氧化物半導(dǎo)體膜及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及物體、方法或制造方法。此外，本發(fā)明涉及程序（process)、機(jī)器 (machine)、產(chǎn)品（manufacture)或者組成物（composition of matter)。尤其是，本發(fā)明例 如涉及半導(dǎo)體膜、半導(dǎo)體裝置、顯示裝置、液晶顯示裝置或發(fā)光裝置。此外，本發(fā)明涉及半導(dǎo) 體膜、半導(dǎo)體裝置、顯示裝置、液晶顯示裝置或發(fā)光裝置的制造方法。另外，本發(fā)明涉及半導(dǎo) 體裝置、顯示裝置、液晶顯示裝置或發(fā)光裝置的驅(qū)動(dòng)方法。
[0002] 注意，在本說(shuō)明書中，半導(dǎo)體裝置是指能夠通過(guò)利用半導(dǎo)體特性而工作的所有裝 置。電光裝置、顯示裝置、存儲(chǔ)裝置、半導(dǎo)體電路以及電子設(shè)備等有時(shí)包括在半導(dǎo)體裝置中， 有時(shí)包括半導(dǎo)體裝置。
【背景技術(shù)】
[0003] 使用形成在具有絕緣表面的襯底上的半導(dǎo)體膜形成晶體管的技術(shù)受到關(guān)注。該晶 體管被廣泛地應(yīng)用于如集成電路和顯示裝置等的半導(dǎo)體裝置。作為可用于晶體管的半導(dǎo)體 膜，已知硅膜。
[0004] 作為用作晶體管的半導(dǎo)體膜的硅膜，根據(jù)其用途使用非晶硅膜或多晶硅膜。例如， 在包括于大型顯示裝置中的晶體管的情況下，優(yōu)選使用非晶硅膜，該非晶硅膜可以利用在 大面積襯底上形成薄膜的已有技術(shù)而制造。另一方面，在包括于相同的襯底上形成有驅(qū)動(dòng) 電路的高功能顯示裝置中的晶體管的情況下，優(yōu)選使用多晶硅膜，該多晶硅膜能夠形成具 有高場(chǎng)效應(yīng)迀移率的晶體管。作為形成多晶硅膜的方法，已知對(duì)非晶硅膜進(jìn)行的高溫加熱 處理或激光處理。
[0005] 近年來(lái)，氧化物半導(dǎo)體膜受到關(guān)注。例如，公開了一種包括非晶In-Ga-Zn氧化物 膜的晶體管（參照專利文獻(xiàn)1)。氧化物半導(dǎo)體膜可以利用濺射法等形成，所以可以用于 大型顯示裝置中的晶體管的半導(dǎo)體膜。另外，包括氧化物半導(dǎo)體膜的晶體管具有高場(chǎng)效應(yīng) 迀移率；因而，可以實(shí)現(xiàn)在相同的襯底上形成有驅(qū)動(dòng)電路的高功能顯示裝置。另外，因?yàn)榭?以改良包括非晶硅膜的晶體管的生產(chǎn)裝置的一部分而利用，所以有能夠抑制設(shè)備投資的優(yōu) 勢(shì)。
[0006] 在1985年，報(bào)告了 In-Ga-Zn氧化物結(jié)晶的合成（參照非專利文獻(xiàn)1)。此外，已報(bào) 告了 In-Ga-Zn氧化物具有同系結(jié)構(gòu)并被記為InGaOjZnOhGii是自然數(shù)）的組成式（參照 非專利文獻(xiàn)2)。
[0007] 已報(bào)告了具有與使用非晶In-Ga-Zn氧化物膜的晶體管相比較優(yōu)良的電特性及較 高的可靠性的包括結(jié)晶In-Ga-Zn氧化物膜的晶體管（參照非專利文獻(xiàn)3)。非專利文獻(xiàn)3 報(bào)告具有c-axis aligned crystal (CAAC，c軸取向結(jié)晶）的In-Ga-Zn氧化物膜中不能明 確地確認(rèn)晶界。
[參考文獻(xiàn)]
[專利文獻(xiàn)]
[0008] [專利文獻(xiàn)1]日本專利申請(qǐng)公開2006-165528號(hào)公報(bào)
[非專利文獻(xiàn)]
[0009] [非專利文獻(xiàn) 1]N. Kimizuka，and T. Mohri :J. Solid State Chem.，Vol 60,1985,p. 382-384
