半導(dǎo)體裝置及其制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及半導(dǎo)體裝置及其制造方法，其目的在于提供一種適用于半導(dǎo)體裝置的氧化物半導(dǎo)體?；蛘?，本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種使用該氧化物半導(dǎo)體的半導(dǎo)體裝置。公開(kāi)的半導(dǎo)體裝置在晶體管的溝道形成區(qū)域中包括In-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體層。在所述半導(dǎo)體裝置中，In-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體層具有如下結(jié)構(gòu)：在由InGaO3(ZnO)m(m>0)表示的非晶結(jié)構(gòu)中包含由InGaO3(ZnO)m(m＝1)表示的晶粒。
【專(zhuān)利說(shuō)明】半導(dǎo)體裝置及其制造方法
[0001]本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2009年11月20日、申請(qǐng)?zhí)枮?00910226491.0、發(fā)明名稱(chēng)為“半導(dǎo)體裝置及其制造方法”的專(zhuān)利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及使用氧化物半導(dǎo)體的半導(dǎo)體裝置以及制造半導(dǎo)體裝置的方法。

【背景技術(shù)】
[0003]場(chǎng)效應(yīng)晶體管(也稱(chēng)為FET)是目前使用最為廣泛的半導(dǎo)體元件。根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的用途，使用多種材料進(jìn)行其制造。特別是經(jīng)常使用包括硅的半導(dǎo)體材料。
[0004]使用硅的場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有滿(mǎn)足多種用途需要的特性。例如，將單晶硅用于需要以高速運(yùn)行的集成電路等，由此滿(mǎn)足集成電路的需要。此外，使用非晶硅用于需要大面積的目的，例如顯示設(shè)備，由此可以滿(mǎn)足該目的的需要。
[0005]如上所述，硅是高度多功能化的并且可用于多種目的。然而，近年來(lái)，半導(dǎo)體材料趨向于希望具有更高的性能以及多功能性。例如，在提高大面積顯示設(shè)備的性能方面，為了實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)元件的高速操作，需要有助于增加顯示設(shè)備面積和具有高于非晶硅的性能的半導(dǎo)體材料。
[0006]在這樣的條件下，關(guān)于使用氧化物半導(dǎo)體的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的技術(shù)引起了人們的注意。例如，在專(zhuān)利文獻(xiàn)I中，公開(kāi)了一種使用同系化合物InMO3(ZnO)m(M為In、Fe、Ga或Al，且m為大于等于I并小于50的整數(shù))的透明薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
[0007]此外，在專(zhuān)利文獻(xiàn)2中公開(kāi)了一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中使用了電子載流子濃度小于11Vcm3并且含有In、Ga和Zn的非晶氧化物半導(dǎo)體。需要注意的是，在專(zhuān)利文獻(xiàn)2中，非晶氧化物半導(dǎo)體中In:Ga:Zn等于1:1:m(m<6)。
[0008]進(jìn)一步地，在專(zhuān)利文獻(xiàn)3中公開(kāi)了一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中使用含有微晶的非晶氧化物半導(dǎo)體作為有源層。
[0009][參考文獻(xiàn)]
[0010][專(zhuān)利文獻(xiàn)I]日本公開(kāi)專(zhuān)利申請(qǐng)JP2004-103957
[0011][專(zhuān)利文獻(xiàn)2]PCT國(guó)際公開(kāi)文獻(xiàn)TO05/088726
[0012][專(zhuān)利文獻(xiàn)3]日本公開(kāi)專(zhuān)利申請(qǐng)JP2006-165529


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]在專(zhuān)利文獻(xiàn)3公開(kāi)的內(nèi)容中，其中一種結(jié)晶態(tài)的組分為InGaO3(ZnO)n1ii為小于6的整數(shù))。此外，在專(zhuān)利文獻(xiàn)3的實(shí)施例1中，公開(kāi)了 InGaO3(ZnO)4W例子。然而實(shí)際上，即使使用這些氧化物半導(dǎo)體也沒(méi)有獲得滿(mǎn)足要求的特性。
[0014]鑒于前述問(wèn)題，目的在于提供一種適用于半導(dǎo)體裝置的氧化物半導(dǎo)體?；蛘撸硪粋€(gè)目的在于提供一種使用氧化物半導(dǎo)體的半導(dǎo)體裝置。
[0015]在公開(kāi)的發(fā)明中，制造的半導(dǎo)體裝置中由InGaO3(ZnO)ni(IiiX))表示的非晶結(jié)構(gòu)中包含InGaO3(ZnO)m(m = I)表示的晶粒。具體描述如下。
[0016]公開(kāi)的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案是一種半導(dǎo)體裝置，其包括用于晶體管溝道形成區(qū)域的In-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體層。在所述半導(dǎo)體裝置中，In-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體層具有這樣的結(jié)構(gòu)，其中，由InGaO3(ZnO)m(m>0)表示的非晶結(jié)構(gòu)中包含有由InGaO3(ZnO)mOn=D表示的晶粒。
