JP2023032281A - Manufacturing method of metal oxide film, metal oxide film manufactured using the same, and electronic device - Google Patents

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幹司 宮川
Mikiji Miyakawa
充 中田
Mitsuru Nakada
博史 辻
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Abstract

To provide a manufacturing method of a metal oxide film capable of obtaining high carrier mobility capable of responding to driving of a high-definition display without requiring a vacuum deposition method or a complicated process, the metal oxide film, and an electronic device.SOLUTION: A manufacturing method successively implements: a precursor solution coating step (a) of coating a coated body with a generated precursor solution after implementing a precursor solution generating step of generating the precursor solution of a metal oxide with a mol concentration of 0.01 M to 0.20 M by dissolving inorganic acid salt of indium in an aqueous solvent; a soft annealing step (b) of applying smooth annealing to the precursor solution of the metal oxide on the coated body; a metal oxide film generating step (c) of generating a metal oxide film of which the film thickness ranges from 0.5 nm to 5.0 nm and the film density ranges from 6.0 g/cm to 7.1 g/cm3 by radiating and oxidizing energy beams; and an etching step (d) of patterning the metal oxide film.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、例えば有機EL(Electro-Luminescence)素子((OLED(Organic Light Emitting Diode))やLCD(Liquid Crystal Display)等を駆動するために用いられる薄膜トランジスタを形成するための金属酸化物膜の製造方法、それを用いて製造された金属酸化物膜、およびこの金属酸化物膜を搭載した電子デバイスに関するものである。 The present invention is, for example, the production of metal oxide films for forming thin film transistors used to drive organic EL (Electro-Luminescence) elements (OLED (Organic Light Emitting Diode)) and LCD (Liquid Crystal Display). The present invention relates to a method, a metal oxide film manufactured using the same, and an electronic device equipped with this metal oxide film.

薄膜トランジスタ(以下、TFTとも称する)は、例えば、ディスプレイデバイス向け駆動用トランジスタとして用いられ、各画素における駆動等を行う電子デバイスとして知られている。金属酸化物を半導体材料として用いたTFTは、これまでスパッタリング法や蒸着法等の真空プロセスを用いて製造され、実用化されている。特に材料として、In-Ga-Znを金属種とするIGZO系の金属酸化物TFTにおいては、一般的に5-10 cm2/Vs程度以上の比較的高い移動度を示すことが知られ利用されている。 A thin film transistor (hereinafter also referred to as a TFT) is used, for example, as a driving transistor for a display device, and is known as an electronic device for driving each pixel. TFTs using a metal oxide as a semiconductor material have been manufactured and put into practical use by using a vacuum process such as a sputtering method or a vapor deposition method. In particular, IGZO-based metal oxide TFTs using In-Ga-Zn as the metal species are known to exhibit relatively high mobility of about 5-10 cm 2 /Vs or more, and are used. ing.

しかし、真空製膜法を用いた場合、大がかりな真空装置が必要となり、生産効率の低下や環境に対する負荷の増大という問題があった。また大面積の基板上に均一な薄膜を形成することが困難であるという点も問題であった。
さらには、4Kや8K等の、ディスプレイの高精細化に伴い、ディスプレイの駆動に必要な半導体におけるキャリアの移動度として10cm2/Vs以上の高い値が要求されており、前述した移動度をさらに高める半導体材料の開発が望まれている。
However, when the vacuum film-forming method is used, a large-scale vacuum apparatus is required, resulting in problems such as a decrease in production efficiency and an increase in load on the environment. Another problem is that it is difficult to form a uniform thin film on a large substrate.
Furthermore, with the increasing definition of displays such as 4K and 8K, a high value of 10 cm 2 /Vs or more is required for the carrier mobility in semiconductors necessary for driving displays. It is desired to develop a semiconductor material that enhances the

そのため、真空装置を必要とせず、大気下において簡便に製膜することができ、印刷作成が可能な塗布型製膜手法を用いて金属酸化物半導体の高性能化を達成し得る研究開発がなされるに到っている。 Therefore, research and development has been conducted to achieve high performance of metal oxide semiconductors using a coating-type film forming method that can be easily formed in the atmosphere without requiring a vacuum device and that can be printed. has reached

一般的に、塗布型製膜手法を用いた金属酸化物半導体の製造工程は、基板上に金属酸化物の前駆体溶液を塗布して前駆体薄膜を形成し、その後、この前駆体薄膜を加熱焼成等の酸化処理を施すことにより形成する。 In general, the manufacturing process of a metal oxide semiconductor using a coating-type film forming method involves coating a metal oxide precursor solution on a substrate to form a precursor thin film, and then heating the precursor thin film. It is formed by performing an oxidation treatment such as firing.

ところで、酸化物半導体における膜の緻密さは、膜密度として解析が可能であり、緻密な膜であれば移動度等の電気的特性においても良好であることが報告されている(下記非特許文献1、2参照)。 By the way, the denseness of the film in the oxide semiconductor can be analyzed as the film density, and it has been reported that if the film is dense, it has good electrical properties such as mobility (see the following non-patent document 1, 2).

Hong Woo, L. et al. Comprehensive Studies on the Carrier Transporting Property and Photo-Bias Instability of Sputtered Zinc Tin Oxide Thin Film Transistors. IEEE Transactions on Electron Devices 61, 3191-3198, doi:10.1109/ted.2014.2337307 (2014).Hong Woo, L. et al. Comprehensive Studies on the Carrier Transporting Property and Photo-Bias Instability of Sputtered Zinc Tin Oxide Thin Film Transistors. IEEE Transactions on Electron Devices 61, 3191-3198, doi:10.1109/ted.2014.2337307 (2014) . Jeong, J. H. et al. Origin of Subthreshold Swing Improvement in Amorphous Indium Gallium Zinc Oxide Transistors. Electrochemical and Solid-State Letters 11, doi:10.1149/1.2903209 (2008).Jeong, J. H. et al. Origin of Subthreshold Swing Improvement in Amorphous Indium Gallium Zinc Oxide Transistors. Electrochemical and Solid-State Letters 11, doi:10.1149/1.2903209 (2008).

しかしながら、上記の各文献に記載された手法を用いた場合においても、十分に簡略化された膜形成プロセスとなっているとは言い難く、また、高精細なディスプレイの駆動にも対応し得る高いキャリア移動度を実現するには至っていなかった。
特に塗布法では、前駆体溶液を経由して作成されるため金属塩、溶媒、添加剤等に由来する残留不純物等を多数含み、緻密な膜を形成することが難しい。
However, even when the methods described in the above documents are used, it is difficult to say that the film formation process is sufficiently simplified, and the high-performance process that can be used to drive high-definition displays is difficult. However, carrier mobility has not yet been achieved.
Particularly in the coating method, since the film is formed via a precursor solution, it contains many residual impurities derived from metal salts, solvents, additives, etc., making it difficult to form a dense film.

本発明は、真空成膜法や複雑なプロセスを必要とせず、高精細なディスプレイの駆動にも対応し得る高いキャリア移動度を得ることのできる、緻密な金属酸化物膜の製造方法、それを用いて製造された金属酸化物膜および電子デバイスを提供することを目的とするものである。 The present invention provides a method for producing a dense metal oxide film that does not require a vacuum film formation method or a complicated process, and can obtain high carrier mobility that can be used to drive a high-definition display. An object of the present invention is to provide a metal oxide film and an electronic device manufactured using the method.

