JP6022838B2

JP6022838B2 - 酸化物半導体膜の評価方法

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Publication number: JP6022838B2
Application number: JP2012161048A
Authority: JP
Inventors: 本田　達也; 達也本田; 将志太田; のぞみ鎌田
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2012-07-20
Filing date: 2012-07-20
Publication date: 2016-11-09
Anticipated expiration: 2032-07-20
Also published as: JP2014022615A

Description

本発明は、半導体装置に関する。

なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指し、電気光学装置、半導体回路および電子機器は全て半導体装置である。

絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタ（薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）ともいう）を構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（表示装置）のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。

例えば、トランジスタの活性層として、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、および亜鉛（Ｚｎ）を含む非晶質酸化物半導体を用いたトランジスタが開示されている（特許文献１参照）。

特開２００６−１６５５２８号公報

上述したトランジスタ（電界効果型トランジスタ）は、チャネルが形成される半導体領域、ソース領域またはドレイン領域、ゲート絶縁膜、ゲート電極など、様々な構成要素を有する。各構成要素はトランジスタの電気特性に密接に関連し、中でもチャネルが形成される半導体領域は、トランジスタの電気特性および信頼性に対して強く影響を与える要素の一つである。

トランジスタのチャネル領域に用いることのできる半導体材料は多種多様である。特に上述した酸化物半導体は複数の元素を有する多成分系であり、非常に多くの組み合わせが可能である。そのため、トランジスタに良好な信頼性を与える酸化物半導体材料の探索には、トランジスタの作製と信頼性試験を数多く実施する必要があった。

したがって、本発明の一態様では、トランジスタに良好な信頼性を与える酸化物半導体材料の探索を容易とする方法、およびトランジスタに良好な信頼性を与える酸化物半導体材料を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、光伝導度を用いてトランジスタに良好な信頼性を与える酸化物半導体材料を探索する方法、および特定の光伝導度を有する酸化物半導体材料に関する。

本明細書に開示する本発明の一態様は、エネルギー４ｅＶの光の照射時において、光学測定法で得られる屈折率ｎおよび消衰係数ｋ、複素誘電率ε（式（１））の虚数項ε_２を表す式（２）および光のエネルギーＥを表す式（３）から得られる式（４）を用い、
ε＝ε_１−ε_２・・・（１）
ε_２＝２ｎｋ＝σ／ωε_０・・・（２）
Ｅ＝ｈν＝ｈω／２π・・・（３）
σ＝２ｎｋ・ωε_０＝４π・ｎｋ・Ｅ・ε_０／ｈ・・・（４）
ここで、
ω：電磁波の角振動数
ε_０：真空の誘電率
ｈ：プランク定数
ν：光の振動数
π：円周率
であり、
算出される光伝導度σが、４１０Ω^−１ｃｍ^−１以下である酸化物半導体膜を有することを特徴とする半導体装置である。

上記酸化物半導体膜は、インジウム、ガリウム、亜鉛を含む材料で形成されていることが好ましい。

また、上記酸化物半導体膜は、シリコンよりもバンドギャップが広く、且つｃ軸が被形成面の法線ベクトル又は表面の法線ベクトルに平行な方向に揃い、且つａｂ面に垂直な方向から見て三角形状又は六角形状の原子配列を有し、ｃ軸に垂直な方向から見て金属原子が層状又は金属原子と酸素原子とが層状に配列する相を含むことが好ましい。

本発明の一態様を用いることにより、トランジスタに良好な信頼性を与える酸化物半導体材料の探索を容易とする方法を提供することができる。また、トランジスタに良好な信頼性を与える酸化物半導体材料を提供することができる。

酸化物半導体膜の光伝導度σを示す図。光負ゲートバイアスストレス試験前後のトランジスタのＩ−Ｖ特性を示す図。酸化物半導体膜の光伝導度σを示す図。酸化物半導体膜の光伝導度σとトランジスタのしきい値電圧変動量との関係を示す図。酸化物半導体膜の光伝導度σとトランジスタのしきい値電圧変動量との関係を示す図。トランジスタの構造を示す図。

実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略することがある。

（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様である、トランジスタに良好な信頼性を与える酸化物半導体材料を探索する方法、およびトランジスタに良好な信頼性を与える酸化物半導体材料について説明する。