[0017]在上述實(shí)施方案中，In-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體層中的Zn含量(原子％ )優(yōu)選小于In的含量(原子％)并且小于Ga的含量(原子％)。此外，氧化物半導(dǎo)體層優(yōu)選使用Zn含量(原子％ )小于或等于In的含量(原子％ )并且小于或等于Ga的含量(原子％ )的靶材通過(guò)濺射法形成。此外，在上文中，優(yōu)選僅使用每個(gè)都具有由InGaO3(ZnO)mOii= I)表示的結(jié)構(gòu)的晶粒。然而，在晶粒中由InGaO3(ZnO)niGii = I)表示的結(jié)構(gòu)的比例為80體積％或更高的條件下，可以獲得給定的特性。
[0018]公開(kāi)的本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案是一種制備半導(dǎo)體裝置的方法，其包括以下步驟:通過(guò)濺射法在襯底上形成具有非晶結(jié)構(gòu)的In-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體層；對(duì)氧化物半導(dǎo)體層進(jìn)行熱處理從而形成在由InGaO3(Zn0)m(m>0)表示的非晶結(jié)構(gòu)中包含InGaO3(ZnO)ffl(m= I)表示的晶粒的氧化物半導(dǎo)體層。在制備半導(dǎo)體裝置的方法中，含有晶粒的氧化物半導(dǎo)體層用于晶體管溝道形成區(qū)域。
[0019]在上述實(shí)施方案中，優(yōu)選形成具有非晶結(jié)構(gòu)的In-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體層，從而Zn的含量(原子％)小于In的含量(原子％)并且小于Ga的含量(原子％)。此外，所述具有非晶結(jié)構(gòu)的In-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體層優(yōu)選使用Zn含量(原子％ )小于或等于In的含量(原子％ )并且小于或等于Ga的含量(原子％ )的靶材通過(guò)濺射法形成。此夕卜，熱處理優(yōu)選在350°C或更高的溫度下進(jìn)行。
[0020]需要注意，在本說(shuō)明書(shū)中，半導(dǎo)體裝置指任意可利用半導(dǎo)體的特性發(fā)揮作用的裝置；顯示裝置，半導(dǎo)體電路和電子裝置都包括在半導(dǎo)體裝置中。
[0021]由InGaO3(ZnO)m(m>0)表示的非晶結(jié)構(gòu)中包含由InGaO3(ZnO)m(m = I)表示的晶粒，從而可以改善氧化物半導(dǎo)體的電特性。此外，通過(guò)使用氧化物半導(dǎo)體可以提供優(yōu)異的半導(dǎo)體裝置。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1A和IB是關(guān)于實(shí)施方案I的氧化物半導(dǎo)體層的制備方法的說(shuō)明性的圖。
[0023]圖2中的表顯示了非單晶半導(dǎo)體層的組成分析結(jié)果。
[0024]圖3中的表顯示了非單晶半導(dǎo)體層的組成分析結(jié)果。
[0025]圖4A和4B是氧化物半導(dǎo)體層的明視場(chǎng)STEM圖像。
[0026]圖5A和5B分別為明視場(chǎng)STEM圖像和HAADF-STEM圖像。
[0027]圖6A和6B分別為晶體結(jié)構(gòu)的放大圖像和晶體結(jié)構(gòu)的模型圖。
[0028]圖7A和7B是氧化物半導(dǎo)體層(靶材B)的HAADF-STEM圖像。
[0029]圖8圖示了氧化物半導(dǎo)體(InGaZnO4)的晶體結(jié)構(gòu)。
[0030]圖9A和9B圖示了(Ga，Zn) O2層中Ga原子和Zn原子的分布。
[0031]圖10中的表顯示了元素分布模式的能量比較結(jié)果。
[0032]圖1i圖示了電子的Dos和roos的計(jì)算結(jié)果。
[0033]圖12A和12B是在導(dǎo)帶底部的電子分布圖。
[0034]圖13中的表顯示了 Ev。的幾何最優(yōu)值的計(jì)算結(jié)果。
[0035]圖14A-14D圖示了與計(jì)算相關(guān)的具體組合(原子分布)。
[0036]圖15中的表顯示了每種組合的能量。
[0037]圖16是最可能的分布的模型圖。
[0038]圖17Α-17Ε是關(guān)于實(shí)施方案2的半導(dǎo)體裝置的制備方法的說(shuō)明性的圖。

【具體實(shí)施方式】
[0039]參考附圖對(duì)實(shí)施方案加以具體描述。然而，本發(fā)明不局限于下文對(duì)于實(shí)施方案的描述，并且很明顯對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不背離本發(fā)明目的的情況下可以對(duì)其方式和細(xì)節(jié)進(jìn)行各種改變和調(diào)整。此外，可以將涉及不同實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)適宜地組合使用。需要注意在下述本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，相同部分或具有相同功能的部分使用相同的標(biāo)記數(shù)字表示，并且省略對(duì)其重復(fù)性的解釋。
[0040](實(shí)施方案I)
[0041]在該實(shí)施方案中，參考附圖描述了一種制備氧化物半導(dǎo)體層(氧化物半導(dǎo)體層指In-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體層)的方法，其中由InGaO3(ZnO)ni(IiiX))表示的非晶結(jié)構(gòu)中包含由InGaO3 (ZnO) m(m = I)表示的晶粒。
[0042]首先，在形成表面(這里為襯底100)上形成In-Ga-Zn-O基非單晶半導(dǎo)體層102(參見(jiàn)圖1A)。例如，可以使用包含銦(In)、鎵(Ga)和鋅(Zn)的氧化物半導(dǎo)體靶材利用濺射法形成非單晶半導(dǎo)體層102。例如，可以采用下述濺射條件:襯底100和氧化物半導(dǎo)體靶材之間的距離為30mm-500mm ;壓力為0.lPa-2.0Pa ；DC電源為0.2kff-5.0kW(使用直徑為8英寸的靶材時(shí));氣氛為氬氣氛、氧氣氛或氬和氧的混合氣氛。
[0043]此處，在下述條件下形成非單晶半導(dǎo)體層102:氧化物半導(dǎo)體靶材的組成設(shè)為In2O3:Ga2O3:ZnO等于1:1:1 ;襯底100和氧化物半導(dǎo)體祀材的距離為170mm ;壓力為0.4Pa ；DC電源為0.5kff ;氬氣流量為1sccm ;氧氣流量為5sccm。
