TW202422658A - 氧化物材料及半導體裝置 - Google Patents

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山崎舜平
中島基
本田達也
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日商半導體能源研究所股份有限公司
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Abstract

目的在於提供一種適用於被包括於電晶體或二極體等中之半導體的材料。另一個目的在於提供一種包括電晶體之半導體裝置，其中介於氧化物半導體膜及與該氧化物半導體膜接觸之閘極絕緣膜之間的界面處之電子態狀況較有利。再者，另一個目的在於藉由提供穩定電氣特性給電晶體製造高可靠性半導體裝置，其中氧化物半導體膜係用於通道。半導體裝置係使用包括c-軸對準之晶體的氧化物材料形成，當從表面或界面方向看時該晶體具有三角形或六角形原子排列，並繞著c-軸旋轉。

Description

氧化物材料及半導體裝置
本發明關於包括電路之半導體裝置，該電路包括半導體元件如電晶體；及用於製造該半導體裝置之方法。例如，本發明關於裝於電源供應電路之電源裝置；包括記憶體、閘流體、變流器或感像器等之半導體積體電路；及裝上以液晶顯示面板為代表的電光裝置或包括發光元件之發光顯示裝置等作為組件之電子裝置。再者，本發明關於該半導體裝置中所用之氧化物。
在本說明書中，“半導體裝置”一般表示可藉由利用半導體特徵起作用之裝置；電光裝置、顯示裝置如發光顯示裝置、半導體電路及電子裝置均包括於半導體裝置中。
許多形成於玻璃基板等上之電晶體係利用非晶矽或多晶矽等製造，如液晶顯示裝置中經常見到的。儘管包括非晶矽之電晶體具有低場效移動率，但是其可形成於較大玻璃基板上。另一方面，儘管包括多晶矽之電晶體具有高場 效移動率，但是其並不適於形成於較大玻璃基板上。
除了使用矽所形成之電晶體，引人注目的是利用氧化物半導體形成電晶體並將該電晶體應用於電子裝置或光學裝置之技術。例如，專利文件1及專利文件2中揭示藉由使用氧化鋅或以In-Ga-Zn-O為底質之氧化物作為氧化物半導體製造電晶體之技術，及以該電晶體用於顯示裝置等的像素切換元件之技術。
[參考資料]
[專利文件1]日本公開專利案第2007-123861號
[專利文件2]日本公開專利案第2007-096055號
本發明之一具體實施例的目的在於提供一種適用於被包括於電晶體或二極體等中之半導體的材料。
另一個目的在於提供一種可藉由使用大型基材如母玻璃以供量產所製造之高可靠性半導體裝置。
電晶體之電氣特性容易受介於氧化物半導體膜及與該氧化物半導體膜接觸之閘極絕緣膜之間的界面處之電子態影響。當介於該氧化物半導體膜與該閘極絕緣膜之間的界面係處於製造該電晶體時或製造該電晶體之後之非晶態時，該界面處之缺陷密度高，及因此該電晶體之電氣特性可能不穩定。
再者，氧化物半導體膜用於通道之電晶體的電氣特性被可見光或紫外光照射改變。
有鑑於此類問題，本發明之一具體實施例的目的在於提供一種包括電晶體之半導體裝置，其中介於氧化物半導體膜及與該氧化物半導體膜接觸之閘極絕緣膜之間的界面處之電子態係有利的。
再者，本發明之一具體實施例的目的在於藉由提供穩定電氣特性給電晶體製造高可靠性半導體裝置，其中氧化物半導體膜係用於通道。
包括c-軸對準之晶體的氧化物材料，當從a-b平面、表面或界面方向看時該晶體具有三角形或六角形原子排列。此外，在該晶體中，a-軸或b-軸之方向係於該a-b平面中變化。
注意該氧化物材料可能含有鋅。當含有鋅時，其變得易於形成包括c-軸對準之晶體，自該a-b平面、表面或界面之方向看時該晶體具有三角形或六角形原子排列，且其中該a-軸或該b-軸之方向係於該a-b平面中變化。
或者，該氧化物材料含有二或多種選自銦、鎵、鋅、錫、鈦及鋁之元素。
該氧化物材料可藉由噴鍍法、分子束磊晶法、原子層沉積法或脈衝雷射沉積法等形成。
該氧化物材料可藉由堆疊兩種組成不同之膜形成。或者，等兩種膜堆疊之後，該氧化物材料可藉由使該等膜結晶化形成。
本發明之一具體實施例是一種包括多個金屬氧化物層之氧化物材料，該多個金屬氧化物層係透過四配位之氧原 子(後文中稱作四配位氧)鍵結。此外，一個金屬氧化物層是包括四配位中心金屬原子、五配位中心金屬原子或可具有五個配位子或六個配位子之中心金屬原子且該層藉由透過三配位氧原子(後文中稱作三配位氧)或四配位氧鍵結該等中心金屬原子而依平面方向伸展之層。
在該氧化物材料具有導電性之案例中，該氧化物材料可用於電晶體之閘電極材料。該閘電極可藉由堆疊包括該氧化物材料之膜和金屬膜形成。
在該氧化物材料具有導電性之案例中，該氧化物材料可用於電晶體之源電極和汲電極。注意該源電極和汲電極可藉由堆疊該氧化物材料和金屬膜形成。
在該氧化物材料具有半導體特性之案例中，包括該氧化物材料之膜可用於電晶體之活性層。在該案例中，包括該氧化物材料之膜係與該電晶體之擔任源電極和汲電極工作的導電膜及絕緣膜接觸。注意該絕緣膜擔任該電晶體之閘極絕緣膜、基極絕緣膜或中間層絕緣膜的工作。
根據本發明之一具體實施例，可提供具有優良電氣特性之半導體裝置。
再者，高可靠性半導體裝置之量產可利用大型基材如母玻璃進行。
100:基材
102:基底絕緣膜
104:閘電極
106:半導體膜
112:閘極絕緣膜
116:電極
118:層間絕緣膜
121:區域
126:區域
200:像素
210:液晶元件
220:電容器
230:電晶體
300:外殼
301:按鈕
302:麥克風
303:顯示部位
304:揚聲器
305:攝影鏡頭
310:外殼
311:顯示部位
320:外殼
321:按鈕
322:麥克風
323:顯示部位
1001:區域
1002:區域
1101:實線
1102:實線
1103:實線
1104:實線
1111:實線
1112:實線
1113:實線
1114:實線
1121:實線
1122:實線
1123:實線
1124:實線
第1A至1D圖例示根據本發明之一具體實施例的氧化物材料之構造。
第2A至2C圖為例示本發明之一具體實施例的半導體裝置實例之頂視圖和截面圖。
第3A至3C圖為例示本發明之一具體實施例的半導體裝置實例之頂視圖和截面圖。
第4A至4C圖為例示本發明之一具體實施例的半導體裝置實例之頂視圖和截面圖。
第5A至5C圖為例示本發明之一具體實施例的半導體裝置實例之頂視圖和截面圖。
第6A至6C圖為例示本發明之一具體實施例的半導體裝置實例之頂視圖和截面圖。
第7A至7C圖為例示本發明之一具體實施例的半導體裝置實例之頂視圖和截面圖。
