专利名称：氧化物半导体膜及半导体装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种氧化物半导体膜及使用该氧化物半导体膜的半导体装置。注意，在本说明书中半导体装置是指能够利用半导体特性而工作的所有装置，因此电光装置、半导体电路以及电子设备都是半导体装置。
背景技术：
以液晶显示装置为代表的形成在玻璃衬底等上的晶体管由非晶硅、多晶硅等构成。使用非晶硅的晶体管可以容易地对应玻璃衬底的大面积化。但是，使用非晶硅的晶体管具有场效应迁移率低的缺点。此外，使用多晶硅的晶体管虽然场效应迁移率高，但是具有不适于玻璃衬底的大面积化的缺点。
与具有上述缺点的使用硅的晶体管相比，将使用氧化物半导体制造的晶体管用于电子装置或光学装置的技术受到注目。例如，专利文献I公开一种技术，其中作为氧化物半导体使用包含In、Zn、Ga、Sn等的非晶氧化物制造晶体管。此外，专利文献2公开一种技术，其中制造如上同样的晶体管，并将该晶体管用于显示装置的像素的开关元件等。另外，对于用于这种晶体管的氧化物半导体，已有如下说明“氧化物半导体对杂质是不敏感的，即使在氧化物半导体膜中包含大量金属杂质也没有问题，因此，也可以使用包含大量如钠等碱金属的廉价的钠钙玻璃”(参照非专利文献I)。[专利文献I]日本专利申请公开2006-165529号公报[专利文献2]日本专利申请公开2006-165528号公报[非专利文献I]神谷、野村、细野“非晶氧化物半导体的物性及装置开发的现状”、日本固体物理、2009年9月号、第44卷、第621-633页但是，当氧化物半导体膜一直处于非晶状态时，在氧化物半导体膜中容易产生氧缺陷、悬空键(dangling bond),由于单独的氧缺陷、悬空键或其与氢等的结合会导致膜中产生载流子。因此，有氧化物半导体膜的导电率等电特性发生变化的忧虑。另外，对使用氧化物半导体膜的晶体管而言也会成为电特性变化的主要原因，由此半导体装置的可靠性被降低。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的之一是提供一种电特性稳定的氧化物半导体膜。另夕卜，本发明的目的之一是通过使用该氧化物半导体膜，对半导体装置赋予稳定的电特性，而提供一种可靠性高的半导体装置。所公开的发明的一个方式是一种氧化物半导体膜，该氧化物半导体膜包含铟、镓以及锌且具有c轴取向的结晶区。另外，与膜整体为非晶结构的氧化物半导体膜相比，因为本发明的一个方式的氧化物半导体膜具有c轴取向的结晶区，所以是氧缺陷、悬空键或与悬空键等结合的氢、硼、氮以及磷等杂质被降低的高纯度氧化物半导体膜。另外，通过确定c轴取向的结晶区的组成与包括c轴取向的结晶区的半导体膜整体的组成，可以实现具有稳定的晶体结构的氧化物半导体膜。下面进行更详细的说明。所公开的发明的一个方式是一种氧化物半导体膜，该氧化物半导体膜包含铟(In)、镓(Ga)以及锌(Zn)，并且具有在平行于氧化物半导体膜的被形成面的法向矢量的方向上一致的c轴取向的结晶区，c轴取向的结晶区的组成以In1+sGa1-SO3(ZnO)111 (注意，0
