氧化物半導體膜以及半導體裝置的制造方法

氧化物半導體膜以及半導體裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明的實施方式涉及一種氧化物半導體膜及包括氧化物半導體膜的半導體裝 置。
[0002] 在本說明書中，半導體裝置涉及能夠通過利用半導體特性來作用的任何裝置，并 且光電裝置、半導體電路及電子設備都是半導體裝置。
【背景技術】
[0003] 如在液晶顯示裝置中常見郝樣，使用非晶娃、多晶娃等來制造形成在玻璃襯底等 上的晶體管。使用非晶娃制造的晶體管可W容易形成在較大的玻璃襯底上。然而，使用非 晶娃制造的晶體管具有低場效遷移率的缺點。雖然使用多晶娃制造的晶體管具有高場效遷 移率，但是其具有不適合于較大玻璃襯底的缺點。
[0004] 與具有上述缺點的使用娃制造的晶體管相比，有一種技術已受到注目，其中使用 氧化物半導體來制造晶體管，且將該晶體管應用于電子設備或光學裝置。例如，專利文獻1 公開一種技術，其中使用包含In、Zn、Ga、Sn等的非晶氧化物作為氧化物半導體來制造晶體 管。另外，專利文獻2公開一種技術，其中制造與專利文獻1同樣的晶體管且將該晶體管用 作顯示裝置的像素中的開關元件等。
[0005]另外，至于在晶體管中使用的送種氧化物半導體，也有下列說明：氧化物半導體對 雜質不敏感，當在膜中含有相當大量的金屬雜質時不會產生問題，且也可W使用含有大量 的堿金屬（諸如鋼）且廉價的堿石灰玻璃（參照非專利文獻1)。
[000引[參照文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本專利申請公開2006-165529號 [專利文獻2]日本專利申請公開2006-165528號
[0007][非專利文獻]
[非專利文獻 1]Kamiy曰，Nomur曰，U及Hosono,"CarrierTransportPropertiesand ElectronicStructuresofAmorphousOxideSemiconductors:Thepresentstatus'，， KOTAIBUTSURI(SOLIDSTATEPHYSICS)，2009,Vol. 44,pp.621-633

【發明內容】

[0008] 然而，在氧化物半導體膜及包括氧化物半導體膜的半導體裝置的制造工序中，例 如當在氧化物半導體膜中產生W氧缺陷為典型的缺陷時或將成為用來供應載流子的來源 的氨進入氧化物半導體膜中時，氧化物半導體膜的導電性可能會改變。送種現象改變包括 氧化物半導體膜的晶體管的電特性，其造成半導體裝置的可靠性下降。
[0009] 當對送種氧化物半導體膜照射可見光或紫外光時，尤其氧化物半導體膜的導電性 會改變。送種現象也改變包括氧化物半導體膜的晶體管的電特性，其造成半導體裝置的可 靠性下降。
[0010] 鑒于上述問題，一個目的是提供一種具有更穩定的導電性的氧化物半導體膜。另 夕F，一個目的是提供一種通過使用氧化物半導體膜而有穩定的電特性的可靠性高的半導體 裝置。
[0011] 所公開的發明的一個實施方式提供一種包括結晶區域的氧化物半導體膜，且該結 晶區域包括a-b面與膜表面實質上平行且C軸與膜表面實質上垂直的晶體。亦即，氧化物 半導體膜中的結晶區域具有C軸對準。注意，氧化物半導體膜處于非單晶狀態。另外，氧化 物半導體膜不完全處于非晶狀態。
[0012] 所公開的發明的一個實施方式提供一種包括結晶區域的氧化物半導體膜。該結晶 區域包括a-b面與膜表面實質上平行且C軸與膜表面實質上垂直的晶體。在從C軸方向進 行電子束的照射的電子衍射強度測量中，散射向量的大小大于或等于3. 3皿1并小于或等 于4.Inmi的區域中的峰值的半峰全寬W及散射向量的大小大于或等于5. 5nm1并小于或等 于7.Inm1的區域中的峰值的半峰全寬分別大于或等于0. 2nm1。
