絕緣膜形成墨水、絕緣膜制造方法和半導體制造方法

絕緣膜形成墨水、絕緣膜制造方法和半導體制造方法
【專利說明】絕緣膜形成墨水、絕緣膜制造方法和半導體制造方法
[0001]本申請是以下發明專利申請的分案申請:
[0002]申請號:201080064709.8
[0003]申請日:2010年12月22日
[0004]發明名稱:場效應晶體管、半導體存儲器、顯示元件、圖像顯示設備和系統
技術領域
[0005]本發明涉及場效應晶體管、半導體存儲器、顯示元件、圖像顯示設備和系統，更具體地，涉及具有由電介質氧化物制成的絕緣膜的場效應晶體管以及包括該場效應晶體管的半導體存儲器、顯示元件、圖像顯示設備和系統。
【背景技術】
[0006]場效應晶體管(FET)是一種通過向柵極電極施加電壓以依賴于溝道的電場提供用于電子或空穴流的閘門(gate)，來控制源極電極和漏極電極之間的電流的半導體設備。
[0007]FET由于其特性而被用作切換元件和放大元件。因為FET示出小的柵極電流并且具有平坦外形，與雙極性晶體管相比，其能夠容易地制造或集成。因此，FET現在是在電子設備中使用的集成電路中不可或缺的元件。
[0008]存在包括其基本結構是MIS (金屬絕緣體半導體)結構的FET的電子設備。這些設備的例子是切換元件、存儲器、邏輯電路；其他例子是LSI (大規模集成電路)和AM-TFT (有源矩陣薄膜晶體管)，它們通過集成上述元件而形成。在FET中，二氧化硅、氧氮化物和氮化物已被用作柵極絕緣膜和電容器絕緣膜達很長時間。這些硅化合物的絕緣膜不僅作為絕緣膜非常優異，而且還具有與MIS工藝的高親和性。
[0009]但是，近年來并且持續地，存在對于更高集成并且消耗更少功率的電子設備的需求。因此，已經提出使用具有比S12明顯更高的相對電容率的所謂的高k絕緣膜作為絕緣膜的技術。
[0010]例如，在具有小于或等于0.1 μπι的柵極長度的微小MOS(金屬氧化物半導體)設備中，當FET的柵極絕緣層由S12制成時，基于比例規則，膜厚度需要小于或等于2nm。但是，在此情況下，由隧穿電流(tunnel current)引起的柵極漏電流變成大問題。降低柵極漏電流的一種方法是通過使用高k絕緣膜作為柵極絕緣層來增加柵極絕緣層的厚度。
[0011]易失性或者非易失性半導體存儲器是使用場效應晶體管的半導體設備的例子。
[0012]在易失性存儲器中，場效應晶體管的漏極電極和電容器串聯。通過使用高k絕緣膜，可以降低功耗，并且能夠高度集成。目前，電容器的電介質層主要由Si02/SiNx/Si(y9層壓(laminated)層制成。因此，存在對具有更高相對電容率的絕緣膜的進一步需求。
[0013]可以降低包括作為在半導體層和浮置柵極電極之間提供的絕緣膜的第一柵極絕緣層以及作為在浮置柵極電極和控制柵極電極之間提供的絕緣膜的第二柵極絕緣層的非易失性半導體存儲器中的寫/擦除電壓。具體地，由于通過使用高k絕緣膜作為非易失性半導體存儲器的第二柵極絕緣膜而增加了耦合比(coupling rat1)，可以降低寫/擦除電壓。目前，第二柵極絕緣層主要由Si02/SiNx/Si0d9層壓層制成。因此，存在對于具有更高相對電容率的絕緣膜的進一步需求。
[0014]在顯示器中使用的AM-TFT中，如果在柵極絕緣膜中使用高k絕緣膜，則可以達到高飽和電流，并且可以通過低柵極電壓控制接通/斷開操作，因此可以降低功耗。
[0015]通常，作為高k絕緣膜的材料，已經討論了諸如Hf、Zr、Al、Y和Ta的金屬的金屬氧化物。具體例子是Hf02、Zr02、Al203、Y203、Ta205;這些元素的硅酸鹽(HfS1、ZrS1);這些元素的鋁酸鹽(HfAlO、ZrAlO)以及這些元素的氮化物(HfON、ZrON、HfS1N、ZrS1N、HfAlON、ZrAlON)o
[0016]同時，關于鐵電存儲器材料，已經討論了鈣鈦礦結構和相關物質。鈣鈦礦結構由ABO3表達，其通常是二價金屬離子(A位置)和四價金屬離子(B位置)的組合，或者與A位置和B位置兩者對應的三價金屬離子的組合。例子是SrT13、BaZrO3、CaSnOjP LaAlO 3。此夕卜，存在許多其中B位置被兩種離子占據的晶體，比如SrBia5Taa5O3和BaSc Q.5Nba503。