[非專利文獻(xiàn) 2]N.Kimizuka，M. Isobe, and M. Nakamura: J. Solid State Chem.，1995, Vol. 116, p. 170
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供 一種結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜的制造方法。
[0011] 本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種能夠形成上述氧化物半導(dǎo)體膜的濺射靶材。
[0012] 本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種上述濺射靶材的使用方法。
[0013] 本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種包括上述氧化物半導(dǎo)體膜且具有穩(wěn)定的電特性 的晶體管。
[0014] 本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種包括上述晶體管的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
[0015] 本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種關(guān)態(tài)電流（off-state current)低的半導(dǎo)體裝 置。或者，本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種耗電量低的半導(dǎo)體裝置。本發(fā)明的另一個(gè)目的 是提供一種新穎的半導(dǎo)體裝置。
[0016] 注意，這些目的的記載不妨礙其他目的的存在。在本發(fā)明的一個(gè)方式中，并不一定 必須要實(shí)現(xiàn)所有上述目的。從說(shuō)明書、附圖、權(quán)利要求書等的記載得知并可以抽出其它目 的。
[0017] 本發(fā)明的一個(gè)方式的氧化物半導(dǎo)體膜例如是襯底上的氧化物半導(dǎo)體膜。該氧化物 半導(dǎo)體膜具有多個(gè)平板狀結(jié)晶In-Ga-Zn氧化物。該多個(gè)平板狀結(jié)晶In-Ga-Zn氧化物配置 為朝向不規(guī)則的方向。在該氧化物半導(dǎo)體膜中，通過(guò)透射電子顯微鏡不能觀察到晶界。
[0018] 例如，多個(gè)平板狀結(jié)晶In-Ga-Zn氧化物的平面的圓當(dāng)量直徑優(yōu)選大于或等于lnm 且小于或等于3nm。例如，多個(gè)平板狀結(jié)晶In-Ga-Zn氧化物的厚度優(yōu)選大于或等于0. 5nm 且小于或等于0. 9nm。
[0019] 本發(fā)明的另一個(gè)方式是一種氧化物半導(dǎo)體膜的制造方法，包括如下步驟：使離子 碰撞到包含結(jié)晶In-Ga-Zn氧化物的靶材，使依次層疊有包含鎵原子、鋅原子及氧原子的第 一層、包含銦原子及氧原子的第二層以及包含鎵原子、鋅原子及氧原子的第三層的平板狀 In-Ga-Zn氧化物剝離；以及使平板狀I(lǐng)n-Ga-Zn氧化物在保持結(jié)晶性的狀態(tài)下不規(guī)則地沉 積在襯底上。
[0020] 例如，包含在靶材中的結(jié)晶In-Ga-Zn氧化物的組成式優(yōu)選為InGaZn04。
[0021] 例如，離子優(yōu)選為氧陽(yáng)離子。
[0022] 本發(fā)明的另一個(gè)方式是一種包括上述氧化物半導(dǎo)體膜的晶體管。本發(fā)明的另一個(gè) 方式是一種包括該晶體管的半導(dǎo)體裝置。
