JP2010182852A - Metal oxide semiconductor, manufacturing method therefor, and thin-film transistor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、塗布プロセスによる金属酸化物前駆体膜を作製し、この前駆体に半導体変換処理を行って金属酸化物半導体を製造する、金属酸化物半導体の製造方法に関し、特に基板表面の表面エネルギーを制御した塗布プロセスによる金属酸化物半導体の製造方法に関する。さらにはこの金属酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタに関する。 The present invention relates to a method for producing a metal oxide semiconductor, in which a metal oxide precursor film is produced by a coating process and a semiconductor conversion process is performed on the precursor to produce a metal oxide semiconductor. The present invention relates to a method for manufacturing a metal oxide semiconductor by a coating process in which control is performed. Further, the present invention relates to a thin film transistor using the metal oxide semiconductor.
金属酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタについては知られている。 Thin film transistors using metal oxide semiconductors are known.
例えば、特許文献1〜3には、金属酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタの技術が開示されている。これら金属酸化物半導体を用いたTFTは高性能を示すが、パルスレーザー蒸着法やスパッタ法等の、真空プロセスを用いる。またプロセス温度が高く、樹脂基板を用いることができない。更にターゲットの焼結形成等には高い温度を要するなどエネルギー効率も悪い。
For example,
また、金属塩や有機金属を分解酸化(加熱、分解反応)することで、非晶質金属酸化物半導体を形成する方法も知られている(例えば、特許文献4、5参照。)。
Also known is a method of forming an amorphous metal oxide semiconductor by decomposing and oxidizing (heating, decomposing reaction) a metal salt or an organic metal (see, for example,
これらにおいては、前駆体の酸化に、熱酸化または、プラズマ酸化を用いている。しかしながら、これらの前駆体の熱酸化を用いる場合においても、300℃以上、実質400℃以上の非常に高い温度域で処理しないと求める性能達成は通常は難しい。従って、これらにおいても、エネルギー効率が悪く、比較的長い処理時間を要してしまうことや、また、性能のバラツキも出やすく、更に処理中の基板温度も処理温度と同じ温度まで上昇するため、軽くて、フレキシビリティを有する樹脂基板などへの適用が困難となっている。 In these, thermal oxidation or plasma oxidation is used for oxidation of the precursor. However, even when thermal oxidation of these precursors is used, it is usually difficult to achieve the required performance unless the treatment is performed at a very high temperature range of 300 ° C. or higher and substantially 400 ° C. or higher. Therefore, even in these cases, energy efficiency is poor, a relatively long processing time is required, and performance variations are likely to occur, and the substrate temperature during processing rises to the same temperature as the processing temperature. It is difficult to apply to a resin substrate that is light and flexible.
本発明では金属酸化物半導体の前駆体材料を塗布するため、真空下でなく、常圧下で効率的な生産が可能となり、低温プロセスで良質な金属酸化物半導体膜を形成可能であり、金属酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタ素子を用いたデバイスを樹脂基板に適用することが可能となる。 In the present invention, since the precursor material of the metal oxide semiconductor is applied, efficient production is possible under normal pressure, not under vacuum, and a high-quality metal oxide semiconductor film can be formed by a low temperature process. A device using a thin film transistor element using a physical semiconductor can be applied to a resin substrate.
本発明の目的は、金属酸化物半導体の形成におけるプロセス温度の低温化を達成することにより、樹脂基板を用いた薄膜トランジスタの製造を可能とすることにある。 An object of the present invention is to make it possible to manufacture a thin film transistor using a resin substrate by achieving a low process temperature in forming a metal oxide semiconductor.
本発明の上記目的は、以下の構成により達成することができる。 The above object of the present invention can be achieved by the following configuration.
1.金属酸化物半導体前駆体の溶液または分散液を、基板上に塗布することにより得られた金属酸化物半導体前駆体膜を変換することにより、金属酸化物半導体を形成する金属酸化物半導体の製造方法において、金属酸化物半導体前駆体塗布時の基板表面の2種の表面エネルギー成分γhとγdについて、10≦γh≦80(mN/m)、2≦γd≦40(mN/m)であることを特徴とする金属酸化物半導体の製造方法。 1. Metal oxide semiconductor manufacturing method for forming metal oxide semiconductor by converting metal oxide semiconductor precursor film obtained by applying metal oxide semiconductor precursor solution or dispersion onto substrate The two surface energy components γh and γd on the substrate surface when the metal oxide semiconductor precursor is applied are 10 ≦ γh ≦ 80 (mN / m) and 2 ≦ γd ≦ 40 (mN / m). A method for producing a metal oxide semiconductor.
2.前記金属酸化物半導体前駆体膜が、金属酸化物半導体前駆体の水溶液を塗布することにより形成されることを特徴とする前記1に記載の金属酸化物半導体の製造方法。 2. 2. The method for producing a metal oxide semiconductor according to 1, wherein the metal oxide semiconductor precursor film is formed by applying an aqueous solution of a metal oxide semiconductor precursor.
3.前記金属酸化物半導体が非晶質金属酸化物であることを特徴とする前記1または2に記載の金属酸化物半導体の製造方法。 3. 3. The method for producing a metal oxide semiconductor according to 1 or 2, wherein the metal oxide semiconductor is an amorphous metal oxide.
4.前記金属酸化物半導体が、In、Zn、Snの何れかの元素を含むことを特徴とする前記1〜3の何れか1項に記載の金属酸化物半導体の製造方法。 4). 4. The method for producing a metal oxide semiconductor according to any one of 1 to 3, wherein the metal oxide semiconductor contains any element of In, Zn, and Sn.
5.前記金属酸化物半導体が、Ga、Alの何れかを含むことを特徴とする前記1〜4の何れか1項に記載の金属酸化物半導体の製造方法。 5. 5. The method for producing a metal oxide semiconductor according to any one of 1 to 4, wherein the metal oxide semiconductor contains Ga or Al.
6.前記金属酸化物半導体が、金属元素としてInおよびGaのみを含むことを特徴とする前記4または5に記載の金属酸化物半導体の製造方法。 6). 6. The method for producing a metal oxide semiconductor as described in 4 or 5 above, wherein the metal oxide semiconductor contains only In and Ga as metal elements.
7.前記基板がプラスチック基材であることを特徴とする前記1〜6の何れか1項に記載の金属酸化物半導体の製造方法。 7). 7. The method for producing a metal oxide semiconductor according to any one of 1 to 6, wherein the substrate is a plastic base material.
8.前記変換が100〜250℃で行われることを特徴とする前記1〜7の何れか1項に記載の金属酸化物半導体の製造方法。 8). 8. The method for producing a metal oxide semiconductor according to any one of 1 to 7, wherein the conversion is performed at 100 to 250 ° C.
9.前記金属酸化物半導体への変換がマイクロ波加熱によることを特徴とする前記1〜8の何れか1項に記載の金属酸化物半導体の製造方法。 9. 9. The method for producing a metal oxide semiconductor according to any one of 1 to 8, wherein the conversion to the metal oxide semiconductor is performed by microwave heating.
10.前記1〜9の何れか1項に記載の金属酸化物半導体の製造方法により製造されたことを特徴とする金属酸化物半導体。 10. 10. A metal oxide semiconductor produced by the method for producing a metal oxide semiconductor according to any one of 1 to 9 above.
11.前記1〜9の何れか1項に記載の金属酸化物半導体の製造方法により製造した金属酸化物半導体を使用したことを特徴とする薄膜トランジスタ。 11. 10. A thin film transistor using a metal oxide semiconductor produced by the method for producing a metal oxide semiconductor according to any one of 1 to 9 above.
本発明により、金属酸化物半導体の形成におけるプロセス温度の低温化を達成することができ、生産効率の向上や薄膜トランジスタの性能のバラツキを低減することができ、また、樹脂基板を用い薄膜トランジスタを製造することができる。 According to the present invention, the process temperature in forming a metal oxide semiconductor can be lowered, the production efficiency can be improved, the variation in performance of the thin film transistor can be reduced, and the thin film transistor is manufactured using the resin substrate. be able to.
本発明においては、金属酸化物半導体は、半導体前駆体の溶液または分散液の塗布膜から形成される。 In the present invention, the metal oxide semiconductor is formed from a coating film of a solution or dispersion of a semiconductor precursor.
塗布即ち、ウェットプロセスにより形成されることから、真空設備を必要とせず、均一な膜厚をもつ前駆体薄膜が形成され、更に、熱処理、またはプラズマ酸化等によってこれを金属酸化物半導体に変換し形成されるところから、大規模な真空設備を要せず、また、スパッタ法等のように成膜後に、高温の焼成処理を行うことなく、容易に金属酸化物半導体を形成でき、これを用いた薄膜トランジスタが比較的低温で製造できる。 Since it is formed by coating, that is, a wet process, a precursor thin film having a uniform film thickness is formed without the need for vacuum equipment, and this is converted into a metal oxide semiconductor by heat treatment or plasma oxidation. Since it is formed, a metal oxide semiconductor can be easily formed without using a large-scale vacuum facility and without performing a high-temperature baking treatment after film formation such as sputtering. Can be manufactured at a relatively low temperature.
これまで、例えばIn−Ga−Zn−O系アモルファス金属酸化物半導体膜は、InGaO3(ZnO)m(m=1〜5)組成で表される多結晶焼結体をターゲットとして、気相成膜法で形成される。 Until now, for example, an In—Ga—Zn—O-based amorphous metal oxide semiconductor film has been formed by vapor phase deposition using a polycrystalline sintered body represented by an InGaO 3 (ZnO) m (m = 1 to 5) composition as a target. It is formed by a film method.
これの非晶質薄膜金属酸化物半導体は移動度も高く高性能だが、パルスレーザー蒸着法またはスパッタ法等により形成されることが普通であるため、かなりの高温を必要とし、また、ターゲット自体の製造においては1000℃以上にもなる非常に高い温度を必要とする。従って半導体をプラスチック等の基板上に形成することは難しかった。 These amorphous thin-film metal oxide semiconductors have high mobility and high performance, but are usually formed by pulse laser deposition or sputtering, and therefore require a considerably high temperature. In manufacturing, a very high temperature of 1000 ° C. or higher is required. Therefore, it has been difficult to form a semiconductor on a plastic substrate.
ウェットプロセスによる形成は、上記のスパッタ法等に比べると低温化されているとはいえ、金属組成等の構成によっては、充分な低温化が難しく、樹脂基板に適用するためには、更に低温での半導体への変換処理が望ましい。 Although the formation by the wet process is lower in temperature than the above sputtering method or the like, depending on the composition of the metal composition and the like, it is difficult to reduce the temperature sufficiently. The conversion process to semiconductor is desirable.
本発明は、250℃以下の熱処理によっても、半導体前駆体の塗布膜を、金属酸化物半導体に熱変換し、かつ、高い移動度を有する金属酸化物半導体を得る構成を見いだしたものである。 The present invention has found a configuration in which a coating film of a semiconductor precursor is thermally converted to a metal oxide semiconductor by heat treatment at 250 ° C. or lower and a metal oxide semiconductor having high mobility is obtained.
本発明においては、基板上に、半導体前駆体材料の溶液または分散液の塗布膜を配置し、基板の表面エネルギーを特定の範囲とすることにより、熱酸化またプラズマ照射等の変換処理を比較的低温で施してもて、前駆体材料を良好な金属酸化物半導体に変換することが可能となったものである。 In the present invention, by applying a coating film of a solution or dispersion of a semiconductor precursor material on a substrate and setting the surface energy of the substrate within a specific range, conversion processing such as thermal oxidation or plasma irradiation is relatively performed. Even when applied at a low temperature, the precursor material can be converted into a good metal oxide semiconductor.
