JP2011009518A - Thin-film transistor, and method of manufacturing the same - Google Patents

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桂 平井
Makoto Honda
本田  誠
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千代子 竹村
Masanori Miyoshi
正紀 三好
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve performance and production efficiency of a reduced thin-film transistor, and to reduce dispersion of characteristics due to it.SOLUTION: In this thin-film transistor including, on a substrate, a gate electrode, a gate insulating film and an oxide semiconductor thin film, at least a portion of the gate insulating film is an anodized film.

Description

本発明は、半導体特性の安定性が向上し、生産効率が改善された薄膜トランジスタ及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a thin film transistor in which stability of semiconductor characteristics is improved and production efficiency is improved, and a manufacturing method thereof.

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(例えば、特許文献1〜3、また非特許文献1)。これらの薄膜トランジスタにおいては主にプラズマCVD法を用い作成したゲート絶縁膜を有する。しかしながら、これらの方法により作成した絶縁膜の場合、薄膜トランジスタのキャリア移動度が充分でない。off電流が大きくon/off比が小さいなどの問題があった。   A technique of a thin film transistor using an oxide semiconductor is disclosed (for example, Patent Documents 1 to 3 and Non-Patent Document 1). These thin film transistors have a gate insulating film formed mainly using a plasma CVD method. However, in the case of an insulating film formed by these methods, the carrier mobility of the thin film transistor is not sufficient. There are problems such as a large off current and a small on / off ratio.

本発明は、これらの特性を大幅に改善するものである。   The present invention greatly improves these characteristics.

特開2006−165527号公報JP 2006-165527 A 特開2006−165528号公報JP 2006-165528 A 特開2007−73735号公報JP 2007-73735 A

IDW’07(International Display Workshop 2007) p1783IDW'07 (International Display Workshop 2007) p1783

従って、本発明の目的は、低減薄膜トランジスタの性能向上と生産効率の改善にあり、また、それによる特性のばらつき低減にある。   Accordingly, an object of the present invention is to improve the performance of the reduced thin film transistor and improve the production efficiency, and to reduce variation in characteristics due to this.

本発明の上記課題は以下の手段により達成される。   The above object of the present invention is achieved by the following means.

1.基体上に、ゲート電極、ゲート絶縁膜、酸化物半導体薄膜を有する薄膜トランジスタであって、前記ゲート絶縁膜の少なくとも一部が陽極酸化膜であり、且つ前記ゲート電極の端部に絶縁層を有することを特徴とする薄膜トランジスタ。   1. A thin film transistor having a gate electrode, a gate insulating film, and an oxide semiconductor thin film on a substrate, wherein at least a part of the gate insulating film is an anodized film, and an insulating layer is provided at an end of the gate electrode A thin film transistor characterized by the above.

2.前記陽極酸化膜と前記酸化物半導体薄膜の間に絶縁層をもうけたことを特徴とする前記1に記載の薄膜トランジスタ。   2. 2. The thin film transistor according to 1 above, wherein an insulating layer is provided between the anodic oxide film and the oxide semiconductor thin film.

3.前記酸化物半導体薄膜が前駆体の溶液または分散液の塗布膜から形成されることを特徴とする前記1または2に記載の薄膜トランジスタ。   3. 3. The thin film transistor according to 1 or 2 above, wherein the oxide semiconductor thin film is formed from a coating solution of a precursor solution or dispersion.

4.前記前駆体が、金属の硝酸塩、硫酸塩、燐酸塩、炭酸塩、酢酸塩または蓚酸塩から選ばれる金属塩の1つ以上を含むことを特徴とする前記3に記載の薄膜トランジスタ。   4). 4. The thin film transistor according to 3 above, wherein the precursor includes one or more metal salts selected from metal nitrates, sulfates, phosphates, carbonates, acetates or oxalates.

5.前記金属塩が少なくともIn、Zn、Snのいずれかの塩を含むことを特徴とする前記4に記載の薄膜トランジスタ。   5. 5. The thin film transistor according to 4 above, wherein the metal salt contains at least a salt of In, Zn, or Sn.

6.前記金属塩が少なくともGa、Alのいずれかの塩を含むことを特徴とする前記4または5に記載の薄膜トランジスタ。   6). 6. The thin film transistor according to 4 or 5 above, wherein the metal salt contains at least a salt of Ga or Al.

7.前記金属塩が硝酸塩であることを特徴とする前記4〜6のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタ。   7. 7. The thin film transistor according to any one of 4 to 6, wherein the metal salt is a nitrate.

8.前記酸化物半導体薄膜がアモルファス半導体からなることを特徴とする前記1〜7のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタ。   8). 8. The thin film transistor according to any one of 1 to 7, wherein the oxide semiconductor thin film is made of an amorphous semiconductor.

9.前記1〜8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。   9. 9. A method for producing a thin film transistor, comprising producing the thin film transistor according to any one of 1 to 8 above.

本発明により、薄膜トランジスタの特性が向上し、生産効率の改善と特性のばらつき低減が達成される。   According to the present invention, the characteristics of the thin film transistor are improved, and improvement in production efficiency and reduction in variation in characteristics are achieved.

ゲート電極の陽極酸化皮膜の形成を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows formation of the anodic oxide film of a gate electrode. 本発明の薄膜トランジスタの作成について各工程を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows each process about preparation of the thin-film transistor of this invention.

以下、本発明を実施するための形態について説明するが、本発明はこれにより限定されるものではない。   Hereinafter, although the form for implementing this invention is demonstrated, this invention is not limited by this.

本発明は、基体上に、ゲート電極、ゲート絶縁膜、酸化物半導体薄膜を有する薄膜トランジスタであって、ゲート絶縁膜の少なくとも一部が陽極酸化膜であることを特徴とする薄膜トランジスタである。   The present invention is a thin film transistor having a gate electrode, a gate insulating film, and an oxide semiconductor thin film on a substrate, wherein at least a part of the gate insulating film is an anodic oxide film.

これらの陽極酸化膜は、ゲート電極金属材料の陽極酸化によって形成される。   These anodic oxide films are formed by anodic oxidation of a gate electrode metal material.