第8圖為例示包括本發明之一具體實施例的電晶體之液晶顯示裝置實例的電路圖。
第9A及9B圖為例示包括本發明之一具體實施例的電晶體之半導體記憶裝置實例的電路圖及顯示電氣特性的圖形。
第10A及10B圖為例示包括本發明之一具體實施例的電晶體之半導體記憶裝置實例的電路圖及顯示電氣特性的圖形。
第11圖為例示包括本發明之一具體實施例的電晶體之半導體記憶裝置實例的電路圖。
第12A至12C圖為各自例示本發明之一具體實施例的電子裝置實例之透視圖。
第13A及13B圖顯示利用HAADF-STEM獲得之包括CAAC之氧化物膜的平面影像及截面影像。
第14A及14B圖顯示利用HAADF-STEM獲得之不包括CAAC之氧化物膜的平面影像及截面影像。
第15圖顯示原沉積之包括CAAC的氧化物膜之XRD光譜。
第16圖顯示熱處理後之包括CAAC的氧化物膜之XRD光譜。
第17圖顯示原沉積之包括CAAC的氧化物膜之XRD光譜。
第18圖顯示熱處理後之包括CAAC的氧化物膜之XRD光譜。
第19圖顯示原沉積之包括CAAC的氧化物膜之XRD光譜。
第20圖顯示熱處理後之包括CAAC的氧化物膜之XRD光譜。
第21圖是顯示電晶體之Vg-Id曲線的圖形。
第22A及22B圖是顯示+BT試驗及-BT試驗之結果的圖形。
第23A及23B圖是顯示當以光照射電晶體時進行+BT試驗及-BT試驗之結果的圖形。
第24圖是顯示閾壓Vth(△Vth)偏移量對多種不同應力條件之時間依數性的圖形。
第25A及25B圖是顯示負偏壓溫度應力光降解機制 之示意圖。
後文中，本發明之具體實施例將引用附圖詳細描述。然而，本發明並不限於以下的描述，且熟於此藝之士能輕易瞭解文中所述之模式及細節可依不同方式修飾，除非悖離本發明之精神及範疇。因此，本發明不得解釋為受限於具體實施例之描述。在引用圖形描述本發明之結構時，相同參考編號通常用於不同圖形之相同部位。注意相同之影線圖適於相同零件，且在一些案例中類似零件並未特別以參考編號表示。
在描述本發明之前，將對本說明書中所用之措辭做簡要說明。首先，當電晶體之源極和汲極之一叫做汲極時，另一個在本說明書中即叫做源極。也就是說，其並無法依據電位水平區別。因此，本說明書中叫做源極之部位也可稱作汲極。
注意在許多案例中電壓表示預定電位與參考電位(例如，地面電位)之間的電位差。因此，電壓、電位及電位差可分別表示電位、電壓及電壓差。
再者，即使是本說明書中使用措辭“連接”，案例中之實際電路也沒有實體連接且只是延伸配線。
注意本說明書中之序數如“第一”及“第二”是為求方便而使用且不表示步驟順序或層堆疊順序。此外，本說明書中之序數不表示詳述本發明之特定名稱。
(具體實施例1)
在本具體實施例中，將描述一種用於形成包括c-軸對準之晶體的氧化物膜之方法，當從a-b平面、表面或界面方向看時該晶體具有三角形或六角形原子排列。在該晶體中，金屬原子依層方式排列，或金屬原子及氧原子依層方式沿著該c-軸排列，及該a-軸或該b-軸之方向變化於該a-b平面(或該表面或該界面)(該晶體繞著該c-軸旋轉)。此晶體也稱作c-軸對準晶體(CAAC)。
廣義來說，包括CAAC之氧化物意指一種非單晶氧化物材料，其包括當從垂直於該a-b平面方向看時具有三角形、六角形、規則三角形或規則六角形原子排列且其中當從垂直於該c-軸方向看時金屬原子依層方式排列或金屬原子及氧原子依層方式排列之相。再者，該包括CAAC之氧化物膜可具有晶粒邊緣，其係具有晶體不一定對齊該a-b平面方向之新穎構造的膜。
CAAC不是單晶。此外，該包括CAAC之氧化物膜不僅由非晶組分構成。儘管該包括CAAC之氧化物膜包括結晶化部分(結晶性部分)，但是在一些案例中介於一個結晶性部分和另一個結晶性部分之間的界面並不清楚。
氮可取代該包括CAAC之氧化物膜中包括之部分氧。包括CAAC之個別結晶性部分的c-軸可對準特定方向(例如，垂直於基材表面的方向，其上面形成包括CAAC之氧化物膜，或垂直於包括CAAC之氧化物膜表面的方向)。 或者，包括CAAC之個別結晶性部分的a-b平面之法線可對準一定方向(例如，垂直於基材表面的方向，其上面形成包括CAAC之氧化物膜，或垂直於包括CAAC之氧化物膜表面的方向)。
該包括CAAC之氧化物膜隨著其組成等而變成導體、半導體或絕緣體。該CAAC隨著其組成等而傳導或無法傳導可見光。
包括此CAAC之氧化物實例是形成膜狀且當從垂直於該膜表面、支撐基材表面或界面方向看時具有三角形或六角形原子排列之材料，且當觀看該膜之截面時該材料中之金屬原子係依層方式排列或金屬原子及氧原子(或氮原子)係依層方式排列。
該CAAC將引用第1A至1D圖詳述。在第1A至1D圖中，除非另行指明，否則垂直方向相當於該c-軸方向及垂直於第1A至1D圖之平面的平面相當於該a-b平面。當單單使用該等措辭“上半部”及“下半部”時，其表示高於該a-b平面之上半部及低於該a-b平面之下半部(相對於該a-b平面之上半部及下半部)。
第1A圖例示具有一個六配位金屬原子M_1及六個鄰近該金屬原子M_1之四配位氧的構造。僅例示一個金屬原子及鄰近該金屬原子之氧原子的構造在此叫做子單元。第1A圖中之構造實際上是八面體構造，但是為求簡化例示平面構造。注意有三個八配位氧存於第1A圖中之上半部和下半部各者中。儘管通常例示僅包括一個金屬原子之 子單元，但是實際上多個子單元透過三配位氧或四配位氧鍵結以依平面方向延伸，所以形成金屬氧化物層。
第1B圖例示具有一個五配位金屬原子M_2、三個鄰近該金屬原子M_2之三配位氧及兩個鄰近該金屬原子M_2之四配位氧之構造。所有三配位氧原子均存於該a-b平面上。一個四配位氧存於第1B圖之上半部和下半部各者中。
第1C圖例示具有一個四配位金屬原子M_3及四個鄰近該金屬原子M_3之四配位氧之構造。在第1C圖中，一個四配位氧存於上半部中及三個四配位氧存於下半部中。
配位數是4、5或6之金屬原子透過四配位氧鍵結於另一個金屬原子。明確地說，金屬原子透過四配位氧鍵結於另一個金屬原子，其數目總共四個。例如，在上半部中該六配位金屬原子M_1透過三個四配位氧鍵結之案例中，其係透過該五配位金屬原子M_2上半部中之四配位氧鍵結於該五配位金屬原子M_2，透過該五配位金屬原子M_2下半部中之四配位氧鍵結於該五配位金屬原子M_2，或透過該四配位金屬原子M_3上半部中之四配位氧鍵結於該四配位金屬原子M_3。
加上，子單元相互鍵結所以該成層構造中之總電荷是0。
