JP2024521583A - ガリウム含有酸化物膜堆積用のガリウム前駆体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 基材上にガリウム含有酸化物膜を堆積する方法は、a)同時又は逐次的に、ガリウム前駆体、追加の金属前駆体、及び酸化剤の蒸気に基材を曝露すること;b)ガリウム前駆体の少なくとも一部と追加の金属前駆体の少なくとも一部を基材上に堆積させて、気相堆積プロセスを介して基材上にガリウム含有酸化物膜を形成すること、を含み、ガリウム前駆体は、式:(NR8R9)(NR1R2)Ga[(R3R4N)Cx(R5R6)(NR7)](I)(Cy-N)2Ga[(R3R4N)Cx(R5R6)(NR7)](II)(式中、R1~R9は、独立して、H、Me、Et、nPr、iPr、nBu、iBu、sBu、又はtBuから選択され;R1~R9は、同じであっても異なっていてもよく;x=2、3、4であり、好ましくはx=2であり;Cy-Nは飽和N-含有環又は不飽和N-含有環を表す)を有する。【選択図】図1
Description
関連出願の相互参照
本願は、2021年6月18日出願の米国仮特許出願第63/212,184号に、米国特許法第119条(a)及び(b)に基づく優先権の利益を主張し、その全内容は参照により本明細書に組み込まれる。
本願は、2021年6月18日出願の米国仮特許出願第63/212,184号に、米国特許法第119条(a)及び(b)に基づく優先権の利益を主張し、その全内容は参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、二元、三元、又は四元ガリウム含有酸化物膜などのガリウム含有酸化物膜を堆積するためのガリウム前駆体に関する。特に、ガリウム前駆体は、液体であり、揮発性であり、非自然発火性であり、且つハライドフリーの分子である。
ガリウム酸化物(Ga2O3)の使用は、マイクロデバイスにおけるいくつかの用途にとって興味深いものであり、そのため、化学気相堆積(CVD)若しくは原子層堆積(ALD)、又は任意の気相成長法で薄膜を堆積するために使用することができる、コスト効率が高い安全なガリウム分子の開発が注目されている。注目されている用途は、ガスセンサー、透明導電性酸化物(TCO)、光触媒材料、酸化物半導体などである。
インジウムガリウム亜鉛酸化物(IGZO)は、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、亜鉛(Zn)、及び酸素(O)からなる半導体材料である。IGZO薄膜トランジスタ(TFT)は、電子移動度が高いため光電子デバイスに使用されている。そのような光電子デバイスは、その性能をよりよく制御し、サイズを最適化するために、非常に明確に規定された均質な薄膜層を必要とする。IGZOの利点は、酸化物半導体に共通する高いキャリヤー移動度を維持しながら、均一なアモルファス相として堆積できることである。IGZOは、メモリ用途であるかロジック用途(n型BEOLトランジスタ)であるかに関わらず、次世代半導体デバイスにも使用されると考えられている。
大スケールのIGZO製造に対する現在の障害は、合成方法である。透明導電性酸化物(TCO)合成に最も広く使用されている技術は、パルスレーザー堆積法(PLD)である。PLDでは、固体元素ターゲット上のナノサイズのスポットに焦点を合わせるためにレーザーが使用される。レーザーパルスの周波数は、膜の組成を制御するためにターゲット間で比率が変化する。IGZOは低温堆積能力を有するため、石英、単結晶シリコン、さらにはプラスチックなどの基材上に堆積することができる。基材はPLD真空チャンバー内に配置され、これは好ましい電気特性を確保するために酸素圧力を制御する。合成後、膜はアニールされ、或いは徐々に空気にさらされることで雰囲気に適応する。
PLDは有用で汎用性の高い合成技術であるが、高価な装置と、各サンプルを通常の大気条件に適応させるのに十分な時間を必要とする。これは工業的な製造には理想的ではない。
溶液処理は、よりコスト効率の高い代替手段である。具体的には、燃焼合成技術を使用することができる。発熱反応を起こす酸化剤を含む金属硝酸塩溶液が一例である。燃焼合成の一般的なタイプの1つはスピンコーティングであり、これは、In及びGaの溶液層をホットプレート上に堆積し、ターゲットの組成に応じておよそ200~400℃の温度でアニールすることを含む。膜は空気中でアニールすることができ、これはPLDと比較して大きな利点である。燃焼処理は新しい合成方法としての可能性を有しているが、その実行可能性を評価するためにはさらなる研究が必要である。
そのような光電子デバイスは、その性能をよりよく制御し、サイズを最適化するために、明確に規定された均質な薄膜層を必要とする。化学気相堆積法(CVD)、原子層堆積法(ALD)、又はプラズマ強化原子層堆積法(PEALD)などの従来の膜形成方法により、望みの特性を有する薄膜を形成することができる。産業用途の重要なパラメータは、液体ガリウム含有前駆体を開発することである。これは、貯蔵キャニスターに充填し、供給ライン及び排気ラインを介して反応器に供給することがより実用的であり、その結果コスト効率が高いためである。固体前駆体の使用には蒸気形成のための昇華器が必要であり、これによりいくつかの問題が生じる。第1に、キャニスター(昇華器)内の充填量は数百グラムに制限され、昇華器はツール上にある間は再充填できないため、典型的には頻繁に交換する必要がある。第2に、固体前駆体は蒸気圧が低いことが非常に多く、これにより供給速度が変動する。加えて、粒子サイズのばらつきにより、製品の蒸発に違いが生じる可能性がある。最後に、安全上の理由から、ガリウム含有前駆体は、空気にさらされても自然に発火(自然発火性)しないことが好ましいであろう。
たとえば、非自然発火性液体タイプのGa前駆体であるトリメチル[N-(2-メトキシエチル)-2-メチルプロパン-2-アミン]ガリウム、GaMe3・(CH3OCH2CH2NHtBu)が開発され、ALD GaOx用途に利用された。GaOx薄膜は、100℃~250℃の温度範囲で1.0Å/サイクルの成長速度で堆積させることができる(Ceramics International,Volume 47,Issue 2,15 January 2021,Pages 1588-1593)。
非自然発火性液体ガリウム前駆体の別の例は、ジメチルガリウムイソプロポキシド、Me2Ga(OiPr)である。これは室温では液体であり、蒸気圧がかなり高く(0.55Torr/25℃;0.75Torr/30℃;1.0Torr/35℃;1.3Torr/40℃)、原子層堆積及び/又は有機金属化学気相成長に十分な高さである。ALDプロセスでは、酸素源として水が使用される場合、見かけのALD温度ウインドウは300~325℃であり、約1.5Å/サイクルの成長速度が達成される。MOCVDは、反応ガスとして酸素を用いて、450~625℃の温度範囲で行われる。両方のプロセスで堆積されたGa2O3膜は、化学量論的且つアモルファスであることが判明した。この前駆体を使用すると、導電性のGaドープZnO薄膜の堆積に成功することができる。電気的、構造的、及び光学的な特性は、Gaドーピング含有量と堆積温度の関数として体系的に調査される。低い抵抗率(約3.5×10-3Ωcm)で最も優れたキャリヤー濃度及び透過率(7.2×1020cm-3及び83.5%)は、250℃で堆積した5原子%のGaドーピング濃度で観察される(ECS Transactions,25(8),587-592,2009及びChem.Vap.Deposition,17,191-197,2011)。アルコキシ含有分子の問題は、非常に小さいアスペクト比の構造にALD挙動がしばしば限定されることであり、この問題を解決するためにはアミン含有分子が好まれることが多い。
CVD法及びALD法によるインジウムガリウム酸化物、インジウムガリウム亜鉛酸化物薄膜の堆積が報告されている。たとえば、論文“Atomic Layer Deposition of an Indium Gallium Oxide Thin Film for Thin-Film Transistor Applications”(Appl.Mater.Interfaces,2017,9,23934-23940)では、[1,1,1-トリメチル-N-(トリメチルシリル)-シラナミナト]インジウム(InCA-1)及びトリメチルガリウム(TMGa)をそれぞれインジウム及びガリウムの前駆体として使用して、原子層堆積(ALD)によるインジウムガリウム酸化物(IGO)薄膜の堆積が研究された。
ガリウムドープ亜鉛酸化物は、論文“Growth characteristics and film properties of gallium doped zinc oxide prepared by atomic layer deposition”(J Electroceram(2013)31:338-344)で報告された。この研究では、ガリウム(III)イソプロポキシドとジエチル亜鉛が前駆体として使用された。
Zn、In、Ga前駆体としてジエチル亜鉛(DEZn)、トリメチルインジウム(TMIn)、トリエチルガリウム(TEGa)を使用した空間大気原子層堆積によるInGaZnO薄膜の核形成及び成長に関する研究は、論文“Spatial Atmospheric Atomic Layer Deposition of InxGayZnzO for Thin Film Transistors”(ACS Appl.Mater.Interfaces 2015,7,6,3671-3675)で報告された。
これらの研究では、Ga、Zn、及びIn前駆体はほとんどが自然発火性材料であり、本発明はこれを回避し、同等の材料の物理的特性を利用しようとするものである。
ガリウム錯体(NMe2)2Ga(MeNCH2CH2NMe2)及び(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)は、液体で揮発性であると報告されている(S.T.BarryらによるMRS proceedings,1999)。これらの分子は熱的に安定であり、残留物を残さずに蒸発させることができると報告されている(TGAデータなし)。この分子は自然発火性ではないため、取り扱いが安全である。ガリウム分子は膜の堆積には使用されなかったが、そのアルミニウムバージョンはアンモニアを用いてCVDモードでAlNを堆積するために使用された。(NMe2)2Al(EtNCH2CH2NMe2)からのAlNの堆積が200℃で報告された。
ガリウム酸化物含有膜の堆積については、ガリウム含有前駆体は、そのプロセスから得られる膜の電気伝導性を低下させる可能性のあるハロゲン化物を含むべきではない。さらに、ガリウム前駆体は、IGZO用途におけるインジウム及び亜鉛の共前駆体と、揮発性がほぼ同様であり、熱安定性が同等であるなど、互換性がある必要がある。トリメチルガリウム(GaMe3)、ヘキサキス(ジメチルアミノ)ジガリウム[(Ga2(NMe2)6]、Ga(acac)3(acac=ペンタン-2,4-ジオネート)などを含む前駆体を使用したGa2O3薄膜のALDに関する複数の研究が報告されている。全てのこれらの前駆体は、自然発火性物質であるか、又は室温でほとんどが固体であり、使用には不便であるが、それらの中には穏やかに加熱すると容易に揮発するものもある。
ガリウムを含む二元又は三元酸化物膜を堆積するためには、同様の特性を有する前駆体が好ましい。最も参照されるインジウム分子及び亜鉛分子は、トリメチルインジウム及びジエチル亜鉛である。これら2つの化合物は自然発火性であり、これは安全性が大きく懸念され、コストが増加する。加えて、トリメチルインジウムは室温で固体であり、融点は88℃である。固体の使用は、コストを増加することにもなるため、好ましくない。
いくつかのチームは、興味深い新しいインジウム化合物又は亜鉛化合物を開発した。たとえば、国際公開第2020179748A1号パンフレットには、インジウム含有堆積のためのイソペンチルシクロペンタジエニルインジウムの使用が開示されている。この分子は液体であり、自然発火性ではなく、65℃で1torrの蒸気圧を示す。250℃におけるインジウム酸化物又はインジウムのALDモードでの堆積が開示されている。
R.G.Gordonらは、テトラメチルエチレンジアミン、TMEDAと付加したジエチル亜鉛の合成と、CVDモードでの亜鉛酸化物堆積への使用を開示している(Optimization of Transparent and Reflective Electrodes for Amorphous Silicon Solar Cells,National Renewable Energy Laboratory,1998)。この分子は自然発火性ではないが、ジエチル亜鉛は自然発火性である。この著者らは、対応するフッ素ドープZnO2CVDプロセスがより制御可能で再現性が高く、膜の均一性が(ジエチル亜鉛よりも)優れていると報告している。この分子は固体であるが、ジエチル亜鉛-テトラエチルエチレンジアミン、ジエチル亜鉛-TEEDAのような他の付加したジエチル亜鉛化合物は液体である。本開示の著者らは、社内でジエチル亜鉛-テトラエチルエチレンジアミンの蒸気圧を69℃で1torrと測定した。
結論として、室温で液体であり、ハライドフリーであり、自然発火性を有さず、熱的に安定であり、且つ高い蒸気圧を有する、二元、三元、又は四元の酸化物膜の堆積のためのガリウム化合物を開発する必要があり、加えて、最も優れた堆積プロセスを開発するために、同様の特性を持つ追加の金属前駆体を特定することも重要である。
基材上にガリウム含有酸化物膜を堆積する方法が開示されており、この方法は、
a)同時又は逐次的に、ガリウム前駆体と酸化剤とを含有するガリウム含有膜形成性組成物の蒸気に基材を曝露するステップと、
b)ガリウム前駆体の少なくとも一部を基材上に堆積させて、気相堆積プロセスを介して基材上にガリウム含有酸化物膜を形成するステップと、
を含み、
ガリウム前駆体は、式:
(NR8R9)(NR1R2)Ga[(R3R4N)Cx(R5R6)(NR7)] (I)
(Cy-N)2Ga[(R3R4N)Cx(R5R6)(NR7)] (II)
及び対応する構造:
(式中、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9は、独立して、H、Me、Et、nPr、iPr、nBu、iBu、sBu、又はtBuから選択され;R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9は、同じであっても異なっていてもよく;x=2、3、4であり、好ましくはx=2であり;Cy-Nは飽和N-含有環又は不飽和N-含有環を表し;N-含有環は、鎖中に少なくとも1個の窒素原子と4~6個の炭素原子と含む)
を有する。
