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

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 Download PDF

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Abstract

【課題】低温工程が可能であるうえ、高誘電率(high-k)特性を持つ誘電薄膜組成物、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、前記誘電薄膜を含むトランジスタ素子、並びに前記トランジスタ素子を含んでおり、優れた電気的特性を持つ電子素子を提供すること。
【解決手段】式(1) Mab (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

本発明は、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に関する。
薄膜トランジスタ(TFT)は、液晶ディスプレイ装置(LCD)や電界発光ディスプレイ装置(ELD)などの平板ディスプレイ装置において各画素の動作を制御するスイッチング素子および各画素の駆動素子として用いられている。この他にも、薄膜トランジスタは、スマートカードまたはインベントリータグ用プラスチックチップへの活用が期待されている。
薄膜トランジスタのゲート絶縁膜としては高誘電率の材料が用いられるが、このような高誘電率の誘電薄膜を製造する方法としてはCVD法、ALD(atomic layer deposition)法などの真空蒸着工程、加水分解ゾル−ゲル法を用いた溶液工程などがある。
真空蒸着方法は、高価の装備を必要とするうえ、高温高真空の条件で行われるので、最近では、低コストで実施可能な溶液工程である加水分解ゾル−ゲル法が注目されている。
加水分解ゾル−ゲル法は、金属アルコキシド又は金属塩が溶液状で加水分解されて生成されたゾルが縮重合反応によってゲル化する工程を用いる技術である。
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。
本発明は、上述した従来の技術の問題点を解決するためのもので、その目的とするところは、低温工程が可能であるうえ、高誘電率の特性を有する誘電薄膜組成物を提供することである。
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。
上記目的を達成するために、本発明のある観点によれば、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少なくとも一つ、および有機溶媒を含む、誘電薄膜組成物を提供する。
ab (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、本発明の他の観点によれば、(a)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させ、金属酸化物前駆体溶液を製造する工程と、(b)前工程で製造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、金属酸化物誘電薄膜の製造方法を提供する。
さらに、本発明の別の観点によれば、前記組成物を薄膜化して製造される金属酸化物誘電薄膜を提供する。
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。
本発明に係る誘電薄膜組成物は、非加水分解ゾル−ゲル法によって薄膜化が可能であるため、低温工程によって誘電薄膜を形成することができ、製造コストを低減することができる。また、本発明によって得られる誘電薄膜は、低漏洩電流および高誘電率を有するため、このような誘電薄膜を適用した本発明の電子素子の場合、低い駆動電圧および高い電荷移動度などを同時に満足する優れた電気的特性を示すことができる。
以下に添付図面を参照しながら、本発明について詳細に説明する。
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。
ab (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。
本発明において、前記金属前駆体の金属は第1族〜第14族に属するもので、金属酸化物が絶縁体の場合であれば制限なく使用できる。このような金属の好ましい例は、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、タンタル(Ta)およびシリコン(Si)などを含むが、これらに制限されない。
本発明の誘電薄膜組成物の金属アルコキシドは、下記式(2)で表される。
a(OR1n (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、
1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。)
本発明において、前記エーテル化合物は、下記式(3)で表される。
2OR1 (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。)
上記式(2)及び(3)のR1およびR2において、置換、非置換のアルキル基またはシクロアルキル基は、炭素数が1〜10のものが好ましい。特に、シクロアルキル基は炭素数が3〜10のものが好ましい。これらの例としては、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、イソブチル、ペンチル、ヘキシル、オクチル、ノニル、デキル、シクロプロピル、シクロペンチル、シクロヘキシル等が挙げられる。
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。