金属材料としては、電極として実用可能なレベルでの導電性があり、陽極酸化できるものであれば特に限定されず、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、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、アンチモン、亜鉛、マグネシウム/アルミニウム混合物、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。中でも好ましい金属としてはアルミニウム、モリブデン、タンタル等であり、特に好ましい金属としてはアルミニウムである。   The metal material is not particularly limited as long as it has conductivity at a practical level as an electrode and can be anodized. Nickel, chromium, copper, iron, tin, antimony lead, tantalum, indium, palladium, tellurium Aluminum, ruthenium, germanium, molybdenum, tungsten, antimony, zinc, magnesium / aluminum mixture, aluminum / aluminum oxide mixture, lithium / aluminum mixture and the like are used. Among them, preferable metals are aluminum, molybdenum, tantalum and the like, and particularly preferable metal is aluminum.

陽極酸化については、電解槽と、この電解槽に電気を供給するための手段とを、備えた陽極酸化処理装置を用いることにより行うことができる。   The anodization can be performed by using an anodizing apparatus equipped with an electrolytic cell and means for supplying electricity to the electrolytic cell.

該陽極酸化処理には、硫酸を10〜50%の濃度で含む水溶液を電解液として、電流密度1〜50A/dmで電解する方法、米国特許第1,412,768号に記載されている硫酸中で高電流密度で電解する方法や、同3,511,661号公報に記載されている燐酸を用いて電解する方法、クロム酸、シュウ酸、マロン酸等を一種又は二種以上含む溶液を用いる方法等が挙げられる。 This anodizing treatment is described in US Pat. No. 1,412,768, a method of electrolyzing an aqueous solution containing sulfuric acid at a concentration of 10 to 50% as an electrolytic solution at a current density of 1 to 50 A / dm 2 . Method of electrolysis at high current density in sulfuric acid, method of electrolysis using phosphoric acid described in JP 3,511,661, solution containing one or more kinds of chromic acid, oxalic acid, malonic acid, etc. And the like.

陽極酸化処理可能な好ましい金属としては、特に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、前記公知の方法を用いることができる。陽極酸化処理を行うことによりこれらの金属材料で基板上に形成されたゲート電極表面に、金属酸化物皮膜が形成される。   Preferred examples of the metal that can be anodized include aluminum and tantalum, and the anodizing method is not particularly limited, and the known methods can be used. By performing the anodizing treatment, a metal oxide film is formed on the surface of the gate electrode formed on the substrate with these metal materials.

陽極酸化処理に用いられる電解液としては、金属酸化物皮膜を形成することができるものならばいかなるものでも使用でき、一般には、硫酸、燐酸、蓚酸、クロム酸、ホウ酸、スルファミン酸、ベンゼンスルホン酸等あるいはこれらを2種類以上組み合わせた混酸あるいそれらの塩を用いることができる。陽極酸化の処理条件は使用する電解液により種々変化するので一概に特定し得ないが、一般的には、電解液の濃度が1〜80質量%、電解液の温度5〜70℃、電流密度0.5〜60A/dm、電圧1〜100ボルト、電解時間10秒〜5分の範囲が適当である。好ましい陽極酸化処理は、電解液として硫酸、リン酸又はホウ酸の水溶液を用い、直流電流で処理する方法であるが、交流電流を用いることもできる。これらの酸の濃度は5〜45質量%であることが好ましく、電解液の温度20〜50℃、電流密度0.5〜20A/dmで20〜250秒間電解処理するのが好ましい。 Any electrolyte solution that can form a metal oxide film can be used as the anodizing treatment. Generally, sulfuric acid, phosphoric acid, oxalic acid, chromic acid, boric acid, sulfamic acid, benzenesulfone, and the like can be used. An acid or the like, a mixed acid obtained by combining two or more of these, or a salt thereof can be used. The treatment conditions for anodization vary depending on the electrolyte used, and thus cannot be specified in general. In general, the electrolyte concentration is 1 to 80% by mass, the electrolyte temperature is 5 to 70 ° C., and the current density. A range of 0.5 to 60 A / dm 2 , a voltage of 1 to 100 volts, and an electrolysis time of 10 seconds to 5 minutes is appropriate. A preferred anodizing treatment is a method in which an aqueous solution of sulfuric acid, phosphoric acid or boric acid is used as the electrolytic solution and the treatment is performed with a direct current, but an alternating current can also be used. The concentration of these acids is preferably 5 to 45% by mass, and is preferably subjected to electrolytic treatment at an electrolyte temperature of 20 to 50 ° C. and a current density of 0.5 to 20 A / dm 2 for 20 to 250 seconds.

形成された陽極酸化被覆量は、膜厚で、10nm〜500nmである。陽極酸化被覆量は、例えば燐酸クロム酸溶液(燐酸85%液:35ml、酸化クロム(IV):20gを1Lの水に溶解して作製)に浸漬し、酸化被膜を溶解し、板の被覆溶解前後の質量変化測定等から求められる。   The formed anodic oxidation coating amount is 10 nm to 500 nm in terms of film thickness. The amount of anodic oxidation coating is, for example, immersed in a chromic phosphate solution (85% phosphoric acid solution: 35 ml, prepared by dissolving 20 g of chromium (IV) oxide in 1 L of water), dissolving the oxide film, and dissolving the coating of the plate It is obtained from the mass change measurement before and after.

陽極の材料としては、Tiのメッシュや、白金メッシュなどが用いられる。また、陰極の材料としては、カーボンやアルミニウムを用いることができる。   As the material of the anode, Ti mesh, platinum mesh or the like is used. Moreover, carbon or aluminum can be used as the material of the cathode.

電極金属から陽極酸化によって、絶縁膜を作成する方法は、効率の良いゲート絶縁膜の形成方法であり、陽極酸化後にパターニングすることで、一挙にゲート絶縁膜とともにゲート電極が形成出来る。また、ゲート電極の陽極酸化により形成されるゲート絶縁膜は電極との界面が均一であるためと思われるが移動度が高く性能のよい薄膜トランジスタを構成する。   A method for forming an insulating film from an electrode metal by anodic oxidation is an efficient method for forming a gate insulating film, and a gate electrode can be formed together with the gate insulating film by patterning after anodic oxidation. The gate insulating film formed by anodic oxidation of the gate electrode seems to be because the interface with the electrode is uniform, but it constitutes a thin film transistor with high mobility and good performance.

陽極酸化膜上には別に絶縁層を設けることが好ましい。   It is preferable to provide a separate insulating layer on the anodized film.

これにより表面が平滑でより特性に優れたゲート絶縁膜が得られる。   As a result, a gate insulating film having a smooth surface and better characteristics can be obtained.

陽極酸化膜上に形成される絶縁層としては、限定されないが、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。   The insulating layer formed on the anodized film is not limited, but an inorganic oxide film having a high relative dielectric constant is 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.

