DE102023117180A1

DE102023117180A1 - Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids

Info

Publication number: DE102023117180A1
Application number: DE102023117180.1A
Authority: DE
Inventors: Shunpei Yamazaki; Tetsuya Kakehata; Sachiko Kawakami; Fumito Isaka; Yuji EGI
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2022-07-15
Filing date: 2023-06-29
Publication date: 2024-01-18
Also published as: CN117403206A; EP4306677A1; US20240026537A1; JP2024012148A; KR20240010695A

Abstract

Ein neuartiges Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids wird bereitgestellt. Das Metalloxid wird unter Verwendung eines Vorläufers mit einer hohen Zersetzungstemperatur ausgebildet, während ein Substrat auf höher als oder gleich 300 °C und niedriger als oder gleich 500 °C erwärmt wird. Bei der Ausbildung wird vorzugsweise eine Plasmabehandlung, eine Mikrowellenbehandlung oder eine Wärmebehandlung als Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre durchgeführt. Die Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung kann durchgeführt werden, während eine Bestrahlung mit UV-Licht durchgeführt wird. Das Metalloxid wird ausgebildet, indem die Einleitung eines Vorläufers und die Einleitung eines Oxidationsmittels abwechselnd wiederholt werden. Beispielsweise wird die Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung vorzugsweise jedes Mal durchgeführt, wenn die Einleitung eines Vorläufers fünfmal oder mehr und zehnmal oder weniger durchgeführt wird.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung, die das Metalloxid umfasst, und ein Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft einen Transistor, der das Metalloxid umfasst, und ein Verfahren zum Herstellen des Transistors.
Es sei angemerkt, dass eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nicht auf das vorstehende technische Gebiet beschränkt ist. Beispiele für das technische Gebiet einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen eine Halbleitervorrichtung, eine Anzeigevorrichtung, eine Licht emittierende Vorrichtung, eine Energiespeichervorrichtung, eine Speichervorrichtung, ein elektronisches Gerät, eine Beleuchtungsvorrichtung, eine Eingabevorrichtung (z. B. einen Berührungssensor), eine Eingabe-/Ausgabevorrichtung (z. B. einen Touchscreen), ein Verfahren zum Betreiben einer von ihnen und ein Verfahren zum Herstellen einer von ihnen.
In dieser Beschreibung und dergleichen ist mit einer Halbleitervorrichtung eine Vorrichtung gemeint, bei der Halbleitereigenschaften genutzt werden, und sie bezeichnet eine Schaltung, die ein Halbleiterelement (z. B. einen Transistor, eine Diode oder eine Photodiode) beinhaltet, eine Vorrichtung, die die Schaltung beinhaltet, und dergleichen. Mit der Halbleitervorrichtung sind auch Vorrichtungen gemeint, die unter Nutzung von Halbleitereigenschaften arbeiten können. Beispielsweise sind eine integrierte Schaltung, ein Chip, der eine integrierte Schaltung umfasst, und ein elektronisches Bauelement, bei dem ein Chip in einem Gehäuse gelagert ist, Beispiele für die Halbleitervorrichtung. In einigen Fällen sind eine Speichervorrichtung, eine Anzeigevorrichtung, eine Licht emittierende Vorrichtung, eine Beleuchtungsvorrichtung und ein elektronisches Gerät an sich Halbleitervorrichtungen und sie umfassen auch eine Halbleitervorrichtung.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Eine Technik, bei der ein Transistor unter Verwendung eines Halbleiterdünnfilms ausgebildet wird, der über einem Substrat mit einer isolierenden Oberfläche ausgebildet ist, hat Aufmerksamkeit erregt. Der Transistor wird in einem breiten Bereich von elektronischen Geräten verwendet, wie z. B. einer integrierten Schaltung (an integrated circuit, IC) oder einer Anzeigevorrichtung. Als für den Transistor verwendbare Halbleitermaterialien werden allgemein Halbleitermaterialien auf Siliziumbasis verwendet, wobei jedoch auch Oxidhalbleiter als alternative Materialien Aufmerksamkeit erregen.
Für Oxidhalbleiter sind eine kristalline Struktur mit Ausrichtung bezüglich der c-Achse (c-axis aligned crystalline structure, CAAC-Struktur) und eine nanokristalline (nanocrystalline, nc-) Struktur, welche weder eine einkristalline Struktur noch eine amorphe Struktur sind, herausgefunden worden (siehe Nicht-Patentdokumente 1 und 2).
Nicht-Patentdokumente 1 und 2 offenbaren eine Technik zum Ausbilden eines Transistors unter Verwendung eines Oxidhalbleiters mit der CAAC-Struktur.
[Referenzen]
[N icht-Patentdokumente]

[Nicht-Patentdokument 1] S. Yamazaki et al., „SID Symposium Digest of Technical Papers", 2012, Volumen 43, Ausgabe 1, S.183-186.
[Nicht-Patentdokument 2] S. Yamazaki et al., „Japanese Journal of Applied Physics", 2014, Volumen 53, Nummer 4S, S. 04ED18-1-04ED18-10.

Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, ein neuartiges Metalloxid und ein Ausbildungsverfahren dafür bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, einen miniaturisierten Transistor bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, einen Transistor mit hohem Durchlassstrom bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, einen Transistor mit vorteilhaften elektrischen Eigenschaften bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, einen sehr zuverlässigen Transistor oder eine sehr zuverlässige Halbleitervorrichtung bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, eine Halbleitervorrichtung bereitzustellen, die miniaturisiert oder in hohem Maße integriert werden kann. Eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung bereitzustellen.
Es sei angemerkt, dass die Beschreibung dieser Aufgaben dem Vorhandensein weiterer Aufgaben nicht im Wege steht. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es nicht notwendigerweise erforderlich, sämtliche Aufgaben zu erfüllen. Weitere Aufgaben können aus der Erläuterung der Beschreibung, der Zeichnungen und der Patentansprüche abgeleitet werden.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids, das umfasst: einen ersten Schritt zum Zuführen einer ersten Verbindung zu einer Kammer und dann zum Zuführen eines Oxidationsmittels zu der Kammer und einen zweiten Schritt zum Zuführen einer zweiten Verbindung zu der Kammer und dann zum Zuführen des Oxidationsmittels zu der Kammer. Die erste Verbindung wird durch eine der allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) dargestellt. Die zweite Verbindung wird durch eine andere der allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) dargestellt. In jedem der ersten und zweiten Schritten wird ein Substrat in der Kammer auf höher als oder gleich 300 °C und niedriger als oder gleich 500 °C erwärmt.
In den allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) stellt M Ga, AI oder Sn dar; R¹ bis R³ stellen jeweils unabhängig voneinander Wasserstoff (darunter auch Deuterium), Fluor, Chlor, Brom, Jod, Sauerstoff, Phosphor, Schwefel, eine Hydroxy-Gruppe, eine Thiol-Gruppe, eine Boryl-Gruppe, eine substituierte oder nicht substituierte Phosphanyl-Gruppe, eine substituierte oder nicht substituierte Alkyl-Gruppe mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Alkenyl-Gruppe mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Alkinyl-Gruppe mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Cycloalkyl-Gruppe mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Cycloalkenyl-Gruppe mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Cycloalkinyl-Gruppe mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Alkoxy-Gruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Alkylsulfanyl-Gruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte 1,3-Propandialdehyd-Gruppe, eine substituierte oder nicht substituierte Aryl-Gruppe mit 6 bis 30 Kohlenstoffatomen oder eine substituierte oder nicht substituierte Heteroaryl-Gruppe mit 2 bis 30 Kohlenstoffatomen dar, in der ein Ring durch eine Vielzahl von Elementen gebildet werden, die aus Kohlenstoff, Schwefel, Sauerstoff, Bor und Phosphor ausgewählt werden; m stellt eine ganze Zahl von 1 bis 3 dar; n stellt eine ganze Zahl von 1 bis 3 dar, wenn M Ga oder AI ist, und stellt eine ganze Zahl von 1 bis 4 dar, wenn M Sn ist; und k stellt 1 oder 2 dar. Wenn m 2 oder mehr ist, kann eine Vielzahl von R¹ gleich oder unterschiedlich sein und kann aneinander gebunden werden, um einen Ring zu bilden. Wenn n 2 oder mehr ist, kann eine Vielzahl von R² gleich oder unterschiedlich sein und kann aneinander gebunden werden, um einen Ring zu bilden. Wenn k 2 ist, kann eine Vielzahl von R³ gleich oder unterschiedlich sein und kann aneinander gebunden werden, um einen Ring zu bilden. Eine Bindung zwischen In und R¹, eine Bindung zwischen M und R², eine Bindung zwischen Zn und R³, eine Bindung zwischen der Vielzahl von R¹, eine Bindung zwischen der Vielzahl von R² und eine Bindung zwischen der Vielzahl von R³ sind jeweils eine Einfachbindung, eine Doppelbindung oder eine Dreifachbindung.
In den allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) ist mindestens eines von m, n und k vorzugsweise 2 oder mehr. Wenn m 2 ist, sind zwei R¹ vorzugsweise unterschiedlich voneinander. Wenn m 3 ist, ist mindestens eines von R¹ vorzugsweise unterschiedlich von den anderen R¹. Wenn n 2 ist, sind zwei R² vorzugsweise unterschiedlich voneinander. Wenn n 3 oder mehr ist, ist mindestens eines von R² vorzugsweise unterschiedlich von den anderen R². Wenn k 2 ist, sind zwei R³ vorzugsweise unterschiedlich voneinander.
In den allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) wird es bevorzugt, dass R¹ bis R³ jeweils unabhängig voneinander Wasserstoff (darunter auch Deuterium), Fluor, Chlor, Brom, Jod, Sauerstoff, Phosphor, Schwefel, eine Hydroxy-Gruppe, eine Thiol-Gruppe, eine Boryl-Gruppe, eine substituierte oder nicht substituierte Phosphanyl-Gruppe, eine substituierte oder nicht substituierte Alkyl-Gruppe mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Alkenyl-Gruppe mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Alkinyl-Gruppe mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Cycloalkyl-Gruppe mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Cycloalkenyl-Gruppe mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Cycloalkinyl-Gruppe mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Alkoxy-Gruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Alkylsulfanyl-Gruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte 1,3-Propandialdehyd-Gruppe, eine substituierte oder nicht substituierte Phenyl-Gruppe, eine substituierte oder nicht substituierte Furanyl-Gruppe oder eine substituierte oder nicht substituierte Thienyl-Gruppe darstellen.
Die erste Verbindung und die zweite Verbindung sind jeweils vorzugsweise eine Flüssigkeit bei 25 °C und 1 atm.
In jedem der ersten und zweiten Schritten wird das Substrat vorzugsweise auf höher als oder gleich 400 °C und niedriger als oder gleich 450 °C erwärmt.
Ein erster Zyklus umfasst das Durchführen jedes der ersten und zweiten Schritte einmal oder mehrmals und das Durchführen einer Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, und der erste Zyklus wird vorzugsweise mehrmals wiederholt. Beispielsweise wird in dem ersten Zyklus der erste Schritt oder der zweite Schritt, der weniger häufig ist, oder sowohl der erste Schritt als auch der zweite Schritt vorzugsweise fünfmal oder mehr und zehnmal oder weniger durchgeführt.
Das Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, kann ferner einen dritten Schritt zum Zuführen einer dritten Verbindung zu der Kammer und dann zum Zuführen des Oxidationsmittels zu der Kammer umfassen. Die dritte Verbindung wird durch die noch andere der allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) dargestellt. In dem dritten Schritt wird das Substrat auf höher als oder gleich 300 °C und niedriger als oder gleich 500 °C erwärmt. Die dritte Verbindung ist vorzugsweise eine Flüssigkeit bei 25 °C und 1 atm. In dem dritten Schritt wird das Substrat vorzugsweise auf höher als oder gleich 400 °C und niedriger als oder gleich 450 °C erwärmt. Ein erster Zyklus umfasst das Durchführen jedes der ersten, zweiten und dritten Schritte einmal oder mehrmals und das Durchführen einer Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, und der erste Zyklus wird vorzugsweise mehrmals wiederholt.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids, das umfasst: einen ersten Schritt zum Zuführen einer ersten Verbindung zu einer Kammer und dann zum Zuführen eines Oxidationsmittels zu der Kammer und einen zweiten Schritt zum Zuführen einer zweiten Verbindung zu der Kammer und dann zum Zuführen des Oxidationsmittels zu der Kammer. Die erste Verbindung wird durch eine der allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) dargestellt. Die zweite Verbindung wird durch eine andere der allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) dargestellt. Ein erster Zyklus umfasst das Durchführen jedes der ersten und zweiten Schritte einmal oder mehrmals und das Durchführen einer Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, und der erste Zyklus wird mehrmals wiederholt.
In dem ersten Zyklus wird der erste Schritt oder der zweite Schritt, der weniger häufig ist, oder sowohl der erste Schritt als auch der zweite Schritt vorzugsweise fünfmal oder mehr und zehnmal oder weniger durchgeführt.
Das Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, kann ferner einen dritten Schritt zum Zuführen einer dritten Verbindung zu der Kammer und dann zum Zuführen des Oxidationsmittels zu der Kammer umfassen. Die dritte Verbindung wird durch die noch andere der allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) dargestellt. In dem ersten Zyklus wird der dritte Schritt bevor der Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung einmal oder mehrmals durchgeführt.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids, das umfasst: einen ersten Schritt zum Zuführen einer ersten Verbindung zu einer Kammer und dann zum Zuführen eines Oxidationsmittels zu der Kammer und einen zweiten Schritt zum Zuführen einer zweiten Verbindung zu der Kammer und dann zum Zuführen des Oxidationsmittels zu der Kammer. Die erste Verbindung wird durch eine der allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) dargestellt. Die zweite Verbindung wird durch eine andere der allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) dargestellt. Ein erster Zyklus umfasst das Durchführen jedes der ersten und zweiten Schritte einmal oder mehrmals und das Durchführen einer Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, und ein zweiter Zyklus umfasst das Durchführen jedes der ersten und zweiten Schritte einmal oder mehrmals in der Reihenfolge, die sich von derjenigen des ersten Zyklus unterscheidet, und das Durchführen der Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre. Der erste Zyklus und der zweite Zyklus werden mehrmals abwechselnd durchgeführt.
In dem ersten Zyklus wird der erste Schritt oder der zweite Schritt, der weniger häufig ist, oder sowohl der erste Schritt als auch der zweite Schritt vorzugsweise fünfmal oder mehr und zehnmal oder weniger durchgeführt. In dem zweiten Zyklus wird der erste Schritt oder der zweite Schritt, der weniger häufig ist, oder sowohl der erste Schritt als auch der zweite Schritt vorzugsweise fünfmal oder mehr und zehnmal oder weniger durchgeführt.
Das Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, kann ferner einen dritten Schritt zum Zuführen einer dritten Verbindung zu der Kammer und dann zum Zuführen des Oxidationsmittels zu der Kammer umfassen. Die dritte Verbindung wird durch die noch andere der allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) dargestellt. In jedem der ersten und zweiten Zyklen wird der dritte Schritt bevor der Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung einmal oder mehrmals durchgeführt.
Eine Plasmabehandlung wird vorzugsweise als Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung durchgeführt. Alternativ wird eine Mikrowellenbehandlung vorzugsweise als Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung durchgeführt. Alternativ wird eine Wärmebehandlung bei höher als oder gleich 300 °C und niedriger als oder gleich 500 °C vorzugsweise als Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung durchgeführt. Die Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung wird durchgeführt, während eine Bestrahlung mit UV-Licht durchgeführt wird.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können ein neuartiges Metalloxid und ein Ausbildungsverfahren dafür bereitgestellt werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein miniaturisierter Transistor bereitgestellt werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Transistor mit hohem Durchlassstrom bereitgestellt werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Transistor mit hohen elektrischen Eigenschaften bereitgestellt werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein sehr zuverlässiger Transistor oder eine sehr zuverlässige Halbleitervorrichtung bereitgestellt werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Halbleitervorrichtung bereitgestellt werden, die miniaturisiert oder hoch integriert werden kann. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung bereitgestellt werden.
Es sei angemerkt, dass die Beschreibung dieser Wirkungen dem Vorhandensein weiterer Wirkungen nicht im Wege steht. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung muss nicht notwendigerweise all diese Wirkungen aufweisen. Weitere Wirkungen können aus der Erläuterung der Beschreibung, der Zeichnungen und der Patentansprüche abgeleitet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bei den begleitenden Zeichnungen:

1A bis 1E sind Querschnittsansichten, die ein Beispiel für ein Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids darstellen;
2A bis 2D sind Querschnittsansichten, die Beispiele für ein Metalloxid darstellen;
3A bis 3D sind Querschnittsansichten, die Beispiele für ein Metalloxid darstellen;
4A bis 4C zeigen Beispiele für einen Bereich eines Atomverhältnisses eines Metalloxids;
5A bis 5D sind Querschnittsansichten, die ein Beispiel für ein Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids darstellen;
6A bis 6C sind Querschnittsansichten, die das Beispiel für ein Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids darstellen;
7 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel für eine Abscheidungseinrichtung darstellt;
8A und 8B sind Querschnittsansichten, die Beispiele für eine Abscheidungseinrichtung darstellen;
9A bis 9C sind Querschnittsansichten, die Beispiele für eine Abscheidungseinrichtung darstellen;
10A und 10B zeigen Beispiele für ein Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids;
11A und 11B zeigen Beispiele für ein Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids;
12 zeigt ein Beispiel für ein Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids;
13A zeigt die Klassifizierung der Kristallstrukturen von IGZO, 13B zeigt ein XRD-Spektrum eines CAAC-IGZO-Films, und 13C zeigt ein Nanostrahl-Elektronenbeugungsmuster eines CAAC-IGZO-Films;
14A und 14D sind Planansichten, die ein Strukturbeispiel eines Transistors darstellen, und 14B und 14C sind Querschnittsansichten, die das Strukturbeispiel des Transistors darstellen;
15A bis 15F sind Querschnittsansichten, die Strukturbeispiele eines Transistors darstellen;
16A und 16B sind Querschnittsansichten, die Strukturbeispiele eines Transistors darstellen;
17A und 17D sind Planansichten, die ein Strukturbeispiel eines Transistors darstellen, und 17B und 17C sind Querschnittsansichten, die das Strukturbeispiel des Transistors darstellen;
18A bis 18C sind Querschnittsansichten, die Strukturbeispiele eines Transistors darstellen;
19A ist eine Planansicht, die ein Strukturbeispiel eines Transistors darstellt, und 19B bis 19D sind Querschnittsansichten, die das Strukturbeispiel des Transistors darstellen;
20A und 20B sind Querschnittsansichten, die Strukturbeispiele eines Transistors darstellen;
21A und 21B sind Querschnittsansichten, die Strukturbeispiele eines Transistors darstellen;
22A ist ein Blockdiagramm, das ein Strukturbeispiel einer Speichervorrichtung darstellt, und 22B ist eine perspektivische Ansicht, die das Strukturbeispiel der Speichervorrichtung darstellt;
23A bis 23I sind Schaltpläne, die Strukturbeispiele einer Speichervorrichtung darstellt;
24 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel für eine Speichervorrichtung darstellt;
25A und 25B stellen Beispiele für ein elektronisches Bauelement dar;
26A und 26B stellen Beispiele für ein elektronisches Gerät dar, und 26C bis 26E stellen ein Beispiel für einen großen Computer dar;
27 stellt ein Beispiel für eine Einrichtung für den Raum dar; und
28 stellt ein Beispiel für ein Storage-System (Speichersystem) dar, das für ein Datenzentrum verwendet werden kann.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Ausführungsformen werden anhand der Zeichnungen ausführlich beschrieben. Es sei angemerkt, dass die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht auf die folgende Beschreibung beschränkt sind und dass es sich Fachleuten ohne Weiteres erschließt, dass Modi und Details der vorliegenden Erfindung auf verschiedene Weise modifiziert werden können, ohne vom Gedanken und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Daher sollte die vorliegende Erfindung nicht als auf die Beschreibung der folgenden Ausführungsformen beschränkt angesehen werden.
Es sei angemerkt, dass bei den Strukturen der nachstehend beschriebenen Erfindung gleiche Abschnitte oder Abschnitte mit ähnlichen Funktionen in unterschiedlichen Zeichnungen durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind und eine Beschreibung derartiger Abschnitte nicht wiederholt wird. Das gleiche Schraffurmuster wird für Abschnitte mit ähnlichen Funktionen verwendet, und in einigen Fällen sind die Abschnitte nicht durch spezifische Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die Position, die Größe, der Bereich oder dergleichen jeder in Zeichnungen dargestellten Komponente stellen in einigen Fällen zum leichten Verständnis nicht genau die Position, die Größe, den Bereich oder dergleichen dar. Die offenbarte Erfindung ist daher nicht notwendigerweise auf die Position, die Größe, den Bereich oder dergleichen beschränkt, die in den Zeichnungen offenbart werden. Beispielsweise könnte im tatsächlichen Herstellungsprozess die Größe einer Schicht, einer Fotolackmaske oder dergleichen ungewollt durch eine Behandlung, wie z. B. Ätzen, verringert werden, was in einigen Fällen zum leichten Verständnis nicht dargestellt wird.
Es sei angemerkt, dass die Ordnungszahlen, wie z. B. „erstes“ und „zweites“, in dieser Beschreibung und dergleichen aus Gründen der Zweckmäßigkeit verwendet, und sie die Anzahl von Komponenten oder die Reihenfolge von Komponenten (z. B. die Reihenfolge von Schichten oder die Anordnungsreihenfolge von Schichten) nicht einschränken. Des Weiteren ist in einigen Fällen die Ordnungszahl, die für eine Komponente in einem beliebigen Teil in dieser Beschreibung verwendet wird, nicht gleich wie die Ordnungszahl, die für die Komponente in einem anderen Teil in dieser Beschreibung oder Patentansprüchen verwendet wird.
Es sei angemerkt, dass die Begriffe „Film“ und „Schicht“ je nach Sachlage oder Umständen austauschbar verwendet werden können. Beispielsweise kann der Begriff „leitende Schicht“ durch den Begriff „leitender Film“ ersetzt werden. Als weiteres Bespiel kann der Begriff „Isolierfilm“ durch den Begriff „Isolierschicht“ ersetzt werden.
Ein Transistor ist eine Art von Halbleiterelementen und ermöglicht eine Verstärkung eines Stroms oder einer Spannung, einen Schaltvorgang zum Steuern des Leitens oder Nichtleitens und dergleichen. Ein Transistor in dieser Beschreibung umfasst in seiner Kategorie einen Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate (insulated-gate field effect transistor, IGFET) und einen Dünnschichttransistor (thin film transistor, TFT).
In dieser Beschreibung und dergleichen ist ein Transistor ein Element, das mindestens drei Anschlüsse aufweist, nämlich ein Gate, einen Drain und eine Source. Der Transistor umfasst einen Bereich, in dem ein Kanal gebildet wird (auch als Kanalbildungsbereich bezeichnet), zwischen dem Drain (einem Drain-Anschluss, einem Drain-Bereich oder einer Drain-Elektrode) und der Source (einem Source-Anschluss, einem Source-Bereich oder einer Source-Elektrode), und ein Strom kann durch den Kanalbildungsbereich zwischen der Source und dem Drain fließen. Es sei angemerkt, dass sich in dieser Beschreibung und dergleichen ein Kanalbildungsbereich auf einen Bereich bezieht, durch den hauptsächlich ein Strom fließt.
Wenn beispielsweise ein Transistor mit entgegengesetzter Polarität verwendet wird oder wenn die Stromflussrichtung im Schaltungsbetrieb geändert wird, werden die Funktionen einer „Source“ und eines „Drains“ mitunter vertauscht. Deshalb können in dieser Beschreibung die Begriffe „Source“ und „Drain“ ausgetauscht werden.
Es sei angemerkt, dass sich beispielsweise Verunreinigungen in einem Halbleiter auf Elemente, die sich von den Hauptkomponenten unterscheiden, des Halbleiters beziehen. Zum Beispiel handelt es sich bei einem Element, dessen Konzentration niedriger als 0,1 Atom-% ist, um eine Verunreinigung. Wenn ein Halbleiter eine Verunreinigung enthält, kann beispielsweise eine Erhöhung der Dichte der Defektzustände oder eine Verringerung der Kristallinität des Halbleiters bewirkt werden. In dem Fall, in dem der Halbleiter ein Oxidhalbleiter ist, umfassen Beispiele für eine Verunreinigung, die die Eigenschaften des Halbleiters verändert, die Elemente der Gruppe 1, die Elemente der Gruppe 2, die Elemente der Gruppe 13, die Elemente der Gruppe 14, die Elemente der Gruppe 15 und Übergangsmetalle, die sich von den Hauptkomponenten des Oxidhalbleiters unterscheiden. Spezifische Beispiele umfassen Wasserstoff, Lithium, Natrium, Silizium, Bor, Phosphor, Kohlenstoff und Stickstoff. Spezifische Beispiele umfassen Wasserstoff, Lithium, Natrium, Silizium, Bor, Phosphor, Kohlenstoff und Stickstoff. Es sei angemerkt, dass auch Wasser in einigen Fällen als Verunreinigung dient. Das Eindringen einer Verunreinigung kann beispielsweise Sauerstofffehlstellen (auch als V_O bezeichnet) in einem Oxidhalbleiter verursachen.
Es sei angemerkt, dass sich in dieser Beschreibung und dergleichen Oxynitrid auf ein Material bezieht, das mehr Sauerstoff als Stickstoff enthält. Nitridoxid bezieht sich auf ein Material, das mehr Stickstoff als Sauerstoff enthält.
Die Gehalte der Elemente, wie z. B. Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff, in einem Film können beispielsweise durch Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) oder die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) analysiert werden. Es sei angemerkt, dass XPS geeignet ist, wenn der Gehalt eines Zielelements hoch (z. B. 0,5 Atom- % oder mehr oder 1 Atom-% oder mehr) ist. Im Gegensatz dazu ist SIMS geeignet, wenn der Gehalt eines Zielelements niedrig (z. B. 0,5 Atom-% oder weniger oder 1 Atom-% oder weniger) ist. Um die Elementgehalte zu vergleichen, wird eine Analyse durch eine Kombination von SIMS und XPS vorzugsweise verwendet.
In dieser Beschreibung und dergleichen kann der Begriff „Isolator“ durch einen Isolierfilm oder eine Isolierschicht ersetzt werden. Der Begriff „Leiter“ kann durch einen leitenden Film oder eine leitende Schicht ersetzt werden. Der Begriff „Halbleiter“ kann durch einen Halbleiterfilm oder eine Halbleiterschicht ersetzt werden.
In dieser Beschreibung und dergleichen deutet der Begriff „parallel“ darauf hin, dass der Winkel, der zwischen zwei geraden Linien gebildet wird, größer als oder gleich -10° und kleiner als oder gleich 10° ist. Daher wird auch der Fall enthalten, in dem der Winkel größer als oder gleich -5° und kleiner als oder gleich 5° ist. Der Begriff „im Wesentlichen parallel“ deutet darauf hin, dass der Winkel, der zwischen zwei geraden Linien gebildet wird, größer als oder gleich -30° und kleiner als oder gleich 30° ist. Der Begriff „senkrecht“ deutet darauf hin, dass der Winkel, der zwischen zwei geraden Linien gebildet wird, größer als oder gleich 80° und kleiner als oder gleich 100° ist. Daher wird auch der Fall enthalten, in dem der Winkel größer als oder gleich 85° und kleiner als oder gleich 95° ist. Außerdem deutet der Begriff „im Wesentlichen senkrecht“ darauf hin, dass der Winkel, der zwischen zwei geraden Linien gebildet wird, größer als oder gleich 60° und kleiner als oder gleich 120° ist.
In dieser Beschreibung und dergleichen umfasst der Begriff „elektrisch verbunden“ den Fall, in dem Komponenten über ein Objekt mit irgendeiner elektrischen Funktion miteinander verbunden sind. Es gibt keine besondere Beschränkung hinsichtlich eines „Objekts mit irgendeiner elektrischen Funktion“, solange zwischen Komponenten, die über das Objekt verbunden sind, elektrische Signale gesendet und empfangen werden können. Beispiele für das „Objekt mit irgendeiner elektrischen Funktion“ sind ein Schaltelement, wie z. B. ein Transistor, ein Widerstand, eine Spule, ein Kondensator und ein Element mit verschiedenen Funktionen sowie eine Elektrode und eine Leitung.
Sofern nicht anders angegeben, bezeichnet der Sperrstrom in dieser Beschreibung und dergleichen einen Leckstrom zwischen einer Source und einem Drain eines Transistors in einem Sperrzustand (auch als nichtleitender Zustand oder Cutoff-Zustand bezeichnet). Sofern nicht anders angegeben, bedeutet der Sperrzustand eines n-Kanal-Transistors, dass eine Gate-Source-Spannung V_gs niedriger ist als eine Schwellenspannung V_th, und der Sperrzustand eines p-Kanal-Transistors bedeutet, dass V_gs höher ist als V_th.
In dieser Beschreibung und dergleichen bezeichnet eine Oberseitenform eine Form in einer Planansicht, d. h. eine von oben betrachtete Form.
Es sei angemerkt, dass in dieser Beschreibung und dergleichen eine sich verjüngende Form eine Form bezeichnet, in der mindestens ein Teil einer Seitenfläche einer Komponente gegenüber einer Substratoberfläche oder einer Ausbildungsoberfläche der Komponente schräg gestellt ist. Beispielsweise umfasst eine sich verjüngende Form vorzugsweise einen Bereich, in dem der zwischen der schrägen Seitenfläche und der Substratoberfläche oder der Ausbildungsoberfläche der Komponente gebildete Winkel (ein derartiger Winkel wird auch als Verjüngungswinkel bezeichnet) kleiner als 90° ist. Es sei angemerkt, dass die Seitenfläche der Komponente, die Substratoberfläche und die Ausbildungsoberfläche nicht notwendigerweise vollständig flach sind und mit einer geringen Krümmung oder mit geringer Unebenheit im Wesentlichen flach sein können.
In dieser Beschreibung und dergleichen bedeutet der Ausdruck „A ist in Kontakt mit B“, dass mindestens ein Teil von A in Kontakt mit B ist. Mit anderen Worten: A umfasst beispielsweise einen Bereich in Kontakt mit B.
In dieser Beschreibung und dergleichen bedeutet der Ausdruck „A ist über B positioniert“, dass mindestens ein Teil von A über B positioniert ist. Mit anderen Worten: A umfasst beispielsweise einen Bereich, der über B positioniert ist.
In dieser Beschreibung und dergleichen bedeutet der Ausdruck „A bedeckt B“, dass ein Teil von A B bedeckt. Mit anderen Worten: A umfasst beispielsweise einen Bereich, der B bedeckt.
In dieser Beschreibung und dergleichen bedeutet der Ausdruck „A überlappt sich mit B“, dass sich ein Teil von A mit B überlappt. Mit anderen Worten: A umfasst beispielsweise einen Bereich, der sich mit B überlappt.
(Ausführungsform 1)
Bei dieser Ausführungsform werden ein Metalloxid einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ein Ausbildungsverfahren dafür anhand von 1A bis 1E, 2A bis 2D, 3A bis 3D, 4A bis 4C, 5A bis 5D, 6A bis 6C, 7, 8A und 8B, 9A bis 9C, 10A und 10B, 11A und 11B, 12, 13A bis 13C, 14A bis 14D, 15A bis 15F, 16A und 16B sowie 17A bis 17D beschrieben.
Ein Metalloxid einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann abhängig von der Art, Kombination, Zusammensetzung und dergleichen von Elementen, die das Metalloxid bilden, als beliebiges von einem Halbleitermaterial, einem isolierenden Material und einem leitenden Material verwendet werden. Das Metalloxid einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise für eine Halbleiterschicht eines Transistors verwendet werden. Das Metalloxid wird in einigen Fällen als Oxidhalbleiter oder Oxid bezeichnet.
Als Ausbildungsverfahren eines Metalloxids, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, wird ein Atomlagenabscheidungs- (atomic layer deposition, ALD-) Verfahren verwendet, und daher kann ein Film mit einer gleichmäßigen und sehr kleinen Dicke ausgebildet werden. Deshalb ist das Ausbildungsverfahren zum Ausbilden eines Metalloxids geeignet, das in einem miniaturisierten Transistor enthalten ist.
Bei dem Ausbildungsverfahren eines Metalloxids, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, wird ein organischer Vorläufer vorzugsweise verwendet. Die Verwendung eines organischen Vorläufers ermöglicht eine Abscheidung bei einer niedrigeren Temperatur als bei der Verwendung eines anorganischen Vorläufers. Es sei angemerkt, dass ein organischer Vorläufer ein Vorläufer ist, der als sein Bestandselement Kohlenstoff enthält, und ein anorganischer Vorläufer ein Vorläufer ist, der als sein Bestandselement keinen Kohlenstoff enthält.
Währenddessen könnte ein Metalloxidfilm, der unter Verwendung eines organischen Vorläufers ausgebildet wird, eine hohe Verunreinigungskonzentration (z. B. mindestens eine von einer Wasserstoffkonzentration, einer Kohlenstoffkonzentration und einer Stickstoffkonzentration) aufweisen. Des Weiteren ist es schwierig, Verunreinigungen in dem ausgebildeten Metalloxidfilm ausreichend zu entfernen, auch wenn eine Wärmebehandlung nach der Filmausbildung durchgeführt wird.
Angesichts dessen wird bei dem Ausbildungsverfahren eines Metalloxids, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, ein Vorläufer mit einer hohen Zersetzungstemperatur verwendet, und eine Abscheidung wird durchgeführt, während ein Substrat bei hoher Temperatur erwärmt wird. Unter Verwendung des Vorläufers mit einer hohen Zersetzungstemperatur kann eine Abscheidung bei einer hohen Substrattemperatur durchgeführt werden, wodurch ein Film mit geringen Verunreinigungen ausgebildet werden kann. Dies kann das Eindringen von Wasserstoff, der in einem Rohmaterial, wie z. B. einem Vorläufer, enthalten ist, in das Metalloxid verhindern. Daher kann auch das Eindringen von Kohlenstoff, Stickstoff und dergleichen, die in einem Rohmaterial, wie z. B. einem Vorläufer, enthalten sind, in das Metalloxid verhindert werden. Folglich kann die Verunreinigungskonzentration in dem Metalloxid verringert werden. Zudem kann ein Metalloxid mit hoher Kristallinität ausgebildet werden. Währenddessen umfasst das Ausbildungsverfahren keine Behandlung bei hoher Temperatur (beispielsweise eine Behandlung bei höher als 700 °C), die die maximale Temperatur in dem Herstellungsprozess eines Transistors oder einer Halbleitervorrichtung erhöht, und daher kann ein Metalloxid mit geringen Verunreinigungen ausgebildet werden, ohne die Produktivität zu verringern.
Bei dem Ausbildungsverfahren eines Metalloxids, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, wird eine Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung während der Abscheidung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre intermittierend durchgeführt. Indem die Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung während der Abscheidung durchgeführt wird, können Verunreinigungen sicherer als in dem Fall entfernt werden, in dem die Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung nach der Abscheidung durchgeführt wird. Daher kann verhindert werden, dass Wasserstoff, der in einem Rohmaterial, wie z. B. einem Vorläufer, enthalten ist, in dem Metalloxid verbleibt. Daher kann auch verhindert werden, dass Kohlenstoff, Stickstoff und dergleichen, die in einem Rohmaterial, wie z. B. einem Vorläufer, enthalten sind, in dem Metalloxid verbleiben. Folglich kann die Verunreinigungskonzentration in dem Metalloxid verringert werden. Zudem kann die Kristallinität des Metalloxids erhöht werden.
Wie vorstehend beschrieben worden ist, kann durch das Ausbildungsverfahren eines Metalloxids, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, ein Metalloxid mit geringen Verunreinigungen ausgebildet werden, welches für eine Halbleiterschicht eines miniaturisierten Transistors verwendet wird. Zudem kann durch das Ausbildungsverfahren eines Metalloxids, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, ein Metalloxid mit hoher Kristallinität ausgebildet werden, welches für eine Halbleiterschicht eines miniaturisierten Transistors verwendet wird. Folglich kann ein miniaturisierter Transistor mit vorteilhaften elektrischen Eigenschaften erzielt werden. Des Weiteren kann ein miniaturisierter Transistor mit hoher Zuverlässigkeit erzielt werden. Insbesondere wird ein Metalloxid mit einer CAAC-Struktur vorzugsweise ausgebildet.
Es sei angemerkt, dass ein anorganischer Vorläufer bei dem Ausbildungsverfahren eines Metalloxids, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, verwendet werden kann. Beispielsweise können sowohl ein organischer Vorläufer als auch ein anorganischer Vorläufer verwendet werden. Bei dem Ausbildungsverfahren eines Metalloxids, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, kann auch dann, wenn ein anorganischer Vorläufer verwendet wird, die Abscheidung während der Erwärmung eines Substrats und/oder die Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung verhindern, dass eine Verunreinigung, die aus einem Rohmaterial stammt, in dem Metalloxid verbleibt.
Insbesondere ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Ausbildungsverfahren eines Metalloxids, das umfasst: einen ersten Schritt, in dem eine erste Verbindung zu einer Kammer zugeführt wird und dann ein Oxidationsmittel zu der Kammer zugeführt wird, und einen zweiten Schritt, in dem eine zweite Verbindung zu der Kammer zugeführt wird und dann das Oxidationsmittel zu der Kammer zugeführt wird. Das Ausbildungsverfahren kann ferner einen dritten Schritt umfassen, in dem eine dritte Verbindung zu der Kammer zugeführt wird und dann das Oxidationsmittel zu der Kammer zugeführt wird.
Bei dem Ausbildungsverfahren eines Metalloxids, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, wird in jedem der ersten, zweiten und dritten Schritte ein Substrat, das in der Kammer platziert ist, bevorzugt auf höher als oder gleich 300 °C und niedriger als oder gleich 500 °C, bevorzugter auf höher als oder gleich 400 °C und niedriger als oder gleich 450 °C erwärmt. Zudem ist die Temperatur zum Erwärmen des Substrats vorzugsweise niedriger als die Zersetzungstemperaturen der ersten und zweiten Verbindungen. In dem Fall, in dem die dritte Verbindung verwendet wird, ist die Temperatur zum Erwärmen des Substrats vorzugsweise niedriger als die Zersetzungstemperatur der dritten Verbindung.
Bei dem Ausbildungsverfahren eines Metalloxids, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, wird es bevorzugt, dass jeder der ersten und zweiten Schritte einmal oder mehrmals durchgeführt wird und dann eine Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre durchgeführt wird. Bei der Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung werden Verunreinigungen von dem Metalloxidfilm abgegeben. Bei der Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung werden vorzugsweise Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und dergleichen von dem Metalloxidfilm abgegeben. Zudem wird vorzugsweise dem Metalloxid Sauerstoff durch die Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung zugeführt werden. In diesem Fall kann die Menge an Sauerstofffehlstellen (Vo) und Verunreinigungen in dem Metalloxid verringert werden. Unter Verwendung eines Metalloxids mit einer verringerten Menge an Sauerstofffehlstellen (Vo) und Verunreinigungen können die elektrischen Eigenschaften und die Zuverlässigkeit eines Transistors verbessert werden.
Beispiele für die Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung umfassen eine Plasmabehandlung, eine Mikrowellenbehandlung und eine Wärmebehandlung.
Wenn eine Plasmabehandlung oder eine Mikrowellenbehandlung durchgeführt wird, ist die Substrattemperatur vorzugsweise höher als oder gleich Raumtemperatur (z. B. 25 °C), höher als oder gleich 100 °C, höher als oder gleich 200 °C, höher als oder gleich 300 °C oder höher als oder gleich 400 °C und niedriger als oder gleich 500 °C oder niedriger als oder gleich 450 °C. Die Temperatur der Wärmebehandlung ist vorzugsweise höher als oder gleich 100 °C, höher als oder gleich 200 °C, höher als oder gleich 300 °C oder höher als oder gleich 400 °C und niedriger als oder gleich 500 °C oder niedriger als oder gleich 450 °C.
Die Temperatur der Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung wird besonders vorzugsweise auf niedriger als oder gleich der maximalen Temperatur in dem Herstellungsprozess eines Transistors oder einer Halbleitervorrichtung eingestellt, wobei in diesem Fall der Verunreinigungsgehalt in dem Metalloxid verringert werden kann, ohne die Produktivität zu verringern. Wenn beispielsweise die maximale Temperatur beim Herstellen eines Transistors oder einer Halbleitervorrichtung, der/die das Metalloxid einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst, niedriger als oder gleich 500 °C, bevorzugt niedriger als oder gleich 450 °C ist, kann die Produktivität des Transistors oder der Halbleitervorrichtung verbessert werden.
Zudem wird die Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung vorzugsweise bei einer Temperatur durchgeführt, die niedriger ist als die Zersetzungstemperaturen der ersten und zweiten Verbindungen. In dem Fall, in dem die dritte Verbindung verwendet wird, wird die Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung vorzugsweise bei einer Temperatur durchgeführt, die niedriger ist als die Zersetzungstemperatur der dritten Verbindung. Zudem kann die Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung bei höher als 500 °C (z. B. höher als 500 °C und niedriger als oder gleich 700 °C) durchgeführt werden.
Die Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung kann durchgeführt werden, während eine Bestrahlung mit Licht (z. B. UV-Licht) durchgeführt wird. Dies kann die Abgabe von Verunreinigungen fördern. Beispiele für eine Lichtquelle umfassen einen Laser und eine Quecksilberlampe. Beispielsweise wird ein Sauerstoffradikal durch Photoanregung erzeugt und reagiert mit Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff oder dergleichen, so dass Verunreinigungen in einem Film verringert werden können und eine Kristallisation gefördert werden kann. In einigen Fällen werden Verunreinigungen auch bei einer niedrigen Erwärmungstemperatur leichter in dem Fall, in dem eine Lichtbestrahlung durchgeführt wird, als in dem Fall entfernt, in dem keine Lichtbestrahlung durchgeführt wird.
Außerdem kann eine Lichtbestrahlung während der Abscheidung durchgeführt werden. Beispielsweise kann in dem ersten Schritt die Ausbildungsoberfläche des Metalloxids mit Licht bestrahlt werden, während der Kammer die erste Verbindung zugeführt wird und/oder während der Kammer das Oxidationsmittel zugeführt wird. Das Gleiche gilt auch für die zweiten und dritten Schritte.
Ein erster Zyklus umfasst das Durchführen jedes der ersten und zweiten Schritte einmal oder mehrmals und das Durchführen der Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, und der erste Zyklus wird vorzugsweise mehrmals wiederholt.
Alternativ umfasst der erste Zyklus das Durchführen jedes der ersten und zweiten Schritte einmal oder mehrmals und das Durchführen der Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, und ein zweiter Zyklus umfasst das Durchführen jedes der ersten und zweiten Schritte einmal oder mehrmals in der Reihenfolge, die sich von derjenigen des ersten Zyklus unterscheidet, und das Durchführen der Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre. Es wird bevorzugt, dass die ersten und zweiten Zyklen mehrmals abwechselnd durchgeführt werden.
In jedem der ersten und zweiten Zyklen wird die Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung vorzugsweise jedes Mal durchgeführt, wenn der erste Schritt oder der zweite Schritt, der weniger häufig ist, oder sowohl der erste Schritt als auch der zweite Schritt fünfmal oder mehr und zehnmal oder weniger durchgeführt werden.
Verunreinigungen können nur durch die Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung nach der Ausbildung des Metalloxids nicht ausreichend entfernt werden. Wenn die Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung intermittierend (mit einem Abstand) während der Abscheidung durchgeführt wird, können die Verunreinigungen in dem Metalloxid ausreichend entfernt werden.
Die ersten, zweiten und dritten Verbindungen können jeweils als Vorläufer bezeichnet werden. Die erste Verbindung wird durch eine der allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) dargestellt, die zweite Verbindung wird durch eine andere der allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) dargestellt, und die dritte Verbindung wird durch die noch andere der allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) dargestellt.
Das heißt, dass es drei mögliche Kombinationen der ersten und zweiten Verbindungen gibt: eine durch die allgemeine Formel (G1) dargestellte Verbindung und eine durch die allgemeine Formel (G2) dargestellte Verbindung, eine durch die allgemeine Formel (G1) dargestellte Verbindung und eine durch die allgemeine Formel (G3) dargestellte Verbindung, und eine durch die allgemeine Formel (G2) dargestellte Verbindung und eine durch die allgemeine Formel (G3) dargestellte Verbindung.
Eine der ersten, zweiten und dritten Verbindungen wird durch die allgemeine Formel (G1) dargestellt, eine andere wird durch die allgemeine Formel (G2) dargestellt, und die noch andere wird durch die allgemeine Formel (G3) dargestellt.
In den allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) stellt M Gallium (Ga), Aluminium (Al) oder Zinn (Sn) dar; R¹ bis R³ stellen jeweils unabhängig voneinander Wasserstoff (darunter auch Deuterium), Fluor, Chlor, Brom, Jod, Sauerstoff, Phosphor, Schwefel, eine Hydroxy-Gruppe, eine Thiol-Gruppe, eine Boryl-Gruppe, eine substituierte oder nicht substituierte Phosphanyl-Gruppe, eine substituierte oder nicht substituierte Alkyl-Gruppe mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Alkenyl-Gruppe mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Alkinyl-Gruppe mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Cycloalkyl-Gruppe mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Cycloalkenyl-Gruppe mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Cycloalkinyl-Gruppe mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Alkoxy-Gruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Alkylsulfanyl-Gruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte 1,3-Propandialdehyd-Gruppe, eine substituierte oder nicht substituierte Aryl-Gruppe mit 6 bis 30 Kohlenstoffatomen oder eine substituierte oder nicht substituierte Heteroaryl-Gruppe mit 2 bis 30 Kohlenstoffatomen dar, in der ein Ring durch eine Vielzahl von Elementen gebildet wird, die aus Kohlenstoff, Schwefel, Sauerstoff, Bor und Phosphor ausgewählt werden; m stellt eine ganze Zahl von 1 bis 3 dar; n stellt eine ganze Zahl von 1 bis 3 dar, wenn M Ga oder AI ist, und stellt eine ganze Zahl von 1 bis 4 dar, wenn M Sn ist; und k stellt 1 oder 2 dar. In dem Fall, in dem m 2 oder mehr ist, kann eine Vielzahl von R¹ gleich oder unterschiedlich sein und kann aneinander gebunden werden, um einen Ring zu bilden. In dem Fall, in dem n 2 oder mehr ist, kann eine Vielzahl von R² gleich oder unterschiedlich sein und kann aneinander gebunden werden, um einen Ring zu bilden. In dem Fall, in dem k 2 ist, kann eine Vielzahl von R³ gleich oder unterschiedlich sein und kann aneinander gebunden werden, um einen Ring zu bilden. Eine Bindung zwischen In und R¹, eine Bindung zwischen M und R², eine Bindung zwischen Zn und R³, eine Bindung zwischen der Vielzahl von R¹, eine Bindung zwischen der Vielzahl von R² und eine Bindung zwischen der Vielzahl von R³ sind jeweils eine Einfachbindung, eine Doppelbindung oder eine Dreifachbindung.
In den allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) ist mindestens eines von m, n und k vorzugsweise 2 oder mehr. In dem Fall, in dem m 2 ist, sind zwei R¹ vorzugsweise unterschiedlich voneinander. In dem Fall, in dem m 3 ist, ist mindestens eines von R¹ vorzugsweise unterschiedlich von den anderen R¹. In dem Fall, in dem n 2 ist, sind zwei R² vorzugsweise unterschiedlich voneinander. In dem Fall, in dem n 3 oder mehr ist, ist mindestens eines von R² vorzugsweise unterschiedlich von den anderen R². In dem Fall, in dem k 2 ist, sind zwei R³ vorzugsweise unterschiedlich voneinander.
Zwei R¹ sind vorzugsweise unterschiedlich voneinander oder mindestens eines der Vielzahl von R¹ ist vorzugsweise unterschiedlich von den anderen R¹, wobei in diesem Fall die Art eines Gases, das aus R¹ stammt und während der Abscheidung in der Kammer erzeugt wird, insbesondere eines Gases einer Verbindung, in der eine Bindung an ein Metall gespalten wird und ein Proton dazu hinzugefügt wird, zwei oder mehr wird, so dass das Ablassen von der Kammer effizient durchgeführt werden kann und die Reinheit eines ausgebildeten Films erhöht werden kann. Zudem kann auch die Zersetzung des Vorläufers in der Kammer durch die Erwärmung verhindert werden, was auch bevorzugt wird. Das Gleiche gilt auch für R² und R³.
In den allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) wird es bevorzugt, dass R¹ bis R³ jeweils unabhängig voneinander Wasserstoff (darunter auch Deuterium), Fluor, Chlor, Brom, Jod, Sauerstoff, Phosphor, Schwefel, eine Hydroxy-Gruppe, eine Thiol-Gruppe, eine Boryl-Gruppe, eine substituierte oder nicht substituierte Phosphanyl-Gruppe, eine substituierte oder nicht substituierte Alkyl-Gruppe mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Cycloalkyl-Gruppe mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Alkoxy-Gruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Acetylaceton-Gruppe mit 3 bis 20 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Phenyl-Gruppe, eine substituierte oder nicht substituierte Furanyl-Gruppe oder eine substituierte oder nicht substituierte Thienyl-Gruppe darstellen.
Beispiele für die Alkyl-Gruppe mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen umfassen eine Methyl-Gruppe, eine Ethyl-Gruppe, eine Propyl-Gruppe, eine Isopropyl-Gruppe, eine Butyl-Gruppe, eine sec-Butyl-Gruppe, eine Isobutyl-Gruppe, eine tert-Butyl-Gruppe, eine Pentyl-Gruppe, eine Isopentyl-Gruppe, eine sec-Pentyl-Gruppe, eine tert-Pentyl-Gruppe, eine Neopentyl-Gruppe, eine Hexyl-Gruppe, eine Isohexyl-Gruppe, eine Heptyl-Gruppe, eine Octyl-Gruppe, eine 3-Methylpentyl-Gruppe, eine 2-Methylpentyl-Gruppe, eine 2-Ethylbutyl-Gruppe, eine 1,2-Dimethylbutyl-Gruppe und eine 2,3-Dimethylbutyl-Gruppe.
Beispiele für die Alkenyl-Gruppe mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen umfassen eine Ethenyl-Gruppe, eine 1-Propenyl-Gruppe, eine Allyl-Gruppe, eine 1-Butenyl-Gruppe, eine 2-Butenyl-Gruppe, eine 3-Butenyl-Gruppe, eine sec-Butenyl-Gruppe, eine Isobutenyl-Gruppe, eine 1-Pentenyl-Gruppe, eine 2-Pentenyl-Gruppe, eine 3-Pentenyl-Gruppe, eine 4-Pentenyl-Gruppe, eine Isopentenyl-Gruppe, eine 1-Hexenyl-Gruppe, eine 2-Hexenyl-Gruppe, eine 3-Hexenyl-Gruppe, eine 4-Hexenyl-Gruppe, eine 5-Hexenyl-Gruppe, eine 1-Heptenyl-Gruppe, eine 2-Heptenyl-Gruppe, eine 3-Heptenyl-Gruppe, eine 4-Heptenyl-Gruppe, eine 5-Heptenyl-Gruppe, eine 6-Heptenyl-Gruppe, eine 1-Octenyl-Gruppe, eine 2-Octenyl-Gruppe, eine 3-Octenyl-Gruppe, eine 4-Octenyl-Gruppe, eine 5-Octenyl-Gruppe, eine 6-Octenyl-Gruppe und eine 7-Octenyl-Gruppe.
