专利名称：非晶氧化物半导体、半导体器件和薄膜晶体管的制作方法
技术领域：
本发明涉及非晶氧化物半导体、半导体器件和薄膜晶体管。具体
地说，本发明涉及含有从In、 Ga和Zn中选择的至少一种元素的非晶 氧化物半导体，以及使用非晶氧化物半导体的半导体器件和薄膜晶体 管。
背景技术：
当前正在研究用薄膜氧化物半导体作为晶体管的沟道层。特别 是，正在积极研究将ZnO氧化物半导体用作薄膜晶体管(TFT)的沟 道。
然而，作为半导体膜的薄ZnO膜在室温下形成时将成为多晶， 并且在半导体-绝缘体界面、半导体-半导体界面或半导体-金属界面会 有几至几十纳米的粗糙度，而界面在半导体器件中是高度重要的。
此外，在多晶物质内将不可避免地形成晶粒边界。不利的是，这 些晶粒边界将引起传导缺陷，或者将由于从气氛中吸附气体分子而引 起特性劣化，从而导致特征的不稳定(Journal of Applied Physics, Vol.94 ， p.7748)。
为了克服上面所提到的由粗糙的界面或晶粒边界引起的这些缺 点，美国专利申请公开No. US-2007-0194379公开了一种将非晶氧化 物半导体用作氧化物半导体的薄膜的高性能TFT。
以非晶态形成的半导体提供具有小于l纳米的粗糙度的优异界面 而没有ZnO界面的粗糙度，使得能够实现半导体器件的较高性能。这 样，就可以形成没有晶粒边界的半导体膜，从而避免了由晶粒边界引 起的特性劣化和不稳定。
因此，在与上述美国专利申请公开No. US-2007-0194379中的相同的条件下，用脉冲激光气相沉积(PLD)制造非晶氧化物半导体膜 与含有此半导体膜的TFT。所得到的半导体膜和TFT具有与在该美 国专利中所示出的或者在Nature, Vol.432， p.488中所报道的特性相 当的特性。
此外，通过使用InGa03(ZnO)(即IihGa!Zih的氧化物)成分的 靶溅射制造非晶氧化物半导体膜和TFT。这样，就得到了如用PLD 工艺所制造的那样具有优异特性的非晶氧化物半导体膜和TFT膜 (Applied Physics Letters, Vol.89,第112123-1页到112123-3页)。
在进一步研究后，本发明的发明人已发现了已进一步改善半导体 和TFT的特性的用于制造非晶氧化物半导体的条件。
本发明提供含有从In、 Ga和Zn中选择的至少一种元素的非晶 氧化物半导体，以及使用非晶氧化物半导体的半导体器件和薄膜晶体 管。
发明内容
本发明针对含有按InxGayZnz的原子比从In、 Ga和Zn中选择的 至少一种元素的非晶氧化物半导体，其中，非晶氧化物半导体的密度 M由以下关系式(1)表示
M ^ 0.94x(7.121x+5.941y+5.675z)/(x+y+z) (1) 其中0Sx￡l，05ySl，0^z￡l;且x+y+z邦。
在这种非晶氧化物半导体内，关系xX)、 yX)和zX)是可以接受的。
在这种非晶氧化物半导体内，比值x/(x+y+z)、 y/(x+y+z)和z/ (x+y+z)分别可不小于0.2。
本发明针对使用非晶氧化物半导体的半导体器件。 本发明针对使用非晶氧化物半导体作为沟道层的薄膜晶体管。 本发明使得能够对于使用氧化物半导体薄膜作为沟道层的TFT 制造具有,高性能、高稳定性和高可靠性的元件。
从参照附图对示例性实施例的以下描述，本发明的进一步的特征将变得清晰。
图1为示出使用本发明的非晶氧化物半导体和使用常规的非晶氧
化物半导体的底栅型TFT的传导特性的曲线图。
图2为示出本发明的非晶氧化物半导体和常规的非晶氧化物半导 体的X射线反射率的曲线图。
图3示出在本发明的例子中所用的底栅型TFT的结构。
