半导体装置及其制造方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及半导体装置及其制造方法，其目的在于提供一种适用于半导体装置的氧化物半导体。或者，本发明专利技术的另一个目的在于提供一种使用该氧化物半导体的半导体装置。公开的半导体装置在晶体管的沟道形成区域中包括In-Ga-Zn-O基氧化物半导体层。在所述半导体装置中，In-Ga-Zn-O基氧化物半导体层具有如下结构：在由InGaO3(ZnO)m(m>0)表示的非晶结构中包含由InGaO3(ZnO)m(m＝1)表示的晶粒。

【技术实现步骤摘要】
本申请是申请日为2009年11月20日、申请号为200910226491.0、专利技术名称为“”的专利申请的分案申请。
本专利技术涉及使用氧化物半导体的半导体装置以及制造半导体装置的方法。
技术介绍
场效应晶体管(也称为FET)是目前使用最为广泛的半导体元件。根据场效应晶体管的用途，使用多种材料进行其制造。特别是经常使用包括硅的半导体材料。 使用硅的场效应晶体管具有满足多种用途需要的特性。例如，将单晶硅用于需要以高速运行的集成电路等，由此满足集成电路的需要。此外，使用非晶硅用于需要大面积的目的，例如显示设备，由此可以满足该目的的需要。 如上所述，硅是高度多功能化的并且可用于多种目的。然而，近年来，半导体材料趋向于希望具有更高的性能以及多功能性。例如，在提高大面积显示设备的性能方面，为了实现开关元件的高速操作，需要有助于增加显示设备面积和具有高于非晶硅的性能的半导体材料。 在这样的条件下，关于使用氧化物半导体的场效应晶体管的技术引起了人们的注意。例如，在专利文献I中，公开了一种使用同系化合物InMO3(ZnO)m(M为In、Fe、Ga或Al，且m为大于等于I并小于50的整数)的透明薄膜场效应晶体管。 此外，在专利文献2中公开了一种场效应晶体管，其中使用了电子载流子浓度小于11Vcm3并且含有In、Ga和Zn的非晶氧化物半导体。需要注意的是，在专利文献2中，非晶氧化物半导体中In:Ga:Zn等于1:1:m(m<6)。 进一步地，在专利文献3中公开了一种场效应晶体管，其中使用含有微晶的非晶氧化物半导体作为有源层。 [参考文献] [专利文献I]日本公开专利申请JP2004-103957 [专利文献2]PCT国际公开文献TO05/088726 [专利文献3]日本公开专利申请JP2006-165529
技术实现思路
在专利文献3公开的内容中，其中一种结晶态的组分为InGaO3(ZnO)n1ii为小于6的整数)。此外，在专利文献3的实施例1中，公开了 InGaO3(ZnO)4W例子。然而实际上，即使使用这些氧化物半导体也没有获得满足要求的特性。 鉴于前述问题，目的在于提供一种适用于半导体装置的氧化物半导体。或者，另一个目的在于提供一种使用氧化物半导体的半导体装置。 在公开的专利技术中，制造的半导体装置中由InGaO3(ZnO)ni(IiiX))表示的非晶结构中包含InGaO3(ZnO)m(m = I)表示的晶粒。具体描述如下。 公开的本专利技术的一个实施方案是一种半导体装置，其包括用于晶体管沟道形成区域的In-Ga-Zn-O基氧化物半导体层。在所述半导体装置中，In-Ga-Zn-O基氧化物半导体层具有这样的结构，其中，由InGaO3(ZnO)m(m>0)表示的非晶结构中包含有由InGaO3(ZnO)mOn=D表示的晶粒。 在上述实施方案中，In-Ga-Zn-O基氧化物半导体层中的Zn含量(原子％ )优选小于In的含量(原子％)并且小于Ga的含量(原子％)。此外，氧化物半导体层优选使用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％ )的靶材通过溅射法形成。此外，在上文中，优选仅使用每个都具有由InGaO3(ZnO)mOii= I)表示的结构的晶粒。然而，在晶粒中由InGaO3(ZnO)niGii = I)表示的结构的比例为80体积％或更高的条件下，可以获得给定的特性。 公开的本专利技术的另一个实施方案是一种制备半导体装置的方法，其包括以下步骤:通过溅射法在衬底上形成具有非晶结构的In-Ga-Zn-O基氧化物半导体层；对氧化物半导体层进行热处理从而形成在由InGaO3(Zn0)m(m>0)表示的非晶结构中包含InGaO3(ZnO)ffl(m= I)表示的晶粒的氧化物半导体层。在制备半导体装置的方法中，含有晶粒的氧化物半导体层用于晶体管沟道形成区域。 在上述实施方案中，优选形成具有非晶结构的In-Ga-Zn-O基氧化物半导体层，从而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，所述具有非晶结构的In-Ga-Zn-O基氧化物半导体层优选使用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％ )的靶材通过溅射法形成。此夕卜，热处理优选在350°C或更高的温度下进行。 需要注意，在本说明书中，半导体装置指任意可利用半导体的特性发挥作用的装置；显示装置，半导体电路和电子装置都包括在半导体装置中。 由InGaO3(ZnO)m(m>0)表示的非晶结构中包含由InGaO3(ZnO)m(m = I)表示的晶粒，从而可以改善氧化物半导体的电特性。此外，通过使用氧化物半导体可以提供优异的半导体装置。 【附图说明】 图1A和IB是关于实施方案I的氧化物半导体层的制备方法的说明性的图。 图2中的表显示了非单晶半导体层的组成分析结果。 图3中的表显示了非单晶半导体层的组成分析结果。 图4A和4B是氧化物半导体层的明视场STEM图像。 图5A和5B分别为明视场STEM图像和HAADF-STEM图像。 图6A和6B分别为晶体结构的放大图像和晶体结构的模型图。 图7A和7B是氧化物半导体层(靶材B)的HAADF-STEM图像。 图8图示了氧化物半导体(InGaZnO4)的晶体结构。 图9A和9B图示了(Ga，Zn) O2层中Ga原子和Zn原子的分布。 图10中的表显示了元素分布模式的能量比较结果。 图1i图示了电子的Dos和roos的计算结果。 图12A和12B是在导带底部的电子分布图。 图13中的表显示了 Ev。的几何最优值的计算结果。 图14A-14D图示了与计算相关的具体组合(原子分布)。 图15中的表显示了每种组合的能量。 图16是最可能的分布的模型图。 图17Α-17Ε是关于实施方案2的半导体装置的制备方法的说明性的图。 【具体实施方式】 参考附图对实施方案加以具体描述。然而，本专利技术不局限于下文对于实施方案的描述，并且很明显对于本领域技术人员来说，在不背离本专利技术目的的情况下可以对其方式和细节进行各种改变和调整。此外，可以将涉及不同实施方案的结构适宜地组合使用。需要注意在下述本专利技术的结构中，相同部分或具有相同功能的部分使用相同的标记数字表示，并且省略对其重复性的解释。 (实施方案I) 在该实施方案中，参考附图描述了一种制备氧化物半导体层(氧化物半导体层指In-Ga-Zn-O基氧化物半导体层)的方法，其中由InGaO3(ZnO)ni(IiiX))表示的非晶结构中包含由InGaO3 (ZnO) m(m = I)表示的晶粒。 首先，在形成表面(这里为衬底100)上形成In-Ga-Zn-O基非单晶半导体层102(参见图1A)。例如，可以使用包含铟(In)、镓(Ga)和锌(Zn)的氧化物半导体靶材利用溅射法形成非单晶半导体层102。例如，可以采用下述溅射条件:衬底100和氧化物半导体靶材之间的距离为30mm-500mm ;压力为0.lPa-2.0Pa ；DC电源为0.2kff-5.0kW(使用直径为8英寸的靶材时);气氛为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体装置，包括：包含氧化物半导体层的晶体管，其中所述氧化物半导体层含有In、Ga和Zn，其中所述氧化物半导体层包括由InGaZnO4表示的晶粒,其中在所述氧化物半导体层中由原子百分比表示的Zn含量低于在所述氧化物半导体层中由原子百分比表示的In含量，和其中在所述氧化物半导体层中所述由原子百分比表示的Zn含量低于在所述氧化物半导体层中由原子百分比表示的Ga含量。