[0044]然后，通過(guò)電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)分析由上述方法制得的樣品的組成。在氬氣流量為lOsccm、氧氣流量為5sccm的條件下形成的非單晶半導(dǎo)體層102的組成為InGaa94Zna4(|03.31。圖2顯示了上述分析結(jié)果以及在IS氣流量為40sccm、氧氣流量為Osccm時(shí)的條件下形成的非單晶半導(dǎo)體層的分析結(jié)果。
[0045]進(jìn)一步地，圖3顯示了使用盧瑟福反散射能譜法(RBS)作為分析方法的分析結(jié)果。
[0046]圖2和圖3顯示了非單晶半導(dǎo)體層中的Ga和Zn的含量趨向于低于其在靶材組成中的含量。此外，非單晶半導(dǎo)體層的分析結(jié)果取決于制備條件和分析方法等因素是不同的。
[0047]下一步，在350°C -800°C (優(yōu)選500°C -750°C )的溫度下對(duì)非單晶半導(dǎo)體層進(jìn)行熱處理約10分鐘-200分鐘，由此獲得在非晶結(jié)構(gòu)中含有晶粒104的氧化物半導(dǎo)體層106 (參見(jiàn)圖1B)。使用氧化物半導(dǎo)體層106制得的薄膜晶體管具有優(yōu)良的電特性:在柵壓為±20V時(shí)，開(kāi)關(guān)比為19或更高，遷移率為1cmVVs或更高。需要注意這里的熱處理在700°C的溫度下進(jìn)行一小時(shí)。
[0048]進(jìn)行熱處理后，分析氧化物半導(dǎo)體層106的結(jié)構(gòu)。具體地，利用掃描透射式電子顯微鏡(STEM)圖像觀察樣品的截面。
[0049]圖4A和4B是樣品的明視場(chǎng)STEM圖像。圖4A為使用In2O3: Ga2O3: ZnO等于l:l:l(In:Ga:Zn = 1:1:0.5)的靶材(下文中稱(chēng)為靶材A)制得的樣品的STEM圖像。圖4B為使用In203:Ga203:Zn0等于1: l:2(In:Ga:Zn = 1:1:1)的祀材(下文中稱(chēng)為祀材B)代替靶材A制得的樣品的STEM圖像，用以與上述樣品進(jìn)行比較。
[0050]圖4A顯示了通過(guò)上述方法制得的氧化物半導(dǎo)體層106具有在非晶結(jié)構(gòu)中包含晶粒104的結(jié)構(gòu)。
[0051]需要注意通過(guò)比較圖4A和圖4B可見(jiàn)，在靶材中鋅含量低的情況下，晶體生長(zhǎng)速度低于靶材中鋅含量高的情況。基于該事實(shí)，可以改善晶體生長(zhǎng)的可控性。例如，使非單晶半導(dǎo)體層102中的Zn含量(原子％)低于In含量(原子％)并低于Ga含量(原子％)，從而可以以?xún)?yōu)良的可控性形成具有優(yōu)良性能的氧化物半導(dǎo)體層106。當(dāng)晶體生長(zhǎng)速度比較重要時(shí)，可以使非單晶半導(dǎo)體層102中的鋅含量較高。
[0052]接下來(lái)，通過(guò)STEM觀察樣品的更微細(xì)區(qū)域。圖5A和5B為使用靶材A制得的樣品的STEM圖像。圖5A為明視場(chǎng)STEM圖像，圖5B為高角度環(huán)形暗視場(chǎng)(HAADF) STEM圖像。圖5A中，可以看見(jiàn)規(guī)則結(jié)構(gòu)；然而難以定位每一個(gè)原子，此外，無(wú)法檢測(cè)晶體取向。另一方面，在圖5B中，可以精確檢測(cè)到相應(yīng)于每個(gè)原子的白點(diǎn)的位置。進(jìn)一步地，如從圖5B中可以看出非晶結(jié)構(gòu)存在于圖5B的右下部區(qū)域。
[0053]在HAADF-STEM圖像中，獲得與原子數(shù)的平方成比例的襯度；因此，較亮的點(diǎn)表示較重的原子。在圖5B中，較亮的點(diǎn)表示In,較暗的點(diǎn)表示Ga或Zn。
[0054]接下來(lái)，參考圖6A和圖6B研究上述晶體結(jié)構(gòu)。這里，圖6A為圖5B的放大視圖(放大圖像)。圖6B是從[100]方向看到的InGaZnO4 (相應(yīng)于InGaO3 (ZnO)m，m等于I)的晶體結(jié)構(gòu)模型圖。圖6A和圖6B的比較顯示使用靶材A制得的樣品中的晶粒具有InGaO3 (ZnO) ι的晶體結(jié)構(gòu)。需要注意In和Ga可能對(duì)In-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有貢獻(xiàn)。因此,為了保持良好的電特性，具有高比例In和Ga的晶體結(jié)構(gòu)的比例越高，換句話(huà)說(shuō)，InGaO3 (ZnO)m(m = I)晶體結(jié)構(gòu)的比例越高,越為優(yōu)選。
[0055]圖7A和7B是使用靶材B制得的樣品的HAADF-STEM圖像。在圖7A和圖7B中，亮點(diǎn)規(guī)則存在從而形成線(xiàn)。亮點(diǎn)線(xiàn)之間的距離為約0.9nm，約1.15nm，約1.4nm，其對(duì)應(yīng)于m分別為1、2以及3時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)InGaO3(ZnO)m中的In原子之間的距離。即可以說(shuō)使用靶材B制備的樣品含有具有多種組成的晶體，即晶體InGaO3(ZnO)m, m為至少I(mǎi)至3。
[0056]如上所述，在In-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體中，In和Ga有助于導(dǎo)電性。因此，在In和Ga的比例低的條件下(即在m大的條件下)，電特性惡化。因此,通過(guò)使InGaO3(ZnO)ffl(m= I)結(jié)構(gòu)的比例變高，電特性可以保持優(yōu)良狀態(tài)。特別地，整個(gè)晶體結(jié)構(gòu)中晶體結(jié)構(gòu)InGaO3(ZnO)m(m = I)的比例優(yōu)選為80體積％或更高，更優(yōu)選90體積％或更高。
[0057]作為一種使晶體結(jié)構(gòu)InGaO3(ZnO)mOii = I)比例變高的方法，使用具有低Zn含量的靶材形成具有低Zn含量的非單晶半導(dǎo)體層102。例如，非單晶半導(dǎo)體層102中的Zn含量(原子％)可低于非單晶半導(dǎo)體層102中的In含量(原子％)并低于Ga含量(原子％)。使非單晶半導(dǎo)體層102中的Zn含量變低可以獲得具有良好電特性的晶體結(jié)構(gòu)。
[0058]In-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)沒(méi)有被充分地闡明，對(duì)電子結(jié)構(gòu)的闡明可以理解氧化物半導(dǎo)體的電特性。因此，下文描述了通過(guò)基本原理計(jì)算的In-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體的計(jì)算結(jié)果以及研究。需要注意盡管下面給出的結(jié)果是通過(guò)計(jì)算晶體結(jié)構(gòu)獲得的，但是結(jié)果同樣適用于含有晶粒的非晶結(jié)構(gòu)。