[0023] 可以提供一種結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體膜。
[0024] 此外，可以提供一種能夠形成上述氧化物半導(dǎo)體膜的濺射靶材。
[0025] 可以提供一種包括氧化物半導(dǎo)體膜且具有穩(wěn)定的電特性的晶體管。
[0026] 可以提供一種包括上述晶體管的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
[0027] 可以提供一種關(guān)態(tài)電流低的半導(dǎo)體裝置。此外，可以提供一種耗電量低的半導(dǎo)體 裝置。另外，可以提供一種新穎的半導(dǎo)體裝置。
【附圖說(shuō)明】
[0028] 圖1是示出本發(fā)明的一個(gè)方式的氧化物半導(dǎo)體膜的成膜方法的模型圖。 圖2示出本發(fā)明的一個(gè)方式的靶材的截面HAADF-STEM圖像。 圖3A和3B示出InGaZnOg#晶。 圖4A和4B示出原子碰撞之前的InGaZn04的結(jié)構(gòu)等。 圖5A和5B示出原子碰撞之后的InGaZn04的結(jié)構(gòu)等。 圖6A和6B示出顆粒。 圖7A至7C示出nc-〇S膜的高分辨率平面TEM圖像、高分辨率平面TEM圖像的傅立葉 變換圖像以及高分辨率平面TEM圖像的傅立葉逆變換圖像。 圖8示出nc-〇S膜的納米束電子衍射圖案。 圖9不出石英襯底的納米束電子衍射圖案。 圖10示出減薄到幾 nm的nc-〇S膜的納米束電子衍射圖案。 圖11A至11C示出nc-〇S膜的結(jié)構(gòu)解析結(jié)果。 圖12示出nc-〇S膜的結(jié)構(gòu)解析結(jié)果。 圖13示出nc-〇S膜的結(jié)構(gòu)解析結(jié)果。 圖14示出用于計(jì)算的結(jié)構(gòu)模型。 圖15示出進(jìn)行計(jì)算而得到的結(jié)晶InGaZn04的結(jié)構(gòu)解析結(jié)果。 圖16示出進(jìn)行計(jì)算而得到的非晶InGaZn04的結(jié)構(gòu)解析結(jié)果。 圖 17 不出第一峰的半峰全寬（FWHM :full width halfmaximum)。 圖18A、18B1、18B2及18C是示出本發(fā)明的一個(gè)方式的晶體管的例子的俯視圖及截面 圖。 圖19A、19B及19C是示出本發(fā)明的一個(gè)方式的晶體管的例子的俯視圖及截面圖。 圖20A至20C是示出本發(fā)明的一個(gè)方式的顯示裝置的例子的電路圖、俯視圖以及截面 圖。 圖21A和21B是示出本發(fā)明的一個(gè)方式的顯示裝置的例子的電路圖及截面圖。 圖22A和22B是示出本發(fā)明的一個(gè)方式的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的例子的電路圖及時(shí)序圖。 圖23A和23B是示出本發(fā)明的一個(gè)方式的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的例子的方框圖及電路圖。 圖24A至24C是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方式的CPU的例子的方框圖。 圖25A至25C示出本發(fā)明的一個(gè)方式的半導(dǎo)體裝置的設(shè)置例子。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 參照附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。但是，本發(fā)明不局限于以下說(shuō)明，所屬技術(shù) 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以很容易地理解這里示出的詳細(xì)內(nèi)容和方式可以被變換為各種各 樣的形式。此外，本發(fā)明不應(yīng)該被解釋為僅限定在以下實(shí)施方式的記載內(nèi)容中。在利用附 圖說(shuō)明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)時(shí)，共同的附圖標(biāo)號(hào)被用于不同的附圖中的同一對(duì)象。注意，相同的陰 影圖案被用于類似的部分，該類似的部分有時(shí)不特別地由標(biāo)記定義。
