CN101669208A - 非晶氧化物半导体、半导体器件和薄膜晶体管 - Google Patents
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Abstract
一种非晶氧化物半导体，含有按InxGayZnz的原子比从In、Ga和Zn中选择的至少一种元素，其中，所述非晶氧化物半导体的密度M由以下关系式(1)表示：M≥0.94×(7.121x+5.941y+5.675z)/(x+y+z) (1)其中：0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，且x+y+z≠0。
Description
技术领域
本发明涉及非晶氧化物半导体、半导体器件和薄膜晶体管。具体地说，本发明涉及含有从In、Ga和Zn中选择的至少一种元素的非晶氧化物半导体，以及使用非晶氧化物半导体的半导体器件和薄膜晶体管。
背景技术
当前正在研究用薄膜氧化物半导体作为晶体管的沟道层。特别是，正在积极研究将ZnO氧化物半导体用作薄膜晶体管(TFT)的沟道。
然而，作为半导体膜的薄ZnO膜在室温下形成时将成为多晶，并且在半导体-绝缘体界面、半导体-半导体界面或半导体-金属界面会有几至几十纳米的粗糙度，而界面在半导体器件中是高度重要的。
此外，在多晶物质内将不可避免地形成晶粒边界。不利的是，这些晶粒边界将引起传导缺陷，或者将由于从气氛中吸附气体分子而引起特性劣化，从而导致特征的不稳定(Journal of Applied Physics，Vol.94，p.7748)。
为了克服上面所提到的由粗糙的界面或晶粒边界引起的这些缺点，美国专利申请公开No.US-2007-0194379公开了一种将非晶氧化物半导体用作氧化物半导体的薄膜的高性能TFT。
以非晶态形成的半导体提供具有小于1纳米的粗糙度的优异界面而没有ZnO界面的粗糙度，使得能够实现半导体器件的较高性能。这样，就可以形成没有晶粒边界的半导体膜，从而避免了由晶粒边界引起的特性劣化和不稳定。
因此，在与上述美国专利申请公开No.US-2007-0194379中的相同的条件下，用脉冲激光气相沉积(PLD)制造非晶氧化物半导体膜与含有此半导体膜的TFT。所得到的半导体膜和TFT具有与在该美国专利中所示出的或者在Nature，Vol.432，p.488中所报道的特性相当的特性。
此外，通过使用InGaO3(ZnO)(即In1Ga1Zn1的氧化物)成分的靶溅射制造非晶氧化物半导体膜和TFT。这样，就得到了如用PLD工艺所制造的那样具有优异特性的非晶氧化物半导体膜和TFT膜(Applied Physics Letters，Vol.89，第112123-1页到112123-3页)。
在进一步研究后，本发明的发明人已发现了已进一步改善半导体和TFT的特性的用于制造非晶氧化物半导体的条件。
本发明提供含有从In、Ga和Zn中选择的至少一种元素的非晶氧化物半导体，以及使用非晶氧化物半导体的半导体器件和薄膜晶体管。
发明内容
本发明针对含有按InxGayZnz的原子比从In、Ga和Zn中选择的至少一种元素的非晶氧化物半导体，其中，非晶氧化物半导体的密度M由以下关系式(1)表示：
M≥0.94×(7.121x+5.941y+5.675z)/(x+y+z) (1)
其中：0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1；且x+y+z≠0。
在这种非晶氧化物半导体内，关系x＞0、y＞0和z＞0是可以接受的。
在这种非晶氧化物半导体内，比值x/(x+y+z)、y/(x+y+z)和z/(x+y+z)分别可不小于0.2。
本发明针对使用非晶氧化物半导体的半导体器件。
本发明针对使用非晶氧化物半导体作为沟道层的薄膜晶体管。
本发明使得能够对于使用氧化物半导体薄膜作为沟道层的TFT制造具有高性能、高稳定性和高可靠性的元件。
从参照附图对示例性实施例的以下描述，本发明的进一步的特征将变得清晰。
附图说明
图1为示出使用本发明的非晶氧化物半导体和使用常规的非晶氧化物半导体的底栅型TFT的传导特性的曲线图。
图2为示出本发明的非晶氧化物半导体和常规的非晶氧化物半导体的X射线反射率的曲线图。
图3示出在本发明的例子中所用的底栅型TFT的结构。
具体实施方式
下面，将参照附图描述实施本发明的最佳方式。
首先描述非晶氧化物半导体。
本发明的非晶氧化物半导体含有按由InxGayZnz表示的原子比从In、Ga和Zn中选择的至少一种元素。
在该成分中，优选x＞0、y＞0和z＞0，更为优选的是x/(x+y+z)≥0.2、y/(x+y+z)≥0.2且z/(x+y+z)≥0.2。也就是说，比值x/(x+y+z)、y/(x+y+z)和z/(x+y+z)优选分别不小于0.2。
