專利名稱：氧化物半導(dǎo)體材料和其制造方法、電子裝置和場效應(yīng)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)揮半導(dǎo)體活性層功能的氧化物半導(dǎo)體材料和其制造方法、以及使用 該材料的場效應(yīng)晶體管等電子裝置。
背景技術(shù)：
氧化物半導(dǎo)體材料被用作場效應(yīng)晶體管等電子裝置的材料。場效應(yīng)晶體管可以列 舉薄膜晶體管(TFT)等，這些電子裝置被用作液晶顯示器或EL的驅(qū)動元件?，F(xiàn)有的TFT中， 在玻璃襯底上形成非晶質(zhì)(無定形)或多晶Si層，在該Si層的兩端設(shè)置源電極和漏電極， 在Si層的中央或者背面?zhèn)仍O(shè)置門電極。作為可適用于這種電子裝置的材料，嘗試了數(shù)種材 料。在日本特開2003-298062號公報中，公開了在襯底上依次形成底膜、由ZnO形成的 氧化物半導(dǎo)體膜、門絕緣膜和門電極而成的TFT。以ZnO作為材料的氧化物半導(dǎo)體膜可以降 低晶體的形成溫度。并且，在ZnO中，易于發(fā)生氧缺陷，產(chǎn)生大量載流子電子。在日本特開2000-044236 號公報中，公開了由 ZnxMyInz0(x+3y/2+3z/2) (Μ 為 Al 或者 Ga， X、1、Z為適當?shù)南禂?shù))形成的非晶質(zhì)氧化物膜的電極材料，該非晶質(zhì)氧化物膜的電子載流 子濃度為lX1018/cm3以上，優(yōu)選用作透明電極。S卩，可知在這種含有In的氧化物中，易于 產(chǎn)生大量載流子電子，利用這點來形成導(dǎo)電性高的膜。在日本特開2006-165532號公報中，公開了將電子載流子濃度小于IX 1018/cm3的 非晶質(zhì)氧化物膜用于通道(半導(dǎo)體活性層)的TFT。具體來說，使用InGa03(Zn0)m(m為適 當?shù)南禂?shù))作為非晶質(zhì)氧化物膜。即，記載了下述要點對于InGaO3(ZnO)mW情況，通過控 制成膜時氧氛圍的條件，可使電子載流子濃度小于1 X 1018/cm3。進一步地，公開了優(yōu)選不有 意識地添加雜質(zhì)離子、在含有氧氣的氛圍中成膜這樣的知識，更具體來說，公開了可以在氧 分壓小于6. 5Pa的氛圍中制作透明無定形氧化物薄膜，構(gòu)成常閉型(normally-off)的晶體 管。在日本特表2006-528843號公報中，公開了具有由包含鋅、錫和氧的三元化合物 形成的通道層的半導(dǎo)體裝置。S卩，現(xiàn)有的電子裝置中，作為例如TFT中的通道的氧化物半導(dǎo)體材料，已知有 ZnO (日本特開 2003-298062 號公報)、InGaO3 (ZnO) m (日本特開 2006-165532 號公報)、 ZnxSnyOz (日本特表2006-528843號公報)。另外，例如作為透明電極材料等的氧化物半導(dǎo) 體材料，已知典型的材料有ITO(Indium Tin Oxide)，其他還有ZnxMyInz0(x+3y/2+W2)(日本特 開2000-044236號公報)、InGaO3 (ZnO) m(日本特開2006-165532號公報)等含有In的氧化 物半導(dǎo)體材料
發(fā)明內(nèi)容
但是，上述這些提案的氧化物半導(dǎo)體材料中，電子載流子濃度難以控制在低水平，與其說是半導(dǎo)體，不如說表現(xiàn)為導(dǎo)電體的特性，換句話說，現(xiàn)有的上述氧化物半導(dǎo)體材料 中，難以降低導(dǎo)電率，因此偏壓條件使其難以發(fā)揮具有導(dǎo)體和絕緣體這兩種功能的半導(dǎo)體 功能，從這一點來看，不能說是充分的，當將這種氧化物半導(dǎo)體材料用于例如場效應(yīng)晶體管 的通道(半導(dǎo)體活性層)時，難以得到其充分發(fā)揮通道功能的常閉型場效應(yīng)晶體管。另外， 在氧化物半導(dǎo)體材料中含有、使用過的In為稀有金屬資源，因此要求開發(fā)一種不含有In的 氧化物半導(dǎo)體材料。本發(fā)明是鑒于這種問題而作出的發(fā)明，其目的在于提供能耐實用的氧化物半導(dǎo)體 材料、使用該材料的場效應(yīng)晶體管等電子裝置、和氧化物半導(dǎo)體材料的制造方法。本發(fā)明人為了解決上述課題，對氧化物半導(dǎo)體材料進行了研究，結(jié)果完成了本發(fā)明。本發(fā)明提供以下(1) (7)。(1)氧化物半導(dǎo)體材料，其含有Zn、Sn和0，不含有In，并且電子載流子濃度大于 1 X IO1Vcm3 且小于 1 X IO1Vcm30(2)根據(jù)(1)所述的氧化物半導(dǎo)體材料，其中，還含有摻雜劑。(3)根據(jù)⑴或⑵所述的氧化物半導(dǎo)體材料，其中，摻雜劑含有選自Al、Zr、Mo、 Cr、W、Nb、Ti、Ga、Hf、Ni、Ag、V、Ta、Fe、Cu、Pt、Si 禾口 F 中的至少 1 種。(4)根據(jù)⑴ (3)中任一項所述的氧化物半導(dǎo)體材料，其為非晶質(zhì)。