これら無機酸化物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。   These inorganic oxide film formation methods include vacuum deposition, molecular beam epitaxy, ion cluster beam, low energy ion beam, ion plating, CVD, sputtering, atmospheric pressure plasma, and other dry processes. And wet processes such as spray coating, spin coating, blade coating, dip coating, casting, roll coating, bar coating, die coating, and other methods such as printing and inkjet 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。また、溶剤系で、例えば、アクアミカNN110(パーヒドロポリシラザン/キシレン溶液:AZエレクトロニックマテリアル製)を用いることも出来る。   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. In addition, for example, Aquamica NN110 (perhydropolysilazane / xylene solution: manufactured by AZ Electronic Materials) can be used as a solvent system.

これらのうち好ましいのは、大気圧プラズマ法によるものである。   Of these, the atmospheric pressure plasma method is preferred.

大気圧プラズマ法によって形成される酸化ケイ素、酸化アルミニウム等の無機酸化物が特に好ましい。   Inorganic oxides such as silicon oxide and aluminum oxide formed by the atmospheric pressure plasma method are particularly preferable.

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、シリコーンゴム等の樹脂を用いることもできる。   In addition, as an organic compound film, polyimide, polyamide, polyester, polyacrylate, photo radical polymerization type, photo cation polymerization type photo curable resin, or a copolymer containing an acrylonitrile component, polyvinyl phenol, polyvinyl alcohol, novolac resin, Resins such as silicone rubber can also be used.

また、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。またこれら絶縁層の膜厚としては、一般に10nm〜3μm、好ましくは、20nm〜1μmである。   The inorganic oxide film and the organic oxide film can be laminated and used together. The thickness of these insulating layers is generally 10 nm to 3 μm, preferably 20 nm to 1 μm.

絶縁層の形成により、電極材料の陽極酸化によって形成された陽極酸化皮膜表面の微小の凹凸に絶縁層材料が入り込み、これを埋める形で、膜界面が緊密に接合し、平滑な表面突起等がない均一な絶縁膜が得られるため、これをゲート絶縁層としたときに、薄膜トランジスタにおいて、半導体薄膜の作成時、また電極を絶縁膜上に形成するとき、更にプロセス耐性が向上すると共に、安定した性能を有する薄膜トランジスタが製造できるものと考えられる。   Due to the formation of the insulating layer, the insulating layer material enters the minute irregularities on the surface of the anodized film formed by anodic oxidation of the electrode material, and fills this, so that the film interface is closely joined, smooth surface protrusions, etc. Since a uniform insulating film is obtained, when this is used as a gate insulating layer, when a semiconductor thin film is formed in a thin film transistor or when an electrode is formed on the insulating film, the process resistance is further improved and the film is stable. It is considered that a thin film transistor having performance can be manufactured.

また、陽極酸化膜を含む前記ゲート絶縁層を用いる場合、ゲート電極の端部に絶縁層を形成することが好ましい。   In the case where the gate insulating layer including the anodic oxide film is used, it is preferable to form the insulating layer at the end portion of the gate electrode.

陽極酸化によって、効率よく金属電極層上に絶縁層を形成することが出来るが、陽極酸化後にこれを陽極酸化膜付きゲート電極をパターニングしてゲート電極あるいはゲートバスラインパターンを作成する必要がある。従って、陽極酸化後、陽極酸化金属酸化物皮膜を形成した金属薄膜をパターニングする必要がある。   An anodization can efficiently form an insulating layer on the metal electrode layer. However, after anodization, it is necessary to pattern a gate electrode with an anodized film to form a gate electrode or a gate bus line pattern. Therefore, it is necessary to pattern a metal thin film on which an anodized metal oxide film is formed after anodization.

例えば、公知のフォトリソグラフ法やリフトオフ法を用いる方法、レジストを形成しエッチングする方法、レーザーアブレーション、またプラズマ等によるドライエッチングなどを用いることが出来る。   For example, a method using a known photolithography method or a lift-off method, a method of forming and etching a resist, laser ablation, dry etching using plasma or the like can be used.

これらの陽極酸化皮膜はゲート電極パターンを形成した後に、電極と共にパターニングすることが好ましい。ゲート電極パターン形成後に、陽極酸化すればよいが小さなパターンを個々に陽極酸化するのは効率が悪いため、陽極酸化皮膜を形成した後にゲート電極パターンをパターニング形成することが生産効率上も好ましい。   These anodic oxide films are preferably patterned together with electrodes after forming a gate electrode pattern. Anodization may be performed after the gate electrode pattern is formed, but it is inefficient to individually anodize small patterns. Therefore, it is preferable in terms of production efficiency to form the gate electrode pattern after forming the anodized film.

しかしながら、この方法だと、エッチング端部、即ち電極端部において金属が露出してしまう。また、前記のようにさらに絶縁層を設けた場合でも、特に、これが薄い場合等にはエッチング端には乱れが生じやすくやはりリークが発生しやすい。   However, with this method, the metal is exposed at the etching end, that is, at the electrode end. Further, even when an insulating layer is further provided as described above, particularly when this is thin, the etching end is likely to be disturbed, and leakage is likely to occur.

図1にゲート電極の陽極酸化による陽極酸化皮膜の形成を断面模式図で示した。図1(1)は例えばガラス基板1上にアルミニウム層2を一様に形成した後、陽極酸化を行って陽極酸化による酸化アルミニウム層3を形成したところを示す。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the formation of an anodized film by anodic oxidation of a gate electrode. FIG. 1 (1) shows a state in which, for example, an aluminum layer 2 is uniformly formed on a glass substrate 1 and then anodized to form an aluminum oxide layer 3 by anodization.

次いで、例えばドライエッチングを用いて、ゲート電極パターンを形成する(図1(2))。この時点ではゲート電極であるアルミニウム層2が電極端部で露出されている。   Next, a gate electrode pattern is formed by using, for example, dry etching (FIG. 1B). At this point, the aluminum layer 2 as a gate electrode is exposed at the electrode end.

従って、半導体層を形成、そして、ソース電極、ドレイン電極等を形成し薄膜トランジスタを形成する際の端部(サイド)からのリークを防止するために、リーク防止層として絶縁層4を端部に設ける(図1(3))。これにより電極の露出面を覆うことが出来リーク防止が果たせる。   Therefore, in order to prevent leakage from the end (side) when forming the semiconductor layer and forming the thin film transistor by forming the source electrode, the drain electrode, etc., the insulating layer 4 is provided at the end as a leak preventing layer. (FIG. 1 (3)). As a result, the exposed surface of the electrode can be covered and leakage can be prevented.