在此，用於製造一個鍵之三配位氧的電荷及用於製造一個鍵之四配位氧的電荷可分別假設為-0.667及-0.5。例如，(六配位或五配位)銦之電荷、(四配位)鋅之電 荷、(五配位)鎵之電荷、(五配位或六配位)錫之電荷分別為+3、+2、+3及+4。因此，包括銦之子單元、包括鋅之子單元、包括鎵之子單元各自的電荷為0。因此，具有此子單元組合之成層構造的總電荷一直是0。另一方面，包括錫之子單元的電荷是+1。因此，需要-1之電荷，抵消+1，以形成包括錫之成層的構造。至於具有-1之電荷的構造，可提供兩個包括鋅之子單元鍵結的構造。例如，當一個包括錫之子單元與一個有兩個包括鋅之子單元鍵結的構造結合時，電荷抵消，藉以該成層構造中之總電荷可為0。
第1D圖例示以In-Sn-Zn-O為底質之成層構造。為求簡化，省略三價氧，且四價氧也是一樣，只顯示四價氧之數目。銦原子可具有五個配位子或六個配位子。當第1D圖所示之一個循環重複的構造形成時，可獲得以In-Sn-Zn-O為底質之晶體(In2SnZn3O8)。注意該In-Sn-Zn-O為底質之晶體之成層構造可表示成組成式，In2SnZn2O7(ZnO)m(m是0或自然數)。此外，依類似方式，藉由使用以In-Sn-Ga-Zn-O為底質之材料、以In-Ga-Zn-O為底質之材料、以In-Si-Zn-O為底質之材料、以In-Al-Zn-O為底質之材料、以Sn-Ga-Zn-O為底質之材料、以Al-Ga-Zn-O為底質之材料、以Sn-Al-Zn-O為底質之材料、以In-Zn-O為底質之材料、以Sn-Zn-O為底質之材料、以Al-Zn-O為底質之材料、以Zn-Mg-O為底質之材料、以Sn-Mg-O為底質之材料、以In-Mg-O為底質之材 料、以In-Ga-O為底質之材料、以In-O為底質之材料、以Sn-O為底質之材料或以Zn-O為底質之材料等，可獲得氧化物晶體。
接下來，描述一種用於形成包括CAAC之氧化物膜的方法。
首先，藉由噴鍍法、分子束磊晶法、原子層沉積法或脈衝雷射沉積法在基材上形成第一氧化物膜。注意藉由於膜形成時加熱該基材，可獲得結晶性區域對非晶性區域之比例高的氧化物膜。例如，該基材溫度係高於或等於150℃及低於或等於450℃，較佳是高於或等於200℃及低於或等於350℃。
包括CAAC之氧化物膜的結晶化可藉由提高該基材溫度進一步促進。
接下來，該基材可被施以第一次熱處理。利用該第一次熱處理，該氧化物膜中之結晶性區域對非晶性區域的比例可進一步被提高。該第一次熱處理可於，例如，高於或等於200℃及低於該基材之應變點的溫度進行，且較佳是於高於或等於250℃及低於或等於450℃的溫度進行。該第一次熱處理係於氧化性氛圍、惰性氛圍或減壓氛圍中進行，但是該氛圍並不限於此。處理時間是3分鐘至24小時。當處理時間延長時，會提高該氧化物膜中之結晶性區域對非晶性區域之比例。然而，比24小時更長之處理時間並不宜，因為會降低生產力。
該氧化性氛圍是含氧化性氣體之氛圍。該氧化性氣體 是氧、臭氧或一氧化氮等，並且較佳是該氧化性氣體不含水及氫等。例如，被引進熱處理設備之氧、臭氧或一氧化氮的純度高於或等於8N(99.999999%)，較佳是高於或等於9N(99.9999999%)，即，雜質濃度低於或等於1ppm，較佳是低於0.1ppm。至於該氧化性氛圍，該氧化性氣體及惰性氣體可混合使用。在該案例中，該混合物含有濃度高於或等於10ppm之氧化性氣體。
再者，惰性氛圍表示含有惰性氣體(如氮或稀有氣體(例如，氦、氖、氬、氪或氙))作為主要組分之氛圍。明確地說，反應性氣體如氧化性氣體之濃度低於10ppm。
關於該第一次熱處理，可使用快速熱退火(RTA)設備。藉由使用該RTA設備，該熱處理可於高於或等於該基材之應變點的溫度進行僅短暫時間。因此，能縮短形成結晶性區域對非晶性區域比例高之氧化物膜所需的時間。
再者，InMO3(ZnO)m(m大於0)所示之材料可用作為該氧化物。在此，M表示一或多個選自Ga、Al、Mn及Co之金屬元素。例如，M可為Ga、Ga和Al、Ga和Mn或Ga和Co等。
明確地說，含有濃度高於或等於5×1019原子/cm3，較佳是高於或等於1×1020原子/cm3，且低於7at.%之氮的以In-Ga-Zn-O為底質之材料將變成具有c-軸對準之六角形晶體構造的氧化物，其包括一個於In-O晶體面(含銦和氧之晶體面)與另一個In-O晶體面(含銦和氧之晶體面) 之間含有Ga和Zn的層。或者，在具有以上範圍之含氮的以In-Ga-Zn-O為底質之氧化物材料中，多數含Ga和Zn之層可被供於該等In-O晶體面之間。
接下來，第二個氧化物膜可形成在第一個氧化物膜上面，藉以可形成氧化物堆疊體。該第二個氧化物膜可藉由與該第一個氧化物膜相同之方法形成。
當在該基材被加熱同時形成第二個氧化物膜時，該第二個氧化物膜可使用該第一個氧化物膜作為種晶結晶化。此時，使用同種元素構成該第一個氧化物膜和該第二個氧化物膜稱作“均質生長”。或者，使用多種元素構成該第一個氧化物膜和該第二個氧化物膜，該第一個氧化物膜和該第二個氧化物膜之間有至少一種元素不同，稱作“異質生長”。
注意第二次熱處理可在該第二個氧化物膜形成之後進行。該第二次熱處理可依類似於第一次熱處理之方式進行。藉由該第二次熱處理，可獲得結晶性區域對非晶性區域的比例高之氧化物堆疊體。再者，藉由該第二次熱處理，該第二個氧化物膜可用該第一個氧化物膜作為種晶結晶化。同時，可造成由相同元素構成之第一個氧化物膜和第二個氧化物膜的均質生長。或者，可造成由多種元素構成之第一個氧化物膜和第二個氧化物膜，該第一個氧化物膜和該第二個氧化物膜之間有至少一種元素不同，的異質生長。
透過以上之步驟，可形成包括CAAC之氧化物膜。
此具體實施例可適當地與其他具體實施例結合實行。
(具體實施例2)
在此具體實施例中，將參照第2A至2C圖描述包括具體實施例1所述之包括CAAC的氧化物膜之電晶體之實例。
第2A圖是電晶體之頂視圖。第2B及2C圖例示沿著第2A圖所示之虛點線A-B及虛點線C-D取得的截面A-B及截面C-D。
以下將詳述第2B圖之截面A-B。
該截面A-B是該電晶體之截面，該電晶體包括基材100、在該基材100上方之閘電極104、覆蓋該基材100和該閘電極104之閘電極絕緣膜112、在該閘電極104上方之半導體膜106(且該閘電極絕緣膜112位於其間)、一對電極116(其係於該半導體膜106上方且部分與該半導體膜106接觸)、及覆蓋該閘極絕緣膜112、該半導體膜106和該對電極116之層間絕緣膜118。
該閘電極104可利用下列材料之至少一者形成以具有單層構造或堆疊層構造：Al、Ti、Cr、Co、Ni、Cu、Y、Zr、Mo、Ag、Ta及W之一；這些元素任一者之氮化物；這些元素任一者之氧化物；及這些元素任一者之合金。或者，該閘電極104可包括利用具體實施例1所述之包括CAAC的氧化物膜所形成之導電膜(氧化物導電膜)。該氧化物導電膜之組成可控制功函數。