Beispiele für die Alkinyl-Gruppe mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen umfassen eine Ethynyl-Gruppe, eine 1-Propynyl-Gruppe, eine 2-Propynyl-Gruppe, eine 1-Butynyl-Gruppe, eine 2-Butynyl-Gruppe, eine 3-Butynyl-Gruppe, eine sec-Butynyl-Gruppe, eine Isobutynyl-Gruppe, eine 1-Pentynyl-Gruppe, eine 2-Pentynyl-Gruppe, eine 3-Pentynyl-Gruppe, eine 4-Pentyny-Gruppe, eine Isopentynyl-Gruppe, eine 1-Hexynyl-Gruppe, eine 2-Hexynyl-Gruppe, eine 3-Hexynyl-Gruppe, eine 4-Hexynyl-Gruppe, eine 5-Hexynyl-Gruppe, eine 1-Heptynyl-Gruppe, eine 2-Heptynyl-Gruppe, eine 3-Heptynyl-Gruppe, eine 4-Heptynyl-Gruppe, eine 5-Heptynyl-Gruppe, eine 6-Heptynyl-Gruppe, eine 1-Octynyl-Gruppe, eine 2-Octynyl-Gruppe, eine 3-Octynyl-Gruppe, eine 4-Octynyl-Gruppe, eine 5-Octynyl-Gruppe, eine 6-Octynyl-Gruppe und eine 7-Octynyl-Gruppe.
Beispiele für die Cycloalkyl-Gruppe mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen umfassen eine Cyclopropyl-Gruppe, eine Cyclobutyl-Gruppe, eine Cyclopentyl-Gruppe, eine Cyclohexyl-Gruppe, eine 1-Methylcyclohexyl-Gruppe, eine Cycloheptyl-Gruppe, eine 1-Adamantyl-Gruppe und eine 2-Adamantyl-Gruppe.
Beispiele für die Cycloalkenyl-Gruppe mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen umfassen eine 1-Cyclopropenyl-Gruppe, eine 3-Cyclopropenyl-Gruppe, eine 1-Cyclobutenyl-Gruppe, eine 3-Cyclobutenyl-Gruppe, eine 1-Cyclopentenyl-Gruppe, eine 3-Cyclopentenyl-Gruppe, eine 4-Cyclopentenyl-Gruppe, eine 1-Cyclohexenyl-Gruppe, eine 3-Cyclohexenyl-Gruppe, eine 4-Cyclohexenyl-Gruppe, eine 1-Methyl-2-cyclohexenyl-Gruppe, eine 1-Methyl-3-cyclohexenyl-Gruppe, eine 1-Methyl-4-cyclohexenyl-Gruppe, eine 1-Methyl-5-cyclohexenyl-Gruppe, eine 1-Cycloheptenyl-Gruppe, eine 3-Cycloheptenyl-Gruppe, eine 4-Cycloheptenyl-Gruppe und eine 5-Cycloheptenyl-Gruppe.
Beispiele für die Cycloalkinyl-Gruppe mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen umfassen eine Cyclopropynyl-Gruppe, eine Cyclobutynyl-Gruppe, eine 3-Cyclopentynyl-Gruppe, eine 4-Cyclopentynyl-Gruppe, eine 3-Cyclohexynyl-Gruppe, eine 4-Cyclohexynyl-Gruppe, eine 3-Cycloheptynyl-Gruppe, eine 4-Cycloheptynyl-Gruppe und eine 5-Cycloheptynyl-Gruppe.
Beispiele für die Alkoxy-Gruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen umfassen eine Methoxy-Gruppe, eine Ethoxy-Gruppe, eine Propoxy-Gruppe, eine Isopropoxy-Gruppe, eine t-Butoxy-Gruppe, eine sec-Butoxy-Gruppe, eine Isobutoxy-Gruppe, eine Pentyloxy-Gruppe, eine Octyloxy-Gruppe, eine Allyloxy-Gruppe, eine Cyclohexyloxy-Gruppe, eine Phenoxy-Gruppe und eine BenzyloxyGruppe.
Beispiele für die Alkylsulfanyl-Gruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen umfassen eine Methylsulfanyl-Gruppe und eine Ethylsulfanyl-Gruppe.
Beispiele für die Aryl-Gruppe mit 6 bis 30 Kohlenstoffatomen umfassen eine Phenyl-Gruppe, eine Biphenyl-Gruppe, eine Naphthyl-Gruppe, eine Fluorenyl-Gruppe und eine Phenanthrenyl-Gruppe. Es wird bevorzugt, dass die Aryl-Gruppe in einem Film nach der Abscheidung nicht verbleibt. In dem Fall, in dem eine Bindung zwischen der Aryl-Gruppe und einem Metall gespalten wird, weist eine Verbindung, in der ein Proton an die gespaltene Bindung gebunden ist, vorzugsweise einen niedrigen Siedepunkt auf, wobei in diesem Fall die Verbindung leicht von der Kammer abgelassen wird und mit geringerer Wahrscheinlichkeit in dem Film verbleibt. Es wird besonders bevorzugt, eine Phenyl-Gruppe zu verwenden, die einen niedrigen Siedepunkt und die niedrigste Molekülmenge unter den spezifischen Beispielen für die Aryl-Gruppe aufweist. Insbesondere wird dann, wenn eine Bindung zwischen einer Phenyl-Gruppe und einem Metall gespalten wird und ein Proton an die gespaltene Bindung gebunden wird, Benzol erhalten. Benzol weist einen Siedepunkt von 78 °C unter atmosphärischem Druck auf und befindet sich als Gas in einer Kammer und wird daher leicht evakuiert.
Beispiele für die Heteroaryl-Gruppe mit 2 bis 30 Kohlenstoffatomen, in der ein Ring durch eine Vielzahl von Elementen gebildet wird, die aus Kohlenstoff, Schwefel, Sauerstoff, Bor und Phosphor ausgewählt werden, umfassen eine Furanyl-Gruppe, eine Benzofuranyl-Gruppe, eine Dibenzofuranyl-Gruppe, eine Thienyl-Gruppe, eine Benzothienyl-Gruppe, eine Dibenzothienyl-Gruppe und einen Substituenten mit einem Cumarin-Gerüst. Es wird bevorzugt, dass die Heteroaryl-Gruppe in einem Film nach der Abscheidung nicht verbleibt. In dem Fall, in dem eine Bindung zwischen der Heteroaryl-Gruppe und einem Metall gespalten wird, weist eine Verbindung, in der ein Proton an die gespaltene Bindung gebunden ist, vorzugsweise einen niedrigen Siedepunkt auf, wobei in diesem Fall die Verbindung leicht von der Kammer abgelassen wird und mit geringerer Wahrscheinlichkeit in dem Film verbleibt. Es wird besonders bevorzugt, eine Furanyl-Gruppe oder eine Thienyl-Gruppe zu verwenden, die eine niedrige Molekülmenge und einen niedrigen Siedepunkt unter den spezifischen Beispielen für die Heteroaryl-Gruppe aufweisen.
In dem Fall, in dem die Alkyl-Gruppe, die Alkenyl-Gruppe, die Alkinyl-Gruppe, die Cycloalkyl-Gruppe, die Cycloalkenyl-Gruppe, die Cycloalkinyl-Gruppe, die Alkoxy-Gruppe, die Alkylsulfanyl-Gruppe, die 1,3-Propandialdehyd-Gruppe, die Phosphanyl-Gruppe, die Aryl-Gruppe und die Heteroaryl-Gruppe jeweils einen Substituenten umfassen, umfassen Beispiele für den Substituenten Zinn, Aluminium, Fluor, Chlor, Brom, Jod, Sauerstoff, Phosphor, Schwefel, eine Hydroxy-Gruppe, eine Thiol-Gruppe, eine Boryl-Gruppe, eine substituierte oder nicht substituierte Phosphanyl-Gruppe, eine Alkyl-Gruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, eine Alkenyl-Gruppe mit 2 bis 4 Kohlenstoffatomen, eine Alkinyl-Gruppe mit 2 bis 4 Kohlenstoffatomen, eine Cycloalkyl-Gruppe mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen, eine Cycloalkenyl-Gruppe mit 3 bis 6 Kohlenstoffatomen, eine Cycloalkinyl-Gruppe mit 3 bis 6 Kohlenstoffatomen, eine Alkoxy-Gruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, eine Alkylsulfanyl-Gruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, eine 1,3-Propandialdehyd-Gruppe, eine Aryl-Gruppe mit 6 bis 13 Kohlenstoffatomen und eine Heteroaryl-Gruppe mit 2 bis 30 Kohlenstoffatomen, in der ein Ring durch eine Vielzahl von Elementen gebildet wird, die aus Kohlenstoff, Schwefel, Sauerstoff, Bor und Phosphor ausgewählt werden. Spezifische Beispiele für diese Gruppen sind diejenigen, die vorstehend beschrieben worden sind. Eine Vielzahl von Substituenten kann aneinander gebunden werden, um einen Ring zu bilden. Die Bindung ist eine Einfachbindung, eine Doppelbindung oder eine Dreifachbindung.
Beispiele für eine Verbindung, die durch die allgemeine Formel (G2) dargestellt wird, umfassen Verbindungen, die durch allgemeine Formeln (G4) bis (G6) dargestellt werden.
In den allgemeinen Formeln (G4) bis (G6) stellt R² Wasserstoff (darunter auch Deuterium), Fluor, Chlor, Brom, Jod, Sauerstoff, Phosphor, Schwefel, eine Hydroxy-Gruppe, eine Thiol-Gruppe, eine Boryl-Gruppe, eine substituierte oder nicht substituierte Phosphanyl-Gruppe, eine substituierte oder nicht substituierte Alkyl-Gruppe mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Alkenyl-Gruppe mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Alkinyl-Gruppe mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Cycloalkyl-Gruppe mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Cycloalkenyl-Gruppe mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Cycloalkinyl-Gruppe mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Alkoxy-Gruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Alkylsulfanyl-Gruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte 1,3-Propandialdehyd-Gruppe, eine substituierte oder nicht substituierte Aryl-Gruppe mit 6 bis 30 Kohlenstoffatomen oder eine substituierte oder nicht substituierte Heteroaryl-Gruppe mit 2 bis 30 Kohlenstoffatomen dar, in der ein Ring durch eine Vielzahl von Elementen gebildet wird, die aus Kohlenstoff, Schwefel, Sauerstoff, Bor und Phosphor ausgewählt werden; p stellt eine ganze Zahl von 1 bis 3 dar; q stellt eine ganze Zahl von 1 bis 3 dar; und r stellt eine ganze Zahl von 1 bis 4 dar. In dem Fall, in dem in der allgemeinen Formel (G4) p 2 oder mehr ist, kann eine Vielzahl von R² gleich oder unterschiedlich sein und kann aneinander gebunden werden, um einen Ring zu bilden. In dem Fall, in dem in der allgemeinen Formel (G5) q 2 oder mehr ist, kann eine Vielzahl von R² gleich oder unterschiedlich sein und kann aneinander gebunden werden, um einen Ring zu bilden. In dem Fall, in dem in der allgemeinen Formel (G6) r 2 oder mehr ist, kann eine Vielzahl von R² gleich oder unterschiedlich sein und kann aneinander gebunden werden, um einen Ring zu bilden. Eine Bindung zwischen der Vielzahl von R², eine Bindung zwischen Ga und R², eine Bindung zwischen AI und R² und eine Bindung zwischen Sn und R² sind jeweils eine Einfachbindung, eine Doppelbindung oder eine Dreifachbindung.
Verbindungen, die durch die allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) dargestellt werden, enthalten keinen Stickstoff. Wie Gallium, das ein Beispiel für ein Element ist, das ein Metalloxid bildet, weist Stickstoff eine Valenz von drei auf und tritt daher in einigen Fällen unabsichtlich in das Metalloxid ein. Wenn ein Metalloxid unter Verwendung einer keinen Stickstoff enthaltenden Verbindung als Vorläufer ausgebildet wird, kann verhindert werden, dass Stickstoff unabsichtlich in das Metalloxid eindringt. Folglich kann die Verunreinigungskonzentration in dem Metalloxid verringert werden.
Unter Verbindungen, die durch die allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) dargestellt werden, wird vorzugsweise eine Verbindung verwendet, die bei Raumtemperatur und normalem Druck (z. B. bei 25 °C und 1 atm) eine Flüssigkeit ist. Alternativ wird unter den Verbindungen, die durch die allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) dargestellt werden, vorzugsweise eine Verbindung verwendet, die bei Raumtemperatur und normalem Druck ein Feststoff ist. Eine Verbindung, die bei Raumtemperatur und normalem Druck eine Flüssigkeit oder ein Feststoff ist, wird bevorzugt, da sie leichter als eine Verbindung, die bei Raumtemperatur und normalem Druck ein Gas ist, gehandhabt wird.
Bei dem Ausbildungsverfahren eines Metalloxids, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, wird ein Material mit hoher Reinheit vorzugsweise verwendet. Beispielsweise ist in den durch die allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) dargestellten Verbindungen die Reinheit eines Metallelements (In, Ga, Zn, AI oder Sn), das die Verbindung bildet, bevorzugt höher als oder gleich 3N (99,9 %), bevorzugter höher als oder gleich 4N (99,99 %), noch bevorzugter höher als oder gleich 5N (99,999 %), sogar noch bevorzugter höher als oder gleich 6N (99,9999 %). Unter Verwendung eines Materials mit hoher Reinheit kann die Menge an Verbindungen in dem Metalloxid verringert werden.
Spezifische Beispiele für die durch die allgemeine Formel (G1) dargestellte Verbindung umfassen Verbindungen, die durch Strukturformeln (101) bis (197) dargestellt werden. Spezifische Beispiele für die durch die allgemeine Formel (G2) dargestellte Verbindung umfassen Verbindungen, die durch Strukturformeln (201) bis (297), Strukturformeln (301) bis (411) und Strukturformeln (501) bis (771) dargestellt werden. Spezifische Beispiele für die durch die allgemeine Formel (G3) dargestellte Verbindung umfassen Verbindungen, die durch Strukturformeln (801) bis (864) dargestellt werden. Es sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt ist.
<Metalloxid>
Ein Metalloxid weist in einigen Fällen einen Gitterdefekt auf. Beispiele für den Gitterdefekt umfassen Punktdefekte, wie z. B. eine atomare Fehlstelle und ein exotisches Atom, lineare Defekte, wie z. B. eine Versetzung, Flächendefekte, wie z. B. eine Kristallkorngrenze, und Volumendefekte, wie z. B. einen Hohlraum. Beispiele für einen Faktor beim Erzeugen eines Gitterdefekts umfassen eine Abweichung des Anteils der Atomanzahl in Bestandselementen (einen Überschuss oder einen Mangel an Atomen als Bestandteil) und eine Verunreinigung.
Wenn ein Metalloxid für eine Halbleiterschicht eines Transistors verwendet wird, könnte ein Gitterdefekt in dem Metalloxid die Erzeugung, den Einfang oder dergleichen eines Ladungsträgers verursachen. Wenn ein Metalloxid mit einer großen Anzahl von Gitterdefekten für eine Halbleiterschicht eines Transistors verwendet wird, könnten daher die elektrischen Eigenschaften des Transistors unstabil sein. Deshalb weist ein Metalloxid, das für eine Halbleiterschicht eines Transistors verwendet wird, vorzugsweise eine kleine Anzahl von Gitterdefekten auf.
Bezüglich eines Transistors, bei dem ein Metalloxid verwendet wird, werden dann, wenn insbesondere Sauerstofffehlstellen (Vo) und Verunreinigungen in einem Kanalbildungsbereich des Metalloxids vorhanden sind, die elektrischen Eigenschaften des Transistors leicht verändert und seine Zuverlässigkeit könnte verschlechtert werden. In einigen Fällen bildet Wasserstoff in der Umgebung einer Sauerstofffehlstelle einen Defekt, der eine Sauerstofffehlstelle ist, in die Wasserstoff eindringt (nachstehend in einigen Fällen als VoH bezeichnet), was ein als Ladungsträger dienendes Elektron erzeugt. Deshalb ist es wahrscheinlich, dass dann, wenn der Kanalbildungsbereich in dem Metalloxid Sauerstofffehlstellen enthält, der Transistor selbstleitende Eigenschaften aufweist (ein Kanal wird erzeugt, auch wenn keine Spannung an eine Gate-Elektrode angelegt wird, und ein Strom durch den Transistor fließt). Daher werden die Sauerstofffehlstellen und die Verunreinigungen in dem Kanalbildungsbereich des Metalloxids vorzugsweise so weit wie möglich verringert. Mit anderen Worten: Das Metalloxid umfasst vorzugsweise einen i-Typ- (intrinsischen) oder im Wesentlichen i-Typ-Kanalbildungsbereich mit einer niedrigen Ladungsträgerkonzentration.
Die Art eines Gitterdefekts, der wahrscheinlich in einem Metalloxid vorhanden ist, und die Anzahl von Gitterdefekten, die vorhanden sind, variieren abhängig von der Struktur des Metalloxids, einem Verfahren zum Ausbilden des Metalloxids oder dergleichen.
Strukturen von Metalloxiden werden in eine einkristalline Struktur und weitere Strukturen (nicht-einkristalline Strukturen) klassifiziert. Beispiele für nicht-einkristalline Strukturen umfassen eine CAAC-Struktur, eine polykristalline Struktur, eine nc-Struktur, eine amorphähnliche (a-ähnliche) Struktur und eine amorphe Struktur. Eine a-ähnliche Struktur weist eine Struktur zwischen einer nc-Struktur und einer amorphen Struktur auf. Es sei angemerkt, dass die Klassifizierung von Kristallstrukturen später beschrieben wird.
Ein Metalloxid mit einer a-ähnlichen Struktur und ein Metalloxid mit einer amorphen Struktur enthalten jeweils einen Hohlraum oder einen Bereich mit niedriger Dichte. Das heißt, dass ein Metalloxid mit einer a-ähnlichen Struktur und ein Metalloxid mit einer amorphen Struktur jeweils eine niedrigere Kristallinität aufweisen als ein Metalloxid mit einer nc-Struktur und ein Metalloxid mit einer CAAC-Struktur. Außerdem weist ein Metalloxid mit einer a-ähnlichen Struktur eine höhere Wasserstoffkonzentration in dem Metalloxid auf als ein Metalloxid mit einer nc-Struktur und ein Metalloxid mit einer CAAC-Struktur. Daher ist es wahrscheinlich, dass ein Gitterdefekt in einem Metalloxid mit einer a-ähnlichen Struktur und einem Metalloxid mit einer amorphen Struktur erzeugt wird.
Deshalb wird vorzugsweise ein Metalloxid mit hoher Kristallinität für eine Halbleiterschicht eines Transistors verwendet. Beispielsweise wird vorzugsweise ein Metalloxid mit einer CAAC-Struktur oder ein Metalloxid mit einer einkristallinen Struktur verwendet. Indem das Metalloxid für einen Transistor verwendet wird, kann der Transistor vorteilhafte elektrische Eigenschaften aufweisen. Außerdem kann der Transistor eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen.
Für den Kanalbildungsbereich eines Transistors wird vorzugsweise ein Metalloxid verwendet, das den Durchlassstrom des Transistors erhöht. Um den Durchlassstrom des Transistors zu erhöhen, wird die Beweglichkeit des Metalloxids erhöht, das für den Transistor verwendet wird. Um die Beweglichkeit des Metalloxids zu erhöhen, muss die Übertragung von Ladungsträgern (Elektronen im Falle eines n-Kanal-Transistors) gefördert werden oder müssen Streufaktoren, die zu der Ladungsträgerübertragung beeinflussen, verringert werden. Es sei angemerkt, dass die Ladungsträger von der Source über den Kanalbildungsbereich zu dem Drain fließen. Somit kann der Durchlassstrom des Transistors erhöht werden, indem ein Kanalbildungsbereich bereitgestellt wird, über den Ladungsträger leicht in die Kanallängsrichtung fließen können.
Hier wird vorzugsweise ein Metalloxid mit hoher Kristallinität für ein Metalloxid verwendet, das einen Kanalbildungsbereich umfasst. Der Kristall weist vorzugsweise eine Kristallstruktur auf, bei der eine Vielzahl von Schichten (z. B. eine erste Schicht, eine zweite Schicht und eine dritte Schicht) übereinander angeordnet ist. Das heißt, dass der Kristall eine geschichtete Kristallstruktur (auch als geschichteter Kristall oder geschichtete Struktur bezeichnet) aufweist. Dabei ist die Richtung der c-Achse des Kristalls die Richtung, in der die Vielzahl von Schichten übereinander angeordnet ist. Beispiele für ein Metalloxid, das den Kristall umfasst, umfassen einen einkristallinen Oxidhalbleiter und einen Oxidhalbleiter mit Ausrichtung bezüglich der c-Achse (c-axis aligned crystalline oxide semiconductor, CAAC-OS).
Die c-Achse des vorstehenden Kristalls ist vorzugsweise in der normalen Richtung bezüglich der Bildungsoberfläche oder der Filmoberfläche des Metalloxids ausgerichtet. Dies ermöglicht, dass die Vielzahl von Schichten parallel oder im Wesentlichen parallel zu der Bildungsoberfläche oder der Filmoberfläche des Metalloxids angeordnet wird. Mit anderen Worten: Die Vielzahl von Schichten erstreckt sich in der Kanallängsrichtung.
Beispielsweise ist die vorstehende geschichtete Kristallstruktur, die drei Schichten umfasst, wie folgt. Die erste Schicht weist eine Koordinationsgeometrie von Atomen auf, die eine oktaedrische Struktur von Sauerstoff aufweist, bei der sich ein in der ersten Schicht enthaltenes Metall in dem Mittelpunkt befindet. Die zweite Schicht weist eine Koordinationsgeometrie von Atomen auf, die eine trigonale bipyramidale oder tetraedrische Struktur von Sauerstoff aufweist, bei der sich ein in der zweiten Schicht enthaltenes Metall in dem Mittelpunkt befindet. Die dritte Schicht weist eine Koordinationsgeometrie von Atomen auf, die eine trigonale bipyramidale oder tetraedrische Struktur von Sauerstoff aufweist, bei der sich ein in der dritten Schicht enthaltenes Metall in dem Mittelpunkt befindet.
Beispiele für die Kristallstruktur des vorstehenden Kristalls umfassen eine YbFe₂O₄-Struktur, eine Yb₂Fe₃O₇-Struktur, ihre deformierte nStrukturen und dergleichen.
Vorzugsweise besteht jede der ersten bis dritten Schichten aus einem Metallelement oder einer Vielzahl von Metallelementen, die die gleiche Valenz aufweisen, und Sauerstoff. Die Valenz des einen oder der Vielzahl von in der ersten Schicht enthaltenen Metallelementen ist vorzugsweise gleich der Valenz des einen oder der Vielzahl von in der zweiten Schicht enthaltenen Metallelementen. Die erste Schicht und die zweite Schicht können das gleiche Metallelement enthalten. Die Valenz des einen oder der Vielzahl von in der ersten Schicht enthaltenen Metallelementen unterscheidet sich vorzugsweise von der Valenz des einen oder der Vielzahl von in der dritten Schicht enthaltenen Metallelementen.
Die vorstehende Struktur kann die Kristallinität des Metalloxids erhöhen, was zu einer Erhöhung der Beweglichkeit des Metalloxids führt. Daher wird, indem das Metalloxid für den Kanalbildungsbereich des Transistors verwendet wird, der Durchlassstrom des Transistors erhöht, was zu einer Verbesserung der elektrischen Eigenschaften des Transistors führt.
Das Metalloxid einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält vorzugsweise mindestens Indium oder Zink. Insbesondere sind vorzugsweise Indium und Zink enthalten. Zusätzlich zu ihnen ist vorzugsweise mindestens ein Metallelement enthalten, das die gleiche Valenz wie Indium oder Zink aufweist. Beispiele für das Metallelement umfassen Gallium, Aluminium und Zinn. Ferner können ein oder mehrere Elemente enthalten sein, die aus Yttrium, Bor, Titan, Eisen, Nickel, Germanium, Zirconium, Molybdän, Lanthan, Cer, Neodym, Hafnium, Tantal, Wolfram, Magnesium, Calcium, Kobalt und dergleichen ausgewählt werden.
Hier wird der Fall in Betracht gezogen, in dem es sich bei dem Metalloxid um ein In-M-Zn-Oxid handelt, das Indium (In), ein Element M und Zink (Zn) enthält. Es sei angemerkt, dass das Element M Aluminium, Gallium, Yttrium oder Zinn ist. Weitere Beispiele für das Element, das als Element M verwendet werden kann, umfassen Yttrium, Bor, Titan, Eisen, Nickel, Germanium, Zirconium, Molybdän, Lanthan, Cer, Neodym, Hafnium, Tantal, Wolfram, Magnesium Calcium und Kobalt. Es sei angemerkt, dass in einigen Fällen zwei oder mehr der vorstehenden Elemente in Kombination als Element M verwendet werden können.
Beispiele für das Metalloxid einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen Indium-Zink-Oxid (In-Zn-Oxid), Indium-Zinn-Oxid (In-Sn-Oxid), Indium-Gallium-Oxid (In-Ga-Oxid), Indium-Gallium-Aluminium-Oxid (In-Ga-Al-Oxid), Indium-Gallium-Zinn-Oxid (In-Ga-Sn-Oxid), Gallium-Zink-Oxid (auch als Ga-Zn-Oxid oder GZO bezeichnet), Aluminium-Zink-Oxid (AI-Zn-Oxid), Indium-Aluminium-Zink-Oxid (auch als In-AI-Zn-Oxid oder IAZO bezeichnet), Indium-Zinn-Zink-Oxid (auch als In-Sn-Zn-Oxid oder ITZO (eingetragenes Warenzeichen) bezeichnet), Indium-Gallium-Zink-Oxid (auch als In-Ga-Zn-Oxid oder IGZO bezeichnet), Indium-Gallium-Zinn-Zink-Oxid (auch als In-Ga-Sn-Zn-Oxid oder IGZTO bezeichnet) und Indium-Gallium-Aluminium-Zink-Oxid (auch als In-Ga-AI-Zn-Oxid, IGAZO, IGZAO oder IAGZO bezeichnet).
Bei dieser Ausführungsform wird in einigen Fällen In-Ga-Zn-Oxid als Beispiel für ein Metalloxid beschrieben.
Zur Ausbildung eines Metalloxids mit der geschichteten Kristallstruktur wird vorzugsweise eine Atomschicht zu einer Zeit ausgebildet. Da ein ALD-Verfahren für das Ausbildungsverfahren eines Metalloxids, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, verwendet wird, wird ein Metalloxid mit der geschichteten Kristallstruktur leicht ausgebildet.
Beispiele für das ALD-Verfahren umfassen ein thermisches ALD-Verfahren, bei dem ein Vorläufer und ein Reaktant lediglich durch thermische Energie miteinander reagieren, und ein plasmagestütztes ALD- (plasma enhanced ALD, PEALD-) Verfahren, bei dem ein durch Plasma angeregter Reaktant verwendet wird.
Bei einem ALD-Verfahren kann eine Atomschicht zu einer Zeit ausgebildet werden, und das ALD-Verfahren weist verschiedene Vorteile auf, wie z. B. die Ausbildung eines extrem dünnen Films, die Abscheidung auf einer Komponente mit einem hohen Seitenverhältnis, die Ausbildung eines Films mit geringen Defekten wie z. B. Nadellöchern, die Abscheidung mit einer ausgezeichneten Abdeckung und die Abscheidung bei niedriger Temperatur. Ein PEALD-Verfahren unter Verwendung von Plasma ist vorzuziehen, da die Abscheidung bei niedriger Temperatur in einigen Fällen möglich ist. Es sei angemerkt, dass einige bei dem ALD-Verfahren verwendete Vorläufer ein Element, wie z. B. Kohlenstoff oder Chlor, enthalten. Daher enthält ein Film, der durch das ALD-Verfahren ausgebildet wird, in einigen Fällen eine größere Menge an einem Element, wie z. B. Kohlenstoff oder Chlor, als ein Film, der durch ein anderes Abscheidungsverfahren ausgebildet wird. Es sei angemerkt, dass diese Elemente durch XPS oder SIMS quantifiziert werden können. Das Ausbildungsverfahren eines Metalloxids, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, bei dem ein ALD-Verfahren und eine Abscheidungsbedingung mit einer hohen Substrattemperatur und/oder eine Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung verwendet werden, könnte einen Film mit geringeren Mengen an Kohlenstoff und Chlor ausbilden als ein Verfahren, bei dem ein ALD-Verfahren und weder die Bedingung noch die Behandlung verwendet werden.
Im Unterschied zu einem Abscheidungsverfahren, bei dem Teilchen abgeschieden werden, die von einem Target oder dergleichen abgegeben werden, wird bei einem ALD-Verfahren ein Film durch eine Reaktion an einer Oberfläche eines zu verarbeitenden Gegenstands ausgebildet. Daher ist ein ALD-Verfahren ein Abscheidungsverfahren, das mit geringerer Wahrscheinlichkeit von der Form eines zu verarbeitenden Gegenstands beeinflusst wird und daher eine vorteilhafte Stufenabdeckung ermöglicht. Insbesondere ermöglicht beispielsweise ein ALD-Verfahren eine ausgezeichnete Stufenabdeckung und ausgezeichnete Gleichmäßigkeit der Dicke, und es ist daher zum Bedecken einer Oberfläche eines Öffnungsabschnitts mit einem hohen Seitenverhältnis geeignet. Andererseits weist ein ALD-Verfahren eine relativ niedrige Abscheidungsrate auf; daher wird es in einigen Fällen vorzugsweise in Kombination mit einem weiteren Abscheidungsverfahren mit hoher Abscheidungsrate, wie z. B. einem CVD-Verfahren, verwendet.
Wenn ein ALD-Verfahren verwendet wird, kann die Zusammensetzung eines auszubildenden Films durch die Menge an eingeleiteten Quellengasen gesteuert werden. Beispielsweise kann bei einem ALD-Verfahren ein Film mit einer bestimmten Zusammensetzung durch Regulierung der Menge der eingeleiteten Quellengase, der Häufigkeit der Einleitung (auch als Impulshäufigkeit bezeichnet) und der Zeit, die für einen Impuls benötigt wird (auch als Impulszeit bezeichnet), ausgebildet werden. Außerdem kann beispielsweise ein Film ausgebildet werden, dessen Zusammensetzung sich stetig ändert, indem das Quellengas während der Abscheidung in einem ALD-Verfahren geändert wird. In dem Fall, in dem ein Film während der Änderung des Quellengases ausgebildet wird, kann im Vergleich zu dem Fall, in dem ein Film unter Verwendung einer Vielzahl von Abscheidungskammern ausgebildet wird, die Zeitdauer zur Abscheidung verringert werden, da die Zeitdauer zum Übertragen und zum Regulieren des Drucks ausgelassen wird. Daher kann die Produktivität der Halbleitervorrichtung in einigen Fällen verbessert werden.
<Transistor, der ein Metalloxid umfasst>
Als Nächstes wird ein Transistor, der ein Metalloxid (Oxidhalbleiter) umfasst, beschrieben. Nachstehend wird ein Transistor, der eine Halbleiterschicht aus einem Oxidhalbleiter umfasst, in einigen Fällen als OS-Transistor bezeichnet, und ein Transistor, der eine Halbleiterschicht aus Silizium umfasst, wird in einigen Fällen als Si-Transistor bezeichnet.
Wenn das Metalloxid (Oxidhalbleiter) einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für einen Transistor verwendet wird, kann der Transistor eine hohe Feldeffektbeweglichkeit aufweisen. Außerdem kann der Transistor eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen. Des Weiteren kann ein miniaturisierter oder in hohem Maße integrierter Transistor erzielt werden. Beispielsweise kann ein Transistor mit einer Kanallänge von größer als oder gleich 2 nm und kleiner als oder gleich 30 nm hergestellt werden.
Ein Oxidhalbleiter mit einer niedrigen Ladungsträgerkonzentration wird vorzugsweise für einen Kanalbildungsbereich des Transistors verwendet. Beispielsweise ist die Ladungsträgerkonzentration in dem Kanalbildungsbereich eines Oxidhalbleiters niedriger als oder gleich 1 × 10¹⁸ cm^-3, bevorzugt niedriger als oder gleich 1 × 10¹⁷ cm^-3, bevorzugter niedriger als oder gleich 1 × 10¹⁵ cm^-3, noch bevorzugter niedriger als oder gleich 1 × 10¹³ cm^-3, sogar noch bevorzugter niedriger als oder gleich 1 × 10¹¹ cm^-3, sogar noch bevorzugter niedriger als 1 × 10¹⁰ cm^-3 und höher als oder gleich 1 × 10^-9 cm^-3. Um die Ladungsträgerkonzentration in einem Oxidhalbleiterfilm zu verringern, wird die Verunreinigungskonzentration in dem Oxidhalbleiterfilm verringert, so dass die Dichte der Defektzustände verringert werden kann. In dieser Beschreibung und dergleichen wird ein Zustand mit niedriger Verunreinigungskonzentration und niedriger Dichte der Defektzustände als hochreiner intrinsischer oder im Wesentlichen hochreiner intrinsischer Zustand bezeichnet. Es sei angemerkt, dass ein Oxidhalbleiter mit einer niedrigen Ladungsträgerkonzentration in einigen Fällen als hochreiner intrinsischer oder im Wesentlichen hochreiner intrinsischer Oxidhalbleiter bezeichnet wird.
Ein hochreiner intrinsischer oder im Wesentlichen hochreiner intrinsischer Oxidhalbleiterfilm weist eine niedrige Dichte der Defektzustände auf und weist daher in einigen Fällen eine niedrige Dichte der Einfangzustände auf.
Eine elektrische Ladung, die von den Einfangzuständen in dem Oxidhalbleiter eingefangen wird, benötigt eine lange Zeit, bis sie sich verliert, und sie könnte sich wie feste elektrische Ladung verhalten. Ein Transistor, dessen Kanalbildungsbereich in einem Oxidhalbleiter mit hoher Dichte von Einfangzuständen gebildet wird, weist in einigen Fällen instabile elektrische Eigenschaften auf.
Um stabile elektrische Eigenschaften des Transistors zu erhalten, ist es wirksam, die Verunreinigungskonzentration in dem Oxidhalbleiter zu verringern. Um die Verunreinigungskonzentration in dem Oxidhalbleiter zu verringern, wird vorzugsweise die Verunreinigungskonzentration in einem Film verringert, der dem Oxidhalbleiter benachbart ist. Beispiele für die Verunreinigung umfassen Wasserstoff, Kohlenstoff und Stickstoff. Es sei angemerkt, dass Verunreinigungen in einem Oxidhalbleiter beispielsweise Elemente bezeichnen, die sich von den Hauptkomponenten des Oxidhalbleiters unterscheiden. Zum Beispiel kann ein Element mit einer Konzentration von niedriger als 0,1 Atom-% als Verunreinigung betrachtet werden.
Die Bandlücke des Oxidhalbleiters ist bevorzugt größer als derjenige von Silizium (typischerweise 1,1 eV), bevorzugter größer als oder gleich 2 eV, noch bevorzugter größer als oder gleich 2,5 eV, sogar noch bevorzugter größer als oder gleich 3,0 eV. Unter Verwendung eines Oxidhalbleiterfilms mit einer größeren Bandlücke als Silizium kann der Sperrstrom (auch als loff bezeichnet) des Transistors verringert werden.
Mit einer Miniaturisierung eines Si-Transistors tritt ein Kurzkanaleffekt (auch als short-channel effect bzw. SCE bezeichnet) auf. Daher ist es schwierig, einen Si-Transistor zu miniaturisieren. Ein Faktor eines Kurzkanaleffekts ist eine kleine Bandlücke von Silizium. Währenddessen umfasst ein OS-Transistor einen Oxidhalbleiter, der ein Halbleitermaterial mit einer großen Bandlücke ist, und leidet daher mit geringerer Wahrscheinlichkeit unter einem Kurzkanaleffekt. Mit anderen Worten: Ein Kurzkanaleffekt tritt nicht oder kaum in einem OS-Transistor auf.
Es sei angemerkt, dass sich der Kurzkanaleffekt auf die Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften bezieht, die mit einer Miniaturisierung eines Transistors (einer Verringerung der Kanallänge) offensichtlich wird. Spezifische Beispiele für den Kurzkanaleffekt umfassen eine Verringerung der Schwellenspannung, eine Zunahme des Subthreshold-Swing-Werts (in einigen Fällen auch als S-Wert bezeichnet), eine Zunahme des Leckstroms und dergleichen. Hier bezeichnet der S-Wert den Änderungsbetrag der Gate-Spannung in einem Subthreshold-Bereich, der zum Ändern des Drain-Stroms um eine Ziffer bei einer konstanten Drain-Spannung benötigt wird.
Die charakteristische Länge wird als Index der Beständigkeit gegen einen Kurzkanaleffekt weithin verwendet. Die charakteristische Länge ist ein Index des Krümmens des Potentials in einem Kanalbildungsbereich. Wenn die charakteristische Länge kürzer wird, erhöht sich das Potential schlagartiger, was bedeutet, dass die Beständigkeit gegen einen Kurzkanaleffekt hoch ist.
Ein OS-Transistor ist ein Transistor vom Akkumulationstyp, und ein Si-Transistor ist ein Transistor vom Inversionstyp. Daher weist ein OS-Transistor eine kleinere charakteristische Länge zwischen einem Source-Bereich und einem Kanalbildungsbereich sowie eine kleinere charakteristische Länge zwischen einem Drain-Bereich und dem Kanalbildungsbereich als ein Si-Transistor auf. Folglich weist ein OS-Transistor eine höhere Beständigkeit gegen einen Kurzkanaleffekt auf als ein Si-Transistor. Das heißt, dass in dem Fall, in dem ein Transistor mit einer kurzen Kanallänge hergestellt werden muss, ein OS-Transistor geeigneter ist als ein Si-Transistor.
Auch in dem Fall, in dem die Ladungsträgerkonzentration in einem Oxidhalbleiter verringert wird, bis ein Kanalbildungsbereich zu einem i-Typ- oder im Wesentlichen i-Typ-Bereich wird, wird das Leitungsbandminimum des Kanalbildungsbereichs des Transistors mit einer kurzen Kanallänge aufgrund eines Conduction-Band-Lowering- (CBL-) Effekts niedrig; daher könnte sich die Energiedifferenz zwischen dem Leitungsbandminimum des Kanalbildungsbereichs und demjenigen des Source-Bereichs oder des Drain-Bereichs auf höher als oder gleich 0,1 eV und niedriger als oder gleich 0,2 eV verringern. Daher kann der OS-Transistor als eine Struktur eines Junction-Less-Transistors vom n⁺/n-/n⁺-Akkumulationstyp oder eine Struktur eines Non-Junction-Transistors vom n⁺/n-/n⁺-Akkumulationstyp aufweisend angesehen werden, bei der der Kanalbildungsbereich ein n -Bereich ist und die Source- und Drain-Bereiche n⁺-Bereiche sind.
Ein OS-Transistor mit der vorstehenden Struktur ermöglicht, dass eine Halbleitervorrichtung vorteilhafte elektrische Eigenschaften aufweist, auch wenn die Halbleitervorrichtung miniaturisiert oder in hohem Maße integriert wird. Beispielsweise kann die Halbleitervorrichtung vorteilhafte elektrische Eigenschaften aufweisen, auch wenn der OS-Transistor eine Gate-Länge von kleiner als oder gleich 20 nm, kleiner als oder gleich 15 nm, kleiner als oder gleich 10 nm, kleiner als oder gleich 7 nm oder kleiner als oder gleich 6nm und größer als oder gleich 1 nm, größer als oder gleich 3 nm oder größer als oder gleich 5 nm aufweist. Währenddessen ist es aufgrund eines Kurzkanaleffekts in einigen Fällen schwierig, dass ein Si-Transistor eine Gate-Länge von kleiner als oder gleich 20 nm oder kleiner als oder gleich 15 nm aufweist. Daher kann ein OS-Transistor als Transistor mit einer kurzen Gate-Länge geeigneter als ein Si-Transistor verwendet werden. Es sei angemerkt, dass die Gate-Länge die Länge einer Gate-Elektrode in einer Richtung bezeichnet, in die sich Ladungsträger innerhalb eines Kanalbildungsbereichs während des Betriebs des Transistors bewegen.
Die Miniaturisierung eines OS-Transistors kann die HochFrequenzeigenschaften des Transistors verbessern. Insbesondere kann die Cutoff-Frequenz des Transistors verbessert werden. In dem Fall, in dem die Gate-Länge des OS-Transistors in dem vorstehenden Bereich liegt, kann die Cutoff-Frequenz des Transistors beispielsweise höher als oder gleich 50 GHz, bevorzugt höher als oder gleich 100 GHz, bevorzugter höher als oder gleich 150 GHz bei Raumtemperatur sein.
Wie vorstehend beschrieben worden ist, weist ein OS-Transistor Vorteile gegenüber einem Si-Transistor auf, wie z. B. einen kleinen Sperrstrom und eine Fähigkeit, eine kurze Kanallänge aufzuweisen.
<Verunreinigung in dem Metalloxid>
Der Einfluss von Verunreinigungen in dem Metalloxid (Oxidhalbleiter) wird beschrieben.
Wenn ein Oxidhalbleiter Silizium oder Kohlenstoff enthält, welche ein Element der Gruppe 14 sind, werden Defektzustände in dem Oxidhalbleiter gebildet. Daher ist die Kohlenstoffkonzentration in dem Kanalbildungsbereich des Oxidhalbleiters, die durch SIMS gemessen wird, niedriger als oder gleich 1 × 10²⁰ Atome/cm³, bevorzugt niedriger als oder gleich 5 × 10¹⁹ Atome/cm³, noch bevorzugter niedriger als oder gleich 3 × 10¹⁹ Atome/cm³, sogar noch bevorzugter niedriger als oder gleich 1 × 10¹⁹ Atome/cm³, sogar noch bevorzugter niedriger als oder gleich 3 × 10¹⁸ Atome/cm³, sogar noch bevorzugter niedriger als oder gleich 1 × 10¹⁸ Atome/cm³. Die Siliziumkonzentration in dem Kanalbildungsbereich des Oxidhalbleiters, die durch SIMS gemessen wird, ist niedriger als oder gleich 1 × 10²⁰ Atome/cm³, bevorzugt niedriger als oder gleich 5 × 10¹⁹ Atome/cm³, bevorzugter niedriger als oder gleich 3 × 10¹⁹ Atome/cm³, noch bevorzugter niedriger als oder gleich 1 × 10¹⁹ Atome/cm³, sogar noch bevorzugter niedriger als oder gleich 3 × 10¹⁸ Atome/cm³, sogar noch bevorzugter niedriger als oder gleich 1 × 10¹⁸ Atome/cm³.
Wenn ferner der Oxidhalbleiter Stickstoff enthält, wird der Oxidhalbleiter durch Erzeugung von Elektronen, die als Ladungsträger dienen, und einen Anstieg der Ladungsträgerkonzentration leicht zum n-Typ. Als Ergebnis neigt ein Transistor, der als Halbleiter einen Stickstoff enthaltenden Oxidhalbleiter enthält, dazu, selbstleitende Eigenschaften aufzuweisen. Wenn Stickstoff in dem Oxidhalbleiter enthalten ist, wird in einigen Fällen ein Einfangzustand gebildet. Dies könnte zu instabilen elektrischen Eigenschaften des Transistors führen. Daher ist die Stickstoffkonzentration in dem Kanalbildungsbereich des Oxidhalbleiters, die durch SIMS gemessen wird, niedriger als oder gleich 1 × 10²⁰ Atome/cm³, bevorzugt niedriger als oder gleich 5 × 10¹⁹ Atome/cm³, bevorzugter niedriger als oder gleich 1 × 10¹⁹ Atome/cm³, noch bevorzugter niedriger als oder gleich 5 × 10¹⁸ Atome/cm³, sogar noch bevorzugter niedriger als oder gleich 1 × 10¹⁸ Atome/cm³, sogar noch bevorzugter niedriger als oder gleich 5 × 10¹⁷ Atome/cm³.
Wasserstoff, der in dem Oxidhalbleiter enthalten ist, reagiert mit Sauerstoff, der an ein Metallatom gebunden ist, zu Wasser und erzeugt daher in einigen Fällen eine Sauerstofffehlstelle. Infolge des Eindringens von Wasserstoff in die Sauerstofffehlstelle wird in einigen Fällen ein Elektron, das als Ladungsträger dient, erzeugt. Des Weiteren erzeugt eine Bindung eines Teils von Wasserstoff mit Sauerstoff, der an ein Metallatom gebunden ist, ein Elektron, das als Ladungsträger dient. Daher neigt ein Transistor, der einen Wasserstoff enthaltenden Oxidhalbleiter enthält, dazu, selbstleitende Eigenschaften aufzuweisen. Aus diesem Grund wird Wasserstoff in dem Kanalbildungsbereich des Oxidhalbleiters vorzugsweise so weit wie möglich verringert. Insbesondere ist die Wasserstoffkonzentration in dem Kanalbildungsbereich des Oxidhalbleiters, die durch SIMS gemessen wird, niedriger als 1 × 10²⁰ Atome/cm³, bevorzugt niedriger als 5 × 10¹⁹ Atome/cm³, bevorzugter niedriger als 1 × 10¹⁹ Atome/cm³, noch bevorzugter niedriger als 5 × 10¹⁸ Atome/cm³, sogar noch bevorzugter niedriger als 1 × 10¹⁸ Atome/cm³.
Wenn der Oxidhalbleiter ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall enthält, werden in einigen Fällen Defektzustände gebildet und Ladungsträger erzeugt. Dementsprechend neigt ein Transistor, der einen Oxidhalbleiter enthält, der ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall enthält, dazu, selbstleitende Eigenschaften aufzuweisen. Daher ist die Konzentration von einem Alkalimetall oder einem Erdalkalimetall in dem Kanalbildungsbereich des Oxidhalbleiters, die durch SIMS gemessen wird, niedriger als oder gleich 1 × 10¹⁸ Atome/cm³, bevorzugt niedriger als oder gleich 2 × 10¹⁶ Atome/cm³.
Wenn ein Oxidhalbleiter mit ausreichend verringerten Verunreinigungen für einen Kanalbildungsbereich in einem Transistor verwendet wird, kann der Transistor stabile elektrische Eigenschaften aufweisen.
<Ausbildungsverfahren>
Als Nächstes wird ein Ausbildungsverfahren eines Metalloxids, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, beschrieben. Nachstehend wird ein Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids mit einer Abscheidungseinrichtung, bei der ein ALD-Verfahren zum Einsatz kommt (nachstehend auch als ALD-Einrichtung bezeichnet), beschrieben.
Bei einer Abscheidungseinrichtung, bei der ein ALD-Verfahren zum Einsatz kommt, wird eine Abscheidung auf die folgende Weise durchgeführt: Ein erstes Quellengas für Reaktion (in einigen Fällen auch als Vorläufer oder Metallvorläufer bezeichnet) und ein zweites Quellengas für Reaktion (in einigen Fällen auch als Reaktant, Oxidationsmittel oder Nicht-Metallvorläufer bezeichnet) werden abwechselnd in eine Kammer eingeleitet, und die Einleitung dieser Gase wird wiederholt. Es sei angemerkt, dass die einzuleitenden Quellengase unter Verwendung der jeweiligen Umschaltventile (in einigen Fällen auch als Hochgeschwindigkeitsventile bezeichnet) umgeschaltet werden können. Wenn die Quellengase eingeleitet werden, kann ein Inertgas, wie z. B. Stickstoff (N₂), Argon (Ar) oder Helium (He), als Trägergas zusammen mit den Quellengasen in die Kammer eingeleitet werden. Unter Verwendung eines Trägergases kann verhindert werden, dass die Quellengase an die Innenseite eines Rohrs und die Innenseite eines Ventils adsorbiert werden, und die Quellengase können in die Kammer eingeleitet werden, auch wenn die Flüchtigkeit der Quellengase niedrig ist oder der Dampfdruck niedrig ist. Außerdem wird die Gleichmäßigkeit des auszubildenden Films erhöht, was vorzuziehen ist.
Ein Beispiel für ein Verfahren, bei dem ein ALD-Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids, das die geschichtete Kristallstruktur mit drei Schichten aufweist, zum Einsatz kommt, wird anhand von 1A bis 1E beschrieben.
Als erster Schritt wird, wie in 1A dargestellt, ein Vorläufer 11a in eine Kammer eingeleitet, so dass der Vorläufer 11 a an eine Oberfläche eines Substrats 10 adsorbiert wird.
Als Vorläufer 11a wird eine der Verbindungen, die durch die allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) dargestellt werden, verwendet.
Dabei wird, wie in 1A dargestellt, der Vorläufer 11a an die Oberfläche des Substrats 10 adsorbiert, wodurch der Selbststopp-Mechanismus der chemischen Oberflächenreaktion bewirkt wird und der Vorläufer 11a nicht ferner an eine Schicht des Vorläufers 11a über dem Substrat 10 adsorbiert wird. Es sei angemerkt, dass ein geeigneter Bereich der Substrattemperaturen, in dem der Selbststopp-Mechanismus der chemischen Oberflächenreaktion bewirkt wird, auch als ALD-Window bezeichnet wird. Das ALD-Window hängt von den Temperatureigenschaften, dem Dampfdruck, der Zersetzungstemperatur und dergleichen eines Vorläufers ab.
Als Nächstes wird als zweiter Schritt ein Inertgas (z. B. Argon, Helium oder Stickstoff) in die Kammer eingeleitet, so dass der überschüssige Vorläufer 11a, ein Reaktionsprodukt und dergleichen von der Kammer abgelassen werden. Der zweite Schritt wird auch als Reinigung bzw. Purging bezeichnet.
In dem zweiten Schritt kann anstatt der Einleitung eines Inertgases in die Kammer eine Vakuumabsaugung durchgeführt werden, so dass der überschüssige Vorläufer, ein Reaktionsprodukt und dergleichen von der Kammer abgelassen werden. In dieser Beschreibung und dergleichen bedeutet die Vakuumabsaugung eine Absaugung unter einem Druck, der mindestens niedriger als atmosphärischer Druck ist (in einem Zustand mit reduziertem Druck).
Als Nächstes wird, wie in 1B dargestellt, als dritter Schritt ein Reaktant 12a (wie z. B. ein Oxidationsmittel) in die Kammer eingeleitet, um mit dem Vorläufer 11a, die an der Oberfläche des Substrats 10 adsorbiert ist, zu reagieren, so dass einige der Komponenten, die in dem Vorläufer 11a enthalten sind, abgegeben werden, während ein Metallelement, das in dem Vorläufer 11a enthalten ist, an dem Substrat 10 adsorbiert ist. Folglich wird eine Schicht eines Oxids 13a, die durch Oxidation eines Teils des Vorläufers 11a ausgebildet wird, über der Oberfläche des Substrats 10 ausgebildet.
Beispiele für ein Oxidationsmittel umfassen Ozon (O₃), Sauerstoff (O₂), Wasser (H₂O) und Plasma, ein Radikal und ein Ion dieser.