酸化物半導体を用いたｎチャネル型トランジスタでは、チャネル形成領域に光照射をしながらゲート電極に負電圧を印加する加速試験（本明細書では、「光負ゲートバイアスストレス試験」という）において、そのしきい値電圧（Ｖｔｈ）がマイナス方向に変動することが知られている。

このような加速試験の結果から、トランジスタの長時間動作における電気特性の変動の可能性が示唆される。初期がノーマリーオフのｎチャネル型トランジスタにおいて、しきい値電圧がマイナスの値になるまで変動した場合には、ゲート電圧が０Ｖでもソース電極とドレイン電極の間に電流が流れる、所謂ノーマリーオンの状態となる場合がある。

このような、しきい値電圧の変動は、半導体装置の動作不良や消費電力の増加などを伴う。したがって、トランジスタのしきい値電圧は長時間の動作ストレスにおいても、変動を極力少なくすることが望ましい。

しかしながら、トランジスタに良好な信頼性を与える材料の探索には、トランジスタの作製と信頼性試験を数多く実施する必要があった。特に上述した酸化物半導体は複数の元素を組み合わせた多成分系であるため非常に多くの種類があり、信頼性を有する材料を間接的に見いだす簡易な探索法が求められている。また、量産にあたっては、酸化物半導体膜を安定に作製するための何らか管理基準が求められている。

上述した光負ゲートバイアスストレス試験によるトランジスタのしきい値電圧のマイナス方向への変動は、光照射によって生成されたキャリア（以降、光キャリア）が原因の一つとなっている。光キャリアは、酸化物半導体膜中の欠陥または酸化物半導体膜表面（界面）の欠陥、またはゲート絶縁膜中に捕獲されることにより、電荷として振る舞う。そのためゲート電界が遮断、または高められ、しきい値電圧が変動してしまう。したがって、しきい値電圧の変動を抑えるためには、欠陥の密度を減らす、または光キャリアの数を減らすことが有効である。

光キャリア数の大小の判断には、光キャリア数に比例する光伝導度σの評価が有効である。光キャリアの数が少なければ、酸化物半導体膜中または半導体膜表面（界面）の欠陥にトラップされるキャリアの数も少ない。そのため、光伝導度σの小さい酸化物半導体膜を用いれば、しきい値電圧の変動の少ないトランジスタを作製することができるといえる。

一般に、光伝導度σは、半導体膜上に二つの電極を成膜して電極間に流れる電流を検出することで求めることができる。しかしながら、この方法では、半導体膜と電極との界面に生じるコンタクト抵抗の影響を受けため、算出される光伝導度σには若干の誤差が生じてしまう。

そこで、本発明の一態様では、光学測定法を用いて光伝導度σを算出する方法を用いる。光学測定から得られる光伝導度σは、電極のない単膜で測定した値であるため、コンタクト抵抗の影響を含まない。したがって、半導体膜の光伝導度σを正確に算出することができる。

光学測定法を用いた光伝導度σの算出方法は次の通りである。

まず、光学測定器を用いて、酸化物半導体膜の屈折率ｎおよび消衰係数ｋを測定する。ここで、光学測定器には、エリプソメータなどを用いることができる。

物質の複素誘電率は、式（１）に示す実数項ε_１と虚数項ε_２で表すことができる。

ε＝ε_１−ｉε_２・・・（１）

そして、複素誘電率の虚数項ε_２は、式（２）に示すように、物質の屈折率ｎと消衰係数ｋの積で表すことができるとともに、光伝導度σ、光の角振動数ω、および真空の比誘電率ε_０を用いて表すこともできる。

ε_２＝２ｎｋ＝σ／ωε_０・・・（２）

また、光のエネルギーＥは、式（３）に示すように、プランク定数ｈと光の振動数νの積で表すことができるとともに、プランク定数ｈ、光の角振動数ω、および円周率πを用いて表すこともできる。

Ｅ＝ｈν＝ｈω／２π ・・・（３）

上記、式（２）および式（３）から式（４）を得ることができ、光学測定器で測定した屈折率ｎおよび消衰係数ｋを用いれば、光伝導度σを算出することができる。

σ＝２ｎｋ・ωε_０＝４π・ｎｋ・Ｅ・ε_０／ｈ・・・（４）

次に、酸化物半導体膜の光伝導度σ、および当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタの光負ゲートバイアスストレス試験の具体例を説明する。