本発明において、有機溶媒としては、通常の有機溶媒を特別な制限なく使用することができる。好ましくは、ヘキサンなどの脂肪族炭化水素溶媒;アニソール(anisol)、メシチレン(mesitylene)またはキシレン(xylene)などの芳香族系炭化水素溶媒(aromatic hydrocarbon solvent);メチルイソブチルケトン(methyl isobutyl ketone)、1−メチル−2−ピロリジノン(1-methyl-2-pyrrolidinone)、アセトン(acetone)などのケトン系溶媒(ketone-based solvent);ジ(プロピレングリコール)メチルエーテル(Di(propylene glycol)methyl ether)、シクロヘキサノン(cyclohexanone)、テトラヒドロフラン(tetrahydrofuran)、イソプロピルエーテル(isopropyl ether)などのエーテル系溶媒(ether-based solvent);エチルアセテート(ethyl acetate)、ブチルアセテート(butyl acetate)、プロピレングリコールメチルエーテルアセテート(propylene glycol methyl ether acetate)などのアセテート系溶媒(acetate-based solvent);アルコキシアルコール(alkoxy alcohol)、ブチルアルコール(butyl alcohol)などのアルコール系溶媒(alcohol-based solvent);ジメチルアセトアミド(dimethylacetamide)、ジメチルホルムアミド(dimethylformamide)などのアミド系溶媒;シリコン系溶媒(silicon-based solvent);およびこれらの混合物よりなる群から選ばれる1種以上のものを使用することが好ましい。さらに好ましい有機溶媒としては、2−メトキシエタノールなどのアルコキシアルコール(2-methoxy ethanol)、ジ(プロピレングリコール)メチルエーテル(Di(propylene glycol)methyl ether)などのエーテル系溶媒を挙げることができる。
本発明の誘電薄膜組成物の組成比は、適宜選択することができるが、前記誘電薄膜組成物の溶解度の観点から、前記金属ハロゲン化物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%、および残量の溶媒を含むことが好ましい。さら、前記金属ハロゲン化物1〜20重量%、金属アルコキシドまたはエーテル化合物1〜20重量%、および残量の溶媒を含むことが好ましい。
また、誘電薄膜組成物の溶解度および貯蔵性などを増加させるために、本発明の目的を害しない範囲内で用途および必要に応じて当業者が適切に判断し、有機バインダー、感光性モノマー、光開始剤、粘度調節剤、貯蔵安定剤、湿潤剤などのその他の添加剤を1種以上さらに添加することもできる。前記有機バインダーなどのその他の添加剤としては、それぞれ従来の電子素子分野で知られている公知の物質を制限なく使用することができる。
本発明の別の観点によれば、前記の組成物を用いる金属酸化物誘電薄膜の製造方法を提供する。本発明の方法によって誘電薄膜を製造する場合には、まず、下記式(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の少なくとも一つを有機溶媒に溶解させ、金属酸化物前駆体溶液を調製する。
次いで、金属酸化物前駆体溶液を基板上にコートする。最後に、ゾル−ゲル工程のために、コートされた基板を熱処理して金属酸化物薄膜を得る。このようなゾル−ゲル工程では非加水分解ゾル−ゲル法によって金属酸化物薄膜が形成される。
本発明において、前記非加水分解ゾル−ゲル工程は、下記反応式1で表される金属ハロゲン化物(metal halide)と金属アルコキシド(metal alkoxide)の反応(アルキシドルート;alkoxide route)によって行うことができる。
ab+Ma(OR1b→2Mab/2+bR1X (反応式1)
(式中、Maは第1族〜第14族の金属であり、
b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、
1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。)
但し、前記式において、金属ハロゲン化物の金属成分と金属アルキシドの金属成分が同一であると表示したが、前記反応式とは異なり相異してもよく、金属ハロゲン化物の金属は2つ以上の金属元素から構成してもよい。
前記反応式1において、金属としては第1族〜第14族に属するもので、前記式(1)で表される金属酸化物が絶縁体の場合であれば制限なく使用できるが、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、タンタル(Ta)およびシリコン(Si)よりなる群から選ばれたいずれか一つの金属が好ましい。
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。
本発明において、非加水分解ゾル−ゲル法は、下記反応式2で表される金属ハロゲン化物とエーテル化合物の反応(エーテルルート;ether route)によっても行うことができる。このような反応では、金属ハロゲン化物とエーテル化合物とが反応して金属アルコキシドを生成し、生成された金属アルコキシドは再び金属ハロゲン化物と反応して金属酸化物を形成することができる。
ab+b/2R2OR1→1/2Ma(OR1b+b/2R2a(+1/2Mab
1/2Mab+1/2Ma(OR1b→Mab/2+R1b (反応式2)
(式中、Maは第1族〜第14族の金属であり、
b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、
1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。)
前記反応式2において、金属としては第1族〜第14族に属するものであればいずれでも使用可能である。好ましい金属の例は、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、タンタル(Ta)、およびシリコン(Si)などを含むことができる。したがって、非加水分解ゾル−ゲル法によってはTiO2、SiO2、ZrO2、HfO2、Al23、Ta23などの絶縁薄膜を得ることができる。