上記目的を達成するために、本発明の金属酸化物膜の製造方法は、
インジウムを金属成分の主成分とした金属塩からなる無機酸塩を、水溶媒が50%以上の重量を占める溶媒に溶解して、0.01M以上、0.20M以下のモル濃度の水溶性の金属酸化物の前駆体溶液を生成する前駆体溶液生成工程と、
前記前駆体溶液生成工程において生成された前記前駆体溶液を所定の被塗布体上に塗布する前駆体溶液塗布工程と、
前記前駆体溶液塗布工程で所定の被塗布体上に塗布された前記金属酸化物の前駆体溶液の所定領域にエネルギー線を照射し、該所定領域を酸化させて、膜厚が0.5nm以上、5.0nm以下、かつ膜密度が6.0g/cm3以上、7.1g/cm3以下の金属酸化物膜を生成する金属酸化物膜生成工程と、
前記金属酸化物膜生成工程において生成された前記金属酸化物膜をパターニングするエッチング工程と、
を有することを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, the method for producing a metal oxide film of the present invention comprises:
Water-soluble metal oxidation of a molar concentration of 0.01M or more and 0.20M or less by dissolving an inorganic acid salt composed of a metal salt having indium as the main component in a solvent in which the water solvent accounts for 50% or more by weight. a precursor solution generating step of generating a precursor solution of the substance;
a precursor solution applying step of applying the precursor solution generated in the precursor solution generating step onto a predetermined object to be coated;
Energy rays are applied to a predetermined region of the metal oxide precursor solution applied on a predetermined object to be coated in the precursor solution coating step, and the predetermined region is oxidized so that the film thickness is 0.5 nm or more. a metal oxide film forming step of forming a metal oxide film having a thickness of 5.0 nm or less and a film density of 6.0 g/cm 3 or more and 7.1 g/cm 3 or less;
an etching step of patterning the metal oxide film generated in the metal oxide film generating step;
It is characterized by having

前記金属酸化物膜生成工程において生成される金属酸化物膜の膜厚が0.5nm以上、4.7nm以下であることが好ましい。
この場合において、前記金属酸化物膜生成工程において生成される金属酸化物膜の膜密度が6.27g/cm3以上、7.10g/cm3以下であることが好ましい。
It is preferable that the thickness of the metal oxide film formed in the metal oxide film forming step is 0.5 nm or more and 4.7 nm or less.
In this case, it is preferable that the metal oxide film formed in the metal oxide film forming step has a film density of 6.27 g/cm 3 or more and 7.10 g/cm 3 or less.

また、前記金属酸化物膜生成工程において生成される金属酸化物膜の膜厚が0.5nm以上、2.5nm以下であることがさらに好ましい。
この場合において、前記金属酸化物膜生成工程において生成される金属酸化物膜の膜密度が6.81g/cm3以上、7.10g/cm3以下であることがさらに好ましい。
Further, it is more preferable that the thickness of the metal oxide film formed in the metal oxide film forming step is 0.5 nm or more and 2.5 nm or less.
In this case, it is more preferable that the metal oxide film formed in the metal oxide film forming step has a film density of 6.81 g/cm 3 or more and 7.10 g/cm 3 or less.

また、前記金属酸化物膜生成工程におけるエネルギー線照射が、水溶性溶液において、活性酸素種を発生することができる波長が185nm-255nmの領域におけるエネルギー線照射であることが好ましい。
また、前記金属酸化物膜生成工程におけるエネルギー線照射が、窒素雰囲気中のエネルギー線照射であることが好ましい。
Further, the energy beam irradiation in the metal oxide film forming step is preferably energy beam irradiation in a wavelength range of 185 nm to 255 nm, which is capable of generating active oxygen species in an aqueous solution.
Further, it is preferable that the energy beam irradiation in the metal oxide film forming step is energy beam irradiation in a nitrogen atmosphere.

また、本発明の金属酸化物膜は、
上述したいずれかの金属酸化物膜の製造方法により製造されたことを特徴とするものである。
Further, the metal oxide film of the present invention is
It is characterized by being manufactured by any one of the metal oxide film manufacturing methods described above.

また、本発明の電子デバイスは、
上述した金属酸化物膜を備えたことを特徴とするものである。
この電子デバイスは、基板上に、少なくとも、ゲート電極、ゲート絶縁膜、前記金属酸化物膜からなる半導体層、およびソース・ドレイン電極を、この順に積層してなる薄膜トランジスタとすることができる。
Further, the electronic device of the present invention is
It is characterized by including the metal oxide film described above.
This electronic device can be a thin film transistor in which at least a gate electrode, a gate insulating film, a semiconductor layer made of the metal oxide film, and source/drain electrodes are laminated in this order on a substrate.

本発明の金属酸化物膜の製造方法、それを用いて製造された金属酸化物膜および電子デバイスによれば、真空法やフォトリソグラフィーの手法を用いないで行うことができることから、大掛かりな設備や複雑なプロセスを必要とせず金属酸化物膜の製造を簡易に行うことができる。 According to the method for producing a metal oxide film of the present invention, and the metal oxide film and the electronic device produced by using the method, the method can be carried out without using a vacuum method or a photolithography technique. A metal oxide film can be easily manufactured without requiring a complicated process.

また、従来、半導体層におけるキャリアの移動度を大きくするには、膜厚をある程度大きくする(例えば、10nm-20nm程度以上とする)ことが有効とされている。
しかし、本願発明者は、塗布型製膜法において金属酸化物膜を形成する場合にも、そのような定説を適用し得るのかについて疑問を持ち、詳細な実験を重ねた結果、少なくとも上記の場合には、膜厚を極限状態付近まで薄くすることにより、膜組織の結晶化度が大幅に向上するとの結果を得た。本願発明者は、この実験結果に基づき、上記膜厚を5nm以下まで薄くすることにより、高いキャリア移動度を得ることができるとの事実を見出し、本発明をなしたものである。
Further, conventionally, in order to increase the mobility of carriers in a semiconductor layer, it is considered effective to increase the film thickness to some extent (for example, about 10 nm to 20 nm or more).
However, the inventors of the present application have doubts about whether such an established theory can be applied to the formation of a metal oxide film by a coating-type film forming method, and as a result of repeated detailed experiments, at least in the above case We obtained the result that the crystallinity of the film structure is greatly improved by thinning the film thickness to near the limit state. Based on this experimental result, the inventors of the present application have found the fact that a high carrier mobility can be obtained by reducing the film thickness to 5 nm or less, and have made the present invention.

具体的には、金属酸化物の前駆体溶液を0.01M以上、0.20M以下のモル濃度の溶液とし、生成した金属酸化物膜の膜厚を0.5nm以上、5.0nm以下に設定し、金属酸化物膜の膜密度を6.0g/cm3以上、7.10g/cm3以下に設定することにより、例えば、4Kや8K等の高精細なディスプレイの駆動にも対応し得る、27cm2/Vs以上のキャリア移動度を得ることのできる、緻密で高性能な金属酸化物膜を生成することができる。 Specifically, the metal oxide precursor solution is a solution having a molar concentration of 0.01 M or more and 0.20 M or less, and the film thickness of the generated metal oxide film is set to 0.5 nm or more and 5.0 nm or less. By setting the film density of the material film to 6.0 g/cm 3 or more and 7.10 g/cm 3 or less, for example, it is possible to drive high-definition displays such as 4K and 8K, which is 27 cm 2 /Vs or more. A dense and high-performance metal oxide film that can obtain carrier mobility can be produced.

本発明の実施形態に係る金属酸化物膜の製造方法の各工程(A)および従来技術に係る金属酸化物膜の製造方法の各工程(B)を示す概略図である。It is a schematic diagram showing each step (A) of the method for producing a metal oxide film according to the embodiment of the present invention and each step (B) of the method for producing a metal oxide film according to the prior art. 本発明の実施形態に係る薄膜トランジスタ(電子デバイス)の構造を示す積層断面図((A)はエッチングストップ層なし、(B)はエッチングストップ層あり)である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a lamination cross-sectional view ((A) without an etching stop layer, (B) with an etching stop layer) showing the structure of a thin film transistor (electronic device) according to an embodiment of the present invention; 図1に示す実施形態における前駆体溶液塗布工程(A)、エネルギー線照射工程(金属酸化物膜生成工程)(B)、およびエッチング工程(C)における作用を概念的に示す図である。1. It is a figure which conceptually shows the effect|action in the precursor solution application process (A), the energy-beam irradiation process (metal oxide film formation process) (B), and the etching process (C) in embodiment shown in FIG. 実施例に係る評価用のTFT素子の構成を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of a TFT element for evaluation according to an example; 実施例および比較例に係るTFT(サンプル1~5)の金属酸化物膜の膜厚(nm)と膜密度(g/cm3)の関係を示すグラフである。5 is a graph showing the relationship between the film thickness (nm) and the film density (g/cm 3 ) of metal oxide films of TFTs (Samples 1 to 5) according to Examples and Comparative Examples. 実施例2に係るTFT(サンプル2)の膜密度測定結果を示すグラフ(A)および比較例1に係るTFT(サンプル3)の膜密度測定結果を示すグラフ(B)である。7 is a graph (A) showing film density measurement results of a TFT (sample 2) according to Example 2, and a graph (B) showing film density measurement results of a TFT (sample 3) according to Comparative Example 1; 実施例および比較例に係るTFT(サンプル1~3)の金属酸化物膜の膜厚(nm)と結晶化度(%)の関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between the film thickness (nm) and the degree of crystallinity (%) of metal oxide films of TFTs (Samples 1 to 3) according to Examples and Comparative Examples. 実施例2(実線)および比較例1(破線)に係るTFTの金属酸化物膜の結晶化度を示す、XRDにより得られた回折スペクトル((B)は(A)の一部拡大図)である。XRD diffraction spectra ((B) is a partially enlarged view of (A)) showing the crystallinity of the metal oxide films of TFTs according to Example 2 (solid line) and Comparative Example 1 (broken line). be. 実施例1に係るTFT(サンプル1)のゲート電圧‐ドレイン電流特性を示すグラフ(A)、および比較例1に係るTFT(サンプル3)のゲート電圧‐ドレイン電流特性を示すグラフ(B)である。3 is a graph (A) showing gate voltage-drain current characteristics of a TFT (Sample 1) according to Example 1, and a graph (B) showing gate voltage-drain current characteristics of a TFT (Sample 3) according to Comparative Example 1; .

