JP2012114367A - Amorphous oxide thin film including tin and thin film transistor - Google Patents

Amorphous oxide thin film including tin and thin film transistor Download PDF

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Masashi Kasami
雅司 笠見
Kiminori Yano
公規 矢野
Tadao Shibuya
忠夫 渋谷
Asami Nishimura
麻美 西村
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a field effect transistor that is suited to a display panel and has a good transistor characteristic.SOLUTION: An amorphous oxide thin film contains at least tin (Sn), and in the amorphous oxide thin film, a percentage of SnO is less than 30 mol%, when sum of SnO and SnOis set to 100 mol%.

Description

本発明は、非晶質酸化物薄膜、それを有する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 an amorphous oxide thin film, a thin film transistor having the same, and a method for manufacturing the same.

電界効果型トランジスタは、半導体メモリ集積回路の単位電子素子、高周波信号増幅素子、液晶駆動用素子等として広く用いられており、現在、最も多く実用化されている電子デバイスである。   Field effect transistors are widely used as unit electronic elements, high frequency signal amplifying elements, liquid crystal driving elements and the like of semiconductor memory integrated circuits, and are the most widely used electronic devices at present.

その中でも、近年における表示装置のめざましい発展に伴い、液晶表示装置(LCD)のみならず、エレクトロルミネッセンス表示装置(EL)や、フィールドエミッションディスプレイ(FED)等の各種の表示装置において、表示素子に駆動電圧を印加して表示装置を駆動させるスイッチング素子として、薄膜トランジスタ(TFT)が多用されている。   Among them, with the remarkable development of display devices in recent years, not only liquid crystal display devices (LCD) but also various display devices such as electroluminescence display devices (EL) and field emission displays (FED) are driven by display elements. Thin film transistors (TFTs) are frequently used as switching elements for driving a display device by applying a voltage.

また、その材料としては、シリコン系半導体が広く用いられており、一般に、高速動作が必要な高周波増幅素子、集積回路用素子等には、結晶系シリコンが用いられ、液晶駆動用素子等には、大面積化の要求からアモルファスシリコンが用いられている。   In addition, silicon-based semiconductors are widely used as the material. Generally, crystalline silicon is used for high-frequency amplifying elements and integrated circuit elements that require high-speed operation, and for liquid crystal driving elements and the like. Amorphous silicon is used because of the demand for large area.

しかしながら、結晶系シリコンは、結晶化を図る際に、例えば、800℃以上の高温やエキシマーレーザーによる加熱が必要となり、大面積基板への構成が困難で、製造に際して多大なエネルギーと工程数を要する等の問題があった。さらに、結晶系シリコンは通常TFTの素子構成がトップゲート構成に限定されるためマスク枚数の削減等コストダウンが困難であった。   However, when crystallizing silicon, for example, high temperature of 800 ° C. or higher or heating with an excimer laser is required, and it is difficult to construct a large-area substrate, and a large amount of energy and number of steps are required for manufacturing. There was a problem such as. Furthermore, since crystal silicon is usually limited to the top gate configuration of TFT elements, it has been difficult to reduce costs such as reducing the number of masks.

一方、比較的低温で形成できる非晶性のシリコン半導体(アモルファスシリコン)は、移動度(電界効果移動度)が0.5cm/Vs程度と小さく、結晶系のものに比べてスイッチング速度が遅いため、大画面・高精細・高周波数の動画の表示に追従できない場合がある。また、アモルファスシリコンを用いた電界効果トランジスタは直流電流ストレスに対する安定性(信頼性)が低く、直流電流駆動を行う有機EL等の自発光表示素子の駆動への応用が困難であるという問題点があった。 On the other hand, an amorphous silicon semiconductor (amorphous silicon) that can be formed at a relatively low temperature has a mobility (field effect mobility) as small as about 0.5 cm 2 / Vs, and has a lower switching speed than a crystalline one. For this reason, it may not be possible to follow the display of a large screen, high definition, high frequency video. In addition, field effect transistors using amorphous silicon have low stability (reliability) against direct current stress, and are difficult to apply to driving self-luminous display elements such as organic EL that drive direct current. there were.

尚、現在、表示装置を駆動させるスイッチング素子としては、シリコン系の半導体膜を用いた素子が主流を占めているが、それは、シリコン薄膜の安定性、加工性のよさの他、スイッチング速度が速い等、種々の性能が良好なためである。そして、このようなシリコン系薄膜は、一般に化学蒸気析出法(CVD)法により製造されている。   Currently, as a switching element for driving a display device, an element using a silicon-based semiconductor film occupies the mainstream, but it has a high switching speed in addition to the stability and workability of a silicon thin film. This is because various performances are good. Such silicon-based thin films are generally manufactured by a chemical vapor deposition (CVD) method.

また、従来の薄膜トランジスタ(TFT)は、ガラス等の基板上にゲ−ト電極、ゲ−ト絶縁層、水素化アモルファスシリコン(a−Si:H)等の半導体層、ソ−ス及びドレイン電極を積層した逆スタガ構造のものがあり、イメージセンサを始め、大面積デバイスの分野において、アクティブマトリスク型の液晶ディスプレイに代表されるフラットパネルディスプレイ等の駆動素子として用いられている。これらの用途では、従来アモルファスシリコンを用いたものでも高機能化(大画面・高精細・高周波数対応)に伴い作動の高速化が求められている。   Further, a conventional thin film transistor (TFT) has a gate electrode, a gate insulating layer, a semiconductor layer such as hydrogenated amorphous silicon (a-Si: H), a source and a drain electrode on a substrate such as glass. There is a stacked inverted staggered structure, and it is used as a driving element for a flat panel display typified by an active matrix liquid crystal display in the field of large area devices including image sensors. In these applications, even those using amorphous silicon have been required to operate at higher speeds with higher functionality (large screen, high definition, and high frequency).

このような状況下、トランジスタ性能(移動度、安定性)と大面積化の両立が期待できる半導体として、酸化物を用いた酸化物半導体が注目されている。
しかしながら、このような酸化物半導体のうち、従来からある酸化亜鉛を用いたものは移動度が低い、オンオフ比が低い、漏れ電流が大きい、ピンチオフが不明瞭、ノーマリーオンになりやすい等、TFT性能が低く、また耐薬品性が劣るためウェットエッチングが難しい等製造プロセスや使用環境の制限があった。さらに、性能を上げるためには高い圧力で成膜する必要があり成膜速度が遅い、700℃以上の高温処理が必要、性能を上げるにはトップゲート構成で膜厚を50nm以上にする必要がある等実用上の制限が多かった。
Under such circumstances, an oxide semiconductor using an oxide has attracted attention as a semiconductor that can be expected to satisfy both transistor performance (mobility and stability) and a large area.
However, among these oxide semiconductors, those using conventional zinc oxide have a low mobility, a low on / off ratio, a large leakage current, an unclear pinch-off, and a normally-on TFT. There were limitations on the manufacturing process and usage environment such as low performance and poor chemical resistance, making wet etching difficult. Furthermore, in order to improve the performance, it is necessary to form a film at a high pressure, and the film formation rate is slow, a high-temperature treatment of 700 ° C. or higher is necessary. To improve the performance, the top gate configuration needs to have a film thickness of 50 nm or more. There were many practical restrictions.

このような問題を解決するために、酸化インジウム、酸化亜鉛からなる非晶質酸化物半導体、又は酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる非晶質酸化物半導体を用いた電界効果トランジスタ(薄膜トランジスタ、TFT)が検討されている。しかし、ガリウム(Ga)を添加しないと耐湿性等環境安定性が不足する一方、Gaの添加量が増えると移動度やS値等TFT特性が劣化するおそれがあった。さらに、Gaはレアメタルであるためコストが高く、安定供給に問題があった。   In order to solve such a problem, a field effect transistor (a thin film transistor, an amorphous oxide semiconductor made of indium oxide, zinc oxide, or an amorphous oxide semiconductor made of indium oxide, zinc oxide, gallium oxide is used. TFT) has been studied. However, if gallium (Ga) is not added, environmental stability such as moisture resistance is insufficient. On the other hand, if Ga is added, TFT characteristics such as mobility and S value may be deteriorated. Furthermore, since Ga is a rare metal, the cost is high and there is a problem in stable supply.

そこで、Gaを用いないものとして、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化錫からなる非晶質酸化物半導体を用いた電界効果トランジスタの可能性も示唆されている(特許文献1)。   Then, the possibility of the field effect transistor using the amorphous oxide semiconductor which consists of an indium oxide, a zinc oxide, and a tin oxide as what does not use Ga is also suggested (patent document 1).

酸化錫を用いた電界効果トランジスタは古くから検討されていたが、オフ電流が高く移動度が低いため実用化されなかった。これは、酸化錫は絶縁体である低級酸化物(SnO)が生成しやすいためであると考えられていた。このことから酸化錫は半導体材料として適しないと考えられていた。
実際、錫を主成分とした酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化錫からなる非晶質酸化物半導体を用いた電界効果トランジスタでは、オフ電流やヒステリシスが大きく、閾値電圧(Vth)が大きく負となっていた。さらに、熱処理により移動度は向上できるが、熱処理温度に応じ閾値電圧が負方向に大きくシフトするためトランジスタのばらつきが大きい信頼性が低い等実用化を妨げる問題点があった(非特許文献2)。
A field effect transistor using tin oxide has been studied for a long time, but has not been put into practical use because of high off-current and low mobility. This was thought to be due to the fact that tin oxide tends to produce lower oxide (SnO) as an insulator. From this, it was thought that tin oxide was not suitable as a semiconductor material.
In fact, in a field effect transistor using an amorphous oxide semiconductor composed mainly of indium oxide, zinc oxide, and tin oxide containing tin as a main component, off current and hysteresis are large, and a threshold voltage (Vth) is large and negative. It was. Furthermore, although the mobility can be improved by the heat treatment, the threshold voltage is greatly shifted in the negative direction according to the heat treatment temperature, so that there is a problem that hinders practical use, such as a large variation of transistors and low reliability (Non-patent Document 2). .

一方、コスパッタを用いた、錫を主成分としない酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化錫からなる非晶質酸化物半導体の検討では、亜鉛が25原子%以上含まれると移動度が低下し、閾値電圧が大きくなり、一方亜鉛が25原子%未満であるとS値が大きくなり閾値電圧が負となり、トランジスタ特性の優れた電界効果トランジスタを作製することは困難と考えられていた(非特許文献3)。   On the other hand, in the study of amorphous oxide semiconductors composed of indium oxide, zinc oxide, and tin oxide that do not contain tin as a main component using co-sputtering, the mobility decreases when zinc is contained at 25 atomic% or more, and the threshold voltage is reduced. On the other hand, when zinc is less than 25 atomic%, the S value increases and the threshold voltage becomes negative, and it was considered difficult to produce a field effect transistor with excellent transistor characteristics (Non-patent Document 3). .

このような状況であったため、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化錫からなる非晶質酸化物半導体ではディスプレイ用パネル等の実用に適した電界効果トランジスタの作製は困難と思われていた。   Under such circumstances, it has been considered difficult to produce a field effect transistor suitable for practical use such as a display panel in an amorphous oxide semiconductor made of indium oxide, zinc oxide, and tin oxide.

