圍、乾燥空氣氣圍(例如，水分的露點為-40℃以下，較佳為-60℃以下)等)進行加熱處理(溫度範圍為150℃以上650℃以下，較佳為200℃以上500℃以下)。上述加熱處理可以被稱為使H或OH等從氧化物半導體層中脫離的脫水化或脫氫化。
在本實施方式中，在形成氧化物半導體層102時，藉由多次改變成膜條件，形成氧的高濃度區域102a、中間區域102b以及氮的高濃度區域102c。
例如，氧的高濃度區域102a利用只使用氧氣的濺射法而形成。中間區域102b利用氧氣和稀有氣體的混合氣圍、氧和氮的混合氣圍或只有稀有氣體的氣圍中的濺射法而形成。中間區域102b的厚度厚於氮的高濃度區域102c的厚度。氮的高濃度區域102c利用只使用氮氣的濺射法而形成。因為藉由轉換引入到真空處理室的氣體種類而可以分別形成氧的高濃度區域102a、中間區域102b以及氮的高濃度區域102c，所以容易控制氮濃度或氧濃度且批量生產性優良。另外，在氮的高濃度區域102c厚於10nm時，氮的高濃度區域102c恐怕會起到導電區域的作用，從而將氮的高濃度區域102c的厚度設定為10nm以下。
接著，對氧化物半導體層102進行構圖，並且形成源極電極層103及汲極電極層104。然後，形成覆蓋氧化物半導體層102、源極電極層103及汲極電極層104的閘極絕緣層105。然後，在閘極絕緣層上的重疊於氧化物半導體層102的位置形成閘極電極層106，來可以製造電晶體110。
使用鈦、鉬、鉻、鉭、鎢、鋁或銅等金屬材料或其合金材料形成閘極電極層106。
另外，較佳的是，在閘極電極層106與閘極絕緣層之間設置作為接觸於閘極絕緣層的材料層的包含氮的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膜或金屬氮化膜(InN或ZnN等)。這些膜具有5電子伏特，較佳為5.5電子伏特以上的功函數，並可以使電晶體的電特性的閾值電壓成為正值，而可以實現所謂的常關閉型(normally off)的切換元件。例如，在使用包含氮的In-Ga-Zn-O膜時，使用如下In-Ga-Zn-O膜：其氮濃度為1×1020/cm3以上20at%以下，至少高於氧化物半導體層102的In-Ga-Zn-O膜，例如，其氮濃度為7at%以上的In-Ga-Zn-O膜。
另外，藉由連續地改變氣體流量以改變氧化物半導體層102的成膜條件，可以得到圖2A所示的氮濃度的輪廓。圖2A是示出在圖1A中沿鏈形線截斷時的膜厚度方向上的氮濃度的輪廓的模型圖。在圖2A中，氮濃度具有如下濃度梯度，即氮濃度在閘極絕緣層一側的區域中最高，隨著離閘極絕緣層的距離增加，氮濃度連續下降。
另外，也可以以得到圖2B所示的氧濃度的輪廓的方式適當地調節成膜條件。圖2B是示出在圖1A中沿鏈形線截斷時的膜厚度方向上的氧濃度的輪廓的模型圖。在圖2B中，氧濃度具有如下濃度梯度，即氧濃度在閘極絕緣層一側的區域中最低，隨著離閘極絕緣層的距離增加，氧濃度連續上升。另外，在圖2B中，以虛線表示的曲線示出氮濃度。但是，圖2B中的氮濃度和氧濃度是彼此不同的濃度，圖2B是示出氮濃度輪廓與氧濃度輪廓之間的相對關係的示意圖，而不是示出像一方濃度高於或者低於另一方那樣的事。
例如，藉由使用同一靶材並有階段地改變氣體流量以改變氧化物半導體層102的成膜條件，可以得到圖3A所示的氮濃度的輪廓。在圖3A中，第一絕緣層是閘極絕緣層，而第二絕緣層是基底絕緣層。在有階段地改變氣體流量時，氮濃度輪廓容易成為樓梯狀。在圖3A中，氮濃度具有如下濃度梯度，即氮濃度在閘極絕緣層一側的區域中最高，隨著離閘極絕緣層的距離增加，氮濃度下降為樓梯狀。在有階段地改變氣體流量以改變氧化物半導體層102的成膜條件時，其膜品質根據每個成膜條件而不同，從而可以看作疊層。另外，因為氮的高濃度區域102c的結晶性高，所以在TEM影像等中可以確認與中間區域102b的邊界。另一方面，在TEM影像等中難以確認氧的高濃度區域102a和中間區域102b的邊界。
另外，也可以以得到圖3B所示的氧濃度的輪廓的方式適當地調節成膜條件。圖3B是示出在圖1A中沿鏈形線截斷時的膜厚度方向上的氧濃度的輪廓的模型圖。在圖3B中，氧濃度具有如下濃度梯度，即氧濃度在閘極絕緣層一側最低，隨著離閘極絕緣層的距離增加，氧濃度有階段地上升。另外，在圖3B中，以虛線表示的曲線示出氮濃度。但是，圖3B中的氮濃度和氧濃度是彼此不同的濃度，圖3B是示出氮濃度輪廓與氧濃度輪廓之間的相對關係的示意圖，而不是示出像一方濃度高於或者低於另一方那樣的事。
另外，也可以在以與中間區域102b相同的條件形成氮的高濃度區域102c之後對其表面進行氮電漿處理以在表面附近添加氮，在此情況下，可以得到圖4A所示的氮濃度的輪廓。另外，在進行氮電漿處理時，較佳在進行氮電漿處理之前在減壓下進行加熱處理。另外，氮電漿處理既可在以與中間區域102b相同的條件形成膜的濺射沉積室內進行，又可在之後形成閘極絕緣層的電漿CVD設備內在形成閘極絕緣層之前進行。
明確地說，閘極絕緣層與氧化物半導體層102的介面附近的氮濃度，即氮的高濃度區域102c的氮濃度為5×1019/cm3以上20at%以下，較佳為1×1020/cm3且低於7at%。
另外，氮濃度最高的區域的位置不侷限於與閘極絕緣層的介面，而可以採用圖4B所示的氮濃度的輪廓。如圖4B所示，可以調節成膜條件，使得離與閘極絕緣層的介面遠一些的區域呈現最高的氮濃度。
另外，明確地說，基底絕緣層與氧化物半導體層102的介面附近的氮濃度，即氧的高濃度區域102a的氮濃度為1×1017/cm3以上且低於5×1019/cm3以下。
對於使用藉由有階段地或連續地改變氮氣流量而具有圖2A或圖3A所示的氮濃度輪廓的氧化物半導體層的電晶體110而言，在閘極絕緣層的介面附近有氮的高濃度區域102c，該氮的高濃度區域102c的結晶性高於其他區域，具有c軸配向，並且在與閘極絕緣層的介面起因於懸空鍵的介面能階減少，而可以實現良好的介面狀態。因此，可以得到電特性(場效應遷移率、閾值等)提高的電晶體110。因為與閘極絕緣層的介面附近的區域的結晶性比其他區域高且均勻性也高，所以可以得到電特性的不均勻性少的電晶體110。