(5)氧化物半導(dǎo)體材料，其具有由上述(1) (4)中任一項所述的氧化物半導(dǎo)體材 料形成的半導(dǎo)體層、和設(shè)置在半導(dǎo)體層上的電極。(6)場效應(yīng)晶體管，其具有由上述(1) (4)中任一項所述的氧化物半導(dǎo)體材料形 成的半導(dǎo)體層、設(shè)置在半導(dǎo)體層上并相互隔開的源電極和漏電極、和門電極，所述門電極設(shè) 置在可在位于源電極和漏電極之間的半導(dǎo)體層的區(qū)域施加偏置電位的位置。(7)氧化物半導(dǎo)體材料的制造方法，包括下述工序(i) (iv)(i)準備含有Zn、Sn和0的氧化物靶的工序、(ii)在濺射室(chamber)內(nèi)配置襯底的工序、(iii)在濺射室內(nèi)配置上述氧化物靶的工序、(iv)通過用稀有氣體濺射配置在上述濺射室內(nèi)的上述氧化物靶，將靶材料沉積在 上述襯底上的工序，和在上述濺射時，在與上述氧化物靶同時被濺射的位置進一步配置摻雜材料。
圖1是薄膜晶體管10的平面圖。圖2是圖1所示的薄膜10的II-II箭頭截面圖。圖3表示實施例1的TFT的IV特性。圖4表示實施例2的TFT的IV特性。圖5表示實施例3的TFT的IV特性。圖6表示氧濃度和電子載流子濃度的關(guān)系。圖7表示氧濃度和電子載流子濃度的關(guān)系。符號的說明
IG 門電極IC 門絕緣層IS 源電極ID 漏電極2:半導(dǎo)體層。
具體實施例方式本發(fā)明的氧化物半導(dǎo)體材料含有鋅(Zn)、錫(Sn)和氧(0)，不含有In，并且電子載 流子濃度大于1 X IO1Vcm3且小于1 X 1018/cm3。本申請發(fā)明人提供了 Zn-Sn-O系的氧化物半導(dǎo)體材料，其中，盡管不含有In，但電 子載流子濃度大于ι χ IO1Vcm3且小于1 X 1018/cm3。根據(jù)該氧化物半導(dǎo)體材料，電子載流子 濃度在適當?shù)姆秶斒褂眠@種氧化物半導(dǎo)體材料時，可充分發(fā)揮半導(dǎo)體活性層功能，因此 可以特別合適用于常閉型場效應(yīng)晶體管等電子裝置。氧化物半導(dǎo)體材料優(yōu)選還含有摻雜劑。氧化物半導(dǎo)體材料已經(jīng)含有氧，通過還含有作為氧以外的元素的摻雜劑，可以得 到具有低的電子載流子濃度、即具有充分高的薄層電阻的、更為實用的氧化物半導(dǎo)體材料。氧化物半導(dǎo)體材料優(yōu)選含有選自Al、Zr、Mo、Cr、W、Nb、Ti、Ga、Hf、Ni、Ag、V、Ta、 Fe、Cu、Pt、Si和F中的至少1種作為摻雜劑。當用這些元素作為摻雜劑時，可以得到具有充分高的薄層電阻的、更為實用的氧 化物半導(dǎo)體材料。氧化物半導(dǎo)體材料優(yōu)選為非晶質(zhì)。當氧化物半導(dǎo)體材料為非晶質(zhì)時，可以得到具有高的薄層電阻的氧化物半導(dǎo)體材 料。本發(fā)明的電子裝置具有由上述氧化物半導(dǎo)體材料形成的半導(dǎo)體層、和設(shè)置在半導(dǎo) 體層上的電極。電子裝置由于氧化物半導(dǎo)體材料具有上述充分的特性，因此可以利用偏置電位來 控制通過電極并在半導(dǎo)體層內(nèi)流過的電流。本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管具有由上述氧化物半導(dǎo)體材料形成的半導(dǎo)體層、設(shè)置在半 導(dǎo)體層上并相互隔開的源電極和漏電極、和門電極，所述門電極設(shè)置在可在位于源電極和 漏電極之間的半導(dǎo)體層的區(qū)域施加偏置電位的位置。在場效應(yīng)晶體管中，當在位于源電極和漏電極之間的半導(dǎo)體層中施加規(guī)定的偏置 電位時，在源和漏之間形成通道，電流在源和漏間流過。半導(dǎo)體層的該區(qū)域的電阻如上所述 在不施加偏置電位的狀態(tài)下是高的，因此可充分發(fā)揮場效應(yīng)晶體管功能。另外，當將本發(fā)明 的氧化物半導(dǎo)體材料用于在液晶顯示器等像素內(nèi)形成的TFT時，通過使該氧化物半導(dǎo)體材 料為透明的材料，可以增加像素的實質(zhì)開口率。氧化物半導(dǎo)體材料例如可以通過下述方法來制造，該方法包括準備含有Zn、Sn和 0的氧化物靶的工序、在濺射室內(nèi)配置襯底的工序、在濺射室內(nèi)配置氧化物靶的工序、和用 稀有氣體濺射配置在濺射室內(nèi)的氧化物靶，將濺射的靶材料沉積在襯底上的工序，在上述 濺射時，進一步具有向濺射室內(nèi)導(dǎo)入氧氣的工序，并且適當設(shè)定在稀有氣體和氧氣的混合氣體中含有的氧氣的體積比例。