具体实施例方式
下面，将参照附图描述实施本发明的最佳方式。 首先描述非晶氧化物半导体。
本发明的非晶氧化物半导体含有按由InxGayZnz表示的原子比从 In、 Ga和Zn中选择的至少一种元素。
在该成分中，优选x>0、 y>0和z>0，更为优选的是x/(x+y+z)^0.2、 y/(x+y+z)^0.2且z/(x+y+z)^0.2。也就是说，比值x/(x+y+z)、 y/(x+y+z) 和z/(x+y+z)优选分别不小于0.2。
非晶氧化物半导体可以含有另 一种氧化物作为添加剂，该添加剂 包括Mg、 Ca、 B、 Al、 Fe、 Ru、 Si、 Ge和Sn的氧化物。
本发明的非晶氧化物半导体的特征在于它的密度不小于以下所 定义的理论密度的94.0%。
根据国际衍射数据中心的PDF No. 00-006-0416 ， ln203具有7.121 g/cm3的密度。
根据国际衍射数据中心的PDF No. 00-041-1103， Ga203具有 5.941 g/cm3的密度。
根据国际衍射数据中心的PDF No. 00-036-1451， ZnO具有5.675 g/cm3的密度。
因此，含有成分比为InxGayZnz的In、 Ga和Zn的非晶氧化物半 导体的理论密度经计算为(7.121x+5.941y+5.675z)/(x+y+z)g/cm3。在非晶氧化物半导体另外含有In、 Ga和Zn之外的元素的氧化 物时，理论密度定义如下。所添加的元素用M表示，并且In、 Ga、 Zn和M的成分比用IiixGayZnzMw表示，而元素M的氧化物之中具有 最低标准生成自由能的氧化物的密度用D表示。于是，理论密度表示 为(7.121x+5.941y+5.675z+Dw)/(x+y+z+w)g/cm3。
本发明的非晶氧化物半导体的密度不小于以上理论密度的94%。 这个关系表示为以下关系式(1):
M ^ 0.94x(7.121x+5.941y+5.675z)/(x+y+z) (1) 其中0^x51， 0￡y^l， OSz化且x+y+z邦。
通常，由于在薄膜内形成空隙或者其他原因，非晶物质的薄膜的 密度^f氐于理论密度。合iJ^口，用ft口 Journal of Applied Physics, Vol.78， pp.962-968中所描述的真空气相沉积形成的非晶二氧化硅膜具有等于 或低于块体氧化硅的密度(2.2g/cm3)的90% (2.0g/cm"的密度。据 报道，该薄膜含有能吸附潮气的空隙。
非晶氧化物半导体膜内的这种空隙可以散射载流子电子或者使 传导路径增长，而不利地影响半导体的诸如迁移率之类的传导特性。
为了克服这种不利的影响，在以下描述的例子中，本发明的发明 人用溅射工艺制备非晶氧化物半导体膜，这使得能够通过调整成膜温 度容易地形成相对高密度的薄膜。
由此，制备了膜密度较高的含有成分比为IiixGayZnz的In、 Ga 和ZD的非晶氧化物半导体薄膜。发现该薄膜在传导特征特别是在迁 移率上优于常规的薄膜。
优选通过包括诸如rf濺射和DC溅射的濺射的真空气相沉积与脉 冲激光气相沉积(PLD)(特别是通过溅射)制备以上所提到的密度 不小于理论密度的94.0%的非晶氧化物半导体膜。
用于形成上述半导体的温度优选不低于室温，更为优选的是在从 150'C到引起结晶的温度的范围内。
在另一种形成高密度非晶氧化物半导体膜的优选方法中，首先形 成密度低于理论密度的94.0%的非晶氧化物半导体膜，然后再将此膜更高。优选的后处理 包括热处理、离子照射、等离子体照射和自由基照射。
上述非晶氧化物半导体可用于薄膜晶体管(TFT)。上述非晶氧 化物半导体可用作TFT的沟道层。