図１は、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎを含む酸化物半導体（ＩＧＺＯともいう）について、組成の異なる３つのサンプル（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、２：１：３、３：１：２、数値は原子数比）を作製し、上述した方法にて光伝導度σを算出した結果である。なお、サンプルは原子数比の異なる母材料（ターゲット）とし、基板温度４００℃、酸素ガスでスパッタすることにより作製している。

算出される光伝導度σはサンプルによって異なり、同じエネルギーの光の照射時における光伝導度σは、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１のサンプルが最も小さいことがわかる。

図２は、光負ゲートバイアスストレス試験の結果を示すトランジスタのＩ−Ｖ特性である。光負ゲートバイアスストレス試験は、トップゲート構造、Ｌ／Ｗ＝３／１０μｍのトランジスタに対し、室温で光源に白色ＬＥＤを用いて３６０００ｌｘの光を照射しながら、ゲートに−６Ｖの電圧を１時間印加する方法を用いている。また、図は、光負ゲートバイアスストレス試験前後におけるドレイン電圧０．１Ｖ、１．０Ｖの電流を重ね書きしたものである。

図２（Ａ）は、図１に示したＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１のサンプルと同じ条件で作製した酸化物半導体膜をチャネル形成領域に用いたトランジスタの光負ゲートバイアスストレス試験前後のＩ−Ｖ特性である。このトランジスタでは、矢印で示すように、しきい値電圧が約０．１６Ｖほどマイナス側に変動している。

一方、図２（Ｂ）は、図１に示したＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２のサンプルと同じ条件で作製した酸化物半導体膜をチャネル形成領域に用いたトランジスタの光負ゲートバイアスストレス試験前後のＩ−Ｖ特性である。このトランジスタでは、矢印で示すように、しきい値電圧が約０．３２Ｖほどマイナス側に変動している。

これらの結果から、光伝導度σの値が小さい酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、光負ゲートバイアスストレス試験におけるしきい値電圧の変動が小さいことがわかる。つまり、光伝導度σが極力小さくなるように酸化物半導体膜の作製条件を最適化すれば、信頼性の高いトランジスタを得ることができる。

また、図３は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１のサンプルを酸素雰囲気中において、３００℃、３５０℃、４００℃、４５０℃のそれぞれの温度で、１時間熱処理したサンプル、および熱処理無しのサンプルの光伝導度σを算出した結果である。

酸化物半導体では、熱処理をすることで結晶構造が変化し、それに伴う価電子帯の状態密度低下やバンドギャップの増大などにより、光伝導度σが低下する。図３の結果から、光伝導度σをより低下させるには、熱処理温度が高いほど好ましく、具体的には４００℃以上が好ましいといえる。

また、図４（Ａ）、（Ｂ）、図５（Ａ）、（Ｂ）は、図３のサンプル（熱処理無しを除く）と同条件で作製した酸化物半導体膜を用いてトランジスタを作製し、光負ゲートバイアスストレス試験を行った結果を代表的な波長における酸化物半導体膜の光伝導度σと、トランジスタのしきい値電圧の変動量（ΔＶｔｈ）の関係で示したものである。

作製したトランジスタは、ボトムゲート構造、Ｌ／Ｗ＝６／５０μｍ、光負ゲートバイアスストレス試験は、８０℃で光源に白色ＬＥＤを用いて３０００ｌｘの光を照射しながら、ゲートに−３０Ｖ、ドレインに０．１Ｖの電圧を２０００秒間印加する方法を用いている。

図４（Ａ）は、ＸｅＣｌエキシマレーザの発振波長３０８ｎｍ（約４．０ｅＶ）の光を照射したときの各酸化物半導体膜のサンプルの光伝導度σと、当該サンプルと同じ条件で作製した酸化物半導体膜を用いて作製したトランジスタの光負ゲートバイアスストレス試験後のしきい値電圧変動量（ΔＶｔｈ）との関係を示した図である。光伝導度σの減少とともにΔＶｔｈの絶対値は小さくなる傾向を示している。この結果から、波長３０８ｎｍ（約４．０ｅＶ）の光を照射したときの酸化物半導体膜の光伝導度σは、約４１０Ω^ー１ｃｍ^−１以下であることが好ましいといえる。