以上、金属ハロゲン化物を金属アルコキシドおよびエーテル化合物のうちいずれか一つと反応させる方法について説明したが、金属ハロゲン化物を金属アルコキシドおよびエーテル化合物と同時に反応させることも想定することができる。
加水分解ゾル−ゲル法の場合、低温では水酸化基(−OH)を有する酸化物を最終酸化物に変換させることができないため、400〜500℃以上の高温工程を必要とする。これに反し、本発明に用いられる非加水分解ゾル−ゲル法によれば、反応過程においてヒドロキシ基が排除できるため、低温工程が可能になる。
次に、本発明の各工程についてさらに詳しく説明する。
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。
前記有機溶媒としては、通常の有機溶媒を特別な制限なく使用することができる。好ましくは、ヘキサンなどの炭化水素溶媒;アニソール、メシチレンまたはキシレンなどの芳香族系炭化水素溶媒;メチルイソブチルケトン、1−メチル−2−ピロリジノン、アセトンなどのケトン系溶媒;ジ(プロピレングリコール)メチルエーテル、シクロヘキサノン、テトラヒドロフラン、イソプロピルエーテルなどのエーテル系溶媒;エチルアセテート、ブチルアセテート、プロピレングリコールメチルエーテルアセテートなどのアセテート系溶媒;アルコキシアルコール、ブチルアルコールなどのアルコール系溶媒;ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミドなどのアミド系溶媒;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少なくとも1種を使用することができる。
前記(b)工程のコーティング工程に用いられる基板としては、ガラス、シリコンウエハー、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリエーテルスルホン、またはポリエチレンナフタレートなどの任意の基板を使用することができる。
前記金属前駆体溶液のコーティング方法としては、例えば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が挙げられる。便宜性および均一性の観点から、スピンコーティングまたはインクジェットを使用することが最も好ましい。スピンコーティングを行う場合、スピン速度は100〜10000rpmの範囲内で適切に調節することが好ましい。
前記(c)工程の熱処理方法では、基板上にコートされた前記組成物をベーキングした後、硬化させる工程を含む。前記ベーキング工程は50〜250℃の温度で1秒〜5分間窒素、大気または真空雰囲気の下で行うことが好ましく、前記硬化工程は100〜1000℃の温度で10分間〜10時間窒素、大気または真空雰囲気の下で行うことが好ましい。
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。
xy (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、Al23、Ta25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。
このように本発明の誘電薄膜は、非加水分解ゾル−ゲル法によって製造された金属酸化物を含むことにより、反応過程においてヒドロキシ基が排除できて低温工程が可能であるうえ、誘電率10以上の高誘電率を有することができるため、前記誘電薄膜を適用した電子素子の場合、低い駆動電圧および高い電荷移動度などを同時に満足する優れた電気的特性を示す。したがって、前記本発明の誘電薄膜は各種電子素子に効果的に適用できる。すなわち、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、および前記トランジスタ素子を含む電子素子を提供する。
前記トランジスタ素子は、プリントが可能な低駆動電圧素子に利用できるが、例えば基板、ゲート電極、前記誘電薄膜を含むゲート絶縁層、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をその一例として挙げることができる。
本発明の薄膜トランジスタの構造は、特に制限されないが、トップコンタクト構造、ボトムコンタクト構造、またはトップゲート構造などの任意の構造を有することができる。本発明の金属酸化物誘電薄膜を用いて製造することが可能な薄膜トランジスタの構造の例を図1および図2に概略的に示す。
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。
前記薄膜トランジスタの基板1としては、ガラス、シリコンウエハー、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリエーテルスルホン、またはポリエチレンナフタレートなどが使用できるが、これに限定されない。
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。
前記トランジスタ素子としては、プリントが可能な低駆動電圧の電子素子であれば、当業界で公知の通常の工程によっていずれでも適用できる。前記電子素子としては、例えばディスプレイ素子、メモリ素子(DRAMs)、相補型金属酸化物半導体素子(CMOS)、光電変換素子(photovoltaic devices)、有機発光素子(OLED)、センサ、または集積回路などが挙げられるが、これに制限されない。
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。
以下、実施例によって本発明をより詳細に説明する。下記の実施例は本発明を説明するためのもので、本発明を制限するものではない。
製造例1:誘電薄膜組成物の製造(1)
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。
製造例2:誘電薄膜組成物の製造(2)
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。