[0017]此外，存在稱為層類型鈣鈦礦結構的一系列晶體。這由(AO)ni(BO2)n表達，其中m個AO層和η個BO2層被層壓。例如，相對于SrTi03(m = η = I)的基本結構，存在Sr2T1zpSr3Ti2O7和Sr 4Ti301Q。根據這樣的晶體結構，A離子和B離子的組成比例可以變化。因而，可以出現廣闊范圍的晶體組，包括B位置離子的組合。在本申請中，“鈣鈦礦結構有關的晶體”意味著具有鈣鈦礦結構或者層類型鈣鈦礦結構的晶體。
[0018]順便提及，當多晶材料被用作柵極絕緣層時，大的漏電流在晶體顆粒邊界的交界處流動。此外，因而，柵極絕緣膜的功能降低。當晶體系統具有各向異性時，晶體管的特性可能由于介電常數各向異性而變得不規則。
[0019]專利文獻I和2公開了通過使用由高介電常數硅酸鹽制成的非晶絕緣膜作為柵極絕緣層來降低柵極絕緣層中的漏電流的方法。
[0020]專利文獻3公開了通過使用主要由具有燒綠石結構的A2B2O7制成的非晶絕緣膜作為柵極絕緣層來降低柵極絕緣層中的漏電流的方法。
[0021]專利文獻4、5、6公開了通過使用包括高介電常數膜的層壓膜作為柵極絕緣層來降低柵極絕緣層中的漏電流的方法。專利文獻7公開了通過在基板上形成外延生長的高介電常數膜并進行熱處理以便基板中的元素和柵極絕緣膜中的金屬氧化物元素混合在一起來降低柵極絕緣層中的漏電流的方法。
[0022]此外，專利文獻8公開了其中包括具有高介電常數的無機氧化物膜和有機聚合物膜的層壓膜被用作柵極絕緣層的TFT設備。
[0023]但是，在專利文獻I和2中公開的絕緣膜的問題是，不能充分增加相對電容率，因為絕緣膜具有大量S12含量。
[0024]利用專利文獻3中公開的材料，柵極絕緣層包括晶相。因此，在極其狹窄的工藝條件的區域中形成非晶相。因而，在制造工藝中存在問題。
[0025]專利文獻4到8中公開的方法的問題是制造工藝復雜并且制造成本高。
[0026]因而，存在對于包括通過簡單方法并以低成本形成的具有高相對電容率和少量漏電流絕緣膜的場效應晶體管、半導體存儲器、顯示元件、圖像顯示設備和系統的需要。
[0027]專利文獻1:日本公開專利申請N0.Hl 1-135774
[0028]專利文獻2:日本專利N0.3637325
[0029]專利文獻3:日本公開專利申請N0.2002-270828
[0030]專利文獻4:日本公開專利申請N0.2002-134737
[0031]專利文獻5:日本專利N0.3773448
[0032]專利文獻6:日本公開專利申請N0.2003-258243
[0033]專利文獻7:日本專利N0.3831764
[0034]專利文獻8:日本公開專利申請N0.2008-16807
[0035]專利文獻9:日本公開專利申請N0.2001-319927
[0036]專利文獻10:日本公開專利申請N0.2002-367980
[0037]專利文獻11:日本公開專利申請N0.2004-241751
[0038]專利文獻12:日本公開專利申請N0.2007-165724
[0039]專利文獻13:日本公開專利申請N0.2008-91904

【發明內容】

[0040]本發明的方面提供了解決或減小由現有技術的限制和缺點引起的一個或多個問題的半導體設備、圖像顯示設備、系統、絕緣膜形成墨水、制造絕緣膜形成墨水的方法以及制造半導體設備的方法。
[0041]本發明的一個方面提供了一種場效應晶體管，包括:基板；在該基板上形成的源極電極、漏極電極和柵極電極；半導體層，當向柵極電極施加預定電壓時，通過該半導體層在該源極電極和漏極電極之間形成溝道；以及柵極絕緣層，提供在該柵極電極和該半導體層之間，其中該柵極絕緣層由包括一種或兩種或更多種堿土金屬元素以及從由Ga、Sc、Y和除了 Ce之外的鑭系元素構成的組中選擇的一種或兩種或更多種元素的非晶復合金屬氧化物絕緣膜形成。
[0042]利用此配置，可以通過簡單方法形成具有高相對電容率和小漏電流量的絕緣膜，因此可以以低成本提供低電壓驅動的、高度集成的、高分辨率且高亮度的場效應晶體管、半導體存儲器、顯示元件、圖像顯示設備和系統。
【附圖說明】
[0043]圖1例不本發明的第一實施例的場效應晶體管；
[0044]圖2例不根據本發明的第一實施例場效應晶體管的另一例子(I)；
