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公開番号2025146796
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-10-03
出願番号2025045886
出願日2025-03-19
発明の名称酸化物半導体膜、半導体装置
出願人株式会社半導体エネルギー研究所
代理人
主分類H10D 30/67 20250101AFI20250926BHJP()
要約【課題】キャリア移動度の高い酸化物半導体膜を提供する。
【解決手段】酸化物半導体膜はインジウムと、酸素と、を含む。酸化物半導体膜は、結晶粒を有する。酸化物半導体膜における、ガリウムの濃度及び亜鉛の濃度はそれぞれ、0.1atomic%以下である。酸化物半導体膜における粒界の延長長さは0nm以上10000nm以下である。粒界の延長長さは、酸化物半導体膜のTEM像から抽出された90nm角の視野を用いて算出される。酸化物半導体膜は、加熱の温度が400℃であって、処理時間が8時間である熱処理において、酸素が2×10²⁰atoms/cm³以上1×10²¹atoms/cm³以下透過する性質を有する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
インジウムと、酸素と、を含む酸化物半導体膜であって、
前記酸化物半導体膜は、結晶粒を有し、
前記酸化物半導体膜における、ガリウムの濃度及び亜鉛の濃度はそれぞれ、０．１ａｔｏｍｉｃ％以下であり、
前記酸化物半導体膜における粒界の延長長さは０ｎｍ以上１００００ｎｍ以下であり、
前記粒界の延長長さは、前記酸化物半導体膜の透過電子顕微鏡像から抽出された９０ｎｍ角の視野を用いて算出され、
前記酸化物半導体膜は、加熱の温度が４００℃であって、処理時間が８時間である熱処理において、酸素が２×１０
２０
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以上１×１０
２１
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以下透過する性質を有する、酸化物半導体膜。
続きを表示（約 1,600 文字）【請求項２】
酸素が透過する性質を有する酸化物半導体膜であって、
前記酸化物半導体膜は、インジウムと、酸素と、を含み、
前記酸化物半導体膜は、結晶粒を有し、
前記酸化物半導体膜における、ガリウムの濃度及び亜鉛の濃度はそれぞれ、０．１ａｔｏｍｉｃ％以下であり、
前記酸化物半導体膜における粒界の延長長さは０ｎｍ以上１００００ｎｍ以下であり、
前記粒界の延長長さは、前記酸化物半導体膜の透過電子顕微鏡像から抽出された９０ｎｍ角の視野を用いて算出され、
前記酸化物半導体膜を第１の膜と第２の膜との間に配置した場合において、前記第１の膜に含まれる酸素が、加熱の温度が４００℃であって、処理時間が８時間である熱処理により、前記酸化物半導体膜を介して、前記第２の膜へ２×１０
２０
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以上拡散し、
前記第１の膜は、二次イオン質量分析法における酸素の濃度が１×１０
２２
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以上である領域を有し、
前記熱処理前の前記第２の膜は、二次イオン質量分析法における酸素の濃度が１×１０
２０
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
未満である領域を有する、酸化物半導体膜。
【請求項３】
インジウムと、酸素と、を含む酸化物半導体膜であって、
前記酸化物半導体膜は、結晶粒を有し、
前記酸化物半導体膜における、ガリウムの濃度及び亜鉛の濃度はそれぞれ、０．１ａｔｏｍｉｃ％以下であり、
前記酸化物半導体膜における粒界の延長長さは０ｎｍ以上１００００ｎｍ以下であり、
前記粒界の延長長さは、前記酸化物半導体膜の透過電子顕微鏡像から抽出された９０ｎｍ角の視野を用いて算出され、
前記酸化物半導体膜は、加熱の温度が２００℃であって、処理時間が８時間である熱処理において、重水素拡散量積分値が、５×１０
１２
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
２
以上１×１０
１４
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
２
以下である性質を有する、酸化物半導体膜。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
前記酸化物半導体膜における粒界の延長長さは０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である、酸化物半導体膜。
【請求項５】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
前記酸化物半導体膜における、炭素の濃度及びアルミニウムの濃度はそれぞれ、１００ｐｐｍ未満である、酸化物半導体膜。
【請求項６】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の酸化物半導体膜を含む酸化物半導体層と、導電層と、前記酸化物半導体層と前記導電層との間に位置する部分を有する絶縁層と、を有する、半導体装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記酸化物半導体層を間に挟んで前記絶縁層と重なる酸化物層を有し、
