JP2007123873A - CaOがドープされたp型のSrCu2O2薄膜の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】カルシウムがドープされた強いp型のSrCu薄膜を製造する。
【解決手段】Ca(OAc)・HO、Sr(OAc)、Cu(OAc)・HO、および酢酸を調製し(12)、これらを、混合した後に還流する(14)。そして、溶液を濾過する(18)。以上により得られた溶液をウェーハ上に塗布し(22)、次いで、該ウェーハをベーキングして溶剤成分を蒸発させる(28)。続いて、フォーミングガス中においてアニール処理を行う(30)。最後に窒素雰囲気中において瞬間的に酸素を供給する(32)。
【選択図】図1

Description

本発明は、カルシウムがドープされたスピン塗布法に用いるSrCu(SCO)前駆体溶液の合成、および対応する薄膜の形成に関するものであり、より詳細には、p型の導電率を有し、かつ発光素子を製造するためにZnO薄膜とともに用いることができる薄膜の形成に関するものである。
ZnOは、n型の特性を有しており、pn接合を生成するために優れた物質であり、発光ダイオードに用いられる場合、そのバンドギャップに対応する約380nmで近紫外光を生成する。上記pn接合を完成させるためには、他にp型の物質が必要とされる。公知の発光素子においてpn接合を完成させるためのp型の物質として、例えば、SrCu、AlCuO、およびGaCuOのような、Cu(I)を含んだ酸化物が用いられている。
2002年に、非特許文献1は、パルスレーザーアブレーション法を用いて、p−SrCuおよびn−ZnOのpnヘテロ接合を製造したことを報告している。上記pnヘテロ接合を含む構造体は、基材としてイットリア安定化ジルコニア(YSZ)単結晶、透過型のn型電極としてインジウム−スズ酸化物(ITO)、およびn型のZnOとp型のSrCuとの組み合わせを備え、かつ、上部電極としてニッケル薄膜を備えている。エレクトロルミネセンスが、上記構造体から発せられることが観察された。また、非特許文献2は、スプレー法を用いて、水を主体とする液体前駆体から、単相のSrCuを合成したことを報告している。
非特許文献3は、[Sr1−XCa]Cuの電気的特性についての理論上の研究を報告している。非特許文献3には、上記化学式で表される化合物の内、x=0.16である化合物が最良のp型の特性を有するとの予測が記載されている。
Ohta et al., Fabrication and Current Injection UV-light Emission from a transparent p-n Heterojunction Composed of p-SrCu2O2 and n-ZnO, Key Engineering Materials, Vol. 214-215 pp. 75-80(2002) Martinson, Synthesis of Single Phase SrCu2O2from liquid precursors, Journal of Young Investigators, Vol. 10, Issue 3, March 2004 Nie et al., First-principles study of transparent p-type conductive SrCu2O2 and related compounds, Physical Review B, Vol. 65, 2002, pp 075111
しかしながら、非特許文献2には、n型のZnOと、p型のSrCuとを組み合わせることについては何ら記載されていない。
また、我々が知る範囲においては、CaOがドープされた強いp型のSrCu薄膜のスピンコーティング処理による調製についての報告はない。
さらに、非特許文献3に記載の研究を支持する実験データはない。
本発明者らの以前の出願(2005年9月6日出願、米国特許出願番号11/220,885、"Method of SrCu2O2 spin-on precursor synthesis and low temperature p-type thin film deposition")は、スピン塗布法に用いる安定な前駆体を開示した。本願では、pn接合を形成するより高品位な薄膜を提供するための、酢酸カルシウム成分を含んでいるスピン塗布法に用いる安定な前駆体のことを述べる。
