JP2008091904A - 誘電薄膜組成物、これを用いた金属酸化物誘電薄膜およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】式(1) MaXb (式中、Mは第1族〜第14族の金属、Xはハロゲン元素、aは1〜3の整数、bは1〜10の整数である。)で表される金属酸化物前駆体としての金属ハロゲン化物と、金属アルコキシドおよびエーテル化合物のうち少なくとも一つと、有機溶媒とを含む誘電薄膜組成物を提供する。
【選択図】図1
Description
ゾル−ゲル法は、加水分解、アルコール凝縮(alcohol producing condensation)、水凝縮(water producing condensation)の3工程の反応を経て行われる。前記水凝縮工程では水酸化基を有する酸化物が最終酸化物に変換されるが、このような変換過程は低温では行われず、400〜500℃以上の高温でのみ行われる。400℃以上の高温で行われる高温工程は、通常の基板の変形および損傷を引き起こすという問題点がある。
本発明の他の目的は、前記組成物を用いて形成された金属酸化物誘電薄膜およびその製造方法を提供することである。
本発明の別の目的は、前記金属酸化物誘電薄膜を含むトランジスタ素子、および前記トランジスタ素子を含んでおり、優れた電気的特性、たとえば低い駆動電圧や高い電荷移動度などを持つ電子素子を提供することである。
MaXb (1)
(式中、Mは第1族〜第14族の金属、Xはハロゲン元素、aは1〜3の整数、bは1〜10の整数である。)
また、本発明の別の観点によれば、前記金属酸化物誘電薄膜を含むトランジスタ素子を提供する。
さらに、本発明の別の観点によれば、前記トランジスタ素子を含む電子素子を提供する。
本発明の一実施形態の誘電薄膜組成物は、式(1)で表される金属酸化物前駆体としての金属ハロゲン化物、金属アルコキシドとエーテル化合物のうちの少なくとも一つ、および有機溶媒を含むことを特徴とする。
MaXb (1)
(式中、Mは第1族〜第14族の金属、Xはハロゲン元素、aは1〜3の整数、bは1〜10の整数である。)
本発明の誘電薄膜組成物を基板上に塗布した後、熱処理すると、高誘電率を有する誘電薄膜を製造することができる。本発明の誘電薄膜組成物は、非加水分解ゾル−ゲル法で薄膜を形成するので、低温工程が可能であるという利点がある。本発明の組成物を用いて製造される誘電薄膜は、酸化シリコンを代替する次世代高容量メモリ材料、トランジスタゲート絶縁膜材料等としての応用が可能である。
Ma(OR1)n (2)
(式中、Maは第1族〜第14族の金属であり、
aは1〜3の整数であり、
R1は水素原子;炭素数1〜10のアルキル基;炭素数3〜10のシクロアルキル基;炭素数6〜15のアリール基;アクリロイル基;アクリロイルオキシ基;エポキシ基が置換された炭素数1〜10のアルキル基;エポキシ基が置換された炭素数1〜10のシクロアルキル基;炭素数2〜10の炭化水素基が置換されたビニル基;炭素数3〜10の炭化水素基が置換されたアリル基;または炭素数1〜10のアルコキシ基であり、
nは1〜6の整数である。)
R2OR1 (3)
(式中、R1およびR2は、それぞれ独立に水素原子;炭素数1〜10のアルキル基;炭素数3〜10のシクロアルキル基;炭素数6〜15のアリール基;アクリロイル基;アクリロイルオキシ基;エポキシ基が置換された炭素数1〜10のアルキル基;エポキシ基が置換された炭素数1〜10のシクロアルキル基;炭素数2〜10の炭化水素基が置換されたビニル基;炭素数3〜10の炭化水素基が置換されたアリル基;または炭素数1〜10のアルコキシ基である。)
炭素数6〜15のアリール基としては、フェニル、トリル、キシリル、ナツフィル、ビフェニリル、クメニル、メシチル等が挙げられる。
ビニル基及びアリル基に置換される炭化水素基は特に限定されるものではなく、種々のものが挙げられる。なかでも、上述したアルキル、シクロアルキル、アリール等が挙げられる。
MaXb+Ma(OR1)b→2MaOb/2+bR1X (反応式1)