以下、本発明の実施形態に係る金属酸化物膜の製造方法、それを用いて製造された金属酸化物膜および電子デバイスについて説明する。 A method for producing a metal oxide film, and a metal oxide film and an electronic device produced using the method according to embodiments of the present invention will be described below.

≪実施形態≫
まず、本実施形態に係る金属酸化物膜の製造方法について説明するが、その前提として、この金属酸化物膜が半導体層(チャネル層)として積層されるTFTの断面構造について簡単に説明する。
図2(A)は、一般に知られているTFTの断面構造(第1の例:エッチングストップ層なし)を示すものであり、基板101上に、ゲート電極102、ゲート絶縁膜103、金属酸化物膜からなる半導体層104、ソース・ドレイン電極106が積層して構成される。
図2(B)も、一般に知られているTFTの断面構造(第2の例:エッチングストップ層あり)を示すものであり、基板201上に、ゲート電極202、ゲート絶縁膜203、金属酸化物膜からなる半導体層204、半導体層204をエッチングから保護するためのエッチングストップ層205、およびソース・ドレイン電極206が積層して構成される。
≪Embodiment≫
First, a method for manufacturing a metal oxide film according to the present embodiment will be described. As a premise, a cross-sectional structure of a TFT in which this metal oxide film is laminated as a semiconductor layer (channel layer) will be briefly described.
FIG. 2A shows a generally known cross-sectional structure of a TFT (first example: no etching stop layer). A semiconductor layer 104 made of a film and source/drain electrodes 106 are laminated.
FIG. 2B also shows a generally known cross-sectional structure of a TFT (second example: with an etching stop layer). A semiconductor layer 204 made of a film, an etching stop layer 205 for protecting the semiconductor layer 204 from etching, and source/drain electrodes 206 are laminated.

次に、本実施形態の金属酸化物膜の製造方法について詳しく説明する。また、この製造方法により製造された金属酸化物膜および薄膜トランジスタ(TFT)についても説明を加える。
TFTの層としては、図2(A)に示すように構成されたものを想定する。
すなわち、基板101上に、ゲート電極102、ゲート絶縁膜103、金属酸化物膜からなる半導体層104およびソース・ドレイン電極106を順次形成する。半導体層104は水溶性金属酸化物前駆体溶液を塗布され、この後の処理により金属酸化物膜が形成される。
Next, the method for manufacturing the metal oxide film of this embodiment will be described in detail. In addition, the metal oxide film and the thin film transistor (TFT) manufactured by this manufacturing method are also explained.
It is assumed that the TFT layer is configured as shown in FIG.
That is, a gate electrode 102 , a gate insulating film 103 , a semiconductor layer 104 made of a metal oxide film, and source/drain electrodes 106 are sequentially formed on a substrate 101 . The semiconductor layer 104 is coated with a water-soluble metal oxide precursor solution and subsequent processing forms a metal oxide film.

なお、本発明に係る金属酸化物膜の製造方法としては、TFTの金属酸化物膜の製造方法に限られるものではなく、その他の種々の電子デバイスの金属酸化物膜の製造方法に適用することができる。また、半導体特性を示す酸化物の製造のみならず、電極等に利用される導電性特性を示す酸化物や、絶縁性特性を示す酸化物の製造方法にも適用することができる。 The method for producing a metal oxide film according to the present invention is not limited to the method for producing a metal oxide film for a TFT, but may be applied to the method for producing a metal oxide film for various other electronic devices. can be done. In addition, the present invention can be applied not only to the production of oxides exhibiting semiconductor properties, but also to the production of oxides exhibiting conductive properties used for electrodes and the like, and oxides exhibiting insulating properties.

(1)まず、基板101の形成材料を洗浄し、表面にバリア層や平坦化層(無機薄膜や有機薄膜)をスパッタリング等により製膜形成し、ゲート電極(例えば金、チタン、クロム、アルミニウム、モリブデンもしくはそれらの合金や積層膜等)102を形成し、所望の形状となるようにパターニングを行う。微細なパターン形成には、フォトリソグラフィー(紫外線露光による微細加工技術)が用いられる。 (1) First, the material for forming the substrate 101 is washed, a barrier layer and a planarization layer (inorganic thin film or organic thin film) are formed on the surface by sputtering or the like, and gate electrodes (eg, gold, titanium, chromium, aluminum, Molybdenum, an alloy thereof, a laminated film, etc.) 102 is formed and patterned into a desired shape. Photolithography (microfabrication technology by ultraviolet exposure) is used for fine pattern formation.

(2)次にゲート絶縁膜103を形成する。ゲート絶縁膜103としては、比誘電率の高い無機酸化物皮膜により構成することが好ましい。無機酸化物としては、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化チタン等がある。窒化ケイ素、窒化アルミニウム等の無機窒化物も用いることができる。 (2) Next, a gate insulating film 103 is formed. The gate insulating film 103 is preferably composed of an inorganic oxide film with a high dielectric constant. Examples of inorganic oxides include silicon oxide, aluminum oxide, tantalum oxide, and titanium oxide. Inorganic nitrides such as silicon nitride and aluminum nitride can also be used.

(3)次に水溶性金属酸化物前駆体を用いて半導体層104の形状を形成する。半導体層104の形成工程では、前工程として水溶性金属酸化物の前駆体溶液を生成する前駆体溶液生成工程を行う。
この金属酸化物の前駆体溶液生成工程においては、前駆体溶液として無機酸塩を用いる。具体的には、インジウムを主成分とする金属の硝酸塩を用い、モル濃度は0.01M以上、0.20M以下に規定することが必要とされるが、モル濃度を0.05M以上、0.20M以下に規定することがさらに好ましい。
(3) Next, a water-soluble metal oxide precursor is used to shape the semiconductor layer 104 . In the step of forming the semiconductor layer 104, a precursor solution generating step of generating a precursor solution of a water-soluble metal oxide is performed as a pre-process.
In this metal oxide precursor solution producing step, an inorganic acid salt is used as the precursor solution. Specifically, it is necessary to use a metal nitrate containing indium as the main component, and the molar concentration must be specified to be 0.01M or more and 0.20M or less, but the molar concentration is specified to be 0.05M or more and 0.20M or less. more preferably.

上記金属酸化物の金属としては、インジウム以外に、その他の金属を少量加えることも可能であり、その他の金属としては酸化物半導体への適用が可能な酸化物を形成する金属原子含有化合物が挙げられ、金属原子を含む、金属塩、ハロゲン化金属化合物、有機金属化合物等とすることができる。具体的な金属原子としては、ガリウム、亜鉛、アルミニウム、ストロンチウム、ジルコニウム、スズ等が挙げられる。 As the metal of the metal oxide, in addition to indium, it is also possible to add a small amount of other metal, and examples of other metals include metal atom-containing compounds that form oxides that can be applied to oxide semiconductors. It can be a metal salt, a metal halide compound, an organometallic compound, etc. containing a metal atom. Specific metal atoms include gallium, zinc, aluminum, strontium, zirconium, tin, and the like.

