JP2594384B2 - Metal oxide thin film, method of manufacturing the same, and electronic device using the metal oxide thin film - Google Patents

Metal oxide thin film, method of manufacturing the same, and electronic device using the metal oxide thin film

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JP2594384B2 JP2311731A JP31173190A JP2594384B2 JP 2594384 B2 JP2594384 B2 JP 2594384B2 JP 2311731 A JP2311731 A JP 2311731A JP 31173190 A JP31173190 A JP 31173190A JP 2594384 B2 JP2594384 B2 JP 2594384B2
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、無欠陥で絶縁性に優れた金属酸化物薄膜及
びその製造方法並びにその金属酸化物薄膜を用いた電子
装置に関するものである。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a metal oxide thin film having no defect and excellent insulating properties, a method for manufacturing the same, and an electronic device using the metal oxide thin film.

従来の技術 絶縁性金属酸化物薄膜は、従来から多くの電子デバイ
スに用いられており、その重要性は益々高くなると同時
に、一層の高性能化が求められている。例えばMOSトラ
ンジスタやTFTのゲート絶縁膜として、或は薄膜ELディ
スプレイ(ELD)の絶縁層として、種々の金属酸化物薄
膜が注目されている。アクティブマトリックス型液晶デ
ィスプレイ(LCD)のスイッチングに用いられているTFT
では、ゲート絶縁膜の性能がTFTのオン・オフ性に影響
し、結果的にディスプレイ表示の良否を大きく左右す
る。またLCD,ELD等のフラットディスプレイは、表示情
報量を多くするためにより大面積化する必要があるな
ど、無欠陥で高性能の絶縁膜を大面積にわたって形成す
ることが求められている。
2. Description of the Related Art Insulating metal oxide thin films have been conventionally used in many electronic devices, and their importance has been further increased, and further higher performance has been demanded. For example, various metal oxide thin films have attracted attention as gate insulating films of MOS transistors and TFTs or as insulating layers of thin-film EL displays (ELDs). TFTs used for switching active matrix liquid crystal displays (LCDs)
In this case, the performance of the gate insulating film affects the on / off property of the TFT, and as a result, the quality of the display display is largely affected. In addition, flat displays such as LCDs and ELDs are required to be formed with a defect-free and high-performance insulating film over a large area.

従来、金属酸化物薄膜を形成する方法としては、電子
ビーム蒸着法,スパッタリング法,化学気相成長法(CV
D)法等が用いられている。しかしながら、例えば真空
蒸着法では、酸素欠損が生じた膜になり易くまた緻密な
膜ができ難いために、リーク電流が大きくTFTゲート絶
縁膜などには使えない。またスパッタリング法やCVD法
では、ピンホール等の欠陥が生じる恐れがあり、膜内で
の特性のばらつきを大きくしたり、デバイスを構成した
ときに欠陥への局所的な電界集中により絶縁耐圧の低下
をまねく等の問題がある。
Conventionally, methods for forming metal oxide thin films include electron beam evaporation, sputtering, and chemical vapor deposition (CV).
D) method is used. However, for example, in a vacuum deposition method, a film having oxygen deficiency is easily formed and a dense film is hardly formed, so that a leak current is large and cannot be used for a TFT gate insulating film or the like. In addition, the sputtering method and the CVD method may cause defects such as pinholes, which may cause variations in characteristics within the film or decrease the withstand voltage due to local electric field concentration on the defects when a device is formed. And other problems.

これに対して、基板上にまず金属薄膜を形成し、その
金属薄膜の表面を陽極酸化やプラズマ酸化等の方法で酸
化することによって金属酸化物薄膜を形成する方法があ
る。これらの表面酸化法は金属薄膜の表面から酸化が進
行していくため、金属薄膜内にピンホールがあってもそ
のピンホール部分を選択的に酸化するので、基本的には
無欠陥の金属酸化物膜を形成することができるという優
れた利点がある。
On the other hand, there is a method in which a metal thin film is first formed on a substrate, and the surface of the metal thin film is oxidized by a method such as anodic oxidation or plasma oxidation to form a metal oxide thin film. In these surface oxidation methods, oxidation proceeds from the surface of the metal thin film. Therefore, even if there is a pinhole in the metal thin film, the pinhole portion is selectively oxidized. There is an excellent advantage that a material film can be formed.

発明が解決しようとする課題 しかしながら上述の様な表面酸化法で形成された金属
酸化物薄膜の特性は、酸化前の金属薄膜の結晶構造に強
く依存することが新たに判明した。即ち、金属薄膜の結
晶性を向上させても、必ずしも電気特性が向上するもの
ではなく、逆にリーク電流を増加させてしまうという問
題点を有していることが明らかとなった。
However, it has been newly found that the characteristics of the metal oxide thin film formed by the surface oxidation method as described above strongly depend on the crystal structure of the metal thin film before oxidation. In other words, it has been clarified that even if the crystallinity of the metal thin film is improved, the electric characteristics are not necessarily improved, but the leakage current increases.