国際公開第2005/088726号パンフレットInternational Publication No. 2005/088726 Pamphlet

透明導電膜の技術(改訂2版)、オーム社刊、p.160Transparent conductive film technology (2nd revised edition), published by Ohmsha, p. 160 M.S.Grover et al.,J.Phys.D.40,1335(2007)M.M. S. Grover et al. , J .; Phys. D. 40, 1335 (2007) Kachirayil J.Saji et al.,JOURNAL OF THE ELECTROCHEMICAL SOCIETY,155(6),H390−395(2008)Kachirayil J. et al. Saji et al. , JOURNAL OF THE ELECTROCHEMICAL SOCIETY, 155 (6), H390-395 (2008)

本発明の目的は、トランジスタ特性が良好で、ディスプレイパネルに適した電界効果トランジスタを提供することである。   An object of the present invention is to provide a field effect transistor having good transistor characteristics and suitable for a display panel.

本発明によれば、以下の非晶質酸化物薄膜等が提供される。
1.少なくとも錫(Sn)を含み、SnOとSnOの合計を100モル%としたときのSnOの割合が30モル%未満である非晶質酸化物薄膜。
2.さらに、インジウム(In)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)から選ばれる少なくとも1以上の元素を含む複合酸化物からなる1に記載の非晶質酸化物薄膜。
3.少なくとも錫(Sn)及びインジウム(In)を含む複合酸化物からなる2に記載の非晶質酸化物薄膜。
4.少なくとも錫(Sn)、インジウム(In)及び亜鉛(Zn)を含む複合酸化物からなる2に記載の非晶質酸化物薄膜。
5.Sn/(In+Sn+Zn)で表される原子組成比率が0.1原子%以上30原子%以下、
In/(In+Sn+Zn)で表される原子組成比率が5原子%以上75原子%以下、及び
Zn/(In+Sn+Zn)で表される原子組成比率が20原子%以上75原子%以下である複合酸化物からなる4に記載の非晶質酸化物薄膜。
6.1〜5のいずれかに記載の非晶質酸化物薄膜を半導体層とする薄膜トランジスタ。
7.非晶質酸化物薄膜中の酸化を促進する工程を含む6に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
8.希ガス原子及び水分子を含み、前記水分子の含有量が前記雰囲気ガスの全圧に対する分圧比で0.1〜10%である気体の雰囲気下において、金属酸化物からなるターゲットをスパッタリングし、基板上に薄膜を成膜する工程を含む7に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
9.さらに酸素分子を前記雰囲気ガスの全圧に対する分圧比で0.1〜10%含む気体の雰囲気下でスパッタリングする8に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
According to the present invention, the following amorphous oxide thin film and the like are provided.
1. An amorphous oxide thin film containing at least tin (Sn) and having a SnO ratio of less than 30 mol% when the total of SnO and SnO 2 is 100 mol%.
2. 2. The amorphous oxide thin film according to 1, further comprising a complex oxide containing at least one element selected from indium (In), zinc (Zn), and gallium (Ga).
3. 3. The amorphous oxide thin film according to 2, comprising a composite oxide containing at least tin (Sn) and indium (In).
4). 3. The amorphous oxide thin film according to 2, comprising a composite oxide containing at least tin (Sn), indium (In), and zinc (Zn).
5. The atomic composition ratio represented by Sn / (In + Sn + Zn) is 0.1 atomic% or more and 30 atomic% or less,
A composite oxide having an atomic composition ratio represented by In / (In + Sn + Zn) of 5 atomic% to 75 atomic% and an atomic composition ratio represented by Zn / (In + Sn + Zn) of 20 atomic% to 75 atomic% 5. The amorphous oxide thin film according to 4.
6. A thin film transistor comprising the amorphous oxide thin film according to claim 1 as a semiconductor layer.
7). 7. The method for producing a thin film transistor according to 6, comprising a step of promoting oxidation in the amorphous oxide thin film.
8). Sputtering a target made of a metal oxide in a gas atmosphere containing a rare gas atom and water molecules, wherein the water molecule content is 0.1 to 10% in a partial pressure ratio with respect to the total pressure of the atmospheric gas, 8. The method for producing a thin film transistor according to 7, including a step of forming a thin film on the substrate.
9. Furthermore, the manufacturing method of the thin-film transistor of 8 which sputter | spatters in the atmosphere of the gas which contains 0.1-10% of oxygen molecules by the partial pressure ratio with respect to the total pressure of the said atmospheric gas.

本発明によれば、トランジスタ特性が良好で、ディスプレイパネルに適した電界効果トランジスタが提供できる。   According to the present invention, a field effect transistor having good transistor characteristics and suitable for a display panel can be provided.

実施例及び比較例における、SnOの比率の測定方法を示す図である。It is a figure which shows the measuring method of the ratio of SnO in an Example and a comparative example. 実施例1で作製した複合酸化物(ITZO)薄膜におけるSnのK吸収端のXANESスペクトルおよび、比較のためのSnO及びSnOに対するスペクトルを示す図である。XANES spectra of K absorption edge of Sn in the composite oxide (ITZO) thin film fabricated in Example 1 and is a diagram showing a spectrum for SnO and SnO 2 for comparison. 評価例1で作製した薄膜トランジスタのTFT特性の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the TFT characteristic of the thin-film transistor produced in the evaluation example 1.

本発明の非晶質酸化物薄膜は、少なくとも錫(Sn)を含み、SnOとSnOの合計を100モル%としたときのSnOの割合が30モル%未満であることを特徴とする。
SnOとSnOの合計を100モル%としたときのSnOの割合(モル%)を、「SnOの比率」と呼ぶ。
SnO(錫の低級酸化物)の比率が30モル%未満であると、高い移動度の薄膜トランジスタを得ることができる。SnOの比率は25モル%未満が好ましく、20モル%未満が特に好ましい。
The amorphous oxide thin film of the present invention includes at least tin (Sn), and the ratio of SnO is less than 30 mol% when the total amount of SnO and SnO 2 is 100 mol%.
The ratio (mol%) of SnO when the total of SnO and SnO 2 is 100 mol% is referred to as “SnO ratio”.
When the ratio of SnO (lower tin oxide) is less than 30 mol%, a thin film transistor with high mobility can be obtained. The proportion of SnO is preferably less than 25 mol%, particularly preferably less than 20 mol%.

SnOの比率は、XANES(X−ray Absorption Near Edge Structure、X線吸収端微細構造)で得られたSn元素のK吸収端近傍のプロファイルを解析して求める。具体的には、実施例に記載の方法で測定することができる。
尚、XANESとは、物質にX線を照射して発生する固有のXAFSスペクトルから、元素周りの構造を解析する解析手法である。
The SnO ratio is obtained by analyzing a profile in the vicinity of the K absorption edge of Sn element obtained by XANES (X-ray Absorption Near Edge Structure, X-ray absorption edge fine structure). Specifically, it can be measured by the method described in the examples.
XANES is an analysis method for analyzing a structure around an element from a specific XAFS spectrum generated by irradiating a substance with X-rays.

本発明の薄膜は錫(Sn)を含み、好ましくはさらにインジウム(In)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)から選ばれる少なくとも1以上の元素を含む複合酸化物からなる。   The thin film of the present invention contains tin (Sn), and preferably comprises a complex oxide containing at least one element selected from indium (In), zinc (Zn), and gallium (Ga).

本発明の薄膜は、より好ましくは、少なくとも錫(Sn)及びインジウム(In)含む複合酸化物からなり、この複合酸化物としては、以下の元素からなるものを挙げることができる。
・錫(Sn)、及びインジウム(In)
・錫(Sn)、インジウム(In)及び1以上の第三元素
上記第三元素としては、Zn、B、Sc、Y、Al、Ga、ランタノイド類(La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)、Zr、Hf、Ge、Si、Ti、Mn、W、Mo、V、Cu、Ni、Co、Fe、Cr、及びNb等が挙げられる。
第三元素は、1種のみでもよいし、2種以上であってもよい。
第三元素としては、Zn,Ga、Zr、Hf、Ge、Si、Ti、Alが薄膜トランジスタとした際移動度が高く特に好ましい。
The thin film of the present invention is more preferably composed of a complex oxide containing at least tin (Sn) and indium (In). Examples of the complex oxide include those composed of the following elements.
-Tin (Sn) and Indium (In)
-Tin (Sn), indium (In) and one or more third elements As the third element, Zn, B, Sc, Y, Al, Ga, lanthanoids (La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu), Zr, Hf, Ge, Si, Ti, Mn, W, Mo, V, Cu, Ni, Co, Fe, Cr, Nb, etc. Can be mentioned.
The third element may be only one type or two or more types.
As the third element, Zn, Ga, Zr, Hf, Ge, Si, Ti, and Al are particularly preferable because of high mobility when they are thin film transistors.

上記の中で、特に好ましい組合せを以下に示す。
・錫(Sn)、インジウム(In)、亜鉛(Zn)
・錫(Sn)、インジウム(In)、ガリウム(Ga)
・錫(Sn)、インジウム(In)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)
Among the above, particularly preferred combinations are shown below.
・ Tin (Sn), Indium (In), Zinc (Zn)
・ Tin (Sn), Indium (In), Gallium (Ga)
-Tin (Sn), Indium (In), Zinc (Zn), Gallium (Ga)

薄膜が錫(Sn)、インジウム(In)及び亜鉛(Zn)を含む複合酸化物からなる場合、以下の原子組成比率を満たすと好ましい。
Sn/(In+Sn+Zn):0.1原子%以上30原子%以下、
In/(In+Sn+Zn):5原子%以上75原子%以下
Zn/(In+Sn+Zn):25原子%以上70原子%以下
When the thin film is made of a complex oxide containing tin (Sn), indium (In), and zinc (Zn), it is preferable that the following atomic composition ratio is satisfied.
Sn / (In + Sn + Zn): 0.1 atomic% or more and 30 atomic% or less,
In / (In + Sn + Zn): 5 atomic% or more and 75 atomic% or less Zn / (In + Sn + Zn): 25 atomic% or more and 70 atomic% or less

薄膜が錫(Sn)、インジウム(In)及びガリウム(Ga)を含む複合酸化物からなる場合、以下の原子組成比率を満たすと好ましい。
Sn/(In+Sn+Ga):0.1原子%以上30原子%以下
In/(In+Sn+Ga):5原子%以上75原子%以下、
Ga/(In+Sn+Ga):5原子%以上50原子%以下
When the thin film is made of a composite oxide containing tin (Sn), indium (In), and gallium (Ga), it is preferable that the following atomic composition ratio is satisfied.
Sn / (In + Sn + Ga): 0.1 atomic% to 30 atomic% In / (In + Sn + Ga): 5 atomic% to 75 atomic%,
Ga / (In + Sn + Ga): 5 atomic% or more and 50 atomic% or less

薄膜が錫(Sn)、インジウム(In)及び、Zn及びGa以外の第3元素X(Zr、Hf、Ge、Si、Ti、Al等)を含む複合酸化物からなる場合(第三元素が1種含まれる場合)、以下の原子組成比率を満たすと好ましい。
Sn/(In+Sn+X):0.1原子%以上30原子%以下
In/(In+Sn+X):5原子%以上75原子%以下
X/(In+Sn+X):20原子%以上70原子%以下
When the thin film is made of a complex oxide containing tin (Sn), indium (In), and a third element X (Zr, Hf, Ge, Si, Ti, Al, etc.) other than Zn and Ga (the third element is 1) When a seed is included), it is preferable to satisfy the following atomic composition ratio.
Sn / (In + Sn + X): 0.1 atomic% to 30 atomic% In / (In + Sn + X): 5 atomic% to 75 atomic% X / (In + Sn + X): 20 atomic% to 70 atomic%