因為氧化物導電膜具有比金屬膜高之阻抗，在該閘電極104使用氧化物導電膜之案例中，較佳是使用該氧化物導電膜和低阻抗膜之堆疊構造以降低該閘電極104之阻抗。該低阻抗膜係利用選自上述之材料的材料形成，所以表面電阻低於或等於10Ω/sq。注意在該堆疊構造中，該氧化物導電膜形成於該閘極絕緣膜112側。
注意在第2A圖之頂視圖中，該閘電極104之側面長度和縱向長度比該半導體膜106大，所以光在該半導體膜106中受到抑制降解並使電荷產生；然而，尺寸不限於此。該頂視圖之半導體膜106的側面長度和縱向長度可能比該閘電極104大。
對於該基材100並沒有特別限制，只要其具有至少高到足以忍受後續熱處理之耐熱性。例如，可使用玻璃基材、陶瓷基材、石英基材或藍寶石基材作為該基材100。或者，可使用由矽或碳化矽等製造之單晶半導體基材或多晶半導體基材、由矽鍺等製造之化合物半導體基材等、SOI(絕緣體上矽)基材等。又或者，可使用這些基材之任何者加上半導體元件作為該基材100。
也可使用撓性基材作為該基材100。在該案例中，直接在該撓性基材上形成電晶體。注意關於在該撓性基材上設置電晶體之方法，還有一種使用非撓性基材作為該基材100之方法，把該電晶體形成在上面，並接著分開該電晶體並轉置於撓性基材。在該案例中，較佳是在該基材100和該電晶體之間設置分離層。
至於該半導體膜106，可使用矽膜、鍺膜、矽鍺膜、碳化矽膜、氮化鎵膜或利用具體實施例1所述之包括CAAC的氧化物膜所形成之半導體膜(氧化物半導體膜)。因為該氧化物半導體膜可輕易形成並具有高場效移動率而不用雷射處理等，所以較佳是作為該半導體膜106之材料。此外，可獲得該氧化物半導體膜及與該氧化物半導體膜接觸之閘極絕緣膜之間的界面之界面電平(interface level)低的電晶體。
該閘極絕緣膜112及該層間絕緣膜118可使用，例如，氧化矽、氧氮化矽、氮氧化矽、氮化矽、氧化鋁、氧化鉿、氧化釔或氧化鋯等形成以具有堆疊層構造或單層構造。例如，該閘極絕緣膜112及該層間絕緣膜118可藉由熱氧化方法、CVD方法或噴鍍法等形成。至於該閘極絕緣膜112及該層間絕緣膜118各者，可使用藉由加熱釋出氧之膜。藉由使用這樣藉由加熱釋出氧之膜，可修補該半導體膜106中產生之缺陷並可經由降解抑制該電晶體之電氣特性。
在本說明書中，氧氮化矽表示含有比氮多之氧的物質及例如，氧氮化矽包括濃度分別高於或等於50原子%且低於或等於70原子%、高於或等於0.5原子%且低於或等於15原子%、高於或等於25原子%且低於或等於35原子%及高於或等於0原子%且低於或等於10原子%之氧、氮、矽及氫。再者，氮氧化矽表示含有比氧多之氮的物質並包括濃度分別高於或等於5原子%且低於或等於30原 子%、高於或等於20原子%且低於或等於55原子%、高於或等於25原子%且低於或等於35原子%及高於或等於10原子%且低於或等於25原子%之氧、氮、矽及氫。注意以上範圍是關於使用拉塞福(Rutherford)背向散射光譜法(RBS)及氫正向散射光譜法(HFS)進行測量之案例的範圍。此外，構成元素之百分比總和不超過100原子%。
在該對電極116之材料擴散至該半導體膜106並負面影響該電晶體特性之案例中，該閘極絕緣膜112及該層間絕緣膜118各自可為透過彼使該對電極116之材料不會輕易擴散的絕緣膜。該層間絕緣膜118擔任該半導體膜106之保護膜的角色。
藉由加熱釋出氧意指被轉化成氧原子之釋氧量在熱脫附光譜術(TDS)中高於或等於1×1018個原子/cm3，較佳是高於或等於3×1020個原子/cm3。
在此，現在將描述以氧原子為基礎利用TDS分析測量釋氧量之方法。
TDS分析中之釋氧量與光譜積分值成正比。因此，釋出氣體量可從光譜實測積分值與標準物參考值之間的比例求得。該標準物參考值表示試樣所含之預定原子密度對光譜積分值之比。
例如，從絕緣膜釋出之氧分子數目(NO2)可根據數值表示式1利用作為標準試樣之含預定密度之氫的矽晶圓之TDS分析結果及絕緣膜之TDS分析結果求得。在此， 假設TDS分析所得之質量數32的所有光譜均源於氧分子。呈質量數32之氣體出現的CH3OH沒納入考慮，假設其不可能存在。再者，包括氧原子同位素之質量數17或18之氧原子的氧分子沒納入考慮，因為此分子在自然界之比例微乎其微。
NO2=NH2/SH2×SO2×α (數值表示式1)
NH2是藉由將標準試樣所脫附之氫分子數目換算成密度所得之值。SH2是當該標準試樣進行TDS分析時之光譜積分值。在此，該標準試樣之參考值設為NH2/SH2。SO2是當該絕緣膜進行TDS分析時之光譜積分值。α是影響該TDS分析光譜強度之係數。數值表示式1之細節參照日本公開專利案第H6-275697號。注意自以上絕緣膜釋出之氧量係以ESCO有限公司製造之熱脫附光譜設備，EMD-WA1000S/W使用含1×1016個原子/cm3之氫的矽晶圓作為標準試樣測得。
再者，在該TDS分析中，偵測到部分氧呈氧原子形式。氧分子和氧原子之間的比例可由氧分子之游離化速率求出。注意，因為以上的α包括氧分子之游離速率，所以氧分子釋出數目也可透過氧分子釋出數目之估計推斷。
注意NO2是氧分子釋出數目。以氧原子為基準之釋氧量是氧分子釋出數目的兩倍。
在以上構造中，藉由加熱釋出氧之膜可為氧過量之氧化矽(SiOX(X>2))。在該氧過量之氧化矽(SiOX(X>2))中，每單位體積之氧原子數大於每單位體積之 矽原子數之兩倍。每單位體積之矽原子數和氧原子數係藉由拉塞福背向散射光譜法測量。
藉由該閘極絕緣膜112或該層間絕緣膜118供應氧至氧化物半導體膜之半導體膜106，會使該半導體膜106和該閘極絕緣膜112之間的界面態密度或該半導體膜106和該層間絕緣膜118之間的界面態密度降低。結果，會抑制陷於該半導體膜106和該閘極絕緣膜112之間的界面或該半導體膜106和該層間絕緣膜118之間的界面之載子，並因此可獲得電氣特性降解較少之電晶體。
再者，在一些案例中由於該氧化物半導體膜中之氧空位產生電荷。一般，氧化物半導體膜中之部分氧空位擔任供體角色並造成作為載子之電子釋出。結果，電晶體之閾壓往負向偏移。氧自該閘極絕緣膜112或該層間絕緣膜118充分供應至屬於氧化物半導體膜之半導體膜106，藉以會使造成該閾壓負向偏移之氧化物半導體膜中之氧空位密度降低。
換句話說，以藉由加熱釋出氧之膜用於該閘極絕緣膜112或該層間絕緣膜118，會使該半導體膜106和該閘極絕緣膜112之間的界面態密度或該半導體膜106和該層間絕緣膜118之間的界面態密度及屬於氧化物半導體膜之半導體膜106中之氧空位密度降低。因此，會使陷於屬於氧化物半導體膜之半導體膜106和該閘極絕緣膜112之間的界面或該半導體膜106和該層間絕緣膜118之間的界面之載子的影響降低。
該對電極116可使用適當地供作該閘電極104之材料等的金屬、金屬氮化物、金屬氧化物或合金形成。