[0030] 注意，在附圖中的大小、膜（層）的厚度或區(qū)域有時(shí)為了明確起見而被夸大。
[0031] 電壓大多是指某個(gè)電位與標(biāo)準(zhǔn)電位（例如，源電位或接地電位（GND))之間的電位 差。電壓可以稱為電位，反之亦然。
[0032] 注意，"第一"及"第二"等序數(shù)詞是為方便而用的，其并不表示工序順序或疊層順 序。因此，例如，"第一"可以適當(dāng)?shù)匾?第二"、"第三"等替換。另外，本說(shuō)明書等中的序數(shù) 詞不必需要與特定本發(fā)明的一個(gè)方式的序數(shù)詞一致。
[0033] 注意，例如，當(dāng)導(dǎo)電性充分低時(shí)，"半導(dǎo)體"有時(shí)具有"絕緣體"的特性。此外，因?yàn)?"半導(dǎo)體"與"絕緣體"之間的界限模糊，有時(shí)不能嚴(yán)格地區(qū)別"半導(dǎo)體"與"絕緣體"。由此， 本說(shuō)明書中的"半導(dǎo)體"有時(shí)可以稱為"絕緣體"。同樣地，本說(shuō)明書中的"絕緣體"有時(shí)可 以稱為"半導(dǎo)體"。
[0034]另外，例如，當(dāng)導(dǎo)電性充分高時(shí)，"半導(dǎo)體"有時(shí)具有"導(dǎo)電體"的特性。此外，因?yàn)?"半導(dǎo)體"與"導(dǎo)電體"之間的界限模糊，有時(shí)不能嚴(yán)格地區(qū)別"半導(dǎo)體"與"導(dǎo)電體"。由此， 本說(shuō)明書中的"半導(dǎo)體"有時(shí)可以稱為"導(dǎo)電體"。同樣地，本說(shuō)明書中的"導(dǎo)電體"有時(shí)可 以稱為"半導(dǎo)體"。
[0035] 此外，半導(dǎo)體層中的雜質(zhì)例如是指半導(dǎo)體層的主要成分以外的元素。例如，濃度小 于0. latomic%的元素是雜質(zhì)。當(dāng)包含雜質(zhì)時(shí)，例如，半導(dǎo)體層中的態(tài)密度（D0S:density of state)有可能增高，載流子迀移率有可能降低，或者結(jié)晶性有可能降低。在半導(dǎo)體層是 氧化物半導(dǎo)體層的情況下，改變半導(dǎo)體層特性的雜質(zhì)的例子包括第1族元素、第2族元素、 第14族元素、第15族元素、主要成分以外的過(guò)渡金屬；尤其是，例如有氫（包含于水）、鋰、 鈉、硅、硼、磷、碳、氮。當(dāng)半導(dǎo)體層是氧化物半導(dǎo)體層時(shí)，例如，氧缺陷有可能因氫等雜質(zhì)的 混入而形成。此外，當(dāng)半導(dǎo)體層是硅層時(shí)，改變半導(dǎo)體層的特性的雜質(zhì)的例子包括氧、除了 氫以外的第1族元素、第2族元素、第13族元素、第15族元素。
[0036] 在本說(shuō)明書中，"平行"意味著在兩條直線之間形成的角度大于或等于-10°且小 于或等于10°，因此還包括該角度大于或等于-5°且小于或等于5°的情況。另外，"垂直" 意味著在兩條直線之間的角度大于或等于80°且小于或等于100°，因此還包括該角度大 于或等于85°且小于或等于95°的情況。
[0037] 在本說(shuō)明書中，三方及菱方晶系包括在六方晶系內(nèi)。
