JP2010263103A - 薄膜トランジスタ、及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板上にゲート電極、ゲート絶縁層、ソース電極、ドレイン電極、及び半導体層を有する薄膜トランジスタにおいて、該ゲート絶縁層が該半導体層と接触する側の表面層と、該表面層とは組成または密度が異なる無機絶縁材料層とからなり、該表面層が酸素存在下で光照射処理またはプラズマ照射処理が施された無機膜であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【選択図】なし
Description
本発明に係る半導体層は、シリコンなどの無機半導体、あるいはペンタセンやペンタセン誘導体などの有機半導体からなる層でもよいが、酸化物半導体を含有することが好ましい。
本発明において、酸化物半導体は酸化物半導体の前駆体を含む溶液または分散液溶液から形成されることが好ましい。
本発明において、酸化物半導体の前駆体は、加熱または酸化的な分解により金属酸化物半導体に転化する材料である。具体的な材料としては、金属原子含有化合物が挙げられ、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。
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及びケトオキシ基(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。
これらの金属酸化物半導体の前駆体を含有する薄膜を形成するためには、公知の成膜法、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できるが、本発明においては、前述した金属酸化物半導体の前駆体を適切な溶媒に溶解した溶液を用い、基板上に塗設することが好ましく、これにより生産性を大幅に向上させることができる。
好ましい金属の組成比としては、金属Aを1としたとき、金属Bの組成比は0.2〜5、好ましくは0.5〜2であり、金属Cは0〜5、好ましくは0〜2である。金属A;InまたはSn、金属B;GaまたはAl金属C;Zn。
熱酸化によって形成される酸化物半導体としては、単結晶、多結晶、アモルファスのいずれの状態も使用可能だが、好ましくはアモルファスの薄膜である。
前述した半導体変換処理、即ち前駆体材料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できる。
本発明においては、金属酸化物半導体の前駆体となる前記金属無機塩材料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。
本発明において、ゲート絶縁層は半導体層と接触する側の表面層と該表面層とは組成または密度が異なる無機絶縁材料層とからなり、該表面層が酸素存在下で光照射処理またはプラズマ照射処理を施された無機膜である。
本発明において、ゲート絶縁層の表面を構成する表面層は、酸素存在下で光照射処理またはプラズマ照射処理を施された無機膜からなる。特に、前述したような塗布形成可能な塗布材料を用いて前駆体膜を形成した後、酸素存在下で光照射処理またはプラズマ照射処理を施すことで無機膜へと転化することが好ましい。
本発明において、前記表面層以外のゲート絶縁層を構成する無機絶縁材料層は、無機膜からなる絶縁層であれば特に限定はされないが、前述したような無機酸化物膜からなることが好ましい。また、無機絶縁材料層を形成する方法はスパッタ、CVD、蒸着などの気相法でもよいが、前述したような溶液プロセスがより好ましい。
本発明において、ゲート絶縁層(表面層、無機絶縁材料層)の密度は、膜密度としてX線反射率測定法により求めることができる。
本発明において、ゲート絶縁層(表面層、無機絶縁材料層)の元素組成は、X線電子分光法(XPS)により求めることができる。
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。
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、また、例えば、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等の電磁波吸収能をもつ電極材料、亜鉛、炭素、グラファイト、グラッシーカーボン、銀ペースト及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。
電極の形成方法としては、上記を原料としてマスクを介して蒸着やスパッタリング等の方法を用いて形成する方法、また蒸着やスパッタリング等の方法により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。
基板を構成する材料としては、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、チッ化ケイ素、炭化ケイ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、本発明において基板(支持体)は樹脂からなることが好ましく、例えば、樹脂(プラスチック)フィルムシートを用いることができる。
