氧化物半导体膜及其制造方法

氧化物半导体膜及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及物体、方法或制造方法。此外，本发明涉及程序（process)、机器 (machine)、产品（manufacture)或者组成物（composition of matter)。尤其是，本发明例 如涉及半导体膜、半导体装置、显示装置、液晶显示装置或发光装置。此外，本发明涉及半导 体膜、半导体装置、显示装置、液晶显示装置或发光装置的制造方法。另外，本发明涉及半导 体装置、显示装置、液晶显示装置或发光装置的驱动方法。
[0002] 注意，在本说明书中，半导体装置是指能够通过利用半导体特性而工作的所有装 置。电光装置、显示装置、存储装置、半导体电路以及电子设备等有时包括在半导体装置中， 有时包括半导体装置。
【背景技术】
[0003] 使用形成在具有绝缘表面的衬底上的半导体膜形成晶体管的技术受到关注。该晶 体管被广泛地应用于如集成电路和显示装置等的半导体装置。作为可用于晶体管的半导体 膜，已知硅膜。
[0004] 作为用作晶体管的半导体膜的硅膜，根据其用途使用非晶硅膜或多晶硅膜。例如， 在包括于大型显示装置中的晶体管的情况下，优选使用非晶硅膜，该非晶硅膜可以利用在 大面积衬底上形成薄膜的已有技术而制造。另一方面，在包括于相同的衬底上形成有驱动 电路的高功能显示装置中的晶体管的情况下，优选使用多晶硅膜，该多晶硅膜能够形成具 有高场效应迀移率的晶体管。作为形成多晶硅膜的方法，已知对非晶硅膜进行的高温加热 处理或激光处理。
[0005] 近年来，氧化物半导体膜受到关注。例如，公开了一种包括非晶In-Ga-Zn氧化物 膜的晶体管（参照专利文献1)。氧化物半导体膜可以利用溅射法等形成，所以可以用于 大型显示装置中的晶体管的半导体膜。另外，包括氧化物半导体膜的晶体管具有高场效应 迀移率；因而，可以实现在相同的衬底上形成有驱动电路的高功能显示装置。另外，因为可 以改良包括非晶硅膜的晶体管的生产装置的一部分而利用，所以有能够抑制设备投资的优 势。
[0006] 在1985年，报告了 In-Ga-Zn氧化物结晶的合成（参照非专利文献1)。此外，已报 告了 In-Ga-Zn氧化物具有同系结构并被记为InGaOjZnOhGii是自然数）的组成式（参照 非专利文献2)。
[0007] 已报告了具有与使用非晶In-Ga-Zn氧化物膜的晶体管相比较优良的电特性及较 高的可靠性的包括结晶In-Ga-Zn氧化物膜的晶体管（参照非专利文献3)。非专利文献3 报告具有c-axis aligned crystal (CAAC，c轴取向结晶）的In-Ga-Zn氧化物膜中不能明 确地确认晶界。
[参考文献]
[专利文献]
[0008] [专利文献1]日本专利申请公开2006-165528号公报
[非专利文献]
[0009] [非专利文献 1]N. Kimizuka，and T. Mohri :J. Solid State Chem.，Vol 60,1985,p. 382-384
[非专利文献 2]N.Kimizuka，M. Isobe, and M. Nakamura: J. Solid State Chem.，1995, Vol. 116, p. 170
[非专利文献 3]S.Yamazaki，J. Koyama，Y. Yamamoto, and K.0kamoto:SID 2012 DIGEST, p. 183-186

【发明内容】

[0010] 本发明的一个目的是提供一种结晶氧化物半导体膜。本发明的另一个目的是提供 一种结晶氧化物半导体膜的制造方法。
[0011] 本发明的另一个目的是提供一种能够形成上述氧化物半导体膜的溅射靶材。
[0012] 本发明的另一个目的是提供一种上述溅射靶材的使用方法。
[0013] 本发明的另一个目的是提供一种包括上述氧化物半导体膜且具有稳定的电特性 的晶体管。
[0014] 本发明的另一个目的是提供一种包括上述晶体管的可靠性高的半导体装置。
[0015] 本发明的另一个目的是提供一种关态电流（off-state current)低的半导体装 置。或者，本发明的另一个目的是提供一种耗电量低的半导体装置。本发明的另一个目的 是提供一种新颖的半导体装置。