本発明はかかる点に鑑み、電気特性の優れた金属酸化
物薄膜を提供することを目的とする。
In view of the above, an object of the present invention is to provide a metal oxide thin film having excellent electric characteristics.

課題を解決するための手段 本発明は、基板上に2種以上の異なる結晶構造が混在
し、厚み方向に複数の結晶粒界を有する金属薄膜を形成
し、得られた金属薄膜の表面から少なくとも前記金属薄
膜の厚み方向の一部を酸化することによって、前記基板
上に優れた電気特性を有する絶縁性の金属酸化物薄膜を
形成することを特徴とする。
Means for Solving the Problems The present invention forms a metal thin film having a mixture of two or more different crystal structures on a substrate and having a plurality of crystal grain boundaries in a thickness direction, and at least from the surface of the obtained metal thin film. By oxidizing a part of the metal thin film in a thickness direction, an insulating metal oxide thin film having excellent electric characteristics is formed on the substrate.

作用 本発明は前記したように、異なる結晶構造を混在させ
ることによって金属薄膜内に多くの結晶粒界を存在させ
る。このような多くの結晶粒界が存在する金属表面を酸
化して金属酸化物薄膜を形成すると、酸化前の結晶粒界
に起因する金属酸化物薄膜内の低抵抗部分が細かく寸断
され、その結果リーク電流が非常に低減されると考えら
れる。
Function As described above, the present invention causes many crystal grain boundaries to exist in a metal thin film by mixing different crystal structures. When a metal oxide thin film is formed by oxidizing a metal surface having many such crystal grain boundaries, a low-resistance portion in the metal oxide thin film caused by the crystal grain boundaries before oxidation is finely cut, and as a result, It is believed that the leakage current is greatly reduced.

さらに上記のような金属薄膜は、内部に多くの比較的
小さな結晶粒が存在する。このような金属薄膜は緻密で
表面平坦性に優れており、その表面を酸化して形成した
金属酸化物薄膜の表面、或は下地に残る金属層との界面
の平坦性も優れているため、電極界面の凹凸に起因する
局部的な電界集中が起こりにくく、やはりリーク電流が
低減されると考えられる。
Further, the metal thin film as described above has many relatively small crystal grains inside. Such a metal thin film is dense and has excellent surface flatness, and the surface of the metal oxide thin film formed by oxidizing the surface, or the flatness of the interface with the metal layer remaining on the base is also excellent, It is considered that local electric field concentration due to unevenness of the electrode interface is unlikely to occur, and the leak current is also reduced.

実施例 実施例1 第1図は、本発明の金属酸化物薄膜をTFTゲート絶縁
膜に応用した、アクティブマトリックス型LCDのTFT部断
面を示すものである。第1図において、11は透光性の絶
縁性基板、12はタンタル金属よりなるゲート電極であ
る。ゲート電極12は、絶縁性基板11の全面にスパッタリ
ング法によりタンタル金属薄膜を製膜した後、ウェット
エッチング法、若しくはドライエッチング法によりスト
ライプ状に形成する。ストライプ状に形成されたゲート
電極12を陽極酸化法を用いて表面の所定の厚さだけ酸化
し、酸化タンタル薄膜よりなるゲート絶縁膜13を形成す
る。ゲート絶縁膜13上には半導体層15との密着性を上げ
るためプラズマCVD法により2層目のゲート絶縁膜14を
製膜し、続けてアモルファスシリコンよりなる半導体層
15を製膜する。半導体層15上には窒化シリコンよりなる
エッチングストッパ層16が形成されている。エッチング
ストッパ層16は、同一の材料構成(本実施例では、プラ
ズマCVD法により製膜したn+シリコンよりなるオーミッ
クコンタクト層、及びモリブテンシリサイドとクロムの
積層膜)からなる電極層を、ドライエッチング法により
ソース電極17とドレイン電極18とに分離する際に必要と
なるものである。
Example 1 FIG. 1 shows a cross section of a TFT portion of an active matrix type LCD in which the metal oxide thin film of the present invention is applied to a TFT gate insulating film. In FIG. 1, reference numeral 11 denotes a light-transmitting insulating substrate, and reference numeral 12 denotes a gate electrode made of tantalum metal. The gate electrode 12 is formed in a stripe shape by a wet etching method or a dry etching method after a tantalum metal thin film is formed on the entire surface of the insulating substrate 11 by a sputtering method. The gate electrode 12 formed in a stripe shape is oxidized by a predetermined thickness on the surface using an anodic oxidation method to form a gate insulating film 13 made of a tantalum oxide thin film. A second gate insulating film 14 is formed on the gate insulating film 13 by a plasma CVD method in order to increase the adhesion with the semiconductor layer 15, and then a semiconductor layer made of amorphous silicon is formed.
15 is formed into a film. An etching stopper layer 16 made of silicon nitride is formed on the semiconductor layer 15. The etching stopper layer 16 is formed by dry-etching an electrode layer having the same material configuration (in the present embodiment, an ohmic contact layer made of n + silicon and a laminated film of molybdenum silicide and chromium formed by a plasma CVD method). This is necessary when separating the source electrode 17 and the drain electrode 18 from each other.

