DE112013006219T5

DE112013006219T5 - Halbleitervorrichtung und deren Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE112013006219T5
Application number: DE112013006219.4T
Authority: DE
Inventors: Shunpei Yamazaki; Hideomi Suzawa; Tetsuhiro Tanaka; Hirokazu Watanabe; Yuhei Sato; Yasumasa Yamane; Daisuke Matsubayashi
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2012-12-25
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2015-09-24
Also published as: US10672913B2; JP2020198441A; US20190035937A1; TWI845271B; TW202127672A; TW201921692A; JP2014143401A; TW201438238A; WO2014103901A1; US20200227566A1; US11705522B2; JP2019054260A; US20140175435A1; JP6987192B2; TW202333384A; US20210320212A1; JP6430698B2; US20230335646A1; TWI802854B; TWI642189B

Abstract

Eine Halbleitervorrichtung mit einer verringerten Menge an Sauerstofffehlstellen in einem Kanalbildungsbereich eines Oxidhalbleiters wird bereitgestellt. Außerdem wird eine Halbleitervorrichtung bereitgestellt, die einen Oxidhalbleiter enthält und verbesserte elektrische Eigenschaften aufweist. Darüber hinaus wird ein Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung bereitgestellt. Ein Oxidhalbleiterfilm wird ausgebildet, ein leitender Film wird über dem Oxidhalbleiterfilm in dem gleichen Schritt wie einem Schritt zum Ausbilden eines niederohmigen Bereichs zwischen dem Oxidhalbleiterfilm und dem leitenden Film ausgebildet, der leitende Film wird verarbeitet, um eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode auszubilden, und Sauerstoff wird dem niederohmigen Bereich zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode zugesetzt, so dass ein Kanalbildungsbereich mit einem höheren Widerstand als der niederohmige Bereich gebildet wird und ein erster niederohmiger Bereich und ein zweiter niederohmiger Bereich ausgebildet werden, zwischen denen der Kanalbildungsbereich liegt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Produkt (einschließlich einer Maschine, eines Erzeugnisses und einer Zusammensetzung) und einen Prozess (einschließlich eines einfachen Prozesses und eines Produktionsprozesses). Insbesondere betrifft eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Halbleitervorrichtung, eine Anzeigevorrichtung, eine Licht emittierende Vorrichtung, eine Energiespeichervorrichtung, ein Betriebsverfahren dafür oder ein Herstellungsverfahren dafür. Insbesondere betrifft eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Halbleitervorrichtung, die einen Oxidhalbleiter enthält, eine Anzeigevorrichtung, die einen Oxidhalbleiter enthält, oder eine Licht emittierende Vorrichtung, die einen Oxidhalbleiter enthält.
Stand der Technik
Transistoren, die für die meisten Flachbildschirme, die typischerweise eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung und eine Licht emittierende Anzeigevorrichtung sind, verwendet werden, werden unter Verwendung von Siliziumhalbleitern hergestellt, wie z. B. amorphem Silizium, einkristallinem Silizium und polykristallinem Silizium, die über Glassubstraten bereitgestellt sind. Darüber hinaus werden Transistoren, die unter Verwendung solcher Siliziumhalbleiter hergestellt werden, für integrierte Schaltungen (integrated circuits, ICs) und dergleichen verwendet.
In den letzten Jahren hat eine Technik Aufmerksamkeit erregt, bei der statt eines Siliziumhalbleiters ein Halbleitereigenschaften aufweisendes Metalloxid für Transistoren verwendet wird. Es sei angemerkt, dass in dieser Beschreibung ein Halbleitereigenschaften aufweisendes Metalloxid als Oxidhalbleiter bezeichnet wird.
Beispielsweise ist eine Technik offenbart, bei der ein Transistor unter Verwendung von Zinkoxid oder einem Oxidhalbleiter auf In-Ga-Zn-Basis als Oxidhalbleiter hergestellt wird (siehe Patentdokument 1).
[Referenz]
[Patentdokument]

[Patentdokument 1] Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2006-165528

Offenbarung der Erfindung
In dem Fall, in dem ein Material eines leitenden Films, der zu einer Source-Elektrode und einer Drain-Elektrode wird und über einem Oxidhalbleiterfilm bei einem einen Oxidhalbleiter enthaltenden Transistor ausgebildet wird, ein leitendes Material ist, das leichter an Sauerstoff gebunden wird als an ein Metallelement, das in dem Oxidhalbleiterfilm enthalten ist, wird Sauerstoff in dem Oxidhalbleiterfilm an das leitende Material gebunden. Die Bindung bildet eine Sauerstofffehlstelle in einem Bereich des Oxidhalbleiterfilms in der Nähe einer Grenzfläche zu dem leitenden Film. Alternativ wird ein Schaden (eine Sauerstofffehlstelle) an der nach oben weisenden Oberfläche des Oxidhalbleiterfilms verursacht, wenn der leitende Film, der zu der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode wird, über dem Oxidhalbleiterfilm ausgebildet wird. Ein niederohmiger Bereich wird aufgrund von der Sauerstofffehlstelle und Wasserstoff gebildet, so dass der Kontaktwiderstand zwischen dem Oxidhalbleiterfilm und der Source-Elektrode oder der Drain-Elektrode verringert wird. Folglich wird die Leitfähigkeit verbessert, wodurch ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb des Transistors erzielt werden kann. Außerdem wird in dem Fall, in dem das Material des leitenden Films ein leitendes Material ist, das durch eine Wärmebehandlung leicht in den Oxidhalbleiterfilm diffundiert, der niederohmige Bereich gebildet. Jedoch steht der leitende Film auch in Kontakt mit einem Kanalbildungsbereich des Oxidhalbleiterfilms, und eine Sauerstofffehlstelle wird also auch in einem Bereich des Kanalbildungsbereichs in der Nähe der Grenzfläche zu dem leitenden Film gebildet; als Ergebnis könnten sich die elektrischen Eigenschaften des Transistors verschlechtern.
Infolgedessen ist eine Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, eine Halbleitervorrichtung oder dergleichen bereitzustellen, bei der ein Kanalbildungsbereich eines Oxidhalbleiters eine kleine Menge an Sauerstofffehlstellen hat. Eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, eine Halbleitervorrichtung bereitzustellen, die einen Oxidhalbleiter enthält und verbesserte elektrische Eigenschaften aufweist. Eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung oder dergleichen bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, eine Halbleitervorrichtung oder dergleichen mit niedrigem Sperrstrom (off-state current) bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, eine Halbleitervorrichtung oder dergleichen bereitzustellen, bei der der Leckstrom (leakage current) durch einen Isolierfilm niedrig ist. Eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, eine Halbleitervorrichtung oder dergleichen mit hoher Beweglichkeit bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, eine Halbleitervorrichtung oder dergleichen mit hohen Schalteigenschaften bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, eine Halbleitervorrichtung oder dergleichen mit niedrigem Stromverbrauch bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, eine Halbleitervorrichtung oder dergleichen bereitzustellen, die einen durchsichtigen Halbleiterfilm beinhaltet. Eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, eine Halbleitervorrichtung oder dergleichen bereitzustellen, die einen hochzuverlässigen Halbleiterfilm verwendet. Eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, eine neuartige Halbleitervorrichtung bereitzustellen. Es sei angemerkt, dass die Beschreibungen dieser Probleme dem Vorhandensein anderer Probleme nicht im Wege stehen. Es sei angemerkt, dass es bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unnötig ist, alle Aufgaben zu erfüllen. Weitere Aufgaben werden aus der Erläuterung der Beschreibung, der Zeichnungen, der Patentansprüche und dergleichen ersichtlich und können davon abgeleitet werden.
Obwohl der leitende Film, der zu der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode wird und über dem Oxidhalbleiterfilm ausgebildet wird, auch den Widerstand des Kanalbildungsbereichs verringert, wird der Widerstand des Kanalbildungsbereichs erhöht, indem Sauerstoff unter Verwendung der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode als Masken zugeführt wird.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Halbleitervorrichtung, die beinhaltet: einen Oxidhalbleiterfilm, eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode über dem Oxidhalbleiterfilm, einen ersten niederohmigen Bereich zwischen dem Oxidhalbleiterfilm und der Source-Elektrode, einen zweiten niederohmigen Bereich zwischen dem Oxidhalbleiterfilm und der Drain-Elektrode und einen Kanalbildungsbereich, der in dem Oxidhalbleiterfilm angeordnet ist und zwischen dem ersten niederohmigen Bereich und dem zweiten niederohmigen Bereich liegt. Der erste niederohmige Bereich liegt in einem Bereich des Oxidhalbleiterfilms in einer Tiefe von größer als 0 nm und kleiner als oder gleich 15 nm von einer Grenzfläche zwischen dem Oxidhalbleiterfilm und der Source-Elektrode. Der zweite niederohmige Bereich liegt in einem Bereich des Oxidhalbleiterfilms in einer Tiefe von größer als 0 nm und kleiner als oder gleich 15 nm von einer Grenzfläche zwischen dem Oxidhalbleiterfilm und der Drain-Elektrode.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Halbleitervorrichtung, die beinhaltet: einen Oxidhalbleiterfilm, eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode über dem Oxidhalbleiterfilm, einen ersten niederohmigen Bereich zwischen dem Oxidhalbleiterfilm und der Source-Elektrode, einen zweiten niederohmigen Bereich zwischen dem Oxidhalbleiterfilm und der Drain-Elektrode, einen Kanalbildungsbereich, der in dem Oxidhalbleiterfilm angeordnet ist und zwischen dem ersten niederohmigen Bereich und dem zweiten niederohmigen Bereich liegt, einen Gate-Isolierfilm über dem Oxidhalbleiterfilm, der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode und eine Gate-Elektrode, die über dem Gate-Isolierfilm liegt und sich mit dem Oxidhalbleiterfilm überlappt. Der erste niederohmige Bereich liegt in einem Bereich des Oxidhalbleiterfilms in einer Tiefe von größer als 0 nm und kleiner als oder gleich 15 nm von einer Grenzfläche zwischen dem Oxidhalbleiterfilm und der Source-Elektrode. Der zweite niederohmige Bereich liegt in einem Bereich des Oxidhalbleiterfilms in einer Tiefe von größer als 0 nm und kleiner als oder gleich 15 nm von einer Grenzfläche zwischen dem Oxidhalbleiterfilm und der Drain-Elektrode.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Halbleitervorrichtung, die beinhaltet: eine Gate-Elektrode, einen Gate-Isolierfilm über der Gate-Elektrode, einen Oxidhalbleiterfilm über dem Gate-Isolierfilm, eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode über dem Oxidhalbleiterfilm, einen ersten niederohmigen Bereich zwischen dem Oxidhalbleiterfilm und der Source-Elektrode, einen zweiten niederohmigen Bereich zwischen dem Oxidhalbleiterfilm und der Drain-Elektrode, einen Kanalbildungsbereich, der in dem Oxidhalbleiterfilm angeordnet ist und zwischen dem ersten niederohmigen Bereich und dem zweiten niederohmigen Bereich liegt, und einen Isolierfilm über dem Oxidhalbleiterfilm, der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode. Der erste niederohmige Bereich liegt in einem Bereich des Oxidhalbleiterfilms in einer Tiefe von größer als 0 nm und kleiner als oder gleich 15 nm von einer Grenzfläche zwischen dem Oxidhalbleiterfilm und der Source-Elektrode. Der zweite niederohmige Bereich liegt in einem Bereich des Oxidhalbleiterfilms in einer Tiefe von größer als 0 nm und kleiner als oder gleich 15 nm von einer Grenzfläche zwischen dem Oxidhalbleiterfilm und der Drain-Elektrode.
Bei der vorstehenden Struktur sind ein erster Oxidfilm und ein zweiter Oxidfilm bereitgestellt, zwischen denen der Oxidhalbleiterfilm liegt. Die Energie des Minimums des Leitungsbandes sowohl in dem ersten Oxidfilm als auch in dem zweiten Oxidfilm liegt um 0,05 eV oder mehr und 2 eV oder weniger näher an einem Vakuumniveau als die Energie des Minimums des Leitungsbandes in dem Oxidhalbleiterfilm.
Bei der vorstehenden Struktur beträgt ein Unterschied zwischen einem Abstand zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode und einem Abstand zwischen dem ersten niederohmigen Bereich und dem zweiten niederohmigen Bereich weniger als 30% des Abstandes zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode.
Bei der vorstehenden Struktur ist ein Bereich bereitgestellt, in dem der Sauerstoffgehalt von einer Oberfläche des Kanalbildungsbereichs in einer Tiefenrichtung des Oxidhalbleiterfilms stetig erhöht wird.
Bei der vorstehenden Struktur enthält der Gate-Isolierfilm Aluminiumoxid.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung, das die folgenden Schritte umfasst: Ausbilden eines Oxidhalbleiterfilms, Ausbilden eines leitenden Films über dem Oxidhalbleiterfilm in dem gleichen Schritt wie einem Schritt zum Ausbilden eines niederohmigen Bereichs zwischen dem Oxidhalbleiterfilm und dem leitenden Film, Verarbeiten des leitenden Films, um eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode auszubilden, und Zusetzen von Sauerstoff zu dem niederohmigen Bereich, der sich weder mit der Source-Elektrode noch mit der Drain-Elektrode überlappt, damit ein Kanalbildungsbereich mit einem höheren Widerstand als dem des niederohmigen Bereichs gebildet wird und ein erster niederohmiger Bereich und ein zweiter niederohmiger Bereich ausgebildet werden, zwischen denen der Kanalbildungsbereich liegt.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung, das die folgenden Schritte umfasst: Ausbilden eines Oxidhalbleiterfilms, Ausbilden eines leitenden Films über dem Oxidhalbleiterfilm in dem gleichen Schritt wie einem Schritt zum Ausbilden eines niederohmigen Bereichs zwischen dem Oxidhalbleiterfilm und dem leitenden Film, Verarbeiten des leitenden Films, um eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode auszubilden, Ausbilden eines Gate-Isolierfilms über dem Oxidhalbleiterfilm, der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode, Zusetzen von Sauerstoff zu dem niederohmigen Bereich, der sich weder mit der Source-Elektrode noch mit der Drain-Elektrode überlappt, damit ein Kanalbildungsbereich mit einem höheren Widerstand als dem des niederohmigen Bereichs gebildet wird und ein erster niederohmiger Bereich und ein zweiter niederohmiger Bereich ausgebildet werden, zwischen denen der Kanalbildungsbereich liegt, und Ausbilden einer Gate-Elektrode derart über dem Gate-Isolierfilm, dass sie sich mit dem Oxidhalbleiterfilm überlappt.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung, das die folgenden Schritte umfasst: Ausbilden einer Gate-Elektrode, Ausbilden eines Gate-Isolierfilms über der Gate-Elektrode, Ausbilden eines Oxidhalbleiterfilms über dem Gate-Isolierfilm, Ausbilden eines leitenden Films über dem Oxidhalbleiterfilm in dem gleichen Schritt wie einem Schritt zum Ausbilden eines niederohmigen Bereichs zwischen dem Oxidhalbleiterfilm und dem leitenden Film, Verarbeiten des leitenden Films, um eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode auszubilden, Zusetzen von Sauerstoff zu dem niederohmigen Bereich, der sich weder mit der Source-Elektrode noch mit der Drain-Elektrode überlappt, damit ein Kanalbildungsbereich mit einem höheren Widerstand als dem des niederohmigen Bereichs gebildet wird und ein erster niederohmiger Bereich und ein zweiter niederohmiger Bereich ausgebildet werden, zwischen denen der Kanalbildungsbereich liegt, und Ausbilden eines Isolierfilms über dem Oxidhalbleiterfilm, der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode.
Bei dem vorstehenden Herstellungsverfahren wird der Zusatz von Sauerstoff durch ein Ionendotierverfahren oder ein Ionenimplantationsverfahren durchgeführt.
Durch das Herstellungsverfahren nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Menge an Sauerstofffehlstellen in dem Kanalbildungsbereich des Oxidhalbleiters verringert werden. Des Weiteren können elektrische Eigenschaften einer Halbleitervorrichtung verbessert werden, die den Oxidhalbleiter enthält.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A bis 1C sind eine Draufsicht und Querschnittsansichten, die einen Transistor darstellen.
2A und 2B stellen jeweils die Bandstruktur eines Oxidhalbleiterfilms dar.
3A und 3B sind jeweils eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Transistors.
4A ist eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht, die einen Transistor darstellen, und 4B stellt die Bandstruktur eines Oxidhalbleiterfilms dar.
5A bis 5C sind jeweils eine Querschnittsansicht, die einen Transistor darstellt.
6A und 6B sind jeweils eine Querschnittsansicht, die einen Transistor darstellt.
7A und 7B sind jeweils eine Querschnittsansicht, die einen Transistor darstellt.
8A bis 8C stellen ein Verfahren zum Herstellen eines Transistors dar.
9A bis 9C stellen ein Verfahren zum Herstellen eines Transistors dar.
10A bis 10C sind eine Draufsicht und Querschnittsansichten, die einen Transistor darstellen.
11A bis 11C sind jeweils eine Querschnittsansicht, die einen Transistor darstellt.
12A und 12B sind jeweils eine Querschnittsansicht, die einen Transistor darstellt.
13A und 13B sind jeweils eine Querschnittsansicht, die einen Transistor darstellt.
14A bis 14C stellen ein Verfahren zum Herstellen eines Transistors dar.
15A bis 15C stellen ein Verfahren zum Herstellen eines Transistors dar.
16A bis 16C sind eine Querschnittsansicht und ein Schaltplan einer Halbleitervorrichtung.
17A und 17B sind ein Schaltplan und eine perspektivische Ansicht einer Halbleitervorrichtung.
18A und 18B sind schematische Ansichten, die gesputterte Teilchen darstellen, die von einem Sputtertarget abgetrennt werden.
19A, 19B1, 19B2 und 19C sind Darstellungen, die der Beschreibung eines Entladezustandes zu dem Zeitpunkt dienen, zu dem Sputtern unter Verwendung einer Wechselstromquelle durchgeführt wird.
20A und 20B sind schematische Ansichten, die eine Situation darstellen, in der gesputterte Teilchen, die nicht geladen sind, eine Abscheidungsoberfläche erreichen.
21A und 21B sind Ablaufdiagramme, die ein Beispiel für ein Verfahren zum Herstellen eines Sputtertargets zeigen.
22 ist ein Blockdiagramm einer Halbleitervorrichtung.
23 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung.
24A bis 24C sind Blockdiagramme einer Halbleitervorrichtung.
25A bis 25C stellen elektronische Geräte dar, bei denen Halbleitervorrichtungen zum Einsatz kommen können.
26A stellt eine Halbleitervorrichtung dar, und 26B und 26C sind jeweils ein Schaltplan, der ein Pixel darstellt.
27 ist eine Draufsicht, die die Halbleitervorrichtung darstellt.
28 ist eine Querschnittsansicht, die eine Halbleitervorrichtung darstellt.
29 zeigt ein Querschnitts-STEM-Bild einer Probe, die in einem Beispiel hergestellt wird.
30 zeigt TDS-Messergebnisse einer Probe, die in einem Beispiel hergestellt wird.
31 zeigt TDS-Messergebnisse einer Probe, die in einem Beispiel hergestellt wird.
32A bis 32F zeigen Messergebnisse von XRD-Spektren von Proben, die in einem Beispiel hergestellt werden.
33 zeigt Messergebnisse eines XRD-Spektrums einer Probe, die in einem Beispiel hergestellt wird.
34 zeigt Messergebnisse von Flächenwiderständen von Proben, die in einem Beispiel hergestellt werden.
35 zeigt Messergebnisse von Flächenwiderständen von Proben, die in einem Beispiel hergestellt werden.
36 zeigt SIMS-Analysenergebnisse von Proben, die in einem Beispiel hergestellt werden.
37A und 37B zeigen jeweils Auswertungsergebnisse von elektrischen Eigenschaften von Transistoren, die in einem Beispiel hergestellt werden.
38 stellt die Struktur eines Transistors dar, der in einem Beispiel hergestellt wird.
39 zeigt Berechnungsergebnisse von elektrischen Eigenschaften eines Transistors, der in einem Beispiel hergestellt wird.
40 zeigt eine Bandstruktur eines Transistors, der einen Oxidhalbleiterfilm beinhaltet.
41 stellt eine Querschnittsstruktur eines Berechnungsmodells dar.
42 zeigt Bandstrukturen von Berechnungsmodellen.
43A und 43B zeigen jeweils CPM-Messergebnisse eines Oxidhalbleiterfilms.
44 zeigt CPM-Messergebnisse eines Oxidhalbleiterfilms.
45 zeigt ein Querschnitts-TEM-Bild eines CAAC-OS-Films.
46A bis 46D zeigen jeweils ein Nanostrahl-Elektronenbeugungsbild eines CAAC-OS-Films.
47 zeigt ein Querschnitts-TEM-Bild eines CAAC-OS-Films.
48A und 48B zeigen ein Querschnitts-TEM-Bild und ein Röntgenbeugungsspektrum eines CAAC-OS-Films.
49A bis 49D zeigen jeweils ein Elektronenbeugungsbild eines CAAC-OS-Films.
50 und 50B zeigen ein Querschnitts-TEM-Bild und ein Röntgenbeugungsspektrum eines CAAC-OS-Films.
51A bis 51D zeigen jeweils ein Elektronenbeugungsbild eines CAAC-OS-Films.
52A und 52B zeigen ein Querschnitts-TEM-Bild und ein Röntgenbeugungsspektrum eines CAAC-OS-Films.
53A bis 53D zeigen jeweils ein Elektronenbeugungsbild eines CAAC-OS-Films.
54A bis 54D zeigen ein Querschnitts-TEM-Bild und Elektronenbeugungsbilder eines nanokristallinen Oxidhalbleiterfilms.
55A und 55B sind ein TEM-Bild und Elektronenbeugungsbilder eines nanokristallinen Oxidhalbleiterfilms.
56A bis 56C sind Konzeptdiagramme von Elektronenbeugungsintensitätsverteilung.
57 zeigt ein Nanostrahl-Elektronenbeugungsbild eines Quarzglassubstrats.
58 zeigt ein Elektronenbeugungsbild eines nanokristallinen Oxidhalbleiterfilms.
59A und 59B zeigen jeweils ein Querschnitts-TEM-Bild eines nanokristallinen Oxidhalbleiterfilms.
60 zeigt Ergebnisse einer Röntgenbeugungsanalyse an einem Metalloxidfilm, nämlich einem nanokristallinen Oxidhalbleiterfilm.
Beste Art zum Ausführen der Erfindung
Ausführungsformen werden im Einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die nachfolgende Beschreibung beschränkt ist und dass es sich Fachleuten ohne Weiteres erschließt, dass Modi und Details auf verschiedene Weise modifiziert werden können, ohne vom Gedanken und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Daher sollte die vorliegende Erfindung nicht auf die folgenden Beschreibungen der Ausführungsarten und der Ausführungsform beschränkt sein. Es sei angemerkt, dass in einigen Fällen bei den Strukturen der im Folgenden beschriebenen Erfindung gleiche Abschnitte oder Abschnitte, die ähnliche Funktionen aufweisen, in verschiedenen Zeichnungen durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet werden und dass die Beschreibungen solcher Abschnitte nicht wiederholt werden.
(Ausführungsform 1)
Bei dieser Ausführungsform wird eine Halbleitervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben.
1A bis 1C sind eine Draufsicht und Querschnittsansichten, die einen Transistor nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen. 1A ist die Draufsicht, und ein Querschnitt entlang einer Strichpunktlinie A1-A2 und derjenige entlang einer Strichpunktlinie A3-A4 in 1A entsprechen 1B. 1C ist eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs in 1B, der durch einen Kreis einer Punktlinie umgeben ist. Es sei angemerkt, dass einige Bestandteile in der Draufsicht in 1A nicht abgebildet sind, um die Zeichnung zu vereinfachen.
Ein Transistor 150 in 1A bis 1C beinhaltet einen Basis-Isolierfilm 102 über einem Substrat 100, einen mehrschichtigen Film 104, der einen Oxidhalbleiterfilm umfasst und über dem Basis-Isolierfilm 102 liegt, einen niederohmigen Bereich 105a und einen niederohmigen Bereich 105b über dem mehrschichtigen Film 104, eine Source-Elektrode 106a über dem niederohmigen Bereich 105a, eine Drain-Elektrode 106b über dem niederohmigen Bereich 105b, einen Gate-Isolierfilm 108 über dem mehrschichtigen Film 104, der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b, und eine Gate-Elektrode 110 über dem Gate-Isolierfilm 108. Zusätzlich kann ein Oxid-Isolierfilm 112 über dem Gate-Isolierfilm 108 und der Gate-Elektrode 110 bereitgestellt sein. Der Oxid-Isolierfilm 112 kann nach Bedarf ausgebildet sein, und ein weiterer Isolierfilm (z. B. ein Nitrid-Isolierfilm 114) kann darüber bereitgestellt sein.
Es sei angemerkt, dass Funktionen einer Source und eines Drains eines Transistors untereinander ausgetauscht werden können, wenn Transistoren mit unterschiedlichen Polaritäten verwendet werden oder wenn die Richtung eines Stromflusses im Schaltungsbetrieb verändert wird. Deshalb können die Begriffe „Source” und „Drain” in dieser Beschreibung untereinander ausgetauscht werden.
Das Substrat 100 ist nicht auf ein einfaches tragendes Substrat beschränkt und kann ein Substrat sein, bei dem eine Vorrichtung, wie z. B. ein Transistor, ausgebildet ist. In diesem Fall kann mindestens eine Elektrode von der Gate-Elektrode 110, der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b des Transistors 150 elektrisch mit der Vorrichtung verbunden sein.
Der Basis-Isolierfilm 102 kann eine Funktion zum Zuführen von Sauerstoff zu dem Oxidhalbleiterfilm des mehrschichtigen Films 104 sowie eine Funktion zum Verhindern einer Diffusion einer Verunreinigung aus dem Substrat 100 aufweisen. Aus diesem Grund ist der Basis-Isolierfilm 102 bevorzugt ein Sauerstoff enthaltender Isolierfilm, stärker bevorzugt ein überschüssigen Sauerstoff enthaltender Isolierfilm. Es sei angemerkt, dass in dem Fall, in dem, wie oben beschrieben, das Substrat 100 ein Substrat ist, bei dem eine weitere Vorrichtung ausgebildet ist, der Basis-Isolierfilm 102 auch eine Funktion als Zwischenschichtisolierfilm aufweist. In diesem Fall wird der Basis-Isolierfilm 102 vorzugsweise einer Planarisierungsbehandlung, wie z. B. einer chemisch-mechanischen Polier-(chemical mechanical polishing, CMP-)Behandlung, unterzogen, um eine flache Oberfläche aufzuweisen.
Der mehrschichtige Film 104 weist eine Struktur auf, bei der ein Oxidfilm 104a, ein Oxidhalbleiterfilm 104b und ein Oxidfilm 104c von der Seite des Substrats 100 aus übereinander geschichtet sind. Für den Oxidhalbleiterfilm 104b wird ein Oxidhalbleiter verwendet, dessen Elektronenaffinität (eine Energie von dem Vakuumniveau bis zu dem Minimum des Leitungsbandes) höher ist als diejenige des Oxidfilms 104a und des Oxidfilms 104c. Die Elektronenaffinität kann durch Subtrahieren eines Energieunterschiedes zwischen dem Minimum des Leitungsbandes und dem Maximum des Valenzbandes (der als Energielücke bezeichnet wird) von einem Energieunterschied zwischen dem Vakuumniveau und dem Maximum des Valenzbandes (der als Ionisierungspotential bezeichnet wird) ermittelt werden.
In dem mehrschichtigen Film 104 sind in einigen Fällen Grenzen zwischen dem Oxidfilm 104a und dem Oxidhalbleiterfilm 104b und zwischen dem Oxidhalbleiterfilm 104b und dem Oxidfilm 104c nicht deutlich wahrzunehmen, was von Materialien abhängt, die für den Oxidfilm 104a, den Oxidhalbleiterfilm 104b und den Oxidfilm 104c verwendet werden. Daher sind in den Zeichnungen die Grenzen des Oxidfilms 104a, des Oxidhalbleiterfilms 104b und des Oxidfilms 104c durch Punktlinien dargestellt.
Obwohl bei dieser Ausführungsform der Fall beschrieben wird, in dem der mehrschichtige Film 104 eine Schichtanordnung aus drei Schichten ist, kann der mehrschichtige Film 104 eine einzige Schicht oder eine Schichtanordnung aus zwei Schichten oder vier oder mehr Schichten sein. Im Falle einer einzigen Schicht wird eine Schicht verwendet, die dem Oxidhalbleiterfilm 104b entspricht. Im Falle von zwei Schichten wird eine Schicht, die dem Oxidhalbleiterfilm 104b entspricht, auf der Seite des Substrats 100 verwendet, und eine Schicht, die dem Oxidfilm 104a oder dem Oxidfilm 104c entspricht, wird auf der Seite des Gate-Isolierfilms 108 verwendet. Im Falle von vier oder mehr Schichten wird, wie in der Beschreibung dieser Ausführungsform, eine Struktur verwendet, bei der der Oxidhalbleiterfilm 104b zwischen Schichten liegt, die dem Oxidfilm 104a und dem Oxidfilm 104c entsprechen.
Vorzugsweise enthalten der Oxidfilm 104a und der Oxidfilm 104c jeweils eine oder mehrere Art/en von Metallelement/en, die den Oxidhalbleiterfilm 104b bildet/bilden, und werden jeweils unter Verwendung eines Oxides ausgebildet, dessen Energie des Minimums des Leitungsbandes um 0,05 eV oder mehr, 0,07 eV oder mehr, 0,1 eV oder mehr oder 0,15 eV oder mehr und 2 eV oder weniger, 1 eV oder weniger, 0,5 eV oder weniger oder 0,4 eV oder weniger näher an dem Vakuumniveau liegt als diejenige des Oxidhalbleiterfilms 104b.
Wenn bei einer derartigen Struktur eine Spannung an die Gate-Elektrode 110 angelegt wird, wird ein Kanal in dem Oxidhalbleiterfilm 104b des mehrschichtigen Films 104 gebildet, da der Oxidhalbleiterfilm 104b die niedrigste Energie an dem Minimum des Leitungsbandes aufweist. Mit anderen Worten: Der Oxidfilm 104c ist zwischen dem Oxidhalbleiterfilm 104b und dem Gate-Isolierfilm 108 ausgebildet, wodurch eine Struktur erhalten werden kann, bei der der Kanal des Transistors nicht in Kontakt mit dem Gate-Isolierfilm steht.
Des Weiteren enthält der Oxidfilm 104a ein oder mehrere Metallelement/e, das/die in dem Oxidhalbleiterfilm 104b enthalten ist/sind; deshalb wird ein Grenzflächenzustand (interface state) an der Grenzfläche zwischen dem Oxidhalbleiterfilm 104b und dem Oxidfilm 104a nicht leicht gebildet. Der Grenzflächenzustand bildet manchmal einen Kanal; deswegen wird in einigen Fällen ein zweiter Transistor ausgebildet, der eine unterschiedliche Schwellenspannung aufweist, und demzufolge wird die scheinbare Schwellenspannung des Transistors geändert. Mit dem Oxidfilm 104a können daher Schwankungen der elektrischen Eigenschaften des Transistors, wie z. B. einer Schwellenspannung, verringert werden.
Des Weiteren ist es, da der Oxidfilm 104c ein oder mehrere Metallelement/e enthält, das/die in dem Oxidhalbleiterfilm 104b enthalten ist/sind, unwahrscheinlich, dass eine Ladungsträgerstreuung (carrier scattering) an der Grenzfläche zwischen dem Oxidhalbleiterfilm 104b und dem Oxidfilm 104c auftritt. Mit dem Oxidfilm 104c kann daher die Feldeffektbeweglichkeit des Transistors erhöht werden.
Es sei angemerkt, dass dann, wenn der Oxidfilm 104a, der Oxidhalbleiterfilm 104b und der Oxidfilm 104c jeweils ein In-M-Zn-Oxid sind, das mindestens Indium, Zink und M (M ist ein Metall, wie z. B. Al, Ti, Ga, Ge, Y, Zr, Sn, La, Ce oder Hf) enthält, und wenn der Oxidfilm 104a ein Atomverhältnis von In:M:Zn = x₁:y₁:z₁ aufweist, der Oxidhalbleiterfilm 104b ein Atomverhältnis von In:M:Zn = x₂:y₂:z₂ aufweist und der Oxidfilm 104c ein Atomverhältnis von In:M:Zn = x₃:y₃:z₃ aufweist, sowohl y₁/x₁ als auch y₃/x₃ vorzugsweise größer sind als y₂/x₂. Sowohl y₁/x₁ als auch y₃/x₃ sind 1,5- oder mehrfach, bevorzugt doppelt oder mehrfach, stärker bevorzugt drei- oder mehrfach so groß wie y₂/x₂. Dabei kann ein Transistor stabile elektrische Eigenschaften aufweisen, wenn bei dem Oxidhalbleiterfilm 104b y₂ größer als oder gleich x₂ ist. Jedoch wird dann, wenn y₂ drei- oder mehrfach so groß wie x₂ ist, die Feldeffektbeweglichkeit des Transistors verringert; folglich ist y₂ bevorzugt kleiner als das Dreifache von x₂.
In dem Fall, in dem Zn und O außer Acht gelassen werden, beträgt das Atomverhältnis von In zu M sowohl in dem Oxidfilm 104a als auch in dem Oxidfilm 104c bevorzugt wie folgt: Der In-Anteil ist niedriger als 50 Atom-% und der M Anteil ist höher als oder gleich 50 Atom-%; es beträgt stärker bevorzugt wie folgt: Der In-Anteil ist niedriger als 25 Atom-% und der M-Anteil ist höher als oder gleich 75 Atom-%. In dem Fall, in dem Zn und 0 außer Acht gelassen werden, beträgt das Atomverhältnis von In zu M in dem Oxidhalbleiterfilm 104b bevorzugt wie folgt: Der In-Anteil ist höher als oder gleich 25 Atom-% und der M-Anteil ist niedriger als 75 Atom-%; es beträgt stärker bevorzugt wie folgt: Der In-Anteil ist höher als oder gleich 34 Atom-% und der M Anteil ist niedriger als 66 Atom-%.
Die Dicke des Oxidfilms 104a und diejenige des Oxidfilms 104c sind jeweils größer als oder gleich 3 nm und kleiner als oder gleich 100 nm, bevorzugt größer als oder gleich 3 nm und kleiner als oder gleich 50 nm. Die Dicke des Oxidhalbleiterfilms 104b ist größer als oder gleich 3 nm und kleiner als oder gleich 200 nm, bevorzugt größer als oder gleich 3 nm und kleiner als oder gleich 100 nm, stärker bevorzugt größer als oder gleich 3 nm und kleiner als oder gleich 50 nm.
Für den Oxidfilm 104a, den Oxidhalbleiterfilm 104b und den Oxidfilm 104c kann beispielsweise ein Oxidhalbleiter verwendet werden, der Indium, Zink und Gallium enthält. Es sei angemerkt, dass der Oxidhalbleiterfilm 104b vorzugsweise Indium enthält, weil die Ladungsträgerbeweglichkeit erhöht werden kann.
Um einen Transistor mit stabilen elektrischen Eigenschaften zu erzielen, bei dem ein Kanal in dem Oxidhalbleiterfilm gebildet wird, ist es effektiv, den Oxidhalbleiterfilm intrinsisch oder im Wesentlichen intrinsisch zu machen, indem die Konzentration der Verunreinigungen in dem Oxidhalbleiterfilm verringert wird. Der Begriff „im Wesentlichen intrinsisch” bezeichnet den Zustand, in dem ein Oxidhalbleiterfilm eine Ladungsträgerdichte von niedriger als 1 × 10¹⁷/cm³, bevorzugt niedriger als 1 × 10¹⁵/cm³, stärker bevorzugt niedriger als 1 × 10¹³/cm³ aufweist.
Des Weiteren sind in dem Oxidhalbleiterfilm Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenstoff, Silizium und ein Metallelement, das sich von Hauptkomponenten unterscheidet, Verunreinigungen. Wasserstoff und Stickstoff bilden beispielsweise Donatorniveaus (donor levels), was die Ladungsträgerdichte erhöht. Silizium bildet Verunreinigungszustände (impurity states) in einem Oxidhalbleiterfilm. Der Verunreinigungszustand dient als Einfangstelle, was die elektrischen Eigenschaften des Transistors verschlechtern könnte. Deshalb ist es wirksam, die Verunreinigungskonzentrationen in dem Oxidfilm 104a, dem Oxidhalbleiterfilm 104b und dem Oxidfilm 104c und die Verunreinigungskonzentrationen an Grenzflächen derselben zu verringern.
Damit der Oxidhalbleiterfilm intrinsisch oder im Wesentlichen intrinsisch sein kann, wird die Konzentration von Silizium in dem Oxidhalbleiterfilm, gemessen durch eine Sekundärionen-Massenspektrometrie-(SIMS-)Analyse, auf niedriger als 1 × 10¹⁹ Atome/cm³, bevorzugt niedriger als 5 × 10¹⁸ Atome/cm³, stärker bevorzugt niedriger als 1 × 10¹⁸ Atome/cm³ eingestellt. Die Konzentration von Wasserstoff in dem Oxidhalbleiterfilm wird auf niedriger als oder gleich 1 × 10¹⁹ Atome/cm³, bevorzugt niedriger als oder gleich 5 × 10¹⁷ Atome/cm³, stärker bevorzugt niedriger als oder gleich 1 × 10¹⁷ Atome/cm³ eingestellt. Die Konzentration von Stickstoff in dem Oxidhalbleiterfilm wird auf niedriger als 5 × 10¹⁹ Atome/cm³, bevorzugt niedriger als oder gleich 5 × 10¹⁸ Atome/cm³, stärker bevorzugt niedriger als oder gleich 1 × 10¹⁸ Atome/cm³, noch stärker bevorzugt niedriger als oder gleich 5 × 10¹⁷ Atome/cm³ eingestellt.
Zudem könnte in dem Fall, in dem der Oxidhalbleiterfilm einen Kristall enthält, die Kristallinität des Oxidhalbleiterfilms verschlechtert werden, wenn Silizium oder Kohlenstoff mit einer hohen Konzentration enthalten ist. Damit die Kristallinität des Oxidhalbleiterfilms nicht verringert wird, wird die Konzentration von Silizium in dem Oxidhalbleiterfilm bevorzugt auf niedriger als 1 × 10¹⁹ Atome/cm³, stärker bevorzugt niedriger als 5 × 10¹⁸ Atome/cm³, noch stärker bevorzugt niedriger als 1 × 10¹⁸ Atome/cm³ eingestellt. Außerdem wird die Konzentration von Kohlenstoff in dem Oxidhalbleiterfilm auf niedriger als 1 × 10¹⁹ Atome/cm³, bevorzugt niedriger als 5 × 10¹⁸ Atome/cm³, stärker bevorzugt niedriger als 1 × 10¹⁸ Atome/cm³ eingestellt.
Des Weiteren wird die Konzentration von Alkalimetall oder Erdalkalimetall in dem Oxidhalbleiterfilm, gemessen durch eine SIMS-Analyse, auf niedriger als oder gleich 1 × 10¹⁸ Atome/cm³, bevorzugt niedriger als oder gleich 2 × 10¹⁶ Atome/cm³ eingestellt. Das liegt daran, dass ein Alkalimetall und ein Erdalkalimetall Ladungsträger erzeugen könnten, wenn sie an einen Oxidhalbleiter gebunden werden, in welchem Falle der Sperrstrom des Transistors ansteigen könnte.
Ein Transistor, bei dem, wie oben beschrieben, ein hochreiner Oxidhalbleiterfilm für einen Kanalbildungsbereich verwendet wird, weist einen sehr niedrigen Sperrstrom auf, und der Sperrstrom, der bezüglich der Kanalbreite des Transistors normalisiert wird, kann sehr niedrig sein, z. B. mehrere Yoktoampere pro Mikrometer bis mehrere Zeptoampere pro Mikrometer.
Es sei angemerkt, dass ein Silizium enthaltender Isolierfilm in vielen Fällen als Gate-Isolierfilm des Transistors verwendet wird; es ist also aus dem zuvor beschriebenen Grund bevorzugt, dass ein als Kanal dienender Bereich des Oxidhalbleiterfilms nicht in Kontakt mit dem Gate-Isolierfilm steht. In dem Fall, in dem ein Kanal an der Grenzfläche zwischen einem Gate-Isolierfilm und einem Oxidhalbleiterfilm gebildet wird, tritt eine Streuung von Ladungsträgern an der Grenzfläche auf, wodurch die Feldeffektbeweglichkeit eines Transistors in einigen Fällen abnimmt. Im Hinblick darauf ist es ebenfalls bevorzugt, dass ein als Kanal dienender Bereich des Oxidhalbleiterfilms getrennt von dem Gate-Isolierfilm liegt.
Wenn der mehrschichtige Film 104 die geschichtete Struktur aus dem Oxidfilm 104a, dem Oxidhalbleiterfilm 104b und dem Oxidfilm 104c aufweist, kann daher der Oxidhalbleiterfilm 104b, in dem ein Kanal des Transistors gebildet wird, getrennt von dem Gate-Isolierfilm liegen, so dass der Transistor hohe Feldeffektbeweglichkeit und stabile elektrische Eigenschaften aufweisen kann.
Nun wird das lokalisierte Niveau des Oxidhalbleiterfilms beschrieben. Es werden hier Messergebnisse des Oxidhalbleiterfilms beschrieben, die durch eine konstante Photostrom-Methode (constant photocurrent method, CPM) erhalten werden.
Zuerst werden die Strukturen von Messproben beschrieben.
Die Messproben beinhalten jeweils einen Oxidhalbleiterfilm über einem Glassubstrat, ein Paar von Elektroden in Kontakt mit dem Oxidhalbleiterfilm und einen Isolierfilm, der den Oxidhalbleiterfilm und das Paar von Elektroden bedeckt.
Als Nächstes werden Verfahren zum Ausbilden der Oxidhalbleiterfilme in den Messproben beschrieben.
Ein erster Oxidhalbleiterfilm wurde durch ein Sputterverfahren unter den folgenden Bedingungen ausgebildet: Ein In-Ga-Zn-Oxidtarget (mit einem Atomverhältnis von In: Ga: Zn = 1:1:1) wurde verwendet, Argon mit einer Durchflussmenge von 30 sccm und Sauerstoff mit einer Durchflussmenge von 15 sccm wurden als Sputtergas verwendet, der Druck betrug 0,4 Pa, die Substrattemperatur war Raumtemperatur, und eine Gleichstromleistung von 0,5 kW wurde angelegt. Es sei angemerkt, dass es sich bei dem ersten Oxidhalbleiterfilm um einen mikrokristallinen Oxidhalbleiterfilm handelt.
Außerdem wurde der erste Oxidhalbleiterfilm eine Stunde lang bei 450°C in einer Stickstoffatmosphäre und dann eine Stunde lang bei 450°C in einer Sauerstoffatmosphäre erwärmt, wodurch Wasserstoff aus dem ersten Oxidhalbleiterfilm abgegeben und Sauerstoff dem ersten Oxidhalbleiterfilm zugeführt wurde. Auf diese Weise wurde ein zweiter Oxidhalbleiterfilm ausgebildet. Es handelt sich bei dem zweiten Oxidhalbleiterfilm um einen mikrokristallinen Oxidhalbleiterfilm.
Als Nächstes wurden die Messprobe mit dem ersten Oxidhalbleiterfilm und die Messprobe mit dem zweiten Oxidhalbleiterfilm einer CPM-Messung unterzogen. Insbesondere wurde die Menge an Licht, mit dem eine Oberfläche der Messprobe zwischen dem Paar von Elektroden bestrahlt wurde, derart gesteuert, dass der Wert eines Photostroms in dem Zustand konstant gehalten wurde, in dem eine Spannung zwischen den Elektroden in Kontakt mit dem Oxidhalbleiterfilm angelegt wurde, und dann wurde ein Absorptionskoeffizient von der Menge am Bestrahlungslicht in einem gewollten Wellenlängenbereich abgeleitet.
Die Absorptionskoeffizienten, die in 43A und 43B gezeigt sind, wurden jeweils erhalten, indem ein Absorptionskoeffizient aufgrund des Band-Ausläufers (band tail) von dem Absorptionskoeffizienten abgezogen wurde, der durch die CPM-Messung an der Messprobe erhalten wurde. Das heißt, dass in 43A und 43B die Absorptionskoeffizienten aufgrund von Defekten gezeigt sind. In 43A und 43B bezeichnet die horizontale Achse den Absorptionskoeffizienten, und die vertikale Achse bezeichnet die Photonenenergie. Bei der vertikalen Achse in 43A und 43B wird das Minimum des Leitungsbandes des Oxidhalbleiterfilms auf 0 eV eingestellt, und das Maximum des Valenzbandes wird auf 3,15 eV eingestellt. Jede Kurve in 43A und 43B stellt eine Beziehung zwischen dem Absorptionskoeffizienten und der Photonenenergie dar, die einem Defektniveau entspricht.
43A zeigt Messergebnisse der Messprobe mit dem ersten Oxidhalbleiterfilm, bei dem ein Absorptionskoeffizient aufgrund eines Defektniveaus 5,28 × 10^–1 cm^–1 beträgt. 43B zeigt Messergebnisse der Messprobe mit dem zweiten Oxidhalbleiterfilm, bei dem ein Absorptionskoeffizient aufgrund eines Defektniveaus 1,75 × 10^–2 cm^–1 beträgt.
Diese Ergebnisse zeigen, dass Defekte in dem Oxidhalbleiterfilm durch eine Wärmebehandlung verringert werden können.
Es sei angemerkt, dass die Filmdichten (film densities) des ersten Oxidhalbleiterfilms und des zweiten Oxidhalbleiterfilms durch Röntgenreflektometrie (X-ray reflectometry, XRR) gemessen wurden. Die Filmdichte des ersten Oxidhalbleiterfilms betrug 5,9 g/cm³, und die Filmdichte des zweiten Oxidhalbleiterfilms betrug 6,1 g/cm³.
Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Filmdichte eines Oxidhalbleiterfilms durch eine Wärmebehandlung erhöht werden kann.
Mit anderen Worten: Es wird gefunden, dass dann, wenn die Filmdichte eines Oxidhalbleiterfilms höher wird, die Anzahl der Defekte in dem Oxidhalbleiterfilm verringert wird.
Als Nächstes wird ein Messergebnis, das durch eine konstante Photostrom-Methode (CPM) erhalten wird, einer weiteren Messprobe beschrieben, die unter einer anderen Bedingung als derjenigen der vorstehenden Messprobe hergestellt wird.
Zuerst wird die Struktur einer Probe beschrieben, die einer CPM-Messung unterzogen wurde.
Die Messprobe beinhaltet einen Oxidhalbleiterfilm über einem Glassubstrat, ein Paar von Elektroden in Kontakt mit dem Oxidhalbleiterfilm und einen Isolierfilm, der den Oxidhalbleiterfilm und das Paar von Elektroden bedeckt.