[0016] 注意，这些目的的记载不妨碍其他目的的存在。在本发明的一个方式中，并不一定 必须要实现所有上述目的。从说明书、附图、权利要求书等的记载得知并可以抽出其它目 的。
[0017] 本发明的一个方式的氧化物半导体膜例如是衬底上的氧化物半导体膜。该氧化物 半导体膜具有多个平板状结晶In-Ga-Zn氧化物。该多个平板状结晶In-Ga-Zn氧化物配置 为朝向不规则的方向。在该氧化物半导体膜中，通过透射电子显微镜不能观察到晶界。
[0018] 例如，多个平板状结晶In-Ga-Zn氧化物的平面的圆当量直径优选大于或等于lnm 且小于或等于3nm。例如，多个平板状结晶In-Ga-Zn氧化物的厚度优选大于或等于0. 5nm 且小于或等于0. 9nm。
[0019] 本发明的另一个方式是一种氧化物半导体膜的制造方法，包括如下步骤：使离子 碰撞到包含结晶In-Ga-Zn氧化物的靶材，使依次层叠有包含镓原子、锌原子及氧原子的第 一层、包含铟原子及氧原子的第二层以及包含镓原子、锌原子及氧原子的第三层的平板状 In-Ga-Zn氧化物剥离；以及使平板状In-Ga-Zn氧化物在保持结晶性的状态下不规则地沉 积在衬底上。
[0020] 例如，包含在靶材中的结晶In-Ga-Zn氧化物的组成式优选为InGaZn04。
[0021] 例如，离子优选为氧阳离子。
[0022] 本发明的另一个方式是一种包括上述氧化物半导体膜的晶体管。本发明的另一个 方式是一种包括该晶体管的半导体装置。
[0023] 可以提供一种结晶氧化物半导体膜。
[0024] 此外，可以提供一种能够形成上述氧化物半导体膜的溅射靶材。
[0025] 可以提供一种包括氧化物半导体膜且具有稳定的电特性的晶体管。
[0026] 可以提供一种包括上述晶体管的可靠性高的半导体装置。
[0027] 可以提供一种关态电流低的半导体装置。此外，可以提供一种耗电量低的半导体 装置。另外，可以提供一种新颖的半导体装置。
【附图说明】
[0028] 图1是示出本发明的一个方式的氧化物半导体膜的成膜方法的模型图。 图2示出本发明的一个方式的靶材的截面HAADF-STEM图像。 图3A和3B示出InGaZnOg#晶。 图4A和4B示出原子碰撞之前的InGaZn04的结构等。 图5A和5B示出原子碰撞之后的InGaZn04的结构等。 图6A和6B示出颗粒。 图7A至7C示出nc-〇S膜的高分辨率平面TEM图像、高分辨率平面TEM图像的傅立叶 变换图像以及高分辨率平面TEM图像的傅立叶逆变换图像。 图8示出nc-〇S膜的纳米束电子衍射图案。 图9不出石英衬底的纳米束电子衍射图案。 图10示出减薄到几 nm的nc-〇S膜的纳米束电子衍射图案。 图11A至11C示出nc-〇S膜的结构解析结果。 图12示出nc-〇S膜的结构解析结果。 图13示出nc-〇S膜的结构解析结果。 图14示出用于计算的结构模型。 图15示出进行计算而得到的结晶InGaZn04的结构解析结果。 图16示出进行计算而得到的非晶InGaZn04的结构解析结果。 图 17 不出第一峰的半峰全宽（FWHM :full width halfmaximum)。 图18A、18B1、18B2及18C是示出本发明的一个方式的晶体管的例子的俯视图及截面 图。 图19A、19B及19C是示出本发明的一个方式的晶体管的例子的俯视图及截面图。 图20A至20C是示出本发明的一个方式的显示装置的例子的电路图、俯视图以及截面 图。 图21A和21B是示出本发明的一个方式的显示装置的例子的电路图及截面图。 图22A和22B是示出本发明的一个方式的半导体存储装置的例子的电路图及时序图。 图23A和23B是示出本发明的一个方式的半导体存储装置的例子的方框图及电路图。 图24A至24C是示出根据本发明的一个方式的CPU的例子的方框图。 图25A至25C示出本发明的一个方式的半导体装置的设置例子。
【具体实施方式】
[0029] 参照附图详细说明本发明的实施方式。但是，本发明不局限于以下说明，所属技术 领域的普通技术人员可以很容易地理解这里示出的详细内容和方式可以被变换为各种各 样的形式。此外，本发明不应该被解释为仅限定在以下实施方式的记载内容中。在利用附 图说明本发明的结构时，共同的附图标号被用于不同的附图中的同一对象。注意，相同的阴 影图案被用于类似的部分，该类似的部分有时不特别地由标记定义。
