JP2013021289A - 金属酸化物薄膜形成用塗布液、金属酸化物薄膜、電界効果型トランジスタ、及び電界効果型トランジスタの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】無機インジウム化合物と、無機マグネシウム化合物及び無機亜鉛化合物の少なくともいずれかと、グリコールエーテル類とを含有する金属酸化物薄膜形成用塗布液である。
【選択図】図1
Description
しかし、これらの方法を実施するには、複雑で高価な装置を必要とするという問題がある。また、大面積な薄膜を形成することが困難であるという問題がある。
例えば、高い導電性と透過率を有する薄膜を形成する目的で、無機インジウム化合物、マグネシウム化合物、及びインジウムに配位可能な有機化合物を含有する透明導電膜形成用組成物が提案されている(特許文献1参照)。また、硝酸インジウム、多価アルコールの縮合体、及び活剤を有機溶媒に溶解した透明導電膜形成用組成物が提案されている(特許文献2参照)。
しかし、これら提案の技術は、透明導電膜を形成するための組成物の技術であり、得られる透明導電膜は、電界効果型トランジスタの活性層としては、十分な機能が得られず、使用可能な用途が限定されるという問題がある。
しかし、この提案の技術では、金属酸化物前駆体溶液を基材上に塗布すると、塗布液は基材上に薄く広がるため、得られる酸化物半導体の形状の精度が低いという問題がある。
<1> 無機インジウム化合物と、無機マグネシウム化合物及び無機亜鉛化合物の少なくともいずれかと、グリコールエーテル類とを含有することを特徴とする金属酸化物薄膜形成用塗布液である。
<2> 前記<1>に記載の金属酸化物薄膜形成用塗布液を被塗物に塗布し、乾燥させた後に焼成を行って得られることを特徴とする金属酸化物薄膜である。
<3> ゲート電圧を印加するためのゲート電極と、
電流を取り出すためのソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に形成された酸化物半導体からなる活性層と、
前記ゲート電極と前記活性層との間に形成されたゲート絶縁層とを有し、
前記酸化物半導体が、前記<1>に記載の金属酸化物薄膜形成用塗布液を塗布して形成される酸化物半導体であることを特徴とする電界効果型トランジスタである。
<4> 基材上にゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、
前記ゲート電極上にゲート絶縁層を形成するゲート絶縁層形成工程と、
前記ゲート絶縁層上にソース電極及びドレイン電極を離間して形成するソース電極及びドレイン電極形成工程と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間のチャネル領域であって前記ゲート絶縁層上に、酸化物半導体からなる活性層を形成する活性層形成工程とを含み、
前記活性層形成工程が、前記ゲート絶縁層上に前記<1>に記載の金属酸化物薄膜形成用塗布液を塗布して前記酸化物半導体からなる前記活性層を形成する工程であることを特徴とする電界効果型トランジスタの製造方法である。
<5> 基材上にソース電極及びドレイン電極を離間して形成するソース電極及びドレイン電極形成工程と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間のチャネル領域であって前記基材上に、酸化物半導体からなる活性層を形成する活性層形成工程と、
前記活性層上にゲート絶縁層を形成するゲート絶縁層形成工程と、
前記ゲート絶縁層上にゲート電極を形成するゲート電極形成工程とを含み、
前記活性層形成工程が、前記基材上に前記<1>に記載の金属酸化物薄膜形成用塗布液を塗布して前記酸化物半導体からなる前記活性層を形成する工程であることを特徴とする電界効果型トランジスタの製造方法である。
本発明の金属酸化物薄膜形成用塗布液は、少なくとも、無機インジウム化合物と、無機マグネシウム化合物及び無機亜鉛化合物の少なくともいずれかと、グリコールエーテル類とを含有し、好ましくはジオール類を含有し、更に必要に応じて、その他の成分を含有する。
なお、前記金属酸化物薄膜形成用塗布液は、その条件、具体的には溶解させる溶媒の種類、無機化合物濃度(例えば、硝酸塩濃度)によっても、得られる金属酸化物薄膜(例えば、酸化物半導体薄膜など)の体積抵抗率を制御することが可能である。また、In−Mg系酸化物及びIn−Zn系酸化物を構成する各元素の一部を他の金属元素で置換することによっても、体積抵抗率を制御することができる。
また、塗布後の熱処理条件、より具体的には、焼成温度、焼成時間、昇温速度、降温速度、焼成中の雰囲気(ガス分率及び圧力)によっても体積抵抗率を制御することができる。
さらに光により原料分解及び反応の促進効果を利用することができる。また、膜を形成した後のアニールによっても体積抵抗率は変化するため、アニール温度や雰囲気を最適化する方法も有効である。
前記無機インジウム化合物としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、オキソ酸インジウム、ハロゲン化インジウム、水酸化インジウム、シアン化インジウムなどが挙げられる。
前記オキソ酸インジウムとしては、例えば、硝酸インジウム、硫酸インジウム、炭酸インジウム、燐酸インジウムなどが挙げられる。