薄膜が錫(Sn)、インジウム(In)、亜鉛(Zn)(第三元素X)及び第三元素Yを含む複合酸化物からなる場合(第三元素が2種含まれる場合)、以下の原子組成比率を満たすと好ましい。尚、第三元素YはGaであることが好ましい。
Sn/(In+Sn+Zn+Y):0.1原子%以上30原子%以下
In/(In+Sn+Zn+Y):5原子%以上70原子%以下
Zn/(In+Sn+Zn+Y):10原子%以上70原子%以下
Y/(In+Sn+Zn+Y):10原子%以上60原子%以下
When the thin film is made of a composite oxide containing tin (Sn), indium (In), zinc (Zn) (third element X) and third element Y (when two third elements are included), the following atoms It is preferable to satisfy the composition ratio. The third element Y is preferably Ga.
Sn / (In + Sn + Zn + Y): 0.1 atomic% to 30 atomic% In / (In + Sn + Zn + Y): 5 atomic% to 70 atomic% Zn / (In + Sn + Zn + Y): 10 atomic% to 70 atomic% Y / (In + Sn + Zn + Y): 10 atomic% to 60 atomic%

薄膜が非晶質であるとは、X線結晶構造解析により、ハローパターンが観測され、結晶構造が特定できないことを意味する。
薄膜が非晶質であることにより、トランジスタに用いた場合に絶縁膜や保護層との密着性が改善され、大面積でも均一なトランジスタ特性が容易に得られる。
An amorphous thin film means that a halo pattern is observed by X-ray crystal structure analysis and the crystal structure cannot be specified.
Since the thin film is amorphous, adhesion to an insulating film and a protective layer is improved when used in a transistor, and uniform transistor characteristics can be easily obtained even in a large area.

本発明の薄膜は、例えば、下記薄膜トランジスタの半導体層の形成方法により製造することができる。   The thin film of the present invention can be produced, for example, by the following method for forming a semiconductor layer of a thin film transistor.

本発明の薄膜トランジスタは、上記の非晶質酸化物薄膜を半導体層(活性層)として有する。
以下、薄膜トランジスタの構成及び薄膜トランジスタの製造方法について説明する。
The thin film transistor of the present invention has the above amorphous oxide thin film as a semiconductor layer (active layer).
Hereinafter, a structure of the thin film transistor and a method for manufacturing the thin film transistor will be described.

(基板)
基板は特に制限はなく、本技術分野で公知のものを使用できる。例えば、ケイ酸アルカリ系ガラス、無アルカリガラス、石英ガラス等のガラス基板、シリコン基板、アクリル、ポリカーボネート、ポリエチレンナフタレート(PEN)等の樹脂基板、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリアミド等の高分子フィルム基材等が使用できる。
基板や基材の厚さは0.1〜10mmが一般的であり、0.3〜5mmが好ましい。ガラス基板の場合は、化学的又は熱的に強化したものが好ましい。透明性や平滑性が求められる場合は、ガラス基板、樹脂基板が好ましく、ガラス基板が特に好ましい。軽量化が求められる場合は樹脂基板や高分子機材が好ましい。
(substrate)
There is no restriction | limiting in particular in a board | substrate, A well-known thing can be used in this technical field. For example, glass substrates such as alkali silicate glass, non-alkali glass and quartz glass, silicon substrates, resin substrates such as acrylic, polycarbonate and polyethylene naphthalate (PEN), polymer film bases such as polyethylene terephthalate (PET) and polyamide Materials can be used.
As for the thickness of a board | substrate or a base material, 0.1-10 mm is common, and 0.3-5 mm is preferable. In the case of a glass substrate, those chemically or thermally reinforced are preferred. When transparency and smoothness are required, a glass substrate and a resin substrate are preferable, and a glass substrate is particularly preferable. When weight reduction is required, a resin substrate or a polymer material is preferable.

(半導体層)
半導体層は、本発明の非晶質酸化物薄膜からなる。
半導体層の電子キャリア濃度は1013〜1019/cmが好ましく、特に1016〜1018/cmが好ましい。電子キャリア濃度が上記の範囲であれば、非縮退半導体となりやすく、トランジスタとして用いた際に移動度とオンオフ比のバランスが良好となり好ましい。
また、バンドギャップは2.0〜6.0eVが好ましく、2.8〜5.0eVがより好ましい。バンドギャップは、2.0eVより小さいと可視光を吸収し電界効果型トランジスタが誤動作するおそれがある。一方、6.0eVより大きいとキャリアが供給されにくくなり電界効果型トランジスタが機能しなくなるおそれがある。
(Semiconductor layer)
The semiconductor layer is made of the amorphous oxide thin film of the present invention.
The electron carrier concentration of the semiconductor layer is preferably 10 13 to 10 19 / cm 3 , and particularly preferably 10 16 to 10 18 / cm 3 . When the electron carrier concentration is in the above range, it is easy to become a non-degenerate semiconductor, and when used as a transistor, the balance between mobility and on / off ratio is good, which is preferable.
The band gap is preferably 2.0 to 6.0 eV, and more preferably 2.8 to 5.0 eV. If the band gap is smaller than 2.0 eV, visible light is absorbed and the field effect transistor may malfunction. On the other hand, if it is larger than 6.0 eV, it is difficult to supply carriers and the field effect transistor may not function.

半導体層の表面粗さ(RMS)は、1nm以下が好ましく、0.6nm以下がさらに好ましく、0.3nm以下が特に好ましい。1nmより大きいと、移動度が低下するおそれがある。
半導体層の膜厚は、通常0.5〜500nm、好ましくは1〜150nm、より好ましくは3〜80nm、特に好ましくは10〜60nmである。0.5nmより薄いと工業的に均一に成膜することが難しい。一方、500nmより厚いと成膜時間が長くなり工業的に採用できない。また、3〜80nmの範囲内にあると、移動度やオンオフ比等TFT特性が特に良好である。
The surface roughness (RMS) of the semiconductor layer is preferably 1 nm or less, more preferably 0.6 nm or less, and particularly preferably 0.3 nm or less. If it is larger than 1 nm, the mobility may decrease.
The film thickness of the semiconductor layer is usually 0.5 to 500 nm, preferably 1 to 150 nm, more preferably 3 to 80 nm, and particularly preferably 10 to 60 nm. If it is thinner than 0.5 nm, it is difficult to form a uniform film industrially. On the other hand, if it is thicker than 500 nm, the film formation time becomes long and cannot be adopted industrially. Moreover, when it exists in the range of 3-80 nm, TFT characteristics, such as a mobility and an on / off ratio, are especially favorable.

半導体層の形成方法としては、ゾルゲル法等の溶液の利用やCVD法も利用できるが、大面積に均一に成膜するには、後述する半導体用ターゲットを用いたスパッタリングで形成することが好ましい。   As a method for forming the semiconductor layer, a solution such as a sol-gel method or a CVD method can be used. However, in order to uniformly form a film over a large area, it is preferable to form the semiconductor layer by sputtering using a semiconductor target described later.

薄膜の構成元素を特定の組成比とし、下記薄膜トランジスタの半導体層の形成方法によって薄膜を形成することで、SnOの比率を30モル%未満とすることができる。   By forming the thin film with a specific composition ratio of the constituent elements of the thin film and forming the semiconductor layer of the thin film transistor described below, the SnO ratio can be less than 30 mol%.

本発明のトランジスタの製造方法は半導体層の形成において、SnOの生成を抑えるために、膜中の酸化を促進させる(酸素の取込みを増加させる)処置を含む。
この処置としては、成膜時の雰囲気に酸素や水等の酸化を促しやすい成分を含ませる方法や、成膜後にオゾン処理(オゾンアッシング)や高酸素分圧下又は水蒸気を含有する雰囲気下での熱処理等が利用できる。工程を簡略化する場合は、成膜時に酸化を促進させることが好ましい。
The method for manufacturing a transistor of the present invention includes a treatment that promotes oxidation in the film (increases oxygen uptake) in order to suppress the formation of SnO in the formation of the semiconductor layer.
As this treatment, there is a method in which an atmosphere such as oxygen or water that easily promotes oxidation is included in the atmosphere during film formation, ozone treatment (ozone ashing), high oxygen partial pressure, or an atmosphere containing water vapor after film formation. Heat treatment or the like can be used. In the case of simplifying the process, it is preferable to promote oxidation during film formation.

成膜時に酸化を促進させる処置としては、成膜時の雰囲気に水又は水素を含ませることが好ましく、水又は水素、及び酸素を含ませることがより好ましく、水と酸素を含ませることが特に好ましい。
上記により、酸化物(半導体層)がより酸化され、SnOの生成を低減した酸化物(半導体層)を作製することができる。このことは、図2に示す、実施例1で作製した複合酸化物(ITZO)薄膜におけるSnのK吸収端のXANESスペクトルの測定結果から明らかである。本発明の方法で成膜したITZOは、成膜時もアニール後もSnOとピークが一致せず、薄膜中にSnOが少ないことがわかる。
As a treatment for promoting oxidation at the time of film formation, it is preferable to include water or hydrogen in the atmosphere at the time of film formation, more preferably to include water or hydrogen and oxygen, and particularly to include water and oxygen. preferable.
Through the above process, an oxide (semiconductor layer) in which the oxide (semiconductor layer) is further oxidized and the generation of SnO is reduced can be manufactured. This is apparent from the measurement result of the XANES spectrum at the K absorption edge of Sn in the composite oxide (ITZO) thin film produced in Example 1 shown in FIG. The ITZO film formed by the method of the present invention does not coincide with the peak of SnO during film formation or after annealing, indicating that there is little SnO in the thin film.

成膜時雰囲気の水分圧は、1×10−3Pa〜1×10−1Paが好ましく、2×10−3Pa〜1×10−1Paがより好ましく、5×10−3Pa〜2×10−2Paが特に好ましい。水分圧が1×10−3Pa以上であると錫の低級酸化物の生成を抑えることができる。1×10−1Pa以下であると成膜速度が速くなることが期待できる。
成膜時雰囲気の水の含有量は、雰囲気ガスの全圧に対する分圧比で0.1〜10%、好ましくは1〜6%であることが好ましい。
Water partial pressure during film formation atmosphere is preferably 1 × 10 -3 Pa~1 × 10 -1 Pa, more preferably 2 × 10 -3 Pa~1 × 10 -1 Pa, 5 × 10 -3 Pa~2 × 10 −2 Pa is particularly preferable. When the water pressure is 1 × 10 −3 Pa or more, the production of a lower oxide of tin can be suppressed. When the pressure is 1 × 10 −1 Pa or less, it can be expected that the film forming speed is increased.
The water content in the atmosphere during film formation is preferably 0.1 to 10%, preferably 1 to 6%, in terms of the partial pressure ratio with respect to the total pressure of the atmospheric gas.