當用稀有氣體濺射氧化物靶時，靶材料沉積在襯底上。在濺射時也可以將氧氣與 稀有氣體一起導(dǎo)入濺射室內(nèi)。另外，氧化物半導(dǎo)體材料例如可以通過下述方法來制造，該方法包括準備含有Zn、 Sn和0的氧化物靶的工序、在濺射室內(nèi)配置襯底的工序、在濺射室內(nèi)配置氧化物靶的工序、 和通過用稀有氣體濺射配置在濺射室內(nèi)的氧化物靶而將靶材料沉積在襯底上的工序，在濺 射時，在與氧化物靶同時被濺射位置進一步配置摻雜材料。摻雜材料可以列舉由上述摻雜 劑形成的材料、含有上述摻雜劑的氧化物、氟化物等。當用稀有氣體濺射氧化物靶時，靶材料沉積在襯底上。在該靶內(nèi)或其附近配置了 摻雜材料，因而在進行濺射而制造的氧化物半導(dǎo)體材料中還含有該摻雜劑。因此，氧化物半 導(dǎo)體材料具有耐電子裝置的實用的薄層電阻。該摻雜劑的元素可以采用上述的元素。以下，對于實施方式所涉及的氧化物半導(dǎo)體材料和使用該材料的薄膜晶體管(場 效應(yīng)晶體管電子裝置)進行更具體的說明。并且，在說明中，同一要素使用相同的符號，省 去重復(fù)的說明。圖1是薄膜晶體管10的平面圖，圖2是圖1所示的薄膜10的II-II箭頭截面圖。在門電極IG上依次層疊門絕緣層IC和隔開配置的源電極IS和漏電極1D，構(gòu)成襯 底1。在襯底1上沉積由氧化物半導(dǎo)體材料X形成的半導(dǎo)體層2。源電極IS和漏電極ID 之間的半導(dǎo)體層2的區(qū)域發(fā)揮薄膜晶體管10的通道功能。作為薄膜晶體管10的源電極IS與漏電極ID之間距離的通道長度L、作為源電極 IS或漏電極ID的寬度的通道寬度W，在本例中如下所述來設(shè)定。通道長度L = 20 μ m通道寬度L = Imm該薄膜晶體管10具有由N型氧化物半導(dǎo)體材料X形成的半導(dǎo)體層2和設(shè)置在半 導(dǎo)體層2上的電極(源電極IS或漏電極1D)。薄膜晶體管10中，由于氧化物半導(dǎo)體材料X 具有下述那樣的充分特性，因此可以利用偏置電位來控制通過電極并在半導(dǎo)體層2內(nèi)流過 的電流。如果使半導(dǎo)體層2與一個電極進行肖特基接觸，并與另個電極進行歐姆接觸，可以 構(gòu)成肖特基二極管作為電子裝置，該電子裝置中可以根據(jù)兩個電極間的外加電壓來控制流 過氧化物半導(dǎo)體材料X內(nèi)的電流。在本例子中，該電子裝置為薄膜晶體管10，其具有由氧化物半導(dǎo)體材料形成的半 導(dǎo)體層2、設(shè)置在半導(dǎo)體層2上并相互隔開的源電極IS和漏電極1D、和門電極1G，所述門電 極IG設(shè)置在可在位于源電極IS和漏電極ID之間的半導(dǎo)體層2的區(qū)域施加偏置電位的位置。在薄膜晶體管10中，當對位于源電極IS和漏電極ID之間的半導(dǎo)體層2中施加規(guī) 定的偏置電位時，在源和漏之間形成通道，電流在源電極和漏電極間流過。半導(dǎo)體層2的該 區(qū)域的電阻如上所述，在不施加偏置電位的狀態(tài)下是高的，因此可充分發(fā)揮場效應(yīng)晶體管 功能。與源電極IS和漏電極ID接觸的半導(dǎo)體區(qū)域為N型，通常由于半導(dǎo)體層的電阻而 在N型的通道中沒有電流流過，通過外加門電壓，通道截面積增加，流過通道的電流量隨著 門電壓的增加而增加。在本例中，半導(dǎo)體層的電阻值足夠高，實質(zhì)上發(fā)揮常閉型的薄膜晶體管功能。源電極IS以及漏電極ID與半導(dǎo)體層2為歐姆接觸，該接觸區(qū)域構(gòu)成源和漏。并 且，Au的費米能級與本實施方式的半導(dǎo)體層較為類似，電荷注入的問題少，這可以利用理研 計器社制的大氣中光電子分光裝置AC2來確認。構(gòu)成薄膜晶體管10的各要素的材料如下所示。
門電極 IG Si·門絕緣層 IC SiO2 源電極 lS:Au/Cr 漏電極 lD:Au/Cr·半導(dǎo)體層2 氧化物半導(dǎo)體材料X。并且，在構(gòu)成門電極IG的Si中，以高濃度添加摻雜劑，門電極IG具有接近于金屬 的導(dǎo)電性。接著，對于氧化物半導(dǎo)體材料X進行說明。氧化物半導(dǎo)體材料X是含有Zn、Sn和0的非晶質(zhì)的化合物半導(dǎo)體，由Zn-Sn-O膜 (Zn Sn 0的組成比為2 1 4)形成。氧化物半導(dǎo)體材料X化合了 Zn、Sn和0，但 不含有In，且電子載流子濃度Cx大于lX1015/cm3且小于lX1018/cm3。在本說明書中，“不 含有In”是指在制造方法中沒有添加In的工序，氧化物半導(dǎo)體材料基本不含有In的意思。 氧化物半導(dǎo)體材料X的In含量通常小于0. 01重量％。In含量可例如通過發(fā)射光譜分析法 來進行。詳細來說，氧化物半導(dǎo)體材料X的物性根據(jù)是否存在作為摻雜劑的元素D，可以分 類為以下的類型I (不含有元素D)、類型II (含有元素D)。元素D是氧以外的元素。另外， 半導(dǎo)體層中的Zn和Sn為主成分，對于類型I (不含有元素D)的情況，這些各元素的重量和 相對于總重量的比例為78重量％以上。類型I當不含有作為摻雜劑的元素D時，氧化物半導(dǎo)體材料X的物性如下述所示。Vs是 表示伏秒的單位。 構(gòu)成元素Zn、Sn、0·電子載流子濃度 Cx 1 X IO1Vcm3 < Cx < 1 X IO1Vcm3·膜厚 tx :10nm ^ tx ^ IOOOnm·結(jié)晶性非晶質(zhì)·薄層電阻 Rx :104Q/sq.彡 Rx 彡 IO9 Ω/sq.·遷移率 μ x :lcm2/Vs 彡 μ χ· In 的含量 Wln =Wln ^ 0 (重量 ％ )類型II當含有作為摻雜劑的元素D時，氧化物半導(dǎo)體材料X的物性如下述所示。 構(gòu)成元素Zn、Sn、0·電子載流子濃度 Cx 1 X IO1Vcm3 < Cx < 1 X IO1Vcm3·膜厚 tx :10nm ^ tx ^ IOOOnm·結(jié)晶性非晶質(zhì)