Als Nächstes wird ein Verfahren zum Ausbilden des Oxidhalbleiterfilms in der Messprobe beschrieben.
Der Oxidhalbleiterfilm wurde durch ein Sputterverfahren unter den folgenden Bedingungen ausgebildet: Ein In-Ga-Zn-Oxidtarget (mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:1:1) wurde verwendet, Argon mit einer Durchflussmenge von 30 sccm und Sauerstoff mit einer Durchflussmenge von 15 sccm wurden als Sputtergas verwendet, der Druck betrug 0,4 Pa, die Substrattemperatur betrug 400°C, und eine Gleichstromleistung von 0,5 kW wurde angelegt. Danach wurde der Oxidhalbleiterfilm eine Stunde lang bei 450°C in einer Stickstoffatmosphäre und dann eine Stunde lang bei 450°C in einer Sauerstoffatmosphäre erwärmt, wodurch Wasserstoff aus dem Oxidhalbleiterfilm abgegeben und Sauerstoff dem Oxidhalbleiterfilm zugeführt wurde. Es sei angemerkt, dass der Oxidhalbleiterfilm ein CAAC-OS-(Oxidhalbleiter mit Ausrichtung bezüglich der c-Achse, c-axis-aligned crystalline Oxide semiconductor)Film ist.
Als Nächstes wurde die Messprobe mit dem Oxidhalbleiterfilm einer CPM-Messung unterzogen. Insbesondere wird die Menge an Licht, mit dem eine Oberfläche der Probe zwischen dem Paar von Elektroden bestrahlt wurde, derart gesteuert, dass der Wert eines Photostroms in dem Zustand konstant gehalten wurde, in dem eine Spannung zwischen den Elektroden in Kontakt mit dem Oxidhalbleiterfilm angelegt wurde, und dann wird ein Absorptionskoeffizient von der Menge am Bestrahlungslicht in einem gewollten Wellenlängenbereich abgeleitet.
Der Absorptionskoeffizient, der in 44 gezeigt ist, wurde erhalten, indem ein Absorptionskoeffizient aufgrund des Band-Ausläufers von dem Absorptionskoeffizienten abgezogen wurde, der durch die CPM-Messung an der Messprobe erhalten wurde. Das heißt, dass in 44 der Absorptionskoeffizient aufgrund von Defekten gezeigt ist. In 44 bezeichnet die horizontale Achse den Absorptionskoeffizienten, und die vertikale Achse bezeichnet die Photonenenergie. Bei der vertikalen Achse in 44 werden das Minimum des Leitungsbandes und das Maximum des Valenzbandes des Oxidhalbleiterfilms auf 0 eV bzw. 3,15 eV eingestellt. Die Kurve in 44 stellt eine Beziehung zwischen dem Absorptionskoeffizienten und der Photonenenergie dar, die einem Defektniveau entspricht.
Bei einer in 44 gezeigten Kurve beträgt der Absorptionskoeffizient aufgrund eines Defektniveaus 5,86 × 10^–4 cm^–1. Das heißt, dass der CAAC-OS-Film einen Absorptionskoeffizienten aufgrund eines Defektniveaus von weniger als 1 × 10^–3/cm, bevorzugt weniger als 1 × 10^–4/cm aufweist, nämlich ein Film ist, der eine niedrige Dichte eines Defektniveaus hat.
Die Filmdichte des Oxidhalbleiterfilms wurde durch Röntgenreflektometrie (XRR) gemessen. Die Filmdichte des Oxidhalbleiterfilms betrug 6,3 g/cm³. Das heißt, dass der CAAC-OS-Film ein Film mit einer hohen Filmdichte ist.
Als Nächstes wird eine Verschlechterung beschrieben, die durch das Anlegen einer positiven Spannung an die Drain-Elektrode des Transistors verursacht wird.
40 zeigt eine Bandstruktur in der Kanal-Längsrichtung. Es sei angemerkt, dass in 40 ein Oxidhalbleiterfilm (OS) als i-Schicht (als „i” bezeichnet) dargestellt ist, damit er sich von der n-Schicht unterscheidet.
Wie in 40 gezeigt, ist die Fermi-Energie des Oxidhalbleiterfilms höher als die Lückenmitte (mid gap). Das liegt daran, dass dann, wenn der Abstand zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode ausreichend kurz ist, die Energie (Ec) des Minimums des Leitungsbandes durch den Effekt der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode verringert wird, und daher die Energie des Minimums des Leitungsbandes und die Fermi-Energie einander nahe kommen. Dieses Phänomen wird als Leitungsbandabsenkungs-(conduction band lowering, CBL-)Effekt bezeichnet. Der CBL-Effekt ist ein Effekt, der einem Oxidhalbleiter eigen ist und einer sehr großen Verarmungsschicht des Oxidhalbleiterfilms zugeschrieben ist.
Nun wird der CBL-Effekt im Einzelnen beschrieben.
Es sieht intuitiv so aus, dass in dem Fall, in dem ein intrinsischer oder im Wesentlichen intrinsischer Oxidhalbleiterfilm als Oxidhalbleiterfilm verwendet wird, eine Barriere, die etwa die Hälfte der Energielücke des Oxidhalbleiterfilms beträgt, zwischen der Source- und der Drain-Elektrode und dem Oxidhalbleiterfilm gebildet wird. Jedoch weist der den Oxidhalbleiterfilm beinhaltende Transistor in der Praxis derartige Vg-Id-Eigenschaften auf, nämlich dass ein Drain-Strom zu fließen beginnt, wenn die Gate-Spannung etwa 0 V beträgt.
Im Hinblick darauf wird die folgende in 41 dargestellte Struktur vorausgesetzt: Ein Oxidhalbleiterfilm (OS) ist bereitgestellt, eine Source-Elektrode (S) und eine Drain-Elektrode (D) sind über dem Oxidhalbleiterfilm bereitgestellt, und ein Gate-Isolierfilm (GI) ist über dem Oxidhalbleiterfilm, der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode bereitgestellt. Dann wird eine Bandstruktur entlang der Strichpunktlinie E1–E2 berechnet, wobei sich die Kanallänge (L) ändert. In 41 sind n-Schichten in Bereichen des Oxidhalbleiterfilms angeordnet, die in Kontakt mit der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode stehen.
Aus einer Schätzung der Kurvenbreite des Bandes, die durch Lösen der Poisson-Gleichung ermittelt wird, findet man, dass die Kurvenbreite des Bandes durch die Debye-Länge (Debye shielding length) λ_D in der folgenden Formel gekennzeichnet wird. Es sei angemerkt, dass k_B in der folgenden Gleichung eine Boltzmann-Konstante darstellt.
[Formel 1]

die Kurvenbreite des Bandes-
-Debye-Länge λ_D

Wenn in der obigen Formel die intrinsische Ladungsträgerdichte ni des Oxidhalbleiterfilms durch 6,6 × 10^–9 cm^–3, die relative Permittivität ε des Oxidhalbleiterfilms durch 15 und die Temperatur T durch 300 K ersetzt werden, findet man, dass die Debye-Länge λ_D sehr lang ist, d. h. 5,7 × 10¹⁰ μm. Dies deutet darauf hin, dass dann, wenn die Kanallänge größer als 1,14 × 10¹¹ μm, d. h. doppelt so groß wie die Debye-Länge λ_D, ist, die Höhe einer Barriere zwischen der n-Schicht und der i-Schicht die Hälfte der Energielücke des Oxidhalbleiterfilms beträgt.
42 zeigt die Ergebnisse einer Berechnung der Bandstrukturen, bei denen die Kanallängen 0,03 µm, 0,3 µm, 1 µm, 10 µm, 100 µm und 1 × 10¹² µm betragen. Es sei angemerkt, dass in 42 „n” die n-Schicht darstellt, „i” einen Bereich eines Oxidhalbleiterfilms (die i-Schicht) zwischen den n-Schichten darstellt, eine Strichpunktlinie die Fermi-Energie des Oxidhalbleiterfilms darstellt und eine gestrichelte Linie die Lückenmitte (mid gap) des Oxidhalbleiterfilms darstellt.
Aus 42 ist in dem Fall, in dem die Kanallänge 1 × 10¹² µm beträgt, der Unterschied zwischen der Elektronenenergie der i-Schicht und derjenigen der n-Schicht die Hälfte der Energielücke des Oxidhalbleiterfilms. Jedoch wird mit der Abnahme der Kanallänge der Unterschied zwischen der Elektronenenergie der i-Schicht und derjenigen der n-Schicht allmählich kleiner, und es gibt im Wesentlichen keine Energiebarriere, wenn die Kanallänge 1 µm oder kürzer beträgt. Es sei angemerkt, dass die Elektronenenergie der n-Schicht durch die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode festgelegt wird.
Wie oben beschrieben worden ist, ist die Barriere zwischen der n-Schicht und der i-Schicht ausreichend niedrig, wenn die Kanallänge kurz ist.
Dank des CBL-Effekts wird der Unterschwellenwert (subthreshold value) des Transistors mit dem Oxidhalbleiterfilm auf einen Wert nahe an der theoretischen Grenze verringert, auch wenn es eine Barriere zwischen der Source- und der Drain-Elektrode und dem Oxidhalbleiterfilm gibt; daher werden vorteilhafte Schalteigenschaften erhalten.
Bei einem Kanal mit n-Typ-Leitfähigkeit kann ein Elektron leicht von der Source bis zu dem Drain geleitet werden, und ein Pfad wird zwischen der Source und dem Drain gebildet. Als Ergebnis sind die Schalteigenschaften schwer zu erhalten. Um dies zu vermeiden, muss es vollständig verhindert werden, dass der Kanal n-Typ-Leitfähigkeit aufweist, und der Kanal muss unbedingt intrinsisch (i-Typ) sein.
Ein Material eines leitenden Films, der zu der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode wird, ist ein leitendes Material, das leichter an Sauerstoff gebunden wird als an ein Metallelement, das in dem Oxidhalbleiterfilm enthalten ist; deshalb wird Sauerstoff in dem mehrschichtigen Film 104 an das leitende Material gebunden. Die Bindung bildet eine Sauerstofffehlstelle in einem Bereich des mehrschichtigen Films 104 in der Nähe einer Grenzfläche zu dem leitenden Film. Alternativ wird ein Schaden (eine Sauerstofffehlstelle) an der nach oben weisenden Oberfläche des mehrschichtigen Films 104 verursacht, wenn der leitende Film, der über dem mehrschichtigen Film 104 auszubilden ist, ausgebildet wird. Bereiche, deren Widerstände aufgrund von der Sauerstofffehlstelle und Wasserstoff verringert sind, d. h. der niederohmige Bereich 105a und der niederohmige Bereich 105b, werden gebildet, so dass der Kontaktwiderstand zwischen dem mehrschichtigen Film und der Source-Elektrode oder der Drain-Elektrode verringert wird. Außerdem werden in dem Fall, in dem das Material des leitenden Films ein leitendes Material ist, das durch eine Wärmebehandlung leicht in den Oxidhalbleiterfilm diffundiert, der niederohmige Bereich 105a und der niederohmige Bereich 105b gebildet. Obwohl Grenzen zwischen dem mehrschichtigen Film 104 und den niederohmigen Bereichen 105a und 105b in dem Oxidfilm 104c vorhanden sind, ist diese Ausführungsform nicht darauf beschränkt; die Grenzen können in dem Oxidfilm 104a, in dem Oxidhalbleiterfilm 104b, an der Grenzfläche zwischen dem Oxidfilm 104a und dem Oxidhalbleiterfilm 104b oder an der Grenzfläche zwischen dem Oxidhalbleiterfilm 104b und dem Oxidfilm 104c vorhanden sein. Ein niederohmiger Bereich ist beispielsweise ein Bereich, der einen Flächenwiderstand von niedriger als oder gleich 1,0 × 10⁶ Ω/Quadrat, bevorzugt niedriger als oder gleich 1,0 × 10⁵ Ω/Quadrat, stärker bevorzugt niedriger als oder gleich 1,0 × 10⁴ Ω/Quadrat aufweist.
Die Source-Elektrode 106a und die Drain-Elektrode 106b werden derart ausgebildet, dass sie jeweils einen stufenförmigen Randbereich aufweisen. Die Randbereiche können derart ausgebildet werden, dass ein Schritt zum Verkleinern einer Fotolackmaske durch Aschen und ein Ätzschritt mehrmals abwechselnd durchgeführt werden. Deshalb sind die Randbereiche der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b über dem niederohmigen Bereich 105a bzw. dem niederohmigen Bereich 105b angeordnet.
Folglich entspricht ein Kanalbildungsbereich des Transistors 150 einem Bereich 105c des mehrschichtigen Films 104 zwischen dem niederohmigen Bereich 105a und dem niederohmigen Bereich 105b, einem Bereich des niederohmigen Bereichs 105a, der nicht in Kontakt mit der Source-Elektrode 106a steht, und einem Bereich des niederohmigen Bereichs 105b, der nicht in Kontakt mit der Drain-Elektrode 106b steht. Der Widerstand des Kanalbildungsbereichs des Transistors 150 ist verringert (der Kanalbildungsbereich wird zu einem n-Typ gemacht); deshalb wird die Verunreinigungskonzentration des Oxidhalbleiterfilms in dem mehrschichtigen Film 104 notwendigerweise verringert, so dass der Oxidhalbleiterfilm einer Hochreinigung unterzogen und intrinsisch wird. „Erzielen eines hochreinen intrinsischen Oxidhalbleiterfilms” bedeutet, dass der Oxidhalbleiterfilm zu einem intrinsischen oder im Wesentlichen intrinsischen Oxidhalbleiterfilm wird. Der Begriff „im Wesentlichen intrinsisch” bezeichnet den Zustand, in dem ein Oxidhalbleiterfilm eine Ladungsträgerdichte von niedriger als 1 × 10¹⁷/cm³, bevorzugt niedriger als 1 × 10¹⁵/cm³, stärker bevorzugt niedriger als 1 × 10¹³/cm³ aufweist.
Damit der Kanalbildungsbereich des Transistors 150 einer Hochreinigung unterzogen und intrinsisch werden kann, wird Sauerstoff dem Bereich 105c des mehrschichtigen Films 104 zugesetzt. Der Zusatz von Sauerstoff kann die Menge an Sauerstofffehlstellen verringern, so dass ein hochreiner, intrinsischer Bereich ausgebildet werden kann. Infolgedessen können der hochreine, intrinsische Bereich und die niederohmigen Bereiche gleichzeitig getrennt ausgebildet werden.
Des Weiteren kann durch eine Wärmebehandlung überschüssiger Sauerstoff leicht von dem Basis-Isolierfilm 102, dem Gate-Isolierfilm 108 und dem Oxid-Isolierfilm 112 abgegeben werden, so dass die Sauerstofffehlstellen in dem mehrschichtigen Film 104 verringert werden können. Daher wird die Menge an Sauerstofffehlstellen in dem Kanalbildungsbereich des mehrschichtigen Films 104 weiter verringert, so dass der Kanalbildungsbereich hochrein und intrinsisch ist.
Als Nächstes wird die Bandstruktur des mehrschichtigen Films 104 beschrieben. Eine Schichtanordnung wird ausgebildet, die dem mehrschichtigen Film 104 entspricht; bei der Schichtanordnung wird ein In-Ga-Zn-Oxid mit einer Energielücke von 3,15 eV als Schicht entsprechend jedem des Oxidfilms 104a und des Oxidfilms 104c verwendet, und ein In-Ga-Zn-Oxid mit einer Energielücke von 2,8 eV wird als Schicht entsprechend dem Oxidhalbleiterfilm 104b verwendet. Die Bandstruktur wird analysiert. Es sei angemerkt, dass der Einfachheit halber die Schichtanordnung als der mehrschichtige Film 104 bezeichnet wird und die Schichten in der Schichtanordnung als der Oxidfilm 104a, der Oxidhalbleiterfilm 104b und der Oxidfilm 104c bezeichnet werden.
Die Dicken des Oxidfilms 104a, des Oxidhalbleiterfilms 104b und des Oxidfilms 104c betrugen jeweils 10 nm. Die Energielücke wurde mit einem spektroskopischen Ellipsometer (UT-300, hergestellt von HORIBA Jobin Yvon) gemessen. Zudem betrugen die Energielücke der näheren Umgebung der Grenzfläche zwischen dem Oxidfilm 104a und dem Oxidhalbleiterfilm 104b und die Energielücke der näheren Umgebung der Grenzfläche zwischen dem Oxidfilm 104c und dem Oxidhalbleiterfilm 104b jeweils 3 eV.
2A zeigt schematisch einen Teil einer Bandstruktur bezüglich eines Energieunterschiedes (Elektronenaffinität) zwischen dem Vakuumniveau und dem Minimum des Leitungsbandes jeder Schicht, welcher durch Subtrahieren der Energielücke jeder Schicht von dem Energieunterschied zwischen dem Vakuumniveau und dem Maximum des Valenzbandes berechnet wird. Anhand von 2A wird ein Fall beschrieben, in dem Siliziumoxidfilme in Kontakt mit dem Oxidfilm 104a und dem Oxidfilm 104c bereitgestellt sind. Hier stellt Evac die Energie des Vakuumniveaus dar, EcI1 und EcI2 stellen jeweils die Energie des Minimums des Leitungsbandes des Siliziumoxidfilms dar, EcS1 stellt die Energie des Minimums des Leitungsbandes des Oxidfilms 104a dar, EcS2 stellt die Energie des Minimums des Leitungsbandes des Oxidhalbleiterfilms 104b dar, und EcS3 stellt die Energie des Minimums des Leitungsbandes des Oxidfilms 104c dar. Des Weiteren ist beim Ausbilden eines Transistors eine Gate-Elektrode (die Gate-Elektrode 110 in dem Transistor 150) in Kontakt mit einem Siliziumoxidfilm mit EcI2 zu stehen.
Wie in 2A gezeigt ist, ändern sich die Energien der Minima des Leitungsbandes des Oxidfilms 104a, des Oxidhalbleiterfilms 104b und des Oxidfilms 104c stetig. Man kann dies auch aus der Tatsache verstehen, dass die Zusammensetzungen des Oxidfilms 104a, des Oxidhalbleiterfilms 104b und des Oxidfilms 104c nahe aneinander liegen und dass Sauerstoff leicht zwischen ihnen diffundiert. Deshalb weisen der Oxidfilm 104a, der Oxidhalbleiterfilm 104b und der Oxidfilm 104c eine stetige physikalische Eigenschaft auf, obwohl sie eine Schichtanordnung aus Schichten mit verschiedenen Zusammensetzungen sind. In den Zeichnungen in dieser Beschreibung sind Grenzflächen zwischen den Schichten der Schichtanordnung durch Punktlinien gezeigt.
Der mehrschichtige Film 104, in dem Schichten aus den gleichen Hauptkomponenten übereinander geschichtet sind, ist derart ausgebildet, dass er nicht nur eine einfache geschichtete Struktur der Schichten, sondern auch ein stetiges Energieband (hier besonders eine U-förmige Wannen-Struktur, bei der sich die Energien der Minima des Leitungsbandes zwischen Schichten stetig ändern) aufweist. Mit anderen Worten: Eine geschichtete Struktur ist derart ausgebildet, dass keine Verunreinigungen, die Defektniveaus (defect levels), wie z. B. ein Einfangzentrum (trap center) und ein Rekombinationszentrum (recombination center), für den Oxidhalbleiter oder eine den Fluss von Ladungsträgern behindernde Barriere bilden, an den Grenzflächen zwischen den Schichten existieren. Wenn Verunreinigungen zwischen dem Oxidhalbleiterfilm und dem Oxidfilm gemischt werden, die übereinander geschichtet sind, geht die Stetigkeit des Energiebandes verloren, und Ladungsträger verschwinden durch Einfangen oder Rekombination.
Um einen stetigen Übergang zu bilden, müssen die Schichten unter Verwendung eines Abscheidungssystems (einer Sputtereinrichtung) mit mehreren Kammern einschließlich einer Schleusenkammer ununterbrochen übereinander geschichtet werden, ohne dass sie der Luft ausgesetzt sind. Vorzugsweise kann jede Kammer der Sputtereinrichtung mit einer Adsorptionsvakuumpumpe, wie z. B. einer Kryopumpe, auf ein hohes Vakuum (ungefähr 1 × 10^–4 Pa bis 5 × 10^–7 Pa) evakuiert werden, und die Kammer ist vorzugsweise geeignet, ein Substrat, über dem ein Film abgeschieden wird, auf 100°C oder höher zu erwärmen, so dass Wasser und dergleichen, die sich als Verunreinigungen des Oxidhalbleiters verhalten, möglichst entfernt werden. Alternativ wird vorzugsweise eine Kombination von einer Turbomolekularpumpe und einer Kältefalle verwendet, um einen Rückfluss eines Gases, das eine Kohlenstoffkomponente, Feuchtigkeit oder dergleichen enthält, aus einem Abgassystem in eine Kammer zu verhindern.
Nicht nur eine Hochvakuum-Verdampfung in einer Kammer, sondern auch eine hohe Reinheit eines Sputtergases wird benötigt, um einen hochreinen intrinsischen Oxidhalbleiter zu erhalten. Als Sauerstoffgas oder Argongas, das als Sputtergas verwendet wird, wird ein Gas verwendet, das auf einen Taupunkt von –80°C oder niedriger, bevorzugt –100°C oder niedriger, stärker bevorzugt –120°C oder niedriger, hoch gereinigt ist, wodurch ein Eindringen von Feuchtigkeit oder dergleichen in den Oxidhalbleiterfilm möglichst verhindert werden kann.
Es sei angemerkt, dass 2A den Fall zeigt, in dem EcI1 und EcI3 einander gleichen; jedoch können sich EcI1 und EcI3 voneinander unterscheiden. Zum Beispiel wird in dem Fall, in dem EcS1 höher ist als EcS3, die Struktur in 2B gegenüber der Struktur in 2A bevorzugt. Das liegt daran, dass ein Strom hauptsächlich durch EcS2 fließt, welches in der Nähe von EcS3 liegt, welches auf der Seite der Gate-Elektrode positioniert ist.
Wenn der Oxidfilm 104c und die Gate-Elektrode derart angeordnet sind, dass ein Siliziumoxidfilm dazwischen liegt, dient der Siliziumoxidfilm als Gate-Isolierfilm, und der Oxidfilm 104c kann verhindern, dass Indium, welches in dem Oxidhalbleiterfilm 104b enthalten ist, in den Gate-Isolierfilm diffundiert. Um durch den Oxidfilm 104c die Diffusion von Indium zu verhindern, ist der Indium-Gehalt des Oxidfilms 104c vorzugsweise niedriger als derjenige des Oxidhalbleiterfilms 104b.
Beispielsweise kann dann, wenn EcI1 gleich EcI3 ist, ein In-Ga-Zn-Oxid mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:3:2 für den Oxidfilm 104a und den Oxidfilm 104c verwendet werden, und ein In-Ga-Zn-Oxid mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:1:1 kann für den Oxidhalbleiterfilm 104b verwendet werden. Des Weiteren kann dann, wenn EcI1 höher ist als EcI3, ein In-Ga-Zn-Oxid mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:6:4 oder 1:9:6 für den Oxidfilm 104a verwendet werden, ein In-Ga-Zn-Oxid mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:1:1 oder 3:1:2 kann für den Oxidhalbleiterfilm 104b verwendet werden, und ein In-Ga-Zn-Oxid mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:3:2 kann für den Oxidfilm 104c verwendet werden.
Gemäß 2A und 2B dient der Oxidhalbleiterfilm 104b des mehrschichtigen Films 104 als Wanne, und ein Kanal des Transistors, der den mehrschichtigen Film 104 beinhaltet, wird in dem Oxidhalbleiterfilm 104b gebildet. Da sich die Energie des Minimums des Leitungsbandes stetig ändert, kann der mehrschichtige Film 104 auch als U-förmige Wanne bezeichnet werden. Außerdem kann ein Kanal, der in einer derartigen Struktur gebildet wird, auch als vergrabener Kanal (buried channel) bezeichnet werden.
Es sei angemerkt, dass Einfangniveaus (trap levels), die auf Verunreinigungen oder Defekte zurückzuführen sind, in der Nähe der Grenzflächen zwischen dem Oxidfilm 104a und einem Isolierfilm, wie z. B. dem Siliziumoxidfilm, und zwischen dem Oxidfilm 104c und einem Isolierfilm gebildet werden können. Die Oxidfilme 104a und 104c ermöglichen, dass der Oxidhalbleiterfilm 104b und die Einfangniveaus getrennt voneinander liegen. Jedoch könnte dann, wenn der Energieunterschied zwischen EcS1 und EcS2 und der Energieunterschied zwischen EcS3 und EcS2 klein sind, ein Elektron in dem Oxidhalbleiterfilm 104b über den Energieunterschied hinüber das Einfangniveau erreichen. Wenn die Elektronen durch die Einfangniveaus eingefangen werden, werden negative feste Ladungen erzeugt, wodurch die Schwellenspannung des Transistors in positiver Richtung verschoben wird.
Deshalb sind bevorzugt die Energielücke zwischen EcS1 und EcS2 und die Energielücke zwischen EcS3 und EcS2 jeweils 0,1 eV oder größer, stärker bevorzugt 0,15 eV oder größer, weil der Änderungsbetrag der Schwellenspannung des Transistors verringert wird und der Transistor stabile elektrische Eigenschaften aufweisen kann.
Es sei angemerkt, dass ein oder mehrere Film/e von dem Oxidfilm 104a, dem Oxidhalbleiterfilm 104b und dem Oxidfilm 104c vorzugsweise Kristallteile enthält/enthalten. Beispielsweise ist der Oxidfilm 104a amorph, und der Oxidhalbleiterfilm 104b und der Oxidfilm 104c sind Schichten, die Kristallteile enthalten. Da der Oxidhalbleiterfilm 104b, in dem ein Kanal gebildet wird, Kristallteile aufweist, kann der Transistor stabile elektrische Eigenschaften aufweisen.
Im Besonderen sind vorzugsweise Kristallteile in dem Oxidhalbleiterfilm 104b und dem Oxidfilm 104c Kristalle, deren c-Achsen in einer Richtung ausgerichtet sind, die im Wesentlichen senkrecht zu den Oberflächen des Oxidhalbleiterfilms 104b und des Oxidfilms 104c ist.
Bei dem Transistor mit der Struktur in 1A bis 1C steht der Oxidfilm 104c in Kontakt mit der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b, und vorzugsweise ist die Energielücke des Oxidfilms 104c nicht groß wie diejenige eines Isolators, und die Filmdicke ist vorzugsweise klein, damit ein Strom effizient extrahiert werden kann. In dem Fall, in dem ein In-Ga-Zn-Oxid für den mehrschichtigen Film 104 verwendet wird, ist es ferner bevorzugt, dass der Oxidfilm 104c weniger In enthält als der Oxidhalbleiterfilm 104b, so dass eine Diffusion von In in den Gate-Isolierfilm verhindert werden kann.
Wie in einer vergrößerten Querschnittsansicht des Transistors in 3A dargestellt, kann ein Bereich 104d mit einer gekrümmten Oberfläche an einem Randbereich des mehrschichtigen Films 104 bereitgestellt sein. In dem Fall, in dem der mehrschichtige Film 104 unter Verwendung eines In-M-Zn-Oxides (M ist Al, Ti, Ga, Y, Zr, La, Ce, Nd oder Hf) ausgebildet wird, ist die Menge an M (MS4) in dem Bereich 104d bevorzugt größer als diejenige an M (MS2) in dem Oxidhalbleiterfilm 104b. Stärker bevorzugt ist die Menge an MS4 gleich derjenigen an M (MS1) in dem Oxidfilm 104a.
Der Bereich 104d an dem Randbereich des mehrschichtigen Films 104 kann unter Verwendung eines sogenannten Hasenohrs (rabbit ear) ausgebildet werden, bei dem eine Komponente des Oxidfilms 104a durch ein Trockenätzverfahren wieder angebracht wird. Ferner kann dann, wenn die Komponente des Ätzgases, die beim Ausbilden des Hasenohrs angebracht wird, entfernt wird und die M Komponente durch eine Oxidationsbehandlung oxidiert wird, die Isoliereigenschaft des Bereichs 104d verbessert werden.
Darüber hinaus wird, wie in 3B dargestellt, der Basis-Isolierfilm 102 teilweise geätzt, wenn der mehrschichtige Film einem Trockenätzen unterzogen wird. Deshalb hat ein Bereich des Basis-Isolierfilms 102, der in Kontakt mit dem mehrschichtigen Film steht, eine größere Dicke als ein Bereich des Basis-Isolierfilms 102, der nicht in Kontakt mit dem mehrschichtigen Film steht. Mit einer derartigen Struktur kann die Adhäsion zwischen dem mehrschichtigen Film und der Source-Elektrode oder der Drain-Elektrode verbessert werden.
4A ist eine Draufsicht auf den Transistor in 1A bis 1C und eine Querschnittsansicht des mehrschichtigen Films 104. Der Bereich 104d des mehrschichtigen Films 104, der sich mit der Gate-Elektrode überlappt, wandelt sich leicht in einen n-Typ, da Verunreinigungen aufgrund eines externen Faktors darin gemischt werden oder eine Sauerstofffehlstelle erzeugt wird; daher verhält sich der Bereich 104d in einigen Fällen wie ein parasitärer Kanal (parasitic channel). Es ist besonders bemerkenswert, dass sich der Oxidhalbleiterfilm 104b mit einer kleinen Energielücke leicht in einen n-Typ wandelt und daher der Bereich 104d, der den Oxidhalbleiterfilm 104b bedeckt, einen Effekt zum Unterdrücken einer Erzeugung eines parasitären Kanals hat.
In dem Fall, in dem die Hauptkomponenten des Oxidfilms 104a gleich denjenigen des Bereichs 104d sind, kann der Effekt zum Unterdrücken einer Erzeugung eines parasitären Kanals weiter verstärkt werden, wenn ein Unterschied (ΔE) zwischen der Energie (EcS1) des Minimums des Leitungsbandes in dem Oxidfilm 104a und der Energie (EcS4) an dem Minimum des Leitungsbandes in dem Bereich 104d größer wird. Des Weiteren ist der Bereich 104d bevorzugt dicker als der Oxidfilm 104a oder der Oxidfilm 104c, und eine Erzeugung eines parasitären Kanals aufgrund einer Wandlung eines Randbereichs des Oxidhalbleiterfilms 104b in einen n-Typ kann unterdrückt werden, wenn der Bereich 104d dicker wird.
Die Zusammensetzung des Bereichs 104d nähert sich den Zusammensetzungen des Oxidfilms 104a, des Oxidhalbleiterfilms 104b und des Oxidfilms 104c an, wodurch sich, wie in 4B dargestellt, die einen Teil der Bandstruktur des mehrschichtigen Films zeigt, die Energie des Minimums des Leitungsbandes stetig ändert. Das heißt: Der Oxidfilm 104a, der Oxidhalbleiterfilm 104b, der Oxidfilm 104c und der Bereich 104d bilden einen stetigen Übergang. Es sei angemerkt, dass die Richtung D1-D2 und die Richtung E1-E2 in 4B der Richtung einer Strichpunktlinie D1-D2 bzw. der Richtung einer Strichpunktlinie E1-E2 in der Querschnittsansicht des mehrschichtigen Films 104 in 4A entsprechen.
Die Source-Elektrode 106a und die Drain-Elektrode 106b können unter Verwendung eines leitenden Materials ausgebildet werden, das leichter an Sauerstoff gebunden wird als ein Metallelement, das in dem Oxidfilm und dem Oxidhalbleiterfilm enthalten ist (nachstehend wird der Ausdruck „als ein Metallelement, das in dem Oxidfilm und dem Oxidhalbleiterfilm enthalten ist” weggelassen, und der Ausdruck „wird leicht an Sauerstoff gebunden” kann ohne Vergleichsobjekt verwendet werden). Beispielsweise kann Al, Cr, Cu, Ta, Mo oder W verwendet werden. W (Wolfram) mit einem hohen Schmelzpunkt wird besonders bevorzugt, weil eine relativ hohe Prozesstemperatur bei einem nachfolgenden Schritt zum Einsatz kommen kann. Es sei angemerkt, dass das leitende Material, das leicht an Sauerstoff gebunden wird, ein Material umfasst, in das Sauerstoff leichter diffundiert als in den Oxidfilm und den Oxidhalbleiterfilm (nachstehend wird der Ausdruck „als in den Oxidfilm und den Oxidhalbleiterfilm” weggelassen, und der Ausdruck „Sauerstoff diffundiert leicht” kann ohne Vergleichsobjekt verwendet werden). Außerdem kann ein leitendes Material verwendet werden, das durch eine Wärmebehandlung leicht in den Oxidhalbleiterfilm diffundiert. Beispielsweise kann Ti verwendet werden. Alternativ kann eine Vielzahl von vorstehenden Materialien übereinander geschichtet werden. Beispielsweise kann Cu über W geschichtet werden; Cu kann über Ti geschichtet werden.
Ein Kontakt zwischen dem leitenden Material, das leicht an Sauerstoff gebunden wird, und dem mehrschichtigen Film bewirkt ein Phänomen, dass Sauerstoff in dem mehrschichtigen Film an das leitende Material gebunden wird.
Einige Erwärmungsschritte sind in dem Herstellungsprozess des Transistors enthalten; deswegen wird durch das Phänomen eine Sauerstofffehlstelle im und um den Bereich des mehrschichtigen Films erzeugt, der in Kontakt mit der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode steht, so dass der Bereich zu einem n-Typ wird. Wenn ein leitendes Material, das leicht in den Oxidhalbleiterfilm diffundiert, als Material des leitenden Films verwendet wird, diffundiert das leitende Material durch einige Erwärmungsschritte in den Oxidhalbleiterfilm, so dass der Bereich zu einem n-Typ wird. Demzufolge können die n-Typ-Bereiche als ein Source- oder ein Drain-Bereich des Transistors dienen. Deshalb wird der Kontaktwiderstand zwischen dem mehrschichtigen Film und der Source-Elektrode oder der Drain-Elektrode verringert und die Leitfähigkeit wird verbessert. Als Ergebnis kann ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb des Transistors erzielt werden.
Randbereiche der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b in 1A bis 1C weisen jeweils vorzugsweise eine Form mit einer Vielzahl von Stufen auf. Mit einer derartigen Form mit einer Vielzahl von Stufen kann die Abdeckung mit einem Film, der über der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode ausgebildet wird, verbessert werden, wodurch die elektrischen Eigenschaften und die langfristige Zuverlässigkeit des Transistors verbessert werden können.
Der Gate-Isolierfilm 108 kann unter Verwendung eines Isolierfilms ausgebildet werden, der ein oder mehrere Elemente von Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Siliziumoxid, Siliziumoxynitirid, Siliziumnitridoxid, Siliziumnitrid, Galliumoxid, Germaniumoxid, Yttriumoxid, Zirconiumoxid, Lanthanoxid, Neodymoxid, Hafniumoxid und Tantaloxid enthält. Der Gate-Isolierfilm 108 kann eine Schichtanordnung aus beliebigen Materialien der vorstehenden Materialien sein.
Der Gate-Isolierfilm 108 enthält vorzugsweise Aluminiumoxid, weil Gettern (gettering) von Wasserstoff in dem mehrschichtigen Film aufgrund des Aluminiumoxides durchgeführt wird, so dass der Wasserstoff in dem mehrschichtigen Film verringert wird. Des Weiteren wird vorzugsweise ein überschüssigen Sauerstoff enthaltender Oxid-Isolierfilm über dem Gate-Isolierfilm 108 ausgebildet, der das Aluminiumoxid enthält. Mit einer derartigen Struktur wird der Wasserstoff in dem mehrschichtigen Film aufgrund des Aluminiumoxides verringert, und Sauerstoff kann von dem Oxid-Isolierfilm dem mehrschichtigen Film zugeführt werden.
Außerdem kann der Gate-Isolierfilm 108 eine Schichtanordnung aus einem überschüssigen Sauerstoff enthaltenden Oxid-Isolierfilm und einem Sperrfilm sein. Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid kann für den Sperrfilm verwendet werden.
Der Gate-Isolierfilm 108 enthält vorzugsweise hochreines Hafniumoxid, weil der Leckstrom verringert werden kann.
Für die Gate-Elektrode 110 kann ein leitender Film aus Al, Ti, Cr, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Mo, Ru, Ag, Ta, W oder dergleichen verwendet werden. Die Gate-Elektrode 110 kann eine Schichtanordnung aus beliebigen Materialien der vorstehenden Materialien sein.
Der Oxid-Isolierfilm 112 kann über dem Gate-Isolierfilm 108 und der Gate-Elektrode 110 ausgebildet sein. Der Oxid-Isolierfilm kann unter Verwendung eines Isolierfilms ausgebildet werden, der ein oder mehrere Element/e von Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Siliziumoxid, Siliziumoxynitirid, Galliumoxid, Germaniumoxid, Yttriumoxid, Zirconiumoxid, Lanthanoxid, Neodymoxid, Hafniumoxid und Tantaloxid enthält. Der Oxid-Isolierfilm kann eine Schichtanordnung aus beliebigen Materialien der vorstehenden Materialien sein.
Hierbei enthält der Oxid-Isolierfilm 112 vorzugsweise überschüssigen Sauerstoff. Ein überschüssigen Sauerstoff enthaltender Oxid-Isolierfilm ist ein Oxid-Isolierfilm, der durch eine Wärmebehandlung oder dergleichen Sauerstoff abgeben kann. Die Menge an Sauerstoff, der von dem Isolierfilm abgegeben wird und bei Thermodesorptionsspektroskopie (thermal desorption spectroscopy) in Sauerstoffatome umgewandelt wird, ist vorzugsweise 1,0 × 10¹⁹ Atome/cm³ oder höher. Sauerstoff, der von dem Oxid-Isolierfilm abgegeben wird, kann durch den Gate-Isolierfilm 108 hindurch in einen Kanalbildungsbereich des Oxidhalbleiterfilms 104b des mehrschichtigen Films 104 diffundieren, so dass eine Sauerstofffehlstelle, die unerwünscht gebildet wird, mit dem Sauerstoff gefüllt werden kann. Auf diese Weise kann man stabile elektrische Eigenschaften des Transistors erzielen.
Außerdem kann der Nitrid-Isolierfilm 114 über dem Oxid-Isolierfilm 112 bereitgestellt sein. Der Nitrid-Isolierfilm 114 kann verhindern, dass bei einer Wärmebehandlung Sauerstoff von dem Oxid-Isolierfilm 112 in die Außenseite diffundiert, und der Nitrid-Isolierfilm 114 dient als Sperrfilm, der verhindert, dass Wasserstoff oder eine Wasserstoff enthaltende Verbindung (z. B. Wasser) von der Außenseite in den mehrschichtigen Film 104 eindringt. Folglich kann die Zuverlässigkeit des Transistors verbessert werden.
5A stellt eine weitere Transistorstruktur dar. Ein Transistor 190 in 5A beinhaltet: den Basis-Isolierfilm 102 über dem Substrat 100, den Oxidfilm 104a über dem Basis-Isolierfilm 102, den Oxidhalbleiterfilm 104b über dem Oxidfilm 104a, die Source-Elektrode 106a und die Drain-Elektrode 106b über dem Oxidhalbleiterfilm 104b, den Oxidfilm 104c über der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b, den niederohmigen Bereich 105a, der derart ausgebildet wird, dass Sauerstoff aus dem Oxidhalbleiterfilm 104b und dem Oxidfilm 104c extrahiert wird, die in Kontakt mit der Source-Elektrode 106a stehen, den niederohmigen Bereich 105b, der derart ausgebildet wird, dass Sauerstoff aus dem Oxidhalbleiterfilm 104b und dem Oxidfilm 104c extrahiert wird, die in Kontakt mit der Drain-Elektrode 106b stehen, den Gate-Isolierfilm 108 über dem Oxidfilm 104c, der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b und die Gate-Elektrode 110 über dem Gate-Isolierfilm 108. Zusätzlich kann der Oxid-Isolierfilm 112 über dem Gate-Isolierfilm 108 und der Gate-Elektrode 110 angeordnet sein. Der Oxid-Isolierfilm 112 kann nach Bedarf bereitgestellt sein, und ein weiterer Isolierfilm (z. B. der Nitrid-Isolierfilm 114) kann darüber angeordnet sein.
Der Transistor 190 in 5A ist gleich dem Transistor 150 in 1A bis 1C, außer dass der Oxidfilm 104c über der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b ausgebildet ist. Wie der Transistor 150 beinhaltet der Transistor 190 den niederohmigen Bereich 105a und den niederohmigen Bereich 105b.
Ein In-Ga-Zn-Oxid mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:3:2 kann für den Oxidfilm 104a verwendet werden, ein In-Ga-Zn-Oxid mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:1:1 kann für den Oxidhalbleiterfilm 104b verwendet werden, und ein In-Ga-Zn-Oxid mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:3:2 kann für den Oxidfilm 104c verwendet werden.
Bei dem Transistor 190 steht der Oxidhalbleiterfilm 104b, in dem der Kanal gebildet wird, in Kontakt mit der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b, so dass Sauerstofffehlstellen mit einer hohen Dichte in dem Oxidhalbleiterfilm 104b erzeugt werden und n-Typ-Bereiche (der niederohmige Bereich 105a und der niederohmige Bereich 105b) ausgebildet werden. Dadurch gibt es wenige Widerstandskomponenten in einem Ladungsträgerpfad (carrier path), und Ladungsträger können effizient transportiert werden.
Außerdem wird der Oxidfilm 104c ausgebildet, nachdem die Source-Elektrode 106a und die Drain-Elektrode 106b ausgebildet worden sind; deshalb wird keine Überätzung (overetching) des Oxidfilms 104c beim Ausbilden der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b verursacht. Daher kann der Oxidhalbleiterfilm 104b, in dem der Kanal gebildet wird, ausreichend getrennt von dem Gate-Isolierfilm 108 liegen, und der Effekt zum Unterdrücken des Einflusses einer Diffusion von Verunreinigungen von der Grenzfläche kann verstärkt werden.
Außerdem dient der Oxidfilm 104c als Sperrfilm, der ein Eindringen von Wasserstoff oder einer Wasserstoff enthaltenden Verbindung (z. B. Wasser) von der Außenseite in den Oxidhalbleiterfilm 104b unterdrückt; daher kann die Zuverlässigkeit des Transistors verbessert werden. Deshalb wird der Nitrid-Isolierfilm 114 nicht notwendigerweise bereitgestellt.
Ferner werden dann, wenn die Source-Elektrode 106a und die Drain-Elektrode 106b unter Verwendung eines leitenden Materials ausgebildet werden, das leicht an Sauerstoff gebunden wird, niederohmige Bereiche wie bei einem Transistor 195 in 5B auch in dem Oxidfilm 104c in Kontakt mit der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b ausgebildet.
Des Weiteren kann wie bei einem Transistor 200 in 5C eine Struktur verwendet werden, bei der der Randbereich des Oxidfilms 104a und der Randbereich des Oxidhalbleiterfilms 104b nicht ausgerichtet sind. Die Formen der Randbereiche werden derart ausgebildet, dass eine Schichtanordnung aus dem Oxidfilm 104a und dem Oxidhalbleiterfilm 104b unter Verwendung von 85%-Phosphorsäure, einem Aluminiumätzmittel (Phosphorsäure (72%), Salpetersäure (2%), Ethansäure (9%)) oder dergleichen unter den folgenden Bedingungen durch Nassätzen geätzt wird: Die Ätzgeschwindigkeit des Oxidhalbleiterfilms 104b ist höher als diejenige des Oxidfilms 104a.
Die Randbereiche des Oxidfilms 104a und des Oxidhalbleiterfilms 104b weisen jeweils eine sich verjüngende Form auf. Ein Neigungswinkel, der durch die Seitenfläche und die Bodenfläche einer Schicht mit einer sich verjüngenden Form (z. B. des Oxidfilms 104a) gebildet wird, wenn die Schicht in einer Richtung senkrecht zu ihrem Querschnitt (einer Ebene rechtwinklig zu der Oberfläche des Substrats) beobachtet wird, wird als Kegelwinkel bezeichnet. Ein Kegelwinkel θ₁ des Oxidfilms 104a ist bevorzugt größer als 30° und kleiner als oder gleich 70°, und ein Kegelwinkel θ₂ des Oxidhalbleiterfilms 104b ist größer als der Kegelwinkel θ₁ des Oxidfilms 104a und bevorzugt kleiner als 90°, stärker bevorzugt größer als 45° und kleiner als 80°.
Die Kontaktfläche der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b kann groß sein, wenn der mehrschichtige Film 104 eine derartige sich verjüngende Form aufweist. Folglich wird der Kontaktwiderstand zwischen dem mehrschichtigen Film 104 und der Source- und Drain-Elektrode 106a und 106b verringert, wodurch der Durchlassstrom (on-state current) des Transistors erhöht werden kann.
Wie bei einem Transistor 210 in 6A können, nachdem der Oxidfilm 104a, der Oxidhalbleiterfilm 104b und der Oxidfilm 104c in dieser Reihenfolge über dem Basis-Isolierfilm 102 ausgebildet worden sind, die Source-Elektrode 106a und die Drain-Elektrode 106b ausgebildet werden, und dann kann ein Oxidfilm 104e über der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b ausgebildet werden. Ein In-Ga-Zn-Oxid mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:3:2 kann für den Oxidfilm 104e verwendet werden.
Ferner stellt 6B eine weitere Transistorstruktur dar. Ein Transistor 220 in 6B ist gleich dem Transistor 150 in 1A bis 1C, außer dass ein leitender Film 107a und ein leitender Film 107b über der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b ausgebildet sind. Wie der bei der Ausführungsform 1 beschriebene Transistor 150 beinhaltet der Transistor 220 den niederohmigen Bereich 105a und den niederohmigen Bereich 105b.
Es sei angemerkt, dass der leitende Film 107a und der leitende Film 107b als Teil der Source-Elektrode und als Teil der Drain-Elektrode dienen. Daher entspricht bei dem Transistor 220 in 6B eine Kanallänge einem Abstand zwischen dem leitenden Film 107a und dem leitenden Film 107b.
Ferner entspricht bei dem Transistor 220 in 6B ein Kanal einem Bereich des Oxidhalbleiterfilms 104b, welcher sich weder mit dem leitenden Film 107a noch mit dem leitenden Film 107b überlappt.
Ferner entspricht bei dem Transistor 220 in 6B ein Kanalbildungsbereich Bereichen des Oxidfilms 104a, des Oxidhalbleiterfilms 104b und des Oxidfilms 104c, welche sich weder mit dem leitenden Film 107a noch mit dem leitenden Film 107b überlappen.
Nachdem der leitende Film 107a und der leitende Film 107b ausgebildet worden sind, wird Sauerstoff dem Bereich 105c des mehrschichtigen Films 104 zugesetzt, wodurch die Menge an Sauerstofffehlstellen in dem Kanalbildungsbereich verringert werden kann und ein hochreiner, intrinsischer Bereich ausgebildet werden kann. Infolgedessen können der hochreine, intrinsische Bereich und die niederohmigen Bereiche gleichzeitig getrennt ausgebildet werden.