非晶氧化物半导体可以含有另一种氧化物作为添加剂，该添加剂包括Mg、Ca、B、Al、Fe、Ru、Si、Ge和Sn的氧化物。
本发明的非晶氧化物半导体的特征在于它的密度不小于以下所定义的理论密度的94.0％。
根据国际衍射数据中心的PDF No.00-006-0416，In2O3具有7.121g/cm3的密度。
根据国际衍射数据中心的PDF No.00-041-1103，Ga2O3具有5.941g/cm3的密度。
根据国际衍射数据中心的PDF No.00-036-1451，ZnO具有5.675g/cm3的密度。
因此，含有成分比为InxGayZnz的In、Ga和Zn的非晶氧化物半导体的理论密度经计算为：(7.121x+5.941y+5.675z)/(x+y+z)[g/cm3]。
在非晶氧化物半导体另外含有In、Ga和Zn之外的元素的氧化物时，理论密度定义如下。所添加的元素用M表示，并且In、Ga、Zn和M的成分比用InxGayZnzMw表示，而元素M的氧化物之中具有最低标准生成自由能的氧化物的密度用D表示。于是，理论密度表示为：(7.121x+5.941y+5.675z+Dw)/(x+y+z+w)[g/cm3]。
本发明的非晶氧化物半导体的密度不小于以上理论密度的94％。这个关系表示为以下关系式(1)：
M≥0.94×(7.121x+5.941y+5.675z)/(x+y+z) (1)
其中：0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1；且x+y+z≠0。
通常，由于在薄膜内形成空隙或者其他原因，非晶物质的薄膜的密度低于理论密度。例如，用如Journal of Applied Physics，Vol.78，pp.962-968中所描述的真空气相沉积形成的非晶二氧化硅膜具有等于或低于块体氧化硅的密度(2.2g/cm3)的90％(2.0g/cm3)的密度。据报道，该薄膜含有能吸附潮气的空隙。
非晶氧化物半导体膜内的这种空隙可以散射载流子电子或者使传导路径增长，而不利地影响半导体的诸如迁移率之类的传导特性。
为了克服这种不利的影响，在以下描述的例子中，本发明的发明人用溅射工艺制备非晶氧化物半导体膜，这使得能够通过调整成膜温度容易地形成相对高密度的薄膜。
由此，制备了膜密度较高的含有成分比为InxGayZnz的In、Ga和Zn的非晶氧化物半导体薄膜。发现该薄膜在传导特征特别是在迁移率上优于常规的薄膜。
优选通过包括诸如rf溅射和DC溅射的溅射的真空气相沉积与脉冲激光气相沉积(PLD)(特别是通过溅射)制备以上所提到的密度不小于理论密度的94.0％的非晶氧化物半导体膜。
用于形成上述半导体的温度优选不低于室温，更为优选的是在从150℃到引起结晶的温度的范围内。
在另一种形成高密度非晶氧化物半导体膜的优选方法中，首先形成密度低于理论密度的94.0％的非晶氧化物半导体膜，然后再将此膜进行后处理以将密度增大到理论密度的94.0％或更高。优选的后处理包括热处理、离子照射、等离子体照射和自由基照射。
上述非晶氧化物半导体可用于薄膜晶体管(TFT)。上述非晶氧化物半导体可用作TFT的沟道层。
在TFT内，优选将Si氧化物膜或金属氧化物膜用作栅绝缘膜。用于栅绝缘膜的氧化物可以含有少量的氮。Si氮化物作为栅绝缘膜也是优选的。优选通过包括PLD(脉冲气相沉积)的真空气相沉积或溅射形成该绝缘膜。
如上面所描述的那样得到的非晶氧化物半导体具有比常规的非晶氧化物半导体更适合于半导体器件的特性(例如，迁移率)。利用这种非晶氧化物半导体，可以制造出性能比常规半导体器件高的半导体器件(特别是TFT)。
<例子>
<例子1：非晶氧化物半导体>
首先，制备其上具有100nm厚的热氧化SiO2膜的n型Si基板。在该SiO2膜上，通过利用InCaO3(ZnO)靶的rf溅射在200℃的基板温度下形成40nm厚的含有成分比为InxGayZnz的In、Ga和Zn的非晶氧化物半导体膜。
通过X射线荧光分析，确定所形成的膜的成分，即x/(x+y+z)、y/(x+y+z)和z/(x+y+z)分别为0.406、0.376和0.218。根据成分分析结果，估计理论密度为6.36g/cm3。
用配备有Cu-KαX射线源和X射线反射镜的X射线衍射装置对所得到的膜的X射线反射率进行测量。图2通过曲线21示出了测量结果。由此，估计膜密度为6.12g/cm3，为以上所估计的理论密度的96.2％。
另外，在保持在室温(基板温度监测器读数为22℃)下的同样的基板上通过同样的方法形成40nm厚的成分比为InxGayZnz的另一非晶氧化物半导体膜。
通过X射线荧光分析，确定所形成的膜的成分，x/(x+y+z)、y/(x+y+z)和z/(x+y+z)分别为0.397、0.364和0.239。根据成分分析结果，估计理论密度为6.35g/cm3。