また、溶液濃度を調整することで膜厚を変化させることができるが、溶液のモル濃度を0.20M以下とすることで、塗布工程後に作成される金属酸化物膜の膜厚を5.0nm以下とすることが可能となる。本願発明者等の研究によれば、金属酸化物膜の膜厚を5.0nm以下とすることで、良好な半導体特性を有するTFTを作成可能であることがつきとめられており、そのための条件として前駆体溶液のモル濃度を0.20M以下とすることが肝要である。
なお、膜として良好に機能させるためには、前駆体溶液のモル濃度を0.01M以上、好ましくは0.05M以上とし、金属酸化物膜の厚みとして0.5nm以上を確保する。さらに、膜の製造性を良好なものとするためには、金属酸化物膜の厚みを、2nm以上とすることが肝要である。
In addition, the film thickness can be changed by adjusting the solution concentration, and by setting the molar concentration of the solution to 0.20M or less, the film thickness of the metal oxide film formed after the coating process can be reduced to 5.0 nm or less. It becomes possible to According to research by the inventors of the present application, it has been found that TFTs having good semiconductor characteristics can be produced by setting the film thickness of the metal oxide film to 5.0 nm or less. It is important to keep the molarity of the body solution below 0.20M.
In order to function well as a film, the molar concentration of the precursor solution should be 0.01 M or more, preferably 0.05 M or more, and the thickness of the metal oxide film should be 0.5 nm or more. Furthermore, in order to improve the manufacturability of the film, it is essential that the thickness of the metal oxide film is 2 nm or more.

溶媒比率において、水溶媒を100%とすることが好ましいが、塗布性を改善させるために、有機溶媒を混合させることができる。その場合に、水の溶媒比率を、50%の比率まで低下させた状態においても、パターニング性および電子デバイスとしての電気特性を所定の基準値まで到達させることができる。
水の他に少量含むことができる溶媒としては、塗布性を改善するために、エタノール、プロパノール、エチレングリコール、2-メトキシエタノール、アセトニトリル等の溶媒を合わせて混入し、用いることができる。さらに溶解性を改善するために、Phを酸性または塩基性とすることも可能である。
In terms of the solvent ratio, it is preferable that the water solvent is 100%, but an organic solvent can be mixed in order to improve the coatability. In that case, even when the solvent ratio of water is reduced to 50%, the patterning property and the electrical properties as an electronic device can reach predetermined reference values.
As a solvent that can be contained in a small amount in addition to water, solvents such as ethanol, propanol, ethylene glycol, 2-methoxyethanol, and acetonitrile can be mixed together and used in order to improve coating properties. Ph can be acid or basic to further improve solubility.

上述した(3)に示す前駆体溶液生成工程が終了すると、この生成された前駆体溶液により半導体層104が形成される。
すなわち、図1(A)に示すように、前駆体溶液塗布工程(a)、ソフトアニーリング工程(b)、エネルギー線照射工程(c)、およびエッチング工程(d)をこの順に行って、半導体層104を生成する。
これに対し、従来技術に係る半導体層104の形成工程においては、図1(B)に示すように、前駆体溶液塗布工程(a)、アニーリング工程(b)、フォトレジ塗布工程(c)、エネルギー線照射工程(d)、現像工程(e)、エッチング工程(f)、および膜除去工程(g)の順に行うフォトリソグラフィープロセスを採用しており、本実施形態の製造方法では、このような従来技術と比べると、工程数が少なく処理が簡易となっていることが明らかである。
After completion of the precursor solution generating step shown in (3) above, the semiconductor layer 104 is formed from the generated precursor solution.
That is, as shown in FIG. 1A, a precursor solution application step (a), a soft annealing step (b), an energy beam irradiation step (c), and an etching step (d) are performed in this order to form a semiconductor layer. 104 is generated.
On the other hand, in the formation process of the semiconductor layer 104 according to the conventional technology, as shown in FIG. A photolithography process is employed in which the energy beam irradiation step (d), the development step (e), the etching step (f), and the film removal step (g) are performed in this order. It is clear that the number of steps is less and the processing is simpler than the conventional technology.

上記説明に戻ると、まず、図1(A)(a)に示すように、上述した前駆体溶液生成工程において生成された、インジウムを主成分とする金属の硝酸塩からなる前駆体溶液を、基板101の上面に塗布することにより前駆体溶液の薄膜を形成する。半導体層104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調整することができる。 Returning to the above description, first, as shown in FIG. A thin film of the precursor solution is formed by coating the upper surface of 101 . The thickness of the semiconductor layer 104 can be adjusted by the concentration of the solution and the number of times the solution is applied.

なお、半導体層104の厚みとしては0.5nmから5.0nmとする。塗布する手法としては、スプレーコート法、スピンコート法、ブレードコート法、ディップコート法、キャスト法、ロールコート法、バーコート法、ダイコート法等の印刷法等を用いることができる。 Note that the thickness of the semiconductor layer 104 is set to 0.5 nm to 5.0 nm. As a coating method, a printing method such as a spray coating method, a spin coating method, a blade coating method, a dip coating method, a casting method, a roll coating method, a bar coating method, or a die coating method can be used.

次に、図1(A)(b)に示すように、ソフトアニーリング(低温乾燥等の乾燥処理を行う)工程を行う。
ソフトアニーリング工程は、いわば緩やかな乾燥工程とも称されるものであり、具体的には、半導体層104が水分を多く含む状態であるので、溶媒の主成分である水を残留させることを目的として行われるものであって、この後に行われるエネルギー線照射工程において形成するパターンの酸化処理の実効を担保するためになされる工程である。
ソフトアニーリング処理としては、低温乾燥、自然乾燥、減圧乾燥、熱風・冷風・室温風乾燥、赤外光乾燥等を用いることができる。マイクロ波による加熱装置による反応で乾燥させてもよい。
Next, as shown in FIGS. 1A and 1B, a soft annealing (drying treatment such as low-temperature drying) is performed.
The soft annealing process is also referred to as a so-called gentle drying process. Specifically, since the semiconductor layer 104 contains a large amount of water, the soft annealing process is intended to leave water, which is the main component of the solvent. This step is performed in order to ensure the effectiveness of the oxidation treatment of the pattern formed in the energy beam irradiation step which will be performed later.
Low-temperature drying, natural drying, vacuum drying, hot air/cold air/room temperature air drying, infrared light drying, and the like can be used as the soft annealing treatment. It may be dried by reaction with a microwave heating device.

次に、図1(A)(c)に示すように、エネルギー線照射工程を行う。
このエネルギー線照射工程においては、半導体層104内に残留する水分に対し紫外線等のエネルギー線を照射することで、金属酸化物膜のパターン化を容易に行うことができる。上記ソフトアニーリング工程およびこのエネルギー線照射工程を合わせた金属酸化物膜生成工程を実行することで、図3(A)に示す状態から図3(B)に示す状態へ変化する。
すなわち、このエネルギー線照射工程においては、膜内に残存する水分子に対しエネルギー線を照射して、下記の光化学反応(光酸化(不溶な酸化物の生成))を生じさせる。
H2O + hν → HO・+・H
このことにより、活性酸素種であるヒドロキシルラジカル(OH・)が生成される。
Next, as shown in FIGS. 1A and 1C, an energy beam irradiation step is performed.
In this energy ray irradiation step, by irradiating the moisture remaining in the semiconductor layer 104 with energy rays such as ultraviolet rays, patterning of the metal oxide film can be easily performed. By executing the metal oxide film forming step combining the soft annealing step and the energy beam irradiation step, the state shown in FIG. 3A changes to the state shown in FIG. 3B.
That is, in this energy beam irradiation step, the water molecules remaining in the film are irradiated with energy beams to cause the following photochemical reaction (photooxidation (production of insoluble oxides)).
H 2 O + hν → HO・+・H
As a result, hydroxyl radicals (OH.), which are active oxygen species, are generated.

ここで照射される紫外線の波長は180~400nmが好適に選択され、さらに好ましくは、185~255nmが選択される。例えばエキシマランプ、重水素ランプ、低圧水銀ランプ、高圧水銀ランプ、超高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、ヘリウムランプ、カーボンアークランプ、カドミウムランプ、無電極放電ランプ等からの紫外線が挙げられる。なお、低圧水銀ランプを用いると容易に前駆体膜から酸化物膜への転化が行えることから、より好ましい。この際にパターンを有する遮光マスクを介して照射することにより、選択的な酸化処理が可能となり、容易にパターンを形成することができる。 The wavelength of the ultraviolet rays to be irradiated here is preferably selected from 180 to 400 nm, more preferably from 185 to 255 nm. Examples thereof include ultraviolet rays from excimer lamps, deuterium lamps, low-pressure mercury lamps, high-pressure mercury lamps, extra-high pressure mercury lamps, metal halide lamps, helium lamps, carbon arc lamps, cadmium lamps, electrodeless discharge lamps, and the like. It is more preferable to use a low-pressure mercury lamp because the precursor film can be easily converted into the oxide film. At this time, by irradiating through a light-shielding mask having a pattern, selective oxidation treatment becomes possible and the pattern can be easily formed.