另外，包含在氮的高濃度區域102c中的結晶是六方晶的纖鋅礦型結晶結構，而包含在中間區域102b中的結晶是非纖鋅礦型的六方晶的結晶結構(第二結晶型結晶結構)。因為纖鋅礦型結晶結構和第二結晶型結晶結構都是六方晶，所以可以從c軸方向確認到六角形的晶格影像。另外，藉由提高中間區域102b的氮濃度，可以使中間區域102b具有纖鋅礦型結晶結構。
藉由製造在通道區域中有一種結晶氧化物半導體膜的電晶體，該結晶氧化物半導體膜具有大致平行於基板平面且具有六角形的晶格狀接合的a-b面，並具有大致垂直於基板平面的c軸，在光照射試驗前後或偏壓-熱應力(BT)試驗前後也可以降低電晶體的閾值電壓的變化量，而可以製造具有穩定的電特性的電晶體。
實施方式2
在實施方式1中示出了頂閘型電晶體的例子，但是在本實施方式中，說明圖1B所示的底閘型電晶體的例子。另外，使用相同圖式標記說明與圖1A相同的部分。
首先，在基板100上形成閘極電極層106。
使用鈦、鉬、鉻、鉭、鎢、鋁或銅等金屬材料或其合金材料形成閘極電極層106。閘極電極層106可以藉由利用濺射法或真空蒸鍍法在基板100上形成導電膜，在該導電膜上利用光微影技術或噴墨法形成掩模，並且使用該掩模對導電膜進行蝕刻來形成。
另外，較佳的是，在閘極電極層106與閘極絕緣層之間設置作為接觸於閘極絕緣層的材料層的包含氮的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膜或金屬氮化膜(InN或ZnN等)。這些膜具有5電子伏特，較佳為5.5電子伏特以上的功函數，並可以使電晶體的電特性的閾值電壓成為正值，而可以實現所謂的常關閉型(normally off)的切換元件。例如，在使用包含氮的In-Ga-Zn-O膜時，使用如下In-Ga-Zn-O膜：其氮濃度至少高於氧化物半導體層102的In-Ga-Zn-O膜，明確地說，其氮濃度為7at%以上的In-Ga-Zn-O膜。
接著，形成覆蓋閘極電極層106的閘極絕緣層105。作為閘極絕緣層105，較佳使用包含氮的絕緣膜如氧氮化矽膜(也稱為SiOxNy，x>y>0)或氮氧化矽膜(也稱為SiNxOy，x>y>0)。另外，作為閘極絕緣層105，也可以使用氧化矽膜或由氧化矽膜和氮化矽膜構成的疊層。另外，作為閘極絕緣層105的材料，可以使用氧化鋁、氧氮化鋁、氧化鎵、氧化鉿、氧化釔等。但是，在使用這些絕緣膜並後面進行氮電漿處理時，較佳調整膜厚度等，以使該絕緣膜作為閘極絕緣層起到充分的作用。
接著，形成接觸於閘極絕緣層105上的氧化物半導體層102。在氧化物半導體層102中，接觸於閘極絕緣層105上的區域為氮的高濃度區域102c。中間區域102b形成在氮的高濃度區域102c上，並且氧的高濃度區域102a形成在中間區域102b上。
閘極絕緣層105及氧化物半導體層102較佳在不被暴露於大氣的狀態下連續形成。例如，使用多室方式的成膜設備。藉由連續地形成膜，可以不被大氣成分或懸浮在大氣中的雜質元素污染地形成各疊層介面。尤其是，因為氧化物半導體層102的氮濃度及閘極絕緣層105的氮濃度是重要的，所以較佳使用多室方式的成膜設備，以避免因氧化物半導體層102或閘極絕緣層105接觸於沉積室內的殘留氮或氮氣圍等而使氮濃度變化。另外，也可以在形成閘極絕緣層105之後使用電漿CVD設備對表面進行氮電漿處理，而在表面附近添加氮。另外，既可在形成氧化物半導體層102之前對表面進行氮電漿處理而在閘極絕緣層105的表面附近添加氮，又可使用濺射設備進行氮電漿處理。
接著，對氧化物半導體層102進行構圖，並且形成源極電極層103及汲極電極層104。作為用作源極電極層103及汲極電極層104的金屬導電膜的材料，使用Al、Cu、Cr、Ta、Ti、Mo或W等金屬材料或以該金屬材料為成分的合金材料。另外，也可以採用在Al、Cu等的金屬層的下一側和上一側中的一方或兩者上層疊Cr、Ta、Ti、Mo、W等的高熔點金屬層的結構。
例如，金屬導電膜較佳地具有其中在鈦層上層疊鋁層並在該鋁層上層疊鈦層的三層結構、或其中在鉬層上層疊鋁層並在該鋁層上層疊鉬層的三層結構。另外，金屬導電膜也可以具有其中層疊鋁層和鎢層的兩層結構或其中層疊鋁層和鉬層的兩層結構。當然，金屬導電膜可以具有單層結構或四層以上的疊層結構。另外，在使用銅作為金屬導電膜的材料之一時，可以使用一種疊層結構，其中設置有接觸於氧化物半導體層的銅鎂鋁合金層，並設置有接觸於該銅鎂鋁合金層的銅層。
接著，覆蓋氧化物半導體層102的露出部形成保護絕緣層107，以保護氧化物半導體層102。作為保護絕緣層107，可以使用氧化矽、氧氮化矽、氮化矽、氮氧化矽、氧化鋁、氧氮化鋁、氧化鋁鎵以及氧化鎵中的任何一種以上的疊層結構。
另外，將保護絕緣層107的厚度設定為50nm以上，較佳設定為200nm以上500nm以下。藉由增加保護絕緣層的厚度，可以增加來自保護絕緣層107的氧的釋放量，從而可以降低保護絕緣層107與氧化物半導體層102的介面的缺陷。另外，藉由熱處理使一部分氧從其中釋放的保護絕緣層107因為利用濺射法容易形成而是較佳的。當藉由熱處理使一部分氧從其中釋放的保護絕緣層107藉由濺射法來形成時，在成膜氣體中所含有的氧量較佳是大的，並且能夠使用氧或氧及稀有氣體的混合氣體等。典型地，成膜氣體中的氧濃度較佳為6%以上100%以下。
根據需要，也可以在形成保護絕緣層107之前進行氧電漿處理，以對氧化物半導體層102的露出部添加氧。
在形成保護絕緣層107之後，根據需要，也可以在幾乎不包含氫及水分的氣圍中(氮氣圍、氧氣圍、乾燥空氣氣圍(例如，水分的露點為-40℃以下，較佳為-60℃以下)等)進行加熱處理(溫度範圍為150℃以上650℃以下，較佳為200℃以上500℃以下)。