Wenn der leitende Film 107a und der leitende Film 107b unter Verwendung eines leitenden Materials ausgebildet werden, das weniger wahrscheinlich an Sauerstoff gebunden wird als an ein Metallelement, das in dem Oxidhalbleiterfilm enthalten ist, kann verhindert werden, dass eine Sauerstofffehlstelle in dem Kanalbildungsbereich des Oxidhalbleiterfilms gebildet wird, so dass eine Wandlung des Kanals in einen n-Typ verhindert werden kann. Folglich kann auch ein Transistor mit einer sehr kurzen Kanallänge vorteilhafte elektrische Eigenschaften aufweisen.
Wenn die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode nur unter Verwendung des leitenden Materials ausgebildet werden, das weniger wahrscheinlich an Sauerstoff gebunden wird, wird der Kontaktwiderstand mit dem mehrschichtigen Film 104 zu hoch. Deshalb werden beispielsweise, wie in 6B und dergleichen dargestellt, der leitende Film 107a und der leitende Film 107b vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie die Source-Elektrode 106a und die Drain-Elektrode 106b bedecken.
Tantalnitrid, Titannitrid, Ruthenium oder ein Legierungsmaterial, das diese Substanzen als Hauptkomponenten enthält, kann für den leitenden Film 107a und den leitenden Film 107b verwendet werden. Beispielsweise wird ein 20 nm dicker Tantalnitridfilm durch ein Sputterverfahren oder dergleichen ausgebildet.
Wenn der leitende Film 107a und der leitende Film 107b ausgebildet werden, indem ein leitender Film durch Belichtung mit einem Elektronenstrahl, ArF-Immersion oder Extremultraviolett (extreme ultraviolet, EUV) unter Verwendung einer Fotolackmaske mit einer kleinen Musterbreite verarbeitet wird, kann die Kanallänge größer als oder gleich 1 nm und kleiner als oder gleich 30 nm sein. Dabei liegt beispielsweise bei einem Elektronenstrahl-Schreibgerät, das zur Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl geeignet ist, die Beschleunigungsspannung zu dem Zeitpunkt von Belichtung mittels eines Elektronenstrahls bevorzugt im Bereich von 5 kV bis 50 kV. Die Stromintensität liegt vorzugsweise im Bereich von 5 × 10^–12 A bis 1 × 10^–11 A. Die minimale Strahlgröße ist vorzugsweise 2 nm oder weniger. Die minimale mögliche Musterlinienbreite ist vorzugsweise 8 nm oder weniger.
Die Kanallänge des Transistors ist vorzugsweise in jedem Teil des Transistors gleichmäßig. In dem Fall, in dem die Form des Kanalbildungsbereichs des Transistors eine gekrümmte Linie aufweist, wird die gekrümmte Linie vorzugsweise durch Belichtung mit einem Elektronenstrahl ausgebildet, so dass sie glatt sein und eine gleichmäßige Linienbreite aufweisen kann.
Damit eine glatte gekrümmte Linie mit einer gleichmäßigen Linienbreite durch Belichtung mit einem Elektronenstrahl gebildet wird, gibt es beispielsweise ein Verfahren zur Belichtung einer gekrümmten Linie, bei dem ein Tisch gedreht wird, der sich mit einem darauf angeordneten Substrat überlappt. Mit einem linear bewegbaren Tisch kann eine Fotolackmaske auch derart verarbeitet werden, dass die Kanallänge des Transistors gleichmäßig wird, wobei das folgende Verfahren verwendet wird: ein Verfahren, bei dem die Größe oder Richtung einer Figur zum Teilen von Bereichen, die durch einen Elektronenstrahl geschrieben werden, entsprechend dem Muster des Elektronenstrahls optimiert wird, ein mehrfaches Schreibverfahren, bei dem eine Figur um eine gleichmäßige Breite verschoben wird und ein Schreiben mit einer Überlappung durchgeführt wird, so dass die Menge an Belichtung eines Musters gleichmäßig wird, oder dergleichen. Das vorstehende Verfahren oder dergleichen wird vorzugsweise verwendet, um eine Fotolackmaske mit einer gleichmäßigen Linienbreite auszubilden, so dass die Kanallänge des Transistors gleichmäßig wird.
7A stellt eine weitere Transistorstruktur dar. Ein Transistor 230 weist eine Struktur des Transistors 190 in 5A auf, die ferner den leitenden Film 107a und den leitenden Film 107b über dem Oxidfilm 104c beinhaltet.
7B stellt eine weitere Transistorstruktur dar. Ein Transistor 240 wird durch einen Ausbildungsprozess des Transistors 230 in 7A ausgebildet, bei dem der Ausbildungsprozess des Oxidfilms 104c und der Ausbildungsprozess des leitenden Films 107a und des leitenden Films 107b umgekehrt sind.
Obiges ist die Beschreibung der Transistoren nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es kann die Menge an Sauerstofffehlstellen in dem Kanalbildungsbereich des Oxidhalbleiters in dem mehrschichtigen Film bei jedem der Transistoren verringert werden, und die elektrischen Eigenschaften jedes der Transistoren sind vorteilhaft; daher kann eine hochzuverlässige Halbleitervorrichtung bereitgestellt werden.
Diese Ausführungsform kann mit einer beliebigen der anderen Ausführungsformen in dieser Beschreibung entsprechend kombiniert werden.
(Ausführungsform 2)
Bei dieser Ausführungsform wird ein Verfahren zum Herstellen des Transistors 150 beschrieben, der anhand von 1A bis 1C bei der Ausführungsform 1 beschrieben worden ist.
Zuerst wird der Basis-Isolierfilm 102 über dem Substrat 100 ausgebildet.
Für das Substrat 100 kann ein Glassubstrat, ein Keramiksubstrat, ein Quarzsubstrat, ein Saphirsubstrat oder dergleichen verwendet werden. Alternativ kann ein einkristallines Halbleitersubstrat oder ein polykristallines Halbleitersubstrat aus Silizium, Siliziumcarbid oder dergleichen, ein Verbund-Halbleitersubstrat aus Siliziumgermanium oder dergleichen, ein Silizium auf einem Isolator-(silicon an insulator, SOI-)Substrat oder dergleichen verwendet werden. Als weitere Alternative kann ein beliebiges Substrat dieser Substrate, das ferner mit einem Halbleiterelement versehen ist, verwendet werden.
Der Basis-Isolierfilm 102 kann durch ein plasmageschütztes chemisches Gasphasenabscheidungs-(chemical vapor deposition, CVD-)Verfahren, ein Sputterverfahren oder dergleichen unter Verwendung eines Oxid-Isolierfilms aus Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Siliziumoxid, Siliziumoxynitrid, Galliumoxid, Germaniumoxid, Yttriumoxid, Zirconiumoxid, Lanthanoxid, Neodymoxid, Hafniumoxid, Tantaloxid oder dergleichen; eines Nitrid-Isolierfilms aus Siliziumnitrid, Siliziumnitridoxid, Aluminiumnitrid, Aluminiumnitridoxid oder dergleichen; oder eines Mischmaterials aus beliebigen Substanzen dieser Substanzen ausgebildet werden. Außerdem kann eine Schichtanordnung aus beliebigen Materialien der obigen Materialien verwendet werden, und mindestens eine obere Schicht des Basis-Isolierfilms 102, die in Kontakt mit dem mehrschichtigen Film 104 steht, wird vorzugsweise unter Verwendung eines Sauerstoff enthaltenden Materials ausgebildet, das als Versorgungsquelle von Sauerstoff zu dem mehrschichtigen Film 104 dienen könnte.
In dem Fall, in dem die Oberfläche des Substrats 100 aus einem Isolator ausgebildet ist und in dem es keinen Einfluss der Verunreinigungsdiffusion in den mehrschichtigen Film 104 gibt, der später ausgebildet wird, wird der Basis-Isolierfilm 102 nicht notwendigerweise bereitgestellt.
Als Nächstes wird der mehrschichtige Film 104 derart ausgebildet, dass der Oxidfilm 104a, der Oxidhalbleiterfilm 104b und der Oxidfilm 104c über dem Basis-Isolierfilm 102 in dieser Reihenfolge von der Seite des Substrats 100 aus durch ein Sputterverfahren, ein chemisches Gasphasenabscheidungs-(CVD-)Verfahren, ein Molekularstrahlepitaxie-(molecular beam epitaxy, MBE-)Verfahren, ein Atomlagenabscheidungs-(atomic layer deposition, ALD-)Verfahren oder ein Laserstrahlverdampfungs-(pulsed laser deposition, PLD-)Verfahren ausgebildet und selektiv geätzt werden (siehe 8A). Es sei angemerkt, dass Erwärmung vor dem Ätzen durchgeführt werden kann.
Für den Oxidfilm 104a, den Oxidhalbleiterfilm 104b und den Oxidfilm 104c kann ein beliebiges Material von den bei der vorstehenden Ausführungsform beschriebenen Materialien verwendet werden. Beispielsweise kann der Oxidfilm 104a unter Verwendung eines In-Ga-Zn-Oxides mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:3:2 ausgebildet werden, der Oxidhalbleiterfilm 104b kann unter Verwendung eines In-Ga-Zn-Oxides mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:1:1 ausgebildet werden, und der Oxidfilm 104c kann unter Verwendung eines In-Ga-Zn-Oxides mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:3:2 ausgebildet werden.
Der mehrschichtige Film, der den Oxidfilm, 104a, den Oxidhalbleiterfilm 104b und den Oxidfilm 104c umfasst, enthält vorzugsweise mindestens Indium (In) oder Zink (Zn). Alternativ enthält der mehrschichtige Film vorzugsweise sowohl In als auch Zn. Um Schwankungen der elektrischen Eigenschaften der Transistoren zu verringern, die jeweils den mehrschichtigen Film beinhalten, enthält der mehrschichtige Film vorzugsweise einen Stabilisator zusätzlich zu In und Zn.
Als Stabilisator können Gallium (Ga), Zinn (Sn), Hafnium (Hf), Aluminium (Al), Zirconium (Zr) und dergleichen angegeben werden. Als weiterer Stabilisator kann ein Lanthanoid, wie z. B. Lanthan (La), Cer (Ce), Praseodym (Pr), Neodym (Nd), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb) oder Lutetium (Lu), angegeben werden.
Als die Oxidfilme und der Oxidhalbleiterfilm kann beispielsweise ein beliebiges Oxid der folgenden Oxide verwendet werden: Indiumoxid, Zinnoxid, Zinkoxid, ein In-Zn-Oxid, ein Sn-Zn-Oxid, ein Al-Zn-Oxid, ein Zn-Mg-Oxid, ein Sn-Mg-Oxid, ein In-Mg-Oxid, ein In-Ga-Oxid, ein In-Ga-Zn-Oxid, ein In-Al-Zn-Oxid, ein In-Sn-Zn-Oxid, ein Sn-Ga-Zn-Oxid, ein Al-Ga-Zn-Oxid, ein Sn-Al-Zn-Oxid, ein In-Hf-Zn-Oxid, ein In-La-Zn-Oxid, ein In-Ce-Zn-Oxid, ein In-Pr-Zn-Oxid, ein In-Nd-Zn-Oxid, ein In-Sm-Zn-Oxid, ein In-Eu-Zn-Oxid, ein In-Gd-Zn-Oxid, ein In-Tb-Zn-Oxid, ein In-Dy-Zn-Oxid, ein In-Ho-Zn-Oxid, ein In-Er-Zn-Oxid, ein In-Tm-Zn-Oxid, ein In-Yb-Zn-Oxid, ein In-Lu-Zn-Oxid, ein In-Sn-Ga-Zn-Oxid, ein In-Hf-Ga-Zn-Oxid, ein In-Al-Ga-Zn-Oxid, ein In-Sn-Al-Zn-Oxid, ein In-Sn-Hf-Zn-Oxid und ein In-Hf-Al-Zn-Oxid.
Es sei angemerkt, dass beispielsweise ein „In-Ga-Zn-Oxid” ein Oxid bezeichnet, das In, Ga und Zn als Hauptkomponenten enthält, und das Verhältnis von In, Ga und Zn keinen besonderen Einschränkungen unterliegt. Das In-Ga-Zn-Oxid kann ein weiteres Metallelement zusätzlich zu In, Ga und Zn enthalten. Des Weiteren wird in dieser Beschreibung ein Film, der unter Verwendung eines In-Ga-Zn-Oxids ausgebildet ist, auch als IGZO-Film bezeichnet.
Alternativ kann als Oxidhalbleiter ein Material verwendet werden, das durch InMO₃(ZnO)_m (m > 0 wird erfüllt, wobei m keine ganze Zahl ist) dargestellt wird. Es sei angemerkt, dass M ein oder mehrere Metallelement/e bezeichnet, das/die aus Ga, Fe, Mn und Co ausgewählt wird/werden. Alternativ kann als Oxidhalbleiter ein Material verwendet werden, das durch eine chemische Formel, In₂SnO₅(ZnO)_n (n > 0, wobei n eine ganze Zahl ist), dargestellt wird.
Es sei angemerkt, dass, wie im Einzelnen bei der Ausführungsform 1 beschrieben worden ist, Materialien des Oxidfilms 104a und des Oxidfilms 104c jeweils derart ausgewählt werden, dass der Oxidfilm 104a und der Oxidfilm 104c höhere Elektronenaffinitäten aufweisen als der Oxidhalbleiterfilm 104b.
Es sei angemerkt, dass die Oxidfilme und der Oxidhalbleiterfilm vorzugsweise durch ein Sputterverfahren ausgebildet werden. Als Sputterverfahren kann ein HF-Sputterverfahren, ein DC-Sputterverfahren, ein AC-Sputterverfahren oder dergleichen verwendet werden. Im Besonderen wird ein DC-Sputterverfahren vorzugsweise verwendet, da Staub, der bei der Abscheidung erzeugt wird, verringert werden kann und die Filmdicke gleichmäßig sein kann.
In dem Fall, in dem ein In-Ga-Zn-Oxid für den Oxidfilm 104a, den Oxidhalbleiterfilm 104b und den Oxidfilm 104c verwendet wird, kann ein Target verwendet werden, das ein Atomverhältnis von, z. B. In:Ga:Zn = 1:1:1, 2:2:1, 3:1:2, 1:3:2, 1:3:4, 1:4:3, 1:5:4, 1:6:2, 1:6:6, 1:6:10, 2:1:3, 1:6:2, 1:6:4, 1:6:10, 1:9:6, 1:1:4 oder 1:1:2 hat, so dass die Elektronenaffinität sowohl des Oxidfilms 104a als auch des Oxidfilms 104c höher ist als diejenige des Oxidhalbleiterfilms 104b. Alternativ kann ein Ga-Zn-Oxid jeweils für den Oxidfilm 104a, den Oxidhalbleiterfilm 104b und den Oxidfilm 104c verwendet werden.
Der Indium-Gehalt in dem Oxidhalbleiterfilm 104b ist vorzugsweise höher als derjenige in dem Oxidfilm 104a und derjenige in dem Oxidfilm 104c. In einem Oxidhalbleiter trägt das s-Orbital eines Schwermetalls hauptsächlich zur Ladungsträgerleitung bei, und wenn der In-Anteil in dem Oxidhalbleiter ansteigt, nimmt die Überlappung der s-Orbitale wahrscheinlich zu. Deswegen weist ein Oxid mit einer Zusammensetzung, bei der der In-Anteil höher ist als der Ga-Anteil, eine höhere Beweglichkeit auf als ein Oxid mit einer Zusammensetzung, bei der der In-Anteil gleich oder niedriger ist als der Ga-Anteil. Daher kann unter Verwendung eines Oxides mit einem hohen Indium-Gehalt für den Oxidhalbleiterfilm 104b ein Transistor mit hoher Beweglichkeit erzielt werden.
Eine Struktur eines Oxidhalbleiterfilms wird nachstehend beschrieben.
Ein Oxidhalbleiterfilm wird grob als ein einkristalliner Oxidhalbleiterfilm und ein nicht einkristalliner Oxidhalbleiterfilm eingestuft. Der nicht einkristalline Oxidhalbleiterfilm umfasst einen beliebigen Film von einem amorphen Oxidhalbleiterfilm, einem mikrokristallinen Oxidhalbleiterfilm, einem polykristallinen Oxidhalbleiterfilm, einem Film aus einem kristallinen Oxidhalbleiter mit Ausrichtung bezüglich der c-Achse (c-axis aligned crystalline Oxide semiconductor, CAAC-OS) und dergleichen.
Der amorphe Oxidhalbleiterfilm weist eine ungeordnete Atomanordnung und keine kristalline Komponente auf. Ein typisches Beispiel dafür ist ein Oxidhalbleiterfilm, in dem auch in einem mikroskopischen Bereich kein Kristallteil besteht, wobei der ganze Film amorph ist.
Der mikrokristalline Oxidhalbleiterfilm enthält beispielsweise einen Mikrokristall (auch als Nanokristall bezeichnet) mit einer Größe von größer als oder gleich 1 nm und kleiner als 10 nm. Daher weist der mikrokristalline Oxidhalbleiterfilm einen höheren Grad von Atomordnung auf als der amorphe Oxidhalbleiterfilm. Dementsprechend ist die Dichte der Defektzustände des mikrokristallinen Oxidhalbleiterfilms niedriger als diejenige des amorphen Oxidhalbleiterfilms.
Der CAAC-OS-Film ist einer von Oxidhalbleiterfilmen, die eine Vielzahl von Kristallteilen enthalten, und die meisten Kristallteile passen jeweils in einen Würfel mit einer Kantenlänge von weniger als 100 nm. Deswegen gibt es einen Fall, in dem ein Kristallteil in dem CAAC-OS-Film in einen Würfel mit einer Kantenlänge von weniger als 10 nm, weniger als 5 nm oder weniger als 3 nm passt. Die Dichte der Defektzustände des CAAC-OS-Films ist niedriger als diejenige des mikrokristallinen Oxidhalbleiterfilms. Der CAAC-OS-Film wird im Einzelnen nachstehend beschrieben.
In einem Transmissionselektronenmikroskop-(TEM-)Bild des CAAC-OS-Films wird eine Grenze zwischen Kristallteilen, d. h. eine Korngrenze, nicht deutlich wahrgenommen. Folglich ist es weniger wahrscheinlich, dass in dem CAAC-OS-Film eine Verringerung der Elektronenbeweglichkeit wegen der Korngrenze entsteht.
Dem TEM-Bild des CAAC-OS-Films zufolge, der in einer Richtung beobachtet wird, die im Wesentlichen parallel zu einer Probenoberfläche ist (Querschnitts-TEM-Bild, cross-sectional TEM image), sind Metallatome geschichtet in den Kristallteilen angeordnet. Jede Metallatomlage weist eine Gestalt auf, die durch eine Oberfläche, über der der CAAC-OS-Film ausgebildet ist (eine Oberfläche, über der der CAAC-OS-Film ausgebildet ist, wird nachstehend auch als Ausbildungsoberfläche bezeichnet), oder eine nach oben weisende Oberfläche des CAAC-OS-Films widergespiegelt wird, und jede Metallatomlage ist parallel zu der Ausbildungsoberfläche oder der nach oben weisenden Oberfläche des CAAC-OS-Films angeordnet.
Andererseits sind dem TEM-Bild des CAAC-OS-Films zufolge, der in einer Richtung beobachtet wird, die im Wesentlichen senkrecht zu der Probenoberfläche ist (Flächen-TEM-Bild, plan TEM image), Metallatome in einer dreieckigen oder hexagonalen Konfiguration in den Kristallteilen angeordnet. Zwischen unterschiedlichen Kristallteilen gibt es jedoch keine Regelmäßigkeit der Anordnung der Metallatome.
Aus den Ergebnissen des Querschnitts-TEM-Bildes und des Flächen-TEM-Bildes findet man eine Ausrichtung in den Kristallteilen in dem CAAC-OS-Film.
Ein CAAC-OS-Film wird einer Strukturanalyse mittels eines Röntgenbeugungs-Geräts (XRD apparatus) unterzogen. Wenn beispielsweise der CAAC-OS-Film, der einen InGaZnO₄-Kristall enthält, durch ein Out-of-Plane-Verfahren (out-of-plane method) analysiert wird, erscheint oft ein Peak, wenn der Beugungswinkel (2θ) ungefähr 31° beträgt. Dieser Peak stammt aus der (009)-Ebene des InGaZnO₄-Kristalls, was darauf hindeutet, dass Kristalle in dem CAAC-OS-Film eine Ausrichtung bezüglich der c-Achse aufweisen und dass die c-Achsen in einer Richtung ausgerichtet sind, die im Wesentlichen senkrecht zu der Ausbildungsoberfläche oder der nach oben weisenden Oberfläche des CAAC-OS-Films ist.
Andererseits erscheint dann, wenn der CAAC-OS-Film durch ein In-Plane-Verfahren (in-plane method) analysiert wird, in dem ein Röntgenstrahl in eine Probe in einer Richtung eintritt, die im Wesentlichen senkrecht zur c-Achse ist, oft ein Peak, wenn 2θ ungefähr 56° beträgt. Dieser Peak stammt aus der (110)-Ebene des InGaZnO₄-Kristalls. Hier wird die Analyse (ϕ-Scan) unter Bedingungen durchgeführt, wobei die Probe um einen Normalenvektor einer Probenoberfläche als Achse (ϕ-Achse) gedreht wird, wobei 2θ auf ungefähr 56° festgelegt wird. In dem Fall, in dem die Probe ein einkristalliner Oxidhalbleiterfilm aus InGaZnO₄ ist, erscheinen sechs Peaks. Die sechs Peaks stammen aus Kristallebenen, die der (110)-Ebene entsprechen. Dagegen wird im Falle eines CAAC-OS-Films ein Peak nicht deutlich wahrgenommen, auch wenn ein ϕ-Scan durchgeführt wird, wobei 2θ auf ungefähr 56° festgelegt wird. Nach den obigen Ergebnissen sind in dem CAAC-OS-Film mit Ausrichtung bezüglich der c-Achse die c-Achsen in einer Richtung ausgerichtet, die parallel zu einem Normalenvektor einer Ausbildungsoberfläche oder einem Normalenvektor einer nach oben weisenden Oberfläche ist, während die Richtungen von a-Achsen und b-Achsen zwischen Kristallteilen verschieden sind.
Es sei angemerkt, dass der Kristallteil gleichzeitig mit einer Abscheidung des CAAC-OS-Films gebildet wird oder durch eine Kristallisierungsbehandlung, wie z. B. eine Wärmebehandlung, gebildet wird. Wie oben beschrieben worden ist, ist die c-Achse des Kristalls in einer Richtung parallel zu einem Normalenvektor einer Ausbildungsoberfläche oder einem Normalenvektor einer nach oben weisenden Oberfläche ausgerichtet. Deshalb könnte beispielsweise in dem Fall, in dem eine Form des CAAC-OS-Films durch Ätzen oder dergleichen geändert wird, die c-Achse nicht immer parallel zu einem Normalenvektor einer Ausbildungsoberfläche oder einem Normalenvektor einer nach oben weisenden Oberfläche des CAAC-OS-Films sein.
Zudem ist der Grad der Kristallinität in dem CAAC-OS-Film nicht notwendigerweise gleichmäßig. Zum Beispiel ist in dem Fall, in dem das Kristallwachstum zum Ausbilden des CAAC-OS-Films von der näheren Umgebung der nach oben weisenden Oberfläche des Films aus beginnt, der Grad der Kristallinität in der näheren Umgebung der nach oben weisenden Oberfläche unter Umständen höher als derjenige in der näheren Umgebung der Ausbildungsoberfläche. Ferner wird dann, wenn dem CAAC-OS-Film eine Verunreinigung zugesetzt wird, die Kristallinität in einem Bereich, dem die Verunreinigung zugesetzt wird, geändert, und der Grad der Kristallinität in dem CAAC-OS-Film variiert in Abhängigkeit vom Ort.
Es sei angemerkt, dass dann, wenn der einen InGaZnO₄-Kristall enthaltende CAAC-OS-Film durch ein Out-of-Plane-Verfahren (out-of-plane method) analysiert wird, auch ein Peak von 2θ bei ungefähr 36° zusätzlich zu dem Peak von 2θ bei ungefähr 31° zu beobachten ist. Der Peak von 2θ bei ungefähr 36° deutet darauf hin, dass ein Kristall ohne Ausrichtung bezüglich der c-Achse in einem Teil des CAAC-OS-Films enthalten ist. Vorzugsweise erscheint in dem CAAC-OS-Film ein Peak von 2θ bei ungefähr 31° und erscheint kein Peak von 2θ bei ungefähr 36°.
Unter Verwendung des CAAC-OS-Films für einen Transistor sind Schwankungen der elektrischen Eigenschaften des Transistors gering, die auf eine Bestrahlung mit sichtbarem Licht oder UV-Licht zurückzuführen sind. Folglich weist der Transistor eine hohe Zuverlässigkeit auf.
Es sei angemerkt, dass ein Oxidhalbleiterfilm ein geschichteter Film sein kann, der beispielsweise zwei oder mehr Filme von einem amorphen Oxidhalbleiterfilm, einem mikrokristallinen Oxidhalbleiterfilm und einem CAAC-OS-Film umfasst.
In dieser Beschreibung bedeutet der Begriff „parallel”, dass der Winkel, der zwischen zwei geraden Linien gebildet ist, größer als oder gleich –10° und kleiner als oder gleich 10° ist, und umfasst daher auch den Fall, in dem der Winkel größer als oder gleich –5° und kleiner als oder gleich 5° ist. Zusätzlich bedeutet der Begriff „senkrecht”, dass der Winkel, der zwischen zwei geraden Linien gebildet ist, größer als oder gleich 80° und kleiner als oder gleich 100° ist, und umfasst daher den Fall, in dem der Winkel größer als oder gleich 85° und kleiner als oder gleich 95° ist.
In dieser Beschreibung sind die trigonalen und rhomboedrischen Kristallsysteme in dem hexagonalen Kristallsystem enthalten.
Ein CAAC-OS-Film kann beispielsweise durch ein Sputterverfahren mittels eines polykristallinen Oxidhalbleiter-Sputtertargets abgeschieden werden. Wenn Ionen mit dem Sputtertarget kollidieren, könnte ein in dem Sputtertarget enthaltener Kristallbereich entlang einer a-b-Ebene von dem Target abgetrennt werden; mit anderen Worten könnte ein gesputtertes Teilchen mit einer Ebene, die parallel zu einer a-b-Ebene ist (flachplattenähnliches gesputtertes Teilchen oder pelletähnliches gesputtertes Teilchen), von dem Sputtertarget abgetrennt werden. In diesem Fall erreicht das flachplattenähnliche gesputterte Teilchen unter Bewahrung seines Kristallzustandes ein Substrat, wodurch der CAAC-OS-Film ausgebildet werden kann.
Zur Abscheidung des CAAC-OS-Films werden vorzugsweise die folgenden Bedingungen verwendet.
Durch Verringern der Menge an Verunreinigungen, die in den CAAC-OS-Film während der Abscheidung eindringen, kann verhindert werden, dass der Kristallzustand von den Verunreinigungen verschlechtert wird. Beispielsweise können Verunreinigungen (z. B. Wasserstoff, Wasser, Kohlendioxid oder Stickstoff), die in der Abscheidungskammer existieren, verringert werden. Außerdem können Verunreinigungen in einem Abscheidungsgas verringert werden. Im Besonderen wird ein Abscheidungsgas verwendet, dessen Taupunkt –80°C oder niedriger, bevorzugt –100°C oder niedriger beträgt.
Durch Erhöhen der Erwärmungstemperatur des Substrats während der Abscheidung ist es wahrscheinlich, dass eine Migration eines gesputterten Teilchens auftritt, nachdem das gesputterte Teilchen eine Oberfläche des Substrats erreicht hat. Im Besonderen ist die Erwärmungstemperatur des Substrats während der Abscheidung höher als oder gleich 100°C und niedriger als oder gleich 740°C, bevorzugt höher als oder gleich 200°C und niedriger als oder gleich 500°C. Durch Erhöhen der Erwärmungstemperatur des Substrats während der Abscheidung tritt dann, wenn das flachplattenähnliche gesputterte Teilchen das Substrat erreicht, eine Migration an der Oberfläche des Substrats auf, so dass eine flache Ebene des flachplattenähnlichen gesputterten Teilchens an dem Substrat haftet.
Außerdem wird vorzugsweise der Sauerstoffanteil an dem Abscheidungsgas erhöht, und der Strom wird optimiert, um Plasmaschäden bei der Abscheidung zu verringern. Der Sauerstoffanteil am Abscheidungsgas beträgt 30 Vol.-% oder höher, bevorzugt 100 Vol.-%.
Als Beispiel für das Sputtertarget wird ein Target aus einer In-Ga-Zn-O-Verbindung nachstehend beschrieben.
Das Target aus der In-Ga-Zn-O-Verbindung, das polykristallin ist, wird durch ein Mischen von InO_X-Pulver, GaO_Y-Pulver und ZnO_Z-Pulver in einem vorbestimmten Molverhältnis, ein Ausüben von Druck und ein Durchführen einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von höher als oder gleich 1000°C und niedriger als oder gleich 1500°C ausgebildet. Es sei angemerkt, dass X, Y und Z jeweils eine vorgegebene positive Zahl sind. Die Pulverarten und das Molverhältnis zum Mischen von Pulver können angemessen entsprechend dem gewünschten Sputtertarget bestimmt werden.
Hier zeigt die Tabelle 1 den Vergleich zwischen Oxidhalbleitern (durch OS dargestellt) mit Kristallstrukturen und Siliziumhalbleitern (durch Si dargestellt) mit Kristallstrukturen.
Beispiele für Kristallzustände von Oxidhalbleitern umfassen, wie in der Tabelle 1 gezeigt, einen amorphen Oxidhalbleiter (a-OS und a-OS:H), einen mikrokristallinen Oxidhalbleiter (nc-OS und μc-OS), einen polykristallinen Oxidhalbleiter (polykristallinen OS), einen kontinuierlichen Kristall-Oxidhalbleiter (CAAC-OS) und einen einkristallinen Oxidhalbleiter (einkristallinen OS). Es sei angemerkt, dass Beispiele für den Kristallzustand von Silizium, wie in der Tabelle 1 gezeigt, amorphes Silizium (a-Si und a-Si:H), mikrokristallines Silizium (nc-Si und μc-Si), polykristallines Silizium (polykristallines Si), kontinuierliches Kristall-Silizium (kontinuierliches Korn- bzw. continuous grain (CG-)Silizium) und einkristallines Silizium (einkristallines Si) umfassen.
Wenn die Oxidhalbleiter in den obigen Kristallzuständen einer Elektronenbeugung unter Verwendung eines Elektronenstrahls mit einem Durchmesser, der auf kleiner als oder gleich 10 nmϕ verringert ist (Nanostrahl-Elektronenbeugung), unterzogen werden, können die folgenden Elektronenbeugungsbilder (Nanostrahl-Elektronenbeugungsbilder) beobachtet werden. Ein Halo-Muster (auch Halo-Ring oder Halo genannt) ist in dem amorphen Oxidhalbleiter zu beobachten. Punkte und/oder ein Ringmuster sind/ist in dem mikrokristallinen Oxidhalbleiter zu beobachten. Punkte sind in dem polykristallinen Oxidhalbleiter zu beobachten. Punkte sind in dem kontinuierlichen Kristall-Oxidhalbleiter zu beobachten. Punkte sind in dem einkristallinen Oxidhalbleiter zu beobachten.
Dem Nanostrahl-Elektronenbeugungsbild zufolge hat ein Kristallteil in dem mikrokristallinen Oxidhalbleiter einen Durchmesser von Nanometern (nm) bis Mikrometern (µm). Der polykristalline Oxidhalbleiter hat diskontinuierliche Korngrenzen zwischen Kristallteilen. Keine Grenze wird zwischen Kristallteilen in dem kontinuierlichen Kristall-Oxidhalbleiter wahrgenommen, und die Kristallteile sind kontinuierlich verbunden.
Die Dichte des Oxidhalbleiters in jedem Kristallzustand wird beschrieben. Der amorphe Oxidhalbleiter weist eine niedrige Dichte auf. Der mikrokristalline Oxidhalbleiter weist eine mittlere Dichte auf. Der kontinuierliche Kristall-Oxidhalbleiter weist eine hohe Dichte auf. Mit anderen Worten: Die Dichte des kontinuierlichen Kristall-Oxidhalbleiters ist höher als diejenige des mikrokristallinen Oxidhalbleiters, und die Dichte des mikrokristallinen Oxidhalbleiters ist höher als diejenige des amorphen Oxidhalbleiters.
Ein Merkmal der Zustandsdichte (density of states, DOS) in dem Oxidhalbleiter in jedem Kristallzustand wird beschrieben. Die DOS des amorphen Oxidhalbleiters ist hoch. Die DOS des mikrokristallinen Oxidhalbleiters ist relativ niedrig. Die DOS des kontinuierlichen Kristall-Oxidhalbleiters ist niedrig. Die DOS des einkristallinen Oxidhalbleiters ist sehr niedrig. Mit anderen Worten: Die DOS des einkristallinen Oxidhalbleiters ist niedriger als diejenige des kontinuierlichen Kristall-Oxidhalbleiters, die DOS des kontinuierlichen Kristall-Oxidhalbleiters ist niedriger als diejenige des mikrokristallinen Oxidhalbleiters, und die DOS des mikrokristallinen Oxidhalbleiters ist niedriger als diejenige des amorphen Oxidhalbleiters.
Als Nächstes wird vorzugsweise eine erste Wärmebehandlung durchgeführt. Die erste Wärmebehandlung kann bei einer Temperatur von höher als oder gleich 250°C und niedriger als oder gleich 650°C, bevorzugt höher als oder gleich 300°C und niedriger als oder gleich 500°C in einer Inertgasatmosphäre, in einer Atmosphäre, die 10 ppm oder mehr Oxidationsgas enthält, oder in einem Zustand mit verringertem Druck durchgeführt werden. Alternativ kann die erste Wärmebehandlung derart durchgeführt werden, dass eine Wärmebehandlung in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt wird und dann eine weitere Wärmebehandlung in einer Atmosphäre durchgeführt wird, die 10 ppm oder mehr Oxidationsgas enthält, um desorbierten Sauerstoff zu kompensieren. Die erste Wärmebehandlung kann die Kristallinität des Oxidhalbleiterfilms 104b erhöhen und Verunreinigungen, wie z. B. Wasser und Wasserstoff, von dem Basis-Isolierfilm 102, dem Oxidfilm 104a und dem Oxidfilm 104c entfernen. Es sei angemerkt, dass die erste Wärmebehandlung vor dem Ätzen zum Ausbilden des mehrschichtigen Films 104 durchgeführt werden kann.
Als Nächstes wird ein leitender Film 106, der zu der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode wird, über dem mehrschichtigen Film 104 ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform wird ein leitendes Material, das leichter an Sauerstoff gebunden wird als an ein Metallelement, das in dem Oxidhalbleiterfilm enthalten ist, als Material des leitenden Films 106 verwendet. Da das Material des leitenden Films 106 das leitende Material ist, das leicht an Sauerstoff gebunden wird, wird Sauerstoff in dem mehrschichtigen Film 104 an das leitende Material (den leitenden Film 106) gebunden. Die Bindung bildet eine Sauerstofffehlstelle in dem mehrschichtigen Film 104 in der Nähe der Grenzfläche zu dem leitenden Film 106. Ferner wird ein Schaden (eine Sauerstofffehlstelle) an der nach oben weisenden Oberfläche des mehrschichtigen Films 104 verursacht, wenn der leitende Film 106 über dem mehrschichtigen Film 104 ausgebildet wird. Mit der Sauerstofffehlstelle wird ein niederohmiger Bereich 105 selbstjustiert (in a self-aligned manner) ausgebildet (siehe 8B). Bei dieser Ausführungsform liegt der niederohmige Bereich 105 in einem Bereich in einer Tiefe von größer als 0 nm und kleiner als oder gleich 15 nm, bevorzugt kleiner als 10 nm, stärker bevorzugt kleiner als 3 nm, von der Grenzfläche zwischen dem mehrschichtigen Film 104, der den Oxidhalbleiterfilm umfasst, und dem leitenden Film 106 in der Tiefenrichtung des mehrschichtigen Films 104.
Obwohl die Grenze zwischen dem niederohmigen Bereich 105 und dem mehrschichtigen Film 104 bei dieser Ausführungsform in dem Oxidfilm 104c vorhanden ist, ist diese Ausführungsform nicht darauf beschränkt; die Grenze kann in dem Oxidfilm 104a, in dem Oxidhalbleiterfilm 104b, an der Grenzfläche zwischen dem Oxidfilm 104a und dem Oxidhalbleiterfilm 104b oder an der Grenzfläche zwischen dem Oxidhalbleiterfilm 104b und dem Oxidfilm 104c vorhanden sein.
Für den leitenden Film 106 kann Al, Cr, Cu, Ta, Ti, Mo, W oder ein Legierungsmaterial, das ein beliebiges Element von diesen als seine Hauptkomponente enthält, verwendet werden. Zum Beispiel wird ein 100 nm dicker Wolframfilm durch ein Sputterverfahren oder dergleichen ausgebildet.
Wenn der niederohmige Bereich 105 ausgebildet wird, kann der Kontaktwiderstand zwischen der Source-Elektrode oder der Drain-Elektrode, die später ausgebildet wird, und dem mehrschichtigen Film 104 verringert werden, so dass ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb des Transistors 150 erzielt werden kann.
Dann wird der leitende Film 106 derart geätzt, dass er über dem mehrschichtigen Film 104 geteilt ist, wodurch die Source-Elektrode 106a und die Drain-Elektrode 106b ausgebildet werden (siehe 8C). Die Randbereiche der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b sind derart ausgebildet, dass sie, wie in den Zeichnungen gezeigt, jeweils eine Stufe aufweisen. Die Randbereiche können derart ausgebildet werden, dass ein Schritt zum Verkleinern einer Fotolackmaske durch Aschen und ein Ätzschritt mehrmals abwechselnd durchgeführt werden.
Es sei angemerkt, dass der niederohmige Bereich 105a und der niederohmige Bereich 105b unter der Source-Elektrode 106a bzw. der Drain-Elektrode 106b vorhanden sind und dass ein Oxidhalbleiterfilm zwischen dem niederohmigen Bereich 105a und dem niederohmigen Bereich 105b dem Bereich 105c entspricht.
Des Weiteren werden der Schritt zum Verkleinern der Fotolackmaske durch Aschen und der Ätzschritt abwechselnd durchgeführt, wodurch die Randbereiche der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b über dem niederohmigen Bereich 105a und dem niederohmigen Bereich 105b angeordnet werden.
Folglich entspricht der Kanalbildungsbereich des Transistors 150 dem Bereich 105c, einem Bereich des niederohmigen Bereichs 105a, der nicht in Kontakt mit der Source-Elektrode 106a steht, und einem Bereich des niederohmigen Bereichs 105b, der nicht in Kontakt mit der Drain-Elektrode 106b steht. Der Kanalbildungsbereich des Transistors 150 ist ein n-Typ-Bereich; deshalb wird die Verunreinigungskonzentration des mehrschichtigen Films 104 notwendigerweise verringert, so dass der Kanalbildungsbereich einer Hochreinigung unterzogen und intrinsisch wird.
Es sei angemerkt, dass dann, wenn der leitende Film 106 derart geätzt wird, dass er über dem mehrschichtigen Film 104 geteilt ist, ein Teil des Oxidfilms 104c geätzt werden und die Dicke des mehrschichtigen Films in dem Kanalbildungsbereich verringert werden könnte.
Anschließend wird der Gate-Isolierfilm 108 über dem mehrschichtigen Film 104, der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b ausgebildet. Danach wird Sauerstoff 120 dem Bereich 105c des mehrschichtigen Films 104 zugesetzt (siehe 9A).
Der Gate-Isolierfilm 108 kann unter Verwendung von Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Siliziumoxid, Siliziumoxynitirid, Siliziumnitridoxid, Siliziumnitrid, Galliumoxid, Germaniumoxid, Yttriumoxid, Zirconiumoxid, Lanthanoxid, Neodymoxid, Hafniumoxid, Tantaloxid oder dergleichen ausgebildet werden. Der Gate-Isolierfilm 108 kann eine Schichtanordnung sein, die beliebige Materialien der obigen Materialien enthält. Der Gate-Isolierfilm 108 kann durch ein Sputterverfahren, ein CVD-Verfahren, ein MOCVD-Verfahren, ein MBE-Verfahren, ein ALD-Verfahren, ein PLD-Verfahren oder dergleichen ausgebildet werden.
Der Gate-Isolierfilm 108 enthält vorzugsweise Aluminiumoxid, weil Gettern (gettering) von Wasserstoff in dem mehrschichtigen Film aufgrund des Aluminiumoxides durchgeführt wird, so dass der Wasserstoff in dem mehrschichtigen Film verringert wird. Des Weiteren wird vorzugsweise ein überschüssigen Sauerstoff enthaltender Oxid-Isolierfilm über dem Aluminiumoxid ausgebildet. Mit einer derartigen Struktur wird der Wasserstoff in dem mehrschichtigen Film aufgrund des Aluminiumoxides verringert, und Sauerstoff kann dem mehrschichtigen Film von dem Oxid-Isolierfilm zugeführt werden.
Außerdem kann der Gate-Isolierfilm 108 eine Schichtanordnung aus einem überschüssigen Sauerstoff enthaltenden Oxid-Isolierfilm und einem Sperrfilm sein. Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid kann für den Sperrfilm verwendet werden.
Der Gate-Isolierfilm 108 enthält vorzugsweise hochreines Hafniumoxid, weil der Leckstrom verringert werden kann.
Sauerstoff kann dem Bereich 105c des mehrschichtigen Films 104 durch ein Ionendotierverfahren oder ein Ionenimplantationsverfahren zugesetzt werden. Alternativ kann als Verfahren zum Zusetzen von Sauerstoff auch ein Plasma-Immersions-Ionenimplantationsverfahren verwendet werden. Durch ein Plasma-Immersions-Ionenimplantationsverfahren kann Sauerstoff auch dann in effizienter Weise zugesetzt werden, wenn der Bereich 105c eine ungleichmäßige Form hat. Alternativ kann Sauerstoff durch ein anderes Verfahren als ein Ionendotierverfahren, ein Ionenimplantationsverfahren oder dergleichen zugesetzt werden. Sauerstoff kann beispielsweise derart zugesetzt werden, dass ein Plasma in einer Sauerstoffatmosphäre erzeugt wird und dann der Bereich 105c einer Plasmabehandlung in der Sauerstoffatmosphäre unterzogen wird. Als Einrichtung zum Erzeugen von Plasma kann eine Trockenätzeinrichtung, eine Plasma-CVD-Einrichtung, eine CVD-Einrichtung mit hochdichtem Plasma oder dergleichen verwendet werden.
Der Sauerstoff 120, der dem Bereich 105c zugesetzt wird, ist eines oder mehrere von einem Sauerstoffradikal, einem Sauerstoffatom und einem Sauerstoffion. Des Weiteren kann der Sauerstoff 120 mindestens einem Teil des Bereichs 105c zugesetzt werden, typischerweise einer/einem beliebigen von einer Oberfläche des Bereichs 105c, dem Bereich 105c und der Grenzfläche zwischen dem Bereich 105c und dem Oxidfilm 104c.
In dem Fall, in dem Sauerstoff dem Bereich 105c durch ein Ionendotierverfahren oder ein Ionenimplantationsverfahren zugesetzt wird, ist die Menge an Sauerstoff, der dem Bereich 105c zugesetzt wird, größer als oder gleich 5 × 10¹⁹/cm³ und kleiner als oder gleich 5 × 10²¹/cm³. In diesem Fall wird dann, wenn der Sauerstoff 120 hohe Energie hat, der Bereich 105c beschädigt und physikalische Defekte werden verursacht. Deshalb hat der Sauerstoff 120 vorzugsweise eine solche Energie, die den mehrschichtigen Film nicht beschädigt. Der Bereich 105c umfasst einen Bereich, in dem sich der Sauerstoff-Gehalt von der Oberfläche in der Tiefenrichtung des Oxidhalbleiterfilms erhöht.
Der gesamte niederohmige Bereich 105a überlappt sich nicht notwendigerweise mit der Source-Elektrode und kann einen Bereich umfassen, der sich bis zu der Seite des Bereichs 105c erstreckt und nicht mit der Source-Elektrode überlappt. Des Weiteren überlappt sich der gesamte niederohmige Bereich 105b nicht notwendigerweise mit der Drain-Elektrode und kann einen Bereich umfassen, der sich bis zu der Seite des Bereichs 105c erstreckt und nicht mit der Drain-Elektrode überlappt. Der niederohmige Bereich 105a und der niederohmige Bereich 105b weisen nicht notwendigerweise eine gleichmäßige Dicke auf. Beispielsweise kann sich der Randbereich des niederohmigen Bereichs 105a, der sich nicht mit der Source-Elektrode überlappt, allmählich von der Bodenfläche zu der Oberfläche des niederohmigen Bereichs 105a hin ausbreiten. In einer ähnlichen Weise kann sich beispielsweise der Randbereich des niederohmigen Bereichs 105b, der sich nicht mit der Drain-Elektrode überlappt, allmählich von der Bodenfläche zu der Oberfläche des niederohmigen Bereichs 105b hin ausbreiten. Ein Unterschied zwischen dem Abstand zwischen der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b und dem Abstand zwischen dem niederohmigen Bereich 105a und dem niederohmigen Bereich 105b beträgt weniger als 30%, bevorzugt weniger als 10%, stärker bevorzugt weniger als 3%, des Abstandes zwischen der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b.
Bei der vorstehenden Struktur hat der Bereich 105c einen höheren Widerstand als der niederohmige Bereich und dient als Kanalbildungsbereich. Des Weiteren kann die Menge an Sauerstofffehlstellen in dem Bereich 105c verringert werden, und ein hochreiner, intrinsischer Bereich kann ausgebildet werden. Infolgedessen können der hochreine, intrinsische Bereich und die niederohmigen Bereiche gleichzeitig getrennt ausgebildet werden. Es sei angemerkt, dass die Wasserstoffkonzentration in dem Bereich 105c, der als Kanalbildungsbereich dient, niedriger als oder gleich 5 × 10¹⁷ Atome/cm³, bevorzugt niedriger als oder gleich 1 × 10¹⁷ Atome/cm³, ist.
Obwohl bei dieser Ausführungsform der Sauerstoff 120 dem Bereich 105c des mehrschichtigen Films 104 zugesetzt wird, nachdem der Gate-Isolierfilm 108 ausgebildet worden ist, ist diese Ausführungsform nicht darauf beschränkt; der Sauerstoff 120 kann zugesetzt werden, nachdem die Source-Elektrode 106a und die Drain-Elektrode 106b ausgebildet worden sind, und dann kann der Gate-Isolierfilm 108 ausgebildet werden.