(金属酸化物半導体前駆体材料)
金属酸化物半導体前駆体材料とは、熱酸化、プラズマ酸化等の変換処理によって金属酸化物からなる半導体層に変換される材料を意味し、具体的には、例えば、以下の金属原子含有化合物が挙げられる。
(Metal oxide semiconductor precursor material)
The metal oxide semiconductor precursor material means a material that is converted into a semiconductor layer made of a metal oxide by a conversion process such as thermal oxidation or plasma oxidation. Specifically, for example, the following metal atom-containing compound is Can be mentioned.
金属原子含有化合物としては、金属原子を含む、金属塩、ハロゲン化金属化合物、有機金属化合物等を挙げることができる。 Examples of the metal atom-containing compound include metal salts, metal halide compounds, and organometallic compounds containing metal atoms.
金属塩、ハロゲン化金属化合物、有機金属化合物の金属としては、Li、Be、B、Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Cd、In、Ir、Sn、Sb、Cs、Ba、La、Hf、Ta、W、Tl、Pb、Bi、Ce、Pr、Nd、Pm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu等を挙げることができる。 Metals of metal salts, metal halide compounds, and organometallic compounds include Li, Be, B, Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Cd, In, Ir, Sn, Sb, Cs, Ba, La, Hf, Ta, W, Tl, Pb, Bi, Ce, Examples include Pr, Nd, Pm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu.
本発明において、これらの金属塩においてはインジウム(In)、錫(Sn)、亜鉛(Zn)のいずれかの塩を一つ以上含むことが好ましく、それらを併用させてもよい。 In the present invention, these metal salts preferably contain one or more of any of indium (In), tin (Sn), and zinc (Zn), and they may be used in combination.
またその他の金属として、ガリウム(Ga)またはアルミニウム(Al)のいずれかの塩を含むことが好ましい。 Moreover, it is preferable that the other metal contains a salt of either gallium (Ga) or aluminum (Al).
その中でも更に好ましくは、金属として、インジウム(In)とガリウム(Ga)で構成されていることである。 Among them, it is more preferable that the metal is composed of indium (In) and gallium (Ga).
金属塩としては、硝酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩、硫酸塩、燐酸塩、炭酸塩、アセチルアセトナート塩等を、ハロゲン化金属化合物としては塩化物、ヨウ化物、臭化物、フッ化物等を好適に用いることができる。 Preferred metal salts include nitrates, acetates, oxalates, sulfates, phosphates, carbonates, acetylacetonate salts, and preferred metal halides include chlorides, iodides, bromides, fluorides, etc. Can be used.
有機金属化合物を用いる場合は、下記の一般式(I)で示すものが挙げられる。 In the case of using an organometallic compound, those represented by the following general formula (I) may be mentioned.
一般式(I)
R1 xMR2 yR3 z
式中、Mは金属、R1はアルキル基、R2はアルコキシ基、R3はβ−ジケトン錯体基、β−ケトカルボン酸エステル錯体基、β−ケトカルボン酸錯体基およびケトオキシ基(ケトオキシ錯体基)から選ばれる基であり、金属Mの価数をmとした場合、x+y+z=mであり、x=0〜m、またはx=0〜m−1であり、y=0〜m、z=0〜mで、いずれも0または正の整数である。R1のアルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基等を挙げることができる。R2のアルコキシ基としては、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基、3,3,3−トリフルオロプロポキシ基等を挙げることができる。またアルキル基の水素原子をフッ素原子に置換したものでもよい。R3のβ−ジケトン錯体基として、例えば、2,4−ペンタンジオン(アセチルアセトンあるいはアセトアセトンともいう)、1,1,1,5,5,5−ヘキサメチル−2,4−ペンタンジオン、2,2,6,6−テトラメチル−3,5−ヘプタンジオン、1,1,1−トリフルオロ−2,4−ペンタンジオン等を挙げることができ、β−ケトカルボン酸エステル錯体基として、例えばアセト酢酸メチルエステル、アセト酢酸エチルエステル、アセト酢酸プロピルエステル、トリメチルアセト酢酸エチル、トリフルオロアセト酢酸メチル等を挙げることができ、β−ケトカルボン酸として、例えば、アセト酢酸、トリメチルアセト酢酸等を挙げることができ、またケトオキシ基として、例えば、アセトオキシ基(またはアセトキシ基)、プロピオニルオキシ基、ブチリロキシ基、アクリロイルオキシ基、メタクリロイルオキシ基等を挙げることができる。これらの基の炭素原子数は18以下が好ましい。また直鎖または分岐のもの、また水素原子をフッ素原子にしたものでもよい。有機金属化合物の中では、分子内に少なくとも1つ以上の酸素を有するものが好ましい。このようなものとしてR2のアルコキシ基を少なくとも1つを含有する有機金属化合物、またR3のβ−ジケトン錯体基、β−ケトカルボン酸エステル錯体基、β−ケトカルボン酸錯体基およびケトオキシ基(ケトオキシ錯体基)から選ばれる基を少なくとも1つ有する金属化合物が最も好ましい。
Formula (I)
R 1 x MR 2 y R 3 z
In the formula, M is a metal, R 1 is an alkyl group, R 2 is an alkoxy group, R 3 is a β-diketone complex group, a β-ketocarboxylic acid ester complex group, a β-ketocarboxylic acid complex group, and a ketooxy group (ketooxy complex group). X + y + z = m, x = 0 to m, or x = 0 to m−1, and y = 0 to m, z = 0. ~ M, each of which is 0 or a positive integer. Examples of the alkyl group for R 1 include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, and a butyl group. Examples of the alkoxy group for R 2 include a methoxy group, an ethoxy group, a propoxy group, a butoxy group, and a 3,3,3-trifluoropropoxy group. Further, a hydrogen atom in the alkyl group may be substituted with a fluorine atom. Examples of the β-diketone complex group of R 3 include 2,4-pentanedione (also referred to as acetylacetone or acetoacetone), 1,1,1,5,5,5-hexamethyl-2,4-pentanedione, 2, 2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedione, 1,1,1-trifluoro-2,4-pentanedione, and the like. Examples of the β-ketocarboxylic acid ester complex group include acetoacetic acid Examples include methyl ester, ethyl acetoacetate, propyl acetoacetate, ethyl trimethylacetoacetate, and methyl trifluoroacetoacetate. Examples of β-ketocarboxylic acid include acetoacetate and trimethylacetoacetate. In addition, as ketooxy group, for example, acetooxy group (or acetoxy group), propylene An onyloxy group, a butyryloxy group, an acryloyloxy group, a methacryloyloxy group, etc. can be mentioned. These groups preferably have 18 or less carbon atoms. Further, it may be linear or branched, or a hydrogen atom may be a fluorine atom. Among organometallic compounds, those having at least one oxygen in the molecule are preferable. As such, an organometallic compound containing at least one alkoxy group of R 2 , a β-diketone complex group, a β-ketocarboxylic acid ester complex group, a β-ketocarboxylic acid complex group and a ketooxy group (ketooxy group) of R 3 Most preferred are metal compounds having at least one group selected from (complex groups).
以上の金属酸化物半導体前駆体のうち、好ましいのは、金属の硝酸塩、金属のアセチルアセトナート塩、金属のハロゲン化物、アルコキシド類である。具体例としては、硝酸インジウム、硝酸亜鉛、硝酸ガリウム、硝酸スズ、硝酸アルミニウム、インジウム(3価)アセチルアセトナート、ガリウム(3価)アセチルアセトナート、亜鉛(3価アセチルアセトナート)、アルミニウム(3価)アセチルアセトナート、塩化インジウム、塩化亜鉛、塩化スズ(2価)、塩化スズ(4価)、塩化ガリウム、塩化アルミニウム、トリ−i−プロポキシインジウム、ジエトキシ亜鉛、ビス(ジピバロイルメタナト)亜鉛、テトラエトキシスズ、テトラ−i−プロポキシスズ、トリ−i−プロポキシガリウム、トリ−i−プロポキシアルミニウムなどが挙げられる。 Of the above metal oxide semiconductor precursors, preferred are metal nitrates, metal acetylacetonate salts, metal halides, and alkoxides. Specific examples include indium nitrate, zinc nitrate, gallium nitrate, tin nitrate, aluminum nitrate, indium (trivalent) acetylacetonate, gallium (trivalent) acetylacetonate, zinc (trivalent acetylacetonate), aluminum (3 Valence) acetylacetonate, indium chloride, zinc chloride, tin chloride (divalent), tin chloride (tetravalent), gallium chloride, aluminum chloride, tri-i-propoxyindium, diethoxyzinc, bis (dipivaloylmethanato) Zinc, tetraethoxytin, tetra-i-propoxytin, tri-i-propoxygallium, tri-i-propoxyaluminum and the like can be mentioned.
金属塩のなかでは、硝酸塩が好ましい。硝酸塩は高純度品が入手しやすく、また使用時の媒体として好ましい水に対する溶解度が高い。硝酸塩としては、硝酸インジウム、硝酸ガリウム、硝酸アルミニウム、硝酸亜鉛、硝酸錫等が挙げられる。 Among the metal salts, nitrate is preferable. Nitrate is easily available as a high-purity product and has high solubility in water, which is preferable as a medium for use. Examples of the nitrate include indium nitrate, gallium nitrate, aluminum nitrate, zinc nitrate, and tin nitrate.
特に硝酸塩で得られる半導体特性向上の効果は、加熱温度が100℃以上、400℃以下の温度範囲で得られる非晶質の金属酸化物半導体において、特に顕著である。非晶質酸化物の半導体の良好な状態が、金属塩を原料とした半導体薄膜で得られることは従来知られておらず、本発明で得られる顕著な効果といえる。 In particular, the effect of improving the semiconductor characteristics obtained with nitrate is particularly remarkable in an amorphous metal oxide semiconductor obtained at a heating temperature of 100 ° C. or higher and 400 ° C. or lower. It has not been known so far that a good state of an amorphous oxide semiconductor can be obtained with a semiconductor thin film made of a metal salt as a raw material, which can be said to be a remarkable effect obtained by the present invention.
(金属酸化物半導体前駆体膜の成膜方法、パターン化方法)
これらの金属酸化物半導体の前駆体である金属塩を含有する薄膜を形成するためには、公知の製膜法、真空蒸着法、分子線エピタキシャル成長法、イオンクラスタービーム法、低エネルギーイオンビーム法、イオンプレーティング法、CVD法、スパッタリング法、大気圧プラズマ法などを用いることが出来るが、本発明においては前駆体金属化合物を適切な溶媒に溶解した溶液を用い基板上に塗設する事が好ましく、これにより生産性を大幅に向上させることが出来る。これらの観点からも、金属化合物としては、塩化物、硝酸塩、酢酸塩、アセチルアセトナート塩、金属アルコキシド等を用いること事が溶解性の観点からより好ましい。中でも硝酸塩が好ましい。
(Metal oxide semiconductor precursor film formation method, patterning method)
In order to form a thin film containing a metal salt which is a precursor of these metal oxide semiconductors, a known film formation method, vacuum deposition method, molecular beam epitaxial growth method, ion cluster beam method, low energy ion beam method, An ion plating method, a CVD method, a sputtering method, an atmospheric pressure plasma method, or the like can be used. In the present invention, it is preferable to apply a solution obtained by dissolving a precursor metal compound in an appropriate solvent on a substrate. This can greatly improve productivity. Also from these viewpoints, as the metal compound, it is more preferable to use chloride, nitrate, acetate, acetylacetonate salt, metal alkoxide, and the like from the viewpoint of solubility. Of these, nitrate is preferable.