前記ハロゲン化インジウムとしては、例えば、塩化インジウム、臭化インジウム、沃化インジウムなどが挙げられる。
これらの中でも、各種溶媒に対する溶解度が高い点で、オキソ酸インジウム、ハロゲン化インジウムが好ましく、硝酸インジウム、硫酸インジウム、塩化インジウムがより好ましい。
−無機マグネシウム化合物−
前記無機マグネシウム化合物としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、オキソ酸マグネシウム、ハロゲン化マグネシウム、水酸化マグネシウム、シアン化マグネシウムなどが挙げられる。
前記オキソ酸マグネシウムとしては、例えば、硝酸マグネシウム、硫酸マグネシウム、炭酸マグネシウム、燐酸マグネシウムなどが挙げられる。
前記ハロゲン化マグネシウムとしては、例えば、塩化マグネシウム、臭化マグネシウム、沃化マグネシウムなどが挙げられる。
これらの中でも、各種溶媒に対する溶解度が高い点で、オキソ酸マグネシウム、ハロゲン化マグネシウムが好ましく、硝酸マグネシウム、硫酸マグネシウム、塩化マグネシウムがより好ましい。
前記無機亜鉛化合物としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、オキソ酸亜鉛、ハロゲン化亜鉛、水酸化亜鉛、シアン化亜鉛などが挙げられる。
前記オキソ酸亜鉛としては、例えば、硝酸亜鉛、硫酸亜鉛、炭酸亜鉛、燐酸亜鉛などが挙げられる。
前記ハロゲン化亜鉛としては、例えば、塩化亜鉛、臭化亜鉛、沃化亜鉛などが挙げられる。
これらの中でも、各種溶媒に対する溶解度が高い点で、オキソ酸亜鉛、ハロゲン化亜鉛が好ましく、硝酸亜鉛、硫酸亜鉛、塩化亜鉛がより好ましい。
0.25≦〔B/(A+B)〕≦0.65 式(1)
金属酸化物薄膜の体積抵抗率が低い場合には、ゲート電圧制御によるオフ状態でIds(ドレイン・ソース間電流)を小さくすることが困難になることがある。そのため、金属酸化物薄膜の体積抵抗率としては、10−1Ωcm以上がより好ましい。
金属酸化物の体積抵抗率ρ(Ωcm)は、下記式(2)に従う。
ρ=1/nQμ 式(2)
ただし、前記式中、Q(C)は、キャリア電荷を表し、n(個/m3)は、キャリア密度を表し、μ(m2/V/s)は、キャリア移動度を表す。
そのため、これらn、Q、及びμを変えることによって体積抵抗率を制御することができる。
金属酸化物薄膜の体積抵抗率を制御する具体的方法としては、一般には膜中の酸素量(酸素欠陥の密度)を調整することによってキャリア密度を変える方法が挙げられる。
前記金属酸化物薄膜形成用塗布液から形成される酸化物半導体薄膜の体積抵抗率の制御方法としては、前記式(1)の範囲を満たすことが最も有効である。
前記グリコールエーテル類は、前記無機インジウム化合物(特に、硝酸インジウム)、前記無機マグネシウム化合物(特に、硝酸マグネシウム)、及び前記無機亜鉛化合物(特に、硝酸亜鉛)をよく溶解し、かつ溶解後の安定性が高いため、前記グリコールエーテル類を前記金属酸化物薄膜形成用塗布液に用いることにより、均一性が高く、欠陥の少ない金属酸化物薄膜(例えば、酸化物半導体薄膜など)を得ることができる。
また、前記グリコールエーテル類を前記金属酸化物薄膜形成用塗布液に用いることにより、所望の形状の金属酸化物薄膜(例えば、酸化物半導体薄膜など)を精度が高く形成することができる。
また、前記グリコールエーテル類は、還元剤として働くと考えられる。n型半導体であるIn−Mg系酸化物半導体、及びIn−Zn系酸化物半導体は、酸素欠陥の生成により伝導電子を発生するため、還元側に平衡を移動させたほうがより高い伝導度を有する材料となりうる。そのため、前記金属酸化物薄膜形成用塗布液が、前記グリコールエーテル類を含有することにより、塗布後の熱処理中に還元作用が働き、より低い体積抵抗率の酸化物半導体薄膜が得られる。
前記アルキレングリコールモノアルキルエーテルとしては、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノプロピルエーテル、エチレングリコールモノイソプロピルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、及びエチレングリコールモノイソブチルエーテルの少なくともいずれかが好ましい。これらのアルキレングリコールモノアルキルエーテルは、沸点が120℃〜180℃程度で乾燥が速く、前記金属酸化物薄膜形成用塗布液が濡れ広がりにくくなる。このような好ましい化合物であると、焼成温度を低くし、比較的短時間での焼成を可能にする。また、焼成後に不純物が少ない金属酸化物薄膜(例えば、酸化物半導体薄膜など)が得られる。その結果、キャリア移動度が大きくなるために、酸化物半導体薄膜を活性層に用いた電界効果型トランジスタのゲート電圧Vgsとソース・ドレイン間電流Idsの関係を示すグラフにおいて、オフからオンに切り替わる立ち上がりの傾きが大きくなり、スイッチング特性が良好になり、必要なオン電流を得るための駆動電圧が低くなる。
これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記金属酸化物薄膜形成用塗布液は、更にジオール類を含有することが好ましい。言い換えれば、前記グリコールエーテル類は、ジオール類と併用して用いることが好ましい。前記グリコールエーテル類と前記ジオール類を併用すると、前記ジオール類の作用により、インクジェット法で塗布する際のインクジェットノズル内での溶媒乾燥によるつまりをなくすことができる。更に、前記グリコールエーテル類の作用により、基材などに付着させた塗布液をすばやく乾燥させ、不要な箇所に塗布液が広がることを抑制することができる。例えば、電界効果型トランジスタを製造する際にチャネルに付着させた塗布液をすばやく乾燥させ、チャネル領域以外に広がることを抑制することができる。