藉由上述製程形成圖1B所示的電晶體111。電晶體111是在通道形成區中有結晶氧化物半導體膜的電晶體，該結晶氧化物半導體膜包含具有大致垂直於結晶氧化物半導體膜表面的c軸的六方晶結構的結晶。
另外，在圖1B所示的電晶體111中，藉由連續地改變氣體流量以改變氧化物半導體層102的成膜條件，可以得到圖2A所示的氮濃度的輪廓。但是，電晶體111採用與實施方式1不同的底閘型結構，而由第一絕緣層的閘極絕緣層和第二絕緣層的保護絕緣層夾持氧化物半導體層。
明確地說，閘極絕緣層與氧化物半導體層102的介面附近的氮濃度，即氮的高濃度區域102c的氮濃度為5×1019/cm3以上20at%以下，較佳為1×1020/cm3以上且低於7at%。
明確地說，保護絕緣層與氧化物半導體層102的介面附近的氮濃度，即氧的高濃度區域102a的氮濃度為低於5×1019/cm3，較佳為1×1017/cm3以上且低於5×1019/cm3。
另外，也可以以得到圖2B所示的氧濃度的輪廓的方式適當地調節成膜條件。
另外，藉由有階段地改變氣體流量以改變氧化物半導體層102的成膜條件，可以得到圖3A所示的氮濃度的輪廓。另外，也可以以得到圖3B所示的氧濃度的輪廓的方式適當地調節成膜條件。
對於使用藉由有階段地或連續地改變氮氣流量而具有圖2A或圖3A所示的氮濃度輪廓的氧化物半導體層的電晶體111而言，在閘極絕緣層的介面附近有氮的高濃度區域102c，該氮的高濃度區域102c的結晶性高於其他區域，具有c軸配向，並且在與閘極絕緣層的介面起因於懸空鍵的介面能階減少，而可以實現良好的介面狀態。因此，可以得到電特性(場效應遷移率、閾值等)提高的電晶體111。因為與閘極絕緣層的介面附近的區域的結晶性比其他區域高且均勻性也高，所以可以得到電特性的不均勻性少的電晶體111。另外，包含在氮的高濃度區域102c中的結晶是六方晶的纖鋅礦型結晶結構，而包含在中間區域102b中的結晶是非纖鋅礦型的六方晶的結晶結構(第二結晶型結晶結構)。另外，藉由提高中間區域102b的氮濃度，也可以使中間區域102b具有纖鋅礦型結晶結構。
另外，本實施方式不侷限於圖1B所示的底閘型電晶體結構，而可以應用於圖1C所示的電晶體112或圖1D所示的電晶體113。
圖1C所示的電晶體112是也被稱為***面型(inverted coplanar)(底接觸型)的結構之一。與電晶體111不同之處在於：源極電極層103及汲極電極層104的形成和氧化物半導體層102的形成的順序不同，而在源極電極層103及汲極電極層104上有氧化物半導體層102。
另外，圖1D所示的電晶體113是也被稱為通道停止型的結構之一。與電晶體111不同之處在於：源極電極層103及汲極電極層104的形成和保護絕緣層107的形成的順序不同。電晶體113的保護絕緣層107形成在隔著氧化物半導體層102及閘極絕緣層105重疊於閘極電極層106的位置，而被用作通道停止層。
另外，本實施方式可以與實施方式1自由地組合。
實施方式3
在本實施方式中，參照圖5A至圖9B說明包含纖鋅礦型(第一結晶型)的結晶的氧化物半導體膜和包含與第一結晶型不同的第二結晶型的六方晶系各向異性結晶的氧化物半導體膜的疊層。
圖5A和5B示出本實施方式所示的具有其結晶結構不同的疊層的半導體膜的剖面示意圖。
半導體膜132具有如下結構：在設置在基板130上的絕緣層131上依次層疊有氧的高濃度區域132a、中間區域132b以及氮的高濃度區域132c。圖5A示出其方式。
另外，在圖5B中，具有如下結構：在基板100上依次層疊有氮的高濃度區域132c、中間區域132b以及氧的高濃度區域132a。
在圖5A和5B中的任何一個中，氮的高濃度區域132c的結晶性高於其他區域的中間區域132b和氧的高濃度區域132a的結晶性。
氮的高濃度區域]32c具有呈c軸配向的纖鋅礦型結晶結構。以下，參照圖6A和6B說明纖鋅礦型結晶結構。圖6A示出纖鋅礦型結晶的a-b面的原子的配置，而圖6B示出c軸方向為縱向的結構。
作為具有纖鋅礦型結晶結構的結晶，例如，可以舉出氮化銦或氮化鎵等。另外，包含氮的氧化物半導體也有時成為包含纖鋅礦型結晶的膜。
明確地說，氮含量為5×1019/cm3以上，較佳為1×1020/cm3以上且低於7at%的In-Ga-Zn-O膜成為呈c軸配向且包含纖鋅礦型結晶的膜，並且In、Ga以及Zn無序地進入到金屬位置。
另一方面，中間區域132b及氧的高濃區域132a具有呈c軸配向的第二結晶型的六方晶系結晶結構。
例如，氮含量為1×1017/cm3以上5×1019/cm3以下的In-Ga-Zn-O膜成為呈c軸配向且包含第二結晶型的六方晶系結晶的膜。包含第二結晶型的六方晶系結晶的In-Ga-Zn-O膜在a-b面具有In-O的結晶面(包含銦和氧的結晶面)，並在In-O的結晶面與In-O的結晶面之間具有包含Ga及Zn的兩個層。另外，在包含Ga及Zn的兩個層中，只要在一個層或兩個層中有Ga及Zn，即可，對其位置沒有限制。
纖鋅礦型結晶結構和第二結晶型的六方晶系結晶結構都是六方晶系，而在a-b面原子位置呈六角形。第二結晶型的六方晶系結晶接觸纖鋅礦型結晶，第二結晶型的六方晶系結晶與纖鋅礦型結晶對準。
圖7A至7C示出在纖鋅礦型結晶上將該纖鋅礦型結晶對準具有同一晶格常數的第二結晶型的六方晶系結晶的情況。圖7A示出第二結晶型的六方晶系結構，而圖7B示出纖鋅礦型結晶結構。另外，圖7C示出第二結晶型的六方晶系結晶接觸纖鋅礦型結晶而使第二結晶型的六方晶系結晶與纖鋅礦型結晶對準的示意圖。另外，上述疊層結構對應於圖5B。
因此，藉由在形成包含結晶性高且容易晶化的纖鋅礦型結晶的氮的高濃度區域132c之後形成接觸於該氮的高濃度區域132c的中間區域132b，發揮包含在氮的高濃度區域132c中的纖鋅礦型結晶使中間區域132b的晶化變得容易的功能。