當以包括銅(Cu)之膜用於該對電極116時，會使配線阻抗降低，即使是在大型顯示裝置中也會使配線延遲等的產生減少。在該對電極116使用銅之案例中，對於該基材100之黏附力隨著該基材100之材料降低；因此，較佳是該對電極116具有一種堆疊層構造，其包括對該基材100具有高黏附力之膜。至於對該基材100具有高黏附力之膜，可使用含Ti、Mo、Mn或Al等之膜。例如，可使用Cu-Mn-Al合金。
利用上述之構造，可獲得閾電壓受控制且電氣特性優良之電晶體。因此，可以高生產力製造具有低耗電、有利之電氣特性及高可靠度之半導體裝置。
此具體實施例可適當地與其他具體實施例結合實行。
(具體實施例3)
在此具體實施例中，將描述具有與具體實施例2所述之電晶體不同構造之電晶體。
第3A至3C圖為本發明之一具體實施例的電晶體之頂視圖和截面圖。第3B及3C圖例示沿著第3A圖所示之虛點線A-B及虛點線C-D取得的截面A-B及截面C-D。
以下將詳述第3B圖之截面A-B。
該截面A-B是該電晶體之截面，該電晶體包括基材100、在該基材100上方之閘電極104、覆蓋該基材100 和該閘電極104之閘極絕緣膜112、在該閘極絕緣膜112上方之該對電極116、在該閘電極104上方之半導體膜106(且該閘極絕緣膜112位於其間且部分與該對電極116接觸)、及覆蓋該閘極絕緣膜112和該對電極116和該半導體膜106之層間絕緣膜118。
在此具體實施例中之閘電極104及半導體膜106具有類似於具體實施例2中之閘電極104及半導體膜106的構造。藉由利用具體實施例1所述之包括CAAC的氧化物膜的閘電極，控制該功函數，且可控制該電晶體之閾電壓。此外，藉由利用具體實施例1所述之氧化物半導體膜作為該半導體膜106，可獲得介於該氧化物半導體膜和與該氧化物半導體膜接觸之閘極絕緣膜之間的界面之界面態密度低的電晶體。
第4A至4C圖為本發明之一具體實施例的電晶體之頂視圖和截面圖。第4B及4C圖例示沿著第4A圖所示之虛點線A-B及虛點線C-D取得的截面A-B及截面C-D。
以下將詳述第4B圖之截面A-B。
該截面A-B是該電晶體之截面，該電晶體包括基材100、在該基材100上方之基底絕緣膜102、在該基底絕緣膜102上方之半導體膜106、在該半導體膜106上方且部分與該半導體膜106接觸之該對電極116、覆蓋該半導體膜106和該對電極116之閘極絕緣膜112、及在該半導體膜106上方之閘電極104(且該閘極絕緣膜112位於其間)。
該基底絕緣膜102可具有類似於該閘極絕緣膜112及該層間絕緣膜118之構造。
第5A至5C圖為本發明之一具體實施例的電晶體之頂視圖和截面圖。第5B及5C圖例示沿著第5A圖所示之虛點線A-B及虛點線C-D取得的截面A-B及截面C-D。
以下將詳述第5B圖之截面A-B。
該截面A-B是該電晶體之截面，該電晶體包括基材100、在該基材100上方之基底絕緣膜102、在該基底絕緣膜102上方之該對電極116、在該對電極116上方且部分與該對電極116接觸之半導體膜106、覆蓋該半導體膜106和該對電極116之閘極絕緣膜112、及在該半導體膜106上方之閘電極104(且該閘極絕緣膜112位於其間)。
注意在第3A圖、第4A圖及第5A圖各者中，該閘電極104之側面長度及縱向長度比該半導體膜106大，所以光在該半導體膜106中受到抑制降解並使電荷產生；然而，尺寸不限於此。該頂視圖之半導體膜106的側面長度和縱向長度可能比該閘電極104大。
第6A至6C圖為本發明之一具體實施例的電晶體之頂視圖和截面圖。第6B及6C圖例示沿著第6A圖所示之虛點線A-B及虛點線C-D取得的截面A-B及截面C-D。
以下將詳述第6B圖之截面A-B。
該截面A-B是該電晶體之截面，該電晶體包括基材100、在該基材100上方之基底絕緣膜102、在該基底絕 緣膜102上方之具有區域126和區域121之半導體膜、在該區域121上方之閘極絕緣膜112、在該閘極絕緣膜112上方之閘電極104、覆蓋該基底絕緣膜102、該區域126、該閘極絕緣膜112和該閘電極104之層間絕緣膜118、及透過形成於該層間絕緣膜118中以露出該區域126之開口部分與該區域126接觸之該對電極116。
從頂表面看該閘極絕緣膜112和該閘電極104可具有實質相同之外形。該外形可藉由使用一個遮罩同時處理該閘電極104和該閘極絕緣膜112獲得。注意等該閘電極104和該閘極絕緣膜112形成之後，該閘電極104之寬度可藉由進行電漿處理或化學處理而變窄。
從頂表面看時該區域121可具有與該閘極絕緣膜112或該閘電極104實質相同之外形。該外形係藉由使用該閘極絕緣膜112或該閘電極104作為遮罩形成該半導體膜之區域126獲得。例如，藉由使用該閘極絕緣膜112或該閘電極104作為遮罩，把雜質(如硼、磷、氫、稀有氣體或氮)加於該半導體膜，所以形成阻抗降低之區域。由此形成之區域可為該區域126。注意該區域121是沒有形成該區域126之半導體膜中的區域。
該區域121擔任該電晶體之通道區的作用。再者，該區域126擔任該電晶體之源極區和汲極區的作用。
第7A至7C圖為本發明之一具體實施例的電晶體之頂視圖和截面圖。第7B及7C圖例示沿著第7A圖所示之虛點線A-B及虛點線C-D取得的截面A-B及截面C-D。
以下將詳述第7B圖之截面A-B。
該截面A-B是該電晶體之截面，該電晶體包括基材100、在該基材100上方之閘電極104、在該閘電極104上方之閘極絕緣膜112、在該閘電極104上方之具有區域126和區域121之半導體膜(且該閘極絕緣膜112位於其間)、覆蓋該半導體膜和該閘極絕緣膜112之層間絕緣膜118、及透過形成於該層間絕緣膜118中以露出該區域126之開口部分與該區域126接觸之該對電極116。
在第7A至7C圖中，從頂表面看該閘極絕緣膜112和該閘電極104及該區域121具有實質相同之外形；然而，其不限於此。該閘極絕緣膜112和該閘電極104及該區域121可具有彼此不同之外形。
利用上述之構造，獲得閾電壓受控制且電氣特性優良之電晶體。因此，可以高生產力製造具有低耗電、有利之電氣特性及高可靠度之半導體裝置。
此具體實施例可適當地與其他具體實施例結合實行。
(具體實施例4)
在此具體實施例中，將描述使用具體實施例2或具體實施例3所述之電晶體所製造的液晶顯示裝置。注意儘管本具體實施例中描述將本發明應用於該液晶顯示裝置之一具體實施例的實例，但是應用不限於此。例如，熟於此藝之士能輕易想像將本發明之一具體實施例應用於電致發光(EL)顯示裝置。