本発明の目的は、スピンコーティング工程を介したp型のSCO薄膜の製造に用いることができるカルシウムがドープされたスピン塗布法に用いる安定したSCO前駆体を合成することにある。
本発明の他の目的は、低温下でのアニール処理を用いることによりp型の導電率を提供することにある。
本発明にさらなる目的は、n型のZnO薄膜と組み合わせることができるSCO薄膜を提供することにある。
本発明者らは、上記課題に鑑み鋭意検討した結果、CaOがドープされたSrCu前駆体を用いてスピン塗布法を実施することにより、強いp型の特性を有する薄膜を形成できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明に係る方法は、カルシウムがドープされたスピン塗布法に用いるSrCu前駆体を合成して低温でp型薄膜を形成する方法であって、ウェーハを、当該ウェーハ上にスピンコーティングを受容するために調製する工程;SrCu前駆体を形成するための金属有機化合物を選択する工程;該選択された金属有機化合物を溶剤と混合および還流して、溶剤を含んだ前駆体混合物を形成する工程;該前駆体混合物を濾過して、スピンコーティングに用いる前駆体を生成する工程;該スピンコーティングに用いる前駆体を上記ウェーハ上に塗布する二工程のスピンコーティング工程;スピンコートされた該ウェーハを、加熱板を用いてベーキングして実質的に全ての該溶剤を蒸発させる工程(6);ならびにスピンコートされた該ウェーハをアニーリングして、該ウェーハ上にCaOがドープされたSrCu層を形成する工程を含むことを特徴としている。
上述した本発明の要旨及び目的は、本発明の特性を迅速に理解するために提供される。以下の発明を実施するための最良の形態を図面と組み合わせて参照することにより、本発明をより完全に理解し得る。
本発明者らは、高濃度のカルシウムがドープされたスピン塗布法に用いる安定したSrCu(SCO)前駆体の開発に成功した。上記前駆体は、ドープされたp型のSCO薄膜のスピンコーティング工程を介した製造に用いることができる。p型の導電率を得るための、安定した前駆体、すなわち、約一週間室温で貯蔵した後でも使用可能な前駆体を生み出す処理が開発された。本発明の方法に係る前駆体を用いて製造されたSCO薄膜は、電子層堆積(ALD)、スパッタリング、及び有機金属堆積(MOD)を介して生産されたn型のZnOと組み合わされる。CaOがドープされた強いp型のSrCu薄膜の製造のための本発明に係る方法は、スピンコーティング手法を包含する。
本発明に係る前駆体溶液は、Ca、SrおよびCuのような金属の酢酸塩を用い、酢酸を有機溶剤として用いて調製する。上記溶液のウェーハの表面上へのスピン塗布の後、形成した薄膜をまず、100℃、200℃、300℃の順に各温度につき約1分間ずつベーキングする。続けて、約5〜20分間にわたり、フォーミングガス雰囲気中において、約400〜700℃の温度で上記薄膜に対し短時間アニール(RTA:Rapid Thermal Anneal)法を実施する。最後に、窒素雰囲気中において、約300〜600℃で、約1〜60秒間、上記薄膜に対しパルス的な酸素処理を行う。すなわち、上記薄膜の周囲に、ごく短い時間、酸素を供給する。以上を実施した結果、ホール効果測定により測定されたように、強いp型の特性を有する薄膜が形成された。
図1は、カルシウムがドープされたスピンコーティングに用いるSrCu前駆体溶液の合成処理及び該前駆体溶液からの薄膜製造のための本発明の方法を示す図である。上記方法の概略を方法10に示す。ドーピングは約1〜20mol%の濃度で行う。金属有機化合物が、出発材料として用いられる化合物である。上記化合物として、酢酸カルシウム一水和物(Ca(OAc)・HO)、酢酸ストロンチウム(Sr(OAc))及び酢酸銅(II)一水和物(Cu(OAc)・HO)を用いる。なお、本明細書中において「OAc」は、酢酸塩(CHCO)を表す。溶剤として酢酸(HOAc)を用いる(ステップ12)。上記金属有機化合物および溶剤を混合した後、少なくとも2時間、還流を行い前駆体混合物を得る(ステップ14)。その後、上記前駆体混合物を室温に冷却する(ステップ16)。そして、精製のため0.2μmのフィルターによりろ過する(ステップ18)。以上のように作成された前駆体溶液は、ほぼ一週間は安定しており、CaOがドープされたp型のSrCu薄膜の製造に用いることができる(ステップ20)。固形物が上記前駆体溶液に沈殿する場合は、該溶液を約2時間約120℃に加熱した後、再度0.2μmのフィルターでろ過することにより再精製してもよい。
