JP2017152540A - 塗布型酸化物半導体、薄膜トランジスタ、表示装置および塗布型酸化物半導体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板1上に、少なくとも、ゲート電極2、ゲート絶縁膜3、塗布型酸化物半導体層4、およびソース・ドレイン電極6をこの順に積層した構成とされ、半導体層4は、その前駆体溶液をベース上に塗布、乾燥してなる酸化物半導体層であって、その前駆体溶液が、少なくとも亜鉛およびスズから構成される金属成分を有しており、亜鉛1モルに対するスズの含有量が、0.5モル以上2モル以下の組成とされている。
【選択図】図1
Description
物半導体、その塗布型酸化物半導体を備えた薄膜トランジスタ(TFT:ThinFilm Transistor)、その薄膜トランジスタを備えた表示装置、および上記塗布型酸化物半導体の製造方法に関し、特に、移動度が大きく製造が容易な塗布型酸化物半導体をチャネルに用いるように構成した薄膜トランジスタに関する。
特に、In-Ga-Znを金属種とするIGZO系の酸化物半導体においては、通常、5〜10cm2/Vs
以上の移動度を示すことが知られている。
しかし、酸化物半導体TFTの製造に真空製膜法を用いた場合、大がかりな真空装置が必
要であるため、生産効率の低下、製造コストの上昇および環境負荷の増大といった問題が生じており、さらに100インチ以上の超大型ディスプレイの実現を考えると、真空チャン
バー内では製造サイズに限界があり、新しい成膜技術によって形成される酸化物半導体TFTの開発が急務である。
すなわち、真空を必要とせず大気圧下で簡便に製膜される酸化物半導体であることが必要とされる。
塗布型酸化物半導体は、金属酸化物の前駆体溶液を塗布して酸化させることにより形成される。例えば、有機金属塩を用い熱酸化等により形成されたものが知られている(特許文献1を参照)。また、金属アルコキシド(M-OR)を前駆体として用い、例えば400度以上の高温処理によって酸化処理を行なうことで形成される酸化物半導体も知られている。
なお、酸化物半導体を形成する材料としては種々の報告がなされており、例えば、In-ZnをベースとするIZO系、In-Sn-Ga-Znを金属種とするもの、およびIn-W-Ga-Znを金属種と
するもの等の報告がなされている。さらにインジウムやガリウム等の環境負荷が大きい材料を使用しないレアメタルフリーの酸化物半導体材料(ZnO系やZTO系)の研究も進められている。
そして、それを防止するために、従来技術においてはバックチャネル側を保護するためのエッチングストッパー層を設けなければならなかった。
所定の前駆体溶液をベース上に塗布、乾燥してなる酸化物半導体層において、
前記前駆体溶液が、少なくとも亜鉛およびスズから構成される金属成分を有しており、
亜鉛1モルに対するスズの含有量が、0.5モル以上2モル以下の組成とされていることを特徴とするものである。
基板上に、少なくとも、ゲート電極、ゲート絶縁膜、塗布型酸化物半導体層、およびソース・ドレイン電極をこの順に積層された構成とされ、
前記酸化物半導体層は、当該酸化物半導体層の前駆体溶液が、少なくとも亜鉛およびスズから構成される金属成分を有しており、
亜鉛1モルに対するスズの含有量が、0.5モル以上2モル以下の組成とされていることを特徴とするものである。
酸化物半導体の前駆体溶液を、亜鉛1モルに対するスズの含有量が、0.5モル以上2モル以下の組成とされるように、少なくとも亜鉛およびスズを溶媒内に混入し、攪拌して作成し、
この後、この前駆体溶液を、ベース上に塗布し、乾燥することを特徴とするものである。
なお、本件の特許請求の範囲において、「ベース」という技術用語を用いているが、この「ベース」とは、いわゆる「基板」のみならず、フィルム状やその他の形状態様の、前駆体溶液を塗布し得る被塗布体全体を指称するものとする。
エッチングストッパー層を積層する必要がないため、エッチングストッパー層を作製する際のマスク工程を削減でき、製造コストの削減や生産性の向上を図ることができる。
また、酸化物半導体層の前駆体溶液が、少なくとも亜鉛およびスズから構成される金属成分を有しており、亜鉛1モルに対するスズの含有量が、0.5モル以上2モル以下の組成とされている。このような構成とされたことにより、酸化物半導体としての伝達特性を阻害することなく、エッチング時の耐性と、優れた半導体特性を実現することができ、バランスが十分にとれた効果を奏することができる。
また、本発明の塗布型酸化物半導体の製造方法によれば、塗布型酸化物半導体層の上方に位置する層、例えばソース・ドレイン電極等のエッチング処理を行うときに、このエッチング薬液によって酸化物半導体がダメージを受けることがなく、半導体特性を良好なものとし得る、塗布型酸化物半導体の製造方法を得ることができる。
その製造方法を図面を用いて説明する。
ト電極2、ゲート絶縁膜3、塗布型酸化物半導体からなる半導体層4、ソース・ドレイン電極6を積層してなる。なお、図示されてはいないが、ソース・ドレイン電極6の上に保護層を設けてもよい。
さらに、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。