[001引在上述記載中，散射向量的大小大于或等于3. 3皿1并小于或等于4. 1皿1的區 域中的峰值的半峰全寬優選大于或等于0. 4nm1并小于或等于0. 7nm1，且散射向量的大 小大于或等于5. 5nm1并小于或等于7.Inm1的區域中的峰值的半峰全寬優選大于或等于 0.45nmi并小于或等于1.4nm1。另外，g值位于ESR測量中的1.93附近的區域中的峰值的 自旋密度優選低于1.3Xl0is(自旋/cm3)。另外，氧化物半導體膜可W包括多個結晶區域， 且多個結晶區域中的結晶的a軸或b軸方向可W互不相同。另外，氧化物半導體膜優選具 有由InGa03姑0)m(m不是自然數）表示的結構。
[0014] 另外，所公開的發明的另一個實施方式提供一種半導體裝置，包括；第一絕緣膜； 設置在第一絕緣膜上的包括結晶區域的氧化物半導體膜；設置為與氧化物半導體膜接觸的 源電極和漏電極；設置在氧化物半導體膜上的第二絕緣膜；W及設置在第二絕緣膜上的柵 電極。結晶區域包括a-b面與膜表面實質上平行且C軸與膜表面實質上垂直的晶體。
[0015] 另外，所公開的發明的另一個實施方式提供一種半導體裝置，包括：柵電極；設置 在柵電極上的第一絕緣膜；設置在第一絕緣膜上的包括結晶區域的氧化物半導體膜；設置 為與氧化物半導體膜接觸的源電極和漏電極；W及設置在氧化物半導體膜上的第二絕緣 膜。結晶區域包括a-b面與膜表面實質上平行且C軸與膜表面實質上垂直的晶體。
[0016] 在上述記載中，優選的是，第一金屬氧化物膜設置在第一絕緣膜和氧化物半導體 膜之間，第一金屬氧化物膜包括氧化嫁、氧化鋒W及結晶區域，且結晶區域包括a-b面與膜 表面實質上平行且C軸與膜表面實質上垂直的晶體。另外，在第一金屬氧化物膜中，氧化鋒 的物質量優選低于氧化嫁的物質量的25 %。另外，優選的是，第二金屬氧化物膜設置在氧化 物半導體膜與第二絕緣膜之間，第二金屬氧化物膜包括氧化嫁、氧化鋒W及結晶區域，且結 晶區域包括a-b面與膜表面實質上平行且C軸與膜表面實質上垂直的晶體。另外，在第二 金屬氧化物膜中，氧化鋒的物質量優選低于氧化嫁的物質量的25%。
[0017] 在本說明書等中，"面A與面B實質上平行"意味著"在面A的法線與面B的法線 之間的角度大于或等于0°并小于或等于20° "。另外，在本說明書等中，"線C與面B實質 上垂直"意味著"在線C與面B的法線之間的角度大于或等于0°并小于或等于20° "。
[0018] 包括a-b面與膜表面實質上平行且C軸與膜表面實質上垂直的結晶區域的氧化物 半導體膜具有穩定的導電性且相對于可見光、紫外光等的照射更電穩定。通過將送種氧化 物半導體膜用于晶體管，可W提供具有穩定的電特性的可靠性高的半導體裝置。
【附圖說明】
[0019] 圖1為根據本發明的一個實施方式的截面TEM圖像； 圖2示出根據本發明的一個實施方式的晶體結構的平面圖及截面圖； 圖3為表示計算電子態密度的結果的圖； 圖4為包括氧缺陷的非晶氧化物半導體的帶圖； 圖5A及5B分別示出包括氧缺陷的非晶氧化物半導體的再結合模型； 圖6A至6E為示出根據本發明的一個實施方式的半導體裝置的制造工序的截面圖； 圖7A及7B為示出瓣射設備的示意圖； 圖8A及8B為示出晶種的晶體結構的示意圖； 圖9A及9B為示出根據本發明的一個實施方式的半導體裝置的制造工序的截面圖； 圖IOA至IOC為分別示出根據本發明的一個實施方式的半導體裝置的截面圖； 圖IlA至IlC為分別示出根據本發明的一個實施方式的半導體裝置的截面圖； 圖12為示出根據本發明的一個實施方式的半導體裝置的帶結構的圖； 圖13A至13E為根據本發明的一個示例的截面TEM圖像； 圖14A至14E為根據本發明的一個示例的平面TEM圖像； 圖15A至15E為根據本發明的一個示例的電子衍射圖案； 圖16A至16E為根據本發明的一個示例的平面TEM圖像及電子衍射圖案； 圖17為示出根據本發明的一個示例的電子衍射強度的圖； 圖18為示出根據本發明的一個示例的電子衍射強度中的第一峰值的半峰全寬的圖； 圖19為示出根據本發明的一個示例的電子衍射強度中的第二峰值的半峰全寬的圖； 