[0045]圖3例示根據本發明的第一實施例的場效應晶體管的另一例子(2);
[0046]圖4例不根據本發明的第一實施例的場效應晶體管的另一例子(3)；
[0047]圖5例示根據本發明的第二實施例的場效應晶體管；
[0048]圖6例示根據本發明的第三實施例的易失性存儲器；
[0049]圖7例示根據本發明的第三實施例的易失性存儲器的另一例子⑴；
[0050]圖8例示根據本發明的第三實施例的易失性存儲器的另一例子(2);
[0051]圖9例示根據本發明的第三實施例的易失性存儲器的另一例子(3);
[0052]圖10例示根據本發明的第四實施例的易失性存儲器；
[0053]圖11例示根據本發明的第五實施例的非易失性存儲器；
[0054]圖12例示根據本發明的第五實施例的非易失性存儲器的另一例子⑴；
[0055]圖13例示根據本發明的第五實施例的非易失性存儲器的另一例子(2);
[0056]圖14例示根據本發明的第五實施例的非易失性存儲器的另一例子(3);
[0057]圖15例示根據本發明的第六實施例的非易失性存儲器；
[0058]圖16例示根據本發明的第七實施例的有機電致發光顯示元件；
[0059]圖17例示根據本發明的第七實施例的有機電致發光顯示元件的另一例子；
[0060]圖18例示用作根據本發明的第七實施例的顯示元件的液晶元件；
[0061]圖19例示用作根據本發明的第七實施例的顯示元件的電致變色元件；
[0062]圖20例示用作根據本發明的第七實施例的顯示元件的電泳元件；
[0063]圖21例示用作根據本發明的第七實施例的顯示元件的電濕潤元件⑴；
[0064]圖22例示用作根據本發明的第七實施例的顯示元件的電濕潤元件(2);
[0065]圖23是根據本發明的第八實施例的電視設備的框圖；
[0066]圖24用于描述根據本發明的第八實施例的電視設備⑴；
[0067]圖25用于描述根據本發明的第八實施例的電視設備(2);
[0068]圖26用于描述根據本發明的第八實施例的電視設備(3);
[0069]圖27用于描述根據本發明的第八實施例的顯示元件；
[0070]圖28用于描述根據本發明的第八實施例的有機EL元件；
[0071]圖29用于描述根據本發明的第八實施例的電視設備⑷；
[0072]圖30用于描述根據本發明的第八實施例的顯示元件的另一例子(I);
[0073]圖31用于描述根據本發明的第八實施例的顯示元件的另一例子(2);
[0074]圖32指示根據例子I和比較例子I的場效應晶體管的晶體管特性；
[0075]圖33例示根據例子3的易失性存儲器；
[0076]圖34例不根據例子7和8以及比較例子2形成的電容器；
[0077]圖35指示根據例子7的電容器的特性；
[0078]圖36指示根據例子8的電容器的特性；
[0079]圖37指示根據比較例子2的電容器的特性；
[0080]圖38指示根據例子9和比較例子3的場效應晶體管的特性；以及[0081 ]圖39是制造根據例子7的有機EL顯示元件的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0082]以下參考附圖描述本發明的實施例。
[0083]本發明是基于本發明的發明人進行的深刻研究的結果。具體地，本發明人已經制成了作為單層膜、具有高介電常數并且具有小漏電流量的由氧化物構成的絕緣材料。此外，本發明人已經使用此絕緣材料形成了電子設備。
[0084]也就是說，本發明是基于以下發現:在包括從由Be、Mg、Ca、Sr、Ba和Ra構成的組中選取的一種或兩種或更多種堿土金屬元素以及從由Ga、Sc、Y和除了 Ce之外的鑭系元素構成的另一組中選取的一種或兩種或更多種元素的復合金屬氧化物膜中穩定地指示非晶相，其中 Ga、Sc、Y 和除了 Ce 之外的鑭系元素是 Ga、Sc、Y、La、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb 和 Lu。