第2図は、ゲート電極12のタンタル金属薄膜の作製に
用いたインライン型スパッタリング装置の概観を示した
ものである。本装置は、製膜前の基板41を載置するトレ
ー42を格納するロードロック室31と、製膜を行うスパッ
タ室35、そして製膜後のトレー42を格納するアンロード
ロック室48とで構成されている。スパッタ室35とロード
ロック室31、及びアンロードロック室48は各々ゲートバ
ルブ34及び47で仕切られており、基板交換はスパッタ室
35を真空状態に保持したまま行うことができる。スパッ
タ室35内にはカソード44が取り付けられ、カソード44上
にタンタル金属のターゲット43がボンディングされてい
る。カソード44内には永久磁石が取り付けられており、
放電はマグネトロンスパッタリング方式である。スパッ
タ室35内にガス導入口37より流量計36にて所定の流量比
に制御されたアルゴンガスを流し、所定の圧力に調整し
た後、カソード44にRF電力を印加し放電を開始する。マ
ッチング回路45で所定のスパッタ電力で10分程度スパッ
タリングした後、ロードロック室31よりトレー42をスパ
ッタ室35内に送り込む。トレー42がターゲット43上を所
定の速度で通過する間に、トレー42に載置された基板41
表面にタンタル薄膜が堆積し、アンロードロック室48内
に送り込まれ格納される。なお製膜は、トレー42をスパ
ッタ室35内の所望の位置に止めたままで行うこともでき
る。
FIG. 2 shows an overview of an in-line type sputtering apparatus used for producing a tantalum metal thin film for the gate electrode 12. As shown in FIG. This apparatus includes a load lock chamber 31 for storing a tray 42 on which a substrate 41 before film formation is placed, a sputter chamber 35 for performing film formation, and an unload lock chamber 48 for storing the tray 42 after film formation. It is configured. The sputter chamber 35, the load lock chamber 31, and the unload lock chamber 48 are separated by gate valves 34 and 47, respectively.
This can be performed while maintaining 35 in a vacuum state. A cathode 44 is mounted in the sputtering chamber 35, and a tantalum metal target 43 is bonded on the cathode 44. A permanent magnet is attached inside the cathode 44,
The discharge is a magnetron sputtering method. An argon gas controlled at a predetermined flow rate is flowed from a gas inlet 37 into a sputtering chamber 35 by a flow meter 36 to adjust the pressure to a predetermined pressure. Then, RF power is applied to the cathode 44 to start discharging. After sputtering is performed for about 10 minutes with a predetermined sputtering power in the matching circuit 45, the tray 42 is sent from the load lock chamber 31 into the sputtering chamber 35. While the tray 42 passes over the target 43 at a predetermined speed, the substrate 41 placed on the tray 42
A tantalum thin film is deposited on the surface, sent into the unload lock chamber 48 and stored. The film formation can be performed while the tray 42 is stopped at a desired position in the sputtering chamber 35.

第2図に示したインライン型スパッタリング装置を用
いて第1図のゲート電極12に用いるタンタル金属薄膜を
作製し、そのX線(CuKα)回折ピーク強度を測定した
結果を第3表に示す。同図(a)はトレー42を移動させ
ながら製膜した場合、同図(b)は比較のためトレー42
をカソード44直上に停止させたまま製膜した場合の、各
々のタンタル薄膜のX線回折ピークである。製膜条件は
同図(a),(b)両者の場合とも、アルゴンガス流量
80SCCM,スパッタ圧力10mTorr,RF電力2.0kW,基板温度200
℃とした。同図(a)はトレー搬送速度を、また同図
(b)はスパッタリング時間を制御することによって、
両者ともタンタル薄膜の厚さを80nmとした。図に明らか
なように、同図(b)のタンタル薄膜は33.4度付近にピ
ークを持つβ相(002)面のみからなる結晶であるのに
対して、同図(a)のタンタル薄膜は33.4度付近と38.2
度付近とに二つのピークを持つ異なる結晶構造が混在し
た膜となっている。38.2度付近のピークはタンタルのα
相(110)面のピークのみ、若しくはα相(110)面とβ
相の配向性の異なる面のピークが重なっているものと考
えられる。
A tantalum metal thin film used for the gate electrode 12 shown in FIG. 1 was prepared using the in-line type sputtering apparatus shown in FIG. 2, and the X-ray (CuKα) diffraction peak intensity was measured. FIG. 7A shows a case where a film is formed while moving the tray 42, and FIG.
7 shows the X-ray diffraction peaks of each tantalum thin film when the film was formed while the film was stopped immediately above the cathode 44. The film formation conditions are the same as those shown in FIGS.
80SCCM, sputtering pressure 10mTorr, RF power 2.0kW, substrate temperature 200
° C. FIG. 3A shows the tray conveyance speed, and FIG. 3B shows the sputtering time by controlling the sputtering time.
In both cases, the thickness of the tantalum thin film was set to 80 nm. As is clear from the figure, the tantalum thin film in FIG. 4B is a crystal consisting of only the β phase (002) plane having a peak near 33.4 degrees, whereas the tantalum thin film in FIG. Degree and 38.2
It is a film in which different crystal structures having two peaks near the degree are mixed. The peak around 38.2 degrees is the tantalum α
Phase (110) plane only, or α phase (110) plane and β
It is considered that the peaks of the planes having different phase orientations overlap.