圖20示出根據本發明的一個示例的XRD光譜； 圖21A及21B分別示出根據本發明的一個示例的XRD光譜； 圖22為示出根據本發明的一個示例的ESR測量的結果的圖； 圖23示出根據本發明的一個示例的用于量子化學計算中的氧缺陷的模型； 圖24為示出根據本發明的一個示例的低溫化測量的結果的圖； 圖25為示出根據本發明的一個示例的負偏壓應力光劣化的測量的結果的圖； 圖26A及26B為分別示出根據本發明的一個示例的通過光響應缺陷評估法測量的光電 流的圖； 圖27示出根據本發明的一個示例的TDS分析的結果； 圖28A及28B分別示出根據本發明的一個示例的SIMS分析的結果； 圖29A至29C為示出根據本發明的一個實施方式的框圖及等效電路圖； 圖30A至30D為分別示出根據本發明的一個實施方式的電子設備的外觀圖； 圖31為根據本發明的一個實施方式的截面TEM圖像。
【具體實施方式】
[0020] 將參考附圖詳細說明本發明的實施方式及示例。注意，本發明不限于下列說明，且 本領域的普通技術人員將容易了解可WW各種方式修改本發明的方式和詳細內容而不背 離本發明的宗旨及范疇。因此，本發明不應該被解釋為限于下列實施方式及示例中的說明。 注意，在下述本發明的結構中，在不同圖中W相同參照標記表示相同部分或具有類似功能 的部分，且不重復其說明。
[0021] 注意，在本說明書中所述的各圖中，各構成要素的大小、層厚度或區域在某些情況 中為了清楚而加W放大。因此，本發明的實施方式及示例并不總是限定于送種比例。
[0022] 再者，本說明書中的諸如"第一"、"第二"及"第H"之類的術語用來避免構成要素 之間的混淆，且送些術語在數目方面上不限制構成要素。因此，例如可W適當地W術語"第 二"、"第H"等取代術語"第一"。
[0023] 實施方式1 在本實施方式中，將參照圖1、圖2、圖3、圖4、圖5A及5B說明氧化物半導體膜作為本 發明的一個實施方式。
[0024] 根據本實施方式的氧化物半導體膜包括結晶區域。結晶區域包括a-b面與膜表面 實質上平行且C軸與膜表面實質上垂直的晶體。亦即，包括在氧化物半導體膜中的結晶區 域具有C軸對準。當觀察結晶區域的截面時，觀察到W層狀配置且從襯底向膜表面層疊的 原子，且晶體的C軸與表面實質上垂直。由于氧化物半導體膜包括上述C軸對準的結晶區 域，氧化物半導體膜也稱為C軸對準的結晶氧化物半導體（CAAC-0巧膜。
[002引圖1為實際制造的包括結晶區域的氧化物半導體膜的截面TEM圖像。在氧化物半 導體膜中觀察到結晶區域21，在該結晶區域21中如圖1的箭頭所示，原子W層狀配置，亦 目P，其具有C軸對準。
[0026] 在氧化物半導體膜中還觀察到結晶區域22。結晶區域21及結晶區域22被非晶區 域WH維方式圍繞。雖然多個結晶區域存在于氧化物半導體膜中，在圖1中并未觀察到晶 界。在整個氧化物半導體膜中也未觀察到晶界。
[0027] 雖然在圖1中結晶區域21及結晶區域22在其間有非晶區域互相分隔，但是可W 觀察到W與結晶區域22中大致相同的間隔層疊在結晶區域21中W層狀配置的原子，且超 出非晶區域之外連續形成層。
[002引另外，雖然結晶區域21及結晶區域22的大小在圖1中大約為3nm至7nm，形成在 本實施方式中的氧化物半導體膜中的結晶區域的大小可W大約為大于或等于Inm并小于 或等于lOOOnm。例如，如圖31所示，氧化物半導體膜的結晶區域的大小可W大于或等于數 十納米。
[0029] 另外，優選當從與膜表面垂直的方向觀察結晶區域時，原子配置在六角形晶格中。 通過采用送種結構，結晶區域可W容易得到具有H重對稱性的六方晶體結構。注意，在本說 明書中，六方晶體結構包括在六方晶族化exagonalC巧StalfamiIy)中。或者，六方晶 體結構包括在H方晶系（trigonalCirstalsystems)及六方晶系中化exagonalCirstal systems)。