成膜時雰囲気の酸素含有量は、雰囲気ガスの全圧に対する分圧比で0.1〜10%、好ましくは1〜8%であることが好ましい。   The oxygen content of the atmosphere at the time of film formation is preferably 0.1 to 10%, preferably 1 to 8% in terms of the partial pressure ratio with respect to the total pressure of the atmospheric gas.

(半導体層の保護層)
半導体層に保護層を設けることが好ましい。保護層があると、真空中や低圧下で半導体の表面層の酸素が脱離し、オフ電流が高くなること、閾値電圧が負になることを防ぐことができる。また、大気下でも湿度等周囲の影響を受けず、閾値電圧等のトランジスタ特性のばらつきの発生を防ぐことができる。
(Semiconductor layer protective layer)
A protective layer is preferably provided on the semiconductor layer. When the protective layer is present, oxygen in the surface layer of the semiconductor is desorbed in a vacuum or under a low pressure, so that an off current increases and a threshold voltage can be prevented from becoming negative. Further, it is possible to prevent the occurrence of variations in transistor characteristics such as threshold voltage without being influenced by ambient conditions such as humidity even in the atmosphere.

半導体層の保護層を形成する材料は特に制限はない。本発明の効果を失わない範囲で一般に用いられているものを任意に選択できる。
例えば、SiO,SiN,Al,Ta,TiO,MgO,ZrO,CeO,KO,LiO,NaO,RbO,Sc,Y,Hf,CaHfO,PbTi,BaTa,SrTiO,AlN等を用いることができる。これらの中でも、SiO,SiN,Al,Y,Hf,CaHfOを用いるのが好ましく、より好ましくはSiO,SiN,Y,Hf,CaHfOであり、特に好ましくはSiO,Y,Hf,CaHfO等の酸化物である。これらの酸化物の酸素数は、必ずしも化学量論比と一致していなくともよい(例えば、SiOでもSiOでもよい)。また、SiNは水素元素を含んでいてもよい。
このような保護膜は、異なる2層以上の絶縁膜を積層した構造でもよい。
The material for forming the protective layer of the semiconductor layer is not particularly limited. What is generally used can be arbitrarily selected as long as the effects of the present invention are not lost.
For example, SiO 2, SiN x, Al 2 O 3, Ta 2 O 5, TiO 2, MgO, ZrO 2, CeO 2, K 2 O, Li 2 O, Na 2 O, Rb 2 O, Sc 2 O 3, Y 2 O 3 , Hf 2 O 3 , CaHfO 3 , PbTi 3 , BaTa 2 O 6 , SrTiO 3 , AlN, or the like can be used. Among these, it is preferable to use SiO 2, SiN x, Al 2 O 3, Y 2 O 3, Hf 2 O 3, CaHfO 3, more preferably SiO 2, SiN x, Y 2 O 3, Hf 2 O 3 , CaHfO 3 , and particularly preferably oxides such as SiO 2 , Y 2 O 3 , Hf 2 O 3 , and CaHfO 3 . The number of oxygen in these oxides does not necessarily match the stoichiometric ratio (for example, it may be SiO 2 or SiO x ). SiN x may contain a hydrogen element.
Such a protective film may have a structure in which two or more different insulating films are stacked.

また、保護層は、結晶質、多結晶質、非晶質のいずれであってもよいが、工業的に製造しやすい多結晶質か、非晶質であるのが好ましい。尚、保護層が非晶質であることが特に好ましい。非晶質膜であると界面の平滑性が良好で、移動度の向上、閾値電圧の抑制、S値の抑制効果が期待できる。また、ゲートリーク電流を抑制できる。   The protective layer may be crystalline, polycrystalline, or amorphous, but is preferably polycrystalline or amorphous that is easy to produce industrially. Note that the protective layer is particularly preferably amorphous. When the film is an amorphous film, the smoothness of the interface is good, and an improvement in mobility, suppression of threshold voltage, and suppression of S value can be expected. In addition, gate leakage current can be suppressed.

半導体層の保護層は、非晶質酸化物又は非晶質窒化物であることが好ましく、非晶質酸化物であることが特に好ましい。また、保護層が酸化物でないと半導体中の酸素が保護層側に移動し、オフ電流が高くなったり、閾値電圧が負になりノーマリーオフを示すおそれがある。
また、半導体層の保護層は、ポリ(4−ビニルフェノール)(PVP)、パリレン等の有機絶縁膜を用いてもよい。さらに、半導体層の保護層は無機絶縁膜及び有機絶縁膜の2層以上積層構造を有してもよい。特に、半導体層に大きく接する第1の保護層をSiO等の非晶質酸化物で、第2の保護層をSiN等の非晶質窒化物で構成することが好ましい。このような構成をとると良好なトランジスタ特性と耐湿性を与えることが容易である。
The protective layer of the semiconductor layer is preferably an amorphous oxide or an amorphous nitride, and particularly preferably an amorphous oxide. Further, if the protective layer is not an oxide, oxygen in the semiconductor moves to the protective layer side, and there is a possibility that the off current becomes high or the threshold voltage becomes negative and normally off.
Further, an organic insulating film such as poly (4-vinylphenol) (PVP) or parylene may be used for the protective layer of the semiconductor layer. Further, the protective layer of the semiconductor layer may have a laminated structure of two or more layers of an inorganic insulating film and an organic insulating film. In particular, it is preferable that the first protective layer that is in great contact with the semiconductor layer is made of an amorphous oxide such as SiO x and the second protective layer is made of an amorphous nitride such as SiN x . With such a configuration, it is easy to give good transistor characteristics and moisture resistance.

保護膜の形成は、PE(プラズマ)CVD、TEOS(テトラエトキシシラン)CVD、Cat(触媒)−CVD、スパッタリング、スピンコート、印刷法等が利用できるが、工業的にはPECVD又はスパッタリングが好ましく、PECVDが特に好ましい。   For the formation of the protective film, PE (plasma) CVD, TEOS (tetraethoxysilane) CVD, Cat (catalyst) -CVD, sputtering, spin coating, printing method and the like can be used, but industrially PECVD or sputtering is preferable. PECVD is particularly preferred.

(ゲート絶縁膜)
ゲート絶縁膜を形成する材料にも特に制限はない。本発明の効果を失わない範囲で一般に用いられているものを任意に選択できる。
例えば、SiO,SiNx,Al,Ta,TiO,MgO,ZrO,CeO,KO,LiO,NaO,RbO,Sc,Y,Hf,CaHfO,PbTi,BaTa,SrTiO,AlN等を用いることができる。これらの中でも、SiO,SiN,Al,Y,Hf,CaHfOを用いるのが好ましく、より好ましくはSiO,SiN,Y,Hf,CaHfOである。これらの酸化物の酸素数は、必ずしも化学量論比と一致していなくともよい(例えば、SiOでもSiOでもよい)。また、SiNは水素元素を含んでいてもよい。
(Gate insulation film)
There is no particular limitation on the material for forming the gate insulating film. What is generally used can be arbitrarily selected as long as the effects of the present invention are not lost.
For example, SiO 2, SiNx, Al 2 O 3, Ta 2 O 5, TiO 2, MgO, ZrO 2, CeO 2, K 2 O, Li 2 O, Na 2 O, Rb 2 O, Sc 2 O 3, Y 2 O 3 , Hf 2 O 3 , CaHfO 3 , PbTi 3 , BaTa 2 O 6 , SrTiO 3 , AlN, or the like can be used. Among these, it is preferable to use SiO 2, SiN x, Al 2 O 3, Y 2 O 3, Hf 2 O 3, CaHfO 3, more preferably SiO 2, SiN x, Y 2 O 3, Hf 2 O 3 and CaHfO 3 . The number of oxygen in these oxides does not necessarily match the stoichiometric ratio (for example, it may be SiO 2 or SiO x ). SiN x may contain a hydrogen element.

このようなゲート絶縁膜は、異なる2層以上の絶縁膜を積層した構造でもよい。また、ゲート絶縁膜は、結晶質、多結晶質、非晶質のいずれであってもよいが、工業的に製造しやすい多結晶質か、非晶質であるのが好ましい。
また、ゲート絶縁膜は、ポリ(4−ビニルフェノール)(PVP)、パリレン等の有機絶縁膜を用いてもよい。さらに、ゲート絶縁膜は無機絶縁膜及び有機絶縁膜の2層以上積層構造を有してもよい。
Such a gate insulating film may have a structure in which two or more different insulating films are stacked. The gate insulating film may be crystalline, polycrystalline, or amorphous, but is preferably polycrystalline or amorphous that is easy to manufacture industrially.
The gate insulating film may be an organic insulating film such as poly (4-vinylphenol) (PVP) or parylene. Further, the gate insulating film may have a stacked structure of two or more layers of an inorganic insulating film and an organic insulating film.

ゲート絶縁膜の形成は、PECVD、TEOSCVD、Cat−CVD、スパッタリング、スピンコート、印刷法等が利用できるが、工業的にはPECVD又はスパッタリングが好ましく、PECVDが特に好ましい。   For the formation of the gate insulating film, PECVD, TEOSCVD, Cat-CVD, sputtering, spin coating, printing, or the like can be used, but industrially, PECVD or sputtering is preferable, and PECVD is particularly preferable.

(電極)
ゲート電極、ソ−ス電極及びドレイン電極の各電極を形成する材料に特に制限はなく、本発明の効果を失わない範囲で一般に用いられているものを任意に選択することができる。
例えば、インジウム錫酸化物(ITO)、インジウム亜鉛酸化物、ZnO、SnO等の透明電極や、Al,Ag,Cr,Ni,Mo,Au,Ti,Ta、Cu等の金属電極、又はこれらを含む合金の金属電極を用いることができる。また、それらを2層以上積層して接触抵抗を低減したり、界面強度を向上させることが好ましい。また、ソ−ス電極、ドレイン電極の接触抵抗を低減させるため半導体層の、電極との界面をプラズマ処理、オゾン処理等で抵抗を調整してもよい。
(electrode)
There are no particular limitations on the material for forming each of the gate electrode, the source electrode, and the drain electrode, and any material generally used can be selected as long as the effects of the present invention are not lost.
For example, transparent electrodes such as indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide, ZnO, SnO 2 , metal electrodes such as Al, Ag, Cr, Ni, Mo, Au, Ti, Ta, Cu, or these An alloy metal electrode can be used. Moreover, it is preferable to laminate two or more layers to reduce the contact resistance or improve the interface strength. Further, in order to reduce the contact resistance of the source electrode and the drain electrode, the resistance of the interface of the semiconductor layer with the electrode may be adjusted by plasma treatment, ozone treatment or the like.

(遮光層)
本発明の電界効果型トランジスタは、半導体層を遮光する構造を有することが好ましい。半導体層を遮光する構造(例えば、遮光層)を有していないと、光が半導体層に入射した場合にキャリア電子が励起されオフ電流が高くなるおそれがある。遮光層は、300〜800nmに吸収を有する薄膜が好ましい。遮光層は半導体層の上部、下部どちらかでも構わないが、上部及び下部の両方にあることが好ましい。また、遮光層はゲート絶縁膜やブラックマトリックス等と兼用されていても構わない。遮光層が片側だけにある場合、遮光層が無い側から光が半導体層に照射しないよう構造上工夫する必要がある。
(Light shielding layer)
The field effect transistor of the present invention preferably has a structure that shields the semiconductor layer. Without a structure that shields the semiconductor layer (for example, a light shielding layer), when light enters the semiconductor layer, carrier electrons may be excited and off current may increase. The light shielding layer is preferably a thin film having absorption at 300 to 800 nm. The light shielding layer may be either the upper part or the lower part of the semiconductor layer, but is preferably on both the upper part and the lower part. Further, the light shielding layer may also be used as a gate insulating film, a black matrix, or the like. When the light shielding layer is on only one side, it is necessary to devise a structure so that light is not irradiated to the semiconductor layer from the side where the light shielding layer is not present.