《薄膜トランジスタ素子1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。
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。
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。
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)
高周波電源:13.56MHz
放電出力:10W/cm2。
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。
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))
〔ゲート絶縁層の形成〕
ゲート電極を形成した支持体上に、アクアミカNN110−20(パーヒドロポリシラザン・10質量%キシレン溶液、AZエレクトロニックマテリアルズ株式会社製)をスピンコート(2000rpm×30sec)にて塗布、乾燥し、絶縁膜前駆体層を形成した。次いで、200℃にて30分、UVオゾン酸化処理を行うことで、表面から20nmがポリシラザンから転化した酸化ケイ素膜(表面層)からなり、その下層180nmが未転化物を含む無機絶縁材料層からなるゲート絶縁層(合わせて200nm)を形成した(図3(2))。
続いて、半導体層をスパッタ法により形成した。スパッタのターゲットにはIn:Ga:Znの組成比を1:1:1とした複合酸化物(IGZO)を用い、DCマグネトロン方式のスパッタ装置で製膜した。パターン化は通常のフォトリソエッチング法を用い、エッチャントはITO用の市販品を使用した。形成した酸化物半導体層306(図3(4))の平均膜厚は30nmであった。
次に、銀微粒子分散液(Cabot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及びドレイン電極305(図3(5))を形成した。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。
薄膜トランジスタ素子1の作製において、半導体の形成を以下のように行った以外は同様にして、薄膜トランジスタ素子2を作製した。
硝酸インジウム、硝酸亜鉛、硝酸ガリウムを金属比率で1:1:1(モル比)で混合した10質量%水/エタノール(9/1)溶液としたものをインクとして、支持体を100℃に加熱した状態でインクジェット装置にてインクを吐出することで、半導体の前駆体材料薄膜306’を形成した(図3(3))。
薄膜トランジスタ素子1の作製において、半導体の形成を以下のように行った以外は同様にして、薄膜トランジスタ素子2を作製した。
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)で混合した(IGO)10質量%水/エタノール(9/1)溶液としたものをインクとして、支持体を100℃に加熱した状態でインクジェット装置にてインクを吐出することで、半導体の前駆体材料薄膜306’を形成した(図3(3))。
薄膜トランジスタ素子2の作製において、ゲート絶縁層の形成を以下のように行った以外は同様にして、薄膜トランジスタ素子4を作製した。
ゲート電極を形成した支持体上に、アクアミカNP110−10(パーヒドロポリシラザン/アミン系触媒・10質量%キシレン溶液、AZエレクトロニックマテリアルズ株式会社製)をスピンコート(2000rpm×30sec)にて塗布、乾燥し、絶縁膜前駆体層を形成した。次いで、大気中で1時間、ホットプレート上(200℃)で加熱処理を行い、ポリシラザンから転化した酸化ケイ素膜(膜厚200nm)を形成した。
薄膜トランジスタ素子2の作製において、ゲート絶縁層の形成を以下のように行った以外は同様にして、薄膜トランジスタ素子5を作製した。
ゲート電極を形成した支持体をホットプレート上(150℃)で加熱してすぐにAl(NO3)3の20質量%水溶液を配して、スピンコート(1000rpm)することで、硝酸アルミニウム塗布膜を形成した。続いて、硝酸アルミニウム塗布膜が形成されたものをホットプレート上(150℃)で10分間加熱後、更に電気炉(300℃)にて1時間加熱することで、酸化アルミニウムからなる絶縁膜(膜厚180nm)を形成した。
薄膜トランジスタ素子2の作製において、ゲート絶縁層の形成を以下のように行った以外は同様にして、薄膜トランジスタ素子6を作製した。
ゲート電極を形成した支持体上に、真空チャンバー中、スパッタ法により酸化ケイ素膜(膜厚180nm)を形成した。
薄膜トランジスタ素子2の作製において、ゲート絶縁層の形成を以下のように行った以外は同様にして、薄膜トランジスタ素子7を作製した。
ゲート電極を形成した支持体上に、アクアミカNN110−20(パーヒドロポリシラザン・10質量%キシレン溶液、AZエレクトロニックマテリアルズ株式会社製)をスピンコート(2000rpm×30sec)にて塗布、乾燥し、絶縁膜前駆体層を形成した。次いで、200℃にて1時間、電気炉加熱を行うことで、一部のポリシラザンが反応した膜からなるゲート絶縁層(230nm)を形成した(図3(2))。
薄膜トランジスタ素子2の作製において、ゲート絶縁層の形成を以下のように行った以外は同様にして、薄膜トランジスタ素子8を作製した。