·薄層電阻 Rx IO4 Ω /sq.≤Rx ≤IO9 Ω /sq.·遷移率 μ χ :lcm2/Vs ≤ μ χ
· In 的含量 WIn:WIn ≈0(重量 ％ ) 摻雜劑元素D·元素D的濃度Cd 0摩爾％ < Cd ≤10摩爾％其中，Cd= ((D的摩爾數(shù))/(D的摩爾數(shù)+Zn的摩爾數(shù)+Sn的摩爾數(shù)))X 100%本申請發(fā)明人首次提供了 Zn-Sn-O系的類型I和類型II的氧化物半導(dǎo)體材料X， 其中，盡管不含有In，但電子載流子濃度Cx大于lX1015/cm3且小于lX1018/cm3。根據(jù)該氧 化物半導(dǎo)體材料X，電子載流子濃度Cx降低，因此載流子的遷移率μ χ增高至實用上可使用 的程度。即，當電子載流子濃度Cx小于1 X 1018/cm3且比1 X 1015/cm3大時，氧化物半導(dǎo)體材 料X的導(dǎo)電性在適當?shù)姆秶?，可發(fā)揮半導(dǎo)體活性層功能，所述半導(dǎo)體活性層根據(jù)偏壓的有 無來進行導(dǎo)電性和絕緣性的轉(zhuǎn)換。電子載流子濃度Cx更優(yōu)選的范圍為1 X IO1Vcm3以上且1 X IO1Vcm3以下，當(；在 下限值以上時，有ON電流變大的效果，當為上限值以下時，有OFF電流變小的效果，可使ON 電流與OFF電流之比增大。另外，類型II的氧化物半導(dǎo)體材料X進一步含有元素D作為由氧以外元素構(gòu)成的 摻雜劑。在氧化物半導(dǎo)體材料X內(nèi)，已經(jīng)含有氧，即使在氧化物半導(dǎo)體材料X內(nèi)添加作為氧 以外元素的元素D，也可以得到具有低的電子載流子濃度Cx、即具有充分高的薄層電阻Rx 的實用的氧化物半導(dǎo)體材料。從半導(dǎo)體層的經(jīng)時穩(wěn)定性、制造TFT的容易性等的角度考慮， 氧化物半導(dǎo)體材料X優(yōu)選是含有摻雜元素D的氧化物。元素D可以采用選自由以下金屬元素D1、半金屬元素D2和非金屬元素D3構(gòu)成的 元素組中的至少1種元素。元素D 金屬元素Dl 選自 Al、Zr、Mo、Cr、W、Nb、Ti、Ga、Hf、Ni、Ag、V、Ta、Fe、Cu 禾口 Pt 中 的至少1種半導(dǎo)體元素D2:Si非金屬元素D3:F當使用上述元素D作為摻雜劑時，可以得到具有充分高的薄層電阻的氧化物半導(dǎo) 體材料。另外，本實施方式的氧化物半導(dǎo)體材料X的結(jié)晶性為非晶質(zhì)。本申請發(fā)明人可以 確認下述要點，即，當氧化物半導(dǎo)體材料X至少為非晶質(zhì)時，可以得到實用的氧化物半導(dǎo)體 材料，但遷移率有伴隨結(jié)晶性的提高而增加這樣一般的傾向，因此氧化物半導(dǎo)體材料X即 使為多結(jié)晶或單晶，也具有充分的遷移率。上述氧化物半導(dǎo)體材料可以通過依次實施下述工序⑴ (iv)來制造。并且，工 序(ii)和工序(iii)的順序可以反過來。(i)準備含有Zn、Sn和0的氧化物靶的工序、(ii)在濺射室內(nèi)配置襯底的工序、(iii)在濺射室內(nèi)配置氧化物靶的工序、
(iv)用稀有氣體濺射配置在濺射室內(nèi)的氧化物靶，將被濺射的靶材料沉積在襯底 上的工序。類型I 對于類型I的情況，當進行工序(iv)的濺射時，在濺射室內(nèi)導(dǎo)入氧氣。稀有氣體 和氧氣的混合氣體中所含的氧氣的體積比例(體積％ )只要比0%大且為20%以下即 可。另外，對于類型II的情況，C氣體(體積％)只要為0%以上且20%以下即可。當用稀有氣體濺射氧化物靶時，靶材料沉積在襯底上。在濺射時，氧氣與稀有氣體 一起導(dǎo)入濺射室內(nèi)。對于由Zn-Sn-O系的氧化物半導(dǎo)體材料構(gòu)成的膜，如果產(chǎn)生氧空孔，則該氧空孔 使電子載流子產(chǎn)生，但由于在形成膜時的濺射時導(dǎo)入了規(guī)定量的氧氣，因此氧空孔減少，從 而電子載流子濃度降低，達到耐實用的程度。圖6是表示氧濃度C^ (體積％ )和電子載流子濃度(cm_3)的關(guān)系的圖，C^表 示0體積％ 0. 1體積％的情況。另外，圖7也是表示氧濃度(體積％ )和電子載流 子濃度(cm—3)的關(guān)系的圖，C^表示0體積％ 10體積％的情況。當(體積％ )為0. 1體積％以上且10體積％以下時，確認半導(dǎo)體層2在無偏 壓時具有充分的絕緣性，如上所述，如果將0體積％、ο. 1體積％、1體積％、10體積％時的 電子載流子濃度的關(guān)系作圖來預(yù)測電子載流子濃度，則可以預(yù)測在氧濃度(體積％ ) 為0. 