図４（Ｂ）は、Ｈｅ−Ｃｄレーザの発振波長３２５ｎｍ（約３．８ｅＶ）の光を照射したときの各酸化物半導体膜のサンプルの光伝導度σと、当該サンプルと同じ条件で作製した酸化物半導体膜を用いて作製したトランジスタの光負ゲートバイアスストレス試験後のしきい値電圧変動量（ΔＶｔｈ）との関係を示した図である。光伝導度σの減少とともにΔＶｔｈの絶対値は小さくなる傾向を示している。この結果から、波長３２５ｎｍ（約３．８ｅＶ）の光を照射したときの酸化物半導体膜の光伝導度σは、約２５５Ω^ー１ｃｍ^−１以下であることが好ましいといえる。

図５（Ａ）は、Ｋｒレーザの発振波長３５０ｎｍ（約３．５ｅＶ）の光を照射したときの各酸化物半導体膜のサンプルの光伝導度σと、当該サンプルと同じ条件で作製した酸化物半導体膜を用いて作製したトランジスタの光負ゲートバイアスストレス試験後のしきい値電圧変動量（ΔＶｔｈ）との関係を示した図である。光伝導度σの減少とともにΔＶｔｈの絶対値は小さくなる傾向を示している。この結果から、波長３５０ｎｍ（約３．５ｅＶ）の光を照射したときの酸化物半導体膜の光伝導度σは、約９０Ω^ー１ｃｍ^−１以下であることが好ましいといえる。

図５（Ｂ）は、Ａｒレーザの発振波長３６４ｎｍ（約３．４ｅＶ）の光を照射したときの各酸化物半導体膜のサンプルの光伝導度σと、当該サンプルと同じ条件で作製した酸化物半導体膜を用いて作製したトランジスタの光負ゲートバイアスストレス試験後のしきい値電圧変動量（ΔＶｔｈ）との関係を示した図である。光伝導度σの減少とともにΔＶｔｈの絶対値は小さくなる傾向を示している。この結果から、波長３６４ｎｍ（約３．４ｅＶ）の光を照射したときの酸化物半導体膜の光伝導度σは、約３６Ω^ー１ｃｍ^−１以下であることが好ましいといえる。

以上のように、酸化物半導体膜の光伝導度σとトランジスタの信頼性には相関があり、光伝導度σを測定することで間接的にトランジスタの信頼性を予測することができる。したがって、本方法を用いることで、トランジスタの開発期間、コストを低減することができる。また、信頼性を満足するトランジスタを形成することのできる酸化物半導体膜の光伝導度σの値を管理基準とすることで、トランジスタを安定して量産することもできる。

本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。

（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１で説明した酸化物半導体膜を用いるトランジスタ、および該トランジスタを構成する材料について説明する。

図６（Ａ）は、トランジスタの上面図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に示す線分Ａ１−Ａ２における断面図である。なお、図６（Ａ）では明瞭化のため、一部の構成要素を省いて図示してある。

図６（Ａ）、（Ｂ）に示すトランジスタ２１９１は、基板２１００上に形成された下地絶縁膜２１１０と、該下地絶縁膜上に形成された半導体層２１２０と、該半導体層上に形成されたソース電極２１５０ａおよびドレイン電極２１５０ｂと、半導体層２１２０、ソース電極２１５０ａ、ドレイン電極２１５０ｂ上に形成されたゲート絶縁膜２１３０と、半導体層２１２０、ソース電極２１５０ａ、ドレイン電極２１５０ｂと重畳するようにゲート絶縁膜２１３０上に形成されたゲート電極２１４０と、ゲート絶縁膜２１３０およびゲート電極２１４０上に形成された保護膜２１６０と、該保護膜上に形成された平坦化膜２１７０を有する。なお、保護膜２１６０および平坦化膜２１７０は必要に応じて設ければよい。

なお、図６では一例としてノンセルフアラインのトップゲート型のトランジスタを示したが、セルフアラインのトップゲート型やボトムゲート型であってもよい。

図６（Ａ）、（Ｂ）に示す半導体層２１２０に酸化物半導体などのバンドギャップの広い半導体を用いることで、トランジスタのオフ電流を著しく小さくすることができる。

バンドギャップが広い半導体材料の一例としては、酸化物半導体の他に、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）などの化合物半導体などがあるが、酸化物半導体は、炭化珪素や窒化ガリウムと異なり、スパッタ法や湿式法により作製可能であり、量産性に優れるといった利点がある。また、酸化物半導体は室温でも成膜が可能なため、ガラス基板上への成膜、或いはシリコンを用いた集積回路上への成膜が可能である。また、基板の大型化にも対応が可能である。よって、上述したワイドギャップ半導体の中でも、特に酸化物半導体は量産性が高いというメリットを有する。また、トランジスタの性能（例えば電界効果移動度）を向上させるために結晶性の酸化物半導体を得ようとする場合でも、２５０℃から８００℃の熱処理によって容易に結晶性の酸化物半導体を得ることができる。