上記半導体層以外の電界効果型トランジスタの各構成部材(層)は、本技術分野で公知の手法で形成できる。
具体的に、各層の成膜方法としては、スプレー法、ディップ法、CVD法等の化学的成膜方法、又はスパッタ法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、パルスレーザーディポジション法等の物理的成膜方法を用いることができる。
キャリア密度が制御し易い、及び膜質向上が容易であることから、好ましくは物理的成膜方法を用い、より好ましくは生産性が高いことからスパッタ法を用いる。
Each component (layer) of the field effect transistor other than the semiconductor layer can be formed by a technique known in this technical field.
Specifically, each layer is formed by a chemical film formation method such as a spray method, a dip method, or a CVD method, or a physical method such as a sputtering method, a vacuum deposition method, an ion plating method, or a pulse laser deposition method. A film formation method can be used.
Since the carrier density is easily controlled and the film quality can be easily improved, a physical film formation method is preferably used, and a sputtering method is more preferably used because of high productivity.

スパッタリングでは、複合酸化物の焼結ターゲットを用いる方法、複数の焼結ターゲットを用いコスパッタを用いる方法、合金ターゲットを用い反応性スパッタを用いる方法等が利用できる。但し、複合酸化物の焼結ターゲットを用いる方法では、複数の焼結ターゲットを用いコスパッタを用いる方法や、合金ターゲットを用い反応性スパッタを用いる方法に比べ、均一性や再現性が向上し、非局在準位のエネルギー幅(E)が低減させ、移動度の向上、S値の低減、閾値電圧の低減等、トランジスタ特性を向上させることができる。
好ましくは、複合酸化物の焼結ターゲットを用いる。RF、DC又はACスパッタリング等公知のものが利用できるが、均一性や量産性(設備コスト、成膜速度)からDC又はACスパッタリングが好ましい。
In sputtering, a method using a sintered complex oxide target, a method using co-sputtering using a plurality of sintered targets, a method using reactive sputtering using an alloy target, and the like can be used. However, the method using a composite oxide sintered target has improved uniformity and reproducibility compared to the method using co-sputtering using a plurality of sintered targets and the method using reactive sputtering using an alloy target. The energy width (E 0 ) of the localized level can be reduced, and transistor characteristics such as improvement in mobility, reduction in S value, and reduction in threshold voltage can be improved.
Preferably, a composite oxide sintered target is used. Although well-known things, such as RF, DC, or AC sputtering, can be utilized, DC or AC sputtering is preferable from uniformity and mass productivity (equipment cost, film-forming speed).

成膜時の基板温度は、室温以上250℃以下が好ましく、室温以上200℃以下がより好ましい。250℃以下だとTFTを作製した際にオフ電流の低減が期待できる。
形成した膜を各種エッチング法によりパターニングできる。
The substrate temperature during film formation is preferably from room temperature to 250 ° C., more preferably from room temperature to 200 ° C. When the temperature is 250 ° C. or lower, reduction of off-current can be expected when a TFT is manufactured.
The formed film can be patterned by various etching methods.

半導体層は、DC又はACスパッタリングにより成膜することが好ましい。DC又はACスパッタリングを用いることにより、RFスパッタリングの場合と比べて、成膜時のダメージを低減できる。このため、電界効果型トランジスタにおいて、閾値電圧シフトの低減、移動度の向上、閾値電圧の減少、S値の減少等の効果が期待できる。   The semiconductor layer is preferably formed by DC or AC sputtering. By using DC or AC sputtering, damage during film formation can be reduced as compared with RF sputtering. For this reason, in the field effect transistor, effects such as a reduction in threshold voltage shift, an improvement in mobility, a reduction in threshold voltage, and a reduction in S value can be expected.

また、半導体層成膜後に150〜350℃で熱処理することが好ましい。特に、半導体層と半導体層の保護層を形成した後に、150〜350℃で熱処理することが好ましい。
150℃より低いと得られるトランジスタの熱安定性や耐熱性が低下したり、移動度が低くなったり、S値が大きくなったり、閾値電圧が高くなるおそれがある。一方、350℃より高いと耐熱性のない基板が使用できないおそれ、熱処理用の設備費用がかかるおそれがある。
Further, heat treatment is preferably performed at 150 to 350 ° C. after the semiconductor layer is formed. In particular, heat treatment is preferably performed at 150 to 350 ° C. after forming the semiconductor layer and the protective layer of the semiconductor layer.
If the temperature is lower than 150 ° C., the thermal stability and heat resistance of the obtained transistor may decrease, mobility may decrease, S value may increase, and threshold voltage may increase. On the other hand, when the temperature is higher than 350 ° C., there is a possibility that a substrate having no heat resistance may not be used, and there is a possibility that equipment costs for heat treatment are required.

熱処理温度は160〜300℃がより好ましく、170〜260℃がさらに好ましく、180〜240℃が特に好ましい。特に、熱処理温度が180℃以上240℃以下であれば、熱安定性や耐熱性が低下したり、移動度が低くなったり、S値が大きくなったり、閾値電圧が高くなることを回避してかつ、トランジスタの基板としてPEN等の耐熱性の低い樹脂基板を利用できるため好ましい。   The heat treatment temperature is more preferably 160 to 300 ° C, further preferably 170 to 260 ° C, and particularly preferably 180 to 240 ° C. In particular, if the heat treatment temperature is 180 ° C. or higher and 240 ° C. or lower, it is avoided that the thermal stability and heat resistance are reduced, the mobility is lowered, the S value is increased, or the threshold voltage is increased. In addition, a resin substrate having low heat resistance such as PEN can be used as the transistor substrate, which is preferable.

熱処理時間は、通常1秒〜24時間が好ましいが、処理温度により調整することが好ましい。例えば、70〜180℃では、10分〜24時間がより好ましく、20分〜6時間がさらに好ましく、30分〜3時間が特に好ましい。
180〜260℃では、6分〜4時間がより好ましく、15分〜2時間がさらに好ましい。260〜300℃では、30秒〜4時間がより好ましく、1分〜2時間が特に好ましい。
300〜350℃では、1秒から1時間がより好ましく、2秒から30分が特に好ましい。
The heat treatment time is usually preferably 1 second to 24 hours, but is preferably adjusted by the treatment temperature. For example, at 70 to 180 ° C., 10 minutes to 24 hours are more preferable, 20 minutes to 6 hours are more preferable, and 30 minutes to 3 hours are particularly preferable.
In 180-260 degreeC, 6 minutes-4 hours are more preferable, and 15 minutes-2 hours are further more preferable. In 260-300 degreeC, 30 second-4 hours are more preferable, and 1 minute-2 hours are especially preferable.
At 300 to 350 ° C., 1 second to 1 hour is more preferable, and 2 seconds to 30 minutes is particularly preferable.

半導体層を成膜するスパッタリングターゲットは、出発原料として、一般的に酸化物粉末(例えば、酸化インジウム粉末と、酸化亜鉛粉末と、酸化錫粉末の混合物)を用いるが、これらの単体、化合物、複合酸化物等を原料としてもよい。
各原料粉の純度は、通常99.9%(3N)以上、好ましくは99.99%(4N)以上、さらに好ましくは99.995%以上、特に好ましくは99.999%(5N)以上である。各原料粉の純度が99.9%(3N)未満だと、不純物により半導体特性が低下するおそれがある。
A sputtering target for forming a semiconductor layer generally uses an oxide powder (for example, a mixture of indium oxide powder, zinc oxide powder, and tin oxide powder) as a starting material. An oxide or the like may be used as a raw material.
The purity of each raw material powder is usually 99.9% (3N) or higher, preferably 99.99% (4N) or higher, more preferably 99.995% or higher, particularly preferably 99.999% (5N) or higher. . If the purity of each raw material powder is less than 99.9% (3N), the semiconductor characteristics may be deteriorated by impurities.

原料粉について、比表面積が3〜16m/gである酸化インジウム粉、酸化錫粉、亜鉛粉又は複合酸化物粉を含み、粉体全体の比表面積が3〜16m/gである混合粉体を原料とすることが好ましい。
尚、各酸化物粉末の比表面積が、ほぼ同じである粉末を使用することが好ましい。これにより、より効率的に粉砕混合できる。具体的には、比表面積の比が1/4〜4倍以内にすることが好まく、1/2〜2倍以内が特に好ましい。比表面積が違いすぎると、効率的な粉砕混合ができず、焼結体中に酸化物の粒子が残る場合がある。
ただし、酸化亜鉛の比表面積は酸化インジウム、酸化錫の比表面積よりも小さいことが好ましい。このことによりターゲットの色むらを抑えることができる。
For the raw material powder, indium oxide powder having a specific surface area of 3~16m 2 / g, tin oxide powder, wherein zinc powder or mixed oxide powder, mixed powder specific surface area of the entire powder is 3~16m 2 / g It is preferable to use the body as a raw material.
In addition, it is preferable to use the powder whose specific surface area of each oxide powder is substantially the same. Thereby, it can pulverize and mix more efficiently. Specifically, the ratio of the specific surface area is preferably 1/4 to 4 times or less, particularly preferably 1/2 to 2 times or less. If the specific surface area is too different, efficient pulverization and mixing cannot be performed, and oxide particles may remain in the sintered body.
However, the specific surface area of zinc oxide is preferably smaller than the specific surface areas of indium oxide and tin oxide. As a result, uneven color of the target can be suppressed.

混合粉体を、例えば、湿式媒体撹拌ミルを使用して混合粉砕する。このとき、粉砕後の比表面積が原料混合粉体の比表面積より1.0〜3.0m/g増加する程度か、又は粉砕後の平均メジアン径が0.6〜1μmとなる程度に粉砕することが好ましい。このように調製した原料粉を使用することにより、仮焼工程を全く必要とせずに、高密度の酸化物焼結体を得ることができる。また、還元工程も不要となる。 The mixed powder is mixed and ground using, for example, a wet medium stirring mill. At this time, the specific surface area after pulverization is increased to 1.0 to 3.0 m 2 / g from the specific surface area of the raw material mixed powder, or the average median diameter after pulverization is adjusted to be 0.6 to 1 μm. It is preferable to do. By using the raw material powder prepared in this manner, a high-density oxide sintered body can be obtained without requiring a calcination step at all. Moreover, a reduction process is also unnecessary.