[0038] 〈氧化物半導(dǎo)體膜的結(jié)構(gòu)〉 下面說(shuō)明可用作晶體管的半導(dǎo)體膜的氧化物半導(dǎo)體膜的結(jié)構(gòu)。
[0039] 氧化物半導(dǎo)體膜大致分為單晶氧化物半導(dǎo)體膜和非單晶氧化物半導(dǎo)體膜。非單 晶氧化物半導(dǎo)體膜包括c軸取向結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體（c-axis aligned crystalline oxide semiconductor :CAAC-〇S)膜、多晶氧化物半導(dǎo)體膜、微晶氧化物半導(dǎo)體膜以及非晶氧化物 半導(dǎo)體膜等。
[0040] 首先，說(shuō)明CAAC-0S膜。
[0041] CAAC-0S膜是包含多個(gè)c軸取向結(jié)晶部的氧化物半導(dǎo)體膜之一。
[0042] 在 CAAC-0S 膜的透射電子顯微鏡（TEM 〖transmission electron microscope)圖 像中，觀察不到結(jié)晶部之間的明確邊界，即晶界（grain boundary)。因此，在CAAC-0S膜中， 不容易產(chǎn)生起因于晶界的電子迀移率的降低。
[0043] CAAC-0S膜是雜質(zhì)濃度低的氧化物半導(dǎo)體膜。雜質(zhì)是氫、碳、硅或過(guò)渡金屬元素 等氧化物半導(dǎo)體膜的主要成分以外的元素。尤其是，與氧的鍵合力比包含在氧化物半導(dǎo)體 膜中的金屬元素強(qiáng)的硅等元素奪取氧化物半導(dǎo)體膜中的氧，打亂氧化物半導(dǎo)體膜的原子排 列，導(dǎo)致結(jié)晶性的下降。另外，鐵或鎳等的重金屬、氬、二氧化碳等的原子半徑（分子半徑） 大，所以，當(dāng)包含在氧化物半導(dǎo)體膜內(nèi)時(shí)，打亂氧化物半導(dǎo)體膜的原子排列，導(dǎo)致結(jié)晶性下 降。此外，包含在氧化物半導(dǎo)體膜中的雜質(zhì)有時(shí)成為載流子陷阱或載流子發(fā)生源。
[0044] CAAC-0S膜是缺陷態(tài)密度低的氧化物半導(dǎo)體膜。例如，在某些情況下，氧化物半導(dǎo) 體膜中的氧缺陷成為載流子陷阱，或者當(dāng)俘獲氫時(shí)成為載流子發(fā)生源。
[0045] 雜質(zhì)濃度低且缺陷態(tài)密度低（氧缺陷的數(shù)量少）的狀態(tài)稱為"高純度本征"或"實(shí) 質(zhì)上高純度本征"狀態(tài)。高純度本征或?qū)嵸|(zhì)上高純度本征的氧化物半導(dǎo)體膜的載流子發(fā)生 源少，所以可實(shí)現(xiàn)低載流子密度。因此，包括該氧化物半導(dǎo)體膜的晶體管很少具有負(fù)閾值電 壓（很少為常導(dǎo)通）。高純度本征或?qū)嵸|(zhì)上高純度本征的氧化物半導(dǎo)體膜的載流子陷阱少。 因此，包括該氧化物半導(dǎo)體膜的晶體管的電特性變動(dòng)小，可靠性高。被氧化物半導(dǎo)體膜中的 載流子陷阱俘獲的電荷直到被釋放需要的時(shí)間長(zhǎng)，有時(shí)像固定電荷那樣動(dòng)作。所以，包括雜 質(zhì)濃度高且缺陷態(tài)密度高的氧化物半導(dǎo)體膜的晶體管的電特性有時(shí)不穩(wěn)定。
[0046] 通過(guò)在晶體管中使用CAAC-0S膜，因可見光或紫外光的照射而導(dǎo)致的晶體管電特 性的變動(dòng)變小。
[0047] 接下來(lái)，說(shuō)明多晶氧化物半導(dǎo)體膜。
[0048] 在用TEM得到的多晶氧化物半導(dǎo)體膜的圖像中，可以觀察到晶粒。另外，在用TEM 得到的多晶氧化物半導(dǎo)體膜的圖像中，有時(shí)觀察到晶界。