In dem Fall, in dem ein Plasma-ALD-Verfahren zum Einsatz kommt, kann Sauerstoff als Oxidationsmittel ständig zugeführt werden, und in dem dritten Schritt kann Plasma erzeugt werden. Dementsprechend wird in dem dritten Schritt Sauerstoffplasma gebildet und dient als Reaktant 12a. In diesem Fall wird der Vorläufer 11a, der nicht mit Sauerstoff reagiert, der auf die vorstehende Temperatur erwärmt worden ist, in einem Schritt mit Ausnahme des dritten Schritts verwendet.
Dann wird als vierter Schritt eine Einleitung eines Inartgases oder eine Vakuumabsaugung durchgeführt, wodurch der überschüssige Reaktant 12a, ein Reaktionsprodukt und dergleichen von der Kammer abgelassen werden.
Dann wird, wie in 1C dargestellt, ein Vorläufer 11b, der ein Metallelement enthält, das sich von demjenigen in dem Vorläufer 11 a unterscheidet, eingeleitet, und ein Schritt, der dem ersten Schritt ähnlich ist, wird durchgeführt, so dass der Vorläufer 11b an eine Oberfläche der Schicht des Oxids 13a adsorbiert wird.
Als Vorläufer 11b wird eine der Verbindungen, die durch die allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) dargestellt werden, verwendet, welche ein Metallelement enthält, das sich von demjenigen in dem Vorläufer 11a unterscheidet.
Dabei wird, wie in 1C dargestellt, der Vorläufer 11b an die Schicht des Oxids 13a adsorbiert, wodurch der Selbststopp-Mechanismus der chemischen Oberflächenreaktion bewirkt wird und der Vorläufer 11b nicht ferner an eine Schicht des Vorläufers 11b über dem Substrat 10 adsorbiert wird.
Als Nächstes wird, wie in dem zweiten Schritt, eine Einleitung eines Inartgases oder eine Vakuumabsaugung durchgeführt, so dass der überschüssige Vorläufer 11b, ein Reaktionsprodukt und dergleichen von der Kammer abgelassen werden.
Dann wird, wie in 1D dargestellt, ein Reaktant 12b in die Kammer eingeleitet, und ein Schritt, der dem dritten Schritt ähnlich ist, wird durchgeführt. Daher wird eine Schicht des Oxids 13b, die durch Oxidation eines Teils des Vorläufers 11b ausgebildet wird, über der Schicht des Oxids 13a ausgebildet.
Der Reaktant 12b kann gleich oder unterschiedlich von dem Reaktanten 12a sein.
Danach wird, wie in dem vierten Schritt, eine Einleitung eines Inartgases oder eine Vakuumabsaugung durchgeführt, so dass der überschüssige Reaktant 12b, ein Reaktionsprodukt und dergleichen von der Kammer abgelassen werden.
Des Weiteren werden die ersten bis vierten Schritte auf ähnliche Weise durchgeführt, wodurch eine Schicht eines Oxids 13c über der Schicht des Oxids 13b ausgebildet wird. Wenn die Schicht des Oxids 13c ausgebildet wird, wird als Vorläufer eine der Verbindungen, die durch die allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) dargestellt werden, verwendet, welche ein Metallelement enthält, das sich von denjenigen des Vorläufers 11a und des Vorläufers 11b unterscheidet. Der Reaktant kann gleich dem Reaktant 12a und/oder dem Reaktant 12b oder unterschiedlich von den beiden Reaktanten 12a und 12b sein.
Wie vorstehend beschrieben, kann durch wiederholte Durchführung der Schritte zum Ausbilden der Oxide 13a bis 13c ein Metalloxid mit einer geschichteten Kristallstruktur ausgebildet werden, bei der eine mehrschichtige Struktur 14, die die Oxide 13a bis 13c umfasst, wiederholt wird (siehe 1E). Das heißt, dass eine Oxidschicht durch die ersten bis vierten Schritte, die als ein Satz angesehen werden, ausgebildet werden kann, und durch Wiederholung des Satzes kann eine geschichtete Kristallstruktur, bei der eine Vielzahl von Oxidschichten übereinander angeordnet ist, ausgebildet werden.
Bei der Ausbildung eines Metalloxids mit einer geschichteten Kristallstruktur, besonders eines Metalloxids mit der CAAC-Struktur, werden vorzugsweise die in 1A bis 1E dargestellten Schritte durchgeführt, während das Substrat erwärmt wird. Die Substrattemperatur ist bevorzugt höher als oder gleich 300 °C und niedriger als oder gleich 550 °C, bevorzugter höher als oder gleich 400 °C und niedriger als oder gleich 450 °C. Zudem ist die Substrattemperatur vorzugsweise niedriger als die Zersetzungstemperaturen der verwendeten Vorläufer. Demzufolge können während der Abscheidung durch ein ALD-Verfahren mehrere Arten der verwendeten Vorläufer an ein Objekt (z. B. ein Substrat) adsorbiert werden, ohne zersetzt zu werden.
Durch Durchführung der Abscheidung während der Erwärmung des Substrats in einem derartigen Temperaturbereich kann in jedem der ersten bis vierten Schritte eine in dem Vorläufer, dem Reaktanten oder dergleichen enthaltene Verunreinigung, wie z. B. Wasserstoff oder Kohlenstoff, von dem Metalloxid entfernt werden. Beispielsweise kann Kohlenstoff in dem Metalloxid als CO₂ oder CO abgegeben werden. Zudem kann beispielsweise Wasserstoff in dem Metalloxid als H₂O abgegeben werden. Des Weiteren werden Metallatome und Sauerstoffatome gleichzeitig mit der Entfernung der Verunreinigung umgeordnet, so dass Schichten der Oxide ordentlich angeordnet werden können. Daher kann ein Metalloxid mit einer geschichteten Kristallstruktur mit hoher Kristallinität, besonders ein Metalloxid mit der CAAC-Struktur, ausgebildet werden.
Es sei angemerkt, dass 1A ein Beispiel darstellt, in dem der Vorläufer 11a an das Substrat 10 adsorbiert wird; jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann ein Isolierfilm (ein Isolierfilm, der eines oder mehrere von Sauerstoff, Stickstoff, Silizium, Aluminium, Hafnium und dergleichen enthält), ein leitender Film (ein leitender Film, der eines oder mehrere von Wolfram, Tantal, Molybdän, Zirconium, Aluminium, Titan und dergleichen enthält) oder dergleichen über dem Substrat 10 bereitgestellt werden, und der Vorläufer 11a kann daran adsorbiert werden. Alternativ kann der Vorläufer 11a an eine Komponente adsorbiert werden, die unter Verwendung eines Isolierfilms, eines leitenden Films und dergleichen über dem Substrat 10 ausgebildet wird.
Um die Abscheidung während der Erwärmung des Substrats in dem vorstehenden Temperaturbereich durchzuführen, ist die Zersetzungstemperatur eines für die Abscheidung verwendeten Vorläufers vorzugsweise nicht zu niedrig. Währenddessen ist eine zu hohe Zersetzungstemperatur nicht vorzuziehen, da der Vorläufer schwierig zu handhaben ist und die Substrattemperatur während der Abscheidung sehr hoch sein muss. Beispielsweise ist die Zersetzungstemperatur des Vorläufers bevorzugt höher als 300 °C und niedriger als oder gleich 700 °C, bevorzugter höher als oder gleich 350 °C und niedriger als oder gleich 650 °C, noch bevorzugter höher als oder gleich 400 °C und niedriger als oder gleich 600 °C.
Ein anorganischer Vorläufer enthält geringe Verunreinigungen, wie z. B. Wasserstoff und Kohlenstoff, und kann daher eine Erhöhung der Verunreinigungskonzentration in einem ausgebildeten Metalloxid verhindern. Währenddessen weist ein anorganischer Vorläufer oft eine höhere Zersetzungstemperatur auf als ein organischer Vorläufer.
Angesichts dessen wird beispielsweise bei dem Ausbildungsverfahren eines Metalloxids, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, ein organischer Vorläufer verwendet, dessen Zersetzungstemperatur in dem vorstehenden Bereich liegt, und eine Abscheidung wird durchgeführt, während das Substrat erwärmt wird, oder eine Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung wird durchgeführt, wodurch eine Erhöhung der Verunreinigungskonzentration in dem ausgebildeten Metalloxid verhindert werden kann.
Es gibt keine besondere Beschränkung bezüglich der Häufigkeit der Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung. Eine höhere Häufigkeit wird bezüglich der Leichtigkeit der Entfernung der Verunreinigung bevorzugt; jedoch könnte in diesem Fall die Produktivität verringert werden. Eine niedrigere Häufigkeit wird bezüglich einer kurzen Abscheidungszeit des Metalloxids bevorzugt; jedoch könnte in diesem Fall die Entfernung der Verunreinigung unzureichend sein. Wenn die Schritte zum Ausbilden der Oxide 13a bis 13c wiederholt werden, wird beispielsweise die Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung vorzugsweise jedes Mal durchgeführt, wenn eine Vielzahl von Oxidschichten ausgebildet wird. Beispielsweise ist es auch möglich, die Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung jedes Mal durchzuführen, wenn eine der Oxide 13a bis 13c ausgebildet wird; jedoch wird es bevorzugt, die Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung jedes Mal, wenn eine Vielzahl von Oxidschichten ausgebildet wird, oder jedes Mal durchzuführen, wenn eine Vielzahl von mehrschichtigen Strukturen 14 ausgebildet wird, wobei in diesem Fall der Prozess vereinfacht werden kann.
Beispielsweise kann die Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung jedes Mal durchgeführt werden, wenn n (n ist eine ganze Zahl von größer als oder gleich 1 und kleiner als oder gleich 100, bevorzugt größer als oder gleich 2 und kleiner als oder gleich 50, bevorzugter größer als oder gleich 5 und kleiner als oder gleich 30) Oxidschichten ausgebildet werden. Beispielsweise kann das Metalloxid durch Wiederholung der folgenden Schritte ausgebildet werden: Ausbilden der Oxide 13a, 13b, 13c, 13a und 13b in dieser Reihenfolge; Durchführen der Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung; Ausbilden der Oxide 13c, 13a, 13b, 13c und 13a in dieser Reihenfolge; Durchführen der Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung; Ausbilden der Oxide 13b, 13c, 13a, 13b und 13c in dieser Reihenfolge; und dann Durchführen der Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung.
Alternativ kann beispielsweise die Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung jedes Mal durchgeführt werden, wenn m mehrschichtige Strukturen 14 (m ist eine ganze Zahl von größer als oder gleich 1 und kleiner als oder gleich 50, bevorzugt größer als oder gleich 2 und kleiner als oder gleich 30, bevorzugter größer als oder gleich 5 und kleiner als oder gleich 10) ausgebildet werden.
Wie vorstehend beschrieben worden ist, umfassen Beispiele für die Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung eine Plasmabehandlung, eine Mikrowellenbehandlung und eine Wärmebehandlung. Die Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung kann durchgeführt werden, während eine Bestrahlung mit Licht durchgeführt wird.
Eine Kammer, in der die Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung durchgeführt wird, kann gleich oder unterschiedlich von einer Kammer sein, in der die ersten bis vierten Schritte durchgeführt werden. Das heißt, dass eine Kammer für die Abscheidung gleich oder unterschiedlich von einer Kammer für die Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung sein kann.
Bei einer Plasmabehandlung oder einer Mikrowellenbehandlung ist die Substrattemperatur vorzugsweise höher als oder gleich Raumtemperatur (z. B. 25 °C), höher als oder gleich 100 °C, höher als oder gleich 200 °C, höher als oder gleich 300 °C oder höher als oder gleich 400 °C und niedriger als oder gleich 500 °C oder niedriger als oder gleich 450 °C. Die Temperatur der Wärmebehandlung ist vorzugsweise höher als oder gleich 100 °C, höher als oder gleich 200 °C, höher als oder gleich 300 °C oder höher als oder gleich 400 °C und niedriger als oder gleich 500 °C oder niedriger als oder gleich 450 °C. Die Temperatur bei der Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung ist besonders vorzugsweise niedriger als oder gleich der maximalen Temperatur in einem Herstellungsprozess eines Transistors oder einer Halbleitervorrichtung, wobei in diesem Fall der Verunreinigungsgehalt in dem Metalloxid verringert werden kann, ohne die Produktivität zu verringern.
In dem Fall, in dem Sauerstoffplasma in dem dritten Schritt verwendet wird und die Behandlungszeit des dritten Schritts lang eingestellt wird, kann der dritte Schritt auch als Plasmabehandlung dienen, die als Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung dient. Beispielsweise kann der dritte Schritt einmal pro einige Male länger durchgeführt werden, um als Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung zu dienen.
Hier bezeichnet die Mikrowellenbehandlung beispielsweise eine Behandlung, bei der eine Einrichtung mit einer Stromquelle zum Erzeugen von hochdichtem Plasma unter Verwendung einer Mikrowelle verwendet wird. Es sei angemerkt, dass in dieser Beschreibung und dergleichen in einigen Fällen eine Mikrowelle eine elektromagnetische Welle mit einer Frequenz von höher als oder gleich 300 MHz und niedriger als oder gleich 300 GHz bezeichnet. Die Mikrowellenbehandlung kann auch als Behandlung mit mikrowellenangeregtem hochdichtem Plasma bezeichnet werden.
Die Mikrowellenbehandlung wird vorzugsweise zum Beispiel mit einer Mikrowellenbehandlungseinrichtung durchgeführt, bei der eine Stromquelle zum Erzeugen von hochdichtem Plasma unter Verwendung von Mikrowellen verwendet wird. Hier wird die Frequenz der Mikrowellenbehandlungseinrichtung bevorzugt auf höher als oder gleich 300 MHz und niedriger als oder gleich 300 GHz, bevorzugter auf höher als oder gleich 2,4 GHz und niedriger als oder gleich 2,5 GHz eingestellt, und kann beispielsweise 2,45 GHz sein. Hochdichte Sauerstoffradikale können mit hochdichtem Plasma erzeugt werden. Die elektrische Leistung der Stromquelle, die Mikrowellen der Mikrowellenbehandlungseinrichtung anlegt, wird bevorzugt auf höher als oder gleich 1000 W und niedriger als oder gleich 10000 W, bevorzugter auf höher als oder gleich 2000 W und niedriger als oder gleich 5000 W eingestellt. Eine Stromquelle kann in der Mikrowellenbehandlungseinrichtung enthalten sein, um HF an eine Seite des Substrats anzulegen. Ferner ermöglicht das Anlegen von HF an die Seite des Substrats, dass durch das hochdichte Plasma erzeugte Sauerstoffionen in effizienter Weise in einen Film eingeführt werden.
Die Mikrowellenbehandlung wird vorzugsweise unter reduziertem Druck durchgeführt, und der Druck ist bevorzugt höher als oder gleich 10 Pa und niedriger als oder gleich 1000 Pa, bevorzugter höher als oder gleich 300 Pa und niedriger als oder gleich 700 Pa. Die Behandlungstemperatur ist beispielsweise bevorzugt höher als oder gleich Raumtemperatur (25 °C) und niedriger als oder gleich 750 °C, bevorzugter höher als oder gleich 300 °C und niedriger als oder gleich 500 °C, und kann höher als oder gleich 400 °C und niedriger als oder gleich 450 °C sein.
Nach der Mikrowellenbehandlung oder der Plasmabehandlung kann sukzessiv eine Wärmebehandlung ohne Aussetzung an der Luft durchgeführt werden. Die Temperatur der Wärmebehandlung ist beispielsweise bevorzugt höher als oder gleich 100 °C und niedriger als oder gleich 750 °C, bevorzugter höher als oder gleich 300 °C und niedriger als oder gleich 400 °C, noch bevorzugter höher als oder gleich 400 °C und niedriger als oder gleich 450 °C.
Die Mikrowellenbehandlung kann beispielsweise unter Verwendung eines Sauerstoffgases und eines Argongases durchgeführt werden. Hier ist das Sauerstoff-Durchflussverhältnis (O₂/(O₂+Ar)) höher als 0 % und niedriger als oder gleich 100 %. Das Sauerstoff-Durchflussverhältnis (O₂/(O₂+Ar)) ist bevorzugt höher als 0 % und niedriger als oder gleich 50 %. Das Sauerstoff-Durchflussverhältnis (O₂/(O₂+Ar)) ist bevorzugter höher als oder gleich 10 % und niedriger als oder gleich 40 %. Das Sauerstoff-Durchflussverhältnis (O₂/(O₂+Ar)) ist noch bevorzugter höher als oder gleich 10 % und niedriger als oder gleich 30 %.
Die Wärmebehandlung wird in einer Stickstoffgasatmosphäre, einer Inertgasatmosphäre oder einer Atmosphäre durchgeführt, die ein Oxidationsgas mit 10 ppm oder mehr, 1 % oder mehr oder 10 % oder mehr enthält. In dem Fall, in dem beispielsweise die Wärmebehandlung in einer gemischten Atmosphäre eines Stickstoffgases und eines Sauerstoffgases durchgeführt wird, kann der Anteil des Sauerstoffgases vorzugsweise ungefähr 20 % sein. Die Wärmebehandlung kann unter reduziertem Druck durchgeführt werden. Alternativ kann die Wärmebehandlung auf die folgende Weise durchgeführt werden: Eine Wärmebehandlung wird in einer Atmosphäre eines Stickstoffgases oder eines Inertgases durchgeführt, und dann wird eine weitere Wärmebehandlung in einer Atmosphäre, die ein Oxidationsgas mit 10 ppm oder mehr, 1 % oder mehr oder 10 % oder mehr enthält, durchgeführt, um abgegebenen Sauerstoff zu kompensieren. Die Wärmebehandlung kann in einer Atmosphäre aus ultratrockener Luft (Luft, in der der Wassergehalt 20 ppm oder weniger, bevorzugt 1 ppm oder weniger, noch bevorzugter 10 ppb oder weniger beträgt) durchgeführt werden.
Das Gas, das bei der Wärmebehandlung verwendet wird, wird vorzugsweise hoch gereinigt. Beispielsweise ist die Menge an in dem bei der Wärmebehandlung verwendeten Gas enthaltener Feuchtigkeit bevorzugt 1 ppb oder weniger, bevorzugter 0,1 ppb oder weniger, noch bevorzugter 0,05 ppb oder weniger. Wenn die Wärmebehandlung unter Verwendung eines hochgereinigten Gases durchgeführt wird, kann das Eindringen von Feuchtigkeit oder dergleichen in das Metalloxid so weit wie möglich verhindert werden.
Indem die Wärmebehandlung auf diese Weise durchgeführt wird, kann eine in dem Metalloxid enthaltene Verunreinigung, wie z. B. Wasserstoff oder Kohlenstoff, entfernt werden. Beispielsweise kann Kohlenstoff in dem Metalloxid als CO₂ und CO abgegeben werden, und Wasserstoff in dem Metalloxid kann als H₂O abgegeben werden. Des Weiteren werden Metallatome und Sauerstoffatome gleichzeitig mit der Entfernung der Verunreinigung umgeordnet, wodurch die Kristallinität verbessert werden kann. Daher kann ein Metalloxid mit einer geschichteten Kristallstruktur mit hoher Kristallinität, besonders ein Metalloxid mit einer CAAC-Struktur, ausgebildet werden.
Es sei angemerkt, dass eine Wärmebehandlung vorzugsweise nach dem Ausbilden des Metalloxids (nach dem Ausbilden der sämtlichen vorbestimmten Anzahl der mehrschichtigen Strukturen 14 und vor dem Ausbilden eines weiteren Films aus einem/r anderen Material oder Zusammensetzung) durchgeführt wird. Insbesondere wird die Wärmebehandlung vorzugsweise nach der Abscheidung durch ein ALD-Verfahren ohne Aussetzung an der Luft sukzessiv durchgeführt. Die Wärmebehandlung wird bei bevorzugt höher als oder gleich 100 °C und niedriger als oder gleich 500 °C, bevorzugter höher als oder gleich 200 °C und niedriger als oder gleich 500 °C, noch bevorzugter höher als oder gleich 250 °C und niedriger als oder gleich 500 °C, sogar noch bevorzugter höher als oder gleich 300 °C und niedriger als oder gleich 500 °C, sogar noch bevorzugter höher als oder gleich 350 °C und niedriger als oder gleich 450 °C, sogar noch bevorzugter höher als oder gleich 400 °C und niedriger als oder gleich 450 °C durchgeführt. Die Wärmebehandlung wird in einer Stickstoffgasatmosphäre, einer Inertgasatmosphäre oder einer Atmosphäre durchgeführt, die ein Oxidationsgas mit 10 ppm oder mehr, 1 % oder mehr oder 10 % oder mehr enthält. Die Wärmebehandlung kann unter reduziertem Druck durchgeführt werden. Alternativ kann die Wärmebehandlung auf die folgende Weise durchgeführt werden: Eine Wärmebehandlung wird in einer Atmosphäre eines Stickstoffgases oder eines Inertgases durchgeführt, und dann wird eine weitere Wärmebehandlung in einer Atmosphäre, die ein Oxidationsgas mit 10 ppm oder mehr, 1 % oder mehr oder 10 % oder mehr enthält, durchgeführt, um abgegebenen Sauerstoff zu kompensieren.
Indem die Wärmebehandlung auf diese Weise durchgeführt wird, kann eine in dem Metalloxid enthaltene Verunreinigung, wie z. B. Wasserstoff oder Kohlenstoff, entfernt werden. Beispielsweise kann Kohlenstoff in dem Metalloxid als CO₂ und CO abgegeben werden, und Wasserstoff in dem Metalloxid kann als H₂O abgegeben werden. Des Weiteren werden Metallatome und Sauerstoffatome gleichzeitig mit der Entfernung der Verunreinigung umgeordnet, wodurch die Kristallinität verbessert werden kann. Daher kann ein Metalloxid mit einer geschichteten Kristallstruktur mit hoher Kristallinität, besonders ein Metalloxid mit einer CAAC-Struktur, ausgebildet werden.
Nach dem Ausbilden des Metalloxids kann eine Plasmabehandlung oder eine Mikrowellenbehandlung durchgeführt werden.
Es sei angemerkt, dass 1A bis 1E die Struktur darstellen, bei der die mehrschichtige Struktur 14, die die Oxide 13a bis 13c umfasst, wiederholt wird; jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise können eine einzelne Schicht, zwei Schichten oder vier oder mehr Schichten eines Oxids wiederholt in einem Metalloxid ausgebildet werden. In 1A bis 1E werden die Oxide 13a bis 13c wiederholt übereinander angeordnet, wobei die Reihenfolge nicht geändert wird; jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann die Reihenfolge der Oxide 13a bis 13c für jede Schichtanordnung geändert werden. Alternativ können die Zusammensetzungen der Oxide 13a bis 13c in dem Film geändert werden. In 1A bis 1E werden unterschiedliche Oxidschichten in der folgenden Reihenfolge nebeneinander bereitgestellt: das Oxid 13a, das Oxid 13b und das Oxid 13c; jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann eine Struktur zum Einsatz kommen, bei der die gleichen Oxidschichten sukzessiv in der folgenden Reihenfolge angeordnet werden: das Oxid 13a, das Oxid 13a, das Oxid 13b, das Oxid 13b, das Oxid 13c und das Oxid 13c.
In der folgenden Erläuterung dieser Beschreibung umfassen, sofern nicht anders angegeben, wenn Ozon, Sauerstoff und Wasser als Reaktant oder Oxidationsmittel verwendet werden, sie nicht nur diejenigen in Zuständen eines Gases und eines Moleküls, sondern auch diejenigen in Zuständen eines Plasmas, eines Radikals und eines Ions. In dem Fall, in dem ein Film unter Verwendung eines Oxidationsmittels in einem Plasma-Zustand, einem Radikal-Zustand oder einem Ion-Zustand ausgebildet wird, wird eine Radikal-ALD-Einrichtung oder eine Plasma-ALD-Einrichtung, die später beschrieben werden, verwendet.
Um eine in einem Vorläufer enthaltene Verunreinigung, wie z. B. Kohlenstoff oder Wasserstoff, zu entfernen, wird der Vorläufer vorzugsweise zur ausreichenden Reaktion mit einem Oxidationsmittel gebracht. Beispielsweise wird die Impulszeit zur Einleitung eines Oxidationsmittels verlängert. Alternativ wird ein Oxidationsmittel mehrmals eingeleitet. In dem Fall, in dem ein Oxidationsmittel mehrmals eingeleitet wird, können die Arten der Oxidationsmittel gleich oder unterschiedlich sein. Beispielsweise kann Wasser als erstes Oxidationsmittel in eine Kammer eingeleitet werden, eine Vakuumabsaugung kann durchgeführt werden, Sauerstoff oder Ozon, der keinen Wasserstoff enthält, kann als zweites Oxidationsmittel in eine Kammer eingeleitet werden und dann kann eine Vakuumabsaugung durchgeführt werden.
Es sei angemerkt, dass in der vorstehenden Beschreibung ein Beispiel gezeigt wird, in dem das zweite Quellengas in die Kammer eingeleitet wird, nachdem das erste Quellengas in die Kammer eingeleitet worden ist; jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Nachdem das zweite Quellengas in die Kammer eingeleitet worden ist, kann das erste Quellengas in die Kammer eingeleitet werden. Mit anderen Worten: Die Abscheidung kann auf derartige Weise durchgeführt werden, dass die dritten und vierten Schritte zuerst durchgeführt werden, die ersten bis vierten Schritte als Nächstes durchgeführt werden und dann die ersten bis vierten Schritte wiederholt werden. Alternativ kann die Abscheidung auf derartige Weise durchgeführt werden, dass die dritten und vierten Schritte mehrmals wiederholt werden und dann die ersten bis vierten Schritte wiederholt werden.
Auf diese Weise werden die dritten und vierten Schritte vorzugsweise vor dem ersten Schritt einmal oder mehrmals durchgeführt werden, da die Atmosphäre in der Kammer bei der Abscheidung gesteuert werden kann. Beispielsweise werden in dem dritten Schritt O₃ und O₂ als Oxidationsmittel eingeleitet, so dass die Kammer eine Sauerstoffatmosphäre aufweisen kann. Die Abscheidung, die in der Kammer mit einer Sauerstoffatmosphäre durchgeführt wird, wird bevorzugt, da der ausgebildete Film eine hohe Sauerstoffkonzentration aufweisen kann. Des Weiteren kann auch Sauerstoff dem Isolator und dem Oxid, die als Basis des Films dienen, zugeführt werden. Eine Halbleitervorrichtung, die durch ein derartiges Verfahren ausgebildet wird, kann ausgezeichnete Eigenschaften und eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen. Außerdem kann beispielsweise die Einleitung von Wasser als Oxidationsmittel in dem dritten Schritt zur Ausbildung einer hydrophilen Gruppe an der Ausbildungsoberfläche führen. Demzufolge kann der Vorläufer eine weiter verbesserte Adsorptionsfähigkeit aufweisen.
Nach den ersten und zweiten Schritten können der dritte Schritt zur Einleitung des zweiten Quellengases und der vierte Schritt zur Vakuumabsaugung oder Einleitung eines Inertgases mehrmals wiederholt werden. Das heißt: Nachdem die ersten und zweiten Schritte durchgeführt worden sind, können beispielsweise die dritten und vierten Schritte mehrmals durchgeführt werden, und dann können die ersten und zweiten Schritte wieder durchgeführt werden.
Beispielsweise werden in dem dritten Schritt O₃ und O₂ als Oxidationsmittel eingeleitet, eine Einleitung eines Inertgases wird in dem vierten Schritt durchgeführt, und diese Schritte können dann mehrmals wiederholt werden. In dem Fall, in dem die dritten und vierten Schritte wiederholt werden, wird das gleiche Quellengas nicht notwendigerweise für die wiederholte Einleitung verwendet. Beispielsweise kann H₂O in dem dritten Schritt in dem ersten Zyklus als Oxidationsmittel verwendet werden und O₃ kann in den dritten Schritten in und nach dem zweiten Zyklus als Oxidationsmittel verwendet werden.
Wie vorstehend beschrieben worden ist, werden die Einleitung eines Oxidationsmittels und die Einleitung eines Inertgases (oder die Vakuumabsaugung) in die Kammer in kurzer Zeit mehrmals wiederholt, wodurch überschüssige Wasserstoffatome, Kohlenstoffatome und dergleichen sicherer von dem Vorläufer, der an der Oberfläche des Substrats adsorbiert worden ist, entfernt und von der Kammer abgelassen werden können. In dem Fall, in dem zwei Arten von Oxidationsmitteln eingeleitet werden, können mehr überschüssige Wasserstoffatome, Kohlenstoffatome und dergleichen von dem Vorläufer, der an der Oberfläche des Substrats adsorbiert worden ist, entfernt werden. Auf diese Weise wird es verhindert, dass Wasserstoffatome, Kohlenstoffatome und dergleichen in den Film während der Abscheidung eindringen, so dass die Menge an Wasser, Wasserstoff und dergleichen in dem ausgebildeten Film klein sein kann.
Durch das vorstehend beschriebene Verfahren kann ein Film ausgebildet werden, von dem Wassermoleküle abgegeben werden, deren Anzahl größer als oder gleich 1,0 × 10¹³ Moleküle/cm² und kleiner als oder gleich 1,0 × 10¹⁶ Moleküle/cm², bevorzugt größer als oder gleich 1,0 × 10¹³ Moleküle/cm² und kleiner als oder gleich 3,0 × 10¹⁵ Moleküle/cm² bei der TDS-Analyse in dem Bereich der Oberflächentemperatur von 100 °C bis 700 °C oder von 100 °C bis 500 °C ist.
Bei einem ALD-Verfahren wird ein Film derart ausgebildet, dass unter Verwendung thermischer Energie ein Vorläufer und ein Reaktant reagieren. Die Temperatur, die zur Reaktion zwischen dem Vorläufer und dem Reaktanten benötigt wird, wird von den Temperatureigenschaften, dem Dampfdruck, der Zersetzungstemperatur und dergleichen von ihnen bestimmt und wird auf höher als oder gleich 100 °C und niedriger als oder gleich 600 °C, bevorzugt höher als oder gleich 200 °C und niedriger als oder gleich 600 °C, bevorzugter höher als oder gleich 300 °C und niedriger als oder gleich 600 °C eingestellt.
Des Weiteren wird ein ALD-Verfahren, bei dem eine Behandlung durchgeführt wird, indem zusätzlich zu dem Vorläufer und dem Reaktanten, die miteinander reagieren, ein durch Plasma angeregter Reaktant als drittes Quellengas in die Kammer eingeleitet wird, in einigen Fällen als Plasma-ALD-Verfahren bezeichnet. In diesem Fall wird eine Plasmaerzeugungseinrichtung in dem Abschnitt zur Einleitung des dritten Quellengases bereitgestellt. Um Plasma zu erzeugen, kann ein induktiv gekoppeltes Plasma (inductively coupled plasma, ICP) verwendet werden. Ein ALD-Verfahren, bei dem der Vorläufer und der Reaktant unter Verwendung thermischer Energie reagieren, wird in einigen Fällen als thermisches ALD-Verfahren bezeichnet.
Bei einem Plasma-ALD-Verfahren wird die Abscheidung durchgeführt, indem ein durch Plasma angeregter Reaktant in dem dritten Schritt eingeleitet wird. Alternativ wird die Abscheidung derart durchgeführt, dass die ersten bis vierten Schritte wiederholt werden, während ein durch Plasma angeregter Reaktant (ein zweiter Reaktant) eingeleitet wird. In diesem Fall wird der Reaktant, der in dem dritten Schritt eingeleitet wird, als erster Reaktant bezeichnet. Bei dem Plasma-ALD-Verfahren kann als zweiter Reaktant, der als drittes Quellengas verwendet wird, ein Material, das dem vorstehenden Oxidationsmittel gleich ist, verwendet werden. Mit anderen Worten: Als zweiter Reaktant können Ozon, Sauerstoff und Wasser, die durch Plasma angeregt werden, verwendet werden.
Als Trägergas für den zweiten Reaktanten kann Argon (Ar), Helium (He) oder Stickstoff (N₂) verwendet werden. Ein Trägergas, wie z. B. Argon, Helium oder Stickstoff, wird vorzugsweise verwendet, da das Entladen von Plasma leicht durchgeführt wird und der zweite Reaktant, der durch Plasma angeregt wird, leicht erzeugt wird. Es sei angemerkt, dass in dem Fall, in dem ein Oxidfilm, wie z. B. ein Metalloxidfilm, durch ein Plasma-ALD-Verfahren ausgebildet wird und Stickstoff als Trägergas verwendet wird, in einigen Fällen Stickstoff in den Film eindringt, so dass keine gewünschte Filmqualität erhalten werden kann. In diesem Fall wird vorzugsweise Argon oder Helium als Trägergas verwendet.
Durch das ALD-Verfahren kann ein sehr dünner Film mit gleichmäßiger Dicke ausgebildet werden. Zudem ist die Abdeckung einer unebenen Oberfläche mit dem Film hoch.
In dem Fall, in dem das Plasma-ALD-Verfahren verwendet wird, kann der Film bei niedrigerer Temperatur ausgebildet werden als in dem Fall, in dem das thermische ALD-Verfahren verwendet wird. Durch ein Plasma-ALD-Verfahren kann beispielsweise in einigen Fällen auch bei 100 °C oder niedriger der Film ohne Verringerung der Abscheidungsrate ausgebildet werden.
In dem Fall, in dem ein Plasma ALD-Verfahren zum Einsatz kommt, können durch Erzeugung von Plasma, während der eine Plasmaquelle für induktiv gekoppeltes Plasma (inductively coupled plasma, ICP), Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Plasma (electron cyclotron resonance plasma, ECR) oder dergleichen entfernt von einem Substrat liegt, die Plasmaschäden verringert werden.
<Atomanordnung in dem Kristall des Metalloxids>
Hier wird eine Atomanordnung in dem Kristall in dem Fall, in dem das Metalloxid mit einer geschichteten Kristallstruktur ein In-M-Zn-Oxid ist, anhand von 2A bis 2D und 3A bis 3D beschrieben. In 2B, 2D, 3B und 3D wird ein Atom durch eine Kugel (einen Kreis) dargestellt, und eine Bindung zwischen einem Metallatom und einem Sauerstoffatom wird durch eine Linie dargestellt. In 2B, 2D, 3B und 3D wird die Richtung der c-Achse in der Kristallstruktur des In-M-Zn-Oxids durch Pfeile in den Zeichnungen dargestellt. Die Richtung der a-b-Ebene in der Kristallstruktur des In-M-Zn-Oxids ist die Richtung senkrecht zu der Richtung der c-Achse, die durch die Pfeile in 2B, 2D, 3B und 3D dargestellt wird.
2A stellt ein Oxid 60 dar, das ein In-M-Zn-Oxid enthält, das über einem Strukturteil 50 ausgebildet ist. Der Strukturteil bezeichnet hier eine Komponente, die in einer Halbleitervorrichtung, wie z. B. einem Transistor, enthalten ist. Der Strukturteil 50 umfasst ein Substrat, Leiter, wie z. B. eine Gate-Elektrode, eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode, einen Isolator, wie z. B. einen Gate-Isolierfilm, einen Zwischenschicht-Isolierfilm und einen Basis-Isolierfilm, einen Halbleiter, wie z. B. ein Metalloxid oder Silizium, und dergleichen. In 2A ist die Abscheidungsoberfläche des Strukturteils 50 parallel zu einem Substrat (nicht dargestellt) angeordnet.
2B ist eine vergrößerte Ansicht, die die Atomanordnung in dem Kristall in einem Bereich 53 darstellt, der ein Teil des Oxids 60 in 2A ist. Es sei angemerkt, dass das Oxid 60, das in 2A und 2B dargestellt wird, ein Atomverhältnis von In:M:Zn = 1:1:1 und eine YbFe₂O₄-Kristallstruktur aufweist. Das Element M ist ein Metallelement mit einer Valenz von +3.
Wie in 2B dargestellt, weist der Kristall, der in dem Oxid 60 enthalten ist, eine wiederholte Schichtanordnung einer Schicht 21, die Indium (In) und Sauerstoff enthält, einer Schicht 31, die das Element M und Sauerstoff enthält, und einer Schicht 41, die Zink (Zn) und Sauerstoff enthält, in dieser Reihenfolge auf. Die Schichten 21, 31 und 41 sind parallel oder im Wesentlichen parallel zu der Abscheidungsoberfläche des Strukturteils 50 angeordnet. Das heißt: Die ab-Ebene des Oxids 60 ist parallel oder im Wesentlichen parallel zu der Abscheidungsoberfläche des Strukturteils 50 und die c-Achse des Oxids 60 ist parallel oder im Wesentlichen parallel zu der Normalrichtung der Abscheidungsoberfläche des Strukturteils 50.
Wenn, wie in 2B dargestellt, die Schichten 21, 31 und 41, die in dem vorstehenden Kristall enthalten sind, jeweils aus einem Metallelement und Sauerstoff bestehen, wird die Anordnung mit vorteilhafter Kristallinität erzielt, um die Beweglichkeit des Metalloxids zu erhöhen.
Es sei angemerkt, dass das In-M-Zn-Oxid mit einem Atomverhältnis von In: M: Zn = 1:1:1 nicht auf die in 2B dargestellte Struktur beschränkt ist. Die Anordnungsreihenfolge der Schichten 21, 31 und 41 kann geändert werden. Beispielsweise können die Schichten wiederholt in der Reihenfolge der Schichten 21, 41 und 31 übereinander angeordnet werden. Alternativ können die Schichten wiederholt in der Reihenfolge der Schichten 21, 31, 41, 21, 41 und 31 übereinander angeordnet werden. Ein Teil des Elements M in der Schicht 31 kann durch Zink substituiert werden, und ein Teil von Zink in der Schicht 41 kann durch das Element M substituiert werden.
Obwohl ein Beispiel, in dem das In-M-Zn-Oxid mit einem Atomverhältnis In :M :Zn = 1:1:1 ausgebildet wird, vorstehend beschrieben worden ist, kann ein kristallines In-M-Zn-Oxid, dessen Zusammensetzungsformel durch In_(1+α)M_(1-α)O₃(ZnO)_m (α ist eine reelle Zahl von größer als 0 und kleiner als 1 und m ist eine positive Zahl) dargestellt wird, auf ähnliche Weise eine geschichtete Kristallstruktur aufweisen. Als Beispiel wird ein In-M-Zn-Oxid mit einem Atomverhältnis von In: M: Zn = 1:3:4 anhand von 2C und 2D beschrieben.
2C stellt ein Oxid 62 dar, das ein In-M-Zn-Oxid enthält, das über dem Strukturteil 50 ausgebildet ist. 2D ist eine vergrößerte Ansicht, die die Atomanordnung in dem Kristall in einem Bereich 54 darstellt, der ein Teil des Oxids 62 in 2C ist.
Wie in 2D dargestellt, umfasst der Kristall, der in dem Oxid 62 enthalten ist, eine Schicht 22, die Indium (In), das Element M und Sauerstoff enthält, die Schicht 41, die Zink (Zn) und Sauerstoff enthält, und die Schicht 31, die das Element M und Sauerstoff enthält. In dem Oxid 62 wird die Vielzahl von Schichten wiederholt in der Reihenfolge der Schichten 22, 41, 31 und 41 übereinander angeordnet. Die Schichten 22, 31 und 41 sind parallel oder im Wesentlichen parallel zu der Abscheidungsoberfläche des Strukturteils 50 angeordnet. Das heißt: Die a-b-Ebene des Oxids 62 ist parallel oder im Wesentlichen parallel zur Abscheidungsoberfläche des Strukturteils 50 und die c-Achse des Oxids 62 ist parallel oder im Wesentlichen parallel zur Normalrichtung der Abscheidungsoberfläche des Strukturteils 50.
Es sei angemerkt, dass das In-M-Zn-Oxid mit einem Atomverhältnis von In: M: Zn = 1:3:4 nicht auf die in 2D dargestellte Struktur beschränkt ist, und die Struktur kann innerhalb eines Bereichs geändert werden, in dem das Atomverhältnis von In: M: Zn = 1:3:4 aufrechterhalten wird. Beispielsweise kann die Anordnungsreihenfolge der Schichten 22, 31 und 41 geändert werden. Ein Teil des Elements M in der Schicht 31 kann durch Zink substituiert werden, und ein Teil von Zink in der Schicht 41 kann durch das Element M substituiert werden. Anstelle der Schicht 22 kann die Schicht 21 oder die Schicht 31 ausgebildet werden.
Alternativ kann, wie in 3A dargestellt, eine mehrschichtige Struktur zum Einsatz kommen, bei der das Oxid 62 über dem Strukturteil 50 und darüber das Oxid 60 ausgebildet wird. 3B ist hier eine vergrößerte Ansicht, die die Atomanordnung in dem Kristall in einem Bereich 56 darstellt, der ein Teil des Oxids 62 und des Oxids 60 in 3A ist.
Wie vorstehend beschrieben worden ist, ist das Oxid 62 ein In-M-Zn-Oxid mit einem Atomverhältnis von In: M: Zn = 1:3:4, und das Oxid 60 ist ein In-M-Zn-Oxid mit einem Atomverhältnis von In: M: Zn = 1:1:1. Das heißt, dass das in 3A dargestellte Oxid ein Oxidfilm ist, in dem sich das Atomverhältnis in dem Film ändert. Wenn das Oxid 62, wie in 3B dargestellt, eine geschichtete Kristallstruktur aufweist, kann ferner die Kristallinität des Oxids 60 über dem Oxid 62 vorteilhaft sein.
Es sei angemerkt, dass die Oxide 62 und 60 nicht auf die in 3B dargestellte Struktur beschränkt sind, und die Strukturen der Oxide 62 und 60 können wie vorstehend beschrieben geändert werden. In 3B ist die Schicht 21 an der Grenze zwischen den Oxiden 62 und 60 platziert; jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann die Schicht 22 an der Grenze zwischen den Oxiden 62 und 60 ausgebildet werden.
Wie vorstehend beschrieben worden ist, ermöglicht ein ALD-Verfahren die Ausbildung eines Films auf einer Komponente mit hohem Seitenverhältnis und auch die Ausbildung eines Films mit ausgezeichneter Abdeckung an einer Seitenfläche eines Strukturteils. Durch ein ALD-Verfahren kann, unabhängig von der Richtung der Abscheidungsoberfläche, ein Metalloxid mit einer Kristallinität, wie z. B. mit einer CAAC-Struktur, leicht ausgebildet werden. Beispielsweise kann auch dann, wenn ein Strukturteil eine vorspringende Form oder eine vertiefte Form aufweist, ein Metalloxid mit hoher Abdeckung an einer Oberseite, einer Unterseite, einer Seitenfläche und einer schrägen Oberfläche des Strukturteils ausgebildet werden. Mit anderen Worten: Ein Metalloxid mit einer im Wesentlichen gleichen Dicke in der Normalrichtung kann auf jeder Abscheidungsoberfläche ausgebildet werden. Das Verhältnis der Minimaldicke zu der Maximaldicke des Metalloxids, das jeweils auf der Oberseite, der Unterseite, der Seitenfläche und der schrägen Oberfläche des Strukturteils ausgebildet wird, kann größer als oder gleich 0,5 und kleiner als oder gleich 1, bevorzugt größer als oder gleich 0,7 und kleiner als oder gleich 1, bevorzugter größer als oder gleich 0,9 und kleiner als oder gleich 1 sein. Dabei ist in dem Fall, in dem das Metalloxid eine Kristallstruktur aufweist, die c-Achse dieser zu einer Richtung, die im Wesentlichen parallel zu der Normalrichtung der jeweiligen Abscheidungsoberflächen ist, ausgerichtet. Mit anderen Worten: Die c-Achse ist senkrecht zu den jeweiligen Abscheidungsoberflächen ausgerichtet.
3C stellt hier den Fall dar, in dem eine Abscheidungsoberfläche des Strukturteils 50 senkrecht zu einem Substrat (nicht dargestellt) platziert ist und ein Oxid 64 an der Oberfläche des Strukturteils 50 ausgebildet ist. 3D ist eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs 58, der ein Teil des Oxids 64 in 3C ist. 3D stellt einen Zustand dar, in dem an der Seitenfläche des Strukturteils 50 die Schicht 21, die Indium (In) enthält, die Schicht 31, die das Element M enthält, und die Schicht 41, die Zink (Zn) enthält, bezüglich der Abscheidungsoberfläche übereinander angeordnet sind. Die Schicht 21, die Indium enthält, ist parallel oder im Wesentlichen parallel zu der Abscheidungsoberfläche des Strukturteils 50 platziert, die Schicht 31, die das Element M enthält, ist parallel oder im Wesentlichen parallel zu der Abscheidungsoberfläche des Strukturteils 50 darüber platziert, und ferner ist die Schicht 41, die Zink enthält, parallel oder im Wesentlichen parallel zu der Abscheidungsoberfläche des Strukturteils 50 darüber platziert. Das heißt: Die a-b-Ebene des Oxids 60 ist parallel oder im Wesentlichen parallel zu der Abscheidungsoberfläche des Strukturteils 50 und die c-Achse des Oxids 60 ist parallel oder im Wesentlichen parallel zu der Normalrichtung der Abscheidungsoberfläche des Strukturteils 50. Es sei angemerkt, dass 3C und 3D das Beispiel für das In-M-Zn-Oxid mit einem Atomverhältnis von In:M:Zn = 1:1:1 zeigen, jedoch ein Oxid mit einem unterschiedlichen Atomverhältnis an der Oberfläche des Strukturteils 50, dessen Abscheidungsoberfläche senkrecht zu dem Substrat ist, auch ausgebildet werden kann.
Im Vorstehenden sind die Beispiele für das Metalloxid mit einem Atomverhältnis von In: M: Zn = 1:1:1 und das Metalloxid mit einem Atomverhältnis von In: M: Zn = 1:3:4 beschrieben worden; jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt.
Nachstehend werden bevorzugte Bereiche des Atomverhältnisses von Indium, dem Element M und Zink, die in einem Metalloxid enthalten sind, das als Oxid einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, anhand von 4A bis 4C beschrieben. Es sei angemerkt, dass der Anteil von Sauerstoffatomen in 4A bis 4C nicht gezeigt ist. Die Terme des Atomverhältnisses von Indium, dem Element M und Zink, die in dem Metalloxid enthalten sind, werden durch [In], [M] bzw. [Zn] bezeichnet.
In 4A bis 4C bezeichnen gestrichelte Linien eine Linie, die ein Atomverhältnis von [In]:[M]:[Zn] = (1+α):(1-α):1 (-1 ≤ α ≤ 1) darstellt, eine Linie, die ein Atomverhältnis von [In]:[M]:[Zn] = (1+α):(1-α):2 darstellt, eine Linie, die ein Atomverhältnis von [In]:[M]:[Zn] = (1+α):(1-α):3 darstellt, eine Linie, die ein Atomverhältnis von [In]:[M]:[Zn] = (1+α):(1-α):4 darstellt, und eine Linie, die ein Atomverhältnis von [In]:[M]:[Zn] = (1+α):(1-α):5 darstellt.
Außerdem bezeichnen Strichpunktlinien eine Linie, die ein Atomverhältnis von [ln]:[M]:[Zn] = 5:1:β (β ≥ 0) darstellt, eine Linie, die ein Atomverhältnis von [In]:[M]:[Zn] = 2:1:β darstellt, eine Linie, die ein Atomverhältnis von [In]:[M]:[Zn] = 1:1:β darstellt, eine Linie, die ein Atomverhältnis von [In]:[M]:[Zn] = 1:2:β darstellt, eine Linie, die ein Atomverhältnis von [In]:[M]:[Zn] = 1:3:β darstellt, und eine Linie, die ein Atomverhältnis von [In]:[M]:[Zn] = 1:4:β darstellt.
Ein Metalloxid mit einem Atomverhältnis von [In]:[M]:[Zn] = 0:2:1 und in der Nähe davon in 4A bis 4C neigt dazu, eine Spinellkristallstruktur aufzuweisen.
Eine Vielzahl von Phasen (z. B. zwei Phasen oder drei Phasen) existiert in einigen Fällen in dem Metalloxid. Beispielsweise ist es wahrscheinlich, dass bei einem Atomverhältnis von [In]:[M]:[Zn], das nahe an 0:2:1 liegt, zwei Phasen von einer Spinellkristallstruktur und einer geschiteten Kristallstruktur existieren. Außerdem ist es wahrscheinlich, dass bei einem Atomverhältnis von [In]:[M]:[Zn], das nahe an 1:0:0 liegt, zwei Phasen von einer Bixbyit-Kristallstruktur und einer geschiteten Kristallstruktur existieren. In dem Fall, in dem in dem Metalloxid eine Vielzahl von Phasen existiert, könnte eine Korngrenze zwischen unterschiedlichen Kristallstrukturen gebildet werden.
Ein Bereich A in 4A zeigt ein Beispiel für die bevorzugten Bereiche des Atomverhältnisses von Indium, dem Element M und Zink, die in einem Metalloxid enthalten sind.
Ein Metalloxid mit einem höheren Indiumgehalt kann eine höhere Ladungsträgerbeweglichkeit (Elektronenbeweglichkeit) aufweisen. Dementsprechend weist ein Metalloxid mit einem hohen Indiumgehalt eine höhere Ladungsträgerbeweglichkeit auf als ein Metalloxid mit einem niedrigen Indiumgehalt.
Im Gegensatz dazu wird dann, wenn der Indium- und der Zinkgehalt in einem Metalloxid niedriger werden, die Ladungsträgerbeweglichkeit niedriger. Daher wird bei einem Atomverhältnis von [ln]:[M]:[Zn] = 0:1:0 und der Nachbarschaft davon (z. B. einem Bereich C in 4C) die Isolierleistung verbessert. Es sei angemerkt, dass, da der Bereich C einen Bereich umfasst, in dem es wahrscheinlich ist, dass die vorstehende Spinellkristallstruktur enthalten wird, vorzugsweise eine Zusammensetzung zum Einsatz kommt, bei der der Bereich vermieden wird, in dem es wahrscheinlich ist, dass die Spinellkristallstruktur enthalten wird.
Beispielsweise weist das Metalloxid, das für einen Kanalbildungsbereich und einen niederohmigen Bereich verwendet wird, vorzugsweise ein Atomverhältnis auf, das durch den Bereich A in 4A dargestellt wird. Das Metalloxid, das für einen Kanalbildungsbereich und den niederohmigen Bereich verwendet wird, kann beispielsweise ein Atomverhältnis von In: Ga: Zn = 4:2:3 bis 4:2:4,1 und im Wesentlichen einen Wert in der Nachbarschaft davon aufweisen. Alternativ kann das Metalloxid beispielsweise ein Atomverhältnis von In: Ga: Zn = 1:1:1 und im Wesentlichen einen Wert in der Nachbarschaft davon aufweisen. Im Gegensatz dazu weist dann, wenn das Metalloxid bereitgestellt wird, um den Kanalbildungsbereich und den niederohmigen Bereich zu umschließen, das Metalloxid vorzugsweise ein Atomverhältnis auf, das durch den Bereich C in 4C dargestellt wird, mit dem eine relativ hohe Isolierleistung erhalten wird. Das Metalloxid, das bereitgestellt wird, um den Kanalbildungsbereich und den niederohmigen Bereich zu umschließen, kann ein Atomverhältnis von In: Ga: Zn = 1:3:4 und im Wesentlichen einen Wert in der Nachbarschaft davon oder ein Atomverhältnis von In: Ga: Zn = 1:3:2 und im Wesentlichen einen Wert in der Nachbarschaft davon aufweisen. Alternativ kann das Metalloxid, das bereitgestellt wird, um den Kanalbildungsbereich und den niederohmigen Bereich zu umschließen, unter Verwendung eines Metalloxids, das einem Metalloxid entspricht, das als Kanalbildungsbereich und niederohmiger Bereich verwendet wird, ausgebildet werden.