[0030] 根據本實施方式的氧化物半導體膜可W包括多個結晶區域，且在多個結晶區域中 的晶體的a軸或b軸方向可W互不相同。亦即，在根據本實施方式的氧化物半導體膜中的 多個結晶區域沿著C軸結晶化，但是沿著a-b面的對準不一定會出現。然而，優選具有不同a軸或b軸方向的區域互不接觸，W避免在區域互相接觸的界面處形成晶界。因此，氧化物 半導體膜優選包括WH維方式圍繞結晶區域的非晶區域。亦即，包括結晶區域的氧化物半 導體膜處于非單晶狀態且不完全處于非晶狀態。
[0031] 作為氧化物半導體膜，可W使用諸如In-Sn-Ga-化-0類金屬氧化物之類的四元金 屬氧化物，諸如In-Ga-Si-O類金屬氧化物、In-Sn-Zn-O類金屬氧化物、In-A^ai-O類金屬 氧化物、Sn-Ga-Si-O類金屬氧化物、Al-Ga-Si-O類金屬氧化物或Sn-A^ai-O類金屬氧化物 之類的H元金屬氧化物，諸如In-Zn-O類金屬氧化物或Sn-Zn-O類金屬氧化物之類的二元 金屬氧化物等。
[0032] 尤其是，In-Ga-化-0類金屬氧化物在許多情況中具有寬至大于或等于2eV，優選 大于或等于2. 5eV，更優選大于或等于3eV的能隙；當使用In-Ga-化-0類金屬氧化物來制 造晶體管時，晶體管可W在關閉狀態中具有足夠高的電阻且其關閉狀態電流可W足夠小。 在In-Ga-化-0類金屬氧化物中的結晶區域主要具有在許多情況中不是六角形纖鋒礦結構 的晶體結構，且可W具有例如孔化2〇4結構、孔2?63〇7結構、它們的修改結構等（M.化kamura， N. Kimizuka, W及T. Mohri, "The Phase Relations in the In2〇3-Ga2Zn〇4-ZnO System at 1350°C"，J. Solid State Chem.，1991，Vol. 93,卵.298-315)。注意，在下面，含有孔的 層表示為A層且含有化的層表示為B層。孔化2〇4結構為ABBIABBIABB的重復結構。作 為孔化2〇4結構的變形結構的一個示例，可W舉出ABBBIABBB的重復結構。此外，孔2Fe3〇7 的結構為abb|ab|abb|ab的重復結構。作為孔2化3〇7的變形結構的一個示例，可W舉出 ABBBIABBIABBBIABBIABBBIABBI的重復結構。在In-Ga-Si-O類金屬氧化物中的化0量大的 情況中，其可W具有纖鋒礦晶體結構。
[003引 由InGa化姑0)m(m> 0)表示In-Ga-化-0類金屬氧化物的一個典型示例。在此， 作為In-Ga-化-0類金屬氧化物的一個示例，可W舉出具有In203;Ga203;化0 = 1 ;1 ;1[摩 爾比]的組成比的金屬氧化物、具有In2〇3;Ga2〇3;ZnO= 1 ;1 ;2[摩爾比]的組成比的金屬 氧化物或具有In2〇3;Ga2〇3;ZnO= 1 ;1 ;4[摩爾比]的組成比的金屬氧化物。m優選不是自 然數。注意，上述組成歸因于晶體結構且僅為示例。作為In-Ga-化-0類金屬氧化物的一個 示例，也可W舉出具有1?化;Ga2化;ZnO= 2 ;1 ;8[摩爾比]的組成比的金屬氧化物、具有 In2〇3;Ga2〇3;ai〇 = 3 ;1 ;4[摩爾比]的組成比的金屬氧化物或具有In2〇3;Ga2〇3;ai〇 = 2 : 1 ;6[摩爾比]的組成比的金屬氧化物。
[0034] 作為具有上述結構的包括在氧化物半導體膜中的結晶區域的結構示例，圖2示出 InzGaz化〇7的晶體結構。由與a軸及b軸平行的平面圖及與C軸平行的截面圖示出圖2中 的InzGazZnO,的晶體結構。C軸與a軸和b軸垂直，且a軸和b軸之間的角度為120°。針 對圖2中的InzGaz化〇7,在平面圖中示出In原子會占據的地點11，并且在截面圖中示出In 原子12、Ga原子13、Ga或化原子14及0原子15。
[003引如圖2的截面圖所示，InzGazZnO,具有在C軸方向中交替層疊In氧化物層之間的 一個Ga氧化物層和In氧化物層之間的兩個氧化物層即，一個Ga氧化物層和一個化氧化 物層。另外，如圖2的平面圖所示，InzGazZnO,得到具有立重對稱性的六方晶體結構。