上記SCO薄膜のスピンコーティングは、初めにウェーハを準備すること及び当該ウェーハの表面に上記前駆体溶液を広げること(ステップ22)を含む。詳しくは、約5〜10秒間にわたって上記ウェーハの回転速度を約100〜500rpmの一定の速度にした(ステップ24)後、約30〜90秒間にわたって当該ウェーハの回転速度を約1000〜8000rpmに加速して(ステップ26)、当該ウェーハの表面に上記前駆体溶液を広げる。新たに形成された薄膜に含まれる実質的に全ての溶剤を蒸発させるために、それぞれの温度が100℃、200℃及び300℃である3個の加熱板上で各温度につき1分間ずつ、当該薄膜を連続してベーキングする(ステップ28)。ベーキング工程の後、フォーミングガス雰囲気中において約5〜20分間、約400〜700℃にて上記薄膜に対し単一のRTA工程を実施する(ステップ30)。そして、最後の処理工程は、窒素雰囲気中における上記薄膜に対してのパルス的な酸素処理である(ステップ32)。上記酸素処理は、約300〜600℃において行い、持続時間は約30〜60秒間とする。つまり上記の温度において上記持続時間の間だけ上記薄膜の周囲に酸素を供給する。以上のように、CaOがドープされたSrCu薄膜(SrCu層)を生産する。上記薄膜は、強いp型の特性を示す。
上記のように生産されたドープされたSrCu薄膜は、EL光デバイスの製造のため、ALD、スパッタリングまたはMOD処理を介して、pn接合構造内でn型のZnO薄膜と組み合わせることができる。
〔実施例1〕
Ca(C・HO(0.6076グラム、0.0345mol)、Sr(C(1.4778グラム、0.0718mol)及びCu(C・HO(2.8685グラム、0.1437mol)を混合し、100mLの酢酸を含む100mLフラスコに加えた。上記のように作成した溶液を2時間還流し、室温に冷却した。これを0.2μmのフィルターによりろ過した後、得られた溶液をスピンコーティング処理によるCaOがドープされたSCO薄膜の形成に用いた。
上記溶液(約2mL)をウェーハの表面にピペットにより塗布した。上記ウェーハとしては、例えば、6インチのp型のテストウェーハを用いた。次いで、5秒間の300rpmの回転により上記溶液を上記ウェーハの全体を覆うように広げた。そして、60秒間の2000rpmの回転により、薄膜を形成した。続いて、100℃、200℃、300℃の順に各温度につき1分間の加熱板を用いたベーキングを行った。そして、フォーミングガス雰囲気中において10分間、650℃でRTA法により上記薄膜を処理した。続けて、窒素雰囲気中においてパルス的な酸素処理を行った。上記酸素処理は350℃において行い、持続時間は10秒間とした。
得られた薄膜は、強いp型の特徴を示した。表1に、ホール効果測定の結果を示す。
Figure 2007123873
以上のように、カルシウムがドープされたp型のSrCu薄膜の製造方法を開示した。本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
本発明に係る方法によれば、EL光デバイスの製造のため、n型のZnO薄膜と組み合わせることができる、カルシウムがドープされたp型のSrCu薄膜を好適に形成することができる。
本発明の一実施形態に係るp型薄膜の形成方法の手順を示すブロック図である。
符号の説明
10 p型薄膜の形成方法
12 金属有機化合物を選択するステップ(工程(2))
14 混合及び還流するステップ(工程(3))
16 冷却ステップ
18 ろ過するステップ(工程(4))
20 スピンコーティングに用いる溶液を得るステップ
22 スピンコーティングに用いる溶液をウェーハに塗布するステップ(工程(5))
24 低速回転ステップ(サブ工程(5a))
26 高速回転ステップ(サブ工程(5b))
28 ベーキングするステップ(工程(6))
30 アニーリングするステップ(工程(7))