また、前記グリコールエーテル類は、通常、粘度が1.3cp〜3.5cp程度と低粘度であることから、高粘度のジオール類と混合することで、容易に前記金属酸化物薄膜形成用塗布液の粘度を調整することができる。
炭素数2〜4のジオール類は、沸点が180℃から250℃程度であることから、前記金属酸化物薄膜形成用塗布液を塗布した後の焼成時に揮発し、金属酸化物薄膜(例えば、酸化物半導体薄膜)中に残りにくい。また、粘度が10cp〜110cp程度であることから、前記金属酸化物薄膜形成用塗布液をインクジェット法で塗布する場合に、前記金属酸化物薄膜形成用塗布液が基板などに着弾する際の広がりを抑える効果がある。
前記ジオール類としては、焼成温度及び焼成後の金属酸化物薄膜(例えば、酸化物半導体薄膜など)の緻密性の点から、ジエチレングリコール、1,2−エタンジオール、1,2−プロパンジオール、及び1,3−ブタンジオールの少なくともいずれかがより好ましい。
これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記その他の成分としては、例えば、無機アルミニウム化合物、無機ガリウム化合物などが挙げられる。
前記無機アルミニウム化合物に含まれるアルミニウム、及び無機ガリウム化合物に含まれるガリウムは、前記金属酸化物薄膜形成用塗布液を塗布して得られる金属酸化物薄膜(例えば、酸化物半導体薄膜など)においてインジウムサイトを置換するドーパントとして機能し、ホールをドープする効果を有する。
前記オキソ酸アルミニウムとしては、例えば、硝酸アルミニウム、硫酸アルミニウム、炭酸アルミニウム、燐酸アルミニウムなどが挙げられる。
前記ハロゲン化アルミニウムとしては、例えば、塩化アルミニウム、臭化アルミニウム、沃化アルミニウムなどが挙げられる。
これらは、無水物であってもよいし、水和物であってもよい。
前記オキソ酸ガリウムとしては、例えば、硝酸ガリウム、硫酸ガリウム、炭酸ガリウム、燐酸ガリウムなどが挙げられる。
前記ハロゲン化ガリウムとしては、例えば、塩化ガリウム、臭化ガリウム、沃化ガリウムなどが挙げられる。
これらは、無水物であってもよいし、水和物であってもよい。
これらは、1種単独で使用してもよいし、2種を併用してもよい。
前記金属酸化物薄膜形成用塗布液の作製方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、硝酸塩ジオール溶液と硝酸塩グリコールエーテル溶液とをそれぞれ作製し、それらを混合する方法が挙げられる。
具体的には、以下のような作製方法が挙げられる。
最初に硝酸インジウム(In(NO3)3・3H2O)と硝酸マグネシウム(Mg(NO3)2・6H2O)をジオール類に溶解させ、硝酸塩ジオール溶液を作製する。前記ジオール類であるジエチレングリコール、1,2−エタンジオール、1,2−プロパンジオール、及び1,3−ブタンジオールは、攪拌することにより、硝酸インジウム、及び硝酸マグネシウムをそれぞれ1mol/L以上の濃度まで室温で溶解可能である。溶解の際には、加熱することにより溶解時間を短縮することができる。
続いて、硝酸インジウム(In(NO3)3・3H2O)と硝酸マグネシウム(Mg(NO3)2・6H2O)をグリコールエーテル類に溶解させ、硝酸塩グリコールエーテル溶液を作製する。前記グリコールエーテル類であるエチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノプロピルエーテル、エチレングリコールモノイソプロピルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、及びエチレングリコールモノイソブチルエーテルは、攪拌することにより、硝酸インジウム、及び硝酸マグネシウムをそれぞれ1mol/L以上の濃度まで室温で溶解可能である。溶解の際には、加熱することにより溶解時間を短縮することができる。
そして、それぞれ作製した前記硝酸塩ジオール溶液と前記硝酸塩グリコールエーテル溶液を所望の混合割合で混合する。
本発明と異なる他の金属酸化物薄膜形成用塗布液の態様として、例えば、少なくとも、無機インジウム化合物と、無機マグネシウム化合物及び無機亜鉛化合物の少なくともいずれかと、ジオール類とを含有し、更に必要に応じて、その他の成分を含有し、かつ前記式(1)を満たす酸化物半導体薄膜形成用塗布液が挙げられる。
この酸化物半導体薄膜形成用塗布液において、無機インジウム化合物、無機マグネシウム化合物、無機亜鉛化合物、及びジオール類は、それぞれ前記無機インジウム化合物、前記無機マグネシウム化合物、前記無機亜鉛化合物、及び前記ジオール類と同様である。好ましい態様、含有量も同様である。
前記その他の成分としては、例えば、前記無機アルミニウム化合物、前記無機ガリウム化合物などが挙げられる。
本発明の金属酸化物薄膜は、本発明の前記金属酸化物薄膜形成用塗布液を被塗物に塗布し、乾燥させた後に焼成を行って得られる。
前記金属酸化物薄膜としては、例えば、酸化物半導体薄膜などが挙げられる。