Ein Metalloxid mit einem Atomverhältnis in dem Bereich A, insbesondere in einem Bereich B in 4B, weist eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit und eine hohe Zuverlässigkeit auf und ist ausgezeichnet.
Es sei angemerkt, dass der Bereich B [ln]:[M]:[Zn] = 4:2:3 bis 4:2:4,1 und den Nachbarwert davon aufweist. Der Nachbarwert umfasst beispielsweise ein Atomverhältnis von [In]:[M]:[Zn] = 5:3:4. Der Bereich B weist zudem [ln]:[M]:[Zn] = 5:1:6 und den Nachbarwert davon sowie [In]:[M]:[Zn] = 5:1:7 und den Nachbarwert davon auf. Es sei angemerkt, dass der Bereich B2 ein Atomverhältnis von [In]:[M]:[Zn] = 1:1:1 und den Nachbarwert davon aufweist.
Wie vorstehend beschrieben, variiert die elektrische Leitfähigkeit des Metalloxids stark abhängig von dem Atomverhältnis. Indem ein Metalloxid, wie vorstehend beschrieben, durch ein ALD-Verfahren ausgebildet wird, kann ein Metalloxid mit einer geschichteten Kristallstruktur gemäß dem Atomverhältnis ausgebildet werden. Daher kann, indem ein ALD-Verfahren zum Einsatz kommt, ein Metalloxid gemäß den geforderten Eigenschaften ausgebildet werden.
Als Nächstes werden die Details eines Verfahrens zum Ausbilden des Oxids 60, das das In-M-Zn-Oxid enthält, das in 2A und 2B dargestellt wird, anhand von 5D und 6A bis 6C beschrieben.
Zuerst wird, wie in 5A dargestellt, ein Quellengas, das einen Vorläufer enthält, der Indium enthält, in eine Kammer eingeleitet, so dass der Vorläufer an die Oberfläche des Strukturteils 50 adsorbiert wird.
Hier enthält das Quellengas, das den Vorläufer enthält, zusätzlich zu dem Vorläufer, ein Trägergas, wie z. B. Argon, Helium oder Stickstoff.
Ein Beispiel für einen Vorläufer, der Indium enthält, ist eine Verbindung, die durch die allgemeine Formel (G1) dargestellt wird. Beispiele umfassen Trimethylindium, Triethylindium, Ethyldimethylindium, Tris(1-methylethyl)indium, Tris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptandionsäure)indium, Cyclopentadienylindium, Indium(III)acetylacetonat, (Diethylphosphino)dimethylindium, Chlordimethylindium, Bromodimethylindium, Dimethyl(2-propanolato)indium, Indiumtrichlorid, Indiumtribromid und Indiumtriiodid.
Als Nächstes wird die Einleitung des Quellengases unterbrochen und die Purging der Kammer wird durchgeführt, so dass ein überschüssiger Vorläufer, ein Reaktionsprodukt und dergleichen von der Kammer abgelassen werden.
Anschließend wird, wie in 5B dargestellt, ein Oxidationsmittel als Reaktant in die Kammer eingeleitet, mit dem adsorbierten Vorläufer zu reagieren, und Komponenten mit Ausnahme von Indium werden abgegeben, während Indium an das Substrat adsorbiert wird, wodurch die Schicht 21, in der Indium und Sauerstoff aneinander gebunden werden, ausgebildet wird.
Als Oxidationsmittel kann Ozon, Sauerstoff, Wasser oder dergleichen verwendet werden.
Danach wird die Einleitung des Oxidationsmittels unterbrochen und die Purging der Kammer wird durchgeführt, so dass ein überschüssiger Vorläufer, ein Reaktionsprodukt und dergleichen von der Kammer abgelassen werden.
Dann wird, wie in 5C dargestellt, ein Quellengas, das einen Vorläufer enthält, der das Element M enthält, in die Kammer eingeleitet, so dass der Vorläufer an die Schicht 21 adsorbiert wird.
Ein Beispiel für einen Vorläufer, der das Element M enthält, ist eine Verbindung, die durch die allgemeine Formel (G2) dargestellt wird. Hier wird als Element M Gallium, Aluminium oder Zinn verwendet.
Beispiele für einen Vorläufer, der Gallium enthält, umfassen Trimethylgallium, Triethylgallium, Triphenylgallium, Diethyl(3-methyl-2,4-cyclopropandien-1-yl)gallium, [4-(1,1-Dimethyl)phenyl]dimethylgallium, Dimethyl(4-methylphenyl)gallium, Dimethylphenylgallium, Methyldiphenylgallium, Ethyldimethylgallium, Dimethylmethylengallium, Gallium(III)acetylacetonat, Tris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptandionsäure)gallium, Dimethyl(2-methyl-2-propanolato)Gallium, Methoxydimethylgallium, Hydroxydimethylgallium, (Methanthiolato)dimethylgallium, Chlordimethylgallium, Chlordiethylgallium, Chlordipropylgallium, Bromodimethylgallium, Bromodiethylgallium, Dimethyljodgallium, Chlorbis(2,2-dimethylpropyl)gallium, Galliumtrichlorid, Galliumtribromid und Galliumtriiodid.
Beispiele für einen Vorläufer, der Aluminium enthält, umfassen Trimethylaluminium, Triethylaluminium, Chlordimethylaluminium, Dichlormethylaluminium, Bromodimethylaluminium, Joddimethylaluminium, Aluminiumacetylacetonat, Tris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptandionsäure)aluminium, Dimethylchloraluminium, Diethylchloraluminium, Aluminiumtrichlorid, Aluminiumtribromid und Aluminiumtriiodid.
Beispiele für einen Vorläufer, der Zinn enthält, umfassen Tetramethylzinn, Tetraethylzinn, Tetraethenylzinn, Tetraallylzinn, Tributylvinylzinn, Allyltributylzinn, Tributylstanylacetylen, Tributylphenylzinn, Chlortrimethylzinn, Chlortriethylzinn, Zinntetrachlorid, Zinntetrabromid und Zinntetraiodid.
Als Nächstes wird die Einleitung des Quellengases unterbrochen und die Purging der Kammer wird durchgeführt, so dass ein überschüssiger Vorläufer, ein Reaktionsprodukt und dergleichen von der Kammer abgelassen werden.
Anschließend wird, wie in 5D dargestellt, ein Oxidationsmittel als Reaktant in die Kammer eingeleitet, um mit dem adsorbierten Vorläufer zu reagieren, und Komponenten mit Ausnahme des Elements M werden abgegeben, während das Element M an das Substrat adsorbiert wird, wodurch die Schicht 31, in der das Element M und Sauerstoff gebunden werden, ausgebildet wird. Zu diesem Zeitpunkt könnte ein Teil von Sauerstoff, der an die Schicht 31 adsorbiert wird, in der nachstehend beschriebenen Schicht 41 enthalten sein.
Danach wird die Einleitung des Oxidationsmittels unterbrochen und die Purging der Kammer wird durchgeführt, so dass ein überschüssiger Vorläufer, ein Reaktionsprodukt und dergleichen von der Kammer abgelassen werden.
Dann wird, wie in 6A dargestellt, ein Quellengas, das einen Vorläufer enthält, der Zink enthält, in die Kammer eingeleitet, so dass der Vorläufer an die Schicht 31 adsorbiert wird. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Teil der Schicht 41, in der Zink an Sauerstoff gebunden ist, in einigen Fällen ausgebildet.
Ein Beispiel für einen Vorläufer, der Zink enthält, ist eine Verbindung, die durch die allgemeine Formel (G3) dargestellt wird. Beispielsweise werden Dimethylzink, Diethylzink, Bis(1-methylethyl)zink, Bis(1,1-dimethylethyl)zink, Dibutylzink, Diethenylzink, Dicyclohexylzink, Bis(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptandionsäure)zink, Zinkchlorid, Chlormethylzink, Zinkbromid, Bromomethylzink und Zinkiodid angegeben.
Als Nächstes wird die Einleitung des Quellengases unterbrochen und die Purging der Kammer wird durchgeführt, so dass ein überschüssiger Vorläufer, ein Reaktionsprodukt und dergleichen von der Kammer abgelassen werden.
Anschließend wird, wie in 6B dargestellt, ein Oxidationsmittel als Reaktant in die Kammer eingeleitet, um mit dem adsorbierten Vorläufer zu reagieren, und Komponenten mit Ausnahme von Zink werden abgegeben, während Zink an dem Substrat adsorbiert ist, wodurch die Schicht 41, in der Zink und Sauerstoff gebunden werden, ausgebildet wird.
Danach wird die Einleitung des Oxidationsmittels unterbrochen und die Purging der Kammer wird durchgeführt, so dass ein überschüssiger Vorläufer, ein Reaktionsprodukt und dergleichen von der Kammer abgelassen werden.
Als Nächstes wird, wie in 6C dargestellt, die Schicht 21 wieder durch das vorstehend beschriebene Verfahren über der Schicht 41 ausgebildet. Durch Wiederholen des vorstehend beschriebenen Verfahrens kann das Oxid 60 über dem Substrat oder dem Strukturteil ausgebildet werden.
Zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Vorläufern, die die Metallelemente enthalten, gibt es einen Vorläufer, der Kohlenstoff und/oder Chlor enthält. Ein Film, der unter Verwendung eines Vorläufers ausgebildet wird, der Kohlenstoff enthält, kann Kohlenstoff enthalten. Ein Film, der unter Verwendung eines Vorläufers ausgebildet wird, der Halogen, wie z. B. Chlor, enthält, kann Halogen, wie z. B. Chlor, enthalten.
Die in 5A bis 5D und 6A bis 6C dargestellten Schritte werden vorzugsweise durchgeführt, während das Substrat erwärmt wird. Beispielsweise kann die Substrattemperatur auf höher als oder gleich 200 °C und niedriger als oder gleich 600 °C, bevorzugt höher als oder gleich 300 °C und niedriger als oder gleich der Zersetzungstemperatur des Vorläufers eingestellt werden. Durch Durchführen der Abscheidung während der Erwärmung des Substrats in einem derartigen Temperaturbereich kann in jedem der Schritte in 5A bis 5D und 6A bis 6C eine in dem Vorläufer, dem Reaktanten oder dergleichen enthaltene Verunreinigung, wie z. B. Wasserstoff oder Kohlenstoff, von dem Metalloxid entfernt werden. Beispielsweise kann Kohlenstoff in dem Metalloxid als CO₂ und CO abgegeben werden, und Wasserstoff in dem Metalloxid kann als H₂O abgegeben werden. Des Weiteren werden Metallatome und Sauerstoffatome gleichzeitig mit der Entfernung der Verunreinigung umgeordnet, so dass Oxidschichten ordentlich angeordnet werden können. Daher kann ein Metalloxid mit einer geschichteten Kristallstruktur mit hoher Kristallinität, beispielsweise ein Metalloxid mit einer CAAC-Struktur, ausgebildet werden.
Es sei angemerkt, dass die Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung vorzugsweise während des Ausbildens des Oxids 60 intermittierend durchgeführt wird. Beispielsweise wird die Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung vorzugsweise jedes Mal durchgeführt, wenn eine dreischichtige Schichtanordnung aus den Schichten 21, 31 und 41 n-Male (n ist eine ganze Zahl von größer als oder gleich 1 und kleiner als oder gleich 50, bevorzugt größer als oder gleich 2 und kleiner als oder gleich 30, bevorzugter größer als oder gleich 5 und kleiner als oder gleich 10) ausgebildet wird. Die Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung wird vorzugsweise auch nach dem Ausbilden des Oxids 60 durchgeführt.
Durch Durchführen der Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung kann eine in dem Metalloxid enthaltene Verunreinigung, wie z. B. Wasserstoff oder Kohlenstoff, entfernt werden. Beispielsweise kann Kohlenstoff in dem Metalloxid als CO₂ und CO abgegeben werden, und Wasserstoff in dem Metalloxid kann als H₂O abgegeben werden. Des Weiteren werden Metallatome und Sauerstoffatome gleichzeitig mit der Entfernung der Verunreinigung umgeordnet, wodurch die Kristallinität verbessert werden kann. Daher kann ein Metalloxid mit einer geschichteten Kristallstruktur mit hoher Kristallinität, besonders ein Metalloxid mit einer CAAC-Struktur, ausgebildet werden.
Wie vorstehend beschrieben, wird das Oxid 60 durch ein ALD-Verfahren ausgebildet, wodurch das Metalloxid mit einer CAAC-Struktur, bei der die c-Achse im Wesentlichen parallel zu der Normalrichtung der Abscheidungsoberfläche ausgerichtet ist, erhalten werden kann.
Es sei angemerkt, dass 5A bis 5D und 6A bis 6C ein Beispiel darstellen, in dem die Schicht 21 als Schicht, die Indium enthält, ausgebildet wird, darüber die Schicht 31 als Schicht, die das Element M enthält, ausgebildet wird und ferner darüber die Schicht 41 als Schicht, die Zink enthält, ausgebildet wird; jedoch ist diese Ausführungsform nicht darauf beschränkt. Eine der Schichten 31 und 41 kann ausgebildet werden, darüber kann die Schicht 21 ausgebildet werden, und darüber kann ferner die andere der Schichten 31 und 41 ausgebildet werden. Alternativ kann eine der Schichten 31 und 41 ausgebildet werden, darüber kann die andere der Schichten 31 und 41 ausgebildet werden, und darüber kann ferner die Schicht 21 ausgebildet werden.
Im Falle der Ausbildung eines Metalloxids mit einem Atomverhältnis, das sich von In: M: Zn = 1:1:1 unterscheidet, werden die Schichten 21, 31 und 41 gemäß dem Atomverhältnis angemessen ausgebildet. Beispielsweise wird die Ausbildung der Schicht 41 mehrmals vor und nach der Ausbildung der in 6A dargestellten Schicht 31 wiederholt, so dass eine Schichtanordnung, die die Schicht 31 und die Schicht 41 umfasst und die erforderliche Anzahl von Atomen und Schichten sowie eine erforderliche Dicke aufweist, zwischen zwei Schichten 21 ausgebildet wird.
<Abscheidungseinrichtung>
Als Beispiel für eine Einrichtung, bei der ein Film durch ein ALD-Verfahren ausgebildet werden kann, wird eine Struktur einer Abscheidungseinrichtung 4000 anhand von 7 sowie 8A und 8B beschrieben. 7 ist ein schematisches Diagramm der Abscheidungseinrichtung 4000, die vom Multikammer-Typ ist, und 8A und 8B sind jeweils eine Querschnittsansicht einer ALD-Einrichtung, die bei der Abscheidungseinrichtung 4000 verwendet werden kann.
Die in 7 dargestellte Abscheidungseinrichtung 4000 beinhaltet eine Einlade-/Ausladekammer 4002, eine Einlade-/Ausladekammer 4004, eine Transferkammer 4006, eine Abscheidungskammer 4008, eine Abscheidungskammer 4009, eine Behandlungskammer 4011 und einen Transferarm 4014. Die Einlade-/Ausladekammer 4002, die Einlade-/Ausladekammer 4004, die Abscheidungskammer 4008, die Abscheidungskammer 4009 und die Behandlungskammer 4011 sind jeweils unabhängig voneinander über ein Gate-Ventil mit der Transferkammer 4006 verbunden. Dadurch kann die Behandlung sukzessiv ohne Aussetzung an der Luft in der Abscheidungskammer 4008, der Abscheidungskammer 4009 und der Behandlungskammer 4011 durchgeführt werden, wodurch verhindert werden kann, dass Verunreinigungen in einen Film eindringen. Außerdem kann die Kontamination an einer Grenzfläche zwischen einem Substrat und einem Film sowie an Grenzflächen zwischen den Filmen verringert werden, so dass reine Grenzflächen erhalten werden können.
Es sei angemerkt, dass, damit das Anhaften von Feuchtigkeit verhindert wird, beispielsweise die Einlade-/Ausladekammer 4002, die Einlade-/Ausladekammer 4004, die Transferkammer 4006, die Abscheidungskammer 4008, die Abscheidungskammer 4009 und die Behandlungskammer 4011 bevorzugt mit einem Inertgas (wie z. B. einem Stickstoffgas) gefüllt werden, dessen Taupunkt gesteuert wird, und sie, stärker bevorzugt, einen reduzierten Druck halten.
Eine ALD-Einrichtung kann in der Abscheidungskammer 4008 und der Abscheidungskammer 4009 verwendet werden. Eine Abscheidungseinrichtung außer einer ALD-Einrichtung kann entweder für die Abscheidungskammer 4008 oder für die Abscheidungskammer 4009 verwendet werden. Beispiele für die Abscheidungseinrichtung, die in der Abscheidungskammer 4008 und der Abscheidungskammer 4009 verwendet werden kann, umfassen eine Sputtereinrichtung, eine plasmaunterstützte CVD- (plasma enhanced CVD, PECVD-) Einrichtung, eine thermische CVD- (TCVD-) Einrichtung, eine Photo-CVD-Einrichtung, eine Metall-CVD- (MCVD-) Einrichtung und eine metallorganische CVD- (MOCVD-) Einrichtung.
In der Behandlungskammer 4011 wird eine Einrichtung, die eine Funktion außer derjenigen einer Abscheidungseinrichtung aufweist, wie z. B. eine Erwärmungseinrichtung (typischerweise eine Vakuum-Erwärmungseinrichtung) oder eine Plasmaerzeugungseinrichtung (typischerweise eine Mikrowellen-Plasmaerzeugungseinrichtung), vorzugsweise verwendet wird.
In dem Fall, in dem beispielsweise eine ALD-Einrichtung in der Abscheidungskammer 4008 verwendet wird, eine Sputtereinrichtung in der Abscheidungskammer 4009 verwendet wird und eine Erwärmungseinrichtung in der Behandlungskammer 4011 verwendet wird, kann ein Basis-Isolierfilm in der Abscheidungskammer 4009 ausgebildet werden, ein Oxidhalbleiterfilm, der als Aktivschicht dient, kann in der Abscheidungskammer 4008 ausgebildet werden, und eine Wärmebehandlung nach der Ausbildung des Oxidhalbleiterfilms kann in der Behandlungskammer 4011 durchgeführt werden. In diesem Fall können die Ausbildung des Basis-Isolierfilms, die Ausbildung des Oxidhalbleiterfilms und die Wärmebehandlung sukzessiv ohne Aussetzung an der Luft durchgeführt werden.
Obwohl die Abscheidungseinrichtung 4000 die Einlade-/Ausladekammer 4002, die Einlade-/Ausladekammer 4004, die Abscheidungskammer 4008, die Abscheidungskammer 4009 und die Behandlungskammer 4011 beinhaltet, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Struktur beschränkt. Die Anzahl der Abscheidungskammern in der Abscheidungseinrichtung 4000 kann eins oder drei oder mehr sein. Die Anzahl der Behandlungskammern in der Abscheidungseinrichtung 4000 kann zwei oder mehr sein. Die Abscheidungseinrichtung 4000 kann vom Ein-Wafer-Typ oder vom Batch-Typ sein.
<ALD-Einrichtung>
Als Nächstes wird eine Struktur einer thermischen ALD-Einrichtung, die für die Abscheidungseinrichtung 4000 verwendet werden kann, anhand von 8A beschrieben. Die thermische ALD-Einrichtung beinhaltet eine Abscheidungskammer (eine Kammer 4520), einen Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4521 (Quellenmaterial-Zufuhrabschnitte 4521a bis 4521c), einen Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4531, Hochgeschwindigkeitsventile 4522a bis 4522d, die Steuerungen der Einleitungsmenge sind, einen Gaszufuhrabschnitt 4532, eine Quellenmaterial-Einleitungsöffnung 4523, eine Quellenmaterial-Auslassöffnung 4524 und eine Evakuierungseinheit 4525. Beispielsweise ist die Quellenmaterial-Einleitungsöffnung 4523, die in der Kammer 4520 bereitgestellt wird, über Zufuhrrohre und Ventile mit dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4521a, dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4521b, dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4521c, dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4531 und dem Gaszufuhrabschnitt 4532 verbunden, und die Quellenmaterial-Auslassöffnung 4524 ist über ein Auslassrohr, ein Ventil und einen Druckregler mit der Evakuierungseinheit 4525 verbunden.
Ein Substrathalter 4526 wird in der Kammer 4520 bereitgestellt, und ein Substrat 4530 wird auf dem Substrathalter 4526 platziert. Der Substrathalter 4526 kann einen Drehmechanismus beinhalten. Eine Heizung 4527, die an einer Außenwand der Kammer 4520 bereitgestellt wird, kann die Temperatur innerhalb der Kammer 4520 und die Temperaturen des Substrathalters 4526, der Oberfläche des Substrats 4530 und dergleichen steuern. Die Heizung 4527 ist vorzugsweise dazu geeignet, die Temperatur der Oberfläche des Substrats 4530 auf höher als oder gleich 300 °C und niedriger als oder gleich 500 °C, bevorzugt auf höher als oder gleich 400 °C und niedriger als oder gleich 450 °C zu steuern. Die Temperatur der Heizung 4527 selbst wird beispielsweise bevorzugt auf höher als oder gleich 100 °C und niedriger als oder gleich 600 °C eingestellt. Durch Durchführen der Abscheidung während der Erwärmung des Substrats in einem derartigen Temperaturbereich kann verhindert werden, dass eine in dem Vorläufer, dem Reaktanten oder dergleichen enthaltene Verunreinigung, wie z. B. Wasserstoff oder Kohlenstoff, in dem Metalloxid verbleibt. Des Weiteren werden Metallatome und Sauerstoffatome gleichzeitig mit der Entfernung der Verunreinigungen umgeordnet, so dass Oxidschichten ordentlich angeordnet werden können. Daher kann ein Metalloxid mit einer geschichteten Kristallstruktur mit hoher Kristallinität ausgebildet werden. Außerdem kann die Wärmebehandlung nach der Abscheidung des Metalloxids unter Verwendung der Heizung 4527 durchgeführt werden.
In dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4521a, dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4521b, dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4521c und dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4531 wird ein Quellengas aus einem festen Quellenmaterial oder einem flüssigen Quellenmaterial unter Verwendung eines Verdampfungsgeräts, einer Erwärmungseinheit oder dergleichen ausgebildet. Alternativ können der Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4521a, der Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4521b, der Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4521c und der Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4531 ein Quellengas zuführen.
Bei der in 8A dargestellten Abscheidungseinrichtung kann ein Metalloxid ausgebildet werden, indem Quellenmaterialien (z. B. eine flüchtige metallorganische Verbindung), die in dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4521 und dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4531 verwendet werden, angemessen ausgewählt werden und die Materialien in die Kammer 4520 eingeleitet werden. In dem Fall, in dem, wie vorstehend beschrieben, als Metalloxid ein In-Ga-Zn-Oxid, das Indium, Gallium und Zink enthält, ausgebildet wird, wird vorzugsweise wie in 8A eine Abscheidungseinrichtung mit mindestens drei Quellenmaterial-Zufuhrabschnitten 4521a bis 4521c und mindestens einem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4531 verwendet.
Beispielsweise wird ein Vorläufer, der Indium enthält, von dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4521a zugeführt, ein Vorläufer, der Gallium enthält, wird von dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4521b zugeführt, und ein Vorläufer, der Zink enthält, wird von dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4521c zugeführt. Als Vorläufer, der Indium enthält, Vorläufer, der Gallium enthält, und Vorläufer, der Zink enthält, können die oben genannten Vorläufer verwendet werden.
Ein Reaktant wird von dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4531 zugeführt. Als Reaktant kann ein Oxidationsmittel, das mindestens eines von Ozon, Sauerstoff und Wasser enthält, verwendet werden.
Ein Trägergas wird von dem Gaszufuhrabschnitt 4532 zugeführt. Als Trägergas kann ein Inertgas, wie z. B. Argon (Ar), Helium (He) oder Stickstoff (N₂), verwendet werden. Der Vorläufer von dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4521 und der Reaktant von dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4531 werden mit dem Trägergas gemischt und in die Kammer 4520 eingeleitet.
Eine Rohrheizung 4534a wird derart bereitgestellt, dass sie das Rohr, das Ventil und dergleichen zwischen dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4521a, dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4521b, dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4521c, dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4531 und dem Gaszufuhrabschnitt 4532 und der Kammer 4520 bedeckt. Eine Rohrheizung 4534b wird derart bereitgestellt, dass sie das Rohr, das Ventil und dergleichen zwischen der Evakuierungseinheit 4525 und der Kammer 4520 bedeckt. Die Temperaturen der Rohrheizung 4534a und der Rohrheizung 4534b werden beispielsweise in einem Bereich von Raumtemperatur bis 300 °C angemessen eingestellt. Das Vorhandensein von derartigen Rohrheizungen kann verhindern, dass sich ein Vorläufer oder dergleichen, der von dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4521 zugeführt wird, an Innenwänden von Rohren oder dergleichen des Gaseinleitungssystems und des Gasauslasssystems verfestigt. Die Temperaturen der Rohrheizung 4534a, der Rohrheizung 4534b und der Heizung 4527 werden vorzugsweise unabhängig voneinander gesteuert. Alternativ können die Temperaturen der Rohrheizung 4534a, der Rohrheizung 4534b und der Heizung 4527 kollektiv gesteuert werden.
Die Hochgeschwindigkeitsventile 4522a bis 4522d können präzise auf Basis von Zeit gesteuert werden. Daher können Quellengase, die von dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4521a, dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4521b, dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4521c und dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4531 zugeführt werden, derart reguliert werden, dass sie in die Kammer 4520 eingeleitet werden.
Beispielsweise wird im Falle der Zufuhr eines Vorläufers, der in dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4521a, dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4521b oder dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4521c enthalten ist, ein entsprechendes Hochgeschwindigkeitsventil unter den Hochgeschwindigkeitsventilen 4522a bis 4522c geöffnet. Im Falle der Zufuhr eines Reaktanten, der in dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4531 enthalten ist, wird das Hochgeschwindigkeitsventil 4522d geöffnet. Im Falle der Purging der Kammer 4520 werden die Hochgeschwindigkeitsventile 4522a bis 4522d geschlossen und nur ein Trägergas, das in dem Gaszufuhrabschnitt 4532 enthalten ist, wird in die Kammer 4520 eingeleitet.
Obwohl 8A das Beispiel darstellt, in dem drei Quellenmaterial-Zufuhrabschnitte 4521 und ein Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4531 bereitgestellt werden, ist diese Ausführungsform nicht darauf beschränkt. Ein, zwei oder vier oder mehr Quellenmaterial-Zufuhrabschnitte 4521 können bereitgestellt werden. Zudem können zwei oder mehr Quellenmaterial-Zufuhrabschnitte 4531 bereitgestellt werden.
In 8A werden die Heizung 4527, die Quellenmaterial-Einleitungsöffnung 4523 und die Quellenmaterial-Auslassöffnung 4524 an dem unteren Abschnitt der Kammer 4520 bereitgestellt; jedoch kann, ohne darauf beschränkt zu sein, ihre Anordnung angemessen eingestellt werden. In 8A sind Einlässe des Quellenmaterial-Zufuhrabschnitts 4521a, des Quellenmaterial-Zufuhrabschnitts 4521b, des Quellenmaterial-Zufuhrabschnitts 4521c, des Quellenmaterial-Zufuhrabschnitts 4531 und des Gaszufuhrabschnitts 4532 in die Quellenmaterial-Einleitungsöffnung 4523 vereint; jedoch können, ohne darauf beschränkt zu sein, Einlässe, die voneinander unterschiedlich sind, bereitgestellt werden.
Als Nächstes wird eine Struktur einer Plasma-ALD-Einrichtung, die für die Abscheidungseinrichtung 4000 verwendet werden kann, anhand von 8B beschrieben. Die Plasma-ALD-Einrichtung beinhaltet eine Abscheidungskammer (eine Kammer 4020), einen Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4021 (Quellenmaterial-Zufuhrabschnitte 4021a bis 4021c), einen Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4031, Hochgeschwindigkeitsventile 4022a bis 4022d, die Steuerungen der Einleitungsmenge sind, einen Gaszufuhrabschnitt 4032, einen Quellenmaterial-Einleitungsabschnitt 4023, einen Quellenmaterial-Einleitungsabschnitt 4033, eine Quellenmaterial-Auslassöffnung 4024 und eine Evakuierungseinheit 4025. Der Quellenmaterial-Einleitungsabschnitt 4023 und der Quellenmaterial-Einleitungsabschnitt 4033, die in der Kammer 4020 bereitgestellt werden, sind über Zufuhrrohre und Ventile mit dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4021a, dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4021b, dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4021c, dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4031 und dem Gaszufuhrabschnitt 4032 verbunden, und die Quellenmaterial-Auslassöffnung 4024 ist über ein Auslassrohr, ein Ventil und einen Druckregler mit der Evakuierungseinheit 4025 verbunden. Ein Substrathalter 4026 wird in der Kammer 4020 positioniert, und ein Substrat 4030 wird auf dem Substrathalter 4026 platziert. An einer Außenwand der Kammer ist eine Heizung 4027 bereitgestellt, und eine Rohrheizung 4034a und eine Rohrheizung 4034b werden derart bereitgestellt, dass sie Rohre und dergleichen, die mit der Kammer verbunden sind, bedecken.
Die Kammer 4020, der Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4021, der Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4031, die Hochgeschwindigkeitsventile 4022a bis 4022d, der Gaszufuhrabschnitt 4032, die Quellenmaterial-Einleitungsöffnung 4023, die Quellenmaterial-Auslassöffnung 4024, die Evakuierungseinheit 4025, der Substrathalter 4026, das Substrat 4030, die Heizung 4027, die Rohrheizung 4034a und die Rohrheizung 4034b entsprechen hier der Kammer 4520, dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4521, dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4531, den Hochgeschwindigkeitsventilen 4522a bis 4522d, dem Gaszufuhrabschnitt 4532, der Quellenmaterial-Einleitungsöffnung 4523, der Quellenmaterial-Auslassöffnung 4524, der Evakuierungseinheit 4525, dem Substrathalter 4526, dem Substrat 4530, der Heizung 4527, der Rohrheizung 4534a bzw. der Rohrheizung 4534b; für spezifische Strukturen kann auf die vorstehende Beschreibung verwiesen werden.
In der Plasma-ALD-Einrichtung ist die Plasmaerzeugungseinrichtung 4028 wie in 8B mit der Kammer 4020 verbunden, wodurch die Filmausbildung nicht durch ein thermisches ALD-Verfahren, sondern durch ein Plasma-ALD-Verfahren durchgeführt werden kann. Die Plasmaerzeugungseinrichtung 4028 ist vorzugsweise eine ICP-Plasmaerzeugungseinrichtung, bei der eine Spule 4029 verwendet wird, die mit einer Hochfrequenz-Stromquelle verbunden ist. Die Hochfrequenz-Energiequelle kann die Energie mit einer Frequenz von höher als oder gleich 10 kHz und niedriger als oder gleich 100 MHz, bevorzugt höher als oder gleich 1 MHz und niedriger als oder gleich 60 MHz, bevorzugter höher als oder gleich 2 MHz und niedriger als oder gleich 60 MHz ausgeben. Beispielsweise kann die Energie mit einer Frequenz von 13,56 MHz ausgegeben werden. Durch ein Plasma-ALD-Verfahren kann ein Film auch bei niedrigen Temperaturen ohne Verringerung der Abscheidungsrate ausgebildet werden; daher wird ein Plasma-ALD-Verfahren vorzugsweise für eine Ein-Wafer-Abscheidungseinrichtung mit niedriger Abscheidungseffizienz verwendet.
Ein Reaktant, der von dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4031 ausgelassen wird, passiert die Plasmaerzeugungseinrichtung 4028 und wird in einen Plasma-Zustand versetzt. Der Reaktant in dem Plasma-Zustand wird von der Quellenmaterial-Einleitungsöffnung 4033 in die Kammer 4020 eingeleitet. Obwohl in 8B nicht dargestellt, kann ein Reaktant, der von dem Quellenmaterial-Zufuhrabschnitt 4031 ausgelassen wird, mit einem Trägergas gemischt werden.
Der Substrathalter 4526 kann mit einem Mechanismus bereitgestellt werden, an den ein konstantes Potential oder eine Hochfrequenzwelle angelegt wird. Der Substrathalter 4526 kann sich alternativ in einem potentialfreien Zustand befinden oder kann geerdet werden.
In 8B wird die Quellenmaterial-Einleitungsöffnung 4033 an dem oberen Abschnitt der Kammer 4520 bereitgestellt, die Heizung 4027 und die Quellenmaterial-Einleitungsöffnung 4023 werden an einer Seitenfläche der Kammer 4520 bereitgestellt, und die Quellenmaterial-Auslassöffnung 4524 wird an dem unteren Abschnitt der Kammer 4520 bereitgestellt; jedoch kann, ohne darauf beschränkt zu sein, ihre Anordnung angemessen eingestellt werden.
Eine andere Struktur einer ALD-Einrichtung, die für die Abscheidungseinrichtung 4000 verwendet werden kann, wird anhand von 9A bis 9C beschrieben. Es sei angemerkt, dass die ausführliche Beschreibung von Strukturen und Funktionen, die denjenigen der in 8B dargestellten ALD-Einrichtung ähnlich sind, in einigen Fällen weggelassen wird.
9A ist eine schematische Ansicht, die eine Ausführungsform einer Plasma-ALD-Einrichtung darstellt. Eine Plasma-ALD-Einrichtung 4100 wird mit einer Reaktionskammer 4120 und einer Plasmaerzeugungskammer 4111 oberhalb der Reaktionskammer 4120 bereitgestellt. Die Reaktionskammer 4120 kann als Kammer bezeichnet werden. Alternativ können die Reaktionskammer 4120 und die Plasmaerzeugungskammer 4111 kollektiv als Kammer bezeichnet werden. Die Reaktionskammer 4120 beinhaltet eine Quellenmaterial-Einleitungsöffnung 4123 und eine Quellenmaterial-Auslassöffnung 4124, und die Plasmaerzeugungskammer 4111 beinhaltet eine Quellenmaterial-Einleitungsöffnung 4133. Mit einer Plasmaerzeugungseinrichtung 4128 kann außerdem eine Hochfrequenzwelle, wie z. B. HF, oder eine Mikrowelle an ein Gas, das in die Plasmaerzeugungskammer 4111 eingeleitet wird, angelegt werden, so dass ein Plasma 4131 in der Plasmaerzeugungskammer 4111 erzeugt werden kann. In dem Fall, in dem das Plasma 4131 unter Verwendung einer Mikrowelle erzeugt wird, wird typischerweise eine Mikrowelle mit einer Frequenz von 2,45 GHz verwendet. Ein derartiges Plasma, das durch Anlegung der Mikrowelle und eines elektrischen Feldes erzeugt wird, wird in einigen Fällen als Elektronen-Zyklotron-Resonanz- (electron cyclotron resonance, ECR-) Plasma bezeichnet.
Ein Substrathalter 4126 wird in der Reaktionskammer 4120 bereitgestellt, und ein Substrat 4130 wird darüber platziert. Ein Quellengas, das von der Quellenmaterial-Einleitungsöffnung 4123 eingeleitet wird, wird durch Hitze von einer Heizung, die in der Reaktionskammer 4120 bereitgestellt wird, zersetzt und über dem Substrat 4130 abgeschieden. Ein Quellengas, das von der Quellenmaterial-Einleitungsöffnung 4133 eingeleitet wird, wird durch die Plasmaerzeugungseinrichtung 4128 in einen Plasma-Zustand versetzt. Das Quellengas, das sich in dem Plasma-Zustand befindet, rekombiniert mit Elektronen oder anderen Molekülen und wird in einen Radikal-Zustand versetzt, bevor es die Oberfläche des Substrats 4130 erreicht, und erreicht das Substrat 4130. Eine ALD-Einrichtung, bei der die Abscheidung auf eine derartige Weise unter Verwendung eines Radikals durchgeführt wird, wird in einigen Fällen auch als Radikal-ALD- (Radikal-unterstützte ALD-) Einrichtung bezeichnet. Obwohl die Plasma-ALD-Einrichtung 4100 eine Struktur aufweist, bei der die Plasmaerzeugungskammer 4111 oberhalb der Reaktionskammer 4120 bereitgestellt wird, ist diese Ausführungsform nicht auf diese Struktur beschränkt. Die Plasmaerzeugungskammer 4111 kann einer Seitenfläche der Reaktionskammer 4120 benachbart bereitgestellt werden.
9B ist eine schematische Ansicht, die eine Ausführungsform einer Plasma-ALD-Einrichtung darstellt. Eine Plasma-ALD-Einrichtung 4200 beinhaltet eine Kammer 4220. Die Kammer 4220 beinhaltet eine Elektrode 4213, eine Quellenmaterial-Auslassöffnung 4224 und einen Substrathalter 4226, und ein Substrat 4230 wird über dem Substrathalter 4226 platziert. Die Elektrode 4213 beinhaltet eine Quellenmaterial-Einleitungsöffnung 4223 und einen Duschkopf 4214 zum Zuführen des eingeleiteten Quellengases in die Kammer 4220. Mit der Elektrode 4213 ist eine Energiequelle 4215 zum Anlegen einer Hochfrequenzwelle über einen Kondensator 4217 verbunden. Der Substrathalter 4226 kann mit einem Mechanismus bereitgestellt werden, an den ein konstantes Potential oder eine Hochfrequenzwelle angelegt wird. Alternativ kann sich der Substrathalter 4226 in einem potentialfreien Zustand befinden oder kann geerdet werden. Die Elektrode 4213 und der Substrathalter 4226 dienen als obere Elektrode bzw. untere Elektrode zum Erzeugen eines Plasmas 4231. Ein Quellengas, das von der Quellenmaterial-Einleitungsöffnung 4223 eingeleitet wird, wird durch Hitze von einer Heizung, die in der Kammer 4220 bereitgestellt wird, zersetzt und über dem Substrat 4230 abgeschieden. Alternativ wird das Quellengas, das von der Quellenmaterial-Einleitungsöffnung 4223 eingeleitet wird, zwischen der Elektrode 4213 und dem Substrathalter 4226 in einen Plasma-Zustand versetzt. Das Quellengas, das sich in dem Plasma-Zustand befindet, tritt durch eine Potentialdifferenz (auch als lonenhülle bezeichnet), die zwischen dem Plasma 4231 und dem Substrat 4230 erzeugt wird, in das Substrat 4230 ein.
9C ist eine schematische Ansicht, die eine Ausführungsform einer Plasma-ALD-Einrichtung darstellt, die sich von derjenigen in 9B unterscheidet. Eine Plasma-ALD-Einrichtung 4300 beinhaltet eine Kammer 4320. Die Kammer 4320 beinhaltet eine Elektrode 4313, eine Quellenmaterial-Auslassöffnung 4324 und einen Substrathalter 4326, und ein Substrat 4330 wird über dem Substrathalter 4326 platziert. Die Elektrode 4313 beinhaltet eine Quellenmaterial-Einleitungsöffnung 4323 und einen Duschkopf 4314 zum Zuführen des eingeleiteten Quellengases in die Kammer 4320. Mit der Elektrode 4313 ist eine Energiequelle 4315 zum Anlegen einer Hochfrequenzwelle über einen Kondensator 4317 verbunden. Der Substrathalter 4326 kann mit einem Mechanismus bereitgestellt werden, an den ein konstantes Potential oder eine Hochfrequenzwelle angelegt wird. Alternativ kann sich der Substrathalter 4326 in einem potentialfreien Zustand befinden oder kann geerdet werden. Die Elektrode 4313 und der Substrathalter 4326 dienen als obere Elektrode bzw. untere Elektrode zum Erzeugen eines Plasmas 4331. Die Plasma-ALD-Einrichtung 4300 unterscheidet sich von der Plasma-ALD-Einrichtung 4200 dadurch, dass ein Netz 4319, mit dem eine Energiequelle 4321 zum Anlegen einer Hochfrequenzwelle über einen Kondensator 4322 verbunden ist, zwischen der Elektrode 4313 und dem Substrathalter 4326 bereitgestellt wird. Wenn das Netz 4319 bereitgestellt wird, kann das Plasma 4231 von dem Substrat 4130 entfernt werden. Ein Quellengas, das von der Quellenmaterial-Einleitungsöffnung 4323 eingeleitet wird, wird durch Hitze von einer Heizung, die in der Kammer 4320 bereitgestellt wird, zersetzt und über dem Substrat 4330 abgeschieden. Alternativ wird das Quellengas, das von der Quellenmaterial-Einleitungsöffnung 4323 eingeleitet wird, zwischen der Elektrode 4313 und dem Substrathalter 4326 in einen Plasma-Zustand versetzt. Elektrische Ladungen des Quellengases, das sich in dem Plasma-Zustand befindet, werden durch das Netz 4319 beseitigt, und das Quellengas erreicht das Substrat 4130 in einem elektrisch neutralen Zustand, wie z. B. als Radikal. Daher kann die Abscheidung, bei der die Schäden aufgrund von Plasma und des Eindringens von Ionen unterdrückt werden, durchgeführt werden.
Beispielsweise kann unter Verwendung einer der in 8A und 9A bis 9C dargestellten Plasma-ALD-Einrichtungen eine Plasmabehandlung oder eine Mikrowellenbehandlung als Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung durchgeführt werden. Dies wird bevorzugt, da die Übertragung von der Abscheidungskammer auf eine andere Kammer für die Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung unnötig ist.
Es sei angemerkt, dass die Plasmabehandlung oder die Mikrowellenbehandlung nach der Ausbildung des Metalloxids unter Verwendung der in 8B und 9A bis 9C dargestellten Plasma-ALD-Einrichtung durchgeführt werden kann.
<Abscheidungssequenz>
Als Nächstes wird eine Abscheidungssequenz eines Metalloxids unter Verwendung der in 8A dargestellten ALD-Einrichtung anhand von 10A und 10B, 11A und 11B sowie 12 beschrieben. In 10A und 10B, 11A und 11B sowie 12 wird die Einleitung eines ersten bis vierten Quellengases durch „EIN“ dargestellt, und die Perioden, während der die Quellengase nicht eingeleitet werden, werden jeweils durch „AUS“ dargestellt.
10A zeigt eine Abscheidungssequenz unter Verwendung der in 8A dargestellten ALD-Einrichtung. Zuerst wird das Substrat 4530 auf dem Substrathalter 4526 in der Kammer 4520 platziert (Schritt S101). Dann wird die Temperatur der Heizung 4527 reguliert (Schritt S102). Zu diesem Zeitpunkt werden die Temperaturen der Rohrheizung 4534a und der Rohrheizung 4534b auch vorzugsweise reguliert. Anschließend wird das Substrat 4530 auf dem Substrathalter 4526 derart gehalten, dass die Temperatur des Substrats 4530 über dessen Oberfläche hinweg gleichmäßig wird (Schritt S103). Als Nächstes wird ein Metalloxid gemäß dem vorstehenden ersten bis vierten Schritt abgeschieden (Schritt S104). Es sei angemerkt, dass nach der Platzierung des Substrats 4530 (Schritt S101) der Schritt S102 weggelassen werden kann, wenn die Regulierung der Temperatur der Heizung 4527 nicht benötigt wird.
In dem Schritt S104 werden das erste Quellengas (ein Quellengas, das einen Vorläufer enthält) und das zweite Quellengas (ein Quellengas, das einen Reaktanten enthält) abwechselnd in die Kammer 4520 eingeleitet, wodurch über dem Substrat 4530 ein Film ausgebildet wird. Das erste Quellengas und das zweite Quellengas werden in gepulster Form eingeleitet. In Perioden, während deren weder das erste Quellengas noch das zweite Quellengas eingeleitet wird, wird die Purging der Kammer 4520 durchgeführt. Bei der Abscheidung durch ein ALD-Verfahren umfasst ein Zyklus die Einleitung des ersten Quellengases (den ersten Schritt), die Purging des ersten Quellengases (den zweiten Schritt), die Einleitung des zweiten Quellengases (den dritten Schritt) und die Purging des zweiten Quellengases (den vierten Schritt), und ein Film mit einer gewünschten Dicke wird durch Wiederholung dieses Zyklus ausgebildet. Obwohl eine intermittierende Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung hier nicht erwähnt wird, wird die Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung vorzugsweise in der Kammer 4520 oder in einer anderen Kammer jedes Mal durchgeführt, wenn der Zyklus mehrmals wiederholt wird.
Zwischen dem Schritt S103 und dem Schritt S104 kann ferner das zweite Quellengas, das einen Reaktanten enthält, in die Kammer 4020 eingeleitet werden. Eines oder mehrere, die aus Ozon (O₃), Sauerstoff (O₂) und Wasser (H₂O) ausgewählt werden, die als Oxidationsmittel dienen, werden vorzugsweise als zweites Quellengas eingeleitet. Die Einleitung von Wasser als zweites Quellengas kann zur Ausbildung einer hydrophilen Gruppe an dem Substrat 4530 führen, so dass der Vorläufer eine weiter verbesserte Haftfähigkeit aufweisen kann. Durch Einleitung von Ozon und Sauerstoff als zweites Quellengas kann die Kammer eine Sauerstoffatmosphäre aufweisen und dem Basis-Isolierfilm oder dergleichen, der auf dem Substrat 4530 ausgebildet wird, Sauerstoff zugeführt werden. Demzufolge kann dem Metalloxidfilm, der über dem Basis-Isolierfilm ausgebildet wird, Sauerstoff zugeführt werden, so dass die Sauerstoffkonzentration in dem Film erhöht werden kann. In diesem Fall wird das zweite Quellengas vorzugsweise auf ähnliche Weise wie diejenige im Schritt S104 in gepulster Form eingeleitet; jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Das zweite Quellengas kann sukzessiv eingeleitet werden. In der Periode, während der das zweite Quellengas nicht eingeleitet wird, wird die Kammer 4520 evakuiert.
Eine erste Oxidschicht wird in einem Zyklus ausgebildet, in dem das vorstehende erste Quellengas verwendet wird, eine zweite Oxidschicht wird in einem Zyklus ausgebildet, in dem das dritte Quellengas, das sich von dem ersten Quellengas unterscheidet, verwendet wird, und eine dritte Oxidschicht wird in einem Zyklus ausgebildet, in dem das vierte Quellengas, das sich von dem ersten Quellengas unterscheidet, verwendet wird, wodurch ein geschichtetes kristallines Oxid, das unterschiedliche Oxidschichten umfasst, ausgebildet werden kann. Nachfolgend wird eine Abscheidungssequenz, die einem Abscheidungsprozess des in 5A bis 5D und 6A bis 6C dargestellten In-Ga-Zn-Oxids entspricht, anhand von 10B beispielhaft beschrieben.
10B zeigt ein Beispiel, in dem die Abscheidung im Schritt S104 in der Abscheidungssequenz unter Verwendung der ersten bis dritten Quellengase, die unterschiedliche Vorläufer enthalten, durchgeführt wird. Es sei angemerkt, dass die Schritte S101 bis S103 wie vorstehend beschrieben durchgeführt werden. Hier enthält das erste Quellengas einen Vorläufer, der Indium enthält, das dritte Quellengas enthält einen Vorläufer, der Gallium enthält, und das vierte Quellengas enthält einen Vorläufer, der Zink enthält.
Wie in 10B gezeigt, wird zuerst das erste Quellengas eingeleitet, wodurch der Vorläufer, der Indium enthält, an das Substrat 4530 adsorbiert wird (entsprechend der 5A). Dann wird die Einleitung des ersten Quellengases unterbrochen, und die Purging eines überschüssigen ersten Quellengases in der Kammer wird durchgeführt.
Als Nächstes wird das zweite Quellengas eingeleitet, wodurch der adsorbierte Vorläufer, der Indium enthält, mit einem Oxidationsmittel reagiert und eine Schicht von Indiumoxid ausgebildet wird (entsprechend der 5B). Dann wird die Einleitung des zweiten Quellengases unterbrochen, und die Purging eines überschüssigen zweiten Quellengases in der Kammer wird durchgeführt.
Als Nächstes wird das dritte Quellengas eingeleitet, wodurch der Vorläufer, der Gallium enthält, an die Schicht von Indiumoxid adsorbiert wird (entsprechend der 5C). Dann wird die Einleitung des dritten Quellengases unterbrochen, und die Purging eines überschüssigen dritten Quellengases in der Kammer wird durchgeführt.
Als Nächstes wird das zweite Quellengas eingeleitet, wodurch der adsorbierte Vorläufer, der Gallium enthält, mit einem Oxidationsmittel reagiert und eine Schicht von Galliumoxid ausgebildet wird (entsprechend der 5D). Dann wird die Einleitung des zweiten Quellengases unterbrochen, und die Purging eines überschüssigen zweiten Quellengases in der Kammer wird durchgeführt.
Als Nächstes wird das vierte Quellengas eingeleitet, wodurch der Vorläufer, der Zink enthält, an die Schicht von Galliumoxid adsorbiert wird (entsprechend der 6A). Dann wird die Einleitung des vierten Quellengases unterbrochen, und die Purging eines überschüssigen vierten Quellengases in der Kammer wird durchgeführt.
Als Nächstes wird das zweite Quellengas eingeleitet, wodurch der adsorbierte Vorläufer, der Zink enthält, mit einem Oxidationsmittel reagiert und eine Schicht von Zinkoxid ausgebildet wird (entsprechend der 6B). Dann wird die Einleitung des zweiten Quellengases unterbrochen, und die Purging eines überschüssigen zweiten Quellengases in der Kammer wird durchgeführt. Des Weiteren wird der Vorläufer, der Indium enthält, durch das vorstehende Verfahren an das Zinkoxid adsorbiert (entsprechend der 6C).
Ein Zyklus umfasst die vorstehenden Schritte zum Ausbilden von Indiumoxid, Galliumoxid und Zinkoxid, und der Zyklus wird wiederholt, wodurch ein In-Ga-Zn-Oxid mit einem Atomverhältnis von In: Ga: Zn = 1:1:1 und einer erforderlichen Dicke ausgebildet werden kann.
Es sei angemerkt, dass das erste bis vierte Quellengas in gepulster Form eingeleitet wird. Die Impulszeit zum Einleiten des ersten, dritten und vierten Quellengases in die Kammer 4520 ist bevorzugt länger als oder gleich 0,05 Sekunden und kürzer als oder gleich 1 Sekunde, bevorzugter länger als oder gleich 0,1 Sekunden und kürzer als oder gleich 0,5 Sekunden. Die Zeit zum Evakuieren des ersten, dritten und vierten Quellengases aus der Kammer 4520 ist länger als oder gleich 0,1 Sekunden und kürzer als oder gleich 15 Sekunden, bevorzugt länger als oder gleich 0,5 Sekunden und kürzer als oder gleich 10 Sekunden. Die Impulszeit zum Einleiten des zweiten Quellengases in die Kammer 4520 ist bevorzugt länger als oder gleich 0,05 Sekunden und kürzer als oder gleich 30 Sekunden, bevorzugter länger als oder gleich 0,1 Sekunden und kürzer als oder gleich 15 Sekunden. Die Zeit zum Evakuieren des zweiten Quellengases aus der Kammer 4520 ist länger als oder gleich 0,1 Sekunden und kürzer als oder gleich 15 Sekunden, bevorzugt länger als oder gleich 0,1 Sekunden und kürzer als oder gleich 5 Sekunden.