この絶縁層4は例えばゲート電極上及びその周囲にバンク(隔壁)のように形成することもでき(図1(3)、(5))、そこに、例えばインクジェット法等により前駆体溶液を吐出して酸化物半導体薄膜5を隔壁内に形成することもできる(図1(4))。   The insulating layer 4 can be formed as a bank (partition) on and around the gate electrode, for example (FIGS. 1 (3) and (5)), and a precursor solution is discharged there by, for example, an ink jet method or the like. Thus, the oxide semiconductor thin film 5 can be formed in the partition wall (FIG. 1 (4)).

また、前記、陽極酸化膜と前記酸化物半導体薄膜の間に設ける絶縁層を、リーク防止に十分な厚みをもたせ陽極酸化皮膜を覆う、より広い領域に形成すれば、リーク防止層として用いることが出来る。   Further, if the insulating layer provided between the anodic oxide film and the oxide semiconductor thin film is formed in a wider area covering the anodic oxide film with a sufficient thickness to prevent leakage, the insulating layer can be used as a leakage preventing layer. I can do it.

図1(6)に、陽極酸化皮膜及びゲート電極全体を覆う広い領域で絶縁層4を設け、薄膜トランジスタを形成した例を示す。図において、5が酸化物半導体薄膜、6,7はそれぞれソース電極、ドレイン電極を表す。   FIG. 1 (6) shows an example in which a thin film transistor is formed by providing the insulating layer 4 in a wide area covering the entire anodic oxide film and the gate electrode. In the figure, 5 represents an oxide semiconductor thin film, and 6 and 7 represent a source electrode and a drain electrode, respectively.

ここでは絶縁膜として例えばポリシラザンから形成される酸化珪素膜が形成される。   Here, a silicon oxide film made of, for example, polysilazane is formed as the insulating film.

従って、本発明において好ましい形態は、ゲート電極金属膜形成後、陽極酸化により陽極酸化皮膜を電極表面に形成後、エッチング等によりパターニングして、陽極酸化皮膜上に更に絶縁層を形成する形態であって、これにより、リーク防止、また、絶縁膜の特性向上という両方の効果を得ることが出来る。   Therefore, a preferred form in the present invention is a form in which after forming the gate electrode metal film, an anodized film is formed on the electrode surface by anodic oxidation, and then patterned by etching or the like to further form an insulating layer on the anodized film. Thus, both effects of preventing leakage and improving the characteristics of the insulating film can be obtained.

これらゲート電極端部に配置される絶縁層としては、端部を十分に覆う厚みがあればよいが、40nm〜3μm、好ましくは、80nm〜1μmである。   The insulating layer disposed at the end portions of the gate electrodes may have a thickness that sufficiently covers the end portions, but is 40 nm to 3 μm, preferably 80 nm to 1 μm.

これらの絶縁層としては、陽極酸化膜上に形成される絶縁層材料と同様の材料が用いられる。   As these insulating layers, the same material as the insulating layer material formed on the anodic oxide film is used.

次に、ゲート電極また絶縁層以外の本発明の要素について説明する。   Next, the elements of the present invention other than the gate electrode and the insulating layer will be described.

本発明の酸化物半導体薄膜としては、スパッタ法等によって焼成・形成されるものであっても良いが、本発明においては、酸化物半導体薄膜が前駆体の溶液または分散液の塗布膜から形成されることが好ましい。   The oxide semiconductor thin film of the present invention may be fired and formed by sputtering or the like, but in the present invention, the oxide semiconductor thin film is formed from a precursor solution or a dispersion coating film. It is preferable.

これらの前駆体としては、金属の塩であり、金属の硝酸塩、硫酸塩、燐酸塩、炭酸塩、酢酸塩または蓚酸塩から選ばれる金属塩の1つ以上を含むことが好ましい。   These precursors are metal salts, and preferably contain one or more metal salts selected from metal nitrates, sulfates, phosphates, carbonates, acetates or oxalates.

本発明において半導体は金属酸化物であり、本発明は、金属酸化物半導体の前駆体となる金属酸化物の金属成分を含む金属塩の薄膜を設けた後、該薄膜に熱酸化等の半導体変換処理を行って、金属酸化物半導体に変換し半導体の薄膜を得るものである。   In the present invention, the semiconductor is a metal oxide. In the present invention, a thin film of a metal salt containing a metal component of a metal oxide serving as a precursor of a metal oxide semiconductor is provided, and then the semiconductor conversion such as thermal oxidation is performed on the thin film. A treatment is performed to convert the metal oxide semiconductor into a semiconductor thin film.

金属酸化物半導体の前駆体を熱酸化することにより金属酸化物半導体をうることは知られている。金属酸化物半導体の前駆体として用いることのできる金属化合物としては非常に広い範囲の無機塩類や有機金属化合物、また有機金属錯体等が知られている。特に、有機金属化合物や金属塩化物等がElectrochemical and Solid−State Letters,10(5)H135−H138、また、Advanced Materials 2007,19,183−187等においても用いられよく知られている。   It is known to obtain a metal oxide semiconductor by thermally oxidizing a precursor of a metal oxide semiconductor. As a metal compound that can be used as a precursor of a metal oxide semiconductor, a very wide range of inorganic salts, organometallic compounds, organometallic complexes, and the like are known. In particular, organometallic compounds and metal chlorides are well known and used in Electrochemical and Solid-State Letters, 10 (5) H135-H138, Advanced Materials 2007, 19, 183-187, and the like.

本発明においては、金属酸化物半導体の前駆体として好ましくは、金属塩のうち、硝酸塩、硫酸塩、燐酸塩、炭酸塩、酢酸塩または蓚酸塩から選ばれるを用いる。   In the present invention, the metal oxide semiconductor precursor is preferably selected from nitrates, sulfates, phosphates, carbonates, acetates or oxalates among metal salts.

金属塩における金属としては、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。   As the metal in the metal salt, 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 and the like.

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1つ以上含むことが好ましく、それらを併用して混合させてもよい。   In the present invention, these metal salts preferably contain one or more of any of indium (In), tin (Sn), and zinc (Zn), and 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).

本発明においては、前駆体として、上記金属の硝酸塩、硫酸塩、燐酸塩、炭酸塩、酢酸塩または蓚酸塩から選ばれる金属塩を用いることによりキャリア移動度の大きい、TFT素子としたときon/off比の大きい良好な特性を示す金属酸化物半導体を得ることができる。   In the present invention, a TFT element having a high carrier mobility by using a metal salt selected from nitrate, sulfate, phosphate, carbonate, acetate or oxalate of the above metal as a precursor is used. A metal oxide semiconductor having good characteristics with a large off ratio can be obtained.