<6 < 1，m = I至3)表示，并且包括c轴取向的结晶区的整体的氧化物半导体膜的组成以 InxGayO3 (ZnO) m(注意,0 <x<2,0<y<2,m = I 至 3)表示。所公开的发明的另一个方式是一种半导体装置，该半导体装置包括栅电极；与栅电极接触的第一绝缘膜；与第一绝缘膜接触的氧化物半导体膜；以及与氧化物半导体膜接触的第二绝缘膜，其中，氧化物半导体膜包含铟(In)、镓(Ga)以及锌(Zn)并且具有在平行于氧化物半导体膜的被形成面的法向矢量的方向上一致的c轴取向的结晶区，c轴取向的结晶区的组成以IrVsGanO3 (ZnO)m(注意,0 < 8 <i，m=i至3)表示,并且包括c轴取向的结晶区的整体的氧化物半导体膜的组成以InxGayO3(ZnO) J注意，0 < x < 2，0 < y < 2， m = I至3)表示。在上述各结构中，优选氧化物半导体膜中的硼⑶、磷⑵以及氮(N)浓度的合计为5X1019原子/立方厘米以下，硼(B)、磷(P)以及氮(N)浓度中的任何一个优元素浓度为IX IO19原子/立方厘米以下，锂(Li)浓度及钾(K)浓度为5X IO15原子/立方厘米以下，钠(Na)浓度为5X IO16原子/立方厘米以下。本发明的一个方式所公开的包含铟、镓以及锌的氧化物半导体膜能够具有稳定的电特性。通过将这种包含铟、镓以及锌的氧化物半导体膜用于晶体管，可以实现电特性稳定且可靠性高的半导体装置。
图IA和IB是有关本发明的一个方式的截面TEM图像；图2是说明有关本发明的一个方式的晶体结构的图；图3A和3B分别是有关本发明的一个方式的示意图和有关本发明的一个方式的截面TEM图像；图4A至4E是说明有关本发明的一个方式的半导体装置的制造工序的截面图；图5是说明制造装置的示意图；图6A至6C是有关本发明的一个方式的半导体装置的截面图；图7A至7C是示出本发明的一个方式的框图及等效电路图；图8A至8D是示出本发明的一个方式的电子设备的外观图；图9A至9C是示出实施例的自旋密度的结果的图；图10是示出实施例的自旋密度的结果的图。
具体实施例方式下面，将参照附图详细地说明本发明的实施方式。但是，本发明不局限于以下说明，而所属技术领域的普通技术人员可以很容易地理解一个事实就是其方式及详细内容在不脱离本发明的宗旨及其范围的情况下可以被变换为各种各样的形式。因此，本发明不应该被解释为仅局限在以下所示的实施方式所记载的内容中。注意，在下面所说明的本发明的结构中，在不同的附图之间共同使用同一附图标记来表示同一部分或具有同一功能的部分，而省略其重复说明。注意，在本说明书所说明的各附图中，各结构的尺寸、层的厚度或者区域有时为了容易理解而放大表示。因此，不一定局限于其尺度。注意，在本说明书中为了避免部件的混淆而使用诸如“第一”、“第二”和“第三”的词语，但是此类词语并非用来限定数目。因此，例如，“第一”能够适当地替换为“第二”、“第三”等而说明。实施方式I在本实施方式中，参照图IA至图3B说明包含铟(In)、镓(Ga)以及锌(Zn)的氧化物半导体膜的结构。根据本实施方式的包含铟(In)、镓(Ga)以及锌(Zn)的氧化物半导体膜具有在平 行于氧化物半导体膜的被形成面的法向矢量的方向上一致的c轴取向的结晶区，该c轴取向的结晶区的组成以IrVsGanO3(ZnO)m(注意,0 < 8 < 1，m = I至3)表示,并且包括c轴取向的结晶区的整体的氧化物半导体膜的组成以InxGayO3(ZnO) J注意，0 < x < 2，0 < y