[0059]圖8描述了通過(guò)計(jì)算獲得的In-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體(InGaZnO4)的晶體結(jié)構(gòu)。晶體結(jié)構(gòu)InGaZnO4的晶胞包括21個(gè)原子。然而，此處為了檢驗(yàn)Ga原子的分布，利用包括84個(gè)原子(2X2X1)的放大單元進(jìn)行計(jì)算。
[0060]使用CASTEP進(jìn)行計(jì)算。CASTEP是基于密度泛函理論(DFT)和平面波贗勢(shì)法的基本原理計(jì)算程序。為了交換相關(guān)函數(shù)，此處選擇使用廣義梯度近似(GGA)和Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)。截止能量設(shè)為 500eV,并使用 3X3X1 的 K-點(diǎn)格。
[0061]圖8顯示了包括兩個(gè)(Ga, Zn) O2層和一個(gè)InO2層的晶胞。需要注意此處為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，假定晶體結(jié)構(gòu)具有含有特定原子分布的重復(fù)晶胞。
[0062]圖9A和9B顯示了在晶胞中兩個(gè)(Ga，Zn) O2層中Ga原子和Zn原子的分布。圖9A和9B顯示了 2X2倍晶胞的結(jié)構(gòu)，即每個(gè)結(jié)構(gòu)包括4個(gè)晶胞。此外，圖9A和9B中的粗線(xiàn)表示晶胞。圖9A顯示了在每個(gè)上層和下層都存在兩個(gè)Ga原子的情況，圖9B顯示了在上層存在一個(gè)Ga原子、在下層存在三個(gè)Ga原子的情況。
[0063]在圖9A所示情況中，每一層中的Ga原子以條狀分布。也就是說(shuō)，每一層中的Ga原子以平行線(xiàn)的形式分布。
[0064]考慮到上層和下層的結(jié)合，Ga原子的分布?xì)w類(lèi)為兩種模式:平行分布和交叉分布。平行分布是指在分布中上層中的Ga線(xiàn)平行于下層中中的Ga線(xiàn)，交叉分布是指分布中上層中的Ga線(xiàn)于下層中的Ga線(xiàn)交叉。對(duì)于平行分布，有兩種可能的組合，例如U1+L1和U1+L4。對(duì)于交叉分布，分布具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)關(guān)系；因此，只考慮如U1+L2的一種組合。即在圖9A所述情況中總共有三種組合。
[0065]在圖9B所示情況中，作為上層和下層的結(jié)合，有兩種可能的組合，例如U7+L7和U7+L10。需要注意對(duì)于所有Ga原子進(jìn)入上層或下層的情況，有一種上層和下層的組合方式(U11+L11,未不出)。因此,對(duì)于Ga分布,總共可考慮六種組合。
[0066]圖10顯示了六種分布模式的能量比較結(jié)果。當(dāng)在每個(gè)上層和下層中存在兩個(gè)Ga原子時(shí)，更具體地，對(duì)于U1+L1結(jié)構(gòu)，InGaZnO4具有最低的能量。
[0067]更詳細(xì)地計(jì)算該結(jié)構(gòu)(具有最低能量的結(jié)構(gòu))的電子結(jié)構(gòu)。圖11顯示了在上述結(jié)構(gòu)中電子的態(tài)密度(DOS)和投影態(tài)密度(PDOS)的計(jì)算結(jié)果。根據(jù)圖11，Ga原子是最占優(yōu)勢(shì)的，其次是In原子。
[0068]然后，由導(dǎo)帶底部的軌道函數(shù)Ψ計(jì)算導(dǎo)帶底部的電子的存在概率I Ψ I2。圖12A和12B顯示了其分布圖。這里，圖12A顯示了在In平面上(在11102層中)的電子的存在概率，圖12B顯示了在(Ga，Zn) O2層中的電子的存在概率。令人感興趣的是In軌道是分離的。
[0069]圖12B顯示了 Ga原子周?chē)碾娮哟嬖诟怕矢卟⑶襔n原子周?chē)碾娮哟嬖诟怕实汀４送?，?dǎo)電通路不僅存在于In平面，還存在于(Ga，Zn)02層中。由此，很可能Ga在很大程度上有助于InGaZnO4的導(dǎo)電性。似乎Ga軌道有助于In軌道并且有助于(Ga，Zn) O2層的導(dǎo)電性。
[0070]InGaZnO4的一個(gè)特性是電導(dǎo)率的寬范圍。由于電導(dǎo)率取決于在方法中添加的氧氣量而在很大范圍內(nèi)變化，這可能是歸因于氧空位(缺陷)的形成概率。因此，為了弄清該機(jī)理，計(jì)算氧空位的形成能。
[0071]基于密度泛函理論(DFT)計(jì)算的氧空位缺陷能級(jí)仍處于爭(zhēng)論之中。例如，使用例如局域密度近似(LDA)或GGA的函數(shù)獲得的帶隙趨向于小于實(shí)際測(cè)定值。由于比例法仍處于討論之中，這里使用不包括比例法的簡(jiǎn)單GGA函數(shù)。使用該方法可以消除人為現(xiàn)象并掌握現(xiàn)象的本質(zhì)。
[0072]氧空位的形成能(Ev。)定義如下:EV。= E (AmOlri)+E (O)-E (AmOn)。這里，Ev。為氧分子能量的一半，E(AmOlri)表示具有氧空位的AmOlri的能量,其中A表示可選元素。
[0073]圖13顯示了在具有氧空位的結(jié)構(gòu)中Ev。的幾何最優(yōu)值的計(jì)算結(jié)果。這里，作為晶格常數(shù)，使用理想晶體的晶格常數(shù)。高的Ev。能級(jí)意味著熱平衡中的氧空位的密度低。需要注意在圖13中也顯示了 Ιη203、Ζη0和Ga2O3的Εν。。Ιη203、Ζη0和Ga2O3的晶體結(jié)構(gòu)分別為方鐵錳礦、纖鋅礦，P-Ga(gallia)。
[0074]InGaZnOJ^ Ev。取決于氧空位周?chē)脑囟兓?。具體地，有如下三種可能的結(jié)構(gòu)模型。在模型I中，氧空位被一個(gè)Zn原子和三個(gè)In原子環(huán)繞。在模型2中，氧空位被一個(gè)Ga原子和三個(gè)In原子環(huán)繞。在模型3中，氧空位被兩個(gè)Zn原子和兩個(gè)Ga原子環(huán)繞。圖13顯示了隨著氧空位周?chē)鶪a原子數(shù)的增加，InGaZnOJ^ Ev。的能級(jí)變高。并且，在圖13中，Ga2O3具有最聞的Ev。能級(jí)；因此，可以說(shuō)Ga原子與O原子緊密鍵合。