これら金属塩は、加水分解、脱水反応を含むと予想される酸化反応のエネルギーが小さいこと、酸化物生成過程で発生する分解物が効率よく気化、排出されるために膜に残存しにくく、生成した酸化物中に存在する炭素などの不純物成分が少ないため、良好な半導体特性が得られるものと推定される。   These metal salts are less likely to remain in the membrane due to the low energy of the oxidation reaction, which is expected to include hydrolysis and dehydration reactions, and the decomposition products generated during the oxide formation process are efficiently vaporized and discharged. Since there are few impurity components such as carbon present in the oxide, it is presumed that good semiconductor characteristics can be obtained.

不純物低減、半導体特性の向上の観点から、上記金属塩の中でも硝酸塩が最も好ましい。   Among the above metal salts, nitrates are most preferable from the viewpoint of reducing impurities and improving semiconductor characteristics.

金属塩、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。   The effect of improving the semiconductor properties obtained with metal salts, particularly nitrates, is particularly remarkable in an amorphous metal oxide semiconductor obtained at a temperature range 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.

これらの塩を用いると、また、半導体変換処理として電磁波(マイクロ波)で実質低温において変換するとき照射時間を短くでき好ましい。   Use of these salts is also preferable because the irradiation time can be shortened when the semiconductor conversion treatment is performed at substantially low temperatures by electromagnetic waves (microwaves).

(前駆体薄膜の成膜方法、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、前記硝酸塩、硫酸塩、燐酸塩、炭酸塩、酢酸塩または蓚酸塩から選ばれる金属塩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。
(Precursor thin film formation method, patterning method)
In order to form a thin film containing a metal salt that 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, and the like can be used. In the present invention, a metal salt selected from the nitrates, sulfates, phosphates, carbonates, acetates or oxalates. Is preferably coated on a substrate using a solution in which the solvent is dissolved in an appropriate solvent, which can greatly improve productivity.

金属塩を溶解する溶媒としては、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く、水や、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、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硫化炭素等を用いることができる。   The solvent for dissolving the metal salt is not particularly limited as long as it dissolves the metal compound to be used in addition to water, such as water, alcohols such as ethanol, propanol and ethylene glycol, tetrahydrofuran, dioxane and the like. Ether type, ester type such as methyl acetate and ethyl acetate, ketone type such as acetone, methyl ethyl ketone and cyclohexanone, glycol ether type such as diethylene glycol monomethyl ether, acetonitrile and the like, further aromatic solvents such as xylene and toluene, hexane, It is possible to use α-terpineol such as cyclohexane and tridecane, halogenated alkyl solvents such as chloroform and 1,2-dichloroethane, N-methylpyrrolidone, carbon disulfide and the like.

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あ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−プロパノール及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できるので、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 the metal salt is soluble, but water and lower alcohol are preferable from the viewpoint of solubility of the metal salt and drying property after coating. Among these, methanol, ethanol, and propanol (1-propanol and isopropanol) are preferable from the viewpoint of dryness. 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 viewpoints of solubility, solution stability, and drying properties, it is preferable to prepare “aqueous 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。たと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 the 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の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5/5〜95/5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% by mass or more, and satisfy any characteristics (drying, emission characteristics and solution stability). The water / lower alcohol ratio is preferably 5/5 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、さら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. From the viewpoints of solubility of solutes such as metal salts and solution stability, the water content is preferably 50% by mass or more, and more preferably 70% by mass or more.

本発明に係る金属塩中でも、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もつ硝酸塩が最も好ましい。   Among the metal salts according to the present invention, nitrates having the most excellent properties in performance such as degradation, decomposition, and easy dissolution in water and deliquescence are most preferable.

本発明においては、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を含有する薄膜を形成する。   In the present invention, a solution containing a metal salt is applied onto a substrate to form a thin film containing a metal oxide semiconductor precursor.

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、ミスト法、など、凸版、凹版、平版、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。   As a method of 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 a coating method, a bar coating method, a die coating method, a mist method, a printing method such as a relief printing plate, an intaglio plate, a lithographic printing method, a screen printing method, and an ink jet printing method in a broad sense. Etc. 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.

例えばインクジェット法を用いて成膜する場合、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。尚、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 a film using an inkjet method, a semiconductor precursor layer thin film containing a metal salt is formed by dropping a metal salt solution and volatilizing a solvent (water) at about 80 ° C. to 100 ° C. In addition, when dropping the solution, it is preferable that the substrate itself is heated 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.

(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 thin film of a metal oxide semiconductor 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ものと同様に、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 described 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 metal (metal B = metal C) contained in the metal salt (metal B) contained in the salt selected from 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
である。
Metal A: Metal B: Metal C = 1: 0.2-1.5: 0-5
It is.

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。   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 as described above. It is preferable to form a precursor thin film containing a metal inorganic salt by coating using a coating solution in which nitrate of each metal is dissolved and formed in a solvent containing water as a main component so as to satisfy the formula.

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、非晶質とみなすことができる。
(Amorphous 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. Being 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酸化物の電子キャリア濃度は1018/cm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/cm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/cm未満が実現されていればよい。また、電子キャリア濃度をさらに下げ、1017/cm以下、より好ましくは1016/cm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 an amorphous 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 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 oxide according to the present invention does not need 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(金属塩)、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/cm以上1018/cm未満とする。より好ましくは1013/cm以上1017/cm以下、さらには1015/cm以上1016/cm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 (metal salt), 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できる。   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. Moreover, the microwave irradiation mentioned 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することができるが、電子デバイスの、デバイスの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分以下の範囲が好ましい。より好ましくは5分〜30分である。   In the present invention, the temperature at which the precursor material is heated can be arbitrarily set within the range of the temperature of the thin film surface containing the precursor in the range of 50 ° C to 1000 ° C. From a viewpoint, it is preferable to set it as 100 to 400 degreeC. 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 set arbitrarily, but is preferably in the range of 1 second to 60 minutes from the viewpoint of the characteristics of the electronic device and production efficiency. More preferably, it is 5 minutes to 30 minutes.

金属塩を用いることで比較的低い温度において半導体変換処理を行うことができる。   By using the metal salt, the semiconductor conversion treatment can be performed at a relatively low temperature.