<2, m = I至3)表示。在此，图IA和IB示出通过透射电子显微镜(TEM transmission ElectronMicroscope)对实际制造的具有上述结构的氧化物半导体膜的截面进行观察的结果(截面TEM图像)。图IA所示的截面TEM图像的样品是通过如下方法制造的在室温下通过溅射法使用包含铟(In)、镓(Ga)以及锌(Zn)的金属氧化物靶材(In : Ga : Zn = I : I : I [原子比])在衬底100上形成厚度为50nm的氧化物半导体膜101，然后在氧气氛下以700°C进行I小时的热处理。由图IA所示的截面TEM图像可知，在氧化物半导体膜101的上部具有结晶区102。另外，图IB所示的截面TEM图像是放大图IA所示的结晶区102的图。由图IA和IB所示的截面TEM图像可知，在包含铟(In)、镓(Ga)以及锌(Zn)的氧化物半导体膜中观察到多个在氧化物半导体膜101内原子取向为层状的结晶区102。接下来，当使用图IB所示的截面TEM图像计算出原子取向为层状的晶面的间距时，算出在平行于被形成面的法向矢量的方向上的晶面间距为0. 288nm。另外，作为晶面的间距的算出方法使用FFTM(Fast Fourier Transform Mapping :多极快速傅里叶变换)法。在此，作为包含铟(In)、镓(Ga)以及锌(Zn)的氧化物半导体膜的一个例子的In-Ga-Zn-O膜的晶体结构为InO层和GaO层或ZnO层在c轴方向上层叠为层状的结构。作为其中之一，有组成为InGaO3(ZnO)且晶格常数为c = 2. 607nm的结构。图2示出In-Ga-Zn-O膜的晶体结构的示意图。在图2中，白色圆点表示In,灰色圆点表示Ga或Zn,并且黑色圆点表示氧(0)。如图2所示那样，InO2层(附图中的InO2层)和GaZnO2层(附图中的GaZnO2层)为具有六角形的晶格的结合的层且在c轴方向上层叠。另外，c轴方向与a-b面垂直。接下来，根据图2所示的晶体结构进行模拟实验。图3A示出通过模拟实验而得到的示意图。此外，图3B示出对图IB所示的结晶区102进一步进行放大了的结晶区102的截面TEM图像。在图3A中，图像的浓淡与原子序数的平方成比例，白色圆点表示In，灰色圆点表示Ga或Zn。此外，在图3B中，呈黑色层状的区域表示InO层，位于黑色层状之间的区域表示GaO层或ZnO层。由此可知，图3A所示的示意图和图3B所示的结晶区102的截面TEM图像的原子排列的结构大致一致。就是说，图1A、图IB以及图3B所不的结晶区102具有图2所不的晶体结构。另外，在c轴方向上的晶胞之一，S卩(001)晶面间距相当于c轴的晶格常数c =
2.607nm。由此，(009)晶面间距相当于d = 0. 2897nm。就是说，图IB所示的结晶区102的原子取向为层状的晶面在平行于被形成面的法向矢量的方向上的晶面间距为0. 288nm，该数值与(009)晶面间距d = 0. 2897nm大致一致，因此，可知结晶区102具有InGaZnO4的晶体结构。就是说，结晶区102的组成为In Ga Zn = I I I [原子比]。像这样，由图1A、图IB以及图3B所示的截面TEM图像可知，结晶区102具有c轴取向并且在从垂直于a-b面的方向看时具有三角形状或六角形状的原子排列，在c轴上金属原子排列为层状或者金属原子和氧原子排列为层状，并且在a-b面上a轴或b轴的方向不同(即，以c轴为中心旋转)。在本说明书等中，氧化物半导体膜包括上述结晶区102，并且是 CAAC_0S(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor :c 轴取向结晶氧化物·半导体)膜。从广义来讲，CAAC-OS膜是指非单晶并包括如下相的材料，在该相中在从垂直于a-b面的方向看时具有三角形、六角形、正三角形或正六角形的原子排列，并且从垂直于c轴的方向看时金属原子排列为层状或者金属原子和氧原子排列为层状。虽然CAAC-OS膜不是单晶，但是也不只由非晶形成。