[0075]當(dāng)InGaZnO4為非晶狀態(tài)時(shí)，除了上述三種模型還具有多種可能的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)的Εν。能級(jí)彼此稍有不同。隨著InGaZnO4中Ga原子的比例增加，氧空位的密度減小。隨著InGaZnO4中Ga原子的比例減小，氧空位的密度增加。
[0076]因此，使非單晶半導(dǎo)體層102中Ga原子比例變高能使氧空位密度減小。即可以獲得具有優(yōu)良電特性的In-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體?？紤]到In的存在有助于導(dǎo)電性，不優(yōu)選降低In的比例。因此，優(yōu)選使非單晶半導(dǎo)體層102中的Zn的比例降低。例如，非單晶半導(dǎo)體層102中的Zn含量(原子％)可低于In含量(原子％)并低于Ga含量(原子％)。通過(guò)以該方式降低非單晶半導(dǎo)體層102中的Zn含量，可以獲得具有優(yōu)良電子性能的氧化物半導(dǎo)體層。
[0077]根據(jù)該實(shí)施方案，提供一種高性能氧化物半導(dǎo)體層。如果合適可以結(jié)合任意其它實(shí)施方案實(shí)施本實(shí)施方案。
[0078](實(shí)施方案2)
[0079]在該實(shí)施方案中，參考附圖描述了提升實(shí)施方案I中In-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體層的研究的結(jié)果。
[0080]實(shí)施方案I中揭示了在晶體結(jié)構(gòu)InGaZnO4的晶胞中包括兩個(gè)(Ga，Zn) O2層和一個(gè)InO2層。與此相應(yīng)，在本實(shí)施方案中更詳細(xì)地研究了 Ga原子和Zn原子的分布。具體地，圖9Α和9Β中顯示了上層和下層的一些結(jié)合，計(jì)算并研究了在兩個(gè)(Ga，Zn) O2層中Ga原子和Zn原子分布之間的關(guān)系以及能量。
[0081]圖14A-14D圖示了進(jìn)行計(jì)算的具體組合(原子的分布)。在該實(shí)施方案中，關(guān)注最鄰近的相同種類(lèi)的原子數(shù)量來(lái)選擇這些組合。例如，在圖14Α所示的組合中，Ga原子和Zn原子分別分布于上層和下層，從而使Ga原子和Zn原子彼此分離，由此最鄰近的相同種類(lèi)的原子的數(shù)量為零。在圖14Β所示的組合中，在最鄰近的位置存在兩個(gè)相同種類(lèi)的原子。在圖14C所示的組合中，在最鄰近的位置存在一個(gè)半相同種類(lèi)的原子。在圖14D所示的組合中，在最鄰近的位置存在一個(gè)相同種類(lèi)的原子。在與實(shí)施方案I相同的條件下進(jìn)行計(jì)算。
[0082]圖15顯示了計(jì)算結(jié)果。在圖15中，具有最低能量的結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是顯示每個(gè)結(jié)構(gòu)能量的原點(diǎn)(能量為OeV)。
[0083]盡管在該實(shí)施方案中觀察到的分布僅僅是許多分布中的一部分，從圖15中可以看出Ga原子和Zn原子的分布趨勢(shì)。圖15中所示結(jié)果顯示隨著相同種類(lèi)原子的聚集程度變低，從能量的角度來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)變得穩(wěn)定。因此，可以得出結(jié)論，在InGaZnO4的晶體結(jié)構(gòu)中，Ga原子和Zn原子并不作為GaO或ZnO以聚集狀態(tài)存在，而是以原子狀態(tài)彼此混合分布。圖16顯示了最可能分布的模型圖(相應(yīng)于圖15中的分布(d))。
[0084]如果合適可以結(jié)合任意其它實(shí)施方案實(shí)施本實(shí)施方案。
[0085](實(shí)施方案3)
[0086]在該實(shí)施方案中，參考附圖17A-17E描述了使用通過(guò)實(shí)施方案I或類(lèi)似方法制得的氧化物半導(dǎo)體層制備半導(dǎo)體裝置的方法的實(shí)施例。需要注意在該實(shí)施方案中，省略了與實(shí)施方案I相同或基本相同的內(nèi)容的詳細(xì)描述。
[0087]首先，在具有絕緣表面的襯底200上形成柵電極202，在柵電極202上形成柵絕緣層204 ;然后，堆疊氧化物半導(dǎo)體層206和氧化物半導(dǎo)體層207 (參見(jiàn)圖17A)。
[0088]作為具有絕緣表面的襯底200，例如，可以使用用于液晶顯示裝置或類(lèi)似物的具有可見(jiàn)光透射性能的玻璃襯底。玻璃襯底優(yōu)選為無(wú)堿玻璃襯底。作為無(wú)堿玻璃襯底，例如，使用如鋁硅酸鹽玻璃、鋁硼硅酸鹽玻璃或鋇硼硅酸鹽玻璃的玻璃材料。此外，作為具有絕緣表面的襯底200，還可以使用利用絕緣體形成的絕緣襯底,例如樹(shù)脂襯底、陶瓷襯底、石英襯底或藍(lán)寶石襯底；利用例如硅的半導(dǎo)體材料形成的且其表面被覆絕緣材料的半導(dǎo)體襯底；利用例如金屬或不銹鋼的導(dǎo)體形成的且其表面被覆絕緣材料的導(dǎo)體襯底；或類(lèi)似物。從增加半導(dǎo)體裝置的面積角度出發(fā)，特別優(yōu)選使用玻璃襯底。進(jìn)一步地，具有絕緣表面的襯底200優(yōu)選具有規(guī)定的耐熱性。
[0089]導(dǎo)電層在襯底200的整個(gè)表面上形成，然后使用通過(guò)光刻法形成的抗蝕劑掩模選擇性地蝕刻導(dǎo)電層，從而能形成柵電極202。此時(shí)，為了促進(jìn)用隨后形成的柵絕緣層204覆蓋柵電極202并防止斷路，優(yōu)選蝕刻?hào)烹姌O202，從而其末端部分具有減縮形狀。需要注意柵電極202包括電極和配線(xiàn)，例如柵配線(xiàn)，使用導(dǎo)電層形成。
[0090]希望使用低電阻導(dǎo)電材料形成柵電極202，例如鋁(Al)或銅(Cu)。需要注意當(dāng)將鋁用于配線(xiàn)和電極時(shí)，鋁具有以下缺點(diǎn)，例如低耐熱性并且單獨(dú)使用鋁時(shí)其易于被腐蝕；因此優(yōu)選結(jié)合耐熱導(dǎo)電材料使用鋁。
[0091]作為耐熱導(dǎo)電材料，可以使用選自鈦(Ti)、鉭(Ta)、鎢(W)、鑰(Mo)、鉻(Cr)、釹(Nd)和鈧(Sc)的元素，包含任意上述元素作為其組分的合金，包括這些元素任意組合的合金，包含任意上述元素作為其組分的氮化物，或其類(lèi)似物。堆疊使用該耐熱導(dǎo)電材料和鋁(或銅)形成的薄膜，從而能形成配線(xiàn)和電極。