前記酸化物層は、立方晶系の結晶粒を有する、半導体装置。
【請求項８】
請求項７において、
前記酸化物層が有する結晶粒に対する、前記酸化物半導体膜が有する結晶粒の格子不整合度は、－１０％以上１０％以下である、半導体装置。
【請求項９】
請求項７において、
前記酸化物層は、イットリウムと、ジルコニウムと、酸素と、を有する、半導体装置。
【請求項１０】
請求項６において、
前記酸化物半導体層を間に挟んで前記絶縁層と重なる酸化物層を有し、
前記酸化物層は、六方晶系又は三方晶系の結晶粒を有する、半導体装置。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明の一態様は、酸化物半導体膜、及び酸化物半導体膜の形成方法に関する。また、本発明の一態様は、当該酸化物半導体膜を有する、半導体装置、記憶装置、表示装置、及び電子機器に関する。また、本発明の一態様は、当該酸化物半導体膜を有する半導体装置の作製方法に関する。
続きを表示（約 1,600 文字）【０００２】
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本発明の一態様の技術分野としては、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、電子機器、照明装置、入力装置（例えば、タッチセンサ）、入出力装置（例えば、タッチパネル）、それらの駆動方法、又はそれらの製造方法を一例として挙げることができる。
【０００３】
なお、本明細書等において、半導体装置とは、半導体特性を利用した装置であり、半導体素子（トランジスタ、ダイオード、フォトダイオード等）を含む回路、同回路を有する装置等をいう。また、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般をいう。例えば、集積回路、集積回路を備えたチップ、パッケージにチップを収納した電子部品は半導体装置の一例である。また、記憶装置、表示装置、発光装置、照明装置、及び電子機器は、それ自体が半導体装置であり、かつ、それぞれが半導体装置を有している場合がある。
【背景技術】
【０００４】
近年、半導体装置の開発が進められ、ＬＳＩ（ＬａｒｇｅＳｃａｌｅＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、メモリ（記憶装置）などが主に半導体装置に用いられている。ＣＰＵは、半導体ウェハを加工し、チップ化された集積回路（トランジスタ及びメモリを含む）を有し、接続端子である電極が形成された半導体素子の集合体である。
【０００５】
ＬＳＩ、ＣＰＵ、又はメモリ等の集積回路（ＩＣ）は、回路基板、例えばプリント配線基板に実装され、様々な電子機器の部品の一つとして用いられる。
【０００６】
また、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）、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材料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。
【０００７】
また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ状態において極めてリーク電流が小さいことが知られている。例えば、特許文献１には、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が小さいという特性を応用した低消費電力のＣＰＵなどが開示されている。また、例えば、特許文献２には、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が小さいという特性を応用して、長期にわたり記憶内容を保持することができる記憶装置などが、開示されている。
【０００８】
また、近年では電子機器の小型化、軽量化に伴い、集積回路のさらなる高密度化への要求が高まっている。また、集積回路を含む半導体装置の生産性の向上が求められている。例えば、特許文献３及び非特許文献１では、酸化物半導体膜を用いる第１のトランジスタと、酸化物半導体膜を用いる第２のトランジスタとを積層させることで、メモリセルを複数重畳して設けることにより、集積回路の高密度化を図る技術が開示されている。また、特許文献４では、酸化物半導体膜を用いるトランジスタのチャネルを縦方向に配置し、集積回路の高密度化を図る技術が開示されている。
【０００９】
また、トランジスタの活性層に適用可能な酸化物半導体として、酸化インジウム、インジウムガリウム亜鉛酸化物などが挙げられる。非特許文献２では、低温固相結晶化によって形成した水素化多結晶酸化インジウムを活性層に用いた薄膜トランジスタが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
特開２０１２－２５７１８７号公報
特開２０１１－１５１３８３号公報
国際公開第２０２１／０５３４７３号
特開２０１３－２１１５３７号公報
【非特許文献】
（【００１１】以降は省略されています）

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