尚、原料混合粉体の比表面積の増加分が1.0m/g未満又は粉砕後の原料混合粉の平均メジアン径が1μmを超えると、焼結密度が十分に大きくならない場合がある。一方、原料混合粉体の比表面積の増加分が3.0m/gを超える場合又は粉砕後の平均メジアン径が0.6μm未満にすると、粉砕時の粉砕器機等からのコンタミ(不純物混入量)が増加する場合がある。
ここで、各粉体の比表面積はBET法で測定した値である。各粉体の粒度分布のメジアン径は、粒度分布計で測定した値である。これらの値は、粉体を乾式粉砕法、湿式粉砕法等により粉砕することにより調整できる。
In addition, if the increase in the specific surface area of the raw material mixed powder is less than 1.0 m 2 / g or the average median diameter of the raw material mixed powder after pulverization exceeds 1 μm, the sintered density may not be sufficiently increased. On the other hand, if the increase in the specific surface area of the raw material mixed powder exceeds 3.0 m 2 / g, or if the average median diameter after pulverization is less than 0.6 μm, contamination from the pulverizer during pulverization (impurity contamination amount) ) May increase.
Here, the specific surface area of each powder is a value measured by the BET method. The median diameter of the particle size distribution of each powder is a value measured with a particle size distribution meter. These values can be adjusted by pulverizing the powder by a dry pulverization method, a wet pulverization method or the like.

原料粉は、上記本発明の薄膜と同様の元素及び配合割合で混合することが好ましい。   The raw material powder is preferably mixed in the same elements and mixing ratio as the thin film of the present invention.

原料粉の混合方法、成形する方法は特に限定されず、従来から公知の各種湿式法又は乾式法を用いることができる。
乾式法としては、コールドプレス(Cold Press)法やホットプレス(Hot Press)法等を挙げることができる。コールドプレス法では、混合粉を成形型に充填して成形体を作製し、焼結させる。ホットプレス法では、混合粉を成形型内で、通常700〜1000℃で1〜48時間、好ましくは800〜950℃で3〜24時間にて直接焼結させる。
The method for mixing the raw material powder and the method for molding are not particularly limited, and various conventionally known wet methods or dry methods can be used.
Examples of the dry method include a cold press method and a hot press method. In the cold press method, the mixed powder is filled in a mold to produce a molded body and sintered. In the hot press method, the mixed powder is directly sintered in a mold at 700 to 1000 ° C. for 1 to 48 hours, preferably 800 to 950 ° C. for 3 to 24 hours.

乾式法のコールドプレス(Cold Press)法としては、粉砕工程後の原料をスプレードライヤー等で乾燥した後、成形する。成形は公知の方法、例えば、加圧成形、冷間静水圧加圧、金型成形、鋳込み成形射出成形が採用できる。焼結密度の高い焼結体(ターゲット)を得るためには、冷間静水圧(CIP)等加圧を伴う方法で成形するのが好ましい。尚、成形処理に際しては、ポリビニルアルコールやメチルセルロース、ポリワックス、オレイン酸等の成形助剤を用いてもよい。   As a dry-type cold press method, the raw material after the pulverization step is dried with a spray dryer or the like and then molded. For the molding, known methods such as pressure molding, cold isostatic pressing, mold molding, and cast molding injection molding can be employed. In order to obtain a sintered body (target) having a high sintered density, it is preferable to mold by a method involving pressurization such as cold isostatic pressure (CIP). In the molding process, molding aids such as polyvinyl alcohol, methylcellulose, polywax, and oleic acid may be used.

次いで、得られた成形物を焼結して焼結体を得る。また、焼結は酸素を流通することにより酸素雰囲気中で焼結するか、加圧下にて焼結するのがよい。これにより亜鉛の蒸散を抑えることができ、ボイド(空隙)のない焼結体が得られる。このようにして製造した焼結体は、密度が高いため、使用時におけるノジュールやパーティクルの発生が少ないことから、膜特性に優れた酸化物半導体膜を作製することができる。   Next, the obtained molded product is sintered to obtain a sintered body. Sintering is preferably performed in an oxygen atmosphere by circulating oxygen or under pressure. Thereby, transpiration of zinc can be suppressed, and a sintered body free from voids (voids) can be obtained. Since the sintered body manufactured in this manner has a high density and generates less nodules and particles during use, an oxide semiconductor film having excellent film characteristics can be manufactured.

800℃以上での昇温速度を30℃/h以下とするのが好ましい。昇温速度が30℃/h超であると反りや割れが発生するおそれがある。   It is preferable that the heating rate at 800 ° C. or higher is 30 ° C./h or lower. If the rate of temperature rise exceeds 30 ° C./h, warping and cracking may occur.

湿式法としては、例えば、濾過式成形法(特開平11−286002号公報参照)を用いるのが好ましい。この濾過式成形法は、セラミックス原料スラリーから水分を減圧排水して成形体を得るための非水溶性材料からなる濾過式成形型であって、1個以上の水抜き孔を有する成形用下型と、この成形用下型の上に載置した通水性を有するフィルターと、このフィルターをシールするためのシール材を介して上面側から挟持する成形用型枠からなり、前記成形用下型、成形用型枠、シール材、及びフィルターが各々分解できるように組立てられており、該フィルター面側からのみスラリー中の水分を減圧排水する濾過式成形型を用い、混合粉、イオン交換水と有機添加剤からなるスラリーを調製し、このスラリーを濾過式成形型に注入し、該フィルター面側からのみスラリー中の水分を減圧排水して成形体を作製し、得られたセラミックス成形体を乾燥脱脂後、焼成する。   As the wet method, for example, it is preferable to use a filtration molding method (see JP-A-11-286002). This filtration molding method is a filtration molding die made of a water-insoluble material for obtaining a molded body by draining water from a ceramic raw material slurry under reduced pressure, and a lower molding die having one or more drain holes And a water-permeable filter placed on the molding lower mold, and a molding mold clamped from the upper surface side through a sealing material for sealing the filter, the molding lower mold, Forming mold, sealing material, and filter are assembled so that they can be disassembled respectively. Using a filtering mold that drains the water in the slurry under reduced pressure only from the filter surface side, mixed powder, ion-exchanged water and organic A slurry made of an additive was prepared, and this slurry was poured into a filter-type mold, and the molded body was produced by draining the water in the slurry under reduced pressure only from the filter surface side. After 燥脱 butter, baking.

乾式法又は湿式法で得られた焼結体のバルク抵抗をターゲット全体として均一化するために還元処理ことが好ましい。還元工程は、必要に応じて設けられる工程である。適用することができる還元方法としては、例えば、還元性ガスによる方法や真空焼成又は不活性ガスによる還元等が挙げられる。   In order to make the bulk resistance of the sintered body obtained by a dry method or a wet method uniform over the entire target, a reduction treatment is preferable. A reduction process is a process provided as needed. Examples of the reduction method that can be applied include a method using a reducing gas, vacuum firing, or reduction using an inert gas.

酸化物焼結体は、研磨等の加工を施すことによりターゲットとなる。具体的には、焼結体を、例えば、平面研削盤で研削して表面粗さRaを5μm以下とする。表面粗さは、Ra≦0.3μmであることがより好ましく、Ra≦0.1μmであることが特に好ましい。   The oxide sintered body becomes a target by performing processing such as polishing. Specifically, the sintered body is ground by, for example, a surface grinder so that the surface roughness Ra is 5 μm or less. The surface roughness is more preferably Ra ≦ 0.3 μm, and particularly preferably Ra ≦ 0.1 μm.

さらに、ターゲットのスパッタ面に鏡面加工を施して、平均表面粗さRaが1000オングストローム以下としてもよい。この鏡面加工(研磨)は機械的な研磨、化学研磨、メカノケミカル研磨(機械的な研磨と化学研磨の併用)等の、すでに知られている研磨技術を用いることができる。
例えば、固定砥粒ポリッシャー(ポリッシュ液:水)で#2000以上にポリッシングしたり、又は遊離砥粒ラップ(研磨材:SiCペースト等)にてラッピング後、研磨材をダイヤモンドペーストに換えてラッピングすることによって得ることができる。このような研磨方法には特に制限はない。
Further, the sputter surface of the target may be mirror-finished so that the average surface roughness Ra is 1000 angstroms or less. For this mirror finishing (polishing), a known polishing technique such as mechanical polishing, chemical polishing, mechanochemical polishing (a combination of mechanical polishing and chemical polishing) can be used.
For example, polishing to # 2000 or more with a fixed abrasive polisher (polishing liquid: water) or lapping with loose abrasive lapping (abrasive: SiC paste, etc.), and then lapping by changing the abrasive to diamond paste Can be obtained by: Such a polishing method is not particularly limited.

尚、ターゲットの清浄処理には、エアーブローや流水洗浄等を使用できる。エアーブローで異物を除去する際には、ノズルの向い側から集塵機で吸気を行なうとより有効に除去できる。エアーブローや流水洗浄の他に、超音波洗浄等を行なうこともできる。超音波洗浄では、周波数25〜300KHzの間で多重発振させて行なう方法が有効である。例えば周波数25〜300KHzの間で、25KHz刻みに12種類の周波数を多重発振させて超音波洗浄を行なうのがよい。   In addition, air blow, running water washing | cleaning, etc. can be used for the cleaning process of a target. When removing foreign matter by air blow, it is possible to remove the foreign matter more effectively by suctioning with a dust collector from the opposite side of the nozzle. In addition to air blow and running water cleaning, ultrasonic cleaning and the like can also be performed. In ultrasonic cleaning, a method of performing multiple oscillations at a frequency of 25 to 300 KHz is effective. For example, it is preferable to perform ultrasonic cleaning by causing multiple oscillations of 12 types of frequencies at intervals of 25 KHz between frequencies of 25 to 300 KHz.

得られたターゲットを加工後、バッキングプレートへボンディングすることにより、成膜装置に装着して使用できるスパッタリングターゲットとなる。バッキングプレートは銅製が好ましい。ボンディングにはインジウム半田を用いることが好ましい。   After the obtained target is processed, it is bonded to a backing plate, whereby a sputtering target that can be used by being attached to a film forming apparatus is obtained. The backing plate is preferably made of copper. It is preferable to use indium solder for bonding.

加工工程は、上記のようにして焼結して得られた焼結体を、さらにスパッタリング装置への装着に適した形状に切削加工し、またバッキングプレート等の装着用治具を取り付けるための、必要に応じて設けられる工程である。ターゲットの厚みは通常2〜20mm、好ましくは3〜12mm、特に好ましくは4〜6mmである。また、複数のターゲットを一つのバッキングプレートに取り付け、実質一つのターゲットとしてもよい。
また、表面は200〜10,000番のダイヤモンド砥石により仕上げを行うことが好ましく、400〜5,000番のダイヤモンド砥石により仕上げを行うことが特に好ましい。200番より小さい、又は10,000番より大きいダイヤモンド砥石を使用するとターゲットが割れやすくなるおそれがある。
The processing step is to further cut the sintered body obtained by sintering as described above into a shape suitable for mounting on a sputtering apparatus, and to attach a mounting jig such as a backing plate, It is a process provided as needed. The thickness of the target is usually 2 to 20 mm, preferably 3 to 12 mm, particularly preferably 4 to 6 mm. Further, a plurality of targets may be attached to one backing plate to make a substantially single target.
The surface is preferably finished with a diamond grindstone of No. 200 to 10,000, and particularly preferably finished with a diamond grindstone of No. 400 to 5,000. If a diamond grindstone smaller than No. 200 or larger than 10,000 is used, the target may be easily broken.