32 酸素処理ステップ

Claims (17)

  1. カルシウムがドープされたスピン塗布法に用いるSrCu前駆体を合成して低温でp型薄膜を形成する方法であって、
    ウェーハを、当該ウェーハ上にスピンコーティングを受容するために調製する工程(1);
    CaOがドープされたSrCu前駆体を形成するための金属有機化合物を選択する工程(2);
    該選択された金属有機化合物を溶剤と混合および還流して、溶剤を含んだ前駆体混合物を形成する工程(3);
    該前駆体混合物を濾過して、スピンコーティングに用いる前駆体を生成する工程(4);
    該スピンコーティングに用いる前駆体を上記ウェーハ上に塗布する二工程のスピンコーティング工程(5)であって、該二工程が:
    最初に、該ウェーハを低い回転速度にてスピンコートするサブ工程(5a);および
    続いて、スピンコーティングに用いる上記前駆体を、より速い回転速度にて該ウェーハ上で広げるサブ工程(5b)
    を含む、スピンコーティング工程;
    スピンコートされた該ウェーハを、加熱板を用いてベーキングして実質的に全ての該溶剤を蒸発させる工程(6);ならびに
    スピンコートされた該ウェーハをアニーリングして、該ウェーハ上にCaOがドープされたSrCu層を形成する工程(7)
    を含むことを特徴とする方法。
  2. 上記工程(2)において、上記金属有機化合物が、酢酸カルシウム一水和物(Ca(OAc)・HO)、酢酸ストロンチウム(Sr(OAC))および酢酸銅(II)一水和物(Cu(OAc)・HO)から選択されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 上記工程(3)において、上記溶剤が酢酸(HOAc)であることを特徴とする請求項2に記載の方法。
  4. 上記工程(3)が、約2時間にわたって上記前駆体混合物を還流すること、および該前駆体混合物を室温にまで冷却することを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  5. 上記サブ工程(5a)が、約5〜10秒間にわたって約100〜500rpmの一定の回転速度にて上記ウェーハをスピンコートすることを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  6. 上記サブ工程(5b)が、スピンコーティングに用いる上記前駆体を、約30〜90秒間にわたって約1000〜8000rpmの速度にて上記ウェーハ上で広げることを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  7. 上記工程(6)が、3段階のベーキング手順を含み、
    第1のベーキング手順は、約100℃で約1分間行われ、
    第2のベーキング手順は、約200℃で約1分間行われ、
    第3のベーキング手順は、約300℃で約1分間行われる
    ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  8. 上記工程(7)は、フォーミングガス中において約5〜20分間にわたって約400〜700℃で短時間アニール法を実施することを含む
    ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  9. CaOがドープされたスピン塗布法に用いるSrCu前駆体を合成して低温でp型薄膜を形成する方法であって、
    ウェーハを、当該ウェーハ上にスピンコーティングを受容するために調製する工程(8);
    金属有機化合物を溶剤と混合および還流して、CaOがドープされたSrCu前駆体混合物を形成する工程(9)であって、該金属有機化合物が、酢酸カルシウム一水和物(Ca(OAc)・HO)、酢酸ストロンチウム(Sr(OAc))および酢酸銅(II)一水和物(Cu(OAc)・HO)であり、該溶剤が酢酸(HOAc)である、工程(9);
    該前駆体混合物を濾過して、スピンコーティングに用いる前駆体を生成する工程(10);
    該スピンコーティングに用いる前駆体を上記ウェーハ上に塗布する二工程のスピンコーティング工程(11)であって、該二工程が:
    最初に、約5〜10秒間にわたって約100〜500rpmの一定の回転速度にて該ウェーハをスピンコートするサブ工程(11a);および
    続いて、スピンコーティングに用いる上記前駆体を、約30〜90秒間にわたって約1000〜8000rpmのより速い回転速度にて該ウェーハ上で広げるサブ工程(11b)
    を含む、スピンコーティング工程(11);
    スピンコートされた該ウェーハを、加熱板を用いてベーキングして実質的に全ての該溶剤を蒸発させる工程(12);ならびに
    スピンコートされた該ウェーハをアニーリングして、該ウェーハ上にCaOがドープされたSrCu層を形成する工程(13)
    を含むことを特徴とする方法。
  10. 上記工程(9)が、約2時間にわたって上記前駆体混合物を還流すること、および該前駆体混合物を室温にまで冷却することを含むことを特徴とする請求項9に記載の方法。
  11. 上記工程(12)が、3段階のベーキング手順を含み、
    第1のベーキング手順は、約100℃で約1分間行われ、
    第2のベーキング手順は、約200℃で約1分間行われ、
    第3のベーキング手順は、約300℃で約1分間行われる
    ことを特徴とする請求項9に記載の方法。
  12. 上記工程(13)は、フォーミングガス中において約5〜20分間にわたって約400〜700℃で短時間アニール法を実施することを含む
    ことを特徴とする請求項9に記載の方法。
  13. CaOがドープされたスピン塗布法に用いるSrCu前駆体を合成して低温でp型薄膜を形成する方法であって、
    ウェーハを、当該ウェーハ上にスピンコーティングを受容するために調製する工程(14);
    CaOがドープされたSrCu前駆体を形成するための金属有機化合物および溶剤を選択する工程(15)であって、該金属有機化合物が、酢酸カルシウム一水和物(Ca(OAc)・HO)、酢酸ストロンチウム(Sr(OAc))および酢酸銅(II)一水和物(Cu(OAc)・HO)であり、該溶剤が酢酸(HOAc)である、工程(15);
    該選択された金属有機化合物を混合および還流して前駆体混合物を形成する工程(16);
    該前駆体混合物を濾過して、スピンコーティングに用いる前駆体を生成する工程(17);
    該スピンコーティングに用いる前駆体を上記ウェーハ上に塗布する二工程のスピンコーティング工程(18)であって、該二工程が:
    最初に、該ウェーハを低い回転速度にてスピンコートするサブ工程(18a);および
    続いて、スピンコーティングに用いる上記前駆体を、より速い回転速度にて該ウェーハ上で広げるサブ工程(18b)
    を含む、スピンコーティング工程(18);
    スピンコートされた該ウェーハを、加熱板を用いてベーキングして実質的に全ての該溶剤を蒸発させる工程(19);ならびに
    フォーミングガス中において約5〜20分間にわたって約400〜700℃で短時間アニール法を実施することにより、スピンコートされた該ウェーハをアニーリングして、該ウェーハ上にCaOがドープされたSrCu層を形成する工程(20)
    を含むことを特徴とする方法。
  14. 上記工程(16)が、約2時間にわたって上記前駆体混合物を還流すること、および該前駆体混合物を室温にまで冷却することを含むことを特徴とする請求項13に記載の方法。
  15. 上記サブ工程(18a)が、約5〜10秒間にわたって約100〜500rpmの一定の回転速度にて上記ウェーハをスピンコートすることを含むことを特徴とする請求項13に記載の方法。
  16. 上記サブ工程(18b)が、スピンコーティングに用いる上記前駆体を、約30〜90秒間にわたって約1000〜8000rpmの速度にて上記ウェーハ上で広げることを含むことを特徴とする請求項13に記載の方法。
  17. 上記工程(19)が、3段階のベーキング手順を含み、
    第1のベーキング手順は、約100℃で約1分間行われ、
    第2のベーキング手順は、約200℃で約1分間行われ、
    第3のベーキング手順は、約300℃で約1分間行われる
    ことを特徴とする請求項13に記載の方法。
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