前記金属酸化物薄膜形成用塗布液として、前記式(1)を満たす金属酸化物薄膜形成用塗布液(酸化物半導体薄膜形成用塗布液)を用いた場合には、電界効果型トランジスタの活性層に適した酸化物半導体薄膜が得られる。
また、前記金属酸化物薄膜を酸化物半導体薄膜として電界効果型トランジスタの活性層に用いる場合には、前記被塗物としては、例えば、基材、ゲート絶縁層などが挙げられる。前記基材の形状、構造、及び大きさとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。前記基材の材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ガラス基材、プラスチック基材などが挙げられる。
前記焼成の雰囲気としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、酸素中や空気中など酸素を含む雰囲気が挙げられる。また、焼成の雰囲気を窒素ガスなどの不活性ガスにすることにより、形成される金属酸化物薄膜(例えば、酸化物半導体薄膜など)膜中の酸素量を減らし、低抵抗な金属酸化物薄膜(例えば、酸化物半導体薄膜など)を得ることができる。
焼成後、更に空気中、不活性ガス、又は還元ガス雰囲気中でアニール処理することにより、金属酸化物膜薄膜(例えば、酸化物半導体膜薄膜など)の電気特性、信頼性、均一性を一層向上することができる。
前記焼成の時間としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
本発明の電界効果型トランジスタは、ゲート電極と、ソース電極と、ドレイン電極と、活性層と、ゲート絶縁層とを少なくとも有し、更に必要に応じて、その他の部材を有する。
前記ゲート電極は、ゲート電圧を印加するための電極であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記ゲート電極の材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、白金、パラジウム、金、銀、銅、亜鉛、アルミニウム、ニッケル、クロム、タンタル、モリブデン、チタン等の金属、これらの合金、これら金属の混合物などが挙げられる。また、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化ガリウム、酸化ニオブ等の導電性酸化物、これらの複合化合物、これらの混合物などが挙げられる。
前記ゲート電極の平均厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、40nm〜2μmが好ましく、70nm〜1μmがより好ましい。
前記ゲート絶縁層としては、前記ゲート電極と前記活性層との間に形成された絶縁層であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記ゲート絶縁層の材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、無機絶縁材料、有機絶縁材料などが挙げられる。
前記無機絶縁材料としては、例えば、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化チタン、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、これらの混合物などが挙げられる。
前記有機絶縁材料としては、例えば、ポリイミド、ポリアミド、ポリアクリレート、ポリビニルアルコール、ノボラック樹脂などが挙げられる。
前記ゲート絶縁層の平均厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、50nm〜3μmが好ましく、100nm〜1μmがより好ましい。
前記ソース電極、及び前記ドレイン電極としては、電流を取り出すための電極であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記ソース電極、及び前記ドレイン電極の材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記ゲート電極の説明において記載した材質と同じ材質が挙げられる。
前記ソース電極、及び前記ドレイン電極の平均厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、40nm〜2μmが好ましく、70nm〜1μmがより好ましい。
前記活性層は、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に形成された酸化物半導体からなる活性層であり、本発明の前記金属酸化物薄膜形成用塗布液を塗布して形成される酸化物半導体からなる。
前記活性層の平均厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、1nm〜200μmが好ましく、5nm〜100μmがより好ましい。
なお、図1〜図4中、1は基材、2はゲート電極、3はゲート絶縁層、4はソース電極、5はドレイン電極、6は活性層をそれぞれ表す。
本発明と異なる他の電界効果型トランジスタの態様として、本発明の前記電界効果型トランジスタにおいて、本発明の前記金属酸化物薄膜形成用塗布液を前記他の金属酸化物薄膜形成用塗布液に代えた電界効果型トランジスタが挙げられる。
本発明の電界効果型トランジスタの製造方法(第1の製造方法)は、