对所得到的膜测量X射线反射率。图2用曲线22示出了测量结果。由此，估计膜密度为5.95g/cm3，为以上所估计的理论密度的93.8％。
如后所述，通过使用上述非晶氧化物半导体膜作为沟道层制造TFT。对非晶氧化物半导体膜的场效应迁移率进行测试。密度为理论密度的96.2％的膜给出12cm2/Vs的迁移率，而密度为理论密度的93.8％的膜给出5cm2/Vs的迁移率。
按照以上非专利文献3中所公开的方法制造的膜的密度为理论密度的93.7％，而按照以上非专利文献2中所公开的方法制造的膜的密度为理论密度的83.7％。比较这两种膜，在密度为理论密度的93.7％的膜内场效应迁移率较高。
根据以上结果，非晶氧化物半导体的密度与特性(特别是迁移率)相关：密度越高，迁移率就越高。
在本发明中，发现：密度不低于理论密度的94.0％的膜在特性上优于密度较低的常规膜。
在以上的例子中，通过控制成膜条件得到较高密度的非晶氧化物半导体膜。
在另一种方法中，首先形成密度低于理论密度的94.0％的膜，然后再通过离子、等离子体、自由基之类的照射增大密度。由此可以得到具有与通过控制成膜条件所得到的非晶氧化物半导体类似的高性能的非晶氧化物半导体。
例子2：TFT元件的制造
制造图3所示的底栅型TFT元件作为使用非晶氧化物半导体膜的半导体器件。
首先，制备其上具有100nm厚的热氧化SiO2膜102的n型Si基板101。在该SiO2薄膜上，通过利用InGaO3(ZnO)靶的rf溅射在200℃的基板温度下形成40nm厚的含有成分比为InxGayZnz的In、Ga和Zn的非晶氧化物半导体膜103。所得到的膜的密度为理论密度的96.2％。
以必要的尺寸蚀刻所得到的含有成分比为InxGayZnz的In、Ga和Zn的非晶氧化物半导体膜，然后通过光刻和剥离方法形成源电极104和漏电极105。这些电极的材料为Au(150nm)/Ti(5nm)的多层，且通过电子束气相沉积进行成膜。
N型Si 101(基板)用作栅电极，而SiO2膜102用作TFT元件的栅绝缘膜。
在所得到的这些TFT元件中，测试沟道长度为10μm且沟道宽度为30μm的一个TFT元件的传导特性(漏极电流/栅极电压特性，等)。图1用曲线11示出该特性。场效应迁移率为12cm2/Vs。
另外，以与以上相同的方式和构成，在处于室温的基板(基板温度监测器读数为22℃)上形成40nm厚、成分比为InxGayZnz的非晶氧化物半导体膜(理论密度的93.8％)，并且制造TFT元件。
对沟道长度为10μm且沟道宽度为30μm的TFT元件的传导特性进行测试。图1用曲线12示出了特性。场效应迁移率为5cm2/Vs。
如上所述，通过使用较高密度的非晶氧化物半导体作为沟道层得到了性能较高的TFT元件。
此高密度非晶氧化物半导体不仅在TFT中，而且在需要高迁移率的器件(诸如电子器件内的透明电极材料)中都是有效的。
本发明的含有成分比为InxGayZnz的In、Ga和Zn的非晶氧化物半导体可以广泛地用作用于像显示器那样的电子器件的部件的材料。特别是，使用此非晶氧化物半导体的TFT可以广泛地用作用于LCD、有机EL显示器等的开关元件和诸如光接收元件和传感器元件之类的矩阵器件的开关元件的开关元件。此外，该非晶氧化物半导体还可以用于IC卡、IC标签等。
虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但是应当理解本发明不限于所公开的示例性实施例。以下权利要求的范围应被赋予最宽的解释以涵盖所有这样的修改和等同的结构和功能。
本申请要求2007年4月25日提交的日本专利申请No.2007-115617的权益，因而在此通过引用将其全部内容并入。
Claims (5)
1.一种含有按InxGayZnz的原子比从In、Ga和Zn中选择的至少一种元素的非晶氧化物半导体，其中，所述非晶氧化物半导体的密度M由以下关系式(1)表示：
M≥0.94×(7.121x+5.941y+5.675z)/(x+y+z) (1)
其中：0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，且x+y+z≠0。
2.按照权利要求1所述的非晶氧化物半导体，其中：x＞0，y＞0，以及z＞0。
3.按照权利要求1所述的非晶氧化物半导体，其中：比值x/(x+y+z)、y/(x+y+z)和z/(x+y+z)分别不小于0.2。
4.一种半导体器件，所述半导体器件使用权利要求1至3中任何一项所述的非晶氧化物半导体。
5.一种薄膜晶体管，所述薄膜晶体管使用权利要求1至3中任何一项所述的非晶氧化物半导体作为沟道层。
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