a)同時又は逐次的に、ガリウム前駆体と酸化剤とを含有するガリウム含有膜形成性組成物の蒸気に基材を曝露するステップと、
b)ガリウム前駆体の少なくとも一部を基材上に堆積させて、気相堆積プロセスを介して基材上にガリウム含有酸化物膜を形成するステップと、
を含み、
ガリウム前駆体は、式:
(NR8R9)(NR1R2)Ga[(R3R4N)Cx(R5R6)(NR7)] (I)
(Cy-N)2Ga[(R3R4N)Cx(R5R6)(NR7)] (II)
及び対応する構造:
を有する。
本開示の方法は、下記態様の1つ以上を含みうる:
・ Cy-NHは、以下のピロリン、ピロール、及びピペリジンを含む:
;
・ ガリウム前駆体は、(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)、(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NEt2)、(NEtMe)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)、(NEtMe)2Ga(EtNCH2CH2NEt2)、(NEt2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)、(NEt2)2Ga(EtNCH2CH2NEt2)、及び(NMe2)2Ga(MeNCH2CH2NMe2)を含む;
・ ガリウム前駆体は(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)である;
・ ガリウム前駆体は(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NEt2)である;
・ ガリウム前駆体は(NEtMe)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)である;
・ ガリウム前駆体は(NEtMe)2Ga(EtNCH2CH2NEt2)である;
・ ガリウム前駆体は(NEt2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)である;
・ ガリウム前駆体は(NEt2)2Ga(EtNCH2CH2NEt2)である;
・ ガリウム前駆体は(NMe2)2Ga(MeNCH2CH2NMe2)である;
・ a1)ステップa)において、同時に又は逐次的に、表面を第1の金属(M1)前駆体の蒸気に曝露して、第1の金属(M1)前駆体の少なくとも一部及びガリウム前駆体の少なくとも一部を基材上に堆積させて、気相堆積プロセスを介して基材上にガリウム含有酸化物膜を形成するステップであって、ガリウム含有酸化物膜がM1GaO膜であるステップ、をさらに含む;
・ a2)ステップa1)において、同時に又は逐次的に、表面を第2の金属(M2)前駆体の蒸気に曝露して、第2の金属(M2)前駆体の少なくとも一部、ガリウム前駆体の少なくとも一部、及び第1の金属(M1)前駆体の少なくとも一部を基材上に堆積させて、気相堆積プロセスを介して基材上にガリウム含有酸化物膜を形成するステップであって、ガリウム含有酸化物膜がM1M2GaO膜であるステップ、をさらに含む;
・ 膜形成性組成物、第1の金属(M1)前駆体、第2の金属(M2)前駆体、酸化剤、及びそれらの混合物への各曝露の合間に不活性ガスでパージするステップをさらに含む;
・ 不活性ガスは、N2、He、Ar、Kr、又はXeから選択される;
・ 不活性ガスはN2である;
・ 不活性ガスはArである;
・ 第1の金属(M1)前駆体はインジウム前駆体である;
・ 第1の金属(M1)前駆体は亜鉛前駆体である;
・ 第2の金属(M2)前駆体はインジウム前駆体である;
・ 前記第2の金属(M2)前駆体は亜鉛前駆体である;
・ インジウム前駆体は、トリアルキルインジウム、sec-ペンチルシクロペンタジエニルインジウム、又はイソペンチルシクロペンタジエニルインジウムから選択される;
・ インジウム前駆体はトリアルキルインジウムである;
・ インジウム前駆体はイソペンチルシクロペンタジエニルインジウムである;
・ インジウム前駆体はsec-ペンチルシクロペンタジエニルインジウムである;
・ 亜鉛前駆体は、ジエチル亜鉛-テトラメチルエチレンジアミン付加物(TMEDA)、ジエチル亜鉛-テトラエチルエチレンジアミン付加物(TEEDA)、ジエチル亜鉛-N,N’-ジエチル-N,N’-ジエチルエチレンジアミン付加物、ジエチル亜鉛-N,N-ジメチル-N’,N’-ジエチルエチレンジアミン付加物、又はジエチル亜鉛-N,N,N’-トリメチル-N’-エチルエチレンジアミン付加物である;
・ 亜鉛前駆体はジエチル亜鉛-テトラメチルエチレンジアミン付加物(TMEDA)である;
・ 亜鉛前駆体はジエチル亜鉛-テトラエチルエチレンジアミン付加物(TEEDA)である;
・ 亜鉛前駆体はジエチル亜鉛-N,N-ジエチル-N’,N’-ジエチルエチレンジアミン付加物である;
・ 亜鉛前駆体はジエチル亜鉛-N,N-ジメチル-N’,N’-ジエチルエチレンジアミン付加物である;
・ 亜鉛前駆体はジエチル亜鉛-N,N,N’-トリメチル-N’-エチルエチレンジアミン付加物である;
・ M1GaO膜はInGaO膜である;
・ M1GaO膜はZnGaO膜である;
・ M1M2GaO膜はIGZO膜である;
・ ガリウム含有酸化物膜はInGaO膜である;
・ ガリウム含有酸化物膜はZnGaO膜である;
・ ガリウム含有酸化膜はIGZO膜である;
・ 酸化剤はO2、O3、H2O、H2O2、NO、N2O、NO2、酸素含有ラジカル、たとえばO・又はOH・である;
・ 酸化剤はO3である;
・ 酸化剤はO2である;
・ 酸化剤はプラズマ処理されている;
・ ガリウム含有膜形成性組成物は不活性キャリヤーガスを含む;
・ 不活性キャリヤーガスはN2、He、Ne、Ar、Kr、Xe、又はそれらの組合せから選択される。
・ 不活性キャリヤーガスはN2又はArである;
・ ガリウム前駆体の融点はおおよそ60℃以下である;
・ ガリウム前駆体の融点はおおよそ20℃以下である;
・ ガリウム前駆体は自然発火性ではない;
・ ガリウム前駆体は室温で液体である;
・ ガリウム前駆体は室温からおおよそ60℃までの範囲の温度で液体である;
・ 気相堆積プロセスはALDプロセス、CVDプロセス、又はそれらの組合せである;
・ 気相堆積プロセスはALDプロセスである;
・ 気相堆積プロセスはCVDプロセスである;
・ 気相堆積プロセスはPEALDプロセスである;
・ 堆積圧力は約10-3Torr~約100Torrに保持される;
・ 堆積圧力は約10-2Torr~10Torrに保持される;
・ 堆積温度は約100℃~約600℃に保持される;
・ 堆積温度は約150℃~約500℃に保持される;
・ ガリウム前駆体はおおよそ93%w/w~おおよそ100%w/wの範囲の純度を有する;
・ ガリウム前駆体はおおよそ99%w/w~おおよそ99.999%w/wの範囲の純度を有する;
・ インジウム前駆体はおおよそ93%w/w~おおよそ100%w/wの範囲の純度を有する;
・ インジウム前駆体はおおよそ99%w/w~おおよそ99.999%w/wの範囲の純度を有する;
・ 亜鉛前駆体はおおよそ93%w/w~おおよそ100%w/wの範囲の純度を有する;
・ 亜鉛前駆体はおおよそ99%w/w~おおよそ99.999%w/wの範囲の純度を有する;
・ ガリウム含有膜形成性組成物はおおよそ93%w/w~おおよそ100%w/wの範囲の純度を有する;
・ ガリウム含有膜形成性組成物はおおよそ99%w/w~おおよそ99.999%w/wの範囲の純度を有する。
・ Cy-NHは、以下のピロリン、ピロール、及びピペリジンを含む:
・ ガリウム前駆体は、(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)、(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NEt2)、(NEtMe)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)、(NEtMe)2Ga(EtNCH2CH2NEt2)、(NEt2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)、(NEt2)2Ga(EtNCH2CH2NEt2)、及び(NMe2)2Ga(MeNCH2CH2NMe2)を含む;
・ ガリウム前駆体は(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)である;
・ ガリウム前駆体は(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NEt2)である;
・ ガリウム前駆体は(NEtMe)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)である;
・ ガリウム前駆体は(NEtMe)2Ga(EtNCH2CH2NEt2)である;
・ ガリウム前駆体は(NEt2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)である;
・ ガリウム前駆体は(NEt2)2Ga(EtNCH2CH2NEt2)である;
・ ガリウム前駆体は(NMe2)2Ga(MeNCH2CH2NMe2)である;
・ a1)ステップa)において、同時に又は逐次的に、表面を第1の金属(M1)前駆体の蒸気に曝露して、第1の金属(M1)前駆体の少なくとも一部及びガリウム前駆体の少なくとも一部を基材上に堆積させて、気相堆積プロセスを介して基材上にガリウム含有酸化物膜を形成するステップであって、ガリウム含有酸化物膜がM1GaO膜であるステップ、をさらに含む;
・ a2)ステップa1)において、同時に又は逐次的に、表面を第2の金属(M2)前駆体の蒸気に曝露して、第2の金属(M2)前駆体の少なくとも一部、ガリウム前駆体の少なくとも一部、及び第1の金属(M1)前駆体の少なくとも一部を基材上に堆積させて、気相堆積プロセスを介して基材上にガリウム含有酸化物膜を形成するステップであって、ガリウム含有酸化物膜がM1M2GaO膜であるステップ、をさらに含む;
・ 膜形成性組成物、第1の金属(M1)前駆体、第2の金属(M2)前駆体、酸化剤、及びそれらの混合物への各曝露の合間に不活性ガスでパージするステップをさらに含む;
・ 不活性ガスは、N2、He、Ar、Kr、又はXeから選択される;
・ 不活性ガスはN2である;
・ 不活性ガスはArである;
・ 第1の金属(M1)前駆体はインジウム前駆体である;
・ 第1の金属(M1)前駆体は亜鉛前駆体である;
・ 第2の金属(M2)前駆体はインジウム前駆体である;
・ 前記第2の金属(M2)前駆体は亜鉛前駆体である;
・ インジウム前駆体は、トリアルキルインジウム、sec-ペンチルシクロペンタジエニルインジウム、又はイソペンチルシクロペンタジエニルインジウムから選択される;
・ インジウム前駆体はトリアルキルインジウムである;
・ インジウム前駆体はイソペンチルシクロペンタジエニルインジウムである;
・ インジウム前駆体はsec-ペンチルシクロペンタジエニルインジウムである;
・ 亜鉛前駆体は、ジエチル亜鉛-テトラメチルエチレンジアミン付加物(TMEDA)、ジエチル亜鉛-テトラエチルエチレンジアミン付加物(TEEDA)、ジエチル亜鉛-N,N’-ジエチル-N,N’-ジエチルエチレンジアミン付加物、ジエチル亜鉛-N,N-ジメチル-N’,N’-ジエチルエチレンジアミン付加物、又はジエチル亜鉛-N,N,N’-トリメチル-N’-エチルエチレンジアミン付加物である;
・ 亜鉛前駆体はジエチル亜鉛-テトラメチルエチレンジアミン付加物(TMEDA)である;
・ 亜鉛前駆体はジエチル亜鉛-テトラエチルエチレンジアミン付加物(TEEDA)である;
・ 亜鉛前駆体はジエチル亜鉛-N,N-ジエチル-N’,N’-ジエチルエチレンジアミン付加物である;
・ 亜鉛前駆体はジエチル亜鉛-N,N-ジメチル-N’,N’-ジエチルエチレンジアミン付加物である;
・ 亜鉛前駆体はジエチル亜鉛-N,N,N’-トリメチル-N’-エチルエチレンジアミン付加物である;
・ M1GaO膜はInGaO膜である;
・ M1GaO膜はZnGaO膜である;
・ M1M2GaO膜はIGZO膜である;
・ ガリウム含有酸化物膜はInGaO膜である;
・ ガリウム含有酸化物膜はZnGaO膜である;
・ ガリウム含有酸化膜はIGZO膜である;
・ 酸化剤はO2、O3、H2O、H2O2、NO、N2O、NO2、酸素含有ラジカル、たとえばO・又はOH・である;
・ 酸化剤はO3である;
・ 酸化剤はO2である;
・ 酸化剤はプラズマ処理されている;
・ ガリウム含有膜形成性組成物は不活性キャリヤーガスを含む;
・ 不活性キャリヤーガスはN2、He、Ne、Ar、Kr、Xe、又はそれらの組合せから選択される。
・ 不活性キャリヤーガスはN2又はArである;
・ ガリウム前駆体の融点はおおよそ60℃以下である;
・ ガリウム前駆体の融点はおおよそ20℃以下である;
・ ガリウム前駆体は自然発火性ではない;
・ ガリウム前駆体は室温で液体である;
・ ガリウム前駆体は室温からおおよそ60℃までの範囲の温度で液体である;
・ 気相堆積プロセスはALDプロセス、CVDプロセス、又はそれらの組合せである;
・ 気相堆積プロセスはALDプロセスである;
・ 気相堆積プロセスはCVDプロセスである;
・ 気相堆積プロセスはPEALDプロセスである;
・ 堆積圧力は約10-3Torr~約100Torrに保持される;
・ 堆積圧力は約10-2Torr~10Torrに保持される;
・ 堆積温度は約100℃~約600℃に保持される;
・ 堆積温度は約150℃~約500℃に保持される;
・ ガリウム前駆体はおおよそ93%w/w~おおよそ100%w/wの範囲の純度を有する;
・ ガリウム前駆体はおおよそ99%w/w~おおよそ99.999%w/wの範囲の純度を有する;
・ インジウム前駆体はおおよそ93%w/w~おおよそ100%w/wの範囲の純度を有する;
・ インジウム前駆体はおおよそ99%w/w~おおよそ99.999%w/wの範囲の純度を有する;
・ 亜鉛前駆体はおおよそ93%w/w~おおよそ100%w/wの範囲の純度を有する;
・ 亜鉛前駆体はおおよそ99%w/w~おおよそ99.999%w/wの範囲の純度を有する;
・ ガリウム含有膜形成性組成物はおおよそ93%w/w~おおよそ100%w/wの範囲の純度を有する;
・ ガリウム含有膜形成性組成物はおおよそ99%w/w~おおよそ99.999%w/wの範囲の純度を有する。
また、基材上にガリウム含有四元酸化物(M1M2GaO)膜を堆積する方法も開示され、この方法は、
a)同時に又は逐次的に、ガリウム前駆体と、第1の金属(M1)前駆体の蒸気と、第2の金属(M2)前駆体の蒸気と、酸化剤とを含有するガリウム含有膜形成性組成物の蒸気に基材を曝露するステップ;及び
