本發(fā)明涉及包括電路的半導(dǎo)體器件，該電路包括半導(dǎo)體元件如晶體管；及用于制造該半導(dǎo)體器件的方法。例如，本發(fā)明涉及安裝于電源電路的功率器件；包括存儲器、晶閘管、轉(zhuǎn)換器或圖像傳感器等的半導(dǎo)體集成電路；以及安裝上以液晶顯示面板為代表的光電器件或包括發(fā)光元件的發(fā)光顯示器件等作為構(gòu)件的電子設(shè)備。再者，本發(fā)明涉及該半導(dǎo)體器件中所用的氧化物。

在本說明書中，“半導(dǎo)體器件”一般表示可通過利用半導(dǎo)體特性起作用的器件；光電器件、顯示器件如發(fā)光顯示器件、半導(dǎo)體電路及電子設(shè)備均包括于半導(dǎo)體器件中。

背景技術(shù)：

許多形成于玻璃襯底等上的晶體管利用非晶硅或多晶硅等制造，如液晶顯示器件中經(jīng)常見到的。盡管包括非晶硅的晶體管具有低場效應(yīng)遷移率，但是其可形成于較大玻璃襯底上。另一方面，盡管包括多晶硅的晶體管具有高場效應(yīng)遷移率，但是其并不適于形成于較大玻璃襯底上。

除了使用硅所形成的晶體管，利用氧化物半導(dǎo)體形成晶體管并將該晶體管應(yīng)用于電子設(shè)備或光學(xué)器件的技術(shù)引人注目。例如，在專利文獻(xiàn)1及專利文獻(xiàn)2中，公開了通過使用氧化鋅或in-ga-zn-o類氧化物作為氧化物半導(dǎo)體制造晶體管的技術(shù)以及將該晶體管用于顯示器件等的像素的開關(guān)元件的技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本專利申請公開2007-123861號；

專利文獻(xiàn)2：日本專利申請公開2007-096055號。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個方式的目的在于提供一種適用于被包括于晶體管或二極管等中的半導(dǎo)體的材料。

另一個目的在于提供一種可通過使用大型襯底如母玻璃實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)的高可靠性的半導(dǎo)體器件。

晶體管的電特性容易受介于氧化物半導(dǎo)體膜及與該氧化物半導(dǎo)體膜接觸的柵極絕緣膜之間的界面處的電子態(tài)影響。當(dāng)在制造該晶體管時或制造該晶體管之后介于該氧化物半導(dǎo)體膜與該柵極絕緣膜之間的界面處于非晶態(tài)時，該界面處的缺陷密度高，因此該晶體管的電特性容易產(chǎn)生不穩(wěn)定。

再者，其中氧化物半導(dǎo)體膜用于溝道的晶體管的電特性被可見光或紫外光照射而改變。

鑒于這種問題，本發(fā)明的一個方式的目的在于提供一種包括晶體管的半導(dǎo)體器件，其中介于氧化物半導(dǎo)體膜及與該氧化物半導(dǎo)體膜接觸的柵極絕緣膜之間的界面處的電子態(tài)是良好的。

再者，本發(fā)明的一個方式的目的在于通過對將氧化物半導(dǎo)體膜用于溝道的晶體管提供穩(wěn)定電特性，制造高可靠性的半導(dǎo)體器件。

使用包括c-軸取向的晶體的氧化物材料，該晶體當(dāng)從a-b平面、表面或界面方向看時具有三角形或六角形原子排列。此外，在該晶體中，a-軸或b-軸的方向在該a-b平面中變化。

注意，該氧化物材料可以含有鋅。當(dāng)含有鋅時，容易形成包括c-軸取向的晶體的氧化物材料，從該a-b平面、表面或界面的方向看時該晶體具有三角形或六角形原子排列，且其中該a-軸或該b-軸的方向是在該a-b平面中變化。

或者，該氧化物材料含有兩種或多種選自銦、鎵、鋅、錫、鈦和鋁中的元素。

該氧化物材料可通過濺射法、分子束外延法、原子層沉積法或脈沖激光沉積法等形成。

該氧化物材料可通過層疊兩種組成不同的膜形成?；蛘?，在層疊兩種膜之后，該氧化物材料可通過使這些膜結(jié)晶化形成。

本發(fā)明的一個方式是一種包括多個金屬氧化物層的氧化物材料，該多個金屬氧化物層通過四配位的氧原子（以下稱為四配位氧）鍵合。此外，一個金屬氧化物層是包括四配位中心金屬原子、五配位中心金屬原子或可具有五個配體或六個配體的中心金屬原子且通過三配位氧原子（以下稱為三配位氧）或四配位氧鍵合該中心金屬原子等，由此在平面方向上伸展的層。

在該氧化物材料具有導(dǎo)電性的情況下，該氧化物材料可用于晶體管的柵電極的材料。該柵電極可通過層疊包括該氧化物材料的膜和金屬膜來形成。

在該氧化物材料具有導(dǎo)電性的情況下，該氧化物材料可用于晶體管的源電極和漏電極。注意，該源電極和漏電極可通過層疊該氧化物材料和金屬膜來形成。

在該氧化物材料具有半導(dǎo)體特性的情況下，包括該氧化物材料的膜可用于晶體管的活性層。在該情況下，例如，包括該氧化物材料的膜被設(shè)置為與該晶體管的用作源電極和漏電極的導(dǎo)電膜及絕緣膜接觸。注意，該絕緣膜用作該晶體管的柵極絕緣膜、基極絕緣膜或中間層絕緣膜。

根據(jù)本發(fā)明的一個方式，可提供具有優(yōu)良電特性的半導(dǎo)體器件。

再者，高可靠性的半導(dǎo)體器件的批量生產(chǎn)可利用大型襯底如母玻璃進(jìn)行。

附圖說明

圖1a至圖1d示出根據(jù)本發(fā)明的一個方式的氧化物材料的結(jié)構(gòu)；

圖2a至圖2c是示出本發(fā)明的一個方式的半導(dǎo)體器件的例子的俯視圖和截面圖；

圖3a至圖3c是示出本發(fā)明的一個方式的半導(dǎo)體器件的例子的俯視圖和截面圖；

圖4a至圖4c是示出本發(fā)明的一個方式的半導(dǎo)體器件的例子的俯視圖和截面圖；

圖5a至圖5c是示出本發(fā)明的一個方式的半導(dǎo)體器件的例子的俯視圖和截面圖；

圖6a至圖6c是示出本發(fā)明的一個方式的半導(dǎo)體器件的例子的俯視圖和截面圖；

圖7a至圖7c是示出本發(fā)明的一個方式的半導(dǎo)體器件的例子的俯視圖和截面圖；

圖8是示出包括本發(fā)明的一個方式的晶體管的液晶顯示器件的例子的電路圖；

圖9a及圖9b是示出包括本發(fā)明的一個方式的晶體管的半導(dǎo)體存儲器件的例子的電路圖及顯示電特性的圖；

圖10a及圖10b是示出包括本發(fā)明的一個方式的晶體管的半導(dǎo)體存儲器件的例子的電路圖及顯示電特性的圖；

圖11是示出包括本發(fā)明的一個方式的晶體管的半導(dǎo)體存儲器件的例子的電路圖；

圖12a至圖12c是各自示出本發(fā)明的一個方式的電子設(shè)備的例子的透視圖；

圖13a及圖13b顯示利用haadf-stem獲得的包括caac的氧化物膜的平面圖像及截面圖像；

圖14a及圖14b顯示利用haadf-stem獲得的不包括caac的氧化物膜的平面圖像及截面圖像；

圖15顯示原沉積狀態(tài)（as-depo）的包括caac的氧化物膜的xrd光譜；

圖16顯示熱處理之后的包括caac的氧化物膜的xrd光譜；

圖17顯示原沉積狀態(tài)（as-depo）的包括caac的氧化物膜的xrd光譜；

圖18顯示熱處理之后的包括caac的氧化物膜的xrd光譜；

圖19顯示原沉積狀態(tài)（as-depo）的包括caac的氧化物膜的xrd光譜；

圖20顯示熱處理之后的包括caac的氧化物膜的xrd光譜；

圖21是顯示晶體管的vg-id曲線的圖；

圖22a及圖22b是顯示+bt試驗(yàn)及-bt試驗(yàn)的結(jié)果的圖；

圖23a及圖23b是顯示當(dāng)以光照射晶體管時進(jìn)行+bt試驗(yàn)及-bt試驗(yàn)的結(jié)果的圖；

圖24是顯示多種應(yīng)力條件下的閾電壓vth（δvth）的漂移量的時間依賴性的圖；及

圖25a及圖25b是顯示負(fù)偏壓溫度應(yīng)力光劣化機(jī)理的示意圖。

具體實(shí)施方式

以下，參照附圖詳細(xì)地說明本發(fā)明的實(shí)施方式。然而，本發(fā)明并不限于以下說明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能容易了解文中所述的模式及細(xì)節(jié)可以以不同方式被修改，除非脫離本發(fā)明的精神及范疇。因此，本發(fā)明不應(yīng)該解釋為受限于實(shí)施方式的說明。在參照附圖說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)時，相同參考編號共同用于不同附圖的相同部分。注意，相同的填充圖案適于類似零件，且在一些情況下類似零件并未特別以參考編號表示。