また、金属酸化物の形成はESCA等により検知でき、半導体への変換が充分行われる条件を予め選択することができる。   Further, the formation of the metal oxide can be detected by ESCA or the like, and the 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。   Further, it is preferable to use an atmospheric pressure plasma method as the oxygen 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 plasma is generated as a reactive gas, oxygen plasma is generated, 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. A layer made of a metal oxide is formed.

高周波電源として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/cm以上、50W/cm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.

使用するガスは、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、さらに好ましくは、0.1〜5体積%である。   The gas used 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-11-61406, JP-A-11-133205, JP-A-2000-121804, JP-A-2000-147209, JP-A-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150〜300nm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できる。   The UV ozone method is a method in which an ultraviolet light is irradiated in the presence of oxygen to advance an 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 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/cm〜100kW/cm、照射エネルギーとしては10〜5000mJ/cmが好ましく、100〜2000mJ/cmがより好ましい。 The output of the lamp 400W~30kW, 100mW / cm 2 ~100kW / cm 2 as illuminance, preferably 10~5000mJ / cm 2 as irradiation energy, 100 to 2000 mJ / cm 2 is more preferable.

紫外線照射の際の照度は1mW〜10W/cm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のち、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, the substrate may be heated 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. preferable.

加熱処理は、酸化処理と同時に行ってもよく、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できる。   The heat treatment may be performed at the same time as the oxidation treatment, and can be quickly converted into a metal oxide semiconductor by 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.

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。   In the present invention, it is preferable to use microwave irradiation as a method of converting a thin film formed from the metal inorganic salt material, which is a precursor of a metal oxide semiconductor, into a semiconductor.

即ち、これらの金属酸化物半導体の前駆体となる前記金属塩材料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 forming a thin film containing the metal salt material to be a precursor of these metal oxide semiconductors, 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前記金属塩材料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殆どないため、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 the thin film containing the metal salt material, which is the precursor of the metal oxide semiconductor, with microwaves, the electrons in the metal oxide precursor vibrate and heat is generated to uniformly heat the thin film from the inside. Is done. 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、尚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 raised in a very short time, so when this method is used in the present invention, The base material itself is hardly affected by heating by electromagnetic waves, and only the precursor thin film can be heated to a temperature at which the 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.

一般的に、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等の発振機を市場で入手できる。   Generally, a microwave refers to an electromagnetic wave having a frequency of 0.3 GHz to 50 GHz, and is used in 0.8 GHz and 1.5 GHz bands, 2 GHz bands, amateur radio, aircraft radar, etc. used in mobile communication. .2 GHz band, microwave oven, local radio, 2.4 GHz band used for VICS, 3 GHz band used for ship radar, etc., and 5.6 GHz used for other ETC communications are all electromagnetic waves in the microwave category. is there. In addition, oscillators such as 28 GHz and 50 GHz 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、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転化が電磁波により促進された結果と推定される。   Compared to a normal heating method using an oven or the like, a better metal oxide semiconductor layer can be obtained by using a heating method by electromagnetic wave (microwave) irradiation. 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 has not been fully clarified, 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の低い基材の場合は、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, since heat is transferred to the base material not only by heat conduction, 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. It is preferable to process so that the surface temperature of the thin film containing a body may be 100 degreeC or more and less than 400 degreeC. The temperature of the thin film surface, the temperature of the substrate, etc. can be measured by a surface thermometer using a thermocouple or a non-contact surface thermometer.

また、ITOのような強い電磁波吸収体が近傍(例えばゲート電極等)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ができる。   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 thereto can be heated in a shorter time.

本発明に係る金属塩から形成される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材料層の作製が可能であり、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 formed from the metal salt according to the present invention can be used for various semiconductor elements such as transistors and diodes, and electronic circuits, and by applying a solution of a precursor material on a substrate. A metal oxide semiconductor material layer can be produced by a low-temperature process, and can be preferably applied to the manufacture of semiconductor elements such as thin film transistor elements (TFT elements) 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。たとえば、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 manufactured by overlapping a metal thin film made of an electrode material described later.

次いで、TFT素子を構成するその他の各要素について説明する。   Next, other elements 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、また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. Platinum, gold, silver, nickel, chromium, copper, iron, tin, antimony lead, tantalum, indium, palladium, tellurium, rhenium, iridium, aluminum, ruthenium, germanium, molybdenum, tungsten, tin oxide / antimony, 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 Beam, 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.

ゲート電極に関しては、陽極酸化されやすいアルミニウム、タンタル等の材料が好ましい。   For the gate electrode, materials such as aluminum and tantalum that are easily oxidized are preferable.

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.

(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は、前記ゲート電極の陽極酸化膜を含むが、陽極酸化膜に加えて用いられる絶縁層としては、種々の絶縁膜を用いることができる。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 the gate insulating layer of the thin film transistor of the present invention includes the anodic oxide film of the gate electrode, various insulating films can be used as the insulating layer used in addition to the anodic oxide film. In particular, an inorganic oxide film having a high relative dielectric constant is 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.

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。またこれら絶縁層の膜厚としては、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 layers is generally 50 nm to 3 μm, preferably 100 nm to 1 μm.

(基体)
基体(基板あるいは支持体)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、本発明において支持体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、ポリアリレート、ポリイミド、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ともに、衝撃に対する耐性を向上できる。
(Substrate)
Various materials can be used as the material constituting the substrate (substrate or support). For example, ceramic substrates such as glass, quartz, aluminum oxide, sapphire, silicon nitride, silicon carbide, silicon, germanium, gallium A semiconductor substrate such as arsenic, gallium phosphide, gallium nitrogen, paper, non-woven fabric or the like can be used. In the present invention, the support is preferably made of a resin, 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, polyarylate, polyimide, polycarbonate (PC), and cellulose. Examples include films made of 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.

また本発明の薄膜トランジスタ素子上には素子保護層を設けることも可能である。保護層としては前述した無機酸化物または無機窒化物等が挙げられ、上述した大気圧プラズマ法で形成するのが好ましい。   An element protective layer can be provided on the thin film transistor element of the present invention. Examples of the protective layer include the inorganic oxides and inorganic nitrides described above, and it is preferable to form the protective layer by the atmospheric pressure plasma method described above.

以下、本発明に係る薄膜トランジスタ及びその製造方法についてその実施形態を具体的に説明する。   Hereinafter, embodiments of the thin film transistor and the manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail.

実施例1
本発明の薄膜トランジスタの作成について図2の各工程の断面模式図を用いて説明する。
Example 1
The production of the thin film transistor of the present invention will be described with reference to cross-sectional schematic diagrams of each step in FIG.