07體積％以上時，電子載流子濃度為不產(chǎn)生漏泄程度的電子載流子濃度(=IXio18/ cm-3)以下，當氧濃度C^ (體積％)為20體積％以下時，有能使ON電流較大的效果。更優(yōu)選C氣體(體積％ )為0. 5體積％以上且5體積％以下的情況，此時，當C氣體 (體積％)為下限值以上時，進一步有使OFF電流較小的效果，當為上限值以下時，進一步有 使ON電流較大的效果。特別是當(體積％ )為1體積％以上時，電子載流子濃度相對 于濃度的變化率急劇降低，可以高精度地控制電子載流子濃度。類型II對于類型II的情況，在靶內(nèi)或其附近配置了氧以外的摻雜劑，在被濺射的靶材料 內(nèi)進一步含有該摻雜劑。當用稀有氣體濺射氧化物靶時，靶材料沉積在襯底上。由于在該 靶材料中進一步含有摻雜劑，因此沉積的靶材料具有耐電子裝置實用的薄層電阻。該摻雜 劑的元素可以采用上述的元素。另外，對于類型II的情況，當用不含有氧的稀有氣體進行濺射時，可以在氧化物 半導(dǎo)體材料中含有摻雜劑，以使氧化物半導(dǎo)體材料中的電子載流子濃度達到最適，或者當 減少氧化物半導(dǎo)體材料中的摻雜劑，并且用不含有氧的稀有氣體進行濺射時，電子載流子 濃度變多，但通過用含有氧的稀有氣體進行濺射，可以減少電子載流子濃度，使氧化物半導(dǎo) 體材料中的電子載流子濃度達到最優(yōu)值。以下，對于各工序進行詳細說明。工序(i)氧化物靶制造工序稱量氧化鋅(ZnO)粉末和氧化錫(SnO2)粉末，使Zn Sn的摩爾比為Ml M2，用 干式球磨機進行混合。將所得混合粉末放入氧化鋁制的坩堝中，在氧氛圍中在Tirc)的溫 度下保持Hl (小時)來進行煅燒，利用干式球磨機進行粉碎。使用模具將所得煅燒粉末通 過單軸壓制在Gl (kg/cm2)的壓力下成型為圓板狀，然后通過冷液靜壓(CIP)在G2 (kg/cm2)的壓力下進行加壓。將所得的成型物在氧氛圍中、在Pl (hPa)的壓力、T2(°C)的溫度下保持H2(小時)進行燒制，得到燒結(jié)物。用平面磨床打磨所得燒結(jié)物的兩面，制作氧化物靶。在制造類型II的氧化物半導(dǎo)體材料時，在最初的混合時除了氧化鋅粉末和氧化 錫粉末，還混合了元素D (或其氧化物)的粉末，或者在濺射時，在靶的附近配置含有元素D 的薄片(chip)。工序(ii)襯底準備工序濺射室是濺射裝置的濺射室，在濺射室內(nèi)部配置靶的固定部件和襯底1的固定部 件，這些固定部件相向配置。襯底1固定在襯底1的固定部件上?？梢栽谝r底1的固定部 件上設(shè)置加熱器，調(diào)節(jié)沉積時的襯底溫度。在門電極IG上依次沉積門絕緣層1C、電極層，通過光刻將最后的電極層構(gòu)圖，由 此形成源電極is和漏電極1D，從而制造襯底1。工序(iii)氧化物靶配置工序氧化物靶固定于濺射室內(nèi)部的靶固定部件上。在固定氧化物靶和襯底1后，使濺 射室為密封狀態(tài)，使用真空泵排出內(nèi)部的氣體，使內(nèi)部為真空。工序(iv)成膜工序在內(nèi)部達到真空后，在濺射室內(nèi)導(dǎo)入氣體種類1(類型I)或者氣體種類2(類型 II)，產(chǎn)生高頻(RF)等離子體，進行氧化物靶的濺射，在襯底上沉積靶材料。本例的稀有氣 體為Ar，但也可以使用其他種類的稀有氣體。成膜時的條件如下所述。類型I制造方法RF濺射法靶Zn-Sn-O燒結(jié)物氣體種類Rl =Ar-O2混合氣體氣體種類Rl中的O2體積濃度C氣體(體積％ )濺射室內(nèi)壓力P2(Pa)襯底溫度T3(°C)濺射功率WP(W)沉積時間H3(小時)類型II制造方法RF濺射法靶=Zn-Sn-O燒結(jié)物+含有元素D的薄片氣體種類R2:Ar氣濺射室內(nèi)壓力P2(Pa)襯底溫度T3(°C)濺射功率WP(W)沉積時間H3(小時)各參數(shù)優(yōu)選的范圍如以下所述。(a)0. 5 彡 M1/M2 彡 3(b) 500 彡 Tl 彡 1200(c)l 彡 Hl 彡 240
(d) 100 ^ Gl ^ 1000(e)500 彡 G2 彡 10000(f) 101. 325 ^ Pl ^ 10132. 5
(g) 1000 彡 T2 彡 1600(h) 1 ^ H2 ^ 240(i)0. 1 ^ P2 ^ 10(j)RT (室溫=26)彡 T3 彡 1200(k) 1/60 彡 Η3 彡 10(1)10 彡 Wp 彡 1000(m)0 彡 C氣體彡 20并且，上述參數(shù)滿足以下關(guān)系(o) Gl ^ G2(ρ) Tl ^ Τ2當參數(shù)至少滿足上述范圍時，能夠制造氧化物化合物材料，該氧化物化合物材料 可制造進行實用的工作的晶體管。實施例共通條件利用上述的制造方法在襯底1上沉積上述氧化物化合物材料X，制造薄膜晶體管 10。氧化鋅粉末(ZnO)使用株式會社高純度化學(xué)生產(chǎn)的、純度為99. 99%的粉末，氧化錫粉 末(SnO2)使用株式會社高純度化學(xué)生產(chǎn)的、純度為99. 99%的粉末。