接著，說明氮的高濃度區域132c。氮的高濃度區域132c包含呈c軸配向的纖鋅礦型結晶。尤其是，作為氮的高濃度區域132c，使用其結晶性高於其他區域且容易晶化的材料。
以下，說明包含在氮的高濃度區域132c中的纖鋅礦型結晶。
作為具有纖鋅礦型結晶結構的材料，例如，可以舉出氮化銦或氮化鎵等。另外，氮含量為5×1019/cm3以上，較佳為1×1020/cm3以上且低於7at%的氧化物半導體也有時成為包含纖鋅礦型結晶的膜。
另外，在纖鋅礦型結晶結構的HAADF(high-angle annular dark field，即高角度環形暗揚)-STEM的實際觀察影像中，有時觀察到亮點交錯出現的衍射影像。
圖8A示出根據纖鋅礦型結晶結構的藉由計算獲取的HAADF-STEM的影像。
另外，圖8B示出使用只含有氮的成膜氣體而形成的In-Ga-Zn-O膜的HAADF-STEM的實際觀察影像。
由此可知：圖8A所示的HAADF-STEM的影像和圖8B所示的HAADF-STEM的實際觀察影像都具有兩週期性的層結構的纖鋅礦型結晶結構。
包含氮的In-Ga-Zn-O膜藉由使用濺射法以300nm的厚度形成在石英玻璃基板上。成膜條件如下：使用In:Ga:Zn=1:1:1[原子比]作為靶材；基板與靶材之間的距離為60mm；使用DC電源；功率為0.5kw；以及壓力為0.4Pa。另外，將成膜中的基板溫度設定為400℃，只使用氮作為濺射氣體，並且使它以40sccm的流量流過沉積室。
接著，說明中間區域132b及氧的高濃度區域132a。中間區域132b及氧的高濃區域132a至少包含呈c軸配向的第二結晶型的六方晶系結晶。
以下說明第二結晶型的六方晶系的各向異性結晶。
作為第二結晶型(非纖鋅礦型)六方晶系結晶的例子，可以舉出YbFe2O4型結構、Yb2Fe3O7型結構以及其變形型結構。例如，三元金屬氧化物的In-Ga-Zn-O具有第二結晶型的六方晶系結晶，而可以應用於中間區域132b和氧的高濃度區域132a。另外，可以應用於中間區域132b和氧的高濃度區域132a的In-Ga-Zn-O膜的氮含量可以為1×1017/cm3以上5×1019/cm3以下。
作為三元金屬氧化物的In-Ga-Zn-O，有YbFe2O4型結構的InGaZnO4或Yb2Fe3O7型結構的In2Ga2ZnO7等，有時會有其變形型結構(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,p.298-315)。另外，作為YbFe2O4型結構，在以包含Yb的層為A層並以包含Fe的層為B層時，具有ABB∣ABB∣ABB∣的重複結構，作為其變形結構，例如，可以舉出ABBB∣ABBB∣的重複結構。另外，Yb2Fe3O7型結構具有ABB∣AB∣ABB∣AB∣的重複結構，作為其變形結構，例如，可以舉出ABBB∣ABB∣ABBB∣ABB∣ABBB∣ABB∣的重複結構。
另外，作為中間區域132b及氧的高濃度區域132a，可以使用如下材料：四元金屬氧化物的In-Sn-Ga-Zn-O膜、三元金屬氧化物的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、二元金屬氧化物的In-Zn-O膜、Sn-Zn-O膜、Al-Zn-O膜、In-Ga-O膜等。這裏，例如，In-Ga-Zn-O膜是指含有銦(In)、鎵(Ga)以及鋅(Zn)的氧化物膜。
另外，作為第二結晶型的六方晶系結晶結構的HAADF(high-angle annular dark field，即高角度環形暗揚)-STEM的實際觀察影像，有時觀察到在每三個層中伴隨著一個具有亮點的層的衍射影像。
圖9A示出根據第二結晶型的六方晶系結晶結構的藉由計算獲取的HAADF-STEM的影像。
另外，圖9B示出In-Ga-Zn-O膜的HAADF-STEM的實際觀察影像。
從圖9A所示的HAADF-STEM的影像和圖9B所示的HAADF-STEM的實際觀察影像都可以確認到：在每三個層中伴隨著一個具有亮點的層，並且包括具有九週期性的層結構的第二結晶型的六方晶系結晶結構。
另外，In-Ga-Zn-O膜藉由使用濺射法以300nm的厚度形成在石英玻璃基板上。成膜條件如下：使用In:Ga:Zn=1:1:1[原子比]作為靶材；基板與靶材之間的距離為60mm；使用DC電源；功率為0.5kw；以及壓力為0.4Pa。另外，將成膜中的基板溫度設定為400℃，只使用氧作為濺射氣體，並且使它以40sccm的流量流過沉積室。
本實施方式可以與本說明書所示的其他實施方式適當地組合。
實施方式4
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1或實施方式2形成配置在像素部中的電晶體。此外，因為實施方式1或實施方式2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10A示出主動矩陣型顯示裝置的塊圖的一個例子。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具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(軟性印刷電路)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10A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，在將驅動電路設置在基板5300的外部時，需要延伸佈線，從而佈線之間的連接數量增加。在將驅動電路設置在基板5300上時，可以減少上述佈線之間的連接數量，因此可以提高可靠性或良率。
另外，圖10B表示像素部的電路結構的一個例子。在此，示出VA方式的液晶顯示面板的像素結構。