在說明本發(fā)明之前，對本說明書中所用的術(shù)語進(jìn)行簡單說明。首先，當(dāng)晶體管的源極和漏極中的一方被稱為漏極時，另一方在本說明書中即被稱為源極。也就是說，它們不根據(jù)電平被區(qū)別。因此，在本說明書中被稱為源極的部分也可被稱為漏極。

注意，在許多情況下電壓表示規(guī)定電位與基準(zhǔn)電位（例如，接地電位）之間的電位差。因此，電壓、電位及電位差可分別表示電位、電壓及電壓差。

再者，即使在本說明書中使用術(shù)語“連接”，有實(shí)際電路中沒有物理連接且只是延伸配線的情況。

注意，本說明書中的序數(shù)如“第一”及“第二”是為了方便而使用且不表示步驟的順序或?qū)拥膶盈B順序。此外，本說明書中的序數(shù)不表示指定本發(fā)明的特定名稱。

實(shí)施方式1

在本實(shí)施方式中，將說明一種用于形成包括c-軸取向的晶體的氧化物膜的方法，當(dāng)從a-b平面、表面或界面的方向看時該晶體具有三角形或六角形原子排列。在該晶體中，金屬原子以層狀的方式排列，或金屬原子及氧原子以層狀的方式沿著該c-軸排列，且該a-軸或該b-軸的方向在該a-b平面（或該表面或該界面）中變化（該晶體繞著該c-軸旋轉(zhuǎn)）。此晶體也稱為c-軸取向晶體（caac）。

廣義來說，包括caac的氧化物是指一種非單晶氧化物材料，其包括當(dāng)從垂直于該a-b平面的方向看時具有三角形、六角形、正三角形或正六角形原子排列且其中當(dāng)從垂直于該c-軸方向看時金屬原子以層狀的方式排列或金屬原子及氧原子以層狀的方式排列的相。再者，該包括caac的氧化物膜可具有晶界，其是具有晶體不一定在該a-b平面方向取向的新穎結(jié)構(gòu)的膜。

caac不是單晶。此外，該包括caac的氧化物膜不僅由非晶組分構(gòu)成。盡管該包括caac的氧化物膜包括結(jié)晶化部分（結(jié)晶性部分），但是在一些情況下，介于一個結(jié)晶性部分和另一個結(jié)晶性部分之間的邊界并不清楚。

氮可取代該包括caac的氧化物膜中包括的部分氧。包括caac的個別結(jié)晶性部分的c-軸可取向特定方向（例如，垂直于襯底表面的方向，該襯底的上面形成包括caac的氧化物膜，或垂直于包括caac的氧化物膜表面的方向）。或者，包括caac的個別結(jié)晶性部分的a-b平面的法線可在一定方向（例如，垂直于襯底表面的方向，該襯底的上面形成包括caac的氧化物膜，或垂直于包括caac的氧化物膜表面的方向）取向。

該包括caac的氧化物膜根據(jù)其組成等而變成導(dǎo)體、半導(dǎo)體或絕緣體。該caac根據(jù)其組成等而傳導(dǎo)或不傳導(dǎo)可見光。

包括這種caac的氧化物的例子是形成膜狀且當(dāng)從垂直于該膜表面、支撐襯底的表面或界面的方向看時具有三角形或六角形原子排列的材料，且當(dāng)觀看該膜的截面時該材料中的金屬原子以層狀的方式排列或金屬原子及氧原子（或氮原子）以層狀的方式排列。

將參照圖1a至圖1d詳細(xì)地說明該caac。在圖1a至圖1d中，除非另行說明，否則垂直方向相當(dāng)于該c-軸方向且垂直于圖1a至圖1d中的平面的平面相當(dāng)于該a-b平面。當(dāng)只使用術(shù)語“上半部”及“下半部”時，其表示高于該a-b平面的上半部及低于該a-b平面的下半部（相對于該a-b平面的上半部及下半部）。

圖1a例示具有一個六配位金屬原子m_1及六個與該金屬原子m_1相鄰的四配位氧的結(jié)構(gòu)。僅例示一個金屬原子及與該金屬原子相鄰的氧原子的結(jié)構(gòu)在此稱為子單元。圖1a中的結(jié)構(gòu)實(shí)際上是八面體結(jié)構(gòu)，但是為了簡化例示為平面結(jié)構(gòu)。注意，三個八配位氧存在于圖1a中的上半部和下半部的每一個中。盡管典型地例示僅包括一個金屬原子的子單元，但是實(shí)際上多個子單元通過三配位氧或四配位氧鍵合而在平面方向延伸，由此形成金屬氧化物層。

圖1b例示具有一個五配位金屬原子m_2、三個與該金屬原子m_2相鄰的三配位氧及兩個與該金屬原子m_2相鄰的四配位氧的結(jié)構(gòu)。所有三配位氧原子均存在于該a-b平面上。一個四配位氧存在于圖1b的上半部和下半部的每一個中。

圖1c例示具有一個四配位金屬原子m_3及四個與該金屬原子m_3相鄰的四配位氧的結(jié)構(gòu)。在圖1c中，一個四配位氧存在于上半部中且三個四配位氧存在于下半部中。

配位數(shù)為4、5或6的金屬原子通過四配位氧與另一個金屬原子鍵合。具體地說，金屬原子通過四配位氧與另一個金屬原子鍵合，其數(shù)目總共為四個。例如，在上半部中該六配位金屬原子m_1通過三個四配位氧鍵合的情況下，其通過該五配位金屬原子m_2上半部中的四配位氧與該五配位金屬原子m_2鍵合，通過該五配位金屬原子m_2下半部中的四配位氧與該五配位金屬原子m_2鍵合，或通過該四配位金屬原子m_3上半部中的四配位氧與該四配位金屬原子m_3鍵合。

此外，子單元相互鍵合，以便該層結(jié)構(gòu)中的總電荷是0。

在此，用于構(gòu)成一個鍵的三配位氧的電荷及用于構(gòu)成一個鍵的四配位氧的電荷可分別假設(shè)為-0.667及-0.5。例如，（六配位或五配位）銦的電荷、（四配位）鋅的電荷、（五配位）鎵的電荷、（五配位或六配位）錫的電荷分別為+3、+2、+3及+4。因此，包括銦的子單元、包括鋅的子單元、包括鎵的子單元各自的電荷為0。因此，具有這種子單元組合的層結(jié)構(gòu)的總電荷總是0。另一方面，包括錫的子單元的電荷是+1。因此，為了形成包括錫的層結(jié)構(gòu)，需要抵消+1的-1的電荷。作為具有-1的電荷的結(jié)構(gòu)，可提供兩個包括鋅的子單元鍵合的結(jié)構(gòu)。例如，當(dāng)一個包括錫的子單元與一個有兩個包括鋅的子單元鍵合的結(jié)構(gòu)結(jié)合時，電荷抵消，由此該層結(jié)構(gòu)中的總電荷可為0。

圖1d例示in-sn-zn-o類層結(jié)構(gòu)。為了簡化，省略三配位氧，且作為四配位氧，只顯示四配位氧的數(shù)目。銦原子可具有五個配體或六個配體。當(dāng)形成圖1d所示的一個循環(huán)重復(fù)的結(jié)構(gòu)時，可獲得in-sn-zn-o類晶體（in2snzn3o8）。注意，該in-sn-zn-o類晶體的層結(jié)構(gòu)可表示成組成式，in2snzn2o7（zno）m（m是0或自然數(shù)）。此外，以類似方式，通過使用in-sn-ga-zn-o類材料、in-ga-zn-o類材料、in-si-zn-o類材料、in-al-zn-o類材料、sn-ga-zn-o類材料、al-ga-zn-o類材料、sn-al-zn-o類材料、in-zn-o類材料、sn-zn-o類材料、al-zn-o類材料、zn-mg-o類材料、sn-mg-o類材料、in-mg-o類材料、in-ga-o類材料、in-o類材料、sn-o類材料或zn-o類材料等，可獲得氧化物晶體。