ゲート電極を形成した支持体上に、アクアミカNN110−10(パーヒドロポリシラザン・10質量%キシレン溶液、AZエレクトロニックマテリアルズ株式会社製)を2質量%に希釈した溶液をスピンコート(4000rpm×30sec)にて塗布、乾燥し、絶縁膜前駆体層を形成した。
薄膜トランジスタ素子2の作製において、ゲート絶縁層の形成を以下のように行った以外は同様にして、薄膜トランジスタ素子9を作製した。
ゲート電極上に、アクアミカNP110−10(パーヒドロポリシラザン/アミン系触媒/キシレン10質量%溶液:AZエレクトロニックマテリアルズ株式会社製)をスピンコート(2000rpm×30sec)にて塗布、乾燥し、絶縁膜前駆体層を形成した。次いで、大気中で1時間、ホットプレート上(200℃)で加熱処理を行い、ポリシラザンから転化した酸化ケイ素膜(膜厚200nm)を形成した(図3(2))。
薄膜トランジスタ素子2の作製において、ゲート絶縁層の形成を以下のように行った以外は同様にして、薄膜トランジスタ素子10作製した。
ゲート電極を形成した基板をホットプレート上(150℃)で加熱し、すぐにAl(NO3)3の20質量%水溶液を基板上に配して、スピンコート(1000rpm)することで、硝酸アルミニウム塗布膜を形成した。続いて、硝酸アルミニウム塗布膜が形成されたものをホットプレート(150℃)上で10分間加熱後、更に電気炉(300℃)にて1時間加熱することで、酸化アルミニウムからなる絶縁膜(膜厚180nm)を形成した。
薄膜トランジスタ素子2の作製において、ゲート絶縁層の形成を以下のように行った以外は同様にして、薄膜トランジスタ素子11を作製した。
ゲート電極を形成した支持体上に、真空チャンバー中、スパッタ法により酸化ケイ素膜からなるゲート絶縁層(膜厚180nm)を形成した。
上記で作製した薄膜トランジスタ素子について、トランジスタ性能として、ドレインバイアスを+10Vとし、ゲートバイアスを−10Vから+40Vまで掃引した時のドレイン電流の増加(伝達特性)における飽和領域から、移動度(cm2/Vs)を見積もり、またon/off比について評価を行った。また、閾値電圧Vth(V)を求めた。これらはいずれも各素子10個についての平均である。
102 ソート電極
103 ドレイン電極
104 ゲート電極
105 ゲート絶縁層
301 支持体
302 ゲート電極
303 ゲート絶縁膜
304 ソース電極
305 ドレイン電極
306 酸化物半導体層
306’ 前駆体材料薄膜
Claims (13)
- 基板上にゲート電極、ゲート絶縁層、ソース電極、ドレイン電極、及び半導体層を有する薄膜トランジスタにおいて、該ゲート絶縁層が該半導体層と接触する側の表面層と、該表面層とは組成または密度が異なる無機絶縁材料層とからなり、該表面層が酸素存在下で光照射処理またはプラズマ照射処理が施された無機膜であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
- 前記光照射処理における光が紫外光であることを特徴とする請求項1に記載の薄膜トランジスタ。
- 前記表面層が前駆体材料から形成した膜を転化することで形成された無機膜であることを特徴とする請求項1または2に記載の薄膜トランジスタ。
- 前記前駆体材料が無機高分子材料を含む溶液または分散液であることを特徴とする請求項3に記載の薄膜トランジスタ。
- 前記無機高分子材料がポリシラザンであることを特徴とする請求項4に記載の薄膜トランジスタ。
- X線電子分光法により前記表面層から検出される窒素原子が元素組成百分率で10at%以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタ。
- X線電子分光法により前記表面層から検出される窒素原子が元素組成百分率で5at%以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタ。
- 前記半導体層が酸化物半導体を含むことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタ。
- 前記酸化物半導体が少なくともIn、Zn、Snのいずれかの酸化物を含むことを特徴とする請求項8に記載の薄膜トランジスタ。
- 前記酸化物半導体が少なくともGa、Alのいずれかの酸化物を含むことを特徴とする請求項8または9に記載の薄膜トランジスタ。
- 前記半導体層が酸化物半導体の前駆体を含む溶液または分散液を用いて形成された膜を含むことを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタ。
- 前記半導体層が酸化物半導体の前駆体を塗布して得られた膜にマイクロ波を照射して形成された膜を含むことを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタ。
- 請求項1〜12のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタを製造することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
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