この時の紫外光によるエネルギー照射は、紫外線が空気中の酸素と反応する波長帯であるため、少なくとも酸素が減圧された、いわゆる窒素雰囲気下にて照射処理がなされることが望ましい。酸素が減圧されない場合は、マスク上に光を照射しても所望のパターンを得ることができない。 Since the energy irradiation by the ultraviolet light at this time is in a wavelength range in which the ultraviolet light reacts with oxygen in the air, it is desirable that the irradiation treatment be performed in a so-called nitrogen atmosphere in which at least oxygen is reduced. If the oxygen is not decompressed, the desired pattern cannot be obtained even if the mask is irradiated with light.

この水溶性金属酸化物の前駆体を用いて作成する酸化物薄膜は、膜厚が0.5nm-5.0nmと薄い場合には、光による酸化プロセスを効率的に行うことができる。図3(B)に示すように、膜の厚みが薄い場合は、膜内部まで十分に光酸化を行うことができる。すなわち、照射面側から生じる光酸化処理を膜内部まで十分に及ぼすことができ、上下方向に緻密で略均一な膜形成が可能な厚みが5.0nm以下であり、本実施形態においては、膜厚をこの範囲に設定している。 An oxide thin film formed using this water-soluble metal oxide precursor can be efficiently subjected to an oxidation process by light when the film thickness is as thin as 0.5 nm to 5.0 nm. As shown in FIG. 3B, when the thickness of the film is thin, photo-oxidation can be sufficiently performed to the inside of the film. In other words, the photo-oxidation treatment generated from the irradiated surface side can be sufficiently applied to the inside of the film, and the thickness at which a dense and substantially uniform film can be formed in the vertical direction is 5.0 nm or less. is set in this range.

一方、従来のように、膜が厚い場合(例えば10nm-20nm)には、照射面側と基板面側の膜領域の間で光酸化時のグラデーションが生じてしまい、半導体層104としてTFTに適用した場合には、デバイス特性の信頼性等に問題が生じる。その結果、TFTにおいて良好なスイッチング特性を得ることが困難となる。
また、本実施形態においては、金属酸化物膜の厚みを0.5nm以上としている。これは、金属酸化物膜の厚みを0.5nm未満とした場合は、インジウムを主成分とする酸化物半導体層104としての機能を果たすことが困難となること、また生産性が悪くなることから、実現性が難しくなることを考慮したものである。
On the other hand, when the film is thick (for example, 10 nm to 20 nm) as in the past, gradation occurs during photooxidation between the film regions on the irradiation surface side and the substrate surface side. In this case, problems such as the reliability of device characteristics arise. As a result, it becomes difficult to obtain good switching characteristics in the TFT.
Further, in this embodiment, the thickness of the metal oxide film is set to 0.5 nm or more. This is because when the thickness of the metal oxide film is less than 0.5 nm, it becomes difficult to function as the oxide semiconductor layer 104 containing indium as a main component, and the productivity deteriorates. This is done in consideration of the difficulty of realization.

以上のようにして、エネルギー線照射工程が終了した後、図1(A)(d)に示すように、酸化処理がなされていない領域(例えばマスクによりエネルギー線が照射されていない領域)に塗布されている前駆体膜を除去するエッチング工程を行う。
エッチング工程では、金属酸化物膜に対してダメージが少ないエッチング溶液を用いることが好ましく、具体的には適度に濃度を調整した酢酸、プロピオン酸、シュウ酸、コハク酸、クエン酸、マロン酸、リンゴ酸、酒石酸、シュウ酸、ギ酸、グリコール酸、マレイン酸等、一般に知られている有機酸を用いればよい。
After the energy beam irradiation step is completed as described above, as shown in FIGS. An etching process is performed to remove the preformed precursor film.
In the etching step, it is preferable to use an etching solution that causes little damage to the metal oxide film. Generally known organic acids such as acid, tartaric acid, oxalic acid, formic acid, glycolic acid and maleic acid may be used.

エッチング後に純水等によりリンス処理を十分行うことにより、エネルギー線照射工程で選択的に照射された領域のみ、酸化物薄膜をパターン化することができる。 By thoroughly performing a rinse treatment with pure water or the like after etching, the oxide thin film can be patterned only in the regions selectively irradiated in the energy beam irradiation step.

なお、この後、上記パターン化した金属酸化物膜について、さらに焼成処理を施すことによって、酸化処理を促進し、さらに優れた特性を有するTFTの半導体層104を得ることができる。この場合の焼成処理は、例えば、150℃から400℃にて30分間から6時間の範囲の時間とする。
このときの焼成処理においては、自然乾燥や熱風・冷風・室温風乾燥、赤外光乾燥、減圧乾燥等を用いることができる。マイクロ波による加熱装置による乾燥であってもよい。それぞれの焼成プロセスは大気中だけでなく、酸素、窒素、アルゴン等のガス雰囲気中において行うことも可能である。
After that, the patterned metal oxide film is further subjected to a baking treatment to accelerate the oxidation treatment, and the semiconductor layer 104 of the TFT having further excellent characteristics can be obtained. The baking treatment in this case is performed at, for example, 150° C. to 400° C. for a period of 30 minutes to 6 hours.
In the baking treatment at this time, natural drying, hot air/cold air/room temperature air drying, infrared light drying, reduced pressure drying, or the like can be used. Drying by a heating device using microwaves may also be used. Each firing process can be performed not only in the atmosphere but also in a gas atmosphere such as oxygen, nitrogen, argon or the like.

(4)以上のようにして、金属酸化物からなる半導体層104の形成が終了すると、この半導体層104上に、図2(A)に示すようなソース・ドレイン電極106を形成する工程がなされることになる。 (4) After completing the formation of the semiconductor layer 104 made of metal oxide as described above, a step of forming source/drain electrodes 106 as shown in FIG. will be

ソース・ドレイン電極106の材料としては、ITO、IZO等の透明電極や、Al、Ag、Cr、Mo、Ti等の金属電極やこれらの合金を用いることができる。2層以上の積層膜と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。 As a material for the source/drain electrodes 106, transparent electrodes such as ITO and IZO, metal electrodes such as Al, Ag, Cr, Mo and Ti, and alloys thereof can be used. By using a laminated film of two or more layers, the contact resistance can be reduced and the adhesion can be improved.

なお、エッチング溶液としてはリン酸・酢酸・硝酸の混酸(PANエッチャント)やシュウ酸等様々なエッチング液を用いることができる。ソース・ドレイン電極106をウェットエッチングでパターニングする際、半導体層104へのダメージを緩和するために、エッチングストップ層(図2(B)のエッチングストップ層205に相当する)を形成してもよく、このようにすることで半導体特性の劣化を抑制することができる。エッチングストップ層としては、ゲート絶縁膜103と同様の材料を適用可能である。 As the etching solution, various etching solutions such as a mixed acid of phosphoric acid, acetic acid and nitric acid (PAN etchant) and oxalic acid can be used. When patterning the source/drain electrodes 106 by wet etching, an etching stop layer (corresponding to the etching stop layer 205 in FIG. 2B) may be formed in order to mitigate damage to the semiconductor layer 104. By doing so, deterioration of semiconductor characteristics can be suppressed. A material similar to that of the gate insulating film 103 can be used as the etching stop layer.

また、ソース・ドレイン電極106および上述したゲート電極102においては、酸化物の組成を導電性の高い材料とすることにより、水溶性金属酸化物前駆体を用いて酸化物に係る導電膜を形成することも可能である。ここでの導電膜を形成する場合における前駆体溶液としては、無機酸塩とする。より具体的には硝酸塩、塩化物塩、硫酸塩、酢酸塩、炭酸塩、フッ化物塩の少なくとも1種の金属塩より構成する。 In the source/drain electrode 106 and the gate electrode 102 described above, the composition of the oxide is a highly conductive material, so that a water-soluble metal oxide precursor is used to form a conductive film related to the oxide. is also possible. An inorganic acid salt is used as the precursor solution for forming the conductive film here. More specifically, it is composed of at least one metal salt selected from nitrates, chlorides, sulfates, acetates, carbonates and fluorides.