在該像素結構中，一個像素具有多個像素電極層，並且各像素電極層連接到電晶體。各電晶體藉由不同的閘極信號而驅動。就是說，在以多象限方式設計的像素中，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1或實施方式2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，使用電容佈線690、作為電介質的閘極絕緣層以及與第一像素電極層或第二像素電極層電連接的電容電極形成儲存電容器。
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10B所示的像素結構不侷限於此。例如，也可以還對圖10B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。另外，設置遮光層，以避免背光燈的光或外光等的光照射到電晶體的氧化物半導體層。遮光層既可設置在像素電極層與氧化物半導體層之間，又可作為具有遮光層的光學薄膜(濾色片等)黏合到基板。
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的模式的液晶顯示裝置，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)，在該水平電場方式中，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，較佳使用不使用對準膜的呈現藍相的液晶。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。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快，即為1msec以下，並且其具有光學各向同性，而不需要配向處理，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以脈衝方式在一個圖框期間內進行驅動(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(例如，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例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10C示出像素部的電路結構的一個例子。在此，示出使用有機EL元件的顯示面板的像素結構。
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，以流過電流。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10C是作為半導體裝置的例子示出可以應用數字時間灰階級驅動的像素結構的一個例子的圖。
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。
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，閘極電極層與掃描線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的閘極電極層連接。在驅動電晶體6402中，閘極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。這裏，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可以設定為GND、0V等。因為將該高電源電位與低電源電位的電位差施加到發光元件6404上來使電流流過發光元件6404，以使發光元件6404發光，所以以使高電源電位與低電源電位的電位差成為發光元件6404的正向閾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與閘極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的閘極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的閘極電極層。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10C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的閘極電極層施加(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，至少包括正向閾值電壓。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，可以使電流流過發光元件6404。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，可以使與視頻信號對應的電流流過發光元件6404，而進行模擬灰階級驅動。
此外，圖10C所示的像素結構不侷限於此。例如，也可以還對圖10C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11A至11C所示的像素的剖面結構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11A、11B和11C的半導體裝置的發光元件驅動電晶體7011、7021以及7001可以與實施方式1或實施方式2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以及7001是在閘極絕緣層與氧化物半導體層的介面包含高濃度的氮的電晶體。