基材上にゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、
前記ゲート電極上にゲート絶縁層を形成するゲート絶縁層形成工程と、
前記ゲート絶縁層上にソース電極及びドレイン電極を離間して形成するソース電極及びドレイン電極形成工程と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間のチャネル領域であって前記ゲート絶縁層上に、酸化物半導体からなる活性層を形成する活性層形成工程とを含む。
基材上にソース電極及びドレイン電極を離間して形成するソース電極及びドレイン電極形成工程と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間のチャネル領域であって前記基材上に、酸化物半導体からなる活性層を形成する活性層形成工程と、
前記活性層上にゲート絶縁層を形成するゲート絶縁層形成工程と、
前記ゲート絶縁層上にゲート電極を形成するゲート電極形成工程とを含む。
前記第1の製造方法について説明する。
前記基材の形状、構造、及び大きさとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記基材の材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ガラス基材、プラスチック基材などが挙げられる。
前記ガラス基材としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、無アルカリガラス、シリカガラスなどが挙げられる。
前記プラスチック基材としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ポリカーボネート(PC)、ポリイミド(PI)、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)などが挙げられる。
なお、前記基材としては、表面の清浄化及び密着性向上の点で、酸素プラズマ、UVオゾン、UV照射洗浄などの前処理が行われることが好ましい。
前記ゲート電極形成工程としては、前記基材上にゲート電極を形成する工程であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、(i)スパッタ法、ディップコーティング法等による成膜後、フォトリソグラフィーによってパターニングする工程、(ii)インクジェット、ナノインプリント、グラビア等の印刷プロセスによって、所望の形状を直接成膜する工程などが挙げられる。
前記ゲート絶縁層形成工程としては、前記ゲート電極上にゲート絶縁層を形成する工程であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、(i)スパッタ法、ディップコーティング法等による成膜後、フォトリソグラフィーによってパターニングする工程、(ii)インクジェット、ナノインプリント、グラビア等の印刷プロセスによって、所望の形状を直接成膜する工程などが挙げられる。
前記ソース電極及びドレイン電極形成工程としては、前記ゲート絶縁層上にソース電極及びドレイン電極を離間して形成する工程であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、(i)スパッタ法、ディップコーティング法等による成膜後、フォトリソグラフィーによってパターニングする工程、(ii)インクジェット、ナノインプリント、グラビア等の印刷プロセスによって、所望の形状を直接成膜する工程などが挙げられる。
前記活性層形成工程としては、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間のチャネル領域であって前記ゲート絶縁層上に、本発明の前記金属酸化物薄膜形成用塗布液を塗布して酸化物半導体からなる活性層を形成する工程であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記塗布の方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、スクリーン印刷法、ロールコート法、ディップコート法、スピンコート法、インクジェット法、ナノインプリント法などが挙げられる。これらの中でも、電界効果型トランジスタの製造において、設計上のチャネル幅(言い換えれば所望の活性層の形状)が得られる点で、付着させる塗布液の量を制御できるインクジェット法、ナノインプリント法が好ましい。
前記乾燥は、前記金属酸化物薄膜形成用塗布液中の揮発成分を除去できる条件であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。なお、前記乾燥において、揮発成分を完全に除去する必要はなく、焼成を阻害しない程度に揮発成分を除去できればよい。
前記焼成の温度としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、300℃〜600℃が好ましい。
前記第1の製造方法において、前記ソース電極及びドレイン電極形成工程の後に前記活性層形成工程を行うと、ボトムゲート/ボトムコンタクト型の電界効果型トランジスタを製造することができる。
前記第1の製造方法において、前記活性層形成工程の後に前記ソース電極及びドレイン電極形成工程を行うと、ボトムゲート/トップコンタクト型の電界効果型トランジスタを製造することができる。