上記の異なる結晶構造に有する同図(a),同図
(b)2種のタンタル薄膜について、それぞれの薄膜表
面に陽極酸化(化成)法を用いて酸化タンタル薄膜を形
成した。陽極酸化は、0.1規定、50℃の蓚酸溶液を用
い、電流密度0.5mA/cm2、化成電圧110Vの定電流化成を
行い、引続き110Vで定電圧化成を行なってタンタル薄膜
表面に厚さ200nmの酸化タンタル薄膜を形成した。この
時の下地タンタル薄膜の厚さは100nmである。TFTを構成
する前にその絶縁体薄膜としての基本特性を調べるた
め、形成した酸化タンタル薄膜上に各々厚さ100nmのア
ルミニウム電極を蒸着し、電流−電圧特性を測定した。
その結果を第4図に示す。図に明らかなように、β相の
みのタンタル金属を陽極酸化して形成した酸化タンタル
膜同図(b)に比べて、異なる結晶構造の混在したタン
タル金属の陽極酸化して形成した酸化タンタル膜同図
(a)の方が、2MV/cmの電界強度において3桁以上リー
ク電流が低減されている。
With respect to the two kinds of tantalum thin films having the different crystal structures described above, a tantalum oxide thin film was formed on each thin film surface by anodization (chemical formation). Anodization is performed using a 0.1N, 50 ° C. oxalic acid solution, a current density of 0.5 mA / cm 2 , a constant current formation of a formation voltage of 110 V, and then a constant voltage formation of 110 V to form a 200 nm thick tantalum thin film on the surface. A tantalum oxide thin film was formed. At this time, the thickness of the underlying tantalum thin film is 100 nm. Before forming a TFT, a 100 nm thick aluminum electrode was deposited on the formed tantalum oxide thin film and its current-voltage characteristics were measured in order to examine its basic characteristics as an insulator thin film.
The result is shown in FIG. As is apparent from the figure, the tantalum oxide film formed by anodizing the tantalum metal having only the β phase is different from the same figure (b). The tantalum oxide film formed by anodizing the tantalum metal having different crystal structures. FIG. 3A shows that the leakage current is reduced by three digits or more at an electric field strength of 2 MV / cm.

上述した結晶構造の混在したタンタル金属を陽極酸化
して得られる酸化タルタル薄膜を、第1図に示したゲー
ト絶縁膜13に適用した結果を以下に示す。まず第3図
(a)で説明したタンタル金属膜を製膜するスパッタリ
ング条件で、結晶構造の混在した厚さ180nmのタンタル
金属膜を絶縁性基板11上に製膜し、ウェットエッチング
法によりストライプ状のゲート電極12を形成した。次に
前述した陽極酸化法の条件でタンタル金属膜の表面に厚
さ200nmの酸化タンタルゲート絶縁膜13を形成した後、
前述したプロセスで第1図に示したTFTを作製した結
果、従来に比べて大幅なオン・オフ比の向上がみられ
た。
The result of applying the tantalum oxide thin film obtained by anodizing the above-described tantalum metal having a mixed crystal structure to the gate insulating film 13 shown in FIG. 1 is shown below. First, under the sputtering conditions for forming a tantalum metal film described with reference to FIG. 3A, a 180 nm-thick tantalum metal film having a mixed crystal structure is formed on the insulating substrate 11, and is formed into a stripe shape by wet etching. The gate electrode 12 was formed. Next, after forming a tantalum oxide gate insulating film 13 having a thickness of 200 nm on the surface of the tantalum metal film under the conditions of the anodic oxidation method described above,
As a result of manufacturing the TFT shown in FIG. 1 by the above-described process, a significant improvement in the on / off ratio was observed as compared with the conventional case.