溶媒としては、水の他、用いる金属化合物を溶解するものであれば特に制限されるところではないが、水や、メタノール、エタノール、プロパノール、エチレングリコールなどのアルコール類、テトラヒドロフラン、ジオキサン等のエーテル系、酢酸メチル、酢酸エチル等のエステル系、アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン系、ジエチレングリコールモノメチルエーテル等グリコールエーテル系、また、アセトニトリルなど、更に、キシレン、トルエン等の芳香族系溶媒、ヘキサン、シクロヘキサン、トリデカンなどの脂肪族炭化水素溶媒、α−テルピネオール、また、クロロホルムや1,2−ジクロロエタン等のハロゲン化アルキル系溶媒、N−メチルピロリドン、2硫化炭素等を好適に用いることができる。 The solvent is not particularly limited as long as it dissolves the metal compound to be used in addition to water, but water, alcohols such as methanol, ethanol, propanol and ethylene glycol, ethers such as tetrahydrofuran and dioxane, etc. , Esters such as methyl acetate and ethyl acetate, ketones such as acetone, methyl ethyl ketone and cyclohexanone, glycol ethers such as diethylene glycol monomethyl ether, acetonitrile and the like, and aromatic solvents such as xylene and toluene, hexane, cyclohexane, Aliphatic hydrocarbon solvents such as tridecane, α-terpineol, alkyl halide solvents such as chloroform and 1,2-dichloroethane, N-methylpyrrolidone, carbon disulfide and the like can be suitably used.
本発明の金属塩溶液に用いる溶媒としては、金属塩が溶解する溶媒で有れば特に限定されないが、金属塩の溶解性、塗布後の乾燥性の観点から水および低級アルコールが好ましく、低級アルコールの中ではメタノール、エタノール、プロパノール(1−プロパノールおよびイソプロパノール)が乾燥性の観点で好ましい。また、溶媒として低級アルコールを単独で用いてもよいし、水と任意の割合で混合して用いてもよい。溶解性と溶液安定性および乾燥性の観点から水とこれら低級アルコール類を混合して本発明の水溶液を作成することが好ましい。低級アルコールを混合して水溶液を作成すると、大きな組成の変化を行わず表面張力を下げることが出来るので、インクジェット塗布等において出射性が向上するので好ましい。 The solvent used in the metal salt solution of the present invention is not particularly limited as long as it is a solvent in which the metal salt dissolves, but water and lower alcohol are preferable from the viewpoint of solubility of the metal salt and drying property after coating, and lower alcohol Among these, methanol, ethanol, and propanol (1-propanol and isopropanol) are preferable from the viewpoint of drying property. Moreover, a lower alcohol may be used alone as a solvent, or may be used by mixing with water at an arbitrary ratio. From the viewpoint of solubility, solution stability, and drying properties, it is preferable to prepare water solution of the present invention by mixing water and these lower alcohols. When an aqueous solution is prepared by mixing a lower alcohol, the surface tension can be lowered without greatly changing the composition.
さらにアルコール類添加の効果として、半導体特性の向上の効果が認められる。例えば薄膜トランジスタの移動度、on/off比、閾値などの特性の向上が認められている。この効果の原因について明確でないが、加熱による酸化物の生成プロセスに影響しているものと推察される。 Further, as an effect of adding alcohols, an effect of improving semiconductor characteristics is recognized. For example, improvement in characteristics such as mobility, on / off ratio, and threshold value of a thin film transistor is recognized. Although the cause of this effect is not clear, it is presumed that it has an influence on the oxide formation process by heating.
また乾燥性およびインクジェット出射性、薄膜トランジスタの特性など半導体特性を考慮した場合、溶媒比率で5質量%以上の低級アルコール添加が好ましく、いずれの特性(乾燥、出射性と溶液安定性)も満たすには水/低級アルコール比率が5/95〜95/5であることが好ましい。 In addition, when considering semiconductor characteristics such as drying characteristics, inkjet emission characteristics, and thin film transistor characteristics, it is preferable to add a lower alcohol with a solvent ratio of 5 mass% or more, and to satisfy any characteristics (drying, emission characteristics and solution stability). The water / lower alcohol ratio is preferably 5/95 to 95/5.
本発明の水溶液とは溶媒中の水含有率が30質量%以上の混合溶媒および水(水含有率=100質量%)に溶質(本発明では金属塩とその他必要に応じて添加される添加剤)を溶解した溶液を意味する。金属塩等溶質の溶解性、溶液安定性の観点から好ましくは水含有率は50質量%以上であり、更に好ましくは水含有率が70質量%以上である。 The aqueous solution of the present invention is a mixed solvent having a water content of 30% by mass or more in the solvent and water (water content = 100% by mass) as a solute (in the present invention, a metal salt and other additives added as necessary. ) Is dissolved. The water content is preferably 50% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, from the viewpoint of the solubility of solutes such as metal salts and solution stability.
本発明に係る金属塩の中でも、水に対する劣化、分解、また容易に溶けること、さらに潮解性等の性能においても優れた性質を持つ硝酸塩が最も好ましい。 Among the metal salts according to the present invention, nitrates having the properties such as deterioration with respect to water, decomposition, easy dissolution, and excellent properties such as deliquescence are most preferable.
また、溶媒中に金属アルコキシドと種々のアルカノールアミン、α−ヒドロキシケトン、β−ジケトンなどの多座配位子であるキレート配位子を添加すると、金属アルコキシドを安定化したり、カルボン酸塩の溶解度を増加させることができ、悪影響が出ない範囲で添加することが好ましい。 Addition of metal alkoxide and various ligands such as alkanolamines, α-hydroxy ketones, β-diketones and other chelating ligands in the solvent stabilizes the metal alkoxide and the solubility of the carboxylate. It is preferable to add in a range that does not cause adverse effects.
本発明においては金属塩を含有する溶媒を基材上に適用して、金属酸化物半導体の前駆体を含有する薄膜を形成する。 In the present invention, a thin film containing a metal oxide semiconductor precursor is formed by applying a solvent containing a metal salt on the substrate.
金属塩を含有する溶液を基材上に適用して、金属酸化物半導体の前駆体薄膜を形成する方法としては、スプレーコート法、スピンコート法、ブレードコート法、ディップコート法、キャスト法、ロールコート法、バーコート法、ダイコート法、ミストコート法、エアードクター法など塗布法、また、凸版、凹版、平版、転写、スクリーン印刷、インクジェットなどの印刷法等、広い意味での塗布による方法が挙げられ、また、これによりパターン化する方法などが挙げられる。塗布膜からフォトリソグラフ法、レーザーアブレーションなどによりパターン化してもよい。これらのうち、好ましいのは薄膜の塗布が可能な、インクジェット法、スプレーコート法等である。中でも静電吸引方式のスーパーインクジェット法は微細な描画が可能なことから好ましい。 As a method for forming a precursor thin film of a metal oxide semiconductor by applying a solution containing a metal salt on a substrate, a spray coating method, a spin coating method, a blade coating method, a dip coating method, a casting method, a roll Examples include coating methods such as coating methods, bar coating methods, die coating methods, mist coating methods, air doctor methods, and printing methods such as relief printing, intaglio printing, lithographic printing, transfer printing, screen printing, and inkjet printing. In addition, there is a method of patterning by this. The coating film may be patterned by photolithography, laser ablation, or the like. Among these, the ink jet method, spray coating method, etc. which can apply | coat a thin film are preferable. Among them, the electrostatic suction type super ink jet method is preferable because fine drawing is possible.
例えばインクジェット法を用いて製膜する場合、金属塩溶液を滴下して80℃〜100℃程度で溶媒(水)を揮発させることにより金属塩を含有する半導体前駆体層薄膜が、形成される。なお溶液を滴下する際、基板自体を80℃〜150℃程度に加熱しておくと、塗布、乾燥の2プロセスを同時に行え、前駆体膜の造膜性も良好なため好ましい。 For example, when forming into a film using an inkjet method, the semiconductor precursor layer thin film containing a metal salt is formed by dripping a metal salt solution and volatilizing a solvent (water) at about 80-100 degreeC. In addition, when dropping the solution, it is preferable to heat the substrate itself to about 80 ° C. to 150 ° C. because two processes of coating and drying can be performed simultaneously and the film forming property of the precursor film is good.
これらの前駆体となる金属を含む薄膜の膜厚は1〜200nm、より好ましくは5〜100nmである。 The film thickness of the thin film containing the metal serving as the precursor is 1 to 200 nm, more preferably 5 to 100 nm.
(金属の組成比)
本発明の方法により、前述した金属原子から選ばれた単独、または複数の金属原子を含む金属酸化物半導体の薄膜を作製する。金属酸化物半導体としては、単結晶、多結晶、非晶質のいずれの状態も使用可能だが、好ましくは非晶質の薄膜を用いる。
(Composition ratio of metal)
By the method of the present invention, a metal oxide semiconductor thin film containing a single metal atom or a plurality of metal atoms selected from the metal atoms described above is produced. As the metal oxide semiconductor, any state of single crystal, polycrystal, and amorphous can be used, but an amorphous thin film is preferably used.
形成された金属酸化物半導体に含まれる金属原子は、前駆体の記述に挙げた物と同様に、インジウム(In)、錫(Sn)、亜鉛(Zn)のいずれかを含むことが好ましく、さらにガリウム(Ga)またはアルミニウム(Al)を含むことが好ましい。 The metal atom contained in the formed metal oxide semiconductor preferably contains any one of indium (In), tin (Sn), and zinc (Zn), as in the description of the precursor. It is preferable to contain gallium (Ga) or aluminum (Al).
これらの金属を成分として含む前駆体溶液を作製する場合、好ましい金属の組成比としては、In、Snの金属塩から選ばれる塩に含有される金属(金属A)と、Ga、Alの金属塩から選ばれる塩に含有される金属(金属B)と、Znの金属塩に含有される金属(金属C=Zn)とのモル比率(金属A:金属B:金属C)が以下の関係式を満たすことが好ましい。 When preparing a precursor solution containing these metals as components, the preferred metal composition ratio is as follows: a metal (metal A) contained in a salt selected from metal salts of In and Sn, and metal salts of Ga and Al The molar ratio (metal A: metal B: metal C) of the metal (metal B) contained in the metal salt of Zn (metal B) and the metal (metal C = Zn) contained in the metal salt of Zn has the following relational expression: It is preferable to satisfy.
金属A:金属B:金属C=1:0.2〜1.5:0〜5
金属塩としては硝酸塩が最も好ましいので、In、Sn(金属A)と、Ga、Al(金属B)と、Zn(金属C)とのモル比率(A:B:C)が、上記の関係式を満たすように、各金属の硝酸塩を、水を主成分とした溶媒に溶解・形成した塗布液を用いて金属無機塩を含む前駆体薄膜を塗布により形成することが好ましい。
Metal A: Metal B: Metal C = 1: 0.2-1.5: 0-5
As the metal salt, nitrate is most preferable. Therefore, the molar ratio (A: B: C) of In, Sn (metal A), Ga, Al (metal B), and Zn (metal C) is the above relational expression. It is preferable to form a precursor thin film containing a metal inorganic salt by coating using a coating solution obtained by dissolving and forming each metal nitrate in a solvent containing water as a main component.
また前駆体となる金属無機塩を含む薄膜の膜厚は1〜200nm、より好ましくは5〜100nmである。 Moreover, the film thickness of the thin film containing the metal inorganic salt used as a precursor is 1-200 nm, More preferably, it is 5-100 nm.
(非晶質金属酸化物)
形成される金属酸化物半導体としては、単結晶、多結晶、非晶質のいずれの状態も使用可能だが、好ましくは非晶質(アモルファス)の薄膜を用いる。非晶質であることは、X線回折や電子線回折により確認でき、結晶に固有の回折パターンが観測されなければ非晶質と見なすことが出来る。
(Amorphous metal oxide)
As the metal oxide semiconductor to be formed, any state of single crystal, polycrystal, and amorphous can be used, but an amorphous thin film is preferably used. Amorphous can be confirmed by X-ray diffraction or electron diffraction, and can be regarded as amorphous if a diffraction pattern unique to the crystal is not observed.