接下來，說明一種用于形成包括caac的氧化物膜的方法。

首先，通過濺射法、分子束外延法、原子層沉積法或脈沖激光沉積法在襯底上形成第一氧化物膜。注意，通過在膜形成時加熱該襯底，可獲得結(jié)晶區(qū)域?qū)Ψ蔷^(qū)域的比例高的氧化物膜。例如，該襯底溫度高于或等于150℃且低于或等于450℃，優(yōu)選為高于或等于200℃且低于或等于350℃。

包括caac的氧化物膜的結(jié)晶化可通過提高該襯底溫度進(jìn)一步促進(jìn)。

接下來，可以對該襯底進(jìn)行第一熱處理。利用該第一熱處理，該氧化物膜中的結(jié)晶區(qū)域?qū)Ψ蔷^(qū)域的比例可進(jìn)一步被提高。該第一熱處理例如可以以高于或等于200℃且低于該襯底的應(yīng)變點(diǎn)的溫度進(jìn)行，優(yōu)選的是，以高于或等于250℃且低于或等于450℃的溫度進(jìn)行。該第一熱處理在氧化性氣氛、惰性氣氛或減壓氣氛中進(jìn)行，但是該氣氛并不限于此。處理時間是3分鐘至24小時。處理時間越長，該氧化物膜中的結(jié)晶區(qū)域?qū)Ψ蔷^(qū)域的比例越高。然而，比24小時更長的處理時間并不宜，因?yàn)闀档蜕a(chǎn)率。

該氧化性氣氛是含氧化性氣體的氣氛。該氧化性氣體是氧、臭氧或一氧化氮等，并且優(yōu)選為該氧化性氣體不含水及氫等。例如，被引進(jìn)熱處理設(shè)備的氧、臭氧或一氧化氮的純度高于或等于8n（99.999999％），優(yōu)選為高于或等于9n（99.9999999％），即，雜質(zhì)濃度低于或等于1ppm，優(yōu)選為低于0.1ppm。作為該氧化性氣氛，該氧化性氣體及惰性氣體可混合使用。在該情況下，該混合物含有濃度高于或等于10ppm的氧化性氣體。

再者，惰性氣氛表示含有惰性氣體（如氮或稀有氣體（例如，氦、氖、氬、氪或氙））作為主要組分的氣氛。具體地說，反應(yīng)性氣體如氧化性氣體的濃度低于10ppm。

作為該第一熱處理，可使用快速熱退火（rta）設(shè)備。通過使用該rta設(shè)備，該熱處理可以僅以短暫時間以高于或等于該襯底的應(yīng)變點(diǎn)的溫度進(jìn)行。因此，能縮短形成結(jié)晶區(qū)域?qū)Ψ蔷^(qū)域比例高的氧化物膜所需的時間。

再者，inmo3（zno）m（m大于0）所表示的材料可用作該氧化物。在此，m表示一種或多種選自ga、al、mn和co中的金屬元素。例如，m可為ga、ga和al、ga和mn或ga和co等。

具體地說，含有高于或等于5×10¹⁹原子/cm³，優(yōu)選為高于或等于1×10²⁰原子/cm³，且低于7at.％的濃度的氮的in-ga-zn-o類材料變成具有c-軸取向的六角形晶體結(jié)構(gòu)的氧化物，其包括一個在in-o晶面（含銦和氧的晶面）與另一個in-o晶面（含銦和氧的晶面）之間含有g(shù)a和zn的層。或者，在含具有以上范圍的氮的in-ga-zn-o類氧化物材料中，多個含ga和zn的層可被提供在該in-o晶面之間。

接下來，第二氧化物膜可形成在第一氧化物膜上面，由此可形成氧化物層疊體。該第二氧化物膜可通過與該第一氧化物膜相同的方法形成。

當(dāng)在該襯底被加熱的同時形成第二氧化物膜時，該第二氧化物膜可使用該第一氧化物膜作為種晶來結(jié)晶化。此時，使用同種元素構(gòu)成該第一氧化物膜和該第二氧化物膜稱為“均質(zhì)生長”?；蛘撸褂枚喾N元素構(gòu)成該第一氧化物膜和該第二氧化物膜稱為“異質(zhì)生長”，該第一氧化物膜和該第二氧化物膜之間至少一種元素不同。

注意，第二熱處理可在該第二氧化物膜形成之后進(jìn)行。該第二熱處理可以以類似于第一熱處理的方式進(jìn)行。通過該第二熱處理，可獲得結(jié)晶區(qū)域?qū)Ψ蔷^(qū)域的比例高的氧化物層疊體。再者，通過該第二熱處理，該第二氧化物膜可用該第一氧化物膜作為種晶來結(jié)晶化。同時，可造成由相同元素構(gòu)成的第一氧化物膜和第二氧化物膜的均質(zhì)生長。或者，可造成異質(zhì)生長，其中由多種元素構(gòu)成的第一氧化物膜和第二氧化物膜，該第一氧化物膜和該第二氧化物膜之間至少一種元素不同。

通過以上步驟，可形成包括caac的氧化物膜。

本實(shí)施方式可適當(dāng)?shù)嘏c其他實(shí)施方式結(jié)合實(shí)施。

實(shí)施方式2

在本實(shí)施方式中，將參照圖2a至圖2c說明包括實(shí)施方式1所述的包括caac的氧化物膜的晶體管的例子。

圖2a是晶體管的俯視圖。圖2b及圖2c例示沿著圖2a所示的虛點(diǎn)線a-b及虛點(diǎn)線c-d取得的截面a-b及截面c-d。

以下，詳細(xì)地說明圖2b的截面a-b。

該截面a-b是該晶體管的截面，該晶體管包括：襯底100、該襯底100上的柵電極104、覆蓋該襯底100和該柵電極104的柵極絕緣膜112、該柵電極104上且該柵極絕緣膜112位于其間的半導(dǎo)體膜106、一對在該半導(dǎo)體膜106上且部分與該半導(dǎo)體膜106接觸的電極116以及覆蓋該柵極絕緣膜112、該半導(dǎo)體膜106和該一對電極116的層間絕緣膜118。

該柵電極104可利用下列材料中的至少一者形成，以便具有單層結(jié)構(gòu)或疊層結(jié)構(gòu)：al、ti、cr、co、ni、cu、y、zr、mo、ag、ta和w中的一個；這些元素任一者的氮化物；這些元素任一者的氧化物；以及這些元素任一者的合金?；蛘?，該柵電極104可包括利用實(shí)施方式1所述的包括caac的氧化物膜所形成的導(dǎo)電膜（氧化物導(dǎo)電膜）。該氧化物導(dǎo)電膜的組成可控制功函數(shù)。

因?yàn)檠趸飳?dǎo)電膜具有比金屬膜高的電阻，在作為該柵電極104使用氧化物導(dǎo)電膜的情況下，為了降低該柵電極104的電阻，優(yōu)選使用該氧化物導(dǎo)電膜和低電阻膜的疊層結(jié)構(gòu)。該低電阻膜利用選自上述材料中的材料形成，以便薄層電阻低于或等于10ω/sq。注意，在該疊層結(jié)構(gòu)中，該氧化物導(dǎo)電膜形成在該柵極絕緣膜112一側(cè)。

注意，在圖2a的俯視圖中，該柵電極104的橫向長度和縱向長度比該半導(dǎo)體膜106大，以便在該半導(dǎo)體膜106中抑制由光導(dǎo)致的劣化和電荷的產(chǎn)生；然而，尺寸不限于此。該俯視圖的半導(dǎo)體膜106的橫向長度和縱向長度可能比該柵電極104大。

對于該襯底100并沒有特別限制，只要其至少具有為了承受后面進(jìn)行的熱處理充分高的耐熱性。例如，可使用玻璃襯底、陶瓷襯底、石英襯底或藍(lán)寶石襯底作為該襯底100?；蛘?，可使用由硅或碳化硅等制造的單晶半導(dǎo)體襯底或多晶半導(dǎo)體襯底、由硅鍺等制造的化合物半導(dǎo)體襯底等、soi（絕緣體上硅）襯底等。又或者，可使用設(shè)置有半導(dǎo)體元件的這些襯底的任一個作為該襯底100。

