层叠的氧化物材料、半导体器件、以及用于制造该半导体器件的方法

层叠的氧化物材料、半导体器件、以及用于制造该半导体器件的方法
【专利说明】层叠的氧化物材料、半导体器件、以及用于制造该半导体器 件的方法
[0001] 本申请是申请日为2010年11月2日、申请号为"201080052958. 5"、发明名称为 "层叠的氧化物材料、半导体器件、以及用于制造该半导体器件的方法"的发明专利申请的 分案申请。
技术领域
[0002] 本发明涉及通过溅射法层叠经受结晶化热处理的膜而形成的层叠的氧化物材料， 且该层叠的氧化物材料被用于制造半导体器件。例如，提供了适于被用作晶体管、二极管等 中所包含的半导体的材料。此外，本发明涉及包含用诸如晶体管之类的半导体元件制成的 电路的半导体器件，以及制造该半导体器件的方法。例如，本发明涉及被安装在电源电路上 的电源器件；包含存储器、半导体闸流管、转换器、图像传感器等的半导体集成电路；以及 在其上安装了电光器件（以包含有机发光元件的液晶显示面板或发光显示设备为代表）作 为其组件的电子器具。
[0003] 在此说明书中，半导体器件一般地意味着可通过利用半导体特性而工作的器件， 并且电光器件、半导体电路，以及电子器具都是半导体器件。
【背景技术】
[0004] 尽管Si是典型的半导体材料，SiC、GaN等也已经被研究作为除了 Si之外的半导 体材料。然而，SiC、GaN等需要在高于或等于1500°C的温度下经受处理，从而被结晶化且被 用作单晶组件；因此，这些半导体材料不可被用于薄膜器件或三维器件。
[0005] 另一方面，近年来，在相对低温下使用在具有绝缘表面的衬底上形成的半导体薄 膜（具有约数纳米到数百纳米的厚度）形成晶体管的技术已经引起了注意。这些晶体管被 广泛地应用于诸如IC和电光器件之类的电子器件，且已经特别地期待它们发展作为图像 显示设备的开关元件。
[0006] 有被用于广泛应用的多种金属氧化物。氧化铟是已知材料，且被用作液晶显示器 等所必须的透光电极材料。一些金属氧化物具有半导体特性。具有半导体特性的金属氧化 物的示例为氧化钨、氧化锡、氧化铟、和氧化锌等。已知有其中使用这种具有半导体特性的 金属氧化物来形成沟道形成区的晶体管（专利文献1和专利文献2)。
[0007] [参考文献]
[0008] [专利文献]
[0009] [专利文献1]日本公开专利申请No. 2007-123861
[0010] [专利文献2]日本公开专利申请No. 2007-096055

【发明内容】

[0011] 本发明的实施例的一个目的在于通过使用溅射法提供适于被用作包含在晶体管、 二极管等中的材料。
[0012] 本发明的实施例的一个目的在于提供具有高场效应迀移率以及低截止电流的晶 体管。此外，本发明的实施例的一个目的在于获得被称为常态截止的开关元件并提供具有 低功耗的半导体器件。进一步，本发明的实施例的一个目的在于提供具有高晶体管性能和 尚可靠性的晶体管。
[0013] 此外，本发明的实施例的一个目的在于提供多产的制造工艺，通过其可用低成本 获得包含诸如晶体管之类的半导体元件的半导体器件。
[0014] 进一步，本发明的实施例的一个目的在于提供具有高可靠性的晶体管。
[0015] 本说明书中所公开的本发明的一个实施例是用于制造层叠的氧化物材料的方法， 包括在基底基底组分上形成氧化物组分的步骤；通过热处理形成第一氧化物结晶组分的步 骤，所述第一氧化物结晶组分从表面朝着氧化物组分内部生长；以及在该第一氧化物结晶 组分上层叠第二氧化物结晶组分的步骤。特定地，第一氧化物结晶组分和第二氧化物结晶 组分具有共同的C-轴。在共晶生长或异晶生长的情况下导致同轴（的）生长。