發光元件的第一電極和第二電極中的至少一方使用透射可見光的導電膜形成，而從發光元件取出發光。當著眼於取出發光的方向時，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從沒形成有該發光元件的一側取出發光的底部發射結構；從基板上的形成有該發光元件的一側以及基板的另一側取出發光的雙面發射結構。在此，圖10C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11A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11A的箭頭所示的方向發射光。
在圖11A中示出作為發光元件驅動電晶體7011利用實施方式2所示的電晶體111的例子，但是沒有特別的限制。
在圖11A中，在與發光元件驅動電晶體7011的源極電極或汲極電極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和第二電極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較佳使用高效地反射EL層7014所發射的光的材料。這是因為可以提高光取出效率的緣故。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，並在另一側使用遮光的膜。作為遮光的膜，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。
這裏，將第一電極7017和第二電極7015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較佳使用功函數大的物質，作為用作陰極的電極較佳使用功函數小的物質。
作為功函數大的材料，例如，可以使用ZrN、Ti、W、Ni、Pt、Cr等或ITO、IZO(註冊商標)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)；以及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。作為由多個層的疊層構成的結構，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，不一定必須將發光層以外的所有這些層設置在EL層7014中。另外，也可以重複設置這些層。明確地說，也可以在EL層7014中層疊多個發光層，並可以將電洞注入層層疊在電子注入層上。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的端部的隔壁7019。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。尤其較佳使用感光樹脂材料形成隔壁7019，並將隔壁7019的側面形成為具有連續曲率的傾斜面。當作為隔壁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，也可以使用無極絕緣膜來形成隔壁。藉由使用無極絕緣膜作為隔壁，可以減小包含在隔壁中的水分量。
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11A)。藉由作為發光元件7012應用白色發光的結構，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。在此，雖然在圖11A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，且具有將起因於濾色片層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隔壁7019重疊的位置上。
接著，使用圖11B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11B的箭頭所示的方向發射光。
在圖11B中示出發光元件驅動電晶體7021利用實施方式2所示的電晶體111的例子，但是沒有特別的限制。
在圖11B中，在與發光元件驅動電晶體7021的源極電極或汲極電極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11A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。
這裏，將第一電極7027和第二電極7025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較佳使用功函數大的物質，作為用作陰極的電極較佳使用功函數小的物質。
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11A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的端部的隔壁7029。作為隔壁7029，可以應用能夠用於圖11A的隔壁7019的結構及材料。因此，對其詳細說明援用隔壁7019的說明。
另外，當採用圖11B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7027一側這兩側射出，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11B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11C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11C的箭頭所示的方向發射光。
在圖11C中示出發光元件驅動電晶體7001利用實施方式2所示的電晶體111的例子，但是沒有特別的限制。
在圖11C中，在與發光元件驅動電晶體7001的源極電極或汲極電極電連接的第一電極7003上按順序層疊有EL層7004、第二電極7005。