Es sei angemerkt, dass in der in 10B gezeigten Sequenz die Einleitungsreihenfolge des ersten, dritten und vierten Quellengases nicht darauf beschränkt ist. Beispielsweise kann das vierte Gas, das den Vorläufer enthält, der Zink enthält, zuerst eingeleitet werden. Da Zinkoxid mit höherer Wahrscheinlichkeit als Indiumoxid und Galliumoxid eine Kristallstruktur bildet, kann ein stabiler Kristall von Zinkoxid in einer untersten Schicht ausgebildet werden. Dementsprechend können Schichten von Indiumoxid und Galliumoxid relativ leicht über dem Zinkoxid ausgebildet werden.
Die Ausbildung eines In-Ga-Zn-Oxids mit einem Atomverhältnis von In: Ga: Zn = 1:1:1 wird vorstehend beschrieben; jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Ein In-Ga-Zn-Oxid mit einem unterschiedlichen Atomverhältnis kann durch ein ähnliches Verfahren ausgebildet werden. Die Anzahl von Impulsen oder die Impulszeit eines Quellengases, das einen Vorläufer enthält, in einem Zyklus wird vorzugsweise gemäß dem Atomverhältnis eines erforderlichen In-Ga-Zn-Oxids eingestellt.
Beispielsweise sind in der in 10B gezeigten Sequenz, um ein In-Ga-Zn-Oxid mit einem Atomverhältnis von In: Ga: Zn = 1:1:1 auszubilden, die Anzahlen von Impulsen des ersten Quellengases, das Indium enthält, des dritten Quellengases, das Gallium enthält, und des vierten Quellengases, das Zink enthält, jeweils eins in einem Zyklus. Hier sind die Impulszeiten der Vorläufer gleich.
11A zeigt ein Beispiel für eine Abscheidungssequenz eines In-Ga-Zn-Oxids mit einem Atomverhältnis von In: Ga: Zn = 1:3:4. In 11A ist in einem Zyklus die Anzahl von Impulsen des ersten Quellengases, das Indium enthält, eins, die Anzahl von Impulsen des dritten Quellengases, das Gallium enthält, ist drei, und die Anzahl von Impulsen des vierten Quellengases, das Zink enthält, ist vier. Das heißt, dass die Anzahlen von Impulsen der Quellengase, die Vorläufer enthalten, dem Atomverhältnis von In: Ga: Zn = 1:3:4 entsprechen. Indem die Abscheidung auf eine derartige Weise durchgeführt wird, kann ein Metalloxid mit einer geschichteten Kristallstruktur, die der 2D entspricht, ausgebildet werden.
Des Weiteren kann, indem, wie vorstehend beschrieben, die Abscheidung durch ein ALD-Verfahren durchgeführt wird, während ein Substrat erwärmt wird, eine Umordnung von Oxidschichten gefördert werden. Dementsprechend kann selbst dann, wenn die Abscheidung gemäß der in 11A gezeigten Sequenz durchgeführt wird, eine Schicht, in der eine Oxidschicht zwei Arten von Metallelementen (Indium und Gallium) enthält, wie die in 2D dargestellte Schicht 22 ausgebildet werden.
Es sei angemerkt, dass im Vorstehenden die Einleitungen von unterschiedlichen Arten von Vorläufern durchgeführt werden, während das Quellengas, das einen Reaktanten enthält, dazwischen eingeleitet wird; jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise können die Einleitungen von Quellengasen, die die gleiche Art von Vorläufer enthalten, sukzessiv durchgeführt werden, während das Quellengas, das einen Reaktanten enthält, dazwischen eingeleitet wird. Dabei sind die Anzahlen von Impulsen der Quellengase, die die Vorläufer enthalten, in einem Zyklus vorzugsweise dem Atomverhältnis eines erforderlichen In-Ga-Zn-Oxids gleich.
Außerdem wird im Vorstehenden die Struktur gezeigt, bei der während des Zeitintervalls, in dem die Oxidation unter Verwendung des zweiten Quellengases durchgeführt wird, nur das Quellengas, das eine Art von Vorläufer enthält, eingeleitet wird; jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Zwei oder mehr Arten von Quellengasen, die Vorläufer enthalten, können während des Zeitintervalls eingeleitet werden, in dem die Oxidation unter Verwendung des zweiten Quellengases durchgeführt wird. Dabei können zwei oder mehr Arten von Quellengasen, die Vorläufer enthalten, gleichzeitig eingeleitet werden. Alternativ kann die gleiche Art von Vorläufer während des Zeitintervalls, in dem die Oxidation unter Verwendung des zweiten Quellengases durchgeführt wird, zweimal sukzessiv eingeleitet werden.
Wenn beispielsweise ein In-Ga-Zn-Oxid mit einem Atomverhältnis von In: Ga: Zn = 1:3:4 ausgebildet wird, kann die Abscheidung in einer in 11B gezeigten Sequenz durchgeführt werden. In 11B werden gemäß der in 2D dargestellten Kristallstruktur, bei der die Schicht 22, die Schicht 41, die Schicht 31 und die Schicht 41 in dieser Reihenfolge übereinander angeordnet sind, das erste Quellengas, das dritte Quellengas, das vierte Quellengas, das dritte Quellengas und das vierte Quellengas in dieser Reihenfolge eingeleitet. Es sei angemerkt, dass erste Einleitungen des ersten Quellengases und des dritten Quellengases durchgeführt werden, ohne das zweite Quellengas dazwischen einzuleiten. Mit anderen Worten: Ein Oxidationsmittel wird eingeleitet, nachdem der Vorläufer, der Indium enthält und in dem ersten Quellengas enthalten ist, und der Vorläufer, der Gallium enthält und in dem dritten Quellengas enthalten ist, adsorbiert worden sind. Dementsprechend kann eine Schicht, in der eine Oxidschicht zwei Arten von Metallelementen (Indium und Gallium) enthält, wie die in 2D dargestellte Schicht 22 ausgebildet werden. Dabei ist die Impulszeit von sowohl dem ersten Quellengas als auch dem dritten Quellengas vorzugsweise ungefähr die Hälfte der Impulszeit des vierten Quellengases. Dementsprechend kann, wie in 11B gezeigt, das Verhältnis der Impulszeit des ersten Quellengases, das Indium enthält, zu der Impulszeit des dritten Quellengases, das Gallium enthält, und der Impulszeit des vierten Quellengases, das Zink enthält, in einem Zyklus 1:3:4 sein, das dem Atomverhältnis gleich ist.
Die Ausbildung des Oxids mit einem konstanten Atomverhältnis ist vorstehend beschrieben worden; jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Zwei oder mehr Arten von Oxiden mit unterschiedlichen Atomverhältnissen können durch ein ähnliches Verfahren sukzessiv ausgebildet werden. In diesem Fall wird in Bezug auf übereinander angeordnete Oxide mit unterschiedlichen Atomverhältnissen die Anzahl von Impulsen oder die Impulszeit eines Quellengases, das einen Vorläufer enthält, in einem Zyklus vorzugsweise gemäß den Atomverhältnissen der Oxide eingestellt. Wenn die Abscheidung auf eine derartige Weise durchgeführt wird, können die übereinander angeordneten Oxide mit unterschiedlichen Atomverhältnissen in einer Kammer ausgebildet werden. Daher kann das Eindringen von einer Verunreinigung, wie z. B. Wasserstoff oder Kohlenstoff, in dem Zeitintervall, in dem das Oxid ausgebildet wird, verhindert werden.
12 zeigt ein Beispiel für eine Abscheidungssequenz in dem Fall, in dem ein Oxid mit einem Atomverhältnis von In: Ga: Zn = 1:1:1 über einem Oxid mit einem Atomverhältnis von In: Ga: Zn = 1:3:4 angeordnet wird. Der Schritt 104a entspricht der Sequenz des Oxids mit einem Atomverhältnis von In: Ga: Zn = 1:3:4 und ist ähnlich wie die in 11A gezeigte Sequenz. Der Schritt 104b entspricht der Sequenz des Oxids mit einem Atomverhältnis In: Ga: Zn = 1:1:1 und ist ähnlich wie die in 10B gezeigte Sequenz. Wie vorstehend beschrieben, ist die Anzahl von Impulsen in einem Zyklus in der früheren Periode das erste Quellengas: das dritte Quellengas: das vierte Quellengas = 1:3:4, und die Anzahl von Impulsen in einem Zyklus in der letzteren Periode ist das erste Quellengas: das dritte Quellengas: das vierte Quellengas = 1:1:1, so dass ein Metalloxid mit einer mehrschichtigen Struktur, die das Oxid 62 und das Oxid 60, die in 3B dargestellt werden, umfasst, ausgebildet werden kann. Mit anderen Worten: In der früheren Periode wird die Abscheidung mit der Anzahl von Impulsen entsprechend dem Atomverhältnis von In: Ga: Zn = 1:3:4 durchgeführt, und in der letzteren Periode wird die Abscheidung mit der Anzahl von Impulsen entsprechend dem Atomverhältnis von In: Ga: Zn = 1:1:1 durchgeführt.
Im Vorstehenden ist das Abscheidungsverfahren unter Verwendung eines In-Ga-Zn-Oxids beispielhaft beschrieben worden; jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Ein Vorläufer wird gemäß einem Metallelement, das in einem gewünschten Metalloxid enthalten sein soll, angemessen eingestellt. Im Vorstehenden wird eine oder drei Arten von Vorläufern verwendet; jedoch können, ohne darauf beschränkt zu sein, zwei Arten oder vier oder mehr Arten verwendet werden.
Im Vorstehenden ist das Beispiel beschrieben worden, in dem eine Abscheidung unter Verwendung eines Vorläufers durchgeführt wird, der eine Art von Metallelement enthält; jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Ein Vorläufer, der zwei oder mehr Arten von Metallelementen enthält, kann verwendet werden. Beispielsweise kann ein Vorläufer, der Indium und Gallium enthält, oder ein Vorläufer, der Gallium und Zink enthält, verwendet werden. In diesem Fall kann die Anzahl der in 8A und dergleichen dargestellten Quellenmaterial-Zufuhrabschnitte 4521 verringert werden.
<Klassifizierung der Kristallstrukturen>
Im Folgenden wird die Klassifizierung der Kristallstrukturen des vorstehenden Metalloxids (des Oxidhalbleiters) beschrieben.
Zuerst wird die Klassifizierung der Kristallstrukturen eines Oxidhalbleiters anhand von 13A beschrieben. 13A ist ein Diagramm, das die Klassifizierung der Kristallstrukturen eines Oxidhalbleiters, typischerweise IGZO (eines Metalloxids, das In, Ga und Zn enthält), zeigt.
Wie in 13A gezeigt, wird der Oxidhalbleiter in „Amorph“, „Kristallin“ und „Kristall“ klassifiziert. Der Begriff „Amorph“ umfasst eine vollständig amorphe Struktur. Der Begriff „Kristallin“ umfasst eine kristalline Struktur mit Ausrichtung bezüglich der c-Achse (CAAC-Struktur), eine nanokristalline (nc-) Struktur und eine wolkenartig ausgerichtete Verbund- (cloud-aligned composite, CAC-) Struktur mit Ausnahme vom Einkristall und Polykristall. Es sei angemerkt, dass Einkristall, Polykristall und vollständig amorph aus dem Begriff von „Kristallin“ ausgeschlossen werden. Der Begriff „Kristall“ umfasst einkristalline und polykristalline Strukturen.
Die im dicken Rahmen in 13A gezeigte Struktur ist eine neue kristalline Phase, die ein Zwischenzustand zwischen „Amorph“ und „Kristall“ ist. Das heißt: Diese Strukturen unterscheiden sich völlig von „Amorph“, das energetisch instabil ist, und „Kristall“.
Eine Kristallstruktur eines Films oder eines Substrats kann mit einem Röntgenstrahlbeugung- (XRD-) Spektrum analysiert werden. 13B zeigt ein XRD-Spektrum, das durch Messung der Röntgenbeugung unter streifendem Einfall (grazing incidence XRD, GIXD) erhalten wird, eines CAAC-IGZO-Films, der in „Kristallin“ klassifiziert wird. Es sei angemerkt, dass ein GIXD-Verfahren auch als Dünnfilmverfahren oder Seemann-Bohlin-Verfahren bezeichnet wird. Das in 13B gezeigte XRD-Spektrum, das durch die GIXD-Messung erhalten wird, wird nachstehend einfach als XRD-Spektrum bezeichnet. Der CAAC-IGZO-Film in 13B weist ein Atomverhältnis von In: Ga: Zn = 4:2:3 oder in der Nähe davon auf. Der CAAC-IGZO-Film in 13B weist eine Dicke von 500 nm auf.
Wie in 13B gezeigt, wird im XRD-Spektrum des CAAC-IGZO-Films ein deutlicher Peak, der eine Kristallinität zeigt, erfasst. Im XRD-Spektrum des CAAC-IGZO-Films wird insbesondere ein Peak, der eine Ausrichtung bezüglich der c-Achse zeigt, bei 2 θ von ungefähr 31° erfasst. Wie in 13B gezeigt, ist der Peak bei 2 θ von ungefähr 31° in Bezug auf den Winkel, in dem die Peakintensität erfasst wird, als Achse nicht symmetrisch ist.
Die Kristallstruktur eines Films oder eines Substrats kann mit einem Beugungsmuster analysiert werden, das durch Nanostrahlelektronenbeugung (nano beam electron diffraction, NBED) erhalten wird (auch als Nanostrahlelektronenbeugungsbild bezeichnet). 13C zeigt ein Beugungsmuster des CAAC-IGZO-Films. 13C zeigt ein Beugungsmuster, das durch das NBED-Verfahren, bei dem ein Elektronenstrahl in der Richtung parallel zu dem Substrat einfällt, erhalten wird. Der CAAC-IGZO-Film in 13C weist ein Atomverhältnis von In: Ga: Zn = 4:2:3 oder in der Nähe davon auf. In dem Nanostrahlelektronenbeugungsverfahren wird eine Elektronenbeugung mit einem Probendurchmesser von 1 nm durchgeführt.
Wie in 13C gezeigt, wird eine Vielzahl von Punkten, die eine Ausrichtung bezüglich der c-Achse anzeigen, in dem Beugungsmuster des CAAC-IGZO-Films beobachtet.
<Metalloxid mit einer CAAC-Struktur>
Die Details eines Metalloxids mit einer CAAC-Struktur werden nachstehend beschrieben.
Die CAAC-Struktur weist eine Vielzahl von Kristallbereichen auf, die jeweils eine Ausrichtung bezüglich der c-Achse in einer bestimmten Richtung aufweisen. Es sei angemerkt, dass sich die bestimmte Richtung auf die Dickenrichtung eines Metalloxids mit der CAAC-Struktur, die normale Richtung der Oberfläche, auf der das Metalloxid mit der CAAC-Struktur ausgebildet ist, oder die normale Richtung der Oberfläche des Metalloxids mit der CAAC-Struktur bezieht. In dem Fall, in dem ein Kristallbereich genannt wird, bezeichnet der Kristallbereich einen Kristall selbst, der in der CAAC-Struktur enthalten ist, oder einen Kristall, der in der CAAC-Struktur enthalten ist, und einen Bereich in der Umgebung davon. Daher wird ein Kristall, der in der CAAC-Struktur enthalten ist, in einigen Fällen als Kristallbereich, der in der CAAC-Struktur enthalten ist, bezeichnet.
Der Kristallbereich bezeichnet einen Bereich mit einer periodischen Atomanordnung. Wenn eine Atomanordnung als Gitteranordnung angesehen wird, bezeichnet der Kristallbereich auch einen Bereich mit einer gleichmäßigen Gitteranordnung. Die CAAC-Struktur weist einen Bereich auf, in dem eine Vielzahl von Kristallbereichen in Richtung der a-b-Ebene verbunden ist, und der Bereich weist in einigen Fällen eine Verzerrung auf. Es sei angemerkt, dass eine Verzerrung einen Abschnitt bezeichnet, in dem sich die Richtung einer Gitteranordnung zwischen einem Bereich mit einer gleichmäßigen Gitteranordnung und einem anderen Bereich mit einer gleichmäßigen Gitteranordnung in einem Bereich verändert, in dem eine Vielzahl von Kristallbereichen verbunden ist. Das heißt, dass das Metalloxid mit der CAAC-Struktur eine Ausrichtung bezüglich der c-Achse aufweist und keine deutliche Ausrichtung in Richtung der a-b-Ebene aufweist.
Es sei angemerkt, dass jeder der Vielzahl von Kristallbereichen aus einem oder mehreren feinen Kristallen (Kristallen, die jeweils einen maximalen Durchmesser von kleiner als 10 nm aufweisen) gebildet wird. In dem Fall, in dem der Kristallbereich aus einem feinen Kristall gebildet wird, ist der maximale Durchmesser des Kristallbereichs kleiner als 10 nm. In dem Fall, in dem der Kristallbereich aus einer großen Anzahl von feinen Kristallen gebildet wird, könnte die Größe des Kristallbereichs in einigen Fällen ungefähr mehrere zehn Nanometer sein.
Im Falle eines In-M-Zn-Oxids (das Element M ist eine oder mehrere Arten, die aus Aluminium, Gallium, Yttrium, Zinn, Titan und dergleichen ausgewählt werden), gibt es eine Tendenz, dass die CAAC-Struktur eine geschichtete Kristallstruktur (auch als geschichtete Struktur bezeichnet) aufweist, bei der eine Schicht, die Indium (In) und Sauerstoff enthält (nachstehend eine In-Schicht), und eine Schicht, die das Element M, Zink (Zn) und Sauerstoff enthält (nachstehend eine (M,Zn)-Schicht), übereinander angeordnet sind. Es sei angemerkt, dass die Schicht, die Indium und Sauerstoff enthält, in einigen Fällen das Element M oder Zink enthält. Die Schicht, die das Element M, Zink und Sauerstoff enthält, enthält in einigen Fällen Indium. Eine solche geschichtete Struktur wird beispielsweise in einem hochauflösenden TEM-Bild als Gitterbild beobachtet.
Wenn das Metalloxid mit der CAAC-Struktur einer Strukturanalyse durch eine Out-of-Plane-XRD-Messung mit einem XRD-Gerät unter Verwendung eines θ/2θ-Scans unterzogen wird, wird beispielsweise ein Peak, der auf eine Ausrichtung bezüglich der c-Achse hindeutet, bei 2θ = 31° oder in der Nähe davon erfasst. Es sei angemerkt, dass sich die Position des Peaks, der eine Ausrichtung bezüglich der c-Achse anzeigt (der Wert von 2θ), in einigen Fällen in Abhängigkeit von der Art, der Zusammensetzung oder dergleichen des Metallelements, das in dem Metallelement enthalten ist, ändert.
Beispielsweise wird eine Vielzahl von hellen Punkten in dem Elektronenbeugungsmuster des Metalloxids mit der CAAC-OS-Struktur beobachtet. Es sei angemerkt, dass ein Punkt und ein anderer Punkt bezüglich eines Punkts des einfallenden Elektronenstrahls, der ein Probe passiert (auch als direkter Punkt bezeichnet), symmetrisch sind (siehe 13C). Es sei angemerkt, dass eine schnelle Fourier-Transformation- (FFT-) Analyse an einem TEM-Bild ein FFT-Bild ergibt, das ein Muster aufweist, das eine reziproke Gitterrauminformation wie ein Elektronenbeugungsmuster reflektiert. Das heißt, dass eine Kristallstruktur (z. B. eine CAAC-Struktur) durch die FFT-Analyse beobachtet und ausgewertet werden kann.
Wenn der Kristallbereich aus der bestimmten Richtung beobachtet wird, ist eine Gitteranordnung in dem Kristallbereich grundsätzlich eine hexagonale Gitteranordnung; eine Gittereinheit ist jedoch nicht immer ein regelmäßiges Sechseck, sondern auch in einigen Fällen ein unregelmäßiges Sechseck. Eine fünfeckige Gitteranordnung, eine siebeneckige Gitteranordnung und dergleichen sind in einigen Fällen in der Verzerrung enthalten. Es sei angemerkt, dass selbst in der Nähe der Verzerrung in dem Metalloxid mit der CAAC-Struktur keine deutliche Korngrenze beobachtet werden kann. Das heißt, dass die Bildung einer Korngrenze durch die Verzerrung einer Gitteranordnung verhindert wird. Das liegt wahrscheinlich daran, dass das Metalloxid mit der CAAC-Struktur dank einer niedrigen Dichte der Anordnung von Sauerstoffatomen in Richtung der a-b-Ebene, eines interatomaren Bindungsabstands, der durch Ersatz eines Metallatoms verändert wird, und dergleichen eine Verzerrung tolerieren kann.
Ein Metalloxid mit der CAAC-Struktur ist ein Metalloxid mit hoher Kristallinität, bei dem keine deutliche Korngrenze beobachtet wird. Das heißt, dass es weniger wahrscheinlich ist, dass bei dem Metalloxid mit der CAAC-Struktur eine Verringerung der Elektronenbeweglichkeit wegen der Korngrenze auftritt. Daher ist das Metalloxid mit der CAAC-Struktur physikalisch stabil. Deshalb ist das Metalloxid mit der CAAC-Struktur wärmebeständig und weist eine hohe Zuverlässigkeit auf. Daher ist ein Metalloxid mit der CAAC-Struktur eines von kristallinen Oxiden mit einer Kristallstruktur, die für eine Halbleiterschicht eines Transistors geeignet ist.
Durch ein Ausbildungsverfahren eines Metalloxids, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, bei dem eine Abscheidung unter Verwendung eines Vorläufers mit einer hohen Zersetzungstemperatur durchgeführt wird, während ein Substrat bei hoher Temperatur erwärmt wird, kann ein Film mit geringen Verunreinigungen ausgebildet werden. Außerdem wird bei dem Ausbildungsverfahren eines Metalloxids, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, eine Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung während der Abscheidung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre intermittierend durchgeführt. Daher kann verhindert werden, dass Wasserstoff, der in einem Rohmaterial, wie z. B. einem Vorläufer, enthalten ist, in dem Metalloxid verbleibt. Des Weiteren kann verhindert werden, dass Kohlenstoff, Stickstoff und dergleichen, die in einem Rohmaterial, wie z. B. einem Vorläufer, enthalten sind, in dem Metalloxid verbleiben. Folglich kann die Verunreinigungskonzentration in dem Metalloxid verringert werden. Zudem kann die Kristallinität des Metalloxids erhöht werden.
Diese Ausführungsform kann je nach Bedarf mit einer beliebigen der anderen Ausführungsformen kombiniert werden. In dem Fall, in dem eine Vielzahl von Strukturbeispielen bei einer Ausführungsform in dieser Beschreibung gezeigt wird, können die Strukturbeispiele nach Bedarf kombiniert werden.
(Ausführungsform 2)
Bei dieser Ausführungsform wird eine Halbleitervorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand von 14A bis 14D, 15A bis 15F, 16A und 16B, 17A bis 17D, 18A bis 18C, 19A bis 19D, 20A und 20B sowie 21A und 21B beschrieben.
Die Halbleitervorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet einen Transistor. Ein Transistor dieser Ausführungsform umfasst das bei der Ausführungsform 1 beschriebene Metalloxid in seinem Kanalbildungsbereich. Das heißt, dass der Transistor dieser Ausführungsform als OS-Transistor bezeichnet werden kann.
Ein OS-Transistor weist einen niedrigen Sperrstrom auf und kann daher eine Halbleitervorrichtung mit geringem Stromverbrauch erzielen. Außerdem weist ein OS-Transistor ausgezeichnete Frequenzeigenschaften auf und kann daher eine Halbleitervorrichtung, die mit hoher Geschwindigkeit arbeitet, erzielen. Durch Verwendung eines OS-Transistors kann eine Halbleitervorrichtung mit vorteilhaften elektrischen Eigenschaften, eine Halbleitervorrichtung mit geringen Schwankungen der elektrischen Eigenschaften von Transistoren, eine Halbleitervorrichtung mit hohem Durchlassstrom oder eine Halbleitervorrichtung mit hoher Zuverlässigkeit erzielt werden.
Es sei angemerkt, dass ein Metalloxid in Abhängigkeit von den Bestandselementen oder der Zusammensetzung eine isolierende Eigenschaft oder eine leitende Eigenschaft aufweist. Daher kann das bei der Ausführungsform 1 beschriebene Metalloxid in einigen Fällen als Isolator oder Leiter verwendet werden, der in einem Transistor oder einer Halbleitervorrichtung enthalten ist, indem die Bestandselemente, die Zusammensetzung oder dergleichen angepasst wird.
Nachstehend werden hauptsächlich Strukturbeispiele eines Transistors, der das bei der Ausführungsform 1 beschriebene Metalloxid in seinem Kanalbildungsbereich umfasst, beschrieben. Es sei angemerkt, dass für Bestandselemente, die für einen Transistor oder eine Halbleitervorrichtung verwendet werden können, auf <Bestandsmaterial einer Halbleitervorrichtung>, welches nachstehend beschrieben wird, Bezug genommen werden kann.
[Transistor 600]
Eine Struktur eines Transistors 600 wird anhand von 14A bis 14D beschrieben. 14A ist eine Planansicht des Transistors 600. 14B ist eine Querschnittsansicht entlang der Strichpunktlinie A1-A2 in 14A, und 14C ist eine Querschnittsansicht entlang der Strichpunktlinie A3-A4 in 14A. 14D ist eine Planansicht entlang der Strichpunktlinie B1-B2 in 14B. Es sei angemerkt, dass zur Vereinfachung einige Komponenten in den Planansichten in 14A und 14D nicht dargestellt werden.
Der Transistor 600 wird über einem Isolator 610 bereitgestellt. Ein Isolator 670 wird über dem Isolator 610 bereitgestellt, ein Isolator 672 wird über dem Isolator 670 bereitgestellt, und ein Isolator 674 wird über dem Isolator 672 bereitgestellt. Die Oberseiten des Isolators 670 und des Isolators 672 können jeweils planarisiert werden.
Der Transistor 600 beinhaltet einen Leiter 641, ein Metalloxid 630 über dem Leiter 641, einen Isolator 650 über dem Metalloxid 630, einen Leiter 660 über dem Isolator 650 und einen Leiter 642 über dem Isolator 670.
Der Leiter 660 umfasst einen Bereich, der als Gate-Elektrode dient. Der Isolator 650 umfasst einen Bereich, der als Gate-Isolator dient. Der Leiter 641 umfasst einen Bereich, der als eine einer Source-Elektrode und einer Drain-Elektrode dient, und der Leiter 642 umfasst einen Bereich, der als die andere der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode dient. Mindestens ein Teil eines Bereichs des Metalloxids 630, der dem Leiter 660 zugewandt ist, wobei der Leiter 650 dazwischen liegt, dient als Kanalbildungsbereich.
Das Metalloxid 630 umfasst einen Bereich, der als Kanalbildungsbereich dient, und kann daher in dieser Beschreibung und dergleichen als Halbleiterschicht des Transistors 600 bezeichnet werden. Außerdem kann die Halbleiterschicht als Metalloxid 630 bezeichnet werden.
Bei dem Transistor 600 sind die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode in unterschiedlichen Höhen positioniert, so dass ein Strom nach unten oder nach oben in der Halbleiterschicht fließt. Mit anderen Worten: Die Kanallängsrichtung umfasst eine Höhe- (vertikale) Komponente, so dass der Transistor 600 auch als vertikaler Transistor, Transistor mit vertikalem Kanal oder dergleichen bezeichnet werden kann.
Bei dem vertikalen Transistor können die Source-Elektrode, die Halbleiterschicht und die Drain-Elektrode derart bereitgestellt werden, so dass sie einander überlappen; daher kann die Fläche, die von dem vertikalen Transistor eingenommen wird, in hohem Maße kleiner sein als diejenige eines sogenannten planaren Transistors, bei dem eine Halbleiterschicht in einer planaren Form bereitgestellt wird.
Ein Öffnungsabschnitt, der den Leiter 641 erreicht, wird in dem Isolator 672, dem Leiter 642 und dem Isolator 670 ausgebildet. Das heißt, dass der Öffnungsabschnitt aus einem Öffnungsabschnitt des Isolators 672, einem Öffnungsabschnitt des Leiters 642 und einem Öffnungsabschnitt des Isolators 670 ausgebildet wird. Zudem umfasst der Öffnungsabschnitt einen Bereich, der sich in einer Planansicht mit dem Leiter 641 überlappt. In dem Öffnungsabschnitt sind mindestens ein Teil des Metalloxids 630, ein Teil des Isolators 650 und ein Teil des Leiters 660 in dem Öffnungsabschnitt platziert.
14B und 14C stellen eine Struktur dar, bei der eine Seitenwand des Öffnungsabschnitts zu einer Substratoberfläche (nicht dargestellt) senkrecht ist. Es sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Struktur beschränkt ist. Die Seitenwand des Öffnungsabschnitts kann sich bezüglich der Substratoberfläche verjüngen.
In dieser Beschreibung und dergleichen bezeichnet eine Seitenwand eines Öffnungsabschnitts eine Seitenfläche eines Öffnungsabschnitts bei einer Struktur, bei der der Öffnungsabschnitt bereitgestellt wird. Daher kann „Seitenwand des Öffnungsabschnitts“, die in dieser Beschreibung und dergleichen beschrieben wird, als Seitenfläche einer Struktur bezeichnet werden, bei der der Öffnungsabschnitt bereitgestellt wird.
Das heißt, dass in 14B und 14C die Seitenflächen des Isolators 672, des Leiters 642 und des Isolators 670 in dem Öffnungsabschnitt zu der Substratoberfläche senkrecht sind; jedoch können sich, ohne darauf beschränkt zu sein, die Seitenflächen bezüglich der Substratoberfläche verjüngen.
Das Metalloxid 630 ist in Kontakt mit den Seitenflächen des Isolators 672, des Leiters 642 und des Isolators 670 in dem Öffnungsabschnitt, der in dem Isolator 672, dem Leiter 642 und dem Isolators 670 bereitgestellt wird. Zudem ist das Metalloxid 630 in Kontakt mit einem Teil der Oberseite des Leiters 641 und einem Teil der Oberseite des Isolators 672. Das Metalloxid 630 umfasst einen vertieften Abschnitt.
Mindestens ein Teil des Isolators 650 ist in dem vertieften Abschnitt des Metalloxids 630 platziert. In diesem Fall ist der Isolator 650 in Kontakt mit der Oberseite des Metalloxids 630. Der Isolator 650 umfasst einen vertieften Abschnitt. Der vertiefte Abschnitt ist in dem vertieften Abschnitt des Metalloxids 630 positioniert.
Der Leiter 660 ist platziert, um den vertieften Abschnitt des Isolators 650 zu füllen. In diesem Fall ist der Leiter 660 in Kontakt mit der Oberseite des Isolators 650. In einer Querschnittsansicht umfasst der Leiter 660 einen Bereich, der dem Metalloxid 630 zugewandt ist, wobei der Leiter 650 dazwischen liegt.
Bei der in 14A bis 14D dargestellten Struktur entspricht die Kanallänge des Transistors 600 dem minimalen Abstand (einem in 14B gezeigten Abstand L1) von der Oberseite des Leiters 641 bis zu der Unterseite des Leiters 642. Es sei angemerkt, dass es sich bei dem Abstand L1 auch um eine Dicke des Isolators 670 in einem Bereich handelt, der sich mit der Oberseite des Leiters 641 überlappt. Das heißt, dass die Kanallänge des Transistors 600 reguliert werden kann, indem die Dicke des Isolators 670 geändert wird. Wenn beispielsweise die Dicke des Isolators 670 verringert wird, kann der Transistor 600 eine kurze Kanallänge aufweisen.
Bei der in 14A bis 14D dargestellten Struktur entspricht die Kanalbreite des Transistors 600 der Länge eines Bereichs, in dem der Isolator 670 und das Metalloxid 630 in einer Planansicht in Kontakt miteinander sind, und entspricht der Länge der Kontur (Außenperipherie) des Metalloxids 630 in einer Planansicht. Das heißt, dass die Kanalbreite des Transistors 600 reguliert werden kann, indem der Durchmesser eines Öffnungsabschnitts in dem Isolator 670 geändert wird. Wenn beispielsweise der Durchmesser des Öffnungsabschnitts vergrößert wird, kann der Transistor 600 eine große Kanalbreite aufweisen.
Der Transistor 600 weist eine Struktur auf, bei der der Kanalbildungsbereich die Gate-Elektrode umschließt, und kann daher als Transistor mit einer Struktur mit allseitigem Kanal (channel-all-around (CAA) structure, CAA-Struktur) angesehen werden.
Obwohl 14D eine Struktur darstellt, bei der die Oberseite des Öffnungsabschnitts des Leiters 642 eine Kreisform aufweist, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann die Oberseite des Öffnungsabschnitts eine ovale Form, eine polygonale Form oder eine polygonale Form mit abgerundeten Ecken aufweisen. Die polygonale Form bedeutet hier ein Dreieck, ein Viereck, ein Fünfeck, ein Sechseck und dergleichen.
Das Metalloxid 630 muss in dem Öffnungsabschnitt bereitgestellt werden, der in dem Isolator 672, dem Leiter 642 und dem Isolator 670 ausgebildet wird. Angesichts dessen wird das bei der Ausführungsform 1 beschriebene Metalloxid vorzugsweise als Metalloxid 630 verwendet. Das Metalloxid 630 wird vorzugsweise durch ein bei der Ausführungsform 1 beschriebenes ALD-Verfahren ausgebildet. Ein ALD-Verfahren ermöglicht eine ausgezeichnete Stufenabdeckung und eine ausgezeichnete Dickengleichmäßigkeit und ist daher besonders geeignet zum Abdecken einer Oberfläche des Öffnungsabschnitts.
Außerdem wird ein Oxidhalbleiter mit Kristallinität vorzugsweise für das Metalloxid 630 verwendet. Beispiele für einen Oxidhalbleiter mit Kristallinität umfassen einen kristallinen Oxidhalbleiter mit Ausrichtung bezüglich der c-Achse (CAAC-OS), einen nanokristallinen Oxidhalbleiter (nc-OS), einen polykristallinen Oxidhalbleiter und einen einkristallinen Oxidhalbleiter. Insbesondere wird ein CAAC-OS vorzugsweise als Metalloxid 630 verwendet.
Im Gegensatz dazu ist es weniger wahrscheinlich, dass bei dem CAAC-OS eine Verringerung der Elektronenbeweglichkeit aufgrund einer Kristallkorngrenze auftritt, da es schwierig ist, eine deutliche Kristallkorngrenze zu beobachten. Daher ist ein Metalloxid, das den CAAC-OS enthält, physikalisch stabil. Deshalb ist das Metalloxid, das den CAAC-OS enthält, wärmebeständig und weist eine hohe Zuverlässigkeit auf.
Wenn ein Oxid mit Kristallinität, wie z. B. ein CAAC-OS, als Metalloxid 630 verwendet wird, kann eine Sauerstoffextraktion aus dem Metalloxid 630 durch die Leiter 641 und 642 verhindert werden. In diesem Fall kann die Extraktion von Sauerstoff aus dem Metalloxid 630 verhindert werden, selbst wenn eine Wärmebehandlung durchgeführt wird; daher ist der Transistor 600 stabil gegenüber hohen Temperaturen im Herstellungsprozess (d. h. dem Wärmebudget). Des Weiteren kann verhindert werden, dass die Leitfähigkeit des Leiters 641 und des Leiters 642 verringert wird.
Ein durch ein ALD-Verfahren ausgebildetes, bei der Ausführungsform 1 beschriebenes Metalloxid umfasst einen CAAC-OS und kann daher geeignet als Metalloxid 630 verwendet werden.
Es sei angemerkt, dass ein Oxidhalbleiter eine der verschiedenen Strukturen aufweisen kann, die unterschiedliche Eigenschaften zeigen. Das Metalloxid 630 kann zwei oder mehr von einem CAAC-OS, einem nc-OS, einem amorphähnlichen Oxidhalbleiter (einem a-ähnlichen OS), einem amorphen Oxidhalbleiter, einem polykristallinen Oxidhalbleiter und einem wolkenausgerichteten Verbundoxidhalbleiter (cloud-aligned composite oxide semiconductor, CAC-OS) umfassen.
Um stabile elektrische Eigenschaften des Transistors zu erhalten, ist es wirksam, die Verunreinigungskonzentration in dem Oxidhalbleiter zu verringern. Ein durch ein ALD-Verfahren ausgebildetes, bei der Ausführungsform 1 beschriebenes Metalloxid weist eine verringerte Verunreinigungskonzentration auf und kann daher geeignet als Metalloxid 630 verwendet werden.
Wenn Verunreinigungen und Sauerstofffehlstellen in einem Kanalbildungsbereich eines OS-Transistors vorhanden sind, verändern sich die elektrischen Eigenschaften des OS-Transistors leicht, und seine Zuverlässigkeit könnte sich verschlechtern. In einigen Fällen weist ein Oxidhalbleiter einen Defekt auf, der eine Sauerstofffehlstelle ist, in die Wasserstoff eindringt (VoH), welche ein Elektron erzeugt, das als Ladungsträger dient. Wenn VoH in dem Kanalbildungsbereich gebildet wird, erhöht sich in einigen Fällen die Donatorkonzentration in dem Kanalbildungsbereich. Die erhöhte Donatorkonzentration in dem Kanalbildungsbereich verursacht in einigen Schwankungen der Schwellenspannung. Wenn der Kanalbildungsbereich des Oxidhalbleiters Sauerstofffehlstellen aufweist, ist es daher wahrscheinlich, dass der Transistor selbstleitende Eigenschaften aufweist. Daher werden die Verunreinigungen, Sauerstofffehlstellen und VoH in dem Kanalbildungsbereich des Oxidhalbleiters vorzugsweise so weit wie möglich verringert.
Als Isolator 650 wird vorzugsweise ein Isolator verwendet, der ein Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante enthält. Beispielsweise wird der Isolator 650 vorzugsweise unter Verwendung von Siliziumoxid oder Siliziumoxynitrid, welches thermisch stabil ist, ausgebildet.
Die Verunreinigungskonzentration in dem Isolator 650 wird vorzugsweise verringert. Wenn die Verunreinigungskonzentration in dem Isolator 650 in Kontakt mit dem Metalloxid 630 verringert wird, kann verhindert werden, dass das Metalloxid 630 eine hohe Verunreinigungskonzentration aufweist.
Der Isolator 650 kann eine einschichtige Struktur oder eine mehrschichtige Struktur aufweisen.
Ein Leiter 662 wird über dem Isolator 674 und dem Leiter 660 bereitgestellt. Der Leiter 662 weist einen Bereich auf, der als Leitung dient. Der Leiter 662 wird vorzugsweise unter Verwendung eines leitenden Materials mit hoher Leitfähigkeit ausgebildet.
Alternativ wird vorzugsweise der Leiter 660 unter Verwendung eines leitenden Materials mit einer Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Sauerstoff ausgebildet. Wenn der Leiter 660 eine Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Sauerstoff aufweist, kann beispielsweise verhindert werden, dass die Leitfähigkeit des Leiters 662 aufgrund von Oxidation durch Sauerstoff, der in dem Isolator 650 enthalten ist, verringert wird.
Der Leiter 660 wird vorzugsweise unter Verwendung eines leitenden Materials, das nicht leicht oxidiert wird, ausgebildet. Alternativ wird vorzugsweise der Leiter 660 unter Verwendung eines leitenden Materials mit einer Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Verunreinigungen ausgebildet.
Der Leiter 660 kann eine einschichtige Struktur oder eine mehrschichtige Struktur aufweisen. Beispielsweise wird in dem Fall, in dem der Leiter 660 eine mehrschichtige Struktur aus einem ersten Leiter und einem zweiten Leiter über dem ersten Leiter aufweist, wird der erste Leiter vorzugsweise derart platziert, dass er die Unterseite und die Seitenfläche des zweiten Leiters umschließt.
Der Leiter 641 und der Leiter 642 werden jeweils vorzugsweise unter Verwendung eines leitenden Materials, das nicht leicht oxidiert wird, oder eines leitenden Materials mit einer Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Sauerstoff ausgebildet. Durch Verwendung eines derartigen leitenden Materials kann eine Verringerung der Leitfähigkeit des Leiters 641 und des Leiters 642 verhindert werden. Als Leiter 641 und Leiter 642 wird besonders vorzugsweise ein Tantal enthaltendes Nitrid verwendet.
In 14B weisen der Leiter 641 und der Leiter 642 jeweils eine einschichtige Struktur auf. Es sei angemerkt, dass der Leiter 641 und/oder der Leiter 642 eine mehrschichtige Struktur aufweisen kann.
Beispielsweise wird in dem Fall, in dem der Leiter 641 und der Leiter 642 jeweils eine zweischichtige Struktur aus einem ersten Leiter und einem zweiten Leiter aufweisen, vorzugsweise für den ersten Leiter in Kontakt mit dem Isolator 670 ein leitendes Material, das nicht leicht oxidiert wird, oder ein leitendes Material mit einer Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Sauerstoff verwendet. In diesem Fall kann eine Verringerung der Leitfähigkeit des Leiters 641 und des Leiters 642 verhindert werden.
Die zweiten Leiter des Leiters 641 und des Leiters 642 weisen jeweils vorzugsweise eine höhere Leitfähigkeit auf als die ersten Leiter des Leiters 641 und des Leiters 642. Zudem weisen die zweiten Leiter des Leiters 641 und des Leiters 642 jeweils vorzugsweise eine größere Dicke auf als die ersten Leiter des Leiters 641 und des Leiters 642.
Beispielsweise kann Tantalnitrid oder Titannitrid für die ersten Leiter des Leiters 641 und des Leiters 642 verwendet werden, und Wolfram kann für die zweiten Leiter des Leiters 641 und des Leiters 642 verwendet werden.
Als Isolator 670 wird vorzugsweise ein Isolator verwendet, der ein Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante enthält. Es wird besonders bevorzugt, einen Isolator zu verwenden, in dem ein durch Erwärmung abgegebenen Sauerstoff (nachstehend in einigen Fällen als überschüssiger Sauerstoff bezeichnet) enthaltender Bereich leicht ausgebildet wird. Das Metalloxid 630 wird in Kontakt mit dem Isolator 670 bereitgestellt, der überschüssigen Sauerstoff enthält, und eine Wärmebehandlung wird durchgeführt, so dass dem Metalloxid 630 Sauerstoff von dem Isolator 670 zugeführt werden kann und die Menge an Sauerstofffehlstellen und VoH in dem Metalloxid 630 verringert werden kann. Insbesondere dient ein Bereich des Metalloxids 630, der in Kontakt mit dem Isolator 670 ist, als Kanalbildungsbereich; daher kann die Menge an Sauerstofffehlstellen und VoH in dem Kanalbildungsbereich mit einer derartigen Struktur verringert werden.
Die Verunreinigungskonzentration in dem Isolator 670 wird vorzugsweise verringert. Wenn die Verunreinigungskonzentration in dem Isolator 670 in Kontakt mit dem Metalloxid 630 verringert wird, kann verhindert werden, dass das Metalloxid 630 eine hohe Verunreinigungskonzentration aufweist.
Als Isolator 672 wird vorzugsweise ein Isolator verwendet, der ein Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante enthält.
Wie in 14B und 14C dargestellt, ist ein Endabschnitt des Leiters 660 mit einem Endabschnitt des Metalloxids 630 und einem Endabschnitt des Isolators 650 in einem Bereich oberhalb des Isolators 672 ausgerichtet. Es sei angemerkt, dass der Endabschnitt des Leiters 660 nicht notwendigerweise mit den Endabschnitten des Metalloxids 630 und des Isolators 650 ausgerichtet ist.
Beispielsweise kann, wie in 15A dargestellt, der Endabschnitt des Leiters 660 weiter innen positioniert sein als der Endabschnitt des Isolators 650. Als weiteres Beispiel kann, wie in 15B dargestellt, der Isolator 650 derart bereitgestellt werden, dass er die Oberseite und die Seitenfläche des Metalloxids 630 bedeckt. Mit der in 15A oder 15B dargestellten Struktur können der Leiter 660 und das Metalloxid 630 durch den Isolator 650 ausreichend voneinander entfernt werden.
Es sei angemerkt, dass in dem Fall, in dem der Leiter 660 eine Funktion einer Leitung in der in 15A oder 15B dargestellten Struktur aufweist, der Leiter 662 nicht notwendigerweise bereitgestellt wird.
14B stellt eine Struktur dar, bei der der Leiter 641 keinen vertieften Abschnitt in einem Bereich umfasst, der sich mit dem Öffnungsabschnitt des Isolators 670 überlappt. Es sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Struktur beschränkt ist. Beispielsweise kann, wie in 15C dargestellt, der Leiter 641 einen vertieften Abschnitt in dem Bereich umfassen, der sich mit dem Öffnungsabschnitt überlappt. Mit anderen Worten: Die Oberseite des Leiters 641 in dem Bereich, der sich mit dem Öffnungsabschnitt überlappt, kann teilweise entfernt werden. Wenn der Leiter 641 einen vertieften Abschnitt umfasst, kann ein unterer Endabschnitt eines Bereichs, in dem das Metalloxid 630 und der Leiter 660 einander zugewandt sind, wobei der Isolator 650 dazwischen liegt, dem Leiter 641 näher sein. Alternativ kann der Leiter 660 einen Bereich umfassen, der dem Leiter 641 zugewandt ist, wobei das Metalloxid 630 und der Isolator 650 dazwischen liegen. Eine derartige Struktur kann einen Bereich, in dem das Metalloxid 630 und der Leiter 660 nicht einander zugewandt sind, wobei der Isolator 650 dazwischen liegt, d. h. einen sogenannten Loff-Bereich, verschmälern oder weglassen. Folglich können die Frequenzeigenschaften des Transistors 600 verbessert werden.
Als weiteres Beispiel kann, wie in 15D dargestellt, der Leiter 641 einen Öffnungsabschnitt, der den Isolator 610 erreicht, in einem Bereich umfassen, der sich mit dem Öffnungsabschnitt des Isolators 670 überlappt. Mit anderen Worten: Ein Bereich des Leiters 641, der sich mit dem Öffnungsabschnitt des Isolators 670 überlappt, kann entfernt werden. Wenn der Leiter 641 einen Öffnungsabschnitt, der den Isolator 610 erreicht, umfasst, kann der untere Endabschnitt eines Bereichs, in dem das Metalloxid 630 und der Leiter 660 einander zugewandt sind, wobei der Isolator 650 dazwischen liegt, dem Leiter 641 näher sein. Alternativ kann der Leiter 660 einen Bereich umfassen, der dem Leiter 641 zugewandt ist, wobei das Metalloxid 630 und der Isolator 650 dazwischen liegen. Folglich können die Frequenzeigenschaften des Transistors 600 verbessert werden.
14B stellt eine Struktur dar, bei der das Metalloxid 630 einen Bereich in Kontakt mit der Seitenwand des Öffnungsabschnitts des Leiters 642 und einen Bereich in Kontakt mit der Oberseite des Isolators 672 umfasst. Es sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Struktur beschränkt ist. Beispielsweise kann, wie in 15E und 15F dargestellt, das Metalloxid 630 einen Bereich in Kontakt mit einem Teil der Oberseite des Leiters 642, zusätzlich zu dem Bereich in Kontakt mit der Seitenwand des Öffnungsabschnitts des Leiters 642, umfassen. Eine derartige Struktur kann eine Kontaktfläche zwischen dem Metalloxid 630 und dem Leiter 642 vergrößern, wodurch der Durchlassstrom des Transistors 600 erhöht werden kann.
Des Weiteren kann, wie in 16A dargestellt, eine Schicht 651 zwischen dem Isolator 650 und dem Metalloxid 630 bereitgestellt werden. In diesem Fall wird die Schicht 651 in Kontakt mit der Unterseite des Isolators 650 und dem vertieften Abschnitt des Metalloxids 630 bereitgestellt. Die Schicht 651 weist vorzugsweise eine Sperreigenschaft gegen Sauerstoff auf. Eine derartige Struktur kann verhindern, dass dem Kanalbildungsbereich Sauerstoff, der in dem Isolator 650 enthalten ist, überschüssig zugeführt wird. Zudem kann bei einer Wärmebehandlung oder dergleichen die Abgabe von Sauerstoff von dem Metalloxid 630 verhindert werden und daher kann das Ausbilden einer Sauerstofffehlstelle in dem Metalloxid 630 verhindert werden. Somit können die elektrischen Eigenschaften und die Zuverlässigkeit des Transistors 600 verbessert werden.
Beispielsweise wird stärker bevorzugt Aluminiumoxid für die Schicht 651 verwendet. Als Schicht 651 kann entweder ein Isolator, der ein isolierendes Material enthält, oder eine Halbleiterschicht, die ein Halbleitermaterial enthält, verwendet werden.
Wie in 16A dargestellt, kann eine Schicht 652 zwischen dem Leiter 660 und dem Isolator 650 bereitgestellt werden. In diesem Fall wird die Schicht 652 in Kontakt mit der Unterseite des Leiters 660 und dem vertieften Abschnitt des Isolators 650 bereitgestellt. Die Schicht 652 weist vorzugsweise eine Sperreigenschaft gegen Wasserstoff auf. Eine derartige Struktur kann eine Diffusion von Verunreinigungen, wie z. B. Wasserstoff, die in dem Leiter 660 enthalten sind, in das Metalloxid 630 verhindern.
Beispielsweise wird Siliziumnitrid vorzugsweise für die Schicht 652 verwendet. Als Schicht 652 kann entweder ein Isolator, der ein isolierendes Material enthält, oder ein Leiter, der ein leitendes Material enthält, verwendet werden.
Die Schicht 652 kann eine Sperreigenschaft gegen Sauerstoff aufweisen. Wenn die Schicht 652 eine Sperreigenschaft gegen Sauerstoff aufweist, kann verhindert werden, dass Sauerstoff, der in dem Isolator 650 enthalten ist, in den Leiter 660 diffundiert. Das heißt, dass eine Verringerung der Menge an Sauerstoff, der dem Metalloxid 630 zugeführt wird, verhindert werden kann. Des Weiteren kann die Oxidation des Leiters 660 durch Sauerstoff, der in dem Isolator 650 enthalten ist, verhindert werden. Hafniumoxid wird vorzugsweise für die Schicht 652 verwendet. Es sei angemerkt, dass Hafniumoxid eine Funktion zum Einfangen oder Fixieren von Wasserstoff aufweist und daher geeignet für die Schicht 652 verwendet wird.
Wie in 16B dargestellt, kann ein Isolator 681 zwischen dem Leiter 641 und dem Isolator 670 bereitgestellt werden. Der Isolator 681 weist vorzugsweise eine Sperreigenschaft gegen Sauerstoff auf. Mit einer derartigen Struktur kann verhindert werden, dass Sauerstoff, der in dem Isolator 670 enthalten ist, in den Leiter 641 diffundiert und der Leiter 641 oxidiert wird.