電界効果型トランジスタは、ソース・ドレイン電極間に5〜20V程度の電圧Vdを印加したとき、ゲート電圧Vgを0Vと5〜20Vの間でスイッチすることで、ソース・ドレイン電極間の電流Idを制御する(オンオフする)ことができる。
トランジスタ特性の評価項目としては、例えば、電界効果移動度μ、閾値電圧(Vth)、オンオフ比、S値等が挙げられる。
In the field effect transistor, when a voltage Vd of about 5 to 20 V is applied between the source and drain electrodes, the gate voltage Vg is switched between 0 V and 5 to 20 V to thereby change the current Id between the source and drain electrodes. It can be controlled (turned on and off).
As evaluation items of transistor characteristics, for example, field effect mobility μ, threshold voltage (Vth), on / off ratio, S value, and the like can be given.

電界効果移動度は、線形領域や飽和領域の特性から求めることができる。例えば、トランスファ特性の結果から、√Id―Vgのグラフを作製し、この傾きから電界効果移動度を導く方法が挙げられる。本明細書では特に断らない限り、この手法で評価している。
閾値電圧の求め方はいくつかの方法があるが、たとえば√Id―Vgのグラフのx切片から閾値電圧Vthを導くことが挙げられる。
The field effect mobility can be obtained from the characteristics of the linear region and the saturation region. For example, a method of preparing a graph of √Id−Vg from the result of the transfer characteristics and deriving the field effect mobility from this slope can be mentioned. In this specification, unless otherwise specified, this method is used for evaluation.
There are several methods for obtaining the threshold voltage. For example, the threshold voltage Vth can be derived from the x intercept of the graph of √Id−Vg.

オンオフ比はトランスファ特性における、最も大きなIdと、最も小さなIdの値の比から求めることができる。   The on / off ratio can be obtained from the ratio of the largest Id to the smallest Id value in the transfer characteristics.

そして、S値は、トランスファ特性の結果から、Log(Id)―Vdのグラフを作製し、この傾きの逆数から導出することができる。
S値の単位は、V/decadeであり、小さな値であることが好ましい。S値は1.0V/dec以下が好ましく、0.5V/dec以下がより好ましく、0.3V/dec以下がさらに好ましく、0.1V/dec以下が特に好ましい。0.8V/dec以下だと駆動電圧が小さくなり消費電力を低減できる可能性がある。特に、有機ELディスプレイで用いる場合は、直流駆動のためS値を0.3V/dec以下にすると消費電力を大幅に低減できるため好ましい。尚、S値(Swing Factor)とは、オフ状態からゲート電圧を増加させた際に、オフ状態からオン状態にかけてドレイン電流が急峻に立ち上がるが、この急峻さを示す値である。下記式で定義されるように、ドレイン電流が1桁(10倍)上昇するときのゲート電圧の増分をS値とする。
S値=dVg/dlog(Ids)
The S value can be derived from the reciprocal of this slope by creating a Log (Id) -Vd graph from the result of the transfer characteristics.
The unit of the S value is V / decade and is preferably a small value. The S value is preferably 1.0 V / dec or less, more preferably 0.5 V / dec or less, further preferably 0.3 V / dec or less, and particularly preferably 0.1 V / dec or less. If it is 0.8 V / dec or less, the driving voltage becomes small and the power consumption may be reduced. In particular, when used in an organic EL display, it is preferable to set the S value to 0.3 V / dec or less because of direct current drive because power consumption can be greatly reduced. The S value (Swing Factor) is a value indicating the steepness of the drain current that rises sharply from the off state to the on state when the gate voltage is increased from the off state. As defined by the following equation, an increment of the gate voltage when the drain current increases by one digit (10 times) is defined as an S value.
S value = dVg / dlog (Ids)

S値が小さいほど急峻な立ち上がりとなる(「薄膜トランジスタ技術のすべて」、鵜飼育弘著、2007年刊、工業調査会)。S値が大きいと、オンからオフに切り替える際に高いゲート電圧をかける必要があり、消費電力が大きくなるおそれがある。   The smaller the S value, the sharper the rise ("All about Thin Film Transistor Technology", Ikuhiro Ukai, 2007, Industrial Research Committee). When the S value is large, it is necessary to apply a high gate voltage when switching from on to off, and power consumption may increase.

本発明の電界効果型トランジスタでは、移動度は3cm/Vs以上が好ましく、8cm/Vs以上がより好ましく、10cm/Vs以上がさらに好ましく、16cm/Vs以上が特に好ましい。3cm/Vsより小さいとスイッチング速度が遅くなり大画面高精細のディスプレイに用いることができないおそれがある。 A field effect transistor of the present invention, mobility is preferably not less than 3 cm 2 / Vs, more preferably at least 8 cm 2 / Vs, more preferably at least 10 cm 2 / Vs, particularly preferably at least 16cm 2 / Vs. If it is smaller than 3 cm 2 / Vs, the switching speed becomes slow, and there is a possibility that it cannot be used for a large-screen high-definition display.

オンオフ比は、10以上が好ましく、10以上がより好ましく、10以上が特に好ましい。
オフ電流は、2pA以下が好ましく、1pA以下がより好ましく、0.1pA以下が特に好ましい。オフ電流が2pAより小さいとディスプレイのTFTとして用いた場合にコントラストが良好となり、画面の均一性が向上することが期待できる。
The on / off ratio is preferably 10 7 or more, more preferably 10 8 or more, and particularly preferably 10 9 or more.
The off current is preferably 2 pA or less, more preferably 1 pA or less, and particularly preferably 0.1 pA or less. When the off-current is smaller than 2 pA, it is expected that when used as a display TFT, the contrast becomes good and the uniformity of the screen is improved.

ゲートリーク電流は1pA以下が好ましい。1pAより小さいとディスプレイのTFTとして用いた場合にコントラストの低下を抑制できる。
閾値電圧は、通常−1〜5Vであるが、−0.5〜3Vが好ましく、0〜2Vがより好ましく、0〜1Vが特に好ましい。−1Vより大きいとオフ時にかける電圧が小さくなり消費電力を低減できる可能性がある。5Vより小さいと駆動電圧が小さくなり消費電力を低減できる可能性がある。
The gate leakage current is preferably 1 pA or less. When it is smaller than 1 pA, a decrease in contrast can be suppressed when used as a TFT of a display.
The threshold voltage is usually -1 to 5V, preferably -0.5 to 3V, more preferably 0 to 2V, and particularly preferably 0 to 1V. If it is larger than -1 V, the voltage applied at the time of OFF is reduced, and the power consumption may be reduced. If it is less than 5V, the drive voltage becomes small and the power consumption may be reduced.

また、10μAの直流電圧を50℃で100時間印加した前後の閾値電圧のシフト量は、1.0V以下が好ましく、0.5V以下がより好ましい。1Vより小さいと有機ELディスプレイのトランジスタとして利用した場合、画質の経時変化を低減できる。
また、伝達曲線でゲート電圧を昇降させた場合のヒステリシスが小さい方が好ましい。ヒストリシスが小さいと駆動電圧を低減できる可能性がある。
Further, the shift amount of the threshold voltage before and after applying a 10 μA DC voltage at 50 ° C. for 100 hours is preferably 1.0 V or less, and more preferably 0.5 V or less. If the voltage is less than 1 V, the change in image quality over time can be reduced when used as a transistor of an organic EL display.
Further, it is preferable that the hysteresis is small when the gate voltage is raised or lowered on the transfer curve. If the history is small, there is a possibility that the drive voltage can be reduced.

また、チャンネル幅Wとチャンネル長Lの比W/Lは、通常0.1〜100、好ましくは0.5〜20、特に好ましくは1〜8である。W/Lが100を越えると漏れ電流が増えたり、オンオフ比が低下したりするおそれがある。
0.1より小さいと電界効果移動度が低下したり、ピンチオフが不明瞭になったりするおそれがある。
また、チャンネル長Lは通常0.1〜1000μm、好ましくは1〜100μm、さらに好ましくは2〜10μmである。0.1μm以下は工業的に製造が難しくまた漏れ電流が大きくなるおそれがある、1000μm以上では素子が大きくなりすぎて好ましくない。
The ratio W / L of the channel width W to the channel length L is usually 0.1 to 100, preferably 0.5 to 20, and particularly preferably 1 to 8. If W / L exceeds 100, the leakage current may increase or the on / off ratio may decrease.
If it is less than 0.1, the field effect mobility may be lowered, or pinch-off may be unclear.
The channel length L is usually 0.1 to 1000 μm, preferably 1 to 100 μm, and more preferably 2 to 10 μm. If the thickness is 0.1 μm or less, it is difficult to produce industrially and the leakage current may be increased. If the thickness is 1000 μm or more, the device becomes too large, which is not preferable.

実施例1
以下の通り、ボトムゲート構造のエッチストッパー(ES)型の電界効果トランジスタを作製した。
(1)スパッタリングターゲットの製造
原料として、酸化インジウム、酸化亜鉛及び酸化錫の粉末を、原子比〔In/(In+Sn+Zn)〕が0.365、原子比〔Sn/(In+Sn+Zn)〕が0.15、原子比〔Zn/((In+Sn+Zn)〕が0.485となるように混合した。これを湿式ボールミルに供給し、混合粉砕して原料微粉末を得た。
Example 1
An etch stopper (ES) type field effect transistor having a bottom gate structure was manufactured as follows.
(1) Production of sputtering target As raw materials, powders of indium oxide, zinc oxide and tin oxide have an atomic ratio [In / (In + Sn + Zn)] of 0.365 and an atomic ratio [Sn / (In + Sn + Zn)] of 0.15. Mixing was performed so that the atomic ratio [Zn / ((In + Sn + Zn)] was 0.485. This was supplied to a wet ball mill and mixed and pulverized to obtain a raw material fine powder.

得られた原料微粉末を造粒した後、プレス成形し、これを焼成炉に入れ、1400℃で12時間焼成した後研削して厚み5mm、直径2インチの焼結体を得た。焼結体のバルク抵抗は2mΩ、理論相対密度は0.98であった。
尚、理論相対密度は各酸化物の比重とその量比から計算した密度を、アルキメデス法で測定した密度との比率を計算して求めた。
また、焼結体の組成を分析したところ原子比〔In/(In+Sn+Zn)〕が0.365、原子比〔Sn/(In+Sn+Zn)〕が0.15、原子比〔Zn/((In+Sn+Zn)〕が0.485であった。
焼結体を清浄処理した後、バッキングプレートにボンディングしてスパッタリングターゲットとした。
After granulating the obtained raw material fine powder, it was press-molded, put in a firing furnace, fired at 1400 ° C. for 12 hours, and then ground to obtain a sintered body having a thickness of 5 mm and a diameter of 2 inches. The bulk resistance of the sintered body was 2 mΩ, and the theoretical relative density was 0.98.
The theoretical relative density was obtained by calculating the ratio of the density calculated from the specific gravity of each oxide and the amount ratio thereof to the density measured by the Archimedes method.
Further, when the composition of the sintered body was analyzed, the atomic ratio [In / (In + Sn + Zn)] was 0.365, the atomic ratio [Sn / (In + Sn + Zn)] was 0.15, and the atomic ratio [Zn / ((In + Sn + Zn)] was 0.485.
After the sintered body was cleaned, it was bonded to a backing plate to obtain a sputtering target.