另外，虽然CAAC-OS膜包括晶化部分(结晶部分)或者晶化区域(结晶区)，但是有时不能明确辨别一个结晶部分与其他结晶部分的边界或者一个结晶区与其他结晶区的边界。另外，也可以用氮取代构成CAAC-OS膜的氧的一部分。此外，构成CAAC-OS膜的每个结晶部分的c轴也可以在固定方向(例如，平行于CAAC-OS膜的被形成面的法向矢量或表面的法向矢量的方向)上一致。或者，构成CAAC-OS膜的每个结晶部分的a-b面的法向矢量也可以朝向固定方向(例如，垂直于CAAC-OS膜的被形成面的法向矢量或表面的法向矢量的方向)。作为上述CAAC-OS膜的例子，也可以举出如下材料，在该材料中，c轴在平行于CAAC-OS膜的被形成面的法向矢量或表面的法向矢量的方向上一致，并且在从垂直于a-b面的方向观察时确认到三角形或六角形的原子排列，并且在观察该膜的截面时确认到金属原子的层状排列或者金属原子和氧原子(或氮原子)的层状排列。在此，考虑包含铟(In)、镓(Ga)以及锌(Zn)的氧化物半导体膜的化学计量组成t匕。In及Ga都是三价元素，Zn是二价元素。例如，即使以Ga置换In,因为In及Ga都是三价元素，所以价电子数也不变。此外，，可以在不改变晶体结构的状态下减少Ga量而增加In量。就是说，包含铟(In)、镓(Ga)以及锌(Zn)的氧化物半导体膜的化学计量组成比表示为InLsGa1^O3(ZnO)m(注意,0 < 8 < I, m = I至3),并且即使In和Ga的组成比与所述化学计量组成比不同，也可以维持稳定的晶体结构。还从图3B所示的晶体结构可以确认到部分In与Ga置换。在结晶区102中的区域150中，连续的In(呈黑色层状的区域)的晶体结构的连续性部分不同。此外，区域150的对比度与Ga或Zn的对比度酷似，当由Zn置换时价电子数发生变化，而不能维持原来的晶体结构，由此可以推测In被Ga置换。接下来，表I表示对包括c轴取向的结晶区102的氧化物半导体膜101进行组成分析的结果。另外，组成分析是通过电感稱合等离子体质谱(Inductively CoupledPlasma-Mass Spectrometry ICP-MS)进行的。此外，氧化物半导体膜101中的各元素由原子％表示。此外，在假设构成氧化物半导体膜101的氧化物为具有理想组成的ln203、Ga2O3以及ZnO的情况下，计算氧(0)含量。[表 I]
权利要求
1.一种氧化物半导体膜，包括 在大致平行于所述氧化物半导体膜的被形成面的法向矢量的方向上一致的C轴取向的结晶区， 其中所述C轴取向的结晶区的组成以IrvsGanO3(ZnO)m(满足O < S <1和111=1至3)表示， 并且所述氧化物半导体膜的组成以InxGayO3 (ZnO)m (满足0 < x<2、0<y<2以及m=I至3)表示。
2.根据权利要求I所述的氧化物半导体膜，其中包含在所述氧化物半导体膜中的磷、硼以及氮的合计浓度为5 X IO19原子/立方厘米以下。
3.根据权利要求I所述的氧化物半导体膜，其中包含在所述氧化物半导体膜中的磷、硼以及氮的合计浓度为5 X IO18原子/立方厘米以下。
4.根据权利要求I所述的氧化物半导体膜，其中包含在所述氧化物半导体膜中的磷、硼以及氮中的任何一个的浓度为I X IO19原子/立方厘米以下。
5.根据权利要求I所述的氧化物半导体膜，其中包含在所述氧化物半导体膜中的锂和钾的浓度为5X IO15原子/立方厘米以下。
6.根据权利要求I所述的氧化物半导体膜，其中包含在所述氧化物半导体膜中的钠浓度为5X IO16原子/立方厘米以下。