初めに、ガラス基板等からなる基材1上に、スパッタ法等によりアルミニウム等からなる導電体膜を形成し、形成した導電体膜をエッチングによりパターニングすることによりゲート電極2を形成する(図5A)。
次いで、前記ゲート電極2を覆うように前記ゲート電極2及び前記基材1上にスパッタ法等によりSiO2等からなるゲート絶縁層3を形成する(図5B)。
次いで、前記ゲート絶縁層3上にスパッタ法等によりITO等からなる導電体膜を形成し、形成した導電体膜をエッチングによりパターニングすることによりソース電極4及びドレイン電極5を形成する(図5C)。
次いで、前記ソース電極4及び前記ドレイン電極5の間に形成されるチャネル領域を覆うように、前記ゲート絶縁層3上にインクジェット法などにより前記金属酸化物薄膜形成用塗布液を塗布し、熱処理を行い酸化物半導体からなる活性層6を形成する(図5D)。
以上により、電界効果型トランジスタが製造される。
前記第2の製造方法について説明する。
前記基材としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記第1の製造方法において例示した基材と同じ基材が挙げられる。
前記ソース電極及びドレイン電極形成工程としては、前記基材上にソース電極及びドレイン電極を離間して形成する工程であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、前記第1の製造方法の前記ソース電極及びドレイン電極形成工程において例示した工程と同様の工程が挙げられる。
前記活性層形成工程としては、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間のチャネル領域であって前記基材上に、本発明の前記金属酸化物薄膜形成用塗布液を塗布して酸化物半導体からなる活性層を形成する工程であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記金属酸化物薄膜形成用塗布液を塗布して酸化物半導体を形成する方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記第1の製造方法の前記活性層形成工程において例示した方法と同様の方法が挙げられる。
前記ゲート絶縁層形成工程としては、前記活性層上にゲート絶縁層を形成する工程であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記第1の製造方法の前記ゲート絶縁層形成工程において例示した工程と同様の工程が挙げられる。
前記ゲート電極形成工程としては、前記ゲート絶縁層上にゲート電極を形成する工程であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記第1の製造方法の前記ゲート電極形成工程において例示した工程と同様の工程が挙げられる。
前記第2の製造方法において、前記ソース電極及びドレイン電極形成工程の後に前記活性層形成工程を行うと、トップゲート/ボトムコンタクト型の電界効果型トランジスタを製造することができる。
前記第2の製造方法において、前記活性層形成工程の後に前記ソース電極及びドレイン電極形成工程を行うと、トップゲート/トップコンタクト型の電界効果型トランジスタを製造することができる。
本発明と異なる他の電界効果型トランジスタの製造方法の態様として、本発明の前記電界効果型トランジスタの製造方法において、本発明の前記金属酸化物薄膜形成用塗布液を前記他の金属酸化物薄膜形成用塗布液に代えた電界効果型トランジスタの製造方法が挙げられる。
<金属酸化物薄膜形成用塗布液の作製>
ビーカーに、3.55gの硝酸インジウム(In(NO3)3・3H2O)と1.28gの硝酸マグネシウム(Mg(NO3)2・6H2O)を秤量し、エチレングリコールモノメチルエーテル80mLを加え室温で混合、溶解させ金属酸化物薄膜形成用塗布液を作製した。
得られた金属酸化物薄膜形成用塗布液中の〔B/(A+B)〕(Aはインジウムイオン数を表し、Bはマグネシウムイオン数と亜鉛イオン数の和を表す。)、グリコールエーテル類の含有量(質量%)、ジオール類及びグリコールエーテル類1Lに対する金属塩の割合、並びに、インジウムイオン数(A)とアルミニウムイオン数及びガリウムイオン数の和(C)との比((C)/(A)(%))を表2に示す。
−ゲート電極の形成−
ガラス基板上に、DCスパッタリングによりモリブデン膜を厚みが約100nmとなるよう成膜した。この後、フォトレジストを塗布し、プリベーク、露光装置による露光、現像により、形成されるゲート電極のパターンと同様のレジストパターンを形成し、更に、燐酸−硝酸−酢酸からなるエッチング液によりエッチングを行い、レジストパターンの形成されていない領域のモリブデン膜を除去した。この後、レジストパターンも除去することにより、ゲート電極を形成した。
形成した前記ゲート電極及び前記ガラス基板上に、RFスパッタリングによりSiO2膜を厚みが約300nmとなるよう成膜した。この後、フォトレジストを塗布し、プリベーク、露光装置による露光、現像により、形成されるゲート絶縁層のパターンと同様のレジストパターンを形成し、更に、バッファードフッ酸を用いたエッチングにより、レジストパターンの形成されていない領域のSiO2膜を除去し、この後、レジストパターンも除去することによりゲート絶縁層を形成した。