金属酸化物半導体の前駆体となる金属化合物材料から形成された、本発明に係る金属酸化物である非晶質金属酸化物の電子キャリア濃度は1018/cm3未満が実現されていればよい。電子キャリア濃度は室温で測定する場合の値である。室温とは、例えば25℃であり、具体的には0℃から40℃程度の範囲から適宜選択されるある温度である。なお、本発明に係るアモルファス金属酸化物の電子キャリア濃度は、0℃から40℃の範囲全てにおいて、1018/cm3未満を充足する必要はない。例えば、25℃において、キャリア電子密度1018/cm3未満が実現されていればよい。また、電子キャリア濃度を更に下げ、1017/cm3以下、より好ましくは1016/cm3以下にするとノーマリーオフのTFTが歩留まり良く得られる。 The electron carrier concentration of the amorphous metal oxide, which is a metal oxide according to the present invention, formed from a metal compound material that is a precursor of a metal oxide semiconductor only needs to be realized to be less than 10 18 / cm 3. . The electron carrier concentration is a value when measured at room temperature. The room temperature is, for example, 25 ° C., specifically, a certain temperature appropriately selected from the range of about 0 ° C. to 40 ° C. Note that the electron carrier concentration of the amorphous metal oxide according to the present invention does not have to satisfy less than 10 18 / cm 3 in the entire range of 0 ° C. to 40 ° C. For example, a carrier electron density of less than 10 18 / cm 3 may be realized at 25 ° C. Further, when the electron carrier concentration is further reduced to 10 17 / cm 3 or less, more preferably 10 16 / cm 3 or less, a normally-off TFT can be obtained with a high yield.
電子キャリア濃度の測定は、ホール効果測定により求めることができる。 The electron carrier concentration can be measured by Hall effect measurement.
金属酸化物である半導体の膜厚としては、特に制限はないが、得られたトランジスタの特性は、半導体膜の膜厚に大きく左右される場合が多く、その膜厚は、半導体により異なるが、一般に1μm以下、特に10〜300nmが好ましい。 The film thickness of the semiconductor that is a metal oxide is not particularly limited, but the characteristics of the obtained transistor are often greatly influenced by the film thickness of the semiconductor film, and the film thickness varies depending on the semiconductor. Generally, 1 μm or less, particularly 10 to 300 nm is preferable.
本発明においては、前駆体材料、組成比、製造条件などを制御して、例えば、電子キャリア濃度を、1012/cm3以上1018/cm3未満とする。より好ましくは1013/cm3以上1017/cm3以下、更には1015/cm3以上1016/cm3以下の範囲にすることが好ましいものである。 In the present invention, the precursor material, composition ratio, production conditions, and the like are controlled so that, for example, the electron carrier concentration is 10 12 / cm 3 or more and less than 10 18 / cm 3 . More preferably, it is in the range of 10 13 / cm 3 or more and 10 17 / cm 3 or less, and more preferably 10 15 / cm 3 or more and 10 16 / cm 3 or less.
前駆体の組成比と、形成される金属酸化物半導体の金属組成比は必ずしも一致しないので、形成される金属酸化物半導体での前記金属比率を達成するため、前駆体の混合比を焼成後の金属酸化物中の比率において、前記の値となるよう、試行により調整し塗布する必要がある。 Since the composition ratio of the precursor and the metal composition ratio of the metal oxide semiconductor to be formed do not necessarily match, in order to achieve the metal ratio in the metal oxide semiconductor to be formed, the mixture ratio of the precursor is set after firing. It is necessary to adjust and apply by trial so that the ratio in the metal oxide becomes the above value.
前記半導体変換処理、即ち金属無機塩から形成された前駆体薄膜を金属酸化物半導体に変換する方法としては、酸素プラズマ法、熱酸化法、UVオゾン法等の酸化処理が挙げられる。また後述するマイクロ波照射を用いることが出来る。 Examples of the semiconductor conversion treatment, that is, a method of converting a precursor thin film formed from a metal inorganic salt into a metal oxide semiconductor include oxidation treatments such as an oxygen plasma method, a thermal oxidation method, and a UV ozone method. Further, microwave irradiation described later can be used.
本発明において、前駆体材料を加熱する温度は前駆体を含有する薄膜表面の温度が50℃〜1000℃の範囲で任意に設定できることが出来るが、電子デバイスのデバイス特性や、生産効率の観点から、100℃〜400℃にすることが好ましい。薄膜表面の温度、基板の温度等は熱電対を用いた表面温度計、放射温度の測定が可能な放射温度計、ファイバー温度計などにより測定できる。加熱温度は電磁波の出力、照射時間、さらには照射回数により制御することが可能である。また前駆体材料を加熱する時間は、任意に設定できるが、電子デバイスの特性や生産効率の観点から、1秒以上60分以下の時間が好ましい。好ましくは5分〜30分である。 In the present invention, the temperature for heating the precursor material can be arbitrarily set within the range of the temperature of the thin film containing the precursor in the range of 50 ° C. to 1000 ° C. From the viewpoint of device characteristics of electronic devices and production efficiency. It is preferable that the temperature is 100 ° C to 400 ° C. The temperature of the thin film surface, the temperature of the substrate, etc. can be measured by a surface thermometer using a thermocouple, a radiation thermometer capable of measuring the radiation temperature, a fiber thermometer, or the like. The heating temperature can be controlled by the output of electromagnetic waves, the irradiation time, and the number of irradiations. The time for heating the precursor material can be arbitrarily set, but from the viewpoint of the characteristics of the electronic device and the production efficiency, a time of 1 second to 60 minutes is preferable. Preferably, it is 5 minutes to 30 minutes.
また金属酸化物の形成はESCA等により検知でき、半導体への変換が十分行われる条件を予め選択することが出来る。 Further, formation of the metal oxide can be detected by ESCA or the like, and conditions under which the conversion to the semiconductor is sufficiently performed can be selected in advance.
また酸素プラズマ法としては大気圧プラズマ法を用いるのが好ましい。また酸素プラズマ法、UVオゾン法においては、基板を50℃〜300℃の範囲で加熱させることが好ましい。 As the oxygen plasma method, it is preferable to use an atmospheric pressure plasma method. In the oxygen plasma method and the UV ozone method, the substrate is preferably heated in the range of 50 ° C to 300 ° C.
大気圧プラズマ法では、大気圧下で、アルゴンガス等の不活性ガスを放電ガスとして、これと共に反応ガス(酸素を含むガス)を放電空間に導入して、高周波電界を印加して、放電ガスを励起させ、プラズマ発生させ、反応ガスと接触させて酸素を含むプラズマを発生させ、基体表面をこれに晒すことで酸素プラズマ処理を行う。大気圧下とは、20〜110kPaの圧力を表すが、好ましくは93〜104kPaである。 In the atmospheric pressure plasma method, an inert gas such as argon gas is used as a discharge gas under atmospheric pressure, and a reaction gas (a gas containing oxygen) is introduced into the discharge space, and a high frequency electric field is applied to the discharge gas. Is excited to generate plasma, and contact with a reactive gas to generate plasma containing oxygen, and the substrate surface is exposed to this to perform oxygen plasma treatment. Under atmospheric pressure represents a pressure of 20 to 110 kPa, preferably 93 to 104 kPa.
大気圧プラズマ法を用いて、酸素を含むガスを反応性ガスとして、酸素プラズマを発生させ、金属塩を含有する前駆体薄膜を、プラズマ空間に晒すことでプラズマ酸化により前駆体薄膜は酸化分解して、金属酸化物からなる層が形成する。 Using an atmospheric pressure plasma method, oxygen-containing gas is used as a reactive gas to generate oxygen plasma, and the precursor thin film containing a metal salt is exposed to the plasma space, so that the precursor thin film is oxidized and decomposed by plasma oxidation. Thus, a layer made of a metal oxide is formed.
高周波電源としては0.5kHz以上、2.45GHz以下、また、対向電極間に供給する電力は、好ましくは0.1W/cm2以上、50W/cm2以下である。 The high frequency power source is 0.5 kHz or more and 2.45 GHz or less, and the power supplied between the counter electrodes is preferably 0.1 W / cm 2 or more and 50 W / cm 2 or less.
供給するガスは、基本的に、放電ガス(不活性ガス)と、反応ガス(酸化性ガス)の混合ガスである。反応ガスは好ましくは酸素ガスであり混合ガスに対し、0.01〜10体積%含有させることが好ましい。0.1〜10体積%であることがより好ましいが、更に好ましくは、0.1〜5体積%である。 The gas to be supplied is basically a mixed gas of a discharge gas (inert gas) and a reaction gas (oxidizing gas). The reaction gas is preferably oxygen gas and is preferably contained in an amount of 0.01 to 10% by volume with respect to the mixed gas. Although it is more preferable that it is 0.1-10 volume%, More preferably, it is 0.1-5 volume%.
上記不活性ガスとしては、周期表の第18属元素、具体的には、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドンや、窒素ガス等が挙げられるが、本発明に記載の効果を得るためには、ヘリウム、アルゴン、窒素ガスが好ましく用いられる。 Examples of the inert gas include Group 18 elements of the periodic table, specifically, helium, neon, argon, krypton, xenon, radon, nitrogen gas, and the like, in order to obtain the effects described in the present invention. For this, helium, argon, or nitrogen gas is preferably used.
また反応ガスを放電空間である電極間に導入するには、常温常圧で構わない。 In order to introduce the reaction gas between the electrodes which are the discharge space, normal temperature and normal pressure may be used.
大気圧下でのプラズマ法については特開平11−61406号、同11−133205号、特開2000−121804号、同2000−147209号、同2000−185362号等に記載されている。 The plasma method under atmospheric pressure is described in JP-A Nos. 11-61406, 11-133205, 2000-121804, 2000-147209, 2000-185362, and the like.
またUVオゾン法は酸素の存在下で、紫外光を照射し、酸化反応を進行させる方法である。紫外光の波長は、100nm〜450nm、特に好ましくは150nm〜300nm程度の所謂、真空紫外光を照射することが好ましい。光源は、低圧水銀灯、重水素ランプ、キセノンエキシマーランプ、メタルハライドランプ、エキシマーレーザーなどを用いることが出来る。 In addition, the UV ozone method is a method of irradiating ultraviolet light in the presence of oxygen to advance the oxidation reaction. It is preferable to irradiate so-called vacuum ultraviolet light having a wavelength of ultraviolet light of 100 nm to 450 nm, particularly preferably about 150 nm to 300 nm. As the light source, a low-pressure mercury lamp, a deuterium lamp, a xenon excimer lamp, a metal halide lamp, an excimer laser, or the like can be used.
ランプの出力としては400W〜30kW、照度としては100mW/cm2〜100kW/cm2、照射エネルギーとしては10〜5000mJ/cm2が好ましく100〜2000mJ/cm2がより好ましい。 The output of the lamp 400W~30kW, as the illuminance 100mW / cm 2 ~100kW / cm 2 , more preferably 10~5000mJ / cm 2 is preferably 100 to 2000 mJ / cm 2 as irradiation energy.
紫外線照射の際の照度は1mW〜10W/cm2が好ましい。 The illuminance at the time of ultraviolet irradiation is preferably 1 mW to 10 W / cm 2 .
また、本発明においては、酸化処理に加えて前記酸化処理の後、あるいは前記酸化処理と同時に加熱処理を施すことが好ましい。これにより酸化分解を促進できる。 In the present invention, it is preferable to perform a heat treatment after the oxidation treatment or simultaneously with the oxidation treatment in addition to the oxidation treatment. Thereby, oxidative decomposition can be promoted.
また金属塩を含有する薄膜を酸化処理した後、基材を50℃〜200℃、好ましくは80℃〜150℃の範囲で、加熱時間としては1分〜10時間の範囲で加熱することが好ましい。 Moreover, after oxidizing the thin film containing a metal salt, it is preferable to heat the base material in the range of 50 ° C. to 200 ° C., preferably in the range of 80 ° C. to 150 ° C., and the heating time in the range of 1 minute to 10 hours. .
加熱処理は、酸化と同時に行っても良く、酸化による金属酸化物半導体への変換を迅速に行うことが出来る。 The heat treatment may be performed at the same time as the oxidation, and can be rapidly converted into a metal oxide semiconductor by the oxidation.