或者可使用柔性襯底作為該襯底100。在該情況下，直接在該柔性襯底上形成晶體管。注意，作為在該柔性襯底上設(shè)置晶體管的方法，還有一種方法，其中，使用非柔性襯底作為該襯底100，將該晶體管形成在上面，然后分開該晶體管并轉(zhuǎn)置在柔性襯底。在該情況下，優(yōu)選在該襯底100和該晶體管之間設(shè)置分離層。

作為該半導(dǎo)體膜106，可使用硅膜、鍺膜、硅鍺膜、碳化硅膜、氮化鎵膜或利用實(shí)施方式1所述的包括caac的氧化物膜所形成的半導(dǎo)體膜（氧化物半導(dǎo)體膜）。因?yàn)樵撗趸锇雽?dǎo)體膜可以容易形成并具有高場效應(yīng)遷移率而不用激光處理等，所以優(yōu)選用作該半導(dǎo)體膜106的材料。此外，可獲得該氧化物半導(dǎo)體膜及與該氧化物半導(dǎo)體膜接觸的柵極絕緣膜之間的界面處的界面能級（interfacelevel）低的晶體管。

該柵極絕緣膜112及該層間絕緣膜118例如可使用氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化鋁、氧化鉿、氧化釔或氧化鋯等形成以具有疊層結(jié)構(gòu)或單層結(jié)構(gòu)。例如，該柵極絕緣膜112及該層間絕緣膜118可通過熱氧化方法、cvd方法或?yàn)R射法等形成。作為該柵極絕緣膜112及該層間絕緣膜118的每一個，可使用通過加熱釋出氧的膜。通過使用這樣通過加熱釋出氧的膜，可修復(fù)該半導(dǎo)體膜106中產(chǎn)生的缺陷并可抑制該晶體管的電特性的劣化。

在本說明書中，氧氮化硅表示含有比氮多的氧的物質(zhì)，例如，氧氮化硅以分別高于或等于50原子％且低于或等于70原子％、高于或等于0.5原子％且低于或等于15原子％、高于或等于25原子％且低于或等于35原子％及高于或等于0原子％且低于或等于10原子％的濃度包含氧、氮、硅及氫。再者，氮氧化硅表示含有比氧多的氮的物質(zhì)并以分別高于或等于5原子％且低于或等于30原子％、高于或等于20原子％且低于或等于55原子％、高于或等于25原子％且低于或等于35原子％及高于或等于10原子％且低于或等于25原子％的濃度包含氧、氮、硅及氫。注意，以上范圍是使用盧瑟福（rutherford）背向散射光譜法（rbs）及氫正向散射光譜法（hfs）進(jìn)行測量的情況的范圍。此外，構(gòu)成元素的百分比總和不超過100原子％。

在該一對電極116的材料擴(kuò)散到該半導(dǎo)體膜106并負(fù)面影響該晶體管特性的情況下，該柵極絕緣膜112及該層間絕緣膜118各自可為使該一對電極116的材料不會容易經(jīng)過其擴(kuò)散的絕緣膜。該層間絕緣膜118用作該半導(dǎo)體膜106的保護(hù)膜。

通過加熱釋出氧是指被轉(zhuǎn)化成氧原子的釋氧量在熱脫附光譜法（tds）中高于或等于1×10¹⁸原子/cm³，優(yōu)選為高于或等于3×10²⁰原子/cm³。

在此，現(xiàn)在將說明利用tds分析以氧原子為基礎(chǔ)測量釋氧量的方法。

tds分析中的釋出氣體量與光譜積分值成正比。因此，釋出氣體量可從光譜實(shí)測積分值與標(biāo)準(zhǔn)樣品參考值之間的比例求得。該標(biāo)準(zhǔn)樣品參考值表示樣品所含的規(guī)定原子密度對光譜積分值的比。

例如，從絕緣膜釋出的氧分子數(shù)目（no2）可根據(jù)數(shù)值表達(dá)式1利用作為標(biāo)準(zhǔn)樣品的含規(guī)定密度的氫的硅晶圓的tds分析結(jié)果及絕緣膜之tds分析結(jié)果求得。在此，假設(shè)tds分析所得的質(zhì)量數(shù)32的所有光譜均源于氧分子。作為質(zhì)量數(shù)為32的氣體給出的ch3oh沒納入考慮，假設(shè)其不可能存在。再者，包括氧原子同位素的質(zhì)量數(shù)17或18的氧原子的氧分子也沒納入考慮，因?yàn)榇朔肿釉谧匀唤绲谋壤⒑跗湮ⅰ?/p>

no2=nh2/sh2×so2×α（數(shù)值表達(dá)式1）

nh2是通過將從標(biāo)準(zhǔn)樣品所脫附的氫分子數(shù)目換算成密度所得的值。sh2是對該標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行tds分析時的光譜積分值。在此，將該標(biāo)準(zhǔn)樣品的參考值設(shè)定為nh2/sh2。so2是對該絕緣膜進(jìn)行tds分析時的光譜積分值。α是影響該tds分析中的光譜強(qiáng)度的系數(shù)。數(shù)值表達(dá)式1的細(xì)節(jié)參照日本專利申請公開h6-275697號。注意，從上述絕緣膜釋出的氧量使用esco有限公司制造的熱脫附光譜設(shè)備，emd-wa1000s/w，且使用含1×10¹⁶原子/cm³的氫的硅晶圓作為標(biāo)準(zhǔn)樣品測得。

再者，在該tds分析中，檢測到部分氧作為氧原子。氧分子和氧原子之間的比例可由氧分子的電離率求出。注意，因?yàn)樯鲜靓涟ㄑ醴肿拥碾婋x率，所以氧原子釋出數(shù)目也可通過氧分子釋出數(shù)目的估計(jì)推斷。

注意，no2是氧分子釋出數(shù)目。以氧原子為基準(zhǔn)的釋氧量是氧分子釋出數(shù)目的兩倍。

在上述結(jié)構(gòu)中，通過加熱釋出氧的膜可為氧過量的氧化硅（siox（x＞2））。在該氧過量的氧化硅（siox（x＞2））中，每單位體積的氧原子數(shù)大于每單位體積的硅原子數(shù)的兩倍。每單位體積的硅原子數(shù)和氧原子數(shù)通過盧瑟福背向散射光譜法測量。

通過從該柵極絕緣膜112或該層間絕緣膜118供應(yīng)氧至作為氧化物半導(dǎo)體膜的半導(dǎo)體膜106，會使該半導(dǎo)體膜106和該柵極絕緣膜112之間的界面態(tài)密度或該半導(dǎo)體膜106和該層間絕緣膜118之間的界面態(tài)密度降低。其結(jié)果，會抑制在該半導(dǎo)體膜106和該柵極絕緣膜112之間的界面處或該半導(dǎo)體膜106和該層間絕緣膜118之間的界面處的載流子俘獲，并因此可獲得電特性劣化較少的晶體管。

再者，在一些情況下由于該氧化物半導(dǎo)體膜中的氧空位產(chǎn)生電荷。一般來說，氧化物半導(dǎo)體膜中的部分氧空位用作施主并造成作為載流子的電子釋出。其結(jié)果，晶體管的閾電壓往負(fù)向漂移。氧從該柵極絕緣膜112或該層間絕緣膜118充分供應(yīng)至作為氧化物半導(dǎo)體膜的半導(dǎo)體膜106，由此會使造成該閾電壓負(fù)向漂移的氧化物半導(dǎo)體膜中的氧空位密度降低。

換句話說，以通過加熱釋出氧的膜用于該柵極絕緣膜112或該層間絕緣膜118，會使該半導(dǎo)體膜106和該柵極絕緣膜112之間的界面處的界面態(tài)密度或該半導(dǎo)體膜106和該層間絕緣膜118之間的界面處的界面態(tài)密度及作為氧化物半導(dǎo)體膜的半導(dǎo)體膜106中的氧空位密度降低。因此，會使在作為氧化物半導(dǎo)體膜的半導(dǎo)體膜106和該柵極絕緣膜112之間的界面處或該半導(dǎo)體膜106和該層間絕緣膜118之間的界面處的載流子俘獲的影響降低。

該一對電極116可適當(dāng)?shù)厥褂米鳛樵摉烹姌O104的材料給出的金屬、金屬氮化物、金屬氧化物或合金等形成。

當(dāng)將包含銅（cu）的膜用于該一對電極116時，會使配線電阻降低，即使是在大型顯示器件中也會使配線延遲等的產(chǎn)生減少。在作為該一對電極116使用銅的情況下，對于該襯底100的粘附力根據(jù)該襯底100的材料降低；因此，優(yōu)選的是，該一對電極116具有一種疊層結(jié)構(gòu)，其包括對該襯底100具有高粘附力的膜。作為對該襯底100具有高粘附力的膜，可使用含ti、mo、mn或al等的膜。例如，可使用cu-mn-al合金。