Als Nächstes wird vorzugsweise eine zweite Wärmebehandlung durchgeführt. Die zweite Wärmebehandlung kann unter einer ähnlichen Bedingung wie die erste Wärmebehandlung durchgeführt werden. Durch die zweite Wärmebehandlung können Verunreinigungen, wie z. B. Wasserstoff und Wasser, weiter von dem mehrschichtigen Film 104 entfernt werden.
Als Nächstes wird die Gate-Elektrode 110 über dem Gate-Isolierfilm 108 ausgebildet (siehe 9B).
Für die Gate-Elektrode 110 kann Al, Ti, Cr, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Mo, Ru, Ag, Ta, W oder ein Legierungsmaterial, das ein beliebiges Element von diesen als seine Hauptkomponente enthält, verwendet werden. Die Gate-Elektrode 110 kann durch ein Sputterverfahren oder dergleichen ausgebildet werden.
Durch den vorstehenden Prozess kann der Transistor 150 in 1A bis 1C hergestellt werden.
Der Oxid-Isolierfilm 112 kann über dem Gate-Isolierfilm 108 und der Gate-Elektrode 110 ausgebildet werden (siehe 9C).
Der Oxid-Isolierfilm 112 kann unter Verwendung eines Materials und eines Verfahrens ausgebildet werden, die denjenigen des Basis-Isolierfilms 102 ähnlich sind. Der Oxid-Isolierfilm 112 kann unter Verwendung von Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Siliziumoxid, Siliziumoxynitirid, Galliumoxid, Germaniumoxid, Yttriumoxid, Zirconiumoxid, Lanthanoxid, Neodymoxid, Hafniumoxid, Tantaloxid oder einem Oxid-Isolierfilm, der Stickstoff enthält, ausgebildet werden. Der Oxid-Isolierfilm 112 kann durch ein Sputterverfahren, ein CVD-Verfahren, ein MBE-Verfahren, ein ALD-Verfahren oder ein PLD-Verfahren ausgebildet werden und wird vorzugsweise derart ausgebildet, dass er überschüssigen Sauerstoff enthält, wodurch Sauerstoff dem mehrschichtigen Film 104 (dem Oxidhalbleiterfilm 104b) zugeführt werden kann.
Der Oxid-Isolierfilm 112 ist vorzugsweise eine Schichtanordnung aus einem ersten Oxid-Isolierfilm und einem zweiten Oxid-Isolierfilm. Als erster Oxid-Isolierfilm wird ein erster Siliziumoxidfilm abgeschieden. Der erste Siliziumoxidfilm wird vorzugsweise durch ein Plasma-CVD-Verfahren ausgebildet, das eine Art von CVD-Verfahren ist. Konkret kann der erste Siliziumoxidfilm durch Zuführen eines Hochfrequenzstroms zu einer Elektrode unter den folgenden Bedingungen ausgebildet werden: Die Substrattemperatur ist höher als oder gleich 180°C und niedriger als oder gleich 400°C, bevorzugt höher als oder gleich 200°C und niedriger als oder gleich 370°C, ein Abscheidungsgas, das Silizium enthält, und ein Oxidationsgas werden verwendet, und der Druck ist höher als oder gleich 20 Pa und niedriger als oder gleich 250 Pa, bevorzugt höher als oder gleich 40 Pa und niedriger als oder gleich 200 Pa. Es sei angemerkt, dass typische Beispiele für das Abscheidungsgas, das Silizium enthält, Silan, Disilan, Trisilan und Silanfluorid umfassen. Beispiele für das Oxidationsgas umfassen Sauerstoff, Ozon, Distickstoffmonooxid und Stickstoffdioxid.
Indem die Durchflussmenge des Oxidationsgases derart eingestellt wird, dass sie 100-mal oder mehr der Durchflussmenge des Abscheidungsgases ist, das Silizium enthält, kann der Wasserstoffgehalt in dem ersten Siliziumoxidfilm verringert werden, und offene Bindungen können verringert werden.
Dann wird ein zweiter Siliziumoxidfilm als zweiter Oxid-Isolierfilm abgeschieden. Der zweite Siliziumoxidfilm wird vorzugsweise durch ein Plasma-CVD-Verfahren ausgebildet. Konkret kann der zweite Siliziumoxidfilm durch Zuführen einer Hochfrequenzleistung von höher als oder gleich 0,17 W/cm² und niedriger als oder gleich 0,5 W/cm², bevorzugt höher als oder gleich 0,25 W/cm² und niedriger als oder gleich 0,35 W/cm², zu einer Elektrode unter den folgenden Bedingungen ausgebildet werden: Die Substrattemperatur ist höher als oder gleich 160°C und niedriger als oder gleich 350°C, bevorzugt höher als oder gleich 180°C und niedriger als oder gleich 260°C, ein Abscheidungsgas, das Silizium enthält, und ein Oxidationsgas werden verwendet, und der Druck ist höher als oder gleich 100 Pa und niedriger als oder gleich 250 Pa, bevorzugt höher als oder gleich 100 Pa und niedriger als oder gleich 200 Pa.
Durch das oben beschriebene Verfahren wird die Effizienz des Zerfalls des Gases in Plasma erhöht, Sauerstoffradikale werden vermehrt und Oxidation des Gases wird gefördert; somit kann der Siliziumoxidfilm, der überschüssigen Sauerstoff enthält, als der zweite Siliziumoxidfilm ausgebildet werden.
Sauerstoff kann dem Oxid-Isolierfilm 112 durch ein Ionenimplantationsverfahren, ein Ionendotierverfahren, ein Plasma-Immersions-Ionenimplantationsverfahren oder dergleichen zugesetzt werden. Durch den Zusatz von Sauerstoff kann der Oxid-Isolierfilm 112 Sauerstoff dem mehrschichtigen Film 104 sehr leicht zuführen.
Außerdem kann der Nitrid-Isolierfilm 114 über dem Oxid-Isolierfilm 112 bereitgestellt werden. Der Nitrid-Isolierfilm 114 kann verhindern, dass Sauerstoff in dem Oxid-Isolierfilm 112 bei einer Wärmebehandlung in die Außenseite diffundiert, und der Nitrid-Isolierfilm 114 dient als Sperrfilm, der verhindert, dass Wasserstoff oder eine Wasserstoff enthaltende Verbindung (z. B. Wasser) von der Außenseite in den mehrschichtigen Film 104b eindringt. Folglich kann die Zuverlässigkeit des Transistors verbessert werden.
Der Nitrid-Isolierfilm ist vorzugsweise eine Schichtanordnung aus einem ersten Nitrid-Isolierfilm und einem zweiten Nitrid-Isolierfilm. Als erster Nitrid-Isolierfilm wird ein Siliziumnitridfilm abgeschieden. Der erste Siliziumnitridfilm wird vorzugsweise durch ein Plasma-CVD-Verfahren ausgebildet. Konkret kann der erste Siliziumnitridfilm durch Zuführen eines Hochfrequenzstroms unter den folgenden Bedingungen ausgebildet werden: Die Substrattemperatur ist höher als oder gleich 180°C und niedriger als oder gleich 400°C, bevorzugt höher als oder gleich 200°C und niedriger als oder gleich 370°C, ein Abscheidungsgas, das Silizium enthält, ein Stickstoffgas und ein Ammoniakgas werden verwendet, und der Druck ist höher als oder gleich 20 Pa und niedriger als oder gleich 250 Pa, bevorzugt höher als oder gleich 40 Pa und niedriger als oder gleich 200 Pa.
Es sei angemerkt, dass die Durchflussmenge des Stickstoffgases auf 5-mal oder mehr und 50-mal oder weniger, bevorzugt 10-mal oder mehr und 50-mal oder weniger so groß wie diejenige des Ammoniakgases eingestellt wird. Die Verwendung von Ammoniakgas kann den Zerfall des Abscheidungsgases, das Silizium enthält, und des Stickstoffgases fördern. Das liegt daran, dass das Ammoniakgas durch Plasmaenergie oder Wärmeenergie dissoziiert wird, und dass Energie, die durch die Dissoziation erzeugt wird, zum Zerfall einer Bindung des Abscheidungsgases, das Silizium enthält, und einer Bindung des Stickstoffgases beiträgt.
Dann wird als zweiter Nitrid-Isolierfilm ein zweiter Siliziumnitridfilm abgeschieden. Der zweite Siliziumnitridfilm wird vorzugsweise durch ein Sputterverfahren abgeschieden. Konkret kann der zweite Siliziumnitridfilm unter den Bedingungen ausgebildet werden, bei denen die Substrattemperatur höher als oder gleich 300°C und niedriger als oder gleich 400°C ist, ein Siliziumtarget als Sputtertarget verwendet wird, ein Argongas und ein Stickstoffgas verwendet werden, der Druck in einer Reaktionskammer niedriger als oder gleich 0,5 Pa, bevorzugt höher als oder gleich 0,1 Pa und niedriger als oder gleich 0,3 Pa ist, und ein Hochfrequenzstrom zugeführt wird.
Durch das obige Verfahren kann ein Siliziumnitridfilm ausgebildet werden, von dem das Wasserstoffgas und das Ammoniakgas weniger wahrscheinlich abgegeben werden und der als Nitrid-Isolierfilm verwendet werden kann. Der Siliziumnitridfilm hat geringen Wasserstoffgehalt und ist somit dicht und lässt Wasserstoff, Wasser und Sauerstoff nicht oder kaum durch.
Als Nächstes wird vorzugsweise eine dritte Wärmebehandlung durchgeführt. Die dritte Wärmebehandlung kann unter einer ähnlichen Bedingung wie die erste Wärmebehandlung durchgeführt werden. In dem Fall, in dem der Basis-Isolierfilm 102 und der Oxid-Isolierfilm 112 überschüssigen Sauerstoff enthalten, wird der überschüssige Sauerstoff durch die dritte Wärmebehandlung leicht von dem Basis-Isolierfilm 102 und dem Oxid-Isolierfilm 112 abgegeben, so dass Sauerstofffehlstellen in dem mehrschichtigen Film 104 verringert werden können. Daher kann die Menge an Sauerstofffehlstellen in dem Kanalbildungsbereich des mehrschichtigen Films 104 weiter verringert werden, so dass der Kanalbildungsbereich hochrein intrinsisch wird.
Des Weiteren ist, obwohl bei dieser Ausführungsform die Behandlung zum Zusetzen des Sauerstoffs 120 zu dem Bereich 105c des mehrschichtigen Films 104 gleich nach dem Ausbilden der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b durchgeführt wird, diese Ausführungsform nicht darauf beschränkt; die Behandlung kann durchgeführt werden, nachdem der Gate-Isolierfilm 108 ausgebildet worden ist, wodurch Sauerstoff von dem Gate-Isolierfilm 108 zu dem Bereich 105c des mehrschichtigen Films 104 zugeführt werden kann.
Diese Ausführungsform kann mit einer beliebigen der anderen Ausführungsformen in dieser Beschreibung entsprechend kombiniert werden.
(Ausführungsform 3)
Bei dieser Ausführungsform wird ein Transistor mit einer Struktur beschrieben, die sich von derjenigen des Transistors bei der Ausführungsform 1 unterscheidet.
10A bis 10C sind eine Draufsicht und Querschnittsansichten eines Transistors nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 10A ist eine Draufsicht, und ein Querschnitt entlang einer Strichpunktlinie B1-B2 und derjenige entlang einer Strichpunktlinie B3-B4 in 10A sind in 10B dargestellt. 10C ist eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs in 10B, der durch einen Kreis einer gestrichelten Linie umgeben ist. Es sei angemerkt, dass einige Bestandteile in der Draufsicht in 10A nicht abgebildet sind, um die Zeichnung zu vereinfachen.
Ein Transistor 250 in 10A bis 10C beinhaltet: die Gate-Elektrode 110 über dem Substrat 100, den Gate-Isolierfilm 108 über der Gate-Elektrode 110, den mehrschichtigen Film 104 über dem Gate-Isolierfilm 108, den niederohmigen Bereich 105a und den niederohmigen Bereich 105b über dem mehrschichtigen Film 104, die Source-Elektrode 106a über dem niederohmigen Bereich 105a, die Drain-Elektrode 106b über dem niederohmigen Bereich 105b und den Oxid-Isolierfilm 112 über dem mehrschichtigen Film 104, der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b. Des Weiteren kann ein weiterer Isolierfilm (z. B. der Nitrid-Isolierfilm 114) über dem Oxid-Isolierfilm 112 angeordnet sein.
Der Transistor 250 in 10A bis 10C ist, abgesehen von den Positionen der Gate-Elektrode 110 und des Gate-Isolierfilms 108, gleich dem Transistor 150 in 1A bis 1C. Ferner beinhaltet der Transistor 250, wie der bei der Ausführungsform 1 beschriebene Transistor 150, den niederohmigen Bereich 105a und den niederohmigen Bereich 105b.
Der mehrschichtige Film 104 weist eine Struktur auf, bei der ein Oxidfilm 104a, ein Oxidhalbleiterfilm 104b und ein Oxidfilm 104c von der Seite des Substrats 100 aus übereinander geschichtet sind.
In dem mehrschichtigen Film 104 sind in einigen Fällen Grenzen zwischen dem Oxidfilm 104a und dem Oxidhalbleiterfilm 104b und zwischen dem Oxidhalbleiterfilm 104b und dem Oxidfilm 104c nicht deutlich wahrzunehmen, was von Materialien abhängt, die für den Oxidfilm 104a, den Oxidhalbleiterfilm 104b und den Oxidfilm 104c verwendet werden. Daher sind in den Zeichnungen die Grenzen des Oxidfilms 104a, des Oxidhalbleiterfilms 104b und des Oxidfilms 104c durch Punktlinien dargestellt.
Ein Material eines leitenden Films, der zu der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode wird, ist ein leitendes Material, das leichter an Sauerstoff gebunden wird als an ein Metallelement, das in dem Oxidhalbleiterfilm enthalten ist; deshalb wird Sauerstoff in dem mehrschichtigen Film 104 an das leitende Material eines leitenden Films gebunden, der zu der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode wird. Die Bindung bildet eine Sauerstofffehlstelle in einem Bereich des mehrschichtigen Films 104 in der Nähe einer Grenzfläche zu dem leitenden Film. Alternativ wird ein Schaden (eine Sauerstofffehlstelle) an der nach oben weisenden Oberfläche des mehrschichtigen Films 104 verursacht, wenn der leitende Film, der über dem mehrschichtigen Film 104 auszubilden ist, ausgebildet wird. Bereiche, deren Widerstände aufgrund von der Sauerstofffehlstelle und Wasserstoff verringert werden, d. h. der niederohmige Bereich 105a und der niederohmige Bereich 105b, werden gebildet, so dass der Kontaktwiderstand zwischen dem mehrschichtigen Film und der Source-Elektrode oder der Drain-Elektrode verringert wird. Außerdem werden in dem Fall, in dem das Material des leitenden Films ein leitendes Material ist, das durch eine Wärmebehandlung leicht in den Oxidhalbleiterfilm diffundiert, die niederohmigen Bereiche ausgebildet. Obwohl Grenzen zwischen dem mehrschichtigen Film 104 und den niederohmigen Bereichen 105a und 105b in dem Oxidfilm 104c vorhanden sind, ist diese Ausführungsform nicht darauf beschränkt; die Grenzen können in dem Oxidfilm 104a, in dem Oxidhalbleiterfilm 104b, an der Grenzfläche zwischen dem Oxidfilm 104a und dem Oxidhalbleiterfilm 104b oder an der Grenzfläche zwischen dem Oxidhalbleiterfilm 104b und dem Oxidfilm 104c vorhanden sein.
Die Source-Elektrode 106a und die Drain-Elektrode 106b sind derart ausgebildet, dass sie jeweils einen stufenförmigen Randbereich aufweisen. Die Randbereiche können derart ausgebildet werden, dass ein Schritt zum Verkleinern einer Fotolackmaske durch Aschen und ein Ätzschritt mehrmals abwechselnd durchgeführt werden. Deshalb sind die Randbereiche der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b über dem niederohmigen Bereich 105a bzw. dem niederohmigen Bereich 105b angeordnet.
Folglich entspricht ein Kanalbildungsbereich des Transistors 250 einem Bereich 105c des mehrschichtigen Films 104 zwischen dem niederohmigen Bereich 105a und dem niederohmigen Bereich 105b, einem Bereich des niederohmigen Bereichs 105a, der nicht in Kontakt mit der Source-Elektrode 106a steht, und einem Bereich des niederohmigen Bereichs 105b, der nicht in Kontakt mit der Drain-Elektrode 106b steht. Der Kanalbildungsbereich des Transistors 250 wird zu einem n-Typ gemacht; deshalb wird die Verunreinigungskonzentration des mehrschichtigen Films 104 notwendigerweise verringert, so dass der mehrschichtige Film einer Hochreinigung unterzogen und intrinsisch wird.
Damit der Kanalbildungsbereich des Transistors 250 einer Hochreinigung unterzogen und intrinsisch werden kann, wird Sauerstoff dem Bereich 105c des mehrschichtigen Films 104 zugesetzt. Der Zusatz von Sauerstoff kann die Menge an Sauerstofffehlstellen verringern, so dass ein hochreiner, intrinsischer Bereich ausgebildet werden kann. Infolgedessen können der hochreine, intrinsische Bereich und die niederohmigen Bereiche gleichzeitig getrennt ausgebildet werden.
Des Weiteren kann durch eine Wärmebehandlung überschüssiger Sauerstoff leicht von dem Basis-Isolierfilm 102, dem Gate-Isolierfilm 108 und dem Oxid-Isolierfilm 112 abgegeben werden, so dass die Sauerstofffehlstellen in dem mehrschichtigen Film 104 verringert werden können. Daher wird die Menge an Sauerstofffehlstellen in dem Kanalbildungsbereich des mehrschichtigen Films 104 weiter verringert, so dass der Kanalbildungsbereich hochrein und intrinsisch ist.
11A stellt eine weitere Transistorstruktur dar. Ein Transistor 290 in 11A beinhaltet die Gate-Elektrode 110 über dem Substrat 100, den Gate-Isolierfilm 108 über der Gate-Elektrode 110, den Oxidfilm 104a über dem Gate-Isolierfilm 108, den Oxidhalbleiterfilm 104b über dem Oxidfilm 104a, die Source-Elektrode 106a und die Drain-Elektrode 106b über dem Oxidhalbleiterfilm 104b, den Oxidfilm 104c über der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b, den niederohmigen Bereich 105a, der derart ausgebildet wird, dass Sauerstoff aus dem Oxidhalbleiterfilm 104b extrahiert wird, der in Kontakt mit der Source-Elektrode 106a steht, den niederohmigen Bereich 105b, der derart ausgebildet wird, dass Sauerstoff aus dem Oxidhalbleiterfilm 104b extrahiert wird, der in Kontakt mit der Drain-Elektrode 106b steht, und den Oxid-Isolierfilm 112 über dem Oxidfilm 104c, der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b. Des Weiteren kann ein weiterer Isolierfilm (z. B. der Nitrid-Isolierfilm 114) über dem Oxid-Isolierfilm 112 angeordnet sein.
Der Transistor 290 in 11A ist gleich dem Transistor 250 in 10A bis 10C, außer dass der Oxidfilm 104c über der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b angeordnet ist. Wie der bei der Ausführungsform 1 beschriebene Transistor 150 beinhaltet der Transistor 290 den niederohmigen Bereich 105a und den niederohmigen Bereich 105b.
Ein In-Ga-Zn-Oxid mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:1:1 kann für den Oxidfilm 104a verwendet werden, ein In-Ga-Zn-Oxid mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:3:2 kann für den Oxidhalbleiterfilm 104b verwendet werden, und ein n-Ga-Zn-Oxid mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:1:1 kann für den Oxidfilm 104c verwendet werden.
Bei dem Transistor 290 steht der Oxidhalbleiterfilm 104b, in dem der Kanal gebildet wird, in Kontakt mit der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b, so dass Sauerstofffehlstellen mit einer hohen Dichte in dem Oxidhalbleiterfilm 104b erzeugt werden und n-Typ-Bereiche (der niederohmige Bereich 105a und der niederohmige Bereich 105b) ausgebildet werden. Dadurch gibt es wenige Widerstandskomponenten in einem Ladungsträgerpfad (carrier path) und Ladungsträger können effizient transportiert werden.
Außerdem wird der Oxidfilm 104c ausgebildet, nachdem die Source-Elektrode 106a und die Drain-Elektrode 106b ausgebildet worden sind; deshalb wird keine Überätzung (overetching) des Oxidfilms 104c beim Ausbilden der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b verursacht. Daher kann der Oxidhalbleiterfilm 104b, in dem der Kanal gebildet wird, ausreichend getrennt von dem Oxid-Isolierfilm 112 liegen, und der Effekt zum Unterdrücken des Einflusses einer Diffusion von Verunreinigungen von der Grenzfläche kann verstärkt werden.
Außerdem dient der Oxidfilm 104c als Sperrfilm, der ein Eindringen von Wasserstoff oder einer Wasserstoff enthaltenden Verbindung (z. B. Wasser) von der Außenseite in den mehrschichtigen Film 104 verhindert; daher kann die Zuverlässigkeit des Transistors verbessert werden. Deshalb wird der Nitrid-Isolierfilm 114 nicht notwendigerweise bereitgestellt.
Ferner werden dann, wenn die Source-Elektrode 106a und die Drain-Elektrode 106b unter Verwendung eines leitenden Materials ausgebildet werden, das leicht an Sauerstoff gebunden wird, niederohmige Bereiche wie bei einem Transistor 295 in 11B auch in dem Oxidfilm 104c in Kontakt mit der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b ausgebildet.
Des Weiteren kann wie bei einem Transistor 300 in 11C eine Struktur verwendet werden, bei der der Randbereich des Oxidfilms 104a und der Randbereich des Oxidhalbleiterfilms 104b nicht ausgerichtet sind. Die Formen der Randbereiche werden derart ausgebildet, dass eine Schichtanordnung aus dem Oxidfilm 104a und dem Oxidhalbleiterfilm 104b unter den folgenden Bedingungen durch Nassätzen geätzt wird: Die Ätzgeschwindigkeit des Oxidhalbleiterfilms 104b ist höher als diejenige des Oxidfilms 104a.
Die Kontaktfläche der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b kann groß sein, wenn der mehrschichtige Film 104 eine sich verjüngende Form aufweist. Folglich wird der Kontaktwiderstand zwischen dem mehrschichtigen Film 104 und der Source- und Drain-Elektrode 106a und 106b verringert, wodurch der Durchlassstrom (on-state current) des Transistors erhöht werden kann.
Wie bei einem Transistor 310 in 12A können, nachdem der Oxidfilm 104a, der Oxidhalbleiterfilm 104b und der Oxidfilm 104c in dieser Reihenfolge über dem Gate-Isolierfilm 108 ausgebildet worden sind, die Source-Elektrode 106a und die Drain-Elektrode 106b ausgebildet werden, und dann kann ein Oxidfilm 104e über der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b ausgebildet werden. Ein In-Ga-Zn-Oxid mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:3:2 kann für den Oxidfilm 104e verwendet werden.
Ferner stellt 12B eine weitere Transistorstruktur dar. Ein Transistor 320 in 126 ist gleich dem Transistor 250 in 10A bis 10C, außer dass ein leitender Film 107a und ein leitender Film 107b über der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b angeordnet sind. Wie der bei der Ausführungsform 1 beschriebene Transistor 150 beinhaltet der Transistor 320 den niederohmigen Bereich 105a und den niederohmigen Bereich 105b.
Es sei angemerkt, dass der leitende Film 107a und der leitende Film 107b als Teil der Source-Elektrode und als Teil der Drain-Elektrode dienen. Daher entspricht bei dem Transistor 320 in 12B eine Kanallänge einem Abstand zwischen dem leitenden Film 107a und dem leitenden Film 107b.
Ferner entspricht bei dem Transistor 320 in 12B ein Kanal einem Bereich des Oxidhalbleiterfilms 104b, welcher sich weder mit dem leitenden Film 107a noch mit dem leitenden Film 107b überlappt.
Ferner entspricht bei dem Transistor 320 in 12B ein Kanalbildungsbereich Bereichen des Oxidfilms 104a, des Oxidhalbleiterfilms 104b und des Oxidfilms 104c, welche sich weder mit dem leitenden Film 107a noch mit dem leitenden Film 107b überlappen.
Nachdem der leitende Film 107a und der leitende Film 107b ausgebildet worden sind, wird Sauerstoff dem Bereich 105c des mehrschichtigen Films 104 zugesetzt, wodurch die Menge an Sauerstofffehlstellen in dem Kanalbildungsbereich verringert werden kann und ein hochreiner, intrinsischer Bereich ausgebildet werden kann. Infolgedessen können der hochreine, intrinsische Bereich und die niederohmigen Bereiche gleichzeitig getrennt ausgebildet werden.
Bezüglich des leitenden Films 107a und des leitenden Films 107b kann auf die vorstehende Ausführungsform Bezug genommen werden.
Wenn der leitende Film 107a und der leitende Film 107b derart ausgebildet werden, dass ein leitender Film durch Belichtung mit einem Elektronenstrahl, ArF-Immersion oder EUV unter Verwendung einer Fotolackmaske mit einer kleinen Musterbreite verarbeitet wird, kann die Kanallänge größer als oder gleich 1 nm und kleiner als oder gleich 30 nm sein.
13A stellt eine weitere Transistorstruktur dar. Ein Transistor 330 weist eine Struktur des Transistors 290 in 11A auf, die ferner den leitenden Film 107a und den leitenden Film 107b über dem Oxidfilm 104c beinhaltet.
Alternativ kann eine Struktur eines Transistors 340 in 13B zum Einsatz kommen. Der Transistor 340 wird durch einen Ausbildungsprozess des Transistors 330 in 13A ausgebildet, bei dem der Ausbildungsprozess des Oxidfilms 104c und der Ausbildungsprozess des leitenden Films 107a und des leitenden Films 107b umgekehrt sind.
Obiges ist die Beschreibung der Transistoren nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es kann die Menge an Sauerstofffehlstellen in dem Kanalbildungsbereich des Oxidhalbleiters in dem mehrschichtigen Film bei jedem der Transistoren verringert werden, und die elektrischen Eigenschaften jedes der Transistoren sind vorteilhaft; daher kann eine hochzuverlässige Halbleitervorrichtung bereitgestellt werden.
Diese Ausführungsform kann mit einer beliebigen der anderen Ausführungsformen in dieser Beschreibung entsprechend kombiniert werden.
(Ausführungsform 4)
Bei dieser Ausführungsform wird ein Verfahren zum Herstellen des Transistors 250 beschrieben, der anhand von 10A bis 10C bei der Ausführungsform 3 beschrieben worden ist.
Zuerst wird die Gate-Elektrode 110 über dem Substrat 100 ausgebildet, und der Gate-Isolierfilm 108 wird über der Gate-Elektrode 110 ausgebildet (siehe 14A).
Bezüglich des Substrats 100, der Gate-Elektrode 110 und des Gate-Isolierfilms 108 kann auf die vorstehende Ausführungsform Bezug genommen werden.
Der Gate-Isolierfilm 108 ist vorzugsweise ein Isolierfilm, der überschüssigen Sauerstoff enthält.
Ein Basis-Isolierfilm kann über dem Substrat 100 ausgebildet werden. Bezüglich des Basis-Isolierfilms kann auf den Basis-Isolierfilm 102 bei der vorstehenden Ausführungsform Bezug genommen werden.
Als Nächstes wird der mehrschichtige Film 104, der den Oxidfilm 104a, den Oxidhalbleiterfilm 104b und den Oxidfilm 104c umfasst, über dem Gate-Isolierfilm 108 ausgebildet (siehe 14B).
Bezüglich des mehrschichtigen Films 104 kann auf die vorstehende Ausführungsform Bezug genommen werden.
Als Nächstes wird vorzugsweise eine erste Wärmebehandlung durchgeführt. Die erste Wärmebehandlung kann bei einer Temperatur von höher als oder gleich 250°C und niedriger als oder gleich 650°C, bevorzugt höher als oder gleich 300°C und niedriger als oder gleich 500°C in einer Inertgasatmosphäre, in einer Atmosphäre, die 10 ppm oder mehr Oxidationsgas enthält, oder in einem Zustand mit verringertem Druck durchgeführt werden. Alternativ kann die erste Wärmebehandlung derart durchgeführt werden, dass eine Wärmebehandlung in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt wird und dann eine weitere Wärmebehandlung in einer Atmosphäre durchgeführt wird, die 10 ppm oder mehr Oxidationsgas enthält, um desorbierten Sauerstoff zu kompensieren. Die erste Wärmebehandlung kann die Kristallinität des Oxidhalbleiterfilms 104b verbessern und Verunreinigungen, wie z. B. Wasser und Wasserstoff, von dem Gate-Isolierfilm 108, dem Oxidfilm 104a und dem Oxidfilm 104c entfernen. Es sei angemerkt, dass die erste Wärmebehandlung vor dem Ätzen zum Ausbilden des mehrschichtigen Films 104 durchgeführt werden kann.
Als Nächstes wird der leitende Film 106, der zu der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode wird, über dem mehrschichtigen Film 104 ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform wird ein leitendes Material, das leichter an Sauerstoff gebunden wird als an ein Metallelement, das in dem Oxidhalbleiterfilm enthalten ist, als Material des leitenden Films 106 verwendet. Da das Material des leitenden Films 106 das leitende Material ist, das leicht an Sauerstoff gebunden wird, wird Sauerstoff in dem mehrschichtigen Film 104 an das leitende Material (den leitenden Film 106) gebunden. Die Bindung bildet eine Sauerstofffehlstelle in dem mehrschichtigen Film 104 in der Nähe der Grenzfläche zu dem leitenden Film 106. Ferner wird ein Schaden (eine Sauerstofffehlstelle) an der nach oben weisenden Oberfläche des mehrschichtigen Films 104 verursacht, wenn der leitende Film 106 über dem mehrschichtigen Film 104 ausgebildet wird. Mit der Sauerstofffehlstelle wird der niederohmige Bereich 105 ausgebildet (siehe 14C). Bei dieser Ausführungsform liegt der niederohmige Bereich 105 in einem Bereich in einer Tiefe von größer als 0 nm und kleiner als oder gleich 15 nm, bevorzugt kleiner als 10 nm, stärker bevorzugt kleiner als 3 nm, von der Grenzfläche zwischen dem mehrschichtigen Film 104, der den Oxidhalbleiterfilm umfasst, und dem leitenden Film 106 in der Tiefenrichtung des mehrschichtigen Films 104.
Obwohl die Grenze zwischen dem niederohmigen Bereich 105 und dem mehrschichtigen Film 104 bei dieser Ausführungsform in dem Oxidfilm 104c vorhanden ist, ist diese Ausführungsform nicht darauf beschränkt; die Grenze kann in dem Oxidfilm 104a, in dem Oxidhalbleiterfilm 104b, an der Grenzfläche zwischen dem Oxidfilm 104a und dem Oxidhalbleiterfilm 104b oder an der Grenzfläche zwischen dem Oxidhalbleiterfilm 104b und dem Oxidfilm 104c vorhanden sein.
Bezüglich des leitenden Films 106 kann auf die vorstehende Ausführungsform Bezug genommen werden.
Wenn der niederohmige Bereich 105 ausgebildet wird, kann der Kontaktwiderstand zwischen der Source-Elektrode oder der Drain-Elektrode, die später ausgebildet wird, und dem mehrschichtigen Film 104 verringert werden, so dass ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb des Transistors 250 erzielt werden kann.
Dann wird der leitende Film 106 derart geätzt, dass er über dem mehrschichtigen Film 104 geteilt ist, wodurch die Source-Elektrode 106a und die Drain-Elektrode 106b ausgebildet werden (siehe 15A). Die Randbereiche der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b sind derart ausgebildet, dass sie jeweils eine Stufe wie in den Zeichnungen aufweisen. Die Randbereiche können derart ausgebildet werden, dass ein Schritt zum Verkleinern einer Fotolackmaske durch Aschen und ein Ätzschritt mehrmals abwechselnd durchgeführt werden.
Es sei angemerkt, dass der niederohmige Bereich 105a und der niederohmige Bereich 105b unter der Source-Elektrode 106a bzw. der Drain-Elektrode 106b vorhanden sind, und dass ein Oxidfilm zwischen dem niederohmigen Bereich 105a und dem niederohmigen Bereich 105b dem Bereich 105c entspricht.
Des Weiteren werden der Schritt zum Verkleinern der Fotolackmaske durch Aschen und der Ätzschritt abwechselnd durchgeführt, wodurch die Randbereiche der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b über dem niederohmigen Bereich 105a und dem niederohmigen Bereich 105b angeordnet werden.
Folglich entspricht der Kanalbildungsbereich des Transistors 250 dem Bereich 105c, einem Bereich des niederohmigen Bereichs 105a, der nicht in Kontakt mit der Source-Elektrode 106a steht, und einem Bereich des niederohmigen Bereichs 105b, der nicht in Kontakt mit der Drain-Elektrode 106b steht. Der Kanalbildungsbereich des Transistors 250 ist ein n-Typ-Bereich; deshalb ist es notwendig, die Verunreinigungskonzentration des mehrschichtigen Films 104 zu verringern, so dass der Kanalbildungsbereich einer Hochreinigung unterzogen und intrinsisch wird.
Es sei angemerkt, dass dann, wenn der leitende Film 106 derart geätzt wird, dass er über dem mehrschichtigen Film 104 geteilt ist, ein Teil des Oxidfilms 104c geätzt werden und die Dicke des mehrschichtigen Films in dem Kanalbildungsbereich verringert werden könnte.
Danach wird der Sauerstoff 120 dem Bereich 105c des mehrschichtigen Films 104 zugesetzt (siehe 15B).
Bezüglich eines Verfahrens zum Zusetzen von Sauerstoff zu dem Bereich 105c des mehrschichtigen Films 104 kann auf die vorstehende Ausführungsform Bezug genommen werden.
Der gesamte niederohmige Bereich 105a überlappt sich nicht notwendigerweise mit der Source-Elektrode 106a und kann einen Bereich umfassen, der sich bis zu dem Bereich 105c erstreckt und nicht mit der Source-Elektrode 106a überlappt. Des Weiteren überlappt sich der gesamte niederohmige Bereich 105b nicht notwendigerweise mit der Drain-Elektrode 106b und kann einen Bereich umfassen, der sich bis zu dem Bereich 105c erstreckt und nicht mit der Drain-Elektrode 106b überlappt. Der niederohmige Bereich 105a und der niederohmige Bereich 105b weisen nicht notwendigerweise eine gleichmäßige Dicke auf. Beispielsweise kann sich der Randbereich des niederohmigen Bereichs 105a, der sich nicht mit der Source-Elektrode 106a überlappt, allmählich von der Bodenfläche zu der Oberfläche des niederohmigen Bereichs 105a hin ausbreiten. In einer ähnlichen Weise kann sich beispielsweise der Randbereich des niederohmigen Bereichs 105c, der sich nicht mit der Drain-Elektrode 106b überlappt, allmählich von der Bodenfläche zu der Oberfläche des niederohmigen Bereichs 105b hin ausbreiten. Ein Unterschied zwischen dem Abstand zwischen der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b und dem Abstand zwischen dem niederohmigen Bereich 105a und dem niederohmigen Bereich 105b beträgt weniger als 30%, bevorzugt weniger als 10%, stärker bevorzugt weniger als 3%, des Abstandes zwischen der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b.
Bei der vorstehenden Struktur hat der Bereich 105c einen höheren Widerstand als der niederohmige Bereich und dient als Kanalbildungsbereich. Des Weiteren kann die Menge an Sauerstofffehlstellen in dem Bereich 105c verringert werden, und ein hochreiner, intrinsischer Bereich kann ausgebildet werden. Infolgedessen können der hochreine, intrinsische Bereich und die niederohmigen Bereiche gleichzeitig getrennt ausgebildet werden. Es sei angemerkt, dass die Wasserstoffkonzentration in dem Bereich 105c, der als Kanalbildungsbereich dient, niedriger als oder gleich 5 × 10¹⁷ Atome/cm³, bevorzugt niedriger als oder gleich 1 × 10¹⁷ Atome/cm³, ist.
Als Nächstes wird vorzugsweise eine zweite Wärmebehandlung durchgeführt. Die zweite Wärmebehandlung kann unter einer ähnlichen Bedingung wie die erste Wärmebehandlung durchgeführt werden. Durch die zweite Wärmebehandlung können Verunreinigungen, wie z. B. Wasserstoff und Wasser, weiter von dem mehrschichtigen Film 104 entfernt werden.
Anschließend wird der Oxid-Isolierfilm 112 über dem mehrschichtigem Film 104, der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b ausgebildet (siehe 15C).
Bezüglich des Oxid-Isolierfilms 112 kann auf die vorstehende Ausführungsform Bezug genommen werden. Außerdem kann der Nitrid-Isolierfilm 114 über dem Oxid-Isolierfilm 112 bereitgestellt werden. Der Nitrid-Isolierfilm 114 kann verhindern, dass Sauerstoff in dem Oxid-Isolierfilm 112 bei einer Wärmebehandlung in die Außenseite diffundiert, und der Nitrid-Isolierfilm 114 dient als Sperrfilm, der verhindert, dass Wasserstoff oder eine Wasserstoff enthaltende Verbindung (z. B. Wasser) von der Außenseite in den mehrschichtigen Film 104 eindringt. Folglich kann die Zuverlässigkeit des Transistors verbessert werden.
Durch den vorstehenden Prozess kann der Transistor 250 in 10A bis 100 hergestellt werden.
Als Nächstes wird vorzugsweise eine dritte Wärmebehandlung durchgeführt. Die dritte Wärmebehandlung kann unter einer ähnlichen Bedingung wie die erste Wärmebehandlung durchgeführt werden. In dem Fall, in dem der Gate-Isolierfilm 108 und der Oxid-Isolierfilm 112 überschüssigen Sauerstoff enthalten, wird der überschüssige Sauerstoff durch die dritte Wärmebehandlung leicht von dem Gate-Isolierfilm 108 und dem Oxid-Isolierfilm 112 abgegeben, so dass Sauerstofffehlstellen in dem mehrschichtigen Film 104 verringert werden können. Daher kann die Menge an Sauerstofffehlstellen in dem Kanalbildungsbereich des mehrschichtigen Films 104 weiter verringert werden, so dass der Kanalbildungsbereich hochrein intrinsisch wird.
Des Weiteren ist, obwohl bei dieser Ausführungsform die Behandlung zum Zusetzen des Sauerstoffs 120 zu dem Bereich 105c des mehrschichtigen Films 104 gleich nach dem Ausbilden der Source-Elektrode 106a und der Drain-Elektrode 106b durchgeführt wird, diese Ausführungsform nicht darauf beschränkt; die Behandlung kann durchgeführt werden, nachdem der Gate-Isolierfilm 108 ausgebildet worden ist, wodurch Sauerstoff dem Bereich 105c des mehrschichtigen Films 104 von dem Gate-Isolierfilm 108 zugeführt werden kann.
Diese Ausführungsform kann mit einer beliebigen der anderen Ausführungsformen in dieser Beschreibung entsprechend kombiniert werden.
(Ausführungsform 5)
Bei dieser Ausführungsform wird ein Beispiel für eine Halbleitervorrichtung (Speichervorrichtung), die einen Transistor nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet, gespeicherte Daten auch ohne Stromversorgung halten kann und keine Beschränkung hinsichtlich der Anzahl der Schreibvorgänge hat, unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben.
16A ist eine Querschnittsansicht der Halbleitervorrichtung, und 16B ist ein Schaltplan der Halbleitervorrichtung.
Die Halbleitervorrichtung in 16A und 16B beinhaltet in einem unteren Teil einen Transistor 400, der ein erstes Halbleitermaterial enthält, und in einem oberen Teil einen Transistor 402, der ein zweites Halbleitermaterial enthält, und einen Kondensator 404. Als der Transistor 402 kann ein beliebiger Transistor von den bei der vorstehenden Ausführungsform beschriebenen Transistoren verwendet werden, und bei dieser Ausführungsform wird ein Beispiel beschrieben, in dem der bei der Ausführungsform 1 anhand von 1A bis 1C beschriebene Transistor 150 als der Transistor 402 verwendet wird. Eine Elektrode des Kondensators 404 wird unter Verwendung des gleichen Materials ausgebildet wie eine Gate-Elektrode des Transistors 402, die andere Elektrode des Kondensators 404 wird unter Verwendung des gleichen Materials ausgebildet wie eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode des Transistors 402, und ein Dielektrikum des Kondensators 404 wird unter Verwendung des gleichen Materials ausgebildet wie ein Gate-Isolierfilm 108 des Transistors 402. Daher kann der Kondensator 404 gleichzeitig mit dem Transistor 402 hergestellt werden.
Hier sind das erste Halbleitermaterial und das zweite Halbleitermaterial vorzugsweise Materialien mit verschiedenen Bandlücken. Zum Beispiel kann das erste Halbleitermaterial ein anderes Halbleitermaterial (wie z. B. Silizium) als ein Oxidhalbleiter sein, und das zweite Halbleitermaterial kann der Oxidhalbleiter sein, der bei der Ausführungsform 1 beschrieben worden ist. Ein Transistor, der ein anderes Material als einen Oxidhalbleiter enthält, kann leicht mit hoher Geschwindigkeit arbeiten. Im Gegensatz dazu kann ein Transistor, der einen Oxidhalbleiter enthält, dank seiner elektrischen Eigenschaften, d. h. des niedrigen Sperrstroms, eine Ladung für eine lange Zeit halten.
Obwohl beide der vorstehenden Transistoren in der folgenden Beschreibung n-Kanal-Transistoren sind, ist es unnötig zu erwähnen, dass auch p-Kanal-Transistoren verwendet werden können. Die konkrete Struktur der Halbleitervorrichtung, wie z. B. das Material für die Halbleitervorrichtung und die Struktur der Halbleitervorrichtung, ist nicht notwendigerweise auf die hier beschriebene Struktur beschränkt, ausgenommen, dass der bei der vorstehenden Ausführungsform beschriebene Transistor, der unter Verwendung eines Oxidhalbleiters hergestellt wird, zur Datenhaltung verwendet wird.
Der Transistor 400 in 16A beinhaltet einen Kanalbildungsbereich, der in einem Substrat 410, das ein Halbleitermaterial (wie z. B. kristallines Silizium) enthält, angeordnet ist, Verunreinigungsbereiche, die derart angeordnet sind, dass der Kanalbildungsbereich dazwischen liegt, intermetallische Verbindungsbereiche in Kontakt mit den Verunreinigungsbereichen, einen Gate-Isolierfilm, der über dem Kanalbildungsbereich angeordnet ist, und eine Gate-Elektrode, die über dem Gate-Isolierfilm angeordnet ist. Es sei angemerkt, dass ein Transistor, dessen Source-Elektrode und Drain-Elektrode in einer Zeichnung nicht dargestellt sind, der Einfachheit halber auch als Transistor bezeichnet werden kann. Ferner können in einem solchen Fall in der Beschreibung einer Verbindung eines Transistors ein Source-Bereich und eine Source-Elektrode gemeinsam als Source-Elektrode bezeichnet werden, und ein Drain-Bereich und eine Drain-Elektrode können gemeinsam als Drain-Elektrode bezeichnet werden. Das heißt, dass beispielsweise in dieser Beschreibung der Begriff „Source-Elektrode” einen Source-Bereich umfassen könnte.
Eine isolierende Elementisolationsschicht 406 ist ferner auf dem Substrat 410 derart ausgebildet, dass sie den Transistor 400 umgibt, und ein Isolierfilm 420 ist derart ausgebildet, dass er den Transistor 400 bedeckt. Es sei angemerkt, dass die isolierende Elementisolationsschicht 406 durch eine Elementisolationstechnik, wie z. B. lokale Oxidation von Silizium (local Oxidation of silicon, LOCOS) oder Grabenisolation (shallow trench isolation, STI), ausgebildet werden kann.
Beispielsweise kann der Transistor 400, der unter Verwendung eines kristallinen Siliziumsubstrats ausgebildet wird, mit hoher Geschwindigkeit arbeiten. Wenn der Transistor als Lesetransistor verwendet wird, können also Daten mit hoher Geschwindigkeit gelesen werden. Als Behandlung vor dem Ausbilden des Transistors 402 und des Kondensators 404 wird eine CMP-Behandlung an dem Isolierfilm 420, der den Transistor 400 bedeckt, durchgeführt, wodurch der Isolierfilm 420 planarisiert wird und gleichzeitig eine nach oben weisende Oberfläche der Gate-Elektrode des Transistors 400 freigelegt wird.
Der Transistor 402 ist über dem Isolierfilm 420 angeordnet, und eine Elektrode von der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode des Transistors 402 erstreckt sich so, dass sie als die andere Elektrode des Kondensators 404 dient.
Der Transistor 402 in 16A ist ein Transistor mit oberem Gate (top-gate transistor), in dem ein Kanal in einem Oxidhalbleiterfilm gebildet wird. Da der Sperrstrom des Transistors 402 niedrig ist, können gespeicherte Daten durch einen derartigen Transistor über einen langen Zeitraum gehalten werden. Mit anderen Worten: Ein Aktualisierungsvorgang wird unnötig oder die Frequenz der Aktualisierungsvorgänge einer Halbleiterspeichervorrichtung kann sehr niedrig sein, was zu einer ausreichenden Verringerung des Stromverbrauchs führt.
Bei dem Transistor 402 werden niederohmige Bereiche in Bereichen in der Nähe der Grenzflächen des mehrschichtigen Films in Kontakt mit der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode ausgebildet, und der Kanalbildungsbereich kann ein hochreiner, intrinsischer Bereich sein, indem Sauerstoff dem mehrschichtigen Film unter Verwendung der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode als Masken zugesetzt wird. Durch Zusatz von Sauerstoff können der hochreine, intrinsische Bereich und die niederohmigen Bereiche gleichzeitig getrennt ausgebildet werden. Die Menge an Sauerstofffehlstellen in dem Kanalbildungsbereich des mehrschichtigen Films bei dem Transistor kann verringert werden, und die elektrischen Eigenschaften des Transistors sind vorteilhaft; daher kann eine hochzuverlässige Halbleitervorrichtung bereitgestellt werden.
Der Transistor 400 und der Transistor 402 können derart ausgebildet werden, dass sie sich wie in 16A miteinander überlappen, wodurch die Fläche, die von ihnen belegt wird, verringert werden kann. Folglich kann der Grad der Integration der Halbleitervorrichtung erhöht werden.
Ein Beispiel für eine Schaltungskonfiguration entsprechend der 16A ist in 16B dargestellt.
In 16B ist eine erste Verdrahtung (1. Leitung) elektrisch mit einer Source-Elektrode des Transistors 400 verbunden. Eine zweite Verdrahtung (2. Leitung) ist elektrisch mit einer Drain-Elektrode des Transistors 400 verbunden. Eine dritte Verdrahtung (3. Leitung) ist elektrisch mit einer Elektrode von der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode des Transistors 402 verbunden, und eine vierte Verdrahtung (4. Leitung) ist elektrisch mit der Gate-Elektrode des Transistors 402 verbunden. Die Gate-Elektrode des Transistors 400 und die eine Elektrode von der Drain-Elektrode und der Source-Elektrode des Transistors 402 sind elektrisch mit der anderen Elektrode des Kondensators 404 verbunden. Eine fünfte Verdrahtung (5. Leitung) ist elektrisch mit der anderen Elektrode des Kondensators 404 verbunden.