[0092]可以使用氧化硅薄膜、氧氮化硅薄膜、氮化硅薄膜、氮氧化硅薄膜、氧化鋁薄膜、氧化鉭薄膜或類(lèi)似物形成柵絕緣層204?；蛘撸梢允褂眠@些薄膜的疊層形成柵絕緣層204。可以通過(guò)濺射法或類(lèi)似方法形成厚度為20nm-250nm的薄膜。例如，通過(guò)濺射法形成厚度為10nm的氧化硅薄膜作為柵絕緣層204。需要注意柵絕緣層204可充當(dāng)晶體管的柵絕緣層，柵絕緣層204的制備方法、厚度和類(lèi)似因素不解釋為限制于上述數(shù)值范圍。
[0093]需要注意在柵絕緣層204之上形成氧化物半導(dǎo)體層206之前，可對(duì)柵絕緣層204表面進(jìn)行等離子處理。通過(guò)等離子處理能除去附著于柵絕緣層204表面的灰塵。
[0094]將例如氬氣(Ar)的惰性氣體引入到真空室中，對(duì)處理物體(這里指其上形成有柵絕緣層204的襯底200)施加偏壓，從而產(chǎn)生等離子狀態(tài)，由此進(jìn)行上述等離子處理。在該情況下，Ar的電子和陽(yáng)離子存在于等離子中，并且Ar的陽(yáng)離子在陰極方向(向著襯底200側(cè))被加速。加速的Ar陽(yáng)離子與柵絕緣層204的表面相撞，由此通過(guò)濺射蝕刻?hào)沤^緣層204的表面，從而進(jìn)行重組?？梢允褂煤馓鎿Q氬氣?；蛘呖梢栽谔砑佑醒鯕?、氫氣、氮?dú)夂?或類(lèi)似物的氬氣氛中進(jìn)行等離子處理。進(jìn)一步可選擇地，可以在添加有氯氣(Cl2)、四氟化碳(CF4)和/或類(lèi)似物的氬氣氛中進(jìn)行等離子處理。上述等離子處理還稱(chēng)為“逆向?yàn)R射”。
[0095]可以使用In-Ga-Zn-O基非單晶半導(dǎo)體層形成氧化物半導(dǎo)體層206。例如，使用包括銦(In)、鎵(Ga)和鋅(Zn)的氧化物半導(dǎo)體靶材(In203:Ga203:Zn0= 1:1:1)利用濺射法形成氧化物半導(dǎo)體層206。對(duì)于濺射條件，可以參考實(shí)施方案I等。
[0096]需要注意，在濺射中優(yōu)選使用脈沖DC電源，因?yàn)榭梢詼p少灰塵并使厚度均勻。此夕卜，進(jìn)行上述等離子處理，然后在不暴露于空氣的情況下形成氧化物半導(dǎo)體層206，使得可以防止灰塵或水分附著到柵絕緣層204和氧化物半導(dǎo)體層206之間的界面上。氧化物半導(dǎo)體層206的厚度可為約5nm至500nm。
[0097]可以使用In-Ga-Zn-O基非單晶半導(dǎo)體層以類(lèi)似于氧化物半導(dǎo)體層206的方式形成氧化物半導(dǎo)體層207。例如，可使用包括In、Ga和Zn的氧化物半導(dǎo)體靶材(In2O3:Ga203:ZnO = 1:1:1)利用派射法在氧化物半導(dǎo)體層206上形成氧化物半導(dǎo)體層207。此時(shí)，優(yōu)選在氧化物半導(dǎo)體層206不暴露于空氣的情況下連續(xù)地形成氧化物半導(dǎo)體層207。例如，可以采用下述濺射條件:溫度為20-100°C ;壓力為0.1-2.0Pa ；DC電源為250ff-3kff(使用直徑為8英寸的靶材時(shí))。此外，可以向氣氛中引入氬氣。
[0098]優(yōu)選在不同的成膜條件下形成氧化物半導(dǎo)體層206和氧化物半導(dǎo)體層207。例如，在氧化物半導(dǎo)體層206的成膜條件下，氧氣與氬氣的流量比要高于氧化物半導(dǎo)體層207的成膜條件下的該值。具體地，氧化物半導(dǎo)體層207在惰性氣體(例如氬氣或氦氣)氣氛(或含有10%或更少的氧氣和90%或更多的惰性氣體的氣氛)中形成，氧化物半導(dǎo)體層206在氧氣氣氛或氧氣流量等于或高于惰性氣體流量的氣氛中形成。因此，可形成導(dǎo)電性高于氧化物半導(dǎo)體層206的氧化物半導(dǎo)體層207。
[0099]作為形成氧化物半導(dǎo)體層206和氧化物半導(dǎo)體層207的上述濺射法，可以采用使用高頻電源作為濺射電源的RF濺射法，DC濺射法，以脈沖施加直流偏壓的脈沖DC濺射法，或類(lèi)似方法。
[0100]或者，可以使用具有多個(gè)使用不同材料形成的靶材的多靶材濺射裝置。在多靶材濺射裝置中，在一個(gè)腔室中可形成不同薄膜的疊層，或者可在一個(gè)腔室中同時(shí)使用多種材料通過(guò)濺射形成一種薄膜?；蛘撸梢圆捎檬褂迷谇皇覂?nèi)部裝有磁場(chǎng)發(fā)生系統(tǒng)的磁控管濺射裝置的方法(磁控管濺射法)，使用微波產(chǎn)生等離子體的ECR濺射法，或類(lèi)似方法。進(jìn)一步可選擇地，可以采用反應(yīng)濺射法，其中靶材襯底和濺射氣體組分彼此化學(xué)反應(yīng)從而在成膜時(shí)形成化合物，偏壓濺射法，其中在成膜時(shí)也向襯底施加電壓，或類(lèi)似方法。
[0101]需要注意在該實(shí)施方案中，描述了氧化物半導(dǎo)體層206和氧化物半導(dǎo)體層207堆疊的情況的實(shí)施例；然而，所公開(kāi)的發(fā)明不局限于此。例如，可以使用不含有氧化物半導(dǎo)體層207的結(jié)構(gòu)(僅形成氧化物半導(dǎo)體層206的結(jié)構(gòu))。
[0102]接下來(lái)，在氧化物半導(dǎo)體層207上形成抗蝕劑掩模208。然后，使用抗蝕劑掩模208選擇性地蝕刻氧化物半導(dǎo)體層206和氧化物半導(dǎo)體層207，從而形成島狀氧化物半導(dǎo)體層210和島狀氧化物半導(dǎo)體層211 (參見(jiàn)圖17B)。
[0103]作為上述蝕刻，優(yōu)選使用濕蝕刻。此處，使用IT007N(Kanto Chemical C0., Inc.制造)或乙酸、硝酸和磷酸的混合溶液利用濕蝕刻通過(guò)除去氧化物半導(dǎo)體層206和氧化物半導(dǎo)體層207的不必要部分形成島狀氧化物半導(dǎo)體層210和島狀氧化物半導(dǎo)體層211。需要注意在上述蝕刻之后，移除抗蝕劑掩模208。此外，濕蝕刻的蝕刻劑不局限于上述溶液，只要使用該蝕刻劑可以蝕刻氧化物半導(dǎo)體層206和氧化物半導(dǎo)體層207即可。當(dāng)然對(duì)于上述蝕刻也可以使用干蝕刻。
[0104]接下來(lái)，在島狀氧化物半導(dǎo)體層211上形成導(dǎo)電層212(參見(jiàn)圖17C)。
[0105]可以使用包括選自鋁(Al)、銅(Cu)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鎢(W)、鑰(Mo)、鉻(Cr)、釹(Nd)和鈧(Sc)的元素的金屬，包含任意上述元素作為其組分的合金，包括這些元素任意組合的合金，或包含任意上述元素作為其組分的氮化物，通過(guò)濺射法、真空蒸發(fā)法或類(lèi)似方法形成導(dǎo)電層212。需要注意在該實(shí)施方案中，在形成導(dǎo)電層212之后進(jìn)行熱處理(例如，在3500C -8000C (優(yōu)選500°C -750°C )下進(jìn)行熱處理)；因此，導(dǎo)電層212優(yōu)選具有規(guī)定的耐熱性。