b)ガリウム前駆体の少なくとも一部、第1の金属(M1)前駆体の少なくとも一部、及び第2の金属(M2)前駆体の少なくとも一部を基材上に堆積させて、気相堆積プロセスを介して基材上に前記ガリウム含有四元酸化物膜(M1M2GaO)を形成するステップ;
を含み、
ガリウム前駆体は、式:
(NR8R9)(NR1R2)Ga[(R3R4N)Cx(R5R6)(NR7)] (I)
(Cy-N)2Ga[(R3R4N)Cx(R5R6)(NR7)] (II)
及び対応する構造:
(式中、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9は、独立して、H、Me、Et、nPr、iPr、nBu、iBu、sBu、又はtBuから選択され;R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9は、同じであっても異なっていてもよく;x=2、3、4であり、好ましくはx=2であり;Cy-Nは飽和N-含有環又は不飽和N-含有環を表し;N-含有環は、少なくとも1個の窒素原子と4~6個の炭素原子と含む)
を有する。
a)同時に又は逐次的に、ガリウム前駆体と、第1の金属(M1)前駆体の蒸気と、第2の金属(M2)前駆体の蒸気と、酸化剤とを含有するガリウム含有膜形成性組成物の蒸気に基材を曝露するステップ;及び
b)ガリウム前駆体の少なくとも一部、第1の金属(M1)前駆体の少なくとも一部、及び第2の金属(M2)前駆体の少なくとも一部を基材上に堆積させて、気相堆積プロセスを介して基材上に前記ガリウム含有四元酸化物膜(M1M2GaO)を形成するステップ;
を含み、
ガリウム前駆体は、式:
(NR8R9)(NR1R2)Ga[(R3R4N)Cx(R5R6)(NR7)] (I)
(Cy-N)2Ga[(R3R4N)Cx(R5R6)(NR7)] (II)
及び対応する構造:
を有する。
また、基材上にインジウムガリウム亜鉛酸化物(IGZO)膜を堆積する方法も開示され、この方法は、
a)同時に又は逐次的に、ガリウム前駆体と、インジウム前駆体の蒸気と、亜鉛前駆体の蒸気と、O3とを含有するガリウム含有膜形成性組成物の蒸気に基材を曝露するステップ;及び
b)ガリウム前駆体の少なくとも一部、インジウム前駆体の少なくとも一部、及び亜鉛前駆体の少なくとも一部を基材上に堆積させて、気相堆積プロセスを介して基材上にIGZO膜を形成するステップ;
を含み、
ガリウム前駆体は、式:
(NR8R9)(NR1R2)Ga[(R3R4N)Cx(R5R6)(NR7)] (I)
(Cy-N)2Ga[(R3R4N)Cx(R5R6)(NR7)] (II)
及び対応する構造:
(式中、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9は、独立して、H、Me、Et、nPr、iPr、nBu、iBu、sBu、又はtBuから選択され;R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9は、同じであっても異なっていてもよく;x=2、3、4であり、好ましくはx=2であり;Cy-Nは飽和N-含有環又は不飽和N-含有環を表し;N-含有環は、少なくとも1個の窒素原子と4~6個の炭素原子と含む)
を有する。
a)同時に又は逐次的に、ガリウム前駆体と、インジウム前駆体の蒸気と、亜鉛前駆体の蒸気と、O3とを含有するガリウム含有膜形成性組成物の蒸気に基材を曝露するステップ;及び
b)ガリウム前駆体の少なくとも一部、インジウム前駆体の少なくとも一部、及び亜鉛前駆体の少なくとも一部を基材上に堆積させて、気相堆積プロセスを介して基材上にIGZO膜を形成するステップ;
を含み、
ガリウム前駆体は、式:
(NR8R9)(NR1R2)Ga[(R3R4N)Cx(R5R6)(NR7)] (I)
(Cy-N)2Ga[(R3R4N)Cx(R5R6)(NR7)] (II)
及び対応する構造:
を有する。
表記法及び命名法
下記の詳細な説明及び特許請求の範囲では、当技術分野で一般に周知のいくつかの略号、記号、及び用語が利用される。下記の説明及び特許請求の範囲全体を通して、下記に挙げられる特定の略号、記号、及び用語が使用される。
下記の詳細な説明及び特許請求の範囲では、当技術分野で一般に周知のいくつかの略号、記号、及び用語が利用される。下記の説明及び特許請求の範囲全体を通して、下記に挙げられる特定の略号、記号、及び用語が使用される。
本明細書で用いられる場合、不定冠詞「a」又は「an」は、1つ以上を意味する。
本明細書で用いられる場合、本文中又は請求項中の「about(約)」又は「around(ほぼ)」又は「approximately(おおよそ)」は、明記された値の±10%を意味する。
本明細書で用いられる場合、本文中又は請求項中の「室温」は、おおよそ20℃~おおよそ25℃を意味する。
「高い熱安定性」という用語は、熱重量分析で、「テール」を示すことなく、若しくはここで200℃超で残留量を生じることなく円滑に蒸発し、より好ましくは残留量は300℃で約5%未満であり、より好ましくは300℃で約2%未満である生成物の性質、又はDSC分析で、市販の生成物よりも高温、より好ましくは235℃よりも高温で分解温度の開始を示す生成物の性質を意味する。
「基材」という用語は、プロセスが行われる1つ又は複数の材料を意味する。基材は、プロセスが行われる1つ又は複数の材料を有するウエハを意味しうる。基材は、半導体、光起電力、フラットパネル、又はLCD-TFTデバイス製造に使用されるいずれかの好適なウエハでありうる。基材はまた、その上にすでに堆積された前の製造ステップからの異なる材料の1つ以上の層を有しうる。たとえば、ウエハは、シリコン層(たとえば、結晶性、アモルファス、多孔性のものなど)、シリコン含有層(たとえば、SiO2、SiN、SiON、SiCOHなど)、金属含有層(たとえば、銅、コバルト、ルテニウム、タングステン、白金、パラジウム、ニッケル、ルテニウム、金など)、又はそれらの組合せを含みうる。さらに、基材は、平面状であってもパターニングされていてもよい。基材は、有機パターニングされたフォトレジスト膜でありうる。基材は、MEMS、3D NAND、MIM、DRAM、若しくはFeRamデバイス用途で誘電体材料として使用される酸化物(たとえば、ZrO2系材料、HfO2系材料、TiO2系材料、希土類酸化物系材料、三元酸化物系材料など)の層、又は電極として使用される窒化物系膜(たとえば、TaN、TiN、NbN)を含みうる。基材は、蓄電池技術に使用される粉末などの粉末でもありうる。非限定的な数の粉末材料としては、NMC(リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物)、LCO(リチウムコバルト酸化物)、LFP(リン酸鉄リチウム)、及び他の電池カソード材料が挙げられる。模範的な粉末基材としては、活性炭も挙げられる。
「ウエハ」又は「パターニングされたウエハ」という用語は、基材上に膜のスタックを有し、インジウム含有膜の堆積前のステップで形成されたトポグラフィー特徴を有する少なくとも最上膜を有するウエハを意味する。
「アスペクト比」という用語は、トレンチ(又はアパーチャー)の高さの、トレンチの幅(又はアパーチャーの直径)に対する比を意味する。
本明細書では「膜」及び「層」という用語は互換的に用いられうることに留意されたい。膜は、層に対応しうるか又は関連付けられうるとともに、層は、膜を意味しうるものと理解される。さらに、本明細書で用いられる「膜」又は「層」という用語は、表面が全ウエハ程度に大きいものからトレンチ又はライン程度に小さいものまでにわたっていてもよい表面上に配置された又は表面全体に展延されたある厚さのなんらかの材料を意味することが、当業者であれば分かるであろう。本明細書及び特許請求の範囲全体を通して、ウエハ及びその上のいずれかの関連層は、基材といわれる。
本明細書では、「アパーチャー」、「ビア」、「ホール」、及び「トレンチ」という用語は、半導体構造中に形成された開口を意味するものとして互換的に用いられうることに留意されたい。
本明細書で用いられる場合、「NAND」という略号は、「Negative AND」又は「Not AND」ゲートを意味し、「2D」という略号は、平面状基材上の2次元ゲート構造を意味し、「3D」という略号は、ゲート構造が垂直方向にスタックされた3次元又は垂直ゲート構造を意味する。
本明細書では、「堆積温度」及び「基材温度」という用語は、互換的に用いられうることに留意されたい。基材温度は、堆積温度に対応しうるか又は関連付けられうるとともに、堆積温度は、基材温度を意味しうるものと理解される。
本明細書では、「前駆体」及び「堆積化合物」及び「堆積ガス」という用語は、前駆体が室温及び周囲圧力でガス状態であるとき、互換的に用いられうることに留意されたい。前駆体は、堆積化合物又は堆積ガスに対応しうるか又は関連付けられうるとともに、堆積化合物又は堆積ガスは、前駆体を意味しうるものと理解される。
本明細書では元素周期表からの元素の標準的略号が用いられる。元素はこうした略号により参照されうることが理解されるべきである(たとえば、Siはケイ素を意味し、Nは窒素を意味し、Oは酸素を意味し、Cは炭素を意味し、Hは水素を意味し、Fはフッ素を意味するなど)。
Chemical Abstract Serviceにより割り当てられたユニークCAS登録番号(すなわち、「CAS」)は、開示された特定の分子を同定するために提供される。
本明細書で用いられる場合、「アルキル基」という用語は、炭素原子及び水素原子を排他的に含有する飽和官能基を意味する。アルキル基は、炭化水素の1群である。さらに、「アルキル基」という用語は、線状、分枝状、又は環状アルキル基を意味する。線状アルキル基の例としては、限定されるものではないが、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基などが挙げられる。分岐状アルキル基の例としては、限定されるものではないが、t-ブチルが挙げられる。環状アルキル基の例としては、限定されるものではないが、シクロプロピル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基などが挙げられる。
本明細書で用いられる場合、「Me」という略号は、メチル基を意味し、「Et」という略号は、エチル基を意味し、「Pr」という略号は、いずれかのプロピル基(すなわち、n-プロピル又はイソプロピル)を意味し、「iPr」という略号は、イソプロピル基を意味し、「Bu」という略号は、いずれかのブチル基(n-ブチル、iso-ブチル、tert-ブチル、sec-ブチル)を意味し、「tBu」という略号は、tert-ブチル基を意味し、「sBu」という略号は、sec-ブチル基を意味し、「iBu」という略号は、iso-ブチル基を意味し、「Ph」という略号は、フェニル基を意味し、「Amy」という略号は、いずれかのアミル基(iso-アミル、sec-アミル、tert-アミル)を意味し、「Cy」という略号は、環状炭化水素基(シクロブチル、シクロペンチル、シクロヘキシルなど)を意味し、「Ar」という略号は、芳香族炭化水素基(フェニル、キシリル、メシチルなど)を意味する。本開示の実施形態で用いられる場合、R基を記載する文脈で用いられる場合の「独立して」という用語は、主題のR基が、同じ又は異なる下付き文字又は上付き文字を有する他のR基に対して独立して選択されるだけでなく、その同じR基のいずれかのさらなる種に対しても独立して選択されることを意味するものと理解されるべきである。たとえば、式MR1
x(NR2R3)(4-x)(式中、xは、2又は3である)中、2つ又は3つのR1基は、互いに対して又はR2に対して若しくはR3に対して同一であってよいが、そうである必要はない。さらに、特に明記されない限り、異なる式中に用いられる場合、R基の値は互いに独立していることが理解されるべきである。
本明細書では、範囲は、およその1つの特定値から及び/又はおよそのもう1つの特定値までとして表されうる。かかる範囲で表されるとき、他の一実施形態は、前記範囲内のすべての組合せと共に一方の特定値から及び/又は他方の特定値までと理解されるべきである。本開示の実施形態に列挙されるいかなる範囲もすべて、「包含的に」という用語が用いられているかどうかにかかわらず、それらの端点を包含する(すなわち、x=1~4又はxは1~4の範囲内であるは、x=1、x=4、及びx=その間のいずれかの数を含む)。
「一実施形態」又は「ある実施形態」への本明細書での参照は、その実施形態との関連で記載された特定の特徴、構造、又は特性が本発明の少なくとも1つの実施形態に含まれうることを意味する。本明細書の各種場所での「一実施形態では」という語句の出現は、必ずしもすべてがその実施形態を参照するとは限らず、別々の又は代替の実施形態が必ずしも他の実施形態を相互に除外するものでもない。同じことが「実現」という用語にも当てはまる。
本願で用いられる場合、「模範的」という語は、例、事例、又は例示の働きをすることを意味するものとして本明細書で用いられる。「模範的」として本明細書に記載されるいずれの態様も設計も、必ずしも他の態様や設計よりも好ましい又は有利であるとして解釈されるべきではない。むしろ、模範的という語の使用は、具体的に概念を提示することが意図される。
請求項中の「comprising(~を含む)」は、続いて同定された請求項要素が非排他的リスティングであること、すなわち、ほかに何かあれば追加的に含まれうるとともに依然として「comprising(~を含む)」の範囲内にあることを意味するオープン移行用語である。「comprising(~を含む)」は、本明細書では、より限定された移行用語「consisting essentially of(~から本質的になる)」及び「consisting of(~からなる)」を必然的に包含するとして定義され、したがって、「comprising(~を含む)」は、「consisting essentially of(~から本質的になる)」又は「consisting of(~からなる)」に置き換えられうるとともに依然として「comprising(~を含む)」の明示的に定義された範囲内にある。
そのほか、「or(又は)」という用語は、排他的「or(又は)」ではなく包含的「or(又は)」を意味することが意図される。すなわち、とくに明記されていない限り又は文脈から明らかでない限り、「XがA又はBを採用する」は、道理にかなった包含的並替えのいずれかを意味することが意図される。すなわち、XがAを採用する、XがBを採用する、又はXがA及びBの両方を採用する場合、「XがA又はBを採用する」は、上記事例のいずれかの下で満足される。そのほか、本願及び添付の特許請求の範囲で用いられる冠詞「a」及び「an」は、単数形を対象とすることがとくに明記されていない限り又は文脈から明らかでない限り、「one or more(1つ以上)」を意味するものと一般に解釈されるべきである。