第8圖是主動陣列液晶顯示裝置之電路圖。該液晶顯示裝置包括源極線SL_1至SL_a、閘極線GL_1至GL_b及多個像素200。各自像素200包括電晶體230、電容器220及液晶元件210。該液晶顯示裝置中之像素部分係藉由排列此多個像素200設置。在簡單提及該源極線或該閘極線之案例中，把其表示為該源極線SL或該閘極線GL。
至於該電晶體230，使用具體實施例2或具體實施例3所述之電晶體。藉由使用本發明之一具體實施例的電晶體，可獲得具有低耗電、有利之電氣特性及高可靠度之顯示裝置。
該閘極線GL係連至該電晶體230之閘極，該源極線SL係連至該電晶體230之源極，及該電晶體230之汲極係連至該電容器220之電容器電極之一及該液晶元件210之像素電極之一。該電容器220之另一個電容器電極及該液晶元件210之另一個像素電極係連至共同電極。注意該共同電極可使用與該閘極線GL相同之材料形成並形成於與該閘極線GL相同之層中。
再者，該閘極線GL係連至閘極驅動電路。該閘極驅動電路可包括具體實施例2或具體實施例3所述之電晶體。因為該電晶體之閾電壓受到控制，所以關閉狀態電流會降低，且用於開啟該電晶體之電壓可為低的。因此，能減少電力消耗。
該源極線SL係連至源極驅動電路。該源極驅動電路可包括具體實施例2或具體實施例3所述之電晶體。因為 該電晶體之閾電壓受到控制，所以關閉狀態電流會降低，且用於開啟該電晶體之電壓可為低的。因此，能減少電力消耗。
該閘極驅動電路及該源極驅動電路之一或二者可形在單獨製備之基材上方，並可使用連接方法如玻璃上晶片(COG)法、導線接合法或捲帶自動接合(TAB)法。
因為該電晶體易被靜電等破壞，所以較佳是裝設保護電路。該保護電路較佳是使用非線性元件形成。
當一電位施於該閘極線GL而高於或等於該電晶體230之閾電壓時，該源極線SL所供應之電荷流出作為該電晶體230之汲極電流並儲存於該電容器220中。等某個塔進行充電之後，關閉該塔中之電晶體230，且該源極線SL沒有供應電壓。然而，必需之電壓可藉由儲存於該電容器220中之電荷保持。接著，幫下個塔中之電容器220充電。依此方式，進行第一個塔至第a個塔之充電。
因為該電晶體230之閾電壓受到控制，所以儲存於該電容器220中之電荷幾乎不可能放電，且會降低該電容器220之電容量，所以能降低充電所需之電力消耗。
再者，在關閉狀態電流小之電晶體(如包括氧化物半導體膜之電晶體)作為該電晶體230之案例中，可使保持電壓之時期變長。藉此效應，在影像動作小(包括靜止影像)之案例中能降低重寫顯示之頻率；因此，可達成電力消耗之進一步降低。此外，可進一步降低該電容器220之電容量，所以會減少充電所需之電力消耗。
如上所述，根據本發明之一具體實施例，可獲得具有高可靠度及低電力消耗之液晶顯示裝置。
此具體實施例可適當地與其他具體實施例結合實行。
(具體實施例5)
在此具體實施例中，將描述使用具體實施例2或具體實施例3所述之電晶體製造半導體記憶裝置之實例。
揮發性半導體記憶裝置之典型實例包括動態隨機存取記憶體(DRAM)，其藉由選擇記憶體元件中包括之電晶體來儲存數據並將電荷儲存於電容器中；及靜態隨機存取記憶體(SRAM)，其使用電路如正反器(flip-flop)保持儲存之數據。
非揮發性半導體記憶裝置之典型實例包括快閃記憶體，其具有介於電晶體之閘電極和通道形成區之間的浮置閘極並藉由保持該浮置閘極中之電荷儲存數據。
具體實施例2或具體實施例3所述之電晶體可應用於上述半導體記憶裝置所包括之某些電晶體。
首先，引用第9A和9B圖描述具體實施例2或具體實施例3所述之電晶體所應用的揮發性記憶體。
記憶格(memory cell)包括位元線BL、字元線WL、感應放大器SAmp、電晶體Tr及電容器C(參見第9A圖)。
已知由於如第9B圖之電晶體Tr的關閉狀態電流使該電容器C所保持之電壓隨時間逐漸降低。經過一定時期之 後，原先自V0充電至V1之電壓降至VA，其係供讀取數據1用之範圍。此期間叫做保持期間T_1。在兩級記憶格之案例中，於該保持期間T_1內必須進行更新操作。
當運用具體實施例2或具體實施例3所述之電晶體作為該電晶體Tr時，該保持期間T_1可變得更長，因為該電晶體之閾壓受到控制。也就是說，更新操作之頻率會降低，其造成電力消耗減少。
當關閉狀態電流小之電晶體作為該電晶體Tr時，保持電壓之時期可再延長，所以可再降低電力消耗。例如，當使用包括高純度氧化物半導體膜之電晶體形成DRAM且該關閉狀態電流小於或等於1×10-21A，較佳是小於或等於1×10-24A時，數據可保持數天至數十年而不需供應電力。
如上所述，根據本發明之一具體實施例，可獲得具有高可靠度和低電力消耗之揮發性記憶體。
接下來，引用第10A和10B圖描述具體實施例2或具體實施例3所述之電晶體所應用的非揮發性記憶體。
第10A圖是非揮發性記憶體之電路圖。該非揮發性記憶體包括電晶體Tr_1、連至該電晶體Tr_1之閘極的字元線WL_1、連至該電晶體Tr_1之源極的源極配線線SL_1、電晶體Tr_2、連至該電晶體Tr_2之源極的源極配線線SL_2、連至該電晶體Tr_2之汲極的汲極配線線DL_2、電容器C、連至該電容器C之一端的電容器配線CL及連至該電容器C之另一端、該電晶體Tr_1之汲極及 該電晶體Tr_2之閘極的浮置閘極FG。
本具體實施例所述之非揮發性記憶體利用該電晶體Tr_2之閾電壓變化，其取決於該浮置閘極FG之電位。例如，第10B圖是顯示流過該電晶體Tr_2之汲極電流ID_2和該電容器配線CL之電壓VCL之間的關係的圖形。
該浮置閘極FG可控制經過該電晶體Tr_1之電壓。例如，把該源極配線線SL_1之電位調定於VDD。在此案例中，當該字元線WL_1之電位調定於高於或等於將VDD加於該電晶體Tr_1之閾電壓Vth所得的電位時，該浮置閘極FG之電位可為HIGH。再者，當該字元線WL_1之電位調定於低於或等於該電晶體Tr_1之閾電壓Vth時，該浮置閘極FG之電位可為LOW。
因此，可得到VCL-ID_2曲線(FG=LOW)或VCL-ID_2曲線(FG=HIGH)。在FG=LOW之案例中，當VCL為0V時該汲極電流ID_2係小的，所以得到數據0。在FG=HIGH之案例中，當VCL為0V時該汲極電流ID_2係大的，所以得到數據1。依據方式，可以將數據儲存起來。
當運用具體實施例2或具體實施例3所述之電晶體作為該電晶體Tr_1時，該電晶體之關閉狀態電流會降低非常多；因此，可抑制該電晶體Tr_1之源極和汲極之間的浮置閘極FG所儲存之電荷的無意義洩漏。結果，可長時間保持數據。再者，因為依據本發明之一具體實施例該電晶體Tr_1之閾電壓受到控制，所以會使寫入所需之電壓 降低，及因此電力消耗可低於該快閃記憶體等。
注意具體實施例2或具體實施例3所述之電晶體可應用於該電晶體Tr_2。