〈薄膜トランジスタ1の作成〉
支持体301として、厚さ0.7mmの無アルカリガラス基板を用い、ゲート電極302を形成する。スパッタ法により、厚さ200nmのアルミニウム皮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2を形成した(図2(1))。
<Production of Thin Film Transistor 1>
A gate electrode 302 is formed using a non-alkali glass substrate having a thickness of 0.7 mm as the support 301. An aluminum film having a thickness of 200 nm was formed on one surface by sputtering, and then etched by photolithography to form the gate electrode 2 (FIG. 2 (1)).

(陽極酸化被膜形成工程)
アルミニウム皮膜から形成したゲート電極2を陽極として用い、白金を陰極にして定電流電圧電源に接続した後、電解液として3%酒石酸:エチレングリコール=1:9の溶液を用い、0.2mA/cmの一定電流になるように電圧を印加した。
(Anodized film forming process)
The gate electrode 2 formed from an aluminum film was used as an anode, platinum was used as a cathode, and connected to a constant current voltage power source. Then, a 3% tartaric acid: ethylene glycol = 1: 9 solution was used as an electrolyte, and 0.2 mA / cm. A voltage was applied so that a constant current of 2 was obtained.

その後、電圧が100Vまで上昇したのを確認した後、100V一定で電圧を印加し、10分時間保持した。   Then, after confirming that the voltage rose to 100V, the voltage was applied at a constant 100V and held for 10 minutes.

次いで、純水で洗浄し、180℃、1時間、乾燥及びベークを行い、厚さ150nmの陽極酸化皮膜303を形成した(図2(2))。   Next, it was washed with pure water, dried and baked at 180 ° C. for 1 hour, and an anodic oxide film 303 having a thickness of 150 nm was formed (FIG. 2 (2)).

さらにその上に下記条件で連続的に大気圧プラズマ処理(AGP)して厚さ30nmの酸化ケイ素膜を設けた。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(酸化珪素膜は図では省略している)。   Further, a silicon oxide film having a thickness of 30 nm was formed thereon by continuous atmospheric pressure plasma treatment (AGP) under the following conditions. As the atmospheric pressure plasma processing apparatus, an apparatus according to FIG. 6 described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-303520 was used (the silicon oxide film is omitted in the drawing).

(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/cm
(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.

(ガラス基板の温度)200℃
次に、スクリーン印刷により、厚さ3μmのシリコーン樹脂皮膜をゲート電極の端部を覆う絶縁膜304として形成した(図2(3))。
(Glass substrate temperature) 200 ° C
Next, a silicone resin film having a thickness of 3 μm was formed as an insulating film 304 covering the edge of the gate electrode by screen printing (FIG. 2 (3)).

次いで、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(グラム原子比)で混合した10質量%水溶液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装置を用いて絶縁膜4間に半導体層パターン(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薄膜305′を形成した(図2(4))。   Next, a 10 mass% aqueous solution in which indium nitrate, zinc nitrate, and gallium nitrate are mixed at a metal ratio of 1: 1: 1 (gram atomic ratio) is used as ink, and between the insulating films 4 using a piezo ink jet apparatus. Ink was discharged in accordance with a semiconductor layer pattern (substantially gate electrode pattern) to form a semiconductor precursor material thin film 305 '(FIG. 2 (4)).

100℃で熱処理し乾燥し、形成した前駆体材料薄膜305′の平均膜厚は30nmであった。   An average film thickness of the precursor material thin film 305 ′ formed by heat treatment at 100 ° C. and drying was 30 nm.

さらに、基板温度を200℃に保ちながら、半導体層に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、30Wの出力でマイクロ波(2.45GHz)を照射した。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IGZO系酸化物の半導体層305が形成された(図2(5))。   Further, the semiconductor layer was irradiated with microwaves while maintaining the substrate temperature at 200 ° C. That is, irradiation with microwaves (2.45 GHz) was performed at an output of 30 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, and an IGZO-based oxide semiconductor layer 305 was formed on the gate insulating film so as to face the gate electrode (FIG. 2 (5)).

次ぎに、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306およびドレイン電極307を形成した(図2(6))。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306、ドレイン電極307の距離(チャネル長)は20μmとした。薄膜トランジスタ1を作成した。   Next, a silver fine particle dispersion (CCI-300 (silver content 20 mass%) manufactured by Cabot) 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 a source electrode 306 and a drain electrode 307 (FIG. 2 (6)). Each size is 40 μm wide, 100 μm long (channel width), and 100 nm thick, and the distance (channel length) between the source electrode 306 and the drain electrode 307 is 20 μm. A thin film transistor 1 was prepared.

実施例2
実施例1にて、大気圧プラズマによる酸化ケイ素皮膜を形成する工程を以下のように変更した。
Example 2
In Example 1, the process of forming the silicon oxide film by atmospheric pressure plasma was changed as follows.

即ち、ゲート電極上に陽極酸化被膜303を形成したのち、基板上にポリシラザン溶液(NN110:AZエレクトロニックマテリアル社製)を塗布し、ポリシラザン薄膜を形成した。   That is, after forming the anodic oxide coating 303 on the gate electrode, a polysilazane solution (NN110: manufactured by AZ Electronic Materials) was applied on the substrate to form a polysilazane thin film.

得られたポリシラザン薄膜は、150℃で10分間乾燥させた後、UVオゾン照射器(UV−1:サムコ社製)を用いて、流量0.6L/min、基板温度200℃の条件化で30分間、UVオゾン照射処理15を行い、ポリシラザン薄膜を、酸化シリコンを含む絶縁膜(厚さ15nm)に変換した。   The obtained polysilazane thin film was dried at 150 ° C. for 10 minutes, and then subjected to 30 conditions under the conditions of a flow rate of 0.6 L / min and a substrate temperature of 200 ° C. using a UV ozone irradiator (UV-1: manufactured by Samco). UV ozone irradiation treatment 15 was performed for a minute, and the polysilazane thin film was converted into an insulating film (thickness 15 nm) containing silicon oxide.

ゲート電極の端部を覆う絶縁膜304の形成以降、あとは同様にして薄膜トランジスタ2を作成した。   After the formation of the insulating film 304 covering the end of the gate electrode, the thin film transistor 2 was formed in the same manner.

実施例3
実施例1にて、大気圧プラズマによる酸化ケイ素皮膜の形成工程を除いた以外は同様にして、薄膜トランジスタ3を作成した。
Example 3
A thin film transistor 3 was prepared in the same manner as in Example 1 except that the step of forming the silicon oxide film by atmospheric pressure plasma was omitted.