在干式球磨機中使用 直徑為5mm的氧化鋯制的球。并且，為了監(jiān)測膜厚或膜特性，準備玻璃襯底(Corning社制1737)，并設(shè)置在同一 濺射裝置內(nèi)。作為成膜前處理，進行了該襯底的超聲波脫脂處理。實施例1的條件(1-1)氧化物靶的制造M1/M2 = 2Tl = 900 (°C )Hl = 5(小時)Gl = 500 (kg/cm2)G2 = 1600 (kg/cm2)Pl = 1013 (hPa)T2 = 1200 (°C )Η2 = 5(小時)制造的氧化物靶(Zn-Sn-Ο燒結(jié)物)的密度為5. 43g/cm3。用平面磨床打磨這樣 得到的燒結(jié)物的兩面，加工成直徑為76. 2mm、厚度為6mm的形狀，使用銦系合金結(jié)合在后板 上，制作氧化物靶。(1-2)襯底的制造門電極材料Si門絕緣膜材料=SiO2
源電極和漏電極材料Au/Cr通道長度L = 20 μ m通道寬度W =Imm (1-3)成膜制造方法RF濺射法靶Zn-Sn-O燒結(jié)物 氣體種類Rl =Ar-O2混合氣體氧濃度C氣體1體積％濺射室內(nèi)壓力P2 0. 5Pa襯底溫度T3:200°C濺射功率1:501沉積時間H3:l小時評價方法和評價結(jié)果對所得薄膜進行X射線衍射，結(jié)果未檢測到明顯的衍射峰，表明制作的Zn-Sn-O膜 (半導(dǎo)體層2)的結(jié)晶性為非晶質(zhì)。半導(dǎo)體層2的膜厚為103. 7nm。另外，在玻璃襯底上形 成的薄膜通過目測是透明的。另外，包括玻璃襯底在內(nèi)在550nm波長下的透射率為87.8%， 從波長380nm至780nm的平均透射率為85. 2%。另外，所得薄膜的電阻率和遷移率通過 霍爾測定(Hall measurement)求得。所得Zn-Sn-O無定形氧化物膜的電子載流子濃度為 3. 08 X IO1Vcm3,電子遷移率為 5. 36cm2/Vs。膜特性如上所述，實施例1中形成的半導(dǎo)體層的膜特性如以下所示。
半導(dǎo)體層材料Zn-Sn-0 (化合物)結(jié)晶性非晶質(zhì)膜厚103.7nm電子載流子濃度Cx 3. 08 X IO1Vcm3,電子遷移率 μ x :5. 36cm2/Vs。電阻率 ρ x :3. 67 Ω cm薄層電阻艮3·54X 105Q/sqTFT 的 IV 特性在位于所形成的半導(dǎo)體層內(nèi)部的源電極和漏電極上，從半導(dǎo)體層的表面樹立探 針，使探針前端接觸各電極，測定TFT的IV特性。圖3表示在室溫下測定的TFT元件的電流-電壓特性。漏電流Id伴隨著漏電壓 Vd的增加而增加，因此可知通道為η型傳導(dǎo)。這與非晶質(zhì)Zn-Sn-O系氧化物膜為N型導(dǎo)體 這樣的事實不矛盾。漏電流Id表現(xiàn)為在漏電壓Vd = 30V左右時達到飽和(pinch-off)的 典型的半導(dǎo)體晶體管的行為。另夕卜，在門電壓Vg = 60V時，漏電流Id = 9X10_3A的電流流過。這與可通過門偏 置電位在半導(dǎo)體層內(nèi)誘發(fā)載流子相對應(yīng)。最大電流Imax為10mA，反方向的泄漏電流也為0. 01 μ A以下，表現(xiàn)為良好的晶體 管特性。晶體管在開、關(guān)時的漏電流比為IXlO6以上。另外，從表示門電壓和漏電流的關(guān)系的晶體管的傳遞特性的飽和區(qū)域算出的遷移率約為10cm2/Vs。實施例2的條件除了使濺射時的氧濃度C^為0. 1體積％以外，其他按照與實施例1相同的條件 制作TFT。評價方法和評價結(jié)果對所得薄膜進行X射線衍射，結(jié)果未檢測到明顯的衍射峰，表明制作的Zn-Sn-O 膜(半導(dǎo)體層2)的結(jié)晶性為非晶質(zhì)。膜厚為105.5nm。在玻璃襯底(Corning社制1737) 上形成的膜通過目測是透明的。作為濺射的結(jié)果，所得透明導(dǎo)電性薄膜的電阻率和遷移率 利用霍爾測定來求得。所得半導(dǎo)體層的電子載流子濃度為IeAXlO1Vcm3,電子遷移率為 10. 8cm2/Vso
膜特性實施例2中形成的半導(dǎo)體層的膜特性如以下所示。半導(dǎo)體層材料Zn-Sn-0 (化合物)結(jié)晶性非晶質(zhì)膜厚105.5nm電子載流子濃度Cx 4. 64X IO1Vcm3,電子遷移率μ x 10. 8cm2/Vs。電阻率 Px :1. 25 Ω cm薄層電阻Rx : 1· 18 X IO5 Ω/sqTFT 的 IV 特性圖4表示在室溫下測定的TFT元件的電流-電壓特性。測定方法與實施例1相同。 根據(jù)實施例2，即使在氧濃度(^#為0. 1體積％的情況下，雖無法與實施例1相比，但仍可 以制作具有良好晶體管特性的TFT元件。實施例3的條件除了使濺射時的氧濃度C氣體為10體積％以外，其他按照與實施例1相同的條件制 作 TFT。評價方法和評價結(jié)果對所得薄膜進行X射線衍射，結(jié)果未檢測到明顯的衍射峰，表明制作的Zn-Sn-O膜 (半導(dǎo)體層2)的結(jié)晶性為非晶質(zhì)。半導(dǎo)體層2的膜厚為89nm。在玻璃襯底(Corning社制 1737)上形成的膜通過目測是透明的。作為濺射的結(jié)果，所得透明導(dǎo)電性薄膜的電阻率和遷 移率通過霍爾測定來求得。所得半導(dǎo)體層的電子載流子濃度為5. 45 X IO1Vcm3,電子遷移率 為 5. 02cm2/Vso膜特性實施例3中形成的半導(dǎo)體層的膜特性如以下所示。半導(dǎo)體層材料Zn-Sn-0 (化合物)結(jié)晶性非晶質(zhì)膜厚89nm電子載流子濃度Cx 5. 45 X IO1Vcm3,電子遷移率 μ x :5. 02cm2/Vs。