(2)薄膜作製と評価
ガラス基板(コーニング1737)上に、(1)で製造したターゲットを使用して厚み150nmの酸化物の薄膜を形成し、評価した。
スパッタ条件は、到達圧力;4×10−4Pa以下、雰囲気ガス;Ar94%及び酸素5%、水1%、スパッタ圧力(全圧);0.65Pa、DC電源を用い投入電力100Wとした。
上記酸化物半導体膜を大気下で、300℃で1時間の熱処理を行った。
(2) Thin Film Production and Evaluation A 150 nm thick oxide thin film was formed on a glass substrate (Corning 1737) using the target manufactured in (1) and evaluated.
Sputtering conditions were as follows: ultimate pressure: 4 × 10 −4 Pa or less, atmospheric gas: Ar 94% and oxygen 5%, water 1%, sputtering pressure (total pressure): 0.65 Pa, a DC power source and an input power of 100 W.
The oxide semiconductor film was heat-treated at 300 ° C. for 1 hour in the air.

[結晶性の評価]
X線結晶構造解析により、ハローパターンが観測され、非晶質であることが確認された。
[Evaluation of crystallinity]
A halo pattern was observed by X-ray crystal structure analysis, and was confirmed to be amorphous.

[錫の低級酸化物の評価]
SnO(錫の低級酸化物)を図1の光学系で評価した。
XANESの測定はSPring−8(財団法人高輝度光科学研究センター (JASRI))のBL14B2ラインにて行った。まず透過法により粉末のSnO、SnO2に対してSnのK吸収端のXANESスペクトルを測定した。SnO、SnO2の粉末試料はKBr(臭化カリウム)により希釈し、ペレットとしたものを使用した。その後、上記スパッタ法により作製した薄膜試料に対して、蛍光法によりXANESスペクトルの測定を行った。
[Evaluation of lower oxide of tin]
SnO (a lower oxide of tin) was evaluated by the optical system shown in FIG.
XANES measurement was performed on the BL14B2 line of SPring-8 (High Intensity Photoscience Research Center (JASRI)). First, the XANES spectrum of the Sn K absorption edge was measured with respect to powdered SnO and SnO2 by the transmission method. SnO and SnO2 powder samples were diluted with KBr (potassium bromide) and used as pellets. Thereafter, the XANES spectrum was measured by a fluorescence method for the thin film sample produced by the sputtering method.

バックグラウンド処理を行った後、解析ソフトウェアのREX2000により解析を行った。XANESスペクトルの立ち上がり位置の−200から400eVをベースラインとして差し引き後、XANESスペクトルのピークトップで規格化し、SnOとSnOの2つのスペクトルを用いて、試料のXANESスペクトルのパターンフィッティングを行った。
パターンフィッティングはXANESスペクトルの立ち上がり位置から±40eVの領域に対してSnOとSnOの標準データでパターンフィッティング操作を行い、この結果からSnOの比率(モル%)(SnO/(SnO+SnO)×100)を算出した結果、16%であった。
After background processing, analysis was performed using analysis software REX2000. After subtracting −200 to 400 eV from the rising position of the XANES spectrum as a baseline, normalization was performed at the peak top of the XANES spectrum, and pattern fitting of the XANES spectrum of the sample was performed using two spectra of SnO and SnO 2 .
In pattern fitting, pattern fitting operation is performed with standard data of SnO and SnO 2 on the region of ± 40 eV from the rising position of the XANES spectrum, and the ratio of SnO (mol%) (SnO / (SnO + SnO 2 ) × 100) from this result. As a result, it was 16%.

(3)トランジスタの作製
100nmの熱酸化膜付n型シリコンウェファ上に、膜厚を50nmとして金属マスクによりアイランド形状を形成した以外は(2)と同様に、(1)で製造したターゲットを使用して薄膜を形成し、大気雰囲気下で300℃1時間の熱処理をして活性層(半導体層)とした。
別の金属マスクを用い、金薄膜を厚み300nm積層し、ソース・ドレイン電極とし、大気雰囲気下で300℃1時間の熱処理を加えW/L=1000/200μmのボトムゲートトップコンタクト型の薄膜トランジスタを作製した。
(3) Fabrication of transistor Using the target manufactured in (1) as in (2), except that an island shape was formed with a metal mask with a film thickness of 50 nm on an n-type silicon wafer with a thermal oxide film of 100 nm. Then, a thin film was formed, and heat treatment was performed at 300 ° C. for 1 hour in an air atmosphere to obtain an active layer (semiconductor layer).
Using another metal mask, a gold thin film with a thickness of 300 nm is stacked to serve as source / drain electrodes, and heat treatment is performed at 300 ° C. for 1 hour in an air atmosphere to produce a bottom gate top contact type thin film transistor with W / L = 1000/200 μm. did.

(4)トランジスタの評価
電界効果型トランジスタについて、半導体パラメーターアナライザー(4200SCS、ケースレーインスツルメンツ社製)を用い、室温、遮光環境下で電界効果移動度(μ)を測定した。結果を表1に示す。
(4) Evaluation of transistor Field effect mobility (μ) of a field effect transistor was measured using a semiconductor parameter analyzer (4200SCS, manufactured by Keithley Instruments Co., Ltd.) at room temperature in a light-shielded environment. The results are shown in Table 1.

実施例2〜14、比較例1〜2
ターゲットの組成、及び成膜時の雰囲気ガスを表1のように変更した他は、実施例1と同様に薄膜及びトランジスタを作製し、評価した。結果を表1及び表2に示す。
Examples 2-14, Comparative Examples 1-2
A thin film and a transistor were prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the composition of the target and the atmosphere gas during film formation were changed as shown in Table 1. The results are shown in Tables 1 and 2.

実施例3
100nmの熱酸化膜付n型シリコンウェファ上に、実施例1で製造したターゲットを使用して膜厚50nmの薄膜を形成した。尚、スパッタ条件は、到達圧力;4×10−4Pa以下、雰囲気ガス;Ar93%及び水分圧7%、スパッタ圧力(全圧);0.65Pa、DC電源を用い投入電力100Wとした。
Example 3
A thin film with a thickness of 50 nm was formed on the n-type silicon wafer with a thermal oxide film of 100 nm using the target manufactured in Example 1. Sputtering conditions were as follows: ultimate pressure: 4 × 10 −4 Pa or less, atmospheric gas: Ar 93% and moisture pressure 7%, sputtering pressure (total pressure): 0.65 Pa, DC power supply and input power 100 W.

フォトリソグラフを用い半導体層のアイランドを形成した後、大気下で300℃1時間熱処理した。スパッタリングとフォトリソグラフを用いたリフトオフ法により、Ti/Au/Tiのソース電極・ドレイン電極を形成した。大気下で300℃1時間熱処理し、W/L=20/10μmの薄膜トランジスタを得た。
TFT特性は、電界効果移動度μ=18cm/Vs、S値SS=0.4V/dec.、閾値電圧Vth=−1.8Vであった。結果を図3に示す。
After forming the island of the semiconductor layer using photolithography, it was heat-treated in the atmosphere at 300 ° C. for 1 hour. Ti / Au / Ti source / drain electrodes were formed by a lift-off method using sputtering and photolithography. Heat treatment was performed at 300 ° C. for 1 hour in the air to obtain a thin film transistor with W / L = 20/10 μm.
TFT characteristics are field effect mobility μ = 18 cm 2 / Vs, S value SS = 0.4 V / dec. The threshold voltage Vth was −1.8V. The results are shown in FIG.

本発明の薄膜は薄膜トランジスタに用いることができ、本発明の薄膜トランジスタは半導体メモリ集積回路の単位電子素子、高周波信号増幅素子、液晶駆動用素子等として広く用いることができる。   The thin film of the present invention can be used for a thin film transistor, and the thin film transistor of the present invention can be widely used as a unit electronic element, a high frequency signal amplifying element, a liquid crystal driving element and the like of a semiconductor memory integrated circuit.

Claims (9)

少なくとも錫(Sn)を含み、SnOとSnOの合計を100モル%としたときのSnOの割合が30モル%未満である非晶質酸化物薄膜。 An amorphous oxide thin film containing at least tin (Sn) and having a SnO ratio of less than 30 mol% when the total of SnO and SnO 2 is 100 mol%. さらに、インジウム(In)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)から選ばれる少なくとも1以上の元素を含む複合酸化物からなる請求項1に記載の非晶質酸化物薄膜。   The amorphous oxide thin film according to claim 1, further comprising a composite oxide containing at least one element selected from indium (In), zinc (Zn), and gallium (Ga). 少なくとも錫(Sn)及びインジウム(In)を含む複合酸化物からなる請求項2に記載の非晶質酸化物薄膜。   The amorphous oxide thin film according to claim 2, comprising a composite oxide containing at least tin (Sn) and indium (In). 少なくとも錫(Sn)、インジウム(In)及び亜鉛(Zn)を含む複合酸化物からなる請求項2に記載の非晶質酸化物薄膜。   The amorphous oxide thin film according to claim 2, comprising a composite oxide containing at least tin (Sn), indium (In), and zinc (Zn). Sn/(In+Sn+Zn)で表される原子組成比率が0.1原子%以上30原子%以下、
In/(In+Sn+Zn)で表される原子組成比率が5原子%以上75原子%以下、及び
Zn/(In+Sn+Zn)で表される原子組成比率が20原子%以上75原子%以下である複合酸化物からなる請求項4に記載の非晶質酸化物薄膜。
The atomic composition ratio represented by Sn / (In + Sn + Zn) is 0.1 atomic% or more and 30 atomic% or less,
A composite oxide having an atomic composition ratio represented by In / (In + Sn + Zn) of 5 atomic% to 75 atomic% and an atomic composition ratio represented by Zn / (In + Sn + Zn) of 20 atomic% to 75 atomic% The amorphous oxide thin film according to claim 4.
請求項1〜5のいずれかに記載の非晶質酸化物薄膜を半導体層とする薄膜トランジスタ。   A thin film transistor comprising the amorphous oxide thin film according to claim 1 as a semiconductor layer. 非晶質酸化物薄膜中の酸化を促進する工程を含む請求項6に記載の薄膜トランジスタの製造方法。   The method for producing a thin film transistor according to claim 6, comprising a step of promoting oxidation in the amorphous oxide thin film. 希ガス原子及び水分子を含み、前記水分子の含有量が前記雰囲気ガスの全圧に対する分圧比で0.1〜10%である気体の雰囲気下において、金属酸化物からなるターゲットをスパッタリングし、基板上に薄膜を成膜する工程を含む請求項7に記載の薄膜トランジスタの製造方法。   Sputtering a target made of a metal oxide in a gas atmosphere containing a rare gas atom and water molecules, wherein the water molecule content is 0.1 to 10% in a partial pressure ratio with respect to the total pressure of the atmospheric gas, The method for producing a thin film transistor according to claim 7, comprising a step of forming a thin film on the substrate. さらに酸素分子を前記雰囲気ガスの全圧に対する分圧比で0.1〜10%含む気体の雰囲気下でスパッタリングする請求項8に記載の薄膜トランジスタの製造方法。   Furthermore, the manufacturing method of the thin-film transistor of Claim 8 sputter | spatters in the atmosphere of the gas which contains oxygen molecules 0.1 to 10% by the partial pressure ratio with respect to the total pressure of the said atmospheric gas.
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