上記導電性の高い材料としては、酸化により導電体特性を示す酸化物(酸化物導体材料)を形成する金属原子含有化合物が挙げられ、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。具体的な金属元素としては、インジウム、ガリウム、亜鉛、スズ等を挙げることができる。
具体的な酸化物導体材料としては、In-Sn系酸化物、Ga-Zn系酸化物、In-Zn系酸化物、Zn系酸化物等が考えられるが、これに限定されるものではない。
半導体層104において作成した手法と同様の手法を用いて、膜内に残留する水分に対し紫外線等のエネルギー線を照射することで、金属酸化物膜のパターン化を容易に行うことができる。
Examples of the highly conductive material include metal atom-containing compounds that form oxides (oxide conductor materials) that exhibit conductive properties when oxidized. compound etc. can be mentioned. Specific metal elements include indium, gallium, zinc, and tin.
Specific oxide conductor materials include In--Sn oxides, Ga--Zn-based oxides, In--Zn-based oxides, and Zn-based oxides, but are not limited to these.
The metal oxide film can be easily patterned by irradiating the moisture remaining in the film with energy rays such as ultraviolet rays using a method similar to that used for the semiconductor layer 104 .

また同様な手法を用いて、酸化物における金属元素の構成を、例えばZr、Hf、Al等とすることにより、高誘電特性を有する絶縁膜への応用可能な機能性酸化物を形成することができる。
以上により、簡易な手法で、TFTを形成することができる。
In addition, by using a similar method, by changing the composition of the metal elements in the oxide to, for example, Zr, Hf, Al, etc., it is possible to form a functional oxide that can be applied to an insulating film having high dielectric properties. can.
As described above, a TFT can be formed by a simple method.

ところで、本実施形態においては、半導体層104の厚みを0.5nmから5.0nmの薄い膜とすることによって、特性に優れたTFTを作成することができる。
これは、特に、インジウム酸化物を主成分とする膜(以下、単にインジウム酸化物膜と称する)の場合には、上記のように薄い膜とすることで、緻密な膜を形成することが可能となるからである。
By the way, in this embodiment, by making the thickness of the semiconductor layer 104 as thin as 0.5 nm to 5.0 nm, a TFT with excellent characteristics can be produced.
Especially in the case of a film containing indium oxide as a main component (hereinafter simply referred to as an indium oxide film), it is possible to form a dense film by making the film thin as described above. This is because

インジウム酸化物膜を0.5nmから5.0nmの薄い膜とした場合に緻密な膜を形成することが可能であることは、インジウム酸化物膜の厚みに対する、インジウム酸化物膜の密度(X線反射率測定により得られる)の特性を得ることにより明らかとなる。 The fact that it is possible to form a dense film when the indium oxide film is made as thin as 0.5 nm to 5.0 nm is due to the fact that the density of the indium oxide film (X-ray reflectance obtained by measurement).

X線反射率測定の結果、インジウム酸化物膜を5.0nm以下の薄い膜とした場合には、インジウム酸化物膜の密度を6.0g/cm3以上とすることができることが明らかとなった(後述する実施例の説明を参照)。インジウム酸化物の膜密度の理論値の最大値は7.1 g/cm3であるから、膜密度を6.0g/cm3以上とすることにより、膜の均一性(結晶化度)を良好なものとすることができることが明らかである。したがって、インジウム酸化物膜を5.0nm以下の薄い膜とすることにより膜の均一性(結晶化度)を良好なものとすることができ、TFT等に用いる場合には、半導体層104のキャリア移動度等の半導体特性を高めることができる。 As a result of X-ray reflectance measurement, it was clarified that the density of the indium oxide film can be increased to 6.0 g/cm 3 or more when the thickness of the indium oxide film is 5.0 nm or less (described later). see the description of the embodiment for Since the theoretical maximum value of the film density of indium oxide is 7.1 g/cm 3 , the uniformity (crystallinity) of the film can be improved by setting the film density to 6.0 g/cm 3 or more. It is clear that it is possible to Therefore, by making the indium oxide film as thin as 5.0 nm or less, the uniformity (degree of crystallinity) of the film can be improved. It is possible to enhance semiconductor characteristics such as degree of hardness.

上述したX線回折による結晶性の評価は、膜質を評価する手法として知られている。
一般的にはX線回折におけるピーク強度が物質の量に比例することが知られており、結晶性の回折ピークと非晶性の回折ピークを加算した全散乱強度に対する結晶性の散乱強度の割合(下式(1)により表される)により、作成した薄膜の結晶化度を評価することができる。
The evaluation of crystallinity by X-ray diffraction described above is known as a technique for evaluating film quality.
It is generally known that the peak intensity in X-ray diffraction is proportional to the amount of substance, and the ratio of the crystalline scattering intensity to the total scattering intensity that is the sum of the crystalline diffraction peak and the amorphous diffraction peak The degree of crystallinity of the formed thin film can be evaluated by (represented by the following formula (1)).

Figure 2023032281000002
本実施形態により作成したインジウム酸化物(In2O3)膜について、上式(1)を用いて算出すると、結晶化度が90%以上の良質な薄い膜が得られることが明らかである。すなわち、本実施形態により半導体の物性的な特性を向上することができ、薄膜トランジスタとして適用する際にはキャリアの高移動度化を実現できる。
Figure 2023032281000002
As for the indium oxide (In 2 O 3 ) film produced according to the present embodiment, calculation using the above formula (1) reveals that a good thin film with a degree of crystallinity of 90% or more can be obtained. That is, according to this embodiment, the physical properties of the semiconductor can be improved, and when the semiconductor is applied as a thin film transistor, it is possible to realize high mobility of carriers.

本実施例に係る評価用TFTとして、厚みが100nmの熱酸化膜付の低抵抗シリコンウエハを用い、図4に示すようなTFT素子を作成した。
すなわち、本実施例においては、基板1、ゲート電極2およびゲート絶縁膜3として熱酸化膜付の低抵抗シリコンウエハを用いた。次に、半導体層4を形成するために、スピンコート法により金属酸化物前駆体溶液をシリコンウエハ上に塗布した。
As a TFT for evaluation according to this example, a TFT element as shown in FIG. 4 was produced using a low resistance silicon wafer with a thermally oxidized film having a thickness of 100 nm.
That is, in this embodiment, a low resistance silicon wafer with a thermal oxide film is used as the substrate 1, the gate electrode 2 and the gate insulating film 3. FIG. Next, in order to form the semiconductor layer 4, the metal oxide precursor solution was applied onto the silicon wafer by spin coating.

金属酸化物膜形成のための水溶性金属酸化物前駆体としては、硝酸インジウム水和物(In(NO3)3・xH2O Aldrich製)を秤量し、純水中に溶解させ、下表1に示す塗布型半導体前駆体溶液を作成した。このときサンプルの濃度を以下の表1のように可変させた。ここで、サンプル1、2は実施例1、2のためのものでありであり、サンプル3、4、5は、実施例1、2と比較するために作成された比較例1、2、3のためのものである。

Figure 2023032281000003
その後、室温にて、6時間撹拌することで完全に溶解した状態の前駆体溶液を作成した。 As a water-soluble metal oxide precursor for forming a metal oxide film, indium nitrate hydrate (In(NO 3 ) 3 xH 2 O manufactured by Aldrich) was weighed and dissolved in pure water. A coating type semiconductor precursor solution shown in No. 1 was prepared. At this time, the sample concentration was varied as shown in Table 1 below. Here, Samples 1 and 2 are for Examples 1 and 2, and Samples 3, 4 and 5 are Comparative Examples 1, 2 and 3 prepared for comparison with Examples 1 and 2. It is for
Figure 2023032281000003
Then, the mixture was stirred at room temperature for 6 hours to prepare a completely dissolved precursor solution.

続いて、このようにして作成された前駆体溶液をスピンコート法(スピン回転数は4000rpm)を用いてシリコンウエハ上に塗布し、溶媒の主成分である水が膜内に残留するよう低温(70度)のホットプレート上にて1分間乾燥させた。 Subsequently, the precursor solution prepared in this manner was applied onto a silicon wafer using a spin coating method (spin rotation speed: 4000 rpm), and the temperature was low enough that water, which is the main component of the solvent, remained in the film. 70 degrees) for 1 minute on a hot plate.