形成した前記ゲート絶縁層上にDCスパッタリングにより透明導電膜であるITO膜(In2O3−SnO2(5質量%))を厚みが約100nmとなるように成膜し、この後、ITO膜上に、フォトレジストを塗布し、プリベーク、露光装置による露光、現像により、形成されるソース電極及びドレイン電極のパターンと同様のレジストパターンを形成し、更に、シュウ酸系エッチング液を用いたエッチングにより、レジストパターンの形成されていない領域のITO膜を除去した。この後、レジストパターンも除去することにより、ITO膜からなるソース電極及びドレイン電極を形成した。このとき、ソース電極幅で規定されるチャネル幅は50μm、ソース−ドレイン電極間で規定されるチャネル長は10μmとした。
形成した前記ソース電極及び前記ドレイン電極の間のチャネルに前記金属酸化物薄膜形成用塗布液をインクジェット装置で塗布した。
その基板を120℃に加熱したホットプレート上で10分間乾燥させた後大気雰囲気中500℃で1時間焼成し、さらに大気雰囲気中で300℃3時間アニールし、活性層を得た。得られた活性層のチャネル部の厚みは約20nmであった。
以上により、電界効果型トランジスタを作製した。
−チャネル形成状態(塗布性)−
電界効果型トランジスタの作製において、インクジェット装置で金属酸化物薄膜形成用塗布液を塗布した際の塗布液の広がりを光学顕微鏡で観察し、チャネル形成状態を下記評価基準により評価した。結果を表3に示す。
○:活性層がソース電極とドレイン電極間に広がっておりゲート電極上からはみ出していない(図6参照)。
×:活性層がソース電極とドレイン電極間以外に広がっておりゲート電極上からはみ出している(図7参照)。
得られた電界効果型トランジスタについて、アジレントテクノロジー社製の半導体パラメータ・アナライザ4156Cを用いて0V〜±20Vの電圧をソース・ドレイン間に印加したときの電流を2端子法で測定し、活性層の体積抵抗率を測定した。結果を表3に示す。
実施例1にて作製した電界効果型トランジスタについて、半導体パラメータ・アナライザ装置(アジレントテクノロジー社製、半導体パラメータ・アナライザ4156C)を用いてソース・ドレイン電圧Vdsを20Vとした時のゲート電圧Vgsとソース・ドレイン間電流Idsとの関係を求めた。結果を図8のグラフに示す。図8から良好なトランジスタ特性が得られていることが確認できる。
キャリア移動度は、飽和領域において算出した。また、on/off比を求めた。なお、on/off比において、on値は、30VにおけるIds値である。結果を表3に示す。
<金属酸化物薄膜形成用塗布液の作製>
実施例1において、金属酸化物薄膜形成用塗布液の配合を表1に記載の配合に変えた以外は、実施例1と同様にして、実施例2〜35、及び参考例1の金属酸化物薄膜形成用塗布液を作製した。
得られた金属酸化物薄膜形成用塗布液中の〔B/(A+B)〕、グリコールエーテル類の含有量(質量%)、ジオール類及びグリコールエーテル類1Lに対する金属塩の割合、並びに、インジウムイオン数(A)とアルミニウムイオン数及びガリウムイオン数の和(C)との比((C)/(A)(%))を表2に示す。
実施例2〜23、及び28〜35で得られた金属酸化物薄膜形成用塗布液を用い、実施例1と同様にして、電界効果型トランジスタを作製するとともに、実施例1と同様の評価を行った。結果を表3に示す。
実施例1〜27で作製した金属酸化物薄膜形成用塗布液のインジウムイオン数(A)と、マグネシウムイオン数と亜鉛イオン数の和(B)との比〔B/(A+B)〕に対する体積抵抗率の値を図9に示す。図9から、金属酸化物薄膜形成用塗布液のB/(A+B)を制御することによって焼成後の酸化物半導体薄膜の体積抵抗率を広い範囲で制御できることが確認できる。
<金属酸化物薄膜形成用塗布液の作製>
特開2009−177149号公報に記載の溶剤組成について評価するため、硝酸インジウム3.55g、及び硝酸マグネシウム1.26gを、水40mL、及びエタノール40mLに加え室温で混合、溶解させ、金属酸化物薄膜形成用塗布液を作製した。
得られた金属酸化物薄膜形成用塗布液を用い、実施例1と同様にして、電界効果型トランジスタを作製したところ、金属酸化物薄膜形成用塗布液の塗布性が悪く、チャネル形成状態が不十分であり、電界効果型トランジスタの評価ができなかった。
<薄膜形成用塗布液の作製>
特開平6−96619号公報に記載の薄膜形成用塗布液について評価するため、硝酸インジウム3.55g、及び硝酸マグネシウム0.26gを、アセチルアセトン4.0mL、及びグリセリン0.63mLに加え室温で混合、溶解させ、薄膜形成用塗布液を作製した。
得られた薄膜形成用塗布液を用い、実施例1と同様にして、電界効果型トランジスタを作製しようとしたところ、溶媒の乾燥が速すぎるため、インクジェット装置のノズルにつまりが生じて、インクジェット装置から薄膜形成用塗布液を吐出することができなかった。そのため、電界効果型トランジスタの作製及び評価ができなかった。
表1中、(*1)は、水40mL、及びエタノール40mLを示す。(*2)は、アセチルアセトン4.0mL、及びグリセリン0.63mLを示す。
また、実施例25及び27の金属酸化物薄膜形成用塗布液は、塗布性に優れ、かつ形成された金属酸化物薄膜は、下記表4に示すとおり、比較的高体積抵抗率であり、帯電防止薄膜などに適した金属酸化物薄膜であった。