金属酸化物半導体への変換後、形成される半導体薄膜の膜厚は1〜200nm、より好ましくは5〜100nmが好ましい。 After the conversion to a metal oxide semiconductor, the thickness of the formed semiconductor thin film is preferably 1 to 200 nm, more preferably 5 to 100 nm.
本発明においては、前記半導体変換処理として、マイクロ波(0.3〜50GHz)照射の工程を含むことが好ましい。また酸素の存在下で、マイクロ波を照射することが、短時間で金属酸化物半導体前駆体の酸化反応を進行させる上で好ましい。 In the present invention, the semiconductor conversion process preferably includes a microwave (0.3 to 50 GHz) irradiation step. In addition, it is preferable to irradiate microwaves in the presence of oxygen in order to advance the oxidation reaction of the metal oxide semiconductor precursor in a short time.
(マイクロ波の照射)
本発明においては金属酸化物半導体の前駆体から形成された薄膜を半導体に変換する方法として、マイクロ波照射を用いることが好ましい。
(Microwave irradiation)
In the present invention, microwave irradiation is preferably used as a method for converting a thin film formed from a metal oxide semiconductor precursor into a semiconductor.
即ち、これらの金属酸化物半導体の前駆体となる金属酸化物半導体前駆体を含む薄膜を形成した後、該薄膜に対し、電磁波、特にマイクロ波(周波数0.3GHz〜50GHz)を照射する。 That is, after a thin film containing a metal oxide semiconductor precursor serving as a precursor of these metal oxide semiconductors is formed, the thin film is irradiated with electromagnetic waves, particularly microwaves (frequency 0.3 GHz to 50 GHz).
金属酸化物半導体の前駆体となる金属酸化物半導体前駆体を含む薄膜にマイクロ波を照射することで、金属酸化物前駆体中の電子が振動し、熱が発生して薄膜が内部から、均一に加熱される。ガラスや樹脂等の基板には、マイクロ波領域に吸収がほとんどないため、基板自体は殆ど発熱せずに薄膜部のみを選択的に加熱し熱酸化、金属酸化物半導体へ変換することが可能となる。 By irradiating a thin film containing a metal oxide semiconductor precursor, which is a precursor of a metal oxide semiconductor, with microwaves, electrons in the metal oxide precursor vibrate and heat is generated to make the thin film uniform from the inside. To be heated. Since substrates such as glass and resin have almost no absorption in the microwave region, the substrate itself hardly generates heat, and only the thin film portion can be selectively heated to be thermally oxidized and converted into a metal oxide semiconductor. Become.
マイクロ波加熱においては一般的な様にマイクロ波吸収は吸収が強い物質に集中し、且つ非常に短時間で昇温することが可能なため、本発明にこの方法を用いた場合に基材自身には殆ど電磁波による加熱の影響を与えず、短時間で前駆体薄膜のみを酸化反応が起きる温度まで昇温でき、金属酸化物前駆体を金属酸化物に変換することが可能となる。また加熱温度、加熱時間は照射するマイクロ波の出力、照射時間で制御することが可能であり、前駆体材料、基板材料に合わせて調整することが可能である。 As is generally the case with microwave heating, microwave absorption concentrates on strongly absorbing substances and can be heated up in a very short time. Therefore, when this method is used in the present invention, the substrate itself Is hardly affected by heating by electromagnetic waves, and only the precursor thin film can be heated to a temperature at which an oxidation reaction occurs in a short time, and the metal oxide precursor can be converted into a metal oxide. Further, the heating temperature and the heating time can be controlled by the output of the microwave to be irradiated and the irradiation time, and can be adjusted according to the precursor material and the substrate material.
一般に、マイクロ波とは0.3GHz〜50GHzの周波数を持つ電磁波のことを指し、携帯通信で用いられる0.8GHzおよび1.5GHz帯、2GHz帯、アマチュア無線、航空機レーダー等で用いられる1.2GHz帯、電子レンジ、構内無線、VICS等で用いられる2.4GHz帯、船舶レーダー等に用いられる3GHz帯、その他ETCの通信に用いられる5.6GHzなどは全てマイクロ波の範疇に入る電磁波である。また、28GHz、また50GHz等の発信器を市場で入手できる。 In general, the microwave refers to an electromagnetic wave having a frequency of 0.3 GHz to 50 GHz, and 0.8 GHz and 1.5 GHz bands used in mobile communication, 2 GHz band, 1.2 GHz used in amateur radio, aircraft radar, and the like. The 2.4 GHz band used in bands, microwave ovens, private radio, VICS, etc., the 3 GHz band used in ship radar, etc., and 5.6 GHz used for other ETC communications are all electromagnetic waves that fall within the microwave category. Also, 28 GHz and 50 GHz transmitters are available on the market.
オーブンなどを用いた通常の加熱方法に比較し、本発明の電磁波(マイクロ波)照射による加熱方法を用いることで、より良好な金属酸化物半導体層を得ることができる。金属酸化物半導体前駆体材料から金属酸化物半導体が生成するに際し、伝導熱以外の作用、例えば金属酸化物半導体前駆体材料への電磁波の直接的な作用を示唆する効果が得られている。機構は十分に明らかになっていないが、金属酸化物半導体前駆体材料の加水分解や脱水、分解、酸化等による金属酸化物半導体への変換が電磁波により促進された結果と推定される。 Compared with a normal heating method using an oven or the like, a better metal oxide semiconductor layer can be obtained by using the heating method by electromagnetic wave (microwave) irradiation of the present invention. In producing a metal oxide semiconductor from a metal oxide semiconductor precursor material, effects other than conduction heat, for example, an effect suggesting direct action of electromagnetic waves on the metal oxide semiconductor precursor material are obtained. Although the mechanism is not fully understood, it is presumed that the conversion of the metal oxide semiconductor precursor material into a metal oxide semiconductor by hydrolysis, dehydration, decomposition, oxidation, or the like was promoted by electromagnetic waves.
前記金属塩を含有する半導体前駆体層にマイクロ波照射を行って、半導体変換処理を行う方法は、短時間で選択的に酸化反応を進行させる方法である。尚、酸素の存在下でマイクロ波を照射することが、短時間で金属酸化物半導体前駆体の酸化反応を進行させる上で好ましい。但し、熱伝導により少なからず基材にも熱が伝わるため、特に樹脂基板のような耐熱性が低い基材の場合は、マイクロ波の出力、照射時間、さらには照射回数を制御することで前駆体を含有する薄膜の表面温度が100℃以上、400℃未満になる様に処理することが好ましい。薄膜表面の温度、基板の温度等は熱電対を用いた表面温度計、または非接触の表面温度計により測定が可能である。 The method of performing semiconductor conversion treatment by irradiating the semiconductor precursor layer containing the metal salt with microwaves is a method of allowing the oxidation reaction to proceed selectively in a short time. Note that irradiation with microwaves in the presence of oxygen is preferable in order to advance the oxidation reaction of the metal oxide semiconductor precursor in a short time. However, heat is transferred to the base material not only by heat conduction, so in the case of a base material with low heat resistance such as a resin substrate, the precursor can be controlled by controlling the microwave output, irradiation time, and the number of times of irradiation. The treatment is preferably performed so that the surface temperature of the thin film containing the body is 100 ° C. or higher and lower than 400 ° C. The temperature of the thin film surface, the temperature of the substrate, etc. can be measured with a surface thermometer using a thermocouple or a non-contact surface thermometer.
また、ITOの様な強い電磁波吸収体が近傍(たとえばゲート電極等)に存在する場合、これもマイクロ波を吸収し発熱するため、これに隣接する領域を更に短時間に加熱することもできる。 Further, when a strong electromagnetic wave absorber such as ITO is present in the vicinity (for example, a gate electrode), this also absorbs microwaves and generates heat, so that a region adjacent to this can be heated in a shorter time.
本発明の金属酸化物半導体薄膜はトランジスタ、ダイオードなどの各種の半導体素子、また電子回路等に用いることができ、基板上に前駆体材料の溶液を塗布することによって低温プロセスでの金属酸化物半導体層の作成が可能であり、樹脂基板を用いる薄膜トランジスタ素子(TFT素子)等、半導体素子の製造に好ましく適用することができる。 The metal oxide semiconductor thin film of the present invention can be used in various semiconductor elements such as transistors and diodes, electronic circuits, etc., and a metal oxide semiconductor in a low temperature process by applying a solution of a precursor material on a substrate. The layer can be formed, and can be preferably applied to the manufacture of a semiconductor element such as a thin film transistor element (TFT element) using a resin substrate.
本発明の金属酸化物半導体を用いて、ダイオードやフォトセンサに用いることもできる。例えば後述する電極材料からなる金属薄膜と重ねることで、ショットキーダイオードや、フォトダイオードを作製することも可能である。 The metal oxide semiconductor of the present invention can be used for a diode or a photosensor. For example, a Schottky diode or a photodiode can be produced by overlapping a metal thin film made of an electrode material described later.
(素子構成)
図1は、本発明に係わる金属酸化物半導体を用いた、薄膜トランジスタ素子の代表的な素子構成を示す図である。
(Element structure)
FIG. 1 is a diagram showing a typical element configuration of a thin film transistor element using a metal oxide semiconductor according to the present invention.
薄膜トランジスタの構成例を幾つか断面図にて図1(a)〜(f)に示す。図1において、ソース電極102、ドレイン電極103を、金属酸化物半導体からなる半導体層101がチャネルとして連結するよう構成される。
Several structural examples of thin film transistors are shown in cross-sectional views in FIGS. In FIG. 1, a
同図(a)は、支持体106上にソース電極102、ドレイン電極103を形成して、これを基材(基板)として、両電極間に半導体層101を形成し、その上にゲート絶縁層105を形成し、さらにその上にゲート電極104を形成して電界効果薄膜トランジスタを形成したものである。同図(b)は、半導体層101を、(a)では電極間に形成したものを、電極および支持体表面全体を覆うように形成したものを表す。(c)は、支持体106上に、まず、半導体層101を形成し、その後ソース電極102、ドレイン電極103、そして絶縁層105を形成した後、ゲート電極104を形成したものを表す。本発明においては、半導体層が本発明の方法で形成されていればよい。
In FIG. 2A, a
同図(d)は、支持体106上にゲート電極104を形成した後、ゲート絶縁層105を形成し、その上にソース電極102およびドレイン電極103を形成し、該電極間に半導体層101を形成する。その他同図(e)、(f)に示すような構成を取ることもできる。
In FIG. 4D, after the
図2は、薄膜トランジスタ素子が複数配置される薄膜トランジスタシートの1例を示す概略の等価回路図である。 FIG. 2 is a schematic equivalent circuit diagram showing an example of a thin film transistor sheet in which a plurality of thin film transistor elements are arranged.
薄膜トランジスタシート120はマトリクス配置された多数の薄膜トランジスタ素子124を有する。121は各薄膜トランジスタ素子124のゲート電極のゲートバスラインであり、122は各薄膜トランジスタ素子124のソース電極のソースバスラインである。各薄膜トランジスタ素子124のドレイン電極には、出力素子126が接続され、この出力素子126は例えば液晶、電気泳動素子等であり、表示装置における画素を構成する。図示の例では、出力素子126として液晶が、抵抗とコンデンサからなる等価回路で示されている。125は蓄積コンデンサ、127は垂直駆動回路、128は水平駆動回路である。これら薄膜トランジスタシート120における各トランジスタ素子のソース、ドレイン電極又ゲート電極等、さらにゲートバスライン、ソースバスライン、また回路配線の製造に本発明を用いることができる。 The thin film transistor sheet 120 has a large number of thin film transistor elements 124 arranged in a matrix. 121 is a gate bus line of the gate electrode of each thin film transistor element 124, and 122 is a source bus line of the source electrode of each thin film transistor element 124. An output element 126 is connected to the drain electrode of each thin film transistor element 124. The output element 126 is, for example, a liquid crystal or an electrophoretic element, and constitutes a pixel in the display device. In the illustrated example, a liquid crystal is shown as an output element 126 by an equivalent circuit composed of a resistor and a capacitor. Reference numeral 125 denotes a storage capacitor, 127 denotes a vertical drive circuit, and 128 denotes a horizontal drive circuit. The present invention can be used to manufacture the source, drain electrode, gate electrode, and the like of each transistor element in the thin film transistor sheet 120, as well as the gate bus line, source bus line, and circuit wiring.