Die Halbleitervorrichtung in 16B weist ein Merkmal auf, dass das Potential der Gate-Elektrode des Transistors 400 gehalten werden kann, und kann somit wie folgt Daten schreiben, halten und lesen.
Das Schreiben und das Halten von Daten werden beschrieben. Zunächst wird das Potential der vierten Verdrahtung auf ein Potential eingestellt, bei dem der Transistor 402 eingeschaltet wird, so dass der Transistor 402 eingeschaltet wird. Dementsprechend wird der Gate-Elektrode des Transistors 400 und dem Kondensator 404 das Potential der dritten Verdrahtung zugeführt. Das heißt, dass der Gate-Elektrode des Transistors 400 eine vorbestimmte Ladung zugeführt wird (Schreiben). Hier wird eine der zwei Arten von Ladungen zugeführt, die verschiedene Potentialpegel liefern (nachstehend als niedrige Ladung und hohe Ladung bezeichnet). Danach wird das Potential der vierten Verdrahtung auf ein Potential eingestellt, bei dem der Transistor 402 ausgeschaltet wird, so dass der Transistor 402 ausgeschaltet wird. Auf diese Weise wird die Ladung, die der Gate-Elektrode des Transistors 400 zugeführt wird, gehalten (Halten).
Da der Sperrstrom des Transistors 402 sehr niedrig ist, wird die Ladung der Gate-Elektrode des Transistors 400 lange Zeit gehalten.
Nachfolgend wird das Lesen von Daten beschrieben. Ein geeignetes Potential (ein Lesepotential) wird der fünften Verdrahtung zugeführt, während der ersten Verdrahtung ein vorbestimmtes Potential (ein konstantes Potential) zugeführt wird, wodurch das Potential der zweiten Verdrahtung je nach der Menge an der in der Gate-Elektrode des Transistors 400 gehaltenen Ladung variiert. Dies liegt daran, dass im Allgemeinen, wenn der Transistor 400 ein n-Kanal-Transistor ist, eine scheinbare Schwellenspannung V_{th_H} in dem Fall, in dem der Gate-Elektrode des Transistors 400 die hohe Ladung zugeführt wird, niedriger ist als eine scheinbare Schwellenspannung Vth_L in dem Fall, in dem der Gate-Elektrode des Transistors 400 die niedrige Ladung zugeführt wird. Eine scheinbare Schwellenspannung bezieht sich hier auf das Potential der fünften Verdrahtung, das zum Einschalten des Transistors 400 notwendig ist. Daher wird das Potential der fünften Verdrahtung auf ein Potential V₀ zwischen V_{th_H} und V_{th_L} eingestellt, wodurch die der Gate-Elektrode des Transistors 400 zugeführte Ladung bestimmt werden kann. Beispielsweise wird in dem Fall, in dem beim Schreiben die hohe Ladung zugeführt wird und das Potential der fünften Verdrahtung bei V₀ (> V_{th_H}) liegt, der Transistor 400 eingeschaltet. In dem Fall, in dem beim Schreiben die niedrige Ladung zugeführt wird, bleibt der Transistor 400 ausgeschaltet, auch wenn das Potential der fünften Verdrahtung bei V₀ (< V_{th_L}) liegt. Folglich können die Daten, die in der Gate-Elektrode gehalten sind, gelesen werden, indem das Potential der zweiten Verdrahtung bestimmt wird.
Es sei angemerkt, dass es in dem Fall, in dem Speicherzellen als Array angeordnet sind, notwendig ist, dass nur Daten einer gewünschten Speicherzelle gelesen werden können. In dem Fall, in dem Daten nicht gelesen werden, kann die fünfte Verdrahtung mit einem Potential versorgt werden, bei dem der Transistor 400 unabhängig vom Zustand der Gate-Elektrode ausgeschaltet wird, d. h. einem Potential, das niedriger ist als V_{th_H}. Alternativ kann die fünfte Verdrahtung mit einem Potential versorgt werden, bei dem der Transistor 400 unabhängig vom Zustand der Gate-Elektrode eingeschaltet wird, d. h. einem Potential, das höher ist als V_{th_L}.
Mit einem Transistor, bei dem ein Kanalbildungsbereich unter Verwendung eines Oxidhalbleiters gebildet wird und der einen sehr niedrigen Sperrstrom aufweist, kann die bei dieser Ausführungsform beschriebene Halbleitervorrichtung gespeicherte Daten sehr lange Zeit halten. Mit anderen Worten: Ein Aktualisierungsvorgang wird unnötig oder die Frequenz der Aktualisierungsvorgänge kann sehr niedrig sein, was zu einer ausreichenden Verringerung des Stromverbrauchs führt. Ferner können gespeicherte Daten lange Zeit gehalten werden, auch wenn kein Strom zugeführt wird (es sei angemerkt, dass ein Potential vorzugsweise fest ist).
Des Weiteren kann bei der bei dieser Ausführungsform beschriebenen Halbleitervorrichtung der Transistor 400 ein Transistor unterschiedlicher Art, sowie ein Planartransistor (planar type transistor), sein. Beispielsweise kann ein Fin-Transistor (fin-type transistor), ein Tri-Gate-Transistor (tri-gate transistor) oder dergleichen verwendet werden. Ein Beispiel für die Querschnittsansicht des Transistors 400 ist in 16C dargestellt. In 16C ist eine Querschnittsansicht in einer Kanal-Längsrichtung auf der linken Seite einer Strichpunktlinie dargestellt, und eine Querschnittsansicht in einer Kanal-Breitenrichtung ist auf der rechten Seite der Strichpunktlinie dargestellt. Ein Isolierfilm 2212 ist über einem Halbleitersubstrat 2211 angeordnet. Das Halbleitersubstrat 2211 weist einen vorspringenden Abschnitt mit einer dünnen Spitze (auch als Flosse (fin) bezeichnet) auf. Es sei angemerkt, dass ein Isolierfilm über dem vorspringenden Abschnitt angeordnet sein kann. Der Isolierfilm dient als Maske, um zu verhindern, dass das Halbleitersubstrat geätzt wird, wenn der vorspringende Abschnitt ausgebildet wird. Alternativ weist der vorspringende Abschnitt nicht immer die dünne Spitze auf; es werden beispielsweise ein vorspringender Abschnitt mit einem quaderförmigen vorspringenden Abschnitt und ein vorspringender Abschnitt mit einer dicken Spitze erlaubt. Ein Gate-Isolierfilm 2214 ist über dem vorspringenden Abschnitt des Halbleitersubstrats 2211 angeordnet, und eine Gate-Elektrode 2213 ist über dem Gate-Isolierfilm 2214 angeordnet. Des Weiteren ist eine Seitenwand an einer Seitenfläche der Gate-Elektrode 2213 angeordnet. Source- und Drain-Bereiche 2215 sind in dem Halbleitersubstrat 2211 ausgebildet. Es sei angemerkt, dass hier ein Beispiel gezeigt ist, in dem das Halbleitersubstrat 2211 den vorspringenden Abschnitt aufweist; jedoch ist eine Halbleitervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann ein Halbleiterbereich mit einem vorspringenden Abschnitt ausgebildet werden, indem ein SOI-Substrat verarbeitet wird.
Außerdem wird bei der bei dieser Ausführungsform beschriebenen Halbleitervorrichtung keine hohe Spannung zum Schreiben der Daten benötigt, und es gibt kein Problem einer Verschlechterung von Elementen. Im Unterschied beispielsweise zu einem herkömmlichen nichtflüchtigen Speicher ist es nicht notwendig, Elektronen in ein schwebendes Gate (Floating-Gate) zu injizieren und aus ihm zu extrahieren. Daher wird gar kein Problem, wie z. B. Verschlechterung eines Gate-Isolierfilms, verursacht. Das heißt, dass die Halbleitervorrichtung gemäß der offenbarten Erfindung keine Beschränkung hinsichtlich der Häufigkeit des Überschreibens von Daten aufweist, welche bei einem herkömmlichen nichtflüchtigen Speicher ein Problem darstellt, und dass ihre Zuverlässigkeit erheblich verbessert wird. Des Weiteren werden Daten je nach dem Durchlasszustand oder Sperrzustand des Transistors geschrieben, wodurch ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb leicht realisiert werden kann.
Wie oben beschrieben worden ist, können eine miniaturisierte, hochintegrierte Halbleitervorrichtung mit guten elektrischen Eigenschaften und ein Herstellungsverfahren der Halbleitervorrichtung bereitgestellt werden.
Diese Ausführungsform kann mit einer beliebigen der anderen Ausführungsformen in dieser Beschreibung entsprechend kombiniert werden.
(Ausführungsform 6)
Bei dieser Ausführungsform wird eine Halbleitervorrichtung beschrieben, die einen Transistor nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet, gespeicherte Daten auch ohne Stromversorgung halten kann, keine Beschränkung hinsichtlich der Anzahl der Schreibvorgänge hat und eine Struktur hat, die sich von der bei der Ausführungsform 5 beschriebenen Struktur unterscheidet.
17A stellt ein Beispiel für eine Schaltungskonfiguration der Halbleitervorrichtung dar, und 17B ist eine konzeptionelle Darstellung, die ein Beispiel für die Halbleitervorrichtung darstellt. Als ein Transistor 562, der in der Halbleitervorrichtung enthalten ist, kann ein beliebiger Transistor von den bei der vorstehenden Ausführungsform beschriebenen Transistoren verwendet werden. Ein Kondensator 554 kann auf eine Weise, die derjenigen des bei der Ausführungsform 5 beschriebenen Kondensators 404 ähnlich ist, gleichzeitig im gleichen Prozess hergestellt werden wie der Transistor 562.
Bei der in 17A dargestellten Halbleitervorrichtung ist eine Bit-Leitung BL elektrisch mit einer Source-Elektrode des Transistors 562 verbunden, eine Wort-Leitung WL ist elektrisch mit einer Gate-Elektrode des Transistors 562 verbunden, und eine Drain-Elektrode des Transistors 562 ist elektrisch mit einem Anschluss des Kondensators 554 verbunden.
Als Nächstes werden das Schreiben und das Halten von Daten in der Halbleitervorrichtung (einer Speicherzelle 550) in 17A beschrieben.
Zunächst wird das Potenzial der Wort-Leitung WL auf ein Potential eingestellt, bei dem der Transistor 562 eingeschaltet wird, so dass der Transistor 562 eingeschaltet wird. Dementsprechend wird dem einen Anschluss des Kondensators 554 das Potential der Bit-Leitung BL zugeführt (Schreiben). Danach wird das Potential der Wort-Leitung WL auf ein Potential eingestellt, bei dem der Transistor 562 ausgeschaltet wird, so dass der Transistor 562 ausgeschaltet wird. Somit wird das Potential des einen Anschlusses des Kondensators 554 gehalten (Halten).
Zudem weist der Transistor 562, der einen Oxidhalbleiter enthält, einen sehr niedrigen Sperrstrom auf. Aus diesem Grund kann durch Ausschalten des Transistors 562 das Potential des einen Anschlusses des Kondensators 554 (oder eine Ladung, die in dem Kondensator 554 akkumuliert ist) sehr lange Zeit gehalten werden.
Nachfolgend wird das Lesen von Daten beschrieben. Wenn der Transistor 562 eingeschaltet wird, werden die Bit-Leitung BL, die sich in einem schwebenden Zustand (floating state) befindet, und der Kondensator 554 elektrisch miteinander verbunden, und die Ladung wird zwischen der Bit-Leitung BL und dem Kondensator 554 neu verteilt. Folglich wird das Potential der Bit-Leitung BL geändert. Der Änderungsbetrag des Potentials der Bit-Leitung BL variiert je nach dem Potential des einen Anschlusses des Kondensators 554 (oder je nach der Ladung, die in dem Kondensator 554 akkumuliert ist).
Das Potential der Bit-Leitung BL nach der Neuverteilung der Ladung ist beispielsweise (C_B × V_B0 + C × V)/(C_B + C), wobei V das Potential des einen Anschlusses des Kondensators 554 ist, C die Kapazität des Kondensators 554 ist, C_B die Kapazitätskomponente der Bit-Leitung BL ist (nachstehend auch als die Bit-Leitungs-Kapazität bezeichnet) und V_B0 das Potential der Bit-Leitung vor der Neuverteilung der Ladung ist. Somit kann man herausfinden, dass unter der Annahme, dass sich die Speicherzelle 550 in einem der zwei Zustände befindet, in denen die Potentiale des einen Anschlusses des Kondensators 554 V₁ und V₀ (V₁ > V₀) sind, das Potential der Bit-Leitung BL in dem Fall, in dem das Potential V₁ (= (C_B × V_B0 + C × V₁)/(C_B + C)) gehalten wird, höher ist als das Potential der Bit-Leitung BL in dem Fall, in dem das Potential V₀ (= (C_B × V_B0 + C × V₀)/(C_B + C)) gehalten wird.
Durch Vergleichen des Potentials der Bit-Leitung BL mit einem vorbestimmten Potential können dann Daten gelesen werden.
Wie oben beschrieben worden ist, kann die Halbleitervorrichtung in 17A eine Ladung, die in dem Kondensator 554 akkumuliert ist, lange Zeit halten, da der Sperrstrom des Transistors 562 sehr niedrig ist. Mit anderen Worten: Ein Aktualisierungsvorgang wird unnötig oder die Frequenz der Aktualisierungsvorgänge kann sehr niedrig sein, was zu einer ausreichenden Verringerung des Stromverbrauchs führt. Ferner können gespeicherte Daten lange Zeit gehalten werden, auch wenn kein Strom zugeführt wird.
Als Nächstes wird die Halbleitervorrichtung in 17B beschrieben.
Die Halbleitervorrichtung in 17B beinhaltet in dem oberen Teil ein Speicherzellenarray 551 (Speicherzellenarrays 551a und 551b), das die Vielzahl von Speicherzellen 550 in 17A als Speicherschaltungen beinhaltet, und in dem unteren Teil eine Peripherieschaltung 553, die erforderlich ist, um das Speicherzellenarray 551 zu betreiben. Es sei angemerkt, dass die Peripherieschaltung 553 elektrisch mit dem Speicherzellenarray 551 verbunden ist.
Ein Halbleitermaterial des Transistors in der Peripherieschaltung 553 ist vorzugsweise anders als dasjenige des Transistors 562. Beispielsweise kann Silizium, Germanium, Silizium-Germanium, Siliziumkarbid oder Galliumarsenid verwendet werden, und vorzugsweise wird ein einkristalliner Halbleiter verwendet. Alternativ kann ein organisches Halbleitermaterial oder dergleichen verwendet werden. Ein Transistor, der ein solches Halbleitermaterial enthält, kann mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit betrieben werden. Daher können unter Verwendung des Transistors verschiedene Schaltungen (wie z. B. eine Logikschaltung und eine Treiberschaltung), die mit einer hohen Geschwindigkeit betrieben werden sollen, vorteilhaft hergestellt werden.
Es sei angemerkt, dass 17B als Beispiel die Halbleitervorrichtung darstellt, bei der das Speicherzellenarray 551 eine Schichtanordnung aus dem Speicherzellenarray 551a und dem Speicherzellenarray 551b aufweist; die Anzahl der geschichteten Speicherzellenarrays ist jedoch nicht auf zwei beschränkt. Für das Speicherzellenarray 551 kann eine Schichtanordnung aus drei oder mehr Speicherzellenarrays verwendet werden, oder nur ein Speicherzellenarray kann verwendet werden.
Der Transistor 562 wird unter Verwendung eines Oxidhalbleiters ausgebildet, und als der Transistor 562 kann ein beliebiger Transistor von den bei der vorstehenden Ausführungsform beschriebenen Transistoren verwendet werden. Da der Sperrstrom des Transistors niedrig ist, der einen Oxidhalbleiter enthält, können gespeicherte Daten über eine lange Zeit gehalten werden. Mit anderen Worten: Die Frequenz der Aktualisierungsvorgänge kann sehr niedrig sein, was zu einer ausreichenden Verringerung des Stromverbrauchs führt.
Eine Halbleitervorrichtung mit einem neuartigen Merkmal kann hergestellt werden, indem sie sowohl mit einer Peripherieschaltung, die den Transistor beinhaltet, der ein anderes Material als einen Oxidhalbleiter enthält (d. h. einen Transistor, der mit ausreichend hoher Geschwindigkeit arbeiten kann), und einer Speicherschaltung versehen wird, die den Transistor beinhaltet, der einen Oxidhalbleiter enthält (in weiterem Sinne einen Transistor, dessen Sperrstrom ausreichend niedrig ist). Des Weiteren kann mit einer Struktur, bei der die Peripherieschaltung und die Speicherschaltung übereinander geschichtet sind, der Grad der Integration der Halbleitervorrichtung erhöht werden.
Wie oben beschrieben worden ist, kann eine miniaturisierte, hochintegrierte Halbleitervorrichtung mit guten elektrischen Eigenschaften bereitgestellt werden.
Diese Ausführungsform kann mit einer beliebigen der anderen Ausführungsformen in dieser Beschreibung entsprechend kombiniert werden.
(Ausführungsform 7)
Bei dieser Ausführungsform wird ein Modell von Kristallwachstum eines CAAC-OS-Films, der für einen beliebigen Transistor von den bei den vorstehenden Ausführungsformen beschriebenen Transistoren verwendet werden kann, anhand von 18A und 18B, 19A bis 19C sowie 20A und 20B beschrieben.
18A ist eine schematische Darstellung, die zeigt, wie ein Ion 601 mit einem Sputtertarget 600 kollidiert und ein gesputtertes Teilchen 602 abgetrennt wird. Es sei angemerkt, dass das gesputterte Teilchen 602 eine hexagonale Zylinderform, deren hexagonale Ebene zur a-b-Ebene parallel ist, oder eine dreieckige Prismaform aufweisen kann. In einem solchen Fall ist eine Richtung senkrecht zur hexagonalen Ebene oder dreieckigen Ebene eine c-Achsen-Richtung (siehe 18B). Der Durchmesser (der Durchmesser des flächengleichen Kreises) der Ebene parallel zur a-b-Ebene des gesputterten Teilchens 602, der jedoch von der Art von Oxid abhängt, ist ungefähr größer als oder gleich 1 nm und kleiner als oder gleich 30 nm, oder größer als oder gleich 1 nm und kleiner als oder gleich 10 nm. Es sei angemerkt, dass ein Sauerstoffkation als das Ion 601 verwendet wird. Zudem kann ein Argonkation zusätzlich zu dem Sauerstoffkation verwendet werden. Anstelle des Argonkations kann ein Kation eines weiteren Edelgases verwendet werden.
Unter Verwendung des Sauerstoffkations als das Ion 601 kann Plasma-Beschädigung bei der Abscheidung abgeschwächt werden. Deshalb kann dann, wenn das Ion 601 mit der Oberfläche des Sputtertargets 600 kollidiert, eine Verringerung der Kristallinität des Sputtertargets 600 unterdrückt werden, oder ein Übergang des Sputtertargets 600 in einen amorphen Zustand kann unterdrückt werden.
Vorzugsweise ist das abgetrennte gesputterte Teilchen 602 positiv geladen. Es gibt jedoch keine besondere Beschränkung bezüglich des Zeitpunktes, wenn das gesputterte Teilchen 602 positiv geladen wird. Insbesondere wird in einigen Fällen das gesputterte Teilchen 602 positiv geladen, indem es einem Plasma ausgesetzt wird. Alternativ wird das gesputterte Teilchen 602 in einigen Fällen positiv geladen, wenn es bei der Kollision des Ions 601 eine elektrische Ladung aufnimmt. Als weitere Alternative wird das gesputterte Teilchen 602 in einigen Fällen derart positiv geladen, dass das Ion 601, das ein Sauerstoffkation ist, an eine Seitenfläche, eine nach oben weisende Oberfläche oder eine Bodenfläche des gesputterten Teilchens 602 gebunden wird.
Bei dem gesputterten Teilchen 602 sind die Ecken der hexagonalen Ebene positiv geladen, damit positive Ladungen der hexagonalen Ebene einander abstoßen. Demzufolge kann die flache Plattenform des gesputterten Teilchens 602 aufrechterhalten werden.
Vorzugsweise wird eine Gleichstromquelle (DC-Stromquelle) verwendet, damit die Ecken der hexagonalen Ebene des gesputterten Teilchens 602 positiv geladen werden können. Es sei angemerkt, dass eine Hochfrequenz-(HF-)Stromquelle oder eine Wechselstromquelle (AC-Stromquelle) verwendet werden kann. Es sei angemerkt, dass es schwierig ist, eine HF-Stromquelle für eine Sputtereinrichtung zu verwenden, die zur Abscheidung auf einem großen Substrat geeignet ist. Zudem wird eine DC-Stromquelle unter dem folgenden Gesichtspunkt gegenüber einer AC-Stromquelle bevorzugt.
In dem Fall, in dem die AC-Stromquelle verwendet wird, weisen benachbarte Targets abwechselnd ein Kathodenpotential und ein Anodenpotential auf. In einer in 19A gezeigten Periode A dient ein Target 1 als Kathode, und ein Target 2 dient als Anode, wie in 19B1 dargestellt. In einer in 19A gezeigten Periode B dient das Target 1 als Anode, und das Target 2 dient, wie in 19B2 dargestellt, als Kathode. Die gesamte Zeit der Periode A und der Periode B ist 20 μs bis 50 μs, und die Periode A und die Periode B werden mit einer konstanten Frequenz wiederholt.
In dem Fall, in dem das gesputterte Teilchen 602 positiv geladen ist, stoßen positive Ladungen in dem gesputterten Teilchen 602 einander ab, wodurch die flache Plattenform der gesputterten Teilchen 602 aufrechterhalten werden kann. In dem Fall, in dem die AC-Stromquelle verwendet wird, gibt es jedoch augenblicklich einen Zeitraum, während dessen ein elektrisches Feld nicht angelegt wird; daher gehen einige Ladungen des gesputterten Teilchens 602 verloren, und die Struktur des gesputterten Teilchens könnte beschädigt werden (siehe 19C). Folglich wird eine DC-Stromquelle gegenüber einer AC-Stromquelle bevorzugt.
Es wird anhand von 20A und 20B beschrieben, wie ein gesputtertes Teilchen auf einer Abscheidungsoberfläche abgeschieden wird. 20A stellt den Fall dar, in dem eine Abscheidung durchgeführt wird, wobei das Substrat erwärmt wird, und 20B stellt den Fall dar, in dem eine Abscheidung durchgeführt wird, wobei das Substrat nicht erwärmt wird.
Wie in 20A dargestellt, bewegt sich in dem Fall, in dem das Substrat erwärmt wird, ein gesputtertes Teilchen 602 zu einem Bereich einer Abscheidungsoberfläche 603, auf dem weitere gesputterte Teilchen 602 noch nicht abgeschieden worden sind, und eine Migration des gesputterten Teilchens 602 tritt auf, wodurch das gesputterte Teilchen 602 an die Seiten der gesputterten Teilchen, die schon abgeschieden worden sind, gebunden wird.
Der CAAC-OS-Film, der durch einen solchen Mechanismus erhalten wird, hat hohe Kristallinität auch auf einer amorphen Oberfläche, einer Oberfläche eines amorphen Isolierfilms, einer Oberfläche eines amorphen Oxidfilms oder dergleichen.
In dem Fall, in dem das Substrat nicht erwärmt wird, fallen wie in 20B die gesputterten Teichen 602 unregelmäßig auf die Abscheidungsoberfläche 603. Daher werden die gesputterten Teilchen 602 wahllos auch in einem Bereich abgeschieden, in dem andere gesputterte Teilchen 602 schon abgeschieden worden sind. Das heißt, dass ein Oxidfilm, der durch die Abscheidung erhalten wird, weder eine gleichmäßige Dicke noch eine gleichmäßige Kristallorientierung aufweist. Der Oxidfilm, der auf die obige Weise erhalten wird, weist einen Kristallteil auf, weil die Kristallinität der flachplattenähnlichen gesputterten Teilchen 602 in einem gewissen Maß aufrechterhalten wird.
Wie oben beschrieben worden ist, ist der Durchmesser der Ebene des gesputterten Teilchens 602, die parallel zur a-b-Ebene ist, beispielsweise ungefähr größer als oder gleich 1 nm und kleiner als oder gleich 30 nm, oder größer als oder gleich 1 nm und kleiner als oder gleich 10 nm, und ein Kristallteil in dem ausgebildeten Oxidfilm ist in einigen Fällen kleiner als das gesputterte Teilchen 602. Der Oxidfilm weist in einigen Fällen einen Kristallteil mit einer Größe von z. B. 10 nm oder kleiner, oder 5 nm oder kleiner auf. Der Oxidfilm mit einem solchen Kristallteil wird als nanokristalliner (nanocrystalline, nc-)Oxidfilm bezeichnet.
Der nanokristalline Oxidfilm ist makroskopisch gleich einem Film mit einer ungeordneten Atomanordnung. Aus diesem Grund ist in einigen Fällen kein Peak, der eine Orientierung zeigt, bei einer Röntgenbeugungs-(X-ray diffraction, XRD-)Analyse zu beobachten, die an einer großen Fläche einer Messprobe durchgeführt wird (z. B. bei der der Strahldurchmesser größer ist als derjenige des gesputterten Teilchens 602). Ferner zeigt in einigen Fällen ein Elektronenbeugungsbild ein Halo-Muster, welches unter Verwendung eines Elektronenstrahls mit einem Durchmesser aufgenommen wird, der größer ist als derjenige des gesputterten Teilchens 602. In diesem Fall wird beispielsweise ein nanokristalliner Oxidfilm unter Verwendung eines Elektronenstrahls gemessen, der einen viel kleineren Strahldurchmesser als denjenigen des gesputterten Teilchens 602 hat, wodurch ein Punkt (heller Punkt) in dem aufgenommenen Nanostrahl-Elektronenbeugungsbild zu beobachten ist.
Elektronenbeugungsbilder von nanokristallinen Oxidhalbleiterfilmen werden anhand von 54A bis 54D, 55A und 55B, 56A bis 56C, 57, 58, 59A und 59B sowie 60 beschrieben.
Ein Elektronenbeugungsbild eines nanokristallinen Oxidhalbleiterfilms, das durch Elektronenbeugung mit einem Strahldurchmesser von 10 nmϕ oder kleiner (Nanostrahl-Elektronenbeugung) aufgenommen wird, zeigt weder ein Halo-Muster, das auf einen amorphen Zustand hindeutet, noch ein Muster mit regelmäßigen Punkten, das auf einen Kristallzustand hindeutet, in dem Kristalle nach einer spezifischen Ebene ausgerichtet sind. Das heißt, dass der nanokristalline Oxidhalbleiterfilm ein Oxidhalbleiterfilm ist, dessen Elektronenbeugungsbild Punkte ohne Ausrichtung zeigt.
54A ist ein Querschnitts-Transmissionselektronenmikroskopie-(cross-sectional transmission electron microscopy, TEM-)Bild eines nanokristallinen Oxidhalbleiterfilms. 54B, 54C und 54D zeigen Elektronenbeugungsbilder an Stellen 1, 2 bzw. 3 in 54A, die durch Nanostrahl-Elektronenbeugung aufgenommen werden.
Als Beispiel für den nanokristallinen Oxidhalbleiterfilm in 54A bis 54D wurde eine Probe verwendet, bei der ein Oxidfilm auf In-Ga-Zn-Basis über einem Quarzglassubstrat in einer Dicke von 50 nm ausgebildet war. Der nanokristalline Oxidhalbleiterfilm in 54A bis 54D wurde unter den folgenden Bedingungen ausgebildet: Ein Oxidtarget, das In, Ga und Zn mit einem Atomverhältnis von 1:1:1 enthielt, wurde verwendet, die Atmosphäre war eine Sauerstoffatmosphäre (Durchflussmenge: 45 sccm), der Druck war 0,4 Pa, eine Gleichstrom-(DC-)Leistung von 0,5 kW wurde angelegt, und die Substrattemperatur war Raumtemperatur. Die Breite des ausgebildeten nanokristallinen Oxidhalbleiterfilms wurde dann auf 100 nm oder kleiner (z. B. 40 nm ± 10 nm) verringert, und ein Querschnitts-TEM-Bild und Nanostrahl-Elektronenbeugungsbilder wurden aufgenommen.
54A zeigt das Querschnitts-TEM-Bild des nanokristallinen Oxidhalbleiterfilms, das mit einem Transmissionselektronenmikroskop („H-9000NAR”, von Hitachi High-Technologies Corporation hergestellt) bei einer Beschleunigungsspannung von 300 kV und bei 2.000.000-facher Vergrößerung aufgenommen wurde. 54B bis 54D zeigen die Elektronenbeugungsbilder, die durch Nanostrahl-Elektronenbeugung mit einem Strahldurchmesser von etwa 1 nmϕ mittels eines Transmissionselektronenmikroskops („HF-2000”, von Hitachi High-Technologies Corporation hergestellt) bei einer Beschleunigungsspannung von 200 kV aufgenommen wurden. Es sei angemerkt, dass der Messbereich der Nanostrahl-Elektronenbeugung mit einem Strahldurchmesser von etwa 1 nmϕ größer als oder gleich 5 nmϕ und kleiner als oder gleich 10 nmϕ betrug.
Wie in 54B gezeigt, ist in dem Nanostrahl-Elektronenbeugungsbild des nanokristallinen Oxidhalbleiterfilms eine Vielzahl in Umfangsrichtung angeordneter Punkte (heller Punkte) zu beobachten. Mit anderen Worten: In dem Bild des nanokristallinen Oxidhalbleiterfilms ist eine Vielzahl in Umfangsrichtung (konzentrisch) verteilter Punkte zu beobachten, oder eine Vielzahl in Umfangsrichtung verteilter Punkte bildet eine Vielzahl von konzentrischen Kreisen.
Wie in 54B ist eine Vielzahl in Umfangsrichtung verteilter Punkte in 54C, die den mittleren Abschnitt des nanokristallinen Oxidhalbleiterfilms in der Dickenrichtung zeigt, und in 54D zu beobachten, die die nähere Umgebung einer Grenzfläche zwischen dem nanokristallinen Oxidhalbleiterfilm und dem Quarzglassubstrat zeigt. In 54C liegt der Abstand von einem Hauptpunkt bis zu jedem der sich umlaufend verteilenden Punkten im Bereich von 3,88/nm bis 4,93/nm oder von 0,203 nm bis 0,257 nm, wenn er in einen Ebenenabstand (interplanar spacing) umgewandelt wird.
Die Nanostrahl-Elektronenbeugungsbilder in 54B bis 54D zeigen, dass der nanokristalline Oxidhalbleiterfilm eine Vielzahl von Kristallteilen mit unregelmäßigen Oberflächenorientierungen und verschiedenen Größen enthält.
55A ist ein Flächen-TEM-Bild (plan TEM image) eines nanokristallinen Oxidhalbleiterfilms. 55B zeigt ein Elektronenbeugungsbild eines Bereichs, der von einem Kreis in 55A umgeben ist, welches durch Feinbereichs-(selected-area)Elektronenbeugung aufgenommen wird.
Als Beispiel für den nanokristallinen Oxidhalbleiterfilm in 55A und 55B wurde eine Probe verwendet, bei der ein Oxidfilm auf In-Ga-Zn-Basis über einem Quarzglassubstrat in einer Dicke von 30 nm ausgebildet war. Der nanokristalline Oxidhalbleiterfilm in 55A und 55B wurde unter den folgenden Bedingungen ausgebildet: Ein Oxidtarget, das In, Ga und Zn mit einem Atomverhältnis von 1:1:1 enthielt, wurde verwendet, die Atmosphäre war eine Sauerstoffatmosphäre (Durchflussmenge: 45 sccm), der Druck war 0,4 Pa, eine Gleichstrom-(DC-)Leistung von 0,5 kW wurde angelegt, und die Substrattemperatur war Raumtemperatur. Die Probe wurde dann dünner gemacht, und das Flächen-TEM-Bild und das Feinbereichs-Elektronenbeugungsbild des nanokristallinen Oxidhalbleiterfilms wurden aufgenommen.
55A ist das Flächen-TEM-Bild des nanokristallinen Oxidhalbleiterfilms, das mit einem Transmissionselektronenmikroskop („H-9000NAR”, von Hitachi High-Technologies Corporation hergestellt) bei einer Beschleunigungsspannung von 300 kV und bei 500.000-facher Vergrößerung aufgenommen wurde. 55B ist das Elektronenbeugungsbild, das durch Elektronenbeugung mit einem Feinbereich von 300 nmϕ aufgenommen wurde.
Es sei angemerkt, dass der Messbereich in 55B unter Berücksichtigung der Ausbreitung des Elektronenstrahls (etwa mehrere Nanometer) 300 nmϕ oder mehr beträgt.
Das Elektronenbeugungsbild des nanokristallinen Oxidhalbleiterfilms, das durch Feinbereichs-Elektronenbeugung aufgenommen wurde, bei der der Messbereich größer ist als derjenige der Nanostrahl-Elektronenbeugung, zeigt wie in 55B ein Halo-Muster, in dem die mittels der Nanostrahl-Elektronenbeugung beobachtete Vielzahl von Punkten nicht zu beobachten ist.
56A bis 56C zeigen konzeptionelle Beugungsintensitätsverteilung in den Elektronenbeugungsbildern in 54A bis 54D und 55B. 56A ist ein Konzeptdiagramm der Beugungsintensitätsverteilung in den Nanostrahl-Elektronenbeugungsbildern in 54B bis 54D. 56B ist ein Konzeptdiagramm der Beugungsintensitätsverteilung in dem Feinbereichs-Elektronenbeugungsbild in 55B. 56C ist ein Konzeptdiagramm der Beugungsintensitätsverteilung in einem Elektronenbeugungsbild einer einkristallinen Struktur oder einer polykristallinen Struktur.
In jeder der 56A bis 56C bezeichnet die vertikale Achse die Elektronenbeugungsintensität (willkürliche Einheit), die die Verteilung von Punkten oder dergleichen darstellt, und die horizontale Achse bezeichnet den Abstand von einem Hauptpunkt.
In 56C sind für die einkristalline Struktur oder die polykristalline Struktur Peaks jeweils an einer Stelle mit einem spezifischen Abstand von dem Hauptpunkt zu beobachten, der auf dem Ebenenabstand (d-Wert (d-value)) zwischen Ebenen basiert, auf denen Kristallteile ausgerichtet sind.
Wie in jeder der 54B bis 54D gezeigt, weist ein Umfangsbereich, der von der Vielzahl von Punkten gebildet ist und in dem Nanostrahl-Elektronenbeugungsbild des nanokristallinen Oxidhalbleiterfilms wahrgenommen wird, eine relativ große Breite auf. 56A zeigt deshalb eine diskrete Verteilung. Darüber hinaus wird in dem Nanostrahl-Elektronenbeugungsbild ein Bereich, der hohe Leuchtdichte aufweist und von undeutlichen Punkten gebildet ist, in einem Bereich zwischen konzentrischen Kreisen wahrgenommen.
Des Weiteren ist wie in 56B die Elektronenbeugungsintensitätsverteilung in dem Feinbereichs-Elektronenbeugungsbild des nanokristallinen Oxidhalbleiterfilms stetig. Da sich 56B einem Ergebnis, das durch eine weitgehende Beobachtung der Elektronenbeugungsintensitätsverteilung in 56A erhalten wird, nähern kann, kann davon ausgegangen werden, dass die stetige Intensitätsverteilung auf die Überlappung und Verbindung zwischen der Vielzahl von Punkten zurückzuführen ist.
56A bis 56C deuten darauf hin, dass der nanokristalline Oxidhalbleiterfilm eine Vielzahl von Kristallteilen mit unregelmäßigen Oberflächenorientierungen und verschiedenen Größen enthält, wobei die Kristallteile so klein sind, dass keine Punkte in dem Feinbereichs-Elektronenbeugungsbild zu beobachten sind.
In 54A bis 54D, in denen die Vielzahl von Punkten zu beobachten ist, ist die Breite des nanokristallinen Oxidhalbleiterfilms 50 nm oder kleiner. Zudem ist, da der Durchmesser des Elektronenstrahls auf 1 nmϕ verringert ist, der Messbereich größer als oder gleich 5 nm und kleiner als oder gleich 10 nm. Es wird daher angenommen, dass der Durchmesser des Kristallteils in dem nanokristallinen Oxidhalbleiterfilm 50 nm oder kleiner, beispielsweise 10 nm oder kleiner, oder 5 nm oder kleiner ist.
57 zeigt ein Nanostrahl-Elektronenbeugungsbild eines Quarzglassubstrats. Die Messbedingungen in 57 waren denjenigen in 54B bis 54D ähnlich.
Wie in 57 gezeigt, zeigt das Nanostrahl-Elektronenbeugungsbild des Quarzglassubstrats mit einer amorphen Struktur ein Halo-Muster ohne spezifische Punkte, bei dem sich die Leuchtdichte von einem Hauptpunkt aus allmählich verändert. Dies bedeutet, dass eine Vielzahl in Umfangsrichtung verteilter Punkte, die den in dem Bild des nanokristallinen Oxidhalbleiterfilms zu beobachtenden Punkten ähnlich sind, in dem Bild eines Films mit einer amorphen Struktur nicht zu beobachten ist, auch wenn Elektronenbeugung an einem sehr kleinen Bereich durchgeführt wird. Dies deutet darauf hin, dass die Vielzahl in Umfangsrichtung verteilter Punkte, die in 54B bis 54D zu beobachten ist, typisch für den nanokristallinen Oxidhalbleiterfilm ist.
58 zeigt ein Elektronenbeugungsbild, das aufgenommen wurde, nachdem die Stelle 2 in 54A eine Minute lang mit einem Elektronenstrahl, dessen Durchmesser auf etwa 1 nmϕ verringert war, bestrahlt worden war.
Ähnlich wie in dem Elektronenbeugungsbild in 54C ist eine Vielzahl in Umfangsrichtung verteilter Punkte in dem Elektronenbeugungsbild in 58 zu beobachten, und es gibt keinen großen Unterschied von 54C. Dies bedeutet, dass der Kristallteil, der in dem Elektronenbeugungsbild in 54C zu beobachten ist, zum Zeitpunkt der Ausbildung des nanokristallinen Oxidhalbleiterfilms existierte und nicht durch die Bestrahlung mit dem Elektronenstrahl mit einem verringerten Durchmesser erzeugt wurde.
59A und 59B sind vergrößerte Bilder von Teilen in dem Querschnitts-TEM-Bild in 54A. 59A ist ein Querschnitts-TEM-Bild der näheren Umgebung der Stelle 1 (der Oberfläche des nanokristallinen Oxidhalbleiterfilms) in 54A, wobei die Beobachtung bei 8.000.000-facher Vergrößerung erfolgt. 59B ist ein Querschnitts-TEM-Bild der näheren Umgebung der Stelle 2 (des mittleren Abschnitts des nanokristallinen Oxidhalbleiterfilms in der Dickenrichtung) in 54A, wobei die Beobachtung bei 8.000.000-facher Vergrößerung erfolgt.
Den TEM-Bildern in 59A und 59B zufolge ist in dem nanokristallinen Oxidhalbleiterfilm keine kristalline Struktur deutlich wahrzunehmen.
Die in 54A bis 54D und 55A und 55B verwendeten Proben, bei denen jeweils der nanokristalline Oxidhalbleiterfilm nach dieser Ausführungsform über dem Quarzglassubstrat ausgebildet war, wurden durch Röntgenbeugung (XRD) analysiert. 60 zeigt ein XRD-Spektrum der Proben, das durch ein Out-of-Plane-Verfahren gemessen wurde.
In 60 bezeichnet die vertikale Achse die Röntgenbeugungsintensität (willkürliche Einheit), und die horizontale Achse bezeichnet den Beugungswinkel 2θ (Grad). Es sei angemerkt, dass das XRD-Spektrum mit einem Röntgendiffraktometer, D8 ADVANCE (von Bruker AXS hergestellt), gemessen wurde.
Wie in 60 gezeigt, erscheint ein Peak, der Quarz entspricht, bei 2θ von etwa 20° bis 23°; jedoch kann man keinen Peak finden, der dem Kristallteil in dem nanokristallinen Oxidhalbleiterfilm entspricht.
Die Ergebnisse in 59A und 59B und 60 deuten auch darauf hin, dass der Kristallteil in dem nanokristallinen Oxidhalbleiterfilm sehr klein ist.
Wie zuvor beschrieben worden ist, wird in dem nanokristallinen Oxidhalbleiterfilm nach dieser Ausführungsform kein Peak, der eine Orientierung zeigt, durch eine Röntgenbeugungs-(XRD-)Analyse gefunden, wobei der Messbereich groß ist, während das durch Feinbereichs-Elektronenbeugung mit einem großen Messbereich aufgenommene Elektronenbeugungsbild ein Halo-Muster zeigt. Dies deutet darauf hin, dass der nanokristalline Oxidhalbleiterfilm nach dieser Ausführungsform makroskopisch gleich einem Film mit einer ungeordneten Atomanordnung ist. Jedoch können Punkte (helle Punkte) in dem Nanostrahl-Elektronenbeugungsbild des nanokristallinen Oxidhalbleiterfilms gefunden werden, das durch Nanostrahl-Elektronenbeugung mit einem ausreichend kleinen Strahldurchmesser (z. B. 10 nmϕ oder kleiner) aufgenommen wurde. Daher kann man davon ausgehen, dass der nanokristalline Oxidhalbleiterfilm nach dieser Ausführungsform ein Film ist, in dem sich sehr kleine Kristallteile mit ungleichmäßigen Oberflächenorientierungen (z. B. Kristallteile, die jeweils einen Durchmesser von 10 nm oder kleiner, 5 nm oder kleiner oder 3 nm oder kleiner aufweisen) zusammenhängen. Ein Nanokristallbereich, der die sehr kleinen Kristallteile aufweist, ist im ganzen Bereich des nanokristallinen Oxidhalbleiterfilms in der Dickenrichtung enthalten.
Es sei angemerkt, dass die Abscheidungsoberfläche 603 vorzugsweise eine isolierende Oberfläche ist. Wenn die Abscheidungsoberfläche 603 eine isolierende Oberfläche ist, ist es unwahrscheinlich, dass die gesputterten Teilchen 602, die auf der Abscheidungsoberfläche 603 abgeschieden sind, positive Ladungen verlieren. Jedoch kann in dem Fall, in dem die Abscheidungsgeschwindigkeit der gesputterten Teilchen 602 niedriger ist als die Geschwindigkeit, mit der eine positive Ladung verloren geht, die Abscheidungsoberfläche 603 Leitfähigkeit aufweisen. Die Abscheidungsoberfläche 603 ist vorzugsweise eine amorphe Oberfläche oder eine amorphe isolierende Oberfläche.
Wenn ein Sputtertarget auf die vorstehende Weise verwendet wird, kann ein Oxidfilm mit einer gleichmäßigen Dicke und einer gleichmäßigen Kristallorientierung ausgebildet werden.
Diese Ausführungsform kann mit einer beliebigen der anderen Ausführungsformen in dieser Beschreibung entsprechend kombiniert werden.
(Ausführungsform 8)
Bei dieser Ausführungsform wird ein Sputtertarget nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die relative Dichte des Sputtertargets ist höher als oder gleich 90%, höher als oder gleich 95%, oder höher als oder gleich 99%.
Das Sputtertarget weist ein polykristallines Oxid auf, das eine Vielzahl von Kristallkörnern enthält, deren durchschnittliche Korngröße kleiner als oder gleich 3 µm, bevorzugt kleiner als oder gleich 2,5 µm, stärker bevorzugt kleiner als oder gleich 2 µm ist.
Alternativ weist das Sputtertarget ein polykristallines Oxid auf, das eine Vielzahl von Kristallkörnern enthält, in denen der Anteil an Kristallkörnern, deren Korngröße größer als oder gleich 0,4 µm und kleiner als oder gleich 1 µm ist, höher als oder gleich 8%, bevorzugt höher als oder gleich 15%, stärker bevorzugt höher als oder gleich 25% ist.
Es sei angemerkt, dass die Korngröße des Kristallkorns durch eine Elektronenrückstreudiffraktion (electron backscatter diffraction, EBSD) gemessen werden kann. Die hier beschriebene Korngröße des Kristallkorns wird aus einer Querschnittsfläche eines Kristallkorns berechnet, die aus einer durch EBSD erhaltenen Kristallkorn-Map (crystal grain map) gemessen wird, angenommen, dass der Querschnitt des Kristallkorns ein vollständiger Kreis ist. Insbesondere wird dann, wenn die Querschnittsfläche des Kristallkorns durch S bezeichnet wird und der Radius des Querschnitts des Kristallkorns durch r bezeichnet wird, der Radius r aus einer Beziehung, S = πr², berechnet, und die Korngröße, die durch 2r (das Doppelte des Radius r) dargestellt werden kann, wird erhalten.
Des Weiteren weist die Vielzahl von Kristallkörnern in dem Sputtertarget Spaltungsebenen auf. Die Spaltungsebene ist beispielsweise eine Ebene parallel zur a-b-Ebene.
Wenn die Vielzahl von Kristallkörnern eine kleine Korngröße aufweist, wird ein gesputtertes Teilchen von der Spaltungsebene durch Kollision eines Ions mit dem Sputtertarget abgetrennt. Das abgetrennte gesputterte Teilchen hat eine flachplattenähnliche Form, wobei eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche parallel zur Spaltungsebene sind. Außerdem wird, da Korngrößen der Vielzahl von Kristallkörnern klein sind, der Kristall verzerrt, und ein gesputtertes Teilchen wird leicht von der Spaltungsebene abgetrennt.
Es sei angemerkt, dass dann, wenn die Vielzahl von Kristallkörnern in dem Sputtertarget hexagonale Kristalle ist, flachplattenähnliche gesputterte Teilchen jeweils die Form eines hexagonalen Zylinders aufweisen, dessen obere Oberfläche und untere Oberfläche ungefähr gleichseitige Hexagone mit Innenwinkeln von 120° sind.
Obwohl gesputterte Teilchen ideal Einkristalle sind, kann ein Teil der gesputterten Teilchen aufgrund des Stoßes bei der Ionenkollision in einen amorphen Zustand gewandelt werden.
Als solches polykristallines Oxid in dem Sputtertarget wird ein Oxid verwendet, das In, M (M stellt Ga, Sn, Hf, Al, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb oder Lu dar) und Zn enthält. Das Oxid, das In, M und Zn enthält, wird auch als In-M-Zn-Oxid bezeichnet.
Darüber hinaus gleicht vorzugsweise das Atomverhältnis von In zu M und Zn in dem In-M-Zn-Oxid der stöchiometrischen Zusammensetzung. Wenn das Atomverhältnis von In zu M und Zn in dem In-M-Zn-Oxid der stöchiometrischen Zusammensetzung gleicht, kann die Kristallinität des In-M-Zn-Oxides erhöht werden.