利用上述的結(jié)構(gòu)，可獲得閾電壓受控制且電特性優(yōu)良的晶體管。因此，可以以高生產(chǎn)率制造具有低功耗、良好的電特性及高可靠性的半導(dǎo)體器件。

本實(shí)施方式可適當(dāng)?shù)嘏c其他實(shí)施方式結(jié)合實(shí)施。

實(shí)施方式3

在本實(shí)施方式中，說明具有與實(shí)施方式2所述的晶體管不同結(jié)構(gòu)的晶體管。

圖3a至圖3c是本發(fā)明的一個方式的晶體管的俯視圖和截面圖。圖3b及圖3c例示沿著圖3a的虛點(diǎn)線a-b及虛點(diǎn)線c-d取得的截面a-b及截面c-d。

以下，詳細(xì)地說明圖3b的截面a-b。

該截面a-b是該晶體管的截面，該晶體管包括：襯底100、該襯底100上的柵電極104、覆蓋該襯底100和該柵電極104的柵極絕緣膜112、該柵極絕緣膜112上的該一對電極116、該柵電極104上的具有該柵極絕緣膜112位于其間且部分與該一對電極116接觸的半導(dǎo)體膜106以及覆蓋該柵極絕緣膜112和該一對電極116和該半導(dǎo)體膜106的層間絕緣膜118。

本實(shí)施方式中的柵電極104及半導(dǎo)體膜106具有與實(shí)施方式2中的柵電極104及半導(dǎo)體膜106類似的結(jié)構(gòu)。通過利用實(shí)施方式1所述的包括caac的氧化物膜的柵電極，控制該功函數(shù)，且可控制該晶體管的閾電壓。此外，通過利用實(shí)施方式1所述的氧化物半導(dǎo)體膜作為該半導(dǎo)體膜106，可獲得介于該氧化物半導(dǎo)體膜和與該氧化物半導(dǎo)體膜接觸的柵極絕緣膜之間的界面處的界面態(tài)密度低的晶體管。

圖4a至圖4c是本發(fā)明的一個方式的晶體管的俯視圖和截面圖。圖4b及圖4c例示沿著圖4a所示的虛點(diǎn)線a-b及虛點(diǎn)線c-d取得的截面a-b及截面c-d。

以下，詳細(xì)地說明圖4b的截面a-b。

該截面a-b是該晶體管的截面，該晶體管包括：襯底100、該襯底100上的基底絕緣膜102、該基底絕緣膜102上的半導(dǎo)體膜106、該半導(dǎo)體膜106上且部分與該半導(dǎo)體膜106接觸的該一對電極116、覆蓋該半導(dǎo)體膜106和該一對電極116的柵極絕緣膜112以及該半導(dǎo)體膜106上且該柵極絕緣膜112位于其間的柵電極104。

該基底絕緣膜102可具有與該柵極絕緣膜112及該層間絕緣膜118類似的結(jié)構(gòu)。

圖5a至圖5c是本發(fā)明的一個方式的晶體管的俯視圖和截面圖。圖5b及圖5c例示沿著圖5a所示的虛點(diǎn)線a-b及虛點(diǎn)線c-d取得的截面a-b及截面c-d。

以下，詳細(xì)地說明圖5b的截面a-b。

該截面a-b是該晶體管的截面，該晶體管包括：襯底100、該襯底100上的基底絕緣膜102、該基底絕緣膜102上的該一對電極116、該一對電極116上且部分與該一對電極116接觸的半導(dǎo)體膜106、覆蓋該半導(dǎo)體膜106和該一對電極116的柵極絕緣膜112以及該半導(dǎo)體膜106上且該柵極絕緣膜112位于其間的柵電極104。

注意，在圖3a、圖4a及圖5a的每一個中，該柵電極104的橫向長度及縱向長度比該半導(dǎo)體膜106大，以便在該半導(dǎo)體膜106中抑制由光導(dǎo)致的劣化和電荷的產(chǎn)生；然而，尺寸不限于此。該俯視圖的半導(dǎo)體膜106的橫向長度和縱向長度可能比該柵電極104大。

圖6a至圖6c是本發(fā)明的一個方式的晶體管之俯視圖和截面圖。圖6b及圖6c例示沿著圖6a所示的虛點(diǎn)線a-b及虛點(diǎn)線c-d取得的截面a-b及截面c-d。

以下，詳細(xì)地說明圖6b的截面a-b。

該截面a-b是該晶體管的截面，該晶體管包括：襯底100、該襯底100上的基底絕緣膜102、該基底絕緣膜102上的具有區(qū)域126和區(qū)域121的半導(dǎo)體膜、該區(qū)域121上的柵極絕緣膜112、該柵極絕緣膜112上的柵電極104、覆蓋該基底絕緣膜102、該區(qū)域126、該柵極絕緣膜112和該柵電極104的層間絕緣膜118以及通過形成在該層間絕緣膜118中的使該區(qū)域126露出的開口部分與該區(qū)域126接觸的該一對電極116。

該柵極絕緣膜112和該柵電極104可具有從上表面看的實(shí)質(zhì)相同的形狀。該形狀可通過使用一個掩模同時處理該柵電極104和該柵極絕緣膜112獲得。注意，在形成該柵電極104和該柵極絕緣膜112之后，該柵電極104的寬度可通過進(jìn)行等離子體處理或化學(xué)處理而變窄。

當(dāng)從上表面看時，該區(qū)域121可具有與該柵極絕緣膜112或該柵電極104實(shí)質(zhì)相同的形狀。該形狀通過使用該柵極絕緣膜112或該柵電極104作為掩模形成該半導(dǎo)體膜的區(qū)域126獲得。例如，通過使用該柵極絕緣膜112或該柵電極104作為掩模，將雜質(zhì)（如硼、磷、氫、稀有氣體或氮）引入到該半導(dǎo)體膜，以便形成電阻降低的區(qū)域。由此形成的區(qū)域可為該區(qū)域126。注意，該區(qū)域121是沒有形成該區(qū)域126的半導(dǎo)體膜中的區(qū)域。

該區(qū)域121用作該晶體管的溝道區(qū)。再者，該區(qū)域126用作該晶體管的源區(qū)和漏區(qū)。

圖7a至圖7c是本發(fā)明的一個方式的晶體管的俯視圖和截面圖。圖7b及圖7c例示沿著圖7a的虛點(diǎn)線a-b及虛點(diǎn)線c-d取得的截面a-b及截面c-d。

以下，詳細(xì)地說明圖7b的截面a-b。

該截面a-b是該晶體管的截面，該晶體管包括：襯底100、該襯底100上的柵電極104、該柵電極104上的柵極絕緣膜112、該柵電極104上的具有區(qū)域126和區(qū)域121且該柵極絕緣膜112位于其間的半導(dǎo)體膜、覆蓋該半導(dǎo)體膜和該柵極絕緣膜112的層間絕緣膜118以及通過形成在該層間絕緣膜118中的使該區(qū)域126露出的開口部分與該區(qū)域126接觸的該一對電極116。

在圖7a至圖7c中，該柵極絕緣膜112和該柵電極104及該區(qū)域121具有從上表面看的實(shí)質(zhì)相同的形狀；然而，其不限于此。該柵極絕緣膜112和該柵電極104及該區(qū)域121可具有彼此不同的形狀。

利用上述結(jié)構(gòu)，可獲得閾電壓受控制且電特性優(yōu)良的晶體管。因此，可以以高生產(chǎn)率制造具有低功耗、良好的電特性及高可靠性的半導(dǎo)體器件。

本實(shí)施方式可適當(dāng)?shù)嘏c其他實(shí)施方式結(jié)合實(shí)施。

實(shí)施方式4

在本實(shí)施方式中，將說明使用實(shí)施方式2或?qū)嵤┓绞?所述的晶體管所制造的液晶顯示器件。注意，盡管在本實(shí)施方式中說明將本發(fā)明的一個方式應(yīng)用于該液晶顯示器件的例子，但是應(yīng)用不限于此。例如，本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易構(gòu)思將本發(fā)明的一個方式應(yīng)用于場致發(fā)光（el）顯示器件。