[0016] 注意，第一氧化物结晶组分C-轴对齐地垂直于第一氧化物结晶组分的表面。特定 地，当执行外延生长（一种结晶结构的生长）时使用第一非单晶薄膜作为籽晶而引起第二 氧化物组分的结晶生长。注意，在a-b平面上，彼此相邻的多个元件是一样的。此外，第一 氧化物结晶组分的C-轴方向对应于深度方向。
[0017] 此制造方法的最大特征在于，实现了一种结构，其中在包含任意基底表面的非晶 绝缘体（例如，氧化物）上引起晶体生长。
[0018] 本发明的另一个实施例是用于制造层叠氧化物材料的方法，包括步骤：在基底组 件上形成氧化物组分、通过热处理形成第一氧化物结晶组分并使得非晶组分位于基底组件 的表面正上方（所述第一氧化物结晶组分是表面朝着氧化物组分内部生长）、以及将用与 第一氧化物结晶组分相同的材料形成并引起共晶生长的第二氧化物结晶组分层叠在第一 氧化物结晶组分上。
[0019] 本发明的另一个实施例是用于制造层叠氧化物材料的方法，包括步骤：在基底组 件上形成氧化物组分、形成第一氧化物结晶组分并使得非晶组分位于基底组件正上方（所 述第一氧化物结晶组分从表面朝着氧化物组分内部生长）、以及将用与第一氧化物结晶组 分不同的材料形成并引起异晶生长的第二氧化物结晶组分层叠在第一氧化物结晶组分上。
[0020] 在每一种上述制造方法中，通过在高于或等于200°C且低于或等于600°C的沉积 期间温度下执行加热的状态中引起晶体生长而获得共晶生长或异晶生长。
[0021] 在每一种上述制造方法中，第一氧化物结晶组分和第二氧化物结晶组分具有高纯 度且具有本征导电类型。
[0022] 在每一种上述制造方法中，所层叠的氧化物材料的载流子浓度小于I. 0 X IO12CnT 3,优选地小于1. 45 X 101Qcm 3。
[0023] 在每一种上述制造方法中，其中晶体被对齐的第一氧化物结晶组分的底部界面被 提供为与基底组件相间隔。通过适当地调节氧化物组分的厚度、热处理的条件等，氧化物组 分的非晶区域被有意地留在基底组件和其中晶体被对齐的第一氧化物结晶组分的底部界 面之间来用作缓冲，从而提供结晶区域，其与基底组件的表面相间隔。相应地，在形成器件 的情况下可减少由于与基底组件的界面散射导致的影响。例如，在制造其中形成层叠氧化 物材料作为在栅绝缘层上的半导体层的底栅晶体管的情况下，并非在栅绝缘层的界面处而 是在与栅绝缘层的表面相分离的结晶层中形成沟道形成区，从而减少了栅绝缘层和氧化物 结晶组分之间的界面散射导致的影响。相应地，包含与栅绝缘层表面分离的结晶层的晶体 管还被称为埋沟晶体管。
[0024] 本发明的一个技术思想是，不向氧化物半导体添加杂质，而相反地通过有意地去 除不期望存在于其中的杂质（诸如水或氢）而使氧化物半导体本身被高度提纯。换言之， 该技术思想是，通过移除形成施主能级的水或氢、减少氧空位、并充分地提供作为氧化物半 导体的主要组分的氧，来高度提纯氧化物半导体。
[0025] 在沉积氧化物半导体后，即刻使用二次离子质谱法（S頂S)测得氧密度在102°cm 3。 通过有意地移除形成施主能级的水或氢且进一步通过向氧化物半导体添加在移除水或氢 时同时减少的氧（氧化物半导体的组分之一），该氧化物半导体被高度提纯为电i型（本 征）半导体。