[0106]例如，可以以單層結(jié)構(gòu)鈦薄膜的形式形成導(dǎo)電層212?；蛘咭辕B層結(jié)構(gòu)的形式形成導(dǎo)電層212。例如，可以以鋁薄膜和鈦薄膜的疊層結(jié)構(gòu)的形式形成導(dǎo)電層212。進(jìn)一步可選地，可以采用鈦薄膜、包含釹的鋁薄膜(Al-Nd)和鈦薄膜的三層結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步可選地，可以以單層結(jié)構(gòu)的包含硅的鋁薄膜的形式形成導(dǎo)電層212。
[0107]接下來(lái)在導(dǎo)電層212上形成抗蝕劑掩模214a、抗蝕劑掩模214b和抗蝕劑掩模214c，并且選擇性地蝕刻導(dǎo)電層212，從而形成導(dǎo)電層216a、導(dǎo)電層216b和導(dǎo)電層218。此夕卜，蝕刻島狀氧化物半導(dǎo)體層211，從而形成具有高導(dǎo)電率的半導(dǎo)體區(qū)域215a和具有高導(dǎo)電率的半導(dǎo)體區(qū)域215b。進(jìn)一步地，移除(溝道蝕刻)部分島狀氧化物半導(dǎo)體210 (靠近其表面的部分)(參見(jiàn)圖17D)。
[0108]通過(guò)移除部分島狀氧化物半導(dǎo)體層210和部分島狀氧化物半導(dǎo)體層211形成的凹部220對(duì)應(yīng)于導(dǎo)電層216a和導(dǎo)電層216b之間的區(qū)域，也對(duì)應(yīng)于具有高導(dǎo)電率的半導(dǎo)體區(qū)域215a和具有高導(dǎo)電率的半導(dǎo)體區(qū)域215b之間的區(qū)域。因此，導(dǎo)電層216a充當(dāng)晶體管的源極和漏極之一，而導(dǎo)電層216b充當(dāng)源極和漏極中的另一個(gè)。如圖17D所示，通過(guò)移除部分島狀氧化物半導(dǎo)體層210和部分島狀氧化物半導(dǎo)體層211形成凹部220，從而導(dǎo)電層216a和導(dǎo)電層216b之間彼此無(wú)瑕疵地電絕緣。此外，導(dǎo)電層218充當(dāng)電連接晶體管和類(lèi)似物的配線(xiàn)。
[0109]作為上述蝕刻，優(yōu)選使用干蝕刻。使用干蝕刻與使用濕蝕刻相比，配線(xiàn)結(jié)構(gòu)或類(lèi)似物可以小型化。此外，通過(guò)使用干蝕刻，可以在高可控性下進(jìn)行蝕刻；因此，可以在高可控性下移除部分島狀氧化物半導(dǎo)體層210 (形成凹部220)。對(duì)于可用于干蝕刻的氣體，可以使用氯基氣體，例如氯氣(Cl2)、三氯化硼(BCl3)、四氯化硅(SiCl4)或四氯化碳(CCl4);氟基氣體，例如四氟化碳(CF4)、六氟化硫(SF6)、三氟化氮(NF3)或三氟甲烷(CHF3);溴化氫(HBr)；氧氣(O2);其中加入例如氦氣(He)或氬氣(Ar)的惰性氣體的任意這些氣體；或類(lèi)似物。當(dāng)然，上述蝕刻也可使用濕蝕刻。
[0110]此外，作為導(dǎo)電層212的材料，優(yōu)選使用蝕刻率高于島狀氧化物半導(dǎo)體層210或島狀氧化物半導(dǎo)體層211的材料。這是因?yàn)楫?dāng)同時(shí)蝕刻導(dǎo)電層212、島狀氧化物半導(dǎo)體層210和島狀氧化物半導(dǎo)體層211時(shí)，島狀氧化物半導(dǎo)體層210和島狀氧化物半導(dǎo)體層211的蝕刻速率小于導(dǎo)電層212的蝕刻速率，從而可以避免島狀氧化物半導(dǎo)體層210被過(guò)度蝕刻。
[0111]需要注意在上述蝕刻后移除抗蝕劑掩模214a、抗蝕劑掩模214b和抗蝕劑掩模214c。
[0112]之后，在設(shè)定溫度下(例如，350°C -800°C (優(yōu)選500°C -750°C ))進(jìn)行熱處理。需要注意對(duì)于使用玻璃襯底作為具有絕緣表面的襯底200的情況，需要在低于或等于玻璃襯底應(yīng)變點(diǎn)的溫度下進(jìn)行熱處理?？梢栽诳諝鈿夥栈虻?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行熱處理。通過(guò)熱處理，氧化物半導(dǎo)體的晶粒在島狀氧化物半導(dǎo)體層210中生長(zhǎng)。因此，可以獲得在由InGaO3(ZnO)m(m>0)表示的非晶結(jié)構(gòu)中包含由InGaO3(ZnO)n1ii= I)表示的晶粒的氧化物半導(dǎo)體層(In-Ga-Zn-O基半導(dǎo)體層)。
[0113]在熱量等因素作用下，具有非晶結(jié)構(gòu)的氧化物半導(dǎo)體易于變?yōu)榫哂芯w結(jié)構(gòu)的氧化物半導(dǎo)體。因此，當(dāng)非晶結(jié)構(gòu)比例高時(shí)，晶體管的可靠性降低。從增加可靠性的角度出發(fā)，應(yīng)進(jìn)行熱處理，從而非晶結(jié)構(gòu)的比例為90體積％或更低(優(yōu)選80體積％或更低，更優(yōu)選60體積％或更低)。
[0114]可以根據(jù)熱處理溫度適宜地改變熱處理的時(shí)間，例如在700°C的溫度下，熱處理時(shí)間可為約0.5小時(shí)-2小時(shí)。進(jìn)一步地，由于適于熱處理的溫度取決于目標(biāo)氧化物半導(dǎo)體的組成，只要可以獲得所需氧化物半導(dǎo)體層，對(duì)于熱處理溫度沒(méi)有特別限制。
[0115]需要注意，對(duì)于上述熱處理，可以使用擴(kuò)散爐，加熱爐、例如電阻加熱爐，快速熱退火(RTA)裝置，微波加熱裝置或類(lèi)似裝置?？梢杂貌ㄩL(zhǎng)可被氧化物半導(dǎo)體吸收的光(電磁波)進(jìn)行照射，以替代熱處理。即，可以通過(guò)用光(電磁波)照射實(shí)現(xiàn)在非晶結(jié)構(gòu)中包含晶粒的結(jié)構(gòu)。在這種情況下，能夠振蕩具有短波長(zhǎng)的光的激光器，紫外線(xiàn)燈或類(lèi)似物可用作光源。
[0116]如上所述,在由InGaO3(ZnO)m(m>0)表示的非晶結(jié)構(gòu)中包含由InGaO3(ZnO)m(m =I)表示的晶粒的氧化物半導(dǎo)體層用于晶體管的溝道形成區(qū)域，由此可以提供高性能半導(dǎo)體
>j-U ρ?α裝直。
[0117]此處，為了獲得具有優(yōu)良電特性的氧化物半導(dǎo)體層，氧化物半導(dǎo)體中的Zn含量(原子％)優(yōu)選設(shè)定低于In含量(原子％)并低于Ga含量(原子％)。以這樣的組成，可以獲得具有優(yōu)良電特性的氧化物半導(dǎo)體層。