38.2度付近のX線回折ピーク強度(Phとする)と33.4
度付近のX線回折ピーク強度(P1とする)の比Ph/P1
製膜条件により異なるが、上に述べたトレーを搬送しな
がら製膜する方法では、5インチ×15インチ角のターゲ
ットを用いた場合、スパッタ電力が2〜5kW、アルゴン
ガス圧力が5〜40mTorr、アルゴンガス流量が30〜100SC
CM、基板温度が室温〜350℃の範囲内で、第3図
(c),(d)にその一例を示した様な、二つのX線回
折ピークの現れる結晶構造の混在したタンタル金属薄膜
が得られた。第3図(a)は、回析ピーク強度比Ph/P1
が約1になっているが、第3図(c),(d)に示した
ような回折ピーク強度比が1でない金属薄膜でも、強度
比Ph/P1が0.5以上10以下であればリーク電流を2桁以上
低くすることができた。
38.2 ° X-ray diffraction peak intensity in the vicinity (and P h) and 33.4
The ratio P h / P 1 of the X-ray diffraction peak intensity in the vicinity of degrees (the P 1) may vary depending on film forming conditions, the method of forming a film while conveying the trays mentioned above, 5 inches × 15 inches square When the target is used, the sputtering power is 2 to 5 kW, the argon gas pressure is 5 to 40 mTorr, and the argon gas flow rate is 30 to 100 SC.
When the CM and the substrate temperature are in the range of room temperature to 350 ° C., a tantalum metal thin film having a mixed crystal structure in which two X-ray diffraction peaks appear as shown in FIGS. 3 (c) and (d) is shown. Obtained. Figure 3 (a) is, diffraction peak intensity ratio P h / P 1
Although but has become about 1, FIG. 3 (c), the diffraction peak intensity ratio as shown in (d) of even a metal thin film is not 1, the intensity ratio P h / P 1 is equal to 0.5 to 10 The leakage current was reduced by two digits or more.

実施例2 第5図は、本発明の金属酸化物薄膜を第1絶縁体層と
して応用した、薄膜EL(TFEL)素子の断面模式図であ
る。第5図において、61は透光性の絶縁性基板、62はス
ズ添加酸化インジウム(ITO)よりなる透明導電膜をス
トライプ状に形成した透明電極である。透明電極62上に
は第1絶縁体層63として、チタン酸ジルコン酸ストロン
チウム酸化膜(Sr(TixZr1-x)O3)がスパッタリング法
により製膜されている。第1絶縁体層63上には共蒸着法
により製膜されたマンガン添加硫化亜鉛薄膜よりなるEL
発光体層64が形成され、真空中450℃で1時間の熱処理
を施した後、さらにEL発光体層64上に第2絶縁体層65が
形成されている。本実施例では、この第2絶縁体層65と
して本発明にかかる金属酸化物薄膜を用いた。第2絶縁
体層65上には、背面電極66が形成されている。背面電極
66は、第2絶縁体層65上の全面に真空蒸着法で製膜した
アルミニウム薄膜を、透明電極62と直交する方向のスト
ライプ状に加工して形成した。
Example 2 FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a thin film EL (TFEL) device using the metal oxide thin film of the present invention as a first insulator layer. In FIG. 5, reference numeral 61 denotes a light-transmitting insulating substrate, and 62 denotes a transparent electrode in which a transparent conductive film made of tin-added indium oxide (ITO) is formed in a stripe shape. On the transparent electrode 62, a strontium titanate zirconate oxide film (Sr (Ti x Zr 1-x ) O 3 ) is formed as a first insulator layer 63 by a sputtering method. EL comprising a manganese-added zinc sulfide thin film formed by a co-evaporation method on the first insulator layer 63
After the light emitting layer 64 is formed and subjected to a heat treatment at 450 ° C. for 1 hour in a vacuum, a second insulator layer 65 is further formed on the EL light emitting layer 64. In this embodiment, the metal oxide thin film according to the present invention is used as the second insulator layer 65. On the second insulator layer 65, a back electrode 66 is formed. Back electrode
Reference numeral 66 denotes an aluminum thin film formed on the entire surface of the second insulator layer 65 by a vacuum evaporation method and processed into a stripe shape in a direction orthogonal to the transparent electrode 62.