Wie in 16B dargestellt, kann ein Isolator 683 zwischen dem Leiter 642 und dem Isolator 670 bereitgestellt werden. Der Isolator 683 weist vorzugsweise eine Sperreigenschaft gegen Sauerstoff auf. Mit einer derartigen Struktur kann verhindert werden, dass Sauerstoff, der in dem Isolator 670 enthalten ist, in den Leiter 642 diffundiert und der Leiter 642 oxidiert wird.
Als Isolator 681 und Isolator 683 wird vorzugsweise ein Isolator verwendet, der für die Schicht 651 oder die Schicht 652 verwendet werden kann.
[Transistor 600A]
Eine Struktur des Transistors 600A wird anhand von 17A bis 17D beschrieben. 17A ist eine Planansicht des Transistors 600A. 17B ist eine Querschnittsansicht entlang der Strichpunktlinie A1-A2 in 17A, und 17C ist eine Querschnittsansicht entlang der Strichpunktlinie A3-A4 in 17A. 17D ist eine Planansicht entlang der Strichpunktlinie B1-B2 in 17B. Es sei angemerkt, dass zur Vereinfachung einige Komponenten in der Planansicht in 17A und 17D nicht dargestellt werden. Es sei angemerkt, dass in der folgenden Beschreibung Komponenten, die denjenigen in der Beschreibung im [Transistor 600] gemeinsam sind, nicht beschrieben werden und durch die gleichen Bezugszeichen wie diejenigen in der Beschreibung im [Transistor 600] gekennzeichnet werden.
Der Transistor 600A wird über einem Isolator 610 bereitgestellt. Der Isolator 670 wird über dem Isolator 610 bereitgestellt, und der Isolator 672 wird über dem Isolator 670 bereitgestellt. Die Oberseiten des Isolators 670 und des Isolators 672 können jeweils planarisiert werden.
Der Transistor 600A beinhaltet den Leiter 641, den Isolator 650 und das Metalloxid 630 über dem Leiter 641, einen Isolator 675 über dem Metalloxid 630, den Leiter 662 über dem Isolator 670 und den Leiter 642 über dem Isolator 672, dem Isolator 650, dem Metalloxid 630 und dem Isolator 675.
Der Leiter 662 umfasst einen Bereich, der als Gate-Elektrode dient. Der Isolator 650 umfasst einen Bereich, der als Gate-Isolator dient. Der Leiter 641 umfasst einen Bereich, der als eine einer Source-Elektrode und einer Drain-Elektrode dient, und der Leiter 642 umfasst einen Bereich, der als die andere der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode dient. Mindestens ein Teil eines Bereichs des Metalloxids 630, der dem Leiter 662 zugewandt ist, dient als Kanalbildungsbereich.
Der Transistor 600A kann als vertikaler Transistor bezeichnet werden.
Ein Öffnungsabschnitt, der den Leiter 641 erreicht, wird in dem Isolator 672, dem Leiter 662 und dem Isolator 670 ausgebildet. Das heißt, dass der Öffnungsabschnitt aus einem Öffnungsabschnitt des Isolators 672, einem Öffnungsabschnitt des Leiters 662 und einem Öffnungsabschnitt des Isolators 670 ausgebildet wird. Zudem umfasst der Öffnungsabschnitt einen Bereich, der sich in einer Planansicht mit dem Leiter 641 überlappt. In dem Öffnungsabschnitt sind mindestens ein Teil des Isolators 650, ein Teil des Metalloxids 630 und ein Teil des Isolators 275 platziert.
Obwohl 17B und 17C jeweils eine Struktur darstellen, bei der eine Seitenwand des Öffnungsabschnitts zu einer Substratoberfläche (nicht dargestellt) senkrecht ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Struktur beschränkt. Die Seitenwand des Öffnungsabschnitts kann sich bezüglich der Substratoberfläche verjüngen.
Der Isolator 650 ist in Kontakt mit den Seitenflächen des Isolators 672, des Leiters 662 und des Isolators 670 in dem Öffnungsabschnitt, der in dem Isolator 672, dem Leiter 662 und dem Isolators 670 bereitgestellt wird. Zudem ist der Isolator 650 in Kontakt mit einem Teil der Oberseite des Leiters 641 und einem Teil der Unterseite des Leiters 642. Der Isolator 650 weist eine zylindrische Form mit einem Hohlteil auf.
Das Metalloxid 630 ist in dem Hohlteil des Isolators 650 platziert. Das Metalloxid 630 umfasst einen Bereich in Kontakt mit der Seitenfläche des Isolators 650, einen Bereich in Kontakt mit dem Leiter 641 und einen Bereich in Kontakt mit dem Leiter 642. Außerdem umfasst das Metalloxid 630 einen Bereich, der dem Leiter 662 zugewandt ist, wobei der Isolator 650 dazwischen liegt. Das Metalloxid 630 umfasst einen vertieften Abschnitt. In dem Fall, in dem der Durchmesser des Öffnungsabschnitts, der in dem Isolator 672, dem Leiter 662 und dem Isolator 670 bereitgestellt wird, klein ist, umfasst das Metalloxid 630 in einigen Fällen keinen vertieften Abschnitt. Alternativ umfasst das Metalloxid 630 einen vertieften Abschnitt mit einem kleinen Durchmesser.
Der Isolator 675 ist in dem vertieften Abschnitt des Metalloxids 630 platziert. In dem Fall, in dem das Metalloxid 630 keinen vertieften Abschnitt umfasst, wird der Isolator 675 nicht notwendigerweise bereitgestellt. In dem Fall, in dem das Metalloxid 630 einen vertieften Abschnitt mit einem kleinen Durchmesser umfasst, kann ein Hohlraum anstelle des Isolators 675 bereitgestellt werden. In diesem Fall wird der Hohlraum zwischen dem Metalloxid 630 und dem Leiter 642 bereitgestellt. Der Hohlraum enthält beispielsweise eines oder mehrere, die aus Luft, Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid und einem Element der Gruppe 18 ausgewählt werden.
Bei der in 17A bis 17D dargestellten Struktur entspricht die Kanallänge des Transistors 600A dem minimalen Abstand (einem in 17B gezeigten Abstand L2) von der Oberseite des Leiters 641 bis zu der Unterseite des Leiters 642 in einer Querschnittsansicht. Es sei angemerkt, dass es sich bei dem Abstand L2 auch um eine Höhe (Tiefe) des Öffnungsabschnitts handelt, der in dem Isolator 672, dem Leiter 662 und dem Isolator 670 bereitgestellt wird. Das heißt, dass die Kanallänge des Transistors 600A reguliert werden kann, indem die Höhe (Tiefe) des Öffnungsabschnitts geändert wird. Wenn beispielsweise die Dicken der Isolatoren 670 und 672 verringert werden, kann der Transistor 600A eine kurze Kanallänge aufweisen.
Bei der in 17A bis 17D dargestellten Struktur entspricht die Kanalbreite des Transistors 600A der Länge eines Bereichs, in dem der Isolator 650 und das Metalloxid 630 in einer Planansicht in Kontakt miteinander sind, und entspricht der Länge der Kontur (Außenperipherie) des Metalloxids 630 in einer Planansicht. Das heißt, dass die Breite des Transistors 600A reguliert werden kann, indem der Durchmesser eines Öffnungsabschnitts in dem Leiter 662 geändert wird. Wenn beispielsweise der Durchmesser des Öffnungsabschnitts vergrößert wird, kann der Transistor 600A mit einer großen Kanalbreite hergestellt werden.
Der Transistor 600A weist eine Struktur auf, bei der die Gate-Elektrode den Kanalbildungsbereich umschließt, und kann daher als Transistor mit einer Struktur mit allseitigem Gate (GAA-Struktur) angesehen werden.
Obwohl 17D eine Struktur darstellt, bei der die Oberseite des Öffnungsabschnitts des Leiters 662 eine Kreisform aufweist, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann die Oberseite des Öffnungsabschnitts eine ovale Form, eine polygonale Form oder eine polygonale Form mit abgerundeten Ecken aufweisen.
Der Leiter 662 kann eine einschichtige Struktur oder eine mehrschichtige Struktur aufweisen. Als Leiter 662 kann ein Leiter, der als Leiter 660 verwendet werden kann, verwendet werden.
In 17B und 17C befindet sich die Oberseite des Metalloxids 630 auf gleichem Niveau mit den Oberseiten des Isolators 672, des Isolators 650 und des Isolators 675. Es sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Struktur beschränkt ist. Beispielsweise kann, wie in 18A dargestellt, die Oberseite des Metalloxids 630 auf einem höheren Niveau als die Oberseiten des Isolators 672 und des Isolators 650 positioniert werden. 18A stellt eine Struktur dar, bei der das Metalloxid 630 in Kontakt mit einem Teil der Oberseite des Isolators 672 ist. Eine derartige Struktur kann eine Kontaktfläche zwischen dem Metalloxid 630 und dem Leiter 642 vergrößern, wodurch der Durchlassstrom des Transistors 600A erhöht werden kann.
In 17B und 17C umfasst der Leiter 642 einen Bereich in Kontakt mit dem obersten Teil des Metalloxids 630. Es sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Struktur beschränkt ist. Beispielsweise kann, wie in 18A dargestellt, ein Teil des Leiters 642 in dem vertieften Abschnitt des Metalloxids 630 bereitgestellt werden. Mit anderen Worten: Der Leiter 642 kann einen Bereich in Kontakt mit einem Teil des vertieften Abschnitts des Metalloxids 630 umfassen. Eine derartige Struktur kann eine Kontaktfläche zwischen dem Metalloxid 630 und dem Leiter 642 vergrößern, wodurch der Durchlassstrom des Transistors 600A erhöht werden kann.
17B und 17C stellen eine Struktur dar, bei der der Leiter 641 keinen vertieften Abschnitt in einem Bereich umfasst, der sich mit dem Öffnungsabschnitt des Leiters 662 überlappt. Es sei angemerkt, dass es keine besondere Beschränkung bezüglich der Form des Leiters 641 gibt, solange es einen Bereich gibt, in dem der Leiter 641 und das Metalloxid 630 in Kontakt miteinander sind. Beispielsweise kann, wie in 18B und 18C dargestellt, der Leiter 641 einen vertieften Abschnitt in einem Bereich umfassen, der sich mit mindestens einem Teil des Öffnungsabschnitts überlappt. Mit anderen Worten: Die Oberseite des Leiters 641 in dem Bereich, der sich mit mindestens einem Teil des Öffnungsabschnitts überlappt, kann teilweise entfernt werden.
In 18B wird mindestens ein Teil des Metalloxids 630 in dem vertieften Abschnitt des Leiters 641 bereitgestellt. Eine derartige Struktur kann eine Kontaktfläche zwischen dem Metalloxid 630 und dem Leiter 641 vergrößern, wodurch der Durchlassstrom des Transistors 600A erhöht werden kann. Alternativ können, wie in 18C dargestellt, ein Teil des Isolators 650 und ein Teil des Metalloxids 630 in dem vertieften Abschnitt des Leiters 641 bereitgestellt werden.
Ein Transistor, der das bei der Ausführungsform 1 beschriebene Metalloxid umfassen kann, ist nicht auf einen Transistor mit vertikalem Kanal beschränkt. Beispielsweise kann das Metalloxid auch für einen Planartransistor, einen Staggered-Transistor oder einen Inverted-Staggered-Transistor verwendet werden. Das Metalloxid kann für einen Top-Gate-Transistor oder einen Bottom-Gate-Transistor verwendet werden. Alternativ können Gates über und unter einer Halbleiterschicht, in der ein Kanal gebildet wird, bereitgestellt sein.
[Transistor 200]
Eine Struktur eines Transistors 200 wird anhand von 19A bis 19D beschrieben. 19A ist eine Planansicht des Transistors 200. 19B ist eine Querschnittsansicht entlang der Strichpunktlinie A1-A2 in 19A und stellt einen Querschnitt des Transistors 200 in der Kanallängsrichtung dar. 19C ist eine Querschnittsansicht entlang der Strichpunktlinie A3-A4 in 19A und stellt einen Querschnitt des Transistors 200 in der Kanalbreitenrichtung dar. 19D ist eine Querschnittsansicht entlang der Strichpunktlinie A5-A6 in 19A. Es sei angemerkt, dass zur Vereinfachung einige Komponenten in der Planansicht in 19A nicht dargestellt werden.
Der Transistor 200 umfasst einen Leiter 205, einen Isolator 222 über dem Leiter 205, einen Isolator 224 über dem Isolator 222, ein Metalloxid 230 über dem Isolator 224, einen Leiter 242a und einen Leiter 242b über dem Metalloxid 230, einen Isolator 271a über dem Leiter 242a, einen Isolator 271b über dem Leiter 242b, einen Isolator 250 über dem Metalloxid 230 und einen Leiter 260 über dem Isolator 250. Bei dem Transistor 200, der in 19A bis 19D dargestellt wird, handelt es sich um einen Top-Gate-Transistor.
Nachstehend werden der Leiter 242a und der Leiter 242b in einigen Fällen kollektiv als Leiter 242 bezeichnet. Der Isolator 271a und der Isolator 271 b werden in einigen Fällen kollektiv als Isolator 271 bezeichnet.
Der Isolator 275 wird über dem Isolator 271 bereitgestellt, und ein Isolator 280 wird über dem Isolator 275 bereitgestellt. Die Oberseite des Isolators 280 kann planarisiert werden. Ein Öffnungsabschnitt, der das Metalloxid 230 erreicht, wird in den Isolatoren 280 und 275 bereitgestellt. Der Isolator 250 und der Leiter 260 werden in dem Öffnungsabschnitt bereitgestellt.
Der Leiter 260 umfasst einen Bereich, der als erste Gate- (auch als Top-Gate bezeichnet) Elektrode dient, und der Leiter 205 umfasst einen Bereich, der als zweite Gate- (auch als Rückgate bezeichnet) Elektrode dient. Der Isolator 250 umfasst einen Bereich, der als erster Gate-Isolator dient, und der Isolator 222 und der Isolator 224 umfassen einen Bereich, der als zweiter Gate-Isolator dient. Der Leiter 242a umfasst einen Bereich, der als eine einer Source-Elektrode und einer Drain-Elektrode dient, und der Leiter 242b umfasst einen Bereich, der als die andere der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode dient. Ein Bereich des Metalloxids 230, der sich mit dem Leiter 260 überlappt, dient mindestens teilweise als Kanalbildungsbereich.
Bei dem Transistor 200 wird vorzugsweise das bei der Ausführungsform 1 beschriebene Metalloxid als Metalloxid 230 verwendet, das einen Kanalbildungsbereich umfasst. Das bei der Ausführungsform 1 beschriebene Metalloxid umfasst einen CAAC-OS und kann daher geeignet als Metalloxid 230 verwendet werden.
Das Metalloxid 230 umfasst vorzugsweise ein Metalloxid 230a über dem Isolator 224 und ein Metalloxid 230b über dem Metalloxid 230a. Obwohl 19B und 19C eine Struktur darstellen, bei der das Metalloxid 230 eine zweischichtige Struktur aus dem Metalloxid 230a und dem Metalloxid 230b aufweist, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann das Metalloxid 230 eine einschichtige Struktur oder eine mehrschichtige Struktur aus drei oder mehr Schichten aufweisen.
Das Metalloxid 230 weist vorzugsweise eine mehrschichtige Struktur aus Oxidschichten mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen auf. Insbesondere ist das Atomverhältnis des Elements M zu einem Metallelement, das die Hauptkomponente ist, in dem Metalloxid, das als Metalloxid 230a verwendet wird, vorzugsweise höher als dasjenige in dem Metalloxid, das als Metalloxid 230b verwendet wird. Das Atomverhältnis des Elements M zu In in dem Metalloxid, das als Metalloxid 230a verwendet wird, ist vorzugsweise höher als dasjenige in dem Metalloxid, das als Metalloxid 230b verwendet wird. Mit einer derartigen Struktur kann verhindert werden, dass Verunreinigungen und Sauerstoff von den Komponenten, die unterhalb des Metalloxids 230a ausgebildet sind, in das Metalloxid 230b diffundieren.
Das Atomverhältnis von In zu dem Element M in dem Metalloxid, das als Metalloxid 230b verwendet wird, ist vorzugsweise höher als dasjenige in dem Metalloxid, das als Metalloxid 230a verwendet wird. Mit einer derartigen Struktur kann der Transistor 200 einen hohen Durchlassstrom und ausgezeichnete Frequenzeigenschaften aufweisen.
Die Dichte von Defektzuständen an der Grenzfläche zwischen dem Metalloxid 230a und dem Metalloxid 230b kann ferner niedrig sein, wenn das Metalloxid 230a und das Metalloxid 230b zusätzlich zu Sauerstoff ein gemeinsames Element (als Hauptkomponente) enthalten. Dies verringert den Einfluss der Grenzflächenstreuung auf die Ladungsträgerübertragung, und der Transistor 200A kann einen hohen Durchlassstrom und ausgezeichnete Frequenzeigenschaften aufweisen.
Insbesondere wird als Metalloxid 230a das Metalloxid mit einem Atomverhältnis von In: M: Zn = 1:3:4 oder in der Nähe davon, In: M: Zn = 1:3:2 oder in der Nähe davon oder In: M: Zn = 1:1:0,5 oder in der Nähe davon vorzugsweise verwendet. Das bei der Ausführungsform 1 beschriebene Metalloxid wird besonders vorzugsweise als Metalloxid 230b verwendet. Als Element M wird bevorzugt Gallium, Aluminium oder Zinn verwendet, und Gallium wird bevorzugter verwendet. In dem Fall, in dem das Metalloxid 230 derart bereitgestellt wird, dass es eine einschichtige Struktur aufweist, wird ein Metalloxid, das als Metalloxid 230a oder Metalloxid 230b verwendet werden kann, vorzugsweise als Metalloxid 230 verwendet.
20A ist eine vergrößerte Ansicht der Umgebung des Kanalbildungsbereichs in 19B. Wie in 20A dargestellt, umfasst das Metalloxid 230b einen Bereich 230bc, der als Kanalbildungsbereich dient, sowie einen Bereich 230ba und einen Bereich 230bb, die derart bereitgestellt sind, dass der Bereich 230bc dazwischen liegt, und als Source-Bereich und Drain-Bereich dienen. Mindestens ein Teil des Bereichs 230bc überlappt sich mit dem Leiter 260. Mit anderen Worten: Der Bereich 230bc ist zwischen dem Leiter 242a und dem Leiter 242b bereitgestellt. Der Bereich 230ba ist derart bereitgestellt, dass er sich mit dem Leiter 242a überlappt, und der Bereich 230bb ist derart bereitgestellt, dass er sich mit dem Leiter 242b überlappt.
Wie vorstehend beschrieben, werden die Mengen an Verunreinigungen, Sauerstofffehlstellen und VoH in dem Kanalbildungsbereich des Oxidhalbleiters vorzugsweise so weit wie möglich verringert. Im Gegensatz dazu kann dann, wenn ein Isolator, der Sauerstoff enthält, der durch Erwärmung abgegeben wird (nachstehend auch als überschüssiger Sauerstoff bezeichnet), in der Umgebung des Oxidhalbleiters bereitgestellt wird und eine Wärmebehandlung durchgeführt wird, dem Oxidhalbleiter Sauerstoff von dem Isolator zugeführt werden, so dass die Menge an Sauerstofffehlstellen und VoH verringert werden können. Es sei angemerkt, dass zu viel Sauerstoff, der dem Source-Bereich oder dem Drain-Bereich zugeführt wird, eine Verringerung des Durchlassstroms oder der Feldeffektbeweglichkeit des Transistors 200 verursachen könnte. Ferner führen Schwankungen der Menge an Sauerstoff, der dem Source-Bereich oder dem Drain-Bereich zugeführt wird, in der Substratoberfläche zu Schwankungen der Eigenschaften der Halbleitervorrichtung, der den Transistor beinhaltet.
Daher ist der als Kanalbildungsbereich dienende Bereich 230bc in dem Oxidhalbleiter vorzugsweise ein i-Typ- oder im Wesentlichen i-Typ-Bereich mit einer niedrigen Ladungsträgerkonzentration, während die als Source- und Drain-Bereiche dienenden Bereiche 230ba und 230bb vorzugsweise n-Typ-Bereiche mit einer hohen Ladungsträgerkonzentration sind. Das heißt: Es wird bevorzugt, dass die Menge an Sauerstofffehlstellen und VoH in dem Bereich 230bc verringert wird, so dass eine Verringerung der Menge an Sauerstofffehlstellen und VoH in dem Bereich 230ba und dem Bereich 230bb verhindert wird.
Die Ladungsträgerkonzentration in dem Bereich 230bc, der als Kanalbildungsbereich dient, ist bevorzugt niedriger als oder gleich 1 × 10¹⁸ cm^-3, bevorzugter niedriger als 1 × 10¹⁷ cm^-3, noch bevorzugter niedriger als 1 × 10¹⁶ cm^-3, sogar noch bevorzugter niedriger als 1 × 10¹³ cm^-3, sogar noch bevorzugter niedriger als 1 × 10¹² cm^-3. Es sei angemerkt, dass die Untergrenze der Ladungsträgerkonzentration in dem Bereich 230bc nicht besonders beschränkt ist und beispielsweise 1 × 10^-9 cm^-3 sein kann.
Es sei angemerkt, dass 20A ein Beispiel darstellt, in dem der Bereich 230ba, der Bereich 230bb und der Bereich 230bc in dem Metalloxid 230b ausgebildet sind; jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise können die vorstehenden Bereiche nicht nur in dem Metalloxid 230b, sondern auch in dem Metalloxid 230a ausgebildet werden.
Der Leiter 242a und der Leiter 242b werden jeweils vorzugsweise unter Verwendung eines leitenden Materials, das nicht leicht oxidiert wird, oder eines Materials ausgebildet, dessen Leitfähigkeit auch nach der Absorption von Sauerstoff aufrechterhalten wird. Beispielsweise wird ein Nitrid, das Tantal enthält, bevorzugt. Wenn ein Nitrid, das Tantal enthält, für den Leiter 242a und den Leiter 242b verwendet wird, wird in dem Metalloxid 230b oder dergleichen enthaltener Wasserstoff in einigen Fällen von dem Leiter 242a oder dem Leiter 242b absorbiert.
Der Leiter 240a und der Leiter 240b können jeweils eine einschichtige Struktur oder eine mehrschichtige Struktur aufweisen. Beispielsweise können, wie in 20A dargestellt, der Leiter 240a und der Leiter 240b jeweils eine zweischichtige Struktur aufweisen. In diesem Fall ist der Leiter 242a eine Schichtanordnung aus einem Leiter 242a1 und einem Leiter 242a2 über dem Leiter 242a1, und der Leiter 242b ist eine Schichtanordnung aus einem Leiter 242b1 und einem Leiter 242b2 über dem Leiter 242b1. In diesem Fall wird für die Schichten (den Leiter 242a1 und den Leiter 242b1) in Kontakt mit dem Metalloxid 230b vorzugsweise ein leitendes Material, das nicht leicht oxidiert wird, oder ein leitendes Material mit einer Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Sauerstoff verwendet. Dies kann verhindern, dass der Leiter 242a und der Leiter 242b durch Sauerstoff, der in dem Metalloxid 230b enthalten ist, überschüssig oxidiert wird. Des Weiteren kann verhindert werden, dass die Leitfähigkeit des Leiters 242a und des Leiters 242b verringert wird.
Der Leiter 242a2 und der Leiter 242b2 weisen vorzugsweise eine höhere Leitfähigkeit auf als der Leiter 242a1 und der Leiter 242b1. Beispielsweise sind die Dicken des Leiters 242a2 und des Leiters 242b2 vorzugsweise größer als diejenigen des Leiters 242a1 und des Leiters 242b1. Als Leiter 242a2 und Leiter 242b2 wird vorzugsweise ein Leiter verwendet, der als Leiter 205b verwendet werden kann. Die vorstehende Struktur kann die Widerstände des Leiters 242a2 und des Leiters 242b2 verringern. Dementsprechend können der Leiter 242a und der Leiter 242b jeweils als Leitung oder Elektrode mit hoher Leitfähigkeit dienen. Des Weiteren kann die Betriebsgeschwindigkeit des Transistors 200 erhöht werden.
Beispielsweise kann Tantalnitrid oder Titannitrid für den Leiter 242a1 und den Leiter 242b1 verwendet werden, und Wolfram kann für den Leiter 242a2 und den Leiter 242b2 verwendet werden.
Wie in 20A dargestellt, weist der Isolator 250 vorzugsweise eine mehrschichtige Struktur aus einem Isolator 250a in Kontakt mit dem Metalloxid 230, einem Isolator 250b über dem Isolator 250a und einem Isolator 250c über dem Isolator 250b auf.
Als Isolator 250b wird vorzugsweise ein Sauerstoff leicht durchlassender Isolator verwendet. Mit einer derartigen Struktur kann Sauerstoff, der in dem Isolator 280 enthalten ist, dem Bereich 230bc über den Isolator 250b zugeführt werden. Als Isolator 250b wird vorzugsweise ein Isolator verwendet, der ein Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante enthält. Insbesondere wird Siliziumoxid oder Siliziumoxynitrid bevorzugt, da es thermisch stabil ist.
Der Isolator 250a weist vorzugsweise eine Sperreigenschaft gegen Sauerstoff auf. Der Isolator 250a umfasst einen Bereich in Kontakt mit der Seitenfläche des Leiters 242a und einen Bereich in Kontakt mit der Seitenfläche des Leiters 242b. Wenn der Isolator 250a eine Sperreigenschaft gegen Sauerstoff aufweist, kann eine Oxidation der Seitenflächen der Leiter 242a und 242b, welche Oxidfilme an den Seitenflächen bildet, verhindert werden. Dadurch kann eine Verringerung des Durchlassstroms oder der Feldeffektbeweglichkeit des Transistors 200 verhindert werden.
Der Isolator 250a wird in Kontakt mit der Oberseite und der Seitenfläche des Metalloxids 230b und der Seitenfläche des Metalloxids 230a bereitgestellt. Das heißt, dass in der Querschnittsansicht in der Kanalbreitenrichtung der Bereich 230bc von dem Isolator 250a und dem Metalloxid 230a umschlossen wird. Wenn der Isolator 250a und das Metalloxid 230a eine Sperreigenschaft gegen Sauerstoff aufweisen, kann eine Abgabe von Sauerstoff von dem Bereich 230b bei der Wärmebehandlung oder dergleichen verhindert werden. Daher kann die Bildung einer Sauerstofffehlstelle in dem Bereich 230bc verhindert werden. Folglich können die elektrischen Eigenschaften und die Zuverlässigkeit des Transistors 200 verbessert werden.
Außerdem kann selbst dann, wenn überschüssiger Sauerstoff in dem Isolator 280 enthalten ist, eine Zufuhr des überschüssigen Sauerstoffs zu dem Bereich 230bc verhindert werden, indem der Isolator 250a bereitgestellt wird, wodurch eine geeignete Menge an Sauerstoff dem Bereich 230bc zugeführt werden kann. Daher kann verhindert werden, dass die Bereiche 230ba und 230bb überschüssig oxidiert werden, so dass eine Verringerung des Durchlassstroms oder der Feldeffektbeweglichkeit des Transistors 200 verhindert werden kann.
Für den Isolator 250a wird ein Oxid, das Aluminium und/oder Hafnium enthält, bevorzugt verwendet, und Aluminiumoxid wird bevorzugter verwendet.
Der Isolator 250c weist vorzugsweise eine Sperreigenschaft gegen Wasserstoff auf. In diesem Fall kann eine Diffusion von Wasserstoff, der in dem Leiter 260 enthalten ist, in den Bereich 230bc verhindert werden. Für den Isolator 250c wird besonders vorzugsweise Siliziumnitrid verwendet.
Des Weiteren kann der Isolator 250c eine Sperreigenschaft gegen Sauerstoff aufweisen. Der Isolator 250c wird zwischen dem Isolator 250b und dem Leiter 260 bereitgestellt. Daher kann eine Diffusion von Sauerstoff, der in dem Isolator 250b enthalten ist, in den Leiter 260 verhindert werden, so dass eine Oxidation des Leiters 260 verhindert werden kann. Zudem kann eine Verringerung der Menge an Sauerstoff, der dem Bereich 230bc zugeführt wird, verhindert werden. Es sei angemerkt, dass Siliziumnitrid eine Sperreigenschaft gegen Sauerstoff aufweist und daher geeignet für den Isolator 250c verwendet werden kann.
Wie in 20B dargestellt, kann ein Isolator 250d zwischen dem Isolator 250b und dem Isolator 250c bereitgestellt werden. Der Isolator 250d weist vorzugsweise eine Funktion zum Einfangen oder Fixieren von Wasserstoff auf. Indem ein Isolator mit einer Funktion zum Einfangen oder Fixieren von Wasserstoff innerhalb eines Bereichs bereitgestellt wird, der von dem Isolator 250c und dem Isolator 222 umschlossen wird, kann Wasserstoff innerhalb des Bereichs effektiv eingefangen oder fixiert werden. Das heißt, dass Wasserstoff, der in dem Isolator 250c, dem Bereich 230bc des Metalloxids 230b oder dem Isolators 224 enthalten ist, effektiv eingefangen oder fixiert werden kann. Dadurch kann die Wasserstoffkonzentration in dem Bereich 230bc verringert werden. Folglich kann VoH in dem Bereich 230bc verringert werden.
Beispielsweise wird für den Isolator 250d vorzugsweise Hafniumoxid verwendet. Der Isolator 250d kann eine amorphe Kristallstruktur aufweisen.
Da der Isolator 250 einen Bereich umfasst, der als erster Gate-Isolator dient, kann ein Isolator, der ein Material mit hohem k enthält, als einen oder mehrere der Isolatoren 250a bis 250d verwendet werden.
Die Isolatoren 250a bis 250d werden zusammen mit dem Leiter 260 in einem in dem Isolator 280 und dergleichen ausgebildeten Öffnungsabschnitt bereitgestellt. Um den Transistor 200 zu miniaturisieren, sind die Dicken der Isolatoren 250a bis 250d vorzugsweise klein. Die Dicken der Isolatoren 250a bis 250d sind jeweils größer als oder gleich 0,1 nm und kleiner als oder gleich 10 nm, bevorzugt größer als oder gleich 0,1 nm und kleiner als oder gleich 5,0 nm, bevorzugter größer als oder gleich 0,5 nm und kleiner als oder gleich 5,0 nm, noch bevorzugter größer als oder gleich 1,0 nm und kleiner als oder gleich 5,0 nm, sogar noch bevorzugter größer als oder gleich 1,0 nm und kleiner als oder gleich 3,0 nm. In diesem Fall umfasst jeder der Isolatoren 250a bis 250d mindestens teilweise einen Bereich mit der vorstehenden Dicke.
Obwohl der Isolator 250 eine dreischichtige Struktur aus den Isolatoren 250a bis 250c oder eine vierschichtige Struktur aus den Isolatoren 250a bis 250d in den vorstehend beschriebenen Strukturen aufweist, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Der Isolator 250 kann eine Struktur mit mindestens einem der Isolatoren 250a bis 250d aufweisen. Wenn der Isolator 250 aus einer, zwei oder drei Schicht/en der Isolatoren 250a bis 250d ausgebildet wird, kann der Herstellungsprozess einer Halbleitervorrichtung vereinfacht werden und die Produktivität kann verbessert werden.
Der Leiter 260 umfasst vorzugsweise einen Leiter 260a und einen Leiter 260b über dem Leiter 260a. Beispielsweise wird der Leiter 260a vorzugsweise derart platziert, dass er die Unterseite und die Seitenfläche des Leiters 260b bedeckt. In 19B und 19C befindet sich die Oberseite des Leiters 260 auf gleichem Niveau mit der Oberseite des Isolators 250. Obwohl der Leiter 260 eine zweischichtige Struktur aus dem Leiter 260a und dem Leiter 260b in 19A und 19C aufweist, kann der Leiter 260 eine einschichtige Struktur oder eine mehrschichtige Struktur aus drei oder mehr Schichten aufweisen.
Der Leiter 260a wird vorzugsweise unter Verwendung eines leitenden Materials mit einer Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Verunreinigungen ausgebildet. Alternativ wird der Leiter 260a vorzugsweise unter Verwendung eines leitenden Materials mit einer Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Sauerstoff ausgebildet. Wenn der Leiter 260a eine Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Sauerstoff aufweist, kann verhindert werden, dass die Leitfähigkeit des Leiters 260b aufgrund von Oxidation durch Sauerstoff, der in dem Isolator 250 enthalten ist, verringert wird. Eine Einzelschicht oder eine Schichtanordnung aus den vorstehenden leitenden Materialien kann für den Leiter 260a verwendet werden. Beispielsweise kann Titannitrid für den Leiter 260a verwendet werden.
Der Leiter 260 dient auch als Leitung. Daher wird der Leiter 260b vorzugsweise unter Verwendung eines Leiters mit hoher Leitfähigkeit ausgebildet.
Bei dem Transistor 200 wird der Leiter 260 in selbstausrichtender Weise derart ausgebildet, dass er einen Öffnungsabschnitt, der in dem Isolator 280 und dergleichen ausgebildet ist, füllt. Auf diese Weise kann der Leiter 260 in einem Bereich zwischen dem Leiter 242a und dem Leiter 242b ohne Ausrichtung sicher bereitgestellt werden.
Wie in 19C dargestellt, wird es bevorzugt, dass in der Kanalbreitenrichtung des Transistors 200 die Unterseite des Leiters 260 in einem Bereich, der sich nicht mit dem Metalloxid 230b überlappt, näher dem Isolator 222 als die Unterseite des Metalloxids 230b positioniert ist. Wenn der Leiter 260, der als Gate-Elektrode dient, die Seitenfläche und die Oberseite des Kanalbildungsbereichs des Metalloxids 230b bedeckt, ist es wahrscheinlich, dass das elektrische Feld des Leiters 260 den gesamten Kanalbildungsbereich des Metalloxids 230b beeinflusst. Daher kann der Transistor 200 einen höheren Durchlassstrom und höhere Frequenzeigenschaften aufweisen.
Ein Isolator 216 wird unter dem Isolator 222 bereitgestellt, ein Isolator 214 wird unter dem Isolator 216 bereitgestellt, und ein Isolator 212 wird unter dem Isolator 214 bereitgestellt.
Der Leiter 205 wird derart platziert, dass er sich mit dem Metalloxid 230 und dem Leiter 260 überlappt. Hier wird der Leiter 205 vorzugsweise derart bereitgestellt, dass er einen Öffnungsabschnitt, der in dem Isolator 216 ausgebildet ist, füllt. Ein Teil des Leiters 205 wird in einigen Fällen in dem Isolator 214 eingebettet.
Der Leiter 205 umfasst den Leiter 205a und den Leiter 205b. Der Leiter 205a wird derart bereitgestellt, dass er in Kontakt mit der Seitenfläche des in dem Isolator 216 ausgebildeten Öffnungsabschnitts und der Oberseite des Isolators 214 ist. Der Leiter 205b wird derart bereitgestellt, dass er in einem vertieften Abschnitt, der in dem Leiter 205a ausgebildet ist, eingebettet ist. Hier befindet sich die Oberseite des Leiters 205b auf gleichem Niveau wie die Oberseiten des Leiters 205a und des Isolators 216.
Der Leiter 205a wird hier vorzugsweise unter Verwendung eines leitenden Materials mit einer Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Verunreinigungen ausgebildet. Wenn der Leiter 205a unter Verwendung eines leitenden Materials mit einer Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Verunreinigungen ausgebildet wird, kann verhindert werden, dass Verunreinigungen, die in dem Leiter 205b enthalten sind, über den Isolator 216 und dergleichen in das Metalloxid 230 diffundieren.
Alternativ wird der Leiter 205a vorzugsweise unter Verwendung eines leitenden Materials mit einer Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Sauerstoff ausgebildet. Wenn der Leiter 205a unter Verwendung eines leitenden Materials mit einer Funktion zum Verhindern von Sauerstoff ausgebildet wird, kann verhindert werden, dass die Leitfähigkeit des Leiters 205b infolge einer Oxidation des Leiters 205b verringert wird.
Als Leiter 205a kann ein Leiter, der als Leiter 260a verwendet werden kann, verwendet werden.
Der Leiter 205 dient auch als Leitung. Daher wird vorzugsweise ein Leiter mit hoher Leitfähigkeit als Leiter 205b verwendet. Als Leiter 205b kann ein Leiter, der als Leiter 260b verwendet werden kann, verwendet werden.
Obwohl die Leiter 205a und 205b in dem in 19B und 19C dargestellten Beispiel übereinander angeordnet sind, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann der Leiter 205 eine einschichtige Struktur oder eine mehrschichtige Struktur aus drei oder mehr Schichten aufweisen.
Der Leiter 205 dient in einigen Fällen als zweite Gate-Elektrode. In diesem Fall kann die Schwellenspannung (V_th) des Transistors 200 gesteuert werden, indem ein Potential, das an den Leiter 205 angelegt wird, unabhängig von einem Potential, das an den Leiter 260 angelegt wird, geändert wird. Indem insbesondere ein negatives Potential an den Leiter 205 angelegt wird, kann V_th des Transistors 200 höher sein, und sein Sperrstrom kann verringert werden. Demzufolge kann ein Drain-Strom bei einem an den Leiter 260 angelegten Potential von 0 V in dem Fall, in dem ein negatives Potential an den Leiter 205 angelegt wird, niedriger sein als in dem Fall, in dem das negative Potential an den Leiter 205 nicht angelegt wird.
Wie in 19A dargestellt, ist die Größe des Leiters 205 vorzugsweise größer als die Größe eines Bereichs des Metalloxids 230, der sich nicht mit dem Leiter 242a oder 242b überlappt. Wie in 19C dargestellt, erstreckt sich der Leiter 205 besonders vorzugsweise über den Endabschnitt des Metalloxids 230 in der Kanalbreitenrichtung hinaus. Mit anderen Worten: Der Leiter 205 und der Leiter 260 überlappen vorzugsweise einander, wobei der Isolator dazwischen liegt, in einem Bereich, der sich weiter außen als die Seitenfläche des Metalloxids 230 in der Kanalbreitenrichtung befindet. Mit einer derartigen Struktur kann der Kanalbildungsbereich in dem Metalloxid 230 elektrisch von den elektrischen Feldern des Leiters 260, der als erste Gate-Elektrode dient, und den elektrischen Feldern des Leiters 205, der als zweite Gate-Elektrode dient, umschlossen werden. In dieser Beschreibung und dergleichen wird eine Transistorstruktur, bei der ein Kanalbildungsbereich elektrisch von mindestens den elektrischen Feldern einer ersten Gate-Elektrode umschlossen ist, als Struktur mit umschlossenem Kanal (surrounded channel structure bzw. S-Kanal-Struktur) bezeichnet.
In dieser Beschreibung und dergleichen bezeichnet die S-Kanal-Struktur eine Transistorstruktur, bei der ein Kanalbildungsbereich elektrisch von den elektrischen Feldern eines Paars von Gate-Elektroden umschlossen ist. Die S-Kanal-Struktur, die in dieser Beschreibung und dergleichen offenbart wird, unterscheidet sich von einer Fin-Struktur oder einer Planarstruktur. Die S-Kanal-Struktur, die in dieser Beschreibung und dergleichen offenbart wird, kann auch als eine Art der Fin-Struktur angesehen werden. In dieser Beschreibung und dergleichen bezeichnet die Fin-Struktur eine Struktur, bei der mindestens zwei Oberflächen (insbesondere zwei Oberflächen, drei Oberflächen, vier Oberflächen oder dergleichen) eines Kanals mit einer Gate-Elektrode bedeckt werden. Unter Verwendung der Fin-Struktur und der S-Kanal-Struktur kann ein Transistor mit hoher Beständigkeit gegen einen Kurzkanaleffekt, d. h. ein Transistor, in dem ein Kurzkanaleffekt mit geringer Wahrscheinlichkeit auftritt, erhalten werden.
Wenn der Transistor 200 die vorstehend beschriebene S-Kanal-Struktur aufweist, kann der Kanalbildungsbereich elektrisch umschlossen werden. Da die S-Kanal-Struktur eine Struktur mit dem elektrisch umschlossenen Kanalbildungsbereich ist, ist die S-Kanal-Struktur in gewissem Sinne gleich einer Struktur mit allseitigem Gate (GAA-Struktur) oder einer Struktur mit allseitigem lateralem Gate (lateral gate all around (LGAA) structure, LGAA-Struktur). Wenn der Transistor 200 die S-Kanal-Struktur, die GAA-Struktur oder die LGAA-Struktur aufweist, kann der Kanalbildungsbereich, der an der Grenzfläche zwischen dem Metalloxid 230 und dem Gate-Isolator oder in der Umgebung davon gebildet wird, dem gesamten Bulk des Metalloxids 230 entsprechen. Folglich kann die Dichte eines durch den Transistor fließenden Stroms verbessert werden, so dass der Durchlassstrom oder die Feldeffektbeweglichkeit des Transistors erhöht werden kann.
Wie in 19C dargestellt, erstreckt sich der Leiter 205, um auch als Leitung zu dienen. Jedoch kann, ohne auf diese Struktur beschränkt zu sein, eine Struktur zum Einsatz kommen, bei der ein Leiter, der als Leitung dient, unter dem Leiter 205 bereitgestellt wird. Zudem wird der Leiter 205 nicht notwendigerweise in jedem Transistor bereitgestellt. Beispielsweise kann der Leiter 205 von einer Vielzahl von Transistoren geteilt werden.
Der Isolator 222 weist vorzugsweise eine Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Wasserstoff auf. Wenn der Isolator 222 eine Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Wasserstoff aufweist, kann eine Diffusion von Wasserstoff von dem Umgebungsabschnitt des Transistors 200 in das Metalloxid 230 verhindert werden.
Daher weist der Isolator 222 vorzugsweise eine Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Sauerstoff auf. Mit dem Isolator 222, der eine Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Sauerstoff aufweist, kann die Abgabe von Sauerstoff von dem Metalloxid 230 in Richtung des Substrats verhindert werden. Daher kann die Erzeugung einer Sauerstofffehlstelle in dem Metalloxid 230 verhindert werden. Ferner kann eine Reaktion des Leiters 205 mit Sauerstoff, der in dem Isolator 224 und dem Metalloxid 230 enthalten ist, verhindert werden.
Als Isolator 222 wird ein Isolator vorzugsweise verwendet, der eine Sperreigenschaft gegen Sauerstoff und/oder Wasserstoff aufweist. Alternativ kann dem vorstehenden Isolator beispielsweise Aluminiumoxid, Bismutoxid, Germaniumoxid, Nioboxid, Siliziumoxid, Titanoxid, Wolframoxid, Yttriumoxid oder Zirconiumoxid zugesetzt werden. Alternativ kann der vorstehende Isolator, dem eines oder mehrere der Materialien zugesetzt werden, einer Nitrierungsbehandlung unterzogen werden.
Da der Isolator 222 einen Bereich umfasst, der als zweiter Gate-Isolator dient, kann eine Einzelschicht oder eine Schichtanordnung aus einem Isolator verwendet werden, der ein Material mit hohem k enthält.
Der Isolator 222 kann eine einschichtige Struktur oder eine mehrschichtige Struktur aufweisen. Wie in 20A dargestellt, kann beispielsweise der Isolator 222 eine mehrschichtige Struktur aus einem Isolator 222a und einem Isolator 222b über dem Isolator 222a aufweisen.
Als Isolator 222b kann ein Isolator, der als Isolator 222 verwendet werden kann, verwendet werden.
Der Isolator 222a wird zwischen dem Isolator 222b und jedem des Isolators 216 und des Leiters 205 bereitgestellt. Der Isolator 222a weist vorzugsweise eine Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Wasserstoff auf. Mit dem Isolator 222a, der eine Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Wasserstoff aufweist, kann eine Diffusion von Wasserstoff von unterhalb des Isolators 222a in den Transistor 200 verhindert werden.
Beispielsweise wird für den Isolator 222a Siliziumnitrid, das durch ein ALD-Verfahren (insbesondere ein PEALD-Verfahren) abgeschieden wird, vorzugsweise verwendet. Wenn der Isolator 222a durch ein ALD-Verfahren ausgebildet wird, kann er eine vorteilhafte Abdeckung aufweisen, auch wenn eine Unebenheit durch den Isolator 216 und den Leiter 205 gebildet wird. Dies kann eine Bildung eines Nadellochs, eine Trennung oder dergleichen in dem Isolator 222b, der über dem Isolator 222a ausgebildet wird, verhindern.
Als Isolator 224 wird vorzugsweise ein Isolator verwendet, der ein Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante enthält. Alternativ kann ein Isolator, der einen überschüssigen Sauerstoff enthaltenden Bereich umfasst, als Isolator 224 verwendet werden. Beispielsweise kann Siliziumoxid oder Siliziumoxynitrid für den Isolator 224 je nach Bedarf verwendet werden.
Es sei angemerkt, dass der Isolator 224 eine mehrschichtige Struktur aus zwei oder mehr Schichten aufweisen kann. In diesen Fällen kann, ohne Beschränkung auf eine mehrschichtige Struktur aus dem gleichen Material, eine mehrschichtige Struktur aus unterschiedlichen Materialien verwendet werden. Der Isolator 224 kann in eine Inselform ausgebildet werden, wobei er sich mit dem Metalloxid 230a überlappt. In diesem Fall ist der Isolator 275 in Kontakt mit der Seitenfläche des Isolators 224 und der Oberseite des Isolators 222. Es sei angemerkt, dass in dieser Beschreibung und dergleichen der Begriff „Inselform“ einen Zustand bezeichnet, in dem zwei oder mehr Schichten, die unter Verwendung des gleichen Materials in dem gleichen Schritt ausgebildet werden, physikalisch voneinander getrennt sind.
Der Isolator 271 wird in Kontakt mit der Oberseite des Leiters 242 bereitgestellt. Der Isolator 271 dient vorzugsweise mindestens als isolierender Sperrfilm gegen Sauerstoff.
Der Isolator 271 ist in Kontakt mit dem Leiter 242 und ist daher vorzugsweise ein anorganischer Isolator, der nicht leicht den Leiter 242 oxidiert. Beispielsweise wird ein Isolator, der als Isolator 250c verwendet werden kann, vorzugsweise als Isolator 271 verwendet. Beispielsweise kann Siliziumnitrid für den Isolator 271 verwendet werden.
Da eine Isolierschicht, die zu dem Isolator 271 wird, als Maske für eine leitende Schicht, die zu dem Leiter 242 wird, dient, weist der Leiter 242 keine gekrümmte Oberfläche zwischen seiner Seitenfläche und seiner Oberseite auf. Daher ist ein Endabschnitt an der Kreuzung der Seitenfläche und der Oberseite des Leiters 242 eckig. Die Querschnittsfläche des Leiters 242 ist in dem Fall, in dem ein Endabschnitt an der Kreuzung der Seitenfläche und der Oberseite des Leiters 242 eckig ist, größer als diejenige in dem Fall, in dem der Endabschnitt gerundet ist. Des Weiteren kann dann, wenn ein Isolator, der ein Metall nicht leicht oxidiert, als Isolator 271 verwendet wird, verhindert werden, dass der Leiter 242 überschüssig oxidiert wird. Wie vorstehend beschrieben, wird der Widerstand des Leiters 242 verringert, so dass der Durchlassstrom des Transistors 200 erhöht werden kann.
Der Isolator 271 kann eine einschichtige Struktur oder eine mehrschichtige Struktur aufweisen.
Der Isolator 275 wird derart bereitgestellt, dass er den Isolator 224, das Metalloxid 230, den Leiter 242 und den Isolator 271 bedeckt. Der Isolator 275 weist vorzugsweise eine Funktion zum Einfangen oder Fixieren von Wasserstoff auf. Der Isolator 275 weist vorzugsweise eine Sperreigenschaft gegen Wasserstoff auf. Der Isolator 275 wird vorzugsweise unter Verwendung von Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Siliziumnitrid oder dergleichen ausgebildet. Alternativ kann beispielsweise als Isolator 275 ein mehrschichtiger Film aus Aluminiumoxid und Siliziumnitrid über dem Aluminiumoxid verwendet werden. Es sei angemerkt, dass Siliziumnitrid auch als isolierender Sperrfilm gegen Sauerstoff dient und daher geeignet für den Isolator 275 ist.
Wenn die vorstehenden Isolatoren 271 und 275 bereitgestellt werden, kann der Leiter 242 von dem isolierenden Sperrfilm gegen Sauerstoff umschlossen werden. Mit einer derartigen Struktur kann eine Oxidation des Leiters 242 direkt durch Sauerstoff, der in dem Isolator 280 enthalten ist, verhindert werden, so dass eine Erhöhung des Widerstands und eine Verringerung des Durchlassstroms verhindert werden können.
Ein Isolator 282 und ein Isolator 283 werden in dieser Reihenfolge über dem Isolator 280, dem Leiter 260 und dem Leiter 250 bereitgestellt.
Mindestens einer der Isolatoren 212, 214, 282 und 283 dient vorzugsweise als isolierender Sperrfilm, der eine Diffusion von Verunreinigungen von der Seite des Substrats oder von oberhalb des Transistors 200 in den Transistor 200 verhindert. Deshalb wird mindestens einer der Isolatoren 212, 214, 282 und 283 vorzugsweise unter Verwendung eines isolierenden Materials mit einer Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Verunreinigungen ausgebildet. Ein Beispiel für die Verunreinigung ist Wasserstoff.
Beispielsweise wird vorzugsweise Siliziumnitrid, das eine hohe Sperreigenschaft gegen Wasserstoff aufweist, für die Isolatoren 212 und 283 verwendet.
Beispielsweise wird Aluminiumoxid, das eine Funktion zum Einfangen oder Fixieren von Wasserstoff aufweist, vorzugsweise für die Isolatoren 214 und 282 verwendet. Wenn ein derartiger Isolator mit einer Funktion zum Einfangen oder Fixieren von Wasserstoff als Komponente des Transistors 200 verwendet wird oder in der Umgebung des Transistors 200 bereitgestellt wird, kann Wasserstoff, der in dem Transistor 200 enthalten ist, oder Wasserstoff, der sich in der Umgebung des Transistors 200 befindet, eingefangen oder fixiert werden. Insbesondere wird Wasserstoff, der in dem Kanalbildungsbereich des Transistors 200 enthalten ist, vorzugsweise eingefangen oder fixiert.
Mit der vorstehenden Struktur kann eine Diffusion von Wasserstoff von der Seite des Substrats über den Isolator 212 und den Isolator 214 in den Transistor 200 verhindert werden. Außerdem kann verhindert werden, dass Wasserstoff von einem isolierenden Zwischenschichtfilm und dergleichen, die außerhalb des Isolators 283 bereitgestellt werden, in Richtung des Transistors 200 diffundieren. Demzufolge können der Transistor 200 und die Halbleitervorrichtung mit vorteilhaften Eigenschaften und hoher Zuverlässigkeit hergestellt werden.
Die Isolatoren 216 und 280 werden jeweils vorzugsweise unter Verwendung eines Materials mit einer Dielektrizitätskonstante ausgebildet, die niedriger ist als diejenige des Materials, das für den Isolator 214 verwendet wird. Wenn ein Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante für die Isolatoren 216 und 280, die als Zwischenschichtfilme dienen, verwendet wird, kann die Parasitärkapazität, die zwischen Leitungen erzeugt wird, verringert werden. Als Isolator 280 wird ein Isolator vorzugsweise verwendet, in dem ein Bereich mit überschüssigem Sauerstoff wahrscheinlich gebildet wird.