[0118]需要注意，可使用組成接近于目標(biāo)組成的靶材利用濺射法形成如上所述的Zn含量(原子％)低于In含量(原子％)并低于Ga含量(原子％)的氧化物半導(dǎo)體層。在該情況下，考慮圖2和3，在形成的氧化物半導(dǎo)體層中的Zn的比例與靶材組成中Zn的比例相t匕，其降低程度要大于In和Ga的降低程度。因此，可使用Zn含量(原子％)等于In或Ga含量(原子％)的靶材，以形成Zn含量(原子％)低于In或Ga含量(原子％)的氧化物半導(dǎo)體層。即，可以使用Zn含量(原子％)低于或等于In或Ga含量(原子％)的靶材。
[0119]這里，在該實(shí)施方案中，顯示了在島狀半導(dǎo)體層210形成之后進(jìn)行熱處理的情況的實(shí)施例。然而，只要熱處理在島狀半導(dǎo)體層206形成之后進(jìn)行，則對(duì)于實(shí)施熱處理的時(shí)間無(wú)特別限制。此外，如果在成膜階段獲得在無(wú)定性結(jié)構(gòu)中包含多個(gè)晶粒的結(jié)構(gòu)(多個(gè)晶粒分散于非晶結(jié)構(gòu)中)，則無(wú)需進(jìn)行熱處理。
[0120]需要注意對(duì)島狀氧化物半導(dǎo)體層210的暴露部分的凹部220進(jìn)行氧自由基處理。通過(guò)實(shí)施氧自由基處理，其中島狀氧化物半導(dǎo)體層210為溝道形成區(qū)域的薄膜晶體管可以容易地正常關(guān)閉。此外，通過(guò)氧自由基處理，可以修補(bǔ)由于蝕刻產(chǎn)生的對(duì)于島狀氧化物半導(dǎo)體層210的損壞。自由基處理優(yōu)選在下述氣氛下進(jìn)行:氧氣氣氛；N20氣氛；含氧的N2、He或Ar氣氛；或類(lèi)似氣氛。此外，可以在向上述氣氛中添加Cl2和/或CF4的氣氛下進(jìn)行自由基處理。需要注意自由基處理優(yōu)選在不向襯底200側(cè)施加偏壓的情況下進(jìn)行。
[0121]接下來(lái)，形成保護(hù)性絕緣層222以覆蓋包括柵電極202、島狀氧化物半導(dǎo)體層210、具有高導(dǎo)電性的半導(dǎo)體區(qū)域215a、具有高導(dǎo)電性的半導(dǎo)體區(qū)域215b、導(dǎo)電層216a、導(dǎo)電層216b和類(lèi)似部件的薄膜晶體管250(參見(jiàn)圖17E)?？梢允褂冒ǖ?、氧化硅、氮氧化硅、氧氮化硅、氧化鋁、氧化鉭或類(lèi)似物的材料通過(guò)濺射法或類(lèi)似方法形成保護(hù)性絕緣層222。
[0122]之后，形成各種電極和配線(xiàn)。從而完成半導(dǎo)體裝置。
[0123]根據(jù)本實(shí)施方案，可以提供高性能半導(dǎo)體裝置。需要注意本實(shí)施方案可以與任意其它實(shí)施方案適宜地組合實(shí)施。
[0124]本申請(qǐng)基于2008年11月20日向日本專(zhuān)利局提交的日本專(zhuān)利申請(qǐng)JP2008-296901，其整體通過(guò)弓I用并入本文。
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體裝置，包括: 包含氧化物半導(dǎo)體層的晶體管， 其中所述氧化物半導(dǎo)體層含有In、Ga和Zn， 其中所述氧化物半導(dǎo)體層包括由InGaZnO4表示的晶粒， 其中在所述氧化物半導(dǎo)體層中由原子百分比表示的Zn含量低于在所述氧化物半導(dǎo)體層中由原子百分比表示的In含量，和 其中在所述氧化物半導(dǎo)體層中所述由原子百分比表示的Zn含量低于在所述氧化物半導(dǎo)體層中由原子百分比表示的Ga含量。
2.—種半導(dǎo)體裝置，包括: 包含氧化物半導(dǎo)體層的晶體管， 其中所述氧化物半導(dǎo)體層含有溝道形成區(qū)域， 其中所述溝道形成區(qū)域含有In、Ga和Zn， 其中所述溝道形成區(qū)域包括由InGaZnO4表示的晶粒， 其中在所述氧化物半導(dǎo)體層中由原子百分比表示的Zn含量低于在所述氧化物半導(dǎo)體層中由原子百分比表示的In含量，和 其中在所述氧化物半導(dǎo)體層中所述由原子百分比表示的Zn含量低于在所述氧化物半導(dǎo)體層中由原子百分比表示的Ga含量。
3.一種半導(dǎo)體裝置，包括: 基材； 在所述基材上的柵電極； 在所述柵電極上的柵絕緣層； 氧化物半導(dǎo)體層；和 與所述氧化物半導(dǎo)體層電連接的源電極和漏電極， 其中所述氧化物半導(dǎo)體層含有In、Ga和Zn， 其中所述氧化物半導(dǎo)體層包括由InGaZnO4表示的晶粒， 其中在所述氧化物半導(dǎo)體層中由原子百分比表示的Zn含量低于在所述氧化物半導(dǎo)體層中由原子百分比表示的In含量，和 其中在所述氧化物半導(dǎo)體層中所述由原子百分比表示的Zn含量低于在所述氧化物半導(dǎo)體層中由原子百分比表示的Ga含量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述由InGaZnO4表示的晶粒相對(duì)于全部晶粒的比例為80體積％或更多。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述由InGaZnO4表示的晶粒通過(guò)HAADF-STEM圖像來(lái)觀察。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述氧化物半導(dǎo)體層在絕緣層上且與其接觸而形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述絕緣層包含選自氧化硅薄膜、氧氮化硅薄膜、氮化硅薄膜和氮氧化硅薄膜的至少一種薄膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述柵絕緣層包含選自選自氧化硅薄膜、氧氮化硅薄膜、氮化硅薄膜和氮氧化硅薄膜的至少一種薄膜或所述薄膜的疊層。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體裝置，其還包含覆蓋所述氧化物半導(dǎo)體層、所述源電極和所述漏電極且與它們接觸的保護(hù)性絕緣層。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述氧化物半導(dǎo)體層具有凹部。
【文檔編號(hào)】H01L29/24GK104409511SQ201410612094
【公開(kāi)日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2009年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2008年11月20日
【發(fā)明者】秋元健吾, 坂田淳一郎, 廣橋拓也, 高橋正弘, 岸田英幸, 宮永昭治 申請(qǐng)人:株式會(huì)社半導(dǎo)體能源研究所