このとき前駆体溶液としては、金属原子含有化合物が挙げられ、金属原子含有化合物には、金属原子を含む、金属塩、ハロゲン化金属化合物、有機金属化合物等を挙げることができる。金属塩、ハロゲン金属化合物、有機金属化合物の金属元素としては、少なくともZnおよびSnを含むことが必要であるが、その他にLi、Be、B、Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ga、Ge、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Cd、In、Ir、Sb、Cs、Ba、La、Hf、Ta、W、Tl、Pb、Bi、Ce、Pr、Nd、Pm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu等を含むことができる。
前駆体溶液の調整は、金属塩濃度を溶液の濃度が0.1mol/Lから1mol/Lとなるように秤量して、溶液中にて撹拌して溶解することで得られる。
また、前駆体溶液は、亜鉛1モルに対するスズの含有量が、0.5モル以上2モル以下の組成とされるように調整されている。すなわち、上記半導体層においても、亜鉛1モルに対するスズの含有量が、0.5モル以上2モル以下の組成とされている。
亜鉛1モルに対するスズの含有量が0.5モル以下である場合、亜鉛により構成される酸
化物となり、スズを添加した時に得られるソース・ドレイン電極等のウェットエッチングに対してのエッチング耐性は得られず、パターニングを行う際に半導体表面がエッチング溶液による溶解等によりダメージを受ける。またスズの含有量が2モル以上となった場合
、望ましい半導体の伝達特性が得られないだけでなく、シュウ酸等の酸化物半導体用ウェットエッチング液の有機酸に対して難溶となり酸化物半導体をエッチングすることができない。この場合には、高価な真空装置や高周波発生装置を用いたドライエッチングによる加工が必要となるため、比較的安価な手法であるウェットエッチングを適用することが困難となり、塗布型半導体の簡便に製膜されるメリットを損なうこととなる。以上により、亜鉛1モルに対するスズの含有量が、0.5モル以上2モル以下の組成とされている。より望ましくは亜鉛1モルに対するスズの含有量が等量である1モルとすることができる。亜鉛およびスズに関する含有量に関しては、上記に記載したが、その他混合させる金属成分に関しては、上記前駆体溶液中に含まれる全金属元素含有量に対する、亜鉛およびスズの含有量が、90%以上の組成とされていることが好ましい。このような比率にすることにより、主成分が亜鉛とスズにより構成される酸化物半導体となり、前駆体溶液に含まれうる、亜鉛とスズ以外の金属成分として上記に記載したものが金属成分全体の10%以下で混合
されたとしても、亜鉛とスズが略100%の場合と同様の効果が得られる。
これにより、エッチングによる半導体層4への影響を極めて小さい状態とすることができる。
インジウム−ガリウム−亜鉛酸化物(IGZO)等の金属酸化物を構成できるものであればよい。
また、半導体層4の厚みは、溶液濃度によって、また、溶液を塗布する回数によっても調整することができる。
なお、この厚みとしては1nmから100nmとすることが好ましい。より好ましくは20nm以上40nm以下とすることができる。
上記塗布する手法は、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、ダイコート法等の塗布による方法、印刷やインクジェット等のパターニングによる手法等を用いることができる。
めの焼成処理を行う。この焼成処理は150〜600℃で0.5〜6時間行い半導体層4を形成する。
なお、それぞれの焼成処理の工程は大気中だけでなく、酸素または窒素、あるいはアルゴン等の不活性ガス中においても行うことができる。
このソース・ドレイン電極6は、Al、Ag、Cr、Mo、Ti等の金属材料やこれらの合金を用いて形成することができる。二層以上を積層することによりコンタクト抵抗を低減させることができ、また密着性を向上させることができるので好ましい。形成方法としては、例えばマグネトロンスパッタ法によって金属薄膜を製膜することができる。フォトリソグラフィー法(紫外線露光による微細加工技術)等を用いて、必要な大きさ、形状に、パターニングを行う。
ニングする際の、半導体層4へのダメージを0に近づけることが可能であるが、この場合にも、従来技術に比べて、エッチングストッパー層の厚みを薄く形成することができる。
酸:酢酸=70:20:10(質量比)である。
まず、塗布型酸化物半導体をTFT素子のチャネル層として用いることを前提として説明する。すなわち、この場合には、塗布型酸化物半導体を製造する前に、基板1上にゲート電極2およびゲート絶縁膜3を図1に示すように積層形成しておく。
用いる。勿論、有機材料を用いて成膜することもできる。
すなわち、図2に示すように、まず半導体の前駆体溶液を調整する、塗布型半導体溶液調整工程(S1)を行う。
このとき前駆体溶液は、金属酸化物を含む化合物を混入してなる。半導体化する場合における金属元素は少なくとも亜鉛およびスズを含み、亜鉛1モルに対するスズの含有量が、0.5モル以上2モル以下の組成となるように調整される。