請求項中の「Providing(~を提供する)」は、何かを与える、供給する、利用可能にする、又は調製することを意味するものと定義される。逆に、請求項中に明確な文言がない場合、このステップはいずれかの動作主によって行われうる。
本発明の性質及び目的の理解を深めるために、同じ要素には同一又は類似の参照番号が与えられる添付図面と併せて、下記の詳細な説明が参照されるべきである。
アミノアミド配位子を含むガリウム前駆体を含むガリウム含有膜形成性組成物、及び半導体デバイスを製造するためのインジウムガリウム亜鉛酸化物(IGZO)膜などのガリウム含有酸化物膜を堆積するためのその使用方法が開示される。ガリウム含有酸化物膜は、二元、三元、又は四元のガリウム酸化物膜であってよい。本開示のガリウム前駆体は、室温からおおよそ60℃の範囲の温度で液体であり、揮発性であり、非自然発火性であり、且つハロゲンフリーのガリウムアミノ化合物である。本開示のガリウム前駆体は、好ましくは約20℃で液体である。ガリウム前駆体の融点はおおよそ60℃未満であり、好ましくはガリウム前駆体の融点はおおよそ20℃未満である。本開示のガリウム前駆体の揮発性及び熱安定性は、約110℃で融解する固体であり、且つIGZOなどのガリウム酸化物含有膜の主なGa源として使用されてきたトリス(ジメチルアミノ)ガリウム(Ga(NMe2)3、TDMAGa)などの既存のガリウム前駆体よりも高い。本開示のガリウム前駆体は室温で液体であるため、その調製、合成、精製、キャニスター内での保管、及び液体供給システムへの供給を簡単に操作することができる。これらの特性は、前駆体が大量生産(HVM)で使用される場合のコスト削減のために産業界に有益である。
本開示のガリウム前駆体は自然発火性ではないため、安全性に関連するコストが削減される。自然発火性の化学物質は航空輸送ができず、海上輸送する必要があることが知られている。国際輸送に船を使用する必要があると、開発段階、立ち上げ段階、さらには大量生産段階でも、量によっては明らかにコスト増になる。加えて、自然発火性製品の船舶輸送、保管、及び特定の規制に伴う船舶輸送時間及びコンテナの品質要件は、製造コストの増加をもたらす。
本開示のガリウム前駆体はハロゲンフリーであり、本開示の方法で使用されるインジウム前駆体や亜鉛前駆体などの2分子に適合する。そのため、システム全体で腐食の影響がないと考えられ、特殊な建築物の防食材料、特殊なOリング、又は特殊且つ高価なポンプを使用する必要がなく、メンテナンスなどの必要性が減少するため、プロセスのコストも削減される。
TDMAGaと比較して本開示のガリウム前駆体の揮発性が高いため(表1を参照)、同じ温度で容器を加熱しながら、TDMAGaと比較して本開示のガリウム前駆体の大きな流量を反応器内に供給することができる。Gaの分圧が高いほど、TDMAGaと比較して堆積速度が速くなる可能性がある。堆積速度が速いほど、製造コストが削減される可能性がある。膜中のGa含有量を増やすこともできる可能性があり、その結果、膜組成を柔軟に調整できる可能性がある。熱重量測定によって示される本開示のガリウム前駆体の安定性がTDMAGaと比較して高いことから、本開示のガリウム前駆体は、堆積プロセスウインドウを調整することができる。本開示の分子はより安定であるため、TDMAGaなどの現行の分子よりも高温でALDモードで膜を堆積できる可能性がある。より高い温度で膜を堆積できる能力のため、通常、堆積される膜の品質を向上させることができる。すなわち、不純物含有量、炭素、又は窒素が少なくなる。場合によっては、ALDモードのままで高温で膜を堆積する実現性のため、異なる結晶相で膜を堆積させることができ、これにより移動度が高くなることなどに起因して、低温で堆積された膜よりも優れた特性を膜に持たせることができる。
本開示のガリウム前駆体は、下記一般式:
(NR8R9)(NR1R2)Ga[(R3R4N)Cx(R5R6)(NR7)] (I)
(Cy-N)2Ga[(R3R4N)Cx(R5R6)(NR7)] (II)
及び以下の対応する構造を有する:
(NR8R9)(NR1R2)Ga[(R3R4N)Cx(R5R6)(NR7)] (I)
(Cy-N)2Ga[(R3R4N)Cx(R5R6)(NR7)] (II)
及び以下の対応する構造を有する:
式(I)において、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9は、H、Me、Et、nPr、iPr、nBu、iBu、sBu、又はtBuから独立して選択され;R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9は、同じであっても異なっていてもよく;x=2、3、4であり、好ましくはx=2である。
式(II)において、R3、R4、R5、R6、R7は、H、Me、Et、nPr、iPr、nBu、iBu、sBu、又はtBuから独立して選択され;R3、R4、R5、R6、R7は、同じであっても異なっていてもよく;x=2、3、4であり、好ましくはx=2であり;Cy-Nは飽和N-含有環又は不飽和N-含有環を表し;N-含有環は、鎖中に少なくとも1個の窒素原子と4~6個の炭素原子とを含む。Cy-NHの例としては、以下:
のようなピロリン、ピロール、及びピペリジンなどが挙げられる。
例示的な本開示のガリウム前駆体としては、以下のものが挙げられる:
本開示のガリウム前駆体は、(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)、(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NEt2)、(NEtMe)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)、(NEtMe)2Ga(EtNCH2CH2NEt2)、(NEt2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)、(NEt2)2Ga(EtNCH2CH2NEt2)、及び(NMe2)2Ga(MeNCH2CH2NMe2)である。
本開示のガリウム前駆体は、それらをガリウム酸化物及び多金属ガリウム含有酸化物膜の堆積に適したものにする以下の特徴を有しうる。一態様では、本開示のガリウム前駆体は室温で液体であり、そのため本開示のガリウム前駆体は、参照Ga化合物であるTDMAGaよりも揮発性がはるかに高く、熱安定性が高く、低い温度で十分な蒸気圧を有する。別の態様では、本開示のガリウム前駆体は、非自然発火性化合物であり、そのため半導体産業への応用のための調製、合成、精製、貯蔵、及び供給を容易にすることができる。本開示のガリウム前駆体は、IGZO膜を含むガリウム酸化物膜及び多金属ガリウム含有酸化物膜の形成における堆積前駆体としての使用に適するであろう。
本開示のガリウム前駆体は、ガリウム酸化物膜、ガリウムインジウム酸化物膜、ガリウム亜鉛酸化物膜、及びIGZO膜堆積のための前駆体として有用であるのに適している。この場合も、本開示のガリウム前駆体は、室温で非自然発火性且つ揮発性の液体化合物であり、優れた蒸気圧及び優れた熱安定性を有する。本開示のガリウム前駆体の主な特性(蒸気圧、融点)は、TDMAGaなどの現在使用されているガリウム前駆体よりも、トリメチルインジウム又はジエチル亜鉛などの標準的に使用されているインジウム前駆体及び亜鉛前駆体の特性に近い。
本開示のガリウム前駆体は、高い熱安定性を有し、たとえばCMOSシステム、3D NANDチャネル、又は光検出器などの高速、高感度の半導体層の形成に使用することができる。本開示のガリウム前駆体は、対応する元素含有膜の堆積、及び対応する元素含有層の堆積のためのその関連する使用に適している。
本開示の膜形成性組成物は、本開示のガリウム前駆体、共反応剤、キャリヤーガスなどを含みうる。共反応剤には、追加の1つ又は複数の前駆体、及びO2やO3などの酸化剤などが含まれうる。本開示のガリウム前駆体及び本開示の膜形成性組成物は、電子分野で使用されるGa2O3などのガリウム酸化物薄膜の形成に適している。本開示のガリウム前駆体及び本開示の膜形成性組成物は、ディスプレイ、半導体、ロジック及びメモリ産業などで利用されるインジウムガリウム酸化物膜、亜鉛ガリウム酸化物膜、及びインジウムガリウム亜鉛酸化物(IGZO)膜の製造に適している。
本開示は、ALD又はCVDなどの気相堆積法により、本開示のガリウム前駆体を使用してガリウム酸化物膜、インジウムガリウム酸化物膜、亜鉛ガリウム酸化物膜、及びインジウムガリウム亜鉛酸化物(IGZO)膜を形成するためのプロセスも含む。本開示は、同時に、及び/又は逐次的に、本開示のガリウム前駆体を使用して、1つ又は複数の酸化剤(たとえばO2とO3、又はH2OとH2O2)である共反応剤と組み合わせて、又は組み合わせることなしに、ALD、CVD、スピンオン、スプレー、ディップコーティング、スリットコーティング、又は任意の他の堆積技術によって膜を堆積するための反応チャンバーに導入して膜を形成する、堆積プロセスである。本開示のガリウム前駆体を使用する本開示の堆積プロセスは、加熱、光、直接若しくはリモートプラズマ、又はそれらの組合せによって支援されうる。
共反応剤は、本開示のガリウム前駆体以外の追加の1つ以上の前駆体であってよい。共反応剤は、インジウム前駆体、亜鉛前駆体、又はそれらの組合せであってよい。追加の前駆体は、蒸気圧が100℃未満の温度で1torr、好ましくは蒸気圧が80℃未満で1torrである、非自然発火性であり、液体であり、且つハライドフリーであるインジウム分子又は亜鉛分子から選択することができる。
さらに、共反応剤は、O2、O3、H2O、H2O2、NO、N2O、NO2、酸素含有ラジカル、例えばO・又はOH・、アルコール、シラノール、アミノアルコール、カルボン酸、たとえばギ酸、酢酸、プロピオン酸、パラ-ホルムアルデヒド、他の酸化性化合物、及びそれらの混合物のうちの1つなどの酸化性ガスであってよい。好ましくは、酸化性ガスは、O2、O3、H2O2、及びH2Oからなる群から選択される。好ましくは、ALDプロセスが行われる場合、共反応剤は、プラズマ処理された酸素、オゾン、又はそれらの組合せである。得られるガリウム含有酸化物膜はガリウム酸化物膜になる。
共反応剤はプラズマによって処理されてもよく、反応剤をそのラジカル形態に分解するために、プラズマで処理される場合にはO3及びO2を酸素源ガスとして利用することができる。プラズマ源は、Heプラズマ、Arプラズマ、及びそれらの混合であってもよい。たとえば、プラズマは、約10W~約1000W、好ましくは約50W~約500Wの範囲の電力で生成することができる。プラズマは、反応器自体の中で生成させて存在させることができる。代替的に、プラズマは、一般に、反応器から離れた場所、たとえば遠隔設置されたプラズマシステム内に存在していてもよい。当業者であれば、そのようなプラズマ処理に適した方法及び装置を認識するであろう。
たとえば、反応チャンバー内でプラズマ処理された反応剤を生成するために、共反応剤は、反応チャンバー内でプラズマが生成する直接プラズマ反応器内に導入されうる。共反応剤は、プラズマ処理前に反応チャンバー内に導入され保持されうる。代替的に、プラズマ処理は、反応剤の導入と同時に行われうる。
代替的に、反応チャンバー内に通す前に共反応剤を処理するために、プラズマ処理された共反応剤は、反応チャンバーの外側、たとえば、遠隔プラズマで生成されうる。
気相堆積プロセスを用いて基材上にガリウム含有酸化物層を形成する方法も開示される。本出願人らは、本開示の膜形成性組成物がALDに好適であると考えている。より具体的には、本開示の膜形成性組成物は、表面飽和、サイクルごとの自己制限的成長、及びおおよそ2:1~おおよそ200:1、好ましくはおおよそ20:1~おおよそ150:1、より好ましくはおおよそ50:1~おおよそ100:1の範囲のホール、トレンチなどのアスペクト比で、90%を超える完全なステップカバレッジが可能である。加えて、本開示の膜形成性組成物は、高い分解温度を有し、これはALDが可能となる良好な熱安定性を示している。高い分解温度によって、より高い温度でALDが可能となり、より高い純度を有する膜が得られる。本開示の方法は、半導体、光起電力、LCD-TFT、フラットパネル型デバイスの製造に有用となりうる。
当業者に公知のいずれかの堆積方法を用いてガリウム含有酸化物膜を堆積するために、本開示のガリウム含有膜形成性組成物が用いられうる。好適な堆積方法の例としては、プラズマ支援あり又はなしの化学気相堆積(CVD)又は原子層堆積(ALD)が挙げられる。例示的なALD方法としては、阻害剤の使用あり又はなしの熱ALD、プラズマ強化ALD(PEALD)、空間隔離ALD、時間(temporal)ALD、選択的若しくは非選択的ALD、ホットワイヤALD(HWALD)、ラジカル導入ALD、流動性ALD(熱的又はプラズマ)、及びそれらの組合せが挙げられる。好適なステップカバレッジ及び膜厚さ制御を得るために、堆積方法は、好ましくはALD、PE-ALD、又は空間ALDである。例示的なCVD方法としては、金属-有機CVD(MOCVD)、熱CVD、パルスCVD(PCVD)、低圧CVD(LPCVD)、準大気圧CVD(SACVD)若しくは大気圧CVD(APCVD)、ホットワイヤCVD若しくはホットフィラメントCVD(cat-CVDとしても知られており、ホットワイヤは堆積プロセスのエネルギー源として機能する)、ホットウォールCVD、コールドウォールCVD、エアロゾル支援CVD、直接液体注入CVD、燃焼CVD、ハイブリッド物理CVD、金属有機CVD、急速熱CVD、光開始CVD、レーザーCVD、ラジカル導入CVD、限定されるものではないが流動性PECVDなどのプラズマ強化CVD(PECVD)、及びそれらの組合せが挙げられる。
本開示のガリウム含有膜形成性組成物は、5%v/v未満、好ましくは1%v/v未満、より好ましくは0.1%v/v未満、さらにより好ましくは0.01%v/v未満のいずれかの類似体又は他の反応生成物を含有する。この実施形態は、より優れたプロセス再現性を提供することができる。この実施形態は、ガリウム含有膜形成性組成物の精製(たとえば蒸留、昇華、クロマトグラフィーなど)によって生成することができる。
本開示の膜形成性組成物の純度は、93%w/w超(すなわち、95.0%w/w~100.0%w/w)、好ましくは98%w/w超(すなわち、98.0%w/w~100.0%w/w)、より好ましくは99%w/w超(すなわち、99.0%w/w~おおよそ99.999%w/w又は99.0%w/w~100.0%w/w)である。純度は、NMR分光、及び質量分析を伴うガス若しくは液体クロマトグラフィーによって決定されうることは、当業者であれば分かるであろう。本開示の膜形成性組成物は、下記不純物:ピラゾール、ピリジン、アルキルアミン、アルキルイミン、THF、エーテル、ペンタン、シクロヘキサン、ヘプタン、ベンゼン、トルエン、塩素化金属化合物、リチウム、ナトリウム、カリウムピラゾリルのいずれかを含有しうる。これらの不純物の合計量は、好ましくは未満5%w/w未満(すなわち、0.0%w/w~5.0%w/w)、好ましくは2%w/w未満(すなわち、0.0%w/w~2.0%w/w)、より好ましくは1%w/w未満(すなわち、0.0%w/w~1.0%w/w)である。本開示の膜形成性組成物は、再結晶化、昇華、蒸留、及び/又は4Åモレキュラーシーブなどの好適な吸着材を介する気液通過により精製されうる。