本実施例にかかる第2絶縁体層65の形成は以下の方法
で行った。まずEL発光体層64上の全面に、第1の実施例
中の第2図で説明したインライン型スパッタリング装置
を用いて厚さ120nmのタンタル金属薄膜を製膜した。ス
パッタリング条件は、アルゴンガス流量60SCCM,スパッ
タ圧力20mTorr,RF電力1.5kW、基板温度200℃とした。こ
のタンタル薄膜を全て陽極酸化することにより、厚さ30
0nmの酸化タンタル薄膜を形成し第2誘電体層65とし
た。陽極酸化は、0.1規定,50℃のクエン酸水溶液を用い
170Vで定電流化成を行い、引続き170Vで定電圧化成を行
った。このようにして形成した酸化タンタル薄膜を第2
絶縁体層65に用いた上記薄膜EL素子と、駆動電圧250Vで
駆動したところ、絶縁破壊のない良好な駆動を行うこと
ができた。
The formation of the second insulator layer 65 according to the present embodiment was performed by the following method. First, a tantalum metal thin film having a thickness of 120 nm was formed on the entire surface of the EL light emitting layer 64 by using the in-line type sputtering apparatus described in FIG. 2 in the first embodiment. The sputtering conditions were an argon gas flow rate of 60 SCCM, a sputtering pressure of 20 mTorr, an RF power of 1.5 kW, and a substrate temperature of 200 ° C. By anodizing all of this tantalum thin film, a thickness of 30
A tantalum oxide thin film of 0 nm was formed to form a second dielectric layer 65. Anodizing is performed using a 0.1N, 50 ° C citric acid aqueous solution.
Constant current formation was performed at 170 V, and then constant voltage formation was performed at 170 V. The tantalum oxide thin film thus formed is
When the thin-film EL element used for the insulator layer 65 was driven at a driving voltage of 250 V, good driving without dielectric breakdown could be performed.

以上のようにこれら実施例1、及び2によれば、基板
がプラズマ状態の異なる領域を移動しながらタンタル金
属を堆積していくため、得られるタンタル金属薄膜の結
晶構造には、α相とβ相の混在や、配向性の異なるβ相
の混在が観測される。この様な異なる結晶構造の混在し
た膜では、各々の結晶粒の粒成長が起こりにくく、第6
図(a)に模式的に示したように多数の微結晶の集合を
なって結晶粒界が複雑に入り組んだ構造となっており、
また緻密で表面平坦性の優れた膜になっている。一方粒
成長が進んで単一の結晶構造のみで構成された膜では、
第6図(b)に模式的に示したように結晶粒界が連続的
な面になり易く、また表面の凹凸が激しい。これらの膜
を陽極酸化した場合、例えば結晶粒界に析出した不純
物、或はその酸化物などによって、結晶粒界のあった部
分に抵抗の低い面が生じてしまう。この時、結晶粒が良
く成長した第6図(b)の様な金属膜を酸化した膜で
は、酸化膜の両面を挟む電極間を結ぶ、結晶粒界により
生じた抵抗の低い面が非常に狭くなるため、或は結晶粒
が大きく成長しているため、酸化したときに結晶粒界に
微少な割れ(マイクロクラック)が生じ、その結果マイ
クロクラックを通してリーク電極が流れてしまう。さら
に表面の平坦性が悪いため、電極との界面での局部的な
電界集中によりリーク電流が生じ、また絶縁破壊を起こ
し易くなる。
As described above, according to the first and second embodiments, the tantalum metal is deposited while the substrate moves in different regions of the plasma state. Therefore, the crystal structure of the obtained tantalum metal thin film has an α phase and a β phase. A mixture of phases and a mixture of β phases having different orientations are observed. In a film in which such different crystal structures are mixed, the crystal growth of each crystal grain hardly occurs.
As schematically shown in FIG. 1A, a structure in which a large number of microcrystals are aggregated and the crystal grain boundaries are complicated and intricate,
Further, the film is dense and has excellent surface flatness. On the other hand, in a film composed of only a single crystal structure with grain growth progressing,
As shown schematically in FIG. 6 (b), the crystal grain boundaries tend to be continuous, and the surface has severe irregularities. When these films are anodically oxidized, a low-resistance surface is generated at a portion where the crystal grain boundaries exist due to impurities precipitated at the crystal grain boundaries or oxides thereof. At this time, in the film obtained by oxidizing the metal film as shown in FIG. 6 (b) in which the crystal grains have grown well, the surface having low resistance generated by the crystal grain boundaries connecting the electrodes sandwiching both surfaces of the oxide film is very small. Due to the narrowing or the large growth of crystal grains, when oxidized, minute cracks (microcracks) occur at the crystal grain boundaries, and as a result, the leak electrode flows through the microcracks. Further, since the surface is poor in flatness, a local electric field concentration at the interface with the electrode causes a leakage current, and dielectric breakdown easily occurs.

これに対して、異なる結晶構造の混在した第6図
(a)の様な金属膜では多数の微結晶の集合体となって
結晶粒界が複雑に入り組んでいるため、酸化した膜の両
面を挟む、電極間を結ぶ結晶粒界を酸化した面が非常に
広くまた断続的になっているため、第6図(b)の場合
の様に抵抗の低い面ができにくい。また結晶粒が小さく
緻密な膜のため、酸化してもマイクロクラックが生じに
くい。その結果リーク電流を非常に小さく抑えることが
できると考えられる。
On the other hand, in a metal film as shown in FIG. 6 (a) in which different crystal structures are mixed, a large number of microcrystals are aggregated, and the crystal grain boundaries are complicated and complicated. Since the interposed and oxidized surface of the crystal grain boundary connecting the electrodes is very wide and intermittent, it is difficult to form a low resistance surface as in the case of FIG. 6 (b). In addition, since the film is small and has a small crystal grain, microcracks hardly occur even when oxidized. As a result, it is considered that the leak current can be extremely reduced.