実施例4
実施例2と同様にして、薄膜トランジスタ304を作成した。但し、ゲート電極を、アルミニウム皮膜をスパッタにより形成し(厚さ200nm)、同様に陽極酸化工程を行った後、これを一度にエッチングして、陽極酸化膜とゲート電極パターンの形成を行い形成した。
Example 4
A thin film transistor 304 was formed in the same manner as in Example 2. However, the gate electrode was formed by forming an aluminum film by sputtering (thickness 200 nm) and performing an anodic oxidation process in the same manner, and then etching it at once to form an anodic oxide film and a gate electrode pattern. .

比較例1
実施例1にて、大気圧プラズマ処理による厚さ30nmの酸化ケイ素膜と、シリコーン樹脂皮膜からなるゲート電極の端部を覆う絶縁膜304を除いたほかは同様に薄膜トランジスタ5を作成した。
Comparative Example 1
A thin film transistor 5 was similarly formed in Example 1 except that the silicon oxide film having a thickness of 30 nm by atmospheric pressure plasma treatment and the insulating film 304 covering the end portion of the gate electrode made of a silicone resin film were removed.

比較例2
実施例1において、スパッタ法により、厚さ100nmのアルミニウム皮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を形成したのち、陽極酸化被膜の形成を行わず、代わりに同様の大気圧プラズマ処理(AGP)により酸化ケイ素からなるゲート絶縁膜(厚み150nm)を形成した。次いで、半導体層の形成、ソース電極、ドレイン電極の形成を、実施例1と同様にして行って薄膜トランジスタ5を作成した。
Comparative Example 2
In Example 1, an aluminum film having a thickness of 100 nm was formed on the entire surface by sputtering, and then etched by photolithography to form the gate electrode 302. Then, the anodic oxide film was not formed. Instead, A gate insulating film (thickness 150 nm) made of silicon oxide was formed by the same atmospheric pressure plasma treatment (AGP). Next, the formation of the semiconductor layer, the formation of the source electrode and the drain electrode were performed in the same manner as in Example 1, and the thin film transistor 5 was created.

作製した薄膜トランジスタ1〜5について、ドレインバイアスを10Vとし、ゲートバイアスを−10Vから+20Vまで掃引し、ドレイン電流の増加(伝達特性)について観測した。それぞれの伝達特性の飽和領域から移動度(cm/Vs)について見積もり、またon/off比についても見積もった。閾値Vg(ON)はゲートバイアス(Vg)に対するドレイン電流値(Id)の平方根√Idの関係にて、√Id=0に外挿して得たゲートバイアスの値とした。 For the fabricated thin film transistors 1 to 5, the drain bias was set to 10 V, the gate bias was swept from −10 V to +20 V, and an increase in drain current (transfer characteristics) was observed. The mobility (cm 2 / Vs) was estimated from the saturation region of each transfer characteristic, and the on / off ratio was also estimated. The threshold value Vg (ON) is a gate bias value obtained by extrapolating √Id = 0 in relation to the square root √Id of the drain current value (Id) with respect to the gate bias (Vg).

結果を表1に示す。   The results are shown in Table 1.

Figure 2011009518
Figure 2011009518

本発明の薄膜トランジスタが良好な移動度、on/off比を示すことが分かる。また閾値も低く良好である。   It can be seen that the thin film transistor of the present invention exhibits good mobility and on / off ratio. The threshold is also low and good.

1 ガラス基板
2 アルミニウム層
3 酸化アルミニウム層
4 絶縁層
5 酸化物半導体薄膜
6 ソース電極
7 ドレイン電極
301 支持体
302 ゲート電極
303 陽極酸化皮膜
304 絶縁膜
305′ 前駆体材料薄膜
305 半導体層
306 ソース電極
307 ドレイン電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Glass substrate 2 Aluminum layer 3 Aluminum oxide layer 4 Insulating layer 5 Oxide semiconductor thin film 6 Source electrode 7 Drain electrode 301 Support body 302 Gate electrode 303 Anodized film 304 Insulating film 305 ′ Precursor material thin film 305 Semiconductor layer 306 Source electrode 307 Drain electrode

Claims (9)

基体上に、ゲート電極、ゲート絶縁膜、酸化物半導体薄膜を有する薄膜トランジスタであって、前記ゲート絶縁膜の少なくとも一部が陽極酸化膜であり、且つ前記ゲート電極の端部に絶縁層を有することを特徴とする薄膜トランジスタ。   A thin film transistor having a gate electrode, a gate insulating film, and an oxide semiconductor thin film on a substrate, wherein at least a part of the gate insulating film is an anodized film, and an insulating layer is provided at an end of the gate electrode A thin film transistor characterized by the above. 前記陽極酸化膜と前記酸化物半導体薄膜の間に絶縁層をもうけたことを特徴とする請求項1に記載の薄膜トランジスタ。   2. The thin film transistor according to claim 1, wherein an insulating layer is provided between the anodic oxide film and the oxide semiconductor thin film. 前記酸化物半導体薄膜が前駆体の溶液または分散液の塗布膜から形成され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。   3. The thin film transistor according to claim 1, wherein the oxide semiconductor thin film is formed from a coating solution of a precursor solution or dispersion. 前記前駆体が、金属の硝酸塩、硫酸塩、燐酸塩、炭酸塩、酢酸塩または蓚酸塩から選ばれる金属塩の1つ以上を含むことを特徴とする請求項3に記載の薄膜トランジスタ。   4. The thin film transistor of claim 3, wherein the precursor includes one or more metal salts selected from metal nitrates, sulfates, phosphates, carbonates, acetates, and oxalates. 前記金属塩が少なくともIn、Zn、Snのいずれかの塩を含むことを特徴とする請求項4に記載の薄膜トランジスタ。   The thin film transistor according to claim 4, wherein the metal salt includes at least a salt of In, Zn, or Sn. 前記金属塩が少なくともGa、Alのいずれかの塩を含むことを特徴とする請求項4または5に記載の薄膜トランジスタ。   The thin film transistor according to claim 4 or 5, wherein the metal salt includes at least a salt of Ga or Al. 前記金属塩が硝酸塩であることを特徴とする請求項4〜6のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタ。   The thin film transistor according to claim 4, wherein the metal salt is a nitrate. 前記酸化物半導体薄膜がアモルファス半導体からなる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。   The thin film transistor according to claim 1, wherein the oxide semiconductor thin film is made of an amorphous semiconductor. 請求項1〜8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。   A method for producing a thin film transistor, comprising producing the thin film transistor according to claim 1.
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