接下來，引用第11圖描述沒有電容器之第10A圖所示的非揮發性記憶體構造。
第11圖是非揮發性記憶體之電路圖。該非揮發性記憶體包括電晶體Tr_1、連至該電晶體Tr_1之閘極的字元線WL_1、連至該電晶體Tr_1之源極的源極配線線SL_1、電晶體Tr_2、連至該電晶體Tr_2之源極的源極配線線SL_2及連至該電晶體Tr_2之汲極的汲極配線線DL_2。該電晶體Tr_2之閘極係連至該電晶體Tr_1之汲極。
在使用關閉狀態電流小之電晶體作為該電晶體Tr_1之案例中，電荷可保持於該電晶體Tr_1之汲極和該電晶體Tr_2之閘極之間而不需該電容器。沒有電容器之構造可降低記憶體之面積，且集積度會比有電容器之構造又更高。
儘管本具體實施例描述包括4或5條配線之非揮發性記憶體，但是該非揮發性記憶體之構造不限於此。例如，可使用1條配線擔任該源極配線SL_1及汲極配線DL_2之工作的構造。
如上所述，根據本發明之一具體實施例，可獲得具有高可靠度和低電力消耗之半導體記憶體。
此具體實施例可適當地與其他具體實施例結合實行。
(具體實施例6)
在此具體實施例中，將描述具體實施例2或具體實施例3所應用之電子裝置實例。
第12A圖例示可攜式資訊終端機，其包括外殼300、按鈕301、麥克風302、顯示部位303、揚聲器304及攝影鏡頭305，並具有行動電話之功能。本發明之一具體實施例可應用於該顯示部位303及該攝影鏡頭305。儘管沒例示，但是本發明之一具體實施例也可應用於本體內之算術單元、無線電路或記憶裝置。
第12B圖例示包括外殼310及顯示部位311之顯示器。本發明之一具體實施例可應用於該顯示部位311。當運用本發明之一具體實施例時，即使是在該顯示部位311尺寸加大之案例也可提供具有高顯示品質之顯示器。
第12C圖例示包括外殼320、按鈕321、麥克風322及顯示部位323之數位靜態相機。本發明之一具體實施例可應用於該顯示部位323。儘管沒例示，但是本發明之一具體實施例也可應用於記憶裝置或感像器。
當運用本發明之一具體實施例時，能降低電氣裝置之成本。再者，可獲得具有高顯示品質之顯示裝置。
此具體實施例可適當地與其他具體實施例結合實行。
[實施例1]
第13A及13B圖顯示包括CAAC之氧化物的平面影 像和截面影像，其係以高角度環形暗場掃描式穿透電子顯微鏡(HAADF-STEM)獲得。第14A和14B圖顯示非晶形氧化物之平面影像和截面影像，其係以HAADF-STEM獲得。
試樣1和試樣2是各自藉由DC噴鍍法形成在石英基材上之以In-Ga-Zn-O為底質的氧化物膜。其他沉積條件如下：0.5kW之功率；0.4Pa之沉積壓力；包括Ar(35sccm)和O2(15sccm)之沉積氣體；及靶和基材之間的60mm距離。至於靶，使用In-Ga-Zn-O(In2O3：Ga2O3：ZnO=1：1：2[莫耳比])靶。注意厚度是100nm。
在此，在試樣1之案例中，基材溫度是400℃，且在試樣2之案例中，基材溫度是室溫。在膜形成之後沒進行熱處理。
從第13A圖之顯示區域1001和區域1002之平面影像來看，原子係排列成從該a-b平面、頂表面或界面之方向看具有三角形或六角形。再者，從第13B圖之截面影像，金屬原子係依箭頭所示之方向排列。換句話說，金屬原子或金屬原子和氧原子係以層方式依c-軸方向排列。結果，發現試樣1是包括CAAC之氧化物膜。
從第14A圖之平面影像來看，沒見到依頂表面或界面之方向見到的三角形或六角形原子排列。再者，從第14B圖之截面影像，金屬原子或金屬原子和氧原子沒以層方式排列。結果，發現試樣2不是包括CAAC之氧化物膜。
如上所述，可獲得包括CAAC之氧化物膜。
[實施例2]
在此實施例中，將描述藉由X-射線繞射(XRD)方法估測包括CAAC之氧化物膜的晶態之實例。
試樣3和試樣4是各自藉由DC噴鍍法形成在石英基材上之以In-Ga-Zn-O為底質的氧化物膜。其他沉積條件如下：0.5kW之功率；0.4Pa之沉積壓力；靶和基材之間的60mm距離；及400℃之基材溫度。至於靶，使用In-Ga-Zn-O(In2O3：Ga2O3：ZnO=1：1：2[莫耳比])靶。注意厚度是300nm。
試樣3之沉積氣體是O2(40sccm)，且試樣4之沉積氣體是N2(40sccm)。
第15和16圖各自顯示藉由面外方法所得之XRD光譜。第15圖顯示沉積之後(原沉積)的XRD光譜，及第16圖顯示在N2氛圍中於450℃熱處理1小時之後的XRD光譜，該熱處理係於沉積之後進行。在此，實線1101和實線1103各自表示試樣3之XRD光譜，且實線1102和實線1104各自表示試樣4之XRD光譜。
從第15圖和第16圖來看，在兩種條件下形成之試樣各自具有於對應(009)面之位置的峰，其意指依c-軸方向存在強軸線平行性(alignment)。因此，發現試樣3和試樣4具有c-軸準直度。特別是，試樣4具有於對應(009)面之位置的高峰強度。再者，在試樣3中，該對應(009)面之峰位置偏移至較小角度側。
第17和18圖各自顯示藉由面內方法所得之XRD光譜。第17圖顯示沉積之後(原沉積)的XRD光譜，及第18圖顯示在N2氛圍中於450℃熱處理1小時之後的XRD光譜，該熱處理係於沉積之後進行。在此，實線1111和實線1113各自表示試樣3之XRD光譜，且實線1112和實線1114各自表示試樣4之XRD光譜。
從第17圖和第18圖來看，在兩種條件下形成之試樣各自具有於對應(009)面之位置的峰，其意指依c-軸方向存在強軸線平行性(alignment)。此外，也發現於對應(110)面之位置的峰及對應(119)面之位置的峰。
第19和20圖各自顯示在光學系統固定於藉由面內方法所得之對應該(110)面之峰位置(2θ)，且該等試樣繞著作為軸之試樣表面上之法線旋轉的條件下測量的XRD光譜。因而實線1121及實線1123各自表示試樣3之XRD光譜及實線1122及實線1124各自表示試樣4之XRD光譜。
從第19圖和第20圖來看，在兩種條件下形成之試樣都沒有峰。
根據第15圖、第16圖、第17圖、第18圖、第19圖及第20圖，發現測量試樣具有CAAC之特性，其並非單晶並具有與多晶不同之性質。注意儘管本實施例所述的是以In-Ga-Zn-O為底質之氧化物膜，但是材料並沒特別限於此。在In-Sn-Zn-O為底質之氧化物膜的案例中，可獲得包括CAAC之氧化物膜。
[實施例3]
使用包括CAAC之以In-Ga-Zn-O為底質之氧化物膜(具有35nm之厚度)在玻璃基材(600mm×720mm)上製造電晶體，並於第21圖中顯示其初始特性。製得之電晶體是具有第2A至2C圖例示之構造的底閘極電晶體，其中通道長度L是3μm且通道寬度W是50μm。再者，該電晶體之閘極絕緣膜厚度是100nm。