In dem In-M-Zn-Oxid ist eine Spaltungsebene in vielen Fällen eine Ebene parallel zur a-b-Ebene, an der M und Zn gemischt sind.
Ein Verfahren zum Herstellen des vorstehenden Sputtertargets wird anhand von 21A und 21B beschrieben.
21A zeigt Ausbildung eines Oxidpulvers, das eine Vielzahl von Metallelementen enthält, die zu einem Sputtertarget werden. Zuerst wird das Oxidpulver in einem Schritt S101 gewogen.
Hierbei wird der Fall beschrieben, in dem ein Oxidpulver, das In, M und Zn enthält (auch als In-M-Zn-Oxidpulver bezeichnet), als Oxidpulver hergestellt wird, das eine Vielzahl von Metallelementen enthält. Insbesondere werden ein InO_X-Oxidpulver, ein MO_Y-Oxidpulver und ein ZnO_Z-Oxidpulver als Rohmaterial vorbereitet. Es sei angemerkt, dass X, Y und Z jeweils eine gegebene positive Zahl sind; beispielsweise sind X, Y und Z 1,5, 1,5 bzw. 1. Natürlich sind die vorstehenden Oxidpulver nur ein Beispiel, und Oxidpulver können je nach Bedarf ausgewählt werden, um eine gewünschte Zusammensetzung zu erhalten.
Es sei angemerkt, dass M Ga, Sn, Hf, Al, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb oder Lu darstellt. Obwohl der Fall, in dem drei Arten von Oxidpulvern verwendet werden, als Beispiel bei dieser Ausführungsform gezeigt ist, ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann diese Ausführungsform auch in dem Fall, in dem vier oder mehr Arten von Oxidpulvern verwendet werden, oder in dem Fall, in dem eine oder zwei Arten von Oxidpulvern verwendet werden, angewendet werden.
Dann werden das InO_X-Oxidpulver, das MO_Y-Oxidpulver und das ZnO_Z-Oxidpulver in einem vorbestimmten Molverhältnis gemischt.
Beispielsweise beträgt das vorbestimmte Molverhältnis des InO_X-Oxidpulvers zu dem MO_Y-Oxidpulver und dem ZnO_Z-Oxidpulver 2:2:1, 8:4:3, 3:1:1, 1:1:1, 4:2:3, 1:1:2, 3:1:4, 1:3:2, 1:3:4, 1:3:6, 1:3:8, 1:3:10, 1:3:12, 1:6:4, 1:6:6, 1:6:8, 1:6:10, 1:6:12, 1:6:14, 1:6:16, 1:6:20 oder 3:1:2. Mit einem solchen Molverhältnis kann ein Sputtertarget, das ein polykristallines Oxid mit hoher Kristallinität enthält, später leicht hergestellt werden.
Als Nächstes wird in einem Schritt S102 ein In-M-Zn-Oxid hergestellt, indem ein erstes Backen an dem InO_X-Oxidpulver, dem MO_Y-Oxidpulver und dem ZnO_Z-Oxidpulver durchgeführt wird, die in einem vorbestimmten Molverhältnis gemischt sind.
Es sei angemerkt, dass das erste Backen in einer Inertatmosphäre, einer Oxidationsatmosphäre oder einer Atmosphäre mit verringertem Druck bei einer Temperatur von höher als oder gleich 400°C und niedriger als oder gleich 1700°C, bevorzugt höher als oder gleich 900°C und niedriger als oder gleich 1500°C durchgeführt wird. Das erste Backen wird beispielsweise für länger als oder gleich 3 Minuten und kürzer als oder gleich 24 Stunden, bevorzugt länger als oder gleich 30 Minuten und kürzer als oder gleich 17 Stunden, stärker bevorzugt länger als oder gleich 30 Minuten und kürzer als oder gleich 5 Stunden, durchgeführt. Wenn das erste Backen unter den vorbeschriebenen Bedingungen durchgeführt wird, können sekundäre Reaktionen, die nicht die Hauptreaktion sind, unterdrückt werden, und die Verunreinigungskonzentration in dem In-M-Zn-Oxidpulver kann verringert werden. Folglich kann die Kristallinität des In-M-Zn-Oxidpulvers erhöht werden.
Das erste Backen kann mehrere Male bei verschiedenen Temperaturen und/oder in verschiedenen Atmosphären durchgeführt werden. Das In-M-Zn-Oxidpulver kann beispielsweise zunächst auf einer ersten Temperatur in einer ersten Atmosphäre und sodann auf einer zweiten Temperatur in einer zweiten Atmosphäre gehalten werden. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die erste Atmosphäre eine Inertatmosphäre oder eine Atmosphäre mit verringertem Druck ist und die zweite Atmosphäre eine Oxidationsatmosphäre ist. Das liegt daran, dass eine Sauerstofffehlstelle in dem In-M-Zn-Oxid erzeugt wird, wenn Verunreinigungen, die in dem In-M-Zn-Oxidpulver enthalten sind, in der ersten Atmosphäre verringert werden. Deshalb werden vorzugsweise Sauerstofffehlstellen in dem hergestellten In-M-Zn-Oxid in der zweiten Atmosphäre verringert. Die Verunreinigungskonzentration in dem In-M-Zn-Oxid wird verringert, und Sauerstofffehlstellen werden verringert, wodurch die Kristallinität des In-M-Zn-Oxidpulvers erhöht werden kann.
Als Nächstes wird in einem Schritt S103 das In-M-Zn-Oxidpulver durch Mahlen des In-M-Zn-Oxides hergestellt.
Das In-M-Zn-Oxid weist viele Oberflächenstrukturen von Ebenen parallel zur a-b-Ebene auf. Daher beinhaltet das hergestellte In-M-Zn-Oxidpulver viele flachplattenähnliche Kristallkörner, dessen obere Oberfläche und untere Oberfläche parallel zur a-b-Ebene sind. Außerdem ist der Kristall des In-Ga-Zn-Oxides in vielen Fällen ein hexagonaler Kristall; somit weisen in vielen Fällen die vorstehenden flachplattenähnlichen Kristallkörner jeweils die Form eines hexagonalen Zylinders auf, dessen obere Oberfläche und untere Oberfläche ungefähr gleichseitige Hexagone mit Innenwinkeln von 120° sind.
Als Nächstes wird die Korngröße des hergestellten In-M-Zn-Oxidpulvers in einem Schritt S104 geprüft. Dabei wird festgestellt, dass die durchschnittliche Korngröße des In-M-Zn-Oxidpulvers kleiner als oder gleich 3 µm, bevorzugt kleiner als oder gleich 2,5 µm, stärker bevorzugt kleiner als oder gleich 2 µm ist. Es sei angemerkt, dass der Schritt S104 ausgelassen werden kann und dass nur das In-M-Zn-Oxidpulver, dessen Korngröße kleiner als oder gleich 3 µm, bevorzugt kleiner als oder gleich 2,5 µm, stärker bevorzugt kleiner als oder gleich 2 µm ist, unter Verwendung eines Korngrößenfilters (grain size filter) gesiebt werden kann. Die durchschnittliche Korngröße des In-M-Zn-Oxidpulvers kann sicherlich kleiner als oder gleich 3 µm, bevorzugt kleiner als oder gleich 2,5 µm, stärker bevorzugt kleiner als oder gleich 2 µm sein, indem das In-M-Zn-Oxidpulver gesiebt wird, so dass es eine Korngröße von kleiner als oder gleich 3 µm, bevorzugt kleiner als oder gleich 2,5 µm, stärker bevorzugt kleiner als oder gleich 2 µm aufweist.
In dem Fall, in dem in dem Schritt S104 die durchschnittliche Korngröße des In-M-Zn-Oxidpulvers eine vorbestimmte Größe überschreitet, geht der Ablauf zu dem Schritt S103 zurück und das In-M-Zn-Oxidpulver wird wieder gemahlen.
Auf die vorstehende Weise kann das In-M-Zn-Oxidpulver hergestellt werden, dessen durchschnittliche Korngröße kleiner als oder gleich 3 µm, bevorzugt kleiner als oder gleich 2,5 µm, stärker bevorzugt kleiner als oder gleich 2 µm, ist. Es sei angemerkt, dass die durchschnittliche Korngröße des hergestellten In-M-Zn-Oxidpulvers kleiner als oder gleich 3 µm, bevorzugt kleiner als oder gleich 2,5 µm, stärker bevorzugt kleiner als oder gleich 2 µm, ist, was ermöglicht, dass die Korngröße eines Kristallkorns in einem später auszubildenden Sputtertarget verringert wird.
Als Nächstes zeigt 21B ein Verfahren zum Herstellen eines Sputtertargets unter Verwendung des In-M-Zn-Oxidpulvers, das wie in dem Ablaufdiagramm in 21A hergestellt wird.
In einem Schritt S111 wird das In-M-Zn-Oxidpulver geformt. Das Formen bezeichnet hier Verteilen des Pulvers oder dergleichen über eine Form, um eine gleichmäßige Dicke zu erhalten. Insbesondere wird das In-M-Zn-Oxidpulver in die Form eingebracht, und dann wirkt eine Vibration bzw. Schwingung von außen derart ein, dass das In-M-Zn-Oxidpulver geformt wird. Alternativ wird das In-M-Zn-Oxidpulver in die Form eingebracht, und dann wird ein Formen unter Verwendung einer Walze oder dergleichen durchgeführt, um eine gleichmäßige Dicke zu erhalten. Es sei angemerkt, dass in dem Schritt S111 ein Schlamm geformt werden kann, in dem das In-M-Zn-Oxidpulver mit Wasser, einem Dispergiermittel und einem Bindemittel gemischt ist. In diesem Fall wird der Schlamm in die Form gegossen und dann durch Absaugen des Schlamms von dem Boden der Form geformt. Danach wird eine Trocknungsbehandlung an einem geformten Körper durchgeführt, nachdem der Schlamm abgesaugt worden ist. Die Trocknungsbehandlung ist vorzugsweise ein natürliches Trocknen, da der geformte Körper dann weniger wahrscheinlich zerspringt. Danach wird der geformte Körper einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von höher als oder gleich 300°C und niedriger als oder gleich 700°C unterzogen, damit Restfeuchtigkeit oder dergleichen, die durch natürliches Trocknen nicht ausgetrieben werden kann, entfernt wird.
Wenn das In-M-Zn-Oxidpulver, das viele flachplattenähnliche Kristallkörner enthält, deren obere Oberflächen und untere Oberflächen parallel zur a-b-Ebene sind, geformt wird, werden die Kristallkörner so angeordnet, dass die Ebenen parallel zur a-b-Ebene nach oben weisen. Daher kann der Anteil an den Oberflächenstrukturen der Ebenen parallel zur a-b-Ebene erhöht werden, indem das hergestellte In-M-Zn-Oxidpulver geformt wird. Es sei angemerkt, dass die Form aus einem Metall oder einem Oxid gebildet sein kann, und die obere Form rechteckig oder abgerundet ist.
Als Nächstes wird in einem Schritt S112 eine erste Druckbehandlung an dem In-M-Zn-Oxidpulver durchgeführt. Danach wird in einem Schritt S113 ein zweites Backen durchgeführt, um ein plattenähnliches In-M-Zn-Oxid herzustellen. Das zweite Backen wird unter ähnlichen Bedingungen wie das erste Backen durchgeführt. Die Kristallinität des In-M-Zn-Oxides kann durch das zweite Backen erhöht werden.
Es sei angemerkt, dass die erste Druckbehandlung auf beliebige Weise durchgeführt werden kann, solange das In-M-Zn-Oxidpulver gepresst werden kann. Es kann beispielsweise ein Gewicht verwendet werden, das aus derselben Art von Material wie die Form ausgebildet ist. Alternativ kann das In-M-Zn-Oxidpulver bei Hochdruck unter Verwendung von komprimierter Luft gepresst werden. Zudem kann die erste Druckbehandlung unter Verwendung von verschiedenen Techniken durchgeführt werden. Es sei angemerkt, dass die erste Druckbehandlung zu demselben Zeitpunkt wie das zweite Backen durchgeführt werden kann.
Es kann eine Planarisierungsbehandlung nach der ersten Druckbehandlung durchgeführt werden. Als Planarisierungsbehandlung kann eine chemisch-mechanische Polier-(CMP-)Behandlung oder dergleichen eingesetzt werden.
Das auf diese Weise hergestellte plattenähnliche In-M-Zn-Oxid wird zu einem polykristallinen Oxid mit hoher Kristallinität.
Als Nächstes wird die Dicke des hergestellten plattenähnlichen In-M-Zn-Oxides in einem Schritt S114 geprüft. Wenn die Dicke des plattenähnlichen In-M-Zn-Oxides kleiner ist als eine gewünschte Dicke, geht der Ablauf zu dem Schritt S111 zurück, und das In-M-Zn-Oxidpulver wird über das plattenähnliche In-M-Zn-Oxid verteilt und geformt. Wenn das plattenähnliche In-M-Zn-Oxid eine gewünschte Dicke aufweist, wird das plattenähnliche In-M-Zn-Oxid als Sputtertarget verwendet. Der Fall, in dem die Dicke des plattenähnlichen In-M-Zn-Oxides kleiner ist als eine gewünschte Dicke, wird im Folgenden beschrieben.
Dann wird in dem Schritt S112 eine zweite Druckbehandlung an dem plattenähnlichen In-M-Zn-Oxid und dem In-M-Zn-Oxidpulver über dem plattenähnlichen In-M-Zn-Oxid durchgeführt. Danach wird in dem Schritt S113 ein drittes Backen durchgeführt, wodurch ein plattenähnliches In-M-Zn-Oxid hergestellt wird, dessen Dicke um die Dicke des In-M-Zn-Oxidpulvers vergrößert wird. Ein plattenähnliches In-M-Zn-Oxid mit einer vergrößerten Dicke wird durch Kristallwachstum unter Verwendung des plattenähnlichen In-M-Zn-Oxides als Kristallkeim erhalten; daher ist das plattenähnliche In-M-Zn-Oxid ein polykristallines Oxid mit hoher Kristallinität.
Es sei angemerkt, dass das dritte Backen unter ähnlichen Bedingungen wie das zweite Backen durchgeführt werden kann. Die zweite Druckbehandlung kann unter ähnlichen Bedingungen wie die erste Druckbehandlung durchgeführt werden. Die zweite Druckbehandlung kann gleichzeitig mit dem dritten Backen durchgeführt werden.
Die Dicke des hergestellten plattenähnlichen In-M-Zn-Oxides wird wieder in dem Schritt S114 geprüft.
Durch die vorstehenden Schritte kann die Dicke des plattenähnlichen In-M-Zn-Oxides allmählich vergrößert werden, während die Kristallausrichtung verbessert wird.
Durch ein n-faches Wiederholen (n ist eine natürliche Zahl) dieser Schritte zum Vergrößern der Dicke des plattenähnlichen In-M-Zn-Oxides kann das plattenähnliche In-M-Zn-Oxid mit einer gewünschten Dicke (t) von z. B. größer als oder gleich 2 mm und kleiner als oder gleich 20 mm, bevorzugt größer als oder gleich 3 mm und kleiner als oder gleich 20 mm, hergestellt werden. Das plattenähnliche In-M-Zn-Oxid wird als Sputtertarget verwendet.
Anschließend kann eine Planarisierungsbehandlung durchgeführt werden.
Es sei angemerkt, dass ein viertes Backen an dem hergestellten Sputtertarget durchgeführt werden kann. Das vierte Backen wird unter ähnlichen Bedingungen wie das erste Backen durchgeführt. Durch das vierte Backen kann ein Sputtertarget hergestellt werden, das ein polykristallines Oxid mit viel höherer Kristallinität enthält.
Auf die vorstehende Weise kann das Sputtertarget ausgebildet werden, das ein polykristallines Oxid mit einer Vielzahl von Kristallkörnern mit Spaltungsebenen parallel zur a-b-Ebene enthält und in dem die durchschnittliche Korngröße klein ist.
Es sei angemerkt, dass das Sputtertarget, das auf diese Weise gebildet wird, eine hohe Dichte aufweisen kann. Wenn die Dichte des Sputtertargets erhöht wird, kann die Dichte eines abzuscheidenden Films ebenfalls erhöht werden. Insbesondere kann die relative Dichte des Sputtertargets auf höher als oder gleich 90%, bevorzugt höher als oder gleich 95%, stärker bevorzugt höher als oder gleich 99%, eingestellt werden.
Diese Ausführungsform kann mit einer beliebigen der anderen Ausführungsformen in dieser Beschreibung entsprechend kombiniert werden.
(Ausführungsform 9)
Bei dieser Ausführungsform werden Beobachtungsergebnisse von Elektronenbeugungsbildern eines CAAC-OS-Films beschrieben, der für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
Der bei dieser Ausführungsform verwendete CAAC-OS-Film ist ein Oxidfilm auf In-Ga-Zn-Basis, der durch ein Sputterverfahren unter Verwendung eines sauerstoffhaltigen Sputtergases und eines Targets aus einem In-Ga-Zn-Oxid (mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:1:1) ausgebildet wird. Auf die vorstehende Ausführungsform kann man bezüglich einer detaillierten Beschreibung eines Herstellungsverfahrens und dergleichen des CAAC-OS-Films Bezug nehmen.
45 ist ein Querschnitts-Transmissionselektronenmikroskopie-(TEM-)Bild des CAAC-OS-Films. 46A bis 46D zeigen Elektronenbeugungsbilder, die durch Messung erhalten wurden, die durch Elektronenbeugung an Stellen 1 bis 4 in 45 durchgeführt wurde.
Das Querschnitts-TEM-Bild in 45 wurde mit einem Transmissionselektronenmikroskop („H-9000NAR”, von Hitachi High-Technologies Corporation hergestellt) bei einer Beschleunigungsspannung von 300 kV und bei 2.000.000-facher Vergrößerung aufgenommen. Die Elektronenbeugungsbilder in 46A bis 46D wurden mit einem Transmissionselektronenmikroskop („HF-2000”, von Hitachi High-Technologies Corporation hergestellt) bei einer Beschleunigungsspannung von 200 kV und mit Strahldurchmessern von etwa 1 nmϕ und etwa 50 nmϕ aufgenommen. Es sei angemerkt, dass Elektronenbeugung mit einem Strahldurchmesser von 10 nmϕ in einigen Fällen besonders als Nanostrahl-Elektronenbeugung bezeichnet wird. Zusätzlich ist ein Messbereich der Elektronenbeugung mit einem Strahldurchmesser von etwa 1 nmϕ größer als oder gleich 5 nmϕ und kleiner als oder gleich 10 nmϕ.
Elektronenbeugungsbilder an der Stelle 1 (der Oberflächenseite des Films), an der Stelle 2 (dem Zentrum des Films) und an der Stelle 3 (der Basisseite des Films), welche in 45 gezeigt sind, entsprechen 46A, 46B bzw. 46C und werden mit einem Elektronenstrahldurchmesser von etwa 1 nmϕ aufgenommen. Ein Elektronenbeugungsbild an der Stelle 4 (dem ganzen Film), welche in 45 gezeigt ist, entspricht 46D und wird mit einem Elektronenstrahldurchmesser von etwa 50 nmϕ aufgenommen.
Ein Muster, das von Punkten (hellen Punkten) gebildet ist, ist in jedem der Elektronenbeugungsbilder der Stelle 1 (auf der Oberflächenseite des Films) und der Stelle 2 (des Zentrums des Films) zu beobachten, und ein ein wenig deformiertes Muster ist an der Stelle 3 (auf der Basisseite des Films) zu beobachten. Dies deutet darauf hin, dass der Kristallzustand in der Dickenrichtung des CAAC-OS-Films schwankt. Es sei angemerkt, dass ein von Punkten (hellen Punkten) gebildetes Muster an der Stelle 4 (im ganzen Film) zu beobachten ist, was darauf hindeutet, dass der ganze Film ein CAAC-OS-Film oder ein Film ist, der einen CAAC-OS-Film aufweist.
47 ist eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs in der näheren Umgebung der Stelle 1 (auf der Oberflächenseite des Films) in 45. In 47 erstreckt sich ein deutliches Gitterbild, das eine Ausrichtung des CAAC-OS-Films zeigt, bis zur Grenzfläche zu einem SiON-Film, der ein Zwischenschichtisolierfilm ist.
48A und 48B zeigen ein Querschnitts-TEM-Bild bzw. ein Röntgenbeugungsspektrum eines anderen CAAC-OS-Films als des CAAC-OS-Films, der für das Querschnitts-TEM-Bild in 45 verwendet wird. Ein CAAC-OS-Film kann verschiedene Formen haben, und ein Peak A, der auf eine Kristallkomponente hindeutet, erscheint bei 2θ von etwa 31°, wie in 48B gezeigt ist; in einigen Fällen erscheint jedoch der Peak nicht deutlich.
49A bis 49D zeigen Ergebnisse einer Elektronenbeugung, die mit Elektronenstrahldurchmessern von 1 nmϕ, 20 nmϕ, 50 nmϕ bzw. 70 nmϕ an Bereichen in dem CAAC-OS-Film durchgeführt wurde. Die Bereiche sind durch konzentrische Kreise in 48A dargestellt. Im Falle eines Elektronenstrahldurchmessers von 1 nmϕ kann ein Muster, das von deutlichen Punkten (hellen Punkten) gebildet wird, wie in 46A und 46B beobachtet werden. Mit der Zunahme des Elektronenstrahldurchmessers werden die Punkte (die hellen Punkte) undeutlich, aber ein Beugungsbild kann beobachtet werden. Der ganze Film ist deshalb ein CAAC-OS-Film oder ein Film, der einen CAAC-OS-Film aufweist.
50A und 50B zeigen ein Querschnitts-TEM-Bild bzw. ein Röntgenbeugungsspektrum des für die Querschnitts-TEM-Beobachtung in 48A verwendeten CAAC-OS-Films, welche nach einer Ausheilung (annealing) bei 450°C erhalten werden.
51A bis 51D zeigen Ergebnisse einer Elektronenbeugung, die mit Elektronenstrahldurchmessern von 1 nmϕ, 20 nmϕ, 50 nmϕ bzw. 70 nmϕ an Bereichen in dem CAAC-OS-Film durchgeführt wurde. Die Bereiche sind durch konzentrische Kreise in 50A dargestellt. Im Falle eines Elektronenstrahldurchmessers von 1 nmϕ kann, ähnlich wie bei den Ergebnissen in 49A bis 49D, ein Muster beobachtet werden, das von deutlichen Punkten (hellen Punkten) gebildet ist. Mit der Zunahme des Elektronenstrahldurchmessers werden die Punkte (die hellen Punkte) undeutlich, aber ein Beugungsbild kann beobachtet werden. Der ganze Film ist deshalb ein CAAC-OS-Film oder ein Film, der einen CAAC-OS-Film aufweist.
52A und 52B zeigen ein Querschnitts-TEM-Bild bzw. ein Röntgenbeugungsspektrum eines anderen CAAC-OS-Films als des CAAC-OS-Films, der für das Querschnitts-TEM-Bild in 45 und die Querschnitts-TEM-Beobachtung in 48A verwendet wird. Der CAAC-OS-Film hat verschiedene Formen, und wie in 52B gezeigt, erscheint in einigen Fällen ein Peak B, der aus einer Spinell-Kristallstruktur stammt, sowie der Peak A, der auf eine Kristallkomponente hindeutet und bei 2θ von etwa 31° erscheint.
53A bis 53D zeigen Ergebnisse einer Elektronenbeugung, die mit Elektronenstrahldurchmessern von 1 nmϕ, 20 nmϕ, 50 nmϕ bzw. 90 nmϕ an Bereichen in dem CAAC-OS-Film durchgeführt wurde. Die Bereiche sind durch konzentrische Kreise in 52A dargestellt. Im Falle eines Elektronenstrahldurchmessers von 1 nmϕ kann ein Muster beobachtet werden, das von deutlichen Punkten (hellen Punkten) gebildet ist. Mit der Zunahme des Elektronenstrahldurchmessers werden die Punkte (die hellen Punkte) undeutlich, aber ein Beugungsbild kann beobachtet werden. Ferner können im Falle eines Strahldurchmessers von 90 nmϕ deutlichere Punkte (helle Punkte) beobachtet werden. Der ganze Film ist folglich ein CAAC-OS-Film oder ein Film, der einen CAAC-OS-Film aufweist.
Diese Ausführungsform kann mit einer beliebigen der anderen Ausführungsformen in dieser Beschreibung entsprechend kombiniert werden.
(Ausführungsform 10)
Bei dieser Ausführungsform wird ein Beispiel für eine Halbleitervorrichtung (Anzeigevorrichtung) beschrieben, die den bei der vorstehenden Ausführungsform beschriebenen Transistor beinhaltet.
<Struktur der Halbleitervorrichtung>
26A stellt ein Beispiel einer Halbleitervorrichtung dar. Die Halbleitervorrichtung in 26A beinhaltet einen Pixelabschnitt 1100, eine Abtastleitungstreiberschaltung 1104, eine Signalleitungstreiberschaltung 1106, m Abtastleitungen 1107, die parallel oder im Wesentlichen parallel angeordnet sind und deren Potentiale durch die Abtastleitungstreiberschaltung 1104 gesteuert werden, und n Signalleitungen 1109, die parallel oder im Wesentlichen parallel angeordnet sind und deren Potentiale durch die Signalleitungstreiberschaltung 1106 gesteuert werden. Ferner beinhaltet der Pixelabschnitt 1100 eine Vielzahl von Pixeln 1101, die in einer Matrix angeordnet sind. Darüber hinaus sind Kondensatorleitungen 1115, die parallel oder im Wesentlichen parallel angeordnet sind, entlang den Abtastleitungen 1107 bereitgestellt. Es sei angemerkt, dass die Kondensatorleitungen 1115 parallel oder im Wesentlichen parallel entlang den Signalleitungen 1109 angeordnet sein können.
Jede Abtastleitung 1107 ist elektrisch mit den n Pixeln 1101 in der entsprechenden Zeile aus den Pixeln 1101, die in m Zeilen und n Spalten in dem Pixelabschnitt 1100 angeordnet sind, verbunden. Jede Signalleitung 1109 ist elektrisch mit den m Pixeln 1101 in der entsprechenden Spalte aus den Pixeln 1101, die in m Zeilen und n Spalten angeordnet sind, verbunden. Es sei angemerkt, dass m und n jeweils eine Ganzzahl von 1 oder größer ist. Jede Kondensatorleitung 1115 ist elektrisch mit den n Pixeln 1101 in der entsprechenden Zeile aus den Pixeln 1101, die in m Zeilen und n Spalten angeordnet sind, verbunden. Es sei angemerkt, dass in dem Fall, in dem die Kondensatorleitungen 1115 parallel oder im Wesentlichen parallel entlang den Signalleitungen 1109 angeordnet sind, jede Kondensatorleitung 1115 elektrisch mit den m Pixeln 1101 in der entsprechenden Spalte aus den Pixeln 1101, die in m Zeilen und n Spalten angeordnet sind, verbunden ist.
26B ist ein Beispiel für einen Schaltungsplan des Pixels 1101, das in der in 26A dargestellten Halbleitervorrichtung enthalten ist. Das Pixel 1101 in 26B beinhaltet einen Transistor 1103, der elektrisch mit der Abtastleitung 1107 und der Signalleitung 1109 verbunden ist, einen Kondensator 1105, dessen eine Elektrode mit einer Drain-Elektrode des Transistors 1103 elektrisch verbunden ist und dessen andere Elektrode mit der Kondensatorleitung 1115, die ein konstantes Potential anlegt, elektrisch verbunden ist, und ein Flüssigkristallelement 1108. Eine Pixelelektrode des Flüssigkristallelements 1108 ist elektrisch mit der Drain-Elektrode des Transistors 1103 und der einen Elektrode des Kondensators 1105 verbunden, und eine Elektrode (Gegenelektrode), die der Pixelelektrode gegenüber liegt, ist elektrisch mit einer Verdrahtung verbunden, die ein Gegenpotential anlegt.
Das Flüssigkristallelement 1108 ist ein Element, das die Durchlässigkeit für Licht durch einen optischen Modulationsvorgang des Flüssigkristalls steuert, der zwischen einem Substrat, das mit dem Transistor 1103 und der Pixelelektrode versehen ist, und einem Substrat, das mit der Gegenelektrode versehen ist, eingeschoben ist. Der optische Modulationsvorgang des Flüssigkristalls wird durch ein elektrisches Feld gesteuert, das an den Flüssigkristall angelegt ist (und das ein vertikales elektrisches Feld und ein diagonales elektrisches Feld enthält). Es sei angemerkt, dass in dem Fall, in dem eine Gegenelektrode (auch als eine gemeinsame Elektrode bezeichnet) über einem Substrat, bei dem eine Pixelelektrode bereitgestellt ist, bereitgestellt ist, ein elektrisches Feld, das an den Flüssigkristall angelegt ist, ein transversales elektrisches Feld ist.
Als Nächstes wird ein spezifisches Beispiel für das Pixel 1101 der Flüssigkristallanzeigevorrichtung beschrieben. 27 ist eine Draufsicht auf das Pixel 1101. Es sei angemerkt, dass in 27 die Gegenelektrode und das Flüssigkristallelement weggelassen sind.
In 27 ist die Abtastleitung 1107 so angeordnet, dass sie sich in der Richtung senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zu der Signalleitung 1109 (in der horizontalen Richtung in der Zeichnung) erstreckt. Die Signalleitung 1109 ist so angeordnet, dass sie sich in der Richtung senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zu der Abtastleitung 1107 (in der vertikalen Richtung in der Zeichnung) erstreckt. Die Kondensatorleitung 1115 ist so angeordnet, dass sie sich in der Richtung parallel zu der Abtastleitung 1107 erstreckt. Es sei angemerkt, dass die Abtastleitung 1107 und die Kondensatorleitung 1115 elektrisch mit der Abtastleitungstreiberschaltung 1104 verbunden sind (siehe 26A), und die Signalleitung 1109 elektrisch mit der Signalleitungstreiberschaltung 1106 verbunden ist (siehe 26A).
Der Transistor 1103 ist in einem Bereich angeordnet, in dem die Abtastleitung 1107 die Signalleitung 1109 kreuzt. Der Transistor 1103 beinhaltet mindestens einen Halbleiterfilm 1111, der einen Kanalbildungsbereich aufweist, eine Gate-Elektrode, einen Gate-Isolierfilm (in 27 nicht abgebildet), eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode. Ein Bereich der Abtastleitung 1107, der sich mit dem Halbleiterfilm 1111 überlappt, dient als Gate-Elektrode des Transistors 1103. Ein Bereich der Signalleitung 1109, der sich mit dem Halbleiterfilm 1111 überlappt, dient als Source-Elektrode des Transistors 1103. Ein Bereich eines leitenden Films 1113, der sich mit dem Halbleiterfilm 1111 überlappt, dient als Drain-Elektrode des Transistors 1103. Deshalb können die Gate-Elektrode, die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode als die Abtastleitung 1107, die Signalleitung 1109 bzw. der leitende Film 1113 bezeichnet werden. Darüber hinaus liegt in 27 eine Kante der Abtastleitung 1107 auf der äußeren Seite einer Kante des Halbleiterfilms, wenn man es von oben betrachtet. Also dient die Abtastleitung 1107 als lichtblockierender Film zum Blockieren von Licht aus einer Lichtquelle, wie z. B. einer Hintergrundbeleuchtung. Aus diesem Grund wird der Halbleiterfilm 1111, der in dem Transistor enthalten ist, nicht mit Licht bestrahlt, so dass Schwankungen der elektrischen Eigenschaften des Transistors unterdrückt werden können.
Der leitende Film 1113 ist elektrisch mit einer Pixelelektrode 1121b, die unter Verwendung eines lichtdurchlässigen leitenden Films gebildet wird, durch eine Öffnung 1117 verbunden. In 27 ist das Schraffierungsmuster der Pixelelektrode 1121b nicht gezeigt.
Der Kondensator 1105 ist in einem Bereich des Pixels 1101 bereitgestellt und von Kondensatorleitungen 1115 und Signalleitungen 1109 umgeben. Der Kondensator 1105 ist elektrisch mit der Kondensatorleitung 1115 durch eine Elektrode 1121a und einen leitenden Film 1125 verbunden, die in und über einer Öffnung 1123a und einer Öffnung 1123b bereitgestellt sind. Der Kondensator 1105 beinhaltet einen lichtdurchlässigen leitenden Film 1120 aus einem lichtdurchlässigen Oxidhalbleiterfilm mit erhöhter Leitfähigkeit, die lichtdurchlässige Pixelelektrode 1121b und einen lichtdurchlässigen Isolierfilm (in 27 nicht dargestellt), der als dielektrischer Film dient und in dem Transistor 1103 enthalten ist. Das heißt, dass der Kondensator 1105 Licht durchlässt.
Dank der lichtdurchlässigen Eigenschaft des leitenden Films 1120 kann der Kondensator 1105 in dem Pixel 1101 groß (in einer großen Fläche) gebildet werden. Somit kann eine Halbleitervorrichtung erhalten werden, die eine erhöhte Ladekapazität aufweist, während das Öffnungsverhältnis auf typischerweise 55% oder mehr, bevorzugt 60% oder mehr, verbessert wird. Beispielsweise ist bei einer Halbleitervorrichtung mit einer hohen Auflösung, wie z. B. einer Flüssigkristallanzeigevorrichtung, die Fläche eines Pixels klein, und somit ist die Fläche eines Kondensators ebenfalls klein. Aus diesem Grund ist bei einer Halbleitervorrichtung mit einer hohen Auflösung die Ladekapazität des Kondensators klein. Jedoch kann, da der Kondensator 105 nach dieser Ausführungsform Licht durchlässt, eine ausreichende Ladekapazität in dem Pixel erzielt werden, und das Öffnungsverhältnis kann verbessert werden, wenn der Kondensator 1105 im Pixel bereitgestellt ist. Typischerweise kann der Kondensator 105 vorteilhaft bei einer hochauflösenden Halbleitervorrichtung mit einer Pixeldichte von 200 ppi oder höher, oder darüber hinaus 300 ppi oder höher verwendet werden. Ferner kann gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Öffnungsverhältnis selbst bei einer Anzeigevorrichtung mit hoher Auflösung verbessert werden, was es ermöglicht, Licht aus einer Lichtquelle, wie z. B. einer Hintergrundbeleuchtung, effizient zu verwenden, so dass der Stromverbrauch der Anzeigevorrichtung verringert werden kann.
Als Nächstes stellt 28 eine Querschnittsansicht eines Transistors in der Abtastleitungstreiberschaltung 1104 (siehe 26A) und Querschnittsansichten entlang der Strichpunktlinie A1-A2, der Strichpunktlinie B1-B2 und der Strichpunktlinie C1-C2 in 27 dar. Hier ist eine Draufsicht auf die Abtastleitungstreiberschaltung 1104 weggelassen, und eine Querschnittsansicht der Abtastleitungstreiberschaltung 1104 entspricht einem Querschnitt entlang D1-D2. Hier ist die Querschnittsansicht des Transistors in der Abtastleitungstreiberschaltung 1104 dargestellt, aber der Transistor kann auch in der Signalleitungstreiberschaltung 1106 angeordnet sein.
Zuerst werden Strukturen des Pixels 1101 entlang der Strichpunktlinie A1-A2, der Strichpunktlinie B1-B2 und der Strichpunktlinie C1-C2 beschrieben. Die Abtastleitung 1107, die eine Gate-Elektrode des Transistors 1103 umfasst, und die Kondensatorleitung 1115, die über derselben Oberfläche wie die Abtastleitung 1107 liegt, liegen über einem Substrat 1102. Ein Gate-Isolierfilm 1127 ist über der Abtastleitung 1107 und der Kondensatorleitung 1115 bereitgestellt. Der Halbleiterfilm 1111 ist über einem Abschnitt des Gate-Isolierfilms 1127 bereitgestellt, der sich mit der Abtastleitung 1107 überlappt, und der leitende Film 1120 ist über dem Gate-Isolierfilm 1127 bereitgestellt. Die Signalleitung 1109, die eine Source-Elektrode des Transistors 1103 umfasst, und der leitende Film 1113, der eine Drain-Elektrode des Transistors 1103 umfasst, sind über dem Halbleiterfilm 1111 und dem Gate-Isolierfilm 1127 bereitgestellt. Der leitende Film 1125 ist über dem leitenden Film 1120 bereitgestellt. Ein Isolierfilm 1129, ein Isolierfilm 1131 und ein Isolierfilm 1133, die als Schutzisolierfilme des Transistors 1103 dienen, sind über dem Gate-Isolierfilm 1127, der Signalleitung 1109, dem Halbleiterfilm 1111, den leitenden Filmen 1113 und 1125 und dem leitenden Film 1120 bereitgestellt. Die Öffnung 1123a, die die Kondensatorleitung 1115 erreicht, ist in dem Gate-Isolierfilm 1127 und den Isolierfilmen 1129, 1131 und 1133 bereitgestellt, die Öffnung 1123b, die den leitenden Film 1125 erreicht, ist in den Isolierfilmen 1129, 1131 und 1133 bereitgestellt, und die Elektrode 1121a ist in der Öffnung 1123a und der Öffnung 1123b und über der Kondensatorleitung 1115, dem leitenden Film 1125 und dem Isolierfilm 1133 bereitgestellt. Es sei angemerkt, dass die Öffnung 1117 (siehe 27), die den leitenden Film 1113 erreicht, in dem Isolierfilm 1129, dem Isolierfilm 1131 und dem Isolierfilm 1133 ausgebildet ist, und die Pixelelektrode 1121b ist in der Öffnung 1117 und über einem Isolierfilm 1133 angeordnet.
Bei dem Kondensator 1105, der bei dieser Ausführungsform beschrieben ist, dient der leitende Film 1120, der im gleichen Prozess wie der Halbleiterfilm 1111 gebildet wird, als eine aus einem Paar von Elektroden, die Pixelelektrode 1121b dient als die andere aus dem Paar von Elektroden, und die Isolierfilme 1129, 1131 und 1133 dienen als dielektrischer Film, der zwischen dem Paar von Elektroden bereitgestellt ist.
Als Nächstes wird die Struktur des Transistors beschrieben, der in der Abtastleitungstreiberschaltung 1104 bereitgestellt ist. Eine Gate-Elektrode 1627 eines Transistors 1623 ist über dem Substrat 1102 bereitgestellt. Der Gate-Isolierfilm 1127 ist über der Gate-Elektrode 1627 bereitgestellt. Ein Halbleiterfilm 1628 ist über einem Bereich des Gate-Isolierfilms 1127 bereitgestellt, der sich mit der Gate-Elektrode 1627 überlappt. Eine Source-Elektrode 1629 und eine Drain-Elektrode 1639 des Transistors 1623 sind über dem Halbleiterfilm 1628 und dem Gate-Isolierfilm 1127 bereitgestellt. Außerdem sind die Isolierfilme 1129, 1131 und 1133, die als Schutzisolierfilme des Transistors 1623 dienen, über dem Gate-Isolierfilm 1127, der Source-Elektrode 1629, dem Halbleiterfilm 1628 und der Drain-Elektrode 1639 bereitgestellt. Ein leitender Film 1641 ist über dem Isolierfilm 1133 bereitgestellt.
Es sei angemerkt, dass ein Basis-Isolierfilm zwischen dem Substrat 1102 und der Abtastleitung 1107, der Kondensatorleitung 1115, der Gate-Elektrode 1627 und dem Gate-Isolierfilm 1127 bereitgestellt sein kann.
Bei dem Transistor 1623 ist der leitende Film 1641 bereitgestellt, der sich mit der Gate-Elektrode 1627 überlappt, wobei der Halbleiterfilm 1628 dazwischen liegt, wodurch Schwankungen der Gate-Spannung, bei der ein Durchlassstrom ansteigt, bei unterschiedlichen Drain-Spannungen verringert werden können. Ferner kann ein Strom, der zwischen der Source-Elektrode 1629 und der Drain-Elektrode 1639 an einer Oberfläche des Halbleiterfilms 1628 fließt, die dem leitenden Film 1641 zugewandt ist, gesteuert werden, und somit können Schwankungen der elektrischen Eigenschaften zwischen verschiedenen Transistoren verringert werden. Ferner kann dann, wenn der leitende Film 1641 bereitgestellt ist, ein Einfluss einer Änderung eines umgebenden elektrischen Feldes auf den Halbleiterfilm 1628 verringert werden, was zu einer Verbesserung der Zuverlässigkeit des Transistors führt. Darüber hinaus können dann, wenn das Potential des leitenden Films 1641 gleich oder im Wesentlichen gleich dem minimalen Potential (Vss; beispielsweise dem Potential der Source-Elektrode 1629 in dem Fall, in dem das Potential der Source-Elektrode 1629 ein Bezugspotential ist) ist, Schwankungen der Schwellenspannung des Transistors verringert werden, und die Zuverlässigkeit des Transistors kann verbessert werden.
Die Isolierfilme 1129 und 1131 können derart ausgebildet werden, dass sie eine einschichtige Struktur oder eine geschichtete Struktur haben, bei der beispielsweise ein beliebiges Material von isolierenden Oxidmaterialien, wie z. B. Siliziumoxid, Siliziumoxynitrid, Aluminiumoxid, Hafniumoxid, Galliumoxid und einem Metalloxid auf Ga-Zn-Basis, verwendet wird.
Der Isolierfilm 1129 kann eine Dicke von größer als oder gleich 5 nm und kleiner als oder gleich 150 nm, bevorzugt größer als oder gleich 5 nm und kleiner als oder gleich 50 nm, stärker bevorzugt größer als oder gleich 10 nm und kleiner als oder gleich 30 nm aufweisen. Der Isolierfilm 1131 kann eine Dicke von größer als oder gleich 30 nm und kleiner als oder gleich 500 nm, bevorzugt größer als oder gleich 150 nm und kleiner als oder gleich 400 nm aufweisen.
Der Isolierfilm 1133 kann ferner unter Verwendung eines isolierenden Nitridmaterials, wie z. B. Siliziumnitridoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Aluminiumnitridoxid und dergleichen, derart ausgebildet werden, dass er eine einschichtige Struktur oder eine geschichtete Struktur hat.
Als der Isolierfilm 1133 kann ein Nitrid-Isolierfilm bereitgestellt sein, in dem der Wasserstoffgehalt niedrig ist. Der Nitrid-Isolierfilm ist beispielsweise wie folgt: Die Anzahl von Wasserstoff, der von dem Nitrid-Isolierfilm abgegeben wird, ist kleiner als 5,0 × 10²¹ Atome/cm³, bevorzugt kleiner als 3,0 × 10²¹ Atome/cm³, stärker bevorzugt kleiner als 1,0 × 10²¹ Atome/cm³, wenn sie durch eine TPD-Spektroskopie gemessen wird.
Der Isolierfilm 1133 weist eine Dicke auf, die groß genug ist, um das Eindringen von Verunreinigungen, wie z. B. Wasserstoff und Wasser, von außen zu verhindern. Beispielsweise kann die Dicke größer als oder gleich 50 nm und kleiner als oder gleich 200 nm, bevorzugt größer als oder gleich 50 nm und kleiner als oder gleich 150 nm, stärker bevorzugt größer als oder gleich 50 nm und kleiner als oder gleich 100 nm werden.
Dann wird die Verbindung der Bestandteile, die in dem bei dieser Ausführungsform beschriebenen Pixel 1101 enthalten sind, mit Bezug auf den Schaltplan in 26C und die Querschnittsansicht in 28 beschrieben. [0467]
26C ist ein Beispiel für einen detaillierten Schaltplan des Pixels 1101, das in der in 26A dargestellten Halbleitervorrichtung enthalten ist. Wie in 26C und 28 dargestellt, beinhaltet der Transistor 1103 die Abtastleitung 1107 einschließlich der Gate-Elektrode, die Signalleitung 1109 einschließlich der Source-Elektrode und den leitenden Film 1113 einschließlich der Drain-Elektrode.
Der leitende Film 1120, der elektrisch mit der Kondensatorleitung 1115 durch die Elektrode 1121a und den leitenden Film 1125 verbunden ist, dient als eine Elektrode des Kondensators 1105. Ferner dient die Pixelelektrode 1121b, die elektrisch mit dem leitenden Film 1113 einschließlich der Drain-Elektrode verbunden ist, als die andere Elektrode des Kondensators 1105. Die Isolierfilme 1129, 1131 und 1133, die zwischen dem leitenden Film 1120 und der Pixelelektrode 1121b angeordnet sind, dienen als dielektrischer Film.
Das Flüssigkristallelement 1108 beinhaltet die Pixelelektrode 1121b, die Gegenelektrode 1154 und die Flüssigkristallschicht, die zwischen der Pixelelektrode 1121b und der Gegenelektrode 1154 angeordnet ist.
Der leitende Film 1120 in dem Kondensator 1105, der die gleiche Struktur wie der Halbleiterfilm 1111 aufweist, ist mit einem Dotierstoff dotiert, und dient somit als Elektrode des Kondensators 1105. Das liegt daran, dass die Pixelelektrode 1121b als Gate-Elektrode dienen kann, die Isolierfilme 1129, 1131 und 1133 als Gate-Isolierfilme dienen können, und die Kondensatorleitung 1115 als Source-Elektrode oder Drain-Elektrode dienen kann, so dass der Kondensator 1105 auf eine Weise betrieben werden kann, die ähnlich derjenigen eines Transistors ist, und der leitende Film 1120 in einen leitenden Zustand versetzt werden kann. Mit anderen Worten kann der Kondensator 1105 ein Metalloxidhalbleiter-(metal Oxide semiconductor, MOS-)Kondensator sein. Ein MOS-Kondensator wird geladen, wenn eine Spannung, die höher ist als die Schwellenspannung (Vth), an eine Elektrode des MOS-Kondensators (an die Pixelelektrode 1121b im Falle des Kondensators 1105) angelegt wird. Ferner kann der leitende Film 1120 in einen leitenden Zustand versetzt werden, so dass der leitende Film 1120 als eine Elektrode des Kondensators dienen kann, indem ein Potential, das der Kondensatorleitung 1115 zugeführt wird, gesteuert wird. In diesem Fall ist das Potential, das der Kondensatorleitung 1115 zugeführt wird, wie folgt eingestellt. Das Potential der Pixelelektrode 1121b wird in der positiven Richtung und der negativen Richtung relativ zu dem mittleren Potential eines Videosignals verändert, um das Flüssigkristallelement 1108 zu betreiben (siehe 26C). Das Potential der Kondensatorleitung 1115 muss konstant um die Schwellenspannung (Vth) des Kondensators 1105 (MOS-Kondensators) oder mehr niedriger sein als das Potential, das der Pixelelektrode 1121b zugeführt wird, damit sich der Kondensator 1105 (MOS-Kondensator) konstant in einem leitenden Zustand befindet. Bei dem Kondensator 1105 ist jedoch der leitende Film 1120, der als eine Elektrode dient, vom n-Typ und weist eine hohe Leitfähigkeit auf, so dass die Schwellenspannung in die negative Richtung verschoben wird. Das Potential des leitenden Films 1120 (mit anderen Worten das Potential der Kondensatorleitung 1115) kann in Übereinstimmung mit dem Verschiebungsbetrag der Schwellenspannung des Kondensators 1105 in der negativen Richtung von dem niedrigsten Potential der Pixelelektrode 1121b ansteigen. Deshalb kann in dem Fall, in dem die Schwellenspannung des Kondensators 1105 ein größerer negativer Wert ist, das Potential der Kondensatorleitung 1115 höher sein als das Potential der Pixelelektrode 1121b. Auf eine solche Weise kann sich der leitende Film 1120 konstant in einem leitenden Zustand befinden; daher kann sich der Kondensator 1105 (MOS-Kondensator) in einem leitenden Zustand befinden.