[0030] 注意，在附图中的大小、膜（层）的厚度或区域有时为了明确起见而被夸大。
[0031] 电压大多是指某个电位与标准电位（例如，源电位或接地电位（GND))之间的电位 差。电压可以称为电位，反之亦然。
[0032] 注意，"第一"及"第二"等序数词是为方便而用的，其并不表示工序顺序或叠层顺 序。因此，例如，"第一"可以适当地以"第二"、"第三"等替换。另外，本说明书等中的序数 词不必需要与特定本发明的一个方式的序数词一致。
[0033] 注意，例如，当导电性充分低时，"半导体"有时具有"绝缘体"的特性。此外，因为 "半导体"与"绝缘体"之间的界限模糊，有时不能严格地区别"半导体"与"绝缘体"。由此， 本说明书中的"半导体"有时可以称为"绝缘体"。同样地，本说明书中的"绝缘体"有时可 以称为"半导体"。
[0034]另外，例如，当导电性充分高时，"半导体"有时具有"导电体"的特性。此外，因为 "半导体"与"导电体"之间的界限模糊，有时不能严格地区别"半导体"与"导电体"。由此， 本说明书中的"半导体"有时可以称为"导电体"。同样地，本说明书中的"导电体"有时可 以称为"半导体"。
[0035] 此外，半导体层中的杂质例如是指半导体层的主要成分以外的元素。例如，浓度小 于0. latomic%的元素是杂质。当包含杂质时，例如，半导体层中的态密度（D0S:density of state)有可能增高，载流子迀移率有可能降低，或者结晶性有可能降低。在半导体层是 氧化物半导体层的情况下，改变半导体层特性的杂质的例子包括第1族元素、第2族元素、 第14族元素、第15族元素、主要成分以外的过渡金属；尤其是，例如有氢（包含于水）、锂、 钠、硅、硼、磷、碳、氮。当半导体层是氧化物半导体层时，例如，氧缺陷有可能因氢等杂质的 混入而形成。此外，当半导体层是硅层时，改变半导体层的特性的杂质的例子包括氧、除了 氢以外的第1族元素、第2族元素、第13族元素、第15族元素。
[0036] 在本说明书中，"平行"意味着在两条直线之间形成的角度大于或等于-10°且小 于或等于10°，因此还包括该角度大于或等于-5°且小于或等于5°的情况。另外，"垂直" 意味着在两条直线之间的角度大于或等于80°且小于或等于100°，因此还包括该角度大 于或等于85°且小于或等于95°的情况。
[0037] 在本说明书中，三方及菱方晶系包括在六方晶系内。
[0038] 〈氧化物半导体膜的结构〉 下面说明可用作晶体管的半导体膜的氧化物半导体膜的结构。
[0039] 氧化物半导体膜大致分为单晶氧化物半导体膜和非单晶氧化物半导体膜。非单 晶氧化物半导体膜包括c轴取向结晶氧化物半导体（c-axis aligned crystalline oxide semiconductor :CAAC-〇S)膜、多晶氧化物半导体膜、微晶氧化物半导体膜以及非晶氧化物 半导体膜等。
[0040] 首先，说明CAAC-0S膜。
[0041] CAAC-0S膜是包含多个c轴取向结晶部的氧化物半导体膜之一。
[0042] 在 CAAC-0S 膜的透射电子显微镜（TEM 〖transmission electron microscope)图 像中，观察不到结晶部之间的明确边界，即晶界（grain boundary)。因此，在CAAC-0S膜中， 不容易产生起因于晶界的电子迀移率的降低。
[0043] CAAC-0S膜是杂质浓度低的氧化物半导体膜。杂质是氢、碳、硅或过渡金属元素 等氧化物半导体膜的主要成分以外的元素。尤其是，与氧的键合力比包含在氧化物半导体 膜中的金属元素强的硅等元素夺取氧化物半导体膜中的氧，打乱氧化物半导体膜的原子排 列，导致结晶性的下降。另外，铁或镍等的重金属、氩、二氧化碳等的原子半径（分子半径） 大，所以，当包含在氧化物半导体膜内时，打乱氧化物半导体膜的原子排列，导致结晶性下 降。此外，包含在氧化物半导体膜中的杂质有时成为载流子陷阱或载流子发生源。