19B und 19C stellen eine Struktur dar, bei der die Isolatoren 212, 214, 282 und 283 jeweils eine einschichtige Struktur aufweisen; jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, und einer oder mehrere der Isolatoren 212, 214, 282 und 283 können eine mehrschichtige Struktur aus zwei oder mehr Schichten aufweisen.
[Transistor 200A]
21A ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Transistors 200A in der Kanallängsrichtung. Der in 21A dargestellte Transistor 200A ist ein Modifikationsbeispiel des in 20B dargestellten Transistors 200. Insbesondere unterscheidet sich der in 21A dargestellte Transistor 200A von dem in 20B dargestellten Transistor 200 dadurch, dass er einen Isolator 255 zwischen dem Isolator 250a und dem Leiter 242a2 sowie zwischen dem Isolator 250a und dem Leiter 242b2 beinhaltet. Nachstehend werden hauptsächlich die Unterschiede zu dem vorstehend beschriebenen [Transistor 200] beschrieben und gleiche Abschnitte werden nicht beschrieben.
Wie in 21A dargestellt, ist in der Querschnittsansicht des Transistors 200A in der Kanallängsrichtung ein Abstand zwischen dem Leiter 242a1 und dem Leiter 242b1 kleiner als derjenige zwischen dem Leiter 242a2 und dem Leiter 242b2. Eine derartige Struktur ermöglicht einen kürzeren Abstand zwischen einer Source und einem Drain sowie eine kürzere Kanallänge. Als Ergebnis können die Frequenzeigenschaften des Transistors 200A verbessert werden. Daher kann eine Halbleitervorrichtung mit höherer Geschwindigkeit arbeiten, indem sie miniaturisiert wird.
Der Isolator 255 ist vorzugsweise ein Isolator, der nicht leicht oxidiert wird, wie z. B. ein Nitrid. Der Isolator 255 wird in Kontakt mit einer Seitenfläche des Leiters 242a2 und einer Seitenfläche des Leiters 242b2 ausgebildet und weist daher eine Funktion zum Schützen des Leiters 242a2 und des Leiters 242b2 auf. Der Isolator 255 wird einer oxidierten Atmosphäre ausgesetzt und ist daher vorzugsweise ein anorganischer Isolator, der nicht leicht oxidiert wird. Der Isolator 255 ist zudem in Kontakt mit dem Leiter 242a2 und dem Leiter 242b2 und ist daher vorzugsweise ein anorganischer Isolator, der nicht leicht den Leiter 242a2 und den Leiter 242b2 oxidiert. Daher wird der Isolator 255 vorzugsweise unter Verwendung eines isolierenden Materials mit einer Sperreigenschaft gegen Sauerstoff ausgebildet. Beispielsweise kann Siliziumnitrid für den Isolator 255 verwendet werden.
In dem in 21A dargestellten Transistor 200A ist in einem Öffnungsabschnitt, der in dem Isolator 280 und dem Isolator 275 ausgebildet wird, eine Seitenfläche des Isolators 255 mit der Seitenfläche des Leiters 242a1 ausgerichtet, und eine Seitenfläche des Isolators 255 ist mit der Seitenfläche des Leiters 242b1 ausgerichtet. Mit einer derartigen Struktur kann der Isolator 255 ohne Zunahme der Anzahl der Masken, die zum Herstellen des Transistors 200 verwendet werden, bereitgestellt werden.
Obwohl 21A eine Struktur dargestellt, bei der in dem Öffnungsabschnitt, der in dem Isolator 280 und dem Isolator 275 ausgebildet wird, die Seitenfläche des Isolators 255 mit der Seitenfläche des Leiters 242a1 ausgerichtet ist und die Seitenfläche des Isolators 255 mit der Seitenfläche des Leiters 242b1 ausgerichtet ist, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann, wie in 21 B dargestellt, der Isolator 250 Bereiche umfassen, die sich mit dem Leiter 242a1 und dem Leiter 242b1 überlappen, wobei der Isolator 255 dazwischen liegt.
Der in 21B dargestellte Transistor 200A wird in der folgenden Weise ausgebildet: Ein Öffnungsabschnitt wird in dem Isolator 280 und dem Isolator 275 ausgebildet, der Isolator 255 wird in Kontakt mit der Seitenfläche des Öffnungsabschnitts ausgebildet und dann werden der Leiter 242a1 und der Leiter 242b1 unter Verwendung einer Maske getrennt. Hier überlappt sich der Öffnungsabschnitt mit einem Bereich zwischen dem Leiter 242a2 und dem Leiter 242b2. Ein Teil des Leiters 242a1 und ein Teil des Leiters 242b1 werden jeweils derart ausgebildet, dass sie sich in den Öffnungsabschnitt erstrecken. Daher ist in dem Öffnungsabschnitt der Isolator 255 in Kontakt mit der Oberseite des Leiters 242a1, der Oberseite des Leiters 242b1, der Seitenfläche des Leiters 242a2 und der Seitenfläche des Leiters 242b2. Zudem ist der Isolator 250a in Kontakt mit der Oberseite des Metalloxides 230 in dem Bereich zwischen dem Leiter 242a1 und dem Leiter 242b1.
Bei den in 21A und 21B dargestellten Strukturen sind die Dicken der Isolatoren 250a bis 250d vorzugsweise klein, und sie liegen vorzugsweise zur Miniaturisierung des Transistors 200A in dem vorstehenden Bereich. Typischerweise sind die Dicken des Isolators 250a, des Isolators 250b, des Isolators 250c und des Isolators 250d 1 nm, 2 nm, 2 nm bzw. 1 nm. Eine derartige Struktur ermöglicht, dass eine Halbleitervorrichtung vorteilhafte elektrische Eigenschaften aufweist, auch wenn die Halbleitervorrichtung miniaturisiert oder in hohem Maße integriert wird.
Es sei angemerkt, dass eine Mikrowellenbehandlung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre durchgeführt werden kann, nachdem eine beliebige der Isolierfilme, die zu den Isolatoren 250a bis 250d werden, ausgebildet worden ist.
Durch die Mikrowellenbehandlung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre wird ein Sauerstoffgas unter Verwendung von einer Hochfrequenzwelle, wie z. B. einer Mikrowelle oder HF, in Plasma umgewandelt und das Sauerstoffplasma wird auf einen zwischen dem Leiter 242a und dem Leiter 242b liegenden Bereich des Metalloxids 230b eingewirkt. Insbesondere kann Sauerstoff dem Metalloxid 230b zugeführt werden. Durch die Wirkungen des Plasmas, der Mikrowelle und dergleichen kann VoH in dem Bereich in Sauerstofffehlstellen und Wasserstoff geteilt, und der Wasserstoff kann von dem Bereich entfernt werden.
Die Mikrowellenbehandlung verbessert die Filmqualität des Isolierfilms, wodurch verhindert werden kann, dass Wasserstoff, Wasser, Verunreinigungen und dergleichen diffundieren.
Die Mikrowellenbehandlung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre kann mehrmals (zweimal oder mehr) durchgeführt werden. Beispielsweise wird es bevorzugt, dass eine erste Mikrowellenbehandlung durchgeführt wird, nachdem Siliziumoxid als Isolierfilm, der zu dem Isolator 250b wird, ausgebildet worden ist, und dann eine zweite Mikrowellenbehandlung bei einer höheren Temperatur durchgeführt wird, nachdem Hafniumoxid als Isolierfilm, der zu dem Isolator 250d wird, ausgebildet worden ist. Die erste Mikrowellenbehandlung, die bei einer Substrattemperatur von 250 °C durchgeführt wird, kann beispielsweise dem Metalloxid 230b Sauerstoff zuführen, und die zweite Mikrowellenbehandlung, die bei einer Substrattemperatur von 400 °C durchgeführt wird, kann beispielsweise Wasserstoff von dem Metalloxid 230b und dem Siliziumoxid entfernen.
<Material für eine Halbleitervorrichtung>
Nachstehend werden Materialien beschrieben, die für eine Halbleitervorrichtung verwendet werden können.
<<Substrat>>
Als Substrat, über dem ein Transistor ausgebildet wird, kann beispielsweise ein Isolatorsubstrat, ein Halbleitersubstrat oder ein Leitersubstrat verwendet werden. Beispiele für das Isolatorsubstrat umfassen ein Glassubstrat, ein Quarzsubstrat, ein Saphirsubstrat, ein stabilisiertes Zirkonoxid-Substrat (z. B. ein Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid-Substrat) und ein Harzsubstrat. Beispiele für das Halbleitersubstrat umfassen ein Halbleitersubstrat aus Silizium oder Germanium und ein Verbindungshalbleitersubstrat aus Siliziumkarbid, Siliziumgermanium, Galliumarsenid, Indiumphosphid, Zinkoxid oder Galliumoxid. Ein weiteres Beispiel ist eines der vorstehenden Halbleitersubstrate, das mit einem Isolatorbereich bereitgestellt ist, wie z. B. ein Silizium-auf-Isolator- (silicon on insulator, SOI-) Substrat. Beispiele für das Leitersubstrat umfassen ein Graphitsubstrat, ein Metallsubstrat, ein Legierungssubstrat und ein leitendes Harzsubstrat. Weitere Beispiele umfassen ein Substrat, das ein Nitrid von Metall enthält, ein Substrat, das ein Oxid von Metall enthält, ein Isolatorsubstrat, das mit einem Leiter oder einem Halbleiter versehen ist, ein Halbleitersubstrat, das mit einem Leiter oder einem Isolator versehen ist, und ein Leitersubstrat, das mit einem Halbleiter oder einem Isolator versehen ist. Alternativ können diese Substrate, die mit Elementen versehen sind, verwendet werden. Beispiele für das Element, das über dem Substrat bereitgestellt wird, umfassen einen Kondensator, einen Widerstand, ein Schaltelement, ein Licht emittierendes Element und ein Speicherelement.
<<Isolator>>
Beispiele für einen Isolator umfassen ein isolierendes Oxid, ein isolierendes Nitrid, ein isolierendes Oxynitrid, ein isolierendes Nitridoxid, ein isolierendes Metalloxid, ein isolierendes Metalloxynitrid und ein isolierendes Metallnitridoxid.
Mit einer Miniaturisierung und einer hohen Integration von Transistoren kann beispielsweise ein Problem, wie z. B. ein Leckstrom oder dergleichen, wegen eines dünneren Gate-Isolators entstehen. Wenn ein Material mit hohem k für den als Gate-Isolator dienenden Isolator verwendet wird, kann die Spannung zu dem Zeitpunkt des Betriebs des Transistors verringert werden, während die physikalische Dicke beibehalten wird. Außerdem kann die äquivalente Oxidfilmdicke (equivalent oxide thickness, EOT) des Isolators, der als Gate-Isolator dient, verringert werden. Im Gegensatz dazu kann dann, wenn ein Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante für den Isolator, der als Zwischenschichtfilm dient, verwendet wird, die Parasitärkapazität, die zwischen Leitungen erzeugt wird, verringert werden. Demzufolge wird vorzugsweise ein Material je nach der Funktion eines Isolators ausgewählt. Es sei angemerkt, dass ein Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante ein Material mit hoher dielektrischer Festigkeit ist.
Beispiele für ein Material mit hoher Dielektrizitätskonstante (ein Material mit hohem k) umfassen Galliumoxid, Hafniumoxid, Tantaloxid, Zirconiumoxid, Hafniumzirconiumoxid, ein Oxid, das Aluminium und Hafnium enthält, ein Oxynitrid, das Aluminium und Hafnium enthält, ein Oxid, das Silizium und Hafnium enthält, ein Oxynitrid, das Silizium und Hafnium enthält, und ein Nitrid, das Silizium und Hafnium enthält. Weitere Beispiele umfassen Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), Strontiumtitanat (SrTiO₃) und (Ba,Sr)TiO₃(BST).
Beispiele für ein Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante umfassen anorganische isolierende Materialien, wie z. B. Siliziumoxid, Siliziumoxynitrid und Siliziumnitridoxid, und Harze, wie z. B. Polyester, Polyolefin, Polyamid (z. B. Nylon und Aramid), Polyimid, Polycarbonat und Acryl. Weitere Beispiele für ein anorganisches isolierendes Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante umfassen Siliziumoxid, dem Fluor zugesetzt ist, Siliziumoxid, dem Kohlenstoff zugesetzt ist, und Siliziumoxid, dem Kohlenstoff und Stickstoff zugesetzt sind. Ein weiteres Beispiel ist poröses Siliziumoxid. Es sei angemerkt, dass das oben aufgeführte Siliziumoxid Stickstoff enthalten kann.
Ein Transistor, der ein Metalloxid enthält, kann stabile elektrische Eigenschaften aufweisen, wenn er von einem Isolator mit einer Funktion zum Verhindern des Durchgangs von Verunreinigungen und Sauerstoff umschlossen wird. Der Isolator, der eine Funktion zum Verhindern des Durchgangs von Verunreinigungen und Sauerstoff aufweist, kann beispielsweise eine einschichtige Struktur oder eine mehrschichtige Struktur aus einem Isolator aufweisen, der Bor, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Fluor, Magnesium, Aluminium, Silizium, Phosphor, Chlor, Argon, Gallium, Germanium, Yttrium, Zirconium, Lanthan, Neodym, Hafnium oder Tantal enthält. Als Isolator mit einer Funktion zum Verhindern des Durchgangs von Verunreinigungen und Sauerstoff kann insbesondere ein Metalloxid, wie z. B. Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Galliumoxid, Germaniumoxid, Yttriumoxid, Zirconiumoxid, Lanthanoxid, Neodymoxid, Hafniumoxid oder Tantaloxid, oder ein Metallnitrid, wie z. B. Aluminiumnitrid, Siliziumnitridoxid oder Siliziumnitrid, verwendet werden.
Ein Isolator, der in Kontakt mit einem Halbleiter ist oder in der Nähe des Halbleiters bereitgestellt wird, wie z. B. ein Gate-Isolator, umfasst vorzugsweise einen Bereich mit überschüssigem Sauerstoff. Wenn beispielsweise ein Isolator mit einem Bereich mit überschüssigem Sauerstoff in Kontakt mit einer Halbleiterschicht ist oder in der Nähe der Halbleiterschicht bereitgestellt wird, kann die Anzahl von Sauerstofffehlstellen in der Halbleiterschicht verringert werden. Beispiele für einen Isolator, in dem ein Bereich mit überschüssigem Sauerstoff leicht gebildet wird, umfassen Siliziumoxid, Siliziumoxynitrid und poröses Siliziumoxid.
Beispiele für einen Isolator mit einer Sperreigenschaft gegen Sauerstoff umfassen ein Oxid, das Aluminium und/oder Hafnium enthält, ein Oxid, das Hafnium und Silizium enthält (Hafniumsilikat), Magnesiumoxid, Galliumoxid, Galliumzinkoxid, Siliziumnitrid und Siliziumnitridoxid. Beispiele für ein Oxid, das Aluminium und/oder Hafnium enthält, umfassen Aluminiumoxid, Hafniumoxid und ein Oxid, das Aluminium und Hafnium enthält (Hafniumaluminat).
Beispiele für einen Isolator mit einer Sperreigenschaft gegen Wasserstoff umfassen Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Hafniumoxid, Galliumoxid, Indiumgalliumzinkoxid, Siliziumnitrid und Siliziumnitridoxid.
Ein Isolator mit einer Sperreigenschaft gegen Sauerstoff und ein Isolator mit einer Sperreigenschaft gegen Wasserstoff können jeweils als Isolator mit einer Sperreigenschaft gegen Sauerstoff und/oder Wasserstoff angesehen werden.
Beispiele für einen Isolator mit einer Funktion zum Einfangen oder Fixieren von Wasserstoff umfassen ein Oxid, das Magnesium enthält, und ein Oxid, das Aluminium und/oder Hafnium enthält. Diese Oxide weisen vorzugsweise jeweils eine amorphe Struktur auf. In einem derartigen Oxid mit einer amorphen Struktur weist ein Sauerstoffatom eine offene Bindung (dangling bond) auf und das Oxid weist in einigen Fällen eine Funktion zum Einfangen oder Fixieren von Wasserstoff mit der offenen Bindung auf. Obwohl diese Metalloxide vorzugsweise eine amorphe Struktur aufweisen, kann ein Kristallbereich teilweise gebildet werden.
Es sei angemerkt, dass in dieser Beschreibung und dergleichen ein isolierender Sperrfilm einen Isolierfilm bezeichnet, der eine Sperreigenschaft aufweist. Zudem bezeichnet die Sperreigenschaft eine Eigenschaft, die nicht leicht eine Diffusion von einer Zielsubstanz ermöglicht (auch als Eigenschaft, die nicht leicht einen Durchgang einer Zielsubstanz ermöglicht, Eigenschaft mit niedriger Durchlässigkeit einer Zielsubstanz oder Funktion zum Verhindern einer Diffusion einer Zielsubstanz bezeichnet). Es sei angemerkt, dass eine Funktion zum Einfangen oder Fixieren (auch als Gettering bezeichnet) einer Zielsubstanz als Sperreigenschaft umformuliert werden kann. Es sei angemerkt, dass Wasserstoff, der als Zielsubstanz beschrieben wird, mindestens eines von einem Wasserstoffatom, einem Wasserstoffmolekül, einem Wassermolekül und einer Substanz bezeichnet, die an Wasserstoff gebunden wird, wie z. B. OH . Sofern nicht anders festgelegt, bezeichnet eine Verunreinigung, die als Zielsubstanz beschrieben wird, eine Verunreinigung in einem Kanalbildungsbereich oder einer Halbleiterschicht und sie bezeichnet z. B. mindestens eines von einem Wasserstoffatom, einem Wasserstoffmolekül, einem Wassermolekül, einem Stickstoffatom, einem Stickstoffmolekül, einem Stickstoffoxidmolekül (z. B. N₂O, NO oder NO₂) und einem Kupferatom. Sauerstoff, der als Zielsubstanz beschrieben wird, bezeichnet beispielsweise mindestens eines von einem Sauerstoffatom, einem Sauerstoffmolekül und dergleichen. Insbesondere bezeichnet eine Sperreigenschaft gegen Sauerstoff eine Eigenschaft, die nicht leicht eine Diffusion von mindestens einem von einem Sauerstoffatom, einem Sauerstoffmolekül und dergleichen ermöglicht.
<<Leiter>>
Für den Leiter wird vorzugsweise ein Metallelement, das aus Aluminium, Chrom, Kupfer, Silber, Gold, Platin, Tantal, Nickel, Titan, Molybdän, Wolfram, Hafnium, Vanadium, Niob, Mangan, Magnesium, Zirconium, Beryllium, Indium, Ruthenium, Iridium, Strontium, Lanthan und dergleichen ausgewählt wird, eine Legierung, die ein beliebiges der vorstehenden Metallelemente enthält, eine Legierung, die eine Kombination der vorstehenden Metallelemente enthält, oder dergleichen verwendet. Als Legierung, die ein beliebiges der vorstehenden Metallelemente enthält, kann ein Nitrid der Legierung oder ein Oxid der Legierung verwendet werden. Beispielsweise wird vorzugsweise Tantalnitrid, Titannitrid, Wolfram, ein Nitrid, das Titan und Aluminium enthält, ein Nitrid, das Tantal und Aluminium enthält, Rutheniumoxid, Rutheniumnitrid, ein Oxid, das Strontium und Ruthenium enthält, ein Oxid, das Lanthan und Nickel enthält, oder dergleichen verwendet. Alternativ kann ein Halbleiter mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, typischerweise polykristallines Silizium, das ein Verunreinigungselement, wie z. B. Phosphor, enthält, oder ein Silizid, wie z. B. Nickelsilizid, verwendet werden.
Ein leitendes Material, das Stickstoff enthält, wie z. B. ein Nitrid, das Tantal enthält, ein Nitrid, das Titan enthält, ein Nitrid, das Molybdän enthält, ein Nitrid, das Wolfram enthält, ein Nitrid, das Ruthenium enthält, ein Nitrid, das Tantal und Aluminium enthält, oder ein Nitrid, das Titan und Aluminium enthält, ein leitendes Material, das Sauerstoff enthält, wie z. B. Rutheniumoxid, ein Oxid, das Strontium und Ruthenium enthält, oder ein Oxid, das Lanthan und Nickel enthält, oder ein Material, das ein Metallelement, wie z. B. Titan, Tantal oder Ruthenium, enthält, wird bevorzugt, da es ein leitendes Material, das nicht leicht oxidiert wird, ein leitendes Material mit einer Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Sauerstoff oder ein Material ist, das auch nach der Absorption von Sauerstoff seine Leitfähigkeit aufrechterhält.
Ferner wird ein leitendes Material bevorzugt, das Wolfram, Kupfer oder Aluminium als Hauptkomponente enthält, da es eine hohe Leitfähigkeit aufweist.
Leitende Schichten, die unter Verwendung von beliebigen der vorstehenden Materialien ausgebildet werden, können übereinander angeordnet werden. Beispielsweise kann eine mehrschichtige Struktur, bei der ein Material, das das vorstehende Metallelement enthält, und ein sauerstoffhaltiges leitendes Material kombiniert werden, verwendet werden. Alternativ kann eine mehrschichtige Struktur, bei der ein Material, das das vorstehende Metallelement enthält, und ein stickstoffhaltiges leitendes Material kombiniert werden, verwendet werden. Alternativ kann auch eine mehrschichtige Struktur, bei der ein Material, das das vorstehende Metallelement enthält, ein sauerstoffhaltiges leitendes Material und ein stickstoffhaltiges leitendes Material kombiniert werden, verwendet werden.
In dem Fall, in dem ein Metalloxid für den Kanalbildungsbereich des Transistors verwendet wird, wird eine mehrschichtige Struktur, bei der ein Material, das das vorstehende Metallelement enthält, und ein sauerstoffhaltiges leitendes Material kombiniert werden, für den Leiter, der als Gate-Elektrode dient, vorzugsweise verwendet. In diesem Fall wird das sauerstoffhaltige leitende Material vorzugsweise auf der Seite des Kanalbildungsbereichs bereitgestellt. Wenn das sauerstoffhaltige leitende Material auf der Seite des Kanalbildungsbereichs bereitgestellt wird, wird Sauerstoff, der von dem leitenden Material abgegeben wird, dem Kanalbildungsbereich leicht zugeführt.
Insbesondere wird vorzugsweise ein leitendes Material, das Sauerstoff und ein Metallelement enthält, das in dem Metalloxid enthalten ist, in dem der Kanal gebildet wird, für den als Gate-Elektrode dienenden Leiter verwendet. Es kann ein leitendes Material verwendet werden, das das vorstehende Metallelement und Stickstoff enthält. Beispielsweise kann ein stickstoffhaltiges leitendes Material, wie z. B. Titannitrid oder Tantalnitrid, verwendet werden. Es kann eines oder mehrere von Indiumzinnoxid, Indiumoxid, das Wolframoxid enthält, Indiumzinkoxid, das Wolframoxid enthält, Indiumoxid, das Titanoxid enthält, Indiumzinnoxid, das Titanoxid enthält, Indiumzinkoxid und Indiumzinnoxid, dem Silizium zugesetzt ist, verwendet werden. Indium-Gallium-Zink-Oxid, das Stickstoff enthält, kann verwendet werden. Unter Verwendung eines derartigen Materials kann Wasserstoff, der in dem Metalloxid enthalten ist, in dem der Kanal gebildet wird, in einigen Fällen eingefangen werden. Wasserstoff, der von einem umgebenden Isolator oder dergleichen eindringt, kann auch in einigen Fällen eingefangen werden.
Diese Ausführungsform kann je nach Bedarf mit einer beliebigen der anderen Ausführungsformen kombiniert werden.
(Ausführungsform 3)
Bei dieser Ausführungsform wird eine Speichervorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die einen OS-Transistor und einen Kondensator beinhaltet (im Folgenden wird eine derartige Speichervorrichtung in einigen Fällen auch als OS-Speichervorrichtung bezeichnet), anhand von 22A und 22B, 23A bis 23I und 24 beschrieben. Die OS-Speichervorrichtung beinhaltet mindestens einen Kondensator und einen OS-Transistor, der das Laden und Entladen des Kondensators steuert. Da der OS-Transistor einen sehr niedrigen Sperrstrom aufweist, weist die OS-Speichervorrichtung ausgezeichnete Halteeigenschaften auf und kann als nichtflüchtiger Speicher dienen. Es sei angemerkt, dass der bei der Ausführungsform 2 beschriebene Transistor (der Transistor 600, der Transistor 600A, der Transistor 200 oder der Transistor 200A) als OS-Transistor verwendet werden kann.
<Strukturbeispiel der Speichervorrichtung>
22A stellt ein Strukturbeispiel einer OS-Speichervorrichtung dar. Eine Speichervorrichtung 1400 beinhaltet eine Peripherieschaltung 1411 und ein Speicherzellenarray 1470. Die Peripherieschaltung 1411 beinhaltet eine Zeilenschaltung 1420, eine Spaltenschaltung 1430, eine Ausgabeschaltung 1440 und eine Steuerlogikschaltung 1460.
Die Spaltenschaltung 1430 beinhaltet beispielsweise einen Spaltendecoder, eine Vorladeschaltung, einen Leseverstärker und eine Schreibschaltung. Die Vorladeschaltung weist eine Funktion zum Vorladen von Leitungen auf. Der Leseverstärker weist eine Funktion zum Verstärken eines Datensignals auf, das von einer Speicherzelle gelesen wird. Die oben erwähnten Leitungen sind mit Speicherzellen verbunden, die in dem Speicherzellen-Array 1470 enthalten sind, welche später ausführlich beschrieben werden. Das verstärkte Datensignal wird als Datensignal RDATA über die Ausgabeschaltung 1440 zur Außenseite der Speichervorrichtung 1400 ausgegeben. Die Zeilenschaltung 1420 beinhaltet beispielsweise einen Zeilendecoder und eine Wortleitungstreiberschaltung und kann eine Zeile auswählen, auf die zugegriffen werden soll.
Als Versorgungsspannungen von außen werden der Speichervorrichtung 1400 eine niedrige Versorgungsspannung (VSS), eine hohe Versorgungsspannung (VDD) für die Peripherieschaltung 1411 und eine hohe Versorgungsspannung (VIL) für das Speicherzellenarray 1470 zugeführt. Steuersignale (CE, WE und RE), ein Adressensignal ADDR und ein Datensignal WDATA werden auch von außen in die Speichervorrichtung 1400 eingegeben. Das Adressensignal ADDR wird in den Zeilendecoder und den Spaltendecoder eingegeben, und das Datensignal WDATA wird in die Schreibschaltung eingegeben.
Die Steuerlogikschaltung 1460 verarbeitet die von außen eingegebenen Steuersignale (CE, WE und RE) und erzeugt Steuersignale für den Zeilendecoder und den Spaltendecoder. Das Steuersignal CE ist ein Chipfreigabesignal, das Steuersignal WE ist ein Schreibfreigabesignal und das Steuersignal RE ist ein Lesefreigabesignal. Signale, die durch die Steuerlogikschaltung 1460 verarbeitet werden, sind nicht darauf beschränkt, und andere Steuersignale können nach Bedarf eingegeben werden.
Das Speicherzellenarray 1470 umfasst eine Vielzahl von in einer Matrix angeordneten Speicherzellen MC und eine Vielzahl von Leitungen. Die Anzahl von Leitungen, die das Speicherzellenarray 1470 und die Zeilenschaltung 1420 verbinden, hängt von der Struktur der Speicherzelle MC, der Anzahl von Speicherzellen MC in einer Spalte und dergleichen ab. Die Anzahl von Leitungen, die das Speicherzellenarray 1470 und die Spaltenschaltung 1430 verbinden, hängt von der Struktur der Speicherzelle MC, der Anzahl von Speicherzellen MC in einer Zeile und dergleichen ab.
22A zeigt ein Beispiel, in dem die Peripherieschaltung 1411 und das Speicherzellenarray 1470 auf derselben Ebene ausgebildet sind; diese Ausführungsform ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann, wie in 22B dargestellt, das Speicherzellenarray 1470 derart bereitgestellt werden, dass es sich teilweise mit der Peripherieschaltung 1411 überlappt. Beispielsweise kann der Leseverstärker unterhalb des Speicherzellenarrays 1470 derart bereitgestellt werden, dass sie einander überlappen. Der OS-Transistor kann in einem Back-End-of-Line- (BEOL-) Prozess zum Ausbilden einer Leitung einer Speichervorrichtung ausgebildet werden. Daher kann in dem Fall, in dem ein OS-Transistor für das Speicherzellenarray 1470 verwendet wird und ein Si-Transistor für die Peripherieschaltung 1411 verwendet wird, eine Technik zum Einsatz kommen, bei der der OS-Transistor direkt über dem Si-Transistor ausgebildet wird (als BEOL-Tr-Technik bezeichnet).
Des Weiteren kann eine Vielzahl von Speicherzellenarrays 1470 übereinander angeordnet sein. Indem eine Vielzahl von Speicherzellenarrays 1470 übereinander angeordnet wird, können Speicherzellen ohne Vergrößerung der Fläche integriert werden, die von den Speicherzellenarrays 1470 eingenommen wird. Das heißt, dass ein 3D-Zellenarray ausgebildet werden kann. Eine hohe Integration von Speicherzellen ist daher möglich und eine Halbleitervorrichtung mit großer Speicherkapazität kann bereitgestellt werden. Es sei angemerkt, dass eine Schicht mit einem OS-Transistor bevorzugt wird, da sie monolithisch angeordnet werden kann.
Es sei angemerkt, dass die Strukturen der Peripherieschaltung 1411, des Speicherzellenarrays 1470 und dergleichen, die bei dieser Ausführungsform gezeigt sind, nicht auf diejenigen, die vorstehend beschrieben worden sind, beschränkt sind. Die Anordnung und Funktionen dieser Schaltungen und der Leitungen, Schaltungselemente und dergleichen, die mit den Schaltungen verbunden sind, können nach Bedarf geändert, entfernt oder hinzugefügt werden. Die Speichervorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung arbeitet schnell und kann Daten für eine lange Zeit halten.
Strukturbeispiele einer Speicherzelle, die als Speicherzelle MC verwendet werden kann, werden anhand von 23A bis 23I beschrieben.
[DOSRAM]
23A bis 23C stellen ein Beispiel für eine Schaltungsstruktur einer Speicherzelle eines DRAM dar. In dieser Beschreibung und dergleichen wird in einigen Fällen ein DRAM, in dem eine Speicherzelle, die einen OS-Transistor und einen Kondensator beinhaltet, verwendet wird, als Dynamic Oxide Semiconductor Random Access Memory (DOSRAM) bezeichnet. Eine in 23A dargestellte Speicherzelle 1471 beinhaltet einen Transistor M1 und einen Kondensator CA. Der Transistor M1 beinhaltet ein Gate (in einigen Fällen auch als Top-Gate bezeichnet) und ein Rückgate.
Ein erster Anschluss des Transistors M1 ist mit einem ersten Anschluss des Kondensators CA verbunden. Ein zweiter Anschluss des Transistors M1 ist mit einer Leitung BIL verbunden. Das Gate des Transistors M1 ist mit einer Leitung WOL verbunden. Das Rückgate des Transistors M1 ist mit einer Leitung BGL verbunden. Ein zweiter Anschluss des Kondensators CA ist mit einer Leitung LL verbunden.
Die Leitung BIL dient als Bitleitung, und die Leitung WOL dient als Wortleitung. Die Leitung LL dient als Leitung zum Anlegen eines vorbestimmten Potentials an den zweiten Anschluss des Kondensators CA. Beim Schreiben und Lesen von Daten kann die Leitung LL auf ein Erdpotential oder ein niedriges Potential eingestellt werden. Die Leitung BGL dient als Leitung zum Anlegen eines Potentials an das Rückgate des Transistors M1. Indem ein beliebiges Potential zu der Leitung BGL zugeführt wird, kann die Schwellenspannung des Transistors M1 erhöht oder verringert werden.
Die Speicherzelle MC ist nicht auf die Speicherzelle 1471 beschränkt und kann eine unterschiedliche Schaltungsstruktur aufweisen. Beispielsweise kann in der Speicherzelle MC das Rückgate des Transistors M1 nicht mit der Leitung BGL, sondern mit der Leitung WOL verbunden sein, wie bei einer in 23B dargestellten Speicherzelle 1472. Als weiteres Beispiel kann in der Speicherzelle MC der Transistor M1 ein Single-Gate-Transistor, d. h. ein Transistor ohne Rückgate, sein, wie bei einer in 23C dargestellten Speicherzelle 1473.
Hier stellt 24 ein Beispiel für eine Speichervorrichtung dar, die ein DOSRAM umfasst. Bei der in 24 dargestellten Speichervorrichtung wird ein Kondensator 100 oberhalb eines Transistors 300 bereitgestellt, und der Transistor 600 wird oberhalb des Transistors 300 und des Kondensators 100 bereitgestellt.
Der in 24 dargestellte Transistor 600 weist die gleiche Struktur wie diejenige des bei der Ausführungsform 2 beschriebenen Transistors 600 auf. Daher wird für die Struktur des in 24 dargestellten Transistors 600 auf die Beschreibung bei der Ausführungsform 2 Bezug genommen. Die in 24 dargestellte Speichervorrichtung kann als den bei der Ausführungsform 2 beschriebenen Transistor 600 oberhalb des Kondensators 100 umfassend angesehen werden.
Wenn die in 24 dargestellte Halbleitervorrichtung in der Speicherzelle 1473 verwendet wird, kann der Transistor 600 als Transistor M1 verwendet werden, und der Kondensator 100 kann als Kondensator CA verwendet werden. Wenn ein OS-Transistor als Transistor M1 verwendet wird, kann der Sperrstrom des Transistors M1 sehr niedrig sein. Das heißt, dass geschriebene Daten durch Verwendung des Transistors M1 für eine lange Zeit gehalten werden können; daher kann die Häufigkeit der Aktualisierungsvorgänge der Speicherzelle verringert werden. Alternativ kann ein Aktualisierungsvorgang der Speicherzelle weggelassen werden. Aufgrund eines sehr niedrigen Sperrstroms kann die Speicherzelle 1473 mehrstufige Daten oder analoge Daten halten. Das Gleiche gilt auch für die Speicherzellen 1471 und 1472.
In dem DOSRAM wird dann, wenn, wie vorstehend beschrieben, der Leseverstärker derart bereitgestellt wird, dass er sich mit einem Teil des Speicherzellenarrays 1470 überlappt, kann die Bitleitung verkürzt werden. Dadurch wird die Kapazität der Bitleitung verringert, was die Speicherkapazität der Speicherzelle verringern.
Wenn der Transistor 600 oberhalb des Kondensators 100 bereitgestellt wird, wird der Transistor 600 nicht vom Wärmebudget bei der Herstellung des Kondensators 100 beeinflusst. Daher können in dem Transistor 600 eine Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften, wie z. B. Schwankungen der Schwellenspannung oder eine Erhöhung des parasitären Widerstandes, und eine Zunahme der Schwankungen der elektrischen Eigenschaften aufgrund der Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften verhindert werden.
Der Transistor 300 wird auf einem Substrat 311 bereitgestellt und beinhaltet einen Leiter 316, der als Gate dient, einen Isolator 315, der als Gate-Isolator dient, einen Halbleiterbereich 313, der ein Teil des Substrats 311 ist, sowie einen niederohmigen Bereich 314a und einen niederohmigen Bereich 314b, welche als Source-Bereich und Drain-Bereich dienen. Der Transistor 300 kann ein p-Kanal-Transistor oder ein n-Kanal-Transistor sein.
Bei dem in 24 dargestellten Transistor 300 weist der Halbleiterbereich 313 (ein Teil des Substrats 311), in dem ein Kanal gebildet wird, einen vorspringenden Abschnitt auf. Ferner wird der Leiter 316 bereitgestellt, um die Seitenfläche und die Oberseite des Halbleiterbereichs 313 zu bedecken, wobei der Isolator 315 dazwischen liegt. Es sei angemerkt, dass der Leiter 316 unter Verwendung eines Materials zum Anpassen der Austrittsarbeit ausgebildet werden kann. Der Transistor 300 mit einer derartigen Struktur wird auch als FIN-Transistor bezeichnet, da der vorspringende Abschnitt des Halbleitersubstrats genutzt wird. Ein Isolator, der als Maske zum Ausbilden des vorspringenden Abschnitts dient, kann in Kontakt mit der Oberseite des vorspringenden Abschnitts bereitgestellt werden. Obwohl hier der Fall beschrieben wird, in dem der vorspringende Abschnitt durch Verarbeiten eines Teils des Halbleitersubstrats ausgebildet wird, kann ein Halbleiterfilm mit einer vorspringenden Form durch Verarbeiten eines SOI-Substrats ausgebildet werden.
Es sei angemerkt, dass der in 24 dargestellte Transistor 300 nur ein Beispiel ist und nicht auf die darin dargestellte Struktur beschränkt ist; ein geeigneter Transistor kann entsprechend einer Schaltungsstruktur oder einem Betriebsverfahren verwendet werden.
Zwischen den Strukturteilen können Leitungsschichten mit einem Zwischenschichtfilm, einer Leitung, einem Anschlusspfropfen und dergleichen bereitgestellt werden. Je nach Design kann eine Vielzahl von Leitungsschichten bereitgestellt werden. Eine Vielzahl von Leitern, die als Anschlusspfropfen oder Leitungen dienen, ist hier in einigen Fällen gemeinsam mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. Ferner können in dieser Beschreibung und dergleichen eine Leitung und ein Anschlusspfropf, welche elektrisch mit der Leitung verbunden sind, eine einzelne Komponente sein. Das heißt, dass in einigen Fällen ein Teil eines Leiters als Leitung dient oder ein Teil eines Leiters als Anschlusspfropf dient.
Ein Isolator 320, ein Isolator 322, ein Isolator 324 und ein Isolator 326 werden beispielsweise in dieser Reihenfolge als Zwischenschichtfilme über dem Transistor 300 bereitgestellt. Ein Leiter 328 ist in dem Isolator 320 und dem Isolator 322 eingebettet, und ein Leiter 330 ist in dem Isolator 324 und dem Isolator 326 eingebettet. Es sei angemerkt, dass der Leiter 328 und der Leiter 330 jeweils als Anschlusspfropfen oder Leitung dienen.
Der Isolator, der als Zwischenschichtfilm dient, kann als Planarisierungsfilm dienen, der eine Rauigkeit bzw. Rauheit darunter abdeckt. Beispielsweise kann die Oberseite des Isolators 322 durch eine Planarisierungsbehandlung unter Verwendung eines CMP-Verfahrens oder dergleichen planarisiert werden, um das Niveau der Planarität zu erhöhen.
Eine Leitungsschicht kann über dem Isolator 326 und dem Leiter 330 bereitgestellt werden. Beispielsweise sind in 24 ein Isolator 350, ein Isolator 352 und ein Isolator 354 in dieser Reihenfolge übereinander angeordnet. Ferner wird ein Leiter 356 in den Isolatoren 350, 352 und 354 ausgebildet. Der Leiter 356 dient als Anschlusspfropfen oder Leitung.
Als Isolator 352, Isolator 354 und dergleichen, die als Zwischenschichtfilme dienen, kann ein Isolator, der als Isolator 216 verwendet werden kann, verwendet werden.
Wenn ein OS-Transistor von einem Isolator mit einer Funktion zum Verhindern des Durchgangs von Verunreinigungen und Sauerstoff umschlossen wird, kann der Transistor stabile elektrische Eigenschaften aufweisen. Daher kann als Isolator 214, Isolator 212, Isolator 350 und dergleichen ein Isolator mit einer Funktion zum Verhindern des Durchgangs von Verunreinigungen und Sauerstoff, welcher in dem vorstehenden «Isolator» beschrieben worden ist, verwendet werden.
Als Leiter, der als Anschlusspfropfen oder Leitung dient, wie z. B. Leiter 328, Leiter 330 und Leiter 356, kann ein vorstehend im «Leiter» beschriebener Leiter verwendet werden. Vorzugsweise wird ein hochschmelzendes Material, das sowohl eine Wärmebeständigkeit als auch eine Leitfähigkeit aufweist, wie z. B. Wolfram oder Molybdän, verwendet, und besonders vorzugsweise wird Wolfram verwendet. Alternativ wird vorzugsweise ein leitendes Material mit niedrigem Widerstand, wie z. B. Aluminium oder Kupfer, verwendet. Die Verwendung eines leitenden Materials mit niedrigem Widerstand kann den Leitungswiderstand verringern.
Der Kondensator 100 wird oberhalb des Transistors 300 bereitgestellt. Der in 24 dargestellte Kondensator 100 weist eine zylindrische Form auf.
Ein Isolator 140 wird über dem Transistor 300 bereitgestellt.
Der Kondensator 100 beinhaltet einen Leiter 110, einen Isolator 130 über dem Leiter 110 und einen Leiter 120 über dem Isolator 130. Hier werden mindestens ein Teil des Leiters 110, ein Teil des Isolators 130 und ein Teil des Leiters 120 in dem in dem Isolator 140 ausgebildeten Öffnungsabschnitt bereitgestellt.
Die Oberseitenform des Öffnungsabschnitts, der in dem Isolator 140 bereitgestellt wird, kann eine Kreisform einschließlich einer elliptischen Form, eine viereckige Form, eine polygonale Form abgesehen von einer viereckigen Form oder eine polygonale Form mit abgerundeten Ecken sein. Hier ist in einer Planansicht die Fläche, in der der Öffnungsabschnitt und der Transistor 600 einander überlappen, vorzugsweise größer. Mit einer derartigen Struktur kann die von der Halbleitervorrichtung mit dem Kondensator 100 und dem Transistor 600 eingenommene Fläche verringert werden.
Der Leiter 110 dient als untere Elektrode, der Leiter 120 dient als obere Elektrode, und der Isolator 130 dient als Dielektrikum. Die obere Elektrode und die untere Elektrode des Kondensator 100 sind entlang der Seitenfläche sowie der Unterseite des Öffnungsabschnitts in dem Isolator 140 einander zugewandt, wobei das Dielektrikum dazwischen liegt; daher kann die Kapazität pro Einheitsfläche erhöht werden. Dementsprechend ist wie folgt: Je größer die Tiefe des Öffnungsabschnitts, desto höher die Kapazität des Kondensators 100. Indem die Kapazität pro Einheitsfläche des Kondensators 100 auf diese Weise erhöht wird, wird die Halbleitervorrichtung miniaturisiert und hoch integriert.
Mindestens ein Teil des Leiters 110 wird in dem Öffnungsabschnitt platziert, der in dem Isolator 140 ausgebildet ist. Wie in 24 dargestellt, kann der Leiter 110 derart bereitgestellt werden, so dass er von benachbarten Kondensatoren 100 geteilt wird. Es sei angemerkt, dass der Leiter 110 für jeden Kondensator 100 bereitgestellt werden kann. Das heißt, dass der Leiter 110 zwischen benachbarten Kondensatoren 100 isoliert werden kann.
Der Isolator 130 wird derart platziert, dass er den Leiter 110 bedeckt. Der Isolator 130 wird vorzugsweise unter Verwendung eines Materials mit hoher dielektrischer Festigkeit oder eines Materials mit hoher Dielektrizitätskonstante (hohem k) ausgebildet, welches vorstehend im «Isolator» beschrieben worden ist. Der Isolator 130 kann eine mehrschichtige Struktur aus einem Material mit hoher dielektrischer Festigkeit und einem Material mit hohem k aufweisen. Unter Verwendung eines derartigen Isolators mit hoher dielektrischer Festigkeit kann der elektrostatische Durchbruch des Kondensators 100 verhindert werden. Des Weiteren kann unter Verwendung eines derartigen Materials mit hohem keine genügende Kapazität des Kondensators 100 auch mit einer großen Dicke des Isolators 130 gesichert werden. Mit einer großen Dicke des Isolators 130 kann ein Leckstrom, der zwischen dem Leiter 110 und dem Leiter 120 erzeugt wird, unterdrückt werden.
Ein Isolierfilm, in dem Siliziumnitrid, Siliziumoxid und Siliziumnitrid in dieser Reihenfolge übereinander angeordnet sind, kann beispielsweise als Isolator 130 verwendet werden. Alternativ kann ein Isolierfilm verwendet werden, in dem Zirconiumoxid, Siliziumoxid und Zirconiumoxid in dieser Reihenfolge übereinander angeordnet sind.
Beispielsweise kann als Isolator 130 ein Isolierfilm verwendet werden, in dem Zirconiumoxid, Aluminiumoxid und Zirconiumoxid in dieser Reihenfolge angeordnet sind.
Der Leiter 120 wird derart platziert, dass er den Öffnungsabschnitt füllt, die in dem Isolator 140 bereitgestellt wird. Der Leiter 120 ist elektrisch mit dem Leiter 641 verbunden, der in dem Transistor 600 enthalten ist. Als Leiter 120 kann ein Leiter, der als der vorstehend beschriebene Leiter 110 verwendet werden kann, verwendet werden.
[NOSRAM]
23D bis 23G stellen jeweils ein Beispiel für eine Schaltungsstruktur einer Verstärkungszellen-Speicherzelle dar, die zwei Transistoren und einen Kondensator beinhaltet. Eine in 23D dargestellte Speicherzelle 1474 beinhaltet einen Transistor M2, einen Transistor M3 und einen Kondensator CB. Der Transistor M2 beinhaltet ein Top-Gate (in einigen Fällen einfach als Gate bezeichnet) und ein Rückgate. In dieser Beschreibung und dergleichen wird in einigen Fällen eine Speichervorrichtung, die eine Verstärkungszellen-Speicherzelle beinhaltet, in der ein OS-Transistor als Transistor M2 verwendet wird, als Nonvolatile Oxide Semiconductor RAM (NOSRAM) bezeichnet.
Ein erster Anschluss des Transistors M2 ist mit einem ersten Anschluss des Kondensators CB verbunden. Ein zweiter Anschluss des Transistors M2 ist mit einer Leitung WBL verbunden. Das Gate des Transistors M2 ist mit der Leitung WOL verbunden. Das Rückgate des Transistors M2 ist mit der Leitung BGL verbunden. Ein zweiter Anschluss des Kondensators CB ist mit einer Leitung CAL verbunden. Ein erster Anschluss des Transistors M3 ist mit einer Leitung RBL verbunden. Ein zweiter Anschluss des Transistors M3 ist mit einer Leitung SL verbunden. Ein Gate des Transistors M3 ist mit dem ersten Anschluss des Kondensators CB verbunden.
Die Leitung WBL dient als Schreib-Bitleitung, die Leitung RBL dient als Lese-Bitleitung und die Leitung WOL dient als Wortleitung. Die Leitung CAL dient als Leitung zum Anlegen eines vorbestimmten Potentials an den zweiten Anschluss des Kondensators CB. Beim Schreiben und Lesen von Daten wird vorzugsweise ein hohes Potential an die Leitung CAL angelegt. Beim Halten von Daten wird vorzugsweise ein niedriges Potential an die Leitung CAL angelegt. Die Leitung BGL dient als Leitung zum Anlegen eines vorbestimmten Potentials an das Rückgate des Transistors M2. Indem ein beliebiges Potential an die Leitung BGL angelegt wird, kann die Schwellenspannung des Transistors M2 erhöht oder verringert werden.
Die Schaltungsstruktur der Speicherzelle MC ist nicht auf diejenige der Speicherzelle 1474 beschränkt und kann nach Bedarf geändert werden. Beispielsweise kann bei der Speicherzelle MC das Rückgate des Transistors M2 nicht mit der Leitung BGL, sondern mit der Leitung WOL verbunden sein, wie bei einer in 23E dargestellten Speicherzelle 1475. Als weiteres Beispiel kann bei der Speicherzelle MC der Transistor M2 ein Single-Gate-Transistor, d. h. ein Transistor ohne Rückgate, sein, wie bei einer in 23F dargestellten Speicherzelle 1476. Als weiteres Beispiel kann bei der Speicherzelle MC die Leitungen WBL und RBL zu einer Leitung BIL zusammengefasst werden, wie bei einer in 23G dargestellten Speicherzelle 1477.
Der bei der Ausführungsform 2 beschriebene Transistor kann als Transistor M2 verwendet werden, der Transistor 300 kann als Transistor M3 verwendet werden und der Kondensator 100 kann als Kondensator CB verwendet werden. Indem ein OS-Transistor als Transistor M2 verwendet wird, kann der Sperrstrom des Transistors M2 sehr niedrigen sein. Das heißt, dass unter Verwendung des Transistors M2 geschriebene Daten für eine lange Zeit gehalten werden können und daher die Häufigkeit der Aktualisierungsvorgänge für die Speicherzelle verringert werden kann. Alternativ kann ein Aktualisierungsvorgang für die Speicherzelle weggelassen werden. Außerdem können, da der Transistor M2 einen sehr niedrigen Sperrstrom aufweist, mehrstufige Daten oder analoge Daten in der Speicherzelle 1474 gehalten werden. Das Gleiche gilt auch für die Speicherzellen 1475 bis 1477.
Es sei angemerkt, dass der Transistor M3 ein Si-Transistor sein kann. Der Si-Transistor kann ein n-Kanal-Transistor oder ein p-Kanal-Transistor sein. Der Si-Transistor weist in einigen Fällen eine höhere Feldeffektbeweglichkeit auf als der OS-Transistor. Deshalb kann ein Si-Transistor als Transistor M3 verwendet werden, der als Lesetransistor dient. Ferner kann dann, wenn ein Si-Transistor als Transistor M3 verwendet wird, der Transistor M2 über dem Transistor M3 bereitgestellt werden, wobei in diesem Fall die Fläche, die von der Speicherzelle eingenommen wird, verringert werden kann, was zu einer hohen Integration der Speichervorrichtung führt.
Alternativ kann der Transistor M3 ein OS-Transistor sein. Wenn ein OS-Transistor als jeder der Transistoren M2 und M3 verwendet wird, kann das Speicherzellenarray 1470 unter Verwendung von lediglich n-Kanal-Transistoren ausgebildet werden.
23H stellt ein Beispiel für eine Verstärkungszellen-Speicherzelle dar, die drei Transistoren und einen Kondensator beinhaltet. Eine in 23H dargestellt Speicherzelle 1478 beinhaltet Transistoren M4 bis M6 und einen Kondensator CC. Der Kondensator CC wird nach Bedarf bereitgestellt. Die Speicherzelle 1478 ist elektrisch mit der Leitung BIL, einer Leitung RWL, der Leitung WOL, der Leitung BGL und einer Leitung GNDL verbunden. Es handelt sich bei der Leitung GNDL um eine Leitung zum Zuführen eines niedrigen Potentials. Es sei angemerkt, dass die Speicherzelle 1478 nicht mit der Leitung BIL, sondern mit der Leitung RBL und der Leitung WBL elektrisch verbunden sein kann.
Der Transistor M4 ist ein OS-Transistor mit einem Rückgate, das elektrisch mit der Leitung BGL verbunden ist. Es sei angemerkt, dass das Rückgate und das Gate des Transistors M4 elektrisch miteinander verbunden sein können. Alternativ beinhaltet der Transistor M4 nicht notwendigerweise das Rückgate.
Es sei angemerkt, dass die Transistoren M5 und M6 jeweils ein n-Kanal-Si-Transistor oder ein p-Kanal-Si-Transistor sein können. Alternativ können die Transistoren M4 bis M6 OS-Transistoren sein. In diesem Fall kann die Schaltung des Speicherzellenarrays 1470 unter Verwendung von lediglich n-Kanal-Transistoren ausgebildet werden.