圖8是有源矩陣液晶顯示器件的電路圖。該液晶顯示器件包括源極線sl_1至sl_a、柵極線gl_1至gl_b及多個像素200。每個像素200包括晶體管230、電容器220及液晶元件210。該液晶顯示器件中的像素部分通過排列這種多個像素200構(gòu)成。在僅提及該源極線或該柵極線的情況下，將其表示為該源極線sl或該柵極線gl。

作為該晶體管230，使用實(shí)施方式2或?qū)嵤┓绞?所述的晶體管。通過使用本發(fā)明的一個方式的晶體管，可獲得具有低功耗、良好的電特性及高可靠性的顯示器件。

該柵極線gl連接到該晶體管230的柵極，該源極線sl連接到該晶體管230的源極，且該晶體管230的漏極連接到該電容器220的電容器電極之一及該液晶元件210的像素電極之一。該電容器220之另一個電容器電極及該液晶元件210之另一個像素電極連接到共同電極。注意，該共同電極可使用與該柵極線gl相同的材料形成并形成在與該柵極線gl相同的層中。

再者，該柵極線gl連接到柵極驅(qū)動電路。該柵極驅(qū)動電路可包括實(shí)施方式2或?qū)嵤┓绞?所述的晶體管。因?yàn)樵摼w管的閾電壓受到控制，所以關(guān)態(tài)電流（off-statecurrent）會降低，且用于開啟該晶體管的電壓可為低的。因此，能減少功耗。

該源極線sl連接到源極驅(qū)動電路。該源極驅(qū)動電路可包括實(shí)施方式2或?qū)嵤┓绞?所述的晶體管。因?yàn)樵摼w管的閾電壓受到控制，所以關(guān)態(tài)電流會降低，且用于開啟該晶體管的電壓可為低的。因此，能減少功耗。

該柵極驅(qū)動電路及該源極驅(qū)動電路中的一方或雙方可形成在另行準(zhǔn)備的襯底上，并可使用連接方法如玻璃上芯片（cog）法、引線鍵合法或膠帶自動接合（tab）法。

因?yàn)樵摼w管易被靜電等破壞，所以優(yōu)選裝設(shè)保護(hù)電路。該保護(hù)電路優(yōu)選使用非線性元件形成。

當(dāng)一電位施于該柵極線gl而高于或等于該晶體管230的閾電壓時，從該源極線sl所供應(yīng)的電荷流出作為該晶體管230的漏電流并存儲在該電容器220中。在對一個列進(jìn)行充電之后，關(guān)閉該列中的晶體管230，且該源極線sl沒有供應(yīng)電壓。然而，必需的電壓可通過存儲在該電容器220中的電荷保持。接著，對下個列中的電容器220進(jìn)行充電。以此方式，進(jìn)行第一個列至第a個列的充電。

因?yàn)樵摼w管230的閾電壓受到控制，所以存儲在該電容器220中的電荷幾乎不可能放電，且會降低該電容器220的電容量，所以能降低充電所需的功耗。

再者，在關(guān)態(tài)電流小的晶體管（如包括氧化物半導(dǎo)體膜的晶體管）作為該晶體管230的情況下，可使保持電壓的時期變長。通過此效應(yīng)，在圖像動作小（包括靜止圖像）的情況下能降低重寫顯示的頻率；因此，可實(shí)現(xiàn)功耗的進(jìn)一步降低。此外，可進(jìn)一步降低該電容器220的電容量，所以會減少充電所需的功耗。

如上所述，根據(jù)本發(fā)明的一個方式，可獲得具有高可靠性及低功耗的液晶顯示器件。

本實(shí)施方式可適當(dāng)?shù)嘏c其他實(shí)施方式結(jié)合實(shí)施。

實(shí)施方式5

在本實(shí)施方式中，將說明使用實(shí)施方式2或?qū)嵤┓绞?所述的晶體管制造半導(dǎo)體存儲器件的例子。

易失性半導(dǎo)體存儲器件的典型例子包括動態(tài)隨機(jī)存取存儲器（dram），其通過選擇包括在存儲器元件中的晶體管并將電荷存儲在電容器中來存儲數(shù)據(jù)；以及靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器（sram），其使用電路如觸發(fā)器（flip-flop）保持所存儲的數(shù)據(jù)。

非易失性半導(dǎo)體存儲器件的典型例子包括閃存，其具有介于晶體管的柵電極和溝道形成區(qū)之間的浮置柵極并通過在該浮置柵極中保持電荷來存儲數(shù)據(jù)。

實(shí)施方式2或?qū)嵤┓绞?所述的晶體管可應(yīng)用于上述半導(dǎo)體存儲器件所包括的某些晶體管。

首先，參照圖9a和圖9b說明應(yīng)用實(shí)施方式2或?qū)嵤┓绞?所述的晶體管的易失性存儲器。

存儲單元（memorycell）包括位線bl、字線wl、讀出放大器samp、晶體管tr及電容器c（參照圖9a）。

已知由于如圖9b所示的晶體管tr的關(guān)態(tài)電流使該電容器c所保持的電壓隨時間逐漸降低。經(jīng)過一定時期之后，原先從v0充電至v1的電壓降至va，va是讀取數(shù)據(jù)1的極限。此期間稱為保持期間t_1。在兩級存儲單元的情況下，在該保持期間t_1內(nèi)必須進(jìn)行刷新操作。

當(dāng)采用實(shí)施方式2或?qū)嵤┓绞?所述的晶體管作為該晶體管tr時，該保持期間t_1可變得更長，因?yàn)樵摼w管的閾電壓受到控制。也就是說，刷新操作的頻率會降低，由此實(shí)現(xiàn)功耗的減少。

當(dāng)使用關(guān)態(tài)電流小的晶體管作為該晶體管tr時，保持電壓的時期可再延長，使得可進(jìn)一步降低功耗。例如，當(dāng)使用包括高純度氧化物半導(dǎo)體膜且該關(guān)態(tài)電流小于或等于1×10^-21a，優(yōu)選為小于或等于1×10^-24a的晶體管形成dram時，數(shù)據(jù)可保持幾天至幾十年而不需供應(yīng)電力。

如上所述，根據(jù)本發(fā)明的一個方式，可獲得具有高可靠性和低功耗的易失性存儲器。

接下來，參照圖10a和圖10b說明應(yīng)用實(shí)施方式2或?qū)嵤┓绞?所述的晶體管的非易失性存儲器。

圖10a是非易失性存儲器的電路圖。該非易失性存儲器包括晶體管tr_1、連接到該晶體管tr_1的柵極的字線wl_1、連接到該晶體管tr_1的源極的源極配線sl_1、晶體管tr_2、連接到該晶體管tr_2的源極的源極配線sl_2、連接到該晶體管tr_2的漏極的漏極配線dl_2、電容器c、連接到該電容器c之一端的電容器配線cl以及連接到該電容器c之另一端、該晶體管tr_1的漏極及該晶體管tr_2的柵極的浮置柵極fg。

本實(shí)施方式所述的非易失性存儲器利用該晶體管tr_2的閾電壓變化，其取決于該浮置柵極fg的電位。例如，圖10b是顯示流過該晶體管tr_2的漏電流id_2和該電容器配線cl的電壓vcl之間的關(guān)系的圖。

該浮置柵極fg可通過該晶體管tr_1來控制電壓。例如，將該源極配線sl_1的電位設(shè)定為vdd。在此情況下，當(dāng)該字線wl_1的電位設(shè)定為高于或等于將vdd加于該晶體管tr_1的閾電壓vth所得的電位時，該浮置柵極fg的電位可為high。再者，當(dāng)該字線wl_1的電位設(shè)定為低于或等于該晶體管tr_1的閾電壓vth時，該浮置柵極fg的電位可為low。

因此，可得到vcl-id_2曲線（fg=low）或vcl-id_2曲線（fg=high）。在fg=low的情況下，當(dāng)vcl為0v時該漏電流id_2是小的，所以得到數(shù)據(jù)0。在fg=high的情況下，當(dāng)vcl為0v時該漏電流id_2是大的，所以得到數(shù)據(jù)1。以此方式，可以將數(shù)據(jù)存儲起來。

當(dāng)采用實(shí)施方式2或?qū)嵤┓绞?所述的晶體管作為該晶體管tr_1時，該晶體管的關(guān)態(tài)電流會降低非常多；因此，可抑制該晶體管tr_1的源極和漏極之間的浮置柵極fg所存儲的電荷的不希望的泄漏。其結(jié)果，可長時間保持?jǐn)?shù)據(jù)。再者，因?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明的一個方式該晶體管tr_1的閾電壓受到控制，所以會使寫入所需的電壓降低，并且因此功耗可低于該閃存等。