第21圖顯示藉由該基材之20點處的測量所得之Vg-Id曲線(其中Vd=1V，且Vd=10V)上的數據。描繪出實質相同之值且重疊在一起，意指使用包括CAAC之以In-Ga-Zn-O為底質之氧化物膜所形成的電晶體具有有益之均勻性。在第21圖中，該Vg-Id曲線上側顯示當Vd=10V時所得之數據，且該Vg-Id曲線下側顯示當Vd=1V時所得之數據。
該電晶體測得之閾電壓Vth的平均值是1.34V，且該電晶體測得之場效移動率平均值是10.7cm2/Vs。注意該閾電壓Vth是藉由使用該Vg-Id曲線(Vd=10V)之Id平方根所示的曲線(後文中，該曲線也稱作
Figure 113104031-A0101-12-0036-53
Id曲線)求得之值。
為了估測該電晶體之可靠度，在5吋基材上新製造多個包括CAAC之以In-Ga-Zn-O為底質之氧化物膜(具有35nm之厚度)的電晶體，並進行BT試驗。製得之電晶體各自為具有第2A至2C圖例示之構造的底閘極電晶 體，其具有6μm之通道長度L及50μm之通道寬度W。此外，各自電晶體之閘極絕緣膜厚度是100nm。
該BT試驗是一種加速試驗並可在短時間內估測長時期使用造成之電晶體特性變化。特別是，在該BT試驗前後之間的電晶體閾電壓偏移量是檢測可靠度之重要指標。當該BT試驗前後之間的閾電壓Vth偏移量(△Vth)小時，該電晶體具有較高可靠度。
明確地說，把上方形成該電晶體之基材的溫度(基材溫度)調定於固定溫度，把該電晶體之源極和汲極調定於相同電位，並給閘極供應與該源極和汲極不同之電位一定的期間。該基材溫度可依據試驗目的適當地測定。加於閘極之電位比源極和汲極電位高之BT試驗稱為+BT試驗，且加於閘極之電位比源極和汲極電位低之BT試驗稱為-BT試驗。
BT試驗之應力條件可依據基材溫度、加於閘極絕緣膜之電場強度及施加電場之時期求出。加於該閘極絕緣膜之電場強度係依據該閘極與該源極和汲極之間的電位差除以該閘極絕緣膜厚度所得之值求出。例如，在加於具有100nm厚度之閘極絕緣膜之電場強度係為2MV/cm的案例中，該電位差可調定於20V。
注意電壓表示兩個點的電位之間的差值，且電位表示於電場特定點處之單位電荷的靜電態(電位能)。注意一般，介於一點電位和參考電位(例如，地面電位)之間的差值僅叫做電位或電壓，且在許多案例中把電位和電壓當 作同義字使用。因此，在本說明書中，除非另行指明，否則電位可重述為電壓且電壓可重述為電位。
BT試驗之條件如下：基材溫度為80℃；加於該閘極絕緣膜之電場強度為3MV/cm；且施加時間(也叫做應力時間)為100秒、200秒、500秒、1000秒、1500秒及2000秒。在以上條件下，進行+BT試驗及-BT試驗。
第22A圖顯示該+BT試驗進行2000秒之結果，且第22B圖顯示-BT試驗進行2000秒之結果。
在第22A圖中，經過該+BT試驗之後的閾電壓Vth自初始特性之閾電壓值依正向偏移0.63V。在第22B圖中，經過該-BT試驗之後的閾電壓Vth自初始特性之閾電壓值依正向偏移0.02V。在兩次BT試驗中，該閾電壓偏移量(△Vth)小於或等於1V，證明使用包括CAAC之以In-Ga-Zn-O為底質之氧化物膜製造的電晶體可具有高可靠度。
在該BT試驗中，重要的是使用從未進行BT試驗之電晶體。例如，若藉由使用已經過進行一次+BT試驗之電晶體進行-BT試驗，由於先前進行之+BT試驗的影響使該-BT試驗之結果無法正確估測。再者，此結果同樣適於在已經過進行一次+BT試驗之電晶體上進行+BT試驗之案例。注意這並不適於故意將這些影響納入考慮時重複進行BT試驗之案例。
第23A圖顯示當電晶體使用LED光源(具有10000 lux之白光)以光照射時進行+BT試驗之結果，其亦叫做正偏壓溫度應力光降解。第23B圖顯示當電晶體使用LED光源以光照射時進行-BT試驗之結果，其亦叫做負偏壓溫度應力光降解。在第23A圖中，經過該+BT試驗之後的閾電壓Vth自初始特性之閾電壓值依正向偏移0.27V。在第23B圖中，經過該-BT試驗之後的閾電壓Vth自初始特性之閾電壓值依正向偏移0.23V。在以光照射之BT試驗的雙方中，該閾電壓偏移量(△Vth)小於或等於1V，證明使用包括CAAC之以In-Ga-Zn-O為底質之氧化物膜製造的電晶體可具有高可靠度。
第24圖顯示根據多種不同應力條件之閾電壓Vth偏移量(△Vth)的時間依數性。垂直軸表示線性尺度之閾電壓Vth偏移量(△Vth)，且水平軸表示對數尺度之應力時間。
第25A及25B圖是顯示負偏壓應力溫度光降解之示意圖。第25A及25B圖各自例示氧化物半導體和閘極絕緣膜之間的界面。如第25A圖所例示，當光照射電晶體時，產生電洞。該電洞可能被陷獲或去陷獲。如第25B圖所例示，該電洞被牽引至該閘極絕緣膜並藉以變成固定電荷，其造成依負向之閾電壓Vth偏移。因此，沒有氧空位能階對於負偏壓應力溫度光降解之消除很重要。也就是說，氧空位減少能有效防止負偏壓應力溫度光降解。結晶性表面比非晶性表面不易傳輸氧；因此，包括以In-Ga-Zn-O為底質之氧化物膜(其包括CAAC)之電晶體具有 高可靠度。此外，為了減少氧空位，使用藉由加熱釋出氧之膜作為閘極絕緣膜及層間絕緣膜，且在氧氛圍中進行熱處理，其能有效改善可靠度。
本案係以2010年12月17日在日本專利局申請之日本專利申請案序號第2010-282135號及2011年7月8日在日本專利局申請之日本專利申請案序號第2011-151859號為基礎，在此以引用的方式將其全文併入本文。

Claims (3)

  1. 一種電晶體，其具有閘電極、該閘電極上之閘電極絕緣膜，及該閘電極絕緣膜上之氧化物半導體膜，
    該氧化物半導體膜具有與該閘電極重疊之區域，及不與該閘電極重疊之區域，
    與該閘電極重疊之區域之膜厚與不與該閘電極重疊之區域之膜厚相同，
    該氧化物半導體膜具有包含c-軸對準且a-軸或b-軸之方向不同的複數個結晶的區域，
    自垂直於ab平面之方向看時，該複數個結晶具有三角形或六角形原子排列。
  2. 如請求項1之電晶體，其中該氧化物半導體膜具有自該氧化物半導體膜之表面方向以高角度環形暗場掃描式穿透顯微鏡進行觀察而確認為三角形或六角形原子排列之區域。
  3. 如請求項1或2之電晶體，其中該氧化物半導體膜具有自該氧化物半導體膜之側面方向以高角度環形暗場掃描式穿透顯微鏡進行觀察而確認為金屬原子以層方式排列之區域。
TW113104031A 2010-12-17 2011-12-16 氧化物材料及半導體裝置 TW202422658A (zh)

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