作為第一電極7003較佳使用高效地反射EL層7004所發射的光的材料。這是因為可以提高光取出效率的緣故。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，並在另一側使用遮光的膜。作為遮光的膜，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11A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。
這裏，將第一電極7003和第二電極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較佳使用功函數大的物質，作為用作陰極的電極較佳使用功函數小的物質。
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11A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的端部的隔壁7009。作為隔壁7009，可以應用能夠用於圖11A的隔壁7019的結構及材料。因此，對其詳細說明援用隔壁7019的說明。
另外，在圖11C中，發光元件驅動電晶體7001的源極電極或汲極電極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、旋塗法、浸漬法、噴塗法、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11C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11C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，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11A至11C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5
本說明書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(也稱為手機、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12A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1所示的電晶體110用作切換元件，而製造實施方式4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12A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部連接端子(耳機端子、USB端子等)、記錄媒體***部分等。
圖12A所示的可攜式資訊終端可無線地發送和接收資訊。藉由無線通信，可從電子書伺服器購買並下載所要書籍資料等。
另外，圖12A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12B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，並可以在一隻手上持有外殼3002並用另一隻手進行操作，由此這是方便的。
另外，也可以對圖12B所示的外殼3002提供天線、麥克風功能及無線通信功能，來將其用作手機。
圖12C示出行動電話機的一例。圖12C所示的行動電話機5005除了編入到外殼中的顯示部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12C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採用實施方式4的圖11B所示的從基板一側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，所以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，且能夠視覺確認到該兩者的顯示。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所處的位置的狀態。
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12D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可以顯示影像。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所示的電晶體111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訊。藉由將盤狀記錄媒體***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***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
101．．．基底絕緣層
102．．．氧化物半導體層
102a．．．氧的高濃度區域
102b．．．中間區域
102c．．．氮的高濃度區域
103．．．源極電極層
104．．．汲極電極層
105．．．閘極絕緣層
106．．．閘極電極層
107．．．保護絕緣層
110．．．電晶體
111．．．電晶體
112．．．電晶體
113．．．電晶體
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
7001．．．發光元件驅動電晶體
7002．．．發光元件
7003．．．電極
7004．．．EL層
7005．．．電極
7008．．．電極