[0026] 此外，在本发明的一个技术理念中，优选的是水和氢的量尽可能地小，并且还优选 的是氧化物半导体中的载流子数量尽可能地小。换言之，载流子密度小于IX IO12Cm 3，优选 地小于IjSXlOwCnr3，这小于或等于所需要的测量极限。此外，在本发明的技术理念中， 理想的载流子密度是0或接近于0。特定地，当氧化物半导体在氧气氛、氮气氛或特别干的 空气（其中水分小于或等于20ppm，优选地小于或等于lppm，更优选地小于或等于IOppb的 空气）气氛中、在高于或等于450°C且低于或等于850°C，优选地高于或等于550°C且低于 或等于750°C的温度下经受热处理时，将会是η-型杂质的水或氢被移除且氧化物半导体可 被高度地提纯。此外，当通过移除诸如水或氢之类的杂质而将氧化物半导体高度提纯时，其 载流子密度可小于IX IO12Cm 3，优选地小于1. 45 X IOwCnT3，这小于或等于所需要的测量极 限。
[0027] 此外，当在高温（即，高于或等于450°C且低于或等于850°C，优选地高于或等于 600°C且低于或等于700°C )执行热处理时，氧化物半导体可被高度提纯且还被结晶化，且 晶体生长从氧化物半导体表面朝着其内部进行，从而氧化物半导体具有其C-轴被对齐的 非单晶区域。
[0028] 根据本发明的一实施例，具有其C-轴被对齐的非单晶区域的氧化物半导体被用 作籽晶，在其上形成第二氧化物半导体，且在高于或等于450°C且低于或等于850°C，优选 地高于或等于550°C且低于或等于750°C的温度下执行热处理，从而以与籽晶类似的方式， 第二氧化物半导体可具有其C-轴被对齐的非单晶区域。即，可引起其中籽晶和第二氧化物 半导体具有在相同方向对齐的C-轴的理想的轴向生长或外延生长。
[0029] 不仅通过在沉积之后通过热处理引起固相生长，还通过在其中在高于或等于 200°C且低于或等于600°C，优选地高于或等于200°C且低于或等于550°C的温度处执行加 热的状态中使用代表性的溅射法来沉积，与籽晶具有相同轴的第二氧化物半导体可被层叠 且其结晶也可被生长。
[0030] 此外，氧化物半导体中的载流子被减少，或优选地所有载流子被移除，从而氧化物 半导体用作晶体管中载流子穿行通过的路径。作为结果，氧化物半导体是没有载流子或具 有非常少的载流子的被高度提纯的i_型（本征）半导体，从而处于截止状态的晶体管的截 止电流可极低，这是本发明的技术思想。
[0031] 此外，当氧化物半导体用作路径且氧化物半导体本身是没有载流子或具有非常少 的载流子的被高度提纯的i-型（本征）半导体时，载流子被提供通过源电极和漏电极。当 电子亲和力和费米能级（优选地是对应于氧化物半导体中的本征费米能级的费米能级）、 以及源和漏电极的功函数被适当地选择时，载流子可被从源电极和漏电极注入。因此，可适 当地制造 η-沟道晶体管和P-沟道晶体管。
[0032] 所有的氧化物结晶组分和氧化物组分是金属氧化物，且可使用四组分金属氧化 物，如In-Sn-Ga-Zn-O基膜；三组分金属氧化物，如In-Ga-Zn-O基膜、In-Sn-Zn-O基膜、 In-Al-Zn-O基膜、Sn-Ga-Zn-O基膜、Al-Ga-Zn-O基膜或Sn-Al-Zn-O基膜；二组分金属氧化 物，如 In-Zn-O 基膜、Sn-Zn-O 基膜、Al-Zn-O 基膜、Zn-Mg-O 基膜、Sn-Mg-O 基膜、或 In-Mg-O 基膜；一组分金属氧化物，如In-O基膜、Sn-O基膜或Zn-O基膜等等。注意，此处例如， In-Sn-Ga-Zn-O膜表示含铟（In)、锡（Sn)、镓（Ga)和锌（Zn)的氧化物，并且对其化学计量 比例没有特定限制。