[0044] CAAC-0S膜是缺陷态密度低的氧化物半导体膜。例如，在某些情况下，氧化物半导 体膜中的氧缺陷成为载流子陷阱，或者当俘获氢时成为载流子发生源。
[0045] 杂质浓度低且缺陷态密度低（氧缺陷的数量少）的状态称为"高纯度本征"或"实 质上高纯度本征"状态。高纯度本征或实质上高纯度本征的氧化物半导体膜的载流子发生 源少，所以可实现低载流子密度。因此，包括该氧化物半导体膜的晶体管很少具有负阈值电 压（很少为常导通）。高纯度本征或实质上高纯度本征的氧化物半导体膜的载流子陷阱少。 因此，包括该氧化物半导体膜的晶体管的电特性变动小，可靠性高。被氧化物半导体膜中的 载流子陷阱俘获的电荷直到被释放需要的时间长，有时像固定电荷那样动作。所以，包括杂 质浓度高且缺陷态密度高的氧化物半导体膜的晶体管的电特性有时不稳定。
[0046] 通过在晶体管中使用CAAC-0S膜，因可见光或紫外光的照射而导致的晶体管电特 性的变动变小。
[0047] 接下来，说明多晶氧化物半导体膜。
[0048] 在用TEM得到的多晶氧化物半导体膜的图像中，可以观察到晶粒。另外，在用TEM 得到的多晶氧化物半导体膜的图像中，有时观察到晶界。
[0049] 多晶氧化物半导体I旲具有尚结晶性，因此有时具有尚电子迁移率。所以，包括多晶 氧化物半导体膜的晶体管具有高场效应迀移率。注意，在多晶氧化物半导体膜中，杂质有 时偏析在结晶之间的晶界。另外，多晶氧化物半导体膜的晶界成为缺陷能级。由于多晶氧 化物半导体膜的晶界有可能成为载流子陷阱或载流子发生源，所以在某些情况下，与包括 CAAC-0S膜的晶体管相比，包括多晶氧化物半导体膜的晶体管的电特性变动大，可靠性低。
[0050] 接下来，说明微晶氧化物半导体膜。
[0051] 在用TEM得到的微晶氧化物半导体膜的图像中，有时无法明确地确认到结晶 部。在很多情况下，微晶氧化物半导体膜中的结晶部的尺寸大于或等于lnm且小于或等于 100nm，或大于或等于lnm且小于或等于10nm。其尺寸大于或等于lnm且小于或等于10nm 或大于或等于lnm且小于或等于3nm的微晶特别称为纳米晶（nc:nanocrystal)。包含纳米 晶的氧化物半导体膜称为nc_OS(nanocrystalline oxide semiconductor)膜。例如，在用 TEM得到的nc-〇S膜的图像中，有时无法明确地确认到晶界。
[0052] 在nc-〇S膜中，微小区域（例如，其尺寸大于或等于lnm且小于或等于10nm的区 域，特别是，其尺寸大于或等于lnm且小于或等于3nm的区域）具有周期性原子排列。另外， 在nc-〇S膜中的不同的结晶部之间没有晶体取向的规律性。因此，观察不到膜整体的取向 性。所以，根据分析方法，nc-〇S膜有时不能与非晶氧化物半导体膜区别。例如，当利用面 内法（out-of-plane)法使用其直径比结晶部大的X射线的XRD装置对nc-〇S膜进行结构 分析时，不呈现显示结晶面的峰值。此外，在通过使用其探测直径比结晶部大（例如，大于 或等于50nm)的电子射线取得的nc-OS膜的选区电子衍射图案中，呈现出类似于光晕图案 的电子衍射图案。另一方面，在通过使用其探测直径近于结晶部的尺寸或者小于或等于结 晶部的尺寸（例如，大于或等于lnm且小于或等于30nm)的电子射线取得的nc-OS膜的纳 米束电子衍射图案中，观察到斑点。另外，在nc-OS膜的纳米束电子衍射图案中，有时呈现 出圆圈（环状）的高亮度区域。此外，在nc-OS膜的纳米束电子衍射图案中，有时在环状的 区域内呈现出多个斑点。
[0053] nc-OS膜是具有比非晶氧化物半导体膜高的规律性的氧化物半导体膜。因此， nc-OS膜的缺陷态密度比非晶氧化物半导体膜低。注意，在nc-OS膜中的不同的结晶部之 间，没有晶体取向的规律性。所以，nc-OS膜的缺陷态密度比CAAC-0S膜高。
[0054] 因此，nc-OS膜的载流子密度有时比CAAC-0S膜高。载流子密度较高的氧化物半 导体膜有电子迀移率较高的倾向。因此，包括nc-OS膜的晶体管有时具有较高的场效应迀 移率。
[0055] 另一方面，与包括非晶氧化物半导体膜的晶体管相比，包括nc-〇S膜的晶体管的 电特性变动小，可靠性高。因为nc-OS膜即使包含较多量的杂质也可以得到，所以nc-OS膜 比CAAC-0S膜