なお、酸化物半導体としては、少なくともインジウム（Ｉｎ）あるいは亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。特にＩｎとＺｎを含むことが好ましい。また、該酸化物を用いたトランジスタの電気的特性のばらつきを減らすためのスタビライザーとして、それらに加えてガリウム（Ｇａ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてスズ（Ｓｎ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてハフニウム（Ｈｆ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてアルミニウム（Ａｌ）を有することが好ましい。

また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）のいずれか一種または複数種を含んでいてもよい。

例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、Ｉｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯとも表記する）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を用いることができる。また、上記酸化物半導体は、珪素を含んでいてもよい。

なお、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを含む酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素を含んでいてもよい。Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物は、無電界時の抵抗が十分に高くオフ電流を十分に小さくすることが可能であり、また、移動度も高いため、半導体装置に用いる半導体材料としては好適である。

例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）あるいはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：２：１（＝２／５：２／５：１／５）の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。あるいは、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：３（＝１／３：１／６：１／２）あるいはＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：５（＝１／４：１／８：５／８）の原子数比のＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。

しかし、これらに限られず、必要とする電気的特性（移動度、しきい値電圧、ばらつき等）に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とする半導体特性を得るために、キャリア密度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。

なお、例えば、酸化物半導体膜は、Ｉｎ（インジウム）、Ｇａ（ガリウム）、及びＺｎ（亜鉛）を含むターゲットを用いたスパッタ法により形成することができる。Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物半導体膜をスパッタ法で成膜する場合、好ましくは、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、４：２：３、３：１：２、１：１：２、２：１：３、または３：１：４で示されるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物のターゲットを用いる。前述の原子数比を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物のターゲットを用いて酸化物半導体膜を成膜することで、結晶が形成されやすくなる。また、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含むターゲットの充填率は９０％以上、好ましくは９５％以上である。充填率の高いターゲットを用いることにより、成膜した酸化物半導体膜は緻密な膜となる。

なお、酸化物半導体としてＩｎ−Ｚｎ系酸化物の材料を用いる場合、用いるターゲットの組成は、原子数比で、Ｉｎ：Ｚｎ＝５０：１〜１：２（モル数比に換算するとＩｎ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝２５：１〜１：４）、好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝２０：１〜１：１（モル数比に換算するとＩｎ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝１０：１〜１：２）、さらに好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝１．５：１〜１５：１（モル数比に換算するとＩｎ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝３：４〜１５：２）とする。例えば、Ｉｎ−Ｚｎ系酸化物である酸化物半導体膜の形成に用いるターゲットは、原子数比がＩｎ：Ｚｎ：Ｏ＝Ｘ：Ｙ：Ｚのとき、Ｚ＞１．５Ｘ＋Ｙとする。Ｚｎの比率を上記範囲に収めることで、移動度の向上を実現することができる。

また、酸化物半導体膜としてＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物半導体膜をスパッタ法で成膜する場合、好ましくは、原子数比がＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１、２：１：３、１：２：２、または２０：４５：３５で示されるＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏターゲットを用いる。

また、酸化物半導体膜として、単結晶、多結晶（ポリクリスタルともいう。）または非晶質などの状態を有する膜を用いることができる。好ましくは、酸化物半導体膜は、ＣＡＡＣ−ＯＳ（ＣＡｘｉｓＡｌｉｇｎｅｄＣｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜とする。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、完全な単結晶ではなく、完全な非晶質でもない。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、非晶質相に結晶部および非晶質部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体膜である。なお、当該結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による観察像では、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる非晶質部と結晶部との境界は明確ではない。また、ＴＥＭによってＣＡＡＣ−ＯＳ膜には粒界（グレインバウンダリーともいう。）は確認できない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、粒界に起因する電子移動度の低下が抑制される。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部は、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃い、かつａｂ面に垂直な方向から見て三角形状または六角形状の原子配列を有し、ｃ軸に垂直な方向から見て金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に配列している。なお、異なる結晶部間で、それぞれａ軸およびｂ軸の向きが異なっていてもよい。本明細書において、単に垂直と記載する場合、８５°以上９５°以下の範囲も含まれることとする。また、単に平行と記載する場合、−５°以上５°以下の範囲も含まれることとする。

なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜において、結晶部の分布が一様でなくてもよい。例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形成過程において、酸化物半導体膜の表面側から結晶成長させる場合、被形成面の近傍に対し表面の近傍では結晶部の占める割合が高くなることがある。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜へ不純物を添加することにより、当該不純物添加領域において結晶部が非晶質化することもある。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃うため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形状（被形成面の断面形状または表面の断面形状）によっては互いに異なる方向を向くことがある。なお、結晶部のｃ軸の方向は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されたときの被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向となる。結晶部は、成膜することにより、または成膜後に加熱処理などの結晶化処理を行うことにより形成される。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜で構成された酸化物半導体膜は、スパッタ法で作製することができる。スパッタ法によってＣＡＡＣ−ＯＳ膜を得るには酸化物半導体膜の堆積初期段階において六方晶の結晶が形成されるようにすることと、当該結晶を種として結晶が成長されるようにすることが肝要である。そのためには、ターゲットと基板の距離を広くとり（例えば、１５０ｍｍ〜２００ｍｍ程度）、基板加熱温度を１００℃〜５００℃、好適には２００℃〜４００℃、さらに好適には２５０℃〜３００℃にすると好ましい。また、これに加えて、成膜時の基板加熱温度よりも高い温度で、堆積された酸化物半導体膜を熱処理することで膜中に含まれるミクロな欠陥や、積層界面の欠陥を修復することができる。

また、酸化物半導体膜は、熱処理をすることで結晶構造が変化し、それに伴う価電子帯の状態密度低下やバンドギャップの増大などが起こり、光伝導度σが低下する。この熱処理によって、固定電荷として振る舞う光キャリアの生成が抑えられ、トランジスタのしきい値電圧の変動を抑えることができる。

上記熱処理は、４００℃以上で行うことが特に好ましく、実施の形態１で説明したように酸化物半導体膜の光伝導度σを算出することで、高い信頼性を有するトランジスタを形成できるか否かを判断することができる。また、光伝導度σの値を管理基準として、トランジスタを安定して作製することができる。例えば、波長３０８ｎｍ（約４．０ｅＶ）の光を照射したときの酸化物半導体膜の光伝導度σが約４１０Ω^ー１ｃｍ^−１以下となるように酸化物半導体膜の作製条件を調整すればよい。

２１００基板
２１１０下地絶縁膜
２１２０半導体層
２１３０ゲート絶縁膜
２１４０ゲート電極
２１５０ａソース電極
２１５０ｂドレイン電極
２１６０保護膜
２１７０平坦化膜
２１９１トランジスタ

Claims

酸化物半導体膜にエネルギー４ｅＶの光の照射し、
光学測定法で得られる屈折率ｎおよび消衰係数ｋ、複素誘電率ε（式（１））の虚数項ε_２を表す式（２）および光のエネルギーＥを表す式（３）から得られる式（４）を用い、
ε＝ε_１−ｉε_２・・・（１）
ε_２＝２ｎｋ＝σ／ωε_０・・・（２）
Ｅ＝ｈν＝ｈω／２π ・・・（３）
σ＝２ｎｋ・ωε_０＝４π・ｎｋ・Ｅ・ε_０／ｈ・・・（４）
ここで、
ω：光の角振動数
ε_０：真空の誘電率
ｈ：プランク定数
ν：光の振動数
π：円周率
であり、
算出される光伝導度σが、４１０Ω^−１ｃｍ^−１以下であることを特徴とする酸化物半導体膜の評価方法。
請求項１において、
前記酸化物半導体膜は、インジウム、ガリウム、亜鉛を含む材料で形成されていることを特徴とする酸化物半導体膜の評価方法。
請求項１または２において、
前記酸化物半導体膜は、シリコンよりもバンドギャップが広く、且つｃ軸が被形成面の法線ベクトル又は表面の法線ベクトルに平行な方向に揃い、且つａｂ面に垂直な方向から見て三角形状又は六角形状の原子配列を有し、前記ｃ軸に垂直な方向から見て金属原子が層状又は金属原子と酸素原子とが層状に配列する相を含むことを特徴とする酸化物半導体膜の評価方法。