本開示の膜形成性組成物の精製によって、それぞれ独立して、0ppbw~1ppmw、好ましくはおおよそ0~おおよそ500ppbw(重量十億分率)レベル、より好ましくはおおよそ0ppbw~おおよそ100ppbw、さらにより好ましくはおおよそ0ppbw~おおよそ10ppbwの範囲内の金属不純物にもなりうる。これらの金属又は半金属不純物としては、アルミニウム(Al)、ヒ素(As)、バリウム(Ba)、ベリリウム(Be)、ビスマス(Bi)、カドミウム(Cd)、カルシウム(Ca)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、銅(Cu)、ゲルマニウム(Ge)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、鉄(Fe)、鉛(Pb)、リチウム(Li)、マグネシウム(Mg)、マンガン(Mn)、タングステン(W)、ニッケル(Ni)、カリウム(K)、ナトリウム(Na)、ストロンチウム(Sr)、トリウム(Th)、スズ(Sn)、チタン(Ti)、ウラン(U)、及びバナジウム(V)が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
本開示のガリウム含有膜形成性組成物が水にふれると、本開示のガリウム前駆体がGa(OH)3へと分解する可能性があるため、水に触れないように注意する必要がある。
本開示の膜形成性組成物は、ニート形、又はエチルベンゼン、キシレン、メシチレン、デカン、ドデカンなどの好適な溶媒とのブレンドのどちらかで供給されうる。本開示の前駆体は、溶媒中にさまざまな濃度で存在しうる。
ニートブレンド膜形成性組成物は、チュービング及び/又はフローメーターなどの従来の手段により、蒸気形で反応器内に導入される。蒸気形は、直接気化などの従来の気化ステップ、蒸留を介して、バブリングにより、又は昇華器を用いて、ニートブレンド組成物を気化させることにより生成されうる。ニートブレンド組成物は、液状状態で気化器に供給され、そこで反応器内への導入前に気化されうる。代替的に、ニートブレンド組成物は、組成物を含有する容器中にキャリヤーガスを通すことにより、組成物中にキャリヤーガスをバブリングすることにより気化されうる。キャリヤーガスとしては、限定されるものではないが、Ar、He、N2及びそれらの混合物が挙げられうる。また、キャリヤーガスによるバブリングでは、ニートブレンド組成物中に存在するいずれかの溶存酸素が除去されうる。次いで、キャリヤーガス及び組成物は、蒸気として反応器内に導入される。
必要であれば、本開示の膜形成性組成物を含有する容器は、組成物が十分な蒸気圧を有するようにしうる温度に加熱されうる。容器は、たとえば、おおよそ0℃~おおよそ200℃の範囲内の温度に維持されうる。気化される前駆体の量を制御すべく容器の温度を公知のように調節しうることは、当業者であれば分かる。
反応器は、堆積方法が行われるデバイス内のいずれかのエンクロージャーチャンバー、たとえば、限定されるものではないが、パラレルプレート型反応器、コールドウォール型反応器、ホットウォール型反応器、シングルウエハ反応器、マルチウエハ反応器、化合物の反応及び層形成を引き起こすのに好適な条件下の他の型の堆積システムでありうる。ALD又はCVD堆積プロセスのどちらかでこれらの反応器のいずれかを使用しうることは、当業者であれば分かるであろう。
反応器は、膜が堆積される1つ以上の基材を含む。基材は、一般に、プロセスがその上で行われる材料として定義される。基材は、半導体、光起電力、フラットパネル、又はLCD-TFTデバイス製造に使用されるいずれかの好適な基材でありうる。適切な基材の例としては、シリコン、シリカ、ガラス、GaAsウエハなどのウエハが挙げられる。ウエハは、その上に堆積された前の製造ステップからの異なる材料の1つ以上の層も有しうる。たとえば、ウエハは誘電体層を含みうる。さらに、ウエハは、シリコン層(結晶質、アモルファス、多孔質など)、ケイ素酸化物層、ケイ素窒化物層、ケイ素酸窒化物層、炭素ドープケイ素酸化物(SiCOH)層、金属、金属酸化物金属窒化物層(Ti、Ru、Taなど)、及びそれらの組合せを含みうる。加えて、ウエハは、銅層、貴金属層(たとえば、白金、パラジウム、ロジウム、金)を含みうる。ウエハは、マンガン、マンガン酸化物などのバリア層を含みうる。ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)ポリ(スチレンスルホン酸)[PEDOT:PSS]などのプラスチック層も使用されうる。層は、平面状であってもパターニングされていてもよい。本開示のプロセスは、パターニングされた層が基材上に形成されるときに、層をウエハ上に直接、又はウエハ上の1つ又は複数の層上に直接堆積することができる。パターニングされた層は、3D NANDで使用されるSiOとSiNなどの2つの特定の層の交互の層であってもよい。さらに、当業者であれば、本明細書で使用される「膜」「層」という用語が、表面上に敷かれる、又は表面上に広げられる何らかの材料の厚さを指し、表面がトレンチであってもラインであってもよいことを認識するであろう。本明細書及び特許請求の範囲全体を通じて、ウエハ及びその上の任意の関連する層は基材と呼ばれる。たとえば、ガリウム酸化物膜は、HfO2層などの金属酸化物層上に堆積されうる。
基材の最終用途は本発明に限定されないが、この技術は、シリコンウエハ、ガラスウエハ及びパネル、ビーズ、粉末及びナノ粉末、モノリシック多孔質媒体、プリント回路基板、プラスチックシートなどのタイプの基材に対して特に利点が見出されうる。例示的な粉末基材としては、充電式電池技術で使用される粉末が挙げられる。非限定的な数の粉末材料としては、NMC(リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物)、LCO(リチウムコバルト酸化物)、LFP(リチウム鉄リン酸塩)、及び他の電池カソード材料が挙げられる。
反応器内の温度及び圧力は、ALDやCVDなどの気相堆積に適した条件に保持される。言い換えると、気化された本開示の膜形成性組成物をチャンバー内に導入した後、チャンバー内の条件は、前駆体の少なくとも一部が基材上に堆積して層を形成するような条件である。たとえば、反応器内の圧力又は堆積圧力は、堆積パラメータごとに必要に応じて、約10-3torr~約100torr、より好ましくは約10-2torr~10torrに保持することができる。同様に、反応器内の温度又は堆積温度は、約100℃~約600℃、好ましくは約150℃~約500℃に保持することができる。当業者であれば、「前駆体の少なくとも一部が堆積される」が、前駆体の一部又は全部が基材と反応して基材に付着することを意味することを認識するであろう。
最適な膜成長を実現するための温度は、基材ホルダーの温度を制御することによって制御することができる。基材を加熱するために使用される装置は当技術分野で公知である。基材は、十分な成長速度で所望の物理的状態及び組成を有する所望の膜を得るのに十分な温度まで加熱される。基材が加熱されうる非限定的な例示的な温度範囲には、おおよそ100℃~おおよそ600℃が含まれる。プラズマ堆積プロセスが利用される場合、堆積温度は好ましくは400℃未満である。代替的に、熱プロセスが実行される場合、堆積温度はおおよそ100℃~おおよそ600℃の範囲でありうる。
代替的に、基材は、十分な成長速度で所望の物理的状態及び組成を有する所望のガリウム含有酸化物膜を得るのに十分な温度に加熱されうる。基材が加熱されうる非限定的な例示的な温度範囲には、室温からおおよそ600℃までが含まれる。好ましくは、基材の温度は500℃以下に維持される。
チャンバー内でのALD条件により、基材表面に吸着又は化学吸着された本開示の膜形成性組成物が反応して基材上に膜を形成することが可能になる。いくつかの実施形態では、出願人らは、共反応剤をプラズマ処理することにより、本開示の膜形成性組成物と反応するのに必要なエネルギーを共反応剤に与えることができると考えている。この例示的なALDプロセスにおける共反応剤がプラズマで処理される場合、例示的なALDプロセスは例示的なPEALDプロセスになる。共反応剤は、チャンバーへの導入の前に、又はそれに続いてプラズマで処理されてもよい。
膜形成性組成物及び共反応剤は、反応器に逐次的に導入されてもよい(ALD)。反応器は、膜形成性組成物、任意の追加の前駆体、及び共反応剤のそれぞれの導入の合間に不活性ガスでパージされてもよい。別の例は、共反応剤を連続的に導入し、膜形成性組成物をパルスで導入する一方で、共反応剤をプラズマで連続的に活性化することであるが、膜形成性組成物と活性化されていない共反応剤がチャンバーの温度及び圧力条件下で実質的に反応しないことを条件とする(CW PEALD)。
本開示の膜形成性組成物の各パルスは、約0.001秒~約120秒、代替的に約1秒~約80秒、代替的に約5秒~約30秒の範囲の時間継続されうる。共反応剤も、反応器内にパルス導入されてもよい。そのような実施形態では、それぞれのパルスは、約0.01秒~約120秒、代替的に約1秒~約30秒、代替的に約2秒~約20秒の範囲の時間継続されうる。別の代替形態では、気化した膜形成性組成物及び共反応剤は、シャワーヘッドの異なるセクターから(組成物と反応剤との混合なしで)同時に噴霧することができ、その下で複数のウエハを保持するサセプタが回転する(空間ALD)。
具体的なプロセスパラメータに応じて、堆積はさまざまな時間にわたって行われうる。一般に、堆積は、必要な特性を有する膜を製造するのに必要な時間継続することができる。典型的な膜厚さは、具体的な堆積プロセスに応じて、数オングストロームから数百ミクロンまで、典型的には1~100nmで変化しうる。堆積プロセスは、所望の膜を得るために必要な回数行うこともできる。
基材上にガリウム含有酸化物層を形成するための本開示の方法は、基材を反応器内に配置すること、本開示のガリウム含有膜形成性組成物の蒸気を反応器内に供給すること、及び基材を蒸気と接触/基材に蒸気を吸着させて(典型的には蒸気を基材に当てて)、基材表面にガリウム含有酸化物層を形成すること、を含む。代替的に、基材上にガリウム含有酸化物層を形成するための本開示の方法は、基材を反応器内に配置すること、本開示のガリウム含有膜形成性組成物の蒸気に基材を曝露すること、及び基材の表面にガリウム含有酸化物層を堆積すること、を含む。
ガリウム含有膜形成性組成物の蒸気が生成され、その後、これが基材を含む反応チャンバーに導入される。反応チャンバー内の温度及び圧力、並びに基材の温度は、本開示のガリウム前駆体の少なくとも一部を基材上に気相堆積するのに適した条件に維持される。言い換えると、気化した組成物が反応チャンバーに導入された後、ガリウム前駆体の少なくとも一部が基材上に堆積してガリウム含有酸化物層を形成するように、反応チャンバー内の条件が調整される。当業者は、「ガリウム前駆体の少なくとも一部が堆積される」が、前駆体の一部又は全部が基材と反応するか基材に付着することを意味することを認識するであろう。ここで、ガリウム含有酸化物層の形成を助けるために共反応剤を使用することもできる。
本開示の膜形成性組成物及び共反応剤は、同時(CVD)、逐次(ALD)、又はそれらの異なる組合せのいずれかで反応器に導入されうる。反応器は、膜形成性組成物の導入と共反応剤の導入との合間に不活性ガス(たとえば、N2、He、Ar、Kr、又はXe)でパージされてもよい。代替的に、共反応剤と膜形成性組成物とが一緒に混合されて共反応剤/化合物の混合物を形成し、その後混合物の形態で反応器に導入されてもよい。別の例は、共反応剤を連続的に導入し、本開示の膜形成性組成物をパルスによって導入すること(パルスCVD)である。
ガリウム酸化物膜、二元膜を形成する非限定的な例示的なALDプロセスでは、(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)などの本開示の膜形成性組成物の気相が反応器に導入され、そこで化学吸着又は物理吸着のいずれかで適切な基材と接触する。次いで、反応器をパージ及び/又は排気することによって、すなわち、不活性ガス(たとえば、N2、He、Ar、Kr、又はXe)で反応器をパージするか、高真空及び/又はキャリヤーガスカーテン下のセクターに基材を通過させるかのいずれかによって、過剰な組成物を反応器から除去することができる。共反応剤、たとえばO3が反応器に導入され、そこで吸着された膜形成性組成物と自己制限的に反応する。過剰な共反応剤は、反応器をパージ及び/又は排気することによって反応器から除去される。所望の膜はガリウム酸化物である。この2段階プロセスは、所望の厚さを有する膜が得られるまで繰り返すことによって、所望の膜厚さを提供することができる。ガリウム膜形成用組成物と共反応剤を交互に供給することにより、所望の組成と厚さの膜を堆積することができる。
代替的に、所望のインジウム含有膜が三元膜であるInGaOやZnGaOなど3つの元素を含む場合、追加の前駆体化合物の蒸気を反応器に導入することによって上記2段階プロセス(たとえば、ガリウム酸化物膜の形成)が挿入されてもよい(3段階プロセス)。追加の前駆体化合物は、堆積される膜の性質に基づいて選択される。追加の元素としては、窒素(N)、硫黄(S)、リン(P)、スズ(Sn)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、インジウム(In)、亜鉛(Zn)、及びこれらの混合を挙げることができる。追加の前駆体化合物が利用される場合、基材上に堆積された結果として得られる膜は、追加の元素と組み合わされたガリウム及び共反応剤を含む。追加の前駆体とガリウム前駆体とが複数のALDスーパーサイクルシーケンスで使用される場合、ナノラミネート膜が得られる。反応器への導入後、追加の前駆体化合物は基材と接触又は基材に吸着される。その後、過剰な前駆体化合物は、反応器をパージ及び/又は排気することによって反応器から除去される。プロセスの要求に応じて、ガリウム前駆体化合物と反応させるために、O2などの共反応剤、又は追加の前駆体が反応器に導入されうる。過剰な共反応剤又は前駆体は、反応器をパージ及び/又は排気することによって反応器から除去される。サイクルの最終ステップでは、残りの共反応剤又は前駆体が反応器に導入され、反応器のパージ及び/又は排気によって過剰分の除去が行われる。所望の膜厚さが達成されるまで、3段階プロセス全体を繰り返すことができる。ガリウム膜形成性組成物、追加の前駆体化合物、及び共反応剤の供給を交互に行うことによって、所望の組成及び厚さの膜を堆積することができる。