実施例1:酸化ジルコニウム誘電薄膜の製作(1)
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。
実施例2:酸化ジルコニウム誘電薄膜の製作(2)
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。
実施例3:酸化ジルコニウム誘電薄膜の製作(3)
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。
実施例4:酸化ジルコニウム誘電薄膜の製作(4)
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。
実施例5:酸化ジルコニウム誘電薄膜の製作(5)
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。
実施例6:酸化ジルコニウム誘電薄膜の製作(6)
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。
実施例7:薄膜トランジスタの製作(1)
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。
半導体層の形成は、前記ゲート絶縁層上にスピンコート法を用いて厚さ500Åの硫化カドミウム(CdS)薄膜を形成することによりなされた。このように形成された半導体層上にフォトリソグラフィーを用いてリフト−オフ方式によってチャネル長20μm、チャネル幅2mmのアルミニウム(Al)ソース/ドレイン電極を形成し、図3のようなトップコンタクト構造の薄膜トランジスタを製作した。
実施例8:薄膜トランジスタの製作(2)
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。
半導体層の形成は、前記ゲート絶縁層上に熱蒸着(thermal evaporation)法を用いて厚さ700Åのペンタセン層を形成することによりなされた。このように形成された半導体層上にチャネル長160μm、チャネル幅1mmのシャドーマスクを用いて真空蒸着法によって金(Au)ソース/ドレイン電極を形成し、図4のようなトップコンタクト構造の薄膜トランジスタを製作した。
比較例1:薄膜トランジスタの製作
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。
実験例1:薄膜の組成分析
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。
図5を参照すると、硬化時間と関係なく3500cm-1の波長数付近で残存ヒドロキシ基による幅広いピーク(broad peak)は現れるが、硬化時間が3時間の場合(実施例5)、3500cm-1付近でピークの大きさが他の条件に比べて大きく減少し、ピークが殆ど無くなって温度300℃の低温工程で効果があるものと判断される。
実験例3:薄膜の電気的特性の測定
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。
こうして製作された素子を用いて漏洩電流、誘電率および絶縁破壊電圧(breakdown voltage)を測定した結果を図7に示す。前記漏洩電流は、電気場が1MV/cmのときに単位面積当たり流れる電流値で求めた。
また、誘電率は、プローブステーション(Micromanipulatior 6200 probe station)が装着されたPRECISION LCR METER(HP4284A)を用いて約100kHzの周波数で静電容量(capacitance)を測定したが、薄膜の厚さを分光偏光解析器(spectroscopic ellipsometer)で測定し、次の計算式で誘電率を求めた。
k=C×d/εo×A
(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)
図7を参照すると、300℃の硬化過程において遮断漏洩電流が5×10-8A/cm2以下であり、絶縁破壊が4.8MV/cm以内では現れないことからみて、絶縁破壊電圧は4.8MV/cm以上であることが分かる。前記の式で計算した誘電率は11程度であり、これにより、300℃の低温工程で相当優れた絶縁特性および高誘電率値を有することを確認することができる。
実験例4:薄膜トランジスタの電気的特性の測定(1)
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。
電荷移動度は、下記飽和領域(saturation region)電流式から抽出するので、下記式から(ISD1/2とVGを変数としたグラフを得、そのグラフの傾きから求めた。
Figure 2008091904
(式中、ISDはソース/ドレイン電流、μまたはμFETは電荷移動度、C0は酸化膜静電容量、Wはチャネル幅、Lはチャネル長、VGはゲート電圧、VTはしきい電圧である。)
しきい電圧は、(ID1/2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。
図8aは、ゲート絶縁層として酸化ジルコニウムを、半導体層としてCdSを用いた実施例7によって製作した薄膜トランジスタの駆動特性を示す。図8bは、ゲート絶縁層としてPECVD SiO2を用いた比較例1によって製作した従来の薄膜トランジスタの駆動特性を示す。
図8aおよび図8bを参照すると、実施例7による薄膜トランジスタの場合、しきい電圧は2V以下であって、比較例1による従来の薄膜トランジスタのしきい電圧80V以下より著しく低く、電荷移動度は37.9cm2/VS以下であって、従来の薄膜トランジスタより相当向上し、駆動電圧も急激に減少することが分かる。
実験例5:薄膜トランジスタの電気的特性の測定(2)
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。
前記Ion/Ioffはオン(On)状態の最大電流値とオフ(Off)状態の最小電流値の比で求められ、下記の関係を有する:
Figure 2008091904