注意，實(shí)施方式2或?qū)嵤┓绞?所述的晶體管可應(yīng)用于該晶體管tr_2。

接下來，參照圖11說明沒有電容器的圖10a所示的非易失性存儲器的結(jié)構(gòu)。

圖11是非易失性存儲器的電路圖。該非易失性存儲器包括晶體管tr_1、連接到該晶體管tr_1的柵極的字線wl_1、連接到該晶體管tr_1的源極的源極配線sl_1、晶體管tr_2、連接到該晶體管tr_2的源極的源極配線sl_2及連接到該晶體管tr_2的漏極的漏極配線dl_2。該晶體管tr_2的柵極連接到該晶體管tr_1的漏極。

在使用關(guān)態(tài)電流小的晶體管作為該晶體管tr_1的情況下，電荷可保持在該晶體管tr_1的漏極和該晶體管tr_2的柵極之間而不需該電容器。沒有電容器的結(jié)構(gòu)可降低存儲器的面積，且集成度會比有電容器的結(jié)構(gòu)又更高。

盡管本實(shí)施方式說明包括4或5條配線的非易失性存儲器，但是該非易失性存儲器的結(jié)構(gòu)不限于此。例如，可使用1條配線用作該源極配線sl_1及漏極配線dl_2的結(jié)構(gòu)。

如上所述，根據(jù)本發(fā)明的一個方式，可獲得具有高可靠性和低功耗的半導(dǎo)體存儲器。

本實(shí)施方式可適當(dāng)?shù)嘏c其他實(shí)施方式結(jié)合實(shí)施。

實(shí)施方式6

在本實(shí)施方式中，將說明應(yīng)用實(shí)施方式2或?qū)嵤┓绞?的電子設(shè)備的例子。

圖12a例示便攜式信息終端機(jī)，其包括殼體300、按鈕301、麥克風(fēng)302、顯示部分303、揚(yáng)聲器304及攝影鏡頭305，并具有移動電話的功能。本發(fā)明的一個方式可應(yīng)用于該顯示部分303及該攝影鏡頭305。盡管沒例示，但是本發(fā)明的一個方式也可應(yīng)用于主體內(nèi)的算術(shù)單元、無線電路或存儲器件。

圖12b例示包括殼體310及顯示部分311的顯示器。本發(fā)明的一個方式可應(yīng)用于該顯示部分311。當(dāng)采用本發(fā)明的一個方式時，即使是在該顯示部分311尺寸加大的情況也可提供具有高顯示品質(zhì)的顯示器。

圖12c例示包括殼體320、按鈕321、麥克風(fēng)322及顯示部分323的數(shù)字靜態(tài)相機(jī)。本發(fā)明的一個方式可應(yīng)用于該顯示部分323。盡管沒例示，但是本發(fā)明的一個方式也可應(yīng)用于存儲器件或圖像傳感器。

當(dāng)采用本發(fā)明的一個方式時，能降低電子設(shè)備的成本。再者，可獲得具有高顯示品質(zhì)的顯示器件。

本實(shí)施方式可適當(dāng)?shù)嘏c其他實(shí)施方式結(jié)合實(shí)施。

實(shí)施例1

圖13a及圖13b顯示包括caac的氧化物的平面圖像和截面圖像，其以高角度環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡（haadf-stem）獲得。圖14a和圖14b顯示非晶形氧化物的平面圖像和截面圖像，其利用haadf-stem獲得。

樣品1和樣品2是各自通過dc濺射法形成在石英襯底上的in-ga-zn-o類氧化物膜。其他沉積條件如下：0.5kw的功率；0.4pa的沉積壓力；包含ar（35sccm）和o2（15sccm）的沉積氣體；以及靶和襯底之間的60mm距離。作為靶，使用in-ga-zn-o（in2o3：ga2o3：zno=1：1：2[摩爾比]）靶。注意，厚度是100nm。

在此，在樣品1的情況下，襯底溫度是400℃，且在樣品2的情況下，襯底溫度是室溫。在膜形成之后沒進(jìn)行熱處理。

從圖13a的顯示區(qū)域1001和區(qū)域1002的平面圖像來看，原子排列成從該a-b平面、上表面或界面的方向看時具有三角形或六角形形狀。再者，從圖13b的截面圖像，金屬原子以箭頭所示的方向排列。換句話說，金屬原子或金屬原子和氧原子以層狀的方式依c-軸方向排列。其結(jié)果，發(fā)現(xiàn)樣品1是包括caac的氧化物膜。

從圖14a的平面圖像來看，從上表面或界面的方向觀察不到三角形或六角形形狀的原子排列。再者，從圖14b的截面圖像，金屬原子或金屬原子和氧原子沒以層狀的方式排列。其結(jié)果，發(fā)現(xiàn)樣品2不是包括caac的氧化物膜。

如上所述，可獲得包括caac的氧化物膜。

實(shí)施例2

在本例子中，將說明通過x-射線衍射（xrd）方法估測包括caac的氧化物膜的晶態(tài)的例子。

樣品3和樣品4是各自通過dc濺射法形成在石英襯底上的in-ga-zn-o類氧化物膜。其他沉積條件如下：0.5kw的功率；0.4pa的沉積壓力；靶和襯底之間的60mm距離；以及400℃的襯底溫度。作為靶，使用in-ga-zn-o（in2o3：ga2o3：zno=1：1：2[摩爾比]）靶。注意，厚度是300nm。

樣品3的沉積氣體是o2（40sccm），且樣品4的沉積氣體是n2（40sccm）。

圖15和圖16各自顯示通過面外（out-of-plane）方法所得的xrd光譜。圖15顯示沉積之后（as-depo）的xrd光譜，且圖16顯示在n2氣氛中以450℃熱處理1小時之后的xrd光譜，該熱處理在沉積之后進(jìn)行。在此，實(shí)線1101和實(shí)線1103各自表示樣品3的xrd光譜，且實(shí)線1102和實(shí)線1104各自表示樣品4的xrd光譜。

從圖15和圖16來看，在兩種條件下形成的樣品各自具有對應(yīng)于（009）面的位置的峰，其是指在c-軸方向存在強(qiáng)取向（alignment）。因此，發(fā)現(xiàn)樣品3和樣品4具有c-軸取向。特別是，樣品4具有對應(yīng)于（009）面的位置的高峰強(qiáng)度。再者，在樣品3中，該對應(yīng)于（009）面的峰位置漂移至較小角度一側(cè)。

圖17和圖18各自顯示通過面內(nèi)（in-plane）方法所得的xrd光譜。圖17顯示沉積之后（as-depo）的xrd光譜，且圖18顯示在n2氣氛中以450℃熱處理1小時之后的xrd光譜，該熱處理在沉積之后進(jìn)行。在此，實(shí)線1111和實(shí)線1113各自表示樣品3的xrd光譜，且實(shí)線1112和實(shí)線1114各自表示樣品4的xrd光譜。

從圖17和圖18來看，在兩種條件下形成的樣品各自具有對應(yīng)于（009）面的位置的峰，其是指在c-軸方向存在強(qiáng)取向（alignment）。此外，也發(fā)現(xiàn)對應(yīng)于（110）面的位置的峰及對應(yīng)于（119）面的位置的峰。

圖19和圖20各自顯示在光學(xué)系統(tǒng)固定于通過面內(nèi)方法所得的對應(yīng)于該（110）面的峰位置（2θ）且該樣品繞著作為軸的樣品表面上的法線旋轉(zhuǎn)的條件下測量的xrd光譜。在此，實(shí)線1121及實(shí)線1123各自表示樣品3的xrd光譜，且實(shí)線1122及實(shí)線1124各自表示樣品4的xrd光譜。

從圖19和圖20來看，在兩種條件下形成的樣品都沒有峰。

根據(jù)圖15、圖16、圖17、圖18、圖19及圖20，發(fā)現(xiàn)測量樣品具有caac的特性，其并非單晶且具有與多晶不同的性質(zhì)。注意，盡管在本例子中說明in-ga-zn-o類氧化物膜，但是材料并沒特別限于此。在in-sn-zn-o類氧化物膜的情況下，可獲得包括caac的氧化物膜。

實(shí)施例3

使用包括caac的in-ga-zn-o類氧化物膜（具有35nm的厚度）在玻璃襯底（600mm×720mm）上制造晶體管，并在圖21中顯示其初始特性。制得的晶體管是具有圖2a至圖2c例示的結(jié)構(gòu)的底柵晶體管，其中溝道長度l是3μm且溝道寬度w是50μm。再者，該晶體管的柵極絕緣膜的厚度是100nm。