一実施形態では、追加の前駆体はインジウム前駆体であってよい。インジウム前駆体は、蒸気圧が100℃未満の温度で1torr、好ましくは蒸気圧が80℃未満で1torrである、非自然発火性であり、液体であり、且つハライドフリーのインジウム分子から選択することができる。インジウム前駆体は、トリアルキルインジウム、sec-ペンチルシクロペンタジエニルインジウム、及びはイソペンチルシクロペンタジエニルインジウムから選択することができる。好ましくは、インジウム前駆体はイソペンチルシクロペンタジエニルインジウムである。
代替の実施形態では、追加の前駆体は亜鉛前駆体であってよい。亜鉛前駆体は、蒸気圧が100℃未満の温度で1torr、好ましくは蒸気圧が80℃未満で1torrである、非自然発火性であり、液体であり、且つハライドフリーの亜鉛分子から選択することができる。亜鉛前駆体は、ジエチル亜鉛-テトラメチルエチレンジアミン付加物(TMEDA)、ジエチル亜鉛-テトラエチルエチレンジアミン付加物(TEEDA)、ジエチル亜鉛-N,N’-ジエチル-N,N’-ジエチル-エチレンジアミン付加物、ジエチル亜鉛-N,N-ジメチル-N’,N’-ジエチルエチレンジアミン付加物、ジエチル亜鉛-N,N,N’-トリメチル-N’エチルエチレンジアミン付加物から選択することができる。好ましくは、亜鉛前駆体は、ジエチル亜鉛-テトラエチルエチレンジアミン付加物(TEEDA)である。
本開示のガリウム前駆体は、TDMAGa、Ga(NMe2)3などの既存のガリウム前駆体よりもインジウム前駆体及び亜鉛前駆体の蒸気圧に近い蒸気圧を有する。
代替的に、所望のガリウム含有酸化物膜が、四元膜であるInGaZnO(IGZO)など4つの元素を含む場合、別の追加の前駆体化合物の蒸気を反応器に導入することによって、上記3段階プロセスが挿入されてもよい(4段階プロセス)。別の追加の前駆体化合物は、堆積される膜の性質に基づいて選択される。追加の元素としては、N、S、P、Sn、As、Sb、In、Zn、及びそれらの混合物を挙げることができる。別の追加の前駆体化合物が利用される場合、基材上に堆積された結果として得られる膜は、追加の3つの元素と組み合わされたガリウムを含む。追加の2つの前駆体とガリウム前駆体とが複数のALDスーパーサイクルシーケンスで使用される場合、ナノラミネート膜が得られる。IGZO膜が形成される場合、前駆体には、(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)などのガリウム前駆体、In(イソペンチルシクロペンタジエニル)などのインジウム前駆体、ジエチル亜鉛-TEEDAなどのZn前駆体を、共反応剤であるO3と組み合わせたものが含まれうる。ガリウム膜形成性組成物、追加の前駆体、別の追加の前駆体、及び共反応剤の供給を交互に行うことによって、所望の組成及び厚さの膜を堆積することができる。同様に、それぞれの過剰な組成物又は前駆体は、露光後、反応器をパージ及び/又は排気することによって、すなわち、不活性ガス(たとえば、N2、He、Ar、Kr、又はXe)で反応器をパージするか、高真空及び/又はキャリヤーガスカーテン下のセクターに基材を通過させるかのいずれかによって、反応器から除去することができる。
上述したプロセスから得られるガリウム酸化物膜は、GaxOy(x=0.5~1.5、y=0.5~1.5)、InZnO(IZO)、InGaZnO(IGZO)、又はそれらの組合せ、又は純粋なガリウム酸化物層を含み得る。ガリウム含有酸化物膜は、P、N、S、Ga、As、B、Ta、Hf、Nb、Mg、Al、Sr、Y、Ba、Ca、As、Sb、Bi、Sn、Pb、Co、1つ以上のランタニド、又はそれらの組合せから選択される第2の元素を含みうる。当業者であれば、膜形成性組成物及び共反応剤を適切に選択することによって、所望の膜組成が得られることを認識するであろう。本開示の方法は、半導体材料の製造に有用であり、たとえば、ガリウム含有酸化物は、p-InP、n-GaAs、n-Si、及び他の材料とのヘテロ接合を形成する半導体材料として機能することができる。
本開示のガリウム前駆体は、TDMAGa、Ga(NMe2)3などの既存のガリウム前駆体よりも追加の前駆体及び別の追加の前駆体の蒸気圧に近い蒸気圧を有する。
所望の膜厚さが得られると、熱アニーリング、加熱炉アニーリング、急速熱アニーリング、UVeビーム硬化、及び/又はプラズマガス暴露などの膜のさらなる処理が行われうる。当業者であれば、これらの追加の処理ステップを行うために利用されるシステム及び方法が分かる。たとえば、IGZO膜は、不活性雰囲気、O含有雰囲気、又はそれらの組合せの下で、おおよそ100℃~おおよそ1000℃の範囲内の温度におおよそ0.1秒~おおよそ7200秒の範囲内の時間暴露されうる。最も好ましくは、温度の範囲は、不活性雰囲気、又はO含有雰囲気下で、3600~7200秒で350~450℃である。得られる膜はより少ない不純物を含むことができるため、密度を向上させてリーク電流を改善することができる。アニーリングステップは、堆積が行われるものと同じ反応チャンバー内で行われうる。代替的に、基材は、反応チャンバーから取り出されて、別の装置内でアニーリング/フラッシュアニーリングプロセスが行われうる。上記後処理方法のいずれか、特に熱アニーリングは、IGZO膜の炭素及び窒素汚染を軽減するのに有効であることが分かっている。これにより、ひいては膜の抵抗率が向上する傾向がある。
アニーリング後、本開示のプロセスのいずれかによって堆積された膜は、室温でおおよそ50μΩ・cm~おおよそ1,000μΩcmのバルク抵抗率を有しうる。室温は季節によっておおよそ20℃~おおよそ25℃である。バルク抵抗率は体積抵抗率とも呼ばれる。当業者であれば、バルク抵抗率は、典型的にはおおよそ50nmの厚さの膜について室温で測定されることを認識するであろう。バルク抵抗率は、典型的には、電子輸送機構の変化により、膜が薄くなるのに伴い増加する。バルク抵抗率は高温でも増加する。
下記非限定的実施例は、本発明の実施形態をさらに例示するために提供される。しかしながら、実施例は、すべてを網羅することが意図されるものではなく、本明細書に記載の発明の範囲を限定することが意図されるものではない。
熱重量(TG)分析は、25℃~500℃で、大気圧下(1000mBar、N2220sccm)又は真空下(20mBar、N220sccm)で、アルミニウムオープンカップにおいて行った。蒸気圧(VP)は、TG分析によって求めた。ビスアルキルアミノ(トリアルキルジアミノ)ガリウム錯体は、報告されている方法によって、必要なジアミンの配位子を変えて調製することができる(“Monomeric Chelated Amides of Aluminum and Gallium:Volatile,Miscible Liquid Precursors for CVD”,S.T.Barry,R.G.Gordon and V.A.Wagner,MRS Proceedings,606,1999,83)。(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)は室温で液体である。対照的に、TDMAGaは参照として室温で固体である(約110℃で融解)。
2つの同じ化合物の熱重量分析は、図1で得ることができる。(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)の蒸発はTDMAGaよりも前で最も早いため、この製品の揮発性が最も高いことを観察することができる。さらに、蒸発後の残留量は(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)の方が少なく、これは熱安定性が高いことの表れであると考えられる。このような特性は、ALDウインドウの拡張の可能性を考慮する場合のみならず、使用中に分解を観察することなく分子を長時間加熱する必要性を考慮する場合にも非常に重要である。このTGAの結果は、この観点からは(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)がTDMAGaよりも優れた挙動をしうることの表れである。図2は、TDMAGaと(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)のDSCの比較である。
実施例1
表1に、TDMAGa、トリエチルガリウム(TEGa)、(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)、トリメチルインジウム(TMIn)、ジエチル亜鉛(DEZn)を含む、IGZO気相堆積に使用される主な分子のいくつかの特性がまとめられている。TDMAGaは、他の前駆体よりも蒸気圧がはるかに低い。ただし、自然発火性ではないというメリットを有している。(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)も非自然発火性であるが、その蒸気圧はTDMAGaよりもはるかに高く、液体であるため、分子を使用しやすくなり、使用に関連するコストが削減される。
表1に、TDMAGa、トリエチルガリウム(TEGa)、(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)、トリメチルインジウム(TMIn)、ジエチル亜鉛(DEZn)を含む、IGZO気相堆積に使用される主な分子のいくつかの特性がまとめられている。TDMAGaは、他の前駆体よりも蒸気圧がはるかに低い。ただし、自然発火性ではないというメリットを有している。(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)も非自然発火性であるが、その蒸気圧はTDMAGaよりもはるかに高く、液体であるため、分子を使用しやすくなり、使用に関連するコストが削減される。
仮想例1.CVDによる(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)を使用したガリウム酸化物膜の堆積
(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)が充填された容器は、その蒸気圧を増加させて調整するために加熱することができる。選択される温度は1torrの温度に近いことが多いが、任意の他の温度が使用されてもよい。ガリウム前駆体(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)の蒸気は、必ずしも必要なわけではないが、不活性キャリヤーガス、N2、Ar、又は任意のその他のガスを使用して反応チャンバーに搬送される。酸素源、この場合はオゾンが、同時に反応チャンバーに導入される。酸素又は水など、任意の他の酸素源又は酸素源の混合物も考えられる。ウエハ又はウエハ片、又は任意の基材は、200~300℃に加熱される反応チャンバー内に配置されるが、任意の他の温度も考えられる。反応チャンバー内の圧力は0.1torr~10torrに設定されるが、任意の他の圧力も考えられる。(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)の蒸気とオゾンは、加熱された基材の表面で反応してガリウム酸化物膜を形成する。この膜の純度は非常に高く、炭素と窒素のレベルは測定ツール(XPS)の検出限界未満である。オゾンを別の酸化剤、たとえばO2又はH2Oで置き換える場合、或いは2つの酸化剤のいずれかを一緒に供給する場合でも、高純度のガリウム酸化物膜を得ることができる。
(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)が充填された容器は、その蒸気圧を増加させて調整するために加熱することができる。選択される温度は1torrの温度に近いことが多いが、任意の他の温度が使用されてもよい。ガリウム前駆体(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)の蒸気は、必ずしも必要なわけではないが、不活性キャリヤーガス、N2、Ar、又は任意のその他のガスを使用して反応チャンバーに搬送される。酸素源、この場合はオゾンが、同時に反応チャンバーに導入される。酸素又は水など、任意の他の酸素源又は酸素源の混合物も考えられる。ウエハ又はウエハ片、又は任意の基材は、200~300℃に加熱される反応チャンバー内に配置されるが、任意の他の温度も考えられる。反応チャンバー内の圧力は0.1torr~10torrに設定されるが、任意の他の圧力も考えられる。(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)の蒸気とオゾンは、加熱された基材の表面で反応してガリウム酸化物膜を形成する。この膜の純度は非常に高く、炭素と窒素のレベルは測定ツール(XPS)の検出限界未満である。オゾンを別の酸化剤、たとえばO2又はH2Oで置き換える場合、或いは2つの酸化剤のいずれかを一緒に供給する場合でも、高純度のガリウム酸化物膜を得ることができる。
仮想例2.ALDによる(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)を使用したガリウム酸化物膜の堆積
(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)が充填された容器は、その蒸気圧を増加させて調整するために加熱することができる。選択される温度は1torrの温度に近いことが多いが、任意の他の温度が使用されてもよい。ガリウム前駆体の蒸気は、必ずしも必要なわけではないが、不活性キャリヤーガス、N2、Ar、又は任意のその他のガスを使用して反応チャンバーに搬送される。酸素源としてオゾンが使用される。ウエハ又はウエハ片、又は任意の基材は、250℃に加熱される反応チャンバー内に配置される。堆積サイクルは4つの異なるステップに分けられる。最初に、(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)の蒸気のみが反応チャンバーに導入され、ウエハ又は基材の表面に吸着される(前駆体パルス)。次いで、(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)の蒸気が、N2又はArなどの不活性ガスを用いて反応チャンバーからパージされる(前駆体パージパルス)。次に、酸素源であるオゾンが反応チャンバーに導入され、ウエハ又は基材の表面で(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)と反応する。最後に、酸素源が不活性ガスで反応チャンバーからパージされる。4つのステップのそれぞれは、ツールの構成、堆積圧力、堆積温度、又はその他の条件に応じて、数十秒間又は数秒間の間継続することができる。この場合、前駆体パルスは4秒に設定され、前駆体パージパルスステップは20秒に設定され、オゾンパルスは2秒に設定され、オゾンパージステップは20秒に設定された。より優れたツールでより短いパルス時間が得られると期待される。その後、所望の厚さのガリウム酸化物膜が得られるまで、この4つのステップのサイクルが繰り返される。堆積の各サイクルでのガリウム酸化物の成長は、0.5~1Åの範囲である。得られたガリウム酸化物膜は不純物レベルが低く、パターニングされた基材上の堆積は、最大50:1のアスペクト比のホール又はトレンチで90%を超えるステップカバレッジである。オゾンの代わりに酸素又は水を使用した場合にも同様の膜特性が得られるが、それぞれのパルス時間とパージ時間を調整する必要がある。