[0036] 在本實施方式所述的包括結晶區域的氧化物半導體膜優選具有某程度的結晶性。 另外，包括結晶區域的氧化物半導體膜不處于單晶狀態。包括結晶區域的氧化物半導體膜 與完全非晶的氧化物半導體膜相比有優良的結晶性，且減少W氧缺陷為典型的缺陷或諸如 鍵合到懸空鍵等的氨之類的雜質。尤其是，鍵合到晶體中的金屬原子的氧具有比與非晶部 分中的金屬原子鍵合的氧高的鍵合力，且變成對諸如氨之類的雜質較不起反應，所W可W 減少缺陷的產生。
[0037] 例如，由In-Ga-化-0類金屬氧化物形成并包括結晶區域的氧化物半導體膜具有 如下結晶性，其中在從C軸方向進行電子束的照射的電子衍射強度測量中，散射向量的大 小大于或等于3. 3nm1并小于或等于4.Inm1的區域中的峰值的半峰全寬W及散射向量的 大小大于或等于5. 5nm1并小于或等于7.Inm1的區域中的峰值的半峰全寬分別大于或等 于0.2nmi。優選地，散射向量的大小大于或等于3.3nmi并小于或等于4.Inm1的區域中的 峰值的半峰全寬大于或等于0. 4nm1并小于或等于0. 7nm1，且散射向量的大小大于或等于 5.5nmi并小于或等于7.Inm1的區域中的峰值的半峰全寬大于或等于0.45nm1并小于或等 于 1. 4nm1。
[0038] 在本實施方式所述的包括結晶區域的氧化物半導體膜中，優選如上述郝樣減少膜 中的W氧缺陷為典型的缺陷。W氧缺陷為典型的缺陷用作用來供應氧化物半導體膜中的載 流子的來源，其可能會改變氧化物半導體膜的導電性。因此，包括減少了送種缺陷的結晶區 域的氧化物半導體膜具有穩定的導電性且相對于可見光、紫外光等的照射更電穩定。
[0039] 通過對包括結晶區域的氧化物半導體膜進行電子自旋共振巧SR)測量，可W測量 膜中的孤電子量，并可W估計氧缺陷量。例如，在由In-Ga-化-0類金屬氧化物形成并包括 結晶區域的氧化物半導體膜中，g值位于ESR測量中的1.93附近的區域中的峰值的自旋 密度低于1. 3X1〇18(自旋/cm3)，優選低于或等于5X10"(自旋/cm3)，更優選低于或等于 5X1〇16 (自旋/cm3)，進一步優選為1X1〇16 (自旋/cm3)。
[0040] 如上所述，在包括結晶區域的氧化物半導體膜中優選減少氨或含氨的雜質（諸 如水、居基或氨化物），且包括結晶區域的氧化物半導體膜中的氨濃度優選低于或等于 IX1〇19原子/cm3。鍵合到懸空鍵等的氨或含氨的雜質（諸如水、居基或氨化物）用作用來 供應氧化物半導體膜中的載流子的來源，其可能會改變氧化物半導體膜的導電性。另外，包 含在氧化物半導體膜中的氨與鍵合到金屬原子的氧反應而成為水，并且在氧從此脫離的晶 格（或氧從此脫離的部分）中形成缺陷。因此，包括送種缺陷減少的結晶區域的氧化物半 導體膜具有穩定的導電性且相對于可見光、紫外光等的照射更電穩定。
[0041] 注意，優選減少包括結晶區域的氧化物半導體膜中的諸如堿金屬之類的雜質。例 女口，在包括結晶區域的氧化物半導體膜中，裡的濃度低于或等于5XIQi5Cm3,優選低于或等 于1XIQi5Cm3;鋼的濃度低于或等于5X10I6CmM尤選低于或等于1XIQi6Cm3,更優選低于 或等于1XIQi5Cm3;并且鐘的濃度低于或等于5X10I5Cm3,優選低于或等于1XIQi5Cm3O
[0042] 堿金屬及堿±金屬對于包括結晶區域的氧化物半導體膜而言是不利雜質，且優選 氧化物半導體膜所包含的堿金屬及堿±金屬盡可能地少。尤其是，當將氧化物半導體膜用 于晶體管時，堿金屬之一的鋼擴散到與包括結晶區域的氧化物半導體膜接觸的絕緣膜中， 且因此載流子有可能被供應到氧化物半導體膜。另外，鋼切斷金屬與氧之間的鍵或進入包 括結晶區域的氧化物半導體膜中的鍵中。其結果是，晶體管特性劣化（例如，晶體管成為常 導通（闊值電壓移動到負側）或遷移率減少）。另外，送也導致特性的變化。
[0043] 送種問題在包括結晶區域的氧化物半導體膜中的氨濃度非常低的情況中特別 明顯。因此，非常優選的