圖21顯示通過該襯底的20點(diǎn)處的測量所得的vg-id曲線（其中，vd=1v，以及vd=10v）上的數(shù)據(jù)。實(shí)質(zhì)相同的值被繪出且重迭在一起，其意味著使用包括caac的in-ga-zn-o類氧化物膜所形成的晶體管具有良好的一致性。在圖21中，上側(cè)的vg-id曲線顯示當(dāng)vd=10v時所得的數(shù)據(jù)，而下側(cè)的vg-id曲線顯示當(dāng)vd=1v時所得的數(shù)據(jù)。

該晶體管測得的閾電壓vth的平均值是1.34v，且該晶體管測得的場效應(yīng)遷移率平均值是10.7cm²/vs。注意，該閾電壓vth是通過使用該vg-id曲線（vd=10v）的id的平方根所示的曲線（以下，該曲線也稱為曲線）求得的值。

為了估測該晶體管的可靠性，在5英寸的襯底上新制造包括caac的in-ga-zn-o類氧化物膜（具有35nm的厚度）的多個晶體管，并進(jìn)行bt試驗(yàn)。制得的晶體管各自為具有圖2a至圖2c所例示的結(jié)構(gòu)的底柵晶體管，其具有6μm的溝道長度l及50μm的溝道寬度w。此外，各自晶體管的柵極絕緣膜的厚度是100nm。

該bt試驗(yàn)是一種加速試驗(yàn)并可在短時間內(nèi)估測長時期使用造成的晶體管特性變化。特別是，在該bt試驗(yàn)前后之間的晶體管的閾電壓漂移量是檢測可靠性的重要指標(biāo)。當(dāng)該bt試驗(yàn)前后之間的閾電壓vth漂移量（δvth）小時，該晶體管具有較高可靠性。

具體地說，將上方形成該晶體管的襯底的溫度（襯底溫度）設(shè)定為固定溫度，將該晶體管的源極和漏極設(shè)定為相同電位，并對柵極供應(yīng)與該源極和漏極不同的電位一定的期間。該襯底溫度可根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康倪m當(dāng)?shù)貨Q定。加于柵極的電位比源極和漏極的電位高的bt試驗(yàn)稱為+bt試驗(yàn)，且加于柵極的電位比源極和漏極的電位低的bt試驗(yàn)稱為-bt試驗(yàn)。

bt試驗(yàn)的應(yīng)力條件可根據(jù)襯底溫度、加于柵極絕緣膜的電場強(qiáng)度及施加電場的時期決定。加于該柵極絕緣膜的電場強(qiáng)度根據(jù)該柵極與該源極和漏極之間的電位差除以該柵極絕緣膜的厚度所得的值決定。例如，在加于具有100nm的厚度的柵極絕緣膜的電場強(qiáng)度為2mv/cm的情況下，該電位差可設(shè)定為20v。

注意，電壓表示兩個點(diǎn)的電位之間的差值，且電位表示電場的特定點(diǎn)處的單位電荷的靜電能（電位能）。注意，一般來說，一點(diǎn)電位和基準(zhǔn)電位（例如，接地電位）之間的差值僅稱為電位或電壓，且在許多情況下將電位和電壓作為同義詞使用。因此，在本說明書中，除非另行說明，否則電位可改述為電壓且電壓可改述為電位。

bt試驗(yàn)的條件如下：襯底溫度為80℃；加于該柵極絕緣膜的電場強(qiáng)度為3mv/cm；且施加時間（也稱為應(yīng)力時間）為100秒、200秒、500秒、1000秒、1500秒及2000秒。在以上條件下，進(jìn)行+bt試驗(yàn)及-bt試驗(yàn)。

圖22a顯示該+bt試驗(yàn)進(jìn)行2000秒的結(jié)果，且圖22b顯示-bt試驗(yàn)進(jìn)行2000秒的結(jié)果。

在圖22a中，經(jīng)過該+bt試驗(yàn)之后的閾電壓vth從初始特性的閾電壓值向正向漂移0.63v。在圖22b中，經(jīng)過該-bt試驗(yàn)之后的閾電壓vth從初始特性的閾電壓值向正向漂移0.02v。在兩次bt試驗(yàn)中，該閾電壓漂移量（δvth）小于或等于1v，證明使用包括caac的in-ga-zn-o類氧化物膜制造的晶體管可具有高可靠性。

在該bt試驗(yàn)中，重要的是使用從未進(jìn)行bt試驗(yàn)的晶體管。例如，若通過使用已經(jīng)進(jìn)行過一次+bt試驗(yàn)的晶體管進(jìn)行-bt試驗(yàn)，由于先前已進(jìn)行的+bt試驗(yàn)的影響使該-bt試驗(yàn)的結(jié)果無法得以正確估測。再者，此結(jié)果同樣適于在已經(jīng)進(jìn)行過一次+bt試驗(yàn)的晶體管上進(jìn)行+bt試驗(yàn)的情況。注意，這并不適于故意將這些影響納入考慮時重復(fù)進(jìn)行bt試驗(yàn)的情況。

圖23a顯示在使用led光源（具有10000lux的白光）的光照射晶體管的同時進(jìn)行+bt試驗(yàn)的結(jié)果，其也稱為正偏壓溫度應(yīng)力光劣化。圖23b顯示在使用led光源的光照射晶體管的同時進(jìn)行-bt試驗(yàn)的結(jié)果，其也稱為負(fù)偏壓溫度應(yīng)力光劣化。在圖23a中，經(jīng)過該+bt試驗(yàn)之后的閾電壓vth從初始特性的閾電壓值向正向漂移0.27v。在圖23b中，經(jīng)過該-bt試驗(yàn)之后的閾電壓vth從初始特性的閾電壓值向正向漂移0.23v。在以光照射的兩種bt試驗(yàn)中，該閾電壓漂移量（δvth）均小于或等于1v，證明使用包括caac的in-ga-zn-o類氧化物膜制造的晶體管可具有高可靠性。

圖24顯示根據(jù)多種不同應(yīng)力條件的閾電壓vth漂移量（δvth）的時間依賴性。垂直軸以線性標(biāo)度表示閾電壓vth漂移量（δvth），且水平軸以對數(shù)標(biāo)度表示應(yīng)力時間。

圖25a及圖25b是顯示負(fù)偏壓應(yīng)力溫度光劣化的示意圖。圖25a及圖25b各自例示氧化物半導(dǎo)體和柵極絕緣膜之間的界面。如圖25a所例示，當(dāng)光照射晶體管時，產(chǎn)生空穴。該空穴被俘獲或脫離陷阱。如圖25b所例示，該空穴被牽引至該柵極絕緣膜并由此變成固定電荷，其造成向負(fù)向的閾電壓vth漂移。因此，沒有氧空位能級對于負(fù)偏壓溫度應(yīng)力光劣化的消除很重要。也就是說，氧空位減少能有效防止負(fù)偏壓溫度應(yīng)力光劣化。結(jié)晶性表面比非晶性表面不容易傳輸氧；因此，包括含有caac的in-ga-zn-o類氧化物膜的晶體管具有高可靠性。此外，為了減少氧空位，使用通過加熱釋出氧的膜作為柵極絕緣膜及層間絕緣膜，且在氧氣氛中進(jìn)行熱處理，其能有效改善可靠性。

附圖標(biāo)記說明

100：襯底；102：基底絕緣膜；104：柵電極；106：半導(dǎo)體膜；112：柵極絕緣膜；116：電極；118：層間絕緣膜；121：區(qū)域；126：區(qū)域；200：像素；210：液晶元件；220：電容器；230：晶體管；300：殼體；301：按鈕；302：麥克風(fēng)；303：顯示部分；304：揚(yáng)聲器；305：攝影鏡頭；310：殼體；311：顯示部分；320：殼體；321：按鈕；322：麥克風(fēng)；323：顯示部分；1001：區(qū)域；1002：區(qū)域；1101：實(shí)線；1102：實(shí)線；1103：實(shí)線；1104：實(shí)線；1111：實(shí)線；1112：實(shí)線；1113：實(shí)線；1114：實(shí)線；1121：實(shí)線；1122：實(shí)線；1123：實(shí)線；1124：實(shí)線。

本申請基于2010年12月17日提交到日本專利局的日本專利申請no.2010-282135及2011年7月8日提交到日本專利局的日本專利申請no.2011-151859，通過引用將其完整內(nèi)容并入在此。