[0033] 还可使用也可被表示为InMO3(ZnO)ni(IiiX),且m不是自然数）的材料的氧化物结晶 组分和氧化物组分。在此，M表示从Ga、Al、Mn、以及Co中选择的一种或多种金属元素。例 如，M可以是Ga、Ga和Al、Ga和Mn、Ga和Co等等。
[0034] 此外，可使用以In-A-B-O表达的氧化物材料。此处，A表示诸如镓（Ga)或铝（Al) 之类选自属于第13组的元素、以硅（Si)或锗（Ge)为代表的术语第14组的元素等中的一种 或多种元素。此外，B表示选自以锌（Zn)为代表的属于第12组的元素的一种或多种元素。 注意，自由地设置In含量、A含量以及B含量，且包括其中A含量为0的情况。另一方面，In 含量和B含量为非0。换言之，上述表达包括In-Ga-Zn-0, In-Zn-O等。此外，用In-Ga-Zn-O 表达的氧化物半导体材料是InGaO3 (ZnO)ni(m>0,且m不是自然数），且可使用ICP-MS or RBS 的分析来确认，其中m不是自然数。
[0035] 常规的氧化物半导体一般是η-型。在包含常规氧化物半导体的晶体管中，即使当 栅电压为OV时，电流在源电极和漏电极之间流动；换言之，晶体管倾向于常态导通。当晶体 管为常态导通时，即使其具有高场效应迀移率，亦难以控制电路。η-型氧化物半导体的费 米能级（E f)远离位于带隙中间的本征费米能级（E1)且η-型氧化物半导体的费米能级（Ef) 位于靠近导带处。注意，已知氢是氧化物半导体中的施主，并且是使氧化物半导体成为η型 半导体的一个因素。此外，已知氧空位是导致氧化物半导体成为η-型半导体的一个因素。
[0036] 因此，为了获得i_型氧化物半导体层，作为η-型杂质的氢被从氧化物半导体移 除，且氧化物半导体被高度提纯，从而尽可能少地包含不是氧化物半导体主要组分的杂质 且氧空位被移除。以此方式，获得本征（i-型）或基本本征的氧化物半导体。换言之，特征 在于，经高度提纯的i型（本征）半导体、或接近其的半导体不是通过添加杂质、而是通过 尽可能多地去除杂质（诸如氢或水）和氧空位来获得。这使得费米能级（E f)能够处于与 本征费米能级（E1)相同的能级。
[0037] 通过高度提纯氧化物半导体层，薄膜晶体管的阈值电压可为正，藉此可实现被称 为常态截止的开关元件。
[0038] 作为高度提纯的一个步骤，优选的是在氧化物半导体膜的沉积之前、过程中、或之 后在溅射装置中移除水分等。为了从溅射装置中去除水分，优选使用吸附型真空栗。例如， 优选使用低温栗、离子栗、或钛升华栗。排气单元可以是设置有冷阱的涡轮栗。在用低温栗 排空的溅射装置的沉积腔中，例如，去除氢原子、包含氢原子的化合物，诸如水（H 2O)等，藉 此可减少在沉积腔中形成的氧化物半导体膜中的杂质浓度。此外，优选的是氧化物半导体 的靶中所包含的氧化物半导体具有80%或更大的相对密度，优选的是95%或更大，更优选 的是99. 9%或更大。当使用具有高相对密度的靶时，可减少将要被形成的氧化物半导体膜 中的杂质浓度。
[0039] 如果杂质被混入将要被形成的氧化物半导体膜中，在之后被执行的用于结晶化的 热处理时，可能打断一个方向中的晶体生长，即，从表面向下进行的晶体生长。因此，理想状 态是氧化物半导体膜不包含杂质（形成P-型或η-型的杂质）且半导体中所不包括的重金 属，即诸如Fe或Ni之类的杂质元素所被包含的浓度少于或等于IX IO15CnT3。重要的是通 过脱氢或结晶化来高度纯化氧化物半导体，且具体地极为同时地执行这个步骤。