その後、熱酸化膜付の低抵抗シリコンウエハ(基板1、ゲート電極2、ゲート絶縁膜3を含む)上に形成された半導体層4のパターン形状を有するマスクを、この塗布された金属酸化物前駆体膜上にセットし、このマスクを介して金属酸化物前駆体膜上に、低圧水銀ランプによる紫外線照射を10分間に亘って行った。主な紫外線の波長は185nmおよび254nmであった。これにより、金属酸化物前駆体膜の酸化処理プロセスを行った。このとき、前駆体膜内に残存する水に紫外線が照射することにより、ラジカル化したヒドロキシラジカルによる部分的な酸化処理を行い、金属酸化物膜を作成した。 After that, a mask having a pattern shape of the semiconductor layer 4 formed on the low-resistance silicon wafer (including the substrate 1, the gate electrode 2, and the gate insulating film 3) with a thermal oxide film is applied to the applied metal oxide precursor. It was set on the body film, and through this mask, the metal oxide precursor film was irradiated with ultraviolet rays from a low-pressure mercury lamp for 10 minutes. The predominant UV wavelengths were 185 nm and 254 nm. Thus, the oxidation treatment process of the metal oxide precursor film was performed. At this time, by irradiating the water remaining in the precursor film with ultraviolet rays, a partial oxidation treatment was performed by radicalized hydroxyl radicals, thereby forming a metal oxide film.

その後、ヒドロキシカルボネート系の有機酸であるクエン酸の0.1%溶液にてエッチング処理を行い、酸化処理が施されていない、前記紫外線の非照射領域における金属酸化物前駆体膜が除去されることになる。
以上により、所望のパターンを有する金属酸化物膜よりなる半導体層4を形成した。
After that, an etching treatment is performed with a 0.1% solution of citric acid, which is a hydroxycarbonate-based organic acid, to remove the metal oxide precursor film in the non-irradiated region of the ultraviolet rays, which is not subjected to the oxidation treatment. become.
As described above, a semiconductor layer 4 made of a metal oxide film having a desired pattern was formed.

その後、金属酸化物膜について、350℃の大気雰囲気オーブンにて1時間焼成処理を行い、半導体層4を形成した。
このときの半導体層4の膜厚は15 nmであった。
続いて、所定形状のメタルマスクによりマスキングし、モリブデンを用いた、DCスパッタリング法によりソース・ドレイン電極6a、6bを形成した。
これにより、評価用のTFTを作成した。
このときの膜厚はそれぞれ下表2に示す値であった。すなわち、実施例1では膜厚2.5nm、実施例2では膜厚4.7nm、比較例1では膜厚12.5nm、比較例2では膜厚15.0nm、比較例3では膜厚20.5nmであった。
After that, the metal oxide film was subjected to baking treatment in an air atmosphere oven at 350° C. for 1 hour to form a semiconductor layer 4 .
The film thickness of the semiconductor layer 4 at this time was 15 nm.
Subsequently, the substrate was masked with a metal mask having a predetermined shape, and source/drain electrodes 6a and 6b were formed by DC sputtering using molybdenum.
Thus, a TFT for evaluation was produced.
The film thicknesses at this time were the values shown in Table 2 below. That is, in Example 1, the film thickness was 2.5 nm, in Example 2, the film thickness was 4.7 nm, in Comparative Example 1, the film thickness was 12.5 nm, in Comparative Example 2, the film thickness was 15.0 nm, and in Comparative Example 3, the film thickness was 20.5 nm.

Figure 2023032281000004
Figure 2023032281000004

得られた実施例および比較例のTFTに対して、半導体特性を評価したものを下表3に示す。また、X線反射率測定およびX線回折法を用いて、各実施例および各比較例について、膜密度および結晶性の評価を行った。

Figure 2023032281000005
Table 3 below shows the evaluation of the semiconductor characteristics of the obtained TFTs of Examples and Comparative Examples. In addition, film density and crystallinity were evaluated for each example and each comparative example using X-ray reflectance measurement and X-ray diffraction method.
Figure 2023032281000005

溶液濃度が十分薄い場合(実施例1、2)には、5nm以下の薄膜を形成することができ、その後、続けて行う光酸化プロセスにより深さ方向に組成むらのない良好な薄膜を形成することができる。これに対して、溶液濃度が濃い場合(比較例1、2、3)には、深さ方向における光酸化が十分になされず、結果として膜質が悪化し、得られる半導体特性も所望の特性を得ることは難しい。
すなわち、実施例1、2のものでは、キャリア移動度(cm2/Vs)は各々、30.6および27.6となるが、比較例1、2、3のものでは、キャリア移動度(cm2/Vs)を検出することができない。
When the concentration of the solution is sufficiently low (Examples 1 and 2), a thin film of 5 nm or less can be formed, and then a good thin film with no compositional unevenness in the depth direction can be formed by the subsequent photo-oxidation process. be able to. On the other hand, when the concentration of the solution is high (Comparative Examples 1, 2, and 3), the photo-oxidation in the depth direction is not sufficiently performed, resulting in deterioration of the film quality, and the resulting semiconductor characteristics do not meet the desired characteristics. hard to get.
That is, in Examples 1 and 2, the carrier mobilities (cm 2 /Vs) are 30.6 and 27.6, respectively, but in Comparative Examples 1, 2, and 3, the carrier mobilities (cm 2 /Vs) are cannot be detected.

また、実施例1、2のものでは、膜密度(g/cm3)は各々、6.81および6.27であり、いずれも6.0以上と良好であるが、比較例1、2、3のものでは、膜密度(g/cm3)は各々、5.81、5.51、5.32と6.00未満で、良好とは言えない。このことは図5のグラフによっても表されており、膜厚が5nm以下となると膜密度が6.00g/cm3を大きく上回り、半導体特性が向上することが明らかである。 In addition, the film densities (g/cm 3 ) of Examples 1 and 2 are 6.81 and 6.27, respectively, which are both good values of 6.0 or more. The densities (g/cm 3 ) are less than 5.81, 5.51, 5.32 and 6.00 respectively, which is not good. This is also shown in the graph of FIG. 5, and it is clear that when the film thickness is 5 nm or less, the film density greatly exceeds 6.00 g/cm 3 and the semiconductor characteristics are improved.

また、実施例2および比較例1における、X線入射角度(deg.)に対する反射率の関係を表すグラフを、図6(A)および図6(B)に示す。この図6(A)および図6(B)に示すグラフの形状から、実施例2の方が比較例1よりも膜密度が高いことが明らかである。
さらに、図7は膜厚(nm)に対する結晶化度(%)の関係を示すものであり、膜厚が5nm以下となると結晶化度が95%以上と高い値を示す。
6A and 6B are graphs showing the relationship of the reflectance to the X-ray incident angle (deg.) in Example 2 and Comparative Example 1. FIG. From the shapes of the graphs shown in FIGS. 6A and 6B, it is clear that Example 2 has a higher film density than Comparative Example 1. FIG.
Furthermore, FIG. 7 shows the relationship between the film thickness (nm) and the degree of crystallinity (%).

また、上記実施例および比較例の膜質を評価する手法として、X線回折法を用いて結晶性(結晶化度)の評価を行った。結晶化度の評価においては、前述した式(1)にて導出された結晶化度を用いて行った。XRD測定装置としてはリガク社製SmartLab(XRD)を用いた。
なお、図8に示すように、In2O3の結晶の回折強度は、回折角30度の222のピーク(結晶性の回折ピーク)の面積を用い、非晶質の散乱強度としては回折角30度付近の非晶性の回折ピークの面積を用いた。
In addition, as a method for evaluating the film quality of the above Examples and Comparative Examples, crystallinity (crystallinity) was evaluated using an X-ray diffraction method. The evaluation of the crystallinity was performed using the crystallinity derived from the above formula (1). Rigaku SmartLab (XRD) was used as an XRD measurement device.
As shown in FIG. 8, the diffraction intensity of the In 2 O 3 crystal uses the area of the 222 peak (crystalline diffraction peak) at a diffraction angle of 30 degrees. The area of the amorphous diffraction peak around 30 degrees was used.