次いで、TFT素子を構成する各要素について説明する。 Next, each element constituting the TFT element will be described.
(電極)
本発明において、TFT素子を構成するソース電極、ドレイン電極、ゲート電極等の電極に用いられる導電性材料としては、電極として実用可能なレベルでの導電性があればよく、特に限定されず、白金、金、銀、ニッケル、クロム、銅、鉄、錫、アンチモン鉛、タンタル、インジウム、パラジウム、テルル、レニウム、イリジウム、アルミニウム、ルテニウム、ゲルマニウム、モリブデン、タングステン、酸化スズ・アンチモン、酸化インジウム・スズ(ITO)、フッ素ドープ酸化亜鉛、亜鉛、炭素、グラファイト、グラッシーカーボン、銀ペーストおよびカーボンペースト、リチウム、ベリリウム、ナトリウム、マグネシウム、カリウム、カルシウム、スカンジウム、チタン、マンガン、ジルコニウム、ガリウム、ニオブ、ナトリウム、ナトリウム−カリウム合金、マグネシウム、リチウム、アルミニウム、マグネシウム/銅混合物、マグネシウム/銀混合物、マグネシウム/アルミニウム混合物、マグネシウム/インジウム混合物、アルミニウム/酸化アルミニウム混合物、リチウム/アルミニウム混合物等が用いられる。
(electrode)
In the present invention, the conductive material used for the electrodes such as the source electrode, the drain electrode, and the gate electrode constituting the TFT element is not particularly limited as long as it has conductivity at a practical level as an electrode. , Gold, silver, nickel, chromium, copper, iron, tin, antimony lead, tantalum, indium, palladium, tellurium, rhenium, iridium, aluminum, ruthenium, germanium, molybdenum, tungsten, tin / antimony oxide, indium / tin oxide ( ITO), fluorine-doped zinc oxide, zinc, carbon, graphite, glassy carbon, silver paste and carbon paste, lithium, beryllium, sodium, magnesium, potassium, calcium, scandium, titanium, manganese, zirconium, gallium, niobium, sodium Sodium - potassium alloy, magnesium, lithium, aluminum, magnesium / copper mixture, a magnesium / silver mixture, a magnesium / aluminum mixture, magnesium / indium mixture, aluminum / aluminum oxide mixture, a lithium / aluminum mixture, or the like is used.
また、導電性材料としては、導電性ポリマーや金属微粒子などを好適に用いることができる。金属微粒子を含有する分散物としては、例えば公知の導電性ペーストなどを用いても良いが、好ましくは、粒子径が1nm〜50nm、好ましくは1nm〜10nmの金属微粒子を含有する分散物である。金属微粒子から電極を形成するには、前述の方法を同様に用いることができ、金属微粒子の材料としては上記の金属を用いることができる。 Moreover, as a conductive material, a conductive polymer, metal fine particles, or the like can be suitably used. As the dispersion containing metal fine particles, for example, a known conductive paste may be used, but a dispersion containing metal fine particles having a particle diameter of 1 nm to 50 nm, preferably 1 nm to 10 nm is preferable. In order to form an electrode from metal fine particles, the above-described method can be used in the same manner, and the metal described above can be used as the material of the metal fine particles.
(電極等の形成方法)
電極の形成方法としては、上記を原料として蒸着やスパッタリング等の方法を用いて形成した導電性薄膜を、公知のフォトリソグラフ法やリフトオフ法を用いて電極形成する方法、アルミニウムや銅などの金属箔上に熱転写、インクジェット等により、レジストを形成しエッチングする方法がある。また導電性ポリマーの溶液あるいは分散液、金属微粒子を含有する分散液等を直接インクジェット法によりパターニングしてもよいし、塗工膜からリソグラフやレーザーアブレーションなどにより形成してもよい。さらに導電性ポリマーや金属微粒子を含有する導電性インク、導電性ペーストなどを凸版、凹版、平版、スクリーン印刷などの印刷法でパターニングする方法も用いることができる。
(Method for forming electrodes, etc.)
As a method for forming an electrode, a method for forming an electrode using a known photolithographic method or a lift-off method, using a conductive thin film formed by a method such as vapor deposition or sputtering using the above as a raw material, or a metal foil such as aluminum or copper There is a method in which a resist is formed and etched by thermal transfer, ink jet or the like. Alternatively, a conductive polymer solution or dispersion, a dispersion containing metal fine particles, or the like may be directly patterned by an ink jet method, or may be formed from a coating film by lithography or laser ablation. Further, a method of patterning a conductive ink or conductive paste containing a conductive polymer or metal fine particles by a printing method such as relief printing, intaglio printing, planographic printing, or screen printing can also be used.
ソース、ドレイン、あるいはゲート電極等の電極、またゲート、あるいはソースバスライン等を、エッチングまたはリフトオフ等感光性樹脂等を用いた金属薄膜のパターニングなしに形成する方法として、無電解メッキ法による方法が知られている。 As a method of forming an electrode such as a source, drain, or gate electrode, a gate, or a source bus line without patterning a metal thin film using a photosensitive resin such as etching or lift-off, there is a method by an electroless plating method. Are known.
無電解メッキ法による電極の形成方法に関しては、特開2004−158805号にも記載されたように、電極を設ける部分に、メッキ剤と作用して無電解メッキを生じさせるメッキ触媒を含有する液体を、例えば印刷法(インクジェット印刷含む。)によって、パターニングした後に、メッキ剤を、電極を設ける部分に接触させる。そうすると、前記触媒とメッキ剤との接触により前記部分に無電解メッキが施されて、電極パターンが形成されるというものである。 Regarding the method of forming an electrode by electroless plating, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-158805, a liquid containing a plating catalyst that causes electroless plating by acting with a plating agent on a portion where an electrode is provided After patterning, for example, by a printing method (including inkjet printing), a plating agent is brought into contact with a portion where an electrode is provided. If it does so, electroless plating will be performed to the said part by the contact of the said catalyst and a plating agent, and an electrode pattern will be formed.
無電解メッキの触媒と、メッキ剤の適用を逆にしてもよく、またパターン形成をどちらで行ってもよいが、メッキ触媒パターンを形成し、これにメッキ剤を適用する方法が好ましい。 The application of the electroless plating catalyst and the plating agent may be reversed, and the pattern formation may be performed either. However, a method of forming a plating catalyst pattern and applying the plating agent to this is preferable.
印刷法としては、例えば、スクリーン印刷、平版、凸版、凹版又インクジェット法による印刷などが用いられる。 As the printing method, for example, screen printing, planographic printing, letterpress printing, intaglio printing, printing by ink jet printing, or the like is used.
(基板)
本発明に用いられる基板は種々の材料を利用することが可能であるが、基板表面の2種の表面エネルギー成分γhとγdについて10≦γh≦80(mN/m)、2≦γd≦40(mN/m)であることにより、本発明の目的効果が得られる。
(substrate)
Although various materials can be used for the substrate used in the present invention, 10 ≦ γh ≦ 80 (mN / m) and 2 ≦ γd ≦ 40 (with respect to two surface energy components γh and γd on the surface of the substrate. mN / m), the objective effect of the present invention can be obtained.
2種の表面エネルギー成分γhとγdとを説明する。元来、表面エネルギーを決定する力は、分散力と水素結合力との2成分であるという観点から、表面エネルギーの分散力成分をγdとし、水素結合力成分をγhとしたものであるが、本発明では、表面エネルギーが既知の2種の溶液を用いて静的接触角を測定し、その測定値から表面エネルギーの水素結合力成分γh及び分散力成分γdとを求めている。 Two kinds of surface energy components γh and γd will be described. Originally, the force that determines the surface energy is the two components of the dispersion force and the hydrogen bonding force. From the viewpoint that the dispersion force component of the surface energy is γd and the hydrogen bonding force component is γh, In the present invention, the static contact angle is measured using two types of solutions having known surface energies, and the hydrogen bonding force component γh and the dispersion force component γd of the surface energy are obtained from the measured values.
具体的には、表面エネルギーが既知の2種の溶液として水(20℃):γh=51.0(mJ/m2)、γd=21.8(mJ/m2)、及びヨウ化メチレン(20℃):γh=1.3(mJ/m2)、γd=49.5(mJ/m2)を用い、20℃の測定環境で固体表面に20μl滴下し、30秒経過後の接触角を測定し、下記式により固体表面上の各表面エネルギーγh(mJ/m2)、γd(mJ/m2)を求めた。 Specifically, water (20 ° C.) as two types of solutions having known surface energies: γh = 51.0 (mJ / m 2 ), γd = 21.8 (mJ / m 2 ), and methylene iodide ( 20 ° C.): Using γh = 1.3 (mJ / m 2 ) and γd = 49.5 (mJ / m 2 ), 20 μl was dropped on the solid surface in a measurement environment at 20 ° C., and the contact angle after 30 seconds was measured, the surface energy γh on the solid surface by the following formula (mJ / m 2), it was determined γd (mJ / m 2).
cosθ(水の接触角)=2√(γd×21.8)/72.8+2√(γh×51.0)/72.8−1
cosθ(ヨウ化メチレンの接触角)=2√(γd×49.5)/50.8+2√(γh×1.3)/50.8−1
上記連立方程式を解くことによりγh、γdが求められる。
cos θ (water contact angle) = 2√ (γd × 21.8) /72.8+2√ (γh × 51.0) /72.8-1
cos θ (contact angle of methylene iodide) = 2√ (γd × 49.5) /50.8+2√ (γh × 1.3) /50.8-1
By solving the simultaneous equations, γh and γd are obtained.
本発明の効果を達成するためには、表面エネルギー成分γhが10以上、80以下であり、かつ表面エネルギーγdが2以上、40以下である必要がある。γhが10未満であると、半導体前駆体材料塗布時、ハジキ、液よりが発生し満足な塗膜が得られない。またγhが80を超えると満足な移動度が得られない。 In order to achieve the effect of the present invention, the surface energy component γh needs to be 10 or more and 80 or less, and the surface energy γd needs to be 2 or more and 40 or less. If γh is less than 10, cissing and liquid are generated when the semiconductor precursor material is applied, and a satisfactory coating cannot be obtained. If γh exceeds 80, satisfactory mobility cannot be obtained.
またγdが2未満であると満足な移動度が得られず、またγdが40を超えると満足な半導体前駆体膜が得られない。 If γd is less than 2, satisfactory mobility cannot be obtained, and if γd exceeds 40, a satisfactory semiconductor precursor film cannot be obtained.
基板を構成する支持体材料としては、種々の材料が利用可能であり、例えば、ガラス、石英、酸化アルミニウム、サファイア、チッ化珪素、炭化珪素などのセラミック基板、シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素、ガリウム燐、ガリウム窒素など半導体基板、紙、不織布などを用いることができるが、本発明においては、支持体(基板)は樹脂からなることが好ましく、例えばプラスチックフィルムシートを用いることができる。プラスチックフィルムとしては、例えばポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリアリレート、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ボリカーボネート(PC)、セルローストリアセテート(TAC)、セルロースアセテートプロピオネート(CAP)等からなるフィルム等が挙げられる。プラスチックフィルムを用いることで、ガラス基板を用いる場合に比べて軽量化を図ることができ、可搬性を高めることができると共に、衝撃に対する耐性を向上できる。 Various materials can be used as the support material constituting the substrate, for example, ceramic substrates such as glass, quartz, aluminum oxide, sapphire, silicon nitride, silicon carbide, silicon, germanium, gallium arsenide, gallium phosphide. In the present invention, the support (substrate) is preferably made of a resin, and for example, a plastic film sheet can be used. Examples of plastic films include polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyethersulfone (PES), polyetherimide, polyetheretherketone, polyphenylene sulfide (PPS), polyarylate, polyimide (PI), and polyamide. Examples include films made of imide (PAI), polycarbonate (PC), cellulose triacetate (TAC), cellulose acetate propionate (CAP), and the like. By using a plastic film, the weight can be reduced as compared with the case of using a glass substrate, the portability can be improved, and the resistance to impact can be improved.