電阻率 Px :2. 28 X IO2 Ω cm薄層電阻Rx 2· 56 X IO7 Ω/sqTFT 的 IV 特性圖5表示在室溫下測定的TFT元件的電流-電壓特性。測定方法與實施例1相同。 根據(jù)實施例3，即使在氧濃度為10體積％的情況下，雖無法與實施例1相比，但仍可以制作 具有良好晶體管特性的TFT元件。比較例1的條件除了使濺射時的氧濃度C^為0體積％以外，其他按照用與實施例1相同的條件 制作TFT。評價方法和評價結(jié)果對所得薄膜進行X射線衍射，結(jié)果未檢測到明顯的衍射峰，表明制作的Zn-Sn-O 膜(半導(dǎo)體層2)的結(jié)晶性為非晶質(zhì)。膜厚為111.7nm。在玻璃襯底(Corning社制1737) 上形成的膜通過目測是透明的。作為濺射的結(jié)果，所得透明導(dǎo)電性薄膜的電阻率和遷移率 通過霍爾測定來求得。所得半導(dǎo)體層的電子載流子濃度為6. 51 X IO1Vcm3,電子遷移率為 14. 9cm2/Vs0膜特性比較例1中形成的半導(dǎo)體層的膜特性如以下所示。半導(dǎo)體層材料Zn-Sn-0 (化合物)結(jié)晶性非晶質(zhì)膜厚111.7nm電子載流子濃度Cx :6. 51 X IO1Vcm3,電子遷移率μ x 14. 9cm2/Vs。電阻率 P x 6. 40 X 1(Γ2 Ω cm薄層電阻Rx 5· 73 X IO3 Ω/sqTFT 的 IV 特性所得TFT不表現(xiàn)晶體管特性，認為這是由于半導(dǎo)體層內(nèi)的載流子濃度過于高，電 流在源、漏之間泄漏的緣故。實施例4的條件除了在濺射裝置的濺射室內(nèi)設(shè)置實施例1中得到的氧化物靶，沿氧化物靶的腐 蝕部的圓周等間隔地固定設(shè)置8塊釩(V)的薄片(株式會社高純度化學(xué)制，純度99.9%， 5X5Xtlmm)，并在濺射裝置內(nèi)導(dǎo)入Ar氣以外，其他按照與實施例1同樣的條件形成薄膜。 艮口，濺射時的氧濃度C氣體為0體積％。S卩，實施例4的成膜條件如以下所示。制造方法RF濺射法靶Zn-Sn-O燒結(jié)物+V薄片氣體種類R2 =Ar氣氧濃度C氣體0體積％
濺射室內(nèi)壓力P2 0. 5Pa襯底溫度T3:200°C
濺射功率1:501沉積時間H3:l小時評價方法和評價結(jié)果將得到的膜用酸溶解，用ICP-AES(電感耦合等離子體發(fā)射光譜分析法)進行金屬元素的定量，結(jié)果是，相對于氧化膜中的金屬元素(Sn、Zn、V)，含有V 0. 54質(zhì)量％、0.93摩 爾％。即，摻雜劑相對于半導(dǎo)體層中除氧以外的全部構(gòu)成元素的摩爾比CMPANT(CTOPANT= ((V 的摩爾數(shù))/ (V的摩爾數(shù)+Zn的摩爾數(shù)+Sn的摩爾數(shù)))X 100% )為0. 93摩爾％。對得到 的膜進行X射線衍射，結(jié)果未檢測到明顯的衍射峰，表明制作的Zn-Sn-O膜(半導(dǎo)體層)的 結(jié)晶性為非晶質(zhì)。該半導(dǎo)體層的膜厚為115. Snm0在玻璃襯底(Corning社制1737)上形成 的膜通過目測是透明的。另外，包括玻璃襯底在內(nèi)在550nm波長下的透射率為89. 3 %，從波 長380nm至780nm的平均透射率為85.1%。作為濺射的結(jié)果，所得透明導(dǎo)電性薄膜的電阻率和遷移率通過霍爾測定來求得。 所得摻雜了釩的Zn-Sn-O膜的電阻率為1. 06 Ω cm,電子載流子濃度為3. 45 X IO1Vcm3,電子 遷移率為17. IcmVVs0膜特性實施例4中形成的半導(dǎo)體層的膜特性如以下所示。半導(dǎo)體層材料Zn-Sn-0 (化合物)結(jié)晶性非晶質(zhì)膜厚115.8nm電子載流子濃度Cx 3. 45 X IO1Vcm3,電子遷移率μ x :17. lcm2/Vs。薄層電阻艮9·14X104Q/Sq摻雜劑含有率Cdqpant 0. 93摩爾％由于釩的效果，遷移率沒有大幅下降，且可使載流子濃度為能夠得到良好晶體管 特性的1018/cm3以下。另外，摻雜元素的摻雜濃度越是增加，電子載流子濃度越有減少的傾 向，由此可以控制電子載流子濃度。并且，摻雜劑含有率Ciwpant優(yōu)選的范圍如以下所示。