次に、これらの金属塩を溶媒に溶解させ、前駆体溶液を作成する。溶解させる溶媒としては、前述した、水や、エタノール、プロパノール、エチレングリコール等を用いることができる。
この後、金属塩濃度を溶液の濃度が0.1mol/Lから1mol/Lとなるように秤量し、溶液中にて撹拌し溶解することにより得られる。
半導体層4の塗布厚みは、溶液濃度および塗布する回数によって、例えば1nmから100nmの所定の厚さに調整する。
塗布する方法は、前述したように、スプレーコート法やスピンコート法等の塗布方法、さらには印刷やインクジェット等のパターニングによる塗布方法等を用いることができる。
S2)。
理を施す焼成工程を行う(S3)。
本実施例においては、厚みが200nmの熱酸化膜が付された低抵抗シリコンウエハを用い
て4つのTFTサンプル(実施例サンプル1〜3、比較例サンプル4)を作製した。
に溶解させ、下記表1に示すような、各サンプル1〜4に係る塗布型半導体前駆体溶液を作成した。このとき各サンプルの濃度は全て0.3mol/Lとした。
なお、亜鉛1モルに対するスズの含有量を、実施例サンプル1では0.5モルとし、実施
例サンプル2では1.5モルとし、実施例サンプル3では2.0モルとし、さらに比較例サンプル4では5.0モルとした。
体溶液を作製した。
続いて、得られた前駆体溶液をスピンコート法によりシリコンウエハ上に塗布し、この塗布されたシリコンウエハを、150℃に設定したホットプレート上に載置して10分間乾燥
させた。その後、オーブン中を400℃の大気雰囲気に維持した状態とし、1時間に亘って
焼成処理を行うことにより半導体層4を形成した。このときの膜厚は各サンプルとも20nmであった。
この後、PANエッチャントに対するエッチング耐性評価のため、各サンプルを1分間に
亘り PANエッチャントに浸漬させた。その後、純水にて洗浄したのち、ブローをして表面の水分を飛ばし、300℃の大気雰囲気にて1時間に亘りポストアニール処理を行った。
続いて、メタルマスクによりマスキングを行った状態で、モリブデンを用いてDCスパッタリングを行うことによりソース・ドレイン電極を形成し、各サンプルのTFTを作成した
。
上述したようにして得られた実施例に係る各サンプルの半導体特性について評価を行った。この実施例サンプル1〜3および比較例サンプル4の評価結果を図3に示す。
塗布型酸化物半導体に係る金属酸化物の金属元素が亜鉛およびスズから構成され、亜鉛1モルに対するスズの含有量が、0.5モル以上2モル以下の組成を有する実施例サンプルの
ものでは、エッチング溶液による半導体層へのダメージが少なく、図3に示すように、移動度が、いずれも3cm2/Vs以上と良好な半導体特性を示した。
プルのものでは、エッチング溶液による半導体層へのダメージが大きく、図3に示すように、移動度が0に近い値を示した。
よって、本実施例の塗布型酸化物半導体および薄膜トランジスタを用いることで、エッチングストッパー層を形成せずとも、エッチング溶液による半導体層へのダメージを小さいものとすることができる。
例えば、上記塗布型酸化物半導体層としては、金属酸化物を構成するための金属元素としては、ZnおよびSnのみからなるものばかりではなく、これらZnやSnとともに、他の金属元素を構成要素とする金属酸化物を含むようにしてもよい。
層等にも好適に用いることができる。
なお、本発明の実施形態においては、半導体層は塗布型とされており、それ以外の各層は必ずしも塗布型とはされていないが、全ての層を塗布型とするようにしてもよく、この場合には、真空中で処理を行うためのシステムを全て不要とすることができる。
2、102 ゲート電極
3、103 ゲート絶縁膜
4、104 半導体層(塗布型酸化物半導体層)
5 エッチングストッパー層
6、106 ソース・ドレイン電極
Claims (4)
- 所定の酸化物半導体溶液をベース上に塗布、乾燥してなる酸化物半導体層において、
前記前駆体溶液が、少なくとも亜鉛およびスズから構成される金属成分を有しており、
亜鉛1モルに対するスズの含有量が、0.5モル以上2モル以下の組成とされていることを特徴とする塗布型酸化物半導体。 - 基板上に、少なくとも、ゲート電極、ゲート絶縁膜、塗布型酸化物半導体層、およびソース・ドレイン電極をこの順に積層された構成とされ、
前記酸化物半導体層は、当該酸化物半導体層の前駆体溶液が、少なくとも亜鉛およびスズから構成される金属成分を有しており、
亜鉛1モルに対するスズの含有量が、0.5モル以上2モル以下の組成とされていることを特徴とする塗布型酸化物半導体。 - 請求項2記載の塗布型酸化物半導体によって表示駆動部が構成されていることを特徴とする表示装置。
- 酸化物半導体の前駆体溶液を、亜鉛1モルに対するスズの含有量が、0.5モル以上2モル以下の組成とされるように、少なくとも亜鉛およびスズを溶媒内に混入して攪拌して作成し、
この後、この前駆体溶液を、ベース上に塗布し、乾燥することを特徴とする塗布型酸化物半導体の製造方法。
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