また、図9は、実施例に係るTFT(実施例1)のゲート電圧‐ドレイン電流特性を示すグラフ(A)、および比較例に係るTFT(比較例1)のゲート電圧‐ドレイン電流特性を示すグラフ(B)である。これらの図から、実施例1のものでは良好なスイッチング特性が得られ、比較例1のものでは良好なスイッチング特性を得ることができない、ことが明らかである。 FIG. 9 is a graph (A) showing the gate voltage-drain current characteristics of the TFT according to the example (Example 1), and the gate voltage-drain current characteristics of the TFT according to the comparative example (Comparative Example 1). Graph (B). From these figures, it is clear that Example 1 has good switching characteristics, and Comparative Example 1 cannot have good switching characteristics.

本発明の金属酸化物膜の製造方法、それを用いて製造された金属酸化物膜および電子デバイスとしては、上記実施形態に記載したものに限られるものではなく、その他の種々の態様の変更が可能である。例えば、本発明の実施形態においては、金属酸化物膜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、その他の層も塗布型とするようにしてもよく、全ての層を塗布型とした場合には、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。 The method for producing a metal oxide film of the present invention, and the metal oxide film and electronic device produced by using the method are not limited to those described in the above embodiments, and other various modifications can be made. It is possible. For example, in the embodiments of the present invention, the metal oxide film is of the coating type, and the other layers are not necessarily of the coating type, but the other layers may also be of the coating type. If all the layers are of the coated type, no system for processing in a vacuum can be required.

また、本発明の電子デバイスがTFTを構成する場合にも、上記実施形態に記載したものに限られるものではなく、実施形態において示す各層間に他の層を介在させる構成とすることも可能である。
また、上記実施形態においては、電子デバイスであるTFTとして、ボトムゲート型の構成のものについて説明しているが、本発明の電子デバイスとしては、トップゲート型のTFTも同様に適応し得る。但し、トップゲート型のTFTの場合には、金属酸化物膜の前駆体溶液は、通常、ソース・ドレイン電極や基板上に塗布されて金属酸化物膜が形成されることになる。
Further, even when the electronic device of the present invention constitutes a TFT, it is not limited to those described in the above embodiments, and it is also possible to adopt a structure in which other layers are interposed between the layers shown in the embodiments. be.
Further, in the above-described embodiments, a bottom-gate type TFT is described as an electronic device, but a top-gate type TFT is also applicable to the electronic device of the present invention. However, in the case of a top-gate type TFT, a metal oxide film precursor solution is usually applied onto the source/drain electrodes and the substrate to form the metal oxide film.

また、本発明の金属酸化物膜の製造方法は、TFTの半導体層(チャンネル層)の製造方法として用いられるものに限られず、液晶、プラズマ、EL等の表示素子、太陽電池、さらにはタッチパネルや各種電極等の製造方法にも好適に用いることができる。 Further, the method for producing a metal oxide film of the present invention is not limited to the method used as a method for producing a semiconductor layer (channel layer) of a TFT. It can also be suitably used for manufacturing methods of various electrodes and the like.

1、101、201 基板
2、102、202 ゲート電極
3、103、203 ゲート絶縁膜
4、104、204 半導体層(金属酸化物膜)
205 エッチングストップ層
106、206 ソース・ドレイン電極
6a ソース電極
6b ドレイン電極
1, 101, 201 substrate 2, 102, 202 gate electrode 3, 103, 203 gate insulating film 4, 104, 204 semiconductor layer (metal oxide film)
205 etching stop layer 106, 206 source/drain electrode 6a source electrode 6b drain electrode

Claims (10)

インジウムを金属成分の主成分とした金属塩からなる無機酸塩を、水溶媒が50%以上の重量を占める溶媒に溶解して、0.01M以上、0.20M以下のモル濃度の水溶性の金属酸化物の前駆体溶液を生成する前駆体溶液生成工程と、
前記前駆体溶液生成工程において生成された前記前駆体溶液を所定の被塗布体上に塗布する前駆体溶液塗布工程と、
前記前駆体溶液塗布工程で所定の被塗布体上に塗布された前記金属酸化物の前駆体溶液の所定領域にエネルギー線を照射し、該所定領域を酸化させて、膜厚が0.5nm以上、5.0nm以下、かつ膜密度が6.0g/cm3以上、7.1g/cm3以下の金属酸化物膜を生成する金属酸化物膜生成工程と、
前記金属酸化物膜生成工程において生成された前記金属酸化物膜をパターニングするエッチング工程と、
を有することを特徴とする金属酸化物膜の製造方法。
Water-soluble metal oxidation of a molar concentration of 0.01M or more and 0.20M or less by dissolving an inorganic acid salt composed of a metal salt having indium as the main component in a solvent in which the water solvent accounts for 50% or more by weight. a precursor solution generating step of generating a precursor solution of the substance;
a precursor solution applying step of applying the precursor solution generated in the precursor solution generating step onto a predetermined object to be coated;
Energy rays are applied to a predetermined region of the metal oxide precursor solution applied on a predetermined object to be coated in the precursor solution coating step, and the predetermined region is oxidized so that the film thickness is 0.5 nm or more. a metal oxide film forming step of forming a metal oxide film having a thickness of 5.0 nm or less and a film density of 6.0 g/cm 3 or more and 7.1 g/cm 3 or less;
an etching step of patterning the metal oxide film generated in the metal oxide film generating step;
A method for producing a metal oxide film, comprising:
前記金属酸化物膜生成工程において生成される金属酸化物膜の膜厚が0.5nm以上、4.7nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の金属酸化物膜の製造方法。 2. The method for producing a metal oxide film according to claim 1, wherein the thickness of the metal oxide film produced in the metal oxide film producing step is 0.5 nm or more and 4.7 nm or less. 前記金属酸化物膜生成工程において生成される金属酸化物膜の膜密度が6.27g/cm3以上、7.10g/cm3以下であることを特徴とする請求項2に記載の金属酸化物膜の製造方法。 3. The metal oxide film according to claim 2, wherein the metal oxide film formed in the metal oxide film forming step has a film density of 6.27 g/cm 3 or more and 7.10 g/cm 3 or less. Production method. 前記金属酸化物膜生成工程において生成される金属酸化物膜の膜厚が0.5nm以上、2.5nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の金属酸化物膜の製造方法。 2. The method for producing a metal oxide film according to claim 1, wherein the thickness of the metal oxide film produced in the metal oxide film producing step is 0.5 nm or more and 2.5 nm or less. 前記金属酸化物膜生成工程において生成される金属酸化物膜の膜密度が6.81g/cm3以上、7.10g/cm3以下であることを特徴とする請求項4に記載の金属酸化物膜の製造方法。 5. The metal oxide film according to claim 4, wherein the metal oxide film formed in the metal oxide film forming step has a film density of 6.81 g/cm 3 or more and 7.10 g/cm 3 or less. Production method. 前記金属酸化物膜生成工程におけるエネルギー線照射が、水溶性溶液において、活性酸素種を発生することができる波長が185nm以上、255nm以下の領域におけるエネルギー線照射であることを特徴とする請求項1~5のいずれか1項に記載の金属酸化物膜の製造方法。 2. The energy ray irradiation in the metal oxide film forming step is energy ray irradiation in a range of wavelengths of 185 nm or more and 255 nm or less capable of generating active oxygen species in an aqueous solution. 6. A method for producing a metal oxide film according to any one of items 1 to 5. 前記金属酸化物膜生成工程におけるエネルギー線照射が、窒素雰囲気中のエネルギー線照射であることを特徴とする請求項1~6のいずれか1項に記載の金属酸化物膜の製造方法。 7. The method for producing a metal oxide film according to claim 1, wherein the energy beam irradiation in the metal oxide film forming step is energy beam irradiation in a nitrogen atmosphere. 請求項1~7のいずれかに記載の金属酸化物膜の製造方法により製造されたことを特徴とする金属酸化物膜。 A metal oxide film produced by the method for producing a metal oxide film according to any one of claims 1 to 7. 請求項8に記載の金属酸化物膜を備えたことを特徴とする電子デバイス。 An electronic device comprising the metal oxide film according to claim 8 . 基板上に、少なくとも、ゲート電極、ゲート絶縁膜、前記金属酸化物膜からなる半導体層、およびソース・ドレイン電極を、この順に積層してなる薄膜トランジスタからなることを特徴とする請求項9に記載の電子デバイス。
10. The thin film transistor according to claim 9, wherein the thin film transistor is formed by laminating at least a gate electrode, a gate insulating film, a semiconductor layer made of the metal oxide film, and a source/drain electrode on a substrate in this order. electronic device.
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