0 摩爾 ％ < Cdopant ≤10 摩爾 ％當Cmpant為下限值以上時，有載流子濃度減少至適當?shù)臄?shù)值的效果，當為上限值以 下時，有下述效果，即，載流子濃度不會過度減少，由于摻雜而良好地引起固溶，不產(chǎn)生析出 相或偏析相，不產(chǎn)生摻雜劑濃度分布的不均一性等。另外，下表是測定如下成膜得到的薄膜的薄層電阻而得到的結(jié)果，除了 Ga和F的 情況以外，在氧化物靶的腐蝕部固定、設(shè)置1片金屬(半導(dǎo)體)薄片(縱橫尺寸為5mmX5mm， 厚度=1mm)，并在濺射裝置內(nèi)導(dǎo)入Ar氣體以外，其他與實施例1同樣進行。對于摻雜元素為Ga的情況，除了在氧化物靶的腐蝕部固定、設(shè)置1個氧化鎵 (Ga2O3)的燒結(jié)物小球(直徑為IOmm Φ，厚度=3mm)，并在濺射裝置內(nèi)導(dǎo)入Ar氣體以外，對 于摻雜元素為F的情況，除了在氧化物靶的腐蝕部固定、設(shè)置1個摻雜了氟化鋅(ZnF2)和氟 化錫(SnF4)的Zn2SnO4燒結(jié)物小球(直徑為IOmm Φ，厚度=3mm)，并在濺射裝置內(nèi)導(dǎo)入Ar 氣體以外，其他與實施例1同樣地成膜，測定所得薄膜的薄層電阻而得到結(jié)果。如下表1 所示，如果使用摻雜元素(Al、Zr、Mo、Cr、W、Nb、Ti、Ga、Hf、Ni、Si、Ag、 TFT 的 IV 特性即使對于實施例4的晶體管，也可以觀察到常閉的狀態(tài)。并且，如上述那樣，從易于制造場效應(yīng)型晶體管等的角度考慮，優(yōu)選氧化物半導(dǎo)體 材料X是還含有摻雜元素的氧化物。即，當使用摻雜元素時，氧化物半導(dǎo)體材料X內(nèi)的載流 子濃度的控制性提高。工業(yè)實用性利用本發(fā)明的氧化物半導(dǎo)體材料，可以提供具有耐實用的低電子載流子濃度、適 合用于場效應(yīng)晶體管等電子裝置中的氧化物半導(dǎo)體材料。另外，根據(jù)本發(fā)明，可以提供易于制造氧化物半導(dǎo)體材料的方法。
權(quán)利要求
氧化物半導(dǎo)體材料，其含有Zn、Sn和O，不含有In，并且電子載流子濃度大于1×1015/cm3且小于1×1018/cm3。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化物半導(dǎo)體材料，其中，還含有摻雜劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氧化物半導(dǎo)體材料，其中，摻雜劑是選自Al、Zr、Mo、Cr、W、 Nb、Ti、Ga、Hf、Ni、Ag、V、Ta、Fe、Cu、Pt、Si 禾口 F 中的至少 1 種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3中任一項所述的氧化物半導(dǎo)體材料，其中，氧化物半導(dǎo)體材料為 非晶質(zhì)。
5.電子裝置，其具有由權(quán)利要求1 4中任一項所述的氧化物半導(dǎo)體材料形成的半導(dǎo) 體層、和設(shè)置在該半導(dǎo)體層上的電極。
6.場效應(yīng)晶體管，其具有由權(quán)利要求1 4中任一項所述的氧化物半導(dǎo)體材料形成的 半導(dǎo)體層、設(shè)置在上述半導(dǎo)體層上且相互隔開的源電極和漏電極、和門電極，所述門電極設(shè)置在可在位于上述源電極和上述漏電極之間的上述半導(dǎo)體層的 區(qū)域施加偏置電位的位置。(7)氧化物半導(dǎo)體材料的制造方法，其包括工序(i) (iv)(i)準備含有Zn、Sn和0的氧化物靶的工序、(ii)在濺射室內(nèi)配置襯底的工序、(iii)在濺射室內(nèi)配置上述氧化物靶的工序、(iv)通過用稀有氣體濺射配置在上述濺射室內(nèi)的上述氧化物靶，將靶材料沉積在上述 襯底上的工序，和在上述濺射時，在與上述氧化物靶同時被濺射的位置進一步配置摻雜材料。
全文摘要
本發(fā)明提供氧化物半導(dǎo)體材料和其制造方法、電子裝置和場效應(yīng)晶體管。氧化物半導(dǎo)體材料含有Zn、Sn和O，不含有In，且電子載流子濃度大于1×1015/cm3且小于1×1018/cm3。電子裝置具有包含氧化物半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體層，和設(shè)置在上述半導(dǎo)體層上的電極。場效應(yīng)晶體管具有包含氧化物半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體層、設(shè)置在上述半導(dǎo)體層中并相互隔開的源電極和漏電極、和門電極，所述門電極設(shè)置在可在位于上述源電極和上述漏電極之間的上述半導(dǎo)體層的區(qū)域施加偏置電位的位置。
文檔編號H01L21/363GK101868857SQ20088011635
公開日2010年10月20日 申請日期2008年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月15日
發(fā)明者小廣健司, 福原升, 長谷川彰 申請人:住友化學(xué)株式會社