在TFT内，优选将Si氧化物膜或金属氧化物膜用作栅绝缘膜。 用于栅绝缘膜的氧化物可以含有少量的氮。Si氮化物作为栅绝缘膜也 是优选的。优选通过包括PLD (脉冲气相沉积)的真空气相沉积或溅 射形成该绝缘膜。
如上面所描述的那样得到的非晶氧化物半导体具有比常规的非 晶氧化物半导体更适合于半导体器件的特性(例如，迁移率)。利用 这种非晶氧化物半导体，可以制造出性能比常规半导体器件高的半导 体器件(特别是TFT)。
<例子>
<例子1:非晶氧化物半导体>
首先，制备其上具有100nm厚的热氧化SiO2膜的n型Si基板。 在该Si02膜上，通过利用InCa03 ( ZnO )靶的rf溅射在200°C的基 板温度下形成40 nm厚的含有成分比为InxGayZiiz的In、 Ga和Zn的 非晶氧化物半导体膜。
通过X射线荧光分析，确定所形成的膜的成分，即x/(x+y+z)、 y/(x+y+z)和z/(x+y+z)分别为0,406、 0.376和0.218。根据成分分析结 果，估计理论密度为6.36 g/cm3。
用配备有Cu-Ka X射线源和X射线反射镜的X射线衍射装置对 所得到的膜的X射线反射率进行测量。图2通过曲线21示出了测量 结果。由此，估计膜密度为6.12 g/cm3，为以上所估计的理论密度的 96.2%。
另外，在保持在室温(基板温度监测器读数为22。C )下的同样的 基板上通过同样的方法形成40 nm厚的成分比为IiixGayZnz的另一非 晶氧化物半导体膜。通过X射线荧光分析，确定所形成的膜的成分，x/(x+y+z)、 y/(x+y+z)和z/(x+y+z)分别为0.397、 0.364和0.239。根据成分分析结 果，估计理论密度为6.35 g/cm3。
对所得到的膜测量X射线反射率。图2用曲线22示出了测量结 果。由此，估计膜密度为5.95 g/cm3，为以上所估计的理论密度的 93.8%。
如后所述，通过使用上述非晶氧化物半导体膜作为沟道层制造 TFT。对非晶氧化物半导体膜的场效应迁移率进行测试。密度为理论 密度的96.2。/。的膜给出12 cmVVs的迁移率，而密度为理论密度的 93.8%的膜给出5 cm2/Vs的迁移率。
按照以上非专利文献3中所公开的方法制造的膜的密度为理论密 度的93.7%,而按照以上非专利文献2中所公开的方法制造的膜的密 度为理论密度的83.7%。比较这两种膜，在密度为理论密度的93.7% 的膜内场效应迁移率较高。
根据以上结果，非晶氧化物半导体的密度与特性(特别是迁移率) 相关密度越高，迁移率就越高。
在本发明中，发现密度不低于理论密度的94.0%的膜在特性上 优于密度较低的常规膜。
在以上的例子中，通过控制成膜条件得到较高密度的非晶氧化物 半导体膜。
在另一种方法中，首先形成密度低于理论密度的94.0%的膜，然 后再通过离子、等离子体、自由基之类的照射增大密度。由此可以得 到具有与通过控制成膜条件所得到的非晶氧化物半导体类似的高性能 的非晶氧化物半导体。
例子2: TFT元件的制造
制造图3所示的底栅型TFT元件作为使用非晶氧化物半导体膜 的半导体器件。
首先，制备其上具有100 nm厚的热氧化SiOz膜102的n型Si 基板101。在该Si02薄膜上，通过利用InGa03 ( ZnO )靶的rf溅射在200。C的基板温度下形成40 nm厚的舍有成分比为InxGayZiiz的Iii、 Ga和Zn的非晶氧化物半导体膜103。所得到的膜的密度为理论密度 的96.2%。
以必要的尺寸蚀刻所得到的含有成分比为InxGayZiiz的In、 Ga 和Zn的非晶氧化物半导体膜，然后通过光刻和剥离方法形成源电极 104和漏电极105。这些电极的材料为Au (150 nm) /Ti (5nm)的多 层，且通过电子束气相沉积进行成膜。