[0040] 此外，在氧化物无半导体膜的沉积之前，可执行预热处理从而移除存在于溅射装 置内壁上、靶表面上、或在靶材料内的水分或氢。可给出其中沉积室内在减压条件下被加热 至200°C到600°C的方法作为预热处理。其中处理衬底在沉积过程中被加热且氢等被吸收 到腔室内壁上的方法也是有效的。在这个情况下，优选地不使用水而是油等作为靶的冷却 剂。尽管当在不加热的情况下重复氮气的引入和排出可获得一定程度的效果，更优选的是 在沉积室内部被加热的同时进行处理。在预热处理之后，冷却衬底或溅射装置，且然后形成 氧化物半导体膜。
[0041] 此外，作为用于形成氧化物半导体膜或其上形成的材料膜的溅射气体，诸如氩或 氧，优选地使用其中诸如氢、水、包含羟基的化合物、或氢化物之类的杂质被减少至杂质浓 度用"ppm"或"ppb"单位所表示的程度的高纯度气体。
[0042] 在通过溅射法的氧化物半导体膜沉积期间，衬底可被加热至高于或等于200°C且 低于或等于600°C的温度。如果事先形成了第一非单晶层，当在高于或等于200°C且低于或 等于600°C的温度下执行加热时，可预期与沉积同时的在同一轴向的晶体生长（特定地，在 C-轴方向的晶体生长）。
[0043] 此外，作为高度提纯的一个步骤，在几乎不含有氢和水分的气氛中（诸如氮气 氛、氧气氛或干燥空气气氛（例如，对于水分，露点低于或等于_40°C，优选地低于或等 于-50°C ))执行第一热处理。第一热处理可被称为脱水或脱氢，其用于从氧化物半导体层 中分离H，OH等。在其中温度在惰性气氛中被升高、以及在热处理过程中气氛被切换至含有 氧的气氛的情况中、或者在其中采用了氧气氛的情况下，第一热处理还可被称为附加氧化 处理。
[0044] 对于第一热处理，可使用用电炉的加热法、诸如使用加热气体的气体快速热退火 (GRTA)法或使用灯光的灯快速热退火（LRTA)法之类的快速加热法。此外，可同时执行用具 有小于或等于450nm波长的光的辐射的加热作为第一热处理。在第一热处理之后当温度被 升高至450°C时用热解吸能谱学（TDS)测量未测得水的两个峰值中至少位于300°C附近的 峰值的条件下，氧化物半导体层经受第一热处理用于高度纯化。因此，即便在包含有经受了 用于高度纯化的热处理的氧化物半导体层的晶体管上执行高达450°C的TDS，水的至少位 于300°C附近的峰值没有被检测到。
[0045] 由于是在其中没有晶体生长籽晶的状态中引起了晶体生长，优选的是在高温下执 行第一热处理达较短时间，从而仅引起从表面朝向内部的晶体生长。此外，由于当氧化物半 导体层的表面是平的时，可获得良好的平面形状的非单晶层。因此，优选的是诸如绝缘层或 衬底之类的基底组件的平面度尽可能地高。例如，氧化物半导体层的平面度大约等于商用 硅晶片的平面度；例如，用AFM测量得到的1 μπιΧ 1 μπι区域中表面粗糙度的高度小于或等 于lnm，优选地，小于或等于0· 2nm。
[0046] 在非单晶层中，当被包括在氧化物半导体中的In的电子层彼此交迭且彼此连接 时，电导率 σ被增加。相应地，包括单晶硅层的晶体管可具有较高的场效应迀移率。
[0047] 将参考图1Α、IB以及IC而描述使用由第一热处理形成的非单晶层作为籽晶的用 于进一步执行晶体生长的一个方法。
[0048] 步骤的顺序的概述如下：在基底组件上形成第一氧化物半导体层；执行用于高 度纯化的第一热处理；在用于高度纯化的第一热处理的同一个步骤中，在第一氧化物半导 体层表面上形成其晶向被相对对齐的非单晶层；在其上层叠第二氧化物半导体层；且进一 步，执行用于结晶