(式中、Ionは最大電流値、Ioffは遮断漏洩電流、μは電荷移動度、σは薄膜の伝導度、qは電荷量、NAは電荷密度、tは半導体膜の厚さ、COは酸化膜の静電容量、VDはドレイン電圧である。)
図9aおよび図9bは、ゲート絶縁層として酸化ジルコニウムを、半導体層としてペンタセンを用いた実施例8によって製作した薄膜トランジスタの駆動特性を示す。
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。
以上、本発明の好適な実施例を参考として本発明について詳細に説明したが、これらの実施例は例示的なものに過ぎず、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば、様々な変形および均等な他の実施が可能なことを理解できるであろう。したがって、本発明の真正な保護範囲は、請求の範囲によって定められるべきである。例えば、本発明の金属酸化物誘電薄膜製造方法は、2種以上の金属元素からなる複合金属酸化物薄膜の製造の際にも適用できる。
本発明に係る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である。 本発明に係る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。 実施例7に係る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である。 実施例8に係る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である。 実施例3〜実施例6で製作した誘電薄膜の組成を分析した結果を示すグラフである。 実施例1によって製作した誘電薄膜の電気的特性を測定するための素子の概略断面図である。 図6の素子の電気的特性を測定した結果を示すグラフである。 実施例7で製作した薄膜トランジスタの電気的特性を測定した結果を示すグラフである。 比較例1で製作した薄膜トランジスタの電気的特性を測定した結果を示すグラフである。 実施例8で製作した薄膜トランジスタの電気的特性を測定した結果を示すグラフである。 実施例8で製作した薄膜トランジスタの電気的特性を測定した結果を示すグラフである。
符号の説明
1 基板
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)

  1. 式(1)
    ab (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。
  2. 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。
  3. 前記金属アルコキシドが、下記式(2)
    a(OR1n (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、
    1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。
  4. 前記エーテル化合物が、下記式(3)
    2OR1 (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。
  5. 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。
  6. (a)下記式(1)
    ab (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。
  7. 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。
  8. 前記金属アルコキシドが、下記式(2)
    a(OR1n (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、
    1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。
  9. 前記エーテル化合物が、下記式(3)
    2OR1 (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。
  10. 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。
  11. 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。
  12. 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。
  13. 前記熱処理工程は、非加水分解ゾル−ゲル法によって、式(4)
    xy (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。
  14. 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。
  15. 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。
  16. 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。
  17. 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。
  18. 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。
  19. 請求項18に記載の誘電薄膜を含むトランジスタ素子。
  20. 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。
  21. 請求項20に記載のトランジスタ素子を含む電子素子。
  22. 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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