7009．．．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
7016．．．遮蔽膜
7017．．．電極
7019．．．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．．．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
在附圖中：
圖1A至1D是示出本發明的一個方式的剖面圖；
圖2A和2B是示出本發明的一個方式的濃度輪廓的模型圖的一個例子；
圖3A和3B是示出本發明的一個方式的濃度輪廓的模型圖的一個例子；
圖4A和4B是示出本發明的一個方式的氮濃度輪廓的模型圖的一個例子；
圖5A和5B是說明示出本發明的一個方式的疊層結構的圖；
圖6A和6B是說明示出本發明的一個方式的纖鋅礦型結晶結構的示意圖；
圖7A至7C是說明示出本發明的一個方式的不同的結晶結構的介面的示意圖；
圖8A和8B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9A和9B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10A至10C是示出本發明的一個方式的塊圖及等效電路圖；
圖11A至11C是示出本發明的一個方式的剖面圖；
圖12A至12D是示出電子裝置的一個方式的圖。
100．．．基板
101．．．基底絕緣層
102．．．氧化物半導體層
102a．．．氧的高濃度區域
102b．．．中間區域
102c．．．氮的高濃度區域
103．．．源極電極層
104．．．汲極電極層
105．．．閘極絕緣層
106．．．閘極電極層
110．．．電晶體

Claims (20)

  1. 一種半導體裝置，包括：基板；該基板上的閘極電極層；與該閘極電極層接觸的第一絕緣層；與該第一絕緣層接觸的氧化物半導體層；以及與該氧化物半導體層接觸的第二絕緣層，其中，該氧化物半導體層具有離該第一絕緣層越近，氮濃度越高的濃度梯度且具有離該第二絕緣層越近，氧濃度越高的濃度梯度。
  2. 根據申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該氧化物半導體層是非單晶。
  3. 根據申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該氧化物半導體層的與該第一絕緣層的介面附近的區域的結晶性比該氧化物半導體層的其他區域高。
  4. 根據申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該氧化物半導體層的與該第一絕緣層的介面附近的區域具有纖鋅礦型結晶結構。
  5. 根據申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該氧化物半導體層的與該第一絕緣層的介面附近的氮濃度為1×1020/cm3以上且低於7at%。
  6. 根據申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該氧化物半導體層的與該第二絕緣層的介面附近的氮濃度為1×1017/cm3以上且低於5×1019/cm3。
  7. 一種半導體裝置，包括：基板；該基板上的基底絕緣層；該基底絕緣層上的氧化物半導體層；該氧化物半導體層上的閘極絕緣層；以及該閘極絕緣層上的閘極電極層，其中，該氧化物半導體層具有離該閘極絕緣層越近，氮濃度越高的濃度梯度且具有離該基底絕緣層越近，氧濃度越高的濃度梯度。
  8. 根據申請專利範圍第7項之半導體裝置，其中該氧化物半導體層是非單晶。
  9. 根據申請專利範圍第7項之半導體裝置，其中該氧化物半導體層的與該閘極絕緣層的介面附近的區域的結晶性比該氧化物半導體層的其他區域高。
  10. 根據申請專利範圍第7項之半導體裝置，其中該氧化物半導體層的與該閘極絕緣層的介面附近的區域具有纖鋅礦型結晶結構。
  11. 根據申請專利範圍第7項之半導體裝置，其中該氧化物半導體層的與該閘極絕緣層的介面附近的氮濃度為1×1020/cm3以上且低於7at%。
  12. 根據申請專利範圍第7項之半導體裝置，其中該氧化物半導體層的與該基底絕緣層的介面附近的氮濃度為1×1017/cm3以上且低於5×1019/cm3。
  13. 一種半導體裝置，包括：基板；該基板上的閘極電極層；該閘極電極層上的閘極絕緣層；該閘極絕緣層上的氧化物半導體層；以及該氧化物半導體層上的保護絕緣層，其中，該氧化物半導體層具有離該閘極絕緣層越近，氮濃度越高的濃度梯度且具有離該保護絕緣層越近，氧濃度越高的濃度梯度。
  14. 根據申請專利範圍第13項之半導體裝置，其中該氧化物半導體層是非單晶。
  15. 根據申請專利範圍第13項之半導體裝置，其中該氧化物半導體層的與該閘極絕緣層的介面附近的區域的結晶性比該氧化物半導體層的其他區域高。
  16. 根據申請專利範圍第13項之半導體裝置，其中該氧化物半導體層的與該閘極絕緣層的介面附近的區域具有纖鋅礦型結晶結構。
  17. 根據申請專利範圍第13項之半導體裝置，其中該氧化物半導體層的與該閘極絕緣層的介面附近的氮濃度為1×1020/cm3以上且低於7at%。
  18. 根據申請專利範圍第13項之半導體裝置，其中該氧化物半導體層的與該保護絕緣層的介面附近的氮濃度為1×1017/cm3以上且低於5×1019/cm3。
  19. 根據申請專利範圍第13項之半導體裝置，其中該保護絕緣層的厚度為50nm以上。
  20. 根據申請專利範圍第13項之半導體裝置，還包括該閘極電極層與該閘極絕緣層之間的包含氮的層，其中該包含氮的層與該閘極絕緣層接觸。
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