N型Si 101 (基板)用作栅电极，而SiO2膜102用作TFT元件 的栅绝缘膜。
在所得到的这些TFT元件中，测试沟道长度为10 jim且沟道宽 度为30 jim的一个TFT元件的传导特性(漏极电流/栅极电压特性， 等)。图1用曲线11示出该特性。场效应迁移率为12cmVVs。
另外，以与以上相同的方式和构成，在处于室温的基板(基板温 度监测器读数为22'C )上形成40 nm厚、成分比为InxGayZnz的非晶 氧化物半导体膜(理论密度的93.8%)，并且制造TFT元件。
对沟道长度为10 nm且沟道宽度为30 nm的TFT元件的传导特 性进行测试。图1用曲线12示出了特性。场效应迁移率为5 cmVVs。
如上所迷，通过使用较高密度的非晶氧化物半导体作为沟道层得 到了性能较高的TFT元件。
此高密度非晶氧化物半导体不仅在TFT中，而且在需要高迁移 率的器件(诸如电子器件内的透明电极材料)中都是有效的。
本发明的含有成分比为IiixGayZiiz的In、Ga和Zn的非晶氧化物 半导体可以广泛地用作用于像显示器那样的电子器件的部件的材料。 特别是，使用此非晶氧化物半导体的TFT可以广泛地用作用于LCD、 有机EL显示器等的开关元件和诸如光接收元件和传感器元件之类的 矩阵器件的开关元件的开关元件。此外,该非晶氧化物半导体还可以 用于IC卡、IC标签等。
虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但是应当理解本发明不 限于所公开的示例性实施例。以下权利要求的范围应被赋予最宽的解释以涵盖所有这样的修改和等同的结构和功能。
本申请要求2007年4月25日提交的日本专利申请No. 2007-115617的权益，因而在此通过引用将其全部内容并入。
权利要求
1.一种含有按InxGayZnz的原子比从In、Ga和Zn中选择的至少一种元素的非晶氧化物半导体，其中，所述非晶氧化物半导体的密度M由以下关系式(1)表示M≥0.94×(7.121x+5.941y+5.675z)/(x+y+z) (1)其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，且x+y+z≠0。
2. 按照权利要求l所述的非晶氧化物半导体，其中x>0, y>0， 以及zX)。
3. 按照权利要求1所述的非晶氧化物半导体，其中比值 x/(x+y+z) 、 y/(x+y+z)和z/(x+y+z)分别不小于0.2 。
4. 一种半导体器件，所述半导体器件使用权利要求1至3中任 何一项所述的非晶氧化物半导体。
5. —种薄膜晶体管，所述薄膜晶体管使用权利要求1至3中任 何一项所述的非晶氧化物半导体作为沟道层。
全文摘要
一种非晶氧化物半导体，含有按In<sub>x</sub>Ga<sub>y</sub>Zn<sub>z</sub>的原子比从In、Ga和Zn中选择的至少一种元素，其中，所述非晶氧化物半导体的密度M由以下关系式(1)表示M≥0.94×(7.121x+5.941y+5.675z)/(x+y+z) (1)其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，且x+y+z≠0。
文档编号H01L29/786GK101669208SQ20088001322
公开日2010年3月10日 申请日期2008年4月15日 优先权日2007年4月25日
发明者加地信幸, 享 林, 薮田久人, 远藤文德 申请人:佳能株式会社