上記基材を用い、目的の表面エネルギーにするために基板上に表面処理、下引き層塗布をしてもかまわない。表面処理はプラズマ処理、UV処理、オゾン処理等が利用でき、それらを併用することも出来る。またコロナ放電で表面エネルギーを合わせることも可能である。 In order to obtain the target surface energy using the above-mentioned base material, surface treatment or undercoat layer coating may be performed on the substrate. As the surface treatment, plasma treatment, UV treatment, ozone treatment or the like can be used, and these can be used in combination. It is also possible to match the surface energy by corona discharge.
下引き層は特に限定は無いが、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化チタン、酸化スズ、酸化バナジウム、チタン酸バリウムストロンチウム、ジルコニウム酸チタン酸バリウム、ジルコニウム酸チタン酸鉛、チタン酸鉛ランタン、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、フッ化バリウムマグネシウム、チタン酸ビスマス、チタン酸ストロンチウムビスマス、タンタル酸ストロンチウムビスマス、タンタル酸ニオブ酸ビスマス、トリオキサイドイットリウム等の無機層、またはポリイミド、ポリアミド、ポリエステル、ポリアクリレート、光ラジカル重合系、光カチオン重合系の光硬化性樹脂、あるいはアクリロニトリル成分を含有する共重合体、ポリビニルフェノール、ポリビニルアルコール、ノボラック樹脂等の有機層、およびそれらを併用または積層する事が可能である。またこれら下引き層の膜厚としては2nmから3μm、好ましくは5nm〜1μmである。 The undercoat layer is not particularly limited, but silicon oxide, aluminum oxide, tantalum oxide, titanium oxide, tin oxide, vanadium oxide, barium strontium titanate, barium zirconate titanate, lead zirconate titanate, lead lanthanum titanate, Inorganic layers such as strontium titanate, barium titanate, barium magnesium fluoride, bismuth titanate, strontium bismuth titanate, strontium bismuth tantalate, bismuth tantalate niobate, trioxide yttrium, or polyimide, polyamide, polyester, polyacrylate , Photo-curing resin of photo radical polymerization system, photo cation polymerization system, or copolymer containing acrylonitrile component, organic such as polyvinyl phenol, polyvinyl alcohol, novolac resin , And it can be used in combination or laminated thereof. The thickness of these undercoat layers is 2 nm to 3 μm, preferably 5 nm to 1 μm.
(ゲート絶縁層)
本発明の薄膜トランジスタのゲート絶縁層としては種々の絶縁膜を用いることができるが、特に、比誘電率の高い無機酸化物皮膜が好ましい。無機酸化物としては、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化チタン、酸化スズ、酸化バナジウム、チタン酸バリウムストロンチウム、ジルコニウム酸チタン酸バリウム、ジルコニウム酸チタン酸鉛、チタン酸鉛ランタン、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、フッ化バリウムマグネシウム、チタン酸ビスマス、チタン酸ストロンチウムビスマス、タンタル酸ストロンチウムビスマス、タンタル酸ニオブ酸ビスマス、トリオキサイドイットリウムなどが挙げられる。それらのうち好ましいのは、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化チタンである。窒化ケイ素、窒化アルミニウム等の無機窒化物も好適に用いることができる。
(Gate insulation layer)
Although various insulating films can be used as the gate insulating layer of the thin film transistor of the present invention, an inorganic oxide film having a high relative dielectric constant is particularly preferable. Inorganic oxides include silicon oxide, aluminum oxide, tantalum oxide, titanium oxide, tin oxide, vanadium oxide, barium strontium titanate, barium zirconate titanate, lead zirconate titanate, lead lanthanum titanate, strontium titanate, Examples thereof include barium titanate, barium magnesium fluoride, bismuth titanate, strontium bismuth titanate, strontium bismuth tantalate, bismuth tantalate niobate, and yttrium trioxide. Of these, silicon oxide, aluminum oxide, tantalum oxide, and titanium oxide are preferable. Inorganic nitrides such as silicon nitride and aluminum nitride can also be suitably used.
上記皮膜の形成方法としては、真空蒸着法、分子線エピタキシャル成長法、イオンクラスタービーム法、低エネルギーイオンビーム法、イオンプレーティング法、CVD法、スパッタリング法、大気圧プラズマ法などのドライプロセスや、スプレーコート法、スピンコート法、ブレードコート法、ディップコート法、キャスト法、ロールコート法、バーコート法、ダイコート法などの塗布による方法、印刷やインクジェットなどのパターニングによる方法などのウェットプロセスが挙げられ、材料に応じて使用できる。 Examples of the method for forming the film include a vacuum process, a molecular beam epitaxial growth method, an ion cluster beam method, a low energy ion beam method, an ion plating method, a CVD method, a sputtering method, an atmospheric pressure plasma method, and a spray process. Examples include wet processes such as coating methods, spin coating methods, blade coating methods, dip coating methods, casting methods, roll coating methods, bar coating methods, die coating methods, and other methods such as printing and ink jet patterning. Can be used depending on the material.
ウェットプロセスは、無機酸化物の微粒子を、任意の有機溶剤あるいは水に必要に応じて界面活性剤などの分散補助剤を用いて分散した液を塗布、乾燥する方法や、酸化物前駆体、例えばアルコキシド体の溶液を塗布、乾燥する、いわゆるゾルゲル法が用いられる。 The wet process is a method of applying and drying a liquid in which fine particles of inorganic oxide are dispersed in an arbitrary organic solvent or water using a dispersion aid such as a surfactant as required, or an oxide precursor, for example, A so-called sol-gel method in which a solution of an alkoxide body is applied and dried is used.
これらのうち好ましいのは、上述した大気圧プラズマ法である。 Of these, the atmospheric pressure plasma method described above is preferable.
ゲート絶縁層(膜)が陽極酸化膜または該陽極酸化膜と絶縁膜とで構成されることも好ましい。陽極酸化膜は封孔処理されることが望ましい。陽極酸化膜は、陽極酸化が可能な金属を公知の方法により陽極酸化することにより形成される。 It is also preferable that the gate insulating layer (film) is composed of an anodized film or the anodized film and an insulating film. The anodized film is preferably sealed. The anodized film is formed by anodizing a metal that can be anodized by a known method.
陽極酸化処理可能な金属としては、アルミニウムまたはタンタルを挙げることができ、陽極酸化処理の方法には特に制限はなく、公知の方法を用いることができる。 Examples of the metal that can be anodized include aluminum and tantalum, and the anodizing method is not particularly limited, and a known method can be used.
また有機化合物皮膜としては、ポリイミド、ポリアミド、ポリエステル、ポリアクリレート、光ラジカル重合系、光カチオン重合系の光硬化性樹脂、あるいはアクリロニトリル成分を含有する共重合体、ポリビニルフェノール、ポリビニルアルコール、ノボラック樹脂等を用いることもできる。 Examples of organic compound films include polyimides, polyamides, polyesters, polyacrylates, photo-radical polymerization-type, photo-cation polymerization-type photo-curing resins, copolymers containing acrylonitrile components, polyvinyl phenol, polyvinyl alcohol, novolac resins, etc. Can also be used.
無機酸化物皮膜と有機酸化物皮膜は積層して併用することができる。またこれら絶縁膜の膜厚としては、一般に50nm〜3μm、好ましくは、100nm〜1μmである。 An inorganic oxide film and an organic oxide film can be laminated and used together. The thickness of these insulating films is generally 50 nm to 3 μm, preferably 100 nm to 1 μm.
以下、本発明に係る酸化物半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタの製造方法について具体的に説明するが、本発明はこれに限定されない。 Hereinafter, although the manufacturing method of the thin-film transistor using the oxide semiconductor thin film which concerns on this invention is demonstrated concretely, this invention is not limited to this.
実施例1
(石英基板上での薄膜トランジスタの作製)
本発明の好ましい実施形態における薄膜トランジスタ製造の各工程を図3の断面模式図を用いて説明する。
Example 1
(Fabrication of thin film transistors on a quartz substrate)
Each step of manufacturing a thin film transistor in a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to a schematic cross-sectional view of FIG.
支持体301として、石英ガラス基板(500μm)を用い、この上に、先ず、50W/m2/minの条件でコロナ放電処理を施した。その後以下のように接着性向上のため下引き層を形成した。
A quartz glass substrate (500 μm) was used as the
(下引き層の形成)
下記組成の塗布液を乾燥膜厚2μmになるように塗布し、90℃で5分間乾燥した後、60W/cmの高圧水銀灯下10cmの距離から4秒間硬化させた。
(Formation of undercoat layer)
A coating solution having the following composition was applied to a dry film thickness of 2 μm, dried at 90 ° C. for 5 minutes, and then cured for 4 seconds from a distance of 10 cm under a 60 W / cm high-pressure mercury lamp.
ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート単量体 60g
ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート2量体 20g
ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート3量体以上の成分 20g
ジエトキシベンゾフェノンUV開始剤 2g
シリコーン系界面活性剤 1g
メチルエチルケトン 75g
メチルプロピレングリコール 75g
更にその層の上に下記条件で連続的に大気圧プラズマ処理して厚さ50nmの酸化ケイ素膜を設け、これらの層を下引き層(バリア層)310とした(図3(1))。なお、大気圧プラズマ処理装置は特開2003−303520号公報に記載の図6に準じた装置を用いた。
Dipentaerythritol hexaacrylate monomer 60g
Dipentaerythritol hexaacrylate dimer 20g
Dipentaerythritol hexaacrylate trimer or higher component 20g
Diethoxybenzophenone UV initiator 2g
Silicone surfactant 1g
75g of methyl ethyl ketone
Methyl propylene glycol 75g
Further, a silicon oxide film having a thickness of 50 nm was formed on the layer by continuous atmospheric pressure plasma treatment under the following conditions, and these layers were used as an undercoat layer (barrier layer) 310 (FIG. 3A). In addition, the atmospheric pressure plasma processing apparatus used the apparatus according to FIG. 6 as described in Unexamined-Japanese-Patent No. 2003-303520.
(使用ガス)
不活性ガス:ヘリウム98.25体積%
反応性ガス:酸素ガス1.5体積%
反応性ガス:テトラエトキシシラン蒸気(ヘリウムガスにてバブリング)0.25体積%
(放電条件)
放電出力:10W/cm2
(電極条件)
電極は、冷却水による冷却手段を有するステンレス製ジャケットロール母材に対して、セラミック溶射によるアルミナを1mm被覆し、その後、テトラメトキシシランを酢酸エチルで希釈した溶液を塗布乾燥後、紫外線照射により封孔処理を行い、表面を平滑にしてRmax5μmとした誘電体(比誘電率10)を有するロール電極であり、アースされている。一方、印加電極としては、中空の角型のステンレスパイプに対し、上記同様の誘電体を同条件にて被覆した。
(Used gas)
Inert gas: helium 98.25% by volume
Reactive gas: oxygen gas 1.5 volume%
Reactive gas: Tetraethoxysilane vapor (bubbled with helium gas) 0.25% by volume
(Discharge conditions)
Discharge output: 10 W / cm 2
(Electrode condition)
The electrode is coated with 1 mm of alumina by ceramic spraying on a stainless steel jacket roll base material having cooling means with cooling water, and then a solution obtained by diluting tetramethoxysilane with ethyl acetate is applied and dried, and then sealed by ultraviolet irradiation. This is a roll electrode having a dielectric (relative permittivity of 10) that has been subjected to hole treatment and has a smooth surface and an Rmax of 5 μm, and is grounded. On the other hand, as the application electrode, a hollow rectangular stainless steel pipe was coated with the same dielectric as described above under the same conditions.