[0085]堿土金屬氧化物趨向于與大氣中的水分和二氧化碳起反應，并且易于變為氫氧化物和碳酸鹽。因此，堿土金屬氧化物獨自不適合應用于電子設備。此外，簡單的金屬氧化物、比如Ga203、Sc203、Y2O3和Ln 203容易結晶，因此出現上述的漏電流問題。但是，本發明的發明人已經發現，利用包括從由Be、Mg、Ca、Sr、Ba和Ra構成的組中選取的一種或兩種或更多種堿土金屬元素以及從由Ga、Sc、Y和除了 Ce之外的鑭系元素構成的另一組中選取的一種或兩種或更多種元素這兩者的復合氧化物，非晶絕緣膜可以按穩定的方式并在廣闊的組成區域(composit1n area)中在大氣中形成。在鑭系元素中，Ce特別地變為四價的，并且在Ce和堿土金屬之間形成具有鈣鈦礦結構的晶體。因此，為了實現非晶相，優選從除了 Ce的鑭系元素中選擇元素。
[0086]在堿土金屬和Ga氧化物之間，存在諸如針狀(spine)結構的晶相。與鈣鈦礦結構晶體相比，這些晶體不析出，除非溫度極高(通常等于或大于100tC )。此外，在堿土金屬氧化物和由Sc、Y和除了 Ce之外的鑭系元素構成的氧化物之間沒有報告存在穩定的晶相。即使在高溫下進行的后處理之后，晶體也很少從非晶相析出。此外，當堿土金屬元素和從由Ga、Sc、Y和除了 Ce之外的鑭系元素構成的另一組中選取的元素的復合氧化物由大于或等于三種金屬元素形成時，非晶相甚至更穩定。
[0087]考慮到形成高介電常數膜，優選增加諸如Ba、Sr、Lu和La的組成比。
[0088]根據本發明的實施例的復合金屬氧化物膜可以在廣闊組成范圍上形成非晶膜，因此可以在廣闊范圍上控制物理特性。例如，相對電容率近似為6到20，這充分高于Si02。可以通過選擇組成根據目的將相對電容率調整到適當的值。
[0089]此外，復合金屬氧化物的熱膨脹系數類似于10 6到10 5的典型布線材料和半導體材料的熱膨脹系數。因此，即使在對根據本發明的實施例的復合金屬氧化物膜重復熱處理之后，與具有10 7的熱膨脹系數的Si02的情況相比，該膜也更不太可能脫落。具體地，該復合金屬氧化物膜與諸如a-1GZO (非晶銦鎵鋅氧化物)的氧化物半導體之間形成高質量界面。
[0090]因此，通過在FET的絕緣膜中使用該復合金屬氧化物膜，可以實現高性能半導體設備。
[0091]可以通過諸如CVD (化學氣相沉積)、ALD (原子層沉積)和濺射的真空工藝來形成上述復合金屬氧化物膜。
[0092]還可以通過準備用于形成上述復合金屬氧化物膜的墨水、將該墨水涂敷于或者印刷在基板上、然后燃燒(fire)基板來形成該膜。
[0093]用于形成該復合金屬氧化物膜的第一種類型的絕緣膜形成墨水是利用包括一種或兩種或更多種堿土金屬元素以及從由Ga、Sc、Y和(除了 Ce之外的)鑭系元素構成的組中選取的一種或兩種或更多種元素的溶液而形成的。
[0094]第二種類型的絕緣膜形成墨水包括添加到第一種類型的墨水的從由Al、T1、Zr、Hf、Ce、Nb和Ta構成的組中選取的一種或兩種或更多種金屬元素。
[0095]絕緣膜形成墨水包括以上金屬的金屬有機酸式鹽和金屬有機絡合物(complex)中的至少一個。在本申請中，詞語“金屬有機絡合物”包括具有金屬-碳鍵的有機金屬化合物和具有配位鍵的金屬絡合物兩者。
[0096]金屬有機酸式鹽是取代的或者非取代的羧酸鹽。例子是乙基丁酸鎂、丙酸鈣、新癸酸鎖(strontium neodecanoate)、辛酸鋇(barium octylate)、二乙基己酸鑭、新癸酸乾、二乙基己酸鈰、環烷酸鋯以及二乙基己酸鈮，盡管不限于此。
[0097]金屬有機絡合物包括乙酰丙酮衍生物、取代的或者非取代的苯基組或者取代的或非取代的烷氧基組。例子是乙酰丙酮鍶水合物、三(2，2，6，6-四甲基-3，5庚二酮酸)釹、四乙氧基乙酰丙酮鉭、水楊酸鎂、丁氧鈦和二(均丁醇)乙酰乙酸酯鋁螯合物(aluminumdi (s-butoxide) acetoacetic ester chelate)，盡管不限于此。
[0098]此外，金屬有機絡合物可以包括羰基組、取代的或者非取代的烷基組或者取代的或非取代的環戊二烯組。例子是五羰基鈮、三(環戊二烯基)釔、二(環戊二烯基)二羰基titan (II)、四苯甲基鉿和二乙基鋁，盡管不限于此。
[0099]此外，絕緣膜形成墨水包括上述金屬的無機鹽。例子是碳酸鍶、硝酸鈧水合物、硫酸鎵和二氯氧化鉿(IV)八水合物，盡管不限于此。
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