なお以上の実施例においては金属酸化物薄膜としてタ
ンタル金属の酸化物薄膜を用いたが、本発明における主
要な技術は、金属薄膜からその表面を酸化することによ
って絶縁性金属酸化物薄膜を形成する際に、種々の異な
る結晶構造の混在した金属薄膜を用いることにある。従
って、用いる金属はタンタル金属に限られるものではな
く、チタン,ニオブ,アルミニウム,イットリウム,ジ
リコニウム,ハフニウム等、表面酸化法により金属酸化
物薄膜を形成することのできる金属であれば、どの金属
を用いた場合でも同等の効果が得られる。また以上の実
施例では、金属薄膜を製膜する方法としてスパッタリン
グ法を用いたが、上述のような2種以上の異なる結晶構
造が混在し、厚み方向に複数の結晶粒界を有する金属薄
膜を作製する方法はスパッタリング法に限られるもので
はないことは言うまでもない。さらに以上の実施例で
は、金属薄膜を酸化する方法として陽極酸化法を用いた
が、酸素プラズマ中でのプラズマ陽極酸化等も用いるこ
とができる。電解質溶液も実施例では、蓚酸,燐酸,ク
エン酸を用いたが、これに限定されるものではなく、硝
酸,硫酸,ホウ酸などの酸の水溶液ばかりでなく、ホウ
酸アンモニウムなど中性の塩の溶液でもよい。
In the above embodiments, a tantalum metal oxide thin film was used as the metal oxide thin film, but the main technique in the present invention is to form an insulating metal oxide thin film by oxidizing the surface of the metal thin film. In this case, the present invention uses a metal thin film in which various different crystal structures are mixed. Therefore, the metal to be used is not limited to tantalum metal, and any metal that can form a metal oxide thin film by a surface oxidation method, such as titanium, niobium, aluminum, yttrium, zirconium, and hafnium, can be used. The same effect can be obtained even if there is. In the above embodiments, the sputtering method was used as a method of forming a metal thin film. However, a metal thin film having a mixture of two or more different crystal structures as described above and having a plurality of crystal grain boundaries in the thickness direction was used. It goes without saying that the manufacturing method is not limited to the sputtering method. Further, in the above embodiments, the anodic oxidation method is used as a method for oxidizing the metal thin film, but plasma anodic oxidation in oxygen plasma or the like can also be used. Although oxalic acid, phosphoric acid, and citric acid were used in the examples, the electrolyte solution was not limited to this. Not only an aqueous solution of an acid such as nitric acid, sulfuric acid, and boric acid, but also a neutral salt such as ammonium borate was used. May be used.

発明の効果 以上説明したように、本発明によれば、2種以上の異
なる結晶構造、或は配向性の異なる結晶構造が混在し、
厚み方向に複数の結晶粒界を有する金属薄膜の表面から
少なくとも前記金属薄膜の厚み方向の一部を酸化して金
属酸化物薄膜を形成することにより、大面積にわたり無
欠陥で、リーク電流が従来に比べ2〜3桁低減され、絶
縁性の優れた金属酸化物薄膜を提供することができ、そ
の実用的効果は大きい。
Effect of the Invention As described above, according to the present invention, two or more different crystal structures or crystal structures having different orientations are mixed,
By oxidizing at least a part of the metal thin film in the thickness direction from the surface of the metal thin film having a plurality of crystal grain boundaries in the thickness direction to form a metal oxide thin film, there is no defect over a large area and the leakage current is low. , A metal oxide thin film having excellent insulation properties can be provided, and its practical effect is great.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の第1の実施例におけるアクティブマト
リックス型LCDの液晶駆動部の断面図、第2図は実施例
1、および2のタンタル金属薄膜の作製に用いたインラ
イン型スパッタリング装置の概略図、第3図は同実施例
のタンタル金属薄膜のX線回折パターン図、第4図は陽
極酸化法により形成した酸化タンタル薄膜の電流−電圧
特性図、第5図は薄膜EL素子の断面図、第6図はタンタ
ル金属薄膜の断面図である。 11……絶縁性基板、12……ゲート電極、13……一層目の
ゲート絶縁膜、14……二層目のゲート絶縁膜、15……半
導体層、16……エッチングストッパー層、17……オーミ
ックコンタクト層、18……ソース電極、19……ドレイン
電極、61……絶縁性基板、62……透明電極、63……第1
誘電体層、64……EL発光体層、65……第2誘電体層、66
……背面電極。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a liquid crystal drive section of an active matrix type LCD according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic view of an in-line type sputtering apparatus used for producing the tantalum metal thin films of the first and second embodiments. FIG. 3, FIG. 3 is an X-ray diffraction pattern diagram of the tantalum metal thin film of the embodiment, FIG. 4 is a current-voltage characteristic diagram of the tantalum oxide thin film formed by the anodic oxidation method, and FIG. FIG. 6 is a sectional view of a tantalum metal thin film. 11 ... insulating substrate, 12 ... gate electrode, 13 ... first layer gate insulating film, 14 ... second layer gate insulating film, 15 ... semiconductor layer, 16 ... etching stopper layer, 17 ... Ohmic contact layer, 18 Source electrode, 19 Drain electrode, 61 Insulating substrate, 62 Transparent electrode, 63 First
Dielectric layer, 64 EL light emitting layer, 65 Second dielectric layer, 66
…… Back electrode.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松永 浩二 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 松岡 富造 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−185052(JP,A) 特開 昭54−73064(JP,A) 特開 昭58−74079(JP,A) 特開 昭59−141271(JP,A) ──────────────────────────────────────────────────の Continuing on the front page (72) Koji Matsunaga, Inventor 1006 Kazuma Kadoma, Kadoma City, Osaka Prefecture Inside Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (56) References JP-A-63-185052 (JP, A) JP-A-54-73064 (JP, A) JP-A-58-74079 (JP, A) JP-A-59-141271 (JP, A)