[0049] 多晶氧化物半導(dǎo)體I旲具有尚結(jié)晶性，因此有時(shí)具有尚電子遷移率。所以，包括多晶 氧化物半導(dǎo)體膜的晶體管具有高場(chǎng)效應(yīng)迀移率。注意，在多晶氧化物半導(dǎo)體膜中，雜質(zhì)有 時(shí)偏析在結(jié)晶之間的晶界。另外，多晶氧化物半導(dǎo)體膜的晶界成為缺陷能級(jí)。由于多晶氧 化物半導(dǎo)體膜的晶界有可能成為載流子陷阱或載流子發(fā)生源，所以在某些情況下，與包括 CAAC-0S膜的晶體管相比，包括多晶氧化物半導(dǎo)體膜的晶體管的電特性變動(dòng)大，可靠性低。
[0050] 接下來(lái)，說(shuō)明微晶氧化物半導(dǎo)體膜。
[0051] 在用TEM得到的微晶氧化物半導(dǎo)體膜的圖像中，有時(shí)無(wú)法明確地確認(rèn)到結(jié)晶 部。在很多情況下，微晶氧化物半導(dǎo)體膜中的結(jié)晶部的尺寸大于或等于lnm且小于或等于 100nm，或大于或等于lnm且小于或等于10nm。其尺寸大于或等于lnm且小于或等于10nm 或大于或等于lnm且小于或等于3nm的微晶特別稱為納米晶（nc:nanocrystal)。包含納米 晶的氧化物半導(dǎo)體膜稱為nc_OS(nanocrystalline oxide semiconductor)膜。例如，在用 TEM得到的nc-〇S膜的圖像中，有時(shí)無(wú)法明確地確認(rèn)到晶界。
[0052] 在nc-〇S膜中，微小區(qū)域（例如，其尺寸大于或等于lnm且小于或等于10nm的區(qū) 域，特別是，其尺寸大于或等于lnm且小于或等于3nm的區(qū)域）具有周期性原子排列。另外， 在nc-〇S膜中的不同的結(jié)晶部之間沒有晶體取向的規(guī)律性。因此，觀察不到膜整體的取向 性。所以，根據(jù)分析方法，nc-〇S膜有時(shí)不能與非晶氧化物半導(dǎo)體膜區(qū)別。例如，當(dāng)利用面 內(nèi)法（out-of-plane)法使用其直徑比結(jié)晶部大的X射線的XRD裝置對(duì)nc-〇S膜進(jìn)行結(jié)構(gòu) 分析時(shí)，不呈現(xiàn)顯示結(jié)晶面的峰值。此外，在通過(guò)使用其探測(cè)直徑比結(jié)晶部大（例如，大于 或等于50nm)的電子射線取得的nc-OS膜的選區(qū)電子衍射圖案中，呈現(xiàn)出類似于光暈圖案 的電子衍射圖案。另一方面，在通過(guò)使用其探測(cè)直徑近于結(jié)晶部的尺寸或者小于或等于結(jié) 晶部的尺寸（例如，大于或等于lnm且小于或等于30nm)的電子射線取得的nc-OS膜的納 米束電子衍射圖案中，觀察到斑點(diǎn)。另外，在nc-OS膜的納米束電子衍射圖案中，有時(shí)呈現(xiàn) 出圓圈（環(huán)狀）的高亮度區(qū)域。此外，在nc-OS膜的納米束電子衍射圖案中，有時(shí)在環(huán)狀的 區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)出多個(gè)斑點(diǎn)。
[0053] nc-OS膜是具有比非晶氧化物半導(dǎo)體膜高的規(guī)律性的氧化物半導(dǎo)體膜。因此， nc-OS膜的缺陷態(tài)密度比非晶氧化物半導(dǎo)體膜低。注意，在nc-OS膜中的不同的結(jié)晶部之 間，沒有晶體取向的規(guī)律性。所以，nc-OS膜的缺陷態(tài)密度比CAAC-0S膜高。
[0054] 因此，nc-OS膜的載流子密度有時(shí)比CAAC-0S膜高。載流子密度較高的氧化物半 導(dǎo)體膜有電子迀移率較高的傾向。因此，包括nc-OS膜的晶體管有時(shí)具有較高的場(chǎng)效應(yīng)迀 移率。
[0055] 另一方面，與包括非晶氧化物半導(dǎo)體膜的晶體管相比，包括nc-〇S膜的晶體管的 電特性變動(dòng)小，可靠性高。因?yàn)閚c-OS膜即使包含較多量的雜質(zhì)也可以得到，所以nc-OS膜 比CAAC-0S膜