(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)が充填された容器は、その蒸気圧を増加させて調整するために加熱することができる。選択される温度は1torrの温度に近いことが多いが、任意の他の温度が使用されてもよい。ガリウム前駆体の蒸気は、必ずしも必要なわけではないが、不活性キャリヤーガス、N2、Ar、又は任意のその他のガスを使用して反応チャンバーに搬送される。酸素源としてオゾンが使用される。ウエハ又はウエハ片、又は任意の基材は、250℃に加熱される反応チャンバー内に配置される。堆積サイクルは4つの異なるステップに分けられる。最初に、(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)の蒸気のみが反応チャンバーに導入され、ウエハ又は基材の表面に吸着される(前駆体パルス)。次いで、(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)の蒸気が、N2又はArなどの不活性ガスを用いて反応チャンバーからパージされる(前駆体パージパルス)。次に、酸素源であるオゾンが反応チャンバーに導入され、ウエハ又は基材の表面で(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)と反応する。最後に、酸素源が不活性ガスで反応チャンバーからパージされる。4つのステップのそれぞれは、ツールの構成、堆積圧力、堆積温度、又はその他の条件に応じて、数十秒間又は数秒間の間継続することができる。この場合、前駆体パルスは4秒に設定され、前駆体パージパルスステップは20秒に設定され、オゾンパルスは2秒に設定され、オゾンパージステップは20秒に設定された。より優れたツールでより短いパルス時間が得られると期待される。その後、所望の厚さのガリウム酸化物膜が得られるまで、この4つのステップのサイクルが繰り返される。堆積の各サイクルでのガリウム酸化物の成長は、0.5~1Åの範囲である。得られたガリウム酸化物膜は不純物レベルが低く、パターニングされた基材上の堆積は、最大50:1のアスペクト比のホール又はトレンチで90%を超えるステップカバレッジである。オゾンの代わりに酸素又は水を使用した場合にも同様の膜特性が得られるが、それぞれのパルス時間とパージ時間を調整する必要がある。
仮想例3.ALDによる(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)を使用したインジウムガリウム亜鉛酸化物(IGZO)膜の堆積
堆積は、仮想例2と同様の方法で行われるが、さらに2つの4ステップサイクルが追加され、インジウム酸化物と亜鉛酸化物の堆積が可能になり、InGaZnO膜(IGZO)が形成される。トリメチルインジウム、トリエチルインジウム、ジエチル亜鉛などの任意のインジウム又は亜鉛の前駆体を使用することができる。例示的な一実施形態では、トリメチルインジウム及びジエチル亜鉛を使用することができる。ガリウム、インジウム、及び亜鉛の前駆体の蒸気は、ガリウムから始まり、次にインジウム、亜鉛という順序で繰り返し導入されるが、任意の他の順序を使用することもできる。膜組成を調整するために、次の金属サイクルに切り替える前に、同じ金属を用いるサイクルが数回繰り返されてもよい。オゾン、酸素、及び水(H2O)が最も一般的な酸素源であり、この実施形態ではそれらが使用されるが、代わりに任意の種類の酸化剤が使用されてもよい。たとえば、オゾンをガリウム前駆体と、水をインジウム前駆体と、及びそれらの混合物、たとえばオゾンと水との混合物をインジウム前駆体と、そして水のみをガリウム前駆体と、など、それぞれの金属と反応させるために異なる酸化剤が使用されてもよい。IGZO膜は200~250℃のALDモードで得られるが、異なるツールを使用したり、又は異なる堆積条件を使用したりすると、異なる温度ウインドウを得ることができる。堆積速度は、1サイクルあたり1~2Åの範囲になると予想される(フルサイクル、ガリウムインジウム及び亜鉛前駆体のサブサイクルを含む)。得られるIGZO膜は不純物レベルが低く、炭素及び窒素のレベルは分析ツール(XPS)の検出限界未満である。パターニングされた基材上の堆積は、最大50:1のアスペクト比のホール又はトレンチにおいて、90%を超えるステップカバレッジを示す。
堆積は、仮想例2と同様の方法で行われるが、さらに2つの4ステップサイクルが追加され、インジウム酸化物と亜鉛酸化物の堆積が可能になり、InGaZnO膜(IGZO)が形成される。トリメチルインジウム、トリエチルインジウム、ジエチル亜鉛などの任意のインジウム又は亜鉛の前駆体を使用することができる。例示的な一実施形態では、トリメチルインジウム及びジエチル亜鉛を使用することができる。ガリウム、インジウム、及び亜鉛の前駆体の蒸気は、ガリウムから始まり、次にインジウム、亜鉛という順序で繰り返し導入されるが、任意の他の順序を使用することもできる。膜組成を調整するために、次の金属サイクルに切り替える前に、同じ金属を用いるサイクルが数回繰り返されてもよい。オゾン、酸素、及び水(H2O)が最も一般的な酸素源であり、この実施形態ではそれらが使用されるが、代わりに任意の種類の酸化剤が使用されてもよい。たとえば、オゾンをガリウム前駆体と、水をインジウム前駆体と、及びそれらの混合物、たとえばオゾンと水との混合物をインジウム前駆体と、そして水のみをガリウム前駆体と、など、それぞれの金属と反応させるために異なる酸化剤が使用されてもよい。IGZO膜は200~250℃のALDモードで得られるが、異なるツールを使用したり、又は異なる堆積条件を使用したりすると、異なる温度ウインドウを得ることができる。堆積速度は、1サイクルあたり1~2Åの範囲になると予想される(フルサイクル、ガリウムインジウム及び亜鉛前駆体のサブサイクルを含む)。得られるIGZO膜は不純物レベルが低く、炭素及び窒素のレベルは分析ツール(XPS)の検出限界未満である。パターニングされた基材上の堆積は、最大50:1のアスペクト比のホール又はトレンチにおいて、90%を超えるステップカバレッジを示す。
仮想例4.ALDによる(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)とIn(イソペンチルシクロペンタジエニル)を使用したインジウムガリウム酸化物膜の堆積
堆積は、仮想例3と同様の方法で行われるが、トリメチルインジウム又は他のインジウム前駆体の代わりにインジウム(イソペンチルシクロペンタジエニル)が使用される。亜鉛前駆体は使用されない。(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)及びインジウム(sec-ペンチルシクロペンタジエニル)の蒸気は、任意の順序で導入することができる。膜組成を調整するために、次の金属サイクルに切り替える前に、同じ金属を用いるサイクルが数回繰り返されてもよい。酸素源として水を使用した。2つの前駆体のそれぞれに、異なる酸素源又は2つの異なる酸素源の混合を使用することが可能である。この場合、ガリウム前駆体パルス時間は4秒に設定され、インジウム前駆体パルス時間は4秒に設定され、水パルス時間は2秒に設定され、両方の水パージ時間は30秒に設定された。インジウムガリウム酸化物膜は、ALDモードで250℃までの温度で得られ、堆積速度は1サイクルあたり0.5~1.5Åの範囲である。得られる膜は不純物レベルが低く(XPSの検出限界未満)、パターニングされた基材上の堆積は、最大50:1のアスペクト比のホール又はトレンチにおいて、90%を超えるステップカバレッジを示す。オゾンの代わりに酸素を使用しても同様の膜特性が得られるが、それぞれのパルス時間とパージ時間を調整する必要がある。
堆積は、仮想例3と同様の方法で行われるが、トリメチルインジウム又は他のインジウム前駆体の代わりにインジウム(イソペンチルシクロペンタジエニル)が使用される。亜鉛前駆体は使用されない。(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)及びインジウム(sec-ペンチルシクロペンタジエニル)の蒸気は、任意の順序で導入することができる。膜組成を調整するために、次の金属サイクルに切り替える前に、同じ金属を用いるサイクルが数回繰り返されてもよい。酸素源として水を使用した。2つの前駆体のそれぞれに、異なる酸素源又は2つの異なる酸素源の混合を使用することが可能である。この場合、ガリウム前駆体パルス時間は4秒に設定され、インジウム前駆体パルス時間は4秒に設定され、水パルス時間は2秒に設定され、両方の水パージ時間は30秒に設定された。インジウムガリウム酸化物膜は、ALDモードで250℃までの温度で得られ、堆積速度は1サイクルあたり0.5~1.5Åの範囲である。得られる膜は不純物レベルが低く(XPSの検出限界未満)、パターニングされた基材上の堆積は、最大50:1のアスペクト比のホール又はトレンチにおいて、90%を超えるステップカバレッジを示す。オゾンの代わりに酸素を使用しても同様の膜特性が得られるが、それぞれのパルス時間とパージ時間を調整する必要がある。
仮想例5.CVDによる(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)、In(イソペンチルシクロペンタジエニル)、及びジエチル亜鉛-TEEDAを使用したIGZO膜の堆積
(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)、In(イソペンチルシクロペンタジエニル)、及びジエチル亜鉛-TEEDAが充填された容器は、前駆体の蒸気圧を増加及び調整するために加熱することができる。選択される温度は1torrの温度に近いことが多いが、任意の他の温度が使用されてもよい。これら3つの前駆体は蒸気圧が似ているため、同じ温度で加熱することができ、そのため同じオーブンに一緒に入れることが可能である。次いで、必ずしも必要なわけではないが、不活性キャリヤーガス、N2、Ar、又は任意のその他のガス(たとえば水の場合はO2)を使用して、前駆体の蒸気と水が反応チャンバーに同時に供給される。ウエハ又はウエハ片、又は任意の基材は、200~400℃に加熱される反応チャンバー内に配置されるが、任意の他の温度も考えられる。反応チャンバー内の圧力は0.1~10torrに設定されるが、任意の他の圧力も考えられる。3つの前駆体の蒸気と水は、加熱された基材の表面で反応してIGZO膜を形成する。IGZO膜の純度は非常に高く、炭素と窒素のレベルは分析ツール(XPS)の検出限界未満である。水を別の酸素源、たとえばオゾン(O3)又は酸素(O2)で置き換える場合、或いは2つの酸素源のいずれかを一緒に供給する場合でも、純度の高いIGZO膜を得ることができる。
(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)、In(イソペンチルシクロペンタジエニル)、及びジエチル亜鉛-TEEDAが充填された容器は、前駆体の蒸気圧を増加及び調整するために加熱することができる。選択される温度は1torrの温度に近いことが多いが、任意の他の温度が使用されてもよい。これら3つの前駆体は蒸気圧が似ているため、同じ温度で加熱することができ、そのため同じオーブンに一緒に入れることが可能である。次いで、必ずしも必要なわけではないが、不活性キャリヤーガス、N2、Ar、又は任意のその他のガス(たとえば水の場合はO2)を使用して、前駆体の蒸気と水が反応チャンバーに同時に供給される。ウエハ又はウエハ片、又は任意の基材は、200~400℃に加熱される反応チャンバー内に配置されるが、任意の他の温度も考えられる。反応チャンバー内の圧力は0.1~10torrに設定されるが、任意の他の圧力も考えられる。3つの前駆体の蒸気と水は、加熱された基材の表面で反応してIGZO膜を形成する。IGZO膜の純度は非常に高く、炭素と窒素のレベルは分析ツール(XPS)の検出限界未満である。水を別の酸素源、たとえばオゾン(O3)又は酸素(O2)で置き換える場合、或いは2つの酸素源のいずれかを一緒に供給する場合でも、純度の高いIGZO膜を得ることができる。
仮想例6.ALDによる(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)、In(イソペンチルシクロペンタジエニル)、及びジエチル亜鉛-TEEDAを使用したIGZO膜の堆積
堆積は、仮想例3と同様の方法で行われるが、トリメチルインジウム及びジエチル亜鉛の代わりに、インジウム及び亜鉛の前駆体としてインジウム(イソペンチルシクロペンタジエニル)及びジエチル亜鉛-TEEDAが使用される。(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)、インジウム(イソペンチルシクロペンタジエニル)、及びジエチル亜鉛-TEEDAの蒸気は、任意の順序で導入することができる。膜組成を調整するために、次の金属サイクルに切り替える前に、同じ金属を用いるサイクルが数回繰り返されてもよい。酸素源として水が使用される。最終的には、各金属と反応させるために異なる酸素源を使用することができる。この場合、ガリウム前駆体のパルス時間、インジウム前駆体のパルス時間、亜鉛前駆体のパルス時間は4秒に設定され、金属前駆体の3つのパルスに対して水のパルス時間は2秒に設定された。3つの水パージ時間は30秒に設定された。IGZO膜は、ALDモードで最高250℃以上の温度で得られ、堆積速度は1サイクルあたり1~2Åの範囲である。得られる膜は不純物レベルが低く(XPSの検出限界未満)、パターニングされた基材上の堆積は、最大50:1のアスペクト比のホール又はトレンチにおいて、90%を超えるステップカバレッジを示す。水が別の酸素源、たとえばオゾン又は酸素に置き換えられる場合、さらには2つの酸素源のいずれかを一緒に供給した場合でも、優れた純度のIGZO膜が得られる。