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】2種以上の異なる結晶構造或は配向性の異
なる結晶構造が混在して厚み方向に複数の結晶粒界を有
する金属薄膜の表面から少なくとも前記金属薄膜の厚み
方向の一部を酸化したことを特徴とする金属酸化物薄
膜。
1. A method in which two or more different crystal structures or crystal structures having different orientations are mixed and at least a part of the metal thin film in the thickness direction is separated from the surface of the metal thin film having a plurality of crystal grain boundaries in the thickness direction. A metal oxide thin film characterized by being oxidized.
【請求項2】金属薄膜が、β相とα相、或は配向性の異
なるβ相などの2種以上の結晶構造が混在して厚み方向
に複数の結晶粒界を有するタンタル金属薄膜であること
を特徴とする請求項(1)記載の金属酸化物薄膜。
2. The metal thin film is a tantalum metal thin film having a plurality of crystal grain boundaries in the thickness direction in which two or more kinds of crystal structures such as β phase and α phase or β phase having different orientations are mixed. The metal oxide thin film according to claim 1, wherein:
【請求項3】基板上に2種以上の異なる結晶構造或は配
向性の異なる結晶構造が混在して厚み方向に複数の結晶
粒界を存在する金属薄膜を形成する工程と、前記金属薄
膜の表面から少なくとも前記金属薄膜の厚み方向の一部
を陽極酸化する工程とを含むことを特徴とする金属酸化
物薄膜の製造方法。
3. A step of forming a metal thin film in which two or more different crystal structures or crystal structures having different orientations coexist on a substrate and a plurality of crystal grain boundaries exist in a thickness direction; Anodizing at least a part of the metal thin film in the thickness direction from the surface.
【請求項4】金属薄膜が、β相とα相、或は配向性の異
なるβ相などの2種以上の結晶構造が混在して厚み方向
に複数の結晶粒界を有するタンタル金属薄膜であること
を特徴とする請求項(3)記載の金属酸化物薄膜の製造
方法。
4. The metal thin film is a tantalum metal thin film having a plurality of crystal grain boundaries in a thickness direction in which two or more types of crystal structures such as β phase and α phase or β phase having different orientations are mixed. The method for producing a metal oxide thin film according to claim 3, wherein:
【請求項5】2種以上の異なる結晶構造或は配向性の異
なる結晶構造が混在して厚み方向に複数の結晶粒界を有
する金属薄膜の表面から少なくとも前記金属薄膜の厚み
方向の一部を酸化した金属酸化物薄膜を用いたことを特
徴とする電子装置。
5. A method in which two or more different crystal structures or crystal structures having different orientations are mixed and at least a part of the metal thin film in the thickness direction is separated from the surface of the metal thin film having a plurality of crystal grain boundaries in the thickness direction. An electronic device comprising an oxidized metal oxide thin film.
【請求項6】金属酸化物薄膜と、薄膜トランジスタを有
する構造を含むことを特徴とする請求項(5)記載の電
子装置。
6. The electronic device according to claim 5, further comprising a structure having a metal oxide thin film and a thin film transistor.
【請求項7】金属酸化物薄膜と、薄膜EL表示素子を含む
ことを特徴とする請求項(5)記載の電子装置。
7. The electronic device according to claim 5, further comprising a metal oxide thin film and a thin film EL display element.
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JP2562588B2 (en) * 1987-01-28 1996-12-11 三井金属鉱業株式会社 Tantalum metal thin film circuit

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