グリコールエーテル類とジオール類の混合割合を変化させて、金属酸化物薄膜形成用塗布液の粘度を制御した。
具体的には、エチレングリコールモノメチルエーテル(粘度約1.6cp)と、1,2−プロパンジオール(粘度約40cp)と、硝酸インジウム(In(NO3)3・3H2O)と、硝酸マグネシウム(Mg(NO3)2・6H2O)とを用いて金属酸化物薄膜形成用塗布液を作製した。作製する際に、金属酸化物薄膜形成用塗布液における硝酸インジウムと硝酸マグネシウムとの混合割合を、Inイオン数とMgイオン数の比が2:1になるように調整し、かつInイオン濃度が、それぞれ、0mol/L、0.25mol/L、0.5mol/L、1mol/L、1.5mol/Lとなるようにした。そして、エチレングリコールモノメチルエーテルXmLと1,2−プロパンジオールYmLの混合割合を種々変化させた。結果を図10に示す。様々なInイオン濃度において、グリコールエーテル類とジオール類の混合割合を変化させることにより、塗布液(金属酸化物薄膜形成用塗布液)の粘度を調整可能であることが確認できた。
2 ゲート電極
3 ゲート絶縁層
4 ソース電極
5 ドレイン電極
6 活性層
Claims (11)
- 無機インジウム化合物と、無機マグネシウム化合物及び無機亜鉛化合物の少なくともいずれかと、グリコールエーテル類とを含有することを特徴とする金属酸化物薄膜形成用塗布液。
- 無機インジウム化合物が、硝酸インジウム、硫酸インジウム及び塩化インジウムの少なくともいずれかであり、無機マグネシウム化合物が、硝酸マグネシウム、硫酸マグネシウム及び塩化マグネシウムの少なくともいずれかであり、無機亜鉛化合物が、硝酸亜鉛、硫酸亜鉛及び塩化亜鉛の少なくともいずれかである請求項1に記載の金属酸化物薄膜形成用塗布液。
- インジウムイオン数(A)と、マグネシウムイオン数と亜鉛イオン数の和(B)とが、下記式(1)を満たす請求項1から2のいずれかに記載の金属酸化物薄膜形成用塗布液。
0.25≦〔B/(A+B)〕≦0.65 式(1) - 更に、ジオール類を含有する請求項1から3のいずれかに記載の金属酸化物薄膜形成用塗布液。
- 更に、無機アルミニウム化合物及び無機ガリウム化合物の少なくともいずれかを含有する請求項1から4のいずれかに記載の金属酸化物薄膜形成用塗布液。
- 請求項1から5のいずれかに記載の金属酸化物薄膜形成用塗布液を被塗物に塗布し、乾燥させた後に焼成を行って得られることを特徴とする金属酸化物薄膜。
- ゲート電圧を印加するためのゲート電極と、
電流を取り出すためのソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に形成された酸化物半導体からなる活性層と、
前記ゲート電極と前記活性層との間に形成されたゲート絶縁層とを有し、
前記酸化物半導体が、請求項1から5のいずれかに記載の金属酸化物薄膜形成用塗布液を塗布して形成される酸化物半導体であることを特徴とする電界効果型トランジスタ。 - 基材上にゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、
前記ゲート電極上にゲート絶縁層を形成するゲート絶縁層形成工程と、
前記ゲート絶縁層上にソース電極及びドレイン電極を離間して形成するソース電極及びドレイン電極形成工程と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間のチャネル領域であって前記ゲート絶縁層上に、酸化物半導体からなる活性層を形成する活性層形成工程とを含み、
前記活性層形成工程が、前記ゲート絶縁層上に請求項1から5のいずれかに記載の金属酸化物薄膜形成用塗布液を塗布して前記酸化物半導体からなる前記活性層を形成する工程であることを特徴とする電界効果型トランジスタの製造方法。 - 基材上にソース電極及びドレイン電極を離間して形成するソース電極及びドレイン電極形成工程と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間のチャネル領域であって前記基材上に、酸化物半導体からなる活性層を形成する活性層形成工程と、
前記活性層上にゲート絶縁層を形成するゲート絶縁層形成工程と、
前記ゲート絶縁層上にゲート電極を形成するゲート電極形成工程とを含み、
前記活性層形成工程が、前記基材上に請求項1から5のいずれかに記載の金属酸化物薄膜形成用塗布液を塗布して前記酸化物半導体からなる前記活性層を形成する工程であることを特徴とする電界効果型トランジスタの製造方法。 - 金属酸化物薄膜形成用塗布液中のインジウムイオン数(A)と、マグネシウムイオン数と亜鉛イオン数の和(B)との比〔B/(A+B)〕を調整することにより、酸化物半導体の体積抵抗率、キャリア移動度、及びキャリア密度の少なくともいずれかを制御する請求項8から9のいずれかに記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
- 金属酸化物薄膜形成用塗布液が、ジオール類を含有し、前記金属酸化物薄膜形成用塗布液中のグリコールエーテル類とジオール類との混合比を調整することにより、前記金属酸化物薄膜形成用塗布液の粘度を制御する請求項8から10のいずれかに記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
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