7.一种半导体装置，包括 栅电极； 所述栅电极上的第一绝缘膜； 所述第一绝缘膜上的氧化物半导体膜；以及 所述氧化物半导体膜上的第二绝缘膜， 其中所述氧化物半导体膜包括在大致平行于所述氧化物半导体膜的被形成面的法向矢量的方向上一致的c轴取向的结晶区， 所述C轴取向的结晶区的组成以In1+sGai_sO3 (ZnO)m(满足0 < 5 < I和m = I至3)表不， 并且所述氧化物半导体膜的组成以InxGayO3 (ZnO)m (满足0 < x<2、0<y<2以及m=I至3)表示。
8.根据权利要求7所述的半导体装置，其中包含在所述氧化物半导体膜中的硼、磷以及氮的合计浓度为5X IO19原子/立方厘米以下。
9.根据权利要求7所述的半导体装置，其中包含在所述氧化物半导体膜中的硼、磷以及氮的合计浓度为5X IO18原子/立方厘米以下。
10.根据权利要求7所述的半导体装置，其中包含在所述氧化物半导体膜中的硼、磷以及氮中的任何一个的浓度为IXIO19原子/立方厘米以下。
11.根据权利要求7所述的半导体装置，其中包含在所述氧化物半导体膜中的锂和钾的浓度为5X IO15原子/立方厘米以下。
12.根据权利要求7所述的半导体装置，其中包含在所述氧化物半导体膜中的钠浓度为5X IO16原子/立方厘米以下。
13.一种半导体装置，包括第一绝缘膜； 所述第一绝缘膜上的氧化物半导体膜； 所述氧化物半导体膜上的第二绝缘膜；以及 所述第二绝缘膜上的栅电极， 其中所述氧化物半导体膜包括在大致平行于所述氧化物半导体膜的被形成面的法向矢量的方向上一致的C轴取向的结晶区， 所述C轴取向的结晶区的组成以IrvsGapsO3(ZnO)m(满足O < 5 < I和m = I至3)表不，并且所述氧化物半导体膜的组成以InxGayO3 (ZnO)m (满足0 < x<2、0<y<2以及m =I至3)表示。
14.根据权利要求13所述的半导体装置，其中包含在所述氧化物半导体膜中的硼、磷以及氮的合计浓度为5X IO19原子/立方厘米以下。
15.根据权利要求13所述的半导体装置，其中包含在所述氧化物半导体膜中的硼、磷以及氮的合计浓度为5X IO18原子/立方厘米以下。
16.根据权利要求13所述的半导体装置，其中包含在所述氧化物半导体膜中的硼、磷以及氮中的任何一个的浓度为I X IO19原子/立方厘米以下。
17.根据权利要求13所述的半导体装置，其中包含在所述氧化物半导体膜中的锂和钾的浓度为5X IO15原子/立方厘米以下。
18.根据权利要求13所述的半导体装置，其中包含在所述氧化物半导体膜中的钠浓度为5X IO16原子/立方厘米以下。
19.根据权利要求13所述的半导体装置，其中所述第一绝缘膜包括平均面粗糙度小于.0.5nm的表面。
全文摘要
本发明的目的之一是提供一种导电率稳定的氧化物半导体膜。另外，本发明的目的之一是通过使用该氧化物半导体膜，对半导体装置赋予稳定的电特性，提供一种可靠性高的半导体装置。在包含铟(In)、镓(Ga)以及锌(Zn)的氧化物半导体膜中，具有在平行于氧化物半导体膜的被形成面的法向矢量的方向上一致的c轴取向的结晶区，c轴取向的结晶区的组成以In1+δGa1-δO3(ZnO)m(注意，0＜δ＜1，m＝1至3)表示，包括c轴取向的结晶区的整体的氧化物半导体膜的组成以InxGayO3(ZnO)m(注意，0＜x＜2，0＜y＜2，m＝1至3)表示。
文档编号H01L29/04GK102738206SQ20121010335
公开日2012年10月17日 申请日期2012年4月10日 优先权日2011年4月13日
发明者山崎舜平, 秋元健吾, 高桥正弘 申请人:株式会社半导体能源研究所