Wenn ein Oxid-Isolierfilm, durch den Sauerstoff hindurchtritt und der eine niedrige Dichte der Grenzflächenzustände an den Grenzflächen zu den Halbleiterfilmen 1111 und 1628 aufweist, als der Isolierfilm 1129 über den Halbleiterfilmen 1111 und 1628 verwendet wird, und ein Oxid-Isolierfilm, der einen Sauerstoffüberschussbereich aufweist, oder ein Oxid-Isolierfilm, in dem der Sauerstoffgehalt höher ist als derjenige in der stöchiometrischen Zusammensetzung, als der Isolierfilm 1131 verwendet wird, kann leicht Sauerstoff den Oxidhalbleiterfilmen, die die Halbleiterfilme 1111 und 1628 sind, zugeführt werden, die Abgabe von Sauerstoff von den Oxidhalbleiterfilmen kann verhindert werden, und der Sauerstoff, der in dem Isolierfilm 1131 enthalten ist, kann auf die Oxidhalbleiterfilme übertragen werden, um Sauerstofffehlstellen in den Oxidhalbleiterfilmen zu füllen. Somit kann verhindert werden, dass der Transistor 1103 selbstleitend wird, und ein Potential, das der Kondensatorleitung 1115 zugeführt wird, kann so gesteuert werden, dass sich der Kondensator 1105 (MOS-Kondensator) konstant in einem leitenden Zustand befinden kann; somit kann die Halbleitervorrichtung vorteilhafte elektrische Eigenschaften und hohe Zuverlässigkeit aufweisen.
Die Verwendung eines Nitrid-Isolierfilms als der Isolierfilm 1133 über dem Isolierfilm 1131 kann das Eindringen von Verunreinigungen, wie z. B. Wasserstoff und Wasser, von außen in den Halbleiterfilm 1111 und den leitenden Film 1120 verhindern. Außerdem kann die Verwendung eines Nitrid-Isolierfilms mit einem niedrigen Wasserstoffgehalt als der Isolierfilm 1133 Schwankungen der elektrischen Eigenschaften des Transistors und des Kondensators 1105 (MOS-Kondensators) minimieren.
Ferner kann der Kondensator 1105 in dem Pixel 1101 groß (in einer großen Fläche) gebildet sein. Aus diesem Grund kann die Halbleitervorrichtung eine Ladekapazität aufweisen, die erhöht wird, während das Öffnungsverhältnis verbessert wird. Folglich kann die Halbleitervorrichtung eine hervorragende Anzeigequalität aufweisen.
Diese Ausführungsform kann mit einer beliebigen der anderen Ausführungsformen in dieser Beschreibung entsprechend kombiniert werden.
(Ausführungsform 11)
Bei dieser Ausführungsform werden Beispiele für ein elektronisches Gerät beschrieben, das einen beliebigen Transistor von den bei den vorstehenden Ausführungsformen beschriebenen Transistoren verwenden kann.
Die bei den vorstehenden Ausführungsformen beschriebenen Transistoren können bei verschiedenen elektronischen Geräten (einschließlich Spielkonsolen) und elektrischen Geräten eingesetzt werden. Beispiele für die elektronischen Geräte und elektrischen Geräte umfassen Anzeigevorrichtungen von Fernsehgeräten, Monitoren und dergleichen, Beleuchtungsvorrichtungen, Desktop-Personalcomputer und Notebook-Personalcomputer, Textverarbeitungssysteme, Bildwiedergabevorrichtungen, die Standbilder oder Bewegtbilder wiedergeben, die in Aufzeichnungsmedien, wie z. B. Digital Versatile Disks (DVDs), gespeichert sind, tragbare Kompaktdisk-(CD-)Player, Funkempfänger, Bandaufzeichnungsgeräte, Kopfhörerstereoanlagen, Stereoanlagen, schnurlose Telefonhandgeräte, Sender/Empfänger, Mobiltelefone, Autotelefone, tragbare Spielgeräte, Rechner, tragbare Informationsendgeräte, elektronische Notebooks, Lesegeräte für elektronische Bücher, elektronische Wörterbücher, elektronische Übersetzer, Audioeingabevorrichtungen, Fotokameras, Videokameras, elektrische Rasierer, IC-Chips, Hochfrequenz-Heizgeräte, wie z. B. Mikrowellenöfen, elektrische Reiskocher, elektrische Waschmaschinen, elektrische Staubsauger, Klimatisierungssysteme, wie z. B. Klimaanlagen, Geschirrspüler, Geschirrtrockner, Wäschetrockner, Futontrockner, elektrische Kühlschränke, elektrische Gefrierschränke, elektrische Kühl-Gefrierschränke, Gefrierschränke zum Konservieren von DNA, Strahlungszähler und medizinische Ausrüstungen, wie z. B. Dialysatoren. Zudem umfassen die Beispiele Alarmgeräte, wie z. B. Rauchmelder, Gasmelder und Sicherheitsanlagen. Ferner umfassen die Beispiele auch industrielle Anlagen, wie z. B. Führungslichter, Verkehrsampeln, Bandfördergeräte, Aufzüge, Rolltreppen, Industrieroboter und Energiespeichersysteme. Zudem können bewegliche Objekte und dergleichen, die durch Motorenöl und elektrische Motoren mittels Stroms von nicht-wasserhaltigen Sekundärbatterien betrieben werden, z. B. Elektrofahrzeuge (EV), Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEV), die sowohl eine Verbrennungskraftmaschine als auch einen Motor aufweisen, Plug-In-Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEV), Kettenfahrzeuge, bei denen Räder dieser Fahrzeuge durch Raupenketten ersetzt sind, motorisierte Fahrräder einschließlich motorgestützter Fahrräder, Motorräder, elektrische Rollstühle, Golfmobile, Boote oder Schiffe, U-Boote, Hubschrauber, Flugzeuge, Raketen, künstliche Satelliten, Raumsonden, Planetensonden, Raumfahrzeuge und dergleichen angegeben werden. Konkrete Beispiele für diese elektronischen Geräte sind in 22, 23, 24A bis 24C sowie 25A bis 25C dargestellt.
Zuerst wird als Beispiel für das Alarmgerät eine Struktur eines Feuermelders beschrieben. Ein Feuermelder in dieser Beschreibung bezeichnet ein Gerät, das sofort Alarm schlägt, wenn Feuer ausbricht. Beispielsweise sind ein Feuermelder für den häuslichen Gebrauch, ein automatisches Feuermeldesystem und ein Brandmelder, der für das automatische Feuermeldesystem verwendet wird, in ihrer Kategorie enthalten.
Ein Alarmgerät in 22 beinhaltet mindestens einen Mikrocomputer 700. Hierbei ist der Mikrocomputer 700 in dem Alarmgerät bereitgestellt. Der Mikrocomputer 700 beinhaltet eine Steuereinheit 703 für ein Stromversorgungs-Gatter, die elektrisch mit einer Hochpotential-Stromversorgungsleitung VDD verbunden ist, ein Stromversorgungs-Gatter 704, das elektrisch mit der Hochpotential-Stromversorgungsleitung VDD und der Steuereinheit 703 für das Stromversorgungs-Gatter verbunden ist, eine CPU (Hauptprozessor, central processing unit) 705, die elektrisch mit dem Stromversorgungs-Gatter 704 verbunden ist, und einen Sensor-Abschnitt 709, der elektrisch mit dem Stromversorgungs-Gatter 704 und der CPU 705 verbunden ist. Des Weiteren beinhaltet die CPU 705 einen flüchtigen Speicher-Abschnitt 706 und einen nichtflüchtigen Speicher-Abschnitt 707.
Die CPU 705 ist elektrisch mit einer Busleitung 702 über eine Schnittstelle 708 verbunden. Die Schnittstelle 708 und die CPU 705 sind elektrisch mit dem Stromversorgungs-Gatter 704 verbunden. Als Bus-Standard der Schnittstelle 708 kann beispielsweise ein I²C-Bus verwendet werden. Ein Licht emittierendes Element 730, das elektrisch mit dem Stromversorgungs-Gatter 704 über die Schnittstelle 708 verbunden ist, ist in dem bei dieser Ausführungsform beschriebenen Alarmgerät bereitgestellt.
Das Licht emittierende Element 730 ist vorzugsweise ein Element, das Licht mit hoher Richtwirkung emittiert, und zum Beispiel kann ein organisches EL-Element, ein anorganisches EL-Element oder eine Leuchtdiode (LED) verwendet werden.
Die Steuereinheit 703 für das Stromversorgungs-Gatter beinhaltet einen Timer und steuert das Stromversorgungs-Gatter 704 unter Verwendung des Timers. Das Stromversorgungs-Gatter 704 ermöglicht oder unterbricht eine Zuführung des Stroms von der Hochpotential-Stromversorgungsleitung VDD zu der CPU 705, dem Sensor-Abschnitt 709 und der Schnittstelle 708 entsprechend der Steuerung durch die Steuereinheit 703 für das Stromversorgungs-Gatter. Hier kann als Beispiel für das Stromversorgungs-Gatter 704 ein Schaltelement, wie z. B. ein Transistor, angegeben werden.
Unter Verwendung der Steuereinheit 703 für das Stromversorgungs-Gatter und des Stromversorgungs-Gatters 704 wird ein Strom dem Sensor-Abschnitt 709, der CPU 705 und der Schnittstelle 708 in einer Periode, während der die Menge an Licht gemessen wird, zugeführt, und die Zuführung des Stroms zu dem Sensor-Abschnitt 709, der CPU 705 und der Schnittstelle 708 kann während eines Intervalls zwischen Messperioden unterbrochen werden. Das Alarmgerät arbeitet auf diese Weise, wodurch eine Verringerung des Stromverbrauchs des Alarmgeräts erzielt werden kann, im Vergleich zu dem Fall, in dem Strom stetig den vorstehenden Strukturen zugeführt wird.
In dem Fall, in dem ein Transistor als das Stromversorgungs-Gatter 704 verwendet wird, wird vorzugsweise ein Transistor verwendet, der einen äußerst niedrigen Sperrstrom aufweist und für den nichtflüchtigen Speicher-Abschnitt 707 verwendet wird, z. B. ein Transistor, der einen Oxidhalbleiter enthält. Unter Verwendung eines derartigen Transistors kann ein Leckstrom verringert werden, wenn eine Zuführung des Stroms durch das Stromversorgungs-Gatter 704 unterbrochen wird, so dass eine Verringerung des Stromverbrauchs des Alarmgeräts erzielt werden kann.
Eine Gleichstromquelle 701 kann in dem bei dieser Ausführungsform beschriebenen Alarmgerät bereitgestellt sein, so dass ein Strom von der Gleichstromquelle 701 der Hochpotential-Stromversorgungsleitung VDD zugeführt wird. Eine Elektrode der Gleichstromquelle 701 auf einer Hochpotentialseite ist elektrisch mit der Hochpotential-Stromversorgungsleitung VDD verbunden, und eine Elektrode der Gleichstromquelle 701 auf einer Niederpotentialseite ist elektrisch mit einer Niederpotential-Stromversorgungsleitung VSS verbunden. Die Niederpotential-Stromversorgungsleitung VSS ist elektrisch mit dem Mikrocomputer 700 verbunden. Hier wird die Hochpotential-Stromversorgungsleitung VDD mit einem hohen Potential H versorgt. Die Niederpotential-Stromversorgungsleitung VSS wird mit einem niedrigen Potential L, z. B. einem Erdpotential (GND), versorgt.
In dem Fall, in dem eine Batterie als die Gleichstromquelle 701 verwendet wird, wird beispielsweise ein Batteriebehälter, der eine Elektrode, die elektrisch mit der Hochpotential-Stromversorgungsleitung VDD verbunden ist, eine Elektrode, die elektrisch mit der Niederpotential-Stromversorgungsleitung VSS verbunden ist, und ein Gehäuse, das die Batterie halten kann, beinhaltet, in einem Gehäuse bereitgestellt. Es sei angemerkt, dass das bei dieser Ausführungsform beschriebene Alarmgerät nicht notwendigerweise die Gleichstromquelle 701 beinhaltet und beispielsweise eine Struktur aufweisen kann, bei der Strom von einer Wechselstromquelle außerhalb des Alarmgeräts über eine Verdrahtung zugeführt wird.
Als die vorstehende Batterie kann eine Sekundärbatterie, wie z. B. eine Lithium-Ionen-Sekundärbatterie (auch als Lithium-Ionen-Speicherbatterie oder Lithium-Ionen-Batterie bezeichnet), verwendet werden. Außerdem ist eine Solarbatterie vorzugsweise bereitgestellt, um die Sekundärbatterie zu laden.
Der Sensor-Abschnitt 709 misst eine physikalische Größe, die eine ungewöhnliche Situation betrifft, und sendet einen Messwert an die CPU 705. Eine physikalische Größe, die eine ungewöhnliche Situation betrifft, hängt von dem Verwendungszweck des Alarmgeräts ab, und bei einem als Feuermelder dienenden Alarmgerät wird eine physikalische Größe, die Feuer betrifft, gemessen. Folglich misst der Sensor-Abschnitt 709 die Menge an Licht als physikalische Größe, die Feuer betrifft, und erkennt Rauch.
Der Sensor-Abschnitt 709 beinhaltet einen optischen Sensor 711, der elektrisch mit dem Stromversorgungs-Gatter 704 verbunden ist, einen Verstärker 712, der elektrisch mit dem Stromversorgungs-Gatter 704 verbunden ist, und einen Wechselstrom-Wandler 713, der elektrisch mit dem Stromversorgungs-Gatter 704 und der CPU 705 verbunden ist. Der optische Sensor 711, der Verstärker 712 und der Wechselstrom-Wandler 713, die in dem Sensor-Abschnitt 709 bereitgestellt sind, und das Licht emittierende Element 730 arbeiten, wenn das Stromversorgungs-Gatter 704 eine Zuführung von Strom zu dem Sensor-Abschnitt 709 erlaubt.
23 stellt einen Teil des Querschnitts des Alarmgeräts dar. Bei dem Alarmgerät sind Elementisolationsbereiche 803 in einem p-Typ-Halbleitersubstrat 801 ausgebildet, und ein n-Kanal-Transistor 870 ist ausgebildet, der einen Gate-Isolierfilm 807, eine Gate-Elektrode 809, n-Typ-Verunreinigungsbereiche 811a und 811b, einen Isolierfilm 815 und einen Isolierfilm 817 beinhaltet. Hier wird der n-Kanal-Transistor 870 unter Verwendung eines Halbleiters ausgebildet, der sich von einem Oxidhalbleiter unterscheidet, wie z. B. einkristallinen Siliziums, damit der n-Kanal-Transistor 870 mit genügend hoher Geschwindigkeit arbeiten kann. Folglich kann ein flüchtiger Speicher-Abschnitt einer CPU, der einen Zugriff mit hoher Geschwindigkeit erreichen kann, ausgebildet werden.
Außerdem sind Kontaktstecker 819a und 819b in Öffnungen ausgebildet, die durch teilweises Ätzen der Isolierfilme 815 und 817 ausgebildet werden, und ein Isolierfilm 821 mit Nutabschnitten ist über dem Isolierfilm 817 und den Kontaktsteckern 819a und 819b ausgebildet.
Verdrahtungen 823a und 823b sind in den Nutabschnitten des Isolierfilms 821 ausgebildet, und ein Isolierfilm 820 wird über dem Isolierfilm 821 und den Verdrahtungen 823a und 823b durch ein Sputterverfahren, ein CVD-Verfahren oder dergleichen ausgebildet. Ein Isolierfilm 822 ist über dem Isolierfilm ausgebildet.
Ein Isolierfilm 825, der durch ein Sputterverfahren, ein CVD-Verfahren oder dergleichen ausgebildet wird, ist über dem Isolierfilm 822 bereitgestellt, und ein zweiter Transistor 880 und ein photoelektrisches Umwandlungselement 890 sind über dem Isolierfilm 825 bereitgestellt.
Der zweite Transistor 880 beinhaltet einen Oxidfilm 806a, einen Oxidhalbleiterfilm 806b, einen Oxidfilm 806c, einen niederohmigen Bereich 805a und einen niederohmigen Bereich 805b in Kontakt mit dem Oxidfilm 806a, dem Oxidhalbleiterfilm 806b und dem Oxidfilm 806c, eine Source-Elektrode 816a und eine Drain-Elektrode 816b in Kontakt mit dem niederohmigen Bereich 805a und dem niederohmigen Bereich 805b, einen Gate-Isolierfilm 812, eine Gate-Elektrode 804 und einen Oxid-Isolierfilm 818. Außerdem ist ein Isolierfilm 845 bereitgestellt, der das photoelektrische Umwandlungselement 890 und den zweiten Transistor 880 bedeckt, und eine Verdrahtung 849 in Kontakt mit der Drain-Elektrode 816b ist über dem Isolierfilm 845 ausgebildet. Die Verdrahtung 849 dient als Knoten, der die Drain-Elektrode des zweiten Transistors 880 elektrisch mit der Gate-Elektrode 809 des n-Kanal-Transistors 870 verbindet. Es sei angemerkt, dass ein Querschnitt C-D in der Zeichnung einem Querschnitt des Transistors 870 in dem Querschnitt A-B in der Tiefenrichtung entspricht.
Hier kann ein beliebiger Transistor von den bei den vorstehenden Ausführungsformen beschriebenen Transistoren als der zweite Transistor 880 verwendet werden, und der Oxidfilm 806a, der Oxidhalbleiterfilm 806b und der Oxidfilm 806c entsprechen dem Oxidfilm 104a, dem Oxidhalbleiterfilm 104b bzw. dem Oxidfilm 104c bei der Ausführungsform 1. Außerdem entsprechen die Source-Elektrode 816a und die Drain-Elektrode 816b der Source-Elektrode 106a bzw. der Drain-Elektrode 106b bei der Ausführungsform 1.
Bei dem Transistor 880 werden niederohmige Bereiche in Bereichen in der Nähe der Grenzflächen des mehrschichtigen Films in Kontakt mit der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode selbstjustiert ausgebildet, und der Kanalbildungsbereich kann ein hochreiner, intrinsischer Bereich sein, der gebildet wird, indem Sauerstoff dem mehrschichtigen Film unter Verwendung der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode als Masken zugesetzt wird. Durch Zusatz von Sauerstoff können der hochreine, intrinsische Bereich und die niederohmigen Bereiche selbstjustiert ausgebildet werden. Die Menge an Sauerstofffehlstellen in dem Kanalbildungsbereich des mehrschichtigen Films bei dem Transistor kann verringert werden, und die elektrischen Eigenschaften des Transistors sind vorteilhaft; daher kann eine hochzuverlässige Halbleitervorrichtung bereitgestellt werden.
Der optische Sensor 711 beinhaltet das photoelektrische Umwandlungselement 890, einen Kondensator, einen ersten Transistor, den zweiten Transistor 880, einen dritten Transistor und den n-Kanal-Transistor 870.
Als das photoelektrische Umwandlungselement 890 kann beispielsweise eine Photodiode verwendet werden.
Ein Anschluss von Anschlüssen des photoelektrischen Umwandlungselements 890 ist elektrisch mit der Niederpotential-Stromversorgungsleitung VSS verbunden, und der andere Anschluss ist elektrisch mit einer Elektrode von der Source-Elektrode 816a und der Drain-Elektrode 816b des zweiten Transistors 880 verbunden.
Die Gate-Elektrode 804 des zweiten Transistors 880 wird mit einem Ladungsansammlungssteuersignal Tx versorgt, und die andere Elektrode von der Source-Elektrode 816a und der Drain-Elektrode 816b des zweiten Transistors 880 ist elektrisch mit einer Elektrode aus einem Paar von Elektroden des Kondensators, einer Elektrode von einer Source-Elektrode und einer Drain-Elektrode des ersten Transistors und der Gate-Elektrode des n-Kanal-Transistors 870 verbunden (nachstehend wird der Knoten in einigen Fällen als Knoten FD bezeichnet).
Die andere Elektrode aus dem Paar von Elektroden des Kondensators ist elektrisch mit der Niederpotential-Stromversorgungsleitung VSS verbunden. Eine Gate-Elektrode des ersten Transistors wird mit einem Rücksetzsignal Res versorgt, und die andere Elektrode von der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode des ersten Transistors ist elektrisch mit der Hochpotential-Stromversorgungsleitung VDD verbunden.
Eine Elektrode von einer Source-Elektrode und einer Drain-Elektrode des n-Kanal-Transistors 870 ist elektrisch mit einer Elektrode von einer Source-Elektrode und einer Drain-Elektrode des dritten Transistors und dem Verstärker 712 verbunden. Die andere Elektrode von der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode des n-Kanal-Transistors 870 ist elektrisch mit der Hochpotential-Stromversorgungsleitung VDD verbunden. Eine Gate-Elektrode des dritten Transistors wird mit einem Vorspannungssignal Bias versorgt, und die andere Elektrode von der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode des dritten Transistors ist elektrisch mit der Niederpotential-Stromversorgungsleitung VSS verbunden.
Es sei angemerkt, dass der Kondensator nicht notwendigerweise bereitgestellt ist. Beispielsweise kann in dem Fall, in dem die parasitäre Kapazität des n-Kanal-Transistors 870 oder dergleichen genügend hoch ist, eine Struktur ohne Kondensator verwendet werden.
Des Weiteren wird sowohl als der erste Transistor als auch als der zweite Transistor 880 vorzugsweise ein Transistor mit einem äußerst niedrigen Sperrstrom verwendet. Als Transistor mit einem äußerst niedrigen Sperrstrom wird vorzugsweise ein Transistor verwendet, der einen Oxidhalbleiter enthält. Mit einer derartigen Struktur kann das Potential des Knotens FD für eine lange Zeit gehalten werden.
Bei der Struktur in 23 ist das photoelektrische Umwandlungselement 890 elektrisch mit dem zweiten Transistor 880 verbunden und ist über dem Isolierfilm 825 bereitgestellt.
Das photoelektrische Umwandlungselement 890 beinhaltet einen Halbleiterfilm 860 über dem Isolierfilm 825 und die Source-Elektrode 816a und eine Elektrode 816c, die in Kontakt mit einer oberen Oberfläche des Halbleiterfilms 860 stehen. Die Source-Elektrode 816a ist eine Elektrode, die als Source-Elektrode oder Drain-Elektrode des zweiten Transistors 880 dient, und verbindet das photoelektrische Umwandlungselement 890 elektrisch mit dem zweiten Transistor 880.
Über dem Halbleiterfilm 860, der Source-Elektrode 816a und der Elektrode 816c sind der Gate-Isolierfilm 812, der Oxid-Isolierfilm 818 und der Isolierfilm 845 bereitgestellt. Außerdem ist eine Verdrahtung 856 über dem Isolierfilm 845 ausgebildet und steht in Kontakt mit der Elektrode 816c durch eine Öffnung, die in dem Gate-Isolierfilm 812, dem Oxid-Isolierfilm 818 und dem Isolierfilm 845 ausgebildet ist.
Die Elektrode 816c kann durch Schritte, die denjenigen der Source-Elektrode 816a und der Drain-Elektrode 816b ähnlich sind, ausgebildet werden, und die Verdrahtung 856 kann durch Schritte, die denjenigen der Verdrahtung 849 ähnlich sind, ausgebildet werden.
Als der Halbleiterfilm 860 ist ein Halbleiterfilm bereitgestellt, mit dem eine photoelektrische Umwandlung durchgeführt werden kann, und beispielsweise kann Silizium oder Germanium verwendet werden. Im Falle der Verwendung von Silizium dient der Halbleiterfilm 860 als optischer Sensor, der sichtbares Licht erkennt. Des Weiteren gibt es einen Unterschied zwischen Silizium und Germanium bezüglich der Wellenlängen der elektromagnetischen Wellen, die absorbiert werden können. Wenn der Halbleiterfilm 860 Germanium enthält, kann ein Sensor erhalten werden, der hauptsächlich eine Infrarotstrahlung erkennt.
Auf die vorstehende Weise kann der Sensor-Abschnitt 709, der den optischen Sensor 711 beinhaltet, in den Mikrocomputer 700 integriert werden, so dass die Anzahl der Bestandteile verringert werden kann und die Größe des Gehäuses des Alarmgeräts verringert werden kann. Es sei angemerkt, dass in dem Fall, in dem der optische Sensor oder das photoelektrische Umwandlungselement mit einem hohen Grad der Freiheit bereitgestellt sein muss, der optische Sensor oder das photoelektrische Umwandlungselement extern bereitgestellt sein kann, so dass er/es elektrisch mit dem Mikrocomputer 700 verbunden sein kann.
Bei dem Alarmgerät, das den oben beschriebenen IC-Chip beinhaltet, wird die CPU 705 verwendet, in der eine Vielzahl von Schaltungen einschließlich eines beliebigen Transistors von den bei den vorstehenden Ausführungsform beschriebenen Transistoren kombiniert ist und auf einem IC-Chip montiert ist.
24A bis 24C sind Blockdiagramme, die eine konkrete Konfiguration einer CPU darstellen, die mindestens teilweise einen beliebigen Transistor von den bei den vorstehenden Ausführungsformen beschriebenen Transistoren beinhaltet.
Die CPU in 24A beinhaltet über einem Substrat 920 eine arithmetische logische Einheit (arithmetic logic unit, ALU) 921, eine ALU-Steuerung 922, einen Befehlsdecoder 923, eine Interrupt-Steuerung 924, eine Zeitsteuerung 925, ein Register 926, eine Registersteuerung 927, eine Busschnittstelle (Bus I/F) 928, ein wiederbeschreibbares ROM 929 und eine ROM-Schnittstelle (ROM I/F) 919. Ein Halbleitersubstrat, ein SOI-Substrat, ein Glassubstrat oder dergleichen wird als das Substrat 920 eingesetzt. Das ROM 929 und die ROM-Schnittstelle 919 können über einem separaten Chip bereitgestellt sein. Natürlich ist die CPU in 24A nur ein Beispiel, in dem die Konfiguration vereinfacht ist, und eine reale CPU kann in Abhängigkeit von der Anwendung verschiedene Konfigurationen aufweisen.
Ein Befehl, der über die Busschnittstelle 928 in die CPU eingegeben wird, wird in den Befehlsdecoder 923 eingegeben, darin decodiert und dann in die ALU-Steuerung 922, die Interrupt-Steuerung 924, die Registersteuerung 927 und die Zeitsteuerung 925 eingegeben.
Die ALU-Steuerung 922, die Interrupt-Steuerung 924, die Registersteuerung 927 und die Zeitsteuerung 925 führen verschiedene Steuerungen entsprechend dem decodierten Befehl aus. Insbesondere erzeugt die ALU-Steuerung 922 Signale zur Steuerung des Betriebs der ALU 921. Während die CPU ein Programm ausführt, beurteilt die Interrupt-Steuerung 924 eine Interrupt-Anforderung von einer externen Eingabe-/Ausgabevorrichtung oder einer Peripherieschaltung auf Grundlage der Priorität oder eines Maskenzustandes und verarbeitet die Anforderung. Die Registersteuerung 927 erzeugt eine Adresse des Registers 926 und liest Daten aus dem oder schreibt Daten in das Register 926 entsprechend dem Zustand der CPU.
Die Zeitsteuerung 925 erzeugt Signale zur Steuerung der Betriebszeiten der ALU 921, der ALU-Steuerung 922, des Befehlsdecoders 923, der Interrupt-Steuerung 924 und der Registersteuerung 927. Die Zeitsteuerung 925 beinhaltet beispielsweise einen internen Taktgenerator zum Erzeugen eines internen Taktsignals CLK2 auf Grundlage eines Referenztaktsignals CLK1 und führt den vorgenannten Schaltungen das interne Taktsignal CLK2 zu.
Bei der in 24A dargestellten CPU ist eine Speicherzelle in dem Register 926 bereitgestellt. Für die Speicherzelle des Registers 926 kann ein beliebiger Transistor von den bei den vorstehenden Ausführungsformen beschriebenen Transistoren verwendet werden.
Bei der in 24A dargestellten CPU wählt die Registersteuerung 927 einen Betrieb zum Halten von Daten in dem Register 926 entsprechend einem Befehl der ALU 921 aus. Das heißt, dass die Registersteuerung 927 auswählt, ob Daten durch ein Flip-Flop oder durch einen Kondensator in der Speicherzelle gehalten werden, die in dem Register 926 enthalten ist. Wenn Halten von Daten durch das Flip-Flop ausgewählt wird, wird eine Stromversorgungsspannung der Speicherzelle in dem Register 926 zugeführt. Wenn Halten von Daten durch den Kondensator ausgewählt wird, werden die Daten in dem Kondensator überschrieben, und die Zuführung der Stromversorgungsspannung zu der Speicherzelle in dem Register 926 kann unterbrochen werden.
Die Stromversorgung kann mit einem Schaltelement unterbrochen werden, das sich zwischen einer Speicherzellen-Gruppe und einem Knoten befindet, dem ein Stromversorgungspotential VDD oder ein Stromversorgungspotential VSS zugeführt wird, wie in 24B oder 24C dargestellt ist. In 246 und 24C dargestellte Schaltungen werden im Folgenden beschrieben.
24B und 24C stellen jeweils ein Beispiel für die Konfiguration einer Speicherschaltung dar, bei der ein beliebiger Transistor von den bei den vorstehenden Ausführungsformen beschriebenen Transistoren als Schaltelement verwendet wird, das eine Zuführung eines Stromversorgungspotentials zu einer Speicherzelle steuert.
Die in 24B dargestellte Speichervorrichtung beinhaltet ein Schaltelement 901 sowie eine Speicherzellen-Gruppe 903, die eine Vielzahl von Speicherzellen 902 beinhaltet. Insbesondere kann für jede der Speicherzellen 902 ein beliebiger Transistor von den bei den vorstehenden Ausführungsformen beschriebenen Transistoren verwendet werden. Jeder der in der Speicherzellen-Gruppe 903 enthaltenen Speicherzellen 902 wird über das Schaltelement 901 das Hochpegel-Stromversorgungspotential VDD zugeführt. Ferner wird jede der Speicherzellen 902, die in der Speicherzellen-Gruppe 903 enthalten sind, mit einem Potential eines Signals IN und dem Niedrigpegel-Stromversorgungspotential VSS versorgt.
In 24B wird ein beliebiger Transistor von den bei den vorstehenden Ausführungsformen beschriebenen Transistoren als das Schaltelement 901 eingesetzt. Das Umschalten des Transistors wird mit einem Signal SigA gesteuert, das seiner Gate-Elektrode zugeführt wird.
Es sei angemerkt, dass 24B die Konfiguration darstellt, in der das Schaltelement 901 nur einen Transistor umfasst; ohne spezielle Beschränkung darauf kann jedoch das Schaltelement 901 mehrere Transistoren umfassen. In dem Fall, in dem das Schaltelement 901 mehrere Transistoren umfasst, die als Schaltelemente dienen, können die mehreren Transistoren parallel, in Reihe oder in einer Kombination einer Parallelschaltung und einer Reihenschaltung miteinander verbunden sein.
Obwohl in 24B das Schaltelement 901 die Zuführung des Hochpegel-Stromversorgungspotentials VDD zu jeder der in der Speicherzellen-Gruppe 903 enthaltenen Speicherzellen 902 steuert, kann das Schaltelement 901 die Zuführung des Niedrigpegel-Stromversorgungspotentials VSS steuern.
In 24C ist ein Beispiel für eine Speichervorrichtung dargestellt, bei der jede der in der Speicherzellen-Gruppe 903 enthaltenen Speicherzellen 902 mit dem Niedrigpegel-Stromversorgungspotential VSS über das Schaltelement 901 versorgt wird. Die Zuführung des Niedrigpegel-Stromversorgungspotentials VSS zu jeder der in der Speicherzellen-Gruppe 903 enthaltenen Speicherzellen 902 kann von dem Schaltelement 901 gesteuert werden.
Wenn ein Schaltelement zwischen einer Speicherzellen-Gruppe und einem Knoten vorhanden ist, dem das Stromversorgungspotential VDD oder das Stromversorgungspotential VSS zugeführt wird, können Daten auch dann gehalten werden, wenn ein Betrieb einer CPU vorübergehend unterbrochen wird und die Zuführung der Stromversorgungsspannung unterbrochen wird; folglich kann der Stromverbrauch verringert werden. Insbesondere kann dann, wenn beispielsweise ein Benutzer eines Personalcomputers keine Daten in eine Eingabevorrichtung, wie beispielsweise eine Tastatur, eingibt, der Betrieb der CPU unterbrochen werden, so dass der Stromverbrauch verringert werden kann.
Obwohl hier die CPU als Beispiel gegeben ist, kann der Transistor auch auf eine LSI, wie z. B. einen Digitalsignalprozessor (DSP), eine benutzerdefinierte LSI (custom LSI) oder ein anwenderprogrammierbares Verknüpfungsfeld (field programmable gate array, FPGA) angewendet werden.
In 25A ist eine Anzeigevorrichtung 1000 ein Beispiel für ein elektrisches Gerät mit der CPU, in der ein beliebiger Transistor von den bei den vorstehenden Ausführungsformen beschriebenen Transistoren verwendet wird. Insbesondere entspricht die Anzeigevorrichtung 1000 einer Anzeigevorrichtung zum Empfangen einer Fernsehübertragung und beinhaltet ein Gehäuse 1001, einen Anzeigeabschnitt 1002, Lautsprecherabschnitte 1003, eine CPU 1004 und dergleichen. Die CPU 1004 ist in dem Gehäuse 1001 bereitgestellt. Die Anzeigevorrichtung 1000 kann elektrische Energie von einer Netzstromversorgung empfangen. Alternativ kann die Anzeigevorrichtung 1000 elektrische Energie verwenden, die in einer Energiespeichervorrichtung gespeichert ist. Wenn ein beliebiger Transistor von den bei den vorstehenden Ausführungsformen beschriebenen Transistoren als CPU in der Anzeigevorrichtung 1000 verwendet wird, kann der Stromverbrauch der Anzeigevorrichtung 1000 verringert werden.
Eine Halbleiteranzeigevorrichtung, wie z. B. eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung, eine Licht emittierende Vorrichtung, in der ein Licht emittierendes Element, wie ein organisches EL-Element, in jedem Pixel bereitgestellt ist, eine Elektrophoreseanzeigevorrichtung, eine digitale Mikrospiegelvorrichtung (digital micromirror device, DMD), ein Plasmabildschirm (plasma display panel, PDP), ein Feldemissionsbildschirm (field emission display, FED) und dergleichen können für den Anzeigeabschnitt 1002 verwendet werden.
Es sei angemerkt, dass die Kategorie der Anzeigevorrichtung alle Informationsanzeigevorrichtungen für Personal-Computer, Werbeanzeigen und dergleichen zusätzlich zu Vorrichtungen zum Empfangen einer Fernsehübertragung umfasst.
In 25A ist ein Alarmgerät 1010 ein Feuermelder für den häuslichen Gebrauch, der einen Sensorabschnitt und einen Mikrocomputer 1011 beinhaltet. Es sei angemerkt, dass der Mikrocomputer 1011 ein Beispiel für ein elektrisches Gerät ist, das die CPU beinhaltet, in der ein beliebiger Transistor von den bei den vorstehenden Ausführungsformen beschriebenen Transistoren verwendet wird.
In 25A ist eine Klimaanlage, die eine Inneneinheit 1020 und eine Außeneinheit 1024 beinhaltet, ein Beispiel für ein elektrisches Gerät, das die CPU beinhaltet, in der ein beliebiger Transistor von den bei den vorstehenden Ausführungsformen beschriebenen Transistoren verwendet wird. Insbesondere beinhaltet die Inneneinheit 1020 ein Gehäuse 1021, einen Luftauslass 1022, eine CPU 1023 und dergleichen. Obwohl die CPU 1023 in der Inneneinheit 1020 in 25A bereitgestellt ist, kann die CPU 1023 in der Außeneinheit 1024 bereitgestellt sein. Alternativ kann die CPU 1023 sowohl in der Inneneinheit 1020 als auch in der Außeneinheit 1024 bereitgestellt sein. Unter Verwendung eines beliebigen Transistors von den bei den vorstehenden Ausführungsformen beschriebenen Transistoren für die CPU in der Klimaanlage kann der Stromverbrauch der Klimaanlage verringert werden.
In 25A ist ein elektrischer Kühl-Gefrierschrank 1030 ein Beispiel für ein elektrisches Gerät, das die CPU beinhaltet, in der ein beliebiger Transistor von den bei den vorstehenden Ausführungsformen beschriebenen Transistoren verwendet wird. Insbesondere beinhaltet der elektrische Kühl-Gefrierschrank 1030 ein Gehäuse 1031, eine Tür 1032 für einen Kühlschrank, eine Tür 1033 für einen Gefrierschrank, eine CPU 1034 und dergleichen. In 25A ist die CPU 1034 in dem Gehäuse 1031 bereitgestellt. Wenn ein beliebiger Transistor von den bei den vorstehenden Ausführungsformen beschriebenen Transistoren für die CPU 1034 des elektrischen Kühl-Gefrierschranks 1030 verwendet wird, kann der Stromverbrauch des elektrischen Kühl-Gefrierschranks 1030 verringert werden.
25B stellt ein Beispiel für ein Elektrofahrzeug dar, das ein Beispiel für ein elektrisches Gerät ist. Ein Elektrofahrzeug 1040 ist mit einer Sekundärbatterie 1041 ausgestattet. Die Ausgabe der elektrischen Energie der Sekundärbatterie 1041 wird durch eine Steuerschaltung 1042 gesteuert, und der Strom wird einer Ansteuervorrichtung 1043 zugeführt. Die Steuerschaltung 1042 wird durch eine Verarbeitungseinheit 1044 mit einem ROM, einem RAM, einer CPU oder dergleichen, das/die nicht abgebildet ist, gesteuert. Wenn ein beliebiger Transistor von den bei den vorstehenden Ausführungsformen beschriebenen Transistoren für die CPU in dem Elektrofahrzeug 1040 verwendet wird, kann der Stromverbrauch des Elektrofahrzeugs 1040 verringert werden.
Die Ansteuervorrichtung 1043 beinhaltet einen Gleichstrommotor oder einen Wechselstrommotor allein oder zusammen mit einer Verbrennungskraftmaschine. Die Verarbeitungseinheit 1044 gibt ein Steuersignal in die Steuerschaltung 1042 aufgrund von Eingabedaten, wie z. B. Daten über einen Betrieb (wie z. B. Beschleunigung, Abbremsung oder Halt) von einem Fahrer oder Daten beim Fahren (wie z. B. Daten über Anstieg oder Abfall, oder Daten über eine Belastung eines Antriebsrades) des Elektrofahrzeugs 1040, aus. Die Steuerschaltung 1042 steuert die von der Sekundärbatterie 1041 zugeführte elektrische Energie entsprechend dem Steuersignal der Verarbeitungseinheit 1044, um die Ausgabe der Ansteuervorrichtung 1043 zu steuern. In dem Fall, in dem der Wechselstrommotor montiert ist, der jedoch nicht abgebildet wird, ist auch ein Wechselrichter eingebaut, der einen Gleichstrom in einen Wechselstrom umwandelt.
Diese Ausführungsform kann mit einer beliebigen der anderen Ausführungsformen in dieser Beschreibung entsprechend kombiniert werden.
[Beispiel 1]
In diesem Beispiel werden Ergebnisse einer Querschnittsbeobachtung und Ergebnisse einer Thermodesorptionsspektroskopie-(thermal desorption spectroscopy, TDS-)Analyse eines Nitrid-Isolierfilms beschrieben. Zunächst wird ein Verfahren zum Herstellen einer Probe beschrieben, die für die Querschnittsbeobachtung des Nitrid-Isolierfilms verwendet wird.
Ein thermischer Oxidationsfilm wurde über einem Siliziumwafer abgeschieden. Der thermische Oxidationsfilm wurde in einer Dicke von 100 nm bei 950°C in einer Sauerstoffatmosphäre ausgebildet, die HCl bei 3% enthält. Dann wurde ein 300 nm dicker Siliziumnitridfilm über dem thermischen Oxidationsfilm durch ein Sputterverfahren abgeschieden. Der Siliziumnitridfilm wurde unter den folgenden Bedingungen abgeschieden: Silizium wurde als Sputtertarget verwendet, Argon und Stickstoff wurden mit Durchflussmengen von 5 sccm bzw. 20 sccm einer Behandlungskammer einer Sputtereinrichtung als Sputtergase zugeführt, der Druck in der Behandlungskammer wurde auf 0,2 Pa gesteuert, und eine HF-Leistung von 3,0 kW wurde zugeführt. Es sei angemerkt, dass die Substrattemperatur bei der Abscheidung des Siliziumnitridfilms 350°C betrug.
Ein Querschnitt der beispielhaften Probe wurde durch eine Rastertransmissionselektronenmikroskopie (scanning transmission electron microscope, STEM) beobachtet. 29 zeigt ein STEM-Bild der beispielhaften Probe.
Wie in 29 gezeigt, wurde keine Erzeugung einer Leerstelle in dem Nitrid-Isolierfilm wahrgenommen.
Anschließend wird eine Auswertung des Nitrid-Isolierfilms beschrieben, die durch eine TDS-Analyse erhalten wird.
Eine beispielhafte Probe wurde wie folgt ausgebildet. Ein thermischer Oxidationsfilm wurde über einem Siliziumwafer ausgebildet. Der thermische Oxidationsfilm wurde in einer Dicke von 100 nm bei 950°C in einer Sauerstoffatmosphäre ausgebildet, die HCl bei 3% enthält. Dann wurde durch ein Sputterverfahren ein 300 nm dicker erster Siliziumnitridfilm über dem thermischen Oxidationsfilm abgeschieden, und ein 50 nm dicker zweiter Siliziumnitridfilm wurde über dem ersten Siliziumnitridfilm abgeschieden. Der erste Siliziumnitridfilm wurde durch ein Plasma-CVD-Verfahren unter den folgenden Bedingungen ausgebildet: Silan mit einer Durchflussmenge von 60 sccm, Stickstoff mit einer Durchflussmenge von 1000 sccm und Ammoniak mit einer Durchflussmenge von 480 sccm wurden als Quellengas verwendet, der Druck in einer Reaktionskammer war 300 Pa, die Substrattemperatur war 350°C, und eine Hochfrequenzleistung von 350 W wurde parallelen Plattenelektroden zugeführt. Der zweite Siliziumnitridfilm wurde unter den folgenden Bedingungen ausgebildet: Silizium wurde als Sputtertarget verwendet, Argon und Stickstoff wurden mit Durchflussmengen von 5 sccm bzw. 20 sccm einer Behandlungskammer einer Sputtereinrichtung als Sputtergase zugeführt, der Druck in der Behandlungskammer wurde auf 0,2 Pa gesteuert, und eine HF-Leistung von 3,0 kW wurde zugeführt. Es sei angemerkt, dass die Substrattemperatur bei der Abscheidung des Siliziumnitridfilms 350°C betrug. Zum Vergleich wurde eine beispielhafte Vergleichsprobe hergestellt, bei der ein thermischer Oxidfilm und der erste Siliziumnitridfilm über einem Siliziumwafer ausgebildet waren.
Jede Probe wurde einer TDS-Analyse unterzogen. 30 zeigt die TDS-Ergebnisse von M/z = 2 (H₂), M/z = 18 (H₂O), M/z = 28 (N₂) und M/z = 32 (O₂), die bei der beispielhaften Vergleichsprobe gemessen wurden. 31 zeigt die TDS-Ergebnisse von M/z = 2 (H₂), M/z = 18 (H₂O), M/z = 28 (N₂) und M/z = 32 (O₂), die bei der beispielhaften Probe gemessen wurden.
Wie in 30 und 31 wird dann, wenn die Erwärmungstemperatur niedriger als oder gleich 400°C ist, die Intensität von Wasserstoff (H₂) aufgrund des zweiten Siliziumnitridfilms verringert.
Diese Ergebnisse zeigen, dass der zweite Siliziumnitridfilm, der durch ein Sputterverfahren ausgebildet wird, eine hohe Sperreigenschaft gegen Wasserstoff aufweist.
[Beispiel 2]
In diesem Beispiel wurde der Kristallzustand eines Oxidhalbleiterfilms mittels einer Röntgenbeugung (XRD) gemessen. Verfahren zum Herstellen von Proben 2A bis 2G, die für die Messung verwendet wurden, werden beschrieben.
Zuerst wurde ein thermischer Oxidationsfilm über einem Siliziumwafer ausgebildet. Der thermische Oxidationsfilm wurde in einer Dicke von 100 nm bei 950°C in einer Sauerstoffatmosphäre ausgebildet, die HCl bei 3% enthält. Dann wurde ein 300 nm dicker Siliziumoxidfilm über dem thermischen Oxidationsfilm durch ein Sputterverfahren abgeschieden. Der Siliziumoxidfilm wurde auf die folgende Weise ausgebildet: Siliziumoxid wurde als Sputtertarget verwendet, Sauerstoff wurde mit einer Durchflussmenge von 50 sccm einer Behandlungskammer einer Sputtereinrichtung als Sputtergas zugeführt, der Druck in der Behandlungskammer wurde auf 0,4 Pa gesteuert, und eine HF-Leistung von 1,5 kW wurde zugeführt. Es sei angemerkt, dass die Substrattemperatur bei der Abscheidung des Siliziumoxidfilms 100°C betrug.
Dann wurde ein mehrschichtiger Film über dem Siliziumoxidfilm abgeschieden. Der mehrschichtige Film umfasste drei Schichten und wurde auf die folgende Weise ausgebildet. Zuerst wurde ein 5 nm dicker In-Ga-Zn-Oxidfilm mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:3:2 als erster Oxidfilm über einem Siliziumoxidfilm abgeschieden. Der In-Ga-Zn-Oxidfilm wurde unter den folgenden Bedingungen ausgebildet: Ein Sputtertarget mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:3:2 wurde verwendet, Argon und Sauerstoff wurden mit Durchflussmengen von 15 sccm bzw. 30 sccm einer Behandlungskammer einer Sputtereinrichtung als Sputtergas zugeführt, der Druck in der Behandlungskammer wurde auf 0,4 Pa gesteuert, und eine Gleichstromleistung von 0,5 kW wurde zugeführt. Es sei angemerkt, dass die Substrattemperatur bei der Abscheidung des In-Ga-Zn-Oxidfilms 200°C betrug.