Der bei der Ausführungsform 2 beschriebene Transistor kann als Transistor M4 verwendet werden, der Transistor 300 kann als Transistor M5 und Transistor M6 verwendet werden, und der Kondensator 100 kann als Kondensator CC verwendet werden. Indem ein OS-Transistor als Transistor M4 verwendet wird, kann der Sperrstrom des Transistor M4 sehr niedrig sein.
23I stellt ein Beispiel für eine Verstärkungszellen-Speicherzelle dar, die zwei Transistoren beinhaltet. Eine in 23I dargestellte Speicherzelle 1479 beinhaltet einen Transistor M7 und einen Transistor M8. Die Speicherzelle 1479 ist elektrisch mit der Leitung BIL, der Leitung WOL, der Leitung BGL und der Leitung SL verbunden.
Der Transistor M7 ist ein OS-Transistor mit einem Rückgate, das elektrisch mit der Leitung BGL verbunden ist. Es sei angemerkt, dass das Rückgate und das Gate des Transistors M7 elektrisch miteinander verbunden sein können. Alternativ beinhaltet der Transistor M7 nicht notwendigerweise das Rückgate.
In der in 23I dargestellten Speicherzelle 1479 wird die Gate-Kapazität des Transistors M8 als Speicherkapazität verwendet. Das heißt, dass die Speicherzelle 1479 auch als kondensatorlose Speicherzelle bezeichnet werden kann. Man kann sagen, dass die Speicherzelle 1479 eine Struktur aufweist, bei der der Kondensator CB in der in 23G dargestellten Speicherzelle 1477 weggelassen wird, und eine Verstärkungszellen-Speicherzelle mit zwei Transistoren und keinem Kondensator ist.
Wenn ein OS-Transistor als Transistor M7 verwendet wird und der Transistor M7 in einen Sperrzustand versetzt wird, kann eine elektrische Ladung an einem Knoten, an dem eine einer Source-Elektrode und einer Drain-Elektrode des Transistors M7 und eine Gate-Elektrode des Transistors M8 elektrisch miteinander verbunden sind, für eine lange Zeit gehalten werden. Folglich kann eine nichtflüchtige Speicherzelle erhalten werden.
Der Transistor M8 kann ein n-Kanal-Si-Transistor oder ein p-Kanal-Si-Transistor sein.
Der bei der Ausführungsform 2 beschriebene Transistor kann als Transistor M7 verwendet werden, und der Transistor 300 kann als Transistor M8 verwendet werden. Wenn ein OS-Transistor als Transistor M7 verwendet wird, kann der Sperrstrom des Transistors M7 sehr niedrig sein.
Alternativ kann der Transistor M8 ein OS-Transistor sein. In diesem Fall kann die Schaltung des Speicherzellenarrays 1470 unter Verwendung von lediglich n-Kanal-Transistoren ausgebildet werden.
Als Transistoren M7 und M8 kann der bei der Ausführungsform 2 beschriebene Transistor verwendet werden. Mit dieser Struktur können die Transistoren M7 und M8 in der gleichen Schicht ausgebildet werden. Folglich kann im Vergleich zu dem Fall, in dem die Transistoren M7 und M8 in unterschiedlichen Schichten ausgebildet werden, der Herstellungsprozess, bei dem Schichten jeweils mit den Speicherzellen 1479 übereinander angeordnet werden, vereinfacht werden und die Produktivität kann verbessert werden.
In dem Fall, in dem der bei der Ausführungsform 2 beschriebene Transistor als Transistoren M7 und M8 verwendet wird, werden die konstituierenden Elemente (einschließlich der Kanallänge, der Kanalbreite und der Querschnittsform) je nach den Eigenschaften, die für die Transistoren M7 und M8 benötigt werden, bestimmt.
Es sei angemerkt, dass es, unabhängig von dem Halbleitermaterial, das für den Transistor M8 verwendet wird, keine besondere Beschränkung bezüglich der Struktur des Transistors M8 gibt. Beispielsweise kann ein Planartransistor, ein Staggered-Transistor oder ein Inverted-Staggered-Transistor verwendet werden. Es kann entweder ein Top-Gate-Transistor oder ein Bottom-Gate-Transistor verwendet werden. Gates können über und unter einer Halbleiterschicht, in der ein Kanal gebildet wird, bereitgestellt werden.
Diese Ausführungsform kann je nach Bedarf mit einer beliebigen der anderen Ausführungsformen kombiniert werden.
(Ausführungsform 4)
Bei dieser Ausführungsform werden Anwendungsbeispiele der Halbleitervorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand von 25A und 25B, 26A bis 26E, 27 und 28 beschrieben. Die Halbleitervorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise für ein elektronisches Bauelement, ein elektronisches Gerät, einen großen Computer, eine Einrichtung für den Raum und ein Datenzentrum (data center, auch als DC bezeichnet) verwendet werden. Ein elektronisches Bauelement, ein elektronisches Gerät, ein großer Computer, eine Einrichtung für den Raum und ein Datenzentrum, bei denen jeweils die Halbleitervorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommt, sind zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit, z. B. zur Verringerung des Stromverbrauchs, effektiv.
[elektronisches Bauelement]
25A ist eine perspektivische Ansicht eines Substrats (einer Leiterplatte 704), das mit einem elektronischen Bauelement 700 versehen ist. Das in 25A dargestellte elektronische Bauelement 700 umfasst eine Speichervorrichtung 710 in einem Formteil 711. In 25A werden einige Bauelemente weggelassen, um das Innere des elektronischen Bauelements 700 darzustellen. Das elektronische Bauelement 700 umfasst ein Lötauge 712 auf der Außenseite des Formteils 711. Das Lötauge 712 ist elektrisch mit einem Elektrodenpad 713 verbunden, und das Elektrodenpad 713 ist über eine Leitung 714 elektrisch mit der Halbleitervorrichtung 710 verbunden. Das elektronische Bauelement 700 ist beispielsweise auf einer gedruckten Leiterplatte 702 montiert. Eine Vielzahl von derartigen elektronischen Bauelementen wird kombiniert und auf der gedruckten Leiterplatte 702 elektrisch miteinander verbunden; somit wird die Leiterplatte 704 fertiggestellt.
Die Speichervorrichtung 710 beinhaltet eine Treiberschaltungsschicht 715 und eine Speicherschicht 716. Die Speicherschicht 716 weist eine Struktur auf, bei der eine Vielzahl von Speicherzellenarrays übereinander angeordnet ist. Eine mehrschichtige Struktur aus der Treiberschaltungsschicht 715 und der Speicherschicht 716 kann monolithisch angeordnet werden. Bei der monolithisch angeordneten Struktur können Schichten ohne Verwendung der Durchgangselektrodentechnik, wie z. B. Silizium-Durchkontaktierung- (throughsilicon via, TSV-) Technik, und der Verbindungstechnik, wie z. B. Cu-Cu-Direktverbindungstechnik, verbunden werden. Indem die Treiberschaltungsschicht 715 und die Speicherschicht 716 monolithisch angeordnet werden, kann beispielsweise eine sogenannte On-Chip-Speicher-Struktur erhalten werden, bei der ein Speicher direkt auf einem Prozessor ausgebildet wird. Die On-Chip-Speicher-Struktur ermöglicht, dass ein Schnittstellenabschnitt zwischen dem Prozessor und dem Speicher mit hoher Geschwindigkeit arbeitet.
Mit der On-Chip-Speicher-Struktur können die Größen einer Verbindungsleitung und dergleichen kleiner als diejenigen in dem Fall sein, in dem die Durchgangselektrodentechnik, wie z. B. TSV, verwendet wird, was bedeutet, dass die Anzahl der Verbindungsanschlüsse erhöht werden kann. Wenn die Anzahl der Verbindungsanschlüsse erhöht wird, wird parallele Betriebe ermöglicht, was die Bandbreite des Speichers (auch als Speicherbandbreite bezeichnet) verbessern kann.
Es wird bevorzugt, dass die Vielzahl von Speicherzellenarrays, die in der Speicherschicht 716 enthalten sind, mit OS-Transistoren ausgebildet wird und monolithisch angeordnet wird. Indem Speicherzellenarrays monolithisch angeordnet werden, können die Bandbreite des Speichers und/oder die Zugrifflatenz (access latency) des Speichers verbessert werden. Es sei angemerkt, dass die Bandbreite die Datenübertragungsmenge pro Zeiteneinheit bezeichnet und die Zugrifflatenz eine Zeitperiode von dem Datenzugriff bis zum Start der Datenübertragung bezeichnet. Es sei angemerkt, dass die Speicherschicht 716 aus Si-Transistoren mit größerer Schwierigkeit monolithisch angeordnet wird als die Speicherschicht 716 aus OS-Transistoren. Daher ist ein OS-Transistor bei der monolithisch angeordneten Struktur besser als ein Si-Transistor.
Die Halbleitervorrichtung 710 kann als Die bzw. Würfel bezeichnet werden. Es sei angemerkt, dass in dieser Beschreibung und dergleichen ein Die einen Chip bezeichnet, der beispielsweise dadurch erhalten wird, dass in einem Prozess zum Herstellen eines Halbleiterchips ein Schaltungsmuster auf einem scheibenähnlichen Substrat (auch als Wafer bezeichnet) oder dergleichen ausgebildet wird und das Substrat mit dem Muster in Würfel geschnitten wird. Beispiele für Halbleitermaterialien, die für das Die verwendet werden können, umfassen Silizium (Si), Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN). Beispielsweise wird ein Die aus einem Siliziumsubstrat (auch als Siliziumwafer bezeichnet) in einigen Fällen als Silizium-Die bezeichnet.
Als Nächstes ist 25B eine perspektivische Ansicht eines elektronischen Bauelements 730. Das elektronische Bauelement 730 ist ein Beispiel für ein System-in-Package (SiP) oder ein Multi-Chip-Modul (MCM). Bei dem elektronischen Bauelement 730 wird ein Abstandshalter 731 über einem Gehäusesubstrat 732 (einer gedruckten Leiterplatte) bereitgestellt und werden eine Halbleitervorrichtung 735 und eine Vielzahl von Halbleitervorrichtungen 710 über dem Abstandshalter 731 bereitgestellt.
Das elektronische Bauelement 730, in dem die Halbleitervorrichtung 710 als Speicher mit hoher Bandbreite (High Bandwidth Memory, HBM) verwendet wird, wird als Beispiel dargestellt. Die Halbleitervorrichtung 735 kann für eine integrierte Schaltung, wie z. B. einen Hauptprozessor (central processing unit, CPU), einen Grafikprozessor (graphics processing unit, GPU) oder eine feldprogrammierbare Gateanordnung (field programmable gate array, FPGA), verwendet werden.
Als Gehäusesubstrat 732 kann beispielsweise ein Keramiksubstrat, ein Kunststoffsubstrat oder ein Glasepoxidsubstrat verwendet werden. Als Abstandshalter 731 kann beispielsweise ein Siliziumabstandshalter oder ein Harzabstandshalter verwendet werden.
Der Abstandshalter 731 beinhaltet eine Vielzahl von Leitungen und weist eine Funktion auf, eine Vielzahl von integrierten Schaltungen mit unterschiedlichen Anschlussabständen elektrisch zu verbinden. Die Vielzahl von Leitungen wird als Einzelschicht oder Schichtanordnung bereitgestellt. Der Abstandshalter 731 weist zudem eine Funktion auf, eine integrierte Schaltung, die auf dem Abstandshalter 731 bereitgestellt wird, elektrisch mit einer Elektrode, die auf dem Gehäusesubstrats 732 bereitgestellt wird, zu verbinden. Dementsprechend wird der Abstandshalter in einigen Fällen als „Umverdrahtungssubstrat“ oder „Mittelsubstrat“ bezeichnet. Des Weiteren wird in einigen Fällen eine Durchgangselektrode in dem Abstandshalter 731 bereitgestellt, und die Durchgangselektrode wird verwendet, um eine integrierte Schaltung und das Gehäusesubstrat 732 elektrisch zu verbinden. Des Weiteren kann beim Verwenden eines Siliziumabstandshalters eine TSV auch als Durchgangselektrode verwendet werden.
Ein HBM muss mit vielen Leitungen verbunden sein, um eine breite Speicherbandbreite zu erzielen. Daher wird bei einem Abstandshalter, an dem ein HBM montiert wird, eine Ausbildung von miniaturisierten Leitungen mit hoher Dichte erfordert. Aus diesem Grund wird als Abstandshalter, an dem ein HBM montiert wird, vorzugsweise ein Siliziumabstandshalter verwendet.
Beim SiP, MCM oder dergleichen, bei dem ein Siliziumabstandshalter verwendet wird, tritt eine Verringerung der Zuverlässigkeit aufgrund der Differenz zwischen dem Ausdehnungskoeffizienten einer integrierten Schaltung und demjenigen des Abstandshalters mit geringerer Wahrscheinlichkeit auf. Ferner weist eine Oberfläche eines Siliziumabstandshalters eine hohe Ebenheit auf; daher tritt mit geringerer Wahrscheinlichkeit eine schlechte Verbindung zwischen dem Siliziumabstandshalter und einer integrierten Schaltung, die auf dem Siliziumabstandshalter bereitgestellt wird, auf. Insbesondere wird bei einem 2,5D-Gehäuse (2,5D-Montierung), bei dem eine Vielzahl von integrierten Schaltungen auf dem Abstandshalter nebeneinander angeordnet wird, vorzugsweise ein Siliziumabstandshalter verwendet.
In dem Fall, in dem eine Vielzahl von integrierten Schaltungen mit unterschiedlichen Anschlussabständen unter Verwendung von einem Siliziumabstandshalter, TSV und dergleichen elektrisch verbunden wird, wird ein Raum für eine Breite des Anschlussabstands und dergleichen benötigt. Infolgedessen wird in dem Fall, in dem die Größe des elektronischen Bauelements 730 verkleinert wird, die Breite des Anschlussabstands zu einem Problem, was in einigen Fällen schwierig macht, eine große Anzahl der Leitungen zum Erhalten einer breiten Speicher-Bandbreite anzubieten. Aus diesem Grund ist die vorstehende monolithisch angeordnete Struktur aus OS-Transistoren vorteilhaft. Eine Verbundstruktur kann zum Einsatz kommen, die dadurch erhalten wird, dass eine Schichtanordnung aus Speicherzellenarrays, die durch TSV ausgebildet wird, und eine monolithisch angeordnete Schicht aus Speicherzellenarrays kombiniert werden.
Des Weiteren kann ein Kühlkörper (eine Abstrahlplatte) bereitgestellt werden, um sich mit dem elektronischen Bauelement 730 zu überlappen. In dem Fall, in dem ein Kühlkörper bereitgestellt wird, sind die Höhen der integrierten Schaltungen, die auf dem Abstandshalter 731 bereitgestellt werden, vorzugsweise gleich. Beispielsweise sind bei dem bei dieser Ausführungsform beschriebenen elektronischen Bauelement 730 die Höhen der Halbleitervorrichtungen 710 und der Halbleitervorrichtung 735 vorzugsweise gleich.
An einem Unterteil des Gehäusesubstrats 732 kann eine Elektrode 733 bereitgestellt werden, um das elektronische Bauelement 730 an einem anderen Substrat zu montieren. 25B stellt ein Beispiel dar, in dem die Elektrode 733 unter Verwendung von einer Lotkugel ausgebildet wird. Indem Lotkugeln an dem Unterteil des Gehäusesubstrats 732 in einer Matrix bereitgestellt werden, kann eine Ball-Grid-Array- (BGA-) Montierung erzielt werden. Alternativ kann die Elektrode 733 unter Verwendung von einem leitfähigen Stift ausgebildet werden. Indem leitfähige Stifte an dem Unterteil des Gehäusesubstrats 732 in einer Matrix bereitgestellt werden, kann eine Pin-Grid-Array- (PGA-) Montierung erzielt werden.
Das elektronische Bauelement 730 kann abgesehen von BGA und PGA durch verschiedene Montageverfahren an einem anderen Substrat montiert werden. Beispiele für ein Montageverfahren umfassen Staggered Pin Grid Array (SPGA), Land Grid Array (LGA), Quad Flat Package (QFP), Quad Flat J-Ieaded Package (QFJ) und Quad Flat Non-leaded Package (QFN).
[elektronisches Gerät]
Als Nächstes ist 26A eine perspektivische Ansicht eines elektronischen Geräts 6500. Das in 26A dargestellte elektronische Gerät 6500 ist ein tragbares Informationsendgerät, das als Smartphone verwendet werden kann. Das elektronische Gerät 6500 beinhaltet ein Gehäuse 6501, einen Anzeigeabschnitt 6502, einen Einschaltknopf 6503, Knöpfe 6504, einen Lautsprecher 6505, ein Mikrofon 6506, eine Kamera 6507, eine Lichtquelle 6508, eine Steuervorrichtung 6509 und dergleichen. Es sei angemerkt, dass als Steuervorrichtung 6509 beispielsweise eines oder mehrere, die aus einem CPU, einem GPU und einer Speichervorrichtung ausgewählt werden, enthalten sind. Die Halbleitervorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann für den Anzeigeabschnitt 6502, die Steuervorrichtung 6509 und dergleichen verwendet werden.
Ein in 26B dargestelltes elektronisches Gerät 6600 ist ein Informationsendgerät, das als Laptop-PC verwendet werden kann. Das elektronische Gerät 6600 beinhaltet ein Gehäuse 6611, eine Tastatur 6612, eine Zeigevorrichtung 6613, einen externen Verbindungsanschluss 6614, einen Anzeigeabschnitt 6615, eine Steuervorrichtung 6616 und dergleichen. Es sei angemerkt, dass als Steuervorrichtung 6616 beispielsweise eines oder mehrere, die aus einem CPU, einem GPU und einer Speichervorrichtung ausgewählt werden, enthalten sind. Die Halbleitervorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann für den Anzeigeabschnitt 6615, die Steuervorrichtung 6616 und dergleichen verwendet werden. Es sei angemerkt, dass die Halbleitervorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorzugsweise für die Steuervorrichtung 6509 und die Steuervorrichtung 6616 verwendet wird, wobei in diesem Fall der Stromverbrauch verringert werden kann.
[großer Computer]
Als Nächstes ist 26C eine perspektivische Ansicht eines großer Computers 5600. Bei dem in 26C dargestellten großen Computer 5600 ist eine Vielzahl von Rackmount-Computern 5620 in einem Gestell 5610 untergebracht. Es sei angemerkt, dass der große Computer 5600 als Supercomputer bezeichnet werden kann.
Der Computer 5620 kann beispielsweise eine Struktur aufweisen, die in einer perspektivischen Ansicht in 26D dargestellt wird. In 26D beinhaltet der Computer 5620 eine Hauptplatine 5630, und die Hauptplatine 5630 beinhaltet eine Vielzahl von Schlitzen 5631 und eine Vielzahl von Verbindungsanschlüssen. In dem Schlitz 5631 ist eine PC-Karte 5621 eingeschoben. Zudem beinhaltet die PC-Karte 5621 einen Verbindungsanschluss 5623, einen Verbindungsanschluss 5624 und einen Verbindungsanschluss 5625, die jeweils mit der Hauptplatine 5630 verbunden sind.
Die in 26E dargestellte PC-Karte 5621 ist ein Beispiel für eine Verarbeitungsplatine, die mit einem CPU, einem GPU, einer Speichervorrichtung und dergleichen versehen ist. Die PC-Karte 5621 beinhaltet eine Platine 5622. Die Platine 5622 beinhaltet einen Verbindungsanschluss 5623, einen Verbindungsanschluss 5624, einen Verbindungsanschluss 5625, eine Halbleitervorrichtung 5626, eine Halbleitervorrichtung 5627, eine Halbleitervorrichtung 5628 und einen Verbindungsanschluss 5629. Es sei angemerkt, dass in 26E auch die anderen Halbleitervorrichtungen als die Halbleitervorrichtung 5626, die Halbleitervorrichtung 5627 und die Halbleitervorrichtung 5628 dargestellt werden; für diese Halbleitervorrichtungen kann auf die nachstehend erwähnte Beschreibung der Halbleitervorrichtung 5626, der Halbleitervorrichtung 5627 und der Halbleitervorrichtung 5628 verwiesen werden.
Der Verbindungsanschluss 5629 weist eine Form auf, mit der der Verbindungsanschluss 5629 in den Schlitz 5631 der Hauptplatine 5630 eingeschoben werden kann, und der Verbindungsanschluss 5629 dient als Schnittstelle zur Verbindung zwischen der PC-Karte 5621 und der Hauptplatine 5630. Ein Beispiel für den Standard des Verbindungsanschlusses 5629 ist PCIe.
Der Verbindungsanschluss 5623, der Verbindungsanschluss 5624 und der Verbindungsanschluss 5625 können beispielsweise als Schnittstelle zur Stromzufuhr, Signaleingabe oder dergleichen zur PC-Karte 5621 dienen. Als weiteres Beispiel können sie als Schnittstelle zum Ausgeben eines Signals, das durch die PC-Karte 5621 berechnet wird, dienen. Beispiele für den Standard jedes von dem Verbindungsanschluss 5623, dem Verbindungsanschluss 5624 und dem Verbindungsanschluss 5625 umfassen Universal Serial Bus (USB), Serial ATA (SATA) und Small Computer System Interface (SCSI). In dem Fall, in dem Videosignale von dem Verbindungsanschluss 5623, dem Verbindungsanschluss 5624 und dem Verbindungsanschluss 5625 ausgegeben werden, ist ein Beispiel für ihren Standard HDMI (eingetragenes Markenzeichen).
Die Halbleitervorrichtung 5626 beinhaltet einen Anschluss zur Eingabe und Ausgabe von Signalen (nicht dargestellt), und die Halbleitervorrichtung 5626 und die Platine 5622 können elektrisch miteinander verbunden sein, indem der Anschluss in eine Fassung (nicht dargestellt) der Platine 5622 eingeschoben wird.
Die Halbleitervorrichtung 5627 beinhaltet eine Vielzahl von Anschlüssen, und die Halbleitervorrichtung 5627 und die Platine 5622 können elektrisch miteinander verbunden sein, indem die Anschüsse beispielsweise auf Leitungen der Platine 5622 reflowgelötet werden. Beispiele für die Halbleitervorrichtung 5627 umfassen eine FPGA, einen GPU und einen CPU. Als Halbleitervorrichtung 5627 kann beispielsweise das elektronische Bauelement 730 verwendet werden.
Die Halbleitervorrichtung 5628 beinhaltet eine Vielzahl von Anschlüssen, und die Halbleitervorrichtung 5628 und die Platine 5622 können elektrisch miteinander verbunden sein, indem die Anschüsse beispielsweise auf Leitungen der Platine 5622 reflowgelötet werden. Ein Beispiel für die Halbleitervorrichtung 5628 ist eine Speichervorrichtung oder dergleichen. Als Halbleitervorrichtung 5628 kann beispielsweise das elektronische Bauelement 700 verwendet werden.
Der große Computer 5600 kann auch als Parallelrechner dienen. Indem der große Computer 5600 als Parallelrechner verwendet wird, kann beispielsweise eine umfangreiche Rechenoperation, die für das Lernen der künstlichen Intelligenz und die Inferenz benötigt ist, durchgeführt werden.
[Einrichtung für den Raum]
Die Halbleitervorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann geeignet als Einrichtung für den Raum verwendet werden.
Die Halbleitervorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet einen OS-Transistor. Schwankungen der elektrischen Eigenschaften des OS-Transistors, die auf die Bestrahlung mit einer Strahlung zurückzuführen sind, sind gering. Das heißt, dass der OS-Transistor in hohem Maße beständig gegen die Strahlung ist und daher geeignet in einer Umgebung, in die die Strahlung eintreten kann, verwendet werden kann. Beispielsweise kann der OS-Transistor geeignet in dem Weltraum verwendet werden. Insbesondere kann der OS-Transistor als Transistor in einer Halbleitervorrichtung verwendet werden, die in einem Space Shuttle, einem künstlichen Satelliten oder einer Raumsonde bereitgestellt wird. Beispiele für die Strahlung umfassen Röntgenstrahlen und einen Neutronenstrahl. Es sei angemerkt, dass der Weltraum beispielsweise den Raum in einer Höhe von größer als oder gleich 100 km bezeichnet und der in dieser Beschreibung beschriebene Weltraum eine oder mehrere von der Thermosphäre, der Mesosphäre und der Stratosphäre umfassen kann.
27 stellt einen künstlichen Satelliten 6800 als Beispiel für eine Einrichtung für den Raum dar. Der künstliche Satellit 6800 beinhaltet einen Körper 6801, ein Solarpanel 6802, eine Antenne 6803, eine Sekundärbatterie 6805 und eine Steuervorrichtung 6807. In 27 wird ein Planet 6804 im Weltraum dargestellt.
Obwohl nicht in 27 dargestellt, kann ein Batteriemanagementsystem (auch als BMS bezeichnet) oder eine Batteriesteuerschaltung in der Sekundärbatterie 6805 bereitgestellt werden. Bei dem Batteriemanagementsystem oder der Batteriesteuerschaltung wird der OS-Transistor vorzugsweise verwendet, wobei in diesem Fall ein geringer Stromverbrauch und eine hohe Zuverlässigkeit auch im Weltraum erzielt werden.
Die Strahlungsmenge in dem Weltraum ist 100-mal oder mehr als diejenige auf der Erde. Beispiele für die Strahlung umfassen elektromagnetische Wellen (elektromagnetische Strahlung), typischerweise Röntgenstrahlen und Gammastrahlen, und eine Teilchenstrahlung, typischerweise Alphastrahlen, Betastrahlen, Neutronenstrahlen, Protonenstrahlen, Schwerionenstrahlen und Mesonen-Strahlen.
Wenn das Solarpanel 6802 mit Sonnenlicht bestrahlt wird, wird elektrische Energie, die zum Betreiben des künstlichen Satelliten 6800 benötigt wird, erzeugt. Jedoch ist beispielsweise in der Lage, in der das Solarpanel nicht mit Sonnenlicht bestrahlt wird, oder in der Lage, in der die Menge an Sonnenlicht, mit dem das Solarpanel bestrahlt wird, klein ist, die Menge an der erzeugten elektrischen Energie klein. Infolgedessen könnte eine ausreichende Menge an elektrischer Energie, die zum Betreiben des künstlichen Satelliten 6800 benötigt wird, nicht erzeugt werden. Um den künstlichen Satelliten 6800 auch mit einer kleinen Menge an erzeugter elektrischer Energie zu betreiben, ist der künstliche Satellit 6800 vorzugsweise mit der Sekundärbatterie 6805 versehen. Es sei angemerkt, dass ein Solarpanel in einigen Fällen als Solarzellenmodul bezeichnet wird.
Der künstliche Satellit 6800 kann ein Signal erzeugen. Das Signal wird über die Antenne 6803 übertragen und kann beispielsweise von einem bodengestützten Empfänger oder einem weiteren künstlichen Satelliten empfangen werden. Wenn das Signal, das von dem künstlichen Satelliten 6800 übertragen wird, empfangen wird, kann die Position eines Empfängers, der das Signal empfängt, gemessen werden. Daher kann der künstliche Satellit 6800 ein Satellitenpositioniersystem bilden.
Die Steuervorrichtung 6807 weist eine Funktion zum Steuern des künstlichen Satelliten 6800 auf. Die Steuervorrichtung 6807 wird beispielsweise aus einem oder mehreren von einem CPU, einem GPU und einer Speichervorrichtung ausgebildet. Es sei angemerkt, dass die Halbleitervorrichtung mit dem OS-Transistor einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geeignet für die Steuervorrichtung 6807 verwendet wird. Schwankungen der elektrischen Eigenschaften des OS-Transistors aufgrund der Bestrahlung mit der Strahlung sind geringer als Schwankungen der elektrischen Eigenschaften eines Si-Transistors. Folglich weist der OS-Transistor eine hohe Zuverlässigkeit auf und kann daher geeignet in einer Umgebung, in die die Strahlung eintreten kann, verwendet werden.
Der künstliche Satellit 6800 kann einen Sensor beinhalten. Beispielsweise kann mit einer Struktur, die einen Sensor für sichtbares Licht umfasst, der künstliche Satellit 6800 eine Funktion zum Erfassen von Sonnenlicht aufweisen, das von einem bodengestützten Objekt reflektiert wird. Alternativ kann mit einer Struktur, die einen thermischen Infrarotsensor umfasst, der künstliche Satellit 6800 eine Funktion zum Erfassen von thermischen Infrarotstrahlen aufweisen, die von der Oberfläche der Erde emittiert werden. Daher kann der künstliche Satellit 6800 beispielsweise als Erdbeobachtungssatellit dienen.
Obwohl der künstliche Satellit bei dieser Ausführungsform als Beispiel für eine Einrichtung für den Raum beschrieben wird, ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Die Halbleitervorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise geeignet für eine Einrichtung für den Raum, wie z. B. ein Raumschiff, eine Raumkapsel oder eine Raumsonde, verwendet werden.
Wie vorstehend beschrieben, weist ein OS-Transistor ausgezeichnete Wirkungen im Vergleich zu einem Si-Transistor auf, z. B. eine breite Speicher-Bandbreite und eine hohe Beständigkeit gegen Strahlungen.
[Datenzentrum]
Die Halbleitervorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise geeignet für ein Speichersystem in einem Datenzentrum oder dergleichen verwendet werden. Ein langfristiges Management von Daten, wie z. B. eine Gewährleistung der Datenunveränderlichkeit, wird von dem Datenzentrum erfordert. Für das langfristige Management von Daten werden die folgenden benötigt: Errichtung eines Storage (Speicher) und eines Servers zum Halten einer riesigen Menge an Daten, eine stabile Energiequelle zum Halten der Daten, eine Kühlanlage zum Halten der Daten, Vergrößerung des Gebäudes und dergleichen.
Unter Verwendung der Halbleitervorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für ein Storage-System in einem Datenzentrum kann elektrische Energie zum Halten der Daten verringert werden und eine Halbleitervorrichtung zum Halten der Daten kann verkleinert werden. Folglich können das Storage-System und die Energiequelle zum Halten der Daten, die Kühlanlage und dergleichen verkleinert werden. Daher kann ein Raum für das Datenzentrum verringert werden.
Da die Halbleitervorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen geringen Stromverbrauch aufweist, kann die Wärmeerzeugung von einer Schaltung verringert werden. Folglich kann der nachteilige Einfluss der Wärmeerzeugung auf die Schaltung selbst, die Peripherieschaltung und das Modul verringert werden. Des Weiteren kann durch Verwendung der Halbleitervorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Datenzentrum erzielt werden, das auch in einer Umgebung mit hoher Temperatur stabil arbeitet. Daher kann die Zuverlässigkeit des Datenzentrums erhöht werden.
28 stellt ein Storage-System dar, das in einem Datenzentrum verwendet werden kann. Ein in 28 dargestelltes Storage-System 7000 umfasst eine Vielzahl von Servern 7001sb als Host 7001 (als „Host-Computer“ in dem Diagramm dargestellt). Das Storage-System 7000 umfasst eine Vielzahl von Speichervorrichtungen 7003md als Storage 7003 (als „Storage“ in dem Diagramm dargestellt). In dem dargestellten Beispiel sind der Host 7001 und das Storage 7003 über ein Speichernetzwerk 7004 (Storage Area Network, als „SAN“ in dem Diagramm dargestellt) und eine Storage-Reglerschaltung 7002 (als „Storage-Regler“ in dem Diagramm dargestellt) miteinander verbunden.
Der Host 7001 entspricht einem Computer, der auf in dem Storage 7003 gespeicherte Daten zugreift. Der Host 7001 kann mit einem weiteren Host 7001 über ein Netzwerk verbunden sein.
Die Datenzugriffsgeschwindigkeit, d. h. die Zeit zum Speichern und Ausgeben der Daten, des Storage 7003 wird mit einem Flash-Speicher verkürzt, jedoch ist noch viel länger als die Datenzugriffsgeschwindigkeit eines DRAM, der als Cache-Speicher in dem Storage verwendet werden kann. Um das Problem in dem Storage-System, eine niedrige Zugriffsgeschwindigkeit des Storage 7003, zu lösen, wird ein Cache-Speicher normalerweise in dem Storage bereitgestellt, so dass die Zeit zum Speichern und Ausgeben der Daten verkürzt werden kann.
Der vorstehend beschriebe Cache-Speicher wird in der Storage-Reglerschaltung 7002 und dem Storage 7003 verwendet. Die Daten, die zwischen dem Host 7001 und dem Storage 7003 übertragen werden, werden in den Cache-Speichern in der Storage-Reglerschaltung 7002 und dem Storage 7003 gespeichert und dann an den Host 7001 oder das Storage 7003 ausgegeben.
Mit einer Konfiguration, bei der ein OS-Transistor als Transistor zum Speichern der Daten in dem Cache-Speicher verwendet wird, um ein Potential entsprechend den Daten zu halten, kann die Häufigkeit der Aktualisierung verringert werden, so dass der Stromverbrauch verringert werden kann. Des Weiteren ist, indem Speicherzellenarrays übereinander angeordnet werden, das Downscaling möglich.
Der Stromverbrauch eines elektronischen Geräts, eines großen Computers, einer Einrichtung für den Raum oder eines Datenzentrums wird wünschenswert unter Verwendung der Halbleitervorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für ihre elektronischen Bauelemente verringert. Während mit höherer Leistungsfähigkeit oder höherer Integration der Halbleitervorrichtungen der Energiebedarf voraussichtlich erhöht wird, kann die Emissionsmenge an Treibhausgasen, typischerweise Kohlenstoffdioxid (CO₂), unter Verwendung der Halbleitervorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verringert werden. Außerdem weist die Halbleitervorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen geringen Stromverbrauch auf und ist daher als Maßnahme gegen globale Erwärmung effektiv.
Diese Ausführungsform kann je nach Bedarf mit einer beliebigen der anderen Ausführungsformen kombiniert werden.
Diese Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung mit der Seriennr. 2022-114230 , eingereicht beim japanischen Patentamt am 15. Juli 2022, deren gesamter Inhalt hiermit zum Gegenstand der vorliegenden Offenlegung gemacht ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2022114230 [0627]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

S. Yamazaki et al., „SID Symposium Digest of Technical Papers“, 2012, Volumen 43, Ausgabe 1, S.183-186 [0006]
S. Yamazaki et al., „Japanese Journal of Applied Physics“, 2014, Volumen 53, Nummer 4S, S. 04ED18-1-04ED18-10 [0006]

Claims

Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids, das umfasst: einen ersten Schritt zum Zuführen einer ersten Verbindung zu einer Kammer und dann zum Zuführen eines Oxidationsmittels zu der Kammer; und einen zweiten Schritt zum Zuführen einer zweiten Verbindung zu der Kammer und dann zum Zuführen des Oxidationsmittels zu der Kammer, wobei die erste Verbindung durch eine der allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) dargestellt wird, wobei die zweite Verbindung durch eine der allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) dargestellt wird, wobei sich die erste Verbindung und die zweite Verbindung voneinander unterscheiden, wobei in jedem der ersten und zweiten Schritten ein Substrat in der Kammer auf höher als oder gleich 300 °C und niedriger als oder gleich 500 °C erwärmt wird,
wobei M Ga, AI oder Sn darstellt, wobei R¹ bis R³ jeweils unabhängig voneinander Wasserstoff, Fluor, Chlor, Brom, Jod, Sauerstoff, Phosphor, Schwefel, eine Hydroxy-Gruppe, eine Thiol-Gruppe, eine Boryl-Gruppe, eine substituierte oder nicht substituierte Phosphanyl-Gruppe, eine substituierte oder nicht substituierte Alkyl-Gruppe mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte AlkenylGruppe mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Alkinyl-Gruppe mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Cycloalkyl-Gruppe mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Cycloalkenyl-Gruppe mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Cycloalkinyl-Gruppe mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Alkoxy-Gruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Alkylsulfanyl-Gruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte 1,3-Propandialdehyd-Gruppe, eine substituierte oder nicht substituierte Aryl-Gruppe mit 6 bis 30 Kohlenstoffatomen oder eine substituierte oder nicht substituierte Heteroaryl-Gruppe mit 2 bis 30 Kohlenstoffatomen darstellen, in der ein Ring durch eine Vielzahl von Elementen gebildet wird, die aus Kohlenstoff, Schwefel, Sauerstoff, Bor und Phosphor ausgewählt werden, wobei m eine ganze Zahl von 1 bis 3 darstellt, wobei n eine ganze Zahl von 1 bis 3 darstellt, wenn M Ga oder AI ist, und eine ganze Zahl von 1 bis 4 darstellt, wenn M Sn ist, wobei k 1 oder 2 darstellt, wobei, wenn m 2 oder mehr ist, eine Vielzahl von R¹ die gleiche Substanz oder unterschiedliche Substanzen darstellt, die aneinander gebunden werden, um einen Ring zu bilden, wobei, wenn n 2 oder mehr ist, eine Vielzahl von R² die gleiche Substanz oder unterschiedliche Substanzen darstellt, die aneinander gebunden werden, um einen Ring zu bilden, wobei, wenn k 2 ist, eine Vielzahl von R³ die gleiche Substanz oder unterschiedliche Substanzen darstellt, die aneinander gebunden werden, um einen Ring zu bilden, und wobei eine Bindung zwischen In und R¹, eine Bindung zwischen M und R², eine Bindung zwischen Zn und R³, eine Bindung zwischen der Vielzahl von R¹, eine Bindung zwischen der Vielzahl von R² und eine Bindung zwischen der Vielzahl von R³ jeweils eine Einfachbindung, eine Doppelbindung oder eine Dreifachbindung sind.
Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids, das umfasst: einen ersten Schritt zum Zuführen einer ersten Verbindung zu einer Kammer und dann zum Zuführen eines Oxidationsmittels zu der Kammer; und einen zweiten Schritt zum Zuführen einer zweiten Verbindung zu der Kammer und dann zum Zuführen des Oxidationsmittels zu der Kammer, wobei die erste Verbindung durch eine der allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) dargestellt wird, wobei die zweite Verbindung durch eine der allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) dargestellt wird, wobei sich die erste Verbindung und die zweite Verbindung voneinander unterscheiden, wobei in jedem der ersten und zweiten Schritten ein Substrat in der Kammer auf höher als oder gleich 300 °C und niedriger als oder gleich 500 °C erwärmt wird,
wobei M Ga, AI oder Sn darstellt, wobei R¹ bis R³ jeweils unabhängig voneinander Wasserstoff, Fluor, Chlor, Brom, Jod, Sauerstoff, Phosphor, Schwefel, eine Hydroxy-Gruppe, eine Thiol-Gruppe, eine Boryl-Gruppe, eine substituierte oder nicht substituierte Phosphanyl-Gruppe, eine substituierte oder nicht substituierte Alkyl-Gruppe mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte AlkenylGruppe mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Alkinyl-Gruppe mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Cycloalkyl-Gruppe mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Cycloalkenyl-Gruppe mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Cycloalkinyl-Gruppe mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Alkoxy-Gruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Alkylsulfanyl-Gruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte 1,3-Propandialdehyd-Gruppe, eine substituierte oder nicht substituierte Aryl-Gruppe mit 6 bis 30 Kohlenstoffatomen oder eine substituierte oder nicht substituierte Heteroaryl-Gruppe mit 2 bis 30 Kohlenstoffatomen darstellen, in der ein Ring durch eine Vielzahl von Elementen gebildet wird, die aus Kohlenstoff, Schwefel, Sauerstoff, Bor und Phosphor ausgewählt werden, wobei m eine ganze Zahl von 1 bis 3 darstellt, wobei n eine ganze Zahl von 1 bis 3 darstellt, wenn M Ga oder AI ist, und eine ganze Zahl von 1 bis 4 darstellt, wenn M Sn ist, wobei k 1 oder 2 darstellt, wobei, wenn m 2 oder mehr ist, eine Vielzahl von R¹ die gleiche Substanz oder unterschiedliche Substanzen darstellt, wobei, wenn n 2 oder mehr ist, eine Vielzahl von R² die gleiche Substanz oder unterschiedliche Substanzen darstellt, und wobei, wenn k 2 ist, eine Vielzahl von R³ die gleiche Substanz oder unterschiedliche Substanzen darstellt.
Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids nach Anspruch 1, wobei in den allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) mindestens eines von m, n und k vorzugsweise 2 oder mehr ist, wobei, wenn m 2 ist, die Vielzahl von R¹ unterschiedlich voneinander ist, wobei, wenn m 3 ist, mindestens eines der Vielzahl von R¹ unterschiedlich von den anderen R¹ ist, wobei, wenn n 2 ist, die Vielzahl von R² unterschiedlich voneinander ist, wobei, wenn n 3 oder mehr ist, mindestens eines der Vielzahl von R² unterschiedlich von den anderen R² der Vielzahl von R² ist, und wobei, wenn k 2 ist, die Vielzahl von R³ unterschiedlich voneinander ist.
Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids nach Anspruch 1, wobei die erste Verbindung und die zweite Verbindung jeweils eine Flüssigkeit bei 25 °C und 1 atm sind.
Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids nach Anspruch 1, wobei ein erster Zyklus das Durchführen jedes der ersten und zweiten Schritte einmal oder mehrmals und das Durchführen einer Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre umfasst, und wobei der erste Zyklus mehrmals wiederholt wird.
Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids nach Anspruch 1, das ferner umfasst: einen dritten Schritt zum Zuführen einer dritten Verbindung zu der Kammer und dann zum Zuführen des Oxidationsmittels zu der Kammer, wobei die dritte Verbindung durch eine der allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) dargestellt wird, wobei sich die dritte Verbindung von der ersten Verbindung und der zweiten Verbindung unterscheidet, und wobei in dem dritten Schritt das Substrat auf höher als oder gleich 300 °C und niedriger als oder gleich 500 °C erwärmt wird.
Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids nach Anspruch 5, wobei eine Plasmabehandlung als Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung durchgeführt wird.
Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids nach Anspruch 5, wobei die Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung durchgeführt wird, während eine Bestrahlung mit UV-Licht durchgeführt wird.
Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids nach Anspruch 5, wobei eine Mikrowellenbehandlung als Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung durchgeführt wird.
Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids nach Anspruch 5, wobei eine Wärmebehandlung bei höher als oder gleich 300 °C und niedriger als oder gleich 500 °C als Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung durchgeführt wird.
Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids, das umfasst: einen ersten Schritt zum Zuführen einer ersten Verbindung zu einer Kammer und dann zum Zuführen eines Oxidationsmittels zu der Kammer; und einen zweiten Schritt zum Zuführen einer zweiten Verbindung zu der Kammer und dann zum Zuführen des Oxidationsmittels zu der Kammer, wobei die erste Verbindung durch eine der allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) dargestellt wird, wobei die zweite Verbindung durch eine der allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) dargestellt wird, wobei sich die erste Verbindung und die zweite Verbindung voneinander unterscheiden, wobei ein erster Zyklus das Durchführen jedes der ersten und zweiten Schritte einmal oder mehrmals und das Durchführen einer Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre umfasst, und wobei der erste Zyklus mehrmals wiederholt wird,
wobei M Ga, AI oder Sn darstellt, wobei R¹ bis R³ jeweils unabhängig voneinander Wasserstoff, Fluor, Chlor, Brom, Jod, Sauerstoff, Phosphor, Schwefel, eine Hydroxy-Gruppe, eine Thiol-Gruppe, eine Boryl-Gruppe, eine substituierte oder nicht substituierte Phosphanyl-Gruppe, eine substituierte oder nicht substituierte Alkyl-Gruppe mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte AlkenylGruppe mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Alkinyl-Gruppe mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Cycloalkyl-Gruppe mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Cycloalkenyl-Gruppe mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Cycloalkinyl-Gruppe mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Alkoxy-Gruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Alkylsulfanyl-Gruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte 1,3-Propandialdehyd-Gruppe, eine substituierte oder nicht substituierte Aryl-Gruppe mit 6 bis 30 Kohlenstoffatomen oder eine substituierte oder nicht substituierte Heteroaryl-Gruppe mit 2 bis 30 Kohlenstoffatomen darstellen, in der ein Ring durch eine Vielzahl von Elementen gebildet wird, die aus Kohlenstoff, Schwefel, Sauerstoff, Bor und Phosphor ausgewählt werden, wobei m eine ganze Zahl von 1 bis 3 darstellt, wobei n eine ganze Zahl von 1 bis 3 darstellt, wenn M Ga oder AI ist, und eine ganze Zahl von 1 bis 4 darstellt, wenn M Sn ist, wobei k 1 oder 2 darstellt, wobei, wenn m 2 oder mehr ist, eine Vielzahl von R¹ die gleiche Substanz oder unterschiedliche Substanzen darstellt, die aneinander gebunden werden, um einen Ring zu bilden, wobei, wenn n 2 oder mehr ist, eine Vielzahl von R² die gleiche Substanz oder unterschiedliche Substanzen darstellt, die aneinander gebunden werden, um einen Ring zu bilden, wobei, wenn k 2 ist, eine Vielzahl von R³ die gleiche Substanz oder unterschiedliche Substanzen darstellt, die aneinander gebunden werden, um einen Ring zu bilden, und wobei eine Bindung zwischen In und R¹, eine Bindung zwischen M und R², eine Bindung zwischen Zn und R³, eine Bindung zwischen der Vielzahl von R¹, eine Bindung zwischen der Vielzahl von R² und eine Bindung zwischen der Vielzahl von R³ jeweils eine Einfachbindung, eine Doppelbindung oder eine Dreifachbindung sind.
Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids nach Anspruch 11, wobei in dem ersten Zyklus der erste Schritt oder der zweite Schritt, der weniger häufig ist, oder sowohl der erste Schritt als auch der zweite Schritt fünfmal oder mehr und zehnmal oder weniger durchgeführt werden.
Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids nach Anspruch 11, das ferner umfasst: einen dritten Schritt zum Zuführen einer dritten Verbindung zu der Kammer und dann zum Zuführen des Oxidationsmittels zu der Kammer, wobei die dritte Verbindung durch eine der allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) dargestellt wird, wobei sich die dritte Verbindung von der ersten Verbindung und der zweiten Verbindung unterscheidet, und wobei in dem ersten Zyklus der dritte Schritt bevor der Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung einmal oder mehrmals durchgeführt wird.
Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids, das umfasst: einen ersten Schritt zum Zuführen einer ersten Verbindung zu einer Kammer und dann zum Zuführen eines Oxidationsmittels zu der Kammer; und einen zweiten Schritt zum Zuführen einer zweiten Verbindung zu der Kammer und dann zum Zuführen des Oxidationsmittels zu der Kammer, wobei die erste Verbindung durch eine der allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) dargestellt wird, wobei die zweite Verbindung durch eine der allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) dargestellt wird, wobei sich die erste Verbindung und die zweite Verbindung voneinander unterscheiden, wobei ein erster Zyklus das Durchführen jedes der ersten und zweiten Schritte einmal oder mehrmals und das Durchführen einer Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre umfasst, wobei ein zweiter Zyklus das Durchführen jedes der ersten und zweiten Schritte einmal oder mehrmals in einer Reihenfolge, die sich von derjenigen des ersten Zyklus unterscheidet, und das Durchführen der Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre umfasst, wobei der erste Zyklus und der zweite Zyklus mehrmals abwechselnd durchgeführt werden,
wobei M Ga, AI oder Sn darstellt, wobei R¹ bis R³ jeweils unabhängig voneinander Wasserstoff, Fluor, Chlor, Brom, Jod, Sauerstoff, Phosphor, Schwefel, eine Hydroxy-Gruppe, eine Thiol-Gruppe, eine Boryl-Gruppe, eine substituierte oder nicht substituierte Phosphanyl-Gruppe, eine substituierte oder nicht substituierte Alkyl-Gruppe mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte AlkenylGruppe mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Alkinyl-Gruppe mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Cycloalkyl-Gruppe mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Cycloalkenyl-Gruppe mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Cycloalkinyl-Gruppe mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Alkoxy-Gruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte Alkylsulfanyl-Gruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, eine substituierte oder nicht substituierte 1,3-Propandialdehyd-Gruppe, eine substituierte oder nicht substituierte Aryl-Gruppe mit 6 bis 30 Kohlenstoffatomen oder eine substituierte oder nicht substituierte Heteroaryl-Gruppe mit 2 bis 30 Kohlenstoffatomen darstellen, in der ein Ring durch eine Vielzahl von Elementen gebildet wird, die aus Kohlenstoff, Schwefel, Sauerstoff, Bor und Phosphor ausgewählt werden, wobei m eine ganze Zahl von 1 bis 3 darstellt, wobei n eine ganze Zahl von 1 bis 3 darstellt, wenn M Ga oder AI ist, und eine ganze Zahl von 1 bis 4 darstellt, wenn M Sn ist, wobei k 1 oder 2 darstellt, wobei, wenn m 2 oder mehr ist, eine Vielzahl von R¹ die gleiche Substanz oder unterschiedliche Substanzen darstellt, die aneinander gebunden werden, um einen Ring zu bilden, wobei, wenn n 2 oder mehr ist, eine Vielzahl von R² die gleiche Substanz oder unterschiedliche Substanzen darstellt, die aneinander gebunden werden, um einen Ring zu bilden, wobei, wenn k 2 ist, eine Vielzahl von R³ die gleiche Substanz oder unterschiedliche Substanzen darstellt, die aneinander gebunden werden, um einen Ring zu bilden, und wobei eine Bindung zwischen In und R¹, eine Bindung zwischen M und R², eine Bindung zwischen Zn und R³, eine Bindung zwischen der Vielzahl von R¹, eine Bindung zwischen der Vielzahl von R² und eine Bindung zwischen der Vielzahl von R³ jeweils eine Einfachbindung, eine Doppelbindung oder eine Dreifachbindung sind.
Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids nach Anspruch 14, wobei in dem ersten Zyklus der erste Schritt oder der zweite Schritt, der weniger häufig ist, oder sowohl der erste Schritt als auch der zweite Schritt fünfmal oder mehr und zehnmal oder weniger durchgeführt werden, und wobei in dem zweiten Zyklus der erste Schritt oder der zweite Schritt, der weniger häufig ist, oder sowohl der erste Schritt als auch der zweite Schritt fünfmal oder mehr und zehnmal oder weniger durchgeführt werden.
Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids nach Anspruch 14, das ferner umfasst: einen dritten Schritt zum Zuführen einer dritten Verbindung zu der Kammer und dann zum Zuführen des Oxidationsmittels zu der Kammer, wobei die dritte Verbindung durch eine der allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) dargestellt wird, wobei sich die dritte Verbindung von der ersten Verbindung und der zweiten Verbindung unterscheidet, und wobei in jedem der ersten und zweiten Zyklen der dritte Schritt bevor der Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung einmal oder mehrmals durchgeführt wird.
Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids nach Anspruch 14, wobei eine Plasmabehandlung als Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung durchgeführt wird.
Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids nach Anspruch 14, wobei die Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung durchgeführt wird, während eine Bestrahlung mit UV-Licht durchgeführt wird.
Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids nach Anspruch 14, wobei eine Mikrowellenbehandlung als Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung durchgeführt wird.
Verfahren zum Ausbilden eines Metalloxids nach Anspruch 14, wobei eine Wärmebehandlung bei höher als oder gleich 300 °C und niedriger als oder gleich 500 °C als Behandlung zum Entfernen einer Verunreinigung durchgeführt wird.