堆積は、仮想例3と同様の方法で行われるが、トリメチルインジウム及びジエチル亜鉛の代わりに、インジウム及び亜鉛の前駆体としてインジウム(イソペンチルシクロペンタジエニル)及びジエチル亜鉛-TEEDAが使用される。(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)、インジウム(イソペンチルシクロペンタジエニル)、及びジエチル亜鉛-TEEDAの蒸気は、任意の順序で導入することができる。膜組成を調整するために、次の金属サイクルに切り替える前に、同じ金属を用いるサイクルが数回繰り返されてもよい。酸素源として水が使用される。最終的には、各金属と反応させるために異なる酸素源を使用することができる。この場合、ガリウム前駆体のパルス時間、インジウム前駆体のパルス時間、亜鉛前駆体のパルス時間は4秒に設定され、金属前駆体の3つのパルスに対して水のパルス時間は2秒に設定された。3つの水パージ時間は30秒に設定された。IGZO膜は、ALDモードで最高250℃以上の温度で得られ、堆積速度は1サイクルあたり1~2Åの範囲である。得られる膜は不純物レベルが低く(XPSの検出限界未満)、パターニングされた基材上の堆積は、最大50:1のアスペクト比のホール又はトレンチにおいて、90%を超えるステップカバレッジを示す。水が別の酸素源、たとえばオゾン又は酸素に置き換えられる場合、さらには2つの酸素源のいずれかを一緒に供給した場合でも、優れた純度のIGZO膜が得られる。
表2は、参照プロセス、仮想例3、及び仮想例5の間で見込まれる結果の比較であり、既存のものに対する本開示のガリウム前駆体の優位性を示している。本開示のガリウム前駆体は自然発火性ではないため、輸送、保管、及び使用を行いやすくなりコストが削減される。また、最大ALDウインドウを増加させることも可能になり、これにより通常より高品質の膜を得ることが可能になる。さらに、本開示のガリウム前駆体は室温で液体であるため、プロセスのコストが削減される。なお、トリス(ジメチルアミノ)ガリウムは、トリメチルインジウム及びジエチル亜鉛と一緒に使用することもできる、もう一つの標準的なガリウム前駆体である。トリス(ジメチルアミノ)ガリウムは自然発火性ではないものの、約107℃の融点と、105℃で1torrという低い蒸気圧を有する固体である。その場合、蒸気圧の低い固体化合物を使用することは、大量生産に使用されるプロセスにとって本質的な欠点となるため、本開示のガリウム前駆体の優位性はさらに大きくなる。仮想例6のように、インジウム前駆体及び亜鉛前駆体をガリウム分子と同様の特性を持つ非自然発火性化合物に置き換えると、安全性とプロセス結果の点で優位性がさらに高まる。
本明細書に記載の主題は、ユーザー対話コンポーネントを有するコンピューティングアプリケーションのための1つ以上のコンピューティングアプリケーション特徴/操作を処理する例示的実現との関連で記載されうるが、主題は、こうした特定実施形態に限定されるものではない。むしろ、本明細書に記載の技術は、いずれかの好適な型のユーザー対話コンポーネント実行管理方法、システム、プラットフォーム、及び/又は装置に適用されうる。
本発明の性質を説明するために本明細書に記載及び例示されているパーツの詳細、材料、ステップ、及び配置の多くの追加変更を添付の特許請求の範囲に明示される本発明の原理及び範囲内で行いうることは、当業者であれば理解されよう。そのため、本発明は、以上に与えられた実施例及び/又は添付図面の具体的実施形態に限定することが意図されるものではない。
本発明の実施形態を示して説明してきたが、本発明の趣旨又は教示から逸脱することなく、当業者であればそれらの修正を行いうる。本明細書に記載の実施形態は、単に模範的なものにすぎず、限定されるものではない。組成物及び方法の多くの変形及び修正が可能であり、且つ本発明の範囲内にある。それゆえ、保護の範囲は、本明細書に記載の実施形態に限定されるものではなく、後続の特許請求の範囲によってのみ限定されるものであり、その範囲は、特許請求の範囲の主題のすべての均等物を含むものとする。
Claims (37)
- 基材上にガリウム含有酸化物膜を堆積する方法であって、
a)同時又は逐次的に、ガリウム前駆体と酸化剤とを含有するガリウム含有膜形成性組成物の蒸気に基材を曝露するステップと、
b)前記ガリウム前駆体の少なくとも一部を前記基材上に堆積させて、気相堆積プロセスを介して前記基材上に前記ガリウム含有酸化物膜を形成するステップと、
を含み、
前記ガリウム前駆体が、式:
(NR8R9)(NR1R2)Ga[(R3R4N)Cx(R5R6)(NR7)] (I)
(Cy-N)2Ga[(R3R4N)Cx(R5R6)(NR7)] (II)
及び対応する構造:
を有する、方法。 - 前記Cy-NHが、以下のピロリン、ピロール、及びピペリジン:
- 前記ガリウム前駆体が、(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)、(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NEt2)、(NEtMe)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)、(NEtMe)2Ga(EtNCH2CH2NEt2)、(NEt2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)、(NEt2)2Ga(EtNCH2CH2NEt2)、及び(NMe2)2Ga(MeNCH2CH2NMe2)を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記ガリウム前駆体が(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)である、請求項1に記載の方法。
- a1)ステップa)において、同時に又は逐次的に、表面を第1の金属(M1)前駆体の蒸気に曝露して、前記第1の金属(M1)前駆体の少なくとも一部及び前記ガリウム前駆体の少なくとも一部を前記基材上に堆積させて、前記気相堆積プロセスを介して前記基材上に前記ガリウム含有酸化物膜を形成するステップであって、前記ガリウム含有酸化物膜がM1GaO膜であるステップ、をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- a2)ステップa1)において、同時に又は逐次的に、前記表面を第2の金属(M2)前駆体の蒸気に曝露して、前記第2の金属(M2)前駆体の少なくとも一部、前記ガリウム前駆体の少なくとも一部、及び前記第1の金属(M1)前駆体の少なくとも一部を前記基材上に堆積させて、前記気相堆積プロセスを介して前記基材上に前記ガリウム含有酸化物膜を形成するステップであって、前記ガリウム含有酸化物膜がM1M2GaO膜であるステップ、をさらに含む、請求項5に記載の方法。
- 前記膜形成性組成物、前記第1の金属(M1)前駆体、前記第2の金属(M2)前駆体、前記酸化剤、及びそれらの混合物への各曝露の合間に不活性ガスでパージするステップをさらに含み、前記不活性ガスがN2、He、Ar、Kr、又はXeから選択される、請求項6に記載の方法。
- 前記第1の金属(M1)前駆体がインジウム前駆体であり前記第2の金属(M2)前駆体が亜鉛前駆体であるか、その逆である、請求項6に記載の方法。
- 前記インジウム前駆体が、トリアルキルインジウム、sec-ペンチルシクロペンタジエニルインジウム、又はイソペンチルシクロペンタジエニルインジウムから選択される、請求項1~8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記亜鉛前駆体が、ジエチル亜鉛-テトラメチルエチレンジアミン付加物(TMEDA)、ジエチル亜鉛-テトラエチルエチレンジアミン付加物(TEEDA)、ジエチル亜鉛-N,N’-ジエチル-N,N’-ジエチルエチレンジアミン付加物、ジエチル亜鉛-N,N-ジメチル-N’,N’-ジエチルエチレンジアミン付加物、又はジエチル亜鉛-N,N,N’-トリメチル-N’-エチルエチレンジアミン付加物から選択されるジエチル亜鉛誘導体である、請求項1~8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記M1M2GaO膜がIGZO膜である、請求項1~8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記酸化剤が、O2、O3、H2O、H2O2、NO、N2O、NO2、酸素含有ラジカル、たとえばO・又はOH・である、請求項1~8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ガリウム前駆体の融点がおおよそ60℃未満である、請求項1~8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ガリウム前駆体の融点がおおよそ20℃未満である、請求項1~8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ガリウム前駆体が自然発火性ではない、請求項1~8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記気相堆積プロセスがCVD又はALDである、請求項1~8のいずれか一項に記載の方法。
- 基材上にガリウム含有四元酸化物(M1M2GaO)膜を堆積する方法であって、
a)同時に又は逐次的に、ガリウム前駆体と、第1の金属(M1)前駆体の蒸気と、第2の金属(M2)前駆体の蒸気と、酸化剤とを含有するガリウム含有膜形成性組成物の蒸気に基材を曝露するステップ;及び
b)前記ガリウム前駆体の少なくとも一部、前記第1の金属(M1)前駆体の少なくとも一部、及び前記第2の金属(M2)前駆体の少なくとも一部を前記基材上に堆積させて、前記気相堆積プロセスを介して前記基材上にガリウム含有四元酸化物膜(M1M2GaO)を形成するステップ;
を含み、
前記ガリウム前駆体が、式:
(NR8R9)(NR1R2)Ga[(R3R4N)Cx(R5R6)(NR7)] (I)
(Cy-N)2Ga[(R3R4N)Cx(R5R6)(NR7)] (II)
及び対応する構造:
を有する、方法。 - 前記ガリウム前駆体が、(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)、(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NEt2)、(NEtMe)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)、(NEtMe)2Ga(EtNCH2CH2NEt2)、(NEt2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)、(NEt2)2Ga(EtNCH2CH2NEt2)、及び(NMe2)2Ga(MeNCH2CH2NMe2)を含む、請求項17に記載の方法。
- 前記ガリウム前駆体が(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)である、請求項18に記載の方法。
- 前記第1の金属(M1)前駆体がインジウム前駆体であり前記第2の金属(M2)前駆体が亜鉛前駆体であるか、その逆である、請求項17に記載の方法。
- 前記インジウム前駆体が、トリアルキルインジウム、sec-ペンチルシクロペンタジエニルインジウム、又はイソペンチルシクロペンタジエニルインジウムから選択される、請求項17~20のいずれか一項に記載の方法。
- 前記亜鉛前駆体が、ジエチル亜鉛-テトラメチルエチレンジアミン付加物(TMEDA)、ジエチル亜鉛-テトラエチルエチレンジアミン付加物(TEEDA)、ジエチル亜鉛-N,N’-ジエチル-N,N’-ジエチル-エチレンジアミン付加物、ジエチル亜鉛-N,N-ジメチル-N’,N’-ジエチルエチレンジアミン付加物、又はジエチル亜鉛-N,N,N’-トリメチル-N’-エチルエチレンジアミン付加物から選択されるジエチル亜鉛誘導体である、請求項17~20のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ガリウム含有四元酸化物膜(M1M2GaO)がIGZO膜である、請求項17~20のいずれか一項に記載の方法。
- 前記酸化剤が、O2、O3、H2O、H2O2、NO、N2O、NO2、酸素含有ラジカル、たとえばO・又はOH・である、請求項17~20のいずれか一項に記載の方法。
- 前記膜形成性組成物、前記第1の金属(M1)前駆体、前記第2の金属(M2)前駆体、前記酸化剤、及びそれらの混合物への各曝露の合間に不活性ガスでパージするステップをさらに含み、前記不活性ガスがN2、He、Ar、Kr、又はXeから選択される、請求項17~20のいずれか一項に記載の方法。
- 前記Ga前駆体の融点が60℃未満である、請求項17~20のいずれか一項に記載の方法。
- 前記Ga前駆体の融点が20℃未満である、請求項17~20のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ガリウム前駆体が自然発火性ではない、請求項17~20のいずれか一項に記載の方法。
- 前記気相堆積プロセスがCVD又はALDである、請求項17~20のいずれか一項に記載の方法。
- 基材上にインジウムガリウム亜鉛酸化物(IGZO)膜を堆積する方法であって、
a)同時に又は逐次的に、ガリウム前駆体と、インジウム前駆体の蒸気と、亜鉛前駆体の蒸気と、O3とを含有するガリウム含有膜形成性組成物の蒸気に前記基材を曝露するステップ;及び
b)前記ガリウム前駆体の少なくとも一部、前記インジウム前駆体の少なくとも一部、及び前記亜鉛前駆体の少なくとも一部を前記基材上に堆積させて、気相堆積プロセスを介して前記基材上にIGZO膜を形成するステップ;
を含み、
前記ガリウム前駆体が、式:
(NR8R9)(NR1R2)Ga[(R3R4N)Cx(R5R6)(NR7)] (I)
(Cy-N)2Ga[(R3R4N)Cx(R5R6)(NR7)] (II)
及び対応する構造:
を有する、方法。 - 前記ガリウム前駆体が(NMe2)2Ga(EtNCH2CH2NMe2)である、請求項30に記載の方法。
- 前記インジウム前駆体がイソペンチルシクロペンタジエニルインジウムである、請求項30に記載の方法。
- 前記亜鉛前駆体がジエチル亜鉛-テトラエチルエチレンジアミン付加物(TEEDA)である、請求項30に記載の方法。
- 前記Ga前駆体の融点が60℃未満である、請求項30~33のいずれか一項に記載の方法。
- 前記Ga前駆体の融点が20℃未満である、請求項30~33のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ガリウム前駆体が自然発火性ではない、請求項30~33のいずれか一項に記載の方法。
- 前記気相堆積プロセスがCVD又はALDである、請求項30~33のいずれか一項に記載の方法。
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