Dann wurde ein 15 nm dicker In-Ga-Zn-Oxidfilm mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:1:1 als Oxidhalbleiterfilm über dem ersten Oxidfilm abgeschieden. Der In-Ga-Zn-Oxidfilm wurde unter den folgenden Bedingungen ausgebildet: Ein Sputtertarget mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:1:1 wurde verwendet, Argon und Sauerstoff wurden mit Durchflussmengen von 30 sccm bzw. 15 sccm einer Behandlungskammer einer Sputtereinrichtung als Sputtergas zugeführt, der Druck in der Behandlungskammer wurde auf 0,4 Pa gesteuert, und eine Gleichstromleistung von 0,5 kW wurde zugeführt. Es sei angemerkt, dass die Substrattemperatur bei der Abscheidung des In-Ga-Zn-Oxidfilms 400°C betrug.
Dann wurde ein In-Ga-Zn-Oxidfilm mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:3:2 als zweiter Oxidfilm über dem Oxidhalbleiterfilm abgeschieden.
Der In-Ga-Zn-Oxidfilm wurde unter den folgenden Bedingungen ausgebildet: Ein Sputtertarget mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:3:2 wurde verwendet, Argon und Sauerstoff wurden mit Durchflussmengen von 30 sccm bzw. 15 sccm einer Behandlungskammer einer Sputtereinrichtung als Sputtergas zugeführt, der Druck in der Behandlungskammer wurde auf 0,4 Pa gesteuert, und eine Gleichstromleistung von 0,5 kW wurde zugeführt. Es sei angemerkt, dass die Substrattemperatur bei der Abscheidung des In-Ga-Zn-Oxidfilms 200°C betrug. Es sei angemerkt, dass die Dicke des dritten Oxidhalbleiterfilms 5 nm, 10 nm und 15 nm war.
Anschließend wurde Sauerstoff (O₂ ⁺) dem IGZO-Film durch ein Ionenimplantationsverfahren zugesetzt. Es sei angemerkt, dass die Bedingungen beim Zusatz wie folgt waren: eine Beschleunigungsspannung von 5 kV und eine Dosierung von 5,0 × 10¹⁵ Ionen/cm².
Durch den vorstehenden Prozess wurden eine Probe 2A, bei der die Dicke des zweiten Oxidfilms 5 nm betrug, eine Probe 2B, bei der die Dicke des zweiten Oxidfilms 10 nm betrug, und eine Probe 2C, bei der die Dicke des zweiten Oxidfilms 20 nm betrug, hergestellt.
Proben 2D bis 2F werden beschrieben. Kurz nach dem Ausbilden des zweiten Oxidfilms wurde ein 20 nm dicker Siliziumoxynitridfilm über dem zweiten Oxidfilm ausgebildet. Der Siliziumoxynitridfilm wurde unter den folgenden Bedingungen ausgebildet: Silan und Distickstoffmonoxid wurden mit Durchflussmengen von 1 sccm bzw. 800 sccm einer Reaktionskammer einer Plasma-CVD-Einrichtung zugeführt, der Druck in der Reaktionskammer wurde auf 40 Pa gesteuert, und eine Leistung von 100 W wurde unter Verwendung einer 27,12 MHz-Hochfrequenzleistungsquelle zugeführt. Es sei angemerkt, dass der Siliziumoxynitridfilm bei einer Substrattemperatur von 350°C ausgebildet wurde.
Anschließend wurde Sauerstoff (¹⁶O₂ ⁺) dem Siliziumoxynitridfilm durch ein Ionenimplantationsverfahren zugesetzt. Es sei angemerkt, dass die Bedingungen beim Zusatz wie folgt waren: eine Beschleunigungsspannung von 5 kV und eine Dosierung von 5,0 × 10¹⁵ Ionen/cm².
Durch den vorstehenden Prozess wurden eine Probe 2D, bei der die Dicke des zweiten Oxidfilms 5 nm betrug, eine Probe 2E, bei der die Dicke des zweiten Oxidfilms 10 nm betrug, und eine Probe 2F, bei der die Dicke des zweiten Oxidfilms 20 nm betrug, hergestellt.
Eine Probe 2G, die die Probe 2A ist und ohne Zusatz von Sauerstoff hergestellt wurde, wurde als Vergleichsbeispiel hergestellt.
Dann zeigen 32A bis 32F und 33 Ergebnisse der Messung von XRD-Spektren der Proben 2A bis 2G unter Anwendung eines Out-of-Plane-Verfahrens. In 32A bis 32F und 33 bezeichnet die vertikale Achse die Röntgenbeugungsintensität (willkürliche Einheit), und die horizontale Achse bezeichnet den Beugungswinkel 2θ (Grad). Es sei angemerkt, dass die XRD-Spektren mit einem Röntgendiffraktometer, D8 ADVANCE (von Bruker AXS hergestellt), gemessen wurden.
Wie in den XRD-Spektren in 32A bis 32C gezeigt, wurde in dem Fall, in dem Sauerstoff dem zweiten Oxidfilm direkt zugesetzt wurde, ein Peak bei 2θ von etwa 31°, der von einem Kristall stammt, klein, wenn die Dicke des zweiten Oxidfilms verringert wurde. Des Weiteren war, wie in 32D bis 32F gezeigt, in dem Fall, in dem Sauerstoff dem zweiten Oxidfilm durch den Siliziumoxynitridfilm zugesetzt wurde, ein Peak, der von einem Kristall stammt, unabhängig von der Dicke des zweiten Oxidfilms bei 2θ von etwa 31° zu beobachten; dies zeigte, dass ein kristalliner Oxidhalbleiterfilm ausgebildet wurde. Des Weiteren gab es keinen Unterschied bezüglich des Peaks bei 2θ von etwa 31°, der von einem Kristall stammt, zwischen den XRD-Spektren in
32D bis 32F und den XRD-Spektren in 33; dies zeigte, dass der kristalline Oxidhalbleiterfilm von dem Siliziumoxynitridfilm geschützt wurde.
[Beispiel 3]
In diesem Beispiel wurde ein leitender Film über einem Oxidfilm ausgebildet, der über einem Oxidhalbleiterfilm ausgebildet war, und dann wurde der leitende Film entfernt. Danach wurde der Flächenwiderstand des Oxidfilms gemessen. Verfahren zum Herstellen von Proben 3A bis 3H, die für die Messung verwendet wurden, werden beschrieben.
Zuerst wurde ein thermischer Oxidationsfilm über einem Siliziumwafer ausgebildet. Der thermische Oxidationsfilm wurde in einer Dicke von 100 nm bei 950°C in einer Sauerstoffatmosphäre ausgebildet, die HCl bei 3% enthält. Dann wurde ein 300 nm dicker Siliziumoxidfilm über dem thermischen Oxidationsfilm durch ein Sputterverfahren abgeschieden. Der Siliziumoxidfilm wurde auf die folgende Weise ausgebildet: Siliziumoxid wurde als Sputtertarget verwendet, Sauerstoff wurde mit einer Durchflussmenge von 50 sccm einer Behandlungskammer einer Sputtereinrichtung als Sputtergas zugeführt, der Druck in der Behandlungskammer wurde auf 0,4 Pa gesteuert, und eine HF-Leistung von 1,5 kW wurde zugeführt. Es sei angemerkt, dass die Substrattemperatur bei der Abscheidung des Siliziumoxidfilms 100°C betrug.
Dann wurde ein mehrschichtiger Film über dem Siliziumoxidfilm abgeschieden. Der mehrschichtige Film umfasste drei Schichten und wurde auf die folgende Weise ausgebildet. Zuerst wurde ein 20 nm dicker In-Ga-Zn-Oxidfilm mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:3:2 als erster Oxidfilm über einem Siliziumoxidfilm abgeschieden. Der In-Ga-Zn-Oxidfilm wurde unter den folgenden Bedingungen ausgebildet: Ein Sputtertarget mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:3:2 wurde verwendet, Argon und Sauerstoff wurden mit Durchflussmengen von 15 sccm bzw. 30 sccm einer Behandlungskammer einer Sputtereinrichtung als Sputtergas zugeführt, der Druck in der Behandlungskammer wurde auf 0,4 Pa gesteuert, und eine Gleichstromleistung von 0,5 kW wurde zugeführt. Es sei angemerkt, dass die Substrattemperatur bei der Abscheidung des In-Ga-Zn-Oxidfilms 200°C betrug.
Dann wurde ein 15 nm dicker In-Ga-Zn-Oxidfilm mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:1:1 als Oxidhalbleiterfilm über dem ersten Oxidfilm abgeschieden. Der In-Ga-Zn-Oxidfilm wurde unter den folgenden Bedingungen ausgebildet: Ein Sputtertarget mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:1:1 wurde verwendet, Argon und Sauerstoff wurden mit Durchflussmengen von 30 sccm bzw. 15 sccm einer Behandlungskammer einer Sputtereinrichtung als Sputtergas zugeführt, der Druck in der Behandlungskammer wurde auf 0,4 Pa gesteuert, und eine Gleichstromleistung von 0,5 kW wurde zugeführt. Es sei angemerkt, dass die Substrattemperatur bei der Abscheidung des In-Ga-Zn-Oxidfilms 300°C betrug.
Dann wurde ein In-Ga-Zn-Oxidfilm mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:3:2 als zweiter Oxidfilm über dem Oxidhalbleiterfilm abgeschieden. Der In-Ga-Zn-Oxidfilm wurde unter den folgenden Bedingungen ausgebildet: Ein Sputtertarget mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:3:2 wurde verwendet, Argon und Sauerstoff wurden mit Durchflussmengen von 30 sccm bzw. 15 sccm einer Behandlungskammer einer Sputtereinrichtung als Sputtergas zugeführt, der Druck in der Behandlungskammer wurde auf 0,4 Pa gesteuert, und eine Gleichstromleistung von 0,5 kW wurde zugeführt. Es sei angemerkt, dass die Substrattemperatur bei der Abscheidung des In-Ga-Zn-Oxidfilms 200°C betrug.
Es sei angemerkt, dass die Dicke des dritten Oxidhalbleiterfilms 0 nm, 5 nm, 10 nm und 15 nm war.
Als Nächstes wurde eine erste Wärmebehandlung durchgeführt. Die erste Wärmebehandlung wurde eine Stunde lang in einer Stickstoffatmosphäre bei 450°C, und dann eine Stunde lang in einer Sauerstoffatmosphäre bei 450°C durchgeführt.
Als Nächstes wurde ein 100 nm dicker Wolframfilm als leitender Film über dem zweiten Oxidfilm abgeschieden. Der Wolframfilm wurde unter den folgenden Bedingungen ausgebildet: Ein Sputtertarget aus Wolfram wurde verwendet, Argon und erwärmtes Argon wurden mit Durchflussmengen von 80 sccm bzw. 10 sccm einer Behandlungskammer einer Sputtereinrichtung als Sputtergas zugeführt, der Druck in der Behandlungskammer wurde auf 0,8 Pa gesteuert, und eine Gleichstromleistung von 1,0 kW wurde zugeführt.
Danach wurde eine zweite Wärmebehandlung durchgeführt. Die zweite Wärmebehandlung wurde eine Stunde lang in einer Sauerstoffatmosphäre bei 400°C durchgeführt.
Durch den vorstehenden Prozess wurden eine Probe 3A, bei der die Dicke des zweiten Oxidfilms 0 nm betrug, eine Probe 3B, bei der die Dicke des zweiten Oxidfilms 5 nm betrug, eine Probe 3C, bei der die Dicke des zweiten Oxidfilms 10 nm betrug, und eine Probe 3D, bei der die Dicke des zweiten Oxidfilms 20 nm betrug, hergestellt.
Zum Vergleich wurden Proben hergestellt, die nicht der zweiten Wärmebehandlung unterzogen wurden. Eine Probe 3E, bei der die Dicke des zweiten Oxidfilms 0 nm betrug, eine Probe 3F, bei der die Dicke des zweiten Oxidfilms 5 nm betrug, eine Probe 3G, bei der die Dicke des zweiten Oxidfilms 10 nm betrug, und eine Probe 3H, bei der die Dicke des zweiten Oxidfilms 20 nm betrug, wurden hergestellt.
Als Nächstes wurde der Wolframfilm einem Trockenätzen unterzogen. Das Ätzen wurde unter den folgenden Bedingungen durchgeführt: Cl₂ mit einer Durchflussmenge von 45 sccm, CH₄ mit einer Durchflussmenge von 55 sccm und O₂ mit einer Durchflussmenge von 55 sccm wurden als Ätzgas verwendet, die Vorspannungsleistung war 110 W, die Leistung der ICP-Stromquelle war 3000 W, und der Druck war 0,67 Pa. Es sei angemerkt, dass die Substrattemperatur beim Trockenätzen des Wolframfilms 40°C betrug. Anschließend wurde Sauerstoff (¹⁸O₂) dem zweiten Oxidfilm durch ein Ionenimplantationsverfahren zugesetzt. Es sei angemerkt, dass die Bedingungen beim Zusatz wie folgt waren: eine Beschleunigungsspannung von 5 kV und eine Dosierung von 5,0 × 10¹⁵ Ionen/cm².
Des Weiteren wurden zum Vergleich auch Proben hergestellt, denen kein Sauerstoffion zugesetzt wurde.
Dann wurde der zweite Oxidfilm geätzt, und ein Wert des Flächenwiderstandes entsprechend der Ätztiefe wurde gemessen. Eine Mischlösung von Wasserstoffperoxidlösung und Ammoniak (Wasserstoffperoxidlösung:Ammoniakwasser:Wasser = 5:2:5) wurde für das Ätzen verwendet. Die verbleibende Dicke des zweiten Oxidfilms nach dem Ätzen wurde unter Verwendung einer spektroskopischen Ellipsometrie vor und nach dem Ätzen gemessen, so dass die Tiefe erhalten wurde, in die der zweite Oxidfilm geätzt worden war.
34 zeigt die Flächenwiderstände der Proben 3A bis 3D, die der Wärmebehandlung unterzogen wurden, und 35 zeigt die Flächenwiderstände der Proben 3E bis 3H, die keiner Wärmebehandlung unterzogen wurden. Es sei angemerkt, dass Punktlinien in den Zeichnungen jeweils den Wert der Messgrenze darstellen (6M Ω/Quadrat).
34 und 35 zeigen, dass der Wert des Flächenwiderstandes durch Zusatz von Sauerstoff erhöht wird und dass der Wert des Flächenwiderstandes durch eine Wärmebehandlung verringert wird. Zudem zeigen 34 und 35, dass dann, wenn Sauerstoff in dem Fall, in dem der zweite Oxidfilm eine große Dicke aufweist, zugesetzt wird, der Widerstand um die Oberfläche erhöht wird aber ein niederohmiger Bereich in dem zweiten Oxidfilm existiert.
Es wurde herausgefunden, dass bei den Proben, bei denen der Wolframfilm über dem IGZO-Film (dem zweiten Oxidfilm) ausgebildet war, der Widerstand eines Bereichs des IGZO-Films verringert wurde, der in einer Tiefe von etwa 15 nm von der Oberfläche des IGZO-Films ausgebildet wurde. Dies deutet darauf hin, dass beispielsweise eine niederohmige Mischschicht aus IGZO und Wolfram in der Nähe der Oberfläche des zweiten Oxidfilms ausgebildet wird und dass ein n-Typ-Bereich aufgrund der Sauerstofffehlstellen ausgebildet wird, die in der Nähe der Oberfläche des IGZO-Films durch Übertragen von Sauerstoff des IGZO-Films auf den Wolframfilm vorhanden sind.
[Beispiel 4]
In diesem Beispiel werden Auswertungsergebnisse eines mehrschichtigen Films beschrieben, die durch eine Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) erhalten wurden.
Die folgenden Proben wurden analysiert: die Probe 3E, die Probe 3F und die Probe 3G, die in dem Beispiel 3 verwendet wurden, und eine Probe 4A, die die Probe 3F war, bei der die Dicke des zweiten Oxidfilms 15 nm betrug. Sauerstoff wurde jeder Probe durch ein Ionenimplantationsverfahren zugesetzt.
36 zeigt ¹⁸O-Konzentrationsprofile der Proben 3E bis 3G und der Probe 4A.
Bei jeder Probe war ein Peak der ¹⁸O-Konzentration in einer Tiefe von etwa 5 nm von einer Oberfläche des mehrschichtigen Films, dem Sauerstoff zugesetzt wurde, zu beobachten. Des Weiteren wurde es herausgefunden, dass ¹⁸O in einen Bereich in einer Tiefe von etwa 20 nm von der Oberfläche des mehrschichtigen Films diffundiert.
[Beispiel 5]
In diesem Beispiel wurde ein Transistor hergestellt, und seine elektrischen Eigenschaften wurden ausgewertet. Ein Verfahren zum Herstellen einer Probe, die für die Auswertung verwendet wurde, wird beschrieben.
Zuerst wurde ein thermischer Oxidationsfilm über einem Siliziumwafer ausgebildet. Der thermische Oxidationsfilm wurde in einer Dicke von 100 nm bei 950°C in einer Sauerstoffatmosphäre ausgebildet, die HCl bei 3% enthält. Dann wurde ein 300 nm dicker Siliziumoxidfilm über dem thermischen Oxidationsfilm durch ein Sputterverfahren abgeschieden. Der Siliziumoxidfilm wurde auf die folgende Weise ausgebildet: Siliziumoxid wurde als Sputtertarget verwendet, Sauerstoff wurde mit einer Durchflussmenge von 50 sccm einer Behandlungskammer einer Sputtereinrichtung als Sputtergas zugeführt, der Druck in der Behandlungskammer wurde auf 0,4 Pa gesteuert, und eine HF-Leistung von 1,5 kW wurde zugeführt. Es sei angemerkt, dass die Substrattemperatur bei der Abscheidung des Siliziumoxidfilms 100°C betrug.
Danach wurde eine Wärmebehandlung durchgeführt. Die Wärmebehandlung wurde eine Stunde lang bei 450°C in einer Vakuumatmosphäre (in einer Atmosphäre mit verringertem Druck) durchgeführt. Anschließend wurde Sauerstoff (¹⁶O) dem Siliziumoxynitridfilm durch ein Ionenimplantationsverfahren zugesetzt. Es sei angemerkt, dass die Bedingungen beim Zusatz wie folgt waren: eine Beschleunigungsspannung von 60 kV und eine Dosierung von 2,0 × 10¹⁶ Ionen/cm².
Dann wurde ein mehrschichtiger Film über dem Siliziumoxidfilm abgeschieden. Der mehrschichtige Film umfasste drei Schichten und wurde auf die folgende Weise ausgebildet. Zuerst wurde ein 20 nm dicker In-Ga-Zn-Oxidfilm mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:3:2 als erster Oxidfilm über einem Siliziumoxidfilm abgeschieden. Der In-Ga-Zn-Oxidfilm wurde unter den folgenden Bedingungen ausgebildet: Ein Sputtertarget mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:3:2 wurde verwendet, Argon und Sauerstoff wurden mit Durchflussmengen von 15 sccm bzw. 30 sccm einer Behandlungskammer einer Sputtereinrichtung als Sputtergas zugeführt, der Druck in der Behandlungskammer wurde auf 0,4 Pa gesteuert, und eine Gleichstromleistung von 0,5 kW wurde zugeführt. Es sei angemerkt, dass die Substrattemperatur bei der Abscheidung des In-Ga-Zn-Oxidfilms 200°C betrug.
Dann wurde ein 15 nm dicker In-Ga-Zn-Oxidfilm mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:1:1 als Oxidhalbleiterfilm über dem ersten Oxidfilm abgeschieden. Der In-Ga-Zn-Oxidfilm wurde unter den folgenden Bedingungen ausgebildet: Ein Sputtertarget mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:1:1 wurde verwendet, Argon und Sauerstoff wurden mit Durchflussmengen von 30 sccm bzw. 15 sccm einer Behandlungskammer einer Sputtereinrichtung als Sputtergas zugeführt, der Druck in der Behandlungskammer wurde auf 0,4 Pa gesteuert, und eine Gleichstromleistung von 0,5 kW wurde zugeführt. Es sei angemerkt, dass die Substrattemperatur bei der Abscheidung des In-Ga-Zn-Oxidfilms 300°C betrug.
Dann wurde ein 10 nm dicker In-Ga-Zn-Oxidfilm mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:3:2 als zweiter Oxidfilm über dem Oxidhalbleiterfilm abgeschieden. Der In-Ga-Zn-Oxidfilm wurde unter den folgenden Bedingungen ausgebildet: Ein Sputtertarget mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:3:2 wurde verwendet, Argon und Sauerstoff wurden mit Durchflussmengen von 30 sccm bzw. 15 sccm einer Behandlungskammer einer Sputtereinrichtung als Sputtergas zugeführt, der Druck in der Behandlungskammer wurde auf 0,4 Pa gesteuert, und eine Gleichstromleistung von 0,5 kW wurde zugeführt. Es sei angemerkt, dass die Substrattemperatur bei der Abscheidung des In-Ga-Zn-Oxidfilms 200°C betrug.
Als Nächstes wurde eine erste Wärmebehandlung durchgeführt. Die erste Wärmebehandlung wurde eine Stunde lang in einer Stickstoffatmosphäre bei 450°C, und dann eine Stunde lang in einer Sauerstoffatmosphäre bei 450°C durchgeführt.
Als Nächstes wurde ein 100 nm dicker Wolframfilm als leitender Film über dem zweiten Oxidfilm abgeschieden. Der Wolframfilm wurde unter den folgenden Bedingungen ausgebildet: Ein Sputtertarget aus Wolfram wurde verwendet, Argon und erwärmtes Argon wurden mit Durchflussmengen von 80 sccm bzw. 10 sccm einer Behandlungskammer einer Sputtereinrichtung als Sputtergas zugeführt, der Druck in der Behandlungskammer wurde auf 0,8 Pa gesteuert, und eine Gleichstromleistung von 1,0 kW wurde zugeführt. Nachdem der Wolframfilm ausgebildet worden war, wurde der Wolframfilm teilweise geätzt (Ätzbedingungen: ein Ätzgas (CF₄ = 55 sccm, Cl₂ = 45 sccm, O₂ = 55 sccm), eine Leistung einer ICP-Stromquelle von 3000 W, eine Vorspannungsleitung von 110 W, ein Druck von 0,67 Pa und eine Substrattemperatur von 40°C), wodurch eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode ausgebildet wurden.
Anschließend wurde Sauerstoff (¹⁶O₂ ⁺) dem mehrschichtigen Film durch ein Ionenimplantationsverfahren zugesetzt. Es sei angemerkt, dass die Bedingungen beim Zusatz wie folgt waren: eine Beschleunigungsspannung von 5 kV und eine Dosierung von 5,0 × 10¹⁵ Ionen/cm².
Als Nächstes wurde ein Gate-Isolierfilm ausgebildet. Als der Gate-Isolierfilm wurde ein 20 nm dicker Siliziumoxidfilm ausgebildet. Der Siliziumoxidfilm wurde durch ein CVD-Verfahren ausgebildet, bei dem der Druck in einer Reaktionskammer auf 200 Pa gesteuert wurde.
Dann wurde eine Gate-Elektrode ausgebildet. Ein 30 nm dicker Tantalnitridfilm wurde durch ein Sputterverfahren ausgebildet, und ein 135 nm dicker Wolframfilm wurde durch ein Sputterverfahren über dem Tantalnitridfilm ausgebildet. Der Tantalnitridfilm wurde unter den folgenden Bedingungen ausgebildet: Tantalnitrid wurde als Sputtertarget verwendet, Argon und Stickstoff wurden mit Durchflussmengen von 50 sccm bzw. 10 sccm einer Behandlungskammer einer Sputtereinrichtung als Sputtergas zugeführt, der Druck in der Behandlungskammer wurde auf 0,6 Pa gesteuert, und eine Gleichstromleistung von 1,0 kW wurde zugeführt. Der Wolframfilm wurde unter den folgenden Bedingungen ausgebildet: Wolfram wurde als Sputtertarget verwendet, Argon und erwärmtes Argon wurden mit Durchflussmengen von 100 sccm bzw. 10 sccm einer Behandlungskammer einer Sputtereinrichtung als Sputtergas zugeführt, der Druck in der Behandlungskammer wurde auf 2,0 Pa gesteuert, und eine Gleichstromleistung von 4,0 kW wurde zugeführt. Nachdem der Wolframfilm abgeschieden worden war, wurden der Tantalnitridfilm und ein Teil des Wolframfilms geätzt (Ätzbedingungen des Wolframfilms: ein Ätzgas (CF₄ = 55 sccm, Cl₂ = 45 sccm, 0₂ = 55 sccm), eine Leistung einer ICP-Stromquelle von 3000 W, eine Vorspannungsleistung von 110 W, ein Druck von 0,67 Pa und eine Substrattemperatur von 40°C; Ätzbedingungen des Tantalnitridfilms: ein Ätzgas (Cl₂ = 100 sccm), eine Leistung einer ICP-Stromquelle von 2000 W, eine Vorspannungsleistung von 50 W, ein Druck von 0,67 Pa und eine Substrattemperatur von 40°C), wodurch die Gate-Elektrode ausgebildet wurde.
Dann wurde ein Oxid-Isolierfilm ausgebildet. Ein 70 nm dicker Aluminiumoxidfilm wurde durch Sputtern ausgebildet und dann wurde ein 135 nm dicker Siliziumoxynitridfilm durch ein CVD-Verfahren über dem Aluminiumoxidfilm ausgebildet.
Dann wurden Öffnungen, die die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode erreichen, in dem Gate-Isolierfilm und dem Oxid-Isolierfilm ausgebildet.
Eine Verdrahtungsschicht (ein 200 nm dicker Aluminiumfilm wurde über einem 50 nm dicken Titanfilm ausgebildet, und ein 50 nm dicker Titanfilm wurde über dem 200 nm dicken Aluminiumfilm ausgebildet) wurde in den Öffnungen ausgebildet.
Ein 1,5 μm-Polyimidfilm wurde über den Verdrahtungsschichten ausgebildet und an Luft eine Stunde lang einer Wärmebehandlung bei 300°C unterzogen.
Durch den vorstehenden Prozess wurde ein beispielhafter Transistor mit einer Kanallänge von 0,44 µm und einer Kanalbreite von 1 µm hergestellt. Des Weiteren wurde zum Vergleich ein beispielhafter Vergleichstransistor hergestellt, dem kein Sauerstoff zugesetzt wurde.
Als Nächstes wurde bei den hergestellten Transistoren ein Drain-Strom (I_d: [A]) unter den Bedingungen gemessen, wobei eine Drain-Spannung (V_d: [V]) auf 3 V oder 0,1 V eingestellt wurde und eine Gate-Spannung (V_g: [V]) von –3 V bis 3 V überstrichen wurde. 37A zeigt Messergebnisse des beispielhaften Transistors, und 37B zeigt Messergebnisse des beispielhaften Vergleichstransistors. 37A und 37B zeigen Messergebnisse zum Zeitpunkten, wenn Drain-Spannungen (V_d: [V]) 3 V und 0,1 V betrugen, wobei die horizontale Achse die Gate-Spannung (V_g: [V]) darstellt und die vertikale Achse den Drain-Strom (I_d: [A]) darstellt. Es sei angemerkt, dass „Drain-Spannung (V_d: [V])” einen Potentialunterschied zwischen einem Drain und der Source bedeutet, wenn das Potential der Source als Bezugspotential verwendet wird, und „Gate-Spannung (V_g: [V])” einen Potentialunterschied zwischen einem Gate und einer Source bedeutet, wenn das Potential der Source als Bezugspotential verwendet wird.
Es wurde herausgefunden, dass Schwankungen der elektrischen Eigenschaften des in diesem Beispiel hergestellten Transistors in 37A geringer waren als diejenigen des beispielhaften Vergleichstransistors in 37B.
Die obigen Ergebnisse deuteten darauf hin, dass der Transistor dieses Beispiels sehr hohe elektrische Eigenschaften hatte.
[Bezugsbeispiel 1]
Messung der Vg-Id-Eigenschaften eines Transistors zeigt, dass mit einer Verringerung der Kanallänge des Transistors eine Gate-Spannung (auch als Gate-Spannung beim Anstieg (rising gate voltage) bezeichnet) schwankt, bei der ein Durchlassstrom aufgrund einer Drain-Spannung Vd zu fließen beginnt. Deshalb wurde eine Beziehung zwischen der Kanallänge und der Gate-Spannung beim Anstieg durch Berechnung untersucht.
38 stellt eine Struktur der Transistorstruktur dar, die bei der Berechnung angenommen wird. In 38 bezeichnet „OS” einen Oxidhalbleiterfilm, „S” bezeichnet eine Source-Elektrode, „D” bezeichnet eine Drain-Elektrode, „GI” bezeichnet einen Gate-Isolierfilm, und „GE” bezeichnet eine Gate-Elektrode. Es sei angemerkt, dass eine n-Schicht (als „n” in den Zeichnungen bezeichnet), die eine höhere Ladungsträgerdichte aufweist als der Oxidhalbleiterfilm, zwischen dem Oxidhalbleiterfilm und der Source- und der Drain-Elektrode liegt. Ein Oxidhalbleiterfilm (OS) ist als i-Schicht (als „i” bezeichnet) gezeigt, so dass er sich von der n-Schicht unterscheidet. Die Länge des Bereichs in der Kanal-Längsrichtung der n-Schicht, der sich nicht mit der Source- oder Drain-Elektrode überlappt, wird als ΔL bezeichnet. Zu diesem Zeitpunkt ist dann, wenn eine effektive Kanallänge Leff als Leff = L – 2ΔL (ΔL ≥ 0) definiert wird, Leff kürzer als die Kanallänge L.
Die folgenden Berechnungsbedingungen wurden verwendet: L (Kanallänge) war 2 µm, W (Kanalbreite) war 1 µm, die Austrittsarbeit der Gate-Elektrode war 5 eV, der Gate-Isolierfilm war eine Schichtanordnung, in der ein 400 nm dicker Siliziumnitridfilm (Dielektrizitätskonstante ε = 7,5) und ein 50 nm dicker Siliziumoxynitridfilm (Dielektrizitätskonstante ε = 4,1) nacheinander von der Seite der Gate-Elektrode aus geschichtet waren, und der Oxidhalbleiterfilm hatte eine Dicke von 35 nm. Ein Energieunterschied Eg zwischen dem Minimum des Leitungsbandes und dem Maximum des Valenzbandes in dem Oxidhalbleiterfilm war 3,2 eV. Die Elektronenaffinität x des Oxidhalbleiterfilms war 4,8 eV. Die Dielektrizitätskonstante ε des Oxidhalbleiterfilms war 15. Die Elektronenbeweglichkeit μn des Oxidhalbleiterfilms war 10 cm²/Vs. Die Löcherbeweglichkeit µm des Oxidhalbleiterfilms war 0,01 cm²/Vs. Die effektive Zustandsdichte Nc im Leitungsband war 5 × 10¹⁸ cm^–3. Die effektive Zustandsdichte Nv im Valenzband war 5 × 10¹⁸ cm^–3. Die Donatorendichte Nd war 6,6 × 10^–9 cm^–3. Ferner war die Donatorendichte der n-Schicht 5 × 10¹⁸ cm^–3. Es sei angemerkt, dass vier Bedingungen der Länge ΔL, d. h. 0 μm, 0,1 μm, 0,3 μm und 0,5 μm, für die Berechnung verwendet wurden.
Die Berechnungsergebnisse sind in 39 gezeigt. Wie in 39 gezeigt, war die Gate-Spannung beim Anstieg bei einer Drain-Spannung Vd von 1 V gleich derjenigen bei einer Drain-Spannung Vd von 10 V in den folgenden Fällen: wenn die Länge ΔL 0 µm war (das heißt, dass die effektive Kanallänge –2,0 μm war), wenn die Länge ΔL 0,1 µm war (das heißt, dass die effektive Kanallänge 1,8 µm war (10% der Kanallänge die Länge ΔL war)), und wenn die Länge ΔL 0,3 µm war (das heißt, dass die effektive Kanallänge 1,4 µm war (30% der Kanallänge die Länge ΔL war)). Im Gegensatz dazu unterschied sich die Gate-Spannung beim Anstieg bei einer Drain-Spannung Vd von 1 V von derjenigen bei einer Drain-Spannung Vd von 10 V, d. h. die Anstiegspositionen waren geteilt, wenn die Länge ΔL 0,5 µm war (das heißt, dass die effektive Kanallänge 1,0 µm war).
Die obigen Ergebnisse zeigen, dass die Ringpositionen geteilt sind, wenn die effektive Kanallänge kurz ist; wenn die n-Schicht durch Zusatz von Sauerstoff zu dem Oxidhalbleiterfilm in eine i-Schicht gewandelt wird, kann die effektive Kanallänge verlängert werden, und es kann verhindert werden, dass die Anstiegspositionen geteilt sind.
Die Länge ΔL beträgt weniger als 30%, bevorzugt weniger als 10%, stärker bevorzugt weniger als 3%, der Kanallänge. Die Breite der Teilung bei 1 pA/μm zwischen zwei Drain-Spannungen, die sich um eine oder mehrere Größenordnung/en unterscheiden, ist kleiner als eine höhere Drain-Spannung aus den zwei Drain-Spannungen. Die Breite der Teilung ist vorzugsweise kleiner als 1/3 der höheren Drain-Spannung aus den zwei Drain-Spannungen.
Erläuterung der Bezugszeichen

100: Substrat, 102: Basis-Isolierfilm, 104: mehrschichtiger Film, 104a: Oxidfilm, 104b: Oxidhalbleiterfilm, 104c: Oxidfilm, 104d: Bereich, 104e: Oxidfilm, 105: niederohmiger Bereich, 105a: niederohmiger Bereich, 105b: niederohmiger Bereich, 105c: Bereich, 106: leitender Film, 106a: Source-Elektrode, 106b: Drain-Elektrode, 107a: leitender Film, 107b: leitender Film, 108: Gate-Isolierfilm, 110: Gate-Elektrode, 112: Oxid-Isolierfilm, 114: Nitrid-Isolierfilm, 120: Sauerstoff, 150: Transistor, 190: Transistor, 195: Transistor, 200: Transistor, 210: Transistor, 220: Transistor, 230: Transistor, 240: Transistor, 250: Transistor, 290: Transistor, 295: Transistor, 300: Transistor, 310: Transistor, 320: Transistor, 330: Transistor, 340: Transistor, 400: Transistor, 402: Transistor, 404: Kondensator, 406: isolierende Elementisolationsschicht, 410: Substrat, 420: Isolierfilm, 550: Speicherzelle, 551: Speicherzellenarray, 551a: Speicherzellenarray, 551b: Speicherzellenarray, 553: Peripherieschaltung, 554: Kondensator, 562: Transistor, 600: Sputtertarget, 601: Ion, 602: gesputtertes Teilchen, 603: Abscheidungsoberfläche, 700: Mikrocomputer, 701: Gleichstromquelle, 702: Busleitung, 703: Steuereinheit für Stromversorgungs-Gatter, 704: Stromversorgungs-Gatter, 705: CPU, 706: flüchtiger Speicher-Abschnitt, 707: nichtflüchtiger Speicher-Abschnitt, 708: Schnittstelle, 709: Sensor-Abschnitt, 711: optischer Sensor, 712: Verstärker, 713: Wechselstrom-Wandler, 730: Licht emittierendes Element, 801: Halbleitersubstrat, 803: Elementisolationsbereich, 804: Gate-Elektrode, 805a: niederohmiger Bereich, 805b: niederohmiger Bereich, 806a: Oxidfilm, 806b: Oxidhalbleiterfilm, 806c: Oxidfilm, 807: Gate-Isolierfilm, 809: Gate-Elektrode, 811a: Verunreinigungsbereich, 811b: Verunreinigungsbereich, 812: Gate-Isolierfilm, 815: Isolierfilm, 816a: Source-Elektrode, 816b: Drain-Elektrode, 816c: Elektrode, 817: Isolierfilm, 818: Oxid-Isolierfilm, 819a: Kontaktstecker, 819b: Kontaktstecker, 820: Isolierfilm, 821: Isolierfilm, 822: Isolierfilm, 823a: Verdrahtung, 823b: Verdrahtung, 825: Isolierfilm, 845: Isolierfilm, 849: Verdrahtung, 856: Verdrahtung, 860: Halbleiterfilm, 870: Transistor, 880: Transistor, 890: photoelektrisches Umwandlungselement, 901: Schaltelement, 902: Speicherzelle, 903: Speicherzellen-Gruppe, 919: ROM-Schnittstelle, 920: Substrat, 921: ALU, 922: ALU-Steuerung, 923: Befehlsdecoder, 924: Interrupt-Steuerung, 925: Zeitsteuerung, 926: Register, 927: Registersteuerung, 928: Busschnittstelle, 929: ROM, 1000: Anzeigevorrichtung, 1001: Gehäuse, 1002: Anzeigeabschnitt, 1003: Lautsprecherabschnitt, 1004: CPU, 1010: Alarmgerät, 1011: Mikrocomputer, 1020: Inneneinheit, 1021: Gehäuse, 1022: Luftauslass, 1023: CPU, 1024: Außeneinheit, 1030: elektrischer Kühl-Gefrierschrank, 1031: Gehäuse, 1032: Tür für einen Kühlschrank, 1033: Tür für einen Gefrierschrank, 1034: CPU, 1040: Elektrofahrzeug, 1041: Sekundärbatterie, 1042: Steuerschaltung, 1043: Ansteuervorrichtung, 1044: Verarbeitungseinheit, 1100: Pixelabschnitt, 1101: Pixel, 1102: Substrat, 1103: Transistor, 1104: Abtastleitungstreiberschaltung, 1105: Kondensator, 1106: Signalleitungstreiberschaltung, 1107: Abtastleitung, 1108: Flüssigkristallelement, 1109: Signalleitung, 1111: Halbleiterfilm, 1113: leitender Film, 1115: Kondensatorleitung, 1117: Öffnung, 1120: leitender Film, 1121a: Elektrode, 1121b: Pixelelektrode, 1123a: Öffnung, 1123b: Öffnung, 1125: leitender Film, 1127: Gate-Isolierfilm, 1129: Isolierfilm, 1131: Isolierfilm, 1132: Isolierfilm, 1133: Isolierfilm, 1154: Gegenelektrode, 1623: Transistor, 1627: Gate-Elektrode, 1628: Halbleiterfilm, 1629: Source-Elektrode, 1639: Drain-Elektrode, 1641: leitender Film.

Diese Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung mit der Seriennr. 2012-281801 , eingereicht beim japanischen Patentamt am 25. Dezember 2012, deren gesamter Inhalt hiermit zum Gegenstand der vorliegenden Offenlegung gemacht ist.

Claims

Halbleitervorrichtung, die umfasst: eine erste Metalloxidschicht; eine Oxidhalbleiterschicht über der ersten Metalloxidschicht; eine zweite Metalloxidschicht über der Oxidhalbleiterschicht; eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode, die jeweils elektrisch mit der Oxidhalbleiterschicht verbunden sind; eine Gate-Elektrode; einen Isolierfilm zwischen der Gate-Elektrode und einer Schichtanordnung aus der ersten Metalloxidschicht, der Oxidhalbleiterschicht und der zweiten Metalloxidschicht; einen ersten niederohmigen Bereich zwischen der Source-Elektrode und der Oxidhalbleiterschicht; und einen zweiten niederohmigen Bereich zwischen der Drain-Elektrode und der Oxidhalbleiterschicht, wobei die Oxidhalbleiterschicht Indium umfasst, wobei der erste niederohmige Bereich in Kontakt mit der Source-Elektrode steht, wobei der zweite niederohmige Bereich in Kontakt mit der Drain-Elektrode steht, wobei der erste niederohmige Bereich einen niedrigeren Widerstand aufweist als ein Bereich zwischen dem ersten niederohmigen Bereich und dem zweiten niederohmigen Bereich, und wobei der zweite niederohmige Bereich einen niedrigeren Widerstand aufweist als der Bereich zwischen dem ersten niederohmigen Bereich und dem zweiten niederohmigen Bereich.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste niederohmige Bereich und der zweite niederohmige Bereich in der zweiten Metalloxidschicht angeordnet sind.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste niederohmige Bereich und der zweite niederohmige Bereich in der Oxidhalbleiterschicht angeordnet sind.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Widerstand des ersten niederohmigen Bereichs und des zweiten niederohmigen Bereichs jeweils niedriger ist als derjenige der zweiten Metalloxidschicht.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode ein leitendes Material umfassen, das eine höhere Sauerstoffaffinität aufweist als ein Metallelement in der ersten Metalloxidschicht, der Oxidhalbleiterschicht oder der zweiten Metalloxidschicht.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode mindestens ein beliebiges Element aus Aluminium, Chrom, Kupfer, Tantal, Molybdän und Wolfram umfassen.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Metalloxidschicht, die Oxidhalbleiterschicht und die zweite Metalloxidschicht jeweils Indium, Gallium und Zink umfassen, und wobei die erste Metalloxidschicht und die zweite Metalloxidschicht mehr Gallium umfassen als die Oxidhalbleiterschicht.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Oxidhalbleiterschicht ein niedrigeres Minimum eines Leitungsbandes aufweist als die erste Metalloxidschicht und die zweite Metalloxidschicht.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Gate-Elektrode über der zweiten Metalloxidschicht angeordnet ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Metalloxidschicht über der Gate-Elektrode angeordnet ist.
Halbleitervorrichtung, die umfasst: eine erste Metalloxidschicht; eine Oxidhalbleiterschicht über der ersten Metalloxidschicht; eine zweite Metalloxidschicht über der Oxidhalbleiterschicht; eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode, die jeweils über der zweiten Metalloxidschicht liegen; eine Gate-Elektrode; einen Isolierfilm zwischen der Gate-Elektrode und einer Schichtanordnung aus der ersten Metalloxidschicht, der Oxidhalbleiterschicht und der zweiten Metalloxidschicht; einen ersten niederohmigen Bereich zwischen der Source-Elektrode und der Oxidhalbleiterschicht; und einen zweiten niederohmigen Bereich zwischen der Drain-Elektrode und der Oxidhalbleiterschicht, wobei die Oxidhalbleiterschicht Indium umfasst, wobei die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode elektrisch mit der Oxidhalbleiterschicht verbunden sind, wobei der erste niederohmige Bereich in Kontakt mit der Source-Elektrode steht, wobei der zweite niederohmige Bereich in Kontakt mit der Drain-Elektrode steht, wobei der erste niederohmige Bereich einen niedrigeren Widerstand aufweist als ein Bereich zwischen dem ersten niederohmigen Bereich und dem zweiten niederohmigen Bereich, und wobei der zweite niederohmige Bereich einen niedrigeren Widerstand aufweist als der Bereich zwischen dem ersten niederohmigen Bereich und dem zweiten niederohmigen Bereich.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 11, wobei der erste niederohmige Bereich und der zweite niederohmige Bereich in der zweiten Metalloxidschicht angeordnet sind.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 11, wobei der erste niederohmige Bereich und der zweite niederohmige Bereich in der Oxidhalbleiterschicht angeordnet sind.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 11, wobei ein Widerstand des ersten niederohmigen Bereichs und des zweiten niederohmigen Bereichs jeweils niedriger ist als derjenige der zweiten Metalloxidschicht.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode ein leitendes Material umfassen, das eine höhere Sauerstoffaffinität aufweist als ein Metallelement in der ersten Metalloxidschicht, der Oxidhalbleiterschicht oder der zweiten Metalloxidschicht.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode mindestens ein beliebiges Element aus Aluminium, Chrom, Kupfer, Tantal, Molybdän und Wolfram umfassen.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 11, wobei die erste Metalloxidschicht, die Oxidhalbleiterschicht und die zweite Metalloxidschicht jeweils Indium, Gallium und Zink umfassen, und wobei die erste Metalloxidschicht und die zweite Metalloxidschicht mehr Gallium umfassen als die Oxidhalbleiterschicht.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Oxidhalbleiterschicht ein niedrigeres Minimum eines Leitungsbandes aufweist als die erste Metalloxidschicht und die zweite Metalloxidschicht.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Gate-Elektrode über der zweiten Metalloxidschicht angeordnet ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 11, wobei die erste Metalloxidschicht über der Gate-Elektrode angeordnet ist.
Halbleitervorrichtung, die umfasst: eine erste Metalloxidschicht; eine Oxidhalbleiterschicht über der ersten Metalloxidschicht; eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode über der Oxidhalbleiterschicht; eine zweite Metalloxidschicht über der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode; eine Gate-Elektrode; einen Isolierfilm zwischen der Gate-Elektrode und einer Schichtanordnung aus der ersten Metalloxidschicht, der Oxidhalbleiterschicht und der zweiten Metalloxidschicht; einen ersten niederohmigen Bereich zwischen der Source-Elektrode und der Oxidhalbleiterschicht; und einen zweiten niederohmigen Bereich zwischen der Drain-Elektrode und der Oxidhalbleiterschicht, wobei die Oxidhalbleiterschicht Indium umfasst, wobei die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode elektrisch mit der Oxidhalbleiterschicht verbunden sind, wobei der erste niederohmige Bereich in Kontakt mit der Source-Elektrode steht, wobei der zweite niederohmige Bereich in Kontakt mit der Drain-Elektrode steht, wobei der erste niederohmige Bereich einen niedrigeren Widerstand aufweist als ein Bereich zwischen dem ersten niederohmigen Bereich und dem zweiten niederohmigen Bereich, und wobei der zweite niederohmige Bereich einen niedrigeren Widerstand aufweist als der Bereich zwischen dem ersten niederohmigen Bereich und dem zweiten niederohmigen Bereich.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 21, wobei der erste niederohmige Bereich und der zweite niederohmige Bereich in der zweiten Metalloxidschicht angeordnet sind.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 21, wobei der erste niederohmige Bereich und der zweite niederohmige Bereich in der Oxidhalbleiterschicht angeordnet sind.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 21, wobei ein Widerstand des ersten niederohmigen Bereichs und des zweiten niederohmigen Bereichs jeweils niedriger ist als derjenige der zweiten Metalloxidschicht.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode ein leitendes Material umfassen, das eine höhere Sauerstoffaffinität aufweist als ein Metallelement in der ersten Metalloxidschicht, der Oxidhalbleiterschicht oder der zweiten Metalloxidschicht.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode mindestens ein beliebiges Element aus Aluminium, Chrom, Kupfer, Tantal, Molybdän und Wolfram umfassen.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 21, wobei die erste Metalloxidschicht, die Oxidhalbleiterschicht und die zweite Metalloxidschicht jeweils Indium, Gallium und Zink umfassen, und wobei die erste Metalloxidschicht und die zweite Metalloxidschicht mehr Gallium umfassen als die Oxidhalbleiterschicht.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Oxidhalbleiterschicht ein niedrigeres Minimum eines Leitungsbandes aufweist als die erste Metalloxidschicht und die zweite Metalloxidschicht.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Gate-Elektrode über der zweiten Metalloxidschicht angeordnet ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 21, wobei die erste Metalloxidschicht über der Gate-Elektrode angeordnet ist.