(薄膜トランジスタ各層の形成)
次いで、ゲート電極を形成する。スパッタ法により、厚さ300nmのITO膜を一面に成膜した後、フォトリソグラフ法により、エッチングしてゲート電極302を形成した(図3(1))。
(Formation of thin film transistor layers)
Next, a gate electrode is formed. An ITO film having a thickness of 300 nm was formed on one surface by sputtering, and then etched by photolithography to form a gate electrode 302 (FIG. 3 (1)).
次いで、更にフィルム温度200℃にて、上述した大気圧プラズマ法により厚さ180nmの酸化珪素膜を設けゲート絶縁層303を形成した(図3(2))。 Next, at a film temperature of 200 ° C., a silicon oxide film having a thickness of 180 nm was provided by the atmospheric pressure plasma method described above to form a gate insulating layer 303 (FIG. 3B).
次いで、オクチルトリクロロシラン(C8H17SiCl3)(OTS)を溶解したトルエン溶液(0.1質量%、60℃)に基板を10分間浸漬した後、トルエンですすぎ、更に、超音波洗浄器中で10分間処理後、乾燥させることで、ゲート絶縁膜表面全面がOTSと反応し表面処理された。表面処理によりオクチルトリクロロシランによる単分子膜が形成するが図では便宜的に表面処理層308でこの単分子膜を表した(図3(3))。
Next, the substrate was immersed in a toluene solution (0.1% by mass, 60 ° C.) in which octyltrichlorosilane (C 8 H 17 SiCl 3 ) (OTS) was dissolved, rinsed with toluene, and further an ultrasonic cleaner. After the treatment for 10 minutes, the entire surface of the gate insulating film reacted with OTS to be surface-treated by drying. A monomolecular film made of octyltrichlorosilane is formed by the surface treatment, but this monomolecular film is represented by the
この表面処理を行ったゲート絶縁層303上に、半導体チャネル領域に対応させた光透過部を有するフォトマスクMを介して、低圧水銀灯から波長254nmの紫外光を照射した(図3(4))。紫外線照射時基板の温度を0、50、100、150、200℃に変化させた異なるサンプルを作製した。これにより、露光部の表面が分解され、表面処理部が親水化された。エタノールで洗浄し分解物を除去して、チャネル領域に対応する部分のゲート絶縁層303表面を露出させた(図3(5))。上記基板の温度変化により親水化度合いが異なり、表1に示す表面エネルギー値となった。なお表面エネルギー値は協和界面科学社製の接触角計CA−Vを用い、20℃、50%Rhの環境下、固体表面に20μl滴下し、30秒経過後の接触角を測定した。液滴は水およびヨウ化メチレンを使用しγh成分、γd成分を算出した。
The surface-treated
次に、硝酸インジウム、硝酸ガリウムを金属比率で1:0.5(モル比)となるよう混合し、10質量%水溶液(溶媒中10質量%エタノールを含有)としたものをインクとして、ピエゾ方式のインクジェットを用いて半導体層パターン(略ゲート電極パターン)に従ってインクを吐出し、半導体の前駆体材料塗布膜306′を形成した(図3(6))。 Next, indium nitrate and gallium nitrate are mixed so as to have a metal ratio of 1: 0.5 (molar ratio), and a 10% by weight aqueous solution (containing 10% by weight ethanol in a solvent) is used as an ink. Ink jet was used to eject ink according to the semiconductor layer pattern (substantially gate electrode pattern) to form a semiconductor precursor material coating film 306 '(FIG. 3 (6)).
100℃で熱処理し乾燥し、形成した前駆体材料薄膜の平均膜厚は20nmであった。 The average film thickness of the precursor material thin film formed by heat treatment at 100 ° C. and drying was 20 nm.
更に、支持体側からマイクロ波照射を行った。即ち、酸素と窒素の分圧が1:1の雰囲気、大気圧条件下で、500Wの出力でマイクロ波(2.45GHz)を照射し200℃で20分間の処理を行った。ITO(ゲート電極302)のマイクロ波吸収による発熱で前駆体材料は酸化物半導体に変換され、ゲート絶縁膜上、ゲート電極に対向して酸化物半導体層306が形成された(図3(7))。表面温度は熱電対を用いた表面温度計により測定した。
Furthermore, microwave irradiation was performed from the support side. That is, the treatment was performed at 200 ° C. for 20 minutes by irradiating with microwaves (2.45 GHz) at an output of 500 W under an atmospheric pressure condition where the partial pressure of oxygen and nitrogen was 1: 1. The precursor material was converted into an oxide semiconductor by heat generation due to microwave absorption of ITO (gate electrode 302), and an
更に、オクチルトリクロロシラン(C8H17SiCl3)(OTS)を溶解したトルエン溶液(0.1質量%、60℃)に基板を10分間浸漬した後、トルエンですすぎ、更に、超音波洗浄器中で10分間処理後、乾燥させることで、形成した酸化物半導体層306表面もOTSと反応し単分子膜が形成され表面処理された。同様に、表面処理層308でこの単分子膜を表した(図3(8))。
Further, the substrate was immersed for 10 minutes in a toluene solution (0.1 mass%, 60 ° C.) in which octyltrichlorosilane (C 8 H 17 SiCl 3 ) (OTS) was dissolved, and then rinsed with toluene. The surface of the formed
次いで、半導体層上の保護膜の形成領域以外を覆うマスクを用いて、保護膜形成領域を254nmの紫外光にて照射した(図3(9))。半導体層上の保護膜形成領域の表面処理層308を分解し半導体層を露出させた。なお、保護膜の幅がチャネル長(ソース電極304、ドレイン電極305の距離)を形成するので、保護膜の幅が15μmとなるよう露光領域を調整し半導体層のチャネル領域のみ露出させた(図3(10))。
Next, the protective film formation region was irradiated with ultraviolet light of 254 nm using a mask covering the region other than the protective film formation region on the semiconductor layer (FIG. 3 (9)). The
次に、酸化物半導体層306上にパーヒドロポリシラザン(AZエレクトロニックマテリアルズ社製 アクアミカNP110(登録商標))キシレン溶液を前記同様のピエゾ方式のインクジェット装置を用いて酸化物半導体層内の所定の領域に適用した(図3(11))。次いでこれを150℃〜500℃の範囲、ここでは前記同様にマイクロ波を照射してゲート電極の発熱により200℃、で20分程度の熱処理を行って、二酸化ケイ素の薄膜層に変換させ保護層307を形成した(図3(12))。保護層の厚みは200nmであった。
Next, a perhydropolysilazane (Aquamica NP110 (registered trademark) xylene solution manufactured by AZ Electronic Materials Co.) xylene solution is formed on the
次に、前記と同様の大気圧プラズマ装置を用い下記条件で酸素プラズマ処理し残っている表面処理層308を分解し、ゲート絶縁層303および酸化物半導体層306の表面の一部を露出させた(図3(13))。
Next, the remaining
(使用ガス)
不活性ガス:窒素ガス 98体積%
反応性ガス:酸素ガス 2体積%
(放電条件)
高周波電源:13.56MHz
放電出力:10W/cm2
次に、銀微粒子分散液(Cabot社製 CCI−300(銀含有率20質量%))を、ピエゾ方式のインクジェットヘッドから射出し、半導体層の露出領域を含むソース電極、ドレイン電極部分に印刷を施した。次いで200℃で30分間熱処理して、ソース電極304およびドレイン電極305を形成した(図3(14))。それぞれのサイズは、幅40μm、長さ100μm(チャネル幅)、厚さ100nmであり、ソース電極304、ドレイン電極305の距離(チャネル長)は20μmとした。
(Used gas)
Inert gas: Nitrogen gas 98% by volume
Reactive gas: 2% by volume of oxygen gas
(Discharge conditions)
High frequency power supply: 13.56 MHz
Discharge output: 10 W / cm 2
Next, a silver fine particle dispersion (CCI-300 manufactured by Cabot (silver content 20 mass%)) is ejected from a piezo-type inkjet head, and printing is performed on the source electrode and drain electrode portions including the exposed regions of the semiconductor layer. gave. Next, heat treatment was performed at 200 ° C. for 30 minutes to form the
以上の方法により酸化物半導体前駆体膜塗布時の基板表面の表面エネルギーが異なる6種の薄膜トランジスタ01〜06を作製した。 By the above method, six kinds of thin film transistors 01 to 06 having different surface energy on the substrate surface when the oxide semiconductor precursor film was applied were manufactured.
上記で作製した薄膜トランジスタについて、ドレインバイアスを10Vとし、ゲートバイアスを−30Vから+30Vまで掃引したときのドレイン電流の増加(伝達特性)について観測し、その飽和領域から移動度(cm2/Vs)を見積もった。また、ドレイン電流の立ち上がりのゲート電圧Vg(ON)、およびドレイン電流の最大値と最小値の比の常用対数の値(on/off比)を評価し、それらの結果について表1に示した。 With respect to the thin film transistor manufactured above, the drain bias is set to 10 V, the increase in drain current (transfer characteristic) is observed when the gate bias is swept from −30 V to +30 V, and the mobility (cm 2 / Vs) is observed from the saturation region. Estimated. Further, the gate voltage Vg (ON) at the rise of the drain current and the common logarithm value (on / off ratio) of the ratio between the maximum value and the minimum value of the drain current were evaluated, and the results are shown in Table 1.
表1に記載の如く、表面エネルギー成分γh、γdを本発明の領域にすることで薄膜トランジスタの移動度が高く、良好に駆動し、n型のエンハンスメント動作を示した。しかしながら、γh、γdが範囲外となるものは移動度が低く満足なトランジスタ性能は得られなかった。 As shown in Table 1, when the surface energy components γh and γd are set in the region of the present invention, the mobility of the thin film transistor is high, driving well, and n-type enhancement operation is shown. However, when γh and γd are out of the range, the mobility is low and satisfactory transistor performance cannot be obtained.
以上のように、表面エネルギー成分γh、γdが本発明の範囲内のものは移動度の高い半導体層を形成することがわかる。 As described above, it can be seen that when the surface energy components γh and γd are within the range of the present invention, a semiconductor layer having high mobility is formed.
実施例2
(ポリイミド基板上での薄膜トランジスタの作製)
実施例1において基板を石英からポリイミド基板にし、前駆体溶液として硝酸インジウム、硝酸ガリウム、硝酸亜鉛を金属比率で1:1:1に変更した以外は、実施例1と全く同条件で薄膜トランジスタ07〜12を作製し、同様にトランジスタ性能を評価した結果を表2に示す。
Example 2
(Production of thin film transistor on polyimide substrate)
In Example 1, except that the substrate was changed from quartz to a polyimide substrate, and indium nitrate, gallium nitrate, and zinc nitrate were changed to 1: 1: 1 as the precursor solution in a metal ratio of 1: 1: 1, the thin film transistors 07- Table 2 shows the results of fabricating transistor No. 12 and evaluating the transistor performance in the same manner.
表2に記載の如く、ポリイミド基板上でも同様に本発明の効果が得られており、薄膜トランジスタとして良好に駆動することが分かった。 As shown in Table 2, it was found that the effect of the present invention was obtained on a polyimide substrate as well, and that the thin film transistor was driven well.
10 薄膜トランジスタシート
11 ゲートバスライン
12 ソースバスライン
14 薄膜トランジスタ素子
15 蓄積コンデンサ
16 出力素子
17 垂直駆動回路
18 水平駆動回路
101 半導体層
102 ソース電極
103 ドレイン電極
104 ゲート電極
105 ゲート絶縁層
106 支持体
306’ 金属酸化物半導体前駆体材料塗布膜
301 支持体
302 ゲート電極
303 ゲート絶縁層
304 ソース電極
305 ドレイン電極
306 金属酸化物半導体層
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