【技术特征摘要】
2008.11.20 JP 2008-2969011.一种半导体装置，包括: 包含氧化物半导体层的晶体管， 其中所述氧化物半导体层含有In、Ga和Zn， 其中所述氧化物半导体层包括由InGaZnO4表示的晶粒， 其中在所述氧化物半导体层中由原子百分比表示的Zn含量低于在所述氧化物半导体层中由原子百分比表示的In含量，和 其中在所述氧化物半导体层中所述由原子百分比表示的Zn含量低于在所述氧化物半导体层中由原子百分比表示的Ga含量。2.—种半导体装置，包括: 包含氧化物半导体层的晶体管， 其中所述氧化物半导体层含有沟道形成区域， 其中所述沟道形成区域含有In、Ga和Zn， 其中所述沟道形成区域包括由InGaZnO4表示的晶粒， 其中在所述氧化物半导体层中由原子百分比表示的Zn含量低于在所述氧化物半导体层中由原子百分比表示的In含量，和 其中在所述氧化物半导体层中所述由原子百分比表示的Zn含量低于在所述氧化物半导体层中由原子百分比表示的Ga含量。3.一种半导体装置，包括: 基材； 在所述基材上的栅电极； 在所述栅电极上的栅绝缘层； 氧化物半导体层；和 与所述氧化物半导体层电连接的源电极和漏电极， 其中所述氧化物半...

【专利技术属性】
技术研发人员：秋元健吾，坂田淳一郎，广桥拓也，高桥正弘，岸田英幸，宫永昭治，
申请(专利权)人：株式会社半导体能源研究所，
类型：发明
国别省市：日本;JP