(式中、Maは第1族〜第14族の金属であり、
Xbはハロゲン元素であり、
aは1〜3の整数であり、
bは1〜10の整数であり、
R1は水素原子;炭素数1〜10のアルキル基;炭素数3〜10のシクロアルキル基;炭素数6〜15のアリール基;アクリロイル基;アクリロイルオキシ基;エポキシ基が置換された炭素数1〜10のアルキル基;エポキシ基が置換された炭素数1〜10のシクロアルキル基;炭素数2〜10の炭化水素基が置換されたビニル基;炭素数3〜10の炭化水素基が置換されたアリル基;または炭素数1〜10のアルコキシ基であり、
nは1〜6の整数である。)
また、ハロゲン元素としては、フッ素(F)、塩素(Cl)、臭素(Br)、ヨウ素(I)などのハロゲン元素であれば制限なく使用できるが、フッ素、塩素、または臭素が好ましい。
1/2MaXb+1/2Ma(OR1)b→MaOb/2+R1Xb (反応式2)
(式中、Maは第1族〜第14族の金属であり、
Xbはハロゲン元素であり、
aは1〜3の整数であり、
bは1〜10の整数であり、
R1およびR2は、それぞれ独立に水素原子;炭素数1〜10のアルキル基;炭素数3〜10のシクロアルキル基;炭素数6〜15のアリール基;アクリロイル基;アクリロイルオキシ基;エポキシ基が置換された炭素数1〜10のアルキル基;エポキシ基が置換された炭素数1〜10のシクロアルキル基;炭素数2〜10の炭化水素基が置換されたビニル基;炭素数3〜10の炭化水素基が置換されたアリル基;または炭素数1〜10のアルコキシ基である。)
金属前駆体溶液製造工程では、式(1)で表される金属ハロゲン化物、および金属アルコキシドとエーテル化合物のうち少なくとも一つを有機溶媒に溶解させて製造する。
本発明の金属前駆体溶液の組成比は、特に制限されず、場合に応じて当業者が適切に判断して選択することができる。例えば、前記金属前駆体溶液は、金属ハロゲン化物0.1〜50重量%、金属アルコキシドまたはエーテル化合物0.1〜50重量%、および残量の溶媒の割合で通常の方法によって混合して製造することができる。
このように熱処理を行うと、式(4)で表される金属酸化物の薄膜が得られる。
MxOy (4)
(式中、Mは第1族〜第14族の金属であり、
xは1または2であり、
1≦y≦10である。)
このような金属酸化物の好ましい例は、TiO2、SiO2、ZrO2、HfO2、Al2O3、Ta2O5などを含むが、これらに制限されない。
本発明の誘電薄膜の厚さは、特に制限されないが、約10〜10,000Åの範囲内であることが好ましい。
図1はトップコンタクト構造の薄膜トランジスタの概略断面図、図2はボトムコンタクト構造の薄膜トランジスタの概略断面図である。
例えば、本発明の薄膜トランジスタは、図1に示すように、基板1上にゲート電極2、ゲート絶縁層3、半導体層6、ソース電極4/ドレイン電極5が順次積層された構造、または図2に示すように、基板1上にゲート電極2、ゲート絶縁層3、ソース電極4/ドレイン電極5、および半導体層6が順次積層された構造を有することができる。
前記ゲート電極2およびソース/ドレイン電極4、5の素材としては、通常用いられる金属または伝導性高分子が使用できる。具体的には、ドープされた珪素または金、銀、アルミニウム、銅、ニッケル、クロム、モリブデン、タングステン、インジウムスズ酸化物などの金属を例示することができるが、これに限定されない。
前記ゲート絶縁層3としては前述したように本発明に係る金属酸化物誘電薄膜を使用し、半導体層6としては通常用いられる有機半導体材料と無機半導体材料を制限なく使用することができる。前記有機半導体材料の具体的な例として、ペンタセン、銅フタロシアニン、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリフェニレンビニレン、またはこれらの誘導体を挙げることができるが、これに制限されない。また、前記無機半導体材料の具体的な例として、シリコン(Si)、セレン化カドミウム(CdSe)、硫化カドミウム(CdS)、テルル化カドミウム(CdTe)、酸化亜鉛(ZnO)、二酸化スズ(SnO2)、硫化亜鉛(ZnS)などを挙げることができるが、半導体の性質を持つものであればいずれでも使用可能である。
すなわち、本発明に係る金属酸化物誘電薄膜は、前記メモリ素子の情報記憶または相補型金属酸化物半導体素子用キャパシタ絶縁層、またはディスプレイ素子の薄膜トランジスタ用絶縁層としても使用できる。
ジルコニウムテトラクロライド(ZrCl4)1モルとジルコニウム(4)イソプロポキシドイソプロパノール複合体[Zr(OiPr)4(iPrOH)]1モルとの前駆体混合物を2−メトキシエタノールに溶解し、前記前駆体混合物の含量が5重量%の酸化ジルコニウム誘電薄膜組成物を製造した。
前駆体混合物の含量を15重量%とした以外は製造例1と同様にして、酸化ジルコニウム誘電薄膜組成物を製造した。
前記製造例1で製造した組成物を室温でシリコンウエハー上に500rpmで30秒間スピンコーティングによって塗布し、エア雰囲気の下、100℃で1分間熱処理した後、さらに300℃で1時間熱処理し、硬化させて厚さ416Åの酸化ジルコニウム(ZrO2)誘電薄膜を製作した。
硬化条件を、エア雰囲気の下、100℃で1分間熱処理し、200℃で5分間熱処理した後、さらに400℃で30分間熱処理することにした以外は実施例1と同様にして、厚さ338Åの酸化ジルコニウム誘電薄膜を製作した。
最終硬化条件を、窒素雰囲気の下、100℃で1分間熱処理し、300℃で5分間熱処理することにした以外は実施例1と同様にして、酸化ジルコニウム誘電薄膜を製作した。
最終硬化条件を、窒素雰囲気の下、100℃で1分間熱処理し、300℃で10分間熱処理することにした以外は実施例1と同様にして、酸化ジルコニウム誘電薄膜を製作した。
最終硬化条件を、窒素雰囲気の下、100℃で1分間熱処理し、300℃で3時間熱処理することにした以外は実施例1と同様にして、酸化ジルコニウム誘電薄膜を製作した。
最終硬化条件を、窒素雰囲気の下、100℃で1分間熱処理し、300℃で1時間熱処理することにした以外は実施例1と同様にして、酸化ジルコニウム誘電薄膜を製作した。
ゲート電極として、n型にドープされたシリコンウエハーを使用し、そのゲート電極の上に、前記製造例1で製造した誘電薄膜組成物を用いてスピンコート法によって厚さ1500Åのフィルムを形成し、窒素雰囲気の下、100℃の条件で1分間熱処理して前記溶媒を除去した後、300℃で1時間熱処理し、硬化させてゲート絶縁層を形成した。
ガラス基板上にタングステン/モリブデン(W/Mo)合金を蒸着して厚さ2000Åのゲート電極を形成し、このゲート電極の上に、前記製造例2で製造した誘電薄膜組成物を用いてスピンコート法によって厚さ1500Åのフィルムを形成し、窒素雰囲気の下、100℃の条件で1分間熱処理して前記溶媒を除去した後、300℃で1時間熱処理し、硬化させてゲート絶縁層を形成した。
シリコンオキサイド(SiO2)を用いてPECVD法によって厚さ3000Åのゲート絶縁層を形成した以外は前記実施例7と同様にして、トップコンタクト構造の薄膜トランジスタを製作した。
本発明の金属酸化物誘電薄膜内のヒドロキシ基の残存有無を分析するために、FT−IR分析装置を用いて、最終硬化温度300℃の前記実施例3〜実施例6で製造した薄膜の組成を分析した結果を図5に示す。
本発明に係る金属酸化物誘電薄膜の漏洩電流、誘電率などの電気的特性を測定するために、シリコン(Si)でドープされたn型のシリコンウエハー上に、前記製造例1で製造した酸化ジルコニウム誘電薄膜組成物を塗布した後、スピンコートし、100℃1分、300℃30分の条件で熱処理して厚さ400Åの絶縁層を形成した後、その上に電子ビーム蒸着(e-beam evaporation)法によってアルミニウム薄膜を1500Åの厚さに蒸着して上部電極を形成させることにより、図6のような電気的特性測定用素子を製作した。
(k:誘電率(dielectric ratio)
C:静電容量
d:低誘電薄膜の厚さ
εo:真空の誘電定数
A:電極の接触断面積)
本発明の薄膜トランジスタの電気的特性を測定するために、Keithley Semiconductor Analyzer(4200−SCS)を用いて、前記実施例7および比較例1で製造した薄膜トランジスタのしきい電圧、電荷移動度および駆動電圧などの駆動特性を次のように測定した。
しきい電圧は、(ID)1/2とVG間のグラフにおける線形部分の延長線とVG軸との交点から求めた。しきい電圧は、絶対値が0に近ければ電力が少なく消耗される。
本発明に係る薄膜トランジスタの電気的特性を測定するために、前記実施例8で製造した薄膜トランジスタのしきい電圧、電荷移動度およびIon/Ioff電流比などの駆動特性を前記実験例4と同様に測定した。
図9aおよび図9bを参照すると、しきい電圧は−1.8V以下であり、Ion/Ioff電流比は2.14×105以下であり、電荷移動度は7.6cm2/VS以下であって、高誘電率の誘電薄膜を適用した本発明に係る薄膜トランジスタの場合、低い電圧駆動および高い電荷移動度の特性を持つことを確認することができる。
2 ゲート電極
3 ゲート絶縁層
4 ソース電極
5 ドレイン電極
6 半導体層
Claims (22)
- 式(1)
MaXb (1)
(式中、Mは第1族〜第14族の金属、Xはハロゲン元素、aは1〜3の整数、bは1〜10の整数である。)
で表される金属酸化物前駆体としての金属ハロゲン化物と、金属アルコキシドおよびエーテル化合物のうち少なくとも一つと、有機溶媒とを含むことを特徴とする誘電薄膜組成物。 - 前記金属(M)は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、タンタルおよびシリコンよりなる群から選ばれたいずれか一つである請求項1に記載の誘電薄膜組成物。
- 前記金属アルコキシドが、下記式(2)
Ma(OR1)n (2)
(式中、Maは第1族〜第14族の金属であり、
aは1〜3の整数であり、
R1は水素原子;炭素数1〜10のアルキル基;炭素数3〜10のシクロアルキル基;炭素数6〜15のアリール基;アクリロイル基;アクリロイルオキシ基;エポキシ基が置換された炭素数1〜10のアルキル基;エポキシ基が置換された炭素数1〜10のシクロアルキル基;炭素数2〜10のビニル基;炭素数3〜10のアリル基;または炭素数1〜10のアルコキシ基であり、
nは1〜6の整数である。)
で表される化合物である請求項1に記載の誘電薄膜組成物。 - 前記エーテル化合物が、下記式(3)
R2OR1 (3)
(式中、R1およびR2は、それぞれ独立に水素原子;炭素数1〜10のアルキル基;炭素数3〜10のシクロアルキル基;炭素数6〜15のアリール基;アクリロイル基;アクリロイルオキシ基;エポキシ基が置換された炭素数1〜10のアルキル基;エポキシ基が置換された炭素数1〜10のシクロアルキル基;炭素数2〜10のビニル基;炭素数3〜10のアリル基;または炭素数1〜10のアルコキシ基である。)
で表される化合物である請求項1に記載の誘電薄膜組成物。 - 前記組成物は、
金属ハロゲン化物が0.1〜50重量%と、金属アルコキシドおよびエーテル化合物のうち少なくとも一つが0.1〜50重量%と、残量の有機溶媒とを含む請求項1に記載の誘電薄膜組成物。 - (a)下記式(1)
MaXb (1)
(式中、Mは第1族〜第14族の金属、Xはハロゲン元素、aは1〜3の整数、bは1〜10の整数である。)
で表される金属ハロゲン化物と、金属アルコキシドおよびエーテル化合物のうち少なくとも一つとを有機溶媒に溶解し、金属酸化物前駆体溶液を調製する工程と、
(b)前工程で調製された金属酸化物前駆体溶液を基板上にコートする工程と、
(c)前記コートされた基板を熱処理して薄膜を得る工程とを含むことを特徴とする金属酸化物誘電薄膜の製造方法。 - 前記金属(M)は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、タンタルおよびシリコンよりなる群から選ばれたいずれか一つである請求項6に記載の金属酸化物誘電薄膜の製造方法。
- 前記金属アルコキシドが、下記式(2)
Ma(OR1)n (2)
(式中、Maは第1族〜第14族の金属であり、
aは1〜3の整数であり、
R1は水素原子、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数3〜10のシクロアルキル基、炭素数6〜15のアリール基、炭素数2〜30のアクリロイル基、炭素数1〜10のアクリロイルオキシ基、炭素数1〜10のエポキシ基が置換されたアルキル基またはシクロアルキル基、炭素数1〜10のビニル基、炭素数1〜10のアリル基、炭素数1〜10のエポキシ基、または炭素数1〜10のアルコキシ基であり、
nは1〜6の整数である。)
で表される請求項6に記載の金属酸化物誘電薄膜の製造方法。 - 前記エーテル化合物が、下記式(3)
R2OR1 (3)
(式中、R1およびR2はそれぞれ独立に水素原子、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数3〜10のシクロアルキル基、炭素数6〜15のアリール基、炭素数2〜30のアクロイル基、 炭素数1〜10のアクロイルオキシ基、 炭素数1〜10のエポキシ基が置換されたアルキル基またはシクロアルキル基、 炭素数1〜10のビニル基、 炭素数1〜10のアリル基、 炭素数1〜10のエポキシ基、または炭素数1〜10のアルコキシ基である。)
で表される請求項6に記載の金属酸化物誘電薄膜の製造方法。 - 前記有機溶媒は、脂肪族炭化水素溶媒;芳香族系炭化水素溶媒;ケトン系溶媒;エーテル系溶媒;アセテート系溶媒;アルコール系溶媒;アミド系溶媒;シリコン系溶媒;およびこれらの混合物よりなる群から選ばれる1種以上の溶媒である請求項6に記載の金属酸化物誘電薄膜の製造方法。
- 前記有機溶媒は、2−メトキシエタノールまたはジ(プロピレングリコール)メチルエーテルである請求項10に記載の金属酸化物誘電薄膜の製造方法。
- 前記金属酸化物前駆体溶液は、金属酸化物前駆体0.1〜50重量%と、金属アルコキシドおよびエーテル化合物のうち少なくとも1つ0.1〜50重量%と、残量の有機溶媒とを含む請求項6に記載の金属酸化物誘電薄膜の製造方法。
- 前記熱処理工程は、非加水分解ゾル−ゲル法によって、式(4)
MxOy (4)
(式中、Mは第1族〜第14族の金属であり、xは1または2であり、1≦y≦10である。)
で表される金属酸化物を調製する工程である請求項6に記載の金属酸化物誘電薄膜の製造方法。 - 前記コーティング工程は、スピンコーティング、ディップコーティング、ロールコーティング、スクリーンコーティング、スプレーコーティング、スピンキャスティング、フローコーティング、スクリーン印刷、インクジェット、およびドロップキャスティングよりなる群から選ばれた方法によって行う請求項6に記載の金属酸化物誘電薄膜の製造方法。
- 前記熱処理は、コートされた基板をベーキングした後、硬化する工程である請求項6に記載の金属酸化物誘電薄膜の製造方法。
- 前記ベーキング工程は、50〜250℃の温度で1秒〜5分間、窒素、大気および真空雰囲気の中から選ばれたいずれか一つの条件で加熱する請求項15に記載の金属酸化物誘電薄膜の製造方法。
- 前記硬化工程は、100〜1000℃の温度で10分間〜3時間、窒素、大気および真空雰囲気の中から選ばれたいずれか一つの条件で行う請求項15に記載の金属酸化物誘電薄膜の製造方法。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載の誘電薄膜組成物を薄膜化して得られる金属酸化物誘電薄膜。
- 請求項18に記載の誘電薄膜を含むトランジスタ素子。
- 前記素子は、基板、ゲート電極、請求項18に記載の誘電薄膜を含む絶縁層、半導体層、およびソース/ドレイン電極対を含んでなる薄膜トランジスタである請求項19に記載のトランジスタ素子。
- 請求項20に記載のトランジスタ素子を含む電子素子。
- 前記電子素子は、ディスプレイ素子、メモリ素子、相補型金属酸化物半導体素子、光電変換素子、有機発光素子、